Оптоэлектронный модуль

Полезная модель относится к квантовой электронике и может быть использована для передачи или приема цифровых данных в волоконно-оптических линиях связи ответственного назначения при жестких условиях эксплуатации, в измерительном оборудовании, в системах промышленной автоматики и т.д.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является оптический модуль, включающий оптоэлектронный элемент, установленный по оси распространения излучения, линзу, помещенную на фокусном расстоянии перед рабочей площадкой оптоэлектронного элемента, и металлические контакты, отличающийся тем, что модуль снабжен металлическим герметичным корпусом, заполненным защитной средой, в котором размещена многослойная печатная плата, на которой установлены электронные компоненты, многослойная печатная плата соединена с оптоэлектронным элементом, размещенным в дополнительном металлическом герметичном корпусе, при этом оптоэлектронный элемент является составной частью оптической головки, интегрированной в корпус модуля, оптическая головка имеет на торце оптический разъем и снабжена керамическим центратором (RU, патент на полезную модель №155668, кл. G02B 6/42, 2014 г.).
Недостатками известного оптического модуля являются возникновение дополнительного оптического стыка, приводящее к увеличению уровня обратных отражений в оптической линии, необходимость располагать оптический модуль непосредственно на передней стенке аппаратуры и соответственно строить всю конфигурацию аппаратуры передачи данных. А также невозможность оперативного обслуживания оптического стыка в части защиты и удаления загрязнений, значительно ухудшающих его оптические параметры. Кроме этого, применение промежуточного оптического шнура резко увеличивает габариты изделия в составе аппаратуры (минимально на удвоенную длину оптического коннектора типа FC) и усложняет конструкцию, снижая ее надежность и стойкость к спецфакторам.
Технический результат, на достижение которого направлено настоящее техническое решение, заключается в устранении указанных недостатков и создании оптоэлектронного модуля, допускающего произвольную внутреннюю компоновку аппаратуры передачи данных. При этом обеспечивается снижение массо-габаритных характеристик оптоэлектронного модуля, упрощение конструкции, улучшение оптических параметров и удобства пользования модулем, а также увеличивается механическая прочность конструкции и стойкость к ударно-вибрационным нагрузкам.
Указанный технический результат достигается тем, что в оптоэлектронном модуле, включающем оптоэлектронный элемент, установленный по оси распространения излучения, линзу, помещенную на фокусном расстоянии перед рабочей площадкой оптоэлектронного элемента, и металлические контакты, модуль снабжен металлическим корпусом, в котором размещена многослойная печатная плата, на которой установлены электронные компоненты, многослойная печатная плата соединена с оптоэлектронным элементом, размещенным в дополнительном металлическом корпусе, при этом оптоэлектронный элемент является составной частью оптической головки, интегрированной в корпус модуля, согласно полезной модели, оптическая головка имеет неразборное соединение с оптическим волокном, при этом печатная плата изготовлена из высокочастотного материала с диапазоном рабочих частот не более 25 ГГц, причем печатная плата включает электронные компоненты типоразмерного ряда не более 2512.
Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что печатная плата может быть изготовлена из высокочастотного материала класса ULTRALAM 2000.
Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что печатная плата может быть изготовлена из высокочастотного материала класса RF4.
Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что оптическое волокно может быть помещено в защитную оболочку.
А также тем, что неразборное соединение может быть выполнено пайкой или клеевым.
Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что металлический корпус может быть выполнен герметичным.
Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что дополнительный металлический корпус оптоэлектронного элемента может быть выполнен герметичным.
А также тем, что металлический корпус может быть заполнен защитной средой.
Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что в качестве защитной среды используют контролируемую газовую среду.
Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что в качестве газовой среды используют осушенный чистый азот.
Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что в качестве газовой среды используют аргон.
Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что в качестве газовой среды используют смесь азота и аргона в произвольном соотношении. Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что в качестве газовой среды используют осушенный атмосферный воздух.
Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что в качестве газовой среды используют фреоны.
Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что в качестве защитной среды используется диэлектрический компаунд.
Оптоэлектронный модуль имеет оптический узел сопряжения с предустановленным оптическим волокном, не чувствительным к микроизгибам - по международной классификации ITU-T G.652 либо G.657. Данное оптическое волокно может быть помещено в различные защитные оболочки - Buffer 0.9 мм, Simplex 2.0 мм, Simplex 3.0 мм, либо оболочку с металлической броней, имеющие различные сочетания прочности и гибкости в зависимости от требований эксплуатации.
Оптический кабель может быть оконцован любым оптическим коннектором или может быть соединен с внешними линиями связи путем сварки оптического волокна.
За счет применения микрокомпонентов для юстировки и крепления оптического кабеля могут быть значительно уменьшены размеры самого оптического модуля - не менее чем на 15%.
За счет уменьшения габаритов оптического модуля, улучшения оптических и электрических параметров и улучшения согласования с внешними линиями связи максимальная скорость передачи данных увеличена до 11 Гбит/с.
За счет уменьшения габаритов модуля и массы узла стыковки с внешней оптической линией связи увеличивается механическая прочность конструкции и стойкость к ударно-вибрационным нагрузкам.
На фиг. 1 изображен общий вид оптического модуля;
на фиг. 2 изображена передающая оптическая головка;
на фиг. 3 изображена приемная оптическая головка;
на фиг. 4 изображено металлостеклянное основание.
Оптоэлектронный модуль включает металлический корпус 1, который может быть выполнен герметичным, выполненный из коррозионностойкого металла, например конструкционной нержавеющей стали 08X18Н9 ГОСТ 5632-72 или аналогичного материала толщиной от 0,1 до 10 мм. Герметизация достигается путем применения импульсной лазерной сварки в среде защитного газа для соединения всех деталей корпуса.
Внутри корпуса 1 располагается многослойная печатная плата 2 (МПП - печатная плата, состоящая из чередующихся проводящих и непроводящих слоев, имеющих заданный рисунок каждого слоя, соединенных в соответствии с электрической схемой печатного узла) из высокочастотного материала типа ULTRALAM 2000, RF4 или аналогичных с диапазоном рабочих частот не более 25 ГГц, либо резистивно-коммутационная плата на основе керамической подложки с установленными на ней SMD компонентами и интегральными микросхемами 3.
Для присоединения к внешним волоконно-оптическим линиям связи (ВОЛС) служит оптический узел, представляющий собой неразборное соединение оптической головки 4 с оптическим волокном 5, оснащенный любым совместимым со стандартными оптическими коннекторами соединителем с полировкой UPC или АРС, либо имеющий отрезок оптического волокна для соединения методом сварки. Данная оптическая головка 4 интегрирована в конструкцию корпуса 1 оптического модуля путем неразборного соединения, например, с помощью лазерной сварки, пайки или клеевого соединения, по окружности сопрягаемой поверхности 6.
Дополнительной защитой от внешних воздействующих факторов является помещение оптоэлектронного элемента 7 (источника лазерного излучения или фотодиода) в отдельный корпус 8, снабженный первичной фокусирующей линзой 9. Корпус 8 может быть выполнен герметичным.
Воспроизводимость параметров оптического стыка достигается тем, что в конструкции оптического узла, состоящего из несущего корпуса 10, методом лазерной сварки фиксируется корпус 8 оптоэлектронного элемента 7, источника лазерного излучения или фотодиода, на который установлена первичная фокусирующая линза 9, в фокусе которого располагается торец оптического волокна 5, имеющего угловую полировку или сферическую полировку. Фиксация оптического волокна 5 осуществляется с помощью специального припоя или клея внутри керамической ферулы 11, для защиты оптического волокна 5 используется защитная оболочка 12 диаметром 0,9 мм, 2,0 мм, 3,0 мм или другого диаметра, для фиксации которой используется втулка 13 или 18, которая может быть заполнена клеевым компаундом.
Применение металлостеклянного основания 19 с нормируемым волновым сопротивлением электрических выводов, изготовленного из сплава 29НК по ГОСТ 10994-74 или его аналога, с проволочными выводами 20, установленными в стеклянных изоляторах 21, позволяет достичь высокого согласования по частотным характеристикам с внешними линиями связи, от источников и к приемникам цифровых данных, а также его совместимость с другими электронными компонентами для поверхностного монтажа.
Внутри корпуса 1 оптического модуля может помещаться под избыточным давлением до 4,5 атм. (441,3 кПа) контролируемая газовая среда - осушенный чистый азот или аргон, их смесь в произвольном соотношении, или осушенный атмосферный воздух, или фреон типа трифториодметан. Инвариантно применяется заливка диэлектрическим компаундом, что позволяет улучшить охлаждение внутренних электронных компонентов и увеличить стойкость к повышенному/пониженному атмосферному давлению, включая космический вакуум, а также предотвращает попадание вовнутрь влаги, кислорода и иных окислителей, исключает выделение вредных примесей при эксплуатации в составе гермомодулей радиоэлектронной аппаратуры.
Оптоэлектронный модуль работает следующим образом.
При конвертации электронного сигнала в оптический первоначальный электронный сигнал через внешние электрические выводы 20 основания 19 корпуса 1 поступает в схему согласования с внешней линией связи (буферное устройство, входящее в состав микросхемы 3), затем в систему модуляции тока накачки (также входящую в состав микросхемы 3), лазерного диода или светодиода, входящего в состав оптоэлектронного элемента 7. Одновременно с этим напряжение питания поступает в источник опорного напряжения и из него в систему модуляции и другие компоненты системы, входящие в состав микросхемы 3. Для обеспечения стабильности выходной оптической мощности в модуле используется система обратной связи, реализованная в виде фотодиода обратной связи оптоэлектронного элемента 7, установленного непосредственно в корпусе 8, и модуля стабилизации тока накачки, входящего в состав микросхемы 3. Стабилизированный ток накачки через модулятор, входящий в состав микросхемы 3, поступает на лазерный диод или светодиод, являющиеся частью оптоэлектронного элемента 7, вызывая генерацию оптического излучения, оптическая мощность которого пропорциональна протекающему току. Таким образом, модулированному по амплитуде электрическому сигналу соответствует выходной оптический сигнал, модулированный по интенсивности (выходной оптической мощности). В качестве дополнительных систем в конструкции оптоэлектронного модуля могут устанавливаться элементы коммутации тока накачки и контроля работоспособности отдельных компонентов схемы. Для присоединения к внешней волоконно-оптической линии связи используется патчкорд, состоящий из отрезка оптического волокна 5, которое может быть помещено в защитную оболочку 12. Оптическое волокно 5 в точке стыковки с ВОЛС может быть оснащено любым оптическим соединителем или может быть зачищено для сварного соединения.
Конструкция пигтелированного оптического узла передающего оптического модуля состоит из самого оптоэлектронного элемента 7, имеющего собственный корпус 8, помещенный в базовый корпус 10, к которому методом сварки устанавливается присоединительная втулка 17. Для юстировки торца оптического волокна используются котировочные втулки 15, 13, 16 и 14. Дополнительно втулки 13 и 14 являются фиксаторами оптического изолятора 11, в который вклеено оптическое волокно 5.
При конвертации оптического сигнала в электрический исходный оптический сигнал с внешней волоконно-оптической линии связи через пачкорд, состоящий из отрезка оптического волокна 5, которое может быть помещено в защитную оболочку 12, и присоединяемый в точке стыковки с ВОЛС любым оптическим соединителем или сварным соединением, поступает в оптоэлектронный модуль 7, помещенный в корпус 8, в который интегрирована первичная фокусирующая оптика 9. Для юстировки с оптическим волокном используются внешний корпус 10 и керамическая ферула 11, в которой установлено оптическое волокно 5. Оптическое волокно может быть помещено в защитную оболочку 12, которая может фиксироваться клеевым компаундом внутри втулки 13. Торец ферулы 11 с вклеенным волокном, обращенный в сторону оптоэлектронного модуля 7, полируется по классу UPC или АРС. Для присоединения к корпусу 1 приемного оптического модуля на корпус фотодиодной головки устанавливается втулка 17, имеющая установочную плоскость 6 для лазерной сварки.
Оптическое излучение поступает на фотодиод, входящий в состав оптоэлектронного элемента 7 и включенный по схеме прямого смещения. Образующийся при воздействии оптического излучения на фотодиод фототок поступает сначала на трансимпедансный усилитель, далее на селективный фильтр, далее на усилитель-ограничитель и далее на согласователь уровня, входящие в состав микросхемы 3. С выхода согласователя уровня электронный сигнал поступает через внешние электрические выводы 20 основания 19 в линию связи с потребителем. Для электропитания всех систем и компонентов используется источник опорного напряжения. Работу системы фотодетектирования регулирует система автоматической регулировки усиления, получающая данные с трансимпедансного усилителя, одновременно эти данные поступают на детектор уровня и далее в компаратор. На выходе компаратора формируется сигнал соответствия фототока минимально заданному значению, пропорциональному входной оптической мощности, достаточной для достоверной конвертации оптического сигнала в электрический, все данные компоненты входят в состав микросхемы 3 и расположены на МПП 2. В качестве дополнительных систем в конструкции оптоэлектронного модуля могут устанавливаться элементы коммутации выходных электронных сигналов и контроля работоспособности отдельных компонентов схемы.
Таким образом, предложенный оптоэлектронный модуль обладает высокой надежностью за счет обеспечения высокой стойкости к внешним электромагнитным полям, включая воздействие ионизирующего излучения и радиации открытого космического пространства, увеличенным сроком эксплуатации до 25 лет при сроке активного существования 15 лет, обеспечивает высокую степень универсальности подключения к любым типам волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) на основе стандартных оптических соединителей или сварки оптического волокна и отсутствия необходимости применения внешних систем и компонентов для подключения к стандартным источникам и приемникам цифровых данных.
Высокая надежность предложенного оптоэлектронного модуля позволяет эксплуатировать изделие в температурном диапазоне от минус -60 до +85°С в сочетании с ударной нагрузкой до 1000g и широкополосной вибрацией до 2500 Гц при ускорении 10g, высоком уровне внешних электромагнитных полей, включая ионизирующее излучение и радиацию открытого космического пространства.