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 близкими по технической сущности и достигаемому результату являются оптические модули, включающие оптоэлектронные элементы, установленные по оси распространения излучения, линзу, помещенную на фокусном расстоянии перед рабочей площадкой оптоэлектронного элемента, и металлические контакты, оптические модули, снабженные 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: выполнение только одной функции - источника или приемника оптического излучения; необходимость использовать два независимых корпуса значительно увеличивают массо-габаритные показатели аппаратуры двусторонней передачи данных; невозможность применения в одноволоконных линиях связи (Bi-Di или Bidirectional) без использования дополнительных систем волнового уплотнения; значительные материальные и временные затраты, и соответственно, стоимость изготовления полнодуплексного канала связи на раздельных оптоэлектронных модулях.
Технический результат, на достижение которого направлено настоящее техническое решение, заключается в создании оптоэлектронного модуля, совмещающего в себе функции оптического передающего модуля и оптического приемного модуля, а также создание функционально законченного устройства, реализующего возможность волнового разделения прямого и обратного канала передачи данных. Кроме этого - снижение себестоимости оборудования передачи данных и уменьшение его массо-габаритных характеристик.
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, согласно полезной модели, в модуле установлено не менее двух оптоэлектронных элементов, многослойная печатная плата соединена с оптоэлектронными элементами, размещенными в дополнительных металлических корпусах, при этом оптоэлектронные элементы являются составными частями передающей и приемной оптических головок, интегрированных в корпус модуля, 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 передающая оптическая головка может содержать излучающий оптоэлектронный элемент.
Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что излучающий оптоэлектронный элемент может быть выполнен в виде лазерного диода.
Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что излучающий оптоэлектронный элемент может быть выполнен в виде светодиода.
Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что приемная оптическая головка содержит фотоприемный оптоэлектронный элемент.
Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что передающая оптическая головка имеет неразборное соединение с оптическим волокном.
Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что оптическое волокно может быть помещено в защитную оболочку.
Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что неразборное соединение может быть выполнено пайкой.
Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что неразборное соединение может быть выполнено клеевым.
А также тем, что приемная оптическая головка имеет неразборное соединение с оптическим волокном.
А также тем, что волокно может быть помещено в защитную оболочку.
А также тем, что неразборное соединение может быть выполнено пайкой.
А также тем, что неразборное соединение может быть выполнено клеевым.
А также тем, что дополнительные корпуса оптоэлектронных элементов установлены в горизонтальной плоскости параллельно основанию корпуса.
А также тем, что металлический корпус выполнен герметичным.
А также тем, что металлический корпус заполнен защитной средой.
А также тем, что в качестве защитной среды может быть использована газовая среда.
А также тем, что в качестве газовой среды может быть использован осушенный чистый азот.
А также тем, что в качестве газовой среды может быть использован аргон.
А также тем, что в качестве газовой среды может быть использована смесь азота и аргона в произвольном соотношении.
Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что в качестве газовой среды может быть использован атмосферный воздух.
Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что в качестве газовой среды могут быть использованы фреоны.
Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что в качестве защитной среды может быть использован диэлектрический компаунд.
Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что на торце оптической головки установлен оптический разъем типа FC.
Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что на торце оптической головки установлен оптический разъем типа ST.
А также тем, что на торце оптической головки установлен отрезок оптического волокна.
Полезная модель поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 изображен общий вид оптического модуля;
на фиг. 2 изображена оптическая головка;
на фиг. 3 изображен оптический узел с оптическим волокном;
на фиг. 4 изображено металло-стеклянное основание.
Оптоэлектронный модуль включает герметичный металлический корпус 1, выполненный из коррозионно-стойкого металла, например, конструкционной нержавеющей стали 08X18H9 ГОСТ 5632-72 или аналогичного материала толщиной от 0,1 до 10 мм.
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, либо резистивно-коммутационная плата на основе керамической подложки с установленными на ней SMD компонентами и интегральными микросхемами 3.
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.
Печатная плата может быть изготовлена из высокочастотного материала класса ULTRALAM 2000.
Печатная плата может быть изготовлена из высокочастотного материала класса RF4.
Для присоединения к внешним волоконно-оптическим линиям связи (ВОЛС) служат оптические головки 4 или оптический узел 5 с оптическим волокном и совместимые со стандартным оптическим коннектором FC (на чертеже не изображено) или ST (на чертеже не изображено) с полировкой UPC или АРС. Оптические головки интегрированы в конструкцию корпуса 1 оптического модуля путем неразборного соединения с помощью лазерной сварки по окружности сопрягаемой поверхности 6.
В модуле установлено не менее двух оптических головок 4 (приемной и передающей).
Передающая оптическая головка может содержать излучающий оптоэлектронный элемент. Излучающий оптоэлектронный элемент может быть выполнен в виде лазерного диода или светодиода.
Приемная оптическая головка может содержать фотоприемный оптоэлектронный элемент.
Передающая оптическая головка имеет неразборное соединение с оптическим волокном. Неразборное соединение может быть выполнено пайкой, или клеевым.
Приемная оптическая головка имеет неразборное соединение с оптическим волокном. Данное неразборное соединение может быть выполнено пайкой, или клеевым.
Дополнительной защитой от внешних воздействующих факторов является помещение оптоэлектронных элементов 7 в отдельные герметичные корпуса 8, снабженные первичной фокусирующей линзой 9.
Воспроизводимость параметров оптического стыка достигается тем, что в конструкции оптической головки 4 предусмотрены следующие элементы:
- несущая втулка 10, имеющая резьбовую часть и фиксирующий паз, совместимый со стандартом FC TIA 604-4-В, или систему байонетного типа, совместимую со стандартом ST TIA 604-2;
- износостойкий трубчатый центратор 11 из циркониевой керамики с продольным разрезом, позволяющий осуществлять стыковку с ответной частью коннектора FC или ST по классу «тугая посадка» - фиксируется втулкой 12;
- оптический изолятор 13, уменьшающий обратные отражения от источника излучения и улучшающий показатель - соотношение сигнал/шум в ВОЛС;
- система юстировки взаимного положения всех компонентов на основе металлических втулок 14, 15 и 16, фиксируемых между собой с помощью лазерной сварки.
Сочетание данных компонентов и способ их взаимной фиксации позволяет получить высокое качество оптического стыка и воспроизводимость его параметров во всем диапазоне внешних воздействующих факторов. Инвариантно, может быть использован пигтелированный оптический узел, состоящий из несущего корпуса 17, внутри которого фиксируется корпус источника лазерного излучения или фотодиод 7, в который установлена первичная фокусирующая линза 9, в фокусе которой располагается торец оптического волокна 18, имеющего угловую полировку или сферическую полировку. Фиксация оптического волокна осуществляется с помощью специального припоя. Для его расплавления служит керамический микронагреватель 19, который одновременно выполняет роль фиксирующей плоскости для оптического волокна. Для защиты оптического волокна используется защитная оболочка 20 диаметром 0.9, 2.0 или 3.0 мм, для фиксации которой используется втулка 21, заполняемая клеевым компаундом.
Применение металло-стеклянного основания 22 с нормируемым волновым сопротивлением электрических выводов, изготовленных из сплава 29НК по ГОСТ 10994-74, или его аналога с проволочными выводами 23, установленными в стеклянных изоляторах 24, позволяет достичь высокого согласования по частотным характеристикам с внешними линиями связи от источников и приемников цифровых данных, и его совместимость с другими электронными компонентами для поверхностного монтажа.
Внутри оптического модуля может помещаться контролируемая газовая среда - осушенный чистый азот или аргон, их смесь в произвольном соотношении, или 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 корпуса 1 поступает в схему согласования с внешней линией связи (буферное устройство, входящее в состав микросхемы 3), затем в систему модуляции тока накачки (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 7, 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. Выходной оптический сигнал передается во внешнюю волоконно-оптическую линию связи через стандартный оптический соединитель типа FC или ST, являющийся составной частью втулки 10, установленный на торце оптоэлектронного модуля оптической головки 4. Или через оптическое волокно 18, которое может быть оконцовано любым оптическим соединителем (на чертеже не изображено).
При конвертации оптического сигнала в электрический исходный оптический сигнал с внешней волоконно-оптической линии связи через стандартный оптический соединитель типа FC или ST, являющийся составной частью втулки 10, установленный на торце оптоэлектронного модуля оптической головки 4, или по оптическому волокну 18, 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 23 корпуса 1 в линию связи с потребителем. Для электропитания всех систем и компонентов используется источник опорного напряжения. Работу системы фото-детектирования 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.
Общие габариты корпуса составляют не более 22x19.5x9 мм, что меньше суммарных размеров двух корпусов модулей аналогов, а толщина обоих корпусов может составлять 0.1 мм - 10 мм.
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, увеличения срока эксплуатации до 25 лет при сроке активного существования 15 лет, обеспечения высокой степени универсальности в применении с любыми типами волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) на основе стандартных соединителей типа FC или ST 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 плюс 85°С в сочетании с ударной нагрузкой до 1000 g и широкополосной вибрацией до 2500 Гц при ускорении 10 g, высоком уровне внешних электро-магнитных полей, включая ионизирующее излучение и радиацию открытого космического пространства.
Общие габариты корпуса составляют не более 22x19.5x9 мм, что меньше суммарных размеров двух корпусов модулей аналогов.
Применение многослойной печатной платы с более высокой плотностью расположения элементов и новым дизайном проводников позволило увеличить максимальную скорость передачи данных до 10 Гбит/с.
Предложенный оптоэлектронный модуль совмещает в себе функции оптического передающего модуля и оптического приемного модуля. Это функционально законченное устройство, реализующее возможность волнового разделения прямого и обратного канала передачи данных. Использование предложенного оптоэлектронного модуля позволит снизить себестоимость оборудования передачи данных при уменьшении его массо-габаритных характеристик.