CN103038685A - 具有用于对对齐特征进行成像的专用透镜的本体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于将来自支撑在基底（70）上的光源的光聚焦到对应光纤中的透镜本体（10）。所述透镜本体包括光学透明的可模制材料的本体（12），该本体包括至少以下特征。它包括支撑至少一条光纤（120）的端口（14），该端口具有定位成当光纤支撑在端口中时与光纤接口的接触表面（16）。它还包括有源透镜（24），该有源透镜适用于与相应的光源光学协作以将光沿光源与对应光纤（120）之间的相应光路聚焦。它进一步包括：限定出观察表面（42）的至少一个对齐结构（40）；和至少一个专用透镜（50），所述专用透镜定位在光源与对应的光纤（120）之间的任何光路之外且适用于将所述基底（70）上的对齐特征（74）的图像聚焦到观察表面（42）上。

Description

具有用于对对齐特征进行成像的专用透镜的本体

技术领域

本发明总体上涉及物品至操作位置的对齐，例如用于光学耦接光纤缆线与光电子器件（opto-electronic device）的耦接器件的对齐，更具体地涉及一种具有至少一个专用透镜的透镜本体，所述至少一个专用透镜用于将基底对齐特征的图像聚焦到所述透镜本体上的对齐结构上，以便将所述透镜本体与所述基底上的光电子器件正确对齐。

背景技术

典型的光纤连接器需要耦接器件，所述耦接器件将所述光纤传输线与光电子器件（OED）有效地光学耦接。所述OED进一步电子耦接到与所述OED一起工作的电子电路。通常，这样的包括集成电路的电子电路安装在印刷电路板或陶瓷基底上。为了使光学传输器件的使用适应于电路板的密集封装并排布置，一般要求光纤线缆沿大致平行于它将与之接口的印刷电路板的路径进入所述板。

在光学通信工业中的一种盛行的技术是表面发射和检测器件。例如垂直腔表面发射激光器（VCSEL）、表面发射型发光二极管以及大多数PIN检测器等器件，具有光敏表面以在顶表面或底表面接收光或者从顶表面或底表面发射光。这些器件具有一定益处，并且例如所述的这些器件与光纤的对齐已被证明比较困难，从而需要较复杂的光学结构和路径以实现所述耦接。

如在属于DeAndrea等人的美国专利No.5,515,468和5,708,743中所公开的，经由90度模制的光学耦接器在耦接表面发射和检测器件方面已取得一些成功，所述两份专利文件的全部公开内容通过引用结合于此。此技术利用了聚合物模制的集成式光耦接器件，该聚合物模制的集成式光耦接器件适宜于将来自OED的光耦接到光纤以及反之，并且此技术要求所述器件与所述光纤设置在不同平面上，使得光借由反射表面在其间传送。这样的技术的进一步的示例出现在分别属于Clark和Blonder的美国专利No.5,073,003和4,904,036中，所述两份专利文件的公开内容通过引用结合于此。

一种示例的收发器透镜本体10（见图1a-1f）与这些光屈折技术一致，其包括：本体12，具有抵靠该本体一侧中的接口表面16的光纤接收端口14；反射表面20，用于将沿着与设置在端口14中的光纤大致垂直的光路A行进的光重新导向；和透镜24的阵列22，所述透镜24沿本体12的底部26定位以将大致垂直于端口14中的光纤行进经由反射表面20的光聚焦在透镜24与接口表面16之间，例如聚焦到被支撑在所述端口中且抵靠接口表面16的光纤中。由此，透镜本体10提供光路，所述光路适用于将支撑在基底上的OED与支撑在透镜本体10的端口14中的对应的光纤进行光学耦接。如本领域普通技术人员将注意到，这样的透镜本体10适宜于包括在下述各种线缆组件和收发器中，所述各种线缆组件和收发器可安装在包括例如路由器、计算机、开关（switches）、桥接器（bridges）和I/O卡等的多种主机系统中。

因此，应注意，所述透镜本体与所述基底的对齐，或更具体地，所述透镜、光路和光纤与基底上的OED的对齐对于所述OED与所述光纤之间的正确光学耦接而言是至关重要的。有源（active）对齐技术有时用于将所述透镜本体相对于支撑大致垂直于基底平面发射光或接收光的OED（例如VCSEL或其它光源）的基底进行对齐。在有源对齐技术，所述光源是受激化的（发光的）。有源对齐技术的问题是：该方法要求特殊成像装置，并且可能是昂贵的，特别是对于光屈折式光学耦接。也可采用各种无源（passive）对齐技术。在一种无源对齐技术中，光源自身的图像（例如VCSEL的一部分）可经由所述反射表面和透镜而被人眼看到，由此消除了对特殊成像装置的需要。然而，因为所述OED组件中的紧密间隔限制（tight spacingconstraints），所以此方法要求额外的硬件和固定机构（fixturing）以正确观察所述对齐特征。另外，此技术不安全：因为用于对齐和传送目的所述光路是相同的或平行的和/或所述对齐特征是所述光源自身（例如VCSEL），且因此人眼在为对齐目的而进行观察的过程中处于会受到损害的位置，所以所述光源的任何意外的激化将导致对在对齐处理过程中所用人眼的损害。在另一种无源对齐技术中，对齐特征设置在所述基底上与VCSEL/PIN/OED相同的地方。然而，在这样的布置中，透镜本体的对齐结构在平行于且移离于VCSEL/PIN OED的平面的不同平面中。这些对齐特征然后经由所述反射表面之外的路径而被观察以消除所述紧密间隔限制。尽管此方法由于在光源的意外激化时对人眼损害的可能性较小而较安全，但是因为在两个平面之间的场的深度的差异超出通常成像系统的能力，此方法不令人满意并且产生不准确的结果。因此，为了实现对齐，必须引入外部基准点，而对齐特征必须单独地对齐到所述基准点。最后结果是，对齐特征和对齐结构将彼此对齐，但是所述必须将每一个对齐到外部基准点的额外步骤引入了额外的不准确度。

发明内容

因此，申请人认识到需要一种用于将光纤耦接到OED的透镜本体，其利用无源对齐技术，容许任何光源的准确对齐和安全观察，且无需特殊硬件和/或固定机构。本发明实现了此需要及其它。

根据本发明一个方面的透镜本体包括光学透明的可模制材料的本体。所述本体包括端口，所述端口用于接收支撑至少一条光纤的箍圈。所述端口包括接触表面，当所述箍圈定位在所述端口中时所述接触表面定位成抵靠所述光纤且与所述光纤接口。所述本体进一步包括：至少一个有源透镜（activelens），所述至少一个有源透镜适用于与相应的OED光学协作以将光沿所述OED与对应的光纤之间的相应光路聚焦。所述透镜本体还包括：限定出观察表面的至少一个对齐结构、和适用于将所述基底上的对齐特征的图像聚焦到所述观察表面上的至少一个专用透镜。所述专用透镜定位在光源与对应的光纤之间的任何光路之外。

附图说明

现在将参考以下附图以示例的方式描述本发明，在附图中：

图1a、图1b、图1c和图1d分别是示例的现有技术的透镜本体的俯视图、侧视图、仰视图和后视图，该透镜本体包括：用于使在安装于基底上的OED与大致平行于基底平面的光纤之间行进的光屈折的反射表面和透镜；

图1e是沿图1a的线A-A’取得的图1a-1d的透镜本体的截面图；

图1f是图1a-1d的透镜本体的部分截面图，示出图1e的区域1的放大视图；

图2a、图2b、图2c和图2d分别是根据本发明的示例的透镜本体的俯视图、侧视图、仰视图和后视图，该示例的透镜本体包括：对齐结构和专用的对齐透镜；

图2e是沿图2a的线B-B’取得的图2a-2d的透镜本体的截面图；

图2f是图2a-2d的透镜本体的部分截面图，示出图2e的区域2的放大视图；

图2g是沿图2a和图2c的线C-C’取得的图2a-2d的透镜本体的截面图；

图3是图2a-2g的透镜本体的透视图，相对于示例的箍圈和基底以分解视图示出；

图4是图2a-2g的透镜本体的部分俯视图，示出示例的基底对齐特征的平面视图，如与该透镜本体的对齐结构未对齐时所观察到的；

图5是图2a-2g的透镜本体的部分俯视图，示出示例的基底对齐特征的平面视图，如与该透镜本体的对齐结构对齐时所观察到的；

图6是图2a-2g的透镜本体的透视图，示出其安装到光学子组件中的示例的基底；和

图7是图2a-2g的透镜本体的透视图，示出其被部分组装作为示例的QSFP有源线缆透镜组件的一部分。

具体实施方式

为图示目的，下面将参照透镜本体对本发明进行讨论。如以上所讨论，图1a-1f示出示例的透镜本体10，该透镜本体10具有与现有技术的透镜本体共同的特征。图示的透镜本体10包括：本体12，其为多种现有技术的透镜本体的一个示例，这在于它包括用于抵靠于支撑一个或多个OED（例如VCSEL）的基底的底表面26；端口14，用于接收一条或多条光纤，所述一条或多条光纤用于将光载送到OED或载送来自OED的光；透镜24，对应于各OED用于将来自OED的光聚焦到端口14的接口表面16中和聚焦到抵靠于接口表面16的光纤中（或反之）；和反射表面20，用于对在OED与抵靠于接口表面16的光纤之间传输的光进行反射。如这里所用的，“抵靠”或“接口”意指物理地接触呈抵靠关系或几乎处于物理接触，例如由不大于近似0.025mm的间隙（gap）分隔。由此，透镜本体10在基底上的各OED与支撑在端口14中的各条光纤之间提供了光路，且因此适宜于将OED和光纤光学耦接。

图2a-2g示出根据本发明的示例的透镜本体10。该透镜本体在它的总体结构方面可相似于现有技术的透镜本体，且因此可包括：对应于各OED的有源透镜24；具有接口表面16的光纤接收端口；和处在所述有源透镜与所述端口/耦接的光纤等之间的光路的中间的反射表面。可选地，如本领域已知的，该反射表面可设置作为全内反射（TIR）棱镜的一部分。优选地，该透镜本体10包括布置成线性阵列的多个有源透镜24（示出十二个），如图2c和图2d所示。见图2a–2g。因此，图2a-2g的示例的透镜本体10包括与以上参考图1a-1f的示例的现有技术透镜本体所描述的那些相似的结构。此外，图2a-2g的透镜本体10优选包括：光学透明的可模制材料的单一（unitary）本体结构。术语"光学透明的可模制材料"用在这里意指具有在光学信号的传输中损失小的特征。例如，该透镜本体可通过下述方法均匀地形成：将流体塑料材料模制成精确确定的形状和构造使得全部光路元件得以设定，例如，通过将聚碳酸酯（polycarbonate）、聚醚-酰亚胺（polyether-imide）或聚醚砜（polyethersulfone）材料进行注射模制、压缩模制或转印模制（transfermolding），所述材料例如为可由General Electric公司购买到的如ULTEM^TM或RADEL^TM的材料。端口14可配置成接受：任何传统的、适宜与线缆箍圈/组件中所存在的一条或多条光纤进行协作的器件。术语"光电子器件"或OED用在这里意指将电流转变成光和/或将光转变成电流的器件。术语"光"总体地指电磁辐射，优选指半导体材料对其敏感或可被制成对其敏感的那些波长的电磁辐射，而无论这种光对于肉眼是否实际可见。OED的示例包括：激光器（例如垂直腔表面发射激光器（VCSEL）、双沟道平面掩埋异质结型（DC-PBH）、掩埋新月型（BC）、分布式反馈型（DFB）、分布式布拉格反射镜型（DBR）等）、发光二极管（LED）（例如表面发射型LED（SLED）、边缘发射型LED（ELED）、超辐射发光二极管SLD），等）和光电二极管（例如PIN、雪崩光电二极管（APD），等）。作为进一步的示例，OED用在这里可以是例如光纤的光源，所述光纤例如为多模（mm）光纤或单模（sm）光纤、玻璃光纤、塑料光纤等。所述OED安装到基底的表面。术语"基底"用在这里可指几乎任何部件或物品。然而，在光纤通信的情况中，术语“基底”用在这里指其上安装有电子电路元件的电子部件或形成电子电路元件的一部分的电子部件。所述基底可包括例如多个集成芯片。这样的芯片可表示例如前置放大器或后置放大器和另外的电子电路。这样的电路元件的本质和类型，和用于将这样的元件安装到所述基底的方法和技术是本领域熟知的并且不构成本发明的部分。在通常的实施例中，所述基底包括：印刷电路板（PCB）、印刷配线板（PWB）、柔性印刷电路（FPC）、承载电路的玻璃晶片（glass wafer）和/或类似的本领域熟知的基底。

与现有技术的透镜本体不同，根据本发明的透镜本体10进一步包括：限定出观察表面42（见图2a，图2g）的至少一个对齐结构40、和至少一个专用透镜50（见图2c、图2g），所述至少一个专用透镜50定位在光学部件之间的、穿过透镜本体10的任何光路之外。优选地，所述透镜本体包括至少一对专用透镜50。可选地，所述一对专用透镜50随同有源透镜24布置在相同的单个线性阵列中，如图2c最佳示出。在这样的实施例中，所有多个有源透镜24可在线性阵列内定位在所述一对专用透镜50之间，如图2c所示。所述专用透镜相对于所述有源透镜的这种定位可有助于正确对齐。

在优选实施例中，对齐结构40在本体12中毗邻大致平面型观察表面42限定出空穴（void）46，如图2g最佳示出。作为示例，所述空穴可在所述本体的注射模制过程中由中心销（core pin）形成，以提供高度抛光的观察表面42，以有助于观察投射在其上的图像。在图2a-2g示出的示例实施例中，对齐结构40形成为使得空穴46具有倒截头圆锥形状。虽然可采用任何适合的结构，但是此形状在本体12的模制方面具有优点，并且具有另外的优点：它提供了具有圆形周向边界48的观察表面42，如图4最佳所示。这样的边界可在分辨何时对齐结构74的图像44被置于中心/与观察表面42对齐时对人有利，如以下将讨论的。然而，任何适合的形状和构造可用于所述对齐结构和/或所述观察表面/边界。

此外，基底70是根据本发明而特殊构造的，以包括至少一个可感知的对齐特征74。作为示例，所述基底的对齐特征可构造为呈现印制在或以其它不同方式设置在基底70的表面上的例如圆、加号、X或任何其它可感知的图像。作为示例，所述对齐特征可作为通过精确的化学蚀刻处理所提供的金属薄膜而设置在基底70上。优选地，对齐特征74是大致平的，且置于与所述光源的发光表面大致相同的平面中。这使所述专用的对齐透镜能够具有与有源透镜相同的形状、且能够利用相同的工具/处理而制得，由此消除模具（mold）制造加工装置的更改（change-over），所述更改可能在所述专用透镜相对于有源透镜的位置方面引入误差。在一个实施例中，设置这种类型的单个对齐特征，该单个对齐特征可与另一种形式的对齐特征协作，例如机械式销-插孔布置。在优选实施例中，在所述基底上设置至少一对这样的对齐特征。

基底的对齐特征设置成相对于基底70上的OED呈预定的空间关系。此预定的空间关系对应于在透镜本体10的专用透镜50与观察表面42之间的空间关系。以此方式，基底的对齐特征74与透镜本体的观察表面42的对齐将确保：OED80与透镜本体的有源透镜24、光路和任何所连接的光纤的正确对齐。各专用透镜50适用于将基底的对齐特征74（见图3）的图像44（见图4和图5）聚焦到观察表面42上，以用于将透镜本体10与基底70（见图3）正确对齐的目的，或更具体地，适用于将有源透镜24、光路和光纤与基底70上的OED80对齐，以用于所述OED和所述光纤之间的正确光学耦接。

在优选实施例中，有源透镜24和专用透镜50构造成具有大致相同的光学规格（prescription），使得它们具有大致相同的焦距。在这样的实施例中，各观察表面42定位在透镜本体10上，使得有源透镜24与接口表面16之间的光路长度（X+Y，图2f）大致等于专用透镜50与观察表面24之间的光路长度（Z，图2g）。在此实施例中，基底的对齐特征74的图像44和观察表面24两者位于同一（或几乎同一）平面中，并且因为两者都将在离观察点相同深度的场中清楚地呈现，所以两者都可被人眼或传统成像系统容易地和清楚地感知。这使得不需要聚焦于以及对齐处置不同场深度的不同平面中的不同对齐特征，并且有助于准确对齐，即使仅使用人眼。

在替代实施例中，所述专用透镜具有不同于有源透镜的规格/焦距。在这样的实施例中，有源透镜与接口表面之间的光路长度将优选不是大致等于所述专用透镜与观察表面之间的光路长度。作为替代，所述专用透镜与观察表面之间的光路长度大致等于所述专用透镜的焦距。

在透镜本体10的优选实施例中，例如图2a-2g所示，透镜本体10进一步包括：在OED80/有源透镜24与接口表面16/光纤之间、沿一个或多个光路设置的至少一个反射表面20，用以更改各OED与它的对应的光纤之间的光路的方向。每一个专用透镜50与各相应的观察表面42之间的光路优选是线性的。由此，在这样的实施例中，观察表面42与专用透镜50之间的光路不穿过反射表面20。此外，观察表面42与专用透镜50之间的光路优选平行于有源透镜24与反射表面20之间的光路，和/或垂直于反射表面20与接口表面16之间的光路，和/或垂直于定位在端口14中的箍圈中的任何光纤的光轴。

图2a-2g的透镜本体10可用于制备包括该透镜本体的光学子组件。制备这样的光学子组件的方法包括提供支撑OED80的基底70（图3），所述OED80例如为光源。这样的基底可在本质上是大致传统式的，例如带传导电路的薄的玻璃晶片，因此用于提供所述基底的技术将不在此进一步详细地讨论。然而，此步骤进一步包括提供基底，该基底包括设置成对于所述光源呈预定的空间关系的至少一个可感知的对齐特征74（图3）。优选地，所述基底包括至少一对对齐特征，并且所述每一个对齐特征是以人的肉眼可视觉感知的。用于提供例如圆、+或X等对齐特征的技术包括精确的化学蚀刻处理。或者，所述对齐特征是可感知的，但不是可利用肉眼视觉感知的。例如，这样的对齐特征可包括红外目标例如适合的VCSEL或其它光源，并且适合的成像装置用于感知所述对齐特征以用于对齐目的。

所述方法进一步包括：提供透镜本体10，以及将本体12定位在基底70上，使得基底的对齐特征74能够在透镜本体的对齐结构40的观察表面42上观察到，如图4最佳示出。所述方法进一步包括：相对于基底70移动本体12，直到基底的对齐特征74的图像44相对于观察表面42和/或它的周向边界44呈现为对齐的，例如置于中心，如图5最佳示出。对于包括多于一个对齐特征和多于一个对齐结构的透镜本体，该透镜本体应被移动直到全部图像44相对于相应的观察表面同时呈现为对齐的。透镜本体12然后应相对于所述基底而被固定。如本领域熟知的，此步骤可能涉及施加和固化适合的环氧，例如UV可固化的环氧。

因此，光学子组件100提供为包括：具有至少一个可感知的对齐特征74的基底70，和固定到所述基底的透镜本体，使得透镜本体10和基底70固定在相对位置中，在所述相对位置中基底70的各对齐特征74在透镜本体的对齐特征40的相应的观察表面42内呈现为置于中心的、或以其它方式呈现为对齐的，如图5和图6最佳示出。此外，光学子组件100可包括：支撑至少一条光纤120的箍圈，例如多光纤箍圈110或其它连接器接口，如图3和图6最佳示出。图7示出光学子组件100，该光学子组件100示出为安装到传统壳体作为示例的QSFP有源线缆组件200的一部分。应理解，光学子组件100可利用超出本发明范围而在此没有详细描述的传统组装技术组装到任何适合的线缆组件例如CXP有源线缆组件中，和组装到任何对应的收发器模块中。

应理解，透镜本体16和其中所限定出的光路仅是本发明的代表，而非穷举。

以上为举例目的参照透镜本体描述了专用透镜/对齐特征/对齐结构布置。然而，应注意，此布置可为对齐并置结构的目的而适用于广泛范围的应用。例如，所述布置可用于任何其中两个物体要相对于彼此对齐的应用中。此外，所述布置可用于除光学应用以外的其它情况。例如，类似的布置可用于在印刷电路板中进行回流焊（solder reflow）以前对齐表面安装部件。

Claims (10)

1.一种透镜本体（10），用于将来自支撑在基底（70）上的至少一个光源的光聚焦到对应的光纤中，所述透镜本体包括：

光学透明的可模制材料的本体（12），包括至少以下特征：

用于支撑至少一条光纤（120）的端口（14），所述端口包括：定位成当所述光纤被支撑在所述端口中时与所述光纤进行接口的接触表面（16）；

有源透镜（24），适用于与相应的光源光学协作，以将光沿所述光源与对应的光纤（120）之间的相应光路进行聚焦；

限定出观察表面（42）的至少一个对齐结构（40）；和

至少一个专用透镜（50），定位在光源与对应的光纤（120）之间的任何光路之外，且适用于将所述基底（70）上的对齐特征（74）的图像聚焦到所述观察表面（42）上。

2.如权利要求1所述的透镜本体，还包括：

至少一个反射表面（80），沿一个或多个光路设置，以改变各光源与它的对应的光纤（120）之间的光路的方向。

3.如权利要求1所述的透镜本体，其中，所述有源透镜（24）和所述专用透镜（50）构造成具有大致相同的焦距。

4.如权利要求3所述的透镜本体，其中，所述观察表面（42）定位在所述本体（12）上，使得所述有源透镜（24）与所述接触表面（16）之间的光路长度大致等于所述专用透镜（50）与所述观察表面（42）之间的光路长度。

5.如权利要求1所述的透镜本体，其中，所述透镜本体包括多个有源透镜（24）。

6.如权利要求5所述的透镜本体，其中，所述本体包括：至少一对专用透镜（50）、和对应的多个对齐结构（40），所述多个对齐结构中的每一个具有相应的观察表面（42）。

7.如权利要求6所述的透镜本体，其中，所述多个有源透镜（24）和所述多个专用透镜（50）布置成单个线性阵列。

8.如权利要求7所述的透镜本体，其中，所有所述多个有源透镜（24）在所述单个线性阵列内定位在所述一对专用透镜（50）之间。

9.如权利要求1所述的透镜本体，其中，所述对齐结构（40）在所述本体（12）中毗邻大致平面型观察表面（42）限定出具有倒截头圆锥形状的空穴（46）。

10.如权利要求1所述的透镜本体，其中，所述一对专用透镜（50）中的每一个与各相应的观察表面（42）之间的光路是线性的，且不穿过所述反射表面（80）。

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