CN105723263B - 全内反射光纤接口模块和组件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种光纤接口模块和使用所述光纤接口模块的组件，其中所述模块具有限定穿过模块本体的折叠光学路径的至少一个透镜。所述模块可操作地支撑邻近端壁的一个或多个光纤。所述模块包括在其中形成以用于将来自一个或多个光源的光耦合至对应的一个或多个光纤的一个或多个透镜。所述一个或多个透镜各自具有通过在所述模块本体内的全内反射所形成的折叠光学路径。所述一个或多个透镜各自包括配置来限定位于对应的一个光纤内的后焦点的透镜表面。

Description

全内反射光纤接口模块和组件
优先权
本申请根据专利法要求2012年3月30日提交的美国申请序列号13/436,165的优先权的权益，所述申请的内容是本案的依托并且以引用的方式整体并入本文。
技术领域
本公开涉及光纤接口模块和组件，并且具体来说，涉及采用全内反射的这类模块和组件。
背景技术
用于消费电子产品的短距离数据链路的数据速率变得越来越高，尤其是用于视频和数据存储应用的那些短距离数据链路。实例包括5Gb/s的USB 3.0协议、10Gb/s的HDMI以及在两个信道上的10Gb/s的Thunderbolt。在这类高数据速率下，传统的铜电缆具有有限的传输距离和电缆灵活性。出于至少这些原因，光纤作为铜线的替代物出现，以用于适应下几代消费电子产品的高数据速率。
与采用昂贵的高功率边缘发射激光器以及调制器的电信应用不同，短距离光纤链路是基于低成本、低功率的直接调制的光源，如垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)。为了在消费电子产品中可行，用于在一个方向上将来自光源的光耦合到光纤中并且在另一方向上将另一光纤中传播的光耦合到光电二极管上的光纤接口模块和组件需要是低成本的。这种要求推动了对设计制造简单且同时具有合适的性能的光纤接口模块和组件的需求。因此，尚未解决的是需要具有宽松的未对准公差和被动对准过程的光纤接口模块。
发明内容
本公开的一方面包括一种配置来支撑一个或多个光纤的光纤接口模块。所述模块包括模块本体，所述模块本体具有前端和后端、顶表面、底表面以及相反侧部，并且对具有红外波长的光是基本上透明的。所述模块还包括一个或多个光纤支撑特征结构，所述一个或多个光纤支撑特征结构形成在所述顶表面中并且配置来支撑相应的一个或多个光纤；以及突脊，所述突脊形成在所述顶表面中并且具有限定全内反射(TIR)镜的倾斜壁。所述模块具有凹槽，所述凹槽形成在所述模块本体的所述底表面中邻近所述前端并且具有凹槽顶板。所述模块还具有一个或多个透镜表面，所述一个或多个透镜表面形成在所述凹槽顶板上并且具有与所述一个或多个光纤支撑特征结构和TIR表面对准的相应的折叠透镜轴，其中所述一个或多个透镜表面限定与端壁的相应的一个或多个后聚焦距离F2，其中F2大于零。
本公开的另一方面包括上述光纤接口模块，进一步包括与所述模块本体一体成形的所述一个或多个透镜表面。
本公开的另一方面包括上述光纤接口模块，其中所述凹槽顶板限定所述一个或多个透镜表面的间隔距离，并且其中所述间隔距离与前聚焦距离F1基本相同。
本公开的另一方面包括上述光纤接口模块，其中所述模块本体具有小于10mm诸如在2mm≤LZ≤10mm之间的长度LZ、宽度LX(其中2mm≤LX≤10mm)以及高度LY(其中1mm≤LY≤4mm)。
本公开的另一方面包括上述光纤接口模块，其中所述红外波长是在800nm至1,100nm的范围内。
本公开的另一方面包括上述光纤接口模块，进一步包括配置来与所述模块本体的所述顶表面配合并覆盖所述顶表面的盖子。
本公开的另一方面包括上述光纤接口模块，其中所述模块本体是整体式的。
本公开的另一方面包括一种包括上述光纤接口模块的光纤接口组件，其中所述一个或多个光纤分别可操作地支撑在所述一个或多个光纤支撑特征结构中，其中所述一个或多个光纤具有与所述突脊的端壁接口连接的相应末端。所述组件还包括一个或多个有源光器件，所述一个或多个有源光器件可操作地布置在与所述一个或多个透镜表面相距相应的前聚焦距离处，从而使得所述一个或多个有源光器件在对应的一个或多个折叠光学路径上与所述一个或多个光纤进行光学通信。
本公开的另一方面是上述光纤接口组件，其中所述一个或多个有源光器件包括以下各项的至少一种：i)至少一个光源和ii)至少一个光电检测器；并且其中所述一个或多个折叠光学路径包括以下各项的至少一种：i)至少一个折叠光源光学路径和ii)至少一个折叠检测器光学路径。
本公开的另一方面是上述光纤接口组件，所述光纤接口组件包括支撑所述模块的印刷电路板(PCB)，以及由所述PCB可操作地支撑并且可操作地连接至所述至少一个有源光器件的至少一个集成电路(IC)芯片。所述PCB或所述IC芯片可操作地支撑与所述至少一个透镜表面相距聚焦距离F2处的所述至少一个有源光器件。
本公开的另一方面是上述光纤接口组件，其中所述模块本体具有至少一个第一被动对准特征结构，并且所述PCB包括与所述至少一个第一被动对准特征结构协作地配置以允许所述模块与所述PCB之间被动对准的至少一个第二被动对准特征结构。
本公开的另一方面是一种用于在至少一个光纤与至少一个有源光器件之间提供光学通信的光纤接口组件。所述组件包括具有模块本体的模块，所述模块本体对具有红外波长的光是透明的并且大体配置为具有前端和后端、顶表面以及底表面的长方体，其中所述底表面具有在所述前端开放并且具有凹槽顶板的凹槽。所述组件还包括形成在所述顶表面中并且配置来可操作地支撑所述至少一个光纤的至少一个光纤支撑特征结构。突脊形成在所述模块本体的所述顶表面中并且具有以直角终止所述至少一个光纤支撑特征结构的基本垂直的端壁，所述突脊具有限定全内反射(TIR)镜的倾斜壁。所述至少一个光纤支撑在所述至少一个光纤支撑特征结构中并且具有中心轴以及与所述端壁接口连接的末端。至少一个透镜表面形成在所述凹槽顶板上，并且具有与所述至少一个光纤支撑特征结构对准并且通过所述TIR镜折叠大体90度以与光纤中心轴重合的透镜轴。所述至少一个有源光器件可操作地设置为邻近所述至少一个透镜表面并且与其间隔开，从而使得所述至少一个有源光器件在包括透镜表面处的单个空气-模块界面的对应的至少一个折叠光学路径上与所述至少一个光纤进行光学通信。
本公开的另一方面是上述光纤接口组件，其中所述突脊部分地由在所述顶表面中紧挨着所述倾斜壁形成的沟道限定。
本公开的另一方面是上述光纤接口组件，进一步包括支撑所述模块的PC，以及由所述PCB可操作地支撑并且可操作地连接至所述至少一个有源光器件的至少一个IC芯片。所述PCB或所述IC芯片可操作地支撑与所述至少一个透镜表面相距聚焦距离F2处的所述至少一个有源光器件。
本公开的另一方面是上述光纤接口组件，其中所述模块本体具有至少一个第一被动对准特征结构，并且所述PCB包括与所述至少一个第一被动对准特征结构协作地配置以允许所述模块与所述PCB之间被动对准的至少一个第二被动对准特征结构。
本公开的另一方面是上述光纤接口组件，其中所述组件进一步包括可操作地设置在所述凹槽内并且包括窗口和窗口单元内部的窗口单元，所述窗口单元内部被配置来容纳折射率高于空气并且覆盖所述至少一个有源光器件的介质，并且维持邻近所述至少一个透镜表面的空气界面。
本公开的另一方面是上述光纤接口组件，其中所述组件进一步包括窗口和窗口单元内部，所述窗口单元内部被配置来容纳空气并且覆盖所述至少一个透镜表面，以在所述至少一个有源光器件被折射率高于空气的材料覆盖时维持邻近所述透镜表面的空气界面。
本公开的另一方面是上述光纤接口组件，其中所述窗口单元与所述模块本体一体成形。
本公开的另一方面是上述光纤接口组件，其中所述至少一个透镜表面是非球面的。
本公开的另一方面是上述光纤接口组件，进一步包括配置来与所述模块本体的所述顶表面配合并覆盖所述顶表面的盖子。
应理解，前文概括描述和以下详细描述都呈现了本公开的实施方案，并且意图提供概述或框架以用于理解本公开所要求保护内容的本质和特征。包括附图以提供对本公开的进一步理解，并且所述附图并入本说明书中且构成本说明书的一部分。附图示出本公开的各种实施方案并且连同本文阐述的描述用于解释本公开的原理和操作。权利要求书并入下文阐述的详细描述中并且构成详细描述的一部分。
附图说明
图1是根据本公开的示例性光纤接口模块的正视俯视图；
图2是图1的示例性光纤接口模块的仰视图；
图3是如在Y-Z平面上并沿光纤支撑特征结构之一取得的图1和图2的示例性光纤接口模块的截面图；
图4是在延伸经过模块的一部分且其倾斜壁用作全内反射镜的三角形突脊周围的区域中的光纤接口模块特写截面图；
图5是光纤接口组件的示例性实施方案的分解图，所述光纤接口组件包括图1至图4的光纤接口模块、盖子以及可操作地支撑集成电路(IC)芯片和有源光器件的印刷电路板(PCB)；
图6是与图5类似的部分分解图并且示出相对于所述PCB可操作地设置的光纤接口模块；
图7A是光纤接口组件的截面图，示出所示的有源光器件可操作地支撑在IC芯片顶上的实施方案；
图7B类似于图7A并且示出一个示例性实施方案，其中所示的有源光器件可操作地直接支撑在PCB表面上邻近IC芯片，所述IC芯片装配在模块凹槽内并且电连接至有源光器件；
图8是针对光纤接口模块，任选盖子的示例性实施方案的仰视图；
图9A是与图4类似的特写图并且示出PCB或IC芯片以及作为光源的有源光器件，并且还示出来自光源的光在折叠光源光学路径上传播穿过光纤接口模块而到达位于光纤支撑特征结构中支撑的光纤内的焦点处；
图9B类似于图9A并且示出光纤中的光在相反方向上，在折叠检测器光学路径上从光纤传播并穿过光纤接口模块而到达由IC芯片或PCB板支撑的光电检测器形式的有源光器件；
图10是由光纤接口模块的透镜以及相对于所述透镜可操作地布置的光源和光纤形成的示例性光学系统的示意图；
图11是示出示例性横向未对准δZ的光源的特写图；
图12是在横向未对准δZ等值线情况下曲率半径R和二次曲线常数k的等值线图，示出提供最佳对准公差且同时具有耦合效率CE＝100％的(R,k)空间的区域；
图13是针对常规配置和光纤接口模块的透镜聚焦在光纤内的情况下的配置，横向未对准δZ(微米)的量对耦合效率CE(％)的图；
图14类似于图2，并且示出一个示例性实施方案，其中窗口单元设置在光纤接口模块的凹槽中以维持透镜表面处的空气界面；
图15A是与图4类似的特写截面图，并且示出设置在凹槽80中处于印刷电路板上表面与凹槽顶板之间的图14的窗口单元；
图15B类似于图15A，并且示出窗口单元框架被配置来由印刷电路板的上表面支撑的窗口单元的一个示例性实施方案；
图16类似于图15A和图15B，并且示出窗口框架更为紧凑的另一示例性实施方案，并且其中小球(globule)基本上填充满由窗口单元限定的整个下凹槽部段；以及
图17是与图16类似的视图，并且示出由模块本体的一部分形成的窗口单元的示例性实施方案。
本公开的另外的特征和优点在以下详细描述中进行阐述并且本领域技术人员将从描述中变得清楚明白，或者通过实践如本文所描述的本公开连同权利要求书和附图来了解。
出于参考目的，某些附图中示出了笛卡尔坐标(Cartesian coordinate)并且不意图对方向或取向进行限制。
具体实施方式
本公开涉及光纤接口模块和组件，并且具体来说涉及采用全内反射的这类模块和组件。首先论述光纤接口模块的示例性实施方案，之后论述采用所述光纤接口模块的光纤接口组件的示例性实施方案。然后结合由透镜、光源以及光纤形成的光学系统来描述与光纤接口模块相关联的透镜的示例性配置。
光纤接口模块
图1是根据本公开的示例性光纤接口模块(“模块”)10的俯视正视图。图2是图1的示例性模块10的仰视图，而图3是在沿光纤支撑特征结构42(下文介绍和论述)之一的Y-Z平面中取得的图1和图2的示例性模块10的截面图。
模块10具有本体12，所述本体12在一个实例中大体成形为包括如下文所描述形成于其中的另外的特征的矩形平行六面体。本体12具有前端14、与前端大体平行的后端16、顶表面18以及与顶表面大体平行的底表面20。本体12还包括在一个实例中各包括突出部23的大体平行的侧部22。模块10具有如图1中所示的长度LZ、宽度LX以及高度LY的尺寸，所述尺寸通常应尽可能小，除非空间限制不成为问题。这些尺寸的实例包括2mm≤LZ≤10mm，2mm≤LX≤10mm以及1mm≤LY≤4mm，但使用本文所公开的概念，其它合适的形状和/或大小也是可行的。
顶表面18包括前顶表面部段30，所述前顶表面部段30邻近前端14并且包括邻近相应侧部22形成并在Y方向上延伸至底表面20的两个对准孔32。顶表面18还包括邻近后端16并包括一个或多个光纤支撑特征结构42的后顶表面部段40。光纤支撑特征结构42各自设定尺寸来容纳光纤200。在一个实例中，光纤支撑特征结构42是在Z方向上延伸即与侧部22大体平行的沟槽。在一个实例中，所述沟槽具有V形截面。
图1示出分别设置在四个光纤支撑特征结构42中的两个内的两个光纤200。示例性光纤200是多模光纤，例如像粗芯高数值孔径光纤，例如可从纽约Corning Incorporated(Corning,New York)获得的VSDNTM光纤。名称为“High numerical aperture multimodeoptical fiber”的公布的PCT专利申请公布号WO2010036684中也论述了示例性光纤200，所述专利申请以引用的方式并入本文。
顶表面18还包括突脊50，所述突脊50位于前顶表面部段30与后顶表面部段40之间并且延伸穿过模块10，即在X方向上延伸。图4是在突脊50周围的模块本体12的区域的特写截面图，并且还示出由光纤支撑特征结构42支撑的光纤200的一部分。还参考图10(下文介绍和论述)，光纤200具有末端202以及与具有折射率nc的光纤纤芯(“纤芯”)206的中心轴重合的中心轴204。纤芯206由具有折射率na的包层208包围，其中nα<nc。在一个实例中，光纤200具有数值孔径NAF＝0.29。此外在一个实例中，纤芯206具有梯度折射率分布，其在一个实例中是抛物线型分布。在一个实例中，纤芯206具有约80微米的直径。
在一个实例中，突脊50具有大体三角形的截面形状并且包括面向后端16的大体垂直的端壁52以及面向前端14并且相对于顶表面18以一个角度倾斜远离所述前端的倾斜壁54。在一个实例中，倾斜壁54相对于Y方向具有标称角度θ＝45°。端壁52在后顶表面部段40中的光纤支撑特征结构42处以大体直角终止。光纤支撑特征结构42在后端16处是开放的。
此外在一个实例中，端壁52可以与完全垂直相差较小角度(例如，2°)，以允许折射率匹配材料220(例如，环氧树脂)在光纤200的末端202周围流动并且位于光纤末端与端壁之间，而不将气泡截留在两者之间。端壁52因此用作建立由光纤支撑特征结构42支撑的光纤200的纵向位置(即，Z方向位置)的光纤末端202的机械止动件。
在一个实例中，倾斜壁54包括下部54L，所述下部54L还用作邻近突脊50朝向前端14且紧挨着倾斜壁54而形成的沟道60的后壁。沟道60还包括底板62和朝向前端14且与倾斜壁54相对的前壁64。沟道60还可以是这样的，即：使得底板62弯曲，从而使得所述底板、前壁64以及后壁(下部)54L形成一个连续弯曲表面，其中下部/后壁是直线倾斜的。
沟道60用于提供比倾斜壁54在顶表面18处终止的情况下那样(以虚线示出以供参考)更长的倾斜壁54的空气-本体界面。这允许倾斜壁54用作大体90度全内反射(TIR)镜，所述全内反射镜的目的在下文更详细地描述。倾斜壁54下文称为TIR镜54。简单来说，TIR镜54在倾斜壁54的材料与空气之间提供具有不同折射率的界面以用于使模块10内的光学信号转向。
模块10还可以包括任选的对准支柱70，所述对准支柱70形成在顶表面18中位于沟道60与侧部22之间并且从所述顶表面向上(即，在Y方向上)延伸以用于附接盖子。然而，使用盖子的其它实施方案可以设计来使得所述盖子以卡扣形式配合或具有摩擦配合以用于附接。
如图2和图3中最佳可见，模块10在本体12中包括在底表面20中且靠近前端14形成的凹槽80。凹槽80在模块本体12中限定顶板82和端壁84，后者示出为倾斜远离前端14。顶板82包括在端壁84附近的一个或多个透镜表面102。一个或多个透镜表面102连同TIR镜54和端壁52限定各自具有折叠透镜轴104的对应的一个或多个透镜100。折叠透镜轴104与其成大体直角穿过透镜表面102和端壁52。
一个或多个透镜表面102和相关联的一个或多个折叠透镜轴104沿Z方向与对应的一个或多个光纤支撑特征结构42对准，其中每个光纤支撑特征结构对准一个透镜表面，并且因此每个其内支撑的光纤200对准一个透镜表面。
在一个实例中，当对应的光纤200位于对应的光纤支撑特征结构42中时，折叠透镜轴104的在Z方向上延伸的部分与光纤中心轴204重合。因此，光纤支撑特征结构42被配置来使得光纤中心轴204和透镜轴104大体以直角相交并且大体相交于倾斜壁54处。折叠透镜轴104限定折叠光源(“光源”)光学路径OPS或折叠光电检测器(“检测器”)光学路径OPD的部段，其中每个光学路径的一部分位于模块本体12内，如下文所论述。
透镜表面102、TIR镜54、在其之间的端壁52的对应部分以及模块本体12的对应部分限定具有折叠光轴104的透镜100。透镜表面102可以视为“前”透镜表面并且端壁52可以视为“后”透镜表面。模块本体12的对应部分构成透镜本体，也标记为12。前透镜表面102与后透镜表面52之间的轴向距离是透镜厚度，即，透镜本体12的厚度(参见图10中的d2)。
在一个实例中，透镜表面102在顶板82上整体形成，即，与模块本体12形成一体，并且因此构成模块本体12的弯曲部分。在另一实例中，透镜表面102添加至顶板82。透镜表面102各自具有直径或通光孔径CA。在一个实例中，透镜表面102各自具有在250微米与500微米之间，并且在一个更具体的实例中在300微米与400微米之间的通光孔径CA，但其它合适的大小也是可行的。
在一个实例中，模块本体12由对具有红外(IR)波长λ的光(即，光356，下文介绍和论述)基本上透明的材料制成，所述红外波长例如为800nm至1,100nm范围内的IR波长λ，所述范围是在形成光学数据链路中所使用的VCSEL的波长范围。此外，模块本体12具有大得足以在TIR镜处提供标称90°的全内反射(TIR)的折射率n。
在一个示例性实施方案中，模块本体12由透明树脂如General Electric Company在1010商品名称下出售的聚醚酰亚胺(PEI)形成，所述透明树脂在上述IR波长范围内具有约n＝1.64的折射率。在一个实例中，模块本体12是整体式的并且例如通过模制、通过机械加工或通过模制和机械加工两者的组合来形成。在一个实例中，模具由钢制成并且被精密微加工来使得模块本体12的特征结构(包括透镜100)以高精度形成。
光纤接口组件
图5是采用模块10的光纤接口组件(“组件”)300的一个示例性实施方案的分解图。图6是与图5类似的部分分解图。图7A和图7B是组件300的不同实施方案的两个示例性截面图。组件300可以是用于较大组件如光电连接器或电缆组件的光电引擎的一部分。术语“光电”用于描述连接器，因为它在所述连接器内进行光电转换和电光转换。换言之，所述连接器具有用于连接至装置连同其内有源电子器件以用于将电子信号转换成光学信号以及反过来用于沿光学波导(如附接至连接器的模块的光纤)进行传输的电触点。用于O-E连接器的传输协议的实例包括USB、Display-Port、Thunderbolt等。然而，本文所公开的模块可以具有用于已知的或进一步开发的O-E器件的其它应用。
组件300包括具有上表面312的印刷电路板(PCB)310，所述上表面312包括金属引线314(包括引线接合)和接触垫316。PCB上表面312可操作地支撑有源部件如集成电路(IC)芯片320或其它合适的部件。在这个实例中，IC芯片320可操作地支撑至少一个有源光器件350，如光源350S或光电检测器350D，或两者。然而，在典型构造中，光器件和/或VCSEL是PCB上的离散部件。有源光器件350具有器件轴354。一个示例性光源是VCSEL。图5、图6和图7A示出两个光源350S和两个光电检测器350D支撑在IC芯片320顶上的一个实例。当有源光器件350包括光源350S时，器件轴354被称为光源轴。当有源光器件包括光电检测器350D时，器件轴354被称为光电检测器轴。
在一个实例中，光源350S具有与光356的发射相关联的数值孔径NAS，所述数值孔径等于或小于光纤数值孔径NAF。在一个实例中，NAS＝0.26并且其它合适的NAS值也是可行的。类似地，在一个实例中，光电检测器350D具有大于光纤数值孔径NAF的数值孔径NAD。
图7B示出一个或多个有源光器件350可操作地直接支撑在PCB上表面312上邻近IC芯片320的一个替代实例。IC芯片320示出为通过PCB表面312上的引线接合314电连接至有源光器件350。在一个示例性实施方案中，IC芯片320用作光源驱动器(例如，VCSEL驱动器)、光电检测器信号处理器(例如，跨阻抗放大器)或两者。
在图7B中应注意，凹槽80如何为IC芯片320和有源光器件350提供空间，同时还如何在有源光器件350与其对应的透镜100之间提供足够的间隔。在一个实例中，凹槽80具有与有源光器件350(示为光源350S)的间隔高度H(参见图9A，下文介绍和论述)，所述间隔高度H与模块10的IC芯片320一侧上的透镜100的前聚焦距离F1大约相同。间隔高度H允许有源光器件350和透镜表面102适当地间隔开，从而使得有源光器件和透镜100相对彼此协作地布置。
透镜100还具有从突脊50的端壁52测量的后聚焦距离F2，其中F2等于或大于0(即，F2≥0)，或者在另一实例中大于零(即，F2>0)，并且其中F2变得非常大时的极限表示基本准直的光。此处应注意，术语“后聚焦距离”在本文中指代呈有源光器件350(即，光源350S)形式的“物体”不在无限远处，而是位于与透镜表面102相距“前聚焦距离”处的情况。下文提供关于透镜100的示例性实施方案的另外细节。因此，聚焦距离F2使得焦点F位于端壁52处或位于端壁52之外。
PCB 310还包括与模块10的对准孔32对准并配置来装配到对准孔32中的基准物332，但其它对准特征结构也是可行的。基准物332可以具有促进对准的各种形式和形状，并且本文通过举例示为十字形。对准孔32和基准物332用作被动对准特征结构，所述被动对准特征结构被协作地配置来在模块10与IC芯片320之间提供被动对准，并且具体来说，当模块10与PCB 310接口连接时在每个透镜100与其对应的有源光器件350之间提供被动对准。在一个实例中，可以使用诸如环氧树脂的固定剂将模块10固定在PCB上表面312的合适位置上。在一个实例中，视觉系统(例如，机器视觉系统)可以用于在部件被接口连接之前通过透过对准孔32观察基准物332并且使它们相互对准来建立模块10与PCB310的被动对准，如图5的分解图中所示。
图8是配置来与模块本体12的顶表面18配合并覆盖所述顶表面的示例性盖子370的仰视图。参考图6和图8，盖子370具有顶表面372、底表面374以及侧部376。盖子370被配置来装配到模块10上并固定至模块10，以防止诸如灰尘、污垢等污染物沉积到所述模块上。具体来说，盖子370用于防止TIR镜54接触污染物，这种接触可能会降低TIR效果。在一个实例中，盖子370被配置来将光纤200向下挤压到光纤支撑特征结构42中以在组装过程期间使所述光纤对准，其中在一个实例中，可固化环氧树脂用于将光纤保持在合适的位置。
任选盖子370的顶表面372包括用于增强所述盖子至模块10的装配并且还可以用于搬运所述盖子的任选孔382和凹槽384。底表面374包括配置来容纳对准支柱70的大凹槽386，所述对准支柱70从模块10的顶表面18向上延伸并且协助盖子与模块对准。侧部376视情况包括向下悬垂的凸缘构件377，所述向下悬垂的凸缘构件377被配置来配合地接合在模块10的侧部22处的相应突出部23。在一个实例中，凸缘构件277和突出部23被配置成卡扣接合，以使得盖子370可以卡扣装配到模块10上(即，与之卡扣配合)。
在一个实例中，盖子370由模制材料如Ultem制成，但盖子不必对具有IR波长的光透明。用于盖子370的示例性材料包括聚碳酸酯和其它类型的塑料。当然，盖子、材料等的其它变化根据所公开的概念是可行的。
图9A类似于图4并且进一步示出位于IC芯片320或PCB板310之上的呈光源350S形式的有源光器件350。在实例中，光源350S位于IC芯片320(图7A)之上或IC芯片320邻近处以及PCB上表面312(图7B)上。在图9A所示的配置中，光源350S产生在光源光学路径OPS上大体沿透镜轴104朝向透镜100传播的发散光356。发散光356入射到凸透镜表面102上，所述凸透镜表面102用于将所述发散光转换成会聚光356，所述会聚光356之后在模块本体12内沿光源光学路径OPS传播。会聚光356最终入射到TIR镜54上，所述TIR镜54使这个光反射大体90°，从而使得所述光现在沿光源光学路径OPS朝向突脊50的端壁52并朝向光纤200传播。会聚光356传播穿过端壁52并且进入光纤末端202，在此处，这个光作为导向光356G继续在光纤200内传播。导向光356G鉴于梯度折射率纤芯206而遵循弯曲路径，并且在与光纤末端202相距距离D处在所述纤芯内抵达焦点F。应注意，如果折射率匹配材料220设置在光纤末端202与端壁52之间，光356可以穿过这种材料的薄部分。
在与图9A中所示类似的一个示例性实施方案中，透镜表面102形成基本准直的光，所述光以大体90°从TIR镜54反射出去并且作为基本准直的光离开端壁52。这个实施方案可以例如用于以下特定情况：光纤200具有梯度折射率纤芯206并且光356优选地以基本准直的光引入到所述纤芯中。应注意，这种梯度折射率光纤将光356带到与光纤末端202相距某一距离D的焦点F处，在图9A中所示即为这种情况。应注意，在光纤末端202抵靠在端壁52上的实例中，D＝F2。
图9A示出一个示例性实施方案，其中呈光源350S形式的有源光器件350可操作地布置在与透镜表面102相距前聚焦距离F1处，从而使得所述光源在折叠光源光学路径OPS上与光纤200进行光学通信。一般来说，组件300支撑一个或多个这样的折叠光源光学路径OPS。
图9B类似于图9A并且示出IC芯片320或PCB 310可操作地支撑光电检测器350D的实例。在一个实例中，光电检测器350D位于IC芯片320(图7A)之上或IC芯片320邻近处以及PCB上表面312(图7B)上。在图9B所示的配置中，导向光356G作为来自光学耦合至光纤的远程末端的远程光源(未示出)的导向光356G在光纤200的纤芯206中朝向光纤末端202传播。导向光356G因梯度折射率纤芯206而遵循弯曲路径并且作为发散光356离开光纤末端202。这种发散光在检测器光学路径OPD上传播时穿过突脊50的端壁52并且进入模块10的本体12中。应注意，如果折射率匹配材料220设置在光纤末端202与端壁52之间，光356可以穿过这种材料的薄部分。
发散光356然后入射到TIR镜54上并且从其反射大体90°以在检测器光学路径OPD上沿透镜轴104传播。发散光356在模块本体12内传播至透镜表面102时继续发散。透镜表面102用于在发散光356离开模块本体12并且朝向光电检测器350D传播时将发散光356转换成会聚光356。会聚光356大体向下聚焦到光电检测器350D上。光电检测器350D之后接收这种聚焦的光356并且将其转换成电信号(未示出)，如进入IC芯片320以在其中进行处理或引导到其它地方来处理的光电流。
图9B示出一个示例性实施方案，其中呈光电检测器350D形式的有源光器件350可操作地布置在与透镜表面102相距前聚焦距离F1处，从而使得所述有源光器件350在折叠检测器光学路径OPD上与光纤200进行光学通信。一般来说，组件300支撑一个或多个这样的折叠检测器光学路径OPD。
应注意，图9A和图9B在一个实例中描述同一组件300的两个不同部分，所述同一组件300即为包括一个或多个光源350S和一个或多个光电检测器350D并且分别包括其对应的折叠光学路径OPS和OPD的一种组件。
此处还应注意，虽然透镜100可以是相同的，但(至少一个)光源光学路径OPS和(至少一个)检测器光学路径OPD通常是不同的。这是因为离开光纤末端202的光356通常将具有与光源350S不同的发散度(数值孔径)。另外，由光纤200形成的“光源”的有效位置通常将与图9A中焦点F的位置不同。换言之，光源光学路径OPS和检测器光学路径OPD通常不是反向的光学路径。在一个实例中，透镜100是相同的并且尽管它们也用于检测器光学路径OPD，但针对光源光学路径OPS进行了优化。在另一实例中，透镜100是相同的并且被配置来提供在光源光学路径OPS和检测器光学路径OPD上有效传送光356之间的最佳折衷。
组件300的一个优点在于：它可以包括透镜表面102处的单个固-气界面。具体来说，一个示例性组件300包括具有光学功率的单个表面，即，透镜表面102。这具有以下优点：减少菲涅尔反射(Fresnel reflection)并且减少污染物进入光源光学路径OPS或检测器光学路径OPD中并减弱组件300的光学性能的机会。它还简化组件300的制造。因此，在一个实例中，光源光学路径OPS和检测器光学路径OPD各自包括具有光学功率的单个光学界面，即，对应的透镜表面102。
组件300的另一优点在于：它提供一个或多个有源光器件350与对应的一个或多个光纤200之间的被动对准，即，所述一个或多个有源光器件与所述对应的一个或多个光纤之间的一个或多个对准的光源光学路径OPS和检测器光学路径OPD。这通过举例示为模块10中的对准孔32和PCB 310上基准物332的形式的一个或多个被动对准特征结构来实现。这种被动对准系统消除了采用更昂贵和复杂的有源对准方案的需要并且使得制造组件300的成本和时间最小化。
组件300的另一优点包括TIR镜54处光信号的基本直角的转向，从而使得至少一个光源光学路径OPS的一部分和至少一个检测器光学路径OPD的一部分与PCB上表面312平行，所述PCB上表面312上安装了IC芯片320和其它电子器件。另一优点在于：每个光纤200具有一个透镜100降低了组件300的复杂性和成本。另外的优点在于：相邻光纤200之间的距离可以保持得很小(不同于光束扩展器设计)，从而使得组件300可以被配置成与光纤带一起使用。组件300的另一优点在于：凹槽80允许IC芯片320定位成非常靠近有源光器件350，从而实现最优电性能。组件300的另外的优点在于：它可以具有紧凑的形状系数，所述形状系数允许组件300装配在最常见电缆连接器内可用的有限空间内，从而实现光电(O-E)连接器如USB 3.0、Display-Port以及HDMI连接器。
示例性光学系统
图10是包括形成为模块10的本体12的一部分的透镜100的光学系统400的示意图。透镜100包括物体平面106和聚焦平面108。聚焦平面108由光356被带至其最密集焦点F所处的位置限定。与聚焦平面108和焦点F通常相关联的是光356保持足够集中的焦点深度DOF。在一个实例中，聚焦平面108定义为最小模糊圈的位置。举例来说，光学系统400还包括位于物体平面106处的光源350S。端壁52限定透镜100的后透镜表面，而透镜表面102限定前透镜表面。如上所述，光纤纤芯206可以具有梯度折射率分布，在这种情况下，光纤纤芯206构成光学系统400中的第二透镜元件。
在一个实例中，透镜100被配置成是基本优化的，以中继来自光源350S的光356并且在光源光学路径OPS上将光356耦合到光纤200中，如上文结合图9A所描述。如上所述，在一个实例中，相同类型的透镜100可以用于在检测器光学路径OPD上将光纤200携带的(并在光纤末端202发射的)光356中继至光电检测器350D。在这种情况下，对于检测器光学路径OPD，透镜100大体不进行优化。然而，这种优化可能不是必需的并且可能对组件300的性能不具有实质性影响。然而，在一个示例性实施方案中，可以调整透镜100针对光源光学路径OPS的光学设计(例如，调离针对光源光学路径OPS而言的最优情况)，以改进检测器光学路径OPD的成像质量。
关于将光源光学耦合至光纤的传统知识是将光聚焦到光纤末端上。使用这种方法，如果忽略透镜/空气界面处的菲涅尔损耗，至少在理论上有可能实现100％耦合效率CE。然而，这种方法并未提供光源350S与透镜轴104之间横向未对准的最大公差。耦合效率CE定义为耦合到光纤200中的光356与可用于耦合到光纤中的光356的总量相比的百分率。图11是光源350S的特写图，示出光源轴354与透镜轴104之间的横向未对准的量δZ(下文称为横向未对准δZ)。
与传统知识不同，本文所公开的概念是有利的，因为它们允许模块容忍横向未对准。为了使组件300能够容忍横向未对准，在一个实例中，透镜100将光356聚焦在与光纤末端202相距某一距离D处的光纤200内(并且具体来说，聚焦在光纤纤芯206内)。这种配置仍可以提供耦合效率CE＝100％(同样忽略菲涅尔反射)。放松对有源光器件350相对于透镜100的位置的未对准公差改进了组件300的性能并且减少了将所述组件组装在一起的时间和成本。它还提高制造组件300时的制造成品率。本公开的一方面包括一种用于透镜表面102的配置，所述配置为透镜100提供对横向未对准δZ增强的公差，并且在一个实例中，优化了这个公差，同时将光源350S与光纤200之间的理论耦合效率CE维持在100％，或者，维持在某一阈值耦合效率以上，例如CE≥90％或CE≥85％。
示例性透镜设计
一般来说，有两个参数限定透镜表面102的形状：其曲率半径R和二次曲线常数k。透镜表面102的形状通过以下方程式给出：
其中c＝1/R是曲率并且r是半径位置。二次曲线常数k规定了透镜表面102的形状的性质：如果k＝0，透镜表面是球形的；如果k在0与-1之间，透镜表面是椭圆形的；如果k＝-1，透镜表面是抛物线形的；并且如果k小于-1，透镜表面是双曲线形的。
存在允许CE(理论上)为100％的大范围透镜参数，存在允许CE≥90％的更大范围参数，并且还存在允许CE≥85％的甚至更大的范围参数。然而，结果证明一些参数组合能实现比其它参数组合更好的未对准公差。图12针对每对(R,k)描绘与使光源350S横向移置并记录CE≥90％的范围相关联的未对准公差。等值线表示用于维持CE≥90％的关于横向未对准δZ的公差。图12的图包括提供最大未对准公差的(R,k)空间的区域420。在峰值处，横向未对准δZ达到52微米的全范围，或±26微米的半范围。
下文表1中提供了与这个最优(R,k)空间区域420对应的透镜100的示例性参数。参考图10，d1是沿透镜轴104从光源350S至透镜表面102的距离，并且d2是从前透镜表面102至后透镜表面(端壁)52的(折叠)轴向距离(白色虚线)，并且因此表示透镜轴向厚度。在一个实例中，透镜轴向厚度d2在400μm≤d2≤1,600μm的范围内。
参数D是从后透镜表面52至聚焦平面108的上述距离，并且在一个实例中与后聚焦距离F2相同。参数R’是后透镜表面52的曲率半径，CA是透镜100的通光孔径(直径)，F1是前聚焦距离，并且F2是后聚焦距离。将光源350S模型化为VCSEL，并且假设光纤200具有抛物线型梯度折射率纤芯206。
应注意，二次曲线常数k＝-2.0使得透镜表面102变为非球面，并且具体来说是双曲线形。另外，D值＝100微米使得聚焦平面108良好地位于光纤200之内。在光纤纤芯206具有梯度折射率分布的情况下，所述光纤纤芯用作透镜并且在光学系统400且尤其是透镜表面102的光学设计中需要被考虑在内。
应注意，表1中阐述的示例性透镜参数表示良好优化设计的一个实例。可以通过放大或缩小尺寸来获得同等良好的光学性能，在这种情况下，需要适当地调整F1、d、F2、R以及k的值。
图13是示出将焦点定位在光纤或其它光学波导内的后聚焦平面的作用的比较图。具体来说，图13是针对聚焦平面108位于光纤末端202的透镜100常规配置(虚线曲线)和聚焦平面在光纤内的改进配置(实线曲线)，横向未对准δZ(微米)对耦合效率CE(％)的图。在CE＝90％(-0.46dB)时，透镜100的优化配置示出横向未对准δZ的公差从±16微米增加至±26微米，这表示优于非优化配置的62％的改进。在CE＝50％(-3dB)时，横向未对准δZ的公差从±26微米增加至±32微米，这表示23％的改进。
距离d1(粗略对应于间隔H和前聚焦距离F1)在实例中被选择为200微米，以容纳引线接合314并且基于光356从VCSEL光源350S的发散度提供合理的通光孔径CA(透镜直径)。距离D2被选择为400微米，因为所述距离提供良好的未对准公差，支持不存在未对准时耦合效率CE＝100％的透镜设计，并且与注塑模制部件的制造限制和所需的小的形状系数(即，小尺寸LX、LY以及LZ，其实例在上文所述)一致。本领域技术人员将理解，一个或多个透镜参数的其它值可以被采用来说明模块10的不同配置、光源350S的不同类型、用于模块的不同材料等，这取决于组件300的具体应用。
透镜表面处空气界面的窗口单元
图14类似于图2，并且示出一个示例性实施方案，其中窗口单元500设置在模块10的凹槽80中以维持透镜表面102处的空气界面。图15A是与图4类似的特写截面图并且示出设置在凹槽80中位于PCB 310与凹槽顶板82之间的图14的示例性窗口单元。示例性窗口单元500包括支撑对光356透明的窗口510的框架506。窗口框架506和窗口510限定窗口单元内部512。
在图15A的实例中，框架506被构造来固定至凹槽80的顶板82，以使得窗口510位于与顶板82相距高度h1处。窗口单元500用于限定凹槽80内的下凹槽部段80L。下凹槽部段80L设定大小来容纳覆盖光源350S的高折射率材料550。在一个实例中，高折射率材料550用于增强光源350S的光发射能力并且在一个实例中是凝胶或环氧树脂的小球。高折射率材料550还可以用于以基本相同的方式覆盖光电检测器350D，并且窗口单元500的论述总体涉及任一类型的有源光器件350。
然而应注意，高折射率材料550在光源光学路径OPS内不可以将凹槽80填充至顶板82，因为为了具有足够的光学功率，邻近透镜100的透镜表面102需要空气界面。为此，窗口单元500用于将小球550保持在下凹槽部段80L内，以使得窗口单元内部512保持填充空气。窗口510允许光透射穿过窗口单元内部512。在这种配置中，窗口单元内部512容纳高折射率材料550并且限定保持填充空气的上凹槽部段80U。
用于窗口框架506的其它配置可以被采用来支持透镜表面102处的空气界面。图15B类似于图15A，并且示出框架506被配置成由PCB上表面312支撑的窗口单元500的示例性实施方案。
图16类似于图15A和图15B，并且示出窗口框架506更为紧凑的另一实例，并且其中小球550基本上填充满整个窗口单元内部512。可以通过包括粘合剂手段或夹持手段在内的各种手段来将窗口框架506固定至PCB上表面312。
图17是与图16类似的视图，并且示出形成为模块本体12的一部分的窗口单元500的示例性实施方案。窗口单元500从凹槽80的顶板82悬挂下来并且对光356是透明的。窗口单元内部512围绕透镜表面102并且在透镜表面处提供必要的空气界面，同时允许下凹槽部段80L包括覆盖光源350S的折射率匹配材料550。在一个示例性实施方案中，图17的窗口单元500与模块本体12一体成形。
虽然本文已参考特定方面和特征描述了实施方案，但应理解，这些实施方案仅说明所期望的原理和应用。因此，应理解，可以对说明性实施方案做出诸多修改并且可以设计其它布置，而不脱离所附权利要求书的精神和范围。

Claims (20)

1.一种配置来支撑一个或多个光纤的光纤接口模块，所述光纤接口模块包括：
模块本体，所述模块本体具有前端和后端、顶表面、底表面以及相反侧部，并且对具有红外波长的光是透明的；
一个或多个光纤支撑特征结构，所述一个或多个光纤支撑特征结构形成在所述顶表面中并且配置来支撑相应的一个或多个光纤；
突脊，所述突脊形成在所述顶表面中并且具有限定全内反射(TIR)镜的倾斜壁；
凹槽，所述凹槽形成在所述模块本体的所述底表面中邻近所述前端并且限定凹槽顶板；
一个或多个透镜表面，所述一个或多个透镜表面形成在所述凹槽顶板上并且具有与所述一个或多个光纤支撑特征结构和所述TIR表面对准的相应的折叠透镜轴，其中所述一个或多个透镜表面限定与所述突脊的端壁的相应的一个或多个后聚焦距离F2，其中F2大于零，以使焦点位置位于与光纤末端相距某一距离处的所述光纤内。
2.如权利要求1所述的光纤接口模块，所述光纤接口模块进一步包括与所述模块本体一体成形的所述一个或多个透镜表面。
3.如权利要求1所述的光纤接口模块，其中所述凹槽顶板限定所述一个或多个透镜表面的间隔距离，并且其中所述间隔距离与前聚焦距离F1相同。
4.如权利要求1所述的光纤接口模块，所述光纤接口模块进一步包括所述模块本体，所述模块本体具有：
长度LZ，其中2mm≤LZ≤10mm；
宽度LX，其中2mm≤LX≤10mm；以及
高度LY，其中1mm≤LY≤4mm。
5.如权利要求1所述的光纤接口模块，其中所述红外波长在800nm至1,100nm的范围内。
6.如权利要求1所述的光纤接口模块，所述光纤接口模块进一步包括：
盖子，所述盖子配置来与所述模块本体的所述顶表面配合并覆盖所述顶表面。
7.如权利要求1所述的光纤接口模块，其中所述模块本体是整体式的。
8.一种光纤接口组件，所述光纤接口组件包括：
如权利要求1所述的光纤接口模块；
分别可操作地支撑在所述一个或多个光纤支撑特征结构中的所述一个或多个光纤，其中所述一个或多个光纤具有与突脊的所述端壁接口连接的相应末端；以及
一个或多个有源光器件，所述一个或多个有源光器件可操作地布置在与所述一个或多个透镜表面相距相应的前聚焦距离处，从而使得所述一个或多个有源光器件在对应的一个或多个折叠光学路径上与所述一个或多个光纤进行光学通信。
9.如权利要求8所述的光纤接口组件：
其中所述一个或多个有源光器件包括以下各项中的至少一种：i)至少一个光源以及ii)至少一个光电检测器；并且
其中所述一个或多个折叠光学路径包括以下各项中的至少一种：i)至少一个折叠光源光学路径以及ii)至少一个折叠检测器光学路径。
10.如权利要求8所述的光纤接口组件，所述光纤接口组件进一步包括：
印刷电路板(PCB)，所述印刷电路板支撑所述模块；
至少一个集成电路(IC)芯片，所述至少一个集成电路芯片由所述PCB可操作地支撑并且可操作地连接至所述至少一个有源光器件；并且
其中所述PCB或所述IC芯片可操作地支撑与所述至少一个透镜表面相距聚焦距离F2处的所述至少一个有源光器件。
11.如权利要求10所述的光纤接口组件，所述光纤接口组件进一步包括：
具有至少一个第一被动对准特征结构的所述模块本体；以及
包括至少一个第二被动对准特征结构的所述PCB，所述至少一个第二被动对准特征结构与所述至少一个第一被动对准特征结构协作地配置以允许所述模块与所述PCB之间的被动对准。
12.一种用于在至少一个光纤与至少一个有源光器件之间提供光学通信的光纤接口组件，所述光纤接口组件包括：
具有模块本体的模块，所述模块本体对具有红外波长的光是透明的并且被配置为具有前端和后端、顶表面以及底表面的矩形平行六面体，其中所述底表面具有在所述前端为开放的并限定凹槽顶板的凹槽；
至少一个光纤支撑特征结构，所述至少一个光纤支撑特征结构形成在所述顶表面中并且配置来可操作地支撑所述至少一个光纤；
突脊，所述突脊形成在所述顶表面中并且限定终止所述至少一个光纤支撑特征结构的垂直的端壁，所述突脊具有限定全内反射(TIR)镜的倾斜壁；
所述至少一个光纤，所述至少一个光纤支撑在所述至少一个光纤支撑特征结构中并且具有中心轴以及与所述端壁接口连接的末端；
至少一个透镜表面，所述至少一个透镜表面形成在所述凹槽顶板上并且具有与所述至少一个光纤支撑特征结构对准并通过所述TIR镜折叠的透镜轴，其中所述至少一个透镜表面限定到所述突脊的所述端壁的后聚焦距离F2，其中F2大于零，以使焦点位置位于与光纤末端相距某一距离处的所述光纤内；以及
所述至少一个有源光器件，所述至少一个有源光器件可操作地设置为邻近所述至少一个透镜表面并与其间隔开，从而使得所述至少一个有源光器件在包括所述透镜表面处的单个空气-模块界面的对应的至少一个折叠光学路径上与所述至少一个光纤进行光学通信。
13.如权利要求12所述的光纤接口组件，其中所述突脊部分地由所述顶表面中紧挨着所述倾斜壁形成的沟道限定。
14.如权利要求12所述的光纤接口组件，所述光纤接口组件进一步包括：
印刷电路板(PCB)，所述印刷电路板支撑所述模块；
至少一个集成电路(IC)芯片，所述至少一个集成电路(IC)芯片由所述PCB可操作地支撑并且可操作地连接至所述至少一个有源光器件；并且
其中所述PCB或所述IC芯片可操作地支撑与所述至少一个透镜表面相距聚焦距离F2处的所述至少一个有源光器件。
15.如权利要求14所述的光纤接口组件，所述光纤接口组件进一步包括：
具有至少一个第一被动对准特征结构的所述模块本体；以及
包括至少一个第二被动对准特征结构的所述PCB，所述至少一个第二被动对准特征结构与所述至少一个第一被动对准特征结构协作地配置以允许所述模块与所述PCB之间的被动对准。
16.如权利要求12所述的光纤接口组件，所述光纤接口组件进一步包括可操作地设置在所述凹槽内的窗口单元，所述窗口单元包括窗口和窗口单元内部，所述窗口单元内部被配置来容纳折射率高于空气并且覆盖所述至少一个有源光器件的介质，并且维持邻近所述至少一个透镜表面的空气界面。
17.如权利要求12所述的光纤接口组件，所述光纤接口组件进一步包括可操作地设置在所述凹槽内的窗口单元，所述窗口单元包括窗口和窗口单元内部，所述窗口单元内部被配置来容纳空气并且覆盖所述至少一个透镜表面，以在所述至少一个有源光器件被折射率高于空气的材料覆盖时维持邻近所述透镜表面的空气界面。
18.如权利要求17所述的光纤接口组件，其中所述窗口单元与所述模块本体一体成形。
19.如权利要求12所述的光纤接口组件，其中所述至少一个透镜表面是非球面的。
20.如权利要求12所述的光纤接口组件，所述光纤接口组件进一步包括：
盖子，所述盖子配置来与所述模块本体的所述顶表面配合并覆盖所述顶表面。
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