CN106461891A - 光纤子组件到光电装置的基于视觉的被动对准 - Google Patents

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Abstract

一种基于视觉的被动对准方法以光学对准将光纤的输入/输出光学耦合至支撑在基板上的光电部件。支撑光纤的光具座经由光学透明对准块物理地和光学地耦合至安装在基台上的光电装置。透明对准块具有用于对准限定在光具座上的光学基准与对准块的第一组光学基准以及用于对准限定在基台上的光学基准与对准块的第二组光学基准。

Description

光纤子组件到光电装置的基于视觉的被动对准
相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年5月23日提交的美国临时专利申请No.62/002772的优先权。该申请的全部内容作为引用并入本文。下面提及的所有出版物也作为引用并入本文。
技术领域
本发明涉及将光耦合进和耦合出光电装置(例如光子集成电路(PIC))中，更具体地涉及将光纤光连接到支撑在电路板上的光电装置。
背景技术
光电装置包括获得、检测和/或控制光、在光信号和电信号之间转换的光学和电子部件。例如，收发器(Xcvr)是包括在壳体内与电路组合的发射器(Tx)和接收器(Rx)的光电模块。发射器包括光源(例如VCSEL或DFB激光器)，接收器包括光传感器(例如光电二极管)。迄今，收发器的电路焊接在印刷电路板上。这种收发器一般具有形成封装件(密封的或非密封的)底部的基板，然后，诸如激光器和光电二极管的光电装置焊接在基板上。光纤连接到封装件外部或者使用引线(feedthrough)(见US20130294732A1，已共同受让给本申请的受让人/申请人，作为引用并入本文)经由封装件的壁供应。
如果消除了封装件，收发器的成本可以显著降低，一些商用收发器正在这样做。例如，一些具有硅光子集成电路(SiPIC)的有源光缆成功地在没有封装件的情况下操作。SiPIC芯片封入环氧树脂中，环氧树脂还用于保持光纤阵列。该方法没有提供可分离的连接器，光纤永久地附接到SiPIC。
US Conec Ltd.引入了模型PRIZM LightTurn连接器组件，其设计为可拆卸的模块安装连接器。底部支撑件附接到收发器，承载光纤阵列的连接器使用两个销孔(pin-in-hole)连接件对准对支撑件。顶部芯片卡扣到位，并将连接器保持在支撑件上。该连接器组件由聚合物制造。
对于正确操作，支撑在印刷电路板上的光电装置需要有效地将光耦合至外部光纤。大多数光电装置(例如PIC)要求单模光连接件，单模连接件要求在光纤和装置之间严格的对准公差，通常小于1微米。这是有挑战性的，因为很多光纤使用主动光学对准方式光学对准至PIC，在主动光学对准方式中，光纤的位置和方位通过机器调节，直到在纤维和PIC之间传输的光量最大为止。
由于包含封装件，排除了使用通用的电子装置和组装工艺，所以现有技术是昂贵的，和/或通常不适于许多PIC所要求的单模应用。主动光学对准涉及比较复杂的、低吞吐量任务，因为激光或光电二极管必须在主动对准过程期间被激励。此外，由塑料制成的那些部件(例如US Conec Ltd.的PRIZM LightTurn连接器)不太适于单模连接，塑料部件在任何后续焊接过程(可导致聚合物构造偏移，并危害光学对准)期间不会到位。
需要的是一种改进的方法来以光学对准将光纤的输入/输出光学耦合至支撑在基板(例如印刷电路板)上的光电部件，这以减少的成本改进了吞吐量、公差、可制造性、易用性、功能性和可靠性。
发明内容
本发明通过提供一种基于视觉的被动对准方法克服了现有技术的缺点，该方法不需要激励电路或电光部件以光学对准将光纤的输入/输出光学耦合至支撑在基板上的光电部件，以减少的成本改进了吞吐量、公差、可制造性、易用性、功能性和可靠性。
在一个实施例中，支撑至少一个光纤的、光纤子组件(OFSA)形式的光具座(optical bench)物理地和光学地耦合至安装在基板和/或印刷电路板(PCB)上的光电装置(例如VCSEL阵列、PD阵列或光子集成电路(PIC))。新颖的被动光学对准连接包括支撑光电装置的支撑件(例如壳体或基台)以及透明对准块，透明对准块具有用于对准限定在OFSA上的光学基准与对准块的第一组光学基准以及用于对准限定在支撑件上的光学基准与对准块的第二组光学基准。第一和第二组光学基准相对彼此精确地定位在对准块上。由OFSA支撑的光纤的输入/输出端相对于OFSA上的光学基准精确地定位。光电装置相对于光学基准精确定位在支撑件上。相应地，在组装时，通过对准OFSA上的光学基准、对准块和支撑件与光纤的输入/输出端(沿期望的预定光学路径与支撑件上的光电装置光学对准)而使OFSA、对准块和支撑件被动对准。
支撑件可一开始附接至模块的基板(例如PCB)或者支撑件可在附接至模块基板之前安装到对准块。另外，根据本发明的受让人/申请人创造的新颖连接(见于2015年5月15日提交的美国专利申请No.14/714240)，OFSA经由“可分离的”或“可卸下的”或“可拆卸的”动作可移除地附接至对准块。
附图说明
为了更全面地理解本发明的性质和优点以及优选实施例，结合附图参考下面的详细描述。在附图中，相同的参考标号表示附图中的相同或类似的零件。
图1是根据本发明的一个实施例的光具座的透视图，光具座相对于反射镜阵列精确地定位光纤。
图2是根据本发明的一个实施例的光具座的透视图，该光具座具有配齐套圈的盖。
图3是根据本发明的一个实施例的具有光学对准基准的光学透明对准块的透视图。
图4是示出与对准块对准的光具座的附接的透视图。
图5是根据本发明的一个实施例，与基台上的光学基准精确对准的、放置在基台上的VCSEL阵列的透视图。
图6是示出根据本发明的一个实施例，对准块及光具座附接在基台上的透视图。
图7是示出根据本发明的一个实施例，基台及对准块和光具座附接在印刷电路板上的透视图。
图8是示出根据本发明的一个实施例，使用可分离的纤光连接器将光纤跳线(jumper)附接到已对准至VCSEL的光具座的透视图。
图9是沿图7的线9-9截取的剖视图。
图10是沿图8的线10-10截取的剖视图。
具体实施方式
下面参考附图关于各实施例来描述本发明。尽管在实施本发明的目的的最佳实施方式方面描述了本发明，但是本领域技术人员应明白，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，考虑到这些教导，可以完成变型例。
本发明通过提供一种基于视觉的被动对准方法克服了现有技术的缺点，该方法以光学对准将光纤的输入/输出光学耦合至附接在基板上的光电部件，以减少的成本改进了吞吐量、公差、可制造性、易用性、功能性和可靠性。
参考光纤子组件(OFSA)作为支撑光纤的输入/输出端的光具座的示例、具有垂直腔面发射激光器(VSCEL)阵列的收发器(Tx)作为光电装置(可以是收发器(Xcvr)的一部分)的示例来讨论本发明的理念。或者，VCSEL阵列和基台可实现为将光子电路集成进单个芯片中作为光子集成电路(PIC)的装置。在不脱离本发明的范围和精神的情况下，本发明可应用于提供其它类型的光具座到基它类型的光电装置的被动对准。
图1示出合并了支撑光纤20(例如，短段或短截的四个光纤20)形式的光学部件的微光具座11的OFSA 10。光具座11包括基底16和结构化反射表面12(即四个反射器)，基底限定出包括对准结构的结构化特征，对准结构包括用于保留光纤20的裸露部分(覆层暴露，没有保护缓冲层和护套层)的敞开沟槽25，结构化反射表面12具有相对于基底16的更大平面以一角度倾斜的平面。每个结构化反射表面12可具有平坦的凹或凸表面轮廓和/或具有对应于下列等同光学元件中的至少一个的光学特性：反射镜、聚焦透镜、发散透镜、衍射光栅或前述的组合。结构化反射表面12可具有复合轮廓，其限定出对应于不同等同光学元件的一个区域(例如由发散的环形区域围绕的聚焦的中心区域)。在一个实施例中，结构化反射表面12可具有凹的非球面反射表面轮廓，其充当反射和再成形(例如准直或聚焦)发散的入射光的功能，而不要求透镜。相应地，还参见图9和10，每个结构化反射表面12充当沿与各光学部件和元件(即光纤20、结构化反射表面12和VCSEL 2)的光轴对准的限定光学路径100通过从光纤20的输出/输入端21的反射将光引导至外部光学或光电部件(在该情况下诸如VCSEL 2的光电装置)/通过反射至光纤20的输出/输入端21引导来自外部光学或光电部件的光的光学元件。
敞开沟槽25的尺寸做成接收光纤20的端部和定位成沿光学路径100相对于结构化反射表面12对准地精确定位光纤的端部。每个光纤20的端表面21(输入/输出端)相对于对应结构化反射表面12维持在预定距离处。
光具座11的总体功能结构一般类似于nanoPrecision的下面较早专利文件中公开的一些光具座实施例的结构(即，与结构化反射表面对准的纤维对准沟槽，便于恰当光学对准的额外特征)。然而，在本发明中，光具座11压印有光学基准形式的被动对准特征。参见图1，光学基准14形成在基底16的平坦表面15上，这便于相地于VCSEL 2对准和精确定位光具座11，如下进一步解释。光纤20/沟槽25的输入/输出端21(限定出光纤端21的位置)和结构化反射表面21相对于光具座11上的光学基准14精确定位。
在本发明的另一方面中，反射镜/结构化反射表面和光连接器中的光纤对准结构可以通过精确地压印原材料(例如金属坯或条)而一体地/同时形成，这允许以大或小体积经济地生产连接器部件，同时改进公差、可制造性、易用性、功能性和可靠性。通过在相同的最终压印操作中同时形成结构化反射表面、被动对准特征(即光学基准14)和光纤对准结构，可以在最终压印步骤中维持要求在光具座上的对准的所有特征的尺寸关系。代替利用冲压机的单次冲击以在光具座上形成所有特征的冲压操作，可设想的是，可以实施多个冲击以在光具座上逐步预形成某些特征，用最终冲击同时限定光具座上的需要沿设计光学路径确保(或者在确保方面有重要作用)相应部件/结构的恰当对准的各结构化特征(包括反射镜、光纤对准结构/沟槽、被动对准特征等)的最终尺寸、几何形状和/或光洁度，
本发明的受让人nanoPrecision Products,Inc.开发了各种独占的光学耦合/连接装置，其具有与光学数据传输结合使用的光具座。更确切地，本发明涉及将光纤可拆卸地/可重新连接地耦合至光子部件(包括PIC)，同时采用压印光具座的类似理念(包括在较早光学耦合装置中实施的压印反射镜)。
例如，US2013/0322818A1公开了一种具有用于发送光学数据信号的压印结构化表面的光学耦合装置，尤其是一种用于发送光学信号的光学耦合装置，包括基底；限定在基底上的结构化表面，其中，结构化表面具有再成形和/或反射入射光的表面轮廓；以及限定在基底上的对准结构，构造有表面特征以便于与结构化表面对准地将光学部件定位在基底上，以允许光沿结构化表面和光学部件之间的限定路径传输，其中，结构化表面和对准结构通过压印基底的可锻材料一体地限定在基底上。
US2013/0294732A1还公开了一种具有集成光学元件的密封光纤对准组件，尤其是一种包括套圈部分的密封光纤对准组件，套圈部分具有接收光纤的端部的多个沟槽，其中，沟槽相对于套圈部分限定出端部的位置和方位。该组件包括用于将光纤的输入/输出耦合至光电模块中的光电装置的集成光学元件。光学元件可以是结构化反射表面的形式。光纤的末端位于结构化反射表面的限定距离处，并与结构化反射表面对准。结构化反射表面和纤维对准沟槽可以通过压印形成。
美国专利申请No.14/695,008还公开了一种光学通信模块中使用的发送光学信号的光学耦合装置，尤其是一种在基底上限定结构化表面和限定在基底上的对准结构的光学耦合装置，结构化表面具有再成形和/或反射入射光的表面轮廓，对准结构构造有表面特征以便于与结构化表面光学对准地将光学部件定位在基底上，以允许光沿结构化表面和光学部件之间的限定路径传输。结构化表面和对准结构通过压印基底的可锻材料一体地限定在基底上。对准结构便于以与结构化表面的光学对准被动对准基底上的光学部件，以允许光沿结构化表面和光学部件之间的限定路径传输。结构化表面具有反射和/或再成形入射光的反射表面轮廓。
美国专利No.7,343,770公开了一种新颖的精密压印系统，用于制造小公差零件。这种创造性压印系统可在各种压印过程中实施，以生产上述nanoPrecision专利文件中公开的装置，并可类似地实施以生产本文公开的结构(包括上面讨论的光具座11的结构)。这些压印过程涉及压印松散材料(例如金属坯或原材料)以在紧(即小)公差下形成最终表面特征，包括与其它限定表面特征精确对准的具有期望几何形状的反射表面。
实际上，对于OFSA 10，基底16限定出光具座11用于相对于反射表面12对准光纤20。通过在也限定出结构化反射表面12的相同的单个结构上包含沟槽25，与试图获得基于限定在分离部分或结构上的特征的类似对准相比，光纤20的端部21到结构化反射表面12的对准可以通过单个最终压印操作以相对更紧(更小)的公差更精确地获得，以在单个部分上同时限定最终结构。通过在相同的单个最终压印操作中同时形成结构化反射表面12和光纤对准结构/沟槽25，可以在最终压印步骤中维持要求(或者说在提供对准时有重要作用的)在相同工件/元件上的对准的所有特征/部件的尺寸关系。
参见图2，OFSA 10还包括盖18，其覆盖暴露的沟槽25和光纤20的部分。盖18和光具座11的组合的总体结构的终止部分17本质上形成套圈，支撑光纤缆线23的终端的套圈51可经由套筒50联接至该终止部分形成的套圈(见图8)。
在一个实施例中，新颖的被动光学对准连接包括支撑光电装置(例如VCSEL 2)的基台。参见图5，VCSEL 2安装在基台4上，基台限定有一组光学基准44。这些基准可以使用光刻程序生产在基台上，光刻程序保持放置基准时的纳米级公差。VCSEL 2相对于光学基准44通过使用已知的拾放机器精确地定位在基台4上(即，VCSEL 2在基台4上的安装位置通过参考光学基准44精确地确定)，拾放机器具有将VCSEL的表面上的光刻图案特征(例如发射区域、焊垫等)对准至基台4上的光刻图案基准44视觉反馈。尽管图5示出光子部件作为安装在分离基台4上的VCSEL 2，但是在替代实施例中，基台可以是光子部件的一体部分，该布置消除了将光子部件组装在基台上。例如，基准44可以光刻图案化到光子集成电路(PIC)的表面上，光子集成电路还包括光源，比如衍射光栅耦合器。对于其它类型的集成光电装置，比如硅光子集成电路(SiPIC)，SiPIC的壳体可以充当基台(例如SiPIC的硅基板/壳体)，光学基准限定(例如通过光刻/蚀刻工艺)在基台上。
参见图3，新颖的对准连接还包括光学透明的对准块1，其具有用于对准限定在OFSA 10的光具座11上的光学基准44与对准块1的第一组光学基准24以及用于对准限定在基台4上的光学基准44与对准块1的第二组光学基准34。第一和第二组光学基准24和34相对彼此精确定位在对准块1上。光学基准24和34可以使用光刻工艺以优于1微米的精度限定在对准块1的相同表面(例如顶表面29)上。或者，两组光学基准可以限定在对准块1的相对表面上。对准块1可以由合适的光学透明材料制成，比如玻璃、石英或硬塑料。
在所示实施例中，开口59设置在对准块1中，其提供了空隙以允许光在光具座11上的结构化反射表面12与VCSEL 2(见图4、9和10)之间通过。开口59可以是通孔的形式，如图3的实施例所示，或者切口的形式(即对准块具有U形体)。或者，如果光具座11利用结构化反射表面12(使光传输超过对准块的边缘)附接到对准块，则开口可以省略。或者，对准块不必具有任何孔，到达/来自结构化反射表面12的光可被引导为通过透明对准块。
参见图4，OFSA 10/光具座11附接到对准块11(例如经由焊接或粘合剂)，光具座11上的光学基准44与对准块1上的第一组光学基准24对准。假定光学基准14和24经由透明对准块1可见，则光学基准14和24的对准可以被动确定/视觉/光学确认。例如，对准块1的光学透明体上的第一组光学基准24可以使用已知的拾放机器(使用基于视觉的对准方案)对准至光具座基准14。
参见图6，对准块1(OFSA 10附接到对准块)附接到基台4(例如经由粘合剂)，对准块1上的第二组光学基准34与限定在基台4上的光学基准44对准。假定光学基准34和44经由透明对准块1可见，则光学基准34和44的对准可以被动确定/视觉/光学确认。例如，对准块1的光学透明体上的第二组光学基准34可以使用已知的基于视觉的对准机器对准至基台基准44。
在图6的实施例中，在将对准块1附接到基台4之前，基台4预附接到下面的基板，例如PCB 3，其可以是光电装置模块的基板或壳体的一部分。或者，在图7的实施例中，在将基台4附接到下面的基板(例如PCB 3或硅插入物)之前，对准块1附接到基台4。
前述工艺提供了光纤子组件，其永久附接至板/基台/基板。在组装时，通过对准OFSA10/光具座11、对准块1和基台4上的光学基准、沿期望的预定光学路径100光学对准光纤20的输入/输出端21与支撑在基台4上的光电装置(例如VCSEL 2)，可以被动对准OFSA10/光具座11、对准块1和基台4。参见图9和10，示出光纤20的输入/输出端21到VCSEL 2的光学对准。图9是在将对准块1附接到PCB 3之前，沿图7的线9-9截取的剖视图。图10是在将对准块1附接至PCB 3之后，沿图8的线10-10截取的剖视图。假定(1)光纤端21关于限定在光具座11上的结构化反射表面12精确定位，(b)OFSA10的光具座11经由上面讨论的光学基准14和24对准到对准块1，(c)对准块1经由光学基准34和44对准至支撑VCSEL 2的基台4，(d)VCSEL2相对于基台4上的光学基准精确定位，则图9和10所示的总体结构导致沿期望的预定光学路径100的精确光学对准，该路径经由限定在光具座11上的结构化反射表面12限定在光纤20的末端21和VCSEL2之间。
在图9和10的实施例中，光路100经过结构化反射表面12转动大致90度。如所示，光具座11/OFSA10提供了便利的紧凑连接结构(即光连接器)，其允许光纤缆线耦合至光电装置(例如VCSEL 2)，光纤基本上平行于光电装置的主平面(例如支撑基板或基台的平面)对准。
返回参见图8的实施例，可认识到，本发明提供了一种板安装光纤子组件(BM-OFSA)10，其可永久附接至光电装置(比如包括VCSEL 2的收发器)的基板/基台/板4。BM-OFSA10经由光学基准(14,24,34和44)对准，并利用类似焊接或粘合剂(比如环氧树脂)的附接工艺附接到基板/基台/板4。BM-OFSA10包括由压印的微光具座11形成的压印连接器，微光具座11还形成用于可分离的纤维连接的套圈17。压印连接器是包含光纤短截20阵列的蛤壳设计。纤维短截的一端终止于套圈17(例如具有大致椭圆横截面)，相对端21终止于微反射镜12阵列(优选地通过压印制造)。反射镜折叠光线，并将它们聚焦在板/基板/基台4上的电光芯片上。该套圈端17集成到微光具座。套圈端17提供经由对准套筒50到纤维跳线23的套圈51的可分离的连接接口。
本发明提供了一种使用基于视觉的被动对准将BM-OFSA10组装到板/基台/基板4的方法，其易于以维1微米的定位精度用在拾放机器中。适合于单模光学连接。本发明兼容常规电子组装过程，比如波焊，因为其由耐高温过程的金属和玻璃制成。BM-OFSA可通过根据本发明的被动对准附接到电路板，在板完全组装之后，光纤缆线可使用BM-OFSA的套圈端连接。因此，在组装电路板期间，光纤缆线不会造成不便。
在替代实施例中，代替在微光具座的一端的内置集成套圈，分离的独立套圈可连接到微光具座的一端。
在另一实施例中，代替在图8所示构造中，构造光具座11具有套圈17作为短截来提供可分离的连接到纤维跳线23，光纤缆线可以永久附接到光具座11(即光纤缆线中的光纤20的末端21通过光具座11对准地支撑)。该构造消除了图8所示的套筒50和套圈51。光纤缆线23的光纤20的末端21直接插入光具座11的沟槽25中。在该实施例中，光具座11还充当用于支撑在被动对准的光学/机械耦合中光学对准的光纤的套圈。
应注意，根据本发明的受让人/申请人创建的新颖连接(见于2015年5月15日提交的美国专利申请No.14/714,240)，OFSA经由“可分离的”或“可卸下的”或“可拆卸的”动作可移除地附接至对准块。如先前所注意的，在本发明的范围和精神内，创造性理念可用于其它类型的光电装置(例如PIC)以及其它类型的光具座和光学子组件。
尽管参考优选实施例示出和描述了本发明，但是本领域技术人员应理解，在不脱离本发明的精神、范围和教导的情况下，可以进行各种形式和细节的改变。相应地，公开的发明仅考虑为示例性的，其范围仅由权利要求书中指定的限定。

Claims (14)

1.一种光具座和光电装置之间的被动对准连接结构，包括：
光学透明对准块，具有限定在其上的第一组光学基准和第二组光学基准；
光具座，具有限定有包括光学基准的对准特征的第一体，其中，在限定在光具座上的光学基准与限定在对准块上的第一组光学基准对准的情况下，所述光具座附接到对准块；
支撑件，支撑光电装置，其中，光学基准限定在支撑件上，其中，在支撑件的光学基准与限定在对准块上的第二组光学基准对准的情况下，支撑件附接到对准块。
2.如权利要求1所述的被动对准连接结构，其中，所述光具座的第一体通过压印形成，包括压印出含光具座的光学基准的对准特征。
3.如权利要求1所述的被动对准连接结构，其中，所述支撑件包括基台，支撑件的基准限定在基台上，光电装置关于所述基准安装在基台上。
4.如权利要求1所述的被动对准连接结构，其中，所述光具座至少包括结构化反射表面，所述对准特征包括支撑与结构化反射表面光学对准的光纤的对准结构，其中，光学路径经由结构化反射表面限定在光纤和光电装置之间，其中，光具座与光电装置对准以维持光学路径。
5.如权利要求4所述的被动对准连接结构，其中，所述光电装置包括发射器、接收器、收发器和光子集成电路中的至少一个。
6.如权利要求4所述的被动对准连接结构，其中，所述对准块包括开口，用于使光通过限定在光具座上的结构化反射表面和光电装置之间。
7.如权利要求1所述的被动对准连接结构，其中，所述基台是光电装置的一体部分。
8.一种用于提供光具座和光电装置之间的被动对准连接的方法，包括：
提供具有限定在其上的第一组光学基准和第二组光学基准的光学透明对准块；
在光具座的本体上限定对准特征，包括光学基准；
在限定在光具座上的光学基准与限定在对准块上的第一组光学基准对准的情况下，将所述光具座附接到对准块；
在支撑件上限定光学基准，光电装置支撑在支撑件上，其中，在支撑件的光学基准与限定在对准块上的第二组光学基准对准的情况下，将所述支撑件附接到对准块。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述光具座的第一体通过压印形成，包括压印出含光具座的光学基准的对准特征。
10.如权利要求8所述的方法，其中，所述支撑件包括基台，支撑件的基准限定在基台上，光电装置关于所述基准安装在基台上。
11.如权利要求8所述的方法，其中，所述光具座包括结构化反射表面，限定对准特征包括限定支撑与结构化反射表面光学对准的光纤的对准结构，其中，光学路径经由结构化反射表面限定在光纤和光电装置之间，其中，光具座与光电装置对准以维持光学路径。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述光电装置包括发射器、接收器、收发器和光子集成电路中的至少一个。
13.如权利要求11所述的方法，其中，所述对准块包括开口，用于使光通过限定在光具座上的结构化反射表面和光电装置之间。
14.如权利要求8所述的的方法，其中，所述基台是光电装置的一体部分。
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