CN109073843B - 光耦合组件 - Google Patents

光耦合组件 Download PDF

Info

Publication number
CN109073843B
CN109073843B CN201780027943.5A CN201780027943A CN109073843B CN 109073843 B CN109073843 B CN 109073843B CN 201780027943 A CN201780027943 A CN 201780027943A CN 109073843 B CN109073843 B CN 109073843B
Authority
CN
China
Prior art keywords
optical
light
coupling
focal
alignment
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201780027943.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109073843A (zh
Inventor
罗杰·科曼斯
D·古肯伯格
马克·哈里森
拉塞尔·斯蒂尔斯
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Molex LLC
Original Assignee
Molex LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Molex LLC filed Critical Molex LLC
Publication of CN109073843A publication Critical patent/CN109073843A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109073843B publication Critical patent/CN109073843B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4204—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details the coupling comprising intermediate optical elements, e.g. lenses, holograms
    • G02B6/4214—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details the coupling comprising intermediate optical elements, e.g. lenses, holograms the intermediate optical element having redirecting reflective means, e.g. mirrors, prisms for deflecting the radiation from horizontal to down- or upward direction toward a device
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/262—Optical details of coupling light into, or out of, or between fibre ends, e.g. special fibre end shapes or associated optical elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/36—Mechanical coupling means
    • G02B6/3628—Mechanical coupling means for mounting fibres to supporting carriers
    • G02B6/3632—Mechanical coupling means for mounting fibres to supporting carriers characterised by the cross-sectional shape of the mechanical coupling means
    • G02B6/3636—Mechanical coupling means for mounting fibres to supporting carriers characterised by the cross-sectional shape of the mechanical coupling means the mechanical coupling means being grooves
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/36—Mechanical coupling means
    • G02B6/3628—Mechanical coupling means for mounting fibres to supporting carriers
    • G02B6/3632—Mechanical coupling means for mounting fibres to supporting carriers characterised by the cross-sectional shape of the mechanical coupling means
    • G02B6/3644—Mechanical coupling means for mounting fibres to supporting carriers characterised by the cross-sectional shape of the mechanical coupling means the coupling means being through-holes or wall apertures
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/36—Mechanical coupling means
    • G02B6/3628—Mechanical coupling means for mounting fibres to supporting carriers
    • G02B6/3648—Supporting carriers of a microbench type, i.e. with micromachined additional mechanical structures
    • G02B6/3652—Supporting carriers of a microbench type, i.e. with micromachined additional mechanical structures the additional structures being prepositioning mounting areas, allowing only movement in one dimension, e.g. grooves, trenches or vias in the microbench surface, i.e. self aligning supporting carriers
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4219—Mechanical fixtures for holding or positioning the elements relative to each other in the couplings; Alignment methods for the elements, e.g. measuring or observing methods especially used therefor
    • G02B6/422—Active alignment, i.e. moving the elements in response to the detected degree of coupling or position of the elements
    • G02B6/4225—Active alignment, i.e. moving the elements in response to the detected degree of coupling or position of the elements by a direct measurement of the degree of coupling, e.g. the amount of light power coupled to the fibre or the opto-electronic element
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4249—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details comprising arrays of active devices and fibres
    • G02B6/425—Optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4292—Coupling light guides with opto-electronic elements the light guide being disconnectable from the opto-electronic element, e.g. mutually self aligning arrangements

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Optical Couplings Of Light Guides (AREA)

Abstract

一种光系统包括一基部，基部具有一光纤固定及对准部，所述光纤固定及对准部具有至少一个对准构件。所述基部的一光耦合部具有一光耦合块且包括至少一个光耦合部件，各光耦合部件具有：一椭圆的反射表面，限定第一和第二焦点。第一和第二焦面大体分别与第一和第二焦点对准。一光路延伸地穿过各光耦合部件且与其中一个对准构件对准。一光纤设置于各对准构件内相邻一第一焦面而一光元件与各光纤光学地对准且设置成相邻其中一个第二焦面。

Description

光耦合组件
相关申请的交叉引用
本申请主张于2016年3月4日提交的题为“光耦合组件”的美国临时专利申请号US62/303933以及于2016年11月9日提交的题为“光耦合组件”的美国临时专利申请号US62/419752的优先权，它们的全部内容通过援引其整体上并入本文。
技术领域
本发明概括而言涉及光组件，且更具体而言涉及用于将光元件互连的一种光耦合部件及一种光耦合组件。
背景技术
光模块通常设置成用于在短距离(short reach)应用(诸如服务器、数据存储以及数据管理)中传输多模信号。光模块也可设置为用于在中等距离(medium reach)应用(诸如遥控天线和数据中心)中传输单模光纤信号。光模块通常包括多个离散(discrete)元件(诸如载体结构、光纤保持器、聚焦光学器件以及转向镜(turning mirrors)或棱镜)。光元件通常由诸如玻璃和聚合物的光透过的(optically transparent)材料制成。沿各光路的离散元件的数量可能降低性能，因为各光接口增加了反射和未对准的可能性。此外，各元件需有其自己的对准步骤，这导致在组装时存在有多个耗时的对准步骤和累积公差的增加。
此外，使用由聚合物制成的光元件时的一个显著的问题是光系统的性能随温度(over temperature)变化。例如，由聚合物制成的光元件具有材料所固有的基本属性，诸如，折射率随温度的变化(dN/dT)和热膨胀系数(CTE)的变化，这些基本属性通常大于其所附接的玻璃或电子基板以及玻璃填充型聚合物的十倍。这些基本属性使聚合物光元件在许多光应用中的使用受到限制或复杂化。
在一些应用中，大的dN/dT和CTE性能可能在聚焦光的位置处产生导致光连接性能随温度衰减的变化。这种性能的衰减限制且有时阻止聚合物光元件在许多光纤应用中的使用。在某些情况下，单模光纤的应用可能极其容易因为温度变化的影响而引起性能的衰减。
基于光系统的组装过程的复杂性和减弱或降低性能的可能性，具有降低的复杂性和提高的可制造性的系统是所希望的。
前述背景技术的说明仅是用于帮助读者。其既不意欲限制本文所说明的发明创造，也不意欲限制或扩大所说明的现有技术。因此，前述说明不应用来表明一现有系统的任何特殊部件是不适合供本文所述的发明创造使用，也不意欲表明任何部件在实施本文所述的发明创造时是必须的。本文所述的发明创造的实施和应用由所附权利要求书限定。
发明内容
在一方面，一种光系统包括：一基部，具有一光纤固定及对准部以及一光耦合部。所述光纤固定及对准部具有多个对准构件，且各对准构件设置成收容一光纤于其内。所述光耦合部具有一光耦合块且包括多个光耦合部件。各光耦合部件具有：一椭圆的反射表面，限定一第一焦点和一第二焦点。一第一焦面大体与所述第一焦点对准，而一第二焦面大体与所述第二焦点对准，其中所述第一焦面和所述第二焦面间隔开且相互成一定角度。一光路从所述第一焦点到所述反射表面再到所述第二焦点地延伸穿过各光耦合部件，各对准构件与其中一个光耦合部件的第一焦点对准。一光纤设置于其中一个对准构件内且设置成相邻其中一个第一焦面；而一光元件与各光纤光学对准且设置成相邻其中一个第二焦面。
在另一方面，一种光组件包括：一单件式整体形成的基部，具有一光纤固定及对准部以及一光耦合部。所述光纤固定及对准部具有多个对准构件，各对准构件设置成容纳一光纤于其内。所述光耦合部具有一光耦合块且包括多个光耦合部件，各光耦合部件具有：一椭圆的反射表面，限定一第一焦点和一第二焦点。一第一焦面大体与所述第一焦点对准，而一第二焦面大体与所述第二焦点对准，其中所述第一焦面和所述第二焦面间隔开且相互成一定角度。一光路从所述第一焦点到所述反射表面再到所述第二焦点延伸地穿过各光耦合部件，且各对准构件与其中一个光耦合部件的第一焦点对准。
附图说明
图1是一光系统的一立体图；
图2是图1的光系统的一分解立体图；
图3是图1的大体沿线3-3作出的一剖视图；
图4是图3的一侧视图；
图5是与图3类似的但从一不同角度观察的且仅示出基部的一剖视图；
图6是图1的光系统内的一光耦合构件的一示意图；
图7是图6的多个光耦合部件中的一个光耦合构件的一示意图；
图8是根据本发明的另一光耦合部件的一立体图；
图9是与图8类似的但从一不同角度观察到的一立体图；
图10是图8的光耦合部件的大体沿线10-10作出的一剖视图；
图11是一光耦合部件的一替代实施例的一立体图，其中两条光纤耦合于两个光学面；
图12是一光耦合部件的另一替代实施例的一立体图，其中一发送器和一接收器耦合于两个光学面；以及
图13是一光耦合部件的一替代实施例的一示意图。
具体实施方式
参照图1至图2，一光系统10包括一光组件11(诸如一收发器)，光组件11光耦合或互连于一线缆101的诸如玻璃、石英或塑料的多条光纤100(图2)形式的第一光元件以及多个光电元件110形式的第二光元件。线缆101可包括任何数量和任何类型的光纤100。例如，如图所示，线缆101大体是圆形且包括带状形式的多条从线缆的护套102延伸的光纤100。诸如缓冲体103的围绕光纤100的材料(未示出)可从端部104移除，以助于将多条光纤精确定位于光组件11内。在未示出的一替代实施例中，线缆101可包括多条松散的光纤100。光纤100可具有任何构造或可以是任何类型，诸如单模或多模。
第一和第二光元件可以是具有任何构造或任何类型的元件，诸如有源元件(例如光电元件)和/或无源元件(例如光纤)。光元件的构造可以基于光在组件的结构内发送的方向来设置。在一个实施例中，一第一光元件可以是，通过其发送一光信号的任何光源，诸如一半导体发射器(emitter)或发送器(transmitter)或一光纤100。在这种实施例中，第二光元件可以是一光信号被引导到其内的任何光靶(optical target)，诸如一半导体探测器(detector)或接收器(receiver)或一光纤100。如图所示，第一光元件是一光纤100而第二光元件是一光电接收器。对于期望光沿一相对方向行进的一实施例中，一光电发送器可以替代光电接收器。
光组件11包括一基部15、一光纤固定盖16、一反射镜盖(reflector cover)17以及多个诸如光纤100和光电元件110之类的光元件。基部15包括：一光纤固定及对准部20；一光耦合部30，从光纤固定及对准部延伸到基部的一第一缘或光电元件处的缘18；以及一光纤支撑部90，从光纤固定及对准部延伸到基部的与第一缘相对的一第二缘或光纤处的缘19。
光纤固定及对准部20用于(operative)将多条光纤100以所需的间距精准定位和固定于光组件11。光纤固定及对准部20包括：一凹部21，在隔开的横向两个侧壁22之间延伸。凹部21的一下表面23可包括：多个平行的对准构件，诸如多个V形凹槽24，在一从前往后(front to rear)方向沿上表面的一长度(a length of)延伸。所述多个V形凹槽24的尺寸可以设置成将多条光纤100的已剥皮的(stripped)的自由端部104收容并精准定位于其中。换言之，围绕光纤100的缓冲体103和任何其他材料已经从光纤的固定于V形凹槽24内的部分上移除。V形凹槽24不需要沿光纤固定及对准部20的整个长度延伸。光纤100可以以任何所需的方式固定于V形凹槽24内，如用一粘结剂(例如环氧树脂)。对准构件可具有除了V形凹槽以外的其他构造，包括台阶式凹槽或贯通孔。
光耦合部30包括：一光耦合块或构件31，其中具有多个横向间隔开的光耦合部件40。光耦合块31包括：一第一光学面32(图4)，位于相邻光纤固定及对准部20；以及一第二光学面33，位于与第一光学面32成一定角度。尽管各耦合部件40与其中一个V形凹槽24和其中一个光元件对准，但图6中示意性示出光耦合块31与光耦合部30分离，且在图7为了清楚起见仅耦合于一条光纤100和一个光电元件110。如下进一步详细描述的，各耦合部件40沿定位于一V形凹槽24内的一光纤100和光电元件110之间的任一方向引导光形式的光信号。
参照图7至图10，示出一耦合部件40的一例子。耦合部件40包括沿耦合构件31的第一光学面32的一第一焦面50和沿耦合构件的第二光学面33的一第二焦面55。第一焦面50与第二焦面55隔开且与第二焦面55成一定角度。第一焦面50和第二焦面55之间的角度可以是任何所需的角度，只要该角度满足光部件40如下所述的其他特性。在一些应用中，第一焦面50和第二焦面55之间的角度可以在大约70度至110度之间。在其他应用中，该角度可以是大约90度。
一反射表面41与各第一焦面50和第二焦面55隔开且相对背(oppose)。反射表面41可具有椭圆的形状或表面，以创建或限定一对光焦点或焦点51、56。为了清楚起见，限定反射表面41的一部分的一椭圆以虚线58示出。第一焦点51可落在第一焦面50上或与第一焦面50对准，而第二焦点56可落在第二焦面55或与第二焦面55对准。通过使第一焦点51在三维(x、y和z)上与一第一光元件(示出为一光纤100)对准且使第二焦点56在三维上与一第二光元件(示出为一光电元件110)对准，第一光元件和第二光元件之间的光耦合中的损失可以最小化。
应注意的是，在一些情况下，仅使焦面与各自的焦点大体对准可能是合乎需求的。例如，这种情况可发生在当正被传输的光束聚焦到一特定直径而不是一特定点时或针对系统性能并不要求精确对准的情况是合乎需求的。在这类情况下，光在沿一平面的而不是在一点处的一焦点位置进入和离开耦合部件40。为了清楚起见，如本文所使用的，这样一较大的焦点位置仍然应被认为是一焦点。
如图7所示，椭圆58的长轴59(即通过两个焦点的一直线)与第一焦面50和第二焦面55两者均成一定角度。长轴59相对两个焦面的角度与反射表面相对两个焦面的角度相一致(coincide)。
第一焦面50设置为与第一光元件对准的一源位置，而第二焦面55设置为与第二光元件对准的一靶位置。如此，一光束形式的光信号可以以大体垂直于第一焦面的一角度进入第一焦面50，反射离开反射表面41并以大体垂直于第二焦面的一角度从第二焦面55离开。应注意的是，光传输的方向和/或第一光元件第二光元件可颠倒且耦合部件40的工作具有相同的效果。
换言之，耦合部件40以一相同效果的方式工作，而不论光是从第一焦面50传输至第二焦面55还是光从第二焦面传输第一焦面。作为一个例子，在图7中，第一光元件示出为一光纤100而第二光元件为一光电元件110。在图11中，第一光元件和第二光元件均示出为光纤100。在图12中，第一光元件和第二光元件均示出为光电元件110。
通过将光部件40定位成反射表面41与空气接触，光部件和空气之间的折射率的差异使得光有效地反射离开反射表面。也就是说，只要光以大于临界角(critical angle)的一角度射入(engage)反射表面，椭圆形状的反射表面41就能作为一完全的内部反射镜工作，以能将在第一焦点51处进入光部件40的光有效地反射且将光聚焦到第二焦点56。结果，反射表面41将从第一光元件进入光部件40的光将有效地反射离开且引导光进入第二光元件。
如图7至图12所示，通过耦合部件40传输的一光信号可示出为一光束或一束光线70。光束的一第一组成部分标记为71，以大体与一源位置(对应第一焦点51)处的第一焦面50垂直的一第一角度进入光部件40且在位置42处以一第一反射角度72反射离开反射表面41，从而光被反射到第二焦点56。此外，光束的代表光束的一个竖向上的外边界的一第二组成部分标记为73，以相对一源位置(对应第一焦点51)处的表面50的一第二进入角度74进入光部件40且在位置43处以一第二反射角度75反射离开反射表面41，从而光被反射到第二焦点56。还有地，光束的代表光束一相反的竖向上的外边界的一第三组成部分标记为76，以相对一源位置(对应第一焦点51)处的表面50的一第三进入角77进入光部件40且在位置44处以一第三反射角78反射离开反射表面41，从而光被反射到第二焦点56。因此，尽管来自第一光元件的光随着其进入光部件40而扩展(expand)，但所有的光将被反射到第二焦点56。
参照图8至图9和图11至图12，将理解的是，光束70将在三维上扩展以形成一较为圆锥形的形状，且反射表面的椭圆形状将光反射到第二焦点56。例如，光在第一焦面50处以一相对小的准直光束79进入耦合部件40。随着光束行进穿过耦合部件40，光束在三维上的扩展直到光束到达反射表面41。光束将以80(图8)标示的一大体椭圆形状接触反射表面41并反射离开反射表面。
光束将以81标示地渐缩或聚焦直到光束到达第二焦点56。以与光束的73和76(如7图所示)标示的竖向上的外边界类似的一方式，光束的横向或水平扩展也将被椭圆的反射表面41重新引到第二焦点56。随着光束70扩展的一个横向外边界在图8至图9中以82示出，且随着光束收缩(contract)或聚焦的一横向外边界以83标记。
虽然图8至图12中示出沿x和y轴均具有对称性的一反射表面41，但在一些情况下，反射表面的椭圆形状可能是不对称的。如图所示，由于反射表面41沿x轴和y轴均对称，因此反射表面将具有相同的光功率(opticalpowers)。在这类情况下，一反射光束将以相同的速率和一致的方式进行光修正(例如扩展)。换言之，反射镜沿z轴的焦点与沿x轴和y轴的焦点相同。
然而，如果反射表面41形成为相对x轴和y轴(但关于x轴和y轴中的各轴对称)不对称，则反射表面沿x轴和y轴将具有不同的光功率。结果，一反射光束相对z轴将具有不同的焦点。在一些情况下，这可能是有用的，诸如修正光束以补偿用于产生一不对称光信号的一源。例如，如果光组件11包括一光部件40，用于将产生一2x5μm模式的一激光器光连接于具有10μm的一纤芯的一单模光纤100，那么反射表面41可设置为沿一个轴反射的一光功率为5而沿另一个轴反射的一光功率为2，以修正模式达到对纤芯的一均匀输入。
还有地，在一些情况下，反射表面可对x轴和y轴不对称且还关于x轴和y轴中的各轴不对称。例如，反射表面41的在x轴和/或y轴的各侧上的部分仍可以是椭圆的但具有不同的光功率。这种不对称可以允许根据需要进一步修正一输入模式。如本文所使用的，这种不对称的反射表面仍可以被认为是椭圆的。
在理想的工作条件下，由于表面的形状以及光耦合部件40(光学级聚合物)和围绕在反射表面周围的大气(空气)之间的折射率的差异，反射表面41作为一完全的内部反射镜工作。然而，如果一污染物或异物(例如水、尘土(dirt)、灰尘(dust)、粘结剂)与反射表面41的外表面45接触，那么这类所不希望的材料会改变在污染物的位置处的光耦合部件40和空气之间的折射率差异，且因此改变反射表面在污染物处的光学性能。
为了减小反射表面41的反射性能出现这样变化的风险以及由此带来的光耦合部件40的性能的一相应变化，在光耦合部件40的外表面45沿反射表面41增设或覆设一反射涂层或镀层67(图13)可能是合乎需求的。涂层67在任何污染物或异物接触或附着于反射表面的外表面的情况下提供另外的反射率。反射涂层67可以是任何高反射率的材料，诸如金、银或其他任何所需要的材料。涂层67可以以任何需要的方式设置于外表面45。尽管示出的涂层67沿整个反射表面41延伸，但涂层可以是选择性的设置成涂层67可仅设置在反射表面的大多数光束将反射的部分处。
回头参照图1至图5，一支撑构件或框架60大体围绕并支撑光耦合块31的一部分延伸且包括：一第一侧向(lateral)或横向(transverse)导轨61，大体垂直于基部15的纵向轴35(且平行于所述多个V形凹槽24和所述多条光纤100的轴)且沿基部15的第一缘18延伸。一第二侧向或横向导轨62大体平行于第一横向导轨61且位于相邻光纤固定及对准部20。一对间隔开的纵向导轨63大体平行于基部15的纵向轴35且将第一横向导轨61和第二横向导轨62沿基部的相反侧互连。第一横向导轨61、第二横向导轨62以及所述一对纵向导轨63限定一大体平的表面64。一凹部65穿过大体平的表面64延伸且凹部的一部分限定光耦合部件40的反射表面41。
光纤支撑部90用于支撑和固定光纤100的位于光纤固定及对准部20和线缆护套(sheathing)102之间的部分105。光纤支撑部90包括：一凹部91，其在间隔开的两个横向侧壁92之间延伸。凹部91的下表面93可以低于凹部21的下表面23，以适应(accommodate)光纤100的连同缓冲体103一起的更大的厚度。如果光纤100和线缆101以一不同方式设置，那么凹部91可以类似地重新构造。
光耦合块31可由一光学级聚合物或树脂(诸如聚碳酸酯、聚醚酰亚胺、环烯烃共聚物或聚砜)形成为一单件式、整体(unitarily)形成的构件或元件，该光学级聚合物或树脂能够注塑成型，以一加成工艺(例如，3-D打印)的一部分形成或以另外的方式形成。在其他实施例中，光耦合块31可由相关波长的光或信号可穿过其传输(即是透过的)的任何材料形成。换言之，在一些应用中，光耦合块31可以根据需要传输的波长和可采用(available)的制造工艺形成玻璃、石英或其他材料的光耦合块31。
在一个实施例中，整个基部15可以形成为包含光纤固定及对准部20、光耦合部30以及支撑部90中的每一个的一单件式整体形成的构件或元件。在另一实施例中，光纤固定及对准部20以及光耦合部30可以形成为一单件式整体形成的构件或元件。在其他实施例中，任何或所有独立的部分可以单独形成，且如果需要，在一些情况下也可由其他材料形成。部件(诸如光耦合块31)或部(诸如固定及对准部20和光耦合部30)形成为一单件式整体形成的构件或元件通过维持所需的对准和公差而无需组装部件或部可简化组装过程。基部15及其部和元件可由任何所需的材料形成。
光纤固定盖16是大体矩形的且尺寸设置成至少部分地收容于两个侧壁22之间的且位于多个V形凹槽24上方的光纤固定及对准部20的凹部21中。光纤固定盖16可以以任何所需的方式固定。在一个例子中，一粘结剂(诸如环氧树脂)用于将光纤100固定于V形凹槽24内且也将光纤固定盖16固定凹部21内。当光纤固定盖16插入凹部21中时，盖的下表面95(图4)接合所述多条光纤100的上表面，以助于将所述多条光纤固定于基部15内。
光纤固定盖16可由任何所需的材料形成。在一个例子中，光纤固定盖16可由一相对刚性(rigid)的材料(诸如玻璃或陶瓷)形成。在另一例子中，光纤固定盖16可由一聚合物或树脂形成。在一些实施例中，光纤固定盖16可由对紫外光透过的一材料形成，从而一紫外光可固化的环氧树脂可以用于将光纤100和盖固定。
反射镜盖17大体是矩形且尺寸设置成至少部分地位于光耦合块31上方。如图1和图4所示，反射镜盖17设置且固定于与光耦合块31相关联的支撑构件60的表面64。这样做时，一粘结剂(诸如环氧树脂)可在整个表面64周围设置，以将反射镜盖17固定于支撑构件60且因此将盖固定就位。在另一例子中，粘结剂可以是仅沿两个纵向导轨63设置。换言之，反射镜盖可仅沿支撑构件60的多个侧缘被固定。
反射镜盖17可以用于限制光耦合块31的热膨胀。聚合物的光耦合部30以及由此的光耦合块31可随温度变化相对显著地膨胀和收缩。如上所述，各光耦合部件40的设计将会沿光路对因热膨胀引起的变化进行补偿。然而，光耦合块31的侧向或横向(即垂直于基部15的纵向轴35)膨胀和收缩将不会影响各光耦合部件40的一致性。
更具体地，处于光耦合块31的中心线附近的光耦合部件40相对耦合块的一中心线可经历非常小的横向移动，而处于耦合块的外缘附近的光耦合部件可经历显著多的横向膨胀或移动。在光系统10的其中一些元件与其他元件相比(例如光耦合块31与光电元件110或光元件安装在上的一基板(未示出))相比膨胀不同的情况中，反射镜盖17可有助于保持多个元件之间的所需的侧向定位。
反射镜盖17可由相对刚性的任何材料形成，具有小于基部15的一热膨胀系数。在一个例子中，反射镜盖17可由一相对刚性的材料(诸如玻璃或陶瓷)形成。在一些实施例中，反射镜盖17可由透过紫外光的一材料形成，从而一紫外光可固化的环氧树脂可以用于将盖固定于基部15。如果需要，由具有小于基部15的一热膨胀系数的一材料形成的一个或多个附加或替代的膨胀限制元件可固定于基部(诸如沿第一缘18)，以限制基部的热膨胀。
在一些实施例中(例如光耦合块31具有8个或更少的光耦合部件40)，横向膨胀可能不足以需要使用一反射镜盖17。在其他实施例中，不论光耦合部件的数量如何，一反射镜盖17限制光耦合部30的热膨胀并因此限制光耦合块31的膨胀和收缩是合乎需求的。
在一些情况下，不论光耦合部件40的数量如何，一反射镜盖17可以用于密封围绕支撑构件60内的限定光耦合部件的反射表面41的凹部65的区域。在这类情况下，反射镜盖17用于减小任何污染物将接触反射表面31的可能性并因此可取消对反射涂层67的需求。
尽管在一些实施例中光纤固定盖16和反射镜盖17示出为两个单独的元件，但它们可以组合为一个元件。此外，在反射镜盖17设置为限制光耦合块31的侧向或横向热膨胀的情况下，设置光纤固定盖16以限制光纤固定及对准部20的凹部21的侧向或横向热膨胀也可是合乎需求的。
为了通过光组件11将多条第一光元件(诸如光纤100)光学互连于多个第二光元件(诸如光电元件110)，多条光纤从各光纤的一预定长度将围绕光纤的缓冲体103和任何其他材料剥离或移除来准备。光纤100可以以任何方式切断或劈断(cleaved)至所需的长度，以创建自由端106。
一粘结剂(诸如一光折射率匹配(optical index-matched)的紫外线可固化的环氧树脂)可设置于V形凹槽24。光纤100与V形凹槽24对准且插入V形凹槽24，然后朝向第一光学面32滑动，从而光纤100的自由端106位于与第一光学面相距一所需的距离处，以限定一第一间隙115。另外，粘结剂可以是设置于凹部21内，诸如在多条光纤100的顶部和/或沿光纤固定盖16的下表面95以及设置于V形凹槽24上方的盖内。粘结剂随后固化，以将光纤固定盖16和多条光纤100固定于基部15。
为了将第二光元件(诸如光电元件110)光学互连，第二光元件沿第二光学面33对准且固定于第二光学面33。更具体地，各第二光元件与一第二焦点56对准且随后用一粘结剂(诸如一环氧树脂)固定。第二光元件可以是在各第二焦点56主动地或被动地对准。如本领已知的，为了主动地对准第二光元件，设置一源并如本领域公知地测量通过各对第一和第二光元件的输出，且第二光元件随后固定于提供最高或足够高的输出的位置处。当使用需要一相对高精度对准(即具有小的对准公差)的元件(诸如单模光电元件和光纤)时，主动对准可以合乎需求。
第二光元件的被动对准可以以任何需要的方式完成。在一个例子中，多个凹穴(pockets)34(图13)可形成于第二光学面33内，从而第二焦点56从第二光学面凹入。通过控制凹穴34的公差，可实现所需精度水平内的对准。当使用需要一较低精度对准(即具有相对较大的对准公差)的元件(诸如多模光电元件和光纤或具有一相对大的检测区域的检测器)时，被动对准是合乎需求的。
可以使用其他方法使元件对准。在另一例子中，可以利用所述两种对准方法的一组合，诸如通过对一个或更多元件使用主动对准并以主动对准的元件的位置为基础而对其他元件使用被动对准。在又一示例中，光元件可以是安装于一基板(未示出)并且只有其中一个或两个光元件主动地对准。
如果采用一反射镜盖17，一粘结剂(诸如环氧树脂)可以设置于基部15和反射镜盖两者或两者之一且反射镜盖在支撑构件60处位于基部上。粘结剂随后固化以将反射镜盖17固定于基部15。反射镜盖17可以在任何时候(诸如将多条光纤100固定于基部之前或之后)固定于基部15。
使用其中设置有光电元件110的凹穴34也可允许光元件(诸如光电二极管和激光器)密封于凹穴内。在替代方案中，一较大的凹部或空腔或另一元件可以用于收容全部的光电元件并将全部的元件密封在一起。
在组装光系统10时，一折射率匹配(index-matched)的介质68可用于填充各第一光元件(诸如光纤100)和其耦合部件40的第一焦面50之间的第一间隙115(图4、图7)以及各第二光元件(诸如光电元件110)和光部件的第二焦面55之间的一第二间隙116。应注意的是，图4、图7出于示出目的而未按比例绘制。间隙115、116可以是任何所需要的距离。在一个例子中，间隙115、116均可在25微米于50微米之间。在另一例子中，间隙115、116均可在大约30μm和150μm之间。在又一示例中，间隙115、116可以在大约50μm和150μm之间。在另一例子中，间隙115、116可以在大约60μm和100μm之间。在又一例子中，间隙115、116可以在大约50μm和1000μm之间。在再一例子中，间隙115、116可以是大约80μm。在仍一例子中，间隙115、116可以消除。在一些应用中，间隙115可与间隙116不同。
介质68的折射率可接近地(closely)匹配第一光元件的折射率、第二光学元的折射率以及耦合块31的折射率。介质68可以是一折射率匹配(index-matched)的粘结剂，诸如一环氧树脂，粘结剂不仅在第一光元件、第二光元件和耦合块31之间以一有效的方式传递光，而且起到将第一光元件和第二光元件固定于耦合块的作用。光纤100和第一光学面32之间的环氧树脂可以在光纤固定于V形凹槽24的同时设置并固化。
在一替代实施例中，第一光元件和第二光元件可以用除了一粘结剂以外的一些结构和机构固定于耦合块31，且介质68可以是一折射率匹配(index-matching)的不具备粘结剂特性的凝胶、流体或其他材料。
介质68的折射率可以是任何所需要的数值。在一个例子中，一石英光纤的折射率约为1.48且聚合物的耦合块31的折射率约为1.56。在这类情况下，介质68的折射率可以是匹配到接近光纤100的折射率和耦合块31的折射率之间的中点(即大约1.52)。在另一例子中，介质68的折射率可以设置为约等于光纤100或耦合块31的折射率。在又一示例中，介质68的折射率可以设置为光纤100的折射率和耦合块31的折射率之间的任何数值。不论何种介质，使用一折射率匹配的介质大体地将会导致光系统10内的光学性能提升。
耦合块31的耦合部件40为从第一光元件重新引导和聚焦光信号到相应的第二光元件提供优势且无需通过空气传输信号，且因此减小了反射和温度变化在信号传输上的影响。更具体地，当一信号穿过耦合部件40行进(即从第一焦点51到反射表面41且从反射表面到第二焦点56)，由于其总是穿过聚合物材料的耦合块31行进，因此其沿整个路径经历一恒定的折射率。
还有，形成光系统10的各光路的除了耦合部件40的元件(即第一光元件、第二光元件和介质68)具有非常相似的折射率且因此温度变化具有一相对小的影响。通过使第一光元件的折射率、第二光元件的折射率、耦合部件40的折射率以及介质68的折射率接近地匹配且避免信号穿过空气传输，则由于温度变化对折射率的变化的影响以及所导致的光信号衰减可被最小化。
通过减少温度变化对相应折射率的影响，光束或光信号一致地聚焦到靶位置。尽管这在大部分的应用中可能是合乎需要的，但是当第一和第二光元件的其中之一或两者均是单模光元件时，这也许是极其重要的，因为与多模元件相比，单模元件的公差相对小。
各耦合部件40的形状还可一定程度上为补偿由于随温度变化而膨胀和收缩的耦合部件的物理结构变化提供益处。更具体地，由于反射表面41的形状是椭圆的，耦合部件40随温度变化而变化尺寸，第一焦点51和第二焦点56的位置通常将分别跟随第一光元件和第二光元件的位置。
光组件11的构造还允许减少总体元件的数量，这可以减小组装过程的成本和复杂性。更具体地，使用通过第一和第二光元件(通过折射率匹配介质68)直接结合的耦合部件40导致沿光路的元件的数量减少。沿光路的元件的数量的减少减小了元件之间的接口的数量并因此减小了光信号反射的位置或机会。此外，减少元件的数量也减小了必须对准的元件的数量。主动对准过程数量的减少会导致更快和更低成本的光系统10的组装。此外，必须对准的元件的数量的减少同样增加了可以利用被动对准的元件的可能性。
元件的数量的减小也可以消除穿过空气的光信号的传输。消除通过空气的光传输可以提供许多其他的优点。首先，消除用于空气传输所需的空气空间可允许光组件11的尺寸减小。此外，消除通过空气的光传输可消除或减小对抗反射涂层和密封(hermetic)的需求。在一些应用中，除了增加成本之外，抗反射涂层会降低系统的光学性能。消除密封也可以减小组件的尺寸和复杂性，并简化组装过程和提高组件的坚固性。
将认识到的是，前述说明书提供了所公开的系统和技术的实例。然而，可考虑到的是，本发明的其他实施方式可与前述实例在细节上不同。例如，尽管用多条光纤和其他光元件描述了实施例，但是本文描述的构思适用于在光耦合构件的各面处仅包含一单个的光纤或光元件的实施例。对本发明或实例的所有参照旨在参照在那个说明点处正在讨论的特定的实例但不意欲暗指对本发明的范围做更一般性的任何限定。针对某些特征的所有的明显不同的或贬低性的语言意欲说明对于那些特征不是优选的，但不意欲从本发明的范围中整个排除那些特征，除非另有说明。
本文中引用的数值范围仅旨在作为一种简略方式使各个分离数值落入到该范围内，除非本文另有说明，且各个分离数值合并到本说明书中，就像它单独在本文中被引用一样。本文说明的所有方法可以以任何合适的顺序执行，除非本文另有说明或上下文明确否认。
因此，在适用法律允许的情况下，本发明包括随附权利要求引用的主题的所有修改及等同物。此外，上述部件以它们所有可能的变型的任何组合将包括在本发明内，除非另有说明或上下文明确否认。此外，本文所述的优点可能不适用于权利要求所涵盖的所有实施例。

Claims (11)

1.一种光系统，包括：
一基部，具有一光纤固定及对准部以及一光耦合部，所述光纤固定及对准部包括凹部，所述凹部在相互间隔的侧壁之间延伸，且所述凹部具有多个对准构件，各对准构件设置成收容一光纤于其内，所述光耦合部具有一光耦合块且包括多个光耦合部件，各光耦合部件具有：一椭圆的反射表面，限定一第一焦点和一第二焦点；一第一焦面，与所述第一焦点对准；一第二焦面，与所述第二焦点对准，所述第一焦面和所述第二焦面间隔开且相互成一定角度；
其中，所述第一焦面相对于所述第二焦面的角度在70度到110度之间，以及一光路，从所述第一焦点到所述反射表面再到所述第二焦点地延伸穿过各光耦合部件，各对准构件与其中一个光耦合部件的第一焦点对准；
其中，所述光耦合部包括其中具有凹部的表面，所述光耦合部的所述凹部限定各个所述反射表面的至少一部分；
多条光纤，各光纤设置于其中一个对准构件内且设置成相邻其中一个第一焦面；以及
多个光元件，各光元件设置成相邻其中一个第二焦面，
其中，所述光耦合块由一聚合物材料形成，所述光耦合块的聚合物材料具有一第一热膨胀系数，且还包括：一膨胀限制元件，固定于所述光耦合部，所述膨胀限制元件由具有一第二热膨胀系数的材料形成，所述第一热膨胀系数大于所述第二热膨胀系数，
其中，所述膨胀限制元件是固定到所述光耦合部的反射镜盖，以密封所述光耦合部的所述凹部，
以及其中，光纤固定盖构造为限制所述光纤固定及对准部的凹部的侧向或横向热膨胀。
2.如权利要求1所述的光系统，其中，所述基部是一单件式整体形成的构件。
3.如权利要求1所述的光系统，其中，各光路是整个地穿过所述聚合物材料。
4.如权利要求1所述的光系统，其中，所述光耦合块具有侧向侧，而所述膨胀限制元件相邻所述侧向侧地固定于所述光耦合部。
5.如权利要求1所述的光系统，其中，所述光耦合块还包括：一支撑构件，围绕所述光耦合块的一部分延伸且所述膨胀限制元件沿其侧向侧固定于所述支撑构件。
6.如权利要求1所述的光系统，其中，各对准构件是一V形凹槽。
7.如权利要求1所述的光系统，其中，各光元件是一光电元件。
8.如权利要求1所述的光系统，其中，各光纤之间的通过一第一耦合介质并进入所述光耦合块的一第一外部光路以及各光元件之间的通过一第二耦合介质并进入所述光耦合块的一第二外部光路均不穿过空气。
9.如权利要求1所述的光系统，其中，一第一间隙存在于所述光纤和所述第一焦面之间，一第二间隙存在于所述光元件和所述第二焦面之间，且一折射率匹配的介质设置于各间隙内。
10.如权利要求1所述的光系统，其中，所述基部的与所述反射表面相邻的一外表面上具有一反射涂层。
11.如权利要求10所述的光系统，其中，所述反射涂层选自金、银以及金合金中的一种。
CN201780027943.5A 2016-03-04 2017-03-03 光耦合组件 Active CN109073843B (zh)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201662303933P 2016-03-04 2016-03-04
US62/303,933 2016-03-04
US201662419752P 2016-11-09 2016-11-09
US62/419,752 2016-11-09
PCT/US2017/020578 WO2017152003A1 (en) 2016-03-04 2017-03-03 Optical coupling assembly

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109073843A CN109073843A (zh) 2018-12-21
CN109073843B true CN109073843B (zh) 2021-09-03

Family

ID=59744477

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201780027943.5A Active CN109073843B (zh) 2016-03-04 2017-03-03 光耦合组件

Country Status (6)

Country Link
US (1) US10948665B2 (zh)
EP (1) EP3423879B1 (zh)
KR (1) KR102122491B1 (zh)
CN (1) CN109073843B (zh)
TW (1) TWI639032B (zh)
WO (1) WO2017152003A1 (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7200670B2 (ja) * 2018-12-27 2023-01-10 富士通オプティカルコンポーネンツ株式会社 光モジュール及びその製造方法
WO2020150551A1 (en) * 2019-01-18 2020-07-23 Samtec, Inc. Sealed optical transceiver
JP2022067142A (ja) * 2019-03-05 2022-05-06 住友電気工業株式会社 光ファイバアレイ
CN110320617B (zh) * 2019-07-04 2020-08-18 武汉光迅科技股份有限公司 一种基于光路位移补偿的发射光功率稳定组件
WO2021038497A1 (en) * 2019-08-28 2021-03-04 3M Innovative Properties Company Photonic integrated circuit connector with temperature-independent mechanical alignment

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015057669A1 (en) * 2013-10-14 2015-04-23 Molex Incorporated Optical coupling and assembly

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6075913A (en) * 1995-07-28 2000-06-13 International Business Machines Corporation Optical coupler
US5905836A (en) * 1997-02-26 1999-05-18 Sharp Kabushiki Kaisha Optical waveguide reduction optical image sensor
US6821027B2 (en) 2000-10-16 2004-11-23 Opti Japan Corporation Miniaturized parallel optical transmitter and receiver module
JP4239722B2 (ja) * 2003-04-11 2009-03-18 ヤマハ株式会社 光部品とその製法及び光部品加工用具とその製法
JP5067971B2 (ja) * 2008-12-22 2012-11-07 日本航空電子工業株式会社 光コネクタ
US20130094807A1 (en) * 2011-10-12 2013-04-18 Avago Technologies Fiber Ip (Singapore) Pte. Ltd. Optical coupling system for use in an optical communications module, an optical communications module that incorporates the optical coupling system, and a method
US20130294732A1 (en) * 2012-03-05 2013-11-07 Nanoprecision Products, Inc. Hermetic optical fiber alignment assembly having integrated optical element
US9435963B2 (en) * 2012-03-30 2016-09-06 Corning Cable Systems Llc Misalignment-tolerant total-internal-reflection fiber optic interface modules and assemblies with high coupling efficiency
TWI502238B (zh) 2012-06-22 2015-10-01 Optomedia Technilogy Inc 光學引擎
US9645336B2 (en) * 2012-09-10 2017-05-09 Corning Optical Communications LLC Optical connections having magnetic coupling
TWI506318B (zh) * 2012-12-26 2015-11-01 Hon Hai Prec Ind Co Ltd 光纖耦合連接器
TWI578046B (zh) * 2013-01-17 2017-04-11 鴻海精密工業股份有限公司 光電轉換裝置及光纖耦合連接器
JP2017504828A (ja) * 2013-12-19 2017-02-09 スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー マルチモード光学コネクタ
EP3142811A1 (en) * 2014-05-15 2017-03-22 Nanoprecision Products, Inc. Optical connection of optical fibers to grating couplers

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015057669A1 (en) * 2013-10-14 2015-04-23 Molex Incorporated Optical coupling and assembly

Also Published As

Publication number Publication date
EP3423879A1 (en) 2019-01-09
WO2017152003A1 (en) 2017-09-08
TW201741707A (zh) 2017-12-01
KR20180114211A (ko) 2018-10-17
TWI639032B (zh) 2018-10-21
CN109073843A (zh) 2018-12-21
EP3423879A4 (en) 2019-10-16
EP3423879B1 (en) 2021-04-21
US20190079253A1 (en) 2019-03-14
US10948665B2 (en) 2021-03-16
KR102122491B1 (ko) 2020-06-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109073843B (zh) 光耦合组件
US9897763B2 (en) Transceiver interface having staggered cleave positions
US7404679B2 (en) Termination for optic fiber with improved optical features
US9201201B2 (en) Fiber trays, fiber optical modules, and methods of processing optical fibers
US9244234B2 (en) Optical receptacle and optical module
US20120099820A1 (en) Two dimensional optical connector
US20100272403A1 (en) Fiber connector module including integrated optical lens turn block and method for coupling optical signals between a transceiver module and an optical fiber
US8926198B2 (en) Multi-channel optical receiving module
US10345542B2 (en) Opto-mechanical coupler
US20170075070A1 (en) Optical coupler for coupling light in/out of an optical receiving/emitting structure
US6757460B2 (en) Electro-optical module for transmitting and/or receiving optical signals on at least two optical data channels
WO2018090024A1 (en) Transceiver high density module
US20160231518A1 (en) Optical coupling and assembly
US20150063765A1 (en) Device-to-device optical connectors
US20080137519A1 (en) Multi-channel optical communication lens system and optical module using the same
Adachi et al. A passive optical alignment technique for single-mode fibers and light-source arrays
Zhou et al. A novel assembling technique for fiber collimator arrays using UV-curable adhesives
US20110211787A1 (en) Optical interconnect components
EP3418787B1 (en) Optical system
KR20230030490A (ko) 광 정렬 오차를 최소화하기 위한 렌즈 실장 구조를 갖는 다채널 고집적 광 모듈 및 이의 렌즈 조립 공정
CN114442236A (zh) 光学传输构件的端部结构
Oda et al. Condenser micro-mirrors for high speed optical modules

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant