CN112513703B - 用于光纤插芯和机械-光学接口的对准结构 - Google Patents

用于光纤插芯和机械-光学接口的对准结构 Download PDF

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Abstract

一种新的光纤插芯在光传递通过的表面上具有对准结构。所述对准结构优选呈狗骨形状，允许对准结构使光纤插芯对准在容座中同时减少温度对所述对准的影响。

Description

用于光纤插芯和机械-光学接口的对准结构
发明背景
本申请要求于2018年4月12日递交的美国临时专利申请序列号62/656,894的优先权，所述美国临时专利申请的内容以引用的方式并入。
发明领域
支持光子的收发器装置通常通过光纤插芯光学耦接到光纤，光纤被固定在所述光纤插芯中。光纤插芯可具有内部光学结构(比如，透镜)，所述内部光学结构可用于整形和/或引导收发器与光纤之间的光束。光纤插芯也可以耦接到机械-光学接口(MOI)或者其它容座，所述机械-光学接口或者其它容座也会具有内部光学结构。在一些实例中，其它容座可能是用于光学耦接到光纤插芯的适配器。
收发器装置和光纤插芯通常相互对准以确保光在部件之间的恰当传输。在单模式收发器中，由于对准容差如此严格，容座和收发器装置通常通过主动对准(activealignment)进行对准。在容座与收发器装置对准之后，然后光纤插芯可被与容座和/或收发器装置对准。然而，装置通常由不同的材料制成，所述不同的材料可具有不同的热膨胀系数(CTE)，并且所述不同的CTE可影响不同部件的对准。一般而言，环境温度的变化(ΔT)造成光学插芯和/或透镜材料尺寸的变化(ΔD)(膨胀或收缩)。这些变量的关系为：ΔD＝D×(ΔT)×CTE，其中D是关键特征(比如，在Si中蚀刻的透镜和由插芯塑料制成的对准特征)之间的距离。在先前的插芯中，该距离将对应于用于对准光纤插芯的导引销与光离开/进入光纤插芯的位置之间的距离。为了减少尺寸(及因此对准)的变化，最好是使对准特征更靠近于光离开/进入光纤插芯的位置。
发明了一种光纤插芯，其使对准特征与光离开/进入位置之间的距离减小。
发明内容
本发明涉及一种光纤插芯，所述光纤插芯包括：主体，在所述主体中具有多个光纤接收构件，所述多个光纤接收构件中的每个配置为在其中接收光纤；在所述主体上与所述多个光纤接收构件光学对准的表面；以及从所述表面向外远离所述主体延伸的对准结构，所述对准结构具有在沿着所述表面的两个第二部分之间延伸的第一部分，第二部分在第一部分的相反两侧上
在一些实施例中，光纤插芯包括光传递通过的光传输窗口，所述光传输窗口设置在所述对准结构的第一部分内。
在一些实施例中，所述表面处在与通过所述多个光纤接收构件的纵向轴线大致平行的平面中。
在一些实施例中，所述表面处在与通过所述多个光纤接收构件的纵向轴线大致垂直的平面中。
在另一方面中，本发明涉及一种光纤插芯与光学部件的组合，所述组合包括光纤插芯，所述光纤插芯包括主体，在所述主体中具有多个光纤接收构件，所述多个光纤接收构件中的每个配置为在其中接收光纤，所述光纤插芯包括在主体上与所述多个光纤接收构件光学对准的表面并包括第一对准结构，第一对准结构具有在两个第二部分之间延伸的第一部分，第二部分在第一部分的相反两侧上，并且光学部件具有接合表面以接合主体的所述表面的一部分，且光学部件具有第二对准结构，第二对准结构具有在两个外侧部分之间延伸的中心部分，外侧部分在中心部分的相反两侧上，其中，第一和第二对准结构中的一者向外延伸，并且第一和第二对准结构中的另一者向内延伸。
本发明的另外的特征和优点将在随后的详细描述中陈述，且部分地将从该描述为本领域技术人员所容易显见或通过实践如本文中所描述的、包括随后的详细描述、权利要求书以及附图中所描述的发明而被认识到。
将理解的是，以上的一般描述和以下对本发明的当前实施例的详细描述并且意图提供用于理解如所要求保护的发明的性质和特征的概览或框架。附图被包括，以提供对本发明的进一步理解，并且附图被并入到本说明书中并构成本说明书的一部分。附图图示出本发明的各种实施例，且与描述一起服务于阐明本发明的原理和操作。
附图说明
图1是从底部看的根据本发明的光纤插芯的一个实施例的立体图；
图2是图1中的光纤插芯的从顶部看的立体图；
图2A是图2中的光纤插芯的侧视立面图；
图3是与容座对准且从底部看的图1中的光纤插芯的立体图；
图4是与其中带有透镜的容座对准且从底部看的图1中的光纤插芯的立体图；
图5是图4中的容座的立体图；
图6是图3中的光纤插芯和容座的一部分的平面图，示出了配合；
图7是从前部看的根据本发明的光纤插芯的第二实施例的立体图；
图8是图7中的光纤插芯的侧视立面图；
图9是图7中的光纤插芯的正视立面图；
图10是待与图9中的光纤插芯一起使用的容座的一个实施例的立体图；
图11是图7中的光纤插芯、图10中的容座、机械-光学接口和电路板的立体图；
图12是图7的两个光纤插芯和用以使两个光纤插芯对准的适配器的立体图；以及
图13是根据本发明的光纤插芯的另一实施例的立体图。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的当前优选实施例，所述实施例的示例被图示在附图中。只要可能，相同的附图标记将贯穿附图用于指代相同或相似的部件/部分。
根据本发明的光纤插芯100的一个实施例被图示在图1-4中。光纤插芯100具有在前端104与后端106之间延伸的主体102。多根光纤108可被固定在光纤插芯100内。光纤108通过穿过后端106的后开口110插入到光纤插芯100中。多根光纤108中的每根插入到在主体102的中心部分中的多个光纤接收构件(比如，开口或v形沟槽)中的一个中。光纤插芯100是全内反射光纤插芯，意味着去向和来自光纤108的光交会朝向前端104的透镜114并通过底表面116传递通过插芯100。本领域普通技术人员将理解的是，鉴于该专利申请，在不偏离本专利申请范围的情况下，代替单排光纤108，两排或更多排光纤或者光纤108的其它布置结构(代替排)也可被使用。
关于图1-4中的实施例，申请人注解，术语“前”或“向前”表示的是光纤被终止的方向，而术语“后”或“向后”用于表示光纤由之进入到光纤插芯或光纤连接器中的方向。因此，“前部”是光纤插芯100的、在图1左侧(参见箭头)的那部分，并且“向前”是向外且向左。“后部”是光纤插芯的处在页面右侧的那部分，并且“向后”是朝向右边。
光纤插芯100在顶表面118中具有两个开口以便粘合剂/环氧树脂将多根光纤108保持在光纤插芯100内。第一开口120在多个光纤接收构件112与后端106之间。第二开口122在多个光纤接收构件112与前端104之间。第二开口122基本上与多根光纤108中的每根的端部连通，但多根光纤108可结束在第二开口之前或甚至延伸超过第二开口122。参见例如为本发明的同一申请人所拥有的美国专利号8,985,865；9,618,771和9,983,365。然而，插芯100不一定要具有开口120、122中的任一者或者两者，并且可以简单地仅具有在后端106处的开口。
光纤插芯100的主体102中可还存在另一开口或腔——透镜开口124。该透镜开口124具有多个透镜114，参见图4，所述多个透镜可暴露于空气或覆盖有反射涂层，促使它们成为全内反射透镜。因此，传递通过光纤插芯100的光在光纤插芯100内通过多个透镜114被转向大约90度。多个透镜114还可以以其它方式调理所述光，比如使光准直、扩大或缩小光束的尺寸等。
在底表面116上设有对准结构130。注意到，底表面116也是光传递到多根光纤108和光从多根光纤传递所通过的表面。对准结构130从底表面116且远离主体102延伸。在对准结构的中部132中设有光传输窗口134，所述光传输窗口与多个透镜114及多根光纤108光学对准。光可从光子集成电路(PIC)、VCSEL或从另一光源发出。替代地，从光纤输出的或被输入到光纤中的光可通过MOI中的另一孔口中的透镜传递到在MOI的透镜阵列下方的收发器的光电探测器或PIC。参见图4和图5以及以下的相关论述。本领域普通技术人员在阅读本专利申请时将理解的是，尽管术语“传输”正被用于传输窗口134，然而所述论述也同等地适用于传递通过其的光束的接收。
对准结构130配置成类似狗骨的形状，原因将在以下论述。然而，应注意的是，其它配置结构也是可行的。参见例如图13。对准结构130具有在沿着底表面116的两个第二部分138、140之间延伸的第一部分136。如图示的，第一部分136的形状为大体矩形的，但第一部分也可以具有其它的配置结构，只要满足如以下所提及的对准结构130的功能即可。例如，第一部分136可具有凸形的或凹形的侧部而不是平直的侧部。两个第二部分138、140被图示为圆形部分，所述圆形部分在其端部处与第一部分136相连。第一部分136优选与传输窗口134一样长以允许光传递通过其，但第一部分也可以更长或者更短。传输窗口134可以比第一部分136更长，以便传输窗口134延伸到第二部分138、140中。参见例如图3。如果传输窗口134比第一部分136更短，则第二部分138、140更靠近于光纤插芯100的边缘。在对准结构130的变型中，每个第二部分138、140可以有不止一个，而不偏离本专利申请的范围。例如，在第一部分136的每侧上，可存在两个在其端部处与第一部分136相连的圆形部分。
第二部分138、140为大体圆形的，如附图中图示的。第二部分138、140具有大约0.766mm的直径，并且第一部分136具有大约0.516mm的宽度。因此，第二部分138、140的直径比第一部分136的宽度大大约50％。优选的是，第二部分138、140的直径比第一部分136的宽度大至少30％。基本上更加优选的是，第二部分138、140的直径比第一部分136的宽度大至少50％。还应注意的是，第二部分138、140也可以具有其它的配置结构，只要满足如以下提及的对准结构130的功能即可。例如，第二部分138、140可以是更为椭圆的、泪滴形状的、或者被平直部分分开的两个圆角部分，且仍落在本发明的范围内。第一部分136可还具有其它的特征，包括例如在与第二部分138、140的接头处的缩小的宽度，从而第二部分138、140具有更大程度的弯曲的外边缘。
底表面116处在第一平面A中，所述第一平面与多根光纤108(及多个光纤接收构件112)所处的平面B(和纵向轴线)大致平行。然而，平面A和B相互不平行也是可行的，如在美国专利号8,985,865中图示的。对准结构130具有处在平面C中的前面142，所述平面C也优选地与平面A和B平行。参见图2A。
对准结构130从底表面116且远离主体102延伸大约0.3mm的距离L。然而，所述距离可以更大或者更小，取决于用户的需求和光纤插芯所接合的结构。对准结构130优选与光纤插芯100同时模制且由与光纤插芯100相同的材料模制而成。这样，光纤插芯100和对准结构130被一体形成。替代地，对准结构130也可以在光纤插芯被模制之后的某个时间附接到光纤插芯100。其可由相同材料制成并以多种不同的方式附接。对准结构还可利用粘合剂(比如环氧树脂)附接或超声焊接到主体102。替代地，光纤插芯100也可被模制成具有更大厚度的本体，且然后通过移除一些光纤插芯材料，对准结构130被形成。
用于接收光纤插芯100的容座150被图示在图3中，且第二容座150’被图示在图4和图5中。容座150和容座150’之间仅有的不同在于，容座150’在接收对准结构130的开口152’中具有多个透镜154’。因此对于带有多个透镜154’的容座150’，主体102中可能无需有多个透镜。容座150(和容座150’)优选与板上的收发器对准，但这些结构从图中被省去以增加清晰度。
带有对准结构130的光纤插芯100可被与开口152对准。如以上提及的，第一部分136和第二部分138、140使光纤插芯100与容座150(和容座150’)对准。尤其，开口150具有第一部分154和第二部分156、158。然而，开口150的尺寸设计稍微不同于对准结构130及第一部分136和第二部分138、140的尺寸设计。开口150的第一部分154和第二部分156、158分别稍微大于第一部分136和第二部分138、140，但也可以存在过盈配合。第二部分的尺寸差异小于第一部分的尺寸差异，这是因为第二部分是将光纤插芯100对准到容座150(和容座150’)的特征。事实上，控制光纤插芯100到容座150的对准的是弯曲的第二部分156、158和138、140。同样，开口150的确切形状可被改变，以配合对准结构130的配置结构和以上提及的该配置结构的任何改变。
现在转向图7-12中的实施例，其中是光纤插芯200的不同实施例。申请人注解，术语“前”或“向前”表示的是光纤连接器将会与另一光纤连接器或装置相遇的方向，而术语“后”或“向后”用于表示光纤由之进入到光纤插芯或光纤连接器中的方向。因此，“前部”是对准结构230所在的、光纤插芯200在图7左侧上的那部分，并且“向前”是向外且向左。“后部”是光纤插芯在页面右侧的那部分，并且“向后”是朝向右边。在图8中，前和向前是向右，并且后、向后和后部是在光纤插芯200的左侧。
光纤插芯200具有在前端204与后端206之间延伸的主体202。多根光纤(未示出，但与光纤108相同)可固定在光纤插芯200内。光纤通过穿过后端206的后开口210插入到光纤插芯200中。多根光纤中的每根插入到在主体202的中心部分中的多个光纤接收构件212中的一个中。参见图12。
光纤插芯200具有前表面216，去往和来自光纤的光传递通过所述前表面。光纤插芯200可在顶表面218中具有开口220，以便粘合剂/环氧树脂将多根光纤保持在光纤插芯200内。参见图12。由于光纤插芯的其它部分已被知悉，因此前表面216和对准结构230将会是余下论述的焦点。
对准结构230从前表面216且远离主体202延伸。在对准结构的中部232中设有多个透镜214，所述多个透镜与多个光纤接收构件212(及多根光纤)光学对准。
出于如以上所提及的相同原因，对准结构230配置成类似狗骨的形状。如与先前实施例一样的，其它的配置结构也是可行的。还可行的是，主体202具有与对准结构230相同的形状、比如狗骨形状。可行的是，主体的仅一部分具有该形状或者主体的大部分具有该形状。
对准结构230具有在沿着前表面216的两个第二部分238、240之间延伸的第一部分236。如图示的，第一部分236的形状为大体矩形的，但也可以具有其它的配置结构，只要满足如以上所提及的对准结构230的功能即可。例如，第一部分236可具有凸形的或凹形的侧部而不是平直的侧部。两个第二部分238、240被图示为圆形部分，所述圆形部分在其端部处与第一部分236相连。第一部分236优选与多个透镜214的长度一样长以允许光传递通过其，但第一部分也可以更长或更短。
替代地，前表面216处的对准结构230中可存在传输窗口，并且多个透镜214可凹进或在主体202内部中。
第二部分238、240为大致圆形的，如附图中图示的。第二部分238、240也具有大约0.766mm的直径，并且第一部分236具有大约0.516mm的宽度。优选的是，第二部分238、240的直径比第一部分236的宽度大至少30％。基本上更加优选的是，第二部分238、240的直径比第一部分236的宽度大至少50％。还应注意到，第二部分238、240也可以具有其它的配置结构，只要满足如以下所提及的对准结构230的功能即可。例如，第二部分238、240可以是更为椭圆形的、泪滴形状的、或者被平直部分分开的两个圆角部分，且仍落在本发明的范围内。第一部分236可还具有其它特征，包括例如在与第二部分238、240的接头处的缩小的宽度，从而第二部分238、240具有更大程度的弯曲的外边缘。
前表面116处在第一平面D中，所述第一平面与多个光纤结构构件212所处的平面B(和纵向轴线)大致垂直。对准结构230具有处在平面E中的前面242，所述平面E也优选与平面D平行并垂直于平面B。参见图8。
对准结构230从前表面216且远离主体202延伸大约0.3mm的距离L。然而，所述距离可以更大或更小，取决于用户的需求和光纤插芯所接合的结构。对准结构230优选与光纤插芯200同时模制且由与光纤插芯200相同的材料模制而成。这样，光纤插芯200和对准结构230被一体形成。替代地，对准结构230可在光纤插芯模制被模制之后的某个时间附接到光纤插芯200。其可由相同材料制成并以多种不同的方式附接。对准结构还可利用粘合剂(比如环氧树脂)附接或超声焊接到主体202。替代地，光纤插芯200可被模制成具有更大长度的本体，且然后通过移除一些光纤插芯材料，对准结构230被形成。
用于接收光纤插芯200的带有开口252的容座250被图示在图10和图11中。容座250的功能和设计与以上描述的相同且这里将不再重复。光纤插芯200被图示为在图11中正在被插入到容座250中，所述容座还具有MOI 260和板262。
图12图示出将在适配器300中配合的两个光纤插芯200。适配器300具有与开口150和250相同的开口302，以接收光纤插芯200上的对准结构230。
根据本发明的光纤插芯400的另一实施例被图示在图13中。光纤插芯400和其它光纤连接器之间的不同在于，前面416上的对准结构430的形状。对准结构430的定位、形成和深度也与以上提及的相同。对准结构430具有横穿前面416且在两个第二部分438、440之间延伸的第一部分436。第二部分438、440处在对准结构430的宽度的相反两侧上而不是其长度的相反两侧上。该位置使两个第二部分438、440移动成更靠近光纤插芯400的中心，并可进一步减少温度变化对光纤插芯400对准的影响。在对准结构430的变型中，每个第二部分438、440可以有不止一个，而不偏离本专利申请的范围。例如，在第一部分436的每侧上，可存在两个与第一部分436相连的圆形部分。此外，图13中的实施例可以与先前的实施例组合，并且在这样的组合中对准结构130、230、430的任何部分的尺寸可被变化以实现最佳结果。
对本领域技术人员将显而易见的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可对本发明作出各种修改和变化。因此，意图的是，本发明覆盖对本发明的这些修改和变化，只要它们落在所附权利要求及其等同物的范围内。

Claims (18)

1.一种光纤插芯，包括：
主体，在所述主体中具有多个光纤接收构件，所述多个光纤接收构件中的每个配置为在其中接收光纤；
在主体上与所述多个光纤接收构件光学对准的表面；和
从所述表面向外远离主体延伸并适于使光纤插芯与容座对准的对准结构，所述对准结构具有在沿着所述表面的两个第二部分之间延伸的第一部分，所述第二部分在所述第一部分的相反两侧上，其中，所述第二部分是大体圆形的，并且所述第一部分是大体矩形的，并且其中，第一部分具有比第二部分的直径小的宽度，并且
所述光纤插芯还包括光传递到光纤和光从光纤传递所通过的光传输窗口，所述光传输窗口设置在所述对准结构的第一部分内。
2.根据权利要求1所述的光纤插芯，还包括多个透镜，所述多个透镜中的每个与所述多个光纤接收构件中的一个光学对准。
3.根据权利要求2所述的光纤插芯，其中，所述多个透镜中的每个设置在所述对准结构中。
4.根据权利要求1所述的光纤插芯，其中，所述表面处在与通过所述多个光纤接收构件的纵向轴线大致平行的平面中。
5.根据权利要求1所述的光纤插芯，其中，所述表面处在与通过所述多个光纤接收构件的纵向轴线大致垂直的平面中。
6.根据权利要求1所述的光纤插芯，其中，所述对准结构与所述光纤插芯的主体一体形成。
7.根据权利要求1所述的光纤插芯，其中，所述对准结构未与所述光纤插芯的主体一体形成。
8.根据权利要求2所述的光纤插芯，其中，所述对准结构与光学部件配合以相对于所述光学部件定位所述多个透镜。
9.根据权利要求8所述的光纤插芯，其中，在所述光学部件中设置有多个透镜，光纤插芯的对准结构将光纤插芯中的多个透镜对准到光学部件中的多个透镜。
10.根据权利要求1所述的光纤插芯，其中，所述第二部分的直径比所述宽度大至少30％。
11.一种光纤插芯和光学部件的组合，包括：
光纤插芯，所述光纤插芯包括：
主体，在所述主体中具有多个光纤接收构件，所述多个光纤接收构件中的每个配置为在其中接收光纤；
在主体上与所述多个光纤接收构件光学对准的表面；
第一对准结构，所述第一对准结构具有在两个第二部分之间延伸的第一部分，所述第二部分在所述第一部分的相反两侧上，并且所述第一部分具有至少一个平直边缘，并且所述第二部分具有至少一个圆形边缘，其中，第一部分具有比第二部分的直径小的宽度；以及
光传递到光纤和光从光纤传递所通过的光传输窗口，所述光传输窗口设置在第一对准结构的第一部分内；以及
光学部件，所述光学部件具有接合表面以接合主体的所述表面的一部分，并且所述光学部件具有第二对准结构，所述第二对准结构具有在两个外侧部分之间延伸的中心部分，所述外侧部分在所述中心部的相反两侧上，
其中，第一和第二对准结构中的一者向外延伸，并且第一和第二对准结构中的另一者向内延伸，使得通过第一和第二对准结构光纤插芯与光学部件对准。
12.根据权利要求11所述的光纤插芯和光学部件的组合，其中，所述第二对准结构是所述光学部件中的开口，并且所述第一对准结构从所述光纤插芯的所述表面延伸，所述中心部分是用以在其中接收第一部分的矩形的中心部分，并且所述两个外侧部分是圆形的且在其中接收两个第二部分中的相应一者。
13.根据权利要求12所述的光纤插芯和光学部件的组合，其中，所述中心部分和第一部分之间存在第一间隙，所述第一间隙具有第一宽度，并且所述两个外侧部分和第二部分之间存在第二间隙，所述第二间隙具有第二宽度。
14.根据权利要求13所述的光纤插芯和光学部件的组合，其中，所述第一间隙的宽度大于所述第二间隙的宽度。
15.根据权利要求14所述的光纤插芯和光学部件的组合，其中，所述第一间隙的宽度是所述第二间隙的两倍。
16.根据权利要求11所述的光纤插芯和光学部件的组合，其中，所述第一对准结构是在所述光纤插芯的所述表面中的凹进，并且所述第二对准结构从接合表面延伸，所述第一部分是用以在其中接收所述中心部分的矩形中心部分，并且所述两个第二部分是圆形的且接收所述两个第二部分中的相应一者。
17.根据权利要求11所述的光纤插芯和光学部件的组合，其中，所述第二部分是大体圆形的，并且所述第一部分是大体矩形的。
18.一种光纤插芯，包括：
主体，在所述主体中具有多个光纤接收构件，所述多个光纤接收构件中的每个配置为在其中接收光纤；
在主体上与所述多个光纤接收构件光学对准的表面；以及
从所述表面向内延伸到主体中的对准结构，所述对准结构具有在沿着所述表面的两个第二部分之间延伸的第一部分，所述第二部分在所述第一部分的相反两侧上，其中，所述对准结构配置为与一光学收发部件的对应配合的对准结构适配，所述对应配合的对准结构具有与光纤插芯的对准结构相似的配置构造，并且其中，第一部分具有比第二部分的直径小的宽度，并且
所述光纤插芯还包括光传递到光纤和光从光纤传递所通过的光传输窗口，所述光传输窗口设置在所述对准结构的第一部分内。
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