CN115993684A - 金属化光纤阵列模块及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种光纤阵列模块，该光纤阵列模块可以在预期公差范围内适应光纤阵列中光纤直径的变化，从而在光纤与支撑组件之间不使用任何焊料界面或环氧界面的情况下，准确、牢固地将模块中的光纤固定在凹槽中。本发明的光纤阵列模块依赖于用于机械变形的弹塑性界面，而不是焊料软熔或环氧固化，以适应支撑在基板和盖之间的凹槽中的光纤阵列中光纤直径的变化。

Description

金属化光纤阵列模块及其制作方法
本申请要求2021年10月20日提交的美国临时专利申请63/257,978的优先权。该申请通过引用被完全合并，如同在本文中完全阐述的一样。以下提到的所有出版物都通过引用被完全合并如本文，如同在本文中完全阐述的一样。
技术领域
本发明涉及端接光纤电缆的端部，特别是光纤阵列模块，更具体地涉及一种金属化光纤阵列模块。
背景技术
传统的光纤阵列模块通常采用玻璃、硅或聚合物基板的形式，设置有用于支撑光纤阵列的端部的V型槽阵列。通过蚀刻、研磨和/或铸造，在玻璃或聚合物基板上形成凹槽。光纤阵列夹在基板上的凹槽和补充盖板(有凹槽或更多情况下没有凹槽)之间。
迄今为止，对于传统的玻璃、硅或聚合物光纤阵列模块，通过施加热源或紫外线源固化环氧树脂的方式，使用环氧粘合剂将盖板下的光纤端部固定到基板的对应的凹槽上，从而将光纤固定在基板上。众所周知，光纤的直径可以在+/-700nm的数量级上变化。环氧粘合剂还充当填料，以在一定程度上适应容纳在基板凹槽中的光纤的直径和/或外部周向几何形状的变化(即，粘合剂填补了光纤尺寸不足部分的外表面与其凹槽表面之间的间隙)。然而，由于环氧粘合剂是一种填料，它不提供精确的参考面以精确地限定光纤的空间位置，使得光纤的光轴与凹槽保持期望/预期的对准。此外，已知环氧粘合剂随着时间的推移而退化，在将光纤连接到光纤阵列模块中并将光纤的端部固定在基板的凹槽中后，对光纤的端面进行机械抛光的过程中，环氧粘合剂的完整性可能受到损害。
US6,319,484和US2003/0194197A1公开了在光纤阵列的端部和光纤阵列模块基板的凹槽上涂焊料。通过对光纤和基板中的凹槽加热使焊料软熔，将光纤的两端焊接到凹槽上。虽然这些专利出版物据称克服了在传统光纤阵列模块中使用环氧粘合剂固定光纤的一些缺点，但公开的焊接过程涉及到的制造过程显著地增加了制造成本和复杂性。正如在这些专利出版物中所公开的，在将焊料层涂到金属层上之前，优选地在光纤和凹槽上涂覆底层金属层(例如，金层)。光纤上的金属涂层将通过金属沉积(通常要求在真空室中进行)的方式沉积到一定长度的光纤阵列电缆的长度的末端。焊接过程将显著增加制造成本。在光纤和凹槽上软熔焊料层可能会导致光纤和/或基板的完整性和/或性能退化，特别是在允许使用激光热源软熔焊料层的玻璃和聚合物基板上。此外，软熔焊料基本上也是位于尺寸不足的光纤的外壁与其相邻凹槽表面之间的间隙的填料，从而影响光纤光轴相对于光纤阵列模块基板中相应凹槽的预期空间对准位置。因此，这些专利出版物也分享了在传统光纤阵列模块中使用环氧粘合剂的一些缺点。
以多千兆比特速率运行的光纤阵列模块必须与以亚微米精度(例如，公差小于1000纳米)制造的子组件在对准公差范围内组装。目前最先进的尝试是使用聚合物连接器部件实现严格的对准公差，但聚合物有几个基本缺点。首先，它们具有弹性顺应性，因此在外部施加的载荷下容易变形。其次，它们的尺寸不稳定，会改变尺寸和形状，特别是在经受高温时，例如在计算和网络硬件中发现的高温。第三，聚合物的热膨胀系数(CTE)远大于光电器件(例如光子集成电路(PIC)器件)中常用材料的CTE。因此，温度循环导致光纤与所附接的光电器件中的光学元件之间的未对准。在某些情况下，聚合物不能承受焊接过程使用的加工温度。
就如生产如此高精度的零件还不够具有挑战性一样，为了使最终产品在经济上和商业上可行，它们必须使用自动化、高速的工艺来制造。US7,311,449和US7,343,770(其权利已被本发明的共同受让人Senko Advanced Components,Inc.获得)公开了一种卡箍及其制造方法，该卡箍具有通过冲压金属基板而精确成型的凹槽。当前受让人的后续专利公开了精密金属冲压成型的金属光纤阵列模块，该模块可以基于当前受让人开发和/或获得的精密金属冲压技术，通过具有严格的公差的批量生产工艺生产。
需要改进的是将光纤固定在光纤阵列模块中的方法，使得在降低成本的情况下提高公差、可制造性和可靠性。
发明内容
本发明通过提供光纤阵列模块克服了现有技术的缺点，该光纤阵列模块可以在预期公差范围内适应光纤阵列中光纤直径的变化，从而在光纤与支撑部件(例如基板和盖板)之间不使用任何焊料界面或环氧界面的情况下，准确、牢固地固定模块中的光纤。本发明的光纤阵列模块依赖于用于机械变形的弹塑性界面，而不是焊料软熔或环氧固化，以适应光纤阵列中光纤直径的变化。
在本发明的一个方面中，用于端接光纤阵列的光纤阵列模块包括第一材料的基板，该基板具有设置有多个纵向开口凹槽的上表面，这些凹槽以光学准直的方式接收并对准相应光纤的纵向端部，以允许光沿确定的路径传输，其中每个端部在接收到相应凹槽之前没有预先设置在端部上的任何金属涂层。以下所述“端部”是指成品光纤束末端处的纵向裸露段，在此段，光纤束的保护缓冲层和护套层被去除以暴露围绕光纤芯的包层。盖附接在基板上，光纤固定在凹槽内。
根据本发明，第二材料层限定了设置在凹槽表面上的底部界面部分。第二材料比第一材料更软。底部界面部分与接收在相应凹槽中的端部的底部接触面交界。该盖是第三材料，具有面向基板的上表面的底表面。第四材料层限定设置在盖的底面上的顶部界面部分。第四材料比第三材料更软。盖附接到基板上，盖抵靠基板中的凹槽而压在端部上，从而顶部界面部分与端部的顶部接触面交界，从而牢固地将端部固定在盖与凹槽之间。底部界面部分和顶部界面部分机械变形以适应相应光纤的底部接触面和顶部接触面。
根据本发明，顶部界面部分和底部界面部分机械地弹塑性变形以形成端部与盖和凹槽之间的弹塑性界面，从而减少端部直径的变化对端部的光轴的设计的或预期的关于基板的对准位置的影响。这种弹塑性界面不包括任何焊点或软熔焊料界面、或端部与盖和凹槽之间的环氧树脂接缝。
选择顶部界面部分和底部界面部分在变形前的初始厚度以适应端部直径变化的预期公差。底部界面部分可以是离散部分或包含在跨基板凹槽的第二材料的连续层中。相似地，顶部界面部分可以是离散部分或包含在跨盖的底面的第四材料的连续层中。
在一个实施例中，第二材料和第四材料是类似的金属(例如，金)。在一个实施例中，第一材料可以是因瓦、科瓦、玻璃和石英中的一种，或这些材料的组合，以形成基板的结构。
在一个实施例中，盖通过焊点附接到基板上(或者通过外部夹将盖偏压到基板上以提供盖对基板凹槽中所支撑的端部的偏压)。在本实施例中，第三材料对光辐射源是光学透明的，这将有助于通过软熔焊料(红外线源)或固化环氧树脂(紫外线源)将盖附接到基板上。这种光学透明材料的例子有玻璃，石英，甚至对红外光透明的硅。
本发明的光纤阵列模块可以构造成以多光纤卡箍形式来端接光纤阵列以用于光耦合，该模块可以是独立的或是光连接器的部分。
在另一方面，本发明提供了一种与上文总结的和下文所述的光纤阵列模块的结构一致的光纤阵列模块的制作方法。
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的使用方式，应当参考结合附图阅读的以下详细描述。在以下附图中，在全部附图中，相似的参考字母和/或数字标示表示相似或类似的部件。
图1A和图1B是根据本发明的一个实施例沿图4中的线1-1截取的光纤阵列模块的示意性截面视图。
图2A-2C显示了根据本发明的一个实施例的在准备附接盖的不同阶段的光纤阵列模块的基板。
图3显示了根据本发明的一个实施例的盖。
图4显示了根据本发明的一个实施例，将图3中的盖组装到图2C中的基板以形成光纤阵列模块。
图5显示了根据本发明的一个实施例的附接到光子集成电路(PIC)芯片的光纤阵列模块。
图6A-6D显示了根据本发明的另一个实施例的光纤阵列模块。
具体实施方式
下面参照附图参考各种实施例描述本发明。尽管以实现本发明目的的最佳方式描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，根据这些观点可以实现各种变化而不脱离本发明的本质或范围。
本发明通过提供光纤阵列模块克服了现有技术的缺点，该光纤阵列模块可以在预期公差范围内适应光纤阵列中光纤直径的变化，从而在光纤与支撑部件(例如基板和盖板)之间不使用任何焊料界面或环氧界面的情况下，准确、牢固地固定模块中的光纤。本发明的光纤阵列模块依赖于用于机械变形的弹塑性界面，而不是焊料软熔或环氧固化，以适应光纤阵列中光纤直径的变化。因此，该实施例由能够承受高操作温度的材料构成，因为它去除了具有低玻璃化转变温度和在持续高温下蠕变的聚合物和环氧树脂。
图1A和图1B是根据本发明的一个实施例沿图4中的线1-1截取的光纤阵列模块的示意性截面视图。图4显示了根据本发明的一个实施例的光纤阵列模块。参考图4所示的实施例和图1A和1B的截面示意图，显示了光纤阵列模块10以支撑用于端接的光纤阵列(或光纤阵列FA)。如图1A和1B的截面图所示意性显示，光纤阵列模块10包括第一材料M1的基板S，其上表面具有多个纵向开口凹槽G，该凹槽G的截面可以是V形、U形、C形或具有两种几何形状的组合的混合体(例如，具有延伸的垂直侧壁的V形，就像U型槽一样)。凹槽G的结构和尺寸使其以光学准直的方式接收相应光纤的纵向端部F，以允许光沿所限定的路径传输。如前所述，“端部”是指光纤阵列F中成品光纤组的末端的纵向裸露段F，在此段光纤束的保护缓冲层和护套层被去除以暴露在端部F的围绕光纤芯的包层。没有保护缓冲层和护套层的柔软海绵似的材料，裸露端部分F可以在光纤阵列模块10中正确对准，以用于光耦合到外部连接元件(例如，用于光电器件(例如光子集成电路器件等)上的连接器或卡箍的插座)。需要重点注意的是，本发明不要求端部金属化，例如在现有技术中使用焊料材料层。在本发明中，每个端部F在接收在相应的凹槽G之前没有预先设置在端部上的任何金属涂层。盖C(例如，以盘子的形式)附接在基板上，光纤固定在凹槽内。
根据本发明，第二材料层M2限定了设置在凹槽G表面上的底部界面部分Bi。在图1A和1B所示的实施例中，底部界面部分Bi显示为包含在跨基板S凹槽的第二材料M2的连续层中。在可替代的实施例中(未图示)，底部界面部分Bi可以在离散部分中实现，离散部分没有第二材料M2覆盖部分凹槽表面(例如，凹槽G的谷和/或峰处的表面)，这些不覆盖第二材料M2的部分凹槽表面不直接支撑端部F的底部接触面Bc。底部界面部分Bi与接收在相应凹槽G中的端部F的底部接触面Bc相接触。第二材料M2比第一材料更软。
该盖C具有第三材料M3，具有面向基板的上表面的底表面。第四材料层M4限定设置在盖C的底表面上的顶部界面部分Ti。在图1A和1B所示的实施例中，顶部界面部分Ti显示为包含在跨盖C的底面的第四材料M4的连续层中。在可替代的实施例中(未图示)，顶部界面部分Ti可以在离散部分中实现，离散部分没有第四材料M4覆盖盖C的部分底表面，这些不覆盖第四材料M4的盖c的部分底表面不直接压在端部F的顶部接触面Tc上。第四材料M4比第三材料更软。盖C通过外部夹持力连接到基板S上，盖C抵靠基板S中的凹槽G压在端部F上，从而顶部界面部分Ti与端部F的顶部接触面Tc相接触，以牢固地将端部固定在盖C与基板S之间。
更接近地参考图1A，底部界面部分Bi和顶部界面部分Ti机械变形以适应相应端部F(例如F1、F2、F3)的底部接触面Bc和顶部接触面Tc。举例说明，端部F1、F2和F3的直径在公差范围内略有不同。特别地，端部F2直径正常，端部F1直径略小，端部F3直径略大。当盖C最初正置于端部F1、F2和F3的上方时，端部F3的顶部接触面Tc将与其对应的顶部界面部分Ti接触。端部F2的顶部接触面Tc与对应的顶部界面部分Ti之间存在略小的间隙g2，端部F1顶部接触面Tc与对应的顶部界面部分Ti之间存在略大的间隙g1。
如图1B所示，在基板S上夹紧盖C后，较软的顶部界面部分Ti和底部界面部分Bi紧靠端部F1、F2和F3发生弹塑性机械变形，导致间隙g1和g2闭合，随后在间隙g1和g2闭合之后顶部界面部分Ti进一步变形。端部F3对应的顶部界面部分Ti和底部界面部分Bi变形程度最大。因此，端部F1、F2和F3与盖C和凹槽G之间形成了弹塑性界面。每个弹塑性界面的变形程度(即较软的顶部界面部分Ti和较软的底部界面部分Bi的变形程度)将取决于端部F的大小。如图所示，端部F2对应的顶部界面部分Ti和底部界面部分Bi的变形量略小于端部F3对应的变形量。端部F1对应的顶部界面部分Ti和底部界面部分Bi的变形量略小于端部F2对应的变形量。因此，在图示的例子中，弹塑性界面处的变形程度与端部F1、F2和F3的尺寸成相关关系。
软的顶部界面部分Ti和底部界面部分Bi的变形所造成的弹塑性界面可以取得一些益处。该界面将端部F固定在合适的位置，适应光纤端部的变化，并夹紧端部F使其固定在凹槽G中。如图1B所示，在对应凹槽内的每个端部(F1、F2、F3)的三个接触点处(即对应每个端部F1,F2和F3的单个顶部界面部分Ti和单个顶部接触面Tc之间，和对应每个端部F1,F2和F3的两个底部界面部分Bi和两个底部接触面Bc之间)形成三个弹塑性界面。三个弹塑性界面导致端部F1,F2和F3在凹槽G内置于中心位置以维持相应端部的中心,因此保持端部光轴的标称对准位置,从而减少端部F1,F2和F3的直径变化的对关于基板S的端部F1、F2和F3的光轴的设计或预期标称对准位置的影响。这种弹塑性界面不包括端部F与盖C和凹槽G之间的任何软熔焊点界面或环氧接缝界面，从而避免了背景部分中提到的现有技术的缺点。进一步指出，弹塑性界面将压力分布在这些界面上，以避免端部F与不包括界面部分Ti和Bi的凹槽G和盖C表面之间的直接点接触(在截面上)所产生的压力点。
理想情况下，如果端部F的直径相同且没有变化，则三个弹塑性界面处的变形程度(即对应每个端部F的两个较软的底部界面部分Bi和顶部界面部分Ti的变形)是相同的。可以想象的是，在这种光纤直径不变的理想情况下，在三个弹塑性界面处，每个端部的单个顶部接触面Tc和两个底部接触面Bc最终降到最低点以与凹槽G的侧壁和盖C的底表面接触。
底部界面部分Bi在接收端部之前具有初始厚度，顶部界面部分Ti在盖压到端部F之前具有初始厚度。确定底部界面部分Bi的初始厚度和顶部界面部分Ti的初始厚度以允许机械变形(即弹塑性变形)，以适应端部F的直径变化的预期公差，如上所述。
在一个实施例中，选择顶部界面部分Ti和底部界面部分Bi在变形前的初始厚度为200nm至10微米数量级以适应端部F直径变化的多达+/-700nm的预期公差。在一个实施例中，第二材料M2和第四材料M4是类似的金属。在一个实施例中，第二和第四材料M2和M4是金。在一个实施例中，第一材料M1可以是因瓦、科瓦、玻璃、石英中的一种，或这些材料的组合以形成基板的结构的不同部分。
在一个实施例中，正如将在下面2到4的解释的那样，盖C通过焊点或焊缝连接到基板S上(或者，未图示，通过外部夹将盖偏压到基板上，这可以用于光纤阵列的现场端接)。在本实施例中，第三材料M3(例如，玻璃或石英)被选择为对光辐射热源(例如，激光)光学透明的，这将有助于通过软熔焊料或焊接将盖连接到基板上，下文将对此进行讨论。
在进一步的实施例中，在盖连接到基板之后，可以引入环氧材料来填充端部F周围的空间(即，在端部F与盖C的底面和凹槽G的侧壁表面之间)。在这种情况下，环氧材料纯粹作为填料来加强裸露端部(例如，用于后续的切割/抛光工序)，而不是用于将盖C附接到基板S上。环氧树脂使凹槽中的光纤变硬，使机械抛光端部的端面成为可能。在这种情况下，环氧树脂填充缝隙，但不会移动光纤，因为它们已经被端部F通过凹槽G和盖C的弹塑性夹紧固定在原位。
本发明的光纤阵列模块10可以构造成以多光纤FA卡箍形式端接光纤阵列以用于光耦合，该模块可以是光连接器的单独部分或部分。
本发明的受让人Senko Advanced Components,Inc.获得并开发了用于连接光数据传输的具有冲压金属部件(例如具有光纤凹槽的金属光学台架)的针对各种专有光耦合/连接设备的技术。可以采用在受让人的优先权专利出版物中公开的结构和过程来生产本文公开的光纤阵列模块。
例如，US7,311,449和US7,343,770公开了一种用于制造小公差零件的新型精密冲压系统和由此产生的卡箍。US10754107进一步更具体地公开了一种具有用于路由光数据信号的冲压结构化表面的光耦合设备，特别是一种用于路由光信号的光耦合设备，包括底座/基板、以及由限定在底座上的凹槽组成的对准结构、配置有表面特征以方便以光学准直方式将光学组件定位在底座上，以允许光沿所限定的路径传输，其中，通过冲压底座的可延展性材料，将对准结构整体地限定在底座上。当前受让人的后续专利公开了精密金属冲压成型的金属光纤阵列模块，该模块可以基于当前受让人开发和/或获得的精密金属冲压技术，通过具有严格的公差的批量生产工艺生产。
本发明更具体地针对光纤阵列模块，同时采用类似的精密冲压金属部件的概念，包括早期光耦合器件中的精密冲压凹槽。上述公开可以在各种冲压工艺中实现，以生产本文公开的结构(包括上面讨论的基板S的结构)。这些冲压过程包括冲压大块材料(如金属毛坯或坯料)，以严格(即小)的公差与其他限定的表面特征(在这种情况下，用于光纤端部阵列的平行排列的凹槽G的相对位置和方向)精确对准，而形成最终的表面特征(即光纤端部对准凹槽G)。
US9897769共同转让给当前的受让人，进一步公开了一种基于视觉的无源对准方法，以光学对准的方式将光纤的输入/输出光耦合到外部光学设备。实现光学透明对准块，以在物理上和光学上将支撑光纤端部的光学台架与子安装件上的外部光学设备耦合。光学透明对准块具有第一组光学基准，用于将光学台架上限定的光学基准与对准块对准，以及第二组光学基准，用于将对准块与光学器件或子安装件上限定的光学基准对准，而不依赖额外的物理对准结构。US11022755共同转让给当前的受让人，进一步依赖于这种基于视觉的无源对准方法，该方法与光学对准边缘光耦合器有关，用于可拆卸连接到光子集成电路。这种基于视觉的无源对准方法可以在本发明中类似地实现，盖C是具有两组光学基准的光学透明对准块，以物理和光学上对准端部F到外部光学设备，而不依赖任何额外的物理对准结构，如下文进一步讨论。
在另一方面，本发明提供了一种与上述与图1A、图1B和图4有关的光纤阵列模块的结构一致的光纤阵列模块10的制作/组装方法。
图2A-2C显示了基板S(例如，科瓦、因瓦等)处于准备连接到盖C的不同阶段的实施例，以完成如图4所示的光纤阵列10的组装。基板S具有含有所示特征预先成型的顶面的主体，如下进一步讨论。在基板的顶面形成一组光纤对准凹槽G，该光纤对准凹槽G对应于光纤阵列FA的端部F的数量。在凹槽G的阵列的每一侧，由平面对准垫P形成肩部H。在图2B中，在对准垫P上形成了一层薄的镀软和可软焊材料Ms(例如，镀镍和镀金)。在材料Ms层上形成一组光学基准Xs，用于将基板S对准盖/板C作为视觉对准块，如下文进一步讨论。限定端部F的凹槽G相对于基板S上的光学基准Xs被精确定位，通过同时整体冲压凹槽G和基准Xs，在一个金属冲压步骤中至少同时形成凹槽G和基准Xs的最终形状和几何构造，以精确限定凹槽G(以及端部F)和基准Xs的相对位置。参考上文提到的当前受让人的专利，公开了金属冲压，特别是US11022755。
在基板的顶面提供凹坑R，以容纳具有保护层的光纤阵列FA的较厚部分。凹坑不需要被提供相对于端部F的高对准公差。
如图2C所示，先在每个对准垫P上涂上一层薄的基本金属层(例如金)Mp，然后在每个肩部H上放置焊料预制件Pf(例如金/锡)。焊料预制件Pf用于与盖C密封(如下文进一步公开)。在另一个实施例中，焊料预制件Pf可以替换为在底层金基本层Mp上具有吸热层的涂层，以便通过应用来自通过透明盖C的激光的局部精确加热来促进激光焊接。
图3显示了根据本发明的一个实施例的光学透明板形式的盖C。在本图示实施例中，盖C是玻璃板。其他光学透明材料,例如石英，可以是用于盖C的材料。盖C也可以由金属构成，例如科瓦、因瓦等。
盖C的底面如图3所示朝上。在本实施例中，底表面的中间部分涂有一层金属M4(例如，金)，该层金属M4比盖C(例如玻璃)的材料M3更软，对应于上面讨论的与图1相关的顶部界面部分Ti。在所示实施例中，在图2C所示基板S上与焊料预制件Pf相对应的位置上的底面沉积了较软且可软焊的材料Mc(例如，金)。如果该层材料Mc和M4被选择为相同的材料(例如，金)，可以沉积单层来覆盖顶部界面部分Ti的M4部段和底表面的Mc部分。
需要注意的是，对于玻璃盖C，对应于对准垫P的盖C的底部界面部分W不应被金属层涂覆，以提供窗口以允许下面讨论的视觉对准。在V部分提供第一组光学基准X1，例如，通过激光蚀刻盖C的玻璃材料，使用掩模工艺将金属蒸发到盖C上，或打印形成标记。基准点X1对应对准垫P上的互补基准点Xs。如图所示，在盖C的顶面(如图3所示朝下)，提供另一第二组光学基准X2，用于对准和安装到外部结构(例如，外部印刷电路板、PIC芯片等)。基准X2对应外部结构上提供的互补基准。盖C上的第一组基准和第二组基准的相对位置通过基板的对准垫P上的该组基准Xs相对于凹槽预先确定。因此，第一组和第二组基准X1和X2，该组基准Xs和凹槽处于期望的对准关系中，这样来自端部F的光信号可以沿着光学对准的光学路径到达光学装置(例如PIC)/外部结构。
在盖C的顶面上，沿着每个相对边缘的狭窄部分用软的和可软焊材料Me(例如，金)进行金属化，用于通过焊接接合到外部结构。材料Me的狭窄部分不遮蔽盖C顶面的对准基准X2。
在图4中，将端部F置于相应的凹槽G中后，将盖C置于基板S的顶面之上，盖C的底面朝向基板S。将作为夹紧条B的板附接到凹坑区域上方的基板上，以加强光纤阵列模块10上的光纤电缆固定。通过盖C的窗口W，盖C上的该组基准X1与基板S上的对准垫P上的基准Xs在视觉上对准。对盖C施加压力以抵靠基板夹住或压住盖C，以产生与图1A和图1B相关的上述所讨论的弹塑性变形。光学辐射热源(例如激光)通过光学透明盖C的顶面，以熔化材料Mc部分和对准垫P上的材料Mp之间的焊料预制件Pf，从而使盖C永久接合到基板S。这种焊料预制件Pf的局部精确加热不会影响端部F的完整性。
如图4所示，端部F从基板S的端面略微突出。在进一步的实施例中，突出的部分可以被切割和/或抛光，以在每个端部F的端面上实现所需的角度和形状，并使光纤端面与基板端面共面。为了在机械或激光切割抛光过程中加强端部F，在盖C附接到基板S之后，引入环氧材料来填充端部F周围的空间，即在端部F与盖C的底表面和凹槽G的侧壁表面之间。在这种情况下，环氧材料纯粹作为填料来加强裸露端部(例如，用于后续的切割/抛光工序)，而不是用于将盖C附接到基板S上。
图5显示了根据本发明的一个实施例的附接到光子集成电路芯片PIC上的光纤阵列模块10。如图所示，PIC被安装在印刷电路板PCB上的中间层T上。PIC的顶面具有一组与其机载光学设备对准的光学基准。通过视觉对准盖C顶面上的该组基准X2与PIC上的互补基准，光纤阵列模块10光学对准并安装到PIC的顶面。在实现光学对准后，材料Me的金属化部分可用于将光纤阵列模块10焊接(例如使用激光)到PIC上，以保持光纤阵列模块在PIC上的对准位置。
在图3所示的实施例中，盖C比基板S延伸得更宽。也参考图4，盖C延伸到基板S的相对侧以外，以允许视觉对准和附接到外部结构。如果不需要视觉对准和/或激光焊接/焊接，盖C不需要延伸到基板S的相对侧以外，以提供第二组基准X2和具有材料Me的部分。
图6A-6D显示了根据本发明的另一个实施例的光纤阵列模块10'。在所示实施例中，光纤阵列模块10'附接到光栅耦合器GC，而不使用先前实施例中的可视对准和激光焊接。通过读取通过光纤阵列模块10'传输的光信号，可以通过有源对准程序实现光栅耦合器GC上光纤阵列模块10'的对准。如图所示，光纤阵列FA'具有MT卡箍(MT)，该卡箍可用于光纤连接器中，例如用于信号接入光纤阵列模块10'的普通MTP/MPO式连接器。
在本实施例中，光纤阵列模块10'包括基板S'和盖C'，支撑预先成型(例如，通过切割)的面端部F'，其端面Fe以一定角度(例如，45度角)用于光耦合到光栅耦合器GC。基板S'的结构实质上类似于图中2A-2C所示的之前实施例中的基板S，除了该组对准基准Xs、X1和X2可以被省略，因为盖C'不作为对准块。盖C'和/或基板S'可以包括用于盖C'在基板S'上一般放置的位置标记，但盖C'不需要以与基板S'以与之前实施例中盖C和基板S所需的精度相同的精度对准。另外，本实施例中的盖C'在盖C的底面上具有之前实施例中的材料Mc和M4的相同涂层。鉴于在本实施例中没有基准X1，本实施例不需要窗口W。由于不再需要用于基准组X2的部分，所以盖C'不像之前实施例中的盖C那样延展。类似的焊料材料Me(例如，金/锡)被提供在在靠近相对边缘的部分上的盖C'的底面上，就像在之前实施例中一样，除非在本实施例中盖不延伸到基板S'的边缘之外。
焊料预制件Pf以与之前实施例中基板S类似情况的方式设置在肩部H上。在安装端部F'之后，通过应用激光软熔焊料预制件Pf将盖C'附接到基板S'上，并将盖板C'压在基板S'上，以实现上面讨论的弹塑性变形。
在本实施例中，基板S'也是由金属(例如，科瓦或因瓦)构成，并且鉴于端部F'的端面Fe按所需的角度预先成型，不需要对由光纤阵列模块10'固定的端部F'进行后续组装程序。因此，不需要使用环氧填料材料来填充端部F'周围的空隙。在没有低玻璃化转变温度的环氧材料的情况下，光纤阵列模块10'可以在有源对准过程之后受热以软熔焊料Me以将盖C'附接到光栅耦合器GC上。在这方面，值得注意的是，焊料预制件Pf在软熔温度(例如280℃)下熔化，但在软熔和再凝固之后，预成形材料的晶体结构发生变化以需要更高的熔化温度来进行再凝固焊料材料的后续软熔。这允许光纤阵列模块10'在软熔温度下受热以软熔焊料材料Me，软熔温度(例如280摄氏度)低于先前在盖C'和基板S'之间形成的焊料重整接合处的再凝固材料的目前较高的熔化温度。因此，焊料重整接合的完整性不会受到随后焊料材料Me软熔的影响。这种软熔过程简化了光纤阵列模块10'到外部安装结构(在这种情况下，是光栅耦合器GC)的连接，因为图6C所示的多个光纤阵列模块10'和光栅耦合器GC可以同时加热，而不需要局部的精确加热，从而提高了制造的生产量。
本发明的金属光纤阵列模块的一些优点包括:(a)模块相对容易定制，具有不同的凹槽尺寸、通道数量、间距距离和使用替代金属；(b)模块可激光熔焊和焊接到金属框架和/或板上，而无脆性破坏或断裂；(c)模块针对不同的框架形状和几何构造可机械加工；和(d)可扩展的大批量生产。
尽管已经参照优选实施例具体显示和描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的本质，范围和观点的情况下，可以对形式和细节进行各种改变。因此，公开的发明仅被视为说明性的，并且仅限于所附权利要求书中所说明的。

Claims (1)

1.一种光纤阵列模块，用于端接光纤阵列，包括:
第一材料的基板，所述基板的顶面具有多个纵向开口凹槽(例如，V形、U形、C形或混合形)，以光学对准的方式接收并对准相应光纤的纵向端部以允许光沿所限确定的路径传输，其中每个端部在接收在相应凹槽中之前没有预先设置在端部上的任何金属涂层；
第二材料层，所述第二材料层限定设置在所述凹槽表面上的底部界面部分，其中所述第二材料比第一材料更软，其中底部界面部分与接收在对应凹槽中的所述端部的底部接触面交界。
第三材料的盖，所述盖底表面朝向所述基板的顶表面，其中所述盖附接到所述基板上，所述光纤保持在所述凹槽中；
第四材料层，所述第四材料层限定设置在所述盖的底面上的顶部界面部分，其中所述第四材料比所述第三材料更软，其中所述盖附接到所述基板，所述盖抵靠所述基板压在所述端部上，顶部界面部分与端部的顶部接触面交界，以在所述盖和所述基板之间牢固地保持光纤，并且
其中，所述底部界面部分和所述顶部界面部分机械变形以适应相应光纤的底部接触面和顶部接触面。
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