CN116762028A - 用于将光纤附接到光子集成电路的v形沟槽的固定装置和方法 - Google Patents
用于将光纤附接到光子集成电路的v形沟槽的固定装置和方法 Download PDFInfo
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Abstract
用于将光纤与光子集成电路(PIC)的接口被动对准的系统，所述系统包括：输入框架；致动器；和输出框架。所述致动器被布置成沿力轴线向所述输入框架施加力。所述输出框架包括尖端，所述尖端用于拾取板并向所述板传递力，所述输出框架连接到所述输入框架，使得所述输出框架可以相对于所述输入框架倾斜，并且所述输出框架被相对于所述输入框架弹性偏压到其中所述尖端在所述力轴线上对准的位置。
Description
相关申请的交叉引用
本专利申请是2021年6月25日提交的美国专利申请第17/358,314号的连续案，其公开内容在此通过引用以其整体并入。
背景技术
光子集成电路(PIC)可以包括光纤被接收到其中的V形沟槽形式的输入-输出(I/O)接口。因此，基于PIC的电子设备和网络硬件的制造可能涉及将光缆线的光纤放置和固定到PIC的V形沟槽中。主动附接制造方法涉及将光纤与I/O接口仔细、精确地对准。被动附接涉及剥离光纤带以呈现间距近似匹配V形沟槽间距的光纤，使整个带与I/O接口粗略对准，然后将盖子或间隔物按压到暴露的光纤上以迫使它们进入到V形沟槽中。
在被动附接中，限定V形沟槽的倾斜表面可以将光纤引导到位，因而补偿粗略对准中的不精确性，但是引起所有光纤偏转并被设置成适当就位需要很大的力。因而，虽然已知的被动附接方法可以使带相对于V形沟槽的轻微侧向不对准能够被容忍，但是当I/O接口的平面没有被布置成完全正交于按压力的方向延伸时，会导致包括跨多根光纤不一致就位的问题。此外，由塑料等相对较软的材料制成的盖子或间隔物可能无法有效地将按压力传递到所有光纤，并在按压过程中损坏。
发明内容
本公开的各个方面涉及一种被动附接系统。该对准系统可以包括：尖端，诸如用于提升板并向该板施加真空力的真空尖端；和滑架或夹具，该滑架或夹具用于将按压力传递到尖端。夹具可以包括：输入框架，可以在该输入框架上施加按压力；和输出框架，尖端可以从该输出框架延伸。输入框架可以通过一个或多个弹性偏压元件耦合到输出框架，该一个或多个弹性偏压元件可以在夹具将板向下按压在光纤和PIC上时，允许输出框架相对于输入框架倾斜。
该一个或多个偏压元件可以使得输出框架能够相对于输入框架在围绕施加在输入框架上的按压力的轴线的至多360°的范围内朝向任何一个方向倾斜。该一个或多个偏压元件可以：例如，是一个大弹簧，诸如螺旋弹簧，其被设置在输入框架与输出框架之间，处于在尖端之上并且在输入框架上的按压力的轴线上居中的位置处；或者，在其它示例中，是任何类型的多个弹簧，其被设置在输入框架与输出框架之间，处于绕在输入框架上的按压力的轴线的不同角度位置处。在一个特定示例中，四个相等弹性的螺旋弹簧可以被设置在输入框架与输出框架之间，处于离输入框架上的输入力的轴线的径向等距的位置处，并且彼此均匀地成角度地间隔开。
板可以由玻璃制成。在光纤在V形沟槽中就位后并且在保持盖子上的压力的同时，固化辐射可以穿过板透射。可以在按压步骤之前将光固化粘合剂，诸如环氧树脂，施加到I/O接口和光纤本身中的任一者或两者上并在按压步骤期间或之后进行固化。尖端也可以是玻璃的，使得固化光可以穿过尖端投射。适用于盖子和尖端的示例玻璃包括石英、派热克斯玻璃和硼硅酸盐玻璃。在粘合剂固化之后，可以从盖子移除负载。
在另一方面，一种用于将光纤与光子集成电路(PIC)的接口被动对准的系统可以包括：输入框架；致动器；和输出框架。致动器可以被布置成沿力轴线向输入框架施加力。输出框架可以包括尖端，以拾取板并向该板传递力。输出框架可以连接到输入框架，使得输出框架可以相对于输入框架倾斜，并且输出框架被相对于输入框架弹性偏压到其中尖端在力轴线上对准的位置。
在根据上述任一项的另一布置中，该系统可以包括真空组件，该真空组件被构造成从在尖端的端部处具有开口的通道排空空气。
在根据上述任一项的另一布置中，该系统可以包括弹簧，该弹簧将输入框架连接到输出框架。
在根据上述任一项的另一布置中，该系统可以包括多个弹簧，该多个弹簧将输入框架连接到输出框架，其中，每个弹簧被定位在绕力轴线的不同相应位置处。
在根据上述任一项的另一布置中，该多个弹簧可以关于每个弹簧的弹性和布置平衡，使得输入框架与输出框架之间的偏压绕力轴线对称。
在根据上述任一项的另一布置中，该多个弹簧中的每个弹簧可以位于离力轴线的相等径向距离且在任一边上离每个周向相邻弹簧的相等角度距离处。
在根据上述任一项的另一布置中，该多个弹簧可以是四个弹簧，该四个弹簧中的每一个弹簧限定在力轴线上居中的正方形布置的拐角。
在根据上述任一项的另一布置中，尖端可以沿力轴线延伸。
在根据上述任一项的另一布置中，尖端可以是透明的。
在根据上述任一项的另一布置中，输出框架可以在跨相对于力轴线的360°度范围的任何一个方向上远离尖端在力轴线上对准的位置自由地倾斜。
在根据上述任一项的另一布置中，该系统可以包括机架，该机架在可移动位置处承载输入框架、致动器和输出框架。
在另一方面，一种将光缆线耦合到PIC的方法可以包括：将缆线的暴露的光纤与PIC的输入-输出(I/O)接口的V形沟槽对准；将板在暴露的光纤和I/O接口之上对准；以及沿力轴线向夹具施加力，夹具被布置成向板传递力，直到每个光纤都在相应的V形沟槽中就位。夹具可以包括：输入框架，向该输入框架施加力；和输出框架。输出框架可以包括尖端，该尖端从输出框架延伸以将力传递到板，输出框架相对于输入框架自由地倾斜并且被相对于输入框架朝向下列位置弹性偏压，在所述位置中，尖端沿力的力轴线延伸，并且输出框架相对于输入框架间隔开。
在根据上述任一项的另一布置中，该方法可以包括使用真空以在沿力轴线施加力的步骤之前将PIC固定到基座。
在根据上述任一项的另一布置中，该方法可以包括使用连接到尖端的真空以拾取板。
在根据上述任一项的另一布置中，该方法可以包括在施加力的步骤之前将粘合剂施加到I/O接口和光纤中的任一者或两者。
在根据上述任一项的另一布置中，该方法可以包括在每个光纤都在相应的V形沟槽内就位之后通过穿过板投射的光来固化粘合剂。
在根据上述任一项的另一布置中，光也可以穿过尖端投射。
在根据上述任一项的另一布置中，输出框架可以在跨相对于力轴线的360°度范围的任何一个方向上远离尖端在力轴线上对准的位置自由地倾斜。
在根据上述任一项的另一布置中，对准板的步骤可以包括控制机架以在板被夹具的尖端固位的同时移动夹具。
在根据上述任一项的另一布置中，该方法可以包括在将暴露的光纤与V形沟槽对准的步骤之前的劈裂步骤，该劈裂步骤包括通过从缆线的端部移除覆层直到每个暴露的光纤的长度至少为V形沟槽长度的五倍，来提供暴露的光纤。
附图说明
图1A是支撑件上的光子集成电路(PIC)的斜透视图。
图1B是图1A的PIC的输入/输出(I/O)接口的一部分的立面图。
图2A图示了通过输出框架拾取盖子的步骤。
图2B是图2A的输出框架的顶平面图。
图2C是图2A的输出框架的前立面图。
图3A是劈裂的、部分剥离的光跳线缆线的斜透视图。
图3B是在图1A的PIC之上对准的光纤的顶平面图。
图3C是图3B的布置的顶平面图，其中向该布置施加粘合剂。
图3D是图3B的布置的顶平面图，其中光纤在PIC上进一步前进。
图4是在图3D的布置上向下按压的图2B的输出框架的斜透视图。
图5A至图5C是在图3D的布置上逐渐进一步向下按压的图2A的盖子的截面立面图。
图6A至图6C是在图1A的PIC上向下按压的夹具的前平面图。
图7是将PIC封装与图1A至图6C的布置组装的过程的流程图。
图8是可以从图7的过程得到的PIC封装的截面立面图。
具体实施方式
图1A图示了支撑步骤114，其中，光子集成电路(PIC)14被放置在支撑件18上。PIC14包括输入/输出(I/O)接口22。如图1B中所示，I/O接口22包括如果个V形沟槽26。每个V形沟槽26包括两个对置的侧壁26，该两个对置的侧壁26朝向彼此从V形沟槽的相对宽的顶部向V形沟槽的相对窄的底部成斜坡。因而，每一对对置的侧壁28具有类似于字母“V”的整体形状。
图2A图示了其中盖子34被尖端38拾取的拾取步骤118。图示的示例的盖子34是板，该板可以由足够硬以根据本公开中所述的过程将光纤按压到V形沟槽26中的任何材料制成。在一些示例中，盖34可以结合到某些粘合剂，该粘合剂也可以结合PIC 14和光纤。在一些示例中，盖子34对于一些可见光、紫外光或至少一些波长的电磁辐射是透明的。可以形成盖子34的合适材料的特定示例包括玻璃，诸如石英、派热克斯玻璃和硼硅酸盐玻璃，或者聚合物塑料，诸如丙烯酸树脂。
尖端38可以由可以制成盖子34的任何材料制成。拾取步骤可以在支撑步骤114之前、之后或期间执行。在一些示例中，尖端38由至少与制成盖子34的材料一样硬的材料制成。在图示的示例中，封闭的通道穿过尖端38延伸到尖端端部处的开口(图2A中不可见)，并且软管46连接到通道的与开口相对的一端。因而，软管46可以用来排空通道，并通过尖端38的开口产生可以通过其拾取盖子38的抽吸力。然而，在可替选示例中，尖端38包括能够提升和承载盖子34并沿力轴线X向盖子施加力的任何已知的设备或设备组合。
在继续参考图2A的情况下参考图2B和图2C，尖端38是输出框架30的一部分。在图示的示例中，四个螺旋弹簧42在正交于力轴线X的平面内分布。在图2B的示例中，弹簧42被布置成对称布置并处于离力轴线X的相等距离处，但是在其它布置中，弹簧可以是对称的并且处于不同距离处，或者甚至是非对称的。贯穿本公开，术语“向上”和“向下”是相对于图2C的视角定义的，但根据本公开的过程可以被执行为使得向上和向下的实际方向对应于本文中这些术语的使用。尖端38在向下方向上沿力轴线X远离其与剩余输出框架30的连接点延伸，并且螺旋弹簧42远离它们与输出框架的接触点向上延伸。因而，向每个弹簧42施加向下的力将向下驱动输出框架30，但弹簧的弹性性质将使得输出框架能够在施加这样的力时相对于力轴线X倾斜。此外，弹簧42上的向下力将沿力轴线X朝向尖端38的对准来偏压输出框架30。
然而，该四个螺旋弹簧42的图示的布置仅是适合根据本公开的过程的用于偏压输出框架30的布置的一个示例。合适的偏压布置的其它示例包括在力轴线X上居中的单个大螺旋弹簧，或者处于绕力轴线的对称布置的任何类型的任何数目的弹簧。在根据这些示例中的任何一个的偏压布置上的向下的力将迫使输出框架30向下，并在允许输出框架相对于力轴线X倾斜的同时沿力轴线X朝向尖端38的对准来偏压输出框架。
图3A图示了在光纤跳线缆线50上执行的劈裂步骤120的结果的示例。在其它示例中，劈裂步骤120可以在包括光纤的带58的任何部件上执行。劈裂步骤可以在支撑步骤114和拾取步骤118中的任一者或两者之前、之后或期间执行。在劈裂步骤120中，覆层54被切回以露出暴露的光纤58，并且暴露的光纤被切割成使得它们相对于彼此的长度适合在I/O接口22内的有效就位。在图示的示例中，暴露的光纤58被切割成使得它们的自由端各自位于沿垂直于光纤本身延伸的公共线60的相应点处。然而，暴露的光纤58的适当相对长度可以根据I/O接口22的构造而变化。
图3B图示了对准步骤124，其中暴露的光纤58在PIC 14的I/O接口22中与它们的相应的V形沟槽26粗略地对准。对准步骤124在劈裂步骤120之后执行，并且可以在支撑步骤114和拾取步骤118中的任一者或两者之前、期间或之后执行。对准步骤124是可选的，因为缆线50可以在劈裂步骤120之前被放置在I/O接口22之上，并且劈裂步骤可以在缆线被保持固定的同时执行，使得所得的暴露的光纤58与它们的相应的V形沟槽26粗略对准。
在图3C中图示的粘附步骤128中，粘合剂62被施加到I/O接口22和暴露的光纤58的自由端中的任一者或两者。粘合剂62可以是能够将暴露的光纤58固定到PIC 14的任何可流动的粘合剂，诸如例如环氧树脂。在一些示例中，粘合剂62是光或电磁波可固化环氧树脂。在图示的示例中，粘附步骤128被示出包括在对准步骤124之后将粘合剂62施加至暴露的光纤58和I/O接口22两者，但是粘附步骤128可以在支撑步骤114、拾取步骤118以及劈裂和对准步骤120、124的后续步骤中的任何一个或任何组合之前、期间或之后执行。如果粘附步骤128在劈裂步骤120之前执行，则粘合剂62被施加至I/O接口，而不被施加至暴露的光纤58。
图3D图示了可选的前进步骤132，其中暴露的光纤58朝向它们相应的V形沟槽26的端部前进，并且可以在粘附步骤128之后进行光纤与V形沟槽之间的精细对准。如果暴露的光纤58已经在粘附步骤128结束时与它们的相应的V形沟槽26足够对准，使得下文详述的按压步骤136将会在缆线50与PIC 14之间产生有效的光耦合，则可以省略前进步骤132。
图4图示了按压步骤136。按压步骤136在支撑步骤114、拾取步骤118、劈裂步骤120以及粘附步骤128之后执行。按压步骤136也在对准步骤124和前进步骤132无论哪一个或组合被执行之后执行。因而，在按压步骤136开始时，PIC 14被支撑件18支撑，盖子34被尖端38拾取，缆线50被劈裂，暴露的光纤58与它们的相应的V形沟槽26充分对准，在暴露的光纤和V形沟槽中的任一者或两者上已经被施加有粘合剂62，并且盖子与尖端在暴露的光纤和I/O接口之上对准。在按压步骤136期间，向下的力被施加到耦合至输出框架30的偏压布置，即图示的示例中的弹簧42，以沿力轴线X向下并朝向PIC 14上的盖子的预期最终或永久位置驱动盖子34。
如图5A至图5C中所示，贯穿按压步骤136，盖子34向暴露的光纤58的自由端施加向下的力。虽然盖子34不需要由玻璃制成，但是玻璃是可以制成盖子的材料的示例，这种材料将使得盖子能够向暴露的光纤58传递足够量的力，而对所得的盖子没有损伤或损伤很小。如果如图5A中所示，暴露的光纤58在按压步骤136开始时就从其相应的V形沟槽26侧向地偏心，则如图5B和图5C中所示，光纤的自由端将会随着光纤被盖子34朝向V形沟槽的底部驱动，而沿着侧壁58之一朝向V形沟槽的中心滑动。覆层54应被切回足够远，以允许暴露的光纤58视需要尽量远地偏转从而到达它们的相应的V形沟槽26的底部和中心。
参考图6A至图6C，输入框架66用于在按压步骤136期间向偏压布置(即图示的布置中的弹簧42)施加向下的力。输入框架66、偏压布置以及输出框架30共同提供夹具。输入框架66和输出框架30中的任一者或两者可以连接至能够侧向地移动夹具的机架或起重系统。机架或起重系统或者单独的按压装置，也可以包括致动器，该致动器能够沿力轴线X向输入框架66施加力从而实施按压步骤136。
假定输入框架66如图6A至图6C所示那样被固定至相对于力轴线X的旋转位置，则由弹簧42提供的偏压布置关于弹簧的弹性和布置平衡，以将输出框架30相对于输入框架66朝向其中尖端38沿力轴线X对准的位置偏压。由于输入框架66通过弹性偏压布置(即图示的示例中的弹簧42)耦合至输出框架30，所以沿力轴线X的力可以在输出框架仍能够相对于力轴线和输入框架倾斜的同时，被从输入框架传递到输出框架。因而，如果PIC 14被支撑在不平坦的位置中，诸如如图6A至图6C中所示，其中PIC的上表面不位于正交于力轴线X的平面上，则输出框架30可以在向下的力被沿力轴线施加到输入框架的同时相对于输入框架66倾斜，从而使得尖端38能够朝向从PIC的上表面正交地延伸而倾斜。偏压布置可以使得输出框架30能够在绕力轴线X至多360°的范围内朝向任何一个方向相对于输入框架66倾斜。通过朝向从PIC 14的上表面正交地延伸而倾斜，尖端38能够在盖子34(在图6A至图6C中不可见)上按压，使得盖子将平置在PIC的上表面上，并且在所有的暴露的光纤58上分配充足的按压力，以将暴露的光纤按压到它们的相应的V形沟槽28中。
图7图示了根据上述步骤和装置的用于将缆线50耦合到PIC 14的过程110。在设置阶段112，上述支撑步骤114、拾取步骤118、劈裂步骤120以及粘附步骤128以任何顺序执行。也如上所述，对准步骤124和前进步骤132是可选的。然而，如果执行，则对准步骤124在劈裂步骤120之后执行，前进步骤132在粘附步骤128之后执行。如果对准步骤124和前进步骤132中的任一者或两者被执行，则它们在设置阶段112结束之前执行。按压步骤136在设置阶段112之后执行并继续，直到暴露的光纤58在它们的相应的V形沟槽26内达到令人满意的深度。
固化步骤140在按压步骤136之后发生，并且同时，足够的负载保留在盖子34上，以将盖子和暴露的光纤58保持在它们相对于PIC 14的预期最终或永久位置中。固化步骤140包括充分凝固粘合剂62使得可以从盖子34移除负载并且盖子和暴露的光纤58将保留在它们的预期位置所必要的任何过程。取决于所使用的粘合剂62的类型，固化步骤140可以包括等待粘合剂随着时间而凝固，向粘合剂施加催化剂，或者以电磁辐射固化粘合剂。在一些示例中，电磁辐射可以是光，诸如可见光或紫外光。如果使用电磁辐射来固化粘合剂62，则辐射可以穿过任何上述装置传播。例如，盖子34可以对用于固化粘合剂62的辐射类型是透明的，并且辐射可以穿过盖子照射在粘合剂上。尖端38或者整个输出框架30也可以对用于固化粘合剂32的辐射是透明的，并且辐射可以穿过尖端和盖子34两者照射在粘合剂上。可替选地或另外，辐射可以穿过PIC 14照射在粘合剂62上。在固化步骤140完成后，可以在卸载步骤144中从盖子34移除负载。
图8示出了完成过程110所得的一部分PIC封装的示例。暴露的光纤58各自在相应的V形沟槽内在最低的可能位置处就位。在图示的示例中，每个暴露的光纤58的宽度将暴露的光纤的最低可能位置放在V形沟槽的底部上方的它们的相应的V形沟槽26内，使得每个暴露的光纤接触其相应的V形沟槽的两个侧壁38，但是不接触其相应的V形沟槽的底部。固化的粘合剂62将盖子38粘附到暴露的光纤58并将暴露的光纤作为整体粘附到侧壁28和PIC14。因而，盖子14、光纤58和PIC 14永久地连接，使得光纤光学耦合至它们的相应的V形沟槽26，并且盖子保护光纤。
虽然已经参考特定示例描述了本文的概念，但是应理解，这些示例仅是所呈现的概念的原理和应用的说明。因此，应理解，可以对说明性示例做出许多修改并且可以设想其它布置，而不偏离由所附权利要求限定的所呈现的概念的精神和范围。
Claims (20)
1.一种用于将光纤与光子集成电路PIC的接口被动对准的系统，所述系统包括：
输入框架；
致动器，所述致动器被布置成沿力轴线向所述输入框架施加力；以及
输出框架，所述输出框架包括尖端，所述尖端用于拾取板并向所述板传递力，所述输出框架连接到所述输入框架，使得所述输出框架相对于所述输入框架倾斜，并且所述输出框架被相对于所述输入框架被弹性偏压到所述尖端在所述力轴线上所对准的位置。
2.根据权利要求1所述的系统，包括真空组件，所述真空组件被构造成从在所述尖端的端部处具有开口的通道排空空气。
3.根据权利要求1所述的系统，包括弹簧，所述弹簧将所述输入框架连接到所述输出框架。
4.根据权利要求1所述的系统，包括多个弹簧，所述多个弹簧将所述输入框架连接到所述输出框架，其中，每个弹簧被定位在绕所述力轴线的不同相应位置处。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述多个弹簧针对每个弹簧的弹性和布置是平衡的，使得在所述输入框架与所述输出框架之间的偏压关于所述力轴线对称。
6.根据权利要求4所述的系统，其中，所述多个弹簧中的每个弹簧位于离所述力轴线的相等径向距离且在任一边上离每个周向相邻弹簧的相等角度距离处。
7.根据权利要求4所述的系统，其中，所述多个弹簧是四个弹簧，所述四个弹簧中的每一个弹簧限定在所述力轴线上居中的正方形布置的拐角。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述尖端沿所述力轴线延伸。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述尖端是透明的。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，在跨相对于所述力轴线的360°度范围的任何一个方向上，所述输出框架远离所述尖端在所述力轴线上所对准的位置自由地倾斜。
11.根据权利要求1所述的系统，包括机架，所述机架在可移动位置处承载所述输入框架、致动器和输出框架。
12.一种用于将光缆线耦合到PIC的方法，所述方法包括：
将所述缆线的暴露的光纤与所述PIC的输入-输出I/O接口的V形沟槽对准；
将板在所述暴露的光纤和所述I/O接口上方对准；以及
沿力轴线向夹具施加力，所述夹具被布置成向所述板传递所述力，直到所述光纤中的每个在相应的V形沟槽中就位，所述夹具包括：
输入框架，所述力施加到所述输入框架；
输出框架，所述输出框架包括尖端，所述尖端从所述输出框架延伸以用于将所述力传递到所述板，所述输出框架相对于所述输入框架自由地倾斜并且相对于所述输入框架朝向所述尖端沿所述力的所述力轴线延伸的位置是弹性偏压的，并且所述输出框架相对于所述输入框架是间隔开的。
13.根据权利要求12所述的方法，包括：使用真空以在沿所述力轴线施加力的步骤之前将所述PIC固定到基座。
14.根据权利要求12所述的方法，包括：使用连接到所述尖端的真空以拾取所述板。
15.根据权利要求12所述的方法，包括：在所述施加力的步骤之前将粘合剂施加到所述I/O接口和所述光纤中的任一者或两者。
16.根据权利要求15所述的方法，包括：在每个光纤在相应的V形沟槽内就位之后，通过穿过所述板投射的光来固化所述粘合剂。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述光也被投射穿过所述尖端。
18.根据权利要求12所述的方法，其中，在跨相对于所述力轴线的360°度范围的任何一个方向上，所述输出框架远离所述尖端在所述力轴线上所对准的位置自由地倾斜。
19.根据权利要求12所述的方法，其中，对准所述板的所述步骤包括：控制机架以在所述板被所述夹具的所述尖端固位的同时移动所述夹具。
20.根据权利要求12所述的方法，包括：在将所述暴露的光纤与所述V形沟槽对准的步骤之前的劈裂步骤，所述劈裂步骤包括：通过从所述缆线的端部移除覆层直到每个所述暴露的光纤具有的长度至少为所述V形沟槽长度的五倍，来提供所述暴露的光纤。
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