CN1344947A

CN1344947A - 用于光电子转换器的增强的耦合配置

Info

Publication number: CN1344947A
Application number: CN01140668A
Authority: CN
Inventors: 迈克尔·弗朗西斯·罕列; 格伦·威尔登·约翰逊; 小杰拉尔德·丹尼尔·马拉格利诺
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2000-09-21
Filing date: 2001-09-20
Publication date: 2002-04-17
Anticipated expiration: 2021-09-20
Also published as: US6542669B1; SG98032A1; MY134293A; KR100437231B1; KR20020023114A; CN1162724C

Abstract

一种耦合配置包括一个垂直腔表面发射激光器。一个承载部件带有固定在其上的垂直腔表面发射激光器。一个光耦合器同垂直腔表面发射激光器耦合,并含有许多接收从垂直腔表面发射激光器发射的光的光纤。垂直腔表面发射激光器通过一个间隙同光耦合器分离而不同它直接接触。此间隙小于约50微米,而大于0微米。一种可固化的粘接剂放置在间隙中用于耦合垂直腔表面发射激光器与光耦合器。此粘接剂具有一个确定间隙尺寸的粘度。

Description

用于光电子转换器的增强的耦合配置

技术领域

本发明涉及一种用于光电子转换器增强的耦合配置，尤其是涉及一种例如减小与/或控制用于诸如光纤等光器件的光耦合器与诸如垂直腔表面发射激光器的表面发射装置之间的间隙的增强的耦合配置。

背景技术

现今正在开发其中使用例如光纤的光器件作为传输经调制的光波的导管(也称波导)以传输信息的计算机与通信系统。这些系统包括至少一个光发射器，与一个连接光器件和光发射器的光耦合器。光发射器或光检测器的一个通用术语是“光电子转换器”。

作为一个例子，光电子转换器把电信号变换为光信号或把光信号变换为电信号；光信号以很高的速率把数据从一个发射器传输到一个接收器。典型地，使用已知的电路系统把光信号变换为相关的电信号或相反。这种光电子转换器常用于其中必须以高速率传输数据的装置例如计算机中。

为了发射光信号，光发射器典型地是一个发光二极管(LED)或激光发射器。按常规，使用一个光电二极管以接收光信号。可聚合构成光纤电缆的光纤，可同各个LED或激光器与光二极管耦合，以便例如能把光信号传输至其它的光电子转换器或从其它的光电子转换器传来光信号。

光电子转换器通常位于输入/输出卡或连接输入/输出卡的端口卡上。而且，例如在一个计算机系统中，输入/输出卡(连同它连接的光电子转换器)典型地同一块电路板例如主板连接。然后此装配可布置在底盘(即固定在计算机箱内的框架)上。底盘用来在计算机箱内支持此装配。

典型地，有两种不同类型的光发射器可用于光电子转换器。这些通常包括边缘发射器与表面发射器。边缘发射器典型地有一个位于芯片边缘的光发射部分，与典型地有一个例如尺寸为半微米乘以四微米、总面积可约为2平方微米的有源区。相对比地，表面发射器例如垂直腔表面发射激光器(VCSEL)，按常规有一个比边缘发射器的有源区明显较大的有源区。表面发射器的有源区典型地直径约为20微米，以便提供例如约400平方微米有源面积。

而且，同典型的边缘发射器形成对比，常规的表面发射器有一个被无源部分包围的有源区。这使能使用无源部分作为支承表面把另外的装置放置在紧邻表面发射器的地方。此外，同典型的边缘发射器形成对比，表面发射器通常包括用于钝化目的的涂层；例如二氧化硅或其它氮化物。

此外，使用常规的VCSEL，光以一个圆锥形光束垂直地从芯片表面发射。而且，常规的VCSEL可供集成的二维阵列配置之用。例如，可把VCSEL布置成一个例如隔开约250微米的12个表面发射器的直线阵列，或一个例如16×16阵列或8×8阵列的区域阵列。当然，也可以是其它的阵列布置。尽管如此，典型地把直线阵列考虑为供光电子转换器使用的优选方案，因为通常认为从直线阵列比从区域阵列较容易对准收集从VCS EL发射光的光纤。此外，还按常规不把VCSEL布置成无论何种类别的阵列。而代之以单独地使用VCSEL。

保证与从光发射器发射的光同样多的光到达相应的光纤是重要的。然而，从光发射器发射的光总是发散。此发散可导致有些发射光不到达光纤，因而降低发送效率。因此，必须仔细控制发射器与光纤之间必然有的桥接间隔。

此外，由于发射光的发散，对准发射光同相应的光纤变得越来越更加困难。即是说，如果发射光束有一个比相应的光纤的直径小的直径，则在对准过程中时有一个可接受的误差容限。例如，相应的光发射器可相对于相应的光纤稍微偏离中心，而发射光仍完全照射到光纤上。另一方面，如果发射光束由于光的发散而有一个与相应的光纤的直径同样大或较大的直径，则光发射器相对于相应的光纤的任何中心偏移将导致一些发射光错过光纤。

为了减小光纤与光发射器之间的任何不对准，以便保证发射光不致部分地或全部地错过它的预定目标，可主动地或被动地对准光发射器。对于主动对准的器件，典型地接通光发射器并在起动器件时用光发射器对准其它元件。通过使用此方法，逐个对准生产的每个器件。很明显，如果器件为大批生产，此方法是不可取的。然而，当位置容差很小时，尤其是当发射光束有大的发散时，主动对准可能是保证光发射器同光纤对准的唯一可接受的方法。

另一方法，被动对准技术应用夹具或其它手动操作以对准光发射器与相应的光纤。被动对准技术比主动对准技术较不精确，因此当位置容差较大时，即当可容许光发射器相对于相应的光纤有一些偏移时作用最好。

从上述内容可清楚看到要求尽可能多地减少从光发射器发射的光束的发散。减少光束发散的一个方法是移动光发射器使其尽可能靠近光纤。然而，由于光发射器脆弱的性质，要求光发射器的表面不直接接触光纤，尤其在对准过程期间。而且，还要求光发射器相对于光纤固定，以便相互保持它们的相对位置。

参照示出一个已知配置的图1与图2，其中一个光发射器10例如一个VCSEL连接在承载部件12上，而光纤的端部(未表示)埋置在光耦合器14内。在此常规布置中，承载部件12而非光发射器10直接同光耦合器连接。此外，应了解光发射器按常规构成在一个芯片的顶面上。为了说明的目的，光发射器与有关的芯片总称为光发射器10。

承载部件12典型地由导热材料例如铜模铸或用其它方法制成，以帮助散逸由光发射器10产生的热。此外，承载部件12按常规有两个接触表面16，由一个井腔18使它们彼此分离。井腔18容纳其上装有光发射器的芯片。典型地，使用置于井腔18底部的环氧树脂或其它粘接剂把芯片粘接在承载部件12上。此外，光耦合器14的一个端面有一个其中布置光纤的中间有源区。当承载部件12同光耦合器14连接时，承载部件的两个接触表面16将布置在光耦合器14的中间有源区的两侧，以便使光发射器10可同光纤对准。

此外，由于承载部件12典型地由铜构成，因而可利用承载部件供光发射器10的返回电路之用。即是说，可使用导电的环氧树脂把芯片粘接在承载部件12上，以便电流从光发射器10经过导电的环氧树脂传入承载部件并接着通过使用例如一根软性电缆上的导电体传输到别处。

为了帮助精确定位与对准光发射器10，按常规把各个接触面(光发射器14的端面与承载部件的接触面16)抛光至十分平坦，即从峰点至谷点约为2微米。而且，芯片有一个已知的规定厚度，并同样有十分平坦的上、下表面。因此，当芯片连接在井腔18内并且承载部件12同光耦合器14的端面连接时，在芯片上的光发射器10的上表面与光耦合器的端面之间将构成一个有已知尺寸的间隙20。按常规认为此间隙20是为防止在对准处理期间损坏光发射器10所必需的。

然而，每个邻接表面有一个与间隙有关的公差。即是说，井腔18的深度尺寸、芯片的厚度、用于把芯片粘接在井腔底部的环氧树脂或其它粘接剂的厚度、及光耦合器14的端面与承载部件的接触表面16的表面平直度，由于制造公差而可以改变。此公差是累积的，使得总累积公差约为50微米，而得到的间隙约在75与125微米之间。这个间隙相对较大，从而将为光束的明显发散创造条件，因此要求复杂的主动对准技术，且可能减少能被光纤接收的光量。因此，需要一种用于光电子转换器的耦合配置，在此配置中间隙最小以便减少发射光的发散。

此外，还已知在耦合配置中使用一个透镜以帮助发射光束向后面的器件会聚。然而，使用透镜是复杂而昂贵的。因此，需要一个用于光电子转换器的耦合配置，此配置减少发射光的发散而不要求使用透镜完成。

此外，还已知把芯片直接(即无间隙地)连接在一个其中包括光纤的安装机构(即一个光耦合器)上。例如，在授予Brown等的美国专利号4730198中，公开了在对准芯片同光纤之后，在位于芯片与安装机构之间应用一种透明的环氧树脂或焊料把芯片保持在位的方案。在此情况下，以一个所谓的硬阻止配置把芯片保持在紧靠安装机构的端面。即是说，推动芯片紧靠安装机构直至这两个部件在至少两个不同点直接接触。然而，此布置在芯片将相对于安装机构端面移动的对准期间是不利的。由于芯片同安装机构直接接触，芯片的表面可能会在它的相对滑动期间由于同安装机构的接合而损坏。因此，虽然此已知的配置允许芯片与安装机构之间的间隙减小，但由于对准工艺在应用环氧树脂之前进行，很可能在对准处理期间会损坏芯片。为此，需要一种将减小芯片与光耦合器之间的间隙并将使能对准芯片而不损坏它的方法与配置。

发明内容

因此，本发明的一个主要目的是提供一种用于光电子转换器的增强的耦合配置。

本发明的另一个目的是提供一个解决上述提到的问题的光电子转换器的增强的耦合配置。

本发明的这些与其它目的通过本文中公开的用于光电子转换器的增强的耦合配置而实现。

根据本发明的一个方面，其中提供一个减小了常规的粘接表面的尺寸或去除了粘接表面的承载部件。一个表面发射器例如一个VCSEL以常规方式连接在承载部件上。然而，代替把光耦合器连接在承载部件的接触表面上的方法，本发明在示范方面使用一种粘接剂，例如丙烯酸氨基甲酸乙酯(urethane acrylate)或环氧树脂，使光耦合器同表面发射器耦合。在示范实施例中，使用Conneticut州Torrington的Dymax(TM)公司制造的丙烯酸氨基甲酸乙酯(628系列)。此丙烯酸氨基甲酸乙酯有650cp(厘泊)的标称粘度，用UV或可见光、热或催化剂使其固化。

由于粘接剂的粘性，如果在光耦合器与表面发射器之间施加一个预先确定值的力，粘接剂将有利地充当一个粘性的润滑介质，以便起一个支承层的作用，从而将防止表面发射器的表面同光耦合器直接接触。之后，可使用主动或被动对准技术对准光耦合器与表面发射器，不用关心光耦合器是否将会损坏光发射器的表面。在对准之后，固化粘接剂，使表面发射器同光耦合粘牢。

按照本发明的另一方面，粘接剂将包括许多小球，其中每个有一个等于优选间隙例如10微米的直径。这些球有利地保证如果在光耦合器与表面发射器之间施加过大的力，一些粘接剂仍将保持在其间。而且，这些球保证在光耦合器的有源区与表面发射器之间将形成一个平行的关系。此外，在对准期间，这些球将趋向于滚动，以便起到一个支承表面的作用，从而将不会损坏表面发射器。

按照本发明的又一方面，这些球由一种半透明材料例如玻璃或塑料制成，因而将有一个同粘接剂的折射率基本相同的折射率。这保证这些球不会引入光的附加散射与潜在的损失。

此外，按照本发明的再一方面，这些球可由一种玻璃基材包覆一种塑料外层构成。玻璃基材将充当一个较为刚性的基体，而由于玻璃外面包覆塑料，如果压力过猛，此玻璃将不会损坏表面发射器的表面或使其变劣。代之，塑料充当一个缓冲层，而起一个垫层的作用。另一方面，里面的玻璃基材将明显地强于如果压力过大而可能变形的纯塑料球。

按照本发明的另一方面，这些球可布置在一个无粘接剂的承载部件内。在使用这些球建立间隙之后，可施加粘接剂以固定表面发射器对光发射器的相对位置。

附图说明

图1与图2分别是用于光电子转换器的一个常规的耦合配置的透视图与俯视图。

图3与图4分别是根据本发明耦合配置的透视图与俯视图。

图5是一个表示图3与图4中的光发射器与光耦合器之间的间隙、粘接剂与球的俯视图。

图6是一个图5中表示的球的放大图。

具体实施方式

现在将参照附图中表示的各实施例通过实例较详细地描述本发明。应当注意下面描述的实施例只是通过举例的方法提出因而不应解释为本发明的概念局限于任何特定的物理配置。

此外，在本申请中，不应把术语“上”、“下”、“前”、“后”、“在…上面”、“在…下面”及类似于这些的术语认作限制本发明于特定的方位。代之，只是在一个相对意义的基础上使用这些术语。

参看图3与图4，本发明使用一个其中常规的接触表面已减小或去除的承载部件22。如图中表示，一个表面发射器24构成在一个芯片(未单独标记)上，且在本示范实施例中是一个VCSEL(垂直腔表面发射激光器)。表面发射器24以一种常规方式附加在承载部件22上。虽然作为一个例子只使用一个表面发射器，应了解可在一个芯片的公共表面上以阵列方式布置多个表面发射器。每个表面发射器发射自己的各个光信号。

在此示范实施例中，替代按常规方法把一个光耦合器26附加到承载部件的接触面上，本发明使用一种粘接剂28(参看图5)例如丙烯酸氨基甲酸乙酯或环氧树脂以耦合光耦合器26与表面发射器24。在此示范实施例中，使用由Conne cticut州Torrington的Dymax(TM)公司制造的丙烯酸氨基甲酸乙酯(628系列)。此丙烯酸氨基甲酸乙酯有一个650cp(厘泊)的标称粘度，并可用UV或可见光、热或催化剂固化。

由于粘接剂28的粘性，如果在光耦合器26与表面发射器24之间施加一个预定数量的力，粘接剂28将充当(只是在未固化状态下)一个粘性的润滑介质，以便起一个支承表面的作用，并且将防止表面发射器的表面同光耦合器直接接触。例如，当使用示范的丙烯酸氨基甲酸乙酯粘接剂时，确定可在光耦合器26与表面发射器24之间施加1磅力，使得在它们之间形成一个约10微米的间隙30。当然，如果使用一个具有不同粘度的粘接剂，则可能需要修改力值，以便得到要求的间隙。之后，可使用主动或被动对准技术对准光耦合器26与表面发射器24，不用关心光耦合器是否会损坏表面发射器的表面。然而应注意，因为间隙明显减小，因而由于发射光的低发散因而可以有利地使用被动对准技术。在对准之后，固化粘接剂28，使表面发射器24同光耦合器26粘牢。

此外，还参看图6，在本发明的实例方面，还应注意粘接剂28将包括许多小球32，其中每个有一个等于优选间隙的直径，例如约为10微米左右。这些球32保证如果在光耦合器26与表面发射器24之间施加过大的力，一些粘接剂28仍将保持在其间。而且，这些球32保证在光耦合器26的有源区与表面发射器24之间将形成一个平行的关系。此外，在对准期间，这些球32将趋向于滚动，于是这些可充当一个支承表面，从而将不会损坏表面发射器24。

这些球32最好由一种半透明的材料如玻璃或塑料制成，并具有一个与粘接剂28的折射率基本相同的折射率(即在真空中的光速除以此材料中光速的比率)。例如，两种不同材料的折射率的差值应在约0.05以内。相反，如果两种材料的折射率明显不同，这些球可能引入光的附加散射与潜在的损耗。

此外，按照本发明的另一方面，球32可由一个玻璃基材34并包覆塑料覆层36构成。玻璃基材34充当一个较为刚性的基体，而由于玻璃外面包覆塑料36，如果压力过强，此玻璃将不会损坏表面发射器24的表面或使它退化。代之，塑料36将充当一个缓冲层，而起一个缓冲垫的作用。另一方面，里面的玻璃基材34将明显地强于如果压力过猛而可能变形的纯塑料球。

另外，还应注意这些球可布置在一个无粘接剂的承载部件内。在使用这些球以建立间隙和对准光耦合器与表面发射器之后，可施加一种粘接剂以固定表面发射器于光耦合器上。

因此，如上述讨论表明，通过利用粘接剂的粘性与/或粘接剂中的球，本发明在把表面发射器与光耦合器之间的间隙减至最小的同时，使表面发射器能相对于光耦合器对准而不损坏表面发射器。

作为对球32的替代方案，还应注意表面发射器24的表面与光耦合器26的表面可使用例如机械夹具(未表示)保持为平行的平面。例如，这两个装置之一，比如表面发射器24，可保持在一个远端中心配合装置内。这是一个其中容许约束运动的装置。当力作用在两个表面上时，粘性的粘接剂将被迫从表面发射器与光耦合器之间挤出，使两个器件相对靠近地在一起。因此，可通过施加的力、粘接剂的粘度与两个装置共同的表面积(共同的表面积在2mm²与50mm²之间，而在示范实施例中约为3mm²)来控制间隙。

虽然本发明已通过举出与一个其中含有光纤38的光耦合器26有关的例子的方式付之使用，本发明也可用于任何类型的对光发射器呈现一个平坦表面的光器件。例如，本发明可用于透镜阵列或用来收集与传送光的任何其它光装置。

然而应当懂得，本发明不必受限于前面示出与描述的特定配置与部件，而可容许在本发明范围内作许多变更。

对本领域的技术人员来说，很明显，制作与使用所要求的发明的方法已充分地公开在前面对连同附图一起的优选实施例的书面描述中。

应当懂得前面对本发明的优选实施例的描述容许作各种修改、改变与改造，而所有这些被用来综合在附加的权利要求书的等价含义与范围中。

Claims

1.一种耦合配置，包括：

至少一个表面发射器；与

一个同所述表面发射器耦合的光耦合器，所述光耦合器接收来自表面发射器的一个表面发出的光；其中所述表面发射器通过一个间隙同所述光耦合器分离，该间隙小于约50微米，而大于0微米。

2.根据权利要求1的耦合配置，其中所述光耦合器不与所述表面发射器直接接触。

3.根据权利要求1的耦合配置，其中间隙约为10微米。

4.根据权利要求1的耦合配置，其中所述表面发射器是一个垂直空腔表面发射激光器。

5.根据权利要求1的耦合配置，其中所述光耦合器包括至少一个接收从所述至少一个表面发射器发射的光的光纤。

6.根据权利要求1的耦合配置，还包括一种置于所述间隙中的粘接剂，所述粘接剂有一个确定间隙尺寸的粘度。所述粘接剂将所述表面发射器与所述光耦合器耦合在一起。

7.根据权利要求6的耦合配置，其中所述粘接剂包括一种丙烯酸氨基甲酸乙酯可固化材料。

8.根据权利要求1的耦合配置，还包括许多布置在间隙中的球。

9.根据权利要求8的耦合配置，其中每个所述球有一个直径，且其中球的直径确定间隙的尺寸。

10.根据权利要求9的耦合配置，其中每个所述球有一个约为10微米的直径。

11.根据权利要求8的耦合配置，其中每个所述球包含一个玻璃基材。

12.根据权利要求11的耦合配置，其中每个所述球还包括一个包围相应玻璃基材的塑料覆层。

13.根据权利要求8的耦合配置，还包括一种置于间隙中用于耦合所述表面发射器与所述光耦合器的粘接剂，其中所述球被布置在所述粘接剂内。

14.根据权利要求13的耦合装置，其中所述粘接剂与所述球是半透明的，且其中所述粘接剂与所述球具有基本相同的折射率。

15.根据权利要求1的耦合配置，还包括一个带有固定在其上的所述表面发射器的承载部件，所述表面发射器夹在所述承载部件与所述光耦合器之间。

16.根据权利要求15的耦合配置，其中所述承载部件由铜构成。

17.一种将一个表面发射器耦合于一个光耦合器的方法，包括：

在表面发射器与光耦合器之间放置一粘性材料；

使用此粘性材料在表面发射器与光耦合器之间建立一个间隙；与

在所述放置之后，相对于光耦合器对准表面发射器。

18.根据权利要求17的方法，其中所述使用包括在表面发射器与光耦合器之间施加一个力以确定表面发射器与光耦合器之间的间隙。

19.根据权利要求18的方法，其中在所述对准期间保持该间隙，使表面发射器不直接接触光耦合器。

20.根据权利要求19的方法，还包括在所述对准之后固化粘性材料以粘接表面发射器与光耦合器。

21.根据权利要求18的方法，其中粘性材料有一个约为650cp的粘度，而力约为1磅。

22.根据权利要求17的方法，其中所述对准为一个被动对准操作。

23.根据权利要求17的方法，其中粘性材料是一种可固化粘接剂。

24.根据权利要求23的方法，其中粘性材料是丙烯酸氨基甲酸乙酯。

25.根据权利要求17的方法，其中所述对准使用粘性材料作为一个支承层以便在表面发射器与光耦合器之间建立一个浮动接触。

26.一种耦合配置，包括：

一个垂直腔表面发射激光器；

一个带有固定在其上的所述垂直腔表面发射激光器的承载部件；

一个同所述垂直腔表面发射激光器耦合并含有许多接收从所述垂直腔表面发射激光器发射的光的光纤的光耦合器，其中所述垂直腔表面发射激光器通过一个间隙同所述光耦合器分离而不同所述光耦合器直接接触，此间隙小于约50微米，而大于0微米；与

一种置于该间隙中用于粘接所述垂直腔表面发射激光器与所述光耦合器的可固化的粘接剂，所述粘接剂具有一个确定该间隙尺寸的粘度。