DE69621871T2

DE69621871T2 - Optisches Datenverbindungsverfahren und Vorrichtung dazu

Info

Publication number: DE69621871T2
Application number: DE69621871T
Authority: DE
Inventors: Kenneth Hahn
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 1995-03-28
Filing date: 1996-03-28
Publication date: 2002-10-10
Anticipated expiration: 2016-03-29
Also published as: JP3907233B2; EP0735704A3; DE69621871D1; EP0735704B1; EP0735704A2; US6012855A; JPH08271768A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf optische Datenverbindungen und bezieht sich spezieller auf parallele optische Datenverbindungen.
Serielle optische Datenverbindungen sind nach dem Stand der Technik gut bekannt. Typischerweise wird in einer seriellen optischen Datenverbindung eine optische Einmodenfaser verwendet, um eine optische Kopplung zwischen einer Einmodenlaserquelle und einem Detektor zu schaffen. Da Daten seriell über nur eine Faser übertragen werden, ist die Geschwindigkeit dieser Art der bereits bekannten Datenverbindung auf die Kapazität der einen Faser und der zugeordneten Quelle und des Detektors beschränkt. Es wird eine größere Datenübertragungsgeschwindigkeit benötigt als die, die durch die augenblicklich verfügbaren und bezahlbaren seriellen optischen Datenverbindungen zur Verfügung stehen. Unglücklicherweise ist die Erhöhung der Geschwindigkeit von seriellen Datenverbindungen ein kostspieliger Ansatz. Des weiteren sind Einmodenfasern speziell verletzlich gegenüber einer optischen Fehlausrichtung mit Quellen und Detektoren, was zusätzlich zu den Kosten der bereits bekannten seriellen Datenverbindungen beiträgt.
Die EP-A-0,506,438 offenbart ein Array von optischen Halbleiterbauelementen, ein Array von Linsen und ein Array von optischen Fasern, die seriell in Lichtausbreitungsrichtung angeordnet sind, um eine Lichtachsenausrichtung zu schaffen. An Lichteingangsenden der optischen Fasern ist eine Lichtabschirmungsplatte angeordnet. Die Lichtabschirmungsplatte ist mit Lichtaperturen geschaffen, die Lichteingangsfacetten der optischen Fasern entsprechen, um eine Lecklichtinterferenz, zwischen benachbarten optischen Fasern zu verringern.
Die US-A-5,187,761 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Eingangskonus an einem der Enden eines Verbindungsendstückes für optische Fasern, wobei das Endstück in der Form eines zylindrischen Stabs mit einem äußeren Durchmesser D ist und eine innere Kapillare mit dem Durchmesser d.sub.i umfaßt, wobei das Verfahren daraus besteht, das Ende des Verbindungsendstücks mit einem Führungsteil zu versehen, das durch einen zylindrischen Körper gebildet wird, in dem folgende Merkmale gebildet sind: erstens einer zylindrischen Bohrung mit einem Durchmesser, der im wesentlichen gleich dem Durchmesser D des Endstücks ist, wobei diese Bohrung innerhalb des zylindrischen Körpers durch eine Wand begrenzt wird, die eine Anlage für das Ende des Endstücks bildet, wenn das Endstück in die Bohrung eingeführt wird; und zweitens einem Führungsloch, das wenigstens einen sich verjüngenden Abschnitt hat, der sich mit einem Durchmesser, der größer ist als der Durchmesser d.sub.i, zur Außenseite des zylindrischen Körpers hin öffnet, und sich in die zylindrische Bohrung an der Kapillare mit einem Durchmesser öffnet, der im wesentlichen gleich dem Durchmesser d.sub.i ist, und sich in die zylindrische Bohrung an der Kapillare mit einem Durchmesser öffnet, der im wesentlichen gleich dem Durchmesser d.sub.i der Kapillare ist. Dieses Verfahren ist sowohl für einmodige als auch für mehrmodige optische Fasern anwendbar.
Benötigt wird eine parallele optische Datenverbindung, die optische Mehrmoden komponenten verwendet.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren und eine Vorrichtung für eine parallele optische Datenverbindung, die optische Mehrmodenkomponenten verwendet. Da die vorliegende Erfindung Daten über eine parallele optische Datenverbindung überträgt, beschränkt die Erfindung die Datenübertragungsgeschwindigkeit nicht auf die Kapazität von nur einer Faser und der zugeordneten Quelle und des Detektors, wie bei den bereits bekannten seriellen Datenverbindungen.
Da des weiteren die vorliegende Erfindung mehrmodige Komponenten, wie mehrmodige optische Wellenleiter und mehrmodige optische Fasern, verwendet, ist die Erfindung nicht so verletzlich gegenüber optischer Fehlausrichtung wie die bereits bekannten seriellen Datenverbindungen, die Einmodenfasern verwenden. Verpackungskosten werden über viele Datenkanäle amortisiert, was die parallele optische Datenverbindung der Erfindung weniger kostspielig pro Datenkanal macht als die seriellen Datenverbindungs-Alternativen.
Die Erfindung schlägt eine Vorrichtung vor, die folgende Merkmale aufweist: ein Array von optischen Photonenquellen; ein Array von mehrmodigen Wellenleitern, das benachbart mit dem Array von Quellen optisch gekoppelt ist; ein Array von optischen Photonendetektoren; ein Array von Mehrmodenwellenleitern, das benachbart mit dem Array von Detektoren optisch gekoppelt ist; und ein Band mehrmodiger optischer Fasern, das eine longitudinale Ausdehnung und ein erstes und ein zweites gegenüberliegendes Ende für die Übertragung von Licht durch dasselbe hindurch hat, wobei das Quellen- gekoppelte Wellenleiterarray in optischer Kommunikation mit dem ersten Ende des Faserbandes steht und das Detektor- gekoppelte Wellenleiterarray in optischer Kommunikation mit dem anderen Ende des Faserbandes steht, wobei jeder der Mehrmodenwellenleiter so verjüngt ist, daß jeder der Mehrmodenwellenleiter eine entsprechende erste optische Apertur und eine entsprechende gegenüberliegende optische Apertur hat, die von wesentlich unterschiedlichen Größen sind.
Entsprechend schafft die Erfindung eine Optimierung der optischen Ausrichtung und der optischen Kopplung, die über das hinausgehen, was der Stand der Technik zur Verfügung stellt. Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel kann jeder der mehrmodigen optischen Wellenleiter in einer entsprechenden trichterartigen Anordnung verjüngt sein, um eine Kopplungseffizienz und erhöhte Ausrichtungstoleranzen des Wellenleiterarrays zu schaffen. Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung verjüngen sich die Wellenleiter des Quellen gekoppelten Arrays, um ausgewählte Abmessungen zu haben, und verjüngen sich die Wellenleiter des Detektor gekoppelten Arrays, um ausgewählte Abmessungen zu haben, die sich wesentlich von denen der Wellenleiter des Quellen gekoppelten Arrays unterscheiden. Dieser Unterschied der Ausdehnungen der Wellenleiter erfüllt nicht nur die unterschiedlichen optischen Ausrichtungserfordernisse der Quellen oder der Detektoren, sondern erfüllt ferner die unterschiedlichen Ausrichtungserfordernisse der gegenüberliegenden Enden der optischen Fasern des Bandes.
Die Steuerung der Mittenabstände der optischen Komponenten bei der Erfindung unterstützt auch die optische Ausrichtung und die effiziente optische Übertragung. Da der Mittenabstand der optischen Fasern des Bandes sich wesentlich von dem Mittenabstand des Arrays der Quellen unterscheidet, haben die Eingangsaperturen der Quellen gekoppelten Wellenleiter einen ausgewählten Mittenabstand, der im wesentlichen mit dem Mittenabstand der Quellen übereinstimmt, während die Ausgangsaperturen des Quelle-gekoppelten Wellenleiterarrays einen ausgewählten Mittenabstand haben, der im wesentlichen mit dem Mittenabstand der Fasern des Bandes übereinstimmt. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Array der mit den Quellen gekoppelten Wellenleiter so angeordnet, daß die Wellenleiter von den Quellen auf die Fasern zu zusammenlaufen.
Da sich in ähnlicher Weise der Mittenabstand der optischen Fasern des Bandes wesentlich von dem Abstand des Arrays der Detektoren unterscheidet, haben die Eingangsaperturen der Detektor gekoppelten Wellenleiter einen ausgewählten Mittenabstand, der im wesentlichen mit dem Mittenabstand der Fasern übereinstimmt, während die Ausgangsaperturen der Detektor-gekoppelten Wellenleiter einen ausgewählten Mittenabstand haben, der im wesentlichen mit dem Mittenabstand des Arrays der Detektoren übereinstimmt. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Array der Detektor- gekoppelten Wellenleiter so angeordnet, daß die Wellenleiter von den Fasern auf die Detektoren zu auseinanderlaufen.
Da die optische Aperturgröße und die numerische Apertur der optischen Fasern sich wesentlich von der optischen Aperturgröße und der numerischen Apertur der Quellen unterscheidet, haben die Quelle-gekoppelten Wellenleiter jeweils optische Aperturgrößen und einen Wert für die numerische Apertur, die gewählt sind, um die optische Ausrichtung und die effiziente optische Übertragung zu schaffen.
Im speziellen liegt der gewählte Wert für die numerische Apertur des Quelle-gekoppelten Wellenleiterarrays zwischen dem der Quellen und dem der Fasern. Da des weiteren die optische Aperturgröße und die numerische Apertur der Detektoren sich wesentlich von der optischen Aperturgröße und der numerische Apertur der optischen Fasern unterscheidet, haben die Detektor gekoppelten Wellenleiter jeweils optische Aperturgrößen und einen Wert der numerischen Apertur, die gewählt sind, um eine optische Ausrichtung und eine effiziente optische Übertragung zu schaffen. Im speziellen liegt der gewählte Wert der numerischen Apertur des Detektor-gekoppelten Wellenleiterarrays im wesentlichen zwischen dem der Fasern und dem der Detektoren.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind eine erste und eine zweite Faserbandhülse mechanisch mit den gegenüberliegenden Enden des Faserbandes gekoppelt. Zusätzlich zu der ersten Faserbandhülse, die mit dem ersten Ende des Faserbandes gekoppelt ist, gibt es ferner eine Einrichtung, um die Hülse in Ausrichtung mit dem Quelle-gekoppelten Wellenleiterarray ausgerichtet zu halten, um so im wesentlichen eine gewünschte optische Ausrichtung des ersten Endes des Faserbandes mit dem Wellenleiterarray zu schaffen. Die Ausrichtungseinrichtung weißt vorzugsweise einem Hohlraum auf, der sich in ein Ende des Wellenleiterarrays hinein erstreckt, zum Aufnehmen eines Ausrichtungsführungsstiftes, der mechanisch mit der ersten Hülse gekoppelt ist. Eine ähnliche Art von Anordnung schafft eine Ausrichtung einer zweiten Faserbandhülse mit dem Wellenleiterarray, das mit den Quellen gekoppelt ist. Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Ausrichtungseinrichtung eine passive Ausrichtungseinrichtung auf, um Justiermarken der Hülse mit Justiermarken des Wellenleiters in Übereinstimmung zu bringen. Bei noch einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Ausrichtungseinrichtung eine aktive Ausrichtungseinrichtung auf, zum Einstellen der Position der Hülse ansprechend auf ein positionsabhängiges Maximum der optischen Signalübertragung zwischen dem Wellenleiter und der Hülse.
Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden durch die folgende detaillierte Beschreibung, in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, die ein exemplarisches Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellen, offensichtlich werden.
Fig. 1 ist ein teilweises Blockdiagramm eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der parallelen optischen Datenverbindung der Erfindung.
Fig. 2, 2B, 2C, 3, 3A und 3B zeigen mehrere Ansichten eines Quellen gekoppelten Wellenleiterarrays der parallelen optischen Datenverbindung der Erfindung.
Fig. 4 ist ein Graph der optischen Leistungsübertragung in Abhängigkeit von die Position einer optischen Quelle relativ zu einer Eingangsapertur des Quellen gekoppelten Wellenleiters.
Fig. 5, 5A, 5B, 6, 6A und 6B zeigen mehrere Ansichten eines Detektor gekoppelten Wellenleiterarrays der parallelen optischen Datenverbindung der Erfindung.
Fig. 7A ist ein Graph des Photostroms in Abhängigkeit von der Position eines gegenüberliegenden Endes der optischen Faser relativ zu einer Eingangsapertur des Detektor- gekoppelten Wellenleiters.
Fig. 7B ist ein Graph des Photostroms in Abhängigkeit von der Position eines optischen Detektors relativ zu einer Ausgangsapertur des Detektor gekoppelten Wellenleiters.
Fig. 8 zeigt eine alternative Einrichtung zum Ausrichten des Wellenleiterarrays mit dem Faserband.
Wie im teilweisen Blockdiagramm von Fig. 1 gezeigt ist, umfaßt die Erfindung ein Array von optischen Photonenquellen 101 und ein Array von Mehrmodenwellenleitern 103, das benachbart mit dem Array von Quellen optisch gekoppelt ist. In ähnlicher Weise umfaßt die Erfindung ferner ein Array von optischen Photonendetektoren 105 und ein Array von Mehrmodenwellenleitern 107, das benachbart mit dem Array von Detektoren optisch gekoppelt ist. Die Erfindung umfaßt ferner ein oder mehrere Bänder mehrmodiger optischer Fasern 109, die eine longitudinale Ausdehnung, 1, haben, und ein erstes und ein zweites gegenüberliegendes Ende 111, 113 für die Übertragung von Licht durch dieses hindurch. Das Quelle-gekoppelte Array von Wellenleitern steht in optischer Kommunikation mit dem ersten Ende des Faserbandes, während das Detektor-gekoppelte Array von Wellenleitern in optischer Kommunikation mit dem zweiten Ende des Faserbandes steht.
Wie hier nachfolgend in detaillierter Weise erläutert wird, sind die Wellenleiter der Erfindung vorteilhaft verjüngt. Eine solche Verjüngung ist speziell für den Betrieb paralleler Datenkanäle bei einer optischen Datenverbindung zwischen dem Array von Quellen und dem Array von Detektoren nützlich, da die laterale Ausrichtungstoleranz insbesondere für Arrays vorteilhaft ist, die viele Datenkanäle von Quellen oder Detektoren umfassen, die lateral in Arrays von einer oder mehrerer Zeilen angeordnet sind, wie bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel. Zum Beispiel schafft die Verjüngung eine laterale Ausrichtungstoleranz, um die gewünschte optische Ausrichtung trotz einer thermischen Ausdehnung der Wellenleiter zu gewährleisten.
Die Fig. 2, 2B, 2C, 3, 3A und 3B zeigen mehrere Ansichten des Quelle-gekoppelten Wellenleiterarrays der parallelen optischen Verbindung der Erfindung. Vorzugsweise werden die Wellenleiter des Arrays durch photolithographische Techniken definiert, die Fachleuten wohl bekannt sind, unter Verwendung einer Maske auf einer einzelnen flexiblen Polymerschicht. Vorzugsweise befindet sich die Polymerschicht zwischen Pufferschichten, wie insbesondere in Fig. 2A und 2B gezeigt ist, wie auch zusätzlichen Verpackungsschichten (in den Figuren nicht gezeigt). Hilfreiche Hintergrundinformationen finden sich in den Bruce L. Booth erteilten Patenten, wie z. B. U.S.-Patent Nr. 5,026,136 mit dem Titel "Moisture Sealing of Optical Waveguide Devices with Doped Silicon Dioxide".
Eine geeignete Dotierung unter Verwendung ausgewählter Materialien, wie auch andere Prozeßbedingungen, steuert die entsprechenden Brechungsindezes des Wellenleiters und der Pufferschichten, die wiederum die numerische Apertur der Wellenleiter steuern. Optisch gekoppelte Lichtstrahlen sind in den Figuren als gestrichelte Linien gezeigt. Wie gezeigt ist, ist bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel das Wellenleiterarray optisch mit dem Quellenarray durch eine Reflexion an einer geneigten Fläche an einem Ende des Wellenleiterarrays gekoppelt.
In einer Seitenansicht zeigt Fig. 2 ein Array von Photonenquellen 101, vorzugsweise großflächige oberflächenemittierende Multitransversalmode-Laser mit vertikalem Resonator. Hilfreiche unterstützende Lehren enthält das U.S.-Patent Nr. 5,359,447, erteilt am 25. Oktober 1994, mit dem Titel "Optical Communication with Vertical-Cavity Surface- Emitting Laser Operation in Multiple Transverse Modes". Die großflächigen Laser haben vorzugsweise einen Durchmesser im Bereich von 5 bis 25 um, um die optische Ausrichtung mit einer optischen Eingangsapertur einer bevorzugten Größe des Quelle-gekoppelten Wellenleiters zu fördern, wie hier nachfolgend in detaillierterer Weise erläutert wird.
Die Quellen sind vorzugsweise auf einem Sendersubstrat mittels Lötkontakthügel-"Flip-Chip" Ausrichtungs- und Verbindungs-Techniken montiert und elektrisch mit einem elektronischen Treiber-Schaltkreis gekoppelt, der zum Steuern der Datenübertragung über die parallele optische Datenverbindung geeignet ist. Das Array von mehrmodigen Wellenleitern 103 ist benachbart mit dem Array von Quellen optisch gekoppelt, und vorzugsweise auf dem Substrat unter Verwendung der Lötkontakthügel-"Flip-Chip" Verbindung montiert und ausgerichtet. Hilfreiche Lehren sind in der mitanhängigen U.S.-Patentanmeldung 08/299,176, eingereicht am 31. August 1994, enthalten, mit dem Titel "Passive Alignment and Packaging of Optoelectronic Components to Optical Waveguides Using Flip-Chip Bonding Technology", eingereicht am 31. August 1994. Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird eine passive Ausrichtung durch in Übereinstimmung Bringen von Justiermarken der Quellen mit Justiermarken der Wellenleiter erreicht. Bei noch einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird eine aktive Ausrichtung erreicht, indem die Position der Wellenleiter ansprechend auf ein positionsabhängigen Maximum der optischen Signalübertragung zwischen den Wellenleitern und den Quellen eingestellt wird.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist eine erste Faserbandhülse 104 mechanisch mit dem ersten Ende des Faserbandes 109 gekoppelt. Des weiteren gibt es, wie in der teilweise auseinandergezogenen Seitenansicht in Fig. 2 gezeigt ist, eine Einrichtung, um die erste Hülse ausgerichtet mit dem mit den Quellen gekoppelte Wellenleiterarray zu halten, um so im wesentlichen eine gewünschte optische Ausrichtung des ersten Endes des Faserbandes mit dem Wellenleiterarray zu schaffen. Die Ausrichtungsvorrichtung weist vorzugsweise einen Hohlraum auf, der sich in ein Ende des Wellenleiterarrays hinein erstreckt, zum Aufnehmen eines Ausrichtungsführungsstiftes 106, der mechanisch mit der ersten Hülse gekoppelt ist.
Die numerische Apertur der optischen Fasern unterscheidet sich wesentlich von der numerischen Apertur der Quellen. Zum Beispiel haben bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung die optischen Quellen eine numerische Apertur von ungefähr 0,1, während die Faser eine relativ hohe numerische Apertur von ungefähr 0,28 hat. Das Quellen- gekoppelte Wellenleiterarray hat eine ausgewählte numerische Apertur, die zwischen der der Quellen und der der Fasern liegt, um so eine effiziente optische Übertragung von den Quellen durch die Wellenleiter und zu den optischen Fasern zu fördern. Zum Beispiel sind bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung das Material der Quellen- gekoppelten Wellenleiter und das Material der zugeordneten Pufferschichten so gewählt, daß die Quellen gekoppelten Wellenleiter eine numerische Apertur von ungefähr 0,2 haben.
Jeder Wellenleiter des Quellen gekoppelten Arrays hat ein entsprechendes Paar von optischen Aperturen, die sich an den gegenüberliegenden Enden des Wellenleiters befinden, der eine Eingangsapertur und eine Ausgangsapertur aufweist. Wie in der Vorderansicht in Fig. 2A gezeigt ist, hat bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel die entsprechende Eingangsapertur 110 jedes Quellen gekoppelten Wellenleiters des Arrays eine bevorzugte erhöhte Größe von ungefähr 50 um vertikal mal 60 um lateral. Die laterale Ausdehnung von 60 um der optischen Eingangsapertur des Wellenleiters schafft die bevorzugte erhöhte Größe der optischen Apertur und liefert ferner erhöhte Ausrichtungstoleranzen entlang einer lateralen Ausdehnung, L1, des Wellenleiterarrays für ein Koppeln mit den Photonenquellen. Ein bevorzugter Mittenabstand von 500 um ist durch die Mitglieder des Arrays der Quellen und die Eingangsaperturen des Wellenleiterarrays passend erreicht. Obgleich zum Zweck der Vereinfachung jeweils das Array von Quellen und das Array von Wellenleiter als nur drei Mitglieder aufweisend gezeigt wird, so ist zu erkennen, das eine größere Anzahl von Mitgliedern, z. B. zehn Mitglieder, bevorzugt wird.
Jeder der Wellenleiter des Quellen gekoppelten Arrays ist vorzugsweise so verjüngt, daß die Ausgangsapertur des Quellen gekoppelten Wellenleiters eine bevorzugte reduzierte Größe von ungefähr 40 um lateral mal 50 um vertikal hat. Trotz der Verjüngung gibt es nach wie vor eine effiziente Lichtübertragung von den Quellen durch den Leiter. Der Erfinder theorisiert, das ein hoher Anfangsübertragungsverlust an der Verjüngung der Wellenleiter auftreten würde, wenn die Wellenleiter modengefüllt wären. Da die Quellen klein sind und eine kleine numerische Apertur relativ zu der Größe und der numerischen Apertur der Eingangsaperturen der Wellenleiter haben, fehlt eine Anfangsmodenfüllung des Wellenleiters durch die Photonenquellen, was jegliche nachteiligen Effekte der Verjüngung minimiert.
Die reduzierten Größe der Ausgangsapertur des Quellen- gekoppelten Wellenleiters, der speziell in einer Rückansicht in Fig. 2B gezeigt ist, schafft eine gute Ausrichtungstoleranz und eine effiziente optische Kopplung mit den optischen Eingangsaperturen am ersten Ende der Mehrmodenfasern des Bandes mit einem Gradientenindex von 65,5/125 um. Obgleich Mehrmoden fasern mit einem Gradientenindex von 62,5/125 um bevorzugt werden, werden in alternativen Ausführungsbeispielen andere Fasern, z. B. Mehrmodenfasern mit einem Gradientenindex von 50/125 um, mit positiven Resultaten eingesetzt. Die reduzierte Größe und die kleine numerische Apertur der Quellen gekoppelten Wellenleiter schafft die Kopplung mit der relativ hohen numerischen Apertur der Mehrmodenfasern des Bandes. Ein bevorzugter erniedrigter Mittenabstand von 250 um ist durch die Fasern des Bandes und die Ausgangsaperturen des Wellenleiterarrays passend erreicht. Entsprechend läuft die laterale Anordnung des Quellen gekoppelten Wellenleiter von dem Mittenabstand an den Eingangsaperturen her zu, um den erniedrigten Abstand an den Ausgangsaperturen zu schaffen. Die Ausrichtungsstifte werden durch die Hohlräume 114 aufgenommen, die sich in das Ende des Wellenleiterarrays hinein erstrecken, wie speziell in der Rückansicht von Fig. 2B gezeigt ist. Ein bevorzugtes Verfahren zum Erstellen der Hohlräume ist die Laserablation.
Fig. 3 ist eine Draufsicht des Quellen gekoppelten Wellenleiterarrays, das eine Längenausdehnung hat, wobei die Pufferschichten des Wellenleiterarrays entfernt sind. Die Längenausdehnung des Quellen gekoppelten Wellenleiters ist in einem Bereich von Ausdehnungen von größer als näherungsweise 1 mm, um so eine ausreichende Länge für die Wellenleiterverjüngung zu schaffen, und weniger als 30 cm, um so eine Dämpfung von weniger als ungefähr 3 dB innerhalb des Wellenleiters bei den relevanten Lichtwellenlängen, die von Interesse sind, zu schaffen. Die bevorzugte Längenausdehnung ist näherungsweise 34 mm.
Es ist zu erkennen, daß zwar zu dem Zweck einer Vereinfachung das Array der Wellenleiter in den Fig. 2, 2A und 2B als nur drei Mitgliedern aufweisend gezeigt ist, jedoch die bevorzugten zehn Mitglieder des Quellen gekoppelten Wellenleiterarrays in Fig. 3 gezeigt sind. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Array der mit den Quellen gekoppelten Wellenleiter so angeordnet, daß die Wellenleiter, wie in Fig. 3 gezeigt ist, von den Quellen ausgehend zu den Fasern hin zulaufen.
Fig. 3A zeigt insbesondere den Mittenabstand und die laterale Ausdehnung der optischen Eingangsapertur in einer detaillierten Schnitt-Draufsicht auf das Quellen gekoppelte Wellenleiterarray. Wie bereits früher hierin hervorgehoben wurde, ist die laterale Ausdehnung der Eingangsapertur des Wellenleiters ungefähr 60 um, um so die bevorzugte vergrößerte Größe der Eingangsapertur zu schaffen, und um ferner erhöhte Ausrichtungstoleranzen entlang der lateralen Ausdehnung des Wellenleiterarrays für das Koppeln mit den Photonenquellen zu schaffen. Wie auch bereits früher hierin hervorgehoben wurde, stimmen der Mittenabstand der Mitglieder des Arrays der Quellen und der Mittenabstand der Eingangsaperturen des Wellenleiterarrays mit dem bevorzugten Mittenabstand von ungefähr 500 um überein.
Fig. 3B zeigt speziell den Mittenabstand und die laterale Ausdehnung der optischen Ausgangsapertur in einer detaillierten Schnitt-Draufsicht des Quellen gekoppelten Wellenleiterarrays. Die laterale Ausdehnung der optischen Ausgangsapertur des Wellenleiters ist näherungsweise 40 um, um so die bevorzugte erniedrigte Abmessung der Ausgangsapertur zu schaffen, und um ferner erhöhte Ausrichtungstoleranzen entlang der lateralen Ausdehnung des Wellenleiters für das Koppeln mit den optischen Fasern zu schaffen. Wie hierin auch bereits früher hervorgehoben wurde, stimmen der Mittenabstand der optischen Fasern und der Mittenabstand der Ausgangsaperturen mit dem bevorzugten Mittenabstand von ungefähr 250 um überein.
Fig. 4 ist ein Graph der optischen Leistungsübertragung in Abhängigkeit von der Position der optischen Quelle relativ zu der Eingangsapertur des Quellen gekoppelten Wellenleiters. Eine Linie 401 des Graphen zeigt die optische Leistungsübertragung in den verjüngten Leiter der Erfindung in normierten Einheiten in Abhängigkeit von der lateralen Position des Leiters in Mikrometer. Zum Zweck des Vergleichs zeigt eine weitere Linie 403 des Graphen die optische Leistungsübertragung in einen sich nicht verjüngenden Leiter in Abhängigkeit von der lateralen Position des sich nicht verjüngenden Leiters. Wie gezeigt ist, liefert das Verjüngen der Wellenleiter und die bevorzugte erhöhte Größe der Eingangsapertur erhöhte Ausrichtungstoleranzen entlang der lateralen Ausdehnung des Wellenleiterarray für das Koppeln mit den Photonenquellen, was speziell vorteilhaft für Arrays ist, die viele Datenkanäle des Quellenarrays lateral umfassen. Des weiteren ermöglicht das Verjüngen der Wellenleiter und die bevorzugte erhöhte Größe der Eingangsapertur eine erhöhte Ausrichtungstoleranz an der Eingangsapertur, ohne eine Ausrichtungstoleranz an der Ausgangsapertur zu opfern.
Fig. 5, 5A, 5B, 6, 6A und 6B zeigen mehrer Ansichten des Detektor gekoppelten Wellenleiterarrays der parallelen optischen Datenverbindung der Erfindung. Optisch gekoppelte Lichtstrahlen sind in den Figuren als gestrichelte Linien gezeigt. Wie gezeigt ist, ist bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel das Wellenleiterarray mit dem Detektorarray durch Reflexion an einer geneigten Fläche an einem Ende des Wellenleiterarrays optisch gekoppelt.
In einer Seitenansicht zeigt Fig. 5 das Array optischer Photonendetektoren 105, bevorzugt Photodiodendetektoren vom Typ P-I-N, die auf einem Empfängersubstrat unter Verwendung von Lötkontakthügel-"Flip-Chip" Ausrichtungs- und Verbindungstechniken montiert sind und die elektrisch mit einer elektronischen Erfassungsschaltungsanordnung gekoppelt sind, die zur Steuerung des Datenempfangs entlang der parallelen optischen Datenverbindung geeignet ist. Das Array von mehrmodigen Wellenleitern 107 ist optisch benachbart mit dem Array von Detektoren gekoppelt und bevorzugt auf dem Substrat unter Verwendung der Lötkontakthügel-"Flip- Chip" Verbindung montiert. Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird eine passive Ausrichtung durch in Übereinstimmung Bringen von Justiermarken der Detektoren mit Justiermarken der Wellenleiter erreicht. Bei noch einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird eine aktive Ausrichtung durch Einstellen der Position der Wellenleiter ansprechend auf eine positionsabhängiges Maximum der optischen Signalübertragung zwischen den Wellenleitern und den Detektoren erreicht.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist eine zweite Faserbandhülse 124 mechanisch mit dem zweiten Ende des Faserbandes 109 gekoppelt. Des weiteren gibt es, wie in der teilweise auseinandergezogenen Seitenansicht in Fig. 5 gezeigt ist, eine Einrichtung, um die zweite Hülse mit dem Wellenleiterarray, das mit den Detektoren gekoppelt ist, ausgerichtet zu halten, um so im wesentlichen eine gewünschte optische Ausrichtung des zweiten Endes des Faserbandes mit dem Wellenleiterarray zu schaffen. Die Ausrichtungsvorrichtung weist vorzugsweise einen Hohlraum auf, der sich in ein Ende des Wellenleiterarrays hinein erstreckt, zum Aufnehmen eines Ausrichtungsführungsstiftes 126, der mechanisch mit der zweiten Hülse gekoppelt ist. Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Ausrichtungseinrichtung eine passive Ausrichtungseinrichtung zum in Übereinstimmung Bringen von Justiermarken der Hülse mit Justiermarken des Wellenleiters auf. Bei noch einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Ausrichtungseinrichtung eine aktive Ausrichtungseinrichtung zum Einstellen der Position der Hülse ansprechend auf eine positionsabhängiges Maximum der optischen Signalübertragung zwischen dem Wellenleiter und der Hülse auf.
Die numerische Apertur der Detektoren unterscheidet sich wesentlich von der numerischen Apertur der optischen Fasern. Zum Beispiel ist bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel die numerische Apertur der Detektoren viel größer als 0,4, während die numerische Apertur der Fasern näherungsweise 0,28 ist, was wesentlich weniger ist. Das Detektor-gekoppelte Wellenleiterarray hat eine ausgewählte numerische Apertur, die im wesentlichen zwischen der der Fasern und der der Detektoren liegt, um so eine effiziente optische Übertragung von den Fasern durch die Wellenleiter hin zu den Detektoren zu fördern. Zum Beispiel sind bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung die Materialien der Detektor gekoppelten Wellenleiter und die Materialien der zugeordneten Pufferschichten so gewählt, daß die Detektor-gekoppelten Wellenleiter eine numerische Apertur von ungefähr 0,30 haben.
Jeder Detektor-gekoppelte Wellenleiter besitzt ein Paar von optischen Aperturen, die sich an den gegenüberliegenden Enden des Wellenleiters befinden, der eine Eingangsapertur und eine Ausgangsapertur aufweist. Wie in der Vorderansicht in Fig. 5A gezeigt ist, hat die Eingangsapertur 120 des Detektor-gekoppelten Wellenleiters eine bevorzugte erhöhte Größe von näherungsweise 55 um vertikal mal 60 um lateral. Die laterale Ausdehnung von 60 um der optischen Eingangsapertur des Wellenleiters schafft die bevorzugte erhöhte Größe der optischen Apertur und schafft ferner erhöhte Ausrichtungstoleranzen einer lateralen Ausdehnung L2 des Wellenleiterarrays für eine Kopplung mit den Photonendetektoren. Ein bevorzugter Mittenabstand von 255 um ist durch die Fasern des Bandes und die Eingangsaperturen des Wellenleiterarrays angepaßt eingestellt. Die Ausrichtungsstifte werden durch die Hohlräume 134 in dem Ende des Wellenleiterarrays aufgenommen, was speziell in der Vorderansicht in Fig. 5A gezeigt ist.
Der Detektor-gekoppelte Wellenleiter ist vorzugsweise so verjüngt, daß die jeweilige Ausgangsapertur 122 eines jeden der Detektor gekoppelten Wellenleiter des Arrays eine bevorzugte verringerte Größe von ungefähr 50 um lateral mal 55 um vertikal hat, wie in der Rückansicht von Fig. 5B gezeigt ist. Die verringerte Größe der Ausgangsapertur des Wellenleiters liefert eine gute Ausrichtungstoleranz und eine effiziente optische Kopplung mit einem 90-um-Detektor. Ein bevorzugter erhöhter Mittenabstand von ungefähr 360 um ist durch die Mitglieder des Arrays der Detektoren und die Ausgangsaperturen des Wellenleiterarrays passend erreicht. Entsprechend läuft die laterale Anordnung des Detektor- gekoppelten Wellenleiters von dem Mittenabstand an den Eingangsaperturen her auseinander, um den erhöhten Mittenabstand an den Ausgangsaperturen zu schaffen. Trotz der Verjüngung gibt es nach wie vor eine effiziente Lichtübertragung von dem Leiter zu den Detektoren.
Wie hierin bereits erläutert wurde, schaffen die Wellenleiterarrays der Erfindung eine erhöhte Kopplungseffizienz und Ausrichtungstoleranzen durch Verjüngen eines jeden der optischen Mehrmodenwellenleiter in einer jeweiligen trichterartigen Anordnung. Des weiteren ist durch die Figuren und die vorherigen Erläuterungen zu erkennen, daß die Wellenleiter des Detektor gekoppelten Arrays sich verjüngen, um gewählte Ausdehnungen zu haben, und daß die Wellenleiter des Detektor gekoppelten Arrays sich verjüngen, um Ausdehnungen zu haben, die sich wesentlich von denen der Wellenleiter des Quellen gekoppelten Arrays unterscheiden. Dieser Unterschied in dem Ausdehnungen ist nicht nur vorhanden, um unterschiedlichen Mittenabstandserfordernisse des Arrays der Quellen und des Arrays der Detektoren anzupassen, sondern ist auch aufgrund der unterschiedlichen Eingangs- und Ausgangsanpassungserfordernisse des Faserdurchmessers und der numerischen Apertur vorhanden.
Fig. 6 ist eine Draufsicht des Detektor gekoppelten Wellenleiterarrays, das eine Längenausdehnung hat, wobei die Pufferschichten des Wellenleiterarrays weggelassen sind. Die bevorzugte Längenausdehnung beträgt näherungsweise 34 mm. Es ist zu erkennen, daß obwohl zum Zwecke der Vereinfachung das Array der Wellenleiter in Fig. 5, 5A und 5B, als nur drei Mitglieder aufweisend gezeigt ist, die bevorzugten zehn Mitglieder des Detektor gekoppelten Wellenleiterarrays in Fig. 6 gezeigt sind. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Array der mit den Detektoren gekoppelten Wellenleiter so angeordnet, daß die Wellenleiter, wie in Fig. 6 gezeigt ist, von den Fasern auf die Detektoren zu auseinanderlaufen.
Fig. 6A zeigt speziell den Mittenabstand und die laterale Ausdehnung der optischen Eingangsapertur in einer detaillierten Schnitt-Draufsicht des Detektor gekoppelten Wellenleiterarrays. Wie hierin vorher hervorgehoben wurde, beträgt die laterale Ausdehnung der Eingangsapertur des Wellenleiters näherungsweise 60 um, um so die bevorzugte erhöhte Größe der Eingangsapertur zu schaffen und um ferner erhöhte Ausrichtungstoleranzen entlang der lateralen Ausdehnung des Wellenleiterarrays für Koppeln mit den optischen Fasern des Bandes zu schaffen. Wie ferner vorher hierin hervorgehoben wurde, sind der Mittenabstand der Fasern des Bandes und der Mittenabstand der Eingangsaperturen des Wellenleiterarrays an den bevorzugten Abstand von ungefähr 250 um angepaßt.
Fig. 6B zeigt speziell den Mittenabstand und die laterale Ausdehnung der optischen Ausgangsapertur in einer detaillierten Schnitt-Draufsicht des Detektor gekoppelten Wellenleiterarrays. Die laterale Ausdehnung der optischen Ausgangsapertur des Wellenleiters beträgt näherungsweise 50 um, um so die bevorzugte erniedrigte Größe der Ausgangsapertur zu schaffen und um ferner erhöhte Ausrichtungstoleranzen entlang der lateralen Ausdehnung des Wellenleiters für eine Kopplung mit den optischen Fasern zu schaffen. Wie ferner vorher hierin hervorgehoben wurde, sind der Mittenabstand der optischen Fasern und der Mittenabstand der Ausgangsaperturen des Wellenleiterarrays an den bevorzugten Abstand von ungefähr 360 um angepaßt.
Fig. 7A ist ein Graph des Photostroms in Abhängigkeit von der Position eines gegenüberliegenden Endes der optischen Faser relativ zu einer Eingangsapertur des Detektor- gekoppelten Wellenleiters. Eine Linie 701 des Graphen zeigt den Photostrom des Detektors in Mikroampere in Abhängigkeit von der lateralen Position in Mikrometer. Wie gezeigt ist, schaffen die Verjüngung der Wellenleiter und die bevorzugte erhöhte Größe der Eingangsapertur erhöhte Ausrichtungstoleranzen entlang der lateralen Ausdehnung des Wellenleiterarrays für die Kopplung mit den optischen Fasern des Bandes.
Fig. 7B ist ein Graph des Photostroms in Abhängigkeit von der Position eines optischen Detektors relativ zu einer Ausgangsapertur des Detektor gekoppelten Wellenleiters. Eine Linie 703 des Graphen zeigt den Photostrom des Detektors in Mikroampere in Abhängigkeit von der lateralen Position in Mikrometer. Wie gezeigt ist, schafft die Verjüngung der Wellenleiter und die bevorzugte erniedrigte Größe der Ausgangsapertur erhöhte Ausrichtungstoleranzen entlang der lateralen Ausdehnung des Wellenleiterarrays für die Kopplung mit den Photonendetektoren, was besonders für Arrays vorteilhaft ist, die zahlreiche Datenkanäle der Detektoren umfassen, die lateral in einer oder mehreren Zeilen angeordnet sind.
Fig. 8 zeigt eine alternative Einrichtung für die Ausrichtung des Wellenleiterarrays mit dem Faserband. Statt Hohlräume zu haben, die sich in ein Ende des Wellenleiterarrays erstrecken, wie bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel, umfasst die in Fig. 8 gezeigte alternative Ausrichtungseinrichtung eine Hülse, die mechanisch mit dem Ende des Wellenleiters gekoppelt ist. Die mit dem Wellenleiter gekoppelte Hülse nimmt die Ausrichtungsführungsstifte der Hülse, die mit dem Faserband gekoppelt ist, auf.
Die vorliegende Erfindung schafft eine parallele optische Datenverbindung, die mehrmodige optische Komponenten verwendet.
Bei alternativen Ausführungsbeispielen sind optische Strahlteiler oder optische Abgriffe in das Faserband oder anderswo in der optischen Datenverbindung eingebaut, um so eine Signalaussendung in viele Datenkanäle zu schaffen. Als ein weiteres Beispiel ist bei alternativen Ausführungsbeispielen das Array der mit den Quellen gekoppelten Wellenleiter so angeordnet, daß die Wellenleiter von den Quellen zu den Fasern hin auseinanderlaufen, um so alternative Mittenabstandserfordernisse der Quellen und der Fasern zu erfüllen. Als noch ein weiteres Beispiel ist bei alternativen Ausführungsbeispielen das Array der mit dem Detektor gekoppelten Wellenleiter so angeordnet, daß die Wellenleiter von den Fasern auf die Detektoren zu aufeinander zu laufen, um so alternative Mittenabstandserfordernisse der Fasern und der Detektoren zu erfüllen. Innerhalb des Bereichs der beigefügten Patentansprüche kann infolgedessen die Erfindung in anderer Weise umgesetzt werden als die speziell beschriebene und dargestellte.

Claims

1. Eine Vorrichtung, die folgende Merkmale aufweißt:

ein Array (101) von optischen Photonenquellen;

ein Array (103) von Mehrmodenwellenleitern, das benachbart mit dem Array der Quellen optisch gekoppelt ist;

ein Array (105) von optischen Photonendetektoren;

ein Array (107) von Mehrmodenwellenleitern, das benachbart mit dem Array von Detektoren optisch gekoppelt ist; und

ein Band (109) mehrmodiger optischer Fasern, das eine longitudinale Ausdehnung und ein erstes und ein zweites Ende (111, 113), die sich gegenüberliegen, hat, für eine Übertragung von Licht durch dasselbe, wobei das Quellen gekoppelte Wellenleiterarray in optischer Kommunikation mit dem ersten Ende des Faserbandes steht und das Detektor-gekoppelte Wellenleiterarray in optischer Kommunikation mit dem zweiten Ende des Faserbandes steht, wobei jeder der Mehrmodenwellenleiter sich so verjüngt, daß jeder Mehrmodenwellenleiter eine entsprechende erste optische Apertur und eine entsprechende gegenüberliegende optische Apertur hat, die von im wesentlichen unterschiedlicher Größe sind.

2. Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der jeder der optischen Mehrmodenwellenleiter sich in einer jeweiligen trichterartigen Anordnung verjüngt, um so eine erhöhte optische Kopplungseffizienz zu schaffen.

3. Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der:

die Wellenleiter des Quellen gekoppelten Arrays sich verjüngen, um ausgewählte Ausdehnungen zu haben; und

die Wellenleiter des Detektor gekoppelten Arrays sich verjüngen, um Abmessungen zu haben, die sich wesentlich von denen der Wellenleiter des Quellen- gekoppelten Arrays unterscheiden.

4. Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der jeder Wellenleiter des Quellen gekoppelten Arrays ein jeweiliges Paar optischer Aperturen besitzt, die sich an gegenüberliegenden Enden des Wellenleiters befinden, die eine Eingangsapertur und eine Ausgangsapertur aufweisen, wobei die Eingangsapertur des Quellen gekoppelten Wellenleiters näherungsweise 50 um mal 60 um ist, und die Ausgangsapertur des Quellen-gekoppelten Wellenleiters eine bevorzugte erniedrigte Größe von näherungsweise 40 um mal 50 um hat.

5. Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der jeder Wellenleiter des Detektor gekoppelten Arrays ein jeweiliges Paar von optischen Aperturen besitzt, die sich an gegenüberliegenden Enden des Wellenleiters befinden, die eine Eingangsapertur und eine Ausgangsapertur aufweisen, wobei die Eingangsapertur des Detektor- gekoppelten Wellenleiters näherungsweise 55 um mal 60 um ist, und die Ausgangsapertur des Detektor- gekoppelten Wellenleiters eine bevorzugte erniedrigte Größe von näherungsweise 50 um mal 55 um hat.

6. Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der jeder der Mehrmodenwellenleiter im wesentlichen flexibel ist.

7. Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der der Quellen gekoppelte Wellenleiter eine Längenausdehnung in einem Bereich von näherungsweise 1 mm bis näherungsweise 30 cm aufweist.

8. Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der

jede der optischen Quellen (101) eine numerische Apertur hat;

jede der optischen Fasern eine numerische Apertur hat, die wesentlich von der numerischen Apertur der Quellen abweicht; und

das Quellen-gekoppelte Wellenleiterarray eine ausgewählte numerische Apertur hat, die zwischen der der Quellen und der der Fasern liegt, um so eine effiziente optische Übertragung von den Quellen durch die Wellenleiter zu den optischen Fasern hin zu fördern.

9. Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der

jede der optischen Fasern eine numerische Apertur hat;

jeder der optischen Detektoren eine numerische Apertur hat, die sich wesentlich von der numerischen Apertur der Fasern unterscheidet; und

das Detektor-gekoppelte Wellenleiterarray eine ausgewählte numerische Apertur hat, die zwischen der der Fasern und der der Detektoren liegt, um so eine effiziente optische Übertragung von den Fasern durch die Wellenleiter zu den Detektoren hin zu fördern.