ES2253697T3 - Conjuntos de conexiones opticas. - Google Patents
Conjuntos de conexiones opticas.Info
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Abstract
Una estructura de montaje óptico para la conexión de una serie de áreas bidimensionales de matrices de VCSEL a un cuadro, que comprende: una matriz de VCSEL (10) que contiene dicha serie de áreas de VCSEL (15-i), estado rodeada dicha serie de áreas por una costura de adhesión metalizada (12) sobre una superficie superior de la misma; una unidad de transferencia óptica de precisión (20) que contiene una costura de adhesión (22) correspondiente sobre su parte inferior que corresponde a dicha costura de adhesión metalizada (12) sobre dicha matriz de VCSEL (10), estando dispuesta dicha costura (22) correspondiente sobre la parte inferior de un reborde (23), de manera que la alineación entre dicha matriz (10) y dicha unidad de transferencia óptica (20) es proporcionada por el reborde (23) que está adaptado para formar un borde vertical (13) de un escalón que es decapado en la parte superior de la matriz (10); y una primera serie de salientes (24) sobre una superficie superior de dicha unidad detransferencia óptica (20); conteniendo dicha unidad de transferencia óptica (20) medios de transferencia óptica (25-i) para transferir radiación emitida desde dicha serie de áreas de VCSEL (15- i), por lo que la limitación de la tolerancia para dichos medios de transferencia óptica (25-i) es 10 m, y la limitación de la tolerancia para la distancia vertical entre dichos medios de transferencia óptica (25-i) y dicha matriz de VCSEL (10) es 50 m; y un conector óptico (30) enchufable que tiene una unidad de transmisión óptica (35) insertada en una cavidad del mismo, una serie de receptáculos de interbloqueo (34) sobre una superficie inferior del mismo que coincide con dicha primera serie de salientes (24) sobre dicha superficie superior de dicha unidad de transferencia óptica (20) y una segunda serie de salientes (36) sobre una superficie superior de dicho conector óptico (30) enchufable para coincidencia con dicho cuadro.
Description
Conjuntos de conexiones ópticas.
La invención pertenece al campo del montaje de
fuentes ópticas, tales como series de VCSEL en substratos que
contienen enlaces de transmisión y miembros de encaminamientos
ópticos.
A medida que los sistemas digitales de alto
volumen expanden su uso de interconexiones ópticas, se incrementa
la necesidad de un sistema de conexión óptica producible. Tales
sistemas contienen series de fuentes ópticas, tales como VCSEL que
generan luz que es modulada para transportar datos y dirigirlos
hacia varias localizaciones, en las que detectores, tales como
fotodiodos, convierten la radiación óptica modulada en señales
electrónicas que pueden ser procesadas en sistemas convencionales
de procesamiento digital.
Un problema recurrente en el campo es el de la
desalineación en los sistemas de conectores ópticos. Se produce con
frecuencia la pérdida de la señal, que incrementa el nivel de ruido
o vuelve a la señal indetectable. Los sistemas de alineación de
precisión requieren instalación costosa y mantenimiento
constante.
Un ejemplo de un conjunto óptico que comprende
una serie de VCSEL y una serie de lentes que utilizan técnicas de
alineación de precisión se describe en la solicitud de patente US
2002/01056991.
La técnica se beneficiaría de los sistemas de
alineación pasivos que emplean estructuras de alineación automática
fabricadas a bajo coste con precisión litográfica.
La invención se refiere a un sistema de
alineación para el montaje de una serie de fuentes ópticas en
alineación con un conjunto de miembros de transmisión óptica en un
cuadro del sistema, como se define por las reivindicaciones
independientes 1 y 9.
Una característica de la invención es la
fabricación sobre el chip óptico que contiene una serie de fuentes
ópticas de características de alineación pasiva.
Una característica de la invención es la
provisión de una unidad sencilla que contiene una serie de lentes
en alineación con la serie fuentes y colocada con miembros de
alineación que se entrelazan con características de alineación
pasiva sobre el chip óptico.
Otra característica de la invención es la
provisión de una estructura de conmutación óptica sustituible que
se monta en un receptáculo adaptado a la serie de lentes, para
recibir radiación desde la serie de VCSEL y para dirigirla a varias
localizaciones sobre el cuadro del sistema.
Otra característica de la invención es una
estructura para montar un chip lógico y un chip óptico sobre un
soporte de chips, estando montado el chip óptico sobre el lado del
soporte que está dirigido hacia el cuadro del sistema sobre el que
está montado el soporte, de manera que la radiación se desplaza en
trayectoria recta desde fuentes ópticas sobre el chip óptico dentro
de guías de transmisión óptica sobre el cuadro.
Las figuras 1A a 3B muestran capas en una primera
forma de realización de la invención en vista en planta y en vista
lateral.
La figura 4 muestra en forma parcialmente
gráfica, parcialmente esquemática, una segunda forma de realización
de la invención.
Las figuras 1 a 3 muestran en vista en planta y
en vista lateral un módulo de tres capas que monta una serie de
VCSEL, una serie correspondiente de lentes y otra serie
correspondiente de manipuladores ópticos que modulan o conmutan la
radiación. En las figuras 1A y 1B, la serie de MxN VCSEL
15-1 sobre la matriz 10 genera radiación óptica.
Una banda 12 que rodea la serie está compuesta, como se ilustra, por
una película metálica fina, sobre la que se puede aplicar una
preforma de soldadura de Sn-Sb. Las marcas de
referencia 17 se muestran como un ejemplo. Las marcas 17 se
utilizan para alinear las matrices en una etapa de precisión bajo
observación óptica. Se pueden utilizar otras marcas para alineación
automática. Esto se muestra en una vista lateral en la figura 1B.
Por ejemplo, la matriz está hecha de GaAs y tiene VCSEL
convencionales formados en ella. Los conductores eléctricos
convencionales que pasan a los VCSEL se omiten para simplicidad del
dibujo.
Las figuras 2A y 2B muestran la capa siguiente en
el conjunto, referido, en general, como una unidad de transferencia
óptica, en la que una serie de lentes 25-1.
referidas como medios de transferencia óptica, está alineada con la
serie de VCSEL. A modo de ilustración, el material de la unidad
óptica 20 es polímero o vidrio, transparente a la radiación desde
la serie láser y capaz de resistir la temperatura de 240ºC a la que
se refluye la soldadura 12. Se moldea con técnicas de precisión
convencionales basadas en un modelo que se forma por técnicas
litográficas de semiconductores. Por ejemplo, las lentes
individuales en la serie se pueden formar como lentes de Fresnel y
el reborde de protección 23 sobre los lados en la figura 2B está
decapado químicamente a partir de silicio como material de moldeo.
Con el uso de técnicas de decapado químico y de formación, se puede
conseguir fácilmente la definición y el emplazamiento de las lentes
ópticas hasta una tolerancia de 10 micras, perfectamente dentro de
los requerimientos del sistema óptico.
La tira 22 en la figura 2A está formada también
de soldadura electrogalvanizada sobre la parte inferior del reborde
23. Sobre la superficie superior del módulo 20 en la figura 2B, se
forman salientes 24 (estructura de alineación pasiva) por técnicas
litográficas y luego se moldean. De una manera alternativa, los
salientes podrían decaparse químicamente en el material del módulo
20 después de moldearlo, alinearse con marcas de referencia
colocadas en el molde cuando se realiza en primer lugar.
Como ilustración, la alineación entre la matriz
10 y el módulo 20 es proporcionada por el reborde 23 (que define
una segunda dimensión) que forma el borde vertical 13 de un escalón
que es decapado en la parte superior de la matriz 10, definiendo de
esta manera una primera dimensión. Por lo tanto, el reborde exterior
de la matriz 10 está rebajado, como ilustración 10 \mum, y el
reborde 23 del módulo 20 rodea el centro en proyección de la
matriz, colocando las lentes con respecto a la serie de VCSEL
transversalmente y, puesto que el decapado químico del escalón en
la matriz 10 y la formación del reborde en el molde del módulo 20 se
realizan con alta precisión mecánica, la distancia vertical se
ajusta también dentro de las especificaciones de aproximadamente 50
micras. Este sistema de alineación automática pasiva tiene la
ventaja de que las piezas 10 y 20 ajustan juntas. Debido a las
tolerancias muy precisas requeridas en esta aplicación y los
diferentes coeficientes de expansión térmica de las piezas a
adherir, el montaje se realiza con referencia a una temperatura de
montaje menor que 230ºC, de manera que cualquier tensión entre las
piezas a temperatura ambiente está dentro de los límites
aceptables.
La longitud focal de las lentes se ajusta para
que la radiación sea acoplada en secciones de recepción 25 sobre el
miembro de transferencia óptica 35 de las figuras 3A y 3B. Esta
unidad superior en el apilamiento tiene la función de acoplamiento
de la radiación que emerge desde las lentes 25-i
dentro de un conjunto de guías de ondas, reflectores de Bragg,
espejos y otros manipuladores ópticos en el miembro 35. La función
del miembro 35 consiste en procesar la radiación; por ejemplo,
modularla con una corriente binaria de datos. El miembro 35 se
muestra de forma esquemática como un rectángulo en esta figura. La
radiación es acoplada entonces desde el miembro 35 en guías de
ondas convencionales, no mostradas en esta figura, en un cuadro del
sistema.
La carcasa 30 en la figura 3 se puede enchufar,
lo que significa que se puede insertar y retirar con la mano, para
la sustitución rápida. Las piezas individuales se pueden retirar
para proporcionar flexibilidad en el diseño. La unidad 30 está
adaptada para la interconexión a una serie de fibras, o un elemento
de encaminamiento óptico, etc. La caja 35 puede ser un encaminador
óptico pasivo, tal como rejillas, lentes, etc. También podrían ser
serie de válvulas de cristal líquido en una forma de realización
alternativa.
En contraste con la naturaleza sustituible del
conector 30, el módulo 20 está adherido a la matriz 10 por reflujo
de soldadura. La soldadura se puede refundir, pero el supuesto del
diseño es que se trata de una adhesión de una sola vez. Con
referencia de nuevo al conector 30, las estructuras de montaje
coinciden con las estructuras correspondientes 24 sobre el módulo
20. Por ejemplo, los enchufes son de sección transversal circular
(de una manera alternativa, podrían tener, por ejemplo 1 mm^{2})
y los casquillos 34 coincidentes tienen cavidades circulares que
ajustan con los enchufes 24 con una tolerancia muy baja. El montaje,
una vez realizado, podría mantenerse junto por medio de resinas
epóxido o soldadura. La interfaz entre las unidades 20 y 30 se
realiza también a una temperatura definida, puesto que el
espaciamiento entre los salientes 24 y los receptáculos 34
coincidirá a una sola temperatura.
Con referencia ahora a la figura 4, se muestra en
la sección transversal otra forma de realización de la invención,
en la que el cuadro 110 representa un cuatro de circuito impreso en
un sistema digital o cualquier otro soporte de un ensamblaje de
chips electrónicos. El cuadro 110 contiene guías de ondas ópticas
120-1 y 120-2 así como
interconexiones eléctricas usuales entre chips. En la parte superior
de la figura, el chip 220 representa un número de chips
electrónicos que procesan datos, señales de acoplamiento y potencia
a través de un conjunto de contactos 221. El chip 220 está adherido
a un soporte de chip de cerámica 210, o cualquier otra unidad de
empaquetadura, que contiene interconexiones eléctricas moldeadas en
la misma. Sobre el lado del soporte 210, que está dirigido hacia el
cuadro del sistema 120, un chip óptico 230, conectado eléctricamente
por conductores de adhesión de alambre 232, emite radiación en
guías de ondas 120-1 y 120-2. De una
manera alternativa, el chip 230 podría fijarse al soporte 210
utilizando el método "flip-chip" de bolas de
soldadura que proporcionan tanto conexión eléctrica como mecánica.
La transferencia de radiación podría ser también de dos vías, con
fotodetectores sobre el chip 230 que recibe radiación óptica desde
el cuadro 110.
De una manera ventajosa, el chip óptico 230
contiene una serie de VCSEL similar a la del chip 10 en la figura
1, siendo dirigida la radiación en ángulo recto con respecto al
plano del chip. En esta forma de realización, la radiación pasa a
través de un intersticio de aire entre el chip 230 y las guías de
ondas 120. Los técnicos en la materia serán conscientes de que se
pueden colocar espejos de lentes, etc., como se muestra en la figura
1 entre el láser y la guía de ondas para facilitar el
acoplamiento.
La transmisión directa entre la fuente y la guía
de ondas en esta forma de realización facilita el montaje y la
sustitución de la serie VCSEL, si se requiere. Se puede utilizar una
junta, tal como un reflujo 22 en la figura 1A.
En ambas formas de realización, la fragilidad de
las series VCSEL puede ser direccionada fabricando miembros de
refuerzo utilizando técnicas de semiconductores desde el "extremo
trasero", por ejemplo depositando una capa de material sobre el
lado trasero del chip y decapándolo químicamente para formar
miembros de refuerzo que resisten tensiones mecánicas que podrían
agrietar la matriz.
Aunque la invención se ha descrito en términos de
una forma de realización sencilla, los técnicos en la materia
reconocerán que la invención se puede aplicar en varias versiones
dentro del alcance de las siguientes reivindicaciones.
Claims (16)
1. Una estructura de montaje óptico para la
conexión de una serie de áreas bidimensionales de matrices de VCSEL
a un cuadro, que comprende:
una matriz de VCSEL (10) que contiene dicha serie
de áreas de VCSEL (15-i), estado rodeada dicha serie
de áreas por una costura de adhesión metalizada (12) sobre una
superficie superior de la misma;
una unidad de transferencia óptica de precisión
(20) que contiene una costura de adhesión (22) correspondiente
sobre su parte inferior que corresponde a dicha costura de adhesión
metalizada (12) sobre dicha matriz de VCSEL (10), estando dispuesta
dicha costura (22) correspondiente sobre la parte inferior de un
reborde (23), de manera que la alineación entre dicha matriz (10) y
dicha unidad de transferencia óptica (20) es proporcionada por el
reborde (23) que está adaptado para formar un borde vertical (13) de
un escalón que es decapado en la parte superior de la matriz (10);
y
una primera serie de salientes (24) sobre una
superficie superior de dicha unidad de transferencia óptica (20);
conteniendo dicha unidad de transferencia óptica (20) medios de
transferencia óptica (25-i) para transferir
radiación emitida desde dicha serie de áreas de VCSEL
(15-i), por lo que la limitación de la tolerancia
para dichos medios de transferencia óptica (25-i)
es 10 \mum, y la limitación de la tolerancia para la distancia
vertical entre dichos medios de transferencia óptica
(25-i) y dicha matriz de VCSEL (10) es 50 \mum;
y
un conector óptico (30) enchufable que tiene una
unidad de transmisión óptica (35) insertada en una cavidad del
mismo, una serie de receptáculos de interbloqueo (34) sobre una
superficie inferior del mismo que coincide con dicha primera serie
de salientes (24) sobre dicha superficie superior de dicha unidad de
transferencia óptica (20) y una segunda serie de salientes (36)
sobre una superficie superior de dicho conector óptico (30)
enchufable para coincidencia con dicho cuadro.
2. Una estructura de montaje de acuerdo con la
reivindicación 1, en la que dichos medios de transferencia óptica
(25-i) son lentes.
3. Una estructura de montaje de acuerdo con la
reivindicación 1, en la que dicha serie de VCSEL y dicha unidad de
transferencia óptica (20) están adheridas juntas.
4. Una estructura de montaje de acuerdo con la
reivindicación 1, en la que dicha serie de VCSEL y dicha unidad de
transferencia óptica (20) están adheridas juntas, de tal manera que
una primera dimensión en dicha matriz de VCSEL es capaz de
coincidir con una segunda dimensión correspondiente sobre dicha
unidad de transferencia (20).
5. Una estructura de montaje de acuerdo con la
reivindicación 1, en la que un módulo que comprende dicha matriz
VCSEL (10) y dicha unidad de transferencia óptica (20) se enchufa en
dicho conector óptico (30).
6. Una estructura de conjunto de acuerdo con la
reivindicación 3, en la que un módulo que comprende dicha matriz
VCSEL (10) y dicha unidad de transferencia óptica (20) se enchufa en
dicho conector óptico (30).
7. Una estructura de montaje de acuerdo con la
reivindicación 6, en la que dicho conector óptico (30) contiene un
encaminador óptico pasivo adaptado para conexión a un conjunto de
miembros de transmisión óptica sobre dicho tablero.
8. Una estructura de montaje de acuerdo con la
reivindicación 7, en la que dichos miembros de transmisión óptica
comprenden guías de ondas (120-1;
120-2) formados en dicho cuadro.
9. Un método de fabricación de una estructura de
montaje óptico para la conexión de una matriz de VCSEL que contiene
una serie de VCSEL a un cuadro que comprende las etapas de:
proporcionar una matriz de VCSEL (10) que
contiene dicha serie de áreas de VCSEL (15-i),
estando rodeada dicha serie de áreas por una costura de adhesión
metalizada (12) sobre una superficie superior de la misma;
proporcionar una unidad de transferencia óptica
(20) que contiene una costura de adhesión (22) correspondiente
sobre su parte inferior que corresponde a dicha costura de adhesión
metalizada (12) sobre dicha matriz de VCSEL (10), por lo que dicha
costura (22) correspondiente está dispuesta sobre la parte inferior
de un reborde (23), de manera que la alineación entre dicha matriz
(10) y dicha unidad de transferencia óptica (20) es proporcionada
por el reborde (23) que forma un borde vertical (13) de un escalón
que es decapado químicamente en la parte superior de dicha matriz
(10); y una primera serie de salientes (24) sobre una superficie
superior de dicha unidad de transferencia óptica (20), con
dispuestos en alineación con dicha serie de VCSEL
(15-i), conteniendo dicha unidad de transferencia
(20) medios de transferencia óptica (25-i) para
transferir radiación emitida desde dicha serie de VCSEL
(15-i); por lo que la limitación de la tolerancia
para dichos medios de transferencia óptica (25-i)
es 10 \mum, y la limitación de la tolerancia para la distancia
vertical entre dichos medios de transferencia óptica
(25-i) y dicha matriz de VCSEL (10) es 50
\mum;
adherir dicho conjunto óptico y dicha unidad de
transferencia óptica (20) para formar un módulo de fuente óptica
(210); y
enchufar dicho módulo de fuente óptica (210) en
un conector óptico (30) enchufable que tiene una unidad de
manipulación óptica (35) insertada en una cavidad del mismo,
coincidiendo una serie de receptáculos de interbloqueo (34) sobre
una superficie inferior del mismo con dicha serie de salientes (24)
sobre dicha superficie superior de dicha unidad de transferencia
óptica (2) y una segunda serie de salientes (36) sobre una
superficie superior de dicho conector óptico (30) enchufable para
coincidir con dicho cuadro.
10. Un método de acuerdo con la reivindicación 9,
en el que dichas limitaciones de la tolerancia son definidas
litográficamente.
11. Un método de acuerdo con la reivindicación 9
ó 10, que comprende, además, una etapa de verificar dicha serie de
VCSEL (15-i) antes de dicha etapa de adhesión.
12. Un método de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 9 a 11, que comprende una etapa de verificación
de dicho módulo óptico (230) después de dicha etapa de
adhesión.
13. Un método de acuerdo con la reivindicación
11, que comprende, además, una etapa de verificación de dicha
unidad de manipulación óptica (35) antes de enchufar dicho módulo
óptico.
14. Un método de acuerdo con una de las
reivindicaciones 9 a 13, en el que dicha etapa de adhesión comprende
el reflujo de metal depositado sobre dicha costura de adhesión
(12).
15. Un método de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 9 a 14, en el que dicha serie de VCSEL
(15-i) y dicha unidad de transferencia óptica (20)
han sido adheridas juntas a una temperatura de adhesión tal que una
primera dimensión sobre dicha matriz de VCSEL (10) coincide con una
segunda dimensión de dicha unidad de transferencia (20).
16. Un método de acuerdo con la reivindicación
15, en el que dicha temperatura de adhesión es menor que 230ºC.
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