专利名称：具有用于对准的耦合特征的光电组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有用于对准的耦合特征的光电组件。
背景技术：
在通信网络中正越来越多地使用光信号来承载数据。这些通信网络使用光电模块(例如光发射器、接收器和收发器)来发射和接收光信号。
在光电模块中，为了使光信号正确地路由通过通信网络，光源(例如发射器中的激光器或接收器中的光纤)必须与透镜和目标(例如发射器中的光纤或接收器中的光电二极管)精确地对准。
图1示出了光电发射器11中的传统光路的视图。光电发射器11包括激光器13、耦合光学器件15和光纤17。耦合光学器件15接收来自激光器13的光并将其聚焦到光纤17上。耦合光学器件15是具有第一透镜表面19和第二透镜表面21的单个单元。定位耦合光学器件是困难的，因为必须在使第二透镜表面21与光纤17对准的同时使第一透镜表面19与激光器13对准。
因此，需要主动对准来小心地布置每个部件，以使得来自光源的光将正好被聚焦到目标上。例如，在对光电发射器11的主动对准过程中，激光器13被接通，同时调整耦合光学器件15和光纤17的位置。测量光纤17所接收到的光信号的功率。当所测量的光功率处于最大水平时，就认为激光器13、耦合光学器件15和光纤17处于最优的对准。此时，将激光器13、耦合光学器件15和光纤17的位置相对于彼此固定在合适位置。
主动对准耗费时间并且很贵。其要求精确的机械装备来实现对准，还要求光电测试装备来对系统供电并监控。
发明内容
根据本发明的一个方面，一种光电组件使用包括准直来自光源的光的第一透镜、和将准直光聚焦到目标上的第二透镜的透镜系统。第一透镜相对于光源固定到合适位置，而第二透镜相对于目标固定到合适位置。使用具有设计成耦合到一起的特征的部件来对准第一和第二透镜。
本发明的一个具体实施例是一种光电组件，其包括耦合到衬底的光学透镜元件(OLE)。衬底包括收发器、收发器上的直立结构、由直立结构支撑在收发器之上的收发器透镜、和对准特征。OLE包括OLE透镜以及与衬底上的对准特征耦合的共同对准特征(co-alignment feature)。当衬底被耦合到OLE时，将收发器透镜与OLE透镜对准。
在一个实施例中，衬底上的对准特征是插头，而OLE上的共同对准特征是插座。在另一个实施例中，衬底上的对准特征是插座，而OLE上的共同对准特征是插头。
下面参考示例性附图来详细描述本发明的其他特征和优点，以及本发明优选实施例的结构和操作。
图1示出了光电发射器11中传统光路的视图。
图2图示了光电组件的一个实施例。
图3A-3C从几个角度图示了光学透镜元件。图3A是俯视图，图3B是侧视图，图3C是后视图。
图4A-4B从几个角度图示了衬底。图4A是俯视图，图4B是通过图4A中的虚线48-48’所取的横截面视图。
图5A-5C图示了装配好的光电组件。图5A图示了通过虚线36-36’对图2所取的横截面视图。图5B图示了通过虚线37-37’对图2所取的横截面视图。图5C示出了图5B的虚线框63的分解视图。
图6A-6B示出了根据本发明的教导做出的另一实施例中的光电组件。图6B图示了通过虚线82-82’对图6A所取的横截面视图。
附图不是按比例的。在不同的图中使用相同的标号来表示相似或相同的元件。
具体实施例方式
图2图示了根据本发明的教导做出的光电组件31的一个实施例。光电组件31包括耦合到衬底35的光学透镜元件(OLE)33。
图3A-3C从几个角度图示了OLE 33。OLE 33包括OLE透镜55的阵列和将OLE 33对准到衬底35的凸对准特征。在一个示例性实施例中，对准特征是从OLE 33突出的插头59，并作为OLE 33的一体部分而形成。虽然在图3B中只示出了两个插头59，但是可以使用少到一个或多于两个的对准特征来提供相同的对准功能。
OLE透镜55在OLE 33中的位置被相对于插头59的位置固定。优选地，OLE透镜55形成为OLE 33的一体部分。在一个示例性实施例中，OLE 33和一体的OLE透镜55用Ultem或类似的光学透明材料成型。OLE透镜55也可以形成为单独的部件，其随后安装到OLE 33上。
接头57从OLE 33突出，并当OLE 33被耦合到衬底35时，其可以用来将OLE透镜55保持在离衬底35预定距离处。但是，OLE透镜55离衬底35的距离对OLE 33的设计并不重要，这将在后面讨论。
OLE 33包括用于与光纤套圈(未示出)耦合的连接器61。连接器61的位置被相对于OLE透镜55固定。当光纤套圈耦合到连接器61时，光纤套圈内的光纤与OLE 33中的OLE透镜55对准。虽然连接器61被示为柱子，但是其他类型的连接器也可以与光纤套圈兼容。在一个示例性实施例中，与光电组件31一起使用的光纤是多模光纤。
图4A-4B图示了衬底35。衬底35可以是印刷电路板、柔性印刷电路板、陶瓷、硅、不锈钢引线框架、或类似的衬底。衬底35具有与OLE上的凸对准特征耦合的凹共同对准特征。在一个示例性实施例中，共同对准特征是衬底35中的插座51。虽然在图3B中只示出了两个插座51，但是可以使用少到一个或多于两个的共同对准特征来提供相同的对准功能。
光电收发器43(“收发器”)的阵列位于衬底35上。收发器43可以是光源(例如激光器)或光检测器(例如光电二极管)。在本发明的一个示例性实施例中，各个收发器43是垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。虽然在图3中示出了多个收发器43，但是本发明也包括只有单个收发器的实施例。收发器43的位置相对于插座51的位置被固定。
各个收发器43具有形成在其表面上的直立结构45。收发器透镜47安装到各个直立结构45并被夹持在各个收发器43的有源区域之上的合适位置处，其中“有源区域”被定义为收发器43的发光或光检测部分。直立结构45被设计成以高精度将有源区域定位在收发器透镜47的焦点处。在本发明的一个示例性实施例中，收发器透镜47是球面透镜。
为了实现对直立结构45和收发器透镜47的这种精确定位，通常使用光刻技术来形成直立结构45，所述光刻技术例如是在半导体制造和处理中所使用的那些技术。直立结构可以由光刻胶、聚酰亚胺或可通过光刻技术形成并图案化的其他材料形成。
图2、5A-5B图示了OLE 33上的对准特征与衬底35上的共同对准特征耦合来形成光电组件31。在一个示例性实施例中，OLE 33上的插头59与衬底中的插座51紧密耦合以将OLE 33夹持到衬底35。这种耦合可以是扣合(snap-fit)、滑动配合(slip-fit)或压配合的耦合。当将OLE 33接合到衬底35时，各个OLE透镜55与光电收发器43对准，并且还与收发器透镜47对准。
图5C示出了图5B的虚线框63的分解视图。向该图增加了光纤71来帮助图示示例性光路73。如图5C所示的那样定义X、Y和Z轴方向。Y轴被定义为指向从附图平面出来并与其垂直的方向。
光电组件31可以是发射器或接收器。当光电组件31是发射器时，收发器43是诸如激光二极管之类的光源。收发器透镜47准直来自收发器的光，并且OLE透镜55将其聚焦到目标光纤71上。当光电组件31是接收器时，收发器是诸如PIN光电二极管之类的光检测器，并且这些部件的功能被颠倒光纤71用作光源；OLE透镜55准直从光纤71所发射的光；并且收发器透镜47将准直光聚焦到目标收发器43上。
如前所述，收发器透镜47通过直立结构45已经精确地对准到收发器43。因此，在收发器透镜47和OLE透镜55之间的对准中有更大的容许偏差。另外，光束73在收发器透镜47和OLE透镜55之间准直。如果收发器透镜47和OLE透镜55之间在XY平面中的对准稍稍偏离了，则只损失很少量的光，但是光信号仍将聚焦到其目标上。最后，收发器透镜47和OLE透镜55之间的距离并不重要，因为光束73在透镜之间被准直了。
该双透镜系统在光电组件31内引入了足够的容许偏差，以允许不使用主动对准就将OLE 33耦合到衬底35。容许偏差量将根据所需的耦合效率而变化。较低的速度或较短距离的应用将允许较大的容许偏差，而较高的速度或较长距离的应用将要求更严格的容许偏差。
图6A-6B示出了根据本发明的教导做出的另一实施例中的光电组件81。光电组件81除了耦合机构之外都类似于光电组件31。在此实施例中，OLE 33具有凹对准特征，而衬底35具有凸共同对准特征。OLE 33上的凹对准特征是插座83。衬底35上的凸共同对准特征是被设计成与插座83扣合、滑动配合或压配合的凸块85。在一个示例性实施例中，凸块85是焊球。
为了形成凸块85，具有非常精确直径的焊球被置于衬底35上并被回流，以形成具有精确尺寸的凸块85。衬底35可以是平坦的并具有精确形成的金属特征(例如迹线)，焊球被置于这些金属特征上并回流而安装到其上。或者，衬底35可以具有凹陷，焊球被置于凹陷中并安装到其中。如果衬底由硅形成，则此方法尤其有效，因为可以随后使用半导体刻蚀技术精确地形成凹陷。
在本发明的其他实施例中，耦合机构可以是视觉基准。例如，对准特征可以是在衬底上画出的轮廓，其中应该使用粘接剂、焊接或其他安装手段来将光学元件安装到该轮廓中。耦合机构还可以是磁性的。例如，衬底可以具有一种极性的磁触点，而光学元件可以具有相反极性的磁触点。
虽然已经参考具体的优选实施例详细描述了本发明，但是本发明所属领域的普通技术人员将认识到可以进行各种修改和改进，而不偏离所附权利要求的精神和范围。
权利要求
1.一种光电组件，包括具有至少一个对准特征的衬底；在所述衬底上的光电收发器；形成在所述光电收发器之上的直立结构；由所述直立结构支撑的第一透镜；具有与所述衬底上的所述对准特征耦合的共同对准特征的光学透镜元件；和所述光学透镜元件中的第二透镜，其中所述对准特征和所述共同对准特征的所述耦合将所述第二透镜与所述第一透镜对准。
2.如权利要求1所述的光电组件，其中所述第一透镜和第二透镜中的至少一个可操作用于准直光。
3.如权利要求2所述的光电组件，其中使用光刻处理技术来形成所述直立结构。
4.如权利要求2所述的光电组件，其中所述光电收发器是激光器，并且所述第一透镜准直从所述激光器发射的光。
5.如权利要求4所述的光电组件，其中所述光电收发器是垂直腔表面发射激光器。
6.如权利要求2所述的光电组件，其中所述光电收发器是光检测器，并且所述第一透镜将光聚焦在所述光检测器上。
7.如权利要求1所述的光电组件，其中所述对准特征是所述衬底中的插座，并且所述共同对准特征是所述光学透镜元件上的插头。
8.如权利要求1所述的光电组件，其中所述对准特征是所述衬底上的插头，并且所述共同对准特征是所述光学透镜元件中的插座。
9.如权利要求8所述的光电组件，其中所述对准特征是焊球。
10.如权利要求1所述的光电组件，其中所述光电收发器是光电收发器阵列中的一个器件；所述第一透镜是第一透镜阵列中的一个透镜，每个第一透镜都位于一个光电收发器之上；并且所述第二透镜是第二透镜阵列中的一个透镜，每个所述第二透镜都与所述第一透镜阵列中的一个第一透镜对准。
11.如权利要求2所述的光电组件，其中所述第一透镜是球面透镜。
12.如权利要求1所述的光电组件，其中所述光学透镜元件被成型为单个部件。
13.如权利要求12所述的光电组件，其中所述光学透镜元件具有用于与光纤套圈相连的连接器。
14.如权利要求13所述的光电组件，还包括光纤，所述光纤具有耦合到所述连接器的光纤套圈，以将所述第二透镜与所述光纤对准。
15.如权利要求14所述的光电组件，其中所述光纤是多模光纤。
16.如权利要求1所述的光电组件，其中所述对准特征和所述共同对准特征具有磁耦合。
17.如权利要求1所述的光电组件，其中所述衬底上的所述对准特征是视觉基准。
全文摘要
本发明公开了一种光电组件，其包括耦合到衬底的光学透镜元件(OLE)。衬底包括收发器、收发器上的直立结构、由直立结构支撑在收发器上的收发器透镜以及对准特征。OLE包括OLE透镜和与光电组件上的对准特征耦合的共同对准特征。当衬底耦合到OLE时，收发器透镜与OLE透镜对准。
文档编号H04B10/02GK1727933SQ20051008531
公开日2006年2月1日 申请日期2005年7月22日 优先权日2004年7月29日
发明者詹姆斯·H·威廉斯, 布伦顿·A·鲍, 罗伯特·H·伊, 罗伯特·E·威尔逊, 肯德拉·J·盖洛普 申请人:安捷伦科技有限公司