ОСНОВАННАЯ НА ВИЗУАЛЬНОМ НАБЛЮДЕНИИ ПАССИВНАЯ ЮСТИРОВКА ОПТОВОЛОКОННОГО УЗЛА ОТНОСИТЕЛЬНО ОПТОЭЛЕКТРОННОГО УСТРОЙСТВА Российский патент 2019 года по МПК G02B6/42 G02B6/36 

Уровень техники

1. Запрашивание приоритета

Приоритет по данной заявке запрашивается в соответствии с предварительной заявкой на патент США №62/002, 772, поданной 23 мая 2014. Эта заявка полностью включена в данную заявку в виде ссылки. Все публикации, упомянутые далее, включены в данную заявку полностью в виде ссылок.

2. Область техники

[0001] Данное изобретение относится к передаче (стыковке, сопряжению) света в оптоэлектронные устройства (например, фотонные интегральные схемы, ФИС) и от них, и более конкретно, к оптическим соединениям оптических волокон с оптоэлектронными устройствами, удерживаемыми на печатной плате.

3. Описание уровня техники

[0002] Оптоэлектронные устройства содержат оптические и электронные компоненты, которые испускают, детектируют и/или контролируют свет, осуществляя преобразования между световыми и электрическими сигналами. Например, трансивер (Xcvr) представляет собой оптоэлектронный модуль, содержащий и передатчик (Тх), и приемное устройство (Rx), которые объединены в цепь внутри корпуса. Передатчик содержит источник света (например, VCSEL лазер (лазер поверхностного излучения с вертикальным объемным резонатором) или DFB лазер (лазер с распределенной обратной связью)), а приемное устройство содержит световой сенсор (например, фотодиод). Раньше скомпонованную схему трансивера припаивали на печатную монтажную плату. Такой трансивер обычно имеет основание, которое образует нижнюю часть корпуса (герметичного или негерметичного), а затем оптоэлектронные устройства, такие как лазеры и фотодиоды припаивают на основание. Оптические волокна присоединяют к внешней части корпуса или пропускают через стенку корпуса, используя перемычку (см. US 20130294732 А1, права на который переданы правообладателю/заявителю данной заявки, и которая полностью включена в данную заявку в виде ссылки).

[0003] Цена трансивера может быть снижена, если корпус устранить (исключить), и в некоторых серийных (промышленных) трансиверах так и сделано. Например, некоторые активные оптические кабели с кремниевой фотонной интегральной схемой (SiФИС) успешно функционирует без корпуса. Чип SiФИС вложен в эпоксидную смолу, которую также используют, чтобы удерживать массив оптических волокон. Такой подход не предусматривает съемного (разъемного) коннектора; оптические волокна наглухо присоединены к SiФИС.

[0004] Компания US Conec Ltd. представила модель соединительного узла PRIZM LightTurn, который разработан как съемный, монтируемый на модуле коннектор. Нижнее основание присоединено к трансиверу, а коннектор, несущий массив оптических волокон, выровнен (отъюстирован) относительно основания, используя два штырьковых соединения с использованием сквозных контактных отверстий печатной платы. Верхний зажим защелкивает на месте и удерживает коннектор на основании. Такой соединительный узел изготовлен из полимера.

[0005] Для правильного функционирования оптоэлектронное устройство, опирающееся на печатную монтажную плату, должно эффективно стыковать свет с внешним оптическим волокном. Большинству оптоэлектронных устройств (например, ФИС) требуются соединения одномодовых оптических волокон, нуждающиеся в строгих допусках на совмещение (юстировку, выравнивание) между оптическими волокнами и устройствами, обычно менее 1 микрона. Это проблематично и требует множества усилий, поскольку множество оптических волокон юстируют относительно элементов ФИС, используя подход «активной юстировки», согласно которому положение и ориентацию оптических волокон регулируют с помощью механизмов (аппаратуры) до тех пор, пока количество света, переданного между волокном и ФИС, не достигнет максимума.

[0006] Современное состояние техники является дорогостоящим вследствие использования корпуса (модуля), исключает использование обычной электроники и обычных способов сборки и/или зачастую не подходит для одномодовых применений, требующихся для многих ФИС. Активная оптическая юстировка включает относительно сложные, низкопроизводительные операции, так как лазер или фотодиод необходимо снабжать энергией в ходе активного процесса выравнивания (юстировки). Кроме того, те компоненты, которые изготовлены из пластика (например, PRIZM LightTurn коннектор производства US Conec Ltd.), не очень подходят для соединений одномодовых оптических волокон, и пластмассовые компоненты не должны присутствовать при любых последующих операциях пайки, которые могут вызвать деформацию компонентов из пластика и привести к нарушению (поставить под угрозу) оптической юстировки.

[0007] Необходимо усовершенствовать подход к оптическому соединению (стыковке, сопряжению) входа/выхода оптических волокон с оптоэлектронными компонентами, поддерживаемыми на основании (например, печатной монтажной платы), который улучшил бы производительность, допуски, технологичность, простоту использования, функциональность и надежность при сниженных ценах.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0008] Данное изобретение преодолевает недостатки существующего уровня техники, предлагая основанный на визуальном наблюдении подход к пассивной юстировке, который для осуществления оптической стыковки (соединения) входа/выхода оптических волокон в положении оптической юстировки относительно оптоэлектронных компонентов, поддерживаемых на основании печатной платы, не требует, чтобы схема или электрооптические компоненты находились под напряжением, и который улучшил бы производительность, допуски, технологичность, простоту использования, функциональность и надежность при сниженных ценах.

[0009] Согласно одному из вариантов выполнения изобретения оптическая скамья в форме оптоволоконного узла (субблока) (optical fiber subassembly, OFSA), поддерживающего, по меньшей мере, одно оптическое волокно, физически и оптически соединена с оптоэлектронным устройством (например, VCSEL матрицей, PD матрицей или фотонными интегральными схемами (ФИС)), которое смонтировано на основании и/или на печатной монтажной плате (ПП). Новое соединение с пассивной оптической юстировкой (пассивным выравниванием) содержит основание (например, корпус или подложку), поддерживающее оптоэлектронное устройство, и прозрачный блок юстировки, имеющий первый набор оптических реперных точек для юстировки оптических реперных точек, заданных на OFSA, относительно блока юстировки, и второй набор оптических реперных точек для юстировки блока юстировки относительно оптических реперных точек, заданных на основании. Первый и второй наборы оптических реперных точек размещены на блоке юстировки с прецизионной точностью относительно друг друга. Входные/выходные концы оптических волокон, поддерживаемые OFSA, прецизионно размещены относительно оптических реперных точек на OFSA (оптоволоконном субблоке). Оптоэлектронное устройство (устройства) размещены на основании с прецизионной точностью относительно оптических реперных точек. Соответственно, при сборке (монтаже) OFSA блок юстировки и основание будут пассивно отъюстированы за счет юстировки оптических реперных точек на OFSA, на блоке юстировки и на основании относительно входного/выходного конца оптического волокна, оптически отъюстированного относительно оптоэлектронного устройства на основании, вдоль желательной заранее заданной оптической траектории.

[0010] Основание (подложку) можно сначала присоединить к основанию печатной платы (например, ПП) модуля или, альтернативно, основание можно смонтировать на блоке юстировки до присоединения к основанию печатной платы модуля. Кроме того, OFSA можно обратимо (съемно) присоединить к блоку юстировки «отделяемым», «демонтируемым», «разъединяемым» образом в соответствии с новым соединительным устройством, разработанным правообладателем/заявителем данного изобретения (см., заявку на патент США №14/714,240, поданную 15 мая 2015).

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0010] Для более полного понимания сущности и преимуществ изобретения, а также предпочтительных способов применения, далее приведено детальное описание со ссылками на сопроводительные чертежи. На приведенных далее чертежах близкими символами (цифрами) обозначены аналогичные или похожие детали (части).

[0012] Фиг. 1 представляет собой вид в перспективе оптической скамьи, которая точно размещает оптические волокна относительно матрицы (ряда, массива) зеркал в соответствии с одним вариантом выполнения изобретения.

[0013] Фиг. 2 представляет собой вид в перспективе оптической скамьи с крышкой, которая комплектует (дополняет) муфту, в соответствии с одним вариантом выполнения изобретения.

[0014] Фиг. 3 представляет собой вид в перспективе оптически прозрачного блока юстировки с оптическими реперными точками для юстировки в соответствии с одним вариантом выполнения изобретения.

[0015]. Фиг. 4 представляет собой вид в перспективе, иллюстрирующий присоединение оптической скамьи, отъюстированной (выровненной) относительно блока юстировки.

[0016] Фиг. 5 представляет собой вид в перспективе VCSEL матрицы, расположенной на подложке в положении, соответствующем точной юстировке относительно оптических реперных точек на подложке в соответствии с одним вариантом выполнения изобретения.

[0017] Фиг. 6 представляет собой вид в перспективе, иллюстрирующий присоединение блока юстировки с оптической скамьей к подложке в соответствии с одним вариантом выполнения изобретения.

[0018] Фиг. 7 представляет собой вид в перспективе, иллюстрирующий присоединение подложки с блоком юстировки и оптической скамьей к печатной монтажной плате в соответствии с одним вариантом выполнения изобретения.

[0019] Фиг. 8 представляет собой вид в перспективе, иллюстрирующий присоединение оптоволоконной перемычки (переходника) к оптической скамье, которая была отъюстирована относительно VCSEL с использованием съемного оптоволоконного коннектора в соответствии с одним вариантом выполнения изобретения.

[0020] Фиг. 9 представляет собой сечение вдоль линии 9-9 на Фиг. 7.

[0021] Фиг. 10 представляет собой сечение вдоль линии 10-10 на Фиг. 8.

ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0022] Данное изобретение описано далее на примере различных вариантов его выполнения со ссылками на чертежи. Несмотря на то, что изобретение описано в категориях наилучшего достижения поставленных целей, специалисты должны понимать, что на основании изобретения могут быть произведены различные изменения, не выходящие за рамки духа и буквы изобретения.

[0023] Данное изобретение преодолевает недостатки существующего уровня техники за счет создания основанной на визуальном наблюдении пассивной юстировки для стыковки (соединения, сопряжения) входа/выхода оптических волокон в положении оптической юстировки относительно оптоэлектронных компонентов, присоединенных к основанию печатной платы, т.е. создания подхода, улучшающего пропускную способность, допуски, технологичность, легкость использования и надежность при сниженных ценах.

[0024] Концепция данного изобретения будет раскрыта со ссылкой на оптоволоконный узел, субблок (optical fiber subassembly, OFSA) в качестве примера оптической скамьи, поддерживающей входной/выходной конец оптического волокна, и передатчик (Тх) с матрицей (массивом) поверхностно-излучающих лазеров с вертикальным объемным резонатором (VCSEL) в качестве примера оптоэлектронного устройства, которое может быть частью трансивера (Xcvr). Альтернативно, VCSEL матрицу и подложку можно воплотить в устройстве, которое объединяет фотонную схему в одном чипе, таком как фотонная интегральная схема (ФИС). Данное изобретение можно использовать для обеспечения пассивной юстировки оптических скамей других типов относительно оптоэлектронных устройств других типов, не выходя за рамки духа и буквы данного изобретения.

[0025] Фиг. 1 иллюстрирует OFSA 10, включающий микро оптическую скамью 11 для удержания оптического компонента в форме оптических волокон 20 (например, в виде четырех коротких фрагментов или тупых концов (стильбов) оптических волокон 20). Оптическая скамья 11 содержит основание 16, которое задает структурированные элементы, включая конструкцию для юстировки (выравнивания), содержащую открытые канавки 25 для удержания оголенных участков оптических волокон 20 (с обнаженным покрытием, без защитного буферного слоя и оболочки), и структурированные отражающие поверхности 12 (т.е., четыре отражателя), имеющие плоскость, наклоненную под углом относительно большей плоскости основания 16. Каждая структурированная отражающая поверхность 12 может иметь плоский, вогнутый или выпуклый профиль поверхности и/или обладать оптическими характеристиками, соответствующими, по меньшей мере, одному из следующих эквивалентных оптических элементов: зеркалу, фокусирующей линзе, рассеивающей линзе, дифракционной решетке или их комбинации. Структурированная отражающая поверхность 12 может иметь сложный профиль, задающий области (более одной), соответствующие различным эквивалентным оптическим элементам (например, фокусирующая центральная область может быть окружена кольцеобразной рассеивающей областью). Согласно одному варианту выполнения изобретения структурированные отражающие поверхности 12 могут иметь вогнутый, свободный от сферической аберрации профиль отражающей поверхности, которая выполняет обе функции: отражения и изменения формы (преобразования) (например, сведения в параллельный пучок или фокусировки) расходящегося падающего света, без необходимости использования линз. Соответственно (как видно также из Фиг. 9 и 10), каждая структурированная отражающая поверхность 12 функционирует в качестве оптического элемента, который направляет свет к/от внешнему(его) оптоэлектронному(ого) компоненту(а) (в данном случае оптоэлектронный компонент, (в данном случае оптоэлектронному устройству, такому как VCSEL 2), за счет отражения от выходного конца/к входному концу 21 оптического волокна 20, вдоль заданной оптической траектории 100, отъюстированной (выровненной) относительно оптической оси различных оптических компонентов и элементов (т.е. оптических волокон 20, структурированных отражающих поверхностей 12 и VCSEL 2).

[0026] Открытые канавки 25 имеют такой размер и расположение, чтобы вмещать и располагать с прецизионной точностью концевые фрагменты оптических волокон 20 в положении, отъюстированном относительно структурированных отражающих поверхностей 12 вдоль оптической траектории 100. Торец 21 (входной/выходной конец) каждого из оптических волокон 20 удерживается на заранее заданном расстоянии от соответствующей структурированной отражающей поверхности 12.

[0027] Общие функциональные конструкции оптической скамьи 11 в целом напоминают конструкции некоторых вариантов выполнения оптических скамей, раскрытые в более ранних патентных документах на имя nanoPrecision, которые будут раскрыты далее (т.е. канавки для выравнивания, юстировки) оптических волокон, отъюстированные относительно структурированных отражающих поверхностей, и дополнительные элементы для облегчения правильной оптической юстировки. Однако, согласно данному изобретению оптическую скамью 11 штампуют с элементами пассивной юстировки (элементами пассивного выравнивания) в форме оптических реперных точек. Как видно из Фиг. 1, оптические реперные точки 14 сформированы на плоской поверхности 15 основания 16, что облегчает юстировку (выравнивание) и/или точное позиционирование оптической скамьи 11 относительно VCSEL 2, как будет показано далее. Входные/выходные концы 21 оптических волокон 20/канавки 25 (которые задают местоположение концевых фрагментов 21 оптических волокон) и структурированные отражающие поверхности 21 размещены с прецизионной точностью относительно оптических реперных точек 14 на оптической скамье 11.

[0028] Согласно еще одному аспекту данного изобретения зеркальная/структурированная отражающая поверхность и конструкция для юстировки (выравнивания) оптических волокон в оптоволоконном коннекторе могут быть интегрально (как целое)/одновременно сформированы прецизионной штамповкой заготовки (например, металлической болванки или полоски), позволяющей производить компоненты коннектора экономично, крупными или мелкими сериями, с улучшенными допусками, технологичностью, простотой использования, функциональностью и надежностью. За счет одновременного формирования структурированной отражающей поверхности, элементов пассивной юстировки (т.е. оптических реперных точек 14) и конструкции для юстировки оптических волокон в ходе одной операции окончательной (финальной) штамповки, удается сохранить пространственное взаимоотношение между всеми элементами, требующими юстировки, на оптической скамье на стадии окончательной штамповки. Вместо одной операции штамповки с одним ударом пуансона для формирования всех элементов на оптической скамье, можно использовать множество ударов для последовательного предварительного формирования определенных элементов на оптической скамье, а завершающий удар предназначен для одновременного создания окончательных размеров, форм и/или свойств поверхности различных структурированных элементов на оптической скамье, включая зеркальную поверхность, конструкцию для юстировки оптических волокон/канавку, элементы пассивной юстировки и пр., требующихся для (или играющих существенную роль для обеспечения) надлежащей юстировки соответствующих компонентов/элементов вдоль заданной оптической траектории.

[0029] Правопреемник данного изобретения, nanoPrecision Products, Inc., разработала различные собственные (запатентованные) устройства для оптического соединения/присоединения (стыковки), содержащие оптические скамьи, используемые в связи с оптической передачей данных. Более конкретно, данное изобретение направлено на создание демонтируемого (съемного/разъемного, отсоединяемого) и обратимого (способного к восстановлению) присоединения оптических волокон к фотонным компонентам, включая ФИС, адаптируя аналогичную концепцию штамповки оптических скамей, включая штамповку зеркальных поверхностей, которую использовали ранее в оптических соединительных устройствах.

[0030] Например, в US 2013/0322818 А1 раскрыто оптическое соединительное устройство, имеющее штампованную структурированную поверхность, для маршрутизации оптических сигналов передачи данных, в частности, оптическое соединительное устройство для маршрутизации оптических сигналов, содержащее основание; заданную на основании структурированную поверхность, где структурированная поверхность имеет профиль поверхности, который восстанавливает форму и/или отражает падающий свет; и заданную на основании конструкцию для юстировки, снабженную элементом поверхности, облегчающим позиционирование оптического компонента на основании в положении оптической юстировки относительно структурированной поверхности, чтобы передавать свет вдоль определенной (заданной) траектории между структурированной поверхностью и оптическим компонентом, где структурированная поверхность и конструкция для юстировки заданы как целое (единая часть) на основании с помощью штамповки ковкого материала основания.

[0031] Далее, в US 2013/0294732 А1 раскрыт герметичный узел юстировки (выравнивающий узел) для оптического волокна, имеющий интегрированный оптический элемент, в частности герметичный котировочный узел для оптического волокна, содержащий часть муфты, имеющей множество канавок, вмещающих концевые фрагменты множества оптических волокон, где канавки задают положение и ориентацию концевых фрагментов по отношению к части муфты. Узел содержит интегрированный оптический элемент для присоединения (стыковки, сопряжения) входа/выхода оптического волокна к оптоэлектронным устройствам в оптоэлектронном модуле. Оптический элемент может быть в форме структурированной отражающей поверхности. Конец оптического волокна находится на заданном расстоянии от структурированной отражающей поверхности и отъюстирован относительно нее. Структурированные отражающие поверхности и канавки для юстировки (выравнивания) оптоволокна могут быть сформированы штамповкой.

[0032] Далее, в заявке на патент США №14/695,008 раскрыто оптическое соединительное устройство для маршрутизации оптических сигналов, предназначенное для использования в модуле оптических коммуникаций, в частности, оптическое соединительное устройство, в котором на основании заданы структурированная поверхность, имеющая профиль поверхности, который восстанавливает форму и/или отражает падающий свет, и конструкция для юстировки, снабженная элементом поверхности, способствующим позиционированию оптического элемента на основании в положении оптической юстировки относительно структурированной поверхности, чтобы свет мог проходить вдоль заданной траектории между структурированной поверхностью и оптическим компонентом. Структурированная поверхность и конструкция для юстировки заданы на основании как единое целое с помощью штамповки пластичного (ковкого) материала основания. Конструкция для юстировки способствует пассивной юстировке оптического компонента на основании в положении, соответствующем оптической юстировке относительно структурированной поверхности, чтобы свет мог пройти вдоль заданной траектории между структурированной поверхностью и оптическим компонентом. Структурированная поверхность имеет профиль отражающей поверхности, которая отражает и/или восстанавливает форму падающего света.

[0033] В патенте США №7,343,770 раскрыта новая система прецизионной штамповки для производства маленьких толерантных частей. Такую систему штамповки, являющуюся предметом изобретения, можно использовать в различных процессах штамповки для производства устройств, раскрытых в упомянутых выше патентных публикациях на имя nanoPrecision, и можно аналогичным образом использовать для производства обсуждаемых здесь конструкций (включая конструкции для оптической скамьи 11, раскрытые выше). Эти процессы штамповки включают штамповку кускового материала (например, металлической заготовки или болванки) для формирования поверхности с окончательными характеристиками и плотными (т.е. маленькими) допусками, включая отражающие поверхности, имеющие нужную геометрию (форму), при прецизионной юстировке относительно других заданных элементов поверхности.

[0034] Для оптоволоконного узла, субблока OFSA 10 является важным, что основание 16 задает оптическую скамью 11 для юстировки оптических волокон 20 относительно структурированных отражающих поверхностей 12. За счет включения канавок 25 в ту же самую, единую конструкцию, которая также задает структурированные отражающие поверхности 12, можно достичь более прецизионной юстировки концевых фрагментов 21 оптических волокон 20 относительно структурированных отражающих поверхностей 12 с относительно более жесткими (меньшими) допусками благодаря одной единственной операции окончательной штамповки для одновременного создания окончательной конструкции на одной детали по сравнению с попытками достичь аналогичной юстировки с помощью элементов, созданных на различных частях (деталях) или конструкциях. За счет одновременного формирования структурированных отражающих поверхностей 12 и конструкции для юстировки оптических волокон/канавок 25 в ходе одной операции окончательной (финальной) штамповки, можно сохранить пространственное соотношение всех элементов/компонентов, требующихся для (или влияющих на обеспечение) юстировки на одной и той же обрабатываемой детали/части на стадии операции окончательной штамповки.

[0035] Как видно из Фиг. 2, OFSA 10 также содержит крышку 18, которая закрывает открытые наружу канавки 25 и участки оптических волокон 20. Оконечный участок 17 всей конструкции, представляющей собой комбинацию крышки 18 и оптической скамьи 11, по существу образует муфту, к которой через переходник 50 можно подсоединить муфту 51, удерживающую оконечный фрагмент оптоволоконного кабеля 23 (см., Фиг. 8).

[0036] Согласно одному из вариантов выполнения изобретения новое соединение с пассивной юстировкой (пассивным выравниванием) содержит подложку, поддерживающую оптоэлектронное устройство (например, VCSEL 2). Как видно из Фиг. 5, VCSEL 2 смонтирован на подложке 4, на которой задан набор оптических реперных точек 44. Эти реперные точки можно создать на подложке, используя литографическте процедуры, которые позволяют нанести (позиционировать) реперные точки с допусками в нанометровом диапазоне. VCSEL 2 расположен с прецизионной точностью относительно оптических реперных точек 44 на подложке 4 (т.е. монтажная позиция VCSEL 2 на подложке 4 определена с прецизионной точностью в соответствии с оптическими реперными точками 44), используя известные перекладчики с визуальной обратной связью, позволяющие отъюстировать литографически структурированные элементы на поверхности VCSEL (т.е. площадь излучающей поверхности, спайки и пр.) относительно литографически структурированных реперных точек 44 на подложке 4. В то время как Фиг.5 иллюстрирует в качестве фотонного компонента VCSEL 2, смонтированный на отдельной подложке 4, согласно альтернативному варианту выполнения подложка может быть интегрированной частью фотонного компонента, и такая конструкция устраняет монтаж фотонного компонента на подложку. Например, реперные точки 44 могут быть получены литографическим структурированием на поверхности фотонной интегральной схемы (ФИС), которая также содержит источник света, такой как дифракционное решеточное соединительное устройство. Для других типов интегрированных оптоэлектронных устройств, таких как кремниевая фотонная интегральная схема (SiФИС), корпус SiФИС может функционировать в качестве подложки (например, кремниевое основание/корпус 81ФИС), на которой (например, с помощью литографии/травления) заданы оптические реперные точки.

[0037] Как видно из Фиг. 3, новое соединение с юстировкой (выравниванием) также содержит оптически прозрачный блок юстировки 1, имеющий первый набор оптических реперных точек 24 для юстировки оптических реперных точек 14, заданных на оптической скамье 11 оптоволоконного субблока (OFSA) 10, относительно блока юстировки 1, и второй набор оптических реперных точек 34 для юстировки блока юстировки 1 относительно оптических реперных точек 44, заданных на подложке 4. Первый и второй наборы оптических реперных точек 24 и 34 размещены на блоке юстировки 1 с прецизионной точностью относительно друг друга. Оптические реперные точки 24 и 34 могут быть заданы на одной поверхности (например, верхней поверхности 29) блока юстировки 1, используя литографию с точностью, превышающей 1 микрон. Альтернативно, два набора оптических реперных точек можно задать на противоположных поверхностях блока юстировки 1. Блок юстировки 1 можно изготовить из подходящего оптически прозрачного материала, такого как стекло, кварц или твердый пластик.

[0038] В приведенном в качестве иллюстрации варианте выполнения в блоке юстировки 1 предусмотрено отверстие 59, задающее просвет для прохождения света между структурированными отражающими поверхностями 12 на оптической скамье 11 и VCSEL 2 (см. также Фиг.4, 9 и 10). Отверстие 59 может быть в форме сквозного отверстия, как показано в варианте выполнения на Фиг.3, или в форме выемки (прорези) (т.е. блок юстировки, имеющий U-образный корпус). Альтернативно, отверстия может не быть, если оптическую скамью 11 можно присоединить к блоку юстировки со структурированными отражающими поверхностями 12, пропускающими свет за пределами кромки блока юстировки. Альтернативно, блок юстировки может не иметь отверстий, и свет к/от структурированным(ых) отражающим(их) поверхностям(ей) 2 будет направлен таким образом, чтобы проходить через прозрачный блок юстировки.

[0039] Как видно из Фиг. 4, OFSA 10/оптическая скамья 11 присоединен к блоку юстировки 1 (например, с помощью пайки или адгезива) таким образом, что оптические реперные точки 14 на оптической скамье 11 отъюстированы относительно первого набора оптических реперных точек 24 на блоке юстировки 1. Так как оптические реперные точки 14 и 24 видны через прозрачный блок юстировки 1, юстировка (выравнивание) оптических реперных точек 14 и 24 может быть пассивно детерминированным/подтвержденным визуально/оптически. Например, первый набор оптических реперных точек 24 на оптически прозрачном корпусе блока юстировки 1 может быть отъюстирован относительно реперных точек 14 оптической скамьи, с помощью известных перекладчиков, использующих основанные на визуальном наблюдении схемы юстировки.

[0040] Как видно из Фиг. 6, блок юстировки 1 с присоединенным к нему узлом OFSA 10, присоединен к подложке 4 (например, с помощью адгезива), причем второй набор оптических реперных точек 34 на блоке юстировки 1 отъюстирован (выровнен) относительно оптических реперных точек 44, заданных на подложке 4. Так как оптические реперные точки 34 и 44 видны через прозрачный блок юстировки 1, юстировка оптических реперных точек 34 и 44 может быть пассивно детерминированной/подтвержденной визуально/оптически. Например, второй набор оптических реперных точек 34 на оптически прозрачном корпусе блока юстировки 1 может быть отъюстирован относительно реперных точек 44 подложки с помощью известных механизмов, основанных на визуальном наблюдении юстировки.

[0041] В варианте выполнения, показанном на Фиг.6, подложка 4 может быть предварительно, до соединения блока юстировки 1 и подложки 4, присоединена к расположенному ниже основанию печатной платы, например, ПП 3, которое может быть частью основания или частью корпуса модуля оптоэлектронного устройства. Альтернативно, в варианте выполнения, показанном на Фиг. 7, блок юстировки 1 присоединен к подложке 4 до присоединения подложки 4 к расположенному ниже основанию печатной платы, например, (например, ПП 3 или кремниевому интерпозеру).

[0042] Раскрытый выше процесс обеспечивает создание оптоволоконного субблока, наглухо присоединенного к плате/подложке/основанию печатной платы. При сборке оптоволоконный узел OFSA 10/оптическая скамья 11, блок юстировки 1 и подложка 4 будут пассивно отъюстированы при юстировке оптических реперных точек на OFSA 10/оптической скамье 11, блоке юстировки 1 и подложке 4, так что входные/выходные концы 21 оптических волокон 20 будут оптически отъюстированы относительно оптоэлектронного устройства (например, VCSEL 2), удерживаемого на подложке 4, вдоль желательной заранее заданной оптической траектории 100. На Фиг. 9 и 10 проиллюстрирована оптическая юстировка входных/выходных концов 21 оптических волокон 20 относительно VCSEL 2. Фиг. 9 представляет собой сечение вдоль линии 9-9 на Фиг. 7, до присоединения блока юстировки 1 к ПП 3. Фиг. 10 представляет собой сечение вдоль линии 10-10 на Фиг.8, после присоединения блока юстировки 1 к ПП 3. Так как имеют место: (а) точное позиционирование концов 21 оптических волокон относительно структурированных отражающих поверхностей 12, заданных на оптической скамье 11, (b) юстировка оптической скамьи 11 оптоволоконного субблока (OFSA) 10 относительно блока юстировки 1 с помощью оптических реперных точек 14 и 24, которое было раскрыто выше, (с) юстировка блока юстировки 1 относительно подложки 4, которая удерживает VCSEL 2, с помощью оптических реперных точек 34 и 44, и (d) VCSEL 2 прецизионно точно размещен по отношению к оптическим реперным точкам на подложке 4, то вся конструкция целиком, показанная на Фиг. 9 и 10, приводит в результате к прецизионной оптической юстировке вдоль желательной заранее заданной оптической траектории 100, которая задана между концами 21 оптических волокон 20 и VCSEL 2 через структурированные отражающие поверхности 12, заданные на оптической скамье 11.

[0043] В варианте выполнения, показанном на Фиг. 9 и 10, траектория света 100 поворачивается практически на 90 градусов с помощью структурированных отражающих поверхностей 12. Как проиллюстрировано, оптическая скамья 11/оптоволоконный узел, субблок OFSA 10 обеспечивает создание удобной, компактной соединительной конструкции (т.е. оптического или оптоволоконного коннектора), дающего возможность соединить (состыковать) оптоволоконный кабель с оптоэлектронным устройством (например, VCSEL 2) таким образом, что оптические волокна отъюстированы (выровнены) практически параллельно главной плоскости (например, плоскости поддерживающей подложки или основания печатной платы) оптоэлектронного устройства.

[0044] Возвращаясь назад, к варианту выполнения, показанному на Фиг.8, можно по достоинству оценить, что данное изобретение создает смонтированный на плате оптоволоконный узел, субблок (board-mounted OFSA, BM-OFSA) 10, который может быть наглухо присоединен к основанию печатной платы/подложке/плате 4 оптоэлектронного устройства, такого как трансивер, содержащий VCSEL 2. BM-OFSA 10 выровнен с помощью оптических реперных точек (14, 24, 34 и 44) и присоединен к основанию печатной платы/подложке/плате 4 с помощью процесса присоединения, такого как пайка или использование адгезива, например, эпоксидной смолы. BM-OFSA 10 содержит штампованный коннектор, сформированный из микро оптической скамьи 11, которая также образует муфту 17 для съемного присоединения волокна. Штампованный коннектор имеет складную конструкцию, содержащую массив фрагментов оптических волокон 20. Один конец фрагмента волокна заканчивается в муфте 17 (имеющей в целом овальное поперечное сечение), а противоположный конец 21 заканчивается у набора (ряда, матрицы) зеркал 12, предпочтительно, полученных штамповкой. Зеркала изменяют («загибают») ход лучей света и фокусируют их на электрооптические чипы на плату/основание/подложку 4. Этот конец муфты 17 интегрирован в микро оптическую скамью. Конец муфты 17 обеспечивает разъемное соединение интерфейса с муфтой 51 перемычки (волоконного переходника) 23 через выравнивающий переходник 50.

[0045] Данное изобретение раскрывает способ сборки BM-OFSA 10 на плате/подложке/основании 4 с использованием основанного на визуальном наблюдении пассивной юстировки, которое легко осуществить с помощью перекладчика с точностью позиционирования примерно 1 микрон. Это достаточно для одномодовых оптических соединений. Изобретение совместимо с традиционными процессами сборки электроники, такими как пайка волной припоя, так как изготовлено из металла и стекла, которые могут выдержать высокотемпературные процессы. BM-OFSA можно присоединить к печатной плате с помощью пассивной юстировки в соответствии с данным изобретением, а после того, как плата (основание, подложка) полностью заполнена (загружена), можно присоединить оптоволоконные кабели, используя конец BM-OFSA с муфтой. Соответственно, оптоволоконные кабели не мешают при сборке печатной платы.

[0046] Согласно альтернативному варианту выполнения изобретения, вместо встроенной интегрированной муфты на одном конце микро оптической скамьи, отдельную независимую муфту можно соединить с одним концом микро оптической скамьи.

[0047] Согласно еще одному варианту выполнения изобретения, вместо того, чтобы снабжать оптическую скамью 11 муфтой 17 в качестве короткого фрагмента с целью обеспечения разъемного соединения с волоконным переходником (перемычкой) 23 в конфигурации, показанной на Фиг. 8, оптоволоконный кабель можно наглухо присоединить к оптической скамье 11 (т.е. концы 21 оптических волокон 20 в оптоволоконном кабеле удерживаются оптической скамьей 11 в отъюстированном положении). Такая конфигурация исключает переходник 50 и муфту 51, показанные на Фиг. 8. Концы 21 оптических волокон 20 оптоволоконного кабеля 23 вводят непосредственно в канавки 25 в оптической скамье 11. Согласно этому варианту выполнения изобретения оптическая скамья 11 также функционирует в качестве муфты для удержания оптических волокон в оптически отъюстированном (отъюстированном) положении в рамках оптического/механического соединения с пассивной юстировкой.

[0048] Как уже было отмечено выше, оптоволоконный субблок (OFSA) можно обратимо (съемно) присоединить к блоку юстировки «отделяемым», «демонтируемым», «разъединяемым» образом в соответствии с новым соединением, разработанным правообладателем/заявителем данного изобретения (см., заявку на патент США №14/714,240, поданную 15 мая 2015). Как уже было отмечено ранее, концепция изобретения может быть адаптирована для других типов оптоэлектронных устройств (например, ФИС) и других типов оптических скамей и оптических узлов (субблоков), не выходя за рамки духа и буквы данного изобретения.

[0049] Несмотря на то что данное изобретение раскрыто на примере предпочтительных вариантов его реализации, специалисты должны понимать, что возможны различные изменения, как по форме, так и деталях, не выходящие за рамки духа и буквы данного изобретения. Соответственно, раскрытое изобретение следует воспринимать лишь как иллюстрацию, а его сущность ограничена приведенной далее Формулой изобретения.

Группа изобретений относится к оптическим соединениям оптических волокон с оптоэлектронными устройствами. Соединительная конструкция с пассивной юстировкой между оптической скамьей и оптоэлектронным устройством содержит оптически прозрачный блок юстировки, оптическую скамью и основание. Оптическая скамья, поддерживающая оптическое волокно, физически и оптически присоединена к оптоэлектронному устройству, смонтированному на подложке через оптически прозрачный блок юстировки. Прозрачный блок юстировки имеет первый набор оптических реперных точек для юстировки оптических реперных точек, заданных на оптической скамье, относительно блока юстировки, и второй набор оптических реперных точек для юстировки блока юстировки относительно оптических реперных точек, заданных на подложке. Технический результат заключается в улучшении производительности, технологичности, функциональности и надежности оптических соединений оптических волокон с оптоэлектронными компонентами, поддерживаемыми на основании. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Соединительная конструкция с пассивной юстировкой между оптической скамьей и оптоэлектронным устройством, содержащая:

оптически прозрачный блок юстировки, имеющий первый набор оптических реперных точек и второй набор оптических реперных точек, заданные на нем;

оптическую скамью, имеющую первый корпус, снабженный элементами юстировки, включая оптические реперные точки, где оптическая скамья присоединена к блоку юстировки, причем оптические реперные точки, заданные на оптической скамье, находятся в положении оптической юстировки относительно первого набора оптических реперных точек, заданных на блоке юстировки;

основание, поддерживающее оптоэлектронное устройство, где оптические реперные точки заданы на основании, и основание присоединено к блоку юстировки, причем оптические реперные точки основания находятся в положении оптической юстировки относительно второго набора оптических реперных точек, заданных на блоке юстировки.

2. Соединительная конструкция с пассивной юстировкой по п. 1, где основание содержит подложку, на которой заданы реперные точки основания, и оптоэлектронное устройство смонтировано на подложке, и реперные точки, расположенные на подложке, отъюстированы относительно второго набора оптических реперных точек, заданных на блоке юстировки.

3. Соединительная конструкция с пассивной юстировкой по п. 2, где подложка является неотъемлемой интегрированной частью оптоэлектронного устройства.

4. Соединительная конструкция с пассивной юстировкой по любому из предшествующих пунктов, где оптическая скамья содержит, по меньшей мере, структурированную отражающую поверхность, а элементы для юстировки содержат конструкцию для юстировки, поддерживающую оптическое волокно в положении оптической юстировки, юстировки относительно структурированной отражающей поверхности, где оптическая траектория задана между оптическим волокном и оптоэлектронным устройством с помощью структурированной отражающей поверхности, и оптическая скамья отъюстирована относительно оптоэлектронного устройства с тем, чтобы сохранять, поддерживать оптическую траекторию.

5. Соединительная конструкция с пассивной юстировкой по любому из пп. 1-3, где оптоэлектронное устройство содержит, по меньшей мере, одно из: передатчика, приемного устройства, трансивера и фотонной интегральной схемы.

6. Соединительная конструкция с пассивной юстировкой по п. 4, где блок юстировки содержит отверстие для прохождения света между структурированной отражающей поверхностью, заданной на оптической скамье, и оптоэлектронным устройством.

7. Соединительная конструкция с пассивной юстировкой по любому из пп. 1-3, где первый набор оптических реперных точек не находится в положении оптической юстировки относительно оптических реперных точек, заданных на основании, а второй набор оптических реперных точек не находится в положении оптической юстировки относительно оптических реперных точек, заданных на оптической скамье.

8. Соединительная конструкция с пассивной юстировкой по любому из пп. 1-3, где корпус оптической скамьи сформирован штамповкой, включая штамповку элементов для юстировки, в том числе оптических реперных точек оптической скамьи.

9. Способ создания соединения с пассивной юстировкой между оптической скамьей и оптоэлектронным устройством, включающий:

обеспечение наличия оптически прозрачного блока юстировки, имеющего первый набор оптических реперных точек и второй набор оптических реперных точек, заданные на нем;

обеспечение наличия элементов для юстировки на корпусе оптической скамьи, включая оптические реперные точки;

присоединение оптической скамьи к блоку юстировки, руководствуясь оптической юстировкой оптических реперных точек, заданных на оптической скамье, относительно первого набора оптических реперных точек, заданных на блоке юстировки;

создание оптических реперных точек на основании, на которое опирается оптоэлектронное устройство, где основание присоединено к блоку юстировки, руководствуясь оптической юстировкой оптических реперных точек основания относительно второго набора оптических реперных точек, заданных на блоке юстировки.

10. Способ по п. 9, где основание содержит подложку, на которой заданы реперные точки основания, а оптоэлектронное устройство смонтировано на подложке в соответствии с реперными точками.

11. Способ по п. 10, где подложка является неотъемлемой интегральной частью оптоэлектронного устройства.

12. Способ по любому из пп. 9-11, где оптическая скамья содержит структурированную отражающую поверхность и задает элементы для юстировки, определяющие конструкцию для юстировки, которая поддерживает оптическое волокно в положении оптической юстировки относительно структурированной отражающей поверхности, где оптическая траектория задана между оптическим волокном и оптоэлектронным устройством с помощью структурированной отражающей поверхности, и оптическая скамья отъюстирована относительно оптоэлектронного устройства с тем, чтобы сохранять/поддерживать оптическую траекторию.

13. Способ по любому из пп. 9-11, где оптоэлектронное устройство содержит, по меньшей мере, одно из: передатчика, приемного устройства, трансивера и фотонной интегральной схемы.

14. Способ по п. 12, где блок юстировки содержит отверстие для прохождения света между структурированной отражающей поверхностью, заданной на оптической скамье, и оптоэлектронным устройством.

15. Способ по любому из пп. 9-11, где корпус оптической скамьи сформирован штамповкой, включая штамповку элементов для юстировки, в том числе оптические реперные точки оптической скамьи.