專利名稱：大容限光纖發(fā)送器和接收器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光傳輸器件領(lǐng)域，更加具體地，涉及大容限的光纖發(fā)送器和接收器。
背景技術(shù)：
在光纖系統(tǒng)中，光源發(fā)射穿過光纖以發(fā)送數(shù)據(jù)的光脈沖。光源和光纖必須被精確地對準，使得耦合效率達到最大。耦合效率是對光纖實際接收到多少光源所發(fā)送的光的測量結(jié)果。
已知一種用來實現(xiàn)光源與光纖之間對準的方法是主動對準。在主動對準中，光源在其孔徑(aperture)對準光纖的接收端時被打開。在光纖的發(fā)送端被光探測器監(jiān)測的同時，調(diào)節(jié)光源與光纖的接收端。光探測器測量穿過光纖的光的量。當所接收的光達到最大時，光源與光纖即達到最佳對準，此時固定光纖和光源。
主動對準耗時，因而較昂貴。這樣，期望生產(chǎn)出在組件中不必打開光源或使用光探測器就可以被對準的部件。這種方法已知是被動對準。
被動對準存在其自身的缺陷。光源的孔徑和光纖都非常小，并且透鏡的焦距對每個部件的位置都強加了其自身嚴格的要求。例如，圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)的光學(xué)系統(tǒng)51?，F(xiàn)有技術(shù)的光學(xué)系統(tǒng)51包括光源53、耦合光學(xué)系統(tǒng)55和光纖57。在傳統(tǒng)的光發(fā)送器中，耦合光學(xué)系統(tǒng)55是具有第一透鏡表面59和第二透鏡表面61的獨立單元。第一透鏡表面59的焦距為F1。第二透鏡表面61的焦距為F2。耦合光學(xué)系統(tǒng)55接收來自光源53的光，并將它聚焦到光纖57上。為實現(xiàn)這一點，光源53的光軸必須與第一透鏡表面59的光軸對準，第二透鏡表面61的光軸必須與光纖57的光軸對準。而且，光源53必須位于與第一透鏡表面59距離F1處。最后，光纖57也必須位于與第二透鏡表面61距離F2處。
現(xiàn)有技術(shù)的光纖系統(tǒng)51的要求導(dǎo)致被動對準過程中容限非常小。因此，需要昂貴的精密儀器來仔細地測量、定位并放置每個部件，使得來自光源的光將準確地聚焦到光纖的目標孔徑(aperture)上。所以，期望生產(chǎn)出具有更大容限的部件，使得被動對準能夠更容易實現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
在優(yōu)選實施例中，本發(fā)明提供了容限要求放寬的光發(fā)送器以方便被動對準。光發(fā)送器包括源組件和光纖插座。源組件包括光源和透鏡。使用通常由光刻工藝形成的精確支撐結(jié)構(gòu)將透鏡固定在距光源固定距離處。光纖插座包括光學(xué)元件。光纖插座適于將光纖保持在距光學(xué)元件固定距離處。透鏡基本將來自光源的光準直成為準直的光的形式。光學(xué)元件將準直的光聚焦到光纖的孔徑。
這種布置放寬了源組件和光纖插座之間的容限，因為準直光束在整個源組件和光纖插座之間未對準的大范圍內(nèi)產(chǎn)生了穩(wěn)定的耦合效率。
本發(fā)明的另一實施例為光接收器的被動對準提供了要求放寬的容限。光接收器包括光纖插座和探測器組件。光纖插座包括光學(xué)元件。光纖插座適于將光纖保持在距光學(xué)元件固定距離處。光學(xué)元件將來自光纖的光基本準直成為準直的光的形式。探測器組件包括透鏡和光探測器。使用通常由光刻工藝形成的精確支撐結(jié)構(gòu)將透鏡固定在距光探測器固定距離處。透鏡將準直的光聚焦到光探測器。
以下參照示例性附圖來詳細描述本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點，以及本發(fā)明優(yōu)選實施例的結(jié)構(gòu)和操作。在圖中，相同的標號表示相同的或功能類似的元件。


圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)的光學(xué)系統(tǒng)。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的優(yōu)選實施例的高級圖。
圖3A和3B示出了源組件。
圖4示出了光纖插座和光纖連接器。
圖5示出了源組件的替代實施例。
圖6示出了源組件的替代實施例。
圖7示出了光接收器。
具體實施例方式
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)制得的優(yōu)選實施例的高級視圖。光發(fā)送器11包括源組件13和光纖插座(receptacle)15。源組件13包括光源17和透鏡19。透鏡19的焦距為F1。雖然所示透鏡19是單個部件，但應(yīng)該理解到，可以使用多個透鏡或透鏡系統(tǒng)。利用以下將更詳細公開的精確支撐結(jié)構(gòu)，透鏡19被固定在距離光源17為F1處，而光源17被放置在第一透鏡19的焦點處。光源17發(fā)射的光被透鏡19基本準直，并作為準直光20射出。在某些應(yīng)用中，準直光20可以稍稍偏離完全準直態(tài)，以獲得最佳的系統(tǒng)性能。
光纖插座15包括光學(xué)元件21。光纖插座15適于耦合到光纖23。光學(xué)元件21具有聚焦表面22，該聚焦表面22將來自光源的準直光20聚焦到光纖23的孔徑上。光學(xué)元件21的焦距為F2。雖然所示光學(xué)元件21是單個部件，但應(yīng)該理解到，可以使用多個光學(xué)元件或光學(xué)元件系統(tǒng)。光學(xué)元件21被光纖插座15固定在距離光纖23為F2處，而光纖23位于光學(xué)元件21的焦點處。
源組件13和光纖插座15在Z軸上對準，而該Z軸與光傳播的軸線一致。X軸和Y軸定義了垂直于Z軸的平面。
本發(fā)明通過加強源組件13自身內(nèi)的對準而放寬了源組件13和光纖插座15之間的容限。在源組件13內(nèi)，一般通過使用由光刻方法形成的支撐結(jié)構(gòu)來定位透鏡19，而使光源17精確地對準透鏡19的焦點。光纖插座15也被設(shè)計來使光纖23對準光學(xué)元件21的焦點。由于透鏡19和光學(xué)元件21的焦距已經(jīng)固定，源組件13和光纖插座15之間沿Z軸的距離并不是關(guān)鍵的。
通過使源組件13和光纖插座15之間的光準直，而進一步放寬了源組件13和光纖插座15之間的容限。由于光被校準(成準直光20)，源組件13與光纖插座15在XY平面內(nèi)的對準也并不關(guān)鍵。如果存在稍許未對準，也只會損失少量光。
圖3A和3B示出了源組件13的優(yōu)選實施例。圖3A是俯視圖，圖3B是圖3A的沿線B-B’的橫截面視圖。在該優(yōu)選實施例中，光源是垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)26，但是也可以使用其他光源，例如邊緣發(fā)射二極管和其他激光器。利用標準的VCSEL制造技術(shù)，VCSEL 26形成在VCSEL襯底27上。VCSEL襯底27由任意合適的半導(dǎo)體材料形成。支座31支撐著在VCSEL 26的光發(fā)射表面之前的球型透鏡33(圖3A中未示出)。利用標準的光刻材料和方法，支座31形成在VCSEL襯底27上。支座31的形成以及球型透鏡33的連接在共同遞交的、題為“VCSEL withIntegrated Lens”的美國專利申請(申請?zhí)栁粗?，代理案卷號?0030987-1)中描述了。支座31定位球型透鏡33，使得VCSEL 26的孔徑位于球型透鏡33的焦點處。球型透鏡33在形狀上可以是圓球形。由于VCSEL 26被設(shè)置在球型透鏡33的焦點處，所以從VCSEL 26發(fā)射出并穿過球型透鏡33的任何光都作為準直光20射出。
由于光刻方法的精確性，所以可以高精度地制得支座31，以實現(xiàn)在XY平面上和Z方向上的準確定位。例如，目前的光刻方法可精確到2-3微米。結(jié)果，VCSEL 26可以嚴格地對準球型透鏡33的焦點。在實際的工作實施例中，標準光刻工藝被用來在VCSEL 26的表面上沉積聚酰亞胺，并將聚酰亞胺蝕刻成環(huán)形，從而形成用于支撐球型透鏡33的支座31。支座31并不限于環(huán)形——各種形狀對于支撐球型透鏡33都是可接受的。而且，各種其他材料和方法都是可用的，并可被用來形成支座31。
圖4圖示了以橫截面示出的光纖插座15的優(yōu)選實施例。光纖插座15包括光學(xué)元件21。光學(xué)元件21通常是具有光學(xué)透鏡(例如透鏡表面35)功能的部件。光學(xué)元件21由塑料、玻璃或任意其他合適光學(xué)級材料形成。光纖插座15機械上適于以相對高的精度保持在光纖23上的光纖連接器22。存在許多種類的標準化光纖連接器，例如FC、SC、ST、LC、MT-RJ和MTP連接器，其中任意一種都適合使用。這種機械匹配可以是光纖插座15上的用于鎖定到或配合到光纖連接器22上的互鎖機構(gòu)。光纖23被保持在距透鏡表面35固定距離處，使得當光纖連接器22被配合到光纖插座15上時，光纖23的孔徑位于透鏡表面35的焦點處。穿過透鏡表面35的準直光20被聚焦到光纖23。雖然所示光纖插座15是用于光沿著直線路徑傳播的直線體，但可以制造具有一個或多個轉(zhuǎn)折以及反射表面使得光20沿所期望的方向彎曲的光纖插座15。光纖還可以在組裝工藝過程中用粘合劑直接連接到光源，例如在帶尾纖的收發(fā)器設(shè)計中。
圖5圖示了以簡圖形式示出的源組件13的替代實施例。這里，透鏡71被支座31懸吊在VCSEL 26上。透鏡71可以是衍射透鏡或折射透鏡。而且，由于支座31是利用光刻技術(shù)形成的，所以透鏡71可以被高精確地定位，使得VCSEL 26定位在透鏡71的焦點處，從而使來自光源的光變得準直。透鏡71和支座31的形成在共同遞交的、題為“VCSEL withIntegrated Lens”的美國專利申請(申請?zhí)栁粗戆妇硖枮?0030987-1)中描述了。
圖6圖示了以簡圖形式示出的源組件13的第二替代實施例。這里所示的VCSEL是底部發(fā)射VCSEL，可以被倒裝芯片連結(jié)到頭部29。頭部29可以是印刷電路板或另一半導(dǎo)體襯底。頭部29可以包括輔助電路，例如用于VCSEL的驅(qū)動電路。在這個實施例中不需要支座或支撐結(jié)構(gòu)，因為透鏡81被直接形成在VCSEL襯底29的表面上。透鏡81是利用光刻方法形成的。通常，光敏聚合物層被沉積在襯底29的表面上。光敏聚合物被蝕刻形成所期望形狀的透鏡81。通過進行附加的蝕刻工藝來將透鏡形狀蝕刻到VCSEL襯底27自身內(nèi)，也可以由襯底材料直接形成透鏡81。
圖7圖示了以簡圖形式示出的光學(xué)系統(tǒng)中光接收器90的替代實施例。光接收器90包括光纖插座91和探測器組件93。光纖插座91包括光學(xué)元件97，光學(xué)元件97通常是具有光學(xué)透鏡功能的部件，例如透鏡表面99。透鏡表面99的焦距為F3。光學(xué)元件97由塑料、玻璃或任意其他合適的光學(xué)級材料形成。雖然所示光纖插座91具有用于光傳播的直線路徑，但可以制造具有一個或多個轉(zhuǎn)折以及反射表面使得光沿所期望的方向彎曲的光纖插座91。
光纖插座91機械上適于以相對高的精度保持在光纖95上的光纖連接器94。這種機械匹配可以是光纖插座91上的用于鎖定到或配合到光纖連接器94上的互鎖機構(gòu)。光纖95被保持在距透鏡表面99固定距離F3處，使得光纖95的孔徑位于透鏡表面99的焦點處。由光纖95發(fā)射的光被透鏡表面99準直化，作為準直光103射出。
探測器組件93包括光探測器105和透鏡107。透鏡107的焦距為F4。透鏡107被固定在距光探測器105距離為F4處，從而將光探測器105置于透鏡107的焦點處。利用光刻方法，透鏡107被精確定位。穿過透鏡107的準直光103被聚焦到光探測器105。
通過將VCSEL 27替換為光探測器105，在圖3、5或6中所示的任意一個源組件也可用作探測器組件93。光探測器105可以是光電二極管、光電晶體管或任意其他響應(yīng)入射光的器件。探測器組件93使得高速應(yīng)用成為可能，因為在這種應(yīng)用中，探測器105的有效面積可以非常小，直徑為10-30微米量級。
本發(fā)明所公開的實施例也可以容易地被修改以用于平行光應(yīng)用中。在平行發(fā)送器的替代實施例中，源組件包括產(chǎn)生光陣列的光源陣列以及相對于光源陣列定位使得光準直化的透鏡陣列。光纖插座包括用于接收準直光陣列的光學(xué)元件陣列。光源陣列可以所有都形成在單個管芯上，但這會導(dǎo)致更低的生產(chǎn)率，因為管芯越大，存在缺陷的概率也越大。通過將光源分離到獨立的管芯內(nèi)，隨后將它們封裝到陣列內(nèi)，可提高生產(chǎn)率。
在現(xiàn)有技術(shù)的常規(guī)設(shè)計中，平行光源會服從于嚴格的容限，因為難以將光源陣列與透鏡陣列對準。本發(fā)明放寬了這些容限要求，因為每個光源都可以與其自身的集成透鏡單獨形成，從而避免了將光源陣列與透鏡陣列一起對準。
在平行接收器的替代實施例中，光纖插座包括光學(xué)元件陣列，用于使來自光纖陣列的光陣列準直化。探測器組件包括光探測器陣列和相對于光探測器陣列定位以接收并聚焦準直光陣列的透鏡陣列。光探測器陣列可以形成在單個管芯上，或者光探測器可以分開形成在獨立的管芯上，并隨后封裝成陣列。
雖然已參照特定的優(yōu)選實施例詳細地描述了本發(fā)明，但是掌握本發(fā)明所涉及領(lǐng)域普通技術(shù)的人員將認識到，不偏離所附權(quán)利要求的精神和范圍，可以進行各種修改和改進。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)耦合系統(tǒng)，包括含有半導(dǎo)體材料的襯底；形成在所述襯底中的光源；形成在所述襯底上的支撐結(jié)構(gòu)；連接到所述支撐結(jié)構(gòu)的透鏡，所述透鏡用于將來自所述光源的光基本準直成為基本準直的光的形式，并且所述透鏡被所述支撐結(jié)構(gòu)固定在距所述光源為第一距離處；和被定位來接收并聚焦所述基本準直的光的光學(xué)元件。
2.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)耦合系統(tǒng)，還包括光纖插座，所述光纖插座適于將所述光學(xué)元件和光纖保持在隔開的第二距離處，使得所述光學(xué)元件將所述基本準直的光聚焦到所述光纖的孔徑。
3.如權(quán)利要求2所述的光學(xué)耦合系統(tǒng)，其中所述支撐結(jié)構(gòu)包括用來支撐所述透鏡的支座。
4.如權(quán)利要求3所述的光學(xué)耦合系統(tǒng)，其中所述透鏡是具有第一焦距的球型透鏡。
5.如權(quán)利要求4所述的光學(xué)耦合系統(tǒng)，其中所述光學(xué)元件包括透鏡表面，所述透鏡表面具有第二焦距。
6.如權(quán)利要求5所述的光學(xué)耦合系統(tǒng)，其中所述第一距離基本等于所述球型透鏡的第一焦距。
7.如權(quán)利要求6所述的光學(xué)耦合系統(tǒng)，其中所述第二距離基本等于所述透鏡表面的第二焦距。
8.如權(quán)利要求7所述的光學(xué)耦合系統(tǒng)，其中所述光源是垂直腔表面發(fā)射激光器。
9.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)耦合系統(tǒng)，還包括多個形成在所述襯底中的光源；多個形成在所述襯底上的支撐結(jié)構(gòu)；多個連接到所述支撐結(jié)構(gòu)的透鏡，每個透鏡將來自所述光源的光基本準直成為基本準直的光的形式，并且每個透鏡被相應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu)固定在距相應(yīng)的光源為第一距離處；和多個被定位來接收并聚焦來自相應(yīng)透鏡的基本準直的光的光學(xué)元件。
10.一種光學(xué)耦合系統(tǒng)，包括含有半導(dǎo)體材料的襯底；形成在所述襯底中的光源；形成在所述襯底上以及所述光源的上方的透鏡，所述透鏡用于將來自所述光源的光準直成為基本準直的光；和被定位來接收來自所述透鏡的基本準直的光并聚焦所述基本準直的光的光學(xué)元件。
11.如權(quán)利要求10所述的光學(xué)耦合系統(tǒng)，還包括光纖插座，所述光纖插座適于將所述光學(xué)元件和光纖保持在隔開的固定距離處，使得所述光學(xué)元件將所述基本準直的光聚焦到所述光纖的孔徑。
12.如權(quán)利要求10所述的光學(xué)耦合系統(tǒng)，其中所述光學(xué)元件包括透鏡表面，所述透鏡表面具有焦距。
13.如權(quán)利要求12所述的光學(xué)耦合系統(tǒng)，其中所述固定距離基本等于所述透鏡表面的焦距。
14.如權(quán)利要求13所述的光學(xué)耦合系統(tǒng)，其中所述光源是垂直腔表面發(fā)射激光器。
15.如權(quán)利要求10所述的光學(xué)耦合系統(tǒng)，還包括多個形成在所述襯底中的光源；多個形成在所述襯底上以及所述光源上方的透鏡，所述透鏡用于將來自相應(yīng)光源的光準直成為基本準直的光；和多個被定位來接收并聚焦來自相應(yīng)透鏡的基本準直的光的光學(xué)元件。
16.一種光學(xué)耦合系統(tǒng)，包括光學(xué)元件，所述光學(xué)元件用來將來自光源的光準直成為基本準直的光的形式；含有半導(dǎo)體材料的襯底；形成在所述襯底中的光探測器；被制備在所述襯底上的支撐結(jié)構(gòu)；和連接到所述支撐結(jié)構(gòu)的透鏡，所述透鏡用于接收來自所述光學(xué)元件的準直的光并將所述準直的光聚焦到所述光探測器，并且所述透鏡被所述支撐結(jié)構(gòu)固定在距所述光探測器為第一距離處。
17.如權(quán)利要求16所述的光學(xué)耦合系統(tǒng)，其中所述光源是光纖的孔徑。
18.如權(quán)利要求17所述的光學(xué)耦合系統(tǒng)，還包括光纖插座，所述光纖插座適于將所述光學(xué)元件和光纖保持在隔開的第二距離處，使得所述光學(xué)元件將來自所述光纖的光基本準直化。
19.如權(quán)利要求18所述的光學(xué)耦合系統(tǒng)，其中所述支撐結(jié)構(gòu)包括用來支撐所述透鏡的支座。
20.如權(quán)利要求19所述的光學(xué)耦合系統(tǒng)，其中所述透鏡是具有焦距的球型透鏡。
21.如權(quán)利要求20所述的光學(xué)耦合系統(tǒng)，其中所述第一距離基本等于所述球型透鏡的焦距。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光發(fā)送器，其放寬了源組件和光纖插座之間的容限以方便被動對準。源組件包括光源和透鏡。使用通常由光刻工藝形成的精確支撐結(jié)構(gòu)將透鏡固定在距光源固定距離處。光纖插座包括光學(xué)元件。光纖插座適于將光纖保持在距光學(xué)元件固定距離處。透鏡基本上將來自光源的光準直成為準直的光的形式。光學(xué)元件將準直的光聚焦到光纖的孔徑上。
文檔編號H04B10/02GK1721898SQ20051005340
公開日2006年1月18日 申請日期2005年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月5日
發(fā)明者陳燁 申請人:安捷倫科技有限公司