光电应用中使用弹性平均的无源对准的制作方法

专利名称：光电应用中使用弹性平均的无源对准的制作方法
技术领域：
本发明涉及光电应用中使用弹性平均的无源对准。
背景技术：
在光电应用中，存在信号通信的电子模式和光学模式之间的转换。在从电子模式的转换中，电子元件是光源，例如垂直腔表面发射激光(VCSEL)或发光二极管(LED)。另一方面，到电子模式的转换利用检测器作为有源光学元件。
光电模块通常被用于耦合系统构件中并被用来提供模式转换。这些模块被设计成沿着其接收到光纤的表面呈现相对较小的面积，并且在模块的另一表面所置于的印刷电路板上需要相对少量的基板面(real estate)。这允许一系列光电模块以紧密间隔的布置被放置以并行处理大量光学信号。通常，每个模块包括光源或检测器的阵列以及相应数目的光束。
在单个光学模块内，每个光束可能沿着模块的输入/输出表面上的相关光检测器/光源与透镜之间的直线路径。可替换地，光束路径可能具有从输入/输出表面到光检测器或光源的90度转弯(turn)。镜子和镜子阵列可以被用于提供光线弯曲。无论光电模块是否包括光束弯曲，在模块制造中使用的对准(alignment)过程都在实现所需性能、产量和成本目标中起到关键作用。一般，不同的对准过程落入三个范畴内，即有源对准、视觉对准和无源对准。
在有源对准过程中，光源被激励，并且监控光源与其预定目标之间的耦合。具体而言，在发生对准调整时，从光源到目标的输出量被量化。光纤、透镜、源或构件的某些组合被定位，以实现光源与其目标之间的最大耦合效率。该过程由于需求有效的闭环控制系统而往往是很慢的且成本较高的。这种系统需求包括一组具有足够机械分辨率和稳定性的致动器、有效的峰值搜索算法以及用于实现对光源与其目标之间的耦合效率的监控的仪器。
视觉对准过程也用作闭环系统，但依赖于视觉线索(例如基准)或通过红外照相机监控的光束的位置。因此，与有源对准过程不同，输出量不被监控。视觉对准的主要缺陷在于固定设备的成本随着所需布置精确性而迅速升高，而其产量通常与有源对准过程的产量具有可比性。
无源对准通常依赖于运动学。无源运动学对准可以被描述为通过精确定位的物理特征的基础上配合元件而实现的对准。例如，光纤可以被放置到具有蚀刻的V形沟槽的硅次黏着基台(submount)中。光纤的直径与V形沟槽的尺寸紧密匹配，从而实现所需的光纤位置控制。其他类型的运动学耦合包括使用通孔、管脚等等。使用无源对准技术的主要优点在于系统投资的减少和过程复杂性的总体减少。主要缺陷在于固有部件的成本会随着所需部件特征精确性的提高而迅速增大。就是说，当对运动学对准特征的位置公差的要求变得更高时，模块成本会增大。

发明内容
在根据本发明的光电组件中，耦合器包括第一和第二耦合表面，其中每个表面具有至少一个光束端口。“光束端口”被定义为通过耦合器的光束路径的相对端。光束端口可以包括或不包括结构差异，例如透镜。对于每个光束路径，存在相应的有源光学元件，通常是光源或光检测器。每个有源光学元件都位于基板上。柔性对准特征和固定对准特征的合作实现了每个有源光学元件与其相应耦合器光束端口之间的弹性平均对准。通过经由大量局部耦合平均尺寸和位置上的误差，弹性平均提供了与更昂贵的传统运动学对准相同的精确性，所述传统运动学对准采用基于确切公差来确定尺寸并被定位的特征。
耦合器的耦合表面可以是平行的，也可以彼此垂直。基板可以是印刷电路板、或者陶瓷、挠曲或半导体基板。使用半导体基板的优点在于集成电路制造技术可以被用于更精确地定位被用于实现组件部件的弹性平均对准的对准特征。
弹性平均对准可以通过使用多个不同实施例来实现。固定对准特征可以在基板或在耦合器上。在一个实施例中，焊接块被形成在基板上。由于焊料可以被碰撞并回流成最终形状，因此固有的位置精确性依赖于所选的用于限定焊料最初沉积在的焊盘或导线的方法。位置的精确性还依赖于基板的选择，因为在半导体基板上形成焊盘比在印刷电路板或挠曲电路上形成焊盘更精确。在其上形成焊接块的焊盘将与模片固定有源光学元件(例如光源或光检测器)所需基准之间具有极好的位置相关性。回流之后，每个焊接块将围绕其焊盘为中心，并且实现其最低的能量形状。柔性对准特征然后可以作为耦合器的一部分形成。当耦合器被链接到基板时，对准主要依赖于焊接块的位置精确性和频率，并其次依赖于柔性对准特征与焊接块的固定阵列相接触时的挠性。
在另一实施例中，通过将焊接块放置在柔性支架(例如聚酰亚胺元件)上来建立基板的挠性。在此实施例中，固定对准特征是耦合器的特征。耦合器的刚性结构元件可以与支架对准，以接收焊接块。作为另一替换，特征的固定阵列和特征的挠性阵列可以采取孔和柔性管脚的形式。孔可以是被蚀刻或机械加工产生的。应该关注的是基板是否是印刷电路板，形成孔的典型方法可能具有固有公差，该公差太宽松而无法提供所需的耦合器到基板的对准。
注意，诸如硅之类的半导体基板有助于弹性平均，这是因为它能够相对较便宜地且可重复用于实现精确定位的表面特征。通过蚀刻基板或在基板上沉积层，成本可以不随着光电组件尺寸的减小而提高。柔性对准特征可以是耦合器的特征，而固定阵列可以通过有选择地蚀刻基板以保留突起区域，或通过在基板上图案化层来形成。


图1是根据本发明的光电组件的侧视图，该光电组件具有基于弹性平均被对准的构件。
图2是图1的光电组件的俯视图。
图3是根据本发明的弹性平均对准布置的一个实施例的俯视图。
图4是图3的弹性平均对准布置的透视图。
图5是根据本发明的弹性平均对准的第二实施例的示意性侧视图。
图6是根据本发明的弹性平均对准的第三实施例的示意性侧视图。
图7是根据本发明的弹性平均对准的第四实施例的示意性侧视图。
图8是根据本发明的弹性平均对准的第五实施例的示意性侧视图。
具体实施例方式
已经确定，弹性平均提供了一种对准技术，该技术实现了性能目标和成本限制之间的所需平衡。在光纤应用中，曾经达到数十微米的对准公差当前为5微米或更小。这种级别通常超出过去低成本对准技术的能力。
弹性平均对准实现了无源运动学对准的优势(即低成本、所需固定设备很少或没有)，同时大大降低了与高精确性和高精度相关联的附加构件成本和可制造性的问题。传统的运动学耦合需要6个自由度(DOF)的严格控制以定位物体，因此对准特征必须以比所需对准更小的公差来定位。虽然该技术很有效，但是它并未有助于低成本的可批量生产的组件。
运动学对准方法用足够支撑该物体所需的最少数量的触点来限制物体。相比之下，弹性平均“过度限制”被支撑的物体。对于本发明，可以将组件构件设计为使得略微过度限制的特征之和模拟确切的运动学对准。
在下面将描述的弹性平均的实施例中，提出了若干关键设计规则。首先，过度限制的耦合不具有封闭形式的解决方案，因此需要使用建模或测试来验证精确性和精度。其次，弹性平均耦合依赖于触点的平均来辅助缓解表面光洁度和特征形状的制造公差。由于磨损和其他因素，摩擦或基于单一接触的设计的可重复性具有可变性。另一方面，本发明的基于挠性(compliant-based)弹性平均耦合减小了磨损对精度的影响，但运动的范围应该被限制。第三个关键设计规则涉及触点的数量。假设制造误差是随机的，因此，随机误差的理论表明，弹性平均耦合的精度与触点的数量成比例。因此，在将描述的每个实施例中，固定阵列特征中的对准特征的数量应该足以确保足够的过度限制。优选地，固定对准特征的数量至少为20个。本发明提出的另一设计规则是真实的弹性耦合应该具有可重复性以及精确性。这在重复工作、磨损和模块性有问题的应用中是非常重要的。
弹性平均对准非常适合于连接光电模块的构件，因此本发明将主要参考这样的模块而被示出和描述。然而，还考虑到其他应用。参考图1，光电模块10被示为包括耦合块12和基板14。在此实施例中，耦合块由于其包括用于第一耦合表面18上的每个第一光束端口16的透镜，而可以被称为“透镜元件”。耦合块还包括在第二耦合表面22上的至少一个第二光束端口20。通常，存在第一光束端口的阵列和相应的第二光束端口的阵列。每个光束端口可以被一个透镜所限定，但是“光束端口”被光束路径所限定而不必被沿表面的物理改变所限定。在图2的俯视图中，沿着耦合块12的第一耦合表面18示出了12个透镜16。透镜的数量对本发明的实施并不很重要。
在图1中，耦合块12包括光学转弯，从而光束路径24将每个第一光束端口连接到其相应的第二光束端口20。镜子26提供弯曲。但是，某些光电模块被设计成使得第一和第二耦合表面平行，即光束路径是直线的。
在基板14的表面上是对准第二光束端口20的有源光学元件28。透镜29位于该有源光学元件上。根据应用，该有源光学元件可以是光源或光检测器。有源光学元件的数量对应于第二光束端口的数量。在实践中，合适的光源包括LED、VCSEL和光二极管。合适的检测器包括PIN检测元件。基板14充当耦合块12的底部，并且在电气上可用于提供到基板上的焊盘或其他电路的连接。基板可以是印刷电路板、半导体基板、陶瓷基板或挠性电路。如本领域所知，典型的挠性电路包括一个或多个导电性金属迹线层。
参考图1和图2，从第一耦合表面18伸出的是一对引导管脚30和32，用于适当地与例如光纤连接器的插入设备34对准。在图1和2的实施例中，用于相对于一个或多个有源光学元件28而精确地设置一条或多条光束路径24的弹性平均对准布置包括在基板14上的固定对准焊接块36，并包括耦合块12的弯曲部分38。焊接块36被称为“对准”焊接块，因为它们被包括进来是主要或专门用于实现对准并且通常是电气无源的。
焊接块36为弹性平均耦合提供便宜而可靠的表面特征。因为焊料可以被碰撞和回流成最终形状，因此固有的位置精确性等同于选出的在其上形成焊接块的导电材料的沉积方法。例如，电气隔离的金属性焊盘可能图案化到印刷电路板、挠性电路或等同的电气功能基板上。关键在于焊接块所在的焊盘将与模片固定有源光学元件28所需的基准之间具有极好的位置相关性。在焊料回流之后，每个块将围绕其焊盘为中心，并将实现其最低的能量形状。
由于每个块的直径和形状变化，因此使用对准焊接块36的弹性平均是有效的，所述直径和形状变化会受到焊剂本身流动性、大气、温度和组份的影响。虽然单个焊接块的直径最多发生20微米的变化，但是可以通过弯曲部分38与大量焊接块的接触来平均该误差。
耦合块12的弯曲部分38可以由挠性塑料构成。将耦合块材料选择为使主体与弯曲部分一致具有很多优点。因此，该材料必须是挠性的，并且如果光束路径24将通过该材料，则该材料必须是光学透明的。一种极其适合的材料是由通用电器公司出售的拥有联邦注册商标ULTEM的无定形热塑性聚醚酰亚胺。但是，也可以使用其他光学上透明的塑料，例如丙烯酸和聚碳酸酯。最终，材料选择将依赖于被操纵的光的波长以及所需工艺条件。
如图3的俯视图和图4的透视图所示(其中弯曲部分38被示为从主耦合块中移除)，对准焊接块36是交错排列的，而弯曲部分38的横杆具有相对于距基板14的纵向边沿的距离的交错位置。几何结果是，弯曲部分38和对准焊接块36之间的配合实现了从耦合块12的第一表面18上的透镜16到器件40上的相应透镜阵列29的可靠无源对准，所述透镜阵列限制了光源或检测器的位置。如本领域所知，12个透镜29可以对应于光源和光检测器的组合。例如，一半的有源光学元件可以是光源，而另一半可以是PIN检测器。
图5是弹性平均对准布置的第二实施例的示意图，该弹性平均对准布置使用固定对准特征和柔性对准特征两者。在此实施例中，挠性由支撑基板14的表面上方的焊接块48、50和52的支架42、44和46提供。这些支架可以由聚酰亚胺或具有挠性的类似材料构成。固定对准特征是耦合块12的向下悬挂区域54、56、58和60。在将耦合块链接到基板的过程中，向下依赖区域之间的间隔与焊接块对准。由于焊接块被挠性柱体(支架)所支撑，因此在制造耦合块和支架过程中的位置公差的不确定性将不会影响耦合块的位置。通过提供足够的过度限制，合成误差被很好地限制在可接受的范围内。优选地，存在至少20个支架。
图6是本发明第三实施例的代表。在基板14内，在适当位置形成有开口62、64、66和68，以接收从耦合块12伸出的挠性突出物70、72、74和76。该实施例不太适合于基板是印刷电路板的应用，因为印刷电路板的典型通孔公差除了最少要求的对准之外，对其它所有对准来说都太不精确。但是，该应用很适合于用于挠曲基板、陶瓷基板，并尤其适合于半导体基板。当挠性突出物被插入到基板开口中时，沿着耦合块表面的光束端口适当地对准器件40的透镜/有源光学元件。可替换地，挠性突出物可以沿着基板14形成，同时开口形成在耦合块12内。
半导体基板的使用尤其有助于弹性平均耦合，因为它能够相对较容易而便宜地用于实现被精确蚀刻的特征，即使组件构件的尺寸变小也如此。在图7的实施例中，耦合块12上的向下悬挂弯曲部分挠性地对准基板14上的蚀刻柱80。用于蚀刻基板材料的技术是本领域公知的。
图8是图7实施例的变形。该实施例没有直接蚀刻半导体基板，而是在基板14上提供有图案化的材料以形成柱82。用于以所需图案沉积柱材料或用于均厚沉积用于图案化的材料的技术是公知的。
虽然已经示出并描述了各种实施例，但是该描述不是穷尽的。可以设想其他弹性平均对准布置。具体技术必须基于所需性能和成本限制来证实。作为一个总体规则，弹性平均能够实现与昂贵得多的传统运动学对准方法相同的精确性，因为尺寸和位置上的误差基于大量略微过度限制的耦合而被平均。重要的是，弹性平均耦合可以放宽制造和布置过程中的公差。
权利要求
1.一种光电组件，包括具有第一和第二耦合表面的耦合器，所述第一表面具有第一光束端口，而所述第二表面具有第二光束端口，所述耦合器限定所述第一和第二光束端口之间的光束路径；具有有源光学元件的基板；以及弹性平均对准布置，该布置用于相对于所述有源光学元件而精确地定位所耦合器的所述第二光束端口，所述弹性平均对准布置包括位于所述耦合器和基板之一上的固定对准特征阵列，并包括位于所述耦合器和基板中的另一个上的多个柔性对准特征，所述固定对准特征专用于通过与所述柔性对准特征合作来实现弹性平均对准。
2.如权利要求1所述的光电组件，其中所述有源光学元件是光源和光检测器之一，所述第一耦合表面基本垂直于所述第二耦合表面。
3.如权利要求2所述的光电组件，其中所述第一耦合表面包括所述第一光束端口的阵列，而所述第二耦合表面包括所述第二光束端口的阵列，其中每个所述第一光束端口在光学上通过光束路径而与所述第二光束端口之一相关联，并且每个所述第一光束端口通过所述弹性平均对准布置而相对于一个特定有源光学元件被精确定位。
4.如权利要求1所述的光电组件，其中所述固定对准特征是相对于信号传导不活跃的焊接块。
5.如权利要求4所述的光电组件，其中所述可变对准特征是具有如下组合配置的弯曲部分所述组合配置基于形成所述固定对准特征阵列的所述焊接块的组合配置。
6.如权利要求5所述的光电组件，其中所述弯曲部分的组合配置构成如下间隔该间隔的尺寸被定为使得单独的所述焊接块具有与相邻的所述弯曲部分相接触的相对侧面。
7.如权利要求6所述的光电组件，其中所述弯曲部分包括第一弯曲部分，该第一弯曲部分在垂直于第二弯曲部分的方向上延伸。
8.如权利要求1所述的光电组件，其中所述柔性对准特征包括柔性支架，并且其中所述固定对准特征限定了具有对应于所述柔性支架的配置的空腔。
9.如权利要求8所述的光电组件，其中所述支架支撑着焊接块，所述空腔的尺寸被确定为接收所述焊接块。
10.如权利要求1所述的光电组件，其中所述固定对准特征包括所述基板中的开口，所述柔性对准特征包括在几何上被配置为延伸到所述开口中的柔性突出物。
11.如权利要求1所述的光电组件，其中所述基板是半导体基板，并且所述固定对准特征通过集成电路技术被限定在所述半导体基板上，所述耦合器具有所述柔性对准特征。
12.一种用于对准光电组件的构件的方法，包括提供光学耦合器，该光学耦合器具有沿着第一表面的第一光束端口和沿着第二表面的第二光束端口；提供具有光学元件的基板，所述光学元件是光源和光检测器之一；以及使用刚性对准特征的固定阵列和柔性对准特征的挠性阵列将所述光学耦合器链接到所述基板，从而使对准主要依赖于所述刚性对准特征的位置精确性和频率，并其次依赖于所述可变对准特征在接触所述固定阵列时的挠性，所述固定和挠性阵列位于相对的所述光学耦合器和所述基板中上。
13.如权利要求12所述的方法，其中提供所述光学耦合器的步骤包括在所述光学耦合器上形成所述柔性对准特征的挠性阵列，所述提供所述基板的步骤包括在所述基板上形成所述刚性对准特征。
14.如权利要求13所述的方法，其中形成所述刚性对准特征的步骤包括在所述支撑上形成电气无源的焊接块，以使所述焊接块专门用于将所述光学耦合器精确对准所述基板。
15.如权利要求13所述的方法，其中形成所述刚性对准特征的步骤包括使用集成电路制造技术形成通过所述基板的开口，所述基板是半导体基板。
16.如权利要求13所述的方法，其中形成所述刚性对准特征的步骤包括使用集成电路制造技术来提供突起区域，所述基板是半导体基板。
17.如权利要求12所述的方法，其中提供所述光学耦合器的步骤包括在所述光学耦合器上形成所述固定阵列，并且其中提供所述基板的步骤包括在所述基板上形成所述挠性阵列。
18.如权利要求12所述的方法，其中提供所述光学耦合器的步骤包括在所述第一表面上形成所述第一光束端口的阵列，所述第一和第二表面基本彼此垂直。
19.一种光电模块，包括具有第一面的耦合块，所述第一面具有第一透镜阵列，并且所述第一面被配置用于连接外部构件，所述耦合块具有第二面；具有多个与所述第二面对准以交换光束的光学元件的基板；以及专门用于将所述第二面对准所述光学元件的所述耦合块和基板的专用表面特征；所述专用表面特征包括不动的对准特征和挠性对准特征，所述不动的对准特征和挠性对准特征合作以实现经由弹性平均的精确对准。
20.如权利要求19所述的光电模块，其中所述专用表面特征中的所述固定特征在数量上至少有20个。
全文摘要
在一种光电组件中，一个或多个光束路径对准相应数量的有源光学元件，在该光电组件中，可变对准特征和固定对准特征的合作实现了弹性平均，以便提供目标的精确性。通过经由大量可变和固定对准特征的局部耦合平均尺寸和位置误差，弹性平均提供了与更加昂贵且复杂的运动学对准技术相同的精确性。
文档编号G02B6/42GK1779495SQ20051012347
公开日2006年5月31日 申请日期2005年11月21日 优先权日2004年11月22日
发明者罗伯特·H·伊, 布伦顿·A·鲍, 詹姆斯·H·威廉斯, 罗伯特·E·威尔逊, 理查德·A·路 申请人:安捷伦科技有限公司