具有全内反射表面和较短光程长度的光学主体的制作方法
【专利摘要】公开具有全内反射表面(28)和较短光程长度(d2)的光学主体，以及使用所述光学主体的电子装置。光学主体包含至少一个光学通道(OC)并且包含全内反射(TIR)表面(28)和位于光学主体的底部的透镜(29)。举例来说，较短光程长度可使得光学主体的透镜在距光学模块的前端500微米或更小的距离处。在另一个实施方案中，光学主体可包括与前端相邻的窗口(40)。还公开制造光学连接器的方法。
【专利说明】具有全内反射表面和较短光程长度的光学主体
[0001] 优先权申请
[0002] 本申请根据美国专利法第35篇第119条要求2014年2月17日提交的美国临时申请 序列号第61/940,654号优先权，所述申请的内容是本申请的基础并W全文引用方式并入本 文。
[000；3]领域
[0004] 本公开针对具有全内反射表面和较短光程长度的光学主体，W及使用光学主体的 光学连接器和电子装置。
[0005] 背景
[0006] 在很多传统长距离和城域电信网络中，出于如大带宽容量、电介质特性等的众多 原因，光纤已取代了基于铜的连接。由于消费者需要用于如智能电话、膝上型计算机、平板 计算机等的消费者电子装置的更大带宽，因此用于光学信号发射的光纤和光学端口正被考 虑替换用于运些应用的常规基于铜的连接。然而，与基于铜的连接比较，在电子装置中提供 光学连接存在重大挑战。举例来说，如智能电话、显示器、电视、存储装置、膝上计算机、摄像 机和平板计算机的装置暴露于粗鲁操作与苛刻环境，并且消费者将期待用W应对运些苛刻 条件的光学连接。另外，运些类型的装置将需要在其寿命期间的大量插接/拔开循环。另外， 随着某些装置变得紧凑和相对较薄，相关的光学连接器也应该变得紧凑且具有相对小的占 用面积，同时对于消费应用仍然足够稳健。
[0007] 光学连接要求在装置之间的光学接口处的光学通道具有适当的光学对准W便将 光学信号传输至接口处并且进入所需装置中，例如在光学接口处使用插接的插头和插座时 就是运样。装置的光学通道还需要与用于相应传输和接收光学通道的装置的有源部件适当 光学对准。随着装置的光学通道的数目增加，光学通道的此光学对准也通常变得更困难。因 此，存在对于可与消费者或其它电子装置一起使用的光学连接器的未解决的需求，所述光 学连接器可适应消费环境的苛刻处理，在装置寿命期间预期的大量插接/拔开循环，适当紧 凑的占用面积W及用于传输/接收光学信号的光学通道的适当的光学对准。
[000引概述
[0009] 本公开针对用于进行光学连接的具有全内反射(TIR)表面和较短光程长度的光学 主体。在一个实施方案中，光学主体包含前端、顶部和底部，和包含TIR表面和透镜的至少一 个光学通道。透镜位于主体的底部并且位于距前端500微米或更小的距离处;然而，其他合 适距离是可能的。光学主体可进一步包含与前端相邻的窗口。
[0010] 本公开的另一个实施方案针对进行光学连接的光学主体，其包含前端、顶部和底 部，和包含全内反射(TIR)表面和透镜的至少一个光学通道。透镜位于底部并且位于距前端 500微米或更小的距离处;然而，其他合适距离是可能的。光学主体进一步包含与前端相邻 的窗口，和具有至少一个有源部件的电路板，其中电路板连接至光学主体W使得电路板的 至少一个有源部件与透镜对准。
[0011] 本公开的另一个方面针对电子装置，其包含光学插座，所述光学插座包含光学主 体，所述光学主体包含前端、顶部和底部，和包含全内反射(TIR)表面和透镜的至少一个光 学通道。透镜位于底部并且位于距前端和具有至少一个有源部件的电路板500微米或更小 的距离处。电路板连接至光学主体W使得电路板的至少一个有源部件与透镜和连接至光学 主体的前端的窗口对准。
[0012] 本公开还设及一种用于制造光学连接器的方法。所述方法包括W下步骤:提供光 学主体，所述光学主体包含前端、顶部和底部，和包含全内反射(TIR)表面和透镜的至少一 个光学通道。透镜位于底部并且距前端500微米或更小的距离，并且将光学主体连接至光学 连接器的壳体。
[0013] 额外的特征和优点将在W下的详述中阐述，并且在部分程度上，本领域技术人员 将从说明书显而易见运些特征和优点，或者通过实践在本文(包括随后的详述、权利要求书 W及附图）中所描述的相同内容来认识所述特征和优点。
[0014] 应理解，上述一般描述和W下详述提出实施方案，所述实施方案旨在提供用于理 解权利要求书的性质和特征的概述或框架。包括附图来提供对本公开的进一步理解，并且 并入本说明书中并构成本说明书的一部分。【附图说明】各种实施方案，并且与说明书一起用 于解释原理和操作。
[0015] 附图简述
[0016] 图1是具有具备光学主体的光学连接器的电子装置的一部分的横截面视图；
[0017] 图2是具有具备不同结构的另一个光学主体的另一个光学连接器的电子装置的一 部分的横截面视图；
[0018] 图3是图2的光学连接器的部分前透视横截面视图；
[0019] 图4是与图2和3的光学连接器类似的混合光学连接器的完整横截面视W及光学连 接器的一部分的详细视图；并且
[0020] 图5为图4的光学连接器的前透视图；并且
[0021 ]图6是图4和5的光学连接器的另一个横截面透视图。
[0022] 详细说明
[0023] 现将详细参考本公开的实施方案，所述实施方案的实例例示在附图中。在一切可 能的情况下，将使用相同元件符号来指代相同的部件或零件。
[0024] 本文公开的光学连接器允许用于往来于电子装置传输光学信号的高速数据应用。 此外，使用所公开光学主体的光学连接器可具有相对小和紧凑占用面积W使得其可用于具 有光学插座或光学端口的装置诸如平板计算机、智能电话、显示器、电视、存储装置、摄像机 等，但是所公开概念可适合用于电缆组件W及其他合适应用。所公开光学主体包含相对较 短光程和全内反射表面。与具有相对较长光程长度的常规光学主体相比，光学主体的光学 通道的较短光程长度抑制光学波束从所需目标区离散诸如往来于有源装置诸如光电二极 管或激光器。换一种方式说，本文公开的光学主体设计的较短路径长度允许光学信号对于 角度误差和/或偏差不太敏感，W便于组装至电路板上的有源部件和/或当在光学接口处插 接时。在一个实施方案中，光学主体包含前端、顶部、底部，和包含全内反射(TIR)表面和透 镜的至少一个光学通道。透镜位于光学主体的底部并且距前端500微米或更小的距离，但是 诸如300微米或更小的其他较短距离也是可能的。所公开概念提供具有相对较短光程长度 的光学主体并且有助于制造在组装期间更容易与有源光学部件对准的电子装置的光学连 接器，因为所述设计抑制光学波束离散。同样地，在与互补连接器插接时，光学主体的光学 接口处的插接不太易发生未对准和/或光学波束离散，同时保持合适光学性能。此外，所公 开光学主体可具有相对小占用面积，运对于用于具有薄和紧凑轮廓的电子装置等是有利 的。
[0025]图1是具有具备根据所公开概念的光学主体20的光学连接器100的电子装置10的 一部分的横截面视图。在此实施方案中，光学连接器100被配置成光学插座，其为电子装置 10的一部分，诸如膝上型计算机、平板计算机、智能电话、显示器电视机、数据存储装置、摄 像机等，但是根据需要，所公开概念可用于其他电子装置。换句话说，光学主体20为电子装 置的一部分。光学连接器100还可任选地包括安装于电子装置10的外壳80的开口中的壳体 60 〇
[00%]光学连接器100的光学主体20用于与作为电缆组件等的一部分的互补光学连接器 诸如光学插头进行光学连接。在其他变化中，所公开光学主体的概念可用于诸如与有源光 缆组件一起的光学插头。光学主体20包括前端22、顶部24、底部26、包含全内反射(TIR)表面 28和透镜29的至少一个光学通道0C。光学主体20的TIR表面28用于将光学信号朝向透镜29 或朝向前端22转向，运取决于光学通道0C是传输光学通道还是接收光学通道。由于光学主 体20的材料与空气之间的界面处的折射率的差异，TIR表面28将光学信号转向。
[0027] 此外，TIR表面28位于安置于光学主体20的顶部24的倾斜表面上。举例来说并且无 限制地，TIR表面28W相对于水平方向的角度诸如约45度角来安置，但是其他角度是可能 的。此布置允许光学连接器100有利地具有相对较小占用面积，尤其用于匹配较薄装置诸如 平板计算机、智能电话等的较小高度的相对较小高度。举例来说，光学连接器100可具有约5 毫米或更小、3毫米或更小的高度，但是其他尺寸是可能的。
[0028] 透镜29位于光学主体20的底部26并且位于距前端22的500微米或更小的距离dl 处。因此，与常规光学主体相比，光学主体20的光学通道0C路径长度可相对较短。因此，与常 规光学主体相比，本文所公开光学主体可抑制光学波束从所需目标区离散。如图示出，光学 主体20的全光学通道0C路径长度包括水平分量和垂直分量。此外，距前端22的距离dl可具 有任何合适值W保持光程长度的相对较短光程长度。举例来说，距前端22的距离dl可为300 微米或更小。在其他实施方案中，根据需要，光学主体可在其他位置处诸如与前端相邻处具 有更多透镜。光学主体20由在所需波长下传输光学信号的合适材料形成。举例来说，光学主 体20可由LEXAN膨或其他合适材料形成。虽然仅一个透镜29在图1的横截面中是可见的， 但是光学主体20可具有多个透镜和多个光学通道诸如传输和接收光学通道。此外，传输和 接收光学通道0C的路径长度可具有相同或不同路径长度，运取决于设计的所需光学规定。
[0029] 在此实施方案中，光学主体20进一步包含与前端22相邻的窗口40。虽然在实施方 案中示出窗口，但是本公开的概念可用于不包括窗口的光学主体。如图所示，窗口40固定至 与前端22相邻的凹穴23中W使得窗口40总体上与前端22齐平。在其他实施方案中，光学主 体可具有一或多个透镜，所述透镜安置于凹穴内并且在窗口 40后面，在其之间具有间隙。窗 口 40由允许所传输的光学信号适当地穿过的任何合适材料诸如玻璃或聚合物来形成。例 如，窗口 40可由任何合适材料形成，诸如聚合物诸如Ultem愈或茲onex?)或玻璃诸如化学 强化玻璃诸如可从Corning，Inco;rporated( Corning，NewYork)获得的玻璃。此外，窗口 40可 根据需要具有合适涂层诸如防反射涂层和/或耐刮擦涂层。窗口 40适合于预期相对较大数 目插接/拔开循环的应用或可暴露于污垢和碎片的环境诸如消费者装置;然而，部件的合适 材料应被选择来承受所需数目的插接循环。
[0030] 如图所示，电路板32连接至光学主体20。电路板32具有与其电连接的至少一个有 源(光学）部件34。有源部件34是能够传输和/或接收光学信号并且与光学主体20的相应光 学通道0C通信的装置。有源部件可包括但不限于用于传输通道的发光二极管和激光二极 管，诸如垂直腔面发射激光器（"VCSEL")和用于接收光学通道的光电探测器诸如光电二极 管等。如果使用，光学主体20的一或多个透镜29用于准直或聚焦光学信号，从而改变光学窗 口 W便与一或多个有源部件34光学对准。
[0031] 电路板32的至少一个有源部件34适当地与透镜29对准W便光学通信。举例来说并 且无限制地，电路板32可连接至光学主体20W使得连接至电路板32的一或多个有源(光学） 部件34大致上与一或多个透镜29对准。更具体地说，电路板32光学对准并且连接至光学主 体20的底部23。在此实施方案中，电路板32被配置成W合适方式电连接至母板的子电路板。 例如，子电路板可在进行电气连接的电路板部分处具有电气焊盘、引线或拴系物。此外，电 路板32具有小于光学主体20的平面占用面积的平面占用面积W使得电路板32凹陷于光学 主体20的底部囊袋中。因此，与其他连接器结构相比，光学主体组件和光学连接器100可具 有较小高度，因为电路板32和电气部件的高度hi与光学主体20的高度Η重叠(例如，高度hi (和电气部件)嵌套于高度Η内）。通过电路板与光学主体之间的此重叠(例如，嵌套)设计，在 垂直方向上的光程长度还可具有较短路径长度。在其他实施方案中，光学主体20可W常规 方式"安置"于电路板上。
[0032] 除有源部件34之外，电路板32也可具有与其电连接的其他部件。举例来说，能够驱 动有源光学部件或信号处理的其他电子部件36诸如集成电路(1C)可连接至电路板36。举例 来说，1C诸如激光驱动器、跨阻放大器(ΤΙΑ)、时钟和数据恢复(CDR)、并串行转换器/串并行 转换器(SerDes)等可连接至电路板32。此外，将如ΤΙΑ和激光驱动器的电部件放置为相对靠 近如光电二极管和VCSKJ勺有源部件允许如100微米或更短的相对短的电迹线长度或引线 长度W便用于支持高速数据传送速率，所述高速数据传送速率如20化/secW及更高。
[0033] 图2是具有具备根据所公开概念的光学主体20'的光学连接器100'的另一个电子 装置10'的一部分的横截面视图。光学主体20'类似于光学主体20并且光学主体20'的结构 差异将详细地论述。
[0034] 与光学主体20-样，光学主体20'包括前端22、顶部24、底部26、包含全内反射 (TIR)表面28和透镜29的至少一个光学通道0C。光学主体20'的TIR表面28将光学信号朝向 透镜29或朝向前端22转向，运取决于光学通道0C是传输光学通道还是接收光学通道。透镜 29位于光学主体20'的底部26并且位于距前端22 500微米或更小的距离d2处。与光学主体 20-样，窗口 40 '与光学主体20 '的前端22相邻定位。然而，窗口 40 '包含叠层结构（例如，叠 层窗口）。具体来说，窗口 40 '具有第一层40a和第二层40b。根据需要，第一和第二层40a、40b 可为相同或不同材料并且W合适方式固定在一起。与所论述的常规光学主体相比，光学主 体20'的光学通道0C路径长度可相对较短。此外，距前端22的距离d2可具有任何合适值诸如 500微米或更小W保持光程长度的相对较短光程长度。但是距离d2的其他距离是可能的，例 如，距前端22的距离d2可为300微米或更小。在其他实施方案中，根据需要，光学主体可在其 他位置处诸如与前端相邻处具有更多透镜。
[0035] 窗口 40 '（例如，叠层窗口）的一部分连接至光学主体20 '的前端22和具有至少一个 有源部件34的电路板32。电路板32连接至光学主体20'W使得电路板32的至少一个有源部 件34适当地对准透镜29并且叠层窗口 40 '具有交错轮廓W使得窗口 40 '的一部分安置于电 路板32的占用面积内。如图所示，第一层40a具有尺寸S1并且第二层40b具有尺寸S2,并且尺 寸S1大于尺寸S2W形成第一层40a与第二层40b之间的尺寸差AS。因此，窗口40'后缩W使 得一部分(例如，第二层40b)安置于电路板32上方W使得电路板32和窗口40'的占用面积在 水平方向上重叠。因此，与光学主体20相比，光学主体20'在水平方向上的光学通道OC路径 长度可较短。
[0036] 图3是光学连接器100'的部分前透视横截面视图。如图所描绘，光学主体20'可进 一步包括安置于前端22上的一或多个对准特征27。对准特征27可为任何合适结构诸如孔、 销、城堡形等。光学主体20'的对准特征27与互补连接器上的互补特征诸如销、孔等协作W 便适当对准相应光学接口部分（即，光学主体的插接部分)的光学通道。在此实施方案中，对 准特征27是对准孔;然而，对于光学主体20 '，其他合适对准特征是可能的，诸如对准销或其 他结构。根据需要，对准特征27可安置于光学通道0C的相对侧上。在一个实施方案中，第一 对准孔可为狭槽(例如，其中狭槽的较长尺寸沿着在对准特征之间绘制的线的方向来布置） 并且第二对准孔是圆形的，诸如在图5中示出。因此，对准特征可适应热膨胀，因为一个销提 供X和Y对准并且第二销提供旋转对准并且可抑制由于热尺寸变化所导致的应力。
[0037] 所公开的光学连接器可仅提供光学连接或可根据需要具有混合光学和电气连接。 图4-6描绘另一个光学连接器200,其包含安置于光学主体20'的相对侧上的电气触点240。 图4是与光学连接器100、100'类似的混合光学连接器200的完全横截面视图。图5是光学连 接器200的前透视图并且图6是光学连接器200的另一个横截面透视图。
[0038] 光学连接器200类似于光学连接器100并且使用光学主体20'，但是具有一或多个 电气触点240,所述电气触点安置于壳体60'内并且安置于光学主体20'的外侧端面上。一或 多个电气触点240可安置于相应导轨250上，所述导轨由电介质材料形成W便将电气触点 240与壳体60'电隔离。电气触点240是擦拭触点，但是用于其他合适电触点是可能的。在其 他实施方案中，导轨250可与光学主体20'形成一体;然而，运可能是不可取的，因为来自电 气连接器的力可传递至光学主体并且潜在地导致未对准。例如，光学连接器10包括一或多 个孔中的一或多个弹针式电气触点40,运可抑制力传递至光学主体。在此布置中，电气触点 从后部插入孔中并且电气触点的一部分延伸超过前端。电学触点40可W其他合适方式来固 定至光学主体20诸如摩擦配合、机械连接或粘着剂。另外，电气触点可W合适方式布置W便 电气连接至装置。同样地，根据需要，所公开的其他光学连接器1〇〇、1〇〇'也可任选地包括一 或多个电气触点。在其他实施方案中，光学主体可包括与前端相邻的一或多个孔W便接收 一或多个电气触点40。在更进一步实施方案中，本文所公开光学主体还可任选地包括一或 多个开口用于接收一或多个磁性材料W便将光学连接器固定至互补光学连接器。
[0039] 如图所示，电路板32'具有与其连接的电气拴系物90W便将电气信号传递至另一 个位置诸如另一个电路板。作为解释，拴系物90用于从电路板32'电气连接至另一个电路板 诸如子电路板，其电连接至电子装置的母电路板。拴系物90可在拴系物90的一个或两个末 端上任选地包括一或多个电气连接器92W实现即插即用电气连接。
[0040] 本公开还设及一种用于制造光学连接器的方法。制造光学连接器的一个说明性方 法包括W下步骤:提供光学主体，其包含前端、顶部、底部，和包含TIR表面和透镜的至少一 个光学通道，其中透镜位于光学主体的底部并且距前端500微米或更小的距离;并且将光学 主体连接至光学连接器的壳体。方法还可任选地包括连接与光学主体的前端相邻的窗口的 步骤。另一个任选步骤包括将电路板连接至光学主体W使得电路板的至少一个光学部件与 光学主体的透镜对准。
[0041]尽管已参考本公开的实施方案和特定实例来说明并描述了公开内容，但是本领域 一般技术人员将显而易见的是，其他实施方案和实例可执行类似的功能和/或实现类似结 果。所有此类等效实施方案和实例都在本公开的精神和范围内，并且旨在受随附权利要求 书的涵盖。本领域技术人员还将明白的是，可在不脱离本公开的精神和范围的情况下对所 公开的概念做出各种修改和变化。因此，本申请旨在涵盖运些修改和变化，前提是它们落在 随附权利要求书和其等效物的范围内。
【主权项】
1. 一种用于进行光学连接的光学主体，其包含： 前端、顶部和底部，和包含全内反射(TIR)表面和透镜的至少一个光学通道，其中所述 透镜位于所述底部并且距所述前端500微米或更小的距离。2. 如权利要求1所述的光学主体，其中所述透镜距所述前端300微米或更小的距离。3. 如权利要求1或2中任一项所述的光学主体，其进一步包含与所述前端相邻的窗口。4. 如权利要求3所述的光学主体，所述窗口包含叠层结构。5. 如权利要求1至4中任一项所述的光学主体，其进一步包含具有至少一个有源部件的 电路板，其中所述电路板连接至所述主体以使得所述电路板的所述至少一个有源部件与所 述透镜对准。6. 如权利要求1所述的光学主体，其进一步包含连接至所述光学主体的所述前端的叠 层窗口和具有至少一个有源部件的电路板，其中所述电路板连接至所述光学主体以使得所 述电路板的所述至少一个有源部件与所述透镜对准并且所述叠层窗口具有交错轮廓以使 得所述窗口的一部分安置于所述电路板的占用面积内。7. 如权利要求1至6中任一项所述的光学主体，所述光学主体包含所述光学主体的所述 前端处的一或多个对准特征。8. 如权利要求7所述的光学主体，其中所述一或多个对准特征包含一或多个孔。9. 如权利要求7所述的光学主体，其中所述一个或多个对准特征是对准销。10. 如权利要求1至9中任一项所述的光学主体，其进一步包括一或多个电气触点。11. 如权利要求1至10中任一项所述的光学主体，所述光学主体为电子装置的一部分。12. -种用于进行光学连接的光学主体，其包含： 前端、顶部和底部，和包含全内反射(TIR)表面和透镜的至少一个光学通道，其中所述 透镜位于所述底部并且距所述前端500微米或更小的距离； 与所述前端相邻的窗口；和 具有至少一个有源部件的电路板，其中所述电路板连接至所述光学主体以使得所述电 路板的所述至少一个有源部件与所述透镜对准。13. 如权利要求12所述的光学主体，其中所述透镜距所述前端300微米或更小的距离。14. 如权利要求12或13中任一项所述的光学主体，所述窗口包含叠层结构。15. 如权利要求14所述的光学主体，其中所述叠层窗口具有交错轮廓以使得所述窗口 的一部分安置于所述电路板的占用面积内。16. 如权利要求12至15中任一项所述的光学主体，所述光学主体包含所述光学主体的 所述前端处的一或多个对准特征。17. 如权利要求16所述的光学主体，其中所述一或多个对准特征包含一或多个孔。18. 如权利要求16所述的光学主体，其中所述一个或多个对准特征是对准销。19. 如权利要求12至18中任一项所述的光学主体，其进一步包括一或多个电气触点。20. 如权利要求12至19中任一项所述的光学主体，所述光学主体为电子装置的一部分。21. -种电子装置，其包含： 光学插座，所述光学插座包含光学主体，所述光学主体包含前端、顶部和底部，和包含 全内反射(TIR)表面和透镜的至少一个光学通道，其中所述透镜位于所述底部并且距所述 前端500微米或更小的距离； 具有至少一个有源部件的电路板，其中所述电路板连接至所述光学主体以使得所述电 路板的所述至少一个有源部件与所述透镜对准;和 连接至所述光学主体的所述前端的窗口。22. 如权利要求21所述的电子装置，其中所述透镜距所述前端300微米或更小的距离。23. 如权利要求21或22中任一项所述的电子装置，所述窗口包含叠层结构。24. 如权利要求23所述的电子装置，其中所述窗口具有交错轮廓以使得所述窗口的一 部分安置于所述电路板的占用面积内。25. 如权利要求21至24中任一项所述的电子装置，所述光学主体包含所述光学主体的 所述前部处的一或多个对准特征。26. 如权利要求21至25中任一项所述的电子装置，其进一步包括一或多个电气触点。27. -种用于制造光学连接器的方法，其包含： 提供光学主体，所述光学主体包含前端、顶部和底部，和包含全内反射(TIR)表面和透 镜的至少一个光学通道，其中所述透镜位于所述底部并且距所述前端500微米或更小的距 尚；并且 将所述光学主体连接至所述光学连接器的壳体。28. 如权利要求27所述的方法，其进一步包含连接与所述光学主体的所述前端相邻的 窗口。29. 如权利要求27或28中任一项所述的方法，其进一步包含将电路板连接至所述光学 主体以使得所述电路板的至少一个光学部件与所述光学主体的透镜对准的步骤。
【文档编号】G02B6/42GK106068475SQ201580012742
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2015年2月12日 公开号201580012742.9, CN 106068475 A, CN 106068475A, CN 201580012742, CN-A-106068475, CN106068475 A, CN106068475A, CN201580012742, CN201580012742.9, PCT/2015/15577, PCT/US/15/015577, PCT/US/15/15577, PCT/US/2015/015577, PCT/US/2015/15577, PCT/US15/015577, PCT/US15/15577, PCT/US15015577, PCT/US1515577, PCT/US2015/015577, PCT/US2015/15577, PCT/US2015015577, PCT/US201515577
【发明人】迈卡·科伦·艾森豪尔, 詹姆斯·菲利浦·卢瑟
【申请人】康宁光电通信有限责任公司