具有高耦合效率的允许未对准的全内反射光纤接口模块和组件的制作方法

具有高耦合效率的允许未对准的全内反射光纤接口模块和组件的制作方法
【专利摘要】本发明公开光纤接口模块和使用所述光纤接口模块的组件，其中所述模块和组件能够允许未对准并且具有高耦合效率。所述模块具有限定穿过模块本体的折叠光学路径的至少一个透镜。所述折叠光学路径通过所述模块本体内从所述模块的倾斜壁的全内反射来形成。所述透镜具有非球面前表面和平坦后表面并且被配置成具有相对于光源的横向未对准的最优公差，同时维持所述光源与光纤之间的高耦合效率。
【专利说明】具有高耦合效率的允许未对准的全内反射光纤接口模块和 组件
[0001] 优先权
[0002] 本申请根据专利法要求2012年3月30日提交的美国申请序列号13/436, 197的 优先权的权益，所述申请的内容是本案的依托并且以引用的方式整体并入本文。

【技术领域】
[0003] 本公开涉及光纤接口模块和组件，并且具体来说，涉及采用全内反射的这类模块 和组件。

【背景技术】
[0004] 用于消费电子产品的短距离数据链路的数据速率变得越来越高，尤其是用于视频 和数据存储应用的那些短距离数据链路。实例包括5Gb/s的USB 3. 0协议、lOGb/s的HDMI 以及在两个信道上的l〇Gb/s的Thunderbolt。在这类高数据速率下，传统的铜电缆具有有 限的传输距离和电缆灵活性。出于至少这些原因，光纤作为铜线的替代物出现，以用于适应 下几代消费电子产品的高数据速率。
[0005] 与连同调制器一起采用昂贵的高功率边缘发射激光器的电信应用不同，短距离光 纤链路是基于低成本、低功率的直接调制的光源如垂直空腔表面发射激光器（VCSEL)。为 了在消费电子产品中可行，用于在一个方向上将来自光源的光耦合到光纤中并且在另一方 向上将另一光纤中传播的光耦合到光电二极管上的光纤接口模块和组件需要是低成本的。 这种要求推动了对设计制造简单且同时具有合适的性能的光纤接口模块和组件的需求。因 此，尚未解决的是需要具有宽松的未对准公差和无源对准过程的光纤接口模块。


【发明内容】

[0006] 本公开的一方面是一种配置来在光源与具有末端和纤芯的光纤之间提供红外光 的光学通信的光纤接口模块。所述模块包括模块本体，所述模块本体对具有红外波长的光 是基本上透明的并且包括顶表面和底表面，其中所述顶表面包括全内反射（TIR)镜、端壁 以及支撑所述光纤的光纤支撑特征结构，其中所述光纤末端抵接所述端壁。所述模块具有 形成在所述模块本体的所述底表面上的透镜表面，其中所述透镜表面、所述TIR镜、所述端 壁以及所述模块本体的介入部分限定具有折叠光轴的透镜，所述折叠光轴与所述光源可横 向偏置横向未对准S Z。所述透镜表面具有一种形状，所述形状提供所述光源与所述光纤之 间的理论耦合效率CE > 90%并且在所述光纤可操作地支撑在所述光纤支撑特征结构中时 限定在0 SF2 < 500 μ m范围内的后聚焦距离F2处落在所述光纤纤芯内的后聚点。
[0007] 本公开的另一方面是上述光纤接口模块，其中所述后聚焦距离F2是在 0彡F2彡200 μ m的范围内。
[0008] 本公开的另一方面是上述光纤接口模块，其中所述透镜形状被选择来提供维持耦 合效率CE > 85%的所述横向未对准δ Z的最大公差。
[0009] 本公开的另一方面是上述光纤接口模块，其中所述透镜表面具有双曲线形状。
[0010] 本公开的另一方面是上述光纤接口模块，其中所述透镜表面形状由80微米 彡R彡300微米范围内的半径R限定。
[0011] 本公开的另一方面是上述光纤接口模块，所述光纤接口模块进一步包括具有抛物 线型梯度折射率分布的光纤纤芯。
[0012] 本公开的另一方面是一种用于将来自具有光源轴的光源的红外光耦合至具有末 端和纤芯的光纤的透镜，所述纤芯具有与所述光源轴大体正交的中心轴。所述透镜沿光轴 包括透镜本体，所述透镜本体具有带有非球面形状的前透镜表面并且构成具有光学功率的 唯一表面以及用于所述光源与所述光纤之间的光学路径的唯一空气界面。所述透镜本体具 有所述光纤末端抵接的平坦后透镜表面，并且还具有在其中于所述前透镜表面与后透镜表 面之间形成的TIR表面，所述TIR表面使所述透镜轴折叠以使得所述透镜轴与正交的光源 轴和中心轴对准。所述透镜具有位于所述光纤纤芯内的后焦点。
[0013] 本公开的另一方面是上述透镜，其中所述后聚焦距离F2是在0微米< F2 < 500 微米的范围内。
[0014] 本公开的另一方面是上述透镜，其中所述后聚焦距离F2是在0微米< F2 < 200 微米的范围内。
[0015] 本公开的另一方面是上述透镜，其中所述非球面形状是双曲线形的。
[0016] 本公开的另一方面是上述透镜，其中透镜将光耦合到光纤中。作为光纤设计的一 个实例，所述光纤的所述纤芯可以具有抛物线型梯度折射率分布。
[0017] 本公开的另一方面是上述透镜，其中所述前透镜表面具有由80微米< RS 300微 米范围内的半径R限定的形状。
[0018] 本公开的另一方面是上述透镜，其中所述非球面形状提供将所述光源与所述光纤 之间的耦合效率CE维持在CE > 85%的横向未对准的最大公差。
[0019] 本公开的另一方面是上述透镜，所述透镜进一步包括所述光源和所述光纤，其中 所述光源包括垂直空腔表面发射激光器。
[0020] 本公开的另一方面是上述透镜，所述透镜进一步包括设置在所述光纤的所述端与 所述平坦后透镜表面之间的折射率匹配材料。
[0021] 本公开的另一方面是上述透镜，其中所述透镜本体由传输800nm至1，IOOnm的波 长范围内的红外光的树脂制成。
[0022] 本公开的另一方面是一种包括透镜的光学系统，所述透镜具有透镜本体，所述透 镜本体具有透镜轴、具有非球面形状的前表面以及平坦后表面，所述透镜本体对具有红外 波长的光是基本上透明的。所述透镜包括TIR表面，所述TIR表面在所述透镜本体中形成 于所述前透镜表面与后透镜表面之间并且使所述透镜轴折叠大体90度。所述光学系统包 括具有纤芯和末端的光纤，其中所述光纤布置成其末端抵接所述平坦后透镜表面。所述光 学系统还具有大体设置在与所述前透镜表面远离前聚焦距离处的光源，其中所述光源被配 置来发射具有红外波长的光。所述光学系统具有位于所述光纤纤芯内与所述平坦后表面相 距后聚焦距离F2处的后焦点。
[0023] 本公开的另一方面是上述光学系统，其中所述后聚焦距离F2是在0微米 彡F2彡500微米的范围内。
[0024] 本公开的另一方面是上述光学系统，其中所述后聚焦距离F2是在0微米 彡F2彡200微米的范围内。
[0025] 本公开的另一方面是上述光学系统，其中所述前表面具有由80微米< RS 300微 米范围内的半径R限定的形状。
[0026] 本公开的另一方面是上述光学系统，其中所述光纤纤芯具有抛物线型梯度折射率 分布。
[0027] 本公开的另一方面是上述光学系统，其中所述前透镜表面的所述形状提供所述光 源相对于所述透镜轴的横向未对准的最大公差，同时将所述光源与所述光纤之间的耦合效 率CE维持在CE > 85%。
[0028] 本公开的另一方面是上述光学系统，其中所述光源包括垂直空腔表面发射激光 器。
[0029] 本公开的另一方面是上述光学系统，其中所述透镜具有所述前表面与后表面之间 在400微米< d2 < 1，600微米范围内的轴向厚度d2。
[0030] 本公开的另一方面是上述光学系统，所述光学系统进一步包括：所述透镜本体，所 述透镜本体由传输800nm至1，IOOnm的波长范围内的红外光的树脂制成。
[0031] 本公开的另一方面是一种配置来在多个光源与各自具有末端和纤芯的多个光纤 之间提供红外光的光学通信的光纤接口模块。所述模块具有模块本体，所述模块本体对红 外光是基本上透明的并且包括顶表面和底表面，其中所述顶表面限定TIR镜、端壁以及可 操作地支撑所述多个光纤的光纤支撑特征结构，其中所述光纤末端抵接所述端壁。所述模 块具有形成在所述模块本体的所述底表面上的多个透镜表面，其中所述透镜表面、所述TIR 镜、所述端壁以及所述模块本体的介入部分限定各自具有折叠光轴的多个透镜，所述折叠 光轴与所述多个光源中的对应一个可以横向偏置横向未对准。所述透镜表面各自具有一种 形状，所述形状提供每个光源与对应的光纤之间的理论耦合效率CE > 85%，所述透镜表面 在所述光纤各自可操作地支撑在所述光纤支撑特征结构中时限定在相应的后聚焦距离F2 处落在对应光纤的光纤纤芯内的对应后焦点。
[0032] 本公开的另一方面是上述光纤接口模块，其中所述后聚焦距离F2是在0微米 彡F2彡500微米的范围内。
[0033] 应理解，前文概括描述和以下详细描述都呈现了本公开的实施方案，并且意图提 供概述或框架以用于理解本公开所要求保护的本质和特征。包括附图以提供对本公开的进 一步理解，并且所述附图并入本说明书中且构成本说明书的一部分。附图示出本公开的各 种实施方案并且连同本文阐述的描述用于解释本公开的原理和操作。权利要求书并入下文 阐述的详细描述中并且构成详细描述的一部分。

【专利附图】

【附图说明】
[0034] 图1是根据本公开的示例性光纤接口模块的正视俯视图；
[0035] 图2是图1的示例性光纤接口模块的仰视图；
[0036] 图3是如在Y-Z平面上并沿光纤支撑特征结构之一取得的图1和图2的示例性光 纤接口模块的截面图；
[0037] 图4是在延伸穿过模块的一部分且其倾斜壁用作全内反射镜的三角形突脊周围 的区域中的光纤接口模块的特写截面图；
[0038] 图5是光纤接口组件的示例性实施方案的分解图，所述光纤接口组件包括图1至 图4的光纤接口模块、任选盖子以及可操作地支撑集成电路（IC)芯片和有源光器件的印刷 电路板（PCB);
[0039] 图6是与图5类似的部分分解图并且示出相对于所述PCB可操作地设置的光纤接 口丰旲块；
[0040] 图7A是光纤接口组件的截面图，示出所示的有源光器件可操作地支撑在IC芯片 顶上的实施方案；
[0041] 图7B类似于图7A并且示出一个示例性实施方案，其中所示的有源光器件可操作 地直接支撑在PCB表面上邻近IC芯片，所述IC芯片装配在模块凹槽内并且电连接至有源 光器件；
[0042] 图8是针对光纤接口模块，任选盖子的示例性实施方案的仰视图；
[0043] 图9A是与图4类似的特写图并且示出PCB或IC芯片以及作为光源的有源光器 件，并且还示出来自光源的光在折叠光源光学路径上传播穿过光纤接口模块而到达位于光 纤支撑特征结构中支撑的光纤内的焦点处；
[0044] 图9B类似于图9A并且示出光纤中的光在相反方向上，在折叠检测器光学路径上 从光纤传播并穿过光纤接口模块而到达由IC芯片或PCB板支撑的光电检测器形式的有源 光器件；
[0045] 图10是由光纤接口模块的透镜以及相对于所述透镜可操作地布置的光源和光纤 形成的示例性光学系统的示意图；
[0046] 图11是示出示例性横向未对准δ Z的光源的特写图；
[0047] 图12是在横向未对准δ Z等值线情况下曲率半径R和二次曲线常数k的等值线 图，示出提供最佳对准公差且同时具有耦合效率CE = 100%的（R，k)空间的区域；
[0048] 图13是针对常规配置和光纤接口模块的透镜聚焦在光纤内的情况下的配置，横 向未对准δ Z(微米）的量对耦合效率CE(% )的图；
[0049] 图14类似于图2，并且示出一个示例性实施方案，其中窗口单元500设置在光纤接 口模块的凹槽中以维持透镜表面102处的空气界面；
[0050] 图15A是与图4类似的特写截面图，并且示出设置在凹槽80中处于印刷电路板上 表面与凹槽顶板之间的图14的窗口单元；
[0051] 图15B类似于图15A，并且示出窗口单元框架被配置来由印刷电路板的上表面支 撑的窗口单元的一个示例性实施方案；
[0052] 图16类似于图15A和图15B，并且示出窗口框架更为紧凑的另一示例性实施方案， 并且其中小球（globule)基本上填充满由窗口单元限定的整个下凹槽部段；以及
[0053] 图17是与图16类似的视图，并且示出由模块本体的一部分形成的窗口单元的示 例性实施方案。
[0054] 本公开的另外的特征和优点在以下详细描述中进行阐述并且本领域技术人员将 从描述中变得清楚明白，或者通过实践如本文所描述的本公开连同权利要求书和附图来了 解。
[0055] 出于参考目的，某些附图中示出了笛卡尔坐标（Cartesian coordinate)并且不意 图对方向或取向进行限制。

【具体实施方式】
[0056] 本公开涉及光纤接口模块和组件，并且具体来说涉及采用全内反射的这类模块和 组件。首先论述光纤接口模块的示例性实施方案，之后论述采用所述光纤接口模块的光纤 接口组件的不例性实施方案。然后结合由透镜、光源以及光纤形成的光学系统来描述与光 纤接口模块相关联的透镜的示例性配置。
[0057] 光纤接口模块
[0058] 图1是根据本公开的示例性光纤接口模块（"模块")10的俯视正视图。图2是图 1的示例性模块10的仰视图，而图3是在沿光纤支撑特征结构42 (下文所介绍和所论述） 之一的Y-Z平面上取得的图1和图2的示例性模块10的截面图。
[0059] 模块10具有本体12,所述本体12在一个实例中通常成形为包括如下文所描述形 成于其中的另外的特征的矩形平行六面体形状。本体12具有前端14、与前端大体平行的后 端16、顶表面18以及与顶表面大体平行的底表面20。本体12还具有在一个实例中各自包 括突出部23的大体平行的侧部22。模块10具有如图1中所示的长度LZ、宽度LX以及高 度LY的尺寸，所述尺寸通常应尽可能小，除非空间限制不成为问题。这些尺寸的实例包括 2謹< LZ < 10謹，2謹< LX < Ktom以及1謹< LY < 4mm,但使用本文所公开的概念,其它 合适的形状和/或大小也是可行的。
[0060] 顶表面18包括前顶表面部段30,所述前顶表面部段30邻近前端14并且包括邻近 相应侧部22形成并在Y方向上延伸至底表面20的两个对准孔32。顶表面18还包括邻近 后端16并包括一个或多个光纤支撑特征结构42的后顶表面部段40。光纤支撑特征结构 42各自设定尺寸来容纳光纤200。在一个实例中，光纤支撑特征结构42是在Z方向上延伸 即与侧部22大体平行的沟槽。在一个实例中，所述沟槽具有V形截面。
[0061] 图1示出分别设置在四个光纤支撑特征结构42中的两个内的两个光纤 200。示例性光纤200是多模光纤，例如像粗芯高数值孔径光纤，例如可从Corning Incorporated (Corning, New York)获得的 VSDN?光纤。名称为"High numerical aperture multimode optical fiber"的公布的PCT专利申请公布号W02010036684中也论述了不例性 光纤200，所述专利申请以引用的方式并入本文。
[0062] 顶表面18还包括突脊50,所述突脊50位于前顶表面部段30与后顶表面部段40 之间并且延伸穿过模块10,即在X方向上延伸。图4是在突脊50周围的模块本体12的区 域的特写截面图，并且还示出由光纤支撑特征结构42支撑的光纤200的一部分。还参考图 10 (下文所介绍和所论述），光纤200具有末端202以及与具有折射率η。的光纤纤芯（"纤 芯"）206的中心轴重合的中心轴204。纤芯206由具有折射率η α的包层208包围，其中 ηα〈η。。在一个实例中，光纤200具有数值孔径NAf = 0. 29。此外在一个实例中，纤芯206 具有梯度折射率分布，其在一个实例中是抛物线型分布。在一个实例中，纤芯206具有约80 微米的直径。
[0063] 在一个实例中，突脊50具有大体三角形的截面形状并且包括面向后端16的大体 垂直的端壁52以及面向前端14并且相对于顶表面18以一个角度倾斜远离所述前端的倾 斜壁54。在一个实例中，倾斜壁54相对于Y方向具有标称角度Θ =45°。端壁52在后 顶表面部段40中的光纤支撑特征结构42处以大体直角终止。光纤支撑特征结构42在后 端16处是开放的。
[0064] 此外在一个实例中，端壁52可以与完全垂直相差较小角度（例如，2° )，以允许折 射率匹配材料220 (例如，环氧树脂）在光纤200的末端202周围流动并且位于光纤末端与 端壁之间，而不将气泡截留在两者之间。端壁52因此用作建立由光纤支撑特征结构42支 撑的光纤200的纵向位置（即，Z方向位置）的光纤末端202的机械止动件。
[0065] 在一个实例中，倾斜壁54包括下部54L，所述下部54L还用作邻近突脊50朝向前 端14且紧挨着倾斜壁54而形成的沟道60的后壁。沟道60还包括底板62和朝向前端14 且与倾斜壁54相对的前壁64。沟道60还可以是这样的，S卩：使得底板62是弯曲的，从而 使得所述底板、前壁64以及后壁（下部）54L形成一个连续弯曲表面，其中下部/后壁是线 性倾斜的。
[0066] 沟道60用于提供比倾斜壁54在顶表面18处终止的情况下那样（以虚线示出以 供参考）更长的对于倾斜壁54而言的空气-本体界面。这允许倾斜壁54用作大体90度 全内反射（TIR)镜，所述全内反射镜的目的在下文更详细地描述。倾斜壁54下文称为TIR 镜54。简单来说，TIR镜54在倾斜壁54的材料与空气之间提供具有不同折射率的界面以 用于使模块10内的光学信号转向。
[0067] 模块10还可以包括任选的对准支柱70,所述对准支柱70形成在顶表面18中位 于沟道60与侧部22之间并且从所述顶表面向上（S卩，在Y方向上）延伸以用于附接盖子。 然而，使用盖子的其它实施方案可以设计来使得所述盖子以卡扣形式配合或具有摩擦配合 以用于附接。
[0068] 如图2和图3中最佳可见，模块10在本体12中包括在底表面20中且靠近前端14 形成的凹槽80。凹槽80在模块本体12中限定顶板82和端壁84,后者示出为倾斜远离前 端14。顶板82包括在端壁84附近的一个或多个透镜表面102。一个或多个透镜表面102 连同TIR镜54和端壁52限定各自具有折叠透镜轴104的对应的一个或多个透镜100。折 叠透镜轴104以与其成大体直角穿过透镜表面102和端壁52。
[0069] 一个或多个透镜表面102和相关联的一个或多个折叠透镜轴104沿Z方向与对应 的一个或多个光纤支撑特征结构42对准，其中每个光纤支撑特征结构对准一个透镜表面， 并且因此每个其内支撑的光纤200对准一个透镜表面。
[0070] 在一个实例中，当对应的光纤200位于对应的光纤支撑特征结构42中时，折叠透 镜轴104的在Z方向上延伸的部分与光纤中心轴204重合。因此，光纤支撑特征结构42被 配置来使得光纤中心轴204和透镜轴104大体以直角相交并且大体相交于倾斜壁54处。折 叠透镜轴104限定折叠光源（"光源"）光学路径OP s或折叠光电检测器（"检测器"）光学 路径OPd的部段，其中每个光学路径的一部分位于模块本体12内，如下文所论述。
[0071] 透镜表面102、TIR镜54、端壁52的对应部分以及模块本体12的对应部分在其之 间限定具有折叠光轴104的透镜100。透镜表面102可以视为"前"透镜表面并且端壁52 可以视为"后"透镜表面。模块本体12的对应部分构成透镜本体，也标记为12。前透镜表 面102与后透镜表面52之间的轴向距离是透镜厚度，S卩，透镜本体12的厚度（参见图10 中的d2)。
[0072] 在一个实例中，透镜表面102在顶板82上整体形成，S卩，与模块本体12形成一体， 并且因此构成模块本体12的弯曲部分。在另一实例中，透镜表面102添加至顶板82。透镜 表面102各自具有直径或通光孔径CA。在一个实例中，透镜表面102各自具有在250微米 与500微米之间，并且在一个更具体的实例中在300微米与400微米之间的通光孔径CA，但 其它合适的大小也是可行的。
[0073] 在一个实例中，模块本体12由对具有红外（IR)波长λ的光（即，光356,下文所 介绍和所论述）基本上透明的材料制成，所述红外波长例如为800nm至1，IOOnm范围内的 IR波长λ，所述范围是在形成光学数据链路中所使用的VCSEL的波长范围。此外，模块本 体12具有大得足以在TIR镜处提供标称90°的全内反射（TIR)的折射率η。
[0074] 在一个示例性实施方案中，模块本体12由透明树脂如General Electric Company 在ULTEMx 1010商品名称下出售的聚醚酰亚胺（PEI)形成，所述透明树脂在上述IR波 长范围内具有约η = 1. 64的折射率。在一个实例中，模块本体12是整体式的并且例如通 过模制、通过机械加工或通过模制和机械加工两者的组合来形成。在一个实例中，模具由钢 制成并且被精密微加工来使得模块本体12 (包括透镜100)的特征结构以高精度形成。
[0075] 光纤接口组件
[0076] 图5是采用模块10的光纤接口组件（"组件"）300的一个示例性实施方案的分 解图。图6是与图5类似的部分分解图。图7Α和图7Β是组件300的不同实施方案的两个 示例性截面图。组件300可以是用于较大组件如光电连接器或电缆组件的光电引擎的一部 分。术语"光电"用于描述连接器，因为它在所述连接器内进行光电转换和电光转换。换言 之，所述连接器具有用于连接至装置连同其内有源电子器件以用于将电子信号转换成光学 信号以及反过来用于沿光学波导如附接至连接器的模块的光纤进行传输的电触点。用于 O-E连接器的传输协议的实例包括USB、Display-Port、Thunderbolt等。然而，本文所公开 的模块可以具有用于已知的或进一步开发的O-E器件的其它应用。
[0077] 组件300包括具有上表面312的印刷电路板（PCB) 310,所述上表面312包括金属 引线314 (包括引线接合）和接触垫316。PCB上表面312可操作地支撑有源部件如集成电 路（IC)芯片320或其它合适的部件。在这个实例中，IC芯片320可操作地支撑至少一个 有源光器件350,如光源350S或光电检测器350D，或两者。然而，在典型构造中，光器件和 /或VCSEL是固定至所述PCB的离散部件。有源光器件350具有器件轴354。一个示例性 光源是VCSEL。图5、图6和图7A示出两个光源350S和两个光电检测器350D支撑在IC芯 片320顶上的一个实例。当有源光器件350包括光源350S时，器件轴354称为光源轴。当 有源光器件包括光电检测器350D时，器件轴354称为光电检测器轴。
[0078] 在一个实例中，光源350S具有与光356的发射相关联的数值孔径NAs，所述数值孔 径等于或小于光纤数值孔径NA f。在一个实例中，NAs = 0. 26并且其它合适的NAs值也是可 行的。类似地，在一个实例中，光电检测器350D具有大于光纤数值孔径NA f的数值孔径NAd。
[0079] 图7B示出一或多个有源光器件350可操作地直接支撑在PCB上表面312上邻近 IC芯片320的一个替代实例。IC芯片320示出为通过PCB表面312上的引线接合314电 连接至有源光器件350。在一个示例性实施方案中，IC芯片320用作光源驱动器（例如， VCSEL驱动器）、光电检测器信号处理器（例如，跨阻抗放大器）或两者。
[0080] 在图7B中应注意，凹槽80如何为IC芯片320和有源光器件350提供空间，同时 还如何在有源光器件350与其对应的透镜100之间提供足够的间隔。在一个实例中，凹槽 80限定与有源光器件350(示为光源350S)的间隔高度H(参见图9A，下文所介绍和所论 述），所述间隔高度H与模块10的IC芯片320 -侧上的透镜100的前聚焦距离Fl大约相 同。间隔高度H允许有源光器件350和透镜表面102适当地间隔开，从而使得有源光器件 和透镜100相对彼此协作地布置。
[0081] 透镜100还具有如从突脊50的端壁52测量的后聚焦距离F2,其中F2等于或大 于0 ( S卩，F2 > 0)，并且其中F2变得非常大时的极限表示基本准直的光。此处应注意，术语 "后聚焦距离"在本文中指代呈有源光器件350 (即，光源350S)形式的"物体"不在无限远 处，而是位于与透镜表面102相距"前聚焦距离"处的情况。下文提供关于透镜100的示例 性实施方案的另外细节。因此，聚焦距离F2是这样的，S卩：使得焦点F位于端壁52处或位 于端壁52之外。
[0082] PCB 310还包括与模块10的对准孔32对准并配置来装配到对准孔32中的基准物 332,但其它对准特征结构也是可行的。基准物332可以具有促进对准的各种形式和形状， 并且本文通过举例示为十字形。对准孔32和基准物332用作无源对准特征结构，所述无源 对准特征结构被协作地配置来在模块10与IC芯片320之间提供无源对准，并且具体来说， 当模块10与PCB 310接口连接时在每个透镜100与其对应的有源光器件350之间提供无 源对准。在一个实例中，可以使用诸如环氧树脂的固定剂将模块10固定在PCB上表面312 的合适位置上。在一个实例中，视觉系统（例如，机器视觉系统）可以用于在部件被接口连 接之前通过透过对准孔32观察基准物332并且使它们相互对准来建立模块10与PCB310 的无源对准，如图5的分解图中所示。
[0083] 图8是配置来与模块本体12的顶表面18配合并覆盖所述顶表面的示例性盖子 370的仰视图。参考图6和图8,盖子370具有顶表面372、底表面374以及侧部376。盖子 370被配置来装配到模块10上并固定至模块10,以防止诸如灰尘、污垢等污染物沉积到所 述模块上。具体来说，盖子370用于防止TIR镜54接触污染物，这种接触可能会降低TIR 效果。在一个实例中，盖子370被配置来将光纤200向下挤压到光纤支撑特征结构42中以 在组装过程期间使所述光纤对准，其中在一个实例中，可固化环氧树脂用于将光纤保持在 合适的位置。
[0084] 任选盖子370的顶表面372包括用于增强所述盖子至模块10的装配并且还可以 用于操纵所述盖子的孔382和凹槽384。底表面374包括配置来容纳对准支柱70的大凹 槽386,所述对准支柱70从模块10的顶表面18向上延伸并且协助盖子与模块对准。侧部 376任选地包括向下悬垂的凸缘构件377,所述向下悬垂的凸缘构件377被配置来配合地接 合在模块10的侧部22处的相应突出部23。在一个实例中，凸缘构件277和突出部23被配 置成卡扣接合，以使得盖子370可以卡扣装配到模块10上（即，与之卡扣配合）。
[0085] 在一个实例中，盖子370由模制材料如Ultem制成，但盖子不必对具有IR波长的 光透明。用于盖子370的示例性材料包括聚碳酸酯和其它类型的塑料。当然，盖子、材料等 的其它变化根据所公开的概念是可行的。
[0086] 图9A类似于图4并且进一步示出位于IC芯片320或PCB板310之上的呈光源 350S形式的有源光器件350。在实例中，光源350S位于IC芯片320 (图7A)之上或IC芯 片320邻近处以及PCB上表面312 (图7B)上。在图9A所示的配置中，光源350S产生在光 源光学路径OPs上大体沿透镜轴104朝向透镜100传播的发散光356。发散光356入射到 凸形透镜表面102上，所述凸形透镜表面102用于将所述发散光转换成会聚光356,所述会 聚光356之后在模块本体12内沿光源光学路径OPs传播。会聚光356最终入射到TIR镜 54上，所述TIR镜54使这个光反射大体90°，从而使得所述光现在沿光源光学路径OP s朝 向突脊50的端壁52并朝向光纤200传播。会聚光356传播穿过端壁52并且进入光纤末 端202,在此处，这个光作为导向光356G继续在光纤200内传播。导向光356G鉴于梯度折 射率纤芯206而遵循弯曲路径，并且在与光纤末端202相距距离D处在所述纤芯内抵达焦 点F。应注意，如果折射率匹配材料220设置在光纤末端202与端壁52之间，光356可以穿 过这种材料的薄部分。
[0087] 在与图9A中所示类似的一个示例性实施方案中，透镜表面102形成基本准直的 光，所述光以大体90°从TIR镜54反射出去并且作为基本准直的光离开端壁52。这个实 施方案可以例如用于以下特定情况：光纤200具有梯度折射率纤芯206并且光356优选地 以基本准直的光引入到所述纤芯中。应注意，这种梯度折射率光纤将光356带到与光纤末 端202相距某一距离D的焦点F处，如在图9A中所示的情况那样。应注意，在光纤末端202 抵靠在端壁52上的实例中，D = F2。
[0088] 图9A示出一个示例性实施方案，其中呈光源350S形式的有源光器件350可操作 地布置在与透镜表面102相距前聚焦距离Fl处，从而使得所述光源在折叠光源光学路径 OPs上与光纤200进行光学通信。一般来说，组件300支撑一个或多个这样的折叠光源光学 路径OP s。
[0089] 图9B类似于图9A并且示出IC芯片320或PCB 310可操作地支撑光电检测器350D 的实例。在一个实例中，光电检测器350D位于IC芯片320 (图7A)之上或IC芯片320邻 近处以及PCB上表面312 (图7B)上。在图9B所示的配置中，导向光356G作为来自光学耦 合至光纤的远程末端的远程光源（未不出）的导向光356G在光纤200的纤芯206中朝向 光纤末端202传播。导向光356G因梯度折射率纤芯206而遵循弯曲路径并且作为发散光 356离开光纤末端202。这种发散光在检测器光学路径OP d上传播时穿过突脊50的端壁52 并且进入模块10的本体12中。应注意，如果折射率匹配材料220设置在光纤末端202与 端壁52之间，光356可以穿过这种材料的薄部分。
[0090] 发散光356然后入射到TIR镜54上并且从其反射大体90°以在检测器光学路径 OPd上沿透镜轴104传播。发散光356在模块本体12内传播至透镜表面102时继续发散。 透镜表面102用于在发散光356离开模块本体12并且朝向光电检测器350D传播时将发散 光356转换成会聚光356。会聚光356通常向下聚焦到光电检测器350D上。光电检测器 350D之后接收这种聚焦的光356并且将其转换成电子信号（未示出），如进入IC芯片320 以在其中进行处理或引导到其它地方来处理的光电流。
[0091] 图9B示出一个示例性实施方案，其中呈光电检测器350D形式的有源光器件350 可操作地布置在与透镜表面102相距前聚焦距离Fl处，从而使得所述有源光器件350在折 叠检测器光学路径OP d上与光纤200进行光学通信。一般来说，组件300支撑一个或多个 这样的折叠检测器光学路径OPd。
[0092] 应注意，图9A和图9B在一个实例中描述同一组件300的两个不同部分，所述同一 组件300即为包括一个或多个光源350S和一个或多个光电检测器350D并且分别包括其对 应的折叠光学路径OP s和OPd的一种组件。
[0093] 此处还应注意，虽然透镜100可以是相同的，但（至少一个）光源光学路径(^和 (至少一个）检测器光学路径OP d通常是不同的。这是因为离开光纤末端202的光356通 常将具有与光源350S不同的发散度（数值孔径）。另外，由光纤200形成的"光源"的有 效位置通常将与图9A中焦点F的位置不同。换言之，光源光学路径OP s和检测器光学路径 OPd通常不是反向的光学路径。在一个实例中，透镜100是相同的并且尽管它们也用于检测 器光学路径〇P D，但针对光源光学路径OPs进行了优化。在另一实例中，透镜100是相同的 并且被配置来提供在光源光学路径OP s和检测器光学路径OPd上有效传送光356之间的最 佳折衷。
[0094] 组件300的一个优点在于：它可以包括透镜表面102处的单个固-气界面。具体 来说，一个示例性组件300包括具有光学功率的单个表面，S卩，透镜表面102。这具有以下优 点：减少菲涅尔反射（Fresnel reflection)并且减少污染物进入光源光学路径OPs或检测 器光学路径OPd中并减弱组件300的光学性能的机会。它还简化组件300的制造。因此， 在一个实例中，光源光学路径OP s和检测器光学路径OPd各自包括具有光学功率的单个光学 界面，即,对应的透镜表面102。
[0095] 组件300的另一优点在于：它提供一个或多个有源光器件350与对应的一个或多 个光纤200之间的无源对准，S卩，所述一个或多个有源光器件与所述对应的一个或多个光 纤之间的一个或多个对准的光源光学路径OP s和检测器光学路径〇PD。这通过举例示为模 块10中的对准孔32和PCB 310上基准物332的形式的一个或多个无源对准特征结构来实 现。这种无源对准系统消除了采用更昂贵和复杂的有源对准方案的需要并且使得制造组件 300的成本和时间最小化。
[0096] 组件300的另一优点包括TIR镜54处光信号的基本直角的转向，从而使得至少一 个光源光学路径OP s的一部分和至少一个检测器光学路径OPd的一部分与PCB上表面312 平行，所述PCB上表面312上安装了 IC芯片320和其它电子器件。另一优点在于：每个光 纤200具有一个透镜100降低了组件300的复杂性和成本。另外的优点在于：相邻光纤200 之间的距离可以保持得很小（不同于光束扩展器设计），从而使得组件300可以被配置成与 光纤带一起使用。组件300的另一优点在于：凹槽80允许IC芯片320定位成非常靠近有 源光器件350,从而实现最优电性能。组件300的另外的优点在于：它可以具有紧凑的形状 系数，所述形状系数允许组件300装配在最常见电缆连接器内可用的有限空间内，从而实 现光电（O-E)连接器如 USB 3.0、HDMI、Display Port O-E 连接器。
[0097] 不例性光学系统
[0098] 图10是包括由模块10的本体12的一部分形成的透镜100的光学系统400的示 意图。透镜100包括物体平面106和聚焦平面108。聚焦平面108由光356被带至其最密 集焦点F所处的位置限定。与聚焦平面108和焦点F通常相关联的是光356保持足够集中 的焦点深度D0F。在一个实例中，聚焦平面108定义为最小模糊圈的位置。举例来说，光学 系统400还包括位于物体平面106处的光源350S。端壁52限定透镜100的后透镜表面，而 透镜表面102限定前透镜表面。如上所述，光纤纤芯206可以具有梯度折射率分布，在这种 情况下，光纤纤芯206构成光学系统400中的第二透镜兀件。
[0099] 在一个实例中，透镜100被配置成是基本优化的，以中继来自光源350S的光356 并且在光源光学路径OP s上将光356耦合到光纤200中，如上文结合图9A所描述。如上所 述，在一个实例中，相同类型的透镜100可以用于在检测器光学路径OPd上将光纤200携带 的（并在光纤末端202发射的）光356中继至光电检测器350D。在这种情况下，对于检测 器光学路径〇PD，透镜100通常不进行优化。然而，这种优化可能不是所要求的并且可能对 组件300的性能不具有实质性影响。然而，在一个示例性实施方案中，可以调整透镜100针 对光源光学路径OP s的光学设计（例如，调离针对光源光学路径OPs而言的最优情况），以 改进检测器光学路径OP d的成像质量。
[0100] 关于将光源光学耦合至光纤的传统知识是将光聚焦到光纤末端上。使用这种方 法，如果忽略透镜/空气界面处的菲涅尔损耗，至少在理论上有可能实现100%耦合效率 CE。然而，这种方法并未提供光源350S与透镜轴104之间横向未对准的最大公差。稱合效 率CE定义为耦合到光纤200中的光356与可用于耦合到光纤中的光356的总量相比的百 分率。图11是光源350S的特写图，示出光源轴354与透镜轴104之间的横向未对准的量 δ Z(下文称为横向未对准δ Z)。
[0101] 与传统知识不同，本文所公开的概念是有利的，因为它们允许模块允许横向未对 准。为了使组件300能够允许横向未对准，在一个实例中，透镜100将光356聚焦在与光纤 末端202相距某一距离D处的光纤200内（并且具体来说，聚焦在其光纤纤芯206内）。这 种配置仍可以提供耦合效率CE = 100% (同样忽略菲涅尔反射）。放松对有源光器件350 相对于透镜100的位置的未对准公差改进了组件300的性能并且减少了将所述组件组装在 一起的时间和成本。它还提高制造组件300时的制造成品率。本公开的一方面包括一种用 于透镜表面102的配置，所述配置为透镜100提供对横向未对准δ Z增强的公差，并且在 一个实例中，优化了这个公差，同时将光源350S与光纤200之间的理论耦合效率CE维持在 100%，或者可替代地，维持在某一阈值耦合效率以上，例如CE > 90%或CE > 85%。
[0102] 示例性透镜设计
[0103] 一般来说，有两个参数限定透镜表面102的形状：其曲率半径R和二次曲线常数 k。透镜表面102的形状通过以下方程式给出：

【权利要求】
1. 一种配置来在光源与具有末端和纤芯的光纤之间提供红外光的光学通信的光纤接 口模块，所述光纤接口模块包括： 模块本体，所述模块本体对具有红外波长的光是基本上透明的并且包括顶表面和底表 面，其中所述顶表面限定全内反射（TIR)镜、端壁以及支撑所述光纤的光纤支撑特征结构， 其中所述光纤末端抵接所述端壁； 透镜表面，所述透镜表面形成在所述模块本体的所述底表面上，其中所述透镜表面、所 述TIR镜、所述端壁以及所述模块本体的介入部分限定具有折叠光轴的透镜，所述折叠光 轴与所述光源可横向偏置横向未对准3 Z ;并且 所述透镜表面具有一种形状，所述形状提供所述光源与所述光纤之间的理论耦合 效率CE > 85%，并且在所述光纤可操作地支撑在所述光纤支撑特征结构中时限定在 0 < F2 < 500 iim范围内的后聚焦距离F2处落在所述光纤纤芯内的后焦点。
2. 如权利要求1所述的光纤接口模块，其中所述后聚焦距离F2在0彡F2彡200 y m的 范围内。
3. 如权利要求1或2中任一项所述的光纤接口模块，其中所述透镜形状被选择来提供 维持所述耦合效率CE > 85%的所述横向未对准S Z的最大公差。
4. 如权利要求1至3中任一项所述的光纤接口模块，其中所述透镜表面具有双曲线形 状。
5. 如权利要求4所述的光纤接口模块，其中所述透镜表面形状由80微米< R < 300微 米的范围内的半径R限定。
6. -种用于将来自具有光源轴的光源的红外光耦合至具有末端和纤芯的光纤的透镜， 所述纤芯具有与所述光源轴大体正交的中心轴，所述透镜沿透镜轴包括： 透镜本体，所述透镜本体具有带有非球面形状的前透镜表面并且构成具有光学功率的 唯一表面以及用于所述光源与所述光纤之间的光学路径的唯一空气界面； 所述透镜本体进一步包括所述光纤末端抵接的平坦后透镜表面； 形成在所述透镜本体中处于所述前透镜表面与所述后透镜表面之间的全内反射（TIR) 表面，所述全内反射表面使所述透镜轴折叠以使得所述透镜轴与所述正交的光源轴和中心 轴对准；以及 位于所述光纤纤芯内的后焦点。
7. 如权利要求6所述的透镜，其中所述后聚焦距离F2在0微米< F2 < 500微米的范 围内。
8. 如权利要求7所述的透镜，其中所述后聚焦距离F2在0微米< F2 < 200微米的范 围内。
9. 如权利要求6至8中任一项所述的透镜，其中所述非球面形状是双曲线形的。
10. 如权利要求6至9中任一项所述的透镜，其中所述前透镜表面具有由80微米 < R < 300微米范围内的半径R限定的形状。
11. 如权利要求6至10中任一项所述的透镜，其中所述非球面形状提供将所述光源与 所述光纤之间的耦合效率CE维持在CE > 85%的横向未对准的最大公差。
12. 如权利要求6至11中任一项所述的透镜，所述透镜进一步包括所述光源和所述光 纤，其中所述光源包括垂直空腔表面发射激光器。
13. -种光学系统，所述光学系统包括： 具有透镜本体的透镜，所述透镜本体具有透镜轴、具有非球面形状的前表面以及平坦 后表面，所述透镜本体对具有红外波长的光是基本上透明的； 全内反射（TIR)表面，所述全内反射表面形成在所述透镜本体中位于所述前透镜表面 与所述后透镜表面之间，使所述透镜轴折叠大体90度； 具有纤芯和末端的光纤，所述光纤布置成其末端抵接所述平坦后透镜表面； 大体设置在与所述前透镜表面远离前聚焦距离处的光源，所述光源被配置来发射具有 红外波长的光；以及 在与所述平坦后表面相距后聚焦距离F2处位于所述光纤纤芯内的后焦点。
14. 如权利要求13所述的光学系统，其中所述后聚焦距离F2在0微米< F2 < 500微 米的范围内。
15. 如权利要求14所述的光学系统，其中所述后聚焦距离F2在0微米< F2 < 200微 米的范围内。
16. 如权利要求13至15中任一项所述的光学系统，其中所述前表面具有由80微米 < R < 300微米范围内的半径R限定的形状。
17. 如权利要求13至16中任一项所述的透镜，其中所述前透镜表面的所述形状提供所 述光源相对于所述透镜轴的横向未对准的最大公差，同时将所述光源与所述光纤之间的耦 合效率CE维持在CE > 85 %。
18. 如权利要求13至17中任一项所述的透镜，其中所述透镜具有所述前表面与所述后 表面之间在400微米< d2 < 1，600微米的范围内的轴向厚度d2。
19. 一种配置来在多个光源与各自具有末端和纤芯的多个光纤之间提供红外光的光学 通信的光纤接口模块，所述光纤接口模块包括： 模块本体，所述模块本体对红外光是基本上透明的并且包括顶表面和底表面，其中所 述顶表面限定全内反射（TIR)镜、端壁以及可操作地支撑所述多个光纤的光纤支撑特征结 构，其中所述光纤末端抵接所述端壁； 多个透镜表面，所述透镜表面形成在所述模块本体的所述底表面上，其中所述透镜表 面、所述TIR镜、所述端壁以及所述模块本体的介入部分限定各自具有折叠光轴的多个透 镜，所述折叠光轴与所述多个光源中的对应一个可横向偏置横向未对准；并且 所述透镜表面各自具有一种形状，所述形状提供每个光源与对应的光纤之间的理论耦 合效率CE > 85%，所述透镜表面在所述光纤各自可操作地支撑在所述光纤支撑特征结构 中时限定在相应的后聚焦距离F2处落在对应光纤的所述光纤纤芯内的对应后焦点。
20. 如权利要求19所述的光纤接口模块，其中所述后聚焦距离F2在0微米< F2 < 500 微米的范围内。
【文档编号】H01S5/022GK104364690SQ201380022913
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2013年3月27日 优先权日:2012年3月30日
【发明者】马蒂厄·沙博诺·勒福特 申请人:康宁光电通信有限责任公司