使用光子带隙光纤的光纤组件的制作方法

专利名称：使用光子带隙光纤的光纤组件的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及光纤组件，尤其涉及使用一个或多个光子带隙光纤的光纤组件。
背景技术：
在过去，各种电子设备通过电连接与其它电子设备进行通信。因为需要向电通信 链路提供更大的速度和带宽，所以已开发了不同类型的高速、高带宽电缆，比如同轴电缆。现在，随着更高的数据和视频传输速度标准的出现(比如10(ib/S以太网、无穷大 频带、高分辨率多媒体接口(HDMI)和USB 3.0)，越来越需要使用光纤光缆在各电子设备之 间进行通信。使用这种缆线就需要在缆线的每个末端处进行电光(EO)和光电(OE)转换， 以对这种Ε0/0Ε系统的任一末端处的用户保留纯粹的电学接口。尽管常规的光纤具有比电缆大的带宽，但是它们也具有许多缺点。第一个缺点是 它们具有固体玻璃芯，这种玻璃芯会产生一个或多个玻璃-空气界面，这种界面会引起反 射。这种反射会引入光损耗，也会产生不想要的光反馈。当使光纤与用于执行EO或OE转 换的光电器件相接时，玻璃-空气界面通常也需要耦合光学器件。第二个缺点是它们不是特别能耐受弯曲，即，它们在经受严重的弯曲(比如使其 弯曲半径为2”或更小)时可能被破坏和/或可能使在光纤中穿行的光信号发生显著的衰 减。这是很不方便的，特别是在内部空间极为宝贵的设备里的电路板之中或之上形成EO和 OE设备的时候。常规的光纤及其连接器并不允许很容易地接入并连接到大多数光学和光电 子设备严密的边界内所包含的电路板，因为它需要在光纤中引入显著的弯曲损耗。这一点 在需要用足够严密的半径以直角来形成上述连接且同时保持低损耗和高可靠性的情况下 尤其是真实的。需要一种光纤组件，它能够在EO和OE设备之间提供坚固的通信链路且不具有上 述与常规光纤相关联的诸多缺点。

发明内容
本发明的第一方面是一种光纤组件，用于使第一和第二电子设备光学地连接起 来。该组件包括至少一个光子带隙光纤。第一和第二光电子设备被分别耦合到至少一个光 子带隙光纤的各个末端，并且被配置成执行电光(EO)和/或光电(OE)转换。相对于第一 和第二光电子设备可操作地设置第一和第二电学接口，并且配置成向第一和第二电子设备 提供各个工业标准电连接。本发明的第二方面是一种弯曲的光纤耦合器，它包括上对准构件和下对准构件。 上光纤对准构件具有凹面，下光纤对准构件具有用于定义耦合器输出末端的底面以及凸面。将下光纤对准构件和上光纤对准构件安排成形成第一光纤引导通道，所述第一光纤引 导通道定义了第一耦合器输入/输出(I/O)末端、通道末端以及由所述凸面和凹面限定的 中心曲线。该耦合器也包括至少一个光子带隙光纤，这种光纤的末端部分具有近端端面。在 第一光纤引导通道之内固定至少一个光子带隙光纤的至少一部分，以便在与上述中心曲线 相对应的至少一个光子带隙光纤中形成一种弯曲，并且使光纤端面定位于下光纤对准构件 的底面处或附近从而定义第二耦合器I/O末端。本发明的第三方面是一种用于形成光耦合器的方法。该方法包括提供至少一个 光子带隙光纤，这种光纤的末端部分具有近端端面；以及使至少一个光子带隙光纤固定在 上光纤对准引导件和下光纤对准引导件的各个凹面和凸面之间，从而在至少一个光子带隙 光纤中形成一种弯曲。在示例实施方式中，这种弯曲是直角弯曲。本发明的第四方面是一种用于使第一和第二电学设备光学地连接起来的方法。该 方法包括提供至少一个光子带隙光纤，这种光纤具有中空的芯以及第一和第二末端。该方 法也包括将第一和第二光电子设备连接到至少一个光子带隙光纤的第一和第二末端，其 中，第一和第二光电子设备被配置成执行电光(EO)和/或光电(OE)转换。该方法还包括 相对于第一和第二光电子设备，可操作地放置第一和第二电学接口，以便提供在第一和第 二光电子设备以及第一和第二电学设备之间的各个电连接。将在下面的详细描述中阐明本发明的其它特征和优点，并且本领域技术人员从说 明书中将很容易看得出或通过按详细描述、权利要求书和附图所描述的那样来实施本发明 而认识到这些特征和优点。应该理解，上面的一般性描述和下面的详细描述都呈现出本发 明的各种实施方式，并且旨在对权利要求书所限定的本发明的本质和特征作概要或框架式 的理解。所包括的附图提供了对本发明的进一步理解，并入说明书中且构成其一部分。这 些图示出了本发明的各种实施方式，与详细说明书一起用于解释本发明的原理和操作。


结合附图，阅读下面的详细描述，就可以更好地理解本发明的这些和其它特征、方 面和优点，其中图1是一段光子带隙光纤的侧视图；图2是沿着线2-2截取图1的光子带隙光纤的横截面示意图；图3是具有不同节距和孔洞尺寸的两个光子带隙结构的横截面示意图；图4是用于制造本发明的示例光子带隙光纤的示例方法的横截面示意图；图5是耦合到光源的光子带隙光纤的末端的局部放大图，该光纤的数值孔径(NA) 大于光源的数值孔径；图6是根据本发明使用一个或多个光子带隙光纤的示例弯曲的光纤耦合器的示 意性横截面分解图；图7是相似但未分解的横截面图，并且也包括在输入/输出(I/O)末端之一处的 应变消除元件，还包括安排在另一个I/O末端处的光电子设备；图8是一种光子带隙光纤的示意性侧面图，该图示出了在该光纤中以四分之一圆 弯曲为形式的直角弯曲的概念；图9是包括本发明的光纤耦合器的光电子组件的示意图10相似于图9，并且示出了以VSCEL组件为形式的示例光电子设备；图11是上对准构件和下对准构件的局部放大分解图，示出了被安排在凹面和凸 面之间的划分器构件，用于将弯曲的光纤引导通道划分成多个通道，每个通道包括一排光 子带隙光纤；图12A示出了在制造过程中的耦合器的示例实施方式，示出了下对准构件和未弯 曲的光子带隙光纤，其末端部分被插入到下对准构件中的光纤引导件之中；图12B示出了在示例制造过程中的下一步，其中，光纤的末端部分被插入到下对 准构件光纤引导件中，同时光纤从中垂直地延伸出来；图12C示出了在示例制造过程中的下一步，其中，光纤是弯曲的以符合下对准构 件的凸面部分；图12D示出了示例制造过程中的下一步，其中，上对准构件采用一种可固化粘合 剂的形式，该粘合剂被涂到下对准构件和其上的光子带隙光纤上以便形成耦合器主体；图13A是一种对准结构的示例实施方式的示意性分解侧面图，用该对准结构使耦 合器与光电子组件中的光电子设备相对准；图1 示出了图13A的对准结构被安排在以VCSEL组件为形式的光电子设备之 上；图14A是通信系统的示例实施方式的示意图，该通信系统使用了根据本发明的光 子带隙光纤组件；以及图14B相似于图14A，但示出了包括图7的弯曲的光纤耦合器的系统的示例实施方式。
具体实施方式
现在参照本发明的较佳实施方式，其示例可以在附图中示出。在 可能的情况下，所有附图中相同的标号将指代相同或相似的部件。在下面的描述中，术语 “上”、“下”、“前”、“后”、“顶部”、“底部”、“垂直”、“水平”等都是相对的术语，是为了描述而 没有限定的意思。光子带隙光纤本发明使用光子带隙光纤来形成光纤组件并启用一种弯曲的光纤耦合器。光子 带隙光纤引导光的机理与常规光纤所使用的全内反射机理是根本不同的。光子带隙光纤 (PBGF)具有一种形成于光纤包层中的光子带隙结构。例如，光子带隙结构可以是一种周期 性的孔洞阵列，这些孔洞的间距具有光波长的量级。光子带隙结构具有被称为“带隙”的多 种频率与传播常数的范围，对于这些“带隙”而言，禁止光在该光子带隙结构中传播。光纤 的芯区域是由光子带隙结构包层中的缺陷构成的。例如，该缺陷可以是与光子带隙结构的 孔洞相比其尺寸和/或形状很不一样的孔洞。或者，该缺陷可以是光子带隙结构之内所嵌 入的固体结构。被引入到芯中的光将具有由光的频率和芯的结构所决定的传播常数。若在 光纤的芯中传播的光的频率和传播常数落在光子带隙结构的带隙之内，则该光将不会在光 子带隙包层中传播，因此将被限制在芯中。光子带隙光纤可以具有一种芯区域，这种芯区域 是由一种比围绕着的光子带隙结构的孔洞要大的孔洞构成的；这种芯区域被称为“中空的 芯”区域。在这种中空-芯光纤中，基本上可以在中空的芯区域之内引导光。在下列文献中描述适合用于本发明的示例光子带隙光纤美国专利6，243, 522， 美国专利6，847，771，美国专利6，444，133，美国专利6，788，862，美国专利6，917，741，美国专利申请公报2004/0258381，美国专利申请公报2004/02^592，以及PCT专利申请公报WO 01/37008，所有这些都引用在此作为参考。图1是一段光子带隙光纤10的示例实施方式的侧视图，该光纤具有各个末端12、 14以及中心轴16。图2是适用于本发明的光子带隙光纤10的横截面示意图，正如沿着图1 的2-2所观察到的那样。光子带隙光纤10包括光子带隙结构M。在图2所示的示例实施 方式中，光纤10具有光子带隙结构24，该结构包括形成于基质材料观中的周期性孔洞阵列 26。尽管将图2的孔洞沈示意性地画成了横截面是圆形的，但是本领域技术人员将会认识 到，这些孔洞可以具有多种差异很大的横截面形状中的任一种。光子带隙光纤20也包括芯区域30，包层区域22的光子带隙结构M围绕着该芯区 域30。在图2的示例中，在基质材料观中，芯区域30构成一个孔洞。用于定义芯区域30 的孔洞比光子带隙结构的孔洞沈大很多。这样，芯区域30用作光子带隙结构M中的缺陷。 芯区域30可以填充有氮或氩等惰性气体、空气、或液体。芯区域30也可以是基本上真空的 区域(比如，约小于20mm Hg)。尽管在下文所描述的本发明的光纤组件和弯曲的光纤耦合 器的较佳实施方式中芯区域30可以是实心的，但是芯区域30是中空的。在示例实施方式中，本发明所使用的光子带隙光纤基本上在芯区域30之内引导 着辐射。被引入到芯区域30中的辐射所具有的传播常数是由辐射的频率和芯的结构所决 定的。在芯30中传播的、并且频率和传播常数落在光子带隙结构的带隙之内的辐射将不会 在光子带隙结构中传播，因此将被基本上限制在芯中。这样，光子带隙结构充当上述芯区域 的包层。在本发明的示例实施方式中，本发明所使用的光子带隙光纤10基本上在芯区域之 内弓丨导着其频率处于光子带隙结构的带隙内的辐射。不像常规的光纤那样，光子带隙光纤中的辐射的引导并不依赖于比包层的折射率 要高的芯的折射率。结果，在光能量的波长处，芯区域30可以具有比包层区域更低的有效 折射率。在本文中，定义一个区域的有效折射率如下其中，neff是有效折射率，ζ是光子带隙结构中的不同的折射率Iii的总数，并且& 是折射率Iii的体积分数。因为基质材料观的存在，包层区域22的有效折射率将高于芯区 域30的有效折射率。当光波长比该结构的尺度大很多时，使用有效折射率。如本领域技术人员将理解的那样，光子带隙结构的带隙所跨越的精确的频率强 烈地取决于其结构细节。本领域技术人员可以通过小心设计光子带隙结构来调节上述带 隙。本领域技术人员所熟悉的计算方法可以有利地用于设计光子带隙结构。可以从MIT 获得用于计算光子带隙结构的自由软件包(MIT光子带隙软件包，互联网统一资源定位符 http://ab-initio.mit. edu/mpb/)。可以几何地定义具有期望的形状和折射率分布的电 介质结构。通过麦克斯韦方程组的计算机解来计算给定电介质结构中的电磁模式的频率 以及电场和磁场。通过将磁场表达为平面波之和且具有任意的(随机数字)系数，来构建 一个试探解。通过改变平面波系数，对麦克斯韦方程组进行求解，直到电磁能量达到最小。 这通过预处理的共轭梯度最小化算法而变得更容易一些。由此，计算出每个模式的模式频 率、电场禾口强度分布。 ^t Johnson, S. J.禾口 Joannopoulos，J. D.的文章〃 Block-Iterativefrequency-domain methods for Maxwell' s equations in a ρlanewave basis"中更详细描述这种计算技术(参见 Optics Express，8 (3)，173-190，2001)。本领域技术人员将会理解，带隙的波长范围随着光子带隙结构的缩放而缩放。例 如，如图3所示，如果孔洞的三角形阵列40具有约为4. 7 μ m的节距42、约为4. 6 μ m的孔 洞尺寸44以及波长介于约1400nm到约ISOOnm的带隙，则一种经缩放的孔洞的三角形阵列 50具有约为9. 4 μ m的节距52、约为9. 2 μ m的孔洞尺寸44，并且该阵列50具有波长介于约 2800nm到约3600nm的带隙。可以用与制造常规光纤所使用的那些方法相类似的方法来制造下文详细描述的 本发明的耦合器中所使用的示例光子带隙光纤10。形成一种预制棒，其具有期望的芯与包 层特征的排列，然后，使用热和张力将该预制棒拉成光纤。图4以横截面的形式详细地示出了用于制造光子带隙光纤的合适的示例方法。通 过用热和张力来拉伸六角形-侧壁玻璃管62而制造中空的六角形毛细管60。这些毛细管 被层叠在一起以形成组件64，该组件具有周期性的晶格结构。在组件64的中心处，除去了 一个或多个毛细管60。为了制造中空-芯光纤，可以任选地将薄管子66插入到通过除去中心毛细管而形 成的孔洞中，正如图4所示那样。为了制造实心芯光纤，可以将实心的六角形棒插入到上述 孔洞中。通过使用固体棒70，将层叠的组件64放置到套管68之内，以将该组件固定在恰当 的位置。用热和张力重新拉伸带套管的组件72，以减小其尺寸，从而形成基本上单块的主体 74。在重新拉伸步骤中，会期望在层叠的毛细管之间的空间拉出真空，以使毛细管的外表面 之间的任何填隙空位闭合。然后，用NH4F. HF对主体74进行蚀刻，以增大周期性阵列的孔 洞的尺寸以及芯区域的孔洞的尺寸。例如，上述美国专利6，444，133中描述了重新拉伸和 蚀刻过程。在蚀刻步骤中，除去了用于将芯区域的孔洞76与光子带隙结构的最里面的孔洞 行列分开的那些侧壁，从而极大地增大了芯区域的孔洞的尺寸。通过使用本领域技术人员 熟悉的方法，经重新拉伸且经蚀刻的主体78被拉伸成一种光子带隙光纤80。在被拉伸成光 纤之前，用外包层管子(未示出)将经重新拉伸且经蚀刻的主体76套住，以提供一种具有 更大的外直径的光纤。光子带隙光纤80可以涂有主和次光纤涂层，这在光纤领域是很常见 的。期望形成这样一种预制棒，使得该预制棒的内部材料的软化点高于该预制棒的外 表材料的软化点，正如上述美国专利6，847，771所描述的那样。例如，软化点的差异可以约 为50°C或更大、约100°C或更大、甚至约150°C或更大。实现这种差异的一种方式是将二氧 化硅玻璃用于毛细管，并且将掺杂的二氧化硅管子(比如掺锗的、掺氟的、掺硼的)用作套 管。或者，可以将具有共同的掺杂剂但浓度不同的多种玻璃用于预制棒的内部和外部。在 使用特定形状的芯结构的情况下，期望用软化点更高的材料来形成芯结构(比如掺钽的二 氧化硅)。这种软化点的差异允许预制棒的内部在拉伸时具有稍微更高一点的粘度，从而使 该结构的内部的扭曲更少。为了减小拉伸过程中发生破损的可能性并降低拉伸的光纤中的衰减程度，期望提 供这样一种预制棒，其污染物的量更少(比如粒子污染物、有机污染物、无机污染物)并且 OH含量也更小(即表面-吸附水)。这样，期望在制造过程的各个阶段用含氯气体(比如 氯和氦的混合物)清洗预制棒。如本领域技术人员认识到的那样，氯气可有效地除去许多 类型的污染物。例如，氯气可以与水(比如采用表面OH的形式)以及许多无机污染物发生反应以形成易挥发的物质，在后续的扫气循环期间除去这些易挥发的物质。氯也可以用于 使各种有机物质发生氧化。也可以期望包括在清洁状况中暴露于氧，以便更充分地除去有 机污染物。上述美国专利6，917，741详细描述了清洁处理过程。可以用本领域技术人员熟悉的其它方法制造在制造本发明的光纤中所使用的预 制棒。例如，可以使用重新拉伸技术，以减小预制棒的直径。可以使用SF6、NF3或水性NH4F. HF进行蚀刻，以增大这些孔洞的尺寸。例如，上述美国专利6，444，133中描述了重新拉伸和 蚀刻过程。通过使用本领域技术人员熟悉的方法，可以将预制棒重新拉伸成微结构化的光 纤。另外，在拉伸过程中可以对预制棒的孔洞施加压力，以使它们因表面张力而不会闭合。 或者，在与拉伸一端相反的预制棒的一端，这些孔洞可能会闭合，以使预制棒的孔洞内部保 持正压力，由此防止它们因表面张力而闭合。期望对预制棒的不同的孔洞组施加不同的压 力，正如共同拥有的美国专利申请10/171,335所描述的那样，该申请于2002年6月12日 提交且标题为“METHODS AND PREFORMS FOR DRAWING MICROSTRUCTURED OPTICAL FIBERS，，， 其说明书引用在此作为参考。例如，光子带隙光纤的大的芯孔洞可以被耦合到第一压力系 统，并且光子晶体结构的孔洞可以被耦合到第二压力系统。可以将第一压力系统设置到比 第二压力系统更低的压力，使得内部芯孔洞不会相对于光子晶体结构的孔洞而膨胀。在示例实施方式中，光子带隙光纤10的数值孔径(NA)是由NAltl = nsin θ 1(|给出 的，并且最好大于光电子设备的数值孔径NAu = nsin θ &该光电子设备采用光源LS的形 式，该光源LS光学地耦合到纳米-设计的光纤10的末端12，正如图5所示那样。例如，光 纤的NAltl最好大于垂直腔面发射激光源(VCSEL)的ΝΑ。光子带隙光纤10的一个重要的性质是与常规光纤甚至纳米-设计的对弯曲不敏 感的光纤相比，它相对地对弯曲不敏感。换句话说，光子带隙光纤10可以具有其弯曲半径 非常小的弯曲，并且在其中传播的光将不会遭受显著的衰减。例如，对于5mm的弯曲半径以 及1550nm的波长而言，该衰减比其它类型的光纤要小30-40dB。与其它类型的光纤相比，对 于光子带隙光纤而言，辐射导致的损耗也是显著地更少的。弯曲的光纤耦合器本发明的一个方面是一种光纤耦合器，它使用一个或多个光子带隙光纤，其中，该 耦合器具有严重的弯曲，使得可以在紧密的空间中做出各种连接。图6是使用一个或多个 光子带隙光纤10的示例性弯曲的光纤耦合器(“耦合器”)100的示意性横截面分解图。耦 合器100包括上对准构件110，上对准构件110具有顶面112 ；“内部”表面114，它包括平 整的部分116 ；以及凹的弯曲的部分118。在示例实施方式中，凹的弯曲的表面118包括四 分之一圆的曲线。上对准构件110也具有平整的底面120以及前端126和后端128。在示 例实施方式中，上对准构件110包括预先形成的基板。耦合器100也包括下对准构件140，下对准构件140具有带有“内部”表面144 的顶面142，“内部”表面144包括平整的部分146、凸的弯曲的部分148、底面150以及前端 156和后端158。在示例实施方式中，凸的弯曲的表面148包括四分之一圆的曲线。在示例 实施方式中，下对准构件140包括预先形成的基板。下对准构件140也包括光纤引导件160，该光纤引导件160位于平整的表面部分 146和弯曲的表面部分148相遇之处，并且用于将内表面144连接到底面150。将光纤引导件160配置成容纳一个或多个光子带隙光纤10。在示例实施方式中，光纤引导件160包括 一个或多个锥形的通透孔，用于使光纤10的插入更容易一些。现在参照图7，使上对准构件110和下对准构件140合并到一起，以形成耦合器主 体166，该主体166具有第一和第二输入/输出(I/O)末端168和170，这些末端处于正交 的平面中。在形成耦合器主体166时，上对准构件110和下对准构件140的平面部分116 和146彼此接触，并且邻接着放置各个弯曲的表面部分118和148从而限定一弯曲的光纤 引导件200。在第一 I/O末端168处，光纤引导件200具有第一末端202。在示例实施方式 中，弯曲的光纤引导件200定义了中心弯曲半径为RC的直角弯曲(例如，四分之一圆的弯 曲)。一般，在光纤10中，弯曲的光纤引导件200定义了相对较强的弯曲，比如介于45° 到135°之间。图8是一种光子带隙光纤10的示意性侧面图，该图示出了在该光纤中以四 分之一圆弯曲为形式的“直角弯曲”的概念。一般，直角弯曲是这样一种弯曲，其中，到该曲 线的两个切线TLl和TL2会相交从而形成直角211。在本发明的较佳实施方式中，将凹的和 凸的弯曲的表面118和148配置成在光纤10中形成直角弯曲210，并且在示例实施方式中 是四分之一圆曲线，即一个圆的周长的1/4。一般，曲线210的曲线角度211的范围可以从 45°到135°，示例性的直角弯曲范围从85°到95°。示出将耦合器100配置成在光纤10 中形成了直角弯曲，以便于说明。耦合器100也包括一个或多个光子带隙光纤10(此后，为了便于说明，简称为“光 纤10”)，光纤10位于上对准构件110和下对准构件140之间且在弯曲的光纤引导件200 之内。这使光纤10具有相应的弯曲210，该弯曲210对应于中心弯曲半径RC。光纤10具 有与光纤端面12相关联的末端部分212。光纤末端部分212被包含在光纤引导件160之 内，并且最好用粘合剂216将其固定在其中。在示例实施方式中，光纤端面12与下对准构 件140的底面150齐平。在一个示例实施方式中，通过对弯曲的夹具(在示例实施方式中，该夹具可以包 括下对准构件140)上的光纤10进行激光退火，可以在耦合器100的组装之前执行光纤弯 曲210。这一方法使光纤应力达到最小，以确保在耦合器100的使用寿命期间有高可靠性。 在另一个示例实施方式中，例如，通过使光纤10在下对准构件140的弯曲表面部分148上 进行弯曲，然后，将上对准构件110放置并固定在下对准构件上，使得光纤10被固定在弯曲 的光纤引导件200中，这样，就在耦合器100的组装过程中形成了光纤弯曲210。在示例实 施方式中，凹槽或其它控制特征(未示出)形成了一个或两个弯曲的表面部分118和148， 以帮助对准并控制处于光纤引导件160之内的光纤10的弯曲。在示例实施方式中，光纤引 导件160提供与光纤10的紧配合，使得光纤牢固地固定在其中。在示例实施方式中，中心弯曲半径RC是在Imm彡RC彡15mm所定义的范围中，而 在另一个示例实施方式中则是在5mm < RC < 15mm所定义的范围中，并且在另一个示例实 施方式中是在2mm < RC < 3mm所定义的范围中。在示例实施方式中，光纤弯曲半径RC能 提供不大于IdB的衰减，不大于0. 5dB更佳，不大于0. IdB最佳。在另一个示例实施方式 中，最小中心弯曲半径RC是光纤10的直径的四倍，而在另一个示例实施方式中，最小中心 弯曲半径是包含光纤10的光纤外套沈0的直径的四倍。在另一个示例实施方式中，选择弯 曲半径RC，以确保在该产品的使用寿命内有高可靠性(比如小于100 FIT)。在示例实施方式中，通过在下光纤对准构件内额外模制一个另外的元件(未示出)，就实现了光纤10的对 准。这种元件包括很小的硅V形沟槽基板或具有精确凹槽、沟槽、孔洞等的其它部件。继续参照图7，在上对准构件110和下对准构件140接合到一起以将弯曲的光纤 10包含在光纤引导件200中之后，在第一 I/O末端168处将一个应变消除元件250附连于 耦合器主体166。这是为了防止在光纤10上有过大的轴向或侧面-拉伸负载的情况下对耦 合器造成破损，光纤10在示例实施方式中被包括在光纤外套沈0中，光纤外套260终止于 应变消除元件250之内。光电子组件图9是包括本发明的耦合器100的光电子组件300的示意图。光电子组件300的 其它示例实施方式具有下文所讨论的“笔直的”耦合器，并且为了说明而用耦合器100。光电子组件300包括光电子设备310，比如光学发送器(比如光学发送器阵列、 宽面发射器等)或光学检测器(比如光学检测器阵列、宽面检测器、垂直腔面发射激光器 (VCSEL)、LED等)。在示例实施方式中，光纤10在端面12处直接光学地耦合到光电子设备 310而没有中间的耦合光学器件，这就是中空-芯光子带隙光纤的一个优点。光纤端面12 可以位于光纤引导件160之内，使得它与底面150齐平。或者，可以允许光纤端面12从光 纤引导件160中突出来。在示例实施方式中，下对准构件140的底面150包括在第二 I/O末端170处的突 出物151 (也可以参见图6)。在示例实施方式中，突出物151足够窄，以允许光纤端面12非 常靠近光电子设备310而不干扰其它物件或部件，比如光电子设备中的导线接合。在上文提到的示例实施方式中，光电子设备310包括宽面光学检测器，它就像 VCSEL那样是用平面制造工艺以普通方式实现的。也像VCSEL那样，可以优化检测器有效区 域，以提供低损耗的光纤到检测器的耦合以及高设备数据速率。平面工艺能够实现一维或 二维布局以及检测器放大电路的共同定位，以便于高速设备操作。典型的光电子设备310是用成熟的封装技术进行封装的。例如，设备基板是共用 的，同时该基板平行于封装安装表面(比如印刷电路板)。对于光电子部件的有效的热管 理而言，这种配置是令人期望的，并且，它也能够实现标准低成本电互连方法(比如导线接 合)。在光学设备的情况下，该配置也能够在最终组装之前实现相对简单的测试。在下文中 讨论这种封装的示例。图10相似于图9，并且示出了一种示例光电子设备310，其形式是VSCEL组件(也 被称为310)，例如，该光电子设备310被用作EO发送器。VCSELS很适合于低损耗耦合到光 子带隙光纤中，并且可以修改VCSEL的发射面积使耦合效率最大化，同时也平衡其它要求， 比如最大数据速率和功率耗散。平面制造工艺能在一维(ID)或二维OD)阵列中实现密集 的VCSEL布局以及激光器驱动电路的共同定位，以便实现高性能操作。VCSEL组件310包括VCSEL基板314，该基板314可操作地支撑VCSEL设备320。 封装基板3M支撑着VCSEL基板314，封装基板3M包括含电通孔(未示出)的电结构，该 电结构通过接合导线322而电连接到VCSEL设备320。通过球形栅格阵列340，带有电布线 332的印刷电路板330连接到封装基板和电通孔(未示出)。在示例实施方式中用对准结 构400来对准、并以其它方式可操作地耦合耦合器100和VCSEL组件310。此处，注意到，这里表示的耦合器100的横截面视图描绘了一个或多个光纤10的一维阵列来进行说明。本发明也可预想到二维阵列。参照图11，例如，通过提供至少一个对 准构件和/或间隔物(“划分器构件”)346以使每一排一维的光纤10与相邻的排相比有偏 移，就可以形成这种实施方式。下对准构件140包括多个光纤引导件160，以容纳多排光纤 10。二维阵列图案可以包括不规则的光纤波导节距或二维图案，同时有一些倾斜量以使与 光电子设备310的光耦合达到最大。耦合器制造方法图12A示出了在制造过程中的耦合器100的示例性实施方式，示出了下对准构件 140和尚未弯曲的光子带隙光纤10，其末端部分12被插入到光纤引导件160之中。在图 12B中，光纤10的末端部分12插入到光纤引导件160之中，并且光纤从中垂直地延伸出来。 用粘合剂370(比如紫外(UV)可固化粘合剂)将光纤10固定到光纤引导件160之内。图12C示出了在使光纤10发生弯曲(参见图12B的箭头376)以便沿着下对准构 件140的弯曲表面部分148而定位之后的光纤10。参见图12D，将粘合剂(比如UV-可固 化粘合剂)施加到下对准构件140和由此支撑的光纤10上，以便形成上对准构件110和弯 曲的光纤引导件200。然后，将应变消除元件250任选地附接到(比如用粘合剂)耦合器主 体I/O末端168。图13A是一种对准结构400的示例实施方式的示意性分解侧面图，用该对准结构 400使耦合器100与光电子设备310相对准。对准结构400包括基板410，基板410具有上 表面412和下表面414以及外围416。在示例实施方式中，基板410包括透明的中心部分 (或孔径)420。对准结构包括至少一个对准构件(比如盖子)430，430被安排在基板上表 面412之上(比如通过粘合剂434)，以便形成一开口 440，开口 440的大小用于接收耦合器 I/O末端170并且使其中的光纤10与光电子设备310对准。图1 示出了安排在以VCSEL组件为形式的光电子设备310之上的对准结构400。 上文所讨论的图10示出了对准结构400位于VCSEL组件310上合适的位置，还示出了与该 对准结构啮合的耦合器100。在示例实施方式中，对准结构400是与光电子设备310对准 的，并且附接到光电子设备310上。上述对准过程可以是主动的或被动的，这取决于对准的 容限。注意到，在图13B中，通过连接到封装基板3M的支撑元件450，将对准结构400集成 到光电子组件300中。例如，通过将预先形成的构件接合到基板410上，可以形成对准构件430。对准构 件430可以是一个模制的部分，或是由通过穿透晶片KOH蚀刻而制成的硅基板构成的。一旦相对于光电子设备310而恰当地安排对准结构400 (如有必要，将两者附接起 来)，耦合器100就与对准结构相对准并且与之啮合。通过锁定元件(未示出)，可以将耦 合器100暂时地固定在合适的位置，或者通过使用对准构件430中和/或周围的粘合剂薄 层460，可以将耦合器100永久地固定在合适的位置。具有光子带隙光纤组件的通信系统图14A是通信系统590的示例实施方式的示意图，该通信系统590使用了根据本 发明的光子带隙(PBG)光纤组件600，并允许在两个电学设备660之间进行光学通信。PBG 光纤组件600包括一个或多个中空-芯光子带隙光纤10，在示例实施方式中，该光纤10构 成光纤光缆606。在示例实施方式中，将多个光子带隙光纤10安排成一种光纤带。缆线606包括在其相反的两端处的各个耦合器(连接器)612。PBG光纤组件600包括光电子设备310，这些光电子设备310被安排在各个缆线末端处并且被配置成在其各 个末端处用作Ε0/0Ε转换器(即每个光电子设备310可以执行EO和OE转换)。在另一个 示例实施方式中，光电子设备310之一仅仅用作EO转换器，而另一个用作OE转换器。连接 器612和光电子设备310的组合构成了上述的光电子组件300。在图14B所示的示例实施 方式中，连接器612之一是上文详细讨论的弯曲的光耦合器100。在示例实施方式中，一个或两个光电子组件300向PBG光纤组件600的一端或两 端处的电子设备660提供工业标准铜连接(接口)650(比如SFP、MTF、USB等)。在示例实 施方式中，接口 650是固定的或可移除的。在通信系统590的操作过程中，光电子设备310之一初始用作EO转换器，并且通 过接口 650接收来自电子设备660的输入电子信号。然后，这种光电子设备310将电子信号 转换成输出光信号622，通过连接器612将该输出光信号622耦合到一个或多个光纤10的 一个或多个中空的芯30中。为了说明起见，所示出的连接器612和发送器310是分开的； 它们也可以通过压缩配合、环氧树脂或其它固定手段而彼此接触。光纤光缆606中的一个 或多个光纤10中的一个或多个中空的芯30将光信号622引导至其它的连接器612(比如 图14B的耦合器100)，其中，光电子设备310接下来接收光信号。这种光电子设备310接下 来用作一种OE转换器以将检测到的光信号转换成电信号，然后，再通过接口 650将电信号 提供给电子设备660。在示例实施方式中，光电子设备310使这一过程反过来而重复，从而 切换它们的EO和OE功能。与使用常规光纤的组件相比，PBG光纤组件600提供了许多优点。首先，中空芯区 域中的光传播不再需要用常规缆线组件中的光学子部件使激光输出聚焦，并使该激光输出 从其自然的“处于空气中的”状态光束图案转换成适于固体玻璃光纤的光束图案，反之亦 然。这也减少了玻璃-空气界面的数目，因常规缆线组件中的玻璃-空气界面处的反射的 缘故，这些界面引起了损耗和光学反馈。这也能够使用无隔离器的实现方式。此外，因为使用了光子带隙光纤10，所以缆线606是更坚固耐用的，特别是，它可 以严重地弯曲而不会导致破损或光损耗。这意味着这些缆线可以制造得具有更少的防护和 总体积。另外，与常规光纤相比，光子带隙光纤10的使用提供了增强的光学隔离，使得这些 光纤可以被密集地捆扎起来。光子带隙光纤10的辐射耐受特征使PBG光纤组件600适用 于许多严酷的环境中，比如太空以及核反应器。最终，光子带隙光纤10的弯曲-不敏感性允许弯曲的耦合器100向光纤施加很强 的弯曲，使得PBG缆线606可以被连接到紧密空间中的光电子设备。对于本领域的技术人员而言，很明显，在不背离本发明的精神和范围的情况下可 以对本发明做出各种修改和变化。由此，本发明旨在覆盖本发明的这些修改和变化，只要它 们落在所附的权利要求书及其等价方案中就可以。
权利要求
1.一种光纤组件，用于光学地连接第一和第二电学设备，所述光纤组件包括至少一个光子带隙光纤；第一和第二光电子设备，所述第一和第二光电子设备在其各个末端处分别耦合到所述 至少一个光子带隙光纤，并且被配置成执行电光(EO)和/或光电(OE)转换；以及第一和第二电学接口，所述第一和第二电学接口可操作地相对于第一和第二光电子设 备而设置，并且被配置成向第一和第二电学设备提供各个电连接。
2.如权利要求1所述的光纤组件，其特征在于，所述至少一个光子带隙光纤包括排列在条带中的多个光子带隙光纤。
3.如权利要求1所述的光纤组件，其特征在于，所述至少一个光子带隙光纤具有中空的芯。
4.如权利要求1所述的光纤组件，其特征在于，所述至少一个光子带隙光纤的至少一个末端包括具有弯曲的光纤耦合器。
5.如权利要求4所述的光纤组件，其特征在于，所述弯曲是直角弯曲。
6.如权利要求4所述的光纤组件，其特征在于，所述光纤耦合器包括具有凹面的上光纤对准构件；下光纤对准构件，所述下光纤对准构件具有用于定义耦合器输出末端的底面以及凸 面，下光纤对准构件和上光纤对准构件被安排成形成第一光纤引导通道，所述第一光纤引 导通道定义了第一耦合器输入/输出(I/O)末端、通道末端以及由所述凸面和凹面限定的 中心曲线；以及其中，所述至少一个光子带隙光纤的末端部分具有近端端面，同时所述至少一个光子 带隙光纤的至少一部分被固定在所述第一光纤引导件通道之内，以便在与所述中心曲线相 对应的至少一个光子带隙光纤中形成一中心弯曲，并且使光纤端面定位于下光纤对准构件 的底面处或附近从而定义第二耦合器(I/O)末端。
7.如权利要求6所述的光纤组件，其特征在于，下光纤对准构件包括第二光纤引导通道，所述第二光纤引导通道位于第一光纤引导通 道末端附近并且朝着底面打开，还被配置成固定光纤末端部分。
8.如权利要求1所述的光纤组件，其特征在于，第一和第二光电子设备中的至少一个包括垂直腔面发射激光器(VCSEL)。
9.如权利要求1所述的光纤组件，其特征在于，第一和第二光电子设备中的至少一个包括至少一个有效表面，并且还包括对准结构，所述对准结构被设置在光纤光缆与所述至少一个有效表面之间，还被配置 成提供在所述至少一个光子带隙光纤和所述至少一个有效表面之间的光学对准。
10.一种弯曲的光纤耦合器，包括具有凹面的上光纤对准构件；下光纤对准构件，所述下光纤对准构件具有用于定义耦合器输出末端的底面以及凸 面，下光纤对准构件和上光纤对准构件被安排成形成第一光纤引导通道，所述第一光纤引 导通道定义了第一耦合器输入/输出(I/O)末端、通道末端以及由所述凸面和凹面限定的 中心曲线；以及至少一个光子带隙光纤，这种光纤的末端部分具有近端端面，至少一个光子带隙光纤的至少一部分被固定在第一光纤引导通道之内，以便在与所述中心曲线相对应的至少一个 光子带隙光纤中形成一种弯曲，并且使光纤端面定位于下光纤对准构件的底面处或附近从 而定义第二耦合器I/O末端。
11.如权利要求10所述的耦合器，其特征在于，下光纤对准构件包括第二光纤引导通道，所述第二光纤引导通道位于第一光纤引导通 道末端附近并且朝着底面打开，还被配置成固定光纤末端部分。
12.如权利要求10所述的耦合器，其特征在于， 所述凸面和凹面中的至少一个包括直角弯曲。
13.如权利要求10所述的耦合器，其特征在于，所述至少一个光子带隙光纤被一外套围绕着，所述耦合器还包括 应变消除构件，所述应变消除构件被安排在第一耦合器I/O末端处以便围绕着所述外 套，从而向所述至少一个光子带隙光纤提供应变消除。
14.如权利要求10所述的耦合器，其特征在于，上光纤对准构件包括模制的基板和固化的粘合剂中的至少一个。
15.如权利要求10所述的耦合器，其特征在于， 下光纤对准构件包括模制的基板。
16.如权利要求8所述的光纤组件，其特征在于，所述至少一个光子带隙光纤具有一直径，并且，其中，所述至少一个光子带隙光纤中的 弯曲所具有的最小中心弯曲半径是所述直径的四倍。
17.如权利要求10所述的耦合器，还包括划分器构件，所述划分器构件被安排在第一光纤引导通道内以将其划分成多个通道， 所述多个通道中的每一个包含至少一个光子带隙光纤。
18.一种用于形成光学耦合器的方法，包括提供至少一个光子带隙光纤，这种光纤的末端部分具有近端端面； 使至少一个光子带隙光纤固定在上光纤对准引导件和下光纤对准引导件的各个凹面 和凸面之间，从而在至少一个光子带隙光纤中形成一种弯曲。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于， 所述弯曲并不引起大于IdB的衰减。
20.如权利要求18所述的方法，还包括使下对准引导件的凹面之上的至少一个光子带隙光纤弯曲；将可固化的粘合剂层施加到所述凹面和至少一个光子带隙光纤以形成上对准构件；以及使可固化的粘合剂层固化。
21.如权利要求18所述的方法，还包括 使光纤近端端面光学地耦合到第一光电子设备。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述至少一个光子带隙光纤具有远端端面，并且所述方法还包括使所述远端端面光学 地耦合到第二光电子设备。
23.一种用于光学地连接第一和第二电学设备的方法，包括提供至少一个光子带隙光纤，这种光纤具有中空的芯以及第一和第二末端； 将第一和第二光电子设备连接到至少一个光子带隙光纤的第一和第二末端，其中，第 一和第二光电子设备被配置成执行电光(EO)和/或光电(OE)转换；以及相对于第一和第二光电子设备而可操作地放置第一和第二电学接口，以便提供在第一 和第二光电子设备以及第一和第二电学设备之间的各个电连接。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述连接包括提供至少一个连接器，这种连接器被配置成固定所述至少一个光子带隙 光纤，使得所述至少一个光子带隙光纤具有一种弯曲。
25.如权利要求23所述的方法，还包括提供多个光子带隙光纤，这些光子带隙光纤被安排在光纤缆线中或被安排在一排或多 排光纤带中。
全文摘要
一种光纤组件具有至少一个光子带隙光纤和光电子设备，它们被耦合到任一末端处的至少一个光纤。光电子设备用作电光(EO)和光电(OE)转换器，并且向各个电子设备提供工业标准电学接口。光子带隙光纤具有中空的芯，使得光穿过空气而非玻璃穿行着，由此提供了比用于连接电子设备的基于玻璃的光纤组件更佳的诸多优点。也揭示了一种弯曲的光纤耦合器，用于上述光纤组件中。
文档编号G02B6/42GK102047163SQ200980120904
公开日2011年5月4日 申请日期2009年5月14日 优先权日2008年5月30日
发明者B·R·赫曼维, J·G·伦弗罗, K·W·科奇 申请人:康宁股份有限公司