专利名称：大容限光纤发送器和接收器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光传输器件领域，更加具体地，涉及大容限的光纤发送器和接收器。
背景技术：
在光纤系统中，光源发射穿过光纤以发送数据的光脉冲。光源和光纤必须被精确地对准，使得耦合效率达到最大。耦合效率是对光纤实际接收到多少光源所发送的光的测量结果。
已知一种用来实现光源与光纤之间对准的方法是主动对准。在主动对准中，光源在其孔径(aperture)对准光纤的接收端时被打开。在光纤的发送端被光探测器监测的同时，调节光源与光纤的接收端。光探测器测量穿过光纤的光的量。当所接收的光达到最大时，光源与光纤即达到最佳对准，此时固定光纤和光源。
主动对准耗时，因而较昂贵。这样，期望生产出在组件中不必打开光源或使用光探测器就可以被对准的部件。这种方法已知是被动对准。
被动对准存在其自身的缺陷。光源的孔径和光纤都非常小，并且透镜的焦距对每个部件的位置都强加了其自身严格的要求。例如，图1示出了现有技术的光学系统51。现有技术的光学系统51包括光源53、耦合光学系统55和光纤57。在传统的光发送器中，耦合光学系统55是具有第一透镜表面59和第二透镜表面61的独立单元。第一透镜表面59的焦距为F1。第二透镜表面61的焦距为F2。耦合光学系统55接收来自光源53的光，并将它聚焦到光纤57上。为实现这一点，光源53的光轴必须与第一透镜表面59的光轴对准，第二透镜表面61的光轴必须与光纤57的光轴对准。而且，光源53必须位于与第一透镜表面59距离F1处。最后，光纤57也必须位于与第二透镜表面61距离F2处。
现有技术的光纤系统51的要求导致被动对准过程中容限非常小。因此，需要昂贵的精密仪器来仔细地测量、定位并放置每个部件，使得来自光源的光将准确地聚焦到光纤的目标孔径(aperture)上。所以，期望生产出具有更大容限的部件，使得被动对准能够更容易实现。
发明内容
在优选实施例中，本发明提供了容限要求放宽的光发送器以方便被动对准。光发送器包括源组件和光纤插座。源组件包括光源和透镜。使用通常由光刻工艺形成的精确支撑结构将透镜固定在距光源固定距离处。光纤插座包括光学元件。光纤插座适于将光纤保持在距光学元件固定距离处。透镜基本将来自光源的光准直成为准直的光的形式。光学元件将准直的光聚焦到光纤的孔径。
这种布置放宽了源组件和光纤插座之间的容限，因为准直光束在整个源组件和光纤插座之间未对准的大范围内产生了稳定的耦合效率。
本发明的另一实施例为光接收器的被动对准提供了要求放宽的容限。光接收器包括光纤插座和探测器组件。光纤插座包括光学元件。光纤插座适于将光纤保持在距光学元件固定距离处。光学元件将来自光纤的光基本准直成为准直的光的形式。探测器组件包括透镜和光探测器。使用通常由光刻工艺形成的精确支撑结构将透镜固定在距光探测器固定距离处。透镜将准直的光聚焦到光探测器。
以下参照示例性附图来详细描述本发明的其他特征和优点，以及本发明优选实施例的结构和操作。在图中，相同的标号表示相同的或功能类似的元件。
图1示出了现有技术的光学系统。
图2示出了根据本发明教导的优选实施例的高级图。
图3A和3B示出了源组件。
图4示出了光纤插座和光纤连接器。
图5示出了源组件的替代实施例。
图6示出了源组件的替代实施例。
图7示出了光接收器。
具体实施例方式
图2示出了根据本发明教导制得的优选实施例的高级视图。光发送器11包括源组件13和光纤插座(receptacle)15。源组件13包括光源17和透镜19。透镜19的焦距为F1。虽然所示透镜19是单个部件，但应该理解到，可以使用多个透镜或透镜系统。利用以下将更详细公开的精确支撑结构，透镜19被固定在距离光源17为F1处，而光源17被放置在第一透镜19的焦点处。光源17发射的光被透镜19基本准直，并作为准直光20射出。在某些应用中，准直光20可以稍稍偏离完全准直态，以获得最佳的系统性能。
光纤插座15包括光学元件21。光纤插座15适于耦合到光纤23。光学元件21具有聚焦表面22，该聚焦表面22将来自光源的准直光20聚焦到光纤23的孔径上。光学元件21的焦距为F2。虽然所示光学元件21是单个部件，但应该理解到，可以使用多个光学元件或光学元件系统。光学元件21被光纤插座15固定在距离光纤23为F2处，而光纤23位于光学元件21的焦点处。
源组件13和光纤插座15在Z轴上对准，而该Z轴与光传播的轴线一致。X轴和Y轴定义了垂直于Z轴的平面。
本发明通过加强源组件13自身内的对准而放宽了源组件13和光纤插座15之间的容限。在源组件13内，一般通过使用由光刻方法形成的支撑结构来定位透镜19，而使光源17精确地对准透镜19的焦点。光纤插座15也被设计来使光纤23对准光学元件21的焦点。由于透镜19和光学元件21的焦距已经固定，源组件13和光纤插座15之间沿Z轴的距离并不是关键的。
通过使源组件13和光纤插座15之间的光准直，而进一步放宽了源组件13和光纤插座15之间的容限。由于光被校准(成准直光20)，源组件13与光纤插座15在XY平面内的对准也并不关键。如果存在稍许未对准，也只会损失少量光。
图3A和3B示出了源组件13的优选实施例。图3A是俯视图，图3B是图3A的沿线B-B’的横截面视图。在该优选实施例中，光源是垂直腔表面发射激光器(VCSEL)26，但是也可以使用其他光源，例如边缘发射二极管和其他激光器。利用标准的VCSEL制造技术，VCSEL 26形成在VCSEL衬底27上。VCSEL衬底27由任意合适的半导体材料形成。支座31支撑着在VCSEL 26的光发射表面之前的球型透镜33(图3A中未示出)。利用标准的光刻材料和方法，支座31形成在VCSEL衬底27上。支座31的形成以及球型透镜33的连接在共同递交的、题为“VCSEL withIntegrated Lens”的美国专利申请(申请号未知，代理案卷号为10030987-1)中描述了。支座31定位球型透镜33，使得VCSEL 26的孔径位于球型透镜33的焦点处。球型透镜33在形状上可以是圆球形。由于VCSEL 26被设置在球型透镜33的焦点处，所以从VCSEL 26发射出并穿过球型透镜33的任何光都作为准直光20射出。
由于光刻方法的精确性，所以可以高精度地制得支座31，以实现在XY平面上和Z方向上的准确定位。例如，目前的光刻方法可精确到2-3微米。结果，VCSEL 26可以严格地对准球型透镜33的焦点。在实际的工作实施例中，标准光刻工艺被用来在VCSEL 26的表面上沉积聚酰亚胺，并将聚酰亚胺蚀刻成环形，从而形成用于支撑球型透镜33的支座31。支座31并不限于环形——各种形状对于支撑球型透镜33都是可接受的。而且，各种其他材料和方法都是可用的，并可被用来形成支座31。
图4图示了以横截面示出的光纤插座15的优选实施例。光纤插座15包括光学元件21。光学元件21通常是具有光学透镜(例如透镜表面35)功能的部件。光学元件21由塑料、玻璃或任意其他合适光学级材料形成。光纤插座15机械上适于以相对高的精度保持在光纤23上的光纤连接器22。存在许多种类的标准化光纤连接器，例如FC、SC、ST、LC、MT-RJ和MTP连接器，其中任意一种都适合使用。这种机械匹配可以是光纤插座15上的用于锁定到或配合到光纤连接器22上的互锁机构。光纤23被保持在距透镜表面35固定距离处，使得当光纤连接器22被配合到光纤插座15上时，光纤23的孔径位于透镜表面35的焦点处。穿过透镜表面35的准直光20被聚焦到光纤23。虽然所示光纤插座15是用于光沿着直线路径传播的直线体，但可以制造具有一个或多个转折以及反射表面使得光20沿所期望的方向弯曲的光纤插座15。光纤还可以在组装工艺过程中用粘合剂直接连接到光源，例如在带尾纤的收发器设计中。
图5图示了以简图形式示出的源组件13的替代实施例。这里，透镜71被支座31悬吊在VCSEL 26上。透镜71可以是衍射透镜或折射透镜。而且，由于支座31是利用光刻技术形成的，所以透镜71可以被高精确地定位，使得VCSEL 26定位在透镜71的焦点处，从而使来自光源的光变得准直。透镜71和支座31的形成在共同递交的、题为“VCSEL withIntegrated Lens”的美国专利申请(申请号未知，代理案卷号为10030987-1)中描述了。
图6图示了以简图形式示出的源组件13的第二替代实施例。这里所示的VCSEL是底部发射VCSEL，可以被倒装芯片连结到头部29。头部29可以是印刷电路板或另一半导体衬底。头部29可以包括辅助电路，例如用于VCSEL的驱动电路。在这个实施例中不需要支座或支撑结构，因为透镜81被直接形成在VCSEL衬底29的表面上。透镜81是利用光刻方法形成的。通常，光敏聚合物层被沉积在衬底29的表面上。光敏聚合物被蚀刻形成所期望形状的透镜81。通过进行附加的蚀刻工艺来将透镜形状蚀刻到VCSEL衬底27自身内，也可以由衬底材料直接形成透镜81。
图7图示了以简图形式示出的光学系统中光接收器90的替代实施例。光接收器90包括光纤插座91和探测器组件93。光纤插座91包括光学元件97，光学元件97通常是具有光学透镜功能的部件，例如透镜表面99。透镜表面99的焦距为F3。光学元件97由塑料、玻璃或任意其他合适的光学级材料形成。虽然所示光纤插座91具有用于光传播的直线路径，但可以制造具有一个或多个转折以及反射表面使得光沿所期望的方向弯曲的光纤插座91。
光纤插座91机械上适于以相对高的精度保持在光纤95上的光纤连接器94。这种机械匹配可以是光纤插座91上的用于锁定到或配合到光纤连接器94上的互锁机构。光纤95被保持在距透镜表面99固定距离F3处，使得光纤95的孔径位于透镜表面99的焦点处。由光纤95发射的光被透镜表面99准直化，作为准直光103射出。
探测器组件93包括光探测器105和透镜107。透镜107的焦距为F4。透镜107被固定在距光探测器105距离为F4处，从而将光探测器105置于透镜107的焦点处。利用光刻方法，透镜107被精确定位。穿过透镜107的准直光103被聚焦到光探测器105。
通过将VCSEL 27替换为光探测器105，在图3、5或6中所示的任意一个源组件也可用作探测器组件93。光探测器105可以是光电二极管、光电晶体管或任意其他响应入射光的器件。探测器组件93使得高速应用成为可能，因为在这种应用中，探测器105的有效面积可以非常小，直径为10-30微米量级。
本发明所公开的实施例也可以容易地被修改以用于平行光应用中。在平行发送器的替代实施例中，源组件包括产生光阵列的光源阵列以及相对于光源阵列定位使得光准直化的透镜阵列。光纤插座包括用于接收准直光阵列的光学元件阵列。光源阵列可以所有都形成在单个管芯上，但这会导致更低的生产率，因为管芯越大，存在缺陷的概率也越大。通过将光源分离到独立的管芯内，随后将它们封装到阵列内，可提高生产率。
在现有技术的常规设计中，平行光源会服从于严格的容限，因为难以将光源阵列与透镜阵列对准。本发明放宽了这些容限要求，因为每个光源都可以与其自身的集成透镜单独形成，从而避免了将光源阵列与透镜阵列一起对准。
在平行接收器的替代实施例中，光纤插座包括光学元件阵列，用于使来自光纤阵列的光阵列准直化。探测器组件包括光探测器阵列和相对于光探测器阵列定位以接收并聚焦准直光阵列的透镜阵列。光探测器阵列可以形成在单个管芯上，或者光探测器可以分开形成在独立的管芯上，并随后封装成阵列。
虽然已参照特定的优选实施例详细地描述了本发明，但是掌握本发明所涉及领域普通技术的人员将认识到，不偏离所附权利要求的精神和范围，可以进行各种修改和改进。
权利要求
1.一种光学耦合系统，包括含有半导体材料的衬底；形成在所述衬底中的光源；形成在所述衬底上的支撑结构；连接到所述支撑结构的透镜，所述透镜用于将来自所述光源的光基本准直成为基本准直的光的形式，并且所述透镜被所述支撑结构固定在距所述光源为第一距离处；和被定位来接收并聚焦所述基本准直的光的光学元件。
2.如权利要求1所述的光学耦合系统，还包括光纤插座，所述光纤插座适于将所述光学元件和光纤保持在隔开的第二距离处，使得所述光学元件将所述基本准直的光聚焦到所述光纤的孔径。
3.如权利要求2所述的光学耦合系统，其中所述支撑结构包括用来支撑所述透镜的支座。
4.如权利要求3所述的光学耦合系统，其中所述透镜是具有第一焦距的球型透镜。
5.如权利要求4所述的光学耦合系统，其中所述光学元件包括透镜表面，所述透镜表面具有第二焦距。
6.如权利要求5所述的光学耦合系统，其中所述第一距离基本等于所述球型透镜的第一焦距。
7.如权利要求6所述的光学耦合系统，其中所述第二距离基本等于所述透镜表面的第二焦距。
8.如权利要求7所述的光学耦合系统，其中所述光源是垂直腔表面发射激光器。
9.如权利要求1所述的光学耦合系统，还包括多个形成在所述衬底中的光源；多个形成在所述衬底上的支撑结构；多个连接到所述支撑结构的透镜，每个透镜将来自所述光源的光基本准直成为基本准直的光的形式，并且每个透镜被相应的支撑结构固定在距相应的光源为第一距离处；和多个被定位来接收并聚焦来自相应透镜的基本准直的光的光学元件。
10.一种光学耦合系统，包括含有半导体材料的衬底；形成在所述衬底中的光源；形成在所述衬底上以及所述光源的上方的透镜，所述透镜用于将来自所述光源的光准直成为基本准直的光；和被定位来接收来自所述透镜的基本准直的光并聚焦所述基本准直的光的光学元件。
11.如权利要求10所述的光学耦合系统，还包括光纤插座，所述光纤插座适于将所述光学元件和光纤保持在隔开的固定距离处，使得所述光学元件将所述基本准直的光聚焦到所述光纤的孔径。
12.如权利要求10所述的光学耦合系统，其中所述光学元件包括透镜表面，所述透镜表面具有焦距。
13.如权利要求12所述的光学耦合系统，其中所述固定距离基本等于所述透镜表面的焦距。
14.如权利要求13所述的光学耦合系统，其中所述光源是垂直腔表面发射激光器。
15.如权利要求10所述的光学耦合系统，还包括多个形成在所述衬底中的光源；多个形成在所述衬底上以及所述光源上方的透镜，所述透镜用于将来自相应光源的光准直成为基本准直的光；和多个被定位来接收并聚焦来自相应透镜的基本准直的光的光学元件。
16.一种光学耦合系统，包括光学元件，所述光学元件用来将来自光源的光准直成为基本准直的光的形式；含有半导体材料的衬底；形成在所述衬底中的光探测器；被制备在所述衬底上的支撑结构；和连接到所述支撑结构的透镜，所述透镜用于接收来自所述光学元件的准直的光并将所述准直的光聚焦到所述光探测器，并且所述透镜被所述支撑结构固定在距所述光探测器为第一距离处。
17.如权利要求16所述的光学耦合系统，其中所述光源是光纤的孔径。
18.如权利要求17所述的光学耦合系统，还包括光纤插座，所述光纤插座适于将所述光学元件和光纤保持在隔开的第二距离处，使得所述光学元件将来自所述光纤的光基本准直化。
19.如权利要求18所述的光学耦合系统，其中所述支撑结构包括用来支撑所述透镜的支座。
20.如权利要求19所述的光学耦合系统，其中所述透镜是具有焦距的球型透镜。
21.如权利要求20所述的光学耦合系统，其中所述第一距离基本等于所述球型透镜的焦距。
全文摘要
本发明公开了一种光发送器，其放宽了源组件和光纤插座之间的容限以方便被动对准。源组件包括光源和透镜。使用通常由光刻工艺形成的精确支撑结构将透镜固定在距光源固定距离处。光纤插座包括光学元件。光纤插座适于将光纤保持在距光学元件固定距离处。透镜基本上将来自光源的光准直成为准直的光的形式。光学元件将准直的光聚焦到光纤的孔径上。
文档编号H04B10/02GK1721898SQ20051005340
公开日2006年1月18日 申请日期2005年3月7日 优先权日2004年3月5日
发明者陈烨 申请人:安捷伦科技有限公司