用於光電子轉換器的增強的耦合配置的製作方法
2023-05-02 19:12:46
專利名稱：用於光電子轉換器的增強的耦合配置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於光電子轉換器增強的耦合配置，尤其是涉及一種例如減小與/或控制用於諸如光纖等光器件的光耦合器與諸如垂直腔表面發射雷射器的表面發射裝置之間的間隙的增強的耦合配置。
作為一個例子，光電子轉換器把電信號變換為光信號或把光信號變換為電信號；光信號以很高的速率把數據從一個發射器傳輸到一個接收器。典型地，使用已知的電路系統把光信號變換為相關的電信號或相反。這種光電子轉換器常用於其中必須以高速率傳輸數據的裝置例如計算機中。
為了發射光信號，光發射器典型地是一個發光二極體(LED)或雷射發射器。按常規，使用一個光電二極體以接收光信號。可聚合構成光纖電纜的光纖，可同各個LED或雷射器與光二極體耦合，以便例如能把光信號傳輸至其它的光電子轉換器或從其它的光電子轉換器傳來光信號。
光電子轉換器通常位於輸入/輸出卡或連接輸入/輸出卡的埠卡上。而且，例如在一個計算機系統中，輸入/輸出卡(連同它連接的光電子轉換器)典型地同一塊電路板例如主板連接。然後此裝配可布置在底盤(即固定在計算機箱內的框架)上。底盤用來在計算機箱內支持此裝配。
典型地，有兩種不同類型的光發射器可用於光電子轉換器。這些通常包括邊緣發射器與表面發射器。邊緣發射器典型地有一個位於晶片邊緣的光發射部分，與典型地有一個例如尺寸為半微米乘以四微米、總面積可約為2平方微米的有源區。相對比地，表面發射器例如垂直腔表面發射雷射器(VCSEL)，按常規有一個比邊緣發射器的有源區明顯較大的有源區。表面發射器的有源區典型地直徑約為20微米，以便提供例如約400平方微米有源面積。
而且，同典型的邊緣發射器形成對比，常規的表面發射器有一個被無源部分包圍的有源區。這使能使用無源部分作為支承表面把另外的裝置放置在緊鄰表面發射器的地方。此外，同典型的邊緣發射器形成對比，表面發射器通常包括用於鈍化目的的塗層；例如二氧化矽或其它氮化物。
此外，使用常規的VCSEL，光以一個圓錐形光束垂直地從晶片表面發射。而且，常規的VCSEL可供集成的二維陣列配置之用。例如，可把VCSEL布置成一個例如隔開約250微米的12個表面發射器的直線陣列，或一個例如16×16陣列或8×8陣列的區域陣列。當然，也可以是其它的陣列布置。儘管如此，典型地把直線陣列考慮為供光電子轉換器使用的優選方案，因為通常認為從直線陣列比從區域陣列較容易對準收集從VCS EL發射光的光纖。此外，還按常規不把VCSEL布置成無論何種類別的陣列。而代之以單獨地使用VCSEL。
保證與從光發射器發射的光同樣多的光到達相應的光纖是重要的。然而，從光發射器發射的光總是發散。此發散可導致有些發射光不到達光纖，因而降低發送效率。因此，必須仔細控制發射器與光纖之間必然有的橋接間隔。
此外，由於發射光的發散，對準發射光同相應的光纖變得越來越更加困難。即是說，如果發射光束有一個比相應的光纖的直徑小的直徑，則在對準過程中時有一個可接受的誤差容限。例如，相應的光發射器可相對於相應的光纖稍微偏離中心，而發射光仍完全照射到光纖上。另一方面，如果發射光束由於光的發散而有一個與相應的光纖的直徑同樣大或較大的直徑，則光發射器相對於相應的光纖的任何中心偏移將導致一些發射光錯過光纖。
為了減小光纖與光發射器之間的任何不對準，以便保證發射光不致部分地或全部地錯過它的預定目標，可主動地或被動地對準光發射器。對於主動對準的器件，典型地接通光發射器並在起動器件時用光發射器對準其它元件。通過使用此方法，逐個對準生產的每個器件。很明顯，如果器件為大批生產，此方法是不可取的。然而，當位置容差很小時，尤其是當發射光束有大的發散時，主動對準可能是保證光發射器同光纖對準的唯一可接受的方法。
另一方法，被動對準技術應用夾具或其它手動操作以對準光發射器與相應的光纖。被動對準技術比主動對準技術較不精確，因此當位置容差較大時，即當可容許光發射器相對於相應的光纖有一些偏移時作用最好。
從上述內容可清楚看到要求儘可能多地減少從光發射器發射的光束的發散。減少光束髮散的一個方法是移動光發射器使其儘可能靠近光纖。然而，由於光發射器脆弱的性質，要求光發射器的表面不直接接觸光纖，尤其在對準過程期間。而且，還要求光發射器相對於光纖固定，以便相互保持它們的相對位置。
參照示出一個已知配置的
圖1與圖2，其中一個光發射器10例如一個VCSEL連接在承載部件12上，而光纖的端部(未表示)埋置在光耦合器14內。在此常規布置中，承載部件12而非光發射器10直接同光耦合器連接。此外，應了解光發射器按常規構成在一個晶片的頂面上。為了說明的目的，光發射器與有關的晶片總稱為光發射器10。
承載部件12典型地由導熱材料例如銅模鑄或用其它方法製成，以幫助散逸由光發射器10產生的熱。此外，承載部件12按常規有兩個接觸表面16，由一個井腔18使它們彼此分離。井腔18容納其上裝有光發射器的晶片。典型地，使用置於井腔18底部的環氧樹脂或其它粘接劑把晶片粘接在承載部件12上。此外，光耦合器14的一個端面有一個其中布置光纖的中間有源區。當承載部件12同光耦合器14連接時，承載部件的兩個接觸表面16將布置在光耦合器14的中間有源區的兩側，以便使光發射器10可同光纖對準。
此外，由於承載部件12典型地由銅構成，因而可利用承載部件供光發射器10的返回電路之用。即是說，可使用導電的環氧樹脂把晶片粘接在承載部件12上，以便電流從光發射器10經過導電的環氧樹脂傳入承載部件並接著通過使用例如一根軟性電纜上的導電體傳輸到別處。
為了幫助精確定位與對準光發射器10，按常規把各個接觸面(光發射器14的端面與承載部件的接觸面16)拋光至十分平坦，即從峰點至谷點約為2微米。而且，晶片有一個已知的規定厚度，並同樣有十分平坦的上、下表面。因此，當晶片連接在井腔18內並且承載部件12同光耦合器14的端面連接時，在晶片上的光發射器10的上表面與光耦合器的端面之間將構成一個有已知尺寸的間隙20。按常規認為此間隙20是為防止在對準處理期間損壞光發射器10所必需的。
然而，每個鄰接表面有一個與間隙有關的公差。即是說，井腔18的深度尺寸、晶片的厚度、用於把晶片粘接在井腔底部的環氧樹脂或其它粘接劑的厚度、及光耦合器14的端面與承載部件的接觸表面16的表面平直度，由於製造公差而可以改變。此公差是累積的，使得總累積公差約為50微米，而得到的間隙約在75與125微米之間。這個間隙相對較大，從而將為光束的明顯發散創造條件，因此要求複雜的主動對準技術，且可能減少能被光纖接收的光量。因此，需要一種用於光電子轉換器的耦合配置，在此配置中間隙最小以便減少發射光的發散。
此外，還已知在耦合配置中使用一個透鏡以幫助發射光束向後面的器件會聚。然而，使用透鏡是複雜而昂貴的。因此，需要一個用於光電子轉換器的耦合配置，此配置減少發射光的發散而不要求使用透鏡完成。
此外，還已知把晶片直接(即無間隙地)連接在一個其中包括光纖的安裝機構(即一個光耦合器)上。例如，在授予Brown等的美國專利號4730198中，公開了在對準晶片同光纖之後，在位於晶片與安裝機構之間應用一種透明的環氧樹脂或焊料把晶片保持在位的方案。在此情況下，以一個所謂的硬阻止配置把晶片保持在緊靠安裝機構的端面。即是說，推動晶片緊靠安裝機構直至這兩個部件在至少兩個不同點直接接觸。然而，此布置在晶片將相對於安裝機構端面移動的對準期間是不利的。由於晶片同安裝機構直接接觸，晶片的表面可能會在它的相對滑動期間由於同安裝機構的接合而損壞。因此，雖然此已知的配置允許晶片與安裝機構之間的間隙減小，但由於對準工藝在應用環氧樹脂之前進行，很可能在對準處理期間會損壞晶片。為此，需要一種將減小晶片與光耦合器之間的間隙並將使能對準晶片而不損壞它的方法與配置。
本發明的另一個目的是提供一個解決上述提到的問題的光電子轉換器的增強的耦合配置。
本發明的這些與其它目的通過本文中公開的用於光電子轉換器的增強的耦合配置而實現。
根據本發明的一個方面，其中提供一個減小了常規的粘接表面的尺寸或去除了粘接表面的承載部件。一個表面發射器例如一個VCSEL以常規方式連接在承載部件上。然而，代替把光耦合器連接在承載部件的接觸表面上的方法，本發明在示範方面使用一種粘接劑，例如丙烯酸氨基甲酸乙酯(urethane acrylate)或環氧樹脂，使光耦合器同表面發射器耦合。在示範實施例中，使用Conneticut州Torrington的Dymax(TM)公司製造的丙烯酸氨基甲酸乙酯(628系列)。此丙烯酸氨基甲酸乙酯有650cp(釐泊)的標稱粘度，用UV或可見光、熱或催化劑使其固化。
由於粘接劑的粘性，如果在光耦合器與表面發射器之間施加一個預先確定值的力，粘接劑將有利地充當一個粘性的潤滑介質，以便起一個支承層的作用，從而將防止表面發射器的表面同光耦合器直接接觸。之後，可使用主動或被動對準技術對準光耦合器與表面發射器，不用關心光耦合器是否將會損壞光發射器的表面。在對準之後，固化粘接劑，使表面發射器同光耦合粘牢。
按照本發明的另一方面，粘接劑將包括許多小球，其中每個有一個等於優選間隙例如10微米的直徑。這些球有利地保證如果在光耦合器與表面發射器之間施加過大的力，一些粘接劑仍將保持在其間。而且，這些球保證在光耦合器的有源區與表面發射器之間將形成一個平行的關係。此外，在對準期間，這些球將趨向於滾動，以便起到一個支承表面的作用，從而將不會損壞表面發射器。
按照本發明的又一方面，這些球由一種半透明材料例如玻璃或塑料製成，因而將有一個同粘接劑的折射率基本相同的折射率。這保證這些球不會引入光的附加散射與潛在的損失。
此外，按照本發明的再一方面，這些球可由一種玻璃基材包覆一種塑料外層構成。玻璃基材將充當一個較為剛性的基體，而由於玻璃外面包覆塑料，如果壓力過猛，此玻璃將不會損壞表面發射器的表面或使其變劣。代之，塑料充當一個緩衝層，而起一個墊層的作用。另一方面，裡面的玻璃基材將明顯地強於如果壓力過大而可能變形的純塑料球。
按照本發明的另一方面，這些球可布置在一個無粘接劑的承載部件內。在使用這些球建立間隙之後，可施加粘接劑以固定表面發射器對光發射器的相對位置。
圖3與圖4分別是根據本發明耦合配置的透視圖與俯視圖。
圖5是一個表示圖3與圖4中的光發射器與光耦合器之間的間隙、粘接劑與球的俯視圖。
圖6是一個圖5中表示的球的放大圖。
此外，在本申請中，不應把術語「上」、「下」、「前」、「後」、「在…上面」、「在…下面」及類似於這些的術語認作限制本發明於特定的方位。代之，只是在一個相對意義的基礎上使用這些術語。
參看圖3與圖4，本發明使用一個其中常規的接觸表面已減小或去除的承載部件22。如圖中表示，一個表面發射器24構成在一個晶片(未單獨標記)上，且在本示範實施例中是一個VCSEL(垂直腔表面發射雷射器)。表面發射器24以一種常規方式附加在承載部件22上。雖然作為一個例子只使用一個表面發射器，應了解可在一個晶片的公共表面上以陣列方式布置多個表面發射器。每個表面發射器發射自己的各個光信號。
在此示範實施例中，替代按常規方法把一個光耦合器26附加到承載部件的接觸面上，本發明使用一種粘接劑28(參看圖5)例如丙烯酸氨基甲酸乙酯或環氧樹脂以耦合光耦合器26與表面發射器24。在此示範實施例中，使用由Conne cticut州Torrington的Dymax(TM)公司製造的丙烯酸氨基甲酸乙酯(628系列)。此丙烯酸氨基甲酸乙酯有一個650cp(釐泊)的標稱粘度，並可用UV或可見光、熱或催化劑固化。
由於粘接劑28的粘性，如果在光耦合器26與表面發射器24之間施加一個預定數量的力，粘接劑28將充當(只是在未固化狀態下)一個粘性的潤滑介質，以便起一個支承表面的作用，並且將防止表面發射器的表面同光耦合器直接接觸。例如，當使用示範的丙烯酸氨基甲酸乙酯粘接劑時，確定可在光耦合器26與表面發射器24之間施加1磅力，使得在它們之間形成一個約10微米的間隙30。當然，如果使用一個具有不同粘度的粘接劑，則可能需要修改力值，以便得到要求的間隙。之後，可使用主動或被動對準技術對準光耦合器26與表面發射器24，不用關心光耦合器是否會損壞表面發射器的表面。然而應注意，因為間隙明顯減小，因而由於發射光的低發散因而可以有利地使用被動對準技術。在對準之後，固化粘接劑28，使表面發射器24同光耦合器26粘牢。
此外，還參看圖6，在本發明的實例方面，還應注意粘接劑28將包括許多小球32，其中每個有一個等於優選間隙的直徑，例如約為10微米左右。這些球32保證如果在光耦合器26與表面發射器24之間施加過大的力，一些粘接劑28仍將保持在其間。而且，這些球32保證在光耦合器26的有源區與表面發射器24之間將形成一個平行的關係。此外，在對準期間，這些球32將趨向於滾動，於是這些可充當一個支承表面，從而將不會損壞表面發射器24。
這些球32最好由一種半透明的材料如玻璃或塑料製成，並具有一個與粘接劑28的折射率基本相同的折射率(即在真空中的光速除以此材料中光速的比率)。例如，兩種不同材料的折射率的差值應在約0.05以內。相反，如果兩種材料的折射率明顯不同，這些球可能引入光的附加散射與潛在的損耗。
此外，按照本發明的另一方面，球32可由一個玻璃基材34並包覆塑料覆層36構成。玻璃基材34充當一個較為剛性的基體，而由於玻璃外面包覆塑料36，如果壓力過強，此玻璃將不會損壞表面發射器24的表面或使它退化。代之，塑料36將充當一個緩衝層，而起一個緩衝墊的作用。另一方面，裡面的玻璃基材34將明顯地強於如果壓力過猛而可能變形的純塑料球。
另外，還應注意這些球可布置在一個無粘接劑的承載部件內。在使用這些球以建立間隙和對準光耦合器與表面發射器之後，可施加一種粘接劑以固定表面發射器於光耦合器上。
因此，如上述討論表明，通過利用粘接劑的粘性與/或粘接劑中的球，本發明在把表面發射器與光耦合器之間的間隙減至最小的同時，使表面發射器能相對於光耦合器對準而不損壞表面發射器。
作為對球32的替代方案，還應注意表面發射器24的表面與光耦合器26的表面可使用例如機械夾具(未表示)保持為平行的平面。例如，這兩個裝置之一，比如表面發射器24，可保持在一個遠端中心配合裝置內。這是一個其中容許約束運動的裝置。當力作用在兩個表面上時，粘性的粘接劑將被迫從表面發射器與光耦合器之間擠出，使兩個器件相對靠近地在一起。因此，可通過施加的力、粘接劑的粘度與兩個裝置共同的表面積(共同的表面積在2mm2與50mm2之間，而在示範實施例中約為3mm2)來控制間隙。
雖然本發明已通過舉出與一個其中含有光纖38的光耦合器26有關的例子的方式付之使用，本發明也可用於任何類型的對光發射器呈現一個平坦表面的光器件。例如，本發明可用於透鏡陣列或用來收集與傳送光的任何其它光裝置。
然而應當懂得，本發明不必受限於前面示出與描述的特定配置與部件，而可容許在本發明範圍內作許多變更。
對本領域的技術人員來說，很明顯，製作與使用所要求的發明的方法已充分地公開在前面對連同附圖一起的優選實施例的書面描述中。
應當懂得前面對本發明的優選實施例的描述容許作各種修改、改變與改造，而所有這些被用來綜合在附加的權利要求書的等價含義與範圍中。
權利要求
1.一種耦合配置，包括至少一個表面發射器；與一個同所述表面發射器耦合的光耦合器，所述光耦合器接收來自表面發射器的一個表面發出的光；其中所述表面發射器通過一個間隙同所述光耦合器分離，該間隙小於約50微米，而大於0微米。
2.根據權利要求1的耦合配置，其中所述光耦合器不與所述表面發射器直接接觸。
3.根據權利要求1的耦合配置，其中間隙約為10微米。
4.根據權利要求1的耦合配置，其中所述表面發射器是一個垂直空腔表面發射雷射器。
5.根據權利要求1的耦合配置，其中所述光耦合器包括至少一個接收從所述至少一個表面發射器發射的光的光纖。
6.根據權利要求1的耦合配置，還包括一種置於所述間隙中的粘接劑，所述粘接劑有一個確定間隙尺寸的粘度。所述粘接劑將所述表面發射器與所述光耦合器耦合在一起。
7.根據權利要求6的耦合配置，其中所述粘接劑包括一種丙烯酸氨基甲酸乙酯可固化材料。
8.根據權利要求1的耦合配置，還包括許多布置在間隙中的球。
9.根據權利要求8的耦合配置，其中每個所述球有一個直徑，且其中球的直徑確定間隙的尺寸。
10.根據權利要求9的耦合配置，其中每個所述球有一個約為10微米的直徑。
11.根據權利要求8的耦合配置，其中每個所述球包含一個玻璃基材。
12.根據權利要求11的耦合配置，其中每個所述球還包括一個包圍相應玻璃基材的塑料覆層。
13.根據權利要求8的耦合配置，還包括一種置於間隙中用於耦合所述表面發射器與所述光耦合器的粘接劑，其中所述球被布置在所述粘接劑內。
14.根據權利要求13的耦合裝置，其中所述粘接劑與所述球是半透明的，且其中所述粘接劑與所述球具有基本相同的折射率。
15.根據權利要求1的耦合配置，還包括一個帶有固定在其上的所述表面發射器的承載部件，所述表面發射器夾在所述承載部件與所述光耦合器之間。
16.根據權利要求15的耦合配置，其中所述承載部件由銅構成。
17.一種將一個表面發射器耦合於一個光耦合器的方法，包括在表面發射器與光耦合器之間放置一粘性材料；使用此粘性材料在表面發射器與光耦合器之間建立一個間隙；與在所述放置之後，相對於光耦合器對準錶面發射器。
18.根據權利要求17的方法，其中所述使用包括在表面發射器與光耦合器之間施加一個力以確定表面發射器與光耦合器之間的間隙。
19.根據權利要求18的方法，其中在所述對準期間保持該間隙，使表面發射器不直接接觸光耦合器。
20.根據權利要求19的方法，還包括在所述對準之後固化粘性材料以粘接表面發射器與光耦合器。
21.根據權利要求18的方法，其中粘性材料有一個約為650cp的粘度，而力約為1磅。
22.根據權利要求17的方法，其中所述對準為一個被動對準操作。
23.根據權利要求17的方法，其中粘性材料是一種可固化粘接劑。
24.根據權利要求23的方法，其中粘性材料是丙烯酸氨基甲酸乙酯。
25.根據權利要求17的方法，其中所述對準使用粘性材料作為一個支承層以便在表面發射器與光耦合器之間建立一個浮動接觸。
26.一種耦合配置，包括一個垂直腔表面發射雷射器；一個帶有固定在其上的所述垂直腔表面發射雷射器的承載部件；一個同所述垂直腔表面發射雷射器耦合併含有許多接收從所述垂直腔表面發射雷射器發射的光的光纖的光耦合器，其中所述垂直腔表面發射雷射器通過一個間隙同所述光耦合器分離而不同所述光耦合器直接接觸，此間隙小於約50微米，而大於0微米；與一種置於該間隙中用於粘接所述垂直腔表面發射雷射器與所述光耦合器的可固化的粘接劑，所述粘接劑具有一個確定該間隙尺寸的粘度。
全文摘要
一種耦合配置包括一個垂直腔表面發射雷射器。一個承載部件帶有固定在其上的垂直腔表面發射雷射器。一個光耦合器同垂直腔表面發射雷射器耦合,並含有許多接收從垂直腔表面發射雷射器發射的光的光纖。垂直腔表面發射雷射器通過一個間隙同光耦合器分離而不同它直接接觸。此間隙小於約50微米,而大於0微米。一種可固化的粘接劑放置在間隙中用於耦合垂直腔表面發射雷射器與光耦合器。此粘接劑具有一個確定間隙尺寸的粘度。
文檔編號G02B6/42GK1344947SQ01140668
公開日2002年4月17日 申請日期2001年9月20日 優先權日2000年9月21日
發明者麥可·弗朗西斯·罕列, 格倫·威爾登·詹森, 小傑拉爾德·丹尼爾·馬拉格利諾 申請人:國際商業機器公司