Оптическая юстировка оптической подсистемы по отношению к оптоэлектронному прибору - RU2745381C2
Код документа: RU2745381C2
Чертежи
Описание
Уровень техники
1. Запрашивание приоритета
По данной заявке: запрашивается приоритет в соответствии с:
(a) предварительной заявкой на патент США №62/308,817, поданной 15 марта 2016, и
(b) предварительной заявкой на патент США №62/308,818, поданной 15 марта 2016. Эти заявки полностью включены в данную заявку в виде ссылок. Все публикации, упомянутые в заявке, включены в нее полностью в виде ссылок.
2. Область техники
[0001] Данное изобретение относится к передаче света в оптоэлектронные устройства (например, фотонные интегральные схемы (ФИС), массивы/матрицы лазеров, матрицы фотодиодов и пр.) и от них, и более конкретно, к оптическому присоединению оптических подсистем (например, оптических скамей, узлов оптических волокон и др.) к оптоэлектронным устройствам.
3. Описание уровня техники
[0002] Оптоэлектронные устройства могут содержать оптические и электронные компоненты, которые испускают, детектируют и/или контролируют свет, осуществляя преобразования между световыми и электрическими сигналами. Например, трансивер (Xcvr) представляет собой оптоэлектронный модуль, содержащий как передатчик (Тх), так и приемное устройство/ресивер (Rx), которые объединены в цепь внутри корпуса. Передатчик содержит источник света (например, VCSEL лазер (лазер поверхностного излучения с вертикальным объемным резонатором) или DFB лазер (лазер с распределенной обратной связью), а приемное устройство/ресивер содержит световой сенсор (например, фотодиод). Раньше скомпонованную схему трансивера припаивали на печатную монтажную плату. Такой трансивер обычно имеет основание, образующее нижнюю часть корпуса (герметичного или негерметичного), а затем оптоэлектронные устройства, такие как лазеры и фотодиоды припаивают на основание. Оптические волокна присоединяют к внешней части корпуса или пропускают через стенку корпуса, используя перемычку (см., например, US 20130294732 А1, права на которую переданы правообладателю/заявителю данной заявки, и которая полностью включена в данную заявку в виде ссылки).
[0003] Оптоэлектронные устройства могут быть выполнены в форме полупроводниковой фотоники. Военные и промышленные применения полупроводниковой фотоники быстро развиваются: оптические развязки для цифровых сетей и вычислений на супер-ЭВМ, радиолокационные станции (передача радиочастот, РЧ, по волокну), формирование оптических изображений и зондирование (обследование), такое как определение дальности с использованием лазера, биозондирование, обследование состояния окружающей среды, зондирование газов и многие другие. Эти применения требуют совместной упаковки/монтажа электроники и фотоники, и при этом зачастую необходимы оптические присоединения к оптоэлектронному кабелю или введение других пассивных оптических устройств, таких как линзы, фильтры, изоляторы (разделители, прокладки, развязки) и пр.
[0004] Несмотря на эффективность производства кремниевых фотонных интегральных схем (SiФИС) и соответствующих (комплементарных) металлоксидных полупроводниковых (КМОП) контуров, размещенных на целой пластине, сборка и упаковка/монтаж любых оптических элементов, особенно оптоволоконных коннекторов, остается трудоемким и ненадежным процессом, при котором проводят размещение не на целой пластине, но в форме оконечных интерфейсов, когда технологические сбои приводят к получению дорогостоящих отходов. Все это происходит из-за того, что оптические узлы (сборки) требуют жестких допусков в отношении расположения и юстировки, и эти допуски юстировки должны соблюдаться как в процессе изготовления, так и в любых последующих условиях окружающей среды, которые могут быть очень суровыми, особенно для применений, связанных с обороной.
[0005] Экономия в результате роста масштабов производства стимулирует развитие производства по монтажу/упаковке электронно-фотонных устройств в соответствие с проиллюстрированной на Фиг. 1 логистической цепочкой, которая включает отдельное микроэлектронное производство, и структуры для сборки и монтажа/упаковки продукта. Такое положение дел определяет и создает возможности для массового производства. Заводы-изготовители производят интегральные схемы (ИС), используя качественно новую КМОП-технологию. Отдельные заводы зачастую производят фотонные ИС, используя процесс литографии задней кромки, так как оптические устройства значительно больше по размерам, чем транзисторы. Заводы могут производить комплекты (блоки, наборы) ИС, собирая их по технологии пластина-на-пластину (плата-на-плату) или кристалл-на-пластину (кристалл-на-плату). Блоки (сборки) ИС затем обычно транспортируют к отдельному производственному оборудованию, где монтируют ИС на силиконовый или стеклянный интерпозер и/или электрическую подложку. Органические подложки с массивами шариковых выводов являются обычными для применений в промышленном масштабе, но в применениях, связанных с обороной все еще часто используют керамические подложки в герметичных корпусах (интегральных модулях). Электронный блок затем транспортируют к другому производственному оборудованию, на котором электронно-фотонный модуль присоединяют к другой печатной плате в ходе сборки/монтажа продукта. Это производственное оборудование обычно используют для присоединения оптоволоконного кабеля и тестирования электрооптических эксплуатационных качеств. При обнаружении каких-либо дефектов/недостатков, обязательным является исправление/переделка/замена дорогостоящих фотонных устройств или оптоволоконных кабелей.
[0006] Такая логистическая цепочка является весьма проблематичной для крупномасштабных дешевых фотонных продуктов, нуждающихся в оптоволоконных коннекторах и кабельных соединениях. Заводы хорошо оборудованы чистыми помещениями и прецизионным автоматизированным оборудованием, но этого мало для создания оптоволоконных кабельных соединений, так как на стадии монтажа кабели будут препятствовать сборке печатных плат. К сожалению, высокоточная техническая экспертиза и оборудование для нее становятся менее доступными на монтажном производственном оборудовании и еще более редки на производственном оборудовании для сборки продукта. Во многих случаях монтажники («упаковщики») и сборщики продукта имеют очень мало или не имеют вовсе никакого опыта по оптической юстировке и оптическому тестированию. Это явилось вызовом для производителей сетевых переключателей, которые начали изготавливать сетевые переключатели, используя электрооптические трансиверы со средними/промежуточными («mid-board») печатными платами, так как это требовало применения способов монтажа в чистых помещениях и большого объема электрооптической диагностики, включая тестирование оптоволоконных кабелей и коннекторов. Соответственно, производители переключателей страдают от низкой продуктивности, вызванной проблемами с оптическим соединением, что резко повышает стоимость производства.
[0007] Правопреемник данного изобретения, nanoPrecision Products, Inc.(nPP) разработала различные собственные (запатентованные) оптические устройства для оптического соединения/присоединения/стыковки, содержащие оптические скамьи, используемые в связи с оптической передачей данных. nРР продемонстрировала способность производить металлические оптические скамьи (МОС), используя ультрапрецизионный процесс штамповки. Этот способ производства обеспечивает получение как небольших (сотни в месяц), так и крупных партий (миллионы в неделю) МОС, структурированных на микроуровне с пространственными допусками вплоть до +/-250 нм. Это дает возможность штамповать компоненты оптоволоконных коннекторов, требующие субмикронных допусков для высокой эффективности стыковке при кабельном соединении одномодовых оптических волокон или при подсоединении оптических волокон к фотонным интегральным схемам. Например, в US 2013/0322818 А1 раскрыто оптическое соединительное устройство, содержащее металлическую оптическую скамью, имеющую штампованную структурированную поверхность для маршрутизации сигналов оптических данных, в частности, оптическое соединительное устройство для маршрутизации оптических сигналов, включающее основание, заданную на основании структурированную поверхность, где имеющую один или более профилей поверхности (например, асферические микрозеркала), которые меняют форму, отклоняют и/или отражают входящий свет; и конструкцию для юстировки, заданную на основании, в которой предусмотрен поверхностный элемент, облегчающий позиционирование одного или более оптических компонентов на основании в положении оптической юстировки относительно структурированной поверхности для обеспечения передачи света вдоль одной или более заданных траекторий между структурированной поверхностью и одним или более оптическими компонентами, где структурированная поверхность и конструкция для юстировки заданы как целое на основании штамповкой ковкого материала основания.
[0008] Для правильной работы оптоэлектронное устройство, расположенное на печатной плате, должно эффективно передавать («спаривать, сопрягать») свет на внешнее оптоволокно. Большинство оптоэлектронных устройств (например, ФИС) требуют одномодовых оптических соединений, которые нуждаются в жестких допусках при юстировке между оптическими волокнами и устройствами, обычно составляющими менее 1 микрона. Обычно это осуществляют, перемещая оптоволоконный коннектор и одновременно контролируя мощность оптического излучения, передаваемого между ФИС и волокнами в коннекторе. Такая процедура активной оптической юстировки включает относительно сложные операции с низкой пропускной способностью. Современное состояние техники в области способов активной юстировки является дорогостоящим вследствие того, что исключается использование обычной электроники и обычных способов сборки и/или зачастую они не подходят для одномодовых применений, требующихся для многих ФИС. Проблемы сильно усугубляются, когда необходимо отъюстировать много оптических волокон относительно компонентов на ФИС, используя подход «активной юстировки», согласно которому положение и ориентацию оптических волокон регулируют с помощью механизмов (аппаратуры) до тех пор, пока мощность оптического излучения, переданного между оптическим волокном и ФИС, не достигнет максимума..
[0009] Далее, ФИС необходимо снабжать энергией в ходе процесса активной юстировки. Если лазер присоединен к ФИС, для активной оптической юстировки лазер необходимо снабжать энергией. Для этого лазер сначала нужно соединить с ФИС и обеспечить подачу энергии лазеру до юстировки оптоволоконного коннектора. На самом деле, если оптические сигналы передавать через оптоволокно в коннектор, ФИС все еще необходимо каким-либо образом обеспечить энергией и/или активировать, чтобы обеспечить считывание (измерение) мощности оптических сигналов, чтобы определить максимум, соответствующий достижению положения оптической юстировки. Поэтому для процессов активной оптической юстировки необходимо электрическое подсоединение к ФИС.
[0010] Таким образом, необходимо усовершенствовать подход к оптической юстировке оптической подсистемы (например, МОС) относительно оптоэлектронного устройства (например, ФИС) без необходимости обеспечивать электрические подсоединения к оптоэлектронному устройству, который производительность, допуски, технологичность, простоту использования, функциональность и надежность при сниженных ценах.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0011] Данное изобретение преодолевает недостатки существующего уровня техники за счет создания средств для оптической юстировки, предназначенных для оптической юстировки оптической подсистемы (например, оптической подсистемы, содержащей МОС) относительно оптоэлектронного устройства (например, ФИС) без необходимости электрического подсоединения оптоэлектронного устройства. Заявляемая схема оптической юстировки улучшает производительность, допуски, технологичность, простоту использования, функциональность и надежность при сниженных ценах.
[0012] В контексте данного изобретения оптическая юстировка включает позиционирование оптической подсистемы относительно оптоэлектронного устройства для юстировки оптической оси соответствующих оптических элементов или компонентов оптической подсистемы относительно оптической оси соответствующих оптических элементов или компонентов оптоэлектронного устройства, чтобы таким образом минимизировать ослабление оптического сигнала между оптоэлектронным устройством и оптической подсистемой до допустимого уровня/допуска.
[0013] Согласно данному изобретению для оптической юстировки оптоэлектронное устройство не снабжают активным компонентом (например, лазером, фотодиодом и пр.). Оптическую юстировку оптической подсистемы и оптоэлектронного устройства осуществляют, используя источник света и фотоприемник (приемник оптического излучения), являющиеся внешними по отношению к оптоэлектронному устройству. Заявляемые особенности и способы оптической юстировки позволяют достичь субмикронной оптической юстировки между оптической подсистемой и оптоэлектронным устройством за счет использования фотоприемника для измерения отклика мощности котировочного оптического сигнала, который был создан источником света (источником оптического излучения) и который был передан между средствами оптической юстировки, заданными на оптической подсистеме и оптоэлектронном устройстве.
[0014] Согласно одному варианту выполнения изобретения оптоэлектронное устройство снабжают средством для юстировки в форме пассивного световода, а положение световода относительно средств для юстировки, расположенных на оптической подсистеме, является основанием для определения оптического выравнивания (юстировки) между оптической подсистемой и оптоэлектронным устройством.
[0015] Согласно одному варианту выполнения изобретения пассивный световод располагают снаружи от действующей/рабочей области оптоэлектронного устройства. В контексте данного изобретения рабочая область оптоэлектронного устройства представляет собой область, где оптические траектории заданы для передачи сигналов оптических данных между оптической подсистемой и оптоэлектронным устройством в ходе нормального активного режима работы оптоэлектронного устройства.
[0016] Согласно одному варианту выполнения изобретения оптическая подсистема снабжена средствами для юстировки, включающими первую котировочную отражающую поверхность, направляющую (т.е. отклоняющую, меняющую форму и/или фокусирующую) юстировочный оптический сигнал от источника света к входу световода на оптоэлектронном устройстве, и вторую котировочную отражающую поверхность, направляющую (т.е. отклоняющую, меняющую форму и/или задающую коллимацию) к фотоприемнику юстировочный сигнал, направленный от выхода световода после того, как юстировочный сигнал был передан от входа к выходу через световод. Регулируя (настраивая, устанавливая) относительное взаимное расположение оптической подсистемы и оптоэлектронного устройства и определяя/детектируя мощность оптического излучения юстировочного сигнала, отраженного от второй котировочной отражающей поверхности, можно определить положение оптимальной оптической юстировки оптической подсистемы и/относительно оптоэлектронного устройства (например, при максимальной детектированной мощности оптического излучения; т.е. при минимальном ослаблении оптического сигнала).
[0017] Согласно одному варианту выполнения изобретения и вход, и выход световода каждый содержит решеточный светоделитель, причем первый решеточный светоделитель принимает юстировочный сигнал от первой котировочной отражающей поверхности оптической подсистемы, а второй решеточный светоделитель выпускает/выводит юстировочный сигнал ко второй юстировочной отражающей поверхности оптической подсистемы.
[0018] Согласно одному варианту выполнения изобретения источник света и фотоприемник являются внешними по отношению к оптической подсистеме.
[0019] Согласно одному варианту выполнения изобретения оптическая подсистема включает субблок оптической скамьи, имеющий заданные на нем поверхности отражения оптических данных для направления/передачи сигналов рабочих данных между субсубблоком оптической скамьи и оптоэлектронным устройством в ходе нормального активного режима работы оптоэлектронного устройства. Согласно одному варианту выполнения изобретения субблок оптической скамьи выполнен в форме оптоволоконного субблока (ОВСБ, OFSA), удерживающего одно или более оптических волокон в положении оптической юстировки относительно поверхностей отражения данных (т.е. с оптической осью соответствующих оптических волокон, выровненной/ отъюстированной относительно оптической оси соответствующей поверхности отражения данных).
[0020] Согласно одному варианту выполнения изобретения каждая из первой и второй котировочных отражающих поверхностей сформирована штамповкой ковкого материала.
[0021] Согласно одному варианту выполнения изобретения оптическая подсистема также включает отдельную котировочную конструкцию, снабженную средствами оптической юстировки. Юстировочная конструкция содержит юстировочное основание, поддерживающее субблок оптической скамьи в положении физической юстировки относительно основания. Основание оптически отъюстировано относительно оптоэлектронного устройства в соответствии с заявленной схемой оптической юстировки, за счет чего достигается оптическая юстировка удерживаемого на основании субблока оптической скамьи относительно оптоэлектронного устройства. Согласно одному варианту выполнения изобретения основание снабжено средствами юстировки, включая котировочные отражающие поверхности, аналогичные описанным в предыдущем варианте выполнения изобретения. Согласно другому варианту выполнения изобретения основание снабжено средствами для юстировки, включая первую пару котировочных отражающих поверхностей, направляющих юстировочный оптический сигнал от источника света к входу световода на оптоэлектронном устройстве, и вторую пару котировочных отражающих поверхностей, отражающих к фотоприемнику юстировочный сигнал, направленный от выхода световода после того, как юстировочный сигнал прошел от входа к выходу через световод. Регулируя взаимное расположение основания и оптоэлектронного устройства и определяя/детектируя мощность оптического излучения юстировочного сигнала, отраженного от второй пары котировочных отражающих поверхностей, можно определить оптимум оптической юстировки основания относительно оптоэлектронного устройства (например, при детектированном максимуме мощности оптического излучения).
[0022] Согласно одному варианту выполнения изобретения субблок оптической скамьи и основание можно соединить с помощью разъемного или демонтируемого соединения, сконфигурированного и структурированного таким образом, чтобы обеспечивать съемное присоединение субблока оптической скамьи к основанию для повторного подсоединения к основанию в положении юстировки после того, как основание было оптически отъюстировано относительно оптоэлектронного устройства. Основание может быть перманентно (без возможности отсоединения) присоединено к оптоэлектронному устройству. Юстировку основания относительно субблока оптической скамьи можно провести путем пассивного соединения, кинематического соединения, псевдо-кинематического соединения или упругого соединения («соединения с усреднением упругости, «elastic-averaging coupling»). Соединение с пассивной юстировкой позволят съемно присоединять субблок оптической скамьи к оптоэлектронному устройству через основание, которое было оптически отъюстировано относительно оптоэлектронного устройства. Коннектор можно отсоединить от основания и повторно присоединить к основанию, не подвергая риску (не нарушая) оптическую юстировку. Соответственно, согласно данному изобретению основание можно присоединить к печатной плате в положении оптической юстировки, а после того, как плата полностью смонтирована, к печатной плате можно присоединить субблок оптической скамьи с оптоволоконными кабелями. Следовательно, оптоволоконные кабели не мешают в процессе сборки/монтажа печатной платы.
[0023] Данное изобретение предусматривает способ оптической юстировки оптической подсистемы относительно оптоэлектронного устройства, который применим при использовании подъемно-транспортного оборудования, обеспечивающего точность позиционирования примерно 1 микрон. Это соответствует требованиям для одномодовых оптических соединений.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0024] Для более полного понимания сущности и преимуществ изобретения, а также предпочтительных способов его применения, далее приведено детальное описание со ссылками на сопроводительные чертежи. На приведенных далее чертежах близкими позициями (цифрами) обозначены аналогичные или похожие элементы/компоненты.
[0025] Фиг. 1 представляет собой схему производственного процесса, отражающую логистическую цепочку в промышленности по производству и монтажу электроники/фотоники.
[0026] Фиг. 2А представляет собой перспективное изображение оптической подсистемы, содержащей субблок оптической скамьи в соответствии с одним вариантом выполнения данного изобретения; а Фиг. 2В представляет собой соответствующее объемное изображение с пространственным разделением деталей.
[0027] Фиг. 3А представляет собой перспективное изображение оптической подсистемы, показанной на Фиг. 2А; Фиг. 3В представляет собой вид сверху оптической подсистемы, показанной на Фиг. 2А; а Фиг. 3С представляет собой перспективное изображение оптической подсистемы, показанной на Фиг. 2А, на котором показаны пути прохождения сигналов оптических данных и котировочных оптических сигналов.
[0028] Фиг. 4А представляет собой вид сбоку, иллюстрирующий положение оптической подсистемы на оптоэлектронном устройстве; Фиг. 4В представляет собой сечение по линии 4В-4В на Фиг. 4А.
[0029] Фиг. 5А представляет собой вид сверху (горизонтальную проекцию) оптоэлектронного устройства, показанного на Фиг. 4А, схематически иллюстрирующий принципиальную схему размещения световодов и решеточных светоделителей в соответствии с одним вариантом выполнения данного изобретения; Фиг. 5В представляет собой вид сверху VCSEL (полупроводникового лазера поверхностного излучения с вертикальным резонатором) чипа, схематически иллюстрирующий принципиальную схему размещения световодов и электрооптических компонентов в соответствии с одним вариантом выполнения данного изобретения.
[0030] Фиг. 6А представляет собой перспективное изображение оптической подсистемы в соответствии с одним из вариантов выполнения данного изобретения, присоединенной к оптоэлектронному устройству, которое удерживается на печатной плате; и Фиг. 6В представляет собой соответствующее объемное изображение с пространственным разделением деталей.
[0031] Фиг. 7А представляет собой перспективное изображение оптической подсистемы, присоединенной к оптоэлектронному устройству, где закрепительный хомут удален; Фиг. 7В представляет собой соответствующий вид с торца; Фиг. 1С представляет собой соответствующий вид сверху; Фиг. 7D представляет собой соответствующий вид сбоку и Фиг. 7Е представляет собой сечение по линии 7Е-7Е на Фиг. 1С.
[0032] Фиг. 8 представляет собой вид сверху оптоэлектронного устройства, показанного на Фиг. 7А, схематически иллюстрирующий расположение световодов и решеточных светоделителей, включая котировочные решеточные светоделители, в соответствии с одним вариантом выполнения данного изобретения.
[0033] Фиг. 9А представляет собой перспективное изображение юстировочного основания оптической подсистемы, показанной на Фиг. 6А в соответствии с одним вариантом выполнения данного изобретения, расположенное на оптоэлектронном устройстве для оптической юстировки; Фиг. 9В представляет собой соответствующее объемное изображение с пространственным разделением деталей; Фиг. 9С представляет собой соответствующий вид сверху; и Фиг. 9D представляет собой сечение по линии 9D-9D на Фиг. 9С.
[0034] Фиг. 10 представляет собой перспективное изображение субблока оптической скамьи оптической подсистемы, показанной на Фиг. 6А.
[0035] Фиг. 11А иллюстрирует печатную плату, выполненную с возможностью установки на нее юстировочного основания оптической подсистемы и оптоэлектронного устройства; Фиг. 11В иллюстрирует расположение юстировочного основания оптической подсистемы и оптоэлектронного устройства после того, как они были оптически отъюстированы.
ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0036] Данное изобретение описано далее на примере различных вариантов его выполнения со ссылками на чертежи. Несмотря на то, что изобретение описано на примерах, обеспечивающих наилучшее достижение поставленных целей, специалисты должны понимать, что на основании изобретения могут быть произведены различные изменения, не выходящие за рамки духа и буквы изобретения.
[0037] Данное изобретение преодолевает недостатки существующего уровня техники за счет создания средств для юстировкив и способа оптической юстировки оптической подсистемы (например, оптической подсистемы, содержащей МОС) относительно оптоэлектронного устройства (например, ФИС) без необходимости электрического подсоединения оптоэлектронного устройства. Заявляемые конструкция и способ оптической юстировки повышают производительность, допуски, технологичность, простоту использования, функциональность и надежность при сниженных ценах.
[0038] В контексте данного изобретения оптическая юстировка включает позиционирование оптической подсистемы относительно оптоэлектронного устройства для юстировки (выравнивания) оптической оси соответствующих оптических элементов и/или компонентов оптической подсистемы относительно оптической оси соответствующих оптических элементов и/или компонентов оптоэлектронного устройства, чтобы таким образом минимизировать ослабление оптического сигнала между оптоэлектронным устройством и оптической подсистемой до приемлемых допусков.
[0039] Согласно данному изобретению оптоэлектронное устройство не снабжено активным компонентом (например, лазером, фотодиодом и пр.), предназначенным для оптической юстировки. Оптическую юстировку оптической подсистемы и оптоэлектронного устройства осуществляют, используя внешние по отношению к оптоэлектронному устройству источник света и фотоприемник (приемник оптического излучения). Заявленная схема оптической юстировки обеспечивает субмикронную оптическую юстировку между оптической подсистемой и оптоэлектронным устройством за счет использования фотоприемника для измерения отклика мощности оптического излучения юстировочного оптического сигнала, созданного источником света, который был передан между средствами оптической юстировки, установленными на оптической подсистеме и оптоэлектронном устройстве.
[0040] Данное изобретение далее будет раскрыто на не имеющем ограничительного характера примере оптоэлектронного устройства в форме фотонной интегральной схемы (ФИС), например, силиконовой ФИС (SiФИС) и оптической подсистемы (ОПС) в форме оптоволоконного субблока (ОВСБ). Однако, и иные типы оптоэлектронных устройств (например, отдельные устройства, такие как лазеры, фотодиоды, трансмиттеры, ресиверы и/или трансиверы, которые могут быть и не использованы в ФИС) и оптические подсистемы (например, с другими оптическими элементами или компонентов, такими как линзы, фильтры, лазеры, фотодиоды и пр., с оптическими волокнами или без них) могут быть использованы в описанных здесь конструкции и способе оптической юстировки, не выходя при этом за рамки данного изобретения.
[0041] Согласно одному варианту выполнения изобретения оптическая подсистема содержит субблок оптической скамьи, имеющий поверхности отражения оптических данных, заданные на нем для направления/передачи сигналов рабочих данных между субсубблоком оптической скамьи и оптоэлектронным устройством в ходе нормального активного режима работы оптоэлектронного устройства. В проиллюстрированном варианте выполнения изобретения ОПС в форме ОВСБ поддерживает одно или более оптических волокон в положении оптической юстировки относительно поверхностей отражения данных (т.е., в положении, когда оптическая ось соответствующих оптических волокон отъюстирована относительно оптической оси соответствующей поверхности отражения данных).
[0042] В варианте выполнения, проиллюстрированном на Фиг. 2А-3С, ОПС 20 содержит субблок оптической скамьи, который в данном случае выполнен в форме ОВСБ. ОПС 20 содержит основание 21 и сердцевину (центральный узел) 22, удерживаемый в углублении 29 внутри основания 21. Сердцевина 22 задает множество пазов 23 для надежного удерживания концевых участков 31 оптических волокон 30 (т.е., оголенных участков с обнаженным покрытием, без защитного буферного слоя и оболочки 32) оптоволоконного кабеля 33. Сердцевина 22 также задает множество поверхностей отражения данных 26 (например, вогнутых асферических микрозеркальных поверхностей), расположенных в ряд, каждая из которых отъюстирована относительно соответствующего паза 23, так что концевые участки 31 оптических волокон 30, удерживаемые в пазах 23, находятся в положении оптической юстировки относительно поверхностей отражения данных 26. Аналогичные конструкции основания 21 и сердцевины 22, а также процесс их изготовления детально раскрыты в US 20160016218 А1 (права на которую переданы правообладателю/заявителю данной заявки, и которая полностью включена в данную заявку в виде ссылки), где раскрыта штамповка для изготовления композитной конструкции из разнородных материалов, имеющей структурированные элементы, включая микро-компонентны, которые штампуют на более ковкий материал (например, алюминий) сердцевины, чтобы сформировать открытые пазы, предназначенные для удерживания оптических волокон в положении оптической юстировки относительно штампованного массива асферических микро зеркал. В результате штамповки элементов сердцевины, когда материал для сердцевины находится на своем месте в основании, сердцевина оказывается присоединена к основанию как заклепка. В данном изобретении использованы все преимущества концепций, раскрытых в описанном выше источнике.
[0043] Пазы 23 структурированы для надежного удерживания участков волокон 31 (оголенных участков с обнаженным покрытием, без защитного буферного слоя и оболочки) путем защелкивания участков волокон 31, например, за счет механической посадки или посадки с натягом (или прессовой посадки). Посадка с натягом гарантирует, что участки волокон 31 зафиксированы («защелкнуты») на месте, и следовательно, положение и ориентация участка волокна 31 относительно поверхностей отражения данных 26 определяется положением и продольной осью пазов 23. Остальные детали структуры/конструкции защелкивающих пазов можно найти в патенте США №8,961,034 В2 (права на который переданы правообладателю/заявителю данной заявки, и который полностью включен в данную заявку в виде ссылки). В данном изобретении использованы все преимущества концепций, раскрытых в описанном выше источнике.
[0044] Как показано в проиллюстрированном варианте выполнения изобретения, для обеспечения защиты оптоволоконного кабеля 33 на ОПС 20 предусмотрен кабельный компенсатор натяжения 27. Кроме того, для снижения риска выхода участков волокон 31 из пазов 23 над пазами 23 предусмотрена крышка (защитная накладка) 28. Крышка 28 также функционирует в качестве прокладки, как более четко показано на Фиг. 4А и 4В.
[0045] ОПС 20 снабжена средствами для юстировки, включая первую котировочную отражающую поверхность 24 и вторую юстировочную отражающую поверхность 25 на сердцевине 22. В проиллюстрированном варианте выполнения изобретения первая и вторая котировочные отражающие поверхности 24 и 25 расположены снаружи (вне) двух концов ряда поверхностей отражения данных 26, в вырезе (34', 35,) с каждой стороны сердцевины 22. Как правило, первая юстировочная отражающая поверхность 24 направляет (т.е., за счет отклонения, изменения формы и/или фокусировки) юстировочный оптический сигнал 10 от внешнего источника света (например, лазера, не показан) к ФИС 100 (будет описано далее в связи решеточными светоделителями на Фиг. 4А, 4В и 5), а вторая юстировочная отражающая поверхность 25 направляет (т.е., за счет отклонения, изменения формы и/или коллимации) к внешнему фотоприемнику (например, фотодиоду, не показан) тот же юстировочный сигнал 10 от ФИС 100 (будет описано далее в связи с решеточными светоделителями на Фиг. 4А, 4В и 5). Первая и вторая котировочные отражающие поверхности 24 и 25 не отъюстированы относительно какого-либо оптоволоконного паза. Эти отражающие поверхности 24 и 25 согласно данному изобретению используют только для оптической юстировки, их не используют для передачи сигналов оптических данных в ходе нормального активного режима работы ФИС 100. Как будет показано ниже, регулируя взаимное расположение ОПС 20 и ФИС 100 и определяя мощность оптического излучения юстировочного сигнала 20, отраженного от второй юстировочной отражающей поверхности 25, можно определить положение оптимума оптической юстировки ОПС и оптоэлектронного устройства (например, при детектированном максимуме мощности оптического излучения; т.е., при минимальном ослаблении оптического сигнала).
[0046] В проиллюстрированном варианте выполнения изобретения источник света и фотоприемник, предназначенные для юстировки, установлены снаружи ОПС 20. В основании 21 должны быть предусмотрены просветы, обеспечивающие прохождение юстировочного оптического сигнала 10 от внешнего источника сквозь основание 21 на отражающую поверхность 24 на сердцевине 22, а также обеспечивать возможность перенаправлять юстировочный оптический сигнал 10 от юстировочной отражающей поверхности 25 сквозь основание 21 к внешнему приемнику. В проиллюстрированном варианте выполнения изобретения на боковой стороне основания 21 задано отверстие, вырез или выемка 34, соответствующая вырезу 34' на боковой стороне сердцевины 22 для падающего юстировочного оптического сигнала 10, а отверстие, вырез или выемка 35, соответствующая вырезу 35' на боковой стороне сердцевины 22, задана на боковой стороне основания 21 для юстировочного оптического сигнала 10, перенаправленного от юстировочной отражающей поверхности 25.
[0047] Согласно одному варианту выполнения изобретения, первая и вторая котировочные отражающие поверхности 24 и 25 и поверхности отражения данных 26 сформированы вместе штамповкой ковкого металла сердцевины 22 в одну стадию штамповки, чтобы таким образом точно задать относительные позиции (расположение) котировочных отражающих поверхностей 24 и 25 относительно поверхности отражения данных 26 для обеспечения жестких допусков.
[0048] В патенте США №7,343,770 (права на который переданы правообладателю/заявителю данной заявки, и который полностью включен в данную заявку в виде ссылки) раскрыта новая система прецизионной штамповки для производства деталей с малыми допусками. Такую систему штамповки можно использовать в различных процессах штамповки для производства раскрытой здесь конструкции. Указанный процесс штамповки включает штамповку болванки (например, металлической заготовки) для формирования окончательных поверхностных элементов с жесткими (т.е., малыми) допусками, включая отражающие поверхности с нужной геометрией в положении прецизионной юстировки относительно других заданных элементов поверхности. В данном изобретении использованы все преимущества концепции, раскрытой в описанном выше источнике.
[0049] Согласно данному изобретению отражающие поверхности и пазы имеют размеры, заданные с точностью, превышающей +/-500 нм, что достаточно для обеспечения желаемых допусков оптической юстировки и получения низких вносимых потерь, составляющих менее 0.5 дБ (эффективность соединения >89%) для одномодовых оптоволоконных соединений, и даже получения еще более низких вносимых потерь, составляющих менее 0.35 дБ (эффективность соединения >93%).
[0050] Согласно одному варианту выполнения изобретения в оптоэлектронном устройстве предусмотрено средство для юстировки в форме пассивного световода, а положение световода относительно средств для юстировки на оптической подсистеме таково, что оно зависит от оптической юстировки между оптической подсистемой и оптоэлектронным устройством и позволяет ее определить. В проиллюстрированном варианте выполнения изобретения и вход, и выход световода каждый содержит решеточный светоделитель, где первый решеточный светоделитель 104 принимает юстировочный сигнал 10 от первой юстировочной отражающей поверхности 24 ОПС 20, а второй решеточный светоделитель 105 выпускает/выводит юстировочный сигнал 10 ко второй юстировочной отражающей поверхности 25 ОПС 20.
[0051] Фиг. 5А представляет собой вид сверху, схематически иллюстрирующий принципиальную схему размещения световодов и решеточных светоделителей на верхней поверхности ФИС 100 в соответствии с одним вариантом выполнения данного изобретения. В частности, юстировочный световод 102 снабжен входным котировочным решеточным светоделителем 104, расположенным на входе (у порта входа) юстировочного световода 102, и выходным котировочным решеточным светоделителем 105, расположенным на выходе (у порта выхода) юстировочного световода 102. Юстировочные решеточные светоделители 104 и 105 соединяют/стыкуют юстировочный оптический сигнал 10 для оптической юстировки ФИС 100 и ОПС 20, что будет более подробно раскрыто ниже (см. также Фиг. 4В). Юстировочный световод 102 передает оптический сигнал между решеточным светоделителем 104 на входе и решеточным светоделителем на выходе. Кроме того, есть еще решеточные светоделители данных 110 и соответствующие световоды данных 112, ведущие к оптическим элементам, оптическим компонентам и/или фотонным схемам 108, (например, лазерам, фотодиодам и пр., что обобщенно и схематически показано на Фиг. 5) на ФИС 100. Световоды 102 и 112 являются пассивными оптическими световодами, через которые передаются/направляются оптические сигналы. Решеточные светоделители данных 110 стыкуют/спаривают сигналы оптических данных между ФИС и ОПС в ходе нормальной активной работы ФИС 100, причем каждый из решеточных светоделителей 110 соответствует отражающей поверхности данных 26/ участку оптоволокна 31 в ОПС 20. Котировочные решеточные светоделители 104 и 105, решеточные светоделители данных 110, юстировочный световод 102 и световод данных 112 можно сформировать на ФИС 100, например, с помощью литографического формирования этих элементов на поверхности ФИС 100.
[0052] В целом оптическое соединение между ФИС и ОПС (в частности, ОПС, содержащих ОВСБ) раскрыто в US 2016/0377821 А1 (права на которую переданы правообладателю/заявителю данной заявки, и которая полностью включена в данную заявку в виде ссылки). Как показано в данном источнике, асферические, вогнутые зеркала ОВСБ искривляют (отклоняют), меняют форму и/или фокус света, входящего в или исходящего из массива/матрицы оптических волокон в дифракционные решеточные светоделители на поверхности ФИС, чтобы таким образом обеспечить ориентацию оси оптоволокна под малыми углами или параллельно поверхности ФИС, ниже и ближе к поверхности ФИС. Кроме того, зеркало сконфигурировано таким образом, чтобы менять форму светового сигнала, поступающего от плоско полированного оптоволокна, для создания модового поля, напоминающего модовое поле оптоволокна с угловой полировкой, чтобы соответствовать конструкционному углу имеющихся решеточных светоделителей, которые разработаны для работы с оптическими волокнами с угловой полировкой. Зеркало и оптоволоконная юстировочная конструкция в оптическом коннекторе интегрально/одновременно сформированы прецизионной штамповкой. В данном изобретении использованы все преимущества концепций, раскрытых в описанном выше источнике.
[0053] Согласно одному варианту выполнения изобретения юстировочный световод 102 расположен снаружи от (вне) рабочей области 106 ФИС 100. В контексте данного изобретения рабочая область 106 оптоэлектронного устройства представляет собой область, где заданы оптические траектории для передачи сигналов оптических данных между оптической подсистемой и ФИС в ходе нормального активного режима работы ФИС. В проиллюстрированном варианте выполнения изобретения, показанном на Фиг. 5, вход решеточного светоделителя 104 и выход решеточного светоделителя 105 расположены на двух концах юстировочного световода 102, который простирается вдоль одной боковой стороны ряда решеточных светоделителей данных 110.
[0054] Фиг. 4А и 4В иллюстрируют расположение ОПС 20 на ФИС 100 для оптической юстировки в соответствии с данным изобретением. Фиг. 3С представляет собой перспективное изображение ОПС 20, приведенного на Фиг. 2А, где показаны пути прохождения/траектории сигналов оптических данных и котировочных оптических сигналов. На Фиг. 4В показана оптическая траектория 11 юстировочного оптического сигнала 10. Юстировочный оптический сигнал 10 от внешнего источника падает на асферическую вогнутую юстировочную отражающую поверхность 24, которая отклоняет, меняет форму и/или фокусирует оптический сигнал 10, который далее попадает на решеточный светоделитель 104 на входе юстировочного световода 102. В этом варианте выполнения юстировочный оптический сигнал 10 входит через боковую часть основания 21. Юстировочный оптический сигнал 10 передается через юстировочный световод 102 и выходит через решеточный светоделитель 105 на выходе юстировочного световода 102. Асферическая вогнутая юстировочная отражающая поверхность 25 отклоняет, меняет форму и/или определяет коллимацию юстировочного оптического сигнала 10, который далее должен быть передан на внешний приемник. В этом варианте выполнения изобретения юстировочный сигнал 10 выходит через основание 21 из его противоположной стороны. Мониторинг мощности юстировочного оптического сигнала 10, поступающего от юстировочной отражающей поверхности 25, дает возможность определить лучшую оптическую юстировку по точке максимальной мощности, зарегистрированной измерителем уровня мощности. После достижения оптической юстировки ОПС 20 присоединяют к ФИС 100, используя эпоксидную смолу или пайку для надежной фиксации относительного взаимного расположения ОПС 20 и ФИС. После оптической юстировки решеточные светоделители данных 110 на ФИС 100 также должны быть оптически отъюстированы относительно соответствующих отражающих зеркал для данных 26 в ОПС 20. Согласно данному изобретению для оптической юстировки ОПС 20 и ФИС 100 не требуются активная юстировка с использованием оптических сигналов, проходящих через участки волокон 31, поверхности отражения данных 26 и решеточные светоделители 110.
[0055] Следует понимать, что юстировочный оптический сигнал 10 предназначен для оптической юстировки ОПС 20 и ФИС 100. Такой юстировочный оптический сигнал 10 отсутствует после окончания процесса оптической юстировки и в ходе нормальной работы ФИС 100 в рабочем режиме.
[0056] На практике подъемно-транспортный манипулятор захватывает/удерживает ОПС 20 на стадии, когда можно перемещать и ориентировать ОПС 20 относительно ФИС 100. Оптоволоконный кабель простирается от внешнего источника (например, лазера) к корпусу манипулятора. Манипулятор должен обеспечивать оптическую юстировку между острием (кончиком) оптоволоконного кабеля и юстировочной отражающей поверхностью 24. Второй оптоволоконный кабель должен идти от манипулятора к ресиверу (например, фотодиоду, соединенному с измерителем уровня мощности), и манипулятор гарантирует юстировку между этим оптоволоконным кабелем и юстировочной отражающей поверхностью 25. Эти два оптоволоконных кабеля должны быть присоединены к манипулятору таким образом, чтобы каждый раз, когда манипулятор подхватывал новый ОПС, он автоматически юстировался относительно входного и выходного торцов оптоволоконных кабелей. В манипулятор можно ввести линзы для фокусировки света выходящего/входящего в торцы оптоволоконных кабелей. Конфигурация подъемно-транспортного манипулятора далее здесь обсуждаться не будет, так как такие манипуляторы могут быть сконфигурированы на основе уровня техники в области механизмов захвата/манипуляторов, которые могут быть модифицированы для работы в соответствие с данным изобретением. Таким образом, данное изобретение предусматривает способ оптической юстировки оптической подсистемы относительно оптоэлектронного устройства, который можно использовать с подъемно-транспортным оборудованием, обеспечивающим точность позиционирования примерно 1 микрон. Это соответствует требованиям для одномодовых оптических соединений.
[0057] Согласно данному изобретению можно получить, по меньшей мере, следующие преимущества:
a. Нет необходимости снабжать энергией/приводить в действие фотонную схему в процессе юстировки, так как лазер и измеритель уровня мощности, используемые в ходе юстировки, можно интегрировать в подъемно-транспортный манипулятор.
b. Оптические волокна в оптоволоконном кабеле данных (позиция 33 в описанном выше варианте выполнения изобретения) не нужны для юстировки, так что каждое оптическое волокно в кабеле можно использовать для входа/выхода оптических данных.
c. Поверхности отражения данных (26) для входа/выхода оптических данных и котировочные отражающие поверхности (24, 25) для оптической юстировки являются элементами поверхности, которые можно сформировать одновременно в ходе штамповки для достижения одномодовых допусков.
d. Никакие отдельные компоненты не добавлены за счет присоединения к субблоку оптической скамьи ОПС.
е. Не требуется дополнительный процесс сборки в ходе оконцовки оптоволоконного кабеля.
[0058] Вместо решеточных светоделителей данных 110 на ФИС в соответствии с данным изобретением можно использовать другие поверхностно-излучающие или поверхностно-принимающие фотонные устройства, включая лазеры поверхностного излучения с вертикальным резонатором и фотодиоды. Это проиллюстрировано примером, приведенным на Фиг. 5В для случая 1×4 массива VCSEL (лазеров поверхностного излучения с вертикальным резонатором) 130. Аналогично, котировочные решеточные светоделители 104' и 105' и юстировочный световод 102' также могут быть нанесены на поверхность VCSEL чипа литографическим формированием, затем оптическую подсистему можно оптически отъюстировать относительно излучающих поверхностей VCSEL матрицы/массива 130. Аналогичный подход можно использовать и для массива/матрицы фотодиодов (не показано).
[0059] Фиг. 8-11 иллюстрируют следующий вариант выполнения данного изобретения. Идея оптической юстировки аналогична приведенной в предыдущем варианте выполнения, а именно, идеи оптической юстировки между оптической подсистемой и оптоэлектронным устройством путем измерения отклика мощности оптического излучения юстировочного оптического сигнала, созданного внешним источником оптического излучения (света), который был передан между средствами оптической юстировки, предусмотренными на оптической подсистеме и оптоэлектронном устройстве. В этом варианте выполнения изобретения оптическая подсистема содержит также отдельную юстировочную конструкцию, имеющую средства оптической юстировки в комбинации с блоком оптической скамьи. Юстировочная конструкция содержит котировочное основание, поддерживающее субблок оптической скамьи в положении физической юстировки относительно основания. Основание оптически отъюстировано относительно оптоэлектронного устройства в соответствии с заявленной схемой юстировки, за счет чего субблок оптической скамьи, удерживаемый на основании, оптически отъюстирован относительно оптоэлектронного устройства. Согласно одному варианту выполнения изобретения основание снабжено средствами юстировки, включающими котировочные отражающие поверхности, аналогичные описанным в предыдущем варианте. Согласно другому варианту выполнения изобретения основание снабжено средствами для юстировки, включающими первую пару котировочных отражающих поверхностей, направляющих юстировочный оптический сигнал от источника света к входу световода на оптоэлектронном устройстве, а вторая пара котировочных отражающих поверхностей отражает к фотоприемнику юстировочный сигнал, направленный от выхода световода после того, как юстировочный сигнал был передан от входа к выходу через световод. Регулируя взаимное расположение основания и оптоэлектронного устройства и определяя/детектируя мощность оптического излучения юстировочного сигнала, отраженного второй парой котировочных отражающих поверхностей, можно определить оптимум оптической юстировки основания и оптоэлектронного устройства (например, в детектированном максимуме мощности оптического излучения).
[0060] На Фиг. 6А-7Е, Фиг. 6А-6В показана ОПС 320 в соответствии с одним из вариантов выполнения изобретения, смонтированная на ФИС 101, установленной на печатной плате 333, имеющей массив шариковых выводов (BGA); а Фиг. 6В представляет собой соответствующее объемное изображение с пространственным разделением деталей. На Фиг. 7А-7Е приведены различные проекции ОПС 320, присоединенной к 101 с удаленным закрепительным хомутом 334. Как показано, электрооптический модуль 335 смонтирован на печатной плате 333. Печатная плата 333 поддерживает анкер 336 для закрепления/анкерной фиксации фиксатора/хомута /зажима/ограничителя 334.
[0061] В этом проиллюстрированном варианте выполнения изобретения ОПС 320 содержит субблок оптической скамьи в форме ОВСБ 520 и котировочное основание 420, на котором должен быть смонтирован ОВСБ 520. Основание 420 ОПС 320 в этом варианте выполнения изобретения снабжено средствами для котировка (а именно, котировочными отражающими поверхностями) для оптической юстировки основания 420 (и, таким образом, ОПС 320) относительно ФИС 101. Как будет более подробно показано далее, ОВСБ 520 можно смонтировать на основании 420 после проведения оптической юстировки и гарантированного закрепления основания 420 и ФИС 101.
[0062] В варианте выполнения, проиллюстрированном на Фиг. 10, ОВСБ 520 имеет аналогичную «заклепочную» конструкцию, как и ОПС 20 в предыдущем варианте выполнения изобретения, и содержит основание 321 и сердцевину 322, удерживаемую в углублении 329 внутри основания 321. Сердцевина 322 задает множество пазов 323 для надежного удерживания концевых участков 31 оптических волокон 30 (т.е., оголенных участков с обнаженным покрытием, без защитного буферного слоя и оболочки 32) оптоволоконного кабеля 33. Для простоты оптоволоконные компоненты не показаны на Фиг. 10, но приведены на других чертежах в связи с описанными выше вариантами выполнения изобретения. Сердцевина 322 также задает множество поверхностей отражения данных 326 (например, вогнутых асферических микрозеркальных поверхностей), расположенных в ряд, каждая из которых отъюстирована относительно соответствующего паза 323, так что концевые участки 31 оптических волокон 30 расположены/удерживаются в пазах 323 в положении оптической юстировки относительно поверхностей отражения данных 326. Аналогичные элементы основания 321 и сердцевины 322 и способ их получения детально раскрыты в US 20160016218 А1 (права на которую переданы правообладателю/заявителю данной заявки, и которая полностью включена в данную заявку в виде ссылки), где раскрыт способ штамповки для формирования композитной конструкции из разнородных материалов, имеющей конструкционные элементы, включая микромасштабные элементы, которые получены штамповкой более ковкого материала (например, алюминия) сердцевины, для формирования открытых пазов для удерживания оптических волокон в положении оптической юстировки относительно штампованного массива асферических микро-зеркал. Поскольку материал сердцевины находится на своем месте в основании, в результате штамповки элементов сердцевины сердцевина оказывается присоединена к основанию как заклепка. В данном изобретении использованы все преимущества концепций, раскрытых в описанном выше источнике.
[0063] Пазы 323 структурированы для надежного удерживания участков волокон 31 (оголенных участков с обнаженным покрытием, без защитного буферного слоя и оболочки) путем защелкивания участков волокон 31, например, механической посадкой или посадкой с натягом (или прессовой посадкой). Посадка с натягом гарантирует, что участки волокон 31 защелкнуты на месте и, следовательно, позиция и ориентация участков волокон 31 относительно поверхностей отражения данных 326 определяется положением и продольной осью пазов 323. Более подробное описание конструкции защелкивающих открытых пазов можно найти в патенте США №8,961,034 В2 (права на который переданы правообладателю/заявителю данной заявки, и который полностью включен в данную заявку в виде ссылки). В данном изобретении использованы все преимущества концепций, раскрытых в описанном выше источнике.
[0064] Как показано на Фиг. 10, поверхность 399, расположенная на той же стороне, что и поверхности отражения данных 326, имеет поверхностный рельеф для разъемного соединение с пассивной юстировкой (будет подробнее раскрыто ниже).
[0065] Фиг. 8 представляет собой вид сверху, схематически иллюстрирующий схему размещения световодов и решеточных светоделителей на верхней поверхности ФИС 101 в соответствии с одним из вариантов выполнения данного изобретения. Так же, как и в предыдущем варианте выполнения изобретения, юстировочный световод 1102 снабжен котировочным решеточным светоделителем 1104 на входе юстировочного световода 1102 и котировочным решеточным светоделителем 1105 на выходе юстировочного световода 1102. Котировочные решеточные светоделители 1104 и 1105 стыкуют юстировочный оптический сигнал 10 для оптической юстировки ФИС 101 и ОПС 320 (через основание 420). Юстировочный световод 1102 передает оптический сигнал между решеточным светоделителем 1104 на входе и решеточным светоделителем на выходе. Кроме того, имеются решеточные светоделители данных 110 и соответствующие световоды данных 112, ведущие к оптическим элементам, оптическим компонентам и/или фотонным схемам 108 (например, лазерам, фотодиодам и пр., которые в целом схематически показаны на Фиг. 5) на ФИС 101. Световоды 1102 и 112 являются пассивными оптическими световодами, по которым передаются/направляются оптические сигналы. Решеточные светоделители данных 110 стыкуют/спаривают сигналы оптических данных между ФИС 101 и ОПС 320 в ходе нормальной работы ФИС 101 в активном рабочем режиме, при этом каждый из решеточных светоделителей 110 соответствует отражающей поверхности данных 326/участку оптоволокна 31 в ОПС 320. Котировочные решеточные светоделители 1104 и 1105, решеточные светоделители данных 110, юстировочный световод 1102 и световод данных 112 можно сформировать на ФИС, например, литографическим нанесением этих элементов на поверхность ФИС 101.
[0066] В проиллюстрированном варианте выполнения изобретения юстировочный световод 1102 расположен снаружи (вне) рабочей области 106 ФИС 100. В этом варианте выполнения изобретения вход юстировочного решеточного светоделителя 1104 и выход юстировочного решеточного светоделителя 1105 расположены на двух концах юстировочного световода 1102, который проходит в целом вдоль одной боковой стороны ряда решеточных светоделителей данных 110. В отличие от предыдущего варианта выполнения изобретения, концы юстировочных световодов 1102 изгибаются в сторону ряда решеточных светоделителей 110, так что юстировочные решеточные светоделители 1104 и 1105 находятся в целом на одной линии с линией решеточных светоделителей 110. Юстировочные решеточные светоделители 1104 и 1105 расположены, тем не менее, вне рабочей области 106. Эта модифицированная схема размещения соответствует относительному расположению юстировочных отражающих поверхностей на основании 420 по отношению к поверхностям отражения данных на ОВСБ 520, что не влияет на заявленную общую идею данного изобретения.
[0067] Как показано на чертежах, основание 420 сконфигурировано как единый монолитный блок U-образной формы с более тонкой средней секцией 421, по обе стороны которой расположены две более широкие секции 324, которые задают пространство/углубление 422 для размещения ОВСБ 520 (как показано на Фиг. 7А). В средней секции 421 предусмотрено отверстие для прохождения сигналов оптических данных между ОВСБ 520 и ФИС 101. Верхняя поверхность секции 421 снабжена поверхностным рельефом для разъемного соединения с ОВСБ 520 с пассивной юстировкой (подробно будет раскрыто ниже).
[0068] На чертежах не проиллюстрировано, что основание 420 ОПС 320 может быть снабжено средствами юстировки, включая юстировочные отражающие поверхности, аналогичные котировочным отражающим поверхностям, которые в предыдущем варианте выполнения изобретения расположены на сердцевине 22, (т.е., наличие первой и второй юстировочных отражающих поверхностей на основании 420 (вместо сердцевины ОВСБ) и обеспечение входа внешнего юстировочного сигнала 10 через боковую сторону основания 420 и его попадание на первую юстировочную отражающую поверхность с тем, чтобы этот сигнал был перенаправлен на юстировочный решеточный светоделитель 1104 на ФИС 101, и тот же юстировочный сигнал, вышедший из решеточного светоделителя 1105, перенаправлялся второй юстировочной отражающей поверхностью, чтобы выйти из противоположной боковой стороны основания 420).
[0069] Фиг. 9A-9D иллюстрируют модифицированные средства для оптической юстировки, которые адаптируют («приспосабливают») юстировочный оптический сигнал 10, который падает вертикально по отношению к ОПС 320. Конкретнее, в этом варианте выполнения изобретения основание 420 снабжено средствами для юстировки, включая первую пару комплементарных юстировочных отражающих поверхностей, направляющих юстировочный оптический сигнал от источника света к входу световода на оптоэлектронном устройстве, и вторую пару комплементарных юстировочных отражающих поверхностей, отражающих к фотоприемнику юстировочный сигнал, направленный от выхода световода после того, как юстировочный сигнал был передан от входа к выходу через световод. Регулируя, устанавливая взаимное расположение основания и оптоэлектронного устройства и детектируя мощность оптического излучения юстировочного сигнала, отраженного от второй пары юстировочных отражающих поверхностей, можно определить оптимум оптической юстировки основания и оптоэлектронного устройства (например, при детектированном максимуме мощности оптического излучения). Первая и вторая пары юстировочных отражающих поверхностей более четко показаны на Фиг. 9В и 9D.
[0070] Первая пара 324 юстировочных отражающих поверхностей расположена на участке 424 основания 420, а вторая пара 325 юстировочных отражающих поверхностей расположена на участке 425 основания 420. Первая пара 324 содержит юстировочные отражающие поверхности 1324а и 1324b; вторая пара 325 содержит юстировочные отражающие поверхности 1325а и 1325b. Юстировочные отражающие поверхности 1324а и 1325а могут быть плоскими отражающими поверхностями, а юстировочные отражающие поверхности 1324b и 1325b могут быть вогнутыми асферическими отражающими поверхностями. В любом случае геометрия юстировочных отражающих поверхностей в каждой паре подобрана таким образом, что падающий внешний юстировочный оптический сигнал 10 меняет форму, отклоняется и/или фокусируется на соответствующий решеточный светоделитель 1104 с вертикальным оптическим путем, и юстировочный оптический сигнал 10 от решеточного светоделителя 1105 меняет форму, отклоняется и/или коллимируется, чтобы быть направленным к внешнему измерителю уровня мощности с вертикальным оптическим путем.
Как проиллюстрировано на чертежах, юстировочные отражающие поверхности в каждой паре сконфигурированы таким образом, чтобы дважды отклонить юстировочный оптический сигнал для получения зигзагообразного оптического пути 411 (Фиг. 7Е и 9D), так что входящий оптический путь и выходящий оптический путь для каждой пары в целом параллельны. Как показано на Фиг. 7Е и 9D, юстировочная отражающая поверхность 1324а отклоняет входящий/падающий юстировочный оптический сигнал 10, перенаправляет юстировочный оптический сигнал 10 к юстировочной отражающей поверхности 1324b, которая отклоняет юстировочный оптический сигнал 10 и перенаправляет его к решеточному светоделителю 1104 на ФИС 101. Юстировочные отражающие поверхности 1324а, 1324b, 1325а, 1325b можно получить штамповкой разнородных материалов сердцевины в пределах участков 424 и 425, используя «заклепочный» подход к штамповке, детально раскрытый в US 20160016218 А1 (права на которую переданы правообладателю/заявителю данной заявки, и которая полностью включена в данную заявку в виде ссылки). Это аналогично штамповке сердцевины 22 в основании 21 ОПС 20, описанной в предыдущих вариантах выполнения. Используя соответствующий комплект пуансона и штампа можно одновременно в ходе окончательной операции штамповки сформировать по две юстировочные отражающие поверхности для обеих пар (т.е., все четыре юстировочные отражающие поверхности), чтобы таким образом точно задать относительное расположение двух юстировочных отражающих поверхностей относительно основания 420. Как показано на чертеже, заклепка 1424а задает котировочную отражающую поверхность 1324а, заклепка 1424b задает юстировочную отражающую поверхность 1324b, заклепка 1425a задает юстировочную отражающую поверхность 1325а, и заклепка 1425b задает юстировочную отражающую поверхность 1325b.
[0071] Фиг. 7Е и 9D иллюстрируют расположение основания 420 на ФИС 101 для оптической юстировки в соответствии с данным изобретением. Показан оптический путь 411 юстировочного оптического сигнала 10. Как показано на Фиг. 7Е и 9D, юстировочная отражающая поверхность 1324а отклоняет входящий вертикальный юстировочный оптический сигнал 10, перенаправляет юстировочный оптический сигнал 10 к юстировочной отражающей поверхности 1324b, которая отклоняет юстировочный оптический сигнал 10 и перенаправляет его к решеточному светоделителю 1104 на ФИС 101. В этом варианте выполнения изобретения юстировочный оптический сигнал 10 входит через основание 420 через его верхнюю сторону. Как видно также из Фиг. 7В и 7С, юстировочный оптический сигнал 10 проходит через юстировочный световод 1102 на ФИС 101 и выходит через решеточный светоделитель 1105 на выходе юстировочного световода 102. Юстировочная отражающая поверхность 1325b отклоняет, меняет форму и/или определяет коллимацию юстировочного оптического сигнала 10 для перенаправления его на юстировочную отражающую поверхность 1325а, чтобы далее перенаправить его вертикально к основанию к внешнему ресиверу. В этом варианте выполнения изобретения юстировочный сигнал 10 выходит через основание 420 вертикально, параллельно падающему на основание 420 юстировочному оптическому сигналу 10. См. также Фиг. 7А, где приведено трехмерное перспективное изображение оптического пути 411 юстировочного оптического сигнала 10. При мониторинге мощности юстировочного оптического сигнала 10, направленного от юстировочной отражающей поверхности 1325а, лучшая оптическая юстировка соответствует точке максимальной мощности, фиксируемой измерителем уровня мощности. Когда оптическая юстировка закончена (проведена), основание 420 присоединяют к ФИС 101 с использованием эпоксидной смолы или пайки для надежного закрепления взаимного расположения основания 420 и ФИС 101.
[0072] Согласно одному варианту выполнения изобретения ОВСБ 520 и основание 420 можно соединить с помощью разъемного или демонтируемого соединения, которое сконфигурировано и структурировано таким образом, чтобы обеспечивать съемное присоединение (с возможностью повторного соединения) ОВСБ 520 к основанию 420 в положении юстировки после того как основание 420 было оптически отъюстировано относительно ФИС 101. Основание 420 может быть перманентно (постоянно, без возможности отсоединения) присоединено к ФИС 101, но соединение ОВСБ 520 все же должно быть разъемным. Юстировку основания 420 относительно ОВСБ (т.е., субблока оптической скамьи) можно провести путем пассивного соединения, кинематического соединения, псевдо-кинематического соединения или упругого соединения (соединения с усреднением упругости, «elastic-averaging coupling»). В варианте выполнения, проиллюстрированном на Фиг. 9В и 9D, разъемное соединение с пассивной юстировкой проводят с использованием поверхностных рельефов 399 и 499, предусмотренных на обращенных друг к другу поверхностях ОВСБ 520 и участке 421 основания 420. Соединение с пассивной юстировкой позволят съемно присоединять ОВСБ 520 к оптоэлектронному устройству через основание 420, которое было оптически отъюстировано относительно оптоэлектронного устройства. ОВСБ 520 можно отсоединить от основания 420 и снова присоединить к основанию 420 без риска нарушения оптической юстировки. Соответственно, основание 420 можно присоединить к ФИС 101 на печатной плате 333 с помощью оптической юстировки согласно данному изобретению, а после того как печатная плата 333 окончательно (полностью) смонтирована, субблок оптической скамьи (например, ОВСБ 520) с оптоволоконным кабелем 33 можно функционально присоединить к печатной плате 333. Следовательно, оптоволоконный кабель 333 не мешает в процессе сборки/монтажа печатной платы 333. Разъемное соединение с пассивной юстировкой, раскрытое выше, и его преимущества подробно описаны в US 2016/0161686 А1 (права на которую переданы правообладателю/заявителю данной заявки, и которая полностью включена в данную заявку в виде ссылки). В данном изобретении использованы все преимущества концепций, раскрытых в указанном выше источнике.
[0073] Защелка/хомут 334 обеспечивает средства для гарантированной разъемной фиксации ОВСБ 420 на основании 420, но защелкивается на анкере 336, присоединенном к печатной плате 333.
[0074] После оптической юстировки, решеточные светоделители данных 110 на ФИС 101 следует оптически отъюстировать относительно соответствующих отражающих зеркал для данных 326 в ОВСБ 520. Согласно данному изобретению, как и в предыдущем варианте выполнения, для оптической юстировки основания 420 (и следовательно ОПС 320) и ФИС 101 не требуется активное выравнивание с использованием оптических сигналов, проходящих через участки волокон 31, поверхности отражения данных 326 и решеточные светоделители 110.
[0075] Понятно, что юстировочный оптический сигнал 10 предназначен для оптической юстировки основания 420 ОПС 320 и (по отношению к) ФИС 101. Такой юстировочный оптический сигнал 10 отсутствует после окончания процесса оптической юстировки в ходе нормальной работы ФИС 101 в рабочем режиме.
[0076] На практике, как и в предыдущем варианте выполнения, подъемно-транспортный манипулятор захватывает/удерживает основание 420 на стадии, когда можно перемещать и ориентировать основание 420 относительно ФИС 101. Оптоволоконный кабель простирается от внешнего источника (например, лазера) к корпусу манипулятора. Манипулятор обеспечивает оптическую юстировку между острием (кончиком) оптоволоконного кабеля и юстировочной отражающей поверхностью 1324а. Второй оптоволоконный кабель должен идти от манипулятора к ресиверу (например, фотодиоду, соединенному с измерителем уровня мощности), и манипулятор должен гарантированно обеспечивать юстировку между этим оптоволоконным кабелем и юстировочной отражающей поверхностью 1325а. Эти два оптоволоконных кабеля должны быть присоединены к манипулятору таким образом, чтобы каждый раз манипулятор подхватывает новое основание, оно было автоматически отъюстировано относительно входного и выходного торцов оптоволоконных кабелей. В манипулятор можно ввести линзы для фокусировки света, выходящего/входящего в торцы оптоволоконных кабелей. Конфигурация подъемно-транспортного манипулятора далее здесь обсуждаться не будет, так как такие манипуляторы могут быть сконфигурированы на основе уровня техники в области механизмов захвата/манипуляторов, которые могут быть модифицированы для работы в соответствие с данным изобретением.
[0077] Как видно из Фиг. 11А и 11В, оптически отъюстированные и соединенные основание 420 и ФИС 101 расположены на печатной плате 333, на которой смонтирован, например, электрооптический модуль 335 (как показано на Фиг. 11А) для получения конструкции, показанной на Фиг. 11В, готовой для монтажа ОВСБ 520. В частности, как видно из схемы логистической цепочки, приведенной на Фиг. 1, на производстве подъемно-транспортный механизм юстирует основание 420 относительно ФИС 101. Основание 420, например, припаивают к ФИС 101. Затем его транспортируют к монтажному производственному оборудованию, где менее высокоточный подъемно-транспортный механизм располагает и присоединяет ФИС 101 с присоединенным к нему основанием 420 к печатной плате 333. Дополнительные компоненты могут быть смонтированы предварительно или смонтированы далее на печатной плате. Печатную плату 333 с ФИС 101 и основанием 420 затем транспортируют к производственному оборудованию для сборки продукта, где ОВСБ 520 присоединяют к основанию в процессе сборки продукта, используя средства для пассивной юстировки, раскрытые выше. Таким образом, данное изобретение предусматривает способ оптической юстировки оптической подсистемы относительно оптоэлектронного устройства, который можно использовать с подъемно-транспортным оборудованием, обеспечивающим точность позиционирования примерно 1 микрон. Это соответствует требованиям для одномодовых оптических соединений.
[0078] В данном варианте выполнения изобретения использовано большинство преимуществ предыдущего варианта выполнения изобретения. В частности, данный вариант выполнения изобретения позволяет получить, по меньшей мере, следующие преимущества:
a. Нет необходимости снабжать энергией/приводить в действие фотонную схему в процессе юстировки, так как лазер и измеритель уровня мощности, используемые в ходе юстировки, можно интегрировать в подъемно-транспортный манипулятор.
b. Оптические волокна в оптоволоконном кабеле данных (33) не нужны для юстировки, так что каждое оптическое волокно в кабеле можно использовать для входа/выхода оптических данных.
c. Поверхности отражения данных (326) для входа/выхода оптических данных и предназначенные для оптической юстировки пары юстировочных отражающих поверхностей (1324а, 1324b, 1325а и 1325b) являются элементами поверхности, которые можно сформировать одновременно в ходе штамповки для достижения одномодовых допусков.
d. За счет оптической юстировки основания 420 относительно ФИС 101, ОПС 320 в целом остается оптически отъюстированным при использовании разъемного присоединения ОВСБ 520 к основанию 420.
e. Не требуется дополнительный процесс сборки в ходе оконцовки оптоволоконного кабеля.
[0079] Что касается предыдущего варианта выполнения изобретения, ФИС 101 можно заменить другими поверхностно-излучающими или поверхностно-принимающими фотонными устройствами, включая лазеры поверхностного излучения с вертикальным резонатором и фотодиоды, что проиллюстрировано примером, приведенным на Фиг. 5В.
[0080] Несмотря на то, что данное изобретение раскрыто на примере предпочтительных вариантов его реализации, специалисты должны понимать, что возможны различные изменения, как по форме, так и деталях, не выходящие за рамки духа и буквы данного изобретения. Соответственно, раскрытое изобретение следует воспринимать лишь как иллюстрацию, а его сущность ограничена только приведенной далее Формулой изобретения.
Реферат
Изобретение относится к передаче света в оптоэлектронные устройства и от них, более конкретно - к оптическому присоединению оптических подсистем к оптоэлектронным устройствам. Заявленная оптоэлектронная конструкция содержит: оптоэлектронное устройство, содержащее световод для оптической юстировки/юстировочный световод, расположенный снаружи от рабочей области оптоэлектронного устройства, и оптическую подсистему. При этом котировочный световод содержит входной котировочный решеточный светоделитель и выходной котировочный решеточный светоделитель. Оптическая подсистема, оптически отъюстированная относительно оптоэлектронного устройства, содержит: основание, которое содержит корпус, имеющий первую юстировочную отражающую поверхность и вторую юстировочную отражающую поверхность, где первая котировочная отражающая поверхность сконфигурирована с возможностью быть доступной для внешнего источника юстировочного оптического сигнала, причем первая юстировочная отражающая поверхность отражает котировочный оптический сигнал на входной котировочный решеточный светоделитель, а выходной котировочный решеточный светоделитель направляет этот же котировочный оптический сигнал ко второй юстировочной отражающей поверхности, причем вторая юстировочная отражающая поверхность выполнена с возможностью доступа к внешнему фотоприемнику юстировочного оптического сигнала. Так же оптическая подсистема содержит субблок оптической скамьи, демонтируемо/съемно присоединенный к основанию, где первая юстировочная отражающая поверхность задает первую оптическую траекторию, которая направляет котировочный оптический сигнал от источника оптического излучения к входному юстировочному решеточному светоделителю юстировочного световода на оптоэлектронном устройстве, а вторая юстировочная отражающая поверхность задает вторую оптическую траекторию, отражая к фотоприемнику котировочный сигнал, направленный от выходного юстировочного решеточного светоделителя после того, как котировочный сигнал был передан от входного юстировочного решеточного светоделителя к выходному юстировочному решеточному светоделителю через котировочный световод, чтобы таким образом определить оптически отъюстированное положение между основанием и оптоэлектронным устройством. Технический результат - создание средств для оптической юстировки, предназначенных для оптической юстировки оптической подсистемы относительно оптоэлектронного устройства без необходимости электрического подсоединения оптоэлектронного устройства. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 11 ил.
