Субблок оптической скамьи с интегрированным фотонным устройством - RU2717374C2
Код документа: RU2717374C2
Чертежи
Описание
1. Запрашивание приоритета
Данное изобретение:
(1) запрашивает приоритет в соответствии с предварительной заявкой на патент США №62/136,601, поданной 22 марта 2015;
(2) является частичным продолжением заявки на патент США №13/861,273, поданной 11 апреля 2013, которая:
(a) запрашивает приоритет в соответствии с предварительной заявкой на патент США №61/623,027, поданной 11 апреля 2012,
(b) запрашивает приоритет в соответствии с предварительной заявкой на патент США №61/699,125, поданной 10 сентября 2012, и
(c) является частичным продолжением заявки на патент США №13/786,448, поданной 5 марта 2013, которая запрашивает приоритет в соответствии с предварительной заявкой на патент США №61/606,885, поданной 5 марта 2012;
(3) является частичным продолжением заявки на патент США №14/714,211, поданной 15 мая 2015, которая
(a) запрашивает приоритет в соответствии с предварительной заявкой на патент США №61/994,094, поданной 15 мая 2014, и
(b) является частичным продолжением заявки на патент США №14/695,008, поданной 23 апреля 2015.
Эти заявки полностью включены в данное изобретение в виде ссылок. Все публикации, упомянутые в тексте заявки, во всей своей полноте включены в заявку в виде ссылок.
2. Область техники
[0001] Данное изобретение относится к субблокам оптической скамьи, в частности, к оптоволоконным субблокам (моноблокам), основанным на оптических скамьях, и более конкретно, к герметичным субблокам оптоволоконных проходных элементов на базе оптической скамьи (оптических скамей).
3. Описание уровня техники
[0002] Передача световых сигналов по оптоволоконным волноводам обладает множеством преимуществ, и их использование весьма разнообразно. Для простой передачи видимого света на удаленные расстояния можно использовать один или множество волноводов. Комплексные системы телефонии и передачи данных могут передавать множество специфических оптических сигналов. Системы передачи данных включают устройства, которые соединяют волокна в положении торец к торцу, включая оптоэлектронные или фотонные устройства, содержащие оптические и электронные компоненты, которые испускают, детектируют и/или контролируют свет, осуществляя преобразования между оптическими и электрическими сигналами.
[0003] Например, трансивер (Xcvr) представляет собой оптоэлектронный модуль, содержащий как трансмиттер (Тх), так и ресивер (Rx), объединенные по схеме внутри корпуса модуля, и который в соответствии с уровнем техники принято называть блоком. Блок может быть герметизирован для защиты его содержимого от окружающей среды. Трансмиттер содержит источник света (например, VCSEL или DFB лазер), а ресивер содержит фотодетектор (например, фотодиод (PD)). Ранее схему трансивера (например, драйвер (возбудитель) лазера, трансимпедансный усилитель (TIA), и пр.) припаивали на печатную плату. Такой трансивер, как правило, имеет подложку, которая образует дно или основание блока (герметичного или негерметичного), на которую затем припаивают оптоэлектронные устройства, такие как лазеры и фотодиоды. Оптические волокна присоединяют к внешней части блока или пропускают через стенку блока, используя герметичный проходной элемент (см. US 20130294732 A1, который принадлежит тому же правообладателю/заявителю, что и данное изобретение и который во всей своей полноте включен в данную заявку в виде ссылки).
[0004] Конец оптического волокна оптически сопряжен с оптоэлектронными устройствами, расположенными внутри корпуса. Проходной элемент поддерживает часть оптического волокна, проходящего через отверстие в стенке. Для различных применений желательно герметично изолировать оптоэлектронные устройства внутри корпуса оптоэлектронного модуля, чтобы защитить компоненты от среды, вызывающей коррозию, влаги и аналогичных. Так как блок оптоэлектронного модуля должен быть герметизирован как целое, проходной элемент должен быть также герметизирован, чтобы электрооптические компоненты внутри корпуса оптоэлектронного модуля были надежно защищены от воздействия окружающей среды на продолжительное время.
[0005] Для нормальной работы оптоэлектронное устройство, установленное на печатной плате, должно эффективно подводить («сопрягать») свет к внешнему оптическому волокну. Некоторые оптоэлектронные устройства требуют одномодовых оптических соединений, которые нуждаются в юстировке с жесткими допусками между оптическими волокнами и устройствами, составляющими обычно менее 1 микрона. Это требует значительных усилий, особенно в случае использования большого количества волноводов, когда требуется оптически отъюстировать множество оптических волокон относительно множества оптоэлектронных устройств, используя способ активной юстировки, согласно которому положение и ориентацию оптического волокна (волокон) регулируют с помощью аппарата до тех пор, пока количество света, проходящего между волокном и оптоэлектронным устройством, не достигает максимума.
[0006] На Фиг. 1А и 1В показан герметично изолированный оптоэлектронный блок 500, включающий герметичный мульти-волоконный проходной элемент 502, где герметичный проходной элемент 502 активно отъюстирован относительно фотонного устройства 504, смонтированного на подложке 506, расположенной на дне блока 500. В этом примере проходной элемент 502 напоминает оптическое соединительное устройство, раскрытое в патенте US 2016/0016218 А1, который был переуступлен обладателю/заявителю данной заявки и который полностью включен в данную заявку в виде ссылки. Фотонное устройство 504 может содержать набор (массив) лазеров VCSEL (диодных полупроводниковых лазеров, излучающих свет в направлении, перпендикулярном поверхности кристалла) и/или набор фотодиодов, PD, прикрепленных к дну блока, например, через подложку 506 и печатную плату 508. На печатной плате 508 установлены другие электронные компоненты и заданы электрические цепи (схемы), а блок 500 может содержать несколько печатных плат. После сборки фотонного устройства 504/подложки 506 и других компонентов в блок 500, проходной элемент 504 вставляют через отверстие 503, заданное выступом 50 на боковой стенке корпуса 501 блока 500. Массив оптических волокон 20 оптоволоконного кабеля 21, опирающийся на проходной элемент 502, активно отъюстирован относительно фотонного устройства 504 для достижения желаемой эффективности оптического соединения фотонного устройства с массивом оптических волокон 20. Этот процесс требует, чтобы фотонное устройство 504 и связанные электронные устройства (не показаны) были предварительно собраны в блок 500. Фотонное устройство 504 активируют/подключают к питанию, чтобы передавать/принимать оптический сигнал 22 к массиву /от массива оптических волокон 20. Существенно, что оптические сигналы к/от оптических волокон 20 оптимальным образом сопряжены (соединены) с фотонным устройством 504, когда сигнал 22, передаваемый между оптическими волокнами 20 и фотонным устройством 504, максимален. Проходной элемент 502 затем припаивают к выступу 50 на боковой стенке корпуса 501 в оптически выровненном (отъюстированном) положении.
[0007] Активная оптическая юстировка включает относительно сложные, низкопроизводительные операции, поскольку лазер VCSEL или фотодиод должен быть подключен к питанию в ходе процесса активной юстировки. Производители интегральных микросхем зачастую имеют дорогостоящее специальное оборудование, способное осуществлять субмикронную юстировку (например, устройства для испытаний схем на полупроводниковой пластине и устройства ручного управления для интегральных микросхем), в то время как компании, которые комплектуют микросхемы, обычно имеют менее функционально-эффективное оборудование (обычно юстировку проводят с допусками в пределах нескольких микрон, что является недостаточным для одномодовых волокон) и зачастую используют ручные операции.
[0008] Современное состояние уровня техники является дорогостоящим из-за включения блока, оно не позволяет использовать обычные электронные устройства и процессы сборки, и/или зачастую не подходит для одномодовых применений. Блок является относительно более дорогим узлом (который включает дорогие компоненты микросхемы, такие как IC (интегральные схемы) и др.) по сравнению с герметичным субблоком проходного элемента. Так как предварительная сборка компонентов в блок требуется для обеспечения активной оптической юстировки, а также принимая во внимание, что активная юстировка и стадия припаивания включают операции, чрезвычайно рискованные для завершения процесса сборки в целом, неудавшаяся активная юстировка вследствие брака компонентов, которые могут быть вовлечены в процесс активной юстировки, приведет к отбраковке всего блока, включая фотонные устройства и другие компоненты, уже вошедшие в состав блока.
[0009] Кроме того, в то время как лазер VCSEL и фотодиодные (PD) компоненты можно протестировать в статическом состоянии до сборки, их нельзя протестировать в рабочем состоянии до того, как они собраны в блок вместе с электронными устройствами, приводящими в действие эти компоненты. Соответственно, процесс отбраковки (испытания на принудительный отказ для идентификации раннего отказа компонентов в условиях, моделирующих режим нагрузки) VCSEL и PD компонентов можно осуществить только после того, как эти компоненты собраны в блок. В результате дефектности относительно более дешевых VCSEL и PD компонентов это приведет к дальнейшему непроизводительному расходованию блоков (т.е. низкому выходу блоков), которые в собранном виде являются относительно более дорогостоящими. Известно, что bvtyyj VCSEL и PD компоненты приводят к относительно большому количеству неисправностей собранных блоков.
[0010] Причиной еще одного вида неисправности, приводящей к отбраковке собранных блоков, является относительно большая по размеру и более деформируемая замкнутая конструкция (показана пунктирной линией L на Фиг. 1В), поддерживающая оптическую юстировку между фотонным устройством и проходным элементом, как показано на Фиг. 1В. Длинная замкнутая конструкция более чувствительна к термомеханическим деформациям, которые могут нарушить работу блоков в режиме проектных технических характеристик, приводя, таким образом, к возникновению неисправностей.
[0011] Таким образом, существует необходимость в усовершенствованной конструкции для соединения входа/выхода оптических волокон в положении оптической юстировки относительно оптоэлектронных компонентов/фотонных устройств, которое улучшало бы производительность, допуски, технологичность изготовления, простоту использования, функциональность и надежность при сниженной стоимости.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0012] В данном изобретении раскрыта усовершенствованная конструкция для облегчения оптической юстировки (выравнивания) фотонного устройства относительно оптической скамьи, которая преодолевает недостатки существующего уровня техники. Данное изобретение объединяет фотонное устройство и оптическую скамью в субблок (моноблок), так что юстировку для оптического соединения (сопряжения) фотонного устройства с оптической скамьей можно провести вне узла оптоэлектронного блока.
[0013] Согласно данному изобретению, фотонное устройство присоединяют к основанию оптической скамьи, причем оптический вход/выход фотонного устройства находится в состоянии оптической юстировки относительно выхода/входа оптической скамьи.
[0014] В одном варианте выполнения изобретения, оптическая скамья поддерживает оптический компонент в форме оптического волновода (например, оптическое волокно). В более частном варианте выполнения изобретения, основание оптической скамьи задает выравнивающую (юстирующую) конструкцию в форме, по меньшей мере, одной канавки (паза) для прецизионно точного закрепления (удерживания) концевого фрагмента оптического волокна. Оптический элемент (например, линза, призма, отражатель, зеркало и пр.) могут быть предусмотрены в прецизионно точном взаимном расположении относительно торцевой поверхности оптического волокна. В другом варианте выполнения изобретения оптический элемент содержит структурированную поверхность, которая может быть плоской отражающей или вогнутой отражающей поверхностью (например, поверхностью асферического зеркала).
[0015] В одном варианте выполнения изобретения фотонное устройство может быть смонтировано на подложке, присоединенной к основанию оптической скамьи в положении оптической юстировки с оптической скамьей. Подложка может быть снабжена (электро)схемой, электрическими контактными площадками, компонентами схемы (например, задающим устройством для VCSEL лазера, трансимпедансным усилителем для фотодиода (TIA для PD), и другими компонентами и/или схемами, связанными с функционированием фотонного устройства.
[0016] Фотонное устройство может быть пассивно отъюстировано (выровнено) относительно оптической скамьи (например, полагаясь на индикаторную юстировочную шкалу, заданную на основании скамьи). Альтернативно, фотонное устройство и оптическая скамья могут быть активно отъюстированы путем пропускания оптического сигнала между оптическим волоноводом в оптической скамье и фотонным устройством. Фотонное устройство (например, VCSEL лазер и/или фотодиод) можно активировать, чтобы провести активную юстировку оптического волновода (например, оптического волокна), удерживаемого на оптической скамье, не полагаясь на другие компоненты внутри блока. После оптической юстировки подложку фотонного устройства жестко прикрепляют к основанию оптической скамьи.
[0017] Основание оптической скамьи предпочтительно формируют штамповкой ковкого материала (например, металла) для получения прецизионно точных форм (геометрии) и элементов оптической скамьи. Субблок оптической скамьи может быть структурирован с тем, чтобы он был герметизирован.
[0018] В другом варианте выполнения данного изобретения оптическая скамья структурирована таким образом, чтобы удерживать множество волноводов (например, множество оптических волокон) и конструкцию из отражающих поверхностей (например, набор зеркал) для работы с набором фотонных устройств (VCSEL лазеров и/или фотодиодов), смонтированных на подложке.
[0019] Согласно данному изобретению проводят прецизионно точную предварительную сборку оптических элементов и компонентов и фотонных устройств в субблок оптической скамьи до объединения (сборки) в больший оптоэлектронный блок. Субблок можно функционально протестировать, включая отбраковочные испытания на принудительный отказ на уровне субблока, проведенные вне оптоэлектронного блока, уменьшая, таким образом, отбраковку более дорогих оптоэлектронных блоков, вызванную отказом установленных в них фотонных устройств.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0020] Для более полного понимания сущности и преимуществ изобретения, а также предпочтительных вариантов его использования, далее приведено детальное описание со ссылками на сопроводительные чертежи. На чертежах аналогичные номера позиций обозначают одинаковые или сходные компоненты (элементы).
[0021] Фиг. 1А иллюстрирует герметичный оптоэлектронный блок, содержищий герметичный проходной элемент для оптических волокон; Фиг. 1В представляет собой сечение по линии 1В-1В на Фиг. 1А.
[0022] Фиг. 2А иллюстрирует субблок оптической скамьи в форме герметичного проходного элемента, включающего интегрированное фотонное устройство в соответствии с одним вариантом выполнения данного изобретения; Фиг. 2В представляет собой сечение по линии 2В-2В на Фиг. 2А, показанный вмонтированным в герметичный оптоэлектронный блок.
[0023] Фиг. 3А представляет собой увеличенное изображение оптической скамьи в субблоке оптической скамьи, показанном на Фиг. 2 в соответствии с одним вариантом выполнения данного изобретения; Фиг. 3В представляет собой вид оптической скамьи в сборе.
[0024] Фиг. 4А представляет собой увеличенное изображение оптической скамьи в субблоке оптической скамьи в соответствии с другим вариантом выполнения данного изобретения; Фиг. 4В представляет собой вид оптической скамьи в сборе.
[0025] Фиг. 5 иллюстрирует альтернативный вариант выполнения подложки для фотонного устройства в субблоке оптической скамьи.
[0026] Фиг. 6А-6С иллюстрируют последовательность сборки герметичного оптоэлектронного блока, где Фиг. 6А показывает сборку узла фотонного устройства; на Фиг. 6В показана схема присоединения узла фотонного устройства к узлу оптической скамьи и активная юстировка; на Фиг. 6С показана схема сборки герметичного оптоэлектронного блока.
[0027] Фиг. 7 иллюстрирует герметичный проходной элемент, вмотированный в герметичный оптоэлектронный блок.
ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0028] Изобретение описано далее на примере различных вариантов его выполнения со ссылками на сопроводительные чертежи. Несмотря на то, что изобретение описано на примере вариантов его реализации, позволяющих достигнуть наилучших результатов, специалисты должны понимать, что различные изменения могут быть внесены, не выходя за рамки духа и буквы данного изобретения.
[0029] В данном изобретении раскрыта усовершенствованная конструкция для облегчения оптической юстировки (выравнивания) фотонных устройств относительно оптической скамьи, которая преодолевает недостатки существующего уровня техники. Данное изобретение объединяет фотонное устройство и оптическую скамью в субблок (моноблок), так что юстировку (выравнивание) для оптического соединения фотонного устройства с оптической скамьей можно провести вне узла оптоэлектронного блока.
[0030] Согласно данному изобретению, фотонное устройство присоединяют к основанию оптической скамьи, причем оптический вход/выход фотонного устройства находится в состоянии оптической юстировки относительно выхода/входа оптической скамьи. Различные варианты выполнения данного изобретения включают некоторые изобретательские концепции, разработанные правопреемником данного изобретения, nanoPrecision Products, Inc., включая различные собственные (запатентованные), в том числе, субблоки оптической скамьи, используемые в связи с передачей оптических данных, включая различные концепции, раскрытые в описанных ниже патентных публикациях, принадлежащих тому же правообладателю, что и данное изобретение. Приоритет по заявкам, находящимся в стадии рассмотрения, заявлен.
[0031] Например, в публикации заявки на патент США US 2013/0322818 А1 раскрыто оптическое соединительное устройство для маршрутизации оптических сигналов, выполненное в форме оптической скамьи, имеющей штампованную структурированную поверхность для маршрутизации оптических сигналов. Оптическая скамья имеет металлическое основание с заданной на нем структурированной поверхностью, где структурированная поверхность имеет профиль поверхности, отклоняющей (поворачивающей), отражающей и/или восстанавливающей форму падающего света. Основание также задает конструкцию для юстировки, снабженную элементом поверхности, облегчающим точное позиционирование оптического компонента (например, оптического волокна) на основании в положении прецизионно точной оптической юстировки относительно структурированной поверхности, чтобы передавать свет вдоль определенной (заданной) траектории между структурированной поверхностью и оптическим компонентом, где структурированная поверхность и конструкция для юстировки заданы интегрально (как целое) на основании с помощью штамповки ковкого материала основания с целью формирования оптической скамьи.
[0032] Публикация заявки на патент США №US 2015/0355420 А1 также раскрывает устройство для оптического соединения, предназначенное для маршрутизации оптических сигналов, для использования в модуле оптической связи, в частности, оптическое соединительное устройство, выполненное в форме оптической скамьи, у которой на металлическом основании задана структурированная поверхность, имеющая профиль поверхности, которая отклоняет, отражает и/или меняет форму падающего луча. Конструкция для юстировки задана на основании, снабженном элементом поверхности для облегчения позиционирования оптического компонента (например, оптического волокна) на основании в положении оптической юстировки относительно структурированной поверхности, чтобы обеспечить передачу света по заданной траектории между структурированной поверхностью и оптическим компонентом. Структурированная поверхность и конструкция для юстировки как целое заданы на основании штамповкой ковкого металлического материала основания. Конструкция для юстировки облегчает пассивную юстировку (выравнивание) оптического компонента на основании в положении оптической юстировки по отношению к структурированной поверхности, чтобы обеспечить передачу света вдоль заданной траектории между структурированной поверхностью и оптическим компонентом.
[0033] Далее, в публикации заявки на патент США US 2013/0294732 А1 раскрыт герметичный узел юстировки оптического волокна, имеющий интегрированный оптический элемент, в частности герметичный котировочный узел для оптического волокна, содержащий металлическую часть муфты, имеющую множество канавок, вмещающих концевые фрагменты оптических волокон, где канавки задают положение и ориентацию концевых фрагментов по отношению к части муфты. Узел содержит интегрированный оптический элемент для стыковки (сопряжения) входа/выхода оптического волокна с оптоэлектронными устройствами в оптоэлектронном модуле. Оптический элемент может быть в форме структурированной отражающей поверхности. Конец оптического волокна находится на заданном расстоянии от структурированной отражающей поверхности и отъюстирован относительно нее. Структурированные отражающие поверхности и канавки для юстировки (выравнивания) оптоволокна могут быть сформированы штамповкой ковкого материала с целью создания этих элементов на металлическом основании.
[0034] В патенте США №9,213,148 раскрыт аналогичный герметичный узел для юстировки оптического волокна, но без интегрированной структурированной отражающей поверхности.
[0035] В патенте США №7,343,770 раскрыта новая система для прецизионной штамповки, предназначенная для изготовления деталей с малыми допусками. Заявленную систему штамповки можно использовать в различных процессах штамповки для производства устройств, раскрытых в упомянутых выше патентных публикациях. Эти процессы штамповки включают штамповку заготовки (например, металлической заготовки) для получения окончательной формы изделия в целом и формы (геометрии) элементов поверхности с жесткими (т.е. малыми) допусками, включая отражающие поверхности заданной геометрии, прецизионно точно выровненные (отъюстированные) относительно других заданных элементов поверхности.
[0036] В публикации заявки на патент США №US 2016/0016218 А1 раскрыта комбинированная (композитная) конструкция, содержащая основание, имеющее основную часть и вспомогательную часть из различных металлических материалов. Форма основания и форма вспомогательной части заданы штамповкой. При штамповке вспомогательной части она соединяется (смыкается) с основанием, и одновременно формируются нужные структурные элементы на вспомогательной части, такие как структурированная отражающая поверхность, конструкция для юстировки оптического волокна и пр. При таком подходе относительно менее важные структурные элементы можно сформировать на подложке основания, прикладывая меньше усилий для обеспечения относительно больших допусков, в то время как относительно более важные структурные элементы на вспомогательной части формируют с большей точностью, чтобы задать размеры, форму и/или провести окончательную обработку с относительно меньшими допусками. Вспомогательная часть может содержать также комбинированную (композитную) конструкцию из двух разнородных металлических материалов, обладающих различными свойствами, для штамповки различных конструкционных элементов. Такой подход к штамповке усовершенствует более ранний способ штамповки, раскрытый в патенте США №7,343,770, где материал заготовки, подвергающейся штамповке, является однородным материалом (например, полосой металла, такого как ковар, алюминий и пр.). С помощью штамповки получают структурные (конструкционные) элементы вне единственного гомогенного материала. Таким образом, различные элементы будут обладать свойствами материала, который не всегда можно оптимизировать для одного или более элементов. Например, материал, обладающий свойством, подходящим для штамповки юстировочной конструкции, может не обладать свойством, необходимым для штамповки отражающей поверхности, имеющей максимальную отражающую способность для снижения потерь оптических сигналов.
[0037] В патенте США №8,961,034 раскрыт способ производства муфты для удержания оптического волокна в оптоволоконном коннекторе, включающий штамповку металлической заготовки для формирования корпуса, на поверхности которого предусмотрено множество открытых продольных пазов (канавок), имеющих в целом U-образную форму, где каждая канавка на поверхности корпуса имеет продольное отверстие, причем каждая канавка имеет такие размеры, чтобы надежно удерживать оптическое волокно в канавке за счет защелкивания оптического волокна. Оптическое волокно надежно удерживается в корпусе муфты без необходимости использования дополнительных средств для удержания волокна.
[0038] В патентной публикации заявки РСТ № WO 2014/011283 А2 раскрыта муфта для оптоволоконного коннектора, преодолевающая многие недостатки муфт и коннекторов, известных из уровня техники, которая представляет собой усовершенствованный вариант упомянутых ранее выравнивающих муфт без штырей. Оптоволоконный коннектор содержит оптоволоконную муфту, имеющую в целом овальное поперечное сечение, предназначенную для юстировки массива из множества оптических волокон относительно оптических волокон, удерживаемых другой муфтой, с помощью втулки.
[0039] Упомянутые выше изобретательские замыслы включены в данную заявку в виде ссылок. Для лучшего понимания сущности данного изобретения на них будут сделаны ссылки и в дальнейшем. Данное изобретение раскрыто на примере отдельных вариантов выполнения герметичного оптоволоконного проходного элемента для герметичных оптоэлектронных блоков, включающих субблок (моноблок) оптической скамьи с интегрированным фотонным устройством.
[0040] Фиг. 2А и 2В иллюстрируют один вариант выполнения герметичного проходного элемента для оптических волокон в форме субблока оптической скамьи 10, который содержит оптическую скамью 11 с интегрированным фотонным устройством 12 в соответствии с одним вариантом выполнения данного изобретения. В проиллюстрированном варианте выполнения изобретения фотонное устройство 12 смонтировано на подложке 14, которая присоединена к оптической скамье 11 в отъюстированном положении относительно оптического входа/выхода оптической скамьи 11 (см. оптический сигнал 22 на Фиг. 2В).
[0041] Фиг. 3А и 3В иллюстрируют более подробно конструкцию оптической скамьи 11 в субблоке оптической скамьи 10. В этом варианте выполнения изобретения оптическая скамья 11 напоминает герметичный субблок для выравнивания (юстировки) множества волокон, раскрытый в принадлежавшей заявителю заявке US 2016/0016218 А1, упомянутой выше. Оптическая скамья поддерживает один или более оптических волноводов, которые в проиллюстрированном варианте выполнения изобретения соответствуют множеству оптических волокон 20 оптоволоконного кабеля 21. В случае множества волокон основание 13 оптической скамьи 11 задает множество открытых канавок (пазов) 16, удерживающих оптические волокна 20, и задает или поддерживает оптический элемент (например, линзу, призму, отражатель, зеркало и пр.). В проиллюстрированном варианте выполнения изобретения оптический элемент содержит массив структурированных отражающих поверхностей 17, каждая из которых соответствует оптическому волокну 20. Отражающая поверхность может быть плоской отражающей поверхностью, или вогнутой отражающей поверхностью (например, поверхностью асферического зеркала), или выпуклой отражающей поверхностью. В проиллюстрированном варианте выполнения изобретения основание 13 содержит сложную (композитную) конструкцию (структуру), включающую вспомогательную часть 30 из материала, отличного от материала остальной части основания 13 (т.е. основной части 13'). Основание 13, включая вспомогательную часть 30, штампуют из ковких материалов для формирования геометрии корпуса и нужных элементов поверхности. В этом случае вспомогательной части придают форму штамповкой ковкого металлического материала для формирования массива структурированных отражающих поверхностей 17 и канавок (пазов) 18, в то время как основание 13 штампуют из другого ковкого металлического материала для формирования канавок 16 и других показанных структур. Как описано в US 2016/0016218 А1, при штамповке вспомогательной части 17, она замыкается (блокируется, сцепляется) с основанием 13, напоминая заклепку, при одновременном формировании нужных структурных элементов на вспомогательной части 30, включая массив структурированных отражающих поверхностей 17 и канавки для выравнивания (юстировки) оптических волокон 18 для удержания концевых фрагментов оптических волокон 20, так что каждая отражающая поверхность 17 и торец (т.е. вход/выход) соответствующего оптического волокна 20 удерживаются в прецизионно точном взаимном расположении. В этом варианте выполнения изобретения вспомогательную часть 17 и основную часть 13' штампуют из различных металлических материалов.
[0042] Открытые канавки (пазы) 16 и 18 могут быть сконфигурированы и сформированы в соответствии со штампованными открытыми канавками, раскрытыми в патенте США №8,961,034, которые надежно защелкивают оптически волокна в канавках без необходимости использования дополнительных средств для закрепления (например, без эпоксидной смолы и пр.). В проиллюстрированном варианте выполнения изобретения предусмотрена крышка 15, чтобы закрыть основание 13, не накрывая структурированные отражающие поверхности 17. Герметизирующую эпоксидную смолу (например, эпоксидный стеклопластик) используют, чтобы заполнить пространства вокруг участков оптических волокон 20 в полости 19 между крышкой 15 и основанием 13 для получения герметичного уплотнения, чтобы сделать оптическую скамью 11 герметичным проходным элементом, который можно использовать с оптоэлектронным блоком аналогично (в той же функции) герметичному проходному элементу 502, показанному на Фиг. 1А, за исключением того, что оптическая скамья 11 содержит интегрированное фотонное устройство для формирования субблока оптической скамьи 10 согласно данному изобретению. Дальнейшие усовершенствования конструкции аналогичного герметичного проходного элемента можно найти в US 2013/0294732 A1.
[0043] Фиг. 4А и 4В иллюстрируют другой вариант выполнения оптической скамьи 11', который похож на оптическую скамью 11, показанную на Фиг. 3А и 3В, за исключением оптоволоконного кабеля 21. В этом варианте выполнения изобретения оптическая скамья 11' снабжена съемным соединением в форме муфты 30. Вместо того, чтобы оптические волокна 21 простирались из (от) оптической скамьи 11', муфта 30 удерживает хвостовые концы коротких участков оптических волокон 20, причем периферийные участки передних (фронтальных) концов оптических волокон удерживаются канавками 16 и 18 в пределах оптической скамьи 11'. Муфта 30 может быть структурирована таким образом, чтобы иметь в целом овальное поперечное сечение, как показано в WO 2014/011283 А2. Для соединения, например, с оптоволоконным кабелем (например, соединительным кабелем), оконцованным аналогичной муфтой, можно использовать втулку (не показана). В этом варианте выполнения изобретения, в случае возникновения дефектов в соединении оптических волокнах, его можно отсоединить и заменить без необходимости менять целиком весь оптоэлектронный блок, к которому жестко или неразъемно присоединена оптическая скамья 11'.
[0044] Что касается фотонного устройства, в проиллюстрированном на Фиг. 2А и 2В варианте выполнения изобретения, фотонное устройство 12 смонтировано на подложке 14 с образованием узла фотонного устройства 23. Подложка 14 может быть снабжена схемой (цепью), электрическими контактными площадками, компонентами схемы (например, задающим устройством для VCSEL, трансимпедансным усилителем (TIA) для фотодиода) и другими компонентами и/или схемами, связанными с работой фотонного устройства 12.
[0045] Фиг. 6А-6С иллюстрируют последовательность сборки герметичного оптоэлектронного блока. На Фиг. 6А показана сборка узла фотонного устройства (трансмиттера, или ресивера, или трансивера); на Фиг. 6В представлено присоединение узла фотонного устройства к оптической скамье и активное выравнивание; Фиг. 6С отображает сборку герметичного оптоэлектронного блока.
[0046] Как видно из Фиг. 6А, в том случае, когда фотонное устройство 12 является трансмиттером, таким как VCSEL лазер, его монтируют на подложке 14 вместе с интегральной схемой запускающего устройства. Лазер VCSEL может быть подсоединен к схеме (цепи) на подложке 14 проволочным (проводным) соединением. Можно провеет испытания, чтобы подтвердить, что лазер VCSEL находится в рабочем состоянии и может передавать оптический сигнал после сборки. В том случае, когда фотонное устройство 12 является ресивером, таким как фотодиод, его монтируют на подложке 14 вместе с интегральной схемой TIA. Фотодиод может быть подсоединен к схеме (цепи) на подложке 14 проволочным (проводным) соединением. Можно провести испытания, чтобы подтвердить, что фотодиод находится в рабочем состоянии и может принимать сигналы от оптического устройства и выдавать электрический сигнал после сборки. В случае трансивера, описанные выше процедуры объединяют, чтобы отдельно протестировать функции приема и передачи сигналов. Фотонное устройство 12 может включать множество ресиверов, трансмиттеров и/или трансиверов, смонтированных на подложке 14.
[0047] Как видно из Фиг. 6 В, подложка 14 узла фотонного устройства присоединена к противоположной поверхности основания 13 оптической скамьи 11 в позиции, когда фотонное устройство 12 находится в положении оптической юстировки относительно оптической скамьи 11, где вход/выход фотонного устройства 12 оптически выровнен (отъюстирован) относительно выхода/входа оптической скамьи 11, так что оптический путь 22 позволяет достичь нужной эффективности оптического соединения фотонного устройства 12 и оптического волокна 20. В варианте выполнения изобретения, проиллюстрированном на Фиг. 2В, оптический путь 22, который отклоняется и меняет форму с помощью отражающей поверхности 17 (например, поверхности асферического зеркала), проходит между входным/выходным торцом оптического волокна 20 и выходом/входом соответствующего оптического устройства 12. В частности, в проиллюстрированном варианте выполнения изобретения, оптический путь идет в направлении из плоскости основания 13, т.е. в целом перпендикулярно плоскости основания 13. Как показано на Фиг. 2В, плоскость подложки 24 параллельна плоскости основания 13. Предусмотрена рама 32 в качестве спейсера (разделителя, прокладки) между подложкой 14 и противолежащей поверхностью основания 13, чтобы обеспечить пространство для размещения фотонного устройства 12 между подложкой 14 и основанием 13. В проиллюстрированном варианте выполнения изобретения имеется массив из четырех отражающих поверхностей 17, соответствующий массиву из четырех оптических волокон 20.
[0048] Фотонное устройство 12 можно пассивно выровнять относительно оптической скамьи 11 (например, полагаясь на котировочные риски (не показаны), имеющиеся на основании скамьи 11). Альтернативно, фотонное устройство 12 и оптическую скамью 11 можно активно отъюстировать, пропуская оптический сигнал между оптическим волноводом (т.е. оптическим волокном 20) в оптической скамье 11 и фотонным устройством 12, и измеряя уровень оптического сигнала в оптическом пути, чтобы измерить оптическое соединение, которое указывает на состояние оптической юстировки. Фотонное устройство 12 (например, лазер VCSEL и/или фотодиод) можно активировать, чтобы провести активную юстировку оптических волокон, которые удерживаются оптической скамьей 11, не полагаясь на другие компоненты внутри оптоэлектронного блока, в который должен быть установлен субблок оптической скамьи 10. Например, в том случае, когда фотонное устройство 12 является трансмиттером (например, лазером VCSEL), его подключают к питанию, чтобы он испускал в сторону отражающей поверхности 17 свет, который должен быть направлен к торцу соответствующего оптического волокна 20. Интенсивность оптического сигнала, переданного с помощью отражающей поверхности 17 и через соответствующее оптическое волокно, измеряют, чтобы определить степень оптического сопряжения (соединения) трансмиттера и оптической скамьи 11. В том случае, когда фотонное устройство является ресивером (например, фотодиодом), оптический сигнал, приходящий через оптическое волокно, отражается отражающей поверхностью в соответствующий ресивер. Степень оптического сопряжения (соединения) между оптическим волокном и ресивером можно определить по выходному электрическому сигналу ресивера (который соответствует интенсивности полученного оптического сигнала), чтобы установить степень юстировки. Процесс активного выравнивания включает перемещение фотонного устройства 12 в плоскости подложки 14 относительно отражающих поверхностей 17, причем эффективность оптического соединения определяют для точки выравнивания (юстировки). Для облегчения электрического соединения, необходимого для активной юстировки, на поверхности подложки, обращенной от основания 13, предусмотрены электропроводящие контактные площадки.
[0049] Когда достигнута требуемая оптическая юстировка, подложку 14 фотонного устройства 12 жестко прикрепляют к основанию оптической скамьи, например, лазерной пайкой или с помощью эпоксидной смолы.
[0050] После сборки субблока оптической скамьи 10, его можно подвергнуть отбраковке испытанием на принудительный отказ, чтобы исключить отказ в начальном периоде эксплуатации, а также провести другие функциональные испытания.
[0051] В упомянутых выше вариантах выполнения изобретения субблок оптической скамьи 10, включающий интегрированное фотонное устройство 12, представляет собой герметичный проходной элемент с интегрированным фотонным устройством 12.
[0052] Как видно из Фиг. 6С и как показано на Фиг. 2В, по завершении сборки субблока оптической скамьи 10, его герметично присоединяют к оптоэлектронному блоку 500' (например, припаиванием), который может быть аналогичен блоку 500 на Фиг. 1А, за исключением того, что фотонное устройство 12 интегрировано в субблок оптической скамьи 10 в положении оптической юстировки относительно оптической скамьи 11. Оптоэлектронный блок 500' содержит различные компоненты (например, интегральные схемы, 1С, микросхемы, подложки, печатные платы и пр.). Субблок оптической скамьи 10 в качестве герметичного проходного элемента вводят через отверстие выступа 50 в боковой стенке корпуса 501' блока 500' и герметизируют (например, припаиванием). По сравнению с ситуацией, показанной на Фиг. 1В, положение этого проходного элемента относительно блока 500' не является критичным, поскольку между проходным элементом и внешним фотонным устройством внутри блока 500' оптическая юстировка не требуется. Как показано на Фиг. 2В, подложку 14 можно с помощью пайки присоединить к печатной плате 39 (которая может быть гибкой печатной платой) внутри блока 500', с перемычкой/ сквозным соединением 36, проходящим через субстрат подложки 14 для соединения с фотонным устройством 12 на другой стороне подложки 14. На подложке 14 может быть сконфигурирован массив шариковых выводов (BGA) с микро-припаянными шарнирными (шаровыми) соединениями. Другие электрические соединения могут включать субблок оптической скамьи 10' в варианте выполнения изобретения, показанном на Фиг. 5, в котором электрические контакты 38, расположенные на стороне подложки 14', электрически соединены с печатной платой (не показана) в блоке 500' с помощью проволочного соединения или гибкого шлейфа 37. Альтернативно, могут быть сконфигурированы пружинные штифты (фиксаторы) (не показаны) для создания электрических соединений между подложкой и печатной платой в блоке 500'. Эти электрические соединения поглощают ошибочное смещение и напряжение вследствие термического расширения/сжатия, которое не повлияет на оптическую юстировку фотонного устройства, интегрированного в плату оптической скамьи в субблоке оптической скамьи.
[0053] Фиг. 7 иллюстрирует герметичный проходной элемент/субблок оптической скамьи 10, установленный в герметичный оптоэлектронный блок 500'. Другие электронные устройства и компоненты схемы опущены (не показаны) на Фиг. 7. Герметичная крышка герметичного оптоэлектронного блока 500' также не показана.
[0054] После присоединения субблока оптической скамьи 10 к герметичному оптоэлектронному блоку 500', блок 500' можно подвергнуть испытаниям на принудительный отказ, чтобы исключить отказ в начальном периоде эксплуатации, а также провести другие функциональные испытания.
[0055] Так как данное изобретение предполагает проведение предварительной прецизионно-точной сборки оптических элементов и компонентов и фотонных устройств в субблок оптической скамьи до проведения сборки в более крупный оптоэлектронный блок, субблок оптической скамьи можно функционально протестировать, включая проведение испытаний на принудительный отказ, на уровне субблока, вне оптоэлектронного блока, что уменьшает ненужные потери более дорогостоящих блоков (которые включают дорогие компоненты схемы, такие как интегральные схемы и пр.), возникающие вследствие отказа в начальном периоде эксплуатации установленных на них фотонных устройств. Процесс активной юстировки субблока оптической скамьи значительно проще. Кроме того, между оптической скамьей и фотонным устройством присутствует значительно более прочная и надежная замкнутая конструкция меньшего размера. Таким образом, более высокий общий выход, большая надежность и более низкие производственные затраты могут быть получены для оптоэлектронных блоков, содержащих герметичный проходной элемент согласно данному изобретению.
* * *
[0056] Несмотря на то, что изобретение подробно раскрыто на примере предпочтительных вариантов его выполнения, специалисты должны понимать, что различные изменения по форме и в деталях могут быть осуществлены, не выходя за рамки духа и буквы изобретения. Соответственно, описание следует рассматривать лишь как иллюстрацию изобретения, которое ограничено только приведенной далее формулой изобретения.
Реферат
Изобретения относится к субблокам оптической скамьи. Субблок оптической скамьи для маршрутизации оптических сигналов содержит интегрированное фотонное устройство. Оптическую юстировку фотонного устройства относительно оптической скамьи можно осуществить вне узла оптоэлектронного блока, до присоединения к нему. Фотонное устройство присоединяют к основанию оптической скамьи таким образом, чтобы оптический вход/выход находился в положении оптической юстировки относительно оптического выхода/входа оптической скамьи. Оптическая скамья удерживает массив оптических волокон в прецизионно точном взаимном расположении относительно структурированной отражающей поверхности. Фотонное устройство смонтировано на подложке, которую присоединяют к оптической скамье. Фотонное устройство может быть пассивно или активно отъюстировано относительно оптической скамьи. После достижения оптической юстировки подложку фотонного устройства жестко прикрепляют к основанию оптической скамьи. Субблок оптической скамьи может быть структурирован с тем, чтобы быть герметизированным в качестве герметичного проходного элемента, чтобы быть герметично присоединенным к герметичному оптоэлектронному блоку. Технический результат заключается в создании усовершенствованной конструкции для соединения оптических волокон в положении оптической юстировки относительно оптоэлектронных компонентов, которая улучшает производительность, допуски, технологичность изготовления и использования. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 7 ил.
