具有对准补偿的光器件制造技术

提出了一种光器件（１２０），其包括多个光学模块（１２２，１２６）和对准补偿模块（１５２）。所述对准补偿模块（１５２）消除了所述光器件的残余对准误差。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及光学元件和由这些元件制作而成的光器件。更具体地，本专利技术涉及这些器件的对准补偿。
技术介绍
为了提供高速的数据传输，光器件越来越多的用于各种各样的工业和
，比如在光纤光通信设备中。在许多应用中，存在光器件的转换和组合，而以前仅使用电子器件。光器件典型地由多个元件组成，必须对这些元件进行精确地组装和对准，以便使该器件有效地操作和运行。示例的元件包括光纤、波导、激光器、调制器、检测器、光栅、光放大器、透镜、反射镜、棱镜、窗口等。以往，像那些用于光纤光通信、数据储存和检索、光探测等的光器件，几乎没有通用的封装和组装方法。由于在器件设计中的不一致，这就限制了自动化制造这些器件的自动化装置的适用性。为了实现这些器件的大量自动化制造，每一个单独生产线的零件都必须定制。相反，如印制电路板制造和半导体制造等工业，都已经发展成为拥有通用的设计规则和封装方法。这使得同样的一件自动化设备可以应用于多种设计。以印制电路板为例，可以由相同的一套基础标准部件设计出其范围从计算机的主板到移动电话的不同应用。这些标准部件包括印制电路板、集成电路芯片、分立电容器等。此外，同一个自动化设备，比如拾取放置机，能适用于每一个设计的组装，因为它们使用的是通用的元件和设计规则。在光器件的自动化组装中会发生更复杂的情况。由于光学元件精确的机械对准需求，组装变得复杂。这增加了由于设计的不同而导致的问题。由于难以经济地控制光学元件的诸多特性以精确容差的现实，导致了问题的发生。例如，这些属性包括光纤芯区相对于包层的同心度、透镜的光轴相对于外部机械尺寸的位置、透镜的后焦点位置、薄膜干涉滤光器的光谱特征等。即使每一个光元件都精确地按照理论设计的位置进行机械安装，由于上面所列的容差，仍然可能不能达到光器件的性能规范。为了认识高性能光器件的精确对准要求，设想对准两根单模光纤的简单例子。在这个例子中，为了保证从一根光纤到另外一根光纤的足够的光耦合，下列的机械对准是必需的光纤之间相互的角度、光纤的面角、横向对准(垂直于光传播方向)和纵向间隔(平行于光传播方向)。针对1.3μm到1.6μm波长范围的、用于电信的典型单模光纤具有大约9微米的有效芯区直径和125微米的外部包层尺寸。芯区到包层外径的同心度的典型容差是1微米。如果两个光纤的外部包层完全对准，并且它们之间不存在角度的失配和纵向间隔，芯区在横向上仍然可能存在最多2微米的失配。这样的失配将导致大约14％或0.65dB的理论耦合损耗。在许多应用中，这样的损耗是不可接受的。需要提供一种能够解决现有技术中的一些缺陷的光器件。
技术实现思路
在一个示例方案中，提出了一种光器件，其包括多个光学模块和对准补偿模块。每个光学模块包括光学元件，所述光学元件可操作地与相对基准底座耦合。配置所述相对基准与固定基准耦合。安装在固定基准底座上的多个光学模块形成了所述光器件。对准补偿模块消除了所述光器件的残余对准误差。附图说明图1是光纤光学多路解复用器的透视图。图2是图1所示的光纤光学多路解复用器的光学示意图。图3是图1所示的光纤光学多路解复用器的分解透视图。图4是侧剖视图，示出了光纤光学准直仪模块。图5是相对基准的底视图，示出了光学模块的配准特征(registration feature)。图6是图3所示的固定基准的放大顶视图，示出了固定基准配准特征。图7是光学滤光器模块的侧剖视图。图8是具有对准补偿模块的光纤光学多路解复用器的光学示意图。图9是示出了残余对准误差和具有无焦透镜对的对准补偿模块的光学示意图。图10是示出了通过线性移位图9所示的透镜之一来消除对准误差的光学示意图。图11是具有杠杆臂对准结构的对准补偿模块的透视图。图12是图11所示的对准补偿模块的前平面图。图13是使用旋转、远焦透镜对来消除对准误差的对准补偿模块的光学示意图。图14A是示出了残余对准误差和具有无焦透镜的对准补偿模块的光学示意图。图14B是示出了通过旋转图14A所示的透镜来消除对准误差的光学示意图。图15是在可调整的旋转底座中，具有单透镜的对准补偿模块的侧剖视图。图16是具有对准补偿模块的光纤光学多路解复用器的透视图。图17是具有Risley楔形棱镜的对准补偿模块的光学示意图。图18是具有用于消除对准误差的单一倾斜光学窗口的激光发射器的光学示意图。图19是具有用于消除对准误差的两个倾斜光学窗口的激光发射器的光学示意图。具体实施例方式本专利技术包括减少或者消除与现有技术相关的问题的许多方案。本专利技术提供了由标准化光学模块中预先对准的光学模块制造的光学器件。每个光学模块能够以亚微米量级的精度与配准特征进行对准。模块上的配准特征能够与衬底上匹配特征对准。这与将电子元件安装到印制电路板中或安装在印制电路板上相似。通过将预对准的光学模块安装到光学“电路板”和使用对准补偿模块，可以容易地制造光器件。光学模块的预对准能够补偿元件之间的变化，实质上减少了元件的变化性。对准补偿模块的使用通过以对准补偿模块执行最终对准的较小额外复杂度，极大地缓和了光学模块和衬底的容差。预对准光学模块非常适合于器件的自动化生产。使用本领域中所公知的硅处理技术，能够以硅制造这些模块。然而，也可以使用任何合适的材料。优选的材料是那些使用在现有电子和光学器件中的材料。此外，本专利技术也可用于有源器件，如激光器、调制器、检测器等。可以在不同的层上制作电导体来连接有源光元件。可以直接在模块或固定基准底座上制造包括模拟和数字电路的电子电路。在一个方案中，本专利技术提供了由其中将光学元件安装到光学元件底座上的至少两个光学模块形成的光器件。按照所需的位置和朝向，将光学元件底座固定在如基座板等相对基准底座上。相对基准底座与如衬底等固定基准底座相连，从而相对于固定基准底座，按照所需的位置和朝向保持光学元件。在这种一般的配置下，可以通过在固定它们的相对位置之前，相对于基准底座，调整光学元件底座，将光学元件预对准到所需的特定基准和方向。这可以用于提供一般元件的预对准以及补偿光学元件之间的不同。下面的描述阐述了多个特定的例子，然而，在各个方案中，本专利技术并不局限于在此阐述的特定配置、元件或技术。一般而言，由包括各自的光学元件的两个光学模块来制造光器件。将元件安装到光学元件底座上，对其进行定位和定向，从而实现光学元件相对于基座板(也被成为相对基准底座)的所需位置和方向。将基座板安装到基准衬底上，以便实质上对准光学元件。衬底是固定基准底座的一个示例，并且可以使用具有合适形状和配置的任何合适的固定基准底座。本专利技术的光学元件模块可以预组装和预对准到合适的基准，以便通过将组装好的光学模块简单地安装到基准衬底来制作最终的光器件。也可以采用对准补偿模块(下面讨论)来辅助完成光器件的对准。例如，衬底可以是能够被想象为光学“电路板”的平面衬底，能够容纳光学模块以形成光学、光电或光机械器件。本专利技术提供预对准的光学模块，这些光学模块可以减少或消除元件变化性的影响。这是通过相对于基座板上的配准特征调整元件底座(夹具)来实现的。然后，元件和配准特征之间的关系就固定了。在基座板上设置精确的配准特征，以使其能够被插入光学“电路板”中，以制作包括多个光学元件模块的光器件。由于它们是标准化封装、预对准的，并且能容易地安装到基准衬底上的，光学模块本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光器件，包括：具有第一配准特征和第二配准特征的衬底；第一光学模块，包括：　光学元件；相对基准底座，包括已配置为与衬底的第一配准特征对准的配准特征，按照相对于所述配准特征的预对准空间朝向支撑所述光学元件；　 　第二光学模块，包括：光学元件；和相对基准底座，包括已配置为与衬底的第二配准特征对准的配准特征，按照相对于所述配准特征的预对准空间朝向支撑所述光学元件；并且设置所述第一和第二光学模块，从而在二者之间传输光线；对准 补偿模块，配置为与所述光线相互作用，以提供与光线的最终对准，由此补偿残余对准误差。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：史蒂文K凯斯，蒂莫西斯昆斯，米夏埃尔克尼普费尔，格雷戈里S莫里，
申请(专利权)人：赛博光学公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]