DE102004059945B4

DE102004059945B4 - Sender und Empfänger für Lichtwellenleiterübertragung mit hoher Toleranz

Info

Publication number: DE102004059945B4
Application number: DE102004059945A
Authority: DE
Inventors: Ye Chen
Original assignee: Avago Technologies General IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2004-03-05
Filing date: 2004-12-13
Publication date: 2013-10-24
Anticipated expiration: 2024-12-14
Also published as: JP2005250480A; CN1721898A; US8068708B2; DE102004059945A1; US20090116784A1; US20050196100A1; CN101487914A; US7488117B2

Abstract

Optisches Kopplungssystem, das folgende Merkmale aufweist:
ein Array von optischen Elementen (97) zum Kollimieren von Licht von einem Array von optischen Fasern (95) zu der Form von kollimiertem Licht (103);
ein Substrat, das ein Halbleitermaterial umfasst;
ein Array von in dem Substrat gebildeten Lichtdetektoren (105);
eine auf dem Substrat hergestellte Trägerstruktur;
ein Array von an der Trägerstruktur befestigten Linsen (107) zum Empfangen des kollimierten Lichts von dem Array von optischen Elementen (97) und zum Fokussieren des kollimierten Lichts auf den Array von Lichtdetektoren (105), wobei der Array von Linsen (107) durch die Trägerstruktur in einem ersten Abstand von dem Array von Lichtdetektoren (105) entfernt angebracht ist, und
eine Faseraufnahmeeinrichtung (91), die angepasst ist, um den Array von optischen Elementen (97) und den Array von optischen Fasern (95) in einem zweiten Abstand voneinander entfernt zu halten, derart, dass der Array von optischen Elementen (97) Licht von dem Array von optischen Fasern (95) kollimiert.

Description

Diese Patentschrift bezieht sich auf folgende, gleichzeitig eingereichte US-Patentanmeldung: Seriennummer UNBEKANNT, mit dem Titel „VCSEL with Integrated Lens”, Anwaltsaktenzeichen 10030987-1, und nimmt sie hiermit durch Bezugnahme auf.
Bei einem Lichtwellenleitersystem emittiert eine Lichtquelle Lichtpulse, die optische Fasern durchwandern, um Daten zu senden. Die Lichtquelle und die optische Faser müssen präzise ausgerichtet sein, um die Kopplungseffizienz zu maximieren. Die Kopplungseffizienz ist eine Maßzahl dafür, wieviel Licht, das durch die Lichtquelle transmittiert wird, tatsächlich durch die optische Faser empfangen wird.
Eines der Verfahren, die verwendet werden, um eine Ausrichtung zwischen der Lichtquelle und der optischen Faser zu erzielen, ist als aktive Ausrichtung bekannt. Bei der aktiven Ausrichtung wird die Lichtquelle eingeschaltet, während ihre Apertur auf das Empfangsende der optischen Faser ausgerichtet wird. Die Lichtquelle und das Empfangsende der optischen Faser werden eingestellt, während das Sendeende der optischen Faser durch einen Lichtdetektor überwacht wird. Der Lichtdetektor misst die Lichtmenge, die durch die optische Faser gelangt. Wenn das empfangene Licht seinen Maximalwert aufweist, befinden sich die Lichtquelle und die optische Faser in einer optimalen Ausrichtung, und an diesem Punkt werden die optische Faser und die Lichtquelle in ihrer Position befestigt.
Die aktive Ausrichtung ist zeitaufwändig und somit teuer. Also ist es wünschenswert, Komponenten zu erzeugen, die beim Zusammenbau ausgerichtet werden können, ohne die Lichtquelle einzuschalten oder einen Lichtdetektor zu verwenden. Ein derartiger Prozess ist als passive Ausrichtung bekannt.
Die passive Ausrichtung hat ihre eigenen Nachteile. Die Aperturen der Lichtquelle und der optischen Fasern sind sehr klein, und die Brennweiten der Linsen stellen ihre eigenen strengen Anforderungen an die Position jeder Komponente. Beispielsweise zeigt 1 ein bekanntes optisches System 51. Das bekannte optische System 51 umfasst eine Lichtquelle 53, eine Kopplungsoptik 55 und eine optische Faser 57. Bei herkömmlichen optischen Sendern ist die Kopplungsoptik 55 eine einzelne Einheit, die eine erste Linsenoberfläche 59 und eine zweite Linsenoberfläche 61 aufweist. Die erste Linsenoberfläche 59 weist eine Brennweite F1 auf. Die zweite Linsenoberfläche 61 weist eine Brennweite F2 auf. Die Kopplungsoptik 55 empfängt Licht von der Lichtquelle 53 und fokussiert es auf die optische Faser 57. Um dies zu erzielen, muss die optische Achse der Lichtquelle 53 mit der optischen Achse der ersten Linsenoberfläche 59 ausgerichtet sein, und die optische Achse der zweiten Linsenoberfläche 61 muss mit der optischen Achse der optischen Faser 57 ausgerichtet sein. Ferner muss die Lichtquelle 53 einen Abstand F1 von der ersten Linsenoberfläche 59 aufweisen. Schließlich muss die optische Faser 57 auch einen Abstand F2 von der zweiten Linsenoberfläche 61 aufweisen.
Die Anforderungen des bekannten optischen Systems 51 gewähren nur eine sehr geringe Toleranz während der passiven Ausrichtung. Folglich müssen teure Präzisionsinstrumente jede Komponente derart sorgfältig messen, positionieren und platzieren, dass das Licht von der Lichtquelle genau auf die Zielapertur einer optischen Faser fokussiert wird. Somit ist es wünschenswert, Komponenten zu erzeugen, die eine größere Toleranz aufweisen, so dass eine passive Ausrichtung leichter erzielt werden kann.
Die US 5,940,564 A zeigt ein Bauelement zum Koppeln einer Lichtquelle oder eines Empfängers mit einem optischen Wellenleiter. Ein verbesserter Stecker umfasst ein Substrat mit einer darauf angebrachten Laserdiode auf dem eine Kugellinse befestigt ist, so dass ein Lichtstrahl der Laserdiode aufgeweitet wird. Der aufgeweitete Lichtstrahl wird anschließend zu einem Empfangselement mit ebenfalls einer Kugellinse übertragen und in diesem Empfangselement in eine optische Faser eingeführt.
Die US 4,501,637 A zeigt eine LED mit einer selbstjustierenden Linse. Ein relativ dicker Ring aus Polymer oder Metall umkreist einen Emissionsbereich einer lichtemittierenden Diode. Eine sphärische Linse ruht auf dem Ring und ist sowohl akkurat in Bezug auf den Emissionsbereich positioniert und von diesem entfernt angeordnet.
Die US 6,1661,951 A zeigt einen elektrooptischen Ausrichtungsapparat mit einem ersten Element zum Befestigen einer ersten Linse und einer Lichtquelle und einem zweiten Element zum Befestigen einer zweiten Linse und einer Lichtempfangsstruktur. Die erste Linse ist in einem ersten Abstand von der Lichtquelle pulsiert und ist derart konstruiert, um Licht zu kollimieren, das von der Lichtquelle empfangen wird. Die ersten und zweiten Elemente sind relativ zueinander angebracht, um die zweite Linse in einer dritten Distanz von der ersten Linse zu positionieren und um kollimiertes Licht von der ersten Linse zu empfangen. Die zweite Linse ist in einer zweiten Distanz von der Lichtempfangsstruktur positioniert, um das kollimierte Licht auf die Lichtempfangsstruktur zu fokussieren. Die erste und zweite Linse sind derart konstruiert, so dass die erste und zweite Distanz voneinander abhängen und die dritte Distanz unabhängig von der ersten und zweiten Distanz ist.
Die US 4,616,899 A zeigt eine optische Faser, die an eine Halbleiterlichtquelle oder einen Detektor gekoppelt werden kann, wobei einbettete Linsenelemente verwendet werden. Die Vorrichtung ist einfach zusammenzusetzen, ist kostengünstig und erreicht eine echte hermetische Versiegelung des Halbleiters für eine gute Verlässlichkeit.
Die US 4,740,259 A zeigt eine lichtemittierende Diode die Linsen aufweist, die in selbstjustierender Weise auf einer zwischen Oberfläche eines Halbleiterkörpers durch Klebematerial gesichert ist. Die Zwischenoberfläche ist im Wesentlichen senkrecht und zentriert ausgerichtet mit einer Emissionsachse der lichtemittierenden Diode. Vorzugsweise ist die Linse sphärisch und die Zwischenoberfläche hat einen Durchmesser vergleichbar oder kleiner als der Durchmesser der Linse.
Die US 6,253,004 A zeigt eine optische Verbindungsstruktur zwischen einem optoelektrischen Element und einer einmodenoptischen Faser zum Vergrößern einer Justagetoleranz. Die optische Verbindungsstruktur ist durch ein Mikrolinsenbestücktes optoelektrisches Element und eine optische Einmodenfaser mit einem Indexgradientenfaserende ausgebildet. Lichtstrahlen, die von dem optoelektrischen Element emittiert werden, werden durch die Mikrolinsen auf der rückwärtigen Oberfläche auf einem Substrat kollimiert oder werden in ihrer Größe durch Fokussierung oder Divergenz aufgeweitet.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, optische Kopplungssysteme mit verbesserten Charakteristika zu liefern.
Diese Aufgabe wird durch ein optisches Kopplungssysteme gemäß Anspruch 1 gelöst.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist ein optisches Kopplungssystem ein Array von optischen Elementen zum Kollimieren von Licht von einem Array von optischen Fasern zu der Form von kollimiertem Licht, ein Substrat, das ein Halbleitermaterial umfasst, ein Array von in dem Substrat gebildeten Lichtdetektoren und eine auf dem Substrat hergestellte Trägerstruktur auf. Ferner weist das optische Kopplungssystem ein Array von an der Trägerstruktur befestigten Linsen zum Empfangen des kollimierten Lichts von dem Array von optischen Elementen und zum Fokussieren des kollimierten Lichts auf den Array von Lichtdetektoren auf. Der Array von Linsen ist durch die Trägerstruktur in einem ersten Abstand von dem Array von Lichtdetektoren entfernt angebracht. Ferner weist das optische Kopplungssystem eine Faseraufnahmeeinrichtung auf, die angepasst ist, um den Array von optischen Elementen und den Array von optischen Fasern in einem zweiten Abstand voneinander entfernt zu halten, derart, dass der Array von optischen Elementen Licht von dem Array von optischen Fasern kollimiert.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung liefert dieses gelockerte Toleranzen für eine passive Ausrichtung eines optischen Empfängers. Der optische Empfänger umfasst eine Faseraufnahmeeinrichtung und eine Detektoranordnung. Die Faseraufnahmeeinrichtung umfasst ein Array von optischen Elementen. Die Faseraufnahmeeinrichtung ist angepasst, um einen Array von optischen Fasern bei einem festgelegten Abstand von dem Array von optischen Elementen entfernt zu halten. Der Array von optische Elementen kollimiert im Wesentlichen Licht von dem Array von optischen Faser zu der Form von kollimiertem Licht. Die Detektoranordnung umfasst einen Array von Linsen und einen Array von Lichtdetektoren. Die Linsen werden unter Verwendung präziser Trägerstrukturen, die üblicherweise durch photolithographische Prozesse gebildet werden, in einem festgelegten Abstand von dem Array von Lichtdetektoren entfernt gehalten. Die Linsen fokussieren das kollimierte Licht auf den Array von Lichtdetektoren.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sowie die Struktur und Funktionsweise bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden beispielhaften Zeichnungen ausführlich beschrieben. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen identische oder funktionell ähnliche Elemente.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein bekanntes optisches System;
2 ein grobes Diagramm eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, das gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung hergestellt ist;
3A und 3B eine Quellenanordnung;
4 eine Faseraufnahmeeinrichtung und einen Faserverbinder;
5 ein alternatives Ausführungsbeispiel der Quellenanordnung;
6 ein alternatives Ausführungsbeispiel der Quellenanordnung; und
7 einen optischen Empfänger.
2 zeigt zum besseren Verständnis der Erfindung ein grobes Diagramm. Ein optischer Sender 11 umfasst eine Quellenanordnung 13 und eine Faseraufnahmeeinrichtung 15. Die Quellenanordnung 13 umfasst eine Lichtquelle 17 und eine Linse 19. Die Linse 19 weist eine Brennweite F1 auf. Obwohl die Linse 19 als einzelne Komponente gezeigt ist, sollte man verstehen, dass auch mehrere Linsen oder Linsensysteme verwendet werden könnten. Unter Verwendung präziser Trägerstrukturen, die anschließend ausführlicher offenbart werden, wird die Linse 19 in einem Abstand F1 von der Lichtquelle 17 entfernt befestigt, wobei die Lichtquelle 17 an dem Brennpunkt der ersten Linse 19 platziert wird. Licht, das durch die Lichtquelle 17 emittiert wird, wird durch die Linse 19 im Wesentlichen kollimiert und tritt als kollimiertes Licht 20 hervor. Bei manchen Anwendungen kann das kollimierte Licht 20 leicht davon abweichen, perfekt kollimiert zu sein, um ein optimales Systemverhalten zu erzielen.
Die Faseraufnahmeeinrichtung 15 umfasst ein optisches Element 21. Die Faseraufnahmeeinrichtung 15 ist angepasst, um mit einer optischen Faser 23 gekoppelt zu werden. Das optische Element 21 weist eine Fokussierungsoberfläche 22 auf, die kollimiertes Licht 20 von der Lichtquelle auf die Apertur der optischen Faser 23 fokussiert. Das optische Element 21 weist eine Brennweite F2 auf. Obwohl das optische Element 21 als einzelne Komponente gezeigt ist, sollte man verstehen, dass mehrere optische Elemente oder Systeme von optischen Elementen verwendet werden könnten. Das optische Element 21 wird durch die Faseraufnahmeeinrichtung 15 in einem Abstand F2 von der optischen Faser 23 entfernt befestigt, wobei die optische Faser 23 an dem Brennpunkt des optischen Elements 21 platziert wird.
Die Quellenanordnung 13 und die Faseraufnahmeeinrichtung 15 sind auf einer Z-Achse, die mit der Achse der Lichtausbreitung zusammenfällt, ausgerichtet. Die X- und die Y-Achse definieren eine zu der Z-Achse senkrechte Ebene.
Die Toleranz zwischen der Quellenanordnung 13 und der Faseraufnahmeeinrichtung 15 wird gelockert, indem sie die Ausrichtung innerhalb der Quellenanordnung 13 selbst strenger gestaltet. Die Lichtquelle 17 wird genau auf den Brennpunkt der Linse 19 innerhalb der Quellenanordnung 13 ausgerichtet, üblicherweise durch Verwendung einer Trägerstruktur, die durch photolithographische Prozesse gebildet wird, um die Linse 19 zu positionieren. Die Faseraufnahmeeinrichtung 15 ist ferner entworfen, um die optische Faser 23 auf den Brennpunkt des optischen Elements 21 auszurichten. Da die Entfernungen für die Brennweiten der Linse 19 und des optischen Elements 21 bereits festgelegt sind, ist der Abstand zwischen der Quellenanordnung 13 und der Faseraufnahmeeinrichtung 15 entlang der Z-Achse nicht so kritisch.
Die Toleranz zwischen der Quellenanordnung 13 und der Faseraufnahmeeinrichtung 15 wird ferner gelockert, indem das Licht zwischen der Quellenanordnung 13 und der Faseraufnahmeeinrichtung 15 kollimiert wird. Da das Licht kollimiert wird (zu kollimiertem Licht 20), ist die Ausrichtung der Quellenanordnung 13 auf die Faseraufnahmeeinrichtung 15 in der XY-Ebene ebenfalls nicht so kritisch. Wenn die Ausrichtung nicht ganz exakt ist, geht nur eine geringe Lichtmenge verloren.
Die 3A und 3B zeigen zum besseren Verständnis der Erfindung eine Quellenanordnung 13. 3A ist eine Draufsicht, und 3B ist eine Querschnittsansicht, die entlang der Linie B-B' der 3A genommen ist. Die Lichtquelle ist bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein Vertikalresonatoroberflächenemissionslaser (VCSEL) 26, obwohl auch andere Lichtquellen verwendet werden können, z. B. Dioden mit Kantenstrahlung oder andere Laser. Der VCSEL 26 wird unter Verwendung standardmäßiger VCSEL-Herstellungstechniken auf einem VCSEL-Substrat gebildet. Das VCSEL-Substrat 27 ist aus einem beliebigen geeigneten Halbleitermaterial gebildet. Ein Abstandshalter 31 unterstützt eine Kugellinse 33 (in 3A nicht gezeigt) vor der Licht emittierenden Oberfläche des VCSEL 26. Der Abstandshalter 31 wird unter Verwendung standardmäßiger photolithographischer Materialien und Verfahren auf dem VCSEL-Substrat 27 gebildet. Die Bildung des Abstandshalters 31 und die Befestigung der Kugellinse 33 sind in der gleichzeitig eingereichten US-Patentanmeldung Nr. UNBEKANNT mit dem Titel „VCSEL with Integrated Lens”, Anwaltsaktenzeichen Nr. 10030987-1, beschrieben. Der Abstandshalter 31 positioniert die Kugellinse 33 derart, dass die Apertur des VCSEL 26 an dem Brennpunkt der Kugellinse 33 positioniert ist. Die Kugellinse 33 kann eine sphärische Form aufweisen. Da der VCSEL 26 an dem Brennpunkt der Kugellinse 33 positioniert ist, tritt jegliches Licht, das von dem VCSEL 26 emittiert wird und durch die Kugellinse 33 gelangt, als kollimiertes Licht 20 hervor.
Auf Grund der Präzision photolithographischer Verfahren kann der Abstandshalter 31 innerhalb einer engen Toleranz hergestellt werden, um eine präzise Positionierung in der XY-Ebene sowie in der Z-Richtung zu erzielen. Beispielsweise sind aktuelle photolithographische Verfahren bis auf zwei bis drei Mikrometer genau. Folglich kann der VCSEL 26 dicht auf den Brennpunkt der Kugellinse 33 ausgerichtet werden. Bei einem tatsächlichen funktionierenden Ausführungsbeispiel wurden standardmäßige photolithographische Prozesse verwendet, um Polyimid auf die Oberfläche des VCSEL 26 aufzubringen und das Polyimid zu einer Ringform zu ätzen, wobei der Abstandshalter 31 zum Tragen der Kugellinse 33 erzeugt wurde. Der Abstandshalter 31 ist nicht auf die Form eines Rings beschränkt – zum Tragen der Kugellinse 33 ist eine große Vielfalt an Formen akzeptabel. Ferner steht eine große Vielfalt anderer Materialien und Verfahren zur Verfügung, die zum Herstellen der Abstandshalter 31 verwendet werden können.
4 veranschaulicht ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Faseraufnahmeeinrichtung 15, die in einem Querschnittsdiagramm gezeigt ist. Die Faseraufnahmeeinrichtung 15 umfasst ein optisches Element 21. Das optische Element 21 ist üblicherweise eine Komponente, die die Funktionalität einer optischen Linse (z. B. einer Linsenoberfläche 35) aufweist. Das optische Element 21 ist aus Kunststoff, Glas oder einem beliebigen anderen geeigneten Material optischer Güte gebildet. Die Faseraufnahmeeinrichtung 15 ist mechanisch angepasst, um einen Faserverbinder 22 mit einer relativ engen Toleranz auf einer optischen Faser 23 zu halten. Es gibt viele Arten von standardisierten Faserverbindern, z. B. FC-, SC-, ST-, LC-, MT-RJ- und MTP-Verbinder, von denen alle zur Verwendung geeignet wären. Die mechanische Anpassung könnte ein Verriegelungsmechanismus an der Faseraufnahmeeinrichtung 15 zum Einrasten in den oder passenden Koppeln mit dem Faserverbinder 22 sein. Die optische Faser 23 wird in einem festgelegten Abstand von der Linsenoberfläche 35 entfernt gehalten, so dass die Apertur der optischen Faser 23 an dem Brennpunkt der Linsenoberfläche 35 positioniert ist, wenn der Faserverbinder 22 mit der Faseraufnahmeeinrichtung 15 passend gekoppelt wird. Das kollimierte Licht 20, das durch die Linsenoberfläche 35 gelangt, wird auf die optische Faser 23 fokussiert. Obwohl die Faseraufnahmeeinrichtung 15 mit einem geraden Körper zur Ausbreitung von Licht entlang einem geraden Weg gezeigt ist, ist es möglich, die Faseraufnahmeeinrichtung 15 mit einer oder mehreren Biegungen und reflektierenden Oberflächen herzustellen, um das Licht 20 in die gewünschten Richtungen zu beugen. Die Faser kann auch während des Montagevorgangs mit einem Haftmittel direkt an der Lichtquelle angebracht werden, z. B. bei einem Entwurf eines Senders/Empfängers mit faseroptischem Anschlussstück.
5 veranschaulicht ein alternatives Ausführungsbeispiel für die Quellenanordnung 13, die in schematischer Form gezeigt ist. Hier wird eine Linse 71 durch den Abstandshalter 31 über dem VCSEL 26 in der Schwebe gehalten. Die Linse 71 kann eine Beugungslinse oder eine Brechungslinse sein. Da der Abstandshalter 31 unter Verwendung photolithographischer Techniken gebildet ist, kann die Linse 71 wiederum mit großer Präzision positioniert werden, so dass der VCSEL 26 an dem Brennpunkt der Linse 71 positioniert wird, wobei er das Licht von der Lichtquelle kollimiert. Die Bildung des Abstandshalters 31 und der Linse 71 ist in der gleichzeitig eingereichten US-Patentanmeldung Nr. UNBEKANNT mit dem Titel „VCSEL with Integrated Lens”, Anwaltsaktenzeichen Nr. 10030987-1, beschrieben.
6 veranschaulicht ein zweites alternatives Ausführungsbeispiel für die Quellenanordnung 13, die in schematischer Form gezeigt ist. Der hier gezeigte VCSEL ist ein am Boden emittierender VCSEL, der mit einer Chip-Halterung 29 flip-Chip-verbunden sein kann. Die Chip-Halterung 29 kann eine gedruckte Schaltungsplatine oder ein anderes Halbleitersubstrat sein. Die Chip-Halterung 29 kann eine Hilfsschaltungsanordnung umfassen, z. B. einen Treiber für den VCSEL. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind kein Abstandshalter und keine Trägerstruktur erforderlich, da eine Linse 81 direkt auf der Oberfläche eines VCSEL-Substrats 27 gebildet ist. Die Linse 81 wird unter Verwendung photolithographischer Prozesse gebildet. Üblicherweise wird eine Schicht eines Photopolymers auf die Oberfläche des Substrats 29 aufgebracht. Das Photopolymer wird geätzt, um die gewünschte Form der Linse 81 zu erzeugen. Die Linse 81 kann auch direkt aus dem Substratmaterial gebildet werden, indem ein zusätzlicher Ätzvorgang durchgeführt wird, um die Form der Linse in das VCSEL-Substrat 27 selbst zu ätzen.
7 veranschaulicht ein alternatives Ausführungsbeispiel eines optischen Empfängers 90 in einem optischen System, in schematischer Form gezeigt. Der optische Empfänger 90 umfasst eine Faseraufnahmeeinrichtung 91 und eine Detektoranordnung 93. Die Faseraufnahmeeinrichtung 91 umfasst ein optisches Element 97, das üblicherweise eine Komponente ist, die die Funktionalität einer optischen Linse, z. B. einer Linsenoberfläche 99, aufweist. Die Linsenoberfläche 99 weist eine Brennweite F3 auf. Das optische Element 97 ist aus Kunststoff, Glas oder einem beliebigen anderen geeigneten Material optischer Güte gebildet. Obwohl die Faseraufnahmeeinrichtung 91 mit einem geraden Weg zur Ausbreitung von Licht gezeigt ist, ist es möglich, die Faseraufnahmeeinrichtung 91 mit einer oder mehreren Biegungen und reflektierenden Oberflächen herzustellen, um das Licht in die gewünschte Richtung zu beugen.
Die Faseraufnahmeeinrichtung 91 ist mechanisch ausgelegt, um einen Faserverbinder 94 mit einer relativ engen Toleranz auf einer optischen Faser 95 zu halten. Die mechanische Auslegung kann ein Verriegelungsmechanismus an der Faseraufnahmeeinrichtung 91 zum Einrasten in den oder passenden Koppeln mit dem Faserverbinder 94 sein. Die optische Faser 95 wird in einem festgelegten Abstand F3 von der Linsenoberfläche 99 entfernt gehalten, derart, dass die Apertur der optischen Faser 95 an dem Brennpunkt der Linsenoberfläche 99 angeordnet ist. Licht, das aus der optischen Faser 95 emittiert wird, wird durch die Linsenoberfläche 99 kollimiert und tritt als kollimiertes Licht 103 hervor.
Die Detektoranordnung 93 umfasst einen Lichtdetektor 105 und eine Linse 107. Die Linse 107 weist eine Brennweite F4 auf. Die Linse 107 ist in einem Abstand F4 von dem Lichtdetektor 105 entfernt befestigt, wobei der Lichtdetektor 105 an dem Brennpunkt der Linse 107 platziert wird. Die Linse 107 wird unter Verwendung photolithographischer Prozesse präzise positioniert. Kollimiertes Licht 103, das durch die Linse 107 gelangt, wird auf den Lichtdetektor 105 fokussiert.
Jegliche der in den 3, 5 oder 6 gezeigten Quellenanordnungen können auch als die Detektoranordnung 93 verwendet werden, indem der VCSEL 27 durch einen Lichtdetektor 105 ersetzt wird. Der Lichtdetektor 105 kann eine Photodiode, ein Phototransistor oder ein beliebiges anderes Bauelement sein, das auf einfallendes Licht anspricht. Die Detektoranordnung 93 ermöglicht Hochgeschwindigkeitsanwendungen, da der aktive Bereich des Detektors 105 bei dieser Anwendung sehr klein sein kann, in der Größenordnung eines Durchmessers von 10 bis 30 Mikrometern.
Die offenbarten Ausführungsbeispiele sind ohne weiteres auch für parallele optische Anwendungen auslegbar. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel für einen parallelen Sender umfasst eine Quellenanordnung ein Array von Lichtquellen, die ein Lichtarray erzeugen, und ein Array von Linsen, die über dem Array von Lichtquellen positioniert sind, um das Lichtarray zu kollimieren. Eine Faseraufnahmeeinrichtung umfasst ein Array optischer Elemente zum Empfangen des kollimierten Lichtarrays. Das Array von Lichtquellen kann gesamt auf einem einzigen Chip gebildet sein, dies führt jedoch zu einer niedrigeren Herstellungsausbeute, da ein größerer Chip eine größere Wahrscheinlichkeit eines Defekts aufweist. Die Produktionsausbeuten werden verbessert, indem die Lichtquellen auf getrennte Chips aufgeteilt werden, die anschliessend zu einem Array gepackt werden.
Bei den bekannten herkömmlichen Entwürfen waren die parallelen Quellen engen Toleranzen unterworfen, da es schwierig war, ein Array von Lichtquellen mit einem Array von Linsen auszurichten. Es werden diese Toleranzen gelockert, da jede Lichtquelle individuell mit ihrer eigenen integrierten Linse gebildet werden kann, wodurch auf die Ausrichtung eines Lichtquellenarrays mit einem Linsenarray vollständig verzichtet wird.
Bei dem Ausführungsbeispiel für einen parallelen Empfänger gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine Faseraufnahmeeinrichtung ein Array von optischen Elementen zum Kollimieren eines Arrays von Licht von einem Array optischer Fasern. Eine Detektoranordnung umfasst ein Array von Lichtdetektoren und ein Array von Linsen, die über das Array von Lichtdetektoren hinweg positioniert sind, um das kollimierte Lichtarray zu empfangen und zu fokussieren. Das Array von Lichtdetektoren kann auf einem einzigen Chip gebildet sein, oder die Lichtdetektoren können auf getrennte Chips aufgeteilt und anschließend zu einem Array gepackt werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte bevorzugte Ausführungsbeispiele ausführlich beschrieben wurde, wird Fachleuten auf dem Gebiet, auf das sich die Erfindung bezieht, einleuchten, dass verschiedene Modifikationen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von der Wesensart und dem Schutzumfang der folgenden Patentansprüche abzuweichen.

Claims

Optisches Kopplungssystem, das folgende Merkmale aufweist: ein Array von optischen Elementen (97) zum Kollimieren von Licht von einem Array von optischen Fasern (95) zu der Form von kollimiertem Licht (103); ein Substrat, das ein Halbleitermaterial umfasst; ein Array von in dem Substrat gebildeten Lichtdetektoren (105); eine auf dem Substrat hergestellte Trägerstruktur; ein Array von an der Trägerstruktur befestigten Linsen (107) zum Empfangen des kollimierten Lichts von dem Array von optischen Elementen (97) und zum Fokussieren des kollimierten Lichts auf den Array von Lichtdetektoren (105), wobei der Array von Linsen (107) durch die Trägerstruktur in einem ersten Abstand von dem Array von Lichtdetektoren (105) entfernt angebracht ist, und eine Faseraufnahmeeinrichtung (91), die angepasst ist, um den Array von optischen Elementen (97) und den Array von optischen Fasern (95) in einem zweiten Abstand voneinander entfernt zu halten, derart, dass der Array von optischen Elementen (97) Licht von dem Array von optischen Fasern (95) kollimiert.
Optisches Kopplungssystem gemäß Anspruch 1, bei dem die Trägerstruktur einen Abstandshalter (31) zum Tragen des Array von Linsen (107) umfasst.
Optisches Kopplungssystem gemäß Anspruch 2, bei dem der Array von Linsen eine Kugellinse (33) mit einer Brennweite umfasst.
Optisches Kopplungssystem gemäß Anspruch 3, bei dem der erste Abstand gleich der Brennweite der Kugellinse (33) ist.