弹性平均耦合装置的制作方法

弹性平均耦合装置
1.优先权声明
2.本技术要求于2020年2月3日提交的第62/969,536号美国临时专利申请的优先权。该申请通过引用完全并入本文，如同在本文中完全阐述一样。下文中提到的所有出版物都通过引用完全并入本文，如同在本文中完全阐述一样。
技术领域
3.本发明涉及向光电子元件(例如光子集成电路(pic))中耦合光和从光电子元件耦合出光，更具体地说，涉及一种光纤与pic的光连接。


背景技术：

4.光子集成电路(pic)或集成光电路是使用光而不是电流作为操作的基础的新兴技术的一部分。pic器件集成了多种(至少两种)光子功能，因此类似于电子集成电路。这两者之间的主要区别在于，光子集成电路为通常施加在可见光谱或近红外850纳米-1650纳米范围内的光波长上的信息信号提供功能。
5.pic用于电信、仪器仪表和信号处理领域中的各种应用。pic器件(以光子芯片封装的形式)通常使用光波导来实现和/或互连各种芯片上元件，例如波导、光开关、耦合器、路由器、分路器、复用器/解复用器、调制器、放大器、波长转换器、光-电(o/e)和电-光(e/o)信号转换器(例如光电二极管、激光器)等。pic器件中的波导通常是芯片上固态光导体，其因波导的芯层与包层之间的折射率差异而导引光。
6.光子网络中最昂贵的组件之一是光纤连接器。为了正确操作，pic通常需要有效地耦合外部光纤与一个或更多个芯片上波导之间的光。pic器件往往需要与其它pic器件光连接，这样的光连接通常是以光信号通信的有组织网络的形式。连接距离的范围可以从芯片到芯片通信情况中的几毫米到长距离应用情况中的几千米。光纤能够提供有效的连接方法，因为光能够在光纤内以非常高的数据速率(》25gbps)长距离流动，这是因为光纤的损耗很低。为了正确操作，pic器件需要在外部光纤与一个或更多个片上波导之间高效地耦合光。在pic器件中使用光作为电路操作的基础的一个优点是，其针对高速信号传输的能量成本大大低于电子芯片的能量成本。因此，pic器件与其它光学器件(例如光纤)之间保持这种优势的高效耦合是pic的一个重要方面。
7.将光纤耦合至pic器件(或pic芯片封装)的一种方法是将光纤阵列附接至pic芯片的边缘。到目前为止，使用主动对准方法将光纤阵列与pic上的元件对准，在该主动对准方法中，通过机械调整光纤的位置和取向，直到光纤与pic之间传输的光量最大化。这是一个通常在将pic从晶片上切割下来并安装在封装内之后进行的耗时过程。这将光纤连接推迟到生产过程的最后。一旦形成连接，该连接就是永久性的，并且在不破坏连接的完整性以期能够将光纤阵列重新安装到pic上的前提下无法拆卸、分开或分离。换句话说，光纤阵列无法可移除地附接至pic，并且光纤阵列的连接和分离将是破坏性且不可逆的(即，不可重新连接)。
8.目前的最新尝试是使用聚合物连接器元件来实现严格的对准公差，但是聚合物具有多种基本缺点。第一，它们是弹性柔顺的，因此在外加载荷下容易变形。第二，它们在尺寸上不稳定，并且会改变尺寸和形状，尤其是在经受高温时，例如在计算机和网络硬件中。第三，聚合物的热膨胀系数(cte)比通常用于pic器件的材料的cte大得多。因此，温度循环导致光纤与pic器件上的光学元件之间不对准。在某些情况下，聚合物不能承受将pic器件焊接到印刷电路板上时所用的处理温度。
9.此外，若能够在从晶片切割离散的pic之前产生光纤连接则是有利的；这通常被称为晶片级附接。集成电路和pic的制造商通常具有能够进行亚微米对准的昂贵的资产设备(例如用于测试集成电路的晶片探测器和装卸器)，而封装芯片的公司通常具有能力较弱的机器(通常具有数微米的对准公差，这对于单模器件来说是不够的)，并且通常使用人工操作。但是，在切割之前将光纤永久地附接至pic是不切实际的，因为光纤会缠结在一起，在切割操作和封装过程中会碍事，并且在pic被拾取并放置到印刷电路板上并且随后在高温下焊接到pcb上时几乎无法处理。
10.美国专利公告第2016/0161686a1号(共同受让给本技术的受让人，并通过引用完全并入本文)公开了一种用于光电子器件的可拆卸光连接器。所公开的可拆卸光连接器包括弹性平均耦合装置的实施，以提供一种将光纤的输入/输出光耦合至pic的改进方法，该方法以更低的成本改善了公差、可制造性、易用性、功能性和可靠性。如在现有技术中已知的，弹性平均代表表面耦合类型的子集，其中从大量接触表面的误差的平均值获得改进的精度。与运动学设计相反，弹性平均基于用大量较柔顺的构件显著地过度约束固态主体。在系统被预加载时，材料的弹性允许将每个独立的接触构造的尺寸和位置误差相对于整个固态主体的接触构造总和平均。虽然通过弹性平均获得的可重复性和精确性可能不如确定性系统中的高，但是与运动耦合装置相比，弹性平均设计允许更高的刚度和更低的局部应力。在设计良好并且预加载的弹性平均耦合装置中，可重复性大致与接触点的数量的平方根成反比。
11.大多数pic器件需要单模光连接，这样的单模光连接需要光纤与pic之间的严格对准公差，该对准公差通常小于1微米。由于单模波导与光纤内的光导芯层之间的尺寸不匹配，因此从片上单模波导至外部光纤的高效光耦合是具有挑战性的。例如，典型的二氧化硅光纤的尺寸大约比pic上的典型波导大40倍。由于这种尺寸不匹配，若单模波导与光纤直接耦合，则波导和光纤的各自模式可能不能高效地耦合，导致不可接受的插入损耗(例如》20db)。
12.美国专利公告第2020/0124798a1号(共同受让给本技术的受让人，并且通过引用完全并入本文)公开了一种用于pic的具有微镜光学平台的可拆卸边缘耦合器，该耦合器提供了一种使光纤阵列中的光纤和片上光元件的模式尺寸彼此接近以实现光纤到pic器件的高效光耦合输入/输出的机构。
13.需要一种在连接器之间使用的基于改进的弹性平均方法的改良型可拆卸光耦合装置，该弹性平均方法以更低的成本进一步改善了公差、可制造性、易用性、功能性和可靠性。


技术实现要素：

14.本发明通过提供一种实现了高对准精度的可拆卸/可分离且可重新连接的被动对准耦合/连接克服了现有技术的缺点。光连接器(例如支撑光具座或者是光具座的支撑光纤的部分)配置和构造成能够非破坏性、可移除地附接，以便重新连接至与其对准的基座。该基座可以是光电子器件的一个组成部分(例如是光子集成电路(pic)芯片的一部分)，或者是附接至光电子器件的独立部件。
15.下面将结合所示的实施例解释本发明。所述基座可以与光电子器件中的电-光元件(例如光栅耦合器、波导等)对准。该基座相对于光电子器件永久地布置，以提供相对于外部光连接器的对准基准。通过使光具座中的光学部件/元件沿着期望的光路与光电子器件精确地光学对准的
‘
可分开的’或
‘
可拆卸的’或
‘
可分离的’动作，能够将该光连接器可移除地附接至基座。为了在每次连接、断开和重新连接时保持光学对准，该连接器需要精确地对准基座。根据本发明，使用被动机械对准将连接器和基座彼此对准，具体而言，该被动机械对准是由两个主体上的几何构造构成的弹性平均对准。通过前面的介绍，本发明可以总结如下。
16.本发明涉及一种用于光连接器与基座(例如与pic芯片相关联)的被动光学对准耦合。所述光连接器包括传输光信号的第一主体。该第一主体限定第一基底(其可以支撑光纤阵列)，该第一基底具有第一平坦表面，该第一平坦表面限定有一体地限定在第一基底的第一表面上的对准构造的第一二维平面阵列；以及基座(其可以耦合至光子集成电路pic)，该基座包括第二主体，该第二主体向与光连接器传送光信号的外部光电子器件提供对准基准。所述第二主体限定第二基底，该第二基底具有第二平坦表面，该第二平坦表面限定有一体地限定在第二基底的第二表面上的对准构造的第二二维平面阵列。所述对准构造的第一阵列和所述对准构造的第二阵列中的一个包括正交相交纵向开口沟槽的第一网络，所述对准构造的第一阵列和所述对准构造的第二阵列中的另一个包括纵向圆柱形突起的第二网络(每个纵向圆柱形突起可以是连续的圆柱形突起，或者是一系列间断的圆柱形突起)，每个纵向圆柱形突起具有平行于第一基底的第一表面或第二基底的第二表面中的对应的一个表面的纵向轴线。(可替代地，所述光连接器和所述基座上的对准构造可以互换。)所述第二圆柱形突起网络被接收在匹配的互补第一开口沟槽网络中，所述圆柱形突起的突起表面与纵向沟槽的沟槽表面接触。所述光连接器可移除地附接至基座以限定可拆卸的耦合，其中所述对准构造的第一阵列抵靠所述对准构造的第二阵列以限定弹性平均耦合，从而将光连接器与基座对准。
17.在一个实施例中，所述第一对准构造的第一正交相交纵向沟槽网络限定被第一基底的第一表面上(或者可替代地在第二基底的第二表面上)的正交相交纵向沟槽彼此分开和隔离的离散突起的阵列，每个突起都是具有截断顶部(例如平坦或稍微凸起的弯曲顶部)的大致金字塔形状。所述离散突起阵列可以包括凸起结构，每个凸起结构相对于与第一基底的第一表面和第二基底的第二表面中的对应的一个表面正交的第一平面对称，并且还相对于与所述第一平面正交并且与第一表面和第二表面中的对应的一个表面正交的第二平面对称(即，每个凸起结构沿着围绕与光连接器的第一基底的第一表面正交(或者，可替代地，与基座的第二基底的第二表面正交)的中心轴线的两个正交平面对称)。
18.在一个实施例中，所述第二圆柱形突起网络包括相交纵向圆柱形突起网络(在对
应的基底的表面上形成交叉网格结构)，在一个实施例中，每个纵向圆柱形突起的横截面可以是基本上半圆形的轮廓。也可以采用其它凸起的弯曲横截面(例如椭圆形、抛物线形或哥特式尖拱形轮廓)。
19.在一个实施例中，在光连接器耦合至基座时，所述纵向圆柱形突起的突起表面与沟槽表面线接触，以限定线接触阵列。在此实施例中，所述纵向沟槽是v形沟槽，并且每个离散的突起包括与沟槽表面对应的基本上平坦的表面，从而在光连接器耦合至基座时限定与突起表面的线接触。在另一个实施例中，在光连接器耦合至基座时，所述纵向圆柱形突起的突起表面与所述沟槽表面点接触，以限定点接触阵列。在此实施例中，每个离散突起包括与沟槽表面对应的凸曲面，从而在光连接器耦合至基座时限定与突起表面的点接触。
20.在一个实施例中，所述离散突起阵列是(m 1)
×
(n 1)个离散突起的矩形阵列，与包括m
×
n个正交相交纵向沟槽的第一相交沟槽网络对应。第二圆柱形突起网络包括m
×
n个正交相交的纵向圆柱形突起，以与第一m
×
n相交纵向沟槽网络相匹配。对于光连接器的第一表面与基座的第二表面之间的具有大约3毫米
×
3毫米的平面面积的耦合界面，为了实现光连接器与基座之间小于1微米的耦合精度，m优选在3到10的范围内，n在3到10的范围内。
21.在一个实施例中，在光连接器耦合至基座时，由纵向沟槽限定的离散突起与第一表面和第二表面中的对应的一个表面接触。此外，在一个实施例中，为了确保光连接器在基座上位于预定的独特位置，所述离散突起阵列还包括多个导键突起，这些导键突起具有沿着第一表面(或者可替代地是第二表面)的周边/边缘布置的凸起结构，这些凸起结构在背离周边/边缘的表面(即，在光连接器耦合至基座时不与圆柱形突起接触的表面)处的表面轮廓与位于周边/边缘内的对称离散突起(即，与第一表面和第二表面中的对应一个接触的离散突起)的表面轮廓不同。例如，位于10
×
5离散突起阵列(即，m＝9且n＝4)的周边处(例如在角部(1，1)、(10，1)、(1，5)和(10，5)处)的一些离散突起可以分别包括与该阵列中的远离周边的内部位置处(例如在(2，2)至(9，2)处)的离散突起的表面轮廓不同的表面轮廓。角部突起的形状不能配合在由相对表面上的四个边上的圆柱形突起界定的内部空间内。角部突起仅能配合到相对表面上的角部处的空间内，因为它们不受圆柱形突起的限制。因此，在耦合界面处提供导键，以初始导引所述对准构造的第一阵列和所述对准构造的第二阵列的配合，从而唯一地定位互补对准构造的相对位置，以在预定的预期相对位置将光连接器耦合至基座。
22.在一个实施例中，所述第一基底包括第一延展性金属材料，并且通过冲压该延展性金属材料在第一基底上一体地限定光连接器的所述对准构造的第一阵列，所述第二基底包括第二延展性材料，并且通过冲压第二延展性金属材料在基底上一体地限定所述对准构造的第二阵列。
23.在一个实施例中，所述光连接器还包括第一微镜光学平台，该第一微镜光学平台包括第一基底；限定在第一基底上的第一反射镜阵列，其中每个反射镜包括结构化反射表面轮廓，该结构化反射表面轮廓使光在沿着基本上平行于第一基底的第一表面的第一平面内的第一方向的第一光路与沿着第一平面外的第二方向的第二光路之间转向；以及限定在第一基底上的光纤沟槽阵列，每个光纤沟槽接收一段光纤，光纤的纵向轴线沿着第一光路，光纤的一端沿着第一光路与相应的反射镜光学对准。在一个实施例中，所述基座包括第二微镜光学平台，该第二微镜光学平台包括：第二基底；以及限定在第二基底上的第二反射镜
阵列，其中第二反射镜阵列中的每个反射镜包括结构化反射表面轮廓，该结构化反射表面轮廓使光在沿着基本上平行于第二基底的第二表面的第二平面内的第三方向的第三光路与沿着第二平面外的第四方向的第四光路之间转向。在一个实施例中，通过冲压第一金属坯体在第一基底上同时限定所述第一反射镜阵列和所述对准构造的第一阵列，并且通过冲压第二金属坯体在第二基底上同时限定所述第二反射镜阵列和所述对准构造的第二阵列。通过高精度冲压以在基座和光连接器上一体/同时地形成被动对准构造和/或微型光学平台(mob)，能够经济地大量或少量产生这些部件，同时提高公差、可制造性、易用性、功能性和可靠性。所述基座和/或所述光学平台部件应由可冲压的材料制成，例如延展性金属，例如科瓦合金、因瓦合金、不锈钢、铝。优选地，所述光学平台和所述基座都应具有相似的热膨胀系数(cte)，以避免在温度循环期间发生错位，并且避免产生应力/应变。
24.在一个实施例中，所述光连接器的第一基底在第一基底的第一侧具有第一基准表面，而所述基座的第二基底在第二基底的第二侧具有第二基准表面。第一基准表面和第二基准表面通常是由将第一基底偏压在第二基底上并使所述对准构造的第一阵列抵靠所述对准构造的第二阵列的柔性夹对准的。
25.根据本发明，所述光连接器和所述基座限定自由空间耦合，在光连接器与基座之间不设置任何折射光学元件来实现光的整形。此外，所述光连接器与所述基座之间的可拆卸的弹性平均耦合不是使用任何互补的对准销和对准孔限定的。
26.本发明的创造性的弹性平均耦合可以部署在光子装置中。在一个实施例中，所述光子装置包括支撑件；附接至该支撑件的顶面的光电子器件；以及包括本发明的弹性平均耦合的被动光学对准。所述基座在所述光电子器件和/或所述支撑件上相对于所述光电子器件布置，以限定所述光电子器件的对准位置，从而与可移除/可拆卸地耦合至所述基座的光连接器传送光信号。所述光电子器件可以包括光子集成电路(pic)芯片，该pic芯片包括作为与pic芯片的外部的光学界面的光学元件。所述基座与该pic芯片的光学元件光学对准。
27.在一个实施例中，所述基座包括支撑在所述支撑件上的与pic芯片光学对准的边缘耦合器。pic芯片的光学元件将光传送至pic芯片的边缘。所述边缘耦合器可以包括与pic芯片的光学元件光学对准的反射镜阵列，并且光沿着该反射镜阵列中的反射镜与pic芯片中的对应的光学元件之间的光路传输。
28.本发明还涉及一种用于在光连接器与光电子器件之间提供可拆卸的连接的方法，该方法包括提供支撑件；将光电子器件附接至该支撑件的顶面；以及提供如上述权利要求中任一项所述的被动光学对准耦合装置，其中所述基座在所述光电子器件和/或所述支撑件上相对于所述光电子器件布置，并且其中所述基座为所述光电子器件限定对准位置，以与可拆卸地耦合至所述基座的所述光连接器传送光信号。
29.在一个实施例中，首先将光连接器耦合至基座。通过相对于光电子器件(例如pic芯片或光i/o芯片)定位基座使光连接器主动对准光电子器件，以获得光电子器件与光连接器(例如由光连接器支撑的光纤)之间的最佳光信号。将基座的位置相对于光电子器件固定在对准位置(例如使用焊料将基座的位置固定在光电子器件的支撑件上，该支撑件例如是插入件、印刷电路板、子安装架等)。然后，将光连接器从基座上卸下，可以将基座永久地附接至支撑件(例如回流焊料)，而不改变其在支撑件上的位置。之后，可以无损地反复将光连
接器连接至基座，从基座断开和重新连接至基座，而不会失去通过光连接器与光电子器件之间的主动对准获得的原始光学对准。对于每次连接、断开和重新连接，会保持与初始主动对准一致的光学对准，以精确并准确地将光连接器与基座对准。
30.在一个实施例中，所述基座可以是光电子器件的一个组成部分，或者是光电子器件的支撑件。
附图说明
31.为了更充分地理解本发明的本质和优点以及优选的使用方式，应结合附图参考下面的详细说明。在下面的附图中，相同的附图标记在所有附图中表示相同或相似的部分。
32.图1a至1c示出了本发明的一个实施例的光连接器和基座的被动对准构造。
33.图2a至2d示出了本发明的一个实施例的光连接器与基座的弹性平均耦合界面。
34.图3a和3b示出了本发明的另一个实施例的光连接器和基座的被动对准构造。
35.图4a至4d示出了本发明的另一个实施例的光连接器与基座的弹性平均耦合界面。
36.图5示出了本发明的另一个实施例的导键突起。
37.图6a和6b示出了本发明的一个实施例的作为pic芯片的边缘耦合器的基座的定位。
38.图7a至7c示出了本发明的一个实施例的光连接器与基座的连接。
39.图8a至8d示出了本发明的一个实施例的用于随后的可拆卸连接的固定基座位置的过程。
具体实施方式
40.下面将参照附图以多种实施例说明本发明。虽然本发明是按照实现本发明的目地的最佳方式说明的，但是本领域技术人员应理解，可以根据这些教导实现各种变化，而不会脱离本发明的精神或范围。
41.本发明通过提供一种实现了高对准精度的可拆卸/可分离且可重新连接的被动对准耦合/连接克服了现有技术的缺点。光连接器(例如支撑光具座或者是光具座的支撑光纤的部分)配置和构造成能够非破坏性、可移除地附接，以便重新连接至与其对准的基座。该基座可以是光电子器件的一个组成部分(例如光子集成电路(pic)芯片的一部分)，或者是附接至光电子器件的独立部件。
42.在下文中通过参照作为光电子器件的pic和包括光具座并且可选地将支撑在光具座中的光学部件(例如光纤)的输入/输出端与光电子器件光耦合的光连接器的实例来论述本发明的弹性平均耦合概念。本发明可以用于提供在其它领域中使用的可移除/可重新连接形式的结构和部件。
43.图1a至1c示出了本发明的一个实施例的光连接器10和基座12的被动对准构造。光连接器10包括支撑传输光信号的光纤阵列(由虚线fa示意性地示出)的第一主体b1。基座12包括向与光连接器10中的光纤of传送光信号的外部光电子器件(例如图7中的pic芯片100，或者图8中的用于asic芯片(例如cpu、gpu、开关asic)102的i/o pic芯片101)提供对准基准的第二主体b2。
44.连接器10的第一主体限定支撑光纤阵列fa的第一基底b1，该光纤阵列fa具有第一
平坦表面s1，该第一平坦表面限定有一体地限定在第一基底b1的第一表面s1上的对准构造f1的第一二维平面阵列。在此实施例中，连接器10结合有用于支撑和对准光纤阵列fa的微型光学平台ob。光纤阵列fa具有由保护缓冲层和基体/护套层p保护的多根光纤of。连接器10的基底b1限定结构化构造以及结构化反射表面(例如八个反射镜m1)，所述结构化构造包括对准结构，该对准结构包括用于保持光纤of的裸露段(具有暴露的包层，没有保护缓冲层和基体/护套层j)的开口沟槽g，所述结构化反射表面具有相对于基底b1较大的并以一定角度倾斜的平面。开口沟槽g的尺寸使其适于接收光纤of的末端段，并且其位置使其精确地定位光纤of的末端段，使得该末端段沿着第一光路l相对于第一反射镜阵列m对准。每根光纤of的端面(输入/输出端)相对于对应的反射镜m1保持在预定的距离。在图6a的实施例中，透明玻璃、石英或蓝宝石板盖sp1遮盖光学平台ob的暴露表面，以保护反射镜m1。在一个实施例中，连接器10可以在反射镜表面m1与板盖sp1之间填充有折射率匹配的环氧树脂。
45.在一个实施例中，每个反射镜m1是基底b1的裸露的自由表面(即，暴露在空气中的表面，或者不在光学平台的基底的主体内部)，该自由表面具有背离基底b1的裸露的反射自由侧。所述裸露的反射自由侧包括结构化反射表面轮廓，在该结构化反射表面轮廓处，光经光纤of导引出入，被导引至基座12并从基座12导引出来。每个反射镜m1对入射光进行弯曲、反射和/或整形。根据结构化反射表面轮廓的几何结构和形状(例如曲率)，反射镜m可以准直、扩展或聚焦入射光束。例如，所述结构化反射表面轮廓可以包括以下几何形状/轮廓之一：(a)椭球面、(b)离轴抛物面、或(c)其它自由形式的光学表面。例如，为了提供光焦度，所述反射镜表面可以单独地或叠加地具有以下任何一种形式的表面几何曲率函数：椭球面或双曲线圆锥焦点、具有各种数量的偶数或奇数非球面项的环形非球面、具有各种数量的偶数或奇数非球面项的x-y非球面曲线、各种阶次的泽尼克多项式、以及这些函数所涵盖的各种族系的较简单的表面。所述表面也可以是沿着任何平面或向量不对称的自由曲面。可以通过冲压延展性金属材料在基底b上限定反射镜m。可使用工具钢或碳化钨工具冲压的各种延展性金属可以构成反射镜的主体，包括任何300或400系列不锈钢、任何科瓦合金成分、任何沉淀或固溶硬化金属、以及银、铝、金、铜的任何合金。在1310纳米以上的长波长下，铝是高反射性的(》98％)，并且能够通过冲压经济地成形。构成反射镜的金属部分的反射表面可以是上面提到的金属中的任何一种，或者是通过使用溅射、蒸发或电镀工艺施加的任何高反射金属涂层。
46.共同受让给本发明的受让人的美国专利第7,343,770号公开了一种用于制造小公差零件的新型精密冲压系统。可以实施这种创造性的冲压系统，以制造在本文中公开的连接器10和基座12的结构(包括上文中论述的光学平台ob的结构、以及下文中论述的结构)。这些冲压工艺涉及冲压可延展的大块金属材料(例如金属坯料或原料)，以紧密(即，很小)的公差形成最终的表面构造，包括具有与其它限定的表面构造精确对准的期望几何形状的反射表面。共同受让给本发明的受让人的美国专利申请公告第us2016/0016218a1号还公开了一种复合结构，该复合结构包括具有主要部分的基底和由不同的金属材料构成的辅助部分。所述基底和所述辅助部分是通过冲压成形的。当辅助部分被冲压时，它与基底互锁，同时在辅助部分上形成期望的结构化构造，例如结构化反射表面、光纤对准构造等。采用这种方法，能够不太费力地在基底的主体上形成相对不太关键的结构化构造以保持相对较大的公差，而在纳入更多考虑因素的同时更精确地形成辅助部分上的相对更关键的结构化构
造，从而以相对较小的公差限定尺寸、几何形状和/或光洁度。所述辅助部分可包括两种具有不同特性的不同金属材料的另一种复合结构，用于冲压不同的结构化构造。这种冲压方法改善了美国专利第7,343,770号中的早先冲压工艺，在该冲压工艺中，经受冲压的大块材料是同质材料(例如金属带，例如科瓦合金、铝等)。该冲压工艺从单种同质材料产生结构化构造。因此，不同的构造会共享材料的特性，这些特性可能没有针对一种或更多种构造进行优化。例如，具有适合于冲压对准构造的特性的材料可能不具有适合于冲压具有最佳光反射效率以减少光信号损失的反射表面构造的特性。
47.光学平台ob的总体功能结构大致类似于上述的受让人的早先专利文件中公开的一些光学平台实施例的结构(即，与结构化反射表面对准的光纤对准沟槽、以及便于正确光学对准的附加构造)。可以采用先前公开的复合结构和冲压技术来制造连接器10，该连接器10包括光学平台ob中的反射镜m1、沟槽g和对准构造f1的第一阵列，并且还包括基座12，该基座12包括反射镜m2和对准构造f2的第二阵列，如下文所述。各个对准构造f1和f2形成在相应的平坦表面s1和s2上，这有助于连接器10相对于基座12的对准和/或精确定位、以及由此相对于pic芯片100/芯片102或i/o芯片101的对准和/或精确定位，这将在下文中解释。
48.光连接器中的反射镜m1表面和光纤对准结构可以通过原材料(例如金属坯料或金属条)的精密冲压一体/同时地形成，这允许经济地生产大量或少量的连接器部件，同时提高公差、可制造性、易用性、功能性和可靠性。通过在同一个单次最终冲压操作中同时形成结构反射表面、被动对准构造(在下文中论述)和光纤对准结构，在最终冲压步骤中能够保持同一个工件/零件上的需要对准的所有构造的尺寸关系。能够想到的是，可以实施多次冲压以在光学平台上渐进地预先形成某些构造，而不是利用冲头的单次冲压来进行冲压操作以形成光学平台上的所有构造，最后一次冲压在光学平台上同时限定确保(或在确保中起到重要作用)各个部件/结构沿着设计光路正确对准所需的各种结构化构造的最终尺寸、几何形状和/或光洁度，所述结构化构造包括反射镜、光纤对准结构/沟槽、被动对准构造(在下文中论述)等。
49.从本质上说，对于光连接器10，基底b1限定用于相对于反射镜m1对准光纤of的光学平台ob。通过在还限定反射镜m的同一个结构上包括光纤沟槽g，与试图基于限定在独立的零件或结构上的构造或基于独立的形成步骤来实现类似的对准相比，通过单次最终冲压以在单个零件上同时限定最终结构能够以相对较小的公差更精确地实现光纤of的端部与反射镜m1的对准。通过在同一个最终冲压操作中同时形成反射镜m1、光纤对准沟槽g，在最终冲压步骤中能够保持同一个工件/零件上的需要对准(或在提供对准中起作用)的所有构造/部件的尺寸关系。此外，出于同样的原因，也可以在同一个最终冲压操作中与反射镜m1和沟槽g同时形成对准构造f1的第一阵列，以保持所有构造(即，沟槽g、反射镜m1和对准构造f1)的尺寸关系，从而实现具有很小公差的期望对准。
50.在图1a至图1c所示的实施例中，连接器10的对准构造f1的第一阵列包括正交相交纵向开口沟槽lg1和纵向开口沟槽lg2的第一网络，这些纵向开口沟槽均为具有平坦的壁的v形沟槽。在一个实施例中，第一对准构造f1的正交相交纵向沟槽lg1和lg2的第一网络限定离散突起p的阵列，所述离散突起p被第一基底b1的第一表面s1上的正交相交纵向沟槽lg1和lg2彼此分开并隔离，所述离散突起p均为大致金字塔形状，具有四个平坦的倾斜表面gs和一个截断顶部t(例如平坦或稍微凸起的弯曲顶部)。突起p的顶部t通常与第一表面s1的
形状相符。每个离散突起p(除了在角部和/或边缘处的突起，这将在下文中进一步解释)都是凸起结构，该凸起结构相对于与第一基底b1的第一表面s1正交的第一平面对称，并且还相对于与第一平面正交并且与第一表面s1正交的第二平面对称(即，每个凸起结构沿着围绕与第一基底b1的第一表面s1正交的中心轴线a的两个正交平面对称)。在图1c的放大图中更好地描绘了突起p的特征。
51.美国专利公告第2020/0124798a1号(共同受让给本技术的受让人，并且通过引用完全并入本文)公开了一种用于pic的具有微镜光学平台的可拆卸边缘耦合器，该耦合器提供了一种使光纤阵列中的光纤和片上光元件的模式尺寸彼此接近以实现光纤与pic器件的高效光耦合输入/输出的机构。本发明中的基座12具有类似于边缘耦合器的结构，并且，除了基座12上的被动对准构造与本文中公开的被动对准构造相比有所不同之外，实际上可以类似于在本文中先前公开的边缘耦合器来构造。
52.请参考图1a和1b，基座12包括具有基底b2(例如由硅、玻璃、或可延展金属(例如科瓦合金、因瓦合金、铝、不锈钢)制成)的主体，在基底b2上限定有第二反射镜阵列m2。在图6a的实施例中，透明玻璃、石英或蓝宝石板盖sp2遮盖基底b2上的暴露表面。在一个实施例中，基座12可以在反射镜表面m2与板盖sp2之间填充有折射率匹配的环氧树脂。基座12的基底b2上的反射镜m2的结构非常类似于连接器10的基底b1上的反射镜m1的对应结构。各个反射镜m1和m2的光学几何形状被选择为实现所需的光路。在所示的实施例中，与连接器10相比，基座12不包括任何光纤。但是，基底b2还可以限定接收短光纤段(未示出)的沟槽，作为将光信号传送至反射镜b2和从反射镜b2传送光信号的波导，如同在美国专利公告第2020/0124798a1号中公开的边缘耦合器的情况。
53.基座12的基底b2具有第二平坦表面s2，该第二平坦表面s2限定有一体地限定在第二基底b2的第二表面s2上的对准构造f2的第二二维平面阵列。基座12的对准构造f2的第二阵列包括第二纵向圆柱形突起网络(每个纵向圆柱形突起可以是连续的圆柱形突起，或者是沿着独立的圆柱形突起的公共轴向方向布置的一系列间断的独立圆柱形突起或一排独立的圆柱形突起)，每个圆柱形突起具有平行于第二基底b2的第二表面s2中的对应的一个表面的纵向轴线。在这个示出的实施例中，所述第二圆柱形突起网络包括相交纵向圆柱形突起lp1和纵向圆柱形突起lp2的网络(形成如图1a和1b所示的交叉网格突起结构)，每个圆柱形突起具有基本上半圆形的横截面轮廓。也可以采用其它凸起的弯曲横截面(例如椭圆形、抛物线形或哥特式尖拱形轮廓)。
54.图2a至2d示出了本发明的一个实施例的光连接器与基座的弹性平均耦合界面。图2a是在沿着光纤of的纵轴方向的一端观察时连接器10在基座12上的耦合的视图。图2a是对准构造的第一阵列与对准构造的第二阵列之间的接触表面的放大图。图2c和2d(放大截面图)示出了沿着图2a和2c中的线2c-2c截取的截面图。正交圆柱形突起lp1和lp2的第二网络被接收在互补的匹配正交开口沟槽lg1和lg2的第一网络中。圆柱形突起lp1和lp2的突起表面与纵向沟槽lg1和lg2的沟槽表面gs接触。
55.从图2b能够看出，纵向沟槽lg1分别是在其纵向方向上具有平坦的沟槽壁表面的v形沟槽，并且每个离散的突起p包括与v形沟槽表面对应的基本上平坦的倾斜表面。当光连接器10耦合至基座12时，v形沟槽lg1的平坦表面和圆柱形突起lp1的凸曲面限定相邻圆柱形突起lp2之间的线接触lc(如图2c和2d所示)。因此，在光连接器10耦合至基座12时，所述
相交纵向圆柱形突起lp1和lp2的网络的突起表面(在它们各自的纵向方向上是平直表面)与相交纵向沟槽lg1和lg2的网络的平坦表面线接触，以限定线接触lc的阵列。所述多个线接触与弹性平均耦合对应，从而光连接器10能够可移除地附接至基座以限定可拆卸的耦合，其中所述对准构造f1的第一阵列抵靠所述对准构造f2的第二阵列以限定弹性平均耦合，从而将光连接器对准基座。应说明的是，为了实现线接触lc，圆柱形突起lp1和lp2分别可以是沿着平行于基座12的基底b2的轴向方向布置的一系列间断的离散/隔离的圆柱形突起，只要在与每个离散突起p的平坦表面gs的界面的区域中存在圆柱形突起表面即可。换句话说，圆柱形突起lp1和lp2不需要物理地相交以形成如图1a和1b所示的交叉网格结构。
56.图3a和3b示出了本发明的另一个实施例的光连接器和基座的被动对准构造。在此实施例中，基座12仍类似于图1中所示的实施例。连接器10大致类似于前述实施例，只是对相交纵向沟槽lg1’和lg2’以及离散突起p’的结构进行了修改。每个突起p’是大致金字塔形，具有与沟槽表面gs’对应的凸曲面gs’和平坦或凸起的顶部t。与图1的先前实施例的情况不同的是，相交纵向沟槽lg1’和lg2’不再是具有平坦的壁面的v形沟槽。在此实施例中，纵向沟槽lg1’和lg2’是分别具有带有与突起p’对应的凸面的侧壁的大致v形的沟槽。尤其是，突起p’具有倾斜表面gs’，该倾斜表面gs’至少在沿着纵向沟槽的方向上是凸起的。应说明的是，倾斜表面gs’也可以在高度方向或倾斜方向上弯曲，或者在这些方向上组合地弯曲。
57.图4a至4d示出了图3a和3b的实施例的光连接器10与基座12的弹性平均耦合界面。图4中的视图与上述的图2中的视图对应，以提供与先前的实施例的对比。
58.在图4b中能够看到，每个纵向沟槽lg1’都是大致v形的沟槽，并且每个离散突起p’包括与沟槽表面gs’对应的凸起倾斜表面gs’。在光连接器10耦合至基座12时，沟槽lg1’的凸起表面gs’和圆柱形突起lp1的凸起曲面限定相邻圆柱形突起lp2之间的点接触pc(如图4c和4d所示)。因此，相交纵向圆柱形突起lp1和lp2的网络的突起表面在其各自的纵向方向上是平直表面，因此在光连接器10耦合至基座12时与相交纵向沟槽lg1’和lg2’的网络的凸起表面gs’点接触，以限定点接触pc的阵列。所述多个点接触pc与改进的弹性平均耦合对应，使得光连接器10能够可移除地附接至基座以限定可拆卸的耦合，其中所述对准构造f1的第一阵列抵靠所述对准构造f2的第二阵列，以限定弹性平均耦合，从而将光连接器与基座对准。应说明的是，由于是点接触pc，因此圆柱形突起lp1和lp2的每一个都可以是沿着平行于基座的基底b2的轴向方向的一系列间断的离散/隔离圆柱形突起，只要圆柱形突起表面存在于与每个离散突起p’的凸起表面gs’的界面区域中即可。换句话说，圆柱形突起lp1和lp2不需要物理地相交以形成如图1a所示的交叉网格结构。
59.离散突起阵列(p、p’)是(m 1)
×
(n 1)个离散突起的矩形阵列，与包括m
×
n个正交相交纵向沟槽(lg1、lg2；lg1’和lg2’)的第一相交沟槽网络对应。第二圆柱形突起网络包括m
×
n个正交相交的纵向圆柱形突起lp1和lp2，以与第一m
×
n相交纵向沟槽网络相匹配。在图2和图4所示的两个实施例中，m＝10和n＝4只是出于示例性目的。对于光连接器10的第一表面s1与基座12的第二表面s2之间的具有大约3毫米
×
4毫米的平面面积的耦合界面，为了实现光连接器与基座之间小于1微米的耦合精度，m优选在3到10的范围内，n在3到10的范围内。
60.请参考图2b的实施例，在光连接器10耦合至基座12时，由连接器10上的相交纵向
沟槽lg1和lg2的网络限定的离散突起p与基座12的相邻圆柱突起lp1之间的空间内的第二表面s2接触。类似地，在图4b的实施例中，在光连接器10耦合至基座12时，由连接器10上的相交纵向沟槽lg1’和lg2’限定的离散突起p’与基座12的相邻圆柱突起lp1之间的空间内的第二表面s2接触。
61.在一个实施例中，请参考图1c，为了确保光连接器10在基座12上位于预定的独特位置，离散突起p的阵列还包括多个具有沿着第一表面s1的周边/边缘布置的凸起结构的导键突起gp，这些导键突起gp在背离周边/边缘的表面处(即，在光连接器耦合至基座时不与圆柱形突起接触的表面)的表面轮廓与位于周边/边缘内的对称离散突起p(即，与基座12的第二表面s2接触的离散突起p)的表面轮廓不同。如图1c所示，沿着第一表面s1的周边的突起gp分别具有背离周边的直壁表面w。考虑到壁面w，突起gp的形状不能配合在由相对表面s2的四个边上的圆柱形突起lp1和lp2界定的内部空间中。但是，由于直壁表面w在边缘处不受圆柱形突起的约束，因此突起gp只会沿着相对表面s2的边缘配合到该空间内。
62.图5示出了可以针对图3的实施例中的凸形突起表面gs’实施的导键突起的一个实施例。例如，对于所示的10
×
5离散突起p’阵列(即，m＝9且n＝4)，位于角部(1，1)、(10，1)、(1，5)和(10，5)处的离散突起gp’可以分别包括与该阵列中的远离周边的内部位置处(例如在(2，2)至(9，2)处)的离散突起p’的表面轮廓不同的表面轮廓。由于角部突起gp’的形状，它们不能配合在由相对表面s2上的四个边上的圆柱形突起lp1和lp2界定的内部空间内。角部突起gp’仅能配合到相对表面s2上的角部处的空间内，因为它们不完全受角部的圆柱形突起lp1和lp2的限制。
63.因此，可以在耦合界面处提供导键，例如gp和gp’，以导引对准构造f1的第一阵列和对准构造f2的第二阵列，从而唯一地定位互补对准构造的相对位置，以在预定的预期相对位置将光连接器10耦合至基座12。
64.应理解，可选地，在上述实施例中公开的纵向沟槽和纵向圆柱形突起对准构造可以在光连接器10与基座12的界面之间互换地设置，而不会脱离本发明的范围和精神。
65.在一个实施例中，第一基底b1包括第一延展性金属材料，并且通过冲压该延展性金属材料在第一基底上一体地限定光连接器10的对准构造f1的第一阵列，第二基底b2包括第二延展性材料，并且通过冲压第二延展性金属材料在基底上一体地限定基座的对准构造f2的第二阵列。在一个实施例中，通过冲压第一金属坯体在第一基底上同时限定所述第一反射镜阵列m1和对准构造f1的第一阵列，并且通过冲压第二金属坯体在第二基底上同时限定第二反射镜阵列m2和对准构造f2的第二阵列。通过高精度冲压以在基座和光连接器上一体/同时地形成被动对准构造和/或微型光学平台(mob)，能够经济地大量或少量产生这些部件，同时提高公差、可制造性、易用性、功能性和可靠性。所述基座和/或所述光学平台部件应由可冲压的材料制成，例如延展性金属，例如科瓦合金、因瓦合金、不锈钢、铝。优选地，所述光学平台和所述基座都应具有相似的热膨胀系数(cte)，以避免在温度循环期间发生错位，并且避免产生应力/应变。
66.图6a和6b示出了本发明的一个实施例的作为pic芯片100的边缘耦合器的基座12的定位。如图所示，基座12与pic芯片100抵接或者布置成在基座的基底b2的边缘与pic芯片100的面对边缘之间具有间隙(如图7c所示)，护盖sp2在pic芯片100上延伸。在此实施例中，基座12支撑在支撑件s上，相对于pic芯片100光学对准。pic芯片100的光学元件将光传送至
pic芯片100的边缘。基座12起到边缘耦合器的作用。如上文所述，基座12的反射镜阵列m2与pic芯片100的光学元件光学对准，并且光沿着反射镜阵列中的反射镜m2与pic芯片100中的对应光学元件之间的光路l3传输。
67.在图6a所示的实施例中，基座12中的反射镜m2与pic芯片100中的光学元件的光学对准是通过反射镜m2与pic芯片的边缘的被动对准实现的，该被动对准基于设置在基座12的基底b2的边缘之外的护盖sp2的延伸段上的基准v和设置在pic芯片100的边缘附近的顶面上的基准(未示出)。所述间隙可以填充有具有与pic芯片100上的光纤和波导的芯层类似的光学折射率的材料。通过将护盖sp2上的基准v与设置在pic芯片100的顶面上的基准(未示出)光学对准，基座12被动地与pic芯片100对准。在另一个实施例中，基座12可以是pic芯片100的一个组成部分，或者是pic芯片100的支撑件s。
68.图7a至7c示出了本发明的一个实施例的光连接器10与基座12的连接。pic芯片100支撑在支撑件s(其可以是子安装架、插入件)上，该支撑件s可以支撑在图7b中的印刷电路板pcb上。光连接器10的第一基底b1至少在第一基底b1的一侧具有第一基准表面r1，而基座12的第二基底b2至少在第二基底b2的第二侧具有第二基准表面r2。第一基准表面r1和第二基准表面r2通常是由将第一基底b1偏压在第二基底b2上并使对准构造f1的第一阵列抵靠对准构造f2的第二阵列的柔性夹c对准的。在图7b中，光纤阵列fa可以是光纤跳线电缆，以提供用于与pic芯片100进行光信号通信的柔性光连接。
69.图7c是沿着图7a中的线7a-7a截取的截面图。每个反射镜m1包括结构化反射表面轮廓，该结构化反射表面轮廓使光在沿着基本上平行于连接器10的第一基底b1的第一表面s1的第一平面内的第一方向的第一光路l1与沿着第一平面外的第二方向的第二光路l2之间转向(例如偏转90度)。限定在第一基底b1上的光纤沟槽g的阵列中的每个光纤沟槽g都支撑光纤of的末端段，该末端段沿着第一光路l1与对应的反射镜m1光学对准。限定在基座的第二基底b2上的第二反射镜阵列m2中的每个反射镜都包括结构化反射表面轮廓，该结构化反射表面轮廓使光在沿着基本上平行于第二基底b2的第二表面s2的第二平面内的第三方向的第三光路l3与沿着第二平面外的第四方向的第四光路l4之间转向。在所示的配置中，光路l3和l4在耦合连接器10和基座12时重合，从而在pic芯片100与光纤阵列fa中的光纤of之间构成光路。
70.反射镜m1和/或反射镜m2的结构化反射表面轮廓可配置成对来自pic芯片100的光束进行整形，以产生与连接器10中的光纤的模场更加匹配的模场。此外，基座12中的反射镜m2可构造有反射表面轮廓，以扩展或准直来自pic芯片100中的光学元件的光束，并输出至连接器10中的反射镜m1，并且连接器10中的反射镜m1可以构造有反射表面轮廓，以将来自基座12中的反射镜m2的光束聚焦在被保持在连接器10中的光学平台的基底b1上的沟槽g内的光纤of的尖端/端面的芯层上。这种扩展光束光耦合配置会降低反射镜m2与保持在连接器10中的光纤of之间的光学对准公差要求。
71.图8a至8d示出了本发明的一个实施例的用于随后的可拆卸连接的固定基座12的位置的过程。在此实施例中，提供了附加的i/o芯片101以与asic(例如cpu、gpu、开关asic)芯片102接口。该光路类似于图7c所示的光路，其中i/o芯片101代替了pic芯片100。在图8a中，光连接器10首先耦合至基座12。通过相对于芯片101定位基座12来主动地将光连接器10与芯片101对准，以在芯片101/芯片102与由光连接器10支撑的光纤of之间获得最佳光学信
号。将基座12的位置相对于芯片101固定在光学对准位置(例如使用焊料将基座12的位置固定在芯片101的支撑件s)上，该支撑件s例如是插入件、印刷电路板、子安装架等。在图8b中，接着将光连接器10从基座12上卸下。在图8c中，基座12可以永久地附接至支撑件s(例如通过回流焊料实现)，而不改变其在支撑件s上的位置。之后，在图8d中，可以将光连接器10无损地反复连接、断开并重新连接至基座12，而不会失去通过光连接器10与芯片101/芯片102之间的主动对准获得的原始光学对准。对于每次连接、断开和重新连接，会保持与初始主动对准一致的光学对准，以精准并正确地将光连接器10与基座12对准。
72.根据本发明，所述光连接器和所述基座限定自由空间耦合，在光连接器与基座之间不设置任何折射光学元件来实现光的整形。此外，所述光连接器与所述基座之间的可拆卸的弹性平均耦合不是使用任何互补的对准销和对准孔限定的。
73.虽然本发明是参照优选示例性实施例具体示出和说明的，但是本领域技术人员应理解，能够在形式和细节上做出各种变化，而不会脱离本发明的精神、范围和教导。因此，所公开的发明应被认为仅是示例性的，其范围仅由所附权利要求限定。