模块化激光器连接器封装系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请涉及并要求2017年10月31日提交的美国申请号15/799,510的利益和优先权。
技术领域
本发明提供一种有效地将激光器与光漫射光纤光耦合并将激光器与电路板结构上连接的集成智能模块。
背景技术
半导体激光器特别是VCSEL(垂直腔面发射激光器)用于多种应用，其中激光器光耦合到光纤以使从激光器输出的光能够透射到纤维中并穿过纤维。各种模块、组件或封装已用于或正用于保持和对准激光器、其他光学部件和光纤，以便激光器尽可能有效地光耦合到纤维。在制造过程中，将光纤对准到激光二极管并将其固定在适当的位置的过程可以是耗时的并因此是成本高昂的步骤。标准激光器封装类型包括同轴或TO(晶体管轮廓)罐激光器封装和蝶形激光器封装。
例如，在图1A中所示的常规的TO罐激光器封装中，激光器(例如，激光二极管)和光纤的光接收端可一起安装在基本上圆柱形外壳内。激光器安装在TO罐顶盖的TO罐接线柱上的激光器子基板上。纤维端可设置在安装到TO罐外壳的刚性圆柱形套管中，并且TO罐外壳还可包含其他相关部件，诸如透镜和监测光电二极管，并且TO罐外壳通常被气密密封。
例如，在图1B中所示的蝶型激光器封装中，激光器和相关部件安装在被气密密封的金属盒状外壳内的平台(诸如光具座)上。激光器和激光电路电连接到从外壳横向延伸的一个或多个引脚(例如，每一侧上的7个引脚，如图所示)。在一种类型的蝶型外壳中，在外壳的端侧壁中存在接收金属管或套管的开口。纤维穿过套管插入到外壳的内部中并焊接到套管以密封地配合。诸如隔离器和一个或多个透镜的部件设置在激光器与纤维的输入端之间的平台上。蝶形激光器封装通常比TO罐激光器封装更贵，并且通常用于更高性能需求的应用。
TO罐封装和蝶型封装均制造起来相对贵，并且对于消费电子应用，特别是对于低成本和空间有效的封装是关键的光漫射纤维应用具有有限的效用。
因此，期望提供一种用于将激光器耦合到光纤的模块，所述模块制造和装配起来简单且廉价，并且在结构上和功能上是可靠的。
术语
应理解，除非另有说明或上下文明显，否则如本文所用：
术语“上部”、“顶部”、“下部”、“底部”等为了方便起见用来指代用于展示目的的装置的临时定向，并且不意图以其他方式限制所描述和要求保护的结构。
术语“轴向的”、“轴向地”、“纵向的”、“纵向地”等指代平行于所公开的光纤中光透射的方向延伸的尺寸。
发明内容
考虑到前述目的，本发明提供一种用于将光纤(诸如单模光纤)光学地和机械地耦合到激光二极管(例如像VCSEL或LED)的模块。本发明还提供一种用于制造这种模块的方法。
根据本发明的一个方面，一种用于将光纤光学地且结构上耦合到紧凑模块中的基板上的激光器的方法包括：提供可以是光漫射型的具有暴露的并从纤维的光接收端处的纤维包层延伸的芯尖端的光纤。所述暴露的芯尖端穿过纤维保持器的封闭端中的孔延伸到所述纤维保持器中。激光二极管设置在基板的顶表面上，并且所述纤维保持器的开口端定位在围绕所述激光器的所述基板的所述顶表面上，其中所述暴露的纤维芯尖端与所述激光器成光接收对接耦合关系。弹性应变消除外壳设置在所述纤维的所述光接收端周围，并且所述纤维保持器和至少所述基板的所述顶表面成防水密封关系插入到所述应变消除件中。例如，所述激光器可以是VCSEL或LED。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于将光纤光学地且结构上耦合到激光器的模块组件。所述模块组件包括：具有光接收端的光纤(例如，光漫射光纤)、光学透射芯和围绕所述芯的包层，其中芯的一部分从所述纤维的所述光接收端处的所述包层轴向地延伸。纤维保持器具有开口端和封闭端，所述封闭端带有被限定穿过所述封闭端的孔，并且所述光纤的所述光接收端固定到所述纤维保持器的所述封闭端，其中所述暴露的芯尖端穿过所述孔延伸到所述保持器中。具有顶表面和底表面的基板具有设置在所述基板的所述顶表面上的激光器。所述纤维保持器的所述开口端固定到围绕所述激光器的所述基板的所述顶表面，使得所述暴露的纤维芯尖端成光接收关系对接耦合到所述激光器。弹性应变消除外壳包封所述纤维的所述光接收端、所述纤维保持器和至少所述基板的所述顶表面并为所述纤维的所述光接收端、所述纤维保持器和至少所述基板的所述顶表面提供防水密封。
在几微米至几百微米的范围内的间隙可设置在所述对接耦合的激光器与所述光纤的所述暴露的芯尖端之间。所述间隙可填充有具有匹配所述光纤的折射指数的折射指数的环氧树脂。
通过考虑本文所阐述的本发明的特定实施方案的定义、描述和描述图，本发明的上述和另外的特征和优点将变得明显。在下面的详细描述中，在各个附图中使用相似的附图标号来标明相似的部件和元件，并且在若干实施方案中使用相似的术语来指代类似或对应的元件。虽然这些描述涉及本发明的具体细节，但是应理解，根据以下描述，可存在并且确实存在变化，并且这些变化对于本领域技术人员来说是明显的。
附图说明
图1A是如上所述的现有技术的TO罐型激光器封装的透视图。
图1B是如上所述的现有技术的蝶型激光器封装的透视图。
图2是根据本发明的激光器封装的一个实施方案的从下方看的透视图。
图3A是图2的实施方案的从下方看的透视分解图。
图3B是图2的实施方案的从上方看的透视分解图。
图4是图2的实施方案的纵剖面图。
图5是图2的实施方案中在激光器与光纤之间透射的光的示意图。
图6是根据本发明的激光器封装的第二实施方案的从下方看的透视图。
图7A是图6的实施方案的从下方看的透视分解图。
图7B是图6的实施方案的从上方看的透视分解图。
图8是图6的实施方案的纵剖面图。
具体实施方式
在以下详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明构思以及在特定实施方案中可如何实践发明构思的透彻理解。然而，应理解，可在没有这些具体细节的情况下实践那些发明构思。在其他情况下，并未对熟知的方法、程序和技术进行详细描述，以免使本发明模糊。
下面结合特定实施方案并参考某些附图阐述本公开；然而，本文所述的发明并不限于附图并且被认为仅受权利要求限制。此外，应理解，本文所述的附图本质上是示意性的，并且仅仅是为了帮助理解所描述的本发明而提供的。在附图中，出于说明的目的，元件中的一些的大小可能被放大，并且没有按比例绘制。尺寸和相对尺寸不一定对应于实践本发明的实际缩小比例。
参考图2、图3A、图3B、图4和图5所示出的实施方案，光纤10具有由包层12围绕的透光芯11，所述包层12在纤维的光接收端处被切除或以其他方式去除以暴露芯的尖端。纤维10优选地是用于将光从纤维横向散射或漫射出的柔性光漫射纤维。更具体地，光被引导穿过外包层12远离芯11以为应用(诸如照明标志、显示器、某些照明器材等)提供照明。应理解，尽管本发明特别适用于柔性光漫射纤维，但是本发明的原理可以应用于其他类型的光学波导。芯11可由玻璃或其他合适的透光材料制造。包层12可由具有低折射指数的材料制成以提供类似于或低于芯11的折射指数的高数值孔径(NA)。例如，包层材料可以是低指数聚合物，诸如UV或可热固化的氟丙烯酸酯或硅树脂。光漫射纤维及其芯和包层材料是熟知的，所述光漫射纤维及其芯和包层材料的一些实例在US20160238784(Logunov)、US9093003(Logunov等人)和US9146347(Logunov等人)中公开。
纤维保持器20具有封闭近端21和开口远端22，并且优选地由合适的聚合物材料制造。在所公开的实施方案中，纤维保持器20具有大致圆柱形杯状构造，但是应理解，可采用与所描述的纤维保持器的功能要求一致的其他构造和材料。孔23被限定穿过纤维保持器的近端21，并且被构造成周向接合轴向地插入穿过孔的芯11的暴露尖端。孔23优选居中地位于近侧保持器端21中，使得芯11的插入尖端和保持器20同心对准。在芯尖端从其延伸的包层12的端处的环形肩部邻接合适的粘合剂或其他工具并可由合适的粘合剂或其他工具固定到围绕孔23的近端21的外表面。
基板30(通常是印刷电路板(PCB))具有面向内部的顶表面31、面向外部的底表面32和周边33。激光二极管34(通常是VCSEL或LED)设置在基板30的顶表面31上。如示出的实施方案中所描绘，其他的电子部件35、36也可设置在基板顶表面上。电引线或电线37从底表面32延伸以连接到外部电子部件。在示出的实施方案中，基板30是圆形的(即，扁平圆柱形)，并且激光二极管34定位在所述基板30的中心处。
纤维保持器20的环形开口远端22可由合适的粘合剂或其他工具固定到围绕激光二极管34成同心关系的基板30的顶表面31，使得纤维保持器中的芯11的暴露尖端与激光二极管对准并对接耦合到激光二极管。通常，对接耦合限定激光二极管34与纤维芯尖端之间的从几微米至不大于两百或三百微米的任何长度的小间隙。对于一些应用来说，间隙可填充有具有匹配光纤的折射指数的折射指数的环氧树脂。激光二极管34和芯11的暴露尖端因而同轴对准。
呈弹性应变消除构件形式的外壳40包封纤维保持器20以及基板30的顶表面31和周边33。弹性应变消除外壳40可具有细长的大致钟形构造，所述细长的大致钟形构造在其宽端处开口，所述弹性应变消除外壳40的内表面41成防水密封关系接合基板30的周边33。除了在被限定在外壳40中的轴向居中的孔42与轴向地延伸穿过外壳内部并在短于开口外壳端处终止的中空圆柱形纤维保持管43连通的情况下，外壳40的窄端是封闭的。管43被构造成接收并周向围绕并且接合纤维10，使得纤维芯11的尖端成对接耦合关系延伸到所述激光二极管34，如上所述。外壳40可由橡胶或适于服务于本文所述的保护性应变消除和外壳功能的其他弹性材料制成。
在如所描述的结构中，纤维芯11的暴露尖端延伸到纤维保持器20中，其中所述纤维芯11的暴露尖端对接耦合到激光二极管34。应变消除外壳包含并保护耦合区域以及基板的顶表面。尽管如所描述的纤维包层12的环形端可固定到纤维保持器20的封闭端，但是纤维的定位接合可仅依赖于纤维保持管43内的摩擦接合或其他接合。
有弹性的应变消除外壳40保护纤维及其定位免受牵拉或弯曲，同时在防水接合状态中包封并保护耦合区域和基板的顶表面。纤维保持器20保护外壳内的对接耦合区域，并且还可用作抛光保持器。
除了如所描述的模块的结构之外，本发明还包括装配模块的方法。所述方法包括不一定以所叙述的顺序执行的以下步骤。光纤10提供有从纤维的光接收端处的纤维包层延伸的芯11的暴露尖端。暴露的芯尖端穿过纤维保持器的封闭端处的孔23插入到纤维保持器20中。激光器34设置在基板30的顶表面31上，并且纤维保持器20的开口端放置在围绕激光器的基板的顶表面上，其中暴露的纤维芯尖端与激光器成光接收对接耦合关系。由于简单设计，这种放置可使用标准的拾取和放置机器人系统实现而没有激光器-纤维对准的复杂问题。弹性应变消除外壳40可固定在纤维的光接收端周围，并且纤维保持器20和至少基板30的顶表面31成防水密封关系插入到应变消除外壳40中并固定到应变消除外壳40。
图5的示意图示出在光学对接耦合布置中激光器34与纤维芯11的尖端之间的光透射。如所描述，激光器优选地是VCSEL，但可以是LED。激光器与纤维芯之间的间隙可以在几微米至几百微米的数量级上，这取决于特定的光学和结构设计。激光器与纤维芯之间的小间隙可填充有指数匹配的环氧树脂。
如上面所指出，尽管基板30被示出为圆形的(即，具有扁平圆柱形构造)，但是不应被认为是本发明的限制特征，因为基板可以是规则的或不规则的多边形、椭圆形或其他形状。在此类实施方案中，应变消除外壳构造还将被修改为容纳基板构造以便提供所需的包封功能和密封功能。在图6、图7A、图7B和图8中示出了这种构造的实例。具体地，在此实施方案中，基板30A被示出为具有有顶表面31A、底表面32A和周边33A的大致矩形的构造。激光二极管34连同电子部件35A、36A一起定位在顶表面31A上。电线或电引线37从基板底表面延伸。应变消除外壳构件40被构造为在具有被限定在其中的孔42A的所述应变消除外壳构件40的窄顶端处被截短的梯形。纤维保持管43A轴向地延伸穿过外壳内部，在短于开口外壳端处终止。管43A被构造成接收并周向围绕并且接合纤维10，使得纤维芯11的尖端成对接耦合关系延伸到设置在表面31A上的激光二极管34，如上所述。外壳40A使其开口底端被构造为矩形以匹配基板的矩形周边33A，使得所述外壳40A的底部内表面41A可以固定到所述周边并沿所述周边提供防水密封。
所描述和所示出的封装设计为一个简单的高性价比设计中的激光驱动器电子器件封装、纤维对准、应变消除、半气密密封(或防水密封)提供了集成解决方案。本发明的优点有若干个。具体地，如所描述，激光器和纤维对准可以使用标准的拾取和放置设备实现；不需要主动对准步骤。另外，纤维保持器20用来不仅提供纤维保持功能；它还为激光二极管和相关联的线路提供保护。此外，应变消除外壳单元40用来保护光纤免受牵拉力和弯曲力，并且还保护总体模块并为总体模块提供防水密封。而且，外壳40被构造成允许激光二极管的其余部分容易地插入其中并被密封，得到可以容易地适于完全防水的简单装配的总体封装。
应理解，本发明的原理适用于除了具体描述和示出的那些实施方案之外的实施方案。例如，如果需要，保持器20可以被指数匹配的透明封装环氧树脂替代。除了PCB之外，基板可以是陶瓷封装或引线框架封装。
如本文所述，本发明包括结构和一种制造用于将激光二极管(例如，VCSEL)与光漫射纤维成对接耦合关系耦合的模块的结构的方法。封装设计集成了用于激光驱动器电子器件和外壳的解决方案，所述封装设计实现了一个简单的高性价比设计中的纤维对准、应变消除和半气密密封(或防水密封)。PCB组件嵌入到应变消除外壳中。
所描述的激光器模块是设计用于光漫射纤维的简单的低成本激光器封装。仅需要两个引线37(Vcc和GND)来操作模块，但是脉冲宽度调制(PWM)信号可以提供在具有附加功能(诸如光强度控制、亮度控制等)的第三引线上。
如本文所指出，尽管本发明已经公开主要适用于VCSEL，但是原理同样适用于其他激光器，特别是可以安装在所述类型的基板上的激光器二极管。
已描述了新的且改进的模块化激光器连接器封装的优选实施方案和方法，据信本领域技术人员根据本文所阐述的教义将建议其他修改、变化和改变。因此，应理解，所有此类变化、修改和改变被认为落入由所附权利要求限定的本发明的范围内。尽管本文采用特定术语，但是仅在一般意义和描述性意义上而不是出于限制的目的使用这些术语。
