光学互联模块.pdf

位于光纤(2)和光电元件(3)之间的光学互连模块(1)，其包括由透明塑性材料制成的主体(5)，光纤的端部保持在该主体中。元件(3)至少部分地布置在模块的空腔(6)中。模块主体(5)的局部加热使其发生塑性变形，从而相对于元件定位光纤的端部。主体的加热部分可以由薄环形壁形成，该环形壁在主体的非可变形中心部分的顶部围绕供光电元件(3)定位的空腔。由铁磁性材料制成的插件(7)布置在模块主体的中间区域，并位于光纤端部和光电元件之间，当该插件通过感应而被加热时，其能够引起主体(5)的变形。

1、  光纤(2)和至少一个光电元件(3)之间的光学互连模块，该模块(1)包括由透明塑性材料制成的主体(5)，光纤(2)的一端保持在该主体中，还包括相对于至少部分地布置在模块空腔(6、22)中的元件(3)定位光纤端部的装置，该模块的特征在于：所述定位装置包括用以使模块(1)的主体(5)塑性变形的装置。

2、  如权利要求1所述的模块，其中，所述主体(5)包括非变形中心部分和在主体的上部围绕空腔(22)的薄环形壁(21)，所述光电元件定位在所述空腔中，使主体发生塑性变形的装置包括对环形壁(21)进行局部加热的装置。

3、  如权利要求2所述的模块，其中，所述薄环形壁(21)接触围绕主体(5)的环形外部件(24)的变形部分(23)。

4、  如权利要求1所述的模块，其中，所述用以变形的装置包括由铁磁材料制成并布置在模块主体(5)中间区域的插件(7)，该插件位于光纤(2)端部和光电元件(3)之间。

5、  如权利要求4所述的模块，其中，所述插件(7)由环形成。

6、  如权利要求4或5所述的模块，其中，所述模块主体(5)包括位于中间区域的部件(9)，该部件形成铰链，该铰链由融化温度低于构成主体其他部分的塑性材料的融化温度的第二塑性材料制成。

7、  如权利要求4至6中任一项所述的模块，其中，该模块包括由非磁性材料制成的支持件(8)，该支持件布置在模块主体(5)的外周并位于各个所述插件(7)的两侧上。

8、  如权利要求1至7中任一项所述的模块，其中，该模块包括位于光纤(2)的端部和光电元件(3)之间的透镜(10)。

9、  如权利要求8所述的模块，其中，所述透镜(10)由塑性主体(5)的球形、非球形或全息区域形成。

10、  如权利要求8所述的模块，其中，所述透镜(10)由利用模铸模制在塑性主体(5)中的屈光镜形成。

11、  如权利要求1至10中任一项所述的模块，其中，所述光纤(2)的端部利用模铸模制在塑性主体(5)中。

12、  如权利要求1至11中任一项所述的模块，其中，所述塑性主体(5)包括位于其端部的光学面(12、13)，光纤(2)穿过该面插入模块(1)。

13、  如权利要求1至12中任一项所述的模块，其中，该模块包括保护套(20)。

14、  如权利要求1至12中任一项所述的模块，其中，该模块包括若干个分支，每个分支包括用于塑性变形的独立装置。

15、  如权利要求14所述的模块，其中，该模块包括基本布置成Y形的三个分支，第一分支包括由塑性材料制成的第一主体(5a)，所述光纤(2)的端部保持在该第一主体中，第二分支包括由塑性材料制成的第二主体(5b)，该第二主体带有相对于光纤端部的轴线倾斜的输入面(16)，光接收光电元件(3b)布置在第二分支的自由端，第三分支包括由塑性材料制成的第三主体(5c)，该第三主体带有相对于由塑性材料制成的第二主体(5b)的输入面(16)倾斜的输出面(17)，光发射光电元件(3c)布置在第三分支的自由端，这样，形成了双工机，每个塑性主体(5a、5b、5c)包括用于塑性变形的独立装置(7a、7b、7c；9a、9b、9c)。

16、  如权利要求15所述的模块，其中，两个相邻分支的主体通过由非磁性材料制成的公共支持件(18a、18b、18c)连接。

17、  如权利要求14所述的模块，其中，该模块包括三个基本布置成T形的分支，每个分支包括主体(5)和半反射片(26)，该片布置在三个分支的主体之间的自由空间中，并相对于主体(5)的纵轴成45度角。

光学互联模块
技术领域
本发明涉及一种光纤和至少一个光电元件之间的光学互连模块(opticalinterconnection module)，该模块包括：由透明塑性材料制成的主体，光纤的一端保持在该主体中；以及，用以相对至少局部地布置在模块空腔中的元件定位光纤端部的装置。
背景技术
光纤输电网(optical fiber transmission network)的成本很大程度上有赖于光纤和光发射或光接收光电元件之间的连接的造价。现有技术中，光纤被固定在连接器上，例如激光二极管的待连接光电元件相对连接器横向移动或者可能纵向移动，以便在卡到连接器上之前与光纤的端部对准。这种对准过程耗时并因此昂贵。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于减小光纤和至少一个光电元件之间的互连的成本。
根据本发明，通过根据所附权利要求的模块实现上述目的，尤其是通过其中定位装置包括用于使模块主体的塑性变形的装置的模块。
所得的互连模块使得能够精确定位，尤其是能够容易地对准光纤的端部和光电元件。
可以由这样的模块形成一种双工机(duplexer)，其包括基本布置成Y形或者T形的三个分支。
附图说明
通过随后参照附图对本发明非限定性具体实施例的描述，本发明的其他优点和特征将会明了，附图中：
图1至5、8和9示出根据本发明的互连模块的不同实施例的剖视图；
图6示出通过图2所示模块将光纤和元件的端部对准的视图；
图7至10示出双工机的两个具体实施例。
具体实施方式
所设计的光学互连模块1用来连接光纤2和光电发射(例如激光二极管)或接收(例如探测器)元件3。该元件3例如由装备有电缆4的现用(off-the-shelf)封装元件构成，所述电缆例如是同轴电缆类型。
光学互连模块1构成直径大约1cm、长度大约15mm的光学微系统。其包括由塑性材料制成的主体5，这种材料相对于待传送的波长透明，例如，现对于红外或可视光透明。光纤2的一端固定在主体5中，主体的折射系数优选和光纤的折射系数处于相同的级数，通常位于1.45和1.47之间。在优选实施例中，光纤2的端部通过模铸模制在塑性主体5中，这样可以省略光纤和模块1之间的连接器，并可以显著地降低互连的成本。通过模铸将光纤的端部模制在主体5中，可以得到良好的光学连续性，并且排除了在光纤的输出端出现散射。
为了优化光纤2和元件3之间的联接(coupling)，必须将两者之间精确地彼此定位。根据本发明，通过主体5的塑性变形可以实现精确定位、尤其是对准。
在图1至8所示的具体实施例中，光电元件3可以通过任何适当的装置固定到模块的空腔6中，例如通过粘结或卷边(sticking or crimping)。由铁磁性材料制成的插件7布置在主体5的中部区域，其位于光纤2的端部和元件3之间。该插件7优选由圆环形成，该圆环由钢、镍或钢镍合金制成。主体5的塑性为：当例如通过感应(induction)加热插件7时，无需接触就可以使主体5通过塑性材料的蠕变(creeping)而变形，从而非常准确地对准电缆2的端部和元件3，该主体随后经过冷却而保持在所选定的位置。因此，通过局部加热插件7使塑性主体发生相变(局部融化)，进而使光纤2和元件3之间可以发生相对移动。通过塑性主体的再此凝固(resolidification)可以使光纤2和元件3之间的相对位置固定。
为了容易地处理位于插件7两侧的、彼此独立的主体5部分，模块1优选地包括由非磁性材料制成的支持件8，该支持件布置在模块主体的外周并位于插件7的两侧。该支持件8优选由不锈钢、铝或陶瓷、非磁性材料等不能通过感应加热的材料制成。该支持件能够进一步用作冷却元件。
在图2所示具体实施例中，主体5由具有不同融化温度的两种塑性材料形成。因此，在具有插件7的中间区域，该主体包括形成铰链的部件9，该部件由融化温度低于形成主体其他部分的塑性材料的融化温度的第二塑性材料形成。形成主体5的塑性材料通过如下方式进行选择：当在预定时期通过感应加热插件7时，材料的融化温度能够使主体5的中间区域具有足够的塑性。该主体2例如可以通过注模制造。该主体5(图1)或仅仅部件9(图2)能够例如通过聚碳酸酯或聚砜形成。
图1和2中，支持件8为圆柱形。与主体5接触的、支持件8的内壁地形状可以被改变，例如可以考虑到耗散来自插件7的热量而改变成图3所示的方式。因此，在图3所示具体实施例中，支持件8在其靠近插件7的端部处包括内向突出部分。对具体形状的选择可以通过模块的热力学模型(thernal modelling)确定。
图3所示模块与图2所示模块的不同之处还在于：主体5的部件9的形状形成了铰链。实际上，图2中，部件9包围整个插件7，而图3中，插件7从模块的部件9稍微突出。
优选在光纤2的端部和元件3之间布置透镜10。该透镜设计用来将发射器类型的元件3发出的光束会聚在光纤2的端部，或者反之，将光线2传送的光束会聚在接收器类型的元件3上(参见图1)。该透镜优选地由主体5的凸出突起形成(图1至4和图9)，所述凸出突起形成了对着光纤2模制端的球形或者非球形区域。环形的透镜具有能够校正元件3可能存在的散光(astigmatism)的优点。该透镜10还能够通过利用模铸模制在主体5中的屈光镜(diopter)形成，或者如图5所示，通过卡在形成于主体5中的适当空腔中的玻璃球形成。在后一种情况下，光纤2的端部能够更加靠近透镜10。在某些情况下，元件3可以已经包括透镜，例如位于激光二极管窗11上，并且该透镜10并不是必须的。但是，如果需要，透镜10可以通过若干个透镜的组件形成。该透镜10还可以通过模制或复制(replicated)在主体5中的全息透镜形成。
主体5在其与元件3相对的端部包括光学面，光纤2穿过该光学面而被插入到模块中，使得元件可以在其定位过程中相对于光纤2的端部可见。在图1至3和6中，该面是凸光学面12，而在图4、5和9中，该面是平光学面13。该面也可以是凹陷或者棱镜形的。光学面12在对准过程中的功能于图6中详细示出，其中，该模块是图2所示的类型。在对准操作过程中，光束(在图6中以箭头示出)通过光纤的自由端输入光纤2。由光纤2传送的光束通过透明塑性主体5的透镜10会聚到元件3上。布置照相机14，并将照相机布置成可以借助物镜15同步地使元件3和来自光纤的光束的图像可视化，从而在元件3的高度处形成斑点或者光斑。然后通过感应加热插件7，主体5变形以便对准元件3的图像上的光斑。因此，能够非常精确地对准光纤2的自由端和元件3。
还可以实现自动对准，尤其是对于元件3是例如激光二极管的发射器的情况下。相对于插件7位于光纤同侧的支持件8(图1至6的底部)能够保持在固定位置，而相对于插件7位于元件同侧的支持件8(图1至6的顶部)可以通过未示出的装置移动，该装置通过在光纤端部位置和激光二极管发射的光束的位置之间检测到的误差控制。
上述模块能够用于光纤2和任何光电元件3的互连，所述光电元件构成发射器或者接收器。可以将若干个模块组合在一起，从而形成若干个元件之间的具体互连，可能需要进行适当的调整。在所有情况下，通过由塑性材料制成的微系统使光纤和光电元件互连能够以低成本制造具有较大体积的互连。本发明还能用于带有若干个分支的，设计用来形成双工机、三工机、四工机等的模块。每个分支包括用于塑性变形的独立装置。
出于示例目的，图7示出由带有三个基本布置成Y形的分支的模块的双工机。第一分支包括由塑性材料制成的第一主体5a，光纤2的端部保持在该主体内。第二分支包括由塑性材料制成的第二主体5b，该主体带有二色性处理的输入面16，该面为平坦表面并相对于光纤2的端部轴线倾斜。光接收光电元件3b布置在第二分支的自由端。第三分支包括由塑性材料制成的第三主体5c，该主体带有相对于由塑性材料制成的第二主体5b的输入面16和光纤2的端部轴线倾斜的输出面17。光发射光电元件3c布置在第三分支的自由端。两个相邻分支的主体通过由非磁性材料制成的公共支持件结合在一起。所以，支持件18a为主体5a和5b公用，支持件18b为主体5b和5c公用，支持件18c为主体5c和5a公用。每个塑性主体5a、5b和5c都包括用于塑性变形的独立装置(插件7a、7b和7c，以及优选地，形成铰链的9a、9b和9c)。该接收元件3b因此能够接收来自光发射元件3c的光束。通过主体5a、5b和5c借助于相关的插件7a、7b和7c的适当塑性变形，可以实现光纤的端部与接收元件3b和发射元件3c的精确定位。
图8中，通过胶19将保护套20附连到和图1相同类型的模块上。因此，该模块被封装在保护套20中，该套可以由刚性的壳体形成，例如由金属制成。设计该封装是为了确保元件长时间地保持在选定位置，并因此保持光学联接(optical coupling)的性能。对于需要非常精确地对准或者在带有机械、气候应力等自然环境的应用场合，上述方法尤其适用。套20可以由能够控制膨胀的材料或者由形状记忆材料制成。
图9示出根据本发明的互连模块的另一种实施例。在该实施例中，由透明塑性材料制成的主体5包括：形成光学部件的非变形中心部分；和变形部分，该变形部分不用来在光纤2和光电元件3之间传递光学信号，而是用作光学元件3的支持件。图9中，主体5的变形部分由薄环形壁21形成，该薄环形壁21在主体的顶部围绕空腔22，光电元件3定位在该空腔中。通过加热环形壁21，实现主体5的环形壁21的塑性变形。
在图9所示的具体实施例中，通过形成和主体5的侧壁接触的环或管的、环形外部件24的可变形上部分23，可以利用感应实现环形壁21的局部加热。该可变形上部分23环绕主体5的环形部分21。优选地，环形外部件24由不锈钢管形成，其中，主体5模制并且其可变形上部分23可以利用焦耳效应通过与该部分接触的热学加热箍环(clamp)加热。
为了对准光电元件3和光纤2，将元件3向着模块主体5的空腔22移动，并将其局部地插入该空腔。例如，通过加热箍环(未示出)局部地加热可变形上部分23，从而通过感应加热主体5的环形壁21，该环形壁随后变形。然后对元件3进行定位，以便优化其与光纤2的光学联接。在优选实施例中，随后通过环形壁21的机械变形固定元件3在空腔22中的位置。可以通过任何适当的装置执行上述机械变形，例如，通过几个向着加热箍环的内侧突出的长钉(spikes)(例如，三个或者四个)，以便以冲压(stamping)或者卷边的形式局部地使可变形上部分23和环形壁21发生机械变形。然后，该组件被冷却至环境温度，从而保持优化的联接。
为了当环形部分21加热时保护形成主体5的光学部件的、非变形中心部件，希望将主体的该部分冷却。在图9所示优选实施例中，环形外部件24包括环绕主体5的非变形中心部件的、更宽的环形基部分。例如，利用围绕该环形件24的基部分并用作能量提取器(energy extractor)的第二加热箍环(未示出)，通过感应使该环形基部分在对准光电元件3期间被冷却。对环形外部件24和主体5的不同部件的尺寸和各位置以及加热箍环的温度进行选择，这样，可以在主体5的其他部分没有变形的条件下使环形部分21局部变形。例如，可以将环形部分加热至接近260℃，而将主体5的中心部分保持在防止发生任何变形的温度，例如接近环境温度的温度。
可以直接执行环形部分21的局部加热，也可以利用任何适当的装置通过可变形部分23执行，例如利用激光器。
优选地，光纤2的端部利用模铸模制再主体5中。但是，本发明并不限于具体实施例，并且适用于通过任何方式将光纤2的端部固定到主体5上的情况。例如，光纤2的端部可以通过可动的方式利用标准连接件粘结或者固定到主体5上。这种情况下，在已经装配上述标准连接件并且光纤已经连接到该标准连接件上之后，可以如上所述地实现光电元件3和光纤2的端部之间的对准。
图9的模块可用于光纤2和任何光电元件3的互连，而不论该光电元件是发射器还是接收器。可以将若干个模块组合起来形成若干个元件之间的具体互连或者形成双工机、三工机、四工机等(其各个分支都包括用于塑性变形的独立装置)，在这种情况下，可能需要进行调整。
出于示例的目的，图10示出带有基本布置成T形的三个分支的双工机。第一分支(图10的左侧)包括塑性材料制成的第一主体5，光纤2的端部固定在第一主体中，并且主体5装配有环形外部件24。第二分支布置成第一分支的连续部分(图10的左侧)并包括塑性材料制成的第二主体5，该主体携载在第二分支的自由端构成光接收器的光电元件3b。垂直于第一和第二分支的第三分支包括塑性材料制成的第三主体5，该主体携载在第三分支的自由端构成光发射器的光电元件3c。
通过三个主体的环形外部件24的更宽基部，将三个主体5固定在公共壳体25中。在第一和第二主体5之间的自由空间中布置半反射片26，其位于第三主体5上，并优选地相对主体的纵轴成45度角，以便将发射器(元件3c)发射的光信号发射给光纤并且将来自光纤2的光信号传递给接收器(元件3c)。例如，该片26通过粘结或者钎焊(sticking or soldering)固定到支持件上，从而使其能够精确地定位在壳体25中。
在装配有其环形外部件24的片26和三个主体5已经被装配到壳体25中之后，光电元件3b和3c顺序地布置在相关的主体5中并且通过相应主体5的环形壁21的变形而得到定位，从而优化其与光纤端部的联接。
分别构成接收器和发射器的元件3b和3c可以互换；如果输入或输出光纤需要，可以替换发射器或接收器。