光学组件

技术领域

本发明涉及光学组件和制作光学组件的方法。

背景技术

例如在欧洲专利申请EP 0 689 071 A1中公开了一种光学组件。该光学组件包括陶瓷基体、光探测器、透镜和波导。

发明内容

发明目的

本发明的目的是提供一种小型光学组件。

本发明的另一个目的是提供一种制造小型光学组件的方法。

发明的简要概括

本发明的实施例涉及一种光学组件，其包括：电路板，该电路板包括第一侧、第二侧和穿过电路板延伸的至少一个孔；光子芯片，该光子芯片具有前侧和背侧，光子芯片的前侧安装在电路板的第一侧上并且电连接到电路板的至少一个电导体；至少一个部件，该至少一个部件安装在与孔相反的光子芯片的前侧上，并且从光子芯片的前侧突出到孔中或穿过孔；以及波导元件，该波导元件位于电路板的第二侧上，并且通过所述孔光学耦合到光子芯片。

根据本发明的该实施例，孔提供双重功能。该孔容纳安装在光子芯片的前侧上的至少一个部件，并且还允许光子芯片和位于电路板的另一侧上的波导元件之间的光学耦合。孔的双重功能使得整个组件的设计非常紧凑。

所述至少一个部件或所述部件中的至少一个优选的是散热器。

替代地或附加地，至少一种部件或所述部件中的至少一个可以是发热部件。发热部件可以是辐射发射器，诸如激光器或LED、放大器或光探测器。

第一散热器优选被安装到光子芯片的背侧。

第二散热器优选被安装在所述部件上。

光学组件可以进一步包括壳体，该壳体具有面对电路板的第一侧并且因此面对光子芯片的背侧的第一壁，以及面对电路板的第二侧的第二壁。

第一散热器优选耦合到第一壁，以及第二散热器优选耦合到第二壁。

由部件产生和/或经过部件(由部件引导)的热优选通过孔和第二散热器流向第二壁。

透镜设备优选被配置为在波导元件和光子芯片之间透射辐射。透镜设备和波导元件优选彼此连接并且形成自包含光学连接器。

透镜设备优选包括第一外表面和与第一外表面相反的第二外表面。

第一外表面优选连接到波导元件，而第二外表面优选连接到光子芯片。

第一表面的表面形状优选形成至少一个透镜。

透镜设备优选与所述至少一个部件相邻位于所述孔中。

波导元件优选包括基座元件、光学波导和覆盖光学波导的盖。

透镜设备优选位于盖和光子芯片之间。

根据优选实施例，基座元件可以具有至少一个沟槽，其中，光学波导可以是位于所述沟槽中的光纤。

根据另一优选实施例，光学波导可以是集成在基座元件中或集成在沉积在基座元件上的层中的集成波导。

波导元件优选包括相对于与光子芯片的前侧垂直的轴具有在44°和55°之间的角度的小平面。

小平面优选能够将源自光子芯片并且经过盖和波导的包层的辐射反射到波导的芯中，和/或将通过波导的芯朝向小平面传播的辐射从波导的芯朝向盖和光子芯片反射到波导的包层中。

盖优选由半导体材料(例如硅)构成。

透镜设备的第一外表面优选被焊接或粘合到盖。

穿过透镜设备延伸的第一光路的传播长度与穿过盖和波导的包层延伸到波导的芯的第二光路的传播长度之间的比优选在1:1和3:1之间。

盖和透镜设备的厚度优选满足下述等式：

D2/n2＝Df/nf+D1/n1

0.8

其中，

D1描述盖的厚度，

n1描述盖的折射率，

D2描述透镜设备的厚度，

n2描述透镜设备的折射率，

Df描述波导的芯的中心与盖之间的距离，以及

nf描述波导的包层的折射率。

替代地或附加地，盖和透镜设备的厚度可以满足下述等式：

MFD1*D2/n2＝MFD2*(Df/nf+D1/n1)

0.8

其中：

D1描述盖的厚度，

n1描述盖的折射率，

D2描述透镜设备的厚度，

n2描述透镜设备的折射率，

Df描述波导的芯和盖之间的距离，

nf描述波导的包层的折射率，

MFD1描述集成在所述光子芯片的耦合元件的与1/e2强度相关的模场直径，以及MFD2描述波导的1/e2强度相关的模场直径。

根据另一示例性实施例，光子芯片可以包括内波导层和集成耦合元件。

波导元件优选经由集成耦合元件光学耦合到内波导层。

光子芯片的层叠(例如，线的后端)优选位于光子芯片的内波导层的顶部上。

透镜设备优选粘合到层叠。

耦合元件优选被集成在内波导层中。

从耦合元件穿过层叠和透镜设备延伸到透镜设备的第一表面的第一光路的传播长度与从透镜设备的第一表面穿过盖和波导的包层延伸到波导的芯的第二光路的传播长度之间的比率优选在1:1和3:1之间。

盖、透镜设备和层叠的厚度优选满足下述等式：

MFD1*(D3/n3+D2/n2)＝MFD2*(Df/nf+D1/n1)

0.8

其中：

D1描述盖的厚度，

n1描述盖的折射率，

D2描述透镜设备的厚度，

n2描述透镜设备的折射率，

D3描述层叠的厚度，

n3描述层叠的折射率，

Df描述波导的芯和盖之间的距离，

nf描述波导的包层的折射率，

MFD1描述集成在光子芯片的内波导层中的耦合元件的与1/e2强度相关的模场直径，以及

MFD2描述波导的与1/e2强度相关的模场直径。

根据本发明的另一实施例，波导元件可以包括光纤，光纤具有平行于电路板并且位于电路板的第二侧上的直段部分以及朝向光子芯片突出到孔中的弯曲部分。

弯曲部分的端面优选粘合到光子芯片上。

所述至少一个透镜或透镜中的至少一个优选是非球面透镜。

透镜设备的第一表面可以形成彼此不同的多个透镜。

孔的内壁与透镜设备之间的间隙和/或孔的内壁与部件之间的间隙和/或透镜设备与部件之间的间隙优选被填充材料(例如，光或温度固化剂，优选是基于环氧树脂或丙烯酸酯)填充。

本发明的另一实施例涉及一种制作光学组件的方法，包括下述步骤：

在包括第一侧和第二侧的电路板中形成至少一个通孔，

将至少一个部件安装在光子芯片的前侧上，

安装所述光子芯片使其前侧在电路板的第一侧上，并且将光子芯片的至少一个电接触电连接到电路板的至少一个电导体，其中，对准光子芯片，使得所述至少一个部件从光子芯片的前侧突出到孔中或穿过孔，以及

将波导元件设置在电路板的第二侧上，并且通过形成穿过所述孔的光路来将波导元件光学耦合到光子芯片。

附图说明

为了容易理解获得本发明的上述和其他优点的方式，将通过参考在附图中示出的本发明的特定实施例来呈现上文简要描述的本发明的更具体的描述。应当理解到，这些附图仅描绘了本发明的典型实施例，因此不应当认为是对本发明范围的限制，将通过使用附图，利用附加的特征和细节来描述和说明本发明，其中：

图1图示了根据本发明的光学组件的示例性实施例，

图2图示了自包含光学连接器的示例性实施例和光子芯片的示例性实施例的一部分，

图3图示了图2的自包含光学连接器和光子芯片的另一示例性实施例的部分，

图4图示了图2和3的自包含光学连接器的波导元件的横截面，

图5图示了自包含光学连接器的另一示例性实施例以及光子芯片的示例性实施例的部分，

图6图示了图5和7的自包含光学连接器的波导元件的横截面，

图7图示了图5的自包含光学连接器和光子芯片的另一示例性实施例的部分，以及

图8-11图示了根据本发明的光学组件的其他示例性实施例。

具体实施方式

参照附图，将最好地理解本发明的优选实施例。将容易理解到，如本文附图中一般描述和说明的，本发明可以在很宽的范围内变化。因此，如附图所示，本发明的示例性实施例的下述更详细描述并非旨在限制所要求保护的本发明的范围，而是仅代表本发明的当前的优选实施例。

图1示出(未按比例绘制)根据本发明的光学组件10的示例性实施例。光学组件10包括电路板100，该电路板100具有第一侧101、第二侧102以及穿过电路板100延伸的至少一个孔103。

光学组件10的光子芯片200包括前侧201和背侧202。光子芯片200的前侧201安装在电路板100的第一侧101上并且电连接到电路板100的一个或多个电导体110。

光学组件10的至少一个部件300被安装在与孔103相反的、光子芯片200的前侧201上。部件300从光子芯片200的前侧201突出穿过孔103。

光学组件10的波导元件400位于电路板100的第二侧102上，并且通过与部件300所处的相同的孔103光学地耦合到光子芯片200。为此，光学组件进一步包括透镜设备500，该透镜设备500被配置为在波导元件400和光子芯片200之间透射辐射。透镜设备500位于孔103内，与组件300相邻，并被配置为在波导元件400和光子芯片200之间透射辐射R。透镜设备500优选地包括半导体材料(诸如硅)或由半导体材料构成。波导元件400和透镜设备500优选地彼此固定并形成自包含光学连接器450。

图1的光学组件10进一步包括壳体600。壳体600具有面向电路板100的第一侧101并因此面向光子芯片200的背侧202的第一壁601，以及面向电路板100的第二侧102的第二壁602。

第一散热器610安装在光子芯片200的背侧202上，并耦合到第一壁601。因此，由光子芯片200产生的热Pthl可以通过第一散热器610流向第一壁601。

第二散热器620被安装在部件300上并且热耦合到光子芯片200的前侧201。因此，由光子芯片200产生并经过部件300和/或由部件300本身产生的热Pth2可以通过孔103流向第二散热器620和第二壁602。

在图1的实施例中，部件300是热活性的并且自身产生热量。例如。该部件可以是发光设备(例如LED或激光器)、放大器或光探测器。

为了最小化整个组件10的尺寸，透镜设备500和波导元件400优选地彼此垂直地设置。透镜设备500和波导元件400优选为托架形、L形或钩形(如图2中以侧视图所示)。然后，波导元件400的纵轴可以平行于电路板100设置，从而导致波导元件400的最小空间需求。此外，自包含光学连接器450的形状允许透镜设备500提供用于波导元件400的形状适配的机械锚固点和沿波导元件400的纵轴的拉力释放。

孔103的内壁与透镜设备103之间的间隙和/或孔103的内壁与部件300之间的间隙和/或透镜设备103与部件300之间的间隙优选填充有填充材料，诸如光固化或温度固化的粘合剂，优选基于环氧树脂或丙烯酸酯。

在图1的示例性实施例中，孔103可以提供以下优点中的一个或多个：

1)孔103可以向波导元件400提供光辐射R的耦合和/或从波导元件400提供光辐射R的耦合。因此，波导元件400可以位于电路板100的第二侧102上并且通过电路板100与光子芯片200分开。这可能导致减小的空间需求。

2)孔103为部件300提供空间。这可以导致整个组件的减小的空间需求。

3)孔103可以允许由光子芯片200和/或部件300产生的热流向位于电路板102的第二侧102上(即，与光子芯片200相比的另一侧上)的散热器。因此，一个散热器610可以位于电路板100的第一侧101(即，光子芯片200的背侧202)上，和/或一个散热器620可以位于电路板100的第二侧102(即，光子芯片200的前侧201)上。

4)孔103可以允许由光子芯片200产生的热通过透镜设备500流向可以用作附加散热器的波导元件400。波导元件400可以热耦合到壳体600的第二壁602。

5)透镜设备500和波导元件400可以是托架形、L形或钩形。自包含光学连接器450的这种形状可以在电路板100内部为波导元件400提供形状适配的机械锚固点，以及沿着波导元件400的纵轴的拉力释放。

图2更详细地示出了图1的自包含光学连接器450的示例性实施例以及图1的光子芯片200的示例性实施例的部分(再次未按比例绘制)。

光学连接器450的透镜设备500被配置为在波导元件400和光学连接器450的一个或多个光学端口之间透射辐射R。为此，透镜设备500包括第一外表面510和与第一外表面510相反定位的第二外表面520。

第一外表面510连接到波导元件400并形成一个或多个透镜。在图2中更详细地示出了透镜511中的一个。透镜511优选是由第一外表面510的凸表面部分形成的非球面透镜。第一外表面510可以形成多个透镜，包括彼此不同的透镜。

与透镜511直接相反定位的第二外表面520的部分形成光学连接器450的光学端口451。

由于光学连接器450的一个或多个透镜内部地设置在透镜设备500和波导元件400之间，所以光学连接器450可以具有平坦的或平的第二外表面520。平坦的或平的第二外表面520有助于将光学连接器450安装在光子芯片200的前侧上。此外，平坦或平的第二外表面520有助于热量从光子芯片200的前侧流入光学连接器450。此外，将透镜定位在第一表面而不是第二表面上允许辐射R的成像的更大灵活性，特别是对于高光束发散度的情况。光束仅在光学连接器450和光子芯片200的介质内传播，并且不暴露于诸如空气的气态介质。

透镜设备500的第一外表面510优选地使用焊料或胶水452焊接或粘合到波导元件400。焊料通常提供良好的导热性，并且可能有利于减轻透镜设备500和波导元件400之间的热流，例如，如果光学连接器450打算用作用于来自光子芯片200的热的附加散热器。

波导元件400包括至少一个光纤410和小平面420。小平面420相对于与第二外表面520垂直的轴Z具有在44°和55°之间的角度α。小平面420能够反射辐射R，该辐射R在第二外表面520处进入光学连接器450并且经过光纤410的包层411进入光纤410的芯412。小平面420还能够反射辐射R，该辐射R通过光纤的芯412朝向小平面420传播，从波导的芯412进入光纤的包层411并朝向第二表面520。

波导元件400进一步包括具有至少一个沟槽431的基座元件430。光纤410位于沟槽431中并且被盖440覆盖。透镜设备500的第一外表面510被通过上文提及的焊料或胶水452安装到盖440上。

盖440优选地由诸如硅的半导体材料构成。半导体材料，特别是硅，提供低热阻，并且允许大量的热量从光子芯片200通过透镜设备500进入波导元件400。

盖440的厚度D1和透镜设备500优选满足下述等式：

D2/n2＝Df/nf+D1/n1

0.8

其中：

D1描述盖440的厚度，

n1描述盖400的折射率，

D2描述透镜设备500的厚度，

n2描述透镜设备500的折射率，

Df描述光纤的芯412的中心与盖440之间的距离，以及

nf描述光纤的包层411的折射率。

如图2所示，光学连接器450的光学端口451定位成与集成在光子芯片200中的耦合元件210相邻。耦合元件210位于光子芯片200的前侧201上或附近。

关于耦合元件210和光纤410，优选地满足下述条件：

MFD1*D2/n2＝MFD2*(Df/nf+D1/n1)

0.8

其中：

MFD1描述耦合元件210的与1/e2强度相关的模场直径，以及

MFD2描述光纤410的与1/e2强度相关的模场直径。

穿过透镜设备500延伸的第一光路P1的传播长度与穿过盖440和波导的包层411延伸到波导的芯412的第二光路P2的传播长度之间的比率优选在1:1和3:1之间。

图3更详细地示出了与光子芯片200的另一示例性实施例有关的图1的自包含光学连接器450(再次未按比例绘制)。

图3的光子芯片200包括内波导层220和位于内波导层220的顶部的层叠230。因此，耦合元件210通过层叠230与前侧201分开。

透镜设备500粘合到层叠230上。波导元件400经由集成的耦合元件210光学耦合到内波导层220。

从耦合元件210穿过层叠230和透镜设备500延伸到透镜设备500的第一表面510的第一光路P1的传播长度与从透镜设备500的第一表面510穿过盖440和光纤的包层411延伸到波导的芯412的第二光路P2的传播长度之间的比率优选在1:1和3:1之间。

盖440、透镜设备500和层叠230的厚度优选地满足下述等式：

MFD1*(D3/n3+D2/n2)＝MFD2*(Df/nf+D1/n1)

0.8

其中：

D1描述盖440的厚度，

n1描述盖440的折射率，

D2描述透镜设备500的厚度，

n2描述透镜设备500的折射率，

Df描述光纤的芯412的中心和盖440之间的距离，

nf描述光纤的包层411的折射率，

D3描述层叠230的厚度，

n3描述层叠230的折射率，

MFD1描述耦合元件210的与1/e2强度相关的模场直径，以及

MFD2描述光纤410的与1/e2强度相关的模场直径。

图4以截面图示出了根据图2和图3的实施例的自包含光学连接器450的波导元件400。图4描绘了基座元件430和沟槽431。光纤410位于沟槽431中并且被盖440覆盖。

图5示出了图1的自包含光学连接器450的另一示例性实施例(同样未按比例绘制)。图5的光学连接器450不同于图2-4的光学连接器450之处仅是关于波导元件400。

图5的光学连接器450包括集成波导410a，该集成波导410a例如通过离子注入到玻璃基板430a中而集成在基座元件430中(也参见图6中的截面图)。包括注入离子的区域形成集成波导410a的芯412a。芯412a被基座元件430的薄层411a的不包括注入离子的区域覆盖。离子经过薄层411a，该离子更深地到达衬底430a，并且形成集成波导410a的包层。盖440安装在薄层411a的表面上。

集成波导410a耦合到嵌入在套圈410c中的光纤410b。套圈优选地固定到基座元件430。

盖440的厚度D1和透镜设备500优选地满足下述等式：

D2/n2＝Df/nf+D1/n1

0.8

其中：

D1描述盖440的厚度，

n1描述盖400的折射率，

D2描述透镜设备500的厚度，

n2描述透镜设备500的折射率，

Df描述集成波导的芯412a的中心与盖440之间的距离，以及

nf描述集成波导的包层411a的折射率。

关于耦合元件210和集成波导410a，优选满足下述条件：

MFD1*D2/n2＝MFD2*(Df/nf+D1/n1)

0.8

其中：

MFD1描述耦合元件210的与1/e2强度相关的模场直径，以及

MFD2描述集成波导410a的与1/e2强度相关的模场直径。

穿过透镜设备500延伸的第一光路P1的传播长度与穿过盖440和集成波导的包层411延伸到集成波导的芯412的第二光路P2的传播长度之间的比率优选在1:1和3:1之间。

图7进一步详细地示出了与光子芯片200的另一示例性实施例有关的图5和图6的自包含光学连接器450(再次未按比例绘制)。

图7的光子芯片200包括内波导层220和位于内波导层220的顶部的层叠230(例如，线的后端)。因此，耦合元件210通过层叠230与前侧201分开。

透镜设备500粘合到层叠230上。波导元件400经由集成耦合器210光学地耦合到内波导层220。

从耦合元件210穿过层叠230和透镜设备500延伸到透镜设备500的第一表面510的第一光路P1的传播长度与从透镜设备500的第一表面510穿过盖440和集成波导的包层411延伸到集成波导的芯412的第二光路P2的传播长度之间的比率优选在1:1和3:1之间。

盖440、透镜设备500和层叠230的厚度优选地满足下述等式：

MFD1*(D3/n3+D2/n2)＝MFD2*(Df/nf+D1/n1)

0.8

其中：

D1描述盖440的厚度，

n1描述盖440的折射率，

D2描述透镜设备500的厚度，

n2描述透镜设备500的折射率，

Df描述集成波导的芯412a的中心和盖440之间的距离，以及

nf描述集成波导的包层411a的折射率。

D3描述层叠230的厚度，

n3描述层叠230的折射率，

MFD1描述耦合元件210的与1/e2强度相关的模场直径，以及

MFD2描述集成波导410a的与1/e2强度相关的模场直径。

图8示出了根据本发明的光学组件10的另一示例性实施例(未按比例绘制)。在图8的光学组件10中，部件301是热被动的，并且自身不产生热量。然而，部件301可以形成导热体，该导热体允许热量Pth2流向第二散热器620。部件301可以由金属构成或包括金属，并且可以形成散热器。

图8的光学组件10的其他部件可以与图1-7的光学组件10的其他部件相同或相对应。因此，关于图1-7的说明也可以适用于图8的光学组件10。

图9示出根据本发明的光学组件10的另一示例性实施例(未按比例绘制)。在图9的光学组件10中，部件302本身形成第二散热器，该第二散热器与壳体600的第二壁602耦合。

图9的光学组件10的其他部件可以与图1-8的光学组件10的其他部件相同或相对应。因此，关于图1-8的说明也可以适用于图9的光学组件10。

图10示出根据本发明的光学组件10的另一示例性实施例(未按比例绘制)。在图10的光学组件10中，波导元件400包括内部反射镜40。反射镜40优选地相对于与透镜设备500的第二表面520垂直的轴Z具有在44°至55°之间的角度α(也参见图2)。反射镜40能够类似于图2所示的小平面420反射辐射R。

图10的光学组件10的其他部件可以与图1-9的光学组件10的其他部件相同或相对应。因此，关于图1-9的说明也适用于图10的光学组件10。更具体地，如图10所示的反射镜40可以代替图2-7所示的实施例中的小平面420。

图11示出根据本发明的光学组件10的另一示例性实施例(未按比例绘制)。在图11的光学组件10中，自包含光学连接器450由弯曲光纤45a形成或至少包括弯曲光纤45a。弯曲光纤45a优选地嵌入铸件支架45b中。支架45b优选地由玻璃或注射成型的塑料或金属部件构成，或者至少包括玻璃或注射成型的塑料或金属部件。

图11的光学组件10的其他部件可以与图1-10的光学组件10的其他部件相同或相对应。因此，关于图1-10的说明也适用于图11的光学组件10。

不仅要按照本说明书中具体描述的顺序和上下文来理解本文公开的本发明的各种实施例和实施例的方面，还应理解为包括任何顺序及其任何组合。每当上下文需要时，以单数形式使用的所有单词均应视为包括复数形式，反之亦然。每当上下文需要时，用单词“和”列出的所有选项均应视为包括单词“或”，反之亦然，以及它们的任何组合。

在附图和说明书中，已经公开了本发明的多个实施例。申请人想强调的是，每个实施例的每个特征可以与任何其他实施例组合或添加到其他实施例，以便修改相应的实施例并创建附加的实施例。这些附加的实施例构成了本公开的一部分，因此，申请人可以在审查的稍后阶段就这些额外的实施例提交进一步的专利权利要求。

此外，申请人想强调的是，以下从属权利要求中的每一个的每个特征可以与本独立权利要求中的任何一个以及与本从属权利要求中的任何其他(一个或多个)组合(与当前的权利要求结构无关)。因此，申请人可以在审查的稍后阶段将进一步的专利权利要求指向其他权利要求组合。