CN102906609B - 用于定位光学组件的机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于将光学组件安装在释放的微机械杠杆配置上的基于MEMS的对准技术，所述释放的微机械杠杆配置使用多个挠曲件而非单个弹簧。所述光学组件可为透镜。多个挠曲件的所述使用可减少透镜旋转与透镜平移之间的耦合，且减少杠杆手柄翘曲对透镜位置的影响。可针对各种几何形状来优化装置。

Description

用于定位光学组件的机构

相关申请案交叉参考

本申请案主张2010年5月21日提出申请的标题为“用于对准光学元件的基于MEMS的杠杆及其使用(MEMS-BasedLeversandTheirUseforAlignmentofOpticalElements)”的第61/347,247号美国临时申请案的申请日期的权益，所述临时申请案的揭示内容以引用的方式并入。

技术领域

本申请案涉及光纤通信的领域，且更特定来说，涉及用于将激光源光学耦合到光纤或其它波导的光学封装技术。

背景技术

用于长通信距离及都市光纤电信链路的光学模块(例如激光器、调制器、分配器、增/减多路复用器及接收器)通常含有许多小的组件，例如镜、分束器、检测器及必须仔细对准且附接于适当位置中以实现光学耦合的其它精密组件。此些光纤链路使用具有几微米的模式大小的单模光纤。因此，所有这些组件均需要精密对准，此大大地增加了此些模块的成本且降低了制造成品率。

2010年2月1日提出申请的美国专利申请案12/698,086论述一种允许使用基于MEMS的平台来精确定位光学组件的封装技术。例如激光器的有源元件与PLC波导之间的光学耦合是通过精确对准安装在与锚定点及手柄形成杠杆的可调整固持器上的微透镜来完成。使所述手柄移动致使所述微透镜移动所述手柄所行进的距离的某一小分数。因此，明显简化了对准。

发明内容

在一个方面中，本发明提供一种用于定位光学组件的机构，其包括：第一挠曲件，其耦合到底座；结构，其耦合到所述第一挠曲件，所述结构大体呈四边形的形式，所述结构包含若干对挠曲件中的具有第一定向方向的第一对及所述若干对挠曲件中的具有第二定向方向的第二对，所述结构包含用于光学组件的支架；及伸长臂，其大体从所述结构延伸。

在另一方面中，本发明提供一种供在光学组合件中使用的装置，其包括：多部分杠杆结构，其通过底座耦合到衬底，所述多部分杠杆结构包含耦合到所述底座的第一挠曲件、伸长臂及至少一第二挠曲件以及将所述伸长臂耦合到所述第一挠曲件的第一部件；及透镜，其耦合到所述多部分杠杆结构。

在另一方面中，本发明提供一种供在光学对准两个光学组件中使用的结构，其包括：伸长臂；第一挠曲件，其沿第一方向从所述伸长臂延伸；第二挠曲件，其沿第二方向从所述伸长臂延伸，所述第二方向不同于所述第一方向；第一部件，其从所述第一挠曲件延伸，其中用于光学组件的支架耦合到所述第一部件；第二部件，其从所述第二挠曲件延伸；第三挠曲件、第三部件及第四挠曲件，其耦合所述第二部件与所述第一部件；及第五挠曲件，其将所述第二部件耦合到底座。

在另一方面中，本发明提供一种供在对准光学组件中使用的装置，其包括：平台，其用于接纳光学组件；第一挠曲元件，其将所述平台耦合到底座；臂，其耦合到所述平台，所述臂包含第二挠曲元件，所述臂包含自由端。

在另一方面中，本发明提供一种供在对准光学组件中使用的装置，其包括：平台，其用于接纳光学组件；用于将所述平台柔性地耦合到底座的构件；及伸长臂，其耦合到所述平台。

考虑本文中的论述来更全面地理解本发明的这些及其它方面。

附图说明

以实例方式来图解说明本专利。

图1(现有技术)图解说明使用简单杠杆来相对于输入及输出波导精确地定位透镜。

图2a到2d图解说明根据本发明的方面的结构的方面。

图3图解说明根据本发明的方面的实施例。

图4图解说明根据本发明的方面的结构的另一实施例。

图5图解说明根据本发明的方面的结构的又一实施例。

图6到8图解说明图5的实施例沿各种方向的移动的结果。

具体实施方式

本发明的方面提供一种用于使用基于MEMS的杠杆及手柄来致动光学组件的位置的布置，所述致动是以使得不影响靠近可调整组件的其它光学或电元件的放置的方式进行的。在一些方面中，可沿所有三个轴且在沿垂直于光学轴的轴具有显著的杠杆作用(或移动的减少)的情况下精确地调整所述组件的位置。此允许在透镜或其它光学组件的位置处机械地缩小手柄处的粗动。

图1展示用于将来自紧凑输入波导导引件(例如激光二极管的输入波导导引件)的光耦合到较大输出波导60(例如标准光纤的输出波导)的微透镜80。通过将透镜定位成到激光输出比到光纤输入近，所述透镜将模式变换成恰当大小。通常，对此透镜的公差非常严格，且优选地以亚微米准确度来定位及控制所述透镜。一旦实现对准，便优选地以使得最小化任何移位的方式用环氧树脂或焊料将所述透镜锁定到适当位置中。此可具有挑战性且可能需要资本密集型自动化工具或训练有素的操作者来手动地进行对准。为了减小在安装透镜中所需的准确度，第12/698,086号美国专利申请案论述将透镜安装在使用弹簧10锚定到组合件100的稳定部分的杠杆20上。此弹簧可横向挠曲及纵向挤压或拉伸。为了调整透镜的x位置，使在所述杠杆的端30处的手柄沿x方向40移动。此致使整个杠杆20围绕锚定点100旋转且使透镜80沿x方向70移动，但移动量通过透镜与锚定点之间的距离对透镜与手柄之间的距离的比率减少。在平面外的类似运动以类似放大率沿y调整透镜的位置。然而，通过纵向挤压或拉伸弹簧(此不提供运动的减少)来实现沿z或光学轴的调整。在此情况中，这并不关键，因为对在透镜的z位置上的光学损耗的相依性远小于其对x及y轴的相依性。

如第12/698,086号美国专利申请案中所描述，为了制作此基于MEMS的杠杆，可使用相当标准的工艺。从顶部图案化SOI硅晶片以界定杠杆及透镜固持器。蚀刻掉下方的氧化物以使杠杆悬置。使用焊料或环氧树脂将透镜安装在所述杠杆上。一旦已对准部分，便靠近手柄的位置锁住杠杆。

图2是根据本发明的方面的实施例的图式，其中想要使用手柄210使透镜80围绕稳定锚定件100移动。图2a是结构在不具有力或偏转的情况下的俯视图。借助与先前所描述的工艺类似或相同的工艺来制作所述结构，因为所有部分均为释放的且自由移动，锚定件100除外。此部分连接到晶片的其余部分且因此为稳定的。所述结构大体具有L形状的形式，其中主要部件20(展示为在自由端处具有手柄210的伸长臂)通过挠曲件230a连接到水平部件260，而主要杠杆与水平杠杆如所图解说明彼此正交。此水平部件借助可弯曲及扭曲的相对刚性挠曲件220连接到锚定件。透镜80使用挠曲件(230a、230b、240a、240b)及刚性悬臂(270a、270b)的组合安装在这两个部件之间。在一些实施例中，且如图2a到2d中所图解说明，挠曲件230a、230b沿相同方向定向，且挠曲件240a、240b也沿相同方向定向，其中挠曲件230a、230b的定向正交于挠曲件240a、240b的定向。

如图2b中所展示，当使杠杆沿X方向移动时，挠曲件220由于其刚性(与其它挠曲件相比)而不会移动很多。因此，大部分偏转是在挠曲件230a、230b及240a、240b中发生。在一些实施例中，挠曲件240a及240b具有匹配特性，在一些实施例中所述匹配特性通过所述挠曲件具有相同物理结构而提供。类似地，在一些实施例中，挠曲件230a及230b具有匹配特性。所述透镜沿X移动手柄的距离的一分数，所述分数近似由挠曲件240b在手柄20上的连接点到下部部件260之间的长度与所述手柄的总长度的比率给出。

如图2c中所展示，当使杠杆沿Z移动时，挠曲件不容易收缩或扩张，使得围绕Y轴的显著弯曲移动出现在刚性挠曲件220上。此致使挠曲件偏转，以使得透镜沿Z向下移动。所述透镜移动手柄沿Z移动的距离的一分数，所述比率大概等于透镜与锚定点之间的距离对下部部件260的总长度的比率。

最后，当使手柄沿Y或在图2a中的平面外移动时，整个结构使挠曲件220围绕X轴扭曲且致使所述透镜沿着Y轴向上移动。图2d中展示侧视图。再一次，运动大概由透镜与锚定点之间的z间隔对手柄20的总长度的比率缩小。

与图1的简单情况相比，图2a到2d的实施例具有若干个潜在优点。第一，减少了伴随手柄沿着X轴的运动的透镜旋转。第二，不同于横向偏转比纵向压缩或扩张通常容易得多的弹簧，本发明结构具有用于沿所有三个轴偏转的略微类似的力。第三，挠曲件的布置有利于更刚性的结构及更高的共振频率，此转变为对冲击及振动的更低敏感性。第四，杠杆及手柄略微偏远且可定位于总体结构的外部上，而非沿直线定位。此允许靠近透镜放置其它组件。最后，所述结构对杠杆臂中的扭转力矩相对不敏感，从而提供增加的效率，因为用焊料或环氧树脂锁定手柄220有时可能导致围绕手柄220的扭矩，所述扭矩可沿着长臂20起作用且致使透镜平移。

图3是根据本发明的方面的装置或装置的若干部分的俯视图。在图3中，大体展示在衬底311上方的各种组件，其中在许多实施例中，所述组件中的一些组件由与衬底相同且与其成整体的材料形成。更特定来说，图3展示耦合到多部分杠杆结构315的透镜313。所述透镜可定位以聚焦来自第一波导(展示为安装到所述衬底的激光器芯片319的激光器317)的光。所述透镜将光聚焦到第二波导(展示为光纤尾纤321，其中所述光纤尾纤由支架323固持)中。

所述多部分杠杆结构通过底座325耦合到衬底。所述多部分杠杆结构包含耦合到所述底座的底座挠曲件329、在一端处具有手柄334的端部件331及在第一挠曲件与端部件之间的四边形结构。如图3中所图解说明，所述端部件的与手柄相对的一部分也形成四边形结构的部分。

所述四边形结构可呈平行四边形的形式，如(举例来说)图3中所图解说明。如图3中所展示，所述四边形结构包含底座部件327、支架部件335、第一侧部件339及端部件的一部分。所述底座部件通过底座挠曲件耦合到底座且在与手柄相对的一端处通过第一挠曲件333耦合到所述端部件。所述底座部件还通过第二挠曲件343耦合到第一侧部件。与底座部件大体相对的是支架部件，其中所述支架部件通过第三挠曲件337耦合到所述端部件。如所图解说明，所述支架部件包含用于接纳透镜的支架，但在各种实施例中所述支架在不同部件上。

在正常偏置位置中，第一挠曲件及第二挠曲件彼此大概平行且大概在与第三及第四挠曲件相同的平面中并正交于第三及第四挠曲件，所述第三及第四挠曲件也彼此大概平行。在操作中，手柄沿平行于第三及第四挠曲件的方向的位移导致第一及第二挠曲件的弯曲以及透镜沿手柄位移方向的位置改变。

图4是在一些方面可视为理想装置的装置的图式，其中使用多个接头来减少手柄处的翘曲或旋转对透镜位置的影响。图4的装置具有透镜平台411，透镜平台411具有延伸的杠杆臂413。所述透镜平台通过平台挠曲件群组417耦合到固定底座415。优选地，所述平台挠曲件群组(举例来说)借助于使用Rzeppa型接头及花键来提供2个旋转自由度及1个平移自由度。杠杆的远离平台的一端通过球窝421耦合到手柄，此优选地提供3个旋转自由度。已论述了通过第12/698,086号美国专利申请案中的设计实施例以及图2及3中的实施例实现的杠杆作用对平移运动的衰减影响，但现在考虑涉及手柄的旋转的某些问题或由于翘曲所致的手柄的视旋转。举例来说，手柄可能因各部分与任何焊料、环氧树脂或其它接合材料之间的热膨系数不匹配而翘曲或旋转。图4中的本发明实施例消除使手柄旋转的影响。当任何实施例具有沿Y从挠曲件或接头的透镜中心偏移时，此布置的原理优势变得显而易见。此偏移致使透镜平台的旋转使透镜沿着X移动，这通常为不合意的。因此，如果预期显著的手柄旋转，那么图4中所展示的多接头机构为有用的。

然而，图4中的装置并不特别适合于MEMS制造。除在透镜平台与底座结构之间或包含透镜平台及底座结构的挠曲件群组以外，一些实施例还在杠杆臂或手柄内并入有替换理想情况的球窝接头421的扭转顺从性挠曲件或挠曲件群组。特定来说，在一些实施例中，将挠曲件或挠曲件群组并入到杠杆臂中，其中所述挠曲件群组具有在三个平移自由度及两个旋转自由度上的刚性以及在围绕近似Z轴的扭转上的实质顺从性，其中这些轴如关于图2a到2d所论述。因此，举例来说，图2及3的装置的一些实施例在杠杆臂中包含挠曲件或挠曲件群组。优选地，透镜平台挠曲件群组对围绕Z轴的旋转的阻力大于杠杆臂挠曲件群组的阻力。如果需要，那么可将在其它自由度上的额外旋转顺从性并入到杠杆臂挠曲件群组中。

围绕不同轴的手柄旋转及翘曲的相对重要性可取决于实施例而变化，但借助挠曲件群组将顺从性并入到杠杆臂中同时在透镜平台挠曲件群组中具有在对应自由度上的相对刚性可共同应用于本文中具体论述的实施例以及额外实施例。取决于涉及对各种手柄旋转的敏感性的设计目标、几何约束、工艺约束、所需的运动范围、可用空间及其它考虑因素，可能有具有手柄旋转不敏感性质的许多实施例。

图5图解说明根据本发明的方面的杠杆臂的另一实施例的俯视图。图5的实施例特别适合于衰减围绕Z轴的手柄旋转的影响或相关的翘曲影响，如同在图4的理想装置中一样。挠曲件可能仅近似理想接头，且因此，衰减而非消除手柄旋转的影响。

如图5中所展示，杠杆臂耦合到连接到衬底的大体不动的底座511。所述底座可为可构造杠杆臂且可用(举例来说)如关于图3所论述的其它光学组件填充的晶片的部分。通常，所述杠杆臂包含用于接纳透镜515或其它光学组件的平台513。所述平台通过第一偏移部519耦合到平台挠曲元件517，其中平台挠曲元件517耦合到所述底座。所述平台还通过第二偏移部523耦合到伸长臂521。所述伸长臂包含朝向所述臂的自由端的杠杆臂挠曲元件525，其中所述臂的自由端端接于手柄527中。当锁定光学组件的位置时，可通过焊料或其它固定构件相对于杠杆臂为其部分(且底座也可为其部分)的晶片将所述臂固定于适当位置中。在各种实施例中，在杠杆臂挠曲元件上或周围放置焊料，或在各种实施例中，使得杠杆臂挠曲元件的至少一部分或主要部分在焊料与平台之间。

在挠曲件群组中可能存在仅一个元件，但图5的实施例利用至少两个挠曲件群组。图5的实施例使用一狭缝来形成多个挠曲件且借此在手柄挠曲件群组中添加围绕Z的扭转顺从性、使用两个狭缝在透镜平台挠曲件群组中添加围绕X的扭转顺从性且使用相同的两个狭缝在相同透镜平台挠曲件群组中添加沿着Z的剪切顺从性。此些狭缝或挠曲件群组中的多个挠曲件的使用为有用的，但各种实施例可省略所述狭缝或挠曲件群组中的多个挠曲件的使用。

透镜平台挠曲件群组的设计可变化，但出于说明性目的，关于图6到8来描述图5的装置的动作，图6到8展示从以虚线轮廓展示的初始位置到以实线展示的新位置的移动的结果。为方便起见，如同在图5中一样标示底座511、透镜515、平台挠曲元件517及手柄527。通过挠曲件围绕Y轴的悬臂型自由度与透镜沿Z从挠曲件的偏移(此伴随有某一旋转及Z平移)的组合来实现沿着X的透镜运动，如6图中所展示。可通过利用挠曲件的剪切型自由度的适当手柄运动来消除图6中所展示的Z运动，如上文所论述。通过挠曲件围绕X的扭转与透镜沿着Z从挠曲件的偏移的组合来获得沿着Y的透镜运动，如由图7提供的侧视图中所展示。通过致使挠曲件呈现蜿蜒S形状的剪切型弯曲来获得沿着Z的透镜运动，如图8中所展示。

对于一些实施例，使用光刻技术得到多部分杠杆的处理步骤可如下。最终变为包含多部分杠杆的光学试验电路板的起始材料为可从众多商业来源获得的原始绝缘体上硅晶片。衬底为n型硅，而在此实例中，具有在衬底的顶部上的1微米厚的二氧化硅层及15微米厚的顶部p+型硅层。将由此顶部硅层建造多部分杠杆。

轻微氧化所述晶片且接着将其金属化以形成可用于激光器或其它组件的电触点的高速迹线。接着蚀刻顶部硅晶片，在SiO2层处停止且环绕多部分手柄形成腔。接着借助KOH溶液蚀刻氧化物下方的硅以底切并释放多部分杠杆。注意，KOH为选择性的且将不蚀刻顶部p+掺杂层。最后的快速氧化物蚀刻清除在机械组件下方的任何剩余氧化物。最后，施加另一金属化物层、后续接着沉积焊料以在杠杆臂上形成焊料结构且如果需要那么形成金属化物。可使用有角度蒸发以允许金属化物进入杠杆臂下方的凹槽中。

一旦完成光学试验电路板，便可以约<+/-5um的机械公差将一个或一个以上激光二极管焊接成组合件。接着可使用(举例来说)焊料或耐高温环氧树脂将每一多部分杠杆的透镜固定到固持器。最后，可在输入波导大概对准的情况下附接光纤尾纤或PLC。

存在在已实现对准之后固定杠杆的位置的各种其它方式。举例来说，并非电熔化焊料以锁定臂，而是可使用激光来加热焊料，这在此项技术中可称为激光焊接。还可使用可以热方式、借助UV光或其组合来固化的环氧树脂。并非在杠杆的两侧上具有焊料，而是可具有在一侧的仅一个焊料球并通过将杠杆推动到熔融焊料球中来对准部分。最后，可通过直接激光焊接硅来将臂固定于适当位置中。

因此，本发明的方面涉及一种基于MEMS的对准技术。虽然描述了某些实施例，但应认识到，本发明的各种方面包含本发明所支持的新颖及不明显的技术方案。

Claims (7)

1.一种用于定位光学组件的机构，其包括：

第一挠曲件，其耦合到底座；

结构，其耦合到所述第一挠曲件，所述结构大体呈四边形的形式，所述结构包含具有第一定向方向的第一对挠曲件、具有第二定向方向的第二对挠曲件、耦合所述第二对挠曲件中的挠曲件的水平部件、在所述第一对挠曲件之间的第二部件以及用于光学组件的支架，所述第一挠曲件耦合到所述水平部件，所述第一定向方向大致正交于所述第二定向方向；及

伸长臂，其大体从所述结构延伸，通过所述第二对挠曲件的挠曲件连接到所述水平部件。

2.根据权利要求1所述的机构，其中大体呈四边形的形式的所述结构为大体呈平行四边形的形式的结构。

3.根据权利要求1所述的机构，其中用于所述光学组件的所述支架在所述第一对挠曲件中的挠曲件之间。

4.根据权利要求1所述的机构，其中所述第一对挠曲件和所述第二对挠曲件中的每一挠曲件约束其端沿第三方向的相对运动，所述第三方向大致正交于所述第一定向方向及所述第二定向方向。

5.根据权利要求4所述的机构，其中所述第一对挠曲件中的每一挠曲件约束其端沿所述第一定向方向的相对运动，且所述第二对挠曲件中的每一挠曲件约束其端沿所述第二定向方向的相对运动。

6.根据权利要求1所述的机构，其中用于所述光学组件的所述支架耦合到所述第二部件。

7.根据权利要求1所述的机构，其中所述伸长臂连接到所述第一对挠曲件中的挠曲件的一者的一端且耦合到所述第二对挠曲件中的挠曲件的一者的一端。