IT202000010336A1 - APPARATUS FOR COUPLING LIGHT INTO AN OPTICAL FIBER - Google Patents
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Description
Brevetto per invenzione industriale da titolo: Patent for industrial invention entitled:
?APPARECCHIO PER ACCOPPIARE LA LUCE IN UNA FIBRA OTTICA? ?DEVICE FOR COUPLING LIGHT INTO AN OPTICAL FIBER?
Campo dell'invenzione Field of invention
La presente invenzione riguarda una disposizione comprendente una fibra ottica avente almeno un nucleo di fibra, un ricoprimento della fibra ottica ad un'estremit? della fibra ottica che si sovrappone parzialmente e/o completamente all'estremit? della fibra e che ha un'apertura centrale sulla sua faccetta che espone il nucleo della fibra, e un dispositivo optoelettronico sulla faccetta del ricoprimento della fibra ottica per l'accoppiamento e / o la ricezione della luce nel / dal nucleo della fibra. The present invention relates to an arrangement comprising an optical fiber having at least one fiber core, a shroud of the optical fiber at one end and a fiber core. of the optical fiber that overlaps partially and/or completely at the extremity? of the fiber and having a central opening on its facet which exposes the fiber core, and an optoelectronic device on the facet of the optical fiber overlay for coupling and/or receiving light into/from the fiber core.
Sfondo Background
I dispositivi optoelettronici qui definiti sono dispositivi per l'emissione di luce e / o per la ricezione di luce. I dispositivi optoelettronici per l'emissione di luce comprendono sorgenti luminose come ad esempio, senza essere limitati a ci?, diodi a emissione di luce (LED), LED a cavit? risonante (RCLED), laser a cavit? verticale a emissione superficiale (VCSEL), diodi laser compatti ad azionamento elettrico, matrici di VCSEL e matrici emettitrici di luce. I dispositivi optoelettronici per la ricezione della luce comprendono, senza essere limitati a ci?, rivelatori di luce come ad esempio fotodiodi, rivelatori a singolo fotone, fotodiodi a valanga (APD) o moduli di conteggio a singolo fotone (SPCM). Altri dispositivi, che possono emettere luce e ricevere luce, possono combinare tali tecnologie o comprendere dispositivi basati su sistemi fisici quantistici. The optoelectronic devices defined herein are devices for emitting light and/or for receiving light. Optoelectronic light emitting devices include light sources such as, but not limited to, light emitting diodes (LEDs), cavity LEDs, and resonant (RCLED), laser cavity? vertical surface-emitting (VCSEL), electrically actuated compact laser diodes, arrays of VCSELs, and light-emitting arrays. Optoelectronic light receiving devices include, but are not limited to, light detectors such as photodiodes, single photon detectors, avalanche photodiodes (APDs), or single photon counting modules (SPCMs). Other devices, which can emit light and receive light, may combine these technologies or include devices based on quantum physics systems.
Questi dispositivi optoelettronici consentono di collegare un dispositivo elettronico o elettrico, come ad esempio un componente a semiconduttore ad una fibra ottica ricoperta alla sua estremit? da un ricoprimento della fibra ottica come ad esempio una ferula aventi un'apertura centrale per far passare la luce dentro o fuori dalla fibra ottica. Numerose applicazioni nel campo della trasmissione ottica di dati e della tecnologia dei sensori ottici richiedono un efficace accoppiamento e / o ricezione della luce in e / o da fibre ottiche, tra cui fibre a nucleo cavo (hollow core fiber) e fasci di fibre. A causa del piccolo diametro del nucleo della fibra ottica standard (circa 8 ?m per le fibre singolo modo (SM) e > 100 ?m per le fibre multimodali (MM)), il preciso allineamento e l?accoppiamento ottico di dispositivi optoelettronici e fibre ottiche rappresenta una sfida tecnica. In particolare, le soluzioni compatte e robuste, in cui i dispositivi optoelettronici sono integrati direttamente sulle estremit? delle fibre, offrono il principale vantaggio di poter essere utilizzate al di fuori di un laboratorio in condizioni ambientali difficili. Inoltre, la connessione elettrica compatta e affidabile del dispositivo elettro-ottico rappresenta una sfida tecnica. These optoelectronic devices allow you to connect an electronic or electrical device, such as a semiconductor component to an optical fiber coated at its end. by an overlay of the optical fiber such as a ferrule having a central opening for passing light into or out of the optical fiber. Numerous applications in the field of optical data transmission and optical sensor technology require effective coupling and/or reception of light into and/or from optical fibers, including hollow core fibers and fiber bundles. Due to the small core diameter of standard optical fiber (approximately 8 μm for single mode (SM) fibers and > 100 μm for multimode (MM) fibers), the precise alignment and optical coupling of optoelectronic devices and fibers optics represents a technical challenge. In particular, the compact and robust solutions, in which the optoelectronic devices are integrated directly on the ends? fibers, offer the main advantage of being able to be used outside a laboratory in difficult environmental conditions. Furthermore, the compact and reliable electrical connection of the electro-optical device presents a technical challenge.
Numerose applicazioni nel campo della trasmissione ottica di dati e della tecnologia dei sensori ottici richiedono l'accoppiamento efficiente della luce nelle fibre ottiche o l'accoppiamento efficiente della luce dalle fibre ottiche. A causa del piccolo diametro del nucleo della fibra ottica standard (circa 8 ?m per le fibre SM e > 100 ?m per le fibre MM), il preciso allineamento della sorgente luminosa (come diodi laser o LED) o il rivelatore di luce e la fibra ottica rappresenta una sfida tecnica. Numerous applications in the field of optical data transmission and optical sensor technology require efficient coupling of light into optical fibers or efficient coupling of light from optical fibers. Due to the small core diameter of standard optical fiber (about 8 µm for SM fibers and > 100 µm for MM fibers), the precise alignment of the light source (such as laser diodes or LEDs) or light detector and optical fiber is a technical challenge.
La disposizione attuale della tecnica comprende un dispositivo opto-elettronico per accoppiare la luce in una fibra ottica ? illustrata nella Figura 1-4 ed ? di seguito spiegata. Nelle Figure 1 e 2, nonch? nelle figure 3 e 4, sono mostrate due versioni miniaturizzate di una disposizione attuale della tecnica comprendente un dispositivo optoelettronico a fibra ottica per accoppiare la luce nella fibra ottica. La figura 1 mostra la prima versione della disposizione sotto forma di un pigtailed batterfly package che comprende un contenitore 8 coperto da un coperchio. Does the current state of the art include an opto-electronic device for coupling light into an optical fiber? shown in Figure 1-4 and ? explained below. In Figures 1 and 2, as well as? in Figures 3 and 4 , two miniaturized versions of a current arrangement of the art are shown comprising an optical fiber optoelectronic device for coupling light into the optical fiber. Figure 1 shows the first version of the arrangement in the form of a pigtailed butterfly package comprising a container 8 covered by a lid.
La figura 2 mostra il dispositivo della figura 1 con il coperchio rimosso dal contenitore 8. Come mostrato nella figura 2, il contenitore 8 include un chip laser 1 su un chip di supporto, un fotodiodo di monitoraggio 2, un termistore 3, un dispositivo di raffreddamento termoelettrico 5, una lente 6, un isolatore ottico 7, una finestra di uscita della luce 9, il pigtail della fibra 10 e cavi elettrici 11. Fig. 2 shows the device of Fig. 1 with the lid removed from the container 8. As shown in Fig. 2 , the container 8 includes a laser chip 1 on a carrier chip, a monitoring photodiode 2, a thermistor 3, a thermoelectric cooler 5, a lens 6, an optical isolator 7, a light exit window 9, the fiber pigtail 10 and electrical cables 11.
In questa realizzazione la sorgente luminosa ? adiacente ad un'estremit? della fibra ottica e tra i due elementi esiste una distanza. La dimensione totale della disposizione di Fig.1 e 2 pu? essere limitata a pochi centimetri grazie al suo batterfly package. A causa della sua relativa complessit?, questa disposizione non ? tuttavia sufficientemente robusta e risulta relativamente complessa da fabbricare. In this realization the light source ? adjacent to one end? of the optical fiber and there is a distance between the two elements. The total size of the arrangement of Fig.1 and 2 pu? be limited to a few centimeters thanks to its batterfly package. Due to its relative complexity, this arrangement is not however sufficiently robust and relatively complex to manufacture.
La disposizione delle figure 3 e 4, realizzata sotto forma di contenitori per transistor di tipo T.O./Transistor Outline (Transistor Outline Can Package), comprende un dispositivo opto-elettronico per accoppiare la luce in una fibra ottica. Questo pacchetto TO-can ? destinato ad applicazioni in Datacom e comprende un VCSEL 12, un sottoinnesto 13, una finestra di copertura piatta 14, un cilindro di plastica 15, una lente (di plastica) 16, un cilindro per il collegamento a una ferula in fibra 17 e contatti elettrici 18. The arrangement of Figures 3 and 4, made in the form of containers for transistors of the TO/Transistor Outline type (Transistor Outline Can Package), comprises an opto-electronic device for coupling light into an optical fiber. This package TO-can ? intended for applications in Datacom and includes a VCSEL 12, a sub-plug 13, a flat cover window 14, a plastic cylinder 15, a lens (plastic) 16, a cylinder for connection to a fiber ferrule 17 and electrical contacts 18.
A causa del pacchetto di contenitori TO con un diametro di soli 5,1 mm nel punto pi? largo del contenitore di un alloggiamento TO-46, questa disposizione occupa molto meno spazio rispetto alla versione batterfly package sopra descritta. Tuttavia, anche questo tipo di imballaggio non ? abbastanza compatto da garantire la scalabilit? dell?accoppiamento sorgente di luce-fibra. Grazie alla semplice connessione plug-in, le efficienze di accoppiamento di questo sistema sono relativamente basse. Due to the package of TO containers with a diameter of only 5.1mm at the narrowest point, Wider than the package of a TO-46 housing, this arrangement takes up much less space than the batterfly package version described above. However, even this type of packaging is not? compact enough to ensure scalability? of the light source-fiber coupling. Due to the simple plug-in connection, the coupling efficiencies of this system are relatively low.
Tuttavia, il pi? grande svantaggio delle due disposizioni note sopra mostrate nelle Figg. However, the most major disadvantage of the two known arrangements shown above in Figs.
1 a 4, comprendenti un dispositivo elettro-ottico per accoppiare la luce in una fibra ottica, ? la loro elevata sensibilit? alle fluttuazioni di temperatura e alle vibrazioni nonch? la relativa riduzione dell'efficienza di accoppiamento. Ci? impedisce l'uso di queste disposizioni in condizioni esterne sfavorevoli, come nel vano motore dei veicoli a motore o sensori negli impianti industriali o per applicazioni di sensori in fibra ottica nel campo delle scienze naturali (life science). I connettori stampati in 3D utilizzati nella ricerca offrono un'elevata efficienza di accoppiamento grazie al preciso allineamento di fibra ed emettitore di luce, ma sono molto complicati da produrre e non molto stabili. Soprattutto, tuttavia, entrambe le disposizioni della attuale tecnica sono quasi del tutto inadatte all'uso come elemento attivo di un sensore robusto e portatile, che pu? essere utilizzato per misurare le pi? piccole quantit? di sostanze, ad esempio per rilevare sostanze chimiche e biologiche in condizioni esterne difficili. 1 to 4 , comprising an electro-optical device for coupling light into an optical fiber, ? their high sensitivity? to temperature fluctuations and vibrations as well as? the relative reduction of the coupling efficiency. There? prevents the use of these arrangements in unfavorable external conditions, such as in the engine compartment of motor vehicles or sensors in industrial plants or for fiber optic sensor applications in the field of life sciences. The 3D printed connectors used in the research offer high mating efficiency due to precise alignment of fiber and light emitter, but are very complicated to manufacture and not very stable. Above all, however, both arrangements of the current art are almost entirely unsuitable for use as the active element of a rugged, portable sensor, which can be used to measure the pi? small quantities? of substances, for example to detect chemical and biological substances under difficult external conditions.
Sommario Summary
Uno scopo dell'invenzione ? quindi quello di fornire una disposizione del tipo definito dalle caratteristiche predefinite della rivendicazione 1 che non sia influenzata dagli svantaggi sopra menzionati della tecnica attualmente in uso e, soprattutto, sia insensibile ai cambiamenti delle condizioni ambientali e ha il minimo ingombro possibile. A purpose of the invention ? therefore that of providing an arrangement of the type defined by the predefined characteristics of claim 1 which is not influenced by the disadvantages mentioned above of the technique currently in use and, above all, which is insensitive to changes in environmental conditions and has the smallest possible bulk.
Un ulteriore scopo dell'invenzione ? quello di fornire una disposizione del tipo definito dalle caratteristiche predefinite della rivendicazione 1 che siano idonee all'uso come elemento attivo di un sensore robusto e portatile, che pu? essere usato per misurare le pi? piccole quantit? di sostanze, ad esempio per rilevare sostanze chimiche e biologiche in condizioni esterne difficili. A further object of the invention ? is to provide an arrangement of the type defined by the predefined features of claim 1 which are suitable for use as the active element of a rugged and portable sensor, which can be used as an active element. be used to measure the pi? small quantities? of substances, for example to detect chemical and biological substances under difficult external conditions.
Un ulteriore scopo dell'invenzione ? quello di fornire un metodo conveniente per fabbricare una disposizione dell'invenzione. A further object of the invention ? that of providing a convenient method for manufacturing an arrangement of the invention.
Questi scopi sono risolti per quanto riguarda le disposizioni dalle caratteristiche della rivendicazione 1 e per quanto riguarda il metodo dalle caratteristiche della rivendicazione 6. Gli sviluppi vantaggiosi dell'invenzione sono definiti nelle rispettive rivendicazioni secondarie. These objects are solved as regards the provisions by the features of claim 1 and as regards the method by the features of claim 6. The advantageous developments of the invention are defined in the respective subclaims.
L'invenzione fornisce quindi una disposizione comprendente una fibra ottica - avente almeno un nucleo di fibra, The invention thus provides an arrangement comprising an optical fiber - having at least one fiber core,
- un ricoprimento della fibra ottica ad un'estremit? della fibra ottica che si sovrappone parzialmente e/o completamente all'estremit? della fibra e presenta un'apertura centrale sulla sua faccetta che espone il nucleo della fibra, e - a covering of the optical fiber at one end? of the optical fiber that overlaps partially and/or completely at the extremity? of the fiber and has a central opening on its facet which exposes the core of the fiber, e
- un dispositivo optoelettronico alla faccetta del ricoprimento della fibra ottica per l'accoppiamento e / o la ricezione della luce nel / dal nucleo della fibra. Secondo l'invenzione, il dispositivo optoelettronico ? accoppiato al ricoprimento della fibra ottica che copre e/o circonda l'apertura centrale del ricoprimento della fibra ottica. - an optoelectronic device at the facet of the optical fiber overlay for coupling and/or receiving light into/from the fiber core. According to the invention, the optoelectronic device ? coupled to the optical fiber blanket covering and/or surrounding the central opening of the optical fiber blanket.
Il nucleo della fibra ottica ? la regione, lungo l?asse della fibra, in cui la luce ? guidata. Il nucleo della fibra ? tipicamente costituito di vetro o plastica ma pu? essere anche fatto di liquido o aria nel caso di fibre speciali (come le fibre microstrutturate). The core of the optical fiber ? the region, along the? axis of the fiber, in which the light is? guided. The core of the fiber ? typically made of glass or plastic but pu? also be made of liquid or air in the case of specialty fibers (such as microstructured fibers).
Poich? il dispositivo optoelettronico ? accoppiato al ricoprimento della fibra ottica per accoppiare luce e / o ricevere luce dal nucleo di fibra attraverso l'apertura centrale del ricoprimento della fibra, la disposizione dell'invenzione non ? influenzata dagli svantaggi sopra menzionati della tecnica attualmente in uso e soprattutto ? insensibile ai cambiamenti delle condizioni ambientali e ha la minima dimensione caratteristica possibile. Inoltre, i contatti elettrici sono realizzabili in modo molto compatto e robusto. Inoltre, l'accoppiamento del dispositivo opto-elettronico al ricoprimento della fibra ottica fornisce una disposizione diretta stabile o quantomeno una disposizione molto ravvicinata l'una rispetto all'altra in maniera stabile. Per esempio l?incollaggio o un'altra tecnologia di accoppiamento, in accordo con l'invenzione, rendono l?invenzione adatta all'uso come elemento attivo di un sensore robusto e portatile, che pu? essere utilizzato per misurare le pi? piccole quantit? di sostanze, ad esempio per rilevare inquinanti in condizioni esterne difficili. because the optoelectronic device ? coupled to the optical fiber overlay to couple light and/or receive light from the fiber core through the central opening of the fiber overlay, the arrangement of the invention is not coupled to the optical fiber overlay. influenced by the disadvantages mentioned above of the technique currently in use and above all ? insensitive to changes in environmental conditions and has the smallest possible characteristic size. Furthermore, the switch contacts can be implemented in a very compact and robust manner. Furthermore, the coupling of the opto-electronic device to the overlay of the optical fiber provides a stable direct arrangement or at least a very close arrangement with respect to each other in a stable manner. For example, bonding or other coupling technology, in accordance with the invention, make the invention suitable for use as the active element of a rugged, portable sensor, which can be be used to measure the pi? small quantities? of substances, for example to detect pollutants under difficult external conditions.
Vantaggiosamente il dispositivo opto-elettronico ? direttamente ed elettricamente accoppiato con la faccetta del ricoprimento della fibra ottica, ad esempio una ferula metallizzata, preferibilmente in maniera monolitica. Advantageously the opto-electronic device ? directly and electrically coupled with the facet of the optical fiber overlay, for example a metallized ferrule, preferably in a monolithic manner.
L'integrazione monolitica del dispositivo opto-elettronico con il ricoprimento della fibra ottica e la conseguente stabilit? della connessione consente di utilizzare il dispositivo per accoppiare la luce tra una fibra ottica e il dispositivo opto-elettronico, anche in condizioni difficili. Inoltre, il design compatto derivante da questa connessione consente un accoppiamento affidabile di matrici costituite da pi? fibre ottiche o dispositivi optoelettronici. The monolithic integration of the opto-electronic device with the covering of the optical fiber and the consequent stability? of the connection allows the device to be used to couple light between an optical fiber and the opto-electronic device, even under harsh conditions. In addition, the compact design resulting from this connection allows for reliable mating of arrays consisting of multiple? optical fibers or optoelectronic devices.
Il ricoprimento della fibra ottica ? costituito da un materiale elettricamente conduttivo o da un materiale elettricamente isolante o scarsamente conduttivo ricoperto da uno strato elettricamente conduttivo, in modo che il ricoprimento della fibra ottica sia in contatto elettrico diretto con il dispositivo optoelettronico. Il dispositivo optoelettronico ? collegato ad un qualche tipo di alimentatore ed impianto elettrico o elettronico, che ? in contatto con il ricoprimento della fibra ottica per chiudere il circuito elettrico. The coverage of the optical fiber ? made of an electrically conductive material or an electrically insulating or poorly conductive material covered with an electrically conductive layer, such that the covering of the optical fiber is in direct electrical contact with the optoelectronic device. The optoelectronic device ? connected to some type of power supply and electrical or electronic system, which ? in contact with the covering of the optical fiber to close the electrical circuit.
I dispositivi optoelettronici hanno angoli di accettazione/emissione che non corrispondono necessariamente all'angolo di accettazione (apertura numerica) della fibra ottica. In questo caso, sono necessari altri componenti ottici, come ad esempio lenti, da porre di fronte al dispositivo optoelettronico. Nel concetto inventivo, questi componenti devono essere integrati nella punta della fibra ottica di fronte al dispositivo opto-elettronico o integrati direttamente nella struttura del dispositivo opto-elettronico. Inoltre, tra il dispositivo opto-elettronico e la fibra ottica ? possibile posizionare nanostrutture metalliche e / o dielettriche come meta-lenti, pile dielettriche come riflettori Bragg distribuiti e / o cavit? ottiche come cavit? Fabry-P?rot. Optoelectronic devices have acceptance/emission angles that do not necessarily correspond to the acceptance angle (numerical aperture) of the optical fiber. In this case, other optical components, such as lenses, are required to be placed in front of the optoelectronic device. In the inventive concept, these components are to be integrated into the tip of the optical fiber facing the opto-electronic device or directly integrated into the structure of the opto-electronic device. Also, between the opto-electronic device and the optical fiber ? Is it possible to place metallic and/or dielectric nanostructures such as meta-lenses, dielectric stacks such as distributed Bragg reflectors and/or cavities? optics as a cavity? Fabry-P?rot.
Inoltre, l'invenzione fornisce un metodo per realizzare il dispositivo precedentemente descritto che comprende le seguenti fasi: Furthermore, the invention provides a method for making the above-described device comprising the following steps:
a) posizionare il dispositivo optoelettronico sul ricoprimento della fibra ottica di fronte all'apertura del ricoprimento della fibra ottica, e a) place the optoelectronic device on the optical fiber overlay facing the opening of the optical fiber overlay, and
b) fissare il dispositivo optoelettronico posizionato sul ricoprimento della fibra ottica mediante un adesivo elettricamente conduttivo, b) fix the optoelectronic device positioned on the covering of the optical fiber using an electrically conductive adhesive,
c) attaccare un ricoprimento della fibra ottica all?estremit? della fibra prima della fase a) o dopo la fase a) o dopo la fase b). c) attach a covering of the optical fiber to the end? of the fiber before phase a) or after phase a) or after phase b).
Vantaggiosamente il metodo comprende le seguenti fasi preparatorie prima della fase a): Advantageously, the method comprises the following preparatory steps before step a):
d) in caso di rivestimento isolante o scarsamente conduttivo della fibra ottica, depositare uno strato conduttivo sul ricoprimento della fibra ottica, eventualmente coprendo anche la sua apertura d) in case of insulating or poorly conductive coating of the optical fiber, deposit a conductive layer on the coating of the optical fiber, possibly also covering its opening
e) in caso di copertura della sua apertura, rimuovere lo strato in corrispondenza dell?apertura del ricoprimento della fibra ottica. e) in case of covering its opening, remove the layer in correspondence with the opening of the covering of the optical fiber.
? ulteriormente vantaggioso condurre, prima del passaggio a) le seguenti fasi preparatorie: ? further advantageous to conduct, before step a) the following preparatory steps:
f) in caso di rivestimento isolante o scarsamente conduttivo della fibra ottica, depositare un film sottile per favorire l'adesione sul ricoprimento della fibra ottica, eventualmente coprendo anche la sua apertura, f) in case of insulating or poorly conductive coating of the optical fiber, deposit a thin film to promote adhesion on the coating of the optical fiber, possibly also covering its opening,
g) depositare uno strato conduttivo sul film che favorisce l'adesione sul ricoprimento della fibra ottica, eventualmente coprendo anche la sua apertura, g) deposit a conductive layer on the film which favors adhesion on the covering of the optical fiber, possibly also covering its opening,
h) nel caso di ricoprimento dell?apertura, rimuovere lo strato conduttivo e / o il film che favorisce l?adesione dall'apertura del ricoprimento della fibra ottica. h) in the case of covering the opening, remove the conductive layer and / or the film that promotes adhesion from the opening of the covering of the optical fiber.
Secondo una forma di realizzazione preferita, lo strato sottile che favorisce l?adesione consiste in uno strato di titanio depositato usando un evaporatore a fascio di elettroni (EBPVD) e lo strato a conduzione elettrica ? costituito da uno strato d'oro; pi? preferibilmente il rivestimento non conduttivo della fibra ottica ? realizzato in materiale ceramico come una ferula, in cui lo strato di titanio ha uno spessore di circa 10 nm e lo strato d'oro ? di circa 150 nm. According to a preferred embodiment, the thin layer promoting adhesion consists of a layer of titanium deposited using an electron beam evaporator (EBPVD) and the electrically conductive layer ? consisting of a layer of gold; more preferably the non-conductive coating of the optical fiber ? made of ceramic material such as a ferrule, in which the titanium layer is about 10 nm thick and the gold layer is ? of about 150 nm.
Per promuovere il montaggio del dispositivo optoelettronico sul ricoprimento della fibra ottica viene effettuata la seguente procedura: To promote the assembly of the optoelectronic device on the covering of the optical fiber, the following procedure is carried out:
i) uno o pi? marcatori d?allineamento (23) sono incisi sull'estremit? del ricoprimento della fibra ottica (22) come guida di orientamento per l'attacco del dispositivo optoelettronico (20), in particolare un marcatore (23) corrispondente al contorno del dispositivo opto -elettronico (20) i) one or more? alignment markers (23) are engraved on the extremity? of the overlay of the optical fiber (22) as an orientation guide for the attachment of the optoelectronic device (20), in particular a marker (23) corresponding to the contour of the optoelectronic device (20)
prima del passaggio a), before step a),
o prima dei passaggi a) e d), or before steps a) and d),
o prima del passaggio a) e dopo il passaggio d), or before step a) and after step d),
o prima del passaggio a) e dopo il passaggio e). or before step a) and after step e).
In alternativa, Alternatively,
i) uno o pi? marcatori d?allineamento (23) vengono scritti sull'estremit? del ricoprimento della fibra ottica (22) come guida di orientamento per l'attacco del dispositivo optoelettronico (20), in particolare un marcature (23) corrispondente al contorno del dispositivo opto -elettronico (20) i) one or more? alignment markers (23) are written on the extremity? of the overlay of the optical fiber (22) as an orientation guide for the attachment of the optoelectronic device (20), in particular a marking (23) corresponding to the contour of the optoelectronic device (20)
prima del passaggio a), before step a),
o prima del passaggio a) e f), or before step a) and f),
o prima del passaggio a) e dopo il passaggio f), or before step a) and after step f),
o prima del passaggio a) e dopo il passaggio g), or before step a) and after step g),
o prima del passaggio a) e dopo il passaggio h). or before step a) and after step h).
Il laser usato per realizzare i marcatori di allineamento ? preferibilmente un laser a colorante UV pulsato o, preferibilmente, ? un laser a KrF con una lunghezza d'onda di 248 nm. The laser used to make the alignment markers ? preferably a pulsed UV dye laser or, preferably, ? a KrF laser with a wavelength of 248 nm.
In una forma di realizzazione particolarmente vantaggiosa del metodo secondo l'invenzione, viene fornita la seguente fase preparatoria prima della fase a): In a particularly advantageous embodiment of the method according to the invention, the following preparatory step is provided before step a):
k) mettere sulla faccetta del ricoprimento della fibra ottica un materiale trasparente, il cui indice di rifrazione ? adattato rispetto all'indice di rifrazione del materiale del nucleo della fibra ottica e all'indice di rifrazione del materiale del dispositivo optoelettronico in modo tale che l'indice di rifrazione del materiale trasparente si trovi tra l'indice di rifrazione del materiale del nucleo della fibra ottica e l?indice di rifrazione del materiale del dispositivo opto-elettronico; tale materiale trasparente ? messo dentro il nucleo della fibra ottica e / o nell'apertura del ricoprimento della fibra ottica. In aggiunta o in alternativa coprire l?estremit? della fibra ottica e / o la faccetta del rivestimento della fibra ottica con resina epossidica conduttiva, con accoppiamenti a base d'oro o d?indio, o a pasta conduttiva d?argento o per saldatura o sinterizzazione. k) put a transparent material on the facet of the optical fiber covering, whose refractive index ? matched with respect to the refractive index of the optical fiber core material and the refractive index of the optoelectronic device material such that the refractive index of the transparent material lies between the refractive index of the core material of the optical fiber and the refractive index of the opto-electronic device material; such transparent material ? placed into the optical fiber core and/or into the optical fiber overlay opening. In addition or alternatively cover the? extremity? of the optical fiber and / or the facet of the optical fiber coating with conductive epoxy resin, with couplings based on gold or indium, or with conductive silver paste or by soldering or sintering.
In alternativa, viene fornita la seguente fase preparatoria dopo la deposizione dello strato conduttivo, e in caso di copertura della sua apertura, successiva rimozione dello strato e / o del film sulla apertura: Alternatively, the following preparatory step is provided after the deposition of the conductive layer, and in case of covering its opening, subsequent removal of the layer and/or the film over the opening:
k) mettere sulla faccetta del ricoprimento della fibra ottica un materiale trasparente, il cui indice di rifrazione ? adattato rispetto all'indice di rifrazione del materiale del nucleo della fibra ottica e all'indice di rifrazione del materiale del dispositivo optoelettronico in modo tale che l'indice di rifrazione del materiale trasparente si trovi tra l'indice di rifrazione del materiale del nucleo della fibra ottica e l?indice di rifrazione del materiale del dispositivo opto-elettronico; tale materiale trasparente ? messo dentro il nucleo della fibra ottica e / o nell'apertura del ricoprimento della fibra ottica. In aggiunta o in alternativa coprire l?estremit? della fibra ottica e / o la faccetta del rivestimento della fibra ottica con resina epossidica conduttiva, con accoppiamenti a base d'oro o d?indio, o a pasta conduttiva d?argento o per saldatura o sinterizzazione. k) put a transparent material on the facet of the optical fiber covering, whose refractive index ? matched with respect to the refractive index of the optical fiber core material and the refractive index of the optoelectronic device material such that the refractive index of the transparent material lies between the refractive index of the core material of the optical fiber and the refractive index of the opto-electronic device material; such transparent material ? placed into the optical fiber core and/or into the optical fiber overlay opening. In addition or alternatively cover the? extremity? of the optical fiber and / or the facet of the optical fiber coating with conductive epoxy resin, with couplings based on gold or indium, or with conductive silver paste or by soldering or sintering.
Breve descrizione dei disegni Brief description of the drawings
Ulteriori dettagli e vantaggi dell'invenzione verranno ora spiegati in modo pi? dettagliato mediante un esempio mostrato nei disegni. Further details and advantages of the invention will now be more fully explained. detailed by means of an example shown in the drawings.
La figura 1 mostra una vista schematica di una prima versione di una disposizione della tecnica attualmente utilizzata comprendente un dispositivo opto-elettronico per accoppiare la luce in una fibra ottica, Figure 1 shows a schematic view of a first version of a currently used art arrangement comprising an opto-electronic device for coupling light into an optical fiber,
La figura 2 mostra una vista della struttura interna della disposizione della figura 1, La figura 3 mostra una vista schematica di una seconda versione di una disposizione della tecnica attualmente utilizzata comprendente un dispositivo opto-elettronico per accoppiare la luce in una fibra ottica, Figure 2 shows a view of the internal structure of the arrangement of Figure 1 , Figure 3 shows a schematic view of a second version of an arrangement of the currently used art comprising an opto-electronic device for coupling light into an optical fiber,
Fig. 4 mostra una vista della struttura interna della disposizione di Fig.3, Fig. 5a-c mostrano schematicamente i tre passaggi che descrivono il metodo inventivo per preparare il dispositivo secondo l'invenzione per accoppiare la luce in una fibra ottica o in un dispositivo optoelettronico, Fig. 4 shows a view of the internal structure of the arrangement of Fig.3 , Fig. 5a-c schematically show the three steps describing the inventive method for preparing the device according to the invention for coupling light in an optical fiber or in a optoelectronic device,
Fig. 6b / 6c mostrano schematicamente una variante della seconda e terza fase di Fig. 5a-c. Fig. 6b / 6c schematically show a variant of the second and third phase of Fig. 5a-c.
Le figure 1-4 sono spiegate nell'introduzione rispetto alla tecnica attualmente utilizzata. Figures 1-4 are explained in the introduction with respect to the currently used technique.
Contrariamente ai dispositivi della tecnica attualmente utilizzata descritti nell'introduzione, la disposizione secondo l?invenzione comprendente il dispositivo optoelettronico per accoppiare la luce in una fibra ottica o per ricevere la luce dalla fibra ottica non prevede alcuna distanza indesiderata tra il dispositivo optoelettronico e il nucleo della fibra, o quantomeno una distanza non superiore a quella esistente tra il dispositivo opto-elettronico e lo spessore del ricoprimento della fibra ottica adiacente all'apertura del ricoprimento della fibra ottica pi? i mezzi di accoppiamento, come ad esempio una colla per accoppiare il dispositivo optoelettronico al ricoprimento della fibra ottica, come mostrato in Fig.5c e Fig.6c. In contrast to the devices of the currently used art described in the introduction, the arrangement according to the invention comprising the optoelectronic device for coupling light into an optical fiber or for receiving light from the optical fiber does not provide any unwanted distance between the optoelectronic device and the core of the fiber, or at least a distance no greater than that existing between the opto-electronic device and the thickness of the optical fiber coating adjacent to the opening of the optical fiber coating more? the coupling means, such as for example a glue for coupling the optoelectronic device to the covering of the optical fiber, as shown in Fig.5c and Fig.6c.
La Fig.5c e la Fig.6c mostrano ciascuna l'estremit? 21 di un ricoprimento della fibra ottica 22 che incorpora e circonda, rispettivamente un'estremit? di una fibra ottica non mostrata (avente un rivestimento e un nucleo) e dotata di un dispositivo opto-elettronico 20. Il ricoprimento della fibra ottica 22 funge da uno dei collegamenti elettrici del dispositivo optoelettronico 20. Il secondo collegamento elettrico del dispositivo optoelettronico pu? essere di qualsiasi tipo, preferibilmente il dispositivo optoelettronico ? collegato tramite il secondo collegamento elettrico a un circuito stampato (PCB) non mostrato in Fig.5 e 6. Il dispositivo optoelettronico 20 mostrato nelle versioni di figure 5c e 6c ha una forma generica. Il ricoprimento della fibra ottica 22 ha un corpo cilindrico che circonda la fibra e presenta un'apertura centrale che espone almeno il nucleo ed il rivestimento della fibra. In Fig.5 e Fig.6 il ricoprimento della fibra ottica ? smussato sul bordo della sua copertura circolare. Fig.5c and Fig.6c each show the end? 21 of a covering of the optical fiber 22 which incorporates and surrounds, respectively, one end? of an optical fiber not shown (having a cladding and a core) and equipped with an optoelectronic device 20. The cladding of the optical fiber 22 serves as one of the electrical connections of the optoelectronic device 20. The second electrical connection of the optoelectronic device can? be of any kind, preferably the optoelectronic device ? connected via the second electrical connection to a printed circuit board (PCB) not shown in Figs. 5 and 6 . The optoelectronic device 20 shown in the versions of Figs. 5c and 6c has a generic shape. The optical fiber cladding 22 has a cylindrical body which surrounds the fiber and has a central opening which exposes at least the core and cladding of the fiber. In Fig.5 and Fig.6 the coverage of the optical fiber ? beveled on the edge of its circular cover.
Al fine di produrre il dispositivo per l'accoppiamento della luce in una fibra ottica, il dispositivo opto-elettronico 20 viene prima posizionato di fronte alla faccetta del ricoprimento della fibra ottica nell'area della sua apertura sopra il nucleo della fibra, come mostrato in Fig.6b secondo una variante di produzione manuale. Per garantire un corretto posizionamento del dispositivo opto-elettronico 20, la faccetta del ricoprimento della fibra ottica 22 pu? essere dotata in anticipo di marcatori di allineamento 23. Nella figura 6b, tali marcatori di allineamento 23 sono perfettamente sovrapposti al bordo del dispositivo opto-elettronico 20. In Fig.5b, gli angoli della parte di contatto del dispositivo optoelettronico sono contrassegnati sulla faccetta del ricoprimento della fibra ottica. Per fissare il dispositivo optoelettronico sull'area contrassegnata della faccetta del ricoprimento della fibra ottica 21, viene utilizzato un materiale trasparente il cui indice di rifrazione ? adattato a quello del nucleo della fibra o al materiale del dispositivo optoelettronico o ? compreso tra quello dei due materiali, e/o viene utilizzata una colla conduttiva o un metodo di incollaggio. In order to produce the device for coupling light into an optical fiber, the optoelectronic device 20 is first placed in front of the facet of the optical fiber overlay in the area of its aperture above the fiber core, as shown in Fig.6b according to a manual production variant. To ensure correct positioning of the opto-electronic device 20, the facet of the covering of the optical fiber 22 can be equipped in advance with alignment markers 23. In Fig. 6b , such alignment markers 23 are perfectly superimposed on the edge of the optoelectronic device 20. In Fig. 5b , the corners of the contact part of the optoelectronic device are marked on the facet of the coverage of the optical fiber. To fix the optoelectronic device on the facet marked area of the optical fiber overlay 21, a transparent material is used whose refractive index ? matched to that of the fiber core or optoelectronic device material or ? between that of the two materials, and/or a conductive glue or bonding method is used.
Oltre a tale assemblaggio manuale del dispositivo opto-elettronico effettuato mediante marcatori di allineamento, si pu? anche prendere in considerazione la produzione industriale, ad esempio utilizzando una macchina pick & place (micromanipolatore) che non richiede marcatori per favorire il montaggio, anzi il dispositivo opto-elettronico potrebbe essere posizionato da un processo controllato da video o qualsiasi altro metodo. In addition to such manual assembly of the opto-electronic device carried out by means of alignment markers, one can? also consider industrial production, for example using a pick & place machine (micromanipulator) which does not require markers to aid assembly, rather the opto-electronic device could be positioned by a video-controlled process or any other method.
Sulla base della Fig.5a-c, una variante del processo di produzione guidato manualmente viene ora spiegata in maggior dettaglio, in cui viene utilizzata un ricoprimento della fibra ottica (per esempio una ferula ceramica) elettricamente isolante, che viene resa elettricamente conduttiva prima che il montaggio effettivo del dispositivo opto-elettronico abbia luogo. Based on Fig.5a-c, a variant of the manually guided manufacturing process is now explained in more detail, in which an electrically insulating coating of the optical fiber (e.g. a ceramic ferrule) is used, which is made electrically conductive before the actual assembly of the opto-electronic device takes place.
Il dispositivo opto-elettronico 20 ? preferibilmente integrato sulla faccetta del ricoprimento della fibra ottica 22 in tre fasi di fabbricazione. Innanzitutto, un evaporatore a fascio di elettroni (EBPVD) viene utilizzato per depositare sul ricoprimento non conduttivo della fibra ottica 22 (preferibilmente una ferula ceramica) un film sottile come agente promotore dell'adesione, preferibilmente costituito da uno strato di titanio preferibilmente spesso 10 nm e uno strato di materiale elettricamente conduttivo, preferibilmente uno strato d'oro preferibilmente di 150 nm. A tale scopo, il ricoprimento della fibra ottica 22 viene posto in un evaporatore a fascio di elettroni in posizione inclinata di un angolo che va da 50 ? a 70 ?, preferibilmente di 60 ? rispetto alla direzione di evaporazione cos? da depositare il materiale elettricamente conduttivo sia sulla faccetta del ricoprimento della fibra ottica sia su una porzione della sua superficie esterna. Successivamente, entrambi gli strati vengono rimossi in corrispondenza del nucleo della fibra per mezzo di un laser, preferibilmente un laser a colorante pulsato, pi? preferibilmente un laser a KrF con una lunghezza d'onda della luce di 248 nm, e facoltativamente uno o pi? marcatori di allineamento 23 vengono scritti in pi? parti della faccetta del ricoprimento della fibra ottica per il successivo posizionamento del dispositivo optoelettronico 20 (vedi Fig.5a). Un opportuno supporto in plastica viene utilizzato per fissare la posizione e l'angolo tra il fascio laser di scrittura litografica e la parte superiore del ricoprimento della fibra ottica. Nella fase successiva (Fig.5b), il dispositivo opto-elettronico 20 ? allineato con un micromanipolatore, eventualmente utilizzando i marcatori di allineamento 23 presenti sullo strato conduttivo e poi fissato con un adesivo trasparente adattato all'indice di rifrazione (stato finale: Fig.5c). Il materiale di adattamento dell'indice di rifrazione viene utilizzato per ridurre al minimo le perdite ottiche, mentre un materiale epossidico / adesivo elettricamente conduttivo viene utilizzato per consentire il contatto elettrico. Il vantaggio dell'allineamento attivo ? che il dispositivo opto-elettronico ? precisamente allineato sul nucleo della fibra ottica assicurando allo stesso tempo che questi due elementi (materiale per l?adattamento dell?indice di rifrazione e la resina epossidica) siano posizionati con precisione e che non si mescolino sulla superfice del dispositivo o sulla faccetta della fibra ottica occludendo l?apertura corrispondente al nucleo della fibra ottica. The opto-electronic device 20 ? preferably integrated on the facet of the optical fiber overlay 22 in three manufacturing steps. First, an electron beam evaporator (EBPVD) is used to deposit on the non-conductive coating of the optical fiber 22 (preferably a ceramic ferrule) a thin film as an adhesion promoting agent, preferably consisting of a preferably 10 nm thick titanium layer and a layer of electrically conductive material, preferably a preferably 150 nm gold layer. For this purpose, the coating of the optical fiber 22 is placed in an electron beam evaporator in an inclined position at an angle ranging from 50 ? at 70 ?, preferably 60 ? compared to the direction of evaporation cos? to deposit the electrically conductive material both on the facet of the covering of the optical fiber and on a portion of its external surface. Subsequently, both layers are removed at the core of the fiber by means of a laser, preferably a pulsed dye laser, more preferably a KrF laser with a wavelength of light of 248 nm, and optionally one or more? alignment markers 23 are written in pi? parts of the facet of the optical fiber overlay for the subsequent positioning of the optoelectronic device 20 (see Fig.5a). A suitable plastic holder is used to fix the position and angle between the lithographic writing laser beam and the top of the optical fiber overlay. In the next step (Fig.5b), the opto-electronic device 20 is aligned with a micromanipulator, possibly using the alignment markers 23 present on the conductive layer and then fixed with a transparent adhesive adapted to the refractive index (final state: Fig.5c). Refractive index match material is used to minimize optical losses, while an electrically conductive epoxy/adhesive material is used to allow electrical contact. The advantage of active alignment ? that the opto-electronic device ? precisely aligned on the optical fiber core while ensuring that these two elements (refractive index matching material and epoxy resin) are precisely positioned and do not mix on the device surface or on the optical fiber facet occluding the opening corresponding to the nucleus of the optical fiber.
La fibra ottica pu? essere inserita nel ricoprimento della fibra ottica in modo che l'apertura posta sulla faccetta dell?estremit? del ricoprimento della fibra ottica sia vuota. In questo caso l'adesivo riempie l'apertura e colma il piccolo spazio tra il nucleo della fibra ottica e il dispositivo optoelettronico. ? anche possibile rimuovere la guaina dell'estremit? della fibra ottica; in questo caso l'anima e il rivestimento della fibra si introducono nell'apertura nella faccia terminale del ricoprimento della fibra ottica. In questo caso il materiale di adattamento dell?indice di rifrazione non deve necessariamente riempire la piccola apertura. The optical fiber can be inserted in the covering of the optical fiber so that the opening placed on the facet of the end? of the covering of the optical fiber is empty. In this case the adhesive fills the opening and bridges the small gap between the optical fiber core and the optoelectronic device. ? is it also possible to remove the sheath of the extremity? of the optical fiber; in this case the core and the cladding of the fiber are introduced into the opening in the end face of the cladding of the optical fibre. In this case the refractive index matching material need not fill the small aperture.
Come tecniche di incollaggio possono essere usate, ad esempio, senza essere limitati a ci?, la resina epossidica conduttiva, l?incollaggio tramite oro, saldanti come preformati o paste, incollaggio all'indio, la pasta conduttiva all'argento o la sinterizzazione. La fibra ottica pu? essere una struttura che guida la luce come ad esempio fibre monomodali, fibre multimodali, fibre multicore, fasci di fibre e matrici di fibre. Queste tecniche possono essere applicate a uno o pi? dispositivi optoelettronici contemporaneamente su uno o pi? ricoprimenti di fibra ottica. Pi? di una struttura che guida la luce pu? essere posizionata in un ricoprimento di fibra ottica, che pu? avere pi? aperture corrispondenti alle strutture che guidano la luce. As bonding techniques can be used, for example, but not limited to, conductive epoxy resin, gold bonding, solder as preforms or pastes, indium bonding, conductive silver paste or sintering. The optical fiber can be a light-guiding structure such as single-mode fibers, multimode fibers, multicore fibers, fiber bundles, and fiber arrays. These techniques can be applied to one or more? optoelectronic devices simultaneously on one or more? optical fiber overlays. Pi? of a structure that guides the light pu? be positioned in a covering of optical fiber, which pu? have more openings corresponding to the structures that guide the light.
L'estremit? della fibra pu? essere fissata in modo permanente, reversibile o non aderire all'interno del ricoprimento della fibra ottica. The extremity? of the fiber can? be permanently attached, reversible, or not adhered within the optical fiber sheath.
L'integrazione monolitica consente di utilizzare il componente in condizioni ambientali avverse. Monolithic integration allows the component to be used in adverse environmental conditions.
Elenco dei simboli di riferimento List of reference symbols
1 chip laser 1 laser chip
2 foto diodo 2 diode pictures
3 termistore 3 thermistor
4 chip carrier 4 chip carriers
5 radiatore termoelettrico 5 thermoelectric radiator
6 lente 6 lens
7 isolatore ottico 7 optical isolator
8 contenitore per componenti 8 component container
9 finestra di emissione della luce 9 light emission window
10 pigtail di fibra 10 fiber pigtails
11 cavi elettrici 11 electric cables
12 VCSEL 12VCSEL
13 supporto 13 support
14 copertura trasparente 14 transparent cover
15 cilindro 15 cylinder
16 lenti 16 lenses
17 cilindro per il collegamento a una ferula 17 cylinder for connection to a ferrule
18 collegamenti elettrici 18 electrical connections
19a Materiale adesivo 19a Adhesive material
19b Materiale per adattamento indice di rifrazione 20 dispositivo optoelettronico 19b Material for refractive index adaptation 20 optoelectronic device
21 faccetta del ricoprimento della fibra ottica 22 ricoprimento della fibra ottica 21 facet of the optical fiber overlay 22 overlay of the optical fiber
23 marcatori di allineamento 23 alignment markers
Claims (14)
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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Patent Citations (2)
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