CN103605197A - 二维光纤精密定位耦合器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

二维光纤精密定位耦合器及其制作方法，属于光纤耦合连接器件制造领域，为解决现有技术借助机械夹具固定光纤的位置，限制了光纤的定位精度的问题，本发明将光纤逐根插入两片光纤精密定位镍片，且与镍片定位片、定位柱和耦合器封装保护外壳进行装配，并向保护外壳内及裸露光纤端头灌装树脂类材料进行封装；光纤定位微孔的精度可以达到亚微米级甚至更高，利用多组定位片实现高精密定位二维光纤阵列的轴向角定位精度，借助树脂封装固化使得二维光纤阵列得到永久固定，光纤阵列端面经过抛光处理后可达到光学级别的平整度；该方法制作的二维光纤阵列耦合器可以满足与二维点阵光源等高精密光学设备耦合连接的要求，且制造工艺简单，易于实现标准化制作。

Description

二维光纤精密定位耦合器及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种二维光纤精密定位耦合器及其制作方法，属于光纤耦合连接器件制造领域。

背景技术

光纤耦合器是光纤与光纤，光纤与光学系统之间进行连接的器件，它使光束与光纤对接起来，以使光能量最大限度地耦合到接收光纤，提高整个光纤系统的光能量传输效率。目前，光纤耦合器一般采用盲孔或V型槽收容固定光纤，使用盲孔需要很好地控制盲孔的直径大小，避免较大的盲孔直径使光纤在盲孔内发生位移，从而影响光纤的定位精度及耦合效率。V型槽可以实现精确的光纤定位，但难以满足二维光纤阵列制备的要求。

二维光纤阵列，尤其是高精密定位二维光纤阵列作为输入输出端或中间耦合连接链路，在光通信、光计算等光学系统中具有重要的应用价值。然而高精密定位二维光纤阵列容易设计，在实际中却难以实现。

现有的的二维光纤阵列耦合器的制备方法，在透明基底上制备二维的沟槽结构作为光纤限位插孔，在沟槽的底部制造微型的光学探针，利用氢氟酸对光纤端头进行腐蚀，制造中空的光纤端头，最后将中空光纤与基底的光学探头进行对接，实现光纤阵列的定位。该方法只能实现几个微米的光纤定位精度且难以保证光纤端面与轴向的垂直度。或者采用精密刻蚀的方法在硅片双面腐蚀出定位沟槽作为光纤阵列的支撑定位结构，将光纤阵列定位与硅片沟槽并列叠加排布形成二维光纤阵列。该方法需要制备的硅片厚度很小（几个微米的厚度），而沟槽处厚度更小，所以真正实现二维光纤阵列难度较高。

目前光纤阵列定位方法的一个重要特点是，借助机械夹具固定光纤的位置，所以光纤的最终定位精度取决与光纤的机械夹具，而机械夹具的加工精度限制了光纤的最终定位精度。由于机械加工固有的限制，很难获得定位精度足够高的光纤阵列来满足不断发展的高精密光学系统的要求。

发明内容

为了解决以上问题，本发明利用UV-LIGA、树脂封装与抛光工艺技术制造一种二维光纤精密定位耦合器。

本发明解决技术问题的技术方案如下：

二维光纤精密定位耦合器，包括镍片固定片、光纤定位镍片、耦合器封装保护外壳、定位柱和光纤阵列；

镍片定位片中心具有光纤阵列通孔，且在圆环面上均匀分布四个定位柱通孔；

光纤精密定位镍片中心具有方形的光纤阵列定位微孔阵列，且在圆环面上均匀分布四个定位柱通孔；

耦合器封装保护外壳底部中心具有光纤阵列通孔，底部还具有均匀分布四个定位柱通孔，上部具有凹槽；

从上到下分别为镍片定位片、两片光纤精密定位镍片和镍片定位片，四层结构之间具有空隙，组成夹层结构，且下面的镍片定位片设置在耦合器封装保护外壳上的凹槽上；

定位柱经过镍片定位片、以光纤精密定位镍片及耦合器封装保护外壳上相对应的定位柱通孔，定位柱成对设置；

光纤阵列设置在整个装置的中心部分，与光纤阵列通孔和光纤阵列定位微孔阵列相对应。

二维光纤精密定位耦合器的制作方法，包括以下具体步骤：

步骤一、利用紫外光刻技术在带有导电金属薄膜的基底上制作出二维微柱阵列，包括与光纤阵列对应的微柱阵列和与定位柱对应的微柱阵列，其两者的具体尺寸需要根据光纤与定位微孔的穿插难易程度、定位精度和加工工艺精度方面的具体因素而确定；

步骤二、利用精密电镀技术对上述基片进行电镀镍处理，电镀的镀层厚度不能超过步骤一中微柱阵列的高度，将镀层与所述基片分离、清洗后得到带有光纤定位微孔阵列和定位柱通孔的光纤定位镍片；

步骤三、将一片镍片定位片放置与两片光纤定位镍片之间；再将光纤逐根插入该两片光纤定位镍片上的光纤定位微孔阵列中，形成光纤阵列；将定位柱安装于耦合器保护外壳内的定位孔；将光纤阵列尾端穿入一片镍片定位片上的光纤阵列通孔并通过耦合器保护外壳内的光纤阵列通孔引出；在光纤阵列端头方向光纤定位镍片上方设置一片镍片定位片，且光纤阵列穿过该镍片定位片的光纤阵列通孔；然后将装配好的镍片定位片、光纤定位镍片、镍片定位片、光纤定位镍片与镍片定位片五层夹层结构安装于定位柱并置于凹槽处，向保护外壳空腔及裸露光纤端头灌装树脂类材料进行封装，静置直至树脂完全自然固化；

步骤四、对光纤端面进行抛光处理，首先要对光纤端面进行切削，去除多余的封装树脂材料并使光纤端面暴露出来，获得初步平整的光纤阵列端面；然后再对端面进行精密抛光处理获得表面平整且与轴向垂直的耦合器。

本发明的有益效果是：本发明利用已经非常成熟的UV-LIGA技术，可以制造精密二维光纤阵列定位器，光纤定位微孔的精度可以达到亚微米级甚至更高，利用多组定位片实现高精密定位二维光纤阵列的轴向角定位精度，借助树脂封装固化使得二维光纤阵列得到永久固定，光纤阵列端面经过抛光处理后可达到光学级别的平整度。该方法制作的二维光纤阵列耦合器可以满足与二维点阵光源等高精密光学设备耦合连接的要求，且制造工艺简单，易于实现标准化制作。

附图说明

图1为本发明的二维光纤精密耦合器结构示意图。

图2为本发明的二维光纤精密耦合器镍片定位片的结构示意图。

图3为本发明的二维光纤精密耦合器光纤定位镍片结构示意图。

图4为本发明的二维光纤精密耦合器的密封固定保护外壳结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明二维光纤精密定位耦合器，包括如下部分：镍片固定片1、光纤定位镍片2、耦合器封装保护外壳3、定位柱4和光纤阵列5。

如图2所示，镍片定位片1中心具有光纤阵列通孔7，且在光纤阵列通孔7周围均匀分布定位柱通孔6。

如图3所示，光纤精密定位镍片2中心具有光纤阵列定位微孔阵列8，且在光纤阵列定位微孔阵列8周围均匀分布定位柱通孔6。

如图4所示，耦合器封装保护外壳3底部中心具有光纤阵列通孔7，底部还具有均匀分布定位柱通孔6，上部具有凹槽9。

从上到下分别为镍片定位片1、光纤精密定位镍片2、镍片定位片1、光纤精密定位镍片2和镍片定位片1，五层结构之间具有空隙，组成夹层结构，且该夹层结构设置在耦合器封装保护外壳3上部的凹槽9上。

定位柱4经过镍片定位片1、以光纤精密定位镍片2及耦合器封装保护外壳3各层上相对应的定位柱通孔6，定位柱4成对设置。

光纤阵列5设置在整个装置的中心部分，与光纤阵列通孔7和光纤阵列定位微孔阵列8相对应。

该耦合器的中空部分和耦合的光纤端头采用树脂类材料进行封装。由两片光纤定位镍片2和三片镍片定位片1组成的夹层结构，使两片光纤定位镍片2平行排布，定位柱4限制了光纤定位镍片2在光纤轴向垂直平面内的扭转，使得光纤阵列5在光纤定位镍片2之间及靠近光纤定位镍片2的部分形成紧密的二维阵列排布。将上述部件安装于耦合器封装保护外壳3的凹槽9处后，借助树脂材料对耦合器进行封装，使光纤与其它部件粘合成为实体结构。最后，可以根据实际情况灵活地控制光纤端头的抛光深度。为了控制光纤阵列端面的排布精度，一般抛光面要到最外侧镍片定位片1表面。

本发明提供一种二维光纤精密定位耦合器的制作方法，基于UV-LIGA、树脂封装与抛光技术，包括以下具体步骤：

步骤一，在表面带有导电金属薄膜的基片上涂覆光刻胶，利用紫外光刻技术在该基片上制作出二维微柱阵列，包括与光纤阵列5尺寸对应的微柱阵列和与定位柱4尺寸对应的微柱阵列，其两者的具体尺寸需要根据光纤与定位微孔的穿插难易程度、定位精度和加工工艺精度方面的具体因素而确定。

步骤二，利用精密电镀技术对上述基片进行电镀镍处理，电镀的镀层厚度不能超过步骤一中光刻胶的厚度，将镀层与所述基片分离、超声波清洗后得到带有光纤定位微孔阵列8和定位柱通孔6的光纤定位镍片2。

步骤三，将一片镍片定位片1放置与两片光纤定位镍片2之间；再将光纤逐根插入该两片光纤定位镍片2上的光纤定位微孔阵列8中，形成光纤阵列5；将定位柱4安装于耦合器保护外壳3内的定位孔6；将光纤阵列5尾端穿入一片镍片定位片1上的光纤阵列通孔7并通过耦合器保护外壳3内的光纤阵列通孔7引出；在光纤阵列5端头方向光纤定位镍片2上方设置一片镍片定位片1，且光纤阵列5穿过该镍片定位片1的光纤阵列通孔7；然后将装配好的镍片定位片1、光纤定位镍片2、镍片定位片1、光纤定位镍片2与镍片定位片1五层夹层结构安装于定位柱4并置于凹槽9处。向保护外壳3空腔及裸露光纤端头灌装树脂类材料进行封装，静置直至树脂完全自然固化（也可采用其它方法加快固化速度）。

步骤四，对光纤端面进行抛光处理，首先要对光纤端面进行初步切削，去除多余的封装树脂材料并使光纤端面暴露出来，获得初步平整的光纤阵列端面；然后再对端面进行精密抛光处理获得表面平整且与轴向垂直的耦合器。

Claims (3)

1.二维光纤精密定位耦合器，其特征是，包括镍片定位片（1）、光纤定位镍片（2）、耦合器封装保护外壳（3）、定位柱（4）和光纤阵列（5）；

镍片定位片（1）中心具有光纤阵列通孔（7），且在光纤阵列通孔（7）周围均匀分布四个定位柱通孔（6）；

光纤定位镍片（2）中心具有方形的光纤阵列定位微孔阵列（8），且在光纤阵列定位微孔阵列（8）周围均匀分布四个定位柱通孔（6）；

耦合器封装保护外壳（3）上部具有凹槽（9），底部中心具有光纤阵列通孔（7），且在光纤阵列通孔（7）周围均匀分布四个定位柱通孔（6）；

从上到下分别为镍片定位片（1）、光纤定位镍片（2）、镍片定位片（1）、两片光纤定位镍片（2）和镍片定位片（1），五层结构之间具有空隙，组成夹层结构，该夹层结构设置在耦合器封装保护外壳（3）上部的凹槽（9）上；所述五层结构中上下层结构上的四个定位柱通孔（6）相对应，定位柱（4）穿过各层定位柱通孔（6）；

光纤阵列（5）穿过各光纤阵列通孔（7）和光纤阵列定位微孔阵列（8）。

2.根据权利要求1所述的二维光纤精密定位耦合器，其特征是，所述定位柱（4）成对设置。

3.权利要求1所述的二维光纤精密定位耦合器的制作方法，其特征是，包括以下具体步骤：

步骤一，在表面带有导电金属薄膜的基片上涂覆光刻胶，利用紫外光刻技术在该基片上制作出二维微柱阵列，包括与光纤阵列（5）尺寸对应的微柱阵列和与定位柱（4）尺寸对应的微柱阵列，其两者的具体尺寸需要根据光纤与定位微孔的穿插难易程度、定位精度和加工工艺精度方面的具体因素而确定；

步骤二，利用精密电镀技术对上述基片进行电镀镍处理，电镀的镀层厚度不能超过步骤一中光刻胶的厚度，将镀层与所述基片分离、超声波清洗后得到带有光纤定位微孔阵列（8）和定位柱通孔（6）的光纤定位镍片（2）；

步骤三，将一片镍片定位片（1）放置与两片光纤定位镍片（2）之间；再将光纤逐根插入该两片光纤定位镍片（2）上的光纤定位微孔阵列（8）中，形成光纤阵列（5）；将定位柱（4）安装于耦合器保护外壳（3）内的定位孔（6）；将光纤阵列（5）尾端穿入一片镍片定位片（1）上的光纤阵列通孔（7）并通过耦合器保护外壳（3）内的光纤阵列通孔（7）引出；在光纤阵列（5）端头方向光纤定位镍片（2）上方设置一片镍片定位片（1），且光纤阵列（5）穿过该镍片定位片（1）的光纤阵列通孔（7）；然后将装配好的镍片定位片（1）、光纤定位镍片（2）、镍片定位片（1）、光纤定位镍片（2）与镍片定位片（1）五层夹层结构安装于定位柱（4）并置于凹槽（9）处，向保护外壳（3）空腔及裸露光纤端头灌装树脂类材料进行封装，静置直至树脂完全自然固化；

步骤四，对光纤端面进行抛光处理，首先要对光纤端面进行初步切削，去除多余的封装树脂材料并使光纤端面暴露出来，获得初步平整的光纤阵列端面；然后再对端面进行精密抛光处理获得表面平整且与轴向垂直的二维光纤精密定位耦合器。

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