CN1043540C - 光波导线路与光纤之间的连接方法 - Google Patents

光波导线路与光纤之间的连接方法 Download PDF

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Abstract

一种将光波导线路与光纤进行连接的方法，在用光刻法对光波导线路进行布图时，在光波导线路基片上同时形成光波导线路和标识，在该标识以外的区域形成包层并将光波导路填埋，把标识作为位置基准而形成配合销用沟，通过使用该配合销用沟来连接光波导线路模件和光纤连接器。由此，不必使用昂贵的确定位置的固定装置，能在短时间内非常简单地对光波导线路同光纤进行调心连接。

Description

光波导线路与光纤之间的连接方法
本发明涉及光通信系统中的光波导线路与光纤之间的连接方法。
通常，在光通信系统的构成中，使用光波导线路元件作为光零件。作为光波导线路元件，大致区分为：例如在Si基片上淀积具有不同折射率的石英玻璃而形成光波导线路；及在由GaAs、LiN等构成的特殊半导体基片上层叠各种组成的半导体薄膜而形成光波导线路。
为了在光通信系统中使这些石英类的光波导线路和半导体类的光波导线路执行作为光零件的功能，在这种情况下，为了实现光的输入和输出，就必须把这些光波导线路与光纤进行连接。即，必须把光波导线路的模型与光纤相互进行调心而连接。
对该连接方法，例如，是下述那样的方法，用连接石英类光波导线路的1×8分离器片和光纤的情况来说明该方法。
如图1(A)所示，在硅基片10上形成了构成输入输出光波导线路11的1×8分离器片12，如图1(B)所示，通过将其粘接到水槽形的金属制壳13内而进行固定，经退火而形成光波导线路零件。接着，如图1(C)所示，该光波导线路零件片12同壳13一侧端面13a一起与内插着1条光纤14的，能够以6个自由度转动的输入侧光纤连接器15进行对接。然后，如图1(D)所示，适当移动该输入侧光纤连接器15，使从光纤14入射光线并且在来自片12的各输出波导路11的输出光强变为最大的位置上，用YAG激光和粘接剂来把输入光波导线路11与光纤14的芯进行轴调心并连接起来。
而后，如图1(E)所示，以与片12的输出光波导线路11间的间距相同的间距，平行地固定8条光纤14的输出侧光纤连接器16，同壳13的另一端面13b对接。最后，如图1(F)所示，按6个自由度适当地移动该输出侧光纤连接器16，由光纤14入射光线，在来自8条光纤的输出光强度变到最大的位置上，使用YAG激光和粘接剂等来将输出光波导线路11和光纤14的芯进行轴调心并连接起来。由此，进行光波导线路同光纤的连接。
但是，在上述的连接方法情况下，没有用于对在光波导线路元件中形成的光波导线路与内插在光纤连接器中的光纤之间进行相互轴调心的基准，仅在光纤中导入光，只是以此时的输出光强度的大小来判断有无轴芯偏移的状态，则连接的可靠性较低。
而且，在上述连接方法的情况下，为了进行壳端面与光纤连接器的位置确定并将两者连接起来，对于一次连接，由于至少要有一小时的作业时间，则对于大量生产就是不可能的。而且必须要有极昂贵的位置决定固定装置。
本发明的目的是提供光波导线路与光纤之间的连接方法，不必用昂贵的位置决定固定装置，就能在短时间内非常简单地进行光波导线路与光纤的调心和连接。
该目的是通过下述的光波导线路与光纤的连接方法而实现的，当用光刻法对光波导线路进行布图时，在光波导线路基片上同时形成光波导线路和标识，在该标识以外的区域形成包层将光波导线路填埋，把标识作为位置基准而形成配合销用沟，使用该配合销用沟来连接光波导线路模件和光纤连接器。
图1(A)～(F)是表示现有光波导线路与光纤连接过程的示意图；
图2(A)～(E)是表示本发明方法中使用的光波导线路片的制造过程示意图；
图3(A)是在本发明的方法中使用的光纤用型芯平面图，(B)是(A)所示光纤用型芯的正视图，(C)是(A)所示光纤用型芯的侧视图；
图4(A)、(C)、(E)是为了说明本发明连接方法的连接部平面图，图4(B)、(D)、(F)是图4(A)、(C)、(E)所示连接部的侧视图；
图5是本发明的1×8树枝形分离器光波导线路片的示意平面图；
图6是沿图5的A-A线的断面图；
图7是本发明的施加了V沟加工的1×8树枝形分离器光波导线路片的平面图；
图8是图7所示的光波导线路片发射端一侧的侧面图；
图9是本发明的光波导线路模件的下部的示意斜视图；
图10是本发明的光波导线路模件出射端一侧的侧视图；
图11是本发明的光纤连接器的斜视图；
图12是用本发明的方法进行连接的状态的平面图及侧视图；
图13是在本发明第1实施例的光波导线路模件的制造过程中，波导线路芯和标识形成后的光波导线路基片的上面图；
图14是图13的光波导线路基片的剖面图；
图15是显示光波导线路基片的填埋区域的光波导线路基片上面图；
图16是V沟形成后的光波导线路基片的剖面图；
图17是光波导线路模件的装配状态剖面图；
图18是光波导线路模件与光纤的连接状态的剖面图；以及
图19是本发明的通过塑性成形而制成的光纤连接器的斜视图。
下面对照附图对本发明的实施例进行详细说明。
实施例1
首先，按下述那样制造光波导线路。
如图2(A)所示，在硅基片20上用火焰淀积法形成作为下部包层SiO2层21。如图2(B)所示，在SiO2层21上用火焰淀积法覆着作为光波导线路材料的SiO2+TiO2，从而形成光波导线路层22。作为基片材料，除了硅之外，也可以使用陶瓷、半导体材料、玻璃等。
采用通常的光刻法形成该光波导线路层22的布图，如图2(C)所示，形成光波导线路回路(平面光波线路)23和标识24。即，在光波导线路层22上形成抗蚀层(未图示)，利用与光波导线路回路23和标识24对应的掩膜而进行蚀刻，之后除去抗蚀层。
然后，如图2(D)所示，在含有标识24的区域上方布置掩膜25，在形成了光波导线路回路23和标识24的SiO2层上用火焰淀积法来淀积SiO2从而形成上部包层，这样来制造图2(E)所示的光波导线路片1。
然后制造作为光纤单元的光纤用型芯。
把对单晶硅板状体的表面和底面进行高精度加工使之成为平行的面作为基片，如图3(A)～(C)所示，在该基片30上形成8条光纤用V沟31和标识用V沟32。此时，各光纤用V沟31如下述那样形成：可以把在该沟31中布置的光纤33芯部34与光波导线路片的光波导线路回路23进行位置对合，即芯部34之间的间隔Y1与光波导线路回路23的中心之间的间隔成为相同。而且，标识用V沟32这样形成：光波导线路片的标识24能进行位置对合，即芯部34与标识用V沟32的中央部的间隔Y2和波导线路回路23的中心与标识24的中心的间隔成为相同。
在形成了光纤用V沟31和标识有V沟32的基片30上的各个光纤用V沟31中布置光纤33，在含有光纤用V沟31的区域上设置光纤压板35从而制成光纤用型芯2。
而后，如图4(A)和(B)所示，对于光波导线路片1和光纤用型芯2的连接的一个例子进行说明。首先，在其表面经过平面加工的支承板40上设置光波导线路片1和光纤用型芯2。此时，最好用粘接材料把光波导线路片1或光纤用型芯2固定在支承板40上。
接着，如图4(C)和(D)所示，把光波导线路片1的连接端面与光纤用型芯(单元)2的连接端面进行对接，沿图4(D)中的箭头方向加压力，而且，一边把光波导线路片1和光纤用型芯2压装到支承板40上，一边沿图4(C)中的箭头方向移动光纤用型芯2。进行该操作直到光波导线路片1的标识24的中心与光纤用型芯2的标识用V沟32的中心位置重合为止。这样，在把光波导线路片1的光波导线路回路23与安置在光纤用型芯2中的光纤33的芯部34进行位置重合结束之后，如图4(E)和(F)所示，用粘接材料等把光波导线路片1和光纤用型芯2固定到支承板40上。最好在把光波导线路片1和光纤用型芯2进行连接和固定之后除去支承板40。尽管在本实施例中，使用SiO2+TiO2作为光波导线路材料，用火焰淀积法作为形成方法来形成光波导线路层，但使用上述的其他光波导线路材料或使用其他的形成方法也可以得到本发明的效果。
实施例2
如图6所示，例如，在厚度为1mm的3英寸硅基片50的表面上，用火焰淀积法形成由石英玻璃构成的下部包层51。通过采用光刻和干蚀刻的半导体精细加工技术来形成图5所示的立体波导路结构。通过该加工，在硅基片50上，同时形成8条光波导线路回路52和2组V沟用标识53。V沟用标识53作为以后加工V沟时的位置和高度的基准。
接着，用火焰淀积法，仅填埋光波导线线路52，形成上部包层55。此时，V沟用标识53为了作为V沟加工时的基准就不进行填埋。由此，作为对特定部分不进行填埋的方法，例如，使用用硅板等的掩膜盖住该特定部分而进行火焰淀积的方法。并且，图中54表示以后所进行切削加工的V沟中心。
如图7所示，组合Y形分叉，光波导线路线路52具有把1条输入光波导线路56分叉成为8条输出光波导线路57的1×8树枝形分离器结构。以此在硅基片50上接连形成8条。在射出部分中的8条输出光波导线路57以250μm的间隔相互平行地排列那样形成。如图6所示，光波导线路线路的结构是：芯58的外周尺寸是8μm的四方形，折射率系数差为0.3％，单模式纤维和兼容的。
如图6所示，V沟用标识53，例如，是宽10μm、长30mm的2条线53a和53b以及宽3mm、长20mm的线53c以10μm的间隔平行地并列而构成，如图5所示，该组标识在8条光波导线路线路52的两侧形成。
此后，用真空卡盘将硅基片50固定，在其上用切片机进行切削加工而形成大致为V字形的沟(以下简称为V沟)。由此，进行V沟59和光波导线路56,57的位置组合，把预先设置在硅基片50上的V沟用标识53作为基准，例如，通过由CCD照像机的图像处理确定基片平面上的位置，而且用静电电容式位移计确定芯58上面的高度。通过切削加工而形成的V沟59的形状是：V部的角度(底部角度)约为60°，深度约为700μm。该V沟59这样设定：在嵌入直径为0.7mm的配合销61时，如图8所示，芯58的中心与配合销61的中心具有相同的高度。形成2个间距为4.6mm的V沟59夹住光波导线路56、57。
最后，由切割锯床把硅基片50切开分成8条片，制成形成了V沟59和光波导线路56、57的下部基片60。该片的形状为宽6.4mm长50mm。
而且，用切片机对陶瓷基片进行切削加工，为了压到配合销61的上面而形成2个大致为梯形的沟63，由切割锯床而切开分成各片，由此得到预定个数的压盖62。该片的形状为宽6.4mm、长50mm。
此后，如图9所示，把下部基片60通过粘接固定到固定台66上，然后，把长8mm直径为0.7mm的4条基片固定用销64布置到下部基片60的各个V沟59中。此时，基片固定用销64的长度方向的中心布置到位于分别离硅基片两端面60a、60b、12mm处。然后，如图10所示，在下部基片60上放置压盖62，用夹板弹簧65夹住下部基片60和压盖62并通过粘接而固定，从而制成光波导线路模件4。
象下述那样来制造光纤连接器。
首先，如图11所示，在由陶瓷构成的下部基片70上由切片机进行切削加工，形成容纳光纤的光纤用V沟71和位于光纤用V汉71两侧用于配合销61插入的用沟72。此时，光纤用V沟71和配合销用V沟72的中心位置设定成分别对应于下部基片60的端面60b中的芯58和V沟59的中心位置。通过切削加工而形成的光纤用沟71的形状是V部色度为60°，宽为210μm。而且，光纤用V沟71的间距为250μm。配合销用V沟72的形状是V部角度约为60°，深度约为700μm。该V沟72设定为：当嵌入直径为0.7mm的配合销61时，后述的各光纤73芯的中心与配合销61的中心为相同高度。形成2个相距4.6mm的配合销用V沟72以夹住各光纤用V沟。
由下述过程制造光纤连接器用压盖74：对陶瓷基片进行与压盖62相同的切削加工，为了能压到配合销61上面而形成2个大致为梯形的沟75。
接着，在下部基片70的光纤用V沟71上布置纤维外径125μm、间距250μm的带状8心单模式纤维73。把压盖74放置并压到下部基片70上，用环氧类粘结剂进行固定。此后，通过研磨对端面70a进行镜面加工，从而制成光纤连接器5。而且，通过本实施例，可用相同的方法制造与光波导线路模件4的出射端面60b进行连接的单心光纤连接器。
之后，如图12所示，在光波导线路模件4的2条V沟59中分别插入4条配合销61并进行连接，一边在多心和单心光纤连接器5的配合销用V沟72中进行把配合销61嵌入的位置确定，一边把各光纤连接器5同光波导线路模件4的两端面进行对接。此时，在对接界面上，涂覆装配油或装配润滑脂，就不会产生由菲涅尔反射而造成的损失。然后把压簧76插入固定台66，在对接面上附加适当的负荷。
因此，通过本实施例，由于通过分别插入配合销来对光波导线路模件和光纤连接器进行位置确定，因而就可以使在下部基片上形成的光波导线路及导向沟的位置关系同光纤连接器中的光纤及导向沟或导向孔的位置关系正确地保持一致。因此，可以在短时间内非常简单地进行光波导线路模件与光纤连接器之间的连接。通过本实施例，光波导线路元件和光纤连接器相互间可以装卸，由此，就可以把不同模式的光波导线路所形成的各光波导线路模件在不调心的条件下同光纤连接器互换并连接。
进行由本实施例制造的光波导线路元件和光纤连接器的连接试验并对连接损失进行检查，则连接损失平均为0.5dB，最大为1dB。光波导线路和光纤的轴偏移被抑制到很小程度，可以认为是以低损失而进行两者的连接。
实施例3
首先，通过在硅基片80上用火焰淀积法形成下部包层81和芯层，制成板式波导路。然后如图13(A)和图14所示，由光刻和干蚀刻对芯层进行图，形成波导路芯82和标识83。在基片上形成4组波导路芯82，在波导路芯82的两侧形成2条标识83，共计形成8条。而且，如图13(B)所示，在标识两侧形成宽2.5mm、长50mm的带状标识。在光刻中使用的照相掩膜上描绘波导路芯图形和标识图形两者。
然后，在图15(A)和(B)所示的波导路芯82上的填埋区域中，层叠上部包层84，填埋波导路芯82。而且，对于标识83，为了利用以后V形沟形成时的位置合并，在基一部分不层叠上部包层84。其可以这样实现：例如，在用硅板等覆盖着标识83一部分的状态下通过火焰淀积法层叠上部包层。
此后，如图16所示那样，对硅基片80用切片机进行切削加工，形成V沟85。在这种情况下，V沟85的中心位置与各标识的中心位置重合，把V沟85的深度调整为标识83的中心同V沟85中所插入的配合销86的中心相一致。然后在最后，用切割锯床把各光波导线路切断分开，得到多个光波导线路元件6。
把这样得到的光波导线路元件6同用与上述相同的切削加工形成沟的硅基片87，象图17所示那样，在配合销86嵌入到两者的沟的状态下，用弹簧88进行固定，或者，通过用粘接剂粘紧，从而制成嵌入用光波导线路模件7。把图18(A)所示嵌入用光波导线路模件7和18(B)所示光纤连接器8按图18(C)那样进行连接试验，两者能够以0.3～1.0dB程度的连接损失得到连接。
实施例4
在用与实施例2相同的方法制成下部基片60之后，研磨两端面60a、60b、通过粘结固定到固定台66上。然后4条配合销61的中心高度位于上述端面中的光波导线路56、57的中心高度处，如此布置到V沟59中，一边加压使上述V沟59的2面与配合销61紧贴，一边用粘接剂把上述配合销61固定到下部基片60上，从而制成光波导线路模件4。
把光纤连接器5与配合销61进行嵌入从而确定位置，同时与光波导线路模件4的两端面进行对接，而且对接界面上涂覆粘结剂，在对光波导线路模件4和光纤连接器5进行加压的同时，通过加热使粘结剂固化从而将两者连接起来。
通过与本实施例有关的光波导线路模件和光纤连接器的连接试验来对连接损失进行检查，损失平均为0.5dB，最大为1dB，由此确认两者可以连接。
然后，使用在350～450nm的波长范围中透过20％以上光线的结晶化玻璃作为其材料来制造光纤连接器及光波导线路用压盖。而且，在对接界面上涂覆的粘结剂是紫外线固化型，而且为了使对接界面处的菲涅耳反射较小则应使其折射率接近于石英玻璃，为1.456的材料，通过从对接上部照射紫外线来进行固化。
对于该方法，得到与上述连接试验相同的结果。而且，与使用热固型粘结剂的情况相比，作业时间可以大幅度缩短。
实施例5
使用硅代替陶瓷作为光纤连接器的材料，用切片机进行切削加工在其上形成V沟71,72，按实施例2那样对该光纤连接器进行装配，检查连接损失，初期特性与实施例2相同，平均损失为0.5dB，最大损失1dB，得出两者能够连接的结果。
而且，进行热循环试验，在-10°～60℃之间的试验中，损失变化为+0.2dB以下。因而，与使用陶瓷制的光纤连接器时的损失变化达0.5dB以上相对而言，可以认为得到了大幅度的改善。
通常，由于硅的线膨胀系数为2×10-6/℃，而陶瓷的线膨胀系数约为10×10-5/℃，则在光波导线路模件中使用硅而光纤连接器中使用陶瓷的情况下，由于热膨胀系数不同而在高温和低温时标识用V沟的间距在连接端面处产生约1μm的偏移。为了对其进行补偿，就要在光波导路模件或光纤连接器中产生弯曲，由此就带来了因轴偏移而产生损失。因此，损失变化变小是因为光波导线路模件的材料与光纤连接器的材料相同。
即，向本实施例所示那样，通过使用具有同一线膨胀系数的材料来制造光波导线路模件及光纤连接器，就不会产生那样的间距偏移，可以认为减小了因热循环而产生的损失变化。
实施例6
在本实施例中，为了证实由上述实施例5所说明的线膨胀系数不同对损失变化产生的影响，使用具有从1×10-6/℃到10×10-6/℃的每个相差1×10-6/℃线膨胀系数的10种结晶化玻璃陶瓷，分别制造光纤连接器，在上述温度下进行热循环试验。其结果证明了：在使用具有7×10-6/℃以下线膨胀系数的结晶化玻璃陶瓷的情况下，损失变化为+0.2dB以下。
由该结果，可以认为损失变化主要取决于光波导线路模件和光纤连接器的材料的线膨胀系数差。因此，在V沟72的间距为4.6mm程度的情况下，如果光波导线路模件和光纤连接器的线膨胀系数差为7×10-6/℃，高温和低温时的损失变化被抑制到较低。
实施例7
在本实施例中，用图19所示的通过塑性成形制成的光纤连接器来代替实施例2所述的陶瓷制光纤连接器，该光纤连接器通常是用做多芯纤维连接器的那类器件，与使用上述切片机进行切削加工而形成沟相比较，能以低成本进行批量生产。在本实施例情况下，可以证实，连接损失在每个点是平均0.5dB，最大1dB的损失，能进行两者的连接。
实施例8
在本实施例中，用与实施例2中所述的光波导线路模件相同的材料构成光波导线路模件。但是，用环氧类粘结剂把配合销与光波导线路模件和光纤连接器两者进行固定。由此因光波导线路模件和光纤连接器拆卸成为不可能，则可以使因振动等外部原因造成的光输出变化被大大抑制到0.02dB以下。
而且可以证明：在用粘结剂仅固定光波导线路模件或光纤连接器中任一个情况下，因振动等外部因素造成的光输出变化同样比没有固定的情况要小。
通过以上说明，用本发明的方法，不填埋标识，把该标识作为位置基准而进行调心，即，正确地使光波导线路元件上形成的光波导线路同导沟的位置关系，用光纤连接器中光纤同导向沟或导向孔的位置关系保持相一致来进行加工。光波导线路和光纤可以不调心而进行高精度连接。为此，组装时间大幅度缩短了，由于不填埋标识，可以进行目视，能很容易作为位置基准。
因而，光波导线路和光纤的轴偏移能抑制到较小，从而能进行低损失的光连接。由于通过分别插入配合销就能进行容纳光波导元件的光波导线路部件和光纤连接器的位置确定，则上述光波导线路部件同光纤连接器互相能进行装卸，由此，能够把光波导部件本身作为可装卸的一种连接器作用。因而，本发明的方法，与现有的用粘结剂等把光波导线路模件同光纤连接器半永久地固定及通过熔接等对从光波导线路部件伸出的猪尾巴状的光光纤同其他部件的光纤进行连接的方法相比，能够减小连接损失并削减连接部的多余长度容纳空间。
在本发明的方法中，通过把光波导线路模件和光纤连接器材料的线膨胀系数差保持在一定值以下，就能把高温及低温时的换失变化抑制在较小。

Claims (8)

1．一种光波导线路与光纤的连接方法，其特征在于：
在形成于一个第1基片上的下部包层上覆盖着光波导线路材料，通过用光刻法对该光波导线路材料进行布图，形成以一定的间隔并排设置的多条光波导线路以及和上述的多条光波导线路中的一条保持预定距离而定位的标识，
在形成有上述的多条光波导线路的区域中，以不覆盖上述标记的方式形成上部包层，从而形成光波线路，
在上述第1基片上，通过使用上述标识作为用于确定上述的第一配合销用沟的形成位置的基础标识，形成用于安置配合销、断面大致为V字形的第1配合销用沟，以制成光波导成路模件，
在第2基片上，与上述第1基板上的多条光波导线路及第1配合销用沟对应地形成有多条用于固定多根光纤的光纤用沟和用于安置上述配合销的第2配合销用沟或孔，
将上述的多根光纤分别固定到上述的多个光纤用沟或孔中，制成光纤连接器，
将配合销插入到上述光波导线路模件的第1配合销用沟及上述光纤连接器的第2配合销用沟或孔中，使上述的多根光纤和上述的多个光波导线路能够互相连接。
2．根据权利要求1所述的光波导路与光纤的连接方法，其特征于，配合销用沟这样形成：光波线路芯的中心与配合销中心为同一高度。
3．根据权利要求1所述的光波导路与光纤的连接方法，其特征在于：把压盖安装到基片和基体中的至少一个上。
4．根据权利要求1所述的光波导路与光纤的连接方法，其特征在于：对光纤连接器的端面进行镜面加工。
5．根据权利要求1所述的光波导路与光纤的连接方法，其特征在于：在光纤与光波线路的连接面上置入装配剂。
6．根据权利要求1所述的光波导路与光纤的连接方法，其特征在于：光波导路模件材料的线膨胀系数同光纤连接器材料的线膨胀系数大致相等。
7．根据权利要求1所述的光波导路与光纤的连接方法，其特征在于：光纤连接器通过塑性成形制成。
8．一种光波导线路与光纤的连接方法，其特征在于：在形成于一个第1基片上的下部包层上覆盖着光波导线路材料，通过用光刻法对该光波导线路材料进行布图，形成以一定的间隔并排设置的多条光波导线路以及和上述的多条光波导线路中的一条保持预定距离而定位的标识，
在形成有上述的多条光波导线路的区域中，以不覆盖上述标记的方式形成上部包层，以制成光波导线路模件，
在第2基片上形成多条用于安装多根光纤的、断面大致呈V字形的光纤用沟和位置与上述标识重合的、断面略呈V字形的至少一条标识用沟，
将上述的多根光纤放置到上述的多条光纤用沟中，制成光纤单元，
在上述第1基片和第2基片接触的状态下，使上述标识与上述的至少一条标识用沟的位置相互对准，从而使上述的多根光纤与上述的多条光波导线路分别连接起来。
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