CN107024739A - 集成二维光纤阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明的二维光纤阵列组件，包括相互配合的光纤导孔阵列块（较低成本）和光纤精密输出元件。导孔阵列块与精密输出元件都设有一组按指定位置度（间距）排列的二维通孔阵列。导孔阵列块上的通孔略大于精密输出元件上的通孔。采用一个光纤装载夹具将一1×N光纤阵列按要求的位置度排列固定好，然后将装载着1×N光纤阵列的光纤装载夹具插入对齐的导孔阵列块与精密输出元件的组合件上，并将光纤阵列固定到导孔阵列块上。然后移除光纤装载夹具，并重新装载新的1×N光纤阵列，重复该工序直到全部的1×N光纤阵列装配到位。由于使用了精密的光纤装载夹具，导孔阵列块的导通孔的尺寸不需要太高的精度，故可以使用相对便宜的导孔阵列块进行生产。

Description

集成二维光纤阵列
技术领域
本发明涉及光纤阵列领域，尤其涉及二维光纤阵列组件及装配方式。
背景技术
光学通信系统，特别是与电信和数据中心应用(例如光交叉连接OXC、光纤空间交换网络)，面临着不断增长的需求量。在目前基于互联网的计算设备的云互连,以及云存储功能应用日益广泛的今天，低成本、快速、简单信号切换的光通讯系统需求量正在逐渐增加。
二维光纤阵列的研发为光在M×N阵列任意一点输出及M×N阵列任意一点输入提供了一个可行性的方案，并且这类元件成本相对低廉。在这种无线路由模式中，M×N二维的光纤阵列通过一个M×N透镜阵列准直后在空间的后焦距面形成一组M×N的准直光束。以此，形成了空间路由的功能，举例来说，一对校准过后的二维MEMS阵列可以达成将光束由任意输出点耦合至任意输入点的功能。图1举例说明了一种能够提供该功能的典型结构。请注意该光学系统作为一个典型的共轭成像系统，故其光输出位置误差会直接影响到光接受的位置精度误差，即便是一个很小的(一微米数量级)的误差会为传输过程带来很大的插损，通常这类的插损问题被认为与光纤阵列中相邻的光纤纤芯的中心间距的变化带来的位置误差相关(以下简称为“位置间隔”)。
除去光纤之间的距离(位置间隔)不准确，光纤出光的指向精度差也会产生耦合损耗、光斑变形和散射噪声的问题。图2举例说明了一根光纤模型的指向精度误差的问题，该光纤由成型在基板4中的内孔3进行定位，如图所示，光纤1以一种离轴的方式穿过了内孔3，由此产生了一个光纤与水平方向(水平方向由平面2定义)偏离的倾斜角(θ)，该θ角定义为光纤的指向精度。并且，该结构也有可能造成光纤有一定程度的弯曲(图示未指出该点)，这样的弯曲也同样会造成出光精度的指向误差。在这样的结构下，指向精度不好的光纤阵列，在经过准直透镜聚焦后，形成的输出光相对该系统的光轴会产生错位。为了避免该错位(以避免光斑变形、散射噪声及串扰)，MEMS系统的透镜系统就需要扩大尺寸，带来了降低透镜阵列排列密度及增加MEMS系统设计复杂性的不良效果。这样，如何创建高密度空间光交叉连接的问题就在于二维光纤阵列需要有一个很好的位置精度误差及较小的出光指向精度误差。在此背景下，本专利所涉及的就是一个拥有很好指向位置精度要求(小于±1um)及满足小于±15mrd指向精度要求的产品。
目前，一种改善二维光纤阵列元件的方法是基于被多数高精度刻蚀(锥形)的硅片的使用，每个硅片单元有一个逐渐变小并且具有很高指向精度的导引孔阵列，该孔的设计要求有一个很大的“高宽比”(该比值为刻蚀的深度与刻蚀的宽度之间的比值)。从成本角度考虑，使用数个带该类型导引孔的硅片进行高精度对位的叠加使用，能够达到“大高宽比”的要求，并且成本较低(如果需要，孔间的高精度对位，目前的工艺是有可能实现的)。通常来说，想要制作一个很高“高宽比”的厚硅片十分昂贵，该专利设计将“高宽比”的需求转变为有一定间距相应两片硅片定位精度的要求，这同样可以保证指向精度的，但是这样的变化会引入硅片装配对位的操作难度。
另一个方面来说，使用一对互相定位好孔的硅片阵列，然后一次插入一根(或者一列)光纤，这样能够达到需要的对齐精度。用这种方法进行装配很耗时并且很繁琐，同样会带来一个较高的工序成本。同样的，这种配置的每一个部件精度要求十分高，这样最终的结构的价值也比较高。
美国专利6470123和6766086说明了这种现有技术的装配方式。由夏尔曼等人在2002年10月22日申请的美国专利6470123，描述了一种高密度的光纤阵列组装和组装方法,利用一系列分离、堆叠的导孔板形成一系列的光纤指向通道，这些导孔板堆叠封装在一个外壳内，这样每一片的底部都可以作为另一片的插入通道。在这种设计之下，光纤阵列可以使用夹具装配嵌入的方式，按组进行装配。由夏尔曼等人在2004年7月20日申请的美国专利6766086，描述了一种光纤阵列装置，包括：一个封装前壳体，具有矩阵排列光纤固定开口，且每个开口具有一个或多个侧壁。光纤穿过每个开口，并用一夹具将光纤侧面压靠到开口的一个或多个侧壁上，以精确定位和固定光纤。然后用粘接剂填充开口内及周围的所有空隙。在一具体实施例中，可移动前壳体后面的夹紧薄片，将光纤夹紧到前壳体的开口侧壁上。或者前壳体上设置弹性臂，用弹性臂末端将光纤夹紧到开口侧壁上，又或者沿前壳体的插槽设置细长的弹性元件，以将光纤压在与插槽关联对应的开口内。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种二维光纤阵列组件及其装配方法，在保证对位精度的同时，尽可能节约生产成本和简化组装元件和工序，特别适用于高精度M×N的2D光纤阵列。
在本发明中，一个二维光纤阵列组件需要使用一件2D光纤导孔阵列块作光纤预固定，该光纤导孔阵列块需要与光纤精密输出元件一样，具有同样2D排列顺序的通孔。光纤导孔阵列块的这些通孔在系统装配时用于对光纤进行预固定。由于需要进行预固定，这些通孔的孔径设计较大(实际需要略大于光纤涂覆层的外径)，使得1×N的光纤阵列装载到光纤导孔阵列块的过程更简便。光纤精密输出元件设置于光纤导孔阵列块上面并与其对准，使得已装载的1×N光纤阵列剥离的裸光纤尾端穿过光纤精密输出元件的光阑孔并从其上表面穿出。使用一个光纤装载夹具，将N根分离的光纤按预定的间距隔开排列固定。因为1×N光纤带预装载为一个阵列组件，因此在这些光纤依次穿过光纤导孔阵列块上的较大导通孔和光纤精密输出元件上的精密光阑孔的过程中，其精密位置间隔(由光纤装载夹具确定)保持不变。在每一列1×N的光纤阵列装配后，使用环氧树脂胶水(或类似材料)将该装配上的1×N光纤阵列的各光纤与光纤导孔阵列块的背面粘合在一起进行预固定。一旦一列光纤预固定完后，光纤装载夹具可以被移除与卸载，用以进行下一个1×N光纤阵列的装配与点胶预固定，重复该操作，直至完成整个二维光纤阵列的装配。
由于光纤导孔阵列块不需要太高的(位置和指向)公差精度，故该元件可以采用相对低价的材料与制造工艺达成，例如塑料等较低成本的材料。
本专利的一个实施例中，光纤精密输出元件包括一个多层硅层结构，该硅层结构包含一个硅片输入层(具有刻蚀成的光纤通道)和一个硅片输出层(同样具有刻蚀成的光纤通道)，以及设于输入层与输出层之间的间隔层(也是硅片)。该硅片间隔层是用作输出层的支撑结构,以确保光纤穿过光纤通道时不会产生弯曲和偏移(弯曲或偏移会产生指向误差)。同时，该硅片间隔层具有孔径较大的缓冲通道(相比输出/输入层而言)，以使用于将光纤粘结到输出层的胶水不会因毛细管效应随着光纤线流动，而是流入该间隔层的缓冲通道内。视实际使用情况而定，该多层硅层结构的输出元件还可以包含其它的附加层，或者更少的硅层(即可以不用间隔层)。
该光纤精密输出元件的材料(上述实施例使用的是单晶硅)也可以采用其他类型材料，只要材料的热膨胀系数(CTE)足够低，能够使得该输出元件在使用温度环境下(给定的温度范围内)因为材料热膨胀造成的光纤位置和指向精度保持在指标范围之内即可。
本发明的一个典型实施例中，一种二维(2D)阵列组件，用于支持多根分离光纤按预定的位置间隔排成2D阵列。该阵列组件包括：光纤导孔阵列块，包括一组2D阵列结构排列的导通孔，所述各导通孔按预定位置间隔排列，且各导通孔的内径大于其内的光纤涂覆层外径；光纤精密输出元件，包括一组2D阵列结构排列的光阑孔，所述各光阑孔按预定位置间隔排列，且各光阑孔的内径大于其内的光纤包层外径；以及一个封装法兰，用于装配所述光纤导孔阵列块和光纤精密输出元件，以保证所述光纤导孔阵列块的各导通孔与所述光纤精密输出元件的各光阑孔相互对齐，使得一列1×N的预排列光纤阵列能够从封装法兰的后端口插入并依次穿过光纤导孔阵列块和光纤精密输出元件，获得符合位置间隔和指向精度要求的光输出。
本发明提出的另一个实例是一种指定位置间隔和指向精度要求的二维光纤阵列的装配方法：提供一块光纤导孔阵列块，包括一组2D阵列结构排列的导通孔，所述各导通孔按预定位置间隔排列，且各导通孔的内径大于其内的光纤涂覆层外径；提供一个光纤精密输出元件，包括一组2D阵列结构排列的光阑孔，所述各光阑孔按预定位置间隔排列，且各光阑孔的内径大于其内的光纤包层外径；提供一个具有开口套筒的封装法兰；将所述光纤导孔阵列块装入封装法兰的开口套筒内，再将所述光纤精密输出元件也装入封装法兰的开口套筒内并位于光纤导孔阵列块上面，使得其各光阑孔与光纤导孔阵列块的各导通孔相互对齐；将N根光纤的涂覆层剥去指定长度后，装载到一个光纤装载夹具(精密夹具)上，所述光纤装载夹具按照指定的光纤位置间隔将所述N根光纤预排列为1×N的光纤阵列；将加载好的一列光纤，通过光纤装载夹具由封装法兰的后端口穿入，引导所述预排列的1×N的光纤阵列依次穿过光纤导孔阵列块上一组1×N阵列排列的导通孔和光纤精密输出元件上一组1×N阵列排列的光阑孔，直到所述光纤阵列剥去涂覆层的一端从光纤精密输出元件的上表面穿出；从光纤导孔阵列块后面将插入的所述光纤阵列与导通孔粘胶预固定，确保已经装载的各光纤保持要求的位置间隔和指向精度不变；重复之前光纤装载、穿入、固定的操作，直至所有的光纤阵列都装配完毕；将所述二维光纤阵列穿出的剥去涂覆层的光纤一端与光纤精密输出元件的上表面粘胶固定。
本发明中其他以及更详细的实施例将在下文通过参考具体图纸进行描述。
附图说明
现在提到附图。
图1展示了一个典型的光通信环境，利用二维光纤阵列作为其可能用到的交换组件。
图2是与指向误差相关因素的示意图。
图3是本发明一个实施例的二维光纤阵列元件分解的侧视图。
图4是图3所示结构的剖面视图。
图5是图3的一个局部放大剖视图。
图6表示的是单个输出单元的放大剖视图，说明了如果不采用本发明的特征结构，光纤会有存在指向精度误差的可能性。
图7是本发明二维光纤阵列光纤精密输出元件的多层硅层结构示意图。
图8是本发明典型的二维光纤阵列结构局部(单根光纤穿孔)剖视图。
图9是本发明典型结构爆炸视图，展示了应力消除块与二维光纤阵列组件的组合使用。
图10为图9的组装示意图。
图11是本发明另一实施例结构爆炸视图，光纤导孔阵列块与封装法兰是一个整体结构。
图12是图11所示封装法兰上表面与光纤精密输出元件装配示意图。
图13是图11所示封装法兰后端口，以及一个预排列的1×N光纤阵列插入封装法兰内导通孔的装载过程示意图。
图14是本发明典型的二维光纤阵列装配方法流程图。
具体实施方式
如上所述，图1展示了一个可利用本发明的集成二维光纤阵列组件达成的典型的光学通信交换系统10。如图所示，该交换系统10通过结合透镜阵列16、18和MEMS阵列20、22在一个第一二维光纤阵列12和第二二维光纤阵列14之间实现“光纤-自由空间”转换。每一个二维光纤阵列包含复数的(多根)独立光纤24，相邻光纤之间隔开一预定间距(下文均称该预定间距为“位置间隔”)，且各独立光纤均穿出二维光纤阵列的表面，并以垂直于该二维光纤阵列表面的方向(如上背景技术中结合图2讨论的，将该出光角度称为“指向精度”)输出光束。
如图所示第一光纤阵列12的各光纤24从一个阵列基板26后面穿入并以阵列形式分布(这里以4×4阵列为例)。阵列基板26使得穿入的各光纤末端面(出光端面)与透镜阵列16的各透镜28对准，将光纤阵列输出的光束阵列准直后射向MEMS阵列20。之后通过MEMS阵列20、22的连续反射，光束阵列又通过透镜阵列18的聚焦，最终被第二二维光纤阵列14接收。
这种光信号在交换系统10内来回穿过的过程是本领域公知常识，并不是本发明所要阐述的创新点。如上文所述，本发明声明的是一种二维光纤阵列的改进结构与组装方式，这种结构能够在低成本的配置下保持光纤阵列能够与系统中的透镜阵列/MEMS阵列能有很好的准直对准。虽然目前各种的技术发展使得交换系统10其他组件(如MEMS阵列、透镜阵列)的成本和体积趋于最小化，但是用于进行光互联发送与接收的其余交换系统组件(如二维光纤阵列)的结构与组装方法仍然较为复杂昂贵，并且装配十分耗时。
因此,本发明提出了一种集成二维光纤阵列结构,该结构在保留所需要的光纤对准公差、位置间隔和出光指向精度的同时，降低了阵列组件的整体尺寸和复杂性，同时也简化了其装配方式。
图3是本发明专利实现的一种典型二维光纤阵列组件30的爆炸视图。阵列组件30包含一个单片的光纤导孔阵列块32及一个光纤精密输出元件34，光纤导孔阵列块32和光纤精密输出元件34相互对齐并固定安装于封装法兰38内。采用一个高精度的光纤装载夹具(图中未显示)进行光纤装载，将一组预排列的1×N的光纤阵列100从封装法兰38的后端口46穿入，使该组光纤末端依次穿过光纤导孔阵列块32上成型的导通孔33，及光纤精密输出元件34上成型的光阑孔36(导通孔33与光阑孔36具有相同的位置间隔，但是其内径比光阑孔稍大)。具体结构在下文中会进行详细讨论，光阑孔36按预定义的二维阵列模板制成，形成指定的位置精度及最小化的指向精度。
如图所示，封装法兰38包含一个机械套筒40结构，该套筒包括一个用于安装(嵌入)光纤导孔阵列块32的第一台阶42，以及一个用于装入光纤精密输出元件34的第二台阶44，使得光纤精密输出元件34位于光纤导孔阵列块32的上面，且与光纤导孔阵列块32之间存在一个间隙，光纤导孔阵列块32的导通孔33与光纤精密输出元件34的光阑孔36相互对齐。封装法兰38后端设为开放的后端口46，用于容置1×N光纤阵列100使光纤装载到二维光纤阵列组件30内。借此将预排列的1×N光纤阵列插入光纤导孔阵列块32内(通过精密的光纤装载夹具插入)，并保持对齐至光纤穿过光纤精密输出元件34。根据本发明，可以高效的载入精确对齐的光纤阵列，对现有的生产技术进行改进。如上每穿入一组1×N光纤阵列后，均采用环氧胶从封装法兰38的后端口46将光纤阵列与光纤导孔阵列块32背面粘结在一起。
与现有技术相比，组成光纤阵列组件30的大多数元件都有一个比较低的成本，并且可以使用相对简单的装配工艺。例如，光纤导孔阵列块32可以由塑料材料采用注塑成型或3D打印技术，或其它任何可以方便地在该塑料零件内制作导通孔33的加工方法。封装法兰38是一个典型的不锈钢机加工元件，两个台阶42/44的定位精度和尺寸可以通过机加工方式做到。因此来说，本发明唯一需要使用的价格较高的元件(并且需要较高的工艺与组装价格)只有光纤精密输出元件34。
图4是图3所示组装好的光纤阵列组件30的切面图，图5是图4的一个部分放大视图。图4清楚展示了光纤导孔阵列块32和光纤精密输出元件34在封装法兰38的套筒40中的装配情况。按照本发明，套筒40需要有对应的尺寸(套筒中的台阶42/44也是如此)，使得从封装法兰后端口46装配入封装法兰中的已对位预排列的1×N光纤阵列100可以自动的与光纤精密输出元件34的光阑孔36对齐穿出(即直接从光阑孔36穿过，而无需其他的对准工序)。并且，如下文所描述，借由一个高精度的光纤装载夹具，将1×N的光纤阵列按要求的位置间隔预先排列好(该“预排列”使1×N光纤阵列的每一根光纤朝同一个方向预先对准)，这样就可以不必使用很高精度的导孔阵列块来进行光纤的对位，可以降低加工成本。1×N光纤阵列的各光纤均由精密的光纤装载夹具固定，并按特有的位置间隔(间距)排列整齐。由于每根光纤需要剥除的光纤部分较短，故光纤可以通过夹具固定涂覆层保持整齐、笔直并且按照指定的距离与指向精度彼此平行的形成一列预排列的光纤阵列。并且由于光纤导孔阵列块和精密光纤输出元件已通过封装法兰38的套筒40进行过对位，故通过光纤装载夹具预排列完成的1×N光纤阵列的每一根光纤都可以很容易穿过光纤导孔阵列块中的导通孔，之后一样无阻碍地穿过光纤精密输出元件的光阑孔。由于该精密的光纤装载夹具可以重复用于多个光纤阵列组件的装载，故设计与制作该夹具所需要的相关费用平摊到单个组件上就变得很低。
在图4、5中，显示了一组1×N的光纤阵列100由封装法兰38的后端口46载入(用于保持相邻光纤之间按预定间距P排列的精密的光纤装载夹具图中未显示)。在光纤阵列100中，光纤剥除涂覆层位置的尾端100E穿过光纤精密输出元件34从其上表面穿出。每当一组1×N光纤阵列装载完成后，由光纤导孔阵列块32的后端面B使用环氧胶E将光纤固定、对齐。在固定用的环氧胶固化后，高精度的光纤装载夹具释放夹持的光纤，然后重新装载新的一组N根光纤，重复以上流程，将下一组预排列(按相同的位置间隔要求)的光纤阵列装载到阵列组件30上。
如图5，导孔阵列块32的光纤导通孔33的大小需要能够容纳带涂覆层的光纤线，而光纤精密输出元件34的光纤光阑孔36需要稍微比带包层的光纤线(去掉涂覆层)略大一点点。在这个图示结构中，光纤精密输出元件34是一个多层的结构，每一层的光纤通道相互对齐，形成光阑孔36。一个典型的多层光纤精密输出元件34如图7所示，该结构我们会在下文进行详解。
在图4、5中，光纤导孔阵列块32中的光纤导通孔33内壁需要相对平坦、光滑、无毛刺，这样装载1×N光纤阵列的时候，光纤才能畅通无阻地穿过该光纤导通阵列块32。这在某种意义上保证了光纤阵列穿入光纤导孔块后仍然是“直线”状态，这有助于使最终的产品结构具有最小误差的指向精度。采用合适的塑料材料，可以满足这类要求，并且可以承受温度循环带来的变化。
图6是一种典型的光纤精密输出元件34的结构剖面图，本图例中没有显示光纤导孔阵列块。从图中可以明显地看出，穿入光纤精密输出元件34中的那段光纤即使存在一个很细微的弯曲，都会在光纤精密输出元件34的输出平面54上带来一个很大的、不可接受的指向精度误差。本发明阵列组件采用光纤导孔阵列块(与光纤精密输出元件对齐)，结合可将光纤按指定位置间隔(间距)预排列的精密的光纤装载夹具，克服了上述指向精度的问题，使得二维光纤阵列组件完全满足(甚至高于)业内对光纤位置间隔间距和光纤指向精度的要求，且该阵列组件并不要求光纤精密输出元件34具有过高的尺寸精度。
如图6所示，光纤精密输出元件34可能会存在一些指向精度的偏差，这种偏差可能与构成该多层结构的各层之间的对位角度与精度相关。为了消除这类指向精度的偏差，可以使用刻蚀深度足够高的导通层来确保光纤的输出指向精度。本实施例中，光纤导孔阵列块与光纤精密输出元件之间不需要进行一个非常好的对位，光纤导孔阵列块本身可以起到进一步对位的保证，并且可以起到消除应力的作用。
本发明的一个典型实施例中，光纤精密输出元件34由一个多层硅层元件组成。具体的，如图7所示的一个典型的三层硅层结构，包括顶部的导通层48(简称“顶层”)和底部的导通层50(简称“底层”)(都由单晶硅刻蚀形成)，以及设于顶层48和底层50之间的间隔层52。间隔层不一定采用单晶硅材料制成，其它任何与单晶硅具有相似热膨胀系数(CTE)的材料都可以用来做间隔层。本领域公知的，顶层48和底层50可以采用公知的半导体制造工艺精密刻蚀光纤通道(例如小内径光阑孔刻蚀)，以最终获得精确对准的二维光纤阵列，使其符合(甚至超过)上述光交换系统对对准公差的要求。本发明中将顶层48的上表面54定义为利用该多层硅层输出元件的二维光纤阵列组件的输出表面。
参考图7，顶层48上形成有一组复数的第一光纤通道56，底层50上同样形成有一组复数的第二光纤通道58。在大多数情况下，这些通道可以采用半导体材料加工中标准的刻蚀工艺制成。当顶层48和底层50彼此对位后，相对应的两组复数的光纤通道56、58同时也相互对齐。间隔层52上则形成有一些列较大的通道60(与光纤通道56、58相比来的大)，在下文中称为“缓冲通道”，这将在下文中进行详细讨论。
本发明的一个具体实施例中，顶层48通过刻蚀形成复数的精密的第一光纤通道56，以达到和确保光纤阵列所需要的位置精度(间距P)和指向精度。如上所述，在上表面54处的第一光纤通道56的内径最好是略大于光纤包层的外径。如图7中的放大视图(插图)所示为一个典型的硅层光纤精密输出元件，包括第一光纤通道56、缓冲通道60和第二光纤通道58，三者对齐形成一个光阑孔36。如图所示，在该结构中，第一光纤输出通道56还包括一个较大的引导孔56-O，帮助引导相应的光纤穿过光阑孔。也可以在光纤精密输出元件中采用锥形光阑孔(如该实施例中，第二光纤通道58设为略大于第一光纤通道56)，但是不一定要锥形结构，其他非锥形的光阑孔也可以。
如图7的插图所示，间隔层52设有复数的相对较大的缓冲通道60。该实施例中，缓冲通道60的作用是当最终使用胶水将光纤固定于光纤精密输出元件34的上表面54时，该缓冲通道可以防止胶水在顶层48和底层50之间流动。如果没有这些缓冲通道，光纤穿过光纤通道56、58时可能会因为受到“活塞作用”而失去对准。间隔层52的厚度t同时也作为光纤精密输出元件34的支撑结构。
图8为封装法兰38、光纤导孔阵列块32和多层结构的光纤精密输出元件34装配件的局部剖面视图，该图清楚的描述了两个光纤通道的引导孔之间的对齐需要确保光纤“位置间隔”及最小化的指向精度误差，同时也便于光纤直接穿过阵列组件30。如图8所示的三层精密输出结构，可以容易的看出，光纤精密输出元件34也可以采用其他任何合适的层数构成。此外，虽然在对准通道构成光阑孔方面，单晶硅材料是较优的选择，但是硅之外的其它材料也可以用于构成该多层结构。
图8展示了一根典型的光纤100i，穿设于由光阑孔36和导通孔33对齐组合构成的通孔内。剥去涂覆层的光纤顶端100E由多层输出单元34的上表面54穿出。如上所述，硅基光纤精密输出元件34的顶层48硅片通过生产工艺确保复数光阑孔56的位置间距的精度和尺寸。间隔层52主要有2个作用：(1)加强光纤精密输出元件的强度与厚度，使其能够顺利进行抛光工序；(2)形成一个隔离带，确保在上表面54固定光纤的胶水不会由于毛细管效应流到底层50中。这个隔离带可以避免光纤在温度变化的情况下产生位置变化的可能性。
图8所示的实施例中，成型在底层50的第二光纤通道58的尺寸略大于成型在顶层48的第一光纤通道56。第二光纤通道58尺寸略大是为了当光纤装载夹具(图中没有显示)将光纤穿过更紧的第一光纤通道56时，可以确保预对齐排列的光纤有足够的“平直度”(极小或没有指向误差)。在图8所示的实施例中，光纤通道56、58都具有一个较大的引导孔(56-O和58-O)，用于帮助单根光纤较为简便的穿过多层光纤精密输出元件。
本发明由于使用了一个精密的光纤装载夹具对光纤进行预排列对齐(按照指定的光纤位置间隔)，所以对光纤导孔阵列块32的精度要求较低，因此具有相对较大(宽松)的导通孔33。在光纤导孔阵列块32背面B导通孔33附近的光纤表面涂上环氧胶E(或者类似的粘结材料)，为最终的封装结构提供了一个附加的应力释放点。特别的，可以采用相对柔软、顺滑的环氧胶来粘结光纤侧壁与导通孔33的入口33-O。
图9是本专利的一个实施例的爆炸视图，图中示出了本发明二维光纤阵列组件30的各种应力消除结构。同时也示出了构成本发明二维光纤阵列组件30的各元件细节。如图9所示为一种典型的应力消除块70结构。该实施例中，应力消除块70包括一组小的热缩管72，每一根热缩管将一组1×N的光纤套在一起(构成带状光纤74，在该实施例中)，较大的热缩管76套于单根带状光纤74与更大的光纤保护套管78的连接处，以将光纤保护套管78固定于带状光纤74上。这些热缩管连着带状光纤74和光纤导孔阵列块32，用于构成带状光纤74，以及保护带状光纤74不会由于尾端受到外力而从组件中拉扯出来，确保光纤导孔阵列块32中的光纤的牢固度。
点胶块80用于确保复数的光纤保护套筒78能够固定于指定的位置上(图9只显示半边的点胶块80)。应力消除盖82(如图中所示的两部分82-1、82-2)用来包围及固定点胶块80及应力消除块70中的其他组成部分，这些结构组合最终装配于封装法兰38的后端口46处。该实施例最终的组装结构如图10所示。该结构通过将带状光纤粘合于点胶块80内，并将这些元件封装于应力消除盖82内，以将带状光纤固定住，使其不会受到外力拉扯而产生移动，例如起到“应力消除”作用。
图11是本发明的另一个实施例。该结构中，上述实施例中的光纤导孔阵列块作为封装法兰的一部分集成到封装法兰90中，用于支撑光纤精密输出元件34。这里，复数的导通孔92按所需的二维阵列分布及指定的位置间隔直接成型(例如使用机械加工)穿透封装法兰90，以便光纤可以从封装法兰90的上表面94穿出。类似于上述实施例中导孔阵列块结构的导通孔33，该实施例中复数的导通孔92同样按要求的(位置间隔)间隔P排列，且其内径同样比光纤精密输出元件的光阑孔36稍大(如，能够穿过光纤的涂覆层)。如图11所示，与上述实施例相同的光纤精密输出元件34同样可以应用于该结构中，以满足二维光纤阵列组件的精度要求(位置间隔和指向精度)。
直接在封装法兰90上加工成型导通孔92，省去了一个独立的光纤导孔阵列块，但是增加了封装法兰90的加工难度和尺寸结构。同样需要使用一个精密的光纤装载夹具将1×N光纤阵列(预排列好的)引入该结构中。
图12是光纤精密输出元件34与封装法兰90配合的示意图，封装法兰90用于支撑封装光纤精密输出元件34。如图所示，封装法兰90包括一个中心凹槽96，该中心凹槽的尺寸与光纤精密输出元件34相匹配，用于装入光纤精密输出元件，并使光纤精密输出元件34的光阑孔36与中心凹槽96的导通孔92相对齐。具体的，如图中所示，中心凹槽的边缘设有放置平台98(也称为“台阶”)，用于装配和粘结光纤精密输出元件34。放置平台98具有一定的高度，以使上表面94(即封装元件的光纤输出表面)与硅层光纤精密输出元件34的底层50(比如)之间具有一定的间隙g(如图8所示)，如下文所述。
图13为封装法兰的后视图，展现了一种将1×N光纤阵列100穿入相应的导通孔92的具体方法(以及该过程的放大特写图)。这里，采用标准的光纤装载夹具150将N根光纤线性排列，使各相邻光纤之间具有预定的间距P。当光纤阵列装入光纤装载夹具150(并固定于他们“预排列”的位置上)后，光纤装载夹具150将光纤阵列引导入导通孔82较大尺寸的引入端口92-O。一旦装入后，就将该列1×N的光纤固定在位置上(从封装法兰90的背面固定)，随后将下一组N根光纤装入光纤装载夹具150进行同样的操作。
如上所述，本发明的另外一个重要发明点是采用精密的光纤装载夹具，使光纤在载入本发明二维光纤阵列组件的过程中保持1×N的光纤阵列相邻光纤之间的预排列间距(即预定的位置间隔)不变。利用该精密夹具装载光纤，大大降低了对光纤导孔阵列块上导通孔的精度要求，并且符合(甚至高于)组件对间距(位置间隔)与指向精度的要求。因为该夹具可以被反复使用，所以不将其自身成本计入最终的光纤阵列组件中，利于获得相对低成本的光纤阵列组件。
图14是本发明二维光纤阵列组件的装配流程图。如流程图所示，包括起始步骤100：装配前需要准备一个按指定位置间隔与指向精度制作的光纤精密输出元件，以及一个光纤导孔阵列块，该导孔阵列块具有与光纤精密输出元件相同位置间隔的导通孔，该导通孔的内径略大于光纤精密输出元件的光阑孔内径(导孔阵列块的导通孔内径需要能够穿过带涂覆层的光纤，而光纤精密输出元件的光阑孔只需要能够穿过光纤包层即可)。
下一步，准备封装法兰(步骤110)，该封装法兰包括一个用于装入光纤导孔阵列块和光纤精密输出元件的开口，以保证二者相互对齐。然后将光纤导孔阵列块转入封装法兰内(步骤120)，之后再将光纤精密输出元件也装入封装法兰内、光纤导孔阵列块上面(步骤130)。
之后步骤140，将一组前端剥去涂覆层的N根光纤按照预定位置间隔(与光纤精密输出元件的位置间隔相同)装入精密的光纤装载夹具中。然后将该精密的光纤上盘夹具由封装法兰的后面穿入(步骤150)，以将上述预排列好的1×N光纤依次穿过光纤导孔阵列块和光纤精密输出元件。最终，剥去涂覆层的N根光纤的前端从光纤精密输出元件相应的光阑孔穿出。
步骤160：装载入封装法兰后，便用环氧胶(或其它适用的粘结材料)从光纤导孔阵列块的背面将已载入的1×N光纤阵列固定在位置上。当该组光纤固定完成后，就可将光纤上盘夹具移除。在装配流程中的本节点(即完成该步骤后)，确认是否所有1×N光纤阵列都已装载入二维光纤阵列组件中(步骤170)。假如有其它光纤阵列没有完全装载，则回到步骤140，将一组新的前端剥去涂覆层的光纤阵列装到精密的光纤上盘夹具上。
当所有的1×N光纤阵列都装配完成后，需在光纤精密输出元件上表面进行另外一个点胶工序，用环氧胶(或粘接剂)(步骤180)将凸出光纤精密输出元件的光纤前端100E固定在位置上。当胶水完全固化后，即可将光纤精密输出元件的上表面抛光。
需要注意的是，上文描述的是本发明二维光纤阵列组件的典型实施例及装配方法，本领域技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上对本发明做出的各种变化，如替换材料或变换某个元件的形式等，均为本发明的保护范围。

Claims (20)

1.一种二维光纤阵列组件，用于按照指定的光纤位置间隔与指向精度排列多个光纤，该阵列组件包括：
光纤导孔阵列块，包括一组2D阵列结构排列的导通孔，所述各导通孔按预定的位置间隔排列，且各导通孔的内径大于其内的光纤涂覆层外径；
光纤精密输出元件，包括一组2D阵列结构排列的光阑孔，所述各光阑孔按预定的位置间隔排列，各光阑孔的内径大于其内的光纤包层外径；
封装法兰，用于装配所述光纤导孔阵列块和光纤精密输出元件，以保证所述光纤导孔阵列块的各导通孔与所述光纤精密输出元件的各光阑孔相互对齐，使得一列1×N的预排列光纤阵列能够从封装法兰的后端口插入并依次穿过光纤导孔阵列块和光纤精密输出元件，获得符合位置间隔和指向精度要求的光输出。
2.如权利要求1所述二维光纤阵列组件，其特征在于：所述精密输出元件为一多层结构。
3.如权利要求2所述二维光纤阵列组件，其特征在于：所述多层结构至少包括：一个顶层，包括一组2D阵列结构排列的第一光纤通道，所述各第一光纤通道彼此之间的间距和位置是固定的，各第一光纤通道的内径略大于其内的光纤包层外径，以刚好容纳光纤包层；一个底层，包括一组2D阵列结构排列的第二光纤通道，所述各第二光纤通道与顶层的各第一光纤通道相互对准。
4.如权利要求3所述二维光纤阵列组件，其特征在于：所述顶层和底层均为硅层结构。
5.如权利要求4所述二维光纤阵列组件，其特征在于：所述顶层的第一光纤通道及底层的第二光纤通道由所述硅层刻蚀而成。
6.如权利要求3所述二维光纤阵列组件，其特征在于：所述第一通道和第二通道都还包括一个引导孔，方便光纤导入通道。
7.如权利要求3所述二维光纤阵列组件，其特征在于：所述多层结构还包括一个间隔层，设于顶层与底层之间；该间隔层包括一组2D阵列结构排列的缓冲通道，各缓冲通道与顶层的各第一光纤通道及底层的第二光纤通道相互对准。
8.如权利要求7所述二维光纤阵列组件，其特征在于：所述顶层和底层均为硅层结构。
9.如权利要求7所述二维光纤阵列组件，其特征在于：所述间隔层为硅层结构。
10.如权利要求7所述二维光纤阵列组件，其特征在于：所述间隔层的厚度根据所述二维光纤阵列的光纤指向精度要求设计。
11.如权利要求3所述二维光纤阵列组件，其特征在于：所述底层的第二光纤通道内径大于所述顶层的第二光纤通道内径。
12.如权利要求1所述二维光纤阵列组件，其特征在于：所述封装法兰包括一个套筒结构，该套筒内设有两个高度差为g的台阶，分别为用于装配所述光纤导孔阵列块的第一台阶和装配所述光纤精密输出元件的第二台阶。
13.如权利要求1所述二维光纤阵列组件，其特征在于：所述光纤导孔阵列块由塑料制成。
14.如权利要求13所述二维光纤阵列组件，其特征在于：所述光纤导孔阵列块通过塑料压膜加工而成。
15.如权利要求1所述二维光纤阵列组件，其特征在于：所述光纤导孔阵列块由3D打印制成。
16.一种二维光纤阵列组件，用于按照指定的光纤位置间隔与指向精度排列多个光纤，包括：
光纤精密输出元件，包括一组2D阵列结构排列的光阑孔，所述各光阑孔按预定的位置间隔排列，各光阑孔的内径大于其内的光纤包层外径；
用于装配所述光纤精密输出元件的封装法兰，该封装法兰具有一组与所述光纤精密输出元件的各光阑孔相匹配的导通孔阵列；所述封装法兰的各导通孔与光纤精密输出元件的各光阑孔相互对齐，使得一列1×N的预排列光纤阵列能够从封装法兰的后端口插入并依次穿过所述导通孔和光纤精密输出元件，获得符合位置间隔和指向精度要求的光输出。
17.如权利要求16所述二维光纤阵列组件，其特征在于：所述封装法兰的上表面中央具有一个凹陷结构，用于装配所述光纤精密输出元件。
18.一种指定位置间隔和指向精度要求的二维光纤阵列组件的装配方法，包括：
提供一个光纤导孔阵列块，该光纤导孔阵列块包括一组2D阵列结构排列的导通孔，所述各导通孔按预定的位置间隔排列，各导通孔的内径大于其内的光纤涂覆层外径；
提供一个光纤精密输出元件，该光纤精密输出元件包括一组2D阵列结构排列的光阑孔，所述各光阑孔按预定的位置间隔排列，各光阑孔的内径大于其内的光纤包层外径；
提供一个封装法兰：
将所述光纤导孔阵列块装入所述封装法兰套管内的第一台阶；
将所述光纤精密输出元件装入所述封装法兰套管内的第二台阶，使得其各光阑孔与光纤导孔阵列块的各导通孔相互对齐；
将N根光纤的涂覆层剥去指定长度后，装载到一个光纤上盘夹具上，所述光纤上盘夹具按照指定的光纤位置间隔将所述N根光纤预排列为1×N的光纤阵列；
将所述1×N的光纤阵列从封装法兰的后端口装入，依次穿过所述光纤导孔阵列块的导通孔和光纤精密输出元件的光阑孔，使得所述光纤阵列剥去涂覆层的一端从光纤精密输出元件的上表面穿出；
从封装法兰的后端口处将所述光纤阵列的涂覆层与光纤导孔阵列块的导通孔进行粘胶预固定，确保穿入的光纤不移动；
重复所述光纤装载、穿入及固定的步骤，以将所有光纤穿入并预固定在指定位置；
从光纤精密输出元件的上表面将穿出的剥去涂覆层的光纤包层与光纤精密输出元件的光阑孔进行粘胶固定。
19.如权利要求18所述二维光纤阵列组件的装配方法，其特征在于：还包括对所述光纤精密输出元件上表面进行抛光。
20.如权利要求18所述二维光纤阵列组件的装配方法，其特征在于：所述光纤精密输出元件为一多层硅基输出元件。
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