CN107976746B - 一种nxn微间距阵列准直器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种准直器及制备方法，属于光通信技术领域，具体是涉及一种二维阵列准直器及制备方法。本发明采用工艺成熟的一维光纤阵列及一维透镜阵列作为原材料进行二维阵列准直器的耦合封装，原材料成本低，各单元间隔控制精度高。各层光纤阵列相对各层透镜阵列独立调试焦距一致性后摞叠粘接，各层透镜阵列相对各层光纤阵列独立调试线度一致性后粘接固定在透镜阵列固定框架上，可确保二维阵列准直器整体的方向一致性、光斑一致性及插损指标的高精度控制。由于采用整排透镜阵列及光纤阵列进行耦合封装，效率较高，并且结构较为紧凑稳定。

Description

一种NXN微间距阵列准直器

技术领域

本发明涉及一种准直器，属于光通信技术领域，具体是涉及一种微间距阵列准直器。

背景技术

由于互联网的持续快速发展，导致光网络通信容量持续增长，光器件的集成密度要求越来越高。采用传统光器件拼装组合实现集成的方案，器件尺寸大、能耗高，并且多处拼接导致器件长期使用稳定性差，人力、物力成本消耗非常大；采用硅基芯片技术实现的集成方案，器件尺寸极小，结构稳定性高，但由于其工艺技术要求较高，目前离商用化尚有一段距离；准直器为光通信中的基础器件，被广泛应用于光开关、光隔离器、光环行器、光密集波分复用器中，用阵列准直器所形成的阵列准直光束批量射入及接收光信号，而仅插入一个尺寸稍大的器件芯件，与阵列准直器组合封装，即可使器件获得数10倍高集成度，此种集成技术工艺成熟，器件稳定性高，成本低，尺寸较小；

目前已有的阵列准直器技术方案分为如下几种：准直器拼接方案，采用多个单独准直器以一定排列结构封装于一块玻璃板形成一维准直器阵列，受元件尺寸的限制，此种方案准直器间隔较大、封装状态不稳定，需要耗费较多人力物力成本；一维光纤阵列及透镜阵列方案：采用一维光纤阵列及一维透镜阵列通过一定结构工艺实现封装，所形成一维阵列准直器，封装状态稳定，间隔密度高，但限于耦合封装工艺技术仅能实现一维的低密度集成；二维阵列光纤、二维阵列透镜方案：采用高精度的二维光纤阵列与二维阵列透镜直接耦合封装形成二维阵列准直器，集成度极高，结构简单稳定，但为保证整体插损小于1.0dB,二维光纤阵列及二维透镜阵列定位精度需要小于0.5um，原材料成本极高，难于商用化；含二维校正单元的二维光纤、二维透镜阵列方案：用较低精度的二维光纤阵列与二维透镜阵列直接耦合封装后，在出射端以二维校正单元对每路光束作平行度校正，最终形成较高平行度的二维准直器光束阵列，此方案成本较低，但校正单元尺寸较大，准直器间距不能太小，且多个校正单元单独封装器件稳定度较差。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的上述的问题，提供了一种微间距阵列准直器。该准直器采用成熟工艺一维V形槽光纤阵列及标准间隔一维透镜阵列作为元件，可实现极高集成度的二维准直器阵列。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

本发明采用工艺成熟的一维光纤阵列及一维透镜阵列作为原材料进行二维阵列准直器的耦合封装，原材料成本低，各单元间隔控制精度高。各层光纤阵列相对各层透镜阵列独立调试焦距一致性后摞叠粘接，各层透镜阵列相对各层光纤阵列独立调试线度一致性后粘接固定在透镜阵列固定框架上，可确保二维阵列准直器整体的方向一致性、光斑一致性及插损指标的高精度控制。由于采用整排透镜阵列及光纤阵列进行耦合封装，效率较高，并且结构较为紧凑稳定。

因此，本发明具有如下优点：原材料成本较低，通过采用特有的封装工艺及结构方案，可实现极高集成度的二维准直器阵列（最小间距125x250mm²），具有准直平行度高、插损低、结构简单稳定等特点；

附图说明

图1图示出实施例1阵列准直器结构示意图；

图2图示实施例1透镜阵列框架固定块布设示意图；

图3图示出实施1阵列准直器透镜出射面结构示意图；

图4图示出实施例1光纤阵列焦距一致性调试示意图；

图5图示出透镜阵列相对光纤阵列线度偏斜时的示意图；

图6图示出透镜阵列相对光纤阵列中心偏离时的示意图；

图7图示出透镜阵列相对光纤阵列线度及对中调试后的示意图；

图8图示出实施例2阵列准直器结构示意图；

图9图示出实施例3阵列准直器结构示意图；

图10图示出实施例3光纤阵列结构图；

图11图示出三维阵列准直器结构图；

图12图示出三维光纤阵列结构图。

图中：

101A～101F、101N：透镜阵列系列

102：透镜阵列固定框架

103A～103C：透镜阵列固定框架固定块下固定块系列

104A～104C: 透镜阵列固定固定块上固定块系列

105A～105F：有盖板V型槽结构一维光纤阵列系列

105N-1、105N：第N-1层及N层一维光纤阵列

401：透镜阵列着胶固定区域

801A～801E：实施例2中全反棱镜长条系列

802A～802C:实施例2中全反棱镜隔块系列

901：实施例3中直角玻璃体

902A～902F、902G：实施例3中透镜阵列固定块系列

903A～903F：实施例3中V型槽底板系列

904：实施例3中光纤阵列盖板

905：光纤

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

现有阵列准直器技术采用一维阵列耦合封装仅能实现一维准直器阵列，或增加补偿矩阵后实现较大间距的二维准直器阵列，或者采用高精度的二维阵列耦合封装后实现昂贵的高密度二维准直器阵列，为解决上述问题，本实施例提出一种二维阵列准直器，该准直器以通用技术的一维V型槽光纤阵列及一维透镜阵列为元件，原材料成本较低，通过特有的封装及结构方案实现高密度二维准直器阵列，具体如下：实施例1，采用一维有盖板V型槽光纤阵列摞叠封装形成二维光纤阵列，受到光纤阵列盖板及V槽底板厚度的限制，准直器层间距为2mm，准直束最小密度为2x0.125mm²；实施例2，在实施例1准直器出射端逐行增加全反棱镜，以将准直束行距调小到所需间距，准直束最小密度为0.250x0.125mm²；实施例3采用无盖V型槽阵列逐层叠压形成二维光纤阵列，光纤阵列的行间隔缩小为实施例1的1/2，则准直束最小密度为1x0.125mm²。

实施例1：

图1为实施例1阵列准直器结构图，图2为实施例1透镜阵列框架固定块布设图，图3为阵列准直器出射面透镜阵列结构图，图4为光纤阵列焦距一致性调试图，图5为一维透镜阵列相对一维光纤阵列线度不对齐示意图，图6为一维透镜阵列相对一维光纤阵列中心不对齐示意图，图7为透镜阵列线度及中心对齐调试图，本实施例中阵列准直器包括：N个1×NV型槽光纤阵列105A～105F，3组透镜阵列框架固定块103A、103B、103C、104A、104B、104C，一个透镜阵列固定框架102，N个1×N透镜阵列101 A～101F。其中所述各1×N光纤阵列105A～105F调试焦距一致性后依次叠压封装形成N×N光纤阵列整体。所述透镜阵列框架固定块组103A、103B、103C、104A、104B、104C，一端贴靠所述N×N光纤阵列105A～105F前端面、一端贴靠所述透镜阵列固定框架102，以实现所述N×N光纤阵列与所述透镜阵列固定框架102的连接固定。各所述1×N透镜阵列101与所配置的1×N光纤阵列105A～105F调试线度及中心对齐后，依次粘接固定在所述透镜阵列固定框架102上，如此重复N次，以逐层形成实施例1中N×N阵列准直器。

具体地，将所述1×N光纤阵列105A～105F固定在三维微调架装置上，将所述1×N透镜阵列101固定在四维微调架装置上，在距所述1×N透镜阵列101出射面准直器工作距离一半的位置上设置光斑测试装置或反射镜装置，调试所述第一层1×N光纤阵列105A相对所述第一层1×N透镜阵列101A夹角及间距，使光斑测试装置探测的此排光斑阵列尺寸一致且合适，或各反射光束同时获得最小插损，则判定获得焦距一致状态，如图4所示。此时将所述透镜阵列框架102贴靠所述第一层1×N透镜阵列101A，所述透镜阵列框架固定块103A、103B贴靠所述第一层1×N光纤阵列105A端面左及右端，所述另一透镜阵列框架固定块104A、104B底面贴靠所述前固定块103A、103B顶部，前面贴靠所述透镜阵列固定框架102相应位置，以实现所述透镜阵列固定框架102与所述第一层1×N光纤阵列105A的固定连接。再将所述1×N透镜阵列101A沿所述透镜阵列固定框架102入射面旋转角度及平移，以获得其与所配置的1×N光纤阵列105A间的线度及中心对齐状态，如图7所示，此即完成所述第一层1×N阵列准直器的调试封装。所述第2层1×N光纤阵列105B按照上述相同的调试过程获得焦距一致状态，如图4所示，并叠盖粘接于所述第一层1×N光纤阵列105A之上。所述第2层1×N透镜阵列101B按照上述相同过程调试线度及中心对齐状态，如图7所示，并封装于所述透镜阵列固定框架102上。此即完成所述第二层1×N阵列准直器的调试封装。如此重复N次依次完成所述各层1×N阵列准直器调试封装。最后以前述相同过程通过所述固定块103C、104C连接固定所述顶层1×N光纤阵列105F与所述透镜阵列固定框架102，以完成所述整个方案1中N×N阵列准直器的封装。

所述1×N光纤阵列105A～105F底板为N个相互平行的V型槽结构，所述V形槽深度大于所用光纤半径；

所述1×N光纤阵列105A～105F具有玻璃盖板，为保证所述1×N光纤阵列不出现形变，所述玻璃盖板厚度应在1mm左右；

所述1×N光纤阵列105A～105F整体直线度约0.2um,光纤间隔精度约0.2um；

所述透镜阵列框架固定块优选为玻璃块。3组固定块中，3个下固定块103A、103B、103C为梯形块，梯形斜角与所述1×N光纤阵列105A～105F斜角相同，所述梯形块长度与所述透镜阵列焦距对应配置，梯形块长度长于透镜阵列焦距及透镜阵列固定框架的总和，余长部分便于上固定块104A、104B、104C的粘接固定。所述上固定块104A、104B、104C为矩形块；3组固定块粘接位置为所述底层1×N光纤阵列105A左右两端及所述顶层1×N光纤阵列105F左或右端位置，如图2所示。所述3组固定块固定位置也可位于所述N×N光纤阵列端面上不遮挡通光区域的任何位置，所述固定块组数量也可为3组以上；

所述透镜阵列固定框架102上开有N个横向长条状通光孔，各通光孔高度及宽度应大于各排阵列1×N光斑在所述透镜阵列固定框架处的最大高度及总宽度，各排横孔间隔与所述1×N光纤阵列层间隔相同。所述透镜阵列框架上的通光孔也可为N排N个独立的圆孔，其中每个圆孔直径大于所述透镜阵列框架入射端光斑直径。或者开孔为2个相隔一条窄边的大矩形孔，每个矩形的高度大于N排入射1×N光斑总高度，矩形宽度大于每排1×N光斑中点到左或右端的总宽度；

所述1×N透镜阵列101整体直线度约0.2um,所述1×N透镜阵列101间隔精度约0.2um；

所述1×N透镜阵列101可为外曲内平结构、内曲外平结构或两面均曲面结构，所述1×N透镜阵列101外沿应存在平面结构；

所述1×N透镜阵列101可粘接于所述透镜阵列固定框架102外侧，也可粘接于所述透镜阵列固定框架102与所述N×N光纤阵列105之间；

所述N×N光纤阵列及所述1×N透镜阵列101可用直角玻璃体连接，其中所述直角玻璃体一直角面与所述底层或顶层1×N光纤阵列105A、105F粘接，另一直角面上开设N排通光孔且其外沿与所述1×N透镜阵列101系列粘接；

实施例2：

图8为实施例2阵列准直器结构图，本实施例中阵列准直器包括：N个1×N V型槽光纤阵列105A～105F，3组透镜阵列框架固定块103A、103B、103C、104A、104B、104C，1个透镜阵列固定框架102、N个1×N透镜阵列101A～101F，N-1个全反棱镜长条801A～801E，N-3个全反棱镜隔块802A～802C。其中所述各1×N光纤阵列105A～105F调试焦距一致性后依次叠压封装形成所述N×N光纤阵列。所述透镜阵列框架固定块组103A、103B、103C、104A、104B、104C一端贴靠光纤阵列前端面、一端贴靠所述透镜阵列固定框架102，以实现所述N×N光纤阵列与所述透镜阵列固定框架102的连接固定。所述各1×N透镜阵列101与所配置的1×N光纤阵列105A～105F调试线度及中心对齐后，依次粘接固定在所述透镜阵列固定框架102上。各全反棱镜长条801A～801E在与标准阵列准直器803对齐线度及上下调整中心位置后，通过隔块802A～802C或直接粘接固定于所述透镜阵列固定框架102上，以此过程重复N-1次调试封装，逐层形成实施例2中N×N阵列准直器。

具体地，按照实施例1相同过程完成N×N阵列准直器前体封装并将其固定，将一个1×N标准阵列准直器803装置固定在四维微调架装置上，与上述N×N阵列准直器前体保持工作距离。调试1×N标准阵列准直器803装置沿出射面旋转角及其中心位置，使其与N×N阵列准直器前体中间排1×N阵列准直器实现线度及中心对齐，然后按照所需间隔上或下平移。将所述全反棱镜长条801A～801E固定在4维微调架装置上，置于N×N阵列准直器前体出射端，调试其沿N×N阵列准直器前体出射面的旋转角及上下平移，以获得其出射光对标准阵列准直器的线度及中心对齐状态，最后通过所述全反棱镜隔块802A～802C或直接粘接固定在所述透镜阵列固定框102上。重复此过程N-1次完成所述各层1×N阵列准直器输出的间隔调整，最终实现实施例2中N×N极微间距阵列准直器。

所述1×N光纤阵列105A～105F底板为N个相互平行的V型槽结构，所述V形槽深度大于所用光纤半径；

所述1×N光纤阵列105A～105F具有玻璃盖板，为保证所述1×N光纤阵列不出现形变，所述玻璃盖板厚度应在1mm左右；

所述1×N光纤阵列105A～105F整体直线度约0.2um,光纤间隔精度约0.2um；

所述3组透镜阵列框架固定块中，所述3个下固定块103A、103B、103C为梯形块，梯形斜角与所述1×N光纤阵列105A～105F斜角相同，所述梯形块长度与所述1×N透镜阵列焦距对应配置，梯形块长度长于透镜阵列焦距及透镜阵列固定框架的总和，余长部分便于上固定块104A、104B、104C的粘接固定。所述上固定块104A、104B、104C为矩形块；

所述3组固定块103A、103A、103C及104A、104B、104C粘接位置为所述底层1×N光纤阵列105A左右两端及所述顶层1×N光纤阵列105F左或右端位置，如图2所示。所述3组固定块103A、103B、103C及104A、104B、104C固定位置也可位于所述N×N光纤阵列端面上不遮挡通光区域的任何位置，所述固定块组数量也可为3组以上；

所述透镜阵列固定框架102上开有N个横向长条状通光孔，各通光孔高度及宽度应大于各排阵列1×N光斑在所述透镜阵列固定框架处的最大高度及总宽度，各排横孔间隔与所述各层1×N光纤阵列层间隔相同。所述透镜阵列框架上的通光孔也可为N排N个独立的圆孔，其中每个圆孔直径大于所述透镜阵列框架入射端光斑直径。或者开孔为2个相隔一条窄边的大矩形孔，每个矩形的高度大于N×N光斑总高度，矩形宽度大于每排1×N光斑中点到左或右端的总宽度；

所述1×N透镜阵列101整体直线度约0.2um,所述1×N透镜阵列101间隔精度约0.2um；

所述1×N透镜阵列101可为外曲内平结构、内曲外平结构或两面均曲面结构，所述1×N透镜阵列101外沿应存在平面结构；

所述1×N透镜阵列101A～101F可粘接于所述透镜阵列固定框架102外侧，也可粘接于所述透镜阵列固定框架102与所述N×N光纤阵列105A～105F之间；

所述N×N光纤阵列及所述1×N透镜阵列101可用直角玻璃体连接，其中所述直角玻璃体一直角面与所述底层1×N光纤阵列105A粘接，或与所述顶层1×N光纤阵列105F粘接，另一直角面上开设N排通光孔并与所述1×N透镜阵列101系列粘接；

所述全反棱镜条801A～801E与所述透镜阵列固定框架102贴合面为矩形，其中矩形长度大于所述透镜阵列框架102出射面1×N光斑总宽度，矩形高度大于所述透镜阵列框架102出射面1×N光斑最大高度；

所述全反棱镜801A～801E以所述全反棱镜隔块802A～802C固定，所述各层全反棱镜隔块802A～802C厚度应大于所述全反棱镜801A～801E的厚度，且所述各层全反棱镜隔块802A～802C厚度以全反棱镜厚度为增量递增；

实施例3：

图9为实施例3阵列准直器结构图，图10为实施例3光纤阵列结构图，本实施例中阵列准直器包括：N个1×N V型槽阵列903A～903F，N×N根光纤905，1个光纤阵列盖板904，1个直角玻璃体901，N个固定玻璃块902以及N个透镜阵列101A～101F。其中所述N个1×N V型槽在穿入所述N根光纤后逐层叠压粘接，并在顶层叠压粘接光纤阵列盖板904，对前端面抛磨斜面后形成所述N×N光纤阵列整体。所述直角玻璃体901横面粘接于所述N×N光纤阵列整体的底部。所述各1×N透镜阵列101在调试状态后，以所述直角玻璃体901台阶面上伸出的所述固定玻璃块902粘接固定，重复N次以逐层形成实施例3中N×N阵列准直器。

具体地，以所述下层1×N V型槽903A～903F为底，所述上层1×N V型槽903A～903F为盖，中间穿入N根光纤905粘接形成所述1×N光纤阵列，N-1层逐层叠压粘接并对粘接体前端面抛磨斜面形成所述N×N光纤阵列整体，如图10所示。以所述直角玻璃体901台阶面与所述N×N光纤阵列端面保持固定间隔，将所述直角玻璃体901横面粘接于所述N×N光纤阵列底面下。用六维微调架装置固定所述1×N透镜阵列101A～101F，调试所述1×N透镜阵列101A～101F相对所配置的1×N光纤阵列的焦距一致性、线度及中心对齐，然后所述固定玻璃块802A～802C贴靠所述直角玻璃体901台阶顶面移动，并以其前面贴靠粘接固定所述1×N透镜阵列101。此即完成所述一层1×N阵列准直器调试封装，以相同过程完成N层所述阵列准直器封装后，即形成实施例3中N×N较微间距阵列准直器。

所述1×N V型槽光纤阵列底板包含N个相互平行的V型槽结构，各V形槽深度大于所用光纤半径，；

所述光纤905芯包同心度约为0.1um；

所述1×N光纤阵列整体直线度约0.2um,所述1×N光纤阵列间隔精度约0.2um；

所述直角玻璃体901横向面粘接在所述N×N阵列光纤的底面下，也可粘接于所述N×N光纤阵列顶面上；

所述直角玻璃体901台阶面台阶高度约为1.0mm，与所述光纤阵列间隔对应设置，各层台阶宽度沿与所述N×N光纤阵列端面斜角相同方向递增或递减，每层宽度变化量约为0.14mm；

所述直角玻璃体901台阶面可整体加工，也可分别用宽度递增的玻璃块累叠粘接形成；

所述固定玻璃块902厚度约0.3mm，所述固定玻璃块902形状可为平面矩形体，为便于所述透镜阵列101粘接固定，也可为倒直角体形状。

所述1×N透镜阵列101整体直线度约0.2um,所述1×N透镜阵列101间隔精度约0.2um；

所述1×N透镜阵列101可为外曲内平结构、内曲外平结构或两面均曲面结构，所述1×N透镜阵列101外沿应存在平面结构；

所述1×N透镜阵列101可以3边粘接于所述透镜阵列固定玻璃块802A～802C前端面上，也可以2边粘接固定，或仅一长边粘接固定；

综上所述，本实施例至少具有如下优点：

一、本实施例以通用技术的一维V型槽光纤阵列及通用间隔的透镜阵列为元件，原材料成本较低，并且可保证高精度对准，所形成阵列准直器具有低成本、低插入损耗，高光束平行度的特点；

二、本实施例采用特殊的结构及耦合封装工艺来实现高密集度的阵列准直光束输出，即方案1中通过逐级调试摞叠封装形成光纤阵列，透镜阵列经调试后封装于对应位置的开孔玻璃框架上，可实现最小2.0x0.125mm²间隔较高密度阵列准直器光束的输出；方案2采用全反棱镜对方案1阵列准直器输出光束间隔进行逐排调整，可实现最小0.25x0.125mm²间隔极高密度阵列准直光束的输出；方案3采用一组一维V型槽阵列互为底盖叠压封装形成光纤阵列整体，各透镜阵列在调试焦距一致性、线度及中心对齐状态后封装于直角玻璃体对应的台阶面上，可实现最小1.0x0.125mm²间隔较高密度阵列准直器光束输出。将该高密度阵列准直器作为基础元件应用于光通信中的光开关、光隔离器、光环形器、密集波分复用器等器件中，以该阵列准直器作为输入及输出单元，中间插入一个稍大尺寸器件芯件，即可在一次器件调试封装中获得数十倍器件集成度提高，该器件集成技术具有尺寸小、成本低、封装结构紧凑可靠、封装工艺技术成熟等优点。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种二维阵列准直器，其特征在于，包括：

光纤阵列，以下层1×N 的V型槽为底，以上层1×N的 V 型槽为盖，中间穿入N根光纤粘接形成所述1×N光纤阵列，N-1层逐层叠压粘接并对粘接体前端面抛磨斜面形成N×N光纤阵列整体，

透镜阵列固定框架，为一直角玻璃体结构，包括若干个与二维光纤阵列抛磨斜面上各层光纤阵列相对应的台阶面，直角玻璃体台阶面与所述N×N光纤阵列端面保持固定间隔，每个台阶面上设置有与对应层光纤阵列位于同一线度且中心对齐的透镜阵列；

所述透镜阵列通过固定玻璃块固定于台阶面上，其中固定玻璃块设置于直角玻璃体各层台阶面的顶部，其前侧面与透镜阵列固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种二维阵列准直器，其特征在于，所述1×N 的V型槽相互平行， V型槽深度大于所用光纤半径。

3.根据权利要求2所述的一种二维阵列准直器，其特征在于，所述固定玻璃块形状为平面矩形体或者倒直角体。

4.根据权利要求1所述的一种二维阵列准直器，其特征在于，所述直角玻璃体分别与所述二维光纤阵列整体的底部或上部连接。

5.根据权利要求1所述的一种二维阵列准直器，其特征在于，所述直角玻璃体各层台阶宽度沿与所述二维光纤阵列端面斜角相同方向递增或递减。

6.根据权利要求1所述的一种二维阵列准直器，其特征在于，所述直角玻璃体台阶面整体加工或分别用宽度递增的玻璃块累叠粘接形成。