CN109188619A - 一种用于光纤耦合对准的固定装置及方法 - Google Patents

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刘瑞丹
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Abstract

本发明公开了一种用于光纤耦合对准的固定装置及方法。所述装置包括硅平台、第一梯形定位件、第二梯形定位件，其中第一梯形定位件和第二梯形定位件相隔一定距离，通过粘接剂按照斜面相对的摆放方式固定在硅平台上，与硅平台上表面形成V形槽，光纤固定在V形槽内，与半导体激光器对准，半导体激光器输出的光信号通过对准耦合的方式进入光纤中。该装置具有结构简单、操作便捷、封装结构设计灵活、允许容差大的优势，可以采用粘接剂方法实现光纤的固定，调节灵活，可显著降低半导体激光器封装的工艺难度，提高光路耦合装配效率。

Description

一种用于光纤耦合对准的固定装置及方法
技术领域
本发明具体涉及一种用于耦合对准的光纤固定装置及方法，属于光纤信号传输领域。
背景技术
在光纤的信号传输过程中，需要将光纤同有源或无源的光电子器件进行耦合对准，从而实现信号的传输过程，如在光纤通信中使用半导体激光器同光纤进行耦合是最常见的一种光纤应用方式。
半导体激光器具有转换效率高、寿命长、体积小、重量轻、可靠性高、结构简单等优势已经被广泛应用于光纤通信、光纤传感、激光打印以及激光医疗等领域中。而半导体激光器与光纤的结合更使其在光纤通信等系统中起着举足轻重的作用。在实际应用中，通常将半导体激光器输出的光耦合进光纤之后再进行传输，要保证激光器输出的光信号以最大效率耦合进光纤中，通常激光器管芯与光纤之间位置对准精度要达到微米级甚至亚微米级。将激光器与光纤耦合对准完成之后，需要对光纤进行固定，光纤固定的方法主要有焊剂焊接、激光焊接、粘接剂粘结等。焊剂焊接方法存在受热区域大、焊点不能精确定位、有附属材料沉积等缺点，不适于器件大规模生产。激光焊接方法具有能量密度高、受热区域小、无污染、易于自动化生产等显著优点，并且可以实现稳定的耦合效率和灵活的封装结构设计，因此，越来越受到人们的青睐。但是，由于激光熔化后的金属在凝固后会产生收缩力，引起焊后偏差，光纤位置发生偏移，导致耦合效率下降。粘接剂粘结的方法可以粘接各种材料和各种复杂形状的器件表面，且粘接剂表面应力分布均匀，工艺过程简单，封装重量轻，成本低，已经广泛应用于Y波导等无源器件的封装，适于器件的批量生产。在半导体激光器封装过程中，由于光纤是圆柱形结构，无论采用哪种固定方法，都需要设计V形槽、马鞍座等装置将光纤固定在平面基底上。其中对于粘接剂粘结固定方法，目前大多数采用V形槽结构来对光纤进行固定，该结构已经将光纤限制在V形槽结构里，在对准耦合时，难以灵活调节光纤的位置，只能通过无源对准实现半导体激光器与光纤的耦合对准，即通过激光器的对准标记及限定光纤位置的V形槽完成对准耦合，对准精度不高，耦合损耗较大，封装产量较低。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服传统光纤固定装置—V形槽结构中，光纤位置难以灵活调节的缺陷，提供一种用于光纤耦合对准的固定装置及方法，降低半导体激光器封装的工艺难度，提高光路耦合装配效率。
本发明的技术方案是：一种用于光纤耦合对准的固定装置，该装置包括硅平台、第一梯形定位件、第二梯形定位件，其中第一梯形定位件和第二梯形定位件能够按照斜面相对的摆放方式固定在硅平台上，与硅平台上表面形成V形槽，光纤固定在V形槽内，与待耦合器件对准。
所述光纤采用紫外固化方式或者热固化方式在硅平台、第一梯形定位件和第二梯形定位件上。
所述第一梯形定位件和第二梯形定位件的长度与硅平台一致。
所述硅平台采用单晶硅材料。
所述第一梯形定位件和第二梯形定位件采用单晶硅材料。
所述第一梯形定位件和第二梯形定位件的倾斜面为硅晶体的<111>晶面。
所述第一梯形定位件和第二梯形定位件的倾斜面通过化学腐蚀液将单晶硅的<100>晶面腐蚀穿，露出<111>晶面得到。
所述腐蚀液为氢氧化钾水溶液、四甲基氢氧化铵水溶液和已二胺与邻本二酚混合的水溶液。
本发明的另一个技术解决方案是：一种用于光纤耦合对准的固定方法，其特征在于包括如下步骤：
S1、采用化学腐蚀方法腐蚀单晶硅的<100>晶面，露出硅晶体的<111>晶面，形成第一梯形定位件和第二梯形定位件的倾斜面，将第一梯形定位件和第二梯形定位件切割为相应长度；
S2、将待耦合器件放置在基板的上表面，并固定在基板的一端；
S3、将硅平台放置在基板的上表面，并固定在基板的另一端；
S4、将光纤夹持在支架上，调节光纤的位置，将光纤与待耦合器件耦合对准；
S5、调整第一梯形定位件和第二梯形定位件的位置，直到两者倾斜面与光纤相切，并保持光纤与待耦合器件耦合对准；
S6、将第一梯形定位件和第二梯形定位件与硅平台和光纤固定；
S7、撤掉支架。
所述步骤S6采用紫外固化方式或者热固化方式将第一梯形定位件和第二梯形定位件与硅平台和光纤固定。
本发明相对于现有技术的有益效果是：
(1)、本发明光纤固定装置采用硅腐蚀直接制作的两个相对的固定角度的梯形定位件构成的V形槽，具有结构简单、操作便捷、封装结构设计灵活、允许容差大的优势，可以采用粘接剂方法实现光纤的固定，调节灵活，可显著降低半导体激光器封装的工艺难度，提高光路耦合装配效率；
(2)、本发明光纤固定方法通过在基底上引入可移动的梯形定位件结构来对光纤的位置进行限定，因此在对准耦合时，可采用有源对准耦合器件与光纤的位置对准，达到光纤位置灵活调节目的；
(3)、本发明的固定方式顺序上采用先调节好光纤位置，再使用固定块限定住光纤位置，最后通过粘接剂对光纤进行固定的顺序，该顺序即保证光纤在对准过程的调节的方便性，又降低了光纤固定的难度。
(4)、本发明光纤固定装置采用粘接剂固定光纤方法，工艺过程简单，封装重量轻，成本低，适于器件的批量生产。
附图说明
图1为本发明一种用于光纤耦合对准的固定装置侧视图；
图2为本发明实施例采用本发明的V形槽固定装置固定光纤的示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明提供了一种用于光纤耦合对准的固定装置，该光纤定位装置包括硅平台1、第一梯形定位件2、第二梯形定位件3，其中第一梯形定位件2和第二梯形定位件3按照斜面相对的摆放方式固定在硅平台1上，与硅平台1上表面形成V形槽，光纤4通过粘接剂5与硅平台1、第一梯形定位件2和第二梯形定位件3粘接，固定在V形槽内，与半导体激光器对准。粘接剂5可以是紫外胶或环氧树脂。
所述第一梯形定位件2和第二梯形定位件3的长度与硅平台1一致。
所述硅平台1、第一梯形定位件2和第二梯形定位件3均采用单晶硅材料。
所述第一梯形定位件2和第二梯形定位件3的倾斜面为硅晶体的<111>晶面，其与<100>面之间的夹角为54.74°。<100>面的腐蚀速率约为<111>晶面的30倍，因此，可以通过腐蚀液腐蚀单晶硅的<100>晶面，露出硅晶体的<111>晶面，形成第一梯形定位件2和第二梯形定位件3的倾斜面。此时，第一梯形定位件2和第二梯形定位件3的倾斜面与底面的夹角就是硅晶体的<111>晶面与硅晶体的<100>晶面的夹角，约为54.74°。将腐蚀完的单晶按照硅平台1和基板6的尺寸切割为相应长度即可安装至基板上。
所述腐蚀液为氢氧化钾(KOH)水溶液或四甲基氢氧化铵水溶液(TMAH)或已二胺与邻本二酚混合的水溶液(EPW)。
本发明还提出了一种用于光纤耦合对准的固定方法，该方法包括如下步骤：
S1、采用化学腐蚀方法腐蚀单晶硅的<100>晶面，露出硅晶体的<111>晶面，形成第一梯形定位件2和第二梯形定位件3的倾斜面，将第一梯形定位件2和第二梯形定位件3切割为相应长度；
S2、将待耦合器件放置在基板6的上表面，并固定在基板6的一端；
S3、将硅平台1放置在基板6的上表面，并采用粘接剂5固定在基板6的另一端；
S4、将光纤4夹持在支架上，调节光纤4的位置，将光纤与待耦合器件耦合对准；支架可以选用微调五维架。
S5、调整第一梯形定位件2和第二梯形定位件3的位置，直到两者倾斜面与光纤4相切，并保持光纤与待耦合器件耦合对准；
S6、将第一梯形定位件2和第二梯形定位件3与硅平台1和光纤固定；这个步骤可以采用紫外固化方式或者热固化方式将第一梯形定位件2和第二梯形定位件3与硅平台1和光纤固定。采用紫外固话方式时选用紫外紫外胶固定，采用热固化方式时可以选用环氧树脂胶固定。采用粘接剂固定光纤方法，工艺过程简单，封装重量轻，成本低，适于器件的批量生产。
S7、撤掉支架。
本发明的固定方式顺序上采用先调节好光纤位置，再使用固定块限定住光纤位置，最后通过粘接剂对光纤进行固定的顺序，该顺序即保证光纤在对准过程的调节的方便性，又降低了光纤固定的难度。
本发明未进行详细描述部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (10)

1.一种用于光纤耦合对准的固定装置，其特征在于：包括硅平台(1)、第一梯形定位件(2)、第二梯形定位件(3)，其中第一梯形定位件(2)和第二梯形定位件(3)能够按照斜面相对的摆放方式固定在硅平台(1)上，与硅平台(1)上表面形成V形槽，光纤(4)固定在V形槽内，与待耦合器件对准。
2.根据权利要求1所述的一种用于光纤耦合对准的固定装置，其特征在于：所述光纤(4)采用紫外固化方式或者热固化方式在硅平台(1)、第一梯形定位件(2)和第二梯形定位件(3)上。
3.根据权利要求1所述的一种用于光纤耦合对准的固定装置，其特征在于：所述第一梯形定位件(2)和第二梯形定位件(3)的长度与硅平台(1)一致。
4.根据权利要求1所述的一种用于光纤耦合对准的固定装置其特征在于：所述硅平台(1)采用单晶硅材料。
5.根据权利要求1所述的一种用于光纤耦合对准的固定装置，其特征在于：所述第一梯形定位件(2)和第二梯形定位件(3)采用单晶硅材料。
6.根据权利要求5所述的一种用于光纤耦合对准的固定装置，其特征在于：所述第一梯形定位件(2)和第二梯形定位件(3)的倾斜面为硅晶体的<111>晶面。
7.根据权利要求1所述的一种用于光纤耦合对准的固定装置，其特征在于：所述第一梯形定位件(2)和第二梯形定位件(3)的倾斜面通过化学腐蚀液将单晶硅的<100>晶面腐蚀穿，露出<111>晶面得到。
8.根据权利要求7所述的一种用于光纤耦合对准的固定装置，其特征在于：所述腐蚀液为氢氧化钾水溶液、四甲基氢氧化铵水溶液和已二胺与邻本二酚混合的水溶液。
9.一种用于光纤耦合对准的固定方法，其特征在于包括如下步骤：
S1、采用化学腐蚀方法腐蚀单晶硅的<100>晶面，露出硅晶体的<111>晶面，形成第一梯形定位件(2)和第二梯形定位件(3)的倾斜面，将第一梯形定位件(2)和第二梯形定位件(3)切割为相应长度；
S2、将待耦合器件放置在基板(6)的上表面，并固定在基板(6)的一端；
S3、将硅平台(1)放置在基板(6)的上表面，并固定在基板(6)的另一端；
S4、将光纤(4)夹持在支架上，调节光纤(4)的位置，将光纤与待耦合器件耦合对准；
S5、调整第一梯形定位件(2)和第二梯形定位件(3)的位置，直到两者倾斜面与光纤(4)相切，并保持光纤与待耦合器件耦合对准；
S6、将第一梯形定位件(2)和第二梯形定位件(3)与硅平台(1)和光纤固定；
S7、撤掉支架。
10.根据权利要求9一种用于光纤耦合对准的固定方法，其特征在于所述步骤S6采用紫外固化方式或者热固化方式将第一梯形定位件(2)和第二梯形定位件(3)与硅平台(1)和光纤固定。
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