CN1115857A - 在玻璃纤维和介质波导之间的耦合装置 - Google Patents

在玻璃纤维和介质波导之间的耦合装置 Download PDF

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Abstract

一种在玻璃纤维和基片上集成的介质波导之间的耦合装置，其通过暴露在热能下将玻璃纤维拉伸直至折断，使纤维部直径缩小到与介质波导一般芯子尺寸相当的尺寸，还在基片上设置以相同方式缩小其尺寸的纤维接纳部，其尖端在沿待耦合的波导的方向上变化。在装配时，只需将玻璃纤维插入接纳部直至停止，该玻璃纤维自身对准波导的中心，同现有技术的前表面耦合方法不同，纤维的几何公差不会导致损耗的增加。

Description

在玻璃纤维和介质波导之间的耦合装置
本发明涉及在玻璃和在基片上集成的介质波导之间通常称为纤维/集成片耦合的一种耦合装置。
在集成光学/光电子学中，一个主要问题是要在输入/输出玻璃纤维和分别在集成片上的介质波导或功能部件之间实现低成本和低损耗的耦合。因为波导的芯子直径很小，导引光的光斑直径约为10微米，而微米量级的公差已经会引起大体为几个分贝耳的耦合损耗，所以对于在玻璃纤维和集成片之间的准直技术有很高的要求。
通过平坦的前表面的耦合，在现有技术中是已知的，其中基本上使用两种不同的方法：
一方面，在纤维和集成片之间的准直可以有源地完成，即，在光源开启的情况下，通过显微操作使待耦合的纤维移向集成片，直至探测到最大的过耦合为止。这样就实现了纤维在集成片上的连接。这种方法确保最小的耦合损失，但极为昂贵，特别是在采用分支光路时，更为昂贵。
第二种方法通过通常为一个V形槽的在集成片上集成的纤维导引结构而利用无源准直。这种槽可以通过各向异性浸蚀在硅上制成。在该槽的端部制成高质量的前表面需要例如在DE 4,142,850和DE4,134,940中所说明的特别的操作步骤。作为一种替代的方法，这种槽结构也可以用模制工艺在聚合物上制成，原始模具通过诸如在DE4,212,208中所述的方法制成。
尽管第二种方法原则上允许低成本生产集成光学部件，但是它将导致比较高的并且不可重复的耦合损失，这是因为，一方面，纤维直径承受着各种变化，另一方面，纤维芯子可能相对于中心轴线偏心地定位。即使直径变化的效应可以通过昂贵的防范措施将之减少，原则上也不可能补偿由无源准直所造成的芯子的偏心度。其它的问题是在该槽的端部制造高质量前表面以及在前表面耦合方法中不可避免地出现达到不总是可以允许的程度的背向散射，这种背向散射只可通过昂贵的倾斜研磨来减少。
因此，本发明的目的是提供一种无源纤维/集成片耦合技术，该技术具有与有源技术的耦合损耗大小相差不多的可重复耦合损耗，以及最小可能性的背向散射。
这个目的已经通过下列技术解决方案而达到。该技术解决方案提供一种在玻璃纤维和在基片上集成的介质波导之间的耦合装置，该玻璃纤维向与波导耦合的端部方向连续缩小至与介质波导的芯子尺寸大体相同的直径，以及纤维接纳部设置在基片上，用以将玻璃纤维的缩小的端部导入与所耦合的波导的前表面相对的位置。
本发明的耦合装置基本上建立在观测到的事实上，即：通过使玻璃纤维的直径缓慢连续地减小(“退拔”)到同介质波导的一般芯子的尺寸相当，而能将受导引的电磁场逼出玻璃纤维的芯子而进入其外皮；或者通过直径增加而使受导引的电磁场回授耦合进入芯子，而不承受实质上的损耗；这一事实允许实现诸如低损耗熔融耦合器件。通过暴露在热能下拉伸纤维，可以经济地使玻璃纤维的直径缩小。另一方面，在基片上设置以一个合适的纤维接纳部，该接纳部在将纤维的尖端插向待耦合的波导的芯子区域时引导该纤维的尖端。导引部应适配成使得至少在尖端区域，其有效折射系数小于玻璃纤维的折射系数，从而确保在尖端区域对纤维和基片之间的电磁场进行导引。非均匀材料即带有未完全埋入的纤维的纤维导引的有效折射率需按照IEEE量子电子学杂志1988年第766期“方位有效折射率法”中提供的方法确定或由类似方法确定。
在本发明的耦合装置中，通过在加热条件下拉伸实现玻璃纤维的缩小。其中基片包括一个聚合物，其折射率小于玻璃纤维的折射率。此外，玻璃纤维的引导部的引导面包括至少两个平面。还要求基片上的纤维接纳部与通过玻璃纤维的拉伸工序得到的缩小的轮廓相适配。
在本发明的另一个实施例中基片包括一个盖板和一个底板，每块板包括纤维接纳装置的一部分，以便使纤维接纳装置完全围绕被接纳的玻璃纤维。
根据本发明在玻璃纤维的尖端部和与其相对的波导的前表面之间存在一个距离，由此产生的间隙由具有合适的折射率的聚合物或其它光学透明的材料填充。还需将粘稠状态的波导的芯子材料放在基片上，并且只是在玻璃纤维被接纳在纤维接纳部内之后以确保玻璃纤维的粘接条件，才对该芯料进行固化。
以玻璃纤维尖端、耦合位置及处在集成光路中的波导的合适的结构，所有这些对于本领域的普通技术人员而言都是已知的，可使耦合损失和背向散射能够保持在理想的范围内。
下面将参照图示的实施例详细说明本发明：
图1示出根据本发明的第一实施例中的耦合装置；
图2是以透视图表示的图1的耦合装置；
图3示出本发明第二实施例中的耦合装置；
图4是本发明第三实施例中的耦合装置；以及
图5是本发明第四实施例中的耦合装置。
现在参见图1和图2，图中示出本发明的耦合装置的基本结构，其包括玻璃纤维1，其芯子13的折射率为n2，其外皮的折射率n1＜n2，在右手侧处所述纤维有带尖端12的退拔区域11，还包括集成光路的基片2(其折射率为n3)、波导22(其折射率为n4)和基片2上的纤维接纳部21。为了使退拔的纤维部分的“尖端”12紧逼波导22的起点23，“尖端”12的直径应当和介质波导的普通芯子的尺寸在数量级上相当。
如图2所示，纤维接纳部21不必非要呈V形。只要在沿着两条线向波导22的方向插入玻璃纤维1时，能为玻璃纤维1导向，并确保玻璃纤维1在插入的条件下准确定位就够了。为了在区域11的尖端12处也能保证电磁场的导向，应该规定在所述尖端附近的有效折射率n3eff小于玻璃纤维外皮的折射率n1。在最简单的情况下，这可以通过使用具有折射率n3＜n1的基片材料2来保证，此外，通过选择纤维接纳部21的相应直径，也可以将有效折射率n3eff调整到所需要的值。
如本领域的普通技术人员所清楚知道对那样，波导22的折射率n4应大于基片的折射率n3，并应同波导截面一起确定其尺寸，以便在区域11的尖端12处和在波导的起点处的电磁场分布尽可能地匹配。如由模似计算结果所示出的那样，波导折射率的优选值一般在n4≈n1的数量级。
使用光学透明聚合物作为基片2是有利的，因为一方面，其折射率n3可以容易地调整到所需值，另一方面，通过使用热压、注入成型或类似方法模制一个主结构，就可以以简单的方式得到纤维接纳部21的结构。推荐光刻法、各向异性浸蚀和激光烧蚀等方法以制造主结构。由于这种主结构有多种模制的可能性，其生产成本实属次要的问题，以致可以制成很复杂的结构。
如果玻璃纤维1的区域11的截面缩小是通过暴露在热能下拉伸直至其折断的方法得到的话，那未便会产生所熟悉的非均匀的、但沿纤维轴线可重复的半径的缩小，这种半径的缩小所导致的损失比图2所示的圆锥形缩小的损失小，因此这种制造方法是有利的。
图3示出一个与纤维拉制轮廓相适配的耦合装置。它包括带有退拔的(此处由拉制而成的)纤维区11和尖端12的相同的功能构件玻璃纤维以及带有波导22和纤维接纳部21的集成光路的基片2。但是，为了向玻璃纤维1提供一个安全支座，并将耗散损失减到最小，纤维接纳部21应尽可能紧密地适配于玻璃纤维1的拉制轮廓。
在装配条件下，好的纤维导向和机械稳定性有利地保证图4示意示出的实施例的实施。这里，集成光路不只包括一个基片2，此外，还包括一般与基片2对称的盖板3，其中纤维接纳部的部分31也是集成的。
如果在压制成型/注入成型期间盖板3和也作为基片的底板2的波导结构适配成为一种槽，然后用加热或光化学可联结的预聚合物填充该槽，就得到特别有利于生产的实施例。在组装盖板3和底板2之后，可将玻璃纤维插入接纳部21、31中。最后，波导的芯子材料在暴露热能之下或紫外线辐射下固化，从而盖板3、底板2和玻璃纤维1彼此相互粘接。
图5中详细示出其它有利的耦合装置的实施例。在这里，在波导22和插入的玻璃纤维1的尖端12之间故意留有一个间隙24，以便在此之后，用具有相应折射率的粘稠的、但是可固化的材料充填该间隙24，从而得到最小可能的耦合损失的背向散射。

Claims (8)

1.一种在玻璃纤维和在基片上集成的介质波导之间的耦合装置，其特征在于，该玻璃纤维(1)向与波导(22)耦合的端部方向连续缩小至与介质波导(22)的芯子尺寸大体相同的直径，以及纤维接纳部(21)设置在基片(2)上，用以将玻璃纤维(1)的缩小的端部导入与待耦合的波导的前表面相对的位置。
2.根据权利要求1所述的耦合装置，其特征在于，通过在加热条件下拉伸实现玻璃纤维(1)的缩小。
3.根据权利要求1或2所述的耦合装置，其特征在于，基片(2)包括一个聚合物，其折射率小于玻璃纤维(1)的折射率。
4.根据权利要求1至3所述的耦合装置，其特征在于，玻璃纤维(1)的引导部的引导面包括至少两个平面。
5.根据权利要求2至4所述的耦合装置，其特征在于，基片(2)上的纤维接纳部(21)与通过玻璃纤维(1)的拉伸工序得到的缩小的轮廓相适配。
6.根据权利要求1至5所述的耦合装置，其特征在于，基片包括一个盖板(3)和一个底板，每块板包括纤维接纳装置的一部分(21，31)，以便使纤维接纳装置完全围绕被接纳的玻璃纤维(1)。
7.根据权利要求1至6所述的耦合装置，其特征在于，在玻璃纤维(1)的尖端部和与其相对的波导(22)的前表面之间存在一个距离，由此产生的间隙由具有合适的折射率的聚合物或其它光学透明的材料填充。
8.根据权利要求1至7所述的耦合装置，其特征在于，将粘稠状态的波导(22)的芯子材料放在基片上，并且只是在玻璃纤维被接纳在纤维接纳部(21)内之后以确保玻璃纤维(1)的粘接条件，才对该芯料进行固化。
CN94113851A 1993-12-23 1994-11-22 在玻璃纤维和介质波导之间的耦合装置 Pending CN1115857A (zh)

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