CN113275195B - 光学装置及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种光学装置的制作方法，包括步骤S1：通过点胶方式在第一光学元件的光输出端和第二光学元件的光输入端之间形成液态导光材料；步骤S2：对所述液态导光材料进行固化形成光学连接结构，实现所述第一光学元件的光输出端与所述第二光学元件的光输入端的光学耦合。通过利用液态导光材料在需要光学耦合的元件之间采用点胶并固化的方法，实现元件之间的光学耦合连接，无需昂贵设备，成本低廉，不需要专用模板或腔室等辅助结构，操作简便，使用灵活度高，且对光学材料的利用率高、浪费少。本申请还提供一种光学装置，因采用上述制作方法，该装置具有光程短、光学损耗小、光学材料利用率高等优点。

Description

光学装置及其制作方法
技术领域
本申请涉及光学技术领域，尤其涉及一种光学装置及其制作方法。
背景技术
在光传输耦合过程中，传统方式通常采用光学元件来实现，光学元件例如是透镜、棱镜、反射镜、光学晶体材料等，比如通过透镜实现光束的汇聚或者发散，通过反射镜、棱镜等实现光束的反射偏折等，最终实现光从发射端到接收端的光学传输。该方式中，使用的这些光学元件繁多，器件加工复杂，成本高昂，使用时光路调整调试复杂、困难，且存在明显空间位置要求的局限，而且通常需要安装和调试支架或夹具等辅助固定装置。
自从上世纪六七十年代第一根实用化光纤被发明以来，光学耦合多了一种利用光纤波导耦合传输的方式；大约在最近十年内，随着光学集成技术的逐渐发展，人们开始研究在光学耦合中引入类似于电学中金丝键合传输电信号的方式来试图实现光学键合或者称为光子键合。
在光子键合技术领域中，现有方法多用三维打印机将光学材料立体堆积打印固化成型成光学波导，或者直接在液态光学材料中利用激光聚焦至超过其固化能量阈值时，在固化光束的焦点处完成液态光学材料的激光固化而形成固态结构，通过控制激光焦点的运动轨迹来形成光学波导。其中，采用三维打印机将光学材料立体堆积打印固化成型成光学波导的方法，需要价格昂贵的能够打印和固化光波导材料的3D打印设备，并且仅适用于具有固定模板的波导光路结构制作；直接在液态光学材料中利用激光聚焦至超过其固化能量阈值时，在固化剂光束的焦点附近完成液态光学材料的激光固化而形成固态结构的光学波导的方法，需要价格昂贵的高聚焦能力的固化激光器，尤其是紫外激光器成本高昂。另外，采用激光聚焦固化生成波导结构的方式，需要在液体腔池中局部固化，材料利用率极低。
因此，研究如何低成本、高材料利用率地实现光学元件之间的光学耦合连接对于降低微光学器件或光纤器件的成本具有重要意义。
发明内容
本申请的目的在于提供一种光学装置及其制作方法，该光学装置及其制作方法通过采用新型光波导线实现光学元件之间的光学耦合连接，该光波导线的制作方法简便、成本低、材料利用率高。
本申请的目的采用以下技术方案实现：
第一方面，本申请提供了一种光学装置的制作方法，包括步骤S1：通过点胶方式在第一光学元件的光输出端和第二光学元件的光输入端之间形成液态导光材料；步骤S2：对所述液态导光材料进行固化形成光学连接结构，所述光学连接结构实现所述第一光学元件的光输出端与所述第二光学元件的光输入端的光学耦合。该技术方案的有益效果在于，通过利用液态导光材料在需要光学耦合的元件之间采用点胶并固化的方法，实现元件之间的光学耦合连接，无需昂贵设备，成本低廉，不需要专用模板或腔室等辅助结构，操作简便，使用灵活度高，且对光学材料的利用率高、浪费少。
在一些可选的实施例中，对所述液态导光材料进行固化的方法为光固化、热固化(例如红外辐照热固化)、或者光热双固化，步骤S1和步骤S2同时进行。该技术方案的有益效果在于，步骤S1和步骤S2同时进行可以有效控制丝状、线状或网状光波导结构的形状，保证光学耦合的有效性。
在一些可选的实施例中，所述第一光学元件的光输出端具有至少一个光波导，所述第二光学元件的光输入端具有至少一个光波导，第一光学元件和第二光学元件可以为同一光学元件，也可以为不同光学元件。形成光学连接结构的方法包括：从所述第一光学元件的光波导的端面处开始点胶，并移动拉出液滴线形成液态导光材料，同时对所述液态导光材料固化，直至点胶至所述第二光学元件的光波导的端面处；和/或，从所述第二光学元件的光波导的端面处开始点胶，并移动拉出液滴线形成液态导光材料，同时对所述液态导光材料固化，直至点胶至所述第一光学元件的光波导的端面处；当第一光学元件和第二光学元件为同一元件，和/或，第一光学元件的光输出端与所述第二光学元件的光输入端为同一端面时，通过所述点胶方式形成波导环耦合或者单端回反耦合。该技术方案的有益效果在于，通过移动拉出液滴形成液态导光材料的同时，对液态导光材料立即固化下形成连续空间波导光路，点胶过程从光输入端开始至光输出端终止，操作灵活方便，且液态导光材料的形状即为波导形状，无需利用激光固化来控制形状，在一定程度上降低了成本。
在一些可选的实施例中，所述点胶方式为使用点胶机或手动点胶针筒在所述第一光学元件和第二光学元件之间形成液态导光材料。该技术方案的有益效果在于，不需要特定的专用设备，特别是在采用手动点胶方式时，通过针头配合变速杆即可操作，无需高昂设备，成本低廉。
在一些可选的实施例中，当用于单模耦合时，所述点胶机或手动点胶针筒的针头直径在1-20μm之间，所述液态导光材料是粘稠度为100-1000cps、折射率为1.1-1.9的光透明紫外光固化胶水、光透明热固化(例如红外辐照热固化)胶水、或者光透明光热双固化胶水。当用于多模耦合时，所述点胶机或手动点胶针筒的针头直径在10-70μm之间；所述液态导光材料是粘稠度为100-50000cps、折射率为1.1-1.9的光透明紫外光固化胶水、光透明热固化(例如红外辐照热固化)胶水，或者光透明光热双固化胶水。该技术方案的有益效果在于，由于微米针头喷射出的液态导光材料完全固化成为固体波导，不需要通过精确控制光源聚焦程度来控制波导尺寸，所以不需要采用昂贵的紫外激光器进行聚焦，同时几乎没有波导材料浪费；且可以根据耦合方式的不同，灵活选用不同尺寸的针头和合适的固化胶水，合理控制胶量，保证光学耦合连接的有效性，提高光学材料的利用率。
第二方面，本申请提供一种光学装置，包括：基板、设置在所述基板上的第一光学元件、第二光学元件和光学连接结构，所述第一光学元件具有光输出端，所述第二光学元件具有光输入端，所述第一光学元件的光输出端与所述第二光学元件的光输入端通过所述光学连接结构光学地耦合，所述光学连接结构由液态导光材料通过点胶并固化形成。该技术方案的有益效果在于，相较于采用光学元件耦合而言，采用固化液态导光材料实现光学耦合具有光程短、光学损耗小、空间利用率高的优点；相较于现有技术中采用激光聚焦固化生成波导结构的方式，具有光学材料利用率高、浪费少、成本低的优点。
在一些可选的实施例中，所述光学连接结构为线状、丝状或网状结构。
在一些可选的实施例中，所述第一光学元件的光输出端具有至少一个光波导，所述第二光学元件的光输入端具有至少一个光波导，所述第一光学元件的光输出端的光波导与所述第二光学元件的光输入端的光波导之间通过光学连接结构光学地耦合。上述结构可以使得第一光学元件的多个光波导与第二光学元件的多个光波导之间相互对应地通过光学连接结构光学地耦合。
在一些可选的实施例中，所述第一光学元件和/或第二光学元件为平面集成波导。
在一些可选的实施例中，所述光学连接结构的材料为光透明的紫外光固化胶水、光透明热固化(红外辐照热固化)胶水、或者光透明光热双固化胶水。
与现有技术相比，本申请的有益效果至少包括：
1、通过利用液态导光材料在需要光学耦合的元件之间采用点胶并固化的方法，实现元件之间的光学耦合连接，其相较于传统分离元件光路耦合，具有光程短、光学损耗小、空间利用率高的优点；相较于采用激光聚焦固化生成波导结构的方式，具有光学材料利用率高、浪费少、成本低的优点；
2、利用液体导光材料表面张力配合点胶过程形成光波导，无需昂贵的3D打印机堆叠材料形成波导结构；利用微米针头，不需要通过精确控制光源聚焦程度来控制波导尺寸，所以不需要采用昂贵的紫外激光器进行聚焦，同时几乎没有波导材料浪费，因此成本低廉，且光学材料利用率高、浪费少。
附图说明
下面结合附图和实施例对本申请进一步说明。
图1是本申请实施例提供的光学装置的制作方法的结构示意图；
图2是本申请实施例提供的光学装置的制作方法的局部结构示意图。
图中：1、光纤阵列；2、光调制器芯片；3、手动点胶针筒；4、紫外LED。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本申请做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
本申请实施例一提供一种光学装置的制作方法，该光学装置的制作方法包括如下步骤S1和步骤S2，步骤S1和步骤S2优选同时进行。
步骤S1：通过点胶方式在第一光学元件的光输出端和第二光学元件的光输入端之间形成液态导光材料。
步骤S2：对所述液态导光材料进行固化形成光学连接结构，所述光学连接结构实现所述第一光学元件的光输出端与所述第二光学元件的光输入端的光学耦合。
其中，第一光学元件的光输出端具有至少一个光波导，第二光学元件的光输入端具有至少一个光波导。形成光学连接结构的方法包括：从所述第一光学元件的光波导的端面处开始点胶，并移动拉出液滴线形成液态导光材料，同时对所述液态导光材料固化，直至点胶至所述第二光学元件的光波导的端面处；和/或，从所述第二光学元件的光波导的端面处开始点胶，并移动拉出液滴线形成液态导光材料，同时对所述液态导光材料固化，直至点胶至所述第一光学元件的光波导的端面处。通过上述方法，使得第一光学元件的多个光波导与第二光学元件的多个光波导之间相互对应地通过光学连接结构光学地耦合。
第一光学元件和第二光学元件可以为不同元件、也可以为同一元件，本实施例中例如为不同元件；此外，第一光学元件的光输出端与第二光学元件的光输入端可以为不同端面、也可以为相同端面；当第一光学元件和第二光学元件为同一元件和/或第一光学元件的光输出端与第二光学元件的光输入端时，通过上述点胶方式形成波导环耦合或者单端回反耦合，主要用于光学传感检测，例如微振动检测，例如仿生学的嗅觉模拟，利用光化学作用实现光学鞭毛嗅觉传感器。
参见图1至图2，在本实施例中，所述第一光学元件例如为光纤阵列1，所述第二光学元件例如为光调制器芯片2，当然，在其他实施例中所述第一光学元件和第二光学元件还可以为其他微光学器件或光纤器件，本申请不做具体限定。
对光纤阵列1和光调制器芯片2通过点胶方式进行光路耦合，点胶方式可以采用点胶机或手动点胶针筒3，液态导光材料可以选择合适的透明固化胶水。本实施例中例如采用手动点胶针筒3，用于单模耦合时，手动点胶针筒3的针头直径在1-20μm之间，本实施例中例如选用针头直径为5μm的针筒。用于多模耦合时，所述点胶机或手动点胶针筒的针头直径在10-70μm之间。液态导光材料选用粘稠度为100-1000cps(用于单模耦合)、100-50000cps(用于多模耦合)，折射率为1.1-1.9的光透明紫外光固化胶水、光透明热固化(例如红外辐照热固化)胶水、或者光透明光热双固化胶水，本实施例中例如选用粘稠度为500cps、折射率为1.5的光透明紫外光固化胶水。步骤S1和步骤S2优选同时进行，换言之，点胶机或手动点胶针筒3在激光器芯片1和光调制器芯片2之间点胶的同时，对已喷射的胶水进行固化，针头不断移动位置并持续喷射胶水，最终在针头移动的路径上生成一段连续的丝状、线状或者网状光波导结构，实现光学耦合连接，步骤S1和步骤S2同时进行可以有效控制丝状、线状或网状光波导结构的形状。
具体地，从光纤阵列1的光输出端开始喷射点胶，并移动拉出液滴线，利用胶水的表面张力形成点胶面到针头之间的胶水跨接，同时对已经喷射出针头的跨接胶水段利用紫外LED4进行光固化照射，实现胶水生成固态光波导结构；在胶水被喷出并被照射固化的同时，针头不断移动位置并持续喷射胶水，最终在针头的移动路径上生成一段连续的丝状、线状或网状的光波导结构，点胶过程从光输出端开始直至光输入端终止，实现光纤阵列1和光调制器芯片2之间的光学耦合连接。
通过利用胶水的表面张力和针头运动所生成的胶水固化成波导，无需利用激光固化来控制形状，所以可以直接采用LED等低成本的固化光源，不需要昂贵设备，成本低廉；且采用点胶方式不需要专用模板或者其他腔室等辅助结构，使用自由灵活，材料利用率高，浪费少。
本申请实施例二还提供了一种光学装置，其可以通过上述实施例一中的方法制得，包括基板、设置在所述基板上的第一光学元件、第二光学元件和光学连接结构，所述第一光学元件具有光输出端，所述第二光学元件具有光输入端，所述第一光学元件的光输出端与所述第二光学元件的光输入端通过所述光学连接结构光学地耦合，所述光学连接结构由液态导光材料通过点胶并固化形成。
所述液态导光材料可以为光透明的紫外光固化胶水、光透明热固化(红外辐照热固化)胶水、或者光透明光热双固化胶水，通过固化形成线状、丝状或网状的波导结构，实现第一光学元件输入端至第二光学元件输出端的光学耦合。
本实施例中的第一光学元件和/或第二光学元件可以为平面集成波导，但本申请不做具体限定。通过由液态导光材料点胶固化的方式形成波导结构，相较于采用光学元件耦合而言，具有光程短、光学损耗小、空间利用率高的优点；相较于现有技术中采用激光聚焦固化生成波导结构的方式，具有光学材料利用率高、浪费少、成本低的优点。
本申请从使用目的上，效能上，进步及新颖性等观点进行阐述，已符合专利法所强调的功能增进及使用要件，本申请以上的说明书及说明书附图，仅为本申请的较佳实施例而已，并非以此局限本申请，因此，凡一切与本申请构造，装置，特征等近似、雷同的，即凡依本申请专利申请范围所作的等同替换或修饰等，皆应属本申请的专利申请保护的范围之内。

Claims (11)

1.一种光学装置的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：通过点胶方式在第一光学元件的光输出端和第二光学元件的光输入端之间通过拉出液滴线形成液态导光材料；
步骤S2：对所述液态导光材料进行固化形成光学连接结构，所述光学连接结构实现所述第一光学元件的光输出端与所述第二光学元件的光输入端的光学耦合；
所述步骤S1和所述步骤S2同时进行。
2.根据权利要求1所述光学装置的制作方法，其特征在于，对所述液态导光材料进行固化的方法为光固化、热固化、或者光热双固化。
3.根据权利要求1所述光学装置的制作方法，其特征在于，所述第一光学元件的光输出端具有至少一个光波导，所述第二光学元件的光输入端具有至少一个光波导，形成光学连接结构的方法包括：
从所述第一光学元件的光波导的端面处开始点胶，并移动拉出液滴线形成液态导光材料，同时对所述液态导光材料固化，直至点胶至所述第二光学元件的光波导的端面处；
和/或，从所述第二光学元件的光波导的端面处开始点胶，并移动拉出液滴线形成液态导光材料，同时对所述液态导光材料固化，直至点胶至所述第一光学元件的光波导的端面处；
当第一光学元件和第二光学元件为同一元件，和/或，第一光学元件的光输出端与所述第二光学元件的光输入端为同一端面时，通过所述点胶方式形成波导环耦合或者单端回反耦合。
4.根据权利要求2或3所述光学装置的制作方法，其特征在于，所述点胶方式为使用点胶机或手动点胶针筒在所述第一光学元件和第二光学元件之间形成液态导光材料。
5.根据权利要求4所述光学装置的制作方法，其特征在于，当用于单模耦合时，所述点胶机或手动点胶针筒的针头直径在1-20μm之间，所述液态导光材料是粘稠度为100-1000cps、折射率为1.1-1.9的光透明紫外光固化胶水、光透明热固化胶水、或者光透明光热双固化胶水。
6.根据权利要求4所述光学装置的制作方法，其特征在于，当用于多模耦合时，所述点胶机或手动点胶针筒的针头直径在10-70μm之间；所述液态导光材料是粘稠度为100-50000cps、折射率为1.1-1.9的光透明紫外光固化胶水、光透明热固化胶水、或者光透明光热双固化胶水。
7.一种光学装置，其特征在于，包括：基板、设置在所述基板上的第一光学元件、第二光学元件和光学连接结构，所述第一光学元件具有光输出端，所述第二光学元件具有光输入端，所述第一光学元件的光输出端与所述第二光学元件的光输入端通过所述光学连接结构光学地耦合，所述光学连接结构由通过拉出液滴线的液态导光材料通过点胶和固化同时进行形成。
8.根据权利要求7所述的光学装置，其特征在于，所述光学连接结构为线状、丝状或网状结构。
9.根据权利要求7所述的光学装置，其特征在于，所述第一光学元件的光输出端具有至少一个光波导，所述第二光学元件的光输入端具有至少一个光波导，所述第一光学元件的光输出端的光波导与所述第二光学元件的光输入端的光波导之间通过光学连接结构光学地耦合。
10.根据权利要求9所述的光学装置，其特征在于，所述第一光学元件和/或第二光学元件为平面集成波导。
11.根据权利要求7所述的光学装置，其特征在于，所述光学连接结构的材料为光透明的紫外光固化胶水、光透明热固化胶水、或者光透明光热双固化胶水。
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