CN1143192A - 排成片状形光纤端部的组装方法及装置 - Google Patents

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Abstract

将呈液态的粘性物(9)放入形成于基片(5)的平坦表面上的多条平行的和等间隔的矩形槽(6i)中，将光纤片中每条光纤的剥离端(1i)引入相应的槽(6i)中，并借助于附在这些槽上的薄片(13)将这些光纤的端部夹在这些槽中。按照本发明，由于粘性物(9)处于液态，从而贴着伸出于基片(5)外面的薄片(13)平坦部分(13′)压住部分自槽(6i)伸出的光纤端部(1i)，并将这种压力一直维持到粘性物(9)凝固，薄片(13)被粘牢。

Description

排成片状形光纤端部的组装方法及装置
本发明涉及排成片状形之光纤端部的组装方法及装置，具体而言，涉及一种为把光纤片连接成整体光学元件而组装它们的方法和装置。
这类光学元件含有与基片成一体的波导，为此，这些波导的端部需与各光纤连接。例如，具有m个输入端n个输出端的耦接器分别与包含m条光纤和n条光纤的光纤片联结。按照实现这种联结所采用的第一种方法，利用显微操作，使每条光纤端部的轴线与相应波导端部的轴线对准并连接之，再以粘性物件稳定这些端部各自的位置。
很明显，这种需要显微操作各光纤的方法费时，又是一种费钱的方法。
为了加速这种连接操作，曾经提出，事先按照与整体光学元件中波导各端的布置相一致的配置统一光纤片相应的各端，然后利用简单的粘接工序把光纤和相应波导的各端连接起来。
这种提议增加了前述统一各光纤端部的困难，通过下述方式，以一种不使受到变形并具有拟与各光纤端部相连的波导端部一致的间隔作定位排列，将这些端部排成一条直线。
为此，曾提出将这些端部定位于基片中的多条平行槽内，这些槽的间隔与波导端部的间隔相等。从这个意义上讲，带V形截面槽的基片是公知的，每根光纤贴着槽的两个侧边安放于其中，用一块粘到基片上的薄片盖住这些槽，成为一个与多条光纤保持联系的完整组件。
这种结构可望得到所需的快速装配。然而，一当用于连接两条以上光纤时，它就有处于超静稳定的缺点。光纤其槽的一个侧面之间或者光纤与那个薄片之间存在寄生的微粒，就能妨碍这样制作片形光纤各端的准确对准。任何一条光纤对准时的缺陷又同样地影响其它光纤的对准。按这种方法装配光纤片，制作的故障率高，其结果要增加制造成本。
还给出一种考虑，即引导多条光纤通过一个基片中的排成环形的通道，然后通过使用粘接剂，将各光纤固定在这些通道中。遗憾的是，由于这种通道的直径必须大于各光纤的直径，所以这种组件不可避免地要下沉。因此，既不能保证所装配的光纤对准，又不能保证其共面性。
还曾提出采用带有基本为矩形截面的槽的基片，通过粘接将光纤牢牢地固定在槽的底部。既然是这样，这些槽就须大大宽于光纤的直径，以使光纤适于贴着各槽的底部，这将不利于光纤的横向定位。此外，位于光纤与槽底之间的寄生微粒可能引起压板在位于该槽外侧的光纤部分上的枢轴转动，致使不利于其它光纤在其各自槽内安放的稳定性。
于是，本发明的目的在于提供一种方法和装置，使得它能将几个排成片状形的光纤端整齐而精确地预先装配起来，具有低的制作故障率，并由此而降低制造成本，适应大规模工业化生产中的财政限制。
本发明的这个目的，以及通过研究下面的叙述会成为很清楚的其余内容可以通过采用一种被排成片形的光纤端部的装配方法而实现，按照这种方法，在基片的一个平坦表面上制成的多条等距离、平行的矩形槽中放有呈液态的粘性物；把成片形的多条光纤的各剥离端引入相应的槽中；再借助一个附加于这些槽上的薄片将各光纤的端部夹在槽内。由于所述粘性物依然呈液态状，所以本法显然是使这组从槽中伸出的光纤端部贴着伸出于基片外的薄片平坦部分被压住，并且这种压力一直维持到粘性物凝固，同时把该片粘住。
于是，对于所装配的这组光纤而言，薄片的平坦部分通过该部分的平面性而构成确保这些光纤良好对准的参考面。
本发明的另一个特点在于，由于光纤是顺着平面的这种槽的两个侧面(它们与形成该槽的基片表面垂直)，这就确保了每条光纤在它的槽内的横向定位。由于这种横向定位，就能够精确地确定光纤的间隔及这种间隔的一致性。
为实现本发明的这种方法，采用一种装置，它含有：
a)安放开过槽的基片的托板；
b)将呈液态的粘性物放入基片的槽中的装置；
c)将这种光纤片中各光纤的剥离端安置在已放有粘性物的槽中的装置；
d)用一薄片盖住里面已放有粘性物的各槽及各光纤，并使该片对着基片固定的装置；
e)对着薄片伸出于基片之外部的平坦部分压住这组从各槽伸出的光纤端部，直至粘性物凝固的装置。
上述加压装置最好包含一个由弹性材料做的前缘支架，它位于紧靠从基片伸出之各光纤的端部，并与这些端部相交。该加压装置还包含使这个前缘支架在离开所述各端部一定距离的第一位置和使该前缘支架对着薄片的平坦面压住各端部的第二位置之间交换位置的装置。
于是，按照本发明的方法，使我们能够得到光纤片，它是借助带有多条等距离、共面且平行的槽，而且都放有凝固了的粘性物的基片，以及各光纤的一个剥离端和至少对着基片的开槽部分粘结的薄片装配成的。上述各光纤的剥离端都离开各槽底部一定距离，并与对着基片粘着的薄片的平坦部分接触；该平坦部分限定了光纤嵌入它们各自的槽中的深度。
通过研究下面的描述并观察各附图，将使本发明的其它特点和优点变得更清楚，其中：
图1至3表示本发明组装方法的几个接连的步骤；
图4是本发明方法所用的开有槽的基片的透视图；
图5是按照本发明方法组装之光纤的示意断面图，它用于描述这种方法；
图6是说明按照本发明作成整体光学元件的光纤片的示意图。
参照附图1至3，其中图1说明本发明组装方法中的预备步骤，这里制成n个在保护涂层(2i)下的光纤(1i)的片子(其中i＝1到n)。这要通过把多个这样的光纤的端部(例如多达几百条光纤)彼此平行地排在一个平面内，再通过把这个组件压在两个伸展于如此制成的光纤片整个宽度的部件(3)、(4)之间，使这些光纤端部暂时稳定之。最好其中一个部件带有多条平行的共面槽(未示出)，它们的间隔必需要与待组装的各光纤端部的间隔相同，每个槽放一条处于保护涂层下的光纤，并用另一个部件封闭该槽。临时组装装置(未示出)将两个部件(3)和(4)彼此相对地夹住，于是制成一个片夹持器，这使得能够接下去操作该光纤片，如图1所示，随后除去靠近各光纤端部的部分保护涂层(2i)，而使各光纤的端部剥离。
按照本发明，如图4之透视图及图2和3之截面图所示，然后将这些呈小丝条状的光纤剥离端引入基片(5)的一个表面上所形成的平行且等距的槽中，并附在其中。如图4所示，支座带有多条直线槽(61)、(62)等，其数目等于要配装的光纤数，还有用来留存粘结剂的台阶(7)，意图在于固定与这些光纤的剥离相邻的光纤保护涂层段，这一点将在下面所说明。
现在回到图2，可以看出，基片(5)放置于支承托板(8)中。当借助片夹持器(3)和(4)控制该光纤片时，所有的光纤(1i)同时被引入基片(5)中的相应的槽(6i)中，这些槽预先已涂有呈液态的粘性物(9)。所说的托板有一个对片夹持器(3)，(4)的支承面(10)，这个支承面是以这样一种方式来确定的，即当把该片夹持器置于所述的支承面(10)上时(如图3所示)，必需使各光纤端部的轴线与相应的各槽(6i)同轴。
图3是各个机构的示意图，它们组成了为实现本发明方法所必需的装置。于是，该装置还包含接受托板(8)的基板(11)，用呈液态的粘性物(9)涂敷基片(5)各槽的机构(未示出)，控制片夹持器(3)、(4)，以便把片中各光纤的剥离端置于涂有粘性物的槽内的机构，以及其后用薄片(13)盖住各槽(6i)，以此将各光纤夹在槽中的装置(12)。这个装置(12)用一个力对着基片(5)压住平板(13)，是以在薄片(13)与基片(5)之间形成厚度大约为20微米的粘接剂层。
按照本发明装置的一个重要特点在于，该装置还包含一个前缘支架(14)，它与光纤片相交地伸展着，这些光纤剥离部分的右侧，面对着薄片(13)伸出于基片(5)之外的的面的平坦部分(13＇)。一个未图示出的机构使得此前缘支架能在第一位置和第二位置之间选择性地换位。在第一位置时，该前缘支架脱离与各光纤的接触；而在第二位置(如图3所示)时，该前缘支架(14)将各光纤(1i)的组件同时压抵住覆盖薄片(13)的平坦部分(13＇)，借助装置(12)使组件贴着基片(5)被固定地夹持住。
按照本发明，采用这个装置以彼此准确的固定的安装位置的方式配装多个光纤的端部，它们排成一线并且与整体光学元件中制成的波导各端有相一致的间隔。为此，在通过已经涂有液态粘性物的槽(6i)压住各光纤(1i)的端部以后，并且在用薄片(13)盖住基片(5)以及所述薄片(13)已经被加压保持在覆盖位置之后，移动前缘支架(14)，使其移至第二位置，而用以涂敷槽的粘性物仍处于液态。此后，使前缘支架顶住被抵压的光纤，直至粘结剂凝固；被该前缘支架(14)压住的光纤贴着薄片(13)的平坦部分(13＇)。一旦粘结剂凝固，与基片和薄片(13)相结合的光纤(1i)的端部形成一个坚固的部件，各光纤在其中非常准确地互相定位，这恰如下面将结合图5的分析所要说明的。
图5表示开槽的基片(5)、薄片(13)以及装有光纤(11)、(12)、(13)的基片的槽(61)、(62)、(63)的局部剖面视图。一方面粘性物填入槽壁与光纤之间的空隙，另一方面还填入薄片(13)与基片(5)之间的空隙。
光纤通常由中央纤芯(1a)和周围护套(1b)构成，按照本发明，它一方面靠在薄片(13)的平坦部分(13＇)上，另方面靠在基本上与该面垂直的相应槽的两侧面(6a)(6b)上。举例来说，在单模光纤情况下，纤芯直径可为10微米，而护套直径可为125微米。未通过槽的护套周围环绕着直径为250微米的保护涂层，这等于基片(5)中的槽间间隔。按照本发明，光纤与薄片(13)的平坦部分(13＇)，以及与槽的两个侧面(6a)(6b)的接触确保各光纤在图2所示截面图的平面内相互间的二级光纤自由度的精确定位。
事实上，由于各光纤都靠住平坦部分(13＇)，因而它准确地平行于该平坦部分的表面而被对准，并且离开槽的底部有一定的距离，因此槽底并不决定它们的对准。此外，按照本发明的有益特征，各槽稍向外翻，譬如它们的两个侧面偏离垂直于面(13＇)的平面为2至4度。当把各光纤浸入槽中的液态粘结剂中时，它们在槽内的绝大部分都陷入粘结剂中，于是朝槽的两个侧面给液态粘结剂施加作用力，使粘结剂从槽底升起，从而造成光纤的浸入。借助槽的侧面导致光纤陷入槽中，这种粘结剂的沟流效应就使光纤预先落入槽中。槽的开口宽度略大于光纤的直径，由于侧面的倾斜，使得在把光纤引入各槽时，在这种引入过程中以及随着使各光纤实现与薄片(13)的平坦表面(13＇)接触的前缘支架(14)的顶压所引起光纤回升(如果有的话)过程中，都会受到这种侧面的导引，从而使光纤落入各槽。
因而各光纤可以根据相关的各槽的侧面(6a)(6b)以及薄片(13)的平坦部分(13＇)的两级自由度被准确地定位。因此，这种位置与该整体光学元件中各波导端部位置的一致性是随着薄片(13)平坦部分(13＇)的平面度以及基片(5)各槽的侧面(6a)、(6b)的横向定位所确保的精度而变化的。
在这方面，可用玻璃制做这种薄片，因为至今已经公知怎样在这种薄片上得到平面度等于或者大于0.5微米/厘米的平面。
为要制做图4所示的基片(5)，可选用热胀系数等于或者接近该玻璃薄片的玻璃块，特别是申请人公司的产品目录中所述的FOTOFORM(已注册商标)光敏玻璃制成的块件。在一块截面为3毫米×6毫米且具有7毫米×3毫米宽的台阶的块体的平面上，按照常规方法并借助光敏树脂，可在该平面上形成精确地复制各槽(6i)的开口形状及间隔的掩膜。然后，将已掩膜的表面曝光于紫外光照射中，则未掩膜部分被陶质化至一定的深度。随后可通过氢氟酸处理，清理这些未掩膜的部分，即可在陶质化的部分产生槽。按这种方法，得到其侧面倾斜角度约为2到3度的外翻的槽，如上所述，这是有益的。
利用这种方法制做的基片，就可像下面所描述的那样实施本发明的配装方法。首先，将一定数量(例如108条)带有保护涂层的光纤以比如250微米的间隔置于片夹持器(3)、(4)中。然后将这些光纤(1i)的端部用化学方法剥离，再同时插入基片(5)中已事先涂有粘结剂的槽(6i)中。此后，用薄片(13)盖住涂有粘结剂的槽，并利用装置(12)将其固定在应有的位置，从而形成一个有一定灵活性的压具。在这种状态下，使粘性物在20℃温度下，以适宜波长的紫外光照射，使之经历差不多一分钟的聚合处理。这之后，就使各光纤(1i)的端部、薄片(13)以及基片(5)彼此恰当地牢牢配装在一起了。
采用护套一纤芯的同心度好于0.1微米的单模光纤，这种方法能够配装一组具有250±0.3微米间隔的100条以上光纤组。在这种组件中，基片中要与各光纤接触的各槽宽度都是125±0.5微米，深度均为120±3微米。各光纤的中心位于距离基片(5)表面差不多40微米处。一层厚为差不多20微米的粘结剂层将基片表面与薄片(13)的平坦部分(13＇)分隔开。若该粘性物是由在暴露于紫外光照射条件下受到充分的聚合作用的环氧树脂组成时，则这一厚度足以防止该薄片的脱离。每条光纤与各相邻的侧壁(6a)、(6b)之间具有厚度为0至0.5微米的粘合剂间隔层。
尤其如图2的配装过程中所示那样，薄片(13)有一个台阶(14＇)，它面对基片(5)的台阶(7)。继而，靠近光纤剥离端的保护涂层的端头被夹在这两个台阶之间，从而二台阶被分开一个基本上等于保护涂层的直径的间隔。为确保保护涂层(2i)在此二台阶间定位，可给出台阶(7)和台阶(14＇)预先加上粘结剂(如图2所示)，但这并非必须的。
如图6所示，沿断面(P)切断所得的块件，这个断面位于被剥光纤伸出的基片(5)表面的外面。断面(P)偏离与基片的槽中各光纤轴垂直的平面大约6至15度；理由将如下述。
随着切断基片(5)、光纤(1i)以及薄片(13)，该切割面被磨光，为的是有助于如此制成的光纤片的前端面与整体光学元件(15)连接。按照图6所示意的方法可实现这种连接。可事先使片夹持器(3)、(4)与光纤片脱离，必要时可用一条挠性的保护条代替片夹持器。举例而言，整体光学元件(15)的表面(16)上有多个波导，它们是按照其公知的、与掩膜有关的离子交换技术形成上去的。在进行连接之前，把元件(15)的表面(17)本身对着实施切割和磨光的光纤片前端面表面沿着一个逆向倾斜的断面切割之，以使光纤片中的各光纤与元件(15)中的相应波导连接成直线。于是，由于这个光纤被夹具(18)对着一个托板(未示出)所夹持，就把光纤片(5)、(1i)、(13)的前端面附着在带抽气室(20)的悬臂(19)上，抽气室(20)通过接至真空源(未示出)而保持在真空条件下。这个悬臂是显微操纵装置的组成部分，显微操纵装置使光纤片的前端面非常精确地被导引至对着元件(15)的表面(17)的位置，以使各光纤端部的轴心恰好位于相应的波导端部的轴上。一旦到达最佳定位，就借助于适当的粘性物涂成两条横向卷边(20、22)形状，将光纤片的前端面贴附在元件(15)上。为了制成整体光学元件，这个元件具有其输入和输出端与其它元件连成一个光学装置(该装置包含着所说的整体光学元件)所必须的所有光纤，再以另一个光纤片在光学装置中波导的其它端部重复这些操作。
按照本发明，通过优选光功率，再将其从各波导传至各光纤，或者反过来也一样，完成使光纤对准于相应的整体光学元件的波导中心的操作。按照本发明，在这种对心操作过程中，最好优选通过位于光纤片两端的各光纤或者通过各相应波导的光功率。通过测定可确定，本方法使所有中间各对光纤/波导对有良好的对心。
光纤片(5)、(1i)、(13)的前端面与整体光学元件(15)沿相对于光纤轴倾斜6到15度角的平面(P)相连，由此可将在连接各光纤和波导的粘结剂两侧的光纤和波导端部处的杂光反射量减至最小程度。否则，这些反射将引起光信号沿这些光纤和波导的轴的回反，而这就要干扰要传输的有用信号，特别是在单模光纤和波导的情况下。
现在看到，本发明达到了预期的目的，即得到一种把多条光纤配装成片形的方法，使这些光纤的剥离端被精确对准成直线以及精确的间隔整体地连在一起，从而可将这些光纤连接成一个整体光学元件。这些操作有助于它们自身的自动化，而无需光纤级别的精密控制，因而是快速的。这种方法允许制成可包含多达如400条以上光纤的大光纤片，而且只要需要，通过分割即可细分，从而可以得到比如像需要用耦接器连接的包含4、8、16条光纤等的单独的分部组件，而那是需要有相应数目耦接器的。
这种细分能够消除有起码一条光纤的分部组件的不合格的对准。由于光纤(如图5中的光纤(12))与薄片(13)的平坦部分(13＇)表面之间存在外来的微粒，它可引起这种不合格的对准。在光纤(12)较相邻各光纤被更深地放入它的槽内时，就要显现出不合格的对准。关于这一点应当说明的是，光纤(12)的这类不合格对相邻各光纤的定位无任何影响。所以，与如本说明书开头所述的所谓＂超静稳定＂的组装方法所发生的情况相反，如果通过分割多个光纤而得到几个光纤的分部组件，则只需剔除那种含有未对准光纤的分部组件。因此，按照本发明方法的的生产能力明显地大于现有技术中各方法的生产能力，因为被剔除的分部组件中的各光纤可以被收回，并且被用作1到N耦接器的输入端。
当然，本发明并不限于这里所描述和说明的具体实施例，他们仅供做为举例。于是，当为了将前缘支架从那两个位置之一移到另一个而将组件安装在一个夹具上，以使转动的时候，该挠性的前缘支架(14)可由封闭在柔性材料管内的金属细丝构成。而且，可选择除矿物质材料以外的材料来制做基片(5)和薄片(13)。例如，可在诸如其热膨胀系数接近玻璃的热膨胀系数的合成块材上用化学方法削制各槽(6i)。另，可给所用的粘性物充以0.3微米的硅微粒，以提高它的粘性并降低该粘性物的热膨胀系数，最好使其接近玻璃的热膨胀系数。此外，本发明不限于将单模光纤组装成片形，当然还可用于组装多模光纤。类似地，这些方法中，除了用光刻法外，还可用诸如离子束切割和蚀刻，来形成基片(5)上的各槽。

Claims (16)

1.一种排成片形之光纤(1i)端部的组装方法，按照这种方法，将液态的粘性物(9)放到在一基片(5)的平坦表面上形成的多个等间隔和平行的矩形槽(6i)中，将成片形的各光纤的剥离端(1i)引入相应的槽(6i)中；借助于附在这些槽上的薄片(13)将各条光纤的端部夹在各槽中，其特征在于：由于粘性物(9)仍处于液态，从各槽(6i)伸出的各光纤(1i)的端部的整个组件被压顶着薄片(13)伸出了基片(5)之外的平坦部分(13＇)，而且这种压力一直维持到粘性物(9)凝固，薄片(13)被粘牢。
2.一种如权利要求1所述的方法，其特征在于：通过各光纤与这些槽的两个侧面(6a)、(6b)的接触确保各条光纤(1i)在其槽(6i)中的定位，该二侧面靠近与其中形成有槽的基片(5)表面垂直的平面。
3.一种如权利要求2所述的方法，其特征在于：槽的侧面实质上位于这样的平面内，它的彼此相对地倾斜具有接近2到4度的半角。
4.一种如权利要求1所述的方法，其特征在于：粘性物(9)凝固后，沿着一个垂直于各光纤轴的平面倾斜6到15度角的平面(9)切割基片(5)、薄片(13)和各光纤(1i)，然后磨光如此而被暴露的基片表面、光纤和薄片。
5.一种如权利要求4所述的方法，其特征在于：组装之后，沿着至少一个垂直于各光纤端部对准的平面切割或剖断基片(5)与薄片(13)，形成至少两个分部组件，它们包含预数目的光纤。
6.一种用于实现权利要求1所述方法的装置，其特征在于：它包括
a)接受开有槽的基片(5)的托板(8)；
b)将呈液态的粘性物放入基片的槽中的装置；
c)将这种光纤片中各光纤的剥离端安置在已放有粘性物的槽中的装置(3)(4)；
d)用薄片(13)盖住内中已放有粘性物(9)的各槽和各条光纤的装置(12)，它对着基片(5)夹住该薄片；
e)对着薄片伸出于基片(5)之外部的平坦部分(13＇)压住这组从各槽(6i)伸出的光纤端部，直至粘性物凝固的装置。
7.一种如权利要求6所述的装置，其特征在于：所述加压装置包含一个由弹性材料制做的前缘支架(14)，它位于紧靠从基片(5)伸出之各光纤的端部(1i)，并与这些端部相交，还包含使这个前缘支架(14)在离开所述各端部一定距离的第一位置和使该前缘支架(14)对着所述薄片(13)的平坦部分(13＇)压住这些端部的第二位置之间变换位置的装置。
8.一种按照权利要求1所述方法组装的光纤所组成的光纤片，它包括含有多条平行和等间隔并且共面的槽(6i)的基片(5)，每个槽都包含凝固了的粘性物(9)和一条光纤的剥离端，至少对着基片的开槽部分粘结一个薄片(13)，其特征在于：所述各光纤剥离端(1i)都离槽(6i)的底部有一定的距离，并贴着面对基片(5)而粘牢的薄片(13)的平坦部分(13＇)安放，借助于该平坦部分确定光纤(1i)嵌入它们各自的槽(6i)中的深度。
9.一种如权利要求8所述的光纤片，其特征在于：基片(5)和薄片(13)还包含适当尺寸的彼此面对的台阶(7)、(14＇)，用以接受各光纤处于保护涂层(2i)中紧靠这些光纤剥离端(1i)的部分，借助涂层内的这些部分，将其粘结在这些台阶的左侧。
10.一种如权利要求8所述的光纤片，其特征在于：通过对光敏玻璃的掩膜并化学削制，得到开槽的基片(5)。
11.一种如权利要求8所述的光纤片，其特征在于：粘性物(9)是于暴露在紫外辐射下受到彻底的聚合作用的环氧树脂。
12.一种如权利要求8所述的光纤片，其特征在于：一层具有预定厚度的粘性物把基片(5)的开槽部分与所对的薄片(13)平坦部分(13＇)连接在一起。
13.一种如权利要求8所述的光纤片，其特征在于：各光纤的剥离端(1i)与基片(5)的以及薄片(13)的平坦的、磨光了的表面齐平，该平面相对于各光纤的纵轴倾斜6到15度角。
14.一种如权利要求8所述的光纤片，其特征在于：这些光纤是单模光纤。
15.一种整体光学元件，包括至少多个在该元件的一个表面(16)上排成一条直线的整体波导端部，其特征在于：将权利要求8所述的光纤片以如此方式粘到元件(15)上，即片内每条光纤的一端(1i)与元件(15)中波导的一个对应端光学连接。
16.一种如权利要求15所述的光纤片，其特征在于：在光纤与波导对心的操作过程中，对通过位于光纤片两边缘的光纤(11)、(1n)，并通过对相应波导的光流的均衡和优选，将各光纤(1i)与相应的波导连在一起。
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