CN1158169A - 光导纤维与其它光学器件的端面锁定对接装置及其制作方法 - Google Patents

光导纤维与其它光学器件的端面锁定对接装置及其制作方法 Download PDF

Info

Publication number
CN1158169A
CN1158169A CN 95195115 CN95195115A CN1158169A CN 1158169 A CN1158169 A CN 1158169A CN 95195115 CN95195115 CN 95195115 CN 95195115 A CN95195115 A CN 95195115A CN 1158169 A CN1158169 A CN 1158169A
Authority
CN
China
Prior art keywords
face
lock
optical fiber
optical
fiber
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN 95195115
Other languages
English (en)
Inventor
桑·K·西姆
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SANG K SHEEM
Original Assignee
SANG K SHEEM
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SANG K SHEEM filed Critical SANG K SHEEM
Publication of CN1158169A publication Critical patent/CN1158169A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/36—Mechanical coupling means
    • G02B6/38—Mechanical coupling means having fibre to fibre mating means
    • G02B6/3807—Dismountable connectors, i.e. comprising plugs
    • G02B6/3873—Connectors using guide surfaces for aligning ferrule ends, e.g. tubes, sleeves, V-grooves, rods, pins, balls
    • G02B6/3874—Connectors using guide surfaces for aligning ferrule ends, e.g. tubes, sleeves, V-grooves, rods, pins, balls using tubes, sleeves to align ferrules
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/262—Optical details of coupling light into, or out of, or between fibre ends, e.g. special fibre end shapes or associated optical elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/30—Optical coupling means for use between fibre and thin-film device
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/35—Optical coupling means having switching means
    • G02B6/3502—Optical coupling means having switching means involving direct waveguide displacement, e.g. cantilever type waveguide displacement involving waveguide bending, or displacing an interposed waveguide between stationary waveguides
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/36—Mechanical coupling means
    • G02B6/38—Mechanical coupling means having fibre to fibre mating means
    • G02B6/3807—Dismountable connectors, i.e. comprising plugs
    • G02B6/3833—Details of mounting fibres in ferrules; Assembly methods; Manufacture
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/36—Mechanical coupling means
    • G02B6/38—Mechanical coupling means having fibre to fibre mating means
    • G02B6/3807—Dismountable connectors, i.e. comprising plugs
    • G02B6/3833—Details of mounting fibres in ferrules; Assembly methods; Manufacture
    • G02B6/3834—Means for centering or aligning the light guide within the ferrule
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/36—Mechanical coupling means
    • G02B6/38—Mechanical coupling means having fibre to fibre mating means
    • G02B6/3807—Dismountable connectors, i.e. comprising plugs
    • G02B6/3873—Connectors using guide surfaces for aligning ferrule ends, e.g. tubes, sleeves, V-grooves, rods, pins, balls
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4204—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details the coupling comprising intermediate optical elements, e.g. lenses, holograms
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4219—Mechanical fixtures for holding or positioning the elements relative to each other in the couplings; Alignment methods for the elements, e.g. measuring or observing methods especially used therefor
    • G02B6/4228—Passive alignment, i.e. without a detection of the degree of coupling or the position of the elements
    • G02B6/423—Passive alignment, i.e. without a detection of the degree of coupling or the position of the elements using guiding surfaces for the alignment
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/32—Optical coupling means having lens focusing means positioned between opposed fibre ends
    • G02B6/325—Optical coupling means having lens focusing means positioned between opposed fibre ends comprising a transparent member, e.g. window, protective plate
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/35—Optical coupling means having switching means
    • G02B6/3564—Mechanical details of the actuation mechanism associated with the moving element or mounting mechanism details
    • G02B6/3582—Housing means or package or arranging details of the switching elements, e.g. for thermal isolation
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/36—Mechanical coupling means
    • G02B6/3628—Mechanical coupling means for mounting fibres to supporting carriers
    • G02B6/3632—Mechanical coupling means for mounting fibres to supporting carriers characterised by the cross-sectional shape of the mechanical coupling means
    • G02B6/3636—Mechanical coupling means for mounting fibres to supporting carriers characterised by the cross-sectional shape of the mechanical coupling means the mechanical coupling means being grooves
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/36—Mechanical coupling means
    • G02B6/3628—Mechanical coupling means for mounting fibres to supporting carriers
    • G02B6/3632—Mechanical coupling means for mounting fibres to supporting carriers characterised by the cross-sectional shape of the mechanical coupling means
    • G02B6/3644—Mechanical coupling means for mounting fibres to supporting carriers characterised by the cross-sectional shape of the mechanical coupling means the coupling means being through-holes or wall apertures
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/36—Mechanical coupling means
    • G02B6/3628—Mechanical coupling means for mounting fibres to supporting carriers
    • G02B6/3664—2D cross sectional arrangements of the fibres
    • G02B6/3672—2D cross sectional arrangements of the fibres with fibres arranged in a regular matrix array
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/36—Mechanical coupling means
    • G02B6/3628—Mechanical coupling means for mounting fibres to supporting carriers
    • G02B6/3684—Mechanical coupling means for mounting fibres to supporting carriers characterised by the manufacturing process of surface profiling of the supporting carrier
    • G02B6/3692—Mechanical coupling means for mounting fibres to supporting carriers characterised by the manufacturing process of surface profiling of the supporting carrier with surface micromachining involving etching, e.g. wet or dry etching steps
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/36—Mechanical coupling means
    • G02B6/38—Mechanical coupling means having fibre to fibre mating means
    • G02B6/3807—Dismountable connectors, i.e. comprising plugs
    • G02B6/3833—Details of mounting fibres in ferrules; Assembly methods; Manufacture
    • G02B6/3834—Means for centering or aligning the light guide within the ferrule
    • G02B6/3838—Means for centering or aligning the light guide within the ferrule using grooves for light guides
    • G02B6/3839—Means for centering or aligning the light guide within the ferrule using grooves for light guides for a plurality of light guides
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/36—Mechanical coupling means
    • G02B6/38—Mechanical coupling means having fibre to fibre mating means
    • G02B6/3807—Dismountable connectors, i.e. comprising plugs
    • G02B6/3873—Connectors using guide surfaces for aligning ferrule ends, e.g. tubes, sleeves, V-grooves, rods, pins, balls
    • G02B6/3885—Multicore or multichannel optical connectors, i.e. one single ferrule containing more than one fibre, e.g. ribbon type
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4219—Mechanical fixtures for holding or positioning the elements relative to each other in the couplings; Alignment methods for the elements, e.g. measuring or observing methods especially used therefor
    • G02B6/4228—Passive alignment, i.e. without a detection of the degree of coupling or the position of the elements
    • G02B6/423—Passive alignment, i.e. without a detection of the degree of coupling or the position of the elements using guiding surfaces for the alignment
    • G02B6/4231—Passive alignment, i.e. without a detection of the degree of coupling or the position of the elements using guiding surfaces for the alignment with intermediate elements, e.g. rods and balls, between the elements

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
  • Manufacture, Treatment Of Glass Fibers (AREA)
  • Cable Accessories (AREA)

Abstract

一种用于对接光导纤维(1)、(2)或波导槽的新装置，其中制造了两个匹配的表面轮廓，一个轮廓(7)、(8)在包含光纤或波导槽的边缘面的平面上，而另一轮廓(9)、(10)在光纤或波导槽被与其匹配的一个表面上。当此二表面被相互连接时，该匹配的表面轮廓以一固定且唯一的位置被端面锁定。由此定位在匹配表面的一预定位置上的光纤或波导槽的边缘。可在光纤(1)、(2)本身的边缘面上，或在边缘表面的外延表面上，产生匹配的表面轮廓。该对接装置可被用于连接诸如透镜或光源的其它光学元器件。定型方法是可行的，其中端面锁定体的组合被堆接在一起以对齐这些光学元器件。

Description

光导纤维与其它光学元器件的端面锁定对接装置及其制作方法
技术领域
本发明总体是属于光学元器件领域，特别是有关光导纤维和其它光学元器件的对接手段。
技术背景
光导纤维已广泛地应用于许多领域，尤为著名的是光导纤维通讯。在八十年代，光导纤维通讯主要是用于电话中心办公室之间的连接。在这种情况下，一根光导纤维可以运载成千上万个电话(声音)频道，那么，光导纤维元器件(如光导纤维之间的连接器和机械熔接器)的成本就不是一个关键问题。然而，当光导纤维通讯步入独个的办公室及住宅区尤其是作为信息高速公路建设的一部分时，这些光导纤维元器件的成本问题则变得很重要。确切地说，光导纤维元器件的成本问题现在已成为用光导纤维建造信息超高速公路的最大障碍。为使光导纤维得以更广泛的应用，这些元器件的成本应降低10倍左右。
光导纤维连接器和机械熔接器的高成本是由于光导纤维的横截面大小的缘故。同样的原因也使得光导纤维和集成光学平面状槽式波导的配对成本很高。最常见的光导纤维，单模光纤，其芯心的直径约9个微米。该芯子外面同心地包有直径约125微米的包层。当两根单模光纤，或一光导纤维与一槽道波导相配对时，光纤芯子之间，或光纤芯子波导的槽道的对齐的横向偏差不得大于一个或二个微米。为了使光导纤维之间的配对能达到如此精度，每根光纤维插入一个管子或插头中。其中，管子或插头的大小约2-3毫米(1毫米＝1000微米)，它的内径(ID)约125微米。通过将这些插头在另一个叫作套筒的管子内对齐就可实现光导纤维之间的对齐。这种对接方法要求套筒中洞孔的直径片插头的直径略大1-2个微米，插头中洞孔与插头中心线的偏差少于1-2微米，插头中洞孔的直径比光纤的直径略大1-2个微米，光纤的直径是在125微米左右，其中偏差不得大于1-2个微米，而且光导纤维芯子须位于该光纤的中心，其偏差不得大于1微米。以上这些对尺寸方面的严格要求使得光导纤维连接的成本大大增加，而且在某种程度上也使光导纤维成本增加。光导纤维与槽道波导之间的连接(比如在集成光学调制器中或平面波导耦合器中)的困难程度与光纤之间连接的困难程度极为相当，这两样也导致这种连接的高成本。只要光导纤维之间的连接必须满足以上的这些严格成本，则光导纤维元器件的成本永远也不可能低到使光导纤维能得以广泛应用的程度。
在连接其它光学元器件，如激光二极管，发光二极管和透镜时，相似的技术难题同样存在。这种对接经常也可以在许多与光导纤维有关的包装中发现。举个例子，从激光二极管中发出来的光经过一聚集透镜而耦合到一光导纤维中，这些光学元器件沿光轴方向的对齐程度必须好于1个微米。
发明公开
相应地，本发明的主要目的是设计一个变通的办法来实现光导纤维与光导纤维、波导槽道，光源和透镜以及其它光学元器件之间的连接。
本发明的最终目的是为了降低包括光导纤维，集成光学波导、光源、探测器，以及其它相关光学元器件的光学对接成本，从而最大程度地增加纤维光学对信息高速公路建设的贡献。
本发明基本上是采用表面构体方式来实现光导纤维与光导纤维或其它光学元器件之间的对接。在本发明中，共采用两块表面构体，其中一块表面构体位于一光导纤维的终端面上，或位于该光纤的终端面的拓伸，而另一块相配对的表面构体则位于其它光导纤维或光学元器件的终端面上或该终端面的横向拓伸上。这些终端面上的表面构体是如此设计，使得当两表面构体相对时它们能稳定地锁定在相配对的位置上，这种全新的配对机制在本发明中被命名为“端面锁定”。这些表面构体中包含有许多精细结构，而这些精细结构的宽度和深度与光导纤维的大小相当，这使得它们的准齐分辨率可以在微米量级，甚至更高。
我们可方便地在光导纤维末端表面上产生轮廓，首先在制造光纤时，在光纤中掺入杂质，使得光纤的横截面上有一恰当杂质分布，然后使用适当的化学刻蚀剂非均匀地刻蚀此光纤的未端，其刻蚀的速率取决于杂质的种类与浓度。另一方法是利用掺杂的区域导引紫外光去照射紫外光硬化的高分子材料，因而在光纤未端形成端面锁定的特征，而且光刻技术可以用来制作具有亚微米精度的表面构体。相似的制作方法也可以应用于集成光学波导的终端面以及其它需要光学对接的光学元器件上。
在本发明中，模块式对接方式也是可能的。在该方式中，将许多端面锁定构体按一选定的方式堆积组合在一起，一个端面锁定构体位于另一构体之上，从而实现许多光学元器件的对齐。
附图简述
图1所示的是二根光导纤维，它们处于终端面相准齐的位置。
图2简要地示明了图1中的光导纤维位于常规准齐构体中的连接器插头内。
图3所示的是图2中的构体沿U-U′平面的横截面图。
图4所示的是本发明的一种基本构体。该构体是用于实现如图1中所示的两光导纤维之间的对齐。
图5显示图1中光纤的正面及侧面，此光纤的未端被加上一新奇的端面锁定接合的特征。
图6显示两个如图1的光纤，它们已被改造以致其末端，俱有相匹配的端面锁定特征。
图7显示两个如图1的光纤，它们具有端面锁定的特征，及一个端面锁定插体位于其间。
图8显示一光纤于其蕊心之外有额外的槽道，此槽道有较高的折射率。
图9显示一种在图8的光纤上产生端面锁定特征的方法：藉着额外的槽道使得紫外光硬化的高分子材料得到曝光。
图10显示一如图1的光纤，此光纤有掺入杂质的管状同心圆的区域，此掺杂区域可藉由化学方法非均匀地刻蚀。
图11与图10相同，但其管状的掺杂已被非均匀地化学刻蚀，以产生一新奇的端面锁定的轮廓。
图12显示图11中的光纤，其相同的另一光纤，以及接合此二光纤所需的端面锁定插体。
图13显示图12中的端面锁定插体的X-X′截面。
图14显示如图12或13中的端面锁定插插其已被改造具有一伸出的薄片在其X-X′面上。
图15显示一具有端面锁定特征的光纤，此光纤可与如图11中的光纤直接接合。
图16显示一常规光纤。
图17显示一如图16中的光纤，其蕊心已被非均匀地刻蚀以产生端面锁定的轮廓。
图18显示一如图17的光纤，与其相同的另一光纤，及一端面锁定插体介于其间。
图19显示一具有凸起的端面锁定特征的光纤，此光纤可与图17中的光纤直接接合。
图20与图18相同，除了端面锁定插体是一段光纤，此光纤的两端有相匹配的轮廓。
图21与图18相同，除了在蕊心之外部加了额外的导光槽道。
图22显示图21的Y-Y′及Z-Z′截面。
图23与图22相同，除了为方向对齐而加上的锁轮。
图24与图3相同，除了其光纤末端具有端面锁定轮廓，使得此光纤可与端面锁定插体接合。
图25显示一图24中的连接器插头，此插头已被改造以致与端面锁定插体连成一体。
图26显示图25中的端面锁定插体的正面。
图27与图25相同，除了其中的端面锁定插体被图24或26中所示的那个取代。
图28与图24相同，除了其中的端面锁定插件被图20中所示的那个取代。
图29显示一具有端面锁定轮廓于其表面的项环。
图30显示图29的正面。
图31显示一光纤插入图29中的项环的中孔。
图32显示一项环，其端面锁定轮廓与图29中的相匹配。
图33显示两光纤分别插入如图29及32中的项环的中孔。
图34显示图29及32中的项环经过稍加修改。
图35显示两光纤插入图34项环的中孔。
图36显示两相同的项环及一端面锁定插体位于其间。
图37显示图34中的一项环的正面。
图38显示两光纤分别插入图36的项环的中孔。
图39显示图38中的项环经由端面锁定插体而被锁定在接合位置，因而将光纤对齐。
图40显示与图24相同的插头组合，除了光纤插入一具有端面锁定特征于其表面的项环。
图41显示一新奇的连接器插头组合，其中端面锁定项环插入插头的中孔而成一体。
图42显示一光纤和将与的接合的积体光学槽道波导。
图43较详细地显示图42中的光纤及槽道波导的端面锁定的特征。
图44与图42相同，除了光纤的蕊心及槽道波导伴有为端面锁定而设的卫星槽道。
图45详细地显示卫星槽道的端面锁定特征。
图46显示具有一列蕊的光纤及其端面锁定轮廓。
图47显示在一基底上的一排槽道波导。
图48显示图46的光纤及图47的波导槽道的Y-Y′截面，光纤与波导槽道在接合位置。
图49与图46相同，除了相邻的蕊心间有一狭缝。
图50与图46相同，除了相邻的蕊心间是有掺杂的带状区域。
图51显示图50的光纤的平面图。
图52与图51相同，除了其靠近末端的带状掺杂区域被刻蚀掉了。
图53显示图51的光纤的部分，及一校正的表面填充体，其中蕊心之间隔与表面填充体之间隔稍有不同。
图54显示图53中的光纤与表面填充体在接合的位置，其中蕊心之间隔被表面填充体所修正。
图55显示一连接器插头衣一具有“蕊心扩展”于其末端的光纤。
图56显示图55中的光纤，其末端表面具有端面锁定的轮廓。
图57与图55相同，降了光纤是如图56所示。
图58与图57相同，除了光纤已从连接器插头中移去。
图59所示的是一块薄片，该薄片上带有端面锁定结构，以及一个用于终断光导纤维的通孔。
图60所示的是图59中的沿Z-Z′方向的横截面图。
图61所示的与图59中的基本相同，只是在图61中的薄片上有许多通孔，用于光导纤维阵列的终断。
图62所示的是图59中的构体沿Z-Z′方向的横截面图。
其中的端面锁定结构及通孔是通过对(100)硅晶片进行各向异性刻蚀而得的。
图63所示的与图62中的基本相同，只是在图63中的端面锁定结构与通孔制作在(100)硅晶片的不同侧面。
图64所示的是加工如图62或63中所示V状沟道的过程中所需的掩蔽层的形状。
图65所示的是如图64中所示的构体的端面视图。
图66所示的是在加工如图62或63中所示V状准齐沟道时的刻蚀过程。
图67所示的与图66中的基本相同，只是在图67中掩蔽层已不再存在。
图68表明在图64至67中所示的制作过程同样可用于制作通孔和对齐用的沟道。
图69所示的是在图68中所示构体的端面视图。
图70所示的与图68中的基本相同，只是在图70中的硅晶片两侧皆覆有刻蚀掩蔽层，使得能加工如图63中所示的构体。
图71中所示的与图63中的基本相同，只是在图71中晶片上的通孔不止一个。
图72再示了在图69中通孔的端面视图。
图73所示的是一套三个通孔系列，这三个通孔的大小略有差异。
图74所示的是通孔系列的二维阵列及其相应的对齐用的沟道图。这些对齐用的沟道位于两侧。
图75所示的是一相配对的对齐用沟道和对齐用凸脊。
图76所示的是两个对齐用的沟道和一个在其中间的柱状端面锁定物。
图77所示的是图74中三个对齐用沟道的横截面图。
图78所示的与图77的基本相同，只是在图78中的端面锁定移位了一格。
图79所示的是四块端面锁定构体，它们相互堆积在一起，一块在另一块之上，用于对齐光源，透镜和光导纤维。
图80所示的与图79的基本相同，只是在图80中简要地标明的光线的传播路径。
图81简要地表明了本发明的端面锁定机制的核心所在。
图82所示的是本发明的切换构体中一连接器部件的截面图。
图83所示的是与如图82中所示的连接器部件相对应的另一连接器部件的截面图。
图84所示的是在图82和图83中所示的两连接器部件相互配对的一种可能位置。
图85所示的是在图82和图83中所示的两连接部件相互配对的另一种可能位置。
图86所示的是在图82和图83中所示的两连接器部件相互配对的第三种可能的位置。
图87所示的是本发明的另一种切换构体中一个连接器部件的截面图。在该构体中，一系列V状沟道被用以进行频道选择。
图88所示的是与图87中所示的连接器部件相对应的另一连接器部件的截面图。
图89示明了在图87和图88中的连接部件的一种可能的配对位置。
图90示明了在图87和图88中的连接器部件相互配对的第二种可能的位置。
实施本发明的最佳模式
光学元件间，如光源，光滤波器，透镜，及干涉滤波器，的光学连接有高度技术困难，特别在光纤范围中。当光纤正扩展应用至使用者的建筑物时，元件间的连接成为其中一个经济障碍。此连接的对齐容许度通常小于一两微米，这提高了连接成本以致超过末端应用，如近区域网路，的经济效效益。本发明正是要尝试解决此一问题。我们用最重要例子，亦即光纤与光纤的连接，做为详细说明的开端。稍后，我们将说明平面槽道波导，透镜，光源等之间的连接。
图1很简要地示明了两根光导纤维(1)和(2)通过终端面相对的方式连接在一起。在光导纤维中传导的光线(如箭头所示)主要是约束在光纤的芯子(3)和(4)之内。在光纤芯子之外的区域叫做包层，该包层的折射率比相应光纤芯子的折射率略低，从而使包层能在导光芯子周围起到一个光障碍或光墙的作用。光学连接或配对是指使光信号从一根光导纤维传输到一另一根光导纤维。当光纤之间的配对具有可分离时，这样的配对叫做可拆卸式连接，或简称连接。用于这种光学连接的硬件叫做光导纤维连接器，或简称连接器。当光纤之间的配对是指永久性的时候，这种配对通常被称为永久性熔接或简称熔接。
如图2所示，光导纤维(1)位于常规的连接器插头(5)之内，而光导纤维(2)则位于另一相同的插头(6)之内。典型的连接器插头是带有通孔的圆柱物。图3所示的是图2中构体沿U-U′平面方向的截面图。在此，让我们指定光导纤维(1)的直径为“F”，光纤芯子(3)的直径为“C”；插头的直径为“P”，以及插头内孔的直径为“H”。
在按图2所示的方式组装光导纤维(1)和常规型连接器插头(5)时，先将插头(5)中的通孔填满液体状粘合材料，然后将光纤(1)插入插头的通孔中直到该光纤穿出该插头约几个毫米，等到该粘合材料变干变硬后，将插头(5)的终端面进行抛光，直到光导纤维(1)和粘合材料在插头的终端面平齐。以同样的方式准备第二个插头(6)。最后将两个插头(5)和(6)插入一个叫做套筒的管子中，这样就可实现光纤端面与端面之间的配对。
最常用的光导纤维是单模光纤，其芯子直径C＝9微米，包层直径F＝125微米，典型的插头尺寸为：H＝125+1或2微米；P＝3000微米＝3毫米。由于所涉及的光纤和连接器的尺寸如此细小，不难想象将两根光纤按上述办法进行配对的困难程度，以及从而导致的光导纤维连接的高成本。在图1或图3中，芯子为9微米的两根光纤(3)和(4)必须准确地对齐在一起，其偏差不得大于1微米，以避免在配对后光信号的严重损失。为了满足这种严格要求，上面所列的所有尺寸的精度都必须高于1个微米左右，而且光纤芯子(3)和插头内孔(5)的同心度也必须在1个微米左右。即使这些严格要求能得以满足，在最糟情况下光纤之间的对偏仍能有几个微米之大，因为这些偏差是具有累积性的。
这种光纤之间的常规对接方法的蕴函以及由此而导致的对如上所述尺寸的严格要求是颇有不利之处的。首先，光导纤维的尺寸必须是在正常直径125微米±1或2微米之内，这意味着在此规格之外的光纤是不可用的。这显然会增加光纤的成本。其次，加工的连接器插头和套筒必须具有相同的分辨率。插头的外径P和套筒的孔径一般是2000-3000微米±1或2个微米。这1微米或2微米的偏差折换成跟插头外径P或套筒孔径的百分比，它们是小于0.1％的。这意味着加工的高成本和低产额。除此之外，对插头和光纤组合体的抛光也会增加总成本。现今，一套单模光纤连接器的材料成本超过$50美元。而实现连接所需的劳工费也几乎与连接器的材料成本相当。与之相比，同轴电缆连接器的成本就要便宜得多，一个典型同轴电缆连接器的零售价约2-3美元，而且它们的连接过程非常简单。光导纤维对接的高成本严重地阻碍了光导纤维在信息高速公路中的使用。
我们注意到常规的连接器和焊接器是基于边墙的对齐，也就是说，基于光导纤维、插头及其内孔和套筒的柱形表面的内表面和/或外表面的对齐。正是这个因素使得这些内外直径的精度必须维持在一个或二个微米之内。
为避免常规光纤连接方法的不利之处，本发明的连接器及熔接器构体是设计在光导纤维的终端面附近，从而避开了边墙问题。本发明的核心之处已在图4中作了一般性的描述。图4所示有四个元素：已作端面终断的光导纤维(1)；与光导纤维(1)终端面所在平面相重合的第一个表面(7)；将与光导纤维(1)相连接的另一根光导纤维(2)；以及与光导纤维(2)终端面所在平面相重合的第二个表面(8)。第一个表面(7)上有其独特的结构，而第二个表面(8)上有另一种独特的结构，使得当两表面连到一起时，它们能相互锁定在一个稳定的位置。光导纤维(1)(2)分别位于第一和第二表面(7)(8)上预先确定的位置上，这些位置是如此安排的，使得当两表面(7)和(8)在配对位置上端面锁定时，光导纤维(1)和(2)正好对齐，下面我们用各种可能的构体为例来详细描述图4中所示的本发明。
我们首先看图5，此图显示本发明一简单例子。此图显示图1中的光纤1正视及侧视图，此光纤1的末端具有半圆状的凸起轮廓9和10。图6左边显示图5的光纤1，右侧为另一光纤2，此光纤2的末端表面具有凹入的轮廓11和12。此凹入的轮廓9A和10A和左边的光纤1的表面轮廓9和10相匹配。在此一对接方法中，尺寸的要求集中于表面轮廓。在图4中所有其他尺寸不必精确，只要插头5或6的孔径H大于光纤直径下几个微米，以致图6的二光纤1和2大略地对齐，因此当二光纤靠近时，表面轮廓7和8能和凹入轮廓9和10相密合。
本发明是对接合机制的一重大改革，其理念是，产生微米或亚微米精确的表面轮廓较使得所有套管，插头和光纤的三维尺寸有微米或亚微米的精确度要便宜。在集成电路和半导体元件制程中所使用的版刻技术，即是用以产生微米或亚微米精确的表面轮廓。此一技术和其他技术(将描述于下)可用以在光纤及插头的末端表面产生微细的端面锁定轮廓。
顺便一提的是，大部分光纤具有圆形的截面及蕊心于其中心。换言的，它具有圆对称和点对称，亦即，光纤可绕其蕊心转动而不产生任何几何变化。此一特性在连接偏振维持光纤时很重要，此类光纤可具有椭圆状蕊心或应力产生的双折射性。值得注意的是，图5或图6中的表面轮廓是非对称的，因而可对圆对称光纤提供方向性。利用此新奇的表面轮廓我们可熔接或连接偏振维持光纤使具有完美的方向对齐。此非主题，但却是本发明的重要优点。
图7显示一稍加修改的图6中的端面锁定的机构。其中光纤1和2有凹入的轮廓9至12，及为接合两光纤1和2而设的端面锁定插体13和14。
制造如图5或6所示的凸起轮廓的一个方法是，在光纤1(见图8)中提供类似蕊心的槽道15和16的折射率大于周围的包层。然后，如图9所示，将光纤1的末端浸入一紫外光硬化的高分子材料18，同时将紫外光导槽道15和16的中。经由适当地控制紫外光的能量，可在光纤的端面产生圆状轮廓9和10，如图9所示。
产生表面轮廓的另一方法是，制造一光纤其如图8中的槽道被代的以中空管道。此中空管道可与图5所示的凸出轮廓相接合。
还有一方法是选择性化学刻蚀。在制造光纤预形时掺入杂质以形成如图8中15和16的类似蕊心的槽道。当光纤末端被化学刻蚀时，在某特定点的刻蚀速率与杂质物质及杂质浓度有关。例如，市面上的光纤其蕊心1掺有锗，因而，其被氢氟酸刻蚀的速率快速无掺杂的纯二氧化矽，掺杂的浓度愈高，其刻蚀速率愈快。渐变的掺杂产生渐变的轮廓。一般而言，不同的掺杂物质，在不同的刻蚀剂中有不同的刻蚀特性。
图10显示一光纤1的正面和侧面，此光纤位于蕊心3外的管状区域19有掺杂。使用适当的刻蚀剂，使其主要刻蚀掺杂区域，则在同心圆管状区域上可产生凹出的轮廓，如图11中的19。如图12所示，两具有此凹入轮廓的光纤20和22能藉由一圈状的端面锁定插体而相接合。此端面锁定插体的截面如图13。为使得处理方便，可在此插体22之外围加上一延伸的薄片24(一般端面锁定插体小于0.12毫米)。
图10中的管状区域19及其周围的掺杂物质及浓度可改变以产生如图15中凸出的轮廓25。
现有的光纤可适于制造端面锁定的轮廓。例如，图16显示一多模光纤26其蕊心27，直径约为50微米，其包层直径约为125微米，或50/125微米。蕊心/包层直径为62.5/125及100/140微米，这光纤亦可在市面上买到。这些光纤的蕊心有所谓渐变的折射率分布，其锗的掺杂浓度亦随的而渐变，因为掺杂浓度与折射率一两分钟后，其端面会产生图17中的28的凹入轮廓。如图18所示，两个这样处理过的光纤26和29可藉由一端面锁定插体而接合。如图19所示，藉改变掺杂可在光纤29上产生凸起的表面轮廓。
图20显示另一实现端面锁定插体34的方法，此插体是由与相连接的光纤26和29相同的光纤所制成。其两端有为接合用的凸出表面轮廓。此端面锁定插体的长度可为几毫米或大些。
图21显示图18的方法的一个有趣变化，其中光纤蕊心外加入额外的槽道38至41。图22显示其Y-Y′的截面。这些槽道至少有三个用法：1)中间的槽道27和30用于导引光波，可能同时保持光偏振，而外围槽道用于端面锁定的接合；2)中间的槽道27和30用于端面锁定，而外围槽道38至41用于导引光波；或3)槽道38至41之一或二可藉由刻蚀以产生端面锁定轮廓，而成一方向锁定的锁轮。或者，如图23，在光纤之外壁表面上产生一或多个直向沟道，以提供定义光纤的方向的方法。我们可用相同于产生端面锁定轮廓的方法去产生这些沟道或锁轮，亦即，先在锁轮区域掺入适当的杂质，然后用化学刻蚀。
前面我们描述了几个适用于端面锁定的光纤实体。同时也描述了制造此实体的几个例子。光纤如头发般细小且薄弱，故不易处理。为使得连接和熔接可行，因而通常每一光纤包在一管子或插头入，如图2的5和6。以下，我们将以图17为例描述此插头在端面锁定的应用。
在常规连接器中，光纤是用胶粘在插头的中孔内，然后抛光其端面。本发明的方法可省略此一劳力密集的抛光手续，此点将在以下说明。
光纤的大小通常是0.125毫米，而插头的大小是2到3毫米。本发明所描述了端面锁定轮廓的微细对齐的功能。如果一对细小光纤固定在相对而言很大的插头内，则前述的表面轮廓太小及太薄弱，而无将两个插头一光纤组合对齐地接合在一起。较佳的是，不固定住光纤26的末端，而其可在插头的中孔中自由移动，如图24。如图24所示，光纤26可用胶固定住共后部。此薄弱的光纤26可自由移动，直到其表面轮廓28被一具有匹配轮廓的端面锁定插体32所锁定住。
为方便处理，端面锁定插体32可有一延伸出的薄片45，也可如图25所示与接合插头5相结合成一体。图27显示利用此插头一插体组成连接光纤的步骤：改造的光纤26插入连接器插头5，直到光纤26的表面轮廓与插头32的表面轮廓恰当地密合。然后加胶44于光纤后部将的固定在插头5的中。然后，另一光纤2a插入另一插头中。藉由端面锁定机制，两插头5和6先有一粗略的对齐(在10到100微米间，视表面轮廓太小而定)，再有一精确的最后对齐。当接合的两插头5和6均有插体45时，其中的一插体可被除去。
图28与图24相同，除了其端面锁定插体被图20的所取代。
如前所述，端面锁定特征位于光纤本身的末端。此实现方法是较佳的，因为微米及亚微米精细的轮廓可在光纤制造过程中产生，再者，除了端面锁定插体外，不需其他零件去对齐光纤。但在有些情况下，我们不可使用光纤末端的表面轮廓。首先，大量现在已理入及正使用的光纤不具有前述如图29中的项环。其侧面有正面如图30。此项环47可称为插头，也可具有插头的功能。虽然项环可与插头一样厚，其厚度(外径为0.2到0.3毫米)最好远比插头(2或3毫米)为薄，此点将于下说明。为保持一般性，我们仍称的为项环。如图31所示，此项环47是用于套在光纤50的上。此项环47的末端表面上有如图29中48所示的端面锁定特征。如图29或30所示，此表面轮廓包含同心环状沟道48，但这只是一个例子，其他特征一样可行。图32显示一个与的相匹配的项环，而图33显示勘测这一对相匹配的项环47和51而对齐的光纤50和52。若需达到高对齐精确度，图29中的项环47的中孔49只能大于光纤一或二微米。相较于图5至图28的实现方法，这的确是一缺点。但这仍远较现有的连接方法为佳，在一般的连接方法中，插头之内径和外径及套筒之内径均需具有一两微米的精确度，而在如图31所示的新方法中，只有项环47之内径49需有如此的精确度。当物体较小时，较易使孔径精确。因而，最好使得项环之外径小，如0.2或0.3毫米。此外，薄的项环可以使用较微细的表面轮廓来对齐。大的项环需要较大的表面轮廓。
图34显示一对稍微改造的图33中的端面锁定项环53和54。图35显示对接的光纤50和52位于此二项环53和55的中。
图36显示此项环观念的一变化，其中项环55和56是藉由一端面锁定插体57而接合。图37显示此项环55的正面。其表面轮廓有一沟道55的正面。其表面轮廓有一沟道58和59，和一台阶60和61。如图38和图39所示，此台阶60和61容纳端面锁定插体的厚度，使得两光纤62和63的端面能密合而无间隙。
图40与图24相同，除了光纤62(粗线所表示)插入一具有端面锁定特征于其表面的项环。最好固定项环之后部64而使得其末端能自由移动。
图41显示图40中的除了光纤62之外插头组合。此插头组合可为一商业产品。顾客只需截断光纤，将其插入项环52直到光纤末端与项环末端平齐，然后固定光纤。最终的组合如图40。
项环及其端面锁定轮廓可用相同于图8至图23所示的方法产生。例如，具有如图8或图11的杂质分布的光纤预形可被拉成项环的形状。其表面轮廓可由如图9的紫外光曝光所产生，或由早先描述的选择性刻蚀所产生。项环的厚度薄而为佳，如0.05至0.5毫米，因薄及弱正是高解析端面锁定所需的特性。但项环也可能很大，而仍可藉端面锁定机制而得以满意的对齐。在此情况中，套筒之内径和插头之外径必须非常相近，以在端面锁定机制做最后高解析对齐这前紧密接合。在此情况中，端面锁定对齐连接的贡献较薄项环的情况中或纯光纤而无项环的情况不为少。值得注意的是，在一连接中只有一个元件必须是薄弱的以得到端面锁定机制的最佳效果。例如例如图27中，只要光纤29是薄的，端面锁定插体32和光纤26可为牢固的。
槽道波导是一种重要三光学元件。此槽道波导常见于激光二极管，光电调制器和开关，积体光学耦合器等。这些元件的槽道与光纤间的连接，其价格需要大幅降低。下面，一新奇的端面锁定特征将用于简化此一连接。
图17中的光纤可与在基底66上的槽道波导65相接合，如图42所示。图43是其详细的截面图，其中亦显示表面轮离28和67。良好的折射率缓冲液必须使用，以减低表面锁定特征边界上的反射损失。为避免改造光纤蕊27和槽道波导65，可加上如图44中的卫星槽道68和69。图45详细地显示这些端面锁定元素72和75。虽然我们以积体光学槽道波导为一例，但此一新奇端面锁定机制的应用是无可限量的：激光二极体槽道，具渐变折射率的杆状透镜(又称为Selfoc)，光学窗口，以及任何需与光纤连接的元件均可利用此一新奇的端面锁定特征。
具有成列蕊心的光纤可见于早先文献，如T900,002。原则上，此种光纤应有广泛的应用，因为许多光学波导亦有成列的槽道。然而，直接接合此成列的蕊心和槽道需要一微米的精确度。为达此精度，如图46所示，在光纤83的成列蕊心78至82之外加上新奇的表面轮廓76和77。图47显示相对的在基底89上的槽道84至88。此图亦显示为产生图48的凸起轮廓92和93所设的二槽道90和91。图48显示光纤83的Y-Y′截面，及槽道波导元件的平面图。经由在光纤槽道上的凹入端面锁定轮廓76和77及在槽道末端的凸出端面锁定轮廓90和91接合清楚地显示于图48中。
达到如图48的满意接合的一实际困难是光纤蕊心78和82的确切位置。在制造过程中，光纤前端及末端的蕊心也会有几个微米或更大的不同。还会使得单模蕊心与槽道的连接损失高得无法接收。大部分的光纤和波导元件(如激光二极体和积本光学元件)是单模的。为解决此一问题，将光纤83的末端切割成如图49的等间隔片状，其中相邻蕊心间有一狭缝92至97。一个产生此狭缝92至97的方法是将光纤83中欲切除的部分98和103(图50，图51为其平面图)掺入杂质，再藉由适当的刻蚀剂予以选择性地刻蚀。图52显示刻蚀的结果，其中只有前面部分是有狭缝的。只要有了狭缝蕊心之间隔便可被改正为正确数值。例如，如图53所示，两狭缝93和94之间隔为“S”，端面锁定填充体的齿距为“T”105，106，107，此亦为正确和校正之间隔距离，假设“S”与“T”不同。如图54所示，将此端面锁定填充体104插入狭缝中，则光纤蕊心间之间隔78至79和79至80可被强迫地校正为正确值“T”。
本发明的另一有趣的实现与美国专利5,287,424及专利申请08/155,553有关。图55显示此一实现如陈述于此未决的专利申请中，其中具有一个蕊心110的光纤109位于一管111中。然后，用导引在光纤蕊心110的紫外光去照射在光纤109输出端的紫外光硬化的高分子材料，以形成固状的蕊心扩展112。此蕊心扩展有一好处，即可将光纤109抽出而在同一位置上插入另一光纤。这个做法有一顾虑，即新插入的光纤可能不会如原有光纤109般与蕊心扩展112完美地对齐。端面锁定机制可用于光纤109和蕊心扩展112间的接合，以解决此“可拆式蕊心扩展”所面对的问题。我们可在光纤109和蕊心扩展112上产生端面锁定轮廓109的蕊心的末端110上有凹入的特征113。图57显示此改造的光纤所产生的蕊心扩展。当图57中的光纤109被抽出，余留如图58所示的蕊心扩展。利用此新奇的端面锁定机制，任何有如图56的凹入特征于其末端的光纤均可与图58的蕊心的展相接合。
如图59所示的是本发明的一个重要构体。该构体由一薄片和一光导纤维(117)组成。此薄片上带有端面锁定结构(115)(它沿-Z-Z′方向的截面如图60所示；其中沟道和通孔的具体形状可以与图示的不同)和一个通孔(116)。光导纤维(117)穿过通孔(116)在薄片的表面(114)上终断。配对光纤的对齐取决于通孔(116)在薄片的表面(114)上终断。配对光纤的对齐取决全通孔(116)和端面锁定结构(115)之间的精确定位。通孔(116)的尺寸应该与光导纤维(117)的直径很接近。这本身就是一个技术方面的挑战。但是，与图2和图3中所画的常规方法相比，在如图59中所示的薄片上进行这样的尺寸控制就要容易和便宜多了。
现在开始描述制作如图59和图61中所示构体的生产方法。这些构体的制作是基于众所周知的硅晶片(100)晶面或(110)晶面上的各向异性刻蚀。举例而言，在(100)硅晶片上进行各向异性刻蚀后所得的V状沟道，不管其大小如何，其边墙和表面所成的角度总是一定的。通过运用这种各向异性刻蚀技术，图62和63中所示的V状沟道(120)和通孔(121)(122)就可以分别加工在(100)硅晶片(123)上，从而实现如图59所示的构体。具体的加工步骤如下：如图64所示，用光刻技术将一掩蔽层(124)制作在硅晶片的一侧，而将另一掩蔽层(125)制作在另一侧(这第二个掩蔽层是用来防止硅片背面的刻蚀)。这光刻技术具有亚微米的精度，能将要求的花样准确地定位于预先确定的位置上。图65中所示的是图64中构体的端面视图。然后将该硅片浸入到一特定的刻蚀液中，该刻蚀液对(100)晶面方向的刻蚀远比(111)晶片方向为快(大约快500-1000倍)。该刻蚀液沿<100>方向刻蚀硅材料，也就是沿着与晶片表面相垂直的方向刻蚀硅材料。在图66中所示的V状沟道(120)的内边墙是难以刻蚀的晶面，即(111)晶面。相应地，V状沟道的深度就完全取决于掩蔽层(124)的窗口宽度W。当刻蚀结束后就将掩蔽层(124)和(125)除掉。掩蔽层(124)也可以修改成图68中所示的式样，这样就可以制作两个沟道(120)和(121)。图69中所示的是图68中构体的端面视图。在图69中可见，大一些的V状截面(121)是一个锥状的方孔，该方孔的四周边墙是(111)晶面。这个方形沟道(121)实际上很大，使得它不能全在晶片体(123)内(见图68)，因而它穿透该晶片，从而形成所要求的通孔(见图62)。再次重申，所有边墙和表面所成的角度都是相同的，因为它们由硅片的(111)晶面确定。相应地，如果通孔W2的大小和晶片的厚度已知的话，则掩蔽层应开的窗口W3大小也就可以计算出来了。V状沟道(120)和通孔(121)之间的间距S的加工精度可高达0.5微米。
在我们所举的例子中，光导纤维(117)是从通孔的左边插入的(如图59所示)，因此最好使通孔削出到晶片的左边。如图63所示。通过修正在图70中晶片左侧的掩蔽层(125)的式样，使得刻蚀是在晶片(123)的两边进行的，就可以制作上面提到的这种通孔，运用具有透视功能的红外光掩蔽层对准仪，我们可以很准确地标定间距S。因为红外光掩蔽层对准仪的这种透视功能使得我们同时能见到晶片的前后面，从而使得准确定位得以实现。在图70中的掩蔽层(124)可以是透明的介电薄膜，如玻璃。这种掩蔽层并不一定非要去除不同，因为它可以作为从通孔(122)中插入的光导纤维的一个窗口。该窗口的厚度可以是一个或二个微米。图71所示的是这种构体的一种直接拓伸，它将在图64至70中所描述的技术拓伸到阵列形式。在这种阵列构体中的两个通孔(126)和(127)是用相同方法制备的，用以对齐光导纤维(128)和(129)。当图70中所描述的窗口(124)保留在如图71所示的构体中时，光导纤维(128)或(129)的终端面则可以粘合到该窗口上。
当加工图69或图70中的通孔(121)或(122)时，通孔的孔径w2的大小应与光导纤维的直径很接近，以实现光导纤维的准确对齐。在图69中的通孔(121)单独地再现在图72中。对于一给定的w3值，w2值可能会略有变化，因为晶体(123)的厚度可能会有些变化以及刻蚀液对掩蔽处的内切现象，举例来说，通孔孔径w2值可能在124微米和130微米之间，而光纤的直径本身可以在123微米和127微米之间。在最差的情形下，孔径w2可能会比光纤的直径大7个微米，或者孔径w2可能会比光纤的直径小。为了容纳孔径及光纤直径的这种可变性，一个办法是加工一组孔径不同的通孔，如图73所示。在图73中，晶片上的掩蔽层上有三个尺寸不同的窗口w3、w3′和w3＂，从而在晶片上有三个相应的通孔孔径w2，w2′，w2″(举个例子，w2，w2′，w2″或许分别是127，125和123微米)。这三个通孔中的其中一个的尺寸与光导纤维的直径相比会比其它两个更接近一些。在一组中，通孔的数目可以多于三个。图74中所示的构体是图61中所示构体的变异，图61中的每个通孔都被图74中的三个通孔所替代。同时，在端面上也有三套端面锁定沟道(133)(134)(135)。这端面锁定沟道是用来对齐两个象图74所示连接构体。配对沟道可以设计成如图75所示的结构(一个凹槽(120A)和一个凸出体(120B)，或可以设计成如图76所示的结构(两个凹槽(120A)和(120C)，以及一个端面锁定物(137))，在任何一种情形下，为从三种可能性(如图74中的(130)(131)和(132)中选用所需的一个通孔，我们可以通过从三套V状沟道(即(133)(134)和(135))中选出相应的一套沟道来实现。图77和图78所示的是二种可能的对齐方式。
图75所示的是一对配对用的对齐用沟道(120A)和对齐用凸脊。构体(123A)和(123B)中的每个都代表图59，61或74中所示的端面锁定表面。如图中所示，对齐用凸脊的制作也可以通过在晶片上凸脊(120B)的两侧刻蚀V状沟道来实现。
图76所示的是两个内凹的对齐用沟道(120A)和(120C)，以及一个用以端面锁定的柱形端面锁定物块(137)。
图77所示的是一组配对的三个对齐用沟道(133A)至(135A)和(133B)至(135B)。每一组沟道都假定是属于如图74中所示的端面锁定表面。通过端面锁定物块(137)选择锁定用的沟道，我们可以按图77或图78所示的方式锁定两个表面。这同时也确定了图74中三种通孔(130)至(132)中哪一种通孔用于光纤的对齐。
图79所示的是本发明的端面锁定构体可以用来对齐其它光学元器件，如光源(138)和透镜(139)。在图79中，一系列端面锁定构体(123)、(140)(141)和(142)是分别制作的，然后用端面锁定结构的自我对齐机制将它们组装在一起，也就是以模块方式将它们相互堆积在一起。不刻求能保证光轴与中心线的偏差不超过1个微米。各个端面锁定构体(123)(140)(141)的厚度是预先确定的，从而保证了光学元器件(128)(139)和(138)之间间距的准确性。图80所示提光线(143)从光线发出，通过透镜(139)聚焦到光导纤维的芯子(144)中。光源(138)可以是发光二极管(LED)，也可以是表面发射激光二极管(该激光二极管可以用如图80中所示的电压V来激活)，也可以是经一系列折光仪和(或者是)偏光仪传输到位置(138)处的光线。经微加工后所得的硅片和其它晶片比较适合于这种模块式端面锁定构体，因为通过标准的集成电路刻蚀技术，在这些晶片上对端面锁定结构和通孔的加工精度比一个微米还好。
虽然在图79中的端面锁定表面结构(120A)(120B)等都位于相互平行的表面上，但它们也可以简单地拓伸到其它平面上去，如在图79中和端面锁定表面相垂直的表面。
(图62，63，68，69，70，71，72，73，74，79和80包含了一个重要而又显明的教义，在晶片上进行各向异性刻蚀所得的通孔其加工精度可高于一个或二个微米，它们可用来终断和对齐光导纤维，或其它光学元器件，如透镜等。图73和74所示的是制备一套孔径逐渐变化的通孔系列的一个办法，尽管本发明中也描述了这些构体和教义，但是这些构体和教义并不包含在本发明的主要课题中，即端面锁定机制或结构之中。相应地，与通孔相关连的这些构体和教义将单独包括在一个与本专利申请相关的分案专利申请中)。
要彻底描述本发明中基本教义所包括的所有可能的构体几乎是不可能的。相应地，重申本发明中有关涉及光导纤维和透镜部分的教义会有帮助的。如图81所示，本发明的一个典型构体包括三个元素：一个端面已作终断的光导纤维(145)，一个与光导纤维(145)终端面所在平面相重合的第一个表面(146)，以及准备与第一个表面(146)相配对的包含一个透镜(148)的第二个表面(147)。第一个表面(146)上有其独特的构造，而第二个表面(147)上有另一种独特的构造，这些独特的构造可以使两个表面稳定地配对在一起。
如图74到图77中所示，所要求的沟道可以从多沟道(133)(134)和(137)中挑选。将这个概念略作修改就可得到一种光学切换构体。如图82所示的一个连接器部件上加工有一系列光学元件，如用于接纳光导纤维系列(从光导纤维(174)到(179))的通孔系列(从通孔(168)到通孔(173))，以及一系列用于端面锁定定位的V状沟道(从V状沟道(180)到(186))。在图82中也示明了该连接器部件的侧视图和前视图。图83所示的是另一连接器部件(188)的简图。在图83中黑粗线所画的是一个光学元件(在本例中用于接纳光纤(90)的通孔(189))和V状沟道(191)(192)和(193)。图84所示的是两连接器部件(187)(188)之间的一种可能的配对位置。在这种配对位置下，光纤(190)正好与光纤(177)相对齐。图85所示的是另一种可能的配对位置。在该位置下，光纤(190)与光纤(175)相连在一起。通过这种方式，或以实现从周期性排布的端面锁定结构中选择不同的配对位置，从而实现从一个光导纤维到另一个光导纤维的光学切换。在这里所描述的这种切换机制可用来生产一种机械式纤维光学切换器。
在图82和图83中的端面锁定V状沟道可以被替换成如图87中所示的V状方孔系列(194)(195)和如图88中所示的V状方孔(203)和(204)。参照图89至图90中所描述的方法，就可以将光导纤维(202)和光导纤维系列(从(196)到(201))中的任一光导纤维配对。
显然，在上述教义的启蒙下，本发明可能会有许多修正和变动。因此，敬请理解本发明的专利申请范围除了包括在此已作了特别描述的情形外，还包括所附权利要求中所提到的整个范围。

Claims (45)

1、一光学连接装置包括：
一光学元件；
第一个端面锁定表面；
和第二个端面锁定表面；
其中光学元件位于第一端面锁定表面上的预定位置，此第一端面锁定表面上有第一类表面轮廓；第二端面锁定表面上有第二类表面轮廓，此二表面轮廓是相匹配的，因而当此二表面轮廓面对面压在一起时能相互锁定在一起，藉由此二端硕锁定表面光学元件能固定在恰当的位置上。
2、如权利要求第1项的发明，其中光学元件是一光学槽道波导。
3、如权利要求第1项的发明，其中光学元件是一透镜。
4、如权利要求第1项的发明，其中光学元件是一光源。
5、如权利要求第1项的发明，其中光学元件是一干涉滤波器。
6、如权利要求第1项的发明，其中光学元件是光学透明的。
7、如权利要求第1项的发明，其中第一个端面锁定表面是平面的，及第一类端面锁定轮廓包括一由版刻术产生的圆样。
8、如权利要求第7项的发明，其中第一端面锁定表面的材料是矽晶片。
9、如权利要求第8项的发明，其中矽晶片是(100)型的，使得V状沟道可藉由非均匀刻蚀而产生。
10、如权利要求第9项的发明，其中V状沟道的尺寸是如此选择的，使得一圆柱状物体能置入此V状沟道中以助端面锁定。
11、如权利要求第1项的发明，其中光学元件是光纤。
12、如权利要求第2项的发明，其中光纤的末端表面位于第一端面锁定表面上。
13、如权利要求第12项的发明，其中第一端面锁定表面限定于光纤末端表面。
14、如权利要求第12项的发明，其中第二端面锁定表面位于端面锁定插体的表面上，此插体是介于光纤和另一光学元件之间。
15、如权利要求第14项的发明，其中端面锁定插体是由铸模而制成的零件。
16、如权利要求第14项的发明，其中端面锁定插体是由与光刻术相关的技术而产生。
17、如权利要求第11项的发明，其中第二端面锁定表面包括另一光纤的末端表面。
18、如权利要求第11项的发明，其中第一端面锁定表面包括一项环的末端表面，此项环设计成能与光纤紧密结合。
19、如权利要求第18项的发明，其中项环之外围尺寸小于0.5毫米。
20、如权利要求第11项的发明，其中光纤和第一端面锁定表面位于连接器插头的中孔中。
21、如权利要求第18项的发明，其中项环位于连接插头的中孔中。
22、如权利要求第21项的发明，其中光纤末端可在连接插头的孔中自由移动。
23、如权利要求第21项的发明，其中项环的末端可在连接器插头的孔中自由移动。
24、如权利要求第11项的发明，其中第一类轮廓是由光反应材料所制成，此材料特性可藉由曝光而改变。
25、如权利要求第24项的发明，其中光反应材料是紫外光硬化高分子材料。
26、如权利要求第24项的发明，其中光反应材料是光阻剂。
27、如权利要求第11项的发明，其中第一类轮廓是如第一端面锁定表面的杂质分布。
28、如权利要求第27项的发明，其中第一类轮廓包括位于光纤中央蕊心外部的图样。
29、如权利要求第28项的发明，其中图样包括一同心圆环。
30、如权利要求第28项的发明，其中光纤具有多个能导光的蕊心。
31、如权利要求第11项的发明，其中第一类轮廓包含非同圆心而是与光纤中心圆对称的图样，因而提供光纤截面的方向性。
32、如权利要求第31项的发明，其中光纤具有维持光偏振的功能。
33、如权利要求第11项的发明，其中第一类轮廓包含一位于光纤中心的图样。
34、如权利要求第33项的发明，其中图样的周围有多个蕊心。
35、如权利要求第33项的发明，其中加上一为确认光纤方向正确的锁轮。
36、如权利要求第11项的发明，其中第二类轮廓是根据第二端面锁定表面中的杂质分布。
37、如权利要求第27项和36项的产生轮廓方法，其中轮廓是由刻蚀端面锁定表面而产生，其局部刻蚀速率取决于端面锁定表面中的杂质分布。
38、如权利要求第1项的发明，其中两端面锁定表面上有相互匹配的周期图样，故第一端面锁定表面和第二端面锁定表面能面与面地相互锁定于许多不同位置，因而实现光学切换功能。
39、如权利要求第38项的发明，其中此相匹配的周期性图样包括一些V形沟道。
40、如权利要求第38项的发明，其中此相匹配的周期性图样包括一些V形方孔。
41、如权利要求第38项的发明，其中相匹配的周期性图样形成一个一维阵列。
42、如权利要求第38项的发明，其中相匹配的周期性图样形成一个二维阵列。
43、如权利要求第38项的发明，其中图样的每一周期中有一可插入光纤的通孔，因而实现了光纤切换的功能。
44、如权利要求第38项的发明，其中匹配位置的切换由机械方式而达成，因而实现了机械光学切换。
45、一阵列式光学连接装置，包含：
第一个光学元件阵列；
第一个端面锁定表面；
第二个光学元件阵列；
第二个端面锁定表面；
其中第一个光学元件阵列位于第一个端面锁定表面上，此第一个端面锁定表面上具有第一类表面特征，此第一类表面特征与第一个光学元件阵列间有一独特的位置；第二个光学件阵列位于第二个端面锁定表面上，此第二端面锁定表面上有与第一类表面特征相匹配的第二类表面特征，因而当此二端面锁定表面面对面地压在一起时能相互锁定在一起，第二类表面特征与第二个光学元件阵列有同样的独特的位置关系；藉由此二表面特征间的端面锁定以及此二表面特征与第一个及第二个光学元件阵列间的独持位置关系，可实现第一个及第二个光学元件阵列间的精确光学对齐。
CN 95195115 1994-07-18 1995-07-18 光导纤维与其它光学器件的端面锁定对接装置及其制作方法 Pending CN1158169A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US27682994A 1994-07-18 1994-07-18
US08/276,829 1994-07-18

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN1158169A true CN1158169A (zh) 1997-08-27

Family

ID=23058229

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN 95195115 Pending CN1158169A (zh) 1994-07-18 1995-07-18 光导纤维与其它光学器件的端面锁定对接装置及其制作方法

Country Status (6)

Country Link
EP (1) EP0771432A4 (zh)
JP (1) JPH11502314A (zh)
CN (1) CN1158169A (zh)
AU (1) AU3490095A (zh)
CA (1) CA2194986A1 (zh)
WO (1) WO1996002861A1 (zh)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5550942A (en) * 1994-07-18 1996-08-27 Sheem; Sang K. Micromachined holes for optical fiber connection
JP3039852B2 (ja) * 1996-12-16 2000-05-08 住友電気工業株式会社 光ファイバコネクタ
US6236787B1 (en) * 1998-07-08 2001-05-22 Optical Switch Corporation Method and apparatus for aligning optical fibers using an alignment spacer
EP1168011A1 (en) * 2000-06-21 2002-01-02 Corning Incorporated Hybrid alignment of optical components using calibrated substrates
EP1305662B1 (en) 2000-07-28 2007-05-09 Litton Systems, Inc. Method of coupling an optic fibre to an optic chip
GB2381082A (en) * 2001-10-17 2003-04-23 Marconi Caswell Ltd Optical waveguide with alignment feature in core layer
FR2865546A1 (fr) * 2004-01-27 2005-07-29 Commissariat Energie Atomique Structure de couplage d'une fibre optique a un composant optique et assemblage obtenu
CN105911644B (zh) * 2016-06-01 2019-06-04 中国电子科技集团公司第四十一研究所 一种光纤准直装置及其装配方法

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5630112A (en) * 1979-08-22 1981-03-26 Fujitsu Ltd Connector of optical fibers
US4341439A (en) * 1979-10-04 1982-07-27 Trw Inc. Optical fiber connector and method of making same
JPS6256906A (ja) * 1985-09-06 1987-03-12 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 光コネクタ及びその製造方法
EP0271721B1 (en) * 1986-11-15 1993-08-04 Sumitomo Electric Industries Limited Optical connector and process for producing the same
US4818058B1 (en) * 1988-03-03 1995-04-25 Bell Telephone Labor Inc Optical connector.
US5188539A (en) * 1991-10-10 1993-02-23 Langdon Enterprises, Inc. Quick attach/detach connector
US5259054A (en) * 1992-01-10 1993-11-02 At&T Bell Laboratories Self-aligned optical subassembly

Also Published As

Publication number Publication date
AU3490095A (en) 1996-02-16
EP0771432A1 (en) 1997-05-07
EP0771432A4 (en) 1997-10-22
WO1996002861A1 (en) 1996-02-01
JPH11502314A (ja) 1999-02-23
CA2194986A1 (en) 1996-02-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN1264035C (zh) 光波导设备及其制作方法
CN1228655C (zh) 平行光管透镜、纤维平行光管以及光学部件
US6609835B2 (en) Oxidized light guiding component and manufacturing technique
CN1650207A (zh) 光束弯曲装置及其制造方法
CN1261783C (zh) 优化连接器特征的方法
US8094987B2 (en) Silica-on-silicon waveguides and related fabrication methods
US20050175286A1 (en) Tapered structure for providing coupling between external optical device and planar optical waveguide and method of forming the same
CN1839331A (zh) 与外部光场有低耦合损耗的集成光波导结构
CN1158169A (zh) 光导纤维与其它光学器件的端面锁定对接装置及其制作方法
CN1856721A (zh) 带有多模尾纤的光纤透镜
JP2008076685A (ja) 端面近接多芯光ファイバーおよびその製造方法
Yin et al. Optical characterization of arch-shaped ARROW waveguides with liquid cores
CN1886686A (zh) 低损耗微环形谐振器设备
WO2009003484A2 (en) A tapered fibre optical coupler comprising an annular guiding region
CN1589415A (zh) 具有垂直及水平模成形的光波导终端
US7444050B2 (en) S-shaped curved optical waveguide and optical device
WO1996002861A9 (en) Face-lock interconnection means for optical fibers and other optical components, and manufacturing methods of the same
JPH11194237A (ja) 光導波路とその製造方法及び光導波路と受光素子の結合構造
CN114041076A (zh) 模扩展波导和包括这种模扩展波导的用于引导与光纤耦合的光斑尺寸转换器
CN1380560A (zh) 光学多路调制器/多路分解器
GB2283579A (en) Optical fibre couplers using self-aligned core-extensions, and their manufacturing methods
JP2003279761A (ja) 光ファイバ、光ファイバの製造方法および光ファイバと光学素子の結合装置
Wang et al. Low-loss spot size converter based on the integration of graded-index waveguide and 3D tapered waveguide
AU2005204571B2 (en) Lensed tip optical fiber and method of making the same
WO2004088715A2 (en) Tapered structure for providing coupling between external optical device and planar optical waveguide and method of forming the same

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C01 Deemed withdrawal of patent application (patent law 1993)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication