CN1204777A - 光纤无源校准装置及校准方法 - Google Patents

Abstract

一种光纤无源校准装置及其方法,用以无源校准集成光学装置的光纤和输入/输出光波导,该装置包括:沿平面基片纵向在平面基片上形成光波导,光波导的芯子比平面的基片要短;沿平面的基片的纵向在平面基片上形成预定长度的光纤安装部分,以使光波导和光纤彼此接触,用以接收光纤;及向位于光纤安装部分和光波导的芯子之间的空腔充填随紫外线辐射其折射率增加的材料以使材料的折射率和光纤的芯子的折射率没有明显不同。

Description

光纤无源校准装置及校准方法

本发明涉及用以校准光波导和光纤的装置及其方法，尤其是涉及一种光纤无源校准装置及其方法用以无源校准集成光学装置的输入／输出光波导和光纤耦合，其中具有各种各样功能的光波导装置集成于一个基片上。

通常，通过以下两种方法可将一光纤连接到光波导装置。首先，在光波导入射光进入光纤或装置之后，准确调整光纤的位置，并测得在光波导或光滤波器的输出口的光功率，以在最大光功率状态固定光纤和光波导。这称为有源校准方法。在另一方面，没有引导光，彼此耦接的光纤和光导按照那些耦接部分的形状或结构自动校准。这称为无源校准法。

有源校准方法与光波导和光纤的耦合方法相同，有源校准法需要光源和光探测器用以校准光纤和光波导。而且，可以相对于具有6个自由度的校准轴，将光纤和光波导装置以亚微米精度准确校准。因此，校准很困难并需太多时间。

图1A和1B显示了常规无源校准方法的三维图和侧视图。按照此方法，波导层101形成在安装在平面基片100上的光纤的部分，以使光波导的芯子和光纤的芯子匹配，因此形成了具有V型槽的光纤安装部分103。于是，形成了与具有V型槽的光纤安装部分103垂直的一个槽，以使光纤110能紧压光纤安装部分103且和光波导相平行。光纤110截面精确研磨光，且光纤110装在具有V型槽的光纤安装部分103上且紧压着光波导的横截面。于是光纤110和光波导互相依附。

然而，在无源校准方法中，由于光纤和光波导直径在几个微米的范围内，为了减少耦合损耗，需要耦合部分的形态和结构非常精确，光纤端头的精确定位，及光纤端头的截面精确研磨。因此，校准花费时间且价格昂贵。

为了解决以上难题，本发明的目的在于提供一种用以校准集成光学设备的输入／输出光波导和光纤的光纤无源校准装置及其方法。

按照以上目的的一个方面，提供一种通过集成的光学设备的输入／输出光波导的无源校准光纤的光纤无源校准装置，它包含：沿着平面基片的纵向在平面基片上形成的一光波导，它具有一比平面基片短的芯子；沿平面基片的纵向在平面基片上形成一预定长度的光纤安装部分，用以接收光纤以使光波导和光纤相互接触；以及位于光纤安装部分和光波导的芯子之间的空腔，其充填进由紫外线光照时折射率稍有增加的材料，以使该材料的折射率没有和光纤的芯子的折射率显著不同。

最好是，空腔具有三角形、正方形、半圆形或多边形的截面形状，且空腔是通过从由硅基片刻蚀，机械精密加工和精密模塑这些方法中选择的一种方法而形成的。

按照本目的的另一方面，提供一种用以无源校准集成光学装置的输入／输出光波导和光纤的光纤无源校准方法，它包含如下步骤：(a)沿平面基片的纵向形成一光波导作为一层；(b)在平面基片上形成一光纤安装部分，其上安装一光纤以将所述光纤和光波导耦合；(c)在光纤安装部分和光波导之间形成预定尺寸的空腔；(d)在光纤安装部分上安装光纤；(e)向空腔中注入可通过紫外线光照射提高其折射率的材料；以及(f)在充填空腔的材料上通过光照紫外线使光纤和光波导耦合。

最好是，形成光纤安装部分的步骤(b)中，部分去除形成在平面基片上的光波导层部分以形成光纤安装部分用以将光纤和光波导耦合。

另外，提供一种光纤无源校准方法用以无源校准集成光学装置的输入／输出光波导和光纤，它包含步骤有：(a)沿平面基片的纵向形成光波导；(b)在平面基片上形成安装光纤的光纤安装部分，以将光纤和光波导耦合；(c)在靠近光波导的光纤安装部分上安装光纤，并固定光纤；(d)切割靠近光波导的光纤安装部分安装的光纤和光波导，以使光纤和光波导的截面同时研磨光，因此，在光纤安装部分和光波导之间形成预定尺寸的空腔；(e)向空腔中注入其折射率随紫外线的辐照而增加的材料；且(f)通过向充填槽的材料上辐照紫外线将光纤和光波导耦合。

通过参照附图详细描述本发明的最佳实施例以更深刻阐明本发明的以上目的和优点：

图1A和图1B是显示了常规无源校准方法的三维图和侧视图；

图2A和图2B显示了按照本发明的实施例的其上安装有光纤的光纤无源校准装置及其校准方法的三维图和侧视图；

图3A和3B显示了按本发明的另一实施例的光纤无源校准装置及其校准方法的三维图和侧视图；且

图4是显示了按照模式场半径和水平位移的耦合损耗的变化曲线图。

参照图2A和图2B，按本发明的光纤无源校准装置包括光波导240，光纤安装部分210和空腔220。

光波导240提供光导通路，沿平面基片230的纵向在平面基片230上形成比平面基片230短的光波导芯子200。在硅平面基片230上通过沉积硅形成作为光波导层的光波导240。

光纤安装部分210是其上安装光纤250的部分，沿平面基片230的纵向在平面基片230上形成预定长度的光纤安装部分210，以使光波导220与光纤250接触。从形成的光波导240上去除安装的光纤250的一部分用以形成光纤安装部分210，且使用氢氧化钾(KOH)溶液非均质地对硅晶基片230刻蚀，产生具有V形槽的光纤安装部分210，以使光纤芯252的中心和光波导芯200的中心相对应。

空腔220位于光纤安装部分210和光波导芯子200之间且充填进如UV-固化树脂的材料，该材料的折射率在紫外线的照射下稍微增高，以使其折射率没有和光纤芯子252的折射率显著不同。这里，空腔220可具有能接收任何形状的光纤，如三角形，正方形或半圆形，且可以通过硅基片刻蚀，机械精密加工和精密模塑而形成。

图3A和3B显示了按本发明的另一个实施例的用以耦合光波导和光纤的光纤无源校准装置及其方法的三维图和侧视图。也就是，如图3A所示，在光波导上形成V-形槽之后，将光纤装入V-形槽，且光纤和光波导同时且垂直切割。

如图3A所示，在硅基片上沉积硅以形成光波导310作为一层后，对应于安装入光纤的光波导层的部分被除去。然后，使用氢氧化钾(KOH)溶液对硅(Si)晶基片非均质地刻蚀，产生具有V-形槽的光纤安装部分340，以便使光波导芯330的中心与光纤芯322的中心对准。于是，使用其刀片厚度相当于几微米的切割机360制成将其中注入随紫外线辐射其折射率增高的材料的空腔350。因此，具有光纤和光波导同时研磨的效果。

通过使用以上光纤无源校准装置，由以下的方法校准光纤和光波导。将其折射率随紫外线照射增加的材料如UV-固化树脂注入光纤无源校准装置的空腔，也就是，安装的光纤和光波导之间。然后，向光纤辐射紫外线。因此，被紫外线照射部分固化，且固化的部分比没有固化的部分的折射率增加的多，因此，导致光波导芯子端头张开。通过控制紫外线辐照强度和时间，可以获得最佳光波导，由于这种光波导其芯子端头逐渐张开，表示光纤和光波导的芯轴之间的不对准度的水平位移对光纤和光波导之间的耦合损耗的影响相对减小。

图4显示了按模式场半径和水平位移的耦合损耗的变化。由于光波导的模式场半径通过紫外线辐照而增加，耦合损耗对水平位移的依赖性逐渐减少。可以按如下方法确定具有逐渐端头张开芯子的光波导的效果。假定光纤和光波导的模式场显示高斯分布，光纤和光波导之间的间隙和超出范围是0，由以下的数学公式(1)表示光纤和光波导之间的耦合损耗。 $\mathrm{coupling\; loss}=10\mathrm{Log}\left({\left(\frac{2w_1{w}_2}{w_1^2+w_2^2}\right)}^2\exp \right[\frac{-2d^2}{w_1^2+w_2^2}\left]\right)\left[\mathrm{dB}\right]...\left(1\right)$ 这里W₁和W₂代表光纤和光波导的场模半径(1／e功率半径)且d表示光纤和光波导之间的水平位移。

因此，如图4所示，当场模半径增加时，取决于水平位移的耦合损耗的变化率减少。这里，假定光波导的场模半径是4微米。

在上述实施例中，具有单一芯子的光纤用于解释方便。然而，具有多个芯子的光纤不受到上面的限制。

通常，当芯子直径增加时，场模半径增加。因此，在本发明中，形成其芯子端头逐渐张开的光波导，减少了耦合损耗对水平位移的依赖性。因此，没有必要精确控制耦合部分的形状和结构。

尤其是，在上述本发明的第二实施例中，具有单一芯子或多个芯子的光波导和光纤同时垂直于基片被切割。且此时，在具有单一芯子或多个芯子的光波导和光纤之间形成的空腔注入其折射率在紫外线辐射下增高的材料，如紫外线-固化树脂。为了这个目的，在安装光纤之后，进行机械精密处理，且无需额外对光纤的横截面进行研磨，而且，通过形成了其芯子端头逐渐张开的光波导，减少了光纤的准确定位的重要性。

Claims (8)

1、一种光纤无源校准装置，用以无源校准集成光学装置的光纤和输入／输出光波导，其特征是包括：

一个沿平面基片纵向并在该平面基片上形成的光波导，其芯子短于平面基片；

一个沿所述平面基片纵向并在所述平面基片上形成有一预定长度的光纤安装部分，以使所述光波导和光纤相互接触，用以接触光纤；以及

一个置于所述光纤安装部分和所述光波导芯子之间的空腔，其中充填在紫外线的照射下其折射稍有增加的材料，以使所述材料的折射率和所述光纤芯子的折射率没有明显的不同。

2、按照权利要求1所述的光纤无源校准装置，其特征在于，所述光纤具有单一芯子或多个芯子。

3、按照权利要求2所述的光纤无源校准装置，其特征在于，所述空腔具有的截面形状为三角形、正方形、半圆形或多边形。

4、按照权利要求1所说的光纤无源校准装置，其特征在于，所述空腔是由从硅基片刻蚀，机械精密处理和精密模塑组成的一组中选取的一种方法而形成的。

5、一种光纤无源校准方法，用以无源校准集成光学装置的光纤和输入／输出光波导，其特征是包括以下步骤：

(a)沿平面基片的纵向形成一光波导作为一层；

(b)在所述平面基片上形成光纤安装部分，其上安装所述光纤以将所述光纤和光波导耦合；

(c)在所述光纤安装部分和光波导之间形成预定尺寸的空腔；

(d)在所述光纤安装部分上安装所述光纤；

(e)向所述空腔中注入随紫外线辐射其折射率增加的材料；

(f)通过向充填空腔的材料上辐照紫外线而使所述光纤和光波导耦合。

6、按照权利要求5所述的光纤无源校准方法，其特征在于，在形成光纤安装部分的步骤(b)中，部分去除在平面基片上形成的光波导层的一部分以形成将所述光纤和光波导耦合的所述光纤安装部分。

7、一种光纤无源校准方法，用以无源校准集成光学装置的光纤和输入／输出光波导，其特征是包括以下步骤：

(a)沿平面基片纵向形成光波导；

(b)在所述平面基片上形成其上安装有光纤的光纤安装部分，以将所述光纤和光波导耦合；

(c)在所述光波导附近的所述光纤安装部分上安装所述光纤，并固定该光纤；

(d)切割安装在所述光波导附近光纤安装部分上的光纤和光波导，以使所述光纤和光波导的截面同时被研磨，因此在所述光纤安装部分和光波导之间形成预定尺寸的空腔；

(e)向所述空腔中注入随紫外线辐射其折射率增加的材料；且

(f)通过向注入槽中的材料上辐照紫外线使所述光纤和光波导耦合。

8、按照权利要求7所述的光纤无源校准方法，其特征在于，在形成光纤安装部分的步骤(b)中，部分去除在所述平面基片上形成的一部分光波导层以形成所述光纤安装部分用以将所述光纤和光波导耦合。

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