CN1232851C - 自适应微型光纤连接器 - Google Patents

Abstract

一种自适应微型光纤连接器，主要包括硅基体，成型于硅基体上的V型槽，横跨V型槽上方并悬空覆盖V型槽的曲面金属盖板，金属盖板的两端翘曲展宽形成喇叭口，中间部位对称分布细缝开口，金属盖板与硅基体之间形成沿V型槽走向的光纤固定通道，固定通道两端分别是半锥形导引通道。本发明采用V型槽定位的原理实现精确对准或定位，由曲面金属盖板提供固定光纤的持续稳定压力，光纤固定通道和两端的半锥形导引通道可以方便光纤导入操作，并形成对光纤的接触压制，从而固定光纤。本发明的微型光纤连接器易于集成化制造，体积小巧，可实现光纤插拔和精确对准、定位及固定，便于形成小型化光纤连接器设计，也适合对空间要求比较苛刻的带状光纤连接。

Description

自适应微型光纤连接器

技术领域

本发明涉及一种自适应微型光纤连接器，是一种可以实现光纤可靠固定和精确定位，并具有自对准功能的光纤夹持固定机构，属于光纤通信技术领域。

背景技术

光纤通信是现代通信技术发展的主流方向，它的传输媒介就是光纤，在此通信系统中，光纤连接器是使用最广泛的无源器件之一，它以低损耗的方法把光纤或光缆相互连接起来，以实现光路的接续。随着光通信技术和光纤光学仪器的不断发展，对光纤固定连接机构的要求越来越高，特别是带状光纤连接器的需求增加，促使光纤固定连接机构向体积小、成本低、可集成制造方向发展。一些特殊的光纤光学仪器和徽型光纤传感器对光纤定位精度、占用空间及其可操作性等提出了更高的要求，而常见的FC、ST、SC、D、双椎等光纤连接器难以满足上述使用要求。它们的插针直径一般为2.5mm或者1.25mm，插针外围的套筒还要占用相当大的空间，精密机械加工组装的制造过程决定它们难以大幅度降低体积占用并提高固定对准精度，为满足插拔操作还需要额外的空间，因此，微型光纤连接器具有重要的实用价值。

利用V型槽的定位功能，两根光纤的轴向对准精度能够得到充分保证，并且在硅基片上刻蚀形成的V型槽成型精确方便，方便与其它微器件集成，因此，V型槽光纤固支机构作为微光学器件赢得广泛关注。基于V型槽固定对准原理的光纤连接器早已有之(林诗煌，光无源器件，P.16，人民邮电出版社，1997年，北京)，但是，目前市场上的此类机构同样采用精密机械工艺制造，如在铝片上加工出对准槽和导引槽，然后将铝片对折叠成U字形芯件，用于夹紧固定光纤。即使是利用硅刻蚀技术制作V型槽，用于微光学系统中，也必须另外加置盖板以使光纤固定于V型槽内，这样无法发挥V型槽可以高密度成型的优势，也不能实现集成制造的目标。同时，上述各种基于V型槽对准原理的光纤连接器，在光纤插入过程中都需要借助手动移开盖板以空出一定位置以便光纤进入固定槽，这样对微型光纤连接器是难以接受的，首先是没有足够的空间可供操作，其次，对微型器件结构进行手工移动尺度难以把握，容易造成损坏。因此，能够自动适应光纤插拔过程的带盖板V型槽光纤固定机构对微光学系统的实现有重要价值。

发明内容

本发明的目的在于针对上述存在的问题，提出一种自适应微型光纤连接器，具有自适应光纤插入能力，不需要额外加置盖板，就能够实现光纤固定；不需要手工移开预置盖板，就能够实现光纤插拔，其结构同样适用于各种微型光纤固定支撑结构。

为实现这样的目的，本发明基于V型槽定位对准原理，设计制备具有自适应光纤插入能力的带盖板微型一体化光纤连接器，实现光纤的精确对准或定位。采用根植于硅基体之上、跨越覆盖在V型槽上方的薄膜型曲面金属盖板，提供固定光纤的持续稳定压力，两端向上翘曲的盖板与V型槽之间的空隙呈内小外大的喇叭口形状，使喇叭口的外端尺寸明显大于光纤直径，可以方便光纤导入操作；使喇叭口的内端盖板高度略小于光纤插入后能够达到的高度，形成对光纤的接触压制，从而固定光纤于V型槽的底部，于是实现V型槽与自适应盖板一体化构造。

本发明的这种自适应微型光纤连接器主要包括硅基体，成型于基体上的V型槽，以硅基体为支撑基础、呈曲面横跨并悬空覆盖V型槽上方的曲面金属盖板，在金属盖板中间部位对称设置细缝开口。为了调整盖板对光纤的加载力方向和大小，盖板的细缝开口可以取不同的图样，如采用“十”字形或线型等。盖板与基体之间是沿V型槽走向的光纤固定通道，它同时也是光纤插拔通道，固定通道两端分别是半锥形导引通道，固定通道和导引通道内安置待定位对准的光纤。

基体采用单晶硅片，V型槽的开口宽度需要严格控制，以保证置入后光纤最高处略高于盖板最低处下底面的高度。V型槽的长度应能够充分保证光纤定位，一般应在1mm以上。盖板以硅基体为支撑基础，呈曲面横跨并悬空覆盖V型槽上方。盖板的长度略短于V型槽的长度，两端半锥形结构起光纤插入导引槽的作用，引导光纤进入能够压紧固定光纤的固定通道；中间低而平直的一段提供固定光纤于V型槽内的压力，主要发挥挤压弹簧的作用。盖板的厚度可以取0.5-30微米之间。“十”字形或者其它形式的开口对称分布在盖板的中心，使盖板产生的挤压弹性力左右对称，与V型槽配合，保证光纤能够实现理想的中心定位。如果采用“十”字形开口，其中横截盖板(与V型槽走向垂直)的开口还具有观察窗口的功能，同时也可以用来安置微型光学元件，以构成其它微光学器件。

光纤固定通道是V型槽与盖板平滑段之间形成的中空通道。半锥形导引通道处在盖板两端的翘曲部分与V型槽之间，是引导光纤进入固定通道的关键结构，其外端开口大，有利于光纤纳入，向内逐渐变小，直到与固定通道平滑衔接，迫使从大开口进入导引通道的光纤前端，在后续给进过程中推挤作为盖板的弹性膜片，进入固定通道。

本发明的微型光纤连接器可以通过非硅材料微加工技术集成制造：首先在硅基体上利用湿法各向异性刻蚀方向形成定位对准V型槽，然后经过曲面成型、掩膜电镀工艺及牺牲层工艺在V型槽上方形成高度有控制的曲面盖板，支撑在V型槽两侧硅基体上，就构成了所述自适应微型光纤连接器。

本发明的微型光纤连接器体积小巧，无需附加盖板就能够实现光纤固定，不需要手工扳动盖板，就可以实现光纤插拔，便于形成小型化光纤连接器设计，特别适合对空间要求比较苛刻的带状光纤连接，也可以用于微光机电系统，作为光纤精确定位的支撑结构，实现与其它光学器件对接。

附图说明

图1为本发明自适应微型光纤连接器的典型结构立体示意图。

图1中，硅基体1，成型于基体1上的V型槽2，横跨V型槽2上方并悬空覆盖V型槽2的曲面金属盖板3，在金属盖板3中间部位设置细缝开口4，盖板3与基体1之间是沿V型槽走向的光纤固定通道5，它同时也是光纤插拔通道，固定通道5两端分别是半锥形导引通道6，固定通道5和导引通道6内安置待定位对准连接的光纤7。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

图1是能够体现本发明主要特点的光纤连接器单元的一种立体结构示意图。在硅基体1开有V型槽2，曲面金属盖板3以硅基体1为支撑基础、呈曲面横跨并悬空覆盖在V型槽2上方，金属盖板3的两端翘曲展宽，形成喇叭口，在曲面金属盖板3中间部位对称设置“十”字形细缝开口4，曲面金属盖板3与基体1之间形成沿V型槽走向的光纤固定通道5，固定通道5两端分别是半锥形导引通道6，固定通道5和导引通道6内安置待定位对准的光纤7。

基体1采用单晶硅片，以方便V型槽加工及与其它微器件集成。也可以采用能够实现V型槽成型的其它衬底，如塑料、金属膜片等。

V型槽2沿(100)硅片的晶格取向分布，借助氧化硅掩膜湿法各向异性刻蚀工艺在硅基体上制作，V型槽2的开口宽度需要严格控制，以保证置入后光纤7最高处略高于曲面金属盖板3最低处下底面的高度。V型槽的长度应能够充分保证光定位牢固，一般应在1mm以上，特殊情况下可以更短，如光纤7本身很短或者有其他辅助固定支撑存在等。

曲面金属盖板3以硅基体1为支撑基础，呈曲面横跨并悬空覆盖V型槽2上方。曲面金属盖板3的长度略短于V型槽2的长度，可以区分为承担两种不同功能的三段：两端半锥形结构起光纤7插入导引槽的作用，引导光纤7进入压紧的固定通道；中间低而平直的一段提供固定光纤7于V型槽2内的压力，主要发挥挤压弹簧的作用。盖板3的厚度决定它所能产生弹性力的大小，并非挤压力越大越好，因为光纤7插入过程需要克服该挤压力而进入固定位置，所以，它不能够太大以致光纤的强度难以使盖板变形以适应光纤进入后的形状。依据结构尺寸和形状的不同，曲面金属盖板3的厚度可以取0.5-30微米之间。盖板3可以通过曲面成型技术、掩膜电镀技术结合牺牲层释放技术制备。材料可以选择各种金属薄膜或者其他易成型材料，如镍、铁镍、金等。

细缝开口4对称分布在曲面金属盖板3的中心，使盖板3产生的挤压弹性力左右对称，与V型槽2配合，保证光纤7能够实现理想的中心定位。细缝开口4最可能的形式是“十”字形，其中与V型槽走向垂直的横截开口具有观察窗口的功能，用于检查光纤对准和接近程度，也可以用来安置微型光学元件，以构成其它微光学器件，其宽度变化范围较大。如果不需要观察或安置其它元件，该方向开口可以省略，变成线型缝隙开口。该细缝开口4能够在盖板3成型过程中制备。

光纤固定通道5是V型槽2与曲面金属盖板3平滑段之间形成的中空通道。

半锥形导引通道6是引导光纤进入固定通道5的关键结构，其外端开口大，有利于光纤纳入，向内逐渐变小，直到与固定通道5平滑衔接，迫使从大开口进入导引通道6的光纤前端，在后续给进过程中推挤作为盖板3的弹性膜片，进入固定通道5。半锥形导引通道6处在盖板3的两端翘曲部分与V型槽2之间，可以借助融胶成型的曲面加工技术结合掩膜电镀和牺牲层技术加以实现。

光纤7是特固定的裸光纤。

具备上述特征的微型光纤连接器，无需附加盖板，就能够实现光纤固定，不需要手工扳动盖板，就可以进行光纤插拔操作，便于形成微型化光纤连接器，特别适合对空间要求比较苛刻的带状光纤连接，同时能够应用于微光机电系统，作为光纤定位排布的机构。

实施例：

以<100>单晶硅片为衬底，电沉积镍薄膜作为盖板材料，通过多层微结构三维微加工技术，制备了一种典型的微型光纤连接器，其工艺过程如下：

从热氧化硅片开始，首先掩膜光刻再用缓冲氢氟酸化学刻蚀为V型槽2开出刻蚀窗口，接着用35％KOH在70℃各向异性刻蚀约3小时，形成V型槽2。在形成的V型槽中填充光刻胶(如AZ4630等)，低温固化，旋切整平，在此表面上旋涂30微米厚胶，经光刻、90℃烘胶、再旋涂5微米光刻胶，接着再次95℃厚烘100分钟以形成导致盖板3两端翘曲的半锥形光刻胶结构。然后在此光刻胶上光刻使V型槽2之外的硅衬底1表面暴露，溅射Cr/Cu种子层，旋涂5微米光刻胶，光刻盖板3图形，掩膜镀镍6微米，再用10％KOH溶液在65℃溶出上述结构中包含的光刻胶，使盖板3各部位悬空释放，就形成了自适应微型光纤连接器。如果掩膜制作一组图形，就可以构成阵列器件。

Claims (3)

1、一种自适应微型光纤连接器，其特征在于包括：硅基体(1)，成型于硅基体(1)上的V型槽(2)，以硅基体(1)为支撑基础、呈曲面横跨并悬空覆盖V型槽(2)上方的曲面金属盖板(3)，金属盖板(3)的两端翘曲展宽，形成喇叭口，金属盖板(3)上对称分布细缝开口(4)，金属盖板(3)与硅基体(1)之间形成沿V型槽走向的光纤固定通道(5)，固定通道(5)两端分别是半锥形导引通道(6)，固定通道(5)和导引通道(6)内安置待定位对准的光纤(7)，V型槽(2)的开口宽度保证光纤置入后光纤(7)最高处略高于盖板(3)最低处下底面的高度。

2、如权利要求1的自适应微型光纤连接器，其特征在于所述曲面金属盖板(3)为集成制造一体式，厚度在0.5-30微米之间。

3、如权利要求1的自适应微型光纤连接器，其特征在于所述细缝开口(4)为十字形或线形图案。