CN1393717A - 精密二维光纤阵列 - Google Patents

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克里斯蒂安·A·鲍里
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雷内·R·鲁尔
约翰·D·韦尔德
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Abstract

使用一个卡盘，以使具有六边形包装的一组精密套管紧密地固定为一个阵列，该组精密套管中的一些插入并粘结一个光纤端，由此构成一个精密光纤阵列。粘结典型地通过将光纤胶合到套管中完成。套管也可以彼此粘结。一旦套管粘结在一起，则卡盘可以去掉。光纤的终端可以是抛光的。或者，可以使用切断的光纤终端，例如通过一个光学平面，各个终端并列。套管可以具有一个尖端及一个锥形入口。卡盘可以将套管固定在直线方向。所有套管的光纤端面可以完全共面。套管可以以六边形的配置排列。

Description

精密二维光纤阵列
技术领域
本发明涉及光纤阵列技术，及其制造方法。
背景技术
通常需要得到非常精密的二维光纤阵列，例如，与全光学开关一起使用。尤其，对于典型用于光学通讯网络中的单模式光纤，这种光纤通常具有直径6-9微米的纤芯以及直径125微米的包层，对于光纤阵列中的每个光纤，要求其与准确位置的位置误差小于2微米，并且角度误差小于0.5度。在现有技术中，光纤阵列的制造是制作一个有孔的板，并且各个光纤端插入每个孔中。该板可以由各种材料制成，当要求一个非常精密的阵列时，硅或者陶瓷是理想的。该孔可以通过使用机械技术或通过使用激光，在该板上蚀刻或钻孔制成。各个光纤端例如用少量胶定位。之后，从该板前面伸出的剩余的光纤头被切断，得到的端部为抛光的平面。
不幸地，由于该板及其孔的技术限制，能够制造的板通常很薄。这样一个薄板仅能为每个光纤提供很短的导向及固定，使得不利地，得到的光纤阵列的机械性质低于要求。更不利地，该板必须定制，这通常要求专门的工具及专门技术。阵列的装配也要求专门的技术及精密的夹具。装配最后的抛光步骤不是无足轻重的，并且非常耗时。
此外，在现有技术中，光纤组合成束用于各种目的，例如，通过将光纤绑在一起或通过使光纤在一个套筒如光纤光缆内组合。但是，这种组合不在该束的出口处提供精密的对准及间隔。此外，最大间隔受到各个光纤直径的限制。
在Masayasu Yamaguchi，Tsuyoshi Yamamoto，KatsuhikoHirabayashi，Shinji Matsuo及Kunio Kobayu发表在量子电子学精选主题的IEEE期刊1996年4月第2卷第1期上的“使用激子吸收反射开关(EARS)阵列及微束光学互连的高密度数字自由空间光子开关结构”中，描述了一种2-D光纤阵列，由多层微玻璃套管组成，使用氧化锆板和黄铜框架的方形包装。不利地，可达到的光纤位置重复性，即光纤中心距所需栅格点的平均位移为±3.1μm，且光纤定向误差平均为4度。这样一个光纤不满足目前基于MEMS光学开关的严格要求，例如来自朗讯科技的Lamda路由器要求光纤位置重复性不超过±2μm，且角度定向误差平均不大于0.5度。
现有技术中有一个儿童项目涉及中空的柱形垫圈，可以是六边形排列，使用具有突出的销的一个模壳，每个垫圈用一个销。这些垫圈通过首先铁封与模壳相对的垫圈的那侧，然后从模壳上去掉垫圈，并铁封与模壳相邻的垫圈的那侧，从而固定在一起。这些垫圈未精确放置，或者对准，并且当它们被铁封时发生变形。该儿童项目不以任何方式涉及光纤。
发明内容
我们已经认识到，根据本发明，可以使用一个具有六边形包装结构的精密套管阵列构成一个精密的光纤阵列，一些套管中插入且粘结如胶合有一个光纤端。我们已经进一步认识到，目标阵列，例如用于朗讯Lamda路由器中的一个对应MEMS装置上的微镜阵列，或者其它探测器或源阵列，必须配置为六边形，以与该六边形光纤阵列对应。在本发明的一个实施例中，至少在最初使用了一个卡盘，以使一组精密套管紧密地固定为一个阵列。此后，一个光纤端插入并粘结到一些套管。该套管也可以彼此粘结。如果这样，一旦套管粘结在一起，则卡盘可以去掉。有利地，这种光纤阵列可以加工到极高的公差，使得在定位用于全光学开关的光纤阵列时很有用。更确切地，该光纤位置重复性，即光纤中心距所需栅格点的平均位移不超过±2μm且角度定向误差平均不大于0.5度。
光纤的终端可以抛光。或者，可以使用预先切断的光纤终端，例如，通过放置于或相邻于该套管阵列的光纤终端的一个光学平面或其它表面，使各个终端并列。
所用的套管可以是低成本的常规的现货供应的陶瓷套管。这种套管被加工到非常严格的公差。更确切地，确定该精密套管a)可以被完全均匀地加工，使得其直径距规定的名义套管直径仅有很小的误差；b)穿过该套管并完全精确地位于套管中心的孔的直径距规定的名义直径仅有很小的误差，以及c)比现有技术面板的厚度大，使得获得比现有技术的面板装置更好的机械支撑。有利地，本发明的精密光纤阵列非常合乎比例，使得可以便宜地加工具有大量光纤且满足严格的Lamda路由器质量要求的精密光纤阵列。
在本发明的一个实施例中，套管有一端至少有些突出，即是一个尖端，以及在与该突出端相对的那端具有一个锥形入口。有利地，这种实施例允许光纤端通过锥形入口容易地插入并且突出的尖端减少了光纤端需要抛光的量。
根据本发明的一个方面，可以制造卡盘使其将套管固定在直线方向，或者使其将套管固定在有角度的方向。一个有角度的方向提供了减小光纤中背反射的优点。通常需要保证所有套管的光纤端面完全共面。
附图说明
在图中：
图1显示根据本发明的原理的一个精密光纤阵列的侧视图，该精密光纤阵列通过使用一个卡盘以使一组精密套管紧密地固定为一个阵列，每个套管中插入且粘结一个光纤构成；
图2显示图1的精密光纤阵列的前视图；
图3显示图2的精密光纤阵列沿轴AA的剖视图；
图4显示插入有一个光纤端的典型现有技术套管的一个视图；
图5显示插入有一个光纤端的图4的典型现有技术套管的另一个视图；
图6显示插入有一个光纤端的图4的典型现有技术套管沿轴BB的剖视图；
图7显示根据本发明的原理的一个精密光纤阵列的另一个实施例的前视图，该精密光纤阵列通过使用一个卡盘以使一组精密套管紧密地固定为一个阵列，每个套管中插入且粘结一个光纤端构成；
图8显示根据本发明的原理的一个精密光纤阵列的另一个实施例的前视图，该精密光纤阵列通过使用一个卡盘以使一组精密套管紧密地固定为一个阵列，每个套管中插入且粘结一个光纤端构成；
图9显示图8所示本发明的实施例的另一个视图；
图10显示根据本发明的原理的一个精密光纤阵列的另一个实施例的前视图，该精密光纤阵列通过使用一个卡盘以使一组精密套管紧密地固定为一个阵列，每个套管中插入且粘结一个光纤端构成；
图11显示图10所示本发明的实施例沿轴C-C的剖视图；
图12显示根据本发明的原理的一个精密光纤阵列的一个不对称实施例的前视图，该精密光纤阵列通过使用一个卡盘以使一组精密套管紧密地固定为一个阵列，每个套管中插入且粘结一个光纤构成；以及
图13显示根据本发明的一个方面的精密光纤阵列中伸出以与对准孔配合的对准部件。
具体实施方式
以下仅说明本发明的原理。因此将意识到那些熟练的技术人员能够设计那些尽管未在此明确描述或显示，但体现本发明的原理以及包括在其精神和范围内的各种装置。此外，这里所述的所有例子及条件语言主要是明确地打算仅用于教学目的，以帮助读者理解本发明的原理及由发明者提供的概念以促进该技术，并且应解释为不限于这些明确描述的例子及条件。此外，这里描述本发明的原理、方面及实施例的所有陈述，与其特定例子一样，都打算包含其结构及功能的等价物。此外，打算这些等价物既包括目前已知的等价物，也包括将来研制的等价物，即无论结构如何，研制的执行相同功能的任何元件。
在其权利要求书中作为用于执行一个特定功能的设备表示的任何元件都打算包含执行该功能的任何方式。这个权利要求书所定义的本发明存在的事实是各种所述设备提供的功能性以权利要求书要求的方式组合和集合在一起。申请人因此将能够提供那些功能性的任何设备视为与这里所示的等价。
这里除非另外明确指出，附图都未按比例绘制。
此外，这里除非另外明确指出，这里显示和/或描述的任何透镜实际上是具有该透镜的特殊特定性质的一个光学系统。这样一个光学系统可以由单个透镜元件实现，但不是必需限于此。类似地，显示和/或描述为一个反射镜的地方，实际上显示和/或描述的是具有这样一个反射镜的特定性质的一个光学系统，可以由单个反射镜元件实现，但不是必需限于单个反射镜元件。这是因为，技术上众所周知，各种光学系统可以提供单个透镜元件或反射镜的相同功能但是是以一种高级的方式，例如，具有较小变形。此外，技术上众所周知，一个曲面反射镜的功能可以通过透镜和反射镜的组合实现，反之亦然。此外，执行一个特定功能的光学元件的任何装置，例如，成像系统、光栅、镀膜元件及棱镜，可以用执行相同特定功能的光学元件的任何其它装置替换。因此，这里除非另外明确指出，对于本公开，在这里公开的一个总实施例中能够提供特定功能的所有光学元件或系统都彼此相当。
这里使用的术语微机电系统(MEMS)装置打算指整个MEMS装置或其任何部分。因此，如果一个MEMS装置的一部分不工作，或者如果一个MEMS装置的一部分关闭，这样一个MEMS装置对于本公开仍然被看作一个MEMS装置。
在描述中，不同图中相同数字的元件指的是相同的元件。
图1显示根据本发明的原理的一个精密光纤阵列的侧视图，该精密光纤阵列通过使用一个卡盘以使一组精密套管紧密地固定为一个阵列，每个套管中插入且粘结一个光纤构成。注意通过一个“卡盘”这里意味着包括能够将该套管固定为至少在该阵列的加工或完成过程中的一点处具有必需间距及六边形包装的所需阵列形状的任何装置。更确切地，图1显示卡盘101具有六边形的孔103，孔中插入有精密套管105。在各个孔107内插入有一些光纤111的各端。卡盘表面可以看见可选的安装孔109。
卡盘101最初至少通过使用压力将套管105固定到位。在卡盘101内装配套管105的一个方法是在卡盘101的孔103内插入套管105的大部分。然后加热卡盘101，使其膨胀到足以能够在孔103内插入套管105的其余部分。然后套管105的其余部分插入孔103内，并且然后让卡盘101冷却。冷却时，卡盘101收缩到足以在套管105上施加必要的压力。注意在加热卡盘101时典型地套管105也被加热且尺寸膨胀。但是，套管105用一种材料，例如陶瓷制成，对于相同的温度变化，其膨胀比典型地为金属或塑料的卡盘101小。因此，有可能插入剩余的套管。所用套管的外径公差很高，例如，可以大约为半个微米，并且孔103与套管阵列的尺寸差异很小，例如，小于两微米，但是由热膨胀导致的尺寸差异足以插入剩余的套管。
光纤111的终端插入套管105之后，可以使用胶将光纤固定在套管内以及使套管彼此胶合及胶合到卡盘101。此外，耦合到卡盘101的是可选的应变消除套筒113，光纤111通过该套筒。光纤111可选地包在应变消除套筒111内的胶中，使光纤彼此耦合及耦合到应变消除套筒113。这些胶为光纤111提供应变消除。注意光纤111可以包在胶中并且在胶固化之后，用于使胶成形的任何模具都可以去掉。
光纤111在距应变消除套筒113最远的孔107的端部终止。每个光纤111的终端典型地与光纤通过其孔的一个套管105的端部完全共面。这可以通过抛光光纤直至其与套管端部共面，即向下抛光光纤到套管实现。同样典型地，套管的端部也被抛光。实际上，作为单个加工步骤的一部分，所有光纤都典型地被抛光，因此它们全部被抛光以彼此及与卡盘表面共面。
在本发明的其它实施例中，可以进行抛光以使光纤阵列表面获得一个不同于平面的形状。
或者，通过将一个切断的光纤端插入该套管孔并且在该光纤终端处使用一个光学平面以使光纤端与套管端平齐，使每个光纤111的终端与一个套管105的端部完全共面。
不象使用抛光时，当使用切断的光纤时，需要保护该切断的光纤端免受用于使光纤彼此及与可选的应变消除套筒113耦合的胶的作用。为此，当光纤与光学表面平齐时，仅使用很小的一滴胶将光纤固定到位，当光纤插入套管时胶稍微远离光纤的切断端。一旦所有光纤被最初胶合到位，就在前面使用一个可溶解的保护层以保护光纤。此后，在后面使用胶以使光纤彼此及与可选的应变消除套筒113耦合。在胶固化之后，使用一种合适的溶剂溶解该可溶解的保护层。
使用切断的光纤允许装置中光纤稍微伸出套管的表面。因此，如果需要一种不同于平面的形状，可以使用与所需相反的形状代替该光学平面。此外，无论使用抛光或者表面平齐技术，都有可能排列套管的前表面外形，例如，通过使用可去掉的三维外形，使得当套管被卡盘101固定时，保持该外形的形状。
加固套筒113可以是例如通过胶合或其它机械耦合方法耦合到卡盘101的单独元件，或者加固套筒113可以与卡盘结合以构成单个单元。加固套筒113与卡盘101分离的优点是使卡盘101的厚度与套管105的长度相当，这使得容易接近套管105的后面，便于在加工过程中将光纤111的端部插入孔107。
可选的安装孔109可以用于各种目的，例如1)将光纤阵列安装到一个外壳上，2)在抛光过程中固定光纤阵列，或者3)使加固套筒113附在卡盘101上。
有利地，这种光纤阵列可以加工到极高的公差，使得在定位用于全光学开关的光纤阵列时很有用。更确切地，该光纤位置重复性，即光纤中心距所需栅格点的平均位移不超过±2μm且角度定向误差平均不大于0.5度。
注意目标阵列，例如用于朗讯Lamda路由器中的一个对应MEMS装置上的微镜阵列，或者其它探测器或源阵列，必须配置为六边形，以与该六边形光纤阵列对应。
图2显示图1的精密光纤阵列的前视图。由于该视图的性质，图2中无法看见光纤111。图2中精密光纤阵列的表面是平面，通过使用抛光或者一个光学平面。
图3显示图2的精密光纤阵列沿轴AA的剖视图。图3中可以在孔107内看见光纤111的端部。注意图3显示九(9)个孔和九(9)个光纤111。可选的锥形入口115显示用于孔107。
图4显示插入有一个光纤111端部的典型现有技术陶瓷套管105的一个视图。套管105如图4中定向，使得可以在锥形尖端421处看见终止于套管105的一个光纤111的端部。注意该尖端不是必需为锥形的，尽管锥形可能对其更有利。
图5显示插入有一个光纤111端部的图4的典型现有技术套管105的另一个视图。该套管如图5中定向，使得可以看见孔107的锥形入口523。
图6显示插入有一个光纤111端部的图4的典型现有技术套管105沿轴BB的剖视图。剖面上可以看见锥形尖端421和锥形入口523。此外，显示了胶625。
图7显示根据本发明的原理的一个精密光纤阵列的另一个实施例的前视图，该精密光纤阵列通过使用一个卡盘以使一组精密套管105紧密地固定为一个阵列，每个套管中插入且粘结一个光纤111的光纤端构成。图7的精密光纤阵列与图2所示完全相同，除了用卡盘701代替卡盘101。卡盘701制造成与用作弹簧的柔性梁731结合。孔103被挖到比套管阵列105刚好稍小。插入套管使弹簧稍微移位，使孔103膨胀。因此，弹簧对套管施加了一个恒定的回复力，使其以所需的精密间隔及对准牢固地固定在一起。
在本发明的一些实施例中，回复力大约为20磅。但是，所需的回复力需要给定专门设计及所用材料由实施者确定。那些普通熟练的技术人员将能够容易地确定合适大小的力。
柔性梁可以通过使用放电铣削在卡盘701上挖出槽733制成。
可选地，为了改进阵列的性能，一薄片弹性材料，例如，塑料或聚酯如杜邦商标Mylar，或聚酰亚胺，可以插入构成孔103的内壁与毗邻孔103内壁的套管105之间。这样做有助于校平构成孔103的内壁上的任何不平整。
图8显示根据本发明的原理的一个精密光纤阵列的另一个实施例的前视图，该精密光纤阵列通过使用一个卡盘以使一组精密套管紧密地固定为一个阵列，每个套管中插入且粘结光纤111的一个光纤端构成。图8的精密光纤阵列与图2所示完全相同，除了用卡盘701代替卡盘101以及在卡盘801周围增加了夹环841。槽843在卡盘801上挖出。但是，槽843并未贯穿，使得在图8中无法看见而图9中可以看见的卡盘801的底部，保持一个完整的金属环。因此卡盘801看起来是从一个实心环向上伸出的六个柔性内壁。每个柔性内壁作为一个弹簧。孔103被挖到与套管阵列105的尺寸相同。夹环841被用于在卡盘801的柔性内壁上施加压力，以使套管阵列定位。
此外，可选地，为了改进阵列的性能，一薄片弹性材料，例如，塑料或聚酯如杜邦商标Mylar，或聚酰亚胺，可以插入构成孔103的内壁与毗邻孔103内壁的套管105之间。这样做有助于校平构成孔103的内壁上的任何不平整。
图10显示根据本发明的原理的一个精密光纤阵列的另一个实施例的前视图，该精密光纤阵列通过使用一个卡盘以使一组精密套管紧密地固定为一个阵列，每个套管中插入且粘结光纤111的一个光纤端构成。图10的精密光纤阵列与图7所示完全相同，除了根据本发明的一个方面，孔103的内壁以一个角度挖出。以一个角度挖出内壁的结果可以在图11所示的图10的沿轴C-C的剖视图中看出。由于内壁以一个角度挖出，因此所有套管105在放置于卡盘1001内时，与光纤111插入套管105时为相同的角度。一旦阵列的表面被抛光，光纤111的每个端面都以相同的角度定向。有利地，减少了每个光纤111中的背反射，即由于光纤与其端部材料之间的折射率差异造成的光在光纤端部反射回来通过光纤。
又此外，可选地，为了改进阵列的性能，一薄片弹性材料，例如，塑料或聚酯如杜邦商标Mylar，或聚酰亚胺，可以插入构成孔103的内壁与毗邻孔103内壁的套管105之间。这样做有助于校平构成孔103的内壁上的任何不平整。
图12显示根据本发明的原理的一个精密光纤阵列的另一个实施例的前视图，该精密光纤阵列通过使用一个卡盘以使一组精密套管105紧密地固定为一个阵列，每个套管中插入且粘结一个光纤构成。图12的精密光纤阵列与图7所示完全相同，除了用卡盘1201代替卡盘701。卡盘1201与卡盘701的基本设计相同，制造成与用作弹簧的柔性梁731结合。但是，卡盘1201是不对称的，仅在一侧构成弹簧。此外，卡盘1201的壁厚不是各处均匀的。
孔103被挖到比套管阵列105刚好稍小。插入套管使弹簧稍微移位，使孔103膨胀。因此，弹簧对套管施加了一个恒定的回复力，使其牢固地固定在一起。与卡盘701相比，减少数量的弹簧仍足以充分地及精确地使套管105固定到位。使用这种不对称设计的优点是可以使一侧比另一侧更窄，使得光束可以跳过它，否则光束将被附加的卡盘材料挡住。
图7的实施例可选地，为了改进阵列的性能，一薄片弹性材料，例如，塑料或聚酯如杜邦商标Mylar，或聚酰亚胺，可以插入构成孔103的内壁与毗邻孔103内壁的套管105之间。这样做有助于校平构成孔103的内壁上的任何不平整。
一些套管105可以不容纳光纤，而专门用于容纳对准部件，可以是销、光纤、线等等，用于使一个进一步的元件或阵列，例如，透镜阵列、探测器阵列、微型电机阵列等等与该光纤阵列对准。为此，每个对准部件必须从阵列的表面伸出，使其可以伸进该进一步阵列的对应孔中。这种对准装置的截面如图13所示，图13显示对准部件1353伸出以与进一步阵列1357的对准孔1355配合。
类似地，一个或多个套管105不需要容纳任何光纤。这些套管可以用于容纳某种类型的对准部件，以对准一个进一步的元件或阵列。此外，套管不需要为圆形，并且它们可以具有多个孔。
尽管在多数实施例中卡盘显示为圆形，但是不是必须这样。卡盘可以使用所需的任何其它形状。此外，尽管卡盘的内孔显示为六边形，但是那些普通熟练的技术人员将容易地意识到也可以使用所需的任何其它形状，只要保持套管的六边形包装。
那些普通熟练的技术人员将容易地意识到可以通过应用本发明的原理使用与这里明确描述所不同的弹簧设计。
注意尽管卡盘被显示保留作为最终阵列的一部分，即使当套管通过使用胶彼此粘结时。但是，如果套管被粘结在一起，则此后卡盘可以去掉。

Claims (18)

1.一种设备，包括：
多个精密套管，紧密地固定在一起以构成具有六边形包装的一个阵列，每个所述套管具有至少一个通孔；以及
至少两个光纤端，粘结在各个所述套管的孔内。
2.如权利要求1所定义的发明，其中所述精密套管通过胶和卡盘构成的组中的至少一个装置固定在一起。
3.如权利要求1所定义的本发明，其中所述套管的所述孔具有以下性质组中的至少一个性质：
a)距正确位置的平均偏差小于3μm；
b)累积位移小于3μm；以及
c)平均角度位移定向误差为3.9度或更小。
4.如权利要求1所定义的发明，其中所述套管被安排于以下安排组中的一个安排中：
所述套管垂直于所述卡盘的一个表面；以及
所述套管与所述卡盘的一个表面成一个角度。
5.如权利要求1所定义的发明，其中至少一个所述套管具有一个带锥形尖端的端部。
6.如权利要求1所定义的发明，其中所述套管的至少一个孔具有至少一个锥形入口。
7.如权利要求1所定义的发明，其中至少两个所述光纤的子集的每一个具有一个终端，与插入有所述光纤的一个所述套管的端部平齐，并且所述子集的所有光纤的所述终端共面。
8.如权利要求7所定义的发明，其中至少一个所述光纤具有一个终端，不与所述光纤的所述子集的所述终端共面。
9.如权利要求2所定义的发明，进一步包括介于所述卡盘与毗邻所述卡盘的所述套管之间的一层非刚性材料，所述材料关于所述卡盘及所述套管是非刚性的。
10.如权利要求2所定义的发明，进一步包括一个加固套筒，耦合到或与所述卡盘结合。
11.如权利要求1所定义的发明，其中所述设备的一个表面是抛光的，所述光纤的所述端部在此表面伸出。
12.如权利要求1所定义的发明，其中所述光纤是切断的光纤。
13.如权利要求1所定义的发明，其中所述卡盘内具有安装孔，适用于将所述设备安装到所述设备被耦合到的一个进一步的装置上。
14.一种用于制造精密光纤阵列的方法，该方法包括步骤：
在一个卡盘中固定以六边形包装排列的多个精密套管，每个所述套管具有至少一个通孔；
将各个光纤端插入多个所述套管的每一个的孔中；以及
将每个所述光纤端粘结到各个所述多个套管上。
15.如权利要求1所定义的发明，其中所述设备使得所述光纤端指向相同的方向。
16.如权利要求1所定义的发明，进一步包括具有至少一个通孔的至少一个附加的套管，其中所述至少一个附加套管的所述孔不具有粘结在其中的一个光纤端，不具有粘结在其中的一个光纤端的所述套管的所述孔适用于使所述设备与所述设备被耦合到的一个进一步的装置对准。
17.如权利要求1所定义的发明，进一步包括具有至少一个通孔的至少一个附加的套管，其中所述至少一个附加套管的所述孔具有粘结在其上并从其伸出的一个对准部件，使得适用于使所述设备与所述设备被耦合到的一个进一步的装置对准。
18.如权利要求1所定义的发明，进一步包括具有至少一个通孔的至少一个附加的套管，其中所述至少一个附加套管的所述孔适用于接收一个对准部件，由此所述设备与所述设备被耦合到的一个进一步的装置对准。
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