CN1573383A - 光耦合透镜系统及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种光耦合透镜系统。所述光耦合透镜系统包括：具有至少第一曲面的第一透镜；和具有至少第二曲面的第二透镜，其中所述第一和第二透镜用彼此相对的第一和第二曲面粘合在一起。

Description

光耦合透镜系统及其制造方法
技术领域
本发明涉及光学器件，尤其涉及用于两个不同光学器件之间光耦合的光耦合透镜系统。
背景技术
在光通信领域，已知的是使用光学透镜用于激光器二极管与光纤之间的光耦合。光学透镜可以用具有低光耦合效率的便宜的球面透镜和具有高光耦合效率的非球面透镜作为实例。
图1是使用传统球面透镜的光耦合过程的示意性视图。图1显示了：用于输出具有预设波长的光线的激光器二极管110；具有球面相对末端的球面透镜120，其用于会聚从激光器二极管110输出的光线；用于传播所述会聚光线的光纤130。光纤130包括用作光传输介质的芯线132。它还具有围绕芯线132的包层134。球面透镜120具有大球面像差。因此，在光线115入射至球面透镜120的情况下，会聚位置根据入射位置的改变发生极大的变化。可以看出，通过球面透镜120的中心部分以及边缘部分的光线115具有不同的会聚位置。由于没有会聚在光纤130一端的光线115被损耗，光耦合效率极大地降低。一般地，球面透镜120具有大约10％的光耦合效率。但是，由于球面透镜120价格低廉，因此被广泛使用。
图2是使用传统非球面透镜的光耦合过程的示意性视图。图2显示了：用于通过其一侧输出具有预设波长的光线的激光器二极管210；具有非球面相对末端的非球面透镜220，其用于会聚从激光器二极管210输出的光线215；用于传播所述会聚光线215的光纤230。光纤230包括用作光传输介质的芯线232。它还具有围绕芯线232的包层234。非球面透镜220设计具有比球面透镜小的球面像差。可以看出，通过非球面透镜220的中心部分以及边缘部分的光线215具有相同的会聚位置。这是由于非球面的特性，通过该特性球面像差得到补偿。一般地，非球面透镜220具有大约40％至80％的光耦合效率。但是，非球面透镜价格昂贵。
如上所述，传统光耦合器件很难同时满足高光耦合效率和低价格的要求。
发明内容
因此，本发明用于减小或者解决现有技术中遇到的上述问题。本发明的一个目的是提供光耦合透镜系统及其制造方法，其能够同时保证高光耦合效率和低价格。
根据本发明的一个方面，提供了一种光耦合透镜系统，其包括：具有至少第一曲面的第一透镜；具有至少第二曲面的第二透镜，其中所述第一和第二透镜用彼此相对的第一和第二曲面粘合在一起。
根据本发明的另一方面，提供了一种制造光耦合透镜系统的方法，所述方法包括下列步骤：(a)在基底正面上形成掩模，其中所述掩模具有至少一个空区并且所述区相互远离；(b)在所述掩模的区域中形成光敏层；(c)加热所述光敏层以形成曲面；(d)蚀刻所述光敏层以形成位于光敏层下面的基底正面；和(f)粘合由上述步骤形成的基底，使所述基底的曲面彼此相对。
附图说明
下面通过参附图详细描述优选实施例本发明的上述方面和其它特性将变得更加明显。
图1是使用传统球面透镜的光耦合过程的示意性视图；
图2是使用传统非球面透镜的光耦合过程的示意性视图；
图3是使用根据本发明优选实施例的光耦合透镜系统光耦合过程的示意性视图；
图4是图3所示光耦合透镜系统的透视图；
图5是图4所示光耦合透镜系统的部分透视图；
图6是说明了图3所示光耦合透镜系统的耦合效率的曲线图；
图7至图17说明了根据本发明优选实施例的光耦合系统的制造方法。
具体实施方式
以下将参照附图详细说明本发明的优选实施例。为了清楚并简洁，文中包含的已知功能和结构的详细说明将被省略，因为它们将使本发明的主题不清楚。
图3是使用根据本发明优选实施例的光耦合透镜系统光耦合过程的示意性视图。图4是图3所示光耦合透镜系统的部分透视图。图5是图4所示光耦合透镜系统的部分透视图。需要注意，图3所示光耦合透镜系统用于说明目的，并不希望以任何方式来限制本发明。图3显示了：激光器二极管310，其用于通过一侧输出具有预设波长的光线；光耦合透镜系统400，其用于会聚从激光器二极管310输出的光线315；和光纤320，其用于传输会聚光线315。光纤320包括用作光传输介质的芯线322。它还包括围绕芯线322的包层324。
光耦合透镜系统400包括粘合在一起的第一透镜410和第二透镜440。第一透镜410和第二透镜440的每一个都通过形成基底获得。第一透镜410设有平的后表面420和弯曲的正表面430。第二透镜440也设有平的后表面450和弯曲的正表面460。正表面430和460分别包括凹槽432和462以及围绕凹槽432和462的平粘合表面436和466。凹槽432和462形成有透镜表面434和464，每个透镜表面从每个凹槽的底表面凸出。第一透镜410和第二透镜440的平粘合表面436和466相互粘合。从激光器二极管310输出的光线315入射在第一透镜410的后表面420上并通过第一透镜410的内部。第一透镜410由半导体材料制成并具有高折射率。光线315随后通过第一透镜410的正表面430发射出。发射的光线315通过空气层并入射在第二透镜440的正表面460并通过第二透镜440的内部。第二透镜440由半导体材料制成并具有高折射率。光线315随后通过第二透镜440的后表面450发射出。通过这个过程，从激光器二极管310发射的光线315通过第一透镜410和第二透镜440会聚。会聚光线315在光纤320中被引导。第一透镜410和第二透镜440的透镜表面434和464可以形成为非球面或球面表面。第一透镜410和第二透镜440的每一个都可以由半导体材料制成，例如Si、InP、GaAs等。另外，第一透镜410和第二透镜440的所有正表面430、460和后表面420、450都可以进行防反射涂覆以减小光损耗。
图6是说明了图3所示光耦合透镜系统的耦合效率的曲线图。为了比较，图6中显示的是光耦合透镜系统400的耦合效率曲线510和传统球面透镜的耦合效率曲线520。横轴表示发光元件的光发散角，纵轴表示耦合效率。另外，发光元件发出的光波长为1550nm。其他详细说明示于下面的表1中。
表1
材料 球面曲率半径(mm) 厚度(mm) 与发光元件的距离
球面透镜 BK7玻璃 0.75 1.5 1.0
光耦合透镜系统400 硅 3.0(球面) 1.0×2 0.5
图7至图17说明了根据本发明优选实施例的光耦合系统的制造方法。所述制造方法包括下列步骤。
图7显示了第一步骤，其中制备半导体基底610，其中正表面630和后表面620细抛光。
图8显示了第二步骤，其中金属或绝缘材料的掩模710采用光刻蚀法步骤沉积在基底610的正表面630上。此处，掩模710设有多个圆形空区715，每个空区715具有将制造的透镜表面外形。
图9显示了第三步骤，其中掩模710的每个空区715用光敏层720覆盖。这些光敏层720被加热，从而它们的表面形成为球面或者非球面。
图10显示了第四步骤，其中光敏层720采用干蚀刻步骤进行蚀刻，从而基底610位于光敏层720下面的部分在弯曲外形中形成。沿每个光敏层720剖面蚀刻的基底610的每一个部分都形成有凹槽632。从凹槽632的底面凸出的基底610的每一个部分具有形成为透镜表面的表面。
图11显示了第五步骤，其中保留在基底610正表面上的掩模710被除去。基底610的正表面630由于被掩模710覆盖而在蚀刻步骤中未被蚀刻，其被形成为平的粘合表面636。
图12显示了第六步骤，其中绝缘材料的防反射涂覆层641和642分别形成在基底610的正表面和后表面上。根据第六步骤的完成的基底610形成有相同形状的透镜。
图13显示了第七步骤，其中粘合材料650均匀地覆盖在基底610平地粘合表面636上，尤其是在围绕每个透镜的四个拐角处。粘合材料650例如可以是焊料、环氧树脂等。
图14显示了根据第七步骤的完成的基底610。图15是显示了图14所示任何一个基底的部分透视图。如图15所示，每个透镜通过形成半导体基底610而形成。它们还具有平的后表面620和弯曲的正表面630。弯曲的正表面630包括凹槽632和围绕凹槽632的平的粘合表面636。形成了透镜表面634，其凸出凹槽632的底面。
图16显示了第八步骤，其中根据第七步骤的任何两个相同基底按照正表面630和680彼此相对的方式层叠在一起。作为选择，还可以使用两个不同的基底，一个是根据第七步骤的基底610，另一个是根据第六步骤的基底660。基底610和660对准，使它们的透镜表面634和684彼此面对。在按照这种方式层叠之后，通过对粘合材料650加热而将基底610和660牢固地粘合在一起。
图17显示了第九步骤，其中粘合的基底610和660被切割成透镜系统的单元。作为选择，粘合的基底610和660可以被切割成两个或多个透镜系统的单元。
有利地，根据本发明的光耦合透镜系统及其制造方法能够采用半导体制造步骤(例如光蚀刻步骤)进行大规模生产，从而能够以低价格生产光耦合透镜系统。
另外，与传统非球面透镜系统相比，根据本发明的光耦合透镜系统不但能够容易地实现非球面透镜表面，还能获得高光耦合效率。
尽管上面为了示例和说明的目的描述了优选实施例，但不应当认为本发明限于上述说明，而是应当认为本发明包括任何修改，变化和替换并且本发明仅仅由权利要求限定。

Claims (12)

1.一种光耦合透镜系统，包括：
具有第一曲面的第一透镜；和
具有第二曲面的第二透镜，
其中所述第一和第二透镜用彼此相对的第一和第二曲面粘合在一起。
2.根据权利要求1所述的光耦合透镜系统，其特征在于，所述第一和第二透镜每一个都具有平的后表面并且所述第一和第二曲面在各个正表面上。
3.根据权利要求2所述的光耦合透镜系统，其特征在于，所述第一和第二弯曲的正表面每一个都包括至少一个凹槽和围绕所述凹槽的平的粘合表面，其中所述凹槽形成有从所述凹槽底面凸出的透镜表面。
4.根据权利要求3所述的光耦合透镜系统，其特征在于，所述第一和第二透镜的平的粘合表面相互粘合在一起。
5.根据权利要求1所述的光耦合透镜系统，其特征在于，所述第一和第二透镜在它们各个后表面和正表面上具有防反射涂覆层。
6.根据权利要求1所述的光耦合透镜系统，其特征在于，所述第一和第二透镜由半导体材料制成。
7.根据权利要求6所述的光耦合透镜系统，其特征在于，所述半导体材料从Si、InP或GaAs构成的组中选择。
8.一种制造光耦合透镜系统的方法，包括下列步骤：
(a)在基底正面上形成掩模，其中所述掩模具有至少一个空区并且所述空区相互远离；
(b)在所述掩模的区域中形成光敏层；
(c)加热所述光敏层以形成曲面；
(d)蚀刻所述光敏层以形成位于光敏层下面的基底正面；和
(f)粘合由上述步骤形成的两个基底，使所述基底的曲面彼此相对。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述蚀刻步骤包括以波形形成所述正表面。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括在步骤f之前在每个基底的两个相对表面上提供防反射涂覆层的步骤。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在步骤f之前，任何一个基底的正表面设有粘合材料。
12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括将所述粘合的基底切割成透镜系统的一个或多个单元的步骤。
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