NL9100424A

NL9100424A - Werkwijze voor het positioneren en fixeren van optische vezels in een optische vezelrij en een koppelinrichting voorzien van een dergelijke vezelrij.

Info

Publication number: NL9100424A
Application number: NL9100424A
Authority: NL
Original assignee: Nederland Ptt
Priority date: 1991-03-08
Filing date: 1991-03-08
Publication date: 1992-10-01
Also published as: JPH05203839A; FI920989A0; ATE140801T1; NO920825L; CA2062466A1; DE69212350D1; CA2062466C; DE69212350T2; NO920825D0; FI920989A7; US5216741A; FI920989L; EP0503707B1; EP0503707A1

Description

Werkwijze voor het positioneren en fixeren van optische vezels in een optische vezelrij en een koppelinrichting voorzien van een dergelijke vezelrij A. Achtergrond van de uitvinding 1. Gebied van de uitvinding

De uitvinding ligt op het gebied van het koppelen van optische geleiders. Meer in het bijzonder betreft de uitvinding een werkwijze voor het positioneren en fixeren van optische vezels in een optische vezelrij zoals toepasbaar is in een koppelinrichting voor het koppelen van een aantal optische vezels met een overeenkomstig aantal optische kanalen, en een koppelinrichting voorzien van een dergelijke vezelrij.

2. Stand van de techniek

In optische netwerken, waarin de transmissie van lichtsignalen plaatsvindt via glasvezelverbindingen, worden steeds vaker geïntegreerde optische componenten toegepast voor het opwekken, bewerken, schakelen, etc. van de lichtsignalen in zulke netwerken. Daarbij is het noodzakelijk, dat voor de in- en uitkoppeling van lichtsignalen er in de optische componenten lichtgeleidende kanalen zijn, welke koppelbaar zijn met de glasvezels. Daartoe worden in de optische componenten de lichtgeleidende kanalen zoveel mogelijk geometrisch en optisch, maar tenminste qua modusvelddiameter, gelijk gemaakt aan de ermee te koppelen glasvezels. Een verbinding· met slechts geringe verliezen is dan mogelijk zonder de noodzaak van het toepassen van koppellenzen, indien elk te koppelen paar lichtgolfgeleiders, i.c. lichtgeleidend kanaal en glasvezel, in eikaars verlengde met goed gepolijste, meestal haaks gekozen kopvlakken tegen elkaar wordt gelijmd. Bij een dergelijke koppeling kan een drietal misaanpassingen tot ongewenste koppelverliezen aanleiding geven, te weten een transversale verschuiving, een longitudinale verschuiving, en een hoekverdraaiing van de lichtgolfgeleiders ten opzichte van elkaar. Op een chip geïntegreerde optische componenten 'worden veelal zo uitgevoerd, dat een aantal te koppelen lichtgolfgeleidende kanalen aan de rand van de chip uitmonden in een gemeenschappelijk koppelvlak, waarin de genoemde kopvlak- ' ken van de kanalen zijn gelegen. In de nabijheid van dit koppelvlak vormen deze kanalen een planaire rij parallelle en dicht opeen gelegen lichtgolfgeleiders. Dit maakt het moeilijk in het koppelvlak ieder kanaal met voldoende nauwkeurigheid afzonderlijk aan een glasvezel te koppelen. Om een dergelijke afzonderlijke koppeling te vermijden wordt wel gebruik gemaakt van een koppelin-richting, welke een substraat omvat, waarop een aantal te koppelen optische vezels met hun ene uiteinde dusdanig gepositioneerd en gefixeerd liggen, dat de vezels met hun kernen integraal in lijn kunnen worden gebracht in het koppelvlak met de golf geleidende kanalen op de chip, terwijl de vezels aan hun andere uiteinde voldoende ruimte hebben voor afzonderlijke koppeling met andere optische vezels. Dergelijke koppelinrichtingen zijn bekend bijvoorbeeld uit referentie [1] hierna genoemd onder C. Volgens de hierin aangehaalde stand van de techniek wordt als substraat wel een plak silicium toegepast, waarin een aantal nauwkeurig gepositioneerde V-groeven zijn geëtst met behulp van fotolithografische technieken. In deze V-groeven worden de glasvezels zonder coating gelegd, en vervolgens gefixeerd door een dekplaat erop te lijmen. De door referentie [1] geopenbaarde techniek is in feite een variant hierop. Daarbij worden de glasvezels gefixeerd met een metaallaag opgebracht op een vlakke plak silicium als substraat door middel van electro-plateren, nadat de vezels eerst tijdelijk met een klemplaatje voorzien van de V-groeven op een vlak substraat in positie zijn gebracht en gehouden. Het zo verkregen samenstel wordt vervolgens aan een zijde volgens een snede loodrecht op de as van de vezels afgezaagd en door polijsting geschikt gemaakt voor een directe contact-koppeling met een koppelvlak van een optische chip. Uit figuur 13 van reférentie [2] is nog bekend om de kepen gevormd tussen een rij van parallelle, elkaar rakende cilinders van substraat materiaal op een vlakke onderlaag te benutten als V-groeven voor de positionering van optische vezels. De toepassing van V-groeven, welke van te voren moeten worden gerealiseerd, voor de positionering van de optische vezels, en het leggen van iedere vezel afzonderlijk in zo'n groef, zeker bij grotere aantallen vezels, bijv. 10 of meer, maken de bekende werkwijzen voor de vervaardiging van genoemde koppelinrichtingen nogal omslachtig en duur.

B. Samenvatting van de uitvinding De uitvinding beoogt de hierboven genoemde bezwaren op te heffen. Zij bereikt dit door voor de positionering van de optische vezels gebruik te maken van het feit dat de huidige generatie optische vezels met een dusdanige nauwkeurigheid worden vervaardigd, dat de geometrische parameters ervan, zoals concentriciteit, ellipticiteit, en uitwendige diameter, binnen zeer nauwe toleranties constant zijn. Een werkwijze voor het positioneren en fixeren van een aantal, N > 2, optische vezels op een in hoofdzaak vlak substraat in een in hoofdzaak vlakke rij en op onderling in hoofdzaak gelijke afstanden, omvattende de stappen van het in positie brengen en houden van de vezels op het substraat, en van het aanbrengen van een uithardend vulmateriaal in de ruimten tussen vezels onderling, en tussen vezels en substraat teneinde de vezels in genoemde positie te fixeren, heeft daartoe volgens de uitvinding het kenmerk, dat de vezels in die positie worden gebracht, waarin de vezels rakend naast elkaar liggen, waarbij de gemeenschappelijke raaklijnen en de hartlijnen van de vezels in hoofdzaak in een plat vlak liggen.

Een koppelinrichting voor het koppelen van een aantal optische vezels met een overeenkomstig aantal optische kanalen, omvattende een in hoofdzaak vlak substraat, een aantal althans over een zekere lengte parallel naast elkaar gelegen en nauwkeurig op het substraat gepositioneerde en gefixeerde optische vezels, welke inrichting is voorzien van een koppelvlak waarin de optische vezels ' uitmonden, geschikt voor genoemde koppeling, heeft volgens de uitvinding het kenmerk, dat de vezels rakend naast elkaar liggen, waarbij de gemeenschappelijke raaklijnen en de hartlijnen van de vezels in hoofdzaak in een plat vlak liggen.

De huidige glasvezels zijn zo nauwkeurig dat met een koppelinrichting, waarin de posities van de vezels direct afhangen van de diameters van de vezels, de koppelver-liezen toch beperkt kunnen blijven, zelfs bij een vezel-aantal van 20. De vezels zijn daarbij bij voorkeur van hun 'coating1 ontdaan.

Andere voordelen van toepassing van de uitvinding zijn dat althans delen van het vervaardigingsproces van genoemde koppelinrichting eenvoudiger zijn te automatiseren, en dat de omgevingscondities tijdens genoemd proces minder kritisch zijn dan bij toepassing van lithografische bewerkingen. Bovendien komen de vezels in de vezelrij op een minimale afstand naast elkaar te liggen, hetgeen bij toepassing van V-groeven nooit kan worden bereikt. Dit kan bij de dimensionering van de lichtgeleidende kanalen op de chip nog enige ruimtewinst en bochtlengte-reductie opleveren.

C. Referenties [1] US-octrooipublicatie No: 4,647,147 met titel: Fiber optic to integrated optical chip coupler; [2] EP-octrooiaanvrage No: 0122169 met titel: Procédé et dispositif de raccordement de fibre optiques.

D. Korte beschrijving van de tekening

De uitvinding zal hierna worden toegelicht middels een beschrijving van een uitvoeringsvoorbeeld, waarbij wordt verwezen naar een tekening, waarin:

Figuur 1: Een ruimtelijk aanzicht van een samenstel omvattende een met behulp van de werkwijze volgens de uitvinding te positioneren en te fixeren, dan wel gepositioneerde en gefixeerde optische vezelrij;

Figuur 2: Een doorsnede van het samenstel volgens

Figuur 1 langs de lijn A-A, in een eerste tussenstadium;

Figuur 3: idem als Figuur 2, in een tweede tussenstadi um.

E. Gedetailleerde beschrijving van de uitvinding

In Figuur 1 is een ruimtelijk aanzicht van een samenstel weergegeven, dat een met behulp van de werkwijze volgens de uitvinding te positioneren en te fixeren, dan wel gepositioneerde en gefixeerde optische rij van glasvezels omvat. Aan de hand van deze figuur zal de werkwijze worden toegelicht. Op een als substraat dienende glazen strook 1 worden, naast elkaar een eerste glasblokje 2 en een tweede glasblokje 3 gelijmd met een flexibele kitlaag 4. Deze glasblokjes worden tijdens het lijmen nauwkeurig op een onderlinge afstand gehouden met behulp van een glazen plaatje 5. Het glazen plaatje 5 heeft een nauwkeurig bepaalde dikte D, welke iets, bijvoorbeeld enkele microns, kleiner is dan de som van de diameters van een N-tal vezels welke de vezelrij gaan vormen. Na uitharding van de kitlaag 4 wordt het plaatje 5 tussen de glasblokjes 2 en 3 weggenomen. Aldus is tussen de glasblokjes 2 en 3 een sleuf 6 ontstaan, waarin het plaatje 5 met zeer nauwe spleten 7 en 8 past. In de sleuf 6 worden de N vezels 9, in het onderhavige voorbeeld zes, gelegd. Voor het ondersteunen van de glasvezels 9 kan het van voordeel zijn, dat de strook 1 zich terweerszijden van de sleuf 6 in de glasblokjes 2 en 3 nog over enige lengte uitstrekt. Daarbij kan het bovenvlak 1' van de glasstrook 1 ter weerszijden van de de glasblokjes 2 en 3 tijdelijk op enkele geschikt gekozen plekken van een kleverig materiaal (niet getekend), bijvoorbeeld dubbelzijdig plakband, zijn voorzien om de vezels 9 tijdens het leggen in de sleuf 6 gemakkelijker in een geordende positie te houden, en buiten de sleuf 6 enigszins te laten uitwaaieren. Althans die delen van de vezels, welke in de sleuf 6 komen te liggen, zijn daarbij bij voorkeur van hun 'coating* ontdaan. In het algemeen zullen de vezels niet meteen allemaal parallel naast elkaar, maar deels gekruist liggen. Om dergelijke kruisingen te verwijderen worden met het plaatje 5 in de sleuf 6 strijkende bewegingen uitgevoerd over en op de vezels 9. Het plaatje 5 is daartoe aan de onderzijde van een aandruk- en strijkvlak 10, en aan de uiteinden van dit strijkvlak bijvoorkeur tevens van afgeronde hoeken (niet getekend) voorzien. Na iedere strijkbeweging wordt gecontroleerd of de vezels 9 al kruisingvrij liggen, bijvoorbeeld door te meten op welke hoogte het aandruk- en strijkvlak 10 zich nog boven het bovenvlak 1' van de glasstrook 1 bevindt. Is deze hoogte over de hele lengte van de sleuf 6 kleiner geworden dan tweemaal de diameter » van een vezel 9, dan is dat het teken, dat de kruisingen door het strijken zijn verwijderd. In de praktijk is gebleken, dat 1 a 2 strijkbewegingen voldoende zijn om de vezels kruisingvrij naast elkaar in de sleuf 6 te krijgen. In Figuur 2 is een dwarsdoorsnede van het samenstel uit Figuur 1 volgens de onderbroken lijn A—A weergege ven, welke een beeld geeft van een tussenstadium op het moment, dat is geconstateerd, dat geen kruisingen meer aanwezig zijn. De nummering is overeenkomstig die van Figuur 1. In dit tussenstadium liggen de vezels 9 in hoofdzaak parallel en elkaar rakend in de sleuf 6. De vezels 9 liggen met hun kernen 11 echter nog niet alle in een plat vlak evenwijdig met het bovenvlak 1’ van de glasstrook 1. Om dit te bereiken wordt vervolgens het plaatje 5 over de hele lengte aangedrukt verder in de richting van het bovenvlak 1' van de glasstrook 1 met een dusdanige aandrukkracht, aangeduid met pijl B, dat alle vezels 9 in de sleuf 6 over hun hele lengte tegen het bovenvlak 1' van de glasstrook 1 worden gedrukt. Dit is mogelijk, aangezien door hun flexibele verlijming middels de kitlaag 4 de glasblokjes 2 en 3 zich zijdelings enigermate laten afschuiven. Voor een goede beheersing van deze zijdelingse afschuifbeweging worden tegelijkertijd op de glasblokjes 2 en 3 tegengesteld gerichte dwarskrachten, volgens de pijlen C, uitgeoefend, bijvoorbeeld door een verende inklemming, die te zamen met de reactie-kracht van de verlijming ervoor zorgen, dat de vezels 9 in de sleuf 6 in innig rakend contact met elkaar blijven. De passing van het plaatje 5 tussen de glasblokjes 2 en 3 wordt daarbij minder nauw zodat ter weerszijden van het plaatje 5 bestaande spleten 7 en 8 zich enigszins verbreden. Het zo verkregen samenstel wordt, onder handhaving van de volgens de pijlen B en C gerichte aanduw- en dwarskrachten, vervolgens verhit tot boven de smelttempe-ratuur van een geschikt gekozen wassoort. Vervolgens worden de spleten 7 en 8, en alle overgebleven ruimten 12 in de sleuf 6 tussen de glasvezels opgevuld met vloeibare was van genoemde soort. Tevens kunnen de ter weerszijden van de sleuf 6 uitwaaierende glasvezels 9 op het bovenvlak 1' van de strook 1 met een waslaagje 13 worden overdekt. Daarna wordt het geheel afgekoeld tot beneden genoemde smelttemperatuur. In Figuur 3 is een dwarsdoorsnede van het na afkoeling verkregen samenstel weergegeven, weer volgens de in Figuur 1 aangegeven onderbroken lijn A—A. Na afkoeling kunnen de aandruk- en dwarskrachten worden weggenomen. De glasvezels 9 liggen nu zorgvuldig gepositioneerd en gefixeerd in de sleuf 6. Zij vormen daarbij een planaire rij van elkaar rakende vezels met onderlinge hartafstanden die volledig zijn bepaald door de diameters van de toeg'epaste vezels. Het samenstel wordt vervolgens door-gezaagd volgens genoemde dwarsdoorsnede. Het daarbij verkregen zaagoppervlak, meer in het bijzonder dat deel van het zaagoppervlak, waarin de door het doorzagen verkregen kopvlakken van de glasvezels zijn gelegen, wordt bewerkt en gepolijst tot een koppelvlak geschikt voor koppeling met een overeenkomstig koppelvlak van een optische chip. De andere, vrije uiteinden van de glasvezels zijn beschikbaar voor afzonderlijke koppeling.

Een in hoofdzaak symmetrische uitvoering van het samenstel, zoals weergegeven in Figuur 1, met geschikt gekozen afmetingen, en met de zaagsnede gekozen volgens het vlak van symmetrie, maakt de vervaardiging van een tweetal koppelinrichtingen tegelijkertijd mogelijk.

Illustratief voor een uitvoeringsvorm zijn de volgende gegevens: - gebruikte glasvezel: gemiddelde manteldiameter d = 125 micron met een variatie van 0.35 micron; - N = 16; - gewoon vensterglas voor de glazen onderdelen, t.w.

glazen strook 1, glasblokjes 2 en 3, glazen plaatje 5; - afmetingen: glazen strook: 8,0 x 2,2 x 1,0 cm3, glasblokjes: 2,0 x 1,0 x 0,5 cm3, plaatje 5: 2,0 x D x 1,2 cm3, waarin D = 1,995 mm; - kitlaag: in de handel verkrijgbare siliconen polymeer; - wassoort: een in de handel verkrijgbare bijenwas met een smelttemperatuur van ca. 80° C.

In een aldus vervaardigde vezelrij is de exacte ligging van de hartlijnen van de vezels volledig afhankelijk van de variatie in de diameters van de toegepaste vezels. Metingen aan de huidige standaard glasvezels laten zien, dat bij een gemiddelde manteldiameter van 125 micron een maximale variatie van 0.35 micron kan optreden. Een dergelijke standaard glasvezel met’ een transversale misaanpassing van 3,5 micron ten opzichte van zijn optimale positie bij koppeling tegen een lichtgeleidend kanaal in het koppelvlak van een chip levert een koppelver lies op van 0,5 dB. Dit betekent, dat indien de onderlinge hartafstand van de lichtgeleidende kanalen in het koppelvlak van een te koppelen chip is ontworpen op de gemiddelde manteldiameter van de standaard glasvezel, zelfs bij rijen bestaande uit 20 van dergelijke vezels de koppeldemping tengevolge van een transversale misaanpassing beperkt blijft tot 0,5 dB.

In plaats van glasvezels kunnen eveneens optische vezels van ander materiaal worden gekozen met soortgelijke geometrische en optische eigenschappen.

In plaats van glas kan het materiaal van de onderdelen strook 1, glasblokjes 2 en 3, en plaatje 5, andersoortig worden gekozen, mits het in hardheid en polijstbaarheid maar overeenkomt met het materiaal van de gebruikte optische vezels.

Claims

1. Werkwijze voor het positioneren en fixeren van een aantal, N > 2, optische vezels op een in hoofdzaak vlak substraat althans over een zekere lengte in een in hoofdzaak vlakke rij en op onderling in hoofdzaak gelijke afstanden, welke werkwijze de volgende stappen omvat: - het in positie brengen en houden van de vezels op het substraat, - het aanbrengen van een uithardend vulmateriaal in de ruimten tussen vezels onderling, en tussen vezels en substraat teneinde de vezels in genoemde positie te fixeren, met het kenmerk, dat de vezels in die positie worden gebracht, waarin de vezels rakend naast elkaar liggen, waarbij de gemeenschappelijke raaklijnen en de hart lijnen van de vezels in hoofdzaak in een plat vlak liggen,

2. Werkwijze volgens conclusie 1 met het kenmerk, dat de vezels in genoemde rakende positie worden gebracht door met behulp van aandrukmiddelen verticaal op het vlak van het substraat op de vezels aanduwkrachten uit te oefenen tegen een zijdelingse duwwerking van ter weerszijden van de rij van vezels op het substraat flexibel opgestelde zijdelingse begrenzingsmiddelen in.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2 met het kenmerk, dat het in genoemde rakende positie brengen en fixeren van de vezels de volgende stappen omvat: - het op het substraat aanbrengen van een tweetal zijdelingse begrenzingsmiddelen met een zekere zijde lingse flexibiliteit en op een onderlinge afstand, welke een fractie kleiner is dan de som van de diameters van genoemd aantal optische vezels, zodat tussen de begrenzingsmiddelen een sleuf wordt gevormd voor het opnemen van de optische vezels, - het zoveel mogelijk naast elkaar leggen van de vezels op het substraat in de sleuf, - het uitvoeren van strijkbewegingen over de optische vezels in de sleuf met behulp van een in de sleuf nauwpassend strijk- en aandrukplaatje' voorzien van een strijkoppervlak, totdat eventuele kruisingen van de vezels zijn verwijderd, - het met het strijkoppervlak aandrukken en aangedrukt houden van de vezels in de sleuf tegen het substraat, - het opvullen van de ruimten rondom het strijk- en aandrukplaatje en de vezels in de sleuf met genoemd uithardend vulmateriaal.

4. Werkwijze volgens conclusie 3 met het kenmerk, dat de begrenzingsmiddelen worden gevormd door een tweetal blokvormige lichamen, welke middels een flexibele verlijming op het substraat worden bevestigd, waarbij het strijkplaatje als afstandhouder wordt gebruikt.

5 Werkwijze volgens conclusie 3 of 4 met het kenmerk, dat de stap van het opvullen de volgende deelstappen omvat: - het althans plaatselijk verhitten van gebieden rondom en in de gleuf tot boven de smelttemperatuur van het vulmateriaal, - het laten tussen- en invloeien van het vulmateriaal in genoemde gebieden, - het afkoelen van de verhitte gebieden tot beneden genoemde smelttemperatuur.

6. Werkwijze voor de vervaardiging van een koppelinrich-ting voor het koppelen van een aantal optische vezels met een overeenkomstig aantal optische kanalen, omvattende een in hoofdzaak vlak substraat, een aantal althans over een zekere lengte parallel naast elkaar gelegen en nauwkeurig op het substraat gepositioneerde en gefixeerde optische vezels, welke inrichting is voorzien van een koppelvlak waarin de optische vezels uitmonden, geschikt voor genoemde koppeling, welke werkwijze is gekenmerkt door de volgende stappen: - het positioneren en fixeren van de optische vezels volgens de werkwijze naar een der conclusies 1,—,5, - het aanbrengen van het koppelvlak middels doorzagen van het aldus verkregen samenstel ter hoogte van de sleuf dwars op de optische vezels en het polijsten van het daarbij verkregen zaagoppervlak.

7. Werkwijze volgens conclusie 6 met het kenmerk, dat het verkregen samenstel een vlak van symmetrie heeft dwars of de sleuf en de vezels, en dat het doorzagen langs dit vlak geschiedt.

8. Koppel inrichting voor het koppelen van een aantal optische vezels met een overeenkomstig aantal optische kanalen, omvattende een in hoofdzaak vlak substraat, een aantal althans over een zekere lengte parallel naast elkaar gelegen en nauwkeurig op het substraat gepositioneerde en gefixeerde optische vezels, welke inrichting is voorzien van een koppelvlak waarin de optische vezels uitmonden, geschikt voor genoemde koppeling, met het kenmerk, dat de vezels rakend naast elkaar liggen, waarbij de gemeenschappelijke raaklij nen en de hartlijnen van de vezels in hoofdzaak in een plat vlak liggen.

9. Koppelinrichting volgens conclusie 8 met het kenmerk, dat de vezelrij ligt ingesloten in een langwerpige in hoofdzaak blokvormige ruimte met een rechthoekige dwarsdoorsnede, welke ruimte is uitgespaard te midden van een materiaal, dat in hoofdzaak dezelfde hard heidseigenschappen heeft als het materiaal van de vezels.