TW200402548A - Optical devices and methods of manufacture - Google Patents

Description

200402548 五、發明說明（1) 相關申請： 本發明依據20 02年3月14日宇請之美國第60/36 4 470號 專利申請案以及2002年7月23日申請之美國第1 0/2025 1 3號 專利申請案主張優先權，該專利名稱為〇ptical Devi ces

And Methods of Manufacture. 發明領域： 本發明一般相關於光學裝置及製造方法。更特別地， 本發明係關於製造該裝置及方法，其中一組多個透鏡排列 為曲線圖案。 發明背景： 光纖及透鏡陣列使用來耦合光學通訊系統中光纖與光 學裝置間之光線。傳統光纖以及透鏡陣列通常包含一列排 列成於矽V-溝槽定位元件中，以及光纖端部緊鄰透鏡陣列， 其能夠由適當的聚合性材料模造出。該形式光織及透鏡陣 列之限制在於由於透鏡及光纖為分離的元件，其難以最佳 地將光纖之心蕊區域對準於透鏡，其因而產生插入損耗。 透鏡化光纖為包含光纖之裝置，其具有透鏡形成，於光 纖端部。本公司Opt iFocus生產線製造透鏡化光纖，其包含 透鏡化光纖作為準直，聚焦，成影以及會聚光線。一項 Opt iFocus透鏡化光纖包含單體性裝置，其包含透鏡端部連 接至光纖端部之透鏡。一些透鏡化光纖包含頸部圍繞著光 纖端部，以及透鏡頸部直徑大於光纖之直徑。 特定形式之透鏡化光纖範例包含非限制性之準直透鏡 化光纖，聚焦逡鏡化光纖以及漸變透鏡化光纖。準直透鏡

第4頁 ?1δ 200402548 五、發明說明（2) 化光纖小於一般光纖透鏡裝置高達四倍，以及透鏡化光纖 並不需要任何透鏡對準於光纖。聚焦透鏡化光纖能夠聚焦 光束尺寸低至六微米，具有長工作距離。漸變透鏡化光纖 同度精確，漸變透鏡以作為具有低工作距離之高數值孔徑 應用。 為了達成透鏡化光纖所需要性能特性之優點，需要一 些方法及裝置以精確地對準透鏡化光碱以形成陣列入一項 可利用技術為矽V-溝槽，其使用作為光纖定位元件。v一溝 成於一對上側以及下侧之矽基板中以及光纖放置於該 ，槽中。上側以及下側基板夾住光纖以及固定光纖於溝槽 中。不過，V-溝槽裝置具有數項限制。例如，一旦溝槽製造 I其作為定位光纖相對於矽基板。包含透鏡之光纖端部 ^，仍然定位相對於系統中其他光學元件。該定位通常藉 的：ίϊ:以及在顯微操作後使用黏接劑達成，其為昂貴 透鎊的，特別是在大量製造環境中。另外一項定位 但β ν 、後摊之卜溝槽的限制在於ν_溝槽大小將固定光纖， i = 太小無法固定透鏡化光纖之透鏡部份。需要對 適♦位置。置以固定透鏡化光纖光織部份以及透鏡部份於 鏡化；ί 11 ί鏡化光纖之方法以及裝置，其能夠對準透 = i纖部份以及光纖之透鏡部份、除此，需要提 及並不需要福雜二f裝置，其並不需要黏接劑或熱處理以 化来纏夕拟ΐ的製造步驟或複雜的顧微操作以達成透鏡 兀*纖之·對準。雄上你 该對率方法以及裝置將使廣泛種類光學裝 200402548_____ __ 五、發明說明（3) 置之製造變為容易。 發明大要： 本發明各種實施例係關於透鏡化光纖陣列與包含該陣 列之光學裝置的定位方法及裝置。本發明提供相當簡單以 及便宜之方法以定位透鏡化光纖元件以及物體，其包含透 鏡化光纖元件排列為曲線陣列。方法以及裝置並不需要黏 接劑或昂貴的光鐵顯微操作。除此，方法及裝置能夠精確 地定位透鏡化光纖之透鏡以及光纖部份1

人們了解先前一般說明以及下列詳細說明為範例性以 及在於提供本發明申請專利範圍之更進一步說明。 詳細說明： 在說明數個範例性實施例前，人們了解本發明並不受 限於下列所揭示製造處理步驟之詳細說明。本發明能夠以 各種方式實施及進行其他實施例。

本發明不同的實施例提供定位透鏡化光纖為陣列之方 法及裝置》在此所說明所謂"透鏡化光纖"係指光纖包含透 鏡形成於至少一條光纖端部上。在特定實施例中透鏡包 含圓柱形頸部部份整體地連接至或圍繞著光纖之端部以及 透鏡部份或透鏡表面。透鏡部份或透鏡表面能夠為不同的 形狀，但是在優先實施例中，透鏡表面為凸出形狀。本發明 方法以及物體有用於製造光學波導裝置，其包含光纖陣列 以及其他光學元件，其包含非限制性之稜鏡，切換器波導 濾波器以及偏極器。透鏡以及光纖之定位元件以及其他光 學元件能夠全部排列於共同基板上。 ^

200402548 五、發明說明（4) 美國第6266472及535968 7號專到兩者說明聚合物微結 構以及製造該微結構以握持光纖之方法，該專利之說明在 此加入作為參考。在美國第5359687號專利中，形成於基板 上聚合物微結構使用來握持光纖以及定位光纖相對於位於 基板上之波導。美國第6266472號專利揭示出聚合物握持 元件，其使用於拼接光纖中。 然而揭示於美國第5359687及6266472號專利之握持裝 置適合於握持並不實際連接至另外一個元件之光纖，透鏡 化光纖需要更進一步穩定以牢固地固定以及對準透鏡化光 纖之透鏡部份。本發明各種實施例提供固定及精確地對準 各別透鏡化光纖之光纖部份及透鏡部份為陣列，能夠製造 廣泛種類之光學裝置。 本發明特定實施例係關於物體以定位一組多個透鏡化 光纖，其中每一透鏡化光纖具有光纖部份以及透鏡部份。 在一些實施例中，物髏包含一組多個握持光纖元件排列於 基板上為彎曲圖案，每一握持元件包含一對彈性侧邊板 界定出溝槽於其中間，其大小將固定透鏡化光織之光 份。在一些實施例中，物體更進一步包含一組多個握梏 鏡之元件排列於基板上為彎曲圖案，每一握持透鏡之I彼 包含彈性侧邊壁板界定出溝槽於其中間，其大小將=: 鏡化光纖之透鏡部份。 u定透 在特定實施例中，透鏡包含頸部以及凸出形 及握持透鏡之元件，其尺寸將固定頸部。依據—些=π以 ，握持透鏡之元件的彈性側邊壁板以及握持光纖例 —I由

200402548 五、發明說明（5) 聚合物所構成。彎曲圖案可包含各種圖案，包含非限制性 之半圓形以及圓形。 本發明其他實施例係關於定位一組多個透鏡化光織之 方法，每一透鏡化光纖包含透鏡部份及光纖部份。在特定 實施例中，該方法包含放置一組多個握持光纖之元件在基 板上為彎曲圖案，每一握持光纖之元件包含彈性側邊壁板 界定出溝槽於其中間，其大小將固定透鏡化光纖之光纖部 份。在一些實施例中，該方法更進一步包含放置一組多個 握持透鏡之元件在基板上為彎曲圖案，每一握持透鏡之元 件包含一對彈性侧邊壁板界定出溝槽於其中間，其大小將 固定透鏡化光纖之透鏡部份。依據一些實施例，該方法包 含定位透鏡化光纖之光纖部份於握持透鏡之元件以及定位 透鏡化光鐵之透鏡部份於握持透鏡之元件内。依據特定方 法之實施例，每一光纖包含光學路徑以透射光線以及該方 法更進一步包含放置光學元件於光學路徑中。 依據本發明特定實施例製造裝置將針對圖1說明。光 纖以及透鏡化光纖10顯示出以及包含基板12。基板12能夠 由不同的材料製造出，該材料包含非限制性玻璃，矽，陶瓷 以及塑膠。基板1 2優先地包含階躍之外形，其包含下侧表 面14及上侧表面1 6。優先地上側表面16以及下側表面16為 平面性表面。至少一個握持光纖之元件18,以及優先地為 一組多個握持透鏡之元件18放置於基板12之上侧表面16上 。至少一個握持透鏡之元件20,以及一組多個握持透鏡之 元件提供於基板炙下侧表面14上。握持透鏡之元件20以及

第8頁 714 200402548 五、發明說明（6) 握持光纖之元件1 8優先地排列為一直線於基板丨2上。 握持光纖之元件1 8大小將牢固地固定光纖22於基板上 適當的位置。握持透鏡之元件20大小將牢固地固定透鏡24 於基板上適當的位置。優先地透鏡24包含凸出形狀部份或 表面26以及頸部28以及整體地形成於光纖22端部處。人們 了解透鏡形狀並不為凸出的以及其他透鏡形狀為本發明範 圍内。透鏡頸部28之直徑大於光纖透鏡之直徑。在基板！ 2 形成外形之步驟提供上部表面1 6作為光纖靠在上面。下側 表面1 4提供透鏡頸部靠在上面。上側表面1 β能夠由與下側 表面14相同材料製造出。階躍能夠藉由去除基板丨2之部份 下侧表面形成於基板上，其藉由非限制性之研磨或蝕刻例 如為反應性離子蚀刻技術達成。可加以變化，階躍能夠藉 由疊加，射出成形模造，光石版印刷或印製步驟提供上側表 面16於基板上而達成。假如階躍及上侧表面以該方式提供 ，階躍與上侧表面1 6能夠由不同於下側表面14之材料製造 出。 圖2更詳細地顯示出握持元件3 0，以及人們了解顯示於 圖2中握持元件屬於握持元件以及握持透鏡之元件，除了底 下所說明不同。握持元件30包含側向地與連接至基板34之 彈性長條32分隔。每一彈性長條具有連接至基板34表面之 底部部份36,頂部表面38優先地平行於基板34及侧邊壁板 40表面，其提供溝槽42於長條之間。部份基板34形成於溝 槽42底板。 現在參考圖3,部份基板表面形成握持元件之底板44,

200402548___ 五、發明說明（7) .使得溝槽具有接近於底板之寬度w2,該寬度大於溝槽之頂 部寬度'。優先地，為了適當地握持光纖表面或透鏡之頭 部區域，在溝槽頂部處寬度Wl小於光纖之直徑或透鏡之頸 部區域。在溝槽底部之寬度w2優先地大於透鏡頸部或光纖 之直徑。人們了解光纖具有較大的直徑，例如含有塗膜光 纖與不含塗膜光纖需要較大的溝槽以承受光纖之插入以及 垂直地及水平地沿著其中心軸固定光纖於適當位置。除此 透鏡頸部區域通常具有較大直徑大於光纖，以及因而透鏡 握持器通常具有較大的溝槽寬度而大於光織握持器。每一 長條側面壁板相當平坦使得每一長條與光纖或透鏡頸部接 觸至少於一點處，使得握持器施加於光纖或透鏡頸部之力 量通常垂直於光纖中心轴。美國第5359687號專利含有關 於一般通訊光纖之特別尺寸的說明。 構成握持元件之長條使用已知的光石版印刷利用可光 聚合之組成份等所構成。例如，可光聚合組成份能夠均勻 地沉積於基板表面上。可光聚合之組成份影像化地暴露於 ^化輕射線，其使用雷射及計算機控制載台使紫外線雷射 光束照射組成份精確的區域，或準直紫外線燈泡以及具有 透明以及不透明區域圖案之光遮罩。非影像化區域能夠利 用溶劑去除，同時遣留下影像化區域形成為基板表面上之 至少一個握持元件。 可加以變化，彈性長條能夠藉由使用柔軟彈性浮刻器 具將可聚合組成份圖案化為至少一個握持元件於基板表面 上。該柔軟器具通常由矽氧化物製造出。組成份加以固化

200402548 五、發明說明（8) 以及移除器具。器具彈性必需充份使得其由固化之聚合物 移除並不損壞握持器。可聚合組成份能夠由各種方式加以 固化例如藉由光化輻射線或熱量達成，以及應該具有黏滞 性以順應器具凸出之外形。在器具由固化組成份移除後， 至少一個握持元件保持在基板上，其決定於圖案之特性。 器具圖案能夠包含一組多個握持元件以提供基板對準於光 纖及透鏡陣列^製造握持元件之適當聚合性組成份已揭示 於本公司之美國第6266472號專利中。 現在參考圖4及5,透鏡化光纖能夠放置為彎曲圖案，例 如為圓形或半圓形。在圖4中，光學裝置1〇〇包含一個陣列 透鏡化光纖102,每一透鏡化光纖102包含光纖部份104以及 透鏡，其包含透鏡表面106以及頸部108。握持光纖之元件 11G以及握持透鏡之元件112排列於基板表面上為所需要彆 曲圖案。在握持元件110及112放置為選擇圖案後，光纖及 透鏡插入至握持元件以提供陣列。在圖4中，透銑化光纖排 列為旋轉或圓形圖案於光學元件11 4四週，其能夠為再導引 光線方向透射通過透鏡化光纖如圖4所示。光學元件能夠 利用黏接劑按裝至基板表面。例如，光學元件能夠為稜鏡， 其包含多個薄膜濾波器，電子機械（MEMs)反射鏡，電子電射 光栅材料，或液晶開關以再導引透射過光線方向。圖4中所 顯示裝置能夠作為路甶器或切換器。 在圖5中，顯示出光學裝置120另外一個實施例，其包含 一組多個透鏡化光纖122包含光纖部份124及透鏡部份，其 包含透鏡表面126以及頸部128。握持光纖之元件130及握

第11頁 200402548 五、發明說明（9) 持透鏡之元件132固定透鏡化光纖為所需要之構造。在圖5 伞，光學元件134放置於透鏡化光纖122之光學路徑中。光 學元件能夠為切換器元件例如為ME MS切換器，電子雷射切 換器或LCD切換器，其能夠再導引各別光纖發出光線至陣列 中其他光纖，如箭頭136及138所示。 一項製造如圖4及5所顯示光學裝置之處理過程範例包 含而利用浮凸器具或藉由例如姓刻或研磨技術去除部份基 板形成多階躍基板。形成研磨元件之基扳表面利用黏接促 進劑配製出以提昇黏附握持元件至基板表面之能力。握持 元件利用浮凸器具或光遮覃以及利用光化輻射線或加熱形 成於基板表面上，其說明於美國第6 266472號專利中。握持 元件應該為充份彈性足以當透鏡頸部光纖插入至握持元件 溝槽内時提供彈性強度在施加應力下產生變形。細縫能夠 使用鋸子或雷射形成於基板中。渡波器，反射鏡，衰減器,, 調變器，光柵，偏極器，切換器例如為液晶切換器或其他^ 學裝置放置於細缝中及藉由黏接劑固定在適當位置。假如 使用切換元件例如為液晶切換器作為光學元件，通過_個 陣列光纖之光線能夠能夠由成一列之獨立光纖轉移發出之 訊號轉向至其他陣列中之光纖，該一列光纖並不與其他陣 列之光纖為共線的。透鏡化光纖再插入至握持元件以形成 光纖陣列。光纖插入於握持先纖元件中以及透鏡頸部^份 插入於握持透鏡之元件中〇 使用彈性握持元件以定位透鏡化光纖於陣列中另外一 項優點在於能夠提供廣泛的陣列構造。例如，藉由使用本

11% 200402548__ 五、發明說明（ίο) 發明握持元件，透鏡化光纖陣列能夠棑列成彎曲形式例如 為圓形，半圓形陣列，拋物線以及其他形狀之陣列。矽V-溝 槽技術限制能夠使用來定位光纖及光纖及透鏡於陣列中之 構造的數目，因為矽V-溝槽藉由材料結晶平面加以限制以 達成矽基板中v-形溝槽。V-溝槽只能夠形成為平行構造 本發明握持元件能約產生較大的彈性以提供廣泛之光纖排 列。 熟知此技術者了解本發明能夠作各種變化及改變，其 並不會脫離本發明之精神與範圍。及本發明含蓋各種變化

第13頁 200402548____________ 圖式簡單說明 附圖簡單說明： 第一圖為包含光纖及握持透鏡之固定透鏡化光纖的元 件； 第二圖為握持元件之侧視圖； 第三圖為握持元件之邊視圖，其包含光纖位於握持元 件溝槽之間·， 第四圖為光學裝置之頂視圖，其包含一個陣列之透鏡 化光纖圓形地排列於光學裝置之四週；以及 第五圖為光學裝置之頂視圖，其包含一個陣列之透鏡 化光纖半圓形地排列於光學裝置之四週。 附圖元件數字符號說明·. 透鏡化光纖1 0 ;基板12 ;下侧表面14 ;上側表面1 6 ; 握持光纖之元件18;握持透鏡之元件20;光纖22;透鏡 24;表面26;頸部28;握持元件30;長條32;基板34; 底部部份36;頂部表面38;谢邊壁板40;溝槽42;底板 44;光學裝置100;透鏡化光纖102;光纖部份104;透鏡表 面106;頸部108;握持光纖之元件110;握持透鏡之元件 112;光學元件1ί4;光學裝置120;透鏡化光纖122;光纖 部份124;透鏡表面126;頸部128;握持光纖之元件130; 握持透鏡之元件132;光學元件134;光纖1 36, 1 38。

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Claims (1)

1. 200402548 六、申請專利範圍 1 · 一種定位一組多條透鏡化光纖之裝置，每一透鏡化光纖 包合光纖部份以及透鏡部份，其包含： 一組多個握持光織之元件排列於基板上為弩曲围案，每 一握持元件包含一對彈性侧邊壁板界定出溝槽在其之間， 其大小將固定透鏡化光纖之光儀部份;以及 一組多個握持透鏡之元件排列為弩曲圖案於基板上，每 一握持透鏡之元件包含一對彈性側邊壁板，其界定出溝槽 在其之間以固定透鏡化光纖之透鏡部份。

   2·依據申請專利範圍第1項之裝置，其中透鏡部份更進一步 包含頸部以及凸出形狀端部以及握持透鏡之元件，其大小 將固定頸部。 3·依據申請專利範圍第1項之裝置，其中每一透鏡化光纖包 含至少一條透鏡化光纖之光學路徑，其中光學元件由電子 機械（MEMs)反射鏡，液晶切換器，電子雷射切換器，光學渡 波器，棱鏡，偏極器，切換器，調變器及衰減器選擇出。 4· 一種定位一組多條透鏡化光纖之方法，每一透鏡化光纖 包含透鏡部份以及光纖部份，其包含：

   放置一組個條握持光纖之元件排列於基板上為弯曲圖案 ，每一握持元件包含一對彈性侧邊壁板界定出溝槽在其之 間，其大小將固定透鏡化光纖之光纖部份；以及 放置一組多個握待透鏡之元件排列為臀曲圖案於基板上 ，每一握持透鏡之元件包含一對彈性側邊壁板，其界定出溝 槽在其之間以固定透鏡化光纖之透鏡部份；以及 定位透鏡化光纖之光纖部份於握持光纖之元件内以及定

   第15頁 / a 200402548

   申請專利範圍 位透鏡化參纖之透鏡部份於握持透鏡之元件内。 5七=據申研專利範圍第丨項之方法，其中透鏡部份更進一步 =3頌邓以及彎曲形狀端部以及頸部放置於握持透鏡之元 件内。 \依據申請專利範圍第5項之方法其中每一光纖包含一体 件於光凤政：：九方法中更進一步包含放置光學元 換器1： 子子雷射士二中光學元件由電子機*反射鏡，液晶切 調變器及衰減器刀選擇器出光學遽波器，棱鏡，偏極器，切換器， 7上Γ透包ί!:含n條透μ光織排列於基板 排列為弯曲圖案光纖部份以及透鏡麵 8八專利範圍第7項之光學裝置，其 於光學元件中央之光線路徑，光學元件 】7械反射鏡，液晶切換器，電子雷射切換器，【：:： ，稜鏡，偏極器，切換器調變器及衰減器選。于’，波 .依據申請專利範圍第5項之光學裝置，其 。 -組多個彈性之握持透鏡元件於基板上以固】：：步包含 :置以及一組多個彈性之握持透鏡元件於基板卜纖於適當 纖於適當位置。 、秦扳上以固定光

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