專利名稱：光學(xué)監(jiān)視器組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)監(jiān)視器組件，該組件將一部分從一光纖發(fā)射的光射入另一個(gè)用于從該處傳送到監(jiān)視部件的光纖。
背景技術(shù)：
在常規(guī)光學(xué)監(jiān)視器組件中，從一光纖射出的光被入射到在光波導(dǎo)基底上的一光波導(dǎo)上，該光波導(dǎo)基底上具有在其上形成的分光線路，由分光線路分出的光從光波導(dǎo)基底發(fā)射用于入射到一監(jiān)視區(qū)。這一已有技術(shù)被公開(kāi)在例如日本專利申請(qǐng)公開(kāi)2001-358362和347665/94中。
使用這種常規(guī)的光學(xué)監(jiān)視器組件來(lái)監(jiān)視由在光波導(dǎo)基底上形成的光波導(dǎo)分光線路所分離的光，由于光波導(dǎo)的傳導(dǎo)損失，需要分流較大功率的光用于監(jiān)視。另外，分光線路具有Y分支結(jié)構(gòu)、并且兩個(gè)光波導(dǎo)基本上相互形成直角，這導(dǎo)致光波導(dǎo)基底占據(jù)較大空間的缺點(diǎn)。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)可行的解決辦法是提供一個(gè)光學(xué)組件結(jié)構(gòu)，在該光學(xué)組件結(jié)構(gòu)中，不使用光波導(dǎo)的分支線路，而使從光纖發(fā)射的光穿過(guò)空間進(jìn)入分光器來(lái)代替，通過(guò)分光器或被分光器反射的光射入另一個(gè)用于傳輸?shù)奖O(jiān)視器部件的光纖。這個(gè)組件結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生因通過(guò)光波導(dǎo)所帶來(lái)的損失，但由于光纖和分光器較遠(yuǎn)地隔開(kāi)，光束被發(fā)散(即，光束直徑增加)，這將增大光的損失。此外，兩個(gè)光纖基本上相互成直角，也占據(jù)了很大的空間。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一個(gè)低光損失和低空間占有率的光學(xué)監(jiān)視組件。
根據(jù)本發(fā)明，一基底，在其一個(gè)表面上具有一定位結(jié)構(gòu)，借助該定位結(jié)構(gòu)，第一和第二光纖平行地安裝在該基底表面上，第一和第二光纖在垂直于該基底表面的方向上和它們并列設(shè)置的方向上的位置被限定。第一和第二光纖均具有一體形成在同一端部的透鏡部分，該透鏡部分的結(jié)構(gòu)使入射到其端面的光和從該端面發(fā)射的光相對(duì)透鏡段的軸傾斜。一分光器或?yàn)V光器安裝在基底上的第一和第二光纖的透鏡部分的延長(zhǎng)線之間的中間位置。從第一光纖發(fā)射的光經(jīng)空間傳輸并入射到該分光器或?yàn)V光器上，該入射光部分地透過(guò)該分光器或?yàn)V光器、部分地被該分光器或?yàn)V光器反射，被反射的光經(jīng)空間傳輸并射入第二光纖。
由于第一和第二光纖和分光器或?yàn)V光器之間的光路是空間，不產(chǎn)生光損失，并且在每個(gè)光纖的一個(gè)端部作為一個(gè)一體部分形成的透鏡部分的聚光作用下、不產(chǎn)生光分散。另外，由于第一和第二光纖以平行關(guān)系設(shè)置，本發(fā)明的光學(xué)監(jiān)視器組件不需要大的二維空間。


圖1A為表示本發(fā)明一實(shí)施例的平面視圖；圖1B是其左視圖；圖1C是其前視圖；圖2為表示本發(fā)明另一實(shí)施例的平面視圖；圖3A為表示本發(fā)明又一實(shí)施例的平面視圖；圖3B是其左視圖。
具體實(shí)施例方式
首先參考圖1，對(duì)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明。在基底11的一個(gè)表面11a上形成相互隔開(kāi)的光纖安裝部分12和部件安裝部分13，光纖安裝部分12具有對(duì)多個(gè)光纖定位的定位結(jié)構(gòu)14，用于對(duì)多個(gè)光纖定位使它們以平行關(guān)系和在一方向上延伸，所述方向是光纖安裝部分12和部件安裝部分13彼此相對(duì)布置的方向。定位結(jié)構(gòu)14在垂直于基底11的表面11a的方向上、和在光纖并列設(shè)置的方向上對(duì)光纖定位。在光纖安裝部分12上安裝一端由定位結(jié)構(gòu)14定位的光纖21和22。在部件安裝部分13上安裝一分光器或?yàn)V光器31，位于光纖21和22的延長(zhǎng)線23和24之間的中間位置。為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，在下文中，分光器或?yàn)V光器31被稱作“分光器31”。
所述光纖21和22具有透鏡部分21a和22a，其直徑與所述光纖的直徑相同，所述光纖在與所述分光器31為相對(duì)的關(guān)系的端部與透鏡部分21a和22a一體形成，且所述透鏡部分21a和22a結(jié)構(gòu)使光以相對(duì)它們的軸的一定角度在其上入射和出射。經(jīng)光纖21傳輸?shù)墓庖韵鄬?duì)其軸一定角度而射出，而后穿過(guò)空間傳送，并以聚焦形式入射到分光器31，于是通過(guò)分光器31反射部分的入射光，該反射光在穿過(guò)空間傳送后入射到光纖22的透鏡部分22a。
下面將所述光學(xué)監(jiān)視器組件的相應(yīng)部件作更詳細(xì)的描述?；?1是單晶硅的矩形基底，其一半部分形成光纖安裝部分12，其另一端部分形成部件安裝部分。利用各向異性蝕刻，光纖安裝部分12中切割成兩個(gè)相同深度沿著光纖安裝部分12和部件安裝部分13的布置方向延伸的平行V形槽141和142。在這個(gè)實(shí)施例中，光纖安裝部分12和部件安裝部分13之間的中間部分也被各向異性地蝕刻成凹面15。在V形槽141和142與部件安裝部分13相反的一側(cè)端部被向外側(cè)打開(kāi)、以便將光纖21和22從基底11引開(kāi)而不是留在那里。
光纖21和22的端部置于V形槽141和142中并通過(guò)例如粘結(jié)劑被固定地連接到槽中。在這時(shí)，確定了每個(gè)光纖21和22的纖芯相對(duì)基底11的表面11a的高度H1，即、確定了每個(gè)光纖在垂直于基底表面11a的方向上的位置。而且，確定了纖芯的間隔P，確定了基底表面11a上每個(gè)光纖在垂直于安裝部分12和13的布置方向上的位置。并且光纖21和22相互平行地伸展。
光纖21和22的透鏡部分21a和22b均由例如US 6,014,483(2000年一月11日公開(kāi))中所述的二氧化硅部件和漸變折射率的多模光纖部件構(gòu)成。在圖1的實(shí)施例中，每個(gè)透鏡部分的端面相對(duì)垂直于透鏡部分的軸的平面略有偏斜。這可使用例如通過(guò)研磨將光纖端面傾斜的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，以防止從光纖發(fā)射的光被向回反射。由于透鏡部分21a和22b的端面被傾斜，所以光相對(duì)光纖軸偏斜地入射到每個(gè)透鏡部分。在這個(gè)實(shí)例中，透鏡部分21a和22b相對(duì)光纖21和22的光軸傾斜共同的角度θ′。
在所述的實(shí)施例中，該分光器31位于光纖21和22的延長(zhǎng)線23和24之間的中心線25上，且其光接收和發(fā)射面垂直于中心線25。例如，在該部件安裝部分13上，形成等距離地橫跨中心線25的一對(duì)標(biāo)記16，而后，將分光器31設(shè)置在16標(biāo)記上而使分光器31沿垂直于中心線25的方向定位在基底表面11a。在這個(gè)實(shí)例中，希望沿中心線25從透鏡部分21a和22b到分光器31的距離X及它們?cè)谥行木€25的延長(zhǎng)線方向上的位置非常精確，而其它方向上的位置精度不需要如此高。在通過(guò)光刻工藝和后續(xù)的刻蝕形成V形槽141和142的同時(shí)，通過(guò)例如在金屬膜上進(jìn)行光刻工藝和刻蝕能夠容易和精確地形成標(biāo)記16。通過(guò)在倒裝片焊接時(shí)利用顯微鏡使兩個(gè)標(biāo)記16和分光器31底部的兩端部彼此相對(duì)定位、而后使它們相互接觸并將它們彼此焊接，從而將分光器31安裝在部件安裝部分13上。在這個(gè)實(shí)例中，光電二極管或類似的光接收元件作為光學(xué)部件23被安裝在部件安裝部分13上的分光器31后面。
所述光纖21和22的透鏡部分21a和22b與分光器31之間沿中心線25的距離x被如下所述地選擇，以使入射光和出射光穿過(guò)分光器31的位置。即、距離x的設(shè)定可在平行于基底表面11a的平面內(nèi)得到下述的關(guān)系。用n′表示透鏡部分21a和22a的折射率，用n表示透鏡部分21a和22a與分光器31之間的光路介質(zhì)的折射率，用θ′表示透鏡部分21a和22a的端面相對(duì)垂直于光纖光軸的平面的傾斜角，入射到透鏡部分21a、22a和從透鏡部分21a和22a出射的方向與垂直于它們的端面的方向之間的角θ被確定如下θ＝sin-1(n′sinθ′/n) 員 (1)假定透鏡部分21a和22a的入射和出射方向穿過(guò)中心線25，中心線25與透鏡部分21a和22a的入射和出射方向的交叉角是(θ-θ′)。如用P表示光纖21和22的纖芯之間的間隔，則距離x如下式給出x＝P/(2tan(θ-θ′)) (2)使P＝250μm、θ′＝6。和n′＝1.5，由于透鏡部分21a和22a與分光器31之間的光路是空間(空氣)，n＝1，所以θ＝9。且x≈2.4mm。將光纖21和22相對(duì)分光器31定位在V形槽141和142中并測(cè)量它們之間的距離。透鏡部分21a和22a的端面相對(duì)光纖21和22的軸的角位置被確定、同時(shí)通過(guò)它們的圖像監(jiān)視透鏡部分21a和22a端面的傾斜?；蛘撸瑯?biāo)記被附加在透鏡部分21a和22a前端的周邊部分，并且透鏡部分21a和22a的端面相對(duì)光纖21和22的軸的角位置被確定，從而可從垂直于基底表面11a方向的正上方正好看到所述標(biāo)記，透鏡部分21a和22a端面的方向相對(duì)中心線25在相反方向上傾斜。而且，例如希望將光射入光纖21、并確定光纖21和22的縱向位置以及光相對(duì)光纖軸的角位置，以便使從光纖22發(fā)射的光變得最大。所述分光器31的中間部分在垂直于基底表面11a方向上保持在與光纖21和22的軸相對(duì)基底表面11a的高度H1基本相同的高度，該分光器31的該中間部分在光纖21和22的布置方向上保持在中心線25上。
在上述結(jié)構(gòu)中，穿過(guò)光纖21的傳送的光在其從該處出射時(shí)被透鏡部分21a折射，該出射光穿過(guò)空間傳送并聚焦到分光器31。入射到分光器31的光被分成透射光和反射光，該透射光射入一光學(xué)部件、即在這個(gè)實(shí)例中的光接收元件中，通過(guò)該光接收元件使該光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。從分光器31反射的光穿過(guò)空間，而后入射到透鏡部分22a、并穿過(guò)光纖22傳送，之后從光纖22發(fā)射。此時(shí)，可通過(guò)監(jiān)視從光接收元件32輸出的電信號(hào)來(lái)監(jiān)視穿過(guò)光纖22傳送的光。
光纖21和22的軸處在平行于基底表面11a的同一平面內(nèi)，從光纖21的透鏡部分21a發(fā)射時(shí)光的折射和入射到光纖22的透鏡部分22a時(shí)光的折射產(chǎn)生在上述的同一平面內(nèi)。另外，由于透鏡部分22a和22b的位置、和它們端面它們的軸的角位置所顯示的關(guān)系滿足公式(1)和(2)的條件，所以從透鏡部分21a發(fā)射并被分光器31反射的光正確入射到透鏡部分22a端面的中心位置，并且由于透鏡部分21a和22a與分光器31之間的光路是空間(空氣)，與光波導(dǎo)相比，空氣的傳輸損失小到可忽略，所以透鏡21a和22a的光聚集作用避免了光發(fā)散，確保整體損失顯著減小。因?yàn)閭鬏斖ǖ朗强諝?，不存在因光通過(guò)光波導(dǎo)時(shí)所產(chǎn)生的光偏振特性的變差，所以可改善光學(xué)監(jiān)視器組件的光學(xué)特性。此外，由于不需要用于光波導(dǎo)的波導(dǎo)基底，因此所用部件的數(shù)量很少。
優(yōu)選地，從光纖21的透鏡部分21a發(fā)射的光的光束直徑在分光器31的位置上被最小化。滿足這種要求的透鏡部分21a和分光器31之間的光路長(zhǎng)度可利用公式(1)和(2)中的空間P和透鏡部分21a端面的傾斜角θ′來(lái)實(shí)現(xiàn)。這也可應(yīng)用到透鏡部分22a和分光器31之間的通道長(zhǎng)度。
該分光器31可以是狹義(narrow sense)的分光器，不具有波長(zhǎng)選擇性，也就是，一分光器不具有根據(jù)入射光的波長(zhǎng)選擇從中通過(guò)和反射所述入射光的波長(zhǎng)成分的能力，或者分光器31也可以是濾光器，即、一具有波長(zhǎng)選擇性的分光器，通過(guò)或反射所述入射光的特定波長(zhǎng)(或包括該特定波長(zhǎng)的波段)成分和反射或通過(guò)其它波長(zhǎng)成分。傳輸通過(guò)分光器31的光可被傳送到監(jiān)視區(qū)，用于監(jiān)視已穿過(guò)光纖21傳送的光。在這個(gè)實(shí)例中，光纖被用作光學(xué)部件32，經(jīng)過(guò)光學(xué)部件32，穿過(guò)分光器31的光被發(fā)射到監(jiān)視區(qū)。
圖2是本發(fā)明另一實(shí)施例的平面圖。在這個(gè)實(shí)施例中，在基底表面11a上形成三個(gè)或更多的平行V形槽；在圖2中，相同深度的六個(gè)V形槽141、142、…、146平行地構(gòu)成。
基于所需要的光學(xué)監(jiān)視器組件，有時(shí)可能出現(xiàn)這樣的情況需要加長(zhǎng)或縮短光纖21和22與分光器31之間的距離、或需要在光纖21和22的布置方向上移動(dòng)分光器31。在這種情況下，為滿足該要求，兩個(gè)V形槽、即圖2中的142和145被選擇、并且光纖21和22被安裝在兩個(gè)選擇的V形槽中。根據(jù)實(shí)際使用的分光器31的種類，在分光器31上的光入射角和反射角可優(yōu)選設(shè)定為特定值。在這個(gè)實(shí)例中，選擇兩個(gè)槽使透鏡部分21a和22a上的光入射和發(fā)射方向分別與該優(yōu)選角重合，并且相互交叉在光纖21和22之間的中心線上。在這種情況下，透鏡部分21a和22a的傾斜角θ′也需要改變，使該光的入射和發(fā)射方向根據(jù)需要而變化。對(duì)于按上述方式形成的三個(gè)或更多個(gè)V形槽，基底11可通用于各種需求。
圖2表示將光纖33用作光學(xué)部件的實(shí)例。光纖33也被安裝在與V形槽141、142、…、146同時(shí)形成的槽中，該槽在基底11的部件安裝部分13上形成并具有與V形槽141、142、…、146相同的深度、且與V形槽141、142、…、146平行。光纖33在垂直于基底表面11a的方向上以及光纖21和22的布置方向上被定位。在這個(gè)實(shí)施例中，光纖33具有與一端部一體形成的透鏡部分33a。透鏡部分33a端面的傾斜角θ′被設(shè)置得與光纖21和22的每個(gè)透鏡部分21a和22a的端面的傾斜角θ′相同，并且透鏡部分33a端面相對(duì)光纖33的軸的角位置被設(shè)定，使透鏡部分33a的端面平行于透鏡部分21a的端面。光纖33不必總是設(shè)置透鏡部分33a。但是，在這種情況下，面對(duì)分光器31的光纖33的端面被傾斜，從而使從分光器31進(jìn)入光纖33的光的折射角與從透鏡部分21a發(fā)射的光的折射角相同。入射到光纖33的光也可被光接收元件轉(zhuǎn)換成電信號(hào)、以便監(jiān)視穿過(guò)光纖22傳送的光。
用于光纖21和22的定位結(jié)構(gòu)14不限于V形槽，也可使用U形槽。例如，如圖3所示，相同寬度的U截面槽141和142通過(guò)活性離子的干蝕刻、平行地形成在基底表面11a上。光纖21和22分別安裝在U截面槽141和142中。光纖21和22的直徑大于U截面槽141和142的寬度，所以光纖21和22被部分地容納在U截面槽141和142中且不與它們的底部14a接觸。光纖21和22的軸高度相對(duì)基底表面11a均是H1，光纖21和22在沿垂直于基底表面11a的方向上被定位。光纖21和22相互平行地布置，它們的軸之間的空間P按預(yù)定的變化，則光纖21和22在基底11上沿它們布置方向上的位置被確定。因此，易于理解這個(gè)實(shí)施例的光學(xué)監(jiān)視器組件可產(chǎn)生與圖1實(shí)施例相同的操作/工作效果。
雖然已經(jīng)說(shuō)明上述光纖21和22的透鏡部分21a和22a的端面的傾斜角θ′是相等的，但它們也可不同?；?1可利用諸如砷化鎵單晶(GaAs)、石英、玻璃和合成樹(shù)脂等材料構(gòu)成。在使用砷化鎵和石英的情況下，可借助濕蝕刻、利用它們的晶體各向異性形成V形槽。該槽可以是U形的。當(dāng)基底由玻璃構(gòu)成時(shí)，可通過(guò)活性離子的干蝕刻形成該槽，在使用合成樹(shù)脂的情況下，它們通過(guò)模制構(gòu)成。通過(guò)使透鏡部分21a和22a的端面傾斜，可使在透鏡部分21a和22a上入射和發(fā)射的光的方向相對(duì)光纖軸偏斜。當(dāng)例如利用所述美國(guó)專利中的二氧化硅部件和漸變折射率多模光纖部件形成光纖21和22的透鏡部分21a和22a時(shí)，透鏡部分21a和22a的端面沒(méi)有角度而保持與光纖21和22的軸垂直，漸變折射率分布的中心只需相對(duì)光纖21和22的每個(gè)纖芯略微地偏移。在上述實(shí)施例中，透鏡部分21a和22a與分光器31之間的光路位于基底11外側(cè)，但由于該光路緊挨著基底11、以致光束可能偏離光路而入射到表面11上，于是設(shè)置凹面15以防光束向基底11意外地射入。當(dāng)不存在這種擔(dān)憂時(shí)，則不必形成由圖1C中長(zhǎng)短點(diǎn)劃線所示的凹面15。在使用如圖3所示的U截面槽的情況下，光纖21和22可由槽的底部和兩個(gè)側(cè)壁進(jìn)行定位。不論槽141和142是V形槽還是U形槽，在透鏡部分21a和22a上入射和發(fā)射的點(diǎn)可被定位在比基底表面11a更向內(nèi)的基底11的內(nèi)側(cè)。在這個(gè)實(shí)例中，形成凹面15，如圖3A所示，在基底11上形成淺凹坑17，因此，在基底表面11a上安裝分光器31的位置也處在基底內(nèi)側(cè)。
權(quán)利要求
1.一光學(xué)監(jiān)視器組件，包括一基底，具有形成在其一個(gè)表面上的定位結(jié)構(gòu)，該定位結(jié)構(gòu)平行地定位多個(gè)光纖、并確定所述多個(gè)光纖在它們的布置方向和垂直于所述一個(gè)表面的方向上的位置；第一和第二光纖，它們借助所述定位結(jié)構(gòu)平行地安裝在所述基底上，所述第一和第二光纖在相同端部形成與之一體的透鏡部分；和一分光器或?yàn)V光器，它們被安裝在所述基底上并位于所述第一和第二光纖的所述透鏡部分的延長(zhǎng)線之間的中間位置，用于透射一部分從所述第一光纖的所述透鏡部分發(fā)射的光、并用于反射所述光的另外部分，將該另外部分反射的光入射到所述第二光纖的所述透鏡部分；其中所述第一和第二光纖的所述透鏡部分與所述分光器或?yàn)V光器之間的光路是空間。
2.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)監(jiān)視器組件，其特征在于每個(gè)所述第一和第二光纖的所述透鏡部分的端面均是有角度的。
3.如權(quán)利要求1或2所述的光學(xué)監(jiān)視器組件，其特征在于所述定位結(jié)構(gòu)包括在所述基底的所述一個(gè)表面上形成的具有相同形狀和相同深度的第一和第二槽，用于分別對(duì)在所述第一和第二槽中的所述第一和第二光纖定位。
4.如權(quán)利要求3所述的光學(xué)監(jiān)視器組件，其特征在于所述第一和第二槽是V形槽。
5.如權(quán)利要求3所述的光學(xué)監(jiān)視器組件，其特征在于在所述基底的所述一個(gè)表面上形成三個(gè)或更多個(gè)相同形狀和相同深度的平行槽，所述三個(gè)或更多個(gè)槽中的兩個(gè)槽是所述第一和第二槽。
6.如權(quán)利要求1或2所述的光學(xué)監(jiān)視器組件，其特征在于在所述第一光纖的所述透鏡部分的端面上的光的入射和發(fā)射方向和在所述第二光纖的所述透鏡部分的端面上的光的入射和發(fā)射方向交叉在相互為平行關(guān)系并與所述基底的所述一個(gè)表面平行的所述第一和第二光纖的延長(zhǎng)線之間的中間位置延伸的直線附近，并且所述分光器或?yàn)V光器被定位在所述交叉的位置的附近。
7.如權(quán)利要求6所述的光學(xué)監(jiān)視器組件，其特征在于所述直線是位于所述第一和第二光纖延長(zhǎng)線之間的中心的線。
8.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)監(jiān)視器組件，其特征在于一光學(xué)部件被安裝在所述基底上，穿過(guò)所述分光器或?yàn)V光器的光入射在該光學(xué)部件上。
全文摘要
在基底(11)的一個(gè)表面(11a)的一半部分上形成具有相同深度的平行V形槽(141)和(142)，在其中放置光纖(21)和(22)、并使它們的軸相對(duì)于該表面(11a)保持H1的高度。光纖(21)和(22)具有與它們?cè)谝欢艘惑w形成的透鏡部分(21a)和(22a)，透鏡部分(21a)和(22a)的端面相對(duì)它們的軸傾斜一角θ′。分光器(31)安裝在基底(11)上并位于光纖(21)和(22)延長(zhǎng)線之間的中心線(25)上，從透鏡部分(21a)發(fā)射的光穿過(guò)空間并以聚焦的形式入射到分光器(31)，一部分該入射光被反射，該光穿過(guò)空間并以聚焦的形式入射到透鏡部分(22a)、并穿過(guò)光纖(22)傳送。穿過(guò)分光器(31)的光被射入光接收元件(32)。通過(guò)檢測(cè)從光接收元件(32)輸出的電信號(hào)、可監(jiān)視穿過(guò)光纖(22)傳送的光。
文檔編號(hào)G02B6/28GK1542492SQ20041003124
公開(kāi)日2004年11月3日 申請(qǐng)日期2004年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月27日
發(fā)明者森惠一 申請(qǐng)人:日本航空電子工業(yè)株式會(huì)社