專利名稱：光纖與光波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一種光纖與光波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)，這種耦合結(jié)構(gòu)在光纖通信系統(tǒng)中用作具有光波導(dǎo)電路中的光波導(dǎo)模件。
在光纖通信領(lǐng)域，為了用光波導(dǎo)處理光纖輸出的信號，有時(shí)就需要將光纖與光波導(dǎo)進(jìn)行光耦合的耦合結(jié)構(gòu)。
例如，在傳統(tǒng)的通過焊接使光纖與光波導(dǎo)耦合的耦合結(jié)構(gòu)中，列有從一條光纖帶伸出的多根光纖的光纖配列接頭在一個表面上形成一層包含多根光波導(dǎo)的光波導(dǎo)層的波導(dǎo)基片分別安裝在各自獨(dú)立的金屬件內(nèi)。分別安裝在金屬件內(nèi)的光纖配列接頭的端面和波導(dǎo)基片的端面緊貼，使各光纖與光波導(dǎo)相互對準(zhǔn)后，用例如YAG激光將兩個金屬件焊在一起。
然而，在上述這種耦合結(jié)構(gòu)中，由于在焊接期間金屬件發(fā)生形變，這使得光波導(dǎo)和光纖對準(zhǔn)不良，從而致這種耦合結(jié)構(gòu)的光傳輸損耗增大。由于金屬件用作光纖配列接頭和光波導(dǎo)層的金屬外殼，因此生產(chǎn)成本相當(dāng)高。所以就需要推出一種沒有以上缺點(diǎn)的光纖與光波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)。
在傳統(tǒng)的通過使用光致固粘合劑使光纖與光波導(dǎo)耦合的耦合結(jié)構(gòu)中，從一條光纖帶伸出的多根光纖例如固定在一個玻璃的光纖配列接頭的一些V形槽內(nèi)。在一個表面上形成一層包含多根光波導(dǎo)的光波導(dǎo)層的波導(dǎo)基片安裝在一個玻璃件內(nèi)。在將光纖和光波導(dǎo)相互對準(zhǔn)后，在需要連接的光纖配列接頭的端面和玻璃件的端面之間注入光致固粘合劑。用光從外周部進(jìn)行照射，使光致固粘合劑固化。為了使光致固粘合劑充分固化，如上所述，光纖配列接頭是用能以高透光率透過具有能使粘合劑(例如紫外線致固樹脂)固化的波長的光的玻璃材料(如石英玻璃)制造的。
在以上這種耦合結(jié)構(gòu)中，光纖配列接頭接到波導(dǎo)基片的一端或兩端，也就是輸入部或輸出部或者輸入部和輸出部。
有關(guān)用光致固粘合劑粘合光纖配列接頭和波導(dǎo)基片的光纖與光波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)的原有技術(shù)例如在“IEEE Photonics Technology Lollers，Vol.4，No.8，PP.906-908，Aug.1992”中有詳細(xì)的說明。有關(guān)用機(jī)械方法固定光纖配列接頭和波導(dǎo)基片的光纖與光波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)的原有技術(shù)例如在“Ceramics29，No.4，PP.19-321，1994”中有詳細(xì)的說明。
有關(guān)將光纖直接嵌入經(jīng)加工的波導(dǎo)基片的光纖與光波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)的原有技術(shù)例如在日本專利公報(bào)No.63-279206(1987年3月12日申請的法國專利No.8，703，385)、日本專利公報(bào)No.1-186905(1987年11月26日申請的法國專利No.8，716，398)以及國際專利公報(bào)No.4-507153(1990年3月1日申請的法國專利No.9，002，575)中有詳細(xì)的說明。
有關(guān)通過加熱焊接分別裝有波導(dǎo)基片和光纖配列接頭的兩個石英玻璃外殼的光纖與光波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)的原有技術(shù)例如在日本專利公報(bào)No.2-253206中有詳細(xì)的說明。有關(guān)將光纖直接粘到波導(dǎo)基睛的光纖與光波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)的原有技術(shù)在例如日本專利公報(bào)No.5-173039(1993年2月9日申請的美國專利5，185，835)中有詳細(xì)的說明。
然而在用光致固粘合劑連接的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中構(gòu)成光纖配列接頭的光纖配列基片必需用能以高透光率透過具有能使粘合劑固化的波長的光的透光材料，如石英玻璃，制造。具體地說，硅基片由于加工方便通常用來作為光纖配列基片。然而，具有能使粘合固化的波長的光不能以高透光率透射到光纖配列基片的端面和波導(dǎo)基片的端面之間，從而在需要保證具有很高的粘合強(qiáng)度的端面之間的大部分區(qū)域，粘合劑仍是處于液體狀態(tài)。因此，在傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中，例如用石英玻璃板作為光纖配列基片。但是，這會產(chǎn)生另一個問題，加工困難。具體地說，為了改善對準(zhǔn)精度，必需對配列基片進(jìn)行精確研磨，形成高精度配列各光纖的配列槽。這種高精度研磨對于現(xiàn)有的透光材料，如石英玻璃，卻很困難。因此，當(dāng)用例如石英玻璃板作為配列基片時(shí)，加工配列槽的操作就非常麻煩。這樣，這種耦合結(jié)構(gòu)的制造周期就比較長，以高的位置精度排列光纖十分困難。
再具體一些說，當(dāng)光纖配列接頭和光波導(dǎo)裝置用光致固粘合劑連接時(shí)，如果配列基片的材料是根據(jù)在配列基片上加工光纖配列槽方便來選擇的，那么光透射不足，從而粘合劑，特別是夾在光纖配列接頭端面與光波導(dǎo)裝置端面這間的粘合劑得不到充分固化。即使在粘合劑固化前光纖配列接頭和光波導(dǎo)裝置是對準(zhǔn)的，隨著時(shí)間的推移和溫度的變化，對準(zhǔn)誤差增大，使得光傳輸損耗增大，環(huán)境耐受性降低。相反，如果配列基片的材料是根據(jù)透光性來選擇的，由于光纖配列槽形成困難，光纖配列的位置精度降低，從而將所有的各光纖與光波導(dǎo)對準(zhǔn)非常困難，降低了這種波導(dǎo)裝置的基本性能。因此，在這種使用光致固粘合劑的傳統(tǒng)光耦合結(jié)構(gòu)中，就要對光纖和光波導(dǎo)的對準(zhǔn)精度和所制造的光耦合結(jié)構(gòu)的長期可靠性有所折衷。
如果用熱致固粘合劑代替光致固粘合劑，就可以用硅基片作為光纖配列基片。但是，由于這種粘合劑通常需要至少30分鐘才能得到熱固化，因此生產(chǎn)率低。此外，由于光纖和光波導(dǎo)的對準(zhǔn)部分受熱后會發(fā)生形變，因此在使粘合劑固化的過程中原來已對準(zhǔn)的各芯就有了錯位。
本發(fā)明就是考慮到上述問題而作出的，其目的是推出一種光纖與光波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)，這種耦合結(jié)構(gòu)能用慣常的短時(shí)間加工工藝制造，能高精度地將多根光纖與多根光波導(dǎo)相互對準(zhǔn)，在長時(shí)間內(nèi)具有很小的光傳輸損耗，并且對環(huán)境(例如溫度變化)的耐受性也相當(dāng)好。
為了達(dá)到以上目的，本發(fā)明所推出的這種光纖與光波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)包括一組光纖;
一個具有一個第一構(gòu)件和一個第二構(gòu)件的光纖配列接頭，所述光纖組被所述第一、第二構(gòu)件夾持在中間，固定在所述光纖配列接頭內(nèi);
一個具有一片波導(dǎo)基片和一組在所述波導(dǎo)基片的一個表面上形成的光波導(dǎo)的波導(dǎo)裝置，通過將所述波導(dǎo)裝置的一個端面與所述光纖配列接頭的一個端面相互緊貼，使所述光波導(dǎo)組各端與所述光纖配列接頭各端分別對準(zhǔn);以及一種夾在所述兩個端面之間得到固化的粘合劑，其中，所述粘合劑是一種光致固粘合劑，所述第一構(gòu)件是用一種阻止具有能使所述粘合劑固化的波長的光通過的材料制造的，而在所述光纖配列接頭端面與所述波導(dǎo)裝置端面相對的至少部分區(qū)域，所述光纖配列接頭和所述波導(dǎo)裝置至少有一個在所述端面附近是用一種能透過具有能使所述粘合劑固化的波長的光的透光材料制造的。
透光材料最好是熱膨脹系數(shù)小于6×10-5，最好小于1×10-5的材料。在這種情況下，透光材料最好是以SiO2為主要成分的玻璃，特別是熱膨脹系數(shù)與硅相差不到±20%的玻璃。透光材料也可以是光吸收界限為波長不大于450毫微米的樹脂。
粘合劑可以是除了含有光致固引發(fā)劑外還含有熱致固引發(fā)劑的光熱致固粘合劑。在這種情況下，涂上的粘合劑夾在光纖配列接頭端面與波導(dǎo)裝置端面之間，通過光照射進(jìn)行光致固化后再用加熱使之熱致固化。
波導(dǎo)基片的端面可以隔著粘合劑與光纖配列接頭的端面相對，至少波導(dǎo)基片的至少在其端面附近的部分可以是用能透過具有能使粘合劑固化的波長的光的透光材料制造的。
波導(dǎo)裝置可以具有上述波導(dǎo)基片和一個覆蓋波導(dǎo)基片的形成光波導(dǎo)的表面的波導(dǎo)覆蓋件。這個波導(dǎo)覆蓋件的端面可隔著粘合劑與光纖配列接頭的端面相對，并且至少波導(dǎo)覆蓋件的至少在其端面附近的部分是用能透過具有能使粘合劑固化的波長的光的透光材料制造的。在這種情況下，用透光材料構(gòu)成波導(dǎo)覆蓋件的與光纖配列接頭端面相對的部分端面，其截面積不小于1.0毫米2或更多。
第一構(gòu)件可以是一片光纖配列基片，在其一面表面上為光纖開了一組配列槽。在這種情況下，最好這個光纖配列基片是用熱膨脹系統(tǒng)小于6×10-5[/K]，最好小于1×10-5[/K]的材料制造的，如最好用硅制造。并且這些配列槽是用機(jī)械加工或各向異性蝕刻形成的。光纖配列基片也可以用陶瓷制造，而在燒結(jié)過程中形成配列槽。
或者，光纖配列基片用塑料，特別是用含填充劑的酚醛樹脂制造，而在塑料模鑄期間形成配列槽。
第二構(gòu)件可以是一個與光纖配列基片粘合的光纖定位件，用來將光纖固定在配列槽內(nèi)。光纖定位件的端面可隔著粘合劑與波導(dǎo)裝置的端面相對，并且至少光纖定位件的至少在其端面附近的部分是用能透過具有能使粘合劑固化的波長的光的透光材料制造的。
第一和第二構(gòu)件可以通過對塑料進(jìn)行模鑄整體成形。
波導(dǎo)裝置的一個端面可以與一個第一光纖配列接頭的端面相對，作為光輸入部，而波導(dǎo)裝置的另一個端面可以與一個第二光纖配列接頭的端面相對，作為光輸出部。
在本發(fā)明的光纖與光波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)中，光纖配列接頭由將光纖固定在其中的第一構(gòu)件和第二構(gòu)件構(gòu)成。第一構(gòu)件用不能透過具有能使粘合劑固化的波長的光的材料制造。因此，第一構(gòu)件不是用象石英玻璃那樣的透光材料而是用象硅那樣的材料制造的，加工非常容易。這樣，在第一構(gòu)件上就能按短時(shí)間、簡單的加工工藝加工出位置精度高的光纖配列槽。由于多根光纖與多根光波導(dǎo)能相互精確對準(zhǔn)，因此這種耦合結(jié)構(gòu)在連接端面處的傳輸損耗很小。
在端面相互相對的部分區(qū)域，至少光纖配列接頭和波導(dǎo)裝置有一個在其端面附近是用能透過具有能使粘合劑固化的波長的光的透光材料制造的。當(dāng)用光透過透光材料制造的透光部分進(jìn)行照射時(shí)，夾在光纖和光波導(dǎo)端面之間的光致固粘合劑薄膜，特別是在連接端面附近的，很容易廣泛地得到可靠的固化。如果各光纖和光波導(dǎo)在粘合劑固化前相互對準(zhǔn)，那么這種對準(zhǔn)狀態(tài)就能很穩(wěn)定地保持住。
由于既保證了固定光纖的配列槽的加工精度，又能使粘合劑可靠地得到固化，因此就能實(shí)現(xiàn)長期光傳輸損耗小、對環(huán)境耐受性好的耦合結(jié)構(gòu)。
在波導(dǎo)裝置的光波導(dǎo)與光纖配列接頭的光纖相互對準(zhǔn)后，將光張配列接頭的端面用光熱致固粘合劑通過聚合反應(yīng)粘到波導(dǎo)裝置的端面上。這種方式的聚合粘合結(jié)束后，用光以一定強(qiáng)度從涂有粘合劑的粘合表面外周部照射一段時(shí)間，使粘合劑光致固化。然后，將光波導(dǎo)模件加熱到一定溫度，保持一段時(shí)間，使粘合劑熱致固化，這樣粘合劑最終幾乎全部得到固化，被固定住，從而能將光波導(dǎo)與光纖相互牢固地安裝、固定在一起。
當(dāng)波導(dǎo)裝置具有一個覆蓋波導(dǎo)基片上的一個光波導(dǎo)形成表面的波導(dǎo)覆蓋件時(shí)，如果這個用透光材料制造的波導(dǎo)覆蓋件是處在光纖配列接頭與波導(dǎo)裝置的部分連接區(qū)，其截面積不小于1.0毫米2，則這個波導(dǎo)覆蓋件固定了粘合表面的在光致固化期間未被完全固化的部分。因此，抑制了在熱固化反應(yīng)期間可能出現(xiàn)的損耗起伏。
本發(fā)明從以下結(jié)合附圖所作的詳細(xì)說明中可以得到更充分的理解，然而這些都只是示例性的，并不是對本發(fā)明的限制。
從以下的詳細(xì)說明中可以看出本發(fā)明的其他適用范圍。然而，這些詳細(xì)說明和具體實(shí)例雖然表明了本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施例，然而也只是示例性的，因?yàn)閷τ谑煜け炯夹g(shù)的人來說從這些詳細(xì)說明中可以看出在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍內(nèi)是可以作出各種改動的。
在本說明的附圖中

圖1為示出作為本發(fā)明的一個實(shí)施例的光纖與光波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)的整體配置情況的透視圖;
圖2為圖1所示光纖與光波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)主要部分的分解透視圖;
圖3為示出圖1所示光纖與光波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)在光纖與光波導(dǎo)的耦合端面附近的結(jié)構(gòu)的縱向剖視圖;
圖4為示出圖3所示耦合端面的結(jié)構(gòu)的橫截剖視圖;
圖5和6為示出圖1所示光纖與光波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)的一種改型結(jié)構(gòu)的縱向剖視圖，在這種改型中，配列基片的端面與波導(dǎo)基片的端合相互粘合;
圖7至9為示出圖1所示光纖與光波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)的另一種改型結(jié)構(gòu)的縱向剖視圖，在這種改型中，定位件的端面與波導(dǎo)基片的端面相互粘合;
圖10至16為示出圖1所示光纖與光波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)的又一種改型結(jié)構(gòu)的縱向剖視圖，在這種改型中，配列基片的端面與波導(dǎo)基片的端面以及定位件的端面與覆蓋件的端面分別相互粘合;
圖17至23為示出圖1所示光纖與光波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)的又一種改型結(jié)構(gòu)的縱向剖視圖，在這種改型中，配列基片的端面與覆蓋件的端面以及定位件的端面與波導(dǎo)件的端面分別相互粘合;
圖24為示出圖1所示光纖與光波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)的又一種改型結(jié)構(gòu)在連接端面附近的縱向剖視圖，在這種改型中配列基片的端面和波導(dǎo)基片的端面相互粘合;
圖25為示出當(dāng)圖24的定位件是扁平形時(shí)的連接端面結(jié)構(gòu)的橫截剖視圖;
圖26是為示出當(dāng)圖24的定位件的截面是U形時(shí)的連接端面結(jié)構(gòu)的橫截剖視圖;
圖27為示出圖26的主要部分配置的分解透視圖;
圖28至30為示出圖1所示光纖與光波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)的又一種改型結(jié)構(gòu)的橫截剖視圖，在這種改型中，定位件和配列基片具有各種形狀;
圖31為示出各種透光材料的透光率與入射光波長之間關(guān)系的曲線圖;
圖32為示出用模鑄在光纖配列接頭的光纖周圍形成一層樹脂的加工工序情況的剖視圖;
圖33為示出在單模光纖與光波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)中的對準(zhǔn)誤差與光傳輸損耗之間的關(guān)系的曲線圖;
圖34為示出本發(fā)明實(shí)例1這個光纖與光波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)的連接端面結(jié)構(gòu)的橫截剖視圖;
圖35為示出對光纖與光波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)進(jìn)行循環(huán)加熱試驗(yàn)的測量系統(tǒng)的配置情況的原理圖;
圖36為示出從實(shí)例1的光纖與光波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)的八根光波導(dǎo)中任意選出的兩根配上光纖的光波導(dǎo)的光傳輸損耗隨時(shí)間起伏的曲線;
圖37為示出從對比例1的光纖與光波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)的八根光波導(dǎo)中任意選出的兩根配上光纖的光波導(dǎo)的光傳輸損耗隨時(shí)間起伏的曲線;
圖38為示出作為本發(fā)明實(shí)例3的光纖與光波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)的整體配置情況的平面圖;
圖39為圖38所示耦合結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖;
圖40為圖38所示耦合結(jié)構(gòu)的底視圖;
圖41為示出圖38至40中所示波導(dǎo)基片結(jié)構(gòu)的橫截剖視圖;
圖42至44為示出在圖38至40中所示光波導(dǎo)層的結(jié)構(gòu)的平面圖;
圖45為示出在光纖與光波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)中對準(zhǔn)誤差與光傳輸損耗之間的關(guān)系的理論曲線圖;
圖46為示出在對實(shí)例3的光纖與光波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)進(jìn)行循環(huán)加熱試驗(yàn)的預(yù)定強(qiáng)度變化的曲線圖;
圖47為示出作為本發(fā)明實(shí)例4的光纖與光波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)的整體配置情況的透視圖;以及圖48為列出在圖47所示光纖與光波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)中在粘合劑光致固化后和在粘合劑熱致固化后所得到的光傳輸損耗起伏情況的表。
圖49為顯示在光波導(dǎo)模件中使用的各種材料的熱膨脹特性和光吸收特性的表。
下面將結(jié)合圖1至48詳細(xì)說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的結(jié)構(gòu)和功能。在這些說明中相同的組成部分用相同的標(biāo)記數(shù)字標(biāo)記，而相同的說明也不重復(fù)給出。圖中所示的大小比例不一定與說明所給出的完全一致。
圖1示出了作為本發(fā)明一個實(shí)施例的光纖與光波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)的整體配置的透視圖。圖2這個分解透視圖示出了圖1所示的光纖與光波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)的主要部分的情況。由圖1可見，在這種光纖與光波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)中，光纖配列接頭1和波導(dǎo)裝置3用一種紫外線致固樹脂粘合劑4粘合在一起，兩個端面相互緊貼。
如圖2所示，每個光纖配列接頭1都有一塊用石英玻璃制成的定位板11和一片用硅制成的配列基片12。定位板11上有一個凹部，因此其截面呈U形，而配列基片12做成可以嵌入到這個凹部那樣的大小。在配列基片12的下表面上開有間隔相同的五條平行的V形配列槽131至135。從光纖帶2伸出的五根光纖211至215用樹脂完全覆蓋，埋入這五條配列槽131至135內(nèi)。當(dāng)配列基片12嵌入定位板11的凹部得到固定時(shí)，五條光纖211至215排成一列，分別持在配列槽131至135內(nèi)。
波導(dǎo)裝置13有一片硅的波導(dǎo)基片31和一個蓋在波導(dǎo)基片31上的透光的波導(dǎo)覆蓋件32。在波導(dǎo)基片31的上表面，也就是在波導(dǎo)基片31的與波導(dǎo)覆蓋件32(這個波導(dǎo)覆蓋件32并不是本發(fā)明必不可少的構(gòu)件，這在以下將會論及)接觸的那個表面形成一層薄薄的光波導(dǎo)層33，與波導(dǎo)基片31集成整體。在這層光波導(dǎo)層33中形成了五條光波導(dǎo)341至345，用作為各波導(dǎo)芯。
光波導(dǎo)層33通常是這樣形成的用火焰沉積法在一塊硅基片(波導(dǎo)基本31)上形成一層SiO2玻璃層(包覆層)后，在這層SiO2玻璃層上沉積一層含有摻雜物的高折光率的SiO2層，再對這層SiO2層進(jìn)行蝕刻，形成各波導(dǎo)芯(即光波導(dǎo)341至345)，最后再沉積一層SiO2層，用作上包覆層。因此，能夠?qū)⒐獠▽?dǎo)341至345的排列間距十分精確地做成與光纖配列接頭1上的光纖211至215的排列間距一致。
在這種光纖與光波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)中，光纖配列接頭1的端面和光波導(dǎo)裝置3的端面相互緊貼，用樹脂粘合劑4固定在一起，使得硅的配列基片12的端面正對光波導(dǎo)覆蓋件32的端面，而硅的波導(dǎo)基片31的端面正對石英玻璃的定位板11的端面。樹脂粘合劑4不僅在光纖配列接頭1和波導(dǎo)裝置3的端面的外周緣部分堆積鼓起，而且在這兩個端面之間也有薄薄的一層。
這個實(shí)施例的第一個特點(diǎn)是配列基片12是通過對一片硅晶片進(jìn)行加工而制成的。由于對硅進(jìn)行高精度研磨比較容易，因此可以用金剛石之類的刀具以非常高的位置精度開出配列槽131至135。配列槽131至135還可以用半導(dǎo)體加工的異向性蝕刻技術(shù)以很高的位置精度加工成正確的V形槽。
這個實(shí)施例的第二個特點(diǎn)是無論是安裝在配列槽131至135上的定位板11還是配置在波導(dǎo)基片31上部的波導(dǎo)覆蓋件32都是用透光材料(如石英玻璃或透紫外線的樹脂)制成的，而用硅制成的分別不透紫外線和可見光的配列基片12和波導(dǎo)基片31對著分別不透紫外線和可見光的定位板11和波導(dǎo)覆蓋件32。因此，當(dāng)樹脂粘合劑4夾在光纖配列接頭1和波導(dǎo)裝置3的端面之間而有光通過透光(透過具有能使樹脂粘合劑4固化的波長的光)的定位板11和波導(dǎo)覆蓋件32進(jìn)行照射時(shí)，不僅是暴露的樹脂粘合劑4連夾在端面之間的樹脂粘合劑4的薄膜也得到了固化，從而牢牢地將光纖配列接頭1和波導(dǎo)裝置3粘合在一起。
因此，按照之種具有上述兩個特點(diǎn)的實(shí)施例，可以獲得下列明顯的效果。
首先，由于配列基片12是用硅制成的，因此配列槽131至135能夠以很高的位置精度開成非常精確的形狀，使得只要將定位板11固定上去就能很精確地配列光纖211至215與光波導(dǎo)341至345對準(zhǔn)這一工序很容易達(dá)到相當(dāng)高的精度。
其次，由于樹脂粘合劑4即使是夾在兩個端面之間的也好都能得到良好的固化，因此能相當(dāng)穩(wěn)定地保持對準(zhǔn)了的狀態(tài)。也就是說，即使在使用期間有因機(jī)械沖擊和溫度變化而產(chǎn)生的應(yīng)力作用也不會導(dǎo)致對準(zhǔn)不良，因此能長期間保持光傳輸特性不變。
圖3為示出圖1所示光纖與光波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)在光纖與光波導(dǎo)的耦合端面附近情況的縱向剖視圖。圖4為示出圖3所示耦合端面結(jié)構(gòu)的橫截剖視圖。由圖3可見，如果構(gòu)成相對端面的幾個構(gòu)件中有一個透光，那么在這部分的樹脂粘合劑4就能得到固化。因此，固化的粘合劑的覆蓋區(qū)域較大，如圖4中打陰影線部分所示。
除了這個實(shí)施例外，還有各種改型，下面將結(jié)合圖5至23這些縱向剖視圖加以說明。
圖5和6為配列基片端面與波導(dǎo)基片端面相互粘合的改型結(jié)構(gòu)的縱向剖視圖。圖7至9為定位件端面與波導(dǎo)基片端面相互粘合的改型結(jié)構(gòu)的縱向剖視圖。圖10至16為配列基片端面與波導(dǎo)基片端面以及定位件端面與覆蓋件端面分別相互粘合的改型結(jié)構(gòu)的縱向剖視圖。圖17至23為配列基片端面與覆蓋件端面以及定位件端面與波導(dǎo)基片端面分別粘合的改型結(jié)構(gòu)的縱向剖視圖。
下面將對這些附圖進(jìn)行說明。在各圖的左下部打交叉陰影線的部分表示的是一片用硅制成的光纖配列基片，光纖就埋在開在這片光纖配列基片上表面的配列槽內(nèi)。壓在光纖配列基片上的是一個光纖定位件，各光纖與波導(dǎo)基片上的相應(yīng)光波導(dǎo)分別對準(zhǔn)。
無陰影線的部分表示的是透光材料(可透過能使光致圓粘合劑固化的光的材料，如石英玻璃)，而打陰影線的部分表示的是不透光材料(如硅)。固化后的粘合劑和未被固化的粘合劑分別表示成涂黑部分和打陰影線部分。
如果波導(dǎo)基片具有透光性能，則粘合劑至少在波導(dǎo)基片端面處的得到了固化，從而可以使連接十分牢固(見圖5、6、7、8、10、12、14、16、17、19、21和23)。對于波導(dǎo)覆蓋件具有透光性能的情況，可以得到相同的效果(見圖10、11、14、15、17、18、21和22)。與此相反，如果只是定位件是透明的，則只有在定位件的端面正對波導(dǎo)基片或波導(dǎo)覆蓋件的端面時(shí)才能得到良好的連接(例如見圖9、13和20)。
如果只是波導(dǎo)覆蓋件具有透光性能，則從光纖配列接頭與光波導(dǎo)裝置的連接強(qiáng)度來考慮，最好波導(dǎo)覆蓋件的正對光纖配列接頭的端面的面積為波導(dǎo)基片的正對光纖配列接頭的端面的面積的三分之一或更大一些(見圖15、22)。
本發(fā)明的耦合結(jié)構(gòu)是一種在光纖配列接頭和波導(dǎo)裝置的相對端面之間至少部分夾有的粘合劑薄膜可以得到固化的結(jié)構(gòu)。當(dāng)改變端面形狀時(shí)，這部分的粘合劑也不同。具體地說，即使在不加透光的波導(dǎo)覆蓋件，而光纖配列基片和波導(dǎo)基片都用硅制成、相互相對的情況下(圖3或4未示出這種結(jié)構(gòu))，根據(jù)透光的光纖定位板(定位件)的端面形狀，這種結(jié)構(gòu)也屬于本發(fā)明所提出的結(jié)構(gòu)范圍，如圖24至27所示。
圖24為示出一種改型的在連接端面附近的結(jié)構(gòu)的縱向剖視圖，在這種改型結(jié)構(gòu)中配列基片的端面和波導(dǎo)基片的端面相互粘合。圖25為示出圖24的定位件是平板形的連接端面結(jié)構(gòu)的橫截剖視圖。圖26為示出圖24的定位件具有U形截面的連接端面結(jié)構(gòu)的橫截剖視圖。圖27為示出圖26主要部分配置情況的分解透視圖。
如圖25所示，當(dāng)玻璃材料的定位件具有平板形狀時(shí)，它的與硅波導(dǎo)基片相對的端面幾乎不能保持，而夾入的粘合劑也只是有稍許固化。然而，如圖26和27所示，當(dāng)玻璃材料的定位件具有U形截面時(shí)，夾在硅的波導(dǎo)基片和定位件凸出部的端面之間較大區(qū)域內(nèi)的粘合劑就得到了固化。
因此，就光纖配列接頭和波導(dǎo)裝置的端面形狀而言，可以有許多不同的改型。本發(fā)明的耦合結(jié)構(gòu)就是通過組合這些改型來實(shí)現(xiàn)的。
圖28至30為示出一種改型的連接端面結(jié)構(gòu)的橫截剖視圖，在這種改型中定位件和配列基片具有各種形狀。這樣，光張配列接頭的端面可以有各種形狀。對于波導(dǎo)裝置也是這樣。
適用于本發(fā)明粘合劑可以是一種光致固粘合劑，而并不局限于以上所提到的紫外線致固樹脂。例如，受到可見光照射而固化的可見光致固樹脂也能適用。此外，也可采用加有熱致固催化劑的光熱致固粘合劑。作為光致固粘合劑，英國ICI公司生產(chǎn)的Luxtrak系列很為適用，特別值得推薦的是商標(biāo)為“LCR509A”的那一種粘合劑。
適用于本發(fā)明的透光材料并不局限于主要成分為SiO2的石英玻璃，只要這種材料能夠透過具有能使上述光致固粘合劑固化的波長的光就可使用。例如，可以采用具有光吸收界限為波長不大于450毫微米的樹脂，如聚碳酸酯(PC)或聚甲基丙烯酸酯(PMMA)。特別可推薦的透光材料是熱膨脹系數(shù)小于6×10-5，最好小于1×10-5的材料。這種透光材料最好也是熱膨脹系數(shù)與硅的相差不到20%的玻璃。
在本發(fā)明的耦合結(jié)構(gòu)中，以薄膜形式夾在端面之間的光致固粘合劑在光透過透光材料的照射下得到固化。因此，所使用的透光材料必需根據(jù)所使用的粘合劑類型加以選擇。
圖31示出了照射光波長與各種透光材料的透光率之間的關(guān)系。由圖可見，聚碳酸酯和聚甲丙基烯酸酯適合固化可見光致固樹脂，而石英玻璃無論是對于固化紫外線致固樹脂還是對于固化可見光致固樹脂都很適合。
本發(fā)明中可以采用的光纖配列基片并不局限于以上所說明的用硅制成的那一種，只要能在其表面容易加工出上述配列槽，其它材料也可用來制造光纖配列基片。例如，可以用一種能在燒結(jié)期間在表面形成配列槽的陶瓷材料。也可以用一種能在模鑄期間和表面形成配列槽的塑料。特別是象含填充料的酚醛樹脂、加工成模壓互連件(MID)的液晶聚合物之類的塑料很是合適。最好，光纖配列件用熱膨脹系數(shù)小于6×10-5，最好小于1×10-5的材料制造。
本發(fā)明中能采用的光纖配列接頭并不局限于上述那樣通過將光纖夾在分別形成的定位件和配列基片之間而構(gòu)成的那種，也可以采用通過將樹脂之類的圍著光纖加以模鑄成形而構(gòu)成的光纖配列接頭。
圖32示出了通過模鑄圍著光纖配列接頭的光纖形成一層樹脂之類的工序。將從光纖帶2伸出一組光纖的相同間隔相互平行排列。金屬模框61和62相互緊貼固定，使得這些光纖插入金屬?？?1和62圍成的內(nèi)部空間。將樹脂60注入?？?1和62所圍區(qū)域，待冷卻后再從光纖上到下?？?1和62，對樹脂60的一個突出光纖的端面加以機(jī)械拋光。這樣就制成了一個用模鑄整體成形的光纖配列接頭。
通過以上配置，可以使本發(fā)明所提出的耦合結(jié)構(gòu)具有非常高的對準(zhǔn)精度。對準(zhǔn)不良是造成光傳輸損耗的主要因素之一。具體地說，為了低損耗地將一根單模光纖與一根光波導(dǎo)進(jìn)行耦合，對準(zhǔn)最好精確到小于0.5微米。這個值是還考慮到除對準(zhǔn)不良以外的通常會層致?lián)p耗的一些因素(如連接端面的對準(zhǔn)不良，端面之間的距離等)而確定的。
圖33示出了在一個單模光纖與光波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)中安裝對準(zhǔn)不良與光傳輸損耗之間的關(guān)系。由圖可見，安裝對準(zhǔn)越差，損耗越大。
圖49顯示了光波導(dǎo)模件中使用的各種材料的熱膨脹特性和光吸收特性表。根據(jù)此表，陶瓷材料的Y-ZrO2，Si及含有塑料材料填充劑的酚醛樹脂因具有相對較低的熱膨脹系數(shù)而適于作為光纖配列基片。含有SiO2作為主要成分的玻璃的SiO2，SD1，SD2(HOYA公司生產(chǎn))，由玻璃纖維增強(qiáng)的PMMA和OC因具有相對較代的熱膨脹系數(shù)和位于波長為450nm或少于450nm的光吸收界限而適于作為透光材料。
為了證明本發(fā)明的耦合結(jié)構(gòu)的實(shí)用性和現(xiàn)實(shí)性，本發(fā)明者制作了如下一些耦合結(jié)構(gòu)的樣品，這些樣品將作為實(shí)例和對比例加以說明。
實(shí)例1圖34為示出作為本發(fā)明實(shí)例1的光纖與光波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)的連接端面結(jié)構(gòu)的橫截剖視圖。雖然可以結(jié)合圖1至4來理解實(shí)例1的這種光纖與光波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)，但實(shí)例1這個耦合結(jié)構(gòu)的配置情況還是與圖1至4所示的稍有不同。光纖定位板11的端面形狀和光纖配列基片12的端面形狀與圖30所示的相同。如圖34所示，這個實(shí)例的耦合結(jié)構(gòu)沒有波導(dǎo)覆蓋件，而用石英玻璃制成的光纖定位板11的端面和用硅制成的波導(dǎo)基片31的端面相互相對。粘合劑用的是一種環(huán)氧基紫外線致固樹脂4，而光纖配列基片12是用硅制成的。
光纖配列接頭1由一塊用硅制成的光纖配列基片12和一個用石英玻璃制成的光纖定位件11構(gòu)成。光纖配列基片12上形成一個使截面大致呈U形的凹入部，如圖34所示，而在這個凹入部的下表面上開了截面呈V形的相互平行的槽131至138。V形槽131至138用金剛石刀具研磨連續(xù)一次成形，深度為150微米，相互間距為250微米。八根光纖211至218(按CCITT標(biāo)準(zhǔn)，外徑為125微米，芯徑為50微米)分別埋入V形槽131至138。用壓力將光纖定位件11嵌入光纖配列基片12的凹入部，固定光纖211至218。在這個實(shí)例中，光纖定位件11是用環(huán)氧基紫外線致固樹脂4粘到配列基片12上的。具體地說，將樹脂4涂在定位件11的粘合表面上，與光纖配列基片12粘合后，用高壓水銀燈發(fā)出的波長為365毫微米的紫外光通過石英玻璃的定位件11對粘合劑進(jìn)行照射，使之固化，從而就完成了定位件11與配列基片12的粘合。光纖211至218在以這種方式得到的光纖配列接頭1中排成一列。光纖配列接頭1的端面用光學(xué)拋光成形，這樣就不會發(fā)生連接端面對準(zhǔn)不良的情況，不會增加損耗。
波導(dǎo)裝置3是通過在硅的波導(dǎo)基片31上形成一個8光波導(dǎo)層33得到的。如上所述，本例不加波導(dǎo)覆蓋件。光波導(dǎo)層33有一層用SiO2-B2O3-P2O5玻璃制成的包覆層35和八根間距為250±0.5微米用SiO2-GeO2-P2O5-B2O3玻璃制成截面為8×8微米、長為4厘米正方棱柱的光波導(dǎo)341至348。這些光波導(dǎo)用作為波導(dǎo)芯。在這個實(shí)例中，波導(dǎo)芯和包覆層的折光率相差0.3%。
將光纖配列接頭1的端面和波導(dǎo)裝置3的端面相互緊貼，同時(shí)將光纖211至18與光波導(dǎo)341至348分別相互對準(zhǔn)。將環(huán)氧基紫外線致固樹脂4注入到光纖配列接頭1的端面和波導(dǎo)裝置3的端面之間，進(jìn)行固化，使得光纖配列接頭1和波導(dǎo)裝置3固定在一起，從而形成了本實(shí)例的光纖與光波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)。為了促進(jìn)夾在端面之間的薄膜狀粘合劑的固化，使用石英玻璃制成的光纖定位件11的端面對著硅的波導(dǎo)基片31的端面。用由高壓水銀燈發(fā)出的波長為365毫微米的紫外光對四周的紫外線致固樹脂部分進(jìn)行照射，使紫外線致固樹脂得到固化。作為紫外光源用的是Toshiba Raytech生產(chǎn)的高壓水銀燈Toscure201。
這個實(shí)例的光纖與光波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)含有八根配上光纖的光波導(dǎo)，將光纖211至218與11根光波導(dǎo)341至348連接起來。已經(jīng)對這些配上光纖的光波導(dǎo)的光傳輸損耗進(jìn)行了測量，測得的平均損耗為0.18dB。當(dāng)耦合結(jié)構(gòu)的環(huán)境溫度在-10至70℃范圍內(nèi)反復(fù)循環(huán)時(shí)(1個循環(huán)為6小時(shí))，在整個時(shí)間內(nèi)損耗非常穩(wěn)定，起伏相當(dāng)小，起伏值在±0.1dB以內(nèi)。這是兩個相當(dāng)不錯的結(jié)果。傳輸損耗小說明這個實(shí)例的耦合結(jié)構(gòu)的多根光纖和光波導(dǎo)連接的對準(zhǔn)精度很高，而損耗起伏小說明這個實(shí)例的耦合結(jié)構(gòu)的對環(huán)境的耐受性能好。
圖35示出了對光纖與光波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)進(jìn)行循環(huán)加熱試驗(yàn)的測試系統(tǒng)的原理圖。按實(shí)例1制成的光波導(dǎo)模件71安置在恒溫槽70內(nèi)，而用作光波導(dǎo)模件71的輸入、輸出部分的光纖帶2通到恒溫槽70的外部。一條光纖帶2通過熔合接到與發(fā)光二極管(LED)72的發(fā)光部分連接的光纖73上。另一條光纖帶2通過熔合接到與光功率計(jì)75的光接收部分連接的光纖74上。光功率計(jì)75的輸出端與微計(jì)算機(jī)(PC)76的輸入部分相互電連接。采用這種配置，作為測量對象的光波導(dǎo)模件71保持在由恒溫水槽70所決定的一個預(yù)定溫度上。從發(fā)光二極管72發(fā)出的具有預(yù)定波長的光通過光纖73發(fā)送到光波導(dǎo)模件71，再通過光纖74傳送到光功率計(jì)75，加以檢測。光功率計(jì)75輸出的檢測信號傳送給PC76，經(jīng)受預(yù)定的算法處理后在PC76的標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)視器上顯示出來。
圖36示出了兩根配上光纖的光波導(dǎo)的光傳輸損耗在測試時(shí)間內(nèi)的起伏情況，這兩根光波導(dǎo)是從實(shí)例1的光纖與光波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)的八根光波導(dǎo)中任意選出的。
實(shí)例2在這個實(shí)例的光纖與光波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)中，用來制成光纖定位件11的透光材料的類型與實(shí)例1的不同。在這個實(shí)例中，用一種樹脂聚碳酸酯作為透光材料。在粘合光纖配列接頭1和波導(dǎo)裝置3時(shí)，用環(huán)氧基可見光致固樹脂作為粘合劑，使可見光通過光纖定位件11投射到這種粘合劑上，使之固化。環(huán)氧基可見光致固樹脂還用作將光纖定位件11粘到光纖配列基片12上的粘合劑。除了這些不同以外，這個實(shí)例的光纖與光波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)的配置與實(shí)例1的相同。
通過對實(shí)例2這個耦合結(jié)構(gòu)中的八根配上光纖的光波導(dǎo)的損耗測試，測得平均損耗為0.2dB。當(dāng)環(huán)境溫度象實(shí)例1那樣循環(huán)改變時(shí)，測得的結(jié)構(gòu)果幾乎與實(shí)例1的相同。具體地說，在整個測試時(shí)間內(nèi)損耗相當(dāng)穩(wěn)定，起伏很小，起伏值在±0.1dB的范圍內(nèi)。這兩個結(jié)果都理相當(dāng)令人滿意的。
下面將對對比例加以說明。下面要說明的對比例的這些耦合結(jié)構(gòu)無論配置情況還是定位件11、配列基片12和波導(dǎo)基片31的形狀都與實(shí)例1的相同，定位件11也是與波導(dǎo)基片31相對。但是，對比例1和2分別在定位件11和配列基片12的材料上與實(shí)例1有所不同。象實(shí)例1一樣，也用環(huán)氧基紫外線臻固樹脂作為粘合劑。
對比例1在對比例1這個光纖與光波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)中，與實(shí)例1和2不同的是光纖定位件11是用硅制造的。除此以外，對比例1的耦合結(jié)構(gòu)與實(shí)例1的完全相同。因此，在這個對比例的耦合結(jié)構(gòu)中沒有使用象石英玻璃那樣高透射率的透紫外線的材料。
通過對這個對比例的耦合結(jié)構(gòu)中八根配上光纖的光波導(dǎo)的損耗測試，測得平均損耗為0.25dB。當(dāng)環(huán)境溫度用圖35所示測試系統(tǒng)象實(shí)例1那樣循環(huán)改變時(shí)，損耗隨時(shí)間起伏變化較大。
圖37示出了兩根配上光纖的光波導(dǎo)的損耗在整個測試時(shí)間內(nèi)起伏的情況，這兩根光波導(dǎo)是從對比例1這個光纖與光波導(dǎo)的連接結(jié)構(gòu)的八根光波導(dǎo)中任意選出的。由圖可見，每個循環(huán)后損耗都要增大，損耗增大量超過0.7dB。
對比例2在對比例2這個光纖與光波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)中，與實(shí)例1和2不同的是光纖配列基片11是用石英玻璃制造的。除此以外，對比例2這個耦合結(jié)構(gòu)與實(shí)例1的完全相同。
通過對這個耦合結(jié)構(gòu)的八根配上光纖的光波導(dǎo)的損耗測試，測得最大值為1.25dB，最小值為0.15dB，而平均值為0.52dB。
如上所述，在對比例1這個耦合結(jié)構(gòu)中，由于沒有使用象石英玻璃那樣的透光材料，紫外光不能充分地投射到紫外絲致固樹脂上，因此樹脂得不到充分固化，以致光傳輸損耗大，對環(huán)境的耐受性也差。
相反，在實(shí)例1和2這兩個耦合結(jié)構(gòu)中，由于用石英玻璃制造的定位件11的端面與用硅制造的波導(dǎo)基片31的端面相對，因此夾在光纖211至218的連接端面和光波導(dǎo)341至348的連接端面附近的薄膜狀光固化粘合劑能夠很容易得到可靠的固化。結(jié)果，就象這兩個實(shí)例所證明的那樣，可以得到光傳輸損耗小、對環(huán)境的耐受性好的耦合結(jié)構(gòu)。
在對比例2這個耦合結(jié)構(gòu)中，由于光纖配列基片用的是透光材料石英玻璃，因此粘合劑是充分得到了固化。但通過對開在配列基片上的V形槽的加工精度的檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)第一個開的V形槽的深度為150微米，而最后開的V形槽的深度則小到只有140微米。這是由于石英玻璃加工困難，使刀具磨損而造成的。V形槽加工精度差，對準(zhǔn)精度也就降低，從而使損耗增大到1.5dB。
為了改善這種情況，必需提高V形槽的加工精度。然而，用了透光材料，如石英玻璃玻璃要以高位置精度排列光纖就很困難，而且加工也十分麻煩，因此生產(chǎn)這種耦合結(jié)構(gòu)所需的時(shí)間比較長。
相反，在實(shí)例1和2這兩個耦合結(jié)構(gòu)中，由于配列基片12用的是加工容易的硅，因此可以在很短的時(shí)間內(nèi)用簡單的工藝加工出位置精度高的V形槽。此外，由于多根光纖與多根光波導(dǎo)對準(zhǔn)精度高，因此可以得到連接端面光傳輸損耗小的耦合結(jié)構(gòu)。
通過與對比例的比較可見，在本發(fā)明的實(shí)例1和2這兩個光纖211至218與光波導(dǎo)341至348的耦合結(jié)構(gòu)中用的是用硅制造的光纖配列基片12和用透光材料制造的光纖定位件11。因此，雖然配列基片按照慣常的短時(shí)加工工藝制造，但光纖排列的位置精度仍有保證。這樣，既能使多根光纖與多根光波導(dǎo)相互精確對準(zhǔn)，又能使光致固粘合劑容易得到可靠的固化，從而能得到長期光傳輸損耗小、對環(huán)境的耐受性(如抗溫度變化)好的光纖與光波導(dǎo)的連接結(jié)構(gòu)。
實(shí)例3圖38為本發(fā)明的實(shí)例3這個光纖與光波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)整體配置的平面圖。圖39和40分別為圖38的側(cè)視圖和底視圖。在這個實(shí)例的光纖與光波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)中，在將光纖配列接頭1與波導(dǎo)裝置3相互連接時(shí)，使用了光熱致固粘合劑4。
光纖配列接頭1由一片用硅制造的光纖配列基片12和一個用石英玻璃制造的光纖定位件11構(gòu)成。一組具有V形截面的配列槽相互平行地開在截面大體呈U形的光纖配列基片12的凹入部的下表面上。一組從一條光纖帶2伸出的光纖分別埋在光纖配列基片12的各配列槽內(nèi)，被嵌入光纖配列基片12的凹入部的光纖定位件11壓住。在光纖配列接頭1的一端露出各光纖的端面。
光纖與列接頭1的長(L1)、寬(W1)、高(H1)分別為8毫米、5毫米和2毫米。光纖帶的寬度(W2)為2.3毫米左右。
圖41為示出圖38中所示的波導(dǎo)裝置的結(jié)構(gòu)的橫截剖視圖。這個波導(dǎo)裝置3由一塊用硅制造的波導(dǎo)基片31和一層通過按照火焰水解沉積(FHD)法依次疊積玻璃層在波導(dǎo)基片31的上表面形成的光波導(dǎo)層33。光波導(dǎo)層33有一層在波導(dǎo)基片31上形成的作為包覆層的過渡層35、一組在過渡層35上表面上形成的作為芯層的光波導(dǎo)34、以及一層覆蓋壓過渡層35和光波導(dǎo)34上的保護(hù)層36。按照反應(yīng)離子蝕刻(RIE)法形成的光波導(dǎo)34可以是直線形或分支形地埋置芯，芯徑為8微米，折光率差為0.3%。各光波導(dǎo)34的一個端面在波導(dǎo)裝置3的一端露出，作為接受光照射的輸入部，而各光波導(dǎo)34的陣個端面則在波導(dǎo)裝置3的另一端露出，作為使光射出的輸出部。
圖42至44為示出圖38中所示波導(dǎo)裝置中光波導(dǎo)層配置情況的平面圖。光波導(dǎo)34可以有各種結(jié)構(gòu)類型，例如;如圖42所示的8分支元型光波導(dǎo)，如圖43所示的具有2×2分支元的4回路集成型光波導(dǎo)，以及如圖44所示的2×8分支元型光波導(dǎo)。
就尺寸而言，波導(dǎo)裝置3的長(L3)、寬(W3)、高(H3)分別為40毫米、5毫米和1.1毫米左右。具體地說，波導(dǎo)基片31、過渡層35和保護(hù)層36的厚度H31、H35、H36分別為1毫米、30微米和40微米左右。各光波導(dǎo)34的寬度和厚度都為8微米左右。特別，圖43所示的具有構(gòu)成2×2分支元的4回路集成型光波導(dǎo)的光波導(dǎo)層33的波導(dǎo)裝置3的長度(L3′)為25毫米左右。
光纖配列接頭1的端面和波導(dǎo)裝置3的端面用光熱致固粘劑4通過聚合作用相互粘合，這在下面將要加以說明。采用聚合粘合，可以將光纖配列接頭1和波導(dǎo)裝置3安裝成使光纖配列接頭1的光纖的光軸與波導(dǎo)裝置3的光波導(dǎo)的光軸相互重合。一個或兩個光纖配列接頭1和波導(dǎo)裝置3構(gòu)成一個光波導(dǎo)模件。
光熱致固粘合劑4含有適合在很寬的溫度范圍內(nèi)使用的粘合強(qiáng)度高的環(huán)氧基光致固粘合劑。在環(huán)氧基光致固粘合劑中事先加有熱致固催化劑，其原因如下。如果使用的只是熱致固粘合劑，那么在固化期間光纖配列接頭1的光纖的光軸和波導(dǎo)裝置3的光波導(dǎo)的光軸就對不準(zhǔn)。熱致固催化劑加到環(huán)氧基光致固粘合劑中就是為了防止這種對準(zhǔn)不良情況的發(fā)生。具體地說，由于熱致固樹脂的固化時(shí)間較長，需要30分鐘到12小時(shí)，因此，在固化期間光纖配列接頭1的光纖的光軸與波導(dǎo)裝置3的光波導(dǎo)的光軸就會錯位，這是所不希望的。
圖45示出了在光纖與光波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)中對準(zhǔn)誤差與光傳輸損耗之間關(guān)系的理論曲線。由圖可見，對準(zhǔn)誤差越大，光傳輸損耗也越大。
為了防止這種對準(zhǔn)不良的發(fā)生，在粘合劑4中含有光致固引發(fā)劑和熱致固引發(fā)劑。在外周部分的光熱致固粘合劑4由于受到光照射在很短時(shí)間內(nèi)(1至15分鐘)就得到固化。此后，未受光照射的部分受熱固化(30分鐘到12小時(shí))。因此，光熱致固粘合劑4最終幾乎全部都得到了固化，從而將光纖配列接頭1(從光纖帶2伸出的各光纖就排列和固定在這個接頭上)與波導(dǎo)裝置3相互連接，固定在一起。光熱致固粘合劑4中的致固引發(fā)劑在受到光照射或加熱時(shí)形成游離基，促進(jìn)光熱致固粘合劑4的主要成分的單聚物和(或)齊聚物發(fā)生聚合反應(yīng)。因此，加在光熱致固粘合劑4中的各種致固引發(fā)劑的量最好至少能保證即使是用一種引發(fā)劑也有90%產(chǎn)生固化反應(yīng)。
必需避免過多地加入致固引發(fā)劑，因?yàn)?，如果引發(fā)劑加得過多，那么留在光熱致固粘合劑4內(nèi)的引發(fā)劑會降低粘合強(qiáng)度。因此在粘合劑4內(nèi)最好含有的光致固引發(fā)劑和熱致固引發(fā)劑的重量百分比都大于等于0.5%而小于5.0%。如果每種引發(fā)劑的添加量小于0.5%，則固化反應(yīng)不充分，在固化處理后仍有一部分未固化，因此降低了粘合強(qiáng)度。這樣，環(huán)境變化(如溫度、機(jī)械沖擊等)很容易使損耗起伏。如果每種引發(fā)劑的添加量等于或大于5.0%，則會產(chǎn)生由于剩余的致固引發(fā)劑而象在添加量過少時(shí)所發(fā)生的那樣使粘合強(qiáng)度降低的問題。
環(huán)氧基粘合劑的光致固引發(fā)劑和熱致固引發(fā)劑例如在“實(shí)用塑料詞典”(“Practical Plastic Dictionarg”Published by K.K.Sangyo Chosa Kai，1993)中的表106(218頁)、表1-7(219頁)和表2-4-5(577頁)中有所說明。作為光熱致固粘合劑，日本Three Bond公司生產(chǎn)的Three Bond 3000和3100系列頗為合適，特別可推薦的是象“3042”、“3102”、“3103”、“3112”和“3113”這些。
然后，為了將光纖配列接頭1的光纖安裝在波導(dǎo)裝置3的光波導(dǎo)內(nèi)，將光纖配列接頭1的光纖與波導(dǎo)裝置3的光波導(dǎo)對準(zhǔn)。接著，將光熱致固粘合劑4涂在與波導(dǎo)裝置3的用作輸入部的端面相對的一個光纖配列接頭1的配列有輸入光纖的端面上，以及涂在與波導(dǎo)裝置3有用作輸出部的端面相對的另一個光纖配列接頭1的配列有輸出光纖的端面上(見圖39)。
在這樣涂好粘合劑4后，用紫外光(高壓水銀燈所發(fā)生的波長為365毫微米的光)以10毫瓦/厘米3的強(qiáng)度從外向涂有光熱致固粘合劑4的粘合面的外周部分(接近粘合部)照射200秒，使粘合劑4光致固化。此后，將這個光波導(dǎo)模件加熱到80℃，保持10小時(shí)，使粘合劑4熱致固化。這樣就將光纖配列接頭1的光纖與波導(dǎo)裝置3的光波導(dǎo)安裝固定在一起。熱固化結(jié)束后的包括相應(yīng)連接部分在內(nèi)的輸入、輸出光纖的損耗為0.31dB，折射衰減量為-45dB。
圖46示出了對實(shí)例3這個光纖與光波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)進(jìn)行循環(huán)加熱測試時(shí)的預(yù)定溫度變化情況。通過對這個光波導(dǎo)模件在-40℃至+75℃循環(huán)溫度條件下的損耗起伏測試，測得最大損耗與最小損耗的差為0.08dB，這是一個十分令人滿意的結(jié)果。
對比例3為了從比較的觀點(diǎn)來說明本發(fā)明的效果，下面將對一種與實(shí)例3不同的將光纖配到接頭1的光纖與波導(dǎo)裝置3的光波導(dǎo)安裝在一起的方法。在這種方法中使用的是單純的環(huán)氧基光致固粘合而不象實(shí)例3中的那樣加有熱致固催化劑。這個對比例的光波導(dǎo)模件的結(jié)構(gòu)與實(shí)例3的相同。
在這個對比例中，在將光纖配列接頭1的光纖與波導(dǎo)裝置3的光波導(dǎo)對準(zhǔn)后，將環(huán)氧基光致固粘合劑涂在與波導(dǎo)裝置3的用作輸入部的端面相對的一個光纖配列接頭的配列有輸入光纖的端面上，以及涂在與波導(dǎo)裝置3的用作輸出部的端面相對的另一個光纖配列接頭1的配列有輸出光纖的端面上。
在這樣涂好粘合劑后，用紫外光(高壓水銀燈發(fā)出的波長為365毫微米的光)以10毫瓦/厘米3的強(qiáng)度從外向涂有環(huán)氧基光致固粘合劑的粘合表面的外周部分照射200秒，使粘合劑4光致固化。從而將光纖配到接頭1的光纖與波導(dǎo)裝置3的光波導(dǎo)安裝固定在一起。
包括相應(yīng)連接部分在內(nèi)的輸入、輸出光纖的損耗為0.31dB，折射衰減量為-45dB。當(dāng)在-40℃至+75℃循環(huán)溫度條件下以與實(shí)例3中同樣的方式測試這個光波導(dǎo)模件的損耗起伏時(shí)，測得最大損耗與最小損耗的差為0.45dB，這表明損耗起伏相當(dāng)大。
按照在實(shí)例3中所示的方法，用紫外光對涂有光熱致固粘合劑4的粘合表面的外周部進(jìn)行照射使粘合劑4光致固化后，還要對光波導(dǎo)模件進(jìn)行加熱，使粘合劑4熱致固化，從而最終幾乎全部固化，固定了光結(jié)定位件11。因此，無論光纖配列接頭1還是波導(dǎo)裝置3都不必用透光材料制造。所以，當(dāng)不透光的硅用作可用FHD法進(jìn)行加工的波導(dǎo)基片31的材料時(shí)，光纖配列接頭1的材料必需是透光材料的這一缺點(diǎn)就能確定消除了。此外，由于光纖配列接頭1和波導(dǎo)裝置3都不需要分別安裝在金屬外殼內(nèi)，因此也就消除了安裝方式很貴的缺點(diǎn)。
實(shí)例4圖47示出了本發(fā)明實(shí)例4這個光纖與光波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)的整體配置的透視圖。在這個實(shí)例中，光纖配列接頭1的光纖配列基片12和光纖定位件11的材料都用的是硅。在波導(dǎo)裝置3中，兩個波導(dǎo)覆蓋件32用環(huán)氧基光致固粘合劑4分別固定在波導(dǎo)基片31上表面的兩個端部。
波導(dǎo)覆蓋件32用透光材料SiO2玻璃板制造，端面經(jīng)過拋光，構(gòu)成與波導(dǎo)基片31的端面相同的平面。波導(dǎo)覆蓋件32用環(huán)氧基光致固粘合劑粘在波導(dǎo)基片31的上表面端部和相應(yīng)的光纖配列接頭1的垂直表面部分，以便抑制在熱固化期間的損耗起伏。波導(dǎo)覆蓋件31是在將光纖配列接頭1的光纖與波導(dǎo)裝置3的光波導(dǎo)安裝之前粘到波導(dǎo)基片31上去的。不是這樣的話，由于在光固化期間粘合劑4的固化收縮的影響，損耗起伏會增大。這個耦合結(jié)構(gòu)的其他部分均與實(shí)例3的相同。
波導(dǎo)覆蓋件32加工成長方體，其長(l)、寬(w)、高(h)分別為5毫米、5毫米和1毫米左右，而與相應(yīng)的光纖配列接頭1相對的端面的截面積為5厘米2左右。
圖48為示出在圖47所示這個光纖與光波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)中在粘合劑光固化后和在粘合劑熱固化后光傳輸損耗起伏情況的表。顯然，可以預(yù)料這個實(shí)例的功能和效果與實(shí)例3的相同。在這個光波導(dǎo)模件中所用的光熱致固粘合劑與實(shí)例3中所述的相同。通過在粘合劑用紫外線照射固化后和進(jìn)行加熱固化后損耗起伏的測試，證明起伏壓到相當(dāng)小，只有0.02dB。如果不用波導(dǎo)覆蓋件32，則在熱固化處理前后的損耗起伏大到0.15dB。在這個實(shí)例中，用的是用Sio2玻璃板制造的波導(dǎo)覆蓋件32。即使使用用SiO2-Na2O-Al2O3基玻璃制造的波導(dǎo)覆蓋件32，所起的作用和所得到的效果也幾乎相同。
在實(shí)例3和4中，使用了加了熱致固催化劑的環(huán)氧基光致固粘合劑作為光熱致固粘合劑。然而，即使使用其他具有相同作用的粘合劑，例如加了熱致固催化劑的丙烯酸鹽基粘合劑，也能得到與以上實(shí)例相同的作用和效果。在實(shí)例3和4中，使用了通過在硅的光纖配列基片上開V形槽而得到的光纖配列接頭。然而，即使使用用塑料制造的光纖配列基片，也能得到與上述相同的作用和效果。在實(shí)例4中，波導(dǎo)覆蓋件與光纖配列接頭端面相對的截面積為5.0毫米2左右。然而，只要這個截面積大于等于1.0毫米2，就能得到相同的作用和效果。
正如上面詳細(xì)說明的那樣，在本發(fā)明所提出的光纖與光波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)中，構(gòu)成光纖配列接頭的第一構(gòu)件是用加工容易的材料，如硅制造的，這種材料不能透過具有能使粘合劑固化的波長的光。然而能在這第一構(gòu)件上用簡單的加工工藝在短時(shí)間內(nèi)以高位置精度加工光纖配列槽。在端面相互相對的部分區(qū)域，至少光纖配列接頭和波導(dǎo)裝置中有一個在其端面附近的一個部分用可以透過具有能使粘合劑固化的波長的光的透光材料制造。因此，夾在端面之間的光致固粘合劑薄膜很容易在透過用透光材料制造的透光部分的光的照射下可靠地在整個寬區(qū)域內(nèi)得到充分固化。
這樣，可以按照慣常的短時(shí)間加工工藝將多光纖和多光波導(dǎo)精確對準(zhǔn)，從而減小了光傳輸損耗。光纖與光波導(dǎo)的這種對準(zhǔn)狀態(tài)可以長期保持穩(wěn)定，所以這種光纖和光波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)具有很高的對環(huán)境的耐受性能。
波導(dǎo)裝置的光波導(dǎo)與光纖配列接頭的光纖對準(zhǔn)后，光纖配列接頭的端面用光熱致固粘合劑通過聚合反應(yīng)粘到波導(dǎo)裝置的端面上。將光以一定強(qiáng)度對涂有粘合劑的粘合表面的外周部分照射一段預(yù)定的時(shí)間，使粘合劑光致固化后，再將光波導(dǎo)模件加熱到預(yù)定溫度，保持一段預(yù)定的時(shí)間，使粘合劑熱致固化。最終粘合劑幾乎全部得到固化和固定。因此，就能正確地將光波導(dǎo)和光纖安裝好，牢固地固定在一起。
此外，當(dāng)波導(dǎo)裝置有一個覆蓋在波導(dǎo)基片的形成光波導(dǎo)的表面的8波導(dǎo)覆蓋件時(shí)，如果用透光材料制造的波導(dǎo)覆蓋件預(yù)先安裝在光纖配列接頭與波導(dǎo)裝置的部分連接區(qū)，其截面積為1毫米2以上，則這個波導(dǎo)覆蓋件就固定了粘合區(qū)的在光致固化期間未完全固定的部分。結(jié)果是，大大抑制了熱固化反應(yīng)期間的損耗起伏。
從對本發(fā)明的說明可見，本發(fā)明在許多方面都可以加以變化。這些經(jīng)并不偏離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍。對于熟悉本技術(shù)的人來說顯然可以看到所有這些改型都包括在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
本發(fā)明列作參考的基本專利有1993年7月14日提出的日本專利申請No.174，393/1993以及1994年2月2日提出的日本專利申請No.11015/1994。
權(quán)利要求
1.一種光纖與光波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)，其特征是所述耦合結(jié)構(gòu)包括一組光纖；一個光纖配列接頭，所述光纖配列接頭有一個第一構(gòu)件和一個第二構(gòu)件，所述光纖組被所述第一、第二構(gòu)件夾持在中間，固定在所述光纖配列接頭內(nèi)；一個波導(dǎo)裝置，所述波導(dǎo)裝置有一片波導(dǎo)基片和一組在所述波導(dǎo)基片的一個表面上形成的光波導(dǎo)，通過將所述波導(dǎo)裝置的一個端面與所述光纖配列接頭的一個端面相互緊貼，使所述光波導(dǎo)組各端與所述光纖配列接頭各端分別對準(zhǔn)；以及一種粘合劑，所述粘合劑夾在所述兩個端面之間，得到固化，其中所述粘合劑是一種光致固粘合劑；所述第一構(gòu)件是用一種阻止具有能使所述粘合劑固化的波長的光通過的材料制造的；以及在所述光纖配列接頭端面與所述波導(dǎo)裝置端面相對的至少部分區(qū)域，所述光纖配列接頭和所述波導(dǎo)裝置至少有一個在所述端面附近是用一種能透過具有能使所述粘合劑固化的波長的光的透光材料制造的。
2.一種按權(quán)利要求1所提出的耦合結(jié)構(gòu)，其特征是其中所述透光材料是一種熱膨脹系數(shù)小于1×10-5[/K]的材料。
3.一種按權(quán)利要求2所提出的耦合結(jié)構(gòu)，其特征是其中所述透光材料是以SiO2作為主要成分的玻璃。
4.一種按權(quán)利要求3所提出的耦合結(jié)構(gòu)，其特征是其中所述透光材料是熱膨脹系數(shù)與硅相差小于±20%的玻璃。
5.一種按權(quán)利要求2所提出的耦合結(jié)構(gòu)，其特征是其中所述透光材料是一種光吸收界限為波長不大于450毫微米的樹脂。
6.一種按權(quán)利要求1所提出的耦合結(jié)構(gòu)，其特征是其中所述粘合劑是一種除了含有光致固引發(fā)劑外還含有熱致固引發(fā)劑的光熱致固粘合劑。
7.一種按權(quán)利要求6所提出的耦合結(jié)構(gòu)，其特征是其中所述粘合劑涂在所述光纖配置接頭端面與所述波導(dǎo)裝置端面之間，通過光照射光致固化后，再通過加熱得到熱致固化。
8.一種按權(quán)利要求1所提出的耦合結(jié)構(gòu)，其特征是其中所述波導(dǎo)基片有一個隔著所述粘合劑與所述光纖配列接頭端面相對的端面，至少所述波導(dǎo)基片的至少在所述端面附近的部分是用能透過具有能使所述粘合劑固化的波長的光的所述透光材料制造的。
9.一種按權(quán)利要求1所提出的耦合結(jié)構(gòu)，其特征是其中所述波導(dǎo)裝置具有所述波導(dǎo)基片和一個覆蓋所述波導(dǎo)基片的一個形成所述光波導(dǎo)組的表面的波導(dǎo)覆蓋件。其中所述波導(dǎo)覆蓋件有一個隔著所述粘合劑與所述光纖配列接頭端面相對的端面，至少所述波導(dǎo)覆蓋件的至少在所述端面附近的部分是用能透過具有能使所述粘合劑固化的波長的光的所述透光材料制造的。
10.一種按權(quán)利要求9所提出的耦合結(jié)構(gòu)，其特征是其中所述透光材料構(gòu)成所述波導(dǎo)覆蓋件的與所述光纖配列接頭端面相對的部分所述端面，其截面積不小于1.0毫米2。
11.一種按權(quán)利要求1所提出的耦合結(jié)構(gòu)，其特征是其中所述第一構(gòu)件是一片光纖配列基片，在其一個表面上為所述光纖組開有一組配列槽。
12.一種按權(quán)利要求11所提出的耦合結(jié)構(gòu)，其特征是其中所述光纖配列基片是用一種熱膨脹系數(shù)小于1×10-5的材料制造的。
13.一種按權(quán)利要求12所提出的耦合結(jié)構(gòu)，其特征是其中所述光纖配列基片是用硅制造的，而配列槽是用機(jī)械加工或各向異性蝕刻形成的。
14.一種按權(quán)利要求12所提出的耦合結(jié)構(gòu)，其特征是其中所述光纖配列基片是用陶瓷材料制造的，而配列槽是在對所述陶瓷材料進(jìn)行燒結(jié)期間形成的。
15.一種按權(quán)利要求12所提出的耦合結(jié)構(gòu)，其特征是其中所述光纖配列基片是用一種塑料制造的，而配列槽是在對所述塑料進(jìn)行模鑄期間形成的。
16.一種按權(quán)利要求15所提出的耦合結(jié)構(gòu)，其特征是其中所述塑料是含有一種填充劑的酚醛樹脂。
17.一種按權(quán)利要求1所提出的耦合結(jié)構(gòu)，其特征是其中所述第二構(gòu)件是一個與所述光纖配列基片粘合的光纖定位件，用來將所述光纖固定在所述配置槽內(nèi)，并且所述光纖定位件端面隔著所述粘合劑與所述波導(dǎo)裝置端面相對，至少所述光纖定位件的至少在所述端面附近的部分是用能透過具有能使所述粘合劑固化的波長的光的所述透光材料制造的。
18.一種按權(quán)利要求1所提出的耦合結(jié)構(gòu)，其特征是其中所述第一、第二構(gòu)件都是通過對一種塑料進(jìn)行模鑄而整體形成的。
19.一種按權(quán)利要求1所提出的耦合結(jié)構(gòu)，其特征是其中所述波導(dǎo)裝置的一個端面對著一個作為光輸入部分的第一光纖配列接頭的一個端面，而所述波導(dǎo)裝置的另一個端面對著一個作為光輸出部分的第二光纖配列接頭的一個端面。
全文摘要
本發(fā)明所揭示的光纖與光波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)包括一組光纖，一個具有將光纖夾持其間的第一和第二構(gòu)件的光纖配列接頭，一個具有一片在表面上形成一組光波導(dǎo)的波導(dǎo)基片的波導(dǎo)裝置，以及一層夾在光纖配列接頭和波導(dǎo)裝置粘合端面之間的光致固粘合劑。第一構(gòu)件用不透光的材料制造，而在光纖配列接頭端面與波導(dǎo)裝置端面相對的至少部分區(qū)域，光纖配列接頭和波導(dǎo)裝置至少有一個在其端面附近部分是用可透過使粘合劑固化的光的透光材料制造的。
文檔編號G02B6/30GK1100813SQ9410830
公開日1995年3月29日 申請日期1994年7月13日 優(yōu)先權(quán)日1993年7月14日
發(fā)明者石川真二, 菅沼寬, 油井大, 瀨村滋, 齊藤真秀, 平井茂 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社