專(zhuān)利名稱(chēng)：在玻璃纖維和介質(zhì)波導(dǎo)之間的耦合裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在玻璃和在基片上集成的介質(zhì)波導(dǎo)之間通常稱(chēng)為纖維/集成片耦合的一種耦合裝置。
在集成光學(xué)/光電子學(xué)中，一個(gè)主要問(wèn)題是要在輸入/輸出玻璃纖維和分別在集成片上的介質(zhì)波導(dǎo)或功能部件之間實(shí)現(xiàn)低成本和低損耗的耦合。因?yàn)椴▽?dǎo)的芯子直徑很小，導(dǎo)引光的光斑直徑約為10微米，而微米量級(jí)的公差已經(jīng)會(huì)引起大體為幾個(gè)分貝耳的耦合損耗，所以對(duì)于在玻璃纖維和集成片之間的準(zhǔn)直技術(shù)有很高的要求。
通過(guò)平坦的前表面的耦合，在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的，其中基本上使用兩種不同的方法一方面，在纖維和集成片之間的準(zhǔn)直可以有源地完成，即，在光源開(kāi)啟的情況下，通過(guò)顯微操作使待耦合的纖維移向集成片，直至探測(cè)到最大的過(guò)耦合為止。這樣就實(shí)現(xiàn)了纖維在集成片上的連接。這種方法確保最小的耦合損失，但極為昂貴，特別是在采用分支光路時(shí)，更為昂貴。
第二種方法通過(guò)通常為一個(gè)V形槽的在集成片上集成的纖維導(dǎo)引結(jié)構(gòu)而利用無(wú)源準(zhǔn)直。這種槽可以通過(guò)各向異性浸蝕在硅上制成。在該槽的端部制成高質(zhì)量的前表面需要例如在DE 4,142,850和DE4,134,940中所說(shuō)明的特別的操作步驟。作為一種替代的方法，這種槽結(jié)構(gòu)也可以用模制工藝在聚合物上制成，原始模具通過(guò)諸如在DE4,212,208中所述的方法制成。
盡管第二種方法原則上允許低成本生產(chǎn)集成光學(xué)部件，但是它將導(dǎo)致比較高的并且不可重復(fù)的耦合損失，這是因?yàn)椋环矫?，纖維直徑承受著各種變化，另一方面，纖維芯子可能相對(duì)于中心軸線(xiàn)偏心地定位。即使直徑變化的效應(yīng)可以通過(guò)昂貴的防范措施將之減少，原則上也不可能補(bǔ)償由無(wú)源準(zhǔn)直所造成的芯子的偏心度。其它的問(wèn)題是在該槽的端部制造高質(zhì)量前表面以及在前表面耦合方法中不可避免地出現(xiàn)達(dá)到不總是可以允許的程度的背向散射，這種背向散射只可通過(guò)昂貴的傾斜研磨來(lái)減少。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種無(wú)源纖維/集成片耦合技術(shù)，該技術(shù)具有與有源技術(shù)的耦合損耗大小相差不多的可重復(fù)耦合損耗，以及最小可能性的背向散射。
這個(gè)目的已經(jīng)通過(guò)下列技術(shù)解決方案而達(dá)到。該技術(shù)解決方案提供一種在玻璃纖維和在基片上集成的介質(zhì)波導(dǎo)之間的耦合裝置，該玻璃纖維向與波導(dǎo)耦合的端部方向連續(xù)縮小至與介質(zhì)波導(dǎo)的芯子尺寸大體相同的直徑，以及纖維接納部設(shè)置在基片上，用以將玻璃纖維的縮小的端部導(dǎo)入與所耦合的波導(dǎo)的前表面相對(duì)的位置。
本發(fā)明的耦合裝置基本上建立在觀(guān)測(cè)到的事實(shí)上，即通過(guò)使玻璃纖維的直徑緩慢連續(xù)地減小(“退拔”)到同介質(zhì)波導(dǎo)的一般芯子的尺寸相當(dāng)，而能將受導(dǎo)引的電磁場(chǎng)逼出玻璃纖維的芯子而進(jìn)入其外皮；或者通過(guò)直徑增加而使受導(dǎo)引的電磁場(chǎng)回授耦合進(jìn)入芯子，而不承受實(shí)質(zhì)上的損耗；這一事實(shí)允許實(shí)現(xiàn)諸如低損耗熔融耦合器件。通過(guò)暴露在熱能下拉伸纖維，可以經(jīng)濟(jì)地使玻璃纖維的直徑縮小。另一方面，在基片上設(shè)置以一個(gè)合適的纖維接納部，該接納部在將纖維的尖端插向待耦合的波導(dǎo)的芯子區(qū)域時(shí)引導(dǎo)該纖維的尖端。導(dǎo)引部應(yīng)適配成使得至少在尖端區(qū)域，其有效折射系數(shù)小于玻璃纖維的折射系數(shù)，從而確保在尖端區(qū)域?qū)w維和基片之間的電磁場(chǎng)進(jìn)行導(dǎo)引。非均勻材料即帶有未完全埋入的纖維的纖維導(dǎo)引的有效折射率需按照IEEE量子電子學(xué)雜志1988年第766期“方位有效折射率法”中提供的方法確定或由類(lèi)似方法確定。
在本發(fā)明的耦合裝置中，通過(guò)在加熱條件下拉伸實(shí)現(xiàn)玻璃纖維的縮小。其中基片包括一個(gè)聚合物，其折射率小于玻璃纖維的折射率。此外，玻璃纖維的引導(dǎo)部的引導(dǎo)面包括至少兩個(gè)平面。還要求基片上的纖維接納部與通過(guò)玻璃纖維的拉伸工序得到的縮小的輪廓相適配。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中基片包括一個(gè)蓋板和一個(gè)底板，每塊板包括纖維接納裝置的一部分，以便使纖維接納裝置完全圍繞被接納的玻璃纖維。
根據(jù)本發(fā)明在玻璃纖維的尖端部和與其相對(duì)的波導(dǎo)的前表面之間存在一個(gè)距離，由此產(chǎn)生的間隙由具有合適的折射率的聚合物或其它光學(xué)透明的材料填充。還需將粘稠狀態(tài)的波導(dǎo)的芯子材料放在基片上，并且只是在玻璃纖維被接納在纖維接納部?jī)?nèi)之后以確保玻璃纖維的粘接條件，才對(duì)該芯料進(jìn)行固化。
以玻璃纖維尖端、耦合位置及處在集成光路中的波導(dǎo)的合適的結(jié)構(gòu)，所有這些對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言都是已知的，可使耦合損失和背向散射能夠保持在理想的范圍內(nèi)。
下面將參照?qǐng)D示的實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明

圖1示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例中的耦合裝置；圖2是以透視圖表示的圖1的耦合裝置；圖3示出本發(fā)明第二實(shí)施例中的耦合裝置；圖4是本發(fā)明第三實(shí)施例中的耦合裝置；以及圖5是本發(fā)明第四實(shí)施例中的耦合裝置。
現(xiàn)在參見(jiàn)圖1和圖2，圖中示出本發(fā)明的耦合裝置的基本結(jié)構(gòu)，其包括玻璃纖維1，其芯子13的折射率為n2，其外皮的折射率n1＜n2，在右手側(cè)處所述纖維有帶尖端12的退拔區(qū)域11，還包括集成光路的基片2(其折射率為n3)、波導(dǎo)22(其折射率為n4)和基片2上的纖維接納部21。為了使退拔的纖維部分的“尖端”12緊逼波導(dǎo)22的起點(diǎn)23，“尖端”12的直徑應(yīng)當(dāng)和介質(zhì)波導(dǎo)的普通芯子的尺寸在數(shù)量級(jí)上相當(dāng)。
如圖2所示，纖維接納部21不必非要呈V形。只要在沿著兩條線(xiàn)向波導(dǎo)22的方向插入玻璃纖維1時(shí)，能為玻璃纖維1導(dǎo)向，并確保玻璃纖維1在插入的條件下準(zhǔn)確定位就夠了。為了在區(qū)域11的尖端12處也能保證電磁場(chǎng)的導(dǎo)向，應(yīng)該規(guī)定在所述尖端附近的有效折射率n3eff小于玻璃纖維外皮的折射率n1。在最簡(jiǎn)單的情況下，這可以通過(guò)使用具有折射率n3＜n1的基片材料2來(lái)保證，此外，通過(guò)選擇纖維接納部21的相應(yīng)直徑，也可以將有效折射率n3eff調(diào)整到所需要的值。
如本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所清楚知道對(duì)那樣，波導(dǎo)22的折射率n4應(yīng)大于基片的折射率n3，并應(yīng)同波導(dǎo)截面一起確定其尺寸，以便在區(qū)域11的尖端12處和在波導(dǎo)的起點(diǎn)處的電磁場(chǎng)分布盡可能地匹配。如由模似計(jì)算結(jié)果所示出的那樣，波導(dǎo)折射率的優(yōu)選值一般在n4≈n1的數(shù)量級(jí)。
使用光學(xué)透明聚合物作為基片2是有利的，因?yàn)橐环矫?，其折射率n3可以容易地調(diào)整到所需值，另一方面，通過(guò)使用熱壓、注入成型或類(lèi)似方法模制一個(gè)主結(jié)構(gòu)，就可以以簡(jiǎn)單的方式得到纖維接納部21的結(jié)構(gòu)。推薦光刻法、各向異性浸蝕和激光燒蝕等方法以制造主結(jié)構(gòu)。由于這種主結(jié)構(gòu)有多種模制的可能性，其生產(chǎn)成本實(shí)屬次要的問(wèn)題，以致可以制成很復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。
如果玻璃纖維1的區(qū)域11的截面縮小是通過(guò)暴露在熱能下拉伸直至其折斷的方法得到的話(huà)，那未便會(huì)產(chǎn)生所熟悉的非均勻的、但沿纖維軸線(xiàn)可重復(fù)的半徑的縮小，這種半徑的縮小所導(dǎo)致的損失比圖2所示的圓錐形縮小的損失小，因此這種制造方法是有利的。
圖3示出一個(gè)與纖維拉制輪廓相適配的耦合裝置。它包括帶有退拔的(此處由拉制而成的)纖維區(qū)11和尖端12的相同的功能構(gòu)件玻璃纖維以及帶有波導(dǎo)22和纖維接納部21的集成光路的基片2。但是，為了向玻璃纖維1提供一個(gè)安全支座，并將耗散損失減到最小，纖維接納部21應(yīng)盡可能緊密地適配于玻璃纖維1的拉制輪廓。
在裝配條件下，好的纖維導(dǎo)向和機(jī)械穩(wěn)定性有利地保證圖4示意示出的實(shí)施例的實(shí)施。這里，集成光路不只包括一個(gè)基片2，此外，還包括一般與基片2對(duì)稱(chēng)的蓋板3，其中纖維接納部的部分31也是集成的。
如果在壓制成型/注入成型期間蓋板3和也作為基片的底板2的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)適配成為一種槽，然后用加熱或光化學(xué)可聯(lián)結(jié)的預(yù)聚合物填充該槽，就得到特別有利于生產(chǎn)的實(shí)施例。在組裝蓋板3和底板2之后，可將玻璃纖維插入接納部21、31中。最后，波導(dǎo)的芯子材料在暴露熱能之下或紫外線(xiàn)輻射下固化，從而蓋板3、底板2和玻璃纖維1彼此相互粘接。
圖5中詳細(xì)示出其它有利的耦合裝置的實(shí)施例。在這里，在波導(dǎo)22和插入的玻璃纖維1的尖端12之間故意留有一個(gè)間隙24，以便在此之后，用具有相應(yīng)折射率的粘稠的、但是可固化的材料充填該間隙24，從而得到最小可能的耦合損失的背向散射。
權(quán)利要求
1.一種在玻璃纖維和在基片上集成的介質(zhì)波導(dǎo)之間的耦合裝置，其特征在于，該玻璃纖維(1)向與波導(dǎo)(22)耦合的端部方向連續(xù)縮小至與介質(zhì)波導(dǎo)(22)的芯子尺寸大體相同的直徑，以及纖維接納部(21)設(shè)置在基片(2)上，用以將玻璃纖維(1)的縮小的端部導(dǎo)入與待耦合的波導(dǎo)的前表面相對(duì)的位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耦合裝置，其特征在于，通過(guò)在加熱條件下拉伸實(shí)現(xiàn)玻璃纖維(1)的縮小。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的耦合裝置，其特征在于，基片(2)包括一個(gè)聚合物，其折射率小于玻璃纖維(1)的折射率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3所述的耦合裝置，其特征在于，玻璃纖維(1)的引導(dǎo)部的引導(dǎo)面包括至少兩個(gè)平面。
5.根據(jù)權(quán)利要求2至4所述的耦合裝置，其特征在于，基片(2)上的纖維接納部(21)與通過(guò)玻璃纖維(1)的拉伸工序得到的縮小的輪廓相適配。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5所述的耦合裝置，其特征在于，基片包括一個(gè)蓋板(3)和一個(gè)底板，每塊板包括纖維接納裝置的一部分(21，31)，以便使纖維接納裝置完全圍繞被接納的玻璃纖維(1)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6所述的耦合裝置，其特征在于，在玻璃纖維(1)的尖端部和與其相對(duì)的波導(dǎo)(22)的前表面之間存在一個(gè)距離，由此產(chǎn)生的間隙由具有合適的折射率的聚合物或其它光學(xué)透明的材料填充。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7所述的耦合裝置，其特征在于，將粘稠狀態(tài)的波導(dǎo)(22)的芯子材料放在基片上，并且只是在玻璃纖維被接納在纖維接納部(21)內(nèi)之后以確保玻璃纖維(1)的粘接條件，才對(duì)該芯料進(jìn)行固化。
全文摘要
一種在玻璃纖維和基片上集成的介質(zhì)波導(dǎo)之間的耦合裝置，其通過(guò)暴露在熱能下將玻璃纖維拉伸直至折斷，使纖維部直徑縮小到與介質(zhì)波導(dǎo)一般芯子尺寸相當(dāng)?shù)某叽纾€在基片上設(shè)置以相同方式縮小其尺寸的纖維接納部，其尖端在沿待耦合的波導(dǎo)的方向上變化。在裝配時(shí)，只需將玻璃纖維插入接納部直至停止，該玻璃纖維自身對(duì)準(zhǔn)波導(dǎo)的中心，同現(xiàn)有技術(shù)的前表面耦合方法不同，纖維的幾何公差不會(huì)導(dǎo)致?lián)p耗的增加。
文檔編號(hào)G02B6/30GK1115857SQ9411385
公開(kāi)日1996年1月31日 申請(qǐng)日期1994年11月22日 優(yōu)先權(quán)日1993年12月23日
發(fā)明者W·柯恩邁耶 申請(qǐng)人:克羅內(nèi)有限公司