專利名稱：光纖陳列定位組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光通信技術(shù)中的無源器件，特別涉及光通信中各種一維或二維陣列器件輸入或者輸出并行耦合接口的光纖陣列組件。
目前光纖陣列是在特定晶向硅片片上，腐蝕一些平行的V形槽，將光纖嵌入V形槽內(nèi)，用V形槽內(nèi)表面作為定位每一條光纖的表面，制作成光纖陣列組件，見

圖1，(A)和(B)為美國專利5,656,120，(C)中國專利00101007.7。也有的在基片上刻成凹形槽內(nèi)，用凹形槽內(nèi)表面作為定位每一條光纖的表面，制作成光纖陣列組件，見圖1(D)，美國專利6,706,371?；砻婵涛gV形槽，可以保證光纖陣列定位有足夠精度，但由于基片采用特定晶向硅片，成本昂貴。光纖嵌入基片表面凹形槽定位，光纖的定位精度與凹形槽的深度和內(nèi)表面成形的精度有關(guān)，凹形槽越深，則基片表面凹形槽兩側(cè)線之間的寬度成形的均勻較差，因此，用凹形槽內(nèi)表面定位光纖的精度難以保證，而且凹形槽越深，則越難以保證光纖的精確定位。
本發(fā)明的光纖陣列定位組件，由上、下基片及位于上、下基片之間的光纖構(gòu)成，上、下基片中的一片或者兩片表面有刻蝕槽，用于光纖定位，其特征在于所述刻蝕槽為凹形槽，基片表面刻蝕槽兩側(cè)線之間寬度小于光纖芯徑的直徑，刻蝕槽刻蝕深度大于光纖芯徑位于刻蝕槽內(nèi)部分的圓弧段高度。
所述的光纖陣列定位組件，其進一步的特征在于上、下基片的一端均加工成楔角，以容納光纖微帶剝離包層的光纖接口處。
所述的光纖陣列定位組件，刻蝕槽在上、下基片中的一片或者兩片表面可以平行排列，相鄰刻蝕槽間距可以相等，也可以不相等。
所述的光纖陣列定位組件，刻蝕槽在上、下基片中的一片或者兩片表面也可以呈放射狀排列。
所述的光纖陣列定位組件，上、下基片中的一片可以雙面帶凹形刻蝕槽，構(gòu)成二維光纖陣列定位組件。
所述的光纖陣列定位組件，該光纖陣列定位組件可以與折變透鏡陣列定位組件置于同一底基片上，折變透鏡陣列定位組件由上、下基片及位于上、下基片之間的圓柱形折變透鏡構(gòu)成，上、下基片中的一片或者兩片表面有凹形刻蝕槽，也可以上、下基片中的一片雙面有凹形刻蝕槽，其表面兩側(cè)線之間寬度小于折變透鏡的直徑，刻蝕槽刻蝕深度大于折變透鏡位于刻蝕槽內(nèi)部分的圓弧高度，光纖陣列定位組件中每一條光纖芯徑和折變透鏡陣列定位組件中每一個折變透鏡同軸對接，形成并行準直光束陣列組件。
所述的光纖陣列定位組件，該光纖陣列定位組件還可以與垂直腔面發(fā)射激光器置于同一底基片上，垂直腔面發(fā)射激光器象元為一維或者二維陣列排列，每一個象元對準光纖陣列定位組件中的每一條光纖芯徑直接耦合或者每一個象元發(fā)出的激光束經(jīng)過全反射鏡再耦合到光纖陣列定位組件中的每一條光纖芯徑中。
本發(fā)明采用基片表面刻蝕槽兩側(cè)線定位每一條光纖或折變透鏡，形成光纖陣列或折變透鏡陣列。因為基片如各種玻璃、硅片、鈮酸鋰等表面的加工精度都很高，光刻掩模板線條寬度的精度一般都小于0.1μm，采用刻蝕槽兩側(cè)線定位光纖，需要刻蝕槽的深度遠小于用凹形槽內(nèi)表面定位光纖時凹形槽的深度。所以，基片表面光刻成圖后，用反應離子垂直轟擊成凹形槽，其兩側(cè)線的寬度與掩摸板線條的寬度精度基本保持一致。用基片表面刻蝕槽兩側(cè)線定位光纖或折變透鏡，消除了傳統(tǒng)的用凹形槽內(nèi)表面定位光纖或折變透鏡時，凹形槽成形過程中，引入的各種不均勻因素的影響。故本發(fā)明提出的光纖陣列和折變透鏡定位組件，基片成本低廉，每一條光纖或折變透鏡的定位精度可達0.1μm?？梢源蟠筇岣哂嘘P(guān)光電子器件在封裝技術(shù)中的成品率、效率和高質(zhì)量的光學性能。
圖2(A)～(C)為本發(fā)明橫截面示意圖。
圖3(a)為本發(fā)明光纖陣列組件縱截面示意圖。
圖3(b)為折變透鏡陣列組件縱截面示意圖。
圖4為本發(fā)明光纖陣列定位組件示意圖。
圖5(a)～(f)表示在基片上刻蝕凹形槽的工藝流程。
圖6為二維光纖陣列和折變透鏡陣列定位組件示意圖。
圖7為光纖陣列定位組件與折變透鏡定位組件形成并行準直光束陣列組件示意圖。
圖8(A)～(B)表示本發(fā)明用于垂直腔面發(fā)射激光一維線列陣輸出耦合組件的情況。
圖8(C)為光纖陣列定位組件與垂直腔面發(fā)射激光器集成在同一底基片上的示意圖。
圖9(A)～(B)表示本發(fā)明用于垂直腔面發(fā)射激光二維線列陣輸出耦合組件中的情況。
本發(fā)明的組件可以采用各種玻璃加工成高精度的基片，加工方便，成本低。圖2表示本發(fā)明組件各種形式的橫截面，其中(A)為下基片表面刻蝕有凹形槽；(B)為上基片表面刻蝕有凹形槽；(C)是上、下基片表面均刻蝕有凹形槽。槽面兩側(cè)線的寬度應小于光纖芯徑或折變透鏡的直徑。刻蝕深度與槽的寬度有關(guān)，當光纖或折變透鏡放置在表面槽兩側(cè)線上，光纖或折變透鏡的表面不能接觸槽的內(nèi)表面為宜。每一條光纖或折變透鏡放置的位置，就是說每一條凹形槽的位置，可根據(jù)光電子器件的需要而定。有的是等距離平行槽，有的是非均勻間距的平行槽，有的是各凹形槽成扇形分布或其他形狀分布。
圖3(a)所示為本發(fā)明的光纖陣列定位組件縱截面，基片的一端加工成楔角，楔角的角度和長度，能夠?qū)⒙懵兜墓饫w后面帶包層的光纖部分嵌入其內(nèi)，張角空間注膠后對裸露的光纖尾部起保護作用，圖中1為光纖纖芯，2為刻有凹形槽的下基片，3為上基片，4為注膠層，充滿上下兩基片和光纖之間的間隙，將基片光纖固化成一整體，5為光纖的包層。圖3(b)為本發(fā)明折變透鏡陣列縱截面圖，6為折變透鏡，注膠層充滿上、下兩基片和折變透鏡之間的間隙，將它們固化成一整體。
圖4表示本發(fā)明的一種光纖陣列定位組件，其制作工藝如下，首先將每一條光纖的前面一段包層剝離，光纖芯1裸露，清洗備用。帶有刻蝕槽的基片2置于一片大基片之上和顯微鏡之下，可清晰觀察刻蝕槽的表面。將一條一條的光纖的裸露部分準確排放在基片表面刻蝕槽兩側(cè)或之中。注意，帶包層5的光纖，其纖芯和包層剝離，接口置于基片層尾部光楔內(nèi)。在排放每一條光纖時，下基片的前后，在大基片上，可放置厚度相對于基片2稍薄一點的兩塊基片。其上鋪上雙面膠。在排放每一條光纖時，暫起固定作用。排列完全部光纖之后蓋上上基片3壓緊，上下基片之間的空間由注膠層4固化，光纖陣列組件端口表面進行拋光。也可以先排放左右兩條光纖，蓋上上基片壓緊，從兩側(cè)注入一點膠固化，以使上下基片固定，其它中間光纖，一條一條插入相應的刻蝕槽位置，然后，在上下基片之間的空間注膠固化，再將光纖陣列組件端口表面進行拋光。如果光纖端部已經(jīng)帶有熔融球形的光纖或光纖端部已加工成其他形狀，上下兩基片的前端也象后端一樣加工成楔角。裸露熔融球形或其他已加工成形的光纖頭部置于基片前端光楔空間加以保護。
選用紫外玻璃或具有膨脹系數(shù)很小的特性的材料作為基片具有穩(wěn)定好的優(yōu)點。此類基片可采用制作好掩膜板圖形，在加工好的基片上鍍一層金屬膜作掩蔽層，其厚度由刻蝕槽的深度而定，然后再采用光刻一反應離子刻蝕的方法，刻蝕形成凹形槽，其具體工藝流程如圖5所示。圖5(a)表示基片，首先根據(jù)器件排放光纖分布位置的需要，制作好掩膜板圖形，根據(jù)光刻一反應離子刻蝕的工藝流程，在基片上表面制作一層較厚的掩蔽層，見圖5(b)，光刻腐蝕，將需要刻蝕凹形槽的表面暴露出來，見圖5(c)。在反應離子刻蝕工藝中，用離子垂直轟擊見圖5(d)。使基片表面形成所需要的一定深度的凹形槽，見圖5(e)。除去掩蔽層，形成了所需要的表面帶凹形槽分布的基片，見圖5(f)。在基片上制作凹形槽工藝，不同材料可以采用不同工藝，但一定要保持基片表面上刻蝕槽兩側(cè)線之間寬度，與掩膜板圖形精度一致為宜，槽面兩側(cè)線的寬度b1b2、b3b4、b5b6、……bn-1bn、均應小于光纖芯徑或折變透鏡直徑。
基片表面刻蝕槽兩側(cè)線定位光纖或折變透鏡，可研制成二維的光纖陣列或折變透鏡定位組件，見圖6。它是由中間基片9和上下兩側(cè)基片7、8組成。雙面帶凹形刻蝕槽的基片工藝如下，基片厚度、表面尺寸按照需要加工，基片兩表面凹形槽的刻蝕，可用一塊掩摸板，用紅外雙面對準曝光機，分別在兩表面光刻圖形，然后按照圖5的工藝流程，用反應離子刻蝕方法，在基片兩表面分別刻蝕凹形槽，再按照圖4工藝將光纖或折變透鏡裝配一側(cè)，注膠固化，再將光纖或折變透鏡裝配基片的另一側(cè)，注膠固化，制成二維光纖陣列。
圖7為由光纖陣列和折變透鏡陣列同置于一片底基片10上，并且使每一條光纖和每一個折變透鏡完全同軸放置，形成的并行準直光束陣列組件。因為光纖陣列和折變透鏡陣列定位精度可達0.1μm，，故兩者之間每一條光纖和每一個折變透鏡可以完全同軸設置，而形成并行準直光束陣列組件。
用基片表面刻蝕槽兩側(cè)線定位光纖的各種均勻等間距，非均勻間距和其他分布的高精度一維和二維多模光纖陣列組件，可用于垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)一維線列陣和二維列陣的輸出耦合組件。豎直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)是一種完整的平面生長工藝，一片VCSEL芯片上，排列著成千上萬個VCSEL象元。一般的邊發(fā)射半導體激光器，其光束點從平行于表面的面邊發(fā)射出激光，激光發(fā)射輸出時，由于上、下兩表面的限制，激光束光斑呈長橢園形，很難耦合到光纖芯徑中去，而VCSEL激光束是從垂直于表面發(fā)射，激光束光斑呈園對稱形狀，很容易耦合到光纖芯徑中去。如果將VCSEL芯片切割成條狀，VCSEL象元為一維陣列排列，標準的間距為250μm，如果一維多模光纖陣列組件中的光纖之間的間距同樣是250μm的話，由于它們都是采用掩模板光刻工藝，其間距的誤差都為0.1μm，很容易將每一個VCSEL象元嚴格對準一條光纖，如果它們之間能放置很近，則每一個VCSEL象元發(fā)出的激光直接耦合到每一條多模光纖的效率可達90％以上。如果它們有一定的距離，則在它們之間需要放置1片微透鏡列陣，需要將VCSEL激光束準直后，再耦合到每一條光纖中去。圖8(A)為一維線列陣VCSEL激光直接耦合到多模光纖芯徑1的原理圖。11為VCSEL芯片中的激光象元，12為驅(qū)動激光象元的IC芯片，13為放置VCSEL芯片和IC芯片的基片，14為放置整個耦合組件的底基片。圖8(B)為一維線列陣VCSEL激光束經(jīng)過全反射鏡15全反射，再分別耦合到多模光纖帶中每一條多模光纖中。圖8(C)為光纖陣列定位組件與VCSEL芯片集成的示意圖。圖9(A)和(B)分別是二維VCSEL激光列陣16直接耦合到二維光纖列陣，和二維VCSEL激光列陣16經(jīng)全反射鏡15全反射再分別耦合到二維光纖列陣之中的原理圖。本發(fā)明的高精度光纖列陣組件還可應用于各種類型的平面光學波導芯片和微光機電MEMS芯片輸入、輸出接口耦合組件，研制成各種密集波分復用/解復用器件、光交換開關(guān)和光交叉連接器件。
權(quán)利要求
1.光纖陣列定位組件，由上、下基片及位于上、下基片之間的光纖構(gòu)成，上、下基片中的一片或者兩片表面有刻蝕槽，用于光纖定位，其特征在于所述刻蝕槽為凹形槽，基片表面刻蝕槽兩側(cè)線之間寬度小于光纖芯徑的直徑，刻蝕槽刻蝕深度大于光纖芯徑位于刻蝕槽內(nèi)部分的圓弧段高度。
2.如權(quán)利要求1所述的光纖陣列定位組件，其特征在于上、下基片的一端均加工成楔角，以容納光纖微帶剝離包層的光纖接口處。
3.如權(quán)利要求1或2所述的光纖陣列定位組件，其特征在于刻蝕槽在上、下基片中的一片或者兩片表面平行排列，相鄰刻蝕槽間距可以相等，也可以不相等。
4.如權(quán)利要求1或2所述的光纖陣列定位組件，其特征在于刻蝕槽在上、下基片中的一片或者兩片表面呈放射狀排列。
5.如權(quán)利要求3所述的光纖陣列定位組件，其特征在于上、下基片中的一片雙面帶凹形刻蝕槽，構(gòu)成二維光纖陣列定位組件。
6.如權(quán)利要求4所述的光纖陣列定位組件，其特征在于上、下基片中的一片雙面帶凹形刻蝕槽，構(gòu)成二維光纖陣列定位組件。
7.如權(quán)利要求3所述的光纖陣列定位組件，其特征在于該光纖陣列定位組件與折變透鏡陣列定位組件置于同一底基片上，折變透鏡陣列定位組件由上、下基片及位于上、下基片之間的圓柱形折變透鏡構(gòu)成，上、下基片中的一片或者兩片表面有凹形刻蝕槽，其表面兩側(cè)線之間寬度小于折變透鏡的直徑，刻蝕槽刻蝕深度大于折變透鏡位于刻蝕槽內(nèi)部分的圓弧高度，光纖陣列定位組件中每一條光纖芯徑和折變透鏡陣列定位組件中每一個折變透鏡同軸對接，形成并行準直光束陣列組件。
8.如權(quán)利要求5所述的光纖陣列定位組件，其特征在于該光纖陣列定位組件與折變透鏡陣列定位組件置于同一底基片上，折變透鏡陣列定位組件由上、下基片及位于上、下基片之間的圓柱形折變透鏡構(gòu)成，上、下基片中的一片雙面有凹形刻蝕槽，其表面兩側(cè)線之間寬度小于折變透鏡的直徑，刻蝕槽刻蝕深度大于折變透鏡位于刻蝕槽內(nèi)部分的圓弧高度，光纖陣列定位組件中每一條光纖芯徑和折變透鏡陣列定位組件中每一個折變透鏡同軸對接，形成并行準直光束陣列組件。
9.如權(quán)利要求3所述的光纖陣列定位組件，其特征在于該光纖陣列定位組件與垂直腔面發(fā)射激光器置于同一底基片上，垂直腔面發(fā)射激光器象元為一維或者二維陣列排列，每一個象元對準光纖陣列定位組件中的每一條光纖芯徑直接耦合或者每一個象元發(fā)出的激光束經(jīng)過全反射鏡再耦合到光纖陣列定位組件中的每一條光纖芯徑中。
10.如權(quán)利要求5所述的光纖陣列定位組件，其特征在于該光纖陣列定位組件與垂直腔面發(fā)射激光器置于同一底基片上，垂直腔面發(fā)射激光器象元為一維或者二維陣列排列，每一個象元對準光纖陣列定位組件中的每一條光纖芯徑直接耦合或者每一個象元發(fā)出的激光束經(jīng)過全反射鏡再耦合到光纖陣列定位組件中的每一條光纖芯徑中。
全文摘要
光纖陣列定位組件,屬于光通信技術(shù)中的無源器件,特別涉及各種一維、二維陣列器件輸入或者輸出并行耦合接口的光纖陣列組件。本發(fā)明解決光纖陣列在低成本、高精度要求的條件下準確定位問題,本發(fā)明由上、下基片及位于其間的光纖構(gòu)成,上、下基片中的一片或者兩片表面有凹形刻蝕槽,其表面兩側(cè)線之間寬度小于光纖芯徑的直徑,刻蝕深度大于光纖芯徑位于刻蝕槽內(nèi)部分的圓弧段高度。本發(fā)明消除了用凹形槽內(nèi)表面定位光纖時凹形槽成形過程中各種不均勻因素的影響,定位精度可達0.1μm,還可與同樣結(jié)構(gòu)的折變透鏡定位組件以及垂直腔面發(fā)射激光器集成在一片底基片上,大大提高光電子器件在封裝技術(shù)中的成品率、效率和高質(zhì)量的光學性能。
文檔編號G02B6/38GK1346993SQ0113351
公開日2002年5月1日 申請日期2001年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月29日
發(fā)明者曹明翠, 羅風光 申請人:華中科技大學