專利名稱：二維光纖陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及二維光學(xué)元件陣列、提供這種陣列的方法、以及包括這種陣列的設(shè)備。
背景技術(shù)：
許多光學(xué)應(yīng)用要求把一維、二維光纖陣列精確與發(fā)射和接收光線的光學(xué)元件對(duì)準(zhǔn)。這種光學(xué)元件的示例包括但不限于透鏡、檢測(cè)器、激光光源以及其它光纖。要求把光纖陣列精確地與光學(xué)元件對(duì)準(zhǔn)的具體應(yīng)用示例包括光學(xué)數(shù)據(jù)或通信應(yīng)用中的二維光纖陣列連接器，用于三維光學(xué)交叉連接開關(guān)的二維光纖透鏡陣列，以及用于廣播和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)系統(tǒng)的二維光纖檢測(cè)器陣列。
在二維光學(xué)元件陣列的組件中的挑戰(zhàn)是在對(duì)準(zhǔn)和連接過程期間每個(gè)光纖的精確定位。典型的應(yīng)用要求每個(gè)光纖放置在二維陣列上時(shí)位置的精確度小于10微米。典型的單模光纖對(duì)準(zhǔn)應(yīng)用(與其它光纖或諸如透鏡或激光光源的光學(xué)元件對(duì)準(zhǔn))要求橫向位置精確度小于1-2微米，而其它應(yīng)用要求亞微米的位置精確度。已提供了許多用于在二維陣列中放置光纖的設(shè)備以及方法，包括蝕刻硅對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)、帶有引導(dǎo)光纖的孔徑的對(duì)準(zhǔn)模塊以及形成光纖導(dǎo)引器的迭式結(jié)構(gòu)。在這些設(shè)備和方法的每一種中，對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)提供相對(duì)“堅(jiān)硬”且缺乏柔性的光纖對(duì)準(zhǔn)表面，導(dǎo)致在陣列中每個(gè)光學(xué)元件的物理尺寸稍有不同時(shí)對(duì)準(zhǔn)即有微小錯(cuò)位。鑒于這些局限性，需要改進(jìn)的用于對(duì)準(zhǔn)光學(xué)元件陣列的方法和制品。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及用于形成二維光學(xué)元件陣列的方法和制品，以及使用這種方法和制品所形成的設(shè)備。根據(jù)特定實(shí)施例，提供一種帶有孔徑陣列的對(duì)準(zhǔn)基片，其孔徑內(nèi)周面含有柔性材料。用柔性材料作內(nèi)襯的孔徑提供一種小孔，其大小可夾住像光纖這樣的光學(xué)元件。本發(fā)明的各種實(shí)施例提供用于形成光學(xué)元件陣列和光纖陣列的相對(duì)簡(jiǎn)單且便宜的方法和制品。本發(fā)明的方法和制品不需要用于把元件固定在基片上的粘合劑。應(yīng)該理解，前面的一般性描述和后面的詳細(xì)描述都是示例性的，并旨在提供對(duì)權(quán)利要求書中本發(fā)明的進(jìn)一步理解。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例用來制造二維光學(xué)元件陣列、具有多個(gè)孔徑的基片的部分透視圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例當(dāng)可固化材料沉積在圖1中的基片上且填充了孔徑時(shí)該基片的透視圖；圖3是圖2中的基片的透視圖，該圖示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，可固化材料通過掩模進(jìn)行固化的步驟；而圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例在可固化材料已被固化之后的圖3所示對(duì)準(zhǔn)基片的透視圖；圖5是圖4所示對(duì)準(zhǔn)基片的側(cè)視圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例用于形成二維光學(xué)元件陣列的對(duì)準(zhǔn)基片的部分透視圖；圖7是表示根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例用于形成二維光學(xué)元件陣列對(duì)準(zhǔn)基片的方法的側(cè)視圖；圖8是表示根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例用于形成二維光學(xué)元件陣列對(duì)準(zhǔn)基片的方法的側(cè)視圖；圖9是表示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例光纖插入了對(duì)準(zhǔn)基片和光纖導(dǎo)引器中的側(cè)視圖；圖10是表示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例光纖被插入雙片式對(duì)準(zhǔn)基片和光纖導(dǎo)引器中的側(cè)視圖；圖11是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例與對(duì)準(zhǔn)基片集成在一起的模制光纖導(dǎo)引器結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖；圖12是圖11所示設(shè)備的側(cè)視圖，其中在對(duì)準(zhǔn)基片的小孔中有未經(jīng)固化的可固化材料；圖13是圖12所示設(shè)備在可固化材料通過掩模已被固化之后的側(cè)視圖；圖14是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例使用一對(duì)對(duì)準(zhǔn)基片的組裝后的二維光纖陣列互聯(lián)的透視圖；圖15(a)-(d)是可用來在含有孔徑的基片中形成光纖夾具結(jié)構(gòu)的各種小孔形狀的橫截面圖；圖15(e)-(h)示出了當(dāng)光纖已插入圖15(a)-(d)中的小孔時(shí)的各個(gè)小孔。
圖16是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例使用對(duì)準(zhǔn)基片把二維光纖陣列對(duì)準(zhǔn)到微透鏡陣列之后的側(cè)視圖。
圖17是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例使用對(duì)準(zhǔn)基片和附加的柔性?shī)A緊材料層把二維光纖陣列對(duì)準(zhǔn)到微透鏡陣列之后的側(cè)視圖。
圖18是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例使用對(duì)準(zhǔn)基片被動(dòng)地把光纖陣列對(duì)準(zhǔn)到光檢測(cè)器或VCSEL基片之后的側(cè)視圖。
圖19是根據(jù)另一實(shí)施例使用對(duì)準(zhǔn)基片被動(dòng)地把在套管中的光纖對(duì)準(zhǔn)到球形透鏡之后的側(cè)視圖。
圖20是根據(jù)另一實(shí)施例使用對(duì)準(zhǔn)基片和在可固化材料中形成的壓紋腔把光纖對(duì)準(zhǔn)到球形透鏡之后的側(cè)視圖。
圖21是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例在套管中的光纖已與在二氧化硅基片之下固定在可固化材料中的球形透鏡對(duì)準(zhǔn)的側(cè)視圖。
具體實(shí)施例方式
在對(duì)本發(fā)明的若干示例性實(shí)施例進(jìn)行描述之前，應(yīng)該理解，本發(fā)明并不限于在下面的描述中所闡明的結(jié)構(gòu)或過程步驟的細(xì)節(jié)。本發(fā)明能夠用其它實(shí)施方式且能夠以各種方式實(shí)踐或完成。
本發(fā)明的各種實(shí)施例涉及用于形成二維光學(xué)元件陣列的制品和方法。如此處所使用的，陣列是指一般的二維圖案，該圖案不必是規(guī)則的行和列。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，圖1示出了用于形成二維光學(xué)元件陣列的基片或薄板10。圖1示出了含有多個(gè)孔徑12的基片或薄板10。如此處所使用的，“孔徑”一般是指任何部分地或完全地延伸穿過對(duì)準(zhǔn)基片10的有一定形狀的小孔?？讖?2在橫截面上沒必要是均勻的?？蓮亩喾N合適的材料制造出帶有孔徑的基片10。合適的用于基片的材料包括但不限于剛性低延展性玻璃、陶瓷、金屬材料、半導(dǎo)體材料、以及加填料的和未加填料的聚合物體系。該基片提供間距為固定或可變的二維孔徑陣列。可通過許多方法制造基片10上的孔徑12，包括但不限于沖壓、照相平版印刷術(shù)、照相平版印刷術(shù)方式的濕法或干法化學(xué)蝕刻術(shù)、或模制成型法。選擇基片中的孔徑12的直徑，使其稍大于光纖、光纖套管或其它各種光學(xué)元件的直徑。
現(xiàn)在參照?qǐng)D2，諸如可固化的聚合物或單體14的可固化材料14可沉積在基片10上，從而使孔徑12被注滿該材料。隨著可固化材料14通過表面張力被輕輕拉入孔徑12，該材料注滿了孔徑基片10中的每個(gè)孔徑12。可固化材料可通過加熱或紫外(UV)輻射來固化。在較佳的實(shí)施例中，可固化材料是通過UV輻射來固化的。參照?qǐng)D3，在較佳的實(shí)施例中，具有掩模區(qū)域18的照相平版印刷法的掩模16被放置在UV-可固化材料14之上。掩模區(qū)域18放置在圖1所示的基片中的孔徑12上。使用放置在掩模16與基片10之間的或者集成到基片或掩模之中的精密間隙塊或棒(standoff block or rod)(未示出)，可控制可固化材料14的厚度?；蛘?，在可固化材料沉積到基片上之前，可把掩模降低到放置在或集成于基片上的精密間隙物之上；之后可固化材料被表面張力輕輕拉入在掩模和孔徑盤之間形成的腔內(nèi)。
掩模區(qū)域最好是圓形的且對(duì)準(zhǔn)在基片中形成的孔徑。盡管并不要求完全地置于中心，但是這種對(duì)準(zhǔn)應(yīng)該保證在圓形掩模圖案與基片中的孔徑的邊緣之間存在的空白最小。這種空白距離允許一部分可固化材料沿每個(gè)孔徑的周面固化。在其它的實(shí)施例中，圓形掩模區(qū)域18的直徑小于在基片10中形成的孔徑12的直徑，這促進(jìn)了順著并繞著每個(gè)孔徑12的周面的材料發(fā)生固化。
在使用UV光線20使可固化材料固化之后，把基片10浸入溶劑中以去除剩余未固化的可固化材料，這部分未固化的材料最好是處在掩模阻擋了UV曝光的孔徑區(qū)域中的聚合物夾具材料。圖4示出了在去除未固化的材料之后的基片10，留下的小孔22穿過可固化材料并對(duì)準(zhǔn)基片10中的孔徑12。調(diào)整小孔22的尺寸以?shī)A住諸如光纖、光纖套管的光學(xué)元件，或其它各種光學(xué)元件。圖5示出了基片的側(cè)視圖。通過改變曝光和處理操作，可向小孔22提供一錐形角，并且可調(diào)節(jié)該錐形角以滿足光纖夾緊和引導(dǎo)要求。如圖5所示，小孔22從薄板10的底部到薄板10的頂部逐漸變細(xì)。同樣，選擇基片的厚度和內(nèi)壁角以保證所插入的光纖彼此平行。
圖6示出了另一實(shí)施例。在這個(gè)實(shí)施例中，提供了基片10且可固化材料僅填充孔徑。在基片的上面沒有過量的材料。通過使可固化材料流入孔徑，可提供這種設(shè)備。使用掩模盤、橡皮刷、刮刀或釋放層可去除過量的可固化材料?？晒袒牧辖?jīng)熱或UV曝光通過掩模而形成的固化、圖案成型以及沖洗都與上述過程相似，使得孔徑具有繞其表面的柔性材料，從而提供使光纖插入其中的小孔22。正如前述的實(shí)施例那樣，通過調(diào)節(jié)曝光和沖洗條件可改變小孔22的錐形角。
根據(jù)圖7所示的另一實(shí)施例，也可使用雙面模壓工藝在聚合物基片30上制造出錐形二維光纖導(dǎo)引器孔。具有形成于其上的小孔32的基片30用來向陣列提供機(jī)械穩(wěn)定性，與此同時(shí)小孔中的錐形可固化材料34提供被動(dòng)的光纖導(dǎo)引器和中心定位。通過首先提供具有插銷37的上層模具36以及具有插銷39的下層模具38，來制造這種基片。插銷37和39放置在基片30的小孔32中。當(dāng)從基片小孔的兩個(gè)相反端面插入光纖時(shí)，上層模具36對(duì)著下層模具38的精確橫向放置使光纖耦合損失最小化。同樣，插銷37、39應(yīng)該以一種方式在小孔內(nèi)彼此接觸，該方式可保證在插銷移去之后小孔32沒有被剩余的可固化材料34所阻塞?？晒袒牧?4繞著模具插銷37、39而固化。插銷37、39的形狀允許產(chǎn)生很多種內(nèi)壁角以及接觸區(qū)域。在圖8所示的可選實(shí)施例中，具有插銷41的單面壓紋板40可被放置在基片42的小孔43中?？晒袒牧?4繞著插銷41沉積并固化。在較佳的實(shí)施例中，小孔具有圓柱式錐形，它可提供卓越的光纖到光纖的對(duì)準(zhǔn)，甚至在插銷直徑和插銷陣列中的位置中存在微小變化的時(shí)候。同樣，通過改變插銷的形狀和構(gòu)造，只要可固化材料44具有足夠的柔性以允許模具插銷41的退出，則可以創(chuàng)造出很多種側(cè)壁表面構(gòu)造、正的內(nèi)壁角以及負(fù)的內(nèi)壁角。二維對(duì)準(zhǔn)基片在基片的小孔中沿其內(nèi)壁包括柔性材料，該基片可用于使很多種光學(xué)元件與光纖互相連接?，F(xiàn)在參照?qǐng)D9，基片10具有錐形小孔22，錐形小孔22在其內(nèi)壁上包括柔性材料56并被調(diào)節(jié)成夾緊光纖50?；?0被兩個(gè)光纖導(dǎo)引器52、54夾在中間并與兩個(gè)光纖導(dǎo)引器接觸，光纖導(dǎo)引器52、54具有通道53、55以引導(dǎo)光纖50進(jìn)入基片10中的小孔22。光纖導(dǎo)引器中的通道53、55可以是模壓的、沖壓的、鉆孔的或是按照照相平版印刷法刻蝕的。在使用中，光纖陣列50從孔徑盤的一側(cè)插入光纖導(dǎo)引器盤52，該光纖陣列可被動(dòng)地對(duì)準(zhǔn)從另一側(cè)插入光纖導(dǎo)引器盤54的光纖?？烧{(diào)節(jié)在柔性材料中的小孔的錐形角，使得光纖在被插入通道53時(shí)定位在小孔22的中心。
根據(jù)圖10所示的另一實(shí)施例，可將一對(duì)光纖對(duì)準(zhǔn)基片10、11連接起來。光纖對(duì)準(zhǔn)基片10、11最好在連接之前先使用兩個(gè)或多個(gè)精確對(duì)準(zhǔn)插銷(例如，光纖)來對(duì)準(zhǔn)。這些對(duì)準(zhǔn)插銷可在孔徑盤被連接之后被去除，或先留在位置上，如果針對(duì)這些對(duì)準(zhǔn)插銷提供適當(dāng)?shù)暮笃谇謇淼脑?。然后，光纖對(duì)準(zhǔn)基片10、11可被夾入兩個(gè)光纖導(dǎo)引器52、54中。光纖50從雙片對(duì)準(zhǔn)板的某一面插入模制光纖導(dǎo)引器中，并對(duì)準(zhǔn)在對(duì)準(zhǔn)基片中的小孔，該小孔最好是錐形小孔。光纖導(dǎo)引器52、54也可被模制成具有錐形通道以使光纖陣列容易插入。
根據(jù)另一實(shí)施例，如圖11所示，光纖導(dǎo)引器結(jié)構(gòu)可與光纖對(duì)準(zhǔn)基片集成在一起。對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)60包括在該結(jié)構(gòu)的一個(gè)端面上形成的錐形小孔62，以及在結(jié)構(gòu)60的另一端面上形成的直孔徑64。就像通道53、55那樣，這種結(jié)構(gòu)可通過各種模壓、沖壓、機(jī)械加工以及照相平版印刷術(shù)方法來形成。如圖12所示，通過使可固化材料66經(jīng)毛細(xì)作用或模壓流入孔徑64，可在該結(jié)構(gòu)中形成光纖夾具。如圖13所示，在最好使用照相平版印刷術(shù)掩?；蚰＞吖ぞ呓?jīng)紫外曝光而固化之后，在夾具材料中形成了錐形小孔68。為了防止可固化材料66完全填充或產(chǎn)生一個(gè)完全穿透喇叭狀區(qū)域的較窄小孔68，可使用例如模具工具。如上所述，可通過模壓、沖壓或任何其它使小孔具有錐形剖面的工藝來形成錐形小孔62，該錐形剖面使光纖粗略地對(duì)準(zhǔn)聚合物夾具孔。小孔的絕對(duì)定位不是關(guān)鍵的。如上所述，通過毛細(xì)作用或模壓可以限制可固化材料流入小孔。在毛細(xì)作用的情形中，對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)60可在最接近直孔徑64的表面上涂上可固化材料?？晒袒牧蠈?huì)被輕輕吸入直孔徑，但是根據(jù)錐形小孔62的錐形剖面角以及可固化材料的粘性，毛細(xì)作用僅會(huì)把可固化材料部分地吸入錐形小孔62中。在可固化材料的模壓情形中，可迫使附加的錐形模具形狀(未在圖中示出)進(jìn)入錐形小孔62，以使在直孔徑64和錐形小孔62內(nèi)沉積的可固化材料成型?？晒袒牧显谀褐笏谕腻F形形狀將為插入的光纖提供粗略的引導(dǎo)，使其對(duì)準(zhǔn)隨后形成的精確UV-形成的錐形68。
使用本發(fā)明的二維光纖陣列對(duì)準(zhǔn)基片，能使多種光學(xué)元件和設(shè)備與光纖陣列互相連接。圖14示出了二維光纖陣列互聯(lián)的組件的全視圖。一對(duì)光纖導(dǎo)引器72、74把對(duì)準(zhǔn)基片76夾在中間，該對(duì)準(zhǔn)基片76包括已調(diào)節(jié)成夾住光纖78的小孔。光纖78被插入各自的光纖導(dǎo)引器72、74并穿過對(duì)準(zhǔn)基片76，彼此鄰接或鄰接到中間的折射率匹配層。在對(duì)準(zhǔn)基片76中的小孔(未示出)的內(nèi)表面上的聚合物材料的柔性本性保證能使鄰接的光纖78精確對(duì)準(zhǔn)。
應(yīng)該理解，在對(duì)準(zhǔn)基片中用于夾住光纖的小孔可以是非圓形的。通過在固化基片小孔內(nèi)的可固化材料之前改變掩?；蚰＞叩男螤睿赡艿玫酱罅康姆菆A形的光纖夾具形狀。在圖15中提供了若干示例形狀，其中圖15a-d示出了有圖案的光纖夾孔形狀，而圖15e-h示出了當(dāng)光纖79插入后的夾孔。在光纖插入期間，這些各種各樣的形狀允許夾具材料有附加的形變。這將允許使用較硬的聚合物夾具材料，在將光纖固定以及對(duì)準(zhǔn)光纖等方面該材料可提供另外的優(yōu)點(diǎn)。例如，對(duì)準(zhǔn)基片和夾緊部件的制造可完全出自單一材料，從而減少了大量的組裝步驟并降低了整個(gè)對(duì)準(zhǔn)盤的成本。針對(duì)非圓形小孔的制造工藝與針對(duì)圓形小孔的制造工藝基本一樣，除了如上所述的一點(diǎn)，即掩?；蚰＞叩男螤顣?huì)與所期望的小孔形狀相對(duì)應(yīng)。
如圖16所示，對(duì)準(zhǔn)基片包括帶有夾具的小孔，夾具形成于小孔中，該對(duì)準(zhǔn)基片也可用于把二維光纖陣列80對(duì)準(zhǔn)到二維微透鏡陣列82。如上所述按圖1-5制造對(duì)準(zhǔn)基片84。可提供帶有小孔的基片，該小孔形成于基片中，并且通過掩模能使可固化材料固化以提供繞著孔徑內(nèi)表面的柔性材料，從而形成經(jīng)調(diào)節(jié)可夾緊光纖的小孔。通過基片中的小孔插入光纖86。這個(gè)過程可發(fā)生在把對(duì)準(zhǔn)基片84固定在透鏡陣列82之前或之后。無論哪種情形，最好通過使用對(duì)準(zhǔn)掩模、對(duì)準(zhǔn)插銷或有源對(duì)準(zhǔn)技術(shù)，把對(duì)準(zhǔn)基片和光纖陣列對(duì)準(zhǔn)到透鏡陣列。在可選的實(shí)施例中，可以把一層可固化材料涂在微透鏡基片的背面83上，并把具有用于界定夾具小孔位置的不透光區(qū)域的光掩膜或模具放置在微透鏡基片之上。該掩模或模具對(duì)準(zhǔn)著微透鏡87，因?yàn)槲⑿〉臋M向錯(cuò)位會(huì)導(dǎo)致橫跨陣列的瞄準(zhǔn)誤差。在微透鏡基片中的刻蝕基準(zhǔn)可以輔助這種“掩模-基片”對(duì)準(zhǔn)過程。在掩?；蚰＞邔?duì)準(zhǔn)之后，最好使用紫外光來固化聚合物夾具材料。一旦曝光完畢，就除去掩?；蚰＞?，并通過沖洗來去除未曝光的夾具材料。這個(gè)過程在已固化的柔性材料中留下了對(duì)準(zhǔn)微透鏡87的錐形小孔85。在圖16-18中，所示的錐形小孔85具有直徑較大的末端，該末端與光纖的末端排成一行。盡管這種配置會(huì)提供精確的光纖對(duì)準(zhǔn)，但是當(dāng)直徑較小的末端與光纖末端排成一行時(shí)所對(duì)應(yīng)的配置也會(huì)在光纖插入期間提供某種光纖引導(dǎo)。通過修改曝光和沖洗條件，可調(diào)節(jié)錐形角。在這種可選實(shí)施例中，插入錐形夾孔的光纖86將會(huì)被動(dòng)地對(duì)準(zhǔn)微透鏡基片上的透鏡。在插入之后，如果需要把光纖固定在合適的位置或用于減輕張力，則粘合劑89可涂在整個(gè)光纖陣列上。
可將多層光纖夾具材料應(yīng)用到微透鏡基片上，以便為插入夾具中的光纖提供額外的穩(wěn)定性，并且也提供波紋形部件。圖17示出了這種處理方法的使用，在第一層84上使可固化材料的第二層90固化。使用具有適當(dāng)?shù)姆蛛x機(jī)制的模壓工藝，可制造出相似的形狀。在圖17中，在層90和84中的小孔的錐度、小孔85的錐度方向在每層中都是相同的。應(yīng)該理解，在相鄰的層中小孔的錐度方向可以是相反的，使得兩個(gè)錐形對(duì)準(zhǔn)且它們直徑較大的端面相互接觸。
本發(fā)明的對(duì)準(zhǔn)基片也可用于把二維光纖陣列對(duì)準(zhǔn)到檢測(cè)器陣列、VCSEL陣列或任何其它光學(xué)元件、光電子組件的陣列。在透光基片上可制造出在其中已固化一層可固化材料的小孔，調(diào)節(jié)小孔以?shī)A緊光纖，分別對(duì)準(zhǔn)并固定光電探測(cè)器和VCSEL基片。或者，可將與圖5、6或13相似的具有穿孔的對(duì)準(zhǔn)基片直接對(duì)準(zhǔn)光電子基片而不再需要透光基片。在圖18中示出了集成設(shè)備的一個(gè)示例，基片100含有形成于其中的小孔102，調(diào)節(jié)小孔102以?shī)A緊光纖104，該基片100是直接在光電檢測(cè)器或VCSEL基片106的頂部制造的，同時(shí)黏合劑108涂在基片100上以提供額外的穩(wěn)定性和張力減輕。
光纖對(duì)準(zhǔn)基片也可用于把其它光學(xué)元件對(duì)準(zhǔn)光纖陣列。參照?qǐng)D19，把裝在套管112中的光纖110對(duì)準(zhǔn)在普通基片116中的球形透鏡114。如圖19所示，每個(gè)球形透鏡114都對(duì)準(zhǔn)著在基片116中形成的夾孔118內(nèi)的每根光纖110。套管112是可選的，并且它們是用于使球形透鏡114的直徑與光纖110相匹配。把光纖插入套管可在把套管插入錐形夾孔118之前或之后發(fā)生。黏合劑120可用于在光纖與套管裝配好之后使光纖與套管固定在合適的位置并提供張力減輕。整個(gè)組件可安裝在基片122上，基片122可以是二氧化硅薄板或其它合適的基片。與圖19所示的排列相似，可把含透鏡的光纖直接裝入套管。在這種情形中，把裝有含透鏡的光纖的套管插入夾孔118而不再需要球形透鏡。然而在這種情形中，含透鏡的光纖的工作距離可能相當(dāng)小，所以可選基片122應(yīng)該被除去。
在圖20所示的可選實(shí)施例中，通過提供具有兩個(gè)不同夾緊區(qū)域的夾孔，可除去光纖套管。在圖20中，在第一個(gè)較窄的夾孔132中夾住光纖130，并且在喇叭狀的或較寬的夾孔136中夾住每個(gè)透鏡134，夾孔136形成于安裝在二氧化硅基片138之上的對(duì)準(zhǔn)基片131中。通過用錐形腔壓紋或模壓可固化材料，可制造出含有光纖夾孔132和球形透鏡夾孔136結(jié)構(gòu)的對(duì)準(zhǔn)盤，該錐形腔將把透鏡對(duì)準(zhǔn)光纖。在這種情形中，可制造出與圖13所示的對(duì)準(zhǔn)盤相似的對(duì)準(zhǔn)盤。黏合劑139可用于使該結(jié)構(gòu)穩(wěn)固并提供張力減輕。
如圖21所示，在另一個(gè)實(shí)施例中，在基片的第一個(gè)面上設(shè)計(jì)光纖夾孔圖案，在基片的另一個(gè)面上設(shè)計(jì)透鏡夾孔圖案。圖21示出了具有第一對(duì)準(zhǔn)基片142的基片140，第一對(duì)準(zhǔn)基片142用于對(duì)準(zhǔn)裝在可選套管146中的光纖144。含有夾孔150的第二對(duì)準(zhǔn)基片148形成于基片140的另一個(gè)面上，該夾孔的尺寸可固定球形透鏡152。
應(yīng)該理解，根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施例可制造出很多種二維陣列?？稍黾踊系膴A孔數(shù)目以增加用于固定光學(xué)元件的通道的數(shù)目。也應(yīng)該理解，盡管附圖顯示出光纖，但是本發(fā)明可包括這樣的制品，調(diào)節(jié)該制品以固定住光纖，該光纖連接到其它光學(xué)元件，例如透鏡、光纖套管、球形透鏡、諸如薄膜濾波器這樣的濾波器、檢測(cè)器、光柵等等。本發(fā)明的制品可用來提供迭式光纖陣列，該光纖包括完整地形成于該光纖的至少一個(gè)端面上的透鏡。因?yàn)樗鼈兪褂孟嗨频膸缀涡螤?，所以光學(xué)元件陣列組件可輕易地對(duì)準(zhǔn)二維光纖陣列以創(chuàng)建一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)。多個(gè)二維光學(xué)元件和光纖的陣列可以或不可以通過普通的基片來連接，如通過圖19中的基片116或圖21中的基片140。
通過使用公知的平版印刷工藝、光聚合的聚合物等等，可在基片孔徑的內(nèi)表面上形成夾具元件。例如，光聚合的聚合物基本上均勻沉積到基片表面上。然后，通過使用帶有紫外激光束或準(zhǔn)直UV燈以及光掩模的激光與計(jì)算機(jī)控制臺(tái)以曝光精確的合成區(qū)域，光聚合的聚合物以圖像方式被曝光到光化學(xué)輻射中。然后，可用溶劑除去未成像區(qū)域，同時(shí)在基片表面上留下的成像區(qū)域形狀為至少一個(gè)夾緊元件。
光聚合的聚合物也可通過多種手段被固化，比如使用模具的同時(shí)還伴有光化學(xué)輻射或加熱。在從已固化的合成物中除去模具之后，至少一個(gè)夾緊元件仍會(huì)留在基片上，這取決于圖案的性質(zhì)。模具的圖案可包括多個(gè)夾緊元件以提供用于對(duì)準(zhǔn)光纖和透鏡陣列的基片。在一般性授權(quán)的美國(guó)專利6,266,472中揭示了用于制造夾緊元件的合適的聚合物合成物。
根據(jù)某些實(shí)施例，本發(fā)明的方法和制品可用來制造包括光纖陣列的光學(xué)設(shè)備。通過把多個(gè)光纖插入在基片中形成的多個(gè)小孔并使單獨(dú)的光纖固定在小孔中。在某些實(shí)施例中，光纖相當(dāng)于諸如包括多薄膜濾波器的棱鏡、像MEMS開關(guān)這樣的開關(guān)元件、電全息開關(guān)或LCD開關(guān)的光學(xué)元件而放置。根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施例，提供了多種用于使二維光纖陣列與其它光纖、透鏡、光檢測(cè)器、VCSEL或其它光電設(shè)備相互連接的制品和方法。使用未固化的聚合物或單體夾具材料，經(jīng)例如像照相平版印刷法圖案設(shè)計(jì)和沖洗、壓紋或模壓這樣的相對(duì)簡(jiǎn)單的制造工藝，可在基片上制造出具有錐形內(nèi)壁或直內(nèi)壁的柔性?shī)A緊結(jié)構(gòu)。然后，由柔性?shī)A具材料把光學(xué)元件對(duì)準(zhǔn)基片并把光學(xué)元件固定在合適的位置。聚合物夾具材料稍微變形以?shī)A住光纖或元件，并把每個(gè)光纖都對(duì)準(zhǔn)到在二維格子中預(yù)先定義的位置。這種自對(duì)準(zhǔn)過程也補(bǔ)償了對(duì)稱光學(xué)元件幾何形狀的變化，比如光纖或球形透鏡的直徑中的變化。
本發(fā)明的制品和方法提供多用途的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能使大量接合、引出端或連接到達(dá)透鏡陣列。該制品可含有在二維光纖陣列接合部件中或在二維光纖陣列連接器中。在基片小孔中使用柔性?shī)A具材料可使光纖的定位和固定更容易，并產(chǎn)生通道均一性所要求的高度平行的光纖輸出。制造這種結(jié)構(gòu)不要求復(fù)雜的微機(jī)械加工。使用標(biāo)準(zhǔn)的照相平版印刷術(shù)或微復(fù)制技術(shù)就可以形成這種結(jié)構(gòu)。
在小孔材料方面使用柔性?shī)A緊材料可為基盤小孔減小公差，使得能夠使用多種基盤材料，還能夠在陣列中多次插入/移去光纖，可使用多種低公差基盤制造步驟，并保證光纖相當(dāng)于彼此被動(dòng)的對(duì)準(zhǔn)。根據(jù)某些實(shí)施例，柔性薄片的制造可出自聚合物或單體夾具材料，以幫助引導(dǎo)光纖或把光纖固定在基片中形成的小孔內(nèi)。這些柔性?shī)A具結(jié)構(gòu)的制造本來就是低成本，因?yàn)榭墒褂卯a(chǎn)生高產(chǎn)量的自動(dòng)化步驟，高產(chǎn)量導(dǎo)致材料和人力的低成本。
對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，很明顯在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可對(duì)本發(fā)明作出各種修改和變化。例如，盡管許多實(shí)施例示出的基片孔徑或小孔延伸穿透該基片，但是在某些實(shí)施例中，孔徑洞并不完全穿透對(duì)準(zhǔn)基片。在圖16的描述中，在透鏡陣列的頂部直接制造對(duì)準(zhǔn)部件便是這種示例。在這種情形中，并不存在具有穿透的小孔的自支持孔徑基片。同樣，在形成夾緊結(jié)構(gòu)之前，制造具有非均勻的孔徑的對(duì)準(zhǔn)基片或許是有用的。例如，對(duì)準(zhǔn)基片可制造成在孔徑的底部具有物理壁架。當(dāng)光纖或光纖套管被推到合適的位置時(shí)，這些壁架將適合用作“制動(dòng)器”。因此，本發(fā)明旨在覆蓋對(duì)本發(fā)明所作的修改和變化，只要它們落在所附的權(quán)利要求書及其等價(jià)方案中。
權(quán)利要求
1.一種用于形成光學(xué)元件陣列的制品，它包括基片，在所述基片中有二維孔徑陣列，所述孔徑被安排成二維陣列，各孔徑沿著且繞著其內(nèi)周面都有材料，以在所述基片中提供小孔用于夾住放置在所述小孔中的光學(xué)元件。
2.如權(quán)利要求1所述的制品，其特征在于，所述材料可通過紫外光固化。
3.如權(quán)利要求2所述的制品，其特征在于，所述可固化材料是光聚合的聚合物。
4.如權(quán)利要求2所述的制品，其特征在于，所述可固化材料被含有在所述基片的至少一個(gè)側(cè)面上。
5.如權(quán)利要求4所述的制品，其特征在于，所述基片中的小孔延伸貫穿被含有在所述基片的至少一個(gè)側(cè)面上的可固化材料。
6.如權(quán)利要求1所述的制品，其特征在于，所述光學(xué)元件包括光纖并且進(jìn)一步包括與所述基片相接觸的光纖導(dǎo)引器，所述光纖導(dǎo)引器中具有與所述對(duì)準(zhǔn)基片的小孔對(duì)準(zhǔn)的通道。
7.如權(quán)利要求6所述的制品，其特征在于，所述基片與光纖導(dǎo)引器相接觸并被所述具有與所述基片的小孔對(duì)準(zhǔn)的通道的光纖導(dǎo)引器夾在當(dāng)中。
8.如權(quán)利要求6所述的制品，其特征在于，所述光纖導(dǎo)引器與所述對(duì)準(zhǔn)基片形成一體。
9.一種光學(xué)設(shè)備，它包括如權(quán)利要求1所述的制品。
10.一種光學(xué)設(shè)備，它包括如權(quán)利要求7所述的制品，其中，所述諸光纖導(dǎo)引器彼此相對(duì)、且它們的通道相互對(duì)準(zhǔn)，其中光纖插在彼此相對(duì)的導(dǎo)引器的通道和對(duì)準(zhǔn)基片中，從而使所述光纖被對(duì)準(zhǔn)并且被置于鄰接關(guān)系中。
11.如權(quán)利要求9所述的光學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述光學(xué)設(shè)備包括通過所述對(duì)準(zhǔn)基片的小孔插入的光纖，所述對(duì)準(zhǔn)基片的小孔與一透鏡陣列對(duì)準(zhǔn)。
12.如權(quán)利要求11所述的光學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述透鏡形成于一基片上，且所述對(duì)準(zhǔn)基片放置成與所述基片相接觸。
13.如權(quán)利要求12所述的光學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述透鏡形成于所述基片與和所述對(duì)準(zhǔn)基片相接觸的那個(gè)面相反的面上。
14.如權(quán)利要求13所述的光學(xué)設(shè)備，其特征在于，把在其中具有小孔的第二對(duì)準(zhǔn)基片放置成與所述第一對(duì)準(zhǔn)基片相接觸。
15.如權(quán)利要求11所述的光學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述透鏡陣列是球形透鏡陣列。
16.如權(quán)利要求15所述的光學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述球形透鏡固定在所述對(duì)準(zhǔn)基片的小孔中。
17.如權(quán)利要求16所述的光學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述對(duì)準(zhǔn)基片包括喇叭狀小孔，所述喇叭狀小孔的大小宜夾住所述球形透鏡，其中所述喇叭狀小孔對(duì)準(zhǔn)所述其大小宜夾住光纖的小孔。
18.如權(quán)利要求17所述的光學(xué)設(shè)備，其特征在于，光纖被夾在所述小孔內(nèi)并且與所述球形透鏡對(duì)準(zhǔn)。
19.如權(quán)利要求16所述的光學(xué)設(shè)備，其特征在于，配有一個(gè)具有其大小宜夾住所述球形透鏡的小孔的單獨(dú)的對(duì)準(zhǔn)基片，且所述夾住球形透鏡的基片與所述光纖對(duì)準(zhǔn)基片對(duì)準(zhǔn)。
20.如權(quán)利要求9所述的光學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述對(duì)準(zhǔn)基片放置成與光學(xué)元件相接觸。
21.一種用于形成二維光學(xué)元件陣列設(shè)備的方法，包括形成二維孔徑陣列，所述孔徑貫穿基片的兩個(gè)側(cè)面；把可固化材料沉積到每個(gè)孔徑中；以及使所述可固化材料固化，以在每個(gè)孔徑的內(nèi)周面上提供用于夾住光學(xué)元件的柔性?shī)A具。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，通過紫外輻射使所述可固化材料固化。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，所述方法還包括在所述可固化材料上放置掩模。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，所述掩模包括在所述掩模上被放置在所述孔徑之上的掩模區(qū)域。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，所述方法進(jìn)一步包括在所述可固化材料固化之后從所述小孔中沖洗掉未固化的材料。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，所述方法進(jìn)一步包括在所述基片的至少一個(gè)側(cè)面上形成一層含有小孔的可固化材料。
27.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，所述小孔的橫截面是圓形的。
28.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，選擇所述固化條件使得在所述對(duì)準(zhǔn)基片中形成錐形小孔。
29.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，所述方法進(jìn)一步包括在所述小孔中插入光纖。
30.一種用于形成二維光學(xué)元件陣列設(shè)備的方法，包括提供具有插銷的第一模具，諸插銷形成二維陣列；用可固化材料圍繞所述模具；以及使繞著所述模具的材料固化，以提供具有二維柔性小孔陣列的基片，其中小孔的尺寸宜夾住光學(xué)元件。
31.如權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于，所述插銷是錐形的，從而使得在所述基片中形成錐形的小孔。
32.如權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于，所述方法進(jìn)一步包括提供具有二維陣列形式的插銷的第二模具，以及在固化之前把所述可固化材料夾在所述諸模具之間。
33.如權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于，所述方法進(jìn)一步包括提供在其中帶有孔徑的對(duì)準(zhǔn)基片，將所述插銷置入所述孔徑中，以使可固化材料在所述插銷和孔徑之間流動(dòng)，以及將所述插銷和所述孔徑之間的材料固化。
34.如權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于，所述光學(xué)元件選自光纖、透鏡、光纖套管、球形透鏡、濾波器、檢測(cè)器以及光柵。
35.如權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于，使所述插銷具有特定表面結(jié)構(gòu)以在所述夾具孔徑的內(nèi)側(cè)提供有特定結(jié)構(gòu)的表面。
全文摘要
揭示了用于形成二維光學(xué)元件陣列的制品和方法。該制品和方法包括提供一種帶有孔徑的對(duì)準(zhǔn)基片，該孔徑內(nèi)表面填充有柔性的夾具以提供一個(gè)其尺寸可夾住光纖的小孔。該制品和方法可用于制造包括光纖的光學(xué)元件陣列，還可用于制造光學(xué)設(shè)備。
文檔編號(hào)G02B6/36GK1768284SQ200480008967
公開日2006年5月3日 申請(qǐng)日期2004年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月31日
發(fā)明者S·M·加納, J·S·薩瑟蘭 申請(qǐng)人:康寧股份有限公司