專利名稱：光波導模塊及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光波導模塊及其制造方法。其用于光通信網(wǎng)或類似場所，通過連接光波導支座和光纖支座制造。
近年來，隨著光通信、光信息處理或類似技術的進步，非常希望能實現(xiàn)單模傳輸光纖(下文略作單模光纖)和光波導的連接，從而構成具有高可靠性的光耦合電路或光學支路。這種情況下，單模光纖芯的直徑約幾μm到10μm。因而，當單模光纖與光波導連接時，它們之間相對位置的偏移必須在1μm以下，以防止連接損耗的增加。
通常，當光波導與單模光纖相連時，其相對位置被對準的同時還要監(jiān)控連接損耗。支承光波導的支座的接觸面緊靠支承光纖支座的接觸面以獲得連接損耗最小的定位。兩支座間的對接部分通過粘接或激光焊接固定。在光波導和光纖間的連接部分使用折射率匹配劑(agent)(如匹配(matching)油)以防止光的反射。
常規(guī)的光波導模塊中，與光纖相連的光纖連接器與光波導襯底的兩邊通過折射率匹配劑耦合，該襯底帶有如1×8支路的光波導。這種光波導襯底固定在一不銹鋼的光波導支座上，該支座的截面大致為U形。每個光纖連接器安裝在有一底面和一大致為U形的截面的不銹鋼光纖支座上。
去掉包覆部分的一個單模光纖埋在一光纖連接器中。去掉包覆部分且連接端部分相互耦合的多個單模光纖埋在另一個光纖連接器中。光波導支座和光纖支座間的對接部分用紫外粘接或用YAG(釔鋁石榴石)激光器點焊形成。利用這種結構中，從與一光纖連接器相連的光纖入射的光線在光波導襯底的光波導中被分成8束并被傳輸給與其它光纖連接器相連的8根光纖。
這種光波導模塊中，光波導的端面與支承光波導的支座的端面，或光纖的端面與支承光纖的支座的端面是被拋光的，這些端面被對準以形成平面。由于這個原因，當光波導和光纖的端面相接以調整光波導和光纖定位的位置時，它們之間的光學連接部分便受到磨損或被損壞以致于引起連接損耗的增加。
另外，折射率匹配劑僅填充在光波導襯底、光纖連接器及其支座接觸面間形成的很小的間隙中。這種情況下，折射率匹配劑會隨溫度或類似條件的變化流出從而使光耦合特性不穩(wěn)定。
為解決上述問題，在根據(jù)本申請人的在先申請的日本專利申請4-58116號(未公開)中，光波導襯底或光纖連接器的端面從其支座的端面后退以獲得用來填充折射率匹配劑的空間。然而，在日本專利申請4-58116中，這些元件必須這樣固定得使光波導襯底或光纖連接器的端面從其支座的端面后退-預定距離，這導致裝配復雜。
此外，日本專利延遲公開4-355413中公開的結構中，在連接部分或光波導的支座和光纖支座的側面形成一防水包層，從而防止由濕熱引起的各光學部件的退化。然而，日本專利延遲公開4-355413中，當光波導和光纖被對準時，其間的連接部分會受損。
此外，在紫外粘接中，流體狀的紫外硬化樹脂(curing resin)材料被涂覆在光波導支座和光纖支座間的對接部分以粘接兩元件。但是，紫外樹脂材料變硬時會收縮。因此，光波導襯底和光纖連接器偏離從而引起光波導和光纖間的光軸不準直。然而，由于光纖連接的對準精度必須保持在0.1μm以內(nèi)，所以光軸非準直的問題不能忽略。
另一方面，采用YAG激光器焊接時，如，光波導支座和光纖支座對接部分的兩側面的四個部分被焊接。當這些焊接部分被焊時，產(chǎn)生的熱應力使光波導襯底和光纖連接器在與對接面垂直的方向上偏移更多。這一移動在每面的焊接部分尤其易變得不均勻。因此因此光波導襯底和光纖連接器的固定是不可靠的，同時，易出現(xiàn)光軸不準直。
為解決以上問題，在日本專利公報3-75708中公開的結構中，在光波導支座和光纖支座間的連接部分裝入石蠟介質，并調整YAG激光器的輸出以避免光軸不對準。然而，在日本專利公報3-75708中，光波導襯底、光纖連接器和其支座的材料是不同的。因此，由于溫度變化引起的熱脹或收縮，不能獲得穩(wěn)定的光耦合特性。
如上所述，在常規(guī)耦合方法中，光波導支座和光纖連接器支座的端面彼此對接，且接觸面用紫外粘接或YAG焊接固定光波導襯底與光纖連接器的固定是不可靠的，或在光波導和光纖的連接部分出現(xiàn)光軸未校準。
由于可增加固定強度(例如)，YAG焊接已被檢定為一種極好的固定方法。然而，當具有不同于光波導襯底或光纖連接器的折射率的空氣層插在光波導襯底和光纖連接器間引起光的反射時，光信號不能在光波導襯底和光纖連接器間正確傳輸。為避免這一不利之處，兩元件間需通過采用折射率匹配劑實現(xiàn)折射率匹配。作為折射率匹配劑，通常采用硅油或類似東西或日本專利公報5-34543中公開的樹脂作匹配油。
然而，當匹配油用作折射率匹配劑時，匹配油會流逝，從而使長期可靠性差。日本專利公報5-34543公開的發(fā)明中，需要進行線焊接以氣密密封樹脂并在氣密密封后使樹脂硬化的。如果在硬化時加熱樹脂產(chǎn)生氣體，氣體因為沒有裂口，而被截留。這種氣體的出現(xiàn)，大大降低了光波導模塊的性能。
本發(fā)明的目的是提供一種帶有光波導和光纖連接結構的光波導模塊，及其制造方法，該模塊解決了上面的問題。
為實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明所述，提供一種光波導模塊，其包括光波導支座、安裝在光波導支座上的光波導襯底、在光波導襯底中形成的光波導、光纖支座、安裝在光纖支座中的光纖連接器、以及由光纖連接器支承并且端面從光纖連接器露出的光纖，其中光波導支座和光纖支座的端面在對準光波導和光纖時被相互連接，光波導襯底和光纖連接器的每個端面至少部分地通過一間隙被焊接在一起，具有光傳輸特性的硬化匹配劑填充在該間隙中。換句話說，間隙是指光波導(或光波導襯底)端面和光纖(或光纖連接器)端面間具有預定距離的空隙。
間隙可在光波導的端面和光纖連接器的端面間形成，光波導端面從光波導支座和光波導襯底的端面后移。另外，間隙也可在光纖端面和光波導端面間形成，光纖端面從光纖支座和光纖連接器端面后移。間隙還可在光波導襯底端面和光纖連接器端面間形成，光波導襯底端面從光波導支座和光波導的端面后移。間隙也可在光纖連接器的端面與光波導的端面之間形成，光纖連接器從光纖支座和光纖的端面后移。
在這種光波導模塊中，光波導襯底和光纖連接器的端面至少部分通過一間隙粘接以便使具有與光波導和光纖匹配的折射率的硬化匹配劑填充在該間隙。因此，當在對準時，光波導和光纖不會磨損或損壞。
為實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明所述，提供了第一種制造光波導模塊的方法，其包括第一步在光波導支座上安裝其上具有光波導的光波導襯底，在光纖支座上安裝支承光纖的光纖連接器，分別完全拋光光波導、光波導襯底和光波導支座的端面，以及光纖、光纖連接器和光纖支座的端面;第二步將光波導襯底的端面浸在預定的腐蝕溶液中以便至少部分去除光波導襯底的端面使其從光纖支座的端面后退;第三步在對準光波導和光纖的同時將光波導支座和光纖支座的端面彼此連接，并向粘接光波導襯底和光纖連接器形成的間隙中填入有光傳輸特性的硬化匹配劑;第四步使硬化匹配劑凝固以固定光波導襯底和光纖連接器間的連接部分。
為實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明所述提供了第二種制造光波導模塊的方法，其包括第一步在光波導支座上安裝其上制有光波導的光波導襯底，在光纖支座上安裝支承光纖的光纖連接器，并分別完全拋光光波導、光波導襯底和光波導支座的端面及光纖、光纖連接器和光纖支座的端面;第二步將光纖連接器的端面浸入一預定腐蝕液中以便至少部分去除光纖連接器的端面使其從光纖支座的端面后退;第三步將光波導支座和光纖支座的端面連接起來，同時對準光波導和光纖并往粘接光波導襯底和光纖連接器形成的間隙中填充有光傳輸特性的硬化匹配劑;第四步使硬化匹配劑凝固以固定光波導襯底和光纖連接器間的連接部分。
第一種和第二種制造光波導模塊的方法中，光波導襯底或光纖連接器的端面至少部分被腐蝕和去除以便在光波導襯底和光纖連接器間形成一間隙。因此，光波導襯底和光纖連接器的端面在該間隙中的間隔可通過準確的控制來設定。因而，光波導和光纖間硬化匹配劑引起的光損耗量可被設置在允許的值。與此同時，由光波導支座和光纖支座及光波導襯底和光纖連接器間的熱應力引起的硬化匹配劑的剝離率(peeling frequency)可設定為允許的值。
為達到上述目的，根據(jù)本發(fā)明所述，提供制造光波導模塊的第三種方法，包括第一步在對準光波導和光纖的同時將光波導支座的端面與光纖支座的端面連接起來，光波導支座上裝有制有光波導的光波導襯底，光纖支座上裝著支承光纖的光纖連接器;第二步在光波導襯底和光纖連接器間注入硬化匹配劑，其具有光傳輸特性和與光波導支座和光纖支座、光波導襯底和光纖連接器間的熱應力相應的楊氏模量;第三步用YAG激光焊接固定光波導支座和光纖支座間的連接部分;第四步使硬化匹配劑凝固以固定光波導襯底和光纖連接器間的連接部分。
第三種制造光波導模塊的方法中，光波導和光纖被對準，然后再用YAG激光焊接固定光波導支座和光纖支座間的連接部分，從而保持連接部分足夠的機械強度。此外，作為YAG激光焊接的后續(xù)處理，光波導襯底和光纖連接器間的連接部分通過使硬化匹配劑凝固被固定，從而將光波導和光纖間的軸向未校準減到最小。因此，光波導和光纖間的耦合特性具有高可靠性。另外，由于硬化匹配劑具有光波導支座和光纖支座、光波導襯底和光纖連接器間的熱應力相應的楊氏模量，所以由溫度變化引的熱膨脹或收縮便由于硬化匹配劑起到緩沖層的作用而被減小。因而，可獲得光波導和光纖間穩(wěn)定的耦合特性。
為達到上述目的，根據(jù)本發(fā)明所述，提供制造光波導模塊的第四種方法，其包括第一步將光波導支座的端面和光纖支座的端面連接起來，光波導支座上裝著制有光波導的光波導襯底，光纖支座上裝有支承光纖的光纖連接器在光波導襯底和光纖連接器間的連接部分中注入有光傳輸特性的硬化匹配劑;第二步將光波導和光纖對準并用點焊固定光波導支座和光纖支座的連接部分，第三步使硬化匹配劑凝固以固定光波導襯底和光纖連接器間的連接部分;第四步用線焊氣密密封光波導支座和光纖支座間的連接部分。
在第四種制造光波導模塊的方法中，光波導和光纖被對準以后，光波導支座和光纖支座間的連接部分暫時用點焊固定，再凝固硬化匹配劑以固定光波導襯底和光纖連接器的連接部分，從而將凝固匹配劑時產(chǎn)生的氣體從連接部分的間隙中去除。因此，光波導和光纖間的耦合特性很好。作為凝固硬化匹配劑的后續(xù)處理，光波導支座和光纖支座間的連接部分用線焊氣密密封，從而將外界影響引的硬化匹配劑壽命的變化減到最小。因此，光波導和光纖間的耦合特性可保證長期的可靠性。
為實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明所述提供制造光波導模塊的第五種方法，其包括一步將安裝制有光波導的光波導襯底的光波導支座和裝有支承光纖的光纖連接器的光纖支座浸入有光傳輸特性的折射率匹配劑中，并將光波導支座和光纖支座的端面彼此相連;第二步對準光波導和光纖并用線焊氣密密封光波導支座和光纖支座間的連接部分。
第五種制造光波導模塊的方法中，光波導支座和光纖支座的連接部分在被浸入折射率匹配劑的同時用線焊氣密密封，以便填充在連接部分的折射率匹配劑不會流失。因而，光波導和光纖間的耦合特性保證了長期的高可靠性。


圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實施例所述的光波導結構的平面圖;
圖2是顯示圖1中光波導模塊的光波導單元和光纖單元間連接部分放大的平面圖;
圖3是顯示圖1中光波導模塊的光波導襯底與光波導支座的狀態(tài)的彼此分開的透視圖;
圖4顯示根據(jù)本發(fā)明第二實施例所述的光波導模塊結構的平面圖;
圖5是顯示圖4中光波導模塊的光波導襯底和光纖連接器間的間隙未填充折射率匹配劑的狀態(tài)的平面圖;
圖6給出圖4的光波導模塊中，纖維端面后退距離與光波導和光纖的插入損耗的關系曲線圖;
圖7給出圖1的光波導模塊中，纖維端面后退距離與粘接劑剝離率的關系曲線圖;
圖8是根據(jù)本發(fā)明第三實施例所述的光波導模塊結構的平面圖;
圖9是顯示圖8中光波導模塊的光波導襯底和光纖連接器間的間隙未填入折射率匹配劑的狀態(tài)的平面圖;
圖10到圖13順次給出根據(jù)本發(fā)明第四實施例所述的光波導模塊制造步驟的透視圖;
圖14到16順次給根據(jù)本發(fā)明第五實施例所述光波導模塊制造步驟的透視圖。
下面將參照圖1-16描述根據(jù)本發(fā)明所述的實施例的結構和作用。描述附圖時，相同的參考數(shù)字表示相同的元件，其詳細描述被忽略。圖形的大小不一定與所描述的一致。
圖1是給出根據(jù)本發(fā)明第一實施例所述的光波導模塊結構的平面圖。圖2是圖1中光波導模塊的光波單元和光纖單元間連接部分放大的平面圖。圖3是顯示圖1中光波導模塊的光波導襯底和光波導支座相互分離狀態(tài)的透視圖。
光波導模塊1a中，與光纖相連的光纖連接器4和5置于具有光波導2的光波導襯底3的兩側面。光波導襯底3安裝在大致為U形的不銹鋼光波導支座6上。光纖連接器4和5分別安裝在有不銹鋼的底面、大致為U形的光纖支座7和8上。
去掉外皮9的單模光纖10被埋入光纖連接器4中。去掉外皮9且相連端部分彼此耦合的多個單模光纖10被埋在光纖連接器5中。光波導支座6與光纖支座7或8間對接端部分用YAG(釔鋁石榴石)激光器適當點焊成一整體。來自光纖10的入射光在光波導2中被分成8束并被傳輸給8根光纖10。
本發(fā)明人根據(jù)本實施例所述制作一樣品，下面將予以描述。示于圖1的具有1×8分支結構的光波導被做在光波導襯底中。該光波導襯底的兩端面先被拋光并被切割以便安裝在分別配備的光波導支座上。該支座被加工成總長度比光波導襯底的長度長約20μm。不銹鋼基材料、鐵鎳鈷合金、鎳鐵合金或類似材料被用作支座材料。采用圖1所示方法進行以這種方式配備的光波導支座和光纖支座的定位。這時，由加氟復合物的丙烯酸鹽樹脂組成的、楊氏模量為8kgf/mm2、折射率為1.44的紫外硬化粘接劑11被填充到光波導襯底和光纖連接器間的間隙中。
第一實施中，光波導襯底3的端面3a從光波導支座6的端面6a凹進預定尺寸L1。
首先，光波導支座6被放置行緊鄰光纖支座8。光波導2和光纖10采用XYZ平臺(sfage)(未給出)在垂直和水平方向被對準。然后紫外硬化樹脂11被涂覆在順次放置的支座的對接表面。將光纖支座8的端面8a與光波導支座6的端面6a緊緊相接，同時再用XYZ平臺在垂直和水平方向對準光波導2和光纖10。對準后，用YAG激光束照射端面6a和8a將其焊接。
焊接后，放置在光纖10帶狀后端附近的汞燈14被打開以使紫外光線(365nm)沿圖1中箭頭所示方向入射到光纖10和光波導2上，從而使紫外硬化粘接劑11的中間部分硬化。與此同時，紫外硬化粘接劑11的邊緣被紫外射線照射并硬化。根據(jù)上面耦合方法所述，紫外線從邊緣照射使紫外硬化粘接劑11硬化，同時紫外光還入射到順次放置的光波導2和光纖10上以使紫外硬化粘接劑靠近中心的部分硬化。這種情況下，核心部分附近被可靠地硬化，而光波導2和光纖10的中心在硬化中和硬化后位置幾乎不變。因此位于紫外硬化粘接劑11中間部分的光波導2和光纖10的中心的垂直和水平偏移大大減小。
對按上述方法制成的耦合裝置在溫度范圍-10～70℃內(nèi)進行熱循環(huán)測試并在溫度為80℃、濕度為95%時進行環(huán)境試驗。插入損耗的增加不超過0.3dB。本發(fā)明的粘接劑不僅具有粘接端面的功能，而且還可減緩由溫度變化引起的形狀變化。為此，粘接劑的楊氏模量最好不超過100kgf/mm2。
另外，為補償粘接端面間的間隙或光波導和光纖間的軸向非準直性，粘接劑入折射率最好幾乎等于光波導和光纖的折射率。具有上述特征的熱固粘接劑(如主要由環(huán)氧樹脂組成)可被用作這種粘接劑。
根據(jù)第一實施例所述，將光波導和光纖的軸對準后，把具有較低楊氏模量的粘接劑注耦合端面間，將端面焊接、固定。因而可以確保連接部分的機械強度，從獲得高可靠性的耦合裝置。然后，粘接劑硬化，能使硬化中引起的軸向非準直性減最少。由于粘接劑的楊氏模量小，所以當耦合裝置隨溫度變化膨脹或收縮時，粘接劑還可起緩沖層作用，從而防止產(chǎn)生過大作用力。另外，粘接劑有匹配的特性，使得由軸向非準直性、間隙或類似因素引起的耦合損耗的增加減到最小。
圖4給出根據(jù)本發(fā)明第二實施例所述光波導模塊的平面圖。圖5給出未在圖4的光波導襯底和光纖連接器間的間隙中填充折射率匹配劑的狀態(tài)的平面圖。
根據(jù)第二實施例所述的光波導模塊1b(如圖5示)中，光入射面上的光纖10的連接端部分(外皮被除去)埋在第一光纖連接器4中。光纖連接器4安裝在從頂面和底板看呈U形的(未給出)光纖支座7上。
在光波導襯底3中制成的光波導2的入射邊端面2a放置得與由第一光纖連接器4支承的光纖10的端面10a相對。該光波導具有1×4分支的結構。光波導襯底3有一底板(未給出)，并安裝在具有U形截面的光波導支座上。光波導2出射邊的端面2a放置得與由第二光纖連接器5支持的多個單模光纖10的端面10a相對。光纖連接器5安裝在從頂部和底板(未給出)看大致為U形的光纖支座8上。
在上述的光波導模塊1b中，左和右光纖10的每個端面10a被放置在從相應光纖連接器4或5的端面4a或5a凹進一預定尺寸L2(示于圖5)的位置，以構成第一端面部分12。凹進部分的尺寸L2最好設定在2至50μm的范圍內(nèi)。
另外，光纖連接器4或5的端面4a或5a與相應的光纖支座或8的端面7a或8a在同一平面上。將折射率匹配劑11填充在光纖端面10a與連接器端面4a與5a間形成的凹進部分中以防止在光耦合部分的光反射。除匹配油外，最好能用熱固丙烯酸鹽樹脂或熱固環(huán)氧樹脂作折射率匹配劑11。用作匹配粘接劑的丙烯酸鹽樹脂和環(huán)氧樹脂的特性示于表1。
表1匹配粘接劑名稱 Lacstrap*1Epotec*2折射率 1.45 1.51玻璃態(tài)轉變溫度(℃) 58 60熱膨脹系數(shù)(K-1) 2×10-41.8×10-4楊氏模量(kgf/mm) 8 ≤100粘接強度(kgf/cm2) 170 -＊1加氟復合物的丙烯酸鹽樹脂可從英國化學工業(yè)公司獲得＊2環(huán)氧樹脂可從環(huán)氧樹脂技術公司獲得由一非平常表面確定、包括連接器端面4a或5a及光纖端面10a的第一端面部分12按下列工藝制造。
在光纖連接器4或5安裝在光纖支座7或8上的狀態(tài)中，連接器端面4a或5a、光纖端面10a、以及支座端面7a或8a幾乎在同一平面上。在這種狀態(tài)，端面4a、5a、10a、7a和8a被拋光。
光纖連接器4和5與光纖支座7和8一起被浸入20℃時5%的氫氟酸水溶液中約1小時。這時，只有光纖被腐蝕，光纖端面10a從連接器端面4a或5a后退約5μm。
本發(fā)明人進行過各有光纖連接器裝于其上的支座和有光波導襯底裝于其上的支座的定位，所有元件按上述方法制備。這時，折射率匹配劑11被填入光波導2的端面2a和光纖10的端面10a間的間隙。將光波導2和光纖10定位后，光波導支座6和光纖連接器7和8的相接端面用YAG焊接固定。
對按上述大小制備的光波導模塊1b測量了溫度在-10至70℃范圍內(nèi)變化時的損耗變化，得到了變化范圍為±0.2dB的非常令人滿意的值。另外，作為比較的例子，對光波導和光纖的端面未從光波導襯底和光纖連接器端面后退的常規(guī)光波導模塊測量同樣溫度條件下的損耗變化。這種情況下，損耗變化的范圍達到±0.5dB。
第二實施例中，作為第二端面部分13的光波導2的端面2a和光波導襯底3的端面3a在同一平面。然而，用與上一實施例相同的腐蝕工藝，光波導2的端面2a可從光波導襯底3的端面3a后退2～50μm(未給出)。這種情況下，作為第一端面部分12的光纖10的端面10a和光纖連接器4或5的端面4a或5a在同一平面。
下面將描述為恰當?shù)卮_定光波導模塊1b中光纖端面后退距離所做的實驗。這種情況下，光波導襯底和光纖連接器由硅制成。用作外殼的光波導支座和光纖支座由鎳鐵合金或不銹鋼(SUS304)制造。這些材料的熱膨脹系數(shù)示于表2。
表2材料名稱熱膨脹系數(shù)(K-1)硅 2.5×10-6鎳鐵合金 2×10-6～5×10-6不銹鋼(SUS304) 1.47×10-5圖6是顯示光纖端面后退量與光波導和光纖間插入損耗的關系的曲線圖。根據(jù)該結果，當光纖端面后退距離增加時，光波導和光纖間的插入損耗增加。因而，與光纖端面后退距離有關的最大值假定是根據(jù)插入損耗允許的值的上限來確定的。
圖7是顯示光纖端面后退距離與匹配粘接劑剝離率關系的曲線圖。按該結果，當光纖端面后退距離減小時，匹配粘接劑剝離率增加。因而，光纖端面后退距離的最小值假定是基于要求的剝離率上限值確定的。
因此，當光波導支座和光纖支座是由鎳鐵合金制成時，光纖端面的后通距離L2最好置于2～30μm的范圍內(nèi)。當光波導支座和光纖支座由不銹鋼(SUS304)制成時，光纖端面的后退距離L2最好設置在5～30μm的范圍內(nèi)。
圖8給出了根據(jù)本發(fā)明第三實施例所述的光波導模塊的平面圖。圖9給出了未用折射率匹配劑填充光波導襯底和光纖連接器間的連接部分的狀態(tài)的平面圖。
根據(jù)第三實施例所述的光波導模塊1c中，與第二實施例相反，光纖連接器4和5的端面4a和5a從光纖10的端面10a后退距離L2(顯示于圖9)。第三實施例中，由于光纖支座7或8的端面7a或8a與光纖10的端面10a在同一平面上，連接器端面4a或5a的位置從相應支座端面7a或8a后退距離L3。因而，由光纖端面10a和連接器端面4a或5a構成的第一端面部分12成為非平滑表面，凹進部分15在光纖端面10a周圍形成。距離L3最好設定在2～100μm的范圍內(nèi)。
根據(jù)第三實施例所述的第一端面部分12的非平表面用下列工藝制備。
制備光纖連接器4或5時，Si晶體被切割，在其中形成一V形槽以獲得光纖安裝構件，光導纖維被放置并固定在該光纖安裝構件的V形槽中。光纖連接器4和5被分別安裝在光纖支座7和8上以后，支座端面7a和8a、連接器端面4a和5a以及光纖端面10a被拋光以便彼此平接。
光纖連接器4和5被浸在50℃下30%的KOH(氫氧化鉀)水溶液中約1小時。結果，光纖10和光纖支座7和8不被腐蝕，而只有光纖連接器4和5的光纖安裝構件被腐蝕。因此連接器端面4a和5a從光纖端面10a后退約10μm。
將光波導襯底3安裝在光波導支座6上以后，襯底端面3a、波導端面2a和支座端面6a被拋光至同一平面上。
將其上裝有光纖連接器4和5的光纖支座7和8及其上裝有光波導襯底的光波導支座6(其均用上述方法制備)定位，同時在光波導襯底3和光纖連接器4或5(其包括凹進部分15)的間隙中填充折射率匹配劑11。光波導支座6和光纖支座7及8間的相接端面6a、7a和8a用YAG焊接固定。
對采用上述尺寸制備的光波導模塊1C在-10～70℃進行特性測試。結果，損耗變化的范圍小到±0.2dB。反之，作為比較的例子，對端面拋光后未進行腐蝕的光波導模塊(即連接器端面和光纖端面在同一平面上)在-10～70℃進行溫度測量試驗。結果，變化范圍達±0.5dB。
與第三實施例相反，第二端面部分13可制成非平表面。這種情況下，第一端面部分12可制成平滑表面(未給出)。
在這種情況下，端面部分可按下述工藝制備。即，在支座上安裝帶有制作在Si襯底上的石英光波導的光波導芯片，并將端面拋光成同一平面。然后將光波導芯片與支座一起浸入50℃的30%KOH水溶液約1小時。結果，光波導和支座沒有被腐蝕，而只有光波導的Si襯底受到腐蝕，從而使襯底端面后退約10μm。
按這種方法進行光纖支座和光波導支座端面的定位以后，用YAG焊接固定支座的相接端面。這時，將折射率匹配劑充入光波導襯底和光纖連接器的間隙中。
對用上述方法制備的光波導模塊在-10～70℃溫度范圍內(nèi)進行溫度特性測量，如同對第三實施例的光波導模塊所做的一樣。結果，損耗變化范圍只有±0.2dB。另一方面，作為比較的例子，對光波導安裝在支座上、端面被拋光而未進行腐蝕(即，光波導端面與襯底端面在同一平面上)的光波導模塊在同樣溫度條件下進行特性試驗。這種情況下，損耗變化范圍達±0.5dB。
根據(jù)第二和第三實施例所述，光纖連接器端面或光波導襯底端面被制成一非平表面。用于光耦合的一定量的折射率匹配劑可被填入非平表面上形成的凹進部分。因此因此光波導可與光纖穩(wěn)定耦合。此外，將光纖連接器或光波導襯底安裝在支座上并將其端面拋光后，進行腐蝕處理以使光纖或光波導的端面從光纖連接器端面或光波導襯底端面凸出或凹進。為此，可準確控制凸出或凹進的量以便使光波導與光纖高精度地光耦合。
圖10至13是順次顯示制造根據(jù)本發(fā)明第四實施例所述的光波導模塊步驟的透視圖。
制備其中制有光波導的光波導襯底3。光波導襯底3由Si晶體制成。除Si晶體外，象ZnO、LiNbO3、硫族化物或類似材料也可用作襯底材料。
如圖10示，光波導襯底3被固定在光波導支座上，該支座起襯底固定構件的作用，構件由具有U形截面的第一金屬外殼61和裝配在第一金屬外殼61上表面的第一金屬板62組合構成，從而構成光波導單元60。光波導襯底3用注入第一金屬外殼61的樹脂固定在襯底固定構件上。通常用(熱固)環(huán)氧樹脂作為此時所用樹脂。但，丙烯樹脂或類似材料也可使用。
然后將光波導單元60的端面拋光以減少光波導單元60與光纖單元70連接時的連接損耗。
除光波導單元以外，還要制備光纖連接器4和5。光纖連接器4和5中，多根光纖10被沿二維或三維排列并用預定襯底或類似構件固定。具體地說，光纖連接器4包括由Si晶體組成并有多個V形導槽的V形槽襯底41、安裝在這些V形導槽中的光纖10以及裝配在V形槽襯底41上的以固定光纖10、由Si晶體構成的壓板42。注意，光纖連接器5具有與光纖連接器4同樣的結構。除Si晶體外，象塑性材料、多成分玻璃、硅樹脂或類似材料也可作光纖連接器4和5。
如圖11示，光纖連接器4固定在光纖支座上，從而構成光纖單元70。支座用作光纖固定構件，該構件有具有U形截面的第二金屬外殼71和裝配在第二金屬外殼71上表面的第二金屬板72。光纖連接器4用注入第二外殼71中的樹脂固定在光纖固定構件上。此時所述樹脂通常為熱固環(huán)氧樹脂。但也可用丙烯樹脂。注意，光纖單元80具有與光纖單元70同樣的結構。
然后將光纖單元70和80的端面拋光。
按上述工藝制造的光波導單元60的端面通過樹脂分別與光纖單元70和80的端面對接。這種樹脂采用硅樹脂。但也可采用環(huán)氧樹脂。該樹脂用于實現(xiàn)光波導和光纖10之間折射率原匹配，其通常具有與光波導和光纖大致相等的折射率。因而，這層樹脂必須確實涂在光波導和光纖之間。但樹脂可能涂在另一部分(如，連接部分73的整個表面)。這時，要進行光波導和光纖10的校準以使信號可在光波導和裝在光纖連接器4和5中的光纖10間準確傳送。
如圖12所示，對準的光波導單元60和光纖單元70或80間的連接部分73或83的每一側面被在三處點焊(每個連接部分共有6點)以暫時固定光波導單元60和光纖單元70或80。
本實施例中，進行點焊暫時固定時，采用YAG激光器。但用其它方法進行點焊當然也可以。
這一實施例中，選擇了六點作為暫時固定點。然而，暫時固定點的數(shù)目不限于此。只要光波導單元和光纖單元能被確實固定，任意數(shù)目的點可被固定。
用干熱的空氣吹通過樹脂在光波導單元60的端面和光纖單元70及80的端面間形成的連接部分73和80，加熱以使樹脂硬化。這時，在80℃的溫度下加熱60分鐘。連接部分73和83的兩側面僅暫時被固定，連接部分73和83中有間隙。為此，由于加熱而從樹脂中產(chǎn)生的氣體向外逸出，不留在光波導單元60的端面和光纖70和80的端面之間。如上所述吹干熱空氣或用加熱器或類似裝置在適當溫度下直接加熱連接部分可用作給連接部分73和83加熱的方法。
除這個實施例所用方法外，也可用脫氧工藝作為硬化樹脂的方法。具體來說，制造容器被抽空以去除氧氣，從而使樹脂硬化，或用氮、氬或類似氣體代替氧氣以去除制造容器中的氧氣從而硬化樹脂。
樹脂完全硬化以后，如圖13所示，用YAG激光器進行線焊以氣密密封連接部分73和83，從而制成光波導模塊。線焊時，焊接位置沿連接部分73和83的兩連逐漸向前移動以順次將其焊接。
根據(jù)第四實施例所述，在用線焊氣密密封前為硬化樹脂而加熱產(chǎn)生的氣體逸出。因此，光波導單元60的端面和光纖單元70和80的端面間沒有殘留氣體。結果，便能夠提供性能不退化且有由此確定的長期可靠性的光波導模塊。
圖14至16是順次顯示根據(jù)本發(fā)明第五實施例所述的光波導模塊的制造步驟的透視圖。
第五實施例中制造光波導單元60和光纖單元70和80的步驟與第四實施例中相同，忽略其詳細描述。
如圖14所示，光波導單元60和與之相連的光纖單元70及80被浸入油箱90的硅油91中。硅油91用作光波導單元60與光纖單元70及80相連時，獲得光波導與光纖10之間折射率匹配的匹配油。光波導單元60和光纖單元70和80用一支承裝置(未給出)架在油箱90中。當硅油91提前均勻涂在光波導單元60和光纖單元70及80的端面上時，硅油91還可被均勻地密封。
如圖15所示，在光波導單元60和光纖單元70及80保持在硅油91中的同時，對光波導和光纖10進行對準操作。進行對準操作時，使光線入射到光纖10上并監(jiān)控穿過光波導、由其它光纖10中出來的光線。這時，對光波導和光纖10進行對準以使信號必然能在光波導和裝在光纖連接器4和5中的光纖間準確地傳輸。
如圖16所示，當對準操作后的把光波導單元60和光纖單元70及80浸在硅油91中時，用YAG激光束照射進行密封焊接以氣密密封光波導單元60和光纖單元70及80的端面間的連接部分73和83，從而制成光波導模塊。
如上所述，在硅油91中進行連接部分73和83的線焊時，連接部分73和83在硅油充滿光波導單元60和纖單元70及80的端面間的同時被氣密密封。因此，硅油91沒有流失，可提供具有預定的長期可靠性的光波導模塊1e。
根據(jù)第四和第五實施例所述，在用點焊暫時固定的連接部分周圍形成一空隙，樹脂在這個狀態(tài)下被硬化。為此，即使用加熱裝置作樹脂硬化裝置時，這時產(chǎn)生的氣體也不留在連接部分，而是被去除了。此外，接部分周圍很寬范圍內(nèi)存在空隙。因而，除用加熱方法硬化樹脂外，也可使用去氧工藝。
另外，根據(jù)本發(fā)明所述，匹配油不會流到連接部分外邊。
因此，根據(jù)本發(fā)明所述光波導模塊的制造方法，能夠制造具有預定的長期可靠性的光波導模塊。
權利要求
1.一種光波導模塊包括光波導支座；光波導襯底，其安裝在所述光波導支座中；形成在所述光波導襯底中，其端面從所述光波導襯底露出的光波導；光纖支座；安裝在所述光纖支座中的光纖連接器；和由所述光纖連接器支承，端面從所述光纖連接器露出的光纖；其特征在于，所述光波導支座和光纖支座的端面在對準所述光波導和光纖的同時被彼此相連，所述光波導襯底和光纖連接器的端面至少部分通過一間隙被粘接，具有光傳輸特的硬化匹配劑被填入該間隙。
2.根據(jù)權利要求1所述模塊，其特征在于所述間隙在所述光波導的端面和所述光纖的端面間形成，所述光波導端面從所述光波導支座和光波導襯底的端面后退。
3.根據(jù)權利要求1所述的模塊，其特征在于所述間隙是在所述光纖端面和所述光波導端面間形成，所述光纖端面從所述光纖支座和光纖連接器端面退后。
4.根據(jù)權利要求要1所述模塊，其特征在于所述間隙在所述光波導襯底端面和所述光纖連接器端面間形成，所述光波導襯底的端面從所述光纖支座和光波導的端面退后。
5.根據(jù)權利要求1所述的模塊，其特征在于所述間隙在所述光纖連接器的端面和所述光波導襯底的端面間形成，所述光纖連接器的端面從所述光纖支座和光纖的端面退后。
6.根據(jù)權利要求1所述的模塊，其特征在于所述硬化匹配劑是一種具有光固、熱固及去氧凝固中任一性質的粘接劑。
7.根據(jù)權利要求1所述模塊，其特征在于所述光波導襯底和光纖連接器端面在所述間隙中的間隔的上限值基于所述光波導和光纖間硬化匹配劑光損耗大小的允許值，下限值基于所述光波導支座與光纖支座和所述光波導襯底與光纖連接器間熱應力引起的硬化匹配劑剝離率(peeling frequency)的允許值。
8.根據(jù)權利要求7所述的模塊，其特征在于所述光波導支座和光纖支座由鎳鐵合金構成，且當光波導襯底和光纖連接器由硅組成時所述光波導襯底和光纖連接器的端面在所述間隙中的間隔的范圍為2～30μm。
9.根據(jù)權利要求7年述的模塊，其特征在于所述光波導支座和光纖支座和光纖支座由不銹鋼組成，且當所述光波導襯底和光纖連接器由硅組成時，所述光波導襯底和光纖連接器端面在所述間隙中的間隔在5～30μm的范圍內(nèi)。
10.制造光波導模塊的方法包括第一步將其上制有光波導的光波導襯底安裝在光波導支座上，將支承光纖的光纖連接器安裝在光纖支座上，并將所述光波導、光波導襯底和光波導支座的端面及光纖、光纖連接器和光纖支座的端面分別拋光;第二步將所述光波導端面浸入一預定的腐蝕溶液中，至少部分去除所述光波導襯底的端面，使其比所述光波導支座的端面退后;第三步，在對準述光波導和光纖的同時將所述光波導支座和光纖支座的端面相接，并在粘接所述光波導襯底的光纖連接器所形成的間隙中填充具有光傳輸特性的硬化匹配劑;和第四步，將所述硬化匹配劑凝固以固定所述光波導襯底和光纖連接器間的連接部分。
11.根據(jù)權利要求10所述的方法中，其特征在于第二步包括部分地腐蝕并去除所述光波導的端面、使其由所述光波導支座和光波導襯底的端面退后的步驟。
12.根據(jù)權利要求10所述方法中，其特征在于第二步包括部分地腐蝕并去除所述光波導襯底的端面、使其由所述光波導和光波導支座和端面退后的步驟。
13.根據(jù)權利要求10所述的方法中，其特征在于第四步驟包括加熱所述光波導襯底和光纖連接器間的連接部分以硬化所述硬化匹配劑的步驟。
14.根據(jù)權利要求10所述的方法中，其特征在于第四步包括使光線從暴露在所述光纖連接器外邊的光纖端面入射以凝固所述硬化匹配劑的步驟。
15.根據(jù)權利要求10所述的方法中，其特征在于第四步包括去除所述光波導襯底和光纖連接器間連接部分的空氣中的氧氣，以凝固所述硬化匹配劑的步驟。
16.根據(jù)權利要求10所述的方法，其特征在于第四步包括用YAG激光焊接固定所述光波導支座和光纖支座間的連接部分、然后通過凝固所述光波導襯底和光纖連接器間連接部分的步驟。
17.根據(jù)權利要求10所述的方法，其特征在于第四步包括步驟用點焊固定光波導支座和所述光纖支座的連接部分，通過使所述硬化匹配劑凝固以固定所述光波導襯底和光纖連接器間的連接部分，以及用線焊氣密密封所述光波導支座和光纖連接器支座間的連接部分。
18.制造光波導模塊的方法其特征在于包括第一步，將其上制有光波導的光波導襯底安裝在光波導支座上，將支承光纖的光纖連接器安裝在光纖支座上，并分別完全拋光所述光波導、光波導襯底和光波導支座的端面以及所述光纖、光纖連接器和光纖支座的端面;第二步，將所述光纖連接器端面浸入預定腐蝕液中，以至少部分去除所述光纖連接器的端面，使其從所述光纖支座的端面退后;第三步，在對準所述光波導和光纖的同時，使所述光波導支座和光纖支座的端面彼此相接，并在粘接所述光波導襯底和光纖連接器的端面所形成的間隙中填充有光傳輸特性的硬化匹配劑;和第四步，使所述硬化匹配劑凝固以固定所述光波導襯底和光纖連接器間的連接部分。
19.根據(jù)權利要求18所述的方法，其特征在于第二步包括步驟部分地腐蝕并去除所述光纖的端面，使其從所述光纖支座和光纖連接器端面退后。
20.根據(jù)權利要求18所述方法，其特征在于第二步包括步驟部分地腐蝕并去除所述光纖連接器的端面，使其從所述光纖和光纖支座的端面退后。
21.根據(jù)權利要求18所述的方法，其特征在于第四步包括步驟加熱所述光波導襯底和光纖連接器間的連接部分，使硬化匹配劑。
22.根據(jù)權利要求18所述方法，其特征在于第四步包括步驟使光線從暴露在光纖連接器外邊的所述光纖的端面入射以使硬化匹配劑凝固。
23.根據(jù)權利要求18所述的方法，其特征在于第四步包括步驟去除所述光波導襯底和光纖連接器間連接部分的空氣中的氧氣以使所硬化匹配劑凝固。
24.根據(jù)權利要求18所述的方法，其特征在于第四步包括步驟用YAG激光焊接固定所述光波導支座和光纖支座間的連接部分，然后通過使所述硬化匹配劑凝固以固定所述光波導襯底和光纖連接器間的連接部分。
25.根據(jù)權利要求18所述的方法，其特征在于第四步包括步驟用點焊固定所述光波導支座和光纖支座間的連接部分，通過使所述硬化匹配劑凝固從而固定所述光波導襯底和光纖連接器間的連接部分，并及線焊氣密密封所述光波導支座和光纖支座間的連接部分。
26.制造光波導模塊的方法包括第一步，在對準所述光波導和光纖的同時，使裝著制有光波導的光波導襯底的光波導支座的端面與裝有支承光纖的光纖連接器的光纖支座的端面彼此相接;第二步，在所述光波導襯底和光纖連接器間的連接部分注入具有光傳輸特性的硬化匹配劑，并對準所述光波導和光纖，注入的介質具有與所述光波導支座和光纖支座間及所述光波導襯底和光纖連接器間的熱應力相應的楊氏模量;第三步，用YAG激光焊接固定所述光波導支座和光纖支座間的連接部分;和第四步，使所述硬化匹配劑凝固以固定所光波導襯底和光纖連接器間的連接部分。
27.根據(jù)權利要求26所述的方法，其特征在于第一步包括步驟將所述光波導襯底的端面浸入預定的腐蝕液中，以便至少部分去除該端面，使其從所述光波導支座端面退后，然后使所述光波導支座和光纖支座的端面在所述光波導和光纖相互對準的同時相互連接觸。
28.根據(jù)權利要求26所述的方法，其特征在于第一步包括步驟將所述光纖連接器的一個端面浸入預定腐蝕溶中，以至少部分去除該端面，使其從所述光纖連接器的端面退后，然后在對準所述光波導和光纖的同時使所述光波導支座和光纖支座的端面彼此相接。
29.根據(jù)權利要求26所述的方法，其特征在于第四步包括步驟加熱所述光波導襯底和光纖連接器間的連接部分，使硬化匹配劑凝固。
30.根據(jù)權利要求26所述的方法，其特征在于第四步包括步驟使光線從暴露在所述光纖連接器外邊的所述光纖的端面入射，以凝固所述硬化匹配劑。
31.根據(jù)權利要求26所述的方法，其特征在于第四步包括步驟去除所述光波導襯底和光纖支座間連接部分的空氣中的氧氣，使硬化匹配劑凝固。
32.制造光波導模塊的方法其特征在于包括第一步，使光波導支座的端面與光纖支座的端彼此相接，光波導支座上裝著形成有光波導的光波導襯底，光纖支座上裝有支承光纖的光纖連接器;并在所述光波導襯底和光纖連接器間的連接部分注入具有光傳輸特性的硬化匹配劑;第二步，對準所述光波導和光纖并用點焊固定所述光波導支座和光纖支座間的連接部分;第三步，使所述硬化匹配劑凝固以固定所述光波導襯底和光纖連接器間的連接部分;和第四步，用線焊接氣密密封所述光波導支座和光纖支座間的連接部分。
33.根據(jù)權利要求32所述的方法，其特征在于第一步包括步驟將所述光波導襯底的端面浸入預定的腐蝕溶液中，使其至少部分地被去除并從所述光波導支座的端面退后，然后在對準所述光波導和光纖的同時使所述光波導支座和光纖支座的端面彼此相接。
34.根據(jù)權利要求32所述的方法，其特征在于第一步包括步驟將所述光纖連接器的端面浸入一預定的腐蝕溶液中，使其至少部分被去除并從所述光纖支座的端面后退，然后在對準所述光波導和光纖的同時使所述光波導支座和光纖支座的端面彼此相接。
35.根據(jù)權利要求32所述方法，其特征在于第三步包括步驟加熱所述光波導襯底和光線連接器襯底間的連接部分，使所述硬化匹配劑凝固。
36.根據(jù)權利要求32所述的方法，其特征在于第三步包括步驟使光線從暴露在所述光纖連接器外邊的所述光纖端面入射，以使所述硬化匹配劑凝固。
37.根據(jù)權利要求32所述的方法，其特征在于第四步包括步驟去除所述光波導襯底和光纖連接器間空氣中的氧氣，以使所述硬化匹配劑凝固。
38.制造光波導模塊的方法其特征在于包括第一步，將安裝著制有光波導的光波導襯底的光波導支座和裝有支承光纖的光纖連接器的光纖支座浸入有光傳輸特性的折射率匹配劑中，并使所述光波導支座和光纖支座的端面彼此相接;第二步，對準所述光波導和光纖并用線焊氣密密封所述光波導支座和光纖支座間的連接部分。
39.根據(jù)權利要求38所述的方法，其特征在于第一步包括步驟將所述光波導襯底端面浸入預定腐蝕溶液中，以將其至少部分去除并使其從所述光波導支座的端面后退，然后將所述光波導支座和光纖支座浸入所述射率匹配劑中，并使所述光波導支座和光纖支座的端面彼此相接。
40.根據(jù)權利要求38所述的方法，其特征在于第一步包括步驟將所述光纖連接器端面浸入預定的腐蝕溶液中，以至少部分將其去除并使其從所述光纖支座的端面退后，然后將所述光纖支座和光波導支座浸入折射率匹配劑中，并使所述光波支座和光纖支座的端面彼此相接。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明所述的光波導模塊包括制有光波導的光波導襯底、安裝光波導襯底的光波導支座、支承光纖的光纖連接器和安裝光纖連接器的光纖支座，在對準光波導和光纖的同時使光波導支座和光纖支座的端面彼此相接，光波導襯底和光纖連接器的端面的粘接至少部分地通過一間隙，具有與光波導和光纖匹配的折射率的介質填充在該間隙。因而，對準時不會磨損或受損傷，通過填充硬化匹配劑可獲得穩(wěn)定的耦合特性。
文檔編號G02B6/10GK1102886SQ9410582
公開日1995年5月24日 申請日期1994年5月25日 優(yōu)先權日1993年5月26日
發(fā)明者平井茂, 栗間一典, 齊藤真秀, 油井大, 服部知之, 菅沼寬 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社