專利名稱：用于連接光纖和光波導的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及本發(fā)明總體上涉及高速光纖通信領域，尤其涉及將光纖與集成光波導連接的方法。
2．技術背景例如當準備一個在通信系統(tǒng)或網絡中使用的集成光學器件時，一般要將光纖與光波導相連。本文中使用的術語“光波導”區(qū)別于“光纖”，它表示一種光波導媒體，一般形成于矩形截面的平面(石英)襯底(或基片，在本文中兩者可互換)上或其中。注意，術語“平面波導”傳統(tǒng)上是指一個包括芯和包層區(qū)的元件；即，光路和光路所在的襯底；但是，在本申請中，為避免混淆，使光路(波導)區(qū)別于襯底(或基片)。一般來說，光波導區(qū)域(芯)延伸到的基片的邊緣或末端。在集成光學應用中，經常遇到這種類型的波導，例如作為復用器或去復用器的部件，或者更普通地，作為集成光學電路的一部分。
將光纖連接在一起的傳統(tǒng)熔接技術使用電弧放電。但是，該項技術因波導的幾何特性和波導的熱容量大于光纖的熱容量而不適于連接光纖和波導。因此，已經提議通過使各元件對接并用激光束將它們熔融在一起，來連接光纖和平面型石英波導。但是，又有一個問題產生；即用來產生熔接接頭的高能激光束會使波導芯彎曲，另外光纖會過度熔化。另一方面，如果使用低能量的激光束，那么波導和光纖之間的接頭強度會低于應用的要求。
一種建議用來解決上述問題的方法是，用非激光束的手段來預熱波導，其中所述激光束是用來完成波導和光纖之間的熔接的。這種預熱技術可以降低熔接所需要的激光束功率。但是，這種方法使形成熔接接頭的過程復雜化，并且在許多情況下，要求使用專用設備和/或修改與光纖相連的集成光學部件的結構。
另一種考慮是對光通信技術的要求正在不斷增長，這些要求使所涉及的硬件和軟件復雜化，并且重點強調要獲得更有效的制造和部署。例如，目前，地鐵網絡的發(fā)展以及對使用16、32或40或者更多信道的窄帶WDM系統(tǒng)進行有關信號路由選擇、添加/去除以及切換的要求，使得有利于能夠將多根光纖與相應的波導相連(以下稱為“多光纖熔接尾纖化”)，具備良好的性能特征、精度、重復能力和效率，勝于單根光纖/波導的連接。
本發(fā)明提供了一種在光纖和基片中的光波導之間形成精確熔接接頭的方法，該方法的光學損耗低，接頭強度大。
本發(fā)明還包括一種在多根光纖和基片中的多個波導之間精確進行多光纖熔接尾纖化的方法，該方法和光學損耗低，接頭強度大。

發(fā)明內容
本發(fā)明的一個實施例提供了一種將光纖與基片中的光波導相連的方法，該方法包括以下步驟將光纖與波導對準；將光纖和波導對接；并且用一激光束照射位于光纖和波導之間的對接區(qū)，其中激光束具有足夠的功率和一空間能量分布；并且阻擋一部分激光束，以致于在所述對接處，相對于與空間能量分布之周邊部分對應的能量，減少與所述空間能量分布基本中心部分對應的能量。
本發(fā)明該實施例的一個方面包括將一屏蔽物放在激光束光路中所述對接區(qū)的上游，以便消除激光器的大體中心部分，同時允許其周邊部分通過。
依照本發(fā)明的另一方面，相對于周邊部分減少空間能量分布大體中心部分中的能量的步驟是通過將對接區(qū)上游的激光束分成幾個不同的光束并將這些光束射到對接區(qū)上而完成的。例如，這可以通過將一分束反射鏡放在激光束光路中對接區(qū)的上游，然后由拋物面反射鏡將不同光束射向對接區(qū)來做到。可以將激光束分束得到的不同光束略微散焦到對接區(qū)上。
本發(fā)明的另一方面涉及，將對接區(qū)相對于聚焦的或略微散焦的激光束精確定位，以便將波導與光纖熔接。該方法包括以下步驟獲得激光束在波導基片表面上的象，并且產生一組坐標x1，y1，該組坐標對應于激光束大體中心的位置。將坐標x1和y1設置成，其分別離開基片邊緣或極端的量分別為Δx，Δy。然后，確定第二組坐標x2和y2，它們代表了波導的極端位置；并且將波導極端和對接光纖手工或自動地定位在位置ΔX=x2-x1，ΔY=y2-y1上；也就是說，將對接區(qū)最佳且精確地定位在激光束的熔接區(qū)域中。用一攝像機獲得激光束在基片上的象，其中攝像機與激光器一起相對基片和光纖固定。最好，按時間順序攝取幾個象。依照本發(fā)明的定位方法為對接區(qū)提供的定位精度大于大約正或負的1微米。
在本發(fā)明的另一實施例中，一種用將多個光纖與基片中相應的多個波導相連的方法包括以下步驟將一個基本上準直的激光束傳過一衍射光學元件(DOE)，以便在對接區(qū)同時為多個光纖-波導連接中的每一個產生一個需要的空間激光能量分布。
該實施例的一個方面提供了一種將激光束的能量分布精確定位在每個對接區(qū)上的方法，并且包括在上述定位方面提到的定位步驟。
上述發(fā)明提供了一種將光纖與光學基片中的波導堅固地、精確地和有效地定位的方法。
在該實施例的每個方面，對接區(qū)中的能量分布是不對稱的；也就是說，射到波導上的能量大于到達光纖上的能量。用這種方法，可以控制光纖的熔化程度。
在本發(fā)明實施例的另一方面，在照射對接區(qū)期間，在光纖和波導之間沿可以使光纖和波導靠近在一起的方面施加一個力。
在另一方面，如此控制激光器的功率周期，使激光器的功率在第一時間階段保持相對較高的第一電平，在第二時間階段保持相對較低的第二電平，其中在第一時間階段，產生熔接接頭，而第二時間階段跟在第一時間階段的后面，由此允許熔接接頭逐漸冷卻。
本發(fā)明的方法可以使光纖與平面石英波導相連。為了保證波導材料吸收激光器的能量，用波長大于4微米的激光束執(zhí)行照射步驟。合適的激光器包括波長為9.8微米的CO激光器，以及波長為10.6微米的CO2激光器。使用CO2激光器目前在成本上有優(yōu)勢。
在以下詳細描述中敘述本發(fā)明的附加特點和優(yōu)點，并且本領域的熟練技術人員很容易從描述中清楚其中的一部分，或者通過實踐如所寫說明書和權利要求書以及附圖所述的發(fā)明來認識這結特點和優(yōu)點。
應該理解，上述一般描述和以下詳細描述都只是本發(fā)明的舉例，它們試圖提供為理解要求保護的本發(fā)明特性提供一個概觀和框架。
所包含的附圖有助于進一步理解本發(fā)明，并且包含在此，構成說明書的一部分。附圖示出了本發(fā)明的實施例，并且與說明文字一起起解釋本發(fā)明原理和操作的作用。
附圖概述

圖1是一示意圖，示出了用來實踐本發(fā)明一實施例的設備的一般布置；圖2是一示意圖，示出了依照本發(fā)明一實施例的激光束相對光纖和波導之間邊界的偏移；圖3是一曲線圖，示出了依照本發(fā)明一實施例的激光器的典型工作周期；圖4示出了依照本發(fā)明一實施例的在光纖和波導之間的另一接頭；圖5示出了用于實現本發(fā)明另一實施例的設備；圖6A、6B和6C示出了激光束的能量分布曲線；圖7示出了用圖5設備產生的兩個激光束的一種特殊布置；圖8是一示意圖，示出了依照本發(fā)明一實施例的激光點位置控制；圖9是一示意圖，示出了依照本發(fā)明一實施例的激光點位置控制；圖10是一示意圖，示出了依照本發(fā)明一實施例的波導末端和光纖接頭；圖11是一示意圖，示出了依照本發(fā)明一實施例的多光纖熔接尾纖化；圖12A、12B、12C和12D是示意圖，示出了依照本發(fā)明一實施例的在對接區(qū)的激光點幾何形狀；圖13是一示意圖，示出了依照本發(fā)明一實施例的用于多光纖熔接尾纖化的光學建立；圖14示出了另一種階梯形基片設備，以便提供與光纖的強有力的連接；圖15是一示意圖，示出了依照本發(fā)明另一實施例的多光纖熔接尾纖化；和圖16是一示意圖，示出了依照圖15的用于多光纖熔接尾纖化的光學建立。
較佳實施例的詳細描述現在詳細參照本發(fā)明的較佳實施例，結合附圖進行舉例說明。在任何可能的地方，在整個附圖中用相同的標號表示相同或類似的部件。
用本文描述的方法，結合圖1所示的設備，可以實現依照本發(fā)明將光纖與基片中形成的光波導連接的方法。用該設備和方法在石英波導1a和光纖2之末端3之間形成熔接接頭，其中石英波導1a位于石英襯底1(它構成集成光學基片)上，而光纖2與波導1a對準。對光纖2的末端3進行剝皮，即除去保護光纖2的護套，露出光纖的石英部分?；?的末端最好具有一階梯形部分5，以容納光纖2被剝皮的末端3和未剝皮的部分。CO2激光器10產生一激光束，該激光束經部件12擴展和準直，被反射鏡14反射，然后由透鏡(或者透鏡系統(tǒng))16將其聚焦。激光束基本上被聚焦在光纖和波導之間的交界面4上，在下文中稱交界面為對接區(qū)或交界區(qū)，兩者可以互換。由激光束提供給在波導1a與光纖2之剝皮端3之間對接區(qū)4的能量呈現一種空間分布，如圖6C所示，在該分布中，相對于對應邊緣部分的能量，對應基本中心部分的能量被降低。術語“基本中心部分”是指中心區(qū)，或者相對光束的能量分布中心稍有偏移的區(qū)域。
為了獲得這樣的空間能量分布，將最好基本上為圓柱形的光束阻擋或屏蔽元件20放在部件12放大和準直后但在元件16聚焦前的激光束路徑上。用這種方式，落在屏蔽元件20上的能量密度低于將屏蔽元件放在放大裝置前或聚焦透鏡16之后的情況。這種放置減少了屏蔽元件20中的局部加熱效應。另外，通過將屏蔽元件20放在激光束光路中的一點上，可以提高將屏蔽元件20相對激光束對中的精度。在圖1中，將屏蔽元件20放在放大裝置12和反射鏡14之間，但另一方面，可以將其放在反射鏡14和透鏡16之間。屏蔽元件20防止激光器10發(fā)出的激光束的基本中心部分17到達交界面4。屏蔽元件20消除了與該基本中心部分17對應的能量，同時讓光束剩余的周邊部分18傳向交界面14?？紤]到通過激光束橫截面的能量呈高斯分布，對激光束中心部分17的屏蔽和阻擋可以消除大部分位于光束中心部分的能量。最好，如此選擇屏蔽元件的直徑和位置，使得激光器10發(fā)出的光束中有20％-80％的能量，最好大約有能量的50％不能到達預在交界面4處熔融的元件。屏蔽元件20應該具有良好的導熱率，以便它能發(fā)散激光束產生的許多能量。最好，將屏蔽元件20的長度選擇成在考慮到整個裝置所需尺寸的前提下，在實踐上盡可能大，以便使這里的能量發(fā)散達到最佳。在一例子中，元件20的直徑和長度分別為5毫米和10毫米。另外，屏蔽元件的材料當加熱時，要有低的變形，以確保從激光束中去除的能量數量以及剩余能量的空間分布是穩(wěn)定的和可再現的。例如，鋼和碳是合適元件20的材料。
如圖2所示，將包含波導1a的基片1和光纖2安裝在各自的微定位臺階(未圖示)上，彼此對接，并且用傳統(tǒng)方法對準(一般使用下述傳統(tǒng)方法，即使光纖和波導之間傳播的光最大)。當光纖末端3和基片1/波導1a在交界面4處對接時，如以下將更詳細描述的，使基片和光纖相對激光束定位。激勵CO2激光器10，以第一較高的功率電平產生光束直徑大約為3.5毫米的激光束。放大/準直部件12將該光束擴展到大約14毫米的直徑，然后經反射鏡14反射，由透鏡(或透鏡系統(tǒng))16大致聚焦到位于光張3和波導1a之間的交界面或對接區(qū)4上。激光束在經過元件16聚焦后，其直徑一般為150-400微米數量級。最好，在對接區(qū)4處略微對激光束散焦，以便使光束產生的光點在該區(qū)域變得略微模糊。
由于在激光束的光路中存在屏蔽元件20，所以激光器10產生的光束能量中大約有50％的能量不能傳播到要熔融的元件。因此，工藝中可以使用功率相對較大的激光束，不會造成波導芯彎曲。最好，激光束在對接區(qū)4產生的光點不嚴格對中于光纖2和波導1a的邊界，而是朝波導的方向偏移距離Δx。該偏移使得光束能量中的大部分到達波導1a，而小部分到達光纖2，這是因為光纖的比熱容量低于波導的比熱容量，所以光纖2會熔化到不希望有的程度。在一典型例子中，激光束在交界面處的直徑為350微米左右，那么偏移Δx應該在大約20-60微米之間。這樣的一個偏移值保證可以實現需要的溫度分布。具體地說，它可以使波導和光纖處于相同的溫度。
另外，如圖3所示，將激光束設置在第一功率電平，該電平相對較高，可以使波導1a和光纖末端3在邊界4上局部熔化。施加一個力F，以便施加一合適的壓力迫使光纖擠壓波導。另一種方法是，將力F加在波導上，或者將互補力加在波導和光纖2上。如果在波導和光纖之間不施加一相對力迫使它們彼此靠近，那么已經發(fā)現光纖2的末端3會在熔化時變形，從而在光纖和波導之間產生空間。因此，需要施加力F，以便產生堅固的熔接接頭，降低光學損耗。一般來說，施加力F會在熔接過程中在光纖2和波導1a之間產生相對位移，該相對位移能夠達到大約50微米。作為該相對位移的結果，光纖2的末端3會略微滲透到波導材料中。這進一步加強了熔接接頭的強度。在熔接波導1a和光纖2之后，將激光束的功率降低到一個較低的電平，并且最好在一個相對較長的時間內逐漸降低該功率電平，以便允許熔接接頭逐漸冷卻。用這種方法，可以減小熔接接頭中的應力。圖3示出了在本發(fā)明方法的一個周期內CO2激光器的典型功率周期。圖3還示出了因施加力F造成光纖2向波導1a移動的時間，以及為監(jiān)視連接過程的進展情況而在光纖2和波導1a之間傳輸的光信號的大小。由圖可見，連接周期的各個步驟都非常短。所以最好用計算機控制微定位臺階的移動，以及激光束的功率周期。一般來說，通過用控制信號控制激光器的激勵電流，來控制激光器的功率周期。在傳統(tǒng)上，根據控制裝置的具體實施，改變調節(jié)電流或電壓，從而固定該控制信號的電平。
在本發(fā)明的一個方面，并且為了最終獲得強有力的器件，如圖4所示，最好為熔接接頭進一步提供一個聚合物或礦物接頭25。將此輔助接頭與基片1末端的階梯部分5結合，以保證在光纖和波導之間形成一個特別堅固的輔助結合。另一種方法是，如圖14所示，單塊基片1也提供了強有力的器件，其中基片1包括波導1a，并具有用于與光纖(未圖示)相連的階梯形狀152。
在以上對較佳實施例的討論中，通過將激光束產生的光點偏離邊界，在波導和光纖之間的邊界兩側建立不對稱的溫度分布。但是，也可以采用其它裝置來獲得這種不對稱的溫度分布。例如，可以通過使用這樣一種屏蔽元件20來實現所需的分布，其(垂直于激光束17和18的)橫截面形狀使得激光束中有較多的能量將聚焦在波導上，而有相對較少的能量聚焦在光纖2上。例如，屏蔽元件20的橫截面可以是梨形。另一種方法是，結合兩種手段來獲得所需的溫度分布，一種是偏移激光束，另一種是使用特殊形狀的屏蔽元件20。還可以使用與上述不同的屏蔽元件，用于消除激光束的部分能量。例如，不使用圓柱形，而是使用截面為圓形的另一種元件，諸如圓錐?；蛘?，可以使用橫截面不是圓形的元件；例如，橫截面為星形或橢圓形等形狀的元件。從理論上講，使用大致為兩維的圓形(或不同形狀)屏蔽物，或者使用盤之類的薄型屏蔽元件可以得到類似的結果。
另外，可以使用非CO2激光器的激光器，只要波導材料能夠吸收該激光器波長處的能量。當使用石英波導時，此條件表示在實踐中激光器的波長應大于大約4微米。
在上述實施例的一個較佳方面，參照圖8-10描述將激光束精確定位在對接區(qū)的方法。首先參照圖8和9，攝像機108相對于將要熔融在一起的基片1和光纖末端3固定，攝像機108在包圍和包括波導和光纖之間對接區(qū)4的視場110內提供一象。將來自CO2激光器的低功率激光束18聚焦到視場內的基片上，并且用諸如Imasys生產的OptimasTM等象識別軟件產生一組坐標x1，y1，這組坐標對應于聚焦激光束的大體中心的位置。設置由x1，y1表示的光束位置，使其離開基片1的邊界(或極端)112以及波導的量為Δx、Δy。波導的極端112也用一組坐標x2，y2來標識和表示。計算ΔX=x2-x1，和ΔY=y2-y1，并且將定義為波導極端/光纖交界面的對接區(qū)4定位在此坐標位置。相對于平行基片中波導的X軸，Δx最好約為300微米。如附圖9中的坐標系所示，對于波導間距大約為350微米的基片，Δy最好約為175微米，沿垂直于X軸的Y軸。但是，應該理解，在所有情況下，Δy將通過波導間距來激發(fā)。
在一例舉的實施例中，在大約2-3秒的時間內獲得第一象，在前一個象后大約每0.4秒獲得一個后繼象，要獲得四幅后續(xù)象。該方法允許將波導的極端定位在對接區(qū)中相對大致激光束中心大約1微米的范圍內。圖10示出了表示波導1之極端112和光纖末端3的指示線。
在本發(fā)明的另一個較佳方面，如圖5所示，產生幾個激光束，同時照射對接區(qū)。根據該實施例，由激光光源(未圖示)產生的激光束40射向分束反射鏡50，分束反射鏡50將光束40分離成兩個不同的激光束41和42。然后，每束光41和42被各自的拋物面反射鏡60、70反射，并由該拋物面反射鏡60和70聚焦到光纖2與波導1a之間的交界面4上。分束反射鏡50最好是三角棱鏡的形式，其三角形截面的中線(在圖5的平面內)基本上與激光束40的軸43重合，并且由位于軸43兩側的兩個相鄰側面51和52進行反射。拋物面反射鏡最好將分別由分束反射鏡50之側面51和52所反射的激光束41和42聚焦到光纖末端3和波導1a之間的對接區(qū)4上，以便重疊在上面。圖6示出了在照射光纖2與波導1a之間對接區(qū)的期間，光學元件50、60和70對激光束40之能量分布的影響。在垂直于圖5平面的平面內，在分束反射鏡50分束之前，激光束40的能量分布是高斯分布(參見圖6A)，而在對接區(qū)大體上轉變成矩形能量分布曲線(參見圖6B中的虛線)。此大體上的矩形分布對應于分別與兩個光束41和42相關的兩個高斯半曲線的和。
因此，如圖6B所示在光纖2和波導1a之間對接區(qū)4上的能量分布曲線表示中心部分的能量已被減小到與剩余周邊部分的能量具有相同的數量級。用這種方法，避免了在分布中心出現最大能量。但是，應該注意，對接區(qū)的能量分布曲線不必為矩形。圖6C示出了另一例能量分布，在該分布中，相對于能量分布周邊(即，邊緣)81部分，減小對應于大體上為中心區(qū)80的能量。在圖6例示的分布曲線中，邊緣81處的能量大于中心80處的能量。此實施例中的這種分布曲線可以用以下方式來獲得，即如圖7所示將兩個激光束41和42加到對接區(qū)4的兩個不同點上。圖6C所示的分布曲線基本上與第一實施例中在屏蔽元件20幫助下獲得的分布曲線相同。在實踐中，圖6B和6C的能量分布在對接區(qū)4中產生的效果是非常不同的，對于圖6C的分布類型，在光纖2與波導1a之間對接區(qū)中的溫度分布基本上是均勻的，因為在該對接區(qū)會產生熱擴散。
依照該實施例的一個方面，將照射光纖2與波導1a之間對接區(qū)4的激光束41和42在此對接區(qū)略微散焦，以便使光束41和42產生光點在區(qū)域4中變得略微模糊。用這種方法，可以擴展能量分布，使后者更加均勻。同樣，最好如此地將光束41和42加到對接區(qū)4上，以便到達波導1a的能量大于到達光纖2的能量。最后，將光束41和42射向對接區(qū)4，致使由此在區(qū)域4中產生的光點相對于波導1a和光纖2之間的邊界，朝波導方向偏移。
本發(fā)明的另一個較佳實施例描述了一種將多根光纖與一基片中的多個波導對應連接的方法，即多光纖熔接尾纖化的方法。以下參照圖11-13進行描述。
首先，參照圖11。該圖示出了一石英基片1，它包括多個波導1a，這些波導將在基片的極端112與各自的光纖2的剝皮末端3相連。示出了許多激光束120，它們分別照射相應波導和光纖之間的對接區(qū)4。為了產生如圖11所示的一系列激光束及其相關的強度分布曲線，將圖13所示的衍射光學元件(DOE)130插入被擴展和準直的激光束光路中。根據對DOE 130的設計，實質上可以產生任何需要的波前或波前系列，從而在對接區(qū)4產生較佳的光束強度分布。圖12A、12B、12C和12D示出了由DOE 130產生的四種不同的且可能的光束分布，它們包括均勻的矩形分布12A；具有準高斯分布曲線的矩形分布12B，其中分布曲線之尾部和中心部分之間的強度在大約1％-10％之間變化；一系列正方形分布12C；和一系列圓形分布12D，其中后兩種分布具有與光纖/波導的間距相對應的周期或間距。相對分布曲線12A來說，12B表示的分布曲線更適于照射相對較窄的基片，因為較小基片中基片邊緣對激光束熱擴散的影響較大。寬度相對較大的基片對熱擴散的影響較小，因為對基片邊緣的考慮使分布曲線12A更有利于與較大的基片一起使用。根據DOE 130的制造參數，可以產生優(yōu)化的波前，它們滿足用于熔接接頭的熔接溫度要求以及對接區(qū)的空間能量分布，但不會象以上對傳統(tǒng)激光熔接方法所述的問題那樣熔化光纖，或者使襯底彎曲。
如圖13所示，CO2激光器10產生一光束，部件12使光束擴展和準直。在本發(fā)明的一個較佳實施例中，經準直的光束傳播到反射元件140，然后通過DOE 130，在對接區(qū)4產生所需的強度分布，該強度分布對一系列光纖2和石英基片1中的波導1a進行多光纖熔接尾纖化。DOE 130提供下述附加功能，即將光束聚集在對接區(qū)或者至少提供略微散焦的光束以適合在對接區(qū)獲得所需能量分布。但是，根據DOE的成本和設計，可以將一個附加的且合適的透鏡元件，諸如ZnSe透鏡(未圖示)放在DOE的上游，以實現聚焦功能。
當有多個能量分布在基片交界面上照射相應的多個對接區(qū)時，最好類似于上述單熔接的情況，將光束準確定位。根據目前實施例的一個方面，并且參照圖8和圖9，來自激光器的低功率強度分布照射攝像機視場內的基片，以便獲得基片上激光束的象。對于諸如圖12C和12D中的多強度分布情況，只需獲得單個強度分布曲線的象，因為如上所述關于DOE的設計固定了全體分布曲線的周期和形狀。因此，可以從通過上述象獲取軟件獲得的象來獲得坐標x1，該坐標對應于光束大體中心的位置，沿平行于基片中波導的X軸，并且x1被設置成，分別離開基片邊緣和波導Δx。給波導沿X軸的極端分配坐標x2。然后將如上所述對接的波導極端和光纖定位在由ΔX=x2-x1定義的位置上。依照本文所述方法對光束進行定位，可以提供±1微米或更好的定位精度。這樣的定位精度保證了對接區(qū)的加熱區(qū)具有良好的再現性，因為石英基片和光纖之間存在較大的熱容量，所以對再現性的要求是嚴格的。
以下將參照圖15和16描述多光纖尾纖化的另一個較佳實施例，該實施例是在多個對接區(qū)上掃描激光束，以便將多個光纖與相應的波導相連。來自CO2激光器的激光束10照射到光束掃描器170上，光束掃描器170例如可以包括一個或多個可移反射鏡，這些反射鏡至少在正交的X和Y方向上提供光束轉向。部件12對光束10進行擴展和準直，并且將其射向掃描器170。如圖15所示，掃描器170還包括諸如透鏡或透鏡系統(tǒng)等部件(未圖示)，用于進行光束整形、聚焦、波前處理或其它光束處理，以便最佳地照射基片1。另一種方法是，如圖16所示，將掃描器170與標號172表示的透鏡或透鏡系統(tǒng)分離。在該實施例中，用掃描激光束基本上同時地對所有光纖/波導接頭加熱。典型的掃描頻率是100Hz-10kHz數量級。相對激光點對基片/波導定位的方法基本上與上述單熔接的情況相同。當掃描器170處于非掃描模式下時，激光束光點的大小與單熔接情況下的相同。因此，與單熔接情況中的一樣，計算并處理光束中心、波導極端和偏移的坐標。
盡管已經參照特殊實施例描述了本發(fā)明，但是應該理解，不脫離后附權利要求書所定義的本發(fā)明范圍，可以進行各種變化。
權利要求
1．一種將光纖與基片中的光波導相連的方法，其特征在于，包括以下步驟將光纖與波導對準；將光纖和波導對接；并且用一激光束照射位于光纖和波導之間的對接區(qū)，其中激光束具有一功率和一空間能量分布；并且阻擋一部分激光束，以致于在所述對接處，相對于與空間能量分布之周邊部分對應的能量，減少與所述空間能量分布基本中心部分對應的能量。
2．如權利要求1所述的方法，其特征在于，減少所述空間能量分布的所述步驟包括將一屏蔽物放在激光束光路中所述對接區(qū)的上游，以便消除激光器的大體中心部分，同時允許其周邊部分通過。
3．如權利要求2所述的方法，其特征在于，用位于光纖和波導之間對接區(qū)上游的屏蔽物消除激光束中20％和80％之間的功率。
4．如權利要求2所述的方法，其特征在于，用屏蔽物消除激光束中大約50％的功率。
5．如權利要求1所述的方法，其特征在于，照射對接區(qū)的所述步驟包括將激光束大致聚焦到對接區(qū)上。
6．如權利要求1所述的方法，其特征在于，照射對接區(qū)的所述步驟包括將光束略微散焦到所述對接區(qū)上。
7．如權利要求2所述的方法，其特征在于，屏蔽物基本上為圓柱形，并且圓柱形的長軸位于激光束的光路中且與激光束的傳播方向對準。
8．如權利要求1所述的方法，其特征在于，照射對接區(qū)的所述步驟包括在所述對接區(qū)將激光束分為多個光束，并且將這些光束射向對接區(qū)。
9．如權利要求8所述的方法，其特征在于，所述多個光束略微散焦在所述對接區(qū)上。
10．如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述空間能量分布使得照射波導的能量大于照射光纖的能量。
11．如權利要求1所述的方法，其特征在于，照射對接區(qū)的所述步驟包括所述對接區(qū)中的具有一直徑的激光束進一步向波導方向移動大約所述直徑之5-20％的距離，其中所述光束相對光纖和波導之間的邊界偏移。
12．如權利要求1所述的方法，其特征在于，在照射對接區(qū)期間，在光纖和波導之間施加一個力，以便移動兩者使其靠近在一起。
13．如權利要求12所述的方法，其特征在于，所述力產生小于或等于大約50微米的相對位移。
14．如權利要求1所述的方法，其特征在于，還包括下述步驟，即用一種結合物質在光纖和波導之間形成進一步的連接。
15．如權利要求1所述的方法，其特征在于，激光器功率在第一時間階段為相對較高的第一電平，在第二時間階段為相對較低的第二電平，以便允許熔接接頭逐漸冷卻，其中在第一時間期間，在光纖和波導之間形成熔接接頭，而第二時間期間接在第一時間期間之后。
16．如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述波導形成于石英基片中。
17．如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光束的波長大于4微米。
18．如權利要求17所述的方法，其特征在于，所述激光器是CO2激光器。
19．如權利要求1所述的方法，其特征在于，照射對接區(qū)的步驟還包括將激光束定位在對接區(qū)的步驟，所述定位步驟包括下述步驟獲得激光束在基片上的象，并且產生一組坐標x1，y1，該組坐標對應于光纖大體中心的位置，并且將x1和y1設置成，其分別離開基片邊緣和波導的量為Δx，Δy；確定一組坐標x2，y2，它們對應于波導的極端；和將波導極端和光纖定位在由ΔX=x2-x1，ΔY=y2-y1定義的位置上，從而使對接區(qū)相對激光束精確定位。
20．如權利要求19所述的方法，其特征在于，從攝像機獲得所述象，所述攝像機和所述激光束相對光纖和基片固定。
21．如權利要求19所述的方法，其特征在于，Δx大約為300微米，在平行于波導的X軸上，而Δy等于波導間距的大約一半，沿垂直于X軸的Y軸上。
22．如權利要求19所述的方法，其特征在于，用低功率激光束獲得所述象，以便保持基片和波導的整體性。
23．如權利要求19所述的方法，其特征在于，獲得象的所述步驟包括按時間順序的多個象。
24．如權利要求23所述的方法，其特征在于，在大約2-3秒的時間內獲得第一象，并且在每個在先象之后，用大約0.4秒的時間獲得一個或多個后續(xù)象。
25．如權利要求1所述的方法，其特征在于，將波導的極端定位在對接區(qū)中相對激光束中心大約1微米的范圍內。
26．一種將多個光纖與基片中相應的多個波導相連的方法，其特征在于，包括以下步驟將一激光束傳過一衍射光學元件，以便在對接區(qū)同時為多個連接中的每一個產生一個需要的空間激光能量分布。
27．如權利要求26所述的方法，其特征在于，激光束在基片上的空間能量分布具有兩維形狀，該形狀由至少一個矩形、至少一個正方形和至少一個圓形中的一種構成。
28．如權利要求26所述的方法，其特征在于，在多個對接區(qū)產生空間能量分布的步驟包括將所述空間能量分布相對于所述對接區(qū)定位的步驟，該步驟包括下述步驟，即獲得激光束在基片上的象，并且產生坐標x1，該坐標對應于光束大體中心的位置，沿平行于波導的X軸，并且將x1設置成，其離開基片邊緣和波導的量分別為Δx；確定坐標x2，該坐標對應于波導的極端，沿X軸；以及將波導極端和光纖定位在由ΔX=x2-x1定義的位置上。
29．如權利要求26所述的方法，其特征在于，將所述衍射光學元件定位在一聚焦透鏡的下游。
30．如權利要求26所述的方法，其特征在于，用所述衍射光學元件將所述激光束聚焦在所述基片上。
31．如權利要求26所述的方法，其特征在于，所述激光束的波長等于或大于4微米。
32．如權利要求31所述的方法，其特征在于，所述激光器是CO2激光器。
33．一種將多個光纖與基片中相應的多個波導相連的方法，其特征在于，包括以下步驟將激光束傳播到光束掃描器；將具有所需空間能量分布的光束掃過多個對接區(qū)，所述對接區(qū)位于多個光纖和基片中多個對其對應相接的波導之間，從而基本上同時對多個對接區(qū)加熱。
34．如權利要求33所述的方法，其特征在于，用大約100Hz-10kHz之間的重復速率掃描光束。
35．如權利要求33所述的方法，其特征在于，在掃描步驟之前還包括將所述空間能量分布相對于所述對接區(qū)定位的步驟，該步驟包括下述步驟，即獲得激光束在基片上的象，并且產生坐標x1，該坐標對應于光束大體中心的位置，沿平行于波導的X軸，并且將x1設置成，其離開基片邊緣和波導的量分別為Δx；確定坐標x2，該坐標對應于波導的極端，沿X軸；以及將波導極端和光纖定位在由ΔX=x2-x1定義的位置上。
全文摘要
用激光束照射光纖(2)和波導(1a)之間的交界面(4),在波導和光纖之間產生熔接接頭。提供給交界面的空間能量分布,其中心區(qū)域的能量相對于周邊區(qū)域的能量被減少,從而能夠使用能量相對較高的激光器,同時避免波導彎曲。一般通過使激光束的中心向波導偏移,使激光束照射在波導上的能量密度大于照射在光纖上的能量密度。在進行熔接的同時用一力F迫使波導和光纖彼此靠近,從而避免在邊界處產生空間?？梢蕴峁┮粋€輔助的聚合物或礦物接頭。一種將不止一個光纖與平面波導內的相應波導區(qū)域進行多光纖熔接尾纖化的方法包括使用衍射光學元件(130)產生多個能量分布。
文檔編號B23K26/06GK1295676SQ99804660
公開日2001年5月16日 申請日期1999年4月9日 優(yōu)先權日1998年4月9日
發(fā)明者A·M·J·貝甘, B·帕里斯, F·斯科塔 申請人:康寧股份有限公司