用于光纤与光学元件对准的基材与夹持器及相关方法

xiaoxiao2020-7-2  2

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专利名称:用于光纤与光学元件对准的基材与夹持器及相关方法
技术领域
本发明的技术涉及光纤关于光学元件的对准,光学元件发射光到光纤上和/或光学元件接收来自光纤的光。
背景技术
光学系统可包括光学元件,光学元件传输光到光纤上且光学元件接收来自光纤的光以用于光信号传送。在所述系统中,光学元件关于光纤的对准优化光学元件与光纤之间的光信号传送。在许多光子学应用中,可能希望具有光纤关于发射光或接收光的光学元件的精密对准。所述光学元件的实例包括如(但不限干)以下各者的光学组件激光源、检测器、透镜、滤波器、隔离器或其它光纤。关于此点,光纤的端部定位于基材上的光学元件之上并且光纤的端部在基材上的光学元件之上对准。光学元件的主动对准可取决于操作者决定元件的对准以及将元件贴附于适当位置的技木。然而,主动对准通常也使用昂贵的装备以产生和监视光学信号,以辅助或确认适当对准。主动对准的替代方案是被动对准。被动对准涉及通过机械构件使光学元件对准, 以及将元件紧固于适当位置。典型的机械对准构件包括V形槽、对准块、钻摸,以及适合于使光学元件对准于基材的夹具。被动对准在成本方面可为有利的,有利在于可能不需要装备来产生和监视光学信号以辅助或确认光学元件与光纤的对准。然而,被动对准的ー个可能的折衷是较不准确的对准。被动对准的另ー个可能的折衷在于归因于缺乏产生和监视光学信号以辅助或确认适当对准的装备,因此可能导致光信号传送的減少。

发明内容
详细描述中所掲示的实施例包括用于使光纤在基材上的光学元件之上对准的设备和方法。在一个实施例中,提供ー种具有光学元件与至少ー个夹持器元件的基材。至少一个夹持器元件定位于沿光纤的轴向路径最接近光学元件处,以使得当光纤沿轴向路径移动直到光纤的端部接触至少ー个夹持器元件吋,光纤与主动光学元件对准。通过将ー或更多个夹持器定位于所述光纤的轴向路径中以使得光纤可沿轴向路径移动直到光纤的端部接触一或更多个夹持器,可容易地且准确地使光纤在基材上的光学元件之上对准。在某些实施例中,光纤可为具有成形光纤端部(例如,激光角裂楔形或锥形结构)的激光角裂光纤。 光学元件可为主动光学元件。其它实施例包括用于使光纤在基材上的光学元件之上对准的方法。一种示例性方法包含提供至少ー个夹持器元件,所述至少一个夹持器元件最接近于光学元件且在光纤的轴向路径中;以及使所述光纤沿所述轴向路径移动直到所述光纤接触所述至少一个夹持器元件,以使得所述光纤与所述光学元件对准。将在以下详细描述中阐述额外特征及优点,且对于所属领域的技术人员来说,额外特征及优点将容易地部分地从所述描述显而易见或者通过实践如本文中所描述的实施例而辨识,所述实施例包括以下的详细描述、权利要求书以及附图。
应理解,前述一般描述与以下详细描述两者呈现实施例,并且所述描述意欲提供用以理解本发明的本质和特征的概述或框架。包括附图以提供进ー步的理解,且附图并入于本说明书中并且构成本说明书的一部分。附示各种实施例,并且附图与所述描述一起用于解释所掲示的概念的原理和操作。


图1是布置于最接近光学元件处的平面基材上的夹持器的示例性实施例的平面图;图2是图示激光角裂光纤到夹持器中的最初插入的示例性实施例的平面图,夹持器布置于平面基材上最接近光学元件处;图3A是插入夹持器中之后的激光角裂光纤的示例性实施例的侧视图,所述示在沿光纤的轴线施加压カ时的光纤运动;图;3B是插入之后的激光角裂光纤的示例性实施例的侧视图,所述示激光角裂光纤的尖端与定位于激光角裂光纤的轴向路径中的夹持器之间的接触;图4是通过光学元件之上的夹持器而固持于适当位置的激光角裂光纤的示例性实施例的平面图;图5是通过夹持器侧壁而被強迫向下与光学元件接触的激光角裂光纤的示例性实施例的侧视图;图6是图示使用替代成角度夹持器对准使激光角裂光纤自对准于光学元件的示例性实施例的平面图;图7是图示使用替代C形夹持器实施例使激光角裂光纤自对准于光学元件的示例性实施例的平面图;图8是用于自对准于光学元件的激光角裂光纤的端部上的侧锥体的示例性实施例;图9是图示具有侧锥体的激光角裂光纤的示范性实施例的平面图,所述激光角裂光纤使用C形夹持器而自对准于光学元件;图10是移除尖端的激光角裂光纤的示例性实施例的侧视图,所述移除尖端的激光角裂光纤通过夹持器而在光学元件之上自对准。图IlA图示用于形成聚合物夹持器的标准紫外线(UV)曝光制程,其中UV曝光的方向接近于基材法线方向;图IlB图示用于形成具有陡峭侧壁角的聚合物夹持器的修改的UV曝光制程,其中 UV曝光的至少ー个方向相对于基材法线方向成更鋭利的鋭角;以及图12是图示激光角裂光纤关于光学元件的自对准的替代示例性实施例的侧视图。
具体实施例方式现将详细參考实施例,实施例的实例在附图中加以图示,在附图中图示ー些实施例而非所有的实施例。实际上,概念可以许多不同的形式体现,并且在本文中不应被解释为限制性的;相反地,提供所述实施例以使得本发明将满足适用的合法要求。只要可能,相同的元件符号将会用于指代相同的元件或部分。详细描述中所掲示的实施例包括用于使光纤在基材上的光学元件之上对准的设备与方法,所述设备和方法使用至少ー个夹持器,所述至少一个夹持器定位于最接近于光学元件处且在光纤的轴向路径中,以使得光纤的端部与至少ー个夹持器接触。通过将至少一个夹持器定位于光纤的轴向路径中以使得光纤的端部与至少ー个夹持器接触,可准确地使光纤在基材上的光学元件之上对准。在某些实施例中,光纤可为具有成形光纤端部(例如,激光角裂楔形或锥形结构)的激光角裂光纤。可使用各种光纤对准结构来解决光纤和光纤阵列关于主动装置(激光器与检测器)的低成本被动对准。例如,可使用硅V形槽结构或具有集成槽的多层陶瓷基材使光纤对准于主动装置。也可使用可变形的塑料、金属或聚合部件将光纤固持于适当位置,可变形的塑料、金属或聚合部件向下对光纤施加压カ以将光纤固持于槽结构中。所述结构可被称为“夹持器”或“约束部件”。根据ー个实施例的夹持器可以光敏弹性聚合材料形成,光敏弹性聚合材料以光刻法图案化于平面基材上。可通过首先在基材的整个表面之上旋转沉积相对较厚的聚合物材料层(如50-200 μ m)来产生夹持器。光刻法曝光与显影处理产生显著的侧壁底切,其中夹持器的最顶侧宽度总是比底部宽度宽。夹持器可形成于邻近光学组件待固持于适当位置所在的区域处。例如,当形成用于光纤的夹持器吋,两个平行的夹持器可大体定位于光纤待定位于的位置的任ー侧上。可将平行的夹持器之间的间隙设置为小于顶部处的光纤的直径并且设置为大于底部处的光纤的直径。当将光纤插入平行的夹持器之间时,每ー个夹持器轻微地变形。在将足够压カ 施加于光纤上之后,光纤的底表面接触基材表面。夹持器侧壁可产生压缩カ以在水平方向和垂直方向两者上将光纤固持于适当位置。可通过调整夹持器之间的间隙(通过光刻法) 或变更夹持器聚合物材料的性质来修改通过夹持器施加的压カ的量。使用夹持器(例如,聚合物夹持器)的优点在于使得能够进行锥形的光纤或光纤阵列关于主动光学装置的低成本被动对准。在一些实施例中,可实现具有加或减5微米的准确性的对准。另外,可通过光刻掩模修改容易地修改聚合物夹持器布局以适应任何类型的光纤端部处理(例如,楔形或锥形)。关于此点,图1是布置于主动光学元件附近的平面基材上的夹持器的示例性实施例的平面图,主动光学元件如垂直腔面发射激光器(vertical cavity surface emitting laser ;VCSEL)或光电检测器。图1提供具有夹持器12A、12B和14以及光学元件16的平面基材10的示例性平面布局。在此实施例中,夹持器12A具有顶表面12A-T和基座12A-B。 夹持器12B具有顶表面12B-T和基座12B-B。夹持器12A和12B可由附接到基材10的表面的横向隔开的柔性条組成,从而形成具有轴线Al的轴向路径17,轴线Al横向穿过基材10 上的光学元件16延行。夹持器12A和12B可经定位以使得夹持器12A和12B平行于轴线 Al,并且夹持器12A和12B可被称为侧夹持器。夹持器14为经定位以使得能够沿着轴线Al的结构,轴线Al横向穿过基材10上的光学元件16延行。夹持器14具有顶表面14-T和基座14-B。夹持器14可定位于最接近光学元件16处且夹持器14可定位在光学元件16与夹持器12A和12B相反的侧面上,并且夹持器14可被称为端部夹持器。
基材10可包括一或更多个光学元件16。虽然图1仅图示単一光学元件16,但是应理解,可存在多个光学元件16。光学元件16可为VCSEL装置、光电检测器或任何其它光学元件,包括(但不限干)光纤、透镜、滤波器、有透镜的光纤、光学隔离器等。光学元件16可经设计以将光转移到光纤或其它光学元件和/或从光纤或其它光学元件转移光。同样地, 虽然图1图示三个夹持器12A、12B和14,但任何数目个夹持器或其它约束部件可用于接纳光学元件以及使光学元件对准。三个夹持器12A、12B和14以光刻法图案化于光学元件16 附近。在一个实施例中,夹持器12A、12B和14可由柔性聚合物制成。另外,在一个实施例中,可使用多种技术(例如,众所周知的使用光可聚合组份的光刻制程等)形成夹持器12A、 12B 禾ロ 14。例如,可将光可聚合组份实质上均勻地沉积到基材表面(例如,基材10)上。接着使用激光和电脑控制阶段将光可聚合组份以成图像方式曝光于光化学辐射,以用紫外线激光束或准直的紫外线(UV)灯连同光掩模一起曝光组份的精确区域,所述光掩模具有实质上透明和实质上不透明区域的图案。接着可使用溶剂移除未成像区域,而在基材表面上留下呈至少一个夹持元件的形式的成像区域。或者,可通过使用软的、柔性的压花工具在基材10上以至少一个夹持器元件的形式图案化可聚合组份,来形成夹持器12A、12B和14中的一或更多者。所述软工具通常用硅酮制成。接着使组份固化并且移除工具。工具的柔性必须足够以使得可从固化的聚合物移除而不损坏夹持器。可通过各种方式(例如,光化学辐射或热)来使可聚合组份固化,并且可聚合组份应具有粘性以顺应工具凸起的特征。在从固化的组份移除工具之后,取决于图案的本质,至少ー个夹持器将会保留在基材10上。工具的图案可包括多个夹持元件以提供用于使光纤和透镜阵列对准的基材。用于制造夹持元件的合适的聚合组份掲示于共同转让的美国专利第6,266, 472号中,所述专利以引用的方式并入本文中。继续參看图1,侧夹持器12A具有附接到基材10的表面的基座12A-B,和处于平行于基材10的平面的平面中的顶表面12A-T。侧夹持器12B具有附接到基材10的表面的基座12B-B,和处于平行于基材10的平面的平面中的顶表面12B-T。端部夹持器14具有附接到基材10的表面的基座14-B,和处于平行于基材10的平面的平面中的顶表面14-T。侧夹持器12A和12B与端部夹持器14中的每ー者可具有比所述夹持器基座宽的顶表面,以使得夹持器中的每ー者的基座的占据面积小于夹持器的顶表面。此情形允许夹持器12A、12B和 14接触光纤,并产生压缩カ以在水平方向和垂直方向两者上将光纤固持于适当位置,同时仍允许光纤沿轴线Al在轴向路径17中移动。此情形将于图3A和图;3B中更详细地图示并在下文加以论述。图2为平面基材上的布置于主动光学元件基材附近的夹持器的类似于图1的平面图的平面图,但图2也图示了激光角裂光纤18到基材10上的布置于光学元件16附近的夹持器12A和12B中的最初插入的示例性实施例。应注意,虽然图2图示了插入的激光角裂光纤18,光纤18不必为激光角裂的。可使用其它的光纤代替激光角裂光纤18。作为ー个非限制性实例,可将光纤插入基材10上的布置于光学元件16附近的夹持器12A和12B中, 所述光纤提供端部或尖端、通过抛光操作成角度。再次參看图2,激光角裂光纤18具有激光角裂端部刻面20与内部纤芯22。在一个实施例中,激光角裂端部刻面20可包含单一刻面。在其它实施例中,激光角裂端部刻面20可包含多个刻面或大量的刻面,所述刻面近似弯曲的刻面表面,其中弯曲的刻面表面的曲率可为单轴的或双轴的。在示例性实施例中,激光角裂光纤18为激光角裂的,以使得激光角裂端部刻面20形成为成45度或接近45度,或形成为相对于光纤轴线的其它角度,在所述角度下提供改进的光学性能(如减少的背向反射、増加的带宽等)。激光角裂光纤18的端部的尖角形状促进将激光角裂光纤18插入通道中,所述通道通过基材10上的夹持器12A和12B形成。当希望使激光角裂光纤18在光学元件16之上对准吋,将激光角裂光纤18从图2中的右侧插入两个右侧夹持器12A和12B 中。将激光角裂光纤18从图2的右侧插入,并且通过沿激光角裂光纤18的轴线施加压カ 使激光角裂光纤18沿轴线Al向左移动。此举被称为沿激光角裂光纤18的“轴向路径”移动。夹持器12A和12B经定位,以使得当插入激光角裂光纤18时,夹持器12A和12B平行于激光角裂光纤18的轴向路径。夹持器14经定位以使得所述夹持器14处于激光角裂光纤18的轴向路径中。夹持器12A、12B和14中的每ー者具有附接到基材10的表面的基座部分、可实质上平行于基材10的表面的顶表面,和提供夹持器12A与12B之间的槽或通道的侧壁。每ー个夹持器12A、12B和14的侧壁可稍微成角度,但所述侧壁应足够平以使得夹持器12A、12B和14中的每ー者可在至少ー个点中接触激光角裂光纤18。图3A是在插入夹持器12A和12B中之后的图2中的激光角裂光纤18的示例性实施例的侧视图,图3A图示在沿激光角裂光纤18的轴线施加压カ时的光纤向左的运动。如图3A中所示,当夹持器12A和12B (夹持器12B未图示于图3A的侧视图中)将激光角裂光纤18固持为极接近于基材10吋,可调整夹持器12A和12B对激光角裂光纤18的夹持力, 以允许在沿激光角裂光纤18的轴线施加压カ时激光角裂光纤18进ー步向左滑动。随着对准制程继续,使激光角裂光纤18连续不断地向左移动,直到激光角裂光纤 18的尖端与夹持器14之间接触(在图加的左侧上)。夹持器14定位于激光角裂光纤18 的轴向路径中,并且夹持器14经定位以使得当激光角裂光纤18的尖端接触夹持器14吋, 激光角裂光纤18定位于光学元件16之上。在一个实施例中,夹持器14可垂直于激光角裂光纤18的轴线而定位。激光角裂光纤18为激光角裂的,以使得激光角裂光纤18的端部以相对于轴线Al 的角度α开裂。在一个实施例中,激光角裂光纤18的端部为激光角裂的,以使得角度α 形成为成45度或接近45度。端部夹持器14在顶部处比在基座处宽。在一个实施例中,端部夹持器14具有侧壁15,侧壁15具有相对于轴线Al的角度θ。可能希望协调端部夹持器14的侧壁角度θ和激光角裂光纤18的端部的角度α,以便使激光角裂光纤18的轴向运动停止,以用于使激光角裂光纤18与光学元件16准确对准,而同时防止对端部夹持器14 或激光角裂光纤18的端部的损坏。激光角裂光纤18的端部的角度α可为任何角度,但在某些实施例中,角度α将会在相对于轴线Al的30度与45度之间。激光角裂光纤18的尖端与夹持器14之间的接触使激光角裂光纤18的运动停止, 并且所述接触使激光角裂端部刻面20与光学元件16对准。夹持器14的锥形形状也保证激光角裂光纤18的端部保持与光学元件16接触。如图;3Β中所见,使用夹持器12Α和12Β 连同夹持器14中的至少ー者,使激光角裂光纤18对准于光学元件16。夹持器14将激光角裂光纤18向下固持于基材10上并且夹持器14限制激光角裂光纤18的轴向行迸。夹持器 14的成角度的侧壁也啮合角裂端部刻面20且所述侧壁强迫光纤端部尖端向下行进到光学元件16上。
如图3A和图加中所示,当最初将激光角裂光纤18插入夹持器12A和12B之间的通道中吋,首先通过夹持器12A和12B粗略地对准激光角裂光纤18且用机械方式约束激光角裂光纤18,所述夹持器12A和12B平行于激光角裂光纤18的轴向路径延行。接着通过处于激光角裂光纤18的轴向路径中的夹持器14、通过使激光角裂光纤18连续不断地向左移动,直到激光角裂光纤18的尖端与夹持器14之间接触,使激光角裂光纤18更精确地对准于光学元件16。图4图示激光角裂光纤18的平面图,激光角裂光纤18固持于夹持器12A、12B和 14中,以使得激光角裂光纤18的激光角裂端部刻面20定位于光学元件16之上。端部夹持器14具有附接到基材10的表面的基座14-B,和处于平行于基材10的平面的平面中的顶表面14-T。端部夹持器14可具有比所述端部夹持器14的基座宽的顶表面,以使得端部夹持器14的基座的占据面积小于夹持器14的顶表面。图5是激光角裂光纤18的示例性实施例的侧视图,激光角裂光纤18通过夹持器 14的侧壁15而被强迫向下与光学元件16接触。如从图4和图5中可见,夹持器14単独地或结合夹持器12A和12B中的一或更多者操作,以将激光角裂光纤18的激光角裂端部刻面 20准确地定位于光学元件16之上。如图5中所见,在使激光角裂光纤18对准于光学元件16之后,激光角裂端部刻面 20通过全内反射(total internal reflection ;TIR)将来自光学元件16的光重定向为沿激光角裂光纤18的轴线。在图5中,来自光学元件16的光束沈照射激光角裂光纤18的端部处的激光角裂端部刻面20并且所述光束沈被反射为光束观,光束观被导引于激光角裂光纤18的内部纤芯22中。如上文所论述,可能希望协调端部夹持器14的侧壁角度θ与激光角裂光纤18的端部的角度α,以便使激光角裂光纤18的轴向移动停止,以用于使激光角裂光纤18与光学元件16准确地对准,而同时保证对端部夹持器14或激光角裂光纤18的端部均没有损坏。 可通过调整曝光与显影条件来修改夹持器14的侧壁角度。图5图示对准于夹持器14的激光角裂光纤18的侧视图,夹持器14具有比图3Α和图;3Β中的夹持器14的侧壁角度θ更陡峭的侧壁角度Φ。在图5的实施例中,端部夹持器14具有侧壁15,侧壁15具有相对于轴线Al的角度Φ。如下文更详细地论述,可通过将UV源定位于基材10上方但并非直接在头顶上并且接着使基材10旋转,来形成图5中具有更陡峭的侧壁角度Φ的夹持器14的侧壁15。夹持器14的侧壁角度Φ与激光角裂光纤18的端部的角度α之间的协调也保证 在组装之后,光纤尖端被強迫向下与光学元件16接触。夹持器14的侧壁15的角度Φ可优选地选择为稍微大于激光角裂光纤18的端部的角度α。在一个实施例中,夹持器14的侧壁15的角度Φ可优选地选择为比激光角裂光纤18的端部的角度α大至少一度到两度。图6是图示使用替代的成角度夹持器对准使激光角裂光纤自对准于主动光学元件的示例性实施例的平面图,其中ー对成角度的夹持器定位于激光角裂光纤的轴向路径中。在图6的示例性实施例中,可修改夹持器14在光纤尖端附近的布置,以使激光角裂光纤18与光学元件16自对准。图6图示夹持器布局,其中一对夹持器614Α和614Β成角度并定位于激光角裂光纤18的尖端的每ー侧上。夹持器614Α具有附接到基材10的表面的基座614Α-Β,和处于平行于基材10的平面的平面中的顶表面614Α-Τ。夹持器614Β具有附接到基材10的表面的基座614Β-Β,和处于平行于基材10的平面的平面中的顶表面614B-T。夹持器614A和614B中的每ー者可具有比所述夹持器的基座宽的顶表面,以使得夹持器614A和614B中的每ー者的基座的占据面积小于夹持器614A和614B的顶表面。夹持器614A具有纵轴Bl并且夹持器614A相对于轴线Al成角度,以使得角度β 1存在于轴线Al与夹持器614A的纵轴Bl之间。夹持器 614Β具有纵轴Β2并且夹持器614Β相对于轴线Al成角度,以使得角度β 2存在于轴线Al 与夹持器614Β的纵轴Β2之间。在一个实施例中,角度β 1与β 2可介于相对于轴线Al的 30度与45度之间。夹持器614Α的纵轴Bl与夹持器614Β的纵轴Β2相交于沿轴线Al的点处。夹持器614Α和614Β经定位,以使得夹持器614Α和614Β的纵轴Bl和Β2的相交点处于激光角裂光纤18的轴向路径中(即,沿轴线Al)。夹持器614Α和614Β可在此相交点处实体地触碰,但夹持器614Α和614Β不必在相交点处实体地触碰。在一个实施例中,夹持器614Α和614Β完全不会实体触碰。激光角裂光纤18以类似于上文关于图2到图5所论述的方式的方式插入夹持器12Α和12Β之间。当将压カ从右侧施加于激光角裂光纤18时 (在图6中),激光角裂光纤18向左移动直到与成角度的夹持器614Α和614Β接触。成角度的夹持器614Α和614Β也強迫光纤尖端向下与光学元件16接触。在通过成角度的夹持器614Α和614Β使激光角裂光纤18对准于光学元件16之后,以类似于图5中所图示的方式的方式,激光角裂端部刻面20通过全内反射(TIR)将来自光学元件16的光重定向为沿激光角裂光纤18的轴线Al。图7是图示使用C形夹持器实施例使激光角裂光纤自对准于主动光学元件的示例性实施例的平面图,其中C形夹持器定位于激光角裂光纤的轴向路径中。在图7中,単一 C 形夹持器已经图案化,以接纳激光角裂光纤18且使激光角裂光纤18对准于基材10上的光学元件16。夹持器714具有附接到基材10的表面的基座714-Β,和处于平行于基材10的平面的平面中的顶表面714-Τ。夹持器714可具有比所述夹持器714的基座宽的顶表面,以使得夹持器714的基座的占据面积小于夹持器714的顶表面。激光角裂光纤18以类似于上文关于图2到图5所论述的方式的方式插入夹持器 12Α和12Β之间。在一个实施例中,C形夹持器714具有从夹持器切掉的缺ロ 715,以使得缺ロ位于激光角裂光纤18的轴向路径中。当将压カ从右侧施加于激光角裂光纤18时(在图7中),激光角裂光纤18向左移动,直到激光角裂光纤18的端部在点29Α、29Β和29C处接触C形夹持器714。C形夹持器714強迫光纤尖端向下与光学元件16接触。在通过C形夹持器714使激光角裂光纤18对准于光学元件16之后,以类似于图5中所图示的方式的方式,激光角裂端部刻面20通过全内反射(TIR)将来自光学元件16的光重定向为沿激光角裂光纤18的轴线Al。也可以各种方式图案化激光角裂光纤18的尖端以增强自对准方法。图8是用于自对准于光学元件16的激光角裂光纤18的端部上的侧锥体的示例性实施例。图8图示光纤端部的俯视图,其中两个额外的激光切割刻面820Α和820Β添加到原始激光角裂端部刻面20。激光切割刻面820Α以相对于轴线Al的角度λ i激光开裂。激光切割刻面820B以相对于轴线Al的角度λ 2激光开裂。C形夹持器(类似于图7中所示的夹持器)可用于使激光角裂光纤18自对准于光学元件16,如图9中所见。图9是图示具有侧锥体920Α和920Β的激光角裂光纤18的示范性实施例的平面图,激光角裂光纤18使用C形夹持器914而自对准于光学元件16,所述C形夹持器914定位于激光角裂光纤18的轴向路径中。夹持器914具有附接到基材10的表面的基座914-B, 和处于平行于基材10的平面的平面中的顶表面914-T。优选地,C形夹持器914具有比所述C形夹持器914的基座914-B宽的顶表面914-T,以使得C形夹持器914的基座的占据面积小于C形夹持器914的顶表面。激光角裂光纤18以类似于上文关于图2到图5所论述的方式的方式插入夹持器 12A和12B之间。在一个实施例中,C形夹持器914具有从夹持器切掉的缺ロ 915,以使得缺ロ位于激光角裂光纤18的轴向路径中。当将压カ从右侧施加于激光角裂光纤18时(在图9中),激光角裂光纤18向左移动,直到激光角裂光纤18的端部在点30A、30B和30C处接触C形夹持器914。C形夹持器914強迫光纤尖端向下与光学元件16接触。在通过C形夹持器914使激光角裂光纤18对准于光学元件16之后,以类似于图5中所图示的方式的方式,激光角裂端部刻面20通过全内反射(TIR)将来自光学元件16的光重定向为沿激光角裂光纤18的轴线。图10中图示另一个示例性实施例。图10是激光角裂光纤18的示例性实施例的侧视图,激光角裂光纤18通过夹持器12A、12B和14而在光学元件16之上自对准。在图10 中所图示的实施例中,已移除激光角裂光纤18的尖端。以此方式,可在激光角裂光纤18的端部处形成平端部32,以防止尖角的光纤尖端在组装期间损坏夹持器14。平端部32与夹持器14接触并且平端部32限制在组装期间的激光角裂光纤18的行迸。应理解,虽然本文中在图1到图7、图9和图10中所图示的夹持器12A、12B和14 的细节特别适合于夹持元件,所述夹持元件适合于紧固圆柱形物体(例如,光纤、渐变折射率透镜等)以及使圆柱形物体(例如,光纤、渐变折射率透镜等)被动对准,但夹持器12A、 12B和14可经设定大小和配置,以紧固广泛多种其它类型的非圆柱形光学元件(例如,包括(但不限于)棱镜、透镜、VCSEL等),以及使广泛多种其它类型的非圆柱形光学元件(例如,包括(但不限干)棱镜、透镜、VCSEL等)被动对准。根据本文中所掲示的实施例的夹持器制造可基于充分理解的光刻法处理技木。而且,夹持器制造制程与平面主动装置制造制程相客。如上文关于图5所论述,可能希望实现激光角裂光纤18与光学元件16的更准确的对准,以试图协调以下两个角度激光角裂光纤18的轴向路径中的端部夹持器14的侧壁15的角度θ,与激光角裂光纤18的端部的角度α,以保证在组装之后光纤尖端被強迫向下与光学元件16接触。夹持器14的侧壁15的角度θ可选择为稍微大于激光角裂光纤 18的端部的角度α。或者,夹持器14的侧壁15的角度θ可选择为稍微小于激光角裂光纤18的端部的角度α。在一个实施例中,端部夹持器14的侧壁15的角度θ可选择为比激光角裂光纤18的端部的角度α大至少一度到两度。可通过调整UV曝光与显影条件来容易地修改夹持器侧壁角度。例如,如图IlA和图IlB中所示,可借助于通过掩膜以某角度曝光聚合物夹持器来获得更陡峭的侧壁角度。 也可在曝光期间使UV源相对于装置基材旋转来进ー步增加侧壁角度。图IlA图示标准夹持器曝光制程,其中UV曝光的方向接近于基材法线方向。在制程的部分1100中,将UV光1102施加于掩膜基材1104,掩膜基材1104具有用于所需聚合物夹持器的掩膜图案1106,以使得聚合物夹持器基材1108的部分曝光于UV光1102。以相对于轴线Al的角度θ 1施加UV光1102,轴线Al平行于聚合物夹持器基材1108。曝光于UV光1102的聚合物夹持器基材1108的部分为曝光的聚合物夹持器材料1110,并且归因于掩膜图案1106而未曝光于UV光1102的聚合物夹持器基材1108的部分为未曝光的聚合物夹持器材料1112。在制程的部分1120处,存在来自第二方向、处于相对于轴线Al的第二角度 θ 2的第UV曝光。将UV光1122施加于具有掩膜图案1106的掩膜基材1104,以使得先前未曝光的聚合物夹持器材料1112的另一部分(标记为1124)现在曝光于UV光1122,仅留下部分11 作为未曝光的聚合物夹持器材料。接着,执行所有曝光的聚合物夹持器材料的移除,以使得只有聚合物夹持器1140保留。聚合物夹持器1140具有顶表面1140-T和基座 1140-B,其中顶表面1140-T优选地比基座1140-B宽。聚合物夹持器1140具有侧壁1142, 侧壁1142具有相对于轴线Al的角度θ 2。可通过将聚合物夹持器基材1108定位于旋转的板上来提供曝光的角度变化,其中UV光源定位于板上方,以使得UV光以相对于基材法线角度的小角度向下导向于聚合物夹持器基材1108上。图IlB图示修改的夹持器曝光制程,其中UV曝光的至少ー个方向相对于基材法线方向成更鋭利(即,更大)的鋭角,以便在形成的聚合物夹持器上获得更陡峭(即,相对于基材的平面更尖鋭)的侧壁角度。在制程的部分1150中,将UV光1152施加于具有用于所需聚合物夹持器的掩膜图案1156的掩膜基材1154,以使得聚合物夹持器基材1158的部分曝光于UV光1152。UV光1152是在正交于聚合物夹持器基材1158的方向上施加。即,UV 光1152是以角度θ 3施加,其中θ 3为相对于轴线Al的90度,Al平行于聚合物夹持器基材1158。曝光于UV光1152的聚合物夹持器基材1158的部分为曝光的聚合物夹持器材料 1160,并且归因于掩膜图案1156而未曝光于UV光1152的聚合物夹持器基材1158的部分为未曝光的聚合物夹持器材料1162。在制程的部分1170处,存在来自第二方向且处于相对于轴线Al的第二角度θ 4的第UV曝光,与图IlA中的正常制程中的UV曝光的角度θ2相比, 角度θ 4处于相对于基材法线方向来说更鋭利(S卩,更大)的角度。将UV光1172施加于具有掩膜图案1156的掩膜基材1154,以使得先前未曝光的聚合物夹持器材料1162的另一部分(标记为1174)现在曝光于UV光1172,仅留下部分1176作为未曝光的聚合物夹持器材料。接着,执行所有曝光的聚合物夹持器材料的移除,以使得只有聚合物夹持器1190保留。 聚合物夹持器1190具有顶表面1190-Τ和基座1190-Β,其中顶表面1190-Τ优选地比基座 1190-Β宽。聚合物夹持器1190具有侧壁1192,侧壁1192具有相对于轴线Al的角度θ 4。 与通过图IlA中的正常UV曝光制程形成的聚合物夹持器1140相比,聚合物夹持器1190具有更陡峭的侧壁角度θ4。可通过将聚合物夹持器基材1158定位于旋转的板上来提供曝光的角度变化,其中UV光源定位于板上方以使得UV光以相对于基材法线的角度向下导向于聚合物夹持器基材1158上,或可通过从几个不同角度对固定的聚合物夹持器基材1158进行UV照射来提供曝光的角度变化。根据ー些实施例,接合剂或粘合剂可用于使光纤粗略地对准以及用机械方式约束光纤,从而代替平行于光纤延行的夹持器,例如夹持器12Α和12Β。图12图示此类的实施例。在图12中,通过粘合剂34使激光角裂光纤18粗略地对准以及用机械方式约束激光角裂光纤18,粘合剂34沉积于激光角裂光纤18之上。粘合剂34因此充当激光角裂光纤18 的约束部件。接着通过夹持器1214使激光角裂光纤18精确地对准于光学元件16,夹持器 1214位于激光角裂光纤18的轴向路径中。夹持器1214可为单ー夹持器(如图1到图6和图10中的夹持器14)、ー对成角度的夹持器(如图6中的夹持器614Α和614Β),或C形夹持器(如图7中的夹持器714,或图9中的夹持器914,或类似的夹持器结构)。夹持器1214 强迫激光角裂光纤18的尖端向下与光学元件16接触。在通过夹持器1214使激光角裂光纤18对准于光学元件16之后,以类似于图5中所图示的方式的方式,激光角裂端部刻面20 通过全内反射(TIR)将来自光学元件16的光重定向为沿激光角裂光纤18的轴线。本文中所掲示的ー些实施例涉及用于使各种光学元件对准于基材的设备和方法。 所述光学元件可包括例如(但不限干)光纤、透镜、滤波器、有透镜的光纤、垂直腔面发射激光器(VCSEL)、光学隔离器、光子检测器等。在某些实施例中,光纤(例如,激光角裂光纤) 的端部在基材上的主动光学元件(例如,VCSEL)之上对准。设备和方法可包括基材,基材包括对准特征或接纳结构,例如夹持元件、V形槽、凹陷、凹入区域、栓、沟槽、粘合剂或接合剂,以用于紧固光学模块或模块化的光学元件以及使光学模块或模块化的光学元件被动对准。光纤对准结构(如夹持器)也可用于将光纤正交于基材表面定位,以使得光纤穿过对准板中的ー维(1-dimensional ; 1-D)或ニ维Q-dimensional ;2-D)孔隙阵列。可通过使用可变形的机械部件或通过用聚合物夹持器材料填充板孔隙的部分来形成夹持器。可通过使用各种形式的聚合物包装将呈所述配置的光纤固定于适当位置。光纤夹持结构也已在机械绞接中使用,其中塑料的可变形的V形槽可用于使ー或更多个配对的光纤对对准以及约束一或更多个配对的光纤对。也可通过使用可变形的塑料槽将光纤固持于适当位置,所述可变形的塑料槽具有夹持光纤的侧壁倒刺。本文中所掲示的某些实施例包括夹持器(如聚合物夹持器),以用于使组件被动对准于平面基材上。虽然本文中掲示聚合物夹持器用于被动对准,但其它结构(例如约束部件)也可用于提供光纤或其它光学元件的对准和/或机械约束。夹持器可用于将光纤于适当位置固持于平基材上,或夹持器可用于将光纤固持于形成于硅基材上的V形槽结构中。除夹持个别的光纤之外,夹持器也可用于定位光纤阵列、 安装于较小承载基材上的光学组件、光纤透镜、柱面透镜和谐振器结构以及光学滤波器。本文中所描述的实施例包括用于通过使用夹持器(例如,聚合物夹持器)使激光角裂光纤对准于平面基材上的主动装置(例如,VCSEL源和光电检测器)的技木。夹持器保证锥形的或激光角裂光纤端部精确地对准于主动组件(激光源或检测器)。夹持器也可保证光纤端部固持为极接近于主动装置。通过将ー或更多个夹持器定位于光纤的轴向路径中以使得可使光纤沿轴向路径移动,直到光纤的端部接触一或更多个夹持器,可容易地且准确地使光纤在基材上的主动光学元件之上对准。使用夹持器(如聚合物夹持器)的优点在于使得能够进行锥形光纤或光纤阵列关于主动光学装置的低成本被动对准。另外,可通过光刻掩膜修改容易地修改聚合物夹持器布局,以适应任何类型的光纤端部处理(例如,楔形或锥形)。本文中所掲示的某些实施例提供被动对准设备和方法,所述被动对准设备和方法便宜且不需要太多步骤来实现各种光学元件的被动对准。在已使元件被动对准之后,可能希望使用接合剂或粘合剂来辅助将光学元件紧固于适当位置。或者,在其它实施例中,无需使用粘合剤。在光学装置的设计中,如果已知个别的光学元件的适当的位置对准和角度对准,那么可设计和适当地定位基座和基材上的对准特征以实现被动对准。根据某些实施例,多种材料和几何形状可用于夹持元件和基材,并且多种制造程序可用于制造夹持元件和基材。本文中所掲示的实施例允许进行光学元件的低成本被动对
另外,如本文中所使用,意欲术语“光纤缆线”和/或“光纤”包括所有类型的单一模式和多模式光波导,包括一或更多个裸光纤、松套光纤、紧密缓冲光纤、丝带光纤、弯曲不敏感光纤或用于传输光信号的任何其它便利媒介。弯曲不敏感光纤的实例为康宁公司 (Corning Incorporated)制造的 ClearCurveeI^rP0受益于前述描述和相关联附图中所呈现的教示,实施例所属领域的技术人员将想到本文中所阐述的许多修改和其它实施例。因此,应理解,所述描述与权利要求书并不限于所掲示的特定实施例,并且修改和其它实施例意欲包括于附加的权利要求书的范畴内。意欲实施例涵盖实施例的修改与变化,只要实施例的修改与变化在附加的权利要求书与附加的权利要求书的等效物的范畴内即可。虽然在本文中使用特定术语,但特定术语仅用于ー 般的和描述性的意义,而非用于限制的目的。
权利要求
1.一种用于光纤对准的设备,所述设备包含基材;光学元件,所述光学元件设置于所述基材上并界定轴向路径;以及至少ー个夹持器元件,所述至少一个夹持器元件设置于所述基材上并定位于所述轴向路径中,以使得当使光纤沿所述轴向路径移动直到所述光纤的端部接触所述至少一个夹持器元件吋,所述光纤与所述光学元件对准。
2.如权利要求1所述的设备,其中所述光纤包含成角度端部。
3.如权利要求2所述的设备,其中所述成角度端部是抛光的成角度端部。
4.如权利要求1所述的设备,其中所述光纤是激光角裂光纤,所述激光角裂光纤包含至少ー个激光角裂端部刻面。
5.如权利要求1所述的设备,其中所述至少一个夹持器元件垂直于所述光纤的所述轴向路径而定位。
6.如权利要求1所述的设备,其中所述至少一个夹持器元件包含聚合物夹持器。
7.如权利要求1所述的设备,其中所述基材进ー步包含至少ー个约束部件,所述至少一个约束部件平行于所述轴向路径而定位。
8.如权利要求7所述的设备,其中所述至少一个约束部件包含至少ー个聚合物夹持
9.如权利要求7所述的设备,其中所述至少一个约束部件包含粘合剤。
10.如权利要求1所述的设备,其中所述基材进ー步包含至少ー对隔开的约束部件,所述至少一对隔开的约束部件平行于所述轴向路径而定位并经配置以部分地约束所述光纤。
11.如权利要求10所述的设备,其中所述至少一对隔开的约束部件经配置以使所述光纤粗略地对准,并且所述至少一个夹持器元件进ー步使所述光纤与所述光学元件对准。
12.如权利要求1所述的设备,其中所述至少一个夹持器元件包含ー对成角度的聚合物夹持器。
13.如权利要求1所述的设备,其中所述至少一个夹持器元件包含至少ー个C形聚合物夹持器。
14.如权利要求1所述的设备,其中所述光纤是激光角裂光纤,所述激光角裂光纤包含多个激光角裂端部刻面。
15.如权利要求4所述的设备,其中所述至少一个夹持器元件的侧壁的角度适合于对应于所述激光角裂光纤的所述至少一个激光角裂端部刻面的角度。
16.如权利要求1所述的设备,其中所述至少一个夹持器元件是通过紫外线(UV)曝光制程而形成。
17.如权利要求15所述的设备,其中所述夹持器元件的所述侧壁的所述角度是通过改变UV曝光制程中的UV光的角度而修改,所述UV曝光制程用以形成所述至少一个夹持器元件。
18.如权利要求4所述的设备,其中所述激光角裂光纤的尖端经移除,以形成所述激光角裂光纤的平端部,其中当所述平端部与所述至少一个夹持器元件接触吋,所述平端部限制所述激光角裂光纤的行迸。
19.如权利要求1所述的设备,其中所述光学元件是从包含以下各者的组群中选择的光学组件垂直腔面发射激光器(VCSEL)、光电检测器、激光器、光纤、透镜、滤波器、有透镜的光纤和光学隔离器。
20.一种用于使光纤在基材上的光学元件之上对准的方法,所述方法包含提供至少ー个夹持器元件,所述至少一个夹持器元件设置于所述基材上并且定位于通过所述光学元件界定的轴向路径中;以及使所述光纤沿所述轴向路径移动直到所述光纤接触所述至少一个夹持器元件。
21.如权利要求20所述的方法,其中所述光纤是激光角裂光纤,所述激光角裂光纤具有至少ー个激光角裂端部刻面。
22.如权利要求20所述的方法,其中所述光纤的至少ー个端部是通过抛光操作而成角/又。
23.如权利要求20所述的方法,所述方法进ー步包含提供至少ー个约束部件,所述至少ー个约束部件平行于所述光纤的所述轴向路径而定位。
24.如权利要求20所述的方法,所述方法进ー步包含提供至少ー对隔开的约束部件, 所述至少一对隔开的约束部件平行于所述轴向路径而定位以将所述光纤约束于适当位置。
25.如权利要求23所述的方法,其中提供所述至少一个约束部件的步骤包含在所述光纤之上沉积粘合剤。
26.如权利要求20所述的方法,其中提供所述至少一个夹持器元件的步骤进一歩包含提供ー对成角度的聚合物夹持器。
27.如权利要求20所述的方法,其中提供所述至少一个夹持器元件的步骤进一歩包含提供至少ー个C形聚合物夹持器。
28.如权利要求21所述的方法,其中提供所述至少一个夹持器元件的步骤进一歩包含提供至少ー个夹持器元件,所述至少一个夹持器元件具有侧壁,所述侧壁具有角度,所述角度对应于所述激光角裂光纤的所述至少一个激光角裂端部刻面的角度。
29.如权利要求M所述的方法,所述方法进ー步包含使用所述对隔开的约束部件使所述光纤粗略地对准,所述对隔开的约束部件平行于所述光纤的所述轴向路径而定位;以及使用所述至少一个夹持器元件执行所述光纤与所述光学元件的进ー步对准。
30.一种用于光纤对准的设备,所述设备包含基材;光学元件,所述光学元件设置于所述基材上并界定轴向路径;至少ー对侧聚合物夹持器元件,所述至少一对侧聚合物夹持器元件设置于所述基材上且平行于所述轴向路径而定位;以及至少ー个端部聚合物夹持器元件,所述至少一个端部聚合物夹持器元件包含側壁,所述侧壁具有相对于所述轴向路径的角度,所述至少一个端部聚合物夹持器元件设置于所述基材上并定位于所述轴向路径中,以使得当使包含至少ー个激光角裂端部刻面的激光角裂光纤沿所述轴向路径移动直到所述激光角裂光纤的尖端接触所述至少一个夹持器元件吋,所述激光角裂光纤与所述光学元件对准,其中所述至少一对侧聚合物夹持器元件经配置以部分地约束所述光纤,所述至少ー个端部聚合物夹持器元件经配置以使所述激光角裂光纤与所述光学元件对准,并且所述至少一个端部聚合物夹持器元件的所述侧壁的所述角度经配置以对应于所述至少ー个激光角裂端部刻面的角度。
全文摘要
本发明揭示用于使光纤在基材上的光学元件之上被动对准的设备和方法。光学元件和至少一个夹持器元件可提供于基材上,其中至少一个夹持器元件定位于通过光学元件界定的轴向路径中。因此,当使光纤沿轴向路径移动直到光纤的端部接触至少一个夹持器元件时,光纤与光学元件对准。另外,本发明揭示用于使光纤在基材上的光学元件之上对准的方法。另外,作为实例,光纤可为具有成形光纤端部的激光角裂光纤,例如激光角裂楔形或锥形结构。
文档编号G02B6/42GK102597835SQ201080043854
公开日2012年7月18日 申请日期2010年9月24日 优先权日2009年9月30日
发明者詹姆斯·S·萨瑟兰 申请人:康宁公司

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