專利名稱：光導(dǎo)纖維與其它光學(xué)器件的端面鎖定對接裝置及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體是屬于光學(xué)元器件領(lǐng)域，特別是有關(guān)光導(dǎo)纖維和其它光學(xué)元器件的對接手段。
背景技術(shù)：
光導(dǎo)纖維已廣泛地應(yīng)用于許多領(lǐng)域，尤為著名的是光導(dǎo)纖維通訊。在八十年代，光導(dǎo)纖維通訊主要是用于電話中心辦公室之間的連接。在這種情況下，一根光導(dǎo)纖維可以運(yùn)載成千上萬個電話(聲音)頻道，那么，光導(dǎo)纖維元器件(如光導(dǎo)纖維之間的連接器和機(jī)械熔接器)的成本就不是一個關(guān)鍵問題。然而，當(dāng)光導(dǎo)纖維通訊步入獨(dú)個的辦公室及住宅區(qū)尤其是作為信息高速公路建設(shè)的一部分時，這些光導(dǎo)纖維元器件的成本問題則變得很重要。確切地說，光導(dǎo)纖維元器件的成本問題現(xiàn)在已成為用光導(dǎo)纖維建造信息超高速公路的最大障礙。為使光導(dǎo)纖維得以更廣泛的應(yīng)用，這些元器件的成本應(yīng)降低10倍左右。
光導(dǎo)纖維連接器和機(jī)械熔接器的高成本是由于光導(dǎo)纖維的橫截面大小的緣故。同樣的原因也使得光導(dǎo)纖維和集成光學(xué)平面狀槽式波導(dǎo)的配對成本很高。最常見的光導(dǎo)纖維，單模光纖，其芯心的直徑約9個微米。該芯子外面同心地包有直徑約125微米的包層。當(dāng)兩根單模光纖，或一光導(dǎo)纖維與一槽道波導(dǎo)相配對時，光纖芯子之間，或光纖芯子波導(dǎo)的槽道的對齊的橫向偏差不得大于一個或二個微米。為了使光導(dǎo)纖維之間的配對能達(dá)到如此精度，每根光纖維插入一個管子或插頭中。其中，管子或插頭的大小約2-3毫米(1毫米＝1000微米)，它的內(nèi)徑(ID)約125微米。通過將這些插頭在另一個叫作套筒的管子內(nèi)對齊就可實現(xiàn)光導(dǎo)纖維之間的對齊。這種對接方法要求套筒中洞孔的直徑片插頭的直徑略大1-2個微米，插頭中洞孔與插頭中心線的偏差少于1-2微米，插頭中洞孔的直徑比光纖的直徑略大1-2個微米，光纖的直徑是在125微米左右，其中偏差不得大于1-2個微米，而且光導(dǎo)纖維芯子須位于該光纖的中心，其偏差不得大于1微米。以上這些對尺寸方面的嚴(yán)格要求使得光導(dǎo)纖維連接的成本大大增加，而且在某種程度上也使光導(dǎo)纖維成本增加。光導(dǎo)纖維與槽道波導(dǎo)之間的連接(比如在集成光學(xué)調(diào)制器中或平面波導(dǎo)耦合器中)的困難程度與光纖之間連接的困難程度極為相當(dāng)，這兩樣也導(dǎo)致這種連接的高成本。只要光導(dǎo)纖維之間的連接必須滿足以上的這些嚴(yán)格成本，則光導(dǎo)纖維元器件的成本永遠(yuǎn)也不可能低到使光導(dǎo)纖維能得以廣泛應(yīng)用的程度。
在連接其它光學(xué)元器件，如激光二極管，發(fā)光二極管和透鏡時，相似的技術(shù)難題同樣存在。這種對接經(jīng)常也可以在許多與光導(dǎo)纖維有關(guān)的包裝中發(fā)現(xiàn)。舉個例子，從激光二極管中發(fā)出來的光經(jīng)過一聚集透鏡而耦合到一光導(dǎo)纖維中，這些光學(xué)元器件沿光軸方向的對齊程度必須好于1個微米。
發(fā)明公開相應(yīng)地，本發(fā)明的主要目的是設(shè)計一個變通的辦法來實現(xiàn)光導(dǎo)纖維與光導(dǎo)纖維、波導(dǎo)槽道，光源和透鏡以及其它光學(xué)元器件之間的連接。
本發(fā)明的最終目的是為了降低包括光導(dǎo)纖維，集成光學(xué)波導(dǎo)、光源、探測器，以及其它相關(guān)光學(xué)元器件的光學(xué)對接成本，從而最大程度地增加纖維光學(xué)對信息高速公路建設(shè)的貢獻(xiàn)。
本發(fā)明基本上是采用表面構(gòu)體方式來實現(xiàn)光導(dǎo)纖維與光導(dǎo)纖維或其它光學(xué)元器件之間的對接。在本發(fā)明中，共采用兩塊表面構(gòu)體，其中一塊表面構(gòu)體位于一光導(dǎo)纖維的終端面上，或位于該光纖的終端面的拓伸，而另一塊相配對的表面構(gòu)體則位于其它光導(dǎo)纖維或光學(xué)元器件的終端面上或該終端面的橫向拓伸上。這些終端面上的表面構(gòu)體是如此設(shè)計，使得當(dāng)兩表面構(gòu)體相對時它們能穩(wěn)定地鎖定在相配對的位置上，這種全新的配對機(jī)制在本發(fā)明中被命名為“端面鎖定”。這些表面構(gòu)體中包含有許多精細(xì)結(jié)構(gòu)，而這些精細(xì)結(jié)構(gòu)的寬度和深度與光導(dǎo)纖維的大小相當(dāng)，這使得它們的準(zhǔn)齊分辨率可以在微米量級，甚至更高。
我們可方便地在光導(dǎo)纖維末端表面上產(chǎn)生輪廓，首先在制造光纖時，在光纖中摻入雜質(zhì)，使得光纖的橫截面上有一恰當(dāng)雜質(zhì)分布，然后使用適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)刻蝕劑非均勻地刻蝕此光纖的未端，其刻蝕的速率取決于雜質(zhì)的種類與濃度。另一方法是利用摻雜的區(qū)域?qū)б贤夤馊フ丈渥贤夤庥不母叻肿硬牧希蚨诠饫w未端形成端面鎖定的特征，而且光刻技術(shù)可以用來制作具有亞微米精度的表面構(gòu)體。相似的制作方法也可以應(yīng)用于集成光學(xué)波導(dǎo)的終端面以及其它需要光學(xué)對接的光學(xué)元器件上。
在本發(fā)明中，模塊式對接方式也是可能的。在該方式中，將許多端面鎖定構(gòu)體按一選定的方式堆積組合在一起，一個端面鎖定構(gòu)體位于另一構(gòu)體之上，從而實現(xiàn)許多光學(xué)元器件的對齊。
附圖簡述

圖1所示的是二根光導(dǎo)纖維，它們處于終端面相準(zhǔn)齊的位置。
圖2簡要地示明了圖1中的光導(dǎo)纖維位于常規(guī)準(zhǔn)齊構(gòu)體中的連接器插頭內(nèi)。
圖3所示的是圖2中的構(gòu)體沿U-U′平面的橫截面圖。
圖4所示的是本發(fā)明的一種基本構(gòu)體。該構(gòu)體是用于實現(xiàn)如圖1中所示的兩光導(dǎo)纖維之間的對齊。
圖5顯示圖1中光纖的正面及側(cè)面，此光纖的未端被加上一新奇的端面鎖定接合的特征。
圖6顯示兩個如圖1的光纖，它們已被改造以致其末端，俱有相匹配的端面鎖定特征。
圖7顯示兩個如圖1的光纖，它們具有端面鎖定的特征，及一個端面鎖定插體位于其間。
圖8顯示一光纖于其蕊心之外有額外的槽道，此槽道有較高的折射率。
圖9顯示一種在圖8的光纖上產(chǎn)生端面鎖定特征的方法藉著額外的槽道使得紫外光硬化的高分子材料得到曝光。
圖10顯示一如圖1的光纖，此光纖有摻入雜質(zhì)的管狀同心圓的區(qū)域，此摻雜區(qū)域可藉由化學(xué)方法非均勻地刻蝕。
圖11與圖10相同，但其管狀的摻雜已被非均勻地化學(xué)刻蝕，以產(chǎn)生一新奇的端面鎖定的輪廓。
圖12顯示圖11中的光纖，其相同的另一光纖，以及接合此二光纖所需的端面鎖定插體。
圖13顯示圖12中的端面鎖定插體的X-X′截面。
圖14顯示如圖12或13中的端面鎖定插插其已被改造具有一伸出的薄片在其X-X′面上。
圖15顯示一具有端面鎖定特征的光纖，此光纖可與如圖11中的光纖直接接合。
圖16顯示一常規(guī)光纖。
圖17顯示一如圖16中的光纖，其蕊心已被非均勻地刻蝕以產(chǎn)生端面鎖定的輪廓。
圖18顯示一如圖17的光纖，與其相同的另一光纖，及一端面鎖定插體介于其間。
圖19顯示一具有凸起的端面鎖定特征的光纖，此光纖可與圖17中的光纖直接接合。
圖20與圖18相同，除了端面鎖定插體是一段光纖，此光纖的兩端有相匹配的輪廓。
圖21與圖18相同，除了在蕊心之外部加了額外的導(dǎo)光槽道。
圖22顯示圖21的Y-Y′及Z-Z′截面。
圖23與圖22相同，除了為方向?qū)R而加上的鎖輪。
圖24與圖3相同，除了其光纖末端具有端面鎖定輪廓，使得此光纖可與端面鎖定插體接合。
圖25顯示一圖24中的連接器插頭，此插頭已被改造以致與端面鎖定插體連成一體。
圖26顯示圖25中的端面鎖定插體的正面。
圖27與圖25相同，除了其中的端面鎖定插體被圖24或26中所示的那個取代。
圖28與圖24相同，除了其中的端面鎖定插件被圖20中所示的那個取代。
圖29顯示一具有端面鎖定輪廓于其表面的項環(huán)。
圖30顯示圖29的正面。
圖31顯示一光纖插入圖29中的項環(huán)的中孔。
圖32顯示一項環(huán)，其端面鎖定輪廓與圖29中的相匹配。
圖33顯示兩光纖分別插入如圖29及32中的項環(huán)的中孔。
圖34顯示圖29及32中的項環(huán)經(jīng)過稍加修改。
圖35顯示兩光纖插入圖34項環(huán)的中孔。
圖36顯示兩相同的項環(huán)及一端面鎖定插體位于其間。
圖37顯示圖34中的一項環(huán)的正面。
圖38顯示兩光纖分別插入圖36的項環(huán)的中孔。
圖39顯示圖38中的項環(huán)經(jīng)由端面鎖定插體而被鎖定在接合位置，因而將光纖對齊。
圖40顯示與圖24相同的插頭組合，除了光纖插入一具有端面鎖定特征于其表面的項環(huán)。
圖41顯示一新奇的連接器插頭組合，其中端面鎖定項環(huán)插入插頭的中孔而成一體。
圖42顯示一光纖和將與的接合的積體光學(xué)槽道波導(dǎo)。
圖43較詳細(xì)地顯示圖42中的光纖及槽道波導(dǎo)的端面鎖定的特征。
圖44與圖42相同，除了光纖的蕊心及槽道波導(dǎo)伴有為端面鎖定而設(shè)的衛(wèi)星槽道。
圖45詳細(xì)地顯示衛(wèi)星槽道的端面鎖定特征。
圖46顯示具有一列蕊的光纖及其端面鎖定輪廓。
圖47顯示在一基底上的一排槽道波導(dǎo)。
圖48顯示圖46的光纖及圖47的波導(dǎo)槽道的Y-Y′截面，光纖與波導(dǎo)槽道在接合位置。
圖49與圖46相同，除了相鄰的蕊心間有一狹縫。
圖50與圖46相同，除了相鄰的蕊心間是有摻雜的帶狀區(qū)域。
圖51顯示圖50的光纖的平面圖。
圖52與圖51相同，除了其靠近末端的帶狀摻雜區(qū)域被刻蝕掉了。
圖53顯示圖51的光纖的部分，及一校正的表面填充體，其中蕊心之間隔與表面填充體之間隔稍有不同。
圖54顯示圖53中的光纖與表面填充體在接合的位置，其中蕊心之間隔被表面填充體所修正。
圖55顯示一連接器插頭衣一具有“蕊心擴(kuò)展”于其末端的光纖。
圖56顯示圖55中的光纖，其末端表面具有端面鎖定的輪廓。
圖57與圖55相同，降了光纖是如圖56所示。
圖58與圖57相同，除了光纖已從連接器插頭中移去。
圖59所示的是一塊薄片，該薄片上帶有端面鎖定結(jié)構(gòu)，以及一個用于終斷光導(dǎo)纖維的通孔。
圖60所示的是圖59中的沿Z-Z′方向的橫截面圖。
圖61所示的與圖59中的基本相同，只是在圖61中的薄片上有許多通孔，用于光導(dǎo)纖維陣列的終斷。
圖62所示的是圖59中的構(gòu)體沿Z-Z′方向的橫截面圖。
其中的端面鎖定結(jié)構(gòu)及通孔是通過對(100)硅晶片進(jìn)行各向異性刻蝕而得的。
圖63所示的與圖62中的基本相同，只是在圖63中的端面鎖定結(jié)構(gòu)與通孔制作在(100)硅晶片的不同側(cè)面。
圖64所示的是加工如圖62或63中所示V狀溝道的過程中所需的掩蔽層的形狀。
圖65所示的是如圖64中所示的構(gòu)體的端面視圖。
圖66所示的是在加工如圖62或63中所示V狀準(zhǔn)齊溝道時的刻蝕過程。
圖67所示的與圖66中的基本相同，只是在圖67中掩蔽層已不再存在。
圖68表明在圖64至67中所示的制作過程同樣可用于制作通孔和對齊用的溝道。
圖69所示的是在圖68中所示構(gòu)體的端面視圖。
圖70所示的與圖68中的基本相同，只是在圖70中的硅晶片兩側(cè)皆覆有刻蝕掩蔽層，使得能加工如圖63中所示的構(gòu)體。
圖71中所示的與圖63中的基本相同，只是在圖71中晶片上的通孔不止一個。
圖72再示了在圖69中通孔的端面視圖。
圖73所示的是一套三個通孔系列，這三個通孔的大小略有差異。
圖74所示的是通孔系列的二維陣列及其相應(yīng)的對齊用的溝道圖。這些對齊用的溝道位于兩側(cè)。
圖75所示的是一相配對的對齊用溝道和對齊用凸脊。
圖76所示的是兩個對齊用的溝道和一個在其中間的柱狀端面鎖定物。
圖77所示的是圖74中三個對齊用溝道的橫截面圖。
圖78所示的與圖77的基本相同，只是在圖78中的端面鎖定移位了一格。
圖79所示的是四塊端面鎖定構(gòu)體，它們相互堆積在一起，一塊在另一塊之上，用于對齊光源，透鏡和光導(dǎo)纖維。
圖80所示的與圖79的基本相同，只是在圖80中簡要地標(biāo)明的光線的傳播路徑。
圖81簡要地表明了本發(fā)明的端面鎖定機(jī)制的核心所在。
圖82所示的是本發(fā)明的切換構(gòu)體中一連接器部件的截面圖。
圖83所示的是與如圖82中所示的連接器部件相對應(yīng)的另一連接器部件的截面圖。
圖84所示的是在圖82和圖83中所示的兩連接器部件相互配對的一種可能位置。
圖85所示的是在圖82和圖83中所示的兩連接部件相互配對的另一種可能位置。
圖86所示的是在圖82和圖83中所示的兩連接器部件相互配對的第三種可能的位置。
圖87所示的是本發(fā)明的另一種切換構(gòu)體中一個連接器部件的截面圖。在該構(gòu)體中，一系列V狀溝道被用以進(jìn)行頻道選擇。
圖88所示的是與圖87中所示的連接器部件相對應(yīng)的另一連接器部件的截面圖。
圖89示明了在圖87和圖88中的連接部件的一種可能的配對位置。
圖90示明了在圖87和圖88中的連接器部件相互配對的第二種可能的位置。
實施本發(fā)明的最佳模式光學(xué)元件間，如光源，光濾波器，透鏡，及干涉濾波器，的光學(xué)連接有高度技術(shù)困難，特別在光纖范圍中。當(dāng)光纖正擴(kuò)展應(yīng)用至使用者的建筑物時，元件間的連接成為其中一個經(jīng)濟(jì)障礙。此連接的對齊容許度通常小于一兩微米，這提高了連接成本以致超過末端應(yīng)用，如近區(qū)域網(wǎng)路，的經(jīng)濟(jì)效效益。本發(fā)明正是要嘗試解決此一問題。我們用最重要例子，亦即光纖與光纖的連接，做為詳細(xì)說明的開端。稍后，我們將說明平面槽道波導(dǎo)，透鏡，光源等之間的連接。
圖1很簡要地示明了兩根光導(dǎo)纖維(1)和(2)通過終端面相對的方式連接在一起。在光導(dǎo)纖維中傳導(dǎo)的光線(如箭頭所示)主要是約束在光纖的芯子(3)和(4)之內(nèi)。在光纖芯子之外的區(qū)域叫做包層，該包層的折射率比相應(yīng)光纖芯子的折射率略低，從而使包層能在導(dǎo)光芯子周圍起到一個光障礙或光墻的作用。光學(xué)連接或配對是指使光信號從一根光導(dǎo)纖維傳輸?shù)揭涣硪桓鈱?dǎo)纖維。當(dāng)光纖之間的配對具有可分離時，這樣的配對叫做可拆卸式連接，或簡稱連接。用于這種光學(xué)連接的硬件叫做光導(dǎo)纖維連接器，或簡稱連接器。當(dāng)光纖之間的配對是指永久性的時候，這種配對通常被稱為永久性熔接或簡稱熔接。
如圖2所示，光導(dǎo)纖維(1)位于常規(guī)的連接器插頭(5)之內(nèi)，而光導(dǎo)纖維(2)則位于另一相同的插頭(6)之內(nèi)。典型的連接器插頭是帶有通孔的圓柱物。圖3所示的是圖2中構(gòu)體沿U-U′平面方向的截面圖。在此，讓我們指定光導(dǎo)纖維(1)的直徑為“F”，光纖芯子(3)的直徑為“C”；插頭的直徑為“P”，以及插頭內(nèi)孔的直徑為“H”。
在按圖2所示的方式組裝光導(dǎo)纖維(1)和常規(guī)型連接器插頭(5)時，先將插頭(5)中的通孔填滿液體狀粘合材料，然后將光纖(1)插入插頭的通孔中直到該光纖穿出該插頭約幾個毫米，等到該粘合材料變干變硬后，將插頭(5)的終端面進(jìn)行拋光，直到光導(dǎo)纖維(1)和粘合材料在插頭的終端面平齊。以同樣的方式準(zhǔn)備第二個插頭(6)。最后將兩個插頭(5)和(6)插入一個叫做套筒的管子中，這樣就可實現(xiàn)光纖端面與端面之間的配對。
最常用的光導(dǎo)纖維是單模光纖，其芯子直徑C＝9微米，包層直徑F＝125微米，典型的插頭尺寸為H＝125+1或2微米；P＝3000微米＝3毫米。由于所涉及的光纖和連接器的尺寸如此細(xì)小，不難想象將兩根光纖按上述辦法進(jìn)行配對的困難程度，以及從而導(dǎo)致的光導(dǎo)纖維連接的高成本。在圖1或圖3中，芯子為9微米的兩根光纖(3)和(4)必須準(zhǔn)確地對齊在一起，其偏差不得大于1微米，以避免在配對后光信號的嚴(yán)重?fù)p失。為了滿足這種嚴(yán)格要求，上面所列的所有尺寸的精度都必須高于1個微米左右，而且光纖芯子(3)和插頭內(nèi)孔(5)的同心度也必須在1個微米左右。即使這些嚴(yán)格要求能得以滿足，在最糟情況下光纖之間的對偏仍能有幾個微米之大，因為這些偏差是具有累積性的。
這種光纖之間的常規(guī)對接方法的蘊(yùn)函以及由此而導(dǎo)致的對如上所述尺寸的嚴(yán)格要求是頗有不利之處的。首先，光導(dǎo)纖維的尺寸必須是在正常直徑125微米±1或2微米之內(nèi)，這意味著在此規(guī)格之外的光纖是不可用的。這顯然會增加光纖的成本。其次，加工的連接器插頭和套筒必須具有相同的分辨率。插頭的外徑P和套筒的孔徑一般是2000-3000微米±1或2個微米。這1微米或2微米的偏差折換成跟插頭外徑P或套筒孔徑的百分比，它們是小于0.1％的。這意味著加工的高成本和低產(chǎn)額。除此之外，對插頭和光纖組合體的拋光也會增加總成本?，F(xiàn)今，一套單模光纖連接器的材料成本超過$50美元。而實現(xiàn)連接所需的勞工費(fèi)也幾乎與連接器的材料成本相當(dāng)。與之相比，同軸電纜連接器的成本就要便宜得多，一個典型同軸電纜連接器的零售價約2-3美元，而且它們的連接過程非常簡單。光導(dǎo)纖維對接的高成本嚴(yán)重地阻礙了光導(dǎo)纖維在信息高速公路中的使用。
我們注意到常規(guī)的連接器和焊接器是基于邊墻的對齊，也就是說，基于光導(dǎo)纖維、插頭及其內(nèi)孔和套筒的柱形表面的內(nèi)表面和/或外表面的對齊。正是這個因素使得這些內(nèi)外直徑的精度必須維持在一個或二個微米之內(nèi)。
為避免常規(guī)光纖連接方法的不利之處，本發(fā)明的連接器及熔接器構(gòu)體是設(shè)計在光導(dǎo)纖維的終端面附近，從而避開了邊墻問題。本發(fā)明的核心之處已在圖4中作了一般性的描述。圖4所示有四個元素已作端面終斷的光導(dǎo)纖維(1)；與光導(dǎo)纖維(1)終端面所在平面相重合的第一個表面(7)；將與光導(dǎo)纖維(1)相連接的另一根光導(dǎo)纖維(2)；以及與光導(dǎo)纖維(2)終端面所在平面相重合的第二個表面(8)。第一個表面(7)上有其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，而第二個表面(8)上有另一種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，使得當(dāng)兩表面連到一起時，它們能相互鎖定在一個穩(wěn)定的位置。光導(dǎo)纖維(1)(2)分別位于第一和第二表面(7)(8)上預(yù)先確定的位置上，這些位置是如此安排的，使得當(dāng)兩表面(7)和(8)在配對位置上端面鎖定時，光導(dǎo)纖維(1)和(2)正好對齊，下面我們用各種可能的構(gòu)體為例來詳細(xì)描述圖4中所示的本發(fā)明。
我們首先看圖5，此圖顯示本發(fā)明一簡單例子。此圖顯示圖1中的光纖1正視及側(cè)視圖，此光纖1的末端具有半圓狀的凸起輪廓9和10。圖6左邊顯示圖5的光纖1，右側(cè)為另一光纖2，此光纖2的末端表面具有凹入的輪廓11和12。此凹入的輪廓9A和10A和左邊的光纖1的表面輪廓9和10相匹配。在此一對接方法中，尺寸的要求集中于表面輪廓。在圖4中所有其他尺寸不必精確，只要插頭5或6的孔徑H大于光纖直徑下幾個微米，以致圖6的二光纖1和2大略地對齊，因此當(dāng)二光纖靠近時，表面輪廓7和8能和凹入輪廓9和10相密合。
本發(fā)明是對接合機(jī)制的一重大改革，其理念是，產(chǎn)生微米或亞微米精確的表面輪廓較使得所有套管，插頭和光纖的三維尺寸有微米或亞微米的精確度要便宜。在集成電路和半導(dǎo)體元件制程中所使用的版刻技術(shù)，即是用以產(chǎn)生微米或亞微米精確的表面輪廓。此一技術(shù)和其他技術(shù)(將描述于下)可用以在光纖及插頭的末端表面產(chǎn)生微細(xì)的端面鎖定輪廓。
順便一提的是，大部分光纖具有圓形的截面及蕊心于其中心。換言的，它具有圓對稱和點(diǎn)對稱，亦即，光纖可繞其蕊心轉(zhuǎn)動而不產(chǎn)生任何幾何變化。此一特性在連接偏振維持光纖時很重要，此類光纖可具有橢圓狀蕊心或應(yīng)力產(chǎn)生的雙折射性。值得注意的是，圖5或圖6中的表面輪廓是非對稱的，因而可對圓對稱光纖提供方向性。利用此新奇的表面輪廓我們可熔接或連接偏振維持光纖使具有完美的方向?qū)R。此非主題，但卻是本發(fā)明的重要優(yōu)點(diǎn)。
圖7顯示一稍加修改的圖6中的端面鎖定的機(jī)構(gòu)。其中光纖1和2有凹入的輪廓9至12，及為接合兩光纖1和2而設(shè)的端面鎖定插體13和14。
制造如圖5或6所示的凸起輪廓的一個方法是，在光纖1(見圖8)中提供類似蕊心的槽道15和16的折射率大于周圍的包層。然后，如圖9所示，將光纖1的末端浸入一紫外光硬化的高分子材料18，同時將紫外光導(dǎo)槽道15和16的中。經(jīng)由適當(dāng)?shù)乜刂谱贤夤獾哪芰浚稍诠饫w的端面產(chǎn)生圓狀輪廓9和10，如圖9所示。
產(chǎn)生表面輪廓的另一方法是，制造一光纖其如圖8中的槽道被代的以中空管道。此中空管道可與圖5所示的凸出輪廓相接合。
還有一方法是選擇性化學(xué)刻蝕。在制造光纖預(yù)形時摻入雜質(zhì)以形成如圖8中15和16的類似蕊心的槽道。當(dāng)光纖末端被化學(xué)刻蝕時，在某特定點(diǎn)的刻蝕速率與雜質(zhì)物質(zhì)及雜質(zhì)濃度有關(guān)。例如，市面上的光纖其蕊心1摻有鍺，因而，其被氫氟酸刻蝕的速率快速無摻雜的純二氧化矽，摻雜的濃度愈高，其刻蝕速率愈快。漸變的摻雜產(chǎn)生漸變的輪廓。一般而言，不同的摻雜物質(zhì)，在不同的刻蝕劑中有不同的刻蝕特性。
圖10顯示一光纖1的正面和側(cè)面，此光纖位于蕊心3外的管狀區(qū)域19有摻雜。使用適當(dāng)?shù)目涛g劑，使其主要刻蝕摻雜區(qū)域，則在同心圓管狀區(qū)域上可產(chǎn)生凹出的輪廓，如圖11中的19。如圖12所示，兩具有此凹入輪廓的光纖20和22能藉由一圈狀的端面鎖定插體而相接合。此端面鎖定插體的截面如圖13。為使得處理方便，可在此插體22之外圍加上一延伸的薄片24(一般端面鎖定插體小于0.12毫米)。
圖10中的管狀區(qū)域19及其周圍的摻雜物質(zhì)及濃度可改變以產(chǎn)生如圖15中凸出的輪廓25。
現(xiàn)有的光纖可適于制造端面鎖定的輪廓。例如，圖16顯示一多模光纖26其蕊心27，直徑約為50微米，其包層直徑約為125微米，或50/125微米。蕊心/包層直徑為62.5/125及100/140微米，這光纖亦可在市面上買到。這些光纖的蕊心有所謂漸變的折射率分布，其鍺的摻雜濃度亦隨的而漸變，因為摻雜濃度與折射率一兩分鐘后，其端面會產(chǎn)生圖17中的28的凹入輪廓。如圖18所示，兩個這樣處理過的光纖26和29可藉由一端面鎖定插體而接合。如圖19所示，藉改變摻雜可在光纖29上產(chǎn)生凸起的表面輪廓。
圖20顯示另一實現(xiàn)端面鎖定插體34的方法，此插體是由與相連接的光纖26和29相同的光纖所制成。其兩端有為接合用的凸出表面輪廓。此端面鎖定插體的長度可為幾毫米或大些。
圖21顯示圖18的方法的一個有趣變化，其中光纖蕊心外加入額外的槽道38至41。圖22顯示其Y-Y′的截面。這些槽道至少有三個用法1)中間的槽道27和30用于導(dǎo)引光波，可能同時保持光偏振，而外圍槽道用于端面鎖定的接合；2)中間的槽道27和30用于端面鎖定，而外圍槽道38至41用于導(dǎo)引光波；或3)槽道38至41之一或二可藉由刻蝕以產(chǎn)生端面鎖定輪廓，而成一方向鎖定的鎖輪?；蛘?，如圖23，在光纖之外壁表面上產(chǎn)生一或多個直向溝道，以提供定義光纖的方向的方法。我們可用相同于產(chǎn)生端面鎖定輪廓的方法去產(chǎn)生這些溝道或鎖輪，亦即，先在鎖輪區(qū)域摻入適當(dāng)?shù)碾s質(zhì)，然后用化學(xué)刻蝕。
前面我們描述了幾個適用于端面鎖定的光纖實體。同時也描述了制造此實體的幾個例子。光纖如頭發(fā)般細(xì)小且薄弱，故不易處理。為使得連接和熔接可行，因而通常每一光纖包在一管子或插頭入，如圖2的5和6。以下，我們將以圖17為例描述此插頭在端面鎖定的應(yīng)用。
在常規(guī)連接器中，光纖是用膠粘在插頭的中孔內(nèi)，然后拋光其端面。本發(fā)明的方法可省略此一勞力密集的拋光手續(xù)，此點(diǎn)將在以下說明。
光纖的大小通常是0.125毫米，而插頭的大小是2到3毫米。本發(fā)明所描述了端面鎖定輪廓的微細(xì)對齊的功能。如果一對細(xì)小光纖固定在相對而言很大的插頭內(nèi)，則前述的表面輪廓太小及太薄弱，而無將兩個插頭一光纖組合對齊地接合在一起。較佳的是，不固定住光纖26的末端，而其可在插頭的中孔中自由移動，如圖24。如圖24所示，光纖26可用膠固定住共后部。此薄弱的光纖26可自由移動，直到其表面輪廓28被一具有匹配輪廓的端面鎖定插體32所鎖定住。
為方便處理，端面鎖定插體32可有一延伸出的薄片45，也可如圖25所示與接合插頭5相結(jié)合成一體。圖27顯示利用此插頭一插體組成連接光纖的步驟改造的光纖26插入連接器插頭5，直到光纖26的表面輪廓與插頭32的表面輪廓恰當(dāng)?shù)孛芎?。然后加膠44于光纖后部將的固定在插頭5的中。然后，另一光纖2a插入另一插頭中。藉由端面鎖定機(jī)制，兩插頭5和6先有一粗略的對齊(在10到100微米間，視表面輪廓太小而定)，再有一精確的最后對齊。當(dāng)接合的兩插頭5和6均有插體45時，其中的一插體可被除去。
圖28與圖24相同，除了其端面鎖定插體被圖20的所取代。
如前所述，端面鎖定特征位于光纖本身的末端。此實現(xiàn)方法是較佳的，因為微米及亞微米精細(xì)的輪廓可在光纖制造過程中產(chǎn)生，再者，除了端面鎖定插體外，不需其他零件去對齊光纖。但在有些情況下，我們不可使用光纖末端的表面輪廓。首先，大量現(xiàn)在已理入及正使用的光纖不具有前述如圖29中的項環(huán)。其側(cè)面有正面如圖30。此項環(huán)47可稱為插頭，也可具有插頭的功能。雖然項環(huán)可與插頭一樣厚，其厚度(外徑為0.2到0.3毫米)最好遠(yuǎn)比插頭(2或3毫米)為薄，此點(diǎn)將于下說明。為保持一般性，我們?nèi)苑Q的為項環(huán)。如圖31所示，此項環(huán)47是用于套在光纖50的上。此項環(huán)47的末端表面上有如圖29中48所示的端面鎖定特征。如圖29或30所示，此表面輪廓包含同心環(huán)狀溝道48，但這只是一個例子，其他特征一樣可行。圖32顯示一個與的相匹配的項環(huán)，而圖33顯示勘測這一對相匹配的項環(huán)47和51而對齊的光纖50和52。若需達(dá)到高對齊精確度，圖29中的項環(huán)47的中孔49只能大于光纖一或二微米。相較于圖5至圖28的實現(xiàn)方法，這的確是一缺點(diǎn)。但這仍遠(yuǎn)較現(xiàn)有的連接方法為佳，在一般的連接方法中，插頭之內(nèi)徑和外徑及套筒之內(nèi)徑均需具有一兩微米的精確度，而在如圖31所示的新方法中，只有項環(huán)47之內(nèi)徑49需有如此的精確度。當(dāng)物體較小時，較易使孔徑精確。因而，最好使得項環(huán)之外徑小，如0.2或0.3毫米。此外，薄的項環(huán)可以使用較微細(xì)的表面輪廓來對齊。大的項環(huán)需要較大的表面輪廓。
圖34顯示一對稍微改造的圖33中的端面鎖定項環(huán)53和54。圖35顯示對接的光纖50和52位于此二項環(huán)53和55的中。
圖36顯示此項環(huán)觀念的一變化，其中項環(huán)55和56是藉由一端面鎖定插體57而接合。圖37顯示此項環(huán)55的正面。其表面輪廓有一溝道55的正面。其表面輪廓有一溝道58和59，和一臺階60和61。如圖38和圖39所示，此臺階60和61容納端面鎖定插體的厚度，使得兩光纖62和63的端面能密合而無間隙。
圖40與圖24相同，除了光纖62(粗線所表示)插入一具有端面鎖定特征于其表面的項環(huán)。最好固定項環(huán)之后部64而使得其末端能自由移動。
圖41顯示圖40中的除了光纖62之外插頭組合。此插頭組合可為一商業(yè)產(chǎn)品。顧客只需截斷光纖，將其插入項環(huán)52直到光纖末端與項環(huán)末端平齊，然后固定光纖。最終的組合如圖40。
項環(huán)及其端面鎖定輪廓可用相同于圖8至圖23所示的方法產(chǎn)生。例如，具有如圖8或圖11的雜質(zhì)分布的光纖預(yù)形可被拉成項環(huán)的形狀。其表面輪廓可由如圖9的紫外光曝光所產(chǎn)生，或由早先描述的選擇性刻蝕所產(chǎn)生。項環(huán)的厚度薄而為佳，如0.05至0.5毫米，因薄及弱正是高解析端面鎖定所需的特性。但項環(huán)也可能很大，而仍可藉端面鎖定機(jī)制而得以滿意的對齊。在此情況中，套筒之內(nèi)徑和插頭之外徑必須非常相近，以在端面鎖定機(jī)制做最后高解析對齊這前緊密接合。在此情況中，端面鎖定對齊連接的貢獻(xiàn)較薄項環(huán)的情況中或純光纖而無項環(huán)的情況不為少。值得注意的是，在一連接中只有一個元件必須是薄弱的以得到端面鎖定機(jī)制的最佳效果。例如例如圖27中，只要光纖29是薄的，端面鎖定插體32和光纖26可為牢固的。
槽道波導(dǎo)是一種重要三光學(xué)元件。此槽道波導(dǎo)常見于激光二極管，光電調(diào)制器和開關(guān)，積體光學(xué)耦合器等。這些元件的槽道與光纖間的連接，其價格需要大幅降低。下面，一新奇的端面鎖定特征將用于簡化此一連接。
圖17中的光纖可與在基底66上的槽道波導(dǎo)65相接合，如圖42所示。圖43是其詳細(xì)的截面圖，其中亦顯示表面輪離28和67。良好的折射率緩沖液必須使用，以減低表面鎖定特征邊界上的反射損失。為避免改造光纖蕊27和槽道波導(dǎo)65，可加上如圖44中的衛(wèi)星槽道68和69。圖45詳細(xì)地顯示這些端面鎖定元素72和75。雖然我們以積體光學(xué)槽道波導(dǎo)為一例，但此一新奇端面鎖定機(jī)制的應(yīng)用是無可限量的激光二極體槽道，具漸變折射率的桿狀透鏡(又稱為Selfoc)，光學(xué)窗口，以及任何需與光纖連接的元件均可利用此一新奇的端面鎖定特征。
具有成列蕊心的光纖可見于早先文獻(xiàn)，如T900,002。原則上，此種光纖應(yīng)有廣泛的應(yīng)用，因為許多光學(xué)波導(dǎo)亦有成列的槽道。然而，直接接合此成列的蕊心和槽道需要一微米的精確度。為達(dá)此精度，如圖46所示，在光纖83的成列蕊心78至82之外加上新奇的表面輪廓76和77。圖47顯示相對的在基底89上的槽道84至88。此圖亦顯示為產(chǎn)生圖48的凸起輪廓92和93所設(shè)的二槽道90和91。圖48顯示光纖83的Y-Y′截面，及槽道波導(dǎo)元件的平面圖。經(jīng)由在光纖槽道上的凹入端面鎖定輪廓76和77及在槽道末端的凸出端面鎖定輪廓90和91接合清楚地顯示于圖48中。
達(dá)到如圖48的滿意接合的一實際困難是光纖蕊心78和82的確切位置。在制造過程中，光纖前端及末端的蕊心也會有幾個微米或更大的不同。還會使得單模蕊心與槽道的連接損失高得無法接收。大部分的光纖和波導(dǎo)元件(如激光二極體和積本光學(xué)元件)是單模的。為解決此一問題，將光纖83的末端切割成如圖49的等間隔片狀，其中相鄰蕊心間有一狹縫92至97。一個產(chǎn)生此狹縫92至97的方法是將光纖83中欲切除的部分98和103(圖50，圖51為其平面圖)摻入雜質(zhì)，再藉由適當(dāng)?shù)目涛g劑予以選擇性地刻蝕。圖52顯示刻蝕的結(jié)果，其中只有前面部分是有狹縫的。只要有了狹縫蕊心之間隔便可被改正為正確數(shù)值。例如，如圖53所示，兩狹縫93和94之間隔為“S”，端面鎖定填充體的齒距為“T”105，106，107，此亦為正確和校正之間隔距離，假設(shè)“S”與“T”不同。如圖54所示，將此端面鎖定填充體104插入狹縫中，則光纖蕊心間之間隔78至79和79至80可被強(qiáng)迫地校正為正確值“T”。
本發(fā)明的另一有趣的實現(xiàn)與美國專利5,287,424及專利申請08/155,553有關(guān)。圖55顯示此一實現(xiàn)如陳述于此未決的專利申請中，其中具有一個蕊心110的光纖109位于一管111中。然后，用導(dǎo)引在光纖蕊心110的紫外光去照射在光纖109輸出端的紫外光硬化的高分子材料，以形成固狀的蕊心擴(kuò)展112。此蕊心擴(kuò)展有一好處，即可將光纖109抽出而在同一位置上插入另一光纖。這個做法有一顧慮，即新插入的光纖可能不會如原有光纖109般與蕊心擴(kuò)展112完美地對齊。端面鎖定機(jī)制可用于光纖109和蕊心擴(kuò)展112間的接合，以解決此“可拆式蕊心擴(kuò)展”所面對的問題。我們可在光纖109和蕊心擴(kuò)展112上產(chǎn)生端面鎖定輪廓109的蕊心的末端110上有凹入的特征113。圖57顯示此改造的光纖所產(chǎn)生的蕊心擴(kuò)展。當(dāng)圖57中的光纖109被抽出，余留如圖58所示的蕊心擴(kuò)展。利用此新奇的端面鎖定機(jī)制，任何有如圖56的凹入特征于其末端的光纖均可與圖58的蕊心的展相接合。
如圖59所示的是本發(fā)明的一個重要構(gòu)體。該構(gòu)體由一薄片和一光導(dǎo)纖維(117)組成。此薄片上帶有端面鎖定結(jié)構(gòu)(115)(它沿-Z-Z′方向的截面如圖60所示；其中溝道和通孔的具體形狀可以與圖示的不同)和一個通孔(116)。光導(dǎo)纖維(117)穿過通孔(116)在薄片的表面(114)上終斷。配對光纖的對齊取決于通孔(116)在薄片的表面(114)上終斷。配對光纖的對齊取決全通孔(116)和端面鎖定結(jié)構(gòu)(115)之間的精確定位。通孔(116)的尺寸應(yīng)該與光導(dǎo)纖維(117)的直徑很接近。這本身就是一個技術(shù)方面的挑戰(zhàn)。但是，與圖2和圖3中所畫的常規(guī)方法相比，在如圖59中所示的薄片上進(jìn)行這樣的尺寸控制就要容易和便宜多了。
現(xiàn)在開始描述制作如圖59和圖61中所示構(gòu)體的生產(chǎn)方法。這些構(gòu)體的制作是基于眾所周知的硅晶片(100)晶面或(110)晶面上的各向異性刻蝕。舉例而言，在(100)硅晶片上進(jìn)行各向異性刻蝕后所得的V狀溝道，不管其大小如何，其邊墻和表面所成的角度總是一定的。通過運(yùn)用這種各向異性刻蝕技術(shù)，圖62和63中所示的V狀溝道(120)和通孔(121)(122)就可以分別加工在(100)硅晶片(123)上，從而實現(xiàn)如圖59所示的構(gòu)體。具體的加工步驟如下如圖64所示，用光刻技術(shù)將一掩蔽層(124)制作在硅晶片的一側(cè)，而將另一掩蔽層(125)制作在另一側(cè)(這第二個掩蔽層是用來防止硅片背面的刻蝕)。這光刻技術(shù)具有亞微米的精度，能將要求的花樣準(zhǔn)確地定位于預(yù)先確定的位置上。圖65中所示的是圖64中構(gòu)體的端面視圖。然后將該硅片浸入到一特定的刻蝕液中，該刻蝕液對(100)晶面方向的刻蝕遠(yuǎn)比(111)晶片方向為快(大約快500-1000倍)。該刻蝕液沿<100>方向刻蝕硅材料，也就是沿著與晶片表面相垂直的方向刻蝕硅材料。在圖66中所示的V狀溝道(120)的內(nèi)邊墻是難以刻蝕的晶面，即(111)晶面。相應(yīng)地，V狀溝道的深度就完全取決于掩蔽層(124)的窗口寬度W。當(dāng)刻蝕結(jié)束后就將掩蔽層(124)和(125)除掉。掩蔽層(124)也可以修改成圖68中所示的式樣，這樣就可以制作兩個溝道(120)和(121)。圖69中所示的是圖68中構(gòu)體的端面視圖。在圖69中可見，大一些的V狀截面(121)是一個錐狀的方孔，該方孔的四周邊墻是(111)晶面。這個方形溝道(121)實際上很大，使得它不能全在晶片體(123)內(nèi)(見圖68)，因而它穿透該晶片，從而形成所要求的通孔(見圖62)。再次重申，所有邊墻和表面所成的角度都是相同的，因為它們由硅片的(111)晶面確定。相應(yīng)地，如果通孔W2的大小和晶片的厚度已知的話，則掩蔽層應(yīng)開的窗口W3大小也就可以計算出來了。V狀溝道(120)和通孔(121)之間的間距S的加工精度可高達(dá)0.5微米。
在我們所舉的例子中，光導(dǎo)纖維(117)是從通孔的左邊插入的(如圖59所示)，因此最好使通孔削出到晶片的左邊。如圖63所示。通過修正在圖70中晶片左側(cè)的掩蔽層(125)的式樣，使得刻蝕是在晶片(123)的兩邊進(jìn)行的，就可以制作上面提到的這種通孔，運(yùn)用具有透視功能的紅外光掩蔽層對準(zhǔn)儀，我們可以很準(zhǔn)確地標(biāo)定間距S。因為紅外光掩蔽層對準(zhǔn)儀的這種透視功能使得我們同時能見到晶片的前后面，從而使得準(zhǔn)確定位得以實現(xiàn)。在圖70中的掩蔽層(124)可以是透明的介電薄膜，如玻璃。這種掩蔽層并不一定非要去除不同，因為它可以作為從通孔(122)中插入的光導(dǎo)纖維的一個窗口。該窗口的厚度可以是一個或二個微米。圖71所示的是這種構(gòu)體的一種直接拓伸，它將在圖64至70中所描述的技術(shù)拓伸到陣列形式。在這種陣列構(gòu)體中的兩個通孔(126)和(127)是用相同方法制備的，用以對齊光導(dǎo)纖維(128)和(129)。當(dāng)圖70中所描述的窗口(124)保留在如圖71所示的構(gòu)體中時，光導(dǎo)纖維(128)或(129)的終端面則可以粘合到該窗口上。
當(dāng)加工圖69或圖70中的通孔(121)或(122)時，通孔的孔徑w2的大小應(yīng)與光導(dǎo)纖維的直徑很接近，以實現(xiàn)光導(dǎo)纖維的準(zhǔn)確對齊。在圖69中的通孔(121)單獨(dú)地再現(xiàn)在圖72中。對于一給定的w3值，w2值可能會略有變化，因為晶體(123)的厚度可能會有些變化以及刻蝕液對掩蔽處的內(nèi)切現(xiàn)象，舉例來說，通孔孔徑w2值可能在124微米和130微米之間，而光纖的直徑本身可以在123微米和127微米之間。在最差的情形下，孔徑w2可能會比光纖的直徑大7個微米，或者孔徑w2可能會比光纖的直徑小。為了容納孔徑及光纖直徑的這種可變性，一個辦法是加工一組孔徑不同的通孔，如圖73所示。在圖73中，晶片上的掩蔽層上有三個尺寸不同的窗口w3、w3′和w3＂，從而在晶片上有三個相應(yīng)的通孔孔徑w2，w2′，w2″(舉個例子，w2，w2′，w2″或許分別是127，125和123微米)。這三個通孔中的其中一個的尺寸與光導(dǎo)纖維的直徑相比會比其它兩個更接近一些。在一組中，通孔的數(shù)目可以多于三個。圖74中所示的構(gòu)體是圖61中所示構(gòu)體的變異，圖61中的每個通孔都被圖74中的三個通孔所替代。同時，在端面上也有三套端面鎖定溝道(133)(134)(135)。這端面鎖定溝道是用來對齊兩個象圖74所示連接構(gòu)體。配對溝道可以設(shè)計成如圖75所示的結(jié)構(gòu)(一個凹槽(120A)和一個凸出體(120B)，或可以設(shè)計成如圖76所示的結(jié)構(gòu)(兩個凹槽(120A)和(120C)，以及一個端面鎖定物(137))，在任何一種情形下，為從三種可能性(如圖74中的(130)(131)和(132)中選用所需的一個通孔，我們可以通過從三套V狀溝道(即(133)(134)和(135))中選出相應(yīng)的一套溝道來實現(xiàn)。圖77和圖78所示的是二種可能的對齊方式。
圖75所示的是一對配對用的對齊用溝道(120A)和對齊用凸脊。構(gòu)體(123A)和(123B)中的每個都代表圖59，61或74中所示的端面鎖定表面。如圖中所示，對齊用凸脊的制作也可以通過在晶片上凸脊(120B)的兩側(cè)刻蝕V狀溝道來實現(xiàn)。
圖76所示的是兩個內(nèi)凹的對齊用溝道(120A)和(120C)，以及一個用以端面鎖定的柱形端面鎖定物塊(137)。
圖77所示的是一組配對的三個對齊用溝道(133A)至(135A)和(133B)至(135B)。每一組溝道都假定是屬于如圖74中所示的端面鎖定表面。通過端面鎖定物塊(137)選擇鎖定用的溝道，我們可以按圖77或圖78所示的方式鎖定兩個表面。這同時也確定了圖74中三種通孔(130)至(132)中哪一種通孔用于光纖的對齊。
圖79所示的是本發(fā)明的端面鎖定構(gòu)體可以用來對齊其它光學(xué)元器件，如光源(138)和透鏡(139)。在圖79中，一系列端面鎖定構(gòu)體(123)、(140)(141)和(142)是分別制作的，然后用端面鎖定結(jié)構(gòu)的自我對齊機(jī)制將它們組裝在一起，也就是以模塊方式將它們相互堆積在一起。不刻求能保證光軸與中心線的偏差不超過1個微米。各個端面鎖定構(gòu)體(123)(140)(141)的厚度是預(yù)先確定的，從而保證了光學(xué)元器件(128)(139)和(138)之間間距的準(zhǔn)確性。圖80所示提光線(143)從光線發(fā)出，通過透鏡(139)聚焦到光導(dǎo)纖維的芯子(144)中。光源(138)可以是發(fā)光二極管(LED)，也可以是表面發(fā)射激光二極管(該激光二極管可以用如圖80中所示的電壓V來激活)，也可以是經(jīng)一系列折光儀和(或者是)偏光儀傳輸?shù)轿恢?138)處的光線。經(jīng)微加工后所得的硅片和其它晶片比較適合于這種模塊式端面鎖定構(gòu)體，因為通過標(biāo)準(zhǔn)的集成電路刻蝕技術(shù)，在這些晶片上對端面鎖定結(jié)構(gòu)和通孔的加工精度比一個微米還好。
雖然在圖79中的端面鎖定表面結(jié)構(gòu)(120A)(120B)等都位于相互平行的表面上，但它們也可以簡單地拓伸到其它平面上去，如在圖79中和端面鎖定表面相垂直的表面。
(圖62，63，68，69，70，71，72，73，74，79和80包含了一個重要而又顯明的教義，在晶片上進(jìn)行各向異性刻蝕所得的通孔其加工精度可高于一個或二個微米，它們可用來終斷和對齊光導(dǎo)纖維，或其它光學(xué)元器件，如透鏡等。圖73和74所示的是制備一套孔徑逐漸變化的通孔系列的一個辦法，盡管本發(fā)明中也描述了這些構(gòu)體和教義，但是這些構(gòu)體和教義并不包含在本發(fā)明的主要課題中，即端面鎖定機(jī)制或結(jié)構(gòu)之中。相應(yīng)地，與通孔相關(guān)連的這些構(gòu)體和教義將單獨(dú)包括在一個與本專利申請相關(guān)的分案專利申請中)。
要徹底描述本發(fā)明中基本教義所包括的所有可能的構(gòu)體幾乎是不可能的。相應(yīng)地，重申本發(fā)明中有關(guān)涉及光導(dǎo)纖維和透鏡部分的教義會有幫助的。如圖81所示，本發(fā)明的一個典型構(gòu)體包括三個元素一個端面已作終斷的光導(dǎo)纖維(145)，一個與光導(dǎo)纖維(145)終端面所在平面相重合的第一個表面(146)，以及準(zhǔn)備與第一個表面(146)相配對的包含一個透鏡(148)的第二個表面(147)。第一個表面(146)上有其獨(dú)特的構(gòu)造，而第二個表面(147)上有另一種獨(dú)特的構(gòu)造，這些獨(dú)特的構(gòu)造可以使兩個表面穩(wěn)定地配對在一起。
如圖74到圖77中所示，所要求的溝道可以從多溝道(133)(134)和(137)中挑選。將這個概念略作修改就可得到一種光學(xué)切換構(gòu)體。如圖82所示的一個連接器部件上加工有一系列光學(xué)元件，如用于接納光導(dǎo)纖維系列(從光導(dǎo)纖維(174)到(179))的通孔系列(從通孔(168)到通孔(173))，以及一系列用于端面鎖定定位的V狀溝道(從V狀溝道(180)到(186))。在圖82中也示明了該連接器部件的側(cè)視圖和前視圖。圖83所示的是另一連接器部件(188)的簡圖。在圖83中黑粗線所畫的是一個光學(xué)元件(在本例中用于接納光纖(90)的通孔(189))和V狀溝道(191)(192)和(193)。圖84所示的是兩連接器部件(187)(188)之間的一種可能的配對位置。在這種配對位置下，光纖(190)正好與光纖(177)相對齊。圖85所示的是另一種可能的配對位置。在該位置下，光纖(190)與光纖(175)相連在一起。通過這種方式，或以實現(xiàn)從周期性排布的端面鎖定結(jié)構(gòu)中選擇不同的配對位置，從而實現(xiàn)從一個光導(dǎo)纖維到另一個光導(dǎo)纖維的光學(xué)切換。在這里所描述的這種切換機(jī)制可用來生產(chǎn)一種機(jī)械式纖維光學(xué)切換器。
在圖82和圖83中的端面鎖定V狀溝道可以被替換成如圖87中所示的V狀方孔系列(194)(195)和如圖88中所示的V狀方孔(203)和(204)。參照圖89至圖90中所描述的方法，就可以將光導(dǎo)纖維(202)和光導(dǎo)纖維系列(從(196)到(201))中的任一光導(dǎo)纖維配對。
顯然，在上述教義的啟蒙下，本發(fā)明可能會有許多修正和變動。因此，敬請理解本發(fā)明的專利申請范圍除了包括在此已作了特別描述的情形外，還包括所附權(quán)利要求中所提到的整個范圍。
權(quán)利要求
1.一光學(xué)連接裝置包括一光學(xué)元件；第一個端面鎖定表面；和第二個端面鎖定表面；其中光學(xué)元件位于第一端面鎖定表面上的預(yù)定位置，此第一端面鎖定表面上有第一類表面輪廓；第二端面鎖定表面上有第二類表面輪廓，此二表面輪廓是相匹配的，因而當(dāng)此二表面輪廓面對面壓在一起時能相互鎖定在一起，藉由此二端碩鎖定表面光學(xué)元件能固定在恰當(dāng)?shù)奈恢蒙稀?br> 2.如權(quán)利要求第1項的發(fā)明，其中光學(xué)元件是一光學(xué)槽道波導(dǎo)。
3.如權(quán)利要求第1項的發(fā)明，其中光學(xué)元件是一透鏡。
4.如權(quán)利要求第1項的發(fā)明，其中光學(xué)元件是一光源。
5.如權(quán)利要求第1項的發(fā)明，其中光學(xué)元件是一干涉濾波器。
6.如權(quán)利要求第1項的發(fā)明，其中光學(xué)元件是光學(xué)透明的。
7.如權(quán)利要求第1項的發(fā)明，其中第一個端面鎖定表面是平面的，及第一類端面鎖定輪廓包括一由版刻術(shù)產(chǎn)生的圓樣。
8.如權(quán)利要求第7項的發(fā)明，其中第一端面鎖定表面的材料是矽晶片。
9.如權(quán)利要求第8項的發(fā)明，其中矽晶片是(100)型的，使得V狀溝道可藉由非均勻刻蝕而產(chǎn)生。
10.如權(quán)利要求第9項的發(fā)明，其中V狀溝道的尺寸是如此選擇的，使得一圓柱狀物體能置入此V狀溝道中以助端面鎖定。
11.如權(quán)利要求第1項的發(fā)明，其中光學(xué)元件是光纖。
12.如權(quán)利要求第2項的發(fā)明，其中光纖的末端表面位于第一端面鎖定表面上。
13.如權(quán)利要求第12項的發(fā)明，其中第一端面鎖定表面限定于光纖末端表面。
14.如權(quán)利要求第12項的發(fā)明，其中第二端面鎖定表面位于端面鎖定插體的表面上，此插體是介于光纖和另一光學(xué)元件之間。
15.如權(quán)利要求第14項的發(fā)明，其中端面鎖定插體是由鑄模而制成的零件。
16.如權(quán)利要求第14項的發(fā)明，其中端面鎖定插體是由與光刻術(shù)相關(guān)的技術(shù)而產(chǎn)生。
17.如權(quán)利要求第11項的發(fā)明，其中第二端面鎖定表面包括另一光纖的末端表面。
18.如權(quán)利要求第11項的發(fā)明，其中第一端面鎖定表面包括一項環(huán)的末端表面，此項環(huán)設(shè)計成能與光纖緊密結(jié)合。
19.如權(quán)利要求第18項的發(fā)明，其中項環(huán)之外圍尺寸小于0.5毫米。
20.如權(quán)利要求第11項的發(fā)明，其中光纖和第一端面鎖定表面位于連接器插頭的中孔中。
21.如權(quán)利要求第18項的發(fā)明，其中項環(huán)位于連接插頭的中孔中。
22.如權(quán)利要求第21項的發(fā)明，其中光纖末端可在連接插頭的孔中自由移動。
23.如權(quán)利要求第21項的發(fā)明，其中項環(huán)的末端可在連接器插頭的孔中自由移動。
24.如權(quán)利要求第11項的發(fā)明，其中第一類輪廓是由光反應(yīng)材料所制成，此材料特性可藉由曝光而改變。
25.如權(quán)利要求第24項的發(fā)明，其中光反應(yīng)材料是紫外光硬化高分子材料。
26.如權(quán)利要求第24項的發(fā)明，其中光反應(yīng)材料是光阻劑。
27.如權(quán)利要求第11項的發(fā)明，其中第一類輪廓是如第一端面鎖定表面的雜質(zhì)分布。
28.如權(quán)利要求第27項的發(fā)明，其中第一類輪廓包括位于光纖中央蕊心外部的圖樣。
29.如權(quán)利要求第28項的發(fā)明，其中圖樣包括一同心圓環(huán)。
30.如權(quán)利要求第28項的發(fā)明，其中光纖具有多個能導(dǎo)光的蕊心。
31.如權(quán)利要求第11項的發(fā)明，其中第一類輪廓包含非同圓心而是與光纖中心圓對稱的圖樣，因而提供光纖截面的方向性。
32.如權(quán)利要求第31項的發(fā)明，其中光纖具有維持光偏振的功能。
33.如權(quán)利要求第11項的發(fā)明，其中第一類輪廓包含一位于光纖中心的圖樣。
34.如權(quán)利要求第33項的發(fā)明，其中圖樣的周圍有多個蕊心。
35.如權(quán)利要求第33項的發(fā)明，其中加上一為確認(rèn)光纖方向正確的鎖輪。
36.如權(quán)利要求第11項的發(fā)明，其中第二類輪廓是根據(jù)第二端面鎖定表面中的雜質(zhì)分布。
37.如權(quán)利要求第27項和36項的產(chǎn)生輪廓方法，其中輪廓是由刻蝕端面鎖定表面而產(chǎn)生，其局部刻蝕速率取決于端面鎖定表面中的雜質(zhì)分布。
38.如權(quán)利要求第1項的發(fā)明，其中兩端面鎖定表面上有相互匹配的周期圖樣，故第一端面鎖定表面和第二端面鎖定表面能面與面地相互鎖定于許多不同位置，因而實現(xiàn)光學(xué)切換功能。
39.如權(quán)利要求第38項的發(fā)明，其中此相匹配的周期性圖樣包括一些V形溝道。
40.如權(quán)利要求第38項的發(fā)明，其中此相匹配的周期性圖樣包括一些V形方孔。
41.如權(quán)利要求第38項的發(fā)明，其中相匹配的周期性圖樣形成一個一維陣列。
42.如權(quán)利要求第38項的發(fā)明，其中相匹配的周期性圖樣形成一個二維陣列。
43.如權(quán)利要求第38項的發(fā)明，其中圖樣的每一周期中有一可插入光纖的通孔，因而實現(xiàn)了光纖切換的功能。
44.如權(quán)利要求第38項的發(fā)明，其中匹配位置的切換由機(jī)械方式而達(dá)成，因而實現(xiàn)了機(jī)械光學(xué)切換。
45.一陣列式光學(xué)連接裝置，包含第一個光學(xué)元件陣列；第一個端面鎖定表面；第二個光學(xué)元件陣列；第二個端面鎖定表面；其中第一個光學(xué)元件陣列位于第一個端面鎖定表面上，此第一個端面鎖定表面上具有第一類表面特征，此第一類表面特征與第一個光學(xué)元件陣列間有一獨(dú)特的位置；第二個光學(xué)件陣列位于第二個端面鎖定表面上，此第二端面鎖定表面上有與第一類表面特征相匹配的第二類表面特征，因而當(dāng)此二端面鎖定表面面對面地壓在一起時能相互鎖定在一起，第二類表面特征與第二個光學(xué)元件陣列有同樣的獨(dú)特的位置關(guān)系；藉由此二表面特征間的端面鎖定以及此二表面特征與第一個及第二個光學(xué)元件陣列間的獨(dú)持位置關(guān)系，可實現(xiàn)第一個及第二個光學(xué)元件陣列間的精確光學(xué)對齊。
全文摘要
一種用于對接光導(dǎo)纖維(1)、(2)或波導(dǎo)槽的新裝置，其中制造了兩個匹配的表面輪廓，一個輪廓(7)、(8)在包含光纖或波導(dǎo)槽的邊緣面的平面上，而另一輪廓(9)、(10)在光纖或波導(dǎo)槽被與其匹配的一個表面上。當(dāng)此二表面被相互連接時，該匹配的表面輪廓以一固定且唯一的位置被端面鎖定。由此定位在匹配表面的一預(yù)定位置上的光纖或波導(dǎo)槽的邊緣。可在光纖(1)、(2)本身的邊緣面上，或在邊緣表面的外延表面上，產(chǎn)生匹配的表面輪廓。該對接裝置可被用于連接諸如透鏡或光源的其它光學(xué)元器件。定型方法是可行的，其中端面鎖定體的組合被堆接在一起以對齊這些光學(xué)元器件。
文檔編號G02B6/35GK1158169SQ95195115
公開日1997年8月27日 申請日期1995年7月18日 優(yōu)先權(quán)日1994年7月18日
發(fā)明者桑·K·西姆 申請人:?！·西姆