集成二维光纤阵列制造技术

本发明专利技术的二维光纤阵列组件，包括相互配合的光纤导孔阵列块（较低成本）和光纤精密输出元件。导孔阵列块与精密输出元件都设有一组按指定位置度（间距）排列的二维通孔阵列。导孔阵列块上的通孔略大于精密输出元件上的通孔。采用一个光纤装载夹具将一1×N光纤阵列按要求的位置度排列固定好，然后将装载着1×N光纤阵列的光纤装载夹具插入对齐的导孔阵列块与精密输出元件的组合件上，并将光纤阵列固定到导孔阵列块上。然后移除光纤装载夹具，并重新装载新的1×N光纤阵列，重复该工序直到全部的1×N光纤阵列装配到位。由于使用了精密的光纤装载夹具，导孔阵列块的导通孔的尺寸不需要太高的精度，故可以使用相对便宜的导孔阵列块进行生产。

【技术实现步骤摘要】
集成二维光纤阵列
本专利技术涉及光纤阵列领域，尤其涉及二维光纤阵列组件及装配方式。
技术介绍
光学通信系统，特别是与电信和数据中心应用(例如光交叉连接OXC、光纤空间交换网络)，面临着不断增长的需求量。在目前基于互联网的计算设备的云互连,以及云存储功能应用日益广泛的今天，低成本、快速、简单信号切换的光通讯系统需求量正在逐渐增加。二维光纤阵列的研发为光在M×N阵列任意一点输出及M×N阵列任意一点输入提供了一个可行性的方案，并且这类元件成本相对低廉。在这种无线路由模式中，M×N二维的光纤阵列通过一个M×N透镜阵列准直后在空间的后焦距面形成一组M×N的准直光束。以此，形成了空间路由的功能，举例来说，一对校准过后的二维MEMS阵列可以达成将光束由任意输出点耦合至任意输入点的功能。图1举例说明了一种能够提供该功能的典型结构。请注意该光学系统作为一个典型的共轭成像系统，故其光输出位置误差会直接影响到光接受的位置精度误差，即便是一个很小的(一微米数量级)的误差会为传输过程带来很大的插损，通常这类的插损问题被认为与光纤阵列中相邻的光纤纤芯的中心间距的变化带来的位置误差相关(以下简称为“位置间隔”)。除去光纤之间的距离(位置间隔)不准确，光纤出光的指向精度差也会产生耦合损耗、光斑变形和散射噪声的问题。图2举例说明了一根光纤模型的指向精度误差的问题，该光纤由成型在基板4中的内孔3进行定位，如图所示，光纤1以一种离轴的方式穿过了内孔3，由此产生了一个光纤与水平方向(水平方向由平面2定义)偏离的倾斜角(θ)，该θ角定义为光纤的指向精度。并且，该结构也有可能造成光纤有一定程度的弯曲(图示未指出该点)，这样的弯曲也同样会造成出光精度的指向误差。在这样的结构下，指向精度不好的光纤阵列，在经过准直透镜聚焦后，形成的输出光相对该系统的光轴会产生错位。为了避免该错位(以避免光斑变形、散射噪声及串扰)，MEMS系统的透镜系统就需要扩大尺寸，带来了降低透镜阵列排列密度及增加MEMS系统设计复杂性的不良效果。这样，如何创建高密度空间光交叉连接的问题就在于二维光纤阵列需要有一个很好的位置精度误差及较小的出光指向精度误差。在此背景下，本专利所涉及的就是一个拥有很好指向位置精度要求(小于±1um)及满足小于±15mrd指向精度要求的产品。目前，一种改善二维光纤阵列元件的方法是基于被多数高精度刻蚀(锥形)的硅片的使用，每个硅片单元有一个逐渐变小并且具有很高指向精度的导引孔阵列，该孔的设计要求有一个很大的“高宽比”(该比值为刻蚀的深度与刻蚀的宽度之间的比值)。从成本角度考虑，使用数个带该类型导引孔的硅片进行高精度对位的叠加使用，能够达到“大高宽比”的要求，并且成本较低(如果需要，孔间的高精度对位，目前的工艺是有可能实现的)。通常来说，想要制作一个很高“高宽比”的厚硅片十分昂贵，该专利设计将“高宽比”的需求转变为有一定间距相应两片硅片定位精度的要求，这同样可以保证指向精度的，但是这样的变化会引入硅片装配对位的操作难度。另一个方面来说，使用一对互相定位好孔的硅片阵列，然后一次插入一根(或者一列)光纤，这样能够达到需要的对齐精度。用这种方法进行装配很耗时并且很繁琐，同样会带来一个较高的工序成本。同样的，这种配置的每一个部件精度要求十分高，这样最终的结构的价值也比较高。美国专利6470123和6766086说明了这种现有技术的装配方式。由夏尔曼等人在2002年10月22日申请的美国专利6470123，描述了一种高密度的光纤阵列组装和组装方法,利用一系列分离、堆叠的导孔板形成一系列的光纤指向通道，这些导孔板堆叠封装在一个外壳内，这样每一片的底部都可以作为另一片的插入通道。在这种设计之下，光纤阵列可以使用夹具装配嵌入的方式，按组进行装配。由夏尔曼等人在2004年7月20日申请的美国专利6766086，描述了一种光纤阵列装置，包括：一个封装前壳体，具有矩阵排列光纤固定开口，且每个开口具有一个或多个侧壁。光纤穿过每个开口，并用一夹具将光纤侧面压靠到开口的一个或多个侧壁上，以精确定位和固定光纤。然后用粘接剂填充开口内及周围的所有空隙。在一具体实施例中，可移动前壳体后面的夹紧薄片，将光纤夹紧到前壳体的开口侧壁上。或者前壳体上设置弹性臂，用弹性臂末端将光纤夹紧到开口侧壁上，又或者沿前壳体的插槽设置细长的弹性元件，以将光纤压在与插槽关联对应的开口内。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供了一种二维光纤阵列组件及其装配方法，在保证对位精度的同时，尽可能节约生产成本和简化组装元件和工序，特别适用于高精度M×N的2D光纤阵列。在本专利技术中，一个二维光纤阵列组件需要使用一件2D光纤导孔阵列块作光纤预固定，该光纤导孔阵列块需要与光纤精密输出元件一样，具有同样2D排列顺序的通孔。光纤导孔阵列块的这些通孔在系统装配时用于对光纤进行预固定。由于需要进行预固定，这些通孔的孔径设计较大(实际需要略大于光纤涂覆层的外径)，使得1×N的光纤阵列装载到光纤导孔阵列块的过程更简便。光纤精密输出元件设置于光纤导孔阵列块上面并与其对准，使得已装载的1×N光纤阵列剥离的裸光纤尾端穿过光纤精密输出元件的光阑孔并从其上表面穿出。使用一个光纤装载夹具，将N根分离的光纤按预定的间距隔开排列固定。因为1×N光纤带预装载为一个阵列组件，因此在这些光纤依次穿过光纤导孔阵列块上的较大导通孔和光纤精密输出元件上的精密光阑孔的过程中，其精密位置间隔(由光纤装载夹具确定)保持不变。在每一列1×N的光纤阵列装配后，使用环氧树脂胶水(或类似材料)将该装配上的1×N光纤阵列的各光纤与光纤导孔阵列块的背面粘合在一起进行预固定。一旦一列光纤预固定完后，光纤装载夹具可以被移除与卸载，用以进行下一个1×N光纤阵列的装配与点胶预固定，重复该操作，直至完成整个二维光纤阵列的装配。由于光纤导孔阵列块不需要太高的(位置和指向)公差精度，故该元件可以采用相对低价的材料与制造工艺达成，例如塑料等较低成本的材料。本专利的一个实施例中，光纤精密输出元件包括一个多层硅层结构，该硅层结构包含一个硅片输入层(具有刻蚀成的光纤通道)和一个硅片输出层(同样具有刻蚀成的光纤通道)，以及设于输入层与输出层之间的间隔层(也是硅片)。该硅片间隔层是用作输出层的支撑结构,以确保光纤穿过光纤通道时不会产生弯曲和偏移(弯曲或偏移会产生指向误差)。同时，该硅片间隔层具有孔径较大的缓冲通道(相比输出/输入层而言)，以使用于将光纤粘结到输出层的胶水不会因毛细管效应随着光纤线流动，而是流入该间隔层的缓冲通道内。视实际使用情况而定，该多层硅层结构的输出元件还可以包含其它的附加层，或者更少的硅层(即可以不用间隔层)。该光纤精密输出元件的材料(上述实施例使用的是单晶硅)也可以采用其他类型材料，只要材料的热膨胀系数(CTE)足够低，能够使得该输出元件在使用温度环境下(给定的温度范围内)因为材料热膨胀造成的光纤位置和指向精度保持在指标范围之内即可。本专利技术的一个典型实施例中，一种二维(2D)阵列组件，用于支持多根分离光纤按预定的位置间隔排成2D阵列。该阵列组件包括：光纤导孔阵列块，包括一组2D阵列结构排列的导通孔，所述各导通孔按预定位置间隔排列，且各导通孔的内径大于其内的光纤涂覆层本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二维光纤阵列组件，用于按照指定的光纤位置间隔与指向精度排列多个光纤，该阵列组件包括：光纤导孔阵列块，包括一组2D阵列结构排列的导通孔，所述各导通孔按预定的位置间隔排列，且各导通孔的内径大于其内的光纤涂覆层外径；光纤精密输出元件，包括一组2D阵列结构排列的光阑孔，所述各光阑孔按预定的位置间隔排列，各光阑孔的内径大于其内的光纤包层外径；封装法兰，用于装配所述光纤导孔阵列块和光纤精密输出元件，以保证所述光纤导孔阵列块的各导通孔与所述光纤精密输出元件的各光阑孔相互对齐，使得一列1×N的预排列光纤阵列能够从封装法兰的后端口插入并依次穿过光纤导孔阵列块和光纤精密输出元件，获得符合位置间隔和指向精度要求的光输出。

【技术特征摘要】
2016.01.29 US 15/011,3701.一种二维光纤阵列组件，用于按照指定的光纤位置间隔与指向精度排列多个光纤，该阵列组件包括：光纤导孔阵列块，包括一组2D阵列结构排列的导通孔，所述各导通孔按预定的位置间隔排列，且各导通孔的内径大于其内的光纤涂覆层外径；光纤精密输出元件，包括一组2D阵列结构排列的光阑孔，所述各光阑孔按预定的位置间隔排列，各光阑孔的内径大于其内的光纤包层外径；封装法兰，用于装配所述光纤导孔阵列块和光纤精密输出元件，以保证所述光纤导孔阵列块的各导通孔与所述光纤精密输出元件的各光阑孔相互对齐，使得一列1×N的预排列光纤阵列能够从封装法兰的后端口插入并依次穿过光纤导孔阵列块和光纤精密输出元件，获得符合位置间隔和指向精度要求的光输出。2.如权利要求1所述二维光纤阵列组件，其特征在于：所述精密输出元件为一多层结构。3.如权利要求2所述二维光纤阵列组件，其特征在于：所述多层结构至少包括：一个顶层，包括一组2D阵列结构排列的第一光纤通道，所述各第一光纤通道彼此之间的间距和位置是固定的，各第一光纤通道的内径略大于其内的光纤包层外径，以刚好容纳光纤包层；一个底层，包括一组2D阵列结构排列的第二光纤通道，所述各第二光纤通道与顶层的各第一光纤通道相互对准。4.如权利要求3所述二维光纤阵列组件，其特征在于：所述顶层和底层均为硅层结构。5.如权利要求4所述二维光纤阵列组件，其特征在于：所述顶层的第一光纤通道及底层的第二光纤通道由所述硅层刻蚀而成。6.如权利要求3所述二维光纤阵列组件，其特征在于：所述第一通道和第二通道都还包括一个引导孔，方便光纤导入通道。7.如权利要求3所述二维光纤阵列组件，其特征在于：所述多层结构还包括一个间隔层，设于顶层与底层之间；该间隔层包括一组2D阵列结构排列的缓冲通道，各缓冲通道与顶层的各第一光纤通道及底层的第二光纤通道相互对准。8.如权利要求7所述二维光纤阵列组件，其特征在于：所述顶层和底层均为硅层结构。9.如权利要求7所述二维光纤阵列组件，其特征在于：所述间隔层为硅层结构。10.如权利要求7所述二维光纤阵列组件，其特征在于：所述间隔层的厚度根据所述二维光纤阵列的光纤指向精度要求设计。11.如权利要求3所述二维光纤阵列组件，其特征在于：所述底层的第二光纤通道内径大于所述顶层的第二光纤通道内径。12.如权利要求1所述二维光纤阵列组件，其特征在于：所述封装法兰包括一个套筒结构，该套筒内设有两个高度差为g的台阶，分别为用于装配所述光纤导孔阵列块的第一台阶和装配所述光纤精密输出元件的第二台阶。13.如权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：马克·菲利普维兹，马克·H·加勒特，
申请(专利权)人：ⅡⅥ有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US