光纤阵列耦合器 【技术领域】
本发明涉及光纤光学装置，更具体地，本发明涉及一种将一组光纤阵列排列并固定在精确位置上的物品。背景技术
网络以及点播电视、高清晰度电视和电视会议之类的信息服务项目的出现使得人们需求宽带数字网络。以光纤组成的网络能提供宽带数据网络所需的高带宽和高数据传输速率。然而，在大多数这样的网络中，光信号必须在低带宽情况下通过电子转换装置转换成电信号，电信号经处理后再转换成光域进行传输。
目前，研究人员开发了一种光学转换装置，该装置不需要将光信号转换成电信号，从而保持了高速转换所需的光信号带宽。参见Bishop等人于2001年1月在《美国科学》杂志上发表的文章“The Rise ofOptical Switching，Scientific American”第88至94页。该光学转换装置使用自由空间光学原理，用基于微电机械系统技术(MEMS)的微镜直接将光信号从一根光纤转换到另一根光纤中。为了适应远程通信网络通常所传输的多个光信号，转换装置一般包含两组密集纤维阵列(输入与输出)和一组微镜阵列。
为提供输入和输出纤维阵列之间的低损耗自由空间光学转换，纤维阵列必须有高的位置和角度容差。尤其对于光学通信网络所用的典型的单模光纤(纤芯直径为6-9微米，包层直径为125微米)，纤维阵列中每根纤维的位置距真实位置的容差应小于±2微米，而角度容许误差应小于0.5度。
为达到所述误差要求，纤维阵列一般包括带有精确定位的小孔阵列的扁平面板。每个小孔容纳一根纤维并对其定位。为提供对带有直径125微米包层的纤维的准确排列，小孔的直径不得大于126微米。因此装配过程需要高度精确，以保证能将光纤插入只比其自身的光纤包层稍大的小孔中。
这就需要一种器件，通过精确度要求较低的装配过程在插入这样的光纤时，能提供光纤阵列所需的精确地空间和角度定位。发明内容
根据本发明的原理，通过光纤阵列耦合器满足所述要求。该耦合器具有框架和至少由两块板组成的板结构。其中至少一块板能在框架中移动。
每块板上都包括有固定尺寸的小孔阵列，尽管小孔的形状尺寸跨度很大，仍然有很多形状可供选择，如三角形、泪滴形(推荐使用)等。在两个或更多板上的固定小孔对齐，以限定可调尺寸的小孔阵列。通过移动可移动平行板，可以调节可调尺寸的小孔的尺寸，以缩小或扩大开口。
在一些改进中，光纤阵列耦合器由两块带有泪滴状小孔的板组成。一块板相对于另一块板做180度面内旋转。在一种构造中，使两块板上泪滴状小孔的较大区域对中，从而限定适于接收裸光纤(不带任何外皮的光纤)的最大尺寸的开口。另一种构造中，至少移动两块板中的一块，使两块板上泪滴状小孔的较小区域对中，从而限定适合固定裸光纤的最小尺寸的开口。
在此处描述的其他实施例中，板结构的每个板上小孔具有不同的形状，并且小孔的数目也可以不同。附图说明
图1是光纤阵列面板，具有框架和两块板的板结构，每块板包含小孔阵列。根据本发明的原理，图1中两块板中的小孔以适于接收多根光纤的构造排列。
图2是泪滴状小孔的具体形状。
图3是图1和图2中的两块板，图中不含框架，并将两块板分离了一定的距离，以显示插入光纤时的相对方位。
图4是图3中两块板的正视图。
图5A-5E是移动两块板中的一块以改变小孔定位的情况，从适于接收光纤的定位状态(图5A)，到适于将多个光纤固定于精确空间位置的状态(图5E)。
图6是光纤阵列面板，具有框架和三块板的板结构，每块板含有小孔阵列。图6中的板上小孔以适于固定多个光纤的构造排列。
图7是图6中的三块板的侧视图。
图8A-8C是具有两块板的板结构。每块板上具有三角形的小孔，作为替换泪滴状小孔的首选。图8A-8C描述的是，移动其中一块板，使小孔从适于接收光纤的定位状态(图8A)到适于将多个光纤固定于精确空间位置的状态(图8C)。
图9A-9C是具有两块板的板结构，每块板上具有菱形的小孔，作为替换泪滴状小孔的第二选择。图9A-9C描述的是，移动其中一块板，使小孔从适于接收光纤的定位状态(图9A)到适于将多个光纤固定于精确空间位置的状态(图9C)。
图10A-10C是具有两块板的板结构，其中，其中一块板上的小孔形状不同于另一块板上的小孔形状。图10A-10C描述的是，移动其中一块板，使小孔从适于接收光纤的定位状态(图10A)到适于将多个光纤固定于精确空间位置的状态(图10C)。
图11A-11B是具有两块板的板结构，其中，其中一块板上的小孔形状和数目不同于另一块板上的小孔形状和数目。图11A-11B描述的是，移动其中一块板，使小孔从适于接收光纤的定位状态(图11A)到适于将多个光纤固定于精确空间位置的状态(图11C)。
图12A-12C是三块板的板结构，每块板上都有小孔。图12A-12C描述的是，移动其中两块板后，使小孔从适于接收光纤的定位状态(图12A)到适于将多个光纤固定于精确空间位置的状态(图12C)。
图13是具有楔形的板和具有斜角抛光的光纤末端。
图14是另一种具有楔形的板和具有斜角抛光的光纤末端。具体实施方式
图1是根据本发明原理的光纤阵列面板100。在图1的实施例中，光纤阵列面板100由框架102和板结构构成，该板结构包括前板106和后板108，其相互关系如图1所示。
框架102的尺寸以能够容纳前板106和后板108为准。在框架102上优选地安装销钉104，与板106和108上的狭槽112配合。图示的狭槽—销钉配置允许板106和108在维持与框架102啮合的时候，能滑动或移动狭槽112的长度。同时，狭槽—销钉配置限制板106和108只能平动，即不能转动。能获得同样结果，即只能平动，代替图1中的狭槽—销钉配置的配置，包括具有容纳板106和108的槽(未示出)的框架。这些槽限制板沿与裸光纤垂直的单轴方向上的移动。
第一板106和第二板108分别具有小孔阵列110。图1显示每个小孔110插入一根裸光纤101。在此说明书中，术语“裸光纤”是指纤维芯及其周围的、不带任何附加的缓冲材料、涂层或护套等的包层。
每个小孔110具有固定的(即不变的)尺寸和形状。在此说明书中，除非有特别说明，术语“小孔”均指具有固定尺寸和形状的开口。在图1中小孔110为“泪滴状”。如在本说明书后面描述和示出的，小孔110也可以是其它许多种形状。
图2描述了图1中的小孔110的具体形态。小孔110包含适于接收裸光纤的第一区214和适于固定裸光纤的第二区216。
在图2中示出的示意性小孔110中，第一区214定义为“泪滴状”的较大圆形区域。通过举例，而不是限制，该较大圆形区域直径为500微米，为单模光纤包层直径的4倍。裸光纤可以较容易地被稍小于、例如3倍包层直径的开口，以及大于、例如6倍包层直径的开口所接收。选择光纤包层的4倍是一种折中方案。此方案既考虑了小孔阵列的尺寸不能过大，又兼顾小孔太小会使光纤的通过变得困难。辅助预定位导向装置可以在将纤维插入小孔100之前将纤维预分组成(多)线性阵列，从而简化插入过程，同时也可使第一区214的尺寸还有接近更小直径尺寸的减小的余地。在本说明书中，短语“适于(接收)裸光纤的尺寸”是指开口至少是包层直径的2.5倍。
在图2所示的示意性小孔110中，第二区216是“泪滴状”的较小圆形区域。当与单模光纤连接时，该较小圆形区域较佳地具有直径126微米，稍大于包层直径，并适于基本上固定裸光纤。在本说明书中，短语“适于固定裸光纤的尺寸”是指开口不大于包层直径大约1微米。因此对于包层直径为125微米的光纤，开口的直径不能超过126微米。
根据本发明的原理，板结构中的两个或多个板上的固定小孔对齐以限定可调尺寸小孔的阵列(参见图4)。结合图3、4和5A-5E，现在描述可调尺寸的小孔，这些小孔由具有两块板，例如图1中的光纤阵列面板100等加以限定。
图3是除去框架102的板106、108的“分解”透视图，这样从图中可以看出两块板上小孔110的相对位置。在图3中，“前”板106上的小孔110指向上方，即第二区216在上面，而“后”板108上的小孔110指向下方。换句话说，一块板相对于另一块板做了180°面内旋转。
在图3的构造中，板106上的每个小孔110的较大圆形区域，即区域214，叠放或与板108上的每个小孔110的较大圆形区域对齐。较佳地，通过相对板108向上平移板106做到这一点。在这种构造中，由板106和板108中的成锥形的小孔形成的可调尺寸小孔具有与“泪滴状”较大圆形区域的直径相等(图中为500微米)的开口。在这种构造中，可调尺寸小孔可获得其最大尺寸，即适合于容纳裸光纤的尺寸。
在图4的示例中，可能更直观地看到由成锥形的小孔110形成的可调尺寸的小孔418，其中图4是图3板结构的正视图。板106，其在图4中是“前板”“高于”板108。成对的小孔110的较大圆形区域的对齐使相对较大的圆形或者开口420显示出来。在该构造中，开口420的尺寸即为可调尺寸小孔418的尺寸。
如果两块板上的小孔110的较小圆形区域(第二区域216)对齐，则可调尺寸小孔418的开口尺寸将与“泪滴状”的较小圆形区域的直径相等(本图例中为126微米)。在该构造中，可调尺寸小孔达到其最小尺寸，该尺寸适合于将已插入小孔110中的裸光纤固定。仅通过向下(相对于图3和图4中的位置关系而言)平移板106得到这种构造。通过系列图5A-5E，说明了这一平移过程，即可调尺寸小孔的开口从最大尺寸(适于容纳裸光纤的尺寸)变化到最小尺寸(适于固定裸光纤的尺寸)。
图5A显示了图3和图4的构造。即板106置于板108的“前面”，板106上的小孔110指向上方，板108相对于板106面内旋转了180度，板106“高于”板108，并且成对的小孔110的较大圆形区域对齐。为了清楚起见，图中只显示了一个可调尺寸小孔418。在图5A中可调尺寸小孔418具有最大尺寸，以开口420表示，该尺寸适于容纳裸光纤101。
图5B为图5A中在板106向下平移一段距离后的板结构。尽管裸光纤101仍能很容易地插入成对的小孔中，但可调尺寸小孔418具有稍小的开口。在图5C中板106再次向下平移，从而使得可调尺寸小孔418的开口尺寸进一步减小。要在这种结构中插入裸光纤会存在一定的困难。
图5D显示了图5C中在板106再次向下平移后的板结构。图5E描述了这种构造，其中板结构中小孔110的较小圆形区域(第二区216)对齐以使可调尺寸小孔418具有最小尺寸，以开口522表示，该尺寸适合于固定裸光纤101。一旦使裸光纤固定，裸光纤就可以很方便地使用诸如环氧树脂等粘合剂牢固固定在板106和板108上。
除了具有容纳和固定裸光纤的功能外，小孔110还可以方便而精确地将裸光纤定位于预定位置。换句话说，当平移板结构中至少一块板以破坏可调开口，即可调尺寸小孔418，可以很方便地在将裸光纤固定前，将其放在具体位置上。图1至图5中所显示的“泪滴状”小孔110适于上述目的，其中“泪滴状”小孔具有大区域，即区域214，其逐渐变细至小区域，即区域216。在本说明书中随后的说明及结合图8-12，将说明用于定位功能的许多其它形状的小孔。
上面所描述的板结构都包含两块板，即板106和108。在根据本发明的示意性实施例的另一实施例中，板结构由三块板构成，参见图6、7。
图6描述了容纳三块板的框架102。在图6所示的实施例中，附加的板，板624位于后部，这样板108夹在“前”板106和后板624之间。每根裸光纤101由每三个一组的(固定)小孔所容纳，该三个一组的小孔限定一个可调尺寸小孔。对于图6中的板结构，第三块板624优选地按照与前板106相同的方位放置，即泪滴指向下方。这种情况下，优选地平移板108以改变可调尺寸小孔418的大小。
对于具有泪滴状(其中一种形状)的小孔110，第三块板624并不影响(积极地或消极地)可调尺寸小孔418接收或定位裸光纤的能力。但第三块板624确实能对固定接收的光纤起到协助作用，而且也能提高被固定光纤的角精确度。该第三块板的功能在图7中示出，其中图7是图6的横剖面图。在示出的构造中，可调尺寸小孔418具有其最小开口，第二区域216，即较小圆形区域，板108上的每个小孔110都对裸光纤101施加向下的压力或作用力726，而板106和板624施加向上的力。由于施加了压力使得第三板提供了附加“夹紧”功能的更长的通过或贯通小孔，从而减小了光纤偏离其期望轴的可能性。
正如前面所提到的，根据本发明目的，小孔110可以采用许多不同于泪滴状的形状。这样一些形状在以下进行了描述，并在图8-12中示出。为清晰起见，在图8-10及图12中只显示了一个可调尺寸小孔。应当理解图中的板结构，典型地形成此类可调尺寸小孔418的阵列。
图8A-8C描述由板结构形成的可调尺寸小孔418的几种构造，其中板结构包含两块板106和108，每个具有三角形的小孔110。每块板相对于另一块板做60°面内旋转。图8A中可调尺寸小孔418位于其最大尺寸位置，其适合接收裸光纤。图8B中板106向下平移，使可调尺寸小孔418的开口尺寸稍微减小。图8C中可调尺寸小孔418位于其最小尺寸位置，其适合固定裸光纤。
图9A-9C描述由板结构形成的可调尺寸小孔418的几种构造，其中板结构包含两块板106和108，每块具有菱形的小孔110。每块板相对于另一块板做180度面内旋转。图9A中可调尺寸小孔418位于其最大尺寸位置，其适于接收裸光纤。图9B中板106向下平移，使可调尺寸小孔418的开口尺寸稍微减小。图9C中可调尺寸小孔418位于其最小尺寸位置，其适合固定裸光纤。
在图1至图9C中，在每一种板结构中的每个板中的小孔110具有相同形状。但根据本发明的示意性实施例中的板结构不限于此。例如，图10A-10C显示了由板结构形成的几种可调尺寸小孔418的构造，其中板结构中的板上包含两块具有不同形状的小孔的板。具体地说，其中一块板(图中板106)具有矩形的小孔110A，另一块板(板108)具有矩形的小孔110B。图10A中可调尺寸小孔418位于其最大尺寸位置，其适合容纳裸光纤。图10B中板106向下平移，使可调尺寸小孔418的开口尺寸稍微减小。图10C中可调尺寸418位于其最小尺寸位置，其适合固定裸光纤。
在图1至图10C中板结构中每块板上小孔的数目之间都是一对一的对应关系。但是，这种一对一的对应关系并不是必须的。例如在图11A和图11B中，板108上的小孔110B就比板106上的小孔110A少。
图11A和图11B显示了由两块板构成的板结构所形成的可调尺寸小孔418。其中一块板(图中板106)上有正方形小孔110A。小孔110A相对板106的边旋转了45度，从而使每个小孔110A的一个角指向下方。另一块板(板108)上有矩形小孔110B，小孔110B的数目比小孔110A少。图11A表示可调尺寸小孔418位于其最大尺寸位置，该尺寸适于接收裸光纤。板106向下移动可获得如图11B的构造，此时可调尺寸小孔418位于其最小尺寸位置，该尺寸适合于固定裸光纤。
根据本发明的示意性实施例，结合图6和图7，描述了带有三块板的板结构的光纤阵列面板100。在这个实施例中，第三块板624的主要功能是辅助固定裸光纤，而不是定位裸光纤。但在另外一些具有三块板的板结构中的改进中，例如如图12A至12C中描述的改进，三块板都具有限定已固定的裸光纤的功能。
在图12A至12C的板结构中，板106(前)、板108(中间)和板624(后)都有各自的矩形小孔，分别是110A、110B和110C。为清晰起见，图中的小孔具有不同尺寸，实际上不同板上小孔的尺寸可以相同也可以不同。从制造角度讲，即如成本、效率等方面，相同尺寸的小孔是大家所希望的。
在图12A至12C的板结构的改进中，板106可在垂直方向平移，板108可在水平方向平移。在图12A中，小孔110A、110B和110C相互对齐，此状态下可调尺寸小孔418的尺寸最大，适于接收裸光纤。图12B为板106向下平移从而使可调尺寸小孔418的开口尺寸减小的构造。图12C为板108横向平移从而使可调尺寸小孔418减小到适合于固定裸光纤的最小尺寸的构造。
应当理解在图12A至12C中所示的板结构的替换实施例中，对框架102在图6中的形式进行了改进以允许横向平移。此类改进为本领域技术人员所知并可通过各种方法来实施。
本说明书中所说的可调尺寸小孔418都是由各种板结构和固定的小孔形状限定的。每个小孔可以很容易地接收裸光纤，精确地定位小孔中的光纤，并在所需位置将其固定。应当理解的是，根据本发明的原理，通过与两个或多个(固定的)限定每个可调尺寸小孔的小孔的每个的边、缘等接触，来固定裸光纤。更确切地说，限定每个可调尺寸小孔的多个小孔，方便地共同提供与裸光纤的三个接触点来固定裸光纤。尽管在固定光纤后，还可通过环氧树脂进一步将光纤固定到小孔上以形成永久的附着物，但与多个小孔的边缘接触，已经足以固定光纤了。因此，“适合于固定裸光纤的尺寸”(上文定义的)的说法暗示了裸光纤是通过与小孔边缘的接触而被固定的，不需要其它任何用于连接小孔的装置，例如夹具等。
在本发明的各种实施例中，许多形状被用于实现固定接触。使用两块板时，其中至少一块板具有能方便地提供两个接触点的小孔阵列，而另一块板应具有能提供至少一个接触点的小孔阵列。当使用三块板时，每块板上小孔的形状能提供一个接触点即可。
在本发明的附图和此处所阐述原理的应用过程中，并结合本发明的示意性实施例，本领域技术人员可以开发出具有其它形状的小孔的板结构。因此，这些结构和形状在所附权利要求书的范围内。
由于本发明的光纤阵列面板有精确限定光纤的功能，因此特别适用于有严格位置和角度误差要求的单模光纤。这种单模光纤的纤芯直径在6到9微米的范围内，纤芯周围包层的环绕纤芯的直径为125微米。需要说明的是，这里所描述的光纤阵列面板也可用于其它类型的光纤中，例如具有50-85微米纤芯和125微米包层的渐变折射率光纤，以及具有100微米纤芯和140微米包层的阶跃折射率多模光纤等。应当理解，由于此类其它类型的包层直径不是125微米，因此必须对此处描述的阶跃折射率光纤的实施例进行改动。这类改动为本领域技术人员所熟知。
板106、108和624优选地是薄的，例如大约0.5mm的平整表面。适于用作面板的材料包括，但不限于，硅、金属、陶瓷和塑料。硅因为有以下优点而被推荐使用：(1)与微透镜和微镜相兼容的低膨胀系数；(2)对精确光刻和蚀刻的可控性；(3)与玻璃纤维兼容的抛光性能。
板上的小孔阵列110可以根据材料的功能来制造。示意性的钻小孔技术包括深度活性粒子蚀刻(DRIE)、激光钻小孔和机械钻小孔技术，这都为现有技术所公知。在硅板上形成小孔的DRIE技术，是等离子蚀刻过程，在此过程中，材料通过化学反应和活性基被去除(蚀刻)。DRIE是在相当低的压力(0.1-0.001托)和强电场条件下操作的。
在将光纤插入小孔110之前，最好剥去光纤的任何涂层或外皮，只保留纤芯和包层，即形成裸光纤。为了插入小孔110中，应对光纤剥除大约1-3厘米的外皮。
在根据本发明原理的一些光纤阵列面板中，图中“前”板，即板106的表面可以有角度，同时裸光纤101的端面1330也应抛光成相同的角度，见图13和图14两个不同的实施例。倾斜表面可以减少“回程”损耗量或者减少反馈到光纤中的反射光的量。
图13中板106的前表面1332呈“锯齿”状，图14中板106的前表面1434具有从上到下的线性变化或斜度。该斜度可采用光刻法形成，例如通过使用半色调掩膜，或者根据申请人的共同待审的美国专利申请中说明的方法制造，该申请题目“Optical Fiber Arrays withRednced Return Loss and Method for Maleing Same”，提交日期为2000年8月3日，申请号为09/631,417，在此引述作为参考。