高精度凹型多光纤连接器 技术领域
本发明涉及一种光纤元件和光纤元件的加工工艺，尤其涉及一种光学耦合与波导元件的制造。
相关申请的交叉引用
本申请是2001年6月29日申请的、申请号为09/896,513，09/896,664，09/896,196，和09/896,192，的共同转让美国专利申请的部分继续。
背景技术
商用系统的光纤通常通过应用部件的组合被支撑。
一个连接器组件100，用于把各种光纤部件(fiber pieces)(或光纤部件和模块)附接在一起，如图1中的分解图所示。一个套圈102是连接器100的一部分，在套圈102被插入到整个连接器本身之前，光纤104本身先被插入套圈。套圈102是连接器组件100的高精度部件。套圈102把光纤104支撑在精确的位置，并确保，当两个连接器部件附接在一起时，使两个部件中的光纤被保持得精确地对准。相对于套圈102而言，连接器100的其余部分106是低精度的。
在现有的多光纤连接器中，大部分的连接是用于两个或更多个光纤构成的阵列，如专利号为5,214,730的美国专利所披露地那样，其光纤阵列达到了1×12(尽管一些商用配置中尝试了2×12)。使用的连接器有不同的名称，这取决于制造者。在1×2的阵列中，连接器被称为ST，LC，MT-RJ连接器，除此之外还有，对于1×12阵列，连接器被称为MTP，MPO，MPX和SMC连接器。在1×12或2×12阵列领域，所有的各种连接器都使用通用类型的商用结构的套圈，这些套圈除了别处之外来源于美国Conec有限公司和Alcoa Fujikura有限公司。此外，还提出了用于小阵列(小于12)光纤的商用连接器，如专利号为5,743,785的美国专利所提到的。
光纤支撑部件(Fiber holding pieces)，如套圈102，它可以由成型塑料或环氧树脂部件制成，并设有供光纤104插拔用的插孔108。光纤必须可以精确地、可重复地居中插入到每一个插孔内。
当在某种材料中制成用于支撑光纤的一个插孔阵列时，有必要对两个方面进行控制。两孔之间的距离(孔间距)和每个孔的直径。由于制造工艺上固有的不精确性，使得这两个方面都存在一定的误差范围。假如不精确性引入的孔间距和/或孔直径的误差太大，那么光纤就会以一个倾斜角插入或不能正确定位在套圈中。假如是这样的话，任何一种情况都会负面影响光有效地从一束光纤耦合到另一束光纤，或从一个光学或光电子元件耦合到一束光纤的能力。假如孔间距不精确，那么来自一束的光纤与另一束的光纤就很难对准。然而，即使孔中心距非常精确，因为孔直径大于光纤(阵列中的每个孔很可能还不一样)，每个光纤与其它光纤在各自孔中的位置可能不会完全一致，这会造成中心线错位，导致效率低下或不可接受的损耗。例如，如果套圈部件的每个孔精确到4微米以内，相邻光纤之间的偏距最大就是4微米，因为一根光纤可以向一侧靠2微米，相邻的光纤可以向另一侧靠2微米。尽管这对于多模光纤是可接受的，但对于单模光纤会有很大的偏差，可导致连接不可接受或不可能。
此外，光纤通常不能以一个角度设置在孔内，或假如以一个角度插入的话，必须对这个特定的角度进行特殊控制。
图2所示为连接器插孔200和光纤202的一个实例。内环代表实际的光纤202，外环代表套圈的插孔200。如图所示，为了便于说明，尺寸差异没有按照比例而是被夸大了。然而，实际上，套圈孔200必须大于光纤202，以便有足够的边缘使光纤容易插入，过紧的公差配合不能被有效使用。尽管相对于孔200，光纤202应该是理想居中的，但如图3所示，任何单个光纤202也可以在任一个孔200靠向孔中其它地方，例如偏离孔200中心的左边或右边(或任何其它边)。这样，即使孔中心204之间有一个精确的孔间距“P”，由于每个孔200的中心206之间存在偏差ΔP，所以一排中相邻光纤200可以有不正确的孔间距“P+2ΔP”，在这种情况中，光纤200被放置在孔200中，引起了P加上每个孔内各别偏差ΔP的两倍的不正确的孔间距。
当前商用1×12和2×12阵列的套圈技术是以填充玻璃的环氧树脂(高性能塑料)为基础，该填充玻璃的环氧树脂采用常见的塑料模制技术生产，即传递模塑法。目前，由环氧树脂或塑料模制的套圈可以达到多模光纤需要的公差，但在制造的时候要特别仔细。塑性铸造技术对工艺过程非常敏感，有精度要求的模具生产起来特别困难。即使如此，由于塑性铸造中存在固有的制造工艺误差，生产合格率往往很低。因为这些部件的公差必须非常精确(数量级为1到2个微米)，高合格率生产很困难。结果，把光纤束在这些连接器中终端相接的成本非常昂贵，每一侧都要耗费数百美元。此外，因为存在与塑性铸造技术相关的不精确性和合格率问题，使得这个工艺过程不可扩大规模到大数量的光纤(尤其是30个以上)，对于有相似数量的单模光纤的可靠生产甚至更为困难。
在光纤领域，客户对更多数目的光纤组的需求正不断增加，对于处理更多数目光纤组的连接器的需求也在不断增加。结果，大阵列连接器的创造就变得非常诱人，如5×12阵列。有一个制造商已经生产出了一种5×12阵列的连接器，但太低的合格率使得生产该规格的阵列的连接器变得不可行。此外，由于低合格率，使得成本上升，结果导致每个连接器售价为500美元，而且在生产过程中制造该部件的模具被毁。
问题是要在小空间内支撑更多数量的光纤，这样的塑性铸造部件的结构完整性更差。因为5×12阵列的连接器难以可靠制造，并且更大规格阵列的商用连接器(例如，甚至是6×12阵列)的试制更是极端困难，因此，先有技术中只能没有用于如此大阵列的商用连接器。
套圈区域非常小，因为用于MTP，MPO，MPX和SMC连接器上面的套圈大约高0.07”、宽0.3”、深0.4”，因此在支撑多光纤所需的套圈尺寸(对于多模光纤，典型的直径尺寸大约125微米，对于单模光纤，光纤芯的直径约9微米)内进行成型和加工非常困难。因为单模光纤的直径比多模光纤的直径还要小，目前，对于所有实际应用而言，把套圈成型和加工成容纳单模光纤的大阵列的规格是不可能的——特别是在一个有效的商业可行的成本规模上。
此外，由于生产过程中的工艺的多样化，使得生产用于阵列的套圈变得更为困难，因为当孔接近套圈的边缘时，壁的结构完整性降低，导致周边的部件公差降低并变得非常易碎，在一些情况下，甚至导致一些部件毁坏，或者阻碍从部件的内部去除任何材料，这就防碍和阻止了光纤的插入。
有些人试图通过把光纤紧密地包裹在一起来制造两维光纤束阵列，如美国专利5,473,716以及K.Koyabu，F.Ohira，T.Yanamoto在IEEE学报的元件，封装和制造技术一1998年1月第1期第21卷C部分的文章“采用微套圈的两维光纤阵列的制造”中所述。然而，这些尝试都没有得出一个结果，特别对于上述类型的连接器，因为光纤生产的不精确性导致光纤的直径在2微米的范围内波动(也就是±1微米)。因此，假如12个光纤堆成一排，这一排光纤可以有12微米的光纤对准的不精确性。甚至对于多模光纤(最好的多模光纤使用50微米的光纤芯)，在大部分的应用中，12微米的偏心会导致不可接受的光损失。对于单模光纤，通常有直径9微米的光纤芯，不论这一排的一端处的光纤的对准程度如何，7到12微米的偏心意味着在或靠近这一排的另一端的全部光纤将接收不到任何光。对于两维光纤阵列，问题就变得更为严重，因为光纤的不精确性不限制在一个方向上。这样，例如对一个16×16的阵列，±1微米的不精确性会使光纤偏心达到23微米或更多。总结上述问题可以得出这样一个客观事实，所标称的±1微米的光纤不精确度并不意味着制造商能保证光纤的不精确度不超过1微米，标称的误差只表示一个标准的偏差范围。这意味着大部分光纤只有这样的不精确度。单一光纤，或其一部分，由于统计变化可能会有更大的不精确度。
结果，光纤数量越大，光纤不精确度导致的问题就越有可能发生，因为，例如使用上述16×16阵列，这个阵列中至少有一根光纤异常的几率是一根光纤异常几率的256倍(因为16×16＝256)。
其它人在研究环境中试图对准两维光纤阵列(如4×4阵列)，但没有一个人把他们的技术应用到传统的连接器技术中去。而且，这些技术也不满足高合格率、低成本大批量生产的工业要求。例如，一些团体已经对使用由聚酰亚胺制成的微加工部件进行了研究，如J.Sasian，R.Novotny，M.Beckman，S.Walker，M.Wojcik，S.Hinterlong在文章“自由空间光开关系统的光纤束阵列的制造”中所描述的那样，该文章发表在光学工程1994年9月第9期第33卷第2979到2985页。
其它人也试图用硅作为精密支撑光纤束阵列的套圈，因为硅可以进行非常高精度的加工(优于1微米)，通常，用硅加工获得高合格率的技术是被很好地理解的。
早期的两维阵列光纤定位硅加工的尝试只取得了有限的成功，对于一维光纤阵列已经获得成功，其把光纤定位在蚀刻于硅片上的V型槽内，如图4A所示。这种方法用硅片支撑光纤，但是没有尝试将这种排列和商用连接器结合起来。
其它团体采用图4A所示的V型槽方法，并进行了试验，把图4B所示的两块硅片部件叠在一起插入一个连接器。这形成了一个两排光纤的微小阵列，如H.Kajita，M.Yamada，Y.Sugimoto，在文章“采用自准直技术制造的一维和两维塑料基插座型VCSEL阵列模块”所述，该文章发表在IEEE电子元件与技术国际会议期刊(1997)的382到390页，但该技术不能扩大规模到如图4C所示的更大规格的两维阵列。
其它一些团体还研究用湿刻蚀法在硅片上加工支撑大规格两维阵列的方法，如G.proudley，C.Stace，H.White在文章“用于光学交叉开关的两维光纤阵列的加工”中所描述的那样，该文章发表在1994年二月光学工程第2期第33卷第627到635页。
尽管这些硅片能够支撑光纤，但它们不是为和已有的套圈和连接器技术一起使用或容易地一起使用而设计的。此外，它们不能以任何精确度用于单模光纤。
因此，以上尝试都不能提供一种解决怎样有效建立大规格光纤阵列的问题的有效的可行方案，该方案要能实现大阵列光纤特别是单模光纤的高精度支撑，和现有的把两束光纤彼此附接在一起或把一束光纤附接到含有一个光学器件，如激光器和/或探测器阵列的元件的商用连接器兼容，同时也实现光纤的简易性和低成本的快速方式终端连接。
此外，因为上面的问题，目前还没有以低角度或以精确规定的角度支撑光纤以达到良好的光耦合的大规格套圈装置。
准直阵列概念上是一种光管阵列。商用准直阵列的大规模生产主要已被数码相机和数字摄像机所支配。典型应用都使用一个称作“面板”的装置，它是一个多光纤组件，用于把光引导到用于成像的光探测器上。对于照相机而言，因为有效成像需要最大量的光线到达探测器，面板对每个探测器都有几个光纤。事实上，在最理想的面板上，光纤的数量超过光探测器数量的许多倍。因此，被引导到这样的相机内的一个单探测器上的光线将通过多个平行排列的光纤，并且相机上每个象素上设有一个探测器。对于如相机这样的成像系统，这种准直技术对于实现这样的目的是足够的。然而，当涉及光通讯系统时，不能使用面板，因为该准直配置造成的光损失是很严重的。面板技术(有时候也叫过采样)也不适合使用单模光纤或激光器(单模光纤或激光器对于高速、长距离数据传输非常理想)。因此，对于光电子通讯设备而言，使用面板的准直技术，如相机中使用的准直技术是难以工作的方法。
如上所述，对于一维光学器件阵列，通过使用一片硅晶片创造准直器的尝试已经实现，在硅片上蚀刻有V型槽，并按照图4A把光纤设置在V型槽内。这是一种形成一维阵列的可行方法，但不适合大批量生产。
其它一些团体尝试将多个V型槽阵列在顶部彼此堆叠(图4b，4c)生成一个大的准直元件。不幸的是，不管根据绝对基准和相对基准，第二维中的堆叠精度受到单个晶片厚度精度的限制，因为在整个晶片区域内厚度是变化的。此外，因为V型槽堆叠技术需要有一定的精度，因此，一次只能堆叠一个，成本高，效率低。
类似的，光波导概念上也是一种光管。目前，还没有廉价的商用的或能够和光纤阵列一起使用的二维光波导组合件。在某些情况下，光纤扭绞熔合成一个2到1的“Y”型光路分支，例如，用于把泵浦激光器耦合到一个单根载信光纤上。对于一维阵列装置，使用光刻技术，Y型光路分支通过在晶片表面形成图形而形成波导。对于一维阵列，该技术提供了一种鲁棒的控制，但无法扩展到二维阵列，因为其本质上是一种平面处理工艺。
其它用于制作引导光线集中到一个区域周围的被称作“光子集成电路”的结构的方法和它们的制造方案归纳起来有如下三种。
如图31所示，第一种方案包括在衬底3104顶部进行波导3102的布图(patterning)。例如，波导3102可以是聚酰亚胺，衬底3104可以是玻璃。该方法的问题是无法用于二维阵列形式，因为波导3102的期望高度为30微米，但必须有亚微米级的公差和整个衬底3104上的均匀性。对于大批量生产，这一般就意味着要遍及一个8英寸或更大的硅片。要获得这样的精度，对于在衬底3104上进行布图的波导3102，即使不是不可能达到，价格上也是令人望而却步的。
如图32所示，第二种方案包括使用注入技术或辐照技术改变衬底3104在不同区域的折射率而在衬底3104内界定(defining)波导3202。这个方法的问题是注入区域或辐照区域之间的折射率变化是一个相对于衬底而言是如此小的梯度，以致在结构上的弯曲、转弯或锥形部分发生的光泄漏达到了难以接受的程度。因此，该方法不适用于不直的波导。
如图33所示，一种结合第一种和第二种方案的混合方案，通过离子注入或辐照在衬底3104内界定区域3302并在顶部布图刻蚀3306用以限制光线。然而，存在通常与第二种工艺过程相同的光损失问题。此外，在蚀刻过程如第一种方法和混合方法中使用的衬底大部分是玻璃或石英晶体，因此很难蚀刻到一定深度，如30微米以上，且能同时能保证1微米以下的精度。
第三种使用电压来界定波导。然而，这种方法同样存在第二种方法所存在的典型问题。此外，这种方法还存在一个额外的缺点，就是需要使用电能界定区域，这是我们非常不希望的。
此外，无论是波导，准直器或耦合器中的任何一种形式被使用，假如把这样的装置用于连接器，它们必须能够承受与匹配件进行重复连接和分离时产生的应力而对正确运行必须的光纤对准的精确度不发生损害或不发生不利影响。
因此，技术上对能实现商业生产规模制造的高精度，低损失的，能承受重复连接的波导和耦合器的要求仍然是必须的。
发明内容
我们已经发明了一种用于多部件套圈的技术上满足不同需要的加工和制造技术。在我们的方法中，通过改进设置在装置或连接器凹型侧的一个凹型高精度套圈部件，以便使凹型侧与其相配合的凸型部件上的对准销(alignment pin)(或称作导向销)不会损害高精度的部件。
通过应用本文的原理，部件根据虽然简单但其精度高的工艺方案的光耦合和波导元件的制造就可以实现。此外，这些光耦合和波导元件在整个结构上，特别是在光路包括弯曲、拐弯或锥形时，呈现极端低的光损失。
其优点是，该技术是可扩大规模的，允许在单个晶片上同时制造多个这样的器件，可以不考虑晶片的直径，唯一的限制是一个晶片面积上能适合容纳的器件的数目和大小和/或能同时进行刻蚀和/或氧化的晶片的数目。然而，这样的限制与本发明无关。
通过使用我们的方法，光耦合和波导元件的制造可以做到材料成本较低，精度高，达到前所未有的生产规模，和非过度劳动密集型的形式。
此外，本技术还制造了提供其它益处的光学元件，因为它们能够与支撑或不支撑光纤的连接器相适配，并能增加第三维的自由度。这使得不仅是光纤支撑元件，而且准直器阵列、Y型光路分支、两维波导、和三维光学集成光路的制造成为可能。
本发明一方面包括一个凹型连接器，用于与凸型连接器相连接，该凸型连接器至少有一个对准销。凹型连接器有一个外壳，一个包括在外壳内的套圈，套圈包括至少一个连接到低精度部件的高精度部件。低精度部件有一个第一对准孔，其尺寸能接纳凸型器件上的对准销。在连接到低精度部件上之前，至少一个的高精度部件有多个光纤孔和一个第二对准孔。第一对准孔和第二对准孔都做到尺寸和位置的控制，用于在高精度和低精度部件互相耦合时在高精度和低精度部件之间提供精确对准。耦合后，调整高精度部件，以便使调整后的第二对准孔大于耦合前的第二对准孔。
本发明的另一方面包括一个凹型连接器，用于与凸型连接器相连接，凸型连接器上至少有一个对准销。凹型连接器有一个外壳，一个包括在外壳内的套圈，套圈包括至少一个耦合到低精度部件的高精度部件。低精度部件有一个第一对准孔，其尺寸能接纳凸型器件上的对准销。在耦合到低精度部件之前，至少一个的高精度部件包括多个光纤孔和一个限定一个第二对准孔的壁面。部件第一对准孔和第二对准孔的尺寸和位置受到控制，用于在低精度和高精度部件互相耦合时在高精度和低精度部件之间提供精确对准。连接后，去除高精度部件的一部分。
本发明的又一个方面包括一种形成凹型套圈的方法，该方法包括把一个高精度部件耦合到一个低精度部件上，高精度部件上有一个限定第一对准孔的第一壁，低精度部件有一个第二对准孔，第一对准孔和第二对准孔的尺寸受到控制而接纳一个共同的对准销，用于耦合时在高精度和低精度部件之间保持精确对准，连接后，把部件第一壁的至少一部分去除掉。
本文中描述的这些和其它一些方面，或应用包括在本文中的技术所产生的一些方面，提供了优于先有技术的优点和益处。例如，本发明的许多实施例的一个或多个可以实现一个或多个如下的优点或提供如下结果的益处：重复连接寿命长、插入大规格套圈容易、收益高、装配成本低、精度高、设计可扩大规模性、应用可扩大规模性、可与标准商用连接器结合、通过孔销定位与商用连接器兼容、大批量生产晶片规模工艺的可制造性、与用于发送和接收数据的硅芯片的热膨胀系数的相容性、材料成本低、人力成本低，两维或三维精度高(因为刻蚀能够设置到光刻精度，且氧化进一步提高了该精度)，部件可以任意和/或大量堆叠而制作沿其长度方向在两维或三维内变化的波导，准直耦合器，光学路由器等，单个晶片的厚度是不相关的，因此可用廉价的较少控制的材料，以晶片为基础而不是以单个部件为基础进行堆叠使之可以进行大规模的结合。
在一些变型中可得到的另外的优点包括：通过使用商用硅片，容易廉价制造出高精度两维和三维光引导结构，因为具有精确厚度的硅片可以广泛得到；制造简单，因为硅的布图和刻蚀可以达到非常精确的尺寸和深度；硅片的大规模制造性好，因为所使用的工艺与当前晶片大规模制造技术全部兼容；和非常高约束光学结构的生成，有高度均匀光滑的侧壁，折射率极端可控制的材料，以至于进入结果光引导结构内的几乎所有光线都能通过其而被发射。
本文中描述的优点和特征是具体实施例中诸多优点和特征的一小部分，只为了用于帮助对本发明的理解。应该理解的是，它们不能被认为是如由权利要求限定的对本发明的限制或对权利要求的等同物的限制。例如，一些优点是相互矛盾的，因为它们不是同时出现在同一个实施例中。相类似，一些优点适用于本发明的一些方面，但不适用于其它方面。因此，对特征和优点的概述在确定等同物时不能被认为是决定性的。在下面的叙述、从附图和权利要求中，本发明的其它特征和优点就会变得更加明显。
附图说明
图1显示商用连接器组件的分解示意图；
图2显示连接器的孔和光纤的一个示例；
图3显示光纤不位于图2的孔中心；
图4A显示一维光纤阵列，其光纤置于蚀刻进硅片的V型槽内；
图4B显示两个图4A中的一维光纤阵列的堆叠；
图4C显示假设的三个图4A中的一维光纤阵列的大规模堆叠；
图5显示根据本发明的低精度部件的一个例子；
图6显示含有部分高精度部件的低精度部件的一个例子；
图7显示使用本文所述技术的一个变型制作的一个晶片的例子；
图8显示使用本文所述技术的另一个变型制作的一个硅片；
图9显示使用本文所述技术的另一个变型制作的硅晶片，其中有一个用来使一个晶片相对于另一个晶片精确对准和/或支撑该晶片的特征；
图10A显示使用本文所述技术的一个变型制作的高精度部件的一个例子；
图10B显示使用本文所述技术的一个变型制作的结合有微透镜的高精度部件的一个例子；
图11显示一个设置成与低精度部件表面齐平地安装的高精度部件；
图12显示一个可能具有大插入角度的锥形部件；
图13显示一种确保插入角度最小的方法；
图14显示第二种确保插入角度最小的方法；
图15显示第三种确保插入角度最小的方法；
图16显示包括两个高精度部件和一个腔体的一个变型；
图17显示包括两个高精度部件和一个腔体的另一个变型；
图18显示一个用于将高精度部件添加在一根光纤上的孔；
图19显示在不同的根据本发明的一个变型的高精度部件上的两个与图18中的孔具有相同尺寸的部件光纤孔；
图20显示支撑图18中的光纤的图19中的孔，其中孔内偏移在两个部件之间平分；
图21显示一个三部件支撑方法的一个例子；
图22A显示每个切片中心有两维阵列孔的四个晶片部件或切片；
图22B显示按堆叠顺序排列的图22A中的晶片切片；
图22C显示在对准销上对准的图22B中的堆叠；
图22D显示经连接形成高精度波导部件的图22C中的堆叠的晶片切片；
图23显示加工有大小几乎相同的孔的一系列半导体晶片部件及其两个变型的剖视图；
图24显示锥形波导变型的一个例子；
图25显示采用本文所述技术的一个变型制作的Y型光学分支的两维阵列的一个例子；
图26A显示本文所述技术的一个更加复杂的综合应用；
图26B显示一个微透镜阵列与两个高精度部件和一个低精度部件堆叠形成一个与MTP，MPO，MPX或SMC连接器相兼容的套圈；
图26C显示一个单个的光学器件，使用图26A和图26B的设置对一个器件与一个单模光纤之间的光线聚焦；
图27是根据本文所述技术的一个变型制作的高精度部件的照片；
图28是如本文中所述安装在低精度部件中的一个部件的照片，显示出对准销；
图29是一张照片，一个用于MTP连接器的套圈的3/4视图，旁边靠放一个便士；
图30是一张如本文所述一个有72根载光光纤的完全装配好的MTP连接器的照片；
图31显示波导的一种类型；
图32显示波导的另一种类型；
图33显示图31和图32所示波导的一种混合类型；
图34A-34C是为在凹型连接器中避免向高精度部件施加应力的变型的一个例子；
图35是为在凹型连接器中避免向高精度部件施加应力的变型的一个替代例子；
图36是为在凹型连接器中避免向高精度部件施加应力的变型的另一个替代例子；
图37是为在凹型连接器中避免向高精度部件施加应力的变型的又一个替代例子；
图38是晶片的一部分的俯视图和侧视图，其中孔的开口经电镀或活性气体处理已经被减小；
图39是一组基于Deal-Grove方程的硅氧化的厚度对于时间的曲线；
图40是一个通孔式导光结构的例子；
图41是一个波导式导光结构的例子；
图42是一个结合通孔式和波导式导光结构的部件的例子；
图43是一个结合通孔式和波导式的更复杂的几何导光结构的例子；和
图44是一个用通孔式制成的导光结构的横截面的照片。
具体实施方式
综述
总的来说，本技术用一个或多个高精度部件，该高精度部件可以和一个低精度部件结合部件来形成一个像套圈的单元，然后被结合进一个商用连接器中作为该连接器被设计成要接纳的套圈。
低精度部件的制作
如图5所示为一个低精度部件500的例子。如图所示，该特殊形状的部件被设计成工业标准连接器装置中的套圈开口状，使得它可以插入到商用的连接器中，比如说代替图1中的套圈102。实际应用中，这个通常表示这个部件一般应定形成尺度上至少要适配于MTP、MPO、MPX或SMC型的连接器中的一种。根据这个特定的变型，这个低精度部件500由，比如说聚合物成型技术，如热压铸成形(injection molding)，传递模塑(transfer molding)，或由其它的铸造、铣削或成型技术制成。在一些变型中，用于热压铸成形的材料是玻璃填充的环氧树脂，虽然也可以用其它的环氧树脂或塑料。或者，在其它变型中，这些材料可以是金属或其它可模制或可铣削的材料。
低精度部件根据外尺寸要求制造，使得它可以合适地插入所需要的连接器。而且，它一般有一个足够大可以接纳高精度部件的开口502。
在一些变型中，“低精度部件”也可以部分是高精度部件，如图6所示，如果低精度部件600是由金属制成，而且有一个薄面602，该薄面可如下所述和孔604一起加工。但是，可以预料到，这些变型会缺少一些使用分离的低——高精度部件的优点，但是由于它将要被使用的具体的用途也可以获得其它的优点和好处。
高精度部件的制作
通过有代表性的例子，制作高精度部件的技术将用一个硅片作为起点进行描述。
在一些变型中，硅被用作形成高精度部件的起始材料，在其它的一些变型中，可以使用如石英、蓝宝石、陶瓷、玻璃，其它的绝缘体，其它半导体晶片复合物，诸如聚酰亚胺等聚合物或诸如铝或钨或合金等金属。
高精度部件的总的制造工艺按如下描述进行：
a)晶片通过用蚀刻或钻孔的工艺透过晶片蚀刻很多小孔来将晶片加工成一系列的芯片。在一些变型中，这是通过半导体光刻工艺结合蚀刻技术完成的。在其它变型中采用激光钻孔。这些孔每个都有特定的尺寸，而且，在适当地位置，相对于晶片(或者相对于切割以后的得到的部件)的平面，轴向偏移一个特定的角度。一些特征结构，诸如用于精确配合的和对准销配对的孔或凸缘和凹槽的外形特征也设置在适当位置。晶片包括很多完全相同的将被按需要用于制作特定的高精度部件的芯片，比如说用于制作光纤支撑部件，准直器，多对一的锥形或Y型分支。这些用来构成一个特定类型元部件的部件可以在一个晶片上加工，也可以通过制作多个晶片，每个晶片上面有一些构成这个元件需要的部件。在任何一种情况，结果晶片的大规模批量加工工艺是相同的，而且节约了成本。
这些孔被分成两组：一组用作光纤插入和/或接纳光学环氧树脂，一组用来对准和/或定位进一个连接器。虽然在理想的情况下，这些孔是理想的圆柱形，截头圆锥形，倒圆锥形或漏斗形的，实际上这些孔可能只是基本正圆柱形，正截头圆锥形或正漏斗形的。但是，为了在本文描述的的工艺的目的，这些偏差被认为是可以忽略的，因为它们要么是a)远小于光纤直径，因此在光纤支撑的实施例的情况中对定位或性能没有有意义的影响，或者在波导的实施例的情况中实际上不相关。
而且，对于本文描述的变型，为了方便光纤定位或形成某种波导排列，在一些情况下特意使用圆柱形、截头圆锥形、倒圆锥形或漏斗形的孔，与孔的轴线垂直的截面的形状基本为卵形、蛋形和椭圆形(也就是说，它们不是圆的)可以是很理想的。在其它的变型中，使用不同形状的凹槽或与孔结合的凹槽。
图7显示采用本文所述的的技术的一个变型制作的晶片700。每个部件702(也叫做部件切片)包括一个用于光纤的小孔中心组704(在这个例子中每个部件72个孔)和在每个部件的左右侧的用于该部件相对于其它部件对准的较大的孔706。通常，孔的数目等于或几倍于商用光纤束中光纤的数目，比如说，6，12，24，36，48，60，72，84，96，108，120，132或144根光纤的光纤束。
图8显示采用本文所述的技术的另一个变型制作的晶片800。如图8所示，在晶片的中心区域的每个部件804上有很多用于光纤或光学环氧树脂的小孔802部件，并在靠近晶片边缘处有用于以晶片为基础的对准的大孔806。
另外，或作为替代，这些对准孔可以成为每个部件的一部分，而且被特定地分隔开，使得这些部件可以被插入到如图1所示的MTP，MPO，MPX或SMC或其它广泛使用的类型的商用连接器上，这些部件可以作为套圈的一部分或代替套圈，而且可以用连接器本身的一个部件112上的对准销110来对准。
另外，其它孔或特征可以被蚀刻在部件上，使得用来将这个部件保持到低精度部件上的环氧树脂，焊料和其它固定剂可以加入，或使得两个或多个这样的部件可以互锁在一起。
根据具体的变型，在一些情况下，在一个或多个这些元件上的一个或多个对准孔可以选择性地具有长方形或椭圆形以允许一定的活动自由度。
根据这个特定的变型，这些具体的凹槽或孔可以有直的或锥形的侧壁。
在采用直孔的变型中，这些孔由激光钻孔形成。在其它的一些变型中，这些直孔采用蚀刻工艺形成，比如说，采用各向异性孔蚀刻形成。通过举例，对于一个硅晶片，硅的各向异性的深/通道孔蚀刻是根据所要孔的位置，由光刻胶在晶片上形成图案，并采用Bosch工艺在高密度的等离子反应器，如电子回旋共振(ECR)或感应耦合等离子(ICP)反应器等中进行蚀刻进行的。Bosch工艺是一种时分多路复用方案，它把蚀刻(SF6)和钝化(C4F8侧壁保护)周期分离开来。蚀刻造成硅侧壁的粗糙化和底部的尖锐的边缘，但是其侧面能够产生轮廓非常好的直孔/通道。因为对于光纤的插入而言，粗糙化造成的边缘太尖锐，没有导向结构帮助光纤避免结构底部的尖锐边缘，因此需要一种清除蚀刻工艺。
清除蚀刻工艺和制作锥形孔的工艺实质上是相同的。对于清除和形成锥形孔而言，除了Bosch工艺以外，还可以使用各向同性的硅湿蚀刻法(HF∶HNO3，1∶1)。这个工艺产生平滑的，无损的锥形表面。而且，各向同性湿蚀刻消除和/或减少了由Bosch工艺产生的粗糙化和尖锐的边缘，使得光纤的插入更加容易、可靠。
或者，孔/通道还可以通过用KOH蚀刻和Bosch工艺相结合来制作。KOH蚀刻和Bosch工艺都是已经被非常好地理解和广泛使用的。用KOH进行硅蚀刻也是众所周知的，被应用于微加工工业和微机电系统(MEMS)领域。
在另外的替代变型中，Bosch蚀刻被用在(100)硅晶片的正面。然后，一层用于KOH的SiNX中止层(stop layer)被淀积在经过Bosch蚀刻的正面的孔里。然后，晶片的背面用光刻胶和硅晶片正面对准进行布图。然后背面用KOH进行湿蚀刻，然后SiNX被去掉。然后粗糙化和尖锐的边缘用HF∶HNO3，(1∶1)使其变得光滑。这个工艺产生一个倾斜的和各向异性的通道孔，且通道孔具有易于光纤插入的侧壁轮廓。
这个工艺跟采用其它材料制作部件的过程相似，但根据特殊使用材料使用的特定的蚀刻工艺将会不同除外。由于在其它材料，诸如陶瓷、玻璃，其它的绝缘体，其它半导体晶片复合物，如聚酰亚胺等聚合物或金属，诸如铝或钨或合金等上面的蚀刻和/或钻孔的技术都是目前已知的，而且可以根据本文包含的原理直接应用，为了简洁起见，这里略去了在其它材料上进行相似/类似的操作的具体细节。
而且，通过在蚀刻过程中对晶片选择地定向和使用干蚀刻工艺，可以在需要的方向上或在一个特定的角度上蚀刻这些孔。这是很合乎理想的，因为从一个经过控制的角度插入可以使插入单模光纤的耦合效率更高(就是说，非锥形的孔可以以一个规定的角度进行蚀刻，比如说相对晶片表面垂直的方向可一直到约8度，因此使得插入的光纤可以在规定的角度被精确地支撑)。这使得单模光纤的套圈可以简单而且低成本地制作。
b)根据晶片材料的折射率，晶片和/或孔或凹槽可以选择性地镀上金属沉积的薄层，比如说，通过如溅射，蒸镀，电镀或化学镀膜等工艺，或者用活性气体进行处理，使晶片材料在暴露的表面上形成一层被反应的晶片材料的涂层，使得折射率减小和/或对孔的尺寸进行优化，例如，对于硅晶片，当用高温水蒸汽进行处理时，硅晶片表面会被氧化成二氧化硅。而且，随着材料被氧化，氧化工艺会以一种非常均匀，精确，可控的方式减小孔的尺寸。
c)在晶片上的一些部分上，也可选择性地有沉积的电介质，焊接剂或其它粘接剂，比如说，用一圈几微米厚的可回流的焊接剂围在一些孔的周围和用溅射沉积等沉积工艺。
d)在一些变型中，然后晶片被切成单独的部件。在其它的变型中，比如说，在批量制造工艺中，根据具体的晶片，芯片处理的排列方式或与理解本发明无关的其它制造原因，晶片可以到后面e)，f)，g)，h)或i)中的任何一步完成后才切成小块。
e)多个晶片或单个晶片制成的芯片被堆叠在对准销上。根据具体的应用场合中将用不同的对准方法，比如说，以晶片为基准用孔802进行对准(如图8所示)，而不是以单个的部件为基准。或者，在晶片基准上代替采用对准销，晶片900上可以有其它的构造特征，如切口902和/或平台部分904，如图9所示，用来精确地对准和/或保持晶片。在一些变型中，可以使用其它的对准技术，如将这些部件放入一个保持夹具中或使用蚀刻在每个部件上的互锁定互补性的特征。
f)多个晶片或单个晶片制成的芯片然后被熔接在一起，比如说，通过加热并熔化用来将芯片熔接在一起的焊接剂，或采用其它的接合技术，包括采用压力，粘接剂，机械装置，如夹板，螺栓或铆接件。
g)可选择地，如果这些孔不是直接支撑光纤和支撑如微透镜，衍射光栅等元部件的话，光学环氧树脂和/或电介质材料可以流入和/或喷溅入孔里，而且，在用环氧树脂的情况下，固化后可以变硬。
h)这些对准销也可以选择性地去掉，和
i)这些部件的端面要抛光成光学表面。
最终获得到的部件可以在步骤i)之前或之后磨成任何想要的最终形状，因为当高精度部件放入低精度部件时，其形状可以与去除对准销后或部件被切成小块后的形状不同。
需要注意的是，上述步骤不需要严格地按规定的次序来进行。由于各种不同的变化和组合太多而不能详细罗列，需要理解的是，在一些场合，顺序可以改变而并不改变本发明的内容。
一些变型采用每次一个晶片的工艺来制作大批量的高精度部件。通过以晶片形式制造这些部件，可以同时制作大量部件，因此降低了成本。如图7所示，一次在单个晶片上可以同时制作220个以上的部件。通常，如果采用工业标准的4英寸晶片，每个晶片可以制作400个以上用于MTP连接器套圈的部件。采用8英寸的晶片，可以制作这个数的三到四倍。
连接器制作
连接器的制作是通过组合高精度部件和低精度部件，插入光纤，和把组合的部件结合到连接器的其余部分来实现的。
高精度部件被插入到低精度部件的一个凹槽中并固定住，比如说，用环氧树脂将两个部件粘在一起。图10A显示一个使用一种变型技术用硅制造的高精度部件1000的例子。如图10A所示，每个高精度硅部件的角都进行了倒角1002，这里是45度，使得在高精度部件1000与低精度部件的接纳部分的内边缘之间有一定的空间区域以放置紧固剂。如上面所提到的，其它的构造特征或孔可以和倒角一起或取代倒角用以相似的目的。或者，如图11所示，高精度部件1102可以设置成齐平地安装在低精度部件1106的面1104上。
将高精度部件精确地放到或放入低精度部件上也是非常重要的，以便使得连接器中的光纤可以与它们的配对物正确地对准。这可以这样做到，比如说，插入一个带有对准销110的对准部件106(如图1所示)，这个对准部件销从低精度部件的孔1108伸出，然后穿过高精度硅部件1102上的对准孔1110。
根据这个特定的连接器，可以在这里去除对准销，且在以后的操作中也不会再用(这样就形成了凹型)，或者保留在上面(形成凸型)，比如说在图1的MTP连接器的情况下就是这样。
如上面所提到的，高精度部件和低精度部件上都有用于将高精度部件精确插入低精度部件的对准销孔。部件通过将对准销插入到高精度部件和低精度部件上的这些孔中，并将两个部件滑到一起，高精度部件就这样被插入。由于两个部件上的对准销以及孔的位置和尺寸都是非常精确的，两个部件的对准公差很严格紧密。
在凸型的连接器中，对准销永久性地插入到连接器中。在凹形的连接器中，这些定位销被去除。当一个凸形的和一个凹形的连接器结合在一起时，如果连接器包括一个凹型高精度部件，在连接器凸侧的对准销穿过高精度部件的孔而插入凹型低精度部件的孔中。高精度部件是薄，坚固，但是脆性的，因此，对于凹型部件，在连接器组合的过程中对准销的反复插入会导致应力增加，最后导致高精度部件的碎裂。
由于低精度部件上的孔可以单独提供凸部件和凹部件配对时所需的精度和提供连接时所必须的强度，因此高精度部件上的对准销孔对正确的操作不是必须的。它们的主要功能是将高精度部件精确地放入低精度部件中。一旦高精度部件已经和低精度部件连接上，在高精度部件上的对准销孔就不再需要。因此，为了避免造成碎裂的问题，上面所述的一般的步骤对于制作凹型格式连接器和凸型格式连接器是有稍许不同。总的来说，步骤如下：
制作低精度部件，即使没有高精度部件，低精度部件的对准销孔的间隔精度和对准销将插入这些孔中的深度也足够对准和将连接器支撑在一起。
也制作有精确对准销孔的高精度部件。
每个部件的对准销孔用来正确地相对于低精度部件放置高精度部件部件。
因此，更详细地说，对于凸型和凹型部件来说，装配的过程最初是一样的。含有光纤定位孔和对准销孔的高精度部件和含有高精度部件定位位置和对准销孔的低精度部件被放在一起。
然后插入对准销，穿过低精度部件，延伸足够长的一段距离，超出高精度部件将要被附接的位置。
然后，把高精度部件插在对准销上，并座靠在低精度部件上。这时，高精度部件相对低精度部件的位置被极其精确地确定。
然后，高精度部件被适当固定，比如说，用环氧树脂等，来制作完整的套圈。
对于凸型侧连接器，对准销在左边位置。对于凹型侧格式连接器，定位销被去除。
然后，对于凹型部件要进一步加工，调整套圈的对准销孔使得高精度部件不会因为连接器的反复附接和分开而应力过大。因此，仅高精度部件中的仅用于凹型部件的对准销孔，要么：
a)被研磨和蚀刻得更大，或者在整个直径上，形成漏斗(即成锥形)形，长圆形，或者其它使得高精度部件3404中的对准销孔3402相对于对准销3406的尺寸变得足够大的形状(如图34A-C中的正视图和在侧视图中被夸大的厚度所示)；
b)部分被去除(图35)；或者
c)完全被去除(图36)，
这样，从凸型连接器伸过来的对准销可以容易地穿过或通过高精度部件而不会造成应力。但是，在低精度部件上的对准销孔仍保持原来的严格紧密的公差，使得两个部件可以被反复精确地连接。实际上，用比如说抛光的方法，将孔的形状做成漏斗形，可以保证高精度部件的入口比对准销宽，以避免对该部件施加过度的应力，并且使这个孔可以把对准销引导到正确的位置。
在其它的变型中，孔的调整工作可以部分地在高精度部件和低精度部件接合之前完成。这可以几种不同的方式进行。如果采用漏斗式的形状，孔靠近高精度部件的一个表面或另一个表面的尺寸必须保持不变。如果孔在接合前(图35)要被部分或完全去除，如图35，36所示，一侧或两侧可以被部分去掉，只要保证在接合前保留足够的两个对准孔(以合适的间隔接纳导向销)。如果这些孔最终将被完全去除，部件的一端就可以被去除，条件是与穿过对准销孔中心3706的平面3704相垂直的边缘面3702保持合适的间隔(图37)。
如果一个漏斗形的或部分孔去除的修正已经制作完成，可以任选地向锥形的表面或保留的部分孔的壁上镀一层强化膜，以强化表面，防止或减少刮擦。根据这个例子，膜可以是金属，如金，和更硬的物质如氮化硅，碳化硅，金刚石薄膜等等，它们可以根据要求以每次一个部件，多个部件或晶片的基础沉积。
光纤穿过低精度部件插入，然后穿过高精度部件，停止在高精度部件中，或刚好超过高精度部件的外端面。然后，低精度部件通过比如说形成在部件中的入口被充满环氧树脂，使光纤被支撑在适当的位置。然后如果需要的话，这个组合的单元还可以抛光，这样，光纤的端面就和这个组合部件的面(就是前表面)平齐。任选地，部件上可以看见光纤的表面可以镀上金刚石薄膜(或其它硬质材料)，以防止在抛光的过程中硅被磨损。
特征结构的优化
为了得到精确的光纤定位，采用的晶片一般都比较厚，比如说至少有一根光纤的厚度。但是，用来接纳光纤的孔的直径或在它们不是圆形或是椭圆的情况下的最狭窄的尺寸必须精确到约1微米。但是，在一些变型中，这样的公差是极端严格紧密的，在从晶片到晶片加工的过程中很难一致达到，和/或很难在当前直径4到12英寸范围的硅晶片的整个晶片上保持一致性。
有利的是，我们可以以这样的方式在材料晶片上形成如凹槽，孔，凸缘，柱子等等这些特征结构的阵列，使得在这些特征结构形成后，晶片可以经过后续加工以优化这些特征结构的尺寸，达到极端高的精度，比如说，小于±1微米。实际上，这种技术可以用在任何在尺寸上需要高精度的相似的场合。
参见图38，下面将参考单个高精度部件3800的一个部分的局部俯视图和侧视图来描述这个工艺，这个高精度部件3800上有多个用来携带单个光纤的通孔3802，3804。虽然图38以单个高精度部件3800的一个部分为参考来显示这个工艺，应该理解的是，这个工艺通常在一个包含成百上千个部件的晶片上进行。为了简化起见，在单个部件3800上只显示了两个孔3802，3804。而且，应该理解的是，这个部件上还可能有其它的不携带光纤的特征，如波导特征，锯齿状特征，凸起等等，而且如果需要对它们中的任何一个进行后续加工以获得高精度的话，工艺是一样的。
实际上，对于一个规定直径为125微米的光纤来说，在最靠近与光纤耦合的器件(激光器和探测器)的一端(也叫做“活动端”)，部件上将保持光纤部件的孔的直径通常最好在约125.5微米到127.5微米之间。但是，由于加工公差的不精确性，各个部件晶片之间或者遍及一个部件晶片上各个位置的光纤孔的直径会有变化，尽管经过控制，它们的直径还是可以达到130微米。因为，相对于通常所要求的定位精度而言，这个小差别(2.5微米)可以认为是很大的，因此这个差别可以用下面的方法来矫正。
首先，测量光纤孔的活动端，确定它们跟理想直径的偏差“D”。
接下来，在晶片3800上，包括孔3802，3804的壁上通过如溅射沉积等方法镀上一层如金等金属膜，以在这些暴露的材料上提供一层导电层3806。在这个实施例中，这可以在晶片的一面或两面进行。如果金属只是溅射在一面，这些孔一般只会有达到孔深度的约一半的覆盖。这样实际上就形成了一个局部锥形孔。而且，一般来说，在一面溅射金属就足够了，因为当这个特征是孔时，活动端上的孔直径的精度对于光纤定位是最重要的。或者，如果这个晶片是由导电材料制成，和至少是高掺杂的半导体材料的话，可以省略沉积金属的步骤，除非是采用化学镀膜。
根据具体情况，为了在导电表面上建立一个材料层3808，晶片然后被电镀或经过化学镀膜工艺。根据具体情况，镀膜材料可以是金，银，锌，或其它材料也能使用。电镀或化学镀膜工艺在导电表面上以均匀的方式(就是说，孔壁上厚度的生长速度与晶片平整表面上厚度的生长速度相同)形成一层材料。而且，生长速度可以被精确控制，使得这些孔从侧面被向内填充，直到在出口处孔的直径“d”达到所需的厚度。
然后，根据本文描述的变型中的一个来进行加工。
在一些变型中，晶片在镀膜前被抛光，使得没有材料镀在表面上，而有物质镀在孔里。在另外的变型中，晶片在镀膜后抛光，以去除表面的镀膜材料。在另外还有一些变型中，镀膜后的晶片可以被部分抛光，一部分镀膜材料保留，使得这些保留的金属可以部件用在金属—金属熔接过程中以将晶片和别的晶片接合(或者它的一个或多个部件和其它部件接合)。在还有一些变型中，一些淀积金属通过进一步的工艺被选择性地从一些特定的特征结构或表面上去除，以进一步控制镀膜发生的位置。
可替代地，对于一些材料来说，可以通过用活性气体对晶片进行处理的类似的方式控制孔的尺寸。比如说，如下面更详细的描述，通过在合适的条件下将硅晶片暴露在水蒸汽中，比如说根据Deal-Grove方程可以确定，硅将被氧化成二氧化硅。这个氧化过程改变了硅的折射率，因为硅氧化物不像硅晶片本身那样致密，这个反应也使表面在生长。结果，孔的氧化将导致孔壁向内生长，减少孔的总直径。由于这些工艺过程也可以被精确控制，在一些变型中，它们可以被用来代替镀膜工艺。在一些变型中，两种工艺都可以使用，用于晶片上同一区域的不同的特征或不同区域。
应用场合
上述的用于制作不同的部件的工艺可以有很多应用。下面将以简单的方式描述一些应用，需要记住的是，应用对本文所述的技术和应用的变化可以容易地获得更复杂的排列和/或组合。
方便插入的变型
在光纤要插入的侧面有一个宽开口，而在光纤出来的地方有一个较窄的开口的部件，可以用来使光纤的插入变得更容易。
如图12所示，单独的一个锥形的部件会导致一个潜在的比较大的插入角”θ”，因为由于光纤可以以一个角度插入，而不是成直线插入，使得光纤不会被制约在部件中一个特定的位置。这不是我们想要的，因为它会在两个这样的连接器之间耦合光线或将一束光纤连接到发射、探测和确定光线路径的器件时造成光线的损失。
为了保证这个角度最小，可以采用4种基本的方法中的任何一种(或它们的一些组合)。
方法1：两个有锥形侧壁1304，1306的高精度部件1300，1302，互相一个堆叠在另一个顶部，这样的话光纤1308必须通过两个被隔开一定间隔(一般是最后一个要经过的部件的厚度或者这个厚度再加上其它的一些距离)的较窄区域(锥形的侧壁孔)。这已经在图13中说明性地表示出来了。比较理想的是，在这种情况下，在部件的光纤要首先被插入的那侧的孔的直径是W，对侧的孔的直径为X，其中W＞X。比较理想的是，直径X接近光纤的直径，虽然可能比光纤直径大。另一部件在光纤进入侧有一个直径为Y的孔，Y可以等于，或在W和X之间的任何尺寸。另一部件上光纤的出口侧有一个直径为Z的孔，其中Y≥Z。
方法2：两个高精度部件1400，1402，如上所述互相一个堆叠在另一个顶部，但是光纤进入的第一个部件有锥形侧壁1404，而另一个部件被蚀刻或钻成直的侧壁1406(就是说，它们可以或不可以相对于部件表面的垂直线成一个角度)。锥形区域使得光纤1408的插入变得容易，而直的区域保持了光纤1408比较小的插入角度。比较长的直侧壁区域为光纤提供了更多的保持和稳定性，因此将它更牢固地保持在适当的位置，不会有部件边缘刻伤光纤的危险。这已在图14中表示。
方法3：一个单独的高精度部件1500在一个两步的工艺中被制作，其中，这个部件在一面1502被蚀刻成锥形，然后在另一面1504蚀刻成各向异性，使得在这个部件一面的孔是锥形，而在这个部件的另一面的孔有直侧壁1508。这就使得在一个单独的部件上(这样节约了材料和装配时间)实现了方便光纤插入和用于单模光纤的预先设定的从部件的垂直方向的小偏离部件角度。这已在图15中表示。
本方法中的部件厚度可以是方法1或2中的部件厚度的两倍，以便可以适合相同的低精度部件。或者，可以使用特意为方法3设计的低精度部件。
方法4：采用上述任意一种两部件的方法，虽然两个部件不需要相互对齐，但是在两部件的其中一个或两个部件中的光纤孔被制作得稍微有些椭圆形。这使得导向销孔有更灵活的间隔来补偿导向销本身或导向销孔的不精确度，由于它们的尺寸，它们有时候比光纤孔的精度要差些。
在另一些变型中，如图16，17所示，两个高精度部件1602，1604，1702，1704被用本文所述的方法制作。而且，在两个部件之间还制作了一个低精度“腔体”1606，1706，它可以完全包围住光纤(如图16所示)，或部分包围住光纤(如图17所示)，或者根本不包围住光纤(比如说用精密的支座和分隔柱)。换句话说，高精度部件1602，1604，1702，1704每个都由腔体1606，1706或支座/分隔柱而相互隔开，而不是紧靠的堆叠。单独的光纤或一个熔接的锥形的一维或二维阵列的波导结构，不论是1708Y分支型1708或直型，被插入而通过每个高精度部件1602，1604，1702，1704中以形成一个准直元件，“混合”(“shuffle”)信号从元件的一侧穿到另一侧，或者对光学器件到光纤进行2(或更多)对1的映射。一旦光纤被插入，高精度部件1602，1604，1702，1704就被附接到腔体1606，1706，而且腔体或光纤周围的区域被填充上环氧树脂或其它硬化剂。然后光纤伸出元件外的部分被切掉，露出的表面如上所述进行抛光。这样就使得一维或二维的激光器阵列可以成组地耦合进单独的光纤阵列，多个不同波长的设备可以被耦合进单独的光纤中，或多个同一波长的激光器可以被耦合进单独的光纤中以允许数据传输中的冗余性。
高精度支撑的变型
两个设计得带有共同对准的光纤孔，但是对准孔或其它结构相互之间有一定偏移的部件可以用来在光纤支撑中提供比任何一个部件单独能提供的更高的精度。
两部件上的对准结构和光纤孔之间的关系有一定的偏移，而不是两部件上的对准结构相对于光纤孔的位置完全相同，这样使得在两部件上的光纤孔不完全排成一线。图18显示用于高精度部件的孔1800套在一个光纤1802上。注意，这个孔比光纤直径几乎大25％。图19显示根据这个变型的在两个不同的高精度部件上的和图18中尺寸相同的光纤孔1900，1902部件。当对准结构或孔对准时，这些光纤孔彼此有一定的偏移，而不是部件对准时光纤孔完全对准。这个偏移特意根据预先设定的量来设置，使得孔的最靠近的部分之间分开约一个光纤直径的距离。偏移Δ(如图19所示)使得两个比光纤大的孔可以很精确地支撑光纤，因为由这两个部件形成的两面凸出的开口1904的沿着穿过两孔圆心的直线取得的宽度和放入其中光纤的直径非常接近，因此可以被紧密地制约住。理想的情况下，如图20所示，孔2000，2002的尺寸相同(因此偏移在两部件之间等分)，因此一个单独的晶片可以用来制作一个格式的部件，两个完全相同的部件可以被用来通过将它们背对背放置来支撑光纤2004。通过实例的方法，如果对于一个特定的应用场合，光纤孔大了4微米，将两部件偏移几微米就将节距精度从最差4微米增加到亚微米级。这就可能在光纤之间的耦合效率上提供一个实质性的提高。
如上面提到的，可以制造出组合一个高精度部件和一个低精度部件的元件。有利的是，如果在特定的场合有可能制作一个低精度部件，且该部件的孔尺寸有一个规定的(不)精确度但有精确的偏移，那么只需要一个高精度硅部件就可以用来将光纤高精确度地支撑。这就进一步将元件的数目从3减到2。图11显示两部件支撑结构的方法的一个实例，图21显示使用带有规定的偏移Δ的高精度部件2100，2102和一个低精度部件2104的三部件支撑结构方法的一个实例。
这些组合的部件可以制成和普通的连接器一致的大小和形状，比如说，低精度部件做成图1中的连接器的常规套圈的尺寸和外形。
因此，组合单元的光纤孔节距的精度比使用方便或廉价获得的任何单独的部件本身获得的精度更高。
波导，耦合器和准直器变型
高精度部件不一定是设计用来支撑光纤。还可以制作任意数量的部件，这样使得单独的部件，或一定数量的部件，当它们堆叠在一起的时候，就可以通过蚀刻并用透光介质填充蚀刻处来构成波导，耦合器或准直元件。
这样的元件通过在以一种对准或偏移的分层方式的单个高精度部件上布图形成诸如孔和通路的结构，然后将这些部件堆叠在一起形成光学二维或三维的光学路由拓扑构造而成。这就不仅使得制造简单的波导结构成为可能，而且还能通过在每个部件上使用整个材料包含周期性结构特征的光子带隙材料，或通过结合其它元件，比如说通过在一个或多个部件上蚀刻或沉积透镜或衍射光栅，来制造更复杂的波导拓扑和结构来确定光学信号的路由。通过创造性地使用这些技术，可以实现更复杂的几何排列或组合。
总的来说，波导，耦合器或准直器用下面的一般工艺来制作：
在形成波导、耦合器和准直器框架的材料上形成导光结构。然后，将这个材料用活性气体处理，以在这个结构的表面形成一层低折射率覆盖层。然后处理后的结构中剩下的体积被填充一种相对于覆盖层折射率足够高的材料。
特别地，对于本文所述的硅晶片来说，方法如下。
首先，在晶片上，一般是硅晶片上蚀刻适当的导光结构(小孔洞)的图案。然后，晶片在活性气体处理，对于硅的情况，氧化露出的表面，在小孔洞的表面形成一层相对低折射率的覆盖层。然后，剩余的小孔洞被填充一种高折射率的材料，如环氧树脂。然后还可以根据需要进行任何进一步的处理，如蚀刻掉多余的环氧树脂，抛光，切割和/或堆叠。
用我们的形成波导、耦合器和准直器的方法，可以达到几个有益的方面。我们获得二维阵列中精确的二维间隔或三维阵列中精确的二维或三维间隔，我们的结构是可以批量制造的，因此它们容易制作，可以和商用的套圈和/或连接器结合，而且它们有高的约束因子(就是，结构本身的损失几乎没有，即使结构中有弯曲，转折，锥度或y形分支)等所指出的一些优点。
在一些变型中，孔和导光结构的壁上也要在环氧树脂填入之前涂覆上一层金属。在另外的变型中，取代金属层或除了金属之外，在填充环氧树脂之前，在金属层的顶部添加一层薄的低介电系数的材料层。在还有一些变型中，孔或导光结构的壁用活性气体处理，在硅晶片的情况下，将硅氧化成二氧化硅。
虽然，如上面说提到的，硅晶片可以用来制作导光结构，但硅本身，通常在比较短的光学波长上造成难以接受的损失，比如说，在1微米以下的波长，由于它有非常高的折射系数，(折射系数≥3)，而且光线倾向于向高折射率的材料移动。这就使得硅本身不太适合用于制作有效率的导光结构。因此，对于通过孔或沿波导有效率地引导的光，必须用一种有比硅本身更高的折射率的光学透明材料填充到孔里，但这样的材料目前还不是容易就能得到的。或者，硅的用来导光的部分必须要镀上一层折射率低很多的材料。
有利的是，在另外的变型中，我们通过给导光结构的壁镀上低损耗相对低折射率的材料，然后在每个导光结构的中心填充低损耗，相对于膜层折射率足够高的材料，以沿着导光结构引导光线。由于膜层材料和填充材料的损耗很小，有足够大的折射率值差，就制作出了有效率的导光结构(就是耦合器，准直器或波导)。
注意，如上详尽所述，环氧树脂或其它填入孔里的材料需要有比用于形成孔壁的材料更高的折射率。如果不是这样，晶片部件上的将会作为波导一部分的孔壁用例如电镀或化学镀金属化。将结构“金属化”，是指将金属镀在孔的表面。
但是，金属也会造成难以接受的损耗。比如说，可以使用反射率约为95％的金。但是，在结构中遍历镀金的孔时，光线可以在金上来回反射10次或更多。如果发生这种情况，只有60％的入射光线会从这个结构中射出。在很多应用中，这样的损耗是无法接受的。比较理想得多的是，有更高的光输入输出效率的结构，最好是98％或更好。
因为膜层需要低折射率，非常薄，在整个导光结构上非常均匀，才能最有效率，也可以进行或替代进行诸如在结构的壁上溅射上一层具有这些特性的电介质等技术。但是，这样做除了增加制造工艺的进一步的步骤外，还需要极端高的工艺容差。
在不适合用溅射电介质的情况下，比如说，因为不能保持必要的工艺容差或和添加这些额外步骤所增加的费用，可以用另一种替代方法。
在这个替代方法中，结构由活性气体进行处理，在硅的情况下，硅被氧化(等同于使铁生锈的概念)而在结构的表面形成一层二氧化硅薄膜，或采用类似的工艺将硅转化成硅的氮氧化合物或氮化硅。因此，在这个变型中，膜层或覆盖层不是由沉积或蚀刻形成的，它是热生长材料，实际上，在它形成的过程中，使侧壁上存在的任何小的起伏都变得平滑。结果，它形成了一种高度均匀的，折射率极端可控的材料，这种材料可以通过单步操作沉积，达到非常严格的容差，甚至在12英寸的硅晶片上也可以实现。
这种膜层在波长范围为300nm到2000nm之间造成的光损耗极端低。而且，氧化硅的折射率近似为1.46，相对于硅本身，该折射率是相对低的。因此，这个膜层使通过将腔体的剩余部分填充高折射率材料，比如说一种诸如其折射率高达约1.8的聚酰亚胺的环氧树脂制作一种非常有效率的波导结构成为可能。形成的氧化物(RI≈1.46)和聚酰亚胺(RI≈1.8)之间的折射率(“RI”)的差足够有效率地传导光线，甚至在光通过一个很长的结构和/或来自高阶膜的激光源，或在光从激光光源中以很大的角度出射而极端发散的情况下都可以有效地传导光线。
硅晶片的氧化在水蒸汽环境中进行。如可以从根据Deal-Grove方程所得的图39的曲线图看出，比如说，在摄氏1100度的温度，硅晶片将在8小时内被氧化，形成2微米厚的二氧化硅覆盖层。有利的是，布满导光结构的整个硅片可同时发生反应。因此，即使在这个例子中，过程进行了8小时，成百上千的部件可以一次制成，因此每单晶片的部件产量是非常高的。
我们可以确定，采用这个工艺在硅晶片上产生的二氧化硅的氧化层是极端均匀的。实际上，我们已经在硅上制作出包含几厘米长，直径为50微米的结构，并用上述引用的氧化工艺在孔壁上得到相对于任何可测的容差都非常均匀的二氧化硅膜层。
我们还可以确定，对于硅晶片，将硅氧化到导光结构上有一个厚度为1到10微米之间的膜层是有效的，对于商用应用，约1.5到2微米的二氧化硅可以制作成足够厚的膜层。
如果使用一种有高折射率的非硅材料，可以采用类似的方法以获得相似的效果。在这些材料上形成导光结构。然后，这些材料用活性气体进行处理，在结构的表面形成一个低折射率的覆盖层。然后，在处理后的剩余体积中填充一种材料，该材料相对于覆盖层具有足够高的折射率，以形成有效率的导光结构。
我们的方法使用了两种普通的样式中的一种。第一种是一种通孔样式，第二种是一种波导样式。然而，因为使用了晶片规模的批量制作工艺，因此任意一种或两种方法都可用于单个晶片或甚至单个切片或部件。
我们已经介绍了反应处理或“氧化”型的处理工艺，现在，参考图40和41，对我们设计的两种样式进行讨论。
图40D所示的两种中的第一种样式——通孔样式包括取一个晶片(图40A所示)，如一个硅片，和在它上面制造一维或两维阵列的孔(图40B所示)，如通过对晶片蚀刻，钻孔，或微型铣以便孔穿透该部件。
如本文所述，由于采用高精度的光刻技术进行布图，并且因为硅的高精度、精细的图形蚀刻已是一种开发成熟的已知技术，因此通过蚀刻可以得到非常精确的孔间隔。因此，为更好的说明目的，本文介绍硅蚀刻，因为蚀刻硅比蚀刻其它替代材料，如玻璃，硼硅玻璃，电介质晶体，铌酸锂等更容易。
一旦孔已经被制作好，这里是通过蚀刻，通过对晶片用活性气体处理(图40C所示)，在本例中用氧化硅片生成二氧化硅覆盖层，这个蚀刻孔就变成一种导向结构，然后在某些点用一种光学环氧树脂填充蚀刻孔(图40D所示)。
在波导样式中，几层晶片几乎总是堆叠在一起，例如，形成一个二维阵列。然而，与通孔不同，导向结构走向是沿着晶片的表面，如图41所示。这要求晶片在垂直尺度上间距极端精确(图41A所示)，特别在导向器件的输入和输出侧，必须支撑精确的间距。有利的是，因为标准厚度的硅晶片很容易得到，而且总体厚度和厚度一致性都有极端严格的公差，该厚度可用于在垂直尺度精确地分隔晶片，同时精确的光刻技术保持在水平尺度的精确度。换句话说，与先有技术的在硅片布图形成波导的工艺相比，通过例如蚀刻或微铣，沟或槽形的波导被制作进晶片的表面内(图41B所示)，使得晶片(或晶片上的部件)能够以一致的晶片公差精度等级从顶部到底部堆叠。
为了制造波导样式，将沟槽结构制作进晶片表面内(图41B所示)，然后该晶片用活性气体处理形成一个覆盖层(图41C所示)，对于硅的情况硅被氧化成二氧化硅。然后一种高折射系数材料，如聚酰亚胺，被置入成形的结构内(图41D所示)，然后去除超出晶片顶部或在晶片顶部上的多余的高折射系数材料(图41E所示)。可选地，假如使用金属到金属的熔接工艺，至少要在晶片的背部沉积一个非常薄的金属层(图41F所示)。然后通过(例如)晶片熔合工艺，把适当数量的晶片被堆叠键合在一起(图41G所示)。
根据任一样式的多个部件(或有两种样式的部件)连接的具体应用，可以直接进行硅到硅的晶片熔合。
或者，可以用一种金属镀在晶片的紧密配合表面(图41F)，使金属到金属的晶片熔合成为可能。在金属到金属的情况中，用一个金属薄层(最好小于半微米厚)，以便在第二种样式中，垂直尺度的厚度在可接受的公差内。
在任意一种样式中，得到的波导、耦合器或准直器(或其元件)可以是直的，弯曲的，锥形的，有更加复杂的几何形状，或更加复杂的结构，并且这两种样式可以使用在共同晶片或部件上，如图42或43所示。
在多个通孔零件被堆叠键合的情况中，取决于具体的环境，环氧树脂可在键合前或键合后填充入。
在采用波导格式的情况下，环氧树脂通常是在键合前填充入。
在包含两种样式的堆叠的情况中，环氧树脂通常是在堆叠前充入，然而，特殊的构造或几何结构可以需要综合应用堆叠前和堆叠后填充或只用堆叠后填充。
尽管上面的叙述是一次一个部件的环境，但在两种情况中工艺都是晶片规模的工艺。在通孔样式中，一个布满部件的晶片被一次进行处理，氧化和(在适当的地方填充环氧树脂)。在波导样式的情况中，晶片表面制作的波导层每次都完成一个晶片。
在这种方式中，然后所得的晶片被切割成单个部件，单个部件或单个使用，或被堆叠在一起，或者整个晶片被堆叠在一起，并且被切割成单个的部分或完整的单元。因此，可以同时生产出数千个器件，从而保持单个器件的低成本。
部件已被制成通孔和波导这两种结构中。图44是取自在硅中使用通孔格式制成的导光结构的横截面的照片。孔直径大约127微米，在孔的表面能够看到厚度(1微米厚)极端均匀的薄氧化环(二氧化硅)。
此外，通过经由根据本发明的包括锥状和弯曲导光结构的不同结构对光能的仿真，我们确定：二氧化硅与聚酰亚胺的折射系数的差别(1.46到1.8)允许入射角度直至达到70度而结构内实际上不会出现损失。与传统光纤相比这是非常有利的，如例如传统光纤只允许直至大约15度的入射角。
已经叙述了制作波导，耦合器和/或准直器的许多方面，现在介绍上述器件的使用的一些有代表性的具体实例。
图22A显示每个部件中心具有两维阵列孔2208，2210，2212，2214的四个晶片部件2200，2202，2204，2206。注意，一个部件的每个阵列孔的大小相同，但不同部件的孔互相之间大小不同。然后，这些部件被堆叠(图22B所示)并对准在杆或销2216上(图22C所示)，使得当完全结合时，它们被紧靠在一起形成紧密的接触(图22D所示)。一旦部件彼此堆叠和对准，孔就变成一种光导介质。这是通过对晶片进行处理并把光学透明的环氧树脂注入孔并固化成变硬的形式实现的。这样在每个孔内有效地形成光纤。
图23显示加工有导光孔阵列的一系列半导体晶片部件2300，2302，2304，2306，所有导光孔大小几乎相同。这些部件堆叠在彼此的顶部，使得所有导光孔全部对准。一种光学环氧树脂流过部件的孔，并固化使之成为导光材料。每个所得到波导把光从一端引导到另一端。如图23所示，一定数量的部件堆叠在一起形成一个准直元件，该准直元件由任意的波导制成但其长度可以控制。例如，假如厚250微米的12个晶片堆叠在一起，结果产生的部件有3毫米厚。
理想地，假如对准精度可以足够高的话，所有的孔将会做得完全直，使得从一侧到另一侧的光传输损失超低。然而，典型的情况是，假如两个单一部件之间的对准精度不能够保持在足够严格的公差范围内，每个部件都会有一个锥形孔。然后，部件堆叠时，沿着希望的光传输的方向，一个部件的孔较小端处放在下一个部件的孔较大端处。因此，假如两个部件之间存在微小的偏移，小端仍可允许光线由下个部件的大端进入下一个部件。在这种结构中，部件的安排是很重要的，使得光总是从大端到小端的方向传输，以保证使最大量的光线穿过分界面。
图23同样表示堆叠一些晶片部件后一个孔阵列的一系列孔中的孔的横截面，一个孔看起来如直侧壁变型2308中所示，一个如锥形侧壁变型2310所示。可以看到，在例子中所示的横截面中，13个部件堆叠在一起形成一个所得的形状。
在另一种变型中，通过采用从一个部件到一个部件在特定的方向上特意存在微小偏差的锥形的孔，这种孔能够把光引导到另一个地方。通过使用该创造性的技术，波导实际上可以在光纤之间“交换”(”swap”)和“混合”(“shuffle”)光线。例如，一个两光纤连接器与另一个两光纤连接器相紧密配合，离开光纤1的光线将进入连接器的另一半内的相应光纤。有利的是，通过使用如本文所述制造的连接器，当连接器连接在一起时，一个堆叠的高精度部件可以用于引导离开光纤1的光线进入不对应的光纤。这样的方法很容易扩展到相同连接器内的多光纤。
在另一个变型中，遵循相同的工艺，但在顺序堆叠的部件中，孔的锥度越来越小(也就是说第一个部件的开口比较大，堆叠中的每个后继部件的孔锥度越来越小)。
例如，当光学器件的数量超过光纤的数量时，这允许一个光学器件的一维阵列或两维阵列耦合到一个光纤的一维阵列或两维阵列上，因此对将来自几个光学器件的信号融合到一个单光纤中是很理想的。这对冗余器件提供备用信号的能力是很有用的(也就是说，一个器件作为主工作器件工作，其它耦合到光纤的器件作为备用器件工作)。另一应用允许几个每一个都有其各自的工作波长的光学器件被结合到一个单光纤上。
至少有两种可以这样做的方法。如图24，一种是使用多个部件2400形成一个锥体的一维或两维阵列，这些部件当形成一个波导时，把来自锥体一侧的大面积2402处的光组合起来向下如成锥形一样传输到锥体另一侧的小面积2404处。在大面积端2402，锥形阵列部件的开口有足够大的直径可以同时接收来自几个光学器件的光。
一个替代的变型中，如图25，部件(图中只画出其中的两个2500，2502)被设计成堆叠在一起而形成一个Y型光路分支2504，2506的两维阵列，它可以把两个(或更多)个光学信号组合进入单光纤。根据具体的应用，Y型光路分支可以是对称的，不对称的或开发成随机模式，以便提供独特的连接拓扑形式。
在另一个变型中，通过使用不同尺寸的孔，并使一个堆叠中的部件与部件之间具有一定偏差，那么可以使用同样的技术将多个波导合并连接到一个波导上，例如，将多个光学器件的输出或多器件组合或耦合到一个单独的光学器件上。
应该注意到，使用相似的技术甚至可以实现更为复杂的连接，例如，4到1的组合设置，单光纤输出的混合，非最相邻器件的组合等。例如，如图9所示的来自晶片的一个部件的堆叠906(剖视图中所显示的堆叠未按比例)形成了一个6到4到2的波导。
因此，应当理解的是，本技术增加一个第三维的自由度并且这样允许光学器件(发射器，探测器，调制器，微机电系统等)的一维或两维阵列的输出可以任意方式被组合，分裂，确定路由和混合，这样，在堆叠的输出处，信号以不同于输入到该堆叠的特定方式输出。
此外，本技术允许结合其它元件，例如，通过把微透镜1002插入到一个高精度部件1004而形成一个微透镜阵列(图10B所示)。这可以这样做，例如把微透镜沉积在如图13，14或15中制作的高精度部件的锥形孔中，或沉积在两个以上不同直径的台阶蚀刻孔或碟形孔中(因为，在任一个例子中，光纤插入的容易性不是本部件所考虑的)。一旦制作出这样的部件，它可以按照需要与其它部件结合。与之相似，本方法可以把衍射光栅结合到一个堆叠或一个低精度部件中。
本文所叙述的技术可进一步用于制作一个单个的，高密度连接器将光纤提升器电缆连接在一起，以代替当前所使用的大型多连接器组件。
在又一个变型中，在连接器中使用一个硅制高精度部件，该连接器用于把光纤束附接到光学收发器模块，该光学收发器模块包含附着到半导体晶片上的光学元件(例如，一个光电子芯片)，连接器上的部件的热膨胀系数可以很容易地与模块中的芯片的热膨胀系数相匹配。这样，连接就不会因温度波动而发生明显退化。
值得注意的是，尽管本文叙述的本技术的一些变型特别应用了高精度部件和低精度部件的结合，本技术同样可以适用于单件的经生长，模制，铣削，或机加工部件，这样的部件可以被加工成低精度，高精度或相结合的元件。
图26A到图26C显示本文叙述的技术的又一个更复杂的综合应用。如图所示，一个如在图10B中所示的微透镜阵列2602被结合作为高精度零件2606，2608的堆叠2604的元件中的一个。如图26A所示，光纤2610(在本情况中是单模光纤)由一个低精度部件2612和两个高精度部件2606，2608共同支撑。微透镜阵列2602与两个高精度部件堆叠在一起，并与低精度部件组合而在本例中形成一个套圈2614，该套圈与MTP，MPO，MPX和SMC型的连接器(图26B所示)相兼容。在本应用中，连接器被设计成耦合到一个光学器件阵列2616，例如，一个发射器2618阵列。微透镜2620把入射光束聚集得更窄，以便能获得光学器件与光纤之间的更精确和/或更高效率的耦合。
有利的是，假设形成的器件阵列是用于通过使用图26B所示的套圈耦合到有特定间距的多模光纤，相同的阵列可以耦合到单模光纤，而完全无需采取特殊操作或改变器件阵列。通过使用图26A和26B的设置，图26C显示阵列2618中的一个单个的光学器件2622，在器件2622和一个单模光纤2626之间通过使用图26A和26B显示的配置对光线2624进行聚焦。
图27是如本文所述制作的高精度部件2700的照片。
图28是如本文所述部件装配到一个低精度部件2800上的一个高精度部件2700的照片，且显示穿过低精度元件2800和部件2700的对准销2802。
图29是一张照片，为根据本发明的一个变型制作的一个套圈的3/4视图，该套圈用于MTP连接器，并被置靠于一个便士上，显示其相对大小。
图30是一张至少具有一个支撑72根光携带光纤的高精度部件的如本文叙述的完全装配好的MTP型连接器的照片。
因此，尽管我们已叙述了应用本发明的各种应用实例，应该理解的是，上面的说明仅仅是对说明性实施例的一个描述。为了便于读者理解，上述说明集中在所有可能的实施例的代表性实例中，即能说明本发明的原理的实例。该说明没有试图穷举全部可能的变化。对本发明的一些特定部分的替代实施例也许没有被提出来，或还可能得到没有进一步说明的替代实施例或已说明部分的其它组合，这不可视为对那些替代实施例的弃权。应该理解的是，很多未被说明的实施例应包含在附后的权利要求的文字范围内，其他也是等同的。