光耦合器件及其制造方法以及组件 和使用它的透镜光纤 【技术领域】
本发明概括而言涉及一种光学器件，具体涉及用于将光耦合到光波导器件中的光耦合器件。
背景技术
最新技术发展趋势是制造用于光通信系统的低成本光学模块。光耦合对于系统稳定性、批量制造和降低成本而言极为重要。对于未来一代光网络而言，必须发展小型、易于调节的光学器件。当前具有最有效光耦合性能的一种光学器件为透镜光纤。
在光通信系统中，在激光二极管(LD)与光纤之间进行有效光耦合极为重要。与“对接耦合”(butt coupling)或“整体光学类耦合”(bulk optics-basedcoupling)相比，使用透镜光纤进行的耦合具有许多优点。它带来高耦合效率，特殊情况下，耦合效率几乎达到100％。由于透镜光纤面积较小，可以制造小尺寸光学模块或耦合LD阵列。并且，不使用附加器件进行耦合，透镜光纤的热机械稳定性也很高。
存在多种透镜光纤制造方法。具有微透镜，抛光端面或激光微机械加工端面的光纤，均呈现出接近100％的耦合效率。在这类光纤中，LD发射出的光被直接耦合到纤芯。从而，工作距离非常小，仅为芯径那样大。在将透镜光纤集成到光学模块中时，这种局限性带来许多问题。使用锥形半球形端面光纤，可以将工作距离增大到大约20μm。梯度折射率多模光纤端面可以将工作距离增大到45μm，不过损耗高达4dB。具有非球面端面的石英光纤可以显著增大工作距离，最高可达153μm。
在上述情形中，轴向和横向失配必须相对较小，并且失配的可能性对光学模块的批量制造和再现性(reproducibility)有很大的影响。尽管使用扩芯光纤和半球形端面无芯光纤的透镜光纤具有较长工作距离，但是这会遭遇到大约4dB的低耦合效率，和大约1.5μm的小横向失配容差困扰。另一种使用一对半球形端面的梯度折射率光纤的耦合器件，具有大约50μm的相对较长的工作距离，并且具有1.5dB的大耦合效率。其失配容差远小于其他透镜光纤，从而仅允许主动调整。所有上述透镜光纤的制造均非常复杂，并且再现性也低。
图1表示传统透镜光纤的结构，图2到5描述所述透镜光纤地性质。参照图1，为了说明传统透镜光纤110的光耦合，还表示出LD140。LD与透镜光纤110沿光轴150对准。透镜光纤110分成单模光纤120和半球形端部无芯末端130，无芯末端130与单模光纤120相连。如图2，3和4所示，末端130不可能将所有入射光功率都传输到单模光纤120，这是由于对入射高度h和入射角度Φ的若干严格限制，图1中表示出各种限制。影响更大的因子为入射高度h。
图2表示末端130端部的曲率半径R为75μm，长度L为1000μm的情况下，工作距离D分别为130，150和170μm时，入射角-入射高度曲线161，162和163。
图3表示D＝150μm且L＝1000μm情况下，R分别为130，150和170μm时的入射角-入射高度曲线171，172和173。
图4表示R＝75μm且D＝150μm情况下，L分别为800，1000和1200μm时的入射角-入射高度曲线181，182和183。
为了增强耦合能力，单模光纤120的端部具有热膨胀芯。这类单模光纤120的特征在于，拉制过程中可保持其标称频率。从而，芯125的端部发生热膨胀时，最大入射高度与最大入射角度的乘积保持不变。单模光纤120中需要考虑的另一参数，是当模场直径增大时，芯125的端部直径增大，并且相对折射率差减小。
图5表示热膨胀芯125的入射角度-入射高度曲线191和非热膨胀芯(未示出)的入射角度-入射高度曲线192。参照图5，在上述条件下，可以将更多光功率耦合到膨胀芯125中。在许多方面，热膨胀芯125的端部与锥形光波导相似。一方面，热膨胀期间相对折射率差急剧减小。例如，如果垂直于Z轴作出的芯端部截面的直径从4μm增加到16.8μm，则相对折射率差从0.356％下降到0.02％。
总之，传统透镜光纤具有许多优点。包括高耦合效率，小尺寸和高稳定性。不过，它们具有制造复杂和可再现性低的缺点。此外，它们的工作距离相对较短，横向失配容差较小。更加严重的是，传统透镜光纤需要精确、昂贵的工具，如V-型槽，来实现高耦合效率。
【发明内容】
从而，本发明的一个目的在于提供一种光耦合器件及其制造方法，光耦合器件组件以及使用该光耦合器件的透镜光纤，这种透镜光纤廉价并且具有较长工作距离，高耦合效率，并具有较大的横向失配容差。
上述目的是利用一用于将光耦合到光波导器件芯中的光耦合器件及其制造方法，一光耦合器件组件以及一使用该光耦合器件的透镜光纤实现的。
在所述光耦合器件组件中，开口壳体的底部具有一个孔，光波导器件通过该孔插入。光耦合器件固定到壳体的内壁。光耦合器件的第一端与光波导器件的芯连接，其第二端为凸面。光耦合器件包括连接光耦合器件器件两端用于光传输的漏斗形波导和围绕该波导的包层。
透镜光纤具有光纤和光耦合器件，其中该光纤具有芯和围绕该芯的包层。光耦合器件的第一端与纤芯连接，第二端被制成凸形。它包括连接光耦合器件第一与第二端、用于光传输的漏斗形波导和围绕该波导的包层。
在光耦合器件制造方法中，将光波导器件插入在壳体底面形成的孔中，并将UV固化混合物填充到壳体中。通过将UV光照射到混合物表面上，形成圆锥形锥形部分，用于将UV光会聚到混合物上。通过经由锥形部分的端部与芯的相对端照射UV光，生长出用于连接锥形部分窄端与芯的连接部分。最后，通过将UV光照射到其余未固化混合物上，形成包层。
【附图说明】
根据下面结合附图所作的详细说明，本发明的上述和其他目的，特征和优点变得更清楚，其中：
图1说明传统透镜光纤的结构；
图2到5说明图1中所示传统透镜光纤的入射高度与入射角度的关系；
图6说明根据本发明的光耦合器件的结构；
图7为流程图，说明根据本发明一个实施例的光耦合器件的制造方法；
图8到14为顺序说明图7的制造方法的视图；
图15说明根据一个本发明实施例的透镜光纤的结构；
图16，17和18说明图15中所示激光二极管(LD)的失配；以及
图19说明根据本发明另一实施例的透镜光纤的结构。
【具体实施方式】
下面将参照附图描述本发明的优选的实施例。在下面的描述中，众所周知的功能或结构不再详细说明，因为由于不必要的细节，将使本发明不清楚。
图6为说明本发明光耦合器件结构的示意图。除了光耦合器件210以外，还示出LD250和光波导器件240，以便说明光耦合器件210的功能。
LD250产生预定波长的光252，并以预定扩散角发射光252。
与LD250隔离开预定距离D+L的光波导器件240包括作为光传播路径的芯242和围绕芯242的包层244。光波导器件240指包含作为光传播路径的芯的任何器件。因此，它可以是从光纤预制棒拉制而成的单模光纤，即通过在半导体基板、LD或光电二极管上沉积多层形成的平面光波电路(PLC)。
光耦合器件210与LD250隔离开预定距离D。光耦合器件210具有面对LD250，凸形并且相对中心具有预定曲率半径R的第一端212，以及与第一端212相对的第二端214，第二端214与光波导器件240相连。光耦合器件210包括在第一端212与第二端214之间延伸的漏斗形波导220；以及围绕波导220的包层230。波导220的折射率比包层230高。由于凸起的第一端212起透镜的作用，入射在第一端212上的光252被折射并会聚。波导220分为具有预定内角θ的悬垂冰柱形锥形部分222，和连接锥形部分222与光波导器件240的芯242的连接部分224。锥形部分222垂直于Z轴的截面从第一端212到第二端214逐渐变小。即使入射到第一端212上的光的焦点并非与预先设计的点(即锥形部分222的会聚点223)相同，基于光252在锥形部分222与包层230之间界面处的反射，锥形部分222也能将光252会聚到会聚点223。连接部分224将会聚光252耦合到光波导器件240的芯242。
图7为说明本发明优选实施例光耦合器件制造方法的流程图，图8到14为顺序说明图7的制造方法的视图。光耦合器件制造方法包括制备(步骤310)，调节(步骤350)和固化(步骤360)。
在步骤310中，通过壳体底部形成的孔插入光波导器件，并将混合物填充到壳体中。结果如图8中所示。步骤310进一步分成子步骤320，330和340。
在第一子步骤320中，具有芯512和包层514的光波导器件510固定地插入支架520中心的孔中。最好，光波导器件510从支架520端部伸出至少100μm(表示为距离L1)。光波导器件510可以为光纤或PLC，并且可以使用具有垂直于Z轴的圆形或正方形的截面的套管作为支架520。当光波导器件510插入支架520中时，将粘合剂引入支架520的内壁与光波导器件510的外圆周表面之间，并固化，从而将光波导器件固定到支架520上。支架520可以为例如金属或塑料。
在第二子步骤320中，准备底部具有一个孔的开口壳体530，并将支架520插入孔中。壳体530由金属或透过UV(ultraviolet，紫外线)光的熔融石英构成。通过激光焊接将壳体530和支架520相互固定。或者，可以通过例如喷射模塑或铸造，由相同材料整体形成壳体530和支架520。壳体530的垂直于Z轴所取的的截面最好为圆形，也可以为正方形。壳体530的孔与插入该孔中的光波导器件510的横截面具有相同形状。
虽然在子步骤320和330中，在将光波导器件510固定插入支架520中之后，将支架520固定插入壳体530中，不过顺序也可以颠倒。同样，在后一种情形中，光波导器件510从支架520的端部伸出预定长度L1，优选至少伸出100μm。
在第三子步骤340中，将UV敏感混合物540填充到壳体530中。混合物540为以预定比例混合的不同成分的溶液，至少其中一种成分是UV敏感的。优选使用按50比50的比例的丙烯酸树脂和UV-敏感环氧树脂的混合物溶液。填充到壳体530中的混合物540的表面542为凸面，近似为距离中心具有预定曲率半径R1的半球形。这种曲率源于混合物540的表面张力。通过调节混合物540与壳体530内壁之间的粘附性(即壳体的表面状态)和壳体530垂直于Z-轴的截面的形状和直径，可控制R1。
图9A和9B示出相对圆柱形壳体的直径的改变混合物的表面曲率的变化。图9A和9B分别示出具有(垂直于Z轴的横截面)第一直径的第一壳体430和具有第二直径的第二壳体430’。壳体430的第一直径小于壳体430’的第二直径。填充在第一壳体430中的混合物440表面442的曲率半径R2小于填充在第二壳体430’中的混合物440’表面442’的曲率半径R3。混合物440和440’的量影响其表面442和442’与光波导器件410和410’之间的距离。从而，必须根据壳体430和430’的预先确定的几何结构精确控制混合物440和440’的量。壳体430和430’的直径影响R2和R3，结果，影响入射光的聚焦。并且，R2和R3受空气与混合物440和440’之间的界面张力，壳体430和430’的湿润性，混合物440和440’的成分和浓度，以及温度的影响。
参照图7和10，在对准步骤350中，壳体530置于中心，为步骤360做好准备。在步骤360中，使用第一光学系统550，使UV光通过混合物540的表面542会聚。为此，壳体530与第一光学系统550相对于光轴551对准。该对准步骤350也可以省略，例如全部制造过程自动进行时。不过，对准步骤350有助于实现精确制造。
如图10中所示，第一光学系统550包括第一凸透镜554和第一多波长光源(灯1)552。第一多波长光源552用于发射非UV光553，以防止混合物540固化。优选是它发射绿光。可以使用汞灯作为第一多波长光源552，并且可以进一步使用绿色滤光片以便有选择地从汞灯发射出绿光。第一多波长光源552发射出的光553入射到第一凸透镜554上，从该处折射，然后被会聚。会聚光扩散并到达混合物540的表面。混合物540的凸面542将入射光553会聚。因此，当壳体530伴随非UV光的照射而移动时，凸面542上的会聚光553寻找到一个能有效耦合到光波导器件510的位置。也就是说，被凸面542会聚的光553经过扩散，并到达光波导器件510的一端，如图10中所示。测量从光波导器件510另一端发射出的光功率，确定具有相对较高光功率的壳体530最佳位置。进行最佳位置跟踪，首先按照光轴551使第一光学系统550与壳体530对准，然后使用第一光学系统550决定用于固化步骤360的UV光焦点。可以通过多种方式构造第一光学系统550。它主要包括透镜系统和第一多波长光源552。如上所述，第一多波长光源552可以为汞灯或输出可见光和UV光的波长可调节激光器。透镜系统与混合物540的表面542一起，决定从第一多波长光源552发射出的光553的焦点。尽管图10中所示透镜系统仅具有第一凸透镜554，不过也可以具有两个凸透镜。在这种情形中，第一凸透镜将从第一多波长光源552发射出的光553准直，第二凸透镜将准直光会聚。并且，通过相对第一凸透镜移动第二凸透镜，改变光会聚位置，从而通过混合物540的表面542控制光553的焦点。也可以使用起透镜作用的全息光学元件(HOE)构成透镜系统。虽然以上的对准是通过移动壳体530实现的，不过也可以整体或部分地移动第一光学系统550。
参照图7，在步骤360中混合物540固化。该固化步骤360进一步分成第一，第二和第三固化子步骤370，380和390。
参照图11，在第一固化子步骤370中通过部分固化混合物540，形成圆锥形或悬垂冰柱形锥形部分562。具体而言，由对准的第一光学系统550产生分散的UV光555，并照射在混合物540的表面542上。UV光555在混合物540的表面542上折射，并会聚到混合物中。此处，UV光的焦点与锥形部分562的会聚点563相同，并将其设置成与光波导器件510的端部最好隔离开大约100μm。换句话说，为了制造图6中所示的漏斗形波导，UV光555的焦点与光波导器件510的端部必须隔离开预定距离D2。在上述对准步骤350中，壳体530的最佳位置是在考虑到非UV光与UV光555之间的波长差异产生的焦点移动的条件下的设定，以便满足UV光555的聚焦条件。由于混合物540的UV敏感性，通过照射UV光555，混合物540部分固化，从而形成具有预定内角θ1的悬垂冰柱形锥形部分562。观察到，沿光轴551方向形成长度为1000μm的锥形部分562，历时大约1分钟。当使用以50比50比例混合的丙烯酸树脂和UV固化环氧树脂溶液作为混合物540时，按照与丙烯酸树脂相同的方式生长出锥形部分562。从而，可以说锥形部分562主要为丙烯酸树脂。在混合物540为以预定比例混合的不同成分溶液，并且混合物540的至少一种成分是UV敏感成分时，发生这种现象。发现产生该现象的原因被确定为混合物540中成分的扩散。如果使用单独一种UV敏感成分而非混合物540，部分固化是可能的，不过不能保证固化部位的折射率与其周围物质不同。结果，不能获得光波导功能。
参照图7到12，在第二固化子步骤380中，通过经由锥形部分562与光波导器件510的相对端照射UV光，生长出连接部分564，将锥形部分562与光波导器件510连接。光学焊接作用可以解释这一子步骤。将通过例子简要描述光学焊接作用。两个相面对的光纤端部彼此隔离开预定距离，并浸入UV敏感溶液中。然后间歇地通过光纤端部照射UV光。随着溶液的固化，波导从各光纤端部局部延伸。预定时间之后，波导完全生长成，将光纤的端部连接。由于光学焊接作用，第二固化子步骤380形成连接部分564，将锥形部分562与光波导器件510的相对端相连。因为光学焊接作用并非特别依赖于锥形部分562与光波导器件510的对准，无需在前面的步骤中使锥形部分562与光波导器件510精确对准。与对准步骤350相同，例如在全部制造过程自动进行时，在锥形部分562可以有效地连接光波导器件510芯512的情形中，可以省略第二固化子步骤380。也就是，作为本发明应用的一个例子，希望形成从混合物540的表面542延伸到光波导器件510芯512的悬垂冰柱形波导。
参照图12，进一步使用第二光学系统570相对于光轴571与光波导器件510对准。第二光学系统570包括第二多波长光源(灯2)572和用于将第二多波长光源572发射的UV光573耦合到芯512中的第二凸透镜574。在第二固化子步骤380中，反复交替进行下述步骤，直至形成连接部分564。
在第一步骤中，利用第一光学系统550，连接部分564从锥形部分562的会聚点563局部延伸。当通过第一光学系统将UV光555照射到混合物540的表面542上时，UV光555被锥形部分562会聚，并通过会聚点563继续向前传播。当混合物540被穿过会聚点563的UV光555固化时，部分地生长出连接部分564。
在第二步骤中，利用第二光学系统570，连接部分564从光波导器件510的芯512局部延伸。由于通过第二光学系统570将UV光573耦合到芯512中，UV光573沿芯512传播并在而后通过芯512的端部。由于混合物540被UV光573固化，部分地生长出连接部分564。
图13仅说明了第二固化子步骤380中产生的波导560。基于光学焊接作用的第二固化子步骤380，没有特别依赖锥形部分562与光波导器件510之间的对准。锥形部分562的Z-轴长度L2为1000μm，锥形部分562的光学损耗小于1.5dB。连接部分564的Z-轴长度L3(等于图11中的D2)为150μm，连接部分564与芯512沿Y-轴方向的失配量D3不超过5μm。连接部分564造成的光学损耗小于0.5dB。失配量D3取决于壳体530的对准状态以及锥形部分562的生长状态。通过第二固化子步骤380，完成包括悬垂冰柱形锥形部分562和连接部分564的波导560。
参照图7和14，在第三固化子步骤390中通过固化波导560周围的混合物540，形成包层。UV光可以通过两种方式照射混合物540。
一种方式是将UV光555照射到混合物540的表面上。有利的是，可以依然使用第一光学系统550，而无须作过多变换。当在第一或第二固化子步骤370或380中使UV光照射到混合物表面542中心时，必须照射到整个混合物表面540。因此，使用不具有第一凸透镜的第一光学系统550’。
另一种方式，是从侧面将UV光555照射到壳体530上。其优点在于相当均匀并且迅速固化混合物540。注意，壳体530必须对UV光透明，可以由熔融石英构成。例如，用第一和第二多波长光源552和572，或者用面对面设置在壳体530两侧的两个不同波长的光源发射UV光。
参照图14，第一多波长光源552发射出的UV光到达整个混合物表面542。当混合物540通过UV光555固化时，形成与波导560具有预定折射率差的包层。
图15说明根据本发明一个实施例的透镜光纤的结构。除了透镜光纤600之外，还示出LD680，说明透镜光纤600的作用。
LD680发射出预定波长的光682，并且光682以预定角度从LD680扩散。
透镜光纤600包括单模光纤610和光耦合器件组件620。光耦合器件组件620具有壳体640，支架630和光耦合器件650。
单模光纤610包括芯612，围绕芯612的包层614，和围绕包层614的涂层616。
支架630被成形为中空圆柱形，并且单模光纤610固定地插入支架630中，从支架630的一端伸出。可以通过多种方法将单模光纤610固定到支架630。例如，将粘合剂填充在支架630内壁与单模光纤610之间。
壳体640被成形为底部中心具有一个孔的开口圆柱体。支架630固定地插入该孔中。壳体640与支架630均可以由金属构成。它们可以通过焊接而连接。或者，它们可通过喷射模塑法或铸造法，由相同材料整体形成。
光耦合器件650安装在壳体640中，并附着在其内壁。单模光纤610的伸出部分与光耦合器件650的下端相连。光耦合器件650的表面652为凸面。光耦合器件650分成从表面652延伸到单模光纤610芯612的漏斗形波导660，和围绕波导660的包层670。波导660的横截面，在远离表面652时逐渐变小。波导660分成具有预定内角θ2的锥形部分662，以及连接锥形部分662与芯612的连接部分664。至少表面652的中心具有预定曲率半径R4，并设置波导660与包层670之间具有预定折射率差。
LD680的最佳位置处于透镜光纤600的光轴601上，并且LD680发射的光682的焦点与锥形部分662的会聚点663重合。在该最佳位置处，到达锥形部分662边界的光682被完全反射。因此，反射导致的损耗最小。连接部分664将锥形部分662会聚的光682耦合到芯612中。
图16，17和18示出LD680与所述最佳位置的失配。在图16和17中，在光轴601方向LD680未对准最佳位置，在图18中，在垂直于光轴601的方向，LD680未对准最佳位置。在上述情形中，光耦合器件650的凸表面652起到用于会聚LD680发射出的光的光点尺寸减小器的作用，并且锥形部分662的倾斜边界作为角度和位置失配补偿器，用于补偿从锥形部分662的会聚点663继续传播的光601的光程。入射在锥形部分662上的光682被会聚到会聚点663，并被连接部分664引导耦合到单模光纤610的芯612。
图19示根据本发明另一实施例的透镜光纤的结构。除了壳体740和支架730的材料与安装以外，透镜光纤700的结构与图15中所示相同。下面主要描述这种不同。
透镜光纤700包括单模光纤710和光耦合器件组件720。光耦合器件组件720包括壳体740，支架730和光耦合器件750。
支架730为中空金属圆柱体，单模光纤710固定地插入支架730中，从支架730的端部伸出。可以通过多种方式将单模光纤710固定到支架730。例如，将粘合剂填充在支架730内壁与单模光纤710之间。
壳体740由熔融石英形成。壳体740为底部具有一个孔的开口圆柱体。在支架730插入壳体740的孔中之后，在孔周围涂覆环氧树脂780。如图所示，环氧树脂780涂覆在壳体740底面上以及支架730侧面部位，从而牢固固定壳体740与支架730。
如上所述，根据本发明的透镜光纤与传统透镜光纤相比，具有改进特征。
(1)具有热膨胀端纤芯的传统透镜光纤的相对折射率差减小。相反，本发明的透镜光纤，通过使用UV固化形成的漏斗形波导，保持大约1％的相对折射率差。因此，模场直径增大，允许LD具有较大失配容差。
(2)作为光点尺寸减小器的透镜凸表面，作为失配补偿器的悬垂冰柱形锥形部分以及用于将所会聚的光引导到单模光纤的连接部分的连接，显著提高了耦合效率和失配容差。透镜光纤的光损耗为2dB或更小，工作距离为大约100μm。因此，透镜光纤有助于自动化制造和批量生产。
根据本发明，光耦合器件，光耦合器件组件和使用光耦合器件的透镜光纤利用与光波导器件相连，并起光点尺寸减小器和失配补偿器作用的漏斗形波导。从而，它们具有低成本，长工作距离，高耦合效率和大横向移动失配容差的优点。此外，在本发明的光耦合器件制造方法中，基于光学焊接作用形成漏斗形波导，从而显著增大失配容差。
尽管业已参照本发明的某些优选实施例展示和描述了本发明，不过对本领域技术人员来说，在不脱离所附权利要求书限定的本发明精神和范围条件下，当然可以在形式和细节上进行多种变化。