专利名称：一种波导和光纤的耦合方法
技术领域：
本发明涉及一种波导和光纤耦合的方法，特别涉及到一种利用电弧放电熔融光纤和波导，以达到光信号低损耗耦合的方法。
背景技术：
随着社会的发展，人们对于信息量的需求也日益增加。光纤通信网络由于其能够通过密集波分复用技术来达到十几个乃至上百个不同波长的光信号同时传输而不相互干扰，具有大容量、高可靠性和高传输速率等优点，得到了巨大的发展。并且随着社会的进一步需求，光纤通信技术也向着集成化、小型化、高可靠性等方面发展。集成光器件化采用光波导技术，将各种特定功能的光器件制作在基片上，得到集成光学芯片。光信号的输入与输出是光波导，但是在光信号的传输系统中，以光纤作为传输媒介，这样必然存在一个光纤和波导输入输出的耦合问题，光纤和波导的耦合是集成光器件制作的关键技术，是影响器件可靠性的主要原因，在器件的制作成本中占有较大的比例。
现在通常的光纤与波导耦合方法为先利用V形槽定位光纤，构成光纤阵列，通过波导对准设备将光纤阵列与波导阵列对准，待测试指标达到设计要求后，在距离波导端面的附近位置利用胶粘的办法固定光纤和波导的相对位置，并填充光纤和波导的空气隙，达到减少光损耗和减少光信号回波的目的，从而达到光纤与波导中光信号的耦合输入与输出。如中国申请专利号99805394.5，提供了一种将光纤和光集成芯片上的波导耦合的装置，其利用芯片中的V形槽定位光纤位置，使得光纤与波导定位对准耦合。使用此种方法对准耦合后通常会利用胶粘的办法把两者固定，因此导致了光路中容易留有粘胶液，使得光信号耦合损耗变大，如果在光路中间加光折射率匹配液，由于胶的特性，经过一段时间后将会产生老化，使得光损耗也变得越来越大，使器件稳定性不高，同时由于胶在凝固过程中存在应力，影响器件的性能，其整个固化过程也较长。上述所提到的波导和光纤的耦合方法都存在一定光耦合损耗和器件的可靠性问题。究其原因是因为光纤和波导是分离式的耦合，导致了光信号在传播途中需要经过一个折射率变化的区域，不可避免的导致了光信号的损耗。
发明内容
本发明的目的在于提供一种波导和光纤的耦合方法，它是一种采用调节架单向调整光纤和波导，利用探测器单向监控方法确定光纤和波导相对位置，通过一对放电电极之间产生的放电电弧来熔融光纤和波导，从而达到光纤与波导的耦合。所提供的方法由于使得光纤和波导成为一体，从而光信号传输过程中不需要经过一个光折射率的变化区域，因此具有高强度、高可靠性，尤其可以使得光信号传输过程中达到低损耗的优点。
通常光纤和波导的耦合前需要使得光纤纤芯和波导预先对准，在光纤纤芯和波导的对准方法中需要利用输入光源把光信号输入光纤中，然后再利用光纤与波导对准作为输出，即利用光纤把波导中的光信号输出到光探测装置上，观察光探测器中的光信号强度，来确定光纤与波导是否对准，其中需要利用显微镜和精密的调节架系统对光纤纤芯和波导进行位置调节，通过调节相对位置和观察光功率的大小来最后确定光纤纤芯与波导的相对位置，当光损耗最低的时候即为光纤纤芯和波导已经对准，然后使用胶粘液固定此时光纤与波导的相对位置。上述光纤和波导的耦合方法相对繁琐，在使用精密的大型调节设备和很多的辅助设备达到光纤纤芯和波导的对准后，最后使用粘胶液固定光纤与波导的相对位置，达到信号耦合的目的。在这种光纤和波导的耦合过程中，光纤和波导相距一定的距离，是分离式耦合，所以在连接处不可避免有光信号损耗；并且由于利用粘胶液固定光纤和波导的相对位置，很容易使得光路中产生胶液导致光信号损耗进一步增加。
本发明提出的一种采用调节架单向调整光纤和波导，利用探测器监控方法确定光纤和波导相对位置，使用一对放电电极释放的放电电弧，熔融光纤和波导，达到低损耗的光纤和波导耦合的方法。其主要在于利用调节架对光纤和波导进行单向调节，采用探测器直接监控光器件输出芯片，避免了采用调节设备进行光纤和波导的双向精密调节，降低了调节难度；并且利用熔融光纤和波导的手段使得光信号达到低损耗耦合，相对粘胶液固定耦合方法，提高了光器件的可靠性和连接强度。本发明提出的光纤和波导耦合的方法其主要特征为(1)采用调节架单向调整光纤和波导，利用探测器监控确定光纤和波导相对位置，使用一对放电电极释放的放电电弧熔融光纤纤芯和波导，得到低损耗的光纤和波导耦合方法。
(2)如(1)所述的采用调节架单向调节光纤和波导，利用探测器监控确定光纤和波导相对位置，其主要对准步骤为把需要熔融连接的光纤放置在一个端面支撑的V形槽中，另一个需要熔融连接的波导放置在一个平板上；使光纤的外露部分和波导的外露部分互相靠近；给光纤熔接输入光信号，并在波导芯片的输出波导利用探测器探测光信号，利用调节架移动V形槽并观察探测器光功率，当光功率为最大值时，此时即为光纤纤芯和波导对准位置；一个光源位于光纤与波导接口处的下面，观察显微镜置于光纤和波导接口处的上方，显微镜把光纤和波导受光源照射后得到的影像，即当光源在接口处下方(Y方向)所得到的影像Image Y1和Image Y2，通过显微镜提供给一个图象显示器，以大致确定光纤和波导的相对位置；光纤被光源在接口处下方(Y方向)照射时，其所得到的影像将如图5中ImageY1所示，光纤两侧具有暗区A，一个夹在暗区A中间的亮区B，以及在亮区B中的直线的较暗区C影像，其中较暗区C即为光纤的纤芯。该影像由光纤的圆柱形结构造成的透镜效应产生。当光源在接口处下方(Y方向)照射波导时，其所得的影像将如图5中Image Y2所示，波导具有一个较亮区D，这个较亮区D即为光波导。在图5中的扫描线1和扫描线2为显微镜扫描接收的影像所造成的。
(3)所述的光纤和波导的耦合方法其进一步的特征为光纤和波导的耦合也可以是阵列光纤和阵列波导的熔融耦合。
(4)所述的光纤和波导的耦合方法其进一步的特征为固定光纤的V型槽采用真空吸附方法固定光纤，利于阵列熔融时光纤的自由取出。
(5)所述的光纤和波导的耦合方法其进一步的特征为当确定光纤和波导的对准位置后，利用一对电极，使得电极之间产生放电电弧，放电电弧对光纤和波导进行熔融连接，最后得到光纤和波导的耦合连接。
(6)所述的光纤和波导的熔融耦合其进一步的特征为施加一个电流给放电电极，使得一对放电电极之间产生放电电弧，放电电弧的强度能够在短时间内达到熔融光纤和波导的水平。
(7)所述的光纤和波导的熔融耦合其进一步的特征为光纤和波导放置在放电电极中部，使得放电电弧能够尽快的熔融光纤和波导。
(8)所述的光纤熔融连接波导其进一步的特征为所选波导材料以与光纤折射率相近为原则，首选二氧化硅波导。
(9)所述的光纤熔融连接波导其进一步的特征为所采用的波导基底首选硅材料基底，也可以是其他基底材料。
(10)如(1)所述的光纤和波导的耦合方法其进一步的特征为光纤和波导利用放电电弧熔融连接后，需要使用胶粘液对光纤和波导的连接处进行保护，提高光纤与波导耦合的可靠性和连接强度。由于光纤纤芯和波导已经熔融为一体，不存在光路粘胶导致光损耗增大的问题。
本发明的具体实施步骤1.把需要耦合的光纤利用一个V形槽固定，需要耦合的波导以及基底放置在一个平板上固定。
2.利用显微镜传送光纤和波导的影像给一个图象显示器，以大致对准光纤和波导，给光纤熔接输入光信号，并在波导芯片的输出波导利用探测器探测光信号，利用调节架移动V形槽并观察探测器光功率，当光功率为最大值时，此时即为光纤纤芯和波导对准位置。
3.给放电电极一个放电功率，电极产生的放电电弧熔融光纤和波导。
4.在光纤和波导熔融连接处使用胶粘液固化保护
以下图例将用来更好的说明具体实施例的光纤和波导耦合方法。
图1为现有光纤和波导对准耦合装置示意2为本发明提供的光纤和波导对准耦合装置示意3为本发明提供的单通道光纤和波导的熔融耦合装置示意4为本发明提供的阵列光纤和阵列波导的熔融耦合装置示意5为显微镜接收到的Image影像图
具体实施例方式下面通过对附图的解释进一步阐述本发明提供的耦合方法的实质性特点和显著的进步。
图1为现有光纤和波导的对准耦合装置示意图；其耦合方法为，输入光信号11，把信号输入光纤16，其中17为输入光纤的纤芯，输入光纤16与标号为13的调节架1固定，20为输入波导的衬底，22为输入波导，其中23为输入波导芯层，光信号经过中间的波导器件26，由输出波导24输出光信号，其中25为输出波导芯层，光信号再经过输出光纤18输出光信号到输出光探测器12，其中19为输出光纤的纤芯，输出光纤18与标号为14的调节架2固定在一起，调节架1和调节架2通常具有总共6维的精密调整。并且受调节架控制系统15的精密控制。在此种对准耦合方法中，需要通过调节架双向调节光纤与波导的相对位置，增加了调节的难度；并且在输出损耗达到最小的时候利用胶粘液固定光纤和波导的相对位置，容易使得光路中存在胶液，并且由于胶液的特性，导致较大的光损耗。
图2为本发明的光纤和波导对准耦合装置示意图，本发明采用调节架13单向调节光纤纤芯17和波导芯层23的相对位置，并利用输出光探测器12探测输出波导的光功率，当输出损耗达到最小的时候利用放电电弧熔融光纤和波导，达到高可靠性、高强度、低损耗的光纤和波导耦合连接。
图3为本发明的单通道光纤和波导的熔融耦合装置示意图，图中41为待熔融光纤，42为固定光纤的V形槽装置，44为左电极，45为右电极，46为Y方向照射光源，47为波导衬底，48为待熔融波导，50为观察显微镜。本发明的单通道熔融光纤与波导耦合方法为待熔融光纤41固定在可移动V形槽42中，待熔融波导芯片固定在另一侧，在Y方向的照射光源照射待熔融的光纤和波导区域，得到影像Image Y1和Image Y2影像，该影像经过观察显微镜50传送给一个图象显示器以大致确定光纤和波导的位置；给待熔融光纤输入光信号，采用光探测器在波导芯片的输出波导探测光功率，利用调节架调节光纤位置，当探测器探测到的光功率损耗为最小时，即为光纤纤芯和波导芯层对准，然后给两个放电电极施加一个功率，使得电极产生放电电弧熔融光纤和波导，最后使用胶粘液固定保护熔融连接处，完成光纤和波导的耦合。
图4为本发明提供的阵列光纤和阵列波导的熔融耦合装置示意图。阵列耦合装置采用相似于单通道耦合的方法使得阵列光纤和阵列波导进行熔融耦合。本发明的阵列光纤和阵列波导的熔融耦合步骤为待熔融光纤51利用真空吸附装置固定在可移动V形槽42中，待熔融波导芯片固定在另一侧，在Y方向的照射光源照射待熔融的光纤和波导区域，得到影像Image Y1和Image Y2影像，该影像经过观察显微镜50传送给一个图象显示器以大致确定通道光纤51和相应熔融波导芯层52的位置；给待熔融光纤51输入光信号，采用光探测器12在波导芯片的输出波导探测光功率，利用调节架调节可移动V形槽42位置，当探测器探测到的光功率损耗为最小时，即为光纤纤芯和波导芯层对准，然后给左电极44和右电极45施加一个功率，使得电极产生放电电弧熔融通道光纤51和相对应的波导芯层52，然后控制真空吸附装置把通道光纤51释放出来，使光纤51可以自由移动，随后用相同的方法熔融通道光纤53和相应的波导芯层54，直到最后的通道光纤55和相应的波导芯层56，在最后使用胶粘液固定保护各通道的熔融连接处，完成阵列光纤和阵列波导的耦合。
图5为显微镜接收到的Image影像示意图。图中光纤被Y方向光源照射后其在显微镜中的影像为Image Y1，波导被照射的影像为Image Y2，A为光纤中的暗区，B为光纤中的亮区，C为光纤纤芯，D为波导，31为显微镜观察的分界线1，32为显微镜观察的分界线2。
权利要求
1.一种波导和光纤的耦合方法，其特征在于所述的方法式一种采用调节架单向调整光纤和波导，利用探测器单向监控方法确定光纤和波导相对位置，通过一对放电电极之间产生的放电电弧来熔融光纤和波导，从而达到光纤与波导的耦合。
2.按权利要求1所述的一种波导和光纤的耦合方法，其特征在于利用探测器监控确定光纤和波导相对位置，其主要对准步骤为把需要熔融连接的光纤放置在一个端面支撑的V形槽中，另一个需要熔融连接的波导放置在一个平板上；使光纤的外露部分和波导的外露部分互相靠近；给光纤熔接输入光信号，并在波导芯片的输出波导上利用探测器探测光信号，利用调节架移动V形槽并观察探测器光功率，当光功率为最大值时，此时即为光纤纤芯和波导对准位置。
3.按权利要求1所述的一种波导和光纤的耦合方法，其特征在于具体对准步骤是一个光源位于光纤与波导接口处的下面，观察显微镜置于光纤和波导接口处的上方，显微镜把光纤和波导受光源照射后得到的影像，即当光源在接口处下方的Y方向所得到的两个影像Y1和Y2，通过显微镜提供给一个图象显示器，以初步确定光纤和波导的相对位置；光纤被光源在接口处下方的Y方向照射时，光纤两侧具有暗区A和一个夹在暗区中间的亮区，以及在亮区中的直线的较暗区的影像，其中较暗区即为光纤的纤芯；该影像是由光纤的圆柱形结构造成的透镜效应产生的；当光源在接口处下方的Y方向照射波导时，其所得的另一个影像将具有一个较亮区即为光波导。
4.按权利要求2所述的一种光纤和波导耦合的方法，其特征在于固定光纤的V形槽采用真空吸附光纤。
5.按权利要求1所述的一种光纤和波导耦合的方法，其特征在于所述的光纤和波导放置在放电电极的中部。
6.按权利要求1所述的一种光纤和波导耦合的方法，其特征在于所采用波导材料和光纤折射率相近，首选二氧化硅波导。
7.按权利要求1和6所述的一种光纤和波导耦合的方法，其特征在于所述的波导基底首选硅材料基底。
8.按权利要求1所述的一种光纤和波导耦合的方法，其特征在于所述的光纤和波导熔融耦合连接后，用胶粘接对连接处进行保护。
9.按权利要求1所述的一种光纤和波导耦合的方法，其特征在于所述的光纤和波导的耦合为阵列光纤和阵列波导的熔融耦合
全文摘要
本发明涉及一种波导和光纤的耦合方法，其特征在于采用调节架单向调整光纤和波导，利用探测器监控方法确定光纤和波导相对位置，使用一对放电电极释放的放电电弧，熔融光纤和波导，达到低损耗的光纤和波导耦合的方法。其主要在于利用调节架对光纤和波导进行单向调节，采用探测器直接监控光器件输出芯片，避免了采用调节设备进行光纤和波导的双向精密调节，降低了调节难度；并且利用熔融光纤和波导的手段使得光信号达到低损耗耦合，相对粘胶液固定耦合方法，提高了光器件的可靠性和连接强度。本发明提出的光纤和波导耦合的方法也适用于阵列光纤和阵列波导的熔融耦合。
文档编号G02B6/42GK1760706SQ200510110330
公开日2006年4月19日 申请日期2005年11月11日 优先权日2005年11月11日
发明者吴亚明, 李四华 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所