一种线性光纤阵列的制作方法

本发明属于光纤信息传输领域，具体涉及一种线性光纤阵列，用于线性图像信息传输。

背景技术：

随着光纤用于信息通信的不断发展，线性光纤阵列作为线性图像信息传输的一种主要方式得到了越来越多的应用，由于光纤阵列使用中通常需要与芯片或与高精密透镜阵列耦合，这就涉及到光纤阵列中光纤的定位精度问题，在此之前的解决办法之一是依赖于光纤自身的尺寸精度，将多根光纤紧密排列在一起，利用高平行度的两个平面材料将密排的各光纤端面中心轴控制在一个平面内，通过平面材料的横向两端同时挤压形成阵列。名称为“一种光纤阵列的制造方法”的中国专利（专利公开号：cn104238030）公开了一种光纤阵列结构，这种方式的光纤阵列端面竖向位置误差小，但阵列横向受光纤截面径向尺寸限制，在光纤数量较多时，其横向累积误差增大。为解决横向累积误差问题，现在较常采用的一种方案是利用光刻腐蚀技术。在单晶硅基板上形成相邻的多个v形槽，将去除涂覆层的裸光纤置于v型槽内，光纤的径向截面同时有两点卡在槽的侧壁上固定光纤位置形成阵列，名称为“一种光纤阵列定位组件”的中国专利（专利公开号：cn102692683a）公开了一种采用硅v形槽定位的光纤阵列组件，由于现代光刻定位精度较高（光刻位置精度可达到纳米量级），按这种技术制成的v形槽光纤阵列不存在横向累计误差，但受光刻机激光头输出激光误差影响，单晶硅板表面经光刻后形成的槽口宽度经常不一致，导致腐蚀后的v形槽深度误差较大（v形槽槽口宽度误差与深度误差的比例约为2：3），由此形成光纤阵列端面纤芯的竖向位置误差。而光纤阵列端面横向位置和竖向位置的微小误差都将严重影响光纤阵列与芯片或透镜阵列的光学耦合效率。

技术实现要素：

为了解决已有技术中光纤阵列制作的横向累计误差和竖向位置误差问题，本发明提供一种线性光纤阵列，用于光纤对线性图像信息的准确传输。

本发明的技术方案如下：

本发明的一种线性光纤阵列，包括底板、底板上方的盖板、底板与盖板之间去除涂敷层的数根单模或多模的裸光纤，其特点是，所述的盖板包括硅盖板和玻璃盖板，底板的上表面依次相邻且平行设置有数个结构相同的梯形槽i，硅盖板的下表面设置有与梯形槽i对称的数个梯形槽ii，梯形槽i和梯形槽ii均为等腰的梯形槽，相邻的梯形槽的中心距离相同。梯形槽i、梯形槽ii均为贯通槽；所述的数根裸光纤中的每一根裸光纤的径向截面下端的部分置于底板的一个梯形槽i内。底板的前端部的梯形槽i内的裸光纤由硅盖板对应的梯形槽ii压紧，后端部的梯形槽i内的裸光纤由玻璃盖板压紧；裸光纤径向的上端和下端分别与硅盖板上的梯形槽ii的底部、底板上的梯形槽i的底部沿裸光纤轴向线性接触，并通过等深度的梯形槽压制及相邻光纤限制共同定位。所述的玻璃盖板与硅盖板之间设置有一间距。所述的裸光纤、底板、硅盖板、玻璃盖板之间的空隙填充有热红外固化胶，底板、硅盖板、玻璃盖板、裸光纤通过热红外固化胶固定连接。

所述的相邻的梯形槽的中心距离为裸光纤直径加1um，数根裸光纤经一一对应的梯形槽i和梯形槽ii压紧后，等腰梯形结构的梯形槽的侧壁和相邻裸光纤限制单根光纤的横向定位，底板和硅盖板上结构相同的数个梯形槽的深度相同，等深的梯形槽的槽底限制了每根裸光纤的竖向定位。

所述由梯形槽i或梯形槽ii压紧的相邻裸光纤的纤芯距离基本相等，其纤芯距离比裸光纤直径大1um，

所述的硅盖板的前端面与底板的前端面齐平，所述玻璃盖板的后端面与底板的后端面齐平，玻璃盖板与硅盖板之间的间距范围为1mm~2mm。

本发明中的底板及硅盖板由上、下表面双面抛光的单晶硅板制成，单晶硅板的表面平面度值小于0.5um，利用单晶硅的各向异性的特点，采用光刻腐蚀法在底板的上表面及硅盖板的下表面形成深度相同的数个梯形槽，梯形槽侧壁的腐蚀角度约为54.7°，通过控制单晶硅的腐蚀时间，使腐蚀后形成的底板上表面及硅盖板下表面上的梯形槽的槽深约为裸光纤直径的三分之一。

多根裸光纤放置在底板的梯形槽i内，裸光纤上表面涂覆黑色的热红外固化胶，黑色热红外固化胶从裸光纤上表面向下渗透填满裸光纤与梯形槽i之间的间隙。

裸光纤在底板上的梯形槽i内首先由玻璃盖板在底板的后端压紧定位，玻璃盖板后端面与底板的后端面齐平。玻璃盖板挤压裸光纤后，黑色热红外固化胶填满裸光纤与玻璃盖板之间的间隙，多余的热红外固化胶从玻璃盖板的前后端面溢出

硅盖板在底板的前半部分压置裸光纤，硅盖板前端面与底板的前端面齐平，硅盖板下表面上的梯形槽ii与底板上的梯形槽i对应并挤压裸光纤，完成裸光纤的最终定位，挤压后多余的黑色热红外固化胶从硅盖板前后端面的梯形槽中溢出。

玻璃盖板与硅盖板之间预留的间距在玻璃盖板和硅盖板挤压裸光纤后具有容胶槽的作用，即容纳玻璃盖板前端部和硅盖板后端部挤出的多余的胶。

底板、硅盖板、玻璃盖板、裸光纤通过热红外固化胶固定连接，热红外固化胶固化后垂直于裸光纤轴向对阵列端面研磨，通过底板和硅盖板上的数个梯形槽i和梯形槽ii及相邻裸光纤精确定位的裸光纤端部成线性排列，即形成密排且光纤纤芯精确定位的一种线性光纤阵列。

所述的玻璃盖板由表面平面度值小于0.5um的硼化玻璃制成。

所述的热红外固化胶采用市售的epo-tek353ndblack。

所述黑色的热红外固化胶固化后的热膨胀系数与裸光纤、单晶硅及硼化玻璃材质的热膨胀系数相近，且具有黑色不透光的特性。

本发明的有益效果是：

1．本发明中，底板和硅盖板上中心距离相同的梯形槽结构消除了由裸光纤直径的不均匀性形成的横向累计误差。单晶硅板表面经过氧化、制版、光刻、腐蚀等工艺形成的梯形槽，依赖于现代高精度光刻技术（位置误差通常不大于0.2um，100槽累计误差不大于1um），使相邻梯形槽中心能够精确定位，设计梯形槽中心间距比裸光纤标准直径大1um，则安装后的单根光纤纤芯位置由相邻光纤位置和梯形槽共同限定，保证单根纤芯横向位置误差不大于1um，完全消除了阵列安装中纤芯的横向累计误差。

2．本发明中，由单晶硅板光刻腐蚀制成的等深度的梯形槽限制了线性阵列纤芯的竖向偏离误差。单晶硅板双面抛光后，其平面度误差不大于0.5um，由单晶硅结构及其化学腐蚀性能可知：在相同的均匀腐蚀液作用下，梯形槽深度仅与腐蚀时间有关，因此能够控制梯形槽深度不大于设定值，同一单晶硅板上的梯形槽深度差距仅来源于硅板表面平面度误差，梯形槽中的裸光纤经过底板和硅盖板的挤压，能够准确控制每根纤芯的竖向偏离误差不大于0.5um。

3．本发明中，设置有玻璃盖板辅助裸光纤定位。玻璃盖板在底板的后半部分将裸光纤压置在底板相应的梯形槽中，可以初步限定裸光纤的位置，有利于前半部分的硅盖板精确控制裸光纤位置，使裸光纤的纤芯精确控制在硅盖板和底板的梯形槽所形成的一个近似正六边形空间的中心。同时，玻璃盖板的使用，可以减小底板上方单个盖板的面积，且硅盖板和玻璃盖板之间预留有1~2mm间距，这些都有利于底板和盖板之间多余固化胶挤出（预留的间距可以起到容胶槽的作用），以避免存胶过多，影响纤芯定位精度。

4．本发明中，使用黑色热红外固化胶。连接底板，裸光纤，硅盖板和玻璃盖板的热红外固化胶为epo-tek353ndblack，该胶除具有粘接上述部件及填充各部件之间的间隙功能外，更重要的是其固化后的热膨胀系数与裸光纤、硼化玻璃、单晶硅材质的热膨胀系数相近，可避免制成的光纤阵列产品使用中的热应力损坏光纤，更重要的是epo-tek353ndblack固化胶还具有黑色不透光的特性，可避免光纤传输信号相互串扰。

附图说明：

图1为本发明的线性光纤阵列的主视图；

图2为本发明的线性光纤阵列的俯视图；

图3为图1中的a-a向视图；

图4为本发明中的底板结构示意图；

图5为本发明中的硅盖板结构示意图；

图中：1.底板2.硅盖板3.玻璃盖板4.裸光纤6.热红外固化胶101.梯形槽i201.梯形槽ii。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，需要说明的是，附图中的具体尺寸并非与实物一致或成比例，附图中为了能清楚说明本发明的具体结构对部分实物做了不同比例的放大或裁减。实施例中的位置描述，如上、下、前、后等，也仅是参考附图方向，并非本发明中的具体结构名称。

实施例1

底板（1）的上表面依次相邻且平行设置有数个结构相同的梯形槽i（101），梯形槽i（101）为等腰梯形槽，相邻的梯形槽的中心距离相同；

图1为本发明的线性光纤阵列的主视图，图2为本发明的线性光纤阵列的俯视图，图3为图1中的a-a向视图，图4为本发明中的底板结构示意图，图5为本发明中的硅盖板结构示意图。在图1~5中，本发明的一种线性光纤阵列，包括底板1、底板1上方的盖板、底板1与盖板之间去除涂敷层的数根裸光纤。所述的盖板包括硅盖板2和玻璃盖板3，底板1的上表面依次平行设置有结构相同的数个梯形槽i101，硅盖板2的下表面设置有与梯形槽i对称的数个梯形槽ii201，梯形槽i和梯形槽ii均为等腰的梯形槽，相邻的梯形槽的中心距离相同，其具体值为裸光纤直径加1um；梯形槽i、梯形槽ii均为贯通槽，所述的数根裸光纤中的每一根裸光纤4的下端部分置于底板1的一个梯形槽i101内；底板1的前端部的梯形槽i101内的裸光纤4由硅盖板2对应的梯形槽ii201压紧，后端部的梯形槽i101内的裸光纤4通过玻璃盖板3压紧；裸光纤的上端部分与硅盖板2上的梯形槽ii201的底部沿裸光纤轴向线性接触，裸光纤的下端部分与底板1上的梯形槽i101的底部沿裸光纤轴向线性接触，并通过梯形槽i101和梯形槽ii201压紧及相邻光纤限制共同定位。所述的裸光纤4、底板1、硅盖板2、玻璃盖板3之间的空隙填充有热红外固化胶6，裸光纤4、底板1、硅盖板2、玻璃盖板3通过热红外固化胶6固定连接。

所述底板和硅盖板由单晶硅板制成，单晶硅板经光刻腐蚀在上表面或下表面形成深度相同的多个梯形槽，设置梯形槽的槽深约为裸光纤直径的三分之一，能够保证裸光纤与梯形槽的槽底线性接触。

所述的硅盖板2的前端面与底板1的前端面齐平，玻璃盖板3的后端面与底板1的后端面齐平，玻璃盖板3与硅盖板2之间设置有一间距。本实施例中，玻璃盖板3与硅盖板2之间的间距为2mm。

所述底板1、硅盖板2、玻璃盖板3及多根裸光纤通过epo-tek353ndblack热红外固化胶6固定在一起，热红外固化胶填满底板、硅盖板、玻璃盖板及裸光纤之间所有间隙。

在本实施例中，所述的线性光纤阵列设置为72芯线性光纤阵列，使用72根125um的多模裸光纤（由72芯多模光缆提供），裸光纤4是其中的一根，所述底板1使用10mm×10mm×0.5m的单晶硅板制成，所述硅盖板2使用10mm×4mm×0.5mm的单晶硅板制成，所述用于制成底板和硅盖板的单晶硅板的上下表面的表面平面度值为0.4um，所述玻璃盖板为10mm×4mm×0.5mm的硼化玻璃，硼化玻璃的上下表面的平面度均为0.3um。所述底板1的上表面垂直于待安装的裸光纤轴向由中心向两侧密排且平行设置深度相同的72个等腰的梯形槽i，梯形槽i101是其中的一个。利用单晶硅的各向异性特点，腐蚀形成的梯形槽侧壁角度约为54.7°，控制单晶硅的腐蚀时间使各梯形槽的槽深相同约为40um，槽口宽度约为117um，相邻梯形槽的中心间距为126um，硅盖板2下表面设置有72个梯形槽ii，梯形槽ii201是其中的一个，所述梯形槽i101和梯形槽ii201均为贯通设置，其中梯形槽i101的长度为10mm，梯形槽ii201的长度为4mm。

72根裸光纤4按一定次序密排放置在底板1上的72个梯形槽i内，底板1上的裸光纤上表面涂覆热红外固化胶6，利用裸光纤之间约1um的间隙和epo-tek353ndblack优良的流动性和渗透性，黑色的热红外固化胶向密排的光纤下方渗入并填满裸光纤4与梯形槽i101之间的间隙。在底板1的后端部的裸光纤上方盖上玻璃盖板3，玻璃盖板3的后端面与底板1的后端面齐平，玻璃盖板3横向两端与底板1的横向两端对齐，黑色的热红外固化胶6填满裸光纤与玻璃盖板之间的间隙，多余的固化胶从玻璃盖板3的前后端面溢出（从玻璃盖板上方可以观察热红外固化胶中是否存在空气，否则应排除空气）。

72根裸光纤经玻璃盖板3压置后，已在底板1的梯形槽i内初步定位，检查底板1前端部的裸光纤上方的固化胶是否足够（理想状态是液态胶在裸光纤上方连成片，胶表面水平光亮且胶中无气泡），将所述硅盖板2在底板1的前半部分压置裸光纤，硅盖板2前端面与底板1的前端面齐平，硅盖板2横向两端与底板1的横向两端对齐，硅盖板下底面上的梯形槽ii201与底板上的梯形槽i101的槽口相向对应并挤压裸光纤，完成裸光纤的最终定位，挤压后多余的固化胶从硅盖板前后端面的梯形槽中溢出，硅盖板与玻璃盖板之间2mm的间距形成容胶槽，有利于硅盖板的后端面和玻璃盖板前端面多余的固化胶溢出，可以避免多余的固化胶残留在硅盖板或玻璃盖板下，影响纤芯定位精度。

热红外固化胶填充底板与裸光纤，裸光纤与硅盖板，裸光纤与玻璃盖板之间间隙，并连接底板，裸光纤，硅盖板和玻璃盖板，其固化后的热膨胀系数与裸光纤、硼化玻璃、单晶硅材质的热膨胀系数相近，可避免制成的光纤阵列产品使用中的热应力损坏光纤，更重要的是epo-tek353ndblack热红外固化胶还具有黑色不透光的特性，可避免光纤传输信号相互串扰。

热红外固化胶固化后垂直于裸光纤轴向对阵列端面研磨，通过底板和硅盖板上的数个梯形槽i和梯形槽ii及相邻裸光纤纤芯精确定位的裸光纤端部成线性排列，即形成密排且纤芯精确定位的一种线性光纤阵列。

本实施例中设置的72根裸光纤由深度相同的梯形槽压置，配合密排的裸光纤自身直径尺寸，可以从阵列端面的横向和竖向两个方向同时定位裸光纤，提高单根光纤的定位精度，避免光纤阵列端面横向累积误差和单根光纤的竖向位置误差（72根外径为125um的裸光纤在梯形槽中有序排列后的阵列宽度不及9.1mm，实现了光纤阵列的密排要求），使用玻璃盖板预先将裸光纤初步定位在底板的梯形槽内，有利于硅盖板对裸光纤的最终精确定位。热红外固化胶固化后，对阵列端面进行研磨，即可形成纤芯精确定位的线性光纤阵列，以实现与芯片或与透镜阵列精密耦合。