专利名称：玻璃粘接纤维束及其制造方法
技术领域：
本发明通常涉及纤维光学束，更具体地说，本发明涉及具有紧固于具有焊接用玻璃的支架构件上的不含缓冲剂、无套层的光纤的纤维光学束。
背景技术：
在从数字通信到光学计算的应用范围中，随着增加系统带宽的需求，多种光通道(诸如光纤)的使用已经变得相当普遍。同时，在这些应用中，小型化依然是重要的目标。高纤维填充密度有助于实现小型化并增加空间带宽产品。另外，由于必须使得纤维芯精确地与系统的其他装置或纤维对齐，因此纤维芯的精确定位是获得可接受系统性能中的关键性目标。纤维束提供了用于在努力实现小型化并在纤维中提供精确对齐的同时处理多光纤的理想方法。
通常，纤维包括内芯和被封入在缓冲剂和外护层中的包层。为了使得填充密度最大化，只有纤维、芯和围绕物包层的信息承载部分需要接近于所述束的输入和输出部分。通常围绕包层的缓冲剂和护层为芯和包层提供结构上的支撑但是不执行光学功能。例如，纤维可具有250微米的护层直径和125微米的包层直径。因此，护层和任何中间缓冲剂的去除可在线性填充密度方面增加2倍。
除提供高填充密度的愿望以外，提供一个纤维芯相对于另一个纤维芯的精确稳定的定位对于光学性能来说也是关键性的。在纤维的信号承载部分(即，纤维芯)之间没有精确的相对定位的情况下，可能会导致光学性能方面无法接受的巨大变化或降级，诸如耦合损耗和插入损耗。纤维芯之间在亚微等级方面的移动或未对准都可引起该无法接受的性能。例如，8微米的芯直径是具有以上列出的护层直径和包层直径的单模纤维的典型尺寸。因此，甚至是1微米的光学芯的移动或未对准都代表芯直径的移动或未对准的重要部分。
另外，在许多应用中高度期望在20年或更长的产品寿命上提供这样的亚微精确度。为了使得包括紧固于支撑元件以及彼此固定的光纤的结构的产品寿命最大化，在纤维束的制造中所使用的材料和制造方法必须是环境稳定的以便于在十年间持久地将光纤连接于支撑元件。
有关于影响纤维束稳定性的一个因素是用于将光纤紧固于支撑元件的粘接材料的选择。目前使用的粘接材料存在多种不足。例如，目前使用的粘接材料通常具有无法接受的热膨胀系数，所述热膨胀系数不同于光纤和光纤紧固于其上的支撑元件的热膨胀系数。当经受温度变化时，热膨胀系数上的差异可影响纤维的稳定性和相对位置。另外，一些通用的粘接材料可吸收水分，这可明显降低粘接材料将光纤彼此牢牢紧固以及将其紧固于支撑元件的能力。水分的吸收还可趋向于使得粘接材料膨胀，这可导致粘接材料的尺寸变化，这可损伤光纤与支撑元件之间的连接。例如，从粘接材料的尺寸变化中可导致光纤从支撑元件处的移动甚至是从其上的分离。此外，长期暴露于其他环境条件(诸如热、氧化以及感光降解)下可导致在所述暴露期上粘接材料的破裂。与使用某些粘接材料有关的另一个缺点是，无法接受的通常在高温下的超长处理时间的要求，这可阻碍大量生产。
因此，在本领域中还存在对于提供具有被精确布置并相对于彼此以及相对于支撑元件被安全紧固的纤维芯的纤维束的材料和方法的需求。
发明内容
依照本发明提供了一种纤维光学束。所述束包括具有纤维支撑表面的衬底。所述纤维支撑表面提供光纤可被布置于其上的参考基准。所述束还包括具有包括无套层、不含缓冲剂的光学芯部分的纤维部分的光纤。所述光学芯部分包括芯并且可包括围绕所述芯设置的包层。所述无套层、不含缓冲剂的光学芯部分与所述纤维支撑表面相接触以便于相对于支撑表面将光学芯部分定位在选定位置处。另外，所述束包括通过化学方法粘接于光学芯部分和纤维支撑表面的焊接用玻璃，以使得光学芯部分相对于衬底的支撑表面被固定在预定位置处。任选地，焊接用玻璃被提供为两层或多层焊接用玻璃。可将焊接用玻璃选择得使得所粘接的焊接用玻璃具有基本与芯部分和衬底中的一个或多个的热膨胀系数相匹配的热膨胀系数。
根据本发明的另一个方面，提供了用于制造纤维光学束的方法。所述方法包括提供具有光纤可被布置于其上的纤维支撑表面的衬底的步骤。所述方法还包括提供具有包括无套层、不含缓冲剂的光学芯部分的纤维部分的光纤的步骤。所述方法还包括将所述光学芯部分布置得与所述纤维支撑表面相接触以便于相对于支撑表面将光学芯部分定位在选定位置处。任选地，布置光学芯部分的步骤可包括提供具有纤维对齐导向器的工具并且将光学芯部分布置得与纤维对齐导向器对齐并将光学芯部分压入到焊接用玻璃中的步骤。另外，所述方法还包括通过化学方法将焊接用玻璃粘接于光学芯部分和纤维支撑表面，以使得光学芯部分相对于衬底的支撑表面被固定在预定位置处。通过化学方法粘接焊接用玻璃的步骤还可包括加热焊接用玻璃以使得焊接用玻璃充分变软从而与光学芯部分和纤维支撑表面形成化学粘接的步骤。
结合附图阅读将可更好地理解本发明优选实施例的前面的概述和以下的详细描述，其中图1示意性地示出了具有设置于衬底的纤维支撑表面上的一层焊接用玻璃的衬底的侧视图，并且示出了具有纤维V-槽的工具，用于将多个光纤相对于彼此和相对于衬底保持在选定位置处；图2示意性地示出了图1的衬底和工具的侧视图，其中工具被布置得使得光纤与衬底的纤维支撑表面接触对齐；图3示意性地示出了图2的衬底的侧视图，其中工具被移除以便于产生本发明的纤维束；图4示意性地示出了图3的衬底的侧视图，其中保护性材料覆盖光纤；图5示意性地示出了图3的衬底的侧视图，其中用粘接材料将盖罩衬底密封在光纤上；图6A示意性地示出了其结构与图1的衬底和工具相似的衬底和工具的侧视图，但是具有更厚的焊接用玻璃层以便于提供充足量的焊接用玻璃，从而使得工具盖印可被形成于焊接用玻璃中；
图6B示意性地示出了图6A的衬底和工具的侧视图，其中工具被布置得使得光纤与衬底的纤维支撑表面接触对齐，并且其中焊接用玻璃充满光纤与V-槽之间的可进入区域；图6C示意性地示出了图6B纤维束的侧视图，其中工具被移除，并且其中倾斜侧壁工具盖印被形成于围绕纤维的区域中的焊接用玻璃中；图7A示意性地示出了衬底和工具的侧视图，所述工具具有设置在纤维保持V-槽中的多个光纤，其中一层焊接用玻璃覆盖所述光纤；图7B示意性地示出了图7A的衬底和工具的侧视图，其中工具被布置得使得光纤与衬底的纤维支撑表面接触对齐，并且其中焊接用玻璃充满光纤与V-槽之间的区域；图7C示意性地示出了图7B纤维束的侧视图，其中工具被移除，并且其中倾斜侧壁工具盖印被形成于焊接用玻璃中；图8示意性地示出了衬底的侧视图，所述衬底具有其中第一焊接用玻璃设置于其上以便于提供在其上设置多个光纤的纤维支撑表面的不规则上表面；图9示意性地示出了衬底的侧视图，所述衬底具有焊接用玻璃被形成于其上的纤维支撑表面以提供这样的焊接用玻璃区域，在所述区域处光纤可被紧固于所述衬底；图10A和10B分别示意性地示出了用于在制造本发明所涉及的纤维束期间支撑衬底和多个光纤的基板的顶视图和侧视图；图11示意性地示出了图10B的基板的组件以及用于制造本发明所涉及的纤维束的辅助部件的侧视图；以及图12示意性地示出了已装配好的图11的纤维束的侧视图。
具体实施例方式
本发明涉及将光纤与支撑元件之间精确安装以使得纤维芯相对于支撑元件的选定部位在精确指定的位置处被安全经久地连接于支撑元件，从而提供光纤束。提供纤维芯相对于支撑元件的精确布置对于当纤维束与其他系统部件结合使用时纤维芯与其他光学元件对齐的能力是关键性的。通常，光纤具有由包层围绕的中心光学芯，所述包层由缓冲剂和套层覆盖。纤维芯相对于支撑元件的精确布置是通过将不含缓冲剂、无套层的光纤部分相对于支撑元件的基准参考表面相对齐而提供的。使用玻璃质的粘接材料(诸如焊接用玻璃)将被精确布置的纤维芯固定在适当的位置中，从而经久地保持纤维芯相对于支撑元件的位置。特别是，本发明尤其适用于提供一种全玻璃光纤装置，诸如光纤束，其中支撑元件、光纤以及粘接材料都是以玻璃为基础的材料。
现在参照附图，其中所有的附图中相同的元件都用相同的附图标记表示，具体参照图1-3，其中示出了本发明所涉及的光纤装置及其制造方法。具体地，本发明的光纤装置被示为光纤束，通常表示为100。然而，本发明不局限于所述光纤束，而是具有适用于可得益于光纤与支撑元件之间的精确布置和固定安装的任何纤维装置的更广泛用途。因而本发明适用于用在光纤pig-tailed装置和例如包含光纤或纤维残头的光学装置包装中。
现在具体参照图1，其中示出了可用于制造本发明所涉及的光纤束100的光纤40、以及支撑元件、即衬底10的结构。所述支撑元件被提供为通常具有矩形截面形状的衬底10。尽管以长方体的形式示出了该形状，但是其他形状也可适用于衬底10。衬底10包括用于在相对于衬底10的预定位置处接收并支撑光纤40的纤维支撑表面12。纤维支撑表面12可采用适合于支撑光纤40的任何形状。例如，如图1中所示的，纤维支撑表面12可为基本平坦的表面。另外，纤维支撑表面12可随意地包括一个或多个对齐结构以便于提供各个光纤40可相对于其布置的导向器。例如，所述对齐结构可采用凹入到衬底10中的V-槽形式以便于将光纤40接收于其中。或者，所述对齐结构可采用从衬底10处向外延伸的突出部分形式以便于提供各个光纤40可相对于其被对齐的凸起导向器。
衬底10可包括适合于为光纤40提供支撑表面12并具有与用于产生纤维束100的工艺相适合的材料特性的任何材料，借此光纤40被精确经久地固定于衬底10。例如，衬底10可包括玻璃、陶瓷、金属、熔融石英、硅、铌酸锂、热固性树脂、ZERODUR及其组合。具体地，衬底10可包括具有一种或多种与纤维40的物理特性相似的物理特性(诸如，热膨胀系数)的以玻璃为基础的材料，提供具有充分与光纤40的热膨胀系数相配的热膨胀系数的衬底10可导致纤维束100相对于温度变化的提高的稳定性。
在衬底10的纤维支撑表面12附近提供光纤40将被放置于其中的玻璃质粘接材料，即，焊接用玻璃30。焊接用玻璃30可作为连续层被设在衬底10的纤维支撑表面12上，所述连续层具有当纤维40被布置得与纤维支撑表面12相接触时足以使得纤维40被嵌入到焊接用玻璃30的选定深度中的厚度。或者，另外，如图9中所示，焊接用玻璃93可在选定位置(光纤94将在该位置处被粘接于衬底90)处被形成于衬底92的纤维支撑表面92上。另外，如以下参照图8更全面地描述的，可将不只一层焊接用玻璃30设在衬底10上。
焊接用玻璃30可包括多种不同材料，包括(但不局限于)以氧化铅为基础的材料、磷酸银、氧化银、氧化钒、以及其他玻璃形成材料、媒介或改良剂。具体地，焊接用玻璃30可主要包括以玻璃微粒(诸如玻璃粉)形式提供的、用于在加热焊接用玻璃30的基础上将光纤40化学地粘接于衬底10的玻璃质粘接材料。焊接用玻璃30还可包括其他成分，诸如粘合剂和填充物。用于与本发明结合使用的焊接用玻璃成分的示例可在美国专利5,334,558、4,945,071和4,933,030中找到，在这里合并参考所述专利5,334,558、4,945,071和4,933,030的内容。其他示范性材料可从美国俄亥俄州的托莱多的SEM-COM购买到。SEM-COM材料的示例包括以下所列示的材料，所述材料具有以下提供在安全性数据库上的特性和公称成分(重量百分比)。
SCB-2硼酸铅锌玻璃SCB-8硼酸铅玻璃＜75％PbO，＜90％PbO，＜25％B2O3， ＜15％B2O3，＜10％ZnO，＜5％非晶质SiO2，＜5％非晶质SiO2， ＜5％Al2O3。
＜5％Al2O3，＜5％BaO，＜5％CuO。
B-10091硼酸铅玻璃B-10095硼酸铅玻璃＜90％PbO，＜85％PbO，＜10％TiO2， ＜10％TiO2，＜10％B2O3， ＜5％B2O3，＜1％非晶质SiO2。
＜2％SiO2，＜2％Al2O3。
图表1选定的焊接用玻璃的典型特性
焊接用玻璃还可包括溶剂(诸如异丙醇)，例如被加入到焊接用玻璃30中以提供可被便利地施加于衬底10上的糊剂或稀浆。包含在焊接用玻璃30中的溶剂量可被改变以获得焊接用玻璃30的期望粘度。例如，可提供较小量的溶剂，以使得焊接用玻璃30具有稠浆状的浓度以使得一旦被施加于纤维束的选定元件(诸如衬底10的纤维支撑表面12)时，糊状焊接用玻璃30将趋向于保留在焊接用玻璃30最初被施加的位置处。
焊接用玻璃30具有被选择得具有适合于允许焊接用玻璃30的玻璃质粘接材料(诸如玻璃微粒或玻璃粉)软化并且化学地粘接于光纤40与衬底10的熔点或玻璃态转化温度的成分。具体地，焊接用玻璃30的玻璃质粘接材料的熔点温度被选择得低于光纤40和/或衬底10的包芯的熔点，以使得在向焊接用玻璃30施加足以软化焊接用玻璃30的热量时，光纤40和/或衬底10不会无法接受地变形或无法接受地化学改变，例如，芯扩散。例如，焊接用玻璃可具有大约为350℃到450℃的熔点。
另外，通常期望焊接用玻璃30具有基本超过纤维束100的最大要求操作温度的玻璃态转化温度。例如，如果要求最大操作温度为85℃的话，那么焊接用玻璃30可最好具有150℃或200℃的玻璃态转化温度。除了玻璃态转化温度特性以外，玻璃质粘接材料最好可具有基本与纤维40和衬底10中一种或多种的热膨胀系数相匹配的热膨胀系数，从而增强纤维束100相对于温度变化的耐久性。
继续参照图1，工具20将多个纤维40控制在相对于衬底10的期望位置处。工具20包括多个对齐导向器，诸如V-槽22，所述纤维40可靠着所述V-槽22布置或可被布置于V-槽22中。例如，如图1中所示的，多个V-槽22可被设在工具20的纤维布置表面26中，光纤40可相对于彼此被安装在V-槽22的预定位置处。V-槽22可以一系列通常平行的具有侧壁28的槽的方式被形成在布置表面26中，所述侧壁28相对于布置表面26的平面倾斜。还可以具有适合于保留光纤40的其他截面形状的其他凹入零件的形式提供对齐导向器。所述形状可包括，例如，U形截面。V-槽22可被布置得沿横向以预定节距彼此隔开。如图1中所示的，V-槽22可被布置得隔开预定距离以使得布置表面26的平坦表面27被形成在纵向延伸的V-槽22的中间。工具20还可随意地包括设置得与V-槽22气体相通的一个或多个真空口24，以使得可向V-槽22提供吸力以便于将光纤40保持得与V-槽侧壁28相接触。
光纤40可被提供为不含缓冲剂、无套层的光纤部分，所述光纤部分包括纤维芯和包层以便于提供其中可以以充分的精确度相对于衬底10布置光学芯的光纤部分。可选择地，无需提供包层，只要接触纤维芯的装配好的纤维束100的材料(诸如焊接用玻璃30和衬底10)具有足以保持纤维芯的期望光线运输特性的光学特性就可以。提供具有无缓冲剂或套层的光纤40对于为许多市场上可买到的光纤提供纤维芯相对于衬底10的精确布置是至关紧要的，这是由于缓冲剂和套层的尺寸公差(直径和同心度)没有被充分良好地控制以从缓冲剂或套层中提供对齐从而提供纤维芯的充分精确的定位而导致的。相反，芯和包层的尺寸公差十分精确。
具体地，缓冲剂和套层相对于包芯的同心度可显示出无法接受的巨大变化，从而当参照相应的缓冲剂或套层进行所述对齐时会阻挠第一纤维40的光学芯与第二纤维40的芯对齐。例如，对于通用的纽约Corning(城市)的SMF-28纤维的单模纤维来说，芯相对于包层的位置，即，芯-包层同心度被精确为0.5微米范围内。然而，缓冲剂相对于包层的位置，即，缓冲剂-包层同心度可变为差不多12微米。因此一个光纤的缓冲剂相对于另一个光纤的缓冲剂的对齐可导致相应的包芯相差24微米的相对布置。因此，通过相应缓冲剂的对齐而彼此紧靠连接的两个纤维可形成这样的结构，其中各个纤维芯未对准高达24微米。由于纤维芯的直径为8微米，因此两个纤维芯之间大于8微米的未对准形成了其中光能无法从第一纤维传输到第二纤维的一种连接。因此，关于8微米纤维芯的位置在纤维光学束100中12微米那么多的对齐不确定性可致使纤维光学束100不可用，这是由于不能容易便利地相对于纤维芯布置其他光学部件。为此，在光纤40被保留在工具20中并与衬底10的纤维支撑表面12相接触的区域中没有为光纤40提供缓冲剂或套层。
接下来描述工具20，工具20的V-槽22的尺寸被制定得能够使得不含缓冲剂、无套层的光纤40被V-槽22保持在适当的位置中以使得纤维40延伸得超过工具20的布置表面26。因此，如图2中所示的，纤维40的一部分突出足够的距离以使得当纤维40被工具20压入到与衬底10相接触时纤维40可与衬底10的纤维支撑表面12相接触。具体地，如图2中所示的，可将V-槽22的深度和V-槽22沿横向的宽度选择得确保包层42与V-槽22之间的两点接触以及与衬底10的纤维支撑表面12相接触。与工具20的V-槽22之间的两点接触有助于将纤维40精确布置于V-槽22中，这导致了布置于V-槽22中的纤维40之中的改进的对齐。如图1和图2中所示的，V-槽22可以以选定的距离相隔开，可通过加工方法在容许范围内尽可能地使得V-槽22彼此靠近以便于在所述束100的宽度上沿线性使得纤维填充密度最大化。
工具20可包括适合于保持光纤40并具有与用于产生纤维束100的工艺相适合的材料特性的任何材料。例如，工具20可包括玻璃、陶瓷、硅、热固性树脂、及其组合。另外，如果在纤维束100的制造期间工具20与软化的焊接用玻璃30相接触的话，工具20最好可包括不会粘住软化的焊接用玻璃30的材料。可通过工具20表面上与软化的焊接用玻璃30相接触的层提供工具20的不粘特性。例如工具20可被涂以铂、金、氮化硼或其他所述适合的材料。
而且，如果工具20被包含为最终纤维束100的部分的话，那么工具20可包括具有与纤维40、衬底10以及焊接用玻璃30中的一种或多种的热膨胀系数相似的热膨胀系数的材料。在这样的情况下，提供具有与光纤40的热膨胀系数充分匹配的热膨胀系数的工具20可导致纤维束100在经受温度变化时具有提高的稳定性。然而，最好不将工具20包含为最终纤维束100的部分，以便于降低纤维束100的成本。
现在参照图1-3，将描述本发明所涉及的形成纤维束100的方法。如图1中所示以及以上所述的，衬底10具有设置于纤维支撑表面12上的一层焊接用玻璃30。工具20被布置于该层焊接用玻璃30上方的选定位置处同时将光纤40保持在工具20的V-槽22中并且不与焊接用玻璃30相接触。如图2中所示的，工具20朝向衬底10移动充分的距离以使得纤维40与衬底10的纤维支撑表面12对齐接触。如果焊接用玻璃30的粘性在环境温度下足够低以允许纤维40与纤维支撑表面12相接触的话，在焊接用玻璃30处于环境温度下时工具20可移动。另外，在工具20移动之前，也可加热焊接用玻璃30，例如以便于降低焊接用玻璃30的粘性以允许光纤40接触衬底10的纤维支撑表面12。
在光纤40被布置在与纤维支撑表面12相接触的期望位置处时，向焊接用玻璃30提供充足的热量以使得焊接用玻璃30变软或变粘，以使得焊接用玻璃30的玻璃质粘接材料化学地将纤维40粘接于衬底10。可通过能够提供用于软化焊接用玻璃30的充足量的、适合类型的能量的任何装置提供所述热量。例如，可通过微波辐射、热能、电磁辐射、红外线辐射、离子轰击、以及其组合的方式加热焊接用玻璃30的玻璃质粘接材料。焊接用玻璃630无需被加热到足以使得玻璃质粘接材料完全液态化的温度，尽管也可采用所述液态化温度，只要保持纤维40之中的期望对齐以及纤维40的期望光学特性。在焊接用玻璃30的加热期间，期望非玻璃质粘接材料，即，溶剂和包层可被烧掉以使得基本上只有玻璃质粘接材料保留在粘接的焊接用玻璃35中，如图3中所示的。
在焊接用玻璃30的充分冷却以将纤维40固定在适当的位置中之后，可移除工具20并且冷却粘接的焊接用玻璃35和其他被加热的结构，以产生其中光纤40被精确经久地固定于衬底10的纤维束100。在粘接之后，所粘接的纤维40的端面以及衬底10的相邻边缘可被便利地磨光。另外，为了进一步覆盖和保护所粘接的纤维40，如图4中所示的，罩面材料50可被提供在所粘接的纤维40的周围以密封纤维40。罩面材料50可包括环氧树脂、树脂、焊接用玻璃或具有用于保护光纤40免于受到纤维束100可遭受的环境条件的影响的期望特性的其他材料。具体地，最好如此选择罩面材料50，即，使得罩面材料50的热膨胀系数基本与光纤40、粘接的焊接用玻璃35和衬底10中一种或多种的热膨胀系数相配。如果在将其施加到纤维束100上期间加热罩面材料50的话，期望罩面材料50所被加热到的温度低于软化粘接的焊接用玻璃35所需的温度，以使得当将罩面材料50施加到纤维束100上时被加热的所粘接的纤维40不会相对于衬底10移动。
作为另一个选项，如图5中所示的，可提供盖子60以覆盖并密封所粘接的光纤40。盖子60可通过粘接材料55被固定于所粘接的纤维40。粘接材料55可包括环氧树脂、树脂、焊接用玻璃或足以将盖子60固定于纤维40的其他材料。具体地，粘接材料55可为其软化温度低于粘接的焊接用玻璃35的软化温度的焊接用玻璃，以使得当将粘接材料55施加到纤维束100上时所粘接的纤维40不会相对于衬底10移动。
在图7A-7C中示出了用于装配本发明所涉及的纤维光学束700的替换方法。参照图7A，其中示出了衬底710、工具720、光纤740以及焊接用玻璃730，其中每种的成分和结构都与图1相似命名的元件相似。其中的一个差异在于工具720无需包括如图1中所示的工具20所具有的真空口。
装配纤维光学束700的程序包括将光纤740布置于工具720的V-槽722中的步骤。工具720被如此定向，即，使得V-槽722被布置于工具720的上表面726中，从而重力可足以保持光纤740与侧壁728相接触。一层焊接用玻璃730被沉积在工具720的上表面726上的光纤740周围。如图7B中所示的，衬底710和工具720朝向彼此移动以使得衬底710的纤维支撑表面焊料712与光纤740相接触。
在光纤740被布置在与纤维支撑表面712相接触的期望位置处时，向焊接用玻璃730提供充足的热量以使得焊接用玻璃730变软或变粘，以使得焊接用玻璃730的玻璃质粘接材料化学地将纤维740粘接于衬底710。可通过以上所述的任何装置提供所述热量。焊接用玻璃730无需被加热到足以使得玻璃质粘接材料完全液态化的温度，尽管也可采用所述液态化温度，只要保持纤维740之中的期望对齐以及纤维740的期望光学特性。在焊接用玻璃730的加热期间，期望非玻璃质粘接材料可被烧掉以使得基本上只有玻璃质粘接材料保留在粘接的焊接用玻璃735中，如图7C中所示的。在焊接用玻璃730的充分冷却以将纤维740固定在适当的位置中之后，可移除工具720并且进一步冷却粘接的焊接用玻璃735和其他被加热的结构，以产生其中光纤740被精确经久地固定于衬底710的纤维束700。
如图8中所示的，依照本发明提出了由具有粗糙上表面811的衬底810所构成的纤维束800的另一种结构。衬底810具有粗糙的上表面811，所述上表面811具有可能不适用于为纤维840提供安装表面的形状。因此，第一焊接用玻璃层832被设在衬底810的粗糙上表面811附近以提供具有期望形状(诸如平面)的纤维支撑表面812。可在施加上部焊接用玻璃层834和光纤840之前将第一焊接用玻璃层832施加于衬底810。可将第一焊接用玻璃层832加热到至少其软化温度并且甚至可将其加热到其熔化温度，以使得可提供具有期望几何形状的纤维支撑表面812。可通过熔化的第一焊接用玻璃层832的流动简单地形成所期望的几何形状。或者，另外，通过用适当的工具盖印第一焊接用玻璃层832可将纤维支撑表面812的期望几何形状赋予软化或熔化的第一焊接用玻璃层832。
在加热之后，在将上部焊接用玻璃层834施加在第一焊接用玻璃层832上之前，可使得第一焊接用玻璃层832局部冷却或完全冷却到环境温度。上部焊接用玻璃层834最好可具有低于第一焊接用玻璃层832熔点的熔点。在施加上部焊接用玻璃层834之后，纤维840被压入到上部焊接用玻璃层834中以使得纤维840接触第一焊接用玻璃层832的纤维支撑表面812。可使用与在纤维光学束100的制造中所使用的类似型式的工具将纤维840压入到上部焊接用玻璃层834中。
在光纤840被布置在与纤维支撑表面812相接触的期望位置处时，向上部焊接用玻璃层834提供充足的热量以使得上部焊接用玻璃层834变软或变粘，以使得上部焊接用玻璃层834的玻璃质粘接材料化学地将纤维840粘接于第一焊接用玻璃层832。在这种结构中，上部焊接用玻璃层834用于将光纤840粘接于第一焊接用玻璃层832的纤维支撑表面812，从而将光纤840粘接于衬底810。期望上部焊接用玻璃层834被加热到的温度低于使得第一焊接用玻璃层832软化所需的温度，因此纤维支撑表面812不会变形，以允许纤维840在粘接期间相对于衬底810移动。在上部焊接用玻璃层834加热之后，冷却所述装置以产生纤维束800，并且其中光纤840被精确经久地固定于衬底810。
在图6C中示出了本发明所涉及的光纤束600的另一种结构，其中来自于工具620的盖印634被设在纤维束600的粘接的焊接用玻璃635中。参照图6A，其中示出了衬底610、工具620、光纤640以及焊接用玻璃630，其中每种的成分和结构都与图1相似命名的元件相似。其中的一个差异在于焊接用玻璃630的层厚度较大，因此焊接用玻璃630可充满光纤640与V-槽622之间的可进入区域632中。在图6A-6C中按顺序示出了形成纤维束600的方法。
衬底610具有设置于衬底610的纤维支撑表面612上的一层焊接用玻璃630。工具620被布置于这层焊接用玻璃630上方的选定位置处，同时将光纤640保持在工具620的V-槽622中并且不与焊接用玻璃630相接触。如图2中所示的，工具620与衬底610朝向彼此移动充分的距离以使得纤维640与衬底610的纤维支撑表面612对齐接触。如果焊接用玻璃630的粘性在环境温度下足够低得允许纤维640与纤维支撑表面612相接触的话，在焊接用玻璃630处于环境温度下时工具620可移动。另外，在工具620移动之前，也可加热焊接用玻璃630，例如以便于降低焊接用玻璃630的粘性以允许光纤640接触衬底610的纤维支撑表面612并且允许焊接用玻璃630可充满光纤640与V-槽622的侧壁628之间的可进入区域632。
在光纤640被布置在与纤维支撑表面612相接触的期望位置处时，向焊接用玻璃630提供充足的热量以使得焊接用玻璃630变软或变粘，以使得焊接用玻璃630的玻璃质粘接材料化学地将纤维640粘接于衬底610。可通过以上所述的任何装置提供所述热量。焊接用玻璃630无需被加热到足以使得玻璃质粘接材料完全液态化的温度，尽管也可采用所述液态化温度，只要保持纤维640之中的期望对齐以及纤维640的期望光学特性。在焊接用玻璃630的加热期间，期望非玻璃质粘接材料，即，溶剂和包层可被烧掉以使得基本上只保留粘接的焊接用玻璃635中的玻璃质粘接材料，如图6C中所示的。
在焊接用玻璃630的充分冷却以将纤维640固定在适当的位置中之后，可移除工具620并且冷却粘接的焊接用玻璃635和其他被加热的结构，以产生其中光纤640被精确经久地固定于衬底610并且其中工具盖印634被设在粘接的焊接用玻璃635的纤维束600。
示例依照图11所示的方法制造纤维束1000。提供了由IB芯片构成的基板1005，在图10A和10B中示出了所述基板1005具有4mm宽的沟渠1007，所述沟渠1007被切成约0.6mm深，从而在沟渠1007的任一侧上留下了成一直线的V-槽1002。沟渠1007的尺寸被制定为用于容纳0.525mm厚的派热克斯玻璃(Pyrex)衬底1010，以使得所述衬底1010可恰好位于布置于V-槽1002中的Corning50/125多模光纤1040的下面。
如图11中所示的，衬底1010被布置于基板1005的沟渠1007中，并且使用匹配的V-槽盖1070将纤维1040的无套层、不含缓冲剂的部分固定在基板1005上。靠近于衬底1010的纤维1040的无套层、不含缓冲剂的部分被涂以非常轻的SCB-8稀浆涂层(异丙醇中的)以确保纤维1040与衬底1010的良好粘附。在使得溶剂干燥之后，将B-10095粉末布置于靠近于衬底1010的纤维1040的部分上并且将派热克斯玻璃(Pyrex)盖1060布置在顶部。然后热处理整个组件以熔合玻璃。通过将该组件放置于预热的加热板上而将该组合加热到420-430℃。在420-430℃温度下均热5-10分钟之后，在大约10℃/分钟的速度下将该部分冷却到310℃，然后在310℃下均热20分钟。之后在最大为约10℃/分钟的冷却速度下将该部分冷却至120℃。
在冷却之后，将束1000与纤维套层1042之间的光纤1040的暴露的无套层、不含缓冲剂的部分涂以蠕变材料1050，Dymax 9001 ver3.1，以保护纤维1040不受湿度和应力的影响。完成的部分看起来如图12中所示的。
从前述描述中本领域普通技术人员将明白本发明的这些和其他优点。因此，本领域普通技术人员将明白的是，在不脱离本发明的广义发明思想的条件下可对上述实施例作出改变或修正。因此应该理解的是，本发明不局限于文中所描述的具体实施例，而是应趋向于包含落在如权利要求中所阐述的本发明的保护范围和精神内的所有改变和修正。
权利要求
1.一种纤维光学束，所述束包括具有纤维支撑表面的衬底，所述纤维支撑表面提供光纤可被布置于其上的基准参考；具有包括无套层、不含缓冲剂的光学芯部分的纤维部分的光纤，所述光学芯部分被布置得与所述纤维支撑表面相接触以便于相对于支撑表面将光学芯部分定位在选定位置处；以及通过化学方法粘接于光学芯部分和纤维支撑表面的焊接用玻璃，以使得光学芯部分相对于衬底的支撑表面被固定在预定位置处。
2.依照权利要求1中所述的纤维光学束，其特征在于，所述光学芯部分包括芯和围绕所述芯设置的包层。
3.依照权利要求2中所述的纤维光学束，其特征在于，所述焊接用玻璃具有基本与包层的热膨胀系数相匹配的热膨胀系数。
4.依照权利要求1中所述的纤维光学束，其特征在于，所述焊接用玻璃具有基本与光学芯部分的热膨胀系数相匹配的热膨胀系数。
5.依照权利要求4中所述的纤维光学束，其特征在于，所述焊接用玻璃具有基本与衬底的热膨胀系数相匹配的热膨胀系数。
6.依照权利要求1中所述的纤维光学束，其特征在于，所述纤维支撑表面包括平坦表面。
7.依照权利要求1中所述的纤维光学束，其特征在于，所述焊接用玻璃包括与衬底相接触的第一焊接用玻璃层和设置于第一焊接用玻璃层上表面上的第二焊接用玻璃层。
8.依照权利要求7中所述的纤维光学束，其特征在于，所述第一焊接用玻璃层的上表面包括纤维支撑表面。
9.依照权利要求7中所述的纤维光学束，其特征在于，所述第一焊接用玻璃层的熔点高于第二焊接用玻璃层的熔点。
10.依照权利要求1中所述的纤维光学束，其特征在于，所述衬底包括玻璃、陶瓷、硅以及热固性树脂中的至少一种。
11.依照权利要求1中所述的纤维光学束，其特征在于，所述焊接用玻璃包括连续层。
12.依照权利要求1中所述的纤维光学束，其特征在于，所述焊接用玻璃被形成于衬底上的选定位置处以便于接收光纤部分。
13.一种用于制造纤维光学束的方法，所述方法包括以下步骤提供具有光纤可被布置于其上的纤维支撑表面的衬底；提供具有包括无套层、不含缓冲剂的光学芯部分的纤维部分的光纤；将所述光学芯部分布置得与所述纤维支撑表面相接触以便于相对于支撑表面将光学芯部分定位在选定位置处；以及通过化学方法将焊接用玻璃粘接于光学芯部分和纤维支撑表面，以使得光学芯部分相对于衬底的支撑表面被固定在预定位置处。
14.如权利要求13中所述的方法，其特征在于，布置光纤芯部分的步骤包括提供具有纤维对齐导向器的工具的步骤并且包括将光学芯部分布置得与纤维对齐导向器对齐。
15.如权利要求14中所述的方法，其特征在于，通过化学方法粘接焊接用玻璃的步骤包括在与纤维对齐导向器对齐的光学芯部分上提供焊接用玻璃的步骤。
16.如权利要求13中所述的方法，其特征在于，通过化学方法粘接焊接用玻璃的步骤包括在衬底的纤维支撑表面上提供焊接用玻璃的步骤。
17.如权利要求16中所述的方法，其特征在于，布置光纤芯部分的步骤包括提供具有纤维对齐导向器的工具的步骤并且包括将光学芯部分布置得与纤维对齐导向器对齐并且将光学芯部分压入到焊接用玻璃中。
18.如权利要求16中所述的方法，其特征在于，所述焊接用玻璃具有稠浆状的浓度。
19.如权利要求13中所述的方法，其特征在于，通过化学方法粘接焊接用玻璃的步骤包括加热焊接用玻璃以使得焊接用玻璃充分变软从而与光学芯部分和纤维支撑表面形成化学粘接的步骤。
全文摘要
依照本发明提供了一种纤维光学束(100)。所述束包括具有纤维支撑表面的衬底(10)。所述束(100)还包括具有包括无套层、不含缓冲剂的光学芯部分的纤维部分的光纤。所述无套层、不含缓冲剂的光学芯部分被布置得与所述纤维支撑表面(12)相接触以便于相对于支撑表面(12)将光学芯部分定位在选定位置处。另外，所述束(100)包括通过化学方法粘接于光学芯部分和纤维支撑表面的焊接用玻璃，以使得光学芯部分相对于衬底(10)的支撑表面(12)被固定在预定位置处。还提供了用于制造所述纤维光学束(100)的方法。
文档编号G02B6/36GK1564953SQ02819852
公开日2005年1月12日 申请日期2002年9月9日 优先权日2001年9月7日
发明者马丁·G·梅德尔, 威廉·斯泰西, 明道加斯·F·道塔塔斯, 丹·A·斯坦伯格 申请人:希普雷公司