专利名称：光纤终端的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及光纤终端，具体涉及通过光纤侧面允许光耦合到纤芯的光纤终端。
背景技术：
不断增长的高速话音和数据通信要求导致越来越依靠光通信，具体地说，光纤通信。在许多情况下，利用光信号作为运载工具以高速传输信道信息优于利用诸如微波传输线，同轴电缆和双扭传输线的媒体中其他电磁波长/频率传输信道信息。光媒体的优点是高信道容量(带宽)，更强的抗电磁干扰能力，和较低的传播损耗。事实上，高速光通信系统的信号速率通常是在约每秒几吉比特(Giga/sec)至约几十Giga/sec的范围内。
一种在诸如光纤网络的光通信系统中传输信息的方法是借助于光纤阵列。最终，光纤需要按照这样的方式进行终接，允许光纤连接到其他的光学元件，例如，光源或接收器。通常，被连接的光学元件位于架装板上。当光纤联网设备中框架空间变得密集时，框架中板与板之间的空间变得越来越小，与密集排列板的连接就变得越来越困难。连接器不再能够放置成面向板表面，因此，光纤的光轴垂直于板表面，因为光纤必须弯曲成有很小的弯曲半径，以便适合于插入在密集排列的板之间。通过在板边缘上进行连接，可以避免很小的弯曲半径。然而，边缘连接可能受到多种限制。连接到板边缘不仅限制可能的光信道数目，而且还被迫形成沿相反方向的连接，这对于大多数优选的数据通信光源和接收器是最自然的，例如，垂直腔表面发射激光器(VCSEL)和PIN光电二极管阵列。这些优选的光源和接收器是表面平面器件，与较旧的边缘发射技术比较，它们更广泛地用于联网的应用中。表面平面器件需要限定它们垂直光输入/输出取向的连接。垂直取向带来上述的连接问题，因为面朝上连接在板与板之间密度很大的架装中是不可能的。虽然可以引入附加的元件以实现光从垂直方向到水平方向的弯曲，但是即使添加一个光弯曲元件仍然增大装置的复杂性，这是由于要求光路对准两个接口而不是一个接口。此外，添加光弯曲元件还增加产量损失和成本。
所以，需要一种相对简单和不太昂贵的光纤终端，它具有表面平面器件的电连接优点，而不会在机上组装中引入额外的元件。
发明内容
响应于以上的需要，本发明提供用于光路连接光纤与光学元件的光纤终端，包括光纤夹持件，用于终接光纤的一端以形成光纤连接器；和至少一条光纤，它有远端，近端和纤芯，远端设置在光纤夹持件的外部，而近端保留在光纤夹持件中，有光反射面的光纤近端设置成与光纤纵轴有一角度，可以偏转来自纤芯通过光纤侧面的光。光反射面的取向可以方便地与光纤纵轴有一角度，从而提供光沿光纤纵轴方向入射到反射面上的全内反射。光纤终端还可以包括透射面，放置成接收从光反射面偏转的光。具体地说，光反射面和透射面中的一个或两个面可以包含纤芯的平面侧壁部分。此外，光纤终端可以包含对准特征，例如，定位爪，用于定位与选取光学元件对准的光纤近端。
本发明还提供制造光纤终端的方法，包括以下步骤提供光纤夹持件，它有设置在光纤夹持件正面的对准特征和在正面处容纳光纤的凹形区；把光纤的终端固定到光纤夹持件的凹形区；通过光纤夹持件对准特征与夹具对准元件的对准，联接光纤夹持件与夹具和固定光纤夹持件正面与夹具匹配面；以及抛光光纤的固定终端，使它与光纤纵轴有选取的角度，从而提供有定向的光反射面，可以偏转来自纤芯通过光纤侧面的光。抛光步骤可以包括步骤抛光光纤的终端成一角度，使反射面上的光发生全内反射。该方法还可以包括步骤与光纤纵轴成选取的角度抛光光纤的固定终端，从而在光纤近端形成透射面，它的取向可以接收从光反射面偏转的光。
通过结合附图的阅读，可以更好地理解以上本发明内容和以下详细描述的本发明优选实施例，其中图1表示按照本发明光纤终端的透视示意图；图2表示沿剖面线2-2切割的图1中光纤终端的侧向剖面示意图；图3表示图1中光纤终端的正面示意图；图4表示按照本发明另一种光纤终端结构的侧向剖面示意图；图5表示夹具和与夹具对准的光纤夹持件的侧向示意图，用于抛光纤芯侧壁上的反射面；图6A表示夹具和与夹具固定的光纤夹持件的侧向示意图，用于抛光纤芯侧壁上有缺口的透射面；图6B表示夹具和与夹具固定的光纤夹持件的侧向示意图，用于抛光纤芯侧壁上倾斜的透射面；和图7表示图2中光纤的终端处纤芯的放大示意图。
具体实施例方式
现在参照附图，具体参照图1-3，描述按照本发明的光纤终端100，其中用相同的数字代表相似的元件。光纤终端100配置成在纤芯26与外部光学元件之间提供光的耦合，光的方向不是沿纵轴21的方向。如此处所说明的，术语“光”包括可以在纤芯26内传播的任何波长电磁辐射，它包括可见光谱之外的那些波长。光纤终端100包含纤芯26的反射面25，它与光纤20的纵轴21成倾斜方向。可以方便地选取反射面25的倾斜角，使入射到反射面25上的光发生偏转，从而允许光以基本垂直于光纤20纵轴21的角度射入或射出光纤20。因此，光纤终端100形成光纤20的终端连接器，允许光以基本垂直于光纤20纵轴21的角度与光纤20耦合。
现在更详细地参照图1-3，光纤终端100包括光纤夹持件10，它配置成容纳一条或多条光纤20的终端23。如此处所示，光纤20有包层22围绕的中央纤芯26，而包层22被护套24覆盖。作为举例，光纤20可以是单模光纤，它有8微米直径的纤芯26，125微米直径的包层22，和250微米直径的护套24。
夹持件10包括有一个或多个光纤槽16和一个光纤袋18的正面11，分别容纳光纤20的小宽度部分和邻接光纤20的较大宽度部分。光纤20的小宽度部分可以是光纤20的无护套部分，它包含包层22和纤芯26。光纤20的较大宽度部分可以包含光纤20的护套24。光纤20可以是单光纤绞合或光纤带，在后者的情况下，制成的光纤袋18可以容纳光纤带。
光纤槽16的尺寸能够使光纤20的无护套部分放入到光纤槽16中，因此，无护套部分是在光纤夹持件10正面11的平面之下。此外，可以选取光纤槽16有这样的形状，在包层22与光纤槽16之间形成两点接触。光纤槽16与无护套光纤部分之间的两点接触有助于光纤槽16内光纤20的精确定位，从而改进光纤槽16中各个光纤20的对准。例如，光纤槽可以有V形横截面，其侧壁相对于正面11的平面倾斜以形成两点接触。或者，光纤槽16可以有适合于保留无护套部分的其他形状。例如，这种形状可以包括U形横截面。利用合适的粘合剂，例如，环氧树脂，可以使光纤20固定到光纤槽16中，或者，若光纤20已经金属化，则可以利用焊剂固定光纤20。
各个光纤槽16之间可以有制造方法允许密集排列的选取距离，为了使直线排列的光纤终端100宽度上有最大的光纤堆集密度。或者，如图3所示，各个光纤槽16之间可以有预定的距离，在紧邻光纤槽16的附近形成正面11的平坦区17，从而给光纤袋18内的光纤护套24预留空间。
光纤夹持件10可以有这样的配置，正面11可以设置在光学元件之上，例如，VCSEL或PIN光电二极管阵列，使光纤20可以与光学元件进行光路耦合。在这种情况下，正面11可以包含一个或多个对准特征12，用于光纤夹持件10与选取光学元件的对准。对准特征12是在相对于光纤20终端23的选取位置上，因此，光纤夹持件10可以方便地具有连接器的功能，用于光纤20终端23与选取光学元件的对准。对准特征12可以采用有对准元件14的定位爪或锥形坑13的形式，例如，如图3所示设置的球或棍。或者，对准特征12可以包含穿过光纤夹持件10厚度的通孔。此外，对准特征12可以采用凸块的形式，它是从光纤夹持件10的正面11向外延伸。例如，凸块可以采用销钉的形式。光纤终端100还可以包含光纤终端100与选取光学元件联接的结构。联接结构可以包括设置在光纤终端100正面11上的磁铁或机械方式啮合选取元件上互补匹配结构的夹子。此外，联接结构可以包括提供偏向力的弹簧，它推动光纤终端100的正面11朝向选取的光学元件。
光纤夹持件10可以由具有足够结构强度的合适材料制成，且其中可以形成有上述尺寸的对准特征。例如，一种特别合适的材料是各向异性晶体材料，例如，单晶硅，可以利用各向同性或各向异性过程进行蚀刻以形成光纤槽16和凹坑13。具体地说，利用氢氧化钾溶液通过掩模蚀刻<100>取向的硅，可以制成有V形横截面的光纤槽16。或者，可以通过掩模蚀刻<100>取向的硅以形成有侧壁的对准特征，该侧壁垂直于光纤夹持件10的正面11。除了蚀刻过程以外，可以利用其他的铣削过程，例如，深度反应离子蚀刻(DRIE)，靠模，浇铸，冲压，电铸的铸模过程或它们的组合。光纤夹持件10的其他合适材料包括例如，陶瓷，金属，玻璃，玻璃填充聚合物，以及它们的组合。
为了给沿基本垂直于光纤20纵轴21的光纤20提供光路耦合，在光纤20的终端23形成一个或多个倾斜的表面25。垂直光耦合可以是来自纤芯26的光沿基本垂直于光纤20纵轴21的方向射出。垂直光耦合还可以是来自基本垂直于光纤20纵轴21方向的光射入到纤芯26。为了便于说明，以下的描述涉及这样的情况，其中光沿纵轴21方向传播到光纤20的终端23，并从光纤20射出。然而，本领域专业人员容易理解，以上描述的结构同样适用于来自基本垂直于光纤20纵轴21方向的光射入到纤芯26。
现在参照图2，光纤20的终端23包含倾斜的反射面25，它延伸到至少跨越部分的纤芯26。倾斜的反射面25可以有这样的取向，从光纤20射出的光基本垂直于光纤终端100的正面11。反射面25设置成与光纤20的纵轴21有α＞0的倾斜角，如图7所示。倾斜角α是光纤20纵轴21与反射面25法线之间的夹角。可以选取倾斜角α有这样的数值，入射到反射面25上的光被反射到选取的方向，该方向基本垂直于光纤20的纵轴21。具体地说，反射面25可以是倾斜角为α的平面，使光在反射面25上形成全内反射。若选取的倾斜角α满足条件sin(α)≥n2/n1，其中n1是纤芯26的折射率，而n2是与反射面25邻接的纤芯26以外的折射率，则发生全内反射。通常，反射面25附近纤芯26以外的介质是空气，空气的折射率n2＝1。因此，若sin(α)≥1/n1，则发生全内反射。例如，纤芯26的折射率为1.45，发生全内反射的α值大于或等于45°。
在反射面25上可以有任选的涂层28，用于防止诸如灰尘的外来物质接触反射面25和通过反射面25偏转光射出光纤20。涂层28的折射率应当低于纤芯26的折射率，因此，在反射面25上可以发生全内反射。涂层28的厚度与涂层28内倏逝波的穿透深度相比应当足够地大，因此，涂层28上外来物质的存在不会抑制反射面25上全内反射超出可接受的量。若涂层28加到反射面25上，则必须选取考虑到涂层28存在的倾斜角α，通常，涂层28的折射率大于1。例如，若所加涂层28的折射率大于1，则发生全内反射要求的倾斜角值大于n2＝1情况下的倾斜角值。作为保护反射面25的一个附加选择，可以在反射面25上加一个外罩，用于防止外来物质落到反射面25上。这种外罩可以密封光纤终端，并可以包括上述的联接结构。
择一地或附加地，涂层28可以提供或增强反射面25的反射性质。例如，涂层28可以是在反射面25上形成反射镜的金属或多层薄膜。在反射面25的反射性质基本或完全是由涂层28确定的情况下，不需要选取与发生全内反射所要求角度有关的倾斜角。
反射面25允许光通过光纤20的侧面射出。因此，与反射面25邻近区域的光纤20侧面应当允许光传输通过。在这种情况下，至少在光纤20的终端23侧面，必须去掉护套24(如果不透明)以允许光的传输。此外，如图2和4所示，可能需要去掉纤芯26，326的透射面27，327附近的包层23，323，便于光传输通过纤芯26，326的透射面27，327。透射面27，327设置在相对于反射面25，325的附近位置，用于接收从反射面25，325反射的光。例如，透射面27，327通常设置在反射面25，325的相对位置，便于反射面25，325反射的光传输到纤芯26，326之外。
具体地说，如图2所示，透射面27可以是设置在纤芯26侧壁23上的平面。此外，特别理想的是，提供平坦的透射面27以减小圆柱形侧壁23对光透射通过圆柱形侧壁23产生的任何聚焦效应。透射面27可以有相对于光纤20纵轴21的透射面角β。可以选取这样的透射面角β，使反射面25上反射的光垂直入射到透射面27上。例如，若选取的倾斜角为46°，则透射面夹角可以是1°。此外，可以组合地选取透射面角和倾斜角，使光以基本垂直于光纤20纵轴21的角度通过透射面27射出光纤23。例如，倾斜角可以是45°，而透射面角可以是0°。在透射面角为0°的情况下，纤芯26上的平坦透射面27可能要求纤芯26有缺口。
按照本发明的另一个方面，提供一种制造光纤终端的方法，例如，图1所示的光纤终端100。在制造光纤终端100的一个特别方便方法中，本发明利用抛光技术在纤芯26上形成反射面25和透射面27。
该方法包括步骤提供有多个光纤槽16和至少一个对准特征12的光纤夹持件10。在光纤夹持件10上还可以设置任选的光纤袋18。该方法还包括光纤制备步骤，制备用于插入到光纤夹持件10中的光纤20。光纤制备可以包括步骤在光纤20的终端23去掉所需光纤20长度的护套24，从而形成无护套的小宽度光纤部分和邻接相对大宽度的有护套光纤部分。按照该方法，制备的光纤20放置在光纤夹持件10中。无护套的小宽度光纤部分20放置在光纤槽16中，而邻接相对大宽度的有护套光纤部分20放置在光纤袋18中，如果有光纤袋18。利用合适的粘合剂，例如，环氧树脂，可以把光纤20固定到光纤夹持件10。粘合剂可以密封和围绕光纤10，以便更牢固地把光纤20联接到光纤夹持件10。或者，可以使光纤10金属化，利用合适的焊剂，例如，镍金焊剂，可以使金属化的光纤20保留在光纤槽16中。
作为制成反射面25的部分过程，光纤夹持件10可以联接到夹具50，如图5所示，因此，光纤夹持件10的正面11与夹具50的匹配面55面对面接触。最初，光纤夹持件10可以有长方体形状，虽然也可以利用其他的形状。夹具50上可以有对准元件52，例如，图5所示的球形凸块，它可以配置成与光纤夹持件10的对准特征12匹配，例如，凹坑13。夹具50可以包含有顶角θ的尖端56，它与匹配面55的侧壁53形成顶角。可以选取顶角θ的值等于倾斜角α所需的值。然后，利用平面研磨盘60抛光光纤夹持件10，平面研磨盘60的表面垂直于顶角侧壁53。在夹具50和平面研磨盘60的这种配置中，抛光光纤夹持件10形成的倾斜角α等于θ值。抛光步骤制成反射面25和邻接的光纤夹持件10倾斜端面15，倾斜端面15与光纤20的纵轴21之间的倾斜角为α。
在从光纤20和光纤夹持件10中切削预定量材料之后，抛光过程停止，因此，相对于对准特征12的反射面25位置有预选的值。一种可以停止抛光过程的方便方法是配置能够抗抛光过程中切削的夹具50或至少是夹具50的尖端56。例如，夹具50可以包含诸如硬质合金的材料，它可以抗抛光过程中的切削。因此，当夹具的尖端56与平面研磨盘60接触时，不再从光纤夹持件10或光纤20中切削材料。一旦制成反射面25，可以从夹具50中去掉光纤夹持件10。
现在考虑制成透射面27，图6A表示光纤夹持件10固定到夹具70，其方向允许在纤芯26中形成有缺口29形式的透射面27。该方法包括步骤光纤夹持件10联接到夹具70，使光纤的终端23伸出到夹具70之上。这种伸出可以接触到需要制成透射面27的部分光纤20。夹具70上可以配置对准元件72，例如，图5所示的球形凸块，它可以配置成与对准特征12匹配，例如，光纤夹持件10中的凹坑13。在透射面抛光步骤中，利用工具抛光光纤夹持件10和光纤20使光纤20形成缺口，从而提供有缺口29形式的透射面27。或者，该方法包括步骤利用图6B所示的夹具结构制成这样的透射面27，透射面27相对于光纤20纵轴21有倾斜的透射面角。
图6B表示光纤夹持件610固定到夹具80，其方向允许在光纤20上制成倾斜的透射面。该方法包括步骤光纤夹持件610的装配面619联接到夹具80，从而接触到光纤夹持件610正面611相邻的光纤20侧面。装配面619可以是在与光纤夹持件610正面611相对的位置。光纤夹持件610的装配面619可以包含一个或多个对准特征616，用于光纤夹持件610与夹具80的对准。例如，对准特征616可以具有槽，坑，通孔或凸块的形式。夹具80上可以配置对准元件，例如，球形凸块，它配置成与光纤夹持件的610装配面619上的对准特征616匹配。在透射面抛光步骤中，利用工具90抛光光纤夹持件610和光纤20，它相对于光纤20的纵轴有倾斜角，从而形成相对于光纤20纵轴有透射面角的倾斜透射面。
根据以上的详细说明，本领域专业人员可以理解本发明的这些和其他优点。因此，在不偏离本发明较宽的创新概念条件下，本领域专业人员知道，可以对上述实施例作各种变化和改动。所以应当明白，本发明不局限于以上描述的具体实施例，它包括权利要求书所涉及精神和范围内所有的变化和改动。
权利要求
1.一种光纤终端，用于光纤与光学元件的光路连接，包括光纤夹持件，用于终接光纤的一端以形成光纤连接器；和至少一条光纤，它有远端，近端和纤芯，远端设置在光纤夹持件的外部，而近端保留在光纤夹持件中，有光反射面的光纤近端设置成与光纤纵轴成一角度，可以偏转来自纤芯通过光纤侧面的光。
2.按照权利要求1的光纤终端，包括透射面，放置成接收从光反射面偏转的光。
3.按照权利要求2的光纤终端，其中透射面包含纤芯的抛光侧壁部分。
4.按照权利要求3的光纤终端，其中透射面的取向可以接收从反射面偏转的正入射光。
5.按照权利要求3的光纤终端，其中透射面包含纤芯的平面侧壁部分。
6.按照权利要求1的光纤终端，其中反射面包含纤芯的平面侧壁部分。
7.按照权利要求1的光纤终端，其中光纤夹持件包括对准特征，用于光纤近端与光学元件的对准。
8.按照权利要求7的光纤终端，其中对准特征包括定位爪。
9.按照权利要求1的光纤终端，其中光纤夹持件包括晶体基片。
10.按照权利要求1的光纤终端，其中光纤夹持件包括单晶硅。
11.按照权利要求1的光纤终端，包括反射面上设置的涂层。
12.按照权利要求11的光纤终端，其中涂层包括反射涂层。
13.按照权利要求11的光纤终端，其中涂层包括保护涂层，用于防止全内反射在反射面上受抑。
14.按照权利要求1的光纤终端，其中至少一条光纤包括光纤带。
15.按照权利要求1的光纤终端，其中光纤包括预定宽度的大宽度部分和邻接的相对小宽度的小宽度部分，且其中波导夹持件包括容纳小宽度部分的槽和容纳大宽度部分的袋。
16.按照权利要求1的光纤终端，其中反射面的取向是这样的，当光沿光纤纵轴的方向入射到反射面上时发生全内反射。
17.一种制造光纤终端的方法，包括以下步骤提供有对准特征和凹形区的光纤夹持件，对准特征设置在光纤夹持件的正面，而在正面的凹形区用于容纳光纤；把光纤的终端固定到光纤夹持件的凹形区；通过光纤夹持件对准特征与夹具对准元件的对准，联接光纤夹持件与夹具和固定光纤夹持件的正面与夹具的匹配面；和与光纤纵轴有选取的角度抛光光纤的固定终端以形成光反射面，光反射面的取向可以偏转来自纤芯通过光纤侧面的光。
18.按照权利要求17的方法，包括步骤与光纤纵轴有选取的角度抛光光纤的固定终端以便在光纤的近端形成透射面，透射面的取向可以接收从光反射面偏转的光。
19.按照权利要求17的方法，其中提供有对准特征的光纤夹持件的步骤包括步骤提供包括定位爪的对准特征。
20.按照权利要求17的方法，其中抛光步骤包括步骤以某个角度抛光光纤的终端，可以使光在反射面上发生全内反射。
全文摘要
提供一种光纤终端和制造光纤终端的方法。光纤终端配置成在纤芯与外部光学元件之间形成光的耦合，而光的方向不同于纵轴方向。具体地说，光纤终端允许光以基本垂直于光纤纵轴的角度耦合到光纤中。
文档编号G02B6/24GK1578920SQ02821649
公开日2005年2月9日 申请日期2002年11月8日 优先权日2001年11月8日
发明者诺尔·A·黑克斯 申请人:希普雷公司