用于将光纤侧耦合到光电组件的器件和方法

专利名称：用于将光纤侧耦合到光电组件的器件和方法
技术领域：
本发明一般涉及光学器件及其制造方法。更具体地说，本发明涉及一种用于将光电组件(例如，半导体光源、检测器)或其他光学器件(例如，波导器)侧耦合到安装在硅衬底内所形成的凹陷V槽通道中的光传输线路(例如，光纤)的器件和方法。
背景技术：
小型高效光传输线路如光纤的发展导致了光通信在需要例如长距离、高数据速率通信的很多应用如电信中的广泛应用。光纤典型地包括由透明包覆材料包裹的透明芯，其中，包覆材料的折射率比芯低。此外，光纤(芯和包覆层)典型地覆盖有直径为250微米的聚合物缓冲层以及用来进一步保护光纤和提供机械强度的外部聚合物套层。光纤传输线路提供低成本、小型、低EMI(电磁干扰)和长距离的高速数据传输。
典型地，光电收发器器件包括采用连接器连接到光纤的接收器和/或发送器。一般而言，发送器包括具有发射通过光纤传输的光信号的光源的半导体模(die)。各种发光二极管(LED)和激光器可以用作光源。例如，垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)是一种专用激光二极管，它被开发用来提高光纤通信的效率及其数据速度。通过设计，VCSEL发射垂直于半导体层间边界的相干能量。VCSEL典型地具有直径约为10-15微米的发射区域，并且将光耦合到光纤中(对于多模光纤，典型地具有约50微米直径芯)。
此外，接收器包括具有从光纤接收光信号的光检测器(例如，光电二极管)的半导体模。一般，容许光电二极管直径依赖于信号速度。对于10Gb/s信号，光电二极管的直径典型地约为35微米(或更小)。随着信号速度的提高，光电二极管直径必须减小以减小检测器的容量。
当光学收发器(和其他光学器件)安装在PCB(印刷电路板)上时，一般最好将光纤置于与PCB的表面平行(相对于与PCB垂直)。通过这种方式，可以将多个PCB(其上安装有光纤和光学器件)相互平行地紧密隔开。例如，光电器件(例如，VCSEL阵列和PD(光电检测器)阵列)可以使用氮化硅底支架(sub mount)或者在柔性电路上相互平行地直立安装。
当光纤置于与PCB的表面平行时，存在各种耦合技术可以用于在光源/检测器与光纤之间耦合光。例如，在半导体光源是顶面或底面发射器的光学器件(例如，VCSEL)中，一种耦合技术是将光纤置于与PCB平行，并且提供90度弯曲，从而使光纤的一端对接于光源或检测器。由于光纤的最小弯曲半径大，因此该方法需要PCB之间的间隔大，并且导致光损耗增大，这对于很多应用可能是不可接受的。
其他耦合技术包括“侧耦合”方法，其中，光纤的端部相邻于光源/检测器并且在使用或不使用反射镜的情况下将光(垂直于光纤轴线发射)耦合出入光纤。例如，图1a和1b示出一种传统侧耦合方法，用于通过沿着光纤的一端提供锐角切面来从其侧面将光耦合出入光纤，例如发明人为D.Stigliani、发布日期为1978年5月30日、标题为“Side-Coupling of Light For An Optical Fiber(光纤的光侧耦合)”的美国专利No.4,092,061所述，在此将其引作参考。
更具体地说，如图1a和1b所示，包括由透明包覆材料3包裹的纤芯2的光纤1在其一端形成有反射锐角刻面(facet)4，它用作侧耦合出/入光电器件5(例如，顶面或底面发射器光源、检测器)的光的反射镜。光纤1使得与光电器件5的表面平行(或者与包括器件5的模块、芯片等平行)，该表面基本上平行于纤轴6，从而使光电器件5相邻于光纤1中与反射刻面4的内表面相对的一侧而对齐。反射材料淀积在刻面4的外表面上。
采用图1a和1b所示的侧耦合方法，在垂直于光纤中轴6的平面内发射的光最好基本上平行于光纤中轴6而反射到光纤芯2中。此外，在平行于纤轴6的光纤内向反射斜角刻面4传播的光反射出纤芯2而通过包覆层3至检测器。如图1a所示，位于光电器件5与纤芯2的切面端4的内表面之间的曲线光纤包覆材料3担当柱面透镜，以使来自光源的光部分准直至纤芯2中以及减小从光纤向检测器5传播的光的发散。
如果衬底被去除或者对于感兴趣光的波长足够透明，则光电器件5可以置于面(或接面)朝上(如图1a和1b所示)或者面(或接面)朝下。对于高速电信号，以面朝下的方式安装光电器件并且使用焊接块将光电器件直接连至VCSEL驱动器或者光电二极管放大器芯片存在很多潜在优点，但是在以面朝上的方式安装光电器件的情况下随后的组合和对齐较容易。
用于在光纤的一端使用45度斜刻面来将光耦合出入光纤的多种方法在美国专利No.4,329,659、5,163,113、6,031,953、6,081,637和6,389,202中有描述。
在上面专利中所述的光耦合系统和方法全有下述缺点。一个缺点是光电器件5与光纤1的中央的最近可能间距受到光纤1包括芯2和包覆层3的半径的限制。
另一个缺点是除非使用折射率匹配材料，否则从光纤1到光电检测器耦合出的光在平行于纤轴6的方向上比垂直于光纤的方向上散出更多。这将导致不对称发散，从而难以使用其他光学装置来对光聚焦。即使在光纤(在其一端具有45度刻面)与光电二极管之间使用折射率匹配材料，由于光传播距离的光发散也将导致光点大小增大。
例如，VCSEL的全宽半最大分布在空气中大约为+/-15度。使用具有50微米芯直径和标准包覆层的标准光纤，光纤的总直径为125微米。因此，假定光纤的外表面直接接触光电检测器表面，则从纤芯的中央到光电检测器的光径将约为62.5微米长。如果光折射率为1.5，则由于62.5微米的非导向光的传播，光点大小每侧将增大11微米，或者50微米直径光点将增至72微米直径。该大光点大小对于需要较低光耦合损耗的将来高速光学通信系统将是不可接受的。
将来，可能使用具有较小芯直径例如30微米的多模光纤。在这种情况下，由于未导向光通过包覆层的传播而产生的光点直径增大对于最终的光点大小将占甚至更大的比例。
因此，需要一种当侧耦合光时最小化纤芯与光电器件之间的距离以最大化将出入光纤或光纤阵列的光耦合到光电器件或光电器件阵列的装置。
典型地，当构建集成光学器件时，光纤安装并固定于蚀刻在硅衬底内的V槽通道中。例如，图3是可以用于安装光纤阵列的传统硅V槽阵列的示例性端视图。硅V槽阵列包括硅衬底20，在其一侧上形成有多个V槽通道21。光纤22(包括芯23和包覆层24)使用公知方法固定在各V槽通道21中。该安装方法允许阵列中光纤的中轴以所需中央距离C精确间开，该距离与各V槽21的侧壁的汇聚点之间的距离一致。
上述光纤间开/安装技术可以用于各种应用。例如，该方法可以用来精确对齐光纤的斜端与激光二极管，以侧耦合光，如发明人为P.Melman、发布日期为1992年11月10日、标题为“Laser-To-FiberCoupling Apparatus(激光器-光纤耦合装置)”的美国专利No.5,163,113所述。
此外，V槽通道安装方法可以用来形成光学连接器。例如，图2是传统光纤阵列连接器10的透视图。连接器10包括两个薄板11和12(例如，硅板)，在其表面上均形成有光纤支持通道阵列11a、12a(V槽)，其中，光纤支持通道阵列11a、12a的形成方向对应于要安装在其中的光纤的纵向方向。多个光纤13使用公知夹钳和粘结方法固定于薄板11、12之间的对应通道11a、12a中。
一般而言，基于硅V槽阵列的如图2所示的连接器通过如下步骤形成(1)将V槽通道蚀刻到硅衬底中，并且从晶片(wafer)切出硅板(具有通道)；(2)将光纤粘结在上下板的对应V槽之间；然后(3)研磨和抛光连接器的匹配端，从而使光纤的端部与V槽板11、12的边缘共面。对于将不是使用折射率匹配材料永久性连接的连接器，最好让光纤略微突出在V槽板的边缘之外以确保连接光纤之间不存在任何间隙。
硅V槽阵列最好用于形成如图2和3所示的硅间开芯片和连接器，因为硅V槽阵列可以容易地通过单晶硅的各向异性蚀刻以高精度制造。更具体地说，在硅中形成V槽基于硅晶片的晶体在晶体点阵的不同表面(100、110、111)上每单位面积具有不同的原子密度并且蚀刻速率沿着晶体点阵的不同方向而不同这一知识。此外，硅是具有低热膨胀系数的极刚硬材料，这一属性使硅是安装光纤的理想材料。
用于在硅衬底中形成V槽通道的方法是公知的，并且例如在Fiber-Optic Array Splicing with Etched Silicon Chips(采用蚀刻硅芯片的光纤-光学阵列接合)，C.M.Miller，The Bell System TechnicalJournal，Vol.57 No.1，1978年1月，PP.75-90，Accurate SiliconSpacer Chips for an Optical Fiber Cable Connector(光纤缆连接器的准确硅间隔芯片)，C.M.Schroeder，The Bell System TechnicalJournal，Vol.57，No.1，1978年1月，PP.91-97以及Wet BulkMicromachining(湿成批显微机械加工)，Chapter 4，Fundamentals ofMicrofabrication(微型制造基础)，Marc Madou，CRC Press，1997中有描述，在此将其全引作参考。
对于可以与其他连接器和器件连接/卸开的连接器，最好形成对齐销或其他结构以允许精确对齐。对于永久性连接，可以将光学透明粘合剂如UV(紫外线)凝固胶施加于光纤的一端和V槽衬底的边缘，其中，组合件是“活动对齐的”，也就是，在调整一个组合件与第二组合件的相对位置的同时监视光传输，以优化耦合效率。当对齐是满意的时，如果使用UV胶，则将接合处暴露于UV光以凝固接合处。
使用UV胶有一个显著优点是接合可以在不施加任何温度的情况下在对齐夹具中迅速形成。最好使UV胶层尽可能地薄，因为通过接合的光耦合效率将由于胶的吸收和不再限于光纤的光的分散而随着胶合厚度的增大而减小。这将导致一个严重问题，因为如果由硅V槽衬底支持的光纤阵列接合到不传输UV光的另一组合件，则在胶层薄例如小于5-10微米的情况下难以或者不可能适当暴露和凝固形成接合的UV胶。另外，对于使用对齐销的连接器，当将V槽块连在一起时，可能难以从上看到导销所进入的空腔。
本发明对与传统侧耦合技术和传统光纤连接器相关联的所有上述问题以及其他问题提供一种解决方案。

发明内容
本发明的一个目的是当侧耦合光时最小化光纤芯与光学组件(例如，光电器件(或阵列)、成像器件、光导器件等)之间的距离，从而最大化出入光纤或光纤阵列的光到光学组件的耦合。
本发明的另一个目的是提供一种用于安装光纤的改进型硅V槽通道(或改进型硅V槽通道阵列)，它允许使用衬底表面作为抛光停止处来去除包覆层的精确控制部分，从而可以减小纤芯与向其侧耦合的光学组件(例如，光电器件)之间的间距，从而改善光耦合。
本发明的另一个目的是使用本发明的改进型V槽通道提供一种改进型光纤连接器及其制造方法。
本发明涉及使用改进型硅V槽或硅V槽阵列来安装光纤以及侧耦合出/入光纤的光的光学器件、组件和方法，其中，V槽(用于精确对齐/间开光纤)“凹陷”在硅表面之下。
在本发明的一方面，一种用于将光纤侧耦合到光学组件的方法包括在第一衬底中形成凹陷V槽通道并且将光纤安装在凹陷V槽通道中，从而使光纤的包覆层的一部分伸出第一衬底表面之外。对光纤进行抛光从而基本上去除伸出第一衬底表面之外的包覆层部分。以相对于光纤轴线的一定角度对凹陷V槽通道的一端进行切割和/或抛光，以在光纤的一端形成反射斜角刻面。然后，将第一衬底粘结到包括光学组件的第二衬底从而使光纤的反射斜角刻面与光学组件对齐并且光纤的抛光表面基本上接触光学组件的表面。光学组件可以是例如光电器件、光成像器件或者光导器件。
最好是通过各向异性湿蚀刻第一衬底的表面以形成V槽通道然后干蚀刻第一衬底以将V槽通道凹陷至第一衬底表面之下的所需深度来形成凹陷V槽通道。另外，抛光步骤包括使用衬底表面作为抛光停止处。
在本发明的另一方面，一种用于制造凹陷光纤阵列的方法包括在衬底中形成凹陷V槽通道阵列，并且将光纤安装在这些凹陷V槽通道中，从而使各安装光纤的包覆层的一部分伸出衬底表面之外。然后对光纤进行抛光从而基本上去除伸出衬底表面之外的包覆层部分。可以使用衬底表面作为抛光停止处。然后以相对于光纤轴线的一定角度对衬底的一端进行切割和抛光，以在各光纤的一端形成反射斜角刻面。
另外，为形成凹陷光纤阵列，可以可选地在衬底中形成一个空腔，该空腔相邻于各凹陷V槽通道的端部，用于临时粘结光纤缆的聚合物缓冲层部分，同时从聚合物缓冲层部分伸出的光纤(芯和包覆层)安装在凹陷V槽通道中。然后可以切割衬底以去除包括其中安装有缓冲层的空腔的衬底部分。在本发明的另一方面，一种用于制造光学连接器的方法包括形成第一衬底和第二衬底，其中，在第一衬底的第一部分中具有第一V槽通道阵列并且在第一衬底的第二部分中具有第一空腔，并且在第二衬底的第一部分中具有第二V槽通道阵列并且在第二衬底的第二部分中具有第二空腔。然后，剥除光纤缆的端部以提供从其伸出光纤(芯和包覆层)的包括缓冲聚合物层的光纤缆(带芯、包覆层和缓冲层的光纤)的一部分。然后将被剥光纤缆安装在第一和第二衬底之间以形成连接器，其中，缓冲聚合物部分安装在第一和第二衬底的凹陷空腔中，并且从缓冲聚合物部分伸出的光纤(芯和包覆层)安装在第一和第二衬底的对应V槽通道中。
在本发明的另一方面，一种用于制造光学连接器的方法包括蚀刻衬底，以在衬底的第一部分中形成第一锥形V槽通道阵列，并且在衬底的第二部分中形成第二锥形V槽通道阵列，其中，第一和第二阵列中的各锥形V槽通道相对于衬底表面倾斜(也就是，V槽通道的深度沿着通道的轴向而改变)，并且第一阵列中的各锥形V槽与第二阵列中的锥形V槽轴向对齐。然后，蚀刻第一阵列的锥形V槽以在衬底的第一部分中形成凹陷V槽通道。蚀刻衬底的第二部分和第二阵列的锥形V槽通道以在衬底中形成一个在其底部形成有凹陷V槽通道阵列的空腔。然后，剥除光纤缆的端部，从而使端部包括从其伸出光纤(芯和包覆层)的缓冲聚合物层部分(带芯、包覆层和缓冲层的光纤)。然后，将光纤缆的被剥端部安装在衬底中，从而使缓冲聚合物部分安装在衬底第二部分的凹陷空腔中并且使从缓冲聚合物部分伸出的光纤安装在衬底第一部分的凹陷V槽通道中。通过抛光或研磨去除伸出衬底表面之外的光纤和聚合物缓冲层部分。然后以一定的角度对安装了光纤的衬底端部进行切割和抛光，以在各光纤的一端形成斜角刻面，并且在斜角刻面上形成反射表面。然后，可以将所得到的光学连接器直接侧耦合到光学组件(例如，包括光电器件阵列的衬底)。
在本发明的另一方面，一种用于在光纤与光学组件之间侧耦合光的器件包括具有凹陷V槽通道的第一衬底以及安装在凹陷V槽通道中的光纤。光纤包括纤芯和包覆层，其中，包覆层的一部分包括与第一衬底表面基本上齐平的抛光表面。光纤在其一端包括反射斜角刻面。第一衬底包括基本上垂直于光纤轴线抛光且可连至光纤连接器的匹配端部。第一衬底的表面可以粘结到包括光学组件的第二衬底的表面，从而使光纤的反射斜角刻面与光学组件对齐并且光纤的抛光表面基本上接触光学组件的表面。
在本发明的另一方面，光学连接器包括第一衬底和第二衬底，其中，在第一衬底的第一部分中具有第一V槽通道阵列并且在第一衬底的第二部分中具有第一空腔，并且在第二衬底的第一部分中具有第二V槽通道阵列并且在第二衬底的第二部分中具有第二空腔。光纤缆安装在第一和第二衬底之间，其中，光纤缆的缓冲聚合物部分安装在第一和第二衬底的凹陷空腔中，并且从缓冲聚合物部分伸出的光纤安装在第一和第二衬底的对应V槽通道中。
在本发明的另一方面，一种光学连接器包括在衬底的第一部分中具有第一凹陷V槽通道阵列并且在衬底的第二部分中具有第二凹陷V槽通道阵列的衬底。第一和第二阵列中的各凹陷V槽通道相对于衬底表面倾斜，并且第一阵列中的各凹陷V槽与第二阵列中的凹陷V槽轴向对齐。光纤缆安装在衬底中，其中，具有包括芯、包覆层和缓冲层的光纤的光纤缆的缓冲聚合物部分安装在衬底第二部分的凹陷V槽通道中，并且从光纤缆的缓冲聚合物部分伸出的包括纤芯和包覆层的光纤安装在衬底第一部分的凹陷V槽通道中。将伸出衬底表面之外的光纤包覆层和缓冲层部分抛光成基本上与衬底表面齐平。该光学连接器可以直接侧耦合到光学组件(例如，包括光电器件阵列的衬底)，并且其中安装有光纤的倾斜凹陷V槽通道提供足够的应力消除以防止光纤断裂。
根据下面结合附图的优选实施例详细描述，本发明的这些和其他方面、特性和优点将得到描述且变得清楚。


图1a和1b是示出用于在光纤与光电器件之间侧耦合光的传统方法的图；图2是传统硅V槽连接器的端透视图；图3是用于侧耦合光的传统硅V槽阵列的端视图；图4是根据本发明一个实施例的用于侧耦合光的凹陷V槽阵列的端视图；图5a、5b、5c和5d示出根据本发明一个实施例的制造用于侧耦合光的凹陷V槽阵列的方法，其中，图5a和5b示出用于形成凹陷V槽通道的方法，并且图5c和5d示出用于在凹陷V槽通道中安装光纤并对其抛光的方法；图6a和6b示出根据本发明一个实施例的形成用于侧耦合光的凹陷V槽阵列的方法，其中，图6a示出包括多个抛光光纤的凹陷V槽阵列的斜端的端视图，并且图6b是沿着剖面线BB所取的图6a的剖面图；
图7a、7b和7c示出根据本发明一个实施例的用于侧耦合光的光纤连接器件和方法，其中，图7(a)是包括连接到凹陷V槽连接器以将光侧耦合到光电器件阵列的V槽阵列连接器的光纤连接器的侧视图，图7(b)是示出用于将V槽连接器连接到凹陷V槽连接器的方法的图7(a)的顶视图，并且图7(c)是凹陷V槽连接器和V槽连接器的匹配端的端视图；图8、9、和10是示出根据本发明一个实施例的用于制造凹陷V槽光纤的方法的图，其中，图8(a)和8(b)分别是制造过程中的一个步骤的顶视图和侧视图，图9(a)和9(b)分别是制造过程中的另一个步骤的顶视图和侧视图，并且图10(a)和10(b)分别是制造过程中的另一个步骤的顶视图和侧视图；图11、12、和13是示出使用直接连至光纤带缆的一端的用于侧耦合光的锥形凹陷V槽制造光纤阵列连接器的方法的图，其中，图11(a)和11(b)分别是制造过程中的一个步骤的顶视图和侧视图，图12(a)和12(b)分别是制造过程中的另一个步骤的顶视图和侧视图，并且图13(a)和13(b)分别是制造过程中的另一个步骤的顶视图和侧视图；图14是示出V槽通道与安装在其中的光纤之间的几何关系的图。
具体实施例方式
本发明涉及使用改进型硅V槽或硅V槽阵列安装光纤以及侧耦合出/入光纤的光的光学器件、组件和方法，其中，V槽(用于精确对齐/间开光纤)“凹陷”在硅表面之下。用于形成凹陷硅V槽或V槽阵列的本发明方法允许光纤凹陷在硅衬底表面之下，从而可以使用硅表面作为抛光停止处去除(研磨)伸出硅表面之上的包覆层的精确控制部分。在包覆层被去除的情况下，当光纤硅阵列连接到光电器件阵列例如VCSEL阵列时，纤芯与光电器件之间的间距减小，从而改善光耦合。
作为示例，更具体地说，图4示出根据本发明一个实施例的硅V槽阵列的端视图，它包括硅衬底30，在其一侧形成有多个支持通道31(或凹陷V槽通道)。光纤22(包括包覆层24和芯23，如图所示)使用在此所述的方法固定在各支持通道31中。各支持通道31包括具有基本上垂直侧壁32的上部(凹陷部分)和具有收拢倾斜侧壁33的下部，其中，下部可以或可以不包括平坦或近似平台的底部。实质上，支持通道31可以视作凹陷在硅衬底30的表面之下的V槽。
一般而言，根据本发明一方面的用于在硅衬底30中形成支持通道31的方法组合使用湿干蚀刻，以首先使用各向异性湿蚀刻过程在衬底30中形成V槽，然后使用有向硅反应性离子蚀刻(RIE)过程将V槽凹陷至所需深度。该方法允许光纤22以所需量凹陷在硅衬底30的表面之下，然后使用硅表面作为“抛光停止处”去除包覆层24的精确控制部分24a(伸出硅衬底30的表面之上)。这与图3所示的传统V槽相比提供一个显著优点，在图3所示的传统V槽中，当对晶片表面抛光以去除伸出表面之上的包覆层部分24a时使用硅衬底20的表面作为抛光停止处将是非常困难的。
具体而言，在图3中，考虑光纤阵列22，其中，光纤22具有带62.5微米芯的标准125微米直径，并且光纤的中央相距250微米(用“C”表示的间距)，这是当前光纤带缆中光纤的标准间距。为将光纤的中央置于硅表面之下的41.25微米处(也就是，在芯23的边缘与硅衬底20的表面之间保留10微米的包覆层(用“E”表示))，则包含光纤的槽将需要为211.43微米宽(用“D”表示)或者在槽之间将剩有约38.57微米的原始硅表面(用“B”表示)。向下研磨至硅表面之后的包覆层区域的宽度(用“A”表示的宽度)将是约94微米，从而当到达硅表面时，被抛光的玻璃或硅面积将增大约40％(即，从面积的约38％到约53％)。这不是非常显著的面积增大，并且在研磨操作期间可能难以检测，尤其是在考虑到用来将光纤固定到V槽中的粘合剂在某些地方有可能超出硅表面平面之上并且所被抛光的玻璃光纤的面积量也将越来越大的情况下。没有足够的“抛光停止处”使组件制造更困难，减小产量，并且增大保留在纤芯上的玻璃包覆层的厚度差异。
本发明的用于形成凹陷V槽光纤阵列的方法有利地允许使用硅表面作为抛光停止处来抛去伸出硅表面之上的包覆层。考虑图4的示例性实施例，其中，假定光纤22具有带62.5微米芯的125微米直径，从而使光纤的中央位于硅衬底30的表面之下的41.25微米处，也就是，在芯23的边缘与硅衬底30的表面之间保留10微米的包覆层(“E”)，并且光纤的中央相距250微米(“C”)。组合使用各向异性湿蚀刻和有向硅RIE来形成凹陷V槽通道31，在V槽上居中的凹陷区域将是135微米宽(用“D’”表示的宽度)，或者在槽之间将剩有约115微米的原始硅表面(用“B’”表示)。如同上面，向下研磨包覆层至硅衬底30的表面之后的包覆层区域的宽度(“A”)将是约94微米，但是现在，当到达衬底30的表面时，所被抛光的玻璃或硅的面积将增大约120％(即，从面积的约38％到约84％)。
图5a、5b、5c和5d示出根据本发明一个实施例的制造用于侧耦合光的凹陷V槽通道的方法。总体而言，初始步骤(图5a)是使用公知技术对硅衬底40进行各向异性湿蚀刻以形成硅V槽41。下一步，执行有向硅RIE(反应性离子蚀刻)过程以“凹陷”V槽41至所需深度，以形成凹陷V槽通道42(图5(b))。由于倾斜侧壁的硅蚀刻速率比平坦硅表面高，因此可能在凹陷V槽通道42的底部形成平坦区域43。
更具体地说，最好使用热KOH(氢氧化钾)或TMAH(氢氧化四甲基铵)和水溶液执行初始各向异性湿蚀刻过程。单晶硅衬底最好具有[100]取向，并且槽的掩模边缘与{100}方向对齐。各向异性湿蚀刻导致从晶片表面以54.75°向内形成侧壁的由(111)平面限定的V槽。可以使用氮化硅作为KOH和水的掩蔽层，并且可以使用二氧化硅或氮化硅层作为TMAH和水蚀刻溶液的掩蔽层。假定掩模平行或垂直于{100}方向，则V槽的宽度由掩蔽层的开口大小和各向异性蚀刻期间发生的任何掩模凹刻(undercutting)来确定。V槽的深度由垂直蚀刻速率和蚀刻时间来确定。
为凹陷V槽，优选反应性离子蚀刻组合使用SF6、NF3或CF4和O2以及载气如氩。可选地，可以使用基于Br或Cl的蚀刻剂如SiCl4/Cl2、BCi3/Cl2、HBr/O2或者任何其他适当化合物来执行RIE。典型的操作压力约为100毫托。
在形成凹陷V槽通道42之后，通过任何适当粘结技术使用粘结材料44将光纤22粘结到凹陷V槽通道42中(图5c)。凹陷V槽通道42的形状用来精确定位光纤22。研磨或抛去光纤包覆层24伸出硅表面之外的部分24a，停止在硅衬底40的表面上或其附近(图5d)。抛光表面与纤芯23之间的距离(用“E”表示)最好大于或等于10微米。
考虑多种因素来确定剩余包覆层的最佳厚度E。例如，对于光耦合效率，最好在将光耦合出入芯层的地方最小化厚度E。实际上，由于光在未导向地通过包覆层传播的时候将发散，因此出/入纤芯的光耦合将减少。
所要考虑的另一因素涉及渐变折射率或分阶折射率光纤内的光传播，其中，最好保持芯层上的包覆层的最小厚度以防止光耦合出芯。虽然光纤的芯大小是明确定义的，但是与传播光相关联的电磁(EM)场超出芯至包覆层。这些EM场在包覆层中呈指数下降，但是大量光能可能在包覆层内传播。最好是保持最小包覆层(例如，约10微米)以保证光纤中正确的光导。
最好，使用安装在抛光盘上或者通过浆(slurry)或糊(paste)安装在抛光板上的金刚石、氮化硅或其他研磨材料执行机械抛光或研磨以研磨包覆层，其中，夹具将工件保持在相对于旋转抛光盘或板的所需方位上并且施加适当的力。对于初始抛光/研磨期间，使用较粗的砂粒(大小约为3微米)来获得较快的去除速率。然后，逐渐使用较细的砂粒来实现所需的表面磨光。
最好，最小化突出在硅表面之上的光纤粘合剂量，因为当砂粒嵌入在粘合剂中并且阻碍进一步抛光时，粘合剂会干扰抛光过程。如果必要，可以增加附加处理步骤来例如通过蚀刻或机械去除来去除任何突出在硅表面之上的粘合剂。当研磨光纤包覆层时，可以用于检测终点(即，当到达硅表面时)的一种方法是监测用于旋转抛光盘或抛光板的电机的电机电流，如美国专利No.5,308,438所述。另一种方法是监测抛光速率，因为当到达硅表面时，抛光速率将由于表面面积的增大而降低。
图6a示出根据本发明一个实施例的用于侧耦合光的凹陷V槽阵列的端视图，它可以使用图5a-5d所示的方法来形成。根据本发明一个实施例的凹陷V槽阵列45包括在硅衬底40中形成的多个凹陷V槽通道42，其中，各通道42具有安装在其中的抛光光纤22’。
然后以相对于光纤轴线的角度φ(例如，45度)切割且抛光包含要耦合到光电器件的凹陷光纤的V槽通道(图5d)或V槽阵列(图6a)的一端，并且最好将所得到的表面涂覆反射材料以形成反射镜。例如，图6b是沿着剖面线BB所取的图6a的凹陷V槽阵列45的剖面图。垂直于光纤轴线对V槽阵列45的另一端进行抛光以提供可以将连接器与之相连的表面，从而完成形成用于侧耦合光的改进型V槽阵列，例如图7a所示。
需要理解的是，如美国专利No.5,163,113所述，可以在不使用在刻面上形成的反射镜(如图6(b)所示)的情况下通过完全内反射在光纤的斜端(斜角刻面)将光耦合出入光纤。具体而言，可以以一定的角度形成斜端，从而使例如从激光二极管发射的光到达斜端的内面，并且完全内反射到纤芯中。在这种情况下，无须在倾斜端的外表面上形成反射材料来形成发射镜。然而，这不是耦合出/入光纤的光的优选方法，因为所得刻面上的污垢或其他材料如粘合剂会散光，并且根据光源的散度，所有光都可能不反射到纤芯中或者反射到光电检测器。
需要理解的是，在此所用的术语“反射斜角刻面”可选地表示(I)使用在其上形成的反射镜以将光反射出入纤芯或者(II)在不使用在斜角刻面的表面上形成的反射镜的情况下使用来自其斜角表面的光的完全内反射以将光反射出入纤芯的光纤一端的斜角刻面。
图7a、7b和7c示出根据本发明一个实施例的用于将光纤侧耦合到光电器件的光纤连接器件及其制造方法。更具体地说，图7a是用于将光纤侧耦合到硅载体52的包括凹陷光纤阵列51和V槽阵列连接器54的光学连接器50的侧视图。例如，硅载体52可以包括用于齐平安装O/E阵列53的凹口。O/E阵列芯片53可以包括例如面朝上安装的VCSEL和/或光电二极管或者其他光电器件阵列。硅载体52还包括用于连接到凹口中齐平安装的O/E器件53的表面线路以及也可以安装在硅载体52上或者凹陷在其内的其他支持芯片如VCSEL驱动器、PD接收器、多路复用和多路分解芯片。
凹陷光纤阵列51包括固定在硅衬底内所形成的凹陷V槽通道中的多个抛光光纤(例如，如上面参照图5和6所述)。凹陷光纤阵列51粘结到硅载体52，从而使凹陷光纤阵列51中抛光光纤的斜角切面端与O/E器件阵列53对齐。如上所述，O/E器件阵列53可以粘结到在硅载体52内形成的凹口中，其中，因而与O/E器件阵列53进行电气接触。
在对齐并粘结凹陷光纤阵列51和硅载体52之后，将V槽阵列连接器54与凹陷光纤阵列51对齐并且相连。凹陷光纤阵列51和V槽阵列连接器54可以使用公知技术来对齐和粘结。例如，如图7b所示(图7b是示出间隙“G”的凹陷光纤阵列51的一部分和V槽阵列连接器54的一部分的图7a的顶视图)，对齐销55插入到在凹陷光纤阵列51内形成的对齐通道56中以对齐器件51和54。注意，对齐销55的端部略微呈圆形或锥形以便于对齐(未示出)。
图7c示出如箭头所示的凹陷光纤阵列51和V槽阵列连接器54的匹配表面的端视图。为正确对齐，抛光光纤22’的芯与V槽阵列连接器54的光纤22的对应芯对齐。最好，如图7(a)所示，在硅载体52与V槽阵列连接器54之间存在至少0.5mm的间隙G。间隙G提供多种功能。
例如，间隙G为如图7(b)所示的V槽块54的对齐销55提供余隙，从而使对齐销55不啮合硅载体52。实际上，为对齐销55在硅载体52中提供开口是不好的，因为这种设计将对将光纤阵列51与粘结在硅载体52中的O/E阵列芯片53对齐施加第二约束。这种设计将需要O/E器件阵列53更精确地位于硅载体52上的空腔中以提供所需总体位置准确性。最好，如图7(c)所示，对齐销55具有与光纤22相同的直径，从而使销55与V槽阵列连接器54和光纤阵列51上的光纤中央同时对齐。对齐销的V槽可以具有与光纤的V槽相同的宽度。
间隙G的另一个目的是允许在组合和粘结过程期间相对于凹陷光纤阵列51上的匹配V槽56的位置观察V槽阵列连接器54中对齐销55的位置。间隙G的最小宽度根据使用显微镜或其他光学装置观察对齐销55与对应槽56的相对位置所需的开口来确定。对于凹陷光纤阵列51，最好是突出在硅载体52的一端之外某有限距离，从而使它可以直接对接于V槽连接器54的抛光表面。如果硅载体52超出凹陷光纤阵列51，则不可能使V槽阵列连接器54与凹陷光纤阵列51接触。
总体而言，为形成如图7所示的硅V槽连接器54，从光纤带的一部分去除缓冲层和套层(如果存在)，从而保留玻璃光纤的突出部分。然后从相邻于裸玻璃光纤的光纤另一部分去除套层，从而保留带缓冲层的区域。准备一对硅V槽阵列，它们被设计为将具有多个光纤及其间隔的光纤带与各个光纤的适当大小的各个V槽相匹配。使用适当的粘合剂如流入或“虹吸”到结构中的环氧树脂在这对硅V槽阵列之间组合突出玻璃光纤并且粘结在一起。在粘合剂凝固之后，切割或研磨组合件以形成垂直于光纤的平面。然后进一步研磨和抛光所形成的端平面。
需要理解的是，根据本发明的一个实施例，可以在V槽之后且与其接触形成第二较深敞开空腔，以将缓冲层固定到硅V槽阵列。最好，将缓冲层连至硅V槽阵列以提供应力消除。具体而言，该设计防止当光纤相对于V槽连接器略微弯曲时如同传统V槽连接器在光纤接至硅端的点形成压力集中(使光纤断裂)。
图8、9、和10是示出根据本发明一个实施例的制造凹陷V槽光纤的方法的图。该方法可以用来形成图7所示的凹陷光纤阵列51。开始，如图8(a)所示，使用公知方法来各向异性蚀刻硅衬底60以在衬底60中形成V槽阵列61。在图8(a)的示例性实施例中，硅衬底在V槽61的轴向上为12mm长，但是也可以考虑其他长度。基本上中央相距250um形成阵列中的V槽61，并且它的宽度约为110微米。此外，如图8(b)所示，最好，开始在约725um厚的衬底60的表面之下的约78um深度(d1)形成V槽通道。宽度约为110微米的完全蚀刻V槽61将约为78微米深，并且置于该槽中的125微米直径光纤的中轴将高于硅表面约30微米。注意，对于具有从硅表面以54.75°的角度的侧壁的槽，安设在V槽中的125微米直径光纤将在距离约102微米的点接触侧壁。
下一步，如图9(a)和9(b)所示，通过进一步干蚀刻V槽61以凹陷光纤的中轴至硅表面之下的约41微米来形成凹陷V槽62。因此，对于62.5微米芯多模光纤，在抛光之后，还剩余约10微米的包覆层。注意，所需的最终光纤深度将依赖于所使用的光纤类型，50微米芯多模光纤、62.5微米芯多模光纤或9微米芯单模光纤。在所有情况下，最好是在硅表面之下还剩有约10微米或更多的包覆层。准确的蚀刻深度将依赖于在有向干蚀刻步骤期间在凹陷V槽的底部形成多大的平坦区域(若有的话)(参见图5(c)的43)。光纤停靠的最终深度依赖于最初各向异性蚀刻的V槽的倾斜侧壁凹陷多少以及由分开的倾斜侧壁形成多大平坦区域。
下一步，如图10(a)和10(b)所示，使用硅RIE蚀刻区域63和64，以形成如图10(b)的侧视图所示的各自空腔63(a)和64(a)。通过蚀刻图10(a)中的区域63和64，去除通道62的斜角刻面端。另外，将空腔63a形成至深度d2(约200微米)，该深度足以容纳临时粘结到空腔63a中的聚合物缓冲层。实际上，需要理解的是，组合过程通过当将光纤粘结到V槽中时保留光纤上的缓冲层来得到简化。
为完成凹陷光纤阵列，获取一定长度的光纤缆，并且将光纤缆的一部分剥至光纤(去除套层和缓冲层)，并且将光纤缆的另一部分剥至缓冲聚合物(去除套层)。然后，参照图10(b)，将被剥光纤缆的缓冲层部分置于(可能是粘结)衬底空腔63a中，而将从该段光纤缆的缓冲层部分自由伸出的光纤(仅有玻璃)安装在通道62中。裸光纤部分的长度足以使其超过L1’切割线。
在将光纤安装在通道62中之后，沿着线L1(或L1’)和L2切割衬底，例如(如果沿着L1’切割，则可以在抛光期间形成斜角刻面)。然后对光纤进行研磨或抛光以去除伸出衬底60的表面之上的包覆层，然后进行抛光以形成具有用于侧耦合到O/E器件阵列的斜端和用于连接到光纤的匹配端(垂直于光纤轴线)的凹陷光纤阵列(例如，图7中的阵列51)。
需要注意的是，可以使用图8和10所示的步骤形成V槽连接器54(图7(a))，但是不执行用于凹陷V槽的蚀刻步骤。更具体地说，通过首先在例如图8所示的硅衬底中蚀刻V槽，其中，V槽的宽度最好约为145微米，从而使光纤的中央将高于硅衬底表面之上约6微米(一种用于确定V槽和光纤的几何参数的方法如图14所示)。当匹配带V槽的硅衬底时，硅表面之间的粘合剂厚度τ约为12微米(例如，参见图7c)。在本实施例中，不需要干蚀刻(图9)来凹陷槽。执行干蚀刻(例如图10所示)来形成可以将聚合物缓冲层粘结在其中的空腔(深度约为150微米)。
为形成V槽连接器54，沿着线L1’以及在图10所示的区域的另一端垂直切割硅。如上所述，准备光纤带并且在两段硅之间胶合，从而使光纤粘结到V槽中，并且使缓冲区域粘结在空腔内。然后切去突出光纤端，并且垂直于光纤反向抛光沿着线L1’切割的端部以形成匹配端。然后插入对齐销，并且粘附到为销对齐提供的空槽内。
图14是示出V槽通道与具有直径D的光纤之间的几何关系的图。更具体地说，对于具有直径D的光纤，图14示出确定用于构建V槽沟壕的几何参数如V槽沟壕的倾斜侧壁的角度(α)、沟壕的宽度W和光纤的直径D从而使光纤的中轴高于硅表面距离Z的方法。
在本发明的另一个实施例中，在无需连接器的情况下将用于侧耦合光的凹陷V槽阵列直接连至光纤带缆的一端。光纤带缆上连接器的关键问题是需要提供足够的应变消除。如上所述，玻璃光纤(芯和包覆层)典型地覆有直径为250微米的聚合物缓冲层，并且添加外部聚合物套层以进一步保护光纤和提供机械强度。下面将要详细描述，在本发明的另一个实施例中，将用于侧耦合光的凹陷V槽阵列直接连至光纤带的一端。最好，凹陷V槽呈锥形，从而使光纤轴线与硅衬底的表面成轻微的角度。通过这种方式，凹陷光纤中央至硅衬底表面之下的深度将沿着光纤的长度而增大，这就有利地允许在被剥光纤(即，只有玻璃，没有缓冲层)与仍然有缓冲层的光纤之间进行过渡，这可以用来提供足够的应变消除。
更具体地说，图11、12、和13是示出根据本发明一方面的使用直接连至光纤带缆的一端的用于侧耦合光的锥形凹陷V槽来制造光纤阵列连接器的方法的图。开始，如图11(a)和11(b)所示，在硅衬底70中形成锥形V槽阵列71a、71b，其中，通道底部相对于衬底表面倾斜。锥形V槽通过使用规定图11(a)所示的锥形形状的蚀刻掩模对硅衬底进行各向异性湿蚀刻来形成。
需要理解的是，图11所示的形状是示例性的，并且表示由于采用各向异性硅蚀刻在不同方向具有不同蚀刻速率而在各向异性蚀刻之后所获得的优选最终形状。初始掩模形状可以有些不同以补偿这些效应并且实现所需的最终形状。
所得到的锥形V槽阵列包括成对轴向对齐锥形V槽阵列(71a、71b)，它们的中央最好相距250um。在图11(a)所示的示例性实施例中，衬底70在V槽的轴向上最好约为4mm长(但是根据设计考虑也可以考虑其他长度)，并且各锥形V槽71a、71b在轴向上长度基本上相等。如图11(b)的侧视图所示，最好，各锥形V槽71a、71b的深度从深度d3(最好约为81um)变至深度d4(最好约为141um)，从而提供约1.8度的倾斜斜度。
此外，在图11a中，各V槽71a的窄端约为110微米宽，并且各槽71a的宽端约为200微米宽。而且，在蚀刻之后，各槽71a的长度约为1990微米。例如，在锥形V槽71a的窄端，125微米直径光纤将停靠在槽中从而使光纤的中轴高于衬底70的表面约31微米，并且在锥形V槽71a的宽端，光纤的中轴低于衬底70的表面约33微米。
例如，锥形V槽71b被设计为容纳具有直径为250微米的缓冲层的标准光纤。假定250微米直径，锥形V槽71b具有约81微米的深度d3和约165微米的深度d4’。此外，各V槽71b的窄端约为110微米宽，并且各V槽71b的宽端约为240微米宽。而且，在蚀刻之后，各V槽71b的长度约为1990微米。从V槽71b的窄端，两侧开始弯曲直到边缘之间的距离减至小于约205微米，在此点，两侧再次变直。该转换是由于在V槽71b的窄端，250微米直径光纤将停靠在其中轴高于硅衬底70的表面之上约112微米，并且光纤缓冲层的边缘可以接触锥形侧壁的拐角和顶表面。在71b的宽端，250微米直径光纤将停靠在其中轴高于硅衬底表面之上约47微米。
此外，在锥形槽71b的窄端，光纤将停靠于倾斜硅侧壁之间的拐角和硅表面。对于光纤停靠在拐角的区域，锥形V槽的形状是抛物线，这是由于圆柱与平面以一定角度的相交。对于锥形V槽较宽的区域，侧壁的所需形状是具有轻微内锥度的直线形。
下一步，参照图12和13，将各锥形V槽71a、71b凹陷至不同的深度以容纳被剥的光纤或者包括聚合物缓冲层的光纤。更具体地说，参照图12(a)，凹陷各锥形V槽71a的一部分72以形成凹陷锥形V槽72a，如图12(b)所示。假定凹陷锥形V槽72a用来容纳直径为125微米的纯玻璃(芯和包覆层)，则锥形V槽71a最好凹陷至使光纤的中轴在硅衬底70的表面之下约48到112微米的深度处，即光纤凹陷额外71微米。V槽71a的可变深度还将改变超出硅衬底70之上的被剥光纤的包覆层量，从而允许沿着光轴去除包覆层的可变量。这有用于为EM能量还扩散到包覆层中的单模光纤最小化去除包覆层的总长度，从而最小化传输损耗。
下一步，参照图13(a)和13(b)，通过蚀刻区域73来凹陷锥形V槽71b以形成在其底部具有凹陷锥形V槽阵列的空腔73b，如图13(b)所示。假定空腔73b用来容纳直径为250um的光纤和聚合物缓冲层，则空腔73b底部的凹陷锥形V槽最好凹陷至使光纤的中轴在衬底70的表面之下112到约176微米的深度处，即光纤凹陷额外224微米。此外，对区域74(图13(a))进行蚀刻(与区域73同时)以形成空腔74a(图13(b))。槽72一端的斜角刻面通过对区域73和74(图13(a))进行蚀刻来基本上去除。
本发明的用于在蚀刻硅衬底来形成图13所示的硅组件之后组合连接器的方法包括沿着线L3(或L3’)和L4切出硅组件，从光纤的一部分剥除缓冲层和套层，并且剥除相邻于该区域的套层的一部分。需要注意的是，在本示例性实施例中，假定在各光纤上各自形成缓冲层，并且其直径为250微米，或者使用具有直径为250微米的缓冲层的各个光纤。
下一步，在适当区域将被剥带(stripped ribbon)粘结到具有裸光纤和覆有缓冲层的光纤的硅组件中。然后，对所得到的组合件进行表面研磨，以去除突出在硅表面之上的裸光纤和覆有缓冲层的光纤。然后，将该组合件粘结到工作衬底以保护研磨表面。以适当的角度对组合件的光纤端抛光以确保光例如以近似45度角度沿着光纤轴线向下传播，并且如上所述喷涂金属以形成反射刻面。然后，可以将所得到的组合件与例如O/E器件、光成像器件、光导器件等对齐并且进行表面粘结。
注意，虽然在此讨论的是多模光纤(50或62.5微米芯直径)，但是这些相同结构也适用于具有不同芯直径的光纤如单模光纤(9微米芯直径)或高级多模光纤(约30微米芯直径)。
虽然在此参照附图描述了多个示例性实施例，但是应该理解本发明不限于这些具体实施例，并且在不脱离本发明的精神或范围的情况下本领域的技术人员可以进行各种其他变更和修改。例如，虽然这些示例性实施例在此是参照具有50或62.5微米芯直径的多模光纤来描述的，但是本领域的技术人员将容易理解本发明的器件和方法可以与不同芯参数的光纤例如单模光纤(9微米芯直径)或高级多模光纤(约30微米芯直径)一起使用。所有这些变更和修改均包括在由所附权利要求限定的本发明范围内。
权利要求
1.一种用于将光纤侧耦合到光学组件的方法，包括如下步骤在第一衬底中形成凹陷V槽通道；将光纤安装在凹陷V槽通道中，使光纤的包覆层的一部分伸出第一衬底表面之外；对光纤进行抛光从而基本上去除伸出第一衬底表面之外的包覆层部分；以相对于光纤轴线的一定角度对凹陷V槽通道的一端进行切割或抛光，以在光纤的一端形成反射斜角刻面；以及将第一衬底粘结到包括光学组件的第二衬底，从而使光纤的反射斜角刻面与光学组件对齐、并且光纤的抛光表面基本上接触光学组件的表面。
2.如权利要求1所述的方法，其中，形成凹陷V槽通道的步骤包括各向异性湿蚀刻第一衬底的表面以形成V槽通道；以及干蚀刻第一衬底以将V槽通道凹陷至第一衬底表面之下的所需深度。
3.如权利要求1所述的方法，其中，凹陷V槽通道基本上与第一衬底的表面平行。
4.如权利要求1所述的方法，其中，凹陷V槽通道呈锥形。
5.如权利要求1所述的方法，其中，凹陷V槽通道的轴相对于第一衬底的表面倾斜，并且随着与反射斜角刻面的距离增大被去除包覆层量沿着光轴减小。
6.如权利要求1所述的方法，还包括如下步骤垂直于光纤轴线对第一衬底的端部抛光；以及对齐并连接光纤连接器与第一衬底的抛光端部。
7.如权利要求1所述的方法，其中，对光纤抛光的步骤包括使用衬底表面作为抛光停止处。
8.如权利要求1所述的方法，其中，光学组件包括光电器件、光成像器件和光导器件之一。
9.如权利要求8所述的方法，其中，光电器件包括VCSEL(垂直空腔表面发射激光器)阵列。
10.一种用于制造凹陷光纤阵列的方法，包括如下步骤在衬底中形成凹陷V槽通道阵列；将光纤安装在凹陷V槽通道中的一个或多个内，从而使各安装光纤的包覆层的一部分伸出衬底表面之外；以及对光纤进行抛光以去除伸出衬底表面之外的光纤包覆层部分。
11.如权利要求10所述的方法，其中，形成凹陷V槽通道阵列的步骤包括如下步骤湿蚀刻衬底以形成V槽通道阵列；以及干蚀刻衬底以凹陷V槽通道。
12.如权利要求10所述的方法，还包括如下步骤以相对于光纤轴线的一定角度对衬底的一端进行切割和/或抛光，以在各光纤的一端形成反射斜角刻面。
13.如权利要求10所述的方法，还包括如下步骤在衬底中蚀刻一个空腔，其中，所述空腔相邻于各凹陷V槽通道的端部，并且其中，安装光纤的步骤包括将聚合物缓冲层安装在空腔中。
14.如权利要求13所述的方法，还包括如下步骤垂直于光纤轴线切割衬底以去除包括其中安装有聚合物缓冲层的空腔的衬底部分。
15.如权利要求10所述的方法，其中，对光纤抛光的步骤包括使用衬底表面作为抛光停止处。
16.一种用于制造光学连接器的方法，包括如下步骤形成第一衬底，其中，在第一衬底的第一部分中具有第一V槽通道阵列并且在第一衬底的第二部分中具有第一空腔；形成第二衬底，其中，在第二衬底的第一部分中具有第二V槽通道阵列并且在第二衬底的第二部分中具有第二空腔；剥除光纤缆的端部以提供从其伸出光纤的包括缓冲聚合物层部分的光纤缆的一部分；以及将被剥光纤缆安装在第一和第二衬底之间以形成连接器，其中，缓冲聚合物部分安装在第一和第二衬底的凹陷空腔中，并且从缓冲聚合物部分伸出的光纤安装在第一和第二衬底的对应V槽通道中。
17.一种用于制造侧耦合到光学组件的光学连接器的方法，包括如下步骤蚀刻衬底，以在衬底的第一部分中形成第一锥形V槽通道阵列，并且在衬底的第二部分中形成第二锥形V槽通道阵列，其中，第一和第二阵列中的各锥形V槽通道相对于衬底表面倾斜，并且第一阵列中的各锥形V槽与第二阵列中的锥形V槽轴向对齐；蚀刻第一阵列的锥形V槽以在衬底的第一部分中形成凹陷V槽通道；蚀刻衬底的第二部分和第二阵列的锥形V槽通道以在衬底中形成一个在其底部形成有凹陷V槽通道阵列的空腔；剥除光纤缆的端部，从而使端部包括从其伸出光纤的缓冲聚合物层部分；将光纤缆的被剥端部安装在衬底中，从而使缓冲聚合物部分安装在衬底第二部分的凹陷空腔中并且使从缓冲聚合物部分伸出的光纤安装在衬底第一部分的凹陷V槽通道中；以及去除伸出衬底表面之外的光纤和聚合物缓冲层部分。
18.如权利要求17所述的方法，还包括以一定的角度对安装了光纤的衬底端部进行抛光和/或切割，以在各光纤的一端形成反射斜角刻面。
19.如权利要求17所述的方法，还包括如下步骤将光学连接器侧耦合到光学组件。
20.一种用于在光纤与光学组件之间侧耦合光的器件，所述器件包括第一衬底，具有凹陷V槽通道；以及光纤，安装在凹陷V槽通道中，所述光纤包括纤芯和包覆层，其中，包覆层的一部分包括与第一衬底表面基本上齐平的抛光表面，所述光纤在其一端包括反射斜角刻面；其中，所述第一衬底包括基本上垂直于光纤轴线抛光的匹配端部，所述匹配端部可连至光纤连接器；并且其中，所述第一衬底表面可粘结到包括光学组件的第二衬底的表面，从而使光纤的反射斜角刻面与光学组件对齐并且光纤的抛光表面基本上接触光学组件的表面。
21.如权利要求20所述的器件，其中，凹陷V槽通道基本上与衬底表面平行。
22.如权利要求20所述的器件，其中，凹陷V槽通道呈锥形。
23.如权利要求20所述的器件，其中，凹陷V槽通道的轴相对于第一衬底的表面倾斜。
24.如权利要求20所述的器件，其中，光学组件包括光电器件、光成像器件和光导器件之一。
25.一种光学连接器，包括第一衬底，在第一衬底的第一部分中具有第一V槽通道阵列并且在第一衬底的第二部分中具有第一空腔；第二衬底，在第二衬底的第一部分中具有第二V槽通道阵列并且在第二衬底的第二部分中具有第二空腔；光纤缆，安装在第一和第二衬底之间，其中，光纤缆的缓冲聚合物部分安装在第一和第二衬底的凹陷空腔中，并且从缓冲聚合物部分伸出的光纤安装在第一和第二衬底的对应V槽通道中。
26.一种侧耦合到光学组件的光学连接器，包括衬底，包括衬底第一部分中的第一凹陷V槽通道阵列以及衬底第二部分中的第二凹陷V槽通道阵列，其中，第一和第二阵列中的各凹陷V槽通道相对于衬底表面倾斜，并且第一阵列中的各凹陷V槽与第二阵列中的凹陷V槽轴向对齐；以及光纤缆，安装在衬底中，其中，具有包括芯、包覆层和缓冲层的光纤的光纤缆的缓冲聚合物部分安装在衬底第二部分的凹陷V槽通道中，并且从光纤缆的缓冲聚合物部分伸出的包括纤芯和包覆层的光纤安装在衬底第一部分的凹陷V槽通道中，其中，将伸出衬底表面之外的光纤包覆层和缓冲层部分抛光成基本上与衬底表面齐平。
27.如权利要求26所述的光学连接器，其中，安装在第一凹陷V槽通道阵列中的各光纤的端部包括反射斜角刻面。
全文摘要
使用改进型硅V槽或硅V槽阵列安装光纤以及侧耦合出/入光纤的光的光学器件、组件和方法，其中，被设计用于精确对齐/间开光纤的V槽“凹陷”在硅表面之下。光纤可以凹陷在硅衬底表面之下，从而可以去除(研磨)伸出硅表面之上的包覆层的精确控制部分。在包覆层被去除的情况下，当光纤硅阵列连接到例如VCSEL阵列时，可以减小纤芯与光电器件之间的间距，从而改善光耦合。
文档编号G02B6/36GK1508585SQ20031011956
公开日2004年6月30日 申请日期2003年12月4日 优先权日2002年12月17日
发明者伊文·乔治·科尔盖, 福艾德·艾里亚斯·汤尼, 布鲁斯·肯尼斯·弗曼, 小丹尼尔·J·斯蒂格里亚尼, 肯尼斯 弗曼, 艾里亚斯 汤尼, 伊文 乔治 科尔盖, 尔 J 斯蒂格里亚尼 申请人:国际商业机器公司