光纤结构、光通信设备和用于制造其的制造工艺的制作方法

本发明涉及光纤结构、光通信设备和用于制造其的制造工艺，且更确切地说，涉及半d形光纤结构、包含其的光通信设备和用于制造所述光通信设备的制造工艺。

背景技术：

在常规光通信设备中，光纤和可旋转微镜可安置于衬底上，且光源可安置于所述可旋转微镜上方。来自光源的光束由可旋转微镜反射且随后进入光纤的平坦末端。然而，可旋转微镜的制造成本较高，且难以对所述可旋转微镜进行控制。为解决此类问题，可将光源安置于光纤的周边处以面向所述光纤的侧表面。然而，由于光纤的侧表面是弯曲的，所以来自光源的光束的一部分将直接进入光纤，而来自光源的光束的另一部分将随机地散射到空气。因此，光源到光纤的耦合效率较低；例如约60％。因此需要改进的光纤结构。

技术实现要素：

本发明涉及光纤结构、光通信设备和用于制造上述者的制造工艺。

在一方面中，光纤结构包含纤芯部分(coreportion)和包层部分(claddingportion)。包层部分包围纤芯部分，且包含光反射表面和光入射表面。光反射表面相对于纤芯部分以约30度到约60度的角度倾斜，且光入射表面基本上是平坦的且与纤芯部分基本平行。

在一方面中，光通信设备包含光纤结构和光源。光纤结构包含纤芯部分和包围所述纤芯部分的包层部分。包层部分包含光反射表面和基本上平坦的光入射表面。光反射表面相对于纤芯部分以约30度到约60度的角度倾斜。光源位于光入射表面下方且经配置以将光束发射到光纤结构中，光束穿过光入射表面到光纤结构的纤芯部分。

在一方面中，制造工艺包含：(a)提供具有纤芯部分和包层部分的光纤，其中所述包层部分包围所述纤芯部分；(b)移除光纤的末端部分的一部分以形成光反射表面，其中光反射表面相对于纤芯部分以约30度到约60度的角度倾斜；和(c)移除光纤的周边部分(peripheryportion)的一部分以形成光入射表面，其中光入射表面基本上是平坦的且与纤芯部分基本平行。

附图说明

图1说明根据本发明的一实施例的光通信设备的透视图。

图2说明沿图1的线a-a截取的横截面图。

图3说明沿图1的线b-b截取的横截面图。

图4说明根据本发明的一实施例的光通信设备的横截面图。

图5说明根据本发明的一实施例的光通信设备的透视图。

图6说明沿图5的线d-d截取的横截面图。

图7说明根据本发明的一实施例的图6中所展示的部分e的放大视图。

图8说明根据本发明的一实施例的光栅结构的突起的放大视图。

图9说明根据本发明的一实施例的光通信设备的透视图。

图10说明根据本发明的一实施例的光通信设备的透视图。

图11说明根据本发明的一实施例的光纤结构的横截面图。

图12说明根据本发明的一实施例的光通信设备的透视图。

图13说明根据本发明的一实施例的光通信设备的透视图。

图14说明根据本发明的一实施例的光通信设备的透视图。

图15说明根据本发明的一实施例的光通信设备的透视图。

图16、图17、图18和图19说明根据本发明的一实施例的制造工艺。

图20说明根据本发明的一实施例的制造工艺。

具体实施方式

除非另外规定，否则例如“上面”、“下面”、“向上”、“左方”、“右方”、“向下”、“顶部”、“底部”、“垂直”、“水平”、“侧面”、“高于”、“下部”、“上部”、“上方”、“下方”等空间描述是相对于图式中所展示的定向而指示。应理解，本文中所使用的空间描述仅是出于说明的目的，且本文中所描述的结构的实际实施方案可以任何定向或方式在空间上布置，其限制条件为本发明的实施例的优点不因此布置而有偏差。

图1说明根据本发明的一实施例的光通信设备1的透视图。图2说明沿图1的线a-a截取的横截面图。光通信设备1包含光纤结构2和光源12。光纤结构2包含具有折射率的纤芯部分20和具有折射率的包层部分22。包层部分22包围/围绕纤芯部分20。包层部分22的折射率小于纤芯部分20的折射率。纤芯部分20和包层部分22部分地包含相同或类似材料，例如硅石(例如，二氧化硅(sio2))。

包层部分22具有用于反射从光源12发射的光束的光反射表面221和用于接收从光源12发射的光束的光入射表面222。光反射表面221相对于纤芯部分20以角度θ倾斜。举例来说，角度θ为约30度到约60度，例如约35度到约55度、约40度到约50度，或约45度。纤芯部分20的末端201从光反射表面221暴露。光入射表面222是平坦的且与纤芯部分20基本平行，其中光入射表面222与纤芯部分20相邻。因此，光入射表面222不与光反射表面221平行。如图1和图2中所展示，包层部分22包含在其底部部分上的槽口(notch)223，且光入射表面222是槽口223的顶部表面。也就是说，槽口223由光入射表面222和包层部分22的侧表面226所定义。

光反射表面221和光入射表面222相交以形成楔形部分224和相交边缘225。光反射表面221与光入射表面222之间的楔形部分224的角度为约30度到约60度，例如约35度到约55度、约40度到约50度，或约45度。沿相交边缘225所设置(在图2中展示的定向上指入页面)的线基本上垂直于沿纤芯部分20所设置(在图2中展示的定向上左右横跨页面)的线。此外，如图1和图2中所展示，光反射表面221的法线向量(normalvector)n1、光入射表面222的法线向量n2和纤芯部分20的延伸方向l大致在同一平面上(例如，沿绘有图2的横截面的纸张的表面)。

光源12用于将光束发射穿过光入射表面222到光纤结构2中。在一或多个实施例中，光源12可为垂直腔面发射激光(verticalcavitysurfaceemittinglaser,vcsel)光源或边缘发射激光(edge-emittinglaserlightsource)光源。光源12安置于光入射表面222之下。由于光入射表面222是平坦表面，所以从光源12发射的光束的大部分进入光纤结构2，其中从光源12发射的光束的小部分由光入射表面222反射。因此，光源12到光纤结构2的耦合效率可以较高；例如大于约80％的耦合效率。另外，光通信设备1可省略可旋转微镜，这可降低制造成本。

图3说明沿图1的线b-b截取的横截面图。光纤结构2是单模光纤(singlemodefiber)。包层部分22的外径w1为约125微米(μm)，且纤芯部分20的外径w2为约8μm。纤芯部分20与光入射表面222之间的最小距离d1小于约18.5μm且大于约0.8μm。因此，光入射表面222与包层部分22的周边上的点c(在与光入射表面相对的点处)之间的距离d2小于约85μm且大于约67.3μm。

图4说明根据本发明的一实施例的光通信设备3的横截面图。光通信设备3与如图1和2中所展示的光通信设备1类似，不同之处在于在图4中的光反射表面221不与光入射表面222相交。槽口223'由光入射表面222和两个相对侧表面226、227所定义，且楔形部分224'延伸超过(在图4中展示的定向上向左)槽口223'的侧表面227。光反射表面221与楔形部分224'的底部表面相交以形成相交边缘225'。光源12经定位使得从光源12发射的光束被引导到侧表面226、227之间且到光入射表面222上。光反射表面221与光入射表面222之间的角度是如相对于图1和2所描述的那样。

图5说明根据本发明的一实施例的光通信设备4的透视图。图6说明沿图5的线d-d截取的横截面图。光通信设备4与如图1和2中所展示的光通信设备1类似，不同之处在于光通信设备4进一步包含光入射表面222上的光栅结构5。光栅结构5包含周期性突起51。在一或多个实施例中，突起51通过涂布形成于光入射表面222上，且突起51可包含与包层部分22不同的材料。举例来说，在一或多个实施例中，突起51包含二氧化钛(tio2)且包层部分22包含sio2。在一或多个实施例中，光栅结构5的突起51通过蚀刻光入射表面222(例如，通过化学蚀刻或激光蚀刻)而形成；在此类实施例中，突起51的材料与包层部分22的材料相同。突起51和包层部分22具有相同或类似折射率，以用于从光源12发射且穿过光栅结构5的光束的相长干涉(constructiveinterference)。在图5和6的实施例中，突起51中的每一者是从光入射表面222的一侧延伸到光入射表面222的另一侧的方形柱，且与相交边缘225基本平行。光栅结构5可进一步提高光源12到光纤结构2的耦合效率。

图7说明根据本发明的一实施例的图6中展示的部分e的放大视图。可以看出，对于这个实施例，突起51中的每一者的横截面是正方形；因此，突起51的厚度t1和宽度t2大致相等。两个突起51之间的间隙g大致等于宽度t2。在其它实施例中，厚度t1与宽度t2不同(例如，突起51的横截面是矩形或其它形状)，且间隙g可能与突起51的宽度t2不同。

图8说明根据本发明的一实施例的光栅结构5a的突起52的放大视图。这个实施例的光栅结构5a与如图6和7中所展示的光栅结构5类似，不同之处在于突起52在所展示的定向上具有大致倒u的形状。在图8中所展示的实施例中，突起52包含第一部分521、第二部分522和第三部分523。第一部分521、第二部分522和第三部分523可为(或可包含)相同或类似材料；或，第一部分521、第二部分522或第三部分523中的一或多者可包含与第一部分521、第二部分522或第三部分523中的其它者不同的材料。长度l1是第一部分521的大致长度和第三部分523的大致长度(第一部分521和第三部分523具有大致相等长度)。第二部分522的长度l2小于长度l1，从而形成u形。在一实施例中，l1大致为0.86067μm，且l2大致为0.66024μm。第一部分521的宽度为x1，第二部分522的宽度为x2，第三部分523的宽度为x3，且两个突起52之间的间隙53的宽度为x4。在一或多个实施例中，x2>x1>x4>x3。在一实施例中，x1大致为0.015μm，x2大致为0.028μm，x3大致为0.007μm，且x4大致为0.012μm。

图9说明根据本发明的一实施例的光通信设备6的透视图。光通信设备6与如图1和2中所展示的光通信设备1类似，不同之处在于光通信设备6进一步包含光反射表面221上的反射膜61，以用于将从光源12发射的光束反射到纤芯部分20。在一或多个实施例中，反射膜61通过涂布形成，且反射膜61包含金(au)、另一合适的金属，或其合金。

图10说明根据本发明的一实施例的光通信设备7的透视图。光通信设备7与如图1和2中所展示的光通信设备1类似，不同之处在于光通信设备7进一步包含光入射表面222上的抗反射膜70。抗反射膜70用于减少从光源12发射的光束由光入射表面222反射的部分，从而增加从光源12发射的光束穿过光入射表面222进入包层部分22的一部分。

在一或多个实施例中，抗反射膜70包含多个层。在图10中所展示的实施例中，抗反射膜70包含两个层：第一层71和第二层72，其中第一层71安置于光入射表面222上，且第二层72安置于第一层71上。第一层71的折射率小于第二层72的折射率。在一或多个实施例中，第一层71是(或包含)sio2，且第二层72是(或包含)tio2。在一或多个实施例中，抗反射膜70可包含多于两个层，且额外层安置于第二层72上方。在一或多个实施例中，抗反射膜70包含两个额外层，第三层安置于第二层72上方，且第四层安置于所述第三层上方。在此类实施例中，第三层的折射率可小于第二层72的折射率，且可大致等于第一层71的折射率，并且第四层的折射率可大于第三层的折射率，且可大致等于第二层72的折射率。

图11说明根据本发明的一实施例的光纤结构2a的横截面图。这个实施例的光纤结构2a与如图1至3中所展示的光纤结构2类似，不同之处在于图11中的纤芯部分20a的直径是增大的。举例来说，光纤结构2a为多模光纤，包层部分22的直径w1为约125μm，纤芯部分20a的直径w3为约50μm，纤芯部分20a与光入射表面222之间的最小距离d3小于约18.5μm且大于约0.8μm，且光入射表面222与包层部分22的周边上的点f(在与光入射表面相对的点处)之间的距离d4小于约106μm且大于约88.3μm。

图12说明根据本发明的一实施例的光通信设备1a的透视图。光通信设备1a与如图1至3中所展示的光通信设备1类似，不同之处在于光通信设备1a进一步包含用于容纳光纤结构2和光源12的衬底8。衬底8包含凹口部分81、侧壁82、底壁83和凹槽84。凹口部分81由侧壁82和底壁83定义。凹槽84位于侧壁82的顶侧上。光源12安置于底壁83的上表面上的凹口部分81中，且光纤结构2横向地安置且固定于侧壁82上的凹槽84中，以使得光入射表面222面向光源12。

图13说明根据本发明的一实施例的光通信设备1b的透视图。光通信设备1b与如图12中所展示的光通信设备1a类似，不同之处在于光通信设备1b进一步包含粘合剂87和顶盖88。粘合剂87用于填充凹口部分81且覆盖光纤结构2在光源12上方的部分。顶盖88接触粘合剂87且经按压到所述粘合剂上以将光纤结构2固定在适当位置。

图14说明根据本发明的一实施例的光通信设备1c的透视图。光通信设备1c与如图1至3中所展示的光通信设备1类似，不同之处在于光通信设备1c进一步包含用于容纳光纤结构2和光源12的衬底8a。衬底8a包含第一部分85和第二部分86。第一部分85在第二部分86的底部处从第二部分86水平地延伸。第二部分86定义凹槽861。光源12安置于第一部分85上，且光纤结构2安置且固定于凹槽861中，以使得光入射表面222面向光源12。

图15说明根据本发明的一实施例的光通信设备1d的透视图。光通信设备1d与如图14中所展示的光通信设备1c类似，不同之处在于光通信设备1d进一步包含粘合剂87a和顶盖88a。粘合剂87a用于填充凹槽861且覆盖光纤结构2在凹槽861中和其上方的部分。顶盖88a接触粘合剂87a且经按压到所述粘合剂上以将光纤结构2固定在适当位置。

图16至19说明根据本发明的一实施例的制造工艺。

参考图16，提供光纤9。光纤9包含纤芯部分20、包层部分22和末端部分91。包层部分22包围/围绕纤芯部分20，且包层部分22的折射率低于纤芯部分20的折射率。纤芯部分20和包层部分22可包含相同或类似材料。举例来说，纤芯部分20和包层部分22包含硅石(例如，sio2)。包层部分22具有在光纤9的末端部分91处的末端表面228。端面228垂直于纤芯部分20的设置所沿的线。在这个实施例中，光纤9为单模光纤，包层部分22的直径为大致125μm，且纤芯部分20的直径为大致8μm。

参考图17，移除(例如，通过研磨或蚀刻)光纤9的末端部分91的一部分，从而形成相对于纤芯部分20以角度θ倾斜的光反射表面221。举例来说，角度θ为约30度到约60度，例如约35度到约55度、约40度到约50度，或约45度。纤芯部分20的一个末端201从光反射表面221暴露。

参考图18，移除(例如，通过研磨或蚀刻)光纤9的周边的一部分，从而形成光入射表面222。在这个实施例中，也移除光反射表面221的一部分；因此，光反射表面221和光入射表面222相交以形成楔形部分224和相交边缘225，并且获得如相对于图1至3所说明和描述的光纤结构2。如图18中所展示，包层部分22具有在其底部部分上的槽口223，且光入射表面222为槽口223的顶部表面。在其它实施例中，不移除光反射表面221的部分(例如，将槽口223'制得比槽口223更窄，或移位槽口223'远离光入射表面222)；因此，光反射表面221不与光入射表面222相交，并且获得如相对于图4所说明和描述的光纤结构3。

在一或多个实施例中，在图18的阶段之后，光栅结构可形成于光入射表面222上。举例来说，可形成具有周期性突起的光栅结构，例如具有如图5和6中所展示的大致正方形横截面的周期性柱状结构，或例如具有如图8中所展示的三个大小不同的部分的周期性u形结构。可(例如)通过将材料涂布于光入射表面222上，通过蚀刻光入射表面222，或其组合来形成光栅结构。在一或多个实施例中，突起(例如，图5和6中的突起51)由tio2形成，所述突起具有与包层部分22(例如，sio2)的折射率类似的折射率，以用于当光束穿过光栅结构到包层部分22中时的相长干涉。应注意，当通过蚀刻光入射表面222形成突起时，突起和包层部分22由相同材料形成。在一或多个实施例中，通过蚀刻光入射表面222形成突起，且随后沿所述突起的侧面将材料涂布到光入射表面222上。

在一或多个实施例中，在图18的阶段之后，一或多个层的反射膜形成于光反射表面221上(例如，反射膜61，从而获得图9的光纤结构6)。反射膜可通过涂布形成。在一实施例中，反射膜包含au。

在一或多个实施例中，在图18的阶段之后，一或多个层的抗反射膜形成于光入射表面222上(例如，反射膜70，从而获得图10的光纤结构7)。在一实施例中，抗反射膜包含形成于光入射表面222上方的sio2层和形成于所述sio2层上方的tio2层。在一实施例中，一或多个额外层形成于tio2层上方。在一实施例中，反射膜包含四个层(在光入射表面222上方的第一层，在所述第一层上方的第二层，在所述第二层上方的第三层，和在所述第三层上方的第四层)，其中第三层的折射率小于第二层的折射率且可大致等于第一层的折射率，并且第四层的折射率大于第三层的折射率且可大致等于第二层的折射率。

参考图19，提供衬底8和光源12。衬底8包含凹口部分81、侧壁82、底壁83和凹槽84。凹口部分81由侧壁82和底壁83定义，且凹槽84位于侧壁82的顶侧上。将光源12安置于凹口部分81中的底壁83上。在一或多个实施例中，光源12为vcsel光源或边缘发射激光光源。将光纤结构2横向地安置且固定于侧壁82上的凹槽84中，以使得光入射表面222面向光源12。因此，获得如图12中所展示的光通信设备1a。

在一实施例中，进一步提供粘合剂87(图13)和顶盖88。粘合剂87用于填充凹口部分81且覆盖光纤结构2在光源12上方的部分。随后，顶盖88接触粘合剂87且将其按压到所述粘合剂上以将光纤结构2固定在适当位置中。因此，获得如图13中所展示的光通信设备1b。

图20说明根据本发明的一实施例的制造工艺。这个实施例的初始阶段是如图16到18中所展示的那样，且图20的阶段在图18的阶段之后。如图20中所展示，提供衬底8a。衬底8a包含第一部分85和第二部分86。第一部分85从第二部分86的底部水平地延伸。第二部分86定义凹槽861。将光源12安置于第一部分85上。在一或多个实施例中，光源12为vcsel光源或边缘发射激光光源。将光纤结构2安置且固定于凹槽861中，以使得光入射表面222面向光源12。因此，获得如图13中所展示的光通信设备1b。

在一实施例中，进一步提供粘合剂87a(图15)和顶盖88a。粘合剂87a用于填充凹槽861且覆盖光纤结构2在凹槽861中和其上方的部分。随后，顶盖88a接触粘合剂87a且将其按压到所述粘合剂上以将光纤结构2固定在适当位置中。因此，获得如图15中所展示的光通信设备1d。

如通过上方实例实施例可见，根据本发明的实施例的光通信设备可省略可旋转微镜；因此，降低了制造成本。

如本文中所使用且不另外定义，术语“基本上”、“实质上”、“大致”和“约”是用于描述并考虑较小变化。当与事件或情形结合使用时，所述术语可涵盖事件或情形明确发生的情况以及事件或情形极近似于发生的情况。举例来说，当结合数值使用时，术语可涵盖小于或等于所述数值的±10％的变化范围，例如小于或等于±5％、小于或等于±4％、小于或等于±3％、小于或等于±2％、小于或等于±1％、小于或等于±0.5％、小于或等于±0.1％、或小于或等于±0.05％。对于另一实例，如果两个数值之间的差值小于或等于所述值的平均值的±10％(例如小于或等于±5％、小于或等于±4％、小于或等于±3％、小于或等于±2％、小于或等于±1％、小于或等于±0.5％、小于或等于±0.1％、或小于或等于±0.05％)，那么可认为所述两个数值基本上相同。

指代两个组件的术语“基本上垂直”可指代两个组件之间小于或等于90°的±10°的变化范围，例如小于或等于±5°、小于或等于±3°、小于或等于±2°、或小于或等于±1°。指代两个组件(每一组件沿线或平面中的一者放置)的术语“基本上平行”可指代两个组件之间的角度移位小于或等于10°，例如小于或等于5°、小于或等于3°、小于或等于2°、或小于或等于1°。

术语“基本上平坦的”可指代其中表面的最高点与最小的点之间的差不超过3μm、不超过2μm、不超过1μm、不超过0.5μm、或不超过0.1μm的表面。

此外，有时在本文中以范围格式呈现量、比率和其它数值。应理解，此类范围格式是用于便利和简洁起见，且应灵活地理解，不仅包含明确地指定为范围限制的数值，且还包含涵盖于所述范围内的所有个别数值或子范围，如同明确地指定每一数值和子范围一般。

虽然已参考本发明的具体实施例描述且说明本发明，但这些描述和说明并非限制性的。所属领域的技术人员应理解，在不脱离如由所附权利要求书定义的本发明的真实精神和范围的情况下，可做出各种改变且可取代等效物。所述说明可能未必按比例绘制。归因于制造工艺和容差，本发明中的艺术再现与实际设备之间可存在区别。可存在并未具体说明的本发明的其它实施例。应将本说明书和图式视为说明性的而非限制性的。可做出修改，以使具体情况、材料、物质组成、方法或工艺适应于本发明的目标、精神和范围。所有所述修改都既定在此所附权利要求书的范围内。虽然本文中所公开的方法已参考按特定次序执行的特定操作加以描述，但应理解，可在不脱离本发明的教示的情况下组合、细分或重新排序这些操作以形成等效方法。因此，除非在本文中具体指示，否则操作的次序和分组并非局限性的。