专利名称：光波导模块及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种光波导模块及其制造方法。其用于光通信网或类似场所，通过连接光波导支座和光纤支座制造。
近年来，随着光通信、光信息处理或类似技术的进步，非常希望能实现单模传输光纤(下文略作单模光纤)和光波导的连接，从而构成具有高可靠性的光耦合电路或光学支路。这种情况下，单模光纤芯的直径约几μm到10μm。因而，当单模光纤与光波导连接时，它们之间相对位置的偏移必须在1μm以下，以防止连接损耗的增加。
通常，当光波导与单模光纤相连时，其相对位置被对准的同时还要监控连接损耗。支承光波导的支座的接触面紧靠支承光纤支座的接触面以获得连接损耗最小的定位。两支座间的对接部分通过粘接或激光焊接固定。在光波导和光纤间的连接部分使用折射率匹配剂(agent)(如匹配(matching)油)以防止光的反射。
常规的光波导模块中，与光纤相连的光纤连接器与光波导衬底的两边通过折射率匹配剂耦合，该衬底带有如1×8支路的光波导。这种光波导衬底固定在一不锈钢的光波导支座上，该支座的截面大致为U形。每个光纤连接器安装在有一底面和一大致为U形的截面的不锈钢光纤支座上。
去掉包覆部分的一个单模光纤埋在一光纤连接器中。去掉包覆部分且连接端部分相互耦合的多个单模光纤埋在另一个光纤连接器中。光波导支座和光纤支座间的对接部分用紫外粘接或用YAG(钇铝石榴石)激光器点焊形成。利用这种结构中，从与一光纤连接器相连的光纤入射的光线在光波导衬底的光波导中被分成8束并被传输给与其它光纤连接器相连的8根光纤。
这种光波导模块中，光波导的端面与支承光波导的支座的端面，或光纤的端面与支承光纤的支座的端面是被抛光的，这些端面被对准以形成平面。由于这个原因，当光波导和光纤的端面相接以调整光波导和光纤定位的位置时，它们之间的光学连接部分便受到磨损或被损坏以致于引起连接损耗的增加。
另外，折射率匹配剂仅填充在光波导衬底、光纤连接器及其支座接触面间形成的很小的间隙中。这种情况下，折射率匹配剂会随温度或类似条件的变化流出从而使光耦合特性不稳定。
为解决上述问题，在根据本申请人的在先申请的日本专利申请4-58116号(未公开)中，光波导衬底或光纤连接器的端面从其支座的端面后退以获得用来填充折射率匹配剂的空间。然而，在日本专利申请4-58116中，这些元件必须这样固定得使光波导衬底或光纤连接器的端面从其支座的端面后退-预定距离，这导致装配复杂。
此外，日本专利延迟公开4-355413中公开的结构中，在连接部分或光波导的支座和光纤支座的侧面形成一防水包层，从而防止由湿热引起的各光学部件的退化。然而，日本专利延迟公开4-355413中，当光波导和光纤被对准时，其间的连接部分会受损。
此外，在紫外粘接中，流体状的紫外硬化树脂(curing resin)材料被涂覆在光波导支座和光纤支座间的对接部分以粘接两元件。但是，紫外树脂材料变硬时会收缩。因此，光波导衬底和光纤连接器偏离从而引起光波导和光纤间的光轴不准直。然而，由于光纤连接的对准精度必须保持在0.1μm以内，所以光轴非准直的问题不能忽略。
另一方面，采用YAG激光器焊接时，如，光波导支座和光纤支座对接部分的两侧面的四个部分被焊接。当这些焊接部分被焊时，产生的热应力使光波导衬底和光纤连接器在与对接面垂直的方向上偏移更多。这一移动在每面的焊接部分尤其易变得不均匀。因此因此光波导衬底和光纤连接器的固定是不可靠的，同时，易出现光轴不准直。
为解决以上问题，在日本专利公报3-75708中公开的结构中，在光波导支座和光纤支座间的连接部分装入石蜡介质，并调整YAG激光器的输出以避免光轴不对准。然而，在日本专利公报3-75708中，光波导衬底、光纤连接器和其支座的材料是不同的。因此，由于温度变化引起的热胀或收缩，不能获得稳定的光耦合特性。
如上所述，在常规耦合方法中，光波导支座和光纤连接器支座的端面彼此对接，且接触面用紫外粘接或YAG焊接固定光波导衬底与光纤连接器的固定是不可靠的，或在光波导和光纤的连接部分出现光轴未校准。
由于可增加固定强度(例如)，YAG焊接已被检定为一种极好的固定方法。然而，当具有不同于光波导衬底或光纤连接器的折射率的空气层插在光波导衬底和光纤连接器间引起光的反射时，光信号不能在光波导衬底和光纤连接器间正确传输。为避免这一不利之处，两元件间需通过采用折射率匹配剂实现折射率匹配。作为折射率匹配剂，通常采用硅油或类似东西或日本专利公报5-34543中公开的树脂作匹配油。
然而，当匹配油用作折射率匹配剂时，匹配油会流逝，从而使长期可靠性差。日本专利公报5-34543公开的发明中，需要进行线焊接以气密密封树脂并在气密密封后使树脂硬化的。如果在硬化时加热树脂产生气体，气体因为没有裂口，而被截留。这种气体的出现，大大降低了光波导模块的性能。
本发明的目的是提供一种带有光波导和光纤连接结构的光波导模块，及其制造方法，该模块解决了上面的问题。
为实现上述目的，根据本发明所述，提供一种光波导模块，其包括光波导支座、安装在光波导支座上的光波导衬底、在光波导衬底中形成的光波导、光纤支座、安装在光纤支座中的光纤连接器、以及由光纤连接器支承并且端面从光纤连接器露出的光纤，其中光波导支座和光纤支座的端面在对准光波导和光纤时被相互连接，光波导衬底和光纤连接器的每个端面至少部分地通过一间隙被焊接在一起，具有光传输特性的硬化匹配剂填充在该间隙中。换句话说，间隙是指光波导(或光波导衬底)端面和光纤(或光纤连接器)端面间具有预定距离的空隙。
间隙可在光波导的端面和光纤连接器的端面间形成，光波导端面从光波导支座和光波导衬底的端面后移。另外，间隙也可在光纤端面和光波导端面间形成，光纤端面从光纤支座和光纤连接器端面后移。间隙还可在光波导衬底端面和光纤连接器端面间形成，光波导衬底端面从光波导支座和光波导的端面后移。间隙也可在光纤连接器的端面与光波导的端面之间形成，光纤连接器从光纤支座和光纤的端面后移。
在这种光波导模块中，光波导衬底和光纤连接器的端面至少部分通过一间隙粘接以便使具有与光波导和光纤匹配的折射率的硬化匹配剂填充在该间隙。因此，当在对准时，光波导和光纤不会磨损或损坏。
为实现上述目的，根据本发明所述，提供了第一种制造光波导模块的方法，其包括第一步在光波导支座上安装其上具有光波导的光波导衬底，在光纤支座上安装支承光纤的光纤连接器，分别完全抛光光波导、光波导衬底和光波导支座的端面，以及光纤、光纤连接器和光纤支座的端面;第二步将光波导衬底的端面浸在预定的腐蚀溶液中以便至少部分去除光波导衬底的端面使其从光纤支座的端面后退;第三步在对准光波导和光纤的同时将光波导支座和光纤支座的端面彼此连接，并向粘接光波导衬底和光纤连接器形成的间隙中填入有光传输特性的硬化匹配剂;第四步使硬化匹配剂凝固以固定光波导衬底和光纤连接器间的连接部分。
为实现上述目的，根据本发明所述提供了第二种制造光波导模块的方法，其包括第一步在光波导支座上安装其上制有光波导的光波导衬底，在光纤支座上安装支承光纤的光纤连接器，并分别完全抛光光波导、光波导衬底和光波导支座的端面及光纤、光纤连接器和光纤支座的端面;第二步将光纤连接器的端面浸入一预定腐蚀液中以便至少部分去除光纤连接器的端面使其从光纤支座的端面后退;第三步将光波导支座和光纤支座的端面连接起来，同时对准光波导和光纤并往粘接光波导衬底和光纤连接器形成的间隙中填充有光传输特性的硬化匹配剂;第四步使硬化匹配剂凝固以固定光波导衬底和光纤连接器间的连接部分。
第一种和第二种制造光波导模块的方法中，光波导衬底或光纤连接器的端面至少部分被腐蚀和去除以便在光波导衬底和光纤连接器间形成一间隙。因此，光波导衬底和光纤连接器的端面在该间隙中的间隔可通过准确的控制来设定。因而，光波导和光纤间硬化匹配剂引起的光损耗量可被设置在允许的值。与此同时，由光波导支座和光纤支座及光波导衬底和光纤连接器间的热应力引起的硬化匹配剂的剥离率(peeling frequency)可设定为允许的值。
为达到上述目的，根据本发明所述，提供制造光波导模块的第三种方法，包括第一步在对准光波导和光纤的同时将光波导支座的端面与光纤支座的端面连接起来，光波导支座上装有制有光波导的光波导衬底，光纤支座上装着支承光纤的光纤连接器;第二步在光波导衬底和光纤连接器间注入硬化匹配剂，其具有光传输特性和与光波导支座和光纤支座、光波导衬底和光纤连接器间的热应力相应的杨氏模量;第三步用YAG激光焊接固定光波导支座和光纤支座间的连接部分;第四步使硬化匹配剂凝固以固定光波导衬底和光纤连接器间的连接部分。
第三种制造光波导模块的方法中，光波导和光纤被对准，然后再用YAG激光焊接固定光波导支座和光纤支座间的连接部分，从而保持连接部分足够的机械强度。此外，作为YAG激光焊接的后续处理，光波导衬底和光纤连接器间的连接部分通过使硬化匹配剂凝固被固定，从而将光波导和光纤间的轴向未校准减到最小。因此，光波导和光纤间的耦合特性具有高可靠性。另外，由于硬化匹配剂具有光波导支座和光纤支座、光波导衬底和光纤连接器间的热应力相应的杨氏模量，所以由温度变化引的热膨胀或收缩便由于硬化匹配剂起到缓冲层的作用而被减小。因而，可获得光波导和光纤间稳定的耦合特性。
为达到上述目的，根据本发明所述，提供制造光波导模块的第四种方法，其包括第一步将光波导支座的端面和光纤支座的端面连接起来，光波导支座上装着制有光波导的光波导衬底，光纤支座上装有支承光纤的光纤连接器在光波导衬底和光纤连接器间的连接部分中注入有光传输特性的硬化匹配剂;第二步将光波导和光纤对准并用点焊固定光波导支座和光纤支座的连接部分，第三步使硬化匹配剂凝固以固定光波导衬底和光纤连接器间的连接部分;第四步用线焊气密密封光波导支座和光纤支座间的连接部分。
在第四种制造光波导模块的方法中，光波导和光纤被对准以后，光波导支座和光纤支座间的连接部分暂时用点焊固定，再凝固硬化匹配剂以固定光波导衬底和光纤连接器的连接部分，从而将凝固匹配剂时产生的气体从连接部分的间隙中去除。因此，光波导和光纤间的耦合特性很好。作为凝固硬化匹配剂的后续处理，光波导支座和光纤支座间的连接部分用线焊气密密封，从而将外界影响引的硬化匹配剂寿命的变化减到最小。因此，光波导和光纤间的耦合特性可保证长期的可靠性。
为实现上述目的，根据本发明所述提供制造光波导模块的第五种方法，其包括一步将安装制有光波导的光波导衬底的光波导支座和装有支承光纤的光纤连接器的光纤支座浸入有光传输特性的折射率匹配剂中，并将光波导支座和光纤支座的端面彼此相连;第二步对准光波导和光纤并用线焊气密密封光波导支座和光纤支座间的连接部分。
第五种制造光波导模块的方法中，光波导支座和光纤支座的连接部分在被浸入折射率匹配剂的同时用线焊气密密封，以便填充在连接部分的折射率匹配剂不会流失。因而，光波导和光纤间的耦合特性保证了长期的高可靠性。
图1是根据本发明第一实施例所述的光波导结构的平面图;
图2是显示图1中光波导模块的光波导单元和光纤单元间连接部分放大的平面图;
图3是显示图1中光波导模块的光波导衬底与光波导支座的状态的彼此分开的透视图;
图4显示根据本发明第二实施例所述的光波导模块结构的平面图;
图5是显示图4中光波导模块的光波导衬底和光纤连接器间的间隙未填充折射率匹配剂的状态的平面图;
图6给出图4的光波导模块中，纤维端面后退距离与光波导和光纤的插入损耗的关系曲线图;
图7给出图1的光波导模块中，纤维端面后退距离与粘接剂剥离率的关系曲线图;
图8是根据本发明第三实施例所述的光波导模块结构的平面图;
图9是显示图8中光波导模块的光波导衬底和光纤连接器间的间隙未填入折射率匹配剂的状态的平面图;
图10到图13顺次给出根据本发明第四实施例所述的光波导模块制造步骤的透视图;
图14到16顺次给根据本发明第五实施例所述光波导模块制造步骤的透视图。
下面将参照图1-16描述根据本发明所述的实施例的结构和作用。描述附图时，相同的参考数字表示相同的元件，其详细描述被忽略。图形的大小不一定与所描述的一致。
图1是给出根据本发明第一实施例所述的光波导模块结构的平面图。图2是图1中光波导模块的光波单元和光纤单元间连接部分放大的平面图。图3是显示图1中光波导模块的光波导衬底和光波导支座相互分离状态的透视图。
光波导模块1a中，与光纤相连的光纤连接器4和5置于具有光波导2的光波导衬底3的两侧面。光波导衬底3安装在大致为U形的不锈钢光波导支座6上。光纤连接器4和5分别安装在有不锈钢的底面、大致为U形的光纤支座7和8上。
去掉外皮9的单模光纤10被埋入光纤连接器4中。去掉外皮9且相连端部分彼此耦合的多个单模光纤10被埋在光纤连接器5中。光波导支座6与光纤支座7或8间对接端部分用YAG(钇铝石榴石)激光器适当点焊成一整体。来自光纤10的入射光在光波导2中被分成8束并被传输给8根光纤10。
本发明人根据本实施例所述制作一样品，下面将予以描述。示于图1的具有1×8分支结构的光波导被做在光波导衬底中。该光波导衬底的两端面先被抛光并被切割以便安装在分别配备的光波导支座上。该支座被加工成总长度比光波导衬底的长度长约20μm。不锈钢基材料、铁镍钴合金、镍铁合金或类似材料被用作支座材料。采用图1所示方法进行以这种方式配备的光波导支座和光纤支座的定位。这时，由加氟复合物的丙烯酸盐树脂组成的、杨氏模量为8kgf/mm2、折射率为1.44的紫外硬化粘接剂11被填充到光波导衬底和光纤连接器间的间隙中。
第一实施中，光波导衬底3的端面3a从光波导支座6的端面6a凹进预定尺寸L1。
首先，光波导支座6被放置行紧邻光纤支座8。光波导2和光纤10采用XYZ平台(sfage)(未给出)在垂直和水平方向被对准。然后紫外硬化树脂11被涂覆在顺次放置的支座的对接表面。将光纤支座8的端面8a与光波导支座6的端面6a紧紧相接，同时再用XYZ平台在垂直和水平方向对准光波导2和光纤10。对准后，用YAG激光束照射端面6a和8a将其焊接。
焊接后，放置在光纤10带状后端附近的汞灯14被打开以使紫外光线(365nm)沿图1中箭头所示方向入射到光纤10和光波导2上，从而使紫外硬化粘接剂11的中间部分硬化。与此同时，紫外硬化粘接剂11的边缘被紫外射线照射并硬化。根据上面耦合方法所述，紫外线从边缘照射使紫外硬化粘接剂11硬化，同时紫外光还入射到顺次放置的光波导2和光纤10上以使紫外硬化粘接剂靠近中心的部分硬化。这种情况下，核心部分附近被可靠地硬化，而光波导2和光纤10的中心在硬化中和硬化后位置几乎不变。因此位于紫外硬化粘接剂11中间部分的光波导2和光纤10的中心的垂直和水平偏移大大减小。
对按上述方法制成的耦合装置在温度范围-10～70℃内进行热循环测试并在温度为80℃、湿度为95%时进行环境试验。插入损耗的增加不超过0.3dB。本发明的粘接剂不仅具有粘接端面的功能，而且还可减缓由温度变化引起的形状变化。为此，粘接剂的杨氏模量最好不超过100kgf/mm2。
另外，为补偿粘接端面间的间隙或光波导和光纤间的轴向非准直性，粘接剂入折射率最好几乎等于光波导和光纤的折射率。具有上述特征的热固粘接剂(如主要由环氧树脂组成)可被用作这种粘接剂。
根据第一实施例所述，将光波导和光纤的轴对准后，把具有较低杨氏模量的粘接剂注耦合端面间，将端面焊接、固定。因而可以确保连接部分的机械强度，从获得高可靠性的耦合装置。然后，粘接剂硬化，能使硬化中引起的轴向非准直性减最少。由于粘接剂的杨氏模量小，所以当耦合装置随温度变化膨胀或收缩时，粘接剂还可起缓冲层作用，从而防止产生过大作用力。另外，粘接剂有匹配的特性，使得由轴向非准直性、间隙或类似因素引起的耦合损耗的增加减到最小。
图4给出根据本发明第二实施例所述光波导模块的平面图。图5给出未在图4的光波导衬底和光纤连接器间的间隙中填充折射率匹配剂的状态的平面图。
根据第二实施例所述的光波导模块1b(如图5示)中，光入射面上的光纤10的连接端部分(外皮被除去)埋在第一光纤连接器4中。光纤连接器4安装在从顶面和底板看呈U形的(未给出)光纤支座7上。
在光波导衬底3中制成的光波导2的入射边端面2a放置得与由第一光纤连接器4支承的光纤10的端面10a相对。该光波导具有1×4分支的结构。光波导衬底3有一底板(未给出)，并安装在具有U形截面的光波导支座上。光波导2出射边的端面2a放置得与由第二光纤连接器5支持的多个单模光纤10的端面10a相对。光纤连接器5安装在从顶部和底板(未给出)看大致为U形的光纤支座8上。
在上述的光波导模块1b中，左和右光纤10的每个端面10a被放置在从相应光纤连接器4或5的端面4a或5a凹进一预定尺寸L2(示于图5)的位置，以构成第一端面部分12。凹进部分的尺寸L2最好设定在2至50μm的范围内。
另外，光纤连接器4或5的端面4a或5a与相应的光纤支座或8的端面7a或8a在同一平面上。将折射率匹配剂11填充在光纤端面10a与连接器端面4a与5a间形成的凹进部分中以防止在光耦合部分的光反射。除匹配油外，最好能用热固丙烯酸盐树脂或热固环氧树脂作折射率匹配剂11。用作匹配粘接剂的丙烯酸盐树脂和环氧树脂的特性示于表1。
表1匹配粘接剂名称 Lacstrap*1Epotec*2折射率 1.45 1.51玻璃态转变温度(℃) 58 60热膨胀系数(K-1) 2×10-41.8×10-4杨氏模量(kgf/mm) 8 ≤100粘接强度(kgf/cm2) 170 -＊1加氟复合物的丙烯酸盐树脂可从英国化学工业公司获得＊2环氧树脂可从环氧树脂技术公司获得由一非平常表面确定、包括连接器端面4a或5a及光纤端面10a的第一端面部分12按下列工艺制造。
在光纤连接器4或5安装在光纤支座7或8上的状态中，连接器端面4a或5a、光纤端面10a、以及支座端面7a或8a几乎在同一平面上。在这种状态，端面4a、5a、10a、7a和8a被抛光。
光纤连接器4和5与光纤支座7和8一起被浸入20℃时5%的氢氟酸水溶液中约1小时。这时，只有光纤被腐蚀，光纤端面10a从连接器端面4a或5a后退约5μm。
本发明人进行过各有光纤连接器装于其上的支座和有光波导衬底装于其上的支座的定位，所有元件按上述方法制备。这时，折射率匹配剂11被填入光波导2的端面2a和光纤10的端面10a间的间隙。将光波导2和光纤10定位后，光波导支座6和光纤连接器7和8的相接端面用YAG焊接固定。
对按上述大小制备的光波导模块1b测量了温度在-10至70℃范围内变化时的损耗变化，得到了变化范围为±0.2dB的非常令人满意的值。另外，作为比较的例子，对光波导和光纤的端面未从光波导衬底和光纤连接器端面后退的常规光波导模块测量同样温度条件下的损耗变化。这种情况下，损耗变化的范围达到±0.5dB。
第二实施例中，作为第二端面部分13的光波导2的端面2a和光波导衬底3的端面3a在同一平面。然而，用与上一实施例相同的腐蚀工艺，光波导2的端面2a可从光波导衬底3的端面3a后退2～50μm(未给出)。这种情况下，作为第一端面部分12的光纤10的端面10a和光纤连接器4或5的端面4a或5a在同一平面。
下面将描述为恰当地确定光波导模块1b中光纤端面后退距离所做的实验。这种情况下，光波导衬底和光纤连接器由硅制成。用作外壳的光波导支座和光纤支座由镍铁合金或不锈钢(SUS304)制造。这些材料的热膨胀系数示于表2。
表2材料名称热膨胀系数(K-1)硅 2.5×10-6镍铁合金 2×10-6～5×10-6不锈钢(SUS304) 1.47×10-5图6是显示光纤端面后退量与光波导和光纤间插入损耗的关系的曲线图。根据该结果，当光纤端面后退距离增加时，光波导和光纤间的插入损耗增加。因而，与光纤端面后退距离有关的最大值假定是根据插入损耗允许的值的上限来确定的。
图7是显示光纤端面后退距离与匹配粘接剂剥离率关系的曲线图。按该结果，当光纤端面后退距离减小时，匹配粘接剂剥离率增加。因而，光纤端面后退距离的最小值假定是基于要求的剥离率上限值确定的。
因此，当光波导支座和光纤支座是由镍铁合金制成时，光纤端面的后通距离L2最好置于2～30μm的范围内。当光波导支座和光纤支座由不锈钢(SUS304)制成时，光纤端面的后退距离L2最好设置在5～30μm的范围内。
图8给出了根据本发明第三实施例所述的光波导模块的平面图。图9给出了未用折射率匹配剂填充光波导衬底和光纤连接器间的连接部分的状态的平面图。
根据第三实施例所述的光波导模块1c中，与第二实施例相反，光纤连接器4和5的端面4a和5a从光纤10的端面10a后退距离L2(显示于图9)。第三实施例中，由于光纤支座7或8的端面7a或8a与光纤10的端面10a在同一平面上，连接器端面4a或5a的位置从相应支座端面7a或8a后退距离L3。因而，由光纤端面10a和连接器端面4a或5a构成的第一端面部分12成为非平滑表面，凹进部分15在光纤端面10a周围形成。距离L3最好设定在2～100μm的范围内。
根据第三实施例所述的第一端面部分12的非平表面用下列工艺制备。
制备光纤连接器4或5时，Si晶体被切割，在其中形成一V形槽以获得光纤安装构件，光导纤维被放置并固定在该光纤安装构件的V形槽中。光纤连接器4和5被分别安装在光纤支座7和8上以后，支座端面7a和8a、连接器端面4a和5a以及光纤端面10a被抛光以便彼此平接。
光纤连接器4和5被浸在50℃下30%的KOH(氢氧化钾)水溶液中约1小时。结果，光纤10和光纤支座7和8不被腐蚀，而只有光纤连接器4和5的光纤安装构件被腐蚀。因此连接器端面4a和5a从光纤端面10a后退约10μm。
将光波导衬底3安装在光波导支座6上以后，衬底端面3a、波导端面2a和支座端面6a被抛光至同一平面上。
将其上装有光纤连接器4和5的光纤支座7和8及其上装有光波导衬底的光波导支座6(其均用上述方法制备)定位，同时在光波导衬底3和光纤连接器4或5(其包括凹进部分15)的间隙中填充折射率匹配剂11。光波导支座6和光纤支座7及8间的相接端面6a、7a和8a用YAG焊接固定。
对采用上述尺寸制备的光波导模块1C在-10～70℃进行特性测试。结果，损耗变化的范围小到±0.2dB。反之，作为比较的例子，对端面抛光后未进行腐蚀的光波导模块(即连接器端面和光纤端面在同一平面上)在-10～70℃进行温度测量试验。结果，变化范围达±0.5dB。
与第三实施例相反，第二端面部分13可制成非平表面。这种情况下，第一端面部分12可制成平滑表面(未给出)。
在这种情况下，端面部分可按下述工艺制备。即，在支座上安装带有制作在Si衬底上的石英光波导的光波导芯片，并将端面抛光成同一平面。然后将光波导芯片与支座一起浸入50℃的30%KOH水溶液约1小时。结果，光波导和支座没有被腐蚀，而只有光波导的Si衬底受到腐蚀，从而使衬底端面后退约10μm。
按这种方法进行光纤支座和光波导支座端面的定位以后，用YAG焊接固定支座的相接端面。这时，将折射率匹配剂充入光波导衬底和光纤连接器的间隙中。
对用上述方法制备的光波导模块在-10～70℃温度范围内进行温度特性测量，如同对第三实施例的光波导模块所做的一样。结果，损耗变化范围只有±0.2dB。另一方面，作为比较的例子，对光波导安装在支座上、端面被抛光而未进行腐蚀(即，光波导端面与衬底端面在同一平面上)的光波导模块在同样温度条件下进行特性试验。这种情况下，损耗变化范围达±0.5dB。
根据第二和第三实施例所述，光纤连接器端面或光波导衬底端面被制成一非平表面。用于光耦合的一定量的折射率匹配剂可被填入非平表面上形成的凹进部分。因此因此光波导可与光纤稳定耦合。此外，将光纤连接器或光波导衬底安装在支座上并将其端面抛光后，进行腐蚀处理以使光纤或光波导的端面从光纤连接器端面或光波导衬底端面凸出或凹进。为此，可准确控制凸出或凹进的量以便使光波导与光纤高精度地光耦合。
图10至13是顺次显示制造根据本发明第四实施例所述的光波导模块步骤的透视图。
制备其中制有光波导的光波导衬底3。光波导衬底3由Si晶体制成。除Si晶体外，象ZnO、LiNbO3、硫族化物或类似材料也可用作衬底材料。
如图10示，光波导衬底3被固定在光波导支座上，该支座起衬底固定构件的作用，构件由具有U形截面的第一金属外壳61和装配在第一金属外壳61上表面的第一金属板62组合构成，从而构成光波导单元60。光波导衬底3用注入第一金属外壳61的树脂固定在衬底固定构件上。通常用(热固)环氧树脂作为此时所用树脂。但，丙烯树脂或类似材料也可使用。
然后将光波导单元60的端面抛光以减少光波导单元60与光纤单元70连接时的连接损耗。
除光波导单元以外，还要制备光纤连接器4和5。光纤连接器4和5中，多根光纤10被沿二维或三维排列并用预定衬底或类似构件固定。具体地说，光纤连接器4包括由Si晶体组成并有多个V形导槽的V形槽衬底41、安装在这些V形导槽中的光纤10以及装配在V形槽衬底41上的以固定光纤10、由Si晶体构成的压板42。注意，光纤连接器5具有与光纤连接器4同样的结构。除Si晶体外，象塑性材料、多成分玻璃、硅树脂或类似材料也可作光纤连接器4和5。
如图11示，光纤连接器4固定在光纤支座上，从而构成光纤单元70。支座用作光纤固定构件，该构件有具有U形截面的第二金属外壳71和装配在第二金属外壳71上表面的第二金属板72。光纤连接器4用注入第二外壳71中的树脂固定在光纤固定构件上。此时所述树脂通常为热固环氧树脂。但也可用丙烯树脂。注意，光纤单元80具有与光纤单元70同样的结构。
然后将光纤单元70和80的端面抛光。
按上述工艺制造的光波导单元60的端面通过树脂分别与光纤单元70和80的端面对接。这种树脂采用硅树脂。但也可采用环氧树脂。该树脂用于实现光波导和光纤10之间折射率原匹配，其通常具有与光波导和光纤大致相等的折射率。因而，这层树脂必须确实涂在光波导和光纤之间。但树脂可能涂在另一部分(如，连接部分73的整个表面)。这时，要进行光波导和光纤10的校准以使信号可在光波导和装在光纤连接器4和5中的光纤10间准确传送。
如图12所示，对准的光波导单元60和光纤单元70或80间的连接部分73或83的每一侧面被在三处点焊(每个连接部分共有6点)以暂时固定光波导单元60和光纤单元70或80。
本实施例中，进行点焊暂时固定时，采用YAG激光器。但用其它方法进行点焊当然也可以。
这一实施例中，选择了六点作为暂时固定点。然而，暂时固定点的数目不限于此。只要光波导单元和光纤单元能被确实固定，任意数目的点可被固定。
用干热的空气吹通过树脂在光波导单元60的端面和光纤单元70及80的端面间形成的连接部分73和80，加热以使树脂硬化。这时，在80℃的温度下加热60分钟。连接部分73和83的两侧面仅暂时被固定，连接部分73和83中有间隙。为此，由于加热而从树脂中产生的气体向外逸出，不留在光波导单元60的端面和光纤70和80的端面之间。如上所述吹干热空气或用加热器或类似装置在适当温度下直接加热连接部分可用作给连接部分73和83加热的方法。
除这个实施例所用方法外，也可用脱氧工艺作为硬化树脂的方法。具体来说，制造容器被抽空以去除氧气，从而使树脂硬化，或用氮、氩或类似气体代替氧气以去除制造容器中的氧气从而硬化树脂。
树脂完全硬化以后，如图13所示，用YAG激光器进行线焊以气密密封连接部分73和83，从而制成光波导模块。线焊时，焊接位置沿连接部分73和83的两连逐渐向前移动以顺次将其焊接。
根据第四实施例所述，在用线焊气密密封前为硬化树脂而加热产生的气体逸出。因此，光波导单元60的端面和光纤单元70和80的端面间没有残留气体。结果，便能够提供性能不退化且有由此确定的长期可靠性的光波导模块。
图14至16是顺次显示根据本发明第五实施例所述的光波导模块的制造步骤的透视图。
第五实施例中制造光波导单元60和光纤单元70和80的步骤与第四实施例中相同，忽略其详细描述。
如图14所示，光波导单元60和与之相连的光纤单元70及80被浸入油箱90的硅油91中。硅油91用作光波导单元60与光纤单元70及80相连时，获得光波导与光纤10之间折射率匹配的匹配油。光波导单元60和光纤单元70和80用一支承装置(未给出)架在油箱90中。当硅油91提前均匀涂在光波导单元60和光纤单元70及80的端面上时，硅油91还可被均匀地密封。
如图15所示，在光波导单元60和光纤单元70及80保持在硅油91中的同时，对光波导和光纤10进行对准操作。进行对准操作时，使光线入射到光纤10上并监控穿过光波导、由其它光纤10中出来的光线。这时，对光波导和光纤10进行对准以使信号必然能在光波导和装在光纤连接器4和5中的光纤间准确地传输。
如图16所示，当对准操作后的把光波导单元60和光纤单元70及80浸在硅油91中时，用YAG激光束照射进行密封焊接以气密密封光波导单元60和光纤单元70及80的端面间的连接部分73和83，从而制成光波导模块。
如上所述，在硅油91中进行连接部分73和83的线焊时，连接部分73和83在硅油充满光波导单元60和纤单元70及80的端面间的同时被气密密封。因此，硅油91没有流失，可提供具有预定的长期可靠性的光波导模块1e。
根据第四和第五实施例所述，在用点焊暂时固定的连接部分周围形成一空隙，树脂在这个状态下被硬化。为此，即使用加热装置作树脂硬化装置时，这时产生的气体也不留在连接部分，而是被去除了。此外，接部分周围很宽范围内存在空隙。因而，除用加热方法硬化树脂外，也可使用去氧工艺。
另外，根据本发明所述，匹配油不会流到连接部分外边。
因此，根据本发明所述光波导模块的制造方法，能够制造具有预定的长期可靠性的光波导模块。
权利要求
1.一种光波导模块包括光波导支座；光波导衬底，其安装在所述光波导支座中；形成在所述光波导衬底中，其端面从所述光波导衬底露出的光波导；光纤支座；安装在所述光纤支座中的光纤连接器；和由所述光纤连接器支承，端面从所述光纤连接器露出的光纤；其特征在于，所述光波导支座和光纤支座的端面在对准所述光波导和光纤的同时被彼此相连，所述光波导衬底和光纤连接器的端面至少部分通过一间隙被粘接，具有光传输特的硬化匹配剂被填入该间隙。
2.根据权利要求1所述模块，其特征在于所述间隙在所述光波导的端面和所述光纤的端面间形成，所述光波导端面从所述光波导支座和光波导衬底的端面后退。
3.根据权利要求1所述的模块，其特征在于所述间隙是在所述光纤端面和所述光波导端面间形成，所述光纤端面从所述光纤支座和光纤连接器端面退后。
4.根据权利要求要1所述模块，其特征在于所述间隙在所述光波导衬底端面和所述光纤连接器端面间形成，所述光波导衬底的端面从所述光纤支座和光波导的端面退后。
5.根据权利要求1所述的模块，其特征在于所述间隙在所述光纤连接器的端面和所述光波导衬底的端面间形成，所述光纤连接器的端面从所述光纤支座和光纤的端面退后。
6.根据权利要求1所述的模块，其特征在于所述硬化匹配剂是一种具有光固、热固及去氧凝固中任一性质的粘接剂。
7.根据权利要求1所述模块，其特征在于所述光波导衬底和光纤连接器端面在所述间隙中的间隔的上限值基于所述光波导和光纤间硬化匹配剂光损耗大小的允许值，下限值基于所述光波导支座与光纤支座和所述光波导衬底与光纤连接器间热应力引起的硬化匹配剂剥离率(peeling frequency)的允许值。
8.根据权利要求7所述的模块，其特征在于所述光波导支座和光纤支座由镍铁合金构成，且当光波导衬底和光纤连接器由硅组成时所述光波导衬底和光纤连接器的端面在所述间隙中的间隔的范围为2～30μm。
9.根据权利要求7年述的模块，其特征在于所述光波导支座和光纤支座和光纤支座由不锈钢组成，且当所述光波导衬底和光纤连接器由硅组成时，所述光波导衬底和光纤连接器端面在所述间隙中的间隔在5～30μm的范围内。
10.制造光波导模块的方法包括第一步将其上制有光波导的光波导衬底安装在光波导支座上，将支承光纤的光纤连接器安装在光纤支座上，并将所述光波导、光波导衬底和光波导支座的端面及光纤、光纤连接器和光纤支座的端面分别抛光;第二步将所述光波导端面浸入一预定的腐蚀溶液中，至少部分去除所述光波导衬底的端面，使其比所述光波导支座的端面退后;第三步，在对准述光波导和光纤的同时将所述光波导支座和光纤支座的端面相接，并在粘接所述光波导衬底的光纤连接器所形成的间隙中填充具有光传输特性的硬化匹配剂;和第四步，将所述硬化匹配剂凝固以固定所述光波导衬底和光纤连接器间的连接部分。
11.根据权利要求10所述的方法中，其特征在于第二步包括部分地腐蚀并去除所述光波导的端面、使其由所述光波导支座和光波导衬底的端面退后的步骤。
12.根据权利要求10所述方法中，其特征在于第二步包括部分地腐蚀并去除所述光波导衬底的端面、使其由所述光波导和光波导支座和端面退后的步骤。
13.根据权利要求10所述的方法中，其特征在于第四步骤包括加热所述光波导衬底和光纤连接器间的连接部分以硬化所述硬化匹配剂的步骤。
14.根据权利要求10所述的方法中，其特征在于第四步包括使光线从暴露在所述光纤连接器外边的光纤端面入射以凝固所述硬化匹配剂的步骤。
15.根据权利要求10所述的方法中，其特征在于第四步包括去除所述光波导衬底和光纤连接器间连接部分的空气中的氧气，以凝固所述硬化匹配剂的步骤。
16.根据权利要求10所述的方法，其特征在于第四步包括用YAG激光焊接固定所述光波导支座和光纤支座间的连接部分、然后通过凝固所述光波导衬底和光纤连接器间连接部分的步骤。
17.根据权利要求10所述的方法，其特征在于第四步包括步骤用点焊固定光波导支座和所述光纤支座的连接部分，通过使所述硬化匹配剂凝固以固定所述光波导衬底和光纤连接器间的连接部分，以及用线焊气密密封所述光波导支座和光纤连接器支座间的连接部分。
18.制造光波导模块的方法其特征在于包括第一步，将其上制有光波导的光波导衬底安装在光波导支座上，将支承光纤的光纤连接器安装在光纤支座上，并分别完全抛光所述光波导、光波导衬底和光波导支座的端面以及所述光纤、光纤连接器和光纤支座的端面;第二步，将所述光纤连接器端面浸入预定腐蚀液中，以至少部分去除所述光纤连接器的端面，使其从所述光纤支座的端面退后;第三步，在对准所述光波导和光纤的同时，使所述光波导支座和光纤支座的端面彼此相接，并在粘接所述光波导衬底和光纤连接器的端面所形成的间隙中填充有光传输特性的硬化匹配剂;和第四步，使所述硬化匹配剂凝固以固定所述光波导衬底和光纤连接器间的连接部分。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于第二步包括步骤部分地腐蚀并去除所述光纤的端面，使其从所述光纤支座和光纤连接器端面退后。
20.根据权利要求18所述方法，其特征在于第二步包括步骤部分地腐蚀并去除所述光纤连接器的端面，使其从所述光纤和光纤支座的端面退后。
21.根据权利要求18所述的方法，其特征在于第四步包括步骤加热所述光波导衬底和光纤连接器间的连接部分，使硬化匹配剂。
22.根据权利要求18所述方法，其特征在于第四步包括步骤使光线从暴露在光纤连接器外边的所述光纤的端面入射以使硬化匹配剂凝固。
23.根据权利要求18所述的方法，其特征在于第四步包括步骤去除所述光波导衬底和光纤连接器间连接部分的空气中的氧气以使所硬化匹配剂凝固。
24.根据权利要求18所述的方法，其特征在于第四步包括步骤用YAG激光焊接固定所述光波导支座和光纤支座间的连接部分，然后通过使所述硬化匹配剂凝固以固定所述光波导衬底和光纤连接器间的连接部分。
25.根据权利要求18所述的方法，其特征在于第四步包括步骤用点焊固定所述光波导支座和光纤支座间的连接部分，通过使所述硬化匹配剂凝固从而固定所述光波导衬底和光纤连接器间的连接部分，并及线焊气密密封所述光波导支座和光纤支座间的连接部分。
26.制造光波导模块的方法包括第一步，在对准所述光波导和光纤的同时，使装着制有光波导的光波导衬底的光波导支座的端面与装有支承光纤的光纤连接器的光纤支座的端面彼此相接;第二步，在所述光波导衬底和光纤连接器间的连接部分注入具有光传输特性的硬化匹配剂，并对准所述光波导和光纤，注入的介质具有与所述光波导支座和光纤支座间及所述光波导衬底和光纤连接器间的热应力相应的杨氏模量;第三步，用YAG激光焊接固定所述光波导支座和光纤支座间的连接部分;和第四步，使所述硬化匹配剂凝固以固定所光波导衬底和光纤连接器间的连接部分。
27.根据权利要求26所述的方法，其特征在于第一步包括步骤将所述光波导衬底的端面浸入预定的腐蚀液中，以便至少部分去除该端面，使其从所述光波导支座端面退后，然后使所述光波导支座和光纤支座的端面在所述光波导和光纤相互对准的同时相互连接触。
28.根据权利要求26所述的方法，其特征在于第一步包括步骤将所述光纤连接器的一个端面浸入预定腐蚀溶中，以至少部分去除该端面，使其从所述光纤连接器的端面退后，然后在对准所述光波导和光纤的同时使所述光波导支座和光纤支座的端面彼此相接。
29.根据权利要求26所述的方法，其特征在于第四步包括步骤加热所述光波导衬底和光纤连接器间的连接部分，使硬化匹配剂凝固。
30.根据权利要求26所述的方法，其特征在于第四步包括步骤使光线从暴露在所述光纤连接器外边的所述光纤的端面入射，以凝固所述硬化匹配剂。
31.根据权利要求26所述的方法，其特征在于第四步包括步骤去除所述光波导衬底和光纤支座间连接部分的空气中的氧气，使硬化匹配剂凝固。
32.制造光波导模块的方法其特征在于包括第一步，使光波导支座的端面与光纤支座的端彼此相接，光波导支座上装着形成有光波导的光波导衬底，光纤支座上装有支承光纤的光纤连接器;并在所述光波导衬底和光纤连接器间的连接部分注入具有光传输特性的硬化匹配剂;第二步，对准所述光波导和光纤并用点焊固定所述光波导支座和光纤支座间的连接部分;第三步，使所述硬化匹配剂凝固以固定所述光波导衬底和光纤连接器间的连接部分;和第四步，用线焊接气密密封所述光波导支座和光纤支座间的连接部分。
33.根据权利要求32所述的方法，其特征在于第一步包括步骤将所述光波导衬底的端面浸入预定的腐蚀溶液中，使其至少部分地被去除并从所述光波导支座的端面退后，然后在对准所述光波导和光纤的同时使所述光波导支座和光纤支座的端面彼此相接。
34.根据权利要求32所述的方法，其特征在于第一步包括步骤将所述光纤连接器的端面浸入一预定的腐蚀溶液中，使其至少部分被去除并从所述光纤支座的端面后退，然后在对准所述光波导和光纤的同时使所述光波导支座和光纤支座的端面彼此相接。
35.根据权利要求32所述方法，其特征在于第三步包括步骤加热所述光波导衬底和光线连接器衬底间的连接部分，使所述硬化匹配剂凝固。
36.根据权利要求32所述的方法，其特征在于第三步包括步骤使光线从暴露在所述光纤连接器外边的所述光纤端面入射，以使所述硬化匹配剂凝固。
37.根据权利要求32所述的方法，其特征在于第四步包括步骤去除所述光波导衬底和光纤连接器间空气中的氧气，以使所述硬化匹配剂凝固。
38.制造光波导模块的方法其特征在于包括第一步，将安装着制有光波导的光波导衬底的光波导支座和装有支承光纤的光纤连接器的光纤支座浸入有光传输特性的折射率匹配剂中，并使所述光波导支座和光纤支座的端面彼此相接;第二步，对准所述光波导和光纤并用线焊气密密封所述光波导支座和光纤支座间的连接部分。
39.根据权利要求38所述的方法，其特征在于第一步包括步骤将所述光波导衬底端面浸入预定腐蚀溶液中，以将其至少部分去除并使其从所述光波导支座的端面后退，然后将所述光波导支座和光纤支座浸入所述射率匹配剂中，并使所述光波导支座和光纤支座的端面彼此相接。
40.根据权利要求38所述的方法，其特征在于第一步包括步骤将所述光纤连接器端面浸入预定的腐蚀溶液中，以至少部分将其去除并使其从所述光纤支座的端面退后，然后将所述光纤支座和光波导支座浸入折射率匹配剂中，并使所述光波支座和光纤支座的端面彼此相接。
全文摘要
根据本发明所述的光波导模块包括制有光波导的光波导衬底、安装光波导衬底的光波导支座、支承光纤的光纤连接器和安装光纤连接器的光纤支座，在对准光波导和光纤的同时使光波导支座和光纤支座的端面彼此相接，光波导衬底和光纤连接器的端面的粘接至少部分地通过一间隙，具有与光波导和光纤匹配的折射率的介质填充在该间隙。因而，对准时不会磨损或受损伤，通过填充硬化匹配剂可获得稳定的耦合特性。
文档编号G02B6/10GK1102886SQ9410582
公开日1995年5月24日 申请日期1994年5月25日 优先权日1993年5月26日
发明者平井茂, 栗间一典, 齐藤真秀, 油井大, 服部知之, 菅沼宽 申请人:住友电气工业株式会社