制造光波导管的方法

专利名称：制造光波导管的方法
相关申请的相互参照本申请涉及下面共同转让的、同时提交的美国专利申请美国专利申请号为09/121,454，名称为“具有不同芯子和包层材料的光波导管，以及使用该光波导管的发光装置”。
这里参照其全文引入该申请。
在波导性质提供潜在的长的交互作用长度的同时，具有小的截面尺寸的光信道波导管允许建立用于适度光学输入能量的高的光学能量密度。这种效果的结合对于诸如二次谐波的生成、光放大、波长变换和相位调制(当引入适当的电极几何关系时)等众多光学功能而言是非常有吸引力的。
一般而言，波导管制造的一个目的是生产支持电磁波传播的单一引导模式的波导管。许多技术已被非常成功地用来制造光信道波导管。这些技术包括在玻璃基底内的离子交换，在LiNbO3基底内的离子内扩散或质子交换，利用激光烧蚀的图像清晰度(patterndefinition)，旋制的聚合物薄膜的光刻法，和化合物半导体薄膜的外延生长和选择蚀刻。
这些技术的一个缺点是它们不能与明显多的有用的光学材料、如许多激光晶体一起使用。这些已有技术的另一个缺点是制造光波导管所需的设备价格昂贵。
因此，就需要从独立的经过预制光学材料形成光波导管的方法，其中，该方法包括多个如研磨、抛光、和/或切成小方块等机械加工步骤和用粘接剂连接等键合步骤。这种方法适于从任何，即使不是全部，光学材料制造光波导管。另外，这种方法可用容易得到并且不贵的设备适当地完成。
在本发明的一个方面，提供该部件的步骤包括提供包括一抛光表面的光学材料、将该抛光表面连接到该第一基底、变薄并抛光光学材料的第二表面和将第二支持基底连接到该第二抛光表面。
在本发明的另一个方面，连接介于第三支持基底和第四支持基底之间的部件的相对表面的步骤包括抛光部件的一个表面，其中该表面由第一支持基底、光学材料和第二支持基底组成，将部件抛光后的表面连接到第三支持基底、变薄和抛光部件的一个相对表面，其中相对表面由第一支持基底、光学材料和第二支持基底组成，和将该相对的抛光后的表面连接到第四支持基底的步骤。
在本发明的再一方面，该方法进一步包括将第一部件切成小方块以形成多个部件的步骤，其中多个部件的每一个可连接到独立的支持结构上，用来形成独立的光波导管。
在用来形成波导管的本发明的另一实施例中，该方法包括提供光学材料、变薄和抛光该光学材料以形成包括多个纵向延伸表面的一个芯子、提供多个支持基底和粘接地将多个支持基底连接到芯子的纵向延伸表面等步骤。期望用粘接剂将多个支持基底被连接到光学材料的多个纵向延伸表面上。该光学材料可以包括一个高的折射率，多个支持基底和/或粘接剂可以包括一个低的折射率。
当芯子由一种光学增益材料组成时，根据本发明制造的该光波导管特别适于激光器和放大自发发射(ASE)源以用于使用多模式光纤来处理高能的成像和光谱应用，以及需要单一模式传输的电信和有线电视产业用的测试设备。本发明的光波导管的另外的和详细的用途在上述引入的申请中描述。
最佳实施例的详细说明参见

图1，其中说明根据本发明的原理构造的光波导管10的一个实施例。如下面将更详细地说明，一系列新颖的连续的精度抛光和键合步骤允许具有由适当包层或支持基底14包围的芯子12的波导管10的快速且兼价的制造。对于用作一个光波导管而言，芯子12包括一高的折射率，而包层或支持基底14包括一低的折射率。例如，光学材料12可由一相对昂贵的激光晶体组成，包层或支持基底14可由一相对低成本的玻璃材料，如熔融的二氧化硅组成。
在图1所示的说明的实施例中，光波导管10是具有基本为正方形截面的信道波导管的形式。芯子12的伸长形状提供了在一个其中的、纵向上与支持基底的外表面对齐的传播轴a1。
光波导管10的制造包括一个精度抛光和/或研磨技术以机械地变薄一经过预制光学材料以形成在横向和垂直方向上具有期望厚度的波导管的芯子的多步骤过程。光学粘接剂被用来将芯子键合至经过预制包围支持基底上。芯子和包层或支持基底可以由不同的材料，如结构和/或化学上相异的材料、及被独立制造成实际上不同的材料并在光波导管的装配过程期间结合到一起的材料组成。
有利地，机械师可方便地完成根据本发明的不同方法，其中，独立的经过预制光学材料最初被适当地按一定尺寸制做以用于根据本发明来容易处理和制造。例如，一个最初按一定尺寸制做的光学材料的宽度约为20mm、长度约为20mm，厚度约为0.5mm至1mm以便容易处理，并且它可以被制造成截面尺寸仅约为数十微米的光波导管的芯子。
图2A-2H示意地说明了根据本发明用来制造光波导管10的一个实施例的步骤的顺序。图3A和3B一起形成更详细地描述图2A-2H中所说明的每个步骤的流程图。
在该说明的和描述的方法中，光波导管10的芯子12(在图1和2H中被最好地说明)被期望具有如20μm×20μm的正方形截面。这样，用在光波导管10的制造中的独立的经过预制材料为了说明已经非正常比例地显示在附图中。
在该说明的方法中，最初一个光学材料20(芯子12由其形成)被连接到第一支持基底30。例如，光学材料20可以是具有宽度约为20mm、长度约为20mm、厚度约为0.5mm至1mm的形状的平面。第一支持基底30也可以是具有宽度约为20mm、长度约为20mm、厚度约为2mm的形状的平面。
光学材料20包括一个底表面22和一个顶表面24。在将光学材料20连接到第一支持基底30之前，底表面22可被光学地抛光平整和光滑，从而该表面变得例如可透光。底表面22可用标准的研磨和抛光技术来光学地抛光，例如，其中，该光学材料被移到其上洒有液体研磨剂的平板上。研磨和抛光过程可以用带有不同粒子大小(如约0.5μm至约9μm)和研磨剂类型(如氧化铝和氧化铈)的水基浆。该光学材料的尺寸可以用千分尺量具测量，一旦达到期望的表面质量和/或厚度就终止加工。能够达到约为1μm的精确度。此外，高精度抛光夹具的使用能够得到杰出的表面平坦度，以及表面的相互平行(和/或垂直)。
适合于表面22的平坦度值可以基于光波导管所用的光的波长被确定。例如，在光波导管与具有波长为1μm的光一起使用时，适当的平坦度可约为高于如长度或厚度.05μm。此外，表面22被期望具有一光滑的表面质量，如小的凹坑或表面损伤，如果有任何刮痕的话。例如，表面22被期望具有一刮痕，以挖掘(dig)约5-10的指定，其在激光应用中用的光学器件中通常是被期望的。
第一支持基底30的顶表面32可以被光学地抛光，如利用研磨和抛光，如上述参照光学材料20的表面22，因此，该表面是平整并光滑的。光学抛光表面22和32可接着用适当的一层光学粘接剂40被粘接地彼此连接。光学粘接剂层40被期望形成具有少于约2μm的厚度。
参见图2B，其中，光学材料20被连接到第一支持基底30，顶表面24(图2A)被变薄并被光学地抛光，如用研磨来将厚度减少一仔细控制的量，并抛光以获得一如上所述的光学抛光表面26。在该说明的制造方法中，光学材料20最初的厚度为约0.5至约1mm，它被减少至厚度为约20μm。
接着将第二支持基底50连接到变薄的光学材料20的光学抛光表面26上，以形成部件70，如图2C所示。第二支持基底50的底表面52可被光学地抛光，如用如上所述的研磨和抛光，因此该表面是平整并光滑的。接着将光学抛光表面52和26用适当的一层光学粘接剂60粘接地彼此连接。第二支持基底50被期望是具有宽度约为20mm、长度约为20mm、厚度约为2mm的形状的平面。光学粘接剂层60被期望具有小于约2μm的厚度。
如图2D所示，可穿过第二支持基底50、变薄的光学材料20和第一支持基底30将部件70(图2C)切割或切成小方块以成为多个约0.5mm至约1mm厚的切片80。例如，可用金刚石切片刀、钢丝锯或薄片切割机将部件70切成小方块。
每个切片80可根据下面的方法步骤被加工成独立的波导管，其中，切片80被放平并被夹在两个独立的支持基底之间。方便地同时加工切片80导致多光波导管的生产，使得该过程的花费合理。
参见单个切片80，如图2E所示，其中表面82由第一支持基底30、光学材料20和第二支持基底50组成的切片80的表面82被光学地抛光，如用如上所述的研磨和抛光，因此该表面是平整且光滑的。
接着如图2F所示，将切片80的表面82连接到第三支持基底90上。第三支持基底90的顶表面92可被光学地抛光，如用如上所述的研磨和抛光，因此该表面是平整且光滑的。接着可用适当的一层光学粘接剂100将光学抛光表面92和82彼此连接。在该示例性的实施例中，第三支持基底90可以是具有宽度约为4mm、长度约为20mm、厚度约为2mm的形状的平面。光学粘接剂层100被期望具有小于约2μm的厚度。
参见图2G，在切片80被连接到第三支持基底90上后，表面84(图2F)被变薄并被光学抛光，如用如上所述的研磨和抛光，以将厚度减少一仔细控制的量并获得平整的抛光表面86。在该说明的制造方法中，切片80最初的厚度为约0.5至约1mm，并且被减少至厚度为约20μm，因此，形成的芯子12具有20μm×20μm的基本正方形的横截面。
如图2H所示，第四支持基底110被连接到切片80的光学抛光表面86上，以形成光波导管10。第四支持基底110的表面112可被光学地抛光，如用如上所述的研磨和抛光，因此，该表面是平整且光滑的。接着可用适当的一层光学粘接剂层120将光学抛光表面112和86彼此连接。在该示例性的实施例中，第四支持基底100可以是具有宽度约为4mm、长度约为20mm、厚度约为2mm形状的平面。光学粘接剂层120期望地具有小于约2μm的厚度。最好是，光波导管10的第一末端16和第二末端18被光学地抛光。随波长而定的光学反射材料被施加到光波导管的末端16和18上，以形成一个光学空穴，该空穴允许以预定的波长将抽运能量引入光波导管中，并且还允许以期望的源波长从光波导管发射辐射。
光学材料和基底的配合表面被期望具有相同的表面质量，并且每个配合表面之间的粘接剂层的厚度是相同的。
尽管说明并公开了制造波导管的方法，其中，如小于约2μm厚的薄光学粘接剂层被用来将基底连接到光学材料的基底，但本领域的技术人员可从本描述中得知可用具有较大厚度的光学粘接剂层。例如，用如大于约3μm的较大厚度的光学粘接剂层，粘接剂层本身可以提供适当的包层来影响波导管的性能。在该替换性的实施例中，不必光学地抛光与光学材料20和/或芯子12的表面紧密配合的支持基底的表面。在这种情况下，可选择支持基底的处理质量，而不考虑折射率。值得注意的是，为了保持光学粘接剂包层的表面平行并垂直于芯子，并且为了保持光学粘接剂层在一个不变的厚度，可期望光学地抛光支持基底的表面。此外，如在粘接剂和芯子/包层材料之间的边缘破损和有差别的抛光比率等实际问题需要在选择适当的光学粘接剂和层厚度时加以考虑。
根据本发明的方法制造的适当的光波导管部件具有截面为约2-5mm×2-5mm、长度为5-30mm，也可能更长的长度的范围内的尺寸。这允许在生产和光学检验期间能容易地处理和机械装配光波导管。
支持结构30、50、90和110最好由具有相同折射率，如从一个单个的公共基底上最初切割的相同材料组成。光学粘接剂层40、60、100和120期望地由具有一期望地对应于支持基底的折射率的折射率的相同光学粘接剂组成。并且光学粘接剂层期望地在抛光和/或切成小方块步骤中为光学材料20和支持基底30、50、90和110提供足够的边缘支持，以使光学材料和/或支持基底的边缘的破损被降到最小。用于根据本发明的方法中的光学粘接剂可以是如新泽西州的New Brunswick的Norland Products公司生产并可得到的Norland 61等适当的紫外线硫化的光学粘接剂。
为了提高光波导管10的光学性能(如极化依赖性)，光学抛光表面26最好基本平行于光学抛光表面22，光学抛光表面82基本平行于光学抛光表面86，并且四个邻近表面的每一个，如光学抛光表面26和82基本上相互垂直。
根据本发明的制造过程还兼容大多数的光学材料，如例如激光晶体或用作激光器、放大器、ASE源和波长变换器的搀杂玻璃等激活材料。适当的激活材料包括LiNbO3、钕YAG、钕玻璃、钕YLF、钕LiNbO3、铒YAG、铒玻璃、铒LiNbO3、铒硅、铬镁橄榄石、铬YAG和钛二氧化铝。
尽管被说明的光波导管被表示为具有如20μm×20μm的正方形截面的芯子的光信道波导管，但本领域的技术人员从本描述可得知，光波导管可用本发明的方法制造以具有基于特定应用和在波导管内的期望的光信号的传播的其它的截面构造。例如，根据本发明制造的光波导管可以是具有矩形横截面的平面或板光波导管的形式。
尽管已经参照上述最佳实施例特别地表示和描述了本发明，但本领域的技术人员应当明白，不必脱离本发明的实质和范围就能做出不同的形式和细节上的改变。
权利要求
1．一种形成光波导管的方法，所述方法包括以下步骤提供一个由介于一第一支持基底和一第二支持基底之间的一光学材料组成的部件；提供一第三支持基底和一第四支持基底；和连接到所述部件、所述第三支持基底和所述第四支持基底的相对表面上，其中，每一个所述的相对表面由所述的第一支持基底、所述的光学材料和所述的第二支持基底组成。
2．如权利要求1所述的方法，其中，所述提供所述部件的步骤包括以下步骤提供包括一抛光表面的所述光学材料；提供所述的第一支持基底；将所述光学材料的所述抛光表面连接到所述第一支持结构；抛光所述光学材料的第二表面；提供所述的第二支持基底；和将所述第二抛光表面连接到所述第二支持结构。
3．如权利要求2所述的方法，其中，所述抛光所述光学材料的第二表面的步骤包括变薄所述光学材料的步骤。
4．如权利要求2所述的方法，其中，所述将所述光学材料连接到所述第一支持基底和所述第二支持基底的步骤由提供一种粘接剂，并粘接地将所述光学材料连接到所述第一和第二支持基底的步骤组成。
5．如权利要求2所述的方法，其中，所述提供所述第一和第二基底的步骤包括提供由一抛光表面组成的所述第一支持基底和由一抛光表面组成的所述第二支持基底。
6．如权利要求1所述的方法，其中，所述提供所述部件的步骤包括以下步骤提供所述光学材料；光学地抛光所述光学材料的一第一表面；提供所述的第一支持基底；将所述光学材料的所述第一表面连接到所述第一支持基底的一个表面上；光学地抛光所述光学材料的一第二表面；提供所述的第二支持基底；和将所述光学材料的所述第二表面连接到所述第二支持基底的一个表面上。
7．如权利要求6所述的方法，其中，所述提供所述第一和第二基底的步骤包括提供由一抛光表面组成的所述第一支持基底和由一抛光表面组成的所述第二支持基底。
8．如权利要求1所述的方法，其中，所述连接介于所述第三支持基底和所述第四支持基底之间的所述部件的相对表面的步骤包括以下步骤抛光所述部件的一个表面，其中，所述表面由所述第一支持基底、所述光学材料和所述第二支持基底组成；将所述部件的所述抛光表面连接到所述第三支持基底；抛光所述部件的一个相对表面，其中，所述相对表面由所述第一支持基底、所述光学材料和所述第二支持基底组成；和将所述相对抛光表面连接到所述第四支持基底。
9．如权利要求8所述的方法，其中，所述抛光所述部件的所述相对表面的步骤包括变薄所述部件的步骤。
10．如权利要求8所述的方法，其中，所述提供所述第三和第四基底的步骤包括提供由一抛光表面组成的所述第三支持基底和由一抛光表面组成的所述第四支持基底。
11．如权利要求10所述的方法，其中，所述提供所述第三和第四基底的步骤包括抛光所述第三支持基底的一个表面和抛光所述第四支持基底的一个表面。
12．如权利要求11所述的方法，其中，所述将所述相对抛光表面连接到所述第三支持基底和所述第四支持基底的步骤由提供一种粘接剂并将所述相对抛光表面粘接地连接到所述第三和第四支持基底的步骤组成。
13．如权利要求1所述的方法，其中，所述光学材料和所述支持基底由独立的经过预制材料制造。
14．如权利要求13所述的方法，其中，所述支持基底由公共的基底材料制造。
15．如权利要求1所述的方法，进一步包括将所述第一部件切成小方块以形成多个部件的步骤，其中，所述的多个部件的每一个可连接到独立的支持结构上，用来形成独立的光波导管。
16．如权利要求1所述的方法，其中，所述光学材料由晶体材料组成，所述支持基底由非晶体材料组成。
17．如权利要求1所述的方法，其中，所述光学材料由一种激活材料组成。
18．如权利要求17所述的方法，其中，所述光学材料由一激光晶体组成。
19．如权利要求17所述的方法，其中，所述光学材料由一搀杂玻璃材料组成。
20．如权利要求1所述的方法，其中，所述光学材料包括一高的折射率，所述支持基底包括一低的折射率。
21．如权利要求20所述的方法，其中，所述支持基底包括相似的折射率。
22．如权利要求1所述的方法，其中，所述光学材料用一种粘接剂连接到所述支持基底上。
23．如权利要求1所述的方法，其中，所述波导管由一具有一基本正方形的横截面的光信道波导管组成。
24．一种形成波导管的方法，所述方法包括以下步骤提供一种光学材料；抛光所述光学材料的一个表面；将所述光学材料的所述抛光表面连接到一第一支持基底；抛光所述光学材料的一个相对表面；提供一个第二支持基底；将所述光学材料的所述相对抛光表面连接到所述第二支持基底以形成一部件；将所述部件切成小方块以提供多个部件，每一个部件由介于所述第一和第二支持结构之间的所述光学材料组成；抛光所述多个部件的表面，其中，所述抛光表面由所述第一支持基底、所述光学材料和所述第二支持基底组成；提供多个第三支持基底；将所述部件的所述抛光表面连接到所述的多个第三支持基底上；抛光每个所述部件的一相对表面，其中，所述相对表面由所述第一支持基底、所述光学材料和所述第二支持基底组成；提供多个第四支持基底；和将所述部件的所述相对抛光表面连接到所述的多个第四支持基底。
25．一种形成波导管的方法，所述方法包括以下步骤提供一种光学材料；变薄并抛光所述光学材料以形成由多个纵向延伸的表面组成的芯子；提供多个支持基底；和将所述的多个支持基底用一粘接剂连接到所述芯子的所述纵向延伸表面。
26．如权利要求25所述的方法，其中，所述光学材料包括一高的折射率，所述多个支持基底包括一低的折射率。
27．如权利要求25所述的方法，其中，所述光学材料包括一高的折射率，所述粘接剂包括一低的反射率。
28．如权利要求25所述的方法，进一步包括抛光所述芯子的相对末端和向其上施加一反射材料的步骤。
全文摘要
制造光波导管的方法可以包括多个机械步骤,如研磨、抛光和/或切成小方块,和键合步骤,如用粘接剂连接。在一个实施例中,该方法包括以下步骤:提供一种光学材料(20),变薄并抛光该光学材料以形成由多个纵向延伸表面组成的光波导管芯子(12),提供多个支持基底(30、50、90、110),和将该多个支持基底连接到该芯子(12)的该纵向延伸表面。该多个支持基底可以用一粘接剂连接到该光学材料的该多个纵向延伸表面上。该光学材料可以包括一个高的折射率,该多个支持基底和/或粘接剂可以包括一个低的折射率。
文档编号G02B6/122GK1311864SQ99809084
公开日2001年9月5日 申请日期1999年7月22日 优先权日1998年7月23日
发明者凯文·J·麦卡莱昂, 布赖恩·L·劳伦斯, 格雷戈里·A·瓦戈纳, 保罗·R·宽托克, 约翰·L·舒尔策 申请人:分子光电子公司