УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ПАССИВНОГО СОВМЕЩЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА СО СВЕТОВОДОМ ВВОДА/ВЫВОДА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2000 года по МПК G02B6/30 

Изобретение относится к устройству и способу для совмещения световода и оптического волокна, в частности к устройству и способу для пассивного совмещения оптического волокна в целях стыковки со световодом ввода/вывода в интегральном оптическом устройстве, содержащем интегрированные в подложку световодные устройства с разными функциями.

Для присоединения оптического волокна к световоду можно использовать, в основном, два способа. Во-первых, можно, направив падающий свет в оптическое волокно или устройство, точно съюстировать положение оптического волокна и измерить мощность оптического излучения на выходе из световода или оптического фильтра, чтобы зафиксировать оптическое волокно и световод в таком положении, которое обеспечивает максимальную мощность оптического излучения. Этот способ известен как способ активного совмещения. Во-вторых, можно без направления света автоматически совместить оптическое волокно со световодом в целях стыковки друг с другом в соответствии с формой и структурой соединяемых частей. Этот способ известен как способ пассивного совмещения.

Способ активного совмещения обычно используется для стыковки световода с оптическим волокном. При этом для совмещения оптического волокна со световодом необходимо использовать источник света и фотодетектор. Кроме того, оптическое волокно и световод должны быть совмещены с точностью до долей микрона относительно оси совмещения, имеющей шесть степеней свободы. Недостатком такого способа совмещения является его сложность и продолжительное время.

На фиг. 1А и 1В представлены трехмерное изображение и вид сбоку, иллюстрирующие традиционный способ пассивного совмещения. Согласно этому способу формируют слой 101 световода в той части планарной подложки, на которой должно быть закреплено оптическое волокно, чтобы центр сердечника волновода и центр сердечника оптического волокна совместились, и образуют установочную часть 103 для оптического волокна, имеющую V-образную канавку. Затем выполняют канавку перпендикулярно установочной части 103 с V-образной канавкой для оптического волокна, чтобы можно было плотно прижать оптическое волокно 110 к установочной части 103, сохраняя при этом положение, параллельное световоду. Поперечное сечение оптического волокна 110 подвергают прецизионной шлифовке. Оптическое волокно 110 располагают на установочной части 103 для оптического волокна, имеющей V-образную канавку, и плотно прижимают к поперечному сечению световода. После этого оптическое волокно 110 и световод соединяют друг с другом.

Но поскольку диаметры сердечников оптического волокна и световода находятся в диапазоне нескольких микрон, при пассивном совмещении требуется очень строгое соблюдение формы и структуры стыковочной части, точное позиционирование конца оптического волокна и прецизионная шлифовка поперечного сечения оптического волокна, чтобы снизить потери на стыковку. Поэтому такое совмещение занимает продолжительное время и неэкономично.

Для решения перечисленных выше проблем в основу изобретения поставлена задача создания устройства и способа для пассивного совмещения оптического волокна со световодом ввода/вывода в интегральном оптическом устройстве.

Согласно одному аспекту предложено устройство для пассивного совмещения оптического волокна со световодом ввода/вывода в интегральном оптическом устройстве, содержащее: световод, сформированный на планарной подложке в ее продольном направлении, имеющий сердечник, который короче планарной подложки; установочную часть для оптического волокна, выполненную с заданной длиной на планарной подложке в ее продольном направлении, так что световод и оптическое волокно контактируют друг с другом, предназначенную для приема оптического волокна; и полость, расположенную между установочной частью для оптического волокна и сердечником световода, заполненную материалом, показатель преломления которого несколько возрастает при облучении УФ-лучами, в результате чего показатель преломления материала не отличается существенно от показателя преломления сердечника оптического волокна.

Полость предпочтительно имеет поперечное сечение в форме треугольника, квадрата, полукруга или многоугольника и образована способом, выбранным из группы, включающей травление кремниевой подложки, механическую прецизионную обработку и прецизионное прессование.

Согласно другому аспекту предложен способ для пассивного совмещения оптического волокна со световодом ввода/вывода в интегральном оптическом устройстве, заключающийся в том, что (а) формируют световод в виде слоя в продольном направлении на планарной подложке; (b) формируют установочную часть для оптического волокна на планарной подложке, на которой должно располагаться оптическое волокно в целях стыковки со световодом; (с) формируют полость заданного размера между установочной частью для оптического волокна и световодом; (d) размещают оптическое волокно на установочной части для оптического волокна; (е) вводят в полость материал, показатель преломления которого возрастает при облучении УФ-лучами; и (f) соединяют оптическое волокно со световодом посредством облучения материала, заполняющего полость, УФ-лучами.

На этапе (b) формирования установочной части для оптического волокна предпочтительно удаляют часть слоя световода, сформированного на планарной подложке, для формирования установочной части для оптического волокна в целях стыковки оптического волокна со световодом.

Также предложен способ пассивного совмещения оптического волокна со световодом ввода/вывода в интегральном оптическом устройстве, заключающийся в том, что (а) формируют световод в продольном направлении на планарной подложке; (b) формируют установочную часть для оптического волокна на планарной подложке, на которой должно располагаться оптическое волокно в целях его стыковки со световодом; (с) размещают оптическое волокно на установочной части для оптического волокна вблизи световода и фиксируют оптическое волокно; (d) разрезают оптическое волокно, расположенное на установочной части для оптического волокна вблизи световода, и световод, одновременно выполняя шлифовку поперечных сечений оптического волокна и световода, чтобы образовать полость заданного размера между установочной частью для оптического волокна и световодом; (е) вводят в полость материал, показатель преломления которого возрастает при облучении УФ-лучами; и (f) соединяют оптическое волокно со световодом посредством облучения материала, заполняющего канавку, УФ-лучами.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием примеров его воплощения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых
фиг. 1А и фиг. 1В изображают трехмерный вид и вид сбоку, иллюстрирующие традиционный способ пассивного совмещения;
фиг. 2А и 2В - трехмерный вид и вид сбоку, иллюстрирующие вариант устройства для пассивного совмещения оптического волокна, на котором расположено оптическое волокно, и способ согласно изобретению;
фиг. 3А и фиг. 3В - трехмерный вид и вид сбоку, иллюстрирующие другой вариант устройства и способа для пассивного совмещения оптического волокна, согласно изобретению; и
фиг. 4 - график, иллюстрирующий изменение потерь на стыковку в зависимости от радиуса поля моды и горизонтального смещения.

На фиг. 2А и 2В изображено предложенное устройство для пассивного совмещения оптического волокна, содержащее световод 240, установочную часть 210 для оптического волокна и полость 220.

Световод 240 образует светонаправляющий путь, а сердечник 200 световода сформирован на планарной подложке 230 в ее продольном направлении и имеет длину меньше длины планарной подложки 230. Световод 240 выполнен в виде световодного слоя посредством осаждения диоксида кремния на кремниевую планарную подложку 230.

Установочная часть 210 для оптического волокна - это часть, на которой размещено оптическое волокно 250. Установочная часть 210 для оптического волокна выполнена с заданной длиной вдоль планарной подложки 230, так что световод 220 и оптическое волокно 250 контактируют. Для образования установочной части 210 для оптического волокна, часть, на которой должно быть расположено оптическое волокно 250, удаляют со сформированного световода 240, а затем подложку 230 из кристаллического кремния подвергают анизотропному травлению с использованием раствора гидроксида калия (КОН), в результате чего получают установочную часть 210 для оптического волокна, имеющую форму V-образной канавки, так что центр 252 сердечника оптического волокна сходится с центром сердечника 200 световода.

Полость 220 расположена между установочной частью 210 для оптического волокна и сердечником 200 световода и заполнена материалом, например УФ-отверждаемой смолой, показатель преломления которой несколько возрастает при облучении УФ-лучами, в результате чего показатель преломления материала не отличается существенно от показателя преломления сердечника 252 оптического волокна. При этом полость 220, позволяющая принимать оптическое волокно, может иметь форму, например, треугольную, квадратную или полукруглую и может быть выполнена посредством травления кремниевой подложки, механической прецизионной обработки или методом прецизионного прессования.

На фиг. 3А и 3В показаны трехмерное изображение и вид сбоку, иллюстрирующие устройство и способ для пассивного совмещения оптического волокна в целях стыковки световода с оптическим волокном согласно другому варианту изобретения. В этом случае, как показано на фиг. 3A, после выполнения V-образной канавки на световоде, в нее помещают оптическое волокно, после чего световод и оптическое волокно одновременно разрезают в вертикальном направлении.

Как видно на фиг. 3A, после осаждения диоксида кремния на кремниевую подложку для образования световодного слоя 310, часть световодного слоя, на которой должно быть расположено оптическое волокно, удаляют. Затем кремниевую кристаллическую подложку подвергают анизотропному травлению с применением раствора гидроксида калия (КОН), в результате чего получают установочную часть 340 V-образной формы для оптического волокна, так что центр сердечника 322 оптического волокна совмещается с центром сердечника 330 световода. После этого с помощью установки 360 для резки полупроводниковых пластин, толщина диска которой равна нескольким микронам, формируют полость 350, в которую должен быть введен материал, показатель преломления которого возрастает при облучении УФ-лучами. В результате оптическое волокно и световод подвергают одновременной шлифовке.

Описанное выше устройство для пассивного совмещения оптического волокна со световодом используют следующим образом. В полость устройства для пассивного совмещения оптического волокна, т.е. между размещенным оптическим волокном и световодом, вводят материал, показатель преломления которого возрастает при УФ- облучении, например УФ-отверждаемую смолу. После этого в оптическое волокно вводят УФ-лучи. В результате часть, подвергшаяся воздействию УФ-лучей, отверждается, и показатель преломления отвержденной части возрастает по сравнению с неотвержденной частью, что приводит к образованию световода с расширяющимся сердечником. Оптимальный световод можно получить, регулируя интенсивность и время воздействия УФ-лучей. Благодаря световоду с постепенно расширяющимся сердечником, потери на стыковку оптического волокна со световодом относительно меньше подвергаются влиянию горизонтального смещения, которое представляет собой степень рассогласования между осями оптического волокна и световода.

На фиг. 4 показан график, иллюстрирующий изменение потерь на стыковку в зависимости от радиуса поля моды и горизонтального смещения. По мере того, как радиус поля моды световода возрастает за счет облучения УФ-лучами, постепенно уменьшается зависимость потерь на стыковку от горизонтального смещения. Результат применения световода с постепенно расширяющимся сердечником можно проверить следующим образом. Допустим, что поле моды оптического волокна и световода имеют гауссово распределение, а интервал и наклон между оптическим волокном и световодом равны 0, тогда потери на стыковку между оптическим волокном и световодом можно представить следующей математической зависимостью:

где w₁ и w₂ представляют радиусы поля моды (радиусы в степени 1/е) оптического волокна и световода, a d - горизонтальное смещение между оптическим волокном и световодом.

Следовательно, как показано на фиг.4, скорость изменения потерь на стыковку в зависимости от горизонтального смещения уменьшается по мере увеличения радиуса поля моды. В данном случае принято, что радиус поля моды световода составляет 4 мкм.

В описанном выше варианте для удобства объяснения использовалось оптическое волокно с одним сердечником, но можно использовать оптическое волокно, имеющее несколько сердечников, не ограничиваясь описанным выше вариантом.

Радиус поля моды, как правило, возрастает с увеличением диаметра сердечника. Следовательно, предложенное выполнение световода с постепенно увеличивающимся сердечником снижает зависимость потерь при стыковке от горизонтального смещения. При этом не требуется контролировать форму или структуру стыковочной части.

В частности, во втором варианте изобретения световод и оптическое волокно, имеющее один или несколько сердечников, одновременно подвергают резке перпендикулярно подложке. При этом между световодом и оптическим волокном, имеющим один или несколько сердечников, также формируют полость, в которую вводят материал, показатель преломления которого возрастает при УФ-облучении, например УФ-отверждаемая смола. С этой целью выполняют механическую прецизионную обработку после размещения оптического волокна, и дополнительная шлифовка поперечного сечения оптического волокна не требуется. Благодаря выполнению световода с постепенно расширяющимся сердечником снижаются требования к точности позиционирования оптического волокна.

Изобретение используется в волоконно-оптических системах связи. Устройство содержит световод, выполненный на планарной подложке в ее продольном направлении, имеющий сердечник, установочную часть для оптического волокна, выполненную с заданной длиной на планарной подложке в ее продольном направлении, и полость, расположенную между установочной частью и сердечником световода, заполненную материалом, при облучении которого УФ-излучением показатель преломления отверждаемой части возрастает по сравнению с неотверждаемой частью, что приводит к образованию световода с расширяющимся световодом, обеспечено уменьшение потерь на стыковку оптического волокна со световодом при горизонтальных смещениях. В способе совмещения выполняют операцию разрезания оптического волокна на установочной части вблизи световода, одновременно осуществляя шлифовку поперечных сечений волокна и световода. 3 с. и 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для пассивного совмещения оптического волокна со световодом ввода/вывода в интегральном оптическом устройстве, содержащее световод, сформированный на планарной подложке в ее продольном направлении, имеющий сердечник, который короче планарной подложки, и установочную часть для оптического волокна, выполненную с заданной длиной на планарной подложке в ее продольном направлении так, что световод и оптическое волокно контактируют друг с другом, а также полость, размещенную между установочной частью для оптического волокна и сердечником световода, заполненную материалом, показатель преломления которого несколько возрастает при облучении УФ - лучами, в результате чего показатель преломления материала не отличается существенно от показателя преломления сердечника оптического волокна для образования световода с расширяющим сердечником. 2. Устройство для пассивного совмещения оптического волокна по п.1, отличающееся тем, что оптическое волокно имеет один или несколько сердечников. 3. Устройство для пассивного совмещения оптического волокна по п.2, отличающееся тем, что поперечное сечение полости имеет треугольную, прямоугольную, полукруглую или многоугольную форму. 4. Устройство для пассивного совмещения оптического волокна по п.1, отличающееся тем, что полость выполнена способом, выбранным из группы, включающей травление кремниевой подложки, механическую прецизионную обработку и прецизионное прессование. 5. Способ пассивного совмещения оптического волокна со световодом ввода/вывода в интегральном оптическом устройстве, включает следующие операции: (а) формируют световод в виде слоя в продольном направлении на планарной подложке, (b) формируют установочную часть для оптического волокна на планарной подложке, на которой должно размещаться оптическое волокно в целях его стыковки со световодом, (с) формируют полость заданного размера между установочной частью для оптического волокна и световодом, (d) размещают оптическое волокно на установочной части для оптического волокна, (е) вводят в полость материал, показатель преломления которого возрастает при облучении УФ - лучами, и (f) соединяют оптическое волокно со световодом посредством облучения УФ - лучами материала, заполняющего полость, в результате чего показатель преломления материала не отличается существенно от показателя преломления сердечника оптического волокна для образования световода с расширяющим сердечником. 6. Способ пассивного совмещения оптического волокна по п.5, отличающийся тем, что на этапе (b) формирования установочной части для оптического волокна удаляют часть слоя световода, сформированного на планарной подложке, для формирования установочной части для оптического волокна в целях стыковки оптического волокна со световодом. 7. Способ пассивного совмещения оптического волокна со световодом ввода/вывода в интегральном оптическом устройстве, включает следующие операции: (а) формируют световод в продольном направлении на планарной подложке, (b) формируют установочную часть для оптического волокна на планарной подложке, на которой должно быть размещаться оптическое волокно в целях его стыковки со световодом, (c) размещают оптическое волокно на установочной части для оптического волокна вблизи световода и фиксируют оптическое волокно, (d) размещают оптическое волокно, размещенное на установочной части для оптического волокна вблизи световода, и световод, одновременно выполняя шлифовку поперечных сечений оптического волокна и световода, чтобы образовать полость заданного размера между установочной частью для оптического волокна и световодом, (e) вводят в полость материал, показатель преломления которого возрастает при облучении УФ - лучами, и (f) соединяют оптическое волокно со световодом посредством облучения УФ - лучами материала, заполняющего канавку, в результате чего показатель преломления материала не отличается существенно от показателя преломления сердечника оптического волокна для образования световода с расширяющим сердечником. 8. Способ пассивного совмещения оптического волокна по п.7, отличающийся тем, что на этапе (b) формирования установочной части для оптического волокна удаляют часть слоя световода, сформированного на планарной подложке, для образования установочной части для оптического волокна в целях стыковки оптического волокна со световодом.