CN1193249C - 整体化微球透镜的光纤对准元件 - Google Patents
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Abstract
一种整体化微球透镜的光纤对准元件结构。包括一基板，于基板上蚀刻出复数个阵列式V型沟槽或形成复数个阵列式光波导，经由涂覆一第一聚合层与高透光率的第三聚合层于该基板表面上，经光刻制作过程与加热处理，于该阵列式排列的相对V型沟槽或光波导间形成至少一基座与球状之微球透镜；于该V型沟槽内可配设光纤，再于该微球透镜、沟槽与该光纤或光波导上覆盖一上盖；借助该微球透镜与该沟槽或光波导的适当配置，使配设于该微球透镜两侧的光纤或光波导完成对准；借此可提供一种制作过程较为简单，并可整体化及成批生产的光纤对准元件结构。
Description
本发明涉及一种微球透镜的光纤对准元件结构，尤其指利用光刻，蚀刻成型与微加工技术于光学元件上成批制作V型沟槽或光波导与微球透镜，借助整合V型沟槽，光波导与微球透镜来完成光纤被动元素光路控制的结构。
在光纤通讯(optical fiber communication)中，一般光纤被动元素(optical fiber passive element)所使用的光纤对准方式，有一种称为光纤熔融(fused biconical taper)技术，即将两条光纤(optical fiber)直接对准，并在一起后熔融拉伸，使得两端光纤的纤核(fiber core)在聚合力作用下连接在一起，此种方式于光纤连接时，常会因两端光纤直径不一、两端光纤未对正或光纤接续面不平整等因素，造成光纤连接时功率的耗损。
另外一种做法是于一光纤末端组装一渐变折射率透镜棒(gradient index lens，GRIN lens)，将光纤中的光讯号导入该渐变折射率透镜棒中，使于渐变折射率透镜棒内行进的光线经过扩大并平行化之后，最后再将光讯号聚焦后耦合于另一光纤中，此种方式成本较高，而且需人工微组装来达成；此外，还有一种方式是于每根光纤末端制作一微透镜(microlens)，使光线聚焦达成光纤之间光讯号传递功能，此种方式需对每根光纤末端进行处理；又，另有一种方式是于两根光纤或光波导(waveguide)间架设一球透镜(ball lens)，利用球透镜进行光线聚焦，使位于该球透镜一端的光纤送出的光讯号可以传递至另一端之光纤或光波导，其所使用的球透镜，是采用精密陶瓷研磨出来的球状球透镜，其制作过程较为复杂，而不管是使用前述渐变折射率透镜棒或陶瓷球透镜作为光纤间光讯号传递组件，皆须使用组装方式将渐变折射率透镜棒配置于光纤末端或将陶瓷球透镜配置于光纤与光线之间，需配设多少光纤就需组装对应数量的渐变折射率透镜棒与球透镜，于制作过程上需耗费较多时间，而无法成批(in batch)生产；而且，若于光纤与光纤之间使用人工微组装球透镜的方式。在光纤中心对准球透镜中心时容易产生位置偏差，使光纤间光讯号传送功率降低。另外，还有一种方式是利用表面微加工(surface micro machining)技术，于一基板上制作一垂直透镜于光纤配设位置之间，此种方式成本较高，而且制作过程较为复杂。
本发明的主要目的，在于解决上述的缺点，本发明是于一基板上形成复数个V型沟槽，光波导与微球透镜(micro ball lens)，使光纤或光波导可精确对准该球透镜，而不须以人工微组装方式将微球透镜配置于光纤或光波导间。
本发明的另一目的，在于本发明的光波导、固定光纤用的V型沟槽与微球透镜，是以光刻(lithography(石印))与蚀刻成型(patternetching)技术并配合加热处理形成于基板表面，故可提高光纤或光波导对准微球透镜的精确度。
本发明的再一目的，在于本发明的制法较为单纯，对于制作过程的改良有相当程度的助益。
本发明的又一目的，在于本发明的V型沟槽、光波导与微球透镜结构是可于一基板上进行整体化与成批生产，故可提高整体制造效率。
为达到上述目的，本发明是于一基板上适当位置处蚀刻形成复数个阵列式V型沟槽或微加工形成光波导，涂覆一第一聚合层与高透光率的第二聚合层于该基板表面上，经光刻制作过程与加热处理，于该基板表面适当位置处形成复数个基座与球状的微球透镜，使光纤配设于该V型沟槽内，最后以一上盖包覆该微球透镜与该光纤。
上述微球透镜与该V型沟槽或光波导的形成，是可使用通常用的光刻制作过程规定出其配设位置，使配设于该微球透镜两侧的光纤完成对准；借此可提供一种制作过程较为简单、精确度提高，并可整体化及成批生产的光纤对准元件结构。
图1是本发明结构的外观示意图。
图2-1及图2-2是本发明结构的侧面示意图。
图3-1、图3-2、图3-3、图3-4、图3-5、图3-6及图3-7，是本发明的制造流程示意图。
图4是本发明结构的第一实施例示意图。
图5是本发明结构的第二实施例示意图。
图6是本发明结构的第三实施例示意图。
图7是本发明结构的第四实施例示意图。
请参阅图1所示，是本发明的构造外观示意图，如图所示：本发明的结构是具有一硅制基板1，于该基板1上成批形成复数条V型沟槽11，该V型沟槽11以平行阵列方式排列于基板1表面上，其中，相邻的沟槽是以平行方式排列，而相对的沟槽是以对齐一直线方式排列而成，于该相对的V型沟槽11间留有部份区域，并于该区域内形成有复数个微球透镜2，其中，每一个微球透镜2是形成于相对的V型沟槽11区域间；于该复数条V型沟槽11内配设有对应该沟槽数量的光纤3，借由该V型沟槽11的凹陷结构，使该光纤3可限位于该V型沟槽11内，并借由该V型沟槽11与前述微球透镜2适当配置，使架设于相对的V型沟槽11内光纤3，其中心恰可对准于前述微球透镜2的中心。
请参阅图2-1及图2-2所示，是本发明结构的侧面示意图，如图2-1所示，该V型沟槽11截面为一V型凹陷结构，具有适当角度、大小及深度，使光纤3可限位于该V型沟槽11内而不会左右移位，借由该V型光槽11可确定出该光纤3适当方位，配合该微球透镜2的形成，使该光纤3的纤核31、微球透镜2透视中心恰为同一点，借此完成该光纤3间的对准；如图2-2所示，于光纤3配置于该V型光槽11后，以一对应该基板1的上盖4覆盖该光纤3、微球透镜2，借由该上盖4与该基板1，将光纤3完全固定住，并使光纤3可完全密封，借此可避免将来光纤3进行光讯号传输时受外部光源干扰，而影响光讯号传导品质。
请参阅图3-1、图3-2、图3-3、图3-4、图3-5、图3-6与图3-7所示，是本发明的制造流程示意图，如图所示：首先，如图3-1所示，先提供一基板1，该基板1由硅构成；再者，如图3-2所示，使用整体微细加工法(bulk micromaching)，将硅制基板1当作一加工母材，于该硅制基板1表面进行光刻制作过程(lithography process)，使用屏蔽对准机(mask aligner)或步进机(stepper)，对该基板1表面适当位置进行曝光，于基板1表面形成阵列式(array)图样(pattern)，然后选择适当的蚀刻液对基板1表面进行非等向性蚀刻制作过程，将前述曝光后的图样位置雕刻出三维的V型沟槽11，其中，该V型沟槽11具有适当的角度、大小及深度；如图3-3所示，于该硅制基板1表面上涂布上一层由聚酰亚胺(polyimide)的感光性材质构成的第一聚合层5(polymer layer)，其涂覆方式是可使用旋转涂敷(spincoatimg)技术，待第一聚合层5涂敷完毕后，于该第一聚合层5表面继续涂敷上由聚甲基丙烯酸酯(polymethacrylate)或聚丙烯酸酯(polyacrylate)的高分子材料所组成第二聚合层6，其中，该第二聚合层6组成是含有高透光率的光阻(photoresist)，并具有低于第一聚合层5的玻璃转换温度(glass transition temperature，Tg)；如图3-4所示，对该第一聚合层5与第二聚合层6施行光刻制作过程，于该基板1表面形成复数个区块图样，该图样可为圆形或椭圆形，使该第一聚合层5与第二聚合层6堆叠形成一柱状结构；如图3-5所示，将该基板1与该第一聚合层5与和二聚合层6进行加热处理，使加热温度超过该第二聚合层6的玻璃转换温度但仍小于该第一聚合层5的玻璃转换温度，软化该第二聚合层6使呈熔融状态，流动性增加并开始回流，而该第一聚合层5在加热温度下产生面积收缩，该第二聚合层6因表面张力效应影响形成球状，然后再将该基板1、第一聚合层5与第二聚合层6进行冷却，得到由第二聚合层6形成的球状微球透镜2与第一聚合层5所形成的基座7；如图3-6所示(亦为图1的A-A剖视图)，于该微球透镜2、基座7成型后，将光纤3配置于前述的V型沟槽11内，使其限位于该微球透镜2两侧，借助该硅制基板1经非等向性蚀刻出V型沟槽11固定角度，并配合其适当大小及深度的设计，使配置于该V型沟槽11内的光纤3其中心恰可对准该微球透镜2中心者；如图3-7所示，于该微球透镜2、沟槽与该光纤3上对应该基板1位置覆盖以一上盖4，将整体结构封装起来，借助该上盖4与该基板1，将该光纤3完全固定住，并使光纤3与该微球透镜2可完全密封，借此可避免将来光纤3进行光讯号传输时受外部光源干扰，而影响光讯号传导品质。
请参阅图4所示，是本发明结构的第一实施例示意图，如图所示：本发明亦可于该矽制基板1表面微加工形成复数个阵列式排列的光波导8，该光波导8是以平行阵列方式排列于基板1表面上，其中，相邻的光波导8是以平行方式排列，而相对的光波导8是以对齐一直线方式排列而成，于该相对排列的光波导8间经上述光刻与加热处理过程形成复数个微球透镜2，借助该微球透镜2与光波导8形成于该基板1表面适当位置而得到一对准结构；又如图5所示，本发明结构亦可设计为将V型沟槽11与光波导8配合使用，使该微球透镜2成为光纤3与光波导8间光讯号传导元件；另外，如图6与图7所示，本发明亦可将微球透镜2形成位置设计成位于该V型沟槽11或光波导8一侧，借此可于光讯号为发散光线9a时，借由该微球透镜2可将之转换为平行光线9b。
上述V型沟槽，光波导与微球透镜设计与形成，是使用通常用的光刻制作过程，加热处理与微加工方式完成，在作业上可事先计算出基板上所需V型沟槽与光波导尺寸与微球透镜配置方位，而不须使用人工微组装方式进行微球透镜配置作业，其光纤对准可获得较高精确度，并借由微球透镜聚焦特性，可减少光讯号传输之***损失，提高聚光效率；又，本发明的V型沟槽与微球透镜，因其制造方式是使用一般的光刻制作过程，所以其元件可进行整体化与成批生产，因此可以有效减小元件尺寸、提高微透镜密度，并且本发明的制作过程可整合于一般微光学平台***(micro-optical benchsystem)上，在于其应用领域、制造成本与时间效益上，可以有相当程度的改善。
Claims (12)
1.一种整体化微球透镜的光纤对准元件结构，包括有一基板(1)，复数个形成于该基板(1)上的V型沟槽(11)，和形成于该V型沟槽(11)间的至少一对基座(7)与微球透镜(2)，其特征在于该V型沟槽(11)是以光刻与蚀刻方式成型于该基板(1)上，并排列形成一阵列式图样，使该基板(1)具有相邻平行排列的V型沟槽(11)与相对V型沟槽(11)；而该基座(7)、微球透镜(2)经由光刻制作过程与加热处理形成于该阵列式排列的V型沟槽间，该基座(7)位于相对的V型沟槽(11)间适当位置处，而该微球透镜(2)位于该基座(7)表面，V型沟槽与微球透镜适当配置，使架设于V型沟槽内的光纤的中心与微球透镜的中心对准。
2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于该基板(1)为硅所组成。
3.根据权利要求1所述的结构，其特征在于该基座(7)与微球透镜(2)材质是包含有光阻成份者，其中该微球透镜(2)含有高透光率的光阻成份，该基座(7)材质为感光性材料聚酰亚胺，而该微球透镜(2)的材质为高分子材料聚甲基丙烯酸酯。
4.根据权利要求1所述的结构，其特征在于该微球透镜(2)的材质为高分子材料聚丙烯酸酯。
5.一种整体化微球透镜的光纤对准元件结构，包括一基板(1)，复数个形成于该基板(1)上的光波导(8)，和形成于该光波导(8)间的至少一对基座(7)与微球透镜(2)，其特征在于该光波导(8)是以微加工方式成型于该基板(1)表面上，排列形成一阵列式图样，使该基板(1)表面上具有相邻平行排列的光波导(8)与相对的光波导(8)；而该基座(7)、微球透镜(2)是经由光刻制作过程与加热处理形成于该阵列式排列光波导(8)间，该基座(7)是位于相对光波导(8)间适当位置处，而该微球透镜(2)是位于该基座(7)表面，V型沟槽与微球透镜适当配置，使架设于V型沟槽内的光纤的中心与微球透镜的中心对准。
6.根据权利要求5所述的结构，其特征在于该基板(1)为硅所组成。
7.根据权利要求5所述的结构，其特征在于该基座(7)与该微球透镜(2)包含有光阻成份，其中，该微球透镜(2)含有高透光率的光阻成份，该基座(7)材质为感光性材料聚酰亚胺，而该微球透镜(2)的材质为高分子材料聚甲基丙烯酸酯。
8.根据权利要求5所述的结构，其特征在于该微球透镜(2)材质为高分子材料聚丙烯酸酯。
9.一种整体化微球透镜的光纤对准元件结构，包括一基板(1)，复数个阵列式排列于该基板(1)上的光波导(8)与V型沟槽(11)，和位于该光波导(8)、V型沟槽(11)间的至少一基座(7)与微球透镜(2)，其特征在于V型沟槽(11)是以光刻与蚀刻方式成批成型于该基板(1)上，并微加工成批形成该光波导(8)，使基板(1)上形成有相邻平行排列的光波导(8)与V型沟槽(11)，其中，该光波导(8)与该V型沟槽(11)是相对排列者；而该基座(7)、微球透镜(2)是经由光刻制作过程与加热处理形成于阵列式排列的光波导(8)与V型沟槽(11)间，该基座(7)是位于相对排列的光波导(8)与V型沟槽(11)间适当位置处，而该微球透镜(2)是位于该基座(7)表面，V型沟槽与微球透镜适当配置，使架设于V型沟槽内的光纤的中心与微球透镜的中心对准。
10.根据权利要求9所述的结构，其特征在于该基板(1)由硅所组成。
11.根据权利要求9所述的结构，其特征在于该基座(7)与该微球透镜(2)是包含有光阻成份者，其中，该微球透镜(2)含有高透光率的光阻成份，该基座(7)的材质为感光性材料聚酰亚胺，该微球透镜(2)的材质为高分子材料聚甲基丙烯酸酯。
12.根据权利要求9所述的结构，其特征在于该微球透镜(2)的材质为高分子材料聚丙烯酸酯。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: YULIN TECHNOLOGY CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: INDUSTRIAL TECHNOLOGY RESEARCH INSTITUTE Effective date: 20090731 |
|
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20090731 Address after: Taipei city of Taiwan Province Patentee after: Institute for Information Industry Address before: Hsinchu County of Taiwan Patentee before: Industrial Technology Research Institute |
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| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20050316 Termination date: 20110212 |