專利名稱：在端部蓋有衍射膜的光纖及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在一個(gè)端部具有光學(xué)衍射膜的光纖，以及制造這樣的光纖的方法。更具體地，該發(fā)明涉及在一端蓋有光學(xué)衍射膜的光纖以及制造這樣的光纖的方法，所述衍射膜具有波分多路復(fù)用/分用、功率分割/合并、極化分割多路復(fù)用/分用、波片或者光學(xué)隔離器的功能。
背景技術(shù)：
眾所周知，產(chǎn)生光的衍射的衍射光學(xué)部件可以用在許多應(yīng)用中。例如，可以用衍射光學(xué)部件制造波長多路復(fù)用/分用器、光學(xué)耦合器、光學(xué)隔離器以及類似器件。
衍射光學(xué)部件一般是通過在透明襯底上形成衍射光柵層而制造的。根據(jù)衍射光柵層的結(jié)構(gòu)差異，衍射光學(xué)部件粗略地被分為折射率調(diào)制型(modulated-refractive-index type)和表面起伏型(surface-relieftype)。
圖14用剖面示意解了一個(gè)折射率調(diào)制型衍射光學(xué)部件的例子。應(yīng)當(dāng)理解，在本申請的附圖中，為了簡化圖面并使之清楚，適當(dāng)?shù)馗淖兞顺叨缺壤热鐚挾群秃穸龋鴽]有反映實(shí)際的比例關(guān)系。該折射率調(diào)制型光學(xué)部件包括形成在一個(gè)透明襯底11上的一個(gè)衍射光柵層12a。其中，在該衍射光柵層12a中，形成了折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)。具體地，在衍射光柵層12a中，周期性地交替形成具有較小折射率n1的局部區(qū)域和具有較大折射率n2的局部區(qū)域。這使得，由于在通過低折射率n1區(qū)的光和通過高折射率n2區(qū)的光之間的相位差，引起衍射現(xiàn)象。
具有折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)的衍射光柵層12a例如可以用這樣的材料形成可通過使材料接受能量射束的照射而提高這種材料的折射率。例如，已知可以用紫外輻射提高摻Ge石英玻璃的折射率。類似地，還知道可以用X射線照射石英玻璃而提高其折射率。因此，可以通過以下方式形成如圖14所示的衍射光柵層12a在透明襯底11上淀積一個(gè)折射率為n1的石英玻璃層，然后用能量射束按照一種周期性圖案照射所述玻璃層，將局部折射率提高到n2。
圖15以剖面示意解了一種表面起伏型衍射光學(xué)部件的例子。該表面起伏型衍射光學(xué)部件包括一個(gè)形成在透明襯底11上的衍射光柵層12b，其中，在該衍射光柵層12b中形成了一種起伏結(jié)構(gòu)。具體來說，在衍射光柵層12b中周期性地交替形成具有較大厚度的局部區(qū)域和具有較小厚度的局部區(qū)域。這使得，由于在通過大厚度區(qū)域的光和通過小厚度區(qū)域的光之間的相位差，引起衍射現(xiàn)象。
具有表面起伏結(jié)構(gòu)的衍射光柵層12b例如可以通過下述方法形成在透明襯底11上淀積一個(gè)石英玻璃層，并對該玻璃層進(jìn)行光刻和蝕刻處理。
圖16以剖面示意圖的形式圖解了折射率調(diào)制型的衍射光學(xué)部件的另一個(gè)例子。圖16的折射率調(diào)制型光學(xué)部件與圖14所示相似，但是，在圖16的衍射光柵層12c中，周期性地布置了具有相互不同的三級折射率n1、n2和n3的局部區(qū)域。以這種形式具有三級折射率n1、n2和n3的局部區(qū)域可以在衍射光柵層12c中例如以下述方法形成在襯底11上淀積一個(gè)折射率為n1的石英玻璃層，然后用兩個(gè)不同能量等級的能量射束照射該玻璃層。
借助于包含具有多級折射率的局部區(qū)域的衍射光柵，與使用只包含簡單的二元折射率區(qū)域的衍射光柵的情形相比，衍射效率可以提高。在這里，“衍射效率”的意思是衍射光能量的總和與入射光能量之比。這意味著，從使用衍射光的角度來看，優(yōu)選更高的衍射效率。
圖17以剖面示意圖的形式表示了表面起伏型衍射光學(xué)部件的另一個(gè)例子。圖17的表面起伏型光學(xué)部件類似于圖15所示，但是在圖17的衍射光柵層12d中周期性地布置了具有相互不同的三級厚度的局部區(qū)域。以這種形式具有三級折射厚度的局部區(qū)域可以在衍射光柵層12d中例如以下述方法形成在襯底11上淀積一個(gè)石英玻璃層，然后在該玻璃層上重復(fù)光刻和蝕刻處理兩次。這樣，借助于包含具有多級剖面的局部區(qū)域的衍射光柵，與使用只包含簡單的二元厚度的衍射光柵的情形相比，衍射效率可以提高。
應(yīng)當(dāng)注意，盡管在圖14和圖16所示的折射率調(diào)制型衍射光柵中，衍射光柵層中的折射率是按級變化的，但是也可以形成折射率連續(xù)變化的折射率調(diào)制型衍射光柵。在這種情況下，用來照射以提高折射率的能量射束的能量水平應(yīng)當(dāng)連續(xù)變化。
圖18簡要圖示了在光通信應(yīng)用中使用衍射光學(xué)部件的一個(gè)例子。在該圖中，準(zhǔn)直器C0、C1、C2分別接到光纖F0、F1、F2的端面上。通過光纖F0導(dǎo)入、通過準(zhǔn)直器C0輸出的平行光束L可以由衍射光學(xué)部件DE分解為例如波長為λ1的光束和波長為λ2的光束。這是因?yàn)楣馐难苌浣请S波長λ而不同。
這樣，可以從準(zhǔn)直器C1向光纖F1中輸入波長為λ1的光束，同時(shí)從準(zhǔn)直器C2向光纖F2輸入波長為λ2的光束。換句話說，在這種情況下利用衍射光學(xué)部件DE的多路分用功能。當(dāng)然，反過來，從光纖F1通過準(zhǔn)直器C1輸出的波長為λ1的光束和從光纖F2通過準(zhǔn)直器C2輸出的波長為λ2的光束可以通過衍射光學(xué)部件DE合并并通過準(zhǔn)直器C0輸入到光纖F0中。這意味著衍射光學(xué)部件DE可以表現(xiàn)出多路復(fù)用/分用功能。這樣，此類具有波分多路復(fù)用/分用功能的衍射光學(xué)部件能夠在波分多路復(fù)用(WDM)光通信中起關(guān)鍵作用。
盡管折射率調(diào)制型衍射光學(xué)部件，比如如上所述者，原則上是可以制造出來的，但是，在實(shí)踐中，生產(chǎn)折射率調(diào)制型衍射光學(xué)部件是一個(gè)問題。原因在于，通過用能量射束照射例如石英玻璃所能獲得的折射率變化量最大為0.002左右，這導(dǎo)致不能產(chǎn)生有效的衍射光柵層。
因此，目前一般的做法是，如專利文獻(xiàn)1(日本待審專利申請公開No.S61-213802)和非專利文獻(xiàn)1(Applied Optics，Vol.41，2002，pp.3568-3566)所述，使用表面起伏型作為衍射光學(xué)部件。但是，制造起伏型衍射光學(xué)部件所需的光刻和蝕刻是相當(dāng)復(fù)雜的制造工藝，需要大量的時(shí)間，很麻煩，并且，精確地控制蝕刻深度不是一件容易的事。此外，表面起伏型衍射光學(xué)部件的另一個(gè)問題是，由于在部件表面上形成顯微起伏，灰塵和贓物容易粘附。
同時(shí)，在比如示于圖18中的分出光路中，跨越幾個(gè)毫米的衍射光學(xué)部件DE必須相對于在一個(gè)支承基座(未圖示)上的半導(dǎo)體激光器LD和光纖F0到F2對齊并固定到位。這意味著，在傳統(tǒng)的衍射光學(xué)部件中，光纖是分離的、單獨(dú)的光學(xué)部件，這在操作時(shí)產(chǎn)生麻煩，并且阻礙了光路變短。
考慮到前述使用現(xiàn)有技術(shù)的情況，本發(fā)明的一個(gè)目的是，有效地、低成本地提供在一端蓋有起作用的微小的光學(xué)衍射膜的光纖。
專利文獻(xiàn)1日本待審專利申請公開No.S61-213802。
非專利文獻(xiàn)1Applied Optics，Vol.41，2002，pp.3558-3566。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，一種光纖的特征在于包括在光纖的一個(gè)端面上，或者在接到該光纖的該端面上的準(zhǔn)直器的端面上形成的光衍射膜；該衍射膜包括一個(gè)透明DLC(似金剛石碳，diamond-like carbon)層；該DLC層包括一個(gè)衍射光柵，該衍射光柵包含具有相對較高折射率的局部區(qū)域和具有相對較低折射率的局部區(qū)域。
這種衍射膜允許包括多個(gè)波長的單個(gè)光束依據(jù)波長被分解為多個(gè)光束，能夠用作波分多路復(fù)用器/分用器，能使得多個(gè)具有不同波長的光束合并為單一光束。
這樣的衍射膜允許將單一波長光束分解為多個(gè)光束，能夠用作功率分解器/合并器，能將多個(gè)單一波長光束合并為單一光束。
另外，這種衍射膜能夠用作極化分割多路復(fù)用器/分用器，能夠使單一波長光束中所包含的TE波和TM波相互分離和合并。這種衍射膜對于單一波長光束中所包含的TE波或者TM波還能夠用作波片。
根據(jù)本發(fā)明，還可以通過在所述衍射膜中將包含具有上述極化分割多路分用功能的衍射光柵的第一DLC層和包含具有波片功能的衍射光柵的第二DLC層結(jié)合起來，產(chǎn)生光學(xué)隔離器的功能。如果所述具有光學(xué)隔離器功能的衍射膜的厚度小于或等于20微米，則兩個(gè)光纖的端面可以通過所述衍射膜對接和連接連接起來，而不需要準(zhǔn)直器或者聚光器。原因在于在小于或等于20微米的顯微距離中的光發(fā)散可以忽略不計(jì)。因此，有利地，光纖的蓋有這種薄衍射膜的端部可以被保持在連接器中，該連接器用于將該光纖端部與另一個(gè)光纖的端部對接并連接起來。這里，可以在所述第一DLC層和所述第二DLC層之間夾有一個(gè)透明中間層。
另外，所述衍射膜包括的所述衍射光柵可以是這樣的光柵對于包含0.8微米到2.0微米范圍內(nèi)的波長的光起作用。
在根據(jù)本發(fā)明的一種制造如上所述的光纖的方法中，可以通過用提高所述一個(gè)或者多個(gè)DLC層的折射率的能量射束以預(yù)定的圖案照射所述一個(gè)或者多個(gè)DLC層，來形成所述一個(gè)或者多個(gè)衍射光柵所包含的高折射率區(qū)。
在所述第一DLC層和所述第二DLC層之間夾有一個(gè)透明中間層以實(shí)現(xiàn)光學(xué)隔離器功能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述第一DLC層可以淀積到所述光纖的一個(gè)端面或者與該光纖的該端面相接的準(zhǔn)直器的端面上，并用能量射束進(jìn)行照射以在所述第一DLC層中以第一預(yù)定圖案形成所述高折射率區(qū)；可以依次淀積所述透明中間層和所述第二DLC層；可以用能量射束照射所述第二DLC層以在其中形成第二預(yù)定圖案的高折射率區(qū)；其中當(dāng)用能量射束按所述第二預(yù)定圖案照射所述第二DLC層時(shí)，所述透明中間層可以用來防止所述能量射束影響所述第一DLC層。
用于提高折射率的所述能量射束可以從X射線束、電子束或者離子束中選擇，可以用等離子體CVD技術(shù)來淀積所述一個(gè)或者多個(gè)DLC層。


圖1的示意圖表示了本發(fā)明中在一端具有衍射膜的光纖；圖2的剖面示意圖描繪了本發(fā)明的衍射膜制造技術(shù)的一個(gè)階段的一個(gè)例子；圖3的剖面示意圖描繪了制造本發(fā)明的衍射膜制造技術(shù)的一個(gè)階段的一個(gè)例子；圖4的剖面示意圖描繪了制造本發(fā)明的衍射膜制造技術(shù)的一個(gè)階段的一個(gè)例子；圖5的剖面示意圖描繪了本發(fā)明中波分多路復(fù)用器/分用器的波分多路分用作用；圖6的曲線示了由本發(fā)明的波分多路復(fù)用器/分用器多路分用的光的波長和強(qiáng)度分布之間的關(guān)系的一個(gè)例子；圖7的平面示意示了在本發(fā)明的光功率分解器中的衍射光柵圖案的一個(gè)例子；圖8的剖面示意圖描繪了本發(fā)明的光功率分解器中的功率分解作用；圖9的平面示了在與圖7的光功率分解器進(jìn)行功率分解得到的多個(gè)衍射光束相交的平面中的光束分布；圖10的剖面示意圖描繪了本發(fā)明的極化多路分用器中的極化多路分用作用；圖11的軸測示意圖描繪了本發(fā)明中能夠用作光學(xué)隔離器的衍射膜的作用；圖12的示意圖描繪了根據(jù)本發(fā)明在一端具有一個(gè)光學(xué)隔離器的光纖；圖13的剖面示意示了用光纖連接器將根據(jù)本發(fā)明在一端具有光學(xué)隔離器的光纖連接到另一個(gè)光纖的情形；圖14的剖面示意示了傳統(tǒng)的折射率調(diào)制型衍射光學(xué)部件的一個(gè)例子；圖15的剖面示意示了傳統(tǒng)的表面起伏型衍射光學(xué)部件的一個(gè)例子；
圖16的剖面示意示了傳統(tǒng)的折射率調(diào)制型衍射光學(xué)部件的另一個(gè)例子；圖17的剖面示意示了傳統(tǒng)的表面起伏型衍射光學(xué)部件的另一個(gè)例子；圖18的示意示了光通信中的傳統(tǒng)波長多路分用光路；圖19的示意示了在光通信中使用的傳統(tǒng)隔離器。
具體實(shí)施例方式
圖1示意地描繪了根據(jù)本發(fā)明的光纖的一個(gè)例子。在這個(gè)例子中，一個(gè)圓筒形準(zhǔn)直器C接合到一個(gè)光纖F的端面上，該光纖包括直徑大約10微米的芯，外徑大約125微米(包括包層)。該圓筒形準(zhǔn)直器(cylindrical collimator)C的斷面直徑約為3mm，來自光纖F的光作為斷面直徑約350微米的平行光束被輸出。
圓筒形準(zhǔn)直器C的兩個(gè)端面都是平坦的。借助于折射率在徑向連續(xù)變化而用作透鏡的分布式折射率透鏡(distributed-refractive-indexlens)可以用作此類圓筒形準(zhǔn)直器C。這樣的分布式折射率透鏡可以用離子交換技術(shù)或者分散聚合技術(shù)被制造為由玻璃或者塑料制成的部件。
在圓筒形準(zhǔn)直器C的兩個(gè)端面中，在沒有接合光纖F的那個(gè)端面上，形成一個(gè)包括透明DLC(似金剛石碳，diamond-like carbon)層的光學(xué)衍射膜DF。該DLC層包含一個(gè)折射率調(diào)制衍射光柵，該光柵是通過用能量射束比如離子束照射所述層而局部提高折射率而形成的。因此，從光纖F通過準(zhǔn)直器C輸出的光束被該衍射膜DF衍射，取決于衍射角被分為多個(gè)光束，比如L1、L2和L3等。容易理解，另一方面，如果在相反的方向?qū)⑺龆鄠€(gè)光束L1、L2、L3等照射到衍射膜DF中，這些光束會由所述衍射膜DF合并起來，通過所述準(zhǔn)直器C輸入到所述光纖F中。
實(shí)施例1
圖2到圖4的剖面示意圖描繪了在本發(fā)明的實(shí)施例1中制造折射率調(diào)制型衍射膜的方法的一個(gè)例子。
在如圖2所示的具有 1.44的折射率和5mm×5mm主表面的SiO2襯底1上，用等離子體CVD方法淀積DLC層2到2微米的厚度。用隆起(lift-off)技術(shù)在DLC層2上形成圖3中的金掩模3。在該金掩模3中，按照0.5微米的節(jié)距重復(fù)布置0.5微米寬、5mm長的金條。也就是，金掩模3具有“線加間隔”的圖案。然后對該DLC層2通過所述金掩模3中的孔在正交方向用He離子束4在800KeV加速電壓下以5×1017/cm2的劑量進(jìn)行離子注入。
結(jié)果，DLC層中沒有用He離子進(jìn)行離子注入的區(qū)域的折射率為1.55，而用He離子進(jìn)行了離子注入的區(qū)域2a的折射率被提高到2.05。與在石英玻璃中能夠產(chǎn)生的折射率的變化相比，DLC層中這樣的折射率變化要大得多，這使得能夠產(chǎn)生衍射效率足夠大的衍射光柵層。
在圖4中，通過蝕刻去除金掩模3，得到折射率調(diào)制型衍射膜DF。應(yīng)當(dāng)理解，這種衍射膜DF中的衍射光柵層2包含兩種區(qū)域折射率為1.55的區(qū)域和折射率為2.05的區(qū)域，因此是所謂的二級衍射光柵(binary-level diffraction-grating)層。
圖5以剖面示意圖描繪了在一種實(shí)現(xiàn)方式中的波長多路分用作用。在該實(shí)現(xiàn)方式中，所獲得的折射率調(diào)制型衍射膜DF被用作波分多路復(fù)用器/分用器。在該剖面圖中，黑色剖面部分表示折射率較高的區(qū)域，白色剖面部分表示折射率較低的區(qū)域。如圖5所示，如果使包含多個(gè)波長例如λ1、λ2、λ3和λ4的單一光束入射到衍射膜DF上，通過衍射膜的光纖的衍射角會隨著波長而相互不同。這意味著，包含多個(gè)波長的單一入射光束可以被分解為多個(gè)衍射光束，這些衍射光束在前進(jìn)方向上按波長不同。
當(dāng)然，顯而易見，如果將圖5中箭頭所示的入射光束和衍射光束的方向倒轉(zhuǎn)，則圖5中的衍射膜DF可以被用作多路復(fù)用器。注意，在將衍射膜用作波分多路分用器的實(shí)現(xiàn)方式中，通常以適當(dāng)?shù)慕嵌仁构馐肷涞窖苌淠ど希撨m當(dāng)?shù)慕嵌认鄬τ谀け砻娴姆ň€在0-70度左右的范圍內(nèi)。但是，該角度范圍與在正交于DLC層面的方向形成所述高折射率區(qū)的條件有關(guān)。如果使用斜著入射到DLC層面的離子束，則，例如，在DLC層的表面中形成的高折射率區(qū)有一個(gè)傾斜，光束的入射角應(yīng)當(dāng)將該傾斜角考慮進(jìn)來而加以調(diào)整。
在本實(shí)施例1中，在準(zhǔn)直器C的端面之一上形成具有“線加間隔”圖案的衍射膜DF(其中，通過用離子束進(jìn)行傾斜照射，以0.5微米的節(jié)距重復(fù)排列0.5微米寬的金條)，并如圖1所示，將該準(zhǔn)直器C的另一端連接到一個(gè)光纖F的所述端面。
圖6的曲線圖示意地圖示了在一端設(shè)有所述準(zhǔn)直器(在其端面上形成了上述具有“線加間隔”圖案的衍射膜DF)的光纖F中的波長多路分用結(jié)果的一個(gè)例子。該曲線圖中的水平軸表示衍射光波長(nm)，而豎直軸表示衍射光強(qiáng)度(任意單位)。在此例中，通過光纖F和準(zhǔn)直器C(參見圖1)向衍射膜DF提供波長范圍為1.5到1.6微米、光束直徑為350微米的光。結(jié)果，產(chǎn)生如圖6所示的具有在1.5微米到1.6微米的光譜中以20nm的間隔分布的波長的五個(gè)衍射光束，這五個(gè)衍射光束具有大致相等的強(qiáng)度。在該情形下，衍射效率接近99％，因此實(shí)現(xiàn)了非常突出的波長多路分用性能。
應(yīng)當(dāng)注意，在實(shí)施例1中，由于使用的是線性一維衍射光柵圖案，所述多個(gè)衍射光束存在于過入射光束的單個(gè)平面中。但是，應(yīng)當(dāng)理解，通過就象在實(shí)施例2(將在下文說明)中那樣使用正交剖面中的二維衍射光柵圖案，所述多個(gè)衍射光束可以二維分布。
實(shí)施例2圖7的平面示意示了實(shí)施例2中的衍射膜中的一個(gè)二維衍射光柵圖案。實(shí)施例2中的該衍射膜可以用與實(shí)施例1相同的制造工藝來制造。具體地，圖7中的黑色區(qū)域表示DLC層中折射率通過He離子束的照射被提高的地方，而白色區(qū)域表示沒有用He離子束照射的區(qū)域。所述黑色圖案是通過組合4微米×4微米微單元(microcell)形成的，其中具有132微米的周期。這意味著，圖7所示的衍射光柵圖案中的最小線寬為4微米。
圖8的剖面示意圖描繪了將實(shí)施例2中的折射率調(diào)制型衍射膜用作光耦合器(功率分割器件，power splitting device)的情況下的功率分割作用。具體地，如果使單一波長光束入射到衍射膜DF上，通過衍射膜的光線的衍射角會隨著衍射級而不同。因此，單一波長的入射光束可以被分解為多個(gè)衍射光束。
圖9的平面示了與已經(jīng)如圖8所示被圖7的光耦合器功率分割為多個(gè)光束的衍射光束正交的平面內(nèi)的光束分布。具體來說，具有功率P的入射光束可以被分解為各具有功率P/16的16個(gè)衍射光束。
在實(shí)施例2中，一個(gè)光纖F被連接到一個(gè)準(zhǔn)直器C的一個(gè)端面，在該準(zhǔn)直器的另一個(gè)端面上形成如圖7所示的具有衍射光柵圖案的衍射膜DF，使波長為1.55微米、光束直徑為350微米的光垂直入射到該衍射膜DF上(參見圖1)，其中，產(chǎn)生如圖9所示的四向?qū)ΨQ(fourfoldsymmetry)分布的16分衍射光束。
應(yīng)當(dāng)理解，眾所周知，能夠?qū)崿F(xiàn)如圖9所示的多衍射光束分布模式的如圖7所示的衍射光柵圖案可以使用傅立葉變換找到。
實(shí)施例3在實(shí)施例3中，制造包括具有極化分割多路復(fù)用/分用功能的衍射膜的光纖。在實(shí)施例3中，同樣，用與實(shí)施例1相同的制造工藝形成具有“線加間隔”圖案的DLC衍射光柵層。但是，在實(shí)施例3中，0.4微米寬的高折射率區(qū)的重復(fù)布置的節(jié)距為0.4微米。
圖10的剖面示意圖描繪了一種實(shí)現(xiàn)方式中的極化多路分用作用。在該實(shí)現(xiàn)方式中，實(shí)施例3中的折射率調(diào)制型衍射膜DF被用作極化分割多路復(fù)用器/分用器。具體地，如果使包括TE分量和TM分量的TEM波入射到實(shí)施例3中的衍射膜上，則，取決于TE波和TM波之間的極化差異，TE波和TM波會以相互不同的衍射角被衍射。例如，如圖10所示，TE波作為0階(級)衍射光束而被獲得，TM波作為-1階(級)衍射光束而被獲得。這樣，使得能夠分解TE波和TM波。
在實(shí)施例3中，一個(gè)光纖F(參加圖1)被連接到準(zhǔn)直器C的一個(gè)端面，在該準(zhǔn)直器的另一個(gè)端面上形成具有衍射光柵圖案的衍射膜DF(在該衍射膜中，通過用離子束進(jìn)行傾斜照射，按照0.4微米的節(jié)距按陣列分布0.4微米寬的高折射率區(qū))，通過該衍射膜DF輸出波長為1.55微米、光束直徑為350微米的光，其中，TE極化光束和TM極化光束能夠被分開。
實(shí)施例4在實(shí)施例4中準(zhǔn)備了一個(gè)光纖F(參加圖1)，在該光纖的一端設(shè)置了一個(gè)準(zhǔn)直器C，在該準(zhǔn)直器的一個(gè)端面上形成一個(gè)具有波片功能的衍射膜DF。對于實(shí)施例4的衍射膜，同樣，用與實(shí)施例1相同的制造工藝形成具有“線加間隔”圖案的DLC衍射光柵層。但是，在實(shí)施例4中，以0.2微米的節(jié)距按陣列重復(fù)布置寬度為0.2微米的高折射率區(qū)。另一個(gè)區(qū)別是，在實(shí)施例4中所使用的光纖F不象其它實(shí)施例那樣是單模光纖，而是極化保持光纖(polarization-holding fiber)。
波長為1.55微米的線性極化光被輸入到這樣的極化保持光纖F中，從衍射膜DF通過準(zhǔn)直器C輸出的光束被轉(zhuǎn)換為圓偏振光。這意味著，實(shí)施例4中的衍射膜DF起到了四分之一波片的作用，產(chǎn)生了極化(偏振)轉(zhuǎn)換效應(yīng)。
實(shí)施例5圖11是一個(gè)軸測示意圖，建立了在實(shí)施例5中對光纖實(shí)用的用作光學(xué)隔離器的衍射光學(xué)部件的模型。在該衍射光學(xué)部件中，在一個(gè)石英玻璃襯底31的第一主表面上形成了第一DLC層32，在第二主表面上形成了第二DLC層33。然后，在第一DLC層中形成與實(shí)施例3中相同的衍射光柵，在第二DLC層33中形成與實(shí)施例4中相同的衍射光柵。
如果使波長1.55微米的光束入射到圖11的衍射光學(xué)部件上，即使通過了用作極化多路分用器的第一衍射光柵層32和用作四分之一波片的第二衍射光柵層33的光線35被某些物體反射回來，它也不能穿過四分之一波片33和極化多路分用器32而返回，這二者相互協(xié)作地用作光隔離器。
如圖12簡要所示，在實(shí)施例5中，在準(zhǔn)直器C0的一個(gè)端面上形成具有光隔離器功能的衍射膜DF，一個(gè)光纖F0接合到該準(zhǔn)直器的另一個(gè)端面上。對于該衍射膜DC，在該準(zhǔn)直器C0的一個(gè)端面上形成第一DLC層D1，在該第一DLC層D1中形成具有極化多路分用功能的與實(shí)施例3中相同的衍射光柵。之后，在第一DLC層D1上依次形成SiO2中間層M和第二DLC層D2。應(yīng)當(dāng)理解，可以用CVD技術(shù)或者EB(電子束)汽相淀積技術(shù)形成所述SiO2中間層和所述第二DLC層D2。然后在所述第二DLC層D2中形成具有四分之一波片功能的與實(shí)施例4中一樣的衍射光柵。這樣，當(dāng)用離子束照射第二DLC層D2時(shí)，中間層M可靠地防止離子束進(jìn)入第一DLC層D1。
如圖12所示，從光纖F0通過準(zhǔn)直器C0，波長為1.55微米、斷面直徑為350微米的光束從衍射膜DF被輸出。在此實(shí)現(xiàn)方式中，即使已經(jīng)通過作為極化多路分用器的第一衍射光柵層D1和作為四分之一波片的第二衍射光柵層D2的光束L0在通過另一個(gè)準(zhǔn)直器C1被提供給另一個(gè)光纖F之后在某個(gè)界面處被反射回來作為光束Lb，該光束也不能通過所述四分之一波片D2和所述極化多路分用器D1而返回到光纖F0中，這二者相互協(xié)作地用作一個(gè)光隔離器。作為在這種情況下的消光比(extinction ratio)(入射光強(qiáng)與返回第一衍射光柵D1的光的透射光強(qiáng)之比)，獲得高于40dB的值。
實(shí)施例6圖13以剖面示意圖的形式圖示了通過一個(gè)光學(xué)連接器將實(shí)施例6的光纖連接到另一個(gè)光纖的情形。在該實(shí)施例6中，與實(shí)施例5中具有相同的光學(xué)隔離器功能的衍射膜DF被形成到光纖F0的端面上并與之直接接觸。在此例子中，衍射膜DF的總厚度小于或等于20微米。
光纖F0的蓋有衍射膜DF的端部由一個(gè)FC型光學(xué)連接器FC0保持。該光學(xué)連接器FC0包括一個(gè)保持光纖端部的插頭部分PL0和一個(gè)用于將該插頭部分接合到適配器AD0的壓緊螺帽(cinch nut)N0。類似地，另一光纖F1的端部由一個(gè)FC型光學(xué)連接器FC1保持。該光學(xué)連接器FC1也包括一個(gè)保持所述光纖的端部的插頭部分PL1，和用于將該插頭部分接合到適配器AD1的壓緊螺帽N1。這兩個(gè)適配器AD0和AD1用微型螺栓或者螺帽(未圖示)相互連接起來。
如圖13所示，在實(shí)施例6中，通過具有光學(xué)隔離器功能的衍射膜DF，所述兩個(gè)光纖F0和F1可以直接連接起來，不需要在使用傳統(tǒng)光學(xué)隔離器的情況下所需要的準(zhǔn)直或者聚光透鏡。這是因?yàn)?，具有光學(xué)隔離器功能的衍射膜DF的總寬度可以形成為20微米或者更小，從而，在20微米或者更小這樣的微距離下，對光束的發(fā)散影響可以被避免。這里，為了將兩個(gè)光纖F0和F1的公共端相互對接起來，在連接器FC0和FC1中提供了彈簧(未圖示)。
作為參考，在圖19中簡要圖示了在光通信中使用的傳統(tǒng)隔離器。在該圖中，從光纖F0通過準(zhǔn)直透鏡C0輸出的光束在通過隔離器IL中所包含的第一偏振器P1、法拉弟旋轉(zhuǎn)器(Faraday rotator)FR和第二偏振器P2之后，通過準(zhǔn)直器C1被導(dǎo)入光纖F1。
比較圖13和圖19清楚可見，在實(shí)施例6中，相對于迄今為止的一些做法，兩個(gè)光纖可以通過光隔離器以特別緊湊的方式相互對接并連接起來。顯然，盡管在圖13中使用FC型連接器以通過所述光學(xué)隔離器將兩個(gè)光纖對接并連接起來，但是也可以使用多種其它形式的連接器。另外，可以在形成在硅襯底表面上的V形槽內(nèi)將兩個(gè)光纖通過光學(xué)隔離器對接和連接起來。
盡管在前述實(shí)施例中，描述了使用He離子照射來提高DLC層的折射率的例子，應(yīng)當(dāng)理解，為了提高DLC層的折射率，也可以使用例如其它種類的離子照射、X射線照射或者電子束照射。類似地，在上述實(shí)施例中，針對波長在1.5微米到1.6微米范圍內(nèi)的入射光進(jìn)行了說明，但是在本發(fā)明中，也可以制造這樣的光纖，其衍射膜可用于在有應(yīng)用于光通信的潛力的0.8微米到2.0微米波段內(nèi)具有任何波長的光。
另外，盡管在上述實(shí)施例中描述了衍射膜包含二級衍射光柵層的光纖，但很容易理解，在DLC層內(nèi)也可以形成具有多級或者連續(xù)調(diào)制的折射率分布的衍射光柵。在這種情況下，可以用能量水平和/或劑量變化的能量射束來照射所述DLC層。
還有，在上述實(shí)施例中，在多數(shù)情況下衍射膜DF被形成在準(zhǔn)直器的端面上，但是很容易理解，在所希望的實(shí)現(xiàn)方式中，衍射膜DF可以象在實(shí)施例6中那樣直接形成在光纖的端面上。
工業(yè)實(shí)用性如前所述，本發(fā)明使得能夠高效率、低成本地獲得在一端蓋有折射率調(diào)制型衍射膜的實(shí)用的光纖。而且，在可用DLC層實(shí)現(xiàn)的折射率調(diào)制型衍射膜中，由于在表面上不象表面起伏型衍射光學(xué)部件那樣存在顯微起伏，表面不容易被污染，即使被污染也容易被清潔。另外，由于其DLC層有高度的耐磨損性，本發(fā)明的形成在光纖的端部上的衍射膜從膜面不易被損壞的角度來說也是很有優(yōu)勢的。
權(quán)利要求
1.一種在一端具有光學(xué)衍射膜的光纖，其特征在于所述衍射膜包括形成在所述光纖的一個(gè)端面上的透明DLC層，該透明DLC層或者被形成在與該光纖的該端面相接的一個(gè)準(zhǔn)直器的一個(gè)端面上；并且，該DLC層包括一個(gè)衍射光柵，該衍射光柵包含具有相對較高折射率的局部區(qū)域和具有相對較低折射率的局部區(qū)域。
2.如權(quán)利要求1所述的光纖，其特征在于，所述衍射膜允許包括多個(gè)波長的單個(gè)光束依據(jù)波長被分解為多個(gè)光束，并用作波分多路復(fù)用器/分用器，能使得多個(gè)具有不同波長的光束合并為單一光束。
3.如權(quán)利要求1所述的光纖，其特征在于，所述衍射膜允許將單一波長光束分解為多個(gè)光束，并用作功率分解器/合并器，能將多個(gè)單一波長光束合并為單一光束。
4.如權(quán)利要求1所述的光纖，其特征在于，所述衍射膜具有極化分割多路復(fù)用器/分用器的功能，能夠使單一波長光束中所包含的TE波和TM波相互分離和合并。
5.如權(quán)利要求1所述的光纖，其特征在于，所述衍射膜對于單一波長光束中所包含的TE波或者TM波具有波片功能。
6.一種在一端具有光學(xué)衍射膜的光纖，其特征在于所述衍射膜包括依次層疊在所述光纖的一個(gè)端面上的第一透明DLC層和第二透明DLC層，所述第一透明DLC層和第二透明DLC層或者被依次層疊在與所述光纖的所述端面相接的準(zhǔn)直器的一個(gè)端面上；所述第一和第二DLC層各包括一個(gè)衍射光柵，衍射光柵包含具有相對較高折射率的局部區(qū)域和具有相對較低折射率的局部區(qū)域；所述第一DLC層具有極化分割多路分用功能，能夠按極化分解單一波長光束中所包含的TE波和TM波；所述第二DLC層對單一波長光束中所包含的TE波或者TM波具有波片功能；并且所述第一和第二DLC層相互協(xié)作地用作光隔離器。
7.如權(quán)利要求6所述的光纖，其特征在于，所述衍射膜被形成在所述光纖的所述端面行，厚度小于或等于20微米。
8.如權(quán)利要求7所述的光纖，其特征在于，在上面形成所述衍射膜的光纖端部被保持在一個(gè)連接器中，該連接器用來將所述光纖端部對接并連接到另一個(gè)光纖的端面。
9.如權(quán)利要求6到8之一所述的光纖，其特征在于，在所述第一DLC層和所述第二DLC層之間夾有一個(gè)透明中間層。
10.如權(quán)利要求1到9之一所述的光纖，其特征在于，所述衍射膜包括所述衍射光柵，所述衍射光柵對于包含0.8微米到2.0微米范圍內(nèi)的波長的光起作用。
11.一種制造如權(quán)利要求1到10之一所述的光纖的方法，其特征在于，通過用提高所述一個(gè)或者多個(gè)DLC層的折射率的能量射束以預(yù)定的圖案照射所述一個(gè)或者多個(gè)DLC層，來形成所述一個(gè)或者多個(gè)衍射光柵所包含的高折射率區(qū)。
12.一種制造如權(quán)利要求9所述的光纖的方法，其特征在于在所述光纖的所述端面上，或者在與所述光纖的所述端面相接的準(zhǔn)直器的所述端面上，淀積所述第一DLC層；用提高所述第一DLC層的折射率的能量射束按第一預(yù)定圖案來照射所述第一DLC層，從而在所述第一DLC層中形成所述高折射率區(qū)；依次淀積所述透明中間層和所述第二DLC層；用提高所述第二DLC層的折射率的能量射束按第二預(yù)定圖案來照射所述第二DLC層，從而在所述第二DLC層中形成所述高折射率區(qū)；其中當(dāng)用能量射束按所述第二預(yù)定圖案照射所述第二DLC層時(shí)，所述透明中間層用來防止所述能量射束影響所述第一DLC層。
13.如權(quán)利要求11或12所述的光纖制造方法，其特征在于，所述能量射束為X射線束、電子束或者離子束。
14.如權(quán)利要求11到13之一所述的光纖制造方法，其特征在于，用等離子體CVD技術(shù)來淀積所述一個(gè)或者多個(gè)DLC層。
全文摘要
本發(fā)明以高效率、低成本提供一種在端部蓋有實(shí)用的微型光衍射膜的光纖。該光纖(F)包括形成在其一個(gè)端面上，或者接合到該光纖的該端面上的準(zhǔn)直器(C)的端面上的衍射膜(DF)；該衍射膜包括一個(gè)透明DLC(似金剛石碳)層；并且，該DLC層包括一個(gè)折射率調(diào)制型衍射光柵，該衍射光柵包含具有相對較高折射率的局部區(qū)域和具有相對較低折射率的局部區(qū)域。
文檔編號G02B6/34GK1692293SQ20038010029
公開日2005年11月2日 申請日期2003年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月16日
發(fā)明者后利彥, 大久保總一郎, 松浦尚 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社