專利名稱：光纖準(zhǔn)直儀及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖準(zhǔn)直儀，其以這樣的方式構(gòu)成，漸變折射率光纖(GIF)熔合到單模光纖(SMF)的端面上，光可以平行于光纖的軸向從光纖的端面入射和出射。本發(fā)明還涉及一種制造該光纖準(zhǔn)直儀的方法。
背景技術(shù)：
圖4(a)和4(b)示出了利用漸變折射率光纖(GI光纖)的光纖準(zhǔn)直儀的結(jié)構(gòu)。當(dāng)預(yù)定長度的GI光纖20(芯線)熔合到單模光纖10(芯線)的端面上時(shí)，形成所示準(zhǔn)直儀，其中通過GI光纖產(chǎn)生準(zhǔn)直作用。標(biāo)號(hào)12為包覆層部分，用于包覆單模光纖10的芯線。在本說明書中，“芯線”指由纖芯10a、20a和圍繞纖芯的包層10b、20b構(gòu)成的光纖。
該光纖準(zhǔn)直儀具有下述作用。從單模光纖10的芯出射的光通量從GI光纖20的端面出射，同時(shí)，在GI光纖20的端面上入射的平行光通量會(huì)聚到單模光纖10的芯上。關(guān)于該結(jié)構(gòu)，參考日本未審的專利公開4-25805。
在此處，如圖4(a)所示，當(dāng)光纖準(zhǔn)直儀的GI光纖20的端面的面方向垂直光纖的軸向時(shí)，可能遇到下述問題。通過光纖端面上的菲涅耳反射，光纖端面上的反射損耗大約為-15到-18dB。因此，即使當(dāng)在光纖的端面上設(shè)置透射率為99.9％的增透膜時(shí)，反射損耗大約為-30dB。因此，不可能確保從實(shí)際使用的觀點(diǎn)看，必須不大于-50dB的反射損耗特征。但是在該情況下，當(dāng)在GI光纖20的端面上設(shè)置透射率為99.999％的增透膜時(shí)，是可能使反射損耗減小到不大于-50dB的。然而，為了在GI光纖20的端面上設(shè)置這樣高透射率的增透膜，需要花費(fèi)大量的勞動(dòng)和制造成本。因此，該方法不適于實(shí)用。
因此，通常采用下述方法。當(dāng)GI光纖20端面的面方向相對(duì)于垂直于光纖軸向的面略微傾斜時(shí)，則可能改善反射損耗特征。為了使光纖的端面形成傾斜面，采用傾斜拋光光纖端面的方法。在光纖準(zhǔn)直儀的情況下，其光纖的端面如上所述形成傾斜面，當(dāng)在該端面上設(shè)置增透膜時(shí)，可以得到極好的反射損耗特征，其中反射損耗為-70dB。
在光纖準(zhǔn)直儀的光纖的入射和出射面關(guān)于垂直于光纖軸向的方向傾斜的情況下，可以在光纖的端面得到極好的反射損耗特征。然而，在光纖準(zhǔn)直儀的光纖端面傾斜的情況下，可能遇到下述問題。如圖4(b)所示，光束在GI光纖20的端面上發(fā)生折射。因此，光纖的軸向與從光纖端面出射和入射的光束的光軸不在一條直線上對(duì)準(zhǔn)。因此，難于裝配光學(xué)器件。
對(duì)于光學(xué)部件彼此結(jié)合的光學(xué)器件，必須在其部件的光軸彼此精確對(duì)準(zhǔn)的情況下進(jìn)行裝配。然而，如同圖4(b)所示的光纖準(zhǔn)直儀，當(dāng)光纖的軸向與從光纖的端面出射的平行光通量的光軸的方向彼此不同時(shí)，為了使光軸彼此精確對(duì)準(zhǔn)，需要沿軸向精確定位光纖的支撐結(jié)構(gòu)。為了精確地支撐光纖，必須精確地制造用于支撐光纖的所述支撐結(jié)構(gòu)的部件。而且，在利用支撐部件支撐光纖的情況下，光纖的轉(zhuǎn)動(dòng)位置必須精確定位于沿圍繞所述軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方向上。此外，必須精確地定位光纖的端面位置。因此，必須高精度地進(jìn)行裝配工作。
如上所述，在光纖準(zhǔn)直儀的光纖端面形成傾斜面的情況下，裝配工作復(fù)雜，這成為將要解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明已經(jīng)成功地解決了上述問題。本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種光纖準(zhǔn)直儀，其中從利用GI光纖的光纖準(zhǔn)直儀的端面上入射和出射的光束的光軸與光纖的軸向完全一致，而且，光纖準(zhǔn)直儀能夠在光纖的端面上得到不大于-50dB的反射損耗特征。本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種制造該光纖準(zhǔn)直儀的優(yōu)選方法。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種光纖準(zhǔn)直儀，其包括具有端面的單模光纖；具有第一端面的漸變折射率光纖，該第一端面熔合到單模光纖的端面上，使單模光纖的光軸與漸變折射率光纖的光軸一致，從而實(shí)現(xiàn)這些光纖之間的光學(xué)傳輸；以及所述漸變折射率光纖具有第二端面，該第二端面具有限定平滑外表面的凸出部分，其關(guān)于單模和漸變折射率光纖的公共光軸對(duì)稱。
優(yōu)選地是，上述凸出部分與漸變折射率光纖整體形成。
漸變折射率光纖包括沿其光軸延伸的中心漸變折射率芯，和圍繞該芯的包層，所述凸出部分形成于漸變折射率光纖上。
優(yōu)選地是，通過蝕刻漸變折射率芯的第二端形成所述凸出部分。
還優(yōu)選地是，漸變折射率芯的第二端涂有增透膜。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種制造光纖準(zhǔn)直儀的方法，其中該光纖準(zhǔn)直儀包括具有端面的單模光纖，和具有第一端面的漸變折射率光纖，該方法包括下述步驟將單模光纖的端面與漸變折射率光纖的第一端面熔合，使單模光纖的光軸與漸變折射率光纖的光軸一致；在單模和漸變折射率光纖的外表面涂覆保護(hù)膜；切割漸變折射率光纖以限定其第二端面，使其第一和第二端面之間的長度為預(yù)定值，從而獲得準(zhǔn)直儀的功能；蝕刻漸變折射率光纖的第二端面，以獲得凸出部分；以及移除保護(hù)膜，從而得到光纖準(zhǔn)直儀。
優(yōu)選地是，該方法還包括下述步驟在移除保護(hù)膜后，在漸變折射率光纖的第二端面涂覆增透膜，從而得到光纖準(zhǔn)直儀。
還優(yōu)選地是，通過利用蝕刻溶液蝕刻漸變折射率光纖的第二端面形成凸出部分。
在本發(fā)明的光纖準(zhǔn)直儀中，只要在漸變折射率光纖的端面設(shè)置凸出部分，光纖的軸向與從光纖端面入射和出射的光束的光軸可以彼此完全一致。由于上述原因，可以簡化在裝配包括光纖準(zhǔn)直儀的光學(xué)器件的情況中使用的支撐結(jié)構(gòu)和支撐夾具的結(jié)構(gòu)，從而可以使裝配工作變得容易。由于凸出部分設(shè)置在光纖的端面上，因此可以改善光纖準(zhǔn)直儀的反射損耗特征。因此，可以提供一種能夠投入實(shí)用的光纖準(zhǔn)直儀。
根據(jù)本發(fā)明的光纖準(zhǔn)直儀的制造方法，可以容易地在漸變折射率光纖的端面形成凸出部分。因此，可以容易地制造這樣的光纖準(zhǔn)直儀，其中光纖的軸向與從光纖端面入射和出射的光束的光軸彼此完全一致。


在附圖中圖1為本發(fā)明的光纖準(zhǔn)直儀的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2(a)為光纖準(zhǔn)直儀的GI光纖的端面附近的放大側(cè)視圖；圖2(b)為光纖準(zhǔn)直儀的GI光纖的端面附近的透視圖；圖3(a)到3(e)為本發(fā)明的光纖準(zhǔn)直儀的制造方法示意圖；以及圖4(a)和4(b)為常規(guī)光纖準(zhǔn)直儀的結(jié)構(gòu)的示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面將參考所附附圖，詳細(xì)描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
圖1為本發(fā)明的光纖準(zhǔn)直儀的總體結(jié)構(gòu)的示意圖。與如圖4所示的光纖準(zhǔn)直儀的構(gòu)成方式相同，本發(fā)明的光纖準(zhǔn)直儀以GI光纖20熔合到單模光纖10的端面上的方式構(gòu)成。本實(shí)施例的光纖準(zhǔn)直儀的特征在于，在GI光纖20的端面上形成半球形的凸出部分20c，這不同于常規(guī)光纖準(zhǔn)直儀。
圖2(a)和2(b)為GI光纖20的端面附近的放大圖。圖2(a)為側(cè)視圖，圖2(b)為透視圖。在GI光纖20的圓形端面區(qū)域中，凸出部分20c的外表面形成相對(duì)于GI光纖20的中心對(duì)稱的球形。GI光纖20的纖芯部分20a形成為，使折射率可以沿徑向漸變，并且纖芯外周的包層部分形成為，使折射率可以均勻。凸出部分20c設(shè)置于光纖的端面上相應(yīng)于GI光纖20的纖芯部分的區(qū)域。
本實(shí)施例的光纖準(zhǔn)直儀的特征如下所述。凸出部分20c形成在相應(yīng)于GI光纖20的端面的纖芯部分的區(qū)域中。通過該凸出部分20c的作用，光纖準(zhǔn)直儀的軸向與從光纖端面入射和出射的光束的光軸彼此完全一致。而且，由于光纖的端面形成為曲面，因此光纖端面上的反射損耗特征可以是能夠適當(dāng)?shù)赝度雽?shí)用的反射損耗特征。
在GI光纖20的端面形成的凸出部分20c如透鏡一樣光學(xué)地作用。因此，當(dāng)考慮由凸出部分20c導(dǎo)致的的透鏡作用時(shí)，確定GI光纖20的長度L，使得可以從光纖的端面出射平行光通量，并且入射到光纖端面的平行光通量可以會(huì)聚到單模光纖10的纖芯部分中。
利用在GI光纖20的端面形成的凸出部分20c的形狀，以及利用GI光纖20的長度L，本發(fā)明的光纖準(zhǔn)直儀可以提供光準(zhǔn)直作用。因此，可以說，GI光纖20的長度L由凸出部分20c的形狀限定，而凸出部分20c的形狀由GI光纖20的長度L限定。
相比于光纖準(zhǔn)直儀的端面是垂直于軸向的平面的情況，在本實(shí)施例中，在GI光纖20的端面上形成凸出部分20c，可以大大改善反射損耗特征。上述原因在于，在GI光纖20的端面上形成了外表面為曲面的凸出部分20c。在光纖的端面為平面的情況下，在光纖端面反射的光束直接返回到單模光纖10的端面。然而，在光纖的端面為曲面的情況下，在光纖端面反射的光束不直接返回到單模光纖10。
根據(jù)本實(shí)施例的光纖準(zhǔn)直儀，當(dāng)在GI光纖20的端面上不設(shè)置如SiO2或Ta2O5的增透膜時(shí)，反射損耗可以不大于-30dB。當(dāng)在GI光纖20的端面上設(shè)置透射率為99.97％(-35dB反射)的增透膜時(shí)，反射損耗可以不大于-50dB。透射率為99.97％的增透膜通常用于端面為傾斜面的光纖準(zhǔn)直儀中。根據(jù)本實(shí)施例的光纖準(zhǔn)直儀，可以提供一種反射損耗特征可以投入實(shí)用的產(chǎn)品，其中光纖準(zhǔn)直儀的軸向與入射及出射光的光軸彼此完全一致，不需要特別復(fù)雜的制造過程。
作為在光纖端面上形成凸出部分20c的方法，如圖1、2(a)和2(b)所示，本實(shí)施例使用化學(xué)蝕刻GI光纖20的端面的方法。
在本實(shí)施例中，構(gòu)成GI光纖20的基本材料為石英玻璃，控制添加物Ge的量使折射率可以連續(xù)變化。當(dāng)在預(yù)定的蝕刻溶液中蝕刻折射率連續(xù)變化的光纖時(shí)，可以形成如圖2(a)和2(b)所示的外表面為球形(外表面為曲面且向外突出)的凸出部分20c。
在本實(shí)施例中，如下所述在GI光纖20的端面上形成凸出部分20c。制造過程如圖3所示。
首先，如圖3(a)所示，將GI光纖20熔合到單模光纖10的端面上。GI光纖20的長度確定為稍微長于預(yù)定長度。
接著，為了保護(hù)光纖的外周面，以使其在蝕刻光纖端面時(shí)不被蝕刻，在單模光纖10和GI光纖20的外周面順序進(jìn)行無電鍍鎳和無電鍍金，以形成保護(hù)光纖外周面免受蝕刻的保護(hù)膜。圖3(b)示出了具有鍍鎳層30和鍍金層32的狀態(tài)。
接著，將GI光纖20切割為預(yù)定長度。GI光纖20的長度確定為，可以使從GI光纖20的端面出射的光束為平行光通量。在GI光纖的端面切割為平面的情況下，GI光纖20的長度確定為由GI光纖的會(huì)聚常數(shù)確定的波長的1/4?？蛇x地是，GI光纖20的長度確定為1/4波長的奇數(shù)倍的長度。在本實(shí)施例的情況中，由于凸出部分20c形成于GI光纖20的端面上，因此，當(dāng)考慮凸出部分20c的透鏡作用時(shí)，GI光纖20的長度確定為預(yù)定的長度，并將GI光纖20切割為該預(yù)定長度。
當(dāng)GI光纖20切割為預(yù)定長度時(shí)，將GI光纖20的端面曝光，在光纖的其它部分涂覆保護(hù)膜，如圖3(c)所示。
在GI光纖20的端面曝光后，將光纖浸在蝕刻溶液中以蝕刻GI光纖20的端面。
在該實(shí)施例中，使用混合溶液作為蝕刻溶液，其中氟化氫、氟化銨和純水以0.2∶1.4∶1的比例混合。當(dāng)通過該蝕刻溶液進(jìn)行蝕刻時(shí)，可以在GI光纖20的端面上形成外表面為球形的凸出部分20c。光纖準(zhǔn)直儀的反射損耗由蝕刻時(shí)間改變。因此，當(dāng)設(shè)定適當(dāng)?shù)奈g刻時(shí)間時(shí)，可以得到預(yù)定的反射損耗特征。圖3(d)示出了GI光纖20的端面經(jīng)過蝕刻、并且在GI光纖20的端面上形成凸出部分20c的狀態(tài)。
最后，通過溶解去除包覆光纖外周面的保護(hù)膜鍍金層32和鍍鎳層30。通過這種方法，可以得到如圖3(e)所示的光纖準(zhǔn)直儀。
這樣得到的光纖準(zhǔn)直儀是這樣的產(chǎn)品，其中光纖準(zhǔn)直儀的軸向與從光纖端面入射和出射的光束的光軸完全在一條直線上對(duì)準(zhǔn)。
表1反射損耗特征的變化

*參考值單模光纖0°通過在端面上涂覆“AR”，反射損耗值的變化(在“AR”前)-15dB——>(在“AR”后)-36dB表1示出了這樣的研究的結(jié)果，所述研究用于，在當(dāng)通過上述實(shí)施例的方法在GI光纖20的端面上形成凸出部分20c時(shí)，改變蝕刻溶液中進(jìn)行蝕刻的蝕刻時(shí)間的情況下，研究光纖準(zhǔn)直儀的反射損耗特征的變化，其中對(duì)四組樣品作了研究。
在此處，表1中的“在AR前”表示在GI光纖的端面已經(jīng)被蝕刻的條件下測(cè)量的反射損耗特征的結(jié)果，表1中的“在AR后”表示在相同樣品的GI光纖端面上已經(jīng)設(shè)置了增透膜的條件下測(cè)量的反射損耗特征的結(jié)果。在該情況下，增透膜由六層組成，并且增透膜的透射率為99.97％。
根據(jù)表1所示的結(jié)果，當(dāng)蝕刻時(shí)間從1小時(shí)增加到4小時(shí)時(shí)，反射損耗特征逐漸改善，并且當(dāng)設(shè)置增透膜時(shí)，改善了反射損耗特征。在蝕刻時(shí)間為3小時(shí)和4小時(shí)的情況下，當(dāng)設(shè)置增透膜時(shí)，得到了不大于-50dB的反射損耗特征。因此，上述蝕刻時(shí)間的產(chǎn)品可以充分投入實(shí)用。
在此處，當(dāng)改變對(duì)蝕刻GI光纖端面的蝕刻時(shí)間時(shí)，則改變了在GI光纖20端面上形成的凸出部分20c的形狀(曲率半徑)。因此，可以說，當(dāng)增加蝕刻時(shí)間時(shí)，不只是改善了反射損耗。實(shí)際上，在為產(chǎn)品設(shè)定的最適當(dāng)蝕刻時(shí)間后再進(jìn)行蝕刻是必要的。
表2GI光纖的特征數(shù)據(jù)

表3在沒有蝕刻步驟的情況下，在“AR”涂覆前后，反射損耗值的變化

(dB)表2示出了可以用于本實(shí)施例的一些GI光纖的樣品的特征數(shù)據(jù)。表3示出了用于在如上所述的相同條件、但不進(jìn)行蝕刻步驟的條件下，研究光纖準(zhǔn)直儀的反射損耗特征的變化的研究結(jié)果。
如上所述，在本實(shí)施例中，通過化學(xué)蝕刻GI光纖20的端面，在GI光纖20的端面上形成凸出部分20c的方法，優(yōu)選地作為將凸出部分20c的外表面形成為凸曲面形的方法。由于GI光纖20的芯設(shè)計(jì)成折射率可以沿徑向漸變，因此，通過利用GI光纖20的組分特征，可以只通過化學(xué)蝕刻操作，形成外表面平滑的凸出部分20c。
因此，通過凸出部分20c的光學(xué)透鏡作用，和通過GI光纖20的光學(xué)作用，可以提供預(yù)定的準(zhǔn)直作用。而且，通過凸出部分20c可以改善反射損耗特征。
此處，在蝕刻GI光纖端面的情況下，在光纖的外周面涂覆保護(hù)膜的原因在于，防止蝕刻溶液蝕刻除GI光纖20端面以外的部分。在該情況下，保護(hù)膜不特別限于特定類型。在本實(shí)施例中，在光纖的外表面進(jìn)行鍍覆以形成保護(hù)膜。然而，除了通過鍍覆提供保護(hù)膜外，還可以使用在光纖外表面涂覆如樹脂的不被蝕刻溶液蝕刻的其他材料的方法。
構(gòu)成本實(shí)施例的GI光纖20的基本材料為石英。然而，即使在由樹脂構(gòu)成光纖的情況下，通過利用與上述實(shí)施例相同的蝕刻方法，仍可以在GI光纖的端面上形成凸出部分。
關(guān)于在GI光纖20的端面上形成外表面平滑的曲面形凸出部分20c的方法，可以使用利用蝕刻溶液的蝕刻方法，也可以使用利用如等離子蝕刻的物理方法的方法。換句話說，在GI光纖20的端面形成凸出部分20c的方法不限于化學(xué)蝕刻方法。
在上述實(shí)施例中，在GI光纖20端面上形成的凸出部分20c與GI光纖20形成為一個(gè)整體。然而，可以將凸出部分20c形成為不同于GI光纖20的另一個(gè)物體。例如，可以使用這樣的方法，其中將不同于GI光纖20的具有預(yù)定透鏡作用的透鏡體連接到GI光纖20的端面上?？蛇x地，可以使用這樣的方法，其中通過在GI光纖20的端面上涂覆透明樹脂膠，在GI光纖20的端面上形成具有平滑外表面的凸出部分。
權(quán)利要求
1.一種光纖準(zhǔn)直儀，包括具有端面的單模光纖；具有第一端面的漸變折射率光纖，所述第一端面熔合到單模光纖的端面，使單模光纖的光軸與漸變折射率光纖的光軸一致，從而實(shí)現(xiàn)這些光纖之間的光學(xué)傳輸；以及所述漸變折射率光纖具有第二端面，所述第二端面具有限定平滑外表面的凸出部分，所述凸出部分關(guān)于單模和漸變折射率光纖的公共光軸對(duì)稱。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的光纖準(zhǔn)直儀，其中所述凸出部分與所述漸變折射率光纖整體形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的光纖準(zhǔn)直儀，其中所述漸變折射率光纖包括沿其光軸延伸的中心漸變折射率芯和圍繞該芯的包層，所述凸出部分形成于所述漸變折射率光纖上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的光纖準(zhǔn)直儀，其中所述凸出部分是通過蝕刻所述漸變折射率芯的第二端形成的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的光纖準(zhǔn)直儀，其中所述漸變折射率芯的第二端面涂覆有增透膜。
6.一種制造光纖準(zhǔn)直儀的方法，其中該光纖準(zhǔn)直儀包括具有端面的單模光纖，和具有第一端面的漸變折射率光纖，該方法包括下述步驟將所述單模光纖的端面與所述漸變折射率光纖的第一端面熔合，使所述單模光纖的光軸與所述漸變折射率光纖的光軸一致；在所述單模和漸變折射率光纖的外表面涂覆保護(hù)膜；切割所述漸變折射率光纖以限定其第二端面，使其第一和第二端面之間的長度為預(yù)定值，從而獲得準(zhǔn)直儀的功能；蝕刻所述漸變折射率光纖的第二端面以提供凸出部分；以及移除所述保護(hù)膜，從而得到所述光纖準(zhǔn)直儀。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，該方法還包括下述步驟在移除所述保護(hù)膜后，在所述漸變折射率光纖的第二端面上涂覆增透膜，從而得到所述光纖準(zhǔn)直儀。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中通過利用蝕刻溶液蝕刻所述漸變折射率光纖的第二端面，形成所述凸出部分。
全文摘要
一種光纖準(zhǔn)直儀，其中從利用漸變折射率(GI)光纖的光纖準(zhǔn)直儀的端面入射和出射的光束的光軸與光纖的軸向完全一致，并且所述光纖準(zhǔn)直儀可以得到反射損耗特征。所述光纖準(zhǔn)直儀包括單模(SM)光纖和熔合到SM光纖端面上的GI光纖，使SM光纖的光軸與GI光纖的光軸一致，從而實(shí)現(xiàn)這些光纖之間的光學(xué)傳輸；以及GI光纖具有第二端面，該第二端面具有限定平滑外表面的凸出部分，其關(guān)于SM和GI光纖的公共光軸對(duì)稱。
文檔編號(hào)G02B6/32GK1609660SQ200410095198
公開日2005年4月27日 申請(qǐng)日期2004年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月24日
發(fā)明者立巖昭彥 申請(qǐng)人:新光電氣工業(yè)株式會(huì)社