專利名稱：光纖準(zhǔn)直儀系統(tǒng)、光纖準(zhǔn)直儀陣列、光纖準(zhǔn)直儀系統(tǒng)和光纖準(zhǔn)直儀陣列系統(tǒng)的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種隔著任意光學(xué)元件相對地配置帶GRIN透鏡的 光纖的光纖準(zhǔn)直儀系統(tǒng)、多個帶GRIN透鏡的光纖并列定位的光纖準(zhǔn) 直儀陣列、光纖準(zhǔn)直儀系統(tǒng)的制造方法和將光纖準(zhǔn)直儀陣列相對配置 的光纖準(zhǔn)直儀陣列系統(tǒng)的制造方法。
背景技術(shù)：
以往在光信息傳輸?shù)倪^程中，使來自 一方光纖的發(fā)散光即出射光 經(jīng)準(zhǔn)直透鏡變?yōu)槠叫泄?，該平行光傳播后，?jīng)另一準(zhǔn)直透鏡會聚，射 入另一方的光纖中。此類光學(xué)系統(tǒng)稱為"準(zhǔn)直儀系統(tǒng)"，通過在兩準(zhǔn)直 儀透鏡之間插入濾光器或光隔離器元件、光開關(guān)、光調(diào)制器等各種光 學(xué)元件，可以構(gòu)建多種光學(xué)模塊。準(zhǔn)直透鏡雖一般采用凸透鏡，然而 從便于安裝的角度出發(fā)也可使用圓柱狀的漸變折射率透鏡(Graded Index透鏡，以下簡稱"GRIN透鏡")。該GRIN透鏡如圖1所示， 在其剖面方向x、 y的折射率n表示為下述(1)式時，圓柱狀的中心軸的折射率最高，并且如果從中心軸向外周方向離開則折射率呈二次 曲線狀連續(xù)下降，通過該折射率分布而發(fā)揮透鏡作用。 n=n0{l-gV/2}(1)此處，g為表示GRIN透鏡的聚光能力的常數(shù)，no為GRIN透鏡 的材料折射率，r為半徑方向的距離(r2=x2+y2)。如圖1所示，若GRIN透鏡的半徑為a，半徑a處的折射率為 na，則g=NA/an0 其中，NA= ( n02-na2) 1/2( 2 )此處，NA為GRIN透鏡在中心和周邊處的折射率的平方差的平
方根，稱為數(shù)值孔徑Numerical Aperture (以下簡稱"NA，，)，是表示 透鏡性能的重要參數(shù)。NA高的透鏡聚光能力強，即透鏡特性佳。用 作準(zhǔn)直透鏡的GRIN透鏡的長度(L )被設(shè)定為在GRIN透鏡內(nèi)傳播 的傳播光的蛇行周期的1/4長度或其奇數(shù)倍的長度。若設(shè)蛇行周期的 1/4長度為L1/4,則L1/4=tt/ ( 2g ) ( 3 )此處，GRIN透鏡的長度L在相對的準(zhǔn)直透鏡的間隔較短時，被 設(shè)定為式(3)所示的傳播光的蛇行周期的1/4長度或其奇數(shù)倍的長度， 如果間隔變長，則一般設(shè)定為比L^更長一些以改善耦合損耗。此處， 對準(zhǔn)直透鏡的間隔較短的情況進(jìn)行說明。圖2是表示相對地配置了一對GRIN透鏡la、 lb的單芯準(zhǔn)直儀 系統(tǒng)的立體圖。各GRIN透鏡la、 lb，在與其相對面相反側(cè)的端面上 連接有光軸一致的光纖2a、 2b，來自一方光纖2a的光經(jīng)與其相連的 GRIN透鏡la變?yōu)槠叫泄馍涑?，該平行光在另一方的GRIN透鏡lb 處會聚，導(dǎo)入與其相連的光纖2b中，如此進(jìn)行光信號的傳輸。因此， 在此類采用GRIN透鏡la、 lb的準(zhǔn)直儀系統(tǒng)中，為了減少耦合損耗， 必須4吏相對的GRIN透鏡la、 lb的光軸、進(jìn)而GRIN透鏡la、 lb與 光纖2a、 2b的光軸準(zhǔn)確地保持一致。圖3是表示相對地配置了 一對光纖準(zhǔn)直儀陣列1的光纖準(zhǔn)直儀陣 列系統(tǒng)的概略立體說明圖。在兩光纖準(zhǔn)直儀陣列l(wèi)之間，插入有2段 MEMS ( Micro Electro-Mechanical Systems )式的2自由度光開關(guān)陣 列3。各光纖準(zhǔn)直儀陣列1在與各GRIN透鏡的相對面相反側(cè)的端面 上，連接有光軸一致的光纖2a、 2b,由這些光纖的集合構(gòu)成光纖陣列 2。來自一方各光纖2a的光經(jīng)與其相連的GRIN透鏡la變?yōu)槠叫泄?射出，在光開關(guān)陣列3的光開關(guān)3a、 3b處反射2次，通過改變反射 的角度而得到方向改變后的平行光，該平行光在另一方的各GRIN透 鏡lb處會聚，導(dǎo)入與其相連的光纖2b中，如此進(jìn)行光信號的傳輸。 通過分別適量地改變構(gòu)成2段MEMS式光開關(guān)陣列3的2自由度的 微反射鏡3c的反射角度，來切換光的光路。因此，在此類準(zhǔn)直儀系 統(tǒng)中，為了減少耦合損耗，必須使對向設(shè)置的各GRIN透鏡la、 lb 的光軸、以及每個GRIN透鏡la與光纖2a的光軸之間分別準(zhǔn)確地保 持一致。此處，搭載了光隔離器元件的單芯準(zhǔn)直儀系統(tǒng)的實用例如圖4 所示。1.8mm①的GRIN透鏡la和內(nèi)置光纖2a的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的0.9mm① 的光纖芯線7被相互插入，并粘著固定在外徑控制為3mm①、內(nèi)徑控 制為1.8mm①和0.9mm①的同心圓的光纖透鏡保持器(金屬)8中。 芯線7是用塑料等材料覆蓋光纖2a、2b形成的。由于光纖2a和GRIN 透鏡la的光軸吻合精度受制于光纖透鏡保持器8的同心圓的內(nèi)徑加 工精度，因此要求高度的加工精度。將該光纖透鏡保持器8插入外形 為10mm內(nèi)徑控制在3mm的準(zhǔn)直儀保持器(金屬)9中，用其固定 凸緣11用定銷固定在準(zhǔn)直儀保持器9上。由于如此相對地配置的單 芯準(zhǔn)直儀系統(tǒng)的光軸吻合受制于光纖透鏡保持器8的外徑.內(nèi)徑及準(zhǔn) 直儀保持器9的內(nèi)徑加工精度，因此要求高度的加工精度。在如此相 對地配置的單芯準(zhǔn)直儀系統(tǒng)中，從光纖2a射出的光經(jīng)GRIN透鏡la 會聚為基本平行的光6射出。該基本平行的光6經(jīng)另一端的GRIN透 鏡lb會聚射入光纖2b中，發(fā)揮準(zhǔn)直儀系統(tǒng)的作用。在上述一對對置的準(zhǔn)直儀系統(tǒng)的中間，插入固定有各種光學(xué)元件10，例如本例中的光 隔離器部件。然而，由于夾具的加工精度或生產(chǎn)技術(shù)上的吻合精度(圖4的情 況下為各種保持器8、 9的加工精度、GRIN透鏡la和光纖芯線的公 差精度)等的問題，例如像圖4這樣將GRIN透鏡la、 lb相對配置 時，通常會發(fā)生向各種方向的軸偏差。若如圖2所示那樣用符號C表 示GRIN透鏡la、 lb與光纖2a、 2b共同的理想光軸，將與該光軸C 平行的方向定為Z方向，在水平方向上正交的方向定為X方向，在垂 直方向上正交的方向定為Y方向，則作為可能發(fā)生在相對透鏡之間的 軸偏差，有向X方向的移位、X方向的傾角9x、向Y方向的移位和 Y方向的傾角0y。此外，如圖3所示，在2個光纖準(zhǔn)直儀陣列1、 l之間插入有2
段MEMS ( Micro Electro-Mechanical Systems )式的2自由度光開關(guān) 陣列3的光纖準(zhǔn)直儀陣列系統(tǒng)的情況下，雖然通過適量地改變構(gòu)成2 段MEMS式光開關(guān)陣列3的2自由度的微反射鏡3c的反射角度來切 換光的光路，但由于光開關(guān)陣列內(nèi)的各個微反射鏡3c的反射鏡角度 在光開關(guān)陣列內(nèi)不完全相等，存在一些差異，所以例如即使光纖準(zhǔn)直 儀陣列1間的調(diào)芯充分，也可能會因為光開關(guān)陣列內(nèi)反射鏡角度的偏 差而造成光軸的相應(yīng)偏差。因此，在MEMS式的光纖準(zhǔn)直儀陣列系 統(tǒng)的情況下，與圖2所示的相對配置了一對GRIN透鏡la、 lb的單 芯準(zhǔn)直儀系統(tǒng)的情況相比，普遍會產(chǎn)生較大的軸偏差。通常，用粘著劑連接GRIN透鏡和光纖。在以美國專利公開公報 第4213677號為代表的這種用粘著劑固定光纖和GRIN透鏡的結(jié)構(gòu) 中，由于粘著劑對光的吸收，在高強度的光入射時，粘著劑因溫度上 升而變質(zhì)，會導(dǎo)致光學(xué)特性惡化。 一般，對于光學(xué)粘著劑，在光通信 所使用的波長區(qū)域內(nèi)的吸收約為1~5%，變質(zhì)溫度最高也只有400。C 左右。若在上述范圍內(nèi)，則物理特性值連數(shù)W級的光強度都無法承 受。此外，由于光纖和GRIN透鏡通過粘著劑接合，存在在該粘著劑 中巻入空氣產(chǎn)生的氣泡或光軸的偏差和角度偏差、連接面處的反射返 回光的增加等很多使產(chǎn)品成品率惡化的因素，會使成本增加。另外， 各GRIN透鏡和光纖的光軸共計4軸必須準(zhǔn)確地保持一致，安裝成本 也會4艮高。為解決上述問題，如美國專利公開公報第4701011號或第 5384874號所公開的那樣，提出了 一種將GI ( Graded-Index )光纖用 作準(zhǔn)直透鏡的結(jié)構(gòu)。該GI光纖是芯部分的折射率呈拋物線狀變化的 光纖。GI光纖與光纖同樣是石英制的，因此可與光纖熔接連接，有 希望獲得對高強度光的耐性。此時，通過氣相CVD ( Chemical Vapor Deposition)法制成普通的GI光纖。用氣相法，雖然可以獲得0.38 的NA (例如文獻(xiàn)；P.B.O，Connor等Electron丄ett.， 13 ( 1977) 170-171)，但如果為獲得更高的NA而增加添加物(Ge02, 205等) 的添加量，則由于熱膨脹系數(shù)增大母材容易開裂等熱膨脹性的協(xié)調(diào)問
題，以及無法獲得高NA等折射率的控制性問題，實際上作為準(zhǔn)直透 鏡裝配時的可操作性不佳。參考專利文獻(xiàn)1:美國專利第4213677號公報，參考專利文獻(xiàn)2:美國專利第4701011號公報，參考專利文獻(xiàn)3:美國專利第5384874號公報。發(fā)明內(nèi)容如上所述，以往，需要進(jìn)行涉及多個軸方向的復(fù)雜微妙的調(diào)芯作 業(yè)，操作極為困難。本發(fā)明就是鑒于上述情況而提出的，要解決的技 術(shù)問題在于提供一種能降低調(diào)芯作業(yè)的難度、耦合損耗小、光學(xué)特 性不會惡化的光纖準(zhǔn)直儀系統(tǒng)和光纖準(zhǔn)直儀陣列系統(tǒng)，同時提供一種 可以高效制造耦合損耗小的光纖準(zhǔn)直儀系統(tǒng)和光纖準(zhǔn)直儀陣列系統(tǒng) 的制造方法。本發(fā)明提供一種光纖準(zhǔn)直儀系統(tǒng)，其特征在于使將光纖熔接在 由含有從Sb203、 Ta2Os、 Ti02或Zr02中選擇的l種以上而作為折射 率調(diào)整物質(zhì)的石英玻璃構(gòu)成的GRIN透鏡(Graded Index透鏡)的一 端的帶GRIN透鏡的一對光纖在其GRIN透鏡端面對置的情況下一體 化的同時，在上述GRIN透鏡端面之間設(shè)置光學(xué)元件。(技術(shù)方案l)此外，本發(fā)明還提供一種光纖準(zhǔn)直儀系統(tǒng)，其特征在于使將光 纖熔接在由含有從Ta20s或Ti02中選擇的1種以上而作為折射率調(diào) 整物質(zhì)的石英玻璃構(gòu)成的GRIN透鏡的一端的帶GRIN透鏡的一對光 纖在其GRIN透鏡端面對置的情況下一體化的同時，在上述GRIN透 鏡端面之間設(shè)置光學(xué)元件。(技術(shù)方案2 )此外，本發(fā)明還提供一種光纖準(zhǔn)直儀系統(tǒng)，在技術(shù)方案1或2 的光纖準(zhǔn)直儀系統(tǒng)中，其特征在于上述GRIN透鏡通過溶膠-凝膠 法制造。(技術(shù)方案3)此外，本發(fā)明還提供一種光纖準(zhǔn)直儀陣列，其特征在于使將光 纖熔接在由含有從Sb203、 Ta2Os、 Ti02或Zr02中選擇的l種以上而 作為折射率調(diào)整物質(zhì)的石英玻璃構(gòu)成的GRIN透鏡(Graded Index 透鏡)的一端的多個帶GRIN透鏡的光纖在并排排列上述GRIN透鏡 部分的情況下一體化。(技術(shù)方案4 )此外，本發(fā)明還提供一種光纖準(zhǔn)直儀陣列，其特征在于使將光 纖熔接在由含有從Ta20s和Ti02中選擇的1種以上而折射率調(diào)整物 質(zhì)的石英玻璃構(gòu)成的GRIN透鏡的一端的多個帶GRIN透鏡的光纖在 并排排列上述GRIN透鏡部分的情況下一體化。(技術(shù)方案5 )此外，本發(fā)明還提供一種光纖準(zhǔn)直儀陣列，在技術(shù)方案4或5 的光纖準(zhǔn)直儀陣列中，其特征在于上述GRIN透鏡通過溶膠-凝膠 法制造。(技術(shù)方案6)此外，本發(fā)明還提供一種技術(shù)方案1~3中任一項所述的光纖準(zhǔn) 直儀系統(tǒng)的制造方法，其特征在于具有，試制多個光纖準(zhǔn)直儀系統(tǒng)的步驟；測定試制得到的多個光纖準(zhǔn)直儀系統(tǒng)的一對GRIN透鏡的水平 方向偏差量和傾角的步驟；設(shè)定目標(biāo)成品率和目標(biāo)耦合損耗的步驟；將上述水平方向偏差量和上述傾角與上述目標(biāo)成品率對照來求 取水平方向允許偏差量和允許傾角的步驟；根據(jù)上述水平方向允許偏差量和允許傾角求取GRIN透鏡的數(shù) 值孔徑的步驟；和用數(shù)值孔徑在上述求得的數(shù)值孔徑以上的GRIN透鏡制造光纖 準(zhǔn)直儀系統(tǒng)的步驟。(技術(shù)方案7)此外，本發(fā)明還提供一種使一對技術(shù)方案4~6中任一項所述的 光纖準(zhǔn)直儀陣列直接或隔著反射鏡對置的光纖準(zhǔn)直儀陣列系統(tǒng)的制 造方法，其特征在于具有，試制多個光纖準(zhǔn)直儀陣列系統(tǒng)的步驟；測定試制得到的多個光纖準(zhǔn)直儀陣列系統(tǒng)的各對應(yīng)的GRIN透 鏡的水平方向位置偏差量和傾角的步驟；設(shè)定目標(biāo)成品率和目標(biāo)耦合損耗的步驟；將上述水平方向偏差量和上述傾角與上述目標(biāo)成品率對照而求 取水平方向允許位置偏差量和允許傾角的步驟；根據(jù)上述水平方向位置允許位置偏差量和允許傾角來求取 GRIN透鏡的數(shù)值孔徑的步驟；和用數(shù)值孔徑在上述求得的數(shù)值孔徑以上的GRIN透鏡制造光纖 準(zhǔn)直儀陣列系統(tǒng)的步驟。(技術(shù)方案8 )本發(fā)明的光纖準(zhǔn)直儀系統(tǒng)和光纖準(zhǔn)直儀陣列系統(tǒng)由于采用已經(jīng) 將GRIN透鏡和光纖連接起來的系統(tǒng)，所以無需在裝配時使透鏡和光 纖的光軸吻合，可以高效地進(jìn)行裝配。此外，由于GRIN透鏡和光纖 熔接，所以借助熔接時表面張力的自排列效果可使GRIN透鏡和光纖 的軸自動成為一致，制造極為容易，可以批量生產(chǎn)。此外，由于不使 用粘著劑，所以在高強度光入射時，不會有粘著劑因溫度上升而變質(zhì) 導(dǎo)致光學(xué)特性惡化的問題。對于本發(fā)明的光纖準(zhǔn)直儀系統(tǒng)，由于根據(jù)多個試制品來調(diào)查水平 方向位置偏差量和傾角的傾向，所以據(jù)此可以求取達(dá)成目標(biāo)成品率和 目標(biāo)耦合損耗的水平方向允許位置偏差量和允許傾角。另外，由于可 以根據(jù)水平方向允許位置偏差量和允許傾角求取GRIN透鏡所需的數(shù) 值孔徑的最低值，所以無需使用數(shù)值孔徑大于必需值的GRIN透鏡， 可以有效、低成本地達(dá)成目標(biāo)的成品率和耦合損耗。本發(fā)明的光纖準(zhǔn)直儀陣列系統(tǒng)也與上述光纖準(zhǔn)直儀系統(tǒng)同樣，由 于根據(jù)多個試制品來調(diào)查水平方向位置偏差量和傾角的傾向，所以據(jù) 此可以求取達(dá)成目標(biāo)成品率和目標(biāo)耦合損耗的水平方向允許位置偏 差量和允許傾角。另外，由于可以根據(jù)水平方向允許位置偏差量和允 許傾角求取GRIN透鏡所需的數(shù)值孔徑的最低值，所以無需使用數(shù)值 孔徑大于必需值的GRIN透鏡，可以有效、低成本地達(dá)成目標(biāo)的成品 率和耦合損耗。


圖1為GRIN透鏡的折射率分布的說明圖。 圖2為準(zhǔn)直儀系統(tǒng)的立體圖。
圖3為準(zhǔn)直儀陣列系統(tǒng)的概略立體說明圖。 圖4為準(zhǔn)直儀系統(tǒng)的局部切口側(cè)視圖。 圖5為準(zhǔn)直儀系統(tǒng)的XZ剖面圖。圖6為GRIN透鏡的光斑尺寸(0和耦合損耗的關(guān)系圖。圖7為準(zhǔn)直儀系統(tǒng)的局部切口側(cè)視圖。圖8為準(zhǔn)直儀系統(tǒng)的水平方向位置偏差量的說明圖。圖9為準(zhǔn)直儀系統(tǒng)的傾角的說明圖。圖IO為準(zhǔn)直儀陣列的立體說明圖。圖11為準(zhǔn)直儀陣列的正視圖。圖12為準(zhǔn)直儀陣列系統(tǒng)的水平方向位置偏差量的說明圖。 圖13為準(zhǔn)直儀陣列系統(tǒng)的傾角的說明圖。符號說明I 光纖準(zhǔn)直儀陣列 la GRIN透鏡lb GRIN透鏡2光纖陣列2a 光纖2b 光纖3光開關(guān)陣列3a 光開關(guān)3b光開關(guān)3c微反射鏡6平行高斯光束7光纖芯線8光纖透鏡保持器9準(zhǔn)直儀保持器10 光學(xué)元件II 固定凸緣12基板13 V槽14 框架具體實施方式
可以通過基于低溫合成法的溶膠-凝膠法制造熱膨脹系數(shù)與光纖 的石英玻璃基本同等的GRIN透鏡。在溶膠-凝膠法中，如果作為原 料向Si ( OR) 4 ( R:烷基(alkyl group ))和例如Ti等添加元素的 醇鹽中，加入水解用的H20和為使上述原料在水解時產(chǎn)生相溶性用的 乙醇并混合，則因與水解同時形成的Si02的微粒而呈現(xiàn)乳濁狀(溶膠 狀態(tài))，隨后液體的粘度急劇升高，失去流動性出現(xiàn)布丁狀的凝膠狀 態(tài)。對該凝膠予以干燥，緩緩除去以吸附等方式殘留在表面上的乙醇、 水，進(jìn)行燒結(jié)玻璃化。在應(yīng)用了該溶膠-凝膠法的玻璃合成過程中，具 有以下特點<1>低溫?zé)Y(jié)的結(jié)晶化頻度降低；<2>合成分子級的勻質(zhì) 玻璃；<3>包含高熔點材料在內(nèi)的材料選擇性廣；<4>材料合成的成品 率高從而可以降低制造成本等。采用具有如上特點的溶膠-凝膠處理， 就有可能低價形成NA高、折射率可控性佳、熱膨脹系數(shù)與石英玻璃 基本同等的GRIN透鏡。因此，在對二元系二氧化硅玻璃的折射率進(jìn)行考察時，作為 GRIN透鏡的組成的候選，列舉了 Si02-Bi203、 -ln203、 -Y203、 -La203、 -Ga302、 -Sb203、 -Gd203、 -Nb2Os、 -Sn02、 -Ta2Os、 -Ti02和畫Zr02 系的石英玻璃。其中，對于含有Bi、 In、 Y、 La的組成，添加元素的 醇鹽都為難溶性固體，無法制成凝膠。此外，對于含有Gd、 Ga的組 成，只能在添加物較少的區(qū)域內(nèi)(相對于Si的添加量在20mol。/。以下) 獲得凝膠。此外，添加Nb、 Sn的玻璃不僅存在結(jié)晶性物質(zhì)，熱膨脹 系數(shù)也較大，不適合做GRIN透鏡。由以上研究結(jié)果可知，Si02-Sb203、 Si02-Ta205、 Si02-Ti02和Si02-Zr02系的石英玻璃NA高、折射率可 控性佳，且熱膨脹系數(shù)相對于石英的熱膨脹系數(shù)5xlO-"IC1在 15xlOJlC1以下而與石英玻璃基本同等，可用于形成GRIN透鏡。但 是，對于添加Sb的玻璃，凝膠燒結(jié)時添加元素Sb會蒸發(fā)，此外對于 添加Zr的玻璃，水解反應(yīng)相對較快，在生成凝膠的過程中，會在作 為溶劑的甲醇中生成少量沉淀，存在諸如此類工序上的不穩(wěn)定性。由 以上研究結(jié)果可知，對于Si02-Sb203、 Si02-Ta205、 Si02-Ti02和 Si02-Zr02系的石英玻璃，如果考慮到工序的穩(wěn)定性，則更為理想的 是Si02-Ta205、 Si02-Ti02系的石英玻璃，熱膨脹系數(shù)與石英玻璃基 本同等，可用于形成NA高、折射率可控性高的GRIN透鏡。本發(fā)明的GRIN透鏡以Si02-Ta205、 Si02-Ti02系的石英玻璃為 主成分，因此熱膨脹率與光纖基本同等，故可與光纖熔接。如果在氫 氧燃燒器等的火焰上將具有基本相同的剖面形狀的光纖和GRIN透鏡 熔接，則借助表面張力均衡化產(chǎn)生的自排列效果，無須進(jìn)行到目前為 止一直懸而未決的精密的軸吻合，就可以使光纖和GRIN透鏡的中心 軸成為一致，具有易裝配性大幅度提高的巨大優(yōu)點。該熔接是提高生 產(chǎn)效率所不可或缺的技術(shù)，通過熔接，不僅可以減少被光纖與透鏡的 界面所反射而返回半導(dǎo)體激光器的光，還可以解決以往使用粘著劑連 接時，在因粘著劑對光的吸收而高強度的光入射時，粘著劑因溫度上 升而變質(zhì)導(dǎo)致光學(xué)特性惡化的問題。圖5是將與光纖2a、 2b熔接接合的GRIN透鏡la、 lb相對配 置了的單芯準(zhǔn)直儀系統(tǒng)的XZ剖視圖。在將GRIN透鏡lb與GRIN 透鏡la相對配置時，通常會發(fā)生向各種方向的軸偏差，假設(shè)如圖5 所示，GRIN透鏡lb的中心軸從理想光軸Z向X方向移位D (fim )， 產(chǎn)生X方向上的傾角e(弧度)。在光纖2a的芯內(nèi)傳播的光由于GRIN 透鏡la的作用變寬為與GRIN透鏡la的光軸Z基本平行的高斯光 束6并從GRIN透鏡la的端面射出。抵達(dá)對面的GRIN透鏡lb的平 行高斯光束6由于GRIN透鏡lb的作用而會聚，射入到光纖2b的芯 中。在光纖2a的出射光射入到與光纖2a熔接接合的GRIN透鏡la 中時，在其中傳播的基波的電場分布近似成為高斯分布。在GRIN透 鏡la的長度L為式(3)所示的蛇形周期的1/4，即I^L^時，該高 斯分布在GRIN透鏡la的端面附近具有(4)式所示的光斑尺寸o。 (0=2/ ( o0kn0g ) ( 4 )此處，0)。為單模光纖的電場分布的光斑尺寸，在單模光纖接近 截止頻率(=2.4)的結(jié)構(gòu)中，若設(shè)光纖的芯半徑為a。，則近似地有 o0=l.laG。此外，k為波數(shù)，若設(shè)光的波長為X，則k=27i/X。如圖5所示，在產(chǎn)生X方向(水平方向)的位置偏差D或傾角 e時，平行高斯光束6不完全與在GRIN透鏡lb內(nèi)傳播的基波一致， 因此其結(jié)果是部分能量未能納入光纖，成為耦合損耗?？梢酝ㄟ^求解 平行高斯光束6的電場分布與具有式(4)所示的光斑尺寸(o的GRIN 透鏡lb的基波的電場分布的重積分來求取該耦合損耗T，若用分貝 表示則可以近似地表達(dá)為式(5)。T ( dB ) =4.343 { ( D/co ) 2+ ( kn0a>e/2 ) 2}( 5 )圖6表示取耦合損耗T為縱軸、GRIN透鏡的光斑尺寸(0為橫 軸時式(5)的定性關(guān)系。式(5)是(o的函數(shù)，其圖形是(o"2D/knoe) 1/2的具有最小值的下凸曲線。因此，如圖6所示，若要使耦合損耗小 于T ( dB )，只要GRIN透鏡的光斑尺寸(0在與耦合損耗T ( dB ) 交叉的圖上2點即GRIN透鏡的光斑尺寸c^、 O)H之間即可。即，滿 足式(6)的選擇即可。必^、P^ s里 (6)將式(2) 、 (4)代入式(6)中，則如式(7)所示，可以求出 使耦合損耗小于T ( dB )所需的GRIN透鏡的數(shù)值孔徑NA。<formula>formula see original document page 15</formula>在市場上通常使用的如圖4所示的準(zhǔn)直儀系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中，雖然提高加工精度可以盡量將位置的移位d控制到很小，但由于缺乏傾角e的調(diào)芯裝置，要進(jìn)行減小傾角0的調(diào)芯幾乎是不可能的。因此，如式 (7)所示，若傾角e增大，則GRIN透鏡的數(shù)值孔徑NA必須增大， 為了容易進(jìn)行實際的調(diào)芯作業(yè)，所使用的GRIN透鏡的NA必須大于 通過式(7)求得的值。例如，試制多個準(zhǔn)直儀系統(tǒng)，測定它們的對置的一對GRIN透鏡 的水平方向位置偏差和傾角，假設(shè)得到圖8、圖9所示的結(jié)果。如果 假設(shè)目標(biāo)定為將所有裝配好的準(zhǔn)直儀系統(tǒng)的90%以上的耦合損耗控 制在ldB以下，則根據(jù)圖8和圖9，可以設(shè)水平方向位置偏差量D為 0.80jim，傾角e為0.85度(即0.0148弧度)。將此代入式(7 )可知， 若設(shè)GRIN透鏡的半徑與光纖(芯半徑aQ=6.5nm)同為62.5nm，則 波長1.5jim時使用NA=0.4以上的GRIN透鏡即可。此外，例如，試制多個準(zhǔn)直儀陣列系統(tǒng)，測定它們的對置的各對 GRIN透鏡的水平方向位置偏差和傾角，假設(shè)得到圖12、圖13所示 的結(jié)果。如果假設(shè)目標(biāo)定為將所有裝配好的準(zhǔn)直儀系統(tǒng)的90%以上的 耦合損耗控制在ldB以下，則根據(jù)圖12和圖13，可以設(shè)水平方向位 置偏差量D為l.Ofim，傾角0為1.0度(即0.0175弧度)。將此代入 式(7)可知，若GRIN透鏡的半徑與光纖(芯半徑aQ=6.5nm)同為 62.5nm，則波長1.5nm時使用NA=0.48以上的GRIN透鏡即可。實施例1圖7是實施例1的光纖準(zhǔn)直儀系統(tǒng)，從筒狀的準(zhǔn)直儀保持器9 的兩側(cè)插入并粘著固定帶GRIN透鏡la、 lb的光纖2a、 2b，在中央 安裝光學(xué)元件IO (此時為光隔離器)。仔細(xì)裝配該準(zhǔn)直儀系統(tǒng)約230 組，測定對置的GRIN透鏡的X方向和Y方向的向水平方向的移位 (位置偏差量D)和傾角(角度偏差量)ex、 ey。在圖8中表示上述向X方向和Y方向的水平方向的移位(位置偏差量)的累計次數(shù)， 在圖9中表示X方向和Y方向上的傾斜移位(角度偏差量)0x、 6y 的累計次數(shù)。由上述圖8、 9可知，水平方向的位置偏差量，以-0.3nm 為峰值分布在約士ljim的范圍內(nèi)，傾角的偏差量以0.65度為峰值分布 在約士0.5度的范圍內(nèi)。在裝配實施例1的準(zhǔn)直儀系統(tǒng)時，確立了將裝配總數(shù)的90%以 上的耦合損耗控制在ldB以下的目標(biāo)。根據(jù)圖8、圖9求取達(dá)成該目 標(biāo)的水平方向允許位置偏差量和允許傾角，求得水平方向允許位置偏 差量D為0.80nm，允許傾角0為0.85度(即0.0148弧度)。將此代 入式(7)計算所需的NA?？芍鬐RIN透鏡的半徑與光纖(芯半徑 a0=6.5nm)同為62.5nm，則波長1.5jim時NA=0.48，使用數(shù)值孔徑 在此以上的GRIN透鏡即可。下面試制帶GRIN透鏡的光纖。在75.5ml四甲氧基硅和183.4ml 異丙醇的混合液中添加2N鹽酸9.2ml，攪拌30分鐘后，加入四正丁 氧基鈦30.8ml。隨后，添加0.01N氨水得到濕凝膠。將上述濕凝膠在 50'C下老化2天后，將該濕凝膠浸漬在3N鹽酸中6小時，在凝膠中 賦予鈦的濃度分布。浸漬后，將凝膠浸漬在甲醇中，洗凈凝膠中的鹽 酸成分后予以干燥，得到直徑約10mm的干凝膠。以10。C/hr的速度 將所得的干凝膠從室溫升溫至350。C,然后升溫至1200'C燒成，得到 透明的玻璃體。對該圓柱狀玻璃體的折射率分布進(jìn)行測定的結(jié)果是， 得到了從中心到周邊折射率大致呈2次曲線狀減小的NA=0.42的 GRIN透鏡的母材。由于該NA大于從上述式(7)求得的NA=0.4， 可知該材料可以使用。一邊將該母材以0.04mm/s的速度插入碳加熱器的電爐中， 一邊 拉出外徑為125nm的光纖，制成GRIN透鏡狀光纖。用放電熔接連 接器將制成的GRIN透鏡狀光纖熔接在芯半徑為6.5nm的單模光纖的 一端。隨后，按照在GRIN透鏡內(nèi)傳播的光的蛇行周期的1/4周期長 350nm進(jìn)行切斷加工，得到帶GRIN透鏡的光纖。用所得的帶GRIN透鏡的光纖，生成90個圖7的準(zhǔn)直儀系統(tǒng)。 測定所有的耦合損耗，在幾乎95%的準(zhǔn)直儀系統(tǒng)中得到了耦合損耗在 ldB以下的高耦合效率。 實施例2圖10、 11涉及實施例2的光纖準(zhǔn)直儀陣列。在Si02基板12上 通過化學(xué)蝕刻形成的周期性的V槽13內(nèi)規(guī)則地排列8列帶光纖的 GRIN透鏡的頂端部分，進(jìn)而規(guī)則地疊加8層，固定在框架14內(nèi)制成 8x8的GRIN透鏡準(zhǔn)直儀陣列。用該準(zhǔn)直儀陣列，仔細(xì)地裝配一組如 圖3所示的插入有2段MEMS式的2自由度光開關(guān)陣列3的光纖準(zhǔn) 直儀陣列系統(tǒng)。測定對置的各對GRIN透鏡的X方向和Y方向的向 水平方向的移位(位置偏差量D)和傾角(角度偏差量)ex、 ey。在 圖12中表示上述X方向和Y方向的向水平方向的移位(位置偏差量) 的累計次數(shù)，在圖13中表示X方向和Y方向上的傾斜移位(角度偏 差量)9x、 ey的累計次數(shù)?？芍椒较虻奈恢闷盍恳?0.6jim為 峰值非對稱分布，傾角的偏差量以0.8度為峰值非對稱分布。在裝配實施例2的準(zhǔn)直儀陣列系統(tǒng)時，確立了將GRIN透鏡對總 數(shù)的90%以上的耦合損耗控制在ldB以下的目標(biāo)。根據(jù)圖12、圖13 求取達(dá)成該目標(biāo)的水平方向允許位置偏差量和允許傾角，求得水平方 向允許位置偏差量D為l.Onm，允許傾角0為1.0度(即0.0175弧度)。 將此代入式(7 )計算所需的NA。可知若GRIN透鏡的半徑與光纖(芯 半徑a^6.5nm)同為62.5jtm，則波長1.5nm時NA=0.48，使用數(shù)值 孔徑在此以上的GRIN透鏡即可。下面制作帶GRIN透鏡的光纖。在75.5ml四曱氧基硅和183.4ml 異丙醇的混合液中添加2N鹽酸9.2ml，攪拌30分鐘后，加入四正丁 氧基鈥30.8ml。隨后，添加0.01N氨水得到濕凝膠。將上述濕凝膠在 50。C下老化2天后，將該濕凝膠浸漬在6N鹽酸中2小時，在凝膠中 賦予鈦的濃度分布。浸漬后，將凝膠浸漬在曱醇中，洗凈凝膠中的鹽 酸成分。隨后，將上述凝膠浸漬在6N鹽酸中20分鐘，第2次進(jìn)行濃 度分布賦予，與第1次同樣將凝膠浸漬在甲醇中洗凈鹽酸后予以干燥。 隨后，將上述凝膠浸漬在6N鹽酸中8分鐘，第3次進(jìn)行濃度分布賦
予，與第l次同樣將凝膠浸漬在甲醇中洗凈鹽酸后予以干燥，得到直徑約10mm的干凝膠。以10。C/hr的速度將所得的干凝膠從室溫升溫 至350。C，然后升溫至1200'C燒成，得到透明的玻璃體。對該圓柱狀 玻璃體的折射率分布進(jìn)行測定的結(jié)果是，得到了從中心到周邊折射率 大致呈2次曲線狀減小的NA=0.5的GRIN透鏡的母材。由于該NA 大于從上述式(7)求得的NA-0.48，可知該材料可以使用。一邊將該母材以0.04mm/s的速度插入碳加熱器的電爐中， 一邊 拉出外徑為125pm的光纖，制成GRIN透鏡狀光纖。用放電熔接連 接器將制成的GRIN透鏡狀光纖熔接連接在芯半徑為6.5nm的單模光 纖的一端。隨后，按照在GRIN透鏡內(nèi)傳播的光的蛇行周期的1/4周 期長295nm進(jìn)行切斷加工，得到帶GRIN透鏡的光纖。用所得的帶GRIN透鏡的光纖裝配圖11的光纖準(zhǔn)直儀陣列，進(jìn) 而作成圖3的光纖準(zhǔn)直儀陣列系統(tǒng)。測定所有信道的耦合損耗，在所 有的信道(帶GRIN透鏡的光纖對)中得到了 ldB以下的高耦合效率。上述實施例是Si02-Ti02系的石英玻璃的例子，但例如在假設(shè)是 Si02-Ta20s系的石英玻璃的情況下，只需用乙氧基鉭代替四正丁氧基鈦即可，在假設(shè)是Si02-Sb203系的石英玻璃的情況下，用三乙基銻即可，在假設(shè)是Si02-Zr02系的石英玻璃的情況下，用丙醇鋯即可。
權(quán)利要求
1.一種光纖準(zhǔn)直儀系統(tǒng)，其特征在于使將光纖熔接在由含有從Sb2O3、Ta2O5、TiO2或ZrO2中選擇的1種以上而作為折射率調(diào)整物質(zhì)的石英玻璃構(gòu)成的GRIN透鏡(Graded Index透鏡)的一端的帶GRIN透鏡的一對光纖在其GRIN透鏡端面對置的情況下一體化的同時，在上述GRIN透鏡端面之間設(shè)置光學(xué)元件。
2. —種光纖準(zhǔn)直儀系統(tǒng)，其特征在于使將光纖熔接在由含有 從Ta20s或Ti02中選擇的1種以上而作為折射率調(diào)整物質(zhì)的石英玻 璃構(gòu)成的GRIN透鏡的一端的帶GRIN透鏡的一對光纖在其GRIN透 鏡端面對置的情況下一體化的同時，在上述GRIN透鏡端面之間設(shè)置 光學(xué)元件。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光纖準(zhǔn)直儀系統(tǒng)，其特征在于 通過溶膠-凝膠法制造上述GRIN透鏡。
4. 一種光纖準(zhǔn)直儀陣列，其特征在于使將光纖熔接在由含有 從Sb203、 Ta2Os、 Ti02或Zr02中選擇的l種以上而作為折射率調(diào)整 物質(zhì)的石英玻璃構(gòu)成的GRIN透鏡(Graded Index透鏡)的一端的多 個帶GRIN透鏡的光纖在并排排列上述GRIN透鏡部分的情況下一體 化。
5. —種光纖準(zhǔn)直儀陣列，其特征在于使將光纖熔接在由含有 從13205或Ti02中選擇的1種以上而作為折射率調(diào)整物質(zhì)的石英玻 璃構(gòu)成的GRIN透鏡的一端的多個帶GRIN透鏡的光纖在并排排列上 述GRIN透鏡部分的情況下一體化。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的光纖準(zhǔn)直儀陣列，其特征在于 通過溶膠-凝膠法制造上述GRIN透鏡。
7. —種權(quán)利要求1至3中任一項所述的光纖準(zhǔn)直儀系統(tǒng)的制造 方法，其特征在于包括試制多個光纖準(zhǔn)直儀系統(tǒng)的步驟；測定試制得到的多個光纖準(zhǔn)直儀系統(tǒng)的一對GRIN透鏡的水平 方向位置偏差量和傾角的步驟；設(shè)定目標(biāo)成品率和目標(biāo)耦合損耗的步驟；將上述水平方向位置偏差量和上述傾角與上述目標(biāo)成品率對照， 求取水平方向允許位置偏差量和允許傾角的步驟；根據(jù)上述水平方向允許位置偏差量和允許傾角求取GRIN透鏡的數(shù)值孔徑的步驟；和用數(shù)值孔徑在上述求得的數(shù)值孔徑以上的GRIN透鏡制造光纖準(zhǔn)直儀系統(tǒng)的步驟。
8. —種直接或隔著反射鏡使一對權(quán)利要求4至6中任一項所述 的光纖準(zhǔn)直儀陣列對置的光準(zhǔn)直儀陣列系統(tǒng)的制造方法，其特征在于 包括試制多個光纖準(zhǔn)直儀陣列系統(tǒng)的步驟；測定試制得到的多個光纖準(zhǔn)直儀陣列系統(tǒng)的各對應(yīng)的GRIN透鏡的水平方向位置偏差量和傾角的步驟；設(shè)定目標(biāo)成品率和目標(biāo)耦合損耗的步驟；將上述水平方向位置偏差量和上述傾角與上述目標(biāo)成品率對照， 求取水平方向允許位置偏差量和允許傾角的步驟；根據(jù)上述水平方向允許位置偏差量和允許傾角求取GRIN透鏡 的數(shù)值孔徑的步驟；和用數(shù)值孔徑在上述求得的數(shù)值孔徑以上的GRIN透鏡制造光纖 準(zhǔn)直儀陣列系統(tǒng)的步驟。
全文摘要
將光纖熔接在由含有從Sb₂O₃、Ta₂O₅、TiO₂或ZrO₂中選擇的1種以上而作為折射率調(diào)整物質(zhì)的石英玻璃構(gòu)成的GRIN透鏡的一端，形成帶GRIN透鏡的光纖。由于在將GRIN透鏡與光纖粘合時不使用粘著材料，光學(xué)特性不會惡化，借助熔接的自排列效果，GRIN透鏡和光纖可以容易地調(diào)芯。此外，通過使GRIN透鏡的折射率分布常數(shù)(g)在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，可以極大地減少耦合損耗。用這樣的帶GRIN透鏡的光纖裝配光纖準(zhǔn)直儀系統(tǒng)、光纖準(zhǔn)直儀陣列、光纖準(zhǔn)直儀陣列系統(tǒng)，可以降低調(diào)芯作業(yè)的難度，減少耦合損耗，避免光學(xué)特性惡化。
文檔編號G02B6/32GK101156099SQ20058004910
公開日2008年4月2日 申請日期2005年4月5日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月5日
發(fā)明者松村宏善, 鈴木太郎, 阿知波徹 申請人:東洋玻璃株式會社