專利名稱：?jiǎn)蜗蚬夤β时O(jiān)視器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及主要用在光通信領(lǐng)域中的單向光功率監(jiān)視器。
背景技術(shù)：
近年來，在信息通信方面涌現(xiàn)出許多引人注目的技術(shù)創(chuàng)新。現(xiàn)在，由于因特網(wǎng)的繁榮，為了滿足提高通信速度的要求和信息量增加的狀況，正在從電信號(hào)通信轉(zhuǎn)變成光信號(hào)通信。由于來自各種中繼點(diǎn)的信息集中在一起通過每條干線傳送，為了提高處理速度，正在用光纜取代形成干線的許多電纜。存在重新考慮這樣的光纜與用戶終端之間的通信的趨勢(shì)，和存在升級(jí)環(huán)境以便更適合低成本信息通信的日益強(qiáng)烈要求。
隨著光通信網(wǎng)絡(luò)不斷升級(jí)，使高速信息交換成為可能。這伴隨著光通信網(wǎng)絡(luò)新用途的增加，因此，使光通信網(wǎng)絡(luò)中沿著每個(gè)方向傳送的信息量進(jìn)一步增加。為了增加單位時(shí)間的信號(hào)量，以便增加可通過光纖處理的信息量，在稱為波長(zhǎng)多路復(fù)用的技術(shù)，即，通過一條光纖同時(shí)傳送具有不同波長(zhǎng)并包含不同信息組的多個(gè)信號(hào)的技術(shù)中，使用高頻信號(hào)。此外，形成緊湊的可靠通信網(wǎng)絡(luò)需要在許多方向提供與多條路徑的連接，以及從使用的角度來看，為了便于維護(hù)，使用多條光纖是必不可少的。
在通過光纖傳送多個(gè)信號(hào)的光通信電路中，需要波分多路復(fù)用(WDM)系統(tǒng)，用于將波長(zhǎng)多路復(fù)用光信號(hào)分離成具有不同波長(zhǎng)的信號(hào)的處理，耦合具有不同波長(zhǎng)的光信號(hào)的相反處理，以及光信號(hào)的分出和插入。隨著信息量不斷增加，管理信息的重要性越來越高。當(dāng)發(fā)現(xiàn)光信號(hào)丟失時(shí)，需要馬上識(shí)別光信號(hào)并確定光信號(hào)丟失的地方。在一些情況下，還需要檢驗(yàn)信號(hào)強(qiáng)度，以及檢驗(yàn)光信號(hào)的連接。如果傳輸距離增加了，則需要用于放大光信號(hào)的設(shè)備，例如，鉺摻雜光纖放大器(EDFA，erbium doped fiber amplifier)，因?yàn)楣庑盘?hào)強(qiáng)度在穿過光纖的傳輸過程中衰減。在EDFA中，為了確定放大和輸出的光信號(hào)的放大率和強(qiáng)度，需要準(zhǔn)確地掌握從外部供應(yīng)的輸入光信號(hào)的強(qiáng)度。為了構(gòu)建高度可靠的光通信系統(tǒng)，完成這種精細(xì)監(jiān)視的功能越來越變得不可缺少。
在WDM系統(tǒng)中，事先確定光信號(hào)的進(jìn)入和退出方向，以及在監(jiān)視光信號(hào)時(shí)不特別需要光信號(hào)的方向性。另一方面，在EDFA中，由于通過讓光線從泵激光器進(jìn)入并通過特殊光纖傳播來放大光信號(hào)的機(jī)制，存在放大的光信號(hào)發(fā)生反向流動(dòng)的可能性。為了準(zhǔn)確確定光信號(hào)的放大量，只檢測(cè)來自入口側(cè)光纖的光信號(hào)而不檢測(cè)來自退出側(cè)輸出光纖的返回信號(hào)的功能是必不可少的。
本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)提出了公開在國(guó)際公布WO2005/124415中的單向光功率監(jiān)視器的發(fā)明申請(qǐng)。圖6示出了描述在該國(guó)際公布中的單向光功率監(jiān)視器1″的剖視圖。通過樹脂將尾光纖2和GRIN透鏡7固定在圓柱管6中，預(yù)定間隙5介于它們之間。尾光纖2具有布置成平行地相隔很小距離的兩條光纖3和4以及固定光纖3和4的玻璃包頭2′。GRIN透鏡7具有以一定比率反射和透射來自光纖3或4的入射光的引出膜8。接收通過GRIN透鏡7和引出膜8傳送的光線的帶透鏡的光電二極管10插在具有圓柱外形的套筒9中的孔中并用樹脂固定在其中。在具有圓柱外形的套筒9中，一端23提供有插入GRIN透鏡7的第一圓孔21，而另一端24提供有插入帶透鏡的光電二極管10的第二圓孔22。第一和第二圓孔21和22的中心軸被設(shè)置成相互平行且不同心。第一和第二圓孔21和22在套筒9中的中點(diǎn)附近相互連接。在中點(diǎn)一般形成通孔27和中間壁26。從一條光纖3進(jìn)入的光線中由GRIN透鏡的引出膜8反射的光線進(jìn)入另一條光纖4中(圖中實(shí)線箭頭所指)，而穿過引出膜8的光線進(jìn)入帶透鏡的光電二極管10中，被轉(zhuǎn)換成電流并通過電極引線11被取出作為電信號(hào)。從一條光纖4進(jìn)入的光線中由GRIN透鏡的引出膜8反射的光線進(jìn)入另一條光纖3中(圖中虛線箭頭所指)，而穿過引出膜8的光線被中間壁26和第一圓孔21的壁面25重復(fù)反射而被衰減。因此，從光纖4進(jìn)入的光線中基本上沒有光線進(jìn)入帶透鏡的光電二極管10中。這樣就提供了從一條光纖3進(jìn)入并經(jīng)過引出膜8傳送的光線穿過通孔27到達(dá)帶透鏡的光電二極管10，而從另一條光纖4進(jìn)入并經(jīng)過引出膜8傳送的光線并不到達(dá)帶透鏡的光電二極管10的方向性。
下面簡(jiǎn)要描述GRIN透鏡的功能。從尾光纖2中的一條光纖3進(jìn)入的光信號(hào)從光纖的端面輻射到間隙5中并且其束直徑增大地進(jìn)入GRIN透鏡7中。光線行進(jìn)的方向在GRIN透鏡中發(fā)生改變并且光線一般變成準(zhǔn)直光。一般變成平行并到達(dá)引出膜8的光線由引出膜以一定比率反射和透射。反射的光再次穿過GRIN透鏡，其束直徑進(jìn)一步縮小地穿過透鏡行進(jìn)，并輻射到間隙5中。輻射光聚焦在另一條光纖的端面上。因此，從一條光纖進(jìn)入的光線被連接到另一條光纖。
上述國(guó)際公布中的單向光功率監(jiān)視器具有25 dB或更高的方向特性。方向特性是從兩條光纖之一輸入光線時(shí)光電二極管的光接收靈敏度(下文稱為“響應(yīng)度”)A(mA/W)與從另一條光纖輸入光線時(shí)光電二極管的響應(yīng)度B(mA/W)之比。將方向特性定義為(方向特性)＝10·log(響應(yīng)度A/響應(yīng)度B)(dB)。
每個(gè)現(xiàn)有EDFA將光信號(hào)放大大約15-20dB，且足以用在具有25dB或更高方向特性的單向光功率監(jiān)視器中。但是，隨著信息量增加，分離、耦合、分出和插入波長(zhǎng)多路復(fù)用或要波長(zhǎng)多路復(fù)用的光信號(hào)的頻率也增加。因此，需要30dB或更高的方向特性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，提供一種小型高性能單向光功率監(jiān)視器，通過光電二極管來檢測(cè)從一條光纖(輸入光纖)進(jìn)入并通過引出膜傳送的光線，防止從另一條光纖(輸出光纖)進(jìn)入并通過引出膜傳送的光線進(jìn)入所述光電二極管，以及通過使從所述輸出光纖進(jìn)入并通過引出膜傳送的光線在中間壁和內(nèi)壁的壁面上重復(fù)反射和衰減，來獲得30dB或更高的方向特性。
根據(jù)本發(fā)明的單向光功率監(jiān)視器具有尾光纖，具有排列成相互平行地相隔很小距離的兩條光纖，以及所述兩條光纖的光纖開口端在尾光纖端面上在尾光纖端面的中心附近；柱狀GRIN透鏡，具有相互面對(duì)的兩個(gè)端面和在兩個(gè)端面的一個(gè)端面上的引出膜；圓柱管，所述尾光纖和柱狀GRIN透鏡固定在其中，使得所述尾光纖的端面面向柱狀GRIN透鏡的另一個(gè)端面，其間相隔預(yù)定間隙，以及使得柱狀GRIN透鏡具有引出膜的那一端從柱狀管的一端伸出；以及具有第一和第二端的套筒，其中，所述套筒具有從第一端延伸到第一端和第二端之間的中點(diǎn)附近的第一圓孔和從第二端延伸到所述中點(diǎn)附近的第二圓孔，第二圓孔具有與第一圓孔的中心軸不同心的中心軸，第一圓孔在中點(diǎn)附近具有與第二圓孔和中間壁連接的通孔，和柱狀GRIN透鏡具有引出膜的末端插入并固定在第一圓孔中；和光電二極管，位于第二圓孔中套筒的第二端，并在前表面上具有面向通孔的透鏡。套筒的中間壁與柱狀GRIN透鏡的引出膜相距0.55L-0.8L，其中，L表示柱狀GRIN透鏡的引出膜與光電二極管的透鏡頂端之間的距離。柱狀GRIN透鏡被安排在套筒的第一圓孔中，使得從兩條光纖之一(輸入光纖)進(jìn)入并穿過引出膜的光信號(hào)通過第一和第二圓孔到達(dá)光電二極管，而從兩條光纖的另一條(輸出光纖)進(jìn)入并穿過引出膜的光信號(hào)被中間壁阻擋。中間壁的位置由第一圓孔的內(nèi)壁與中間壁的交點(diǎn)來限定。
從輸入光纖進(jìn)入的光信號(hào)從輸入光纖的端面輻射到間隙中且其光束直徑增大地進(jìn)入GRIN透鏡中。光線行進(jìn)的方向在GRIN透鏡中改變且光線一般變成平行光，到達(dá)引出膜并以預(yù)定比率被反射和透射。反射的光再次穿過GRIN透鏡，其光束直徑進(jìn)一步縮小地穿過透鏡行進(jìn)并輻射到間隙中。輻射光聚焦在另一條光纖的端面上。因此，從一條光纖進(jìn)入的光線被連接到另一條光纖。穿過引出膜的光線被引導(dǎo)到套筒中，并進(jìn)入與GRIN透鏡的中心軸不同心的光電二極管中。光電二極管將光量轉(zhuǎn)換成電流，以獲得與光量成正比的電信號(hào)。
從輸出光纖進(jìn)入的光線從尾光纖的后端輻射到間隙中，然后進(jìn)入GRIN透鏡中。光線行進(jìn)的方向在GRIN透鏡中改變且光線基本上變成準(zhǔn)直光，到達(dá)引出膜并由引出膜以預(yù)定比率反射和透射。被引出膜反射的光線穿過從GRIN透鏡到間隙的路徑并被連接到輸入光纖。通過引出膜傳送的光線沿著相對(duì)于GRIN透鏡的中心軸對(duì)稱的方向行進(jìn)并被配備在套筒中的中間壁的壁面反射，以便改變行進(jìn)方向并被衰減。光線在第一圓孔的內(nèi)壁上重復(fù)反射和衰減，基本上沒有什么光線進(jìn)入光電二極管中，因此獲得單向性。
如果GRIN透鏡的引出膜與帶透鏡的光電二極管的透鏡頂端/極端之間的距離是L，則套筒的中間壁最好與柱狀GRIN透鏡的引出膜相距0.55L或更遠(yuǎn)。如果與引出膜的距離小于0.55L，則存在從輸出光纖進(jìn)入并通過引出膜傳送的一部分光線未投射在中間壁上，而是穿過通孔進(jìn)入第二圓孔并被第二圓孔的內(nèi)壁反射，沒有被衰減地進(jìn)入光電二極管中的風(fēng)險(xiǎn)。相反，如果與引出膜的距離大于0.8L，則存在從輸出光纖進(jìn)入并通過引出膜傳送的一部分光線在被中間壁反射之前被第一圓孔的內(nèi)壁反射，從而被光電二極管檢測(cè)到的可能性。如果套筒的中間壁與引出膜相距大于0.8L，則中間壁反射不了光線的風(fēng)險(xiǎn)被增大。
最好，在本發(fā)明的單向光功率監(jiān)視器中，面向配備在套筒中的GRIN透鏡的引出膜的中間壁與第一圓孔內(nèi)壁的夾角是45°或更大以及135°或更小。
在從輸入光纖進(jìn)入并通過引出膜傳送的光線進(jìn)入光電二極管的同時(shí)，從輸出光纖進(jìn)入并通過引出膜傳送的光線投射在中間壁上以便被反射和衰減。如果中間壁與第一圓孔內(nèi)壁的夾角大于135°，則投射在中間壁上的光線朝著帶透鏡的光電二極管方向行進(jìn)，而不是返回到GRIN透鏡。包括反射時(shí)的散射光的反射光作為雜散光進(jìn)入光電二極管中，使光電二極管輸出電流。如果想獲得30 dB或更高的方向特性，則必須消除這樣的雜散光。
如果中間壁與第一圓孔內(nèi)壁的夾角小于45°，則投射在中間壁上的光線沿著GRIN透鏡方向反射，因此，可以容易地獲得30dB或更高的方向特性。但是，中間壁的極端部分具有銳角，以及中間壁的極端很有可能在制造套筒時(shí)碎裂或破碎。如果在零件階段可靠地除去了碎片，則在中間壁的極端就不存在碎片問題。但是，存在除去操作之后所遺留的碎片或裂片受工作環(huán)境溫度變化或振動(dòng)影響而變大，形成落在套筒中的壁材料斷片的風(fēng)險(xiǎn)。套筒中的材料斷落片不僅可作為光路障礙物，而且可以損壞GRIN透鏡的引出膜或光電二極管的透鏡。此外，如果中間壁極端的銳角較小，則增加了制造套筒的難度。此外，由于這個(gè)原因，最好不要將角度減小到小于45°的值。
最好，本發(fā)明的單向光功率監(jiān)視器的套筒對(duì)于波長(zhǎng)范圍從800nm到1650nm的光是不透明的，以及至少面向GRIN透鏡的引出膜的中間壁以及第一和第二圓孔的內(nèi)壁的壁面具有10％或更少的光反射率。
如果套筒由透明材料制成，則光線可以穿過中間壁以及第一圓孔的內(nèi)壁或第二圓孔的內(nèi)壁而泄漏到套筒外面。反過來，不能防止外部光的侵入。在許多情況下，通過并排放置，可以使用多個(gè)單向光功率監(jiān)視器。在并排放置多個(gè)單向光功率監(jiān)視器的情況下，存在從一個(gè)單向光功率監(jiān)視器泄漏出來的光線進(jìn)入另一個(gè)單向光功率監(jiān)視器中的風(fēng)險(xiǎn)。如果從一個(gè)單向光功率監(jiān)視器泄漏出來的光線進(jìn)入另一個(gè)單向光功率監(jiān)視器的光電二極管中，則它作為單向光功率監(jiān)視器的干擾噪聲，導(dǎo)致無法穩(wěn)定地進(jìn)行光監(jiān)視。此外，泄漏到外部的光線可能投射在其它組成零件等上并沿著意想不到的方向行進(jìn)。由于光通信使用可見范圍之外的長(zhǎng)波長(zhǎng)，例如，1310nm和1550nm的光線，在這樣的條件下，不能檢測(cè)泄漏光的行進(jìn)方向，也存在著安全性問題。因此，必須制成不透光材料的套筒，以便防止光線泄漏到套筒的外部。此外，通過制成不透光材料的套筒，可以消除自然光、照明光等的影響。
從輸出光纖進(jìn)入的光線投射在面向套筒中的GRIN透鏡的引出膜的中間壁上以便被衰減和反射。被中間壁的壁面反射的光線投射在第一圓孔的內(nèi)壁上，被衰減和反射一次或多次，并朝向GRIN透鏡返回。此后，光線投射在GRIN透鏡的引出膜上并再次朝著中間壁行進(jìn)。想像得出的最壞情況是，在被中間壁和套筒的內(nèi)壁衰減和反射之后，光線被GRIN透鏡的引出膜表面反射進(jìn)入光電二極管中。重要的是，降低從壁面反射的光線的強(qiáng)度，以便甚至在最壞情況下也可以保證30dB或更高的方向特性。
反射光的強(qiáng)度P1與輻射到壁面上的光線的強(qiáng)度P0的比率P1/P0的百分比被定義為光反射率。如果光反射率是10％或更小，則反射光的強(qiáng)度降低到1/100或更小，因?yàn)樵谧顗那闆r下，在中間壁和內(nèi)壁表面的每一個(gè)上只反射一次。反射光是兩次，即，在中間壁和內(nèi)壁上反射的結(jié)果。因此，反射光的光軸的中心不會(huì)返回到GRIN透鏡的中心部分。GRIN透鏡的引出膜表面所反射的反射光也有可能光軸偏移光電二極管的透鏡頂點(diǎn)地進(jìn)入光電二極管中。由于這種光軸偏移，進(jìn)入光電二極管的光線在高斯半徑之外。因此，可以預(yù)期光電二極管所檢測(cè)的光線的強(qiáng)度降低到大約1/10。進(jìn)入光電二極管的光線因兩次反射被降低到1/100或更小，以及由于光軸偏移又降低到大約10％，也就是說，總共衰減到小于/1000(30dB或更高)。如果增加在內(nèi)壁的壁面上發(fā)生反射的次數(shù)，則可以更容易地獲得30dB或更高的方向特性。甚至在最差情況，即，發(fā)生反射的次數(shù)最少的情況下，通過將套筒的光反射率設(shè)置成10％或更小，也可以獲得30dB或更高的方向特性。不用說，使用光反射率為百分之幾或更小的材料更可取，固為如果光反射率降低，方向特性就越高。
最好，本發(fā)明的單向光功率監(jiān)視器的套筒由黑色陶瓷、石墨或黑色玻璃制成。
從輸出光纖進(jìn)入的光線在套筒的中間壁和內(nèi)壁的壁面上被衰減和反射。因此，要求壁面的光反射率較低。低的光反射率意味著光線被充分吸收。因此，優(yōu)先選擇黑色材料。黑色陶瓷可以是包含氧化鋁、氧化鋯、氧化硅、滑石、碳化硅、氮化硅、氮化鋁或由這些材料的一些組成的復(fù)合材料作為主要成分的材料。石墨可以用作碳材料。尤其是，如果使用黑色玻璃形式的不透氣材料，則可以容易地進(jìn)行樹脂粘合。作為黑色玻璃，可以使用具有基于氧化鋁的材料、基于氧化鋯的材料、基于氧化硅的材料、基于氧化鈦的材料或由這些材料的一些組成的復(fù)合材料作為主要成分的玻璃。
作為本發(fā)明的單向光功率監(jiān)視器的套筒，可以使用由對(duì)可見光透明的材料制成，并具有至少在面向GRIN透鏡的引出膜的中間壁和第一和第二圓孔的內(nèi)壁的表面上形成的光反射率為10％或更小的黑色膜的套筒。
最好，所述套筒能夠防止通過引出膜傳送的光線泄漏到外部，阻止來自外部的光線，以及具有低的光反射率。但是，甚至在套筒的材料在可見光范圍內(nèi)透明的情況下，也可以在面向GRIN透鏡的引出膜的中間壁以及第一和第二圓孔的內(nèi)壁上提供反射率為10％或更小的黑色膜以阻止外部光線，在中間壁和內(nèi)壁上引起反射，從而防止光線泄漏到外部。在透明套筒的外圍表面上形成黑色膜的情況下，可以防止通過引出膜傳送的光線泄漏到外部。但是，在這樣的情況下，中間壁不具備所需功能以及內(nèi)壁的反射位置被改變。因此，無法獲得所需方向特性的概率很高。
提供在透明套筒的中間壁和套筒的第一和第二圓孔的內(nèi)壁上的黑色膜可以通過沉積或?yàn)R射碳、黑色陶瓷或黑色玻璃來形成。
最好，在本發(fā)明的光功率監(jiān)視器的套筒中，至少面向GRIN透鏡的引出膜的中間壁以及第一和第二圓孔的內(nèi)壁的壁面具有2nm或更大的表面粗糙度Ra，以及在粗糙度圖案(roughness motif)的平均長(zhǎng)度AR中具有所使用的光波長(zhǎng)的一半或更小的不平度。
最好，增加表面的光散射，以及在套筒的中間壁和內(nèi)壁的壁面上使用具有限制光反射的低光反射率的材料。光散射取決于表面不規(guī)則性(表面粗糙度Ra)。如果表面粗糙度低，則光散射就少。隨著表面粗糙度增大，光散射往往也增多。最好將Ra設(shè)置成2nm或更大，以便將光反射率限制到10％或更少。表面粗糙度Ra是按照J(rèn)IS B0601測(cè)量的值。由于使用的光波長(zhǎng)是在1550nm范圍內(nèi)的長(zhǎng)波長(zhǎng)，規(guī)定表面不平度可以有效地降低光反射率以及規(guī)定表面粗糙度Ra。最好，按照J(rèn)IS B0601從包絡(luò)不平度曲線中獲取粗糙度圖案的平均長(zhǎng)度AR，以及AR是所使用波長(zhǎng)的1/2或更小?？s短相對(duì)于所使用波長(zhǎng)的平均不平度長(zhǎng)度保證了光散射效果的提高。
可以通過利用GRIN透鏡和光電二極管所在的圓孔的中心軸相互偏移的套筒，通過黑色不透明材料來制成整個(gè)套筒或套筒的內(nèi)壁，在套筒中規(guī)定中間壁的位置和角度，以及降低中間壁和內(nèi)壁的壁面的光反射率，來提供具有30 dB或更高的高方向特性的單向光功率監(jiān)視器。


圖1是本發(fā)明的單向光功率監(jiān)視器的剖視圖；圖2是示出本發(fā)明的例2中的中間壁的位置與方向特性之間的關(guān)系的圖形；圖3A和3B是本發(fā)明的例3中的具有不同中間壁角度的單向光功率監(jiān)視器的剖視圖；圖4是示出本發(fā)明的例3中的中間壁的角度與方向特性之間的關(guān)系的圖形；圖5是本發(fā)明的例5中的具有黑色膜的單向光功率監(jiān)視器的剖視圖；以及圖6是傳統(tǒng)單向光功率監(jiān)視器的剖視圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參照附圖來詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例。為了便于描述，相同的部件或部分用相同的標(biāo)號(hào)來表示。
例1圖1是本發(fā)明的單向光功率監(jiān)視器的剖視圖。通過將光纖3和光纖4模壓在玻璃包頭2′中而形成尾光纖2，兩條光纖的軸線之間相隔0.25mm。尾光纖2的外徑是1.8mm。使用外徑為1.8mm、折射率為1.590以及折射率梯度常數(shù)為0.326的GRIN透鏡7。在GRIN透鏡端面上提供的引出膜8是通過周期層疊SiO2和TiO2并將代表光反射率的引出率設(shè)置為1％的介電多層膜。帶透鏡的光電二極管10插在套筒9中的部分的直徑被設(shè)置成1.8mm以及底座部分10′的直徑被設(shè)置成2.1mm。在底座部分10′上提供有電極引線11。作為帶透鏡的光電二極管10的光電轉(zhuǎn)換元件(未示出)，使用在1550nm附近的光通信波段中具有高靈敏度的InGaAs。GRIN透鏡7和帶透鏡的光電二極管10相互偏移中心軸地固定在其中的套筒9由黑色陶瓷材料的氧化鋁制成。在其中插入并固定GRIN透鏡7的孔作為在套筒9中提供的第一圓孔21，以及在其中插入并固定帶透鏡的光電二極管10的孔作為在套筒9中提供的第二圓孔22，通過利用金剛石端銑刀在氧化鋁柱中加工出直徑為1.9mm的所述孔。第一圓孔21和第二圓孔22通過通孔27連接，并在它們之間形成中間壁26。第一圓孔21的中心軸和第二圓孔22的中心軸偏移0.9mm。中間壁26和第一圓孔21的內(nèi)壁的壁面的粗糙度Ra被設(shè)置成大約25nm，以及不平度的平均長(zhǎng)度AR被設(shè)置成大約640nm。內(nèi)徑為2.0mm和外徑為2.8mm的不透光黑色玻璃被用作固定尾光纖2和GRIN透鏡7的圓柱管6。除非另有說明，按照這些說明的部件或構(gòu)件也可以用在其它例子中。
下面描述用在本例中的這些部件的組裝。相互面對(duì)的尾光纖2和GRIN透鏡7的每個(gè)端面相對(duì)于其直徑截面具有8°的斜角。通過形成相互面對(duì)的表面，使得相互面對(duì)的表面具有8°的斜角，可以限制尾光纖2和GRIN透鏡7的端面處的光反射的影響。在將GRIN透鏡7和尾光纖2插入圓柱管6中之后，通過在從一條光纖(輸入光纖)3引入光線并用萬用光表監(jiān)視從另一條光纖(輸出光纖)4出射的光線，以便設(shè)置使得從輸出光纖4出射的光線的強(qiáng)度最大的最佳間隙5的同時(shí)，通過使用環(huán)氧樹脂來粘合，將尾光纖2和GRIN透鏡7固定在圓柱管6中。通過在100℃上加熱45分鐘來固定環(huán)氧樹脂。將GRIN透鏡7的引出膜8側(cè)和帶透鏡的光電二極管10插入總長(zhǎng)度為14.0mm的套筒9的相對(duì)端23和24的孔中，相對(duì)于每端深度為2mm，并通過使用環(huán)氧樹脂粘合來固定它們。在100℃上加熱45分鐘來固定環(huán)氧樹脂。引出膜8與帶透鏡的光電二極管10的透鏡頂點(diǎn)12之間的距離L被設(shè)置成10.0mm。形成衰減和反射從輸出光纖4進(jìn)入并通過GRIN透鏡7的引出膜8傳送的光線的中間壁26，使得它與引出膜8距離7.0mm。中間壁26被設(shè)置成相對(duì)于第一圓孔21的內(nèi)壁25大約90°。引出膜8與中間壁26之間的距離對(duì)應(yīng)于0.70L。
按照本例制造150個(gè)單向光功率監(jiān)視器1并評(píng)估它們的電特性。如下所示的測(cè)量結(jié)果是150個(gè)物品的平均值。通過輸入光纖3輸入波長(zhǎng)為1550nm和光強(qiáng)為0dBm的光線來進(jìn)行測(cè)量。代表光連接程度的插入損耗是0.31dB，以及作為代表電輸出的特性測(cè)量的響應(yīng)度A是9.8mA/W。通過輸出光纖4輸入波長(zhǎng)為1550nm和光強(qiáng)為0dBm的光線時(shí)的插入損耗和響應(yīng)度B分別是0.31dB和7.3μA/W。可以確信，達(dá)到了最小30.8dB和平均31.3dB的良好方向特性。
例2通過改變中間壁26的位置，可以獲得方向特性相對(duì)于中間壁26與引出膜之間的距離的關(guān)系。圖2示出了方向特性相對(duì)于中間壁與引出膜之間的距離的關(guān)系。通過用金剛石端銑刀來改變第一圓孔21和第二圓孔22相對(duì)于鋁圓柱的第一端23和第二端24的深度，可以制成具有不同中間壁部分的套筒9。中間壁相對(duì)于引出膜的位置以0.05L為步長(zhǎng)從0.4L改變到0.8L。組裝并測(cè)試具有不同距離的5個(gè)單向功率監(jiān)視器。在圖2中，畫出了5個(gè)單向功率監(jiān)視器的方向特性中的最低方向特性。實(shí)驗(yàn)表明，通過將中間壁的位置設(shè)置在0.55L到0.8L的范圍內(nèi)，可以獲得方向特性為30dB或更高的性能良好的單向功率監(jiān)視器。
例3下面描述改變中間壁26角度時(shí)的測(cè)量結(jié)果。圖4是示出中間壁的角度與方向特性之間的關(guān)系的圖形。圖3A示出了中間壁的角度是45°的單向功率監(jiān)視器的剖視圖。圖3B示出了中間壁的角度是135°的單向功率監(jiān)視器的剖視圖。當(dāng)中間壁與第一圓孔的內(nèi)壁成銳角時(shí)，中間壁伸向GRIN透鏡側(cè)。當(dāng)中間壁與第一圓孔的內(nèi)壁成鈍角時(shí)，中間壁朝向光電二極管展開。第二圓孔以與例1和2相同的方式來提供。制造中間壁角度從30°到160°不等的8個(gè)套筒9。利用這些套筒，針對(duì)每個(gè)中間壁角度組裝和測(cè)試5個(gè)單向功率監(jiān)視器1。在圖4中，畫出了針對(duì)每個(gè)角度的5個(gè)單向功率監(jiān)視器1的方向特性中的最低方向特性。當(dāng)角度大于135°時(shí)，方向特性低于30dB。可以認(rèn)為，雖然當(dāng)角度小于135°時(shí)，被中間壁反射的光線朝著GRIN透鏡方向返回，但當(dāng)角度大于135°時(shí)，反射光朝著光電二極管方向行進(jìn)，損壞了方向特性。
甚至可以制造出具有30°的小角度套筒。但是，在中間壁的極端上看到許多碎片。還進(jìn)行了角度小于30°套筒的試探性制造，但頻繁地發(fā)生碎裂，因此，不可能在試探性制造方面取向進(jìn)一步的進(jìn)展。根據(jù)這個(gè)事實(shí)，可以確信，中間壁的角度最好在45°到135°的范圍內(nèi)。
例4下面描述通過改變套筒的材料而進(jìn)行的試探性制造的結(jié)果。用于套筒的材料是在表1中顯示為樣本M1到M7的陶瓷、顯示為樣本M8到M11的玻璃和顯示為樣本M12的石墨。顯示為樣本M12的石墨不屬于陶瓷組和玻璃組的每一個(gè)，但被認(rèn)為具有最高的光吸收度。作為石墨，可以使用黑色玻璃形式的不透氣碳材料。樣本M1到M12每一種的顏色是黑色或與黑色接近的深灰色。除了套筒材料以外，按照與例1相同的說明來制造套筒，并利用這些套筒來組裝單向光功率監(jiān)視器。表1是針對(duì)用于套筒的材料塊在155nm的波長(zhǎng)上測(cè)量的光反射率、響應(yīng)度A、響應(yīng)度B、方向特性和暗電流。作為當(dāng)光線從輸入光纖進(jìn)入時(shí)光電二極管的接收結(jié)果示出了響應(yīng)度A，而作為當(dāng)光線從輸出光纖進(jìn)入時(shí)光電二極管的接收結(jié)果示出了響應(yīng)度B。方向特性是10·log(響應(yīng)度A/響應(yīng)度B)(dB)。作為測(cè)試的5個(gè)單向功率監(jiān)視器的平均值，示出了響應(yīng)度、方向特性和暗電流。暗電流是當(dāng)兩條光纖的每一條都未供應(yīng)光輸入時(shí)，來自光電二極管的輸出電流。光電二極管器件的固有暗電流是0.04到0.1nA。測(cè)量的暗電流值高于0.1nA意味著外部光線穿過套筒進(jìn)入單向功率監(jiān)視器。也就是說，外部光未被完全阻擋掉以及外部光以噪聲的形式出現(xiàn)。與樣本M1到M12相對(duì)應(yīng)的單向功率監(jiān)視器的暗電流是0.048到0.081nA，每一個(gè)都小于0.1nA?？梢源_信，外部光被完全阻擋掉了。
表1

在樣本M1到M12之間獲得了平均31.5dB的方向特性值。甚至對(duì)于每種材料5個(gè)單向功率監(jiān)視器的方向特性中的最低方向特性也不低于30dB。由套筒材料的類型引起的差異表現(xiàn)得不明顯，但與由材料M1到M7制成的陶瓷套筒有關(guān)的方向特性比與由材料M8到M11制成的玻璃套筒有關(guān)的方向特性高0.5到1.0dB。這種差異被認(rèn)為是由中間壁和內(nèi)壁的壁面的表面粗糙度不同引起的。玻璃套筒的表面粗糙度Ra大約是3nm。高硬度和難以加工的陶瓷材料的表面粗糙度Ra較高，大約是50nm。此外，在陶瓷材料中存在孔隙，雖然孔隙的百分比為大約百分之幾。由于存在孔隙，可能便漫反射增加。具有陶瓷套筒的監(jiān)視器的響應(yīng)度B一般低于具有玻璃套筒的監(jiān)視器的響應(yīng)度。因此，可以認(rèn)為，由于較高的表面粗糙度和孔隙，提高了方向特性。玻璃套筒和陶瓷套筒每一種的壁面不平度大約是500到900nm。但是，在由基于氧化鈦的玻璃材料M11制成的兩個(gè)玻璃套筒中觀察到大約1500nm的不平度和大約1800nm的不平度。利用這些樣本的監(jiān)視器的響應(yīng)度B較高，是10.8和12.3μA/W。利用其它三種樣本的監(jiān)視器的響應(yīng)度B較低。利用這些樣本的監(jiān)視器的平均響應(yīng)度B是9.1μA/W，與利用其它玻璃套筒樣本的監(jiān)視器的響應(yīng)度B的差異不大。檢查樣本M1到M10中光接收靈敏度B低于表1所示的平均值的樣本的不平度，發(fā)現(xiàn)是800到900nm。這個(gè)不平度大于使用的光的波長(zhǎng)1550nm的半波長(zhǎng)775nm。據(jù)此可以認(rèn)為，壁面不平度的優(yōu)選范圍等于或小于使用的光的波長(zhǎng)的1/2。使用石墨的監(jiān)視器具有低的響應(yīng)度B和高于32dB的方向特性，即，這些樣品當(dāng)中的最佳特性。
例5圖5示出了通過使用透明玻璃作為套筒9′，并至少在面向GRIN透鏡端面的中間壁以及第一和第二圓孔21和22的內(nèi)壁上形成具有低的光反射率的膜30來制成的單向功率監(jiān)視器1′的剖面圖。表2示出了用作具有低的光反射率的膜的材料。通過利用濺射裝置來形成陶瓷和玻璃材料的膜。通過利用沉積裝置來形成碳膜。用分光光度計(jì)來測(cè)量在玻璃板上形成的材料膜的透光比，以確定透光比是0.01％或更小的膜厚度。以這種方式來限定的陶瓷材料的膜厚度大約是1μm，而玻璃和石墨的膜厚度大約是3到5μm。通過在第一和第二圓孔21和22的內(nèi)壁和套筒9′的中間壁上形成確定為樣本例子的厚度的膜30，并通過利用套筒來組裝單向功率監(jiān)視器9′的樣品。也對(duì)這些樣本測(cè)量光反射率。表2集中示出了與膜材料有關(guān)的光反射率、響應(yīng)度A、響應(yīng)度B、方向特性和暗電流。響應(yīng)度、方向特性和暗電流是針對(duì)每種膜材料測(cè)試的5個(gè)單向功率監(jiān)視器的平均值。針對(duì)樣本N1到N12測(cè)量的單向功率監(jiān)視器的暗電流是0.050到0.082nA，都小于0.1nA。因此，可以確信，外部光被完全阻擋掉了。
表2

從樣本N1到N12的每一種可以獲得高于30dB的方向特性?；旧蠜]有觀察到因材料之間的差異而引起的差異。但是，與針對(duì)同一種材料的例4中的大塊材料相比，響應(yīng)B和光反射率一般變差了。這被認(rèn)為是因?yàn)榕c例4中通過在大塊材料上進(jìn)行金剛石端銑而形成的表面相對(duì)應(yīng)的例5中的表面是通過在柱狀玻璃上進(jìn)行金剛石端銑并在加工好的玻璃上形成膜來形成的，所以降低了表面粗糙度，使光反射率提高，因此，使響應(yīng)度B提高。
雖然在例5中將濺射裝置和沉積裝置用于膜形成，但可替代地，也可以使用通過在樹脂中揉合材料N1到N12的粉末并應(yīng)用揉合混合物而形成的膜。但是，由于第一和第二圓孔的直徑大約為2mm以及這些孔的深度是5到8mm，在技術(shù)上難以在中間壁和內(nèi)壁上形成膜。為了使膜易于形成，可以使用將套筒分割成兩半并在形成膜之后將分割的兩半合在一起來形成圓筒的方法。
權(quán)利要求
1.一種單向光功率監(jiān)視器，包括尾光纖，具有排列成相互平行地相隔很小距離的兩條光纖，所述光纖的開口端在尾光纖端面上在尾光纖端面的中心附近；柱狀GRIN透鏡，具有相互面對(duì)的兩個(gè)端面和在兩個(gè)端面的一個(gè)端面上的引出膜；圓柱管，尾光纖和柱狀GRIN透鏡固定在其中，使得尾光纖的端面面向GRIN透鏡的另一個(gè)端面，其間相隔預(yù)定間隙，并使得柱狀GRIN透鏡具有引出膜的那一端從柱狀管的一端伸出；具有第一和第二端的套筒，其中，所述套筒具有從第一端延伸到第一端和第二端之間的中點(diǎn)附近的第一圓孔和從第二端延伸到所述中點(diǎn)附近的第二圓孔，第二圓孔的中心軸與第一圓孔的中心軸不同心，第一圓孔在所述中點(diǎn)附近具有與第二圓孔和中間壁連接的通孔，和柱狀GRIN透鏡具有引出膜的末端插入并固定在第一圓孔中；和光電二極管，位于第二圓孔中套筒的第二端并具有面向通孔的透鏡，其中，所述套筒的中間壁與柱狀GRIN透鏡的引出膜相距0.55L-0.8L，其中，L表示柱狀GRIN透鏡的引出膜與光電二極管的透鏡頂端之間的距離，和其中，柱狀GRIN透鏡被安排在套筒的第一圓孔中，使得從兩條光纖之一進(jìn)入并穿過引出膜的光信號(hào)通過一和第二圓孔到達(dá)所述光電二極管，而從兩條光纖的另一條進(jìn)入并穿過引出膜的光信號(hào)的光路被所述中間壁阻擋。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單向光功率監(jiān)視器，其中，位于所述套筒中的中間壁相對(duì)于第一圓孔內(nèi)壁的角度是45°或更大以及135°或更小。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單向光功率監(jiān)視器，其中，所述套筒對(duì)于波長(zhǎng)范圍從800nm到1650nm的光是不透明的，以及至少面向柱狀GRIN透鏡的引出膜的中間壁以及第一和第二圓孔的內(nèi)壁的壁面具有10％或更小的光反射率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單向光功率監(jiān)視器，其中，所述套筒由黑色陶瓷、石墨或黑色玻璃制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單向光功率監(jiān)視器，其中，所述套筒由相對(duì)于可見光透明的材料制成，以及至少在面向柱狀GRIN透鏡的引出膜的中間壁以及第一和第二圓孔的內(nèi)壁的壁面上，提供相對(duì)于波長(zhǎng)范圍從800nm到1650nm的光，光反射率為10％或更小的黑色膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的單向光功率監(jiān)視器，其中，所述黑色膜由碳、黑色陶瓷或黑色玻璃制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的單向光功率監(jiān)視器，其中，至少面向柱狀GRIN透鏡的引出膜的中間壁以及第一和第二圓孔的內(nèi)壁的壁面具有2nm或更大的表面粗糙度Ra，以及在粗糙度圖案的平均長(zhǎng)度AR中具有所使用的光波長(zhǎng)的一半或更小的不平度。
全文摘要
本發(fā)明提供了方向特性為30dB或更高的小型高性能單向光功率監(jiān)視器。使用插入并固定GRIN透鏡和光電二極管的圓孔的中心軸相互不同心的套筒。整個(gè)套筒或內(nèi)壁由黑色不透光材料制成。套筒中中間壁的位置與GRIN透鏡的引出膜相距0.55L到0.8L。L是引出膜與光電二極管的透鏡極端之間的距離。最好，中間壁的角度在45°到135°的范圍內(nèi)，中間壁和內(nèi)壁的壁面的光反射率是10％或更小，表面粗糙度是2nm或更高，以及不平度是所使用的光的波長(zhǎng)的1/2或更小。
文檔編號(hào)G02B6/42GK101017230SQ20071000678
公開日2007年8月15日 申請(qǐng)日期2007年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月6日
發(fā)明者鈴木勝, 青雅裕 申請(qǐng)人:日立金屬株式會(huì)社