專利名稱：一種光纖準(zhǔn)直器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于準(zhǔn)直和擴(kuò)束的光纖準(zhǔn)直器，屬于光通信、光電傳感和光信息處理器件的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光纖準(zhǔn)直器是光通信無源器件中必不可少的基礎(chǔ)元器件，應(yīng)用于要求聚焦和準(zhǔn)直功能的各種場(chǎng)合，廣泛使用在光耦合器、準(zhǔn)直器、光隔離器、光開關(guān)、激光器等方面。目前，應(yīng)用比較廣泛的光纖準(zhǔn)直器主要有兩種采用自聚焦透鏡(GRIN Lens)和被稱為C-Lens的定折射率透鏡結(jié)構(gòu)。自聚焦透鏡(GRINS)采用粒子交換工藝制成的變折射率透鏡，其內(nèi)部的折射率的分布沿徑向逐漸減小，能夠使沿軸向傳輸?shù)墓猱a(chǎn)生連續(xù)折射，從而實(shí)現(xiàn)出射光線平滑且連續(xù)的匯聚到一點(diǎn)。GRINS具有將平行光會(huì)聚于端面的特性，從而使耦合系統(tǒng)的耦合效率明顯提高；使準(zhǔn)直系統(tǒng)的體積減小，性能提高；因其出射光端為削平形狀，易于裝配。但該設(shè)計(jì)受限于制作成本高及工作距離有限，無法滿足光器件向低成本、高性能方向發(fā)展。C-Lens作為我國(guó)自主發(fā)明的一種新型的微光學(xué)元件，采用球端面透鏡技術(shù)，其工作距離可以通過球面曲率設(shè)計(jì)來決定。由于C-Lens具有成本低、長(zhǎng)工作距離時(shí)低插入損耗、工作距離范圍大等一系列的優(yōu)點(diǎn)，且C-Lens特殊結(jié)構(gòu)準(zhǔn)直器還可用于要求大光斑、長(zhǎng)工作距離的光傳輸，使得目前該元件在光通訊領(lǐng)域已獲大范圍應(yīng)用。但是由于其出射光端為凸透鏡形狀，不易于組裝，需要對(duì)鏡片進(jìn)行復(fù)雜的拋光與球面鍍膜工藝。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的在于提出一種利用菲涅爾透鏡和液體透鏡制作而成的新穎的光纖準(zhǔn)直器，用于解決光通信中擴(kuò)束和準(zhǔn)直問題，其制作成本低，組裝容易。技術(shù)方案本發(fā)明的一種光纖準(zhǔn)直器以精密套管為主體，精密套管位于連接管腳和菲涅爾透鏡之間，上述三者之間的空隙形成透鏡腔，用于儲(chǔ)存液體透鏡材料；透鏡腔內(nèi)放置一種或多種折射率互不相同且互不相溶的透明液體；菲涅爾透鏡和液體透鏡構(gòu)成微透鏡系統(tǒng)；連接管腳上設(shè)有供光纖插入的尾纖槽，尾纖通過粘膠固定于連接管腳的尾纖槽中。液體透鏡放置兩種或多種液體時(shí)，液體界面處形成的彎月面構(gòu)成透鏡，液體的密度優(yōu)選設(shè)置為密度相等的兩種或多種透明液體。與菲涅爾透鏡端面接觸的液體可設(shè)置為與折射率匹配液體，使其折射率與菲涅爾透鏡盡可能接近，以減少菲涅爾透鏡端面反射損耗。與尾纖端面接觸的液體可設(shè)置為折射率匹配液體，使其折射率與尾纖纖芯盡可能接近，以減少尾纖端面反射損耗。精密套管內(nèi)根據(jù)需要可以設(shè)置疏水/油，或親水/油的膜層，以便設(shè)置液體界面處彎月面的形狀。菲涅爾透鏡可設(shè)置為菲涅爾波帶片。
精密套管形狀可設(shè)置為圓柱形、圓錐形或其他形狀。對(duì)于正透鏡，光線波長(zhǎng)越長(zhǎng)其焦距越長(zhǎng)，而對(duì)于菲涅爾透鏡，光線波長(zhǎng)越長(zhǎng)其焦距越短，起負(fù)透鏡作用。所述的液體透鏡是由兩種或多種折射率不同的不相溶的透明液體組成，其界面處的彎月面構(gòu)成正透鏡，這樣與菲涅爾透鏡可以組成透鏡系統(tǒng)可以補(bǔ)償菲涅爾透鏡的色差。液體的密度優(yōu)選設(shè)置為密度相等的兩種或多種透明液體，以消除重力的影響。 與光纖端面接觸的液體可優(yōu)選設(shè)置為光纖折射率匹配液體，以減少光纖端面反射損耗，或者將與菲涅爾透鏡接觸的液體優(yōu)選設(shè)置為菲涅爾透鏡折射率匹配液體，以減少菲涅爾透鏡端面反射損耗。精密套管內(nèi)壁根據(jù)需要可以設(shè)置疏水/油，或親水/油的膜層，以便設(shè)置液體界面處彎月面的形狀。在技術(shù)要求不高的情況下，精密套管內(nèi)可只填充一種與光纖或者菲涅爾透鏡折射率匹配液體，以減少反射損耗。其中菲涅爾透鏡也可設(shè)置為菲涅爾波帶片， 其工藝更加簡(jiǎn)單。有益效果根據(jù)以上敘述可知，本發(fā)明具有如下特點(diǎn)本發(fā)明將菲涅爾透鏡、液體透鏡與現(xiàn)代光通信技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種新穎的光纖準(zhǔn)直器，具有重要的技術(shù)價(jià)值。本發(fā)明設(shè)計(jì)的一種光纖準(zhǔn)直器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作簡(jiǎn)單、 組裝容易、成本低廉、工作波長(zhǎng)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。由于不需要復(fù)雜的鍍膜技術(shù)使得制作成本、 生產(chǎn)工藝大大降低，具有重要的技術(shù)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，將會(huì)在光通信和光信息處理領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。創(chuàng)新之處在于1)將菲涅爾透鏡應(yīng)用于光纖準(zhǔn)直器之中，實(shí)現(xiàn)了光通信的擴(kuò)束和準(zhǔn)直問題。菲涅爾透鏡是微型元件，可方便地用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，便于大規(guī)模制造。且工作波長(zhǎng)范圍廣、制作簡(jiǎn)單、組裝容易、成本低廉。2)將液體透鏡，即兩種或多種折射率不同的不相溶的液體應(yīng)用于準(zhǔn)直器件中，不同液體界面處的彎月面形成正透鏡，這樣與菲涅爾透鏡可以組成透鏡系統(tǒng)以補(bǔ)償菲涅爾透鏡的色差。3)將折射率匹配液體應(yīng)用于準(zhǔn)直器件中，減少了光纖端面處或者透鏡端面處不必要的反射損耗。4)將疏水/油或親水/油置于精密套管內(nèi)壁，可以根據(jù)需要設(shè)置膜層材料從而設(shè)置液體界面處彎月面的形狀。5)可將菲涅爾波帶片代替菲涅爾透鏡，工藝簡(jiǎn)單，降低成本。6)精密套管形狀不僅可以設(shè)置為圓柱狀，還可以設(shè)置為圓錐形等多種形狀，工藝簡(jiǎn)單，適用性強(qiáng)。


圖1是利用菲涅爾透鏡制作的一種光纖準(zhǔn)直器(實(shí)例1、2)的結(jié)構(gòu)截面圖。圖中有精密套管1、連接管腳2、尾纖3、菲涅爾透鏡4、液體透鏡5、折射率匹配液體6、折射率匹配液體7、尾纖槽8、疏水/油或親水/油膜層9、粘膠10。圖2是利用菲涅爾透鏡制作的一種光纖準(zhǔn)直器(實(shí)例3、5)的結(jié)構(gòu)截面圖。圖3是利用菲涅爾透鏡制作的一種光纖準(zhǔn)直器(實(shí)例4)的結(jié)構(gòu)截面圖。圖4是利用菲涅爾透鏡制作的圓錐狀光纖準(zhǔn)直器(實(shí)例6)的結(jié)構(gòu)截面圖。
具體實(shí)施例方式如圖1，該光纖準(zhǔn)直器以精密套管1為主體，菲涅爾透鏡4設(shè)置于精密套管1端面， 精密套管1的另一端設(shè)置連接管腳2，連接管腳2上設(shè)有供尾纖3插入的尾纖槽8，一尾纖 3通過粘膠固定于連接器的尾纖槽8，菲涅爾透鏡4和連接管腳2之間的空隙填充液體透鏡 5材料，菲涅爾透鏡4和液體透鏡5在同一光軸上。由菲涅爾透鏡4和液體透鏡5組合而成的微透鏡系統(tǒng)的焦點(diǎn)設(shè)置于為尾纖3的端面處以實(shí)現(xiàn)光準(zhǔn)直作用。液體透鏡5由兩種或多種折射率不同的不相溶的透明液體組成，液體界面處的彎月面構(gòu)成正透鏡，這樣與菲涅爾透鏡4可以組成透鏡系統(tǒng)以補(bǔ)償菲涅爾透鏡4的色差，液體的密度優(yōu)選設(shè)置為密度相等的兩種或多種透明液體。與尾纖3端面接觸的液體可優(yōu)選設(shè)置為光纖折射率匹配液體，以減少尾纖3端面反射損耗，或者將與菲涅爾透鏡4接觸的液體優(yōu)選設(shè)置為菲涅爾透鏡折射率匹配液體，以減少菲涅爾透鏡4端面反射損耗。精密套管1內(nèi)壁根據(jù)需要可以設(shè)置疏水 /油，或親水/油的膜層9，以便設(shè)置液體界面處彎月面的形狀。其中菲涅爾透鏡4也可設(shè)置為菲涅爾波帶片。其中菲涅爾透鏡4和液體透鏡5組合而成的微透鏡系統(tǒng)的焦點(diǎn)也可設(shè)置于為尾纖3的端面附近以實(shí)現(xiàn)光會(huì)聚作用。實(shí)例1 精密套管1制備采用硅橡膠。這是由于硅橡膠易于擠壓成型，能通過模具注塑加工方法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，其硬度易于控制，精密套管1形狀設(shè)置為圓柱形；連接管腳2通過粘膠10固定在精密套管1的一端，連接管腳2采用塑料或橡膠精密鑄造而成，連接管腳2 中心預(yù)留圓柱狀孔，孔的大小與尾纖3孔徑相匹配，便于插入尾纖3 ；菲涅爾透鏡4用粘膠 10固定于精密套管1的另一端。如圖1，精密套管1填入兩種折射率不同的不相溶的透明液體，靠近尾纖3處的液體7選擇折射率較小的液體材料，靠近菲涅爾透鏡4處的液體6選擇折射率大的液體材料， 精密套管1的內(nèi)壁選擇疏油或者親水膜9 (PVDF，聚偏氟乙烯親水膜)，在液體界面形成油凸水凹構(gòu)成正透鏡，補(bǔ)償菲涅爾透鏡4的色差。同時(shí)兩種液體的密度優(yōu)選設(shè)置為相等，以消除重力影響。液體6可以選擇溴代十二烷(密度1.0399，折射率1.4583)，液體7可以選擇水。由于水在低溫使用時(shí)可能會(huì)有冰凍問題。可以用高濃度的鹽溶液來降低冰點(diǎn)。為了保持鹽水的低密度和折射率，采用低原子量的鹽氯化鋰。20%濃度的氯化鋰導(dǎo)致冰點(diǎn)低于-40°C，密度P為1. 12kg/m3，折射率為1. 38。組裝時(shí)，將菲涅爾透鏡4用粘膠固定于精密套管1 一端，向附有膜層9的精密套管 1里分別灌注兩種透鏡液體，兩種液體的體積需由設(shè)計(jì)方案計(jì)算求得或通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得。將接有尾纖3的連接管腳2通過粘膠10固定在精密套管1的另一端，嚴(yán)格控制菲涅爾透鏡4和尾纖3的端面相對(duì)位置，相對(duì)位置通過計(jì)算，按以下要求確定保證由菲涅爾透鏡4和液體透鏡5組合而成的微透鏡系統(tǒng)的焦點(diǎn)設(shè)置于為尾纖3的端面處以實(shí)現(xiàn)光準(zhǔn)直。為減少菲涅爾透鏡的端面損耗，可在其表面設(shè)置增透膜。實(shí)例2:如圖1，精密套管1中靠近尾纖3的液體7可設(shè)置為與尾纖3纖芯折射率匹配的液體，以減少尾纖3端面的反射率損耗。液體7材料可以選擇為摻入糖的水溶液(80%的糖溶液折射率為1. 49)或摻入酒精(折射率能提高到1. 45)。液體6可以選擇二碘甲烷(折射率為1.74幻。由于精密套管直徑很小，可以看做為毛細(xì)管，因此可以忽略重力影響。。精密套管1的內(nèi)壁選擇疏油或者親水膜9 (PVDF，聚偏氟乙烯親水膜)，在液體界面形成油凸水凹構(gòu)成正透鏡，補(bǔ)償菲涅爾透鏡4的色差。實(shí)例3 如圖2，精密套管1填入兩種折射率不同的不相溶的透明液體，靠近尾纖3處的液體7選擇折射率較大的液體材料，靠近菲涅爾透鏡4處的液體6選擇折射率小的液體材料， 同時(shí)兩種液體的密度優(yōu)選設(shè)置為相等，以消除重力影響。液體7可以選擇與尾纖3纖芯折射率相匹配的液體材料以減少光纖端面反射損耗。液體7材料可以選擇甘油(折射率1.47， 密度1.26)。液體6材料選擇折射率較小的水溶液，用高濃度的鹽溶液來降低冰點(diǎn)。為了保持鹽水的低密度和折射率，采用低原子量的鹽氯化鋰，溶液密度達(dá)到1.沈，折射率約為 1. 34ο精密套管1的內(nèi)壁選擇疏油或者親水膜9(PVDF，聚偏氟乙烯親水膜)，在液體界面形成油凸水凹構(gòu)成正透鏡，補(bǔ)償菲涅爾透鏡4的色差。實(shí)例4 如圖3，精密套管1填入兩種折射率不同的不相溶的透明液體，靠近尾纖3處的液體7選擇折射率較小的液體材料，靠近菲涅爾透鏡4處的液體6選擇折射率大的液體材料。 液體6可以選擇與菲涅爾透鏡4折射率(為1. 51)相匹配的液體材料以減少菲涅爾透鏡4 端面反射損耗。菲涅爾透鏡4鋸齒狀陣列設(shè)置在精密套管1外(若在精密套管1內(nèi)側(cè)，由于菲涅爾透鏡材料與液體6材料匹配，菲涅爾透鏡起不到負(fù)透鏡作用)，液體6材料可以選擇苯(折射率1. 50)。液體7材料選擇折射率較小的水溶液，用高濃度的鹽溶液來降低冰點(diǎn)。精密套管1的內(nèi)壁選擇疏油或者親水膜9(PVDF，聚偏氟乙烯親水膜)，在液體界面形成油凸水凹構(gòu)成正透鏡，補(bǔ)償菲涅爾透鏡4的色差。實(shí)例5 裝置同圖2，精密套管1填入兩種折射率不同的不相溶的透明液體，靠近菲涅爾透鏡4處的液體6選擇折射率小的液體材料，靠近尾纖3處的液體7選擇折射率較大的液體材料。液體材料6選擇透明油(折射率一般為1. 45)，液體材料7采用室溫離子液體，因?yàn)槭覝仉x子液體是一種重要的綠色新型“軟”材料，具有許多優(yōu)點(diǎn)，如非揮發(fā)性，高熱穩(wěn)定性， 低熔點(diǎn)，良好的導(dǎo)電與導(dǎo)熱性，良好的透光性與折射率等，而且品種非常多，可供選擇的余地很大。因此這里選擇折射率較大的離子液體(如選擇折射率達(dá)到2的離子液體)。精密套管1的內(nèi)壁選擇疏水或者親油膜9，在液體界面形成油凹水凸構(gòu)成正透鏡，補(bǔ)償菲涅爾透鏡的色差。疏水膜可以采用聚四氟乙烯聚合物材料(英文縮寫為PTFE，商標(biāo)名特富龍 ，Teflonlg AF)涂層來實(shí)現(xiàn)。親水材料可選擇聚烯系或聚苯乙烯系球體或發(fā)泡體，聚氨酯發(fā)泡體等。實(shí)例6 精密套管1的形狀不僅可設(shè)置為圓柱形，還可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)為其他形狀。 如可以設(shè)置為圓錐形(如圖4)，當(dāng)設(shè)置為圓錐形時(shí)，尾纖位置更方面定位，工藝簡(jiǎn)單。實(shí)例7 在技術(shù)要求不高的情況下，精密套管1內(nèi)可只填充一種與尾纖纖芯3或者菲涅爾透鏡4折射率匹配的液體，以減少反射損耗，工藝簡(jiǎn)單。
權(quán)利要求
1.一種光纖準(zhǔn)直器，其特征在于以精密套管(1)為主體，精密套管(1)位于連接管腳 (2)和菲涅爾透鏡(4)之間，上述三者之間的空隙形成透鏡腔，用于儲(chǔ)存液體透鏡( 材料； 透鏡腔內(nèi)放置一種或多種折射率互不相同且互不相溶的透明液體；菲涅爾透鏡(4)和液體透鏡( 構(gòu)成微透鏡系統(tǒng)；連接管腳( 上設(shè)有供光纖插入的尾纖槽(8)，尾纖C3)通過粘膠(10)固定于連接管腳(2)的尾纖槽⑶中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖準(zhǔn)直器，其特征在于液體透鏡( 放置兩種或多種液體時(shí)，液體界面處形成的彎月面構(gòu)成透鏡，液體的密度優(yōu)選設(shè)置為密度相等的兩種或多種透明液體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖準(zhǔn)直器，其特征在于與菲涅爾透鏡(4)端面接觸的液體(6)可設(shè)置為與折射率匹配液體，使其折射率與菲涅爾透鏡(4)盡可能接近，以減少菲涅爾透鏡(4)端面反射損耗。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖準(zhǔn)直器，其特征在于與尾纖C3)端面接觸的液體 (7)可設(shè)置為折射率匹配液體，使其折射率與尾纖C3)纖芯盡可能接近，以減少尾纖(3)端面反射損耗。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖準(zhǔn)直器，其特征在于精密套管(1)內(nèi)根據(jù)需要可以設(shè)置疏水/油，或親水/油的膜層(9)，以便設(shè)置液體界面處彎月面的形狀。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖準(zhǔn)直器，其特征在于菲涅爾透鏡可設(shè)置為菲涅爾波帶片。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖準(zhǔn)直器，其特征在于精密套管(1)形狀可設(shè)置為圓柱形、圓錐形或其他形狀。
全文摘要
一種光纖準(zhǔn)直器以精密套管(1)為主體，精密套管(1)位于連接管腳(2)和菲涅爾透鏡(4)之間，上述三者之間的空隙形成透鏡腔，用于儲(chǔ)存液體透鏡(5)材料；透鏡腔內(nèi)放置一種或多種折射率互異互不相溶的透明液體材料；菲涅爾透鏡(4)和液體透鏡(5)構(gòu)成微透鏡系統(tǒng)；連接管腳(2)上設(shè)有供光纖插入的尾纖槽(8)，尾纖(3)通過粘膠(10)固定于連接管腳(2)的尾纖槽(8)中。精密套管(1)形狀可設(shè)置為圓柱形、圓錐形以及其他形狀。菲涅爾透鏡(4)也可設(shè)置為菲涅爾波帶片，以簡(jiǎn)化制作工藝。
文檔編號(hào)G02B3/08GK102183823SQ20111012033
公開日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2011年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月10日
發(fā)明者吳冶成, 唐禾懌, 徐穎, 梁忠誠(chéng), 沈家駿, 許金玲, 陳陶 申請(qǐng)人:南京郵電大學(xué)