專利名稱：光功率監(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)域中的光功率監(jiān)視器。
背景技術(shù)：
近年來，在信息通信方面發(fā)生了引人注目的技術(shù)變革，從電信號通信過渡到光信號通信可以滿足提高通信速度的要求和應(yīng)付隨著因特網(wǎng)的繁榮而導(dǎo)致的信息量增加。來自多個中繼點的信息集中在許多干線電纜上。因此，就處理能力和速率而言，用光纜代替?zhèn)鹘y(tǒng)干線電纜是有利的。重新研究光纜與用戶終端之間的通信已經(jīng)開始，以及以較低成本實現(xiàn)更舒適信息環(huán)境的要求日益迫切。
隨著光網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)，已經(jīng)使高速信息交換成為可能，并且，使光網(wǎng)絡(luò)的新用途得到擴(kuò)展。相應(yīng)地，通過光網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的信息量不斷增加。為了增加適合光纜處理的信息量，使用利用高頻信號來提高單位時間的信號量的技術(shù)，或稱為波長復(fù)用系統(tǒng)的技術(shù)，即，通過一條光纖同時為不同信息項發(fā)送具有多個波長的信號的技術(shù)。形成緊湊和高度可靠的通信網(wǎng)絡(luò)要求保證在許多方向與多條路徑連接和利用多條光纜。從維護(hù)的觀點來看，利用多條光纜絕對必要的。
為了形成通過光纜發(fā)送多個信號的光通信電路，需要波分復(fù)用(下文縮寫為WDM)系統(tǒng)，在WDM系統(tǒng)中，將波長復(fù)用光信號劃分成不同波長的信號；多路復(fù)用不同波長的光信號；以及進(jìn)行光信號的抽取和插入。隨著信息量的增加，管理信息的重要性也增加了。對于光信號的丟失，必須馬上識別光信號和發(fā)生丟失的地方。還必須檢驗信號強(qiáng)度，以及光信號的連接是否存在。如果傳輸距離增加，則光信號強(qiáng)度在只通過光纖傳輸期間會降低。因此，需要放大光信號的摻鉺光纖放大器(下文縮寫為EDFA，erbium doped fiber amplifier)。利用EDFA來測量外部供應(yīng)的光信號的強(qiáng)度和放大之后發(fā)送到外界的光信號的強(qiáng)度，以確定放大比。為了構(gòu)建高度可靠的光通信系統(tǒng)，在每個光傳輸電路部分中配備監(jiān)視功能是絕對必要的。
為了監(jiān)視光信號，人們使用通過光耦合器抽取一部分光信號并通過與光纖連接的光電二極管來檢測通過抽取取出的光信號的方法。這種方法要求熔接連接每個部件，這妨礙了安裝步驟數(shù)的減少。光耦合器具有在其中作為光纖的光信號傳輸部分的纖芯相互貼近以便使能光信號的抽取的結(jié)構(gòu)。相互貼近的纖芯部分的長度是抽取量的重要參數(shù)。因此，難以縮小產(chǎn)品的尺寸。尤其是在最新的設(shè)計中，要多路復(fù)用的波長數(shù)被增加以便增加可一次發(fā)送的信息量。由于信號檢測是在多路分用成波長之后進(jìn)行的，一個單元所需的光功率監(jiān)視器的數(shù)量增加了。由于一個單元中可分配給光功率監(jiān)視器的容納空間是有限的，必須要求縮小每個功率監(jiān)視器的尺寸。
例如，美國專利第6,603,906號公開了縮小尺寸的光功率監(jiān)視器。圖17B示出了所公開光功率監(jiān)視器的結(jié)構(gòu)。圖17A示出了具有安裝在除去上盒蓋的盒子69中的多個光功率監(jiān)視器70的光功率監(jiān)視器組件71的例子。圖17B是光功率監(jiān)視器70的縱斷面圖。參照圖17A和17B，具有兩條光纖51和52的多毛細(xì)玻璃包頭53和漸變折射率(GRIN，gradient index)透鏡54彼此相對，在它們之間形成預(yù)定空隙55。在GRIN透鏡54的端面上形成濾波器56。濾波器56反射或透射穿過GRIN透鏡54的光線。通過GRIN透鏡54透射的光穿過空隙57并由光子檢測器或光電二極管58轉(zhuǎn)換成電信號，以便通過終端59取出。通過來自光子檢測器58的電輸出，可以獲得光路中的光強(qiáng)。多毛細(xì)玻璃包頭53和GRIN透鏡54通過玻璃管60和60′定位。GRIN透鏡是其折射率從其中心軸開始沿著徑向向外連續(xù)變化的玻璃圓柱體。如果光線向外擴(kuò)散，則光線傳播的方向折向中心軸。
現(xiàn)在參照圖17B描述光流。從光纖51進(jìn)入空隙55的光線(輸入光)穿過GRIN透鏡54到達(dá)GRIN透鏡端面上的濾波器56。到達(dá)濾波器56的大多數(shù)光線被反射，穿過GRIN透鏡54和空隙55并進(jìn)入光纖52，變成輸出光。通過濾波器56透射的光線穿過空隙57，進(jìn)入光子檢測器58并轉(zhuǎn)換成電信號，通過終端59輸出。這種光路用實線箭頭表示。相反，當(dāng)通過光纖52輸入光線時，光線經(jīng)由與上述光路相似的路徑傳播并從光纖51取出光線(輸出光)。這種光路用虛線箭頭表示。本描述中使用了在美國專利文件的說明書中引用的名稱。在本發(fā)明的說明書中，光子檢測器被稱為光電二極管。
在如圖17B所示的光功率監(jiān)視器70中，光線發(fā)射(輻射)到空氣中至少一次。由于空氣具有與光纖不同的折射率，輻射到空氣中的光線發(fā)生散射。以GRIN透鏡為代表的透鏡是收集散射光所必不可少的。因此，光功率監(jiān)視器的產(chǎn)品尺寸依賴于GRIN透鏡和玻璃管的尺寸。因此，難以縮小如圖17A所示的光功率監(jiān)視器組件71的總尺寸。
已
公開日本專利第2003-329862號公開了利用波導(dǎo)的光功率監(jiān)視器。圖18A是由光功率監(jiān)視器組成的光波導(dǎo)模塊的平面圖。圖18B是說明用光功率監(jiān)視器測量光能的原理的斷面圖。在基底81上形成通常相互平行的多條波導(dǎo)90。沿著與波導(dǎo)90垂直的方向延伸的通道83將波導(dǎo)90劃分成輸入側(cè)部分86和輸出側(cè)部分87。將反射濾波器84插入通道83中，并將光電檢測器85放在輸入部分86這一側(cè)反射濾波器84之上。因此，形成平面波導(dǎo)型的光電路80?，F(xiàn)在參照圖18B的斷面圖來描述利用光流測量光能的情況。波導(dǎo)90具有上包層91和下包層93，纖芯92置于兩者之間。經(jīng)由纖芯92傳播的光線發(fā)射到通道83中的空氣中。大多數(shù)光線穿過反射濾波器84進(jìn)入輸出側(cè)87的纖芯92中。部分光線(用虛線表示)被反射濾波器84反射，進(jìn)入光電檢測器85中。這部分光線被轉(zhuǎn)換成電信號?？梢杂眠@種方式來測量光路中的光強(qiáng)。
不言而喻，在上述日本專利文件公開的平面波導(dǎo)型光電路80中，容納波導(dǎo)的基底的厚度和容納光電二極管的機(jī)構(gòu)等妨礙了尺寸的縮小。此外，眾所周知，連接波導(dǎo)和光纖的部分中的光損較大。難以降低損耗。作為降低損耗的手段，容易想到的是，用光纖取代上述日本專利文件公開的技術(shù)中的光波導(dǎo)。即使在用光纖取代光波導(dǎo)的情況下，與上述日本專利文件公開的平面波導(dǎo)型光電路80一樣，從輸入側(cè)進(jìn)入的光線也發(fā)射到空氣中一次。由于發(fā)射到空氣中的光線被反射濾波器分解成傳播到輸出側(cè)的光線和進(jìn)入光電檢測器的光線，所以難以降低光損。
即使對于被認(rèn)為是低損監(jiān)視器的上述美國專利文件公開的光功率監(jiān)視器70，人們認(rèn)為，只要該組件使用各自尾光纖、GRIN透鏡和光電檢測器，縮小單信道光功率監(jiān)視器70尺寸的極限是直徑3.0mm×20mm。如圖17A所示，對于多信道布置，將部件容納在盒子69中，從而使產(chǎn)品尺寸進(jìn)一步增大，并難以縮小總尺寸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，提供一種即使在多信道布置下也能夠縮小尺寸并減小光傳輸損耗的光功率監(jiān)視器。
按照本發(fā)明的光功率監(jiān)視器具有兩條光纖，每條光纖具有處在其中心的纖芯和圍繞纖芯的包層，兩條光纖分別處在光傳輸路徑的上游側(cè)和下游側(cè)，以及它們的端面在熔接部分相互面對并被熔接，它們的纖芯光軸相互偏移；設(shè)置在下游側(cè)光纖的包層中的光反射面，所述光反射面面向在熔接部分偏移并從下游側(cè)光纖纖芯的端面突出的上游側(cè)光纖纖芯的部分端面，并與下游側(cè)光纖的纖芯光軸成某個角度；以及光電二極管，相對于下游側(cè)光纖纖芯與所述光反射面相對設(shè)置。所述光電二極管檢測通過上游側(cè)光纖纖芯傳輸、從偏移并從下游側(cè)光纖纖芯的端面突出的上游側(cè)光纖纖芯的部分端面泄漏到下游側(cè)光纖的包層中、并被所述光反射面反射的光線。所述光反射面位于從上游側(cè)光纖纖芯的部分端面泄漏到下游側(cè)光纖的包層中的光線相互干涉并加強(qiáng)的位置。
最好，所述光反射面位于從上游側(cè)光纖纖芯的部分端面泄漏到下游側(cè)光纖的包層中的光線相互干涉并加強(qiáng)的第三或第四位置。
每條光纖由位于光纖中心的纖芯和覆蓋纖芯周圍的包層組成。與具有較大折射率的纖芯和具有較小折射率的包層之間的邊界相對應(yīng)的纖芯周面使通過光纖纖芯傳輸?shù)墓饩€全反射，以保證光線只在纖芯內(nèi)傳輸。如果相互熔接兩條光纖的端面，同時將光纖纖芯的光軸之間的偏移設(shè)置成幾微米，則纖芯端面之間的連接和包層端面之間的連接占據(jù)大部分熔接部分。通過纖芯端面之間的連接，使光線從上游側(cè)光纖纖芯傳輸?shù)较掠蝹?cè)光纖纖芯。另一方面，通過上游側(cè)光纖的一部分纖芯端面與下游側(cè)光纖的包層端面之間的熔接連接，使通過上游側(cè)光纖纖芯傳輸之后到達(dá)熔接表面的光線泄漏到與上游側(cè)光纖纖芯相對的下游側(cè)光纖包層中。泄漏的光無障礙地向前傳播。但是，由于纖芯和包層在折射率上存在差異，并由于與包層端面熔接的纖芯端面部分具有新月形狀，通過一部分熔接纖芯端面泄漏到包層端面中的光線在包層中沿著徑向擴(kuò)展。在包層中沿著徑向擴(kuò)展的光線在包層中傳輸，同時被包層的周面重復(fù)反射。因此，在包層中的傳輸期間，傳輸和反射的光線相互干涉從而相互加強(qiáng)或削弱。在包層中重復(fù)反射傳輸?shù)墓饩€被配備在包層中并面向纖芯端面部分的光反射面反射。光線傳播的方向因此變化，使得光線輻射到光纖之外。如果光電二極管設(shè)置在光反射面所反射的光線傳播的光傳播方向延長線上，則光電二極管就將光能轉(zhuǎn)換成電流，從而獲得與光能成正比的電信號。
光傳輸上游側(cè)光纖纖芯端面和光傳輸下游側(cè)光纖纖芯端面相互連接，同時相互偏移幾微米。因此，從光傳輸下游側(cè)看過去，在光纖纖芯連接部分中從下游側(cè)纖芯突出的部分上游側(cè)纖芯斷面部分看起來是新月形狀。所述新月形狀的最大寬度對應(yīng)于偏移量。在熔接之前被連接的狀態(tài)下，在縱斷面中熔接部分的形狀是這樣的，纖芯端面通常與光纖的中心軸垂直，以及通常垂直的端面相互偏移幾微米。當(dāng)加熱光纖端面使它們相互熔接時，纖芯端面相互熔接在一起，纖芯端面的邊角因表面張力而存在某種程度的彎曲。包層端面的邊角也存在某種程度的彎曲。
纖芯的熔接面具有在光纖縱斷面中存在彎曲的新月形狀。從纖芯端面出來進(jìn)入與具有彎曲的平面，即，偏移面(包括上游側(cè)纖芯光軸和下游側(cè)纖芯光軸的平面)平行的下游側(cè)包層中的光線因熔接造成的纖芯端面的彎曲而相對于纖芯光軸具有不同的角度，使得在包層中反射的光線相互干涉從而相互加強(qiáng)或削弱。最好，光反射面反射相互加強(qiáng)的三階或四階光，并用光電二極管檢測反射的光。因此，重要的是，上述部分上游側(cè)光纖纖芯端面以預(yù)定角度與光反射面相對。換句話說，在與偏移面垂直的縱斷面中，熔接部分與光纖纖芯的光軸垂直，以及光反射面也與光軸垂直。因此，上述部分上游側(cè)纖芯端面和光反射面相互平行。在偏移面中，熔接纖芯端面和光反射面分別與光纖橫斷面成某個角度。因此，熔接部分中的上述部分纖芯端面和光反射面以預(yù)定角度彼此相對。另一方面，在與偏移面垂直的平面中，從上述部分上游側(cè)纖芯端面出來的光線相對于光纖偏移面對稱地傳播，被包層周面反射。因此，這些光線不相互干涉。
實驗證明，在偏移面中，熔接部分曲率在上游側(cè)纖芯端面的周圍最小，也就是說，曲率半徑最大，相反，偏移面中的熔接部分曲率在下游側(cè)纖芯端面的周圍與上游側(cè)纖芯端面相鄰的位置上最大，也就是說，曲率半徑最小。此外，已經(jīng)通過實驗搞清楚了熔接部分曲率與光出射角之間的關(guān)系。在上游側(cè)纖芯端面的周圍部分，光相對于纖芯光軸的出射角θu是5°到15°。在與下游側(cè)纖芯端面周圍相鄰的部分上游側(cè)纖芯端面上，光出射角θd是2°到12°。在相互偏移地相互熔接的光纖纖芯端面上，θu大于θd，以及θu與θd之差是大約3°到大約6°。光出射角隨熔接部分的位置而改變。因此，在從與上游側(cè)纖芯端面周圍接近的位置輻射到包層中的光線在包層中重復(fù)反射的周期與從與下游側(cè)纖芯端面周圍接近的部分上游側(cè)纖芯端面輻射的光線在包層中重復(fù)反射的周期之間存在差異。因此，這些光線相互干涉，周期性地在某些位置上相互加強(qiáng)和削弱。如果光線第一次相互加強(qiáng)的位置是一階位置，則通過在三階或四階加強(qiáng)位置配備光反射面，可以在光反射面上最大效率地收集在熔接部分中從上游側(cè)纖芯端面泄漏到下游側(cè)光纖包層中的光線。
本發(fā)明的光功率監(jiān)視器可以配備成將帶有光反射面的光纖和光電二極管容納在一個盒子中的單信道光功率監(jiān)視器。通過相互平行地排列多個光功率監(jiān)視器，也可以提供多信道光功率監(jiān)視器組件。利用一個多信道光電二極管取代一排多個光電二極管，可以縮小該組件的尺寸。在本發(fā)明的光功率監(jiān)視器中，通過光纖傳輸?shù)牟糠止饩€在熔接部分從上游側(cè)纖芯端面泄漏到下游側(cè)光纖包層中；泄漏光傳播的方向被配備在下游側(cè)光纖的包層中的光反射面改變大約90°，以便通過與光反射面相對的包層將泄漏光發(fā)射到空氣中；以及發(fā)射光被光電二極管轉(zhuǎn)換成電信號。由于檢測的是從包層出來進(jìn)入空氣中的光線，來自相鄰光纖的光線和來自例子外界的光線都被當(dāng)作噪聲。因此，每對相鄰光纖之間的光屏蔽和盒子屏蔽都是必不可少的。
最好，在本發(fā)明的光功率監(jiān)視器中，配備在下游側(cè)光纖包層中的光反射面位于熔接部分的下游4.5到7.5mm的距離。
由于取決于纖芯端面部分的曲率，不能容易地計算出在熔接部分中從纖芯端面泄漏到下游側(cè)光纖包層中的光線的出射角。許多實驗結(jié)果已經(jīng)證明，如果在三階或四階加強(qiáng)位置上配備光反射面，則可以提高響應(yīng)度。光反射面的位置取決于使用的光波長。但是，在等于或大于4.5mm以及等于或小于7.5mm的距離上。主要用于通信的光波長范圍是1520nm到1620nm。三階或四階加強(qiáng)位置隨波長而改變。但是，與波長相比，光反射面的長度足夠長。因此，100nm的波長差可以忽略不計。
最好，在本發(fā)明的光功率監(jiān)視器中，光反射面與下游側(cè)光纖的纖芯光軸成38°到45°的角度。
由于配備在下游側(cè)光纖包層中的光反射面用來將通過包層傳輸?shù)墓饩€的傳播方向改變大約90°，最好，光反射面面向下游側(cè)光纖的光軸的角度是38°到45°。如果角度小于38°，則光線被光反射面反射，但大多數(shù)反射光以這樣的大角度輻射到包層周圍，致使被包層周圍反射返回的光能增加了。相反，如果角度大于45°，則通過光反射面?zhèn)鬏數(shù)墓饩€的比例增加了，以及響應(yīng)度降低了。通過將光反射面設(shè)置在38°到45°的角度上，可以獲得良好的特性。
最好，光反射面是下游側(cè)光纖的包層中與上游側(cè)光纖的纖芯光軸垂直切割的凹口的熔接部分側(cè)的側(cè)面。與凹口的熔接部分側(cè)的側(cè)面相對的凹口側(cè)面對泄漏光的反射沒有影響，因此，可以具有任何形狀。此外，沒有必要特別指定凹口底部的形狀。通過機(jī)械加工可以容易地做出凹口。為了避免在光纖中留下工作應(yīng)力，最好將由熔接部分側(cè)的側(cè)面和相對側(cè)面形成的凹口的斷面形狀做成對稱的。尤其優(yōu)選形成V形凹口。只要可以精確地設(shè)置熔接部分側(cè)的側(cè)面與光纖纖芯光軸的角度，就可以使用除機(jī)械加工之外的任何其它加工技術(shù)。例如，可以將諸如離子碾磨的干蝕刻技術(shù)用于形成凹口。
在本發(fā)明的光功率監(jiān)視器中，最好，凹口的底部與下游側(cè)光纖纖芯的周圍之間的距離是0.5到8μm。
通過上游側(cè)纖芯傳輸?shù)牟糠止饩€從部分上游側(cè)纖芯端面泄漏到下游側(cè)光纖包層中，被熔接部分側(cè)的凹口側(cè)面反射，然后被光電二極管檢測。因此，重要的是，可靠地使光線輻射到凹口側(cè)面。如果凹口較淺，也就是說，熔接部分側(cè)的凹口側(cè)面的面積較小，則一部分光不會投射到凹口側(cè)面上，使得通過纖芯附近的一部分包層傳輸?shù)墓饩€比例增加。因此，有必要將下游側(cè)光纖纖芯的周圍與凹口的底部之間的距離限制到8μm或更小。另一方面，盡管光纖被構(gòu)建成通過纖芯傳輸光線，但在纖芯與包層之間存在明確邊界。因此，一些光線從纖芯泄漏到纖芯附近的一部分包層中。如果凹口較深以及如果纖芯周圍與凹口底部之間的距離小于0.5μm，則在纖芯附近的一部分包層中傳輸?shù)墓饩€和通過纖芯傳輸?shù)墓饩€泄漏到凹口中的空間中，致使傳輸損耗較大。因此，最好使凹口底部與纖芯周圍之間的距離為0.5到8μm。
在熔接部分從部分上游側(cè)光纖纖芯端面泄漏到下游側(cè)光纖包層中并在包層中反射同時相互干涉和加強(qiáng)的光線的傳播方向在下游側(cè)光纖包層中的光反射面改變了大約90°。反射光穿過光反射面?zhèn)鹊陌鼘印⒗w芯和與光反射面相對的包層，從下游側(cè)光纖射出并進(jìn)入光電二極管。
最好，在本發(fā)明的光功率監(jiān)視器中，兩條光纖的纖芯光軸之間的偏移是光纖纖芯直徑的0.05倍到0.32倍。
可以通過改變偏移來改變泄漏到包層中的光能。纖芯中的光強(qiáng)分布遵從高斯分布。因此，光能的變化隨偏移增大而越來越大。通常使用的單模光纖具有9.2μm的纖芯直徑(波長1310nm)。當(dāng)纖芯端以2.5μm的偏移相互熔接在一起時，響應(yīng)度是大約100mA/W。用來自光電二極管的輸出電流(mA)與進(jìn)入光電二極管的光強(qiáng)(W)之比來表示響應(yīng)度。
最好，在本發(fā)明的光功率監(jiān)視器中，光反射面的表面粗糙度Ra小于2nm。
在下游側(cè)光纖包層中傳輸?shù)墓饩€被配備在包層中的光反射面反射，以及進(jìn)入光電二極管中的光強(qiáng)隨光反射面的表面粗糙度而改變，也就是說，響應(yīng)度隨光反射面的表面粗糙度而改變。如果表面粗糙度增加，則反射光因光散射而發(fā)散，使得進(jìn)入光電二極管中的光線變?nèi)?。如果表面粗糙度Ra是2nm或更小，則可以獲得高響應(yīng)度。表面粗糙度Ra是按照J(rèn)IS B0601測量的值。由于使用的光波長是1550nm附近的長波長，規(guī)定表面起伏以及規(guī)定表面粗糙度對于提高響應(yīng)度是有效的。按照J(rèn)IS B0601，從包絡(luò)起伏曲線中獲取粗糙度圖案平均長度AR。通過相對于要使用的波長縮小AR，可以提高反射光線的效果。最好，AR是要使用的波長的1/2或更短。
最好，在本發(fā)明的光功率監(jiān)視器中，在熔接部分側(cè)的凹口側(cè)面上形成具有高反射率的金屬膜作為光反射面。
在熔接部分側(cè)的凹口側(cè)面上配備具有高反射率的金屬膜對于提高響應(yīng)度是有效的?？梢酝ㄟ^在反射光線時有效限制光散射和有效限制通過光反射面的傳輸，來提高高反射率光反射膜的光反射效率。作為金屬膜，具有高反射率的金(Au)、銀(Ag)、鋁(Al)或銅(Cu)是合乎需要的。從隨時間穩(wěn)定性的觀點來看，最好使用不易氧化的Au，而不是易氧化的Ag、Al和Cu?？梢酝ㄟ^蒸鍍或濺射來完成金屬膜的膜形成。金屬膜可以配備在整個光纖周面和凹口表面上，而不是面向光電二極管的光纖表面部分上，以及熔接部分側(cè)的凹口側(cè)面上。覆蓋整個光纖周面而不是面向光電二極管的光纖表面部分對于限制外來光的影響是有效的。
眾所周知，由于潮濕，光電二極管的光電轉(zhuǎn)換特性隨時間而改變。因此，最好將干燥氮氣或干燥氬氣填充在本發(fā)明的光功率監(jiān)視器的密封盒子內(nèi)。
最好，本發(fā)明的光功率監(jiān)視器進(jìn)一步具有在熔接部分的上游側(cè)支撐上游側(cè)光纖的第一支撐塊，以及在光反射面的下游側(cè)支撐下游側(cè)光纖的第二支撐塊。兩條光纖在第一和第二支撐塊之間的部分彎曲成弧形，在與朝向光電二極管的方向相反的方向上拱起。
兩條光纖在兩個支撐塊(第一和第二支撐塊)之間的部分是直線的光功率模塊具有相對于如圖18所示的傳統(tǒng)光波導(dǎo)模塊提高了大約10mA/W的65.2mA/W的平均響應(yīng)度，但具有33mA/W的響應(yīng)度變化范圍。這個值是響應(yīng)度變化范圍的通常要求值的兩倍或更多倍。在兩條光纖具有在兩個塊之間在與朝向光電二極管的方向相反的方向上彎曲成弧形的部分的光功率監(jiān)視器中，平均響應(yīng)度可以進(jìn)一步提高，以及響應(yīng)度變化范圍可以縮小到一半。
如果光功率監(jiān)視器的兩條光纖在兩個支撐塊之間的部分是平坦的，換句話說，曲線的曲率半徑無窮大，或如果該部分在朝向光電二極管的方向上彎曲成弧形(下文稱為“向下弧線”)，則導(dǎo)致響應(yīng)度降低。因此，使兩條光纖的這個部分形成這樣的形狀是不期望的。因此，使兩條光纖在兩個支撐塊之間的部分在與朝向光電二極管的方向相反的方向上彎曲成弧形(下文稱為“向上弧線”)。隨著曲線的曲率半徑減小，交替出現(xiàn)響應(yīng)度的最大值和最小值。最好，將兩個支撐塊之間的兩條光纖彎曲成具有這樣的曲率半徑，使光功率監(jiān)視器的響應(yīng)度接近最大值。
如果對光纖施加應(yīng)力，則通過光纖傳輸?shù)墓馑贂l(fā)生改變。當(dāng)光纖彎曲成弧形時，以不同方式在弧的徑向上將應(yīng)力施加在纖芯的光軸的內(nèi)外側(cè)上；在徑向上將壓應(yīng)力施加在內(nèi)側(cè)上，同時在徑向上將張應(yīng)力施加在外側(cè)上。由于本發(fā)明的光功率監(jiān)視器具有彎曲成弧形的下游側(cè)光纖，從部分上游側(cè)纖芯端面泄漏到下游側(cè)光纖包層中的光線在包層中在弧的徑向上在內(nèi)側(cè)傳播的傳輸速度和泄漏光在包層中在孤的徑向上在外側(cè)傳播的傳輸速度相互不同。具有不同傳輸速度的光線相互干涉。因此，如果將光反射面配備在通過相互干涉使光線相互加強(qiáng)的位置，則可以提高響應(yīng)度。光線在包層中的傳輸速率隨施加于光纖的應(yīng)力而改變。因此，通過改變光纖的曲率半徑，可以調(diào)整光加強(qiáng)位置。在本發(fā)明中，限定兩條光纖在兩個支撐塊之間的部分的曲率半徑，以便將下游側(cè)光纖在熔接部分和光反射面之間的部分的曲率半徑設(shè)置成優(yōu)選值。
最好，在本發(fā)明的光功率監(jiān)視器中，兩條光纖在第一和第二支撐塊之間的部分大致在第一和第二支撐塊之間的中點上存在弧形的峰。
最好，在本發(fā)明中，第一支撐塊與熔接部分之間的距離等于光反射面與第二支撐塊之間的距離。這些距離相等使弧形的峰可以大致位于兩條光纖在第一和第二支撐塊之間的部分的中點。此外，該峰可以大致位于熔接部分與光反射面之間的中點上，以及光反射面可以配備在在熔接部分中從上游側(cè)纖芯端面泄漏到下游側(cè)光纖包層中的光線相互加強(qiáng)的位置，從而提高光功率監(jiān)視器的響應(yīng)度并縮小響應(yīng)度的變化范圍。
最好，將第三支撐塊配備在大致第一和第二支撐塊之間的中點上，以支撐兩條光纖在第一和第二支撐塊之間的部分，從而在光纖的這個部分中形成弧形的峰。第三支撐塊在中點上支撐兩條光纖在第一和第二支撐塊之間的部分，使中點位置比連接第一和第二支撐塊的上表面的直線高大約100μm或更小。最好，要與兩條光纖在第一和第二支撐塊之間的部分接觸的第三支撐塊的末端是半徑為大約1mm的曲面，而不是具有銳角的邊緣。
最好，在本發(fā)明的光功率監(jiān)視器中，兩條光纖彎曲成弧形的部分具有0.086m到0.111m或0.347m到2.667m的曲率半徑。
由支撐塊之間的距離和弧形的峰與弦之間的距離來決定光纖的曲率半徑。但是，在本發(fā)明的光功率監(jiān)視器中，兩條光纖的彎曲部分具有熔接部分和光反射面，即，凹口。由于這種原因，嚴(yán)格說來，彎曲部分的形狀不可能是圓弧。因此，在本發(fā)明的描述中，將彎曲部分的形狀稱為“弧形”。曲率半徑r可以通過r＝h/2+L2/8h，從兩個支撐塊之間的距離L和弧的峰與弦之間的距離h獲得。由于與L相比，h非常小，可以像r＝L2/8h那樣獲得曲率半徑。
兩條光纖在兩個支撐塊之間的部分具有向上弧形狀的本發(fā)明的光功率監(jiān)視器的響應(yīng)度一般隨該部分的曲率半徑減小而提高。隨著曲率半徑從無窮大開始減小，交替出現(xiàn)響應(yīng)度的最大值和最小值。第一最大值出現(xiàn)在大約0.6m的曲率半徑上，以及第二最大值出現(xiàn)在大約0.1m的曲率半徑上。當(dāng)曲率半徑在0.347m到2.667m的范圍內(nèi)或在0.086m到0.111m的范圍內(nèi)時，可以獲得超過70mA/W的響應(yīng)度。在這些范圍之間，即，在0.111m到0.347m的范圍內(nèi)，存在響應(yīng)度出現(xiàn)最小值的曲率半徑。在這個范圍內(nèi)的曲率半徑上的響應(yīng)度具有50mA/W的相當(dāng)?shù)椭怠?br> 由于第二最大點上的響應(yīng)度高于第一最大點上的響應(yīng)度，自然可以想到使用第三最大點。但是，考察呈現(xiàn)第三最大點的曲率半徑發(fā)現(xiàn)具有大約0.01m的極小值。不可能將由石英制成的光纖彎曲成具有大約0.01m的曲率半徑。因此，最好使用第一或第二最大點附近的值。為了保證70mA/W或更高的響應(yīng)度，同時避免光纖在熱循環(huán)測試中斷裂，選擇0.086m的最小曲率半徑。
最好，在本發(fā)明的光功率監(jiān)視器中，第一和第二支撐塊之間的距離是4.8mm到14.0mm，以及第一支撐塊與熔接部分之間的距離以及光反射面與第二支撐塊之間的距離的每一個都是0.2mm到2.0mm。通過選擇這種尺寸，可以獲得響應(yīng)度高和響應(yīng)度變化范圍小的小尺寸光功率監(jiān)視器。
本發(fā)明的光功率監(jiān)視器具有配備在光傳輸上游側(cè)和下游側(cè)并具有纖芯的兩條光纖，纖芯端面彼此相對，纖芯光軸相互偏移，纖芯端面在熔接部分中相互熔接；光反射面，面向在熔接部分中偏移并從下游側(cè)光纖纖芯端面突出的部分上游側(cè)光纖纖芯端面，并配備在下游側(cè)光纖包層中；以及光電二極管，位于相對于下游側(cè)光纖纖芯與所述光反射面相對。在從上游側(cè)光纖纖芯端面泄漏到下游側(cè)光纖包層中的光線中相互加強(qiáng)的三階或四階光被配備在包層中的光反射面反射并被光電二極管檢測。因此，本發(fā)明可以提供即使設(shè)計成多信道監(jiān)視器也能夠縮小尺寸并減小光傳輸損耗的光功率監(jiān)視器。
本發(fā)明的光功率監(jiān)視器可以進(jìn)一步具有在熔接部分的上游側(cè)支撐上游側(cè)光纖的第一支撐塊、和在光反射面的下游側(cè)支撐下游側(cè)光纖的第二支撐塊。兩條光纖在第一和第二支撐塊之間的部分彎曲成弧形，在與朝向光電二極管的方向相反的方向上拱起。在這種情況下，可以進(jìn)一步提高響應(yīng)度并可以縮小響應(yīng)度變化范圍。


圖1是本發(fā)明的光功率監(jiān)視器處在除去上蓋狀態(tài)下的平面圖；圖2是本發(fā)明的光功率監(jiān)視器的縱斷面圖；圖3A是說明兩條光纖之間的熔接部分和下游側(cè)光纖中的凹口的放大縱斷面圖，圖3B是說明兩條光纖之間的熔接部分沿著偏移面的縱斷面圖，以及圖3C是說明熔接部分的橫斷面圖；圖4A和4B是說明從熔接部分的纖芯泄漏到包層中的光線的傳播的示意圖；圖5是示出針對例2所述的響應(yīng)度與熔接部分和光反射面之間的距離L3(mm)之間的關(guān)系的圖形；圖6是示出針對例3所述的響應(yīng)度與光反射面的角度θ1(°)之間的關(guān)系的圖形；圖7是示出針對例4所述的響應(yīng)度與偏移/纖芯直徑之間的關(guān)系的圖形；圖8是示出針對例4所述的傳輸損耗與偏移/纖芯直徑之間的關(guān)系的圖形；圖9是示出針對例5所述的響應(yīng)度與光反射面的表面粗糙度之間的關(guān)系的圖形；圖10是示出針對例6所述的響應(yīng)度與從光反射面的包絡(luò)起伏曲線中獲得的粗糙度圖案平均長度AR(nm)之間的關(guān)系的圖形；
圖11是示出相對于傳輸損耗，響應(yīng)度與凹口底部和纖芯周圍之間的距離d(μm)之間的關(guān)系的圖形；圖12A是按照本發(fā)明的例8的光功率監(jiān)視器的縱斷面圖，以及圖12B和12C是用在光功率監(jiān)視器中的第一支撐塊的透視圖；圖13是說明例8中的支撐塊之間的光纖的尺寸的圖形；圖14是示出本發(fā)明的例9中響應(yīng)度與曲率半徑r(m)之間的關(guān)系的圖形；圖15是本發(fā)明的例10中的光功率監(jiān)視器的縱斷面圖；圖16是本發(fā)明的例11中的光功率監(jiān)視器的縱斷面圖；圖17A和17B是傳統(tǒng)光功率監(jiān)視器組件，圖17A是透視圖，以及圖17B是組件中的一個光功率監(jiān)視器的縱斷面圖；以及圖18A和18B示出了傳統(tǒng)平面波導(dǎo)型光功率監(jiān)視器，圖18A是平面圖，以及圖18B是縱斷面圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在參照附圖針對本發(fā)明的例子對本發(fā)明作詳細(xì)描述。為了易于描述，用相同的標(biāo)號表示相同的部件或部分。
例1圖1是本發(fā)明的光功率監(jiān)視器處在除去上蓋狀態(tài)下的平面圖。圖2是光功率監(jiān)視器的縱斷面圖。圖3A是說明兩條光纖之間的熔接部分和下游側(cè)光纖中的凹口的放大縱斷面圖。圖3B是說明兩條光纖之間的熔接部分沿著偏移面的放大縱斷面圖。圖3C是說明熔接部分的橫斷面圖。圖4A和4B是說明從熔接部分的纖芯泄漏到包層中的光線的傳播的示意圖。
現(xiàn)在參照圖1和2詳細(xì)描述本發(fā)明的光功率監(jiān)視器組件1的結(jié)構(gòu)。圖1示出了具有放置在盒子9中的8個光功率監(jiān)視器的8信道光功率監(jiān)視器組件1。光傳輸上游側(cè)光纖2和光傳輸下游側(cè)光纖3通過保護(hù)管8和8′從盒子9引出。上蓋11用粘合劑(未示出)粘合在盒子9上。盒子9充有干燥氮氣。光電二極管7的電極10從盒子9的側(cè)壁引出。鋪設(shè)在盒子9中的光電二極管7與電極10之間的連線未示出。第一支撐塊4、第二支撐塊4′和光電二極管7用粘合劑固定在盒子9的內(nèi)底面上。第一支撐塊4和第二支撐塊4′的每一個都具有精確維持光纖距離的8個V形凹槽。光纖用粘合劑粘合在第一和第二支撐塊4和4′的V形凹槽中。光電二極管7位于盒子內(nèi)底面與光纖中的凹口相對應(yīng)的部分上。除非另有說明，在如下的描述中，如有需要，將相互接合的每對光傳輸上游側(cè)光纖2和光傳輸下游側(cè)光纖3稱為“光纖”。光屏蔽板30配備在每對相鄰光纖之間，以防止光的干涉。
下面參照圖3A到3C描述光功率監(jiān)視器各個部分的尺寸、光流等。如圖3A所示，每條光傳輸上游側(cè)光纖2和相應(yīng)光傳輸下游側(cè)光纖3的端面相互熔接在一起，光傳輸上游側(cè)光纖2的纖芯光軸15和光傳輸下游側(cè)光纖3的纖芯光軸16之間的偏移o被設(shè)置成2μm。在偏移熔接之后，通過研磨在光纖中形成V形凹口6，以便光反射面14的中心與光纖的熔接部分5相距6.80mm的距離L3。凹口6的深度是55.0μm，以及凹口底部12與纖芯周圍之間的距離d是2.9μm。凹口6的熔接部分側(cè)的側(cè)面，即，光反射面14具有與纖芯光軸成40.5°的角度θ1、1.2nm的表面粗糙度和從包絡(luò)起伏曲線中獲得的580nm的粗糙度圖案平均長度AR。作為參考，凹口6的與熔接部分側(cè)相對的側(cè)面具有與纖芯光軸成45.2°的角度θ2。通過真空淀積，在熔接部分側(cè)的凹口表面上形成厚度0.03μm的光反射金膜20。
通過光傳輸上游側(cè)光纖2的纖芯傳輸?shù)墓饩€(實線箭頭)被劃分成泄漏到下游側(cè)光纖3的包層中的光線(虛線箭頭)和進(jìn)入下游側(cè)光纖3的纖芯中的光線(實線箭頭)。進(jìn)入下游側(cè)光纖3的纖芯中的光線穿過纖芯，而一次也不會從纖芯出來進(jìn)入空氣中。在傳統(tǒng)光功率監(jiān)視器中，測量部分中的光線至少一次出來進(jìn)入空氣中并返回到光纖或光波導(dǎo)中。本發(fā)明的光功率監(jiān)視器的特征之一是，除了進(jìn)入光電二極管的泄漏光之外的光線一次也不會出來進(jìn)入空氣中。這是有效降低傳輸損耗的理由之一。在在熔接部分5泄漏到包層中的光線中，三階或四階光在在包層中重復(fù)反射的同時相互干涉并相互加強(qiáng)。這些光線的光路被凹口6的光反射面14彎曲大約90°的角度，使這些光線可以穿過下游側(cè)光纖3的包層、纖芯和包層，出來進(jìn)入空氣中并進(jìn)入光電二極管7中，被轉(zhuǎn)換成電信號。
下面參照圖3B和3C詳細(xì)描述存在于圖3A中的圓圈A所指的區(qū)域中的纖芯的偏移熔接部分5。圖3B是沿著偏移面的熔接部分的縱斷面圖。光傳輸上游側(cè)光纖2的纖芯和光傳輸下游側(cè)光纖3的纖芯通過熔合連接在一起，形成彎曲表面17。通過彎曲表面17傳輸泄漏到下游側(cè)光纖包層中的光線以各種角度進(jìn)入包層中并被重復(fù)反射地在包層中傳播。重復(fù)反射的光線相互干涉導(dǎo)致相互加強(qiáng)或削弱。彎曲表面17具有使光線發(fā)生干涉的重要功能。圖3C例示了從下游側(cè)光纖3方向看過去熔接部分的纖芯橫斷面。上游側(cè)光纖2的纖芯從下游側(cè)光纖3的纖芯部分突出，以在纖芯端面中形成新月部分18。
圖4A和4B是示意性地示出從下游側(cè)纖芯突出的上游側(cè)纖芯端面中的新月部分18泄漏到下游側(cè)光纖包層中的光線的流向的圖形。圖4A示出在偏移平面中，下游側(cè)光纖3的包層中的光線的流向。泄漏光從上游側(cè)纖芯端面中的新月部分18出來的方向在彎曲表面上發(fā)散成不同方向。如虛線箭頭所指的以角度θu出來的光線和如實線箭頭所指的以角度θd出來的光線在包層的周界上被重復(fù)反射地在包層中傳播。因此，這些光線在虛線箭頭和實線箭頭的纖芯端相互較接近的位置上相互加強(qiáng)。假設(shè)第一加強(qiáng)位置是一階位置以及凹口6的光反射面14配備在第三次(三階)或第四次(四階)加強(qiáng)位置上。光線傳播的方向在光反射面上改變了大約90°的角度，以及光線沿著改變后的方向傳播到光電二極管7。削弱位置和加強(qiáng)位置交替出現(xiàn)。圖4B示出了與偏移面垂直的斷面中的光流。從纖芯端面中的新月部分18出來的光線相對于纖芯光軸16(對應(yīng)于圖4B中的偏移面)是對稱的。因此，光線傳播同時在包層周圍被反射，不相互干涉，并到達(dá)光反射面。在本例中，角度θu是14.0°以及角度θd是9.6°。
將波長為1550nm以及光強(qiáng)為1.2mW的光線輸入20個完整光功率監(jiān)視器組件中，以評估光功率監(jiān)視器特性。由于使用了20個8信道組件，所以測量了總共160個信道的特性并從測量結(jié)果中計算平均值。獲得了不錯的值-0.72dB的傳輸損耗和64.4mA/W的響應(yīng)度。放置在光纖之間的光屏蔽板使串?dāng)_降低到-48.3dB。不包括保護(hù)管8和8′以及電極10的帶有上蓋11的盒子9的外部尺寸是23mm L×17mmW×2.6mm H。因此，本發(fā)明的光功率監(jiān)視器組件的體積縮小到如圖17A所示的傳統(tǒng)光功率監(jiān)視器組件的體積的1/5。
例2圖5是示出光電二極管的響應(yīng)度(mA/W)與熔接部分和光反射面之間的距離L3(mm)之間的關(guān)系的圖形。一邊將熔接部分和光反射面之間的距離L3從0.8mm改變到9.0mm，一邊測量響應(yīng)度。除了距離L3之外的其它因素，即，形狀(角度)、凹口的尺寸、光反射金屬膜等與例1中的那些相同?？梢钥闯?，當(dāng)熔接部分和光反射面之間的距離L3是大約1mm時，當(dāng)距離是大約3mm時，當(dāng)距離是大約5mm時，當(dāng)距離是大約7mm時以及當(dāng)距離是大約9mm時，響應(yīng)度較高，以及當(dāng)距離是大約2mm時，當(dāng)距離是大約4mm時，當(dāng)距離是大約6mm時以及當(dāng)距離是大約8mm時，響應(yīng)度較低。高響應(yīng)度點對應(yīng)于光干涉加強(qiáng)，以及低響應(yīng)度點對應(yīng)于光干涉削弱。在大約1mm的距離上通過初級干涉使光加強(qiáng)。序數(shù)越大，響應(yīng)度越高。最高響應(yīng)度出現(xiàn)在三階和四階位置上。可以證明，利用三階或四階干涉光可以獲得具有高響應(yīng)度的光功率監(jiān)視器。
例3圖6是示出響應(yīng)度(mA/W)與光反射面與下游側(cè)纖芯光軸的角度θ1(°)之間的關(guān)系的圖形。將熔接部分和光反射面之間的距離L固定在6.80mm并使用四階干涉光。光功率監(jiān)視器通過讓光反射面的角度θ1從28°變化到60°形成。響應(yīng)度測量方法和光反射膜等與例1中的那些相同。當(dāng)角度θ1在38°到45°的范圍內(nèi)時，響應(yīng)度高于60mA/W，但當(dāng)角度降低到38°以下時以及當(dāng)角度超過45°時，響應(yīng)度突然下降。如下所述被認(rèn)為是響應(yīng)度下降的原因。當(dāng)角度小于38°時，光線被光反射面反射，但反射光輻射到光纖周圍的角度增大。也就是說，被包層周面反射返回到包層的光能增加。這被認(rèn)為是因為光線以大于14°的角度入射在包層周面上。當(dāng)角度大于45°時，通過光反射面?zhèn)鬏數(shù)墓饩€的比例增加，致使響應(yīng)度降低。
例4圖7是示出響應(yīng)度(mA/W)與偏移/纖芯直徑之間的關(guān)系的圖形。通過讓偏移/纖芯直徑比從0.02變化到0.32來形成光功率監(jiān)視器。例4中的響應(yīng)度測量方法、光反射面的位置和角度、以及光反射金屬膜等與例1中的那些相同。響應(yīng)度隨偏移/纖芯直徑增加而越來越高。當(dāng)偏移增加時，泄漏到下游側(cè)光纖包層中的光能也增加。由此，入射在光反射面上的光能增加。其結(jié)果是，進(jìn)入光電二極管中的光能增加，使響應(yīng)度值變大。高響應(yīng)度意味著，即使通過光纖傳輸?shù)墓鈴?qiáng)較低，也可以精確監(jiān)視。但是，這意味著從通過光纖傳輸?shù)墓饩€中提取了較高比例的光。就傳輸損耗而言，這是不利的。
圖8是示出傳輸損耗(-dB)與偏移/纖芯直徑之間的關(guān)系的圖形?？梢钥闯觯?dāng)偏移/纖芯直徑比增大時，傳輸損耗也增大。這意味著，通過光纖傳輸?shù)墓鈴?qiáng)降低的速率越來越高。通過響應(yīng)度和傳輸損耗之間的平衡來確定光功率監(jiān)視器的性能。通過在0.05到0.32的范圍內(nèi)設(shè)置偏移/纖芯直徑，可以獲得高響應(yīng)度和低傳輸損耗的高性能光功率監(jiān)視器。
例5圖9是示出響應(yīng)度(mA/W)與光反射面粗糙度Ra(nm)之間的關(guān)系的圖形。光功率監(jiān)視器通過讓光反射面粗糙度Ra從0.1nm變化到10.0nm來形成。表面粗糙度是通過改變金剛石研磨輪的粒度來實現(xiàn)的。作為測量粗糙度的例子，準(zhǔn)備了與用在光功率監(jiān)視器中測量響應(yīng)度的光纖類型相同的光纖。通過與對光功率監(jiān)視器的光纖采取的加工相同的加工在樣本光纖上切出凹口，并通過在凹口處折斷它來使用。按照J(rèn)IS B0601，利用探針型表面粗糙度測試儀來測量表面粗糙度Ra。將金真空淀積在凹口的兩個側(cè)面上作為光反射膜。光線被包層與金之間的接口反射。因此，如果表面粗糙度高，容易出現(xiàn)擴(kuò)散反射。可以證實，當(dāng)表面粗糙度增大到2nm以上時，響應(yīng)度突然下降。認(rèn)為由于擴(kuò)散反射而形成這樣效果。
例6圖10是示出響應(yīng)度(mA/W)與從光反射面的包絡(luò)起伏曲線中獲得的粗糙度圖案平均長度AR(nm)之間的關(guān)系的圖形。光功率監(jiān)視器通過讓AR從100nm變化到2800nm來形成。表面粗糙度Ra被設(shè)置成1.2nm。其它條件與例1中的那些相同。作為測量粗糙度圖案平均長度AR的例子，準(zhǔn)備了與用在光功率監(jiān)視器中測量響應(yīng)度的光纖類型相同的光纖。通過與對光功率監(jiān)視器的光纖采取的加工相同的加工在樣本光纖上切出凹口，并通過在凹口處折斷它來使用。按照J(rèn)ISB0631來測量AR。當(dāng)粗糙度圖案平均長度AR增加時，光反射面的起伏周期越來越接近通過光纖傳輸?shù)墓饩€的波長，致使響應(yīng)度易受起伏影響。觀察由光反射面反射的光線之間的干涉所引起的響應(yīng)度降低?？梢宰C實，大約800nm或更短的粗糙度圖案平均長度AR是優(yōu)選的。800nm對應(yīng)于使用的光波長的大約1/2。
例7圖11是示出響應(yīng)度(mA/W)、傳輸損耗(-dB)與凹口底部和纖芯外圍之間的距離d(μm)之間的關(guān)系的圖形。光功率監(jiān)視器通過讓距離d從0.2μm變化到15μm來形成。除了距離d之外的其它條件都與例1中的那些相同。當(dāng)距離d在0.5μm到8μm的范圍內(nèi)時，響應(yīng)度基本上沒有變化。隨著距離d從8μm開始增大，響應(yīng)度逐漸下降，因為光反射面的面積減小了。相反，隨著距離d從0.5μm開始縮短，使凹口的底部非常接近纖芯。在光纖中，光線主要通過纖芯傳輸。但是，實際上，一些光能泄漏到纖芯附近的包層中。泄漏的光被凹口側(cè)面反射以便被監(jiān)視。因此，當(dāng)距離d小于0.5μm時，響應(yīng)度升高，但傳輸損耗也增大?？梢宰C明，當(dāng)距離d在0.5μm到8μm的范圍內(nèi)時，可以獲得響應(yīng)度變化和傳輸損耗降低的穩(wěn)定光功率監(jiān)視器。
例8圖12A是按照本發(fā)明的例8的光功率監(jiān)視器的縱斷面圖。光傳輸上游側(cè)光纖2和光傳輸下游側(cè)光纖3沿著第一和第二支撐塊4和4′中的V形斜槽41放置并用樹脂固定在其中。支撐塊4和4′被放置成它們的上升斜坡彼此相對。因此，兩條光纖2和3在存在于支撐塊4和4′之間的熔接部分與凹口之間的大約中點被升高，以便具有向上的弧形。
圖12B和12C的每一個都示出了在第一支撐塊4上支撐上游側(cè)光纖2的狀態(tài)。參照圖12B，V形凹槽41通過相對于支撐塊的底部表面傾斜0.14°形成。V形凹槽41的深度是這樣的，當(dāng)將光纖2放在凹槽中時，光纖2突出支撐塊的上表面4μm。光纖沿著這個V形凹槽41放置并通過粘合固定在這個V形凹槽41中，從而使光纖形成向上弧線的形狀。參照圖12C，形成與支撐塊4的上表面平行的V形凹槽41，此后，使支撐塊的底部表面相對于上表面傾斜0.14°角度。在本發(fā)明的光功率監(jiān)視器中，可以使用如圖12B和12C所示的每種支撐塊。通過機(jī)械加工石英塊來形成支撐塊。
下面參照圖13來描述如圖12A所示的例8中的光功率監(jiān)視器的每個部分的尺寸。支撐塊4和4′之間的距離L是8mm。第一支撐塊4與熔接部分5之間的距離L1是1.5mm，以及凹口6與第二支撐塊4′之間的距離L2是1.5mm。熔接部分5與凹口6之間的距離L3是5mm。第一和第二支撐塊4和4′的內(nèi)表面之間的距離L是L1+L3+L2。根據(jù)第一和第二支撐塊之間的距離(弧線的弦長)L和光纖的升高量h，可以通過r＝h/2+L2/8h來獲得上游和下游側(cè)的兩條光纖的曲率半徑r。由于與L相比，升高量h非常小，可以進(jìn)行近似計算r＝L2/8h。兩條光纖2和3在支撐塊之間的中點上的升高量h是93μm，以及光纖的曲率半徑r是0.086m。
根據(jù)本發(fā)明這個例子的50個8信道光功率監(jiān)視器用于獲取400個光功率監(jiān)視器的響應(yīng)度。獲得的響應(yīng)度是62.3mA/W到78.5mA/W，以及它們的平均值是74.0mA/W?？梢垣@得具有良好響應(yīng)度和16.2mA/W的有限響應(yīng)度變化范圍的光功率監(jiān)視器。與傳統(tǒng)光功率監(jiān)視器相比，響應(yīng)度平均提高了13.5％，以及響應(yīng)度變化范圍縮小到傳統(tǒng)監(jiān)視器的一半。
例9圖14是示出響應(yīng)度(mA/W)與光纖的曲率半徑r(m)之間的關(guān)系的圖形。使用了尺寸L1到L3與例1中的那些相同、使用以各種角度傾斜的V形凹槽、以及兩條光纖在支撐塊之間的部分的曲率半徑從向下弧線的-0.16m變化到向上弧線的+0.067m的光功率監(jiān)視器。圖14中的曲率半徑∞對應(yīng)于兩條光纖相互平行的狀態(tài)。圖形的橫坐標(biāo)代表在∞點兩側(cè)的對數(shù)尺度曲率半徑。負(fù)曲率半徑代表向下弧線，而正曲率半徑代表向上弧線。與兩條光纖的平行狀態(tài)相對應(yīng)的曲率半徑∞點上的響應(yīng)度是68mA/W。響應(yīng)度隨向下弧線的曲率半徑的絕對值減小而下降。當(dāng)曲率半徑是-0.16m時，響應(yīng)度下降到小于40mA/W的值。從這個結(jié)果中可以看出，在形成向下弧線的情況下，不可能提高響應(yīng)度。另一方面，響應(yīng)度隨向上弧線的曲率半徑減小而升高。在曲率半徑從+2.667m到+0.347m的范圍中，可以獲得70mA/W或更高的響應(yīng)度。隨著曲率半徑進(jìn)一步減小，響應(yīng)度暫時下降，在+0.16m上具有最小值并在+0.10m上再次具有75mA/W的最大值。在+0.10m附近達(dá)到70mA/W或更高的響應(yīng)度的曲率半徑在+0.111m到+0.086m的范圍內(nèi)。此外，從這個結(jié)果中可以看出，通過使光纖形成向上弧線的形狀，并設(shè)置曲率半徑在+2.667m到+0.347m的范圍內(nèi)或在+0.111m到+0.086m的范圍內(nèi)，可以獲得70mA/W或更高的響應(yīng)度。
例10圖15示出了本發(fā)明的例10中的光功率監(jiān)視器的縱斷面圖，其中，將光纖固定在盒子的框架上，并形成向上弧線的形狀。在盒子9′的框架上形成1°的斜坡，并利用粘合劑將插入保護(hù)管8和8′中的光纖2和3固定在斜坡上。在支撐塊4和4′中形成V形凹槽主要為了防止光纖橫向移動，因此，沒有斜坡。兩個支撐塊和兩條光纖未相互固定。因此，兩條光纖形成連續(xù)穿過盒子9′的整個內(nèi)腔以及兩個支撐塊之間的向上弧線的形狀。在支撐塊之間獲得的制造的光功率監(jiān)視器的曲率半徑是1.212m、0.552m和0.098m。與這些曲率半徑相關(guān)的響應(yīng)度是71.3mA/W、75.2mA/W和74.3mA/W，與關(guān)于例9的如圖14所示的值相當(dāng)匹配。因此，將光纖固定在盒子的框架部分上，使光纖形成向上弧線的形狀的有效性得到確認(rèn)。
例11圖16示出了本發(fā)明的例11中的光功率監(jiān)視器的縱斷面圖，其中，利用第三支撐塊使兩條光纖在第一和第二支撐塊之間的部分形成向上弧線的形狀。第一和第二支撐塊4和4′和第三支撐塊33利用粘合劑固定在盒子9的內(nèi)底面上。支撐塊4和4′具有V形凹槽，但未配有斜坡。第三支撐塊33的高度被調(diào)整成在兩條光纖2和3沿著V形凹槽放置的狀態(tài)下，在兩個支撐塊4和4′的中點上將光纖升高9μm。用粘合劑固定上游側(cè)和下游側(cè)光纖2和3，以便沿著第一和第二支撐塊4和4′中的V形凹槽延伸。第三支撐塊33由熱膨脹系數(shù)與光纖相同的石英制成。要與光纖接觸的第三支撐塊33的末端被制成半徑為1mm的曲面。只有光纖在第一和第二支撐塊之間的部分形成向上弧線的形狀，以及第一和第二支撐塊之間的距離被設(shè)置成8mm。由此，光纖的相應(yīng)部分的曲率半徑被設(shè)置成0.89m。響應(yīng)度是73.2mA/W，與關(guān)于例9的如圖14所示的值相當(dāng)一致。
由于只有兩條光纖在兩個支撐塊之間的部分形成向上弧線的形狀，如果曲率半徑過分小，則光纖在凹口6處折斷的概率增大。通過將第一和第二支撐塊之間的距離從4改變到20mm，可以獲得光纖折斷的曲率半徑。獲得的曲率半徑是0.15m到0.25m?？梢园l(fā)現(xiàn)，在本發(fā)明的這個例子中，可以制成具有可以獲得70mA/W或更大響應(yīng)度的2.667m到0.347m曲率半徑的向上弧線形狀的光纖，但不能制成具有0.111m到0.086m曲率半徑的向上弧線形狀的光纖。但是，可以減小向上弧線峰位置的變化，以便減小被認(rèn)為由向上弧線峰位置引起的響應(yīng)度變化。因此，這種布置在曲率半徑大的時候有效。
例12為了檢查具有曲率半徑相同的光纖的光功率監(jiān)視器當(dāng)中的響應(yīng)度變化，在例8中的條件下，針對每種不同曲率半徑制造50到60個8信道光功率監(jiān)視器組件，并測量這些監(jiān)視器的響應(yīng)度。針對每種曲率半徑測量400到480個光功率監(jiān)視器。用在測量中的曲率半徑的數(shù)量是12個。如表1所示，曲率半徑從向下弧線的-1.6m變化到向上弧線的+8.1m。向下弧線的曲率半徑用負(fù)值表示，而向上弧線的曲率半徑用正值表示。為了比較，還配備和測試200個傳統(tǒng)光功率監(jiān)視器，以及輸入1600個測量值作為樣本組M。傳統(tǒng)制品的曲率半徑分布在向下弧線的-0.3m到向上弧線的+0.3m之間。
在表1中，用最小值、最大值、平均值和最大值與最小值之差來示出響應(yīng)度的測量結(jié)果。樣本組A和B具有向下弧線形式的光纖；樣本組C具有曲率半徑為∞的平坦光纖；樣本組D到L具有向上弧線形式的光纖；以及樣本組M是傳統(tǒng)制品。每個樣本組的曲率半徑都不是測量值，而是設(shè)計值。但是，實際測量幾個樣本，以確認(rèn)測量值與設(shè)計值之間的匹配。平均響應(yīng)度超過70mA/W的那些處在樣本組E、F、G、I和J中，以及它們的曲率半徑是1.600m、0.800m、0.400m、0.100m和0.086m。在例9中，平均響應(yīng)度超過70mA/W的曲率半徑是2.667m到0.347m或0.111m到0.086m。樣本組E、F、G、I和J的值包括在這些范圍內(nèi)。這些樣本組的響應(yīng)度的變化范圍是14.6mA/W到16.2mA/W，是傳統(tǒng)制品的一半。在曲率半徑為在這個范圍之外的0.267m的樣本組H中，響應(yīng)度甚至在最大值上也低于70mA/W。傳統(tǒng)制品樣本組M具有包括樣本組A到G的那些的曲率半徑范圍。曲率半徑的最大值和最小值都在這個范圍內(nèi)的樣本組A到G具有46.5mA/W的最小響應(yīng)度和81.4mA/W的最大響應(yīng)度。可以認(rèn)為，這些響應(yīng)度與傳統(tǒng)制品的46.5mA/W的最小響應(yīng)度和79.5mA/W的最大響應(yīng)度非常匹配。
表1

通過使兩個支撐塊之間的光纖形成曲率半徑為2.667m到0.347m或0.111m到0.086m的向上弧線形狀，可以獲得70mA/W或更高的平均響應(yīng)度。還可以將響應(yīng)度的變化范圍縮小到傳統(tǒng)制品的一半。
權(quán)利要求
1.一種光功率監(jiān)視器，包括兩條光纖，每條光纖具有處在其中心的纖芯和圍繞纖芯的包層，兩條光纖分別處于光傳輸?shù)纳嫌蝹?cè)和下游側(cè)，以及它們的端面在熔接部分面對并相互熔接，它們的纖芯光軸相互偏移；光反射面，設(shè)置在下游側(cè)光纖的包層中，面向在熔接部分偏移并從下游側(cè)光纖纖芯的端面突出的上游側(cè)光纖纖芯的部分端面，并與下游側(cè)光纖的纖芯光軸成某個角度；以及光電二極管，設(shè)置成相對于下游側(cè)光纖纖芯與所述光反射面相對，以便檢測通過上游側(cè)光纖纖芯傳輸、從偏移并從下游側(cè)光纖纖芯的端面突出的上游側(cè)光纖纖芯的部分端面泄漏到下游側(cè)光纖的包層中、并被所述光反射面反射的光線，其中，所述光反射面位于從上游側(cè)光纖纖芯的部分端面泄漏到下游側(cè)光纖的包層中的光線相互干涉并加強(qiáng)的位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光功率監(jiān)視器，其中，所述光反射面位于從上游側(cè)光纖纖芯的部分端面泄漏到下游側(cè)光纖的包層中的光線相互干涉并加強(qiáng)的第三或第四位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光功率監(jiān)視器，其中，所述光反射面位于所述熔接部分的下游4.5mm到7.5mm的距離。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光功率監(jiān)視器，其中，所述光反射面與下游側(cè)光纖的纖芯光軸成38°到45°的角度。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光功率監(jiān)視器，其中，所述光反射面是下游側(cè)光纖的包層中與下游側(cè)光纖的纖芯光軸垂直切割的凹口的熔接部分側(cè)的側(cè)面。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光功率監(jiān)視器，其中，所述凹口的底部與下游側(cè)光纖纖芯的外圍之間的距離是0.5μm到8μm。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光功率監(jiān)視器，其中，所述光反射面的表面粗糙度Ra小于2nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光功率監(jiān)視器，其中，所述光反射面是在凹口的熔接部分側(cè)的側(cè)面上形成的金屬膜。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光功率監(jiān)視器，其中，兩條光纖的纖芯光軸之間的偏移是光纖纖芯直徑的0.05倍到0.32倍。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光功率監(jiān)視器，進(jìn)一步包括在所述熔接部分的上游側(cè)支撐上游側(cè)光纖的第一支撐塊、和在所述光反射面的下游側(cè)支撐下游側(cè)光纖的第二支撐塊，其中，兩條光纖在第一和第二支撐塊之間的部分彎曲成弧形，以與光電二極管相反的方向上拱起。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光功率監(jiān)視器，其中，兩條光纖在第一和第二支撐塊之間的部分大致在第一和第二支撐塊之間的中點具有弧形的峰。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的光功率監(jiān)視器，其中，兩條光纖在第一和第二支撐塊之間的部分由大致在第一和第二支撐塊之間的中點的第三支撐塊支撐。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光功率監(jiān)視器，其中，兩條光纖彎曲成弧形的部分具有0.085m到0.111m或0.347m到2.667m的曲率半徑。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光功率監(jiān)視器，其中，第一和第二支撐塊之間的距離是4.8mm到14.0mm，以及所述第一支撐塊與熔接部分之間的距離以及所述光反射面與第二支撐塊之間的距離是0.2mm到2.0mm。
全文摘要
公開了一種即使設(shè)計成多信道監(jiān)視器也能夠縮小尺寸并減小光傳輸損耗的光功率監(jiān)視器。該光功率監(jiān)視器具有配備在光傳輸上游側(cè)和下游側(cè)并具有纖芯的兩條光纖，兩條光纖的端面彼此相對，纖芯光軸相互偏移，在熔接部分中相互熔接；光反射面，面向在熔接部分中偏移并從下游側(cè)光纖纖芯端面突出的部分上游側(cè)光纖纖芯端面，并配備在下游側(cè)光纖包層中；以及光電二極管，處在相對于下游側(cè)光纖纖芯與所述光反射面相對的位置。從上游側(cè)光纖纖芯端面泄漏到下游側(cè)光纖包層中的光線中相互加強(qiáng)的三階或四階光被配備在包層中的光反射面反射并被光電二極管檢測。
文檔編號H04B10/12GK101038356SQ200710088130
公開日2007年9月19日 申請日期2007年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月15日
發(fā)明者鈴木勝, 青雅裕, 福山建史 申請人:日立金屬株式會社