把塑料光纖聯接到光接收器上的耦聯結構的製作方法

2023-05-17 15:29:06

專利名稱：把塑料光纖聯接到光接收器上的耦聯結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種把塑料光纖聯接到光接收器上的耦聯結構，主要用於高速通信傳輸。本發明還涉及一種用於該耦聯結構的光中繼元件和該中繼元件的製造方法。
塑料光纖具有一個芯線部，其直徑一般大於石英光纖等其它光纖芯線部的直徑。這樣，它的優越性在於塑料光纖易於與另一根相同或其它種類的塑料光纖聯接。因此用於聯接的部件不要求嚴格的精確度。這種塑料光纖提供了易於光學調整的經濟的光導通信裝置。
過去光導通信速度比較低，一般應用中把光電二極體組件之類的光接收器的採光面直接靠在塑料光纖的端面上。
然而，近來隨著把塑料光纖用於高速光導通信的研究工作的進展，光纖與光電二極體組件之類的光接收元件間的聯接開始出現了問題。
眾所周知，光電二極體的響應速度取決於進入光電二極體組件光接收部分採光面的光激發出的電子抵達光電二極體內電極的時間。為了得到適用於超過數百個兆比特/秒(Mbps)的高速光導通信的響應速度，必須盡力縮小光電二極體組件的光接收部分，以縮短光傳輸時間。
反過來，縮小了光接收部分後僅能接受到從塑料光纖端面發出的部分光，因此加大了光纖與光電二極體組件之間的聯接損耗。
本發明旨在解決上述問題，提供一種把塑料光纖聯接到光接收器，能夠降低其間聯接損耗的耦聯結構；並提供用於該結構的光中繼元件以及製備該光中繼元件的方法。
為此，提供了一種具有光中繼元件的耦聯結構，光中繼元件由一個圓柱管和一個有一定光折射率的芯部組成。光中繼元件置於塑料光纖與光接收器之間，在元件的一端麵塑料光纖有一個發光的端面，另一端面，光接收器有一個採光面，它小於光纖的發光端面。在這個結構中，芯部的直徑從發光端面起指向採光面逐漸縮小，芯部在徑向上折射率是漸變的。
另外，芯部在縱向上折射率也可以是漸變的。
最後，光中繼元件在一端的直徑基本上相當於塑料光纖發光端面的直徑，在另一端直徑基本上相當於光接收器採光面的直徑。
這裡還提供一種具有圓柱管和有一定光折射率的芯部的光中繼元件。該元件布置在塑料光纖和光接收器之間，在元件的一端麵塑料光纖有一個發光端面，另一端面光接收器有一個採光面，採光面小於光纖的發光面。該元件中，芯部的直徑從發光端面起指向採光面逐漸縮小，芯部在徑向上折射率是漸變的。
芯部在縱向上折射率也可以是漸變的。
最好，光中繼元件在一端的直徑基本上相當於塑料光纖發光端面的直徑，在另一端的直徑基本上相當於光接收器採光面的直徑。
這裡還提供了製備具有圓柱管和折射率漸變的芯部的光中繼元件的方法。光中繼元件布置在塑料光纖和光接收器之間，在元件的一端麵塑料光纖有一個發光端面，另一端面光接收器有一個採光面，採光面小於光纖的發光面。該方法含以下工序用有一定光折射率的聚合物製備圓柱管，這裡圓柱管具有內壁和內空間，內壁的直徑從發光端面起指向採光面逐漸縮小；在圓柱管的內空間內放入由構成這些聚合物的單體和折射率大於該聚合物的折射率的非聚合化合物組成的混合物；並且在溶解圓柱管內壁的同時，單體發生聚合。
最好這些聚合物、單體和非聚合化合物分別為聚(異丁烯酸甲酯)，異丁烯酸甲酯和苯甲酸苄酯。
下面參照


優選實施例，作為非限定性舉例，從中可以清楚本發明的上述目的和其它目的、特徵和優越性。這些附圖包括圖1所示為本發明所述的把光導纖維聯接到光電二極體組件上的耦聯結構的側視截面圖2為圖1所示耦聯結構主要部分的分解側視圖；圖3為根據本發明所述光中繼元件的體視圖；圖4為表示光中繼元件中光折射率分布和光傳輸路徑的側視截面圖；圖5為開始製備芯部時的光中繼元件橫截面圖；圖6為芯部製備過程中間階段的光中繼元件橫截面圖；圖7為芯部製備過程進一步進行時的光中繼元件橫截面圖；圖8為根據本發明的一種結構布置，正在檢測光導纖維和光電二極體組件之間的聯接損耗；圖9為根據一個對比例的一種結構布置，正在檢測光導纖維和發光二極體組件之間的聯接損耗。
下面說明聯接塑料光纖和光電二極體組件(光接收器)的耦聯結構的例子。
在圖1所示的聯接構件中，套筒1固定地裝在一個向外突出的陽聯接件(圖中未示)上，同時光電二極體組件PD固定地裝在一個陰聯接件(圖中未示)中。把陽聯接件和陰聯接件裝配在一起時，把套筒1的末端面對面聯到光電二極體組件PD的光接收部分R上。圖2為圖1構件的分解視圖。
如圖所示，套筒1有一個小直徑部分2和一個大直徑部分10。光導纖維芯線15有一個外皮部分和一個在其一端裸露的光纖16。套筒1的小直徑部分2固定住光中繼元件20，而其大直徑部10固定住光纖芯線15的外皮17。
小直徑部2有一個內圓周面2a，其內圓周面邊緣有一個徑向向內凸出的法蘭凸緣3。
大直徑部10有一個內圓周面10，其直徑大體與光纖芯線15的外徑相同。內圓周面10a自大直徑部分的一端起逐漸縮小，形成了一帶梢度的部分5，通過該部分大內圓周面10a逐漸過渡到小直徑部分2的內圓周面2a。另一方面，大直徑部分10另一端的內徑逐漸向外擴大(指向陽聯接件)，從而形成帶梢的導管11。另外，大直徑部分10有一個外圓周面，在鄰近大直徑部分10端部(陽聯接件一側)的外圓周面上有一個圓凸緣12。
如圖3和圖4所示，光中繼元件20有一個芯部22和一個包復在芯部外圓周表面的外罩部23。
在中繼元件20的一端繞外圓周邊緣截割然後拋光，形成一個截割部21。光中繼元件20的長度確定為小半徑部分2的長度的一半左右，而它的外徑確定為約等於小直徑部2的內徑。光中繼元件從陽聯接件插入套筒1並深入到小半徑部2內部時，後者的法蘭緣3與截割部21配合，使光中繼元件21固定在預定位置。這種狀況下，光中繼元件20的端面在小直徑部2的端面處暴露出來，而其面向陽聯接件側的另一端面暴露在小半徑部2的約一半處。
光中繼元件20的芯部22外徑由陽聯接件側起指向陰聯接件側逐漸縮小。如圖4所示，芯部形成得使圓截面上的折射率從中軸區向外圓周面區逐漸減小地分布，就像漸變折射率型光導纖維的芯部的情況那樣。類似地，軸向上芯部22的折射率由光中繼元件20的陽聯接件側向陰聯接件側逐漸減少。另外，外罩部23製備成具有恆定的折射率，該部折射率比芯部22任何部分的折射率都低。
光纖芯15由末端起按預定的長度剝去外皮，使光導纖維16在這段長度上暴露。
該光導纖維16的暴露長度設定為約與大直徑部10的內圓面邊緣和光中繼元件20陽聯接件側部之間的距離相等。
然後把光中繼元件20固定安裝在套筒1的小半徑部2中，再把光纖芯線15以端部為前導由陽聯接件側插入套筒1。當外皮17的末端鄰近帶梢部分5的窄端邊緣時，進一步向陰聯接件的推進受阻，然後向陰聯接件側伸得更遠的暴露的光導纖維16以其端面與光中繼元件20的陰聯接件側面邊緣配合在一起。
明顯地，這種狀況下，光導纖維16的端面與暴露在光中繼元件20的陽聯接件端的芯部22的端面相互配合。
當裝有套筒1的陽聯接件(如圖1所示)聯接到裝有光電二極體組件的陰聯接件上時，暴露在套筒1端面上的光中繼元件20的芯部22的端面被布置得接近，或者接觸光電二極體組件PD中光接收部分R的採光面Rf。
經過上述結構布置，離開塑料光纖15端面的光穿過光中繼元件20然後進入光電二極體組件PD。
首先，光在光纖16中傳輸並離開它的端面。光經過位於陽聯接側的芯部22暴露端進入光中繼元件20的芯部22。然後，如圖4所示，入射的光向陰聯接件側傳輸中逐漸被芯部22會聚。接著光經過位於陰聯接件側的芯部22的暴露末端離開光中繼元件20的芯部22。射出的光然後進入光電二極體組件PD的採光面Rf。
在這種把塑料光纖16聯接到光電二極體組件PD的耦聯結構中，離開光纖16端面的光受到光中繼元件20的芯部22的會聚然後進入光電二極體組件PD的採光面Rf。以這樣的方式，即使把大芯線直徑的塑料光纖16聯接到小直徑採光面Rf的光電二極體組件PD上，聯接耗損也可以降低到最小。
當光中繼元件20中芯部22位於塑料光纖16一側的端面直徑，約和光纖16芯部的直徑一樣大時，離開光纖16端面的光可以有效地被接受到光中繼元件20的芯部22中。這樣可進一步降低聯接損耗。
當光中繼元件20中芯部22位於光電二極體組件一側的端面直徑與採光面Rf的直徑基本上相同時，離開芯部22的光可以有效地被採光面Rf收集。這樣可進一步降低聯接損耗。
芯部22的傾斜角度適當布置取決於塑料光纖16的芯線直徑、它的數值闌徑、光電二極體組件PD的採光面形狀等等。
過去當把光電二極體模塑進樹脂外殼中製造光電二極體組件PD時，在模塑過程中置入一個半球形透鏡。從而，在製得的外殼中，離開塑料光纖的端面的光能夠被這種半球形透鏡會聚。
然而，當前使用的光纖數值闌徑各不相同。這樣，如果半球形透鏡的會聚能力與光纖不匹配時，就會有大量的光損耗。
相反，根據本發明的聯接構件使人們能夠方便地選擇能與塑料光纖的數值闌徑匹配的光中繼元件20。因此該耦聯結構具有廣泛用途。
通常採用聚碳酸酯型多功能樹脂(環氧樹脂)覆蓋光電二極體。此類樹脂固化後折射率為1.56到1.59，相對較高。因此，當光離開光中繼元件20進入樹脂時，光首先被折射得形成近乎於與採光面Rf垂直的角度，然後進入該面。利用這個機制進一步降低了聯接耗損。
上述光中繼元件20可以按照下述的方法製造(例子)。
把純聚(異丁烯酸甲酯)注入模具，然後用一種媒劑脫模，以製作圓柱管50，其內徑從一端向另一端逐漸減小。該管在乙醇中超聲清洗以去除脫模劑。脫模劑有可能會干擾後續的化學反應。該管以後用作光中繼元件20的外罩部分23。
芯部22由光導材料54製成，該材料由85份重量比的真空蒸餾異丁烯酸甲酯、15份重量比的苯甲酸苄酯，0.1份重量比的正丁硫醇(鏈轉移劑)和0.1份重量比的偶氮二異丁腈(聚合引發劑)的混合而製備。
把圓柱管直立於一個板上，把事先用吸氣機脫氣後的光導材料注入圓柱管的內部空間中。
把直立的圓柱管置於80℃的恆溫箱內。然後上述材料經20小時緩慢聚合。
聚合過程如圖5至圖7所示。如圖5所示，當光波引導材料54注入到圓柱管50的內部空間中時，圓柱管50的內壁膨脹並且被光波引導材料54中的異丁烯酸甲酯溶解。在膨脹的部分，靠凝膠效應聚合作用繼續進行，從而光波引導材料中的異丁烯酸甲酯受到消耗。同時，作為摻雜物出現的苯甲酸苄酯不能夠聚合，並保留在中心區域(如圖6及圖7所示)。按這種情況，苯甲酸苄酯的濃度從圓柱形管50的內壁向其中心區域增高。
在如此製備的光中繼元件20中，芯部22由光波引導材料54構成，從而它的折射率分布由聚(異丁烯酸甲酯)和苯甲酸苄酯的濃度比決定，前者的折射率為1.495，後者的折射率為1.56。因為苯甲酸苄酯的折射率高，在其成分最多的芯部22中心區域折射率最高。從芯部22的中心區域橫向其邊緣區域(接近圓柱管的內壁)，低折射率的聚(異丁烯酸甲酯)的濃度比逐漸增加，從而折射率從芯部22指向周邊區域相應下降。
如上所述，圓柱管50的內徑從一端向另一端逐漸縮小，並且通過向其中注入光波引導材料54形成芯部22。這種構件中，光中繼元件20中高折射率分布的區域與芯部22的外形相應從圓柱管50的一端向著另一端變窄。
如此製備的光中繼元件20的數值闌徑約為0.2。
由聯接塑料光纖到光接收器上的構件引起的聯接損耗測量如下。
圖8示意表示這種聯接構件。
按照上述方法製備的光中繼元件20的長度為8毫米、直徑為1.6毫米。芯部22一端(陽聯接件側)的內徑為0.5毫米與下文將說明的塑料光纖15的芯線直徑相當，而另一端(陰聯接件側)的內徑為0.25毫米，與標準使用的高速光導通信的光電二極體組件PD中光接收部分R的採光面Rf的直徑相當。芯部22的兩個端面均用拋光機或者用為石英纖維提供的專用拋光紙拋光。
測量用的光源使用住友電裝公司製造的GL傳輸裝置的發光二極體組件(LED組件)。該裝置由一個精密穩壓電源連續驅動，這樣在發光二極體組件(LED組件)中發出中心波長為700nm的光，輸出功率為3dBm。
發光二極體組件(LED組件)的光經過一段從GI-POF光學纖維上截取的2米長塑料光纖引向光電二極體組件PD。
聯接損耗用橫久川株式會社(Yokogawa Seisaku sho)製造的光功率計(產品號3292)測量，它的靈敏中心調節到700nm。用該功率計的傳感器S取代光電二極體組件PD，面向光中繼元件20的端面(陰聯接件側)。
為了測量高速通信用的光電二極體組件PD接收的光信號強度，在光中繼元件20和傳感器S之間插入一個遮板55。遮板55上設有一個直徑0.25毫米的小孔，大小與光電二極體組件PD的採光面Rf大小相當。
小孔放在傳感器S的表面上，從而在黑暗中測量時不受到外部光的幹擾。
圖9所示為一對比例，其中沒有採用光中繼元件20。該例中，離開光導纖維15端面的光經過遮板55的小孔直接進入傳感器S。
使用光中繼元件20時(圖8)，測出值為「-15.113毫瓦分貝(dBm)」，而不使用光中繼元件20時(圖9)測出的值為「-20.881毫瓦分貝(dBm)」。
結果表明使用光中繼元件20得到約5.7毫瓦分貝(dBm)的增益。因此，使用上述那種光中繼元件把大直徑的光纖聯接到有小採光面的光電二極體組件上，用於高速通信時，實現了有效的聯接。
離開芯部直徑0.5毫米的光纖的均勻光被採光面直徑0.25毫米的光電二極體接收，按表面積比計算僅有25％的發射光被捕獲。將此換算成恢復係數，按公式(-10)×log(0.25)得到損耗為6.02分貝(dB)。
根據本發明把塑料光纖聯接到光接收器上的結構，在光纖的端面和光接收器的採光面之間插入了一個光中繼元件。光中繼元件有一個芯部並且採取有漸變折射率的光纖維形式。芯部的直徑由光纖側向光接收器側逐漸縮小。憑藉這樣的構形，從塑料光纖端面發出的光被光中繼元件會聚然後進入光接收器的採光面。因而發出的光大部分被光接收器捕捉，這樣光纖和光接收器聯接造成的損耗降低到最小的程度。
另外使光中繼元件芯部直徑在一端與塑料光纖的直徑相當。另一端與光接收器接收面直徑相當。因而從光纖發出的光可以有效地被光接收器的採光面接收並且降低聯接損失。
權利要求
1．一種耦聯結構，具有由一個圓柱管和一個有一定折射率的芯部(22)組成的光中繼元件(20)，所述光中繼元件插入在塑料光纖(16)和光接收器之間，在元件的一端麵塑料光纖有一個發光的端面，另一個端面光接收器有一個比所述發光的端面小的光接收面(Rf)，其特徵在於所述芯部的直徑從所述發光端面向所述光接收面逐漸縮小，並且所述折射率在徑向上漸變。
2．根據權利要求1的耦聯結構，其特徵為，所述芯部(22)有一個所述折射率沿之也漸變的軸向。
3．根據權利要求1或2的耦聯結構，其特徵為，所述光中繼元件(20)的所述芯部(22)在一端的直徑基本上相當於所述塑料光纖(16)的所述發光面的直徑，另一端的直徑基本上相當於所述光接收器所述光接收面(Rf)的直徑。
4．一種光中繼元件(20)，含有一個圓柱管和一個有一定折射率的芯部(22)，用來插入在塑料光纖(16)和光接收器之間，在元件的一端麵塑料光纖(16)有一個光發出端面，另一端面光接收器有一個比所述光發出端面小的光接收面(Rf)，其特徵在於所述芯部直徑從所述光發出端面指向所述光接收面逐漸縮小，並且所述折射率沿徑向漸變。
5．根據權利要求4的光中繼元件(20)，其特徵為所述芯部(22)包含一軸向，所述折射率也沿該軸向漸變。
6．根據權利要求4或5的光中繼元件(20)，其特徵為，所述光中繼元件的芯部(20)的直徑在一端基本上相當於所述塑料光纖(16)的所述光發出端面的直徑，在另一端基本上相當於所述光接收器的光接收面(Rf)的直徑。
7．一種製備具有一個圓柱管和折射率漸變的芯部(22)的光中繼元件(20)的方法，所述光中繼元件用於插入在塑料光纖(16)和光接受器之間，在元件的一端麵塑料光纖(16)有一個光發出端面，另一端面，光接收器有一個比所述光發出面小的光接收面(Rf)，其特徵在於所述方法包括以下工序用具有一定折射率的聚合物製備所述圓柱管，這裡，所述圓柱管有一個有一定內徑的內圓柱壁和一個內空間，所述內徑從所述光發出端面向所述光接收面逐漸縮小；在所述圓柱管的所述內空間注入由構成所述聚合物的單體和折射率大於該聚合物折射率的非聚合化合物組成的混合物；以及在溶解所述圓柱管所述內壁時，所述單體聚合。
8．根據權利要求7的方法，其特徵為，所述聚合物、所述單體和所述非聚合化合物分別是聚(異丁烯酸甲酯)、異丁烯酸甲酯和苯甲酸苄酯。
全文摘要
一種光中繼元件(20)插入塑料光纖(16)的光發出端面和光電二極體組件(PD)之類的光接收器的光接收面(Rf)之間。該元件(20)為有漸變折射率的光纖的形式。該元件含一芯部(22)、其直徑從光纖側向光電二極體組件側逐漸縮小。這種構形可以把光纖(16)和光接收器之間的聯接損耗降低到最低程度。
文檔編號G02B6/26GK1215173SQ98120529
公開日1999年4月28日 申請日期1998年10月20日 優先權日1997年10月21日
發明者柚木勇人 申請人:住友電裝株式會社