連接塑料光纖和光探測器的結構的製作方法

2023-05-24 15:03:51

專利名稱：連接塑料光纖和光探測器的結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及高速光導通信領域以及一種用於該領域的塑料光導纖維。更具體地說，本發明涉及塑料光導纖維與光接收元件(光探測器)之間的連接結構。
一般地說，塑料光導纖維的纖心直徑較其他石英型光導纖維的纖心直徑粗些。因此，易於將它們彼此連接或者連接到光學元件上。而且其部件亦不需精確尺寸。因此對於經濟型的光導通信裝置，塑料光導纖維很是適用，易於進行其光學調整。
過去，當進行相對低速的光導通信時，設備的布局總是將塑料光導纖維的端頭與光電二極體之類的光學元件的光接收面直接相對放置。
然而，隨著近來的研究已經進入到用塑料光導纖維進行高速通信，產生了光導纖維與光探測器間連接的問題。
光電二極體的響應速度取決於光經過光接收面進入光接收區後激活的電子抵達光電二極體內部電極的時間長度。為了得到能夠用於超過整百個Mbps(比特/秒)的高速光導通信的響應速度，光電二極體的光接收區應按比例縮小，以縮短上述時間長度。
另一方面，當光接收區小了以後，只能經過它接收到一部分從塑料光導纖維端面發射出的光，從而導致在光纖和光電二極體之間出現很大的連接損耗。
本發明旨在解決以上問題。因此本發明的目的是提供一種塑料光導纖維和光接收元件之間的連接結構，它可以使兩者間的連接損耗減少到最低程度。
為此，提供了一種連接光導纖維和光接收元件的結構，光導纖維具有一個發射光的端面，而光接收元件有一個光接收面，其表面小於光導纖維端面並接收由光導纖維端面發出的光。該結構有一個截頭錐體形外表面，有一個光纖側面和一個光接收元件側面，其直徑從光纖側面起向元件側面漸細，並適於將光纖端面及光接收面互連。
上述結構中，塑料光導纖維有一根纖心和包覆層，而該結構的光纖側面的大小可基本上與塑料光導纖維的纖心部分的端面大小相同，該結構的元件側面大小則基本上與光接收元件的光接收面的大小相同。
最好，該結構採用與塑料光導纖維纖心部分的折射率相同的材料製成。
另外，該結構可採用折射率低於光導纖維包覆層的塗層包覆。
本發明還提供了權利要求1所述結構、塑料光導纖維和光接收元件構成的光連接器。
下面參照附圖對本發明的首選實施方案進行描述，以非限制性實例闡明本發明的上述目的以及其它目的、特性和優點。附圖中

圖1為本發明一個實施方案所述的光連接器的縱斷面圖。
圖2所示為連接塑料光導纖維和光電二極體的結構的縱斷面圖，以及從內部觀察的光線傳輸圖。
現參照圖1說明應用了本發明的連接結構的光連接器。
光連接器1包括光導纖維側(圖1中的後面)殼體10，和模塊側(圖1中前面)殼體30，殼體10夾持光導纖維A，而殼體30容納光電二極體PD。光電二極體的光接收面小於塑料光導纖維的端面。
光導纖維側殼體10有一框架11和接合在其中的連接套筒21。首先剝掉光導纖維A端頭部的包覆層。然後把具有圓筒形部22的連接套筒21裝配到覆蓋該端頭部的地方。圓筒形部22的軸向約一半處設有向外突起的圈形護環24。
框架11有一個圓筒形的外罩12包著連接套筒21。圓筒形外罩12的內徑稍大於連接套筒21的護環24的外徑。在框架11的圓筒形外罩12的內圓周面上設有一個向內突起的凹頸13，它滑套在連接套筒21的圓筒形部分22上，凹頸13起為連接套筒21定位的作用。
從護環24起向後，連接套筒21上繞有螺旋彈簧14(見圖1)。框架11的圓筒形外罩12裝配有蓋15，它從後向前推著螺旋形彈簧14。從而螺旋形彈簧14向前推連接套筒21的護環24(見圖1)。結果，護環24緊靠著圓筒形外罩12的凹頸13，而防止了連接套筒21向後移動。在蓋15上設有孔15a，光導纖維A從其中插進。在插入中確定了光導纖維A在筒形外罩後側的位置。
光纖側殼體(圖1的後側)的頂端設有一個細長的從殼體10後方延伸到殼體近半截處的止擋16。該止擋在尾部有一個角形支擋17。相應地，在模塊側殼體30(圖1的前側)上有一個突起33a。當角形支擋17和突起33a搭掛起來時，模塊側殼體30和光纖側殼體10就緊密配合。
該細長的止檔16裝有一個手柄18，向下按手柄18時，突起33a就從角形支擋17上鬆開，從而使殼體10和30彼此分開。
模塊側殼體30包括一個框架31和一個內殼32。
模塊側殼體30的框架31形成一個盒套，它在光導纖維A的軸向上洞開。該框架還有一塊頂板33和一塊底板34。頂板33的一部分被切成為與角形支擋17嚙合並搭掛光纖側殼體10的突起33a。
內殼32的前端固定在殼體31的底板34的內表面上。該內殼有一個圓柱形引導裝置39，它位於後側並接受安裝在光纖側殼體10內的連接套筒21的端部。內殼32還有位於前側的光電二極體PD的罩套41和位於該罩套和圓柱形引導裝置39之間的中間罩套40。該中間罩套中持有一個下文詳述的中繼元件50。
圓柱形引導裝置39設置在與光纖側殼體10的連接套筒21對應的位置。當連接套筒21經引導裝置39導入時達到模塊側殼體30中預定的位置並被保持在該位置。
聯同底板42，光電二極體罩套41形成一個與光電二極體PD的外形相對應的內部空間。當把光電二極體PD放入光電二極體罩套41中時，它置於底板42上。然後，模塊側殼體30的框架31的前側蓋上一個具有墊片44的蓋子43。通過墊片44，光電二極體PD被推向引導裝置39並固定於這種狀態。一對導線L從光電二極體PD的底部引出，分別經過底板42和底板42與蓋子43之間的空間，然後從模塊側殼體30上引出。
光電二極體PD有一個光接收部分R。在上述條件下，光接收部分R位於連接套筒21的中軸上，牢固地處在由引導裝置39所預定的位置上。
位於引導裝置39和光電二極體PD的罩套41之間的中間罩套40的內徑略大於引導裝置39的內徑，從而可以把中繼元件50容納於其中。
中繼元件50有中繼套筒54，其中間裝有一個光中繼件52之類的連接結構。
光中繼件52由折射率與塑料光導纖維A的纖心折射率相同的材料製成。其後端面的大小與塑料光導纖維的端面相當，而其前端面大小與光電二極體PD的光接收部分R的光接收面相當。另外其直徑由後向前逐漸減小。此外，光中繼件52的圓周表面護以折射率小於塑料光導纖維的包覆層的折射率的包覆層。
上述光中繼件52的生產，舉例來說可以是加熱一根塑料光導纖維，在其兩端拉它，冷卻固化然後截出其中的錐形部分。然後進一步在中繼件52上塗低折射率的樹脂加以保護。
中繼套筒54設有與光中繼件52相對應的外形，緊密地包容光中繼件52。
這樣光中繼件52通過中繼套筒54被包容在中間罩套40內。光中繼件52在罩套40內以其大面相對引導裝置39的端面，而小面面對光電二極體PD的光接收面，可以接觸，也可以緊密相鄰。當光纖側殼件10和模塊側殼件30裝配在一起時，塑料光導纖維A經過套筒21位於引導裝置39中，其端面面對光中繼件52的後側。
在這樣配置的光連接器1中，當光纖側殼體10插入模塊側殼體30的後側時，連接套筒21就被導入引導裝置39並且與之接合。結果，塑料光導纖維A、中繼件52和光電二極體PD的光接收部分R就位於同根光學軸上。
然後細長止檔16上的角形支擋17與突起33a搭掛起來，鎖定殼體10和30。
圖2所示為光路，由圖可見光線從塑料光導纖維A的端面發出經過光中繼件52然後進入光電二極體PD。
該圖中，塑料光導纖維的纖心直徑為500μm，它的數值孔徑為0.3，而光電二極體PD的光接收面(Rf)直徑為100μm。相應地，光中繼件52的光纖A側端面直徑為500μm，光電二極體PD側的端面直徑為100μm，而長度為5,000μm。圖2中還示出了橫軸X和豎軸Y，原點在光中繼件52的光纖A側端面的最低點P0。
此例中，沿光中繼件52的光學軸所作的截面界定了圓周面形成的上、下直線L和M。通過測量計算正切值±tan(200/5,000)可知直線L和M的傾角約為2.3°。因此，線L可以用方程式G1(x)=-tan(2.3)×x+500表示，而線M可以用方程式G2(x)=tan(2.3)×x表示。
光導纖維A的數值孔徑為0.3時，通過其中的光線相對於光纖A的中軸，即相對於橫軸x形成約7.7°的傾角。當先進入光中繼件52並在接近點P0處被反射時，光線又得到2θ=4.6°的傾角。光路線P0P1由方程式f1(x)=tan(12.3)×x表示。
接著，光在光中繼件52的圓周表面上形成一個第二反射點P1。解方程f1(x)=G1(x)，該點定為P1(1936.5,422.2)。
在P1點反射的光沿路線P1P2前進。該線方程式為f2(x)=-tan(16.9)×x+1010.6。因此解方程f2(x)=G2(x)可知，中繼件52圓周表面上的下一個反射點為點P2(2937.9,118.0)。
進而在點P2反射的光沿方程式f3(x)=tan(21.5)×(-1039.3)所代表的路線P2P3前進。根據方程f3(x)=G1(x)可知在中繼件52的斜面上的下一個反射點是點P3(3546.2,357.6)。
依此類推光在光中繼件52中反覆反射，漸漸進入其小直徑部然後從中繼件52的小端面射出。射出的光進入光電二極體PD的光接收面Rf。在圖2中，為了顯示方便光中繼件52的端面和光接收面Rf表示在分開的位置。然後正常情況下，它們的位置非常緊密，或者互相接觸。
按照該連接結構，從塑料光導纖維A的端面射出的光通過光中繼件52然後導入小直徑區，從而使光線會聚。會聚的光從光中繼件52的小端面射出後進入光電二極體PD的光接收面Rf從而，具有較大纖心直徑的塑料光導纖維A和具有較小直徑光接收面Rf的光電二極體PD貼切地連接起來，將連接造成的光損耗降到最小。最好把光中繼件52的塑料光導纖維側的尺寸定為大致相當於光導纖維A的纖心大小。從而，從光纖A端面發出的光有效地導入光中繼件52。類似地，光中繼件52的光電二極體PD側的端面大小定為大致相當於光接收面Rf的大小。從而，由光中繼件52發出的光能有效地被光接收面Rf恢復。這些優選的結構可以進一步降低光損耗。
過去，當把光電二極體用樹脂模塑封裝時，注塑的過程中在其中安排了一個半圓形的透鏡，從面形成廣義的「光電二極體」。用這個半圓形透鏡會聚從塑料纖維端面上發出的光。
然而，現在使用的光導纖維有不同的數值孔徑。因而當半圓形透鏡的會聚能力與光導纖維不匹配時，就會出現顯著的光損耗。
相反，本發明的連接結構允許容易地選擇可以與塑料光導纖維的數值孔徑相匹配的光中繼件52。因此該連接結構有廣泛的用途。
為覆蓋光電二極體的前側，一般採用一種聚碳酸酯型的多功能樹脂(環氧樹脂)。硬化後，這種樹脂的折射率為1.56至1.59，相對較高。因而，當光從光中繼件52射出進入該樹脂時，光線受到折射形成近乎垂直於光接收面Rf方向的角度。由於此現象，極大降低光損耗。
而且，光中繼件52的外圓周表面上包繞著折射率低於塑料光導纖維A的包覆層的折射率的保護層。光在光中繼件52中傳播得越遠，光與軸心間的夾角越大。利用上述包覆層，這樣的光可以被有效地反射。
製造好連接塑料光導纖維和光接收元件的結構後，測出的該結構的連接損耗記於下文。
採用了有與上述實施方案相同結構的光連接器1，作為連接部件。
光中繼件52用旭化成工業株式會社生產的產品SI-POF(陡折射率塑料光導纖維)製備，該光導纖維的外徑為750μm，折射率偏差為0.02，傳輸損耗為230分貝/公裡。在SI-POF的末端處用風箏線懸掛著一個100克的砝碼。然後長度為10mm的光纖產品在150℃的加熱情況下牽拉並冷卻，從而得到熱成形的、圓錐形的部分。截出該部分。通過在5至10秒間改變加熱的時間，可以改變光中繼件52外圓周面的錐度，從而得到幾種圓錐形部。
通過切削黃銅材料並形成可以把光中繼件52包容其中的空洞製備中間套筒54。
採用住友電裝製造的GL連接(產品名)發光二極體LED模塊作為測量光源。該模塊由精密穩定電源連續驅動，從而在發光二極體模塊中發出輸出為3dBm的中心波長700納米的光。
屬於該發光二極體LED模塊的光通過一根塑料光導纖維導向光電二極體PD。該光纖通過截出2米由旭化成工業株式會社製造的SI-POF光纖得到。
連接損耗用Yokogawa製造的光功率計(產品號3292)測量，該光功率計的波長靈敏中心調定至700納米。該裝置的傳感件裝入模塊側殼體30中的罩套41中而不是光電二極體PD中。
作為本發明連接結構的例子，提供了十一個大端面為750μm而小端面以50μm為增量從250至750μm不等的光中繼件52。相繼採用這些個不同的光中繼件52時測量了其小端面發出的光輸出，結果列於表1。
表1中，「表面比」標出的一欄表示光電二極體PD的光接收面與光中繼件52小端面的表面積比。從光中繼件52的小端面發出的光進入光電二極體PD的光接收面Rf時，可認為發生的光損耗取決於該表面積比。因此光中繼件52和光電二極體PD間的連接損耗(PD進入損耗)可以按下式由該表面積比計算PD進入損耗[dB]=10log10(表面積比)把計算出的PD進入損耗(負數項，見表1)加上光中繼件小端面的光輸出(同樣為負數項)給出通過插入在塑料光導纖維和光電二極體間的光中繼件52得到的有效連接輸入(實際PD輸入，為負數項)。
接著，以端面直徑750μm直徑，即其外圓筒形表面不是圓錐形的光中繼件52得到的實際PD輸入為基準，通過減差計算其它光中繼件的實際PD輸入並表示為由錐度產生的增益。
由表1可見，光中繼件52小端面的直徑越小，即錐度越大，由其得到的光輸出越低。另一方面，當光從光中繼件52進入光電二極體PD時發生的光損耗也必須考慮進去。大體上說，光中繼件52小端面的直徑越小，實際PD輸入越大。結果是，直徑為250μm的小端面與直徑為750μm的小端面相比，錐度增益為5.139dB。
如上所述，當光中繼件52的直徑從一端向另一端逐漸減少時，塑料光導纖維與光電二極體PD間的光損耗變小。特別是，當小端面的大小相應於光電二極體PD的光接收面的大小時，連接損耗最低。
根據上述連接結構，於塑料光導纖維與光接收元件的光接收面之間插入了光中繼元件。再有，該元件的直徑從光導纖維側起向光接收面逐漸減小。然後，從塑料光導纖維的端面發出的光被光中繼件聚焦後進入光接收元件的光接收面。故由光纖端面來的光大部分進入光接收面。從而可進一步減少光損耗。
再者，光中繼件的塑料光纖側的大小製得基本與塑料光纖纖心大小相當，而其光接收元件端面大致製得與光接收元件光接收面大小相當。結果離開光纖端面的光可以有效地被光接收元件的光接收面恢復。從而進一步減少光損耗。
光中繼元件的直徑製得從其光纖側端面向著光接收元件逐漸減細。光在其中前進時，光線指向光中繼元件圓筒表面的角度逐漸加大。因此，當光中繼件的外圓筒表面用折射率低於光纖的包覆層的折射率的包覆層保護時，可有效傳輸光。
權利要求
1．一種連接塑料光導纖維(A)和光接收元件的結構，所述光導纖維有一個發出光的端面，而所述光接收元件有一個表面積小於所述光纖端面表面積的光接收面(Rf)，並接收從光纖發出的所述光，所述結構的特徵為它有一個截頭錐體的外表面、以及一個光纖側面和一個元件側面，其直徑從所述光纖側面向所述元件側面逐漸減少，從而所述結構適於互聯所述光纖端面和所述光接收面。
2．根據權利要求1的結構，其特徵為，所述塑料光導纖維(A)有一個纖心部和一個包覆層，而且所述結構的所述光纖側面大小基本上與所述塑料光導纖維的所述纖心部的所述端面大小相同，同時所述結構的所述元件側面大小基本上與所述光接收元件的所述光接收面(Rf)的大小相同。
3．根據權利要求1或2的結構，其特徵為，它由折射率與所述塑料光纖(A)的所述纖心部分的折射率相同的材料製成。
4．根據權利要求1至3任一項的結構，其特徵為，它上麵包覆有折射率低於所述塑料光導纖維(A)的所述包覆層的折射率的包覆層。
5．一種包括權利要求1至4任一項所述的結構、所述光導纖維(A)和所述光接收元件的光連接器。
全文摘要
具有纖心和包覆層的塑料光纖(A)通過一種連接結構連接到光電二極體(PD)等光接收元件上。光中繼件(52)之類的連接結構以同一軸向插入在塑料光纖端面和光電二極體的光接收面(Rf)間。連接結構具有截頭錐體形狀,有圓筒形表面和端面。該結構的直徑從光纖側向光電二極體側逐漸減小,其光纖側端面大小與光纖纖心部大小對應,而其光電二極體側面大小則與光接收面大小對應。這樣的結構可把塑料光纖和光接收元件間的連接損耗降到最低。
文檔編號G02B6/26GK1210987SQ9811748
公開日1999年3月17日 申請日期1998年9月4日 優先權日1997年9月11日
發明者柚木勇人 申請人:住友電裝株式會社