光纤抽头的制作方法

专利名称：光纤抽头的制作方法
技术领域：
本发明总地涉及光子学领域，特别是涉及用于分离和分配通过聚合物光纤传导的光的光纤抽头。
采用光纤的系统是公知的且有着日益增长的广泛应用。这些系统包括光纤通信系统、医疗仪器、复印机、打印机、传真机、光学显示和照明。
在采用光纤的系统应用增加的同时，聚合物光纤(POF)被认为是上述众多应用中常规玻璃光纤的低成本替代物。例如见Proc.SPIE，1592，112-132，(1991)，F.Suzuki的“新颖的塑料图象传输光纤”(Novel plastic image transmisson fiber)；Boston，MA，Oct.17-19，1995，pp.187-192第4届国际塑料光纤和应用年会Proc.G.Brun，C.Farget，M.Reglat，M.Druetta，J.P.Goure和J.P.Monthread的“用于横向显示的塑料光纤化学研究和光学测量”(Plastic optical fiber for lateralilluminationchemical studies and optical measurements)；Boston，MA，Oct.17-19，1995，pp.203-205第4届国际塑料光纤和应用年会Proc.J.Farenc和P.Destruel的“采用塑料光纤的显示、信号化和装潢”(Illumination，signalisation，and decoration using plastic opticalfibers)；量子电子学IEEE J.D.Grando，L.Palchetti和E.Giorgetti的“通过渐变分级的指示玻璃波导联接的聚合物光纤波导”(Optical fiber-polymer guide coupling by a tapered graded index glass guide)。最常提到的使用POF的优点是其非常轻的重量、柔韧性、抗断裂性、低的材料和连接成本、以及抗电磁干扰性。
在许多采用POF的应用中，包括光学局域网(LAN)和在非常大规模的集成多处理器系统(VLSI)中，为了向大量节点散播，光纤中的少量横向光需要从光纤中分离出去。这种光抽头的采用通常通过作为抽头结果的光损耗部分地测量。损耗的幅度确定了最大抽头数目并从而确定由所需要的信号重复器进行信号重复之前能够被连接的站的最大数目。
一些前述的光纤抽头和技术需要一个或多个连接器。这种技术一般需要断开光纤以制造抽头。此外，当连上或断开抽头时，使用光纤的系统经常被中断。0.2至2.0dB的连接器损耗一般在这些设计中是固有的，这限制了在光纤分配系统中能够被连接的抽头的数目。
在其他光纤抽头中，由于通过将能量加至光纤的辐射模式而将光能移走，不需断开光纤或加上连接器，例如见美国专利No.3,931,518、3,936,631和3,982,123。上述专利中公开和要求权利的那类技术是通过弯曲光纤将光辐射出光纤芯而进入覆层中。然后光通过介电体从光纤覆层引出，随后通过检测器而被检测。
虽然存在若干这种现有技术用于分离由在许多情况下都适用的光纤所传导的光信号，但这种技术从简便性、有效性和成本效果方面看，存在着或多或少的问题。因此，现有技术非常需要能够有效地保证光纤所传导的光的分离和分配的有效性的方法和设备。
本发明有效地分离和分配了通过聚合物光纤传导的光线。除了聚合物光纤之外，本发明还包括形成于POF之中并位于POF端头之间的镜象。
从一个方面看，本发明涉及有效分离和分配通过POF传导的光线的方法和设备。特别是在形成有内部镜象的POF处，横向于POF的光线当射到镜象时，被有效地移出聚合物光纤。像这样，移出的光线被有效地分离出去并被用在有用的地方。
从另一个方面看，本发明涉及用于有效地将光线引导进入用于分配的光纤中的方法和设备。特别是当光线被引导进入设有镜象的光纤位置处时，这样被引导的光线随后被镜象偏转以便它沿着光纤传导。


图1(a)是示出其中形成有微镜的POF的纵截面视图；图1(b)是示出当形成内部镜象时POF的横截面视图；图1(c)是示出用于光线的双向分离和插入的微镜形成于其中的POF的纵截面视图；图2示出用于制造沿POF长度方向的一系列微镜的设备；图3示出沿POF长度方向发射的16光点密度的图；图4是示出对于一特定镜象的切入深度的联接效率的图；图5示出沿在采用根据本发明构造的POF的10×10光点阵分布的光。
为了便于读者理解，在附图中相同的标号指示相同或相近的部件。附图无需按比例。
本发明的优选实施例将参照以下附图进行描述，在以下的描述过程中会同时引用几幅附图。
现参照图1(a)，它示出了根据本发明优选实施例的光学布置的纵向视图。现有技术中公知的聚合物光纤(POF)100被示出具有从相对方向横向于POF长度方向的光线140、145。图示出切入和再充填区120包含若干内部镜象130、135。包含内部镜象的切入和再充填区可以通过一系列微切、掩模、涂覆和再充填操作而优选地构成。
横向于POF的光线一旦射到内部镜象之一上将被偏转。例如，横向于POF长度方向的光线140如图所示在射到镜象130和135时分别如箭头146和144所示地偏转。类似地，光线145的偏转当射到镜象130和135时分别如箭头142和148所示。优越地，切入和再充填区作为端口或抽头从而保证光线142和144从POF射出。本领域的技术人员会很容易地认识到端口可以是双向的，光线也可以从光纤的侧面注入。在这种情况下，注入的光线射到镜象上，然后沿着光纤的长度方向传播而由另一个抽头分配或随后分离。
现参照图1(c)，它示出了本发明是如何可以用作抽头而将光线注入到光纤中的。具体地说，光线147和143通过一侧进入光纤并射到内部镜象之一的表面上。光线随后被镜象所偏转并沿光纤的长度方向如箭头153和154所示传播。双向箭头141和149指示出通过光纤的光线传播方向可以优越地为双向的。
现在应该易于明白，本发明有用的应用是将等密度的光信号送到沿POF的N个不同位置，亦即计算机时钟或数据信号的传送。
在本例中，POF的长度准备得可以沿其长度方向具有N个侧面发射端口。为了在以等间隔Δ1的N个输出端口的每一个处获得均匀的光分布，并且假定输入光功率的总密度是一致的，第i个输出端口具有联接效率ηi(其中1≤i≤N)，且POF的总长度与传输表示为exp(-βl)(其中β和l分别表示传输系数和光纤长度)，由此得出下列关系ηi=η1exp[(i-1)βΔl](1-η1)(1-η2)…(1-ηi-1).]]>如果所有N个端口沿着POF相对短的长度分布，则公式(1)中占支配的吸收指数项可以省略。在此情况下，很容易发现η1＝1/N，η2＝1/(N-1)，...，ηN-1＝0.5，ηN＝1。一旦确定各个联接系数，则可以计算出内部镜象的相应尺寸。
现参照图1(b)，它示出具有芯160和其中形成有镜象的切出面积170(阴影部分)的POF的截面。镜象的面积与切口的设计深度h有关，这在切割过程中很容易被监视到。利用图1(b)所示的参数可以计算出圆周角θθ＝2cos-1(1-α) (2)其中α＝h/r是切割的相对深度。在第一级近似中，大芯POF内部的密度是均匀分布的。因此，镜象联接系数η可被确定为比η＝S/(πγ2)，其中S是镜象面积(图1(b)中阴影部分)而r是POF的半径。由于镜象面积S为S=θγ22-αγ2-α2,---(3)]]>同时α＝γsin(θ/2)， (4)故本领域的技术人员能够很容易理解η和α之间存在的以下关系η=cos-1(1-α)π-1πα(2-α)(1-α)2]]>0≤α＜1 (5a)和η=1-cos-1(α-1)π+1πα(2-α)(1-α)2]]>1≤α≤2. (5b)
公式1和5可以用来确定用以形成沿POF长度方向N个镜象的切割深度。
现参照图2，它示出适用于具有根据本发明教导的内部镜象的POF的系统。具体地，POF280固定到微米控制的X-Y平移台270。装设在微米控制的旋转、平移台240上并在电加热控制器控制下被加热的刀250被用以从POF切割精细的区域以形成内部镜象。所用的刀可以是抛光剃刀刃。电加热控制器的使用允许准确选择刀的切割温度。
采用例如由Asahi Chemical，Ltd.生产的有机玻璃(PMMA)光纤(型号TB-750)已获得满意的结果。光纤芯的直径为750μm且在波长λ＝650nm时具有折射率n＝1.4994。尽管PMMA材料软得足以在室温下被切割，但试验结果表明采用在100-110°F范围内刀温度和压力的组合会获得非常光洁的镜象，即表面粗糙度小于15μm。
在切割过程中，最好是POF的一端连至光源，即激光260，而POF的另一端连至数字光功率表290。依此方式，每个镜象的强度输出可以通过在POF功率计一端的残余功率输出的在线监测而被精确地控制。现参照图3，它示出沿一段20mm的PMMA均匀构造的一系列16个镜象的强度轮廓。由于任何镜象的表面上都无金属镀层沉积，在PMMA/空气界面的反射会是内部全反射。尽管如此，仍能观察到好于15∶1的对照比。
本领域的技术人员容易理解残余光能可在各个镜象处被监测到，而不是在光纤的输出端头。采用这种在线监测方法，PMMA光纤被构造成具有200个侧发射输出端口，而端口和端口间的强度起伏在20％之下。
现参照图4，绘制出采用公式(1)和(5)计算的切割参数α以便与随后测到的值相比较。在测量过程中，每五个切割被取样一个。为了保证切割后的光纤强度，切割深度被选成αi＝200＝0.25。对于那些需要在更长距离分配光线的情况，由于光纤的总长度仅为0.4m，基于衰减的吸收对于这种光纤是不重要的。
对上述镜象形成方法的直接变形也可以采用平行切割。特别是，尽管对光线起伏的精确控制会更困难，但可以同时使用具有预定切割角度和深度的多个刀以加快整个制造过程。此外，通过或者当改变切割方向时固定光纤位置，或者当改变光纤给进方向时固定切割方向，几乎可以在三维空间的任一方向引出光线，从而可以在完成的光纤应用中提供很高的柔韧性。
特别是，镜象可以是平面或曲面的。在这种情况下，光线可以从整个光纤周围、或其各个部分移出光纤。此外，移出光纤的光线可以被以小于垂直于光纤侧面的角度移出。此外，根据特定的应用，镜象可以被制成部分反射或部分透射。
作为本发明的另一个例子，加工出一2mm厚的透明聚碳酸脂板以产生一个10个平行V型槽的阵列，每二个连续的槽间间隔2mm。一长PMMA胶接在槽中。然后采用上述切割方法切割产生一系列100个镜象。随后被测量得太小的镜象显然可以再切割而扩大。相反地，那些随后被测量得太大的镜象，可以部分或全部地用合适的材料如环氧树脂PMMA填充。图5示出由这种处理板产生的10×10光点图样。
显然，现在对那些本领域的技术人员很明白，尽管本发明结合优选实施例及各种变形详细图示和描述，但不背离本发明教导的范围还可以作出其他变形。例如，可以用公知的激光或其他切割装置代替上述采用的机械刀具。同样，内部镜象不必是平面的，而可以是任何合适的形状。因此，本发明仅受权利要求的限制。
权利要求
1.一种用以分离横向于光纤的光线的光纤抽头，包括位于光纤之内的一个或多个镜象，以便横向于光纤的光线的所需部分射到镜象上并被偏转出光纤的侧面。
2.根据权利要求1所述的光纤抽头，其特征在于光纤是合适的聚合材料。
3.根据权利要求1所述的光纤抽头，其特征在于所述镜象通过切割光纤而构成。
4.根据权利要求3所述的光纤抽头，其特征在于所述镜象被反射材料所涂覆以加强反射率。
5.根据权利要求3所述的光纤抽头，其特征在于所述镜象用尖锐仪器所切割。
6.根据权利要求5所述的光纤抽头，其特征在于所述尖锐仪器在切割前被加热。
7.根据权利要求3所述的光纤抽头，其特征在于所述镜象用激光切割仪器切割。
8.根据权利要求2所述的光纤抽头，其特征在于所述聚合材料是有机玻璃(PMMA)。
9.根据权利要求3所述的光纤抽头，其特征在于所述光纤被连至光源和功率计以便在切割光纤的过程中可以监测光功率。
10.根据权利要求1所述的光纤抽头，其特征在于所述偏转的光线以一基本上垂直于光纤侧面的角度偏转。
11.根据权利要求1所述的光纤抽头，其特征在于所述镜象基本上是平面的。
12.根据权利要求1所述的光纤抽头，其特征在于所述镜象基本上是曲面的。
13.根据权利要求1所述的光纤抽头，其特征在于所述偏转的光线从光纤周围0度至360度的合适部分偏转出去。
14.根据权利要求1所述的光纤抽头，其特征在于所述镜象是部分反射的。
15.根据权利要求1所述的光纤抽头，其特征在于所述镜象是部分透射的。
16.根据权利要求5所述的光纤抽头，其特征在于所述镜象由多个尖锐仪器切割。
17.一种用以在光纤中分配光线的光纤抽头，包括位于光纤内部的一个或多个镜象，以便进入所述光纤侧面的光线被所述镜象偏转并沿光纤长度方向传输。
18.根据权利要求17所述的光纤抽头，其特征在于光纤是合适的聚合材料。
19.根据权利要求18所述的光纤抽头，其特征在于所述镜象通过切割光纤而构成。
20.根据权利要求19所述的光纤抽头，其特征在于所述镜象被反射材料所涂覆以加强反射率。
21.一种光学阵列，包括一条或多条几何排列成所需图样的光纤，所述光纤具有位于每一个光纤内的一个或多个镜象以便横向于光纤的光线的所需部分偏转出所述光纤的侧面，从而产生以所述所需图样形式的光线显示。
全文摘要
用以分离或分配沿聚合物光纤(POF)传输的光线的方法和设备。在聚合物光纤内形成一个或多个镜象。在内部形成有镜象的POF处,横向于POF的光线在射到镜象时被有效地偏转出聚合物光纤。这样,被偏转的光线被有效地分离出去并被用在有用之处。
文档编号G02B6/28GK1202629SQ9711395
公开日1998年12月23日 申请日期1997年6月20日 优先权日1996年6月20日
发明者Y·李, T·王 申请人:日本电气株式会社