专利名称：光纤准直仪系统、光纤准直仪阵列、光纤准直仪系统和光纤准直仪阵列系统的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种隔着任意光学元件相对地配置带GRIN透镜的 光纤的光纤准直仪系统、多个带GRIN透镜的光纤并列定位的光纤准 直仪阵列、光纤准直仪系统的制造方法和将光纤准直仪阵列相对配置 的光纤准直仪阵列系统的制造方法。
背景技术：
以往在光信息传输的过程中，使来自 一方光纤的发散光即出射光 经准直透镜变为平行光，该平行光传播后，经另一准直透镜会聚，射 入另一方的光纤中。此类光学系统称为"准直仪系统"，通过在两准直 仪透镜之间插入滤光器或光隔离器元件、光开关、光调制器等各种光 学元件，可以构建多种光学模块。准直透镜虽一般采用凸透镜，然而 从便于安装的角度出发也可使用圆柱状的渐变折射率透镜(Graded Index透镜，以下简称"GRIN透镜")。该GRIN透镜如图1所示， 在其剖面方向x、 y的折射率n表示为下述(1)式时，圆柱状的中心轴的折射率最高，并且如果从中心轴向外周方向离开则折射率呈二次 曲线状连续下降，通过该折射率分布而发挥透镜作用。 n=n0{l-gV/2}(1)此处，g为表示GRIN透镜的聚光能力的常数，no为GRIN透镜 的材料折射率，r为半径方向的距离(r2=x2+y2)。如图1所示，若GRIN透镜的半径为a，半径a处的折射率为 na，则g=NA/an0 其中，NA= ( n02-na2) 1/2( 2 )此处，NA为GRIN透镜在中心和周边处的折射率的平方差的平
方根，称为数值孔径Numerical Aperture (以下简称"NA，，)，是表示 透镜性能的重要参数。NA高的透镜聚光能力强，即透镜特性佳。用 作准直透镜的GRIN透镜的长度(L )被设定为在GRIN透镜内传播 的传播光的蛇行周期的1/4长度或其奇数倍的长度。若设蛇行周期的 1/4长度为L1/4,则L1/4=tt/ ( 2g ) ( 3 )此处，GRIN透镜的长度L在相对的准直透镜的间隔较短时，被 设定为式(3)所示的传播光的蛇行周期的1/4长度或其奇数倍的长度， 如果间隔变长，则一般设定为比L^更长一些以改善耦合损耗。此处， 对准直透镜的间隔较短的情况进行说明。图2是表示相对地配置了一对GRIN透镜la、 lb的单芯准直仪 系统的立体图。各GRIN透镜la、 lb，在与其相对面相反侧的端面上 连接有光轴一致的光纤2a、 2b，来自一方光纤2a的光经与其相连的 GRIN透镜la变为平行光射出，该平行光在另一方的GRIN透镜lb 处会聚，导入与其相连的光纤2b中，如此进行光信号的传输。因此， 在此类采用GRIN透镜la、 lb的准直仪系统中，为了减少耦合损耗， 必须4吏相对的GRIN透镜la、 lb的光轴、进而GRIN透镜la、 lb与 光纤2a、 2b的光轴准确地保持一致。图3是表示相对地配置了 一对光纤准直仪阵列1的光纤准直仪阵 列系统的概略立体说明图。在两光纤准直仪阵列l之间，插入有2段 MEMS ( Micro Electro-Mechanical Systems )式的2自由度光开关阵 列3。各光纤准直仪阵列1在与各GRIN透镜的相对面相反侧的端面 上，连接有光轴一致的光纤2a、 2b,由这些光纤的集合构成光纤阵列 2。来自一方各光纤2a的光经与其相连的GRIN透镜la变为平行光 射出，在光开关阵列3的光开关3a、 3b处反射2次，通过改变反射 的角度而得到方向改变后的平行光，该平行光在另一方的各GRIN透 镜lb处会聚，导入与其相连的光纤2b中，如此进行光信号的传输。 通过分别适量地改变构成2段MEMS式光开关阵列3的2自由度的 微反射镜3c的反射角度，来切换光的光路。因此，在此类准直仪系 统中，为了减少耦合损耗，必须使对向设置的各GRIN透镜la、 lb 的光轴、以及每个GRIN透镜la与光纤2a的光轴之间分别准确地保 持一致。此处，搭载了光隔离器元件的单芯准直仪系统的实用例如图4 所示。1.8mm①的GRIN透镜la和内置光纤2a的业界标准的0.9mm① 的光纤芯线7被相互插入，并粘着固定在外径控制为3mm①、内径控 制为1.8mm①和0.9mm①的同心圆的光纤透镜保持器(金属)8中。 芯线7是用塑料等材料覆盖光纤2a、2b形成的。由于光纤2a和GRIN 透镜la的光轴吻合精度受制于光纤透镜保持器8的同心圆的内径加 工精度，因此要求高度的加工精度。将该光纤透镜保持器8插入外形 为10mm内径控制在3mm的准直仪保持器(金属)9中，用其固定 凸缘11用定销固定在准直仪保持器9上。由于如此相对地配置的单 芯准直仪系统的光轴吻合受制于光纤透镜保持器8的外径.内径及准 直仪保持器9的内径加工精度，因此要求高度的加工精度。在如此相 对地配置的单芯准直仪系统中，从光纤2a射出的光经GRIN透镜la 会聚为基本平行的光6射出。该基本平行的光6经另一端的GRIN透 镜lb会聚射入光纤2b中，发挥准直仪系统的作用。在上述一对对置的准直仪系统的中间，插入固定有各种光学元件10，例如本例中的光 隔离器部件。然而，由于夹具的加工精度或生产技术上的吻合精度(图4的情 况下为各种保持器8、 9的加工精度、GRIN透镜la和光纤芯线的公 差精度)等的问题，例如像图4这样将GRIN透镜la、 lb相对配置 时，通常会发生向各种方向的轴偏差。若如图2所示那样用符号C表 示GRIN透镜la、 lb与光纤2a、 2b共同的理想光轴，将与该光轴C 平行的方向定为Z方向，在水平方向上正交的方向定为X方向，在垂 直方向上正交的方向定为Y方向，则作为可能发生在相对透镜之间的 轴偏差，有向X方向的移位、X方向的倾角9x、向Y方向的移位和 Y方向的倾角0y。此外，如图3所示，在2个光纤准直仪阵列1、 l之间插入有2
段MEMS ( Micro Electro-Mechanical Systems )式的2自由度光开关 阵列3的光纤准直仪阵列系统的情况下，虽然通过适量地改变构成2 段MEMS式光开关阵列3的2自由度的微反射镜3c的反射角度来切 换光的光路，但由于光开关阵列内的各个微反射镜3c的反射镜角度 在光开关阵列内不完全相等，存在一些差异，所以例如即使光纤准直 仪阵列1间的调芯充分，也可能会因为光开关阵列内反射镜角度的偏 差而造成光轴的相应偏差。因此，在MEMS式的光纤准直仪阵列系 统的情况下，与图2所示的相对配置了一对GRIN透镜la、 lb的单 芯准直仪系统的情况相比，普遍会产生较大的轴偏差。通常，用粘着剂连接GRIN透镜和光纤。在以美国专利公开公报 第4213677号为代表的这种用粘着剂固定光纤和GRIN透镜的结构 中，由于粘着剂对光的吸收，在高强度的光入射时，粘着剂因温度上 升而变质，会导致光学特性恶化。 一般，对于光学粘着剂，在光通信 所使用的波长区域内的吸收约为1~5%，变质温度最高也只有400。C 左右。若在上述范围内，则物理特性值连数W级的光强度都无法承 受。此外，由于光纤和GRIN透镜通过粘着剂接合，存在在该粘着剂 中巻入空气产生的气泡或光轴的偏差和角度偏差、连接面处的反射返 回光的增加等很多使产品成品率恶化的因素，会使成本增加。另外， 各GRIN透镜和光纤的光轴共计4轴必须准确地保持一致，安装成本 也会4艮高。为解决上述问题，如美国专利公开公报第4701011号或第 5384874号所公开的那样，提出了 一种将GI ( Graded-Index )光纤用 作准直透镜的结构。该GI光纤是芯部分的折射率呈抛物线状变化的 光纤。GI光纤与光纤同样是石英制的，因此可与光纤熔接连接，有 希望获得对高强度光的耐性。此时，通过气相CVD ( Chemical Vapor Deposition)法制成普通的GI光纤。用气相法，虽然可以获得0.38 的NA (例如文献；P.B.O，Connor等Electron丄ett.， 13 ( 1977) 170-171)，但如果为获得更高的NA而增加添加物(Ge02, 205等) 的添加量，则由于热膨胀系数增大母材容易开裂等热膨胀性的协调问
题，以及无法获得高NA等折射率的控制性问题，实际上作为准直透 镜装配时的可操作性不佳。参考专利文献1:美国专利第4213677号公报，参考专利文献2:美国专利第4701011号公报，参考专利文献3:美国专利第5384874号公报。发明内容如上所述，以往，需要进行涉及多个轴方向的复杂微妙的调芯作 业，操作极为困难。本发明就是鉴于上述情况而提出的，要解决的技 术问题在于提供一种能降低调芯作业的难度、耦合损耗小、光学特 性不会恶化的光纤准直仪系统和光纤准直仪阵列系统，同时提供一种 可以高效制造耦合损耗小的光纤准直仪系统和光纤准直仪阵列系统 的制造方法。本发明提供一种光纤准直仪系统，其特征在于使将光纤熔接在 由含有从Sb203、 Ta2Os、 Ti02或Zr02中选择的l种以上而作为折射 率调整物质的石英玻璃构成的GRIN透镜(Graded Index透镜)的一 端的带GRIN透镜的一对光纤在其GRIN透镜端面对置的情况下一体 化的同时，在上述GRIN透镜端面之间设置光学元件。(技术方案l)此外，本发明还提供一种光纤准直仪系统，其特征在于使将光 纤熔接在由含有从Ta20s或Ti02中选择的1种以上而作为折射率调 整物质的石英玻璃构成的GRIN透镜的一端的带GRIN透镜的一对光 纤在其GRIN透镜端面对置的情况下一体化的同时，在上述GRIN透 镜端面之间设置光学元件。(技术方案2 )此外，本发明还提供一种光纤准直仪系统，在技术方案1或2 的光纤准直仪系统中，其特征在于上述GRIN透镜通过溶胶-凝胶 法制造。(技术方案3)此外，本发明还提供一种光纤准直仪阵列，其特征在于使将光 纤熔接在由含有从Sb203、 Ta2Os、 Ti02或Zr02中选择的l种以上而 作为折射率调整物质的石英玻璃构成的GRIN透镜(Graded Index 透镜)的一端的多个带GRIN透镜的光纤在并排排列上述GRIN透镜 部分的情况下一体化。(技术方案4 )此外，本发明还提供一种光纤准直仪阵列，其特征在于使将光 纤熔接在由含有从Ta20s和Ti02中选择的1种以上而折射率调整物 质的石英玻璃构成的GRIN透镜的一端的多个带GRIN透镜的光纤在 并排排列上述GRIN透镜部分的情况下一体化。(技术方案5 )此外，本发明还提供一种光纤准直仪阵列，在技术方案4或5 的光纤准直仪阵列中，其特征在于上述GRIN透镜通过溶胶-凝胶 法制造。(技术方案6)此外，本发明还提供一种技术方案1~3中任一项所述的光纤准 直仪系统的制造方法，其特征在于具有，试制多个光纤准直仪系统的步骤；测定试制得到的多个光纤准直仪系统的一对GRIN透镜的水平 方向偏差量和倾角的步骤；设定目标成品率和目标耦合损耗的步骤；将上述水平方向偏差量和上述倾角与上述目标成品率对照来求 取水平方向允许偏差量和允许倾角的步骤；根据上述水平方向允许偏差量和允许倾角求取GRIN透镜的数 值孔径的步骤；和用数值孔径在上述求得的数值孔径以上的GRIN透镜制造光纤 准直仪系统的步骤。(技术方案7)此外，本发明还提供一种使一对技术方案4~6中任一项所述的 光纤准直仪阵列直接或隔着反射镜对置的光纤准直仪阵列系统的制 造方法，其特征在于具有，试制多个光纤准直仪阵列系统的步骤；测定试制得到的多个光纤准直仪阵列系统的各对应的GRIN透 镜的水平方向位置偏差量和倾角的步骤；设定目标成品率和目标耦合损耗的步骤；将上述水平方向偏差量和上述倾角与上述目标成品率对照而求 取水平方向允许位置偏差量和允许倾角的步骤；根据上述水平方向位置允许位置偏差量和允许倾角来求取 GRIN透镜的数值孔径的步骤；和用数值孔径在上述求得的数值孔径以上的GRIN透镜制造光纤 准直仪阵列系统的步骤。(技术方案8 )本发明的光纤准直仪系统和光纤准直仪阵列系统由于采用已经 将GRIN透镜和光纤连接起来的系统，所以无需在装配时使透镜和光 纤的光轴吻合，可以高效地进行装配。此外，由于GRIN透镜和光纤 熔接，所以借助熔接时表面张力的自排列效果可使GRIN透镜和光纤 的轴自动成为一致，制造极为容易，可以批量生产。此外，由于不使 用粘着剂，所以在高强度光入射时，不会有粘着剂因温度上升而变质 导致光学特性恶化的问题。对于本发明的光纤准直仪系统，由于根据多个试制品来调查水平 方向位置偏差量和倾角的倾向，所以据此可以求取达成目标成品率和 目标耦合损耗的水平方向允许位置偏差量和允许倾角。另外，由于可 以根据水平方向允许位置偏差量和允许倾角求取GRIN透镜所需的数 值孔径的最低值，所以无需使用数值孔径大于必需值的GRIN透镜， 可以有效、低成本地达成目标的成品率和耦合损耗。本发明的光纤准直仪阵列系统也与上述光纤准直仪系统同样，由 于根据多个试制品来调查水平方向位置偏差量和倾角的倾向，所以据 此可以求取达成目标成品率和目标耦合损耗的水平方向允许位置偏 差量和允许倾角。另外，由于可以根据水平方向允许位置偏差量和允 许倾角求取GRIN透镜所需的数值孔径的最低值，所以无需使用数值 孔径大于必需值的GRIN透镜，可以有效、低成本地达成目标的成品 率和耦合损耗。
图1为GRIN透镜的折射率分布的说明图。 图2为准直仪系统的立体图。
图3为准直仪阵列系统的概略立体说明图。 图4为准直仪系统的局部切口侧视图。 图5为准直仪系统的XZ剖面图。图6为GRIN透镜的光斑尺寸(0和耦合损耗的关系图。图7为准直仪系统的局部切口侧视图。图8为准直仪系统的水平方向位置偏差量的说明图。图9为准直仪系统的倾角的说明图。图IO为准直仪阵列的立体说明图。图11为准直仪阵列的正视图。图12为准直仪阵列系统的水平方向位置偏差量的说明图。 图13为准直仪阵列系统的倾角的说明图。符号说明I 光纤准直仪阵列 la GRIN透镜lb GRIN透镜2光纤阵列2a 光纤2b 光纤3光开关阵列3a 光开关3b光开关3c微反射镜6平行高斯光束7光纤芯线8光纤透镜保持器9准直仪保持器10 光学元件II 固定凸缘12基板13 V槽14 框架具体实施方式
可以通过基于低温合成法的溶胶-凝胶法制造热膨胀系数与光纤 的石英玻璃基本同等的GRIN透镜。在溶胶-凝胶法中，如果作为原 料向Si ( OR) 4 ( R:烷基(alkyl group ))和例如Ti等添加元素的 醇盐中，加入水解用的H20和为使上述原料在水解时产生相溶性用的 乙醇并混合，则因与水解同时形成的Si02的微粒而呈现乳浊状(溶胶 状态)，随后液体的粘度急剧升高，失去流动性出现布丁状的凝胶状 态。对该凝胶予以干燥，緩緩除去以吸附等方式残留在表面上的乙醇、 水，进行烧结玻璃化。在应用了该溶胶-凝胶法的玻璃合成过程中，具 有以下特点<1>低温烧结的结晶化频度降低；<2>合成分子级的匀质 玻璃；<3>包含高熔点材料在内的材料选择性广；<4>材料合成的成品 率高从而可以降低制造成本等。采用具有如上特点的溶胶-凝胶处理， 就有可能低价形成NA高、折射率可控性佳、热膨胀系数与石英玻璃 基本同等的GRIN透镜。因此，在对二元系二氧化硅玻璃的折射率进行考察时，作为 GRIN透镜的组成的候选，列举了 Si02-Bi203、 -ln203、 -Y203、 -La203、 -Ga302、 -Sb203、 -Gd203、 -Nb2Os、 -Sn02、 -Ta2Os、 -Ti02和画Zr02 系的石英玻璃。其中，对于含有Bi、 In、 Y、 La的组成，添加元素的 醇盐都为难溶性固体，无法制成凝胶。此外，对于含有Gd、 Ga的组 成，只能在添加物较少的区域内(相对于Si的添加量在20mol。/。以下) 获得凝胶。此外，添加Nb、 Sn的玻璃不仅存在结晶性物质，热膨胀 系数也较大，不适合做GRIN透镜。由以上研究结果可知，Si02-Sb203、 Si02-Ta205、 Si02-Ti02和Si02-Zr02系的石英玻璃NA高、折射率可 控性佳，且热膨胀系数相对于石英的热膨胀系数5xlO-"IC1在 15xlOJlC1以下而与石英玻璃基本同等，可用于形成GRIN透镜。但 是，对于添加Sb的玻璃，凝胶烧结时添加元素Sb会蒸发，此外对于 添加Zr的玻璃，水解反应相对较快，在生成凝胶的过程中，会在作 为溶剂的甲醇中生成少量沉淀，存在诸如此类工序上的不稳定性。由 以上研究结果可知，对于Si02-Sb203、 Si02-Ta205、 Si02-Ti02和 Si02-Zr02系的石英玻璃，如果考虑到工序的稳定性，则更为理想的 是Si02-Ta205、 Si02-Ti02系的石英玻璃，热膨胀系数与石英玻璃基 本同等，可用于形成NA高、折射率可控性高的GRIN透镜。本发明的GRIN透镜以Si02-Ta205、 Si02-Ti02系的石英玻璃为 主成分，因此热膨胀率与光纤基本同等，故可与光纤熔接。如果在氢 氧燃烧器等的火焰上将具有基本相同的剖面形状的光纤和GRIN透镜 熔接，则借助表面张力均衡化产生的自排列效果，无须进行到目前为 止一直悬而未决的精密的轴吻合，就可以使光纤和GRIN透镜的中心 轴成为一致，具有易装配性大幅度提高的巨大优点。该熔接是提高生 产效率所不可或缺的技术，通过熔接，不仅可以减少被光纤与透镜的 界面所反射而返回半导体激光器的光，还可以解决以往使用粘着剂连 接时，在因粘着剂对光的吸收而高强度的光入射时，粘着剂因温度上 升而变质导致光学特性恶化的问题。图5是将与光纤2a、 2b熔接接合的GRIN透镜la、 lb相对配 置了的单芯准直仪系统的XZ剖视图。在将GRIN透镜lb与GRIN 透镜la相对配置时，通常会发生向各种方向的轴偏差，假设如图5 所示，GRIN透镜lb的中心轴从理想光轴Z向X方向移位D (fim )， 产生X方向上的倾角e(弧度)。在光纤2a的芯内传播的光由于GRIN 透镜la的作用变宽为与GRIN透镜la的光轴Z基本平行的高斯光 束6并从GRIN透镜la的端面射出。抵达对面的GRIN透镜lb的平 行高斯光束6由于GRIN透镜lb的作用而会聚，射入到光纤2b的芯 中。在光纤2a的出射光射入到与光纤2a熔接接合的GRIN透镜la 中时，在其中传播的基波的电场分布近似成为高斯分布。在GRIN透 镜la的长度L为式(3)所示的蛇形周期的1/4，即I^L^时，该高 斯分布在GRIN透镜la的端面附近具有(4)式所示的光斑尺寸o。 (0=2/ ( o0kn0g ) ( 4 )此处，0)。为单模光纤的电场分布的光斑尺寸，在单模光纤接近 截止频率(=2.4)的结构中，若设光纤的芯半径为a。，则近似地有 o0=l.laG。此外，k为波数，若设光的波长为X，则k=27i/X。如图5所示，在产生X方向(水平方向)的位置偏差D或倾角 e时，平行高斯光束6不完全与在GRIN透镜lb内传播的基波一致， 因此其结果是部分能量未能纳入光纤，成为耦合损耗。可以通过求解 平行高斯光束6的电场分布与具有式(4)所示的光斑尺寸(o的GRIN 透镜lb的基波的电场分布的重积分来求取该耦合损耗T，若用分贝 表示则可以近似地表达为式(5)。T ( dB ) =4.343 { ( D/co ) 2+ ( kn0a>e/2 ) 2}( 5 )图6表示取耦合损耗T为纵轴、GRIN透镜的光斑尺寸(0为横 轴时式(5)的定性关系。式(5)是(o的函数，其图形是(o"2D/knoe) 1/2的具有最小值的下凸曲线。因此，如图6所示，若要使耦合损耗小 于T ( dB )，只要GRIN透镜的光斑尺寸(0在与耦合损耗T ( dB ) 交叉的图上2点即GRIN透镜的光斑尺寸c^、 O)H之间即可。即，满 足式(6)的选择即可。必^、P^ s里 (6)将式(2) 、 (4)代入式(6)中，则如式(7)所示，可以求出 使耦合损耗小于T ( dB )所需的GRIN透镜的数值孔径NA。<formula>formula see original document page 15</formula>在市场上通常使用的如图4所示的准直仪系统的结构中，虽然提高加工精度可以尽量将位置的移位d控制到很小，但由于缺乏倾角e的调芯装置，要进行减小倾角0的调芯几乎是不可能的。因此，如式 (7)所示，若倾角e增大，则GRIN透镜的数值孔径NA必须增大， 为了容易进行实际的调芯作业，所使用的GRIN透镜的NA必须大于 通过式(7)求得的值。例如，试制多个准直仪系统，测定它们的对置的一对GRIN透镜 的水平方向位置偏差和倾角，假设得到图8、图9所示的结果。如果 假设目标定为将所有装配好的准直仪系统的90%以上的耦合损耗控 制在ldB以下，则根据图8和图9，可以设水平方向位置偏差量D为 0.80jim，倾角e为0.85度(即0.0148弧度)。将此代入式(7 )可知， 若设GRIN透镜的半径与光纤(芯半径aQ=6.5nm)同为62.5nm，则 波长1.5jim时使用NA=0.4以上的GRIN透镜即可。此外，例如，试制多个准直仪阵列系统，测定它们的对置的各对 GRIN透镜的水平方向位置偏差和倾角，假设得到图12、图13所示 的结果。如果假设目标定为将所有装配好的准直仪系统的90%以上的 耦合损耗控制在ldB以下，则根据图12和图13，可以设水平方向位 置偏差量D为l.Ofim，倾角0为1.0度(即0.0175弧度)。将此代入 式(7)可知，若GRIN透镜的半径与光纤(芯半径aQ=6.5nm)同为 62.5nm，则波长1.5nm时使用NA=0.48以上的GRIN透镜即可。实施例1图7是实施例1的光纤准直仪系统，从筒状的准直仪保持器9 的两侧插入并粘着固定带GRIN透镜la、 lb的光纤2a、 2b，在中央 安装光学元件IO (此时为光隔离器)。仔细装配该准直仪系统约230 组，测定对置的GRIN透镜的X方向和Y方向的向水平方向的移位 (位置偏差量D)和倾角(角度偏差量)ex、 ey。在图8中表示上述向X方向和Y方向的水平方向的移位(位置偏差量)的累计次数， 在图9中表示X方向和Y方向上的倾斜移位(角度偏差量)0x、 6y 的累计次数。由上述图8、 9可知，水平方向的位置偏差量，以-0.3nm 为峰值分布在约士ljim的范围内，倾角的偏差量以0.65度为峰值分布 在约士0.5度的范围内。在装配实施例1的准直仪系统时，确立了将装配总数的90%以 上的耦合损耗控制在ldB以下的目标。根据图8、图9求取达成该目 标的水平方向允许位置偏差量和允许倾角，求得水平方向允许位置偏 差量D为0.80nm，允许倾角0为0.85度(即0.0148弧度)。将此代 入式(7)计算所需的NA。可知若GRIN透镜的半径与光纤(芯半径 a0=6.5nm)同为62.5nm，则波长1.5jim时NA=0.48，使用数值孔径 在此以上的GRIN透镜即可。下面试制带GRIN透镜的光纤。在75.5ml四甲氧基硅和183.4ml 异丙醇的混合液中添加2N盐酸9.2ml，搅拌30分钟后，加入四正丁 氧基钛30.8ml。随后，添加0.01N氨水得到湿凝胶。将上述湿凝胶在 50'C下老化2天后，将该湿凝胶浸渍在3N盐酸中6小时，在凝胶中 赋予钛的浓度分布。浸渍后，将凝胶浸渍在甲醇中，洗净凝胶中的盐 酸成分后予以干燥，得到直径约10mm的干凝胶。以10。C/hr的速度 将所得的干凝胶从室温升温至350。C,然后升温至1200'C烧成，得到 透明的玻璃体。对该圆柱状玻璃体的折射率分布进行测定的结果是， 得到了从中心到周边折射率大致呈2次曲线状减小的NA=0.42的 GRIN透镜的母材。由于该NA大于从上述式(7)求得的NA=0.4， 可知该材料可以使用。一边将该母材以0.04mm/s的速度插入碳加热器的电炉中， 一边 拉出外径为125nm的光纤，制成GRIN透镜状光纤。用放电熔接连 接器将制成的GRIN透镜状光纤熔接在芯半径为6.5nm的单模光纤的 一端。随后，按照在GRIN透镜内传播的光的蛇行周期的1/4周期长 350nm进行切断加工，得到带GRIN透镜的光纤。用所得的带GRIN透镜的光纤，生成90个图7的准直仪系统。 测定所有的耦合损耗，在几乎95%的准直仪系统中得到了耦合损耗在 ldB以下的高耦合效率。 实施例2图10、 11涉及实施例2的光纤准直仪阵列。在Si02基板12上 通过化学蚀刻形成的周期性的V槽13内规则地排列8列带光纤的 GRIN透镜的顶端部分，进而规则地叠加8层，固定在框架14内制成 8x8的GRIN透镜准直仪阵列。用该准直仪阵列，仔细地装配一组如 图3所示的插入有2段MEMS式的2自由度光开关阵列3的光纤准 直仪阵列系统。测定对置的各对GRIN透镜的X方向和Y方向的向 水平方向的移位(位置偏差量D)和倾角(角度偏差量)ex、 ey。在 图12中表示上述X方向和Y方向的向水平方向的移位(位置偏差量) 的累计次数，在图13中表示X方向和Y方向上的倾斜移位(角度偏 差量)9x、 ey的累计次数。可知水平方向的位置偏差量以-0.6jim为 峰值非对称分布，倾角的偏差量以0.8度为峰值非对称分布。在装配实施例2的准直仪阵列系统时，确立了将GRIN透镜对总 数的90%以上的耦合损耗控制在ldB以下的目标。根据图12、图13 求取达成该目标的水平方向允许位置偏差量和允许倾角，求得水平方 向允许位置偏差量D为l.Onm，允许倾角0为1.0度(即0.0175弧度)。 将此代入式(7 )计算所需的NA。可知若GRIN透镜的半径与光纤(芯 半径a^6.5nm)同为62.5jtm，则波长1.5nm时NA=0.48，使用数值 孔径在此以上的GRIN透镜即可。下面制作带GRIN透镜的光纤。在75.5ml四曱氧基硅和183.4ml 异丙醇的混合液中添加2N盐酸9.2ml，搅拌30分钟后，加入四正丁 氧基钬30.8ml。随后，添加0.01N氨水得到湿凝胶。将上述湿凝胶在 50。C下老化2天后，将该湿凝胶浸渍在6N盐酸中2小时，在凝胶中 赋予钛的浓度分布。浸渍后，将凝胶浸渍在曱醇中，洗净凝胶中的盐 酸成分。随后，将上述凝胶浸渍在6N盐酸中20分钟，第2次进行浓 度分布赋予，与第1次同样将凝胶浸渍在甲醇中洗净盐酸后予以干燥。 随后，将上述凝胶浸渍在6N盐酸中8分钟，第3次进行浓度分布赋
予，与第l次同样将凝胶浸渍在甲醇中洗净盐酸后予以干燥，得到直径约10mm的干凝胶。以10。C/hr的速度将所得的干凝胶从室温升温 至350。C，然后升温至1200'C烧成，得到透明的玻璃体。对该圆柱状 玻璃体的折射率分布进行测定的结果是，得到了从中心到周边折射率 大致呈2次曲线状减小的NA=0.5的GRIN透镜的母材。由于该NA 大于从上述式(7)求得的NA-0.48，可知该材料可以使用。一边将该母材以0.04mm/s的速度插入碳加热器的电炉中， 一边 拉出外径为125pm的光纤，制成GRIN透镜状光纤。用放电熔接连 接器将制成的GRIN透镜状光纤熔接连接在芯半径为6.5nm的单模光 纤的一端。随后，按照在GRIN透镜内传播的光的蛇行周期的1/4周 期长295nm进行切断加工，得到带GRIN透镜的光纤。用所得的带GRIN透镜的光纤装配图11的光纤准直仪阵列，进 而作成图3的光纤准直仪阵列系统。测定所有信道的耦合损耗，在所 有的信道(带GRIN透镜的光纤对)中得到了 ldB以下的高耦合效率。上述实施例是Si02-Ti02系的石英玻璃的例子，但例如在假设是 Si02-Ta20s系的石英玻璃的情况下，只需用乙氧基钽代替四正丁氧基钛即可，在假设是Si02-Sb203系的石英玻璃的情况下，用三乙基锑即可，在假设是Si02-Zr02系的石英玻璃的情况下，用丙醇锆即可。
权利要求
1.一种光纤准直仪系统，其特征在于使将光纤熔接在由含有从Sb2O3、Ta2O5、TiO2或ZrO2中选择的1种以上而作为折射率调整物质的石英玻璃构成的GRIN透镜(Graded Index透镜)的一端的带GRIN透镜的一对光纤在其GRIN透镜端面对置的情况下一体化的同时，在上述GRIN透镜端面之间设置光学元件。
2. —种光纤准直仪系统，其特征在于使将光纤熔接在由含有 从Ta20s或Ti02中选择的1种以上而作为折射率调整物质的石英玻 璃构成的GRIN透镜的一端的带GRIN透镜的一对光纤在其GRIN透 镜端面对置的情况下一体化的同时，在上述GRIN透镜端面之间设置 光学元件。
3. 根据权利要求1或2所述的光纤准直仪系统，其特征在于 通过溶胶-凝胶法制造上述GRIN透镜。
4. 一种光纤准直仪阵列，其特征在于使将光纤熔接在由含有 从Sb203、 Ta2Os、 Ti02或Zr02中选择的l种以上而作为折射率调整 物质的石英玻璃构成的GRIN透镜(Graded Index透镜)的一端的多 个带GRIN透镜的光纤在并排排列上述GRIN透镜部分的情况下一体 化。
5. —种光纤准直仪阵列，其特征在于使将光纤熔接在由含有 从13205或Ti02中选择的1种以上而作为折射率调整物质的石英玻 璃构成的GRIN透镜的一端的多个带GRIN透镜的光纤在并排排列上 述GRIN透镜部分的情况下一体化。
6. 根据权利要求4或5所述的光纤准直仪阵列，其特征在于 通过溶胶-凝胶法制造上述GRIN透镜。
7. —种权利要求1至3中任一项所述的光纤准直仪系统的制造 方法，其特征在于包括试制多个光纤准直仪系统的步骤；测定试制得到的多个光纤准直仪系统的一对GRIN透镜的水平 方向位置偏差量和倾角的步骤；设定目标成品率和目标耦合损耗的步骤；将上述水平方向位置偏差量和上述倾角与上述目标成品率对照， 求取水平方向允许位置偏差量和允许倾角的步骤；根据上述水平方向允许位置偏差量和允许倾角求取GRIN透镜的数值孔径的步骤；和用数值孔径在上述求得的数值孔径以上的GRIN透镜制造光纤准直仪系统的步骤。
8. —种直接或隔着反射镜使一对权利要求4至6中任一项所述 的光纤准直仪阵列对置的光准直仪阵列系统的制造方法，其特征在于 包括试制多个光纤准直仪阵列系统的步骤；测定试制得到的多个光纤准直仪阵列系统的各对应的GRIN透镜的水平方向位置偏差量和倾角的步骤；设定目标成品率和目标耦合损耗的步骤；将上述水平方向位置偏差量和上述倾角与上述目标成品率对照， 求取水平方向允许位置偏差量和允许倾角的步骤；根据上述水平方向允许位置偏差量和允许倾角求取GRIN透镜 的数值孔径的步骤；和用数值孔径在上述求得的数值孔径以上的GRIN透镜制造光纤 准直仪阵列系统的步骤。
全文摘要
将光纤熔接在由含有从Sb<sub>2</sub>O<sub>3</sub>、Ta<sub>2</sub>O<sub>5</sub>、TiO<sub>2</sub>或ZrO<sub>2</sub>中选择的1种以上而作为折射率调整物质的石英玻璃构成的GRIN透镜的一端，形成带GRIN透镜的光纤。由于在将GRIN透镜与光纤粘合时不使用粘着材料，光学特性不会恶化，借助熔接的自排列效果，GRIN透镜和光纤可以容易地调芯。此外，通过使GRIN透镜的折射率分布常数(g)在适当的范围内，可以极大地减少耦合损耗。用这样的带GRIN透镜的光纤装配光纤准直仪系统、光纤准直仪阵列、光纤准直仪阵列系统，可以降低调芯作业的难度，减少耦合损耗，避免光学特性恶化。
文档编号G02B6/32GK101156099SQ20058004910
公开日2008年4月2日 申请日期2005年4月5日 优先权日2005年4月5日
发明者松村宏善, 铃木太郎, 阿知波徹 申请人:东洋玻璃株式会社