专利名称：单向光功率监视器的制作方法
技术领域：
本发明涉及主要用在光通信领域中的单向光功率监视器。
背景技术：
近年来，在信息通信方面涌现出许多引人注目的技术创新。现在，由于因特网的繁荣，为了满足提高通信速度的要求和信息量增加的状况，正在从电信号通信转变成光信号通信。由于来自各种中继点的信息集中在一起通过每条干线传送，为了提高处理速度，正在用光缆取代形成干线的许多电缆。存在重新考虑这样的光缆与用户终端之间的通信的趋势，和存在升级环境以便更适合低成本信息通信的日益强烈要求。
随着光通信网络不断升级，使高速信息交换成为可能。这伴随着光通信网络新用途的增加，因此，使光通信网络中沿着每个方向传送的信息量进一步增加。为了增加单位时间的信号量，以便增加可通过光纤处理的信息量，在称为波长多路复用的技术，即，通过一条光纤同时传送具有不同波长并包含不同信息组的多个信号的技术中，使用高频信号。此外，形成紧凑的可靠通信网络需要在许多方向提供与多条路径的连接，以及从使用的角度来看，为了便于维护，使用多条光纤是必不可少的。
在通过光纤传送多个信号的光通信电路中，需要波分多路复用(WDM)系统，用于将波长多路复用光信号分离成具有不同波长的信号的处理，耦合具有不同波长的光信号的相反处理，以及光信号的分出和插入。随着信息量不断增加，管理信息的重要性越来越高。当发现光信号丢失时，需要马上识别光信号并确定光信号丢失的地方。在一些情况下，还需要检验信号强度，以及检验光信号的连接。如果传输距离增加了，则需要用于放大光信号的设备，例如，铒掺杂光纤放大器(EDFA，erbium doped fiber amplifier)，因为光信号强度在穿过光纤的传输过程中衰减。在EDFA中，为了确定放大和输出的光信号的放大率和强度，需要准确地掌握从外部供应的输入光信号的强度。为了构建高度可靠的光通信系统，完成这种精细监视的功能越来越变得不可缺少。
在WDM系统中，事先确定光信号的进入和退出方向，以及在监视光信号时不特别需要光信号的方向性。另一方面，在EDFA中，由于通过让光线从泵激光器进入并通过特殊光纤传播来放大光信号的机制，存在放大的光信号发生反向流动的可能性。为了准确确定光信号的放大量，只检测来自入口侧光纤的光信号而不检测来自退出侧输出光纤的返回信号的功能是必不可少的。
本发明的发明人已经提出了公开在国际公布WO2005/124415中的单向光功率监视器的发明申请。图6示出了描述在该国际公布中的单向光功率监视器1″的剖视图。通过树脂将尾光纤2和GRIN透镜7固定在圆柱管6中，预定间隙5介于它们之间。尾光纤2具有布置成平行地相隔很小距离的两条光纤3和4以及固定光纤3和4的玻璃包头2′。GRIN透镜7具有以一定比率反射和透射来自光纤3或4的入射光的引出膜8。接收通过GRIN透镜7和引出膜8传送的光线的带透镜的光电二极管10插在具有圆柱外形的套筒9中的孔中并用树脂固定在其中。在具有圆柱外形的套筒9中，一端23提供有插入GRIN透镜7的第一圆孔21，而另一端24提供有插入带透镜的光电二极管10的第二圆孔22。第一和第二圆孔21和22的中心轴被设置成相互平行且不同心。第一和第二圆孔21和22在套筒9中的中点附近相互连接。在中点一般形成通孔27和中间壁26。从一条光纤3进入的光线中由GRIN透镜的引出膜8反射的光线进入另一条光纤4中(图中实线箭头所指)，而穿过引出膜8的光线进入带透镜的光电二极管10中，被转换成电流并通过电极引线11被取出作为电信号。从一条光纤4进入的光线中由GRIN透镜的引出膜8反射的光线进入另一条光纤3中(图中虚线箭头所指)，而穿过引出膜8的光线被中间壁26和第一圆孔21的壁面25重复反射而被衰减。因此，从光纤4进入的光线中基本上没有光线进入带透镜的光电二极管10中。这样就提供了从一条光纤3进入并经过引出膜8传送的光线穿过通孔27到达带透镜的光电二极管10，而从另一条光纤4进入并经过引出膜8传送的光线并不到达带透镜的光电二极管10的方向性。
下面简要描述GRIN透镜的功能。从尾光纤2中的一条光纤3进入的光信号从光纤的端面辐射到间隙5中并且其束直径增大地进入GRIN透镜7中。光线行进的方向在GRIN透镜中发生改变并且光线一般变成准直光。一般变成平行并到达引出膜8的光线由引出膜以一定比率反射和透射。反射的光再次穿过GRIN透镜，其束直径进一步缩小地穿过透镜行进，并辐射到间隙5中。辐射光聚焦在另一条光纤的端面上。因此，从一条光纤进入的光线被连接到另一条光纤。
上述国际公布中的单向光功率监视器具有25 dB或更高的方向特性。方向特性是从两条光纤之一输入光线时光电二极管的光接收灵敏度(下文称为“响应度”)A(mA/W)与从另一条光纤输入光线时光电二极管的响应度B(mA/W)之比。将方向特性定义为(方向特性)＝10·log(响应度A/响应度B)(dB)。
每个现有EDFA将光信号放大大约15-20dB，且足以用在具有25dB或更高方向特性的单向光功率监视器中。但是，随着信息量增加，分离、耦合、分出和插入波长多路复用或要波长多路复用的光信号的频率也增加。因此，需要30dB或更高的方向特性。
发明内容
本发明的目的是，提供一种小型高性能单向光功率监视器，通过光电二极管来检测从一条光纤(输入光纤)进入并通过引出膜传送的光线，防止从另一条光纤(输出光纤)进入并通过引出膜传送的光线进入所述光电二极管，以及通过使从所述输出光纤进入并通过引出膜传送的光线在中间壁和内壁的壁面上重复反射和衰减，来获得30dB或更高的方向特性。
根据本发明的单向光功率监视器具有尾光纤，具有排列成相互平行地相隔很小距离的两条光纤，以及所述两条光纤的光纤开口端在尾光纤端面上在尾光纤端面的中心附近；柱状GRIN透镜，具有相互面对的两个端面和在两个端面的一个端面上的引出膜；圆柱管，所述尾光纤和柱状GRIN透镜固定在其中，使得所述尾光纤的端面面向柱状GRIN透镜的另一个端面，其间相隔预定间隙，以及使得柱状GRIN透镜具有引出膜的那一端从柱状管的一端伸出；以及具有第一和第二端的套筒，其中，所述套筒具有从第一端延伸到第一端和第二端之间的中点附近的第一圆孔和从第二端延伸到所述中点附近的第二圆孔，第二圆孔具有与第一圆孔的中心轴不同心的中心轴，第一圆孔在中点附近具有与第二圆孔和中间壁连接的通孔，和柱状GRIN透镜具有引出膜的末端插入并固定在第一圆孔中；和光电二极管，位于第二圆孔中套筒的第二端，并在前表面上具有面向通孔的透镜。套筒的中间壁与柱状GRIN透镜的引出膜相距0.55L-0.8L，其中，L表示柱状GRIN透镜的引出膜与光电二极管的透镜顶端之间的距离。柱状GRIN透镜被安排在套筒的第一圆孔中，使得从两条光纤之一(输入光纤)进入并穿过引出膜的光信号通过第一和第二圆孔到达光电二极管，而从两条光纤的另一条(输出光纤)进入并穿过引出膜的光信号被中间壁阻挡。中间壁的位置由第一圆孔的内壁与中间壁的交点来限定。
从输入光纤进入的光信号从输入光纤的端面辐射到间隙中且其光束直径增大地进入GRIN透镜中。光线行进的方向在GRIN透镜中改变且光线一般变成平行光，到达引出膜并以预定比率被反射和透射。反射的光再次穿过GRIN透镜，其光束直径进一步缩小地穿过透镜行进并辐射到间隙中。辐射光聚焦在另一条光纤的端面上。因此，从一条光纤进入的光线被连接到另一条光纤。穿过引出膜的光线被引导到套筒中，并进入与GRIN透镜的中心轴不同心的光电二极管中。光电二极管将光量转换成电流，以获得与光量成正比的电信号。
从输出光纤进入的光线从尾光纤的后端辐射到间隙中，然后进入GRIN透镜中。光线行进的方向在GRIN透镜中改变且光线基本上变成准直光，到达引出膜并由引出膜以预定比率反射和透射。被引出膜反射的光线穿过从GRIN透镜到间隙的路径并被连接到输入光纤。通过引出膜传送的光线沿着相对于GRIN透镜的中心轴对称的方向行进并被配备在套筒中的中间壁的壁面反射，以便改变行进方向并被衰减。光线在第一圆孔的内壁上重复反射和衰减，基本上没有什么光线进入光电二极管中，因此获得单向性。
如果GRIN透镜的引出膜与带透镜的光电二极管的透镜顶端/极端之间的距离是L，则套筒的中间壁最好与柱状GRIN透镜的引出膜相距0.55L或更远。如果与引出膜的距离小于0.55L，则存在从输出光纤进入并通过引出膜传送的一部分光线未投射在中间壁上，而是穿过通孔进入第二圆孔并被第二圆孔的内壁反射，没有被衰减地进入光电二极管中的风险。相反，如果与引出膜的距离大于0.8L，则存在从输出光纤进入并通过引出膜传送的一部分光线在被中间壁反射之前被第一圆孔的内壁反射，从而被光电二极管检测到的可能性。如果套筒的中间壁与引出膜相距大于0.8L，则中间壁反射不了光线的风险被增大。
最好，在本发明的单向光功率监视器中，面向配备在套筒中的GRIN透镜的引出膜的中间壁与第一圆孔内壁的夹角是45°或更大以及135°或更小。
在从输入光纤进入并通过引出膜传送的光线进入光电二极管的同时，从输出光纤进入并通过引出膜传送的光线投射在中间壁上以便被反射和衰减。如果中间壁与第一圆孔内壁的夹角大于135°，则投射在中间壁上的光线朝着带透镜的光电二极管方向行进，而不是返回到GRIN透镜。包括反射时的散射光的反射光作为杂散光进入光电二极管中，使光电二极管输出电流。如果想获得30 dB或更高的方向特性，则必须消除这样的杂散光。
如果中间壁与第一圆孔内壁的夹角小于45°，则投射在中间壁上的光线沿着GRIN透镜方向反射，因此，可以容易地获得30dB或更高的方向特性。但是，中间壁的极端部分具有锐角，以及中间壁的极端很有可能在制造套筒时碎裂或破碎。如果在零件阶段可靠地除去了碎片，则在中间壁的极端就不存在碎片问题。但是，存在除去操作之后所遗留的碎片或裂片受工作环境温度变化或振动影响而变大，形成落在套筒中的壁材料断片的风险。套筒中的材料断落片不仅可作为光路障碍物，而且可以损坏GRIN透镜的引出膜或光电二极管的透镜。此外，如果中间壁极端的锐角较小，则增加了制造套筒的难度。此外，由于这个原因，最好不要将角度减小到小于45°的值。
最好，本发明的单向光功率监视器的套筒对于波长范围从800nm到1650nm的光是不透明的，以及至少面向GRIN透镜的引出膜的中间壁以及第一和第二圆孔的内壁的壁面具有10％或更少的光反射率。
如果套筒由透明材料制成，则光线可以穿过中间壁以及第一圆孔的内壁或第二圆孔的内壁而泄漏到套筒外面。反过来，不能防止外部光的侵入。在许多情况下，通过并排放置，可以使用多个单向光功率监视器。在并排放置多个单向光功率监视器的情况下，存在从一个单向光功率监视器泄漏出来的光线进入另一个单向光功率监视器中的风险。如果从一个单向光功率监视器泄漏出来的光线进入另一个单向光功率监视器的光电二极管中，则它作为单向光功率监视器的干扰噪声，导致无法稳定地进行光监视。此外，泄漏到外部的光线可能投射在其它组成零件等上并沿着意想不到的方向行进。由于光通信使用可见范围之外的长波长，例如，1310nm和1550nm的光线，在这样的条件下，不能检测泄漏光的行进方向，也存在着安全性问题。因此，必须制成不透光材料的套筒，以便防止光线泄漏到套筒的外部。此外，通过制成不透光材料的套筒，可以消除自然光、照明光等的影响。
从输出光纤进入的光线投射在面向套筒中的GRIN透镜的引出膜的中间壁上以便被衰减和反射。被中间壁的壁面反射的光线投射在第一圆孔的内壁上，被衰减和反射一次或多次，并朝向GRIN透镜返回。此后，光线投射在GRIN透镜的引出膜上并再次朝着中间壁行进。想像得出的最坏情况是，在被中间壁和套筒的内壁衰减和反射之后，光线被GRIN透镜的引出膜表面反射进入光电二极管中。重要的是，降低从壁面反射的光线的强度，以便甚至在最坏情况下也可以保证30dB或更高的方向特性。
反射光的强度P1与辐射到壁面上的光线的强度P0的比率P1/P0的百分比被定义为光反射率。如果光反射率是10％或更小，则反射光的强度降低到1/100或更小，因为在最坏情况下，在中间壁和内壁表面的每一个上只反射一次。反射光是两次，即，在中间壁和内壁上反射的结果。因此，反射光的光轴的中心不会返回到GRIN透镜的中心部分。GRIN透镜的引出膜表面所反射的反射光也有可能光轴偏移光电二极管的透镜顶点地进入光电二极管中。由于这种光轴偏移，进入光电二极管的光线在高斯半径之外。因此，可以预期光电二极管所检测的光线的强度降低到大约1/10。进入光电二极管的光线因两次反射被降低到1/100或更小，以及由于光轴偏移又降低到大约10％，也就是说，总共衰减到小于/1000(30dB或更高)。如果增加在内壁的壁面上发生反射的次数，则可以更容易地获得30dB或更高的方向特性。甚至在最差情况，即，发生反射的次数最少的情况下，通过将套筒的光反射率设置成10％或更小，也可以获得30dB或更高的方向特性。不用说，使用光反射率为百分之几或更小的材料更可取，固为如果光反射率降低，方向特性就越高。
最好，本发明的单向光功率监视器的套筒由黑色陶瓷、石墨或黑色玻璃制成。
从输出光纤进入的光线在套筒的中间壁和内壁的壁面上被衰减和反射。因此，要求壁面的光反射率较低。低的光反射率意味着光线被充分吸收。因此，优先选择黑色材料。黑色陶瓷可以是包含氧化铝、氧化锆、氧化硅、滑石、碳化硅、氮化硅、氮化铝或由这些材料的一些组成的复合材料作为主要成分的材料。石墨可以用作碳材料。尤其是，如果使用黑色玻璃形式的不透气材料，则可以容易地进行树脂粘合。作为黑色玻璃，可以使用具有基于氧化铝的材料、基于氧化锆的材料、基于氧化硅的材料、基于氧化钛的材料或由这些材料的一些组成的复合材料作为主要成分的玻璃。
作为本发明的单向光功率监视器的套筒，可以使用由对可见光透明的材料制成，并具有至少在面向GRIN透镜的引出膜的中间壁和第一和第二圆孔的内壁的表面上形成的光反射率为10％或更小的黑色膜的套筒。
最好，所述套筒能够防止通过引出膜传送的光线泄漏到外部，阻止来自外部的光线，以及具有低的光反射率。但是，甚至在套筒的材料在可见光范围内透明的情况下，也可以在面向GRIN透镜的引出膜的中间壁以及第一和第二圆孔的内壁上提供反射率为10％或更小的黑色膜以阻止外部光线，在中间壁和内壁上引起反射，从而防止光线泄漏到外部。在透明套筒的外围表面上形成黑色膜的情况下，可以防止通过引出膜传送的光线泄漏到外部。但是，在这样的情况下，中间壁不具备所需功能以及内壁的反射位置被改变。因此，无法获得所需方向特性的概率很高。
提供在透明套筒的中间壁和套筒的第一和第二圆孔的内壁上的黑色膜可以通过沉积或溅射碳、黑色陶瓷或黑色玻璃来形成。
最好，在本发明的光功率监视器的套筒中，至少面向GRIN透镜的引出膜的中间壁以及第一和第二圆孔的内壁的壁面具有2nm或更大的表面粗糙度Ra，以及在粗糙度图案(roughness motif)的平均长度AR中具有所使用的光波长的一半或更小的不平度。
最好，增加表面的光散射，以及在套筒的中间壁和内壁的壁面上使用具有限制光反射的低光反射率的材料。光散射取决于表面不规则性(表面粗糙度Ra)。如果表面粗糙度低，则光散射就少。随着表面粗糙度增大，光散射往往也增多。最好将Ra设置成2nm或更大，以便将光反射率限制到10％或更少。表面粗糙度Ra是按照JIS B0601测量的值。由于使用的光波长是在1550nm范围内的长波长，规定表面不平度可以有效地降低光反射率以及规定表面粗糙度Ra。最好，按照JIS B0601从包络不平度曲线中获取粗糙度图案的平均长度AR，以及AR是所使用波长的1/2或更小。缩短相对于所使用波长的平均不平度长度保证了光散射效果的提高。
可以通过利用GRIN透镜和光电二极管所在的圆孔的中心轴相互偏移的套筒，通过黑色不透明材料来制成整个套筒或套筒的内壁，在套筒中规定中间壁的位置和角度，以及降低中间壁和内壁的壁面的光反射率，来提供具有30 dB或更高的高方向特性的单向光功率监视器。
图1是本发明的单向光功率监视器的剖视图；图2是示出本发明的例2中的中间壁的位置与方向特性之间的关系的图形；图3A和3B是本发明的例3中的具有不同中间壁角度的单向光功率监视器的剖视图；图4是示出本发明的例3中的中间壁的角度与方向特性之间的关系的图形；图5是本发明的例5中的具有黑色膜的单向光功率监视器的剖视图；以及图6是传统单向光功率监视器的剖视图。
具体实施例方式
现在参照附图来详细描述本发明的实施例。为了便于描述，相同的部件或部分用相同的标号来表示。
例1图1是本发明的单向光功率监视器的剖视图。通过将光纤3和光纤4模压在玻璃包头2′中而形成尾光纤2，两条光纤的轴线之间相隔0.25mm。尾光纤2的外径是1.8mm。使用外径为1.8mm、折射率为1.590以及折射率梯度常数为0.326的GRIN透镜7。在GRIN透镜端面上提供的引出膜8是通过周期层叠SiO2和TiO2并将代表光反射率的引出率设置为1％的介电多层膜。带透镜的光电二极管10插在套筒9中的部分的直径被设置成1.8mm以及底座部分10′的直径被设置成2.1mm。在底座部分10′上提供有电极引线11。作为带透镜的光电二极管10的光电转换元件(未示出)，使用在1550nm附近的光通信波段中具有高灵敏度的InGaAs。GRIN透镜7和带透镜的光电二极管10相互偏移中心轴地固定在其中的套筒9由黑色陶瓷材料的氧化铝制成。在其中插入并固定GRIN透镜7的孔作为在套筒9中提供的第一圆孔21，以及在其中插入并固定带透镜的光电二极管10的孔作为在套筒9中提供的第二圆孔22，通过利用金刚石端铣刀在氧化铝柱中加工出直径为1.9mm的所述孔。第一圆孔21和第二圆孔22通过通孔27连接，并在它们之间形成中间壁26。第一圆孔21的中心轴和第二圆孔22的中心轴偏移0.9mm。中间壁26和第一圆孔21的内壁的壁面的粗糙度Ra被设置成大约25nm，以及不平度的平均长度AR被设置成大约640nm。内径为2.0mm和外径为2.8mm的不透光黑色玻璃被用作固定尾光纤2和GRIN透镜7的圆柱管6。除非另有说明，按照这些说明的部件或构件也可以用在其它例子中。
下面描述用在本例中的这些部件的组装。相互面对的尾光纤2和GRIN透镜7的每个端面相对于其直径截面具有8°的斜角。通过形成相互面对的表面，使得相互面对的表面具有8°的斜角，可以限制尾光纤2和GRIN透镜7的端面处的光反射的影响。在将GRIN透镜7和尾光纤2插入圆柱管6中之后，通过在从一条光纤(输入光纤)3引入光线并用万用光表监视从另一条光纤(输出光纤)4出射的光线，以便设置使得从输出光纤4出射的光线的强度最大的最佳间隙5的同时，通过使用环氧树脂来粘合，将尾光纤2和GRIN透镜7固定在圆柱管6中。通过在100℃上加热45分钟来固定环氧树脂。将GRIN透镜7的引出膜8侧和带透镜的光电二极管10插入总长度为14.0mm的套筒9的相对端23和24的孔中，相对于每端深度为2mm，并通过使用环氧树脂粘合来固定它们。在100℃上加热45分钟来固定环氧树脂。引出膜8与带透镜的光电二极管10的透镜顶点12之间的距离L被设置成10.0mm。形成衰减和反射从输出光纤4进入并通过GRIN透镜7的引出膜8传送的光线的中间壁26，使得它与引出膜8距离7.0mm。中间壁26被设置成相对于第一圆孔21的内壁25大约90°。引出膜8与中间壁26之间的距离对应于0.70L。
按照本例制造150个单向光功率监视器1并评估它们的电特性。如下所示的测量结果是150个物品的平均值。通过输入光纤3输入波长为1550nm和光强为0dBm的光线来进行测量。代表光连接程度的插入损耗是0.31dB，以及作为代表电输出的特性测量的响应度A是9.8mA/W。通过输出光纤4输入波长为1550nm和光强为0dBm的光线时的插入损耗和响应度B分别是0.31dB和7.3μA/W。可以确信，达到了最小30.8dB和平均31.3dB的良好方向特性。
例2通过改变中间壁26的位置，可以获得方向特性相对于中间壁26与引出膜之间的距离的关系。图2示出了方向特性相对于中间壁与引出膜之间的距离的关系。通过用金刚石端铣刀来改变第一圆孔21和第二圆孔22相对于铝圆柱的第一端23和第二端24的深度，可以制成具有不同中间壁部分的套筒9。中间壁相对于引出膜的位置以0.05L为步长从0.4L改变到0.8L。组装并测试具有不同距离的5个单向功率监视器。在图2中，画出了5个单向功率监视器的方向特性中的最低方向特性。实验表明，通过将中间壁的位置设置在0.55L到0.8L的范围内，可以获得方向特性为30dB或更高的性能良好的单向功率监视器。
例3下面描述改变中间壁26角度时的测量结果。图4是示出中间壁的角度与方向特性之间的关系的图形。图3A示出了中间壁的角度是45°的单向功率监视器的剖视图。图3B示出了中间壁的角度是135°的单向功率监视器的剖视图。当中间壁与第一圆孔的内壁成锐角时，中间壁伸向GRIN透镜侧。当中间壁与第一圆孔的内壁成钝角时，中间壁朝向光电二极管展开。第二圆孔以与例1和2相同的方式来提供。制造中间壁角度从30°到160°不等的8个套筒9。利用这些套筒，针对每个中间壁角度组装和测试5个单向功率监视器1。在图4中，画出了针对每个角度的5个单向功率监视器1的方向特性中的最低方向特性。当角度大于135°时，方向特性低于30dB。可以认为，虽然当角度小于135°时，被中间壁反射的光线朝着GRIN透镜方向返回，但当角度大于135°时，反射光朝着光电二极管方向行进，损坏了方向特性。
甚至可以制造出具有30°的小角度套筒。但是，在中间壁的极端上看到许多碎片。还进行了角度小于30°套筒的试探性制造，但频繁地发生碎裂，因此，不可能在试探性制造方面取向进一步的进展。根据这个事实，可以确信，中间壁的角度最好在45°到135°的范围内。
例4下面描述通过改变套筒的材料而进行的试探性制造的结果。用于套筒的材料是在表1中显示为样本M1到M7的陶瓷、显示为样本M8到M11的玻璃和显示为样本M12的石墨。显示为样本M12的石墨不属于陶瓷组和玻璃组的每一个，但被认为具有最高的光吸收度。作为石墨，可以使用黑色玻璃形式的不透气碳材料。样本M1到M12每一种的颜色是黑色或与黑色接近的深灰色。除了套筒材料以外，按照与例1相同的说明来制造套筒，并利用这些套筒来组装单向光功率监视器。表1是针对用于套筒的材料块在155nm的波长上测量的光反射率、响应度A、响应度B、方向特性和暗电流。作为当光线从输入光纤进入时光电二极管的接收结果示出了响应度A，而作为当光线从输出光纤进入时光电二极管的接收结果示出了响应度B。方向特性是10·log(响应度A/响应度B)(dB)。作为测试的5个单向功率监视器的平均值，示出了响应度、方向特性和暗电流。暗电流是当两条光纤的每一条都未供应光输入时，来自光电二极管的输出电流。光电二极管器件的固有暗电流是0.04到0.1nA。测量的暗电流值高于0.1nA意味着外部光线穿过套筒进入单向功率监视器。也就是说，外部光未被完全阻挡掉以及外部光以噪声的形式出现。与样本M1到M12相对应的单向功率监视器的暗电流是0.048到0.081nA，每一个都小于0.1nA。可以确信，外部光被完全阻挡掉了。
表1
在样本M1到M12之间获得了平均31.5dB的方向特性值。甚至对于每种材料5个单向功率监视器的方向特性中的最低方向特性也不低于30dB。由套筒材料的类型引起的差异表现得不明显，但与由材料M1到M7制成的陶瓷套筒有关的方向特性比与由材料M8到M11制成的玻璃套筒有关的方向特性高0.5到1.0dB。这种差异被认为是由中间壁和内壁的壁面的表面粗糙度不同引起的。玻璃套筒的表面粗糙度Ra大约是3nm。高硬度和难以加工的陶瓷材料的表面粗糙度Ra较高，大约是50nm。此外，在陶瓷材料中存在孔隙，虽然孔隙的百分比为大约百分之几。由于存在孔隙，可能便漫反射增加。具有陶瓷套筒的监视器的响应度B一般低于具有玻璃套筒的监视器的响应度。因此，可以认为，由于较高的表面粗糙度和孔隙，提高了方向特性。玻璃套筒和陶瓷套筒每一种的壁面不平度大约是500到900nm。但是，在由基于氧化钛的玻璃材料M11制成的两个玻璃套筒中观察到大约1500nm的不平度和大约1800nm的不平度。利用这些样本的监视器的响应度B较高，是10.8和12.3μA/W。利用其它三种样本的监视器的响应度B较低。利用这些样本的监视器的平均响应度B是9.1μA/W，与利用其它玻璃套筒样本的监视器的响应度B的差异不大。检查样本M1到M10中光接收灵敏度B低于表1所示的平均值的样本的不平度，发现是800到900nm。这个不平度大于使用的光的波长1550nm的半波长775nm。据此可以认为，壁面不平度的优选范围等于或小于使用的光的波长的1/2。使用石墨的监视器具有低的响应度B和高于32dB的方向特性，即，这些样品当中的最佳特性。
例5图5示出了通过使用透明玻璃作为套筒9′，并至少在面向GRIN透镜端面的中间壁以及第一和第二圆孔21和22的内壁上形成具有低的光反射率的膜30来制成的单向功率监视器1′的剖面图。表2示出了用作具有低的光反射率的膜的材料。通过利用溅射装置来形成陶瓷和玻璃材料的膜。通过利用沉积装置来形成碳膜。用分光光度计来测量在玻璃板上形成的材料膜的透光比，以确定透光比是0.01％或更小的膜厚度。以这种方式来限定的陶瓷材料的膜厚度大约是1μm，而玻璃和石墨的膜厚度大约是3到5μm。通过在第一和第二圆孔21和22的内壁和套筒9′的中间壁上形成确定为样本例子的厚度的膜30，并通过利用套筒来组装单向功率监视器9′的样品。也对这些样本测量光反射率。表2集中示出了与膜材料有关的光反射率、响应度A、响应度B、方向特性和暗电流。响应度、方向特性和暗电流是针对每种膜材料测试的5个单向功率监视器的平均值。针对样本N1到N12测量的单向功率监视器的暗电流是0.050到0.082nA，都小于0.1nA。因此，可以确信，外部光被完全阻挡掉了。
表2
从样本N1到N12的每一种可以获得高于30dB的方向特性。基本上没有观察到因材料之间的差异而引起的差异。但是，与针对同一种材料的例4中的大块材料相比，响应B和光反射率一般变差了。这被认为是因为与例4中通过在大块材料上进行金刚石端铣而形成的表面相对应的例5中的表面是通过在柱状玻璃上进行金刚石端铣并在加工好的玻璃上形成膜来形成的，所以降低了表面粗糙度，使光反射率提高，因此，使响应度B提高。
虽然在例5中将溅射装置和沉积装置用于膜形成，但可替代地，也可以使用通过在树脂中揉合材料N1到N12的粉末并应用揉合混合物而形成的膜。但是，由于第一和第二圆孔的直径大约为2mm以及这些孔的深度是5到8mm，在技术上难以在中间壁和内壁上形成膜。为了使膜易于形成，可以使用将套筒分割成两半并在形成膜之后将分割的两半合在一起来形成圆筒的方法。
权利要求
1.一种单向光功率监视器，包括尾光纤，具有排列成相互平行地相隔很小距离的两条光纤，所述光纤的开口端在尾光纤端面上在尾光纤端面的中心附近；柱状GRIN透镜，具有相互面对的两个端面和在两个端面的一个端面上的引出膜；圆柱管，尾光纤和柱状GRIN透镜固定在其中，使得尾光纤的端面面向GRIN透镜的另一个端面，其间相隔预定间隙，并使得柱状GRIN透镜具有引出膜的那一端从柱状管的一端伸出；具有第一和第二端的套筒，其中，所述套筒具有从第一端延伸到第一端和第二端之间的中点附近的第一圆孔和从第二端延伸到所述中点附近的第二圆孔，第二圆孔的中心轴与第一圆孔的中心轴不同心，第一圆孔在所述中点附近具有与第二圆孔和中间壁连接的通孔，和柱状GRIN透镜具有引出膜的末端插入并固定在第一圆孔中；和光电二极管，位于第二圆孔中套筒的第二端并具有面向通孔的透镜，其中，所述套筒的中间壁与柱状GRIN透镜的引出膜相距0.55L-0.8L，其中，L表示柱状GRIN透镜的引出膜与光电二极管的透镜顶端之间的距离，和其中，柱状GRIN透镜被安排在套筒的第一圆孔中，使得从两条光纤之一进入并穿过引出膜的光信号通过一和第二圆孔到达所述光电二极管，而从两条光纤的另一条进入并穿过引出膜的光信号的光路被所述中间壁阻挡。
2.根据权利要求1所述的单向光功率监视器，其中，位于所述套筒中的中间壁相对于第一圆孔内壁的角度是45°或更大以及135°或更小。
3.根据权利要求1所述的单向光功率监视器，其中，所述套筒对于波长范围从800nm到1650nm的光是不透明的，以及至少面向柱状GRIN透镜的引出膜的中间壁以及第一和第二圆孔的内壁的壁面具有10％或更小的光反射率。
4.根据权利要求1所述的单向光功率监视器，其中，所述套筒由黑色陶瓷、石墨或黑色玻璃制成。
5.根据权利要求1所述的单向光功率监视器，其中，所述套筒由相对于可见光透明的材料制成，以及至少在面向柱状GRIN透镜的引出膜的中间壁以及第一和第二圆孔的内壁的壁面上，提供相对于波长范围从800nm到1650nm的光，光反射率为10％或更小的黑色膜。
6.根据权利要求5所述的单向光功率监视器，其中，所述黑色膜由碳、黑色陶瓷或黑色玻璃制成。
7.根据权利要求3所述的单向光功率监视器，其中，至少面向柱状GRIN透镜的引出膜的中间壁以及第一和第二圆孔的内壁的壁面具有2nm或更大的表面粗糙度Ra，以及在粗糙度图案的平均长度AR中具有所使用的光波长的一半或更小的不平度。
全文摘要
本发明提供了方向特性为30dB或更高的小型高性能单向光功率监视器。使用插入并固定GRIN透镜和光电二极管的圆孔的中心轴相互不同心的套筒。整个套筒或内壁由黑色不透光材料制成。套筒中中间壁的位置与GRIN透镜的引出膜相距0.55L到0.8L。L是引出膜与光电二极管的透镜极端之间的距离。最好，中间壁的角度在45°到135°的范围内，中间壁和内壁的壁面的光反射率是10％或更小，表面粗糙度是2nm或更高，以及不平度是所使用的光的波长的1/2或更小。
文档编号G02B6/42GK101017230SQ20071000678
公开日2007年8月15日 申请日期2007年2月6日 优先权日2006年2月6日
发明者铃木胜, 青雅裕 申请人:日立金属株式会社