专利名称：光功率监视器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于测量光纤中的光的强度或能量的光功率(power)监视器。
背景技术：
随着因特网的迅速普及，光纤通信市场在技术和规模上都得到了显著的发展，并且光通信网络目前仍处于增长之中。随着作为大容量通信装置中的一种的波长多路复用通信系统的使用的增加，出现了对于每个系统操作几十到几百个波长的需要。在操作波长多路复用通信系统的过程中，存在对于测量和监视不同波长的光的能量中的每一种的需要。出于此目的，光功率监视器被使用。在波长多路复用通信系统中使用多个光功率监视器。因此，存在减小光功率监视器的尺寸并降低其价格的需求。
在目前最常使用的光功率监视器中，来自光纤的光信号被光电二极管接收以被取作电信号。
在图5A所示的光功率监视器中，使用这样组装的尾纤32(pigtailfiber)，即，沿柱状细管(capillary)34的中心轴将光纤35插入在柱状细管34中形成的通孔中使得柱状细管34的中心轴和光纤35的中心轴相互一致。尾纤32和具有透镜的光电二极管3被相互共轴固定在圆筒(cylindrical)管6中，使得尾纤32的光发射侧端面37和设置在光电二极管3上的透镜通过在其间设定的一定间隔相互对置。如图中的箭头所示，从光纤35的开放端面发射到光纤开放端面和设置在光电二极管3上的透镜之间的空间中的光信号通过设置在光电二极管3上的透镜的顶点(vertex)8进入光接收部分9，以被转换成电信号。在该光功率监视器中，光纤35的开放端面与光纤35的中心轴垂直。因此，光信号的一部分被光纤35的开放端面反射，以沿反向在光纤中传播，并干扰向前传播的光信号，由此导致反射损失。
为了减少反射损失，已实施了这样一种方法，即，如日本专利公开公报No.2001-13362或PCT申请的公开的日本译本No.10-511476所述，尾纤的光发射侧端面从尾纤的中心轴倾斜一定的角度(例如，约4～10度)，以相对于中心轴具有该角度。图5B在断面图中示出尾纤的光发射侧端面47被设为与尾纤的中心轴具有一定角度的光功率监视器。通过将光纤的开放端面设定为与光纤的中心轴具有一定角度，可以减少光信号的反射损失。但是，在光纤开放端面相对于中心轴倾斜的情况下，从光纤开放端面照射到光纤开放端面和透镜之间的空间中的光信号相对于光纤的中心轴被弯曲一定角度。因此，发出的光信号通过经由从透镜顶点8偏离的位置传播进入光接收部分9。当光信号通过从透镜顶点8偏离的位置进入光接收部分9时，从光接收部分9输出的信号减少，并且光接收部分9的灵敏度的线性度也降低。如果强光照射光接收部分9的端部，那么产生反向电流，并且灵敏度进一步降低。
已提出了使用这样一种配置的方法，即，如图5C中的断面图所示，尾纤52的中心轴和光电二极管3的中心轴相互偏移，以使得从光纤开放端面照射的光能够通过经由透镜顶点8传播进入光接收部分9。以这种方式偏移中心轴需要使用内径比图5A或图5B中所示的圆筒管6大的圆筒管56。在通过在内径与尾纤和光电二极管的外径相比足够大的管56中结合而固定时对尾纤52和光电二极管3进行定位，执行起来是相当困难的。
作为可以在偏移尾纤和光电二极管的中心轴的同时容易地结合和固定尾纤和光电二极管的结构，在日本专利公开公报No.5-34370中公开了尾纤的中心轴和光学元件的位置相互偏移的尾线(pigtail)型光学模块。图6是在该文件中公开的尾线型光学模块60的断面图。尾纤67被结合和固定在大致圆筒状的套管62中，使得它们的中心轴相互对准。具有球面透镜63的光学元件68被结合和固定在大致圆筒状的保持器61中，使得它们的中心轴相互对准。套筒62的中心轴以偏心的方式被固定到保持器61的中心轴上，使得通过球面透镜63的透镜顶点69从光学元件68发出的光沿尾纤67的中心轴传播。套圈(ferrule)66(也称为细管)与光纤65共轴。
以下简要说明图6中所示的尾线型光学模块60的结构。虽然光的传播方向与图5A～5C中所示的光功率监视器中的相反，但图6中所示的尾线型光学模块60的结构与图5A～5C中所示的各光功率监视器的结构相同。从光发射元件64发出的光穿过球面透镜63并进入光纤65。光发射元件64以偏心的方式被设置在光学元件68的中心轴上，以在在光学元件68的中心轴上存在的球面透镜63的透镜顶点69上收集从光发射元件64发出的光。为了将从透镜顶点69发出的光引入光纤65中，在沿X方向偏移套筒62后，其中夹持尾纤的套筒62和保持器61被固定在最佳的相对位置上。也存在相对于光学元件68沿Z方向和沿方向调整尾纤67的需要。
图6中所示的结构保证从球面透镜63发出的光可被可靠地引向光纤65。如果这种结构被应用于光功率监视器，那么从光纤发出的光可被可靠地引向透镜顶点。图6中所示的结构与图5C中所示的光功率监视器相比，定位大大简化。但是，图6中所示的结构需要制备两种类型的套筒62，即套筒62和保持器61。这意味着难以降低尺寸和成本。并且，必须相对于保持器61沿X、Z和沿方向调整尾纤67。
发明内容
本发明的目的在于，提供具有数量更少的部件、易于组装、能够使用于实现更好的光耦合的定位便利化、并具有更小的尺寸和更低的制造成本的光功率监视器。
根据本发明的光功率监视器具有尾纤，该尾纤包含柱状细管，该柱状细管在细管的端部具有与细管的中心轴呈一定角度的光发射侧端面；和光纤，该光纤被嵌入和固定在平行于中心轴从细管的另一端延伸到光发射侧端面的通孔中，并具有与光发射侧端面上的光发射侧端面形成平面的开放端面；和具有透镜的光电二极管，该透镜被设置为与细管共轴，使得透镜通过透镜的尖端和光纤开放端面之间的预定长度的间隔面向光发射侧端面。光纤开放端面在光发射侧端面和其上具有光发射侧端面的垂线和中心轴的平面之间的交线上、沿相对于光发射侧端面的中心和透镜尖端之间的距离增加光纤开放端面和透镜尖端之间的距离的方向偏离中心轴，并且，从光纤开放端面发射到光纤开放端面和透镜尖端之间的间隔中的光信号照射透镜尖端。
优选地，在本发明的光功率监视器中，细管的光发射侧端面的垂线与中心轴的夹角为约4～10°。更优选地，光纤开放端面在光发射侧端面和其上具有光发射侧端面的垂线和中心轴的平面之间的交线上、沿相对于光发射侧端面的中心和透镜尖端之间的距离增加光纤开放端面和透镜尖端之间的距离的方向从中心轴偏移0.020～0.150mm。
在本发明的光功率监视器中，光纤开放端面与中心轴倾斜。因此，从光纤开放端面发射的光信号沿减小透镜尖端和光纤开放端面之间的距离的方向、即朝向细管中心轴的方向弯曲，以穿过透镜尖端和光纤开放端面之间的间隔传播。由于光纤开放端面在光发射侧端面和其上具有光发射侧端面的垂线和中心轴的平面之间的交线上、沿相对于光发射侧端面的中心和透镜尖端之间的距离增加光纤开放端面和透镜尖端之间的距离的方向偏离中心轴，因此，从光纤开放端面发射到光纤开放端面和透镜尖端之间的间隔的光信号照射透镜尖端并通过透镜进入光电二极管。本说明书中使用的“透镜顶点”不是物理顶点而是穿过透镜的光到达光电二极管的光接收部分中的基本为中心点的点，并被用作与“透镜顶点区域”同义的术语。
在细管中平行于细管的中心轴延伸到细管光发射侧端面的光纤偏离细管的中心轴。因此，尾纤和具有透镜的光电二极管可通过被放在圆筒管中被设为相互共轴，并且光纤开放端面可通过相对于光电二极管上的透镜尖端被偏心放置很容易地被定位。尾纤的中心轴和具有透镜的光电二极管之间的对准允许大致等于用于在圆筒管的内径和尾纤的外径之间进行配合的余量和用于在圆筒管的内径和光电二极管的外径之间进行配合的余量的间隙。
为了组装本发明的光功率监视器，制备尾纤，该尾纤包含细管，该细管在细管的端部具有与细管的中心轴呈一定角度的光发射侧端面；和光纤，该光纤被嵌入和固定在平行于中心轴从细管的另一端延伸到光发射侧端面的通孔中，并具有与光发射侧端面上的光发射侧端面形成平面的开放端面。光纤开放端面被设置在细管的光发射侧端面上的这样一种位置上，即，该位置使得光纤开放端面和光发射侧端面和其上具有光发射侧端面的垂线和中心轴的平面之间的交线与细管外形线形成锐角的顶点之间的距离大于中心线和顶点之间的距离。还制备具有透镜的光电二极管。进一步分开制备具有其中可嵌入尾纤和具有透镜的光电二极管的通孔的圆筒管。尾纤和具有透镜的光电二极管被嵌入圆筒管中，使得细管的光发射侧端面和设置在光电二极管上的透镜相互面对。在调整尾纤和光电二极管之间的距离的同时，通过光纤输入的光信号的强度被测量作为来自具有透镜的光电二极管的输出。尾纤和具有透镜的光电二极管通过在圆筒管中粘结被固定在最适合的位置上。
对于最合适的位置，例如，当从光纤输入具有1550nm的波长且通过光电二极管测量输出时，为测量装置上的指示被最大化的位置。当尾纤和具有透镜的光电二极管被设在该位置上时，来自光纤的光通过经由透镜顶点传播进入光电二极管。由于光纤开放端面从尾纤的中心轴偏移h，因此不需要沿圆筒管的径向移动光纤。由于尾纤和光电二极管的中心轴事先通过圆筒管相互对准，因此不需要通过旋转尾纤找到指示值被最大化的点。在找到尾纤的最佳位置后，圆筒管和尾纤被暂时固定或用夹具(jig)固定在圆筒管中。在该操作后，光的输入被停止并且测量装置被去除。然后，粘结剂被施加并达到热硬状态。诸如用遮光热可收缩管遮盖的遮光处理被执行以完成光功率监视器。
因此，仅仅通过将这些部件嵌入、粘结和固定在圆筒管的内径部分内，就可以容易地使尾纤和具有透镜的光电二极管的中心轴相互对准。光纤的中心轴也可以以这种方式容易地偏离细管的中心轴。因此，组装光功率监视器的设施得到改进。
如果柱状细管的光发射侧端面即光纤开放端面与中心轴形成角度θ，并且如果从光纤开放端面照射的光信号相对于中心轴被弯曲角度θ2，那么在光纤的折射率n以及角度θ和θ2之间建立以下示出的等式。
n＝sin(θ+θ2)/sin(θ)如果由光纤开放端面和中心轴形成的角度θ为约4～10度，那么可以防止端面上的光反射。从上式可以看出，由光信号和中心轴形成的角度θ2一般具有由θ/1.45表示的关系。如果角度θ减小，那么通过其光信号弯曲的角度θ2也减小。
设光纤开放端面和设置在光电二极管上的透镜的尖端之间的距离为L(mm)。作为用从光纤开放端面照射的光信号照射设置在光电二极管上的透镜的尖端的条件，必须满足从中心轴、从光纤开放端面的偏移h(mm)的下式(柱状细管和设置在光电二极管上的透镜相互共轴)h＝L·tan{sin-1(n·sinθ)·θ}从该式可以理解，当光纤开放端面和中心轴形成的角度θ在约4～10度的范围内增加时，必须增加偏移h。如果在4～10度的范围内偏移h被设为0.020～0.150mm的值，那么光纤开放端面和设置在光电二极管上的透镜的尖端之间的距离L可减小为1.00mm或更小。
偏移h的下限0.020mm对于用于在圆筒管的内径和尾纤的外径之间进行配合的上述间隙的吸收是必须的。偏移h的上限0.150mm是减小尺寸必须的。并且，防止在用于用遮光热可收缩管覆盖光监视器的外表面的操作中损坏光纤要求将偏移h设为比上限值小的值。如果偏移h增大，那么热可收缩管在覆盖光功率监视器时不能均匀收缩。在这种情况下，存在光纤破裂的危险。
优选地，用于圆筒管、柱状细管和粘接的树脂是遮光材料。如果圆筒管由透光材料制成，那么光通过圆筒管进入光电二极管中产生噪声。优选地，在热膨胀系数和可加工性方面考虑圆筒管和柱状细管之间的关系，圆筒管由陶瓷或玻璃形成。并且，优选由陶瓷或玻璃形成柱状细管。光电二极管的外套材料一般由金属构成，因此，外套材料不存在遮光问题。即使在圆筒管和柱状细管由遮光材料制成的情况下，如果用于粘接这些部件的树脂是透光性的，那么也存在光进入这些部件中的可能性。因此，优选使用具有低透光率的树脂。在使用透光性圆筒管或柱状细管的情况下，可以通过用遮光热可收缩管覆盖圆筒管、柱状细管和光电二极管并通过使热可收缩管收缩，有效执行对外部光的阻挡。可以施加具有遮光效果的涂层等以代替热可收缩管。
可以在光纤和柱状细管的倾斜的端面上形成光抗反射膜，以进一步减少反射损失。作为光抗反射膜，可以使用通过真空沉积交替层叠诸如氧化硅(SiO2)或氧化钽(Ta2O5)的低折射率材料的薄膜和诸如氧化钛(TiO2)的高折射率材料的薄膜形成的介质多层膜。反射损失可以从被端面反射和返回的入射光P1的能量和光P2的能量获得。反射损失由-10log10P1/P2(dB)计算。在光纤和细管端面的斜角为8度的情况下，不设置光抗反射膜时的反射损失为-70dB，而设置光抗反射膜时的反射损失为-80dB或更低。由此，设置光抗反射膜保证反射损失减小10dB或更多。
也可以使用具有用于双向光功率监视器中的两个光纤的尾纤。设置在斜面中的两个光纤中的接近具有透镜的光电二极管的光纤通过在与斜面相对的细管端面中被切割被使用。必须执行用于防止外部光通过光纤切割面进入的遮光处理。但是，启用在双向光纤中使用的尾纤具有减少整个光通信装置中的部件的种类数量的效果。并且，可以在本发明的光功率监视器中使用具有在双向光监视器的制造中破坏的切割侧光纤的尾纤。这可有助于减少制造成本。
使用光纤的中心轴偏离细管的中心轴的尾纤保证尾纤和光电二极管可仅由一种类型的圆筒管保持。虽然只使用一种类型的圆筒管，但只沿纵向执行尾纤和光电二极管的光轴调整。由此，与通过径向移动、纵向移动和关于中心轴的旋转进行调整的常规的光功率监视器相比，调整过程被有利地简化。制造步骤的数量由此减少以使得能够提供低价的光功率监视器。
图1是根据本发明的第一实施例的光功率监视器的断面图；图2是在本发明的光功率监视器中使用的尾纤的透视图；图3A～3C是用于解释组装本发明的光功率监视器的过程的示图；图4是本发明的另一光功率监视器的断面图；图5A～5C是常规的光功率监视器的断面图；图6是常规的尾线型光学模块的断面图；图7是常规的双向光功率监视器的断面图。
具体实施例方式
以下参照附图关于本发明的实施例详细说明本发明。为了便于说明，相同的部件或部分由相同的附图标记表示。
(例子1)以下将进行本发明的实施例的详细说明，包含根据本发明的光功率监视器的结构的说明和光功率监视器的组装方法的说明。图1是根据本发明的第一实施例的光功率监视器的结构的断面图。图2是尾纤的透视图。图3A～3C表示光功率监视器的组装过程。
参照图1，根据本发明的光功率监视器1具有尾纤2和具有设置在圆筒管6中的通孔中的透镜的光电二极管3，使得柱状细管4的光发射侧端面7与设置在光电二极管3上的透镜通过预定长度的间隔对置。尾纤2由柱状细管4和光纤5形成。参照图2中所示的尾纤2的透视图，柱状细管4的一端的光发射侧端面7相对于柱状细管4的中心轴4a具有角度θ。即，光发射侧端面7的垂线7p相对于柱状细管4的中心轴4a具有角度θ。角度θ为约9度。在柱状细管4中，具有与柱状细管4的中心轴4a相隔距离h的中心轴的通孔平行于中心轴4a延伸到光发射侧端面7，并且光纤5被嵌入和固定在通孔内。柱状细管4的光发射侧端面7和光纤5的开放端面被加工为相互齐平。因此，光纤5的开放端面与柱状细管4的垂直断面具有倾角θ。由于端面的垂线7p与柱状细管的中心轴4a和光纤中心轴5a具有相同的角度θ，因此，在本发明的说明中，必要时端面的角度由端面的垂线7p和这些中心轴之间的角度表示。光纤开放端面在光发射侧端面7和其上具有光发射侧端面7的垂线7p和中心轴4a的面之间的交线7c上、沿相对于光发射侧端面7和透镜尖端8之间的距离增加光纤开放端面和透镜尖端8之间的距离的方向、即如图1和图2所示沿向上的方向、从中心轴4a偏移h。光纤的中心轴5a被定位在沿增加端面7和相互对置的光电二极管之间的距离的方向偏移的斜面上的位置上。参照图2，交线7c与柱状细管4上的下面的外形线4s形成锐角。从而，可以说，光纤开放端面被设置在沿相对于顶点和柱状细管中心轴4a之间的距离增加与锐角对应的顶点和光纤中心轴5a之间的距离的方向偏移h的位置上。
在本实施例中，光纤中心轴5a从柱状细管中心轴4a的偏移h为0.0625mm。柱状细管4由透光玻璃制成。柱状细管4具有1.80mm的外径和5.3mm的长度。从光纤开放端面发出的光相对于光纤中心轴5a以θ2的角度(约6.2度)被发射。光纤端面和设置在光电二极管3上的透镜的顶点8之间的距离为0.58mm。透镜顶点8和具有透镜的光电二极管3的光接收部分9之间的距离为1.4mm，并且光接收部分9的直径为0.3mm。具有3.5mm的外径、1.83mm的内径和7.0mm的长度的圆筒管6由白色氧化锆陶瓷制成。光电二极管的外径为1.78mm。尾纤2和具有透镜的光电二极管3分别通过环氧树脂11和12粘结在圆筒管内表面上。
将参照图3A～3C说明光功率监视器1的组装过程。参照图3A，具有透镜的光电二极管3被嵌入圆筒管6的内孔中，并通过与环氧树脂粘结剂12的粘接被固定在其中。由于圆筒管6的内径为1.83mm而具有透镜的光电二极管的外径为1.78mm，因此，在其间存在0.05mm的间隙。因此，在圆筒管的中心轴和光电二极管的中心轴之间的偏移量最大为0.025mm。但是，该值与光接收部分的直径0.3mm相比足够小。因此，间隙大致为上述值没有问题。如图3B所示，用于测量从具有透镜的光电二极管3输出的电流的测量装置13与光电二极管的输出端子15连接。尾纤2然后通过圆筒管6的开放端被嵌入，并且，具有1550nm的波长的输入光14被输入光纤5中。由于圆筒管的内径1.83mm和尾纤2的外径1.80mm导致在圆筒管6和尾纤2之间存在0.03mm的间隙，因此尾纤可沿纵向(箭头方向)在圆筒管内自由移动、同时防止沿圆筒管的径向移动任意较大(substantial)的量。尾纤2沿箭头方向移动，并且尾纤在圆筒管中被暂时固定在测量装置13上的指示被最大化的位置上。输入光14和测量装置13被去除，并且尾纤和圆筒管通过与环氧树脂粘合剂11的粘合被固定，由此获得光功率监视器1(参见图3C)。虽然对不同步骤中的粘合剂11和12的施加和设置进行了说明，但是，可以通过在圆筒管中暂时固定具有透镜的光电二极管3，与图3C中所示的步骤同时执行参照图3A说明的施加和设置粘合剂12的步骤。可以执行固定图3中未示出的遮光热可收缩管的步骤，以覆盖具有透镜的光电二极管、圆筒管和尾纤。
在图5C中所示的使用大直径圆筒管的常规的光功率监视器中，需要沿圆筒管的径向和纵向在圆筒管中移动尾纤，并需要通过关于中心轴的旋转获得尾纤的最佳位置。相反，在本发明的光功率监视器中，可以只通过沿纵向定位确定最佳位置，使得执行用于获得最佳位置的操作所花费的时间可减少为在常规技术中执行相应的操作所花费的时间的约1/10。
(例子2)图4是根据本发明的第二实施例的光功率监视器1′的断面图。在本实施例中，使用具有用于图7中所示的双向光功率监视器70中的两个光纤的尾纤22′。双向光功率监视器70的结构在于使得具有叩击膜(tap film)的GRIN透镜71被设置在根据本发明的第一实施例的上述光功率监视器中的尾纤和具有透镜的光电二极管之间。通过两个光纤25和25′中的一个光纤25进入光功率监视器的光在GRIN透镜71的叩击膜72上被分成反射光(由双点划线表示)和透射光(由虚线表示)。透射光进入光电二极管3，以变为电信号，而反射光返回GRIN透镜71并进入另一光纤25′以变为来自光纤25′的输出光。相反，从通过另一光纤25′进入光功率监视器的光获得的反射光变为来自光纤25的输出光，而透射光进入光电二极管3以变为电信号。虽然双向光功率监视器70取出光纤中的光的一部分并测量取出的光的能量，但本发明的光功率监视器取出光纤中的光的全部并测量取出的光的能量。
如图4所示，两个光纤25和25′之间的距离h′为0.25mm。与细管24的中心轴和使用的光纤25的中心轴之间的距离对应的偏移h为0.125mm，约为第一实施例中的两倍。尾纤22的端面27的倾角θ为8度。由于来自光纤25的光的出射角θ2≈5.5°，因此尾纤端面和透镜顶点8之间的距离为约1.3mm。相对于第一实施例，尾纤被定位为向外突出约0.7mm。但是，在具有热可收缩管遮盖物的最终产品中，这种约0.7mm的差异不是特别明显。
在在本发明的光功率监视器中使用的尾纤22中使用在双向光功率监视器70中使用的尾纤22′的情况下，添加对不使用的光纤25′端子进行遮光处理的处理步骤，但带来以下说明的优点。可用作双向光功率监视器和本发明的光功率监视器中的尾纤的共用部件可被设计，以减少要购买的部件的种类的数量。并且，由于购买的相同部件的数量增加，因此购买价格可降低。一般而言，需要丢弃具有在双向光功率监视器70的制造过程中受损的光纤的物品。但这种物品可被用于本发明的光功率监视器中。
权利要求
1.一种光功率监视器，包括尾纤，该尾纤包含柱状细管，该柱状细管在细管的端部具有与细管的中心轴呈一定角度的光发射侧端面；和光纤，该光纤被嵌入和固定在与中心轴平行并从细管的另一端延伸到光发射侧端面的通孔中，并具有与光发射侧端面上的光发射侧端面形成平面的开放端面；和具有透镜的光电二极管，该透镜被设置为与细管共轴，并且在透镜的尖端和光纤开放端面之间存在预定长度的间隔，其中，光纤开放端面在具有垂直于光发射侧端面的直线和平面上的中心轴的平面与光发射侧端面相交的直线上、沿从光纤开放端面到透镜尖端的距离变得比从光发射侧端面的中心到透镜尖端的距离大的方向偏离中心轴，使得从光纤开放端面发射到光纤开放端面和透镜尖端之间的间隔中的光信号照射透镜尖端。
2.如权利要求1所述的光功率监视器，其中，与细管的光发射侧端面垂直的直线与中心轴的夹角为约4～10°。
3.如权利要求2所述的光功率监视器，其中，光纤开放端面在具有垂直于光发射侧端面的直线和平面上的中心轴的平面与光发射侧端面相交的直线上、沿从光纤开放端面到透镜尖端的距离变得比从光发射侧端面的中心到透镜尖端的距离大的方向从中心轴偏移0.020～0.150mm。
全文摘要
提供具有数量更少的部件、易于组装、能够使用于实现更好的光耦合的定位便利化、并具有更小的尺寸和更低的制造成本的光功率监视器。使用光纤的中心轴从柱状细管的中心轴偏移0.020～0.150mm的尾纤。尾纤和光电二极管被设置在柱状管中，使得尾纤中心轴和光电二极管中心轴相互对准。尾纤和光电二极管可通过纵向调整被调整到柱状管中的最佳位置，由此，与通过径向移动、纵向移动和关于中心轴的旋转进行调整的常规光功率监视器相比，有利地简化了调整过程。
文档编号G01J1/04GK101025375SQ20071007896
公开日2007年8月29日 申请日期2007年2月16日 优先权日2006年2月21日
发明者铃木胜, 内田芳昭, 古市真治 申请人:日立金属株式会社