CN102597828A - 包括提供核心及覆层折射率匹配的折射率匹配弹性固体层的可重复光学波导互连及相关方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可重复光学波导互连，其可包括具有相应第一及第二端面(33、34)的第一及第二光学波导。所述第一及第二光学波导中的每一者可包括具有核心折射率(n1)的核心(35、36)及围绕所述核心且具有与所述核心折射率不同的覆层折射率(n2)的覆层(37、38)。所述互连(30)可进一步包括第一折射率匹配弹性固体层(40)，其具有耦合到所述第一端面(33)的近端面(41)及与所述近端面相对以便可重复地以光学方式耦合到所述第二端面(34)的远端面(42)。所述第一折射率匹配弹性固体层(40)可具有与所述核心(35)及所述覆层(37、38)的折射率匹配的折射率分布曲线。

Description

包括提供核心及覆层折射率匹配的折射率匹配弹性固体层的可重复光学波导互连及相关方法
技术领域
本发明涉及光学波导及光纤领域，且更明确地说，涉及光纤连接器、波导装置及相关方法。
背景技术
光纤通常在电信中用于短距离及长距离传送数据信号。与其它通信媒体(例如金属线)相比，光纤的优点在于信号以较低损耗沿其行进，且信号还较少受到电磁干扰。光纤还具有极高带宽(即，数据速率)。光纤还可用于照明，且可包裹成束状并用以载运图像，例如在光纤相机中。光纤还可用于其它应用中，例如传感器及激光。
然而，光纤的一个缺点在于与导线导体相比其较难耦合在一起，原因在于连接点处的不连续可导致光反射及光损耗，从而显著降低信号质量。一种接合光纤的方法是使用机械熔接机，其将两个光纤末端对准且熔合在一起。虽然此方法在光纤之间提供损耗极低的连接，但熔合耦合器通常极为昂贵，且因此对于许多实施方案来说并不实用。熔接机形成永久性连接且较不适用于临时拼接或将要成为临时或动态的其它连接。
一些光学界面中所使用的另一种方法是应用折射率匹配的材料，例如液体或凝胶。虽然此类材料一般可经调配以与光学介质的折射率匹配，但可能因折射率匹配的材料的迁移及非所要区域中的污染而出现问题。此外，此类材料有吸引尘埃的倾向，且一旦受污染，通常难以清洁。
吉莉安(Gilliand)等人的第5,778,127号美国专利揭示一种光学收发器设备，其具有外壳，所述外壳包括与透镜对准的二极管封装且具有注入其间的光学填料组合物。光学填料组合物包含可用作折射率匹配元件的硅酮弹性体，作为定位及锁定构件或光学衰减器。用于光纤连接器或终端的其它示范性方法阐述于以下参考文献中：金(King)等人的第5,619,610号美国专利；奥琳(Olin)等人的第5,515,465号美国专利；小阿罗伊西奥(Aloisio，Jr.)等人的第6,501,900号美国专利；费拉斯(Filas)等人的第6,097,873号美国专利；及寇克(Corke)等人的第5,058,983号美国专利。
发明内容
因此，鉴于以上背景技术，本发明的目标是提供实现光学波导之间的成本较低且可重复的互连的系统及相关方法。
通过可重复光学波导互连提供这个及其它目标、特征及优点，所述互连可包括具有相应第一及第二端面的第一及第二光学波导。第一及第二光学波导中的每一者可包括具有核心折射率的核心及围绕所述核心且具有与核心折射率不同的覆层折射率的覆层。互连可进一步包括第一折射率匹配弹性固体层，其具有耦合到第一端面的近端面及与近端面相对以便可重复地以光学方式耦合到第二端面的远端面。所述第一折射率匹配弹性固体层可具有与核心及覆层的折射率匹配的折射率分布曲线。可重复光学波导互连因此提供一种用于将光学波导可重复地耦合在一起的相对持久且低成本的方法。
更明确地说，近端面可以化学方式结合到第一端面，且远端面具有低粘性。第一折射率匹配弹性固体层的低粘性远端面可具有在抵靠着第二端面按压时与所述第二端面界定没有气穴的湿润界面的表面性质。此外，互连可进一步包括第二折射率匹配弹性固体层，所述第二折射率匹配弹性固体层具有以化学方式结合到第二端面的近端面，及与近端面相对以便可重复地以光学方式及以机械方式耦合到第一折射率匹配弹性固体层的低粘性远端面的低粘性远端面。
举例来说，第一折射率匹配弹性固体层可包含丙烯酸酯聚合物。第一端面可与第一光学波导的轴线的垂直线成倾斜角度，且第一折射率匹配弹性固体层可具有均匀厚度且与所述倾斜角度匹配。同时，第一折射率匹配弹性固体层可包含具有在所需工作波长下与核心匹配的第一折射率的中心区及围绕所述核心且具有在所需工作波长下与覆层匹配的第二折射率的区。
明确地说，第一折射率匹配弹性固体层还可包含具有在所需工作波长下与核心匹配的第一梯度折射率的中心区及围绕所述核心且具有在所需工作波长下与覆层匹配的第二折射率的区。在一些实施例中，第一光学波导的核心可大于第二光学波导的核心。举例来说，第一及第二光学波导中的每一者可包含多模光学波导。此外，互连可进一步包括安装第一光学波导的第一套圈及安装第二光学波导的第二套圈。
还提供制造第一与第二光学波导(例如上文所简单描述的那些)之间的可重复光学波导互连的相关方法。所述方法可包括形成第一折射率匹配弹性固体层，其具有耦合到第一端面的近端面及与近端面相对以便可重复地以光学方式耦合到第二端面的远端面。第一折射率匹配弹性固体层可具有与核心及覆层的折射率匹配的折射率分布曲线。
附图说明
图1A及1B为根据本发明的可重复光纤互连的示意横截面图(分别以耦合及非耦合位置展示)，所述互连包括提供核心折射率匹配的折射率匹配弹性固体层。
图2A及2B为包括第一及第二折射率匹配弹性固体层的图1A及1B的可重复光纤互连的替代性实施例的示意横截面图。
图3及4为用于图1A及1B的互连的替代性实施例中的具有成角度末端的光纤的示意横截面图，分别以有及无对应折射率匹配弹性固体层展示。
图5A及5B为包括用于光纤的套圈座架的图1A及1B的可重复光纤互连的替代性实施例的示意横截面图。
图6为说明用于制造图1A及1B的互连的方法方面的流程图。
图7A及7B为根据本发明的可重复光纤互连的示意横截面图(分别以耦合及非耦合位置展示)，所述互连包括提供核心及覆层折射率匹配的折射率匹配弹性固体层。
图8为图7A及7B的折射率匹配弹性固体层的端视图。
图9为具有梯度折射率的图8的折射率匹配弹性固体层的替代性实施例的端视图。
图10为说明用于制造图7A及7B的互连的方法方面的流程图。
图11为说明用于制造图8的折射率匹配弹性固体层的方法的一系列示意图。
图12为用于图7A及7B的互连的替代性实施例中的具有成角度末端的光纤及对应折射率匹配弹性固体层的示意横截面图。
图13为用于图7A及7B的互连的替代性实施例中的光纤及对应套圈座架的示意横截面图。
图14为图7A及7B的互连的替代性实施例的示意横截面图，其中第一及第二光纤具有不同核心尺寸，且折射率匹配弹性固体层具有梯度核心部分以进而提供GRIN透镜互连结构。
图15A及15B为根据本发明的包括折射率匹配弹性固体层的光纤开关的示意横截面图(分别以耦合及非耦合位置展示)。
图16为说明用于制造图15A及15B的光纤开关的方法的流程图。
图17为说明用于制造图15A及15B的光纤开关的替代性实施例的方法的流程图，所述光纤开关的替代性实施例包括提供核心及覆层折射率匹配的折射率匹配弹性固体层。
图18为一系列表格，其可用以计算适用于根据本发明的互连及光纤开关中的折射率匹配弹性固体层的起始组合物。
图19为可用于形成适用于根据本发明的互连及光纤开关中的折射率匹配弹性固体层的示范性丙烯酸酯单体的一系列化学式。
图20及21为示范性光引发剂的化学式，所述光引发剂可包括于适用于根据本发明的互连及光纤开关中的折射率匹配弹性固体材料调配物中。
图22为适用于根据本发明的互连及光纤开关中的折射率匹配弹性固体核心及覆层材料的折射率的实测色散曲线图。
图23为用于产生适用于图15A及15B的光纤开关中的成角度光纤的夹具的示意图。
图24为适用于根据本发明的互连及光纤开关中的示范性折射率匹配弹性固体材料调配物的实测与预期光纤间损耗的曲线图。
图25到28为根据本发明的说明用于制造光纤装置及其折射率匹配弹性固体层的额外方法方面的流程图。
具体实施方式
现将在下文中参考附图较全面地描述本发明，在附图中展示本发明的优选实施例。然而，本发明可以许多不同形式体现且不应视为限于本文所述的实施例。而是，提供这些实施例是为了使本揭示内容将较详尽及完整，且将向所属领域的技术人员全面传达本发明的范围。相同标号始终指代相同元件，且撇号标记用以指示替代实施例中的相似元件。
最初参看图1A及1B，可重复光纤互连30说明性地包括第一及第二光纤31、32，其具有相应第一及第二端面33、34。第一及第二光纤31、32中的每一者说明性地包括具有核心折射率n1的相应核心35、36(例如，经掺杂的硅石玻璃核心)，及围绕核心且具有小于核心折射率的覆层折射率n2的相应覆层37、38(例如，塑料)。可重复光纤互连30进一步说明性地包括第一折射率匹配弹性固体层40，其具有以化学方式结合到第一端面33的近端面41，如在所说明的实施例中以点表示。如所属领域的技术人员将了解，可通过适当选择折射率匹配材料及/或对端面33进行各种类型的表面处理(例如以硅烷化合物处理)来获得化学结合。此外，第一折射率匹配弹性固体层40还说明性地包括与近端面41相对的低粘性远端面42，其可有利地如图所示可重复地以光学方式耦合到第二光纤32的第二端面34。也如所属领域的技术人员将了解，可通过适当选择折射率匹配材料(考虑其后固化性质)及/或添加表面涂层来获得低粘性远端面。如本文中所使用，“低粘性”表面允许配合的第一及第二光纤在折射率匹配材料的表面不产生永久性变形的情况下及在每单位面积上无需过多用力的情况下失去配合(de-mate)。举例来说，当第二配合对象的材料为熔融硅石时，所述力可小于10g/mm2，且更明确地说，小于1g/mm2。
第一折射率匹配弹性固体层40还有利地具有至少与核心35、36的折射率n1匹配的折射率n1。也就是说，将第一折射率匹配弹性固体层40的折射率选择为大致上与待耦合在一起的核心35、36的折射率相同。此第一折射率匹配弹性固体层40有利地提供折射率匹配液体或凝胶的光学功能，但不会有所述材料的上述缺点(例如，较不易受污染等等)。此外，通过将第一折射率匹配弹性固体层40以化学方式结合到第一端面41，所述层可进而在重复地与第二配合端面34形成临时连接的同时永久地保持在适当位置。
由于层40的折射率匹配、弹性固体性质及与第一端面33的化学结合，层40有利地提供降低的透射损耗及背反射。此外，其还无限期地保持在适当位置，且不像折射率匹配凝胶及液体一样迁移。另外，层40可较耐尘埃及污染物且可被清洁，其维持光学平滑表面，可经铸造或成形为所需形状，且其可适合于广泛范围的折射率值及弹性性质(例如，模数、柔性等)，如所属领域的技术人员将了解。举例来说，第一折射率匹配弹性固体层40可包含丙烯酸酯聚合物。因为丙烯酸酯可使用(例如)光刻加以图案化，所以其能够形成精确的层结构，所述层结构以相对较高精度成型及定位。关于可用于层40的示范性弹性调配物的更多细节将在下文中进一步论述。
在一些实施例中，低粘性远端面42可直接以机械方式可重复地耦合到第二端面。举例来说，第一折射率匹配弹性固体层的低粘性远端面可具有在抵靠着第二端面按压时与第二端面界定没有气穴的湿润界面的表面性质，进而部分地提供与第二光纤32的第二配合端面34的机械抽吸式耦合，如所属领域的技术人员将了解。
在所说明的实施例中，光纤31、32为多模光纤。也就是说，与支持单一模式或传播路径的单模光纤相反，光纤31、32可有利地支持许多传播路径或横向模式。多模光纤一般具有较大核心直径，且用于短距离通信链路及需要高功率传输的应用，例如在局部网络中或在建筑物之间。因而，由于光纤的添加或替换可在使用多模光纤的局部区域中较为普遍，所以可重复地以光学方式(且任选地，以机械方式)耦合多模光纤的能力可为重要优点。然而，所属领域的技术人员将了解，如本文中所述的折射率匹配弹性固体层还可与通常用于相对较长的通信链路的单模光纤一起使用。
现另外参看图2，可重复光纤互连30′的替代性实施例说明性地包括第二折射率匹配弹性固体层43′。第二层43′与第一层40′的相似之处在于其具有以化学方式结合到第二光纤32′的第二端面34′的近端面44′，及与近端面相对以便可重复地以光学方式及以机械方式耦合到第一折射率匹配弹性固体层40′的低粘性远端面42′的低粘性远端面45′。
如图3中所示，在一些实施例中，第一端面34″可与第一光纤31″的轴线46″的垂直线成倾斜角度。在所述实施例中，第一折射率匹配弹性固体层40″可具有均匀厚度且与所述倾斜角度匹配，如图4中所示。因而，所述互连可有利地不仅用于使用垂直光纤端面的应用中，而且用于成角度光纤端面需要可重复的光学耦合的应用中，例如在光学开关中，所述光学开关将在下文中进一步论述。
层40″经裁剪以形成光纤31″的延伸部，且符合光纤的端面的角度。由于层40″的缘故，可有利地在两个光纤31″、32″之间维持较高程度的光透射，而在无所述层的情况下，在所述光纤之间将透射极少光或不透射光。此外，层40″的弹性特性有利地使得配合面中小的不连续得以均匀填充，由此减少在界面处因反射及散射而产生的光损耗，如所属领域的技术人员将了解。
现参看图5A及5B描述可重复光纤互连30′″的又一实施例。在所说明的实例中，提供用于第一光纤的第一套圈座架50′″，连同用于第二光纤的第二套圈座架51′″。如所属领域的技术人员将了解，在光纤终端中，有时需要精密套圈来协助将两个光纤连接在一起。在图5B中展示第一光纤31′″与第二光纤32′″以光学方式耦合在一起。
现参看图6描述制造第一光纤31与第二光纤32之间的可重复光纤互连的相关方法。在框60处开始，所述方法说明性地包括在框61处形成第一折射率匹配弹性固体层40，其具有以化学方式结合到第一光纤31的第一端面33的近端面41及与所述近端面相对的低粘性远端面42。如上所述，低粘性远端面42将可重复地以光学方式耦合到第二光纤32的第二端面34，由此结束所说明的方法(框62)。
现转向图7A、7B及8，可重复光纤连接130的另一实施例说明性地包括折射率匹配弹性固体层140，其具有与核心135及覆层137的折射率匹配的折射率分布曲线。更明确地说，层140说明性地包括具有与核心135的折射率匹配的折射率n1的第一部分148，及具有与覆层149的折射率匹配的折射率n2的第二部分149。如同上述结构一样，层140以化学方式结合到光纤131。层140进而提供光导结构，即光学波导。也就是说，层140可有利地经裁剪以形成光纤131的延伸部，以供保持传播中的光学模式。此外，层140的弹性特性使得配合面131、132中小的不连续得以均匀填充，进而防止在界面处因反射及散射而产生的光损耗。模式匹配导向结构因此有利地提供减少的损耗及背反射。
还如上所述，丙烯酸酯及与氨基甲酸酯及硫醇的共聚物为用于形成层140的有利材料，因为其可提供所需光学匹配且可使用例如光刻或模制等技术以相对较高精度精确地加以图案化。此外，这些材料可有利地用以创建第一部分148的不同折射率分布曲线。更明确地说，图9中展示层140′的替代性实施例，其中与具有在所需工作波长下与核心135′匹配的径向均匀折射率的图8的第一部分148相反，第一部分148′具有梯度折射率，如所属领域的技术人员将了解。梯度部分148′可尤其适用于GRIN透镜应用中，如下文将进一步论述。
现参看图10描述制造第一光纤131与第二光纤132之间的可重复光纤互连的另一方法。在框60′处开始，所述方法说明性地包括在框61′处形成第一折射率匹配弹性固体层140，其具有以化学方式结合到第一光纤131的第一端面133的近端面141及与所述近端面相对的低粘性远端面142。如上所述，低粘性远端面142将可重复地以光学方式耦合到第二光纤132的第二端面134，由此结束所说明的方法(框62′)。
现将参看图11论述用于形成具有第一及第二部分148、149的层140的示范性方法。形成层140的第一部分148最初涉及在步骤110处在衬底109(例如硅衬底)上旋转核心调配物之后进行核心材料的图案化曝光，其可有利地用通过玻璃掩模的近接式曝光来实现。在一些实施例中，核心调配物可直接形成于光纤131的末端而非衬底109上。可采用接触式曝光，其中液体单体填充掩模与衬底109之间的区。第一部分140可接着在步骤111处经图案化及显影，随后在步骤112处注入覆层调配物。如所说明，覆层可通过使用盖板113来限于仅形成于核心的侧面上，且让覆层单体通过渗透力填充衬底与玻璃盖板113之间的空间。
如果需要梯度折射率，则核心或第一部分148可经部分固化到足以界定核心的程度，且在步骤114处，可通过将组合件浸于某一高温下(例如40到60℃，但在不同实施例中可使用其它温度)来使液体覆层调配物与核心交换单体。如所属领域的技术人员将了解，阶梯度将取决于时间、温度及图案化核心中的固化百分比。一般来说，对于梯度折射率导向结构来说，每一调配物中的单体最好包括两种或两种以上具有相对较宽间隔的折射率及不同固化速率的单体，使得具有不同折射率的单体易于扩散到核心区中及/或从核心区中扩散出，也如所属领域的技术人员将了解。
如果不使用热浸来提供梯度折射率，则可简单地使注入的覆层调配物在室温下维持足以使覆层部分149散布到核心部分148周围的时间量。可在步骤115处执行第二UV曝光，之后在步骤116处，层140可保持结合于衬底上以用于封装或处理，或在步骤117处从衬底116移除以提供待耦合到光纤131的独立式层。根据一个示范性实施方案，层140可从衬底109剥离，而仍附着于玻璃盖板113。直径为62.5微米的掩模尺寸用于一个示范性实施方案中，且此直径基本上在核心尺寸中再现。如所属领域的技术人员将了解，如果需要，则可有利地通过曝光不足或过度曝光或通过显影不足来产生直径的偏差。
图12到14中说明可使用上述方法的变化形式产生的额外配置。具有倾斜端面的光纤131′及具有均匀厚度且与倾斜端面的倾斜角度匹配的对应折射率匹配弹性固体层140′展示于图12中。类似于图5A及5B中所说明的实施例，还可提供具有套圈座架150′及折射率匹配弹性固体层140″的另一示范性实施例，所述折射率匹配弹性固体层140″具有第一(核心匹配)及第二(覆层匹配)部分148″、149″，如图13中所见。在图14中所说明的实施例中，折射率匹配弹性固体层140′包括具有梯度折射率的第一(核心)部分148′″，其中所述层位于第一光纤131′″与第二光纤132′″之间，以进而提供安装于套圈150′″上的整体式GRIN透镜，如所属领域的技术人员将了解。
现参看图15A及15B，包括折射率匹配弹性固体层240的示范性光纤开关230说明性地包括第一及第二成角度光纤201、202，其可为多模光纤或单模光纤。更明确地说，开关230在图15A中以耦合或闭合位置(开关状态1)展示，且在图15B中以非耦合或打开位置(开关状态2)展示。在耦合位置中，光沿路径A-A′(即，在两个核心235与237之间)透射，且在非耦合位置中，其沿路径A-B(即，在第一光纤231内)及/或路径B′-A′(即，在第二光纤232内)透射。
第一及第二成角度光纤201、202中的每一者说明性地包括相应第一及第二端面203、204。如同上述实施例一样，包括折射率匹配弹性固体层240且其具有耦合到第一端面203的近端面及与所述近端面相对以便可重复地以光学方式耦合到第二端面204的远端面。此处，折射率匹配弹性固体层240同样具有与核心的折射率匹配的折射率，如图1A及1B中所示。如所属领域的技术人员将了解，光纤开关200还可包括一个或一个以上致动器255(例如，压电致动器)以用于在耦合与非耦合位置之间相对移动第一及第二成角度光纤231、232。
用于制造光纤开关230的相关方法在图16中说明。在框160处开始，形成第一及第二成角度光纤231、232，其各自具有相应第一及第二端面(框161)。如上所述，第一及第二成角度光纤231、232中的每一者说明性地包括具有核心折射率n1的核心235、237，及围绕所述核心且具有与核心折射率不同的覆层折射率n2的覆层236、238。所述方法进一步说明性地包括在框162处形成折射率匹配弹性固体层140，其具有耦合到第一端面203的近端面及与所述近端面相对以便可重复地以光学方式耦合到第二端面204的远端面。此处，折射率匹配弹性固体层204同样具有至少与核心235的折射率n1匹配的折射率。所述方法还说明性地包括在框163处定位一个或一个以上致动器255以用于在耦合位置(图15A)与非耦合位置(图15B)之间相对移动第一及第二成角度光纤231，232，由此结束所说明的方法(框164)。
在一些实施例中，光学开关可包括与核心及覆层两者匹配的折射率匹配弹性固体层，如上文参看图7A及7B所论述。用于制造所述光学开关的相关方法在图17中说明，其中在框162′处将折射率匹配弹性固体层形成为具有与核心及覆层折射率匹配的折射率。还应注意，在一些光纤开关实施例中，如上文参看图2A及2B类似论述，第二折射率匹配弹性固体层可以化学方式结合到第二光纤232的第二端面204，如所属领域的技术人员将了解。
一般来说，多模开关的所要特征包括实现以下严格要求：低插入损耗、低回程损耗及快速切换时间。然而，所述特征一般难以在多模开关中实现。通常，多模开关为利用移动光纤或移动光学元件(例如，镜面)的机械型开关。实现快速切换时间需要微机电系统(MEMS)规模组件以减少移动质量(moving mass)。还需要降低所要运动的程度的设计。此外，通常还需要开关在耦合开关状态中的精确对准、波导面的成角度及/或在导向结构之间的界面内的精细折射率匹配。减少任何非导向光路也是重要的考虑因素。
这些特征可有利地用开关200实现，开关200根据受抑全内反射(FTIR)原理来操作。开关200仅需要第一端面203与第二端面204之间的短程运动。一般来说，所要位移仅需要为约3个波长(例如，4微米)或3个波长以下来操作开关200。开关可设计成具有45度或更大角度(α)界面，使得状态1(耦合位置)中的背反射将受到强烈抑制。如上所述，开关200可实现两种开关状态中的任一者，即(1)A到A′(即，耦合)及(2)A到B及/或B′到A′(非耦合)。如所属领域的技术人员将了解，开关200可构建为半2×2纵横开关，或其可由两个1×2开关来组装。
现将参看图18到24来描述示范性光纤开关实施方案。在以下实例中，折射率匹配弹性固体层称为弹性折射率匹配介质(EIMM)。在将EIMM构造为光导的情况中，其核心可以与薄膜平面成45度或更大角度定向且经定大小以与光纤的核心匹配(例如，50μm或62.5μm)。如图15A及15B中所示，核心与安装EIMM的光纤对准。
在EIMM的核心区148还可在折射率上呈梯度的那些实施例中，有利地允许光经由EIMM传播，正如光经由光纤本身传播一样。此举提供降低的损耗，且允许EIMM根据需要具有不同厚度以满足给定设计的机械方面。在状态2(即，非耦合)中，大部分光将在EIMM与空气之间的界面处反射。如所属领域的技术人员将了解，展示于图15A及15B中的基本设计的变化形式是可能的。一些潜在变化形式将包括(例如)使用固定的镜面或透镜以收集路径B及B′中的光或将光插入路径B及B′中。此外，还可使用其它类型的致动器。
各种EIMM聚合物调配物可用于上文所论述的可重复光纤互连及光纤开关。一般来说，EIMM聚合物可通过丙烯酸酯及/或甲基丙烯酸酯的UV固化而形成。聚合物的制备可以液体丙烯酸酯及/或甲基丙烯酸酯(在本文中缩写为(甲基)丙烯酸酯)单体与少量光引发剂及抗氧化剂的调配物来开始。由制造商提供单体在589.3nm(钠D线)下的折射率。对于光纤应用来说，聚合物在1310nm及/或850nm下的折射率尤其受关注。如所属领域的技术人员将了解，用不同单体调配物制成的聚合物将具有不同折射率及不同色散两者。
初始估算可用以确定随单体在起始调配物中的相对量而变化的折射率。此所估算的调配物可用作起始点，且接着可基于实际测量结果来添加少量特定单体以精制所要聚合物的目标折射率调配物。图18提供一组示范性表格，其可用以计算液体单体调配物的起始组合物。由于光引发剂及抗氧化剂在总体积中占较小分数，所以其在计算中忽略不计。
表18.1提供描述液体单体的特征及作为目标使用的每种单体的体积百分比的输入值。表18.3的前两列中的经验参数给出因聚合作用所致的预期变化的测量值(δ)，及折射率因色散而从589nm变化为1310nm或850nm的预期偏移(ξ)。通过液体单体与固化聚合物在589.3nm下的折射率比来估算δ。色散因子ξ为聚合物在目标波长(850nm或1310nm)下的折射率与在589.3nm下的折射率的比。从对密切相关的丙烯酸酯聚合物的测量获得这些参数。计算值在表18.3的最后三列中突出显示。在所说明的实例中，康宁(Corning)InfiniCor SX 50-μm光纤的NA为0.200，因此各种单体的体积百分比经调整以达到此值。用以下方程式(1)计算预期折射率，其中Vfi表示第i种组份的体积分数，δ为聚合因子，且ξ为在1310nm或850nm下的色散因子：
n聚合物＝(nA*VfA+nB*VfB+nC*VfC+nD*VfD+nE*VfE)*δ*ξ。               (1)
围绕以下两种梯度折射率光纤类型设计示范性开关：来自纽约康宁(Corning，NY)的康宁有限公司(Corning，Inc.)的InfiniCor SX(50μm)及康宁(Corning)InfiniCor CL-1000(62.5μm)。在850nm下操作的系统将倾向于使用InfiniCor SX，而那些在约1310nm下操作的系统将倾向于使用InfiniCor CL-1000，但任一光纤类型可在任一波长区内使用。因为EIMM经设计以提供折射率匹配，所以表征相应光纤在关注波长下的折射率有重要意义，且在Infinicor光纤的实测及指定参数的下表中提供其概述。
Figure BDA0000159540060000111
如上所论述，弹性折射率匹配介质可为通过UV固化从丙烯酸酯及甲基丙烯酸酯单体合成的(甲基)丙烯酸酯聚合物。如所属领域的技术人员将了解，基于多种标准选择单体，所述标准包括聚合物的所要性质，例如折射率、硬度、模数、韧性及澄清度。还可偏爱具有较低健康风险或毒性的单体。一般还需要低硬度到中等硬度的聚合物，使得当开关在闭合或耦合(A到A′)位置中时，可易于实现对光学接触表面的有效润湿。模数将决定用于获得覆盖光纤的整个核心(及任选地，覆层)区的湿润点所必需的力。
丙烯酸酯单体的一个示范性选择展示于图19中。每种单体提供独特属性。氟化物F8DA及TFPM用于降低调配物的折射率以与光纤核心及覆层的折射率匹配。芳族化合物EBDA-10由于存在苯基而向核心提供较高折射率。依靠其长的乙氧基吊链，其还赋予柔性、韧性且降低硬度。脂族二丙烯酸酯PNGDA也具有中等折射率以及所要机械柔性，且与F8DA或EBDA-10组合，允许上下调整覆层及/或核心的折射率。单官能单体TFPM、IBA及IOA允许交联密度得以调整，其影响硬度及韧性。这些单体还可用以上下调整聚合物的玻璃转变温度(Tg)，因为IBA的均聚物具有相对较高Tg(90℃)且IOA的均聚物具有相对较低Tg(-54℃)。一般来说，可使用这些或其它适当单体的组合，所述单体可混溶且在聚合时不会经历相分离。下表提供若干示范性单体的物理特征的列表：
Figure BDA0000159540060000112
上述单体包括单官能及双官能单体两者，也就是说，其含有一个或两个(甲基)丙烯酸酯基。这些基团经历自由基聚合机制，从而产生具有弹性性质的高度交联固体。为了用UV光引发聚合，将UV敏感性光引发剂包括于调配物中。同时，为了降低因老化而发黄的倾向，添加抗氧化剂。这些组份中的每一者仅占调配物较低百分比，例如2％或更低含量。如上所述，调配物的一个所要方面在于构成组份可混溶，且当发生聚合反应时保持原样。相分离可导致雾气生成，且因此发生光散射损耗。下表中列出示范性调配物：
弹性折射率匹配材料调配物
Figure BDA0000159540060000121
添加剂以占所列全部材料的百分比形式呈现
举例来说，来自瑞士巴塞尔的汽巴公司(Ciba of Basel，Switzerland)的Irganox 1010可用作合适的抗氧化剂。此外，两种合适的液体光引发剂展示于图20及21中。两种所说明的光引发剂对来自汞灯的UV光(I-线)具有所要响应。D4265具有最强响应，但其还包括对蓝光(H-线)的一定敏感度，因此其可能需要在具有滤光(黄光)照明的区域中进行存储及使用，如所属领域的技术人员将了解。
就折射率及色散特征来表征若干种用上述单体及光引发剂制成的材料调配物。将核心及覆层样品涂覆于硅衬底上且曝露于剂量为1500mJ的来自高压汞灯光源的UV光下，所述高压汞灯光源输出约35mW/cm2。随后在流动氮气下在125℃下使固化样品退火1小时。退火程序可能会使任何低分子量物质(例如残余的未固化单体及光引发剂)升华掉。通过在薄膜(通常10到50微米厚)上的棱镜耦合测量法来测量折射率。来自图18的称为EIMM-200的调配物的结果展示于图7中。这些结果是针对EIMM-200核心及覆层的调配物，其与针对以上所列InfiniCor SX光纤的值一致(且在图18的图表中以黑色方格绘制)。
如上所述，可能需要设计EIMM的机械性质以与给定开关所需的特征匹配。举例来说，可使用差示扫描热量计(DSC)对所调配材料进行测量以确定玻璃转变温度(Tg)，且使用动态机械分析器(DMA)来确定存储模数。将这些值连同折射率一起记录于下表中。数据证明机械性质及热性质可因选择单体调配物的不同配方而在极大范围内变化。
丙烯酸酯聚合物薄膜(1)的实测特征
Figure BDA0000159540060000131
(1)在氮气下在125C下退火1小时之后的固体聚合物
(2)Tg是在差示扫描热量计(DSC)中从第一次加热确定的
(3)模数是来自动态机械分析(DMA)的
(4)范围取决于固化及热历程
选定弹性固体的单体调配物
Figure BDA0000159540060000132
EIMM结构或层可呈各种形式，其中之一为折射率等于光纤的有效折射率的材料层。同样，EIMM在例如图15A及15B中所示的应用中优于液体折射率匹配材料，因为从有刻面(成角度)的光纤末端获得全内反射需要空气界面。一旦开关开始循环工作，则将需要干净地移除液体。固体EIMM在一个或两个面上达到此要求，且如果保留于光纤末端刻面中的一者上，则可任选地在开关状态2(非耦合)下形成平面反射表面。EIMM可以独立式薄膜形式制备且随后对准并施加于光纤端面上，或其可直接在光纤末端或抛光套圈上制造，如上文参看图11所论述。在前一情况下，EIMM生长于玻璃或硅上且在固化之后剥离。在后一情况下，可将助粘剂施加于光纤末端上，且EIMM随后将保持刚性附着，如所属领域的技术人员将了解。
为了在光纤的末端上制造波导，50微米核心光纤可成51度角以在光纤末端处提供所支持光线的全内反射。波导可与光纤同轴。一种用于产生此几何形状的示范性夹具300展示于图23中。举例来说，光纤331可安装于硅V形槽块301中且在51度角下经抛光。在EIMM层340制造步骤期间光纤331可保留于块301中。线隔板302可用以形成EIMM层340的厚度(t)，且掩模303可用以界定与光纤331的核心335匹配的椭圆形核心部分348，如图24中所示。一旦掩模303与光纤331的核心335适当对准，则夹具300将如图所示针对来自垂直准直光源的UV曝光以51度角定向。耦合棱镜304可附着到掩模303以允许UV光束以51度角传播穿过掩模及液体EIMM单体，如所属领域的技术人员将了解。掩模303及棱镜304均可由石英(硅石)制成且其折射率类似于EIMM或与EIMM相同。当EIMM固化时，其折射率将提高，因此UV光束将有一些折射，如在UV光束路径的实线与虚线之间所指示。
在核心曝光之后，可例如使用甲醇与异丙醇的溶剂混合物显影所述结构。包括覆层结构的第二掩模(图23中未展示)可用以界定紧跟着光纤331的覆层337的覆层部分349，如上文参看图11所论述。同样，这将在光纤331的末端上产生几何形状与光纤本身相同(末端呈51度角)的EIMM层340，当端面在空气中时EIMM层将横向反射光，且当配合光纤与EIMM层340接触时其将同轴透射光。
可用于光纤切换及互连应用中的EIMM层340的示范性厚度可例如在约25μm到75μm的范围内，但还可使用其它厚度。对于所述厚度来说，层340在开关闭合之后的1-μm变形将分别导致介于约4％与1.3％之间的应变。应注意到层340的有效硬度将与厚度有关，因为对于所述薄膜来说，衬底的硬度影响聚合物的有效硬度。
EIMM层340可有利地与两个临时接合光纤的界面处的不规则性一致以减少反射或散射损耗。对在45度角下抛光的光纤对执行测试，其验证此项功能。对于所述测试，EIMM聚合物生长于覆盖光纤末端的形状为1mm×1mm衬垫的光纤抛光块的表面上。也固持于其抛光块中而非由EIMM覆盖的第二光纤接着用以与第一光纤形成光学连接。经由主动对准实现此连接，且记录下用光时域反射计(OTDR)测得的最小透射损耗及最大反射损耗。所述测试使用康宁(Corning)InfiniCor CL 100062.5-μm光纤。对于所述测试来说，EIMM层中无导向结构，仅有与梯度折射率光纤的峰值折射率匹配的EIMM材料的连续涂覆，如所属领域的技术人员将了解。
下表中呈现由各种厚度的EIMM所获得的数据：
1310-nm光透射穿过以EIMM填充的间隙的实测及计算损耗
Figure BDA0000159540060000141
Figure BDA0000159540060000151
*使用EIMM-12核心厚度的衬垫
如可见，可实现所要回程损耗(例如，大于70dB)。对于最薄样品来说，在理论上(不希望受此理论的限制)所述块可不充分平行以允许RL的完全接近及优化。还应注意，透射损耗还基本上与理论上将允许的一样低，只要不存在导向结构。对于具有给定NA及半径a的梯度折射率光纤来说，因在由折射率n0的材料填充的间隙s中传播而发生预期光纤间损耗，以下方程式表示预期间隙损耗关系：
Gap _ Loss ( dB ) = - 10 · log { 1 - s · NA 4 · a · n 0 }
在图24中呈现来自以上关系式的数据以供对比。将注意到，即使在EIMM中不存在波导结构，小于约15μm的间隔也可导致透射损耗小于0.1dB。因而，如所属领域的技术人员将了解，EIMM层340为抑制背反射且增强透射的有效折射率匹配介质。
另外转向图25及26，现描述一种用于制造光学装置(例如上述互连130)的方法。然而，应注意到如下所述的技术还可应用于其它光纤装置，例如光纤开关230、光学波导等。在框400处开始，在框401处将可固化折射率匹配弹性固体层140的第一前驱体施加于光导装置(例如光纤131)的端面133上。举例来说，其它光导装置可包括作为平面光学电路的一部分的波导、例如激光等光学芯片、调制器或其它光学组件。应注意到可在框407′处在施加第一前驱体之前执行一个或一个以上表面处理操作(例如，化学及/或机械抛光)。此外，如果需要，则可最初将助粘剂(例如烷氧基硅烷或氯硅烷)施加于光纤131的端面133。
如上所论述，第一前驱体可包括一种或一种以上经部分氟化的丙烯酸酯单体，其有助于硅石的折射率匹配。此外，为了获得维持所要形状的所要弹性结构，还可包括至少某一部分的多官能单体。另外，为了获得相对较低模数，在例如两个光纤配合期间需要模数较低以允许填充间隙及表面不规则性，某一部分前驱体可为包括相对柔性的侧链及/或在官能性丙烯酸酯基之间的键的单体(例如，一般反映在均聚物具有相对较低玻璃转变温度，例如小于25℃且更明确地说小于0℃)。此外，还可需要存在于前驱体中的单体可以实现上述属性所必需的比例来混溶，且一种或一种以上单体可在室温下为液体。一般来说，前驱体中将包括的光引发剂可具有相对较高活性且在单体的液体调配物中的可溶性可达至少1％，且更明确地说约2％。同样，所述单体及光引发剂的合适实例在上文中参看图19到21进行论述。
所述方法进一步说明性地包括在框402处选择性固化第一前驱体以在端面133上形成折射率匹配弹性固体层140的核心部分148，所述核心部分148具有与核心135的折射率匹配的折射率n1。如上所论述，可使用电磁(EM)辐射(例如UV光)来完成此步骤(框402′)。所述方法还可包括在框403处移除第一前驱体的未固化部分，及在框404处将可固化折射率匹配弹性固体层140的第二前驱体围绕折射率匹配弹性固体层的核心部分148施加于光纤131的端面133上。第二前驱体可包括与上文所论述的组份相似但经调整以得到覆层137的不同折射率n2的组份。如果要产生梯度折射率，则可使用具有不同聚合(或交联)速率及/或不同折射率的不同单体的集合(框404′)，如所属领域的技术人员将了解。如上所述，在框408′处可使用例如执行高温浸渍等操作来提供梯度折射率结构。
所述方法进一步说明性地包括在框405处固化第二前驱体以在端面133上形成折射率匹配弹性固体层140的覆层部分149，所述覆层部分149具有与覆层的折射率匹配的折射率n2，由此结束图25中所说明的方法。此处，同样可通过使用EM辐射(例如，具有适当波长以激活光引发剂的UV光)来实现固化。
在弹性固体层140将用于相异光纤或波导的互连中的情况下，其中相应核心及覆层的折射率在待连接的光纤及/或波导之间可有所不同，核心及覆层折射率可有利地介于所互连的光纤或波导的折射率之间。将弹性固体层的核心的折射率的中间值选择为(例如)待互连的波导的核心的折射率的平均值可减少在互连中损耗的光学功率。同样，选择弹性固体层的覆层以及核心的折射率的中间值可进一步减少互连中的损耗。产生弹性固体的多个层(其中核心及覆层的折射率在两个相异光纤或波导的值之间逐步渐进地变化)可更进一步减少损耗，如所属领域的技术人员将了解。
现参看图27描述用于使得折射率匹配弹性固体层140定位于光纤131的端面133上的相关方法。此方法与上文参看图25及26描述的方法相似，但在此示范性实施例中，如上文参看图11所述，将第一前驱体施加于衬底109上(框401″)。在第二前驱体固化之后，可在框410″处从衬底109移除折射率匹配弹性固体层140，以便随后安置于(例如)光纤上，如上文进一步论述。
现参看图28描述一种用于制造光纤装置(例如互连30)的相似方法。在框420处开始，所述方法说明性地包括在框421处将可固化折射率匹配弹性固体层40的至少一种前驱体施加于光纤31的端面33上。在框422处，接着固化所述至少一种前驱体以在端面33上形成折射率匹配弹性固体层40，所述折射率匹配弹性固体层40具有至少与核心35的折射率匹配的折射率n1，由此结束所说明的方法(框423)。在一些实施例中，可固化折射率匹配弹性固体层40还可与覆层37的折射率n2匹配，如上文所论述。

Claims (10)

1.一种可重复光学波导互连，其包含：
具有相应第一及第二端面的第一及第二光学波导，所述第一及第二光学波导中的每一者包含
具有核心折射率的核心，及
围绕所述核心且具有与所述核心折射率不同的覆层折射率的覆层；及
第一折射率匹配弹性固体层，其具有耦合到所述第一端面的近端面及与所述近端面相对以便可重复地以光学方式耦合到所述第二端面的远端面，所述第一折射率匹配弹性固体层具有与所述核心及所述覆层的折射率匹配的折射率分布曲线。
2.根据权利要求1所述的可重复光学波导互连，其中所述近端面以化学方式结合到所述第一端面；且其中所述远端面具有低粘性。
3.根据权利要求2所述的可重复光学波导互连，其中所述第一折射率匹配弹性固体层的所述低粘性远端面具有在抵靠着所述第二端面按压时与所述第二端面界定没有气穴的湿润界面的表面性质。
4.根据权利要求2所述的可重复光学波导互连，其进一步包含第二折射率匹配弹性固体层，所述第二折射率匹配弹性固体层具有以化学方式结合到所述第二端面的近端面及与所述近端面相对的低粘性远端面。
5.根据权利要求1所述的可重复光学波导互连，其中所述第一折射率匹配弹性固体层包含丙烯酸酯聚合物。
6.一种制造第一与第二光学波导之间的可重复光学波导互连的方法，所述第一及第二光学波导具有相应第一及第二端面，所述第一及第二光学波导中的每一者包含具有核心折射率的核心及围绕所述核心且具有与所述核心折射率不同的覆层折射率的覆层，所述方法包含：
形成第一折射率匹配弹性固体层，其具有耦合到所述第一端面的近端面及与所述近端面相对以便以光学方式耦合到所述第二端面的远端面，所述第一折射率匹配弹性固体层具有与所述核心及所述覆层的折射率匹配的折射率分布曲线。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述近端面以化学方式结合到所述第一端面；且其中所述远端面具有低粘性。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述第一折射率匹配弹性固体层的所述低粘性远端面具有在抵靠着所述第二端面按压时与所述第二端面界定没有气穴的湿润界面的表面性质。
9.根据权利要求7所述的方法，其进一步包含形成第二折射率匹配弹性固体层，所述第二折射率匹配弹性固体层具有以化学方式结合到所述第二端面的近端面及与所述近端面相对的低粘性远端面。
10.根据权利要求6所述的方法，其中所述第一折射率匹配弹性固体层包含丙烯酸酯聚合物。
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