CN102597833A - 包括折射率匹配的弹性固体层的光纤开关及相关方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光纤开关(230)，其可包括具有相应第一端面和第二端面(203，204)的第一成角度光纤和第二成角度光纤(231，232)。所述第一成角度光纤和第二成角度光纤(231，232)各自可包括具有核心折射率(n1)的核心(235，236)和围绕所述核心且具有小于所述核心折射率的覆层折射率(n2)的覆层(237，238)。所述光纤开关(230)可进一步包括第一折射率匹配弹性固体层(240)，其具有耦合到所述第一端面(203)的近端面和与所述近端面相对以便可重复以光学方式耦合到所述第二端面(204)的远端面。所述第一折射率匹配弹性固体层(240)可具有至少与所述核心(235，236)的折射率匹配的折射率。所述光纤开关(230)也可包括至少一个致动器(255)以用于在耦合位置与非耦合位置之间相对移动所述第一成角度光纤和第二成角度光纤(231，232)。

Description

包括折射率匹配的弹性固体层的光纤开关及相关方法
技术领域
本发明涉及光学波导和光纤领域，且更具体说来，涉及光纤连接器、波导装置和相关方法。
背景技术
光纤通常在电信中用于短距离和长距离传送数据信号。相对于其它通信媒体，例如金属线，光纤的优点在于信号以较低损耗沿其传播，且信号也较少受到电磁干扰。光纤也采用极高带宽(即数据传输率)。光纤还可用于照明，且可包裹成束状且在例如光纤相机中用于载运影像。光纤也可用于其它应用中，例如传感器和激光。
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和光损耗，从而显著降低信号质量。一种接合光纤的方法为使用机械熔接机，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都不实用。熔接机形成永久性连接且不太适于临时拼接或打算制成临时或动态的其它连接。
用于一些光学界面中的另一种方法是应用折射率匹配材料，例如液体或凝胶。虽然这些材料一般可经调配以匹配光学介质的折射率，但可能会因折射率匹配材料的迁移和非所要区域的污染而出现问题。此外，所述材料有吸引尘埃的倾向，并且一旦污染，通常难以清除。
吉尔兰德(Gilliand)等人的美国专利第5,778,127号揭示一种光学收发装置，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和锁定构件，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)等人的美国专利第5,619,610号；奥林(Olin)等人的美国专利第5,515,465号；阿洛伊西奥Jr.(Aloisio，Jr.)等人的美国专利第6,501,900号；菲拉斯(Filas)等人的美国专利第6,097,873号；和柯克(Corke)等人的美国专利第5,058,983号。
发明内容
因此，鉴于前述背景技术，本发明的一个目的为提供一种提供增强的光学互连的光纤开关及相关方法。
此目的和其它目的、特征和益处是由光纤开关提供，所述光纤开关可包括具有相应第一端面和第二端面的第一成角度光纤和第二成角度光纤。第一成角度光纤和第二成角度光纤各自可包括具有核心折射率的核心，和围绕所述核心且具有不同于核心折射率的覆层折射率的覆层。光纤开关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，和与近端面相对以便可重复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至少匹配核心折射率的折射率。光纤开关也可包括至少一个致动器以用于在耦合位置与非耦合位置之间相对移动第一成角度光纤和第二成角度光纤。因此，光纤开关由此提供具有所要以光学方式耦合特性的相对较持久的光纤开关。
更具体说来，近端面可以化学方式结合到第一端面，且远端面可具有低粘性以便可以机械方式直接重复耦合到第二端面。此外，第一折射率匹配弹性固体层的低粘性远端面与第二端面相对挤压时其表面性质可界定缺少气穴的湿润界面。另外，光纤开关可进一步包括第二折射率匹配弹性固体层，其具有以化学方式结合到第二端面的近端面，和与近端面相对以便可以机械方式重复以光学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。
第一成角度光纤可包括接合在一起的第一对横向光纤末端，且第二成角度光纤可包括接合在一起的第二对横向光纤末端。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。此外，第一端面可与第一光纤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一厚度且匹配所述倾斜角度。
另外，第一折射率匹配弹性固体层可具有在所需工作波长下匹配核心的径向均一折射率。第一光纤和第二光纤各自可包含例如玻璃。另举例来说，第一光纤和第二光纤各自可包含多模光纤且至少一个致动器可包含至少一个压电致动器。
制造光纤开关的相关方法可包括形成具有相应第一端面和第二端面的第一成角度光纤和第二成角度光纤。第一成角度光纤和第二成角度光纤各自可包括具有核心折射率的核心，和围绕所述核心且具有不同于核心折射率的覆层折射率的覆层。所述方法可进一步包括形成具有耦合到第一端面的近端面和与近端面相对以便可重复以光学方式耦合到第二端面的远端面的第一折射率匹配弹性固体层，其中第一折射率匹配弹性固体层的折射率至少匹配核心或其部分的折射率。所述方法也可包括定位至少一个致动器以用于在耦合位置与非耦合位置之间相对移动第一成角度光纤和第二成角度光纤。
附图说明
图1A和1B为可重复光纤互连的横截面示意图(分别以耦合和非耦合位置显示)，其包括提供根据本发明的核心折射率匹配的折射率匹配弹性固体层。
图2A和2B为包括第一折射率匹配弹性固体层和第二折射率匹配弹性固体层的图1A和1B的可重复光纤互连的一个替代性实施例的横截面示意图。
图3和4为用于图1A和1B的互连的一个替代性实施例中的具有成角度末端的光纤的横截面示意图，分别以存在和不存在相应折射率匹配弹性固体层显示。
图5A和5B为包括用于光纤的套圈座架的图1A和1B的可重复光纤互连的一个替代性实施例的横截面示意图。
图6为说明用于制造图1A和1B的互连的方法方面的流程图。
图7A和7B为可重复光纤互连的横截面示意图(分别以耦合和非耦合位置显示)，其包括提供根据本发明的核心和覆层折射率匹配的折射率匹配弹性固体层。
图8为图7A和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一个替代性实施例的端视图。
图10为说明用于制造图7A和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和7B的互连的一个替代性实施例中的具有成角度末端和相应折射率匹配弹性固体层的光纤的横截面示意图。
图13为用于图7A和7B的互连的一个替代性实施例中的光纤和相应套圈座架的横截面示意图。
图14为图7A和7B的互连的一个替代性实施例的横截面示意图，其中第一光纤和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，由此提供GRIN透镜互连结构。
图15A和15B为包括根据本发明的折射率匹配弹性固体层的光纤开关(分别以耦合和非耦合位置显示)的横截面示意图。
图16为说明用于制造图15A和15B的光纤开关的方法的流程图。
图17为说明用于制造图15A和15B的光纤开关的一个替代性实施例的方法的流程图，所述光纤开关包括提供核心和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和光纤开关中的折射率匹配弹性固体层的初始组成。
图19为可用于形成适用于根据本发明的互连化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和21为示范性光引发剂的化学式，所述光引发剂可包括在适用于根据本发明的互连乎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和光纤开关中的折射率匹配弹性固体核心和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和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和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相对于预期光纤间损耗的曲线图。
图25-28为说明用于制造根据本发明的光纤装置和用于其的折射率匹配弹性固体层的其它方法方面的流程图。
具体实施方式
现将参考附图在下文中更充分地描述本发明，其中显示本发明的优选实施例。然而，本发明可以许多不同形式实施且不应解释为局限于本文所述的实施例。更确切地说，提供这些实施例是为了使本发明全面和完整，并且向所属领域技术人员充分传达本发明的范围。本文通篇中的相同数字是指相同元件，且撇号标记用以指示替代实施例中的相似元件。
先参看图1A和1B，可重复光纤互连30说明性地包括第一光纤31和第二光纤32，其具有相应第一端面33和第二端面34。第一光纤31和第二光纤32各自说明性地包括具有核心折射率n1的个别核心35、36(例如经掺杂的硅石玻璃核心)，和围绕核心且具有小于核心折射率的覆层折射率n2的个别覆层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，如在说明性实施例中以点表示。如所属领域技术人员所了解，可通过适当选择折射率匹配材料和/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)获得化学结合。此外，第一折射率匹配弹性固体层40也说明性地包括与近端面41相对的低粘性远端面42，其宜如所示可重复以光学方式耦合到第二光纤32的第二端面34。也如所属领域技术人员所了解，可通过适当选择折射率匹配材料(考虑其后固化特性)和/或添加表面涂层获得低粘性远端面。如本文中所用，“低粘性”表面是允许配合的第一光纤和第二光纤在折射率匹配材料的表面不产生永久变形和在每单位面积上无需过多力的情况下失去配合(de-mate)。举例来说，当第二配合物件的材料为熔融硅石时，所述力可小于10g/mm2，且更具体说来小于1g/mm2。
第一折射率匹配弹性固体层40也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，选择第一折射率匹配弹性固体层40的折射率实质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宜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(例如不易受污染等)。此外，通过将第一折射率匹配弹性固体层40化学结合到第一端面41，所述层可由此永久地保持在适当位置，同时重复地与第二配合端面34形成临时连接。
由于层40的折射率匹配、弹性固体特性和与第一端面33的化学结合，因此其有利地提供降低的透射损耗和背反射。此外，层40还无限期地保持在适当位置，且不像折射率匹配凝胶和液体一样迁移。另外，如所属领域技术人员将了解，层40可更耐尘埃和污染物且可被清洁，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和弹性特性(例如模数、柔性等)。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术图案化，所以其能够形成以相对较高精度成型和定位的精确层状结构。有关可用于层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可以机械方式直接可重复耦合到第二端面。举例来说，第一折射率匹配弹性固体层的低粘性远端面与第二端面相对挤压时其表面性质可界定缺少气穴的湿润界面，由此部分提供与第二光纤32的第二配合端面34的机械抽吸式(mechanical suction)耦合，如所属领域技术人员将了解。
在说明性实施例中，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比，光纤31，32可有利地支持许多传播路径或横向模式。多模光纤一般核心直径较大，且用于短距离通信链路和需要高功率传输的应用，例如在局部网络中或在建筑之间。就此而言，因为添加或替换光纤在使用多模光纤的局部区域中较为普遍，所以可重复以光学方式(且任选以机械方式)耦合多模光纤的能力可为重要优点。然而，所属领域技术人员应了解，如本文中所述的折射率匹配弹性固体层也可与通常用于相对较长的通信链路的单模光纤一起使用。
现另参看图2，可重复光纤互连30′的一个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′，和与近端面相对以便以光学方式及以机械方式可重复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″可具有均一厚度且匹配所述倾斜角度，如图4中所示。因此，互连不仅可有利地用于使用垂直光纤端面的应用中，而且还可用于成角度光纤端面需要可重复以光学方式耦合的应用中，例如在光学开关中，在下文中将对此作进一步论述。
层40″经定制以形成光纤31″的延伸部，且符合光纤端面的角度。由于存在层40″，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，光纤之间存在极少光透射或无光透射。此外，如所属领域技术人员所了解，层40″的弹性性质有利地使配合端面中小的不连续得以均匀填充，由此减少在界面处因反射和散射而引起的光损耗。
现参照图5A和5B描述可重复光纤互连30″′的又一实施例。在说明性实例中，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″′。如所属领域技术人员所了解，在光纤终端中，有时需要精密套圈的协助来将两个光纤连接在一起。在图5B中显示第一光纤31″′与第二光纤32″′以光学方式耦合在一起。
现参照图6描述制造在第一光纤31与第二光纤32之间的可重复光纤互连的相关方法。由框60开始，所述方法在框61处说明性地包括形成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和与所述近端面相对的低粘性远端面42的第一折射率匹配弹性固体层40。如上所述，低粘性远端面42将可重复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和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和覆层137的折射率相匹配的折射率型态。更具体说来，层140说明性地包括具有匹配核心135的折射率的折射率n1的第一部分148，和具有匹配覆层149的折射率的折射率n2的第二部分149。与上述结构一样，层140化学结合到光纤131。层140由此提供光导结构，即光学波导。也就是说，层140可有利地经定制以形成光纤131的延伸部，由此保持传播中的光模式。此外，层140的弹性性质使配合端面131、132中小的不连续得以均匀填充，由此防止界面处因反射和散射而引起的光损耗。因此模式匹配导向结构有利地提供减少的损耗和背反射。
也如上所述，丙烯酸酯和丙烯酸酯与聚氨基甲酸酯和硫醇烯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术或模塑技术以相对较高精度精确地图案化。此外，这些材料可有利地用以建构第一部分148的不同折射率型态。更具体说来，图9中显示层140′的一个替代性实施例，其中与具有在所需工作波长下匹配核心135′的径向均一折射率的图8的第一部分148相对，第一部分148′具有梯度折射率，如所属领域技术人员所了解。梯度部分148′可特别适用于GRIN透镜应用中，下文将对此作进一步论述。
现参照图10描述制造在第一光纤131与第二光纤132之间的可重复光纤互连的另一方法。由框60′开始，所述方法在框61′处说明性地包括形成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和与所述近端面相对的低粘性远端面142的第一折射率匹配弹性固体层140。如上所述，低粘性远端面142将可重复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′)。
现参照图11论述用于形成具有第一部分148和第二部分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，此可有利地经由玻璃掩模进行接近式曝光来实现(步骤110)。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。接触式曝光可用于液体单体填充掩模与衬底109之间的区域的情形。第一部分140可随后在步骤111经图案化和显影，接着在步骤112注入覆层调配物。如所说明，覆层可仅限于使用盖板113形成于核心侧面，且使覆层单体通过渗透力填充衬底与玻璃盖板113之间的间隙。
如果需要梯度折射率，那么核心或第一部分148可部分固化到足以界定核心的水平，且在步骤114，可通过在某一高温下(例如40到60℃，但在不同实施例中可使用其它温度)浸泡组合件来使液体覆层调配物的单体与核心交换。如所属领域技术人员所了解，梯度将取决于时间、温度和图案化核心中的固化百分比。一般说来，对于梯度折射率导向结构，各调配物中的单体理想地包括两种或两种以上具有相对较宽间隔的折射率和不同固化速率的单体，使具有不同折射率的单体易于扩散到核心区域中和/或扩散到核心区域外，也如所属领域技术人员所了解。
如果不使用热浸来提供梯度折射率，那么可简单地使注入的覆层调配物在室温下静置足以使覆层部分149散布到核心部分148的时间量。可在步骤115执行第二次UV曝光，之后在步骤116，层140可保持结合于衬底上以便封装或处理，或在步骤117自衬底116移除以提供耦合到光纤131的独立式层(free standing layer)。根据一个示范性实施方案，层140可自衬底109剥离，而仍附着于玻璃盖板113上。在一个示范性实施方案中使用直径为62.5微米的掩模尺寸，且此直径基本上在核心尺寸中再现。如所属领域技术人员所了解，必要时，可有利地通过曝光不足或过度曝光或者显影不足来产生直径偏差。
图12-14中说明可使用上述方法的变化形式制造的其它配置。具有倾斜端面的光纤131′和具有均一厚度且匹配倾斜端面的倾斜角度的相应折射率匹配弹性固体层140′显示于图12中。类似于图5A和5B中所说明的实施例，也可提供具有套圈座架150′和折射率匹配弹性固体层140″的另一示范性实施例，折射率匹配弹性固体层140″具有第一(核心匹配)部分148″和第二(覆层匹配)部分149″，如图13中所示。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，由此提供安装于套圈150″′上的整体式GRIN透镜，如所属领域技术人员所了解。
现参看图15A和15B，包括折射率匹配弹性固体层240的示范性光纤开关230说明性地包括第一成角度光纤201和第二成角度光纤202，其可为多模光纤或单模光纤。更具体说来，开关230在图15A中以耦合或闭合位置(开关状态1)显示，且在图15B中以非耦合或开启位置(开关状态2)显示。在耦合位置中，光沿路径A-A′(即两个核心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)和/或路径B′-A′(即在第二光纤232内)透射。
第一成角度光纤201和第二成角度光纤202各自说明性地分别包括第一端面203和第二端面204。与上述实施例一样，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的近端面和与所述近端面相对以便可重复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同样具有与核心折射率匹配的折射率，如图1A和1B中所示。如所属领域技术人员所了解，光纤开关200也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成角度光纤231和第二成角度光纤232。
在图16中说明用于制造光纤开关230的相关方法。由框160开始，形成各自具有相应第一端面和第二端面的第一成角度光纤231和第二成角度光纤232(框161)。如上所述，第一成角度光纤231和第二成角度光纤232各自说明性地包括具有核心折射率n1的核心235、237，和围绕所述核心且具有不同于核心折射率的覆层折射率n2的覆层236、238。所述方法在框162处进一步说明性地包括形成折射率匹配弹性固体层140，其具有耦合到第一端面203的近端面和与所述近端面相对以便可重复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同样具有至少匹配核心235的折射率n1的折射率。所述方法也在框163处说明性地包括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)之间相对移动第一成角度光纤231和第二成角度光纤232，由此结束所说明的方法(框164)。
在一些实施例中，光学开关可包括匹配核心与覆层的折射率匹配弹性固体层，如以上参照图7A和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′处形成折射率匹配核心和覆层折射率的折射率匹配弹性固体层。也应注意，在一些光纤开关实施例中，类似于上文参照图2A和2B所论述，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，如所属领域技术人员所了解。
一般说来，多模开关的所要特征包括实现以下严格要求：低插入损耗、低回波损耗和快速的切换时间。然而，这些特征一般难以在多模开关中实现。多模开关通常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)。也需要降低所要运动的程度的设计。此外，通常还需要呈耦合开关状态的开关的精确对准、波导面的成角度和/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有显著意义。
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。一般说来，所要位移仅需约3个波长(例如4微米)或3个波长以下以便操作开关200。开关可设计成具有45度或更大角度(α)界面，以使得状态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任一者，即(1)A到A′(即耦合)和(2)A到B和/或B′到A′(非耦合)。如所属领域技术人员所了解，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。
现将参照图18到24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和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。如所属领域技术人员所了解，展示于图15A和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来收集路径B和B′中的光或将光插入路径B和B′中。此外，也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和光纤开关中。一般说来，EIMM聚合物可通过丙烯酸酯和/或甲基丙烯酸酯的UV固化而形成。聚合物的制备可由液体丙烯酸酯和/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和抗氧化剂的调配物开始。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和/或850nm下的折射率尤其受关注。如所属领域技术人员所了解，用不同单体调配物制成的聚合物将具有不同折射率和不同色散(dispersion)两者。
可使用初步估算来测定随在起始调配物中单体的相对量而变化的折射率。此经估算调配物可用作起始点，且随后可基于实际测量值少量添加特定单体以改进所要聚合物的目标折射率调配物。图18提供一个示范性表集合，其可用以计算液体单体调配物的起始组成。因为光引发剂和抗氧化剂在总体积中占较低分率，所以在计算中将其忽略不计。
表18.1提供描述液体单体的特征和作为目标使用的各单体的体积百分比的输入值。表18.3前两列中的经验参数给出由聚合作用引起的预期变化的测量值(δ)，和折射率因色散而由589nm变为1310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。色散因数ξ为聚合物在目标波长(850或1310nm)下的折射率与在589.3nm下的折射率的比率。由对密切相关的丙烯酸酯聚合物的测量值获得这些参数。计算值在表18.3的最后三列中突出显示。在说明性实例中，康宁英菲克(CorningInfiniCor)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，在方程式中Vfi表示第i种组份的体积分数，δ为聚合因数，且ξ为在1310或850nm下的色散因数：
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：来自纽约州康宁(Corning，NY)的康宁公司(Corning，Inc.)的英菲克(InfiniCor)SX(50μm)和康宁英菲克CL-1000(62.5μm)。在850nm下操作的系统将倾向于使用英菲克SX，而在约1310nm下操作的系统将倾向于使用英菲克CL-1000，但任一光纤类型可在任一波长区域内使用。因为EIMM经设计以提供折射率匹配，所以表征个别光纤在相关波长下的折射率有重要意义，且其概述于提供显示英菲克光纤的实测和指定参数的下表中。
Figure BDA0000159663210000111
如上所论述，弹性折射率匹配介质可为由丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯单体通过UV固化合成的(甲基)丙烯酸酯聚合物。如所属领域技术人员所了解，基于多种标准选择单体，包括聚合物的所要特性，例如折射率、硬度、模数、韧性和澄清度。也偏好具有较低健康风险或毒性的单体。一般也需要低硬度到中等硬度的聚合物，以便当开关在闭合或耦合(A到A′)位置时易于有效润湿光学接触表面。模数将决定获得覆盖光纤整个核心(和任选存在的覆层)区域的湿润点所必需的力。
丙烯酸酯单体的一个示范性选择显示于图19中。各单体提供独特属性。氟化物、F8DA和TFPM被用于降低调配物的折射率以匹配光纤核心和覆层的折射率。芳香族化合物、EBDA-10由于存在苯基而提供较高的核心折射率。借助于长的乙氧基侧链，其也赋予柔性、韧性且降低硬度。脂肪族二丙烯酸酯PNGDA也具有中等折射率以及所要机械柔性，且与F8DA或EBDA-10组合时，允许覆层和/或核心的折射率上下调整。单官能单体TFPM、IBA和IOA使交联密度得以调整，此影响硬度和韧性。这些单体也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℃)。一般说来，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清单：
Figure BDA0000159663210000112
上述单体包括单官能和双官能单体两者，即其含有一个或两个(甲基)丙烯酸酯基。这些基团经历自由基聚合机制，从而产生具有弹性特性的高度交联固体。为了用UV光引发聚合，在调配物中包括UV敏感性光引发剂。同时，为了减少因老化而发黄的倾向，添加抗氧化剂。这些组份各自仅占调配物较低百分比，例如2％或较低水平。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。相分离可导致雾的生成，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 BDA0000159663210000121
添加剂是以占所列全部材料的百分比形式呈现
举例来说，来自瑞士巴塞尔汽巴公司(Ciba of Basel，Switzerland)的伊格诺斯1010可用作适合抗氧化剂。此外，两种适合的液体光引发剂显示于图20和21中。两种所说明的光引发剂对来自汞灯(I线)的UV光具有所要反应。如所属领域技术人员所了解，D4265具有最强反应，而且其还包括对蓝光(H线)的一定敏感度，因此其可能需要在具有滤光(黄光)照明的区域中储存和使用。
就折射率和色散特征来表征若干用上述单体和光引发剂制成的材料调配物。将核心和覆层样品涂布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，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(例如剩余未固化单体和光引发剂)升华掉。通过在薄膜(通常10到50微米厚)上进行的棱镜耦合测量法来测量折射率。来自图18的称为EIMM-200的调配物的结果显示于图7中。这些结果是针对EIMM-200核心和覆层的调配物，所述结果与针对以上所列英菲克SX光纤的值一致(且在图18的图中以黑色方格绘制)。
如上所述，需要设计EIMM的机械特性以匹配既定开关所需的特征。举例来说，可使用差示扫描量热计(DSC)对所调配材料进行测量以测定玻璃转变温度(Tg)，且使用动态机械分析器(DMA)测定储存模数。将这些值连同折射率一起记录于下表中。数据证明机械特性和热特性可因单体调配物的不同配方的选择而在极大范围内变化。
丙烯酸酯聚合物膜的实测特征(1)
(1)在氮气下，在125℃下退火1小时之后的固体聚合物
(2)Th是在差示扫描量热计(DSC)中由第一次加热来测定
(3)模数是由动态机械分析器(DMA)获得
(4)范围取决于固化历程和热历程
用于选定弹性固体的单体调配物
Figure BDA0000159663210000132
EIMM结构或层可呈各种形式，其中一者为折射率等于光纤的有效折射率的材料层。再者，EIMM在例如图15A和15B中所示的应用中优于液体折射率匹配材料，因为由有刻面(成角度)的光纤末端获得全内反射需要空气界面。在开关循环工作时，将需要立即完全地移除液体。固体EIMM在一个或两个面上达到此要求，且如果保留在一个光纤末端刻面上时，可任选在开关状态2(非耦合)下形成平面反射表面。EIMM可制备为独立式膜的形式且随后对准，并施加于光纤端面上，或其可直接在光纤末端或抛光的套圈上制造，如以上参照图11所论述。在前一种情况下，EIMM生长于玻璃或硅上且在固化之后剥离。在后一种情况下，可将助粘剂施加于光纤末端上，且EIMM随后将保持刚性附着，如所属领域技术人员所了解。
为了在光纤末端上制造波导，50微米核心光纤可成51度以在光纤末端提供支撑光线的全内反射。波导可与光纤同轴。用于产生此几何形状的一种示范性夹具300显示于图23中。举例来说，光纤331可安装于硅V形槽块301中且以51度角抛光。在EIMM层340制造步骤期间，光纤331可保留在块301中。线隔板302可用以确立EIMM层340的厚度(t)，且掩模303可用以界定匹配光纤331的核心335的卵形核心部分348，如图24中所示。一旦掩模303与光纤331的核心335适当对准，夹具300就将如所示关于来自垂直准直光源的UV曝光呈51度角定向。耦合棱镜304可附着于掩模303以允许UV光束以51度角传播穿过掩模和液体EIMM单体，如所属领域技术人员所了解。掩模303和棱镜304都可由石英(硅石)制成且折射率与EIMM类似或相同。当EIMM固化时，其折射率将增大，因此如在UV光束路径的实线与虚线之间所示UV光束将存在一些折射。
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。可使用包括覆层结构的第二掩模(图23中未显示)界定紧跟着光纤331的覆层337的覆层部分349，如以上参照图11所论述。此又将在光纤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。
可用于光纤开关和互连应用中的EIMM层340的示范性厚度可例如在约25μm到75μm的范围内，但也可使用其它厚度。对于所述厚度，层340在开关闭合时的1μm变形将产生分别介于约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，衬底的硬度影响聚合物的有效硬度。
EIMM层340可有利地与在两个临时共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。对以45度角抛光的光纤对执行测试，由此验证此项功能。对于所述测试，使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。接着使用也固持于抛光块上而未被EIMM覆盖的第二光纤与第一光纤光学连接。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和最大反射损耗。所述测试使用康宁英菲克CL 100062.5μm光纤。对于所述测试来说，EIMM层中无导向结构，仅有匹配梯度折射率光纤的峰值折射率的EIMM材料的连续涂层，如所属领域技术人员所了解。
下表中呈现由各种厚度的EIMM所获得的数据：
1310nm光透射穿过填充有EIMM的间隙的实测和计算损耗
Figure BDA0000159663210000141
Figure BDA0000159663210000151
*使用EIMM-12核心厚度的衬垫
如表中所见，可实现所要回波损耗(例如大于70dB)。对于最薄的样品，在理论上(不希望受此理论的束缚)所述块不必充分平行以允许RL的完全接近和优化。也应注意透射损耗也基本上与理论上允许的一样低，只要不存在导向结构。对于具有既定NA和半径a的梯度折射率光纤，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：
Figure BDA0000159663210000152
在图24中呈现来自以上关系式的数据以供比较。注意到即使在EIMM中不存在波导结构，小于约15μm的间隔也可导致小于0.1dB的透射损耗。因此，如所属领域技术人员所了解，EIMM层340为抑制背反射和增强透射的有效折射率匹配介质。
另参看图25和26，现描述一种用于制造例如上文论述的互连130等光学装置的方法。然而，应注意到以下所述技术也可应用于其它光纤装置，例如光纤开关230、光学波导等。由框400开始，在框401处，将可固化折射率匹配弹性固体层140的第一前驱体施加到光导装置(例如光纤131)的一个端面133上。其它光导装置可包括例如作为平面光路、光学芯片(例如激光)、调制器或其它光学组件的一部分的波导。应注意到在框407′处，可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(例如化学和/或机械抛光)。此外，必要时，助粘剂(例如烷氧基硅烷或氯硅烷)可最初施加于光纤131的端面133。
如上所论述，第一前驱体可包括一个或一个以上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，也可包括多官能单体的至少某一部分。另外，为了获得相对较低的模数(在例如两种光纤配合期间需要模数较低以允许填充间隙和表面不规则性)，某一部分前驱体可为在官能性丙烯酸酯基之间包括相对柔性的侧链和/或键联的单体(例如一般反映在均聚物具有相对较低的玻璃转变温度，例如小于25℃且更具体说来小于0℃)。此外，也需要以实现上述属性所必需的比例存在于前驱体中的单体可混溶，且一种或一种以上单体在室温下可为液体。一般说来，前驱体中所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％，且更具体说来为约2％。同样，所述单体和光引发剂的适当实例在上文中参照图19-21论述。
所述方法进一步在框402处说明性地包括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，核心部分148的折射率n1匹配核心135的折射率。如上所论述，可使用电磁(EM)辐射，例如UV光来进行此步骤(框402′)。所述方法还在框403处包括移除第一前驱体的未固化部分，以及在框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相似但经调整得到覆层137的不同折射率n2的组份。如果要产生梯度折射率，那么可使用具有不同聚合(或交联)率和/或不同折射率的不同单体的集合(框404′)，如所属领域技术人员所了解。如上所述，在框408′处，可使用例如在高温下执行浸泡等操作来提供梯度折射率结构。
所述方法进一步在框405处说明性地包括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，覆层部分149具有匹配覆层折射率的折射率n2，由此结束图25中所说明的方法。此处，同样可使用EM辐射(例如，具有适当波长的UV光)来固化以活化光引发剂。
在打算将弹性固体层140用于相异的光纤或波导的互连(其中在所连接的光纤和/或波导之间核心和覆层的折射率各自可不同)中的情况下，核心和覆层折射率宜介于互连光纤或波导的折射率之间。举例来说，选择弹性固体层的核心的折射率为一个中间值，互连波导的核心的平均折射率可减少在互连中的光功率损耗。同样，选择弹性固体层的覆层以及核心折射率为一个中间值可进一步减少互连中的损耗。产生多个弹性固体层(其中核心和覆层的折射率在两种相异的光纤或波导的值之间逐步渐进地变化)甚至会进一步降低损耗。如所属领域技术人员所了解。
现参照图27描述用于使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。此方法与上文参照图25和26所述的方法相似，但在此示范性实施例中，如上文参照图11所述，第一前驱体是施加于衬底109上(框401″)。在第二前驱体固化之后，可自衬底109移除折射率匹配弹性固体层140(框410″)，以便例如随后安置于光纤上，如上文进一步论述。
现参照图28描述一种用于制造光纤装置(例如互连30)的相似方法。由框420开始，所述方法在框421处说明性地包括将可固化折射率匹配弹性固体层40的至少一个前驱体施加于光纤31的端面33上。在框422处，随后使至少一个前驱体固化以在端面33上形成折射率匹配弹性固体层40，折射率匹配弹性固体层40的折射率n1至少匹配核心35的折射率，由此结束所说明方法(框423)。在一些实施例中，可固化折射率匹配弹性固体层40也可匹配覆层37的折射率n2，如以上所论述。

Claims (10)

1.一种光纤开关，其包含：
具有相应第一端面和第二端面的第一成角度光纤和第二成角度光纤，所述第一成角度光纤和所述第二成角度光纤各自包含
具有核心折射率的核心，和
围绕所述核心且具有不同于所述核心折射率的覆层折射率的覆层；
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和与所述近端面相对以便可重复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至少匹配所述核心折射率的折射率；和
至少一个致动器，其用于在耦合位置与非耦合位置之间相对移动所述第一成角度光纤和所述第二成角度光纤。
2.根据权利要求1所述的光纤开关，其中所述近端面是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以便以机械方式直接可重复耦合到所述第二端面。
3.根据权利要求2所述的光纤开关，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所述的光纤开关，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和与所述近端面相对以便以光学方式及以机械方式可重复耦合到所述第一折射率匹配弹性固体层的所述低粘性远端面的低粘性远端面。
5.根据权利要求1所述的光纤开关，其中所述第一成角度光纤包含接合在一起的第一对横向光纤末端；且其中所述第二成角度光纤包含接合在一起的第二对横向光纤末端。
6.一种用于制造光纤开关的方法，其包含：
形成具有相应第一端面和第二端面的第一成角度光纤和第二成角度光纤，所述第一成角度光纤和所述第二成角度光纤各自包含
具有核心折射率的核心，和
围绕所述核心且具有不同于所述核心折射率的覆层折射率的覆层；
形成第一折射率匹配弹性固体层，所述第一折射率匹配弹性固体层具有耦合到所述第一端面的近端面和与所述近端面相对以便可重复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至少匹配所述核心折射率的折射率；和
定位至少一个致动器以用于在耦合位置与非耦合位置之间相对移动所述第一成角度光纤和所述第二成角度光纤。
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以便以机械方式直接可重复耦合到所述第二端面。
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和与所述近端面相对以便以光学方式及以机械方式可重复耦合到所述第一折射率匹配弹性固体层的所述低粘性远端面的低粘性远端面。
10.根据权利要求6所述的方法，其中形成所述第一成角度光纤包含形成接合在一起的第一对横向光纤末端；且其中形成所述第二成角度光纤包含形成接合在一起的第二对横向光纤末端。
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