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CN1056172A - 制造聚合物光波导管光学连接器的方法 - Google Patents

制造聚合物光波导管光学连接器的方法 Download PDF

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朱尔根·泰斯
沃纳·格罗
安德烈亚斯·克罗克梅耶
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赫彻斯特股份公司
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Abstract

利用塑料红套管将光波导管以相同的方法排列 并使之成束,制造聚合物光波导管的光学连接器的方 法。在这种方法中,将2到10

Description

本发明涉及一种经济有效地制造光学连接器的方法,该连接器具有高的机械稳定性和很强的耐热和耐候能力。

在无源光波导管网络中,连接器起了将来自输入光波导管的光信号分配到输出光波导管的光学元件作用。这类连接器由一个透明体构成,该透明体将位于光线输入端和输出端的光波导管连接起来。除了通过将透明模制体粘接或熔接到光波导管上的方法制造连接器外,还已知通过绞合光波导管束并并拉伸绞合部位的方法制造连接器(参见Agarwal,Fiber  Integr.Optices,1987年第6卷、第1期,第27-53页)。

但是,这些复合连接器的制造是复杂而又昂贵的;此外,这类已知的连接器的光通量衰减难于还原,其结果使不同输出光导纤维之间的输出功率变化大于1分贝。

此外,已知将聚合物光波导管制成的光导纤维束利用红套管(热套冷缩管)熔接在一起的连接器(DE-A-3,737,930,WO-89/02608)。根据WO-89/02608所述的方法,在熔合的芯纤维,红套管和所谓的“焊条”之间只有不完全的接触,从而产生受干扰的芯-包壳界面层,结果造成大量的光损失。

许多连接器(例如“双锥体”连接器或红套管技术同“双锥体”方法的组合)的更主要的问题是仅有不充足的机械稳定性,尤其是在混合区附近,只有通过支撑来减少不稳定性。因此,为了满足汽车制造业要求的稳定性,必须将制成的连接器安装在特定的外壳内适当的位置。

因此,本发明的目标是寻找一种方法,能够简单地和便宜地制造机械稳定的连接器,并使制成的连接器输出衰减低和输出光导纤维之间的功率变化小。

在这种方法中应有这样一种可能性,即根据应用场合,或者是从成品光波导管开始,只需要在混合区清除环绕的覆盖物,或者,另行制造密实的光波导管束,其中任何覆盖层的清除工序可以省去。

我们发现,一种对外界影响稳定并在各个输出光导纤维之间具有最小功率变化的连接器能用简单的方法制造。即用一根塑料管环套在光波导管的混合区,随后的步骤是套上红套管。

根据本发明的方法,是将2到105根聚合物光波导管以相同方向排列并使之成束,在此过程,也可将光波导管绞合,再将一根塑料管套在混合区,然后将一根塑料红套管套在塑料管上。红套管由于受热而发生收缩。

由于塑料管提高了混合区的稳定性,结果使之能防止外界影响,例如冲击,打击或弯曲载荷。这种塑料管一定不能是完全刚性的,而必须能够挠曲一定程度,以使它同混合区弯曲的光波导管相适应,但要防止它们断裂。塑料管还保护混合区使之不受热和气候的影响,使这种连接器甚至让其暴露在高温下后,仍显示出非常低的输出衰减漂移。

用作这些塑料管的合适材料通常是所有高度透明的聚合物,这些聚合物的折射率低于光导纤维的折射率,例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。聚4-甲基戊烯,聚四氟乙烯或氟化聚合物。

成功地进行熔合所需要的条件是光波导管和塑料管的机械性质和热力学性质相匹配。当加热光波导管和塑料管时,它们从玻璃态转变成热弹态。随后由热弹态转变成热塑态。当温度升高时,塑料管应首先转变成热弹态,而光波导管只有在更高一些的温度下才完成这种转变。但是,在塑料管转变成热塑态之前,光波导管必须已经处于热弹态。如此使塑料管和光波导管处于良好的光学接触,同时防止在光波导管之间形成覆盖物。通过改变光波导管和塑料管的分子量使各种温度范围可以互相匹配。如果红套管的收缩温度处在塑料管的热弹温度范围内,将使得塑料管和导体致密熔合。在熔合期间,由红套管环绕的光导纤维束和塑料管在加热期间或加热后可以被对称或不对称地拉伸,结果形成一种中间细的双锥体外形(双锥体)。通过比两端更猛烈地加热红套管的中心,即使不拉伸也能得到双锥外形。

红套管的收缩过程导致塑料管变形,结果牢牢地封死熔合的聚合物光波导管束。

根据本发明的方法,塑料管的折射率应该低于芯纤维的折射率,因为塑料管对于混合区起光学覆盖层的作用。在这种情况下,在混合区套上塑料管之前,应从光导纤维中清除掉原有的覆盖物。

这种方法的优点是红套管的脱除和随后对混合区的上漆工序可以省去。因为塑料管完全起到了光学覆盖层的作用。

例如用通过金属(尤其是铝)蒸涂法涂有反射镜涂膜的塑料管,或用涂有反射镜涂膜的塑料膜包裹未经蒸涂的管,能够使输出衰减损耗得到进一步的减少。

上述的方法还适用于制造密实的光波导管纤维束,对于这种用途,不需要预先清除光学覆盖层。

塑料管长10到100毫米,尤以40到60毫米为宜;内径为1到50毫米,尤以3到10毫米为宜。在优选的实施例中,塑料管的壁厚为0.5到25毫米,尤以1到5毫米为宜。应小心地保证塑料管的内表面尽可能的平滑。

例如,在DE-A-3,737,930和WO-89/02608中提到了适用于本发明方法的红套管。

红套管可以是黑色的,透明的或带色的。因为红套管不起光学覆盖层作用,所以在制造这类红套管中,红套管的折射率不起任何作用。还可使用那些内壁涂有热塑性材料的红套管。具有内涂层的红套管通常由聚烯烃构成。

按照本发明的方法,还可使用双层红套管。这些红套管是由内套管和外套管组成的。当达到外套管的收缩温度时,内套管已处于热塑态。外红套管所施加的压力足以使红套管、塑料管和光导纤维之间形成良好的结合。

红套管通常长10到200毫米,尤以50到100毫米为宜;直径为0.5到60毫米,尤以1到20毫米为宜。

用作红套管的常规材料,如聚烯烃,1,1-二氟乙烯或含1,1-二氟乙烯的共聚物或硅橡胶,通常在100至300℃温度之间收缩,取决于所用红套管的类型,在加工期间,红套管以1.2∶1到约4∶1的比率缩小。

例如,在汽车工业中,使用输入和输出纤维处于同一方向的连接器,即将连接区弯成U型。在已经处于受力状态的混合区域内,这种弯曲的连接器对外界机械作用的影响尤其敏感。确切地说,这种特殊加工成型的连接器因这种塑料管在这个区域得到了强的支承,从而使它们尤其耐冲击,耐压力以及抗扭转载荷。

总而言之,可以按照本发明方法制造出机械稳定性特别高的连接器。环绕光波导管的塑料管使得光导纤维能够特别有效地防止外界影响,例如油污,灰尘或湿气的影响,以及具有优异的耐热性和耐候性。

实施例1制造带有传送混合器的7×7星型连接器在7根0.5米长的塑料光波导管上5厘米的区域内用汽油清除掉光学覆盖层,这些光波导管由聚碳酸酯制成,每根直径为1毫米。然后将一根薄PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯,折射率n=1.492)管套在这个区域上。光导纤维的折射率为n=1.585,PMMA管内径为3毫米,壁厚1毫米,长5厘米。然后将一根由聚-1,1-二氟乙烯制成的,内径为6.4毫米;长7厘米的透明红套管套在PMMA管和纤维上。

为了将加热系统与红套管隔开,将一根内径为7毫米,长7.5厘米的玻璃管套在红套管PMMA管与光导纤维上,光纤被固定在合适的位置。在红套管或PMMA管区域,将温度升到195℃。当达到该温度时,红套管开始收缩,PMMA管和光导纤维(其软化温度低于195℃)开始熔合。熔合区(称之为混合器棒)是一个长l=2.5厘米,直径d≈3毫米的圆形柱体。因为PMMA管的折射率比聚碳酸酯纤维的折射率(n=1.585)低,PMMA管除了起稳定作用外,还同时起光学覆盖层作用。混合器内传播的光线在混合器棒/PMMA管的界面层全部被反射,从而几乎没有光线能透射到混合器外边。在除掉玻璃管后,便得到机械性能稳定的星型连接器。

测试星型连接器的耐循环热载性,为此,将连接器装入人工气候室,每8小时在-40℃到+100℃之间循环一次,进行长达一星期的热处理。其衰减变化为0.5分贝。

带有传送混合器的7×7星型连接器,其极限损耗为2.0分贝,其任何输出光导纤维之间的功率变化为1.5分贝。

实施例2用与实施例1类似的方法制造传送星型连接器,利用热空气源将混合器棒再次加热至180℃,并弯成U型。

测得的极限损耗为2.5分贝,其任何输出光导纤维之间的功率变化为2分贝。

使用与实施例1的连接器相同的测试条件,测试传送星型连接器的耐热性。衰减变化又是很小:仅为+0.6分贝。用这种方法制造的连接器显示出高的扭转载荷容量。

实施例3用与实施例1类似的方法制造7×7星型连接器。为了获得低的衰减损耗,使用一种蒸涂有金属铝的聚甲基丙烯酸甲酯管子。

在混合区涂有反射镜的传送星型连接器的极限损耗为1.7分贝,输出光导纤维之间的功率变化为1.5分贝。

在进行了类似于实施例1和实施例2的热载荷实验后,衰减差为0.6分贝。

实施例4用与实施例1相似的方法制造基于拉伸PMMA光导纤维的7×7星型连接器(PMMA:n=1.492)。

不同于实施例1的是用甲苯/丙酮(2∶1)溶液清除光学覆盖层。塑料管是由折射率n=1.37的氟化聚合物组成。将由光导纤维,塑料管和红套管组成的现成装置按如下方式加热,即使管子的中心温度约为190℃,而使边缘区温度约低10℃。这种温度控制的结果使拉伸的聚合物光导纤维沿轴向收缩。由于熔合的光导纤维中心部位处在热塑态而外部区域处在热弹态,结果在塑料管里面形成了双锥形。利用红套管的收缩力使边缘区正常发生的光纤径向膨胀得到抑制。

由此制得的传送星型连接器的功率变化很小,为1.3分贝。极限损耗在1.5分贝的范围内。

经循环热载荷实验(从-40℃到+85℃),其衰减变化仅为0.5分贝。

Claims (14)

1.利用塑料红套管,将光波导管以相同的方向排列并使之成束,制造聚合物光波导管的光学连接器的方法,该方法包括将2到105根聚合物光波导管以相同的方向排列并成束,在混合区套上塑料管,然后在塑料管上套上一根塑料红套管,并将红套管加热到使之收缩的温度。
2.权利要求1所述的方法,其中塑料管先于聚合物光波导管转变成热弹态,而后者在塑料管材转变成热塑态之前方完成热弹态的转变。
3.权利要求1到2中至少一项所述的方法,其中红套管的收缩温度处在塑料管的热弹态温度范围内。
4.权利要求1到3中至少一项所述的方法,其中在加热期间或加热后拉伸光导纤维束。
5.权利要求1到4中至少一项所述的方法,其中红套管中心的加热要比两端更猛烈。
6.权利要求1到5中至少一项所述的方法,其中塑料管的折射率要比芯纤维低。
7.权利要求1到6中至少一项所述的方法,其中光波导管在接合处不含覆盖物层,塑料管在连接器混合区起光学覆盖层作用。
8.权利要求7中所述的方法,其中塑料管内壁涂有反射镜层。
9.权利要求7中所述的方法,其中塑料管另外用涂有反射镜层的塑料膜包裹。
10.权利要求1到9中至少一项所述的方法,其中塑料管长度在10到100毫米的范围,尤以40到60毫米为宜。
11.权利要求1到10中至少一项所述的方法,其中塑料管的内径在1到50毫米的范围,尤以3到10毫米为宜。
12.权利要求1到11中至少一项所述的方法,其中塑料管的壁厚在0.5到5毫米的范围,尤以1到2毫米为宜。
13.按权利要求1到12中至少一项所述的方法制造的光学连接器,其中混合区具有高的机械强度和稳定性,尤其是具有良好的耐热和耐候性。
14.权利要求13中所要求的光学连接器,其混合区可具有弯曲的形状。
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