CN1215173A

CN1215173A - 把塑料光纤联接到光接收器上的耦联结构

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Publication number: CN1215173A
Application number: CN98120529.1A
Authority: CN
Inventors: 柚木勇人
Original assignee: Sumitomo Wiring Systems Ltd
Current assignee: Sumitomo Wiring Systems Ltd
Priority date: 1997-10-21
Filing date: 1998-10-20
Publication date: 1999-04-28
Also published as: US6301411B1; JPH11125749A; EP0911663A1

Abstract

一种光中继元件(20)插入塑料光纤(16)的光发出端面和光电二极管组件(PD)之类的光接收器的光接收面(Rf)之间。该元件(20)为有渐变折射率的光纤的形式。该元件含一芯部(22)、其直径从光纤侧向光电二极管组件侧逐渐缩小。这种构形可以把光纤(16)和光接收器之间的联接损耗降低到最低程度。

Description

把塑料光纤联接到光接收器上的耦联结构

本发明涉及一种把塑料光纤联接到光接收器上的耦联结构，主要用于高速通信传输。本发明还涉及一种用于该耦联结构的光中继元件和该中继元件的制造方法。

塑料光纤具有一个芯线部，其直径一般大于石英光纤等其它光纤芯线部的直径。这样，它的优越性在于塑料光纤易于与另一根相同或其它种类的塑料光纤联接。因此用于联接的部件不要求严格的精确度。这种塑料光纤提供了易于光学调整的经济的光导通信装置。

过去光导通信速度比较低，一般应用中把光电二极管组件之类的光接收器的采光面直接靠在塑料光纤的端面上。

然而，近来随着把塑料光纤用于高速光导通信的研究工作的进展，光纤与光电二极管组件之类的光接收元件间的联接开始出现了问题。

众所周知，光电二极管的响应速度取决于进入光电二极管组件光接收部分采光面的光激发出的电子抵达光电二极管内电极的时间。为了得到适用于超过数百个兆比特/秒(Mbps)的高速光导通信的响应速度，必须尽力缩小光电二极管组件的光接收部分，以缩短光传输时间。

反过来，缩小了光接收部分后仅能接受到从塑料光纤端面发出的部分光，因此加大了光纤与光电二极管组件之间的联接损耗。

本发明旨在解决上述问题，提供一种把塑料光纤联接到光接收器，能够降低其间联接损耗的耦联结构；并提供用于该结构的光中继元件以及制备该光中继元件的方法。

为此，提供了一种具有光中继元件的耦联结构，光中继元件由一个圆柱管和一个有一定光折射率的芯部组成。光中继元件置于塑料光纤与光接收器之间，在元件的一端面塑料光纤有一个发光的端面，另一端面，光接收器有一个采光面，它小于光纤的发光端面。在这个结构中，芯部的直径从发光端面起指向采光面逐渐缩小，芯部在径向上折射率是渐变的。

另外，芯部在纵向上折射率也可以是渐变的。

最后，光中继元件在一端的直径基本上相当于塑料光纤发光端面的直径，在另一端直径基本上相当于光接收器采光面的直径。

这里还提供一种具有圆柱管和有一定光折射率的芯部的光中继元件。该元件布置在塑料光纤和光接收器之间，在元件的一端面塑料光纤有一个发光端面，另一端面光接收器有一个采光面，采光面小于光纤的发光面。该元件中，芯部的直径从发光端面起指向采光面逐渐缩小，芯部在径向上折射率是渐变的。

芯部在纵向上折射率也可以是渐变的。

最好，光中继元件在一端的直径基本上相当于塑料光纤发光端面的直径，在另一端的直径基本上相当于光接收器采光面的直径。

这里还提供了制备具有圆柱管和折射率渐变的芯部的光中继元件的方法。光中继元件布置在塑料光纤和光接收器之间，在元件的一端面塑料光纤有一个发光端面，另一端面光接收器有一个采光面，采光面小于光纤的发光面。该方法含以下工序：

用有一定光折射率的聚合物制备圆柱管，这里圆柱管具有内壁和内空间，内壁的直径从发光端面起指向采光面逐渐缩小；

在圆柱管的内空间内放入由构成这些聚合物的单体和折射率大于该聚合物的折射率的非聚合化合物组成的混合物；并且

在溶解圆柱管内壁的同时，单体发生聚合。

最好这些聚合物、单体和非聚合化合物分别为聚(异丁烯酸甲酯)，异丁烯酸甲酯和苯甲酸苄酯。

下面参照附图说明优选实施例，作为非限定性举例，从中可以清楚本发明的上述目的和其它目的、特征和优越性。这些附图包括：

图1所示为本发明所述的把光导纤维联接到光电二极管组件上的耦联结构的侧视截面图；

图2为图1所示耦联结构主要部分的分解侧视图；

图3为根据本发明所述光中继元件的体视图；

图4为表示光中继元件中光折射率分布和光传输路径的侧视截面图；

图5为开始制备芯部时的光中继元件横截面图；

图6为芯部制备过程中间阶段的光中继元件横截面图；

图7为芯部制备过程进一步进行时的光中继元件横截面图；

图8为根据本发明的一种结构布置，正在检测光导纤维和光电二极管组件之间的联接损耗；

图9为根据一个对比例的一种结构布置，正在检测光导纤维和发光二极管组件之间的联接损耗。

下面说明联接塑料光纤和光电二极管组件(光接收器)的耦联结构的例子。

在图1所示的联接构件中，套筒1固定地装在一个向外突出的阳联接件(图中未示)上，同时光电二极管组件PD固定地装在一个阴联接件(图中未示)中。把阳联接件和阴联接件装配在一起时，把套筒1的末端面对面联到光电二极管组件PD的光接收部分R上。图2为图1构件的分解视图。

如图所示，套筒1有一个小直径部分2和一个大直径部分10。光导纤维芯线15有一个外皮部分和一个在其一端裸露的光纤16。套筒1的小直径部分2固定住光中继元件20，而其大直径部10固定住光纤芯线15的外皮17。

小直径部2有一个内圆周面2a，其内圆周面边缘有一个径向向内凸出的法兰凸缘3。

大直径部10有一个内圆周面10，其直径大体与光纤芯线15的外径相同。内圆周面10a自大直径部分的一端起逐渐缩小，形成了一带梢度的部分5，通过该部分大内圆周面10a逐渐过渡到小直径部分2的内圆周面2a。另一方面，大直径部分10另一端的内径逐渐向外扩大(指向阳联接件)，从而形成带梢的导管11。另外，大直径部分10有一个外圆周面，在邻近大直径部分10端部(阳联接件一侧)的外圆周面上有一个圆凸缘12。

如图3和图4所示，光中继元件20有一个芯部22和一个包复在芯部外圆周表面的外罩部23。

在中继元件20的一端绕外圆周边缘截割然后抛光，形成一个截割部21。光中继元件20的长度确定为小半径部分2的长度的一半左右，而它的外径确定为约等于小直径部2的内径。光中继元件从阳联接件插入套筒1并深入到小半径部2内部时，后者的法兰缘3与截割部21配合，使光中继元件21固定在预定位置。这种状况下，光中继元件20的端面在小直径部2的端面处暴露出来，而其面向阳联接件侧的另一端面暴露在小半径部2的约一半处。

光中继元件20的芯部22外径由阳联接件侧起指向阴联接件侧逐渐缩小。如图4所示，芯部形成得使圆截面上的折射率从中轴区向外圆周面区逐渐减小地分布，就像渐变折射率型光导纤维的芯部的情况那样。类似地，轴向上芯部22的折射率由光中继元件20的阳联接件侧向阴联接件侧逐渐减少。另外，外罩部23制备成具有恒定的折射率，该部折射率比芯部22任何部分的折射率都低。

光纤芯15由末端起按预定的长度剥去外皮，使光导纤维16在这段长度上暴露。

该光导纤维16的暴露长度设定为约与大直径部10的内圆面边缘和光中继元件20阳联接件侧部之间的距离相等。

然后把光中继元件20固定安装在套筒1的小半径部2中，再把光纤芯线15以端部为前导由阳联接件侧插入套筒1。当外皮17的末端邻近带梢部分5的窄端边缘时，进一步向阴联接件的推进受阻，然后向阴联接件侧伸得更远的暴露的光导纤维16以其端面与光中继元件20的阴联接件侧面边缘配合在一起。

明显地，这种状况下，光导纤维16的端面与暴露在光中继元件20的阳联接件端的芯部22的端面相互配合。

当装有套筒1的阳联接件(如图1所示)联接到装有光电二极管组件的阴联接件上时，暴露在套筒1端面上的光中继元件20的芯部22的端面被布置得接近，或者接触光电二极管组件PD中光接收部分R的采光面Rf。

经过上述结构布置，离开塑料光纤15端面的光穿过光中继元件20然后进入光电二极管组件PD。

首先，光在光纤16中传输并离开它的端面。光经过位于阳联接侧的芯部22暴露端进入光中继元件20的芯部22。然后，如图4所示，入射的光向阴联接件侧传输中逐渐被芯部22会聚。接着光经过位于阴联接件侧的芯部22的暴露末端离开光中继元件20的芯部22。射出的光然后进入光电二极管组件PD的采光面Rf。

在这种把塑料光纤16联接到光电二极管组件PD的耦联结构中，离开光纤16端面的光受到光中继元件20的芯部22的会聚然后进入光电二极管组件PD的采光面Rf。以这样的方式，即使把大芯线直径的塑料光纤16联接到小直径采光面Rf的光电二极管组件PD上，联接耗损也可以降低到最小。

当光中继元件20中芯部22位于塑料光纤16一侧的端面直径，约和光纤16芯部的直径一样大时，离开光纤16端面的光可以有效地被接受到光中继元件20的芯部22中。这样可进一步降低联接损耗。

当光中继元件20中芯部22位于光电二极管组件一侧的端面直径与采光面Rf的直径基本上相同时，离开芯部22的光可以有效地被采光面Rf收集。这样可进一步降低联接损耗。

芯部22的倾斜角度适当布置取决于塑料光纤16的芯线直径、它的数值阑径、光电二极管组件PD的采光面形状等等。

过去当把光电二极管模塑进树脂外壳中制造光电二极管组件PD时，在模塑过程中置入一个半球形透镜。从而，在制得的外壳中，离开塑料光纤的端面的光能够被这种半球形透镜会聚。

然而，当前使用的光纤数值阑径各不相同。这样，如果半球形透镜的会聚能力与光纤不匹配时，就会有大量的光损耗。

相反，根据本发明的联接构件使人们能够方便地选择能与塑料光纤的数值阑径匹配的光中继元件20。因此该耦联结构具有广泛用途。

通常采用聚碳酸酯型多功能树脂(环氧树脂)覆盖光电二极管。此类树脂固化后折射率为1.56到1.59，相对较高。因此，当光离开光中继元件20进入树脂时，光首先被折射得形成近乎于与采光面Rf垂直的角度，然后进入该面。利用这个机制进一步降低了联接耗损。

上述光中继元件20可以按照下述的方法制造(例子)。

把纯聚(异丁烯酸甲酯)注入模具，然后用一种媒剂脱模，以制作圆柱管50，其内径从一端向另一端逐渐减小。该管在乙醇中超声清洗以去除脱模剂。脱模剂有可能会干扰后续的化学反应。该管以后用作光中继元件20的外罩部分23。

芯部22由光导材料54制成，该材料由85份重量比的真空蒸馏异丁烯酸甲酯、15份重量比的苯甲酸苄酯，0.1份重量比的正丁硫醇(链转移剂)和0.1份重量比的偶氮二异丁腈(聚合引发剂)的混合而制备。

把圆柱管直立于一个板上，把事先用吸气机脱气后的光导材料注入圆柱管的内部空间中。

把直立的圆柱管置于80℃的恒温箱内。然后上述材料经20小时缓慢聚合。

聚合过程如图5至图7所示。如图5所示，当光波引导材料54注入到圆柱管50的内部空间中时，圆柱管50的内壁膨胀并且被光波引导材料54中的异丁烯酸甲酯溶解。在膨胀的部分，靠凝胶效应聚合作用继续进行，从而光波引导材料中的异丁烯酸甲酯受到消耗。同时，作为掺杂物出现的苯甲酸苄酯不能够聚合，并保留在中心区域(如图6及图7所示)。按这种情况，苯甲酸苄酯的浓度从圆柱形管50的内壁向其中心区域增高。

在如此制备的光中继元件20中，芯部22由光波引导材料54构成，从而它的折射率分布由聚(异丁烯酸甲酯)和苯甲酸苄酯的浓度比决定，前者的折射率为1.495，后者的折射率为1.56。因为苯甲酸苄酯的折射率高，在其成分最多的芯部22中心区域折射率最高。从芯部22的中心区域横向其边缘区域(接近圆柱管的内壁)，低折射率的聚(异丁烯酸甲酯)的浓度比逐渐增加，从而折射率从芯部22指向周边区域相应下降。

如上所述，圆柱管50的内径从一端向另一端逐渐缩小，并且通过向其中注入光波引导材料54形成芯部22。这种构件中，光中继元件20中高折射率分布的区域与芯部22的外形相应从圆柱管50的一端向着另一端变窄。

如此制备的光中继元件20的数值阑径约为0.2。

由联接塑料光纤到光接收器上的构件引起的联接损耗测量如下。

图8示意表示这种联接构件。

按照上述方法制备的光中继元件20的长度为8毫米、直径为1.6毫米。芯部22一端(阳联接件侧)的内径为0.5毫米与下文将说明的塑料光纤15的芯线直径相当，而另一端(阴联接件侧)的内径为0.25毫米，与标准使用的高速光导通信的光电二极管组件PD中光接收部分R的采光面Rf的直径相当。芯部22的两个端面均用抛光机或者用为石英纤维提供的专用抛光纸抛光。

测量用的光源使用住友电装公司制造的GL传输装置的发光二极管组件(LED组件)。该装置由一个精密稳压电源连续驱动，这样在发光二极管组件(LED组件)中发出中心波长为700nm的光，输出功率为3dBm。

发光二极管组件(LED组件)的光经过一段从GI-POF光学纤维上截取的2米长塑料光纤引向光电二极管组件PD。

联接损耗用横久川株式会社(Yokogawa Seisaku sho)制造的光功率计(产品号3292)测量，它的灵敏中心调节到700nm。用该功率计的传感器S取代光电二极管组件PD，面向光中继元件20的端面(阴联接件侧)。

为了测量高速通信用的光电二极管组件PD接收的光信号强度，在光中继元件20和传感器S之间插入一个遮板55。遮板55上设有一个直径0.25毫米的小孔，大小与光电二极管组件PD的采光面Rf大小相当。

小孔放在传感器S的表面上，从而在黑暗中测量时不受到外部光的干扰。

图9所示为一对比例，其中没有采用光中继元件20。该例中，离开光导纤维15端面的光经过遮板55的小孔直接进入传感器S。

使用光中继元件20时(图8)，测出值为“-15.113毫瓦分贝(dBm)”，而不使用光中继元件20时(图9)测出的值为“-20.881毫瓦分贝(dBm)”。

结果表明使用光中继元件20得到约5.7毫瓦分贝(dBm)的增益。因此，使用上述那种光中继元件把大直径的光纤联接到有小采光面的光电二极管组件上，用于高速通信时，实现了有效的联接。

离开芯部直径0.5毫米的光纤的均匀光被采光面直径0.25毫米的光电二极管接收，按表面积比计算仅有25％的发射光被捕获。将此换算成恢复系数，按公式(-10)×log(0.25)得到损耗为6.02分贝(dB)。

根据本发明把塑料光纤联接到光接收器上的结构，在光纤的端面和光接收器的采光面之间插入了一个光中继元件。光中继元件有一个芯部并且采取有渐变折射率的光纤维形式。芯部的直径由光纤侧向光接收器侧逐渐缩小。凭借这样的构形，从塑料光纤端面发出的光被光中继元件会聚然后进入光接收器的采光面。因而发出的光大部分被光接收器捕捉，这样光纤和光接收器联接造成的损耗降低到最小的程度。

另外使光中继元件芯部直径在一端与塑料光纤的直径相当。另一端与光接收器接收面直径相当。因而从光纤发出的光可以有效地被光接收器的采光面接收并且降低联接损失。

Claims

1．一种耦联结构，具有由一个圆柱管和一个有一定折射率的芯部(22)组成的光中继元件(20)，所述光中继元件插入在塑料光纤(16)和光接收器之间，在元件的一端面塑料光纤有一个发光的端面，另一个端面光接收器有一个比所述发光的端面小的光接收面(Rf)，其特征在于所述芯部的直径从所述发光端面向所述光接收面逐渐缩小，并且所述折射率在径向上渐变。

2．根据权利要求1的耦联结构，其特征为，所述芯部(22)有一个所述折射率沿之也渐变的轴向。

3．根据权利要求1或2的耦联结构，其特征为，所述光中继元件(20)的所述芯部(22)在一端的直径基本上相当于所述塑料光纤(16)的所述发光面的直径，另一端的直径基本上相当于所述光接收器所述光接收面(Rf)的直径。

4．一种光中继元件(20)，含有一个圆柱管和一个有一定折射率的芯部(22)，用来插入在塑料光纤(16)和光接收器之间，在元件的一端面塑料光纤(16)有一个光发出端面，另一端面光接收器有一个比所述光发出端面小的光接收面(Rf)，其特征在于所述芯部直径从所述光发出端面指向所述光接收面逐渐缩小，并且所述折射率沿径向渐变。

5．根据权利要求4的光中继元件(20)，其特征为所述芯部(22)包含一轴向，所述折射率也沿该轴向渐变。

6．根据权利要求4或5的光中继元件(20)，其特征为，所述光中继元件的芯部(20)的直径在一端基本上相当于所述塑料光纤(16)的所述光发出端面的直径，在另一端基本上相当于所述光接收器的光接收面(Rf)的直径。

7．一种制备具有一个圆柱管和折射率渐变的芯部(22)的光中继元件(20)的方法，所述光中继元件用于插入在塑料光纤(16)和光接受器之间，在元件的一端面塑料光纤(16)有一个光发出端面，另一端面，光接收器有一个比所述光发出面小的光接收面(Rf)，其特征在于所述方法包括以下工序：

用具有一定折射率的聚合物制备所述圆柱管，这里，所述圆柱管有一个有一定内径的内圆柱壁和一个内空间，所述内径从所述光发出端面向所述光接收面逐渐缩小；

在所述圆柱管的所述内空间注入由构成所述聚合物的单体和折射率大于该聚合物折射率的非聚合化合物组成的混合物；以及

在溶解所述圆柱管所述内壁时，所述单体聚合。

8．根据权利要求7的方法，其特征为，所述聚合物、所述单体和所述非聚合化合物分别是聚(异丁烯酸甲酯)、异丁烯酸甲酯和苯甲酸苄酯。