CN1325497A - 磨光的熔凝光纤维端面 - Google Patents

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华立青
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Abstract

一种光纤端面,有一个通过对端面磨光产生的截锥体区域。然而为了制出一个最佳的圆形尖端,随后就熔凝磨光过的光纤。为了提高耦合效率,磨光过的截锥体区域的顶角优选在16°－20°之间。另外,为了制出双曲线端面,最好在熔凝尖端之前磨光中间截锥体区域。这个熔凝的尖端最好为圆形横截面。

Description

磨光的熔凝光纤端面
本发明的背景技术
在光纤传送光的系统中，提高某种类型的光电子装置(比如光源或检波器)与光纤传送介质之间的耦合效率通常是很重要的。最常见的应用之一就是应用于通讯系统，由调制过的半导体二极管，激光二极管光源或带有单独的调制器的光源产生的光信号耦合入光纤。应用于长距离传送时，激光二极管通常为单横模装置，光纤仅传播单模。在光纤的远端并且通常在通过光纤放大器后的多次反射后，光信号从光纤一端耦合到检波器中，在这里光信号又转换成电信号。另外还有辅助的应用，比如使用二极管光学上抽运光纤放大器。在这里，由激光二极管产生的抽运光耦合入光纤中传送到光纤放大器。
耦合通常是围绕光电子装置与光电子模块中的光纤端部之间的界面进行的。在最常用的设备中，光电子装置，激光二极管或检波器固定到装在光电子模块中的基底上。把装有护套的光纤的长度短的那端(称为尾光纤)引入模块中，对准光电子装置，并且利用回流焊接、激光焊接或一些其它技术来固定。考虑到调制后光源的这些例子，比如直接调制过的激光二极管或带有调制器的CW激光二极管，或者高耦合效率通常是最重要的泵，有大量的技术使耦合效率最大化。从这些技术中进行选择涉及到三个不同因素的权衡：模块制作复杂性，产量以及耦合效率。
最简单的耦合途径就是裂开尾光纤，进行对接耦合。把光纤的端部裂成竖直的清洁的平端面。然后把端面固定在光电子模块中，尽可能地接近光电子装置的光发射面。
由于竖直端面的分裂容易再生，所以对接耦合的产量高。又因为裂开是一门相对简单的技术，这个技术也不昂贵。但是耦合效率低。通常，从光电子光源发射出的光只有10％耦合通过光纤传送。
为了提高对接耦合的耦合效率，常用技术是在尾光纤的端部放置一凸透镜，从而从光电子光源中收集更多的光进入光纤芯中。最简单的技术之一是在光纤的端部安装一个微球体使其具备透镜的功能。明确地说，蚀刻光纤一端形成一个凹面，然后把微球体粘到光纤端部。在工艺性上这项技术有优点，而且耦合效率很高，接近40％。
如果需要更高的耦合效率，就需要在尾光纤上制成显微透镜端面。要想实现这一目的有三种常用技术：牵引，蚀刻和磨光。每一项技术都可以在尾光纤上制成接近于双曲线表面的端面，双曲线表面具有理想的耦合效率，但是利用这项技术再生产时水平容易变动。
拉光纤是在火焰中牵引光纤，从而产生收缩区域，然后在窄的收敛部分裂开，然后用火焰熔凝。这项技术简单，但是产生的镜头偏离双曲线表面太大。
过去，很多标准的激光源的光纤端面都是通过蚀刻然后熔凝半球形镜头而制成的。耦合效率的范围在50-75％之间。明确地说，光纤带着保护套并且适当地进行磨光，然后浸湿在热的缓冲氢氟酸溶液中3-4小时。一直浸泡到目标端的直径大约为13微米，+/-3微米。然后利用电焊条熔凝端部形成镜头。然而问题是镜头相对于光纤芯的同心性，这个过程极大程度上取决于光纤保护套和特殊光纤蚀刻剂的特性。
最后，光纤磨光是使用电机控制的夹具使尾光纤的端部与旋转的砂轮接触，对端面进行磨光从而形成预期的端面镜头。过去，制成的镜头的顶角通常为锐角或钝角。
发明概要
如果需要高的耦合效率，几个选项中可利用的是镜头磨光技术或蚀刻技术。光纤牵引技术制出的镜头偏离理想的双曲线端面太多。在两种余下的技术中，光纤端面蚀刻比较容易进行。然而主要问题是产量问题。通常，尾光纤的蚀刻速度是逐批变化的。结果，通常要进行测试蚀刻，从而确定最佳溶液浓度和蚀刻时间。另外，即使这些因素最佳化时，蚀刻镜头或许相对于尾光纤芯不同心。不同心将极大地削弱耦合效率从而变成非同心的无用光纤。
这就只有选择端面磨光。然而采用这项技术存在许多问题。通常，光纤磨光技术产生的是偏离最佳双曲线表面的圆锥形端面表面。另外，研究表明：通常的钝顶角的耦合效率不是最满意的。
本发明涉及到光纤端面磨光方面的很多创新，在提高产量的同时极大地提高耦合效率。具体地说，对光纤端面进行磨光，优选地形成类似于截锥形端面或尖锐的端面。然而，在磨光后，熔凝端面，优选地在电弧熔凝器中形成一个光滑的圆形端面。研究还表明，在大多数磨光技术中使用的顶角太大。这样，老的光纤牵引技术具有某些优点。因此，根据本发明，光纤的端面磨成锐角，从而极大地提高耦合效率。
概括地说，根据本发明的一方面，其特征是光纤的端面。端面有一截锥体区域，它是通过把端面磨光而制成的。然而，为了制出最佳的圆形光滑尖端，就要熔凝磨光过的光纤。
在具体实施例中，磨光的截锥体区域为截头圆锥形或接近截头圆锥形。由于光电子光源已调制过，又有很高远的场对称性，所以希望截头圆锥形具有圆形对称性。
优选地，为了提高耦合效率，磨光的截锥体区域的顶角为锐角，优选在16度-20度之间。研究表明，这是最佳范围。另外，为了与希望的双曲线表面相匹配，在光纤端部优选地磨光一个中间截锥体区域。
概括地讲，根据本发明的另一方面，本发明涉及一个光电子模块。这个模块包括有光电子装置，比如激光二极管或激光二极管/调制器，或者甚至是一个光电子检波器。尾光纤要么从光电子装置传送光信号，要么把光电子信号传送到光电子装置。本发明的尾光纤的端面有一个磨光过的截锥体区域和一个熔凝的尖端。
概括地说，根据本发明的另一方面，本发明还涉及一种在光纤端部制作镜头的方法。该方法包括在轴向旋转光纤的同时磨光其端部，然后根据本发明将光纤的尖端熔凝。
在具体的实施方案中，在磨光过程中同时检测这种光纤的同心性。研究表明，为了最大化耦合效率，必须控制同心。缺少这种控制是与光纤端面蚀刻技术有关的主要缺点之一。
在优选实施方案中，在把端面放置于与磨光轮接触时通过磨光制作出具有两个或多个分离顶角的端面。
本发明的以上和其它特征包括对结构和各部分结合起来的各种细节的改进，以及其它优点，这些都将参照附图进行详细的描述，并且在权利要求中指明。为了说明而不是限制本发明，从而具体地阐述特殊的方法和装置，这一点容易理解。在不脱离本发明保护范围的情况下，可以在各种和大量的实施例中采用本发明的原理和特征。
在附图中，相同的参考标号在不同视图中指相同的部件。附图不必要依据比例确定，而重点在于说明本发明的原理。在
附图中：
图1是用于说明应用本发明的光电子模块的局部剖视图。
图2是本发明的光纤端面的侧视比例图，1英寸=50微米。
图3A和3B是本发明的光纤磨光装置或夹具的侧示图和透视图。
图4A是说明本发明中粗磨光纤的截面图。
图4B是说明本发明中中粗磨光纤的截面图。
图4C是说明本发明中细磨光纤的截面图。
图5A和5B是两次粗磨后的光纤端面的图象。
图6是说明磨光轮上的磨光区域的俯视图。
图7A和7B是500倍的放大率时磨光完成后的光纤端面的图象。
图8是光纤完成磨光但又在熔凝前在电弧熔凝器中端面的侧视图。
图9A和图9B是500倍放大率和1000倍放大率时完成磨光和熔凝后的光纤端面图象。
图10是耦合效率随光纤类型而变化的图解，从而说明发明的光纤镜头制造技术相对于公知的镜头制造技术的优点。
图1说明的是光电子模块100，其中装有发明的光纤。模块100包括有箱形包110。导入的尾光纤112穿过箱形包110的顶壁111并且被固定，同时在常用的薄膜基片114上终止。在执行过程中，从硅玻璃纤维104上去除塑料套102，然后使硅玻璃纤维金属化。金属化的硅玻璃纤维低温焊接到调节管113上。利用支架或夹子116固定管113，从而光纤维中心104接触到基片114。这个支架116可以焊接或低温焊接到基片上，或者使用其他公知技术固定到基片上，从而在基片114上支架116能够支持住光纤维104，使光纤维端面118接近于光电子装置115并且保持预定的关系。所示的实施例有四个使支架116固定到基片114上的激光焊接点106A，以及使管113固定到基片上的焊接点106B。如上面提到的，光电子装置115为常用的二极管，激光二极管、LED(发光二极管)、或激光调制器系统，但也可以为检波器。定位调整通常是至关重要的，需要准确度和寿命稳定性，大约为0.2-0.6微米。
图2为根据本发明的原理构成的光纤端面118的侧视比例图。通常，光纤104由传送大部分光功率的芯区126和把光信号封闭在芯周围区域中的包层区128构成。包层/芯边界或界面130把光纤104的两个同心区域分开。由于光纤通常为单模光纤，所以索引侧面(index profile)通常为一步。
为了提高在光纤104中传播的光与光电子装置115之间的耦合效率，如图1所示，在光纤端面118上制有镜头。
端面118包括一个磨光的截锥体区域120。通过在纤维的端面上磨光制成这个截锥体区域，并且相对于光纤104的中心轴132尽可能地同心。在优选实施例中，截锥体区域为同心或接近于同心状，也就是圆形对称。因此，磨光的截锥体区域的横截面纵横比优选为1.5∶1到1∶1之间。然而，在另一种可替换的实施方案中，如果为椭圆形芯光纤和/或光源115为低的远端场圆形对称，就要采用椭圆形截锥体区域。
对于直径b=125微米(μm)的光纤，磨光的截锥体区域的长度m约为300微米，优选为270微米。
在优选实施例中，磨光截锥体区域120的表面没有伸入或侵入到光纤芯126中。特别地，磨光截锥体区域120磨入光纤端面118，因此最高的截锥体直径“a”约等于芯126的直径“d”的3-4倍。在优选实施例中，芯直径“d”约等于8微米，模式域直径约为10微米。
熔凝的截锥体区域122从磨光截锥体区域120向端面118的尖端延伸。优选地，熔凝的截锥体区域是先磨光再熔凝光纤两者结合起来制成的。中间截锥体区域的长度n约等于25-35微米，通常为30微米。
由于在熔凝期间玻璃的表面张力作用，端面的尖端124为光滑球形镜头。尖端熔凝，从而使尖端最佳装配到直径c等于17微米的圆周上。尖端的球心角体γ为80-120°。
在优选实施例中，光纤端面118的府冲角很小。特别地，磨光的顶角α小于25°，在16°和20°之间。优选地，约为16°。在优选实施例中，熔凝的截锥体区域122的顶角稍微大一些。具体说，小于90°，优选地小于60°，在所示的实施例中为44°和50°之间。然后熔凝尖端124，从而产生一个圆形的镜头尖端。结果，光纤端面122的全部横截面都可以近似地与标准的双曲线横截面相匹配。
图3A和3B说明的是形成图2所示的光纤端面的磨光装置。如图3A的侧视图所示，光纤磨光装置包括有一个光纤旋转夹具152。具体地说，夹具装置有一个尾光纤112穿过的硬套管150。套管通过它的塑料外壳固定光纤。外壳151中的电机驱动这个套管从而轴向地转动或旋转光纤。另外，夹具152支撑在支架154上，支架骑在轨道156中，从而可以移动光纤使其与磨光轮158接触或脱开。
通过驱动磨光轮158来对光纤端面118进行磨光。具体说，轮与由电机162转动的轴160连接。在优选实施例中，轮表面158与水平面成55°角。硬套管150与水平面成22°角。因此，磨光轮158与硬套管150之间的角度为钝角147°。然而，如图中所示，磨光角度实际上大的多。套管150的端部与磨光轮上的最近点之间距离为5.5mm。然而，从套管150的端部引出9mm的尾光纤112。这9mm的尾光纤112没有置于壳内，也就是只有玻璃硅纤维104。结果，光纤104按轮的旋转方向向上弯，因此光纤端部与轮158之间的角度就很小，玻璃硅纤维104的弹性控制着磨擦力。
通过裂开以从光纤夹具到轮的距离的165％的距离磨光的光纤，从而相对于外侧径向位置产生缓的倾斜角，在接近于光纤中心的磨光表面产生陡的倾斜角。裂开的光纤与到轮的距离之间的差别也补偿了套管150中光纤角度对不准现象。另外，端面与磨光轮之间的接触压力由光纤弹性决定，不必要进行人为控制。此外，可以改变长度从而修正或控制磨光角度。
图3B进一步说明了光纤磨光装置。如图所示，尾光纤120的光纤端面118在轮中心与轮缘之间的中点与磨光轮接触。磨光轮的表面优选地有两种砂纸，较粗的砂210位于外围，较细的砂212集中在轮158的中心。
图4A和4B说明的是在光纤首先裂开并且装入光纤磨光夹具152后，本发明的光纤的磨光过程。
图4A说明的是粗磨的第一阶段，粗磨是在9微米的较粗的磨光砂纸上进行。具体说，对于给定的光纤端面118，在端面直径四周等距离分成四个位置(1,2,3,4)。在粗磨中的第一步，按箭头164所示，位置1与磨光轮接触。在与轮接触的同时，光纤如箭头166所示旋转15/8转。然后，按箭头165所示从轮上移开光纤。在磨光的下一步，旋转光纤，从而使位置3先与磨光轮接触(164)，并且光纤又从位置3开始旋转15/8转，同时与轮接触(166)。然后，在第三磨光步骤，旋转光纤，从而在位置4与轮接触，光纤与旋转轮接触。光纤又旋转15/8转。最后，旋转光纤使位置2通过磨光夹具的套管与轮接触。因此，位置2先与轮接触，在磨光的同时光纤再旋转15/8转。
粗磨还包括步骤5-8，如图4A所示光纤再旋转15/8转。分别在位置1.5,3.5,2.5和4.5按箭头164所指示的开始磨光，按箭头166所示做弧形旋转，然后按箭头165所示从轮上移开光纤。
图5A是光纤进行第一次粗磨后光纤的标准端面。这时仍旧有留下的原始裂开端面的实质部分。如果端面直径大于14.5微米，就重复进行粗磨，直到端直径小于14.5微米为止。
图5B是光纤进行第二次粗磨后光纤的标准端面。这时留下的原始裂开端面的实质部分尽管很小，但是仍旧有。如果端面直径在14.5微米和7微米之间，就进行粗中磨。如果裂开端面的直径小于7微米到不存在，就进行细磨。
图4B说明的还是在9微米的磨砂纸上进行的中粗磨过程。步骤1-8的最初接触点如箭头164所示，与粗磨相同，但是在箭头165所示的移开光纤之前，光纤按箭头166所示仅旋转5/8转。
图4C说明的还是在9微米的磨砂纸上进行的细磨过程。步骤1-8的最初接触点如箭头164所示，与粗磨相同，但是在箭头165所示的从轮上移开光纤之前，光纤按箭头166所示仅旋转3/8转。
粗中磨和细磨一直进行，直到去除掉所有的裂开端面，也就是端面118全部磨光。
在9微米的磨砂纸上进行的粗磨、中粗磨和细磨的关键在于截锥体区域120相对于芯126和光纤轴132保持同心。在优选实施例中，为了确保一直保持同心，在磨光的每一个阶段都要确认是否同心。通过照亮截锥体的未磨光的远端以及观察磨光过的端面来检查是否同心。在需要时可以利用相应的技术来修正粗磨从而重新建立同心。
最后，在优选实施例中，在位于与粗砂纸相同的轮上的细砂纸212上进行精磨。精磨除了使用较细的3微米磨砂表面以外，其它的都与图4C所示的细磨相同。
图6说明了在磨光轮158上进行的磨光步骤。区域170说明了第一根光纤的端面在八个槽中进行粗磨砂。这八个槽对应着9微米粗砂纸上进行的粗磨、粗中磨和细磨过程。结果，在同一根光纤的每一连续粗磨砂过程中重复使用这八个槽。然后在区域172中磨光第二根光纤等等，呈放射性地向内工作，至少到第三区域174。
磨光轮158包括位于4英寸盘(9微米)210顶部的一个2英寸的盘(3微米磨砂)212。两种磨砂位于同一轮上，可以确保光纤夹具距磨光轮的距离完全相同。可以看出，放射状的位置影响着磨光镜的同心性。中央的放射磨光产生了更同心的磨光。在中央设置有3微米的砂纸，可以产生更同心的磨光。另外，在加工过程中湿磨光轮可以提高光纤与光纤磨光的一致性。因此，在每一磨光段都要将轮打湿。在光纤与轮接触时夹具152上的套管150的旋转速度为12-5rpm。通常的加工过程中，光纤做40个轴向转动。这具有减小光纤轴向扭曲的优点。实际上，通过控制旋转方向可以使每步之间的轴向扭曲消失。以50-200rpm的转速驱动磨光轮，优选是75rpm。
在光纤不与轮子接触时，光纤的磨光槽之间进行径向移动。对于每个磨光段，在粗磨砂纸上都消耗一个环或新区域或没有用过的砂纸。这样在每一磨光段都产生一致的和可预测的磨光。使用这种同心环还可以保存砂纸，从而使3根光纤在一个4英寸/2英寸的盘上进行磨光。
精磨是在位于与粗砂纸相同的轮上的细砂纸212上进行的。这样，光纤不必要移到新夹具上。在八个槽176中进行精磨的八个步骤。在相同的细磨砂槽176中对每一光纤进行磨光。3微米的砂纸可以更好地控制端面的同心。3微米的砂纸还对镜头侧进行更光滑的精磨。
图7A和图7B为精磨步骤后的端面。
图8为光纤在精磨步骤后开始熔凝之前在电弧熔凝器中的端面118。光纤包括有磨光过的截锥体区域120，顶角约为80°的中间磨光过的截锥体区域122’，以及一个顶角约为142°的圆锥顶点。中间截锥体区域122’和圆锥顶点是通过光纤与轮子的最初接触并且在磨光期间从轮子上移开光纤而形成的。
在熔凝期间，来自电源186的电流在电极180和182之间流动。光纤104的未端距离两电极之间延伸线的距离x=300微米。这样可以加热光纤顶点，从而产生圆形端部。优选地，端面熔凝两次，在第一次和第二次熔凝之间端面轴向转动90-180度。熔融玻璃的表面张力在磨光的端部形成了很完整的镜头。这能够补偿或修补磨光过的端部的不足。
在熔凝后，观察光纤端部。光纤镜头定位于500X以下(500Xscope)，光纤传送轴的尖端远离显微镜物镜。通过把白光引入通过光纤另一端，操作者能够测量出镜头周围和光纤传送轴是否同心地排列。
图9A和9B为光纤熔凝和精磨后加工好的光纤尖端。
图10是耦合效率随光纤类型而变化的图解。如图所示，使用本发明的#1光纤，耦合效率在70-80％之间。然而#2光纤，镜头相对于光纤中心轴不在中心或不同心，耦合效率降到80-50％之间。
尽管#5光纤的平均耦合效率稍微高一些，但是结果有很大的标准偏差，所以所得到的仅仅限定在70-80％之间的耦合效率可以顺利地与#5光纤所示的浸蚀光纤相比较。因此，由于本发明光纤的耦合效率的低标准偏差，加工好的模件的质量的可预测性好，因此合格率较高。
采用这种方法制成的光纤镜头的平均耦合功率为来自常用的1300nm和1550nm脊形波导激光器基片的光的74％。已经发现79％的高耦合效率。在X,Y,Z方向上的耦合曲线的形状与浸蚀光纤和熔凝光纤的相同。
参照本发明的优选实施例，已对本发明进行特别的说明和描述，本领域的技术人员在不脱离由附加权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种形式和细节的变化。

Claims (20)

1．一种光纤端面，包括：
磨光的截锥体区域；以及
熔凝尖端。
2．如权利要求1所述的端面，其中磨光的截锥体区域为截头圆锥形或接近截头圆锥形。
3．如权利要求1所述的端面，其中磨光的截锥体区域的横截面的纵横比为1.5∶1到1∶1。
4．如权利要求1所述的端面，其中磨光的截锥体区域没有延伸入光纤芯中。
5．如权利要求1所述的端面，其中磨光的截锥体区域的顶角在16°-20°之间。
6．一种光电子模块，包括：
一个产生或检波光信号的光电子装置；以及
一从光电子装置传输光信号或把光信号传输到光电子装置的尾光纤，尾光纤的端面有一个磨光的截锥体区域和一熔凝的尖端。
7．如权利要求6所述的光电子模块，其中磨光的截锥体区域为截头圆锥形或接近截头圆锥形。
8．如权利要求6所述的光电子模块，其中磨光的截锥体区域的横截面的纵横比为1.5∶1到1∶1。
9．如权利要求6所述的光电子模块，其中磨光的截锥体区域的顶角在16°-20°之间°
10．一种光纤端面，包括：
最大顶角小于50°的磨光的截锥体区域；以及
一尖端。
11．如权利要求10所述的端面，其中截锥体区域为截头圆锥形或接近截头圆锥形。
12．一种在光纤端部制作镜头的方法，该方法包括：
在绕轴转动光纤的同时磨光光纤的端部，然后熔凝尖端。
13．如权利要求12所述的方法，其中磨光光纤端部的步骤包括对光纤端部的磨光区域的同心级的校检。
14．如权利要求13所述的方法，还包括根据校检的同心级来控制随后的磨光。
15．如权利要求13所述的方法，还包括根据校检的圆形同心级来控制随后的磨光重新回到端面中心。
16．如权利要求12所述的方法，其中磨光光纤端部的步骤包括控制光纤与磨光轮之间的角度，从而使光纤的顶角在16°-50°之间。
17．如权利要求12所述的方法，其中磨光光纤端部的步骤包括制成一个较低的磨光区和一个中间的磨光区，从而使较低的磨光区的顶角小于中间磨光区的顶角。
18．如权利要求12所述的方法，其中较低的磨光区的顶角在16°-20°之间，中间磨光区的顶角在44°-50°之间。
19．如权利要求12所述的方法，其中磨光光纤端部的步骤包括：
放置光纤尖端与磨光轮接触，同时绕轴旋转光纤大于180°，进行粗磨；以及
放置光纤尖端与磨光轮接触，同时绕轴旋转光纤小于180°，进行细磨。
20．如权利要求12所述的方法，其中磨光光纤端部的步骤包括：
放置光纤尖端与磨光轮接触，同时绕轴旋转，进行粗磨，从而形成较低的磨光区域；随后
放置光纤尖端与磨光轮接触，同时绕轴在较细的磨砂表面上旋转，进行精磨。
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