CN1332229C - 能够防止光波导元件偏心的光波导配件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一光波导元件被插入一管状元件。所述管状元件通过加热被拉长，并且被熔接到所述光波导元件上，因而，可获得一形成体。所述形成体被切割成预定长度，以获得一光波导元件。至少在所述形成体的状态下，管状元件优选地是由其中淀积有晶体的结晶玻璃制成的。

Description

能够防止光波导元件偏心的光波导配件及其制造方法
本发明要求在先申请JP2002-15684的优先权，这里将该在先申请的内容通过引用包括进来。
发明背景
本发明涉及用作光通信系统中的光纤抽头(stub)或光衰减器抽头的光波导配件，以及该光波导配件的制造方法。
在光通信系统中，光发射模块用于将光线从光源耦合到光纤，光接收模块用于检测来自光纤的光信号，光衰减器用于调节通过光纤传播的光功率，它们都是重要的器件。这些器件中，光发射模块或光接收模块设有称为光纤抽头的光波导配件。光纤抽头被连接到光连接器。另一方面，光衰减器设有称为光衰减器抽头的光波导配件。光衰减器抽头也被连接到光连接器。
光连接器包括称为箍环的毛细管，具有高的尺寸精度。光波导元件被插入箍环中并固定于其上。从而，光波导元件被精确定位。因此，要被连接到光连接器的光纤抽头或光衰减器抽头也要具有与箍环相当的尺寸精度。作为光波导元件，一个普通或平常的光纤和光衰减器被用于光纤抽头和光衰减器抽头。
例如，日本未审查的专利公开No.2000-47036披露了一种具有用作定位元件的箍环和用作插入箍环并利用粘接剂固定到箍环的光波导元件的光衰减器光纤的光衰减器抽头。所述光衰减器抽头的箍环具有比光衰减器光纤的直径约大1μm的孔径，使得所述光衰减器光纤容易插入。
但上述光衰减器抽头具有如下缺点。当光衰减器光纤被插入箍环时，在光衰减器光纤和箍环之间会留有1μm的间隙。因而，光衰减器光纤相对该箍环可有最大约0.5μm的偏心。这种情况下，当光衰减器光纤被连接到光连接器时会产生光轴偏差。这会导致光信号的连接损失的增加。而且，光束在芯部外传播(即所谓的包层模式)会增加，从而影响信号束。由于上述偏心而导致的连接损失的增加在光衰减器抽头和光纤抽头中都是严重的问题。
当温度升高时，光衰减器光纤会由于箍环与光衰减器光纤之间的膨胀系数不同而相对于箍环收缩。这也导致连接损失的增加。如果温度进一步升高到高于粘接剂的玻态转变点，粘接剂会变形或损坏。在这种情况下，光纤不能被固定到预定位置。因而，连接损失增加，并且在更坏的情况下，无法进行物理接触(PC)连接，从而光束根本不能被引导或传播。
日本未审查的专利公开No.H09-152524披露了一种制造光纤抽头的方法。所述方法包括下述步骤：预烧制作为定位元件的箍环，将作为光波导元件的光纤插入到预烧制的箍环中，完全烧制所述箍环以使箍环热收缩或缩小，从而将光纤固定到箍环。根据该方法，可以不用粘接剂而将光纤固定。在这方面，所述生产方法可以被简化。另外，由于光纤以与箍环紧密接触的方式被固定到箍环，可以防止因存在间隙造成光纤偏心。
然而，该方法需要大量的谨慎而精细地将光纤插入到箍环中的操作，即使毛细管一个接着一个。另外，该方法需要将箍环预烧制和完全烧制的复杂的过程。因此很难得到低价的产品。而且，因为在各烧制步骤中箍环的收缩率是不同的，所以光纤的位置会与箍环的中心轴出现偏离。另外，由于很难得到箍环外径的高度环形，因而需要进行一抛光步骤，其中将箍环的外周边相对于光纤进行抛光。这导致了成本的增加。
发明简述
因此本发明的一个目的是提供一种光波导配件，其中可以防止光波导元件相对于定位元件的偏心。
本发明的另一个目的是提供一种光波导配件，其中即使温度升高，也可以防止光波导元件相对于定位元件缩回或突出。
本发明的再一目的是提供一种光波导配件，其具有高耐热性，并可以低成本生产。
本发明的另一目的是提供一种制造光波导配件的方法，其中可以防止光波导元件相对于定位元件偏心。
本发明的再一目的是提供一种制造光波导配件的方法，其中即使温度升高，也能防止光波导元件相对于定位元件缩回或突出。
而本发明的另外一个目的是提供一种制造光波导配件的方法，所述光波导配件具有高的耐热性并可以低成本生产。
根据本发明的一个方面，提供了一种光波导配件，该配件包括定位元件和光波导元件，定位元件经过加热并被沿一预定方向拉长，而且它具有沿所述预定方向延伸的孔；光波导元件设在所述孔内并被熔接和固定到定位元件。
根据本发明的另一方面，提供了一种制造光波导配件的方法，所述光波导配件制作包括下述步骤：制备管状元件；将光波导元件插入该管状元件；加热和拉长所述管状元件以将管状元件熔接到光波导元件，从而可获得一形成体；将所述形成体切割成预定的长度。
附图简介
图1是用于描述制造根据本发明的一个实施例的光波导配件的方法的示意图；
图2是由图1所示方法制造的光波导配件的放大透视图，该配件的中间部分被省略。
优选实施方式的说明
参见图1和图2，下面将说明根据本发明的一个实施例的光波导配件及其制造方法。
首先参见图1，一作为管状元件的预制件1具有孔1a。一由硅玻璃制成的单模光纤2被插入到孔1a中。预制件1的孔1a较大，使得光纤2可容易地插入孔1a中。
在这种情况下，预制件1通过环形电炉的上部开口被连续地馈送到环形电炉3中。预制件1被环形电炉3加热至变软。预制件1被沿预定方向拉长，即沿向下的方向并且直径变小，从而变形成为变形体1’。
变形体1’的下端被夹在一对辊子4之间并在预定温度下经过所谓拉丝以获得具有预定外径的形成体1”。与拉丝配合或者同步地，光纤2被连续输送给预制件1，即输送到预制件1的孔1a内。随后，形成体1”被切割成预定的长度。在切割步骤之后，形成体1”的相对端要用与MU(小型单元连接)型光连接器相同的方式进行抛光。因而可制成图2所示的光波导配件5。
所获得的光波导配件5包括定位元件6和光波导元件7，定位元件6经过加热并被沿一预定方向拉长，而且具有沿所示预定方向沿其中心线延伸的孔6a；光波导元件7设置在所述定位元件6的孔6a内，并被熔接和固定到定位元件6。
在光波导配件5中，定位元件6和光波导元件7之间不存在间隙。因此，可防止光波导元件7相对于定位元件6的孔6a偏心，使得光波导元件7设置在定位元件6的中心线上。此外，通过熔接定位元件6，来将定位元件6和光波导元件7固定起来。因此，即使温度升高，定位元件6膨胀，光波导元件7也不会相对于定位元件6缩回或突出。因而光波导配件5具有高耐热性。此外，不需要将单个光波导元件7插入每个定位元件6的孔6a中的步骤，以及在预烧制步骤之后进行的完全烧制步骤，可以不断接连地生产包含光波导元件7的光波导配件5。因此，可以很高的效率并以低成本生产光波导配件5。
对于定位元件6，可用的材料包括玻璃、塑料等，它们可以被加热和拉长。对于玻璃来说，可以采用普通玻璃。但结晶玻璃是优选的，因为它具有优良的环境抗耐性以及机械特性(例如断裂强度和耐磨性)。另外，优选硼硅玻璃，因为它具有优良的环境抗耐性并具有很小的热膨胀系数。
优选地，定位元件6在30℃-380℃下具有-20×10-7/℃至70×10-7/℃的热膨胀系数。如果热膨胀系数小于-20×10-7/℃，很难获得可被加热和拉长的材料。另一方面，如果热膨胀系数大于70×10-7/℃，由光波导元件7和定位元件6之间的热膨胀差异导致的热应力将会增加。这会导致光波导元件7和定位元件6之间的界面容易出现裂纹，并会造成光波导元件7和定位元件6之间容易分离。因而，最好不选择超过上述范围(-20×10-7/℃至70×10-7/℃)的热膨胀系数。
上述预制件1可以由普通玻璃、可结晶玻璃和结晶玻璃中的任何一种制造。这里应注意，可结晶玻璃是在被加热和拉长之前不含有淀积于其中的晶体，但在被加热和拉长时可以通过淀积晶体转变成晶体玻璃的一种玻璃。晶体玻璃是在预制件1的状态下就已淀积有晶体的一种玻璃。
普通光纤具有约1600-1700℃的软化点(107.6dPa·S)。因此，预制件1优选地在低于1300℃的温度下被加热和拉长。在这种情况下，可以不软化光纤2而将预制件1加热和拉长。固而光纤2的所述固有功能不会被破坏。
特别地，对于可结晶玻璃或结晶玻璃，可采用一种包含总共占质量的至少45％，优选地是至少65％的SiO2，Al2O3和Li2O。具有上述组成的玻璃可经受拔丝。此外，能够容易获得具有小的热膨胀系数的定位元件6，并且可以高精度和高效率形成定位元件6。
优选地，结晶玻璃中淀积的晶体是β-锂辉石固溶体，因为能够容易获得具有优良的机械特性、高精度、低热膨胀以及优异的环境抗耐性的定位元件。
下面，将详细说明一种制造图2所示的光波导配件5的方法。
首先，制备由玻璃、可结晶玻璃或结晶玻璃制成的圆柱形或方柱形材料并进行钻孔以形成通孔。因而获得呈管状的预制件。也可以选择利用挤压或铸造来形成具有通孔的预制件。该预制件被用作具有维持或保持不变的相似截面形状的定位元件。因而，所述预制件的外径和所述孔的直径必定要等于预定尺寸。
接下来，光波导元件被插入所述预制件的孔中。光波导元件可以是由硅玻璃制成的光纤或者是掺杂有过渡金属(例如钴、铁、镍)的光衰减器光纤。之后，该预制件被加热和拉长以制造具有一定外径和内径的定位元件，其尺寸精度与用于光连接器的箍环相当。光波导元件被熔接和固定到获得的定位元件的孔。最后，所述预制件被切割成预定长度，其端面被抛光成预定形状。因而，可得到光波导配件，例如光纤抽头和光衰减器抽头。
下面，将结合各种具体例子详细地说明本发明。
表1示出本发明的具体例子1-4。表2示出比较例子5-7。
表1
    例1     例2     例3     例4
  预制件材料     结晶玻璃     硼硅玻璃     结晶破璃     硼硅破璃
  箍环材料     结晶玻璃     硼硅玻璃     结晶玻璃     硼硅玻璃
组成(质量％)  SiO2     65     75     66.5     80
 Al2O3     18     7     22     2
 Li2O     5     -     4.5     -
 K2O     8     1     4     -
 CaO     4     -     2     -
 Na2O     -     7     1     4
 B2O3     -     10     -     14
  热膨胀系数(×10-7/℃) 25 55 20 38
  光波导配件的制造     拔丝     拔丝     拔丝     拔丝
  偏心率(μm)     ＜0.1     ＜0.1     ＜0.1     ＜0.1
  传播模式     单模     单模     单模     单模
  连接损失(dB)     0.05     0.05     0.1     0.1
  100℃时的光纤缩回量(nm)     0     0     0     0
表2
    比较例5     比较例6   比较例7
  预制件材料     -     -   -
  箍环材料     结晶玻璃     硼硅破璃   陶瓷
组成(质量％)  SiO2     65     75   -
 Al2O3     18     7   -
 Li2O     5     -   -
 K2O     8     1   -
 CaO     4     -   -
 Na2O     -     7   0
 B2O3     -     10   -
 ZrO2     -     -   95
 Y2O3   5
  热膨胀系数(×10-7/℃)     25     55   83
  光波导配件的制造     粘接     粘接   粘接
  偏心率(μm)     0.5     0.5   0.5
  传播模式     单模     单模   单模
  连接损失(dB)     0.2     0.3   0.3
  100℃时的光纤缩回量(nm) 10 25 50
首先，具有图1和图2中所示的各组成的玻璃在电炉中1580℃下被保持10小时从而被熔化，然后被制造成具有100mm直径的圆柱玻璃体。此后，圆柱玻璃体在1100℃下被加热两小时形成结晶。接着通过钻孔在所述圆柱玻璃体的中心形成具有5mm直径的通孔。因而，制成具体例子1和3以及比较例5每个中的由结晶玻璃制成的管状预制件。另一方面，具有表1和2所示每种组成的玻璃在电炉中在1500℃下被保持10小时从而被熔化，接着被铸造成具有100mm直径的圆柱玻璃体。随后，通过钻孔在圆柱玻璃体的中心形成具有5mm直径的通孔。因而制成具体例子2和4以及比较例6每个中的由硼硅玻璃制成的管状预制件。
将由硅玻璃制成并具有125μm直径的单模光纤插入所述预制件的孔中。该预制件通过环形电炉的上部开口被以1mm/分钟的馈送速度连续地馈送到环形电炉内。所述预制件被电炉加热至软化和变形。因而，所述预制件被向下拉长以形成变形体。该被软化和拉长的变形体的下端被一对辊子夹压，并在1180℃(在结晶玻璃的情况下)或900℃(在硼硅玻璃的情况下)下经过拔丝。因而，可以6400mm/分钟的速率生产所述变形体，使得该形成体具有1.25mm±0.5μm的外径。与拔丝相配合或同步地，光纤2被连续地馈送到所述预制件，即馈送到该预制件的孔内。
通过拔丝获得所述形成体被切割成16.7mm的长度。此后，形成体的两相对端被以与MU型光连接器相似的方式抛光，以制成光波导配件。
在比较例5或6中，除了下述内容，光波导配件以与具体例子1和2中相似的方式被制造。光纤没有被插入所述预制件的通孔。拔丝是在1180℃或900℃下进行的，以制成箍环，其具有126μm内径的孔。之后，单模光纤被插入箍环并利用环氧树脂粘接剂固定于其上。在比较例7中，以与比较例5和6相似的方式制造光波导配件，除了单模光纤被插入一可商业获得的氧化锆箍环。
热膨胀系数是利用MAC Science Co.，Ltd制造的Dilatometer5000在30℃到380℃的温度范围内测量的。光波导元件的孔中的光纤的偏心率可通过利用扫描电子显微镜(SEM)和评估SEM照片来观测光波导配件的截面获得。
传播模式是以下述方法确定的。具有1.3μm波长的激光二极管被用作光源。由激光二极管发出的光束是通过单模光纤从光波导配件的一端入射到光波导配件的。在发射端，一端面图像被一摄像机拾取以检验光发射强度的分布。
光连接器损失是通过下述方式测量的。光波导配件的一端通过一MU型光连接器被连接到一单模光纤。光波导配件的另一端通过另一MU型光连接器被连接到光功率表(由Advantest Corporation制造的Q8221)。通过单模光纤，具有1.3μm波长的输入光束入射到光波导配件。另一输出光束由所述光功率表测量。通过将输出光束与输入光束进行比较，来测量光连接器损失。
在加热时光纤的缩回量可通过下述方式获得。分别在室温和100℃下，通过利用由Norland Products Inc。制造的ACCIS来测量光纤相对于定位元件的位置。这些位置之间的差可计算为缩回量。
由表1可见，具体例子1-4是通过拔丝制成的，从而光纤额度偏心率很小。因而光连接损失很小。当被加热到100℃时，没有发生光纤的缩回。
另一方面，在比较例5中，可维持或保证单模传播。然而，由于所述箍环的孔中光纤偏心率很大，光连接损失很大。当被加热到100℃时，光纤的缩回量很大。

Claims (18)

1.一种光波导配件，包括：
定位元件，其被加热并沿预定方向拉长，而且具有沿所述预定方向延伸的孔。
光波导元件，其设于所述孔内，并被熔接和固定到所述定位元件。
2.如权利要求1所述的光波导配件，其特征在于，所述定位元件是由玻璃制成的。
3.如权利要求2所述的光波导配件，其特征在于，所述玻璃是具有淀积于其中的晶体的结晶玻璃。
4.如权利要求3所述的光波导配件，其特征在于，所述晶体是β锂辉石固溶体。
5.如权利要求2所述的光波导配件，其特征在于，制成所述定位元件的所述玻璃总共包含占质量的至少45％的SiO2、Al2O3和Li2O。
6.如权利要求2所述的光波导配件，其特征在于，制成所述定位元件的所述玻璃总共包含占质量的至少65％的SiO2、Al2O3和Li2O。
7.如权利要求1所述的光波导配件，其特征在于，所述定位元件是由塑料制成的。
8.如权利要求1所述的光波导配件，其特征在于，所述定位元件在30℃-380℃下具有-20×10-7/℃至70×10-7/℃的热膨胀系数。
9.如权利要求1所述的光波导配件，其特征在于，所述定位元件具有低于所述光波导元件的软化点。
10.一种制造光波导配件的方法，包括：
准备管状元件，
将光波导元件插入所述管状元件内，
将所述管状元件加热和拉长以将所述管状元件熔接到所述光波导元件上，从而获得一形成体。
将所述形成体切割成预定的长度。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述管状元件是由玻璃制成的。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，一种具有淀积于其中的晶体的结晶玻璃被用作所述玻璃。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述玻璃是可结晶玻璃，它不包含淀积于其中的晶体，而通过在它被加热和拉长时淀积晶体可将其转变成结晶玻璃。
14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，制成所述管状元件的所述玻璃总共包含至少45％的SiO2、Al2O3和Li2O。
15.如权利要求11所述的方法，其特征在于，制成所述管状元件的所述玻璃总共包含占质量的至少65％的SiO2、Al2O3和Li2O。
16.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述管状元件是由塑料制成的。
17.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述管状元件在30℃-380℃下具有-20×10-7/℃至70×10-7/℃的热膨胀系数。
18.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述管状元件具有低于所述光波导元件的软化点。
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