TWI422884B - 具有經由保護中間物與光學構件連接的光學裝置 - Google Patents

Description

具有經由保護中間物與光學構件連接的光學裝置

本發明係有關一種具有藉由(像套筒之類)夾持構件保持於光學構件之終端上(像光導之類)的光學構件，且本發明也有關一種可結合外部光學構件使用的(像光導之類)光學構件。

光學接觸技術指的是一種通常藉由使兩個光纖之端面相互抵接以便連接兩個光纖之接頭端的技術。根據光學接觸技術，係在未於各光學組件之間插入像黏著劑之類的另一種物質下，藉著使各光學組件直接相互抵接這樣的方式，將多個光學組件壓在一起而接合多個像光纖之類的光學組件。由於各光學組件以光學接觸直接地相互抵接，故光學接觸技術能夠達成很高的光學傳播效率。第7圖係顯示一種習知光學裝置100中某一用到光學接觸之部分的截面圖。如第7圖所示，係藉由將光纖1a和1b嵌入套管2a和2b內以夾持該等光纖1a和1b，並將套管2a及2b之靠近終端部嵌入套管3而固定。將塞進套筒3內之每一個該套管2a和2b的終端拋光成為一預定形狀(例如半球的形狀)，以便能夠很容易地使該光纖1a和1b之各接頭端接觸，而能夠實現一種穩定的低耗損連接。此外，日本未審專利公報第9(1997)－221342號、第2004－279495號及第5(1993)－181040號文件中揭示了有關在各光學組件之間形成穩定光學接觸的進一步資訊。

不過，在波長落在短波範圍之內的光透過如第7圖所示之上述光學裝置100中的光纖1a和1b而傳播時，很可能會出現含有機材料造成的污染。因此，為了防止因為該污染造成特徵的破壞，例如可在拋光該等光纖1a和1b之各接頭端之後，藉由對該等光纖1a和1b之各接頭端進行紫外光－清洗作業而移除該有機材料。

然而，本發明人已證實當藉著施行紫外光－清洗作業移除該有機材料及將該等光纖1a和1b之各接頭端壓在一起而形成一光學接點時，可能在該光纖1a和1b之各抵接部分上與該等光纖1a和1b內所含(像二氧化矽或石英之類)的氧化物產生一些反應，且可能因為該反應的產物使該等光纖1a和1b之各抵接部分固定在一起。因此，當在上述反應之後自該套筒3拉出各套管2a和2b時，可能使該等光纖1a和1b之各抵接部分受到破壞。

除此之外，即使在對該等光纖之各端面進行紫外光－清洗作業之後，也無法完全地移除該有機材料。因此，當波長落在短波範圍之內的光透過藉由一光學接點而連接之光纖1a和1b進行傳播而在該等光纖1a和1b之各抵接部分上留下該有機材料時，各抵接部分上的有機材料會被光分解，且可能與該等光纖1a和1b內所含的氧化物產生反應，並對該等光纖1a和1b之各抵接部分造成破壞。當該等光纖1a和1b之各端面受到破壞時，即使當再次將該等光纖1a和1b之各接頭端配置成接觸狀態時光學耗損也會變得很大，以致無法達成必要的性能且減低了該光學裝置的可靠度。

本發明係鑑於前述問題而開發的。

本發明的第一目的是提供一種高度可靠的光學裝置，其中含有的多個光學構件是以其終端相互抵接且能抑制對各抵接終端造成的破壞。

本發明的第二目的是提供一種光學構件，使其可結合外部光學構件而使用且能抑制對該光學構件與外部光學構件抵接之終端造成的破壞。

為了完成該第一目的，本發明提供了一種根據本發明第一形態之光學裝置。該根據本發明第一形態之光學裝置包括：一第一光學構件，具有一光出射端，光在該處自該第一光學構件出射；一第二光學構件，具有一經由保護中間物而與該光出射端抵接之光進入端，且光在該處進入該第二光學構件；及該保護中間物，係配置在該光出射端與光進入端之間，且抑制了該光出射端和光進入端固定在一起的作用。

本發明第一形態之光學裝置中，配置在該第一光學構件與該第二光學構件之間的該保護中間物，實質上防止了因為該第一光學構件和該第二光學構件於常溫下直接地相互抵接時可能發生的光學反應而造成該光出射端和該光進入端固定在一起的作用(例如，藉由黏著或融合)。當該第一光學構件之光出射端和該第二光學構件之光進入端配置成經由保護中間物而形成接觸，且有反應產物沉積於該第一光學構件和該第二光學構件之抵接終端(該光出射端及光進入端)上，之後再分開該第一光學構件和該第二光學構件時，會在該光出射端和該光進入端的表面上造成不均勻度。例如，該保護中間物可抑制該光出射端和光進入端固定在一起的作用，而達到使該不均勻度之尺度最多只是該光之(振盪)波長的一半、較佳的是該(振盪)波長的五分之一且更佳的是該(振盪)波長的十分之一的程度。

除此之外為了完成該第一目的，本發明提供了一種本發明第二形態之光學裝置。本發明第二形態之光學裝置包括：一第一光學構件，具有一光出射端，光在該處自該第一光學構件出射；一第二光學構件，具有一經由保護中間物而與該光出射端抵接之光進入端，且光在該處進入該第二光學構件；及該保護中間物，其是透明且配置在該光出射端與光進入端之間，且即使在以大概0.5 kgf的壓力將該光出射端和光進入端壓在一起然後使其相互分離之後亦可再使用。

本發明第二形態之光學裝置中，該壓力可以是大概1 kgf。

本發明第一和第二形態之光學裝置中，可藉由使用一些連接機構而連接該第一光學構件之光出射端及該第二光學構件之光進入端。

本發明第一和第二形態之光學裝置具有下列優點：在透過夾持構件內直接地相互抵接之多個光學構件進行傳播的情況中，波長落在短波範圍之內的光或是具有高能量密度的光，可能會與各該光學構件內所含的氧化物(例如二氧化矽或石英)發生光學反應，且可能會在該等光學構件之各抵接終端發生上述光學反應的多個部分上使各該光學構件固定在一起，以致可能在分開各該光學構件時對此等部分造成破壞。當各該光學構件之各抵接終端受到破壞時，該有機構件是無法重複使用的，或者即使當再次將各光纖1a和1b之接頭端配置成接觸狀態時光學耗損也會變得很大。本發明第一和第二形態之光學裝置中，該保護中間物係配置在該光出射端與光進入端之間，且抑制了光學反應(特別是，即使當該第一光學構件和該第二光學構件是配置成光學(直接)接觸狀態時，也可能與該第一光學構件和該第二光學構件內所含之氧化物發生的反應)。由於該第一光學構件和該第二光學構件並非配置成直接接觸狀態，故該保護中間物可防止各抵接終端上所發生的反應，使得本發明第一和第二形態之光學裝置能夠達成穩定的性能。

較佳的是，本發明第一和第二形態之光學裝置也可以具有下列額外特徵(i)到(xx)中的一個或是任意可能數目的組合：(i)該保護中間物可以是藉由一種僅形成於該光出射端和該光進入端之一者上的薄膜而實現的

(ii)在本發明第一和第二形態具有該特徵(i)之光學裝置中，該膜可以是一種由包含一最下層及一最上層之多個層構成的多層膜，其中該最上層與該光出射端和光進入端中之一者之間的第一級黏著度，是低於各相鄰層之間的第二級黏著度、以及該最下層與該光出射端和光進入端中之另一者之間的第三級黏著度。

(iii)該保護中間物係藉由分別形成於該光出射端及該光進入端上的第一膜及第二膜實現的。

(iv)在本發明第一和第二形態具有該特徵(iii)之光學裝置中，該第一膜是一種由包含一最下層及一最上層之多個第一層構成的第一多層膜，該第二膜可以是一種由包含一最下層及一最上層之多個第二層構成的第二多層膜，其中該第一多層膜之該最上層與該第二多層膜之該最上層之間的第一級黏著度，是低於該多個第一層之各相鄰層之第二級黏著度、該多個第二層之各相鄰層之間的第三級黏著度、該第一多層膜之該最下層與該光出射端之間的第四級黏著度以及該第二多層膜之該最上層與該光進入端之間的第五級黏著度。

(v)在本發明第一和第二形態具有該特徵(iii)或(iv)之光學裝置中，該多個第一膜和該多個第二膜是分別由不同的材料形成的。

(vi)該保護中間物沿著該光之傳播方向的總光學厚度可以是等於該光之(振盪)波長一半的整數倍。

該保護中間物之總光學厚度，是定義為涵蓋構成該保護中間物之各成分層中各折射率數值和(沿著傳播方向)各厚度之乘積的總和。例如，在藉由分別形成於該第一光學構件之光出射端及該第二光學構件之光進入端上的第一膜及第二膜實現該保護中間物，且該第一膜及第二膜具有完全相同之折射率的情況中，該第一膜及第二膜之總厚度和該完全相同之折射率的乘積應該等於該光之(振盪)波長一半的整數倍。另一方面，在藉由分別形成於該第一光學構件之光出射端及該第二光學構件之光進入端上的第一膜及第二膜實現該保護中間物，且該第一膜及第二膜具有不同之折射率的情況中，該第一膜之厚度和折射率之乘積以及該第二膜之厚度和折射率之乘積的總和應該等於該光之(振盪)波長一半的整數倍。

(vii)該保護中間物沿著該光之傳播方向的總光學厚度可以是小於該光之(振盪)波長的一半。

(viii)在本發明第一和第二形態具有特徵(vii)之光學裝置中，較佳的是該保護中間物能以低耗損實現該光從該第一光學構件到該第二光學構件的傳播。例如，該低耗損現象可定義為下列情況：當波長為405奈米之光，且透過該第一光學構件和該第二光學構件以及該保護中間物進行傳播之初始功率為200mw(毫瓦)，以便該光能通過由直徑等於或小於大概30毫米之保護中間物構成之區域時，其光學功率的減小量是小於10%，其中該光學功率的減小量是在該光傳播了大概1000小時之後量測得的。

(ix)在本發明第一和第二形態具有該特徵(viii)之光學裝置中，該保護中間物可以含有氟化物。在含有氟化物且總光學厚度小於該光之(振盪)波長之一半的該保護中間物係配置在該第一光學構件與該第二光學構件之間的情況中，能夠在該光很長的傳播時間中抑制光學耗損的增加並改良該光學裝置的性能。

(x)在本發明第一和第二形態具有該特徵(ix)之光學裝置中，該保護中間物可以是由氟化物形成的，而該氟化物可以是氟化釔(YF₃ )、氟化鋰(LiF)、氟化鎂(MgF₂ )、氟化鈉(NaF)、氟化鑭(LaF₃ )、氟化鋇(BaF₂ )、氟化鈣(CaF₂ )及氟化鋁(AlF₃ )中之一種或更多種。又，較佳為該保護中間物顯示低的能量吸收率。

(xi)在本發明第一和第二形態具有該特徵(ii)或(iv)之光學裝置中，每一個多層膜之該最上層皆可含有氟化物。

(xii)在本發明第一和第二形態具有該特徵(xi)之光學裝置中，該氟化物可以是不含矽的。

(xiii)在本發明第一和第二形態具有該特徵(xii)之光學裝置中，該最上層可以是由氟化釔(YF₃ )、氟化鋰(LiF)、氟化鎂(MgF₂ )、氟化鈉(NaF)、氟化鑭(LaF₃ )、氟化鋇(BaF₂ )、氟化鈣(CaF₂ )及氟化鋁(AlF₃ )中之一種或更多種材料形成的。

(xiv)在本發明第一和第二形態具有該特徵(xii)之光學裝置中，除了每一個多層膜之該最上層以外之該多個層中的每一層都是由一無矽氧化物膜來實現的。

(xv)該光具有一屬於短波範圍的波長。

(xvi)在本發明第一和第二形態具有該特徵(xv)之光學裝置中，該光可具有一屬於190到530奈米之波長範圍的波長。當該光之波長等於或小於530奈米時，該光可分解有機材料，因此本發明在光具有較短波長時更具效率。除此之外，當該光之波長等於或大於190奈米時，該光可透過摻氟的二氧化矽而傳播。因此，較佳的是該光具有一屬於190到530奈米之波長範圍的波長。

(xvii)該光出射端和該光進入端中至少有一者是經紫外光清洗的。

(xviii)該第一光學構件及該第二光學構件中至少有一個是光導。此外，該光導可以是一光纖。

為了完成前述第二目的，本發明提供了一種本發明第三形態之光學構件。本發明第三形態之光學構件包括：一與一外部光學構件抵接的終端，在該終端自該外部光學構件出射之第一光進入該光學構件，或是自該光學構件出射之第二光進入該外部光學構件；以及一保護中間物，其係配置於該終端上，且抑制了該終端固定至該外部光學構件上。該光學構件可以是一光導或是一光纖。

下將參照各附圖詳盡地解釋本發明各較佳實施例。各附圖中，即使在用以顯示不同實施例的附圖中也是由相同的符號標示出各等效元件及組成，且除非必要下列解釋中將不會重複對各等效元件及組成的說明。

第一實施例

以下將要解釋本發明第一實施例的光學裝置。第1A圖係用以顯示本發明第一實施例之光學裝置10中某一部分的截面側視圖。如第1A圖所示，該光學裝置10包括：光纖1a和1b；套管2a和2b；套筒3；及其他零件(未標示)。該光纖1a和1b係對應於前述第一光學構件和第二光學構件且具有光導的功能。該套筒3係一種夾持構件。該光纖1A之靠接頭部分係嵌入該套管2a之穿孔內，而該光纖1b之靠接頭部分則嵌入該套管2b之穿孔內。該套管2a和2b之各接頭側端係拋光成半球的形狀(或者)，該套管2a和2b之各接頭側端也可拋光成平面的形狀)。除此之外，於該套管2a和2b之一的半球形端面(例如，該套管2a之半球形端面91a)上方形成一膜41以便蓋住嵌入該套管內之光纖的接頭端。該膜41是由一種對波長落在短波範圍(190到530奈米)內之光而言呈高度透明，且較佳的是含有氟化物(像氟化釔、氟化鋰、氟化鎂、氟化鈉、氟化鑭、氟化鋇、氟化鈣及氟化鋁)之類的材料製成的。本實施例中，該等套管2a和2b具有等於1.25或2.5毫米的外徑，且該等套管2a和2b之半球形端面具有等於7到25毫米的曲率半徑。

在形成該膜41之後，可將該等套管2a和2b嵌入該套筒3之內，使得該光纖1b之接頭端和該套管2b之半球形端面抵接於該膜41之外表面上。較佳的是，能以等於4.9到11.8Pa的壓力將該等套管2a和2b壓在一起。

如上所述，習知情況下該等光纖係藉由一光學接點而連接的。已知在透過該光學接點傳播的光具有落在長波範圍之內的波長或是該光之能量密度不那麼高的情況中，可使用該光學接點以提高其光學傳播效率。不過，在透過該光學接點傳播的光具有落在短波範圍之內的波長或是該光之能量密度很高的情況中，可能與該等光纖1a和1b之各抵接部分內含有的氧化物發生反應，以致於會在發生反應的該等部分上使該等光纖1a和1b固定在一起。因此，假如係在於第1圖之習知光學裝置內發生反應之後將該等套管2a和2b拉出該套筒3，則會使該等光纖1a和1b上發生反應的多個部分受到破壞，或者即使當再次將各光纖1a和1b之接頭端配置成接觸狀態時光學耗損也會變得很大。此外，在透過該光學接點傳播的光具有落在短波範圍之內的波長的情況中，即使在為了防止該等光纖1a和1b之接頭端受到與有機材料(由透過該光學接點傳播的光所造成)反應所產生之反應產物的污染而執行了紫外光清洗作業(UV cleaning)時，也可能使該等光纖1a和1b如前所述地固定在一起。

本發明人已依下列方式證實了上述問題。

第6圖顯示一光纖在該端面進行了以下操作(1)到(4)之後之端面的情形：(1)為該光纖之上述端面以及一片玻璃(未標示)的表面施行紫外光清洗作業。

(2)使該光纖之端面與該片玻璃之表面形成接觸。

(3)以大約0.5 kgf的壓力使該片玻璃之表面抵壓該光纖之端面約100小時。

(4)使該光纖之端面與該片玻璃之表面分開。

第6圖中，符號90代表的是該光纖之端面，符號91代表的是(該光纖之)包層，符號92代表的是(該光纖之)核芯，而符號99代表的是該端面上會與該光纖及該片玻璃內含有之氧化物或石英反應並使該端面固定(黏貼或融合)在該片玻璃之表面上的多個部分。也就是說，在該端面有多個部分發生上述反應並使該端面之該等部分固定(黏貼或融合)在該片玻璃之表面上的情況中，該端面之該等部分會受到嚴重的破壞，或者使該等反應產物或是該光纖或該玻璃之碎片固定在該光纖或是該片玻璃之表面上。在該光纖之端面與該片玻璃之表面形成接觸(於上述操作(2)中)之前，該光纖之端面的算術平均粗糙度(Ra)是2奈米。上述現象也會出現在該等光纖形成光學接觸時，且更可能出現在該光纖之端面的算術平均粗糙度(Ra)是小於5奈米時，或是當所傳播之光具有高能量密度及短波長時。

如第1A圖所示，在有該膜41(在短波範圍內呈高度透明)形成於該套管2a之端面且該光纖1a之接頭端嵌入於該套管2a內的情況中，該等光纖1a和1b是透過該膜41形成接觸而不是直接接觸。因此，能夠防止在該等光纖1a和1b之各抵接部分上與氧化物(像二氧化矽或石英之類)發生反應並造成破壞，使得本發明第一實施例之光學裝置具有穩定的性能。

該膜41指的是可抑制該等光纖1a和1b的各抵接部分之間於常溫下發生光學反應的一種膜。明確地說，該膜41可以是藉由一種含有氟化物(像氟化鋰、氟化鋇、氟化鎂及氟化鈣)之類的膜而實現。

較佳的是，該膜41是一種這樣的膜：即使在經由該膜41以大概0.05 kgf到0.5 kgf(較佳的是0.05 kgf到1 kgf)之壓力將該等光纖1a和1b壓在一起然後再將其分開時，也能使對該膜41及該等光纖1a和1b的破壞變得最小，使得該等光纖1a和1b可重複使用。此情況中，當係藉由將該等光纖1a和1b嵌入該等套管2a和2b內、且將該等套管2a和2b嵌入該套筒3內並以大概0.05 kgf到0.5 kgf(較佳的是0.05 kgf到1 kgf)之壓力將該等光纖1a和1b之各端壓在一起而連接該等光纖1a和1b時，則可實質地防止對該等光纖1a和1b之各抵接部分造成破壞。

該膜41可以是一單層膜或是一多層膜。在多層膜的情況中，較佳的是該多層膜之最上層可抵抗與該等光纖1a和1b內含有之石英或二氧化矽的反應。除此之外，該膜41可以是直接形成於該套管2a之端面91a上，或是在於該端面91a上形成有一阻抗膜之後形成的。請注意第1A圖和第1B圖中，係將該等套管2a和2b位於嵌入到該套筒3內之各終端上的端面加工成半球的形狀。或者如第3C圖所示，也可以只將兩個端面之一加工成半球的形狀，而將另一個端面研磨成平坦的表面。在另一個替代例中，也可以將兩個端面同時研磨成平坦的表面。

該膜41係配置成具有一不致影響光學耗損的厚度。例如，由於該等光纖1a和1b以及該膜41具有不同的折射率，較佳的是該膜41沿著光之傳播方向的厚度d1會滿足下列方程式：d1×N(λ/2)×n (1)其中N指的是該膜41的折射率，λ指的是該光之(振盪)波長，而n指的是一大於零的整數。

或者，可於該等套管2a和2b之每一個端面上形成一膜。第1B圖係用以顯示本發明第一實施例之光學裝置變形例20中之一部分的截面側視圖。於第1B圖所示之光學裝置20中，係將一膜42a形成於該光纖1a所嵌入之套管2a的端面91a上，而將一膜42b形成於該光纖1b所嵌入之套管2b的端面91b上，並將該等套管2a和2b之各接頭端嵌入該套筒3內以便使該等套管2a和2b透過該等膜42a和42b形成接觸。為了防止該等膜42a和42b在各抵接部分上發生反應或是固定在一起，較佳的是該等膜42a和42b之各最上層係由能抵抗相互反應的不同材料形成的。除此之外，同時較佳的是該等膜42a和42b之厚度的總和會滿足下列方程式(1)。在該等膜42a和42b具有完全相同之厚度d2以及完全相同之折射率N的情況中，較佳的是該厚度d2及折射率N會滿足下列方程式：d2×N＝(λ/4)×n (2)其中λ指的是該光之(振盪)波長，而n指的是一大於零的整數。

另一方面，在該等膜42a和42b具有不同的厚度d2a和d2b且係由具有不同折射率Na和Nb之材料形成的情形中，較佳的是該厚度d2a和d2b及折射率Na和Nb會滿足下列方程式：(d2a×Na)＋(d2b×Nb)＝(λ/2)×n (3)其中λ指的是該光之(振盪)波長，而n指的是一大於零的整數。

較佳條件

顯示如下的是本發明人已研究並證實用於改良光學裝置之性能的其他較佳條件，(1)本發明人已證實當該等端面之一所形成的每一層膜都是一種厚度小於光之(振盪)波長之一半的氟化物膜時，可使該膜之老化現象及其光學耗損的增加量受到抑制，雖在該膜已曝露於光中很長時間的情況中，光學耗損的增加還是可能出現。本發明人已製備了三種型式的光學裝置10之樣本，其中係將厚度分別為λ/2、λ/4及λ/6之MgF₂ 膜形成於各端面91a上當作該膜41。然後以使該光能通過由直徑等於或小於大概30毫米之保護中間物構成之區域的方式，將其波長為405奈米且光學功率為160毫瓦的雷射光射入到該光纖1a內，並量測光學輸出功率(亦即自光纖1b出射之光學功率)之時間變量。其量測結果則如第8圖所示。第8圖中，實線g1、虛線g2及點虛線g3代表的分別是膜厚度為λ/2、λ/4及λ/6之樣本內的光學輸出功率，且該光學輸出功率係表示為該量測得之光學輸出功率與射入到該光纖1a內之雷射光之光學功率的比率。該光學輸出功率的減小量係對應於該光學耗損的增加量。

如第8圖所示，當該膜41的厚度更小時，該光學輸出功率的減小量(亦即光學耗損)變得更小。此外，本發明人已使用顯微鏡觀測每一個樣本內之膜41在上述量測之後的情形。根據觀測，雖然並未在厚度為λ/6之膜41的外觀上觀測到任何變化，但在該膜41中具厚度為λ/4及λ/2且雷射光通過的區域內則觀測到色彩的變化。可認定由雷射光產生的熱能會局部地融合厚度為λ/4及λ/2的膜41，而造成該膜41內所觀測到色彩的變化。可認定當該膜41的厚度更大時，有更大部分的雷射光能量會為該膜41吸收掉，以致有更大的能量吸收會改變該膜41的品質並增加了光學耗損。

(2)除此之外，本發明人也在下列量測的基礎上證實了，以離子－輔助式沉積法形成的膜，比以蒸鍍法形成的膜可更有效地減小光學耗損。

也就是說，本發明人已製備兩種型式之光學裝置10之樣本，其中係分別藉由蒸鍍法以及離子－輔助式沉積法將厚度為λ/6之MgF₂ 膜形成於各端面91a上當作該膜41。然後，將其波長為405奈米而光學功率為160毫瓦的雷射光射入到該光纖1a內，並量測光學輸出功率(亦即自光纖1b出射之光的光學功率)之時間變量。其量測結果則如第9圖所示。第9圖中，曲線g4和g5代表的分別是藉由蒸鍍法以及離子－輔助式沉積法形成有該膜41之樣本內的光學輸出功率。

如第9圖所示，雷射光通過藉由離子－輔助式沉積法形成之膜41的光學功率減小量，會小於雷射光通過藉由蒸鍍法形成之膜41的光學功率減小量。由於曲線g5的減小率是大於曲線g4的減小率，故可預期光學輸出功率在分別藉由蒸鍍法以及離子－輔助式沉積法形成有該膜41之光學裝置10的該等樣本之間的差異，將會在該膜41已曝露於雷射光中超過1000小時的時候進一步增大。故可認定，藉由蒸鍍法係比藉由離子－輔助式沉積法在形成該膜41之光學裝置內的光學耗損上能獲致更強的抑制作用，其理由如下。第一，可在該膜41形成之前藉由離子束之類清洗該離子－輔助式沉積法中的標靶(亦即該光纖1a的接頭端)，以致可減小該標靶與膜41之間邊界上的耗損。第二，該離子－輔助式沉積法可形成比蒸鍍法所形成的膜更密緻的膜。因此，可認定藉由離子－輔助式沉積法形成之膜中因為吸收了雷射光的部分能量在膜品質上造成的變量，是小於在藉由蒸鍍法形成之膜中得到的該等變量。除此之外，即使當使用的是離子電鍍法或是濺射法以取代該離子－輔助式沉積法並在該膜形成之前清洗該標靶時，也能形成比蒸鍍法所形成的膜更密緻的膜。

(3)此外，本發明人已製備了兩種型式的光學裝置10之樣本，其中係將厚度分別為λ/6及λ/12之氟化鎂膜形成於各端面91a上當作該膜41。然後，將其波長為405奈米且光學功率為160毫瓦的雷射光射入到該光纖1a內，並量測光學輸出功率(亦即自光纖1b出射之光的光學功率)之時間變量。其量測結果則如第10圖所示。第10圖中，曲線g6及點虛線g7代表的分別是膜41之厚度為λ/6及λ/12之樣本內的光學輸出功率。

如第10圖所示，膜41之厚度為λ/6及λ/12之該等樣本內的光學輸出功率同樣都是隨著時間而改變的。也就是說，可認定，在波長為405奈米而光學功率為160毫瓦之雷射光係透過該膜41及光纖1a和1b傳播且該膜41之厚度不超過λ/6的情況中，該等光學裝置內光學輸出功率之時間變量都是相似的。

(4)另外，本發明人已證實由具有較低吸收係數之材料形成之膜41內的光學耗損可以更有效地減小。第11圖係用以顯示光學裝置中已曝露於其振盪波長為248奈米之脈衝雷射中之膜的吸收係數與破壞臨限值之間關係的曲線圖。第11圖之曲線係取自由J.Dijon等人發表於SPIE，vol.3244，pp.406－418，1998中標題為「藉由離子束濺射法製造之具高損壞臨限值之氟化物紫外光鏡面(High damage threshold fluoride UV mirror made by ion beam sputtering)」的論文，其中顯示了該等氟化物膜之損壞臨限值都是很高的，且氟化釔膜和氟化鋰膜的損壞臨限值是高於氟化鎂膜的損壞臨限值。因此，本發明人已製備了兩種型式的光學裝置10之樣本，其中係藉由蒸鍍法將厚度為λ/6之膜41形成於各端面91a上，其中係由氟化鎂形成該第一型樣本內之膜41，而由氟化釔形成該第二型樣本內之膜41。然後，將其波長為405奈米而光學功率為160毫瓦的雷射光射入到該光纖1a內，並量測光學輸出功率(亦即自光纖1b出射之光的光學功率)之時間變量。其量測結果則如第12圖所示。第12圖中，曲線g8和g9代表的分別是由氟化鎂和氟化釔形成之膜41樣本內的光學輸出功率。

如第12圖所示，雷射光通過由氟化釔形成之膜41的光學功率減小量，會小於雷射光通過由氟化鎂形成之膜41的光學功率減小量。由於曲線g9的減小率是小於曲線g8的減小率，故可預期光學輸出功率在分別由氟化鎂、氟化釔形成該膜41之光學裝置10的該等樣本之間的差異，將會在該膜41已曝露於雷射光中超過1000小時的時候進一步增大。因此，為了減小光學耗損，較佳的是該等用來實現該保護中間物的膜都是氟化物膜(例如由氟化釔、氟化鋰、氟化鎂、氟化鈉、氟化鑭、氟化鋇、氟化鈣及氟化鋁中之一種或更多種材料形成的)，且更佳的是氟化釔之類吸收係數很小的膜。

如上所述，為了在波長為405奈米而光學功率為160毫瓦之雷射光透過該膜41及光纖1a和1b傳播了1000小時之後，將光學輸出功率與光學輸入功率的比率抑制在10%以下，較佳的是使形成於該光纖1a之接頭端上方之膜的厚度等於或小於λ/6。除此之外，較佳的是藉由使用一種可在該膜形成之前形成一密緻膜並清洗該標靶的技術(像離子－輔助式沉積法、離子電鍍法或是濺射法之類)形成該膜41。此外，較佳的是使於該膜41內被吸收掉之雷射光能量是一很小的部分。

紫外光清洗法

在透過如第1A圖所示之光學裝置10傳播的光之波長屬於190到530奈米之波長範圍的情況中，為防止有機物的污染，能以紫外光清洗該等套管2a和2b之端面上未覆蓋有該膜41的區域。由於係將含有不致因紫外光波長範圍(190到410奈米)內之光而活化之前述氟化物(例如由氟化釔、氟化鋰、氟化鎂、氟化鈉、氟化鑭、氟化鋇、氟化鈣及氟化鋁中之一種或更多種)的膜41形成於該套管2a上，故能防止與該等光纖1a和1b之各抵接部分上的氧化物(像石英或二氧化矽之類)發生反應，並抑制對各抵接部分產生的破壞。

除此之外，在如第1B圖所示之光學裝置20中以紫外光清洗該等套管2a和2b之端面91a和91b的情況中，為了防止受到有機材料的污染，也可抑制在該等光纖1a和1b之各抵接部分上的光學反應。

第二實施例

雖然如第1A圖所示之光學裝置10內的保護中間物係藉由形成於該套管2a之端面91a的薄膜41實現的，然而該保護中間物並不受限於該套管2a之端面91a上所形成的薄膜41，且只要該保護中間物的配置可使該等套管2a和2b不致形成直接接觸就夠了。例如，本發明光學裝置可以是藉由如第2圖所示之光學裝置200實現的，其中顯示的是本發明第二實施例之光學裝置200中之一部分的截面側視圖。該光學裝置200中，係將一保護中間物47配置於該套筒3內。明確地說，係將用來夾持該保護中間物47之圓形凸緣9配置於該套筒3內側，以便即使當該等套管2a和2b係從該套筒3之兩個終端嵌入到該套筒3內時，該等光纖1a和1b也能透過該保護中間物47形成接觸。該保護中間物47係由例如鐵氟龍(Teflon係杜邦公司(E.I.du Pont de Nemours and Company)的註冊商標)於短波範圍內呈高度透明的材料形成的。

第三實施例

本發明的第三實施例將解釋如下。第3A圖係顯示本發明第三實施例之光學裝置30中某一部分的截面側視圖。如第3A圖所示，本發明第三實施例係將取代夾持該光纖1a之套管2a的透明構件6嵌入並固定於該套筒3上，以便將該透明構件6之端面92a配置成可透過膜43而與(夾持於該套管2b內)光纖1b的接頭端形成光學接觸。該透明構件6係由玻璃之類製成的，且該透明構件6內並未形成有任何光導。如第3A圖所示之光學裝置30中，入射於透鏡7上的光會從該透明構件6之光進入端進到該透明構件6內且係聚焦在該透明構件6之端面92a上。於是，光會穿透該膜43而從該光纖1b之接頭端進到該光纖1b內。該膜43可以是一單層膜或是一多層膜，且該膜43之厚度及該膜43之形成材料都是類似於第一實施例的。如第3A圖所示之光學裝置30具有類似於第一實施例的優點。

或者，第3B圖係本發明第三實施例之光學裝置變形例40中某一部分的截面側視圖，其中顯示可分別將膜44a和44b形成於該透明構件6之端面92a上。此外如第3C圖所示之光學裝置300中，可將該透明構件6之端面92a研磨成平坦的表面，且可將膜48設置於該套管2b已加工成半球形狀之端面92b上。此情況中，較佳的是使該透明構件6之端面92a自垂直於其軸的平面傾斜了3到4度。在設有該傾斜度的情況中，可減少朝該透鏡7反射的光量，且使有效的光導引變得可能。

如上所述，可藉由形成使一個除了像光纖之類的光導以外之光學構件(由玻璃製成的)的配置能夠透過上述一層或多層的膜與一光導形成光學接觸的光學裝置，而達成類似於第一實施例的優點。此外，也可藉由形成一種使兩個除了像光纖之類光導以外之光學構件(由玻璃製成的)的配置能透過上述一層或多層的膜形成光學接觸的光學裝置，來達成類似於第一實施例的優點。在該等情況中，該膜43(或是該等膜44a和44b中每一層)可以是一單層膜或是一多層膜，且該膜43(或是該等膜44a和44b中每一層)之厚度及該膜43(或是該等膜44a和44b中每一層)之形成材料都是類似於第一實施例的。

第四實施例

本發明的第四實施例將解釋如下。第4A圖係顯示本發明第四實施例之光學裝置50中某一部分的截面側視圖。如第4A圖所示，本發明第四實施例係將其內嵌入有該光纖1c之光纖短線8嵌入並固定於該套筒3上，以便將該光纖1c(塞到該光纖短線8內)之接頭端配置成可透過一膜45而與(嵌入於該套管2b內)光纖1b的接頭端形成光學接觸。其內嵌入有該光纖1b之該光纖短線具有一其內嵌入有該光纖1c的穿孔，而將該膜形成於該套管2b之端面91b上。如第4A圖所示之光學裝置50中，入射於透鏡7上的光會聚焦在該光纖1c(嵌入於該光纖短線8內)之光進入端上而進入該光纖1c內。於是，光會穿透該膜45而從該光纖1b之接頭端進到該光纖1b內。或者，可將該膜45形成於該光纖短線8之端面93b上，以取代形成於該套管2b之端面91b上。

或者，第4B圖係本發明第四實施例之光學裝置60中某一部分的截面側視圖，其中顯示分別將膜46a和46b形成於該光纖短線8之端面93b及該套管2b之端面91b上。應注意第4A圖和第4B圖中，係將該光纖短線8及套管2b位於已嵌入於該套筒3內之各終端上的端面加工成半球形狀。或者，可如第3C圖所示只將兩個端面之一加工成半球形狀而將另一端面研磨成平坦的表面。另一替代實施例中，可同時將兩個端面研磨成平坦的表面。

第五實施例

本發明的第五實施例將解釋如下。本發明的第五實施例與第一實施例的差異是將一由兩個或更多個層構成的多層膜形成於該等套管2a和2b之一或是每一個的端面上。

第5A圖係顯示本發明第五實施例之光學裝置70中某一部分的截面側視圖。如第5A圖所示之光學裝置70中，將兩層膜51和52依序形成於該套管2a之端面91a上，其中係將該光纖1a嵌入於該套管2a內，該等膜51和52之間的黏著度等級以及該膜51與該套管2a之端面91a之間的黏著度等級，都是高於該膜52與該套管2b之端面91b之間的黏著度等級。假如該膜52與該套管2b之端面91b之間的黏著度等級是很高的，該膜52與該端面91b抵接的部分，會在將該套管2a和2b嵌入於該套筒3內之後使該套管2a和2b分離時剝落並黏貼到該套管2b之端面91b上，以便使該膜52與該套管2b之端面91b形成接觸。此情況中，該膜52會受到破壞且光學裝置是無法重複使用的。另一方面於本發明第五實施例之光學裝置70中，該膜52與該套管2b之端面91b之間的黏著度等級，是低於該膜51和52之間的黏著度等級以及該膜51與該套管2a之端面91a之間的黏著度等級。因此，可防止該膜52之分離以及對該膜52和該端面91b之各抵接部分的破壞，以便使該光學裝置變得穩定。

該光學裝置70中，形成於該套管2a之端面91a上之多層膜係由兩層膜51和52構成的。不過，該多層膜也可以是由兩個以上的層構成的。此等情況中，較佳的是該多層膜之最上層與該套管2b之端面91b之間的黏著度等級，是低於構成該多層膜之多個層的各相鄰層之間的黏著度等級以及該多層膜之最下層與該套管2a之端面91a之間的黏著度等級。除此之外，同時較佳的是該多層膜(例如膜52)之最上層是由氟化釔(YF₃ )、氟化鋰(LiF)、氟化鎂(MgF₂ )、氟化鈉(NaF)、氟化鑭(LaF₃ )、氟化鋇(BaF₂ )、氟化鈣(CaF₂ )及氟化鋁(AlF₃ )中之一種或更多種無矽氟化物形成的。此外，較佳的是構成該多層膜之多個層中除了該最上層以外的每一個層都是由一種無矽氧化物膜(例如氧化鎂膜)實現的。

或者，可將一多層膜形成於該套管2a和2b之每一個端面91a和91b上。第5圖係顯示本發明第五實施例之光學裝置變形例80中某一部分的截面側視圖。於第5B圖所示之光學裝置80中，係將兩層膜62和61依序形成於該套管2a之端面91b上。此情況中，該膜52與膜61之間的黏著度等級，是低於該等膜51和52之間的黏著度等級以及該膜62和61之間的黏著度等級、該膜51與該套管2a之端面91a之間的黏著度等級、以及該膜62與該套管2b之端面91b之間的黏著度等級。

此外，較佳的是該等膜51,52,62和61會滿足表為上述方程式(1)到(3)的條件。

應注意第5A圖和第5B圖中，係將該套管2a及套管2b位於已嵌入於該套筒3內之各終端上的端面加工成半球形狀。或者，可如第3C圖所示只將兩個端面之一加工成半球形狀而將另一端面研磨成平坦的表面。在另一替代實施例中，可同時將兩個端面研磨成平坦的表面。

1a,1b,1c．．．光纖

2a,2b．．．套管

3．．．套筒

6．．．透明構件

7．．．透鏡

8．．．光纖短線

9．．．圓形凸緣

10,20,30,40．．．光學裝置

41．．．膜

42a,42b．．．膜

43．．．膜

44a,44b．．．膜

45．．．膜

46a,46b．．．膜

47．．．保護中間物

48．．．膜

50,70,80．．．光學裝置

51,52,61,62．．．膜

90．．．光纖之端面

91．．．光纖之包層

91a．．．套管塑之半球形端面

91b．．．套管之端面

92．．．光纖之核芯

92a,92c．．．透明構件之端面

92b．．．套管之端面

92c．．．透明構件之端面

93b．．．光纖短線之端面

99．．．具有光纖端面的部分

100,200,300．．．光學裝置

第1A圖係顯示本發明第一實施例之光學裝置中某一部分的截面側視圖。

第1B圖係顯示本發明第一實施例之光學裝置中某一部分的截面側視圖。

第2圖係顯示本發明第二實施例之光學裝置中某一部分的截面側視圖。

第3A圖係顯示本發明第三實施例之光學裝置中某一部分的截面側視圖。

第3B圖係顯示本發明第三實施例之光學裝置中某一部分的截面側視圖。

第3C圖係顯示本發明第三實施例之光學裝置另一變形例中某一部分的截面側視圖。

第4A圖係顯示本發明第四實施例之光學裝置中某一部分的截面側視圖。

第4B圖係顯示本發明第四實施例之光學裝置變形例中某一部分的截面側視圖。

第5A圖係顯示本發明第五實施例之光學裝置中某一部分的截面側視圖。

第5B圖係顯示本發明第五實施例之光學裝置變形例中某一部分的截面側視圖。

第6圖係顯示光纖之端面上各抵接部分已受到破壞的示意圖。

第7圖係顯示習知光學裝置中某一部分的截面側視圖。

第8圖係顯示已藉由蒸鍍法形成有厚度分別為λ/2、λ/4及λ/6之氟化鎂膜之多個光學裝置中表示光學輸出功率之時間變量的曲線圖。

第9圖係顯示已分別藉由蒸鍍法以及離子－輔助式沉積法形成有厚度為λ/6之氟化鎂膜之多個光學裝置中表示光學輸出功率之時間變量的曲線圖。

第10圖係顯示已藉由離子－輔助式沉積法形成有厚度為λ/6及λ/12之氟化鎂膜之多個光學裝置中表示光學輸出功率之時間變量的曲線圖。

第11圖係顯示光學裝置中已曝露於振盪波長為248奈米之脈衝雷射中之膜的吸收係數與破壞臨限值之間關係的曲線圖。

第12圖係顯示已分別藉由蒸鍍法形成有厚度分別為λ/6之氟化鎂膜及氟化釔膜之多個光學裝置中表示光學輸出功率之時間變量的曲線圖。

1a,1b．．．光纖

2a,2b．．．套管

3．．．套筒

10,20．．．光學裝置

41．．．膜

42a,42b．．．膜

91a．．．套管塑之半球形端面

91b．．．套管之端面

Claims (30)

1. 一種光學裝置，包括：一第一光學構件，具有一光出射端，光在該光出射端自該第一光學構件出射；一第二光學構件，具有一經由保護中間物而與該光出射端抵接之光進入端，且該光自該光進入端進入該第二光學構件；及該保護中間物係配置在該光出射端與光進入端之間，且抑制該光出射端和光進入端固定在一起，其中該保護中間物係藉由僅形成於該光出射端和該光進入端當中的一者上的膜來實現，其中該膜係由包含最下層及最上層之多個層所構成的多層膜，在該最上層與該光出射端和該光進入端當中的另一者之間的第一級黏著度係低於在該多個的相鄰層之間的第二級黏著度、及在該最下層與該光出射端和光進入端當中的該一者之間的第三級黏著度，其中該保護中間物含有氟化物。
2. 一種光學裝置，包括：一第一光學構件，具有一光出射端，光在該光出射端自該第一光學構件出射；一第二光學構件，具有一經由保護中間物而與該光出射端抵接之光進入端，且該光自該光進入端進入該第二光學構件；及 該保護中間物，係透明的且配置在該光出射端與光進入端之間，且即使在以大概0.5kgf的壓力將該光出射端和光進入端壓在一起然後使其相互分離之後亦可再使用，其中該保護中間物係藉由僅形成於該光出射端和該光進入端當中的一者上的膜來實現，其中該膜係由包含最下層及最上層之多個層所構成的多層膜，在該最上層與該光出射端和該光進入端當中的另一者之間的第一級黏著度係低於在該多個的相鄰層之間的第二級黏著度、及在該最下層與該光出射端和光進入端當中的該一者之間的第三級黏著度，其中該保護中間物含有氟化物。
3. 如申請專利範圍第2項之光學裝置，其中該壓力是大概1kgf。
4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之光學裝置，其中該保護中間物係藉由分別形成於該光出射端及該光進入端上的第一膜及第二膜來實現。
5. 如申請專利範圍第4項之光學裝置，其中該第一膜是由包含一最下層及一最上層之多個第一層所構成的第一多層膜，該第二膜是由包含一最下層及一最上層之多個第二層所構成的第二多層膜，在該第一多層膜之該最上層與該第二多層膜之該最上層之間的第一級黏著度，是低於在該多個第一層之相鄰層之間的第二級黏著度、在該 多個第二層之相鄰層之間的第三級黏著度、在該第一多層膜之該最下層與該光出射端之間的第四級黏著度、以及在該第二多層膜之該最下層與該光進入端之間的第五級黏著度。
6. 如申請專利範圍第4項之光學裝置，其中該多個第一膜和該多個第二膜是分別由不同的材料形成。
7. 如申請專利範圍第5項之光學裝置，其中該多個第一膜和該多個第二膜是分別由不同的材料形成。
8. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之光學裝置，其中該光具有一波長，該保護中間物具有一沿著該光之傳播方向的總光學厚度，且該總光學厚度等於該波長之一半的整數倍。
9. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之光學裝置，其中該光具有一波長，該保護中間物具有一沿著該光之傳播方向的總光學厚度，且該總光學厚度小於該波長的一半。
10. 如申請專利範圍第9項之光學裝置，其中該保護中間物係以低耗損實現該光從該第一光學構件到該第二光學構件的傳播。
11. 如申請專利範圍第1項之光學裝置，其中該保護中間物是由氟化釔(YF₃ )、氟化鋰(LiF)、氟化鎂(MgF₂ )、氟化鈉(NaF)、氟化鑭(LaF₃ )、氟化鋇(BaF₂ )、氟化鈣(CaF₂ )及氟化鋁(AlF₃ )中之一種或更多種材料所形成。
12. 如申請專利範圍第1項之光學裝置，其中該最上層含有氟化物。
13. 如申請專利範圍第12項之光學裝置，其中該氟化物是無矽的。
14. 如申請專利範圍第12項之光學裝置，其中該最上層是由氟化釔(YF₃ )、氟化鋰(LiF)、氟化鎂(MgF₂ )、氟化鈉(NaF)、氟化鑭(LaF₃ )、氟化鋇(BaF₂ )、氟化鈣(CaF₂ )及氟化鋁(AlF₃ )中之一種或更多種材料所形成。
15. 如申請專利範圍第1項之光學裝置，其中除了該最上層以外之該多個層中的每一層都是由一無矽的氧化物膜來實現。
16. 如申請專利範圍第12項之光學裝置，其中除了該最上層以外之該多個層中的每一層都是由一無矽的氧化物膜來實現。
17. 如申請專利範圍第13項之光學裝置，其中除了該最上層以外之該多個層中的每一層都是由一無矽的氧化物膜來實現。
18. 如申請專利範圍第14項之光學裝置，其中除了該最上層以外之該多個層中的每一層都是由一無矽的氧化物膜來實現。
19. 如申請專利範圍第5項之光學裝置，其中該第一多層膜及該第二多層膜中之每一多層膜的該最上層均包含氟化物。
20. 如申請專利範圍第19項之光學裝置，其中該氟化物是無矽的。
21. 如申請專利範圍第19項之光學裝置，其中該第一多層膜及該第二多層膜中每一個多層膜之該最上層都是由氟化釔(YF₃ )、氟化鋰(LiF)、氟化鎂(MgF₂ )、氟化鈉(NaF)、氟化鑭(LaF₃ )、氟化鋇(BaF₂ )、氟化鈣(CaF₂ )及氟化鋁(AlF₃ )中之一種或更多種材料所形成。
22. 如申請專利範圍第5項之光學裝置，其中除了該第一多層膜之該最上層以外之該多個第一層以及除了該第二多層膜之該最上層以外之該多個第二層中的每一層都是由一無矽的氧化物膜來實現。
23. 如申請專利範圍第19項之光學裝置，其中除了該第一多層膜之該最上層以外之該多個第一層以及除了該第二多層膜之該最上層以外之該多個第二層中的每一層都是由一無矽的氧化物膜來實現。
24. 如申請專利範圍第20項之光學裝置，其中除了該第一多層膜之該最上層以外之該多個第一層以及除了該第二多層膜之該最上層以外之該多個第二層中的每一層都是由一無矽的氧化物膜來實現。
25. 如申請專利範圍第21項之光學裝置，其中除了該第一多層膜之該最上層以外之該多個第一層以及除了該第二多層膜之該最上層以外之該多個第二層中的每一層都是由一無矽氧化物膜來實現。
26. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之光學裝置，其中該光具有一屬於短波範圍的波長。
27. 如申請專利範圍第26項之光學裝置，其中該光具有一屬於190到530奈米之波長範圍的波長。
28. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之光學裝置，其中該光出射端和該光進入端當中至少一者是經紫外光清洗的(UV cleaned)。
29. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之光學裝置，其中該第一光學構件及該第二光學構件當中至少一者是光導(light-guide)。
30. 一種光學構件，包括：一與外部光學構件抵接的終端，在該終端，自該外部光學構件出射之第一光進入該光學構件或是自該光學構件出射之第二光進入該外部光學構件；以及一保護中間物，係配置於該終端上，且抑制該終端固定至該外部光學構件上，其中該保護中間物係藉由僅形成於該光出射端和該光進入端當中的一者上的膜來實現，其中該膜係由包含最下層及最上層之多個層所構成的多層膜，在該最上層與該光出射端和該光進入端當中的另一者之間的第一級黏著度係低於在該多個的相鄰層之間的第二級黏著度、及在該最下層與該光出射端和光進入端當中的該一者之間的第三級黏著度，其中該保護中間物含有氟化物。