專利名稱：制造聚合物光波導管光學連接器的方法
技術領域：
本發明涉及一種經濟有效地制造光學連接器的方法，該連接器具有高的機械穩定性和很強的耐熱和耐候能力。
在無源光波導管網絡中，連接器起了將來自輸入光波導管的光信號分配到輸出光波導管的光學元件作用。這類連接器由一個透明體構成，該透明體將位于光線輸入端和輸出端的光波導管連接起來。除了通過將透明模制體粘接或熔接到光波導管上的方法制造連接器外，還已知通過絞合光波導管束并并拉伸絞合部位的方法制造連接器(參見Agarwal，Fiber Integr.Optices，1987年第6卷、第1期，第27-53頁)。
但是，這些復合連接器的制造是復雜而又昂貴的;此外，這類已知的連接器的光通量衰減難于還原，其結果使不同輸出光導纖維之間的輸出功率變化大于1分貝。
此外，已知將聚合物光波導管制成的光導纖維束利用紅套管(熱套冷縮管)熔接在一起的連接器(DE-A-3，737，930，WO-89/02608)。根據WO-89/02608所述的方法，在熔合的芯纖維，紅套管和所謂的“焊條”之間只有不完全的接觸，從而產生受干擾的芯-包殼界面層，結果造成大量的光損失。
許多連接器(例如“雙錐體”連接器或紅套管技術同“雙錐體”方法的組合)的更主要的問題是僅有不充足的機械穩定性，尤其是在混合區附近，只有通過支撐來減少不穩定性。因此，為了滿足汽車制造業要求的穩定性，必須將制成的連接器安裝在特定的外殼內適當的位置。
因此，本發明的目標是尋找一種方法，能夠簡單地和便宜地制造機械穩定的連接器，并使制成的連接器輸出衰減低和輸出光導纖維之間的功率變化小。
在這種方法中應有這樣一種可能性，即根據應用場合，或者是從成品光波導管開始，只需要在混合區清除環繞的覆蓋物，或者，另行制造密實的光波導管束，其中任何覆蓋層的清除工序可以省去。
我們發現，一種對外界影響穩定并在各個輸出光導纖維之間具有最小功率變化的連接器能用簡單的方法制造。即用一根塑料管環套在光波導管的混合區，隨后的步驟是套上紅套管。
根據本發明的方法，是將2到105根聚合物光波導管以相同方向排列并使之成束，在此過程，也可將光波導管絞合，再將一根塑料管套在混合區，然后將一根塑料紅套管套在塑料管上。紅套管由于受熱而發生收縮。
由于塑料管提高了混合區的穩定性，結果使之能防止外界影響，例如沖擊，打擊或彎曲載荷。這種塑料管一定不能是完全剛性的，而必須能夠撓曲一定程度，以使它同混合區彎曲的光波導管相適應，但要防止它們斷裂。塑料管還保護混合區使之不受熱和氣候的影響，使這種連接器甚至讓其暴露在高溫下后，仍顯示出非常低的輸出衰減漂移。
用作這些塑料管的合適材料通常是所有高度透明的聚合物，這些聚合物的折射率低于光導纖維的折射率，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。
成功地進行熔合所需要的條件是光波導管和塑料管的機械性質和熱力學性質相匹配。當加熱光波導管和塑料管時，它們從玻璃態轉變成熱彈態。隨后由熱彈態轉變成熱塑態。當溫度升高時，塑料管應首先轉變成熱彈態，而光波導管只有在更高一些的溫度下才完成這種轉變。但是，在塑料管轉變成熱塑態之前，光波導管必須已經處于熱彈態。如此使塑料管和光波導管處于良好的光學接觸，同時防止在光波導管之間形成覆蓋物。通過改變光波導管和塑料管的分子量使各種溫度范圍可以互相匹配。如果紅套管的收縮溫度處在塑料管的熱彈溫度范圍內，將使得塑料管和導體致密熔合。在熔合期間，由紅套管環繞的光導纖維束和塑料管在加熱期間或加熱后可以被對稱或不對稱地拉伸，結果形成一種中間細的雙錐體外形(雙錐體)。通過比兩端更猛烈地加熱紅套管的中心，即使不拉伸也能得到雙錐外形。
紅套管的收縮過程導致塑料管變形，結果牢牢地封死熔合的聚合物光波導管束。
根據本發明的方法，塑料管的折射率應該低于芯纖維的折射率，因為塑料管對于混合區起光學覆蓋層的作用。在這種情況下，在混合區套上塑料管之前，應從光導纖維中清除掉原有的覆蓋物。
這種方法的優點是紅套管的脫除和隨后對混合區的上漆工序可以省去。因為塑料管完全起到了光學覆蓋層的作用。
例如用通過金屬(尤其是鋁)蒸涂法涂有反射鏡涂膜的塑料管，或用涂有反射鏡涂膜的塑料膜包裹未經蒸涂的管，能夠使輸出衰減損耗得到進一步的減少。
上述的方法還適用于制造密實的光波導管纖維束，對于這種用途，不需要預先清除光學覆蓋層。
塑料管長10到100毫米，尤以40到60毫米為宜;內徑為1到50毫米，尤以3到10毫米為宜。在優選的實施例中，塑料管的壁厚為0.5到25毫米，尤以1到5毫米為宜。應小心地保證塑料管的內表面盡可能的平滑。
例如，在DE-A-3，737，930和WO-89/02608中提到了適用于本發明方法的紅套管。
紅套管可以是黑色的，透明的或帶色的。因為紅套管不起光學覆蓋層作用，所以在制造這類紅套管中，紅套管的折射率不起任何作用。還可使用那些內壁涂有熱塑性材料的紅套管。具有內涂層的紅套管通常由聚烯烴構成。
按照本發明的方法，還可使用雙層紅套管。這些紅套管是由內套管和外套管組成的。當達到外套管的收縮溫度時，內套管已處于熱塑態。外紅套管所施加的壓力足以使紅套管、塑料管和光導纖維之間形成良好的結合。
紅套管通常長10到200毫米，尤以50到100毫米為宜;直徑為0.5到60毫米，尤以1到20毫米為宜。
用作紅套管的常規材料，如聚烯烴，1，1-二氟乙烯或含1，1-二氟乙烯的共聚物或硅橡膠，通常在100至300℃溫度之間收縮，取決于所用紅套管的類型，在加工期間，紅套管以1.2∶1到約4∶1的比率縮小。
例如，在汽車工業中，使用輸入和輸出纖維處于同一方向的連接器，即將連接區彎成U型。在已經處于受力狀態的混合區域內，這種彎曲的連接器對外界機械作用的影響尤其敏感。確切地說，這種特殊加工成型的連接器因這種塑料管在這個區域得到了強的支承，從而使它們尤其耐沖擊，耐壓力以及抗扭轉載荷。
總而言之，可以按照本發明方法制造出機械穩定性特別高的連接器。環繞光波導管的塑料管使得光導纖維能夠特別有效地防止外界影響，例如油污，灰塵或濕氣的影響，以及具有優異的耐熱性和耐候性。
實施例1制造帶有傳送混合器的7×7星型連接器在7根0.5米長的塑料光波導管上5厘米的區域內用汽油清除掉光學覆蓋層，這些光波導管由聚碳酸酯制成，每根直徑為1毫米。然后將一根薄PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯，折射率n＝1.492)管套在這個區域上。光導纖維的折射率為n＝1.585，PMMA管內徑為3毫米，壁厚1毫米，長5厘米。然后將一根由聚-1，1-二氟乙烯制成的，內徑為6.4毫米;長7厘米的透明紅套管套在PMMA管和纖維上。
為了將加熱系統與紅套管隔開，將一根內徑為7毫米，長7.5厘米的玻璃管套在紅套管PMMA管與光導纖維上，光纖被固定在合適的位置。在紅套管或PMMA管區域，將溫度升到195℃。當達到該溫度時，紅套管開始收縮，PMMA管和光導纖維(其軟化溫度低于195℃)開始熔合。熔合區(稱之為混合器棒)是一個長l＝2.5厘米，直徑d≈3毫米的圓形柱體。因為PMMA管的折射率比聚碳酸酯纖維的折射率(n＝1.585)低，PMMA管除了起穩定作用外，還同時起光學覆蓋層作用。混合器內傳播的光線在混合器棒/PMMA管的界面層全部被反射，從而幾乎沒有光線能透射到混合器外邊。在除掉玻璃管后，便得到機械性能穩定的星型連接器。
測試星型連接器的耐循環熱載性，為此，將連接器裝入人工氣候室，每8小時在-40℃到+100℃之間循環一次，進行長達一星期的熱處理。其衰減變化為0.5分貝。
帶有傳送混合器的7×7星型連接器，其極限損耗為2.0分貝，其任何輸出光導纖維之間的功率變化為1.5分貝。
實施例2用與實施例1類似的方法制造傳送星型連接器，利用熱空氣源將混合器棒再次加熱至180℃，并彎成U型。
測得的極限損耗為2.5分貝，其任何輸出光導纖維之間的功率變化為2分貝。
使用與實施例1的連接器相同的測試條件，測試傳送星型連接器的耐熱性。衰減變化又是很小僅為+0.6分貝。用這種方法制造的連接器顯示出高的扭轉載荷容量。
實施例3用與實施例1類似的方法制造7×7星型連接器。為了獲得低的衰減損耗，使用一種蒸涂有金屬鋁的聚甲基丙烯酸甲酯管子。
在混合區涂有反射鏡的傳送星型連接器的極限損耗為1.7分貝，輸出光導纖維之間的功率變化為1.5分貝。
在進行了類似于實施例1和實施例2的熱載荷實驗后，衰減差為0.6分貝。
實施例4用與實施例1相似的方法制造基于拉伸PMMA光導纖維的7×7星型連接器(PMMAn＝1.492)。
不同于實施例1的是用甲苯/丙酮(2∶1)溶液清除光學覆蓋層。塑料管是由折射率n＝1.37的氟化聚合物組成。將由光導纖維，塑料管和紅套管組成的現成裝置按如下方式加熱，即使管子的中心溫度約為190℃，而使邊緣區溫度約低10℃。這種溫度控制的結果使拉伸的聚合物光導纖維沿軸向收縮。由于熔合的光導纖維中心部位處在熱塑態而外部區域處在熱彈態，結果在塑料管里面形成了雙錐形。利用紅套管的收縮力使邊緣區正常發生的光纖徑向膨脹得到抑制。
由此制得的傳送星型連接器的功率變化很小，為1.3分貝。極限損耗在1.5分貝的范圍內。
經循環熱載荷實驗(從-40℃到+85℃)，其衰減變化僅為0.5分貝。
權利要求
1.利用塑料紅套管，將光波導管以相同的方向排列并使之成束，制造聚合物光波導管的光學連接器的方法，該方法包括將2到105根聚合物光波導管以相同的方向排列并成束，在混合區套上塑料管，然后在塑料管上套上一根塑料紅套管，并將紅套管加熱到使之收縮的溫度。
2.權利要求1所述的方法，其中塑料管先于聚合物光波導管轉變成熱彈態，而后者在塑料管材轉變成熱塑態之前方完成熱彈態的轉變。
3.權利要求1到2中至少一項所述的方法，其中紅套管的收縮溫度處在塑料管的熱彈態溫度范圍內。
4.權利要求1到3中至少一項所述的方法，其中在加熱期間或加熱后拉伸光導纖維束。
5.權利要求1到4中至少一項所述的方法，其中紅套管中心的加熱要比兩端更猛烈。
6.權利要求1到5中至少一項所述的方法，其中塑料管的折射率要比芯纖維低。
7.權利要求1到6中至少一項所述的方法，其中光波導管在接合處不含覆蓋物層，塑料管在連接器混合區起光學覆蓋層作用。
8.權利要求7中所述的方法，其中塑料管內壁涂有反射鏡層。
9.權利要求7中所述的方法，其中塑料管另外用涂有反射鏡層的塑料膜包裹。
10.權利要求1到9中至少一項所述的方法，其中塑料管長度在10到100毫米的范圍，尤以40到60毫米為宜。
11.權利要求1到10中至少一項所述的方法，其中塑料管的內徑在1到50毫米的范圍，尤以3到10毫米為宜。
12.權利要求1到11中至少一項所述的方法，其中塑料管的壁厚在0.5到5毫米的范圍，尤以1到2毫米為宜。
13.按權利要求1到12中至少一項所述的方法制造的光學連接器，其中混合區具有高的機械強度和穩定性，尤其是具有良好的耐熱和耐候性。
14.權利要求13中所要求的光學連接器，其混合區可具有彎曲的形狀。
全文摘要
利用塑料紅套管將光波導管以相同的方法排列并使之成束，制造聚合物光波導管的光學連接器的方法。在這種方法中，將2到10
文檔編號G02B6/287GK1056172SQ9110264
公開日1991年11月13日 申請日期1991年4月26日 優先權日1990年4月26日
發明者約晨·庫坦丁, 朱爾根·泰斯, 沃納·格羅, 安德烈亞斯·克羅克梅耶 申請人:赫徹斯特股份公司