磨光的熔凝光纖維端面的制作方法

專利名稱：磨光的熔凝光纖維端面的制作方法
技術領域：
本發明的背景技術在光纖傳送光的系統中，提高某種類型的光電子裝置(比如光源或檢波器)與光纖傳送介質之間的耦合效率通常是很重要的。最常見的應用之一就是應用于通訊系統，由調制過的半導體二極管，激光二極管光源或帶有單獨的調制器的光源產生的光信號耦合入光纖。應用于長距離傳送時，激光二極管通常為單橫模裝置，光纖僅傳播單模。在光纖的遠端并且通常在通過光纖放大器后的多次反射后，光信號從光纖一端耦合到檢波器中，在這里光信號又轉換成電信號。另外還有輔助的應用，比如使用二極管光學上抽運光纖放大器。在這里，由激光二極管產生的抽運光耦合入光纖中傳送到光纖放大器。
耦合通常是圍繞光電子裝置與光電子模塊中的光纖端部之間的界面進行的。在最常用的設備中，光電子裝置，激光二極管或檢波器固定到裝在光電子模塊中的基底上。把裝有護套的光纖的長度短的那端(稱為尾光纖)引入模塊中，對準光電子裝置，并且利用回流焊接、激光焊接或一些其它技術來固定。考慮到調制后光源的這些例子，比如直接調制過的激光二極管或帶有調制器的CW激光二極管，或者高耦合效率通常是最重要的泵，有大量的技術使耦合效率最大化。從這些技術中進行選擇涉及到三個不同因素的權衡模塊制作復雜性，產量以及耦合效率。
最簡單的耦合途徑就是裂開尾光纖，進行對接耦合。把光纖的端部裂成豎直的清潔的平端面。然后把端面固定在光電子模塊中，盡可能地接近光電子裝置的光發射面。
由于豎直端面的分裂容易再生，所以對接耦合的產量高。又因為裂開是一門相對簡單的技術，這個技術也不昂貴。但是耦合效率低。通常，從光電子光源發射出的光只有10％耦合通過光纖傳送。
為了提高對接耦合的耦合效率，常用技術是在尾光纖的端部放置一凸透鏡，從而從光電子光源中收集更多的光進入光纖芯中。最簡單的技術之一是在光纖的端部安裝一個微球體使其具備透鏡的功能。明確地說，蝕刻光纖一端形成一個凹面，然后把微球體粘到光纖端部。在工藝性上這項技術有優點，而且耦合效率很高，接近40％。
如果需要更高的耦合效率，就需要在尾光纖上制成顯微透鏡端面。要想實現這一目的有三種常用技術牽引，蝕刻和磨光。每一項技術都可以在尾光纖上制成接近于雙曲線表面的端面，雙曲線表面具有理想的耦合效率，但是利用這項技術再生產時水平容易變動。
拉光纖是在火焰中牽引光纖，從而產生收縮區域，然后在窄的收斂部分裂開，然后用火焰熔凝。這項技術簡單，但是產生的鏡頭偏離雙曲線表面太大。
過去，很多標準的激光源的光纖端面都是通過蝕刻然后熔凝半球形鏡頭而制成的。耦合效率的范圍在50-75％之間。明確地說，光纖帶著保護套并且適當地進行磨光，然后浸濕在熱的緩沖氫氟酸溶液中3-4小時。一直浸泡到目標端的直徑大約為13微米，+/-3微米。然后利用電焊條熔凝端部形成鏡頭。然而問題是鏡頭相對于光纖芯的同心性，這個過程極大程度上取決于光纖保護套和特殊光纖蝕刻劑的特性。
最后，光纖磨光是使用電機控制的夾具使尾光纖的端部與旋轉的砂輪接觸，對端面進行磨光從而形成預期的端面鏡頭。過去，制成的鏡頭的頂角通常為銳角或鈍角。
這就只有選擇端面磨光。然而采用這項技術存在許多問題。通常，光纖磨光技術產生的是偏離最佳雙曲線表面的圓錐形端面表面。另外，研究表明通常的鈍頂角的耦合效率不是最滿意的。
本發明涉及到光纖端面磨光方面的很多創新，在提高產量的同時極大地提高耦合效率。具體地說，對光纖端面進行磨光，優選地形成類似于截錐形端面或尖銳的端面。然而，在磨光后，熔凝端面，優選地在電弧熔凝器中形成一個光滑的圓形端面。研究還表明，在大多數磨光技術中使用的頂角太大。這樣，老的光纖牽引技術具有某些優點。因此，根據本發明，光纖的端面磨成銳角，從而極大地提高耦合效率。
概括地說，根據本發明的一方面，其特征是光纖的端面。端面有一截錐體區域，它是通過把端面磨光而制成的。然而，為了制出最佳的圓形光滑尖端，就要熔凝磨光過的光纖。
在具體實施例中，磨光的截錐體區域為截頭圓錐形或接近截頭圓錐形。由于光電子光源已調制過，又有很高遠的場對稱性，所以希望截頭圓錐形具有圓形對稱性。
優選地，為了提高耦合效率，磨光的截錐體區域的頂角為銳角，優選在16度-20度之間。研究表明，這是最佳范圍。另外，為了與希望的雙曲線表面相匹配，在光纖端部優選地磨光一個中間截錐體區域。
概括地講，根據本發明的另一方面，本發明涉及一個光電子模塊。這個模塊包括有光電子裝置，比如激光二極管或激光二極管/調制器，或者甚至是一個光電子檢波器。尾光纖要么從光電子裝置傳送光信號，要么把光電子信號傳送到光電子裝置。本發明的尾光纖的端面有一個磨光過的截錐體區域和一個熔凝的尖端。
概括地說，根據本發明的另一方面，本發明還涉及一種在光纖端部制作鏡頭的方法。該方法包括在軸向旋轉光纖的同時磨光其端部，然后根據本發明將光纖的尖端熔凝。
在具體的實施方案中，在磨光過程中同時檢測這種光纖的同心性。研究表明，為了最大化耦合效率，必須控制同心。缺少這種控制是與光纖端面蝕刻技術有關的主要缺點之一。
在優選實施方案中，在把端面放置于與磨光輪接觸時通過磨光制作出具有兩個或多個分離頂角的端面。
本發明的以上和其它特征包括對結構和各部分結合起來的各種細節的改進，以及其它優點，這些都將參照附圖進行詳細的描述，并且在權利要求中指明。為了說明而不是限制本發明，從而具體地闡述特殊的方法和裝置，這一點容易理解。在不脫離本發明保護范圍的情況下，可以在各種和大量的實施例中采用本發明的原理和特征。
在附圖中，相同的參考標號在不同視圖中指相同的部件。附圖不必要依據比例確定，而重點在于說明本發明的原理。在附圖中

圖1是用于說明應用本發明的光電子模塊的局部剖視圖。
圖2是本發明的光纖端面的側視比例圖，1英寸=50微米。
圖3A和3B是本發明的光纖磨光裝置或夾具的側示圖和透視圖。
圖4A是說明本發明中粗磨光纖的截面圖。
圖4B是說明本發明中中粗磨光纖的截面圖。
圖4C是說明本發明中細磨光纖的截面圖。
圖5A和5B是兩次粗磨后的光纖端面的圖象。
圖6是說明磨光輪上的磨光區域的俯視圖。
圖7A和7B是500倍的放大率時磨光完成后的光纖端面的圖象。
圖8是光纖完成磨光但又在熔凝前在電弧熔凝器中端面的側視圖。
圖9A和圖9B是500倍放大率和1000倍放大率時完成磨光和熔凝后的光纖端面圖象。
圖10是耦合效率隨光纖類型而變化的圖解，從而說明發明的光纖鏡頭制造技術相對于公知的鏡頭制造技術的優點。
圖1說明的是光電子模塊100，其中裝有發明的光纖。模塊100包括有箱形包110。導入的尾光纖112穿過箱形包110的頂壁111并且被固定，同時在常用的薄膜基片114上終止。在執行過程中，從硅玻璃纖維104上去除塑料套102，然后使硅玻璃纖維金屬化。金屬化的硅玻璃纖維低溫焊接到調節管113上。利用支架或夾子116固定管113，從而光纖維中心104接觸到基片114。這個支架116可以焊接或低溫焊接到基片上，或者使用其他公知技術固定到基片上，從而在基片114上支架116能夠支持住光纖維104，使光纖維端面118接近于光電子裝置115并且保持預定的關系。所示的實施例有四個使支架116固定到基片114上的激光焊接點106A，以及使管113固定到基片上的焊接點106B。如上面提到的，光電子裝置115為常用的二極管，激光二極管、LED(發光二極管)、或激光調制器系統，但也可以為檢波器。定位調整通常是至關重要的，需要準確度和壽命穩定性，大約為0.2-0.6微米。
圖2為根據本發明的原理構成的光纖端面118的側視比例圖。通常，光纖104由傳送大部分光功率的芯區126和把光信號封閉在芯周圍區域中的包層區128構成。包層/芯邊界或界面130把光纖104的兩個同心區域分開。由于光纖通常為單模光纖，所以索引側面(index profile)通常為一步。
為了提高在光纖104中傳播的光與光電子裝置115之間的耦合效率，如圖1所示，在光纖端面118上制有鏡頭。
端面118包括一個磨光的截錐體區域120。通過在纖維的端面上磨光制成這個截錐體區域，并且相對于光纖104的中心軸132盡可能地同心。在優選實施例中，截錐體區域為同心或接近于同心狀，也就是圓形對稱。因此，磨光的截錐體區域的橫截面縱橫比優選為1.5∶1到1∶1之間。然而，在另一種可替換的實施方案中，如果為橢圓形芯光纖和/或光源115為低的遠端場圓形對稱，就要采用橢圓形截錐體區域。
對于直徑b=125微米(μm)的光纖，磨光的截錐體區域的長度m約為300微米，優選為270微米。
在優選實施例中，磨光截錐體區域120的表面沒有伸入或侵入到光纖芯126中。特別地，磨光截錐體區域120磨入光纖端面118，因此最高的截錐體直徑“a”約等于芯126的直徑“d”的3-4倍。在優選實施例中，芯直徑“d”約等于8微米，模式域直徑約為10微米。
熔凝的截錐體區域122從磨光截錐體區域120向端面118的尖端延伸。優選地，熔凝的截錐體區域是先磨光再熔凝光纖兩者結合起來制成的。中間截錐體區域的長度n約等于25-35微米，通常為30微米。
由于在熔凝期間玻璃的表面張力作用，端面的尖端124為光滑球形鏡頭。尖端熔凝，從而使尖端最佳裝配到直徑c等于17微米的圓周上。尖端的球心角體γ為80-120°。
在優選實施例中，光纖端面118的府沖角很小。特別地，磨光的頂角α小于25°，在16°和20°之間。優選地，約為16°。在優選實施例中，熔凝的截錐體區域122的頂角稍微大一些。具體說，小于90°，優選地小于60°，在所示的實施例中為44°和50°之間。然后熔凝尖端124，從而產生一個圓形的鏡頭尖端。結果，光纖端面122的全部橫截面都可以近似地與標準的雙曲線橫截面相匹配。
圖3A和3B說明的是形成圖2所示的光纖端面的磨光裝置。如圖3A的側視圖所示，光纖磨光裝置包括有一個光纖旋轉夾具152。具體地說，夾具裝置有一個尾光纖112穿過的硬套管150。套管通過它的塑料外殼固定光纖。外殼151中的電機驅動這個套管從而軸向地轉動或旋轉光纖。另外，夾具152支撐在支架154上，支架騎在軌道156中，從而可以移動光纖使其與磨光輪158接觸或脫開。
通過驅動磨光輪158來對光纖端面118進行磨光。具體說，輪與由電機162轉動的軸160連接。在優選實施例中，輪表面158與水平面成55°角。硬套管150與水平面成22°角。因此，磨光輪158與硬套管150之間的角度為鈍角147°。然而，如圖中所示，磨光角度實際上大的多。套管150的端部與磨光輪上的最近點之間距離為5.5mm。然而，從套管150的端部引出9mm的尾光纖112。這9mm的尾光纖112沒有置于殼內，也就是只有玻璃硅纖維104。結果，光纖104按輪的旋轉方向向上彎，因此光纖端部與輪158之間的角度就很小，玻璃硅纖維104的彈性控制著磨擦力。
通過裂開以從光纖夾具到輪的距離的165％的距離磨光的光纖，從而相對于外側徑向位置產生緩的傾斜角，在接近于光纖中心的磨光表面產生陡的傾斜角。裂開的光纖與到輪的距離之間的差別也補償了套管150中光纖角度對不準現象。另外，端面與磨光輪之間的接觸壓力由光纖彈性決定，不必要進行人為控制。此外，可以改變長度從而修正或控制磨光角度。
圖3B進一步說明了光纖磨光裝置。如圖所示，尾光纖120的光纖端面118在輪中心與輪緣之間的中點與磨光輪接觸。磨光輪的表面優選地有兩種砂紙，較粗的砂210位于外圍，較細的砂212集中在輪158的中心。
圖4A和4B說明的是在光纖首先裂開并且裝入光纖磨光夾具152后，本發明的光纖的磨光過程。
圖4A說明的是粗磨的第一階段，粗磨是在9微米的較粗的磨光砂紙上進行。具體說，對于給定的光纖端面118，在端面直徑四周等距離分成四個位置(1,2,3,4)。在粗磨中的第一步，按箭頭164所示，位置1與磨光輪接觸。在與輪接觸的同時，光纖如箭頭166所示旋轉15/8轉。然后，按箭頭165所示從輪上移開光纖。在磨光的下一步，旋轉光纖，從而使位置3先與磨光輪接觸(164)，并且光纖又從位置3開始旋轉15/8轉，同時與輪接觸(166)。然后，在第三磨光步驟，旋轉光纖，從而在位置4與輪接觸，光纖與旋轉輪接觸。光纖又旋轉15/8轉。最后，旋轉光纖使位置2通過磨光夾具的套管與輪接觸。因此，位置2先與輪接觸，在磨光的同時光纖再旋轉15/8轉。
粗磨還包括步驟5-8，如圖4A所示光纖再旋轉15/8轉。分別在位置1.5,3.5,2.5和4.5按箭頭164所指示的開始磨光，按箭頭166所示做弧形旋轉，然后按箭頭165所示從輪上移開光纖。
圖5A是光纖進行第一次粗磨后光纖的標準端面。這時仍舊有留下的原始裂開端面的實質部分。如果端面直徑大于14.5微米，就重復進行粗磨，直到端直徑小于14.5微米為止。
圖5B是光纖進行第二次粗磨后光纖的標準端面。這時留下的原始裂開端面的實質部分盡管很小，但是仍舊有。如果端面直徑在14.5微米和7微米之間，就進行粗中磨。如果裂開端面的直徑小于7微米到不存在，就進行細磨。
圖4B說明的還是在9微米的磨砂紙上進行的中粗磨過程。步驟1-8的最初接觸點如箭頭164所示，與粗磨相同，但是在箭頭165所示的移開光纖之前，光纖按箭頭166所示僅旋轉5/8轉。
圖4C說明的還是在9微米的磨砂紙上進行的細磨過程。步驟1-8的最初接觸點如箭頭164所示，與粗磨相同，但是在箭頭165所示的從輪上移開光纖之前，光纖按箭頭166所示僅旋轉3/8轉。
粗中磨和細磨一直進行，直到去除掉所有的裂開端面，也就是端面118全部磨光。
在9微米的磨砂紙上進行的粗磨、中粗磨和細磨的關鍵在于截錐體區域120相對于芯126和光纖軸132保持同心。在優選實施例中，為了確保一直保持同心，在磨光的每一個階段都要確認是否同心。通過照亮截錐體的未磨光的遠端以及觀察磨光過的端面來檢查是否同心。在需要時可以利用相應的技術來修正粗磨從而重新建立同心。
最后，在優選實施例中，在位于與粗砂紙相同的輪上的細砂紙212上進行精磨。精磨除了使用較細的3微米磨砂表面以外，其它的都與圖4C所示的細磨相同。
圖6說明了在磨光輪158上進行的磨光步驟。區域170說明了第一根光纖的端面在八個槽中進行粗磨砂。這八個槽對應著9微米粗砂紙上進行的粗磨、粗中磨和細磨過程。結果，在同一根光纖的每一連續粗磨砂過程中重復使用這八個槽。然后在區域172中磨光第二根光纖等等，呈放射性地向內工作，至少到第三區域174。
磨光輪158包括位于4英寸盤(9微米)210頂部的一個2英寸的盤(3微米磨砂)212。兩種磨砂位于同一輪上，可以確保光纖夾具距磨光輪的距離完全相同。可以看出，放射狀的位置影響著磨光鏡的同心性。中央的放射磨光產生了更同心的磨光。在中央設置有3微米的砂紙，可以產生更同心的磨光。另外，在加工過程中濕磨光輪可以提高光纖與光纖磨光的一致性。因此，在每一磨光段都要將輪打濕。在光纖與輪接觸時夾具152上的套管150的旋轉速度為12-5rpm。通常的加工過程中，光纖做40個軸向轉動。這具有減小光纖軸向扭曲的優點。實際上，通過控制旋轉方向可以使每步之間的軸向扭曲消失。以50-200rpm的轉速驅動磨光輪，優選是75rpm。
在光纖不與輪子接觸時，光纖的磨光槽之間進行徑向移動。對于每個磨光段，在粗磨砂紙上都消耗一個環或新區域或沒有用過的砂紙。這樣在每一磨光段都產生一致的和可預測的磨光。使用這種同心環還可以保存砂紙，從而使3根光纖在一個4英寸/2英寸的盤上進行磨光。
精磨是在位于與粗砂紙相同的輪上的細砂紙212上進行的。這樣，光纖不必要移到新夾具上。在八個槽176中進行精磨的八個步驟。在相同的細磨砂槽176中對每一光纖進行磨光。3微米的砂紙可以更好地控制端面的同心。3微米的砂紙還對鏡頭側進行更光滑的精磨。
圖7A和圖7B為精磨步驟后的端面。
圖8為光纖在精磨步驟后開始熔凝之前在電弧熔凝器中的端面118。光纖包括有磨光過的截錐體區域120，頂角約為80°的中間磨光過的截錐體區域122’，以及一個頂角約為142°的圓錐頂點。中間截錐體區域122’和圓錐頂點是通過光纖與輪子的最初接觸并且在磨光期間從輪子上移開光纖而形成的。
在熔凝期間，來自電源186的電流在電極180和182之間流動。光纖104的未端距離兩電極之間延伸線的距離x=300微米。這樣可以加熱光纖頂點，從而產生圓形端部。優選地，端面熔凝兩次，在第一次和第二次熔凝之間端面軸向轉動90-180度。熔融玻璃的表面張力在磨光的端部形成了很完整的鏡頭。這能夠補償或修補磨光過的端部的不足。
在熔凝后，觀察光纖端部。光纖鏡頭定位于500X以下(500Xscope)，光纖傳送軸的尖端遠離顯微鏡物鏡。通過把白光引入通過光纖另一端，操作者能夠測量出鏡頭周圍和光纖傳送軸是否同心地排列。
圖9A和9B為光纖熔凝和精磨后加工好的光纖尖端。
圖10是耦合效率隨光纖類型而變化的圖解。如圖所示，使用本發明的#1光纖，耦合效率在70-80％之間。然而#2光纖，鏡頭相對于光纖中心軸不在中心或不同心，耦合效率降到80-50％之間。
盡管#5光纖的平均耦合效率稍微高一些，但是結果有很大的標準偏差，所以所得到的僅僅限定在70-80％之間的耦合效率可以順利地與#5光纖所示的浸蝕光纖相比較。因此，由于本發明光纖的耦合效率的低標準偏差，加工好的模件的質量的可預測性好，因此合格率較高。
采用這種方法制成的光纖鏡頭的平均耦合功率為來自常用的1300nm和1550nm脊形波導激光器基片的光的74％。已經發現79％的高耦合效率。在X,Y,Z方向上的耦合曲線的形狀與浸蝕光纖和熔凝光纖的相同。
參照本發明的優選實施例，已對本發明進行特別的說明和描述，本領域的技術人員在不脫離由附加權利要求限定的本發明的精神和范圍的情況下，可以進行各種形式和細節的變化。
權利要求
1．一種光纖端面，包括磨光的截錐體區域；以及熔凝尖端。
2．如權利要求1所述的端面，其中磨光的截錐體區域為截頭圓錐形或接近截頭圓錐形。
3．如權利要求1所述的端面，其中磨光的截錐體區域的橫截面的縱橫比為1.5∶1到1∶1。
4．如權利要求1所述的端面，其中磨光的截錐體區域沒有延伸入光纖芯中。
5．如權利要求1所述的端面，其中磨光的截錐體區域的頂角在16°-20°之間。
6．一種光電子模塊，包括一個產生或檢波光信號的光電子裝置；以及一從光電子裝置傳輸光信號或把光信號傳輸到光電子裝置的尾光纖，尾光纖的端面有一個磨光的截錐體區域和一熔凝的尖端。
7．如權利要求6所述的光電子模塊，其中磨光的截錐體區域為截頭圓錐形或接近截頭圓錐形。
8．如權利要求6所述的光電子模塊，其中磨光的截錐體區域的橫截面的縱橫比為1.5∶1到1∶1。
9．如權利要求6所述的光電子模塊，其中磨光的截錐體區域的頂角在16°-20°之間°
10．一種光纖端面，包括最大頂角小于50°的磨光的截錐體區域；以及一尖端。
11．如權利要求10所述的端面，其中截錐體區域為截頭圓錐形或接近截頭圓錐形。
12．一種在光纖端部制作鏡頭的方法，該方法包括在繞軸轉動光纖的同時磨光光纖的端部，然后熔凝尖端。
13．如權利要求12所述的方法，其中磨光光纖端部的步驟包括對光纖端部的磨光區域的同心級的校檢。
14．如權利要求13所述的方法，還包括根據校檢的同心級來控制隨后的磨光。
15．如權利要求13所述的方法，還包括根據校檢的圓形同心級來控制隨后的磨光重新回到端面中心。
16．如權利要求12所述的方法，其中磨光光纖端部的步驟包括控制光纖與磨光輪之間的角度，從而使光纖的頂角在16°-50°之間。
17．如權利要求12所述的方法，其中磨光光纖端部的步驟包括制成一個較低的磨光區和一個中間的磨光區，從而使較低的磨光區的頂角小于中間磨光區的頂角。
18．如權利要求12所述的方法，其中較低的磨光區的頂角在16°-20°之間，中間磨光區的頂角在44°-50°之間。
19．如權利要求12所述的方法，其中磨光光纖端部的步驟包括放置光纖尖端與磨光輪接觸，同時繞軸旋轉光纖大于180°，進行粗磨；以及放置光纖尖端與磨光輪接觸，同時繞軸旋轉光纖小于180°，進行細磨。
20．如權利要求12所述的方法，其中磨光光纖端部的步驟包括放置光纖尖端與磨光輪接觸，同時繞軸旋轉，進行粗磨，從而形成較低的磨光區域；隨后放置光纖尖端與磨光輪接觸，同時繞軸在較細的磨砂表面上旋轉，進行精磨。
全文摘要
一種光纖端面,有一個通過對端面磨光產生的截錐體區域。然而為了制出一個最佳的圓形尖端,隨后就熔凝磨光過的光纖。為了提高耦合效率,磨光過的截錐體區域的頂角優選在16°－20°之間。另外,為了制出雙曲線端面,最好在熔凝尖端之前磨光中間截錐體區域。這個熔凝的尖端最好為圓形橫截面。
文檔編號G02B6/24GK1325497SQ99812885
公開日2001年12月5日 申請日期1999年11月10日 優先權日1998年11月10日
發明者史蒂文·戴維·康諾維爾, 華立青, 托馬斯·朝東·楊 申請人:科英鐳射通公司