包括折射率匹配弹性固体层的可重复光学波导互连及相关方法
专利名称：包括折射率匹配弹性固体层的可重复光学波导互连及相关方法
技术领域：
本发明涉及光学波导及光纤领域，且更明确地说，涉及光纤连接器、波导装置及相关方法。
背景技术：
光纤通常在电信中用于短距离及长距离传送数据信号。与其它通信媒体(例如金属线)相比，光纤的优点在于信号以较低损耗沿其行进，且信号还较少受到电磁干扰。光纤还具有极高带宽(即，数据速率)。光纤还可用于照明，且可包裹成束状并用以载运图像，例如在光纤相机中。光纤还可用于其它应用中，例如传感器及激光。然而，光纤的ー个缺点在干与导线导体相比其较难耦合在一起，原因在于连接点处的不连续可导致光反射及光损耗，从而显著降低信号质量。ー种接合光纤的方法是使用机械熔接机，其将两个光纤末端对准且熔合在一起。虽然此方法在光纤之间提供损耗极低的连接，但熔合耦合器通常极为昂贵，且因此对于许多实施方案来说并不实用。熔接机形成永久性连接且较不适用于临时拼接或将要成为临时或动态的其它连接。ー些光学界面中所使用的另ー种方法是应用折射率匹配的材料，例如液体或凝胶。虽然此类材料一般可经调配以与光学介质的折射率匹配，但可能因折射率匹配的材料的迁移及非所要区域中的污染而出现问题。此外，此类材料有吸引尘埃的倾向，且一旦受污染，通常难以清洁。吉莉安(Gilliand)等人的第5，778，127号美国专利掲示ー种光学收发器设备，其具有外売，所述外壳包括与透镜对准的ニ极管封装且具有注入其间的光学填料組合物。光学填料組合物包含可用作折射率匹配元件的硅酮弾性体，作为定位及锁定构件或光学衰减器。用于光纤连接器或终端的其它示范性方法阐述于以下參考文献中金(King)等人的第5，619，610号美国专利；奥琳(Olin)等人的第5，515，465号美国专利；小阿罗伊西奥 (Aloisio, Jr.)等人的第6，501，900号美国专利；费拉斯(Filas)等人的第6，097，873号美国专利；及寇克(Corke)等人的第5，058，983号美国专利。
发明内容
因此，鉴于以上背景技木，本发明的目标是提供实现光纤之间的成本较低且可重复的互连的系统及相关方法。通过可重复光学波导互连提供这个及其它目标、特征及优点，所述互连可包括具有相应第一及第ニ端面的第一及第ニ光学波导。第一及第ニ光学波导中的每ー者可包括具有核心折射率的核心及围绕所述核心且具有小于核心折射率的覆层折射率的覆层。所述可重复光学波导互连可进ー步包括第一折射率匹配弾性固体层，其具有以化学方式结合到第一端面的近端面，及与近端面相对以便可重复地以光学方式耦合到第二端面的低粘性远端面。此外，第一折射率匹配弾性固体层可具有至少与核心的折射率匹配的折射率。可重复光学波导互连因此提供一种用于将光纤可重复地耦合在一起的相对持久且低成本的方法。更明确地说，低粘性远端面可直接以机械方式可重复地耦合到第二端面。另外，第一折射率匹配弾性固体层的低粘性远端面可具有在抵靠着第二端面按压时与所述第二端面界定没有气穴的湿润界面的表面性质。还可包括第二折射率匹配弾性固体层，且其具有以化学方式结合到第二端面的近端面，及与近端面相对以便可重复地以光学方式及以机械方式耦合到第一折射率匹配弾性固体层的低粘性远端面的低粘性远端面。举例来说，第一折射率匹配弾性固体层可包含丙烯酸酯聚合物。此外，第一端面可与第一光学波导的轴线的垂直线成倾斜角度，且第一折射率匹配弾性固体层可具有均勻厚度且与所述倾斜角度匹配。同吋，第一折射率匹配弾性固体层可具有在所需工作波长下与核心匹配或在梯度折射率核心的情况下与其一部分匹配的均勻折射率。还举例来说，第一及第ニ光学波导中的每ー者可包含玻璃。另外，第一及第ニ光学波导中的每ー者可包含多模光学波导。可重复光纤互连可进一歩包括安装第一光纤的第一套圈及安装第二光纤的第二套圈。同吋，第一及第ニ光学波导中的至少ー者可包含光纤。还提供制造第一与第二光学波导(例如上文所简单描述的那些，其具有相应第一及第ニ端面)之间的可重复光学波导互连的相关方法。所述方法可包括形成第一折射率匹配弾性固体层，其具有以化学方式结合到第一端面的近端面及与近端面相对以便可重复地以光学方式耦合到第二端面的低粘性远端面。第一折射率匹配弾性固体层可具有至少与核心的折射率匹配的折射率。
图IA及IB为根据本发明的可重复光纤互连的示意横截面图(分别以耦合及非耦合位置展示)，所述互连包括提供核心折射率匹配的折射率匹配弾性固体层。图2A及2B为包括第一及第ニ折射率匹配弾性固体层的图IA及IB的可重复光纤互连的替代性实施例的示意横截面图。图3及4为用于图IA及IB的互连的替代性实施例中的具有成角度末端的光纤的示意横截面图，分别以有及无对应折射率匹配弾性固体层展示。图5A及5B为包括用于光纤的套圈座架的图IA及IB的可重复光纤互连的替代性实施例的示意横截面图。图6为说明用于制造图IA及IB的互连的方法方面的流程图。图7A及7B为根据本发明的可重复光纤互连的示意横截面图(分別以耦合及非耦合位置展示)，所述互连包括提供核心及覆层折射率匹配的折射率匹配弾性固体层。图8为图7A及7B的折射率匹配弾性固体层的端视图。图9为具有梯度折射率的图8的折射率匹配弾性固体层的替代性实施例的端视图。图10为说明用于制造图7A及7B的互连的方法方面的流程图。图11为说明用于制造图8的折射率匹配弾性固体层的方法的一系列示意图。图12为用于图7A及7B的互连的替代性实施例中的具有成角度末端的光纤及对应折射率匹配弾性固体层的示意横截面图。图13为用于图7A及7B的互连的替代性实施例中的光纤及对应套圈座架的示意横截面图。图14为图7A及7B的互连的替代性实施例的示意横截面图，其中第一及第ニ光纤具有不同核心尺寸，且折射率匹配弾性固体层具有梯度核心部分以进而提供GRIN透镜互连结构。图15A及15B为根据本发明的包括折射率匹配弾性固体层的光纤开关的示意横截面图(分别以耦合及非耦合位置展示)。图16为说明用于制造图15A及15B的光纤开关的方法的流程图。图17为说明用于制造图15A及15B的光纤开关的替代性实施例的方法的流程图， 所述光纤开关的替代性实施例包括提供核心及覆层折射率匹配的折射率匹配弾性固体层。图18为ー系列表格，其可用以计算适用于根据本发明的互连及光纤开关中的折射率匹配弾性固体层的起始组合物。图19为可用于形成适用于根据本发明的互连及光纤开关中的折射率匹配弾性固体层的示范性丙烯酸酯単体的一系列化学式。图20及21为示范性光引发剂的化学式，所述光引发剂可包括于适用于根据本发明的互连及光纤开关中的折射率匹配弾性固体材料调配物中。图22为适用于根据本发明的互连及光纤开关中的折射率匹配弾性固体核心及覆层材料的折射率的实测色散曲线图。图23为用于产生适用于图15A及15B的光纤开关中的成角度光纤的夹具的示意图。图M为适用于根据本发明的互连及光纤开关中的示范性折射率匹配弾性固体材料调配物的实测与预期光纤间损耗的曲线图。图25到观为根据本发明的说明用于制造光纤装置及其折射率匹配弾性固体层的额外方法方面的流程图。
具体实施例方式现将在下文中參考附图较全面地描述本发明，在附图中展示本发明的优选实施例。然而，本发明可以许多不同形式体现且不应视为限于本文所述的实施例。而是，提供这些实施例是为了使本掲示内容将较详尽及完整，且将向所属领域的技术人员全面传达本发明的范围。相同标号始终指代相同元件，且撇号标记用以指示替代实施例中的相似元件。最初參看图IA及1B，可重复光纤互连30说明性地包括第一及第ニ光纤31、32，其具有相应第一及第ニ端面33、34。第一及第ニ光纤31、32中的每ー者说明性地包括具有核心折射率Ii1的相应核心35、36(例如，经掺杂的硅石玻璃核心)，及围绕核心且具有小于核心折射率的覆层折射率n2的相应覆层37、38 (例如，塑料)。可重复光纤互连30进ー步说明性地包括第一折射率匹配弾性固体层40，其具有以化学方式结合到第一端面33的近端面41，如在所说明的实施例中以点表示。如所属领域的技术人员将了解，可通过适当选择折射率匹配材料及/或对端面33进行各种类型的表面处理(例如以硅烷化合物处理)来获得化学结合。此外，第一折射率匹配弾性固体层40还说明性地包括与近端面41相対的低粘性远端面42，其可有利地如图所示可重复地以光学方式耦合到第二光纤32的第二端面 34。也如所属领域的技术人员将了解，可通过适当选择折射率匹配材料(考虑其后固化性质)及/或添加表面涂层来获得低粘性远端面。如本文中所使用，“低粘性”表面允许配合的第一及第ニ光纤在折射率匹配材料的表面不产生永久性变形的情况下及在每单位面积上无需过多用力的情况下失去配合(de-mate)。举例来说，当第二配合对象的材料为熔融硅石吋，所述カ可小于10g/mm2，且更明确地说，小于lg/mm2。第一折射率匹配弾性固体层40还有利地具有至少与核心35、36的折射率Ii1匹配的折射率Α。也就是说，将第一折射率匹配弾性固体层40的折射率选择为大致上与待耦合在一起的核心35、36的折射率相同。此第一折射率匹配弾性固体层40有利地提供折射率匹配液体或凝胶的光学功能，但不会有所述材料的上述缺点(例如，较不易受污染等等)。 此外，通过将第一折射率匹配弾性固体层40以化学方式结合到第一端面41，所述层可进而在重复地与第二配合端面34形成临时连接的同时永久地保持在适当位置。由于层40的折射率匹配、弾性固体性质及与第一端面33的化学结合，层40有利地提供降低的透射损耗及背反射。此外，其还无限期地保持在适当位置，且不像折射率匹配凝胶及液体ー样迁移。另外，层40可较耐尘埃及污染物且可被清洁，其維持光学平滑表面， 可经铸造或成形为所需形状，且其可适合于广泛范围的折射率值及弹性性质(例如，模数、 柔性等)，如所属领域的技术人员将了解。举例来说，第一折射率匹配弾性固体层40可包含丙烯酸酯聚合物。因为丙烯酸酯可使用(例如)光刻加以图案化，所以其能够形成精确的层结构，所述层结构以相对较高精度成型及定位。关于可用于层40的示范性弹性调配物的更多细节将在下文中进ー步论述。在一些实施例中，低粘性远端面42可直接以机械方式可重复地耦合到第二端面。 举例来说，第一折射率匹配弾性固体层的低粘性远端面可具有在抵靠着第二端面按压时与第二端面界定没有气穴的湿润界面的表面性质，进而部分地提供与第二光纤32的第二配合端面34的机械抽吸式耦合，如所属领域的技术人员将了解。在所说明的实施例中，光纤31、32为多模光纤。也就是说，与支持单ー模式或传播路径的单模光纤相反，光纤31、32可有利地支持许多传播路径或横向模式。多模光纤一般具有较大核心直径，且用于短距离通信链路及需要高功率传输的应用，例如在局部网络中或在建筑物之间。因而，由于光纤的添加或替换可在使用多模光纤的局部区域中较为普遍， 所以可重复地以光学方式(且任选地，以机械方式)耦合多模光纤的能力可为重要优点。然而，所属领域的技术人员将了解，如本文中所述的折射率匹配弾性固体层还可与通常用于相对较长的通信链路的单模光纤一起使用。现另外參看图2，可重复光纤互连30'的替代性实施例说明性地包括第二折射率匹配弾性固体层43'。第二层43'与第一层40'的相似之处在于其具有以化学方式结合到第二光纤32'的第二端面34'的近端面44'，及与近端面相对以便可重复地以光学方式及以机械方式耦合到第一折射率匹配弾性固体层40'的低粘性远端面42'的低粘性远端面45'。如图3中所示，在一些实施例中，第一端面34〃可与第一光纤31〃的轴线46〃的垂直线成倾斜角度。在所述实施例中，第一折射率匹配弾性固体层40"可具有均勻厚度且与所述倾斜角度匹配，如图4中所示。因而，所述互连可有利地不仅用于使用垂直光纤端面的应用中，而且用于成角度光纤端面需要可重复的光学耦合的应用中，例如在光学开关中， 所述光学开关将在下文中进ー步论述。
层40"经裁剪以形成光纤31"的延伸部，且符合光纤的端面的角度。由于层40" 的缘故，可有利地在两个光纤31"、32"之间维持较高程度的光透射，而在无所述层的情况下，在所述光纤之间将透射极少光或不透射光。此外，层40 “的弾性特性有利地使得配合面中小的不连续得以均勻填充，由此减少在界面处因反射及散射而产生的光损耗，如所属领域的技术人员将了解。现參看图5A及5B描述可重复光纤互连30〃 ‘的又ー实施例。在所说明的实例中， 提供用于第一光纤的第一套圈座架50"‘，连同用于第二光纤的第二套圈座架51"‘。如所属领域的技术人员将了解，在光纤终端中，有时需要精密套圈来协助将两个光纤连接在一起。在图5B中展示第一光纤31"‘与第二光纤32"‘以光学方式耦合在一起。现參看图6描述制造第一光纤31与第二光纤32之间的可重复光纤互连的相关方法。在框60处开始，所述方法说明性地包括在框61处形成第一折射率匹配弾性固体层40， 其具有以化学方式结合到第一光纤31的第一端面33的近端面41及与所述近端面相对的低粘性远端面42。如上所述，低粘性远端面42将可重复地以光学方式耦合到第二光纤32 的第二端面34，由此结束所说明的方法(框62)。现转向图7A、7B及8，可重复光纤连接130的另ー实施例说明性地包括折射率匹配弾性固体层140，其具有与核心135及覆层137的折射率匹配的折射率分布曲线。更明确地说，层140说明性地包括具有与核心135的折射率匹配的折射率Ii1的第一部分148，及具有与覆层149的折射率匹配的折射率n2的第二部分149。如同上述结构一祥，层140以化学方式结合到光纤131。层140进而提供光导结构，即光学波导。也就是说，层140可有利地经裁剪以形成光纤131的延伸部，以供保持传播中的光学模式。此外，层140的弾性特性使得配合面131、132中小的不连续得以均勻填充，进而防止在界面处因反射及散射而产生的光损耗。模式匹配导向结构因此有利地提供减少的损耗及背反射。还如上所述，丙烯酸酯及与氨基甲酸酯及硫醇的共聚物为用于形成层140的有利材料，因为其可提供所需光学匹配且可使用例如光刻或模制等技术以相对较高精度精确地加以图案化。此外，这些材料可有利地用以创建第一部分148的不同折射率分布曲线。更明确地说，图9中展示层140'的替代性实施例，其中与具有在所需工作波长下与核心135' 匹配的径向均勻折射率的图8的第一部分148相反，第一部分148'具有梯度折射率，如所属领域的技术人员将了解。梯度部分148'可尤其适用于GRIN透镜应用中，如下文将进ー 步论述。现參看图10描述制造第一光纤131与第二光纤132之间的可重复光纤互连的另一方法。在框60'处开始，所述方法说明性地包括在框61'处形成第一折射率匹配弾性固体层140，其具有以化学方式结合到第一光纤131的第一端面133的近端面141及与所述近端面相对的低粘性远端面142。如上所述，低粘性远端面142将可重复地以光学方式耦合到第二光纤132的第二端面134，由此结束所说明的方法(框62')。现将參看图11论述用于形成具有第一及第二部分148、149的层140的示范性方法。形成层140的第一部分148最初涉及在步骤110处在衬底109(例如硅衬底)上旋转核心调配物之后进行核心材料的图案化曝光，其可有利地用通过玻璃掩模的近接式曝光来实现。在一些实施例中，核心调配物可直接形成于光纤131的末端而非衬底109上。可采用接触式曝光，其中液体単体填充掩模与衬底109之间的区。第一部分140可接着在步骤111处经图案化及显影，随后在步骤112处注入覆层调配物。如所说明，覆层可通过使用盖板113来限于仅形成于核心的侧面上，且让覆层单体通过渗透力填充衬底与玻璃盖板113 之间的空间。如果需要梯度折射率，则核心或第一部分148可经部分固化到足以界定核心的程度，且在步骤114处，可通过将组合件浸于某一高温下(例如40到60°C，但在不同实施例中可使用其它温度)来使液体覆层调配物与核心交換単体。如所属领域的技术人员将了解， 阶梯度将取决于时间、温度及图案化核心中的固化百分比。一般来说，对于梯度折射率导向结构来说，每一调配物中的单体最好包括两种或两种以上具有相对较宽间隔的折射率及不同固化速率的単体，使得具有不同折射率的単体易于扩散到核心区中及/或从核心区中扩散出，也如所属领域的技术人员将了解。如果不使用热浸来提供梯度折射率，则可简单地使注入的覆层调配物在室温下维持足以使覆层部分149散布到核心部分148周围的时间量。可在步骤115处执行第二 UV 曝光，之后在步骤116处，层140可保持结合于衬底上以用于封装或处理，或在步骤117处从衬底116移除以提供待耦合到光纤131的独立式层。根据ー个示范性实施方案，层140 可从衬底109剥离，而仍附着于玻璃盖板113。直径为62. 5微米的掩模尺寸用于ー个示范性实施方案中，且此直径基本上在核心尺寸中再现。如所属领域的技术人员将了解，如果需要，则可有利地通过曝光不足或过度曝光或通过显影不足来产生直径的偏差。图12到14中说明可使用上述方法的变化形式产生的额外配置。具有倾斜端面的光纤131'及具有均勻厚度且与倾斜端面的倾斜角度匹配的对应折射率匹配弾性固体层 140'展示于图12中。类似于图5A及5B中所说明的实施例，还可提供具有套圈座架150' 及折射率匹配弾性固体层140"的另ー示范性实施例，所述折射率匹配弾性固体层140" 具有第一(核心匹配)及第ニ(覆层匹配)部分148" ,149"，如图13中所见。在图14中所说明的实施例中，折射率匹配弾性固体层140'包括具有梯度折射率的第一(核心)部分148"‘，其中所述层位于第一光纤131"‘与第二光纤132"‘之间，以进而提供安装于套圈150"‘上的整体式GRIN透镜，如所属领域的技术人员将了解。现參看图15A及15B，包括折射率匹配弾性固体层240的示范性光纤开关230说明性地包括第一及第ニ成角度光纤201、202，其可为多模光纤或单模光纤。更明确地说，开关 230在图15A中以耦合或闭合位置(开关状态1)展示，且在图15B中以非耦合或打开位置 (开关状态幻展示。在耦合位置中，光沿路径A-A'(即，在两个核心235与237之间)透射，且在非耦合位置中，其沿路径A-B( S卩，在第一光纤231内)及/或路径B' -A'(即， 在第二光纤232内)透射。第一及第ニ成角度光纤201、202中的每ー者说明性地包括相应第一及第ニ端面 203、204。如同上述实施例一祥，包括折射率匹配弾性固体层240且其具有耦合到第一端面203的近端面及与所述近端面相对以便可重复地以光学方式耦合到第二端面204的远端面。此处，折射率匹配弾性固体层MO同样具有与核心的折射率匹配的折射率，如图IA及 IB中所示。如所属领域的技术人员将了解，光纤开关200还可包括ー个或ー个以上致动器 255(例如，压电致动器)以用于在耦合与非耦合位置之间相对移动第一及第ニ成角度光纤 231,232ο用于制造光纤开关230的相关方法在图16中说明。在框160处开始，形成第一及第二成角度光纤231、232，其各自具有相应第一及第二端面(框161)。如上所述，第一及第二成角度光纤231、232中的每一者说明性地包括具有核心折射率Ii1的核心235、237，及围绕所述核心且具有与核心折射率不同的覆层折射率112的覆层236、238。所述方法进一步说明性地包括在框162处形成折射率匹配弹性固体层140，其具有耦合到第一端面203的近端面及与所述近端面相对以便可重复地以光学方式耦合到第二端面204的远端面。此处，折射率匹配弹性固体层204同样具有至少与核心235的折射率Ii1匹配的折射率。所述方法还说明性地包括在框163处定位一个或一个以上致动器255以用于在耦合位置(图15A)与非耦合位置(图15B)之间相对移动第一及第二成角度光纤231，232，由此结束所说明的方法(框164)。在一些实施例中，光学开关可包括与核心及覆层两者匹配的折射率匹配弹性固体层，如上文参看图7A及7B所论述。用于制造所述光学开关的相关方法在图17中说明，其中在框162'处将折射率匹配弹性固体层形成为具有与核心及覆层折射率匹配的折射率。还应注意，在一些光纤开关实施例中，如上文参看图2A及2B类似论述，第二折射率匹配弹性固体层可以化学方式结合到第二光纤232的第二端面204，如所属领域的技术人员将了解。—般来说，多模开关的所要特征包括实现以下严格要求低插入损耗、低回程损耗及快速切换时间。然而，所述特征一般难以在多模开关中实现。通常，多模开关为利用移动光纤或移动光学元件(例如，镜面)的机械型开关。实现快速切换时间需要微机电系统 (MEMS)规模组件以减少移动质量(moving mass) 0还需要降低所要运动的程度的设计。此外，通常还需要开关在耦合开关状态中的精确对准、波导面的成角度及/或在导向结构之间的界面内的精细折射率匹配。减少任何非导向光路也是重要的考虑因素。这些特征可有利地用开关200实现，开关200根据受抑全内反射(FTIR)原理来操作。开关200仅需要第一端面203与第二端面204之间的短程运动。一般来说，所要位移仅需要为约3个波长(例如，4微米)或3个波长以下来操作开关200。开关可经设计成具有45度或更大角度(α)界面，使得状态1(耦合位置)中的背反射将受到强烈抑制。如上所述，开关200可实现两种开关状态中的任一者，S卩(I)A到A'(即，耦合)及到B及 /或B'到A'(非耦合)。如所属领域的技术人员将了解，开关200可构建为半2X2纵横开关，或其可由两个1X2开关来组装。现将参看图18到M来描述示范性光纤开关实施方案。在以下实例中，折射率匹配弹性固体层称为弹性折射率匹配介质(EIMM)。在将EIMM构造为光导的情况中，其核心可以与薄膜平面成45度或更大角度定向且经定大小以与光纤的核心匹配(例如，50μπι或 62. 5μπι)。如图15Α及15Β中所示，核心与安装EIMM的光纤对准。在EIMM的核心区148还可在折射率上呈梯度的那些实施例中，有利地允许光经由 EIMM传播，正如光经由光纤本身传播一样。此举提供降低的损耗，且允许EIMM根据需要具有不同厚度以满足给定设计的机械方面。在状态2(即，非耦合)中，大部分光将在EIMM与空气之间的界面处反射。如所属领域的技术人员将了解，展示于图15Α及15Β中的基本设计的变化形式是可能的。一些潜在变化形式将包括(例如)使用固定的镜面或透镜以收集路径B及B'中的光或将光插入路径B及B'中。此外，还可使用其它类型的致动器。各种EIMM聚合物调配物可用于上文所论述的可重复光纤互连及光纤开关。一般来说，EIMM聚合物可通过丙烯酸酯及/或甲基丙烯酸酯的UV固化而形成。聚合物的制备可
9以液体丙烯酸酯及/或甲基丙烯酸酯(在本文中縮写为(甲基)丙烯酸酷)単体与少量光引发剂及抗氧化剂的调配物来开始。由制造商提供単体在589. 3nm(钠D线)下的折射率。 对于光纤应用来说，聚合物在1310nm及/或850nm下的折射率尤其受关注。如所属领域的技术人员将了解，用不同单体调配物制成的聚合物将具有不同折射率及不同色散两者。初始估算可用以确定随单体在起始调配物中的相对量而变化的折射率。此所估算的调配物可用作起始点，且接着可基于实际測量结果来添加少量特定单体以精制所要聚合物的目标折射率调配物。图18提供一组示范性表格，其可用以计算液体单体调配物的起始組合物。由于光引发剂及抗氧化剂在总体积中占较小分数，所以其在计算中忽略不计。表18. 1提供描述液体単体的特征及作为目标使用的每种单体的体积百分比的输入值。表18. 3的前两列中的经验參数给出因聚合作用所致的预期变化的测量值(δ )，及折射率因色散而从589nm变化为1310nm或850nm的预期偏移(ξ )。通过液体単体与固化聚合物在589. 3nm下的折射率比来估算δ。色散因子ξ为聚合物在目标波长(850nm或 1310nm)下的折射率与在589. 3nm下的折射率的比。从对密切相关的丙烯酸酯聚合物的测量获得这些參数。计算值在表18. 3的最后三列中突出显示。在所说明的实例中，康宁 (Corning) InfiniCor SX 50-μ m光纤的NA为0. 200，因此各种单体的体积百分比经调整以达到此值。用以下方程式(1)计算预期折射率，其中Vfi表示第i种组份的体积分数，δ为聚合因子，且ξ为在1310nm或850nm下的色散因子η聚合物=(nA*VfA+nB*VfB+nc*Vfc+nD*VfD+nE*VfE)* δ * ξ。(1)围绕以下两种梯度折射率光纤类型设计示范性开关来自纽约康宁(Corning， NY)的康宁有限公司(Corning, Inc.) ^ InfiniCor SX (50 μ m)及康宁(Corning) InfiniCor CL-1000 (62. 5 μ m)。在850nm下操作的系统将倾向于使用hfiniCor SX，而那些在约 1310nm下操作的系统将倾向于使用hfiniCor CL-1000，但任一光纤类型可在任一波长区内使用。因为EIMM经设计以提供折射率匹配，所以表征相应光纤在关注波长下的折射率有重要意义，且在hfinicor光纤的实测及指定參数的下表中提供其概述。
权利要求
1.一种可重复光学波导互连，其包含具有相应第一及第二端面的第一及第二光学波导，所述第一及第二光学波导中的每一者包含具有核心折射率的核心，及围绕所述核心且具有与所述核心折射率不同的覆层折射率的覆层；及第一折射率匹配弹性固体层，其具有以化学方式结合到所述第一端面的近端面及与所述近端面相对以便可重复地以光学方式耦合到所述第二端面的低粘性远端面，所述第一折射率匹配弹性固体层具有至少与所述核心的所述折射率匹配的折射率。
2.根据权利要求1所述的可重复光学波导互连，其中所述第一折射率匹配弹性固体层的所述低粘性远端面具有在抵靠着所述第二端面按压时与所述第二端面界定没有气穴的湿润界面的表面性质。
3.根据权利要求1所述的可重复光学波导互连，其进一步包含第二折射率匹配弹性固体层，所述第二折射率匹配弹性固体层具有以化学方式结合到所述第二端面的近端面及与所述近端面相对以便可重复地以光学方式及以机械方式耦合到所述第一折射率匹配弹性固体层的所述低粘性远端面的低粘性远端面。
4.根据权利要求1所述的可重复光学波导互连，其中所述第一折射率匹配弹性固体层包含丙烯酸酯聚合物。
5.根据权利要求1所述的可重复光学波导互连，其中所述第一端面与所述第一光学波导的轴线的垂直线成倾斜角度；且其中所述第一折射率匹配弹性固体层具有均勻厚度且与所述倾斜角度匹配。
6.一种制造第一与第二光学波导之间的可重复光学波导互连的方法，所述第一及第二光学波导具有相应第一及第二端面，所述第一及第二光学波导中的每一者包含具有核心折射率的核心及围绕所述核心且具有与所述核心折射率不同的覆层折射率的覆层，所述方法包含形成第一折射率匹配弹性固体层，其具有以化学方式结合到所述第一端面的近端面及与所述近端面相对以便可重复地以光学方式耦合到所述第二端面的低粘性远端面，所述第一折射率匹配弹性固体层具有至少与所述核心的所述折射率匹配的折射率。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述低粘性远端面用于直接机械耦合到所述第二端面。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述第一折射率匹配弹性固体层的所述低粘性远端面具有在抵靠着所述第二端面按压时与所述第二端面界定没有气穴的湿润界面的表面性质。
9.根据权利要求6所述的方法，其进一步包含形成第二折射率匹配弹性固体层，所述第二折射率匹配弹性固体层具有以化学方式结合到所述第二端面的近端面及与所述近端面相对以便可重复地以光学方式及以机械方式耦合到所述第一折射率匹配弹性固体层的所述低粘性远端面的低粘性远端面。
10.根据权利要求6所述的方法，其中所述第一折射率匹配弹性固体层包含丙烯酸酯聚合物。
全文摘要
本发明提供一种可重复光学波导互连，其可包括具有相应第一及第二端面(33、34)的第一及第二光学波导。所述第一及第二光学波导中的每一者可包括具有核心折射率(n1)的核心(35、36)及围绕所述核心且具有与所述核心折射率不同的覆层折射率(n2)的覆层(37、38)。所述可重复光学波导互连可进一步包括第一折射率匹配弹性固体层(40)，其具有以化学方式结合到所述第一端面(33)的近端面(41)及与所述近端面相对以便可重复地以光学方式耦合到所述第二端面(34)的低粘性远端面(42)。此外，所述第一折射率匹配弹性固体层(40)可具有至少与所述核心(35)的所述折射率匹配的折射率。
文档编号G02B6/38GK102597830SQ201080049590
公开日2012年7月18日 申请日期2010年10月29日 优先权日2009年11月2日
发明者劳伦斯·韦恩·沙克莱特, 迈克尔·雷蒙德·韦瑟斯庞 申请人:贺利实公司
技术领域：
本发明涉及光学波导及光纤领域，且更明确地说，涉及光纤连接器、波导装置及相关方法。
背景技术：
光纤通常在电信中用于短距离及长距离传送数据信号。与其它通信媒体(例如金属线)相比，光纤的优点在于信号以较低损耗沿其行进，且信号还较少受到电磁干扰。光纤还具有极高带宽(即，数据速率)。光纤还可用于照明，且可包裹成束状并用以载运图像，例如在光纤相机中。光纤还可用于其它应用中，例如传感器及激光。然而，光纤的ー个缺点在干与导线导体相比其较难耦合在一起，原因在于连接点处的不连续可导致光反射及光损耗，从而显著降低信号质量。ー种接合光纤的方法是使用机械熔接机，其将两个光纤末端对准且熔合在一起。虽然此方法在光纤之间提供损耗极低的连接，但熔合耦合器通常极为昂贵，且因此对于许多实施方案来说并不实用。熔接机形成永久性连接且较不适用于临时拼接或将要成为临时或动态的其它连接。ー些光学界面中所使用的另ー种方法是应用折射率匹配的材料，例如液体或凝胶。虽然此类材料一般可经调配以与光学介质的折射率匹配，但可能因折射率匹配的材料的迁移及非所要区域中的污染而出现问题。此外，此类材料有吸引尘埃的倾向，且一旦受污染，通常难以清洁。吉莉安(Gilliand)等人的第5，778，127号美国专利掲示ー种光学收发器设备，其具有外売，所述外壳包括与透镜对准的ニ极管封装且具有注入其间的光学填料組合物。光学填料組合物包含可用作折射率匹配元件的硅酮弾性体，作为定位及锁定构件或光学衰减器。用于光纤连接器或终端的其它示范性方法阐述于以下參考文献中金(King)等人的第5，619，610号美国专利；奥琳(Olin)等人的第5，515，465号美国专利；小阿罗伊西奥 (Aloisio, Jr.)等人的第6，501，900号美国专利；费拉斯(Filas)等人的第6，097，873号美国专利；及寇克(Corke)等人的第5，058，983号美国专利。
发明内容
因此，鉴于以上背景技木，本发明的目标是提供实现光纤之间的成本较低且可重复的互连的系统及相关方法。通过可重复光学波导互连提供这个及其它目标、特征及优点，所述互连可包括具有相应第一及第ニ端面的第一及第ニ光学波导。第一及第ニ光学波导中的每ー者可包括具有核心折射率的核心及围绕所述核心且具有小于核心折射率的覆层折射率的覆层。所述可重复光学波导互连可进ー步包括第一折射率匹配弾性固体层，其具有以化学方式结合到第一端面的近端面，及与近端面相对以便可重复地以光学方式耦合到第二端面的低粘性远端面。此外，第一折射率匹配弾性固体层可具有至少与核心的折射率匹配的折射率。可重复光学波导互连因此提供一种用于将光纤可重复地耦合在一起的相对持久且低成本的方法。更明确地说，低粘性远端面可直接以机械方式可重复地耦合到第二端面。另外，第一折射率匹配弾性固体层的低粘性远端面可具有在抵靠着第二端面按压时与所述第二端面界定没有气穴的湿润界面的表面性质。还可包括第二折射率匹配弾性固体层，且其具有以化学方式结合到第二端面的近端面，及与近端面相对以便可重复地以光学方式及以机械方式耦合到第一折射率匹配弾性固体层的低粘性远端面的低粘性远端面。举例来说，第一折射率匹配弾性固体层可包含丙烯酸酯聚合物。此外，第一端面可与第一光学波导的轴线的垂直线成倾斜角度，且第一折射率匹配弾性固体层可具有均勻厚度且与所述倾斜角度匹配。同吋，第一折射率匹配弾性固体层可具有在所需工作波长下与核心匹配或在梯度折射率核心的情况下与其一部分匹配的均勻折射率。还举例来说，第一及第ニ光学波导中的每ー者可包含玻璃。另外，第一及第ニ光学波导中的每ー者可包含多模光学波导。可重复光纤互连可进一歩包括安装第一光纤的第一套圈及安装第二光纤的第二套圈。同吋，第一及第ニ光学波导中的至少ー者可包含光纤。还提供制造第一与第二光学波导(例如上文所简单描述的那些，其具有相应第一及第ニ端面)之间的可重复光学波导互连的相关方法。所述方法可包括形成第一折射率匹配弾性固体层，其具有以化学方式结合到第一端面的近端面及与近端面相对以便可重复地以光学方式耦合到第二端面的低粘性远端面。第一折射率匹配弾性固体层可具有至少与核心的折射率匹配的折射率。
图IA及IB为根据本发明的可重复光纤互连的示意横截面图(分别以耦合及非耦合位置展示)，所述互连包括提供核心折射率匹配的折射率匹配弾性固体层。图2A及2B为包括第一及第ニ折射率匹配弾性固体层的图IA及IB的可重复光纤互连的替代性实施例的示意横截面图。图3及4为用于图IA及IB的互连的替代性实施例中的具有成角度末端的光纤的示意横截面图，分别以有及无对应折射率匹配弾性固体层展示。图5A及5B为包括用于光纤的套圈座架的图IA及IB的可重复光纤互连的替代性实施例的示意横截面图。图6为说明用于制造图IA及IB的互连的方法方面的流程图。图7A及7B为根据本发明的可重复光纤互连的示意横截面图(分別以耦合及非耦合位置展示)，所述互连包括提供核心及覆层折射率匹配的折射率匹配弾性固体层。图8为图7A及7B的折射率匹配弾性固体层的端视图。图9为具有梯度折射率的图8的折射率匹配弾性固体层的替代性实施例的端视图。图10为说明用于制造图7A及7B的互连的方法方面的流程图。图11为说明用于制造图8的折射率匹配弾性固体层的方法的一系列示意图。图12为用于图7A及7B的互连的替代性实施例中的具有成角度末端的光纤及对应折射率匹配弾性固体层的示意横截面图。图13为用于图7A及7B的互连的替代性实施例中的光纤及对应套圈座架的示意横截面图。图14为图7A及7B的互连的替代性实施例的示意横截面图，其中第一及第ニ光纤具有不同核心尺寸，且折射率匹配弾性固体层具有梯度核心部分以进而提供GRIN透镜互连结构。图15A及15B为根据本发明的包括折射率匹配弾性固体层的光纤开关的示意横截面图(分别以耦合及非耦合位置展示)。图16为说明用于制造图15A及15B的光纤开关的方法的流程图。图17为说明用于制造图15A及15B的光纤开关的替代性实施例的方法的流程图， 所述光纤开关的替代性实施例包括提供核心及覆层折射率匹配的折射率匹配弾性固体层。图18为ー系列表格，其可用以计算适用于根据本发明的互连及光纤开关中的折射率匹配弾性固体层的起始组合物。图19为可用于形成适用于根据本发明的互连及光纤开关中的折射率匹配弾性固体层的示范性丙烯酸酯単体的一系列化学式。图20及21为示范性光引发剂的化学式，所述光引发剂可包括于适用于根据本发明的互连及光纤开关中的折射率匹配弾性固体材料调配物中。图22为适用于根据本发明的互连及光纤开关中的折射率匹配弾性固体核心及覆层材料的折射率的实测色散曲线图。图23为用于产生适用于图15A及15B的光纤开关中的成角度光纤的夹具的示意图。图M为适用于根据本发明的互连及光纤开关中的示范性折射率匹配弾性固体材料调配物的实测与预期光纤间损耗的曲线图。图25到观为根据本发明的说明用于制造光纤装置及其折射率匹配弾性固体层的额外方法方面的流程图。
具体实施例方式现将在下文中參考附图较全面地描述本发明，在附图中展示本发明的优选实施例。然而，本发明可以许多不同形式体现且不应视为限于本文所述的实施例。而是，提供这些实施例是为了使本掲示内容将较详尽及完整，且将向所属领域的技术人员全面传达本发明的范围。相同标号始终指代相同元件，且撇号标记用以指示替代实施例中的相似元件。最初參看图IA及1B，可重复光纤互连30说明性地包括第一及第ニ光纤31、32，其具有相应第一及第ニ端面33、34。第一及第ニ光纤31、32中的每ー者说明性地包括具有核心折射率Ii1的相应核心35、36(例如，经掺杂的硅石玻璃核心)，及围绕核心且具有小于核心折射率的覆层折射率n2的相应覆层37、38 (例如，塑料)。可重复光纤互连30进ー步说明性地包括第一折射率匹配弾性固体层40，其具有以化学方式结合到第一端面33的近端面41，如在所说明的实施例中以点表示。如所属领域的技术人员将了解，可通过适当选择折射率匹配材料及/或对端面33进行各种类型的表面处理(例如以硅烷化合物处理)来获得化学结合。此外，第一折射率匹配弾性固体层40还说明性地包括与近端面41相対的低粘性远端面42，其可有利地如图所示可重复地以光学方式耦合到第二光纤32的第二端面 34。也如所属领域的技术人员将了解，可通过适当选择折射率匹配材料(考虑其后固化性质)及/或添加表面涂层来获得低粘性远端面。如本文中所使用，“低粘性”表面允许配合的第一及第ニ光纤在折射率匹配材料的表面不产生永久性变形的情况下及在每单位面积上无需过多用力的情况下失去配合(de-mate)。举例来说，当第二配合对象的材料为熔融硅石吋，所述カ可小于10g/mm2，且更明确地说，小于lg/mm2。第一折射率匹配弾性固体层40还有利地具有至少与核心35、36的折射率Ii1匹配的折射率Α。也就是说，将第一折射率匹配弾性固体层40的折射率选择为大致上与待耦合在一起的核心35、36的折射率相同。此第一折射率匹配弾性固体层40有利地提供折射率匹配液体或凝胶的光学功能，但不会有所述材料的上述缺点(例如，较不易受污染等等)。 此外，通过将第一折射率匹配弾性固体层40以化学方式结合到第一端面41，所述层可进而在重复地与第二配合端面34形成临时连接的同时永久地保持在适当位置。由于层40的折射率匹配、弾性固体性质及与第一端面33的化学结合，层40有利地提供降低的透射损耗及背反射。此外，其还无限期地保持在适当位置，且不像折射率匹配凝胶及液体ー样迁移。另外，层40可较耐尘埃及污染物且可被清洁，其維持光学平滑表面， 可经铸造或成形为所需形状，且其可适合于广泛范围的折射率值及弹性性质(例如，模数、 柔性等)，如所属领域的技术人员将了解。举例来说，第一折射率匹配弾性固体层40可包含丙烯酸酯聚合物。因为丙烯酸酯可使用(例如)光刻加以图案化，所以其能够形成精确的层结构，所述层结构以相对较高精度成型及定位。关于可用于层40的示范性弹性调配物的更多细节将在下文中进ー步论述。在一些实施例中，低粘性远端面42可直接以机械方式可重复地耦合到第二端面。 举例来说，第一折射率匹配弾性固体层的低粘性远端面可具有在抵靠着第二端面按压时与第二端面界定没有气穴的湿润界面的表面性质，进而部分地提供与第二光纤32的第二配合端面34的机械抽吸式耦合，如所属领域的技术人员将了解。在所说明的实施例中，光纤31、32为多模光纤。也就是说，与支持单ー模式或传播路径的单模光纤相反，光纤31、32可有利地支持许多传播路径或横向模式。多模光纤一般具有较大核心直径，且用于短距离通信链路及需要高功率传输的应用，例如在局部网络中或在建筑物之间。因而，由于光纤的添加或替换可在使用多模光纤的局部区域中较为普遍， 所以可重复地以光学方式(且任选地，以机械方式)耦合多模光纤的能力可为重要优点。然而，所属领域的技术人员将了解，如本文中所述的折射率匹配弾性固体层还可与通常用于相对较长的通信链路的单模光纤一起使用。现另外參看图2，可重复光纤互连30'的替代性实施例说明性地包括第二折射率匹配弾性固体层43'。第二层43'与第一层40'的相似之处在于其具有以化学方式结合到第二光纤32'的第二端面34'的近端面44'，及与近端面相对以便可重复地以光学方式及以机械方式耦合到第一折射率匹配弾性固体层40'的低粘性远端面42'的低粘性远端面45'。如图3中所示，在一些实施例中，第一端面34〃可与第一光纤31〃的轴线46〃的垂直线成倾斜角度。在所述实施例中，第一折射率匹配弾性固体层40"可具有均勻厚度且与所述倾斜角度匹配，如图4中所示。因而，所述互连可有利地不仅用于使用垂直光纤端面的应用中，而且用于成角度光纤端面需要可重复的光学耦合的应用中，例如在光学开关中， 所述光学开关将在下文中进ー步论述。
层40"经裁剪以形成光纤31"的延伸部，且符合光纤的端面的角度。由于层40" 的缘故，可有利地在两个光纤31"、32"之间维持较高程度的光透射，而在无所述层的情况下，在所述光纤之间将透射极少光或不透射光。此外，层40 “的弾性特性有利地使得配合面中小的不连续得以均勻填充，由此减少在界面处因反射及散射而产生的光损耗，如所属领域的技术人员将了解。现參看图5A及5B描述可重复光纤互连30〃 ‘的又ー实施例。在所说明的实例中， 提供用于第一光纤的第一套圈座架50"‘，连同用于第二光纤的第二套圈座架51"‘。如所属领域的技术人员将了解，在光纤终端中，有时需要精密套圈来协助将两个光纤连接在一起。在图5B中展示第一光纤31"‘与第二光纤32"‘以光学方式耦合在一起。现參看图6描述制造第一光纤31与第二光纤32之间的可重复光纤互连的相关方法。在框60处开始，所述方法说明性地包括在框61处形成第一折射率匹配弾性固体层40， 其具有以化学方式结合到第一光纤31的第一端面33的近端面41及与所述近端面相对的低粘性远端面42。如上所述，低粘性远端面42将可重复地以光学方式耦合到第二光纤32 的第二端面34，由此结束所说明的方法(框62)。现转向图7A、7B及8，可重复光纤连接130的另ー实施例说明性地包括折射率匹配弾性固体层140，其具有与核心135及覆层137的折射率匹配的折射率分布曲线。更明确地说，层140说明性地包括具有与核心135的折射率匹配的折射率Ii1的第一部分148，及具有与覆层149的折射率匹配的折射率n2的第二部分149。如同上述结构一祥，层140以化学方式结合到光纤131。层140进而提供光导结构，即光学波导。也就是说，层140可有利地经裁剪以形成光纤131的延伸部，以供保持传播中的光学模式。此外，层140的弾性特性使得配合面131、132中小的不连续得以均勻填充，进而防止在界面处因反射及散射而产生的光损耗。模式匹配导向结构因此有利地提供减少的损耗及背反射。还如上所述，丙烯酸酯及与氨基甲酸酯及硫醇的共聚物为用于形成层140的有利材料，因为其可提供所需光学匹配且可使用例如光刻或模制等技术以相对较高精度精确地加以图案化。此外，这些材料可有利地用以创建第一部分148的不同折射率分布曲线。更明确地说，图9中展示层140'的替代性实施例，其中与具有在所需工作波长下与核心135' 匹配的径向均勻折射率的图8的第一部分148相反，第一部分148'具有梯度折射率，如所属领域的技术人员将了解。梯度部分148'可尤其适用于GRIN透镜应用中，如下文将进ー 步论述。现參看图10描述制造第一光纤131与第二光纤132之间的可重复光纤互连的另一方法。在框60'处开始，所述方法说明性地包括在框61'处形成第一折射率匹配弾性固体层140，其具有以化学方式结合到第一光纤131的第一端面133的近端面141及与所述近端面相对的低粘性远端面142。如上所述，低粘性远端面142将可重复地以光学方式耦合到第二光纤132的第二端面134，由此结束所说明的方法(框62')。现将參看图11论述用于形成具有第一及第二部分148、149的层140的示范性方法。形成层140的第一部分148最初涉及在步骤110处在衬底109(例如硅衬底)上旋转核心调配物之后进行核心材料的图案化曝光，其可有利地用通过玻璃掩模的近接式曝光来实现。在一些实施例中，核心调配物可直接形成于光纤131的末端而非衬底109上。可采用接触式曝光，其中液体単体填充掩模与衬底109之间的区。第一部分140可接着在步骤111处经图案化及显影，随后在步骤112处注入覆层调配物。如所说明，覆层可通过使用盖板113来限于仅形成于核心的侧面上，且让覆层单体通过渗透力填充衬底与玻璃盖板113 之间的空间。如果需要梯度折射率，则核心或第一部分148可经部分固化到足以界定核心的程度，且在步骤114处，可通过将组合件浸于某一高温下(例如40到60°C，但在不同实施例中可使用其它温度)来使液体覆层调配物与核心交換単体。如所属领域的技术人员将了解， 阶梯度将取决于时间、温度及图案化核心中的固化百分比。一般来说，对于梯度折射率导向结构来说，每一调配物中的单体最好包括两种或两种以上具有相对较宽间隔的折射率及不同固化速率的単体，使得具有不同折射率的単体易于扩散到核心区中及/或从核心区中扩散出，也如所属领域的技术人员将了解。如果不使用热浸来提供梯度折射率，则可简单地使注入的覆层调配物在室温下维持足以使覆层部分149散布到核心部分148周围的时间量。可在步骤115处执行第二 UV 曝光，之后在步骤116处，层140可保持结合于衬底上以用于封装或处理，或在步骤117处从衬底116移除以提供待耦合到光纤131的独立式层。根据ー个示范性实施方案，层140 可从衬底109剥离，而仍附着于玻璃盖板113。直径为62. 5微米的掩模尺寸用于ー个示范性实施方案中，且此直径基本上在核心尺寸中再现。如所属领域的技术人员将了解，如果需要，则可有利地通过曝光不足或过度曝光或通过显影不足来产生直径的偏差。图12到14中说明可使用上述方法的变化形式产生的额外配置。具有倾斜端面的光纤131'及具有均勻厚度且与倾斜端面的倾斜角度匹配的对应折射率匹配弾性固体层 140'展示于图12中。类似于图5A及5B中所说明的实施例，还可提供具有套圈座架150' 及折射率匹配弾性固体层140"的另ー示范性实施例，所述折射率匹配弾性固体层140" 具有第一(核心匹配)及第ニ(覆层匹配)部分148" ,149"，如图13中所见。在图14中所说明的实施例中，折射率匹配弾性固体层140'包括具有梯度折射率的第一(核心)部分148"‘，其中所述层位于第一光纤131"‘与第二光纤132"‘之间，以进而提供安装于套圈150"‘上的整体式GRIN透镜，如所属领域的技术人员将了解。现參看图15A及15B，包括折射率匹配弾性固体层240的示范性光纤开关230说明性地包括第一及第ニ成角度光纤201、202，其可为多模光纤或单模光纤。更明确地说，开关 230在图15A中以耦合或闭合位置(开关状态1)展示，且在图15B中以非耦合或打开位置 (开关状态幻展示。在耦合位置中，光沿路径A-A'(即，在两个核心235与237之间)透射，且在非耦合位置中，其沿路径A-B( S卩，在第一光纤231内)及/或路径B' -A'(即， 在第二光纤232内)透射。第一及第ニ成角度光纤201、202中的每ー者说明性地包括相应第一及第ニ端面 203、204。如同上述实施例一祥，包括折射率匹配弾性固体层240且其具有耦合到第一端面203的近端面及与所述近端面相对以便可重复地以光学方式耦合到第二端面204的远端面。此处，折射率匹配弾性固体层MO同样具有与核心的折射率匹配的折射率，如图IA及 IB中所示。如所属领域的技术人员将了解，光纤开关200还可包括ー个或ー个以上致动器 255(例如，压电致动器)以用于在耦合与非耦合位置之间相对移动第一及第ニ成角度光纤 231,232ο用于制造光纤开关230的相关方法在图16中说明。在框160处开始，形成第一及第二成角度光纤231、232，其各自具有相应第一及第二端面(框161)。如上所述，第一及第二成角度光纤231、232中的每一者说明性地包括具有核心折射率Ii1的核心235、237，及围绕所述核心且具有与核心折射率不同的覆层折射率112的覆层236、238。所述方法进一步说明性地包括在框162处形成折射率匹配弹性固体层140，其具有耦合到第一端面203的近端面及与所述近端面相对以便可重复地以光学方式耦合到第二端面204的远端面。此处，折射率匹配弹性固体层204同样具有至少与核心235的折射率Ii1匹配的折射率。所述方法还说明性地包括在框163处定位一个或一个以上致动器255以用于在耦合位置(图15A)与非耦合位置(图15B)之间相对移动第一及第二成角度光纤231，232，由此结束所说明的方法(框164)。在一些实施例中，光学开关可包括与核心及覆层两者匹配的折射率匹配弹性固体层，如上文参看图7A及7B所论述。用于制造所述光学开关的相关方法在图17中说明，其中在框162'处将折射率匹配弹性固体层形成为具有与核心及覆层折射率匹配的折射率。还应注意，在一些光纤开关实施例中，如上文参看图2A及2B类似论述，第二折射率匹配弹性固体层可以化学方式结合到第二光纤232的第二端面204，如所属领域的技术人员将了解。—般来说，多模开关的所要特征包括实现以下严格要求低插入损耗、低回程损耗及快速切换时间。然而，所述特征一般难以在多模开关中实现。通常，多模开关为利用移动光纤或移动光学元件(例如，镜面)的机械型开关。实现快速切换时间需要微机电系统 (MEMS)规模组件以减少移动质量(moving mass) 0还需要降低所要运动的程度的设计。此外，通常还需要开关在耦合开关状态中的精确对准、波导面的成角度及/或在导向结构之间的界面内的精细折射率匹配。减少任何非导向光路也是重要的考虑因素。这些特征可有利地用开关200实现，开关200根据受抑全内反射(FTIR)原理来操作。开关200仅需要第一端面203与第二端面204之间的短程运动。一般来说，所要位移仅需要为约3个波长(例如，4微米)或3个波长以下来操作开关200。开关可经设计成具有45度或更大角度(α)界面，使得状态1(耦合位置)中的背反射将受到强烈抑制。如上所述，开关200可实现两种开关状态中的任一者，S卩(I)A到A'(即，耦合)及到B及 /或B'到A'(非耦合)。如所属领域的技术人员将了解，开关200可构建为半2X2纵横开关，或其可由两个1X2开关来组装。现将参看图18到M来描述示范性光纤开关实施方案。在以下实例中，折射率匹配弹性固体层称为弹性折射率匹配介质(EIMM)。在将EIMM构造为光导的情况中，其核心可以与薄膜平面成45度或更大角度定向且经定大小以与光纤的核心匹配(例如，50μπι或 62. 5μπι)。如图15Α及15Β中所示，核心与安装EIMM的光纤对准。在EIMM的核心区148还可在折射率上呈梯度的那些实施例中，有利地允许光经由 EIMM传播，正如光经由光纤本身传播一样。此举提供降低的损耗，且允许EIMM根据需要具有不同厚度以满足给定设计的机械方面。在状态2(即，非耦合)中，大部分光将在EIMM与空气之间的界面处反射。如所属领域的技术人员将了解，展示于图15Α及15Β中的基本设计的变化形式是可能的。一些潜在变化形式将包括(例如)使用固定的镜面或透镜以收集路径B及B'中的光或将光插入路径B及B'中。此外，还可使用其它类型的致动器。各种EIMM聚合物调配物可用于上文所论述的可重复光纤互连及光纤开关。一般来说，EIMM聚合物可通过丙烯酸酯及/或甲基丙烯酸酯的UV固化而形成。聚合物的制备可
9以液体丙烯酸酯及/或甲基丙烯酸酯(在本文中縮写为(甲基)丙烯酸酷)単体与少量光引发剂及抗氧化剂的调配物来开始。由制造商提供単体在589. 3nm(钠D线)下的折射率。 对于光纤应用来说，聚合物在1310nm及/或850nm下的折射率尤其受关注。如所属领域的技术人员将了解，用不同单体调配物制成的聚合物将具有不同折射率及不同色散两者。初始估算可用以确定随单体在起始调配物中的相对量而变化的折射率。此所估算的调配物可用作起始点，且接着可基于实际測量结果来添加少量特定单体以精制所要聚合物的目标折射率调配物。图18提供一组示范性表格，其可用以计算液体单体调配物的起始組合物。由于光引发剂及抗氧化剂在总体积中占较小分数，所以其在计算中忽略不计。表18. 1提供描述液体単体的特征及作为目标使用的每种单体的体积百分比的输入值。表18. 3的前两列中的经验參数给出因聚合作用所致的预期变化的测量值(δ )，及折射率因色散而从589nm变化为1310nm或850nm的预期偏移(ξ )。通过液体単体与固化聚合物在589. 3nm下的折射率比来估算δ。色散因子ξ为聚合物在目标波长(850nm或 1310nm)下的折射率与在589. 3nm下的折射率的比。从对密切相关的丙烯酸酯聚合物的测量获得这些參数。计算值在表18. 3的最后三列中突出显示。在所说明的实例中，康宁 (Corning) InfiniCor SX 50-μ m光纤的NA为0. 200，因此各种单体的体积百分比经调整以达到此值。用以下方程式(1)计算预期折射率，其中Vfi表示第i种组份的体积分数，δ为聚合因子，且ξ为在1310nm或850nm下的色散因子η聚合物=(nA*VfA+nB*VfB+nc*Vfc+nD*VfD+nE*VfE)* δ * ξ。(1)围绕以下两种梯度折射率光纤类型设计示范性开关来自纽约康宁(Corning， NY)的康宁有限公司(Corning, Inc.) ^ InfiniCor SX (50 μ m)及康宁(Corning) InfiniCor CL-1000 (62. 5 μ m)。在850nm下操作的系统将倾向于使用hfiniCor SX，而那些在约 1310nm下操作的系统将倾向于使用hfiniCor CL-1000，但任一光纤类型可在任一波长区内使用。因为EIMM经设计以提供折射率匹配，所以表征相应光纤在关注波长下的折射率有重要意义，且在hfinicor光纤的实测及指定參数的下表中提供其概述。
权利要求
1.一种可重复光学波导互连，其包含具有相应第一及第二端面的第一及第二光学波导，所述第一及第二光学波导中的每一者包含具有核心折射率的核心，及围绕所述核心且具有与所述核心折射率不同的覆层折射率的覆层；及第一折射率匹配弹性固体层，其具有以化学方式结合到所述第一端面的近端面及与所述近端面相对以便可重复地以光学方式耦合到所述第二端面的低粘性远端面，所述第一折射率匹配弹性固体层具有至少与所述核心的所述折射率匹配的折射率。
2.根据权利要求1所述的可重复光学波导互连，其中所述第一折射率匹配弹性固体层的所述低粘性远端面具有在抵靠着所述第二端面按压时与所述第二端面界定没有气穴的湿润界面的表面性质。
3.根据权利要求1所述的可重复光学波导互连，其进一步包含第二折射率匹配弹性固体层，所述第二折射率匹配弹性固体层具有以化学方式结合到所述第二端面的近端面及与所述近端面相对以便可重复地以光学方式及以机械方式耦合到所述第一折射率匹配弹性固体层的所述低粘性远端面的低粘性远端面。
4.根据权利要求1所述的可重复光学波导互连，其中所述第一折射率匹配弹性固体层包含丙烯酸酯聚合物。
5.根据权利要求1所述的可重复光学波导互连，其中所述第一端面与所述第一光学波导的轴线的垂直线成倾斜角度；且其中所述第一折射率匹配弹性固体层具有均勻厚度且与所述倾斜角度匹配。
6.一种制造第一与第二光学波导之间的可重复光学波导互连的方法，所述第一及第二光学波导具有相应第一及第二端面，所述第一及第二光学波导中的每一者包含具有核心折射率的核心及围绕所述核心且具有与所述核心折射率不同的覆层折射率的覆层，所述方法包含形成第一折射率匹配弹性固体层，其具有以化学方式结合到所述第一端面的近端面及与所述近端面相对以便可重复地以光学方式耦合到所述第二端面的低粘性远端面，所述第一折射率匹配弹性固体层具有至少与所述核心的所述折射率匹配的折射率。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述低粘性远端面用于直接机械耦合到所述第二端面。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述第一折射率匹配弹性固体层的所述低粘性远端面具有在抵靠着所述第二端面按压时与所述第二端面界定没有气穴的湿润界面的表面性质。
9.根据权利要求6所述的方法，其进一步包含形成第二折射率匹配弹性固体层，所述第二折射率匹配弹性固体层具有以化学方式结合到所述第二端面的近端面及与所述近端面相对以便可重复地以光学方式及以机械方式耦合到所述第一折射率匹配弹性固体层的所述低粘性远端面的低粘性远端面。
10.根据权利要求6所述的方法，其中所述第一折射率匹配弹性固体层包含丙烯酸酯聚合物。
全文摘要
本发明提供一种可重复光学波导互连，其可包括具有相应第一及第二端面(33、34)的第一及第二光学波导。所述第一及第二光学波导中的每一者可包括具有核心折射率(n1)的核心(35、36)及围绕所述核心且具有与所述核心折射率不同的覆层折射率(n2)的覆层(37、38)。所述可重复光学波导互连可进一步包括第一折射率匹配弹性固体层(40)，其具有以化学方式结合到所述第一端面(33)的近端面(41)及与所述近端面相对以便可重复地以光学方式耦合到所述第二端面(34)的低粘性远端面(42)。此外，所述第一折射率匹配弹性固体层(40)可具有至少与所述核心(35)的所述折射率匹配的折射率。
文档编号G02B6/38GK102597830SQ201080049590
公开日2012年7月18日 申请日期2010年10月29日 优先权日2009年11月2日
发明者劳伦斯·韦恩·沙克莱特, 迈克尔·雷蒙德·韦瑟斯庞 申请人:贺利实公司
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