包括可固化折射率匹配弹性固体层的光学装置的制造方法
专利名称：包括可固化折射率匹配弹性固体层的光学装置的制造方法
技术领域：
本发明涉及光学波导和光纤领域，且更具体说来，涉及光纤连接器、波导装置和相关方法。
背景技术：
光纤通常在电信中用于短距离和长距离传送数据信号。相对于其它通信媒体，例如金属线，光纤的优点在于信号以较低损耗沿其传播，且信号也较少受到电磁干扰。光纤也采用极高带宽(即数据传输率)。光纤还可用于照明，且可包裹成束状且在例如光纤相机中用于载运影像。光纤也可用于其它应用中，例如传感器和激光。然而，光纤的一个缺点在于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和光损耗，从而显著降低信号质量。一种接合光纤的方法为使用机械熔接机，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都不实用。熔接机形成永久性连接且不太适于临时拼接或打算制成临时或动态的其它连接。用于一些光学界面中的另一种方法是应用折射率匹配材料，例如液体或凝胶。虽然这些材料一般可经调配以匹配光学介质的折射率，但可能会因折射率匹配材料的迁移和非所要区域的污染而出现问题。此外，所述材料有吸引尘埃的倾向，并且一旦污染，通常难以清除。吉尔兰德(Gilliand)等人的美国专利第5，778，127号揭示一种光学收发装置， 其具有外壳，所述外壳包括与透镜对准的二极管封装且具有注入其间的光学填料组合物。 光学填料组合物包含可用作折射率匹配元件的硅酮弹性体作为定位和锁定构件，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参考文献中金(King)等人的美国专利第5，619，610号；奥林(Olin)等人的美国专利第5，515，465号；阿洛伊西奥 Jr. (Aloisio, Jr.)等人的美国专利第6，501，900号；菲拉斯(Filas)等人的美国专利第 6，097，873号；和柯克(Corke)等人的美国专利第5，058，983号。
发明内容
因此，鉴于前述背景技术，本发明的一个目的为提供一种允许光纤之间和光纤与包含光学波导的光学装置之间的成本较低和可重复的互连的系统和相关方法。此目的和其它目的、特征和益处是由用于制造光学装置的方法提供，所述方法可包括将用于可固化折射率匹配弹性固体层的第一前驱体施加到光信号波导(例如光纤)的端面或作为平面光路、光学芯片(例如激光)、调制器或其它光学组件的一部分的波导的端面上。更具体说来，光信号波导可包括具有核心折射率的核心和围绕所述核心且具有不同于核心折射率的覆层折射率的覆层。所述方法可进一步包括选择性固化第一前驱体以在端面上形成折射率匹配弹性固体层的核心部分，所述核心部分具有匹配光学波导装置的核心折射率的折射率。所述方法也可包括移除第一前驱体的未固化部分，将用于可固化折射率匹配弹性固体层的第二前驱体围绕折射率匹配弹性固体层的核心部分施加到光学波导装置的端面上，和固化第二前驱体以在端面上形成折射率匹配弹性固体层的光学波导装置部分的覆层，所述覆层具有匹配光学波导装置的覆层折射率的折射率。折射率匹配弹性固体层由此可提供一种用于可重复光学连接光学装置的相对持久和低成本的方法。第一前驱体可包含光引发剂，且固化第一前驱体可包括将第一前驱体选择性曝露于具有活化光引发剂的波长的电磁辐射。类似地，第二前驱体也可包含光引发剂，且固化第二前驱体也可包括将第二前驱体曝露于电磁辐射。所述方法可进一步包括执行至少一个操作以使折射率匹配弹性固体层的核心部分具有匹配光学波导装置的核心的梯度折射率。在一些实施例中，光学波导装置的端面可与光纤轴线的垂直线成倾斜角度。另外， 所述方法可进一步包括在光学波导装置的端面上执行至少一种表面处理。举例来说，第一前驱体和第二前驱体可各自包含至少一种部分氟化的丙烯酸酯单体。此外，第一前驱体和第二前驱体可各自包含至少一种玻璃转变温度小于25°C的单体。第一前驱体和第二前驱体也可各自包含多种具有不同聚合速率的不同单体。光学波导装置可包含例如多模光纤。也提供用于制造将定位于光学波导装置(例如上文简单描述者)的端面上的折射率匹配弹性固体层的相关方法。所述方法可包括将用于可固化折射率匹配弹性固体层的第一前驱体施加到衬底上，选择性固化第一前驱体以在端面上形成折射率匹配弹性固体层的核心部分，所述核心部分具有匹配光学波导装置的核心折射率的折射率，和移除第一前驱体的未固化部分。所述方法可进一步包括将用于可固化折射率匹配弹性固体层的第二前驱体围绕折射率匹配弹性固体层的核心部分施加到衬底上，固化第二前驱体以在衬底上形成折射率匹配弹性固体层的覆层部分，所述覆层部分具有匹配光学波导装置的覆层折射率的折射率，以及自衬底移除折射率匹配弹性固体层。用于制造光学装置的类似方法可包括将至少一种用于可固化折射率匹配弹性固体层的前驱体施加到光学波导装置(例如上文简单描述者)的端面上。所述方法可进一步包括固化所述至少一种前驱体以在端面上形成具有至少匹配核心折射率的折射率的折射率匹配弹性固体层。
图IA和IB为可重复光纤互连装置的横截面示意图(分别以耦合和非耦合位置显示)，其包括提供根据本发明的核心折射率匹配的折射率匹配弹性固体层。图2A和2B为包括第一折射率匹配弹性固体层和第二折射率匹配弹性固体层的图 IA和IB的可重复光纤互连装置的一个替代性实施例的横截面示意图。图3和4为用于图IA和IB的互连装置的一个替代性实施例中的具有成角度末端的光纤的横截面示意图，分别以存在和不存在相应折射率匹配弹性固体层显示。图5A和5B为包括用于光纤的套圈座架的图IA和IB的可重复光纤互连装置的一个替代性实施例的横截面示意图。图6为说明用于制造图IA和IB的互连装置的方法方面的流程图。图7A和7B为可重复光纤互连装置的横截面示意图(分别以耦合和非耦合位置显示)，其包括提供根据本发明的核心和覆层折射率匹配的折射率匹配弹性固体层。图8为图7A和7B的折射率匹配弹性固体层的端视图。
图9为具有梯度折射率的图8的折射率匹配弹性固体层的一个替代性实施例的端视图。图10为说明用于制造图7A和7B的互连装置的方法方面的流程图。图11为说明用于制造图8的折射率匹配弹性固体层的方法的一系列示意图。图12为用于图7A和7B的互连装置的一个替代性实施例中的具有成角度末端和相应折射率匹配弹性固体层的光纤的横截面示意图。图13为用于图7A和7B的互连装置的一个替代性实施例中的光纤和相应套圈座架的横截面示意图。图14为图7A和7B的互连装置的一个替代性实施例的横截面示意图，其中第一光纤和第二光纤具有不同核心尺寸，且折射率匹配弹性固体层具有梯度核心部分，由此提供 GRIN透镜互连结构。图15A和15B为包括根据本发明的折射率匹配弹性固体层的光纤开关(分别以耦合和非耦合位置显示)的横截面示意图。图16为说明用于制造图15A和15B的光纤开关的方法的流程图。图17为说明用于制造图15A和15B的光纤开关的一个替代性实施例的方法的流程图，所述光纤开关包括提供核心和覆层折射率匹配的折射率匹配弹性固体层。图18为一系列表格，其可用以计算适用于根据本发明的互连装置和光纤开关中的折射率匹配弹性固体层的初始组成。图19为可用于形成适用于根据本发明的互连装置化光纤开关中的折射率匹配弹性固体层的示范性丙烯酸酯单体的一系列化学式。图20和21为示范性光引发剂的化学式，所述光引发剂可包括在适用于根据本发明的互连装置乎光纤开关中的折射率匹配弹性固体材料调配物中。图22为适用于根据本发明的互连装置和光纤开关中的折射率匹配弹性固体核心和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和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装置和光纤开关中的示范性折射率匹配弹性固体材料调配物的实测相对于预期光纤间损耗的曲线图。图25- 为说明用于制造根据本发明的光纤装置和用于其的折射率匹配弹性固体层的其它方法方面的流程图。
具体实施例方式现将参考附图在下文中更充分地描述本发明，其中显示本发明的优选实施例。然而，本发明可以许多不同形式实施且不应解释为局限于本文所述的实施例。更确切地说，提供这些实施例是为了使本发明全面和完整，并且向所属领域技术人员充分传达本发明的范围。本文通篇中的相同数字是指相同元件，且撇号标记用以指示替代实施例中的相似元件。先参看图IA和1B，可重复光纤互连装置30说明性地包括第一光纤31和第二光纤 32，其分别具有第一端面33和第二端面34。第一光纤31和第二光纤32各自说明性地包括具有核心折射率H1的个别核心35、36 (例如经掺杂的硅石玻璃核心)，和围绕核心且具有小于核心折射率的覆层折射率n2的个别覆层37、38 (例如塑料)。可重复光纤互连装置30进一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，如在说明性实施例中以点表示。如所属领域技术人员所了解，可通过适当选择折射率匹配材料和/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)获得化学结合。此外，第一折射率匹配弾性固体层40也说明性地包括与近端面41相対的低粘性远端面42，其宜如所示可重复以光学方式耦合到第二光纤32的第二端面34。也如所属领域技术人员所了解，可通过适当选择折射率匹配材料(考虑其后固化特性)和/或添加表面涂层获得低粘性远端面。如本文中所用，“低粘性”表面是允许配合的第一光纤和第 ニ光纤在折射率匹配材料的表面不产生永久变形和在每单位面积上无需过多力的情况下失去配合(de-mate)。举例来说，当第二配合物件的材料为熔融硅石时，所述力可小于IOg/ mm2，且更具体说来小于lg/mm2。第一折射率匹配弾性固体层40也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，选择第一折射率匹配弾性固体层40的折射率实质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宜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(例如不易受污染等)。此外，通过将第一折射率匹配弾性固体层40化学結合到第一端面41，所述层可由此永久地保持在适当位置，同时重复地与第二配合端面34形成临时连接。归因于层40的折射率匹配弾性固体特性和与第一端面33的化学结合，因此其宜提供降低的透射损耗和背反射。此外，层40也无限期地保持在适当位置，且不像折射率匹配凝胶和液体ー样迁移。另外，如所属领域技术人员将了解，层40更耐尘埃和污染物且可被清洁，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和弹性特性(例如模数、柔性等)。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术图案化，所以其能够形成以相对较高精度成型和定位的精确层状结构。有关可用于层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可以机械方式直接可重复耦合到第二端面。举例来说，第一折射率匹配弾性固体层的低粘性远端面与第二端面相对挤压时其表面性质可界定缺少气穴的湿润界面，由此部分提供与第二光纤32的第二配合端面34的机械抽吸式 (mechanical suction)耦合，如所属领域技术人员将了解。在说明性实施例中，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。多模光纤一般核心直径较大，且用于短距离通信链路和需要高功率传输的应用，例如在局部网络中或在建筑之间。就此而言，因为添加或替换光纤在使用多模光纤的局部区域中较为普遍，所以可重复以光学方式(且任选以机械)耦合多模光纤的能力可为重要优点。然而，所属领域技术人员应了解，如本文中所述的折射率匹配弾性固体层也可与通常用于相对较长的通信链路的单模光纤一起使用。现另參看图2，可重复光纤互连30'的一个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'，和与近端面相对以便以光学方式及以机械方式可重复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"可具有均一厚度且匹配所述倾斜角度，如图4中所示。因此，所述互连不仅可有利地用于使用垂直光纤端面的应用中，而且还可用于成角度光纤端面需要可重复以光学方式耦合的应用中，例如在光学开关中，在下文中将对此作进ー步论述。层40"经裁剪以形成光纤31"的延伸部，且符合光纤端面的角度。由于存在层 40"，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，光纤之间存在极少光透射或无光透射。此外，如所属领域技术人员所了解，层40"的弹性性质有利地使配合端面中小的不连续得以均勻填充，由此减少在界面处因反射和散射而引起的光损耗。现參照图5A和5B描述可重复光纤互连装置30〃 ‘的又ー实施例。在说明性实例中，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"‘。如所属领域技术人员所了解，在光纤终端中，有时需要精密套圈的协助来将两个光纤连接在一起。在图5B中显示第一光纤31"‘与第二光纤32"‘以光学方式耦合在一起。现參照图6描述制造在第一光纤31与第二光纤32之间的可重复光纤互连装置的相关方法。由框60开始，所述方法在框61处说明性地包括形成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和与所述近端面相对的低粘性远端面42的第一折射率匹配弾性固体层40。如上所述，低粘性远端面42将可重复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和8，可重复光纤连接装置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和覆层137的折射率相匹配的折射率型态。更具体说来，层140说明性地包括具有匹配核心135的折射率的折射率Ii1的第一部分148，和具有匹配覆层149的折射率的折射率n2的第二部分149。与上述结构一祥，层140化学结合到光纤131。层140由此提供光导结构，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，由此保持传播中的光模式。此外，层140的弾性性质使配合端面 131、132中小的不连续得以均勻填充，由此防止界面处因反射和散射而引起的光损耗。因此模式匹配导向结构有利地提供减少的损耗和背反射。也如上所述，丙烯酸酯和丙烯酸酯与聚氨酯和硫醇烯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术或模塑技术以相对较高精度精确地图案化。此外，这些材料可有利地用以建构第一部分148的不同折射率型态。更具体说来，图9中显示层140'的一个替代性实施例，其中与具有在所需工作波长下匹配核心 135'的径向均一折射率的图8的第一部分148相反，第一部分148'具有梯度折射率，如所属领域技术人员所了解。梯度部分148'可特別适用于GRIN透镜应用中，下文将对此作进一歩论述。现參照图10描述制造在第一光纤131与第二光纤132之间的可重复光纤互连的另ー方法。由框60'开始，所述方法在框61'处说明性地包括形成第一折射率匹配弾性固体层140，所述第一折射率匹配弾性固体层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和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')。现參照图11论述用于形成具有第一部分148和第二部分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，此可有利地经由玻璃掩模进行接近式曝光来实现(步骤 110)。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。接触式曝光可用于液体単体填充掩模与衬底109之间的区域的情形。第一部分140可随后在步骤111经图案化和显影，接着在步骤112注入覆层调配物。如所说明，覆层可通过使用盖板 113而限于仅在核心侧上形成，且使覆层单体通过渗透力填充衬底与玻璃盖板113之间的间隙。如果需要梯度折射率，那么核心或第一部分148可部分固化到足以界定核心的水平，且在步骤114，可通过在某一高温下(例如40到60°C，但在不同实施例中可使用其它温度)浸泡組合件来使液体覆层调配物的単体与核心交換。如所属领域技术人员所了解， 梯度将取决于时间、温度和图案化核心中的固化百分比。一般说来，对于梯度折射率导向结构，期望各调配物中的単体包括两种或两种以上具有相对较宽间隔的折射率和不同固化速率的単体，使具有不同折射率的単体易于扩散到核心区域中和/或扩散到核心区域外，也如所属领域技术人员所了解。如果不使用热浸来提供梯度折射率，那么可简单地使注入的覆层调配物在室温下静置足以使覆层部分149散布到核心部分148的时间量。可在步骤115执行第二次UV曝光，之后在步骤116，层140可保持键接于衬底上以便封装或处理，或在步骤117自衬底116 移除以提供耦合到光纤131的独立式层(free standing layer)。根据ー个示范性实施方案，层140可自衬底109剥离，而仍附着于玻璃盖板113上。在一个示范性实施方案中使用直径为62. 5微米的掩模尺寸，且此直径基本上在核心尺寸中再现。如所属领域技术人员所了解，必要吋，可有利地通过曝光不足或过度曝光或者显影不足来产生直径偏差。图12-14中说明可使用上述方法的变化形式制造的其它配置。具有倾斜端面的光纤13Γ和具有均一厚度且匹配倾斜端面的倾斜角度的相应折射率匹配弾性固体层140' 显示于图12中。类似于图5A和5B中所说明的实施例，也可提供具有套圈座架150'和折射率匹配弾性固体层140"的另ー示范性实施例，折射率匹配弾性固体层140"具有第一(核心匹配)部分148"和第二(覆层匹配)部分149"，如图13中所示。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，由此提供安装于套圈150"‘ 上的整体式GRIN透镜，如所属领域技术人员所了解。现參看图15A和15B，包括折射率匹配弾性固体层MO的示范性光纤开关230说明性地包括第一成角度光纤201和第二成角度光纤202，其可为多模光纤或单模光纤。更具体说来，开关230在图15A中以耦合或闭合位置(开关状态1)显示，且在图15B中以非耦合或开启位置(开关状态幻显示。在耦合位置中，光沿路径A-A'(即两个核心235 与237之间)透射，且在非耦合位置中，其沿路径A-B (即在第一光纤231内)和/或路径 B' -A'(即在第二光纤232内)透射。
第一成角度光纤201和第二成角度光纤202各自说明性地分別包括第一端面203 和第二端面204。与上述实施例一祥，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的近端面和与所述近端面相对以便可重复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同样具有与核心折射率匹配的折射率，如图IA 和IB中所示。如所属领域技术人员所了解，光纤开关200也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成角度光纤231和第 ニ成角度光纤ぬ2。在图16中说明用于制造光纤开关230的相关方法。由框160开始，形成各自分别具有第一端面和第二端面的第一成角度光纤231和第二成角度光纤232 (框161)。如上所述，第一成角度光纤231和第二成角度光纤232各自说明性地包括具有核心折射率Ii1的核心235、237，和围绕所述核心且具有不同于核心折射率的覆层折射率n2的覆层236、238。 所述方法在框162处进ー步说明性地包括形成折射率匹配弾性固体层140，其具有耦合到第一端面203的近端面和与所述近端面相对以便可重复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204同样具有至少匹配核心235的折射率Ii1的折射率。所述方法也在框163处说明性地包括定位ー个或ー个以上致动器255以用于在耦合位置(图15A)与非耦合位置(图15B)之间相对移动第一成角度光纤231和第二成角度光纤 232，由此结束所说明的方法(框164)。在一些实施例中，光学开关可包括匹配核心与覆层的折射率匹配弾性固体层，如以上參照图7A和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'处形成折射率匹配核心和覆层折射率的折射率匹配弾性固体层。也应注意，在ー些光纤开关实施例中，类似于上文參照图2A和2B所论述，第二折射率匹配弾性固体层可以化学方式键接到第二光纤232的第二端面204，如所属领域技术人员所了解。—般说来，多模开关的所要特征包括实现以下严格要求低插入损耗、低回波损耗和快速的切換时间。然而，这些特征一般难以在多模开关中实现。多模开关通常为利用移动光纤或移动光学元件(例如镜面)的机械型开关。实现快速切換时间需要微机电系统 (MEMS)规模组件以减少移动质量(moving mass) 0也需要降低所要运动的程度的设计。此外，通常还需要呈耦合开关状态的开关的精确对准、波导面的成角度和/或在导向结构之间的界面内的精細折射率匹配。减少任何非导向光路也有显著意义。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。一般说来，所要位移仅需约3个波长(例如4微米)或3个波长以下以便操作开关200。开关可设计成具有45 度或更大角度(α)界面以便強烈抑制状态1(耦合位置)的背反射。如上所述，开关200可实现两种开关状态中任ー种，g卩(I)A到A'(即耦合)和到B和/或B'到A'(非耦合)。如所属领域技术人员所了解，开关200可以2X 2交叉开关的一半来构建，或其可由两个1X2开关来组装。现将參照图18-M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弾性折射率匹配介质(EIMM)。在以光导形式建构EIMM的情况中，其核心可与膜平面呈45度或更大角度定向且尺寸经调整以匹配光纤的核心(例如，50或62. 5 μ m)。 如图15A和15B中所示，核心与安装有EIMM的光纤对准。
在EIMM的核心区域148也可具有梯度折射率的实施例中，使光有利地经由EIMM 传播，正如光经由光纤本身传播一祥。此举提供降低的损耗，且允许EIMM在需要时具有不同厚度以满足既定设计的机械方面。在状态2 (即非耦合)下，大部分光将在EIMM与空气之间的界面处反射。如所属领域技术人员所了解，图15A和15B中显示的基本设计的变化形式是可能的。ー些潜在变化形式将包括例如使用固定的镜面或透镜来收集路径B和B' 中的光或将光插入路径B和B'中。此外，也可使用其它类型的致动器。各种EMM聚合物调配物可用于上文所论述的可重复光纤互连装置和光纤开关中。一般说来，EIMM聚合物可经由丙烯酸酯和/或甲基丙烯酸酯的UV固化而形成。聚合物的制备可由液体丙烯酸酯和/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和抗氧化剂的调配开始。由制造商提供単体在589. 3nm下的折射率 (钠D线)。对于光纤应用，聚合物在1310nm和/或850nm下的折射率尤其受关注。如所属领域技术人员所了解，用不同单体调配物制成的聚合物将具有不同折射率和不同色散 〈dispersionノ。可使用初步估算来测定随在起始调配物中単体的相对量而变化的折射率。此经估算调配物可用作起始点，且随后可基于实际测量值少量添加特定単体以改进所要聚合物的目标折射率调配物。图18提供一个示范性表集合，其可用以计算液体单体调配物的起始组成。因为光引发剂和抗氧化剂在总体积中占较低分率，所以在计算中将其忽略不计。表18. 1提供描述液体単体的特征和作为目标使用的各単体的体积百分比的输入值。表18. 3前两列中的经验參数给出由聚合作用引起的预期变化的测量值(δ)，和折射率因色散而由589nm变为1310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。色散因数ξ为聚合物在目标波长(850或1310nm)下的折射率与在589. 3nm下的折射率的比率。由对密切相关的丙烯酸酯聚合物的测量值获得这些參数。计算值在表18. 3的最后三列中突出显示。在说明性实例中，康宁英菲克(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，在方程式中Vfi表示第i种组份的体积分数，δ为聚合因数，且ξ为在1310或850nm下的色散因数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州康宁(Corning， NY)的康宁公司(Corning，Inc.)的英菲克QnfiniCor) SX (50 μ m)和康宁英菲克 CL-1000 (62. 5 μ m)。在850nm下操作的系统将倾向于使用英菲克SX，而在约1310nm下操作的系统将倾向于使用英菲克CL-1000，但任一光纤类型可在任一波长区域内使用。因为 EIMM经设计以提供折射率匹配，所以表征个别光纤在相关波长下的折射率有重要意义，且其概述于提供显示英菲克光纤的实测和指定參数的下表中。
权利要求
1.一种用于制造光学装置的方法，其包含将用于可固化折射率匹配弹性固体层的第一前驱体施加到光学波导装置的端面上，所述光学波导装置包含具有核心折射率的核心和围绕所述核心且具有小于所述核心折射率的覆层折射率的覆层；选择性地固化所述第一前驱体以在所述端面上形成所述折射率匹配弹性固体层的核心部分，所述核心部分具有匹配所述核心折射率的折射率；移除所述第一前驱体的未固化部分；将用于所述可固化折射率匹配弹性固体层的第二前驱体围绕所述折射率匹配弹性固体层的所述核心部分施加到所述光学波导装置的所述端面上；和固化所述第二前驱体以在所述端面上形成所述折射率匹配弹性固体层的覆层部分，所述覆层部分具有匹配所述覆层的折射率的折射率。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一前驱体包含光引发剂；且其中固化所述第一前驱体包含将所述第一前驱体选择性地曝露于电磁辐射。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二前驱体包含光引发剂；且其中固化所述第二前驱体包含将所述第二前驱体曝露于具有活化所述光引发剂的波长的电磁辐射。
4.根据权利要求1所述的方法，其进一步包含执行至少一个操作，以使所述折射率匹配弹性固体层的所述核心部分具有匹配所述光学波导装置的所述核心的梯度折射率。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述光纤的所述端面与所述光学波导装置轴线的垂直线成倾斜角度。
6.一种用于制造光学波导装置的方法，其包含将至少一种用于可固化折射率匹配弹性固体层的前驱体施加到光学波导装置的端面上，所述光学波导装置包含具有核心折射率的核心和围绕所述核心且具有小于所述核心的折射率的覆层折射率的覆层；和固化所述至少一种前驱体以在所述端面上形成具有匹配至少所述核心的折射率的折射率的所述折射率匹配弹性固体层。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述至少一种前驱体包含光引发剂；且其中固化所述至少一种前驱体包含将所述至少一种前驱体选择性地曝露于具有活化所述光引发剂的波长的电磁辐射。
8.根据权利要求6所述的方法，其进一步包含执行至少一个操作，以使所述折射率匹配弹性固体层的核心部分具有匹配所述光学波导装置的所述核心的梯度折射率。
9.根据权利要求6所述的方法，其中所述光纤的所述端面与所述光学波导装置轴线的垂直线成倾斜角度。
10.根据权利要求6所述的方法，其进一步包含在所述光学波导装置的所述端面上执行至少一种表面处理。
全文摘要
一种用于制造光学装置的方法可包括将用于可固化折射率匹配弹性固体层(40)的至少一种前驱体施加到光学波导装置(31)的端面(33)上。所述光学波导装置(31)可包括具有核心折射率(n1)的核心(35)和围绕所述核心且具有不同于所述核心折射率的覆层折射率(n2)的覆层(37)。所述方法可进一步包括固化所述至少一种前驱体以在所述端面(33)上形成具有至少匹配所述核心(35)的折射率的折射率的所述折射率匹配弹性固体层(40)。
文档编号G02B6/138GK102597829SQ201080049586
公开日2012年7月18日 申请日期2010年10月30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和光纤领域，且更具体说来，涉及光纤连接器、波导装置和相关方法。
背景技术：
光纤通常在电信中用于短距离和长距离传送数据信号。相对于其它通信媒体，例如金属线，光纤的优点在于信号以较低损耗沿其传播，且信号也较少受到电磁干扰。光纤也采用极高带宽(即数据传输率)。光纤还可用于照明，且可包裹成束状且在例如光纤相机中用于载运影像。光纤也可用于其它应用中，例如传感器和激光。然而，光纤的一个缺点在于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和光损耗，从而显著降低信号质量。一种接合光纤的方法为使用机械熔接机，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都不实用。熔接机形成永久性连接且不太适于临时拼接或打算制成临时或动态的其它连接。用于一些光学界面中的另一种方法是应用折射率匹配材料，例如液体或凝胶。虽然这些材料一般可经调配以匹配光学介质的折射率，但可能会因折射率匹配材料的迁移和非所要区域的污染而出现问题。此外，所述材料有吸引尘埃的倾向，并且一旦污染，通常难以清除。吉尔兰德(Gilliand)等人的美国专利第5，778，127号揭示一种光学收发装置， 其具有外壳，所述外壳包括与透镜对准的二极管封装且具有注入其间的光学填料组合物。 光学填料组合物包含可用作折射率匹配元件的硅酮弹性体作为定位和锁定构件，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参考文献中金(King)等人的美国专利第5，619，610号；奥林(Olin)等人的美国专利第5，515，465号；阿洛伊西奥 Jr. (Aloisio, Jr.)等人的美国专利第6，501，900号；菲拉斯(Filas)等人的美国专利第 6，097，873号；和柯克(Corke)等人的美国专利第5，058，983号。
发明内容
因此，鉴于前述背景技术，本发明的一个目的为提供一种允许光纤之间和光纤与包含光学波导的光学装置之间的成本较低和可重复的互连的系统和相关方法。此目的和其它目的、特征和益处是由用于制造光学装置的方法提供，所述方法可包括将用于可固化折射率匹配弹性固体层的第一前驱体施加到光信号波导(例如光纤)的端面或作为平面光路、光学芯片(例如激光)、调制器或其它光学组件的一部分的波导的端面上。更具体说来，光信号波导可包括具有核心折射率的核心和围绕所述核心且具有不同于核心折射率的覆层折射率的覆层。所述方法可进一步包括选择性固化第一前驱体以在端面上形成折射率匹配弹性固体层的核心部分，所述核心部分具有匹配光学波导装置的核心折射率的折射率。所述方法也可包括移除第一前驱体的未固化部分，将用于可固化折射率匹配弹性固体层的第二前驱体围绕折射率匹配弹性固体层的核心部分施加到光学波导装置的端面上，和固化第二前驱体以在端面上形成折射率匹配弹性固体层的光学波导装置部分的覆层，所述覆层具有匹配光学波导装置的覆层折射率的折射率。折射率匹配弹性固体层由此可提供一种用于可重复光学连接光学装置的相对持久和低成本的方法。第一前驱体可包含光引发剂，且固化第一前驱体可包括将第一前驱体选择性曝露于具有活化光引发剂的波长的电磁辐射。类似地，第二前驱体也可包含光引发剂，且固化第二前驱体也可包括将第二前驱体曝露于电磁辐射。所述方法可进一步包括执行至少一个操作以使折射率匹配弹性固体层的核心部分具有匹配光学波导装置的核心的梯度折射率。在一些实施例中，光学波导装置的端面可与光纤轴线的垂直线成倾斜角度。另外， 所述方法可进一步包括在光学波导装置的端面上执行至少一种表面处理。举例来说，第一前驱体和第二前驱体可各自包含至少一种部分氟化的丙烯酸酯单体。此外，第一前驱体和第二前驱体可各自包含至少一种玻璃转变温度小于25°C的单体。第一前驱体和第二前驱体也可各自包含多种具有不同聚合速率的不同单体。光学波导装置可包含例如多模光纤。也提供用于制造将定位于光学波导装置(例如上文简单描述者)的端面上的折射率匹配弹性固体层的相关方法。所述方法可包括将用于可固化折射率匹配弹性固体层的第一前驱体施加到衬底上，选择性固化第一前驱体以在端面上形成折射率匹配弹性固体层的核心部分，所述核心部分具有匹配光学波导装置的核心折射率的折射率，和移除第一前驱体的未固化部分。所述方法可进一步包括将用于可固化折射率匹配弹性固体层的第二前驱体围绕折射率匹配弹性固体层的核心部分施加到衬底上，固化第二前驱体以在衬底上形成折射率匹配弹性固体层的覆层部分，所述覆层部分具有匹配光学波导装置的覆层折射率的折射率，以及自衬底移除折射率匹配弹性固体层。用于制造光学装置的类似方法可包括将至少一种用于可固化折射率匹配弹性固体层的前驱体施加到光学波导装置(例如上文简单描述者)的端面上。所述方法可进一步包括固化所述至少一种前驱体以在端面上形成具有至少匹配核心折射率的折射率的折射率匹配弹性固体层。
图IA和IB为可重复光纤互连装置的横截面示意图(分别以耦合和非耦合位置显示)，其包括提供根据本发明的核心折射率匹配的折射率匹配弹性固体层。图2A和2B为包括第一折射率匹配弹性固体层和第二折射率匹配弹性固体层的图 IA和IB的可重复光纤互连装置的一个替代性实施例的横截面示意图。图3和4为用于图IA和IB的互连装置的一个替代性实施例中的具有成角度末端的光纤的横截面示意图，分别以存在和不存在相应折射率匹配弹性固体层显示。图5A和5B为包括用于光纤的套圈座架的图IA和IB的可重复光纤互连装置的一个替代性实施例的横截面示意图。图6为说明用于制造图IA和IB的互连装置的方法方面的流程图。图7A和7B为可重复光纤互连装置的横截面示意图(分别以耦合和非耦合位置显示)，其包括提供根据本发明的核心和覆层折射率匹配的折射率匹配弹性固体层。图8为图7A和7B的折射率匹配弹性固体层的端视图。
图9为具有梯度折射率的图8的折射率匹配弹性固体层的一个替代性实施例的端视图。图10为说明用于制造图7A和7B的互连装置的方法方面的流程图。图11为说明用于制造图8的折射率匹配弹性固体层的方法的一系列示意图。图12为用于图7A和7B的互连装置的一个替代性实施例中的具有成角度末端和相应折射率匹配弹性固体层的光纤的横截面示意图。图13为用于图7A和7B的互连装置的一个替代性实施例中的光纤和相应套圈座架的横截面示意图。图14为图7A和7B的互连装置的一个替代性实施例的横截面示意图，其中第一光纤和第二光纤具有不同核心尺寸，且折射率匹配弹性固体层具有梯度核心部分，由此提供 GRIN透镜互连结构。图15A和15B为包括根据本发明的折射率匹配弹性固体层的光纤开关(分别以耦合和非耦合位置显示)的横截面示意图。图16为说明用于制造图15A和15B的光纤开关的方法的流程图。图17为说明用于制造图15A和15B的光纤开关的一个替代性实施例的方法的流程图，所述光纤开关包括提供核心和覆层折射率匹配的折射率匹配弹性固体层。图18为一系列表格，其可用以计算适用于根据本发明的互连装置和光纤开关中的折射率匹配弹性固体层的初始组成。图19为可用于形成适用于根据本发明的互连装置化光纤开关中的折射率匹配弹性固体层的示范性丙烯酸酯单体的一系列化学式。图20和21为示范性光引发剂的化学式，所述光引发剂可包括在适用于根据本发明的互连装置乎光纤开关中的折射率匹配弹性固体材料调配物中。图22为适用于根据本发明的互连装置和光纤开关中的折射率匹配弹性固体核心和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和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装置和光纤开关中的示范性折射率匹配弹性固体材料调配物的实测相对于预期光纤间损耗的曲线图。图25- 为说明用于制造根据本发明的光纤装置和用于其的折射率匹配弹性固体层的其它方法方面的流程图。
具体实施例方式现将参考附图在下文中更充分地描述本发明，其中显示本发明的优选实施例。然而，本发明可以许多不同形式实施且不应解释为局限于本文所述的实施例。更确切地说，提供这些实施例是为了使本发明全面和完整，并且向所属领域技术人员充分传达本发明的范围。本文通篇中的相同数字是指相同元件，且撇号标记用以指示替代实施例中的相似元件。先参看图IA和1B，可重复光纤互连装置30说明性地包括第一光纤31和第二光纤 32，其分别具有第一端面33和第二端面34。第一光纤31和第二光纤32各自说明性地包括具有核心折射率H1的个别核心35、36 (例如经掺杂的硅石玻璃核心)，和围绕核心且具有小于核心折射率的覆层折射率n2的个别覆层37、38 (例如塑料)。可重复光纤互连装置30进一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，如在说明性实施例中以点表示。如所属领域技术人员所了解，可通过适当选择折射率匹配材料和/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)获得化学结合。此外，第一折射率匹配弾性固体层40也说明性地包括与近端面41相対的低粘性远端面42，其宜如所示可重复以光学方式耦合到第二光纤32的第二端面34。也如所属领域技术人员所了解，可通过适当选择折射率匹配材料(考虑其后固化特性)和/或添加表面涂层获得低粘性远端面。如本文中所用，“低粘性”表面是允许配合的第一光纤和第 ニ光纤在折射率匹配材料的表面不产生永久变形和在每单位面积上无需过多力的情况下失去配合(de-mate)。举例来说，当第二配合物件的材料为熔融硅石时，所述力可小于IOg/ mm2，且更具体说来小于lg/mm2。第一折射率匹配弾性固体层40也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，选择第一折射率匹配弾性固体层40的折射率实质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宜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(例如不易受污染等)。此外，通过将第一折射率匹配弾性固体层40化学結合到第一端面41，所述层可由此永久地保持在适当位置，同时重复地与第二配合端面34形成临时连接。归因于层40的折射率匹配弾性固体特性和与第一端面33的化学结合，因此其宜提供降低的透射损耗和背反射。此外，层40也无限期地保持在适当位置，且不像折射率匹配凝胶和液体ー样迁移。另外，如所属领域技术人员将了解，层40更耐尘埃和污染物且可被清洁，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和弹性特性(例如模数、柔性等)。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术图案化，所以其能够形成以相对较高精度成型和定位的精确层状结构。有关可用于层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可以机械方式直接可重复耦合到第二端面。举例来说，第一折射率匹配弾性固体层的低粘性远端面与第二端面相对挤压时其表面性质可界定缺少气穴的湿润界面，由此部分提供与第二光纤32的第二配合端面34的机械抽吸式 (mechanical suction)耦合，如所属领域技术人员将了解。在说明性实施例中，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。多模光纤一般核心直径较大，且用于短距离通信链路和需要高功率传输的应用，例如在局部网络中或在建筑之间。就此而言，因为添加或替换光纤在使用多模光纤的局部区域中较为普遍，所以可重复以光学方式(且任选以机械)耦合多模光纤的能力可为重要优点。然而，所属领域技术人员应了解，如本文中所述的折射率匹配弾性固体层也可与通常用于相对较长的通信链路的单模光纤一起使用。现另參看图2，可重复光纤互连30'的一个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'，和与近端面相对以便以光学方式及以机械方式可重复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"可具有均一厚度且匹配所述倾斜角度，如图4中所示。因此，所述互连不仅可有利地用于使用垂直光纤端面的应用中，而且还可用于成角度光纤端面需要可重复以光学方式耦合的应用中，例如在光学开关中，在下文中将对此作进ー步论述。层40"经裁剪以形成光纤31"的延伸部，且符合光纤端面的角度。由于存在层 40"，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，光纤之间存在极少光透射或无光透射。此外，如所属领域技术人员所了解，层40"的弹性性质有利地使配合端面中小的不连续得以均勻填充，由此减少在界面处因反射和散射而引起的光损耗。现參照图5A和5B描述可重复光纤互连装置30〃 ‘的又ー实施例。在说明性实例中，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"‘。如所属领域技术人员所了解，在光纤终端中，有时需要精密套圈的协助来将两个光纤连接在一起。在图5B中显示第一光纤31"‘与第二光纤32"‘以光学方式耦合在一起。现參照图6描述制造在第一光纤31与第二光纤32之间的可重复光纤互连装置的相关方法。由框60开始，所述方法在框61处说明性地包括形成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和与所述近端面相对的低粘性远端面42的第一折射率匹配弾性固体层40。如上所述，低粘性远端面42将可重复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和8，可重复光纤连接装置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和覆层137的折射率相匹配的折射率型态。更具体说来，层140说明性地包括具有匹配核心135的折射率的折射率Ii1的第一部分148，和具有匹配覆层149的折射率的折射率n2的第二部分149。与上述结构一祥，层140化学结合到光纤131。层140由此提供光导结构，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，由此保持传播中的光模式。此外，层140的弾性性质使配合端面 131、132中小的不连续得以均勻填充，由此防止界面处因反射和散射而引起的光损耗。因此模式匹配导向结构有利地提供减少的损耗和背反射。也如上所述，丙烯酸酯和丙烯酸酯与聚氨酯和硫醇烯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术或模塑技术以相对较高精度精确地图案化。此外，这些材料可有利地用以建构第一部分148的不同折射率型态。更具体说来，图9中显示层140'的一个替代性实施例，其中与具有在所需工作波长下匹配核心 135'的径向均一折射率的图8的第一部分148相反，第一部分148'具有梯度折射率，如所属领域技术人员所了解。梯度部分148'可特別适用于GRIN透镜应用中，下文将对此作进一歩论述。现參照图10描述制造在第一光纤131与第二光纤132之间的可重复光纤互连的另ー方法。由框60'开始，所述方法在框61'处说明性地包括形成第一折射率匹配弾性固体层140，所述第一折射率匹配弾性固体层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和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')。现參照图11论述用于形成具有第一部分148和第二部分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，此可有利地经由玻璃掩模进行接近式曝光来实现(步骤 110)。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。接触式曝光可用于液体単体填充掩模与衬底109之间的区域的情形。第一部分140可随后在步骤111经图案化和显影，接着在步骤112注入覆层调配物。如所说明，覆层可通过使用盖板 113而限于仅在核心侧上形成，且使覆层单体通过渗透力填充衬底与玻璃盖板113之间的间隙。如果需要梯度折射率，那么核心或第一部分148可部分固化到足以界定核心的水平，且在步骤114，可通过在某一高温下(例如40到60°C，但在不同实施例中可使用其它温度)浸泡組合件来使液体覆层调配物的単体与核心交換。如所属领域技术人员所了解， 梯度将取决于时间、温度和图案化核心中的固化百分比。一般说来，对于梯度折射率导向结构，期望各调配物中的単体包括两种或两种以上具有相对较宽间隔的折射率和不同固化速率的単体，使具有不同折射率的単体易于扩散到核心区域中和/或扩散到核心区域外，也如所属领域技术人员所了解。如果不使用热浸来提供梯度折射率，那么可简单地使注入的覆层调配物在室温下静置足以使覆层部分149散布到核心部分148的时间量。可在步骤115执行第二次UV曝光，之后在步骤116，层140可保持键接于衬底上以便封装或处理，或在步骤117自衬底116 移除以提供耦合到光纤131的独立式层(free standing layer)。根据ー个示范性实施方案，层140可自衬底109剥离，而仍附着于玻璃盖板113上。在一个示范性实施方案中使用直径为62. 5微米的掩模尺寸，且此直径基本上在核心尺寸中再现。如所属领域技术人员所了解，必要吋，可有利地通过曝光不足或过度曝光或者显影不足来产生直径偏差。图12-14中说明可使用上述方法的变化形式制造的其它配置。具有倾斜端面的光纤13Γ和具有均一厚度且匹配倾斜端面的倾斜角度的相应折射率匹配弾性固体层140' 显示于图12中。类似于图5A和5B中所说明的实施例，也可提供具有套圈座架150'和折射率匹配弾性固体层140"的另ー示范性实施例，折射率匹配弾性固体层140"具有第一(核心匹配)部分148"和第二(覆层匹配)部分149"，如图13中所示。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，由此提供安装于套圈150"‘ 上的整体式GRIN透镜，如所属领域技术人员所了解。现參看图15A和15B，包括折射率匹配弾性固体层MO的示范性光纤开关230说明性地包括第一成角度光纤201和第二成角度光纤202，其可为多模光纤或单模光纤。更具体说来，开关230在图15A中以耦合或闭合位置(开关状态1)显示，且在图15B中以非耦合或开启位置(开关状态幻显示。在耦合位置中，光沿路径A-A'(即两个核心235 与237之间)透射，且在非耦合位置中，其沿路径A-B (即在第一光纤231内)和/或路径 B' -A'(即在第二光纤232内)透射。
第一成角度光纤201和第二成角度光纤202各自说明性地分別包括第一端面203 和第二端面204。与上述实施例一祥，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的近端面和与所述近端面相对以便可重复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同样具有与核心折射率匹配的折射率，如图IA 和IB中所示。如所属领域技术人员所了解，光纤开关200也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成角度光纤231和第 ニ成角度光纤ぬ2。在图16中说明用于制造光纤开关230的相关方法。由框160开始，形成各自分别具有第一端面和第二端面的第一成角度光纤231和第二成角度光纤232 (框161)。如上所述，第一成角度光纤231和第二成角度光纤232各自说明性地包括具有核心折射率Ii1的核心235、237，和围绕所述核心且具有不同于核心折射率的覆层折射率n2的覆层236、238。 所述方法在框162处进ー步说明性地包括形成折射率匹配弾性固体层140，其具有耦合到第一端面203的近端面和与所述近端面相对以便可重复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204同样具有至少匹配核心235的折射率Ii1的折射率。所述方法也在框163处说明性地包括定位ー个或ー个以上致动器255以用于在耦合位置(图15A)与非耦合位置(图15B)之间相对移动第一成角度光纤231和第二成角度光纤 232，由此结束所说明的方法(框164)。在一些实施例中，光学开关可包括匹配核心与覆层的折射率匹配弾性固体层，如以上參照图7A和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'处形成折射率匹配核心和覆层折射率的折射率匹配弾性固体层。也应注意，在ー些光纤开关实施例中，类似于上文參照图2A和2B所论述，第二折射率匹配弾性固体层可以化学方式键接到第二光纤232的第二端面204，如所属领域技术人员所了解。—般说来，多模开关的所要特征包括实现以下严格要求低插入损耗、低回波损耗和快速的切換时间。然而，这些特征一般难以在多模开关中实现。多模开关通常为利用移动光纤或移动光学元件(例如镜面)的机械型开关。实现快速切換时间需要微机电系统 (MEMS)规模组件以减少移动质量(moving mass) 0也需要降低所要运动的程度的设计。此外，通常还需要呈耦合开关状态的开关的精确对准、波导面的成角度和/或在导向结构之间的界面内的精細折射率匹配。减少任何非导向光路也有显著意义。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。一般说来，所要位移仅需约3个波长(例如4微米)或3个波长以下以便操作开关200。开关可设计成具有45 度或更大角度(α)界面以便強烈抑制状态1(耦合位置)的背反射。如上所述，开关200可实现两种开关状态中任ー种，g卩(I)A到A'(即耦合)和到B和/或B'到A'(非耦合)。如所属领域技术人员所了解，开关200可以2X 2交叉开关的一半来构建，或其可由两个1X2开关来组装。现将參照图18-M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弾性折射率匹配介质(EIMM)。在以光导形式建构EIMM的情况中，其核心可与膜平面呈45度或更大角度定向且尺寸经调整以匹配光纤的核心(例如，50或62. 5 μ m)。 如图15A和15B中所示，核心与安装有EIMM的光纤对准。
在EIMM的核心区域148也可具有梯度折射率的实施例中，使光有利地经由EIMM 传播，正如光经由光纤本身传播一祥。此举提供降低的损耗，且允许EIMM在需要时具有不同厚度以满足既定设计的机械方面。在状态2 (即非耦合)下，大部分光将在EIMM与空气之间的界面处反射。如所属领域技术人员所了解，图15A和15B中显示的基本设计的变化形式是可能的。ー些潜在变化形式将包括例如使用固定的镜面或透镜来收集路径B和B' 中的光或将光插入路径B和B'中。此外，也可使用其它类型的致动器。各种EMM聚合物调配物可用于上文所论述的可重复光纤互连装置和光纤开关中。一般说来，EIMM聚合物可经由丙烯酸酯和/或甲基丙烯酸酯的UV固化而形成。聚合物的制备可由液体丙烯酸酯和/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和抗氧化剂的调配开始。由制造商提供単体在589. 3nm下的折射率 (钠D线)。对于光纤应用，聚合物在1310nm和/或850nm下的折射率尤其受关注。如所属领域技术人员所了解，用不同单体调配物制成的聚合物将具有不同折射率和不同色散 〈dispersionノ。可使用初步估算来测定随在起始调配物中単体的相对量而变化的折射率。此经估算调配物可用作起始点，且随后可基于实际测量值少量添加特定単体以改进所要聚合物的目标折射率调配物。图18提供一个示范性表集合，其可用以计算液体单体调配物的起始组成。因为光引发剂和抗氧化剂在总体积中占较低分率，所以在计算中将其忽略不计。表18. 1提供描述液体単体的特征和作为目标使用的各単体的体积百分比的输入值。表18. 3前两列中的经验參数给出由聚合作用引起的预期变化的测量值(δ)，和折射率因色散而由589nm变为1310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。色散因数ξ为聚合物在目标波长(850或1310nm)下的折射率与在589. 3nm下的折射率的比率。由对密切相关的丙烯酸酯聚合物的测量值获得这些參数。计算值在表18. 3的最后三列中突出显示。在说明性实例中，康宁英菲克(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，在方程式中Vfi表示第i种组份的体积分数，δ为聚合因数，且ξ为在1310或850nm下的色散因数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州康宁(Corning， NY)的康宁公司(Corning，Inc.)的英菲克QnfiniCor) SX (50 μ m)和康宁英菲克 CL-1000 (62. 5 μ m)。在850nm下操作的系统将倾向于使用英菲克SX，而在约1310nm下操作的系统将倾向于使用英菲克CL-1000，但任一光纤类型可在任一波长区域内使用。因为 EIMM经设计以提供折射率匹配，所以表征个别光纤在相关波长下的折射率有重要意义，且其概述于提供显示英菲克光纤的实测和指定參数的下表中。
权利要求
1.一种用于制造光学装置的方法，其包含将用于可固化折射率匹配弹性固体层的第一前驱体施加到光学波导装置的端面上，所述光学波导装置包含具有核心折射率的核心和围绕所述核心且具有小于所述核心折射率的覆层折射率的覆层；选择性地固化所述第一前驱体以在所述端面上形成所述折射率匹配弹性固体层的核心部分，所述核心部分具有匹配所述核心折射率的折射率；移除所述第一前驱体的未固化部分；将用于所述可固化折射率匹配弹性固体层的第二前驱体围绕所述折射率匹配弹性固体层的所述核心部分施加到所述光学波导装置的所述端面上；和固化所述第二前驱体以在所述端面上形成所述折射率匹配弹性固体层的覆层部分，所述覆层部分具有匹配所述覆层的折射率的折射率。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一前驱体包含光引发剂；且其中固化所述第一前驱体包含将所述第一前驱体选择性地曝露于电磁辐射。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二前驱体包含光引发剂；且其中固化所述第二前驱体包含将所述第二前驱体曝露于具有活化所述光引发剂的波长的电磁辐射。
4.根据权利要求1所述的方法，其进一步包含执行至少一个操作，以使所述折射率匹配弹性固体层的所述核心部分具有匹配所述光学波导装置的所述核心的梯度折射率。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述光纤的所述端面与所述光学波导装置轴线的垂直线成倾斜角度。
6.一种用于制造光学波导装置的方法，其包含将至少一种用于可固化折射率匹配弹性固体层的前驱体施加到光学波导装置的端面上，所述光学波导装置包含具有核心折射率的核心和围绕所述核心且具有小于所述核心的折射率的覆层折射率的覆层；和固化所述至少一种前驱体以在所述端面上形成具有匹配至少所述核心的折射率的折射率的所述折射率匹配弹性固体层。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述至少一种前驱体包含光引发剂；且其中固化所述至少一种前驱体包含将所述至少一种前驱体选择性地曝露于具有活化所述光引发剂的波长的电磁辐射。
8.根据权利要求6所述的方法，其进一步包含执行至少一个操作，以使所述折射率匹配弹性固体层的核心部分具有匹配所述光学波导装置的所述核心的梯度折射率。
9.根据权利要求6所述的方法，其中所述光纤的所述端面与所述光学波导装置轴线的垂直线成倾斜角度。
10.根据权利要求6所述的方法，其进一步包含在所述光学波导装置的所述端面上执行至少一种表面处理。
全文摘要
一种用于制造光学装置的方法可包括将用于可固化折射率匹配弹性固体层(40)的至少一种前驱体施加到光学波导装置(31)的端面(33)上。所述光学波导装置(31)可包括具有核心折射率(n1)的核心(35)和围绕所述核心且具有不同于所述核心折射率的覆层折射率(n2)的覆层(37)。所述方法可进一步包括固化所述至少一种前驱体以在所述端面(33)上形成具有至少匹配所述核心(35)的折射率的折射率的所述折射率匹配弹性固体层(40)。
文档编号G02B6/138GK102597829SQ201080049586
公开日2012年7月18日 申请日期2010年10月30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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