專(zhuān)利名稱(chēng)：傾斜光柵型光隔離器及其制造法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是涉及光纖型及光波導(dǎo)型光隔離器，尤其是關(guān)于不使用諸如磁氣結(jié)晶等法拉第旋轉(zhuǎn)器而構(gòu)成的光隔離器，還涉及到光波長(zhǎng)選擇型光耦合器及光分支器。
近年來(lái)隨著光網(wǎng)絡(luò)的普及和多方式通訊的發(fā)展，以及對(duì)通訊需求的不斷擴(kuò)大，使用光纖放大器的一萬(wàn)公里以上的超長(zhǎng)距離光纖通訊技術(shù)的開(kāi)發(fā)，以及欲將光纖通迅技術(shù)應(yīng)用到聯(lián)結(jié)包括手提式顯示裝置在內(nèi)的寬頻帶數(shù)字式服務(wù)綜合系統(tǒng)和用戶之間的實(shí)用實(shí)驗(yàn)，光通訊系統(tǒng)的前所未有的大容量化的技術(shù)開(kāi)發(fā)等正在展開(kāi)。然而這種通訊系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)所必不可少的光學(xué)器件之一就是光隔離器等因方向不同而產(chǎn)生不同的透光效果的光學(xué)器件。光隔離器是一種可使正向的光通過(guò)，而反向的光則不能通過(guò)的只允許光單向傳輸?shù)臒o(wú)源光學(xué)器件。例如，一種用于提高網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)的容量的所謂波分多路復(fù)用器件(WDM)中就需要多個(gè)光隔離器以保證光路系統(tǒng)的光道能順利地通過(guò)波長(zhǎng)選擇型光分支器進(jìn)行分支(撤銷(xiāo)信道)，或者通過(guò)光耦合器進(jìn)行耦合(增加信道)時(shí)，而不受反射雜音等的干擾。又如，將作為信號(hào)發(fā)射源的半導(dǎo)體激光口與光纖相連接時(shí)，在光纖的聯(lián)結(jié)處產(chǎn)生的反射光即反射雜音重新進(jìn)入激光發(fā)射體時(shí)，易產(chǎn)生S/N比的下降從而使激光處于不穩(wěn)定狀態(tài)，這時(shí)如果將這種光隔離器放入激光口和光路系統(tǒng)之間的話，就可以防止這種情況出現(xiàn)。
眾所周知，作為光隔離器的例子有將具有法拉第旋偏振效果的磁氣結(jié)晶體用來(lái)做旋光器使入射來(lái)的偏光旋轉(zhuǎn)45度角。通常多被實(shí)用的做法是將這種法拉第旋偏振器夾在傳輸光的偏光方向錯(cuò)開(kāi)45度角的兩個(gè)偏光鏡之間。即其中一個(gè)偏光器將發(fā)射來(lái)的激光起偏，當(dāng)該被起偏光透過(guò)磁性結(jié)晶體，即法拉第旋轉(zhuǎn)器時(shí)其偏光方向?qū)⒊环较蛐D(zhuǎn)45度。而后通過(guò)另一個(gè)偏光器被射出。但是，從反方向射進(jìn)來(lái)的光將被另一個(gè)偏光器起偏，在通過(guò)法拉第旋轉(zhuǎn)器時(shí)其偏光方向?qū)⒊环较蛐D(zhuǎn)45度。因此，該偏光相對(duì)與前一偏光器呈直角狀態(tài)而不能通過(guò)前一偏光器。所以，將該種光隔離器配置于激光發(fā)射口可以防止反射光重新射入激光內(nèi)。
光隔離器按其工作原理主要分為使用法拉第旋轉(zhuǎn)器的，及利用TE(TransverseElectric，橫模)-TM(Transverse Magnetic，縱模)模式轉(zhuǎn)換兩種。而按其形狀可以分為片型，纖維型及三維光波導(dǎo)型三種。
其中最為常用的光隔離器是使用法拉第旋轉(zhuǎn)器的片型光隔離器，基本是由板形起偏器及法拉第旋轉(zhuǎn)器和一個(gè)板形檢偏光器來(lái)構(gòu)成。從來(lái)，起偏光器及檢偏光器一直使用方解石、金紅石等晶片或者偏光棱鏡等來(lái)做。法拉第旋轉(zhuǎn)器則多是用永久磁性玻璃或者板形YIG(釔-碘-榴子石)晶體等來(lái)做成。最近正在展開(kāi)關(guān)于用(GdBi)IG(釓-鉍-碘-榴子石)晶石及榴子石來(lái)代替永久磁性玻璃的研究。
另外，也有利用法拉第旋轉(zhuǎn)器的光纖型光隔離器。這是一種將法拉第旋轉(zhuǎn)系數(shù)大的芯材料形成光路系統(tǒng)的光纖的一部分，或者是將一個(gè)非常微小的法拉第旋轉(zhuǎn)器夾在其內(nèi)部而形成的光隔離器。由于該種光隔離器不須使用準(zhǔn)直透鏡及片型偏光器可望做成小型的光隔離器。
再者，具有代表性的利用TE(橫模)-TM(縱模)模式轉(zhuǎn)換原理的光波導(dǎo)型光隔離器是在榴子石(GGG)晶石基板上形成一種摻入微量鉍的YIG晶石薄膜，并在其兩側(cè)鍍上一層鋁而形成TE(橫模)-TM(縱模)模式轉(zhuǎn)換器。
綜上所述，按照以往的技術(shù)，由磁性結(jié)晶體及偏光器所構(gòu)成的光隔離器另外還至少需要四種器件并包括印加外部磁場(chǎng)的磁鐵石在內(nèi)。由于這些器件基本是由無(wú)機(jī)結(jié)晶材料構(gòu)成，所以存在材料加工難度大、組裝程序復(fù)雜、費(fèi)時(shí)間等問(wèn)題。因此不僅成本高，而且插入損耗大、隔離度低，故其性能穩(wěn)定性及可信度均欠佳。另外，為了保證該種光隔離器即使是插入所通過(guò)的偏光狀態(tài)不能確定的任何光纖位置都能正常工作，必須使光隔離器的性能不能依賴(lài)于偏光狀態(tài)才行。為此，將需要更多的器件及復(fù)雜的光路系統(tǒng)，從而不僅提高光隔離器的成本，并且妨礙小型化。
本發(fā)明的目的在于提供一種便于使用的、構(gòu)造簡(jiǎn)單、且插入損耗低、隔離度高的不使用磁性結(jié)晶等特殊無(wú)機(jī)材料，而是使用易于加工的聚合物材料做成的光隔離器及其利于大量生產(chǎn)、低成本的制造方法。
本發(fā)明所開(kāi)發(fā)的光隔離器的制作技術(shù)，其第一個(gè)特征是只要對(duì)聚合物成型體進(jìn)行光照射即可完成。例如，光隔離器的制造過(guò)程可以包括以下幾個(gè)工序第一個(gè)工序是使經(jīng)過(guò)分束的光束對(duì)折射率為n0的薄膜狀、片狀或纖維狀等聚合物成型體按所定條件進(jìn)行照射，而誘發(fā)被照射部位的折射率產(chǎn)生周期性地變化Δn，進(jìn)而形成一個(gè)與其光傳輸方向形成一傾角為β、周期為Λ的光柵。其第二個(gè)工序?yàn)閷?duì)上述成型體的表面進(jìn)行光照射，使其至上述第一工程所形成的光柵為止的被照射部位的折射率變化至n1，在形成包層1的同時(shí)，并在其內(nèi)部形成折射率為n0的芯部。而折射率與包層1為非軸對(duì)稱(chēng)的包層2，是由第三工程來(lái)完成，即對(duì)上述成型體的表面的某一部分進(jìn)行光照射，從而使其至前記第一工程所形成的光柵為止的被照射部位的折射率進(jìn)一步變化至n2為止。
這里需要說(shuō)明的是折射率為n1的包層1及折射率為n2的包層2是處于以成型體的軸截面為對(duì)稱(chēng)面的對(duì)稱(chēng)位置。并且軸截面與光柵面間的夾角亦為β。
采用上述照射方法及制造工序時(shí)，由于光柵是沿著成形體的整個(gè)斷面形成的，所以在第二工序?qū)Τ尚腕w表面進(jìn)行照射時(shí)，已形成的光柵面的外圍部分將被重復(fù)照射。而被重復(fù)照射的部分的折射率變化量將少大一些。但是，由于第二工序?qū)⑹拐凵渎实南陆捣雀螅詮脑锷蟻?lái)講對(duì)光隔離器的性能不會(huì)產(chǎn)生任何影響。
當(dāng)然，在上述制造過(guò)程中可以不采用光分束法來(lái)對(duì)成型體交叉照射，而在成型體的表面蓋上刻有傾角為β、間隔為Λ的平行光柵的屏膜片之后再照射也可以。
可使用的光源可以是紫外線燈泡、激光等。雖然對(duì)其波長(zhǎng)沒(méi)有限制，但是需要針對(duì)不同的材料和不同的制造流程來(lái)考慮使用不同的光源和照射方法。例如在制作上述的傾斜光柵型光隔離器的包層時(shí)，即第二及第三工序中因需要對(duì)成型體的外表的整體或者一部分進(jìn)行照射，所以一般地使用紫外線光源時(shí)效率較高。這時(shí)所使用的紫外線光源的波長(zhǎng)在材料的光譜范圍內(nèi)比較理想。當(dāng)然并不排除使用激光。
使用激光作光源時(shí)可以用一臺(tái)，也可以同時(shí)使用兩臺(tái)以上的激光沿同一方向照射或者交叉照射。另外，數(shù)臺(tái)激光可以具有同樣的波長(zhǎng)也可以是不同的波長(zhǎng)，既可以同時(shí)照射也可以按先后順序照射。
根據(jù)成型體的形態(tài)往往需要選用不同的光源及不同的照射方法。在制作上述的傾斜光柵型光隔離器時(shí)，例如可以先將光柵寫(xiě)入成型體內(nèi)部以后，再對(duì)光柵外圍的剩余部分的形成體進(jìn)行光照射而形成包層。這種情況下的光隔離器的制造過(guò)程為1，將波長(zhǎng)在聚合物的光譜范圍以外的光源經(jīng)過(guò)分束后，再對(duì)折射率為n0的聚合物成型體內(nèi)部進(jìn)行交叉照射，從而誘發(fā)被交叉照射部位的折射率產(chǎn)生周期性地變化Δn，進(jìn)而形成一個(gè)與光傳輸方向形成一傾角為β、周期為Λ的光柵。2，將波長(zhǎng)在聚合物的光譜范圍以?xún)?nèi)的光對(duì)上述成型體的表面進(jìn)行照射，從而使其至前記工程1所形成的光柵為止的被照射部位的折射率變化至n1，而在形成包層1的同時(shí)，在其內(nèi)部形成折射率為n0的芯部。3，將波長(zhǎng)在聚合物的光譜范圍以?xún)?nèi)的光對(duì)上述成型體的表面進(jìn)行光照射，從而使其至前記工程1所形成的光柵為止的被照射部位的折射率進(jìn)一步變化至n2，進(jìn)而形成折射率與包層1為非軸對(duì)稱(chēng)的包層2。
在工序1中，原則上將兩束相同波長(zhǎng)的光同時(shí)照射，并且使二者在成型體的內(nèi)部相交的照射方式最為理想。當(dāng)然并不排除使用波長(zhǎng)不同的光束。這里所說(shuō)的兩束光可以是將來(lái)自同一光源的光經(jīng)分束而成的，也可以是使用兩個(gè)不同的光源諸如激光器，紫外線燈泡等。
另外，作為形成光隔離器的成型體可以在照射前一次成型到位，也可以使光照射過(guò)程和成型工序交替進(jìn)行。這樣往往可使光隔離器的制作過(guò)程更為簡(jiǎn)化。例如可先將分束的光束對(duì)折射率為n0的聚合物成型體進(jìn)行照射，而誘發(fā)被照射部位的折射率產(chǎn)生周期性地變化Δn，進(jìn)而形成一個(gè)與其光傳輸方向形成一傾角為β、周期為Λ的光柵之后，再將聚合物涂布于上述聚合物成型體外表面上之后，再對(duì)上述經(jīng)涂布處理的成型體的表面進(jìn)行光照射，使其至前記工程中所形成的光柵為止的被照射部位的折射率變化至n1，而在形成包層1的同時(shí)，并在其內(nèi)部形成折射率為n0的芯部。最后對(duì)上述經(jīng)涂布處理的成型體的表面進(jìn)行光照射，使其至前記工程中所形成的光柵為止的被照射部位的折射率進(jìn)一步變化至n2，進(jìn)而形成折射率與包層1為非軸對(duì)稱(chēng)的包層2。
當(dāng)然這里的聚合物涂層可以是與第一次成型體相同的、或者是不同的聚合物。也可以是聚合物與低分子化合物的混合物等，這里對(duì)此沒(méi)有限定的必要。
也可以將聚合物或者非聚合物的薄膜、板材等采用膠合、擠壓等方法敷設(shè)在已形成光柵的成型體表面上。
本發(fā)明的另一個(gè)技術(shù)特征是，作為光照射對(duì)象的聚合物成型體可以通過(guò)通常的工業(yè)手段很簡(jiǎn)單地加工出來(lái)。例如，纖維狀聚合物成型體可以使用一般的擠出成型機(jī)；膜狀成型物則可使用澆鑄成型、模壓成型、旋涂、及擠出成型等方法來(lái)制作。
當(dāng)然，將聚合物材料在合適的基板上成型也可以，或者夾在兩層基板之間做成三層構(gòu)造也可以。當(dāng)做成三層構(gòu)造時(shí)，要求至少有一枚基板是透明的。這種透明實(shí)質(zhì)上是指在以后的制作工程中所使用的光源能透過(guò)而不被吸收就行。
作為上述基板的材料可以是樹(shù)脂等聚合物材料、玻璃及金屬等無(wú)機(jī)物。這里對(duì)此不作任何限制。當(dāng)然，將兩種以上的高聚物或齊聚物混合使用也可以，有機(jī)物和無(wú)機(jī)物的混和體也可以。但是該材料最好是在以后的制作工程中所使用的光源可以透過(guò)的物質(zhì)。
具有兩層構(gòu)造或者三層構(gòu)造的情況下，基板可以作為光隔離器的包層1或者包層2來(lái)使用，也可以單純作為補(bǔ)強(qiáng)用。
又如，不必特地使用聚合物等材料，而將空氣層作為上述的光隔離器的包層2也可以。以空氣層用作包層2時(shí)，可以得到二維光波導(dǎo)型光隔離器。當(dāng)然除此之外還有很多其他方法。在此不再一一列舉。
再者，將聚合物做成所要求的形狀之后，通過(guò)光照射可以將光纖和光隔離器做成一體，這樣可減少插入損失。
上述的聚合物成型體如果是光纖的話，將形成光纖型光隔離器；如果是薄膜的話，將形成光波導(dǎo)型光隔離器。當(dāng)然可以根據(jù)需要將聚合物做成任意形狀。但不管做成何種形狀其光照射方法是基本不變的。就是說(shuō)，使用上述任一方法，不僅光纖型并且光波導(dǎo)型光隔離器都可很方便地做成。
本發(fā)明的再一個(gè)特征是構(gòu)成傾斜光柵型光隔離器的各部分，即芯部及位于芯部?jī)?nèi)的傾斜光柵、折射率為非軸對(duì)稱(chēng)的包層1、包層2是一體的。它們的各自被規(guī)定的折射率值全部是通過(guò)光照射來(lái)賦予的。而被照射的成型體是由一種以上的聚合物所形成，且聚合物至少含有一種為對(duì)其施以光照射能引起其折射率發(fā)生變化的高聚物、齊聚物、低分子的有機(jī)化合物或無(wú)機(jī)化合物等。以后不妨把這類(lèi)物質(zhì)定義為光誘變折射率型物質(zhì)。
作為光照射對(duì)象的聚合物成型體，只要是含有光誘變折射率型物質(zhì)的聚合物就可以使用。也就是說(shuō)，作為這樣的聚合物材料，其特征是在其主鏈以及/或者支鏈上接有光誘變折射率型物質(zhì)。其特征還在于，將兩種以上的光誘變折射率型高聚物、齊聚物相混和，或者將光誘變折射率型物質(zhì)分散在高聚物或者齊聚物內(nèi)。
本發(fā)明中作為光誘變折射率型物質(zhì)例如有含硅化合物、含黃硝衍生物、肉桂酸衍生物、含均二苯代乙烯衍生物、二苯乙烯基對(duì)二氮雜苯衍生物、蒽酮衍生物、連苯基衍生物、偶氮衍生物、連偶氮衍生物、連烯烴衍生物等。當(dāng)然從這些化合物中任選兩種以上同時(shí)使用時(shí)效果會(huì)更好。
將旋光性化合物聚合成高聚物，或者將其分散在高聚物中也可以使用。例如將均二苯代乙烯衍生物、連萘酚衍生物、薄荷醇衍生物、連苯基衍生物等接在主鏈或者/以及支鏈上的高聚物均可使用。
作為黃硝衍生物可以列舉出α-t-丁基-N-苯基黃硝、α-二甲基氨基苯基-N-苯基黃硝、α-苯基-N-苯基黃硝等。
連烯烴衍生物例如有1，5-環(huán)己二稀、1，5-環(huán)癸二稀、1，5，5-三甲基二稀酮、1，4-二苯基丁二烯、1，6-二苯基己三稀、1，2，3，4，5-五苯基環(huán)己二稀等具有雙鍵結(jié)合的化合物。
上面所列舉的化合物可以單獨(dú)使用，也可以選數(shù)種以上組合起來(lái)使用。
較常使用的高聚物還有同質(zhì)聚硅烷，以及將含硅單量體與其他單量體共聚合的共聚物。例如部分化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)式是 (化學(xué)結(jié)構(gòu)式1) (化學(xué)結(jié)構(gòu)式2) (化學(xué)結(jié)構(gòu)式3) (化學(xué)結(jié)構(gòu)式4)其中R1、R2、及R3、R4可以是任意一種碳?xì)浠衔铩⒅咎細(xì)浠衔?、環(huán)式碳?xì)浠衔?、芳香碳?xì)浠衔锏?。更具體地說(shuō)可以是苯基、萘基、蒽酮基、菲基、連苯基、烷烴基等。這些碳?xì)浠梢允潜畸u族原素、醚鍵、硫醚鍵、或者含有脂鍵的官能基、羥基、硫醇基、羧基等官能基所置換的。就同一高聚物而言，R1、R2、R3、R4可以相同也可以不同。
另外，作為同質(zhì)聚硅化合物的n是5到10000的自然數(shù)，作為共聚硅化合物的n、m及k可以分別是1到10000的自然數(shù)，n和m可以相同也可以不同。
例如下面這些同質(zhì)聚硅物均可使用聚甲基苯基硅烷、聚連甲基硅烷、聚環(huán)己基硅烷、聚二丁基硅烷、聚甲基丙基硅烷、聚甲基丁基硅烷、聚甲基連苯酰硅烷、聚甲基己基硅烷、聚甲基-4-氯代苯基硅烷、聚甲基-4-氯代丁基硅烷、聚甲基-3-氟代丙基硅烷、聚雙連苯酰硅烷、聚二己基硅烷、聚萘基硅烷、聚氯代萘基硅烷、聚萘基硅烷等。
上述的聚硅化合物可以單獨(dú)使用，也可以將兩種以上混和使用。也可以將具有上述構(gòu)造的齊聚物或者高聚物混和在其他類(lèi)型的高聚物內(nèi)使用。又如具有不同的R1及R2的含硅單量體的共聚合物也可以使用。
又如，為了改善聚硅化合物的性能，特別是其力學(xué)性能，可以用交聯(lián)劑使聚硅化合物互相交聯(lián)而構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其方法例如將具有乙烯基那樣的光聚合型單量體在聚硅化合物的聚合階段加入，或者是在聚硅化合物成型時(shí)加入。常被使用的這類(lèi)光聚合型單量體例如有苯乙烯、對(duì)二乙烯苯、乙二醇連丙烯酸脂等。這些光聚合型單量體一經(jīng)光照射其雙鍵將被切斷，與此同時(shí)聚硅化合物的σ鍵也因光照射而被切斷，因此二者重新結(jié)合而形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得不溶于包括水在內(nèi)得所有溶媒，其力學(xué)性能等因而得到改善。
把光誘變折射率型物質(zhì)分散在高聚物或者齊聚物內(nèi)也可以用作成型體材料。作為這些高聚物的單量體可以列舉如下苯乙烯、氯代苯乙烯、乙烯醇縮醛、α-甲基苯乙烯、p-氯代苯乙烯、丙烯腈、苯基乙烯醇縮醛、安息香酸乙稀脂、萘乙烯脂、偏二氯乙烯脂、丙烯酸乙脂、丙烯酸丁脂、丙烯酸環(huán)己脂、丙烯酸苯脂、丙烯酸苯偶酰脂、丙烯酸碳酰脂、丙烯酸羥烷脂、丙烯酸全氟代烷脂、雙丙三醇四丙烯酸脂等丙烯酸脂的高聚物或者齊聚物，甲基丙烯酸萘脂、甲基丙烯酸羥烷脂、甲基丙烯酸碳酰脂、甲基丙烯酸萘脂、甲基丙烯酸雙環(huán)己基脂、甲基丙烯酸乙基脂、甲基丙烯酸苯基脂、甲基丙烯酸丁基脂、甲基丙烯酸腈脂、甲基丙烯酸甲基脂、2，2，2-三氟化乙基丙烯酸甲基脂、4-甲基環(huán)己基乙基丙烯酸甲基脂、2，2，2-三氟化乙基脂丙烯酸甲基脂、甲基丙烯酸糠醛基脂、1-苯代乙基丙烯酸甲基脂、1-苯代環(huán)己基丙烯酸甲基脂、甲基丙烯酸連苯?；燃谆┧嶂母呔畚锛褒R聚物，以及它們的衍生物，或者聚脂類(lèi)樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂等。其他適合于成型加工的聚合物均可以使用。
將光誘變折射率型物質(zhì)混入上述的高聚物以及齊聚物時(shí)，可以將其直接接在高聚物或者齊聚物的主鏈上構(gòu)成主連型聚合物，或者接在支鏈上構(gòu)成支鏈型聚合物，也可以同時(shí)接在聚合物的主連及支鏈上。
需要將光誘變折射率型物質(zhì)分散在上述的高聚物、齊聚物時(shí)，例如可將待分散的物質(zhì)先分散在適當(dāng)?shù)娜軇├?，也可以直接和高聚物及齊聚物一起攪拌。不管采用哪種方式只要能把二者均勻混合就行。
光誘變折射率型物質(zhì)對(duì)高聚物以及齊聚物的比例，可以根據(jù)物質(zhì)的種類(lèi)及所要得到的折射率等來(lái)確定。一般地來(lái)說(shuō)其濃度在5％至60％之間比較理想。
將光誘變折射率型物質(zhì)接到上述的高聚物以及齊聚物的主連及支鏈的方法有很多。例如，首先將光誘變折射率型物質(zhì)做成單量體之后使其單獨(dú)聚合也可以，與其他的單量體共聚合也可以。還可以先將其他單量體聚合成高聚物及齊聚物以后，通過(guò)加成反應(yīng)將光誘變折射率型物質(zhì)接到主連及支鏈上去。還有其他能把光誘變折射率型物質(zhì)導(dǎo)入高聚物以及齊聚物的主連及支鏈上的方法均可以使用。
本發(fā)明的核心技術(shù)是設(shè)計(jì)一個(gè)傾斜光柵使其具備只允許光單向傳輸?shù)墓δ?。根?jù)弗瑯荷費(fèi)譜衍射現(xiàn)象，采用折射率非軸對(duì)稱(chēng)型包層模型，如果λ為將被傳輸?shù)墓獠ㄩL(zhǎng)，n0、nr、n1及n2分別為芯部、光柵面、包層1及包層2的折射率。它們滿足關(guān)系式n0＞nr＞n1＞n2的話，按布拉格近似可以推知能達(dá)到上述目的的傾斜光柵的光柵間隔Λ，以及光柵面和光傳輸方向所成的夾角β將被上述構(gòu)成光隔離器的各部分的折射率所確定，并分別滿足數(shù)學(xué)關(guān)系式1及數(shù)學(xué)關(guān)系式2。
Λ2＝λ2(nr-n1)/[n1(nr2-n22)] (1)cosβ＝[Λ2(nr2-n22)+λ2]/(2λΛnr)(2)在光柵的間隔Λ及其傾斜角β被確定之后，如果由光照射而在光柵內(nèi)誘發(fā)的折射率差Δn能知道的話，所需要的光柵長(zhǎng)就可以從數(shù)學(xué)關(guān)系式3求出L＝2Λ/Δn (3)例如，假設(shè)因光照射而在光柵內(nèi)產(chǎn)生的折射率差能達(dá)到10-2的話，從3式可以知道，光柵的長(zhǎng)有0.5毫米以下就有可能使反射光被光刪100％地反射到包層1。上述所列舉的大多數(shù)材料，通過(guò)光照射可以誘發(fā)其折射率發(fā)生10-2到10-1之間的變化，因此傾斜光柵的長(zhǎng)度通常在0.5毫米以下就可以得到充分大的隔離效果。因此光隔離器可以做得很小。特別是將該技術(shù)運(yùn)用到多摸用光隔離器時(shí)，其光柵長(zhǎng)度在數(shù)毫米以下就足能獲得理想的光隔離效果。
如上所述，在本發(fā)明中通過(guò)對(duì)光柵的間隔Λ、傾斜角β及其長(zhǎng)度L的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過(guò)使用合適的光源來(lái)對(duì)成型體進(jìn)行照射，而控制構(gòu)成光隔離器的各部分分別達(dá)到所要求的折射率，這樣就完成了光隔離器的制作。當(dāng)光沿著光隔離器的正向傳輸在芯部時(shí)，其不受光柵的阻擋而通過(guò)；但是當(dāng)光沿著光隔離器的反向傳輸在芯部時(shí)，將在光刪處發(fā)生全反射而通過(guò)包層1被放出。結(jié)果是，在光隔離器的芯部的正反向的透過(guò)率產(chǎn)生非常大的差異，從而獲得光隔離特性。
該種傾斜光柵型光隔離器〔100〕的工作原理可以通過(guò)

圖1來(lái)解釋。例如從右側(cè)入射的激光束〔11〕的大部分將不被反射而直接通過(guò)光柵〔103〕，這是因?yàn)榘鼘?的介電常數(shù)較包層1低的緣故，所以對(duì)于從右側(cè)入射的激光束〔11〕而言，光柵只相當(dāng)于一組透鏡。即使有微少一部分被反射的話，也會(huì)被包層2〔105〕重新反射回來(lái)。這是因?yàn)榘鼘?的折射率相對(duì)與芯部〔102〕的折射率低到超過(guò)使被入射到二者界面來(lái)的光發(fā)生全反射所需的臨界值。如此類(lèi)推被包層2所反射的光到達(dá)光柵時(shí)將重復(fù)在這一舉動(dòng)。這樣重復(fù)下去的結(jié)果是，從激光發(fā)射器入射來(lái)的光將全部透過(guò)光隔離器。
另外，從左側(cè)來(lái)的反射光〔12〕幾乎100％在光柵處被反射到包層1〔104〕，作為損耗光〔13〕被放射到外面。這是一方面因?yàn)榘鼘?的折射率相對(duì)與芯部的折射率未達(dá)到足以使從光柵反射來(lái)的光發(fā)生全反射所需的臨界值，另一方面包層1的折射率較包層2的折射率較高所至。微量的光在透過(guò)第一個(gè)光柵面之后，它將會(huì)在第二個(gè)光柵面重復(fù)在第一個(gè)光柵面的舉動(dòng)。如此類(lèi)推，其結(jié)果是從左側(cè)反射來(lái)的光幾乎100％被放射到外部而不能透過(guò)光柵。
就這樣，只要在光波導(dǎo)內(nèi)做一個(gè)傾斜光柵，并對(duì)其各部分的折射率關(guān)系作一些調(diào)整，就可以得到只允許光單向透過(guò)的特性。
這一技術(shù)還可以應(yīng)用到波長(zhǎng)選擇型光耦合器及光分支器等技術(shù)領(lǐng)域。到目前為止有很多不同方法被用來(lái)提高光學(xué)傳輸系統(tǒng)的容量。例如波分多路復(fù)用中傳輸信道多路復(fù)用和多路分用在不同的載波波長(zhǎng)上，以便獲得信息流。其實(shí)質(zhì)就是利用波分多路復(fù)用改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)中光纖的可用波長(zhǎng)的利用率。然而，這一技術(shù)的核心是需要一種能夠提供多路分用和多路復(fù)用光網(wǎng)絡(luò)中的不同光學(xué)載波波長(zhǎng)上的傳輸信道。
關(guān)于總線網(wǎng)絡(luò)或者環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的一種多路復(fù)用方法是增加/撤銷(xiāo)多路復(fù)用，即一個(gè)或多個(gè)位于前述載波波長(zhǎng)上的所謂信息通道被從信息流中撤銷(xiāo)或者增加到信息流中的過(guò)程。而這時(shí)必不可少的光學(xué)器件之一就是波長(zhǎng)選擇型光耦合器及光分支器。關(guān)于現(xiàn)有技術(shù)的光耦合器及光分支器的結(jié)構(gòu)及工作原理，對(duì)于從事這方面工作的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是熟知的，所以在此不再多作說(shuō)明。但是，基于現(xiàn)有的技術(shù)，由于波長(zhǎng)選擇多是通過(guò)外加電場(chǎng)、加熱來(lái)達(dá)到相位控制，或者機(jī)械式手段來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以增加/撤銷(xiāo)信道和傳輸信道功率消耗大成為已有技術(shù)的一個(gè)問(wèn)題。而另一個(gè)問(wèn)題則是如何降低可接受的信道串?dāng)_水平。
從數(shù)學(xué)式(1)至(3)可知，由于光柵的間隔Λ、傾斜角β及其長(zhǎng)度L依賴(lài)于傳輸光的波長(zhǎng)，如果將上述傾斜型光隔離器應(yīng)用到光波長(zhǎng)選擇型光耦合器及光分支器上去的話，可以做成光隔離器，波長(zhǎng)選擇及光耦合/分支器和波導(dǎo)兼有型器件。這樣可以有效地解決現(xiàn)有的技術(shù)問(wèn)題。例如，這可以通過(guò)下述方法來(lái)完成即可以在薄膜上做成兩個(gè)包層1處于對(duì)面排列位置的傾斜光柵型光隔離器，并使該兩個(gè)隔離器位于Y形或者X形波導(dǎo)的內(nèi)部的話，就形成了上面所說(shuō)的光隔離功能兼有的波長(zhǎng)選擇型光耦合器及分支器。如圖2所示，如果想讓射入第一個(gè)光隔離器的波長(zhǎng)為λi的光分離到第二個(gè)光隔離器時(shí)，可以把第一個(gè)光隔離器設(shè)計(jì)得只讓?duì)薸的光反射而其他的波長(zhǎng)的光透過(guò)；而第二個(gè)光隔離器則被設(shè)計(jì)得允許λi的光透過(guò)。這樣當(dāng)λi的光在第一個(gè)光隔離器的光柵處被反射并通過(guò)包層1射出時(shí)，將進(jìn)入第二個(gè)光隔離器的包層1，進(jìn)而進(jìn)入其芯部。當(dāng)然第二個(gè)光隔離器的包層1的折射率最好是等于或者大于第一個(gè)光隔離器的包層1。也可以使兩個(gè)光隔離器共有同一個(gè)包層1。同樣，如果使第二個(gè)光隔離器允許λi的光反射并通過(guò)包層1耦合進(jìn)第一個(gè)光隔離器的話，即本身起到波長(zhǎng)選擇型光耦合器的作用。就是說(shuō)，使用光隔離器的光分支器及光耦合器可以同時(shí)進(jìn)行光耦合和分支。
顯而易見(jiàn)，該種波長(zhǎng)選擇型光分支器及光耦合器在工作時(shí)不消耗任何能量。其最大優(yōu)點(diǎn)還在于可以獲得很低的信道串?dāng)_水平。其理由有通過(guò)對(duì)傾斜光柵的傾斜角、間隔及其長(zhǎng)度的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，光柵的波長(zhǎng)選擇性通?？蛇_(dá)到數(shù)毫微米以?xún)?nèi)，反射效率可以達(dá)到100％。又因光隔離器被做在波導(dǎo)的內(nèi)部，因此省去了很多接口。更主要的是由于采用光隔離器式光耦合器及分支器，實(shí)現(xiàn)了單一器件多功能，不需要另外串接其他的光隔離器也能使其免受光路系統(tǒng)內(nèi)的反射光等雜音干擾。
下面對(duì)本發(fā)明通過(guò)實(shí)施例作進(jìn)一行說(shuō)明。圖1是本發(fā)明的光隔離器的原理說(shuō)明圖。圖2是本發(fā)明的光波長(zhǎng)選擇型光耦合器及光分支器的構(gòu)成圖。圖3是本發(fā)明的一個(gè)處于制作過(guò)程中的光纖型光隔離器的全剖視圖及橫斷面圖。圖4是本發(fā)明的一個(gè)形成傾斜光柵用的照射裝置示意圖。圖5是本發(fā)明的一個(gè)形成包層的照射裝置示意圖。圖6是本發(fā)明的一個(gè)形成傾斜光柵的照射裝置圖。圖7是本發(fā)明的一個(gè)處于制作過(guò)程中的光波導(dǎo)型光隔離器的全剖視圖及橫斷面圖。圖8是本發(fā)明的一個(gè)處于制作過(guò)程中的光波導(dǎo)型光隔離器的全剖視圖及橫斷面圖。
圖中符號(hào)分別是1，激光器；2，聚光鏡；3，分束器；4，反射鏡；5，雙軸移動(dòng)式試樣固定臺(tái)；6，環(huán)形紫外線燈泡；7，導(dǎo)向支架；8，屏膜片；9，紫外線燈泡；10，光柵的傾斜角β；11，入射光；12，反射光；13，損耗光；14，射出光；100，光隔離器；101，光纖或者膜狀等成型體；102，芯部；103，光柵面；104，包層1；105，包層2；106，聚合物膜；107，基板；108，三維光波導(dǎo)。
實(shí)施例1 將相對(duì)與單量體過(guò)量的鈉溶解于四氫環(huán)己酮之后，把二氯環(huán)己基甲基硅甲烷對(duì)二氯甲基苯基硅甲烷以1∶1的分子當(dāng)量比混合后慢慢地滴下后繼續(xù)環(huán)流6個(gè)小時(shí)。之后將聚合物取出進(jìn)行若干次沉淀處理后使其干燥。這樣得到的共聚物的分子量為Mn＝6萬(wàn)。接著將共聚硅化合物在310度下融溶制成直徑為0.15毫米的光纖。再將該光纖浸入55％的對(duì)乙烯苯溶液內(nèi)取出干燥后作為樣品。
照射前的共聚硅化合物的折射率是1.65，照射兩分鐘后其折射率將降低0.04。又設(shè)被傳輸?shù)墓獠ㄩL(zhǎng)λ為1.3微米，包層1的折射率是n1＝1.55，包層2的折射率是n2＝1.53，可計(jì)算出光柵的間隔Λ為0.64微米，其傾斜角β為48.2度。
將光纖〔101〕固定在圖4所示的雙向移動(dòng)式工作臺(tái)〔5〕上之后，將波長(zhǎng)為325毫微米的氦-鎘紫外線激光〔1〕經(jīng)分束器〔3〕分束，再經(jīng)反射鏡〔4〕反射后照射到光纖上。因?yàn)橥ㄟ^(guò)計(jì)算知道要保持穩(wěn)定的隔離度，光柵傾斜角β〔10〕的誤差必須控制在0.2度以下，因此在對(duì)激光發(fā)射光路系統(tǒng)進(jìn)行了精密調(diào)整之后照射了兩分鐘。這樣隨著光纖中被照射部分的Si-Si鍵被切斷，其折射率發(fā)生周期性地下降，而形成圖3a所示的光柵〔103〕。與此同時(shí)，被切斷的Si-Si鍵，又重新與因光照射而生成的二乙烯基苯自由基相結(jié)合而形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
再在形成傾斜光柵的光纖的表面涂上30％的共聚硅化合物的甲基苯溶液，經(jīng)干燥后，固定在圖5a所示的裝置〔5〕上，使用環(huán)形紫外線燈泡〔6〕從四周照射了30秒鐘，如圖3b所示，在光柵的四周形成了包層1〔104〕。這時(shí)原來(lái)的光纖則相當(dāng)于芯部〔102〕而被留下來(lái)。照射時(shí)光纖表面所受到的光能量是50毫瓦/平方厘米，紫外線的中心波長(zhǎng)為315毫微米。接著為了只讓光柵的上部受到照射，將光纖用一留有0.12毫米縫隙的屏膜片〔8〕罩上后，用圖5b的紫外線燈泡〔9〕照射了3分鐘，形成了折射率更低的包層2〔105〕(圖3c)。芯部直徑大約是10微米。
將波長(zhǎng)為1.3微米的半導(dǎo)體激光從光纖型光隔離器〔100〕的右端(圖3)入射時(shí)的損耗是0.45dB，從左側(cè)入射時(shí)的損耗是36dB。就是說(shuō)，從光纖的右端入射的激光的透過(guò)損耗與從相反方向即左側(cè)端面的入射光的透過(guò)損耗相比基本上可以忽視，即具有了隔離特性。其結(jié)果是從半導(dǎo)體激光發(fā)射的光可以通過(guò)光纖，但是其反射光卻不能被傳輸過(guò)來(lái)重新進(jìn)入激光內(nèi)部。實(shí)施例2 將分子量為Mn＝5萬(wàn)的聚甲基苯基硅烷在320度下融溶制成直徑為0.15毫米的光纖。再將該光纖固定在圖6的照射裝置上，使用兩臺(tái)波長(zhǎng)為625毫微米的紅色激光〔1〕對(duì)其照射。為形成圖3a所示的光柵將屏膜片罩在光纖上部。激光光束的直徑由聚光鏡〔2〕聚到10微米之后，為使兩臺(tái)激光光束在光纖的內(nèi)部交叉而從不同的角度進(jìn)行照射。照射時(shí)每隔兩分鐘使光纖相對(duì)與激光沿光纖軸向移動(dòng)0.2毫米。因照射前的聚甲基苯基硅烷的折射率是1.68，照射兩分鐘后其折射率將降低0.05，又設(shè)被傳輸?shù)墓獠ㄩL(zhǎng)λ為1.3微米，按前例的照射條件，其光柵的間隔Λ為0.53微米，光柵的傾斜角β為37.7度。
接著將其固定在圖5a所示的裝置上，使用紫外線燈泡從四周照射了30秒鐘，如圖3b所示，在光柵的四周形成包層1，同時(shí)在其內(nèi)部形成芯部。為了讓光柵的下部受到照射而用屏膜片將其罩上，再用圖5b的照射裝置照射了3分鐘形成了折射率更低的包層2(圖3c)。用波長(zhǎng)為1.3微米的激光對(duì)該光纖型光隔離器進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果是正向損耗是0.5dB，反向損耗是34dB。實(shí)施例3 在實(shí)施例2做成的聚甲基苯基硅烷光纖表面涂上一層聚偏二氟乙烯(分子量Mn＝53萬(wàn))。由于聚偏二氟乙烯在紫外光譜范圍內(nèi)沒(méi)有吸收，所以并不防礙使用紫外光照射在成型體內(nèi)部形成光柵。再者，因聚偏二氟乙烯的折射率為1.42，比聚甲基苯基硅烷的1.68小很多，可以直接用作包層。
將該光纖固定在圖4的照射裝置上，光柵的間隔Λ為0.46微米，光柵的傾斜角β為20.6度。使用波長(zhǎng)為325毫微米的氦-鎘紫外線激光對(duì)其照射兩分鐘。接著將其固定在圖5b所示的裝置上，為了只讓光柵的下部受到照射而用屏膜片將其它部分罩上后照射了10分鐘被照射部分的折射率為1.51，而形成了包層1(圖3c)。用波長(zhǎng)為1.3微米的激光對(duì)該光纖型光隔離器進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果是正向損耗是0.34dB，反向損耗是37dB。實(shí)施例4 將連萘酚溶解于四氫環(huán)己酮之后，把異丁烯酸氯脂維持在零度慢慢地滴下后，繼續(xù)在室溫下攪拌24個(gè)小時(shí)。經(jīng)水洗，將單量體精制后施以自由基聚合得到了分子量為Mn＝33萬(wàn)的聚異丁烯酸連萘酚脂。其折射率為1.57。將該聚合物在330度下融溶制成直徑為0.15毫米的光纖。將該光纖固定在圖4的照射裝置上，使用波長(zhǎng)為325毫微米的氦-鎘紫外線激光對(duì)其照射了兩分鐘，使其形成圖3a所示的光柵。這種情況是被照射部分的立體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化而導(dǎo)致其折射率下降進(jìn)而形成光柵。再在形成傾斜光柵的光纖的表面涂上30％的聚甲基丙烯甲基脂(折射率為1.49)溶液干燥后固定在圖5b所示的裝置上，為了只讓光柵的下部受到照射，而用屏膜片將其它部分罩上后照射了2分鐘。被照射部分的折射率上升為1.5而形成了包層1(圖3c)。因上部的折射率不變故相當(dāng)于包層2。
該實(shí)施例使用的聚異丁烯酸聯(lián)萘酚脂的折射率為1.57，照射1分鐘其變化量為0.05。實(shí)際上作為包層2的是聚甲基異丁烯甲基脂，因此光柵的間隔Λ為0.5微米，光柵的傾斜角β為29.9度。用波長(zhǎng)為1.3微米的激光對(duì)該光纖型光隔離器進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果是正向損耗是1.65dB，反向損耗是25dB。實(shí)施例5 在聚三氟代甲基聚丙烯酸脂的支鏈上接入α-二甲基氨基苯基-N-苯基黃硝，得到分子量為Mn＝23萬(wàn)的高聚物。其折射率為1.54。將該聚合物在280度下融溶制成直徑為0.15毫米的光纖。
使用實(shí)施例1同樣的裝置，光柵的間隔Λ為0.5微米，光柵的傾斜角β為25度，照射了1分鐘。接著將其固定在圖5b所示的裝置上，為了只讓光柵的上部受到照射，而將光纖用一留有0.12毫米縫隙的屏膜片罩上后，照射3分鐘使其形成了折射率更低的包層2(圖3c)。對(duì)該光纖型光隔離器使用波長(zhǎng)1.3微米的激光進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果是正向損耗為0.47dB，反向損耗為32dB。實(shí)施例6 為制作多摸用光隔離器，將聚甲基苯基硅烷在320度下融溶制成直徑為0.25毫米的光纖。再將該光纖固定在圖4的照射裝置上，因傳輸光波長(zhǎng)為0.65微米，所以其光柵的間隔Λ為0.24微米，光柵的傾斜角β為33.2度。為了減少其折射率的變化量照射時(shí)間短縮為50秒鐘其折射率將降低0.03。
接著將其固定在圖5a所示的裝置上，使用紫外線燈泡從四周照射。如圖3b所示，在光柵的四周形成包層1，在其內(nèi)部形成芯部。為了減少模數(shù)故須將折射率的差控制在最小范圍內(nèi)所以只照射了50秒鐘。在這個(gè)條件下包層1的折射率為1.61。而后用屏膜片將光柵的下部罩上，用圖5b的照射裝置照射了3分鐘，形成了折射率更低的包層2(圖3c)。芯部直徑為50微米。使用波長(zhǎng)為0.65微米的半導(dǎo)體發(fā)光二極管直接從該光纖型光隔離器的端部入射。進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果是正向損耗是0.8dB，反向損耗是25dB。這個(gè)結(jié)果說(shuō)明，利用本技術(shù)可以很簡(jiǎn)單地生產(chǎn)出多摸用光隔離器。就是說(shuō)通過(guò)控制光照射時(shí)間，如果將其芯部做到10微米以下的話，可作為單模用光隔離器；如果短縮照射時(shí)間則可以將其芯部做到數(shù)十微米，而形成多摸用光隔離器。另外，為了保證多摸用光隔離器的隔離效果，可以使芯部與包層間的折射率差盡可能地小。一般地將折射率差控制在1％以下的話，可以有效地減少模數(shù)。
光波導(dǎo)型光隔離器的情況也一樣，即如果將膜的厚度做到10微米以下的話，即使波導(dǎo)的幅度寬點(diǎn)也同樣作為單模光隔離器來(lái)使用。如果將膜厚做到數(shù)十微米以上時(shí)，則可以形成多摸用光隔離器。實(shí)施例7 將聚甲基苯基硅烷溶解于甲基苯后把不溶物瀘除后得到濃度為30％的溶液。接著將該溶液與55％的對(duì)二乙烯苯溶液按聚甲基苯基硅烷比對(duì)二乙烯苯為50∶1的比例混和后，使用旋涂法在折射率為1.56的玻璃〔107〕上做成厚度為7微米的薄膜〔106〕。將該薄膜固定在圖4的照射裝置上，調(diào)整其光柵的間隔Λ為0.49微米，傾斜角β為31.8度。因要把光柵做在膜的中間部分，所以用屏膜片將其他部分罩上后再照射兩分鐘形成了圖7a所示的光柵。接著為了只讓光柵的兩側(cè)受到照射，而換用另一種屏膜片將光柵罩上又照射了30秒鐘形成圖7b所示的光波導(dǎo)。
在形成的光波導(dǎo)的表面上，重新將上述制備的聚硅化合物溶液旋涂為3微米厚的薄層(圖7c)。對(duì)整個(gè)薄層照射了30秒鐘形成了如圖7d所示的三維光波導(dǎo)〔108〕。其下部的玻璃基板則相當(dāng)于包層2，所以這樣做成的三維波導(dǎo)型光隔離器與上述的光纖型光隔離器具有同樣的隔離效果。對(duì)該三維波導(dǎo)型光隔離器使用波長(zhǎng)為1.3微米的半導(dǎo)體激光進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果是從圖7的左端(正向)入射時(shí)的損耗是0.45dB，從右端(反向)入射時(shí)的損耗是36dB。實(shí)施例8 將在實(shí)施例7所制備的聚甲基苯基硅烷溶液使用旋涂法在折射率為1.51的聚乙烯基板上做成厚度為7微米的薄膜，又在薄膜上面貼上一枚聚偏二氟乙烯制的薄板。將該三層結(jié)構(gòu)膜固定在圖4的照射裝置上，按照實(shí)施例7的方法基于同樣的條件照射兩分鐘而形成了圖7a所示的光柵。
接著用屏膜片將光柵罩上，對(duì)其兩側(cè)照射了90秒鐘，使被照射部分的折射率變?yōu)?.51。由于聚乙烯及聚偏二氟乙烯的折射率不會(huì)因?yàn)楣庹丈涠兓?，結(jié)果只是聚甲基苯基硅烷的折射率降低，所以形成圖7d所示的三維光波導(dǎo)。其下部的聚乙烯基板則相當(dāng)于包層1，而上部的聚偏二氟乙烯基板則相當(dāng)于包層2，所以這樣做成的三維波導(dǎo)型光隔離器與上述的光纖型光隔離器具有同樣的隔離效果。對(duì)該波導(dǎo)型光隔離器使用波長(zhǎng)為1.3微米的半導(dǎo)體激光進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果是從圖7的右端(正向)入射時(shí)，其損耗是0.8dB，從左端(反向)入射時(shí)，其損耗是28dB。實(shí)施例9 將分子量為2萬(wàn)的聚甲基苯基硅烷按1∶1的比例與聚甲基丙烯酸甲基脂混溶，其折射率為1.58。然后旋涂在折射率為1.51的聚乙烯基板上做成厚度為7微米的薄膜，又在薄膜上面貼上一枚聚偏二氟乙烯制的薄板。按實(shí)施例8的條件制成了光隔離器。用波長(zhǎng)為1.3微米的激光對(duì)該波導(dǎo)型光隔離器進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果是正向損耗是0.55dB，反向損耗是24dB。
實(shí)驗(yàn)證明，聚丙烯酸脂類(lèi)高聚物均可以與聚甲基苯基硅烷以任意的比例混和。不僅如此，化學(xué)結(jié)構(gòu)式1至4所示的聚硅化合物均同樣可以與聚丙烯酸脂類(lèi)相混和。例如聚甲基苯基硅烷對(duì)聚甲基丙烯酸甲基脂的比例一般地來(lái)說(shuō)在1∶9至9∶1之間均可以獲得理想的效果。聚硅化合物和聚丙烯酸脂類(lèi)高聚物的混和不限于溶液，在熔融的條件下也同樣可以混和。例如，將聚甲基苯基硅烷和聚甲基丙烯酸甲基脂在320度至330度的條件下熔融之后可以拉成光纖或者澆鑄成型為板材。實(shí)施例10 用澆鑄成型法將聚甲基苯基硅烷成型在折射率為1.61的玻璃板上做成厚度為100微米的膜層，又在上面貼上一層折射率為1.59的聚苯乙烯制的薄板。作為多摸用光隔離器時(shí)傳輸光的波長(zhǎng)為0.65微米，其光柵的間隔Λ的計(jì)算值為0.24微米，光柵的傾斜角β則為32.7度。將該三層結(jié)構(gòu)膜固定在圖4的照射裝置上，按實(shí)施例8的方法照射形成了圖7a所示的光柵。不過(guò)這里為了減少其折射率的變化量照射時(shí)間短縮為30秒。接著用屏膜片將光柵罩上通過(guò)玻璃板又對(duì)聚硅化合物照射了50秒鐘使被照射部分的折射率恰好降為1.61。折射率的差被控制在此范圍內(nèi)可以有效地減少模數(shù)。使波長(zhǎng)為0.65微米的半導(dǎo)體發(fā)光二極管直接從波導(dǎo)型光隔離器的端部入射。進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果是從圖7的右端(正向)入射時(shí)的損耗是1.2dB，從左端(反向)入射時(shí)的損耗是25dB。該結(jié)果證明利用本技術(shù)可以很簡(jiǎn)單地生產(chǎn)出多摸用光波導(dǎo)型光隔離器。實(shí)施例11 用澆鑄成型法將聚甲基苯基硅烷成形為1毫米厚的膜，并將其固定在圖6的照射裝置上，按實(shí)施例9的方法照射形成了圖7a所示的光柵。接著沿著垂直于紙面的方向(圖7)在光柵的兩側(cè)面分別照射5分鐘后，又順次從薄膜的上面照射了5分鐘，從其下面照射了3分鐘形成了截面寬為50微米，高為50微米的芯部。使用波長(zhǎng)為0.65微米的半導(dǎo)體發(fā)光二極管直接從該波導(dǎo)型光隔離器的端部入射。進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果是從圖7的右端(正向)入射時(shí)的損耗是0.6dB，從左端(反向)入射時(shí)的損耗是28dB。實(shí)施例12 用澆鑄成型法將聚甲基苯基硅烷在折射率為1.61的玻璃基板上做成厚度為10微米厚的膜。將膜固定在圖6的照射裝置上，按實(shí)施例10的方法照射形成了圖7a所示的光柵。接著在光柵的上面蓋上屏膜片對(duì)其兩側(cè)照射了50秒鐘使被照射部分的折射率恰好降為1.61。然后將其封入玻璃制長(zhǎng)方形容器內(nèi)做成光波導(dǎo)型光隔離器。這時(shí)波導(dǎo)上面的空氣層相當(dāng)于包層2。使用波長(zhǎng)為1.3微米的激光對(duì)該光隔離器進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果是從圖7的右端(正向)入射時(shí)的損耗是0.5dB，從左端(反向)入射時(shí)的損耗是31dB。實(shí)施例13 將聚甲基苯基硅烷溶液使用旋涂法在折射率為1.56的聚碳酸脂制基板上做成厚度為10微米的薄膜，又在薄膜上面貼上另一枚聚碳酸脂制的薄板。然后如圖8所示，沿著與紙面垂直方向?qū)υ撊龑咏Y(jié)構(gòu)膜進(jìn)行照射，形成了圖8a所示的光柵。接著照射光柵的下部使其被照射部分的折射率變?yōu)?.56，然后照射光柵的上部使被照射部分的折射率變化至1.53形成圖8b所示的三維光波導(dǎo)。這時(shí)的光柵上部相當(dāng)于包層2，而光柵的其它外圍部分則相當(dāng)于包層1。對(duì)該波導(dǎo)型光隔離器使用波長(zhǎng)為1.3微米的半導(dǎo)體激光進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果是從圖1的右端(正向)入射時(shí)的損耗是0.5dB，從左端(反向)入射時(shí)的損耗是28dB。
這里如果將屏膜片的光柵做成遮光構(gòu)造，而其他部分做成透光構(gòu)造的話，則傾斜光柵和包層1可以做到一次成形。實(shí)施例14 對(duì)在實(shí)施例13中做成的薄膜按同樣的條件，沿著圖8所示的與紙面垂直方向照射，形成了圖2所示的兩個(gè)光隔離器。兩光隔離器的包層1對(duì)面排列。二者間的距離為1毫米。其中下面一個(gè)光隔離器的折射率較上面一個(gè)高0.005。位于上面的光隔離器只允許波長(zhǎng)為0.85微米以外的光波通過(guò)；而位于下面的光隔離器則允許波長(zhǎng)為0.85微米的光波通過(guò)。將波長(zhǎng)分別為1.55、1.3、0.85微米的光同時(shí)從位于上面的光隔離器的左端射入時(shí)，在下面的光隔離器的右端觀察到了0.85微米的射出光。這說(shuō)明該組合器件具備波長(zhǎng)選擇及光分支功能。
當(dāng)然，同樣也可以做成波長(zhǎng)選擇型光耦合器。另外，如果將兩個(gè)光纖型光隔離器按所要求方式排列的話，同樣可以制成波長(zhǎng)選擇型光分支器或光耦合器。
必須強(qiáng)調(diào)的是作為光隔離器的光刪面和光傳輸方向間的夾角β一般地來(lái)說(shuō)在0至90度間。如果設(shè)計(jì)成90度的話，這樣的元件也可以用作波長(zhǎng)過(guò)濾器、或者與適當(dāng)?shù)钠骷?，例如與光刪型光隔離器組合成光分支器、光偶合器等。這種情況下，包層1及包層2可以有相同的折射率，也可以具有不同的折射率。但是無(wú)論是光纖型還是光波導(dǎo)型，包層1的折射率必須小于芯部及光刪面的折射率。實(shí)施例15 將分子量為2萬(wàn)的聚甲基苯基硅烷按1∶1的比例與聚甲基丙烯酸甲基脂混溶成折射率為1.58的溶液。用旋涂法將該溶液涂布于折射率為1.49的聚甲基丙烯酸甲基脂至基板上之后，再在上面壓上另一塊聚甲基丙烯酸甲基脂至基板后供使用。首先將刻有直角光刪的屏膜片蓋在成型體上面，使光束垂直于成型體的表面進(jìn)行照射，這樣形成一個(gè)傾角β為90度的直角光刪。而后對(duì)該光刪的兩側(cè)實(shí)施光照射到其折射率降到1.49為止，形成第一個(gè)三維波導(dǎo)型光刪。該三維波導(dǎo)型光刪只允許波長(zhǎng)為1.55微米的光透過(guò)。
接著在距離第一個(gè)波導(dǎo)1毫米處，按實(shí)施例13的方法制作了一個(gè)光傳輸方向與前者互相平行的傾斜光刪型光隔離器，位于其波導(dǎo)內(nèi)的光柵的間隔Λ為0.5微米，傾斜角β為30度。該光隔離器可以允許波長(zhǎng)為1.3微米的光透過(guò)。將波長(zhǎng)分別為1.55、1.3微米的光同時(shí)射入具有直角光刪的波導(dǎo)時(shí)，在其射出端只觀測(cè)到1.55微米的光；而在光隔離器的射出端觀察到了1.3微米的光。這說(shuō)明該組合器件具備波長(zhǎng)選擇及光分支功能。
這里所介紹的實(shí)施例僅僅是所做實(shí)驗(yàn)的一部分，但已足夠說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)特征。即使對(duì)本發(fā)明所開(kāi)示的技術(shù)及所涉及的材料等作一些修正或者改良都將被視為是對(duì)本發(fā)明權(quán)利的侵犯。
如上所述，本發(fā)明只要對(duì)纖維狀，薄膜狀或板狀等其他形狀的成型體施以光照射先在其內(nèi)部形成一個(gè)由構(gòu)成光隔離器的芯部、包層1、包層2及光柵的折射率所決定的，光柵的間隔為Λ、傾斜角為β的光柵。接著用光照射成型體的表面使它們的折射率滿足芯部＞光柵面＞包層1＞包層2這一關(guān)系的同時(shí)，形成一組折射率為非軸對(duì)稱(chēng)的包層1和包層2。當(dāng)光由正向傳輸在這樣形成的光隔離器的芯部時(shí)將不會(huì)被反射而直接通過(guò)光柵；反方向時(shí)則被光柵反射后經(jīng)包層1放射到外部去。結(jié)果是在光波導(dǎo)正向及反向的光透過(guò)系數(shù)產(chǎn)生極大地差異從而得到只允許光單向傳輸?shù)奶匦浴?br> 使用本發(fā)明的技術(shù)，不必使用磁性結(jié)晶體及磁鐵石，起偏器等而只要在整個(gè)制作過(guò)程中按所定的條件，對(duì)含有折射率為光可誘變物質(zhì)的聚合物成型體實(shí)施光照射就可以完成，所以不僅制造法簡(jiǎn)單利于大量生產(chǎn)，且形成的光隔離器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于使用，成本低。再者，由于光刪、芯部、包層均是由同一材料同一成型體構(gòu)成，所以可以防止因溫度變化而產(chǎn)生的材料膨脹，及因與其他器件間的聯(lián)結(jié)所產(chǎn)生的雜音，從而提高產(chǎn)品性能及其穩(wěn)定性。
以往的光隔離器只能用于單模，并且由于磁性晶石等材料的光學(xué)性能，成本等原因所限，能使用于可見(jiàn)光范圍內(nèi)的光隔離器幾乎沒(méi)有。其應(yīng)用范圍只局限于單模通信及半導(dǎo)體激光發(fā)射系統(tǒng)，其所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)范圍一般在0.85微米至1.55微米之間。例如，多摸通訊領(lǐng)域及使用可見(jiàn)光發(fā)光體的測(cè)試系統(tǒng)、辦公機(jī)器、儀器、家庭用電氣制品等方面則不能使用。但是，由于本發(fā)明的技術(shù)特征是對(duì)聚合物成型體按所定的條件只須實(shí)施光照射就可以制成光隔離器，只要選擇合適的聚合物，不僅單模用光隔離器，同樣多摸用光隔離器也可以很方便地制作出來(lái)。因此本發(fā)明可以提供的光隔離器涉及到包括紫外光波長(zhǎng)以上的各種波長(zhǎng)的激光，半導(dǎo)體發(fā)光二極管作光源的幾乎所有發(fā)射系統(tǒng)，通訊系統(tǒng)及其他各種領(lǐng)域。
應(yīng)用本發(fā)明的技術(shù)，因傾斜光刪的長(zhǎng)度通常在1毫米以下就可以得到足夠的隔離效果，故可以提供多種微型的光纖型及光波導(dǎo)型光隔離器。因此，在光網(wǎng)絡(luò)的組建上必不可少的二維及三維光集成線路例如波分多路復(fù)用器件、波長(zhǎng)過(guò)濾器、光分支器、光偶合器等關(guān)鍵器件的一體化及微型化，及該類(lèi)器件和周?chē)骷鐐鬏斢玫墓饫w、終端器件等的聯(lián)結(jié)變得容易，因此不僅可提升各器件間的協(xié)調(diào)性，而且可以減少因器件間的聯(lián)結(jié)所帶來(lái)的損耗。
權(quán)利要求
1.一種光纖型光隔離器的制造法，其特征在于包括使經(jīng)過(guò)分束的光束對(duì)折射率為n0的聚合物成型體照射，誘發(fā)被照射部位的折射率產(chǎn)生周期性地變化Δn，進(jìn)而形成一個(gè)與其光傳輸方向形成一傾角為β、周期為Λ的光柵的工程1；及對(duì)上述成型體的表面進(jìn)行光照射，從而使其至前記工程1所形成的光柵為止的被照射部位的折射率變化至n1，在形成包層1的同時(shí)，再在其內(nèi)部形成折射率為n0的芯部的工程2；及對(duì)上述成型體的部分表面進(jìn)行光照射，使其至前記工程1所形成的光柵為止的被照射部位的折射率進(jìn)一步變化至n2，進(jìn)而形成折射率與包層1為非軸對(duì)稱(chēng)的包層2的工程3。
2.一種光纖型光隔離器的制造法，其特征在于包括將波長(zhǎng)在成型體的光譜范圍以外的光源經(jīng)分束后的兩束光對(duì)折射率為n0的聚合物成型體實(shí)施交叉照射，誘發(fā)其被交叉照射部位的折射率產(chǎn)生周期性地變化Δn，進(jìn)而形成一個(gè)與其光傳輸方向形成一傾角為β、周期為Λ的光柵的工程1；及將波長(zhǎng)在成型體的光譜范圍以?xún)?nèi)的光對(duì)上述成型體的表面進(jìn)行照射，從而使其至前記工程1所形成的光柵為止的被照射部位的折射率變化至n1，而在形成包層1的同時(shí)，在其內(nèi)部形成折射率為n0的芯部的工程2；及將波長(zhǎng)在成型體的光譜范圍以?xún)?nèi)的光對(duì)上述成型體的部分表面進(jìn)行光照射，從而使其至前記工程1所形成的光柵為止的被照射部位的折射率進(jìn)一步變化至n2，進(jìn)而形成折射率與包層1為非軸對(duì)稱(chēng)的包層2的工程3。
3.一種光纖型光隔離器的制造法，其特征在于包括使經(jīng)過(guò)分束的光束對(duì)折射率為n0的聚合物成型體照射，誘發(fā)其內(nèi)部的被照射部位的折射率產(chǎn)生周期性地變化Δn，進(jìn)而形成一個(gè)與其光傳輸方向形成一傾角為β、周期為Λ的光柵的工程1；及將含聚合物的涂液涂布于上述成型體外表面的工程2，及對(duì)經(jīng)涂層處理的成型體的表面進(jìn)行光照射，從而使其至前記工程1所形成的光柵為止的被照射部位的折射率變化至n1，在形成包層1的同時(shí)，并在其內(nèi)部形成折射率為n0的芯部的工程3，及對(duì)上述經(jīng)涂布處理的成型體的部分表面進(jìn)行光照射，從而使其至前記工程1所形成的光柵為止的被照射部位的折射率進(jìn)一步變化至n2，進(jìn)而形成折射率與包層1為非軸對(duì)稱(chēng)的包層2的工程4。
4.具有權(quán)利要求1至權(quán)利要求3的任一項(xiàng)所記述的制造工程為特征的光波導(dǎo)型光隔離器的制造法。
5.一種光波導(dǎo)型光隔離器的制造法，其特征為將折射率為n0的聚合物成型在折射率為n1的基板上的工程1；及沿著與成型體的表平面成β角度方向進(jìn)行光照射，誘發(fā)被照射的聚合物的折射率產(chǎn)生周期性地變化Δn，進(jìn)而形成一個(gè)與其光傳輸方向形成一傾角為β、周期為Λ的光柵的工程2；及對(duì)位于光刪兩側(cè)的成型體進(jìn)行光照射，使被照射的聚合物的折射率變化至n1，形成包層1的工程3；及對(duì)平行于基板的成型體表面進(jìn)行光照射，使被照射的聚合物的折射率進(jìn)一步變化至n2，進(jìn)而形成折射率與包層1為非對(duì)稱(chēng)的包層2的同時(shí)，并形成折射率為n0的三維波導(dǎo)的工程4。
6.一種光波導(dǎo)型光隔離器的制造法，其特征為將折射率為n0的聚合物成型在折射率為n1的兩層基板之間的工程1；及沿著與成型體的表平面垂直的方向進(jìn)行光照射，誘發(fā)被照射的聚合物的折射率產(chǎn)生周期性地變化Δn，進(jìn)而形成一個(gè)與其光傳輸方向形成一傾角為β、周期為Λ的、且光刪面垂直于成型體表平面的光柵的工程2；及對(duì)位于光刪一側(cè)的成型體進(jìn)行光照射，使被照射的聚合物的折射率變化至n1，形成包層1的工程3；及對(duì)位于光刪另一側(cè)的成型體進(jìn)行光照射，使被照射的聚合物的折射率進(jìn)一步變化至n2，進(jìn)而形成折射率與包層1為非對(duì)稱(chēng)的包層2的同時(shí)，并形成折射率為n0的三維波導(dǎo)的工程4。
7.一種光波導(dǎo)型光隔離器的制造法，其特征為將折射率為n0的聚合物成型在折射率分別為n1及n2的兩層基板之間的工程1；沿著與成型體的表平面成β角度方向進(jìn)行光照射，誘發(fā)被照射的聚合物的折射率產(chǎn)生周期性地變化Δn，進(jìn)而形成一個(gè)與其光傳輸方向形成一傾角為β、周期為Λ的光柵的工程2；及對(duì)位于光刪兩側(cè)的成型體進(jìn)行光照射，使被照射的聚合物的折射率變化至n1，進(jìn)而形成折射率與包層2為非對(duì)稱(chēng)的包層1的同時(shí)，并形成折射率為n0的三維波導(dǎo)的工程3。
8.在前記傾斜光柵型光隔離器的制造工程中，使用的光源為含于聚合物成型體內(nèi)的、欲以光照射來(lái)誘發(fā)其折射率產(chǎn)生變化的物質(zhì)的吸收光譜的最大波長(zhǎng)的二倍或二倍以上的波長(zhǎng)、且具有權(quán)利要求1至權(quán)利要求7中所記述的任一特征的傾斜光柵型光隔離器的制造法。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至權(quán)利要求8的傾斜光柵型光隔離器，其特征為芯部、光柵面、包層1及包層2的折射率分別為n0、nr、n1及n2、在滿足n0＞nr＞n1＞n2的同時(shí)，其光刪間隔Λ能滿足Λ2＝λ2(nr-n1)/〔n1(nr2-n22)〕；同時(shí)光柵面和光傳輸方向所成的夾角β能滿足cosβ＝〔Λ2(nr2-n22)+λ2〕/(2λΛnr)(λ為被傳輸?shù)墓獠ㄩL(zhǎng)，)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至權(quán)利要求9的傾斜光柵型光隔離器，其特征為所使用的成型體至少含有一種主鏈以及/或者支鏈的全部或者一部分含有Si-Si鍵或者Si-C鍵的聚合物。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至權(quán)利要求9的傾斜光柵型光隔離器，其特征為所使用的成型體是以一種聚合物為主，另外至少摻入一種以上的可用光照射來(lái)誘發(fā)其折射率產(chǎn)生變化的高聚物、齊聚物，或者低分子化合物，無(wú)機(jī)物微粒子所構(gòu)成。
12.一種光纖型及光波導(dǎo)型光刪的制造法，其特征為具有權(quán)利要求1至權(quán)利要求8中所記述的任一照射方法對(duì)含折射率為n0的聚合物的成型體進(jìn)行照射，誘發(fā)其內(nèi)部的被照射部位的折射率產(chǎn)生周期性地變化Δn，進(jìn)而形成一個(gè)與其光傳輸方向形成一傾角為90度、周期為Λ的光柵的工程1；及對(duì)成型體的表面進(jìn)行光照射，從而使其至前記工程1所形成的光柵為止的被照射部位的折射率變化至n1，在形成包層1的同時(shí)，并在其內(nèi)部形成折射率為n0的芯部的工程2。
13.一種波長(zhǎng)選擇型光分支器及光耦合器的制造法，其特征為1，按權(quán)利要求1至權(quán)利要求8的任一項(xiàng)中所記述的制造工程，在含折射率為n0的聚合物的成型體內(nèi)制造一個(gè)在芯部含有傾角為0＜β＜90度、周期為Λ的光刪的光纖型或者波導(dǎo)型光隔離器；2，按權(quán)利要求1至權(quán)利要求8的任一項(xiàng)中所記述的制造工程，在同一成型體內(nèi)制造一個(gè)在芯部含有傾角為0＜β＜90度、周期為Λ的光刪的光纖型或者波導(dǎo)型光隔離器，并且二者以適當(dāng)間隔互相沿光傳輸方向平行排列。
14.一種波長(zhǎng)選擇型光分支器及光耦合器的制造法，其特征為1，按權(quán)利要求1至權(quán)利要求8的任一項(xiàng)中所記述的制造工程，在含折射率為n0的聚合物的成型體內(nèi)制造一個(gè)在芯部含有傾角為90度、周期為Λ的光纖型或者波導(dǎo)型光柵；2，按權(quán)利要求1至權(quán)利要求8的任一項(xiàng)中所記述的制造工程，在同一成型體內(nèi)制造一個(gè)在芯部含有傾角為0＜β＜90度、周期為Λ的光刪的光纖型或者波導(dǎo)型光隔離器，并且二者以適當(dāng)間隔互相沿光傳輸方向平行排列。
15.根據(jù)權(quán)利要求13至權(quán)利要求14的波長(zhǎng)選擇型光分支器及光耦合器。
16.波長(zhǎng)選擇型光分支器及光耦合器，其特征為至少含有任意一個(gè)以上根據(jù)權(quán)利要求1至權(quán)利要求11的光隔離器，并沿著光傳輸方向互相平行排列。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供一種不使用磁性結(jié)晶等無(wú)機(jī)材料,而使用聚合物的隔離度高、構(gòu)造簡(jiǎn)單、廉價(jià)的光隔離器及利于量產(chǎn)的制造方法。本發(fā)明的技術(shù)特征是對(duì)聚合物成型體實(shí)施光照射,誘發(fā)其內(nèi)部被照射部位的折射率發(fā)生周期性地變化,進(jìn)而形成一個(gè)光柵面與其光傳輸方向間的夾角為β、周期為A的光柵之后,再對(duì)上述聚合物成型體實(shí)施光照射,在外側(cè)形成一折射率為非軸對(duì)稱(chēng)性包層,且光隔離器的各組成部分的折射率滿足關(guān)系式:芯部>光柵面>包層1>包層2。
文檔編號(hào)G02B6/34GK1373373SQ01109388
公開(kāi)日2002年10月9日 申請(qǐng)日期2001年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月6日
發(fā)明者郝明 申請(qǐng)人:郝明