專利名稱：包括提供核心及覆層折射率匹配的折射率匹配彈性固體層的可重復(fù)光學(xué)波導(dǎo)互連及相關(guān)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)波導(dǎo)及光纖領(lǐng)域，且更明確地說，涉及光纖連接器、波導(dǎo)裝置及相關(guān)方法。
背景技術(shù)：
光纖通常在電信中用于短距離及長(zhǎng)距離傳送數(shù)據(jù)信號(hào)。與其它通信媒體(例如金屬線)相比，光纖的優(yōu)點(diǎn)在于信號(hào)以較低損耗沿其行進(jìn)，且信號(hào)還較少受到電磁干擾。光纖還具有極高帶寬(即，數(shù)據(jù)速率)。光纖還可用于照明，且可包裹成束狀并用以載運(yùn)圖像，例如在光纖相機(jī)中。光纖還可用于其它應(yīng)用中，例如傳感器及激光。然而，光纖的一個(gè)缺點(diǎn)在于與導(dǎo)線導(dǎo)體相比其較難耦合在一起，原因在于連接點(diǎn)處的不連續(xù)可導(dǎo)致光反射及光損耗，從而顯著降低信號(hào)質(zhì)量。一種接合光纖的方法是使用機(jī)械熔接機(jī)，其將兩個(gè)光纖末端對(duì)準(zhǔn)且熔合在一起。雖然此方法在光纖之間提供損耗極低的連接，但熔合耦合器通常極為昂貴，且因此對(duì)于許多實(shí)施方案來說并不實(shí)用。熔接機(jī)形成永久性連接且較不適用于臨時(shí)拼接或?qū)⒁蔀榕R時(shí)或動(dòng)態(tài)的其它連接。一些光學(xué)界面中所使用的另一種方法是應(yīng)用折射率匹配的材料，例如液體或凝膠。雖然此類材料一般可經(jīng)調(diào)配以與光學(xué)介質(zhì)的折射率匹配，但可能因折射率匹配的材料的遷移及非所要區(qū)域中的污染而出現(xiàn)問題。此外，此類材料有吸引塵埃的傾向，且一旦受污染，通常難以清潔。吉莉安(Gilliand)等人的第5，778，127號(hào)美國(guó)專利揭示一種光學(xué)收發(fā)器設(shè)備，其具有外殼，所述外殼包括與透鏡對(duì)準(zhǔn)的二極管封裝且具有注入其間的光學(xué)填料組合物。光學(xué)填料組合物包含可用作折射率匹配元件的硅酮彈性體，作為定位及鎖定構(gòu)件或光學(xué)衰減器。用于光纖連接器或終端的其它示范性方法闡述于以下參考文獻(xiàn)中金(King)等人的第5，619，610號(hào)美國(guó)專利；奧琳(Olin)等人的第5，515，465號(hào)美國(guó)專利；小阿羅伊西奧(Aloisio, Jr.)等人的第6，501，900號(hào)美國(guó)專利；費(fèi)拉斯(Filas)等人的第6，097，873號(hào)美國(guó)專利；及寇克(Corke)等人的第5，058，983號(hào)美國(guó)專利。

發(fā)明內(nèi)容
因此，鑒于以上背景技術(shù)，本發(fā)明的目標(biāo)是提供實(shí)現(xiàn)光學(xué)波導(dǎo)之間的成本較低且可重復(fù)的互連的系統(tǒng)及相關(guān)方法。通過可重復(fù)光學(xué)波導(dǎo)互連提供這個(gè)及其它目標(biāo)、特征及優(yōu)點(diǎn)，所述互連可包括具有相應(yīng)第一及第二端面的第一及第二光學(xué)波導(dǎo)。第一及第二光學(xué)波導(dǎo)中的每一者可包括具有核心折射率的核心及圍繞所述核心且具有與核心折射率不同的覆層折射率的覆層。互連可進(jìn)一步包括第一折射率匹配彈性固體層，其具有耦合到第一端面的近端面及與近端面相對(duì)以便可重復(fù)地以光學(xué)方式耦合到第二端面的遠(yuǎn)端面。所述第一折射率匹配彈性固體層可具有與核心及覆層的折射率匹配的折射率分布曲線?？芍貜?fù)光學(xué)波導(dǎo)互連因此提供一種用于將光學(xué)波導(dǎo)可重復(fù)地耦合在一起的相對(duì)持久且低成本的方法。更明確地說，近端面可以化學(xué)方式結(jié)合到第一端面，且遠(yuǎn)端面具有低粘性。第一折射率匹配彈性固體層的低粘性遠(yuǎn)端面可具有在抵靠著第二端面按壓時(shí)與所述第二端面界定沒有氣穴的濕潤(rùn)界面的表面性質(zhì)。此外，互連可進(jìn)一步包括第二折射率匹配彈性固體層，所述第二折射率匹配彈性固體層具有以化學(xué)方式結(jié)合到第二端面的近端面，及與近端面相對(duì)以便可重復(fù)地以光學(xué)方式及以機(jī)械方式耦合到第一折射率匹配彈性固體層的低粘性遠(yuǎn)端面的低粘性遠(yuǎn)端面。舉例來說，第一折射率匹配彈性固體層可包含丙烯酸酯聚合物。第一端面可與第一光學(xué)波導(dǎo)的軸線的垂直線成傾斜角度，且第一折射率匹配彈性固體層可具有均勻厚度且與所述傾斜角度匹配。同時(shí)，第一折射率匹配彈性固體層可包含具有在所需工作波長(zhǎng)下與核心匹配的第一折射率的中心區(qū)及圍繞所述核心且具有在所需工作波長(zhǎng)下與覆層匹配的第二折射率的區(qū)。明確地說，第一折射率匹配彈性固體層還可包含具有在所需工作波長(zhǎng)下與核心匹配的第一梯度折射率的中心區(qū)及圍繞所述核心且具有在所需工作波長(zhǎng)下與覆層匹配的第二折射率的區(qū)。在一些實(shí)施例中，第一光學(xué)波導(dǎo)的核心可大于第二光學(xué)波導(dǎo)的核心。舉例來說，第一及第二光學(xué)波導(dǎo)中的每一者可包含多模光學(xué)波導(dǎo)。此外，互連可進(jìn)一步包括安裝第一光學(xué)波導(dǎo)的第一套圈及安裝第二光學(xué)波導(dǎo)的第二套圈。還提供制造第一與第二光學(xué)波導(dǎo)(例如上文所簡(jiǎn)單描述的那些)之間的可重復(fù)光學(xué)波導(dǎo)互連的相關(guān)方法。所述方法可包括形成第一折射率匹配彈性固體層，其具有耦合到第一端面的近端面及與近端面相對(duì)以便可重復(fù)地以光學(xué)方式耦合到第二端面的遠(yuǎn)端面。第一折射率匹配彈性固體層可具有與核心及覆層的折射率匹配的折射率分布曲線。


圖IA及IB為根據(jù)本發(fā)明的可重復(fù)光纖互連的示意橫截面圖(分別以耦合及非耦合位置展示)，所述互連包括提供核心折射率匹配的折射率匹配彈性固體層。圖2A及2B為包括第一及第二折射率匹配彈性固體層的圖IA及IB的可重復(fù)光纖互連的替代性實(shí)施例的示意橫截面圖。圖3及4為用于圖IA及IB的互連的替代性實(shí)施例中的具有成角度末端的光纖的示意橫截面圖，分別以有及無對(duì)應(yīng)折射率匹配彈性固體層展示。圖5A及5B為包括用于光纖的套圈座架的圖IA及IB的可重復(fù)光纖互連的替代性實(shí)施例的示意橫截面圖。圖6為說明用于制造圖IA及IB的互連的方法方面的流程圖。圖7A及7B為根據(jù)本發(fā)明的可重復(fù)光纖互連的示意橫截面圖(分別以耦合及非耦合位置展示)，所述互連包括提供核心及覆層折射率匹配的折射率匹配彈性固體層。圖8為圖7A及7B的折射率匹配彈性固體層的端視圖。圖9為具有梯度折射率的圖8的折射率匹配彈性固體層的替代性實(shí)施例的端視圖。圖10為說明用于制造圖7A及7B的互連的方法方面的流程圖。圖11為說明用于制造圖8的折射率匹配彈性固體層的方法的一系列示意圖。
圖12為用于圖7A及7B的互連的替代性實(shí)施例中的具有成角度末端的光纖及對(duì)應(yīng)折射率匹配彈性固體層的示意橫截面圖。圖13為用于圖7A及7B的互連的替代性實(shí)施例中的光纖及對(duì)應(yīng)套圈座架的示意橫截面圖。圖14為圖7A及7B的互連的替代性實(shí)施例的示意橫截面圖，其中第一及第二光纖具有不同核心尺寸，且折射率匹配彈性固體層具有梯度核心部分以進(jìn)而提供GRIN透鏡互連結(jié)構(gòu)。圖15A及15B為根據(jù)本發(fā)明的包括折射率匹配彈性固體層的光纖開關(guān)的示意橫截面圖(分別以耦合及非耦合位置展示)。圖16為說明用于制造圖15A及15B的光纖開關(guān)的方法的流程圖。圖17為說明用于制造圖15A及15B的光纖開關(guān)的替代性實(shí)施例的方法的流程圖，所述光纖開關(guān)的替代性實(shí)施例包括提供核心及覆層折射率匹配的折射率匹配彈性固體層。圖18為一系列表格，其可用以計(jì)算適用于根據(jù)本發(fā)明的互連及光纖開關(guān)中的折射率匹配彈性固體層的起始組合物。圖19為可用于形成適用于根據(jù)本發(fā)明的互連及光纖開關(guān)中的折射率匹配彈性固體層的示范性丙烯酸酯單體的一系列化學(xué)式。圖20及21為示范性光引發(fā)劑的化學(xué)式，所述光引發(fā)劑可包括于適用于根據(jù)本發(fā)明的互連及光纖開關(guān)中的折射率匹配彈性固體材料調(diào)配物中。圖22為適用于根據(jù)本發(fā)明的互連及光纖開關(guān)中的折射率匹配彈性固體核心及覆層材料的折射率的實(shí)測(cè)色散曲線圖。圖23為用于產(chǎn)生適用于圖15A及15B的光纖開關(guān)中的成角度光纖的夾具的示意圖。圖M為適用于根據(jù)本發(fā)明的互連及光纖開關(guān)中的示范性折射率匹配彈性固體材料調(diào)配物的實(shí)測(cè)與預(yù)期光纖間損耗的曲線圖。圖25到觀為根據(jù)本發(fā)明的說明用于制造光纖裝置及其折射率匹配彈性固體層的額外方法方面的流程圖。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)將在下文中參考附圖較全面地描述本發(fā)明，在附圖中展示本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。然而，本發(fā)明可以許多不同形式體現(xiàn)且不應(yīng)視為限于本文所述的實(shí)施例。而是，提供這些實(shí)施例是為了使本揭示內(nèi)容將較詳盡及完整，且將向所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員全面?zhèn)鬟_(dá)本發(fā)明的范圍。相同標(biāo)號(hào)始終指代相同元件，且撇號(hào)標(biāo)記用以指示替代實(shí)施例中的相似元件。最初參看圖IA及1B，可重復(fù)光纖互連30說明性地包括第一及第二光纖31、32，其具有相應(yīng)第一及第二端面33、34。第一及第二光纖31、32中的每一者說明性地包括具有核心折射率Ii1的相應(yīng)核心35、36(例如，經(jīng)摻雜的硅石玻璃核心)，及圍繞核心且具有小于核心折射率的覆層折射率n2的相應(yīng)覆層37、38 (例如，塑料)?？芍貜?fù)光纖互連30進(jìn)一步說明性地包括第一折射率匹配彈性固體層40，其具有以化學(xué)方式結(jié)合到第一端面33的近端面41，如在所說明的實(shí)施例中以點(diǎn)表示。如所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解，可通過適當(dāng)選擇折射率匹配材料及/或?qū)Χ嗣?3進(jìn)行各種類型的表面處理(例如以硅烷化合物處理)來獲得化學(xué)結(jié)合。此外，第一折射率匹配彈性固體層40還說明性地包括與近端面41相對(duì)的低粘性遠(yuǎn)端面42，其可有利地如圖所示可重復(fù)地以光學(xué)方式耦合到第二光纖32的第二端面34。也如所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解，可通過適當(dāng)選擇折射率匹配材料(考慮其后固化性質(zhì))及/或添加表面涂層來獲得低粘性遠(yuǎn)端面。如本文中所使用，“低粘性”表面允許配合的第一及第二光纖在折射率匹配材料的表面不產(chǎn)生永久性變形的情況下及在每單位面積上無需過多用力的情況下失去配合(de-mate)。舉例來說，當(dāng)?shù)诙浜蠈?duì)象的材料為熔融硅石時(shí)，所述力可小于10g/mm2，且更明確地說，小于lg/mm2。第一折射率匹配彈性固體層40還有利地具有至少與核心35、36的折射率Ii1匹配的折射率Α。也就是說，將第一折射率匹配彈性固體層40的折射率選擇為大致上與待耦合在一起的核心35、36的折射率相同。此第一折射率匹配彈性固體層40有利地提供折射率匹配液體或凝膠的光學(xué)功能，但不會(huì)有所述材料的上述缺點(diǎn)(例如，較不易受污染等等)。此外，通過將第一折射率匹配彈性固體層40以化學(xué)方式結(jié)合到第一端面41，所述層可進(jìn)而在重復(fù)地與第二配合端面34形成臨時(shí)連接的同時(shí)永久地保持在適當(dāng)位置。由于層40的折射率匹配、彈性固體性質(zhì)及與第一端面33的化學(xué)結(jié)合，層40有利地提供降低的透射損耗及背反射。此外，其還無限期地保持在適當(dāng)位置，且不像折射率匹配凝膠及液體一樣遷移。另外，層40可較耐塵埃及污染物且可被清潔，其維持光學(xué)平滑表面，可經(jīng)鑄造或成形為所需形狀，且其可適合于廣泛范圍的折射率值及彈性性質(zhì)(例如，模數(shù)、柔性等)，如所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解。舉例來說，第一折射率匹配彈性固體層40可包含丙烯酸酯聚合物。因?yàn)楸┧狨タ墒褂?例如)光刻加以圖案化，所以其能夠形成精確的層結(jié)構(gòu)，所述層結(jié)構(gòu)以相對(duì)較高精度成型及定位。關(guān)于可用于層40的示范性彈性調(diào)配物的更多細(xì)節(jié)將在下文中進(jìn)一步論述。在一些實(shí)施例中，低粘性遠(yuǎn)端面42可直接以機(jī)械方式可重復(fù)地耦合到第二端面。舉例來說，第一折射率匹配彈性固體層的低粘性遠(yuǎn)端面可具有在抵靠著第二端面按壓時(shí)與第二端面界定沒有氣穴的濕潤(rùn)界面的表面性質(zhì)，進(jìn)而部分地提供與第二光纖32的第二配合端面34的機(jī)械抽吸式耦合，如所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解。在所說明的實(shí)施例中，光纖31、32為多模光纖。也就是說，與支持單一模式或傳播路徑的單模光纖相反，光纖31、32可有利地支持許多傳播路徑或橫向模式。多模光纖一般具有較大核心直徑，且用于短距離通信鏈路及需要高功率傳輸?shù)膽?yīng)用，例如在局部網(wǎng)絡(luò)中或在建筑物之間。因而，由于光纖的添加或替換可在使用多模光纖的局部區(qū)域中較為普遍，所以可重復(fù)地以光學(xué)方式(且任選地，以機(jī)械方式)耦合多模光纖的能力可為重要優(yōu)點(diǎn)。然而，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解，如本文中所述的折射率匹配彈性固體層還可與通常用于相對(duì)較長(zhǎng)的通信鏈路的單模光纖一起使用。現(xiàn)另外參看圖2，可重復(fù)光纖互連30'的替代性實(shí)施例說明性地包括第二折射率匹配彈性固體層43'。第二層43'與第一層40'的相似之處在于其具有以化學(xué)方式結(jié)合到第二光纖32'的第二端面34'的近端面44'，及與近端面相對(duì)以便可重復(fù)地以光學(xué)方式及以機(jī)械方式耦合到第一折射率匹配彈性固體層40'的低粘性遠(yuǎn)端面42'的低粘性遠(yuǎn)端面45'。如圖3中所示，在一些實(shí)施例中，第一端面34〃可與第一光纖31〃的軸線46〃的垂直線成傾斜角度。在所述實(shí)施例中，第一折射率匹配彈性固體層40"可具有均勻厚度且與所述傾斜角度匹配，如圖4中所示。因而，所述互連可有利地不僅用于使用垂直光纖端面的應(yīng)用中，而且用于成角度光纖端面需要可重復(fù)的光學(xué)耦合的應(yīng)用中，例如在光學(xué)開關(guān)中，所述光學(xué)開關(guān)將在下文中進(jìn)一步論述。層40"經(jīng)裁剪以形成光纖31"的延伸部，且符合光纖的端面的角度。由于層40〃的緣故，可有利地在兩個(gè)光纖31"、32"之間維持較高程度的光透射，而在無所述層的情況下，在所述光纖之間將透射極少光或不透射光。此外，層40“的彈性特性有利地使得配合面中小的不連續(xù)得以均勻填充，由此減少在界面處因反射及散射而產(chǎn)生的光損耗，如所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解。現(xiàn)參看圖5A及5B描述可重復(fù)光纖互連30'丨‘的又一實(shí)施例。在所說明的實(shí)例中，提供用于第一光纖的第一套圈座架50'"，連同用于第二光纖的第二套圈座架51'"。如所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解，在光纖終端中，有時(shí)需要精密套圈來協(xié)助將兩個(gè)光纖連接在一起。在圖5B中展示第一光纖31'“與第二光纖32'“以光學(xué)方式耦合在一起?，F(xiàn)參看圖6描述制造第一光纖31與第二光纖32之間的可重復(fù)光纖互連的相關(guān)方法。在框60處開始，所述方法說明性地包括在框61處形成第一折射率匹配彈性固體層40，其具有以化學(xué)方式結(jié)合到第一光纖31的第一端面33的近端面41及與所述近端面相對(duì)的低粘性遠(yuǎn)端面42。如上所述，低粘性遠(yuǎn)端面42將可重復(fù)地以光學(xué)方式耦合到第二光纖32的第二端面34，由此結(jié)束所說明的方法(框62)。現(xiàn)轉(zhuǎn)向圖7A、7B及8，可重復(fù)光纖連接130的另一實(shí)施例說明性地包括折射率匹配彈性固體層140，其具有與核心135及覆層137的折射率匹配的折射率分布曲線。更明確地說，層140說明性地包括具有與核心135的折射率匹配的折射率Ii1的第一部分148，及具有與覆層149的折射率匹配的折射率 的第二部分149。如同上述結(jié)構(gòu)一樣，層140以化學(xué)方式結(jié)合到光纖131。層140進(jìn)而提供光導(dǎo)結(jié)構(gòu)，即光學(xué)波導(dǎo)。也就是說，層140可有利地經(jīng)裁剪以形成光纖131的延伸部，以供保持傳播中的光學(xué)模式。此外，層140的彈性特性使得配合面131、132中小的不連續(xù)得以均勻填充，進(jìn)而防止在界面處因反射及散射而產(chǎn)生的光損耗。模式匹配導(dǎo)向結(jié)構(gòu)因此有利地提供減少的損耗及背反射。還如上所述，丙烯酸酯及與氨基甲酸酯及硫醇的共聚物為用于形成層140的有利材料，因?yàn)槠淇商峁┧韫鈱W(xué)匹配且可使用例如光刻或模制等技術(shù)以相對(duì)較高精度精確地加以圖案化。此外，這些材料可有利地用以創(chuàng)建第一部分148的不同折射率分布曲線。更明確地說，圖9中展示層140'的替代性實(shí)施例，其中與具有在所需工作波長(zhǎng)下與核心135'匹配的徑向均勻折射率的圖8的第一部分148相反，第一部分148'具有梯度折射率，如所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解。梯度部分148'可尤其適用于GRIN透鏡應(yīng)用中，如下文將進(jìn)一步論述。現(xiàn)參看圖10描述制造第一光纖131與第二光纖132之間的可重復(fù)光纖互連的另一方法。在框60'處開始，所述方法說明性地包括在框61'處形成第一折射率匹配彈性固體層140，其具有以化學(xué)方式結(jié)合到第一光纖131的第一端面133的近端面141及與所述近端面相對(duì)的低粘性遠(yuǎn)端面142。如上所述，低粘性遠(yuǎn)端面142將可重復(fù)地以光學(xué)方式耦合到第二光纖132的第二端面134，由此結(jié)束所說明的方法(框62')?，F(xiàn)將參看圖11論述用于形成具有第一及第二部分148、149的層140的示范性方法。形成層140的第一部分148最初涉及在步驟110處在襯底109(例如硅襯底)上旋轉(zhuǎn)核心調(diào)配物之后進(jìn)行核心材料的圖案化曝光，其可有利地用通過玻璃掩模的近接式曝光來實(shí)現(xiàn)。在一些實(shí)施例中，核心調(diào)配物可直接形成于光纖131的末端而非襯底109上?？刹捎媒佑|式曝光，其中液體單體填充掩模與襯底109之間的區(qū)。第一部分140可接著在步驟111處經(jīng)圖案化及顯影，隨后在步驟112處注入覆層調(diào)配物。如所說明，覆層可通過使用蓋板113來限于僅形成于核心的側(cè)面上，且讓覆層單體通過滲透力填充襯底與玻璃蓋板113之間的空間。如果需要梯度折射率，則核心或第一部分148可經(jīng)部分固化到足以界定核心的程度，且在步驟114處，可通過將組合件浸于某一高溫下(例如40到60°C，但在不同實(shí)施例中可使用其它溫度)來使液體覆層調(diào)配物與核心交換單體。如所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解，階梯度將取決于時(shí)間、溫度及圖案化核心中的固化百分比。一般來說，對(duì)于梯度折射率導(dǎo)向結(jié)構(gòu)來說，每一調(diào)配物中的單體最好包括兩種或兩種以上具有相對(duì)較寬間隔的折射率及不同固化速率的單體，使得具有不同折射率的單體易于擴(kuò)散到核心區(qū)中及/或從核心區(qū)中擴(kuò)散出，也如所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解。如果不使用熱浸來提供梯度折射率，則可簡(jiǎn)單地使注入的覆層調(diào)配物在室溫下維持足以使覆層部分149散布到核心部分148周圍的時(shí)間量。可在步驟115處執(zhí)行第二 UV曝光，之后在步驟116處，層140可保持結(jié)合于襯底上以用于封裝或處理，或在步驟117處從襯底116移除以提供待耦合到光纖131的獨(dú)立式層。根據(jù)一個(gè)示范性實(shí)施方案，層140可從襯底109剝離，而仍附著于玻璃蓋板113。直徑為62. 5微米的掩模尺寸用于一個(gè)示范性實(shí)施方案中，且此直徑基本上在核心尺寸中再現(xiàn)。如所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解，如果需要，則可有利地通過曝光不足或過度曝光或通過顯影不足來產(chǎn)生直徑的偏差。圖12到14中說明可使用上述方法的變化形式產(chǎn)生的額外配置。具有傾斜端面的光纖131'及具有均勻厚度且與傾斜端面的傾斜角度匹配的對(duì)應(yīng)折射率匹配彈性固體層140'展示于圖12中。類似于圖5A及5B中所說明的實(shí)施例，還可提供具有套圈座架150'及折射率匹配彈性固體層140"的另一示范性實(shí)施例，所述折射率匹配彈性固體層140"具有第一(核心匹配)及第二(覆層匹配)部分148" ,149"，如圖13中所見。在圖14中所說明的實(shí)施例中，折射率匹配彈性固體層140'包括具有梯度折射率的第一(核心)部分148' 〃，其中所述層位于第一光纖131'“與第二光纖132' 〃之間，以進(jìn)而提供安裝于套圈150'“上的整體式GRIN透鏡，如所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解?，F(xiàn)參看圖15A及15B，包括折射率匹配彈性固體層240的示范性光纖開關(guān)230說明性地包括第一及第二成角度光纖201、202，其可為多模光纖或單模光纖。更明確地說，開關(guān)230在圖15A中以耦合或閉合位置(開關(guān)狀態(tài)1)展示，且在圖15B中以非耦合或打開位置(開關(guān)狀態(tài)幻展示。在耦合位置中，光沿路徑A-A'(即，在兩個(gè)核心235與237之間)透射，且在非耦合位置中，其沿路徑A-B (S卩，在第一光纖231內(nèi))及/或路徑B' -A'(即，在第二光纖232內(nèi))透射。第一及第二成角度光纖201、202中的每一者說明性地包括相應(yīng)第一及第二端面203、204。如同上述實(shí)施例一樣，包括折射率匹配彈性固體層240且其具有耦合到第一端面203的近端面及與所述近端面相對(duì)以便可重復(fù)地以光學(xué)方式耦合到第二端面204的遠(yuǎn)端面。此處，折射率匹配彈性固體層MO同樣具有與核心的折射率匹配的折射率，如圖IA及IB中所示。如所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解，光纖開關(guān)200還可包括一個(gè)或一個(gè)以上致動(dòng)器255(例如，壓電致動(dòng)器)以用于在耦合與非耦合位置之間相對(duì)移動(dòng)第一及第二成角度光纖231,232ο用于制造光纖開關(guān)230的相關(guān)方法在圖16中說明。在框160處開始，形成第一及第二成角度光纖231、232，其各自具有相應(yīng)第一及第二端面(框161)。如上所述，第一及第二成角度光纖231、232中的每一者說明性地包括具有核心折射率Ii1的核心235、237，及圍繞所述核心且具有與核心折射率不同的覆層折射率112的覆層236、238。所述方法進(jìn)一步說明性地包括在框162處形成折射率匹配彈性固體層140，其具有耦合到第一端面203的近端面及與所述近端面相對(duì)以便可重復(fù)地以光學(xué)方式耦合到第二端面204的遠(yuǎn)端面。此處，折射率匹配彈性固體層204同樣具有至少與核心235的折射率Ii1匹配的折射率。所述方法還說明性地包括在框163處定位一個(gè)或一個(gè)以上致動(dòng)器255以用于在耦合位置(圖15Α)與非耦合位置(圖15Β)之間相對(duì)移動(dòng)第一及第二成角度光纖231，232，由此結(jié)束所說明的方法(框164)。在一些實(shí)施例中，光學(xué)開關(guān)可包括與核心及覆層兩者匹配的折射率匹配彈性固體層，如上文參看圖7Α及7Β所論述。用于制造所述光學(xué)開關(guān)的相關(guān)方法在圖17中說明，其中在框162'處將折射率匹配彈性固體層形成為具有與核心及覆層折射率匹配的折射率。還應(yīng)注意，在一些光纖開關(guān)實(shí)施例中，如上文參看圖2Α及2Β類似論述，第二折射率匹配彈性固體層可以化學(xué)方式結(jié)合到第二光纖232的第二端面204，如所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解?！銇碚f，多模開關(guān)的所要特征包括實(shí)現(xiàn)以下嚴(yán)格要求低插入損耗、低回程損耗及快速切換時(shí)間。然而，所述特征一般難以在多模開關(guān)中實(shí)現(xiàn)。通常，多模開關(guān)為利用移動(dòng)光纖或移動(dòng)光學(xué)元件(例如，鏡面)的機(jī)械型開關(guān)。實(shí)現(xiàn)快速切換時(shí)間需要微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)規(guī)模組件以減少移動(dòng)質(zhì)量(moving mass) 0還需要降低所要運(yùn)動(dòng)的程度的設(shè)計(jì)。此外，通常還需要開關(guān)在耦合開關(guān)狀態(tài)中的精確對(duì)準(zhǔn)、波導(dǎo)面的成角度及/或在導(dǎo)向結(jié)構(gòu)之間的界面內(nèi)的精細(xì)折射率匹配。減少任何非導(dǎo)向光路也是重要的考慮因素。這些特征可有利地用開關(guān)200實(shí)現(xiàn)，開關(guān)200根據(jù)受抑全內(nèi)反射(FTIR)原理來操作。開關(guān)200僅需要第一端面203與第二端面204之間的短程運(yùn)動(dòng)。一般來說，所要位移僅需要為約3個(gè)波長(zhǎng)(例如，4微米)或3個(gè)波長(zhǎng)以下來操作開關(guān)200。開關(guān)可設(shè)計(jì)成具有45度或更大角度(α)界面，使得狀態(tài)1(耦合位置)中的背反射將受到強(qiáng)烈抑制。如上所述，開關(guān)200可實(shí)現(xiàn)兩種開關(guān)狀態(tài)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)。如所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解，開關(guān)200可構(gòu)建為半2X2縱橫開關(guān)，或其可由兩個(gè)1X2開關(guān)來組裝?，F(xiàn)將參看圖18到M來描述示范性光纖開關(guān)實(shí)施方案。在以下實(shí)例中，折射率匹配彈性固體層稱為彈性折射率匹配介質(zhì)(ΕΙΜΜ)。在將EIMM構(gòu)造為光導(dǎo)的情況中，其核心可以與薄膜平面成45度或更大角度定向且經(jīng)定大小以與光纖的核心匹配(例如，50 μ m或62. 5μπι)。如圖15Α及15Β中所示，核心與安裝EIMM的光纖對(duì)準(zhǔn)。在EIMM的核心區(qū)148還可在折射率上呈梯度的那些實(shí)施例中，有利地允許光經(jīng)由EIMM傳播，正如光經(jīng)由光纖本身傳播一樣。此舉提供降低的損耗，且允許EIMM根據(jù)需要具有不同厚度以滿足給定設(shè)計(jì)的機(jī)械方面。在狀態(tài)2(即，非耦合)中，大部分光將在EIMM與空氣之間的界面處反射。如所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解，展示于圖15Α及15Β中的基本設(shè)計(jì)的變化形式是可能的。一些潛在變化形式將包括(例如)使用固定的鏡面或透鏡以收集8/13 頁(yè)
路徑B及B'中的光或?qū)⒐獠迦肼窂紹及B'中。此外，還可使用其它類型的致動(dòng)器。各種EIMM聚合物調(diào)配物可用于上文所論述的可重復(fù)光纖互連及光纖開關(guān)。一般來說，EIMM聚合物可通過丙烯酸酯及/或甲基丙烯酸酯的UV固化而形成。聚合物的制備可以液體丙烯酸酯及/或甲基丙烯酸酯(在本文中縮寫為(甲基)丙烯酸酯)單體與少量光引發(fā)劑及抗氧化劑的調(diào)配物來開始。由制造商提供單體在589. 3nm(鈉D線)下的折射率。對(duì)于光纖應(yīng)用來說，聚合物在1310nm及/或850nm下的折射率尤其受關(guān)注。如所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解，用不同單體調(diào)配物制成的聚合物將具有不同折射率及不同色散兩者。初始估算可用以確定隨單體在起始調(diào)配物中的相對(duì)量而變化的折射率。此所估算的調(diào)配物可用作起始點(diǎn)，且接著可基于實(shí)際測(cè)量結(jié)果來添加少量特定單體以精制所要聚合物的目標(biāo)折射率調(diào)配物。圖18提供一組示范性表格，其可用以計(jì)算液體單體調(diào)配物的起始組合物。由于光引發(fā)劑及抗氧化劑在總體積中占較小分?jǐn)?shù)，所以其在計(jì)算中忽略不計(jì)。表18. 1提供描述液體單體的特征及作為目標(biāo)使用的每種單體的體積百分比的輸入值。表18. 3的前兩列中的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)給出因聚合作用所致的預(yù)期變化的測(cè)量值(δ)，及折射率因色散而從589nm變化為1310nm或850nm的預(yù)期偏移(ξ )。通過液體單體與固化聚合物在589. 3nm下的折射率比來估算δ。色散因子ξ為聚合物在目標(biāo)波長(zhǎng)(850nm或1310nm)下的折射率與在589. 3nm下的折射率的比。從對(duì)密切相關(guān)的丙烯酸酯聚合物的測(cè)量獲得這些參數(shù)。計(jì)算值在表18. 3的最后三列中突出顯示。在所說明的實(shí)例中，康寧(Corning) InfiniCor SX 50-μ m光纖的NA為0. 200，因此各種單體的體積百分比經(jīng)調(diào)整以達(dá)到此值。用以下方程式(1)計(jì)算預(yù)期折射率，其中Vfi表示第i種組份的體積分?jǐn)?shù)，δ為聚合因子，且ξ為在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)圍繞以下兩種梯度折射率光纖類型設(shè)計(jì)示范性開關(guān)來自紐約康寧(Corning，NY)的康寧有限公司(Corning, Inc.)的 InfiniCor SX (50 μ m)及康寧(Corning) InfiniCorCL-1000 (62. 5 μ m)。在850nm下操作的系統(tǒng)將傾向于使用hfiniCor SX，而那些在約1310nm下操作的系統(tǒng)將傾向于使用hfiniCor CL-1000，但任一光纖類型可在任一波長(zhǎng)區(qū)內(nèi)使用。因?yàn)镋IMM經(jīng)設(shè)計(jì)以提供折射率匹配，所以表征相應(yīng)光纖在關(guān)注波長(zhǎng)下的折射率有重要意義，且在hfinicor光纖的實(shí)測(cè)及指定參數(shù)的下表中提供其概述。
光纖類型波長(zhǎng) (nm)峰值核心折射率覆層折射率ΔηΔ指定的 Δ峰值 NA指定的 NAInfiniCor SX8501.467351.45250.014851.01%1.00%0.2080.200InfiniCor CL 100013221.47531.44670.02861.92%2.00%0.2890.275如上所論述，彈性折射率匹配介質(zhì)可為通過UV固化從丙烯酸酯及甲基丙烯酸酯單體合成的(甲基)丙烯酸酯聚合物。如所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解，基于多種標(biāo)準(zhǔn)選擇單體，所述標(biāo)準(zhǔn)包括聚合物的所要性質(zhì)，例如折射率、硬度、模數(shù)、韌性及澄清度。還可偏愛具有較低健康風(fēng)險(xiǎn)或毒性的單體。一般還需要低硬度到中等硬度的聚合物，使得當(dāng)開關(guān)在閉合或耦合(A到A')位置中時(shí)，可易于實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)接觸表面的有效潤(rùn)濕。模數(shù)將決定用于獲得覆蓋光纖的整個(gè)核心(及任選地，覆層)區(qū)的濕潤(rùn)點(diǎn)所必需的力。丙烯酸酯單體的一個(gè)示范性選擇展示于圖19中。每種單體提供獨(dú)特屬性。氟化
10物F8DA及TFPM用于降低調(diào)配物的折射率以與光纖核心及覆層的折射率匹配。芳族化合物EBDA-10由于存在苯基而向核心提供較高折射率。依靠其長(zhǎng)的乙氧基吊鏈，其還賦予柔性、韌性且降低硬度。脂族二丙烯酸酯PNGDA也具有中等折射率以及所要機(jī)械柔性，且與F8DA或EBDA-10組合，允許上下調(diào)整覆層及/或核心的折射率。單官能單體TFPM、IBA及IOA允許交聯(lián)密度得以調(diào)整，其影響硬度及韌性。這些單體還可用以上下調(diào)整聚合物的玻璃轉(zhuǎn)變溫度(Tg)，因?yàn)镮BA的均聚物具有相對(duì)較高Tg(90°C )且IOA的均聚物具有相對(duì)較低Tg(-54°C)0 一般來說，可使用這些或其它適當(dāng)單體的組合，所述單體可混溶且在聚合時(shí)不會(huì)經(jīng)歷相分離。下表提供若干示范性單體的物理特征的列表
權(quán)利要求
1.一種可重復(fù)光學(xué)波導(dǎo)互連，其包含具有相應(yīng)第一及第二端面的第一及第二光學(xué)波導(dǎo)，所述第一及第二光學(xué)波導(dǎo)中的每一者包含具有核心折射率的核心，及圍繞所述核心且具有與所述核心折射率不同的覆層折射率的覆層；及第一折射率匹配彈性固體層，其具有耦合到所述第一端面的近端面及與所述近端面相對(duì)以便可重復(fù)地以光學(xué)方式耦合到所述第二端面的遠(yuǎn)端面，所述第一折射率匹配彈性固體層具有與所述核心及所述覆層的折射率匹配的折射率分布曲線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可重復(fù)光學(xué)波導(dǎo)互連，其中所述近端面以化學(xué)方式結(jié)合到所述第一端面；且其中所述遠(yuǎn)端面具有低粘性。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可重復(fù)光學(xué)波導(dǎo)互連，其中所述第一折射率匹配彈性固體層的所述低粘性遠(yuǎn)端面具有在抵靠著所述第二端面按壓時(shí)與所述第二端面界定沒有氣穴的濕潤(rùn)界面的表面性質(zhì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可重復(fù)光學(xué)波導(dǎo)互連，其進(jìn)一步包含第二折射率匹配彈性固體層，所述第二折射率匹配彈性固體層具有以化學(xué)方式結(jié)合到所述第二端面的近端面及與所述近端面相對(duì)的低粘性遠(yuǎn)端面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可重復(fù)光學(xué)波導(dǎo)互連，其中所述第一折射率匹配彈性固體層包含丙烯酸酯聚合物。
6.一種制造第一與第二光學(xué)波導(dǎo)之間的可重復(fù)光學(xué)波導(dǎo)互連的方法，所述第一及第二光學(xué)波導(dǎo)具有相應(yīng)第一及第二端面，所述第一及第二光學(xué)波導(dǎo)中的每一者包含具有核心折射率的核心及圍繞所述核心且具有與所述核心折射率不同的覆層折射率的覆層，所述方法包含形成第一折射率匹配彈性固體層，其具有耦合到所述第一端面的近端面及與所述近端面相對(duì)以便以光學(xué)方式耦合到所述第二端面的遠(yuǎn)端面，所述第一折射率匹配彈性固體層具有與所述核心及所述覆層的折射率匹配的折射率分布曲線。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述近端面以化學(xué)方式結(jié)合到所述第一端面；且其中所述遠(yuǎn)端面具有低粘性。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述第一折射率匹配彈性固體層的所述低粘性遠(yuǎn)端面具有在抵靠著所述第二端面按壓時(shí)與所述第二端面界定沒有氣穴的濕潤(rùn)界面的表面性質(zhì)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其進(jìn)一步包含形成第二折射率匹配彈性固體層，所述第二折射率匹配彈性固體層具有以化學(xué)方式結(jié)合到所述第二端面的近端面及與所述近端面相對(duì)的低粘性遠(yuǎn)端面。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述第一折射率匹配彈性固體層包含丙烯酸酯聚合物。
全文摘要
本發(fā)明提供一種可重復(fù)光學(xué)波導(dǎo)互連，其可包括具有相應(yīng)第一及第二端面(33、34)的第一及第二光學(xué)波導(dǎo)。所述第一及第二光學(xué)波導(dǎo)中的每一者可包括具有核心折射率(n1)的核心(35、36)及圍繞所述核心且具有與所述核心折射率不同的覆層折射率(n2)的覆層(37、38)。所述互連(30)可進(jìn)一步包括第一折射率匹配彈性固體層(40)，其具有耦合到所述第一端面(33)的近端面(41)及與所述近端面相對(duì)以便可重復(fù)地以光學(xué)方式耦合到所述第二端面(34)的遠(yuǎn)端面(42)。所述第一折射率匹配彈性固體層(40)可具有與所述核心(35)及所述覆層(37、38)的折射率匹配的折射率分布曲線。
文檔編號(hào)G02B6/138GK102597828SQ201080049438
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2010年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月2日
發(fā)明者勞倫斯·韋恩·沙克萊特, 邁克爾·雷蒙德·韋瑟斯龐 申請(qǐng)人:賀利實(shí)公司