TWI261131B - Optical waveguide component capable of preventing an optical waveguide member from being eccentric and method of producing the same - Google Patents

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1261131 玖、發明說明 (發明說明應敘明：發明所屬之技術領域、先前技術、內容、實施方式及圖式簡單說明） 本申請案請求先前申請案J P 2 0 0 2 - 1 5 6 8 4之優先權，其 所揭示者列爲參考。 (一） 發明所屬之技術領域 本發明關係一種光波導元件，在光通訊系統中被用作光 纖線頭或光衰減器線頭；以及其製造方法。 (二） 先前技術 在光通訊系統內，用於耦合來自光源之光束至光纖上之 光發射模組；用於偵測來自光纖光信號之光接收模組；和 調調通過光纖之光功率所用之光衰減器，均爲重要裝置。 在這些裝置之中，光發射模組或光接收模組備有稱爲光纖 線頭之光波導元件。光纖線頭接於光連接器。另一方面， 光衰減器備有稱爲光衰減線頭之光波導元件。光衰減器線 頭也耦合至光連接器。 光連接器含有一毛細管，稱爲套圈，具有高尺寸精度。 光波導構件***於套圈並固定於其中。於是，光波導構件 被精確地定位。因此，光纖線頭或光衰減器線頭之待耦合 至光連接器者，也須具有相當於套圈之尺寸精度。作爲光 波導構件者，是用正常或一般的光纖或光學衰減纖維分別 作爲光纖線頭和光學哀減線頭。 例如，日本未審查專利公告第2 0 0 0 - 4 7 0 3 6 ( J P 2 0 0 0 - 4 7 0 3 6 A ) 揭示一種光衰減器線頭，含有一作爲定位構件之套圈：和 一***於套圈並用黏著劑固定於套圈之光波導構件。光衰 1261131 減器線頭之套圈有一穿孔，其直徑大於光學衰減纖維直徑 大約1微米，使光學衰減纖維易於***。 然而，上述光衰減器線頭在如下情形有其缺失。在光學 衰減纖維被***至套圈時，光學衰減纖維與套圈間留有約 1微米之空隙。因此，光學衰減纖維可能相對於套圈有最 大約〇 . 5微米之偏心。在此狀況中，當光學衰減纖維耦合 至光學連接器時，造成光軸不能對準。如此將造成光學信 號在連接中之損失加大。此外，前進於芯部以外之光束， 亦即在所謂鞘部之中者，可能增加對信號光束之干擾。由 於上述偏心性所增加之連接損失是一項嚴重問題，不但在 光學衰減線頭之中，且亦在光纖線頭之中。 當溫度升高，光學衰減纖維可能由於套圈和光學衰減纖 維之間因膨脹係數不同而收縮。此亦造成連接損失之增加 。如果溫度再升高而成爲高於黏著劑之玻璃轉變點，則黏 著劑可能變形或變壞。在此情形中，纖維不能保持於預定 之位置。結果，連接損失加大，在最壞狀況中，PC(物理接 觸- Physical Co 11 tact)連接爲不可能，以至光束完全不受引 導或傳播。 日本未審查專利申請案第Η 0 9 - 1 5 2 5 2 4號揭示一種產生 光纖線頭之方法。此方法所包含各步驟如初步燒製一套圈 作爲定位件，以一作爲光波導構件之光纖***初步燒製之 套圈，並完全燒製套圈至於熱收縮或收縮套圈，因而使光 纖固定於套圈◦依據此方法，光纖可被固定而不用黏著劑 。以此狀況，生產方法可以簡化。此外，因爲光纖緊密接 1261131 觸而固定於套圈，可以防止光纖因出現空隙而偏心。 然而，此方法需要大量小心或精細的操作而將光纖*** 於套圈，亦即各個毛細管一個接著一個。此外，此方法需 要複雜的程序從中將套圈初步燒製而後完全燒成。因此難 以獲得不昂貴之產品。再者，因爲在燒製步驟中套圈之收 縮率廣泛變動，光纖之位置可能與套圈中心軸錯開。此外 ，難以獲得套圈外徑之高圓度。因此需要實施拋光步驟， 拋光套圈相對於光纖之外週。結果增加了成本。 (三）發明內容 因此本發明之一項目的爲提供一種光波導元件，其中光 波導元件防止相對於定位構件之偏心。 本發明之另一目的爲提供一種光波導元件，其中光波導 元件防止相對於定位構件之收縮或突出。甚至在溫度被升 高時。 本發明之再另一目的爲提供一種光波導元件，其爲具有 高的耐熱性，且可生產於低成本。 本發明之又另一目的爲提供一種產生光波導之方法，在 其中防止光波導構件相對於定位構件而偏心。 本發明再一目的爲提供一種生產光波導元件之方法，在 其中防止光波導構件相對於定位構件而收縮或突出，即使 溫度升高。 本發明之再乂一目的爲提供一種玍産光波導元件之方法 ，其爲具有高耐熱性，並且可生產於低成本。 根據本發明之一項觀點，提供一種光波導元件，含有一 1261131 定位構件，被加熱並拉長於預定之方向而有一孔，延伸於 預定之方向，且光波導元件被設於一孔並熔融結合而固定 於定位構件。 根據本發明之另一觀點，提供一種產生光波導元件之方 法，包含製備管件，***光波導構件至管件內，加熱並拉 長管件以熔融結合管件至光波導構件上等步驟，使獲所形 成物體，切割所成物件成預定長度。 (四）實施方式 較佳具體例之說明 參考第1圖和第2圖，說明根據本發明一具體例之光波 導元件及其生產方法。 首先參考第1圖，一作爲管形件之預型物1具有一孔1 a 。一製自矽石玻璃之單模光纖2被***孔1 a中。預型物1 之孔1 a比較大，使光纖2易於***於孔1 a。 於此情形，預型物1被連續饋入於環形電爐3，通過其 上方開口。預型物1被環形電爐3加熱而軟化。預型物被 拉長於預定方向，亦即向下之方向，直徑被窄化而變形成 爲變形體1 ’。 變形體1 '下方被鉗夾於下端而在一對輥輪之間，承受所 謂拉伸，於預定溫度而獲得一具有預定外徑之成形體】’’。 配合或同步而拉伸，光纖2連續供至預型物1，亦即饋入 至預型物1之孔la內。再者，成形體1"被切成預定之長 度。切割後，成形體1 ’’之相反各端接受拋光於與M U (小型 化單元耦合）型光連接器相似之情形。於是，產生第2圖所 1261131 示之光波導元件5。 如此所獲光波導元件5含有定位構件6，被加熱並拉長 於預定之方向，並有一孔6 a沿其中心軸延伸於預定之方向 ，而且有一光波導構件7置於定位構件6之孔6 a內，被熔 融結合而固定至定位構件6。 在光波導元件5內，無間隙留存於定位構件6和光波導 構件7之間。因此，光波導構件7免於相對定位構件6之 孔6 a偏心，使光波導構件7定位於定位構件6之中央軸。 再者，定位構件6與光波導構件7被用定位構件6之熔融 結合而固定。因此，即使溫度昇高而定位構件6膨脹，光 波導構件7不會相對於定位構件6而收縮或突出。所以， 光波導元件5具有高的耐熱性。此外，無須***各個各別 的光波導元件5至各定位構件6之孔6 a內之步驟，以及在 初步燒製步驟之後實施完全燒製之步驟，包含光波導構件 7之光波導元件5可以連續而相繼產生。所以，光波導元 件5可在極高效率和低成本中產生。 作爲定位構件6，可以製自一種諸如玻璃或塑膠之材料 ，其爲可被加熱並拉長者。若爲玻璃，可用一般玻璃。然 而，因爲結晶玻璃在耐環境性以及機械特性的破裂強度和 耐磨性等均極優異而爲較佳。此外，矽酸硼玻璃因爲耐環 境性優異而且具有小的熱膨脹係數而也較佳。 較佳者，定位構件6具有於30°C至380t爲-20xl(T7/°C 至7 Ο X 1 (Γ 7 /1：熱膨脹係數。如果熱膨脹係數小於· 2 Ο X 1 0 _7 ，其將難以獲得可被加熱而拉長之材料。另一方面，如果 -10- 1261131 熱膨脹係數大於7 Ο x 1 (Γ 7 / °C ，因光波導構件7和定位構件 6之間的熱膨脹係數之差異所造成之熱應力將增加。如此 將易在光波導構件7與定位構件6間的介面造成開裂之存 在，光波導構件7和定位構件6也易分離。所以，熱膨脹 係數超出上述範圍（_20xl0_7/°C至70xl0_7/°C)者爲不適宜。 上述預型物1可以產自任何一種一般玻璃、可結晶玻璃 、和已結晶玻璃。在此須注意者，可結晶玻璃是一種在其 中被加熱而拉長之前無結晶沉積之玻璃，且爲在被加熱而 拉長之時因沉積結晶而被轉移成爲已結晶玻璃者。已結晶 玻璃是一種在預型物1狀態中已沉積結晶於其中之玻璃。 一般光纖具有約在1 6 0 0 - 1 7 0 0 °C之軟點（1 0 7 ·6 d P a · S )。因 此，預型物1最好在低於1 3 0 之溫度加熱而拉長。如此 ，預型物1可被加熱拉長而不致軟化光纖2。因此，繫於 光纖2之功能不被破壞。 尤其，作爲可結晶之玻璃或已結晶之玻璃，是製自至少 含有4 5質量％之S i Ο 2、A 12 〇 3和L i 2 〇之總量，較佳爲至少 6 5質量％。具有上述組成之玻璃可以承受拉伸。此外，具 有小的熱膨脹係數之定位構件6可以容易獲得，而且能夠 在高效率以高精度形成。 較佳者，已結晶之玻璃所沉積之結晶是/3 -鋰輝石 (s ρ 〇 d u m e n e )固溶液，因爲機械特性優異、精度高、熱膨脹 低、而耐環境性優越之定位構件容易獲得。 其次，產生第2圖所示光波導元件5之方法將予詳述。 首先，一以玻璃、可結晶玻璃、或已結晶玻璃所製成之 1261131 圓筒形或正方筒形材料接受鑽孔形成通孔。於是，獲得具 有管狀之預型物。或爲，具有穿孔之預型物可用擠壓或鑄 型製成。預型物被用作具有維持或保持不變之相似截面形 狀之定位構件。因此，預形外徑和孔徑必須等於預訂之大 小。 其次，以光波導構件***至預型物之孔內。光波導構件 可爲製自矽石玻璃之光纖，或一種以過渡金屬如鈷、鐵、 和鎳者所摻雜之光學衰減纖維。隨後，預型物被加熱並拉 長而產生定位構件，具有尺寸精確之外徑與內徑而相當於 被用作連接器之套圈。光波導構件被熔融結合而固定於如 此所得之定位構件之孔。最後，預型物被切割成爲所需長 度，其端面經拋光成爲預定之形狀。於是，獲得光波導元 件，其如光纖線頭和光衰減器線頭。 以下，將結合各特定實施例而予詳述。 表1表示本發明之特別實施例1至4，表2表示比較例5 至7。 1261131 表1 實施例1 實施例2 實施例3 實施例4 預型材料 已結晶玻璃 硼矽酸鹽 玻璃 已結晶玻璃 硼矽酸鹽 玻璃 套圈材料 已結晶玻璃 硼矽酸鹽 玻璃 已結晶玻璃 硼矽酸鹽 玻璃 Si02 65 75 66.5 80 A 1 2 〇 3 18 7 22 2 組成 Li2〇 5 - 4.5 - (質量°/。） K2〇 8 1 4 - CaO 4 - 2 - Na2〇 一 7 1 4 B 2 〇 3 - 10 - 14 熱膨脹係數 (X 1 0'7 / °C ) 25 55 20 38 光波導元件之生產 拉伸 拉伸 拉伸 拉伸 偏心度（微米） <0. 1 <0.1 <0.1 <0.1 傳播模式 單 單 單 單 連接損失（dB(分貝）） 0.05 0.05 0.1 0.1 在100°C之光纖之 收縮（奈米） 0 0 0 0 1261131 表 2 比較例5 比較例6 比較例7 預型材料 > - - 套圈材料 已結晶玻璃 硼矽酸鹽 玻璃 陶瓷 Si02 65 75 - A 1 2 〇 3 18 7 - Li2〇 5 - 組成 K2〇 8 1 一 (質量％) CaO 4 - - Ν a 2 〇 - 7 0 Β 2 〇 3 - 10 - Zr02 - - 95 Υ2Ο3 5 熱膨脹係數 (X 1 0 7 / °C ) 25 55 83 光波導元件之產生 黏著 黏著 黏著 偏心度（微米） 0.5 0.5 0.5 傳播模式 ran 早 ΪΖ3 口 早 早 連接損失（d B ) 0.2 0.3 0.3 在1 0 0 °c光纖之收縮 (奈米） 10 25 50 1261131 首先，將表1和2所示具有各個組成之玻璃熔於電爐， 保持1 5 8 Ot 1 〇小時，然後鑄入直徑1 0 0毫米之圓筒形玻璃 體中。隨後，加熱於圓筒形玻璃體於1 1 0 0 °C 2小時以待結 晶。然後，在圓筒形玻璃體中央用鑽頭形成直徑5毫米之 穿孔。於是，在特別實施例1和3和比較例5中各產生結 晶玻璃製之管狀預型物。另一方面，將表1和2所示具有 各個組成之玻璃熔於電爐而保持1 5 0 0 °C 1 〇小時，然後鑄入 具有1 0 0毫米直徑之圓筒形玻璃體內。然後，用鑽頭在圓 筒形玻璃體甲央形成直徑5毫米之穿孔。於是在特定實施 例2和4與比較例6中各自產生由硼矽酸鹽玻璃製成之管 狀預型物。 一用矽石玻璃製成而具1 2 5微米直徑之單模光纖被*** 於預型物之孔內。預型物被連續饋入於一環狀電爐，以1 毫米/分之饋入速率通過上方開口。預型物被環形電爐加熱 至軟化而變形。結果，預型物被向下拉長成爲一變形體。 經過軟化而拉長之變形體下端被一對輥輪夾住而在1180T： 接受拉伸，若爲結晶玻璃或硼矽酸鹽玻璃則在9 0 (TC分別 拉伸。於是，於6 4 0 0毫米/分之速率產生成形體，使成形 體具有1 . 2 5毫米± 0 . 5微米之外徑。以拉伸配合或同步，光 纖2被連續饋至預型物，亦即，進入預型物之孔。 以拉伸而獲得之成形體被切割成爲1 6 . 7毫米長度。隨後 ，成形體各相反端被拋光如與用於M U型光學連接器相似 情形而產生光波導元件。 在比較例5或6中，光波導元件產生於與特定實施例1 -1 5- 1261131 和2之情形，但如下情形除外。光纖不***於 孔。拉伸進行於1 1 8 0 °C或9 0 0 °C以產生具有內 米之孔之套圈。隨後，一單模光纖***於套圈 著劑固定於其中。在比較例7內，光波導元件 例5和6相似之情形，但是單模光纖是***於 石套圈。 熱膨脹係數是用MAC科學公司所製Dilatom 測於在3 0至3 8 0 °C範圍內之溫度。在定位構件 纖偏心度是用掃描電子顯微鏡（S E Μ )觀察光波〗 落並評定S Ε Μ照片而獲得。 傳播模式是以如下情形確認。使用具有1 . 3 雷射二極體作爲光源。從雷射二極體發射之光 光纖自其一端入射而至光波導元件。在出射端 拍下端面影像而檢驗出射光強度之分佈。 光學連接損失以如下情形量測。光波導元件 M U型光學連結器連接至單模光纖。光波導元f 經由另一 M U型光連結器連接至一個光功率計 Advantest公司製）。經過單模光纖，波長爲1 . 入光束入射至光波導元件。輸出光束用光功率 較輸出光束與輸入光束，量得光學連接損失。 光纖被加熱時之收縮量是得自於如下之情形 Products Inc.所製ACCIS，光纖相對於定位構1 置分別於室溫和1 〇 〇 °C測定。計算各個位置間/ 收縮量。 預型物之穿 徑爲1 2 6微 並用環氧黏 產自與比較 一市售之銷 eter 5 0 0 0 量 之孔內之光 _元件之段 微米波長之 束通過單模 ，用攝影機 之一端藉由 牛之另~輔 (Q 8 2 2 1， 3微米之輸 計量測。比 。用 N 〇 1，1 a n d 年之各個位 之差異則爲 -]6- 1261131 如在表1所見，特定實施例1至4產自拉伸，光纖之偏 心度很小。因此，光學連接損失小。當加熱至1 0 (TC ，光 纖不發生收縮。 另一方面，在比較例5內，維持或固定爲單模傳播。然 而，因爲光纖在套圈孔內之偏心度大，光學連接損失也大 。若加熱至1 〇 〇 °C ，光纖之收縮量大。 (五）圖式簡單說明 第1圖爲一示意圖，說明根據本發明之一具體例產生一 種光波導元件之方法；和 第2圖爲產自第1圖所示方法之光波導元件放大透視圖 ，其中間部位被略去。 主要部分之代表符號說明 1 預型物 1 a 孔 1 1 變形體 1 π 成形體 2 單模光纖 3 電爐 4 輕輪 5 光波導元伶 6 定位構件 a 7

孔 光波導構件

Claims (1)

1261131 拾、申請專利範匱 ^ 1 . 一種光波導元件，含有： 一經加熱而拉長於預定方向之定位構件，具有一孔， 延伸於預定之方向；和 一設置於該孔內之光波導構件，被熔融結合而固定至 該定位構件。 2 .如申請專利範圍第1項之光波導元件，其中該定位構件 是以玻璃製成。 | 3 .如申請專利範圍第2項之光波導元件，其中該玻璃爲有 _ 結晶沉積於其中之結晶玻璃。 4 .如申請專利範圍第3項之光波導元件，其中該結晶爲/3 - 鋰輝石固溶液。 5 .如申請專利範圍第2項之光波導元件，其中該玻璃至少 含有4 5質量％之S i 0 2、A 1 2 0 3和L i 2 0合計量。 6 .如申請專利範圍第2項之光波導元件，其中該玻璃至少 含有65質量％之Si02、Al203和Li20合計量。 鲁 7 .如申請專利範圍第1項之光波導元件，其中該定位構件 是用塑膠製成。 8 .如申請專利範圍第1項之光波導元件，其中該定位構件 具有在 3 0 °C 至 3 8 (Γ C 時爲-2 Ο X 1 (Γ 7 / °C 至 7 Ο X 1 (Γ 7 / °C 之熱 膨脹係數。 9 .如申請專利範圍第1項之光波導元件，其中該定位構件 具有低於該光波導構件者之軟化點。 1 〇 . —種產生光波導元件之方法，包括： -18- 1261131 製備一管狀構件， ***一光波導構件至該管狀構件內， 加熱並拉長該管狀構件使熔融結合該管狀構件至該光 波導構件，獲得一成形體；和 切割該成形體成爲預定長度。 1 1 .如申請專利範圍第1 〇項之方法，其中該管狀構件爲以 玻璃製成。 1 2 .如申請專利範圍第1 1項之方法，其中該結晶沉積於其 中之結晶玻璃被用作該玻璃。 1 3 .如申請專利範圍第1 1項之方法，其中該玻璃是一種可 結晶之玻璃，未含沉積於其內之結晶，而其在被加熱和 拉長之時因沉積結晶而轉變成爲已結晶之玻璃。 1 4 .如申請專利範圍第1 1項之方法，其中該玻璃含有至少 4 5質量％之S i 0 2、A 1 2 0 3和L i 2 0之合計量。 1 5 .如申請專利範圍第1 1項之方法，其中該玻璃含有至少 6 5質量％之S i 0 2、A 1 2 0 3和L i 2 0之合計量。 1 6 .如申請專利範圍第1 0項之方法，其中該管狀構件爲製 自塑膠。 1 7 .如申請專利範圍第I 0項之方法，其中該管狀構件在 3 Ot：至 3 8 0 °C 具有-2 Ο X 1 0_7 / °C 至 7 Ο X 1 (Γ 7 /1 之熱膨脹係 數。 · 18.如申請專利範圍第10項之方法，其中該管狀構件具有 低於該光波導構件者之軟化點。 -19-