光纤连接线的纤芯及其制备方法以及光信号传输系统 【技术领域】
本发明是关于一种光纤连接线的纤芯及其制备方法以及光信号传输系统，特别是关于一种不会造成光损失及不需使用精密耦合装置即可连接一光源与一多模光纤的光纤连接线的纤芯及其制备方法以及光信号传输系统。
背景技术
光纤主要是由一纤芯(core)及一包覆该纤芯的包层(cladding)所构成。该纤芯的折射率高于包层的折射率，由于光线由高折射率介质传送至低折射率介质时发生全反射，因而光线可以不断地在高折射率介质中传播。光纤依其折射率可分成阶越型光纤(step index fiber)及梯度型光纤(graded index fiber)两种；而依传播模式可分成单模光纤(Single-Mode Fiber)及多模光纤(Multi-Mode Fiber)两种。
阶越型光纤因其纤芯与包层的折射率变化剧烈，因此由纤芯射向包层的光束会在界面处发生全反射，使光束不停地依全反射在纤芯中传播。阶越型光纤存在多个传播模式(mode)，因每个传播模式以不同速度传播信号，导致到达终点的时间不同而造成信号失真(即所谓扩散现象)。由于单模光纤的纤芯直径非常细，只容许平行中心轴的光束进入纤芯，因此光束到达终点的时间相同。然而，当光源的发光面积大于单模光纤的纤芯时，大部分的光将因无法耦合(coupling)入纤芯而造成光损失。
梯度型光纤的纤芯的径向折射率是呈抛物线分布设计，且随着半径的增加而减少。因光束在介质中的传播速度随着介质地折射率增加而减少，所以偏离中心轴的光束在折射率较低的介质中传播，传播速度较快，但行经的路径较长；而沿中心轴传播的光束在折射率较高的介质中传播，传播速度较慢，但行经的路径较短。不同传播模式光线到达定点的差分模延迟(differential mode delay，DMD)取决于纤芯的径向折射率分布。
图1是一已知梯度型光纤的纤芯10的剖视图及其径向折射率分布图，由美国专利第6,256,680 B1号揭示。该纤芯10是在一玻璃管中缓慢地沉积化学成份制备的，其径向折射率是通过控制沉积的化学成份(例如含锗的反应气体)的流量而获得。当化学物质在该玻璃管的内壁沉积一预定厚度时，停止向该玻璃管中输送反应气体以形成一中空玻璃棒。之后，将该中空玻璃棒加热熔缩成一实心的预制棒(preform)，再进行抽丝以形成该纤芯10。该中空玻璃棒内部的部分锗元素在加热熔缩过程中形成氧化锗而气化，因而在该纤芯10的轴中心处形成一异常折射区12。
当一单模激光光源的激光束射入一多模光纤的纤芯(例如该纤芯10)时，位于轴中心处的异常折射区12会导致光信号的脉冲分离(pulse splitting)现象。因此在连接一单模激光光源与该纤芯10时，必须避免该单模激光光源的激光束射入该纤芯10的轴中心处。US6,256,680 B1号专利揭示的技术是通过在该纤芯10的轴中心处设置一不透光圆点，用于阻隔该激光束耦合进入该纤芯10的轴中心处，进而避免该激光束沿着该纤芯10的轴中心处行进抵达光检测器。如此，该单模激光光源在该纤芯10的一端射入的激光束只可沿着该异常折射区12以外区域行进才能抵达另一端的光检测器，因此可避免该激光束因经由该异常折射区12行进所导致的脉冲分离现象。US6,256,680 B1号专利揭示该不透光圆点可较好地阻隔90％的能量。然而，由于位于轴中心处的不透光圆点阻隔该激光束耦合进入该纤芯10，因此照射在该不透光圆点的激光束将有90％的光损失。
另一种消除脉冲分离现象的技术是利用一精密耦合装置连接一单模激光光源与一多模光纤。由于该激光光源仅可耦合其激光束进入该多模光纤的部分传播模，实际操作时通过一精密耦合装置协助对准以便将该激光束沿着该多模光纤的径向均匀导入，使得该激光束均匀地射入该多模光纤的所有传播模中以避免发生脉冲分离现象(请参考：Cisco systems，″Catalyst 5000 Series Mode-ConditioningPatch Cord Installation Note″)。由于必须使用精密耦合装置协助对准，在组装及设计上造成诸多不便。再者，使用精密耦合装置还会导致整体的成本增加，并不完全符合产业上的需求。
【发明内容】
本发明的主要目的是提供一种不会造成光损失及不需使用精密耦合装置即可连接一光源与一多模光纤的光纤连接线的纤芯及其制备方法以及光信号传输系统。
为达到上述目的，本发明提供一种光纤连接线的纤芯及其制备方法以及光信号传输系统。该光纤连接线的纤芯包含一第一末端、一第二末端以及一自该第一末端向该第二末端延伸的渐变区。该第一末端的径向折射率分布呈连续变化，以在该光纤连接线轴中心处具有最大值，并沿径向逐渐递减较好。该第二末端包含一设置于轴中心处的光束阻隔区。该渐变区是自该第一末端延伸至该第一末端与该第二末端间的一预定位置，其中该渐变区的径向折射率分布是由该第一末端的分布状态渐变为该第二末端的分布状态。
本发明的光纤连接线的制备方法首先制备一预制纤芯，其包含一设置在轴中心处的光束阻隔区。之后，在该预制纤芯的一末端进行热处理以使其径向折射率分布呈连续地变化。该热处理过程驱使该预制纤芯中的锗元素扩散进入该光束阻隔区，从而使其径向折射率分布沿径向逐渐递减。较好的情况是，该末端的径向折射率在轴中心处具有最大值，并沿径向逐渐递减。
本发明的光纤连接线可应用于一光信号传输系统，用于连接一光源与一多模光纤。该第一末端与该光源连接，而该第二末端则与该多模光纤连接。由于本发明的光纤连接线的纤芯具有梯度型分布的渐变区，因此该光源只需将光束导向该第一末端的任何区域，该渐变区即自动地将该光束全部耦合导向该光束阻隔区以外的环形区域。
与现有技术相比较，本发明的光纤连接线的纤芯由于具有梯度型分布的渐变区，因此具有下列优点：
1.由于该光纤连接线与该光源连接的第一末端没有不透光圆点，来自该光源的光束全部耦合导入该光纤连接线的纤芯，因此本发明的光纤连接线与该光源的连接并不会产生任何的光损失。
2.该光纤连接线不需使用精密耦合装置，即可直接连接该光源与该多模光纤，因此本发明的光纤连接线与其它光学元件的组装及设计上较为简便。
3.由于该光纤连接线与该光源的连接并不需使用精密耦合装置，因此本发明的光纤连接线可大幅地降低成本。
【附图说明】
图1是一已知的梯度型光纤的剖视图及其径向折射率分布图；
图2是本发明的光纤连接线的示意图及其径向折射率分布图；
图3至图5是本发明的光纤连接线的制备方法示意图；
图6是本发明的光信号传输系统的示意图。
图中元件符号说明：10光纤12异常折射区14环形区30纤芯40第一末端50第二末端52光束阻塞区60渐变区62预定位置70预制纤芯80第一末端82区域90第二末端92光束阻塞区
100光信号传输系统102光源104多模光纤
【具体实施方式】
图2是本发明的光纤连接线的纤芯30的示意图及其径向折射率分布图。如图2所示，该纤芯30包含一第一末端40、一第二末端50以及一自该第一末端40向该第二末端50延伸的渐变区60。该第一末端40的径向折射率分布呈连续地变化，较好的情况是在该纤芯30的轴中心具有最大值，并沿径向逐渐递减。该第二末端50包含一设置于轴中心处的光束阻隔区52，且其径向折射率分布是由该光束阻塞区52的外侧沿径向逐渐递减。该渐变区60是自该第一末端40延伸至一预定位置62，且该渐变区60的径向折射率分布是由该第一末端40的分布状态渐变为该第二末端50的分布状态。
图3至图5是本发明的光纤连接线的制备方法示意图。如图3所示，本发明首先制备一预制纤芯70，其包含一设置轴中心处的光束阻隔区92。该预制纤芯70的制备是在一玻璃管的内壁上缓慢地沉积化学成份，其径向折射率是通过控制含锗的反应气体的流量而达到。当化学物质在该玻璃管的内壁沉积一预定时间时，停止向该玻璃管中输送含锗的反应气体，但持续输送其它反应气体直到沉积一预定厚度。之后，再经由熔缩及抽丝即可形成具有一光束阻隔区92的预制纤芯70。
请参考图4，接着在该预制纤芯70的第一末端80进行一热处理过程，以使其径向折射率分布呈连续地变化。该热处理过程是通过在一预定区域82左右移动的火焰烘烤该预制纤芯70，驱使该预制纤芯70中的锗元素扩散进入该光束阻塞区92。该热处理过程使得该第一末端80的径向折射率分布转变呈连续地变化，而该区域82的径向折射率分布则由该第一末端80的分布状态渐变为该第二末端90的分布状态，以完成该纤芯30的制备(如图5所示)。较好的情况是，该纤芯30的第一末端80的径向折射率分布在轴中心处具有最大值，并自轴中心沿径向逐渐递减。之后，该纤芯30的外部将镀上包层，从而形成该光纤连接线。
图6是本发明的光信号传输系统100的示意图。如图6所示，该光信号传输系统100包含一光源102、一多模光纤104、一设置于该光源102与该多模光纤104间的光纤连接线(仅例示该光纤连接线的纤芯30)。该纤芯30与该光源102连接的第一末端40的径向折射率分布是呈连续地变化，而其与该多模光纤104连接的第二末端50则包含一设置于轴中心处的光束阻隔区52。
本发明的光纤连接线由于其纤芯30具有梯度型分布的渐变区60，来自该光源102的光束将全部从该第一末端40进入该渐变区60。之后，该光束经由该渐变区60折射后，在离开该渐变区60后只能在该光束阻塞区52以外的环形区域传播。因此，连接该光纤连接线与该光源102时，只需将来自该光源102的光束导向该纤芯30的第一末端40的任何区域，该渐变区60即可自动地将该光束全部耦合导向该光束阻塞区52以外的环形区域，而不会产生任何的光损失。
与现有技术相比较，本发明的光纤连接线的纤芯30由于具有梯度型分布的渐变区，因此具有下列优点：
1.由于该光纤连接线与该光源102连接的第一末端40没有不透光圆点，来自该光源102的光束是全部耦合导入该光纤连接线的纤芯30，因此本发明的光纤连接线与该光源102的连接并不会产生任何的光损失。
2.本发明的光纤连接线可与该光源102直接连接，不需使用精密耦合装置即可连接该光源102与该多模光纤104，因此本发明的光纤连接线与其它光学部件的组装及设计上较为简便。
3.由于本发明的光纤连接线与该光源102的连接并不需使用精密耦合装置，因此本发明可大幅地降低该光信号传输系统100的成本。
本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而本领域的技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为本专利申请权利要求所涵盖。