專利名稱：高功率光纖耦合的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本專利涉及到一根光纖與一個或多個元件的耦合，尤其涉及到采用一種特殊光纖使其能發(fā)射高功率光信號并減少通常伴隨從單模光纖發(fā)射高功率信號時所引起的負(fù)面影響。
背景技術(shù)：
光纖端頭容易受到雜質(zhì)污染或磨損。現(xiàn)有的許多專利都提出了這一問題并試圖提供用來減少由于污垢，潮濕，殘質(zhì)，油脂和其它污染物而產(chǎn)生污染的方案，但，這一問題仍然存在。事實(shí)上，與過去相比，光纖連接器端面上污染物的影響已經(jīng)變成了一個越來越嚴(yán)重的問題。這是由于隨著摻稀土金屬光纖放大器和波分復(fù)用使用頻度的增加，而使高功率光信號變?yōu)槠毡?。一個有10個波長通道的鏈路的平均功率通常是只有一個波長通道的鏈路的10倍。
目前，具有100甚至更多個波長通道的系統(tǒng)也已進(jìn)入實(shí)用。同時，隨著近來對使用小纖芯直徑光纖需求，如在光纖放大器的制造過程中要求纖心直徑在6微米或更小，光纖端面的污垢和殘質(zhì)就成了一個越為嚴(yán)重的問題。使用具有小模場直徑(MFD)光纖的推動力是在摻雜(如鉺)放大光纖中對高功率密度的需求。但是，在小模場中傳播的高功率光能在光纖端面產(chǎn)生的光功率密度會導(dǎo)致在低功率密度下不會產(chǎn)生的損壞。
損壞機(jī)理對光功率有很大的非線性依存性。當(dāng)光纖端面有殘質(zhì)時，這些殘質(zhì)會大量的吸收光以致使受熱的粒子燒焦，而使光纖的端面出現(xiàn)凹點(diǎn)并損壞，使光纖不能再發(fā)揮傳播的作用。光纖端面的損壞在某種程度上非常嚴(yán)重，在有充足集中的光能情況下這些污染物粒子實(shí)際上會爆炸。當(dāng)光信號的功率高于200毫瓦時，這一問題存在于模場直徑約為10微米的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖中；而且當(dāng)這些功率信號或更高功率光信號集中在一個小纖芯直徑內(nèi)時，損壞會更嚴(yán)重。目前已有要求提供一種光纖耦合以傳送高達(dá)1W的光功率。即使采取了所有可能的預(yù)防措施并試圖確保光纖端面不受污染，有時在去污過程中也會造成某種程度的污染。
在大量光學(xué)元件中，光纖端面與一個透鏡耦合，使來自光纖端面的發(fā)散光束能被準(zhǔn)直并被提供到另一個元件，如濾光器，衰減器或晶體，以進(jìn)行其它的處理或路由。在很多情況下需要給這些元件提供準(zhǔn)直光束。光的準(zhǔn)直會受到如下所述的由于光束在透鏡上的不規(guī)則模式而引起的嚴(yán)重干擾。
曾有人試圖在光纖端面形成集成透鏡以通過提供帶透鏡光纖來排除對提供一個被耦合到光纖端面的分離透鏡的要求。如，美國專利第5446816號提出了通過熔化端面，如用激光，在一根單模光纖的一個輸入端形成一個透鏡。這就是眾所周知的熱擴(kuò)芯(TEC)光纖。但是這種方法的一個問題是所形成的透鏡的性能不容易控制或再現(xiàn)。在很多情況下，需要使用提供一個光耦合到一根光纖的準(zhǔn)直光束的分離透鏡。采用一個分離透鏡，如自聚焦透鏡將更便宜并能提供一束更均一的可預(yù)測光束。美國第5446816號專利并沒有強(qiáng)調(diào)光功率的密度或耦合效率。
盡管如此，當(dāng)很高功率的光從光纖發(fā)射時，采用一個與一個自聚焦透鏡光耦合在一起的單模光纖可能會在光纖端面引起可靠性問題。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個目的就是通過提供一種具有更強(qiáng)性能并且制造成本相對較低的耦合結(jié)構(gòu)以排除這一高功率的問題。
根據(jù)本發(fā)明，提供的一種光學(xué)耦合，其包括一個帶有纖芯和纖芯包層的單模光纖，該單模光纖在軸向與一個具有均一折射率并光學(xué)上均勻的導(dǎo)光體(如沒有光功率)的與單模光纖/導(dǎo)光體界面相對的端面熔接在一起，這一導(dǎo)光體的大小設(shè)計使得來自單模光纖纖芯的光在其間發(fā)散傳播并以直線方式通過光學(xué)上均勻的導(dǎo)光體，以形成一個底面在所述端面上的無障礙的錐形，及一個與導(dǎo)光體光耦合的不同的透鏡，用來重整接收到的或發(fā)射的光。
在本發(fā)明的一個具體實(shí)施例中，透鏡是一個自聚焦透鏡(漸變折射率)，或者透鏡可以是一個普通(如球形鏡)透鏡。
單模光纖的纖芯可以有一個均一的折射率n0?；蛘哒凵渎士梢杂懈鞣N可變分布，如它的值在中心，既纖芯的縱軸上最高。在下文的本說明書中，纖芯折射率的最高值都定義為n0。在所有的情況下，纖芯的折射率都比包層的折射率高。
在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，導(dǎo)光體與單模光纖的直徑相似或幾乎相同，并在軸向被對準(zhǔn)。
根據(jù)導(dǎo)光體是否有斜端面，錐體可以有一個圓形或橢圓基座。
根據(jù)本發(fā)明，還提供了一種光學(xué)耦合，包括一根光纖帶有第一導(dǎo)波段，該第一導(dǎo)波段具有高折射率的纖芯和低折射率的纖芯包層，及與第一導(dǎo)波段軸向相鄰的第二光學(xué)均勻?qū)Ч舛?，該第二?dǎo)光段有與第一導(dǎo)波段幾乎相同的直徑，其一個端面與第一導(dǎo)波段的纖芯相對，并具有外壁，使得一束發(fā)散光束從纖芯通過第二導(dǎo)光段傳播到端面時幾乎不導(dǎo)向也不改變方向。該第二導(dǎo)光段有足夠短的長度，以使發(fā)散光束到達(dá)端面時不到達(dá)第二導(dǎo)光段的外壁；及一個與第二導(dǎo)光段光學(xué)耦合的透鏡，用來重整接收到的或發(fā)射的光。
在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，透鏡為一個自聚焦透鏡。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，還提供了一個能夠傳送高功率光信號的光纖耦合，包括一根單模光纖的第一段和非波導(dǎo)且?guī)缀蹙鶆虻墓饫w的第二共軸相鄰段，該第二段形成一個光纖的端面；及，一個用來裝入能夠傳送高功率光信號光纖的套管。第二共軸相鄰段的一個端面與套管最好共面。第二段的端面可以被耦合到一個透鏡，如一個自聚焦透鏡。
與(如通過加熱)形成一根光纖的一個集成的光學(xué)均勻的節(jié)段(TEC光纖)不同的是本發(fā)明的第二段在被熔接到第一段之前是完全分開的，在TEC光纖中改變折射率的摻雜經(jīng)過加熱并沒有被消除，材料也并不完全光學(xué)均勻而且折射率實(shí)際上也不完全均一。
本發(fā)明的耦合適用于光束的雙向傳播。


本發(fā)明的具體實(shí)施例將結(jié)合下面所附的圖示來進(jìn)行詳細(xì)說明，其中圖1A-1C為一種適用于發(fā)射高功率光信號的光纖耦合的裝配方法的側(cè)示圖；圖1D和1E所示的是用一種大的光發(fā)散塊來組裝另一種耦合方法的側(cè)示圖；圖1F是耦合的另一個實(shí)施例的截面圖；圖2A-2C是用斜端面元件準(zhǔn)備本發(fā)明耦合的另一個實(shí)施例的側(cè)示圖；圖3是裝在細(xì)管內(nèi)的本發(fā)明的高功率光纖耦合的一個截面圖；及，圖4為本發(fā)明的一個耦合，其中光纖頭與一個透鏡耦合在一起。
具體實(shí)施例方式圖1A-1C所示的是一種準(zhǔn)備單模光纖10的一個終端一種方法，以使它能傳播高光功率而不損壞傳輸端面12。該方法需要有一根具有均一折射率且與單模光纖纖芯14的折射率n0相同的特殊玻璃光纖11，該光纖的外徑與單模光纖的外徑，dc＝125微米相同。這種特殊光纖11沒有纖芯所以它并不是典型的帶有玻璃芯并且有玻璃包層的光纖。如圖1A中所示單模光纖10和特殊光纖11都已被剖開，切開的端面12和16與光纖軸成90度。如圖1B所示，這兩個剖開的端面以光接觸的形式被熔接在一起。圖1C所示的是熔接好后的情況。注意在單模光纖10和特殊光纖11間的纖芯范圍內(nèi)并沒有折射率分界。在單模光纖的纖芯14內(nèi)傳播的光到達(dá)特殊光纖11后不會再以一個束約模的方式進(jìn)行傳播而會擴(kuò)散，并且會像在一個自由空間一樣在有一個有均一折射率n0的介質(zhì)以直線方式傳播。光束會擴(kuò)大成一個帶有半角為α(如圖1E所示)的錐形，這就是一個單模光纖的限制角并且α＝arccos(nc/no)，這里nc和no分別是包層和纖芯的折射率。
大家將會注意到光錐到達(dá)分束塊18的與光纖10的纖芯相對的端面19，但沒有到達(dá)分束塊18的側(cè)面，或從該側(cè)面被反射開。這減少或防止在隨后的透鏡內(nèi)的處理中光束劣化的可能性，這會在下文進(jìn)行討論。
單模光纖和特殊光纖熔接界面上的功率密度仍然很高，但是該界面能夠應(yīng)付高光功率密度并且不會因?yàn)槭芪廴径嘶?。本發(fā)明的一方面表明了熔接是一個能處理高光功率的光界面。
如圖1D和1E的示，也可將單模光纖10與具有均一折射率的導(dǎo)光體18熔接在一起，其中導(dǎo)光體并不需要與單模光纖具有相同的直徑。但這一結(jié)構(gòu)要求一個充分的對準(zhǔn)程序，使在導(dǎo)光體18中傳播的發(fā)散光束(如圖1E中虛線所示)到達(dá)端面19但不與其側(cè)面20接觸。正如大家可以看到，這樣發(fā)散光束形成了一個不受干擾的其頂角為α(限制角)的錐體，并在端面19上形成一個圓形底面。如果端面如圖2A-2C所示被傾斜，這個錐體的底面就會變?yōu)闄E圓。
在本發(fā)明的另一個實(shí)施例中，如示意圖1F所示，單模光纖10與一段帶有擴(kuò)展纖芯18A和包層18B的特殊光纖11A熔接在一起。纖芯18A光學(xué)上均勻，即，纖芯18A的折射率是均一的。包層18B的折射率低于纖芯18A的折射率。如圖1E的實(shí)施例中所示，纖芯18A的折射率與單模光纖10的纖芯14相似。
特殊光纖11A的尺寸經(jīng)過選擇，使從纖芯14出射的光發(fā)散并不受干擾地傳播到特殊光纖11A的端面21，形成一個不受干擾的錐體，同時不接觸由光纖芯18A和包層18B之間的界面所限定的光學(xué)均勻體的外壁。如圖1E所示，光束限定一個限制角α。
光束的錐體不受干擾對本發(fā)明的目的來說非常重要，因?yàn)樵趥鞑ソ?jīng)過端面19或21后發(fā)散光束最好以常規(guī)的模式不含雜散入射角地入射到透鏡。
圖2A-2C所示的是準(zhǔn)備單模光纖22端面的另一種方法，以使它可處理高光功率密度。在這一實(shí)施例中，特殊光纖24的折射率為nc＝1.46，與單模光纖硅石包層的折射率相應(yīng)。采用石英玻璃光纖的好處就在于這種光纖比一個帶有與單模光纖纖芯相同折射率的特殊光纖更容易得到。同樣，這種特殊光纖24的外徑為125微米(與單模光纖20一樣)，且沒有纖芯。如圖2A所示，單模光纖和特殊光纖的端面以與光纖軸成82-84度的角度割開。單模光纖和特殊光纖的端面以光接觸形式被熔接在一起，如圖2B所示。圖2C所示的是熔接好后的情況。注意在單模光纖包層和特殊光纖間的折射率分界消失了。在纖芯26和特殊光纖24間仍有一個折射率分界。這個分界與光纖縱軸成大于(82-84°)的角，因而防止了反射光再耦合到單模光纖中。
對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以想象出其它方法形成如圖1A-1F和圖2A-2C所示的界面。如，可以有控制地加熱單模光纖的端面以消除纖芯(前述的熱擴(kuò)芯的方法，這種方法不如這里所述的方法好)?；蛘?，可以做一個帶有感光性包層的特殊單模光纖。當(dāng)用光化射線，如紫外光線，照射這個特殊光纖時，包層的折射率就會變大到與纖芯的折射率相匹配。通過這種方式，一個在照射區(qū)域內(nèi)沒有用來導(dǎo)光的纖芯的光纖端面可以準(zhǔn)備好。
圖3所示是將單模光纖/特殊光纖界面用到一個高功率光纖頭中。用圖1A-1F或圖2A-2C中所示的方法準(zhǔn)備的單模光纖/特殊光纖界面被插入一個玻璃細(xì)管30中，該細(xì)管有一個與光纖直徑，即125微米相應(yīng)的小孔。熔接界面被插入到細(xì)管30中，如圖所示使其離細(xì)管的端面有一個距離L，如圖3所示。切去突出細(xì)管端面的特殊光纖部分，玻璃細(xì)管和光纖的端面可以拋成與光纖軸垂直面成8-6度的β角或與光纖軸成82-84度角。在單模光纖10中傳播的光到達(dá)熔接界面時在特殊光纖11的玻璃介質(zhì)內(nèi)會擴(kuò)展。這種擴(kuò)展是以頂角的半角為α(圖1E所示)的錐形擴(kuò)展的。當(dāng)光到達(dá)特殊光纖的端面時，光束的直徑會變大到一個直徑D，如圖3所示。D的大小取決于長度L。 D與L之間的關(guān)系可以由下列公式得到L≤nc2no2-nc2D]]>由于錐形發(fā)散光束不應(yīng)接觸特殊光纖的側(cè)壁(側(cè)壁規(guī)定了光學(xué)均勻且折射率均一體的邊界)，上述關(guān)系決定了L的最大可接受值。
在nc＝1.46及no＝1.47的情況下，L＝4.26D。由于光束的擴(kuò)展錐體不應(yīng)入射到特殊光纖的側(cè)面，D被限制為小于125微米，這就限定了相應(yīng)的L的長度小于533微米。因?yàn)樵谔厥夤饫w區(qū)域內(nèi)光束大小的擴(kuò)展，在光纖頭的特殊光纖/空氣界面的光功率密度就更小。例如，為了將單模光纖內(nèi)的功率密度減小25倍，光束的直徑D應(yīng)該約為單模光纖纖芯的直徑，通常為9微米，的5倍。為了使D為45微米，L的光度應(yīng)為191微米。
實(shí)際上，耦合的大小應(yīng)使第二段，或?qū)Ч怏w，特殊光纖11或?qū)Ч怏w18的端面的功率密度比傳播經(jīng)過第一段，即光纖10的纖芯的光的功率密度至少小10倍。
圖4所示的是本發(fā)明的另一個實(shí)施例，其中圖3中的光纖頭與自聚焦透鏡40一起形成一個集成單元，以形成一個準(zhǔn)直光束并能處理高光功率。正如大家所知，自聚焦透鏡40裝在一個套管42內(nèi)且離光纖頭很近，并如前所述有一個與傾斜的光纖頭相對應(yīng)的小角傾斜以減少回反。為了在自聚焦透鏡內(nèi)生成一個準(zhǔn)直光束，在光束完全到達(dá)第二段11的端面19之前，第二段11內(nèi)的發(fā)散光束44的錐形最好不因?yàn)殄F形光束接觸到第二段11的外柱形側(cè)壁而受到破壞。這種與外壁的接觸很可能會生成雜亂反射及在自聚焦透鏡40的輸入端面上產(chǎn)生不規(guī)則的入射角。圖4所示的是從自聚焦透鏡40正確地出射準(zhǔn)直光束46的一種較好的光學(xué)結(jié)構(gòu)。
對于本發(fā)明來說，一個大約為四分之一波的自聚焦透鏡較適合。自聚焦透鏡的外端面45最好鍍上一層抗反射膜。
在不脫離下述權(quán)利要求書的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，還可以設(shè)想出本發(fā)明的許多其它實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)耦合，包括一個帶有纖芯和纖芯包層的單模光纖，該光纖在軸向與一個具有均一折射率并光學(xué)上均勻的導(dǎo)光體的與纖芯相對的端面熔接在一起，這一導(dǎo)光體的大小設(shè)計使得來自光纖纖芯的光在其間發(fā)散傳播并以直線方式通過光學(xué)上均勻的導(dǎo)光體，以形成一個底面在端面上的無障礙的錐形，及一個與導(dǎo)光體光耦合的不同的透鏡，用來重整接收到的或發(fā)射的光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)耦合，其中的透鏡是一種自聚焦透鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)耦合，其中導(dǎo)光體的長度L滿足下面的關(guān)系L≤nc2no2-nc2D]]>其中D是導(dǎo)光體的直徑，n0是光纖纖芯的折射率，nc是光纖包層的折射率。
4.據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)耦合，其中導(dǎo)光體的直徑與光纖的相同或幾乎相同，并與光纖在軸向被對準(zhǔn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)耦合，其中端面被傾斜以減少回反。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)耦合，其中導(dǎo)光體的折射率與單模光纖纖芯的折射率相等。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)耦合，其中導(dǎo)光體的折射率與單模光纖包層的折射率相等。
8.一種光學(xué)耦合，包括一根光纖，帶有第一導(dǎo)波段，該導(dǎo)波段具有高折射率的纖芯和低折射率的纖芯包層，及與第一導(dǎo)波段軸向熔接在一起的第二導(dǎo)光段，該第二導(dǎo)光段有與第一導(dǎo)波段幾乎相同的直徑，且均一的折射率，幾乎沒有光功率也幾乎沒有形成模式的性能，因此，一束發(fā)散光束在其中傳播時幾乎不導(dǎo)向也不改變方向，該第二導(dǎo)光段有一個端面并有足夠短的長度，以使來自第一導(dǎo)波段的纖芯的發(fā)散光束在完全通過第二導(dǎo)光段后到達(dá)端面時不到達(dá)第二導(dǎo)光段的外壁；及一個與第二導(dǎo)光段光學(xué)耦合的透鏡，用來重整接收到的或發(fā)射的光。
9.一種可以傳輸高功率光信號的光纖耦合，該耦合包括一根單模光纖的第一段，非波導(dǎo)且?guī)缀蹙鶆虻墓饫w的第二軸向?qū)?zhǔn)相鄰段，該第二段形成一個光纖的端面；及，一個用來裝入能夠傳送高功率光信號光纖的套管。
10.據(jù)權(quán)利要求9所述的光纖耦合，還包括一個光學(xué)耦合到第二段的端面的透鏡。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光纖耦合，其中在第二段端面的光功率密度比傳播經(jīng)過第一段的光功率密度至少小10倍。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高功率光纖耦合，其有利于減少從單模光纖出射高功率信號時引起的負(fù)作用。該耦合有一個單模光纖在軸向與第二個沒有纖芯也沒有光功率的光學(xué)上均勻的玻璃光纖熔接在一起，后者的尺寸長度使從纖芯傳播經(jīng)過的光在其間發(fā)散并以直線方式通過，而不接觸到第二根光纖的側(cè)壁。第二根光纖被光學(xué)耦合到一個自聚焦透鏡。一般說來，單模光纖和第二根光纖具有相同的直徑并且裝在一個套管里。
文檔編號G02B6/26GK1438503SQ0215478
公開日2003年8月27日 申請日期2002年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月5日
發(fā)明者加里·S·杜克, 德爾文·約翰遜 申請人:Jds尤尼費(fèi)斯公司