專利名稱：光纖透鏡及制造方法
相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用本申請(qǐng)要求2002年12月31日遞交的、題為“小模場(chǎng)光纖透鏡”的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)No.60/437,328和2003年10月31日遞交的、題為“小模場(chǎng)光纖透鏡”的美國(guó)專利申請(qǐng)10/699,450的優(yōu)先權(quán)。
背景技術(shù)：
本發(fā)明通常涉及用于耦合位于光學(xué)元件之間的光學(xué)信號(hào)的光學(xué)裝置。更具體地說，本發(fā)明涉及用于耦合位于光學(xué)元件之間的信號(hào)的光纖透鏡。
在光通信中采用了各種方法來耦合位于光學(xué)元件之間的光學(xué)信號(hào)，例如光纖、激光二極管和半導(dǎo)體光放大器。一種方法涉及光纖透鏡的使用，其是一個(gè)具有設(shè)置在軟導(dǎo)線光纖的一端的透鏡的整體裝置。光能通過透鏡或軟導(dǎo)線光纖進(jìn)入或離開該光纖透鏡。該光纖透鏡能將來自軟導(dǎo)線光纖的光會(huì)聚成在所選焦點(diǎn)距離上具有期望的尺寸和亮度的光斑。然而，現(xiàn)有技術(shù)存在具有多小的光斑尺寸才能實(shí)現(xiàn)所期望的亮度分布的局限以及在控制光斑尺寸和亮度分布時(shí)可實(shí)現(xiàn)的焦點(diǎn)距離的局限。對(duì)某些申請(qǐng)，期望在焦點(diǎn)距離大于5μm處保持高斯亮度分布的情況下獲得與2.5至3.0μm一樣小的模場(chǎng)直徑。這些申請(qǐng)的實(shí)施例包括從半導(dǎo)體光放大器到光纖、從高折射率(index)半導(dǎo)體或電介質(zhì)波導(dǎo)到光纖等的光學(xué)信號(hào)耦合。
根據(jù)上述內(nèi)容，期望一種光纖透鏡，其能產(chǎn)生具有小模場(chǎng)直徑以及對(duì)于寬范圍的焦點(diǎn)距離所期望的亮度分布的會(huì)聚光斑。

發(fā)明內(nèi)容
一方面，本發(fā)明涉及一種光纖透鏡，其包括漸變折射率透鏡、設(shè)置在該漸變折射率透鏡第一端部的單模光纖以及折射透鏡，該折射透鏡設(shè)置在該漸變折射率透鏡第二端部，具有雙曲線的或近似雙曲線的形狀，用于將來自該單模光纖的光束會(huì)聚成衍射限制的光斑。
另一方面，本發(fā)明涉及一種光纖透鏡，其包括單模光纖和設(shè)置在該單模光纖一端的透鏡，其中，在透鏡一端呈現(xiàn)的光束束腰的模場(chǎng)直徑小于10μm，并且從該透鏡該端至束腰的距離與束腰處模場(chǎng)直徑之比大于5。
又一方面，本發(fā)明涉及一種制作光纖透鏡的方法，其包括接合單模光纖至漸變折射率光纖，切除該漸變折射率光纖至期望的長(zhǎng)度，并將該漸變折射率光纖一端磨圓成雙曲線的或近似雙曲線的形狀。
另一方面，本發(fā)明涉及一種制作光纖透鏡的方法，其包括接合單模光纖至漸變折射率光纖，切除該漸變折射率光纖至期望的長(zhǎng)度，接合空芯光纖至該漸變折射率光纖，切除該空芯光纖至期望的長(zhǎng)度，并將該空芯光纖一端磨圓成雙曲線的或近似雙曲線的形狀。
本發(fā)明的這些和其它特征和優(yōu)點(diǎn)將通過對(duì)本發(fā)明下面的詳細(xì)說明和結(jié)合附圖得到更詳細(xì)的論述。


本發(fā)明通過實(shí)施例結(jié)合附圖進(jìn)行說明，但并不限于附圖中的這些實(shí)施例，附圖中相同的參考標(biāo)記表示相同的元件，其中圖1A為根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的光纖透鏡示意圖。
圖1B為雙曲透鏡的幾何表示。
圖1C示出具有插入GRIN透鏡和折射透鏡之間的無芯分隔棒的光纖透鏡。
圖2A為當(dāng)雙曲透鏡設(shè)置在單模軟導(dǎo)線光纖一端的情況下雙曲透鏡端部曲率半徑隨焦點(diǎn)距離變化的曲線圖。
圖2B示出圖2A所示實(shí)施例中雙曲透鏡端部的MFD隨焦點(diǎn)距離的變化。
圖3為經(jīng)由本發(fā)明光纖透鏡的光束傳播示意圖。
圖4A為平面的和發(fā)散的光束波陣面的幾何表示。
圖4B為對(duì)雙曲線的形狀作出的以形成近似雙曲透鏡的變化示意圖。
圖5為根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的光纖透鏡的遠(yuǎn)場(chǎng)亮度分布隨遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角變化的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在，將通過一些優(yōu)選實(shí)施例并結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明。在接下來的說明中，闡述了許多細(xì)節(jié)以提供對(duì)本發(fā)明的全面理解。然而，顯而易見的是，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可無須一些或全部這些細(xì)節(jié)來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。在其它情況中，熟知的工序和/或特征并沒有詳細(xì)描述，以避免不必要地混淆本發(fā)明。本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)可通過參考附圖和接下來的論述得到更好的理解。
本發(fā)明實(shí)施例提供一種光纖透鏡，其能將來自光纖的光會(huì)聚成在本申請(qǐng)期望的距離上具有預(yù)期的尺寸和亮度分布的光斑。該光纖透鏡通過接合折射透鏡和漸變折射率(GRIN)透鏡來產(chǎn)生會(huì)聚光束。在一個(gè)實(shí)施例中，該折射透鏡具有雙曲線的形狀，用于將準(zhǔn)直光束會(huì)聚成衍射限制的光斑。在另一個(gè)實(shí)施例中，該折射透鏡具有近似雙曲線的形狀，用于將非準(zhǔn)直光束會(huì)聚成衍射限制的光斑。通過控制GRIN透鏡的多模參數(shù)和折射透鏡的形狀，實(shí)現(xiàn)例如從2至5μm范圍的、具有合理高斯亮度分布的小模場(chǎng)直徑(MFDs)。此外，當(dāng)保持該小MFDs和高斯亮度分布時(shí)，在1550nm工作波長(zhǎng)處獲得與25至40μm一樣大的長(zhǎng)焦點(diǎn)距離。
圖1示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的光纖透鏡100。該光纖透鏡100包括漸變折射率(GRIN)透鏡102、設(shè)置在該GRIN透鏡102一端的折射透鏡104，和設(shè)置在該GRIN光纖透鏡102另一端的單模軟導(dǎo)線光纖106。該GRIN透鏡102具有芯108，其可以受或不受包層110的束縛。該GRIN透鏡102的芯108優(yōu)選具有沿光纖透鏡100的光軸徑向增加的折射率分布，例如平方律型或拋物線型。在一個(gè)實(shí)施例中，該折射透鏡104為具有雙曲表面112的雙曲透鏡。該雙曲透鏡104具有芯114，其可以受或不受包層116的束縛。理論上，該芯114應(yīng)當(dāng)具有均勻折射率，但是，通過將GRIN透鏡102的一端拋光成雙曲表面112也許更容易形成折射透鏡104，在該情況下，芯114將具有沿光纖透鏡100的光軸徑向增加的折射率分布。
雙曲透鏡104的形狀給出如下u2a2-v2b2=1---(1a)]]>圖1B為上述表達(dá)式的圖形表示。在該圖中，雙曲透鏡104為u-v坐標(biāo)系統(tǒng)中雙曲線的一部分，并且該雙曲線部分的頂點(diǎn)位于u軸的(a，0)處。該雙曲線部分的焦點(diǎn)位于(c，0)，c給出如下c=a2+b2---(1b)]]>該雙曲線部分包括兩條漸近線，表示如下bu±av＝0 (1c)漸近線的斜率是+b/a和-b/a。漸近線在原點(diǎn)(0，0)處交叉形成具有頂角α的楔形，α給出如下α＝2tan-1(b/a) (1d)根據(jù)Edwards等人的理想雙曲形狀，其正好將入射球面波轉(zhuǎn)變成平面波，方程(1a)至(1d)中的因子a和b通過下式得到
a2=(n2n1+n2)2r22---(2a)]]>b2=(n1-n2n1+n2)r22---(2b)]]>其中n1為雙曲透鏡芯部折射率，n2為雙曲透鏡芯部周圍介質(zhì)的折射率，r2為雙曲透鏡端部曲率半徑。(Edwards，Christopher A.，Presby，Herman M.，和Dragone，Corrado.“用于激光器至光纖耦合的理想微透鏡”光波技術(shù)期刊，Vol 11，No.2，(1993)252.)具有這樣的雙曲形狀，圖1B中所示的位于平面(1)和(2)處的模場(chǎng)半徑相等，并且在平面(2)處的曲率半徑為無窮大，即，在平面(2)處的光束波陣面是平面二維的。
回到圖1A，該軟導(dǎo)線光纖106可以是任何標(biāo)準(zhǔn)的單模光纖，例如CorningSMF-28光纖，或特殊單模光纖，例如偏振保持(PM)光纖。當(dāng)從端部看時(shí)，該軟導(dǎo)線光纖106可以是圓形對(duì)稱的或具有其它形狀，例如，方形或橢圓形。該GRIN透鏡102優(yōu)選固定到該軟導(dǎo)線光纖106上。從可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性出發(fā)，該GRIN透鏡102可通過熔接接合固定到該軟導(dǎo)線光纖106上。該雙曲透鏡104可直接在該GRIN透鏡102上形成或在附著于該GRIN透鏡102的無芯分隔棒上形成。如圖1C所示，該雙曲透鏡104還可附著于無芯分隔棒120，該無芯分隔棒120附著于GRIN透鏡102。由于折射透鏡和分隔棒的最后尺寸通常非常小，在優(yōu)選方法中，首先將較長(zhǎng)的GRIN光纖或分隔棒附著于軟導(dǎo)線光纖，然后在形成折射透鏡之前在端部將其切除或分解至所期望的長(zhǎng)度(無芯分隔棒還可介于該GRIN透鏡102和軟導(dǎo)線光纖106之間)。該雙曲透鏡104可通過使一段長(zhǎng)度的光纖成形為具有一頂角(圖1B中的α)的錐形/楔形來形成。例如，該光纖可通過錐形切割處理(為了對(duì)稱)或具有拋光功能的激光顯微機(jī)械加工來形成為錐形/楔形。然后，在得到的錐形/楔形端部形成彎曲曲率以得到期望的雙曲形狀。雖然在附圖中沒有示出，但該GRIN透鏡和/或該單模軟導(dǎo)線光纖可以是錐形。該軟導(dǎo)線光纖的整體直徑可以比該GRIN透鏡的整體直徑小或基本相等。
該GRIN透鏡102和雙曲透鏡104產(chǎn)生會(huì)聚光束，其具有小的模場(chǎng)直徑(MFD)、好的波陣面特性以及長(zhǎng)的焦點(diǎn)距離。在一個(gè)實(shí)施例中，下列特征是所期望的束腰處模場(chǎng)直徑(MFD)小于10μm，優(yōu)選在2至5μm的范圍內(nèi)，具有合理的高斯亮度分布，焦點(diǎn)距離大于5μm，優(yōu)選在20至60μm的范圍內(nèi)，從透鏡端部到束腰的距離與束腰處MFD的比大于5，并且對(duì)于在250至2000nm范圍內(nèi)的工作波長(zhǎng)透鏡間的耦合效率大于65％。該雙曲透鏡104和GRIN透鏡102對(duì)于實(shí)現(xiàn)小的MFDs和長(zhǎng)的焦點(diǎn)距離都是重要的。例如，如果不使用該GRIN透鏡102，雙曲透鏡104端部的光斑尺寸將被限制在單模軟導(dǎo)線光纖106的MFD內(nèi)，其將限制可實(shí)現(xiàn)的焦點(diǎn)距離至小的數(shù)值。例如，大部分實(shí)際應(yīng)用的單模光纖在1550nm的工作波長(zhǎng)處具有10-12μm范圍的MFD。由于單模光纖具有10μm的MFD和38μm的發(fā)散角，其對(duì)于3μm的會(huì)聚MFD是必需的，如果只使用雙曲透鏡，最長(zhǎng)焦點(diǎn)距離將被限制在大約14μm。
為了進(jìn)一步說明同時(shí)使用雙曲透鏡104和GRIN透鏡102的重要性，參考圖2A示出的雙曲透鏡端部的曲率半徑與光纖透鏡的焦點(diǎn)距離的函數(shù)關(guān)系，該光纖透鏡在沒有插入GRIN透鏡的單模軟導(dǎo)線光纖一端設(shè)置有雙曲透鏡。該圖示出光纖透鏡具有好的波陣面特性。圖2B示出圖2A中所示實(shí)施例的雙曲透鏡端部的MFD隨焦點(diǎn)距離的函數(shù)變化。該圖示出為了獲得2.0-3.5μm范圍內(nèi)的會(huì)聚MFDs，雙曲透鏡端部的MFD必須大于10μm以實(shí)現(xiàn)焦點(diǎn)距離大于20μm。除非在雙曲透鏡和單模軟導(dǎo)線光纖之間插入GRIN透鏡，否則，使用最普遍使用的單模光纖將不會(huì)實(shí)現(xiàn)比20μm大得多的焦點(diǎn)距離，因?yàn)殡p曲透鏡端部的MFD將被限制在單模軟導(dǎo)線光纖的MFD內(nèi)。
圖3示出穿過平面(1)、(2)、(3)和(4)傳遞的光束300。平面(1)包括光學(xué)裝置302的一個(gè)端面。平面(2)與光纖透鏡304的端部重合。平面(3)與位于雙曲透鏡306和GRIN透鏡308之間的接觸面重合。平面(4)包括單模軟導(dǎo)線光纖310的一個(gè)端面。假定該光學(xué)裝置302具有2w0的MFD，并且設(shè)置在離該光纖透鏡304端部的距離為d處。在這種情況下，期望這樣設(shè)計(jì)光纖透鏡304，在工作波長(zhǎng)8時(shí)，該光纖透鏡304的會(huì)聚光斑尺寸在距離光纖透鏡304端部d處盡可能地接近2w0。該GRIN透鏡308端部的光束的特性和雙曲透鏡306的特性決定了會(huì)聚光束的光斑尺寸特征。在一個(gè)實(shí)施例中，光纖透鏡304的設(shè)計(jì)步驟包括(1)計(jì)算光纖透鏡304端部所需要的曲率半徑和模場(chǎng)半徑，以產(chǎn)生會(huì)聚光斑尺寸，(2)通過計(jì)算出的曲率半徑來決定雙曲透鏡306的形狀，以及(3)通過計(jì)算出的模場(chǎng)和軟導(dǎo)線光纖310的模場(chǎng)來決定GRIN透鏡308的參數(shù)。以下是執(zhí)行該步驟的一種可能的方法的論述。
對(duì)于步驟(1)，位于平面(2)，即，光纖透鏡304端部的模場(chǎng)半徑(w2)和曲率半徑(r2)可采用熟知的高斯光束傳播公式來決定。例如，上述Edwards等人給出的關(guān)于w2和r2下列表達(dá)式w2=w01+(λdπw02)2---(2a)]]>r2=(πλ)2(w0w2)2d---(2b)]]>對(duì)于步驟(2)，可通過從方程(2a)和(2b)得到的曲率半徑(r2)連同方程(1a)-(1d)來決定該雙曲透鏡306的形狀。
對(duì)于步驟(3)，該GRIN透鏡308將位于平面(3)處、具有模場(chǎng)半徑w3和曲率半徑r3的光束轉(zhuǎn)變成位于平面(4)處、具有模場(chǎng)半徑w4和曲率半徑r4的光束。為了最優(yōu)設(shè)計(jì)，w4需要盡可能地接近單模軟導(dǎo)線光纖310的模場(chǎng)半徑wp。一種實(shí)現(xiàn)該最優(yōu)設(shè)計(jì)的方法是選擇這種特殊的單模軟導(dǎo)線光纖，其wp與可容易利用的GRIN透鏡308的w4相等。另一方面，該GRIN透鏡308的參數(shù)可這樣選擇，其w4盡可能接近特定值wp。在這種情況下，標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，例如Corning SMF-28光纖，可用作軟導(dǎo)線光纖。該GRIN透鏡參數(shù)包括纖芯直徑、外部(或包層)直徑、折射率分布、纖芯和包層之間的相關(guān)折射率差異以及GRIN透鏡的長(zhǎng)度。在一個(gè)實(shí)施例中，該GRIN透鏡的纖芯直徑在約50至500μm的范圍內(nèi)，并且其外部直徑在約60至1000μm的范圍內(nèi)。與在光通信系統(tǒng)中使用的光纖相兼容的高硅組成物的相關(guān)折射率差值優(yōu)選在約0.5至3％的范圍內(nèi)。
對(duì)于r3＝∞的雙曲透鏡情況，即，光束在平面(3)處為平面波陣面，并且w3＝w2，該GRIN透鏡308的長(zhǎng)度精簡(jiǎn)成四分之一間距。在該簡(jiǎn)單情況中，根據(jù)下列方程，模場(chǎng)半徑w3和w4與該GRIN透鏡參數(shù)相關(guān)w3·w4=λπng---(3a)]]>其中g(shù)=(2Δ)1/2a---(3b)]]>其中g(shù)為聚焦參數(shù)，a為GRIN透鏡的纖芯半徑，以及Δ是該GRIN透鏡的纖芯和包層之間的折射率差異。該四分之一間距(L/4)的公式給出如下L4=π·a2·((2·Δ)1/2)---(3c)]]>其中Δ=(n12-n22)/(2·n12)---(3d)]]>其中L為間距，n1為該GRIN透鏡的纖芯折射率，n2為該GRIN透鏡的包層折射率。
對(duì)于無四分之一間距的GRIN透鏡，高斯光束轉(zhuǎn)變可通過Emkey等人提出的ABCD矩陣步驟計(jì)算出。(Emkey，William L.和Jack，Curtis A.，“漸變折射率光纖透鏡的計(jì)算和分析”光波技術(shù)期刊，Vol.LT-5，No.9，(1987)1156-1164)該方法使用一復(fù)合光束參數(shù)“q”，其定義如下1q(z)=1r(z)-iλπw2(z)n---(4a)]]>其中r為高斯光束的曲率半徑，w為高斯模場(chǎng)半徑，λ為自由空間波長(zhǎng)，以及n為折射率。q(z)從包括單模軟導(dǎo)線光纖310端面的平面(4)向包括光纖透鏡304最終束腰的平面(1)變化，給出如下q1=Aq4+BCq4+D---(4b)]]>其中q1和q4分別為位于平面(1)和(4)處的復(fù)合光束參數(shù)。
A、B、C、D因子為與從平面(4)至平面(1)光束參數(shù)相關(guān)的光束矩陣的元素，并由下式獲得ABCD=M1M2M3M4---(5a)]]>其中M1為位于平面(1)和平面(2)之間光束參數(shù)的轉(zhuǎn)變，其表示如下M1=1z01---(5b)]]>其中z為相對(duì)雙曲透鏡端部的最終束腰位置。M2為雙曲透鏡中光束參數(shù)的轉(zhuǎn)變，其表示如下M2=10-(n2-n1)/n2r2n1/n2---(5c)]]>M3為GRIN透鏡中光束參數(shù)的轉(zhuǎn)變，其表示如下M3=cos(gL)sin(gL)/g-gsin(gL)cos(gL)---(5c)]]>其中g(shù)由關(guān)于GRIN透鏡的方程(3b)給出，該GRIN透鏡具有長(zhǎng)度L和折射率分布給出如下n′(r)＝n(1-g2r2)1/2(5d)其中r為離透鏡軸的徑向位置。M4為平面(4)處來自折射率從n1至n的介質(zhì)的光束參數(shù)的轉(zhuǎn)變，表示如下M4=100n1/n---(5e)]]>該GRIN透鏡的長(zhǎng)度L和聚焦參數(shù)g可調(diào)節(jié)，以便光束穿過該GRIN透鏡后，平面(4)處的模場(chǎng)半徑w4轉(zhuǎn)變成盡可能接近單模軟導(dǎo)線光纖的模場(chǎng)半徑wp。
雙曲透鏡將準(zhǔn)直光束會(huì)聚成衍射限制的光斑，但不能將非準(zhǔn)直光束會(huì)聚成衍射限制的光斑，因?yàn)樗鼪]有使所有光線的路徑長(zhǎng)度在一光斑處相等。對(duì)于具有四分之一間距的GRIN透鏡，該GRIN透鏡輸出面處的光束被準(zhǔn)直。因此，如果雙曲透鏡緊接著一個(gè)四分之一間距GRIN透鏡，來自單模軟導(dǎo)線光纖的光束將被會(huì)聚成衍射限制的光斑。對(duì)于沒有四分之一間距的GRIN透鏡，該GRIN透鏡端部的輸出光束將是離散或收斂的，其取決于該GRIN透鏡的長(zhǎng)度是否比四分之一間距短或長(zhǎng)。因此，優(yōu)選該GRIN透鏡設(shè)計(jì)成或接近四分之一間距。但是，應(yīng)當(dāng)注意到，已經(jīng)有期望具有無四分之一間距的GRIN透鏡的應(yīng)用。對(duì)于這些應(yīng)用，發(fā)明者提供一近似雙曲透鏡，其能將非準(zhǔn)直光束會(huì)聚成衍射限制的光斑。
下列表1表明了輸出光束的MFD和曲率半徑(R)與GRIN透鏡長(zhǎng)度(Z)的函數(shù)關(guān)系。計(jì)算中使用的參數(shù)如下纖芯半徑a＝50μm，相對(duì)折射率差異Δ＝0.01，工作波長(zhǎng)λ＝1550nm，以及單模軟導(dǎo)線光纖的模場(chǎng)半徑wp＝10.6μm。
表1


對(duì)于表1中所示設(shè)計(jì)，該GRIN的間距長(zhǎng)度約為1110μm(或1.11mm)。利用方程(3c)，該四分之一間距約為277.6μm(或0.2776mm)。對(duì)于接近四分之一間距的GRIN透鏡長(zhǎng)度，R非常大。對(duì)于小于四分之一間距的GRIN透鏡長(zhǎng)度，R是離散的。例如，對(duì)于260μm的GRIN透鏡長(zhǎng)度，R約為2.14mm。對(duì)于大于四分之一間距的GRIN透鏡長(zhǎng)度，R是收斂的。例如，對(duì)于290μm的GRIN透鏡長(zhǎng)度，R約為-3.07mm。對(duì)于R是收斂或離散的GRIN透鏡長(zhǎng)度，需要一近似雙曲線形狀來得到一衍射限制的會(huì)聚光斑，該近似雙曲線形狀為具有一用于光束彎曲曲率補(bǔ)償?shù)男Ｕ禂?shù)的一變形雙曲線形狀。
近似雙曲透鏡形狀可通過計(jì)算光學(xué)路徑長(zhǎng)度和物理路徑長(zhǎng)度的改變以恰當(dāng)?shù)木葲Q定，該對(duì)雙曲線形狀作出的改變用來補(bǔ)償光束彎曲曲率。圖4A示出一平面光束波陣面400，其當(dāng)該GRIN透鏡長(zhǎng)度位于或接近四分之一間距時(shí)產(chǎn)生，以及一離散光束波陣面402，其當(dāng)GRIN透鏡長(zhǎng)度小于四分之一間距時(shí)產(chǎn)生。與平面光束波陣面400的光學(xué)路徑長(zhǎng)度相比，離散光束波陣面402的光學(xué)路徑長(zhǎng)度在離開光軸404的方向減少。該光學(xué)路徑長(zhǎng)度差異，Lopt(r)，與離光軸404的徑向距離的函數(shù)關(guān)系可由下式計(jì)算得到Lopt(r)＝R(1-cosφ) (6a)其中
φ＝sin-1(r/R) (6b)該物理路徑長(zhǎng)度差異，Lp(r)，給出如下Lp(r)=Lopt(r)(n-1)---(6c)]]>其中n為透鏡材料的折射率。在一類似方式中，對(duì)于GRIN透鏡長(zhǎng)度比四分之一間距長(zhǎng)，即，收斂光束波陣面，可計(jì)算得到近似雙曲線形狀。在該情況中，光學(xué)路徑長(zhǎng)度差異需要與離光軸距離呈函數(shù)增加。圖4B示出為了得到近似雙曲線形狀408而對(duì)雙曲線形狀406作出改變的示意圖，該近似雙曲線形狀408可將離散的光束波陣面會(huì)聚成衍射限制的光斑。
對(duì)于具有473.8μm曲率半徑(R)、GRIN透鏡長(zhǎng)度200μm的特殊實(shí)施例，光學(xué)路徑長(zhǎng)度從雙曲線形狀的偏移與離光軸的徑向位置的函數(shù)關(guān)系在表2中給出。
表2

物理路徑長(zhǎng)度的差異通過光學(xué)路徑長(zhǎng)度除以(n-1)計(jì)算得到，其中n為透鏡材料的折射率。從表2中可以看出，對(duì)于大的曲率半徑，在離光軸近距離處的雙曲線形狀改變非常小。然而，在離開光軸以及小的曲率半徑情況下該偏移變大。上述示出的計(jì)算是為了提供一決定近似雙曲線形狀步驟的實(shí)施例。該近似雙曲線形狀更精確的確定可利用適當(dāng)?shù)耐哥R設(shè)計(jì)模型作出。
根據(jù)本發(fā)明，光纖透鏡中使用的每個(gè)GRIN透鏡長(zhǎng)度在必要時(shí)可與四分之一間距不同。結(jié)果，根據(jù)本發(fā)明，在各種應(yīng)用中，可采用同樣的坯料拉制GRIN透鏡。由于不需要改變坯料的折射率分布，坯料和GRIN透鏡的制作過程可以簡(jiǎn)化。從而，同樣的坯料可用于不同的模變換應(yīng)用。對(duì)于不同的應(yīng)用，該坯料優(yōu)選重新拉制成不同的外部直徑，并且得到的GRIN透鏡可被切割或分解成不同的長(zhǎng)度以滿足不同應(yīng)用的需求。GRIN透鏡的參數(shù)，例如GRIN透鏡四分之一間距可通過先前描述過的步驟決定。在本發(fā)明中，該近似雙曲透鏡消除了GRIN透鏡必須是四分之一間距以實(shí)現(xiàn)衍射限制的光斑的限制。該近似雙曲線形狀有效地結(jié)合了雙曲透鏡和用于校正殘余彎曲曲率的球面透鏡的功能。
在一個(gè)實(shí)施例中，采用Corning SMF-28光纖作為單模軟導(dǎo)線光纖，但不將該實(shí)施例所描述的內(nèi)容作為對(duì)本發(fā)明的限制。該軟導(dǎo)線光纖接合至GRIN透鏡的一端，同時(shí)在該GRIN透鏡的另一端形成近似雙曲透鏡。該接頭處和該雙曲透鏡端部之間的距離約為275μm。該GRIN透鏡具有50μm的纖芯直徑和125μm的外部直徑。該GRIN透鏡的纖芯和包層之間的相對(duì)折射率差異為1％。圖5示出該實(shí)施例中遠(yuǎn)場(chǎng)亮度分布與遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角的函數(shù)關(guān)系曲線圖。在1.31μm處得到該特性，該光纖透鏡的遠(yuǎn)場(chǎng)全幅半最大值(FWHM)發(fā)散角約為20°。該曲線圖示出該亮度分布為完全高斯型曲線。
本發(fā)明光纖透鏡的一個(gè)應(yīng)用是光纖和半導(dǎo)體光放大器(SOA)或其它波導(dǎo)之間的光學(xué)信號(hào)耦合。這些應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)條件包括MFD＜3.0μm，離束腰距離＞10μm，回波損耗＞45dB，以及堅(jiān)固的透鏡形狀以防止在元件組裝過程中的破損。對(duì)于SOA和波導(dǎo)應(yīng)用，該光纖透鏡必須轉(zhuǎn)變?cè)撥泴?dǎo)線光纖的模場(chǎng)以匹配該波導(dǎo)或SOA。如今，該波導(dǎo)和許多SOA裝置普遍具有充分圓形的MFDs。對(duì)于SOAs，MFDs在1550nm處范圍為2.5-3.8μm。這些與遠(yuǎn)場(chǎng)全幅半最大值(FWHM)發(fā)散角相應(yīng)的值與18-22度一樣高。在～13.5％(1/e2)亮度水平處的半遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角(θ)給出如下θ=λπw0---(7)]]>其中λ為光波長(zhǎng)，w0為光束模場(chǎng)半徑。MFD為2w0。
對(duì)SOA裝配過程有影響的SOAs的另一個(gè)屬性以及光纖透鏡所期望的特征是SOA的傾斜面。為了減少回波反射，SOAs的傾斜面傾斜成約15°。由于傾斜面的存在，傾斜面邊緣和光纖透鏡端部之間間隙的合理變得重要。否則，當(dāng)光纖透鏡對(duì)準(zhǔn)SOA以得到最佳耦合時(shí)，光纖透鏡與SOA傾斜面接觸并損壞它的幾率很大。絕大部分當(dāng)前可用到的在1550nm工作波長(zhǎng)處具有2.5-3.8μm范圍MFDs的光纖透鏡具有與5-10μm一樣小的焦點(diǎn)距離。從而，有利于增加其焦點(diǎn)距離至大于15-20μm以改進(jìn)該特性，并減少裝配過程中損壞SOA的幾率。同樣，SOAs對(duì)回波反射也十分敏感。如果焦點(diǎn)距離大，將有較少部分來自光纖透鏡端部的回波反射到達(dá)SOA。這也改進(jìn)了SOA的性能和穩(wěn)定性。
對(duì)于SOA應(yīng)用另一個(gè)有用的特征是亮度分布和被光纖透鏡會(huì)聚的光的波陣面特性。該波陣面特性應(yīng)當(dāng)與位于SOA和軟導(dǎo)線光纖之間的模場(chǎng)亮度分布相匹配，在尺寸、亮度分布和相位上盡可能地接近。這表明，來自軟導(dǎo)線光纖穿過光纖透鏡的會(huì)聚光束必須具有2.5-3.8μm范圍的尺寸，并盡可能是高斯型。當(dāng)前可用到的光纖透鏡在大的MFDs處達(dá)到該特性，但在小的MFDs處沒有這么好。這就導(dǎo)致高的耦合損耗并降低SOA的性能。本發(fā)明有利于改進(jìn)該性能。
另一個(gè)特性是光纖透鏡的穩(wěn)定性。例如，在將光纖透鏡組裝到SOA包裝中的準(zhǔn)備中包含的各種加工步驟中，如果光纖透鏡設(shè)計(jì)成具有非常小和易碎的端部，將存在透鏡端部毀壞并降低性能的可能。物理上堅(jiān)固不易碎的光纖端部將是有用的特性。另一個(gè)有用的特性是透鏡的設(shè)計(jì)和加工，該加工是穩(wěn)定的并具有對(duì)于加工偏差更多的公差。例如，如果透鏡端部具有10μm的曲率半徑，曲率半徑非常小的1μm的變化將會(huì)是10％的變化，并能較大地改變聚焦特性。在25μm曲率半徑設(shè)計(jì)中同樣的1μm的變化可能不會(huì)降低同樣程度的性能。在本發(fā)明中，這些問題中的一些被提出并改進(jìn)。
本發(fā)明光纖透鏡的另一個(gè)應(yīng)用是在光纖和激光器二極管之間的光學(xué)信號(hào)耦合。該用于發(fā)射激光的激光器二極管具有與40°一樣高的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角，其與1550μm波長(zhǎng)處約0.8μm的MFD相一致。該激光輻射在x和y方向上的縱橫比從1變化至4。透鏡的MFD越與之匹配，耦合效率越高。在該公開的內(nèi)容中，光纖透鏡通常連接到裝置上，其具有接近1的縱橫比。為了使透鏡在裝配中免于損壞激光器，期望的是離束腰的距離大于10μm。本申請(qǐng)的光纖透鏡優(yōu)選如下特性在1550nm工作波長(zhǎng)處的MFD＜3.0μm或發(fā)散角＞22°，回波損耗＞45dB，離束腰距離＞10μm，以及透鏡間耦合效率大于90％。
本發(fā)明光纖透鏡的另一應(yīng)用是在光纖和探測(cè)器之間經(jīng)過的光學(xué)信號(hào)耦合。與上述應(yīng)用中不僅光斑尺寸而且亮度分布和相位波前錯(cuò)誤也要緊不一樣，該探測(cè)器申請(qǐng)需要對(duì)光斑尺寸和僅在一定范圍內(nèi)的功率數(shù)量進(jìn)行控制。對(duì)于本申請(qǐng)，焦點(diǎn)距離50-60μm時(shí)的光斑尺寸小于3-5μm，將有利于裝配低成本。
本發(fā)明光纖透鏡具有一個(gè)或多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。該光纖透鏡允許光學(xué)裝置之間的光學(xué)信號(hào)耦合。形成在該光纖透鏡端部的雙曲透鏡或近似雙曲透鏡機(jī)械地堅(jiān)固，并且與例如錐形透鏡相比，很少有可能遭到損壞和降低性能。該GRIN透鏡的多模參數(shù)和雙曲或近似雙曲透鏡的形狀能夠控制以實(shí)現(xiàn)具有合理的高斯亮度圖案的小的MFDs和長(zhǎng)的焦點(diǎn)距離。該雙曲透鏡將準(zhǔn)直光束會(huì)聚成衍射限制的光斑。該近似雙曲透鏡用于校正非準(zhǔn)直光束中的波陣面彎曲曲率，以允許該光束會(huì)聚成衍射限制的光斑。
雖然已通過幾個(gè)優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了說明，但其它對(duì)這些優(yōu)選實(shí)施例所作出的變化、置換、等效替換也都落在本發(fā)明范圍內(nèi)。因此，隨后的附加權(quán)利要求應(yīng)理解為包含了所有落在本發(fā)明的實(shí)際精神和范圍內(nèi)的這種變化、置換、等效替換。
權(quán)利要求
1.光纖透鏡，包括漸變折射率透鏡；單模光纖，設(shè)置在該漸變折射率透鏡第一端部；以及折射透鏡，具有雙曲線的或近似雙曲線的形狀，設(shè)置在該漸變折射率透鏡第二端部，用于將來自該單模光纖的光束會(huì)聚成衍射限制的光斑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的光纖透鏡，其中該雙曲線的形狀將準(zhǔn)直光束會(huì)聚成該衍射限制的光斑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的光纖透鏡，其中該近似雙曲線的形狀包括一校正因子，用于光束彎曲曲率的補(bǔ)償，并允許將非準(zhǔn)直光束會(huì)聚成該衍射限制的光斑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的光纖透鏡，其中在該折射透鏡和漸變折射率透鏡之間插入分隔棒。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的光纖透鏡，其中在該漸變折射率透鏡和該單模光纖之間插入分隔棒。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的光纖透鏡，其中該光斑的模場(chǎng)直徑小于10μm。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的光纖透鏡，其中該光斑的所述模場(chǎng)直徑在約2-5μm的范圍內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的光纖透鏡，其中該光纖透鏡的焦點(diǎn)距離大于約5μm。
9.根據(jù)權(quán)利要求6的光纖透鏡，其中該光纖透鏡的焦點(diǎn)距離在約20-60μm范圍內(nèi)。
10.根據(jù)權(quán)利要求6的光纖透鏡，其中該折射透鏡端部至該束腰的距離與該束腰處所述模場(chǎng)直徑之比大于約5。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的光纖透鏡，其中該漸變折射率透鏡的纖芯直徑在約50-500μm的范圍內(nèi)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的光纖透鏡，其中該漸變折射率透鏡的外部直徑在約60-1000μm的范圍內(nèi)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的光纖透鏡，其中該漸變折射率透鏡的相關(guān)折射率差異在約0.5-3％的范圍內(nèi)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的光纖透鏡，其中該光纖透鏡的工作波長(zhǎng)在25-2000nm的范圍內(nèi)。
15.光纖透鏡，包括單模光纖；以及透鏡，設(shè)置在該單模光纖一端；其中從該透鏡一端發(fā)出的光束束腰處模場(chǎng)直徑小于10μm，并且從該透鏡所述端部至該束腰的距離與該束腰處所述模場(chǎng)直徑之比大于5。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的光纖透鏡，其中該透鏡包括設(shè)置在漸變折射率透鏡一端的雙曲或近似雙曲透鏡。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的光纖透鏡，其中在該雙曲或近似雙曲透鏡和該漸變折射率透鏡之間插入分隔棒。
18.光纖透鏡的制作方法，包括將單模光纖接合至漸變折射率光纖；切除該漸變折射率光纖至期望的長(zhǎng)度；將該漸變折射率光纖一端磨圓成雙曲線的或近似雙曲線的形狀。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，進(jìn)一步包括將該漸變折射率光纖成形為錐形或楔形，其具有頂角，該頂角由先前磨圓該漸變折射率光纖端部而成的雙曲線漸進(jìn)線所確定。
20.光纖透鏡的制作方法，包括將單模光纖接合至漸變折射率光纖；切除該漸變折射率光纖至期望的長(zhǎng)度；將無芯光纖接合至該漸變折射率光纖；切除該無芯光纖至期望的長(zhǎng)度；以及將該無芯光纖一端磨圓成雙曲線的或近似雙曲線的形狀。
全文摘要
一種光纖透鏡，包括漸變折射率透鏡(308)、設(shè)置在該漸變折射率透鏡(308)第一端部的單模光纖(310)、以及折射透鏡(306)，該折射透鏡(306)設(shè)置在該漸變折射率透鏡(308)第二端部，具有雙曲線的或近似雙曲線的形狀，用于將來自該單模光纖(310)的光束會(huì)聚成衍射限制的光斑。
文檔編號(hào)G02B6/25GK1781041SQ200380107990
公開日2006年5月31日 申請(qǐng)日期2003年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月31日
發(fā)明者V·A·巴加瓦圖拉, J·希默爾瑞奇, N·沙石德哈爾 申請(qǐng)人:康寧股份有限公司