專利名稱：平頂雙角楔形光纖端面的制作方法
相關(guān)的專利申請這項(xiàng)申請要求的優(yōu)先權(quán)是1997年11月7日申請的美國專利申請第08/965,798號，而該申請要求的優(yōu)先權(quán)是1997年6月4日申請的美國申請第60/048,573號，在此通過引證將它們的教導(dǎo)全部并入本文。
本發(fā)明的現(xiàn)有技術(shù)在光纖通信系統(tǒng)中，更一般地說在傳輸光線的光纖系統(tǒng)中，提高光線從光源進(jìn)入光纖的耦合效率通常是至關(guān)重要的。最常見的應(yīng)用之一是在通信系統(tǒng)中使光線從單橫向模光源進(jìn)入單模光纖，例如，從半導(dǎo)體激光器進(jìn)入單模光纖。歷史上，在高耦合效率與易于制造之間采用的是折衷方案。下述實(shí)例說明這個原則1.塊狀光學(xué)器件(Bulk optics)這是一項(xiàng)流行技術(shù)，在這項(xiàng)技術(shù)中用透鏡將來自半導(dǎo)體激光器的光線聚焦到光纖的端面上。如果使用適當(dāng)?shù)耐哥R，這項(xiàng)技術(shù)可以提供高耦合效率。但是，需要多重元器件，通常是1或2個透鏡，這一事實(shí)大大增加了實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性和可靠性風(fēng)險。
2.雙曲線光纖端面這項(xiàng)技術(shù)通過使用高功率的紅外激光器在光纖端面或尖端上加工雙曲線表面將99％的功率從單模激光器耦合到單模光纖中。雙曲線是適合光纖耦合的理想形狀。
3.單角楔形光纖端面這項(xiàng)技術(shù)已被用于980納米的泵激光器與單模光纖的耦合。盡管這種端面在易于制造方面是有利的，但是，所能實(shí)現(xiàn)的耦合效率被限制在65％至70％之間。
4.雙角楔形光纖尖端這項(xiàng)技術(shù)是上述的雙曲線光纖端面和單角楔形光纖端面之間的折衷方案。它提供的耦合效率比單角楔形端面高，但不如雙曲線端面。它比雙曲線端面容易制造和實(shí)現(xiàn)，但又不象單角楔形光纖端面那樣容易。為了全面地規(guī)定并制造雙角楔形光纖尖端，必須相當(dāng)精確地加工四個獨(dú)立的角(其角度為僅有的兩個數(shù)值之一)和三條相交線的位置。
本發(fā)明的概述本發(fā)明的方向是提供一種改進(jìn)的光纖端面形狀及其制造方法。它將實(shí)現(xiàn)雙角楔形光纖尖端所能達(dá)到的耦合效率并且象單角楔形角度那樣易于制造。
一方面，本發(fā)明一般地涉及適合傳輸電磁輻射的包括芯及其周圍包層的光纖，具體地涉及通常用于接收來自光源的輸入輻射的尖端或端面。本發(fā)明的尖端包括基本上垂直于光纖軸線的端面以及與所述端面相交的第一斜面和第二斜面。
在優(yōu)選的實(shí)施方案中，在斜面與端面之間的切頂線落在包層/芯之間的界面的邊緣附近并且優(yōu)選在該界面的外側(cè)，在光纖與被傳輸?shù)墓饩€如此配置時致使絕大部分光線在包層內(nèi)傳輸。
在另一個實(shí)施方案中，切頂線基本上是彼此平行的，而且第一和第二表面在光纖的兩側(cè)彼此對置。
在又一個實(shí)施方案中，增添附加的斜面。在每種情況下，斜面都與端面在切頂線處相交，優(yōu)選落在包層/芯之間的界面附近。
另一方面，本發(fā)明一般地涉及制造光纖尖端的方法。該方法包括首先劈斷光纖形成端面。然后，至少形成相對該端面傾斜的第一和第二表面。
在優(yōu)選的實(shí)施方案中，檢測從該尖端輸出的光線強(qiáng)度的空間分布，并用它監(jiān)測第一和/或第二斜面的拋光。
現(xiàn)在將參照附圖更具體地介紹本發(fā)明的上述和其它特征以及其它的優(yōu)點(diǎn)，包括各種新穎的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)和組合。人們將會理解在此展示的體現(xiàn)本發(fā)明的具體方法和器件是為了說明的目的而不是作為對本發(fā)明的限制。不脫離本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的原理和特征可以在各種各樣的實(shí)施方案中使用。
附圖簡要說明在不同的附圖中，相同的參考符號始終指的是相同的零件。這些附圖不必按比例制圖，而將重點(diǎn)放在說明本發(fā)明的原理上。其中

圖1是本發(fā)明的光纖尖端的側(cè)剖圖2是本發(fā)明的光纖尖端的俯視圖；圖3是側(cè)視圖，說明在激光器的光軸不平行于光纖的光軸時激光器和光纖之間的耦合；以及圖4A至圖4C說明制造本發(fā)明的光纖尖端的步驟。
本發(fā)明的詳細(xì)敘述圖1是剖視圖，它說明按照本發(fā)明的原理構(gòu)成的光纖尖端或端面。
單模光纖100在尖端110上有三個加工表面。平坦的表面S1和S2在光纖兩側(cè)從末端向后傾斜。表面S1和S2的傾斜角分別用θ1和θ2表示，該角度是相對垂直于光纖100的機(jī)械和光學(xué)軸線112的平面測量的。優(yōu)選的是θ1和θ2大約為25°。適合θ1和θ2的工作范圍介于10°和40°之間。在一個實(shí)施方案中，θ1和θ2中有一個大于25°，而另一個小于25°。第三表面S3垂直于光纖100的機(jī)械和光學(xué)軸線112。
如圖2所示，斜面S1和S2分別在切頂線BL1和BL2處與端面S3連接。這兩條切頂線在光纖芯102的邊緣(即包層與芯的界面105)附近通過。
在圖示的實(shí)施方案中，斜面S1和S2在光纖100的兩側(cè)彼此對置，因此切頂線BL1和BL2是彼此平行的。應(yīng)當(dāng)注意，切頂線BL1和BL2不需要在所有的應(yīng)用中都是彼此平行的。在某些情況下，構(gòu)成彼此并非直接對置的斜面S1和S2是符合要求的。
此外，切頂線BL1和BL2不必與光纖100的芯102相交或穿越它。在圖示的實(shí)例中，切頂線BL1和BL2在包層與芯的界面105的外側(cè)通過。這種構(gòu)型通常是在光纖模的波長遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于截止波長時使用的；因此該模的有效部分將占有包層區(qū)域104。
如圖3所示，表面S1和S2的角度θ1和θ2不需要彼此相等。在光源200的光軸210不平行于光纖的光軸時(如圖所示)這或許是必要的。這與具有傾斜的端面或激光束是等價的。
本發(fā)明不限于橢圓芯的光纖或圓對稱的光纖。它可以與橢圓形包層、熊貓(panda)、橢圓芯、蝴蝶結(jié)(bow-tie)、錐形的以及圓對稱的光纖一起使用。此外，可以在尖端110形成兩個以上斜面，以便更加接近雙曲線末端，同時保留垂直的端面S3。再者，光纖尖端可以有介電涂層。
圖4A至圖4C說明本發(fā)明的光纖尖端的制造技術(shù)。
如圖4A所示，光纖100的末端110被劈成平面。這個步驟優(yōu)選采用已知方法來劈斷光纖。
然后，如圖4B所示在光纖上拋光表面S1。拋光的程度和表面S1的大小是依據(jù)光纖出射光線310的分布圖來控制的，該出射光線是通過光線射入對置端產(chǎn)生的。利用光電探測器300監(jiān)測光強(qiáng)分布312。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，該光電探測器遠(yuǎn)離并平行于表面S3。在光電探測器300的平面內(nèi)按垂直于切頂線BL1的方向巡回檢測光強(qiáng)，以便繪出光強(qiáng)的空間分布312。
然后，如圖4B所示在光纖上拋光表面S1。拋光的程度和表面S1的大小是依據(jù)光纖出射光線310的分布圖來控制的，該出射光線是通過光線射入對置端產(chǎn)生的。利用光電探測器300監(jiān)測光強(qiáng)分布312。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，該光電探測器遠(yuǎn)離并平行于表面S3。在光電探測器300的平面內(nèi)按垂直于切頂線BL1的方向巡回檢測光強(qiáng)，以便繪出光強(qiáng)的空間分布312。
在光強(qiáng)空間分布中，峰314的形狀和位置被用于控制該表面的拋光。一般地說，在平行于表面S3的方向上的峰值315位置反映出切頂線BL1的位置，而峰的形狀即寬度318反映出角度θ1。因此，該分布所描繪的正是在加工表面S1時的兩個變量。
一般地說，通過控制表面S1的拋光，使切頂線BL1或者僅僅落在包層104上，或者在某些情況下允許切頂線通過光纖芯102。這種選擇取決于通過光纖傳輸?shù)墓饩€的頻率，它與該光纖的尺寸有關(guān)，并因此與光線在光纖包層104內(nèi)傳輸?shù)某潭扔嘘P(guān)。
如圖4C所示，在下一個步驟中拋光光纖尖端的表面S2。再一次將探測器300上的光強(qiáng)空間分布312用于監(jiān)測該拋光過程，以便參照峰316的最大值和寬度使切頂線BL2達(dá)到所需位置并獲得所需的角度θ2。
制作經(jīng)驗(yàn)表明在拋光過程中允許光纖100略微彎曲將是有利的。從理論上說，這使表面S1和S2產(chǎn)生一些彎曲并在切頂線BL1和BL2上形成圓弧，從而更接近雙曲線剖面。
在另一個實(shí)施方案中，在光纖尖端打磨出附加的斜面，即兩個以上斜面，例如總共四個斜面。盡管這樣將增加拋光步驟，但是尖端將更好地接近雙曲線旋轉(zhuǎn)體的形狀。
相對雙角楔形光纖尖端本發(fā)明有許多優(yōu)點(diǎn)。首先，將制作光纖時的獨(dú)立變量減少到4個，即表面S1和S2的切頂線位置和角度。在制作雙角楔形光纖尖端時有7個獨(dú)立變量。此外，斷裂面S3不經(jīng)歷拋光，所以相對拋光表面保留著平滑斷裂面的高級光學(xué)性質(zhì)。
盡管參照優(yōu)選實(shí)施方案已經(jīng)對這項(xiàng)發(fā)明做了展示和介紹，但是，應(yīng)當(dāng)理解熟悉這項(xiàng)技術(shù)的人可以在不脫離權(quán)利要求書所定義的本發(fā)明的精神和范圍的情況下在形式和細(xì)節(jié)上作出各種各樣的變化。
權(quán)利要求書按照條約第19條的修改1.一種沿纖維軸線傳輸電磁輻射的光纖，該光纖包括芯及其周圍包層并且適合在其尖端接收來自光源的輻射，該尖端包括端面，該端面基本上與所述軸線垂直；第一斜面，該斜面在第一斜面與所述端面的交界處定義了第一切頂線，該切頂線落在芯的邊緣附近；以及至少一個第二斜面，該斜面在第二斜面與所述端面的交界處定義了至少一條第二切頂線，該切頂線落在芯的邊緣附近。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的光纖，其中第一和第二切頂線越過光纖芯。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的光纖，其中第一和第二切頂線只越過包層但靠近光纖芯。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的光纖，其中第一和第二切頂線基本上是彼此平行的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的光纖，其中第一和第二切頂線不是彼此平行的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的光纖，其中第一和第二斜面在光纖的兩側(cè)彼此對置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的光纖，其中相對所述光纖軸線以不同的角度形成第一和第二斜面。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的光纖，其中相對所述光纖軸線以近似相同的角度形成第一和第二斜面。
9.一種加工光纖尖端的方法，該光纖包括芯及其周圍的包層，它適合沿其軸線傳輸電磁輻射，該方法包括劈斷光纖形成端面；拋光在第一斜面與所述端面交界處定義了第一切頂線的第一斜面，直至所述第一切頂線落在光纖芯的邊緣附近為止；以及拋光在第二斜面與所述端面交界處定義了第二切頂線的第二斜面，直至所述第二切頂線落在光纖芯的邊緣附近為止。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，進(jìn)一步包括檢測從所述尖端輸出的光線強(qiáng)度的空間分布；以及利用所述光強(qiáng)的空間分布來監(jiān)測第一和/或第二斜面的拋光。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中光纖是這樣劈斷的，以致端面基本上垂直于所述光纖的軸線。
12.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，進(jìn)一步包括相對光纖軸線以不同的角度拋光第一和第二斜面。
13.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，進(jìn)一步包括相對光纖軸線以相同的角度拋光的第一和第二斜面。
14.一種光纖/激光器耦合系統(tǒng)，其中所述光纖包括適合沿纖維軸線傳輸電磁輻射的芯及其周圍的包層，該系統(tǒng)包括激光光源；以及具有尖端的光纖，該尖端包括斷裂面；第一拋光表面，該表面相對斷裂面傾斜并且與該斷裂面相交；以及至少一個第二拋光表面，該表面相對斷裂面傾斜并且與該斷裂面相交。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的系統(tǒng)，其中第一斜面和端面在光纖芯的邊緣附近相交。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的系統(tǒng)，其中第二斜面和端面在光纖芯的邊緣附近相交。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的光纖，其中端面作為斷裂面被保留下來，以便在傳輸來自激光光源的光線時保持有利的光學(xué)性質(zhì)。
權(quán)利要求
1.一種沿纖維軸線傳輸電磁輻射的光纖，該光纖包括芯及其周圍包層并且適合在其尖端接收來自光源的輻射，該尖端包括端面，該端面基本上與所述軸線垂直；第一斜面，該斜面在第一斜面與所述端面的交界處定義了第一切頂線，該切頂線落在芯的邊緣附近；以及至少一個第二斜面，該斜面在第二斜面與所述端面的交界處定義了至少一條第二切頂線，該切頂線落在芯的邊緣附近。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的光纖，其中第一和第二切頂線越過光纖芯。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的光纖，其中第一和第二切頂線只越過包層但靠近光纖芯。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的光纖，其中第一和第二切頂線基本上是彼此平行的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的光纖，其中第一和第二切頂線不是彼此平行的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的光纖，其中第一和第二斜面在光纖的兩側(cè)彼此對置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的光纖，其中相對所述光纖軸線以不同的角度形成第一和第二斜面。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的光纖，其中相對所述光纖軸線以近似相同的角度形成第一和第二斜面。
9.一種加工光纖尖端的方法，該光纖包括芯及其周圍的包層，它適合沿其軸線傳輸電磁輻射，該方法包括劈斷光纖形成端面；拋光在第一斜面與所述端面交界處定義了第一切頂線的第一斜面，直至所述第一切頂線落在光纖芯的邊緣附近為止；以及拋光在第二斜面與所述端面交界處定義了第二切頂線的第二斜面，直至所述第二切頂線落在光纖芯的邊緣附近為止。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，進(jìn)一步包括檢測從所述尖端輸出的光線強(qiáng)度的空間分布；以及利用所述光強(qiáng)的空間分布來監(jiān)測第一和/或第二斜面的拋光。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中光纖是這樣劈斷的，以致端面基本上垂直于所述光纖的軸線。
12.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，進(jìn)一步包括相對光纖軸線以不同的角度拋光第一和第二斜面。
13.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，進(jìn)一步包括相對光纖軸線以相同的角度拋光的第一和第二斜面。
14.一種沿光纖軸線傳輸電磁輻射的光纖，包括芯及其周圍包層，該光纖具有包括下述要素的尖端斷裂面；第一拋光表面，該表面相對斷裂面傾斜并且與該斷裂面相交；以及至少一個第二拋光表面，該表面相對斷裂面傾斜并且與該斷裂面相交。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的光纖，其中第一斜面和端面在光纖芯的邊緣附近相交。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的光纖，其中第二斜面和端面在光纖芯的邊緣附近相交。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種改善光源至光纖的光耦合效率的光纖端面形狀及其制造方法。本發(fā)明的尖端包括斷裂端面,該端面優(yōu)選基本上垂直于光纖軸線,以及與該端面相交成人字形的第一和第二拋光表面。在人字形表面和端面之間的切頂線落在包層/芯界面的邊緣附近并且優(yōu)選在該界面的外側(cè),光纖與被傳輸光線的這種配置致使絕大部分光線在包層內(nèi)傳輸。在制造期間檢測從該尖端輸出的光線強(qiáng)度的空間分布并用它監(jiān)測人字形表面的拋光。實(shí)驗(yàn)業(yè)已表明本發(fā)明的尖端達(dá)到與雙角楔形光纖尖端相當(dāng)?shù)鸟詈闲释瑫r保持相當(dāng)于單角楔形尖端的易加工性。
文檔編號G02B6/42GK1267370SQ98805646
公開日2000年9月20日 申請日期1998年6月1日 優(yōu)先權(quán)日1997年6月4日
發(fā)明者杰弗里·科恩, 史蒂文·D·科諾沃, 韋恩·F·沙芬, 托馬斯·C·楊 申請人:鐳射通公司