不對稱光纖耦合器的制造方法
【專利說明】不對稱光纖耦合器
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本專利申請要求2013年2月I日提交的美國臨時申請序列N0.61/759，482的優(yōu)先權(quán)，其內(nèi)容通過引用結(jié)合于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及光學(xué)耦合器領(lǐng)域，更具體而言，涉及用于內(nèi)窺鏡、光相干斷層成像(tomography)、共焦顯微鏡和共焦顯微內(nèi)鏡此類的親合器。
技術(shù)背景
[0004]光纖耦合器在許多類型的成像和感測系統(tǒng)中被使用，其具有一個或多個輸入光纖和一個或若干個輸出光纖。此類耦合器可以不同方式制造，例如通過熱熔光纖以使其芯變得緊密接觸。在許多醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)中，經(jīng)由激光源在耦合器的第一端口提供照明，經(jīng)由掃描設(shè)備在耦合器的第二端口進行輸出信號的采樣，且可在耦合器的第一和第三端口兩者進行檢測。取決于應(yīng)用，各種類型的檢測是可能的。
[0005]基于光纖耦合器的醫(yī)療成像系統(tǒng)通常面臨兩個主要挑戰(zhàn):1)斑點，這是與使用激光和單模光纖時與時間和空間相干成像有關(guān)的問題，以及2)對可從第二端口提取到第三端口以及從第三端口注入到第二端口的多模信號量的理論均分限制。
[0006]因此需要開發(fā)能克服這些挑戰(zhàn)的光纖耦合器，特別是需要開發(fā)用于醫(yī)療成像和感測應(yīng)用的經(jīng)改善的光纖耦合器。
[0007]概述
[0008]已經(jīng)知曉，現(xiàn)有技術(shù)的光耦合器受50%的多模態(tài)傳輸?shù)睦碚摼謽O限的限制，如由相同維度和相同結(jié)構(gòu)所表征的第一光纖和第二光纖(參見美國專利申請?zhí)?012/0190928，通過援引將其內(nèi)容合并于此)。發(fā)現(xiàn)此類光耦合器的最高多模態(tài)傳輸為43%。盡管接近50%的理論均分極限，然而發(fā)現(xiàn)實現(xiàn)接近或高于43%具有挑戰(zhàn)性。
[0009]本文描述了一種不對稱光耦合器，其具有不同于且不限于現(xiàn)有技術(shù)的光纖耦合器的理論均分極限的理論極限。因此，實現(xiàn)高于50%的多模態(tài)傳輸是可能的。
[0010]已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，光纖耦合器的不對稱性可由集光率比來量化，該集光率比被定義為G3/G1，其中Gi由下式給出:
[0011]Gi = JT Si (NAi) 2 ；
[0012]其中Gi是光纖i的集光率，Si是光纖i的串?dāng)_部分的橫截面區(qū)域的表面，而NAi是串?dāng)_部分的光纖I的數(shù)值孔徑。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過增大集光率比，多模態(tài)傳輸可無征兆地朝100%增加。因此，通過以增加集光率比的方式來設(shè)計第一和第二光纖，可實現(xiàn)高于50%的多模態(tài)傳輸。
[0013]根據(jù)一個方面，提供了一種多包層光纖，其具有引導(dǎo)單模信號的單模芯和引導(dǎo)多個模式(也被稱為多模信號)的至少一個內(nèi)多模包覆。該多包層光纖可以沿耦合區(qū)域光學(xué)耦合于具有不同集光率的第二光纖以創(chuàng)建具有在該多包層光纖和該第二光纖之間增強的雙向光傳輸函數(shù)的光纖耦合器。不同的集光率可由不同的橫截面面積和不同的數(shù)值孔徑中的至少一者來提供。
[0014]根據(jù)另一方面，提供了可實現(xiàn)高于50% (優(yōu)選高于60%且最優(yōu)選地高于70%)的多模態(tài)傳輸?shù)墓饫w親合器。
[0015]根據(jù)另一方面，提供了可被表征為高于1.5 (優(yōu)選高于2且最優(yōu)選地高于10)的集光率比的光纖耦合器。
[0016]根據(jù)另一方面，提供了一種光纖耦合器，其包括:第一光纖，所述第一光纖具有位于第一末端和第二末端之間的第一串?dāng)_部分，并具有第一單模芯、至少一個內(nèi)多模包覆、以及第一外包覆，所述第一串?dāng)_部分具有第一集光率；第二光纖，所述第二光纖具有位于第三末端和第四末端之間的第二串?dāng)_部分，所述第二串?dāng)_部分具有第二集光率，所述第二集光率相對于所述第一集光率形成不同于I的集光率比；以及耦合區(qū)域，所述第一串?dāng)_部分在所述耦合區(qū)域耦合于所述第二串?dāng)_部分；其中所述集光率比指示所述第一光纖的所述第二末端和所述第二光纖的所述第三末端之間的多模信號的傳輸。
[0017]根據(jù)另一方面，提供了一種光纖耦合器，其包括:第一光纖，所述第一光纖具有第一末端、第二末端、在所述第一末端和所述第二末端之間的第一中間部分、以及第一橫截面，并具有支持單引導(dǎo)模式的第一芯以及比所述第一芯大的用于引導(dǎo)多個模式的第一內(nèi)包覆；第二光纖，所述第二光纖具有第三末端、第四末端以及在所述第三末端和第四末端之間的第二中間部分，并具有在結(jié)構(gòu)和尺寸中的至少一者上不同于所述第一橫截面的第二橫截面，由此所述第二橫截面的尺寸不同于所述第一橫截面的尺寸；以及由第一中間部分熔合到所述第二中間部分構(gòu)成的熔合區(qū)域以用于單模信號在從所述雙包層光纖的所述第一末端到所述第二末端保持在所述芯中，以及用于所述第一內(nèi)包覆中的多模信號至少部分被傳送到所述第二光纖。
[0018]根據(jù)另一方面，提供了一種用于制造光耦合器的方法，其包括:提供第一光纖，所述第一光纖具有第一末端、第二末端和位于所述第一末端和所述第二末端之間的第一串?dāng)_部分，并具有第一芯、至少一個內(nèi)包覆、以及第一外包覆，所述第一串?dāng)_部分具有第一集光率；提供第二光纖，所述第二光纖具有第三末端、第四末端、位于所述第三末端和所述第四末端之間的第二串?dāng)_部分，所述第二串?dāng)_部分具有第二集光率，所述第二集光率不同于所述第一集光率；將所述第一光纖的所述第一串?dāng)_部分的至少特定區(qū)段定位成與所述第二光纖的所述第二串?dāng)_部分的特定區(qū)段接觸并沿著所述第二光纖的所述第二串?dāng)_部分的所述特定區(qū)段；以及以形成熔合區(qū)域的模式向所述第一和第二串?dāng)_部分的那兩個特定區(qū)域提供熱；其中所述熔合區(qū)域允許單模信號在所述第一光纖的所述第一末端和所述第二末端之間留在所述第一芯中，并且允許所述至少一個內(nèi)包覆之一中多模信號被雙向傳送到所述第二光纖。
[0019]根據(jù)另一方面，提供了可在用于干涉測量檢測、內(nèi)窺鏡、多模態(tài)內(nèi)窺鏡、共焦顯微內(nèi)鏡、共焦顯微鏡、非線性顯微鏡、非線性顯微內(nèi)鏡、光相干斷層成像、以及其他應(yīng)用的成像系統(tǒng)中使用的光耦合器，如將在下面更詳細地描述的。
[0020]在一個實施例中，該熔合區(qū)域允許單模信號從第一端口到第二端口(以及反過來)沿單模芯的近乎無損傳輸。更具體而言，提供了可實現(xiàn)高于85% (優(yōu)選高于90%且最優(yōu)選地高于95% )的單模態(tài)傳輸?shù)墓饫w親合器。
[0021]在另一實施例中，該多模信號的超過70%可被從該光耦合器的第二端口提取到第三端口。更具體而言，該多模信號的超過50%可被從該多包層光纖的至少一個內(nèi)包覆提取到該第二光纖。在一些其他實施例中，該多模信號從該第二端口到該第三端口的提取可被包括在約60%和約70%之間。在一些實施例中，該多個模式的提取大于50%。
[0022]根據(jù)另一方面，提供了可被用于基于激光燒蝕、熱療法和/或凝結(jié)的治療系統(tǒng)的光耦合器。在此情況下，光纖耦合器被用于發(fā)射成像激光穿過該多包層光纖的單模芯并在該多包層光纖的該至少一個內(nèi)包覆中發(fā)射治療激光穿過該光纖耦合器的第三端口。
[0023]在另一實施例中，該多模信號的超過50%可被從該光耦合器的第三端口注入到第二端口。更具體而言，該多模信號的超過50%可被從該第二光纖注入到該多包層光纖的至少一個內(nèi)包覆。
[0024]在閱讀本公開之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員將明了關(guān)于本改進的許多其他特征及其組入口 ο
[0025]附圖簡述
[0026]通過下面的詳細描述，結(jié)合附圖，本發(fā)明的進一步的特征和優(yōu)點將變得顯而易見，附圖中:
[0027]圖1是示出作為集光率比的函數(shù)從第一光纖到第二光纖的多模信號的傳輸?shù)氖纠膱D；
[0028]圖2解說了光纖耦合器的一般性實施例；
[0029]圖3解說了具有不同尺寸的第一和第二雙包層光纖的光纖耦合器的實施例；
[0030]圖4解說具有第一化學(xué)蝕刻雙包層光纖的光纖耦合器的實施例；
[0031]圖5解說具有被變形以獲得內(nèi)單模包覆(cladding)的第一光纖的光纖耦合器的實施例；
[0032]圖6解說了耦合區(qū)域的在下游部分和上游部分之間呈現(xiàn)不對稱性的第一雙包層(double-clad)光纖和第二無芯光纖的光纖親合器的實施例；
[0033]圖7解說了具有第一雙包層光纖和第二多模光纖的光纖耦合器的實施例；
[0034]圖8解說了具有第一雙包層光纖和第二單模光纖的光纖耦合器的實施例；
[0035]圖9解說了具有第一化學(xué)蝕刻雙包層光纖和第二預(yù)先削錐(pre-tapered)的多模光纖的光纖耦合器的實施例，其中第一和第二光纖僅在耦合區(qū)域的下游部分被熔合；
[0036]圖10解說具有第二預(yù)先削錐多模光纖的光纖耦合器的實施例；
[0037]圖11解說了具有第一化學(xué)蝕刻雙包層光纖和第二預(yù)先削錐多模光纖