CN102598545B - 用于经改良多模带宽的光纤端结构以及相关系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示多模光纤设备、多模光纤以及用于改良光纤链路带宽的相关方法。一或多个端结构可安置在多模光纤的光纤端，以通过减少和/或消除模式色散来改良链路带宽。模式色散可由光纤中的由接收光激发的高阶模式或模式造成。模式色散可限制光纤链路的带宽。在某些实施例中，揭示了用于减小光纤中光的发射角以减少模式色散的用于多模光纤的端结构。在其他实施例中，揭示了用于减少或消除耦合散光的用于多模光纤的端结构。在其他实施例中，揭示了用于导向高阶模式或群组使所述高阶模式或群组远离光检测器以减少或消除模式色散的用于多模光纤的端结构。在一个实施例中，棱镜结构安置在多模光纤的源端。在其他实施例中，凸形剖面透镜安置在光纤的源端和检测器端。

Description

用于经改良多模带宽的光纤端结构以及相关系统和方法

技术领域

本发明的技术涉及多模光纤链路以及多模光纤链路的带宽。

背景技术

光纤可在各种应用中用于传输和处理光。实例包括：将光传送给形成在衬底上的集成光学组件或装置或从所述组件或装置接收光，在波分复用光学通信装置和系统中传输信息通道，形成光纤开关矩阵装置或光纤阵列到阵列连接器，以及产生用于光学放大或激光振荡的光增益。光纤实质上作为“光管”操作以将光限制在光纤边界内且将光从一点传送到另一点。

光学系统可包括将光传输到用于光信号传送的光纤上且从所述光纤接收光的光学元件。相对于光纤对准所述光学元件使得光学元件与光纤之间的光信号传送最优化。可能在许多光子学应用中希望将光纤与发射或接收光的光学元件精密对准。这种光学元件的实例包括光学组件，例如(但不限于)半导体激光源、检测器、透镜、滤光片、隔离器或其他光纤。就这一点来说，光纤的端部定位且对准于衬底上的光学元件之上。

对准可以是主动或被动的。主动对准通常使用昂贵的设备以生成并监视光信号以辅助或确认适当对准。被动对准涉及通过机械手段将光学元件对准以及将元件固定到位。不管使用的是主动对准还是被动对准，多模光纤使得光学组件和光纤芯之间的对准容差能够放松。由多模光纤支持的各个光模式沿着光纤芯以相对于光纤轴的特定发射角传播。与较大发射角相关的模式一般具有较长路径长度，并且因此与较大发射角相关的模式比与较小发射角相关的模式更加缓慢地沿着光纤传播。然而，当将例如脉冲的波形发射到多模光纤中时，光分布于一组模式中。由于不同模式通常以不同速度传播，所以脉冲会因为模式色散而变得扭曲。如果依次发射多个脉冲，那么在长光链路或者脉冲以较高工作频率生成且因此脉冲是短的并紧密间隔的情况下，相邻脉冲可能最终彼此混合。为了减轻多模光纤中的模式色散，可能需要减少发射到多模光纤中的波形的时钟频率。然而，减少波形的时钟频率减少了链路传输数据的速率。

发明内容

详细描述所揭示的实施例包括多模光纤设备、多模光纤以及用于改良光纤链路带宽的相关方法。一或多个端结构可以安置在多模光纤的光纤端，以通过减少和/或消除模式色散来改良链路带宽。模式色散可由光纤中的由接收光激发的高阶模式或模式群组造成。当具有差异较大的群组延迟的模式群组由同一信号激发时，可发生模式色散。模式色散仍然可限制光纤链路的带宽。进一步地，当光纤的长度增加时，模式色散也增加。在某些实施例中，揭示了用于减小在光纤中光的发射角度范围的用于多模光纤的端结构，以减少所激发模式群组的数量并且因此减少模式色散。在其他实施例中，揭示了用于减少或消除由在光纤的两个不同平面中的接收光的放大所导致的耦合散光的用于多模光纤的端结构。在其他实施例中，揭示了用于导向高阶模式或群组使所述高阶模式或群组远离光检测器以减少或消除模式色散的用于多模光纤的端结构。

在一个实施例中，揭示了光纤设备，且所述光纤设备包含多模光纤，所述多模光纤具有用于接收光的源端。棱镜结构安置在多模光纤的源端。本实施例中的棱镜结构旨在减少或消除耦合散光以减少或消除模式色散。在另一实施例中，揭示了包含具有用于接收光的源端的多模光纤的光纤设备。凸形剖面透镜安置在多模光纤的源端、检测器端或同时在源端和检测器端。凸形剖面透镜旨在抵消对进入光纤的接收光的放大以减小发射角，从而减少或消除高阶模式或模式群组。凸形剖面透镜还可以安置在多模光纤的检测器端，以导向高阶模式或模式群组使所述高阶模式或模式群组远离光检测器以减少或消除模式色散。可以通过例如在光纤的光纤端中安置多个倾斜刻面来提供本文所揭示的凸形剖面透镜。可以使用激光切割工序来安置凸形剖面和/或倾斜刻面以在光纤端中形成凸形剖面。

将在以下详细描述中阐述其他特征及优点，且特征及优点将部分地易于由所属领域的技术人员根据描述显而易见，或通过实践如本文所述的实施例而了解，本文所述的实施例包括以下详细描述、权利要求书以及附随图式。

应了解，前述总体描述及以下详细描述呈现实施例，且意在提供用于了解本发明的性质及特性的综述或框架。包括附随图式以提供进一步了解，且附随图式被併入且构成本说明书的一部分。图式说明多种实施例，且与描述一起用于解释所揭示概念的原理及操作。

附图说明

图1是由光纤组成的示范性多模光纤链路，所述光纤安置在发射光到光纤的源端中的光学光源与在光纤的检测器端检测发射光的光检测器之间；

图2A是图1的多模光纤的源端的侧视图；

图2B是图1的多模光纤的顶视图；

图3是图1的多模光纤的近侧视图；

图4A是具有棱镜结构的示范性多模光纤的侧视图，所述棱镜结构安置在光纤的光纤端以改良光纤链路带宽；

图4B是图4A的光纤的前视图；

图5是具有凸形剖面端的示范性多模光纤的侧视图，所述凸形剖面端安置在光纤端中，所述光纤端邻近发射光到光纤中的光学光源而定位；

图6是图5的多模光纤的另一侧视图；

图7是具有凸形端剖面的图5的多模光纤的侧视图，所述凸形端剖面安置在邻近光检测器而定位的光纤端中；

图8是具有凸形剖面端的示范性多模光纤的侧视图，所述凸形剖面端安置在光纤端中，所述光纤端旨在反射高阶模式光使所述高阶模式光远离光检测器；

图9是具有凸形端剖面的示范性多模光纤的侧视图，所述凸形端剖面安置在光纤端中，所述光纤端也旨在反射和折射高阶模式光使所述高阶模式光远离光检测器；

图10是具有凸形端剖面的示范性多模光纤的侧视图，所述凸形端剖面安置在光纤端中，所述光纤端旨在折射高阶模式光使所述高阶模式光远离光检测器；

图11是具有安置在光纤端的多个刻面的示范性多模光纤的侧视图；

图12是具有刻面端以及透镜结构的示范性多模光纤的侧视图，所述刻面端安置在光纤端上，所述透镜结构在所述光纤端上形成于光纤的底表面上；

图13A是具有准直透镜的示范性多模光纤的内芯的顶视图，所述准直透镜形成于光纤的一端且所述准直透镜从光学光源接收光；以及

图13B是图示光纤的包覆层和内芯的图13A的示范性多模光纤的另一顶视图。

具体实施方式

现可详细参阅实施例，实施例的实例在附随图式中加以图示，其中展示一些(但不是所有)实施例。当然，所述概念可以多种不同形式加以体现且所述概念在本文中不应视为限制性的；相反，提供所述实施例以使得本发明将满足适用法律要求。只要可能，相同标号将用来代表相同组件或零件。

本详细描述所揭示的实施例包括多模光纤设备、多模光纤以及用于改良光纤链路带宽的相关方法。一或多个端结构可安置在多模光纤的光纤端，以通过减少和/或消除模式色散来改良链路带宽。模式色散可由在光纤中激发一组模式或模式群组的光纤发射条件造成，所述组模式或模式群组具有与平均值显著不同的群组速度。模式色散可限制光纤链路的带宽。甚至在其中色散不重要的长度足够短的光纤链路中，模式色散仍然可限制光纤长度的带宽。进一步地，模式色散可随着光纤的长度增加而增加。在某些实施例中，揭示了用于减小光纤中光的发射角度范围以减少模式色散的用于多模光纤的端结构。在其他实施例中，揭示了用于减少或消除耦合散光的用于多模光纤的端结构，所述耦合散光由在光纤的两个不同平面中的接收光的放大所导致。在其他实施例中，揭示了用于导向高阶模式或群组使所述高阶模式或群组远离光检测器以减少或消除模式色散的用于多模光纤的端结构。

图1是示范性多模光纤链路10。多模光纤链路10由包含内芯14的多模光纤12组成。本实施例中的光纤12是多模的，意味由于发射到内芯14上所安置的面15中的光，在内芯14中存在由发射角界定的多个传播路径。图1中仅图示了内芯14，但是应了解可以在光纤12中提供包覆层(未图示)来包围内芯14以当光沿着光纤12传播时通常将光限制在内芯14中。

光学光源16安置在本实施例中的光纤12的源端18，以发射光17到第一区域(I)中的光纤12中。使用全内反射(TIR)将光17从光学光源16耦合到光纤12中。就这一点来说，通过激光器以一角度切割(也就是，激光切割)光纤12的源端18(下文称作切割光纤端20，或倾斜切割光纤端20，或激光切割光纤端20)，以将光17内反射到光纤12的内芯14中。光学光源16可以是例如垂直腔面发射激光器(VCSEL)或其他光学光源。光17沿着第二区域(II)中的光纤12的内芯14传播，直到光到达与源端18相反的光纤12的检测器端22。图1中将沿着光纤12传播的光17展示为遵循沿着内芯14的一系列直线，如使用阶跃折射率内芯折射率剖面时的情况。所述线还意欲通常代表在渐变折射率内芯剖面中光所遵循的非直线路径。光检测器24安置在光纤12的检测器端22上，以检测沿着光纤12传播的光17。倾斜切割光纤端26还安置在光纤12的检测器端22，以将光17向下重新导向到第三区域(III)中的光检测器24上以供检测。

可根据已知的用于切割的方法使用激光处理来形成倾斜切割光纤端，或光纤端上的刻面。例如，可使用激光切割站，所述激光切割站由具有可变光束扩展器的二氧化碳(CO₂)激光器及25毫米(mm)焦距聚焦透镜组成。因此，当使用激光器切割光纤时，光纤或光纤的端部也可被称为激光切割光纤或激光切割端。激光方法可用于在单个光纤或一组光纤上形成倾斜刻面，所述组光纤布置成一维(1-D)或二维(2-D)阵列。具有成角度的激光切割端的光纤可用于多种目的。举例来说，例如VCSEL的光检测器垂直发射光束，且因此出于对某些应用的紧凑性考虑，常需要直角或90度的转动。如上文图1中所示，具有成角度的激光切割端的光纤可用于实现来自光检测器24的光的所需直角转动。

图2A和图2B分别图示了图1的光纤12的源端18的侧视图和顶视图，以提供更多关于光纤12的倾斜切割光纤端20的详情。在本实施例中，光纤12经配置以接收光17，所述光17垂直于光纤12的光纤轴A₁发射。光纤12经定位，使得倾斜切割光纤端20与光学光源16对准以从光学光源16接收光17。可提供倾斜切割光纤端20的角度Θ₁，使得从光学光源16发射的光17L可在倾斜切割光纤端20处通过TIR反射而反射并且所述光17L可沿着光纤12的内芯14重新导向作为光17R。在一个实施例中，倾斜切割光纤端20的角度可以是约45度，或者相对于光纤12的光轴A₁的其他角度，以提供改良的光学性能(例如，在多模光纤中的减少的背反射、增加的带宽等)。当光17R沿着光纤12传播时，光17R通常保持在内芯14中。

图3是图1的光纤12的源端18的近视图，并且所述近视图进一步图示了包围光纤12的内芯14的包覆层28。光学光源16安置在本实施例中的衬底30上。光纤12可与光学光源16对准，以实现从光学光源16到光纤12的高效光信号传送。如图3中所示，光17L垂直于光纤轴A₁从光学光源16引入光纤12，并且光17L接着在光纤12的倾斜切割光纤端20处使用TIR反射在内芯14中沿着光纤轴A₁重新导向。因为来自光学光源16的光17L是发散的，所以光17L在一角度范围内发射到内芯14中。因此，光17L以大发射角从倾斜切割光纤端20发射出来作为光17R。这可导致激发光纤12的多个模式或模式群组，从而引入模式色散。模式群组是一系列光线，所述光线沿着内芯14具有同一传播路径，使得所述光线在同一时间到达检测器端22以形成群组。模式色散可限制光纤链路10的带宽。进一步地，模式色散可随着光纤12的长度增加而增加。

如图3中所示，在光17L到达倾斜切割光纤端20之前，来自光学光源16的光17L首先照射包覆层28的弯曲圆柱形底表面32。弯曲底表面32像凸透镜一样起作用，并且弯曲底表面32取决于光学光源16与底表面32之间的距离、包覆层28的曲率半径以及包覆层28的折射率而改变光17L的发散角。一些光17L将被向内折射。耦合到光纤12中的光17L将分散，并且所述光17L因此将从倾斜切割光纤端20以大角度作为光17R发射，因而易于激发光纤12中的不同的一组光纤模式。在光纤12中由两个发射平面激发的模式和模式群组的不同发散导致可限制高带宽性能的额外脉冲展宽。这被称作“耦合散光”。耦合散光可以是模式色散的来源，因而限制光纤12的带宽。耦合散光在两个或两个以上不同平面中提供不同放大。放大可导致较高光束发散，较高光束发散可导致光发射成光纤12的较大组的模式或模式群组，因而引起模式色散。具有较高发散的模式的较高传播损耗还可能导致不对称输出光束形状，所述不对称输出光束形状与光检测器24的形状匹配的不好。

就这一点来说，本文所揭示的实施例提供形成于光纤端的光学结构，以改良光纤链路带宽。在某些实施例中，通过限制携带光链路功率的模式或模式群组来改良或不限制光纤链路带宽。通过控制和限制携带光链路功率的模式或模式群组，可减少或消除耦合散光。减少或消除散光可减少模式色散，从而有效地增加光纤链路带宽。

就这一点来说，图4A和图4B分别图示了作为减少或消除耦合散光以改良光纤链路带宽的一种方式的多模光纤40的一个实施例的侧视图和前视图(或光纤轴向视图)。本实施例中的多模光纤40具有安置在光纤40的光纤端44的棱柱形光纤端结构42。光纤40包含由包覆层48包围的内芯46。内芯46和包覆层48均具有弯曲外表面。棱柱形光纤端结构42通过限制在由光学光源50发射到光纤40中的光束中引入的散光量来改良光纤链路带宽。光学光源50可以是VCSEL或者光学光源50可以是如前论述的可以发射光51L到光纤40中的其他光学光源。

在本实施例中，棱镜结构52形成于光纤40的光纤端44。通过将两个平面安置在光纤端44中来形成棱镜结构52。第一平坦表面54在光纤端44中被安置成相对于光纤40的光轴A₂成角度Θ₂，以形成光纤端44的一部分。这提供了如前论述的对发射到光纤40的内芯46中的光51L的TIR反射。进一步在本实施例中，将第二平坦表面56穿过包覆层48并且与第一平坦表面54相交地安置在光纤端44的底侧58，以形成棱镜结构52。第二平坦表面56安置在与光纤轴A₂平行的平面中，并且因此第二平坦表面56不会像第一平坦表面54一样相对于光纤轴A₂成角度。第一平坦表面54和第二平坦表面56形成棱镜结构52。本实施例中的棱镜结构52形成在光纤40上，使得不需要新光学组件，从而减少成本。第二平坦表面56是平坦的，从而导致比在第二平坦表面56是例如图3中的包覆层28所提供的弯曲或圆柱形表面的情况下更小的放大。在这种方式中，减少或消除由光51L穿过包覆层48所造成的放大，从而减少光51R在沿着光纤40传播时的耦合散光和模式色散。如上论述，较小放大导致较低光发散。限制光发散导致限制光纤40的模式或模式群组的数量的发射。

如前论述，可通过例如激光切割工序在光纤端44中形成第一平坦表面54和/或第二平坦表面56。例如，如上所述，可以通过使用CO₂激光器制造一对激光切割切口来形成第一平坦表面54和第二平坦表面56。形成棱镜结构52的第一平坦表面54和第二平坦表面56可作为在单独切割工序中提供的两个切口而形成。或者，可以通过单一工序形成棱镜结构52，其中同时在光纤端44中建立第一平坦表面54和第二平坦表面56。进一步地，如图4B中所示，第二平坦表面56的切口的深度D₁可以是任意所要深度。如图4A和图4B中所示，可提供深度D₁，使得只在包覆层48中提供第二平坦表面56。或者，第二平坦表面56也可安置在内芯46的一部分中。可按需要在制造时设置光纤链路带宽优化所需的棱镜结构52和光纤端形状的设计，从而允许修改棱镜结构52的形状以与一范围的光学光源和光检测器一起工作。

图5是具有凸形剖面62的另一示范性多模光纤60的侧视图，所述凸形剖面62安置在光纤60的光纤端64，以改良光纤链路带宽。在本实施例中，并非在到达反射表面或透镜之前减少或调节光的放大，将凸形剖面62安置在光纤端64以补偿或调节光在到达反射表面之前穿过弯曲表面所导致的放大。在本实施例中，光纤60的底表面72，更具体地说是包覆层74，和凸形剖面62一起可配合使用以将散光效应降到最低。在本实施例中，凸形剖面62提供凸形剖面透镜65，凸形剖面透镜65允许从光学光源68发射的光66L以这样一种方式TIR反射，使得发散光66L被准直为导向到光纤60的内芯70中的准直光66R。光纤60与衬底69上的光学光源68对准。以这种方式，准直光66R的低发散性将激发光纤60的较低阶模式，从而限制模式色散和增加光纤60的光纤链路带宽。在图6中进一步详细图示这一情况。

如图6中所示，光纤60的包覆层74的底表面72在本实施例中充当圆柱形透镜。如图6中所示，圆柱形透镜65的凸形剖面安置在光纤端64中半径R₁处。可以通过将凸形剖面62安置或者切割到光纤端64中在光纤端64处形成凸形剖面透镜65。例如，如前论述，可以使用激光处理将凸形剖面62安置或切割到光纤端64中。举例来说，假设图6中在Z_opt处光学光源68与包覆层74的外表面75之间的距离是125微米(μm)，那么光学光源68在内芯70的端面76的焦点区域内，并且R₁计算为焦点区域的两倍，R₁大约是490μm。如果凸形剖面透镜65为二维构型，那么还可能提供额外校正以补偿由充当透镜的底表面72所造成的放大。可减小凸形剖面62的半径R₁以使链路带宽和耦合效率的侧偏(lateralmisalignment)的效果降到最低。

相同凸形剖面也可安置在光纤的检测器端中，以改良光66L与光检测器的耦合。这在图7中进行了图示。图7中的光纤60和本实施例中图6中所示的光纤是相同光纤。然而，展示了光纤60的检测器端80。凸形剖面82还安置在检测器端80中，以形成类似于图6中所示的凸形剖面透镜65的凸形剖面透镜84。用于提供光纤60中的凸形剖面透镜65的相同端部透镜成形技术可以用于提供图6的光纤60中的凸形剖面透镜84。TIR反射光66R到达凸形剖面透镜84，并且TIR反射光66R从内芯70作为会聚光66C向下聚焦到光检测器86上。可选择凸形剖面透镜84的曲率半径R₂，使得以各种低阶模式在内芯70中传播的光66R被向下导向给光检测器86。也可以修改曲率半径R₂，使得光检测器86由大于光检测器86的光斑照明。这种技术可适应衬底88上的光纤60相对于光检测器86的侧偏。

上述用于光学光源发射配置的散光校正也可应用于本实施例中。另外，可以通过凸形剖面透镜84修改光检测器86处的照明光斑89的形状，以形成椭圆形照明区域来匹配椭圆形或近似椭圆形的光检测器86以提供改良的光纤链路带宽。在光纤到检测器相互连接的装配中，在平行于光纤轴A₃的方向上的侧偏容差可以与在垂直于光纤轴A₃的方向上的侧偏容差不同。举例来说，当考虑光纤阵列时，可以通过沿着光纤长度的激光倾斜切割操作的位置的变化来设置在平行于光纤轴A₃的方向上的侧偏。可以通过光纤对准V形槽以及光纤芯偏心率和包覆椭圆率的容差来设置在垂直于光纤轴A₃的方向上的侧偏。在这种情况下，可能需要用于光检测器86的椭圆照明区域，使得允许在正常装配中对发生在平行于和垂直于光纤轴A₃的方向上的不同侧偏进行不对称补偿。

如上论述，图6中的光纤60揭示了形成于光纤端的凸形剖面透镜以准直发射到光纤中的光，使得激发低阶模式群组(例如，大致平行于光纤轴传播)。基于从所述模式群组到较高阶模式群组(即，更缓慢地传播)的耦合量对短光纤链路来说微不足道的假设，通常到达光纤链路的源端的大部分光将通常平行于光纤轴以低阶模式群组传播。随着光纤链路长度变长，更多能量典型地分布在具有不同速度的更多模式群组中。使在接收器处的模式色散效应降到最低的一种方式是滤除光，所述光按以极高和/或极低速度传播的某些模式或者模式群组传播。

就这点来说，图8是具有凸形剖面92的另一示范性多模光纤90的侧视图，所述凸形剖面安置在光纤90的检测器端94，形成凸形剖面透镜96。多模光纤90可以是图7中所示的相同多模光纤80，其中凸形剖面92与图7中所示的凸形剖面82相同。图8中图示了反射较高阶模式光98C使所述较高阶模式光98C离光检测器100以改良光纤链路带宽的凸形剖面透镜96。凸形剖面透镜96的半径R₃使光98R聚焦在侧向偏离光检测器100的光斑102中，所述光98R相对于光纤轴A₄以较大正角度传播。这种位移用于滤除较高阶模式的光98R，阻止所述光到达光检测器100。因此，减少了模式色散，从而改良光纤链路带宽。如下论述，如图9的多模光纤中所示，可获得相似结果，以滤除相对于光纤轴A₄以较大负角度传播的光98R。

图9是具有凸形剖面112的另一示范性多模光纤110的侧视图，所述凸形剖面112安置在光纤110的检测器端114上，形成凸形剖面透镜116以改良光纤链路带宽。再一次，多模光纤110可以是图7中所示的相同多模光纤80，其中凸形剖面112与图7中所示的凸形剖面82相同。图9中图示了反射较高阶模式光118C使所述较高阶模式光118C远离光检测器120以改良光纤链路带宽的凸形剖面透镜116。凸形剖面透镜116的半径R₄使光118R聚焦在侧向偏离光检测器120的光斑122中，所述光118R相对于光纤轴A₅以较大负角度传播。这种位移用于滤除较高阶模式的光118R，阻止所述光到达光检测器120，以减少模式色散，并且从而增加光纤链路带宽。

图10中图示了用于在反射光到达光检测器之前过滤光纤中的较高阶模式中的至少一些的另一实施例。图10是还具有凸形剖面132的示范性多模光纤130的侧视图，所述凸形剖面132安置在光纤130的检测器端134，形成凸形剖面透镜136。与上文论述的先前凸形剖面相比，凸形剖面透镜136相对于光纤130的光纤轴A₆的角度Θ₃相对于光纤轴A₆较陡峭。因此，图10中所示的半径R₅也较大。以这种方式，相对于光纤轴A₅以大正角度在光纤130的内芯140中传播的较高阶模式的光138R照射凸形剖面透镜136并且折射而不是TIR反射，作为向下朝向光检测器144的折射光138C。尽管图10中未图示，应了解，凸形剖面132将被设计为将较低阶模式或模式群组的光138R反射到光检测器144(见，例如图7)。折射光138C继续向前传播，使得所述折射光138C完全错过本实施例中的光检测器144。即使其他较高阶模式的光138R可由凸形剖面透镜136TIR反射，但是消除较高阶模式功率的至少一部分(即，折射光138C)仍可改良光纤130的光纤链路带宽。上文论述的某些实施例提供安置在光纤的源端的凸形剖面，以在光纤中提供凸形剖面端透镜来准直接收光。以这种方式，所述准直光的低发散性激发光纤的少量模式，因而限制模式色散和增加光纤链路带宽。类似地，上文论述的实施例还包括安置在光纤的检测器端的凸形剖面，以在光纤中提供凸形剖面透镜来改良反射光与光检测器的耦合。凸形剖面透镜还可以安置在检测器端中作为滤光片，来防止光检测器接收沿着光纤传播的较高阶模式光。在所述变化中的每一变化中，凸形剖面安置在光纤的源端或者检测器端。然而，可能不需要提供一种精确提供光纤端的凸形剖面来形成凸形剖面端透镜的工序。因此，一种在光纤端中提供凸形剖面端透镜的替代方法涉及通过在光纤端面上提供两个或两个以上的倾斜切割来近似得到透镜剖面。如下所述，这例如在图11的光纤150中进行了图示。

图11是具有两个倾斜刻面152U、152L的光纤150的示范性实施例的横截面侧视图。可以通过倾斜切割光纤150来形成倾斜刻面152U、152L。光纤150具有内芯154，所述内芯154与衬底158上的光学光源156对准。在光纤150的源端160处切割本实施例中的光纤150，使得光纤150具有上倾斜切割刻面152U和下倾斜切割刻面152L。安置在光纤150的源端160中的上倾斜切割刻面152U和下倾斜切割刻面152L形成凸形剖面透镜的近似体，以准直在光纤150中传播的接收光。如上论述，准直光的低发散性激发光纤150的少量模式，因而限制模式色散和增加光纤链路带宽。

在一个实施例中，如上所述，使用CO₂激光器通过光纤150的检测器端160上的一点制造一对激光切割切口，来形成上倾斜切割刻面152U和下倾斜切割刻面152L。在本实施例中，第一激光切割切口可相对于光纤150的光纤轴A₇成第一角度Θ₄，以形成上倾斜切割刻面152U。然后，以第二角度Θ₅形成第二激光切割切口，以形成下倾斜切割刻面152L。应了解，切口的顺序不重要，并且第一激光切割切口可相对于光纤轴A₇成一角度，以形成下倾斜切割刻面152L。

在图11的实施例中，下倾斜切割刻面152L相对于光纤轴A₇的角度Θ₅可以相对陡峭(例如，45度或者更大)。上倾斜切割刻面152U的角度Θ₄小于本实施例中的角度Θ₅。另外，可以使用形成上倾斜切割刻面152U和下倾斜切割刻面152L的其他方法。在切割工序结束时，如图11中所示，本实施例中的光纤150具有上倾斜切割刻面152U和下倾斜切割刻面152L，使得在点162下方的光纤150的端部相对于光纤轴A₇成角度Θ₅，并且在点162上方的光纤150的端部相对于光纤轴A₇成角度Θ₄。

光纤150的源端160上的上倾斜切割刻面152U和下倾斜切割刻面152L相对于从光学光源156发射的光164L以不同角度定向。光164L可以是一个实施例中的发散光束。可定向所述上倾斜切割刻面152U和下倾斜切割刻面152L，使所述上倾斜切割刻面152U和下倾斜切割刻面152L相遇并且形成与光纤150的中心C对准的线。上倾斜切割刻面152U和下倾斜切割刻面152L可以是成角的，使得所有照射所述刻面的光164L将被TIR反射到本实施例中的光纤150中。耦合到光纤150中的光164R的总角发散将低于其中在本实例中只提供单个倾斜切割刻面的情况。这种安排可通过减少模式或模式群组的数量来改良由光纤150提供的光纤链路带宽。

如图11中所示，可以通过检查由光学光源156发射的光164L的总角发散Φ来确定上倾斜切割刻面152U和下倾斜切割刻面152L的具体角度。这种光164L可分成两组光线：如图11中所示，左光线组164L’(在-Φ/2与0之间的角度)照射下倾斜切割刻面152L，并且反射成光164R’。如图11中所示，右光线组164L”(在0与Φ/2之间的角度)照射上倾斜切割刻面152U，并且反射成光164R”。如果将图11中所示的Θ_A定义为下倾斜切割刻面角度Θ₅和上倾斜切割刻面角度Θ₄的平均值，那么Θ₅可以设置为Θ_A+Φ/4，而Θ₅可以设置成Θ_A-Φ/4。这种方法使得，沿着内芯154引导的光线164R’、164R”的角发散是Φ/2，即光164L的原始总角发散Φ的一半。

只要在两个倾斜切割刻面处维持了TIR条件，平均刻面角度Θ_A就可以设置成45度或某其他角度。通过斯涅尔定律(Snell’slaw)确定TIR条件。斯涅尔定律指出，入射角和折射角的正弦的比率是取决于介质的常数。具体来说，如果Φ₁是入射角，并且Φ₂是折射角，并且n₁是光纤内部的折射率，并且n₂是正好在倾斜切割刻面外部的折射率，那么n₁sin(Φ₁)＝n₂sin(Φ₂)。对于全内反射的情况，Φ2＝90度，并且临界角Φ_C接着通过arcsin(n₂/n₁)得到。为了使光由刻面全反射，光必须以大于或等于Φ_C的角度入射在倾斜切割刻面上。因此，以大于或等于Φ_C的角度Θ₄形成上倾斜切割刻面152U，而以大于或等于Φ_C+Φ/2的角度Θ₅形成下倾斜切割刻面152L。而且，Θ_A必须大于或等于Φ_C+Φ/4。举例来说，如果n₁＝1.455，n₂＝1.0，并且Φ＝20度，那么Φ_C＝43.4度，并且在本实例中Θ₄必须大于或等于43.4度，而在本实例中Θ₅必须大于或等于53.4度(始终维持Θ₅等于Θ₄+Φ/2)。

在图11的实施例中，图示了个别光纤150。然而，激光倾斜切割光纤端可安置或形成于个别光纤或光纤阵列上。因此，在其他实施例中，单个或多个刻面除了安置或形成在个别光纤上，单个或多个刻面还可安置或形成在阵列化光纤的端部上。进一步地，两个以上刻面可安置在光纤150的光纤端中。可以选定角度形成任意数量的刻面，使得凸形剖面的近似体安置在光纤的端部，以提供近似于所需任意度数的准直透镜。当形成大于一定数量的刻面时，就带宽改良而言回报余地逐渐减少，从而有理由使用少量刻面来近似理想的准直透镜。这种方法还可辅助良好解决光检测器具有极度不均匀近场结构的情况。在这种情况下，通过用N个集中近场光斑的中心对N个刻面中的每一者定中心，可对于不均匀场实现改良的耦合效率，同时由于高准直率而改良光纤链路带宽。在环形光检测器辐射近场结构的特例中，图11中所示的光纤150可以推广到圆锥形切割端面。在这种情况下，圆锥的中心将与芯的中心重合。将通过光检测器辐射的角发散来定义圆锥角。

代替或者除了安置在光纤的光纤端中的凸形剖面或多刻面的面，还可能在光纤的底表面上形成透镜结构，以准直从光检测器发射的光，使得最小化或减少在光经TIR反射之前的发散。提供光学表面的底表面中的透镜结构可被设计成协同放大一起工作，以减少耦合散光，从而减少模式色散，所述放大由形成于光纤的反射表面上的透镜结构所提供。就这一点来说，图12图示了具有激光切割端和透镜结构172的示范性多模光纤170的侧视图，所述透镜结构172形成在光纤170的底表面174上。可以通过单个表面成形操作或通过在光纤170的底表面174上形成多个刻面来形成透镜结构172的透镜表面176。在光纤170中提供包围内芯180的包覆层178。将光纤170安装到衬底182上。还在衬底182上安置光学光源184。类似于图2A和图2B中的光纤12，在光纤170的倾斜切割端188处，使用TIR反射将光186L从光学光源184引入光纤170中。然而，在光186L到达本实施例中的倾斜切割端188之前，如图12中所示通过透镜结构172准直光186L。以这种方式，准直光186R的低发散性将激发光纤170的较低阶模式，因而限制模式色散和增加光纤170的光纤链路带宽。

如上论述，可以在光学光源与光纤之间使用透镜以实现低损耗耦合。如上论述，可以通过提供形成于光纤的端部上的受控剖面，来提供所述透镜作为光纤的整体部分。透镜收集以高角度从光学光源发散的光，并且透镜将光重新导向到光纤的内芯中。用以准直来自光学光源的发散光的透镜结构可减少在光纤中激发的模式的数量。如前论述，减少所激发模式的数量会减少模式色散，从而又增加光纤链路的带宽性能。在配置中提供前述实施例中提供的透镜结构，在所述配置中光垂直于光纤的光轴从光学光源发射到光纤中。然而，还可在其他配置中提供透镜结构，包括其中光学光源和/或光检测器发射并检测光纤的光轴中的光的配置。

就这一点来说，图13A和图13B图示了具有准直透镜202的示范性多模光纤200的顶视图，所述准直透镜202整体地形成于光纤200的源端204上且所述准直透镜202从光学光源206接收光。图13A仅展示了光纤200的内芯207，而图13B展示了在光学光源206不发射光到光纤200的情况下由包覆层209包围的内芯207。如图13A中所示，光学光源206可以是例如纳米锥形平面光波电路(PLC)波导，或者光学光源206可以是任意其他类型的光学光源。准直透镜202位于光学光源206与光纤200(并且更具体的是内芯207)之间，以减少从光学光源206发射的光208L的发散性。如图13B中所示，内芯207由包覆层209包围。准直透镜202将光208L准直为准直光208C。以这种方式，准直光208C将耦合成光纤200的较低阶模式或模式群组，从而减少模式色散和导致改良的光纤链路带宽。准直透镜202还可用于增加耦合到光纤200中的光量，此举也可是低损耗耦合所需的。在本实施例中，准直透镜202安置在内芯207的光路以及包覆层209的一部分中。然而，准直透镜202可以专门安置在内芯207的光路中或整个内芯207和包覆层209中。

举例来说，对于具有大约1.0μm的模式场直径(MFD)的纳米锥形PLC波导来说，图13A中所示的远场角Θ_FAR被计算为约20度(假设λ＝1.31μm)。近似等于工作距离L的透镜焦距由下式给出：

L＝D_C/2tan(Θ_FAR)，

其中D_C是内芯的直径(见图13A和图13B)。

光纤端透镜的曲率半径R_C由下式给出：

R_C＝f(n₁-n₀)/n₀＝(n₁-n₀)/2n₀tan(Θ_FAR)。

以下给出具有不同D_C的两个示范性光纤的L和R_C的计算值：

光纤1：L≌69μmR_C≌34μm

光纤2：L≌12.4μmR_C≌6μm

其中假设光纤1的D_C＝50μm，并且光纤2的D_C＝9μm。

用于将准直光耦合到光纤内芯的最佳准直透镜取决于所使用光纤的类型。在以上列举的两种示范性情况下，准直透镜曲率半径R_C小于包覆层直径D₂(例如，125μm)，但是大于芯直径D_C。因此，对于光学光源206和多模光纤200的每个组合来说，可以计算和使用经优化准直透镜202几何形状，以改良光纤链路的带宽。重要的是注意到，所述计算不包括透镜像差影响，也可将透镜像差纳入考虑。

可以使用多种技术形成准直透镜202。一个实例包括使用如图13B中所示的玻璃透镜，所述玻璃透镜通过激光处理结合到源端204或形成在源端204上。可以使用具有聚焦性质的激光写入结构、模制全息透镜或其他透镜方式。也可补偿和准直自光学光源206的散光光学输出。

在装配期间，可能会在光学光源206与光纤200之间发生小的侧偏。取决于偏移的性质，侧偏在光耦合到光纤200中的方式方面引入改变。如图13A和图13B中所示，如果准直透镜202安装到光纤端210上或与光纤端210集成，那么光纤200相对于光学光源206的侧偏可改变准直光208C发射到内芯207中的角度。如果侧偏足够大，那么准直透镜202的准直角可超过光纤200的数值孔径(NA)，并且光208L不会发射到内芯207中。对于小侧偏来说，角位移可能导致激发光纤200中的不同模式和模式群组。取决于由所述不同模式的激发诱导的模式色散的程度，链路带宽性能可改良或降级。

如图13A和图13B中所示，为了使侧偏对插入损耗的影响降到最低，可能需要选择小于多模光纤芯的直径D₂的准直束直径D_C。这种方法可减少准直光208C的切断的可能性。还可以通过确保当准直光208C经历角位移时，激发更加恒定量的模式和模式群组，来使带宽的改变降到最低。对于给定的具有固定光208L发散的小光学光源206来说，可以使用具有稍微减小曲率半径R_C的准直透镜202来实现准直光208C的直径D_C减少。因为在这种情况下可减小准直透镜202的焦距L，所以可能需要稍短的工作距离。

本文中所揭示的实施例不限于任意特定几何结构。任意几何棱镜可以用于在光纤的光纤端中提供棱镜结构，以减少耦合散光。任意角度或凸形形状可以安置在光纤端中，以准直接收光并且减少模式色散。可以通过安置在光纤的光纤端中的多个刻面提供凸形形状或结构。任意数量的刻面可形成在所需光纤端中。进一步，可在光纤的底表面中安置额外弯曲表面或结构，以单独或与所需剖面反射表面协同来减少耦合散光。透镜也可安置在光纤端上，以准直从沿着光纤的光纤轴发射光的光学光源接收的光。可以使用任意类型的光学光源和光检测器。

如上论述，本文所揭示的切割光纤端可以使用激光切割工序安置或形成在个别光纤或光纤阵列上。用以提供倾斜切割的抛光工序也是可能的。除了安置在个别光纤上之外，单个或多个激光切割刻面可安置或形成在阵列化光纤的端部上。光纤阵列可以由各自具有外表面、内芯以及切割(例如，激光切割)光纤端的光纤组成，所述切割(例如，激光切割)光纤端具有一或多个本文所揭示类型的激光切割刻面。如上论述，改良了多模光纤的光学性能，例如增加带宽和/或减少背反射。例如，应可以实现将多模光纤的带宽增加2倍或2倍以上。

另外，如本文所使用，希望使术语“光缆”及/或“光纤”包括所有类型的单模及多模光波导，包括一或多个裸光纤、松管(loose-tube)光纤、紧密缓冲(tight-buffered)光纤、条带化(ribbonized)光纤、耐弯(bend-insensitive)光纤或任何其他用于传输光信号的介质手段。耐弯光纤的实例为由康宁公司(CorningIncorporated)制造的ClearCurve光纤。

得益于前文描述及相关联图式中呈现的教示的所述实施例所关于的领域的技术人员将想到本文陈述的多种修改及其他实施例。因此，应了解，说明书及权利要求书不受限于所揭示的特定实施例，且修改及其他实施例希望包括在附随权利要求书的范畴中。希望所述实施例涵盖实施例的修改及变化，条件是所述实施例在附随权利要求书及所述附随权利要求书的均等物的范畴中。尽管本文采用特定术语，但所述特定术语仅用于一般及描述性意义且不用于限制目的。

Claims (23)

1.一种用于改良带宽的光纤设备，所述设备包含：

多模光纤，所述多模光纤具有用于接收光的源端；以及

棱镜结构，所述棱镜结构形成在所述多模光纤的所述源端上并且包括第一表面和与所述第一表面相交的第二表面，

其中所述第一表面经配置以补偿光穿过所述第二表面所造成的放大，从而最小化散光效应。

2.如权利要求1所述的光纤设备，其中所述棱镜结构经配置以减少或消除耦合散光。

3.如权利要求1所述的光纤设备，其中所述棱镜结构经配置以减少放大或不放大在所述多模光纤的所述源端处接收的光。

4.如权利要求1所述的光纤设备，其中所述棱镜结构包含：

第一表面，所述第一表面与所述多模光纤的光纤轴成角度；以及

第二平坦表面，所述第二平坦表面与所述第一表面相交。

5.如权利要求4所述的光纤设备，其中所述第一表面经配置以全内反射(TIR)在所述多模光纤的所述源端处接收的光。

6.如权利要求4所述的光纤设备，其中所述第二平坦表面经配置以减少或消除耦合散光。

7.如权利要求4所述的光纤设备，其中所述第二平坦表面经配置以减少或消除在所述多模光纤的所述源端处接收的光的放大。

8.如权利要求1-7中任一项所述的光纤设备，其中所述棱镜结构的至少一部分安置在所述多模光纤的包覆层的至少一部分中。

9.如权利要求1-7中任一项所述的光纤设备，其中所述棱镜结构的至少一部分安置在所述多模光纤的内芯的至少一部分中。

10.一种用于改良带宽的光纤设备，所述光纤设备包含：

多模光纤，所述多模光纤具有用于接收光的源端；以及

凸形剖面透镜，所述凸形剖面透镜形成在所述多模光纤的所述源端并且经配置以补偿光穿过所述多模光纤的弯曲表面所造成的放大，从而最小化散光效应。

11.如权利要求10所述的光纤设备，其中所述凸形剖面透镜经配置以准直在所述多模光纤的所述源端处接收的光。

12.如权利要求10所述的光纤设备，其中所述凸形剖面透镜经配置以减少或消除耦合散光。

13.如权利要求10所述的光纤设备，其中所述凸形剖面透镜经配置以抵消安置在所述多模光纤的所述源端中的透镜的放大。

14.如权利要求13所述的光纤设备，其中所述透镜由所述多模光纤的包覆层提供。

15.如权利要求10所述的光纤设备，其中所述凸形剖面透镜集成到所述多模光纤的所述源端中。

16.如权利要求10-15中任一项所述的光纤设备，其中所述凸形剖面透镜至少由以下刻面组成：

第一刻面，所述第一刻面与所述多模光纤的光纤轴成第一角度而安置；以及

第二刻面，所述第二刻面与所述多模光纤的所述光纤轴成第二角度而安置，所述第二角度与所述第一角度不同。

17.如权利要求10-15中任一项所述的光纤设备，所述光纤设备进一步包含第二凸形剖面透镜，所述第二凸形剖面透镜安置在所述多模光纤的检测器端中。

18.如权利要求17所述的光纤设备，其中所述第二凸形剖面透镜经配置以反射光使所述光远离所述检测器端的焦点。

19.如权利要求17所述的光纤设备，其中所述第二凸形剖面透镜经配置以反射光使所述光远离所述检测器端的焦点超过预定正角度。

20.如权利要求17所述的光纤设备，其中所述第二凸形剖面透镜经配置以偏移光使所述光远离所述检测器端的焦点超过预定负角度。

21.如权利要求17所述的光纤设备，其中所述第二凸形剖面透镜经配置以折射光使所述光远离所述检测器端的焦点。

22.如权利要求10-15中任一项所述的光纤设备，其中所述凸形剖面透镜的至少一部分安置在所述多模光纤的包覆层的至少一部分中。

23.如权利要求10-15中任一项所述的光纤设备，其中所述凸形剖面透镜的至少一部分安置在所述多模光纤的内芯的至少一部分中。