CN103608701B

CN103608701B - 经激光处理的grin透镜和使用它的光学接口设备与组件

Info

Publication number: CN103608701B
Application number: CN201280029251.1A
Authority: CN
Inventors: J·A·德梅里特; D·D·福尔图希尼; P·坦登
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 2011-06-15
Filing date: 2012-06-11
Publication date: 2017-03-29
Anticipated expiration: 2032-06-11
Also published as: US9435917B2; US20120321249A1; TW201312168A; WO2012173907A3; WO2012173907A2; CN103608701A

Abstract

公开了经激光处理的梯度折射率(GRIN)透镜和使用该经激光处理的GRIN透镜的光学接口设备和组件。GRIN透镜组件包括柱形中央部分，其具有GRIN折射率分布、平的前后表面和外表面以及直径D₁，其中200微米＜D₁＜420微米。外径D₂的环状包层围绕着该中央部分外表面，且该包层具有前和后环状表面以及恒定或变化的折射率。前和后环状表面中的一个或两者可以是弯曲的。在平的后表面处，光纤光学耦合至该中央部分。通过用支承部件来可操作地支承至少一个GRIN透镜组件，来形成光学接口设备。通过使两个光学接口设备相接，来形成光学接口组件。

Description

经激光处理的GRIN透镜和使用它的光学接口设备与组件

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§119要求{美国临时申请提交日期}提交的美国临时申请{美国临时申请系列号}的优先权，本申请基于该临时申请的内容并且该临时申请的内容通过引用而整体结合于此。

技术领域

本公开大体上涉及梯度折射率(GRIN)透镜，且更特定地涉及通过激光处理形成的GRIN透镜、以及使用该经激光处理的GRIN透镜的光学接口设备与光学接口组件。

背景

光纤正越来越多地被用于各种应用，包括但不限于宽带语音、视频、数据传输、和配置为具有光通信能力的消费电子设备。因此，消费设备要求更多的带宽量，且因此光学接口设备(更通俗地也称为“光连接器”)可能具有越来越多的使用。然而，一般而言，常规的光学接口设备原本是作为电信网络的专用光纤连接器而被开发的。因此这样的光学接口设备并不适用于与具有光学通信能力的消费电子设备关联的更一般且稳健的要求。常规光学接口设备最经常依赖于一个光纤芯与另一个的直接对齐。对于与消费电子设备关联的稳健要求，结合有效地扩展所耦合的光束的直径的透镜具有特定优势。

至今所研发的光学接口设备的特定类型采用被支承在一个或多个套圈内的一个或多个透镜，以使具有曲率的透镜表面并不暴露于外部环境。此外，外部透镜表面(即，暴露于外部环境的表面)一般是平的，且在一些情况下，在形成光学接口组件时，这些外部透镜表面配置为与相配的光学接口设备的外部透镜表面做出实质性的实体对实体的接触。这样的接触用于将液态污染物排除出组件接口，从而维持令人满意的光学连接。

基于透镜的光学接口设备的特定类型利用一个或多个GRIN透镜。该光连接器的GRIN透镜可被排布在套圈内或其他支承部件内，然后经激光处理(即，激光解理)来实现最终的GRIN透镜配置。然而，这样的激光处理以不可预测和不可控的方式可对于GRIN透镜的性能具有有害影响，特别是对于外部透镜表面的形状。这继而导致当光学接口设备被配对从而形成光学接口组件时对于通道之间的耦合效率的减少和串扰的增加。

发明内容

本公开的一方面在于：包括柱形中央部分的GRIN透镜组件，该柱形中央部分具有多项式或抛物线GRIN折射率分布、平的前和后表面、外表面、以及范围在200微米≤D₁≤420微米的直径D₁。该GRIN透镜组件还包括外径D₂的环状包层，该包层围绕中央部分外表面且具有前和后环状表面以及恒定或变化的折射率。该GRIN透镜组件还包括在平的后表面处光学地耦合至该中央部分的光纤。

本公开的另一个方面在于用于透射具有一波长的光的光学接口设备。该光学接口设备包括至少一个如上所述的GRIN透镜元件。该光学接口设备还包括支承部件，被配置为可操作地支承位于前腔室内的至少一个GRIN透镜元件，该支承元件可操作地支承包括该至少一个GRIN透镜元件的至少一个光学路径。

本公开的另一个方面在于：光学接口组件，包括相接的第一和第二光学接口组件，从而它们各自的GRIN透镜的平的前表面面对着且间隔开距离d，距离d在0微米≤d≤200微米范围内。

本公开的另一个方面是形成GRIN透镜的方法，其中该方法包括拉拔具有多项式或抛物线GRIN折射率分布的柱形GRIN条(cane)来形成用于定义具有外表面的中央部分的柱形GRIN杆，该中央部分具有在200微米≤D₁≤420微米范围内的直径D₁。该方法还包括用具有范围在5微米≤δr≤50微米内的环状宽度δr的环状包层来包覆该柱形GRIN杆外表面。该方法还包括激光解理经涂覆的柱形GRIN杆来形成GRIN透镜元件，其中该中央部分具有通过激光解理所定义的平的前表面，且该环状包层具有也通过激光解理所定义的弯曲的环状前表面。

本公开的另一方面在于GRIN透镜组件，包括单片透明介质和支承在该单片透明介质内的至少一个GRIN透镜。

应当理解的是，前面的一般描述和之后的详细描述两者给出本公开的实施例，并且它们旨在提供用于理解所要求保护的本公开的本质和特性的概观或框架。包括的附图提供了对本公开的进一步的理解，且被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图示出本公开的各个示例性实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理和操作。这些权利要求被并入本说明书中并成为其一部分。

附图说明

图1是根据本公开的示例性GRIN透镜的立视图；

图2是在Y-Z平面中截取的图1的示例性GRIN透镜的截面图；

图3A到图3F示出此处公开的GRIN透镜的示例性折射率分布；

图4是示例性光学接口设备的一部分的截面图，该光学接口设备包括支承至少一个GRIN透镜和携载光纤的至少一个光纤光缆的支承部件；

图5是常规光学接口设备的前端部分的特写视图，该光学接口设备包括不具有环状包层的常规GRIN透镜，该视图示出在常规GRIN透镜内行进的光如何可以与该支承部件交互且还可以通过常规GRIN透镜的圆形或弯曲的边缘而发生偏转；

图6和图5类似，除了它示出的是根据本公开的光学接口设备的前端部分，其中该支承部件包括此处公开的GRIN透镜，示出如何将在GRIN透镜内行进的光从环状包层中排除；

图7A到图7C是示出根据本公开从GRIN杆形成GRIN透镜的示例性方法的示意图；

图8A是分别被用于形成第一和第二光学接口设备的第一和第二支承部件的立视图；

图8B是由第一和第二支承部件形成并被配置为形成光学接口组件的第一和第二光学接口设备的截面图；

图9A和图9B是GRIN透镜组件的示例性实施例的前立视图，其中一个中央部分(图9A)或多个中央部分(图9B)被嵌入在单片透明介质内；

图10A是前立视图，图10B是包括图9B的GRIN透镜组件的示例性支承部件的截面图；

图11A是具有被用于经由拉拔工艺来形成圆形GRIN杆的圆形截面的示例性GRIN条的侧视图；

图11B示出具有可被用于形成具有多边形截面形状的GRIN杆的多边形(例如，六边形，如图所示)截面形状的示例性GRIN条的侧视图；

图11C是具有多边形截面形状且通过拉拔图11B的多边形GRIN条而形成的示例性GRIN杆的侧视图；

图11D类似于图11C且示出用于激光解理图11C的多边形GRIN杆来形成多边形GRIN透镜的激光束；

图12A是示例性光学接口设备的立视分解图，该接口设备具有带柱形前腔室的支承部件，被用于支承多边形GRIN透镜；

图12B是图12A的光学接口设备的前视图，且示出部署在该支承部件的柱形前腔室内的多边形GRIN透镜；

图13是具有驻留于该光学接口设备的支承部件的柱形前腔室内的各端部部分的多个GRIN杆的立视图，其中该GRIN杆被激光处理从而形成由该支承部件所支承的GRIN透镜；

图14A是GRIN杆在如图13中所示地由激光解理后支承部件的前立视图，以使每一个GRIN透镜的前部延伸过该支承部件前表面；且

图14B类似于图14A，且示出示例性光学接口设备，其中该GRIN透镜被推回至该前腔室内以使该GRIN透镜前端与该支承部件前端基本齐平。

具体实施方式

现在详细参照本公开的实施例，在附图中示出了这些实施例的示例。在可能时，在所有附图中使用相同或类似的附图标记来指示相同或类似的部件。在本公开的范围内可对以下实施例作出多种修改和变更，而且不同实施例的各方面可按照多种方式混合以获得更多实施例。因此，本公开的真实范围应当根据但不限于本文中公开的实施例从本公开的整体来理解。在一些附图中示出笛卡尔坐标系用于参考且用于查看附图，而非以限制方式限制为特定取向或方向。

此处使用的单词“光”与术语“光辐射”同义，且可意味着可见光辐射以及不可见光辐射，例如红外光辐射。

图1是根据本公开的示例性GRIN透镜10的立视图。图2是在Y-Z平面中截取的图1的示例性GRIN透镜10的截面图。GRIN透镜10是圆形柱形的且包括中央轴A1、前端12、和后端14。GRIN透镜10包括圆心位于轴A1上的柱形中央部分20，该中央部分包括平的前表面22、平的后表面24、以及位于半径r₁处的外表面26。中央部分20具有梯度折射率分布n_A(r)，该n_A(r)具有在n_A(0)＝n₀(即，在轴上)处的最大值和在外表面26处的最小值n_A(r₁)。下文讨论示例性折射率分布n_A(r)。

在各示例中，中央部分具有直径D₁＝2r₁，范围在200微米≤D₁≤420微米、或240微米≤D₁≤380微米、或280微米≤D₁≤360微米。GRIN透镜10具有长度L，其中在一示例中，长度范围可1mm≤L≤2mm，其中当该GRIN透镜被用在如下所述的光学接口设备中时示例性长度范围可从约1.2mm到约1.6mm。

GRIN透镜10还可包括围绕中央部分20的外表面26的环状包层30。环状包层30具有前表面32、后表面34、位于半径r₁处的内表面35、以及位于半径r₂处的外表面36。在示例性实施例中，前表面32和后表面34中至少一个是弯曲的，且在图1和图2中以示例的方式，图示出前表面和后表面都是弯曲的。在另一个示例性实施例中，前和后表面32和34都是平的。

环状包层30具有从r₁到r₂的折射率分布n_C(r)。在各示例中，径向环状厚度或宽度δr＝r₂–r₁是在范围5微米≤δr≤50微米或10微米≤δr≤40微米内。

还有，在各示例中，GRIN透镜10的直径D₂是在范围210微米≤D₂≤520微米、260微米≤D₁≤420微米内。在各示例中，D₁/D₂的比值在0.7到0.95之间、或0.75到0.9之间、或0.8到0.9之间。环状包层30可包括，例如，无掺杂的二氧化硅、掺杂氟的二氧化硅、诸如UV可固化丙烯酸之类的聚合物、掺杂氟和氯的氧化锗、或其组合。未掺杂的二氧化硅的折射率被标记为n_silica。

还有在一示例中，GRIN透镜10的长径比D₂:L在约1:2到约1:10范围内，其中示例性长径比约为1:4。

示例性GRIN折射率分布

图3A是GRIN透镜10的示例性折射率分布n₁₀(r)。折射率分布n₁₀(r)包括从0到r₁的抛物线或其他多项式中央部分折射率分布n_A(r)、以及从r₁到r₂的恒定的包层折射率分布n_C(r)＝n_C，其中n_C>n_A(0)＝n₀。在一示例中，使用掺杂锗的氧化硅来形成中央部分折射率分布n_A(r)。在一示例性实施例中，如图3A所公开的透镜可包括掺杂氧化锗的芯区域20、围绕有掺杂氧化锗的环状包层区域30。

图3B类似于图3A，但是其中n_C＝n_A(r₁)。在一示例中，中央部分折射率分布n_A(r)是如图所示的抛物线，而包层折射率分布n_C(r)是恒定的，其中n_C＝n_A(r₁)。在更一般的示例中，n_C≥n_A(r₁)。在一示例性实施例中，中央部分折射率分布是渐变式折射率分布，可由阿尔法分布n_A(r)＝n₀(1-2Δ(r/r₁)^α)^1/2所描述，其中Δ＝(n₀ ²-n_silica ²)/2/n₀ ²且α在不同示例中可在1.8和2.1之间、或在1.85到2.05之间、或在1.9到2之间。在一个示例性实施例中，如图3B所公开的透镜可包括掺杂氧化镓的芯区域20，被环状包层区域30围绕，该环状包层区域30包括氧化硅且基本没有任何上掺杂或下掺杂的添加剂，从而区域30的折射率可等于无掺杂的氧化硅的折射率。

图3C示出类似于图3A和图3B的示例，具有上述抛物线或多项式中央部分折射率分布n_A(r)、且具有从r₁到r₂随r变化的包层折射率分布n_C(r)。在图示示例中，从r₁到r_a<r₂，n_C(r)以基本上继续n_A(r)的折射率分布的方式进行变化。然后，从r_a向外到r₂，n_C(r)恒定，n_C＝n_C(r_a)。在特定实施例中，中央部分折射率分布n_A(r)是图3B中所示的渐变式折射率阿尔法分布，其中α在1.8到2.1之间。在一个示例性实施例中，如图3C中公开的透镜可包括直到半径r₁的掺杂氧化镓的芯区域20，在半径r₁这一点处经由氟掺杂继续该区域抛物线形状，直到在r_a处终结该抛物线形状。因此，在这个实施例中，r₁和r₂之间的折射率小于二氧化硅的折射率，比如，这个区域被掺杂氟从而形成环状包层区域30。在一个实施例中，r₁可从165到175微米之间，

尽管在一个示例中，在r₁和r_a之间的扩展的分布以如该示例中所示的方式遵循中央轴和r₁之间的相同参数曲线，但是其他分布也可提供性能优势。通过特定示例的方式，即使在r₁外的折射率的减少发生在非常短的径向距离r上，诸如通过基本瞬时的折射率变化的扩散，仍存在性能优势。

图3D类似于图3C，除了在r_a<r<r_b范围中n_C(r)具有常数值n_C1，其中r_b<r₂。然后，n_C(r)在r_b<r<r₂具有常数值n_C2。例如，可通过二氧化硅的氟掺杂和/或通过使用诸如氯、氧化镓、氧化钛、磷等之类的掺杂剂对区域r_b和r₂之间的区域进行上掺杂，来形成图3D的n_C(r)的折射率分布。

在r₁<r<r_a之间的包层的部分用作GRIN透镜10的中央部分20的延伸这一方面，图3C和图3D的包层折射率分布一般是有利的。有效地，对于中央部分20的给定的折射率分布，图3C和图3D的包层折射率分布将GRIN透镜10的数值孔径增加至一个比中央部分20的折射率分布单独所产生的值更高的值。

图3E类似于图3B，但是其中n_C<n_A(r₁)。在一示例中，中央部分折射率分布n_A(r)是如图所示的抛物线，而包层折射率分布n_C(r)是恒定的，其中n_C<n_A(r₁)。例如通过二氧化硅的氟掺杂，可获得折射率n_C<n_A(r₁)。可选地，区域n_C由二氧化硅制成，且区域n_A(r₁)是由氧化镓制成且在r＝r₁处具有折射率基底(index pedestal)。

图3F示出类似于图3E的示例，不同之处在于，包层对于r₁<r<r_a具有常数值n_C1，其中n_C1<n_A(r₁)，且对于r_a<r<r₂具有第二常数值n_C2，其中n_C2>n_C1。例如，通过在r₁和r_a之间的区域内的二氧化硅的氟掺杂，可获得折射率n_C1。在图3F所示示例中，n_C2＝n_A(r₁)。在更一般的示例中，n_C2>n_A(r₁)；在另一个示例中，n_C2<n_A(r₁)。

尽管图3E和图3F的包层折射率分布可能不如图3C和图3D的那些折射率分布有效，它们将在GRIN透镜10被用于光学接口设备中时提供某些益处，因为它们仍将经由全内反射来引导否则将逸出中央部分20的光70。换言之，在中央部分20内传播并以大于arcsin(n_C1/n_A(r₁))的入射角到达外表面26的光70是通过全内反射被反射回中央部分20内。

光学接口设备

图4是示例性光学接口设备142的一部分的截面图。光学接口设备142包括支承部件100，该支承部件100配置为支承至少一个GRIN透镜10和携载光纤66的至少一个光纤光缆60。支承部件100包括前和后表面102和104、以及由孔部130连接的前和后柱形腔室110和120。前和后柱形腔室110和120分别在前和后表面102和104处开口。前柱形腔室110由大小能容纳GRIN透镜10的内表面112所定义，且后柱形腔室120由大小能容纳光纤光缆60的端部62的内表面122所定义。光纤66从光纤光缆60的端部开始延伸且具有端面68。

因此，GRIN透镜10被部署在前腔室110内，且光纤光缆60的端部62被排布在后腔室120内，从而光纤66驻留在孔部130内。光纤端面68因此紧挨着GRIN透镜10的中央部分20的平的后表面24。GRIN透镜10和光纤66构成定义光通信路径的GRIN透镜组件136。在下述讨论中，术语GRIN透镜组件136和光通信路径136互换地使用。

在光学接口设备142的操作的一个示例中，来自远程光源(未示出；见例如，图8B的光发射器410)的准直的光70C入射在GRIN透镜10的中央部分20的平的前表面22上。这个准直的光70C通过与如上所述的折射率分布n_A(r)相关联的正光焦度而发生折射，且遵循弯曲的、会聚的路径穿过中央部分20，最终聚焦在光纤端面68上。然后这个聚焦的光70变为受引导的光70G，在光纤66中行进通过光纤光缆60并从支承部件100中出来到达远处位置，如，远程检测器(未示出)。注意，图4中的光70的光学路径是可逆的，即，光70可开始作为光纤66中的受引导的光70G，且在GRIN透镜10中逐渐发散从而形成准直的光70C，离开GRIN透镜的中央部分20的平的前表面22。有时光学接口设备142称为扩展光束光学接口设备，因为光70被扩展从而形成准直的光70C。

中央部分折射率分布n_A(r)和光纤66的数值孔径(NA)配置为使得光70基本留存在中央部分20内。在一示例中，没有光70在环状包层30内行进，而在另一个示例中，光70仅有一小部分(如，从光纤端面68发出的光的总量的10％或更少)在该环状包层内行进。

环状包层30定义一禁区，用于防止光70受到GRIN透镜支承部件100(且特定地是前腔室110的内表面112)的实质性影响。图5是常规光学接口设备142'的前端部的放大视图，包括不具有环状包层30的常规GRIN透镜10’，即GRIN透镜10’仅包括中央部分20’。光70’如图所示在从光纤66向着GRIN透镜10’的方向行进并超出GRIN透镜前表面22’。

在这个配置中，中央部分20’的外表面26’定义了GRIN透镜10’的周界表面。在这个配置中，光70’可与前腔室110的内表面112交互、并与GRIN透镜10’的周界表面交互。例如，环绕中央部分20’的外表面26’的光70’可与前腔室内表面112’交互并从该内表面112’散射出去，或与GRIN透镜10’的周界表面的瑕疵交互并从该瑕疵处散射出去，如所散射的光70S’。

此外，如果GRIN透镜10’的前表面22’包括圆形或弯曲的边缘22E’，通过用作形成会聚的光70D'的环状透镜，该圆形或弯曲的边缘可不利地影响准直的输出光70C’的准直。会聚的光70D’并不在期望的方向(即，准直的光70C’的方向)中行进。另外，边缘22E’的圆度或曲率一般并不是均匀的，且因此可能以不可预测且不可控的方式不利地影响GRIN透镜10’的功能。这继而可导致当被用作扩展光束的光学接口设备时耦合效率的减少，且可导致当GRIN透镜10’被用于成像时劣化的图像质量。此外，散射的光70S’以及会聚的光70D’可潜在地导致多通道光学接口组件中相邻光学路径(通道)之间的串扰。

图6类似于图5，除了它示出根据本公开的光学接口设备142，其中支承部件100包括如此处所公开的GRIN透镜10。环状包层30定义了在中央部分20和前腔室110的内表面112之间的上述禁区，从而基本上防止光70到达内壁，且在一示例中是完全防止光70到达内壁并且防止光70到达GRIN透镜10的周界表面。此外，环状包层30基本上防止光70穿过环状包层30的弯曲的前表面32，且在一示例中是完全防止光70穿过环状包层30的弯曲的前表面32。这确保了基本上全部(且在一示例中，是全部)的光70穿过中央部分20的平的前表面22且从此处作为经准直的光70C’而离开。这继而减少了作为散射的光且被引导在不期望的方向的光量，藉此一般地改进了光透射效率并减少了串扰的潜在可能。此处，与光70有关的术语“全部”和“基本上全部”并不包括可被吸收在中央部分20中的任何光。

从GRIN杆形成GRIN透镜的方法

图7A到图7C是示出从GRIN杆150形成GRIN透镜10的示例性方法的示意图。在该方法中，激光束LB被用于解理GRIN杆150从而形成GRIN透镜10。参看图7的截面图(这类似于图2所示图)，GRIN透镜10具有弯曲的前环状表面32和平的后环状表面34。注意，该中央部分20具有平的前表面22。

当解理二氧化硅或掺杂氧化镓的二氧化硅GRIN杆150的激光具有在约300微米到约400微米范围内的直径D₂时，δr的示例性值为30微米。在一示例中，将环状包层30形成为具有δr的所选值，从而由激光解理工艺形成的任何曲率基本上完全驻留(或在一示例中，完全)在前环状表面32上，即，曲率并不达到中央部分20的平的前表面22。在一示例中，紧挨着平的前表面22的前环状表面32的一部分可以是平的。在一示例中，弯曲的前环状表面32可表示GRIN透镜前端12的总表面积(即，平的前表面22和前环状表面32的组合的表面积)的10％到30％之间。

在一示例中，通过向构成中央部分20的现有的GRIN杆施加环状包层30，来形成从其本身通过激光解理而形成GRIN透镜10的GRIN杆150。在另一个示例中，通过将构成中央部分20的GRIN条150C(图11A)拉拔为合适直径同时施加单层包层来形成环状包层30，而形成GRIN条150。可使用现有技术已知的化学蒸镀沉积技术来形成构成中央部分20的GRIN条150C。形成GRIN条150C的示例性材料包括二氧化硅和氧化镓。

光学接口设备和组件

图8A是用于形成各光学接口设备142和342的第一和第二支承部件100和300的立视图，该光学接口设备142和342继而可被用于形成光学接口组件。图8B是当由图8A的第一和第二支承部件100和300形成的第一和第二光学接口设备142和342的截面图，其中这些光学接口设备被相接来形成光学接口组件200。在一示例中，光学接口设备142构成插头且光学接口设备342构成插座。

以示例的方式在图8A中将支承部件100和300图示为配置为支承多个光学路径136和336。一般而言，支承部件100和300可支承一个或多个光学路径。图8A示出其中支承部件300的前腔室310各自包括纵向狭缝315的实施例，当GRIN透镜10或GRIN杆150被插入该腔室时该狭缝允许空气逸出。支承部件100的前腔室110也可包括相应的纵向狭缝(未示出)。

光学接口设备142包括具有后表面104的支承部件100。支承部件100包括多个光通信路径136，由各多个GRIN透镜10以及相关联的光纤66所定义。在图8B中，支承部件前表面102和302面对且被图示为定义了彼此之间的尺寸为d的小间隙。在可选实施例中，GRIN透镜前端12可接触来形成一个或多个固体对固体接口。在一示例中，间隙尺寸d在0微米≤d≤200微米范围内。

参看图8A和图8B，支承部件300具有带前表面302的本体301，且支承部件300包括各自具有配置为支承GRIN透镜10的内表面312的前柱形腔室310。支承部件本体301由在所使用的光70的波长处基本透明的材料制成。例如，这个波长可以是从850nm到1550nm范围内。支承部件本体301的示例性透明材料是透明树脂，诸如未填充的聚醚酰亚胺(PEI)，由通用电气公司以商标名称1010出售。例如，支承部件本体301可以是模制的单一结构、模制和机器加工的结构、或多组件结构。在一示例中，使用粘合剂50来将GRIN透镜10保持在各支承部件100和300的各腔体110和310中。通过示例的方式将粘合剂50图示为排布在与GRIN透镜后端14和支承部件100和300的各前端腔室110和310的内表面112和312的相应部分相邻处。在一示例中，粘合剂50由折射率匹配的材料制成。一示例性粘合剂50包括可固化的胶，诸如热固性或紫外可固化的胶。

支承部件本体301包括后端304，该后端具有配置为内反射在其中行进的光70的倾斜的表面306。支撑部件本体301还具有其上形成有一个或多个透镜元件322的底部表面320。透镜元件322分别与支承在各前腔室310内的GRIN透镜10的折轴(folded axis)A1对齐。

因此图8B的示例性光学接口设备342包括由各多个GRIN透镜10所定义的多个光学通信路径336、光70行进通过的支承部件本体301的部分、以及位于底部表面320上的透镜元件322。

光学接口设备342被图示为相对于电路板400而放置。电路板400包括可操作地支承一个或多个光发射器410(诸如一个或多个垂直腔面发射激光器(VCSEL))的上表面402。光学接口设备342被排布为使得其底部表面320与电路板上表面402相邻且基本平行，以使光发射器410与各透镜元件322光学地对齐。

参看图8B，在光学接口组件200的操作的示例中，由光发射器410发出发散的光70T且光70T入射在透镜元件322上。透镜元件322具有正的光焦度且用于使得发散光70T在底部表面320处进入支承部件本体301时较为不发散。然后光70T行进至倾斜表面306，此处光70T内反射并继续朝向GRIN透镜10。光70T作为发散的光进入中央部分20的平的后表面24。

在光学接口设备342中的GRIN透镜10的折射率分布n_A(r)配置为接收该发散的光70T并基本形成准直的光70C，离开中央部分20的前平表面22。注意，该光学接口设备342的GRIN透镜10可被配置为产生期望发散度的光70T，例如，光70T可被制成准直或甚至会聚的。基本准直的光70C从光学接口设备342的GRIN透镜10进入光学接口设备142的GRIN透镜10的平的前表面22。然后基本准直的光70C以结合图4上述的方式在端面68处光学地耦合入光纤66。

GRIN透镜组件

图9A和图9B是GRIN透镜组件500的示例性实施例的前立视图，其中GRIN透镜10的一个中央部分20(图9A)或多个中央部分(图9B)被嵌入在单片透明介质530内。单片透明介质530具有平的前表面532，其在一示例中与中央部分平的前表面(多个)22重合。在一示例中，通过从透明材料中形成单片胚体以及插入GRIN条150C、或通过烟怠压制(sootpressing)或CVD烟怠沉淀且其后跟着固结，来形成GRIN透镜组件500。由诸如氧化硅之类的玻璃来形成示例性单片透明介质530。

图10A是包括结合于其中的GRIN透镜组件500的示例性支承部件300的前立视图，且图10B则是截面图。支承部件300包括相对较大的前腔室310，该前腔室310具有大小能容纳GRIN透镜组件500的内部表面312。支承部件300的这个构造防止了在GRIN透镜组件500的GRIN透镜10内行进的光70碰到前腔室310的内表面312且因此起到与环状包层30类似目的。在图10A中，GRIN透镜组件500可被认为是GRIN透镜10的可选实施例，其中替代环状包层，该包层具有围绕中央部分20的外表面26的矩形截面形状。

图11A是被用于形成GRIN杆150的示例性GRIN条150C的侧视图。图11A的GRIN条150C具有圆形截面形状。图11B是具有多边形(例如，如图所示，六边形)截面形状的示例性GRIN条150C的侧视图。通过加工图11A的圆形GRIN条，可形成多边形GRIN条150C。可将多边形GRIN条150C拉拔为多边形GRIN条150，如图11C中所示。图11D类似于图11C且示出用于激光解理图11C的多边形GRIN杆150来形成多边形GRIN透镜10的激光束LB。

图12A是具有类似于图8A中所示的支承部件300的示例性接口设备342的立视分解图，其中该支承部件包括柱形前腔室310。在该展开视图中，多边形GRIN透镜10被图示为邻近支承部件300的前端302，其中箭头显示GRIN透镜驻留在各柱形前腔室310内。图12B是图12A的光学接口设备342的前视图，且示出GRIN透镜10部署于柱形前腔室310内。

多边形GRIN透镜10具有平的外表面(“平面”)11，其纵向延伸来定义该多边形截面形状。平面11用于在前腔室310的内表面312与GRIN透镜10之间形成间隙313。间隙313允许空间用于使得粘合剂50被设置在前腔室310内来将GRIN透镜10保持在此处，且当GRIN透镜10被塞入柱形前腔室310内时允许空气逸出。当GRIN透镜10被促进前腔室时，间隙313还允许可流动的粘合剂50流入腔室310内且覆盖更多的内表面312。可选地，GRIN透镜10可具有圆形截面，且柱形前腔室310可具有多边形截面来实现基本相同的这些效果。

图13是GRIN杆150的立视图，该GRIN杆具有驻留于光学接口设备342的支承部件300的柱形前腔室310内的各端部152。支承部件300由第一支承固定装置350保持或以其他方式被支承，且GRIN杆150由第二支承固定装置352保持或以其他方式被支承。激光束LB被用于激光解理GRIN杆150，如上结合图7A到图7C所述，藉此形成相应的GRIN透镜10。

图14A是光学接口设备324的前立视图，其中每一个GRIN透镜10的一部分从支承部件300的前表面302开始延伸。在一示例中，GRIN杆150的端部152一开始仅部分地塞入柱形前腔室310内。然后，在通过激光解理形成GRIN透镜10后，可将其余GRIN透镜以此方式塞入前腔室310内，以使它们的前端12基本与支承部件前表面302齐平，如图14B中所示。

形成如上所述的光学接口设备142或342的示例性方法包括将合适的支承部件100或300安装在固定装置350中且在前腔室110或310内提供(如，注入)粘合剂50(见图12A)。然后将GRIN杆150的各端部152插入相应的前腔室110或310。然后在距支承部件100或300的前表面102或310一所选距离处使用激光LB解理GRIN杆150来形成GRIN透镜10。然后固化(如，通过施加热)粘合剂50来将GRIN透镜10保持在腔室110或310内。如上所述，可在GRIN杆端152和腔室端壁之间留有一些空间，从而在形成GRIN透镜10后，可将它们推入腔室110或310内以使GRIN透镜端12与支承部件100或300的前表面102或302基本齐平。

对本领域的技术人员显而易见的是，可在不背离本公开的精神和范围的情况下对本公开作出各种修改和变化。因而，本公开旨在涵盖本公开的所有这些修改和变型，只要它们落在所附权利要求书及其等效物的范围中即可。

Claims

1.一种能使用激光解理工艺形成的梯度折射率(GRIN)透镜组件，包括：

柱形部分，具有多项式或抛物线GRIN折射率分布n_A(r)、平的前和后表面、外表面、以及直径D₁，且其中200微米≤D₁≤420微米；

围绕着中央部分外表面的具有径向宽度δr和外径D₂的环状包层，且所述环状包层具有前和后环状表面以及恒定或变化的折射率，其中所述径向宽度δr被选择成使得由激光解理工艺形成的表面曲率驻留在所述前环状表面上；和

在所述平的后表面处光学耦合至所述中央部分的光纤。

2.如权利要求1所述的GRIN透镜组件，其特征在于，所述后环状表面是弯曲的。

3.如权利要求1所述的GRIN透镜组件，其特征在于，还包括所述径向宽度δr在5微米≤δr≤50微米范围内。

4.如权利要求1所述的GRIN透镜组件，其特征在于，其中D₁/D₂的比值在0.7和0.95之间。

5.如权利要求1所述的GRIN透镜组件，其特征在于，中央部分折射率分布n_A(r)由n_A(r)＝n₀(1-2Δ(r/r₁)^α)^1/2给出，其中Δ＝(n₀ ²-n_C ²)/2/n₀ ²，其中α在1.8到2.1之间，且n₀和n_C是常数。

6.如权利要求1所述的GRIN透镜组件，其特征在于，所述中央部分包括氧化镓且所述环状包层包括氧化镓、氟、和氯。

7.如权利要求1所述的GRIN透镜组件，其特征在于，还包括由来自包括如下项的组的至少一个材料制成的环状包层：二氧化硅、掺杂的二氧化硅、掺杂氟的二氧化硅、和聚合物。

8.一种光学接口设备，包括：

至少一个如权利要求1所述的GRIN透镜组件；和支承部件，所述支承部件具有前和后端且被配置为可操作地支承所述至少一个GRIN透镜组件。

9.如权利要求1所述的GRIN透镜组件，其特征在于，还包括：

具有多边形截面形状的至少一个GRIN透镜组件的至少一个GRIN透镜；和

具有至少一个圆形柱形腔室且支承所述至少一个GRIN透镜来在所述至少一个GRIN透镜和所述至少一个圆形柱形腔室之间定义间隙的支承部件。

10.如权利要求9所述的GRIN透镜组件，其特征在于，还包括部署于所述至少一个圆形柱形腔室的所述间隙内的粘合剂以固定所述至少一个GRIN透镜在其中。

11.一种用于透射具有一波长的光的光学接口设备，包括：

至少一个梯度折射率(GRIN)透镜元件，其中每一个GRIN透镜元件包括：a)柱形中央部分，具有多项式或抛物线GRIN折射率分布、平的前和后表面、外表面、和范围在200微米≤D₁≤420微米内的直径D₁；和b)环状包层，围绕着中央部分外表面且具有前和后环状表面、径向宽度δr和恒定或变化的折射率，其中所述径向宽度δr被选择成使得由激光解理工艺形成的表面曲率驻留在所述前环状表面上；以及

支承部件，被配置为可操作地支承位于前腔室内的所述至少一个GRIN透镜元件，所述支承元件可操作地支承包括所述至少一个GRIN透镜元件的至少一个光学路径。

12.如权利要求11所述的光学接口设备，其特征在于，所述后环状表面是弯曲的。

13.一种光学接口组件，包括：

第一如权利要求11所述的光学接口设备以及第二如权利要求11所述的光学接口设备，所述第一光学接口设备和所述第二光学接口设备被相接，从而它们各自的GRIN透镜的平的前表面是面对着且间隔有距离d，距离d在0微米≤d≤200微米范围内。

14.如权利要求11所述的光学接口设备，其特征在于，所述支承部件包括：对于所述波长的光透明且具有带倾斜小面的后端的本体；以及具有至少一个透镜元件的底部表面，其中所述至少一个GRIN透镜元件、所述支承部件本体、和所述至少一个透镜元件定义了光学通信路径。

15.如权利要求11所述的光学接口设备，其特征在于，还包括具有宽度δr的环状包层，δr是在5微米≤δr≤50微米范围内。

16.如权利要求15所述的光学接口设备，其特征在于，还包括由来自包括如下项的组的至少一个材料制成的环状包层：二氧化硅、掺杂的二氧化硅、掺杂氟的二氧化硅、和聚合物。

17.一种形成梯度折射率(GRIN)透镜的方法，包括：

拉拔具有多项式或抛物线GRIN折射率分布的柱形GRIN条来形成柱形GRIN杆，所述GRIN杆定义了具有外表面的中央部分，所述中央部分具有直径D₁，D₁是在200微米≤D₁≤420微米范围内；

用具有范围在5微米≤δr≤50微米内的径向宽度δr的环状包层来包覆所述柱形GRIN杆外表面；且

激光解理经包覆的柱形GRIN杆来形成GRIN透镜元件，其中所述中央部分具有通过所述激光解理而定义的平的前表面，且该环状包层具有通过所述激光解理而定义的弯曲的环状前表面。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括使所述柱形GRIN条具有多边形截面形状，从而所述GRIN杆和从所述GRIN杆制成的GRIN透镜元件具有多边形截面形状。

19.一种形成梯度折射率(GRIN)透镜的方法，包括：

形成具有抛物线折射率分布的GRIN杆，GRIN杆具有带有由环状包层所围绕的外表面的中央部分；且

激光解理所述GRIN杆来形成GRIN透镜，所述激光解理定义了所述中央部分的平的前表面和所述环状包层的弯曲的前表面。

20.一种GRIN透镜组件，包括：

单片透明介质；

被支承在所述单片透明介质内的至少一个GRIN透镜中央部分，所述GRIN透镜中央部分具有外表面、平坦的前端，并且具有直径D₁，在200微米≤D₁≤420微米范围内；以及

环状包层，围绕着所述GRIN透镜的中央部分的外表面且具有前环状表面和径向宽度δr使得由激光解理工艺形成的表面曲率驻留在所述前环状表面上。