CN105103019B - 不对称光纤耦合器 - Google Patents

Abstract

描述了一种光纤耦合器，其中至少一个光纤是多包层光纤，其包含支持单引导模式的单模芯以及引导多个模式的内多模包覆。该多包层光纤与具有不同集光率的第二光纤熔合以创建具有增强的多模信号传输的光纤耦合器。

Description

不对称光纤耦合器

相关申请的交叉引用

本专利申请要求2013年2月1日提交的美国临时申请序列No.61/759,482的优先权，其内容通过引用结合于此。

技术领域

本发明涉及光学耦合器领域，更具体而言，涉及用于内窥镜、光相干断层成像(tomography)、共焦显微镜和共焦显微内镜此类的耦合器。

技术背景

光纤耦合器在许多类型的成像和感测系统中被使用，其具有一个或多个输入光纤和一个或若干个输出光纤。此类耦合器可以不同方式制造，例如通过热熔光纤以使其芯变得紧密接触。在许多医学成像系统中，经由激光源在耦合器的第一端口提供照明，经由扫描设备在耦合器的第二端口进行输出信号的采样，且可在耦合器的第一和第三端口两者进行检测。取决于应用，各种类型的检测是可能的。

基于光纤耦合器的医疗成像系统通常面临两个主要挑战：1)斑点，这是与使用激光和单模光纤时与时间和空间相干成像有关的问题，以及2)对可从第二端口提取到第三端口以及从第三端口注入到第二端口的多模信号量的理论均分限制。

因此需要开发能克服这些挑战的光纤耦合器，特别是需要开发用于医疗成像和感测应用的经改善的光纤耦合器。

概述

已经知晓，现有技术的光耦合器受50％的多模态传输的理论均分极限的限制，如由相同维度和相同结构所表征的第一光纤和第二光纤(参见美国专利申请号2012/0190928，通过援引将其内容合并于此)。发现此类光耦合器的最高多模态传输为43％。尽管接近50％的理论均分极限，然而发现实现接近或高于43％具有挑战性。

本文描述了一种不对称光耦合器，其具有不同于且不限于现有技术的光纤耦合器的理论均分极限的理论极限。因此，实现高于50％的多模态传输是可能的。

已经发现，光纤耦合器的不对称性可由集光率比来量化，该集光率比被定义为G3/G1，其中Gi由下式给出：

Gi＝πSi(NAi)2；

其中Gi是光纤i的集光率，Si是光纤i的串扰部分的横截面区域的表面，而NAi是串扰部分的光纤I的数值孔径。已经发现，通过增大集光率比，多模态传输可无征兆地朝100％增加。因此，通过以增加集光率比的方式来设计第一和第二光纤，可实现高于50％的多模态传输。

根据一个方面，提供了一种多包层光纤，其具有引导单模信号的单模芯和引导多个模式(也被称为多模信号)的至少一个内多模包覆。该多包层光纤可以沿耦合区域光学耦合于具有不同集光率的第二光纤以创建具有在该多包层光纤和该第二光纤之间增强的双向光传输函数的光纤耦合器。不同的集光率可由不同的横截面面积和不同的数值孔径中的至少一者来提供。

根据另一方面，提供了可实现高于50％(优选高于60％且最优选地高于70％)的多模态传输的光纤耦合器。

根据另一方面，提供了可被表征为高于1.5(优选高于2且最优选地高于10)的集光率比的光纤耦合器。

根据另一方面，提供了一种光纤耦合器，其包括：第一光纤，所述第一光纤具有位于第一末端和第二末端之间的第一串扰部分，并具有第一单模芯、至少一个内多模包覆、以及第一外包覆，所述第一串扰部分具有第一集光率；第二光纤，所述第二光纤具有位于第三末端和第四末端之间的第二串扰部分，所述第二串扰部分具有第二集光率，所述第二集光率相对于所述第一集光率形成不同于1的集光率比；以及耦合区域，所述第一串扰部分在所述耦合区域耦合于所述第二串扰部分；其中所述集光率比指示所述第一光纤的所述第二末端和所述第二光纤的所述第三末端之间的多模信号的传输。

根据另一方面，提供了一种光纤耦合器，其包括：第一光纤，所述第一光纤具有第一末端、第二末端、在所述第一末端和所述第二末端之间的第一中间部分、以及第一横截面，并具有支持单引导模式的第一芯以及比所述第一芯大的用于引导多个模式的第一内包覆；第二光纤，所述第二光纤具有第三末端、第四末端以及在所述第三末端和第四末端之间的第二中间部分，并具有在结构和尺寸中的至少一者上不同于所述第一横截面的第二横截面，由此所述第二横截面的尺寸不同于所述第一横截面的尺寸；以及由第一中间部分熔合到所述第二中间部分构成的熔合区域以用于单模信号在从所述双包层光纤的所述第一末端到所述第二末端保持在所述芯中，以及用于所述第一内包覆中的多模信号至少部分被传送到所述第二光纤。

根据另一方面，提供了一种用于制造光耦合器的方法，其包括：提供第一光纤，所述第一光纤具有第一末端、第二末端和位于所述第一末端和所述第二末端之间的第一串扰部分，并具有第一芯、至少一个内包覆、以及第一外包覆，所述第一串扰部分具有第一集光率；提供第二光纤，所述第二光纤具有第三末端、第四末端、位于所述第三末端和所述第四末端之间的第二串扰部分，所述第二串扰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；将所述第一光纤的所述第一串扰部分的至少特定区段定位成与所述第二光纤的所述第二串扰部分的特定区段接触并沿着所述第二光纤的所述第二串扰部分的所述特定区段；以及以形成熔合区域的模式向所述第一和第二串扰部分的那两个特定区域提供热；其中所述熔合区域允许单模信号在所述第一光纤的所述第一末端和所述第二末端之间留在所述第一芯中，并且允许所述至少一个内包覆之一中多模信号被双向传送到所述第二光纤。

根据另一方面，提供了可在用于干涉测量检测、内窥镜、多模态内窥镜、共焦显微内镜、共焦显微镜、非线性显微镜、非线性显微内镜、光相干断层成像、以及其他应用的成像系统中使用的光耦合器，如将在下面更详细地描述的。

在一个实施例中，该熔合区域允许单模信号从第一端口到第二端口(以及反过来)沿单模芯的近乎无损传输。更具体而言，提供了可实现高于85％(优选高于90％且最优选地高于95％)的单模态传输的光纤耦合器。

在另一实施例中，该多模信号的超过70％可被从该光耦合器的第二端口提取到第三端口。更具体而言，该多模信号的超过50％可被从该多包层光纤的至少一个内包覆提取到该第二光纤。在一些其他实施例中，该多模信号从该第二端口到该第三端口的提取可被包括在约60％和约70％之间。在一些实施例中，该多个模式的提取大于50％。

根据另一方面，提供了可被用于基于激光烧蚀、热疗法和/或凝结的治疗系统的光耦合器。在此情况下，光纤耦合器被用于发射成像激光穿过该多包层光纤的单模芯并在该多包层光纤的该至少一个内包覆中发射治疗激光穿过该光纤耦合器的第三端口。

在另一实施例中，该多模信号的超过50％可被从该光耦合器的第三端口注入到第二端口。更具体而言，该多模信号的超过50％可被从该第二光纤注入到该多包层光纤的至少一个内包覆。

在阅读本公开之后，本领域技术人员将明了关于本改进的许多其他特征及其组合。

附图简述

通过下面的详细描述，结合附图，本发明的进一步的特征和优点将变得显而易见，附图中：

图1是示出作为集光率比的函数从第一光纤到第二光纤的多模信号的传输的示例的图；

图2解说了光纤耦合器的一般性实施例；

图3解说了具有不同尺寸的第一和第二双包层光纤的光纤耦合器的实施例；

图4解说具有第一化学蚀刻双包层光纤的光纤耦合器的实施例；

图5解说具有被变形以获得内单模包覆(cladding)的第一光纤的光纤耦合器的实施例；

图6解说了耦合区域的在下游部分和上游部分之间呈现不对称性的第一双包层(double-clad)光纤和第二无芯光纤的光纤耦合器的实施例；

图7解说了具有第一双包层光纤和第二多模光纤的光纤耦合器的实施例；

图8解说了具有第一双包层光纤和第二单模光纤的光纤耦合器的实施例；

图9解说了具有第一化学蚀刻双包层光纤和第二预先削锥(pre-tapered)的多模光纤的光纤耦合器的实施例，其中第一和第二光纤仅在耦合区域的下游部分被熔合；

图10解说具有第二预先削锥多模光纤的光纤耦合器的实施例；

图11解说了具有第一化学蚀刻双包层光纤和第二预先削锥多模光纤的光纤耦合器的实施例；

图12解说了具有第一单模芯、第一内包覆和第一外包覆的第一光纤和第二多模光纤的光纤耦合器的实施例。

图13解说了用于使用不对称光纤耦合器的单光纤内窥镜的示例性设置；

图14解说了用于使用不对称光纤耦合器的共焦(confocal)显微内镜/显微镜的示例性设置；

图15解说了用于使用不对称光纤耦合器的经组合的光相干断层成像和荧光(或拉曼(Raman)检测的示例性设置；以及

图16解说了用于使用不对称光纤耦合器的图像引导治疗系统的示例性设置；

将注意，贯穿附图，相同的特征由相同的参考标记来标识。

具体实施方式

图1是示出针对作为现有技术的光耦合器100的集光率比的函数从第一光纤到第二光纤的多模信号的传输的示例的图。不对称光纤耦合器的新理论模型由图1的实线表示。更具体而言，图1示出了分别针对不对称光耦合器300、400、500和600的作为其不对称性或其集光率比的函数的53％、75％、80％和91％多模传输。这些不对称光纤耦合器中的每一个分别在图3、4、5和6中被解说。而且，不对称耦合器的其他可能配置在图2到12中呈现。

图2是具有不对称几何形状和光传输功能的光纤耦合器200的示意图。第一光纤202与第二光纤204在耦合区域206(或熔合区域)熔合。光纤可在高温下并排熔合，例如使用微喷枪作为热源。耦合区域206随后被拉取并削锥，以使其横截面减小，从而导致光从一个光纤到另一个光纤的耦合。第一光纤202具有在第一末端210和第二末端212之间的第一串扰部分208。第一光纤202还具有第一单模芯214、第一内多模包覆216和第一外包覆218。第二光纤204具有在第三末端222和第四末端224之间的第二串扰部分220。

多模传输增强可通过第一光纤202的第一串扰部分208和第二光纤204的第二串扰部分220之间的集光率(etendue)的差来提供(并且还通过将这些串扰部分沿其长度的仅一部分彼此光学耦合来提供，这可增加和/或放大多模传输，参见图6)。这进而通过在第一光纤202的单模芯214中维持单模信号以及将多模信号的至少一部分从第一光纤202的至少一个内包覆216传送到第二光纤204来提供不对称光传输功能。尽管第一光纤在图2中被示为双包层(DCF)，然而第一光纤可以是另一种形式的多包层光纤，诸如例如三个或者可能甚至四个内包层的光纤(参见图12)。

耦合区域206由熔合到第二光纤204的串扰部分220的第一光纤202的串扰部分208构成。在耦合区域206中，光纤的单模芯保持分离。第一串扰部分208具有第一下游区段226(或第一直径转换区段)、第一恒定直径区段228、以及第一上游区段230(或第二直径转换区段)。第二串扰部分220具有第二下游区段232、第二恒定直径区段234、和第二上游区段236。第一和第二下游区段226、232是耦合区域206的下锥(down-taper)，而第一和第二上游区段230、236是耦合区域206的上锥(up-taper)。耦合区域206具有预先确定的锥比。预先确定的锥比可在约0.1和约0.6之间变化。

图3解说光耦合器300的实施例，由此第一光纤302是与第二光纤304熔合的双包层光纤，该第二光纤304也是双包层光纤。第二双包层光纤包括第二单模芯338，其支持单一引导模式和由第二外包层342围绕的第二内多模包层340，该第二外包层342引导多模信号。第一双包层光纤302和第二双包层光纤304可以是等同的或者在尺寸方面可具有细微差异。如果如此，则第一双包层光纤304被削锥以减小其维度，而第二双包层光纤304不被削锥，由此创建几何不对称性或集光率差(这可导致高于或低于1的集光率比)。第一双包层光纤302可以被预先削锥达约2的因子并随后被熔合为原始双包层光纤304。该结构可被进一步削锥。所得到的耦合器具有集光率差并且由于内包覆316和340的不同直径可呈现多模部分的耦合。替换地，第一双包层光纤和第二双包层光纤可在其原始状态中在大小上不同。

示例1

具有如上参考图3描述的一般性构造的示例光纤耦合器300(其中第一和第二光纤的特征在于集光率比为1.5)已经达到了53％的多模传输。

不对称性可使用各种技术来提供。例如，光纤的串扰部分可在来自其初始构造的尺寸和/或结构上不同。替换地或与其相组合，这两个光纤中的至少一个可被在制造后且熔合前变形。变形可使用预先削锥来进行，由此减小光纤的初始直径。变形还可使用化学蚀刻来进行，由此移除一个或两个光纤的外层材料。图4是解说具有双包层光纤402的光耦合器400的示例性实施例，其中已经至少沿耦合区域406化学蚀刻了外包覆418的一部分并随后将其熔合到第二无芯光纤404。在此示例中，通过将光纤段插入20％的氢氟酸溶液中来执行化学蚀刻。也可使用其他酸来移除外包覆的一部分。其他过程可被用来移除外包覆的一部分，诸如等离子蚀刻或抛光。

示例2

具有如上参考图4所描述的一般性构造的示例光纤耦合器400(其中第一光纤是DCF Nufern 9μm(0.12NA)/105μm(0.20NA)/125μm且第二光纤为200μm(0.22NA)的无芯光纤，其特征在于3.6的集光率比)已达到75％的多模传输。

图5是解说具有与具有第一内单模包覆的第一光纤502熔合的第二无芯光纤504的光耦合器500。而且，其被以以下方式削锥：该DCF的单模芯的基础模式被绝热地(因此没有损耗)变形为经减小的内包覆的基础模式。换言之，所述包覆中的内包覆被削锥以形成内单模包覆，其使得单模信号能够沿单模芯传播以沿该第一光纤的内单模包覆基本无损耗地(或绝热地)传播。内包覆本身由于其直径的减小而被呈现单模引导区域。经削锥的DCF随后被熔合到另一光纤。例如，9/50/125双包层光纤被预先削锥为具有约5的比。第一经削锥且绝热变形的双包层光纤502随后被熔合到多模光纤。该多模光纤可以是标准大小或加大的，且双包层光纤可具有各种直径范围并且可被预先削锥到不同比。已经证明，这种光纤耦合器可实现具有100的集光率比的80％的多模传输。

示例3

具有如上参考图5所描述的一般性构造的示例光纤耦合器500(其中第一光纤是DCF 4.1μm(0.11NA)/25.8μm(0.19NA)/125μm且第二光纤为125μm(0.5NA)的无芯光纤且DCF光纤被削锥0.1ITR，其特征在于100的集光率比)已达到80％的多模传输。

现在转向图6，解说了光耦合器600的实施例，其中第一光纤602是双包层光纤而第二光纤604是无芯光纤。在此实施例中，在被熔合到无芯光纤604之前，第一双包层光纤602被削锥且绝热地变形。在这两个光纤中，多个模式被玻璃/空气接口削锥。熔合结构允许多个模式的完全混合以及与引导区域成比例的功率分布。

在一些实施例中，该结构可被制造以使得双包层光纤602的下锥626、632被熔合到无芯光纤604，而没有被熔合到上锥630、636。这是在图6中结合无芯光纤解说的，但是可用本文描述的其他第一光纤/第二光纤配置来提供。这产生了绕横向轴Y的不对称，该横向轴的中心在耦合区域606，但是也可在耦合区域606内的上游和下游的各位置处提供。该耦合区域从而包括熔合部分和非熔合部分。此特征最小化到双包层光纤的包覆的反向耦合。

在一个示例性实施例中，双包层光纤具有已用大约5的比削锥的9/50/125的尺寸，且无芯光纤是无芯-/-/125光纤。在面积的比为25的情况下，该结构允许4/96％的多模耦合比，其中更大的部分被从双包层光纤提取。无芯-/-/125光纤可在末端被末端熔合到-/200/220多模光纤，以避免由耦合区域外侧在光纤上存在的聚合物套所导致的损耗。双包层光纤的其他示例性尺寸为4.5/105/125和4.5/30/125。

本文描述的不对称光纤耦合器从而可以由双包层光纤与无芯光纤、单模光纤、多模光纤、和双包层光纤中的任一者的组合构成。当将双包层光纤与另一双包层光纤组合时，通过使各光纤的相应横截面在各尺寸上不同来创建不对称性。在所有其他情况下，鉴于被熔合到一起的不同种类的光纤，光纤的相应横截面将在结构上不同。除了结构之外，这些配置还可具有在尺寸上也不同的横截面。光纤耦合器可具有双不对称性，诸如在图6和9中所解说的。

示例4

具有如上参考图6所描述的一般性构造的示例光纤耦合器600(其中第一光纤是定制DCF 9μm(0.12NA)/105μm(0.19NA)/125μm，第二光纤为125μm(0.5NA)的无芯光纤且DCF光纤被削锥0.5ITR，其特征在于156的集光率比)已达到91％的多模传输。

参考图7，其解说了具有第一光纤702的光耦合器700，所述第一光纤702具有引导单模信号的单模芯714。由外包覆718围绕的较大内包覆716引导多个模式。双包层光纤可与不同光纤熔合以便创建不对称耦合器。用于双包层光纤的一些示例性材料是各种聚合物和玻璃类型，诸如二氧化硅(纯的或掺杂的)。

在一些实施例中，第二光纤704是多模光纤。较大芯744支持多模信号并被包覆围绕。多模光纤可具有阶跃式折射率分布或渐变式折射率分布。该结构的熔合后拉伸以将原始尺寸减少包括在约2和约3之间的因子将允许双包层光纤702的芯714中的光留在单模芯714中，同时允许较大内包覆716中的光部分逃逸到多模光纤704。

双包层光纤702和多模光纤704之间的各种大小组合是可能的。例如，该双包层光纤可具有9/105/125的直径D1/D2/D3，而多模光纤可具有220/240的直径D5/D6。此特定组合允许约23/77％的多模耦合比，较大的部分出自该多模光纤。芯的直径D1可在约3.0μm和约10.0μm,+/-20％之间变化。外包覆的直径D3可在约80μm和约200μm,+/-20％之间变化。内包覆的直径D2也可变化。其可以尽可能大，同时允许与外包覆的足够间隔以基本无损地引导光。例如，该间隔可以为约10.0μm或更大，同时受外包覆的直径D3的限制。该多模光纤的直径D5/D6可以为约125/250,110/140,165/190,430/530，或其他可能组合，只要对于该光耦合器获得期望的不对称性。

双包层光纤可以是预先削锥的或原始的。在预先削锥的双包层光纤的情况下，直径D1/D2/D3的大小的减小可允许它与比双包层光纤不被预先削锥时的大小更小的多模光纤熔合。在被从可购得分段创建时，光耦合器可使用计算机控制的熔合和削锥设置来获得。在一个实施例中，此设置由三轴载物台上的行进中的氧-丙烷微炬和用于伸长的两个线性台构成。也可使用其他设置。替换地，可使用各种制造技术来创建光耦合器而不从可购得的分段开始。

图8解说了一实施例，其中光耦合器800具有第二光纤804，该第二光纤是与双包层光纤802熔合的单模光纤。此单模光纤包括芯846。

在一个实施例中，可利用不对称性来最大化多模信号从第二光纤的第三端口到多包层光纤的内包覆内的注入，同时以可忽略的损耗将芯光保留在多包层光纤中。在此类实施例中，第二光纤可以是多模光纤。

图9示出了示例性实施例900，其中第一光纤902是已被化学蚀刻以移除了沿耦合区域906的外包覆918的双包层光纤，而对第二光纤904是已被预先削锥的多模光纤，并且两个串扰区域908和920仅沿其长度的给定部分被熔合。如此获得的双不对称性提供了从多模光纤104引导至双包覆光纤的内包覆内的多模信号的有利传输。例如，9/105/125双包层光纤被熔合为25/125多模光纤，在与双包层光纤熔合之前被预先削锥达比值8。由此可获得从该多模光纤到该双包层光纤的内包覆的66％的传输。通过这一实施例，已经显示了当将多模信号从第二光纤的第三端注入到第一光纤的第二端时，集光率比可以为1/2704，而当提取从第一光纤的第二端到第二光纤的第三端的多模信号时，集光率比可以为2704。

示例5

具有如上参考图9所描述的一般性构造的示例光纤耦合器900(其中第一光纤是定制DCF 9μm(0.12NA)/105μm，第二光纤为25.8μm(0.19NA)的多模光纤且该多模光纤被削锥0.5ITR，其特征在于1/2704的集光率比)已达到66％的多模注入。

图10示出了光耦合器1000的示例性实施例，其中多模光纤1004在与双包层光纤1002熔合之前已经被预先削锥。使该多模光纤的经削锥部分比熔合部分更长。在多模光纤1004的经削锥部分中，光从大的芯1044逃出进入到外包覆中。在耦合器的上锥部分，多模信号被优选地在较大的双包层光纤中引导，因此提供从该多模光纤到双包层光纤的内包覆的超过50％的双向传输。

图11示出了光耦合器1100的一示例性实施例，其中双包层光纤1102已经被化学蚀刻以移除外包覆1118，且多模光纤1104已经被预先削锥。双层光纤1102的外包覆1118的移除帮助多模信号到其内包覆1116的传输。

在一个实施例中，该制造过程开始于将第一光纤和第二光纤的串扰部分从其涂层剥离并用丙酮来清洁它们。通过握持包含V形凹槽的钳并用装载在该设置上的显微镜来检查来将串扰部分光纤压在一起。对于芯模式传输的在线表征，第一光纤在两端与单模光纤(SMF)拼接且分别连接至宽带源以及光谱分析仪。通过微炬(micro-torch)在大约2分钟沿光纤行进大约4-8mm来将这两个光纤并排熔合。随后在略低的火焰温度下以0.1mm/s的伸长速度将耦合区域伸长，其中该微炬沿恒定的8mm的长度往返行进。该设备可在仍旧在该设置上的张力下时被封装在石英基板上，并随后被插入到不锈钢管中。可在用传统宽带源和光谱分析仪进行制造期间监视示例性双包层光纤耦合器(DCFC)的芯信号传送。

图12示出光耦合器1200的示例性实施例，其中第一光纤1202是三包层光纤而第二光纤1204是多模光纤。第一三包层光纤1204具有单模芯1214、第一内多模包覆1216a和1216b、以及第一外包覆1218。在此情况下，多模信号可从第二光纤1204的较大芯1244传送到第一内多模包覆1216a和1216b中的较大者。在图12中解说的此特定示例中，第一内多模包覆1216a可以足够大以引导该多模信号。第一光纤的集光率可基于例如传导第一内多模包覆的NA来计算。

至此解说的不对称光耦合器利用不对称性来最大化从多包层光纤的多模信号提取。这允许在对单模和多模两部分而言均操作在理论上最小的信号损耗量的生物医学成像系统(诸如内窥镜、共焦内显微镜、分光镜)的组装。它还支持模态的组合。该设计能够收集来自内包覆区域的>70％的光，同时仍旧将近乎全部的单模信号在宽频区域(1250nm到1350nm)上传送。此设计允许改善信噪比，其可被用于检测更弱的信号(诸如荧光或Raman信号)或更快地在体内样本中成像。该不对称光耦合器还可在光谱内窥镜(SEE)设置中实现，这允许以30帧每秒的速度获取无斑点图像(1000x1000像素)。可通过将芯信号耦合至干涉仪来创建三维重构。用本发明的光耦合器重复了在具有公开号2012/0190928的共同待审的美国申请中描述的一些设置和技术，通过援引将其内容并入于此。

图13是使用例如不对称光耦合器1300的单光纤内窥镜的设置的示例性实施例。激光器1348在耦合器1300的端口1处提供照明。扫描仪1350对从端口2输出的信号进行采样。三维干涉测量检测1352经由端口1通过循环器1354并通过线延迟1356进行。多模态内窥检测1362(荧光、Raman、光谱)可经由耦合器1300的端口3来执行。在此设置中，不对称光耦合器1300从在端口1和3两者处执行的检测中移除斑点。

图14是使用不对称光耦合器1400的共焦微内窥镜/显微镜的设置的示例性实施例。激光器1448在耦合器1400的端口1处提供照明。具有经削锥末端1458的扫描仪1450(如在具有公开号2012/0190928的共同待审的美国申请中所描述的)对从端口2输出的信号进行采样。内窥检测1460经由端口1通过循环器1454进行。多模态共焦检测1464(荧光、Raman、光谱)可经由耦合器1400的端口3来执行。在此设置中，不对称光耦合器同样从在端口1和3两者处执行的检测中移除斑点。

图15是用于使用不对称光耦合器1500的光相干断层成像(OCT)和多模态检测的设置的示例性实施例。激光1548在耦合器1500的端口1处为OCT提供照明。扫描仪1550对从端口2输出的信号进行采样。OCT检测1566经由端口1通过循环器1554并通过线延迟1556进行。第二激光器1568在端口1为经由耦合器1500的端口3执行的多模态检测1570(荧光、Raman、光谱)提供照明。

图16还解说了用于使用不对称光耦合器1600的激光消融、热治疗和/或凝固的图像引导治疗系统的示例。在此实施例中，治疗激光1672可被注入到第二光纤的端口3中。不对称光耦合器1600因此可将治疗光束从端口3传播到端口2，在端口2处可使用治疗光束提供器1674将光束提供至样本。在使用治疗系统时，可使用图2到8中呈现的不对称光耦合器。然而，图9、10和11中呈现的光耦合器是优选的。

要理解，尽管使用不对称光耦合器的治疗系统与OCT的设置同时被示出，然而使用不对称光耦合器的治疗系统可独立于任何检测方案使用以及可通过端口1与其他检测方案一起使用。在至此所述的所有实施例中，双包层光纤可被包含芯、多个内包覆、以及外包覆的多包层光纤取代，其中任何两个连续的区域具有不同的折射率。

还可提供其他设置来利用光耦合器的不对称性以用于最大化光提取和/或移除斑点的目的。上述的本发明的实施例旨在仅为示例性的。因此本发明的范围旨在仅由所附权利要求的范围来限制。

Claims (24)

1.一种光纤耦合器，包括：

第一光纤，其具有位于第一末端和第二末端之间的第一串扰部分，并具有第一单模芯、至少一个内多模包覆、以及第一外包覆，所述第一串扰部分具有第一集光率；

第二光纤，其具有位于第三末端和第四末端之间的第二串扰部分，所述第二串扰部分具有第二集光率，所述第二集光率形成与和所述第一集光率有关的集光率比不同的集光率比；以及

耦合区域，在其中所述第一串扰部分光耦合于所述第二串扰部分；

其中所述集光率比指示从所述第二末端处的第一光纤的至少一个内多模包覆到所述第二光纤的所述第三末端的多模信号的50％以上的提取，同时维持所述第一单模芯中的单模信号；

所述第一光纤的所述至少一个内多模包覆的第一横截面面积不同于所述第二光纤的第二横截面面积；

所述至少一个内多模包覆中的内侧包覆被削锥以形成内单模包覆，使得所述第一单模芯的基础模式被绝热地转换成所述内单模包覆的基础模式，并且所述内单模包覆被转换成单模引导区。

2.如权利要求1所述的光纤耦合器，其特征在于，所述多模信号的提取高于60％。

3.如权利要求2所述的光纤耦合器，其特征在于，所述多模信号的提取高于70％。

4.如权利要求1所述的光纤耦合器，其特征在于，所述集光率比高于1.5。

5.如权利要求4所述的光纤耦合器，其特征在于，所述集光率比高于2。

6.如权利要求5所述的光纤耦合器，其特征在于，所述集光率比高于10。

7.如权利要求1所述的光纤耦合器，其特征在于，所述串扰部分沿其长度的仅一部分彼此光学耦合。

8.如权利要求7所述的光纤耦合器，其特征在于，所述第一串扰部分具有第一下游部分、第一恒定直径部分和第一上游部分；所述第二串扰部分具有第二下游部分、第二恒定直径部分和第二上游部分；并且其中所述耦合区域将所述第一下游部分或所述第一上游部分和所述第一串扰部分的所述第一恒定直径部分的特定区段光接合于所述第二上游部分或所述第二下游部分和所述第二串扰部分中的相应部分中的相应一个。

9.如权利要求1所述的光纤耦合器，其特征在于，所述第一光纤的所述至少一个内多模包覆的第一数值孔径不同于所述第二光纤的第二数值孔径。

10.如权利要求1所述的光纤耦合器，其特征在于，所述第一光纤的所述第一串扰部分的至少一部分在耦合至所述第二光纤之前被预先削锥。

11.如权利要求1所述的光纤耦合器，其特征在于，在耦合至所述第二光纤之前至少沿所述第一串扰部分移除所述第一外包覆。

12.如权利要求1所述的光纤耦合器，其特征在于，所述第二光纤是多模光纤、单模光纤、双包层光纤、多包层光纤、和无芯光纤之一。

13.如权利要求1所述的光纤耦合器在光相干断层成像系统和多模态检测系统之一中的使用。

14.如前述权利要求中的任一项所述的光纤耦合器，其特征在于，所述集光率比大于1且所述第一光纤的所述至少一个内多模包覆中的所述多模信号被传送至所述第二光纤。

15.一种光纤耦合器，包括：

第一光纤，其具有第一末端、第二末端、在所述第一末端和所述第二末端之间的第一中间部分以及第一横截面，并具有支持单引导模式的第一芯以及用于引导多个模式的比所述第一芯大的第一内包覆；

第二光纤，其具有第三末端、第四末端、以及在所述第三末端和所述第四末端之间的第二中间部分，并具有在结构和尺寸中的至少一者上与所述第一横截面不同的第二横截面，由此所述第二横截面的尺寸不同于所述第一横截面的尺寸；以及

由所述第一中间部分融合到所述第二中间部分构成的熔合区域，以使从所述第一末端到所述第二末端单模信号留在所述第一光纤的所述第一芯中，并使所述第一光纤的所述第一内包覆中的多模信号的一半(50％)以上被提取至所述第二光纤；

其中所述第一光纤是预先削锥的双包层光纤，并且所述第一芯的基础模式通过所述第一芯的预先削锥被绝热地转换到经减小的第一内包覆的基础模式，并且所述经减小的第一内包覆被转换成单模引导区。

16.如权利要求15所述的光纤耦合器，其特征在于，由此所述第二横截面的尺寸大于所述第一横截面的尺寸。

17.如权利要求16所述的光纤耦合器，其特征在于，超过60％被从所述第一光纤提取至所述第二光纤。

18.如权利要求17所述的光纤耦合器，其特征在于，超过70％被从所述第一光纤提取至所述第二光纤。

19.如权利要求15所述的光纤耦合器，其特征在于，所述熔合区域限于所述第一和第二光纤的下削锥或上削锥部分。

20.如权利要求15所述的光纤耦合器，其特征在于，在将所述第一光纤和所述第二光纤熔合在一起的过程之前，所述第一光纤的所述第一中间部分的所述外包覆被移除。

21.一种用于制造光耦合器的方法，包括：

提供第一光纤，所述第一光纤具有第一末端、第二末端和位于所述第一末端和所述第二末端之间的第一串扰部分，并具有第一芯、至少一个内包覆、以及第一外包覆，所述第一串扰部分具有第一集光率；

提供第二光纤，所述第二光纤具有第三末端、第四末端、位于所述第三末端和所述第四末端之间的第二串扰部分，所述第二串扰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；

至少削锥所述第一串扰部分；

将所述第一光纤的所述第一串扰部分的至少特定区段定位成与所述第二光纤的所述第二串扰部分的特定区段接触并沿着所述第二光纤的所述第二串扰部分的所述特定区段；以及

以形成熔合区域的方式向所述第一和第二串扰部分的这两个特定区域提供热；

其中所述熔合区域允许单模信号在所述第一光纤的所述第一末端和所述第二末端之间留在所述第一芯中，并且允许所述第一光纤的所述至少一个内包覆之一中多模信号的一半以上被提取到所述第二光纤。

22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述提供第二光纤进一步包括在定位和提供步骤之前将至少所述第二串扰部分削锥。

23.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述提供第一光纤进一步包括在定位和提供步骤之前至少沿所述第一串扰部分的特定部分化学蚀刻所述第一外包覆。

24.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述提供第二光纤进一步包括在定位和提供步骤之前至少沿所述第二串扰部分的特定部分化学蚀刻所述第二光纤的外包覆。