CN113454508B - 双非对称光纤耦合器 - Google Patents
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Abstract
描述了一种光纤耦合器，其通常具有：第一光纤，该第一光纤具有纵向延伸的多模引导区域和在第一光纤的第一位置与第二位置之间纵向延伸的第一锥形部分，第一锥形部分具有沿着第一锥形方向从第一位置到第二位置逐渐减小的尺寸；第二光纤，该第二光纤具有纵向延伸的多模引导区域和在第二光纤的第三位置与第四位置之间纵向延伸的第二锥形部分，第二锥形部分具有沿着第二锥形方向从第三位置到第四位置逐渐减小的尺寸；以及耦合区域，在该耦合区域中，第一锥形部分的至少一部分光学耦合至第二锥形部分的至少一部分，且第一锥形方向与第二锥形方向彼此相反。
Description
技术领域
改进通常涉及光纤耦合器，更具体地，涉及用于多模光信号的提取和/或注入的光纤耦合器。
背景技术
光纤耦合器被使用于多种类型的成像和/或传感系统中。这样的耦合器通常通过将第一光纤的一部分热熔合和/或锥形化到第二光纤的一部分来制造，以使得在它们各自的引导区域中被引导的光相互作用，从而留下四个不同的端口。
授予Boudoux等人的序列号为8792757B2的美国专利描述了对称光纤耦合器的一个示例，该对称光纤耦合器具有两个熔合在一起并且锥形化的双包层光纤。该光纤耦合器具有第一端口和第二端口，在第一端口处可以注入相干照明信号，而从第二端口输出相干照明信号，第二端口还收集包括相干单模分量以及漫射多模分量的输出光信号。第一光纤和第二光纤具有相同的尺寸和/或结构，因此光纤耦合器被称为是对称的。已知这样的对称光纤耦合器具有理论均分极限，该理论均分极限将能够从第二端口提取到第三端口或从第三端口注入到第二端口的多模分量的量限制在进入的多模信号的50％。事实上，即使达到接近或高于43％也被证明是具有挑战性的。
授予Godbout等人的序列号为9753222B2的美国专利描述了非对称光纤耦合器的一个示例，该非对称光纤耦合器旨在增强这样的多模信号提取和/或注入率。更具体地，该光纤耦合器具有第一双包层光纤，该第一双包层光纤以一种使得参考Boudoux等人所讨论的理论均分极限不再适用的方式与不同尺寸和/或结构的第二光纤熔合。通过这种方式，能够获得多模提取和/或注入率远高于50％的光纤耦合器。
尽管现有的光纤耦合器在一定程度上被证明是令人满意的，但仍存有改进的空间。
发明内容
光学扩展量限定为光纤的横截面的表面与其数值孔径的平方(或等效地，立体角)的乘积。光学扩展量守恒是一种适用于线性光学系统的物理原理，其指出，当光信号通过线性光学系统传播时，光学扩展量不能够在不引起该光信号的光学损耗的情况下减小。由于以上讨论的光纤耦合器是线性光学系统，因此它们服从光学扩展量守恒。
关于Boudoux等人描述的光纤耦合器，从第二端口传播到第三端口的多模光信号将沿着第一光纤和第二光纤彼此熔合的区域经历恒定的光学扩展量。更具体地，在第一光纤上的熔合区域的入口位置处的光学扩展量将类似于在第二光纤上的熔合区域的出口位置处的光学扩展量，因为第一光纤和第二光纤都具有相同的尺寸和/或结构。因此，尽管受到以上讨论的理论均分极限的约束，但发现，使用这样的光纤耦合器可以以可忽略的光学损耗发生多模提取和/或注入。
虽然使用Godbout等人描述的光纤耦合器可以实现更大的多模提取和/或传输率，但是由这样的光纤耦合器提供的光学扩展量守恒可能并不令人满意。例如，在第一光纤上的熔合区域的入口位置处的光学扩展量可能大于在第二光纤上的熔合区域的出口位置处的光学扩展量，因为第一光纤与第二光纤实际上具有不同的尺寸和/或结构。在这种情况下，光学损耗可能很大。
发明人发现了一种提供光纤耦合器的方法，该光纤耦合器能够帮助实现大于理论均分极限的多模提取和/或注入率，同时仍然实现令人满意的光学损耗。
在一个方面，描述了一种光纤耦合器，该光纤耦合器具有第一光纤，该第一光纤的第一锥形部分的尺寸沿着第一锥形方向逐渐减小；第二光纤，该第二光纤的第二锥形部分的尺寸沿着第二锥形方向逐渐减小；以及耦合区域，在该耦合区域中，第一光纤的第一锥形部分的至少一部分光学耦合至第二光纤的第二锥形部分。当第一锥形方向和第二锥形方向彼此相反时，可以预期，在第一光纤和第二光纤以及第一锥形部分和第二锥形部分的给定的参数下，总体形状因数沿着耦合区域稍微保持不变，这又有助于光学扩展量的保持。然而，如将从本公开中描述的实施例理解的，形状因数不需要沿着给定的耦合方向保持而仍然有助于光学扩展量的保持。
依据本公开的第一方面，提供了一种光纤耦合器，包括：第一光纤，该第一光纤具有纵向延伸的多模引导区域和在第一光纤的第一位置与第二位置之间纵向延伸的第一锥形部分，第一锥形部分具有沿着第一锥形方向从第一位置到第二位置逐渐减小的尺寸；第二光纤，该第二光纤具有纵向延伸的多模引导区域和在第二光纤的第三位置与第四位置之间纵向延伸的第二锥形部分，第二锥形部分具有沿着第二锥形方向从第三位置到第四位置逐渐减小的尺寸；以及耦合区域，在该耦合区域中，第一锥形部分的至少一部分光学耦合至第二锥形部分的至少一部分，且第一锥形方向与第二锥形方向相反。
进一步，依据本公开的第一方面，第一光纤可以例如是多包层光纤，多包层光纤具有由至少一个内包层包围的纤芯，在此情况下，第一光纤的至少一个内包层可以例如用作第一光纤的纵向延伸的多模引导区域。
再进一步，依据本公开的第一方面，第二光纤可以例如是多包层光纤，该多包层光纤具有由至少一个内包层包围的纤芯，在此情况下，第二光纤的至少一个内包层可以例如用作第二光纤的纵向延伸的多模引导区域。
再进一步，依据本公开的第一方面，第二光纤可以例如是多模光纤，多模光纤具有多模纤芯，在此情况下，第二光纤的多模纤芯可以例如用作第二光纤的纵向延伸的多模引导区域。
再进一步，依据本公开的第一方面，第一光纤可以例如是多模光纤，多模光纤具有多模纤芯，在此情况下，第一光纤的多模纤芯可以例如用作第一光纤的纵向延伸的多模引导区域。
再进一步，依据本公开的第一方面，光纤耦合器可以例如具有穿过耦合区域从第一光纤和第二光纤中的任一者延伸到第一光纤和第二光纤中的另一者的耦合方向，其中，耦合区域的横截面具有至少沿着耦合方向保持的光学扩展量，光学扩展量由等效于以下等式的等式限定：Gi＝πSi(NAi)2，其中，Gi表示耦合区域的沿着耦合方向的在纵向位置i处的光学扩展量，Si表示耦合区域在纵向位置i处的横截面的表面，并且NAi表示耦合区域在纵向位置i处的数值孔径。
再进一步，依据本公开的第一方面，光学扩展量可以例如沿着耦合方向增加。
再进一步，依据本公开的第一方面，第一锥形部分的至少一部分可以例如热熔合至第二锥形部分的至少一部分。
再进一步，依据本公开的第一方面，耦合区域可以例如限定从第二光纤的第三位置延伸到第一光纤的第一位置的多模注入方向，以及从第一光纤的第一位置延伸到第二光纤的第三位置的多模提取方向；并且，耦合区域配置为允许具有基本上完全满足以下两个发射条件的多模信号的传播：以给定的多模注入率沿着多模注入方向；以及以给定的多模提取率沿着多模提取方向。
再进一步，依据本公开的第一方面，给定的多模注入率和给定的多模提取率的总和可以例如高于100％。
再进一步，依据本公开的第一方面，给定的多模注入率和给定的多模提取率的总和可以例如高于110％。
再进一步，依据本公开的第一方面，给定的多模注入率和给定的多模提取率的总和可以例如高于120％。
再进一步，依据本公开的第一方面，给定的多模注入率和给定的多模提取率的总和可以例如高于150％。
再进一步，依据本公开的第一方面，给定的多模注入率和给定的多模提取率两者均可以例如高于50％。
再进一步，依据本公开的第一方面，给定的多模注入率和给定的多模提取率两者均可以例如高于60％。
再进一步，依据本公开的第一方面，给定的多模注入率和给定的多模提取率两者均可以例如高于70％。
再进一步，依据本公开的第一方面，耦合区域可以例如配置为阻碍给定的多模注入率，以有利于给定的多模提取率。
依据本公开的第二方面，提供了一种光纤耦合器，包括：第一光纤，该第一光纤具有纵向延伸的多模引导区域和在第一光纤的第一位置与第二位置之间纵向延伸的第一光纤部分；第二光纤，该第二光纤具有纵向延伸的多模引导区域和在第二光纤的第三位置与第四位置之间纵向延伸的第二光纤部分；以及耦合区域，在该耦合区域中，第一光纤部分的至少一部分光学耦合至第二光纤部分的至少一部分，从而限定从第二光纤的第三位置延伸到第一光纤的第一位置的多模注入方向，以及从第一光纤的第一位置延伸到第二光纤的第三位置的多模提取方向；其中，耦合区域配置为允许具有基本上完全满足以下两个发射条件的多模信号的传播：以给定的多模注入率沿着多模注入方向；以及以给定的多模提取率沿着多模提取方向。
进一步，依据本公开的第二方面，给定的多模注入率和给定的多模提取率的总和可以例如高于100％。
再进一步，依据本公开的第二方面，给定的多模注入率和给定的多模提取率的总和可以例如高于110％。
再进一步，依据本公开的第二方面，给定的多模注入率和给定的多模提取率的总和可以例如高于120％。
再进一步，依据本公开的第二方面，给定的多模注入率和给定的多模提取率的总和可以例如高于150％。
再进一步，依据本公开的第二方面，给定的多模注入率和给定的多模提取率两者均可以例如高于50％。
再进一步，依据本公开的第二方面，给定的多模注入率和给定的多模提取率两者均可以例如高于60％。
再进一步，依据本公开的第二方面，给定的多模注入率和给定的多模提取率两者均可以例如高于70％。
再进一步，依据本公开的第二方面，耦合区域可以例如配置为阻碍给定的多模注入率，以有利于给定的多模提取率。
术语“锥形部分”意在广义地解释为包括沿着光纤的给定方向尺寸逐渐减小的该光纤的任何部分。减小的尺寸的示例可以包括但不限于光纤的横截面、光纤的宽度、光纤的厚度等。相应地，在本公开中，每个锥形部分具有被限定为尺寸沿其逐渐减小的方向的方向。
发现在本公开中，可以方便地引入表述术语“下降锥形部分”和“上升锥形部分”以指代一些特定的锥形部分是方便的。然而，可以理解的是，从一个视角被称为下降锥形部分也可以从不同的视角被称为上升锥形部分。然而，在本公开中，取决于锥形部分的尺寸在从左到右延伸的方向上是减小还是增大，该锥形部分将被称为下降锥形部分或上升锥形部分。例如，尺寸从左到右减小的锥形部分将被称为下降锥形部分，而尺寸从左到右增加的锥形部分将被称为上升锥形部分。当然，应当取决于其被使用的上下文来对这样的术语进行宽泛的解释。
在阅读了本公开之后，与本改进有关的许多其它特征及这些特征的组合对于本领域技术人员来说将是明显的。
附图说明
在附图中：
图1是依据一个或多个实施例的光纤耦合器的示例；
图2A是依据一个或多个实施例的彼此平行的第一多模光纤和第二多模光纤的示意图，其中第一多模光纤的上升锥形部分与第二多模光纤的下降锥形部分纵向对齐；
图2B是依据一个或多个实施例的具有图2A的第一多模光纤和第二多模光纤的光纤耦合器的示例的示意图，其中第一多模光纤的上升锥形部分光学耦合至第二多模光纤的下降锥形；
图3A是依据一个或多个实施例的彼此平行的双包层光纤和多模光纤的示意图，其中双包层光纤的上升锥形部分与多模光纤的下降锥形部分纵向对齐；
图3B是依据一个或多个实施例的具有图3A的双包层光纤和多模光纤的光纤耦合器的示例的示意图，其中双包层光纤的上升锥形部分光学耦合至多模光纤的下降锥形部分；
图4A是依据一个或多个实施例的彼此平行的双包层光纤和多模光纤的示意图，其中双包层光纤的上升锥形部分与多模光纤的下降锥形部分纵向对齐，多模光纤具有比双包层光纤的锥度比更大的锥度比；
图4B是依据一个或多个实施例的具有图4A的双包层光纤和多模光纤的光纤耦合器的示例的示意图，其中双包层光纤的上升锥形部分光学耦合至多模光纤的下降锥形部分；
图5A是依据一个或多个实施例的彼此平行的双包层光纤和多模光纤的示意图，其中双包层光纤的上升锥形与多模光纤的下降锥形部分纵向对准，多模光纤具有的多模纤芯具有比双包层光纤的内包层的尺寸更大的尺寸；
图5B是依据一个或多个实施例的具有图5A的双包层光纤和多模光纤的光纤耦合器的示例的示意图，其中双包层光纤的上升锥形部分光学耦合至多模光纤的下降锥形部分；
图6A是依据一个或多个实施例的彼此平行的双包层光纤和多模光纤的示意图，其中双包层光纤的上升锥形部分与多模光纤的下降锥形部分纵向对准，并且双包层光纤的上升锥形部分比多模光纤的下降锥形部分更长；
图6B是依据一个或多个实施例的具有图6A的双包层光纤和多模光纤的光纤耦合器的示例的示意图，其中双包层光纤的上升锥形部分光学耦合至多模光纤的下降锥形部分；
图7A是依据一个或多个实施例的彼此平行的第一多模光纤和第二多模光纤的示意图，其中示出了剥离区域，第一多模光纤和第二多模光纤的外包层沿着该剥离区域被去除；
图7B是依据一个或多个实施例的具有图7A的第一多模光纤和第二多模光纤的光纤耦合器的示例的示意图，其中第一多模光纤的上升锥形部分光学耦合至第二多模光纤的下降锥形；
图8是依据一个或多个实施例的结合了激光标记系统和光学相干断层扫描监测系统的临床系统的示例的示意图，其中结合了图4A的光纤耦合器；
图9是依据一个或多个实施例的组合光谱和光学相干断层扫描系统的示例的示意图，其中结合了图3B的光纤耦合器；以及
图10是依据一个或多个实施例的光谱光学相干断层扫描系统的示例的示意图，其中结合了图3B的光纤耦合器，示出了宽带多模循环器。
具体实施方式
图1示出了光纤耦合器100的示例，光纤耦合器100具有在第一端口102a与第二端口102b之间延伸的第一光纤102、在第三端口104a与第四端口104b之间延伸的第二光纤104，以及耦合区域106，其中第一光纤102的至少一部分光学耦合至第二光纤104的至少一部分。
更具体地，第一光纤102具有在第一光纤102的第一位置108a与第二位置108b之间纵向延伸的第一锥形部分108。第一锥形部分108具有沿着第一锥形方向112从第一位置108a到第二位置108b逐渐减小的尺寸110。
第二光纤104具有在第二光纤104的第三位置114a与第四位置114b之间纵向延伸的第二锥形部分114。第二锥形部分114具有沿着第二锥形方向118从第三位置114a到第四位置114b逐渐减小的尺寸116。
如以下将参考附图描述的，耦合区域106使得第一锥形部分108的至少一部分光学耦合至第二锥形部分114的至少一部分，其中第一锥形方向112与第二锥形方向118相反。
在此示例中，第一光纤102的第一锥形部分108是上升锥形而第二光纤104的第二锥形部分114是下降锥形部分，并且在后续段落中将被称为上升锥形108以及下降锥形114。
然而，如将理解的，在一些其他实施例中，第一锥形部分108可以是下降锥形部分，而第二锥形部分114可以是上升锥形部分。
这样，光纤耦合器100的耦合区域106具有光学耦合至上升锥形部分的至少一部分的下降锥形的至少一部分，该下降锥形的该至少一部分属于第一光纤102和第二光纤104中的任一者，而该上升锥形部分的该至少一部分属于第一光纤102和第二光纤104中的另一者。
可以理解，取决于实施例，耦合区域106可以具有与上升锥形部分108和下降锥形部分114的长度相比更长、相等或更短的长度120。
例如，在一些实施例中，上升锥形部分108和下降锥形部分114的仅一部分彼此光学耦合，从而使耦合区域106的长度小于上升锥形部分108和下降锥形部分114的长度。
在替代实施例中，耦合区域106超过上升锥形部分108和下降锥形部分114的一端或两端，这可以使耦合区域106的长度长于上升锥形部分108和下降锥形部分114的长度。
可以理解，取决于实施例，上升锥形部分108和下降锥形部分114彼此相比可以更长、相等或更短。
此外，取决于实施例，上升锥形部分108和下降锥形部分114的初始直径以及上升锥形部分108和下降锥形部分114的最终直径彼此相比可以更大、相等或更小。
本领域技术人员还将理解，上升锥形部分108和下降锥形部分114的位置可以偏移，例如上升锥形的仅一部分会接触下降锥形的一部分或全部，反之亦然。
在一些实施例中，上升锥形部分和/或下降锥形部分各自可具有一系列锥形，从而致使锥形部分具有一个或多个平顶和/或具有山丘和山谷的区域。
在该示例中，光学耦合106包括第一光纤102的上升锥形部分108与第二光纤104的下降锥形部分114之间的紧密接触。然而，在一些其他实施例中，光学耦合106是通过将第一光纤102的上升锥形部分108热熔合和/或逐渐变细到第二光纤104的下降锥形部分114来获得。
应注意，第一光纤102和第二光纤104均配置为至少传播多模光信号以允许它们之间的多模传输。相应地，第一光纤102和第二光纤104都各自具有被外包层142围绕的纵向延伸的多模引导区域132。在一些实施例中，可以从第一光纤102和第二光纤104中的一者或两者中将外包层142部分地或全部去除。取决于实施例，可以在逐渐变细之前或之后执行这样的外包层去除。
例如，在一些实施例中，第一光纤102是具有由至少一个内包层包围的纤芯的多包层光纤。在这些实施例中，第一光纤102的内包层用作第一光纤102的纵向延伸的多模引导区域132。在一些其他实施例中，第一光纤102是具有多模纤芯的多模光纤。在这些后面的实施例中，第一光纤102的多模纤芯用作第一光纤102的纵向延伸的多模引导区域132。
第二光纤104也可以如此。类似地，在一些实施例中，第二光纤104是具有由至少一个内包层包围的纤芯的多包层光纤。在这些实施例中，第二光纤104的内包层用作第一光纤104的纵向延伸的多模引导区域132。在一些其他实施例中，第二光纤104是具有多模纤芯的多模光纤。在这些后面的实施例中，第二光纤104的多模纤芯用作第二光纤104的纵向延伸的多模引导区域132。
注意，多模传输比可以限定为从第一端口102a传输到第四端口104b(或反之亦然)或者从第二端口102b传输到第三端口104a(或反之亦然)的多模信号的强度与多模信号的初始强度之比。多模传输通常包含多模提取以及多模注入，通过该多模提取，多模信号沿着提取方向122被从第二端口102b提取到第三端口104a(或等效地，从第一位置108a到第三位置114a)，通过该多模注入，多模信号沿着注入方向124被从第三端口104a注入到第二端口102b(或等效地，从第三位置114a到第一位置108a)。
在该示例中，例如提取方向122和注入方向124等的耦合方向可以限定为穿过耦合区域106从第一光纤102和第二光纤104中的任一者延伸到第一光纤102和第二光纤104中的另一者。如此，发现设计光纤耦合器100以使得耦合区域106具有的横截面具有沿着可能的耦合方向中的至少一个或多个耦合方向被维持的光学扩展量是方便的。
光学扩展量由等效于以下等式的等式限定：
Gi＝πSi(NAi)2，
其中Gi表示耦合区域106的沿着耦合方向的在纵向位置i处的光学扩展量，Si表示耦合区域106的在纵向位置i处的横截面的表面，并且NAi表示耦合区域106的在纵向位置i处的数值孔径。
例如，在一个具体实施例中，耦合区域106的沿着提取方向122方向的在第一纵向位置处的光学扩展量G1类似于耦合区域106的沿着提取方向122的在与第一纵向位置间隔开的第二纵向位置处的光学扩展量G2。
以此方式，如以上所论述的，与将经历现有的光纤耦合器的类似的多模光信号相比，将经历沿着提取方向122从第一光纤102传播到第二光纤104的多模光信号的光学损耗将被保持在令人满意的水平。
在一些实施例中，如以下将详述的，不仅沿着提取方向122或注入方向124维持了光学扩展量而且还增加了光学扩展量。
已经发现，由于沿着提取方向122和注入方向124中的一者或两者保持光学扩展量是守恒的或受到最小的影响，因此光纤耦合器100不受如先前Gonthier等人的第2010/0183261A1号美国专利公开可以推测出的锥度比小于第一多模光纤102和第二多模光纤104的数值孔径之比的限制。
这样的限制可以使用光学扩展方程和守恒原理来证明。首先要方便区分系统的光学扩展量与系统内传播光的光学扩展量。系统的光学扩展量限定为结构所支持的最大光学扩展量。对于光纤，光学扩展量与数值孔径(NA)相关，数值孔径(NA)可以基于该光纤的折射率来计算。然而，为了传播光，光学扩展量与发射的(或以其他方式激发的)数值孔径(在本文中称为LNA)有关。因此可以理解，在表面积为S的光纤内，LNA≤NA。对于其中LNA＝NA的发射条件，结构被称为是完全满足的。还可以设想一种具有可变光学扩展量的结构，只要LNA维持不变，该可变光学扩展量就可以增加然后减少到其原始值，而不会造成损耗。
对于在非锥形区域中具有光学扩展量G1和在锥形区域中具有光学扩展量G1T的第一锥形光纤，守恒定律规定G1必须小于或等于G1T。因此，锥形区域的LNA(在本文中称为LNA1T)将与锥度比ITR成比例地增加，如以下等式所示：
G1≤G1T (1)
使用G1＝πS1(NA1)2和G1T＝πS1T(LNA1T)2，等式(1)可以变成：
使用锥度比定义，等式(2)可以变成：
为了将光从第一光纤传输到第二光纤而不造成损耗，第二光纤必须允许第一光纤的所有模式的传播。更具体地，由光纤支持的模式与耦合区域处的数值孔径直接相关，第一光纤的数值孔径应优选地小于或等于第二光纤的数值孔径。因此，在第一光纤是锥形光纤的情况下，锥形区域LNA1t的发射数值孔径应优选地小于或等于第二光纤NA2的数值孔径。根据此约束，发明人已经表明，锥度比ITR1→1T应优选地大于或等于第一NA1的数值孔径与第二光纤NA2的数值孔径之比，如下所示：
因此可以实现多模提取和/或注入率，该多模提取和/或注入率高于用现有光纤耦合器获得的比率。以下呈现的示例1示出了光纤耦合器的一个实施例，该光纤耦合器不受锥形比小于第一多模光纤和第二多模光纤的数值孔径之比的限制。
示例1
图2A示出了各自具有相应的下降锥形部分和上升锥形部分的第一多模光纤202和第二多模光纤204。如图所示，第一多模光纤202和第二多模光纤204被示出为它们在光学耦合之前预期将被定位的那样，在此情况下光学耦合包括热熔合。
更具体地，如该实施例中所示，第一多模光纤202和第二多模光纤204彼此平行，第一多模光纤202的上升锥形部分208与第二多模光纤204的下降锥形部分214纵向对齐。
在该具体实施例中，第一多模光纤202和第二多模光纤204具有125μm的总直径和105μm的多模纤芯直径，且NA为0.22。第一多模光纤202和第二多模光纤204中的每一者的下降锥形部分和上升锥形部分以其初始直径d1和d2的30％逐渐变细。
图2B示出了具有第一多模光纤202和第二多模光纤204的光纤耦合器200的示例。如图所示，耦合后的光纤200具有耦合区域206，其中第一多模光纤202的上升锥形部分208热熔合至第二多模光纤204的下降锥形部分214。在熔合之后，可以使用耦合区域206的附加锥形化(图中未示出)以促进从一个多模光纤到另一个多模光纤的模式转移。
如该实施例中所示，耦合区域206在第一多模光纤202的上升锥形部分208的长度上和第二多模光纤204的下降锥形部分204的长度上延伸。
发现光纤耦合器200在从光纤耦合器200的第二端口202b延伸到第三端口204a的提取方向222上表现出84％的多模提取率，以及在从光纤耦合器200的第三端口204a延伸到第二端口202b的注入方向224上表现出84％的多模注入率。发现光纤耦合器200在提取方向222和注入方向224上的超额损耗都小于7％。
发现使用基于现有技术制造的两个相同但非锥形的多模光纤制成的光纤耦合器在仅一个耦合方向上的多模提取率限制在43％，且非锥形多模光纤的超额损耗为16％。对于使用两个相同的多模光纤制成的光纤耦合器，其中一个多模光纤的下降锥形部分光学耦合至另一个多模光纤的非锥形部分，在仅一个耦合方向上仅实现了59％的多模提取率，超额损耗为35％。因此，发明人相信这样的结果表明，除了能够实现有效的多模双向性之外，本文中描述的光纤耦合器200还能够实现更高的多模提取和/或注入率。
图2B的底部呈现了沿着耦合区域206的在多个纵向位置处的第一多模光纤202和第二多模光纤204的横截面。应当理解，沿着耦合区域206的提取方向222和注入方向224，光学扩展量被基本维持，从而有助于减少如上所论述的光学损耗。
示例2
图3A示出了各自具有相应的下降锥形部分和上升锥形部分的双包层光纤302和多模光纤304。如图所示，双包层光纤302和多模光纤304被示出为它们在光学耦合之前预期将被定位的那样。
更具体地，在该实施例中，双包层光纤302和多模光纤304彼此平行，双包层光纤302的上升锥形部分308与多模光纤304的下降锥形部分314纵向对齐。
在该具体示例中，双包层光纤302具有125μm的总直径、105μm的内包层直径和9μm的纤芯直径，且NA为0.12/0.2。多模光纤304具有125μm的总直径和105μm的多模纤芯直径，且NA为0.22。双包层光纤302和多模光纤304都预先逐渐变细到它们初始尺寸d1和d2的35％。
图3B示出了具有双包层光纤302和多模光纤304的光纤耦合器300的示例，其中双包层光纤302的上升锥形部分308热熔合至多模光纤304的下降锥形部分314。
如在先前的示例中，耦合区域306具有在上升锥形部分308的长度上和下降锥形部分314的长度上延伸的长度。
发现光纤耦合器300表现出77％的多模提取率，这意味着从双包层光纤302的内包层330传播的多模信号的77％被提取到多模光纤304的多模纤芯332，且超额损耗为4％。一直以来，光纤耦合器300具有的多模注入率为65％，这意味着从多模光纤304的多模纤芯332传播的多模信号的65％被注入到双包层光纤302的内包层330，且超额损耗为20％。此外，发现沿着双包层光纤302的纤芯334传播的单模信号从光纤耦合器300的第一端口302a到第二端口302b或从光纤耦合器300的第一端口302b到第二端口302a将仅经受0.5dB损耗的损耗。
图3B的底部呈现了沿着以及超越耦合区域306的在多个纵向位置处的双包层光纤302和多模光纤304的横截面。应理解，沿着耦合区域306的提取方向322和注入方向324，光学扩展量被基本维持，从而有助于减少如上所论述的光学损耗。
示例3
图4A描绘了各自具有相应的下降锥形部分和上升锥形部分的双包层光纤402和多模光纤404。如图所示，双包层光纤402和多模光纤404被示出为它们在光学耦合之前预期将被定位的那样。
在该示例中，双包层光纤402的上升锥形部分408与多模光纤414的下降锥形部分414纵向对齐。
更具体地，双包层光纤402具有125μm的总直径、105μm的内包层直径和9μm的纤芯直径，且NA为0.12/0.2。多模光纤404具有125μm的总直径和105μm的多模纤芯直径，且NA为0.15。
如该示例中所示，多模光纤404具有比双包层光纤402的锥度比更大的锥度比。如此，双包层光纤402逐渐变细到其初始尺寸d1的36.7％，而多模光纤404逐渐变细到其初始尺寸d2的17.5％。
图4B示出了具有双包层光纤402和多模光纤404的光纤耦合器400的示例，其中双包层光纤402的上升锥形部分408热熔合到多模光纤404的下降锥形部分414；
发现光纤耦合器400表现出62.6％的多模提取率，这意味着从双包层光纤402的内包层430传播的多模信号的62.6％被提取到多模光纤404的多模纤芯432，且超额损耗为20％，同时提供了86％的多模注入率，这意味着从多模光纤404的多模纤芯432传播的多模信号的86％被注入到双包层光纤402的内包层430中，且超额损耗为4％。再次，发现沿着双包层光纤402的纤芯434传播的单模信号从光纤耦合器400的第一端口402a到第二端口302b(反之亦然)将仅经受0.5dB的损耗。
图4B还示出了沿着以及超越耦合区域406的在多个纵向位置处的双包层光纤402和多模光纤404的横截面。应当理解，沿着提取方向422和注入方向424中的任一方向，光学扩展量被基本维持，从而有助于减少如上所论述的光学损耗。
示例4
图5A示出了各自具有相应的下降锥形部分和上升锥形部分的双包层光纤502和多模光纤504。如所描绘的，双包层光纤502和多模光纤504被示出为它们在光学耦合之前预期将被定位的那样。
在该示例中，双包层光纤502和多模光纤504彼此平行，双包层光纤502的上升锥形部分508与多模光纤504的下降锥形部分514纵向对齐。
在该具体示例中，双包层光纤502具有125μm的总直径、105μm的内包层直径和9μm的纤芯直径，且NA为0.12/0.2。多模光纤504具有220μm的总直径和200μm的多模纤芯直径，且NA为0.22。双包层光纤502和多模光纤504都预先逐渐变细到它们初始尺寸d1和d2的36.7％。
图5B示出了具有双包层光纤502和多模光纤504的光纤耦合器500的示例，其中双包层光纤502的上升锥形部分508热熔合至多模光纤504的下降锥形部分514。
发现光纤耦合器500表现出85％的多模提取率，这意味着从双包层光纤502的内包层530传播的多模信号的85％被提取到多模光纤504的多模纤芯532，且超额损耗为1％。另外，光纤耦合器500具有22％的多模注入率，这意味着从多模光纤504传播的多模信号的22％被注入到双包层光纤502的内包层530，且超额损耗为50％。另外，发现沿着双包层光纤502的纤芯534传播的单模信号从光纤耦合器500的第一端口502a到第二端口502b(反之亦然)将仅经受0.5dB的损耗。
发现使用基于现有技术制造的类似但非锥形的光纤制成的光纤耦合器可以实现72％的多模提取率以及6％的超额损耗，同时实现14％的多模注入率以及小于15％的超额损耗，这再次支持了本示例的光纤耦合器的性能。
图5B示出了沿着以及超越耦合区域506的在多个纵向位置处的光纤502和光纤504的横截面。在该示例中可以理解，耦合区域506的光学扩展量沿着注入方向524增加，这可能会降低光纤耦合器500的多模双向性。
如以下将讨论的，已经发现本文中提出的光纤耦合器在基于生物医学光纤的成像和/或传感系统中特别有用。例如，光纤耦合器可以方便地用于内窥镜、光学相干断层扫描、荧光成像、漫射光谱、拉曼光谱、共焦显微镜、共焦内窥镜、激光凝固、激光消融或它们的任意组合。
示例5
图6A描绘了各自具有相应的下降锥形部分和上升锥形部分的双包层光纤602和多模光纤604。如图所示，双包层光纤602和多模光纤604被示出为它们在光学耦合之前预期将被定位的那样。
在该示例中，双包层光纤602的上升锥形部分608相对于多模光纤614的下降锥形部分614纵向偏移。如图所示，在该示例中，上升锥形部分608长于下降锥形部分614。
更具体地，双包层光纤602具有125μm的总直径、102μm的内包层直径和4μm的纤芯直径，且NA为0.19/0.24。多模光纤604具有125μm的总直径和105μm的多模纤芯直径，且NA为0.22。
如该示例中所示，多模光纤604具有比双包层光纤602的锥度比更大的锥度比。如此，双包层光纤602逐渐变细到其初始尺寸d1的48％，而多模光纤604逐渐变细到其初始尺寸d2的17.5％。
图6B示出了具有双包层光纤602和多模光纤604的光纤耦合器600的示例，其中双包层光纤602的上升锥形部分608热熔合到多模光纤604的下降锥形部分614；
发现光纤耦合器600表现出的多模光学特性类似于参考示例3描述的光纤耦合器400的多模光学特性。然而，由于双包层光纤602的单模绝热敏感性，双包层光纤602的上升锥形部分608必须更平滑，这是通过增加长度和锥度比来实现的。
图6B还示出了沿着以及超越耦合区域606的在多个纵向位置处的双包层光纤602和多模光纤604的横截面。应当理解，沿着提取方向622和注入方向624中的任一方向，光学扩展量被基本维持，因此有助于减少如上所论述的光学损耗。
示例6
图7A示出了各自具有相应的下降锥形部分和上升锥形部分的第一多模光纤702和第二多模光纤704。如图所示，第一多模光纤702和第二多模光纤704各自具有剥离区域746，在剥离区域746中，第一多模光纤702的外包层742和第二多模光纤704的外包层744在下降锥形部分和上升锥形部分之前被去除。第一多模光纤702和第二多模光纤704被示出为它们在光学耦合之前预期将被定位的那样，在此情况下光学耦合包括热熔合。如所描绘的，第一多模光纤702的下降锥形部分与第二多模光纤704的剥离部分相邻，而第二多模光纤704的上升锥形部分与第一多模光纤702的剥离部分相邻。
更具体地，如该实施例中所示，第一多模光纤702和第二多模光纤704彼此平行，第一多模光纤702的上升锥形部分708与第二多模光纤704的下降锥形部分714纵向对齐。
在该具体实施例中，第一多模光纤702和第二多模光纤704具有125μm的总直径和105μm的多模纤芯直径，且NA为0.22。在剥离区域746内去除外包层742的一部分和外包层744的一部分，使得第一多模光纤702和第二多模光纤704在该区域中具有105μm的初始直径。第一多模光纤702和第二多模光纤704中的每一者的下降锥形部分和上升锥形部分以其初始直径d1和d2的30％逐渐变细。
图7B示出了具有第一多模光纤702和第二多模光纤704的光纤耦合器700的示例。如图所示，耦合后的光纤700具有耦合区域706，其中第一多模光纤702的上升锥形部分708热熔合至第二多模光纤704的下降锥形部分714。在熔合之后，可以执行耦合区域706的附加锥形化(未图示)以促进从一个多模光纤到另一个多模光纤的模式转移。
如该实施例中所示，耦合区域706在第一多模光纤702的上升锥形部分708的长度上和第二多模光纤704的下降锥形部分714的长度上延伸。
鉴于上述示例，发明人发现这样的光纤耦合器可以取决于实施例而展现出令人满意的性能。例如，在一些实施例中，光纤耦合器可以设计成使得多模注入率和多模提取率的总和可以高于100％，优选地高于110％，更优选地高于120％，最优选地高于150％。此外，在替代实施例中，光纤耦合器可被设计成使得多模注入率和多模提取率均高于50％，优选地均高于60％，最优选地均高于70％。应当理解，取决于实施例或预期应用，耦合区域可以配置为阻碍多模注入率，以有利于给定的多模提取率，或者反之亦然。
下面呈现示例性应用，其中可以有利地使用一个或多个上述光纤耦合器。以下应用意在仅为示例，因为依据本公开的光纤耦合器也可以用于其他应用。
示例应用1
图8示出了结合激光标记系统852和光学相干断层扫描(Optical CoherenceTomography，OCT)监测系统854两者的示例性系统850。所示系统850是适用于腔内内窥镜检查(例如，胃镜检查或结肠镜检查)并且允许实时监测在体(in vivo)热效应的临床系统。
如图所示，系统850具有对应于参考图4B描述和图示的光纤耦合器400的光纤耦合器。在该示例中，光纤耦合器400用于将多模信号从多模光纤404有效地注入到双包层光纤402的内包层中。
如图所示，OCT监测系统854可以具有例如，波长扫描激光器、基于单模光纤的干涉仪和检测模块。单模样品臂光纤756连接(例如，拼接)至光纤耦合器400的端口1以将OCT信号传播到样品858。光纤耦合器400的端口2连接至光纤旋转接头(Fiber Optics RotaryJoint，FORJ)860，该光纤旋转接头860设置在纵向平移台862上，允许光纤探针的螺旋扫描。或者，可以在远端使用微型电机。来自样品858的后向散射光由双包层光纤404的单模纤芯收集回来，传播通过光纤耦合器400并返回到OCT监测系统854进行检测。因此，光纤耦合器400的最小单模损耗对于高灵敏度OCT成像至关重要。
为了使标记激光能够稳健且有效地耦合至双包层光纤404的内包层中，使用了光纤耦合器400。这允许临床上兼容的设置并且不需要使用自由空间光学器件，而自由空间光学器件可能是有损的、笨重的并且至少在某些情况下易于错位。
OCT监控系统854和激光标记系统852通过A/D板864接合以用于触发和信号采集。如技术读者将可以理解的，A/D板864也可以执行电机控制。
示例应用2
图9示出了依据一个实施例的光谱OCT系统950的示例。图示的光纤耦合器对应于图3B的光纤耦合器300，用作双向多模耦合器以实现单光纤照明以及对光谱信号的检测。如该示例中所示，光谱OCT系统950的光纤输出956被直接拼接到双包层光纤耦合器300的端口1。端口2用于接合成像或传感光学器件。取决于应用，这样的光学器件可以包括安装在微镜上的棱镜、棱镜和GRIN透镜组件或其他。由样品958后向反射的OCT信号由双包层光纤302的纤芯收集回来并传输到光谱OCT系统950的检测模块970。
在该示例中，来自宽带可见光源972的光在端口3处使用自由空间光学器件(例如，分束器974和透镜/物镜976)耦合至多模光纤304中并通过光纤耦合器300注入双包层光纤302的内包层内。由样品958后向散射并由内包层收集的可见光穿过光纤耦合器300并传输到端口3。分束器974用于将信号反射到检测模块970，该检测模块970在该示例中以光谱仪的形式提供。
可以理解，视需要而定地，该实施例可用于将OCT与漫射光谱、白光光谱或高光谱成像相结合。
示例应用3
图10示出了与图9中所示系统类似的系统1050，但用于耦合/去耦合照明和检测信号的自由空间光学器件被宽带多模循环器(Wideband Multimode Circulator，WMC)1080代替。WMC 1080有效地将光从光源1072传输到光纤耦合器300，并且有效地将光从光纤耦合器300朝向检测模块1070传回。这种设置允许使用健壮的全光纤方案来结合OCT和光谱学。
可以理解，以上描述和示出的示例旨在仅是示例性的。例如，虽然参考附图描述的光纤耦合器具有彼此耦合的两个光纤，从而产生四个不同的光学端口，但其涵盖了本文中所描述的光纤耦合器可以集成在一个或多个其他光纤耦合器中，或者甚至光学耦合至一个或多个其他多模光纤或多包层光纤，这可能导致四个以上不同的光学端口。因此，本文中描述的光纤耦合器不限于仅两个光纤彼此光学耦合。此外，本公开中描述的光纤耦合器可以用于非生物医学领域中，例如，光检测和测距(或激光雷达)、基于单模和多模的电信、气体探测、光谱学等。范围由所附权利要求指明。
Claims (17)
1.一种光纤耦合器，包括：
第一光纤，其具有纵向延伸的多模引导区域和在所述第一光纤的第一位置与第二位置之间纵向延伸的第一锥形部分，所述第一锥形部分具有沿着第一锥形方向从所述第一位置到所述第二位置逐渐减小的尺寸；
第二光纤，其具有纵向延伸的多模引导区域和在所述第二光纤的第三位置与第四位置之间纵向延伸的第二锥形部分，所述第二锥形部分具有沿着第二锥形方向从所述第三位置到所述第四位置逐渐减小的尺寸；以及
耦合区域，在所述耦合区域中，所述第一锥形部分的至少一部分光学耦合至所述第二锥形部分的至少一部分，且所述第一锥形方向与所述第二锥形方向相反；
所述耦合区域限定从所述第二光纤的所述第三位置延伸到所述第一光纤的所述第一位置的第一耦合方向，以及从所述第一光纤的所述第一位置延伸到所述第二光纤的所述第三位置的第二耦合方向，所述耦合区域的横截面具有基本上沿着所述第一耦合方向和所述第二耦合方向两者维持的光学扩展量，所述光学扩展量由等效于以下等式Gi＝πSi(NAi)2的等式限定，其中，Gi表示所述耦合区域的沿着所述第一耦合方向和所述第二耦合方向中的相应一者的在纵向位置i处的光学扩展量，Si表示所述耦合区域在所述纵向位置i处的横截面的表面，并且NAi表示所述耦合区域在所述纵向位置i处的数值孔径。
2.根据权利要求1所述的光纤耦合器，其特征在于，所述第一光纤是具有由至少一个内包层包围的纤芯的多包层光纤，所述第一光纤的所述至少一个内包层用作所述第一光纤的所述纵向延伸的多模引导区域。
3.根据权利要求2所述的光纤耦合器，其特征在于，所述第二光纤是具有由至少一个内包层包围的纤芯的多包层光纤，所述第二光纤的所述至少一个内包层用作所述第二光纤的所述纵向延伸的多模引导区域。
4.根据权利要求2所述的光纤耦合器，其特征在于，所述第二光纤是具有多模纤芯的多模光纤，所述第二光纤的所述多模纤芯用作所述第二光纤的所述纵向延伸的多模引导区域。
5.根据权利要求1所述的光纤耦合器，其特征在于，所述第一光纤是具有多模纤芯的多模光纤，所述第一光纤的所述多模纤芯用作所述第一光纤的所述纵向延伸的多模引导区域。
6.根据权利要求5所述的光纤耦合器，其特征在于，所述第二光纤是具有由至少一个内包层包围的纤芯的多包层光纤，所述第二光纤的所述至少一个内包层用作所述第二光纤的所述纵向延伸的多模引导区域。
7.根据权利要求5所述的光纤耦合器，其特征在于，所述第二光纤是具有多模纤芯的多模光纤，所述第二光纤的所述多模纤芯用作所述第二光纤的所述纵向延伸的多模引导区域。
8.根据权利要求1所述的光纤耦合器，其特征在于，所述第一锥形部分的至少一部分热熔合至所述第二锥形部分的至少一部分。
9.根据权利要求5所述的光纤耦合器，其特征在于：
所述耦合区域配置为允许具有基本上完全满足以下两个发射条件的多模信号的传播：
以由从所述第二光纤传播的要耦合到所述第一光纤的所述多模纤芯中的所述多模信号的百分比给定的第一多模注入率沿着所述第一耦合方向；以及
以由从所述第一光纤的所述多模纤芯传播的要耦合到所述第二光纤中的所述多模信号的百分比给定的第二多模提取率沿着所述第二耦合方向。
10.根据权利要求9所述的光纤耦合器，其特征在于，所述第一多模注入率和所述第二多模提取率的总和高于100％。
11.根据权利要求9所述的光纤耦合器，其特征在于，所述第一多模注入率和所述第二多模提取率的总和高于110％。
12.根据权利要求9所述的光纤耦合器，其特征在于，所述第一多模注入率和所述第二多模提取率的总和高于120％。
13.根据权利要求9所述的光纤耦合器，其特征在于，所述第一多模注入率和所述第二多模提取率的总和高于150％。
14.根据权利要求9所述的光纤耦合器，其特征在于，所述第一多模注入率和所述第二多模提取率两者均高于50％。
15.根据权利要求9所述的光纤耦合器，其特征在于，所述第一多模注入率和所述第二多模提取率两者均高于60％。
16.根据权利要求9所述的光纤耦合器，其特征在于，所述第一多模注入率和所述第二多模提取率两者均高于70％。
17.根据权利要求9所述的光纤耦合器，其特征在于，所述耦合区域配置为阻碍所述第一多模注入率，以有利于所述第二多模提取率。
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