CN114690308A - 光纤内到环形转换器的偏移 - Google Patents

Abstract

在一些实施方式中,波导可以包括接收第一光束的内芯和围绕内芯以接收通过偏移从第一光束移置的第二光束的外芯。外芯可以包括光束引导区域，该光束引导区域在波导的长度上旋转扩展成同心地围绕内芯的环形或部分围绕内芯的部分环形。例如，光束引导区域可以由一个或多个低折射率特征限定，这些特征在波导的长度上具有变化的取向和/或变化的形状，使得第二光束作为偏移光束进入波导，并作为环形光束或部分环形光束从波导射出。

Description

光纤内到环形转换器的偏移

相关申请的交叉引用

本专利申请要求2020年12月30日提交的美国临时专利申请第63/132，234号的优先权，其标题为“光纤内到环形转换器的偏移”。在先申请的公开内容被认为是本专利申请的一部分，并通过引用结合到本专利申请中。

技术领域

本公开总体上涉及光束成形和波导，该波导包括旋转扩展的光束引导区域，以保存与逐渐转换成环形或环状光束的偏移光束相关联的光束参数乘积(beam parameterproduct)。

背景技术

在光学系统中，光束质量通常指的是在特定条件下(例如，具有有限的光束发散度)激光束聚焦的紧密程度。例如，高光束质量意味着平滑的波前(例如，光束轮廓上的低相位变化)，使得用透镜聚焦光束能够使光束紧密聚焦。另一方面，光束质量差的光束可能具有使光束聚焦更加困难的加扰波前(例如，给定光斑尺寸的光束发散度增加)。经常用于量化光束质量的一个度量是光束参数乘积(BPP)，它被定义为光束半径(在光束腰部测量)和光束发散半角(在远场测量)的乘积。通常，光束质量随着BPP值的增加而降低，反之亦然(例如，较高的BPP与较低的光束质量相关联，较低的BPP与较高的光束质量相关联)，其中最小可实现的BPP值是λ/π，其对应于波长为λ的理想高斯光束。例如，波长为1064纳米(nm)的光束的最小可能BPP值约为0.339毫米乘以毫弧度(mm-mrad)。在一些情况下，当光束通过诸如薄透镜的非像差光学器件发送时，BPP可以保持不变或可以最小程度地增加(例如，不会变得更差)(例如，如果透镜在光束腰部产生具有较小半径或较大半径的焦点，则光束发散将相应地增加或减少)。然而，非理想光学器件会导致BPP值显著增加，从而破坏光束质量。例如，在一个或多个光学组件导致光束半径增加而光束发散半角没有相应减小的情况下，BPP值可以显著增加。

发明内容

在一些实施方式中，波导包括布置成接收第一光束的内芯；以及围绕内芯并被布置成接收从第一光束偏移的第二光束的外芯，其中外芯包括光束引导区域，该光束引导区域在波导的长度上旋转扩展成同心地围绕内芯的环或部分围绕内芯的部分环。

在一些实施方式中，光学系统包括光束路由器(beam router)，其被配置为生成第一光束或至少一个第二光束中的一个或多个，该第一光束或至少一个第二光束从第一光束偏移一个偏移量；传输光纤(feeding fiber)，包括传输第一光束的内芯和同心地围绕内芯传输至少一个第二光束的至少一个环形外芯；以及布置在光束路由器和传输光纤之间的中间波导，其中中间波导包括:布置成接收第一光束的内芯；以及至少一个外芯，其围绕内芯并且被布置成接收从第一光束偏移了偏移量的至少一个第二光束，其中中间波导的至少一个外芯包括光束引导区域，该光束引导区域在中间波导的长度上旋转扩展成同心地围绕内芯的环或者部分地围绕内芯的部分环。

在一些实施方式中，一种用于制造波导的方法包括接收结构，该结构包括中心芯和同心围绕中心芯的一个或多个外芯，其中该结构包括旋转对称的纤维或预制件；以及在同心地围绕中心芯的一个或多个外芯的每一个中形成光束引导区域，该光束引导区域在相应的外芯的长度上旋转地扩展成同心地围绕中心芯的环或部分地围绕内芯的部分环。

附图说明

图1是示例性多芯传输光纤的示意图。

图2A-2B是波导的一个或多个示例实施方式的示意图，该波导包括在外芯区中的旋转扩展的光束引导区域。

图3A-3C是用于制造波导的一种或多种示例技术的示意图，该波导包括在外芯区中旋转扩展的光束引导区域。

图4是与制造波导相关的示例过程的流程图，该波导包括在外芯区中旋转扩展的光束引导区域。

具体实施方式

示例实施方式的以下详细描述参考了附图。不同附图中的相同附图标记可以标识相同或相似的元件。

对于高功率可变或多态光束整形应用(例如，高功率材料处理)，驱动是一个具有挑战性的问题。按需改变状态的能力通常需要一种机制来以相对高的速度(例如，毫秒(ms)时间尺度)重新路由或以其他方式改变多千瓦(kW)光束，而不会引入损耗。一种重新路由或以其他方式改变多千瓦光束的技术是通过使用耦合器盒或类似机构(例如，使用转向镜和/或其他自由空间几何光学器件、光学相位板、和/或等类似机构)在自由空间中相对于目标光纤移动光束。此外，或者可选地，可以通过对特定的光纤类型施加弯曲来在光纤内移动光束。例如，图1是包括两个(或更多)同心芯的示例性多芯传输光纤100的示意图。例如，如图所示，多芯传输光纤100包括通常具有高折射率的内芯110和外芯120，并且多芯传输光纤100还包括低折射率区域130(例如，包层)，其对应于限定同心芯110、120的内部和/或外部界面的阴影区域。因此，在一种技术中，光束可以相对于自由空间中的目标光纤或光纤内的目标光纤移位，以便将光束引导到多芯传输光纤100中的内芯110或外芯120中，以传送具有不同尺寸、不同形状和/或不同光束参数乘积(BPPs)的光束，以及其他示例。

例如，给定大致为内芯110的尺寸和形状的输入光束，输入光束可以耦合到内芯110中，或者输入光束可以偏移并移动一个偏移量，以便将输入光束耦合到外芯120中。在输入光束被移位并耦合到外芯120中的情况下，输入光束可以扩展以填充由外芯120限定的环形区域，使得环形(环状)光束被传送到多芯传输光纤130的输出端处的工件。尽管光束可以在自由空间(例如，使用耦合器盒)或光纤内(例如，通过对特定的光纤类型施加弯曲)移位，以便在多千瓦光束中重新路由或以其他方式改变状态，但是移位技术具有基本的限制。例如，假设被操纵的光束大约是内芯110的大小，发射到内芯110的区域中的光束的BPP将是守恒的(例如，将不会显著增加，因为光束半径和发散半角保持相对恒定)。然而，相对于由光束激发的光纤区域，被引导到外芯120中的光束将明显尺寸不足(例如，类似于尺寸错误的光纤之间的偏移拼接)，这可能导致被引导到外芯120中的光束的BPP快速增加。例如，在图1所示的多芯传输光纤100中，外芯120的直径在几何上至少是内芯110直径的三倍，更典型地是四倍或更多倍，以考虑尺寸公差和/或内芯110和外芯120之间的低折射率区域130(例如，包层)的厚度。

因此，因为被引导到外芯120中的光束大约是内芯110的尺寸和形状(例如，从被操纵到内芯110中的光束偏移)并且相对于外芯120尺寸不足，所以当被操纵或以其他方式发射到外芯120中时，光束立即膨胀以填充外芯120的环形区域。尽管在从输入光纤到环形外芯120的过渡期间，光束的发散度可以基本不变，但是外芯120的较大直径导致有效光束半径的快速增加，由此从外芯120发出的光束的BPP比从内芯110发出的光束的BPP至少高三倍。BPP的增加可能显著降低光束质量，因为具有低BPP(例如，小光束半径和低发散度)的光束通常聚焦得更好，并且在更长的距离内保持聚焦(例如，更接近理想光束)。因此，高功率可变或多态光束整形应用中的一个挑战是，当输入光束仅通过偏移(例如，通过偏移移动输入光束)同时被路由到波导中的单独区域时，避免BPP的过度增加。

这里描述的一些实施方式涉及全光纤技术，以在偏移形状的光束引导区域和环形或部分环形光束引导区域之间转换，这可以使中心芯不受干扰。例如，本文所述的一些实施方式能够经由方位角锥形转变从偏移点光束到环形或环形光束或部分环形的光纤内转换，从而实现相对于突变转变的减小的BPP。例如，当光束具有在给定距离或长度上尺寸逐渐增加的有效半径(例如，空间范围或尺寸)时(例如，类似于光纤锥形)，光束的发散可以随着光束的有效半径在给定距离或长度上增加而逐渐减小。例如，如本文所用，环形梁或环形梁的角扇区(例如，具有部分环形形状的梁)的有效半径通常指具有与环形梁或环形梁的角扇区相同横截面积的圆的半径(例如，与作为环的外半径测量的实际梁半径相反)。因此，光束发散度的减小可以补偿有效光束半径的增加，导致环形输出光束或部分环形输出光束相对于突然转变具有较低的BPP，其中光束半径突然增加，而发散度保持相对不变。

例如，如本文进一步详细描述的，波导可以包括接收第一光束的内(或中心)芯和同心地围绕内芯以接收偏离第一光束一个偏移量的一个或多个相应光束的一个或多个外芯。(一个或多个)外芯可以包括光束引导区域，该光束引导区域在波导的长度上从与移位的偏移光束尺寸匹配的扇区旋转扩展到同心地围绕内芯的环或部分围绕内芯的部分环。例如，光束引导区域可以由一组一个或多个低折射率特征(例如，一个或多个沟槽、烧蚀区域、激光处理区域、低折射率棒、和/或等类似物)限定，这些特征在波导长度上具有变化的取向、形状或方位角范围。这样，移位的偏移光束可以在与偏移光束尺寸匹配的扇区中进入波导(例如，与偏移光束大致相同或稍大)，并且移位的偏移光束可以作为环形光束或部分环形光束离开波导。这样，光束引导区域的方位角锥形过渡的几何形状扩展了依赖于光束移动和/或光束位移作为驱动机构的光束成形系统的能力。此外，因为当有效光束半径的增加是渐进的时，发散度相应地减小，所以这里描述的一些实施方式在可变光束整形系统中实现了较低的BPP状态(实现了较高的光束质量)。

图2A-2B是波导的一个或多个示例实施方式200的示意图，该波导包括在外芯区域中的旋转扩展的光束引导区域。例如，如图2A-2B所示，光学系统可以包括耦合在光束路由器220和多芯传输光纤230之间的中间光纤210(例如，如图1所示的包括中心芯和外芯的双芯传输光纤，或者具有中心芯和同心围绕中心芯的多个外芯的传输光纤)。在一些实施方式中，中间光纤210可以充当中间波导，其可以从光束路由器220接收偏移光束，并且经由中间波导的折射率分布的逐渐转变将偏移光束转换成环形光束(例如，环形)或部分环形光束(例如，部分环形)。类似于光纤锥形，中间光纤210中的绝热转变增大了近场尺寸，同时相应地减小了远场尺寸。例如，如这里所使用的，术语“绝热”可以指中间光纤210的亮度保持特性(例如，随着通过中间光纤210传输的光束的有效半径增加，光束发散成比例地减小，使得有效光束半径和光束发散的乘积保持恒定)。此外，如本文所用，“近绝热”特性可导致有效光束半径和发散度的乘积比纯绝热装置高约10％至约50％。

如图2A所示，中间光纤210可以包括内(或中心)芯215和外芯，内芯215布置成接收来自光束路由器220的第一光束，外芯围绕内芯215并布置成接收第二光束，光束路由器220从第一光束偏移一个偏移量(例如，通过使用耦合器盒或类似机构在自由空间中，或者通过对特定光纤类型施加弯曲在光纤内)。例如，在一些实施方式中，光束路由器220可以在第一束路径中通过内(或中心)芯215向中间光纤210传送束，或者光束路由器220可以在第二束路径中通过外芯向中间光纤210传送束(例如，光束可以在两条光束路径中的任一条中传送，其中一条偏离另一条)。或者，在一些实施方式中，光束路由器220可以将光束分成两部分，包括可以在第一光束路径中传送到中间光纤210的第一部分和可以在第二光束路径中传送到中间光纤210的第二部分。在任一情况下，传送到外芯的偏移光束的空间范围或尺寸可以逐渐扩展成环状光束或部分环状光束，而传送到内芯215的非偏移光束的空间范围或尺寸保持不变。例如，如附图标记212至218所示，外芯包括光束引导区域，该光束引导区域在中间光纤210的长度上从与第二(偏移)光束尺寸匹配的扇区旋转扩展到同心地围绕内芯215的环面(例如，如附图标记218所示)或部分围绕内芯215的部分环面(例如，如附图标记214和216所示)。因此，第二光束通常可以被限制在由附图标记212至218所示的光束引导区域，由此当第二光束逐渐扩展以填充中间光纤210长度上的光束引导区域的增加区域时，第二光束的有效半径可以逐渐增加。此外，在一些实施方式中，当第二光束在中间光纤210的长度上从偏移光束逐渐过渡到环形或部分环形时，第二光束的发散半角可以随着有效光束半径的增加而逐渐减小，从而保存第二光束的BPP(例如，最小化和/或降低第二光束的BPP增加的速率)。

例如，如图2A所示，中间光纤210的外芯包括光束引导区域，该光束引导区域从尺寸与可从光束路由器220接收的(移位的)偏移光束匹配的偏移芯212逐渐过渡到同心地围绕内芯215并且尺寸与多芯传输光纤230的相应外芯匹配和形状匹配的环形环218。例如，如图2A进一步所示，光束引导区域包括偏移芯212和环形环218之间的中间区域214、216，其中中间区域214、216具有部分环形，其尺寸在中间光纤210的长度上逐渐增加。此外，应当理解，尽管图2A示出了偏移芯212和环形环218之间的两个中间区域214、216，但是光束引导区域的部分环形区域可以在中间光纤210的长度上连续地或接近连续地增加(例如，中间区域214、216仅表示偏移芯212和环形环218之间不同点处的中间光纤210的两个横截面，如对角箭头所示)。此外，应当理解，尽管图2A示出了一个例子，其中光束引导区域旋转地扩展成同心地围绕内芯215的环形218，但是光束构建区域可以旋转地扩展成部分地围绕内芯215的部分环形(例如，光束引导区域的最终形状可以是中间区域214、216所示的形状或者偏移芯212和环形218之间的另一中间状态)。

因此，在一些实施方式中，中间光纤210的光束引导区域基本上形成旋转扩展的锥形，该锥形开始于偏移芯212(例如，与移位的偏移光束尺寸匹配的窄扇区)，并且逐渐扩展并穿过具有部分环形形状的中间区域214、216，该中间区域214、216部分围绕内芯215。此外，在一些实施方式中，光束引导区域可以最终桥接以形成同心围绕内芯215的环形环218，或者光束引导区域可以不完全桥接以形成部分围绕内芯215的部分环。因为旋转扩展锥形可以是绝热的或接近绝热的，所以模式混合可以被最小化，从而导致光束发散随着有效光束半径(例如，横截面积、空间范围和/或尺寸)在中间光纤210的长度上增加而减小。例如，在纯绝热跃迁的情况下，发散度与光束所占面积的平方根成反比。这样，由于在中间光纤210的长度上光束发散度的减小和有效光束半径的相应增加，从中间光纤210的外芯和/或多芯传输光纤230的外芯发出的环形或部分环形光束的光束发散度和有效光束半径的乘积可以在离开中间光纤210的内芯215和/或多芯传输光纤230的中心芯的光束的BPP的1倍和3倍之间。

在一些实施方式中，图2A所示的技术，其中中间光纤210从与偏移光束尺寸匹配的偏移纤芯212逐渐过渡到与多芯传输光纤230的外纤芯尺寸匹配和形状匹配的环形环218(或部分环)，可用于许多类型的激光束和终端应用。例如，在一些实施方式中，来自光束路由器220的输入光束可以是单模或多模的，并且输入光束可以是对中间光纤210中使用的材料透明的任何波长。在一些实施方式中，具有逐渐变细的光束引导区域的中间光纤210的示例使用情况可以包括单模或低多模激光束，其波长约为1微米，功率≥1kW，输入BPPs在硅基光纤中传播，范围从0.3毫米乘以毫弧度(mm-mrad)到10.0mm-mrad。此外，尽管在图2A中仅示出了一个偏移到环面或部分环面的过渡，但是在实践中，可以在同一光纤中同心地进行任意数量的过渡。例如，除了内芯或中心芯215之外，中间光纤210可以包括同心围绕内芯215的多个外芯，其中每个外芯包括光束引导区域，该光束引导区域从偏移芯旋转扩展到围绕内芯215的同心环或部分环(例如，逐渐过渡到围绕内芯215的不同同心环和/或部分环的两个或多个偏移芯)。此外，内芯215和偏置扇区212之间的偏置可以与多芯传输光纤230的尺寸一起选择，以便获得具有所需环直径与环宽度之比的环形束或部分环形束。例如，在一些实施方式中，偏移扇区212可以位于相对远离内芯215的位置，以便产生更薄的环或部分环，这在切割和/或焊接应用以及其他示例中可能是有用的。

一般而言，如上所述，图2A示出了中间光纤210，其包括内芯215和一个或多个外芯，每个外芯具有光束引导区域，该光束引导区域在中间光纤210的长度上以连续或接近连续的方式旋转扩展。然而，在实践中，制造以连续方式旋转扩展的光束引导区域可能具有挑战性，因为中间光纤210是旋转不对称的波导。因此，如下面参考图3A-3C进一步详细描述的，一种或多种制造技术可用于通过在中间光纤210的外芯中形成一组在中间光纤210的长度上具有变化的取向或变化的形状或尺寸的一个或多个低折射率特征(low refractiveindex features)来形成旋转扩展光束引导区域。例如，在一些实施方式中，一个或多个低折射率特征可以通过材料烧蚀形成在中间光纤210的外芯中(例如，通过激光加工从中间光纤210的长度上的外芯去除材料，如下面参考图3A进一步详细描述的，或者通过或选择性蚀刻，如下面参考图3B进一步详细描述的)。附加地或替代地，一个或多个低折射率特征可以通过使用飞秒激光(femtosecond laser)、紫外激光(ultraviolet laser)或另一种合适的装置处理中间光纤210的外芯来形成，使得外芯的折射率分布在中间光纤210的长度上绝热或近似绝热地转变。附加地或替代地，如下面参考图3C进一步详细描述的，一个或多个低折射率特征可以在预成型件阶段通过钻孔或切割到外芯中并插入第一低折射率特征(例如，具有低折射率的第一搅拌棒)，在预成型件上施加扭曲，然后钻孔或切割到扭曲的预成型件中并插入第二低折射率特征(例如，第二搅拌棒)来形成。

例如，图2B示出了一个示例实施方式，其中该组低折射率特征通过材料烧蚀(例如，通过激光加工，如下面参考图3A更详细描述的，或者通过或选择性蚀刻，如下面参考图3B更详细描述的)形成为中间光纤210的外芯中的沟槽。例如，如附图标记250、252、254和256所示，中间光纤210被配置为具有光束引导区域的波导，该光束引导区域在中间光纤210的长度上逐渐且旋转地扩展。如附图标记240、242、244和246进一步所示，光束引导区域形成在外芯中，并且在两侧由一对低折射率特征限定，所述特征在中间光纤210的长度上具有变化的取向。可选地，光束引导区域可以由单个低折射率特征限定，该特征在中间光纤210的长度上具有变化的形状。例如，在一些实施方式中，单个低折射率特征可以通过机械加工掉外芯中除了形成光束引导区域的材料之外的所有材料来形成，使得低折射率特征在中间光纤210的长度上改变形状(例如，低折射率特征从与偏移扇区250互补的环的宽扇区开始，形状逐渐转变以形成与参考数字256所示的部分环形互补的长条246，并且最终可能消失，使得光束引导区域作为环形结束)。这样，通过在中间光纤210的长度上改变低折射率特征的取向和/或形状，波导可以可控地从窄扇区(近似限制发射的激光束)过渡到环形或部分环形。例如，如图2B所示，并且通过附图标记240，该组低折射率特征可以包括一对沟槽或机械加工区域，该对沟槽或机械加工区域最初被形成为将发射到中间光纤210的外芯中的激光束近似限制到与发射的激光束尺寸匹配的窄光束引导区域250。如图2B中进一步示出的，并且通过附图标记242，低折射率特征可以对称地(例如，以特定的速率)或者不对称地(例如，以不同的速率，或者在存在多个低折射率特征的情况下，一个低折射率特征在固定的位置)缠绕在外芯周围，由此光束引导区域具有逐渐增长的部分环形形状，如附图标记252所示。如图2B中进一步示出的，并且由附图标记244表示，低折射率特征在逐渐变细以形成环或环带之前可以最终相遇并合并，如附图标记246所示。或者，在一些实施方式中，低折射率特征可能不相遇和/或渐缩(例如，由于制造障碍)，在这种情况下，光束引导区域的最终形状可以是部分环形或部分环状。这样，波导的光束引导区域可控地转变成越来越大的部分环形，如附图标记254所示，并且最终可以形成与多芯传输光纤230尺寸匹配和形状匹配的环形，如附图标记256所示。在一些实施方式中，低折射率特征可以被加工并作为空气留下，或者可以用低折射率玻璃或另一种合适的材料重新套入。

图2A-2B所示的部件的数量和布置作为示例提供。实际上，与图2A-2B所示相比，可以有更多的组件、更少的组件、不同的组件或不同排列的组件。此外，图2A-2B所示的两个或多个组件可以在单个组件内实现，或者在图2A-2B所示的单个组件可以实现为多个分布式组件。附加地或可替换地，图2A-2B所示的一组组件可以执行一个或多个被描述为由图2A-2B所示的另一组组件执行的功能。

图3A-3C是用于制造波导的一个或多个示例300、340、380的图，该波导包括在外芯区中的旋转扩展光束引导区。例如，如本文所述，波导可以是包括内芯或中心芯和一个或多个外芯的光纤，其中中心芯被布置成接收第一输入光束，并且一个或多个外芯各自被布置成接收偏移光束(例如，具有与第一输入光束相同的属性，例如尺寸和形状，但是与第一输入光束偏移一个偏移量的输入光束)。因此，一个或多个外芯可以各自包括光束引导区域，该光束引导区域从与相应的偏移光束相对尺寸匹配的偏移芯逐渐过渡到与多芯传输光纤的环形部分尺寸匹配和形状匹配更好的环形或部分环形芯。如本文所述，波导不是旋转对称的，由此示例300、340、380示出了在一个或多个外芯中产生一个或多个低折射率特征以限定波导的光束引导区域的不同技术。例如，从旋转对称的纤维或预成型件(例如，还没有被拉伸到最终纤维尺寸的结构)开始，图3A中的示例300示出了第一材料烧蚀技术，以使用微机械加工(例如，使用二氧化碳(CO₂)激光器和/或飞秒激光机器)形成一个或多个低折射率特征，图3B中的示例340示出了使用选择性蚀刻形成一个或多个低折射率特征的第二材料烧蚀技术，图3C中的示例380示出了在预成型阶段形成低折射率特征的技术。因此，如本文所述，示例300、340、380示出了制造非旋转对称的中间光纤或波导的各种合适的技术。

例如，如图3A所示，参考标号310，激光加工可以在旋转对称光纤或旋转对称预制件上进行，该预制件包括中心芯312和由第二芯316同心包围的内部低折射率包层314。在一些实施方式中，纵向沟槽318可以通过微机械加工(例如，使用激光烧蚀和/或通过CO2激光器和/或飞秒激光器的激光材料加工，以及其他示例)加工到第二芯316中。在一些实施方式中，沟槽318可以被微机械加工以穿透第二芯316到围绕中心芯312的包层314的几微米内，或者一直到包层314。除了在第二芯316的外边缘处的外部界面和围绕中心芯312的低折射率包层314之外，沟槽318可以限定类似于偏移芯光纤的波导。可选地，在一些实施方式中，第二芯316中的所有材料可以被加工掉(例如，包括图3A中的整个浅阴影区域)，使得第二芯316中唯一剩余的材料是形成光束引导区域的材料。此外，在一些实施方式中，可以使用火焰处理、湿法蚀刻、干法蚀刻和/或另一种合适的技术来使激光加工产生的光束引导区域变圆，以更接近地类似于偏移圆形芯。在一些实施方式中，激光加工可以通过进一步的工艺来补充，以改善结构的形状或可制造性(例如，使用激光加热或化学蚀刻来平滑或整形沟槽318和/或形成光束引导区域的材料的表面)。

如图3A中进一步示出的，通过附图标记320，由激光加工产生的结构可以重新套在具有低折射率内层322的管中，或者可以从气相沉积低折射率材料层。在任一种情况下，低折射率材料可以填充沟槽318(或机械加工区域)以在没有光束外部空气界面的全玻璃结构中形成一个低折射率特征或一对低折射率特征。或者与重新套管同时进行，或者作为最后的制造步骤，波导结构可以被拉低到最终尺寸。附加地或替代地，在一些实施方式中，可以在第二芯316中形成两个以上的低折射率特征，以限定附加的波导部分(例如，将两个输入光束中的每一个从一个点逐渐转变成半环形，和/或将多个输入光束中的每一个从一个点逐渐转变成部分环形，以及其他示例)。

在一些实施方式中，因为波导在两侧由填充微加工沟槽318(或加工区域)的低折射率材料限定，所以波导可以通过在光纤长度上改变一个或多个低折射率特征的取向和/或形状来可控地从窄扇区(近似限制发射的激光束)过渡到环或部分环。例如，如上参考图2B所述，最初可以形成一对沟槽318，以将发射的激光束近似限制在狭窄的光束引导区域，并且一个或多个沟槽318可以围绕芯，使得光束引导区域逐渐增长。因此，该对沟槽318最终可以在逐渐变细之前相遇并合并，使得波导可控地过渡到与传输光纤尺寸匹配和形状匹配的环或环带。或者，该对沟槽318可以不完全会合，使得波导可控地过渡到部分环形或部分环状。或者，在通过机械加工掉除光束引导区域之外的所有材料来形成单个低折射率特征的情况下，机械加工掉的材料的量可以在光纤的长度上逐渐减少，使得机械加工掉的区域从与偏移扇区互补的环的宽扇区开始，并且在形状上逐渐过渡以形成与光束引导区域的部分环形互补的部分环。此外，在一些实施方式中，在光束引导区域以环形结束的情况下，机加工区域可能最终消失。

在一些实施方式中，低折射率特征的取向和/或形状的转变过程可以通过激光加工来控制，并且可以控制低折射率特征的取向和/或形状在其上旋转的装置的有效长度。为了提供具有高亮度效率的绝热或近绝热转变，有效长度应该至少为1毫米，更优选为10-50毫米。大于50毫米的有效长度在一些应用中也可能是有用的，例如对于大直径光束或在高偏斜设计中。在一个或多个低折射率特征形成为两个或多个沟槽318的情况下，沟槽318的取向可以不对称地改变(例如，第一沟槽318以第一速率移动，第二沟槽318以不同的速率移动，或者根本不移动)，或者所有沟槽318可以对称地改变(例如，如图2B所示)。另外，在一些实施方式中，整个结构可以旋转以赋予歪斜(例如，角动量或旋转特征)。例如，光束引导区域可以在形状上演化，但是不会引入偏斜，因为波导不旋转(例如，12点钟总是外波导的方位角“中心”，使得外芯的方位角中心在波导的长度上是固定的)。或者，在一些实施方式中，可以通过在拉伸的螺旋轨迹上制造一个或多个低折射率特征，或者通过用火焰进行后处理来引入旋转，在这种情况下，外芯的方位角中心可以在波导的长度上旋转。以这种方式，可控制的偏斜可以被引入发射到外芯的光束引导区域中的光束，使得能够在恒定的光束尺寸下进行独立的BPP控制。以这种方式，波导可以被配置成传送具有高亮度且没有偏斜的光束，或者传送具有稍低亮度的偏斜光束。

在一些实施方式中，图3B示出了使用选择性蚀刻(例如，经由空间选择性蚀刻掩模)来制造波导的示例340，该波导具有逐渐过渡到环形或环状芯的旋转扩展光束引导区域。例如，如图3B所示，通过参考数字342，抗蚀刻剂(例如氢氟(HF)酸)的蚀刻掩模可以被施加到旋转对称纤维或预成型结构的一部分或全部。例如，蚀刻掩模可以是半导体加工中使用的光致抗蚀剂。在一些实施方式中，蚀刻掩模可以被光学处理以去除蚀刻掩模的选择性材料，并且蚀刻掩模被去除的区域可以在被置于酸浴中时将玻璃暴露于蚀刻剂材料(例如，HF酸)，从而允许空间选择性材料去除，如附图标记344所示。如参考标号346进一步示出的，蚀刻掩模可以在选择性蚀刻之后被移除，并且如参考标号348进一步示出的，该结构可以以类似于上面参考图3A描述的方式被重新套入和/或下拉。此外，在一些实施方式中，蚀刻掩模342可以被图案化以形成作为一对沟槽的一组低折射率特征(例如，如图3B所示)，或者蚀刻掩模342可以被图案化以将除了限定光束引导区域的外芯的一部分之外的外芯的所有区域暴露于蚀刻剂材料(例如，在单个低折射率特征的情况下)。

虽然选择性蚀刻方法的前述描述使用蚀刻掩模和经由酸浴的空间选择性材料去除，但是根据材料系统，可以执行正和/或负光刻以空间选择性方式去除材料。附加地或替代地，可以执行掺杂剂依赖的蚀刻，在这种情况下，波导结构可以由定制的预成型件制造，该预成型件包括特定掺杂剂的空间选择性浓度以提高或抑制蚀刻速率。作为使用蚀刻掩模的替代方案，待蚀刻的玻璃可以被局部敏化(例如，通过暴露于飞秒激光)。

在一些实施方式中，不是通过材料烧蚀来执行激光处理或选择性蚀刻以形成低折射率特征(例如，如图3A-3B所示)，光纤可以被处理以局部改变折射率(例如，使用飞秒或紫外激光调谐以引起折射率偏移而不是材料烧蚀)。取决于折射率修改过程是否导致折射率的增加或减少，被处理以局部改变折射率并由此形成低折射率特征的结构可以分别是外芯锥形引导区域或两个沟槽形边界。此外，在一些情况下，这种折射率改变可以在本体材料内部而不是仅在表面上进行，由此起始材料可以是类似于图3A中的附图标记320和/或图3B中的附图标记348所示的再套结构的完全再套部件。在这种情况下，在纤维被完全拉伸后，外芯结构可以作为最后一步被刻入。

在一些实施方式中，图3C示出了制造具有旋转扩展光束引导区域的波导的技术的示例380，该旋转扩展光束引导区域在预成型阶段逐渐过渡到环形或部分环形。例如，如图3C所示，参考数字382，用于制造波导的起始结构可以是阶跃折射率预制棒，其具有第一(中心)芯、同心围绕中心芯的环形外芯、以及在中心芯和环形外芯之间的界面处的内包层。如图3C中进一步示出的，并且通过附图标记384，可以在环形外芯中钻出、切割或以其他方式形成第一孔，并且第一低折射率特征(例如，第一搅拌特征(first stirring feature)，例如第一低折射率棒)可以插入第一孔中。因此，然后可以在预成型件上施加扭曲，使得第一低折射率特征的角位置在预成型件的长度方向上变化。如图3C中进一步示出的，并且通过附图标记386，可以在扭曲的预成型件中钻出、切割或以其他方式形成第二孔，并且第二低折射率特征(例如，第二搅拌特征(second stirring feature)，例如第二低折射率棒)可以插入第二孔中。然后可以在第一和第二低折射率特征上旋转或不旋转的情况下拉伸扭曲的预成型件，从而使用以不同速率围绕预成型件的中心旋转的低折射率特征来产生旋转扩展的光束引导区域。

尽管图3A-3C示出了制造波导的示例制造步骤，该波导由一个或多个低折射率特征限定，该特征在波导的长度上具有变化的取向。在一些实施方式中，可以制造波导，该波导包括额外的制造步骤、更少的制造步骤、不同的制造步骤或者不同于图3A-3C所示的不同布置的制造步骤。附加地或替代地，图3A-3C所示的两个或多个制造步骤可以并行执行。

图4是与制造波导相关的示例过程400的流程图，该波导包括在外芯区中旋转扩展的光束引导区域。

如图4所示，过程400可以包括接收结构，该结构包括中心芯和同心围绕中心芯的一个或多个外芯(方框410)。在一些实施方式中，该结构包括旋转对称的纤维或预制件。

如图4中进一步示出的，过程400可以包括在同心围绕中心芯的一个或多个外芯的每一个中形成光束引导区域，该光束引导区域在相应外芯的长度上旋转扩展成同心围绕中心核的环或部分围绕中心核的部分环(框420)。

过程400可以包括额外的实施方式，例如下面描述的和/或结合本文别处描述的一个或多个其他过程的任何单个实施方式或实施方式的任何组合。

在第一实施方式中，形成光束引导区域包括执行材料烧蚀，以在一个或多个外芯的每一个中形成一组低折射率特征，这些特征在相应外芯的长度上具有变化的取向或变化的形状。

在第二实施方式中，单独或与第一实施方式相结合，执行材料烧蚀包括执行激光加工或选择性蚀刻，以通过去除相应外芯长度上的材料来形成该组低折射率特征。

在第三实施方式中，单独地或与第一和第二实施方式中的一个或多个相结合，形成光束引导区域还包括使用火焰处理或蚀刻使包括在低折射率特征组中的一个或多个低折射率特征变圆。

在第四实施方式中，单独地或者与第一至第三实施方式中的一个或多个相结合，形成光束引导区域包括在将第一低折射率特征插入到形成在该结构的一个或多个外芯中的第一孔中之后扭曲该结构，并且在该结构被扭曲之后将第二低折射率特征插入到形成在一个或多个外芯中的第二孔中。

在第五实施方式中，单独或与第一至第四实施方式中的一个或多个结合，形成光束引导区域包括使用飞秒激光或紫外激光处理一个或多个外芯，所述飞秒激光或紫外激光被调谐以使一个或多个外芯的折射率分布在一个或多个外芯的长度上绝热或近似绝热地转变。

尽管图4示出了过程400的示例框，但是在一些实施方式中，过程400可以包括与图4中所示的那些框相比，额外的框、更少的框、不同的框或不同排列的框。附加地或替代地，过程400的两个或更多个框可以并行执行。

前述公开内容提供了说明和描述，但不旨在穷举或将实施方式限制于所公开的精确形式。可以根据上述公开进行修改和变化，或者可以从实现的实施方式中获得修改和变化。此外，这里描述的任何实施方式都可以被组合，除非前述公开明确地提供了一个或多个实施方式不能被组合的理由。

即使特征的特定组合在权利要求中被引用和/或在说明书中被公开，这些组合并不旨在限制各种实施方式的公开。事实上，这些特征中的许多可以以权利要求中没有具体叙述和/或说明书中没有公开的方式组合。尽管下面列出的每个从属权利要求可以直接依赖于仅一个权利要求，但是各种实施方式的公开包括每个从属权利要求以及权利要求集中的每个其他权利要求。如这里所使用的，涉及项目列表中的“至少一个”的短语是指那些项目的任何组合，包括单个成员。例如，“a、b或c中的至少一个”意在涵盖a、b、c、a-b、a-c、b-c和a-b-c，以及相同项目的多个的任意组合。

除非明确描述，否则这里使用的元件、动作或指令不应被解释为关键或必要的。此外，如本文所用，冠词“一”旨在包括一个或多个项目，并且可以与“一个或多个”互换使用。此外，如本文所用，冠词“该”旨在包括与冠词“该”相关联的一个或多个项目，并且可以与“该一个或多个”互换使用。此外，如本文所用，术语“集合”旨在包括一个或多个项目(例如，相关项目、不相关项目或相关和不相关项目的组合)，并且可以与“一个或多个”互换使用。当只打算使用一个项目时，使用短语“仅一个”或类似的语言。此外，如本文所用，术语“有”、“具有”、“含有”等意在是开放式术语。此外，短语“基于”意在表示“至少部分基于”，除非另有明确说明。此外，如本文所用，术语“或”在串联使用时旨在包括在内，并且可以与“和/或”互换使用，除非另有明确说明(例如，如果与“任一”或“仅其中之一”结合使用)。此外，为了便于描述，这里可以使用空间上相对的术语，例如“下”、“下方”、“上”、“上方”等，来描述一个元件或特征与图中所示的另一个元件或特征的关系。除了图中所示的方向之外，空间相关术语旨在包括使用或操作中的设备、装置和/或元件的不同方向。该设备可以以其他方式定向(旋转90度或在其他方向)，并且这里使用的空间相对描述符同样可以相应地解释。

Claims (20)

1.一种波导，包括:

布置成接收第一光束的内芯；和

围绕内芯并被布置成接收第二光束的外芯，该第二光束从第一光束偏移一个偏移量，

其中所述外芯包括光束引导区域，所述光束引导区域在所述波导的长度上旋转扩展成同心地围绕所述内芯的环或部分围绕所述内芯的部分环。

2.根据权利要求1所述的波导，其中所述光束引导区域由一组低折射率特征限定，所述特征在所述波导的长度上具有变化的取向或变化的形状。

3.根据权利要求2所述的波导，其中所述波导被配置为当所述第二光束穿过所述波导时，将所述第二光束限制在由所述一组低折射率特征限定的光束引导区域内。

4.根据权利要求2所述的波导，其中所述一组低折射率特征的所述变化的取向或变化的形状使得所述第二光束作为偏移光束进入所述波导，并且作为环形光束或部分环形光束离开所述波导。

5.根据权利要求2所述的波导，进一步包括:

内芯和外芯之间的包层，

其中光束引导区域进一步由包层和外芯边缘处的外部界面限定。

6.根据权利要求1所述的波导，其中所述第二光束作为环形光束或部分环形光束从所述波导发出，所述环形光束或部分环形光束的光束参数乘积(BPP)小于或等于从所述内芯发出的第一光束的BPP的三倍。

7.根据权利要求1所述的波导，其中，所述第二光束的发散度随着所述光束引导区域的面积在所述波导的长度上增加而减小。

8.根据权利要求1所述的波导，其中所述外芯的方位角中心在所述波导的长度上是固定的。

9.根据权利要求1所述的波导，其中所述外芯的方位角中心在所述波导的长度上旋转。

10.一种光学系统，包括:

光束路由器，被配置为生成第一光束或至少一个第二光束中的一个或多个，至少一个第二光束从所述第一光束偏移一个偏移量；

传输光纤，包括传输第一光束的内芯和同心地围绕内芯传输至少一个第二光束的至少一个环形外芯；和

布置在光束路由器和传输光纤之间的中间波导，其中中间波导包括:

布置成接收第一光束的内芯；和

至少一个外芯，其围绕所述内芯并且被布置成接收从所述第一光束偏移所述偏移量的至少一个第二光束，

其中，中间波导的至少一个外芯包括光束引导区域，该光束引导区域在中间波导的长度上旋转扩展成同心地围绕内芯的环形或部分围绕内芯的部分环形。

11.根据权利要求10所述的光学系统，其中所述中间波导进一步包括:

内芯和至少一个外芯之间的包层，

其中光束引导区域由包层、至少一个外芯边缘处的外部界面和一组低折射率特征之间的区域限定，所述一组低折射率特征在波导的长度上具有变化的取向或变化的形状。

12.根据权利要求11所述的光学系统，其中所述一组低折射率特征的变化的取向或变化的形状使得所述至少一个第二光束作为偏移光束进入所述中间波导，并且作为环形光束或部分环形光束从所述中间波导发出，所述环形光束或部分环形光束与所述传输光纤的至少一个环形外芯尺寸匹配和形状匹配。

13.根据权利要求10所述的光学系统，其中所述中间波导的所述至少一个外芯具有在所述中间波导的长度上绝热或近绝热转变的折射率分布。

14.根据权利要求10所述的光学系统，其中所述至少一个第二光束的发散度随着所述光束引导区域的面积在所述中间波导的长度上增加而减小。

15.一种制造波导的方法，包括:

接收包括中心芯和一个或多个同心围绕中心芯的外芯的结构，

其中该结构包括旋转对称的纤维或预制件；和

在同心地围绕中心芯的一个或多个外芯的每一个中形成光束引导区域，该光束引导区域在相应外芯的长度上旋转地扩展成同心地围绕中心芯的环或部分地围绕中心芯的部分环。

16.根据权利要求15所述的方法，其中形成所述光束引导区域包括:

执行材料烧蚀以在一个或多个外芯的每一个中形成一组低折射率特征，这些特征在相应外芯的长度上具有变化的取向或变化的形状。

17.根据权利要求16所述的方法，其中执行材料烧蚀包括:

通过去除各个外芯长度上的材料，执行激光加工或选择性蚀刻以形成该组低折射率特征。

18.根据权利要求16所述的方法，其中形成所述光束引导区域进一步包括:

使用火焰处理或蚀刻将包括在该组低折射率特征中的一个或多个低折射率特征变圆。

19.根据权利要求15所述的方法，其中形成所述光束引导区域包括:

在将第一低折射率特征插入在结构的一个或多个外芯中形成的第一孔中之后扭转结构；和

在该结构已经被扭曲之后，将第二低折射率特征插入到形成在一个或多个外芯中的第二孔中。

20.根据权利要求15所述的方法，其中形成所述光束引导区域包括:

使用飞秒激光或紫外激光处理所述一个或多个外芯，所述飞秒激光或紫外激光被调谐以使所述一个或多个外芯的折射率分布在所述一个或多个外芯的长度上绝热或近绝热地转变。

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