CN1208639C - 光学耦合 - Google Patents

Abstract

本发明涉及第一透镜端与第二透镜端之间的光学耦合，提供了具有预定间隔及角度方向的可靠接合。该光学耦合允许第一透镜端相对第二透镜在至少两个对准方向上移动。有利的是，本发明允许在光学耦合固定之前第一透镜端相对第二透镜端在垂直于透镜光轴的方向上移动。该第一透镜与第二透镜被固定在单独的套管内并且套管被固定在一起。第一端与第二透镜端在彼此固定到位之前被光学地对准。

Description

光学耦合

技术领域

本发明涉及一种光学耦合系统，尤其是提供光学元件之间的可靠接合的一种连接系统。尤其，本发明提供一个光纤与一个透镜或者两个透镜之间的光学耦合。

背景技术

光学装置制造中采用的最常见的光学连接是在一个光纤与一个透镜如渐变折射率(GRIN)透镜之间。通常有两种方法获得连接。一种常见的耦合系统包括一个套管，其中通过使套圈及透镜的侧面连接到套管的内腔，从而使支撑外罩/套圈内的一个光纤端连接到透镜。例如，透镜直径、套圈直径或套内腔的尺寸及位置的制造公差，会引入差异，使得采用这种类型的连接难以实现精确的对准。套管必须具有足够大的内部尺寸，以在其最大公差时容纳一个套圈或透镜。因此，较小的元件可能会意外地变得不再与套管内的其它元件对准。套圈内的光纤端不总是同心的。当套圈内径对于光纤太大时，套圈内腔不是理想地对中，或者光纤芯稍微偏心，需要调节或调谐光纤与透镜的对准。这在现有技术的耦合套管范围内是困难的。环境中的温度变化还会导致套管耦合器中的不同元件有不同的响应，进一步影响耦合质量。在许多例子中，理想的是使光纤在透镜上的一个端口处对准，该端口与透镜的光轴相邻，而不是对准。这在一个套管连接内不是直接的。

另一个常见的实例是将一个光纤耦合到一个透镜，例如一个渐变折射率(GRIN)透镜，方法是将该光纤放入一个套圈或光纤外罩，并且在该套圈的一个端面与透镜的一个面之间涂一层粘接剂，使二者直接连接。套圈到透镜的直接粘接连接有利于耦合元件的对准，并且提供了一个均匀的接合。透镜和套圈的平面端面可靠地贴合，避免耦合处多余的倾角。不用限制的套管耦合器就有可能定位与透镜的光轴相邻的光纤。并且，有可能只需要较容易的对准调谐以补偿偏心光纤在套圈内的定位。但是，本方法仅能用于具有平坦表面的透镜，这限制了本方法的应用。此外，光纤与透镜的间距必须精确控制，要求透镜设计上的公差很严格。

将一个光纤端耦合到一个光学元件，如一个透镜，存在一些定位变量：元件间距以及相对于光轴的耦合点是其中两个变量。常见的耦合技术不能提供一个同时调节元件间距及耦合点的方便的方法。

常常需要在元件之间进行具有精确的预定距离的耦合，采用直接粘接连接是不可行的。固定具有所需间距的元件典型地是通过将其固定在带粘接剂的基底上实现的。但是，这种方法难以建立一个精确的间距及对准。

使用单个套管，将光纤及透镜的端部放入其中，这样仅允许沿单个轴，即沿透镜的光轴和套圈的纵轴的调谐/对准过程中的调节。如果在一个光学耦合的调谐/对准过程中能够提供附加的调节方向，将会更有利。

需要提供一种耦合系统，能够提供一种可靠的方法，用于光学元件之间的耦合。还需要提供一种耦合系统，能够精确地控制光学元件的间距，并且提供对被耦合的光学元件的对准的调节。

发明内容

本发明提供了间隔开的光学耦合，用于一个光纤与一个透镜之间的精确耦合。该光学耦合包括分别装在单独套管内的一个光纤端和一个透镜端。此外，本发明提供了在固定各个光学元件之前多于一个方向的调谐/对准机会，并且提供了一个可靠的均匀的接合。

因此，本发明提供了一种光学耦合，包括：具有纵轴的一个光纤外罩，用于容纳至少一个光纤；具有光轴的一个透镜，该透镜用于将一束光线导入至少一个光纤和/或用于从至少一个光纤接收一束光线，一个第一套管，用于容纳该光纤外罩；一个第二套管，用于容纳该透镜，该第一与第二套管具有互补的端面，允许在其插入各自套管时关于透镜的光轴及光纤外罩的纵轴相对移动，使得通过调节两个套管的相对位置实现一个理想的耦合。理想地，通过在两个互补面之间形成一个均匀接合而固定该耦合。

因此，本发明进一步提供了一种光学耦合，包括：具有纵轴的一个光纤外罩，用于容纳至少一个光纤；具有光轴的一个透镜，该透镜用于将一束光线导入该至少一个光纤和/或用于从该至少一个光纤接收一束光线，一个套管，用于容纳该透镜，其中至少一部分光纤外罩与套管具有互补的端面，允许在透镜插入其套管时关于透镜的光轴及光纤外罩的纵轴移动，使得通过调节套管与光纤外罩的相对位置实现一个理想的耦合。理想地，通过在两个互补面之间形成一个均匀接合而固定该耦合。

根据本发明，提供了一种光学耦合，用于光学耦合第一与第二隔开的光学元件，包括：

一个第一套管，套入具有纵向光轴的第一光学元件；

一个第二套管，套入具有纵向光轴的第二光学元件，该第一和第二套管具有互补的端面，当相互接触时，允许在其各自套管内关于光学元件的光轴相对横向移动，使得通过横向调节两个套管的相对位置，在套管被固定在一起之前可以实现一个理想的耦合，最接近光纤套管的透镜的端面与光纤的端面彼此隔开，而互补的端面接触；以及，

套管的两个互补端面之间具有粘接剂，连接这两个端面，其中第一套管与第二套管包括配合部分，该配合部分允许套管在垂直于其纵轴的平面内进行有限的相对移动，在粘接剂固化之前，套管相互相对横向偏移，用于精调谐该光学耦合，使得得到一个理想的光学耦合。

根据一个光学耦合器的一个方面，该光学耦合器具有至少四个套管，每个套管装一个具有纵轴的光学元件，至少两个元件是光学波导，套管首尾相连排列，并且至少一个被横向偏移，以实现光学波导之间的最佳光学耦合，套管各端通过其间固化的粘接剂被永久地固定在一起。

根据本发明，提供了一种光学耦合器，具有至少二个套管，每个套管装一个具有纵轴的光学元件，至少一个光学元件是透镜，套管首尾相连排列，并且具有横向偏移的中心纵轴，以实现光学元件之间的最佳光学耦合，套管各端通过其间固化的粘接剂被永久地固定在一起。

根据本发明的另一方面，提供了一种方法，用于制造一种光学耦合器，该光学耦合器具有至少一个第一和第二套管，套管具有互补的端面用于接触，并且在其间涂粘接剂后提供了一个固定的接合，包括步骤：

将一个第一光学元件放入第一套管，并且用粘接剂将该元件固定在其中；

将一个第二光学元件放入第二套管，并且调节该元件在套管内沿其长度的位置，以实现一个所需的耦合，直到两个套管沿其纵向中心轴基本对准；以及，

将粘接剂涂在套管的至少一个互补端面上；

连接套管使得其端面配合；以及，

横向偏移套管的纵轴，以提供一个最佳光学耦合。

参考理想实施例的详细描述和附图，仅用例子说明本发明的理想实施例，本发明的优点对于熟练的技术人员很明显。

附图说明

现在将结合附图描述本发明的一个实施例，附图中相同的参考数字表示相同的项：

图1是单个光纤的截面侧视图，该光纤装在一个光纤管形式的光纤外罩中。该单个光纤与该光纤管终止于一个齐平的倾斜抛光的端面。一个透镜也显示终止于一个倾斜的抛光的端面。

图2是一个透镜与多个光纤的透视侧视图，光纤装在一个光纤管中。该多个光纤与光纤管终止于一个齐平的倾斜抛光的端面，并且透镜终止于一个互补的倾斜抛光的端面。

图3是现有技术的单个套管光学耦合的截面侧视图，拥有装在一个光纤管内的光纤，以及具有倾斜的抛光的端面的一个透镜。在图3(a)中光纤管与透镜被固定在套管的侧壁上，在图3(b)中光纤与透镜的端面的间隔填充着粘接剂。

图4是本发明的光学耦合的截面侧视图。多个光纤装在一个光纤管内。该多个光纤与该光纤管终止于一个齐平的倾斜抛光的端面。一个透镜也显示终止于一个倾斜的抛光的端面。抛光的倾斜端面被装在各自套管内，套管邻接且通过套管端面之间的一个均匀结合固定到位。

图5是本发明的光学耦合的截面侧视图，与图4基本类似，除了使装在光纤管内的多个光纤从其套管伸出，替代了透镜从其套管伸出。

图6是本发明的光学耦合的截面侧视图，与图4基本类似，除了多个光纤和透镜的各自端面不从其各自套管伸出。

图7是本发明的单个套管光学耦合的截面侧视图。多个光纤显示装在单个套管内。一个透镜也显示在一个套管内。多个光纤与单个套管终止于一个齐平的倾斜抛光的端面，透镜终止于一个倾斜的抛光的端面。倾斜的端面显示彼此互补。

图8是本发明的另一个光学耦合的截面侧视图。多个光纤装在一个光纤管内。该多个光纤与光纤管终止于一个倾斜的齐平的抛光端面，透镜终止于一个倾斜的抛光端面。该光纤管具有一个阶跃部分，与互补套管的互补端邻接。

图9是本发明的光学耦合的图解，提供至一个光学装置的输入端口以及自该光学装置的输出端口。

图10是本发明的一个实施例的图解，其中一个较小的滤波器元件被粘接到一个GRIN透镜上，基底端靠着透镜，且涂层端是无胶的。

具体实施方式

提供了一种光学耦合，理想地使用了两个具有互补端面的套管，以提供彼此隔开的一个光纤与一个透镜之间的光学耦合。这里所述的耦合不需要在光学路径内有粘接剂，并且提供了光纤与透镜的光学对准的相当大的灵活性，同时提供了一个可靠的和稳定的接合。

参考图1，显示将被光学耦合的已知元件，即光纤30和透镜45的截面侧视图。透镜45用于将一束光线导入该光纤和/或用于从光纤30接收一束光线。光纤30装在一个光纤管/套圈25内，光纤管25支撑光纤30并使其固定在上面。光纤管25具有端部6，光纤30具有端部35。端部被抛光齐平。端部35与50被抛光到同一互补的非直角。为简便仅显示单个光纤30。在工作中，当光纤30与透镜45对准时，光线通过光纤传播并作为一个点光源从光纤端传播。从光纤30的端部35传播的光线进入透镜45并被其准直。

参考图2，显示已知的透镜45及装在光纤管25内且被其支撑的多个光纤30。光纤管25的端部6用透视图显示，具有多个光纤端面35。透镜45的端部50用虚线显示。在工作中，当光纤30与透镜45对准时，光线通过光纤并作为点光源从光纤30的端面传播。从光纤30的端面35传播的光线进入透镜45并被其准直。

参考图3(a)，显示一个现有技术的单个套管耦合8，其中单个套管3容纳光纤30，光纤30被支撑并装在光纤管25内，并光学地耦合到透镜45。由图3(a)，显然在将光纤管25与透镜45固定到位之前，单个套管3允许的几何约束上的变化极小。在固定之前，有可能：a)旋转对准光纤管和透镜；以及b)改变光纤30和透镜45的各自端面35和50之间的距离。但是，就所需的几何操作来说，两种可能的几何操作是不够的。能够在垂直于透镜45的光轴的方向上对准光纤30和透镜45将是有利的。图3所示的现有技术的单个套管光学耦合8不能在垂直于透镜45的光轴的方向上进行对准光纤30和透镜45的操作。

图3(b)显示另一个现有技术的耦合方法，其中光纤管25和透镜45用环氧树脂38固定在一起。在这种方法中，光纤管与透镜的相对位置可以在垂直于透镜45的光轴的方向调节，但是，由于透镜尺寸的公差，环氧树脂厚度难以控制，可能造成不稳定。

与上述现有技术的耦合相比，本发明允许光纤30和透镜45通过垂直于透镜光轴的移动对准，同时还提供了元件之间的一个均匀的接合。迄今为止，这已成为所需的。参考图4，显示本发明的一个光学耦合10。第一套管15和第二套管20具有互补的邻接的端部，用直线17表示。位于第一套管15内的是光纤管/套圈25，支撑并固定到光纤30，光纤30具有一个端面35。光纤30的端面35与光纤管25的端部40齐平。光纤30的端面35和光纤管25的端40被抛光，使其与光纤管25限定的纵轴不垂直。也就是说，光纤的端面35是倾斜的。位于第二套管20内的是一个透镜45，例如GRIN透镜。透镜45也具有一个倾斜的端面50，与光纤30的倾斜端面35互补。两个端面35和50被固定在一起，同时其间保持一个间隙。光纤管25被固定到第一套管15且透镜45被固定到第二套管20，并且两个套管被固定在一起，而不是象现有技术中那样用环氧树脂连接两端面。涂在元件端面的抗反射涂层使由光学元件之间的最终间隙的折射率变化引起的反射减小到最低限度。

再参考图4，通过在互补的邻接端面17和套管的内表面应用一种表面固定方法，如环氧树脂，从而固定光学耦合10。这样形成的接合在性质上是基本均匀的。表面固定方法并不限于粘接剂。用于固定光学元件的粘接剂被理解为包括：环氧树脂；金属焊剂；玻璃焊剂；液体玻璃；胶等等。或者，光学元件可以被提供例如一个金属涂层用于焊接到套管。当然，所选择的任何方法都应得到稍微均匀的接合。形成光学耦合10的一种方法是首先将透镜45固定在第二套管20内，使得具有端面50的棒状透镜的端部从第二套管20伸出。或者，端面50不从第二套管20伸出，而是相对光纤管25插进一段距离，以得到所需的间隙。将第一套管15放在靠着第二套管20的邻接的位置，如图4所示，光纤管25在适当的位置。或者将第一套管15定位在邻接位置之后插入光纤管25。旋转对准光纤30和透镜45，使得光纤30的端面35与透镜45的端面50彼此互补。现在有可能在相互基本垂直的三个方向调谐光纤30与透镜45之间的光学耦合。第一方向的提供是在沿光纤管25的纵轴方向移动光纤管25。用这种方式，两个端面35和50彼此移近或移开。第二及第三方向的调节是通过相互靠着滑动邻接端17，使得两个端面35和50在垂直于光纤管25的纵轴的方向彼此相对移动。用这种方式，可以完成光学耦合的调节而不阻碍或妨碍光学传输的质量。当然，当光学元件之间的间隙为已知距离时，光纤管25被固定在第一套管15内，且不沿其纵轴调谐。或者，当光学元件之间需要任意小的尺寸间隙时，光纤管25被固定在第一套管15内且不沿其纵轴调谐。

图4所示的透镜45伸入第一套管并且限制垂直于光纤管25纵轴，即水平轴方向的移动。在此实施例中，光纤管25的直径比透镜45大。对于熟练的技术人员，显然可以根据要求制造不同尺寸的元件。光学元件的对准顺序不是本发明的本质。可以通过最初彼此靠着滑动邻接端17，然后沿光纤管25的纵轴移动端面35和50中的至少一个，从而对准。或者，对准的过程是一个反复的连续的过程。透镜45和光纤管25每个以预定的方式固定在其各自套管内，然后通过垂直于光纤管25的纵轴的套管移动而对准端面，这也在本发明的范围内。现在很明显，本发明提供了较图3所示的现有技术的单个套管光学耦合的优点。在多于一个垂直方向调谐/对准的机会是本发明所提供的一个优点。

尽管上述套管之间的有限移动被限制在受嵌入套管中的一个开口的一个透镜物理限制的相对移动，但是应当理解到本说明书意图内的有限移动包括了被限制到一段有效范围的移动，以允许被固定在一起的套管表面的有效耦合或充分耦合。

参考图5，显示一个实施例，其中光纤管25伸入第二套管17。在此实施例中，光纤管25的直径小于透镜45。以类似图4的光学耦合的方式，在将套管固定在一起之前，提供了在垂直于光纤管25的纵轴方向的有限移动。

参考图6，显示另一个实施例。根据本发明有可能使光纤30的端面35与透镜对准，而不限制垂直于光纤管25纵轴方向的移动。

或者，为光学耦合11提供单个套管。参考图7，单个套管60用于将透镜45光学地耦合到光纤30。单个套管60具有一个端部65，与光纤管25倾斜基本相同的角度。透镜45的直径小于光纤管25，并且位于单个套管60内。单个套管60和光纤管25具有直线67所示的互补的邻接端。光纤管的端部40被固定到单个套管的端面65。当光纤管25和单个套管60旋转对准时，提供了一个线性耦合。现在有可能以三种方式调谐光纤30和透镜45之间的光学耦合。在单个套管60内沿光轴移动透镜45提供了调谐的第一方向。用这种方式，两个端面35和50沿光纤管25的纵轴相互移近或移开，同时在两个端面35和45之间保持一个空气间隙。熟练的技术人员将理解到术语“空气间隙”延伸到例如氮、氖等的其它气体或其混合物。通过彼此靠着滑动邻接端67由此在垂直于光纤管25纵轴的方向彼此相对移动两个端面35和65，也实现了调谐。因此，以类似图4所述的方式，在彼此相对固定光纤35和透镜45之前，完成了光学耦合的调谐。光纤管25的端部40和单个套管60的端部65被结合在一起，透镜45和单个套管60也是。当然，当使用如图7的一个实施例时，支持透镜45和光纤管25之间角度方向的调谐。套管的旋转由于其倾斜的端面而使光学元件的光轴之间的角度改变。

参考图8，显示单个套管62光学耦合11的另一个实施例。单个套管62具有一个平直的端部67，与透镜45的光轴基本垂直。光纤管26具有不同直径的两段。第一段68的直径小于透镜45，第二段69的直径大于透镜45。透镜和第一段68都配合到单个套管62内。限定了第一段68与第二段69的边界的阶跃部分64与套管的端部67邻接。阶跃部分64是平直的，并且与光纤管26的纵轴基本垂直。如所述，第一段68与第二段69同心，但是这不是本质的。在固定光学耦合11之前，互补且邻接的阶跃部分64和套管62的端部67允许垂直于透镜光轴的移动。第一段68的直径足够小，以允许套管内的移动并且用于通过限制垂直于透镜光轴的移动提供一个止动。光学耦合11的对准过程与上述类似。

参考图9，本发明的光学耦合10a和10b被显示提供一个输入端口和一个输出端口到装置100。装置100不是本发明的本质，且是例如一个绝缘体、环行器或一个滤波器等。在工作中，光信号通过光纤30a馈给，通过由如上述的光学耦合10a所加的几何约束导入透镜45a。透镜将光信号路由到装置100。由装置100引出的光信号通过另一个透镜45b引出，直接导入光纤30b。

尽管以上描述是指GRIN透镜，但是根据本发明也可以使用其它透镜。例如，使用常规透镜例如非球面透镜、球面透镜等。使用本发明通过在套管的互补端面之间以及在一端的光纤外罩与套管之间和另一端的透镜与套管之间形成一个气密的接合，也可以实现一个气密封口的耦合。例如，一个光纤被插入一个光纤管并使用焊接气密地连接到其上。光纤管与套管也使用气密的焊接封口耦合。当使用气密接合耦合套管时，在接合的一端形成气密封口。这足够用于密封装置的单端。当需要时，耦合的另一端也可以被气密封口。

尽管前述公开指稍微均匀以及更理想地基本均匀的接合，但是接合的均匀性质仅是本发明的许多优点中的一个。当然它是理想的。套管之间不是均匀接合的一个类似的耦合，尽管不是理想的，也是有用的且有利的。

因为本发明的方面背离了关于使用由基底承载的滤波器的常规想法，通过对立地定向一个滤波器元件，使得承载基底最接近光线发射自及反射至的装置的端部，即输入及输出波导。

现在参考图10，显示一个具有衰减滤波器元件100的光学滤波器，包括一个承载基底134b及一个涂层134a，用于通过透过或吸收将被衰减的光线的一小部分，以及通过反射将被捕获的基本大部分光线，从而衰减入射到其上的预定波长的光线。

与常规的现有技术相比，滤波器元件的定位使得滤波器涂层直接粘到一个透镜上，在此例子中，其承载基底134b与GRIN透镜132相邻。该透镜被抛光到斜度小于0.25，将提供一个基本准直的光束到滤波器100上的涂层134a。基底被粘接固定到GRIN透镜132，由此消除了现有技术中由于粘接接触涂层134而对滤波器涂层的任何潜在的损坏。

图10所示的装置的另一个优点是通过仔细选择承载基底的厚度，可以补偿由滤波器层引入的光束平移，使得获得最佳耦合。

图10说明对由于两个透镜之间的大间隙引起的多余的光束平移效应的另一种解决方案，其中套管110关于套管112偏移以获得最佳耦合。已知随着两个四分之一斜度透镜之间间隙的增加，从一个透镜出射并进入相邻透镜的光束将耦合不足，除非透镜横向偏移以适应间隙。

图10所示的实施例提供了解决此问题的一种方案，其中通过套管110和112中的偏移提供光束平移。两个套管之间的相对移动被限制在一个范围内，允许配合的邻接表面之间的充分接触，将允许套管的端面之间的充分粘接。

图10所示的另一个特性是滤波器110是楔形的，以减少由于具有平行的至少部分反射的表面引起的多余的标准具效应。

前述例子仅用于说明，而不是试图限制。对于熟练的技术人员，不偏离由附加权利要求书限定的本发明的精神和范围的许多其它的实施例将是显然的。

Claims (6)

1.一种光学耦合装置，用于光学耦合第一与第二间隔开的光波导，包括：

第一套管，用于容纳具有一个纵向光轴的第一透镜；及

第二套管，用于容纳具有一个纵向光轴的第二透镜，该第一与第二套管具有互补的端面，当互相接触时，允许相对横向移动，使得通过横向调节两个套管的相对位置，在套管被固定在一起之前，实现一个理想的耦合；

其中套管的两个互补端面，其间具有粘接剂连接该两端面，

其中该第一套管和第二套管包括配合部分，在粘接剂固化之前，配合部分允许套管在垂直于其纵轴的平面内发生有限的相对移动，及

其中套管彼此相对横向偏移，提供了第一和第二波导之间的理想的光学耦合。

2.权利要求1所述的光学耦合装置，其中该第一和第二透镜为棒状透镜，并且其中至少一个棒状透镜在其一端包括一个滤波器元件。

3.权利要求2所述的光学耦合装置，其中该滤波器元件小于该棒状透镜的一个端面，由此防止该滤波器的边缘接触该套管。

4.权利要求3所述的光学耦合装置，其中该滤波器元件为楔形，以减小不希望的标准具效应。

5.一种制造光学耦合装置的方法，该光学耦合装置具有至少一个第一和第二套管，该第一和第二套管具有互补的端面，用于接触并且在其间涂粘接剂之后提供一个固定的接合，包括步骤：

将一个第一透镜放入该第一套管，并且用粘接剂将该第一透镜固定在内；

将一个第二透镜放入该第二套管，并且沿其长度调节该第二透镜在套管内的位置，以实现所需的耦合，同时两个套管沿其纵向中心轴基本对准；以及，

将粘接剂涂在套管的至少一个互补端面上；

连接套管使得其端面配合；以及，

横向偏移套管的纵轴，以提供第一和第二透镜之间的最佳学耦合。

6.权利要求5所述的方法，其中在将第一透镜放入第一套管之前，一个滤波器被固定到某个渐变折射率透镜的一个端面，其方式是使其基底靠着并固定到透镜的一个端面，并且使一个涂层侧面与该透镜的该端面隔开并且不涂粘接剂。

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