CN1361439A - 具备透镜功能的光纤及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种具备透镜功能的光纤,其构成是:至少一个突变折射率光纤;和至少一个外径与突变折射率光纤的外径相等,周期长度显示透镜功能的渐变折射率光纤,将渐变折射率光纤连接或接触到突变折射率光纤的一个端面,本发明尤其对单模光纤有效,单模光纤是典型的突变折射率光纤,渐变折射率光纤可以用离子交换法生产。

Description

具备透镜功能的光纤及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种广泛应用于光通信系统中的单模光纤，特别涉及光纤之间的光耦合，光纤与光学器件之间的光耦合，等等。

背景技术

随着近几年互联网的快速普及，提高光纤通信网性能的要求越来越迫切。作为提高性能手段的光通信波分复用(WDM)发展很快。作为光通信系统的基本构成要素，需要一个半导体激光器作为光源，需要一个光电二极管作为光探测器，还需要光纤，光放大器等作为光传递媒介。另外，在WDM光通信中，还需要具有良好波长选择能力的光学器件，例如光信号分离器，滤光器和隔离器，因为利用光的波长间的细微差别就可以分别地传递信息。

要建设一个光纤通信网，这些构成要素之间需要以尽量小的光损耗互相耦合。因此，多种形式的光耦合技术的使用就变得非常重要，这里的光耦合是指诸如半导体激光器与光电二极管之间的耦合，一个光学器件(滤光器或隔离器)插入光纤之间时的耦合，光纤之间的耦合，光纤与光波导之间的耦合，等等。

迄今为止，这类光耦合通常采用将光纤直接连接或通过一个透镜实现。在将光纤直接连接的情况下，损耗不是很高，但定位的允许度非常严格，从而导致安装成本上升。在使用透镜的情况下，一个渐变折射率棒形透镜用在多种场合，因为透镜被做成圆柱形，从几何形状上与光纤相配，以便可以直接插入一个中空的圆柱护套里，再安装进V型槽里，等等(例如，JP-A-60-91316)。

渐变折射率棒形透镜的折射率分布可以用以下表达式给出：

n(r)²＝n₀ ²·{1-(g·r)²+h₄(g·r)⁴+h₆(g·r)⁶+h₈(g·r)⁸+…}

其中，r表示到光轴的距离，n(r)表示到光轴的距离是r的那一点上的折射率，n₀表示光轴上的折射率，r₀表示棒形透镜的半径，g表示折射率分布系数，而h₄，h₆，h₈…则表示各自的折射率分布系数。

渐变折射率棒形透镜的透镜功能依透镜的长度z而改变。

下列基本用法可以根据周期长度P作出，而周期长度P由以下表达式规定：

      P＝2∏/g

(1)当Z＝0.25P时：设置在端面上的光源发出的光被准直。

(2)当Z＝0.50P时：设置在端面上的光源发出的光被聚焦到相对的

   端面上。

然而，棒形透镜通常的直径大约是1mm，这个直径与一个标准单模光纤的外径差别相当大，标准单模光纤的外径是125μm。因为这个原因，准备一个用来夹住棒形透镜和光纤的专用的夹子，或用一个直径与棒形透镜直径相等的毛细管夹住光纤的端头部分就是必要的。如此一来，部件的数目增加了，装配变得复杂了。而且，最终系统的全部占据了很大的空间。结果，导致了成本的增加。

作为解决这些问题的方法，人们曾尝试将一个直径与光纤直径相等的透镜放在光纤的前端。比如，在Journal of Lightwave Technology，Vol.17，No.5，P.924，1999中，有人提出一个结构，该结构将一个直径与单模光纤直径相等的石英玻璃制成的渐变折射率光纤(GIF)用一个均质的石英玻璃隔片熔凝在单模光纤(SMF)的前端。采用这样的一种结构，这些光纤可以容易地布设在V型槽或类似的槽里，这将极大地减少预期的制造成本。

然而，在上例中，折射率分布不能被完全控制，因为现在通信中使用的是多模石英光纤。因而，这种做法不足以被用来作为透镜功能。进一步说，GIF在通信中的透镜功能只集中在靠近光轴的核心部位。因为这个原因，折光能力(在前述的折射率分布表达式中折射率分布系数g的数值)是如此之大以致于平行光通量变得很细。

为了使光通量变粗，必须将两根光纤的端面分开至特定的距离。在上例中，插入了一个隔片来限定这个距离。因为这个原因，虽然具有了两根光纤的外径可以制造成一样的优点，但是与使用夹子或毛细管的情形相比，组件的数量并没有变化。因此，问题依然存在，即最初的目的并没有实现。

发明内容

本发明就是为了解决这个问题，本发明的目的就是提供一种光纤，这种光纤的直径与信息传递光纤的直径相等，并且不用添加任何特殊的部件就具备透镜功能。

为解决上述问题，本发明提供了一种具备透镜功能的光纤，其构成是：至少一根信息传递光纤；和至少一根外径与信息传递光纤的外径相等的渐变折射率光纤，其长度足以显现特定的透镜功能，将渐变折射率光纤与信息传递光纤连接或接触。典型的信息传递光纤就是单模光纤。

另一方面，渐变折射率光纤是这样成型的，以便在使用的波长范围内的折射率分布可以用以下表达式给出：

n(r)²＝n₀ ²·{1-(g·r)²+h₄(g·r)⁴+h₆(g·r)⁶+h₈(g·r)⁸+…}

其中，r表示到光轴的距离，n(r)表示到光轴的距离是r的那一点上的折射率，n₀表示光轴上的折射率，r₀表示渐变折射率光纤的半径，g表示折射率分布系数，而h₄，h₆，h₈…则表示各自的高阶折射率分布系数。

在此处，最好满足下列条件：0.1≤n₀·g·r₀≤0.5。而，能满足下列条件将更好：0.12≤n₀·g·r₀≤0.25。

在此处，渐变折射率光纤光轴上的折射率n₀的范围最好在1.40至1.80(含此二数)之间，而更好是在1.50至1.70(含此二数)之间。

另外，渐变折射率光纤的长度范围最好在0.05P至1P(含此二数)之间，其中P是渐变折射率光纤的周期长度。当渐变折射率光纤被用做平行光管时，渐变折射率光纤的长度范围在0.05P至0.5P(含此二数)之间会更好。

信息传递光纤和渐变折射率光纤的相互连接和固定是将两根光纤插入一个内径基本上等于两根光纤外径的护套，这样就根据本发明得到了一个具备透镜功能的光纤。另一种方式，信息传递光纤和渐变折射率光纤可以相互连接和固定在一个槽里，这个槽形成在一个平面基底上，其截面是V型的。

用在依照本发明具备透镜功能的光纤中的渐变折射率光纤按下述步骤生产。第一，将一个均质玻璃棒浸入熔融的盐中进行离子交换进而在玻璃棒中形成折射率分布。在保持垂直的情况下，玻璃棒被加热延展至形成一个具有理想外径的渐变折射率光纤。根据渐变折射率光纤具体的周长，光纤被切成一定的长度。该光纤与一个信息传递光纤的前端相连或相接触。进而，制造出了一根具备透镜功能的光纤。

本发明涉及日本专利申请No.2000-391926(2000年12月25日递交)中包含的主题，该申请被引用并包含在本申请中。

附图说明

图1是一个光路图，显示本发明的一个构造例子。

图2是一个光路图，显示本发明的另一个构造例子。

图3是一个光路图，显示本发明的又一个构造例子。

图4是一个显示本发明一个实施例的图。

图5是一个显示本发明另一个实施例的图。

图6是一个显示本发明一个已应用实施例的图。

图7是一个显示本发明另一个已应用实施例的图。

图8是一个显示本发明又一个已应用实施例的图。

具体实施方式

下面具体描述一个本发明的实施例。

在本发明中，将一根渐变折射率光纤(GIF)连接或接触到一根单模光纤(SMF)的前端，单模光纤是典型的信息传递光纤。GIF的外径最好做得与SMF的外径(正常是125μm)相等。这样，两根光纤可以容易地进行光耦合，以便光纤耦合所需的部件数量可以减少。

正如象在背景技术描述中所初步介绍的，如果使用现存的GIF，这个GIF可能有一个与SMF相同的直径。但是，因为这样的GIF原本不是打算用做透镜功能的，所以当考虑到象差或其它类似的对透镜来说很重要的问题时，它的表现就不总是最好的。另外，因为GIF在正常情况下是由一个50μm直径的核心部分和一个核心部分之外的覆盖部分构成，因此GIF并不是被设计用来将光传递到外侧的圆周部分的。因为这个原因，例如，当从SMF发来的光是平行应用的，这些从SMF发来的光却被限定在了核心部分。结果，被发射的平行光束的直径就变得像核心部分一样狭窄。这一点从应用的角度看是很不理想的。因此，就需要一种方法能在两根光纤之间形成一个间隙，或其它类似的东西。

另一方面，这样小直径的GIF很难直接用生产渐变折射率棒形透镜的背景技术方法生产出来。因为这个原因，使用一个外径125μm的GIF而这个GIF的几乎全部物理外径都能在光学上被利用是不可能的。

一个依照本发明生产具备透镜功能光纤的方法将在下面描述。

一个直径125μm的GIF是由一个直径1.1mm的渐变折射率棒形透镜(基材棒)拔丝而成。

基材棒按如下方法生产。将一个直径1.1mm含氧化锂的均质玻璃棒浸入熔融的盐中进行离子交换程序以便依照锂浓度分布形成折射率分布。于是基材棒获得了如下光学特性。

外径：Φ1.1mm

n₀：1.610

g：0.232mm^-1(测量波长：632.8nm)

将基材棒切成300mm长。用一个夹子将基材棒垂直悬挂。然后，用环型加热器一边对基材棒进行加热一边将其向下拉伸。这样就完成了拔丝。加热器的温度范围在680℃至730℃之间，而拔丝速度要调整到大约1米/分钟，以便拔丝后的外径是125μm。

GIF拔丝后获得的特性如下。

外径：Φ0.125mm

n₀：1.610

g：2.06mm^-1(测量波长：632.8nm)

折射率分布基本上未被扰乱，球差足以小到留在光纤的圆周部分。因而，可以获得一个在衍射限度内的象。

在将对应的端面研磨同时使光纤切成合适的尺寸，然后用在如下的实施例中。

图1，图2和图3是三个光路图，其情况是至少一个按上述方法生产的直径125μm的GIF与至少一个有着与GIF相同直径的SMF相结合。

图1显示了这样一个例子，其中一个SMF2a的端面与一个已切成长度为Z＝0.25p的GIF1a的端面对接，以便从SMF2a发出的光线成为平行光10穿过一个空间，在经过长度为z＝0.25p具备透镜功能的GIF1b后光耦合到SMF2b上。

图2显示了这样一个例子，其中两根SMF2a和2b通过一个长度为Z＝0.5p的GIF1c直接耦合。

图3显示了这样一个例子，其中GIF1d的长度z可以在范围0.25p＜Z＜0.50p之间选择，以便从SMF2a发出的光线成为会聚光线12的镜像聚焦在光学器件3上。

当使用玻璃或塑料作为制造GIF的材料时，GIF光轴上的折射率n₀的更低限度是大约1.4。当使用玻璃作为制造棒形透镜的材料时，必须增加高折射率成分例如氧化铅，氧化镧等成分的数量，以便让中心折射率高于1.8。如果这些成分的数量过大，也会引起问题，要么是离子交换的速度变得极其慢，要么是玻璃很容易地变得不透明。因此，折射率n₀的最佳范围是1.40≤n₀≤1.80。但是，在使用玻璃材料的情况下，要容易地制造出GIF，在允许的成功配方下，n₀的范围是1.50≤n₀≤1.70。因此，n₀的数值尤其最好在这个范围内选择。

GIF的亮度由孔径角θ＝n₀·g·r₀(弧度)决定，这个弧度显示允许摄入光线的范围。如果孔径角θ小于0.1，从SMF发出的高斯光束的圆周部分(通常有一个大约等于0.1的数值孔径NA，NA＝n₀sinθ)将不会被摄入。因此，耦合损耗将变得很大。另一方面，生产θ值大于0.5的光纤也是非常困难的。

为了在NA＝0.1的情况下充分地摄入从SMF发出的光线并放大平行光通量的直径，θ值尤其最好选择的范围在0.12(包括)至0.25(不包括)之间。

渐变折射率棒形透镜(此处是GIF)的象差数值由渐变折射率分布系数h₄，h₆，h₈…决定。设h₄＝+0.67，同时GIF的外径是Φ＝125μm时，可以得到足够的表现，因为当NA不大于0.2时球面象差的数值基本上不会大于衍射限度。为了更大地减少象差的数值，h₆，h₈…的数值应更加优化。

尽管上述描述建立在使用外径125μm的石英SMF作为信息传递光纤的基础之上，其实信息传递光纤的外径不必只是125μm，因为GIF的外径如上所述可以相应调整。例如，本发明也可适用于有较大外径的光纤，比如多组分玻璃光纤或塑料光纤。如果外径不小于400μm，用拉伸之类技术减小直径的特别步骤就没有必要了，因为用背景技术的离子交换方法就可以生产出渐变折射率棒形透镜。

本发明具体的已应用实施例将列表如下。尽管这些实施例以SMF的外径为125μm为例进行描述，但是外径和光纤材料并不局限于此。(光纤之间的耦合)

当光纤依图1所示的安排相互耦合时，各在一侧的SMF和GIF通过黏合剂之类的东西分别粘在一起，以便结合成一个整体。因为较粗的平行光通量可以通过一体化获得，所以耦合损耗可以通过相对两侧光纤的光轴位移和变换距离来抑制。因此，耦合SMF时的调整可以简化，以便容易地以较小的耦合损耗实现SMF之间的耦合。如图4所示，这是一个截面图，使用了一个内径125μm的护套6，光纤1a和2a从两侧插入护套6a并接触性相互连接，从而容易地实现了安装。另外，连接部5被加固以便可靠性得到改善。

当耦合依图2所示的安排实现时，一个Z＝0.5p的GIF1c被插入一个内径125μm的护套6b中间，然后，SMF2a和2b从护套6b两侧插入与GIF1c如图5所示接触并固定在一起。在此，不必校直光轴就可以很容易地获得高效耦合。当两根光纤被粘合或简单接触处的间隙被填充了液体时，反射损耗也可以减少。

使用紫外线固化树脂，一种环氧树脂黏合剂，或类似的东西，可以容易地进行两种光纤的耦合。另外，金属护套或玻璃护套都可以用作护套。(插入光学器件)

如图6所示，一个光学器件13，比如一个多层胶片滤光器，一个隔离器或一个偏振板，可以插入依图1的安排所示形成的平行光通量部分。

可以替代的是，如图7所示，光学器件23可以加工成外径125μm的圆柱型，以便光学器件23可以完美地插入护套6c。因为，每根光纤1a，1b，2a和2b的外径都与光学器件23的外径相等，光轴就不必校直。结果使安装变得容易。(从光纤发出光线的聚光)

如图3所示的安排，从SMF2a发出的光线形成一个焦点，以便一个光检测器，一个光记录盘的记录表面，或类似的东西，可以放在这个焦点上。进一步，来自于发散光源的光线可以耦合到SMF上。(安装在基底上)

在安装由至少一个SMF和至少一个棒形透镜构成的光耦合系统时，由硅基底或类似之物加工而成的V型槽被广泛使用。准备一个V型槽，槽深分别适合SMF和棒形透镜的外径，以便分别放入V型槽的SMF和透镜能相互耦合。依照本发明，因为SMF和GIF的外径相等，简单地利用形成在基底21某部位的一个V型槽，将SMF2d和GIF1e放入V型槽，并按如图8所示将SMF2d和GIF1e相互连接，就可以容易和准确地将SMF2d和GIF1e进行安装。于是，当光学器件，比如半导体激光器24，透镜25，反射镜26，等等，被一体化在同一个基底上后，就容易地获得了一个紧凑的光路。

上述配置例展示的是GIF的长度范围在0.25P至0.5P之间的情况。但是，当Z的范围在0.05P至0.1P(含此二数)之间时，具备透镜功能的光纤通常显示出多种功能。如果Z＜0.05P，光损耗的数值将增加，因为NA缩小了。而且，这样的GIF也几乎不被使用的，因为Z太小了，很难生产出这样的GIF并将其装配进具备透镜功能的光纤。另一方面，使用长度不小于1P的透镜也没有意义，因为只有长度小于1P的透镜才具备透镜的特性，而且因为透镜的长度太大了以致于尺寸变得太大。

顺便提及，在GIF被用作正常的准直透镜或聚光透镜的情况下，当Z不小于0.5时，特性被重复。因此，从聚焦的观点看，使用Z＞0.5P的透镜没有意义。为抑制象差的数值，Z最好的选择范围在0.05P至0.5P(含此二数)之间。当需要形成一个正像时，Z范围在0.5P至1.0P之间也是可以的。

依照本发明，一个用较少部件容易地装配的小尺寸的具备透镜功能的光纤可以这样获得，即将一个渐变折射率光纤与一个有着同样外径的信息传递光纤连接和接触。

Claims (12)

1、一种具备透镜功能的光纤，其构成是：

至少一根信息传递光纤；和

至少一根外径与信息传递光纤的外径相等的渐变折射率光纤，其长度足以显现特定的透镜功能，将此渐变折射率光纤与此信息传递光纤的一个端面连接或接触。

2、一种根据权利要求1的具备透镜功能的光纤，其中所述的信息传递光纤是单模光纤。

3、一种根据权利要求1的具备透镜功能的光纤，其中所述的渐变折射率光纤采用离子交换法生产。

4、一种根据权利要求1的具备透镜功能的光纤，其中，所述的渐变折射率光纤的在使用的波长范围内的折射率分布用以下表达式给出：

n(r)²＝n₀ ²·{1-(g·r)²+h₄(g·r)⁴+h₆(g·r)⁶+h₈(g·r)⁸+…}

所述的渐变折射率光纤满足下列条件：

0.1≤n₀·g·r₀≤0.5

其中，r表示到光轴的距离，n(r)表示到光轴的距离是r的那一点上的折射率，n₀表示光轴上的折射率，r₀表示渐变折射率光纤的半径，g表示折射率分布系数，而h₄，h₆，h₈…则表示各自的高阶折射率分布系数。

5、一种根据权利要求4的具备透镜功能的光纤，其中所述的渐变折射率光纤满足下列条件：

0.12≤n₀·g·r₀≤0.25

6、一种根据权利要求4或5的具备透镜功能的光纤，其中所述的渐变折射率光纤在光轴上的折射率n₀的范围在1.40至1.80(含此二数)之间。

7、一种根据权利要求4或5的具备透镜功能的光纤，其中所述的渐变折射率光纤在光轴上的折射率n₀的范围在1.50至1.70(含此二数)之间。

8、一种根据权利要求1的具备透镜功能的光纤，其中所述的渐变折射率光纤的长度范围在0.05P至1P(含此二数)之间，其中P是所述的渐变折射率光纤的周期长度。

9、一种根据权利要求1的具备透镜功能的光纤，其中所述的渐变折射率光纤的长度范围在0.05P至0.5P(含此二数)之间，其中P是所述的渐变折射率光纤的周期长度。

10、一种根据权利要求1的具备透镜功能的光纤，其中所述的信息传递光纤和所述渐变折射率光纤按以下情况下相互连接和固定，即将两根光纤插入内径基本上与所述的两根光纤的所述外径相等的护套里。

11、一种根据权利要求1的具备透镜功能的光纤，其中所述的信息传递光纤和所述渐变折射率光纤被相互连接和固定在一个槽里，这个槽形成在一个平面基底上，其截面是V型的。

12、一个生产具备透镜功能光纤的方法，包括的步骤有：

将一个均质玻璃棒浸入熔融的盐中进行离子交换进而在所述的玻璃棒中形成折射率分布；

在保持垂直的情况下，所述的玻璃棒被加热延展至形成一个具有理想外径的渐变折射率光纤；和

对应所述渐变折射率光纤具体的周期长度，将光纤切成一定的长度。

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