CN1541340A - 热形成的透镜型纤维 - Google Patents

Abstract

调焦透镜型纤维包括用透镜端接的光纤，透镜与束腰的距离大于雷利距离。形成透镜型纤维的方法包括对选择的玻璃纤维区域抗得住地加热一段预定时间，而且在抗得住地加热的同时拉玻璃纤维，以在选择的区域形成一凸面。

Description

热形成的透镜型纤维

本申请要求下列美国临时申请连续号的优先权：Ukrainczyk等人于2001年6月15日提交的题为“Thermally Formed Lensed Fibers for Imaging and CondenserApplications”的No.60/298,841和Ukrainczyk等人于2002年1月28日提交的题为“Thermally Formed Lensed Fibers”的No.60/352,753。

发明背景

发明领域

本发明一般涉及光通信网中在光纤与光学设备之间耦合光的方法和设备。更具体地说，本发明涉及调焦透镜型纤维和形成透镜型纤维的方法。

背景技术

透镜型纤维是一种用透镜端接其光纤的单根器件，其优越之处在于容易装配，即它们不要求常用的纤维透镜对准和纤维与透镜的粘合，插入损失小，而且因可以做得极小而实现元件超小型化。透镜热膨胀系数与光纤热膨胀系数匹配，在某一温度范围内具有较佳性能。透镜型纤维便于构成阵列，因而对硅光学操作台应用适合制作阵列型器件，也适合光纤与平面波导的对准。另外，可对特定应用修正透镜型纤维的光斑大小与工作距离，例如可将透镜型纤维的光斑大小与工作距离修正成形成更小的束径，允许在光学开关中使用更小的微机电系统(MEMS)小镜。

有各种类型的透镜型纤维。图1示出光纤2一端熔融拼接了平面凸透镜1的原有技术准直透镜型纤维，光纤2可以是单模或多模纤维，平面凸透镜1一般由无芯纤维构成。平面凸透镜1正面成形为球面，起准直镜作用，把光纤2射出的光扩展成准直束。该准直透镜型纤维可在宽广距离范围内用来准直，一种主要用途是将来自一条光纤的光耦合到另一条光纤。

准直透镜型纤维有各种形成方法，一种方法涉及使光纤一个端部熔融而形成有期望曲率半径的球面。通常，熔融处理涉及在一对置于光纤端部相对两侧的电极之间产生电弧，电弧使光纤端部熔融而形成球面。或者，用激光束使光纤端部熔融而形成球面。准直透镜型纤维的另一种形成方法涉及对一条光纤拼接一条有球面的无芯纤维，于是该球面无芯纤维起透镜作用。

图2示出在光纤3顶端形成锥体4的锥形透镜型纤维，光纤3是单模或多模纤维，锥体4作为起透镜作用的凸面5。与准直透镜型纤维的平面凸透镜(图1的1)相比，凸面5的曲率半径极小。锥体4通过研磨和/或光制光纤3顶端而实现。锥形透镜型纤维在短的工作距离内准直光，可以光纤与激光源或放学放大器或平面波导之间耦合光。

发明内容

在一个方面，本发明涉及一种调焦透镜型纤维，包括用透镜端接的光纤，透镜与束腰的距离大于雷利距离。

在另一个方面中，本发明涉及一种透镜型纤维的形成方法，包括对选择的玻璃纤维区域抗得住地加热预定时间，并在抗得住加热的同时拉玻璃纤维，在选择区域形成凸面。

从以下描述和所附权项将明白本发明的其它特征与优点。

附图简介

图1是原有技术准直透镜型纤维的示意图。

图2是原有技术锥形透镜型纤维的示意图。

图3A～3C按本发明一实施例示出各种调焦透镜型纤维的实施例。

图4A与4B示出对各种调焦透镜型纤维几何尺寸在束在100μm空气中传播后再在InGaAs(n＝3.18)中传播示出高斯束射线痕量分析。

图5A与5B示出在玻璃纤维上形成曲率半径的方法。

图5C示出图5B的玻璃纤维用电阻丝作锥形削减后的状况。

图6示出本发明方法形成的锥形透镜型纤维。

图7示出透镜f数的定义。

图8示出作为与调焦透镜凸面距离的函数的模场直径。

图9A与9B对调焦透镜的x与y分量分别示出束腰处的模场形状(放大10倍)。

图10示出锥形透镜型纤维作为曲率半径函数的角形辐射强度。

图11A～11D对各种锥形透镜几何尺寸示出作为与镜面距离函数的模场直径。

详细描述

本发明诸实施例提供的调焦透镜型纤维，把光纤射出的光聚成大于、等于或小于该纤维模场直径(MFD)的光斑。该调焦透镜型纤维能应用于调焦与聚光场合。本发明诸实施例提供一种形成该调焦透镜型纤维的方法。更具体地说，本发明诸初稿例提供一种在光纤或更一般地在玻璃纤维顶端形成精密的曲率半径的方法，该法允许在光纤端部以各种方案形成平面凸透镜，这样能对特定应用修正透镜型纤维的光斑大小与工作距离。该方法还可形成锥形透镜型纤维。该锥形透镜型纤维除在短工作距离内准直外，还可应用于调焦与聚光应用。下面参照附图描述本发明诸特定实施例。

图3A示出一种调焦透镜型纤维6，其平面凸镜7附接于光纤8。平面凸镜7可利用熔融拼接法附接于光纤8。光纤8具有纤芯9和包绕纤芯9的包层10。光纤8可以是任一种单模纤维，包括偏振保持(PM)纤维。或是多模纤维。图中把光纤8示为单模纤维。平面凸镜7的直径示成大于光纤6的直径，但这不是一种要求，平面凸镜7的直径可与光纤8的直径一样(见图3B)或更小(见图3C)。平面凸镜7通常用无波导芯的玻璃纤维制成。玻璃纤维与光纤8可用同一纤维制造工艺做成。一般，平面凸镜7由二氧化硅或掺杂的二氧化硅如B₂O₃-SiO₂与GeO₂-SiO₂制成，折射率与纤芯9相近。为尽量减小背反射，通常对平面凸镜7涂一层反射涂料。背反射大于-55dB一般较佳。

操作时，沿纤芯9传播的光束一进入平面凸镜7就发散，从平面凸镜7出射时聚成一光斑。选择透镜7的曲率半径(Rc)与厚度(T)，使平面凸镜7凸面到束腰的距离(f)大于雷利距离。雷利距离是围绕束腰的轴向距离，束半径在其最小值的 倍内。雷利距离用下式计算？：

$z_0=\frac{{2\mathrm{\πw}}_0^2}{\mathrm{\λ}}$

式中Zo是雷利距离，Wo是束腰半径，λ为波长。使与束腰的距离(f)大于雷利距离，平面凸镜7形成的束位于雷利距离以外，让平面凸镜7起到聚焦镜或聚光镜的作用。一般应对该透镜保持下列条件：

$\frac{T}{\mathrm{Rc}}>\frac{n}{n+1}+\mathrm{\Φ}$

式中T是透镜厚度，Rc是透镜曲率半径，n是透镜在有关波长下的折射率，而Φ为小高斯束衍射造成的相移。

调焦透镜型纤维6的光斑大小或模场直径(MFD)由平面凸镜7的厚度(T)、曲率半径(Rc)和与束腰的距离(f)决定。为便于图示，图4A与4B对各种调焦透镜型纤维几何尺寸示出了束在100μm空气中传播再在InGaAs(n＝3.18)中传播的高斯束射线痕量分析。图4A示出作为透镜厚度和透镜曲率半径函数的模场直径(MFD)，图4B示出作为透镜厚度和曲率半径函数的与束腰的距离。图4A与4B中诸透镜几何尺寸用于把CorningSMF-28光纤纤芯成像到10μm直径的光学检测器区上，光学检测器埋置在折射率为3.18的半导体的100μm内。计算表明，若光束传播通过上方的高折射率材料，则空中16μm的光斑对应于不到100μm。模拟中对该光纤纤芯假设了6.3μm的高斯模场半径。该假设的模场半径大于SMF-28标称的5.2μm模场半径，因为拼接和透镜形成造成了热纤芯展宽。

再参照图3A，平面凸镜7的几何形状较佳地选成使在光束出射平面凸镜7的点处的束径不超过平面凸镜7的直径，否则会出现谐振与波导效应。通常，平面凸镜7在光束出射-8地点的直径(D)可估算如下：

D≥2·w_d

其中

w_d＝dθ_beam

且

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{beam}}=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\π}{w}_{0}n}$

式中W_d是光束出射透镜地点的模场半径，d是光束出射透镜的点，Q_beam是高斯束在雷利距离以外的角形扩散，λ为光波长，W_o是束腰处的模场半径，n为有关波长下的折射率。

为实现对称的模场，要细心控制平面凸镜7曲率半径(Rc)的形成。图5A示出一种在任一玻璃纤维如玻璃纤维20上形成精密曲率半径的方法，玻璃纤维20可以是一种将成形为平面凸镜的无芯纤维，或者是将成形为透镜的单模或多模纤维的顶端。本发明方法涉及把热源22置于沿玻璃纤维20的某一期望的位置，该位置决定了透镜的厚度。如图5B所示，操作热源22，对玻璃纤维20提供受控的热量，同时沿箭头所指方向拉玻璃纤维20。玻璃纤维20受热被拉而锥形削减，形成具有期望曲率半径的凸面(图5C中24)。图5B的热源22是向玻璃纤维20提供极均匀热量的电阻丝，可形成模场对称的球面镜。

参照图5C，凸面24的曲率半径取决于对电阻丝(图5B中22)提供的功率。根据期望的曲率半径，用于锥形削减玻璃纤维20的功率范围通常为22～30W。凸面24的曲率半径还受电阻丝(图5B中22)加热时间的影响，一般而言，在锥形削减玻璃纤维20之后，加热时间越长，曲率半径就越大。锥形削减后，通过把电阻丝(图5B中22)置于凸面24正面并朝凸面24移动，由于凸面24被来自电阻丝(图5B中22)的热量熔融，故能进一步增大曲率半径。该过程称作回熔。控制对凸面24提供的热量和加热时间，得到期望的曲率半径。

像一般两条光纤拼接一样，对光纤接接玻璃纤维可形成调焦透镜型纤维。玻璃纤维与光纤的拼接可以使用电丝或其它合适的热源，如电弧。虽然较佳的方法是用电阻加热法将玻璃纤维接至光纤，但是也可使用其它连接手段，如激光焊接法。玻璃纤维接到光纤后，可像上述那样对玻璃纤维作抗得住的加热和拉长，在玻璃纤维上形成一曲率半径。像上述对玻璃纤维那样，通过抗得住地加热和拉长光纤的顶端，可形成锥形透镜型纤维，以在该光纤顶端形成期望的曲率半径。图6示出本发明方法形成的锥形透镜型纤维12，其光纤14的锥体16具有期望的曲率半径，而锥体16起透镜作用。光纤14的纤芯18由包层19包围。一般而言，光纤14可以是任一种包括PM纤维的单模纤维或是一种多模纤维。

锥形透镜型纤维12(图6所示)与调焦透镜型纤维6(图3A～3C所示)的主要区别在于与束腰的距离和平面凸镜7(图3A～3C所示)与透镜(或锥体)16(图6所示)的f数或速度。参照图7说明透镜f数的定义。透镜f数定义为透镜与束腰的距离(f)同透镜的透明孔径(D)或有效直径之比。通常，有效直径(D)是光束在透镜凸面的直径的99％。锥形透镜型纤维与束腰的距离(f)范围一般为约5～50μm，而在束腰处模场直径类似的调焦透镜型纤维与束腰的距离(f)通常大于100μm；锥形透镜型纤维的f数很小，通常为1左右，而调焦透镜型纤维的f数则比1大得多。

调焦透镜型纤维6(示于3A～3C)与锥形透镜型纤维12(示于图6)都能用于调焦和聚光应用，后者还能在短工作距离内准直光。一般而言，调焦透镜型纤维6十分适于把光束聚集到光学检测器或接收器上，把来自垂直腔面发射激光器(VCSEL)的光耦入光纤；锥形透镜型纤维12十分适于把光纤内外的光耦入高数值孔径平面波导以及VCSEL与其它具有图形或近图形束的激光源。与同样模场直径的锥形透镜型纤维相比，调焦透镜型纤维因f数高，故对角度失准更为敏感。调焦透镜型纤维的耦合效率通常大于99％，而锥形透镜型纤维的耦合效率一般大于80％。

表1示出用上述方法形成的几例调焦透镜型纤维的几何尺寸，但应明白，表1的实例仅作示例，不以任何方式限制本发明。对表1的透镜型纤维几何尺寸，对单模纤维拼接元芯纤维，该无芯纤维用上述方法锥形削减而形成平面凸镜。无芯纤维是200μm的硼硅酸盐条，用Vytran公司(Morganville，NewJersey)以商标FFS-2000出售的熔融拼接器削减该无芯纤维，该拼接器包括加热无芯纤维的钨丝。表1列出了削减无芯纤维所用的功率条件。表1还列出了束腰的模场直径(MFD)、与束腰的距离和透镜的雷利距离。在1545nm处作测量。

表1：加工参数与调焦透镜型纤维几何尺寸的关系

透镜	透镜厚度，T(μm)	曲率半径，Rc(μm)	拉锥的细丝功率(W)	空气中束腰处的MFD	到束腰的距离(μm)	瑞利范围(μm)
							A	601	74	25.3	7.7	270	15
B	644	89	27.0	9.4	350	22.5
							C	276	56	22.0	15.5	234	60
D	205	48	21.8	16.1	170	66
							E	425	44	21.5	5.6	143	8.5
F	300	40	21.0	7.8	140	15

图8示出沿x与y轴的模场直径(见图3A)，它是沿透镜D的Z轴(见图3A)距离的函数(见表1)。Z轴上的零点(见图3A)根据纤维与透镜间形成的拼接处(见图1A的元件26)出射束在透镜中的发散角而估算。图9A与9B分别对透镜D(见表1)示出束腰处模场形状的x与y分量，在0.25数值孔径下用10倍物镜作束扫描而进行束测量，因此实际模场直径要小10倍，即为16μm，不是160μm。

图10示出作为锥形透镜型纤维曲率半径函数的角强度。该锥形透镜型纤维是在加热光纤的同时把它拉成锥体而形成的。用Vytran公司(Morganville，New Fersey)以商标FFS-2000出售的熔融拼接对光纤对抗得住加热，锥体端部形成的曲率半径正比于纤维承受电阻加热的时间长度。利用购自Photon公司的LD8900测角辐射计作+72度到-72度扫描，在远场测得图10所示的角辐射强度。锥形透镜型纤维用CorningSMF-28纤维构制，用宽带铒放大型自放射激光源作测量，曲线示出发散角与锥体曲率半径有强烈的相依性(黑符号，y轴左边)。另外，该图还表明过程参数(FFS-2000Vytran熔融拼接器在24.4W下的加热时间)与曲率半径(空心圆，y轴右边)有强烈的相依性。运用θ＝λ/(πWo)，能使τ/e²功率电平下的远场发散角(θ)与锥体腰部束腰的模场半径(Wo)相关。

图11A-11D对四种不同锥形透镜型纤维几何尺寸示出了作为与透镜凸面距离函数的模场直径(MFD)，阴影圆代表沿x轴的模场直径(见图6)，非阴影圆代表沿y轴的模场直径(见图6)。数据用40倍物镜获得，将模场直径除以40。通过将两根据透镜型纤维相互耦合并把透镜型纤维耦入CorningSMF-28纤芯，测得该锥形透镜型纤维的耦合效率一般为80～90％。

本发明的透镜型纤维有各种实际应用。该透镜型纤维可以用作成像透镜，把光聚焦到光学设备上，诸如接收器或检测器，或者增量n小的平面波导装置的纤芯。在这些应用中，沿光纤纤的传播的光一进入透镜便发散，从透镜出射时在光学设备上聚成一光斑。选择好透镜几何尺寸，以在光学设备上形成期望的光斑大小。透镜型纤维也可用作聚光镜，此时光可以来自光学设备上某一区域，如发射体或平面波导。透镜汇集来自光学设备的光，把光聚入光纤纤芯。该透镜型纤维也可用作聚光镜，光来自一条纤维，其发射角等于或小于透镜可接受的角度，而透镜把光成像入纤芯。

虽已参照若干有限的实施例描述了本发明，但受益于本揭示内容的本领域技术人员显然明白，在不背离本文揭示的发明范围的情况下，能设想出其它实施例，因此本发明范围只应由所附权项限定。

Claims (19)

1.一种调焦透镜型纤维，其特征在于，包括：

用透镜端接的光纤，透镜与束腰的距离大于雷利距离。

2.如权利要求1所述的调焦透镜型纤维，其中透镜的f数大于1。

3.如权利要求1所述的调焦透镜型纤维，其中与束腰的距离大于100μm。

4.如权利要求1所述的调焦透镜型纤维，其中透镜包括二氧化硅。

5.如权利要求1所述的调焦透镜型纤维，其中透镜包括掺杂的二氧化硅。

6.如权利要求1所述的调焦透镜型纤维，其中透镜直径大于光纤直径。

7.如权利要求1所述的调焦透镜型纤维，其中透镜直径小于光纤直径。

8.如权利要求1所述的调焦透镜型纤维，其中透镜直径与光纤直径相同。

9.如权利要求1所述的调焦透镜型纤维，其中透镜的背反射大于-55dB。

10.如权利要求9所述的调焦透镜型纤维，其中透镜表面涂有防反射涂层。

11.一种形成透镜型纤维的方法，其特征在于，包括：

对选择的玻璃纤维区域抗热地加热预定时间；和

在抗热地加热的同时拉玻璃纤维，在选择的区域形成凸面。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括对玻璃纤维拼接一条光纤。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括将光纤熔接到玻璃纤维。

14.如权利要求13所述的方法，其中拉玻璃纤维包括沿远离玻璃纤维与光纤间形成的拼接的方向拉玻璃纤维。

15.如权利要求11所述的方法，其中玻璃纤维是单模光纤、且凸面形成在玻璃纤维顶端。

16.如权利要求11所述的方法，其中玻璃纤维是多模光纤、且凸面形成在玻璃纤维顶端。

17.如权利要求11所述的方法，其中玻璃纤维是保偏光纤、且凸面形成在玻璃纤维顶端。

18.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括通过电阻加热凸面而增大该凸面的曲率半径。

19.如权利要求18所述的方法，其中在增大凸面的曲率半径时，电阻加热凸面包括沿朝向该下面的方向移动电阻热源。

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