CN1777828A - 多带宽准直器 - Google Patents

Abstract

一种用在多个波长处的准直器(100)包括：光纤(100)以及梯度折射率透镜(106)，该透镜被放置在相对于该光纤的末端距离固定的位置处。一方面，在红外光谱区的所选范围内，该梯度折射率透镜在所选节距处的色差小于0.01。另一方面，在可见光谱区的所选范围内，该梯度折射率透镜在所选节距处的色差小于0.035。

Description

多带宽准直器

有关申请的交叉参照

本申请要求于2003年4月25日提交申请的、序列号为60/465,830的美国临时专利申请的优先权。

发明背景

一种光纤末端带有透镜的组件被称为“准直器”，用于将自光纤末端出来的光线变为基本上平行的光束。该透镜可以是梯度折射率(GRIN)、折射或衍射透镜。此处，焦点在包括GRIN透镜的准直器上。GRIN透镜的折射率从透镜的轴向透镜的外部边界逐渐变化。在GRIN透镜中，光线遵循正弦路径，其轨道是根据节距来定义的。一个节距等于光穿越一个正弦周期并且可以表达如下：

$P=\frac{L\sqrt{A}}{2\mathrm{\π}}\·\·\·\left(1\right)$

其中，P是节距，

是折射率梯度参数，L是透镜的长度。

通过将光纤末端放置在离透镜有一定距离的地方来装配准直器。光纤到透镜的距离由GRIN透镜的后焦距(BFL)来决定，可表达如下：

$\mathrm{BFL}=\frac{1}{N_0\sqrt{A}}\cot \left(L\sqrt{A}\right)\·\·\·\left(2\right)$

其中，N₀是透镜轴上的折射率， 是折射率梯度参数，L是透镜的长度。N₀和 都是波长的函数。N₀和波长的依赖关系可表达如下：

$N_0=B+\frac{C}{{\mathrm{\λ}}^2}\·\·\·\left(3\right)$

其中B和C是取决于透镜材料的常数。

和波长的依赖关系可表达如下：

$A\left(\mathrm{\λ}\right)={[K_0+\frac{K_1}{{\mathrm{\λ}}^2}+\frac{K_2}{{\mathrm{\λ}}^4}]}^2\·\·\·\left(4\right)$

其中K₀、K₁和K₂是取决于透镜材料的常数。

在理想情况中，光纤到透镜的距离是这样的，可使准直器在使用时具有较低的插入损耗。通常的做法是调节准直器使其在特定的设计波长处有效地工作。然而，GRIN透镜的BFL因色散的缘故随波长的不同而变化。因此，如果被调节成在某一特定的设计波长处有效地工作的准直器被用于除了设计波长以外的某一波长处，则在BFL方面将会出现偏移。如果光纤到透镜的距离没有被调节成补偿这种偏移，则准直器可能会有过量的插入损耗，尤其是当设计波长与工作波长偏差较大时。可以理解，针对每个工作波长重新调节光纤到透镜的距离会使在多带宽应用中准直器的使用变得很复杂。

从前述中可以看到，需要这样一种准直器，它能够在多个波长处有效地工作同时又不需要在每个波长处重新调节光纤到透镜的距离。

发明内容

本发明涉及一种在多个波长处使用的准直器。在一个实施例中，准直器包括光纤以及梯度折射率透镜，该透镜放置在相对于光纤末端某一固定的距离处。一方面，在红外光谱区的所选范围内，梯度折射率透镜在所选节距处具有小于0.01的色差。另一方面，在可见光谱区的所选范围内，梯度折射率透镜在所选节距处具有小于0.035的色差。

从下面的描述以及所附的权利要求书中将会更明显地看到本发明的其它特征和优点。

附图说明

图1A-1D示出了根据本发明包括梯度折射率透镜的准直器的各种实施例，该梯度折射率透镜具有减少的色差。

图2A示出了根据本发明的一个实施例对于GRIN透镜在波长等于980纳米和1550纳米处有效焦距(EFL)与长度的函数关系。

图2B示出了根据本发明的一个实施例对于GRIN透镜在波长980纳米和1550纳米之间EFL的差值(ΔEFL)与长度的函数关系。

图2C示出了纵向色差周期性地随长度而变化。

图2D示出了横向色差周期性地随长度而变化。

图3示出了根据本发明及现有技术的透镜折射率梯度参数

与透镜波长相互依赖的曲线图。

图4示出了根据本发明及现有技术的透镜在某一波长范围内后焦距(BFL)的变化曲线。

图5示出了根据本发明及现有技术的透镜BFL离最佳值的偏移量与所测量的插入损耗之间的函数关系。

具体实施方式

如附图所示，参照一些较佳的实施例，将对本发明作详细描述。在下面的描述中，为了彻底理解本发明，阐明了大量具体的细节。然而，对于本领域的技术人员而言，很明显可以不按照这些特定细节中的某些或全部来实施本发明。在其它示例中，为了避免不必要地混淆本发明，并没有详细描述公知的特征和/或过程步骤。参照附图及下面的讨论可以更好地理解本发明的特征和优点。

本发明的实施例提供了一种具有GRIN透镜的准直器，该GRIN透镜被放置在光纤的末端处。该准直器可被调节在某一特定设计波长处，然后在包括该设计波长的很宽的波长范围内都可以有效地工作而不需要重新调节光纤和透镜之间的距离。该准直器特别适用于红外光谱区，但是也可以用于近红外以及可见光谱区。本发明部分地基于这样的发现：当具有较低色差的GRIN透镜被包括在准直器中时，该GRIN透镜可以使该准直器在较宽的波长范围内工作时都具有较低的插入损耗，而不需要重新调节光纤到透镜的距离。在980纳米到1550纳米的波长范围内已经实现了小于0.42dB的插入损耗。

图1A示出了根据本发明的一个实施例的准直器100。准直器100包括被插入套管104的光纤102以及与光纤末端108有一定距离的GRIN透镜106。在光纤末端108和GRIN透镜106的表面110之间的距离(d)，即光纤到透镜的距离，是由GRIN透镜106的BFL决定的，该关系已由上文中的公式(2)给出。在一个实施例中，光纤102是单模光纤。或者，光纤102可以是多模光纤或其它特制光纤。图1B-1D示出了准直器100的可选的实施例。在图1B中，光纤116被熔合到GRIN透镜106，即光纤到透镜的距离是零。在图1C中，准直器100包括在光纤120的末端处形成的透镜118，即有透镜的光纤，以及与透镜118有一定距离的GRIN透镜106。在图1D中，准直器100包括在光纤124和GRIN透镜106之间插入的无芯棒122。该无芯棒122是用熔融二氧化硅或其它合适的透镜/光纤材料制造的。

回到图1A，GRIN透镜106具有芯112，芯102可以用覆层114来包住或用不着覆层。GRIN透镜106的芯112具有这样的折射率剖面，它沿径向朝着透镜的光轴不断增加。根据本发明，GRIN透镜106具有较低的色差，这允许准直器100被用于较宽的波长范围而不需要重新调节光纤到透镜的距离(d)。色差通常被定义为：在两个波长之间的有效焦距与在C-线(波长为656纳米)、F-线(波长为486纳米)、以及D-线(波长589纳米)处的有效焦距的比率中的变化，其中C-线、F-线以及D-线与Franunhoffer光相对应。然而，该准直器的主要应用是在红外光谱区，而不是可见光谱区。除了在该定义中将使用红外波长之外，针对红外光谱区的色差定义将与针对可见光谱区的色差定义很相似。

GRIN透镜具有这样的径向折射率分布，使得该折射率从透镜的中心轴逐渐减小，所依据的表达式如下：

$N=N_0(1-\frac{A}{2}{r}^2)\·\·\·\left(5\right)$

其中，N是距离中心轴为r处的折射率，N₀是中心轴处的折射率，A是一个波长相关的常数(参看公式(4)中关于A的定义)。GRIN透镜的有效焦距(EFL)由下式给出：

$\mathrm{EFL}=\frac{1}{N_0\sqrt{A}\sin \left(L\sqrt{A}\right)}\·\·\·\left(6\right)$

其中，L是透镜的长度。既然常数A取决于波长，那么该透镜将会有针对不同波长的不同EFL。图2A示出了根据本发明的一个实施例GRIN透镜在980纳米和1550纳米处的EFL。图2B示出了EFL在980纳米和1550纳米之间的差值(ΔEFL)。EFL和ΔEFL作为透镜长度的函数周期性地变化。该差值在与大小为0.25的节距相对应的长度处最小，在与大小为0.5、1.0、1.5等的节距相对应的长度处渐进地增大到无穷大。由于这种关系曲线，色差必须被指定在某一特定的节距。

色差通常被表达成纵向或横向色差。纵向色差是用来量度将不同波长的光聚焦到同一平面上缺乏能力(inability)的程度，数学上表达如下：

其中，EFL₁是在第一波长处的有效焦距，EFL₂是在第二波长处的有效焦距，EFL_1/2是在第一波长和第二波长之间的某一波长处的有效焦距。对于红外光谱区，第一波长可以是1550纳米，第二波长可以是980纳米，在第一和第二波长之间的波长可以是1310纳米。这些波长通常用于通讯中。在公式(7)中使用这些波长时，图2C示出了根据本发明的一个实施例作为GRIN透镜长度的函数的纵向色差是如何变化的。

当斜入射的光线导致焦点侧移时，横向色差是很明显的，从而使波长分离。这可以表达如下：

其中h是透镜的主平面和末端平面之间的距离，并可被表达为：

$h=\frac{1}{N_0\sqrt{A}}\×\tan \left(\frac{L\sqrt{A}}{2}\right)\·\·\·\left(9\right)$

同样，当在公式(9)中使用之前的红外波长时，图2D示出了根据本发明的一个实施例横向色差作为GRIN透镜长度的函数是如何变化的。

纵向和横向色差都是由于，当不同波长的光穿过透镜时它们具有不同的节距长度。通过将公式(7)和(8)中所使用的EFL和h表达成节距(P)的函数而不是长度的函数，可以去除上述这种对长度的依赖性。表达式如下：

$\mathrm{EFL}=\frac{1}{N_0\sqrt{A}\sin \left(2\mathrm{\πP}\right)}\·\·\·\left(9\right)$

$h=\frac{1}{N_0\sqrt{A}}\×\tan \left(\mathrm{\πP}\right)\·\·\·\left(10\right)$

如果纵向和色差都被表达成节距的函数而不再是长度的函数，则它们在某一波长范围内相等并接近常数值。下面的表格1示出了在可见光波长范围(656/486纳米)和红外波长范围(1550/980纳米)中针对根据本发明一实施例的GRIN透镜A和现有技术的GRIN透镜B上述的常数值将会是多少。透镜A是由银含量很高的硼硅酸盐玻璃制造的。透镜B是由铊基玻璃制造的。如表格1所示，尽管在可见光波长范围中透镜A和透镜B的色差还稍微具有可比性，但是在红外波长范围中两个透镜的色差之间存在相当大的差异。根据本发明的一个实施例，适合用在本发明的准直器中的GRIN透镜在红外光谱区中的色差小于0.01，例如在980纳米到1550纳米的波长范围，该透镜在可见光波长范围中的色差小于0.035，例如在486纳米到656纳米的波长范围。

                                                           表格1

	色差(纵向/横向)
				1550/980纳米	656/486纳米
透镜A	0.0081	0.0334
			透镜B(现有技术)	0.0141	0.0484

色差对节距(ΔP/P)的依赖关系可定义为：

$\frac{\mathrm{\ΔP}}{P}=\frac{P_2-P_1}{P_{1/2}}\·\·\·\left(10\right)$

其中，P₁是在第一波长处的节距，P₂是在第二波长处的节距，P_1/2是在第一和第二波长之间的某一波长处的节距。对于980纳米到1550纳米的波长范围，P₁是在1550纳米处的节距，P₂是在980纳米处的节距，P_1/2是在1310纳米处的节距。对于486纳米到656纳米的波长范围，P₁是在656纳米处的节距，P₂是在486纳米处的节距，P_1/2是在587纳米处的节距。表格2比较了透镜A(根据本发明的一个实施例)和透镜B(现有技术)在上述两个波长范围中的ΔP/P。表格2示出了与现有技术的透镜B相比透镜A具有较低的ΔP/P。根据本发明的一个实施例，适合用在本发明的准直器中的GRIN透镜在红外光谱区中的ΔP/P小于0.005，例如在980纳米到1550纳米的波长范围，该透镜在可见光谱范围中的ΔP/P小于0.025，例如在486纳米到656纳米的波长范围。

                                                    表格2

	ΔP/P
				透镜A	透镜B
656/486纳米	0.0238	0.0396
			1550/980纳米	0.0048	0.0110

在一个实施例中，色差较低的GRIN透镜106是由银含量很高的硼硅酸盐玻璃制造的。具有下面的组分范围的玻璃定量混合物可以用于GRIN透镜：15-60wt％SiO₂、10-30wt％Al₂O₃、30-50wt％Ag₂O以及10-45wt％B₂O₃。该玻璃定量混合物可包括其它可选的组分。Ag₂O的含量越高，GRIN透镜的折射率就越大。具有下面的组分范围的玻璃定量混合物已经予以GRIN透镜所期望的结果：34.89-35.31wt％SiO₂、16.47-16.73wt％Al₂O₃、34.55-34.85wt％Ag₂O以及13.95-14.25wt％B₂O₃。PCT公开文本WO 02/14233A1的内容引用在此作为参考，它描述了一种适合于制造银含量很高的硼硅酸盐玻璃。

如上文中的公式(2)所示，GRIN透镜的BFL是折射率梯度参数

的函数。图3比较了对于根据本发明一实施例的透镜A以及现有技术的透镜B和C而言 作为波长的函数是如何变化的。制造透镜A所用的玻璃定量混合物具有下面的组分范围：34.89-35.31wt％SiO₂、16.47-16.73wt％Al₂O₃、34.55-34.85wt％Ag₂O以及13.95-14.25wt％B₂O₃。现有技术的透镜B和C是由含铊的碱石灰玻璃制造的。透镜A、B和C具有大小为1.8的聚焦力。从图3中可以看到，与现有技术的透镜B、C相比，对于透镜A，

作为波长的函数变化的幅度较小。

在下面的表格3中示出了透镜A和透镜B的色散常数B、C、K₀、K₁和K₂。表格3示出了透镜A和现有技术的透镜B在1310纳米和1550纳米处n₀、

以及BFL的值。

                                                       表格3

假设包括现有技术的透镜B的准直器被设计为在1550纳米处有效地工作。这个准直器的光纤到透镜的距离将会是0.2423毫米，透镜节距为0.23。如果这个相同的准直器被用在1310纳米处，则如表格3所示，该透镜的长度原来在1550纳米处产生的节距为0.23而现在在1310纳米处将会产生大小为0.23066的节距。0.23066的节距对应的BFL为0.2335，这与1550纳米处的BFL相差8.9微米。如果包括根据本发明一实施例的透镜A的准直器被设计为在1550纳米处有效地工作，则该准直器的光纤到透镜的距离将会是0.2723毫米而节距为0.23。如果这个相同的准直器被用在1310纳米处，则如上面的表格3所示，透镜的长度原来在1550纳米处产生的节距为0.23而现在在1310纳米处将会产生大小为0.23028的节距。0.23028的节距对应的BFL是0.2680，与1550纳米处的BFL相差4.3微米，这与包括现有技术透镜B的准直器所对应的BFL偏移小了一半。这种BFL偏移的减小量表明，与现有技术透镜B相比，透镜A具有较低的色差。

使用Zemax^光线追踪程序为包括根据本发明一实施例的透镜A和现有技术透镜B的准直器的性能建立模型。图4示出了被设计成在1550纳米处有效工作的准直器在不同波长处的BFL差值。在这种系统中，在1310纳米处，现有技术透镜B对应的BFL差值为9.4微米而透镜A对应的则为3.4微米。这验证了上面表格3中的计算并表明所观察到的性能差异可以比上面的示例所示的要大许多。下面的表格4在各种波长范围中将包括透镜A和现有技术透镜B的准直器的BFL与模型预测相比较。在测量误差之内(～3微米)，该数据示出了在包括透镜A的准直器的BFL与包括现有技术透镜B的准直器的BFL之间存在可测量的差异。特别地，与透镜B相比，由于透镜A的色差较低，透镜A导致了非常小的BFL变化。

                                                                 表格4

	波长(nm)	1550-1310	1310-980	1550-980
					A	ZemaxΔBFL(μm)	3	10	13
A	测量的ΔBFL(μm)	0	13	13
B	ZemaxΔBFL(μm)	8	22	34
					B	测量的ΔBFL(μm)	7.5	22	30

准直器的性能对BFL的差值非常敏感。针对透镜A和现有技术透镜B，图5示出了测得的插入损耗值与BFL偏离最佳值的偏移量的关系。在这个示例中，准直器被调节到1550纳米处。9μm的偏移量(透镜B)会引起大于0.4dB的插入损耗，而4.5μm的偏移量(透镜A)会引起小于0.2dB的插入损耗。这便是全部的损耗，这表明使用透镜A的准直器或使用具有与透镜A相似的色差的透镜的准直器将会在1310纳米到1550纳米的波长范围内具有小于0.2dB的损耗。如果该准直器被调节到该波长范围的一个末端，即1310纳米处或1550纳米处，则对于透镜A来说在另一末端处的插入损耗将会是0.4dB。如果该准直器被调节到该波长范围的中间，则在前述的波长范围内插入损耗将会小于0.2dB。对0.25节距透镜的计算也表明在透镜A和现有技术透镜B之间存在相似的性能差异。

图4也揭示了如果包括透镜A的准直器被调节到1550纳米处，则在980纳米处光纤相对于透镜的偏移误差将会小于15微米。然而，如果这个相同的准直器被调节到整个的980到1625纳米波长范围的中间时，即在1302纳米处，则在该波长范围的两端(980纳米和1652纳米)，偏移误差将会是15微米的一半(或7.5微米)。分析图5，可以看到7.5微米的偏移误差将会导致准直器在980或1625纳米处的插入损耗的最大值约为0.38dB，即，在整个980到1625纳米的工作范围内该准直器将会呈现出小于0.42dB的插入损耗。

带有诸如现有技术透镜B这样的高色差透镜的准直器可以在1550纳米处达到最佳，或者对于双重波长范围，可以在该范围中间的某一波长处达到最佳。例如对于1310到1550纳米的波长范围，准直器可以在1430纳米处达到最佳。然而，在1430纳米处达到最佳的准直器将会在1310纳米和1550纳米处性能有所下降。带有诸如根据本发明的透镜A这样的低色差透镜的准直器可以在某一波长范围的中间达到最佳，例如在1430纳米处，而且这种设计在1430纳米以及该波长范围的末端处都会有效地工作，该波长范围的末端即1310纳米和1550纳米。

根据本发明的透镜具有减小的色差，其优势在于可以使准直器用于1310纳米和1550纳米处的双波带应用，还可以用于980纳米到1625纳米的多带宽应用。较低的透镜色差导致在某一波长范围内透镜的BFL偏离最佳位置的变化量减小了，从而改善了性能，例如在该波长范围内该准直器具有更低的插入损耗。因为根据本发明的准直器可用于多波长，所以降低了存货等级并改善了库存状况，通过储备一种产品来维持部件管理，而不再储备两个或更多工作在1310纳米和1550纳米或整个980-1625纳米波长范围内的多个带宽处的那些产品。

对于本领域的技术人员而言，很明显可以对本发明作出各种修改和变化而并不背离本发明的精神和范围。例如，尽管本文中的数字所示出的都是透镜在1310纳米和1550纳米处的光学性质，但是应该理解，本发明并不限于特定的工作波长，其它波长也在本发明的范围之内。因此，本发明旨在覆盖所有这些对本发明所作的修改和变化，只要它们落在权利要求书及其等价方案之内。

尽管已经结合数目有限的实施例对本发明作了描述，但是那些受益于本发明的本领域的技术人员应该理解，可以设计出其它实施例而并不脱离本发明的范围。因此，本发明的范围应该仅由所附的权利要求书来限定。

Claims (17)

1.一种用在多个波长处的准直器，它包括：

光纤；以及

梯度折射率透镜，该透镜被放置在相对于所述光纤的一个末端距离固定的位置处，在红外光谱区的所选范围内所述梯度折射率透镜在所选节距处的色差小于0.01。

2.如权利要求1所述的准直器，其特征在于，在所述红外光谱区的所选范围内，所述梯度折射率透镜具有小于0.005的节距变化。

3.如权利要求2所述的准直器，其特征在于，所述红外光谱区的所选范围是980纳米到1550纳米。

4.如权利要求1所述的准直器，其特征在于，在可见光谱区的所选范围内，所述梯度透镜在所选节距处的色差小于0.035。

5.如权利要求4所述的准直器，其特征在于，在所述可见光谱区的所选范围内，所述梯度折射率透镜具有小于0.025的节距变化。

6.如权利要求5所述的准直器，其特征在于，所述可见光谱区的所选范围是486纳米到656纳米。

7.如权利要求1所述的准直器，其特征在于，所述梯度折射率透镜包含银。

8.如权利要求1所述的准直器，其特征在于，所述梯度折射率透镜包含30-50wt％的Ag₂O。

9.如权利要求1所述的准直器，其特征在于，在980纳米到1550纳米的波长范围内，所述准直器的插入损耗大约小于0.42dB。

10.如权利要求1所述的准直器，其特征在于，在1310纳米到1550纳米的波长范围内，所述准直器的插入损耗大约小于0.2dB。

11.如权利要求1所述的准直器，其特征在于，在所述光纤的所述末端形成一个透镜，并且所述梯度折射率透镜被放置在相对于在所述光纤的末端形成的所述透镜距离固定的位置处。

12.如权利要求1所述的准直器，其特征在于，所述准直器进一步包括被插入所述光纤的所述末端与所述梯度折射率透镜之间的无芯棒。

13.一种用在多个波长处的准直器，它包括：

光纤；以及

梯度折射率透镜，该透镜被放置在相对于所述光纤的一个末端距离固定的位置处，在可见光谱区的所选范围内所述梯度折射率透镜在所选节距处的色差小于0.035。

14.如权利要求13所述的准直器，其特征在于，在所述可见光谱区的所选范围内，所述梯度折射率透镜具有小于0.025的节距变化。

15.如权利要求14所述的准直器，其特征在于，所述可见光谱区的所选范围是486纳米到656纳米。

16.如权利要求13所述的准直器，其特征在于，所述梯度折射率透镜包含银。

17.如权利要求13所述的准直器，其特征在于，所述梯度折射率透镜包含30-50wt％的Ag₂O。

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