CN1781041A - 光纤透镜及制造方法 - Google Patents

Abstract

一种光纤透镜，包括渐变折射率透镜(308)、设置在该渐变折射率透镜(308)第一端部的单模光纤(310)、以及折射透镜(306)，该折射透镜(306)设置在该渐变折射率透镜(308)第二端部，具有双曲线的或近似双曲线的形状，用于将来自该单模光纤(310)的光束会聚成衍射限制的光斑。

Description

光纤透镜及制造方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2002年12月31日递交的、题为“小模场光纤透镜”的美国临时申请No.60/437,328和2003年10月31日递交的、题为“小模场光纤透镜”的美国专利申请10/699,450的优先权。

背景技术

本发明通常涉及用于耦合位于光学元件之间的光学信号的光学装置。更具体地说，本发明涉及用于耦合位于光学元件之间的信号的光纤透镜。

在光通信中采用了各种方法来耦合位于光学元件之间的光学信号，例如光纤、激光二极管和半导体光放大器。一种方法涉及光纤透镜的使用，其是一个具有设置在软导线光纤的一端的透镜的整体装置。光能通过透镜或软导线光纤进入或离开该光纤透镜。该光纤透镜能将来自软导线光纤的光会聚成在所选焦点距离上具有期望的尺寸和亮度的光斑。然而，现有技术存在具有多小的光斑尺寸才能实现所期望的亮度分布的局限以及在控制光斑尺寸和亮度分布时可实现的焦点距离的局限。对某些申请，期望在焦点距离大于5μm处保持高斯亮度分布的情况下获得与2.5至3.0μm一样小的模场直径。这些申请的实施例包括从半导体光放大器到光纤、从高折射率(index)半导体或电介质波导到光纤等的光学信号耦合。

根据上述内容，期望一种光纤透镜，其能产生具有小模场直径以及对于宽范围的焦点距离所期望的亮度分布的会聚光斑。

发明内容

一方面，本发明涉及一种光纤透镜，其包括渐变折射率透镜、设置在该渐变折射率透镜第一端部的单模光纤以及折射透镜，该折射透镜设置在该渐变折射率透镜第二端部，具有双曲线的或近似双曲线的形状，用于将来自该单模光纤的光束会聚成衍射限制的光斑。

另一方面，本发明涉及一种光纤透镜，其包括单模光纤和设置在该单模光纤一端的透镜，其中，在透镜一端呈现的光束束腰的模场直径小于10μm，并且从该透镜该端至束腰的距离与束腰处模场直径之比大于5。

又一方面，本发明涉及一种制作光纤透镜的方法，其包括接合单模光纤至渐变折射率光纤，切除该渐变折射率光纤至期望的长度，并将该渐变折射率光纤一端磨圆成双曲线的或近似双曲线的形状。

另一方面，本发明涉及一种制作光纤透镜的方法，其包括接合单模光纤至渐变折射率光纤，切除该渐变折射率光纤至期望的长度，接合空芯光纤至该渐变折射率光纤，切除该空芯光纤至期望的长度，并将该空芯光纤一端磨圆成双曲线的或近似双曲线的形状。

本发明的这些和其它特征和优点将通过对本发明下面的详细说明和结合附图得到更详细的论述。

附图说明

本发明通过实施例结合附图进行说明，但并不限于附图中的这些实施例，附图中相同的参考标记表示相同的元件，其中：

图1A为根据本发明一实施例的光纤透镜示意图。

图1B为双曲透镜的几何表示。

图1C示出具有插入GRIN透镜和折射透镜之间的无芯分隔棒的光纤透镜。

图2A为当双曲透镜设置在单模软导线光纤一端的情况下双曲透镜端部曲率半径随焦点距离变化的曲线图。

图2B示出图2A所示实施例中双曲透镜端部的MFD随焦点距离的变化。

图3为经由本发明光纤透镜的光束传播示意图。

图4A为平面的和发散的光束波阵面的几何表示。

图4B为对双曲线的形状作出的以形成近似双曲透镜的变化示意图。

图5为根据本发明一实施例的光纤透镜的远场亮度分布随远场发散角变化的曲线图。

具体实施方式

现在，将通过一些优选实施例并结合附图详细描述本发明。在接下来的说明中，阐述了许多细节以提供对本发明的全面理解。然而，显而易见的是，本领域普通技术人员可无须一些或全部这些细节来实现本发明。在其它情况中，熟知的工序和/或特征并没有详细描述，以避免不必要地混淆本发明。本发明的特征和优点可通过参考附图和接下来的论述得到更好的理解。

本发明实施例提供一种光纤透镜，其能将来自光纤的光会聚成在本申请期望的距离上具有预期的尺寸和亮度分布的光斑。该光纤透镜通过接合折射透镜和渐变折射率(GRIN)透镜来产生会聚光束。在一个实施例中，该折射透镜具有双曲线的形状，用于将准直光束会聚成衍射限制的光斑。在另一个实施例中，该折射透镜具有近似双曲线的形状，用于将非准直光束会聚成衍射限制的光斑。通过控制GRIN透镜的多模参数和折射透镜的形状，实现例如从2至5μm范围的、具有合理高斯亮度分布的小模场直径(MFDs)。此外，当保持该小MFDs和高斯亮度分布时，在1550nm工作波长处获得与25至40μm一样大的长焦点距离。

图1示出根据本发明一实施例的光纤透镜100。该光纤透镜100包括渐变折射率(GRIN)透镜102、设置在该GRIN透镜102一端的折射透镜104，和设置在该GRIN光纤透镜102另一端的单模软导线光纤106。该GRIN透镜102具有芯108，其可以受或不受包层110的束缚。该GRIN透镜102的芯108优选具有沿光纤透镜100的光轴径向增加的折射率分布，例如平方律型或抛物线型。在一个实施例中，该折射透镜104为具有双曲表面112的双曲透镜。该双曲透镜104具有芯114，其可以受或不受包层116的束缚。理论上，该芯114应当具有均匀折射率，但是，通过将GRIN透镜102的一端抛光成双曲表面112也许更容易形成折射透镜104，在该情况下，芯114将具有沿光纤透镜100的光轴径向增加的折射率分布。

双曲透镜104的形状给出如下：

$\frac{u^2}{a^2}-\frac{v^2}{b^2}=1---\left(1a\right)$

图1B为上述表达式的图形表示。在该图中，双曲透镜104为u-v坐标系统中双曲线的一部分，并且该双曲线部分的顶点位于u轴的(a，0)处。该双曲线部分的焦点位于(c，0)，c给出如下：

$c=$ $\sqrt{a^2+b^2}---\left(1b\right)$

该双曲线部分包括两条渐近线，表示如下：

bu±av＝0                   (1c)

渐近线的斜率是+b/a和-b/a。渐近线在原点(0，0)处交叉形成具有顶角α的楔形，α给出如下：

α＝2tan^-1(b/a)             (1d)

根据Edwards等人的理想双曲形状，其正好将入射球面波转变成平面波，方程(1a)至(1d)中的因子a和b通过下式得到：

$a^2={\left(\frac{n_2}{n_1+n_2}\right)}^2{r}_2^2---\left(2a\right)$

$b^2=\left(\frac{n_1-n_2}{n_1+n_2}\right)r_2^2---\left(2b\right)$

其中n₁为双曲透镜芯部折射率，n₂为双曲透镜芯部周围介质的折射率，r₂为双曲透镜端部曲率半径。(Edwards，Christopher A.，Presby，Herman M.，和Dragone，Corrado.“用于激光器至光纤耦合的理想微透镜”光波技术期刊，Vol 11，No.2，(1993)：252.)具有这样的双曲形状，图1B中所示的位于平面(1)和(2)处的模场半径相等，并且在平面(2)处的曲率半径为无穷大，即，在平面(2)处的光束波阵面是平面二维的。

回到图1A，该软导线光纤106可以是任何标准的单模光纤，例如CorningSMF-28^光纤，或特殊单模光纤，例如偏振保持(PM)光纤。当从端部看时，该软导线光纤106可以是圆形对称的或具有其它形状，例如，方形或椭圆形。该GRIN透镜102优选固定到该软导线光纤106上。从可靠性和长期稳定性出发，该GRIN透镜102可通过熔接接合固定到该软导线光纤106上。该双曲透镜104可直接在该GRIN透镜102上形成或在附着于该GRIN透镜102的无芯分隔棒上形成。如图1C所示，该双曲透镜104还可附着于无芯分隔棒120，该无芯分隔棒120附着于GRIN透镜102。由于折射透镜和分隔棒的最后尺寸通常非常小，在优选方法中，首先将较长的GRIN光纤或分隔棒附着于软导线光纤，然后在形成折射透镜之前在端部将其切除或分解至所期望的长度(无芯分隔棒还可介于该GRIN透镜102和软导线光纤106之间)。该双曲透镜104可通过使一段长度的光纤成形为具有一顶角(图1B中的α)的锥形/楔形来形成。例如，该光纤可通过锥形切割处理(为了对称)或具有抛光功能的激光显微机械加工来形成为锥形/楔形。然后，在得到的锥形/楔形端部形成弯曲曲率以得到期望的双曲形状。虽然在附图中没有示出，但该GRIN透镜和/或该单模软导线光纤可以是锥形。该软导线光纤的整体直径可以比该GRIN透镜的整体直径小或基本相等。

该GRIN透镜102和双曲透镜104产生会聚光束，其具有小的模场直径(MFD)、好的波阵面特性以及长的焦点距离。在一个实施例中，下列特征是所期望的：束腰处模场直径(MFD)小于10μm，优选在2至5μm的范围内，具有合理的高斯亮度分布，焦点距离大于5μm，优选在20至60μm的范围内，从透镜端部到束腰的距离与束腰处MFD的比大于5，并且对于在250至2000nm范围内的工作波长透镜间的耦合效率大于65％。该双曲透镜104和GRIN透镜102对于实现小的MFDs和长的焦点距离都是重要的。例如，如果不使用该GRIN透镜102，双曲透镜104端部的光斑尺寸将被限制在单模软导线光纤106的MFD内，其将限制可实现的焦点距离至小的数值。例如，大部分实际应用的单模光纤在1550nm的工作波长处具有10-12μm范围的MFD。由于单模光纤具有10μm的MFD和38μm的发散角，其对于3μm的会聚MFD是必需的，如果只使用双曲透镜，最长焦点距离将被限制在大约14μm。

为了进一步说明同时使用双曲透镜104和GRIN透镜102的重要性，参考图2A示出的双曲透镜端部的曲率半径与光纤透镜的焦点距离的函数关系，该光纤透镜在没有插入GRIN透镜的单模软导线光纤一端设置有双曲透镜。该图示出光纤透镜具有好的波阵面特性。图2B示出图2A中所示实施例的双曲透镜端部的MFD随焦点距离的函数变化。该图示出为了获得2.0-3.5μm范围内的会聚MFDs，双曲透镜端部的MFD必须大于10μm以实现焦点距离大于20μm。除非在双曲透镜和单模软导线光纤之间插入GRIN透镜，否则，使用最普遍使用的单模光纤将不会实现比20μm大得多的焦点距离，因为双曲透镜端部的MFD将被限制在单模软导线光纤的MFD内。

图3示出穿过平面(1)、(2)、(3)和(4)传递的光束300。平面(1)包括光学装置302的一个端面。平面(2)与光纤透镜304的端部重合。平面(3)与位于双曲透镜306和GRIN透镜308之间的接触面重合。平面(4)包括单模软导线光纤310的一个端面。假定该光学装置302具有2w₀的MFD，并且设置在离该光纤透镜304端部的距离为d处。在这种情况下，期望这样设计光纤透镜304，在工作波长8时，该光纤透镜304的会聚光斑尺寸在距离光纤透镜304端部d处尽可能地接近2w₀。该GRIN透镜308端部的光束的特性和双曲透镜306的特性决定了会聚光束的光斑尺寸特征。在一个实施例中，光纤透镜304的设计步骤包括(1)计算光纤透镜304端部所需要的曲率半径和模场半径，以产生会聚光斑尺寸，(2)通过计算出的曲率半径来决定双曲透镜306的形状，以及(3)通过计算出的模场和软导线光纤310的模场来决定GRIN透镜308的参数。以下是执行该步骤的一种可能的方法的论述。

对于步骤(1)，位于平面(2)，即，光纤透镜304端部的模场半径(w₂)和曲率半径(r₂)可采用熟知的高斯光束传播公式来决定。例如，上述Edwards等人给出的关于w₂和r₂下列表达式：

$w_2=w_0\sqrt{1+{\left(\frac{\mathrm{\λd}}{\mathrm{\π}{w}_0^2}\right)}^2}---\left(2a\right)$

$r_2={\left(\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\right)}^2\frac{{\left(w_0{w}_2\right)}^2}{d}---\left(2b\right)$

对于步骤(2)，可通过从方程(2a)和(2b)得到的曲率半径(r₂)连同方程(1a)-(1d)来决定该双曲透镜306的形状。

对于步骤(3)，该GRIN透镜308将位于平面(3)处、具有模场半径w₃和曲率半径r₃的光束转变成位于平面(4)处、具有模场半径w₄和曲率半径r₄的光束。为了最优设计，w₄需要尽可能地接近单模软导线光纤310的模场半径w_p。一种实现该最优设计的方法是选择这种特殊的单模软导线光纤，其w_p与可容易利用的GRIN透镜308的w₄相等。另一方面，该GRIN透镜308的参数可这样选择，其w₄尽可能接近特定值w_p。在这种情况下，标准单模光纤，例如Corning SMF-28^光纤，可用作软导线光纤。该GRIN透镜参数包括纤芯直径、外部(或包层)直径、折射率分布、纤芯和包层之间的相关折射率差异以及GRIN透镜的长度。在一个实施例中，该GRIN透镜的纤芯直径在约50至500μm的范围内，并且其外部直径在约60至1000μm的范围内。与在光通信系统中使用的光纤相兼容的高硅组成物的相关折射率差值优选在约0.5至3％的范围内。

对于r₃＝∞的双曲透镜情况，即，光束在平面(3)处为平面波阵面，并且w₃＝w₂，该GRIN透镜308的长度精简成四分之一间距。在该简单情况中，根据下列方程，模场半径w₃和w₄与该GRIN透镜参数相关：

$w_3{\·w}_4=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\πng}}---\left(3a\right)$

其中

$g=\frac{{\left(2\mathrm{\Δ}\right)}^{1/2}}{a}---\left(3b\right)$

其中g为聚焦参数，a为GRIN透镜的纤芯半径，以及Δ是该GRIN透镜的纤芯和包层之间的折射率差异。该四分之一间距(L/4)的公式给出如下：

$\frac{L}{4}=\frac{\mathrm{\π}\·a}{2\·\left({(2\·\mathrm{\Δ})}^{1/2}\right)}---\left(3c\right)$

其中

$\mathrm{\Δ}=(n_1^2-n_2^2)/(2\·n_1^2)---\left(3d\right)$

其中L为间距，n₁为该GRIN透镜的纤芯折射率，n₂为该GRIN透镜的包层折射率。

对于无四分之一间距的GRIN透镜，高斯光束转变可通过Emkey等人提出的ABCD矩阵步骤计算出。(Emkey，William L.和Jack，Curtis A.，“渐变折射率光纤透镜的计算和分析”光波技术期刊，Vol.LT-5，No.9，(1987)：1156-1164)该方法使用一复合光束参数“q”，其定义如下：

$\frac{1}{q\left(z\right)}=\frac{1}{r\left(z\right)}-i\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\π}{w}^2\left(z\right)n}---\left(4a\right)$

其中r为高斯光束的曲率半径，w为高斯模场半径，λ为自由空间波长，以及n为折射率。q(z)从包括单模软导线光纤310端面的平面(4)向包括光纤透镜304最终束腰的平面(1)变化，给出如下：

$q_1=\frac{{\mathrm{Aq}}_4+B}{{\mathrm{Cq}}_4+D}---\left(4b\right)$

其中q₁和q₄分别为位于平面(1)和(4)处的复合光束参数。

A、B、C、D因子为与从平面(4)至平面(1)光束参数相关的光束矩阵的元素，并由下式获得：

$\left[\begin{array}{cc}A& B\\ C& D\end{array}\right]=M_1{M}_2{M}_3{M}_4---\left(5a\right)$

其中M₁为位于平面(1)和平面(2)之间光束参数的转变，其表示如下：

$M_1=\left[\begin{array}{cc}1& z\\ 0& 1\end{array}\right]---\left(5b\right)$

其中z为相对双曲透镜端部的最终束腰位置。M₂为双曲透镜中光束参数的转变，其表示如下：

$M_2=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -(n_2-n_1)/n_2{r}_2& n_1/n_2\end{array}\right]---\left(5c\right)$

M₃为GRIN透镜中光束参数的转变，其表示如下：

$M_3=\left[\begin{array}{cc}\cos \left(\mathrm{gL}\right)& \sin \left(\mathrm{gL}\right)/g\\ -g\sin \left(\mathrm{gL}\right)& \cos \left(\mathrm{gL}\right)\end{array}\right]---\left(5c\right)$

其中g由关于GRIN透镜的方程(3b)给出，该GRIN透镜具有长度L和折射率分布给出如下：

n′(r)＝n(1-g²r²)^1/2                               (5d)

其中r为离透镜轴的径向位置。M₄为平面(4)处来自折射率从n₁至n的介质的光束参数的转变，表示如下：

$M_4=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& n_1/n\end{array}\right]---\left(5e\right)$

该GRIN透镜的长度L和聚焦参数g可调节，以便光束穿过该GRIN透镜后，平面(4)处的模场半径w₄转变成尽可能接近单模软导线光纤的模场半径w_p。

双曲透镜将准直光束会聚成衍射限制的光斑，但不能将非准直光束会聚成衍射限制的光斑，因为它没有使所有光线的路径长度在一光斑处相等。对于具有四分之一间距的GRIN透镜，该GRIN透镜输出面处的光束被准直。因此，如果双曲透镜紧接着一个四分之一间距GRIN透镜，来自单模软导线光纤的光束将被会聚成衍射限制的光斑。对于没有四分之一间距的GRIN透镜，该GRIN透镜端部的输出光束将是离散或收敛的，其取决于该GRIN透镜的长度是否比四分之一间距短或长。因此，优选该GRIN透镜设计成或接近四分之一间距。但是，应当注意到，已经有期望具有无四分之一间距的GRIN透镜的应用。对于这些应用，发明者提供一近似双曲透镜，其能将非准直光束会聚成衍射限制的光斑。

下列表1表明了输出光束的MFD和曲率半径(R)与GRIN透镜长度(Z)的函数关系。计算中使用的参数如下：纤芯半径a＝50μm，相对折射率差异Δ＝0.01，工作波长λ＝1550nm，以及单模软导线光纤的模场半径w_p＝10.6μm。

表1

Z(mm)	MFD(μm)	R(mm)
			0.15	9.544436065	0.276522
0.16	9.880469672	0.302607
			0.17	10.19672103	0.333614
0.18	10.49111006	0.370933
			0.19	10.76181305	0.416623
0.2	11.00723608	0.473827
			0.21	11.22599466	0.547572
0.22	11.41689802	0.646393
			0.23	11.57893731	0.786001
0.24	11.7112765	0.99881
			0.25	11.81324573	1.364093
0.26	11.88433631	2.140502
			0.27	11.92419729	4.933849
0.2776	11.9334793	472.7168

0.28	11.93263319	-16.3388
			0.29	11.90960273	-3.07433
0.30	11.85521866	-1.69397
			0.31	11.76974837	-1.16665
0.32	11.65361566	-0.88767
			0.33	11.50740347	-0.71467
0.34	11.33185804	-0.59666
			0.35	11.12789463	-0.51087
0.36	10.89660521	-0.44559
			0.37	10.63926875	-0.39422
0.38	10.3573647	-0.35272
			0.39	10.05259072	-0.31854
0.4	9.726885718	-0.28996

对于表1中所示设计，该GRIN的间距长度约为1110μm(或1.11mm)。利用方程(3c)，该四分之一间距约为277.6μm(或0.2776mm)。对于接近四分之一间距的GRIN透镜长度，R非常大。对于小于四分之一间距的GRIN透镜长度，R是离散的。例如，对于260μm的GRIN透镜长度，R约为2.14mm。对于大于四分之一间距的GRIN透镜长度，R是收敛的。例如，对于290μm的GRIN透镜长度，R约为-3.07mm。对于R是收敛或离散的GRIN透镜长度，需要一近似双曲线形状来得到一衍射限制的会聚光斑，该近似双曲线形状为具有一用于光束弯曲曲率补偿的校正系数的一变形双曲线形状。

近似双曲透镜形状可通过计算光学路径长度和物理路径长度的改变以恰当的精度决定，该对双曲线形状作出的改变用来补偿光束弯曲曲率。图4A示出一平面光束波阵面400，其当该GRIN透镜长度位于或接近四分之一间距时产生，以及一离散光束波阵面402，其当GRIN透镜长度小于四分之一间距时产生。与平面光束波阵面400的光学路径长度相比，离散光束波阵面402的光学路径长度在离开光轴404的方向减少。该光学路径长度差异，L_opt(r)，与离光轴404的径向距离的函数关系可由下式计算得到：

L_opt(r)＝R(1-cosφ)                   (6a)

其中

φ＝sin^-1(r/R)                              (6b)

该物理路径长度差异，L_p(r)，给出如下

$L_p\left(r\right)=\frac{L_{\mathrm{opt}}\left(r\right)}{(n-1)}---\left(6c\right)$

其中n为透镜材料的折射率。在一类似方式中，对于GRIN透镜长度比四分之一间距长，即，收敛光束波阵面，可计算得到近似双曲线形状。在该情况中，光学路径长度差异需要与离光轴距离呈函数增加。图4B示出为了得到近似双曲线形状408而对双曲线形状406作出改变的示意图，该近似双曲线形状408可将离散的光束波阵面会聚成衍射限制的光斑。

对于具有473.8μm曲率半径(R)、GRIN透镜长度200μm的特殊实施例，光学路径长度从双曲线形状的偏移与离光轴的径向位置的函数关系在表2中给出。

表2

r(μm)	Lopt
		2	0.004228
4	0.016913
		6	0.038054
8	0.067652
		10	0.105704
12	0.152212
		14	0.207173
16	0.270587
		18	0.342453
20	0.42277
		22	0.511536

物理路径长度的差异通过光学路径长度除以(n-1)计算得到，其中n为透镜材料的折射率。从表2中可以看出，对于大的曲率半径，在离光轴近距离处的双曲线形状改变非常小。然而，在离开光轴以及小的曲率半径情况下该偏移变大。上述示出的计算是为了提供一决定近似双曲线形状步骤的实施例。该近似双曲线形状更精确的确定可利用适当的透镜设计模型作出。

根据本发明，光纤透镜中使用的每个GRIN透镜长度在必要时可与四分之一间距不同。结果，根据本发明，在各种应用中，可采用同样的坯料拉制GRIN透镜。由于不需要改变坯料的折射率分布，坯料和GRIN透镜的制作过程可以简化。从而，同样的坯料可用于不同的模变换应用。对于不同的应用，该坯料优选重新拉制成不同的外部直径，并且得到的GRIN透镜可被切割或分解成不同的长度以满足不同应用的需求。GRIN透镜的参数，例如GRIN透镜四分之一间距可通过先前描述过的步骤决定。在本发明中，该近似双曲透镜消除了GRIN透镜必须是四分之一间距以实现衍射限制的光斑的限制。该近似双曲线形状有效地结合了双曲透镜和用于校正残余弯曲曲率的球面透镜的功能。

在一个实施例中，采用Corning SMF-28^光纤作为单模软导线光纤，但不将该实施例所描述的内容作为对本发明的限制。该软导线光纤接合至GRIN透镜的一端，同时在该GRIN透镜的另一端形成近似双曲透镜。该接头处和该双曲透镜端部之间的距离约为275μm。该GRIN透镜具有50μm的纤芯直径和125μm的外部直径。该GRIN透镜的纤芯和包层之间的相对折射率差异为1％。图5示出该实施例中远场亮度分布与远场发散角的函数关系曲线图。在1.31μm处得到该特性，该光纤透镜的远场全幅半最大值(FWHM)发散角约为20°。该曲线图示出该亮度分布为完全高斯型曲线。

本发明光纤透镜的一个应用是光纤和半导体光放大器(SOA)或其它波导之间的光学信号耦合。这些应用的标准技术条件包括：MFD＜3.0μm，离束腰距离＞10μm，回波损耗＞45dB，以及坚固的透镜形状以防止在元件组装过程中的破损。对于SOA和波导应用，该光纤透镜必须转变该软导线光纤的模场以匹配该波导或SOA。如今，该波导和许多SOA装置普遍具有充分圆形的MFDs。对于SOAs，MFDs在1550nm处范围为2.5-3.8μm。这些与远场全幅半最大值(FWHM)发散角相应的值与18-22度一样高。在～13.5％(1/e²)亮度水平处的半远场发散角(θ)给出如下：

$\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\π}{w}_0}---\left(7\right)$

其中λ为光波长，w₀为光束模场半径。MFD为2w₀。

对SOA装配过程有影响的SOAs的另一个属性以及光纤透镜所期望的特征是SOA的倾斜面。为了减少回波反射，SOAs的倾斜面倾斜成约15°。由于倾斜面的存在，倾斜面边缘和光纤透镜端部之间间隙的合理变得重要。否则，当光纤透镜对准SOA以得到最佳耦合时，光纤透镜与SOA倾斜面接触并损坏它的几率很大。绝大部分当前可用到的在1550nm工作波长处具有2.5-3.8μm范围MFDs的光纤透镜具有与5-10μm一样小的焦点距离。从而，有利于增加其焦点距离至大于15-20μm以改进该特性，并减少装配过程中损坏SOA的几率。同样，SOAs对回波反射也十分敏感。如果焦点距离大，将有较少部分来自光纤透镜端部的回波反射到达SOA。这也改进了SOA的性能和稳定性。

对于SOA应用另一个有用的特征是亮度分布和被光纤透镜会聚的光的波阵面特性。该波阵面特性应当与位于SOA和软导线光纤之间的模场亮度分布相匹配，在尺寸、亮度分布和相位上尽可能地接近。这表明，来自软导线光纤穿过光纤透镜的会聚光束必须具有2.5-3.8μm范围的尺寸，并尽可能是高斯型。当前可用到的光纤透镜在大的MFDs处达到该特性，但在小的MFDs处没有这么好。这就导致高的耦合损耗并降低SOA的性能。本发明有利于改进该性能。

另一个特性是光纤透镜的稳定性。例如，在将光纤透镜组装到SOA包装中的准备中包含的各种加工步骤中，如果光纤透镜设计成具有非常小和易碎的端部，将存在透镜端部毁坏并降低性能的可能。物理上坚固不易碎的光纤端部将是有用的特性。另一个有用的特性是透镜的设计和加工，该加工是稳定的并具有对于加工偏差更多的公差。例如，如果透镜端部具有10μm的曲率半径，曲率半径非常小的1μm的变化将会是10％的变化，并能较大地改变聚焦特性。在25μm曲率半径设计中同样的1μm的变化可能不会降低同样程度的性能。在本发明中，这些问题中的一些被提出并改进。

本发明光纤透镜的另一个应用是在光纤和激光器二极管之间的光学信号耦合。该用于发射激光的激光器二极管具有与40°一样高的远场发散角，其与1550μm波长处约0.8μm的MFD相一致。该激光辐射在x和y方向上的纵横比从1变化至4。透镜的MFD越与之匹配，耦合效率越高。在该公开的内容中，光纤透镜通常连接到装置上，其具有接近1的纵横比。为了使透镜在装配中免于损坏激光器，期望的是离束腰的距离大于10μm。本申请的光纤透镜优选如下特性：在1550nm工作波长处的MFD＜3.0μm或发散角＞22°，回波损耗＞45dB，离束腰距离＞10μm，以及透镜间耦合效率大于90％。

本发明光纤透镜的另一应用是在光纤和探测器之间经过的光学信号耦合。与上述应用中不仅光斑尺寸而且亮度分布和相位波前错误也要紧不一样，该探测器申请需要对光斑尺寸和仅在一定范围内的功率数量进行控制。对于本申请，焦点距离50-60μm时的光斑尺寸小于3-5μm，将有利于装配低成本。

本发明光纤透镜具有一个或多个优点。该光纤透镜允许光学装置之间的光学信号耦合。形成在该光纤透镜端部的双曲透镜或近似双曲透镜机械地坚固，并且与例如锥形透镜相比，很少有可能遭到损坏和降低性能。该GRIN透镜的多模参数和双曲或近似双曲透镜的形状能够控制以实现具有合理的高斯亮度图案的小的MFDs和长的焦点距离。该双曲透镜将准直光束会聚成衍射限制的光斑。该近似双曲透镜用于校正非准直光束中的波阵面弯曲曲率，以允许该光束会聚成衍射限制的光斑。

虽然已通过几个优选实施例对本发明进行了说明，但其它对这些优选实施例所作出的变化、置换、等效替换也都落在本发明范围内。因此，随后的附加权利要求应理解为包含了所有落在本发明的实际精神和范围内的这种变化、置换、等效替换。

Claims (20)

1、光纤透镜，包括：

渐变折射率透镜；

单模光纤，设置在该渐变折射率透镜第一端部；以及

折射透镜，具有双曲线的或近似双曲线的形状，设置在该渐变折射率透镜第二端部，用于将来自该单模光纤的光束会聚成衍射限制的光斑。

2、根据权利要求1的光纤透镜，其中该双曲线的形状将准直光束会聚成该衍射限制的光斑。

3、根据权利要求1的光纤透镜，其中该近似双曲线的形状包括一校正因子，用于光束弯曲曲率的补偿，并允许将非准直光束会聚成该衍射限制的光斑。

4、根据权利要求1的光纤透镜，其中在该折射透镜和渐变折射率透镜之间插入分隔棒。

5、根据权利要求1的光纤透镜，其中在该渐变折射率透镜和该单模光纤之间插入分隔棒。

6、根据权利要求1的光纤透镜，其中该光斑的模场直径小于10μm。

7、根据权利要求6的光纤透镜，其中该光斑的所述模场直径在约2-5μm的范围内。

8、根据权利要求6的光纤透镜，其中该光纤透镜的焦点距离大于约5μm。

9、根据权利要求6的光纤透镜，其中该光纤透镜的焦点距离在约20-60μm范围内。

10、根据权利要求6的光纤透镜，其中该折射透镜端部至该束腰的距离与该束腰处所述模场直径之比大于约5。

11、根据权利要求1的光纤透镜，其中该渐变折射率透镜的纤芯直径在约50-500μm的范围内。

12、根据权利要求11的光纤透镜，其中该渐变折射率透镜的外部直径在约60-1000μm的范围内。

13、根据权利要求1的光纤透镜，其中该渐变折射率透镜的相关折射率差异在约0.5-3％的范围内。

14、根据权利要求1的光纤透镜，其中该光纤透镜的工作波长在25-2000nm的范围内。

15、光纤透镜，包括：

单模光纤；以及

透镜，设置在该单模光纤一端；

其中从该透镜一端发出的光束束腰处模场直径小于10μm，并且从该透镜所述端部至该束腰的距离与该束腰处所述模场直径之比大于5。

16、根据权利要求15的光纤透镜，其中该透镜包括设置在渐变折射率透镜一端的双曲或近似双曲透镜。

17、根据权利要求16的光纤透镜，其中在该双曲或近似双曲透镜和该渐变折射率透镜之间插入分隔棒。

18、光纤透镜的制作方法，包括：

将单模光纤接合至渐变折射率光纤；

切除该渐变折射率光纤至期望的长度；

将该渐变折射率光纤一端磨圆成双曲线的或近似双曲线的形状。

19、根据权利要求18的方法，进一步包括将该渐变折射率光纤成形为锥形或楔形，其具有顶角，该顶角由先前磨圆该渐变折射率光纤端部而成的双曲线渐进线所确定。

20、光纤透镜的制作方法，包括：

将单模光纤接合至渐变折射率光纤；

切除该渐变折射率光纤至期望的长度；

将无芯光纤接合至该渐变折射率光纤；

切除该无芯光纤至期望的长度；以及

将该无芯光纤一端磨圆成双曲线的或近似双曲线的形状。

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