CN1853125A - 光纤耦合部件 - Google Patents

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Abstract

开发了能保持大的工作距离，降低耦合损耗且有良好部件组装性的光纤耦合部件。通过将数值孔径NA比至少一种光源(半导体激光器)的数值孔径NAS大的GAIN透镜熔接到光纤的一端上，能使光源发射的光完全进入GRIN透镜内而降低光损耗。再于数值孔径NAf的光纤的一端上熔接数值孔径NA2的第二GRIN透镜，同时还与上述第二GRIN透镜的另一端熔接上比NA2大的数值孔径NA1的GRIN透镜，由此可使光源发射的光高效地进入光纤内而降低光损耗，此时最好有NAf≤NA2＜NAs≤NA1。

Description

光纤耦合部件
技术领域
本发明涉及将光通信中所用半导体激光器等光源与光纤的高效率耦合的光纤耦合部件。
背景技术
以高效率耦合半导体激光器与光纤的技术为光通信中最重要的技术之一。例如已采用过球面透镜与非球面透镜等透镜的方法以及将光纤前端形成球面的圆头光纤的方法(参考特许文献1)等。采用透镜的方法的特点是可以有较高的耦合效率，但另一方面，半导体激光器，透镜，光纤相互间的轴线要求对准一致是很繁杂的工作，此外还有耦合系统的整体增大以及制造成本高的问题。再者，透镜的尺寸大会占据布置空间，因而许多的半导体激光器与为数众多的光纤在短的间隔内是不能用作半导体激光器阵列与光纤阵列相耦合的形式。在采用圆头光纤的方法中，由于其是小型的，能够将半导体激光器阵列与光纤阵列相耦合。这种圆头光纤是在单模光纤的前端整体形成了半球形透镜的，但为了制备这种圆头光纤，过去都是将光纤前端研磨成球状，不利于大规模生产，费时费力。除此，由于光纤的前端成为球面而会有因球差致耦合效率低的问题。亦即从激光器端面出射的光线通过其出射角会以不同的位置与角度到达单模光纤的端面。因此，不论此光线偏离芯子或是到达芯子，当朝向芯子的入射角在临界角以上，就不会成为沿单模光纤传输的光线，使耦合损耗降低。例如采用标准的单模光纤时的耦合损耗约为6db。
为了解决上述这类问题，采用了容易使轴线一致的柱面状分布折射率透镜(梯度折射率透镜)(下面简作GRIN透镜)。GRIN透镜是采用折射率不均匀(愈接近中心折射率愈大)媒体的透镜，是通过使折射率连续变化起到透镜作用的透镜。这种GRIN透镜径向方向的折射率分布n(r)可表示为
n(r)＝n0(1-(1/2)(gr)2)(见图1)。式中的n(r)表示距中心距离r处的折射率，n0为中心部分的折射率，g为表示GRIN透镜聚光本领的常数。这种透镜的球差虽然较小，但由于既有的GRIN透镜其临界角＜20°，就不能充分地引入标准的全辐射半角θ约为25°的光通信用半导体激光器的光，使耦合损耗增大。因此，尽管系数采用球面透镜与GRIN透镜的组合形式。但难以使轴线一致而成为组装费用高的原因。此外，将GNIN透镜的前端切削加工成球状虽然在设计上作了许多努力，但不利于大规模生产，费时费力且有增加制造成本的问题。还有，以往的GNIN透镜是由多组分玻璃制备，其软化点约500～600℃，不能与以石英玻璃为主要成分的光纤熔接而需使用光学粘合剂，这样就难以使轴线一致，同时由于粘合剂的光吸收，在有高强度光入射时温度上升而致粘合剂变质，从而会有光学特性退化的问题。
为了解决这种接读退化问题，提出了将GI(梯度折射率)光纤用作透镜的结构(参考特许文献2-3)。这种GI光纤是芯子部分的折射率按抛物线变化的光纤。GI光纤由于与光纤相同是由石英玻璃制成，故能与光纤熔接，可以具有相对于高强度光的稳定性，但在这种情形下由于GI光纤的临界角在20°以下(聚光本领小)，就不能充分引入标准的全辐射半角约为25°的光通信用半导体激光器的光，使耦合损耗增大且在实际上组装为透镜时操作性能差。
特许文献1：美国专利No.3910677
特许文献2：美国专利No.4701011
特许文献3：美国专利No.5384874
特许文献4：特开平8-292341号公报
发明内容
为了解决上述种种问题，希望能研制出可充分覆盖半导体激光器辐射角的聚光本领高的(数值孔径大的)GRIN透镜。特别是由于标准的半导体激光器的全辐射半角在25°以上，故有必要开发出用于将半导体激光器的光充分导入GRIN透镜中具有至少25°以上临界角的GRIN透镜。所谓临界角是光相对于光纤与GNIN透镜的轴线斜入射时光能进入光纤与GRIN透镜内的相对于轴线的最大角度，通常将临界角的正弦函数称为数值孔径(下面略作NA)，当半导体激光器的全辐射半角为25°时，此数值孔径NA为0.43，若是对于NA为0.43以上的GRIN透镜，则能使半导体激光器的光完全进到透镜之内，因此要求这样的GRIN透镜。除此，为使半导体激光器与GRIN透镜，光纤的光轴易于一致，GRIN透镜的热膨胀系数，考虑到此透镜能与光纤熔接，相对于石英玻璃的热膨胀系数5×10-7K-1，要求其在15×10-7K-1以下，这种熔接技术是提高生产率所必须的，通过熔接不仅能减少因光纤与透镜界面的反射而返回半导体激光器的光，而且能解决过去使用粘合剂接续时因粘合剂的光吸收在有高强度光入射时致温度升高使粘合剂变质而致光学特性退化的问题。再有，当把剖面形状基本相同的光纤与GRIN透镜置于氢氧焰喷灯之下，在熔接时通过目排列效应(借助熔融玻璃的表面张力使光纤与GRIN透镜双方的中心轴线自然一致的效应)，就能具有让迄今成为悬案的未能精密地使轴线准直的光纤与透镜的中心轴一致和显著地改进组装性的优点。
为了采用这种聚光本领高的GRIN透镜来高效地会聚半导体激光器的光，虽可以将NA高的GRIN透镜直接熔接到光纤前端的方法，但此时必须有3～4dB耦合损耗的精神准备。其理由是，从半导体激光器端面辐射出的光通过NA高的GRIN透镜的聚光效应而聚集到单模光纤的端面上，但辐射角度大的光的一部分则是以光纤临界角以上的角度到达，特别是在半导体激光器的临界角(称此正弦函数＝数值孔径为NAs)大于光纤的临界角(称此正弦函数＝数值孔径为NAf)时，由于光线因辐射角度而到达光纤芯子之外或即使到达芯子而因到达芯子的入射角在临界角之上而不能入射到单模光纤，这样就有耦合损耗低的问题。
为了解决上述问题，提出了将具有芯子与包层的单模光纤的一端与无芯子光纤的另一端，用具有传输光的曲折周期的1/4长度或奇数倍长度的平方折射率分布的平方分布形光纤(相当于GRIN透镜)接续的带透镜光纤(参考特许文献4)。带透镜光纤是在具有芯子与包层的单模光纤上连接具有传输光的曲折周期的1/4长度或奇数倍长度的平方折射率分布的平方分布形光纤(相当于GRIN透镜)。这里的平方分布形光纤具有芯子与包层，前端形成半球形。使用上述光纤后，与半导本激光器耦合时的耦合损失虽可减少到约4dB，但并未满足实用上所要求的耦合损耗(3dB以下)。一般地说，半导体激光器与光纤的耦合损耗愈小，光通信系统的性能也愈高，系统的构造也容易。此外，由于要将光纤前端形成半球状，制品的合格率低，成本高。由于前端半球状的透镜与半导体激光器的耦合效率低，半球状透镜与半导体激光器端面间的距离即工作距离必须为10μm左右。因此在组装带半球状透镜的光纤与半导体激光器相耦合的耦合系统时，就会有因半导体激光器与半球状透镜碰撞而不能使用的缺点。
但当同时要求保持增大工作距离，实现更低的耦合损耗以及满足半导体激光器，透镜与光纤的光轴能简单地对准一致时，用过去的带透镜的光纤的有关技术已不可能。本发明正是鉴于上述问题而提出的，目的在于提供能加大和保持工作距离，可减小耦合损耗且组件装配性良好的带GRIN透镜的光纤与激光器组件。
(结构1)本发明的光纤耦合部件的特征在于，将数值孔径NA比至少一种光源(半导体激光器等)的数值孔径NAs大的GRIN透镜熔接到光纤一端上。
本发明的光纤耦合部件是把GRIN透镜侧的一端部对向光源设置而以其另一端与光通信用光纤接续，使光源辐射的可高效地送入光通信用光纤之中，GRIN透镜如前所述是采用折射率不一致(愈接近中心折射率愈大)的介质的透镜，是通过折射率连续变化起到透镜作用的透镜。图1为GRIN透镜的说明图，左侧示明某径向的折射率分布，右侧为其透视图。如图1所示，GRIN透镜取平方型折射率分布。光源(半导体激光器等)的数值孔径NAs为全辐射半角(图2的θ)的正弦函数，GRIN透镜的数值孔径NA为GRIN的临界角的正弦函数，孔径数越大的光源，光的辐射度越广，孔径数越大的GRIN透镜，它的聚光本领越高。
以往虽不存在所具数值孔径NA比半导体激光器孔径数NAs大的且可熔接光纤的GRIN透镜，但是已可以根据下述方法与实施例来制造。由于GRIN的数值孔径比光源的数值孔径大，就能使光源发射的光完全进入GRIN透镜之内而可降低光损耗。
(结构2)此外，在前述结构1的耦合部件中，本发明是以上述数值孔径NA在0.43以上为其特征的光纤耦合部件。如前所述，由于一般的光源(半导体激光器)的数值孔径是0.43，使GRIN透镜的数值孔径达到0.43以上，这就成为比一般光源的为大的数值孔径。
(结构3)在前述结构1或2的耦合部件中，本发明是以上述GRIN透镜的热膨胀系数小于15×10-7K-1且由溶胶凝胶法制成为其特征的光纤耦合部件。通过使GRIN透镜的热膨胀系数在15×10-7K-1之下，就能无缺陷地与石英玻璃光纤熔接，从而可以优化生产率(不需要准直光轴，提高了成品率等)，消除了GRIN透镜与光纤接续部分的变质以及光损耗的问题。具有上述膨胀等的GRIN透镜可由溶胶凝胶法制备。溶胶凝胶法将于下面详述。
为了形成NA高且热膨胀系数与石英玻璃基本等同的GRIN透镜，用过去的离子交换法或气相CVD(化学汽相定移)法是非常困难的。离子变换法制成的GRIN透镜是含碱成分的多组分玻璃，热膨胀系数非常之大，在耐热性的问题上缺乏可靠性。用气相法虽可获得0.38的NA(例如文献；P.B.O’Connor等：Electron，Lett.，13(1977)170-171)，但为了求得此值以上的NA而增添了GeO2、P2O5等，结果增大了热膨胀系数而母体材料则易出现裂纹。将此种热膨胀调整到合适程度已是高NA的课题。
能够解决上述问题的唯一方法是以低温合成法为基础的溶胶凝胶法。此法是在以硅的醇盐(Si(OR)4(R：烷基))为主要成分的乙醇溶液中，将酸或碱作为溶剂添加，经加水分解成溶胶，在制作多组分系玻璃时再添加金属成分，再使此溶胶作缩聚反应，进行交联反应而制成湿凝胶。然后干燥此湿液胶，除去凝胶中的溶剂，通过烧成而制成致密的玻璃。在用熔胶凝胶法制备GRIN透镜时，需对金属成分形成浓度分布，由于金属成分的浓度高的部分折射率也高，故应使GRIN透镜的中心部分的浓度高，而越向外侧的浓度越低。引入金属成分原料的方法有采用金属醇盐，金属盐的方法，以及分子填塞法等。
为了研究添加到本发明的GRIN中用于提高折射率的金属成分，用周知的Lorentz-Lorenz的计算公式进行了预测，作为GRIN透镜的候选的金属添加物成分例如有分别与SiO2相组合的下述各化合物Bi2O3、In2O3、Y2O3、La2O3、Ga3O2、Sb2O3、Gd2O3、Nh2O5、SnO2、Ta2O5、TiO2与ZrO2。其中包含Bi、In、Y、La的组成。作为添加有这种元素的任何酵盐都是难溶性固体，已知不能制作凝胶。包含Gd、Ga的组成，在添加物少的领域(相对于Si的添加量在20mol％以下)，只能求得0.3以下的数值孔径NA。添加了Nb、Sn的玻璃中已知存在有结晶物质，同时热膨胀系数大而不适于制作GRIN透镜。此外，添加了Sb的玻璃在凝胶烧成时会有添加元素Sb的蒸发，而添加了Zr的玻璃中，加水分解反应较早，在制备凝胶过程中形成有少量的沉淀物使工艺存在不稳定性。
经过以上研究的结果，较为理想的是SiO2-Sb2O3、SiO2-Ta2O3、SiO2-Ti2O3以及SiO2-ZrO2系石英玻璃，再考虑到工艺的稳定性，以SiO2-Ta2O5与SiO2-Ti2O3系的石英玻璃为最佳，若是于溶胶凝胶法分别添加Ta：10mol％、Ti：12mol％，则已知能制成NA高，热膨胀系数与石英玻璃近似的GRIN透镜。
(结构4)本发明的光纤耦合部件还具有下述特征：于数值孔径NAf的光纤的一端熔接上数值孔径NA2的第二GRIN透镜。再于上述第二GRIN透镜的另一端熔接上比NA2大的数值孔径NA1的第一GRIN透镜。
本发明的光纤耦合部件通过使第一GRIN透镜侧的一端对向光源设置而以另一端与光通信用光纤接续，能够光源发射的光高效地送入光通信用光纤。从光源发射出的光顺次经第一GRIN透镜，第二GRIN透镜进入光纤内，但由于第一GRIN透镜的数值孔径NA1比第二GRIN透镜的数值孔径NA2大，作为第一GRIN透镜采用数值孔径大的(最好是比光源的数值孔径NAs大的)，则能使光源发射的光高效地进入第一GRIN内。此外，由于第二GRIN透镜的数值孔径NA2比NA1小，故能选择数值孔径充分小的第二GRIN透镜，这样就可以使从第二GRIN透镜到光纤的光的临界再相当小(数值孔径小，于GRIN内曲折行进的光的曲折周期变长，从GRIN透镜出射的光的临界角小)，于是来自第二GRIN透镜的光便高效地进入光纤中。
(结构5)在上述结构4的耦合部件中，本发明的光纤耦合部件的特征还在于，它构成为：使光纤的数值孔径(NAf)、第一GRIN透镜的数值孔径(NA1)、第二GRIN透镜的数值孔径(NA2)以及光源的数值孔径(NAs)满足：
NAf≤NA2＜NAs≤NA1
由于NAs≤NA1，光源发射出的光便完全进入第一GRIN内，没有光损耗，此外由于有NAf≤NA2＜NAs，从第二GRIN透镜进入光纤的光的临界角度小，光从第二GRIN透镜高效地进入光纤。因而从整体上看，从光源发射出的光高效地进入光纤。一般来说，NAf＝0.15，NAs＝0.43。
(结构6)在上述结构4或5的耦合部件中，本发明的光纤耦合部件的特征还在于，上述第一GRIN透镜的数值孔径NA1在0.43以上，如上所述，由于一般的光源(半导体激光器)的数值孔径为0.43，通过使第一GRIN的数值孔径成为0.43以上，就成为比一般光源的数值孔径大的数值孔径。
(结构7)在上述结构4～6的任一耦合部件中，本发明的光纤耦合部件的特征在于，上述第一GRIN透镜的长度Z1当假设中心部的玻璃的折射率为n0、透镜1的半径为d1而与光源的距离为L时，满足
Z1＝(n0×d1/NA1)arctan(d1/NA1×L)
在设定Z1＝(n0×d1/NA1)arctan(d1/NA1×L)后，进入第一GRIN透镜的光于其终端成为平行光线，高效地入射到第二GRIN透镜内。此外，与第一GRIN透镜的数值孔径大相结合，增长了与光源的距离，能有良好的组装性。
(结构8)在上述结构7的耦合部件中，本发明的光纤耦合部件的特征在于，上述第二GRIN透镜的长度Z2是所传输光纤的曲折周期的约1/4长度或其奇数倍长度。
借助上述结构7，来自第一GRIN透镜的平行光线入射到第二GRIN中。由于第二GRIN透镜的长度Z2是所传输光线曲折周期的约1/4长度或其奇数倍的长度，入射的平行光线在终端便会聚到光纤4的中心轴上。此时，第二GRIN透镜的聚光性比第一GRIN透镜的小，成为以平缓的宽度角度集光，使不高效率地进入光纤。
(结构9)在上述结构4～8中任一项的耦合部件中，本发明的光纤耦合部件的特征还在于，上述第一与第二GRIN透镜的热膨胀系数在15×10-7K-1之下，且至少是第一GRIN透镜为通过溶胶凝胶法制成的。由于第一、第二GRIN透镜的热膨胀系数在15×10-7K-1之下，第一与第二GRIN透镜的熔接就能无缺陷地进行，优化了生产率(不必使光轴准直，提高了成品率等)，消除了接续部的变质与光损耗的问题。具备上述热膨胀系数且有大数值孔径的第一GRIN透镜可由溶胶凝胶法制成。数值孔径小的第二GRIN透镜可由过去周知的方法制备。
(结构10)在上述结构1～9中任一项的耦合部件中，上述光纤耦合部件的特征在于，前述光纤为单模光纤。本发明的耦合部件中作为光纤可使用最一般的单模光纤。单模光纤通常由中心部折射率较大的芯子与其周围的折射率较小的包层组成，芯子的直径约为10μm，包层的直径(光纤的直径)约为125μm。
发明效果
采用本发明的带GRIN透镜的光纤耦合部件，能够使其粗细基本同于光纤本身的，这样，耦合系统的整体可以小，从而能将多个半导体激光器与多根光纤以短的间隔排列成的半导体激光器阵列与光纤阵列相耦合。由于能增大工作距离(与光源的距离)，耦合系统便容易组装且不会损伤透镜。耦合损耗显然可以降低。此外，本发明的GRIN透镜的光纤耦合部件全为光纤形式，能原样地利用既有的光纤熔接技术，因而具有制作简单可大规模的显著效果。
附图说明
图1是GRIN透镜的说明图。
图2是实施例的光纤耦合部件的说明图。
图3是实施例的光纤耦合部件的说明图。
图4是GRIN透镜形成过程的说明图。
图中各标号的意义如下：
1.第一GRIN透镜；2，第二GRIN透镜；3，半导体激光器；4，光纤；21，容器；22，湿凝胶层；23，玻璃体；24，GRIN母体；
具体实施方式
下面根据图2说明本发明的实施形式。设数值孔径NAs的半导体激光器3与具有等于或稍大于NAs的NA的第一GRIN透镜1(称此GRIN透镜的NA为NA1)之间距离为L，于是从半导体激光器1以相当于数传数值孔径NAs的全辐射半角θ发射的光为第一GRIN透镜1接收，可沿第一GRIN1内传输。在此，设第一GRIN透镜1的中心部的折射率为n0而其半径为d1，解第一GRIN透镜1内的光线方程式，通过将此第一GRIN透镜1的长度Z1调整到
Z1＝(n0×d1/NA1)arctan(d1/(NA1×L))    (1)沿Z1长度传输的于全辐射半角θ内的全部光线成为相对于光纤光轴的平行光线，但为了使半导体激光器的辐射光线不会在到达GRIN透镜的半径为d1的侧面时逃逸，要求在
NA1≥NAs                               (2)之下，近似地满足
d1≥L/(1/NAs-1/NA1)/NA1)1/2            (3)从式(1)、(2)与(3)可知，特别是在L/d1≤1时成为Z1～(n0×d1/NA1)×(π/2)，在(2)的条件下，不论设定什么样的半径d，入射到GRIN透镜上的光不会于GRIN透镜1的侧壁处脱逸出去。
然后此平行光线入射到其数值孔径NA与NAf的光纤4相同或较其稍大的第二GRIN透镜2中，即
NAf≤NA2    (4)这里记第二GRIN透镜2的NA为NA2。此时为使第一GRIN透镜1的所有平行光不会于第二GRIN透镜的侧壁上逃逸出，或者说，为了使之进入半径为d2，数值孔径为NA2的第二GRIN透镜2中，在求解第一GRIN透镜与第二GRIN透镜内的光线方程时，可设定半径d1、d2满足
(NAf/NA2)×(d2/d1)≥NAs((L/d1)2NA1+1/NA1)    (5)特别是从式(5)可知，在L/d1＜＜1时，可决定半径d1、d2以满足
d2/d1≥(NA2/NAf)×(NAs/NA1)                  (6)即可。
入射到第二GRIN透镜2中所有的平行光。在此第二GRIN透镜2的长度Z2设定为第二GRIN透镜2中所传输光的曲折周期的1/4长度
Z2＝(n0×d2/NA2)×(π/2)    (7)
或其奇数倍长度时，在通过聚光性能小于第一GRIN透镜1的第二GRIN透镜2时，便于平缓的角度下会聚于光纤4的中心轴上。特别显著的是，会聚到光纤4的中心轴上的光与中心轴所成的角度，由于第二GRIN透镜小的聚光本领而变得与光纤的临界角相同或稍小。于是上述的光几乎完全进入光纤之内，使耦合效率有了飞跃地提高。
显然，第一GRIN透镜1与第二GRIN透镜2还有光纤4由于是熔接起的，因而各个接合面上的反射损耗基本为零。总之，特别在L/d1＜＜1时，为了飞跃地提高耦合效率，可使所取的结构为将满足
NAf≤NA2＜NAs≤NA1          (8)
d2/d1≥(NA2/NAf)×(NAs/NA1)    (9)的第一与第二GRIN透镜1、2熔接到光纤3的前端上。
在以上考察中是就L/d1＜＜1的情形进行说明。此时首先是设定带GRIN透镜的光纤接近半导体激光器而易于工作的距离L(例如30mm)。其次用半径d2选择满足(8)的数值孔径NA2的第二GRIN透镜2，将其长度设定为第二GRIN透镜2中所传输的光的曲折周期的1/4长度((7)式)或其奇数倍的长度Z2。然后用(9)式决定第一GRIN透镜1的半径d1。一般设d1＝d2。将此值代入(1)式，用工作距离设定第一GRIN透镜1的长度Z1。在这样地设定第一GRIN透镜与半导体激光器的距离L后，在组装中就不会相互接触或冲突。此外由(1)式可知，Z1的长度由于反三角函数的性质而非唯一的，存在着π的许多倍的情形，但可以考虑GRIN透镜1的易加工性决定，通常希望设定为π倍。
再有，迄今是就光纤4作为单模光纤的情形进行了说明，但并非限定于单模光纤，只要是满足(8)式，即使是多模光纤也可。此外，在高输出的多模LD中，平行方向的发光区与垂直方向的发光区之比从数十比一到数百比一，而激光的垂直扩展解角θv与平行扩展角θp也极端的不同(θv＞＞θp)。因此在上述这样旋转对称光学系统中，难以将LD激光高效地导入具有良好对称性的光入射孔口(例如为圆形的)光纤中。为了解决这一问题，可将具有与相当于垂直扩展角θv的NA(称为NAs)等同或稍大的数值孔径NA的平板式GRIN透镜(称为NA1)，插入圆筒形的第一GRIN透镜1的替代形式中以进行调节。
此外，半导体激光器发射的光通常虽具有椭圆形状，但第一GRIN透镜1即使不是圆筒形也可以具有椭圆形状的折射率分布。不论在任何情形下，与形状无关，通过组合满足(2)式的GRIN透镜，都可获得很高的耦合效率。
下面基于图2与3来说明本发明的实施例式的形成方法。半导体激光器组件(耦合系统)的结构如图1所示，将半导体激光器3与带第一、第二GRIN透镜的光纤隔约30μm的工作距离相对配置，半导体激光器3例如可设定为峰值振荡波长1330mm，工作电流16mA，工作电压1.0V，水平方向全辐射半角20°，垂直方向全辐射半角25°。带GRIN透镜的光纤可以是具有芯子与包层的数值孔径NAf＝0.15的单模光纤4，在其一端顺次地接续着第二GRIN透镜2和第一GRIN透镜1。第一GRIN透镜1与第二GRIN透镜2的直径通常设定成与光纤4的直径相同或稍大。在图2例示的结构中，GRIN1、2的直径同为150μm，而数值孔径NA1、NA2分别设为0.5与0.16。第二GRIN透镜2取透镜内所传输的光线的曲折周长约1/4的长度，根据(7)式设定为约860μm。另一方面，第一GRIN透镜的长度可据前述(1)式来求，在此取π倍，长度设定为略990μm。
取上述结构的带GRIN透镜的光纤可按下述制备。首先于图3(a)所示的数值孔径NAf＝0.15，直径125μm的单模光纤4的一端，用熔接器熔接上数值孔径NA2＝0.16的具有平方形折射率分布的直径150μm的第二GRIN透镜2。然后按于第二GRIN透镜内传输的光的曲折周期的1/4的长度860μm将其切断(图3(b))。再将具有与第二GRIN透镜不同的数值孔径为NA1＝0.5而直径为150μm的平方折射率分布的适当长度的第一GRIN透镜1的坯件熔接于第二GRIN透镜2上。然后将第一GRIN透镜1的长度按990μm分断研磨，求得带GRIN透镜的光纤(图3(c))。
应用上述半导体激光组件，将峰值振荡波长1330nm，工作电流16mA，工作电压1.0V的具有水平方向全辐射半角20°，垂直方向全辐射半角25°的发射特性的半导体激光器与带有具有NA1＝0.5的GRIN透镜的光纤隔30μm的距离相对设置，可获得耦合损耗在1dB以下的极高的耦合效率，证明了本发明的优越性。
实施例1
将2当量盐酸9.2ml溶加到四甲氧基硅75.5ml与异丙醇183.4ml的混合液中，经30分钟搅拌再加入9.8ml的四(n)-丁氧基钛。然后添加0.01当量的氨水，搅拌制备成湿凝胶。将此湿凝胶于50℃经两昼夜熟化后，再将此湿凝胶于6当量盐酸中浸渍2小时，使外周部分的钛溶出而让凝胶中具有钛的浓度分布。浸渍后经70℃干燥而制得直径的10mm的干凝胶件。此制得的干凝胶件于氧气氛中按150℃/hr从室温升至800℃，然后再于氦气氛中按50℃/hr升温到1250℃，制得烧成的透明玻璃体。测定此圆柱形玻璃体的折射率分布的结果，制得了从中心到周边按平方曲线减少其折射率的，NA＝0.16的第二GRIN透镜母体。
再于四甲氧基硅75.5ml和异丙醇183.4ml的混合液中添加2当量盐酸9.2ml，经30分钟搅拌后，添加四(n)-丁氧基钛30.8ml。然后添加0.01当量的氨水制得湿凝胶。将此湿凝胶于50℃经2昼夜熟化后，再于6当量监酸中浸渍2小时，使凝胶中具有钛浓度分布。经上述浸渍后再浸渍于甲醇中以洗净凝胶中的盐酸成分。之后将上述凝胶于6当量盐酸中浸渍20分钟，赋予第二次浓度分布，再与第一次的处理相同，将凝胶浸渍于甲醇中，洗净盐酸后干燥。然后将上述凝胶于6当量盐酸中浸渍8分钟。赋予第三次浓度分布，再与第一次的情形相同，将凝胶浸渍于甲醇中，洗净盐酸后进行干燥而制成获得直径约10mm的干凝胶。将制得的干凝胶按10℃/hr从室温升至350℃，之后再升温到1200℃制得烧成的透明玻璃体。测定此圆柱状玻璃体的折射率分布的结果，获得了从中心到周边使折射率基本按平方曲线减少的，NA＝0.5的第一GRIN透镜母体。这样，通过在湿凝胶状态下进行多次浓度分布，能够形成大的GRIN透镜。
将上述两个母体分别以0.04mm/s的速度插入碳阻电炉中，拉丝成外径150μm的GRIN透镜状光纤，再制作成第一GRIN透镜状光纤与第二GRIN透镜状光纤。用放电熔接器将制得的第二GRIN状光纤熔接到数值孔径0.15的单模光纤的一端。然后按沿第二GRIN透镜内传输的光的曲折周期的1/4长度990μm进行切断加工。然后与前述相同，用放电熔接器将与此第二GRIN透镜不同的，数值孔径0.5的第一GNIN透镜状光纤熔接到第二GRIN透镜上。之后按860μm长度切断研磨，制得了带第一、第二GRIN透镜的实施例1的又一光纤耦合部件。
将此制得的光纤耦合部件按30μm的工作距离时向峰值振荡波长1330μm，工作电流16mA，工作电压1.0V，水平方向全辐射半角20°，垂直方向全辐射半角25°的半导体激光器，可制得耦合损耗在0.9dB以下的高耦合效率。
实施例2
首先按与实施例1相同的过程制成数值孔径NA＝0.16的第二GRIN透镜的母体后，用碳阻电炉拉丝，制成外径150μm的第二GRIN透镜状光纤。
继于四甲氧基硅76.6ml与异丙醇184.3ml的混合液中添加2当量盐酸9.2ml，混合以超微粒子的硅石，进行1小时搅拌与部分加水分解，将此溶液8等分，添加表1所示的浓度的四(n)-丁氧基钛，放置一段时间后制备出钛成分相异的从1层到8层共8种溶胶。然后隔各自相应的时间添加0.01当量的氨水，调制溶胶。
首先将第一层的溶胶加入内径50mm的圆筒形聚丙烯容器内，以1100转/分的速度转动30分钟，于圆筒状的容器21的内壁上制成圆筒状的湿凝胶。然后按同样的工艺，将第二层到第八层的钛成分相异的溶胶液置入容器21内，在容器21的内壁上叠层成同心圆状的8层的钛添加量不同的湿凝胶层22(图4(a))。转动已制成的圆筒状湿凝胶同时于60℃干燥1周，制得干凝胶。干凝胶收缩成内径26mm，外径13mm，椭圆率在0.04％以下的圆筒。将这样制得的干凝胶于氧气氛中按150℃/hr从室温加热到800℃，然后于氦气氛中按50℃/hr升温烧制到1250℃，制得透明玻璃体23。将此圆筒状的玻璃体23的两端固定到可转动的盘件上，于转动的同时用约2000℃的氢氧焰喷灯25从端部顺次加热，制成了实心的圆柱状的GRIN母体24(图4(c))。
        表1
  钛添加量
  1层2层3层4层5层6层7层8层   0ml1.1ml1.6ml2.1ml2.6ml3.0ml3.5ml4.3ml
将此GRIN透镜母体24以0.04mm/s的速度插入碳阻电炉，拉制成150μm的GRIN透镜状光纤，制成第一GRIN透镜状光纤。测定此制成的第一GRIN状光纤的折射率分布结果为具有的中心向周边按大致平方曲线减少的折射率分布，其数值孔径为NA＝0.53。在此由于在1900℃以上拉丝时中心部的钛成分有若干飞散，故如表1所示。增多了8层的钛的添加量以防降低折射率。
将这样制成的第二GRIN透镜状光纤用放电熔接器熔接到数值孔径0.15单模光纤的一端。然后按沿第二GRIN透镜内传输的光的曲折周期的1/4长度990μm切断加工。再将具有与此第二GRIN透镜不同的为0.53数值孔径的第一GRIN状光纤，按上述相同的方法用放电熔接器熔接上第二GRIN透镜。然后按840μm长度切断研磨，制得实施例2的光纤耦合部件。
将这样制得的光纤耦合部件以30μm的工作距离对向峰值振荡波长1330nm，工作电流16mA，工作电压1.0V，水平方向全辐射半角20°，垂直方向全辐射半角25°的半导体激光器时，获得了耦合损耗在0.9dB以下的高耦合效率。
实施例3
首先按与实施例1相同的工艺制成数值孔径NA＝0.16的第二GRIN透镜的母体，再用碳阻电炉拉丝制成外径150μm的第二GRIN状光纤。
继将四甲氧基硅1.1g与表2所示的8种添加量的乙氧基钽混合。再添加混合以甲醇1.3cc并搅拌。然后再混合超微粒子硅石0.3g，经1小时搅拌后，放置一段时间，分别混合甲醇1.3cc与纯净水0.3cc滴下，调制成溶胶。
首先将第一层溶胶加入内径50mm的圆筒形聚丙烯容器内，以1000转/分的速度转动30分钟，于容器内壁上制成成圆筒状凝胶。然后由相同的过程，顺次将2层至8层的钛成分不同的溶胶顺次加入该容器内，于此容器内壁上淀积成同心圆状的8层钽浓度相异的湿凝胶。转动此制作成的圆筒状湿凝胶，于60℃干燥一周而制得干凝胶，此干凝胶为内径25mm，外径14mm，椭圆率在0.04％以下的圆筒。将制得的干凝胶于氧气氛中按150℃/hr从室温升温到800℃，然后于氦气氛中按50℃/hr升温到1250℃，制得烧成的透明玻璃体。
        表2
  钛添加量
  1层2层3层4层5层6层7层8层   0ml1.1ml1.6ml2.1ml2.6ml3.0ml3.5ml4.3ml
从此圆筒状玻璃体形成与上述实施例2相同的圆筒状GRIN母体，将此母体按0.04mm/s的速度插入碳阻电炉内，拉制成外径150μm的GRIN透镜状光纤，制成第一GRIN透镜状光纤，测定此制得的第一GRIN透镜状光纤的折射率分布的结果为从中心向周边基本按平方曲线减小的折射率分布，其数值孔径为NA＝0.52。在此掺钽的情形，不会有类似实施例2所示使钛飞散情形的钽飞散。
将这样制成的第二GRIN状光纤用放电熔接器熔接到数值孔径0.15的单模光纤的一端之上。然后按沿第二GRIN透镜内传输的光的曲折周期的1/4长度990μm切断加工。再将数值孔径为0.53而不同于第二GRIN透镜数值孔径的第一GRIN透镜状光纤，与以上所述相同用放电熔器熔接到第二GRIN透镜上。然后按所需长度840μm切断研磨，制得实施例3的光纤耦合部件。
将此制得的光纤耦合部件以30μm的工作距离对向峰值振荡波长1330nm，工作电流16mA，工作电压1.0V，水平方向全辐半角20°，垂直方向全辐射半角25°的半导体激光器时，获得耦合损耗在0.9dB以下的高耦合效率。
实施例4
首先用与实施例1相同的工艺制备出数值孔径NA＝0.16的第二GRIN透镜的母体，再用碳阻电炉拉丝，制成外径150μm的第二GRIN透镜状光纤。
其次将四甲氧基硅，纯净水，盐酸按摩尔比1∶5∶0.001混合，到加水分解完全结束，搅拌制得溶胶液。然后将超微粒子硅石按照使溶胶内SiO2的重量比为40％与该溶胶液混合，作充分搅拌。添加0.1当量的氨水调整溶液。将此溶胶加入内径50mm的圆筒形聚丙烯容器内，按1000转/分的速度旋转2小时，于容器内壁上制成圆筒状湿凝胶。将此湿凝胶浸渍于添加了50g的分子筛3A的异丙醇与丙酮混合成的处理液800ml中，在进行了24小时的搅拌操作后，替换处理液再次进行相同的操作。再于此圆筒形内注入5g的四(n)-丁氧基钛与70ml的乙醇的混合液，搅拌5小时而于此圆筒形的湿凝胶中形成浓度分布。将此凝胶浸渍于丙酮中，使钛固定于凝胶的细孔中。
将这样制得的具有钛的浓度分布的圆筒状湿凝胶旋转，于60℃干燥一周而获得干凝胶，此干凝胶是内径26mm，外径13mm，椭圆率在0.04％以下的圆筒。将此制得的干凝胶于氧气氛中按150℃/hr从室温升高到800℃，再于氦气氛中按50℃/hr升温到1250℃，制得了烧成的透明玻璃体。
与上述实施例2、3相同，由此圆筒状玻璃体形成实心的圆筒状GRIN透镜母体，将该母体以0.04mm/s的速度插入碳阻电炉内，拉制成外径150μm的GRIN透镜状光纤，制备出第一GRIN透镜状光纤。测定此制作得的第一GRIN透镜状光纤的折射率分布的结果为从中心向周边基本上按平方曲线减小的折射率分布，而其数值孔径NA＝0.48。
将这样制得的第二GRIN状光纤用放电熔接器熔接到数值孔径0.15的单模光纤的一端上。然后按沿第二GRIN透镜内传输的光的曲折周期的1/4长度990μm切断加工。再将数值孔径为0.48而不同于第二GRIN透镜数值孔径的第一GRIN透镜状光纤，与以上所述相同用放电熔器熔接到第二GRIN透镜上。然后按所需长度890μm切断研磨，制得实施例4的光纤耦合部件。
将此制得的光纤耦合部件按30μm的工作距离时向峰值振荡波长1330nm，工作电流16mA，工作电压1.0V，水平方向全辐射半角20°，垂直方向全辐射半角25°的半导体激光器，可制得耦合损耗在0.9dB以下的高耦合效率。
将与上述实施例4相同制成的，其中钛浓度分布已固定的湿凝胶的外壁于6当量的盐酸中浸渍5分钟，除去凝胶的周边部分上固定的钛添加物，使之具有陡削的钛浓度分布。将这样制得的湿凝胶件浸渍于甲醇中，洗净盐酸并使之干燥，形成了内径26mm，外径13mm的干凝胶件，然后将其置入管状炉内，按10℃/hr从室温升至350℃，然后再升温到1200℃进行烧成，获得透明的圆筒状玻璃体。将所得的玻璃体与实施例1相同的拉制成150μm外径的光纤，测定其折射率分布时，与此实施例相比更接近平方曲线，成为数值孔径高达0.55的GRIN透镜将此GRIN透镜作为第一GRIN透镜，与上述实施例1～4相同，形成光纤耦合部件，由此可制成高耦合效率的光纤耦合部件。
再将实施例4中的四(n)-丁氧基钛的钽的丙醇盐Ta(OC3H7)5取代，进行同样的钽浓度分布的固定。经干燥、烧结获得的玻璃折射率分布是基本上按平方曲线减小的折射率分布，相应的数值孔径NA＝0.52。将此相应的GRIN透镜作为第一GRIN透镜，与上述实施例1～4相同形成光纤耦合部件，制得了高耦合效率的光纤耦合部件。

Claims (10)

1.一种光纤耦合部件，其特征在于：光纤的一端上熔接有数值孔径NA比至少一种光源的数值孔径NAs大的GRIN透镜。
2.根据权利要求1的耦合部件，其特征在于：上述数值孔径NA在0.43以上。
3.根据权利要求1或2的耦合部件，其特征在于：上述GRIN透镜其热膨胀系数在15×10-1K-1以下且是通过溶胶凝胶法制成的。
4.一种光纤耦合部件，其特征在于：它是在数值孔径NAf的光纤的一端熔接上数值孔径NA2的第二GRIN透镜，再于上述第二GRIN透镜的另一端熔接上比NA2大的数值孔径NA1的第一GRIN透镜。
5.根据权利要求4的耦合部件，其特征在于：它构成为使光纤的数值孔径NAf，第一GNIN透镜的数值孔径(NA1)，第二GNIN透镜的数值孔径(NA2)与光源的数值孔径(NAs)满足：
NAf≤NA2＜NAs≤NA1。
6.根据权利要求4或5的耦合部件，其特征在于：上述第一GRIN透镜的数值孔径NA1在0.43以上。
7.根据权利要求4～6中任一项的耦合部件，其特征在于：上述第一GRIN透镜的长度Z1，当假设中心部的玻璃的折射率为n0，透镜1的半径为d1而与光源的距离为L时，满足：
Z1＝(n0×d1/NA1)arctan(d1/NA1×L)。
8.根据权利要求7的耦合部件，其特征在于：上述第GRIN透镜的长度Z2是所传输光线的曲折周期的约1/4长度或其奇数倍长度。
9.根据权利要求4～8中任一项所述的耦合部件，其特征在于：上述第一与第二GRIN透镜的热膨胀系数在15×10-7K-1以下，且至少是第一GRIN透镜为通过溶胶凝胶法制成的。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的耦合部件，其特征在于，上述光纤为单模光纤。
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