CN1910485A - 带透镜的光纤以及制造带透镜的光纤的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了带透镜的光纤以及制造带透镜的光纤的方法。根据本发明的一个实施例，一种制造功能性涂覆的透镜光纤(56)的方法包括如下步骤：提供带透镜的光纤(40)，该带透镜的光纤具有末端部分(42)，该末端部分包括末端光纤部分(44)和带透镜的部分(46)，该带透镜的部分具有光有效区域(48)；用保护性元件(50)覆盖透镜光纤末端部分的至少一部分，由此形成一种受保护的透镜光纤，该受保护的透镜光纤具有不被保护性元件覆盖的光有效区域；以及在受保护的透镜光纤带透镜的部分的光有效区域上形成功能性涂层(54)，以形成功能型涂覆的透镜光纤。本方法可用来提供具有抗破坏的防反射涂覆的透镜光纤。

Description

带透镜的光纤以及制造带透镜的光纤的方法

有关申请的交叉参照

本发明根据35U.S.C.§119(e)要求于2004年1月14日提交申请的、题为“LENSED FIBERS AND METHODS OF MAKING LENSED FIBERS”且序列号为60/536,665的美国临时专利申请的优先权，其内容整体引用在此作为参考。

技术领域

本发明一般涉及在多个光纤之间耦合光的方法和设备以及光通信网络中的光学设备。本发明尤其涉及用于聚焦和准直应用的带透镜的光纤以及制造带透镜的光纤的方法。

背景技术

光线以发散光束的形式从光纤末端出来。在准直应用中，使用透镜将这种发散光束转变为基本上平行的光束。如果光线接下来要被重新发射到另一个光纤之中，则需要另一种按相反意义工作的透镜。在聚焦和聚光应用中，使用透镜将发散光束转变为会聚光束。通常，必须将透镜适当地耦合到光纤以实现将发散光束有效地转变为基本上平行的光束或稍微会聚的光束。将透镜耦合到光纤的一种方法基于熔接处理过程。在这种方法中，一种平凸透镜形成于光纤的末端上(例如，通过熔接过程)以形成一种单体器件，被称为带透镜的光纤。

带透镜的光纤有许多优点，因为它们不需要主动进行光纤到透镜的对准和/或光纤到透镜的结合，它们具有低插入损耗，并且它们能够使器件小型化并且设计起来很灵活。带透镜的光纤很容易排成阵列，并且因此可预期制造阵列设备，比如可变光衰减器和光隔离器，它们可用于硅光平台应用，可用作高功率连接器和异类光纤连接器，还可用于将光信号耦合到其它微光器件中。从带透镜的光纤中出射的光束通常基本上具有高斯分布。此外，可以针对应用说明来调整光束直径和工作距离。

为了在末端透镜界面处提供期望的特性，带透镜的光纤带透镜一端常常涂有功能性涂层。例如，带透镜的光纤带透镜一端可以涂有防反射涂层以减少因末端透镜界面处的反射导致的损耗。带透镜的光纤被装配到光学设备中，它们必须足够坚固以便在装配过程中以及布线和工作期间保持正常。期望有一种功能性涂覆的透镜光纤，强度既有提高，反射损耗也能够被接受。

发明内容

本发明的一个实施例涉及一种制造功能性涂覆的透镜光纤的方法，该方法包括如下步骤：提供带透镜的光纤，该带透镜的光纤具有一个末端部分，该末端部分包括末端光纤部分和带透镜的部分，该带透镜的部分具有光有效区域；用保护性元件覆盖带透镜的光纤的末端部分的至少一部分，由此形成一种受保护的透镜光纤，该受保护的透镜光纤具有不被保护性元件覆盖的光有效区域；并且在受保护的透镜光纤带透镜的部分的光有效区域上形成功能性涂覆层，以形成功能性涂覆的透镜光纤。

本发明的另一个实施例涉及具有光有效区域的透镜光纤，该光有效区域在其上形成功能性涂覆层，该透镜光纤具有大于40kpsi的平均拉伸强度。本发明的另一个实施例涉及功能性涂覆的透镜光纤，它包括末端部分，该末端部分包括末端光纤部分和带透镜的部分，该带透镜的部分具有光有效区域，该光有效区域在其上形成有功能性涂覆层，其中用保护性元件来覆盖透镜光纤末端部分的至少一部分，并且其中保护性元件不覆盖带透镜的部分的光有效区域。

本发明的器件和方法与现有技术的器件和方法相比具有许多优点。例如，本发明可形成具有高拉伸力和抗操作损坏保护的防反射涂层透镜光纤。

本发明附加的特征和优点将在下文的详细描述中得到阐明，并在当本领域的那些技术人员阅读说明书时很容易部分地变得清晰，或者在按照说明书、权利要求书和附图所描述的那样实施本发明时被认识到。

应该理解，上文的一般性描述和下文的详细描述都只是示例性的，旨在提供一个概况或框架以便理解权利要求书所表明的本发明的本质和特征。

附图被包括在此以提供对本发明的进一步理解，它们被包括在说明书中并构成其中的一部分。这些图并没有必要按比例画出，为了解释清楚，各种元件的大小可能会失真。这些图示出了本发明的一个或多个实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理和工作过程。

附图说明

图1是带透镜的光纤的示意图；

图2-6是带透镜的光纤的示例的示意图；

图7是本发明的方法的一个示例的示意图；

图8是用在本发明中的用保护性元件部分地覆盖透镜光纤的示意图；

图9是本发明的方法的一个示例的示意图；以及

图10是用在拉伸强度测试中的带套管的透镜光纤的示意图。

具体实施方式

图1的示意图示出了带透镜的光纤的一个示例的示意图。带透镜的光纤20包括末端部分22，该末端部分22包括末端光纤部分24和带透镜的部分26。带透镜的部分26包括光有效区域28，其中通过透镜光纤传播的光线(由虚线30表示)与带透镜的部分26的表面相互作用。如图1所示，带透镜的部分26可以具有基本上与末端光纤部分24相同的直径。或者，如图2所示，带透镜的部分26可以具有比末端光纤部分24要大的直径；或者如图3所示，可以具有比末端光纤部分24要小的直径。带透镜的部分26可以形成：锥形透镜；如图4所示，球形透镜；如图5所示，半球形透镜；如图1所示，“子弹”透镜；如图6所示，“保龄球撞击的木瓶”透镜。在序列号为09/812,108、09/919,139、10/170,762、10/202,516、10/319,748、10/202,562、10/699,450和60/442,150的美国专利申请以及美国专利6,594,419和6,549,704中，可以找到合适的透镜光纤的示例以及制造透镜光纤的步骤，这些专利整体引用在此作为参考。从康宁股份公司的商标名OptiFocus^TM透镜光纤中，可以获得合适的透镜光纤。

本发明的发明人已经确定，制造和运输期间的处理以及常规的功能性涂覆的技术倾向于减小透镜光纤的强度。例如，当用超声波清洗具有锥形透镜设计的透镜光纤并用多层SiO₂/HfO₂防反射涂层对该透镜光纤进行电子束涂覆时，拉伸强度从200kpsi减小到10kpsi。在接下来的封装操作过程中(例如，用套管来安装)，防反射涂层透镜光纤易破损。

本发明的一个实施例涉及一种制造功能性涂覆的透镜光纤的方法。图7的示意图示出了本发明的方法的一个示例。提供一个带透镜的光纤40。带透镜的光纤40具有末端部分42，该末端部分42包括末端光纤部分44和带透镜的部分46，带透镜的部分46具有光有效区域48。用保护性元件50覆盖透镜光纤40的末端部分42的至少一部分，由此形成受保护的透镜光纤52。形成保护性元件50，使得光有效区域48不被涂覆。期望这样形成保护性元件，使得它在接下来的清洗和功能性涂覆的步骤中并不遮挡光有效区域。保护性元件可以最初形成使得它并不遮挡光有效区域，或者可以最初形成使得它部分或全部覆盖光有效区域，然后再去除光有效区域附近的保护性元件。相似的是，期望这样形成保护性元件使得它在使用透镜光纤时并不遮挡光有效区域。功能性涂覆的54形成于带透镜的部分46的光有效区域48，由此形成了功能性涂覆的透镜光纤56。

保护性元件保护透镜光纤的暴露玻璃表面的重要部分，使其免受功能性涂覆的沉积和处理的弱化效应。预期，只有光有效区域附近才直径暴露于功能性涂覆条件。例如，在图8所示的本发明的一个实施例中，保护性元件72延伸到距透镜光纤70带透镜的顶部74不大于约2毫米的地方。较佳地，保护性元件延伸到距透镜光纤带透镜的顶部不大于约1毫米的地方。更佳地，保护性元件延伸到距透镜光纤带透镜的顶部不大于约0.5毫米的地方。为了提供处理期间的保护，期望保护性元件形成到透镜光纤的光纤涂层结束的地方。然而，在本发明的一些实施例中，只有在清洗和功能性涂覆的步骤中会暴露于损坏条件下的透镜光纤区域上才有必要形成保护性元件。功能性涂覆的过程中的任何多余的喷涂会落在保护性元件上，因此不会对透镜光纤的玻璃表面造成损坏。

较佳地，在生产出透镜光纤之后紧接着(例如，在光纤末端上形成透镜之后紧接着)用保护性元件来覆盖该透镜光纤的末端部分的至少一部分。例如，较佳地，在生产带透镜的光纤这一步骤与用保护性元件覆盖透镜光纤的末端部分的至少一部分这一步骤之间，(除了准备覆盖末端部分的至少一部分的过程中所采取的步骤以外)基本上没有任何处理步骤插入其间。

为了提高功能性涂覆的的粘性，较佳地，至少在透镜光纤带透镜的部分的光有效区域上执行清洗步骤。因为清洗步骤也可能潜在地弱化透镜光纤，所以较佳地，在受保护的透镜光纤上执行该清洗步骤。该清洗步骤可以是超声波清洗，技术人员可以想像出其它合适的清洗方法，这取决于保护性元件本身以及所使用的功能性涂覆的的类型。

在用来形成透镜光纤的许多步骤中，带透镜的部分是通过将材料(例如，玻璃棒、多模光纤)接合到末端光纤部分之上而形成的。在这种步骤中，带透镜的部分和末端光纤部分之间的界面(图1中的32)易受弱化。用保护性元件覆盖该界面可能是期望的，以便保护该界面使其免受清洗和功能性涂覆的沉积期间的损坏。

根据本发明的一个实施例，保护性元件是保护性涂层。技术人员会认识到，有许多种材料都适合用作本发明的保护性涂层。例如，像光纤涂层和再涂配方这样的UV固化或热固化材料都可以使用。或者，通过溶液中的沉积，可以使用可溶的聚合物涂层或蜡状物。正性光刻胶材料也可以用作保护性涂层。为了提供足够的保护免受沉积或清洗条件的影响，这种涂层最好具有至少约250纳米的厚度。

在本发明的一个示例性实施例中，保护性涂层是光纤再涂材料，通常由技术人员用来保护光纤接合。通过使用再涂模子，便可以执行保护性涂层的形成，这通常由技术人员用来保护光纤接合。要被涂覆的光纤透镜部分被夹在模子中，再涂配方被注入该再涂模子并被固化。在本发明的一个实施例中，通过使用(例如，从Vytran公司中)买来的光纤再涂装置，来施加并固化保护性涂层。使用标准再涂过程可均匀地形成保护性涂层，并且可以提供可靠的拉伸强度。当使用买来的再涂装置时，可以最初形成保护性涂层以便覆盖光有效区域。然后(例如，通过使用光纤去层器，比如Miller去层器)从光有效区域的附近去除保护性涂层。较佳地，从透镜光纤末端去除不多于约1毫米的保护性涂层。在本发明的某些较佳实施例中，去除不多于约650微米的保护性涂层。

为了确保带透镜的部分的光有效区域不被保护性涂层覆盖，较佳地，如图9所示，在透镜光纤的末端部分上形成保护性涂层之前，先用脱膜层涂覆带透镜的部分的光有效区域。提供带透镜的光纤80。带透镜的光纤80具有末端部分82，该末端部分82包括末端光纤部分84和带透镜的部分86，带透镜的部分86具有光有效区域88。薄脱膜层98形成于光有效区域88。脱膜层98可以是烷基或氟化烷基有机改性硅酸盐材料，比如，美国专利6,733,824中所描述的，该专利整体引用在此作为参考。例如，1H，1H，2H，2H-十三氟代辛基三甲氧基硅烷或十八烷基三甲氧基硅烷可以被用来建立有机改性硅酸盐脱膜层。用保护性涂层90来涂覆透镜光纤80的末端部分82的至少一部分。如果如图9所示用保护性涂层90涂覆光有效区域88，则脱膜层98将允许技术人员将其从光有效区域中去除，由此形成受保护的透镜光纤92。脱膜层也可以减小光有效区域的表面能，由此有助防止沾污，并允许在功能性涂覆层形成之前先有效地清洗光有效区域，从而能够形成质量非常高的功能性涂覆层。较佳地，选择保护性涂层使得它很容易撕破，这样在不破坏透镜光纤末端部分上的保护性涂层的情况下从光有效区域中将其去除。功能性涂覆层94形成于带透镜的部分86的现在未涂覆的光有效区域88上，由此形成功能性涂覆的透镜光纤96。较佳地，脱膜层足够薄，以便基本上不影响功能涂层透镜光纤的操作。脱膜层也可以在形成功能性涂覆的之前被去除。例如，通常在典型的AR涂层沉积之前立刻执行的等离子体清洗步骤将去除薄的有机改性硅酸盐脱膜层。

在本发明中，有机改性硅酸盐也可以用作保护性涂层。例如，通过使用2001年Gelest总目录附录(可从宾夕法尼亚州Tully市Gelest公司获得该附录)中“Metal-Organics for Materials & Polymer Technology”所描述的技术，便可以形成有机改性硅酸盐保护性涂层的薄膜，其内容被包括在本文中作为参考。

该保护性元件可以是位于透镜光纤末端部分的至少一部分上的陶瓷或玻璃套管。通过使用技术人员熟悉的方法(包括玻璃熔接、玻璃料或粘合剂)，该套管可以连接到透镜光纤的末端部分。使用套管作为保护性元件可以具有其它优点，因为它可以提供更多的稳定性并且给透镜光纤的用户已知的尺寸和将透镜光纤固定到系统中的方便的方式。技术人员将认识到，本发明的保护性元件可采用除本文所描述的形式以外的许多形式。例如，通过使用热收缩材料，可以形成保护性元件。

功能性涂覆层是沉积在透镜光纤的光有效区域上以执行某些期望的功能的涂层(例如，光功能)。功能性涂覆的的一种特别期望的示例是防反射涂层(例如，由高折射率和低折射率电介质交错层形成)。功能性涂覆层的其它示例包括反射涂层和部分反射涂层(例如，银薄层)；化学敏感涂层(例如，当化学品相互作用时改变光学特性)；相位延迟涂层(例如，电介质薄层)；滤光涂层(例如，由高折射率和低折射率电介质交错层形成)；以及偏振涂层(例如，美国临时专利申请60/437,253所描述的，此专利整体引用在此作为参考)。较佳地，功能性涂覆层形成得相对较薄(例如，厚度约小于25微米，更佳地，厚度约小于7微米，更佳地，厚度约小于2微米)。

通过使用技术人员熟悉的各种方法，可以形成功能性涂覆层。例如，电子束沉积、化学汽相沉积、溅射或蒸发方法都可以用于形成功能性涂覆层。保护性元件最好被选成在功能性涂覆层形成的条件下基本上稳定。

为了简化随后的装配步骤，最好将保护性元件从功能性涂覆的透镜光纤上除去。例如，为了将功能性涂覆的透镜光纤安装到标准的光纤套管中，可能有必要去除保护性元件。技术人员将选择适合于所使用的特定保护性元件的去除方法。例如，在适当的溶剂中，可以通过溶解来去除可溶的聚合物和蜡。也可以使用合适的化学去除技术。例如，通过曝光和冲洗，可以去除正性光刻胶材料。通过使用物理去除方法(例如，标准光纤剥离技术)，可以去除固化的或不可溶的材料(尤其是光纤涂层材料)。当使用物理去除方法时，较佳地，带透镜的部分基本上不大于末端光纤部分的直径。当带透镜的部分定形为锥形、子弹或保龄球撞击的木瓶时，物理去除方法尤其有用。当期望将保护性元件从功能性涂覆的光纤上去除时，与上文相似的是，在用保护性元件覆盖之前用脱模涂层涂覆透镜光纤的末端部分，以减小保护性元件粘合到透镜光纤末端部分上的强度，由此更容易去除。

本发明的方法可以被用来产生相对而言不易破裂的功能性涂覆的透镜光纤。例如，本发明的方法可以被用来产生平均拉伸强度大于40kpsi的功能性涂覆的透镜光纤。较佳地，用本发明的方法制造的功能性涂覆的透镜光纤具有大于55kpsi的平均拉伸强度。更佳地，用本发明的方法制造的功能性涂覆的透镜光纤具有大于70kpsi的平均拉伸强度。在本发明的某些实施例中，这些高拉伸强度透镜光纤具有在带透镜的部分和末端光纤部分之间的界面。按照下文的示例所描述的那样，执行拉伸强度测试。所报告的数值是至少三次测量的平均值。

本发明的另一个实施例涉及功能性涂覆的透镜光纤，该光纤具有光有效区域，该光有效区域在其上形成有防反射涂层，功能性涂覆的透镜光纤具有大于40kpsi的平均拉伸强度。在本发明的某些实施例中，这些高拉伸强度透镜光纤具有在带透镜的部分和末端光纤部分之间的界面。

本发明的另一个实施例涉及一种功能性涂覆的透镜光纤，该光纤具有末端部分，该末端部分包括末端光纤部分和带透镜的部分，带透镜的部分具有光有效区域，该光有效区域在其上形成有功能性涂层。用保护性元件来涂覆功能性涂覆的透镜光纤的末端部分的至少一部分，但是带透镜的部分的光有效区域并未涂有保护性元件。较佳地，保护性元件是保护性涂层。

本发明的功能性涂覆的透镜光纤的功能性涂层较佳地是防反射涂层。本发明的功能性涂覆的透镜光纤较佳地具有大于55kpsi的平均拉伸强度。更佳地，本发明的功能性涂覆的透镜光纤具有大于70kpsi的平均拉伸强度。在本发明的某些实施例中，这些高拉伸强度透镜光纤具有在带透镜的部分和末端光纤部分之间的界面。例如，通过将材料接合到末端光纤部分上，便可以形成本发明的功能性涂覆的透镜光纤的带透镜的部分。该界面较佳地被保护性元件覆盖。本发明的透镜光纤可以通过使用本文所描述的方法来制造。

示例

通过下文的非限制性示例，进一步描述本发明。

在本示例中，使用具有“子弹”形透镜的锥形透镜光纤以及直径基本上等于末端光纤部分的带透镜的部分(从康宁公司可以买到OptiFocus^TM带透镜的光纤)。用光纤再涂配方来涂覆三个这样的透镜光纤，在美国专利6,596,394的示例1中描述了该光纤再涂配方，该专利引用在此作为参考。该涂层可使用不起毛的拭子而施加至(从透镜顶部起长约0.5毫米)透镜光纤，并经UV固化。在40摄氏度下，在2.0％MICRO-90清洗溶液中，用超声波清洗保护性涂覆透镜光纤60秒；在40摄氏度的去离子水中清洗15秒；在40摄氏度的异丙醇中清洗10秒，然后风干。在型号为8894的Cole-Parmer超声波清洗器中进行超声波清洗。通过在真空中使用坩埚电子束沉积处理，多层SiO₂/HfO₂防反射涂层便沉积在清洗后的保护性涂覆透镜光纤上。在使用Amherst光纤热剥离器的情况下，通过物理去除，将保护性涂层从防反射涂覆透镜光纤上除去。

如图9所示，三个防反射涂覆透镜光纤的带透镜的末端被固定到套管中。通过使用玻璃连接106，镀金的镍套管100(约0.3毫米长)附着于透镜光纤102上，并且离带透镜的顶部104约0.7毫米。通过将带套管的一端固定在卡盘中并(通过滑轮)拉光纤末端并测量断裂时所施加的负载，对每一个带套管的防反射涂覆透镜光纤进行拉伸强度测试。根据本发明制造的防反射涂覆透镜光纤具有145kpsi、73kpsi和76kpsi(平均是98kpsi)的拉伸强度。一组五个相似的在制造时未使用保护性涂层的防反射涂覆透镜光纤具有10kpsi、28kpsi、8kpsi、36kpsi和16kpsi(平均是20kpsi)的拉伸强度。

对于本领域的技术人员而言，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以对本发明做出各种修改和变化。因此，本发明旨在涵盖所有这些修改和变化，只要它们落在所附的权利要求书及其等价方案的范围之内。

Claims (14)

1.一种制造功能性涂覆的透镜光纤的方法，所述方法包括如下步骤：

2.提供一根带透镜的光纤，所述带透镜的光纤具有末端部分，所述末端部分包括末端光纤部分和带透镜的部分，所述带透镜的部分具有光有效区域；

3.用保护性元件来覆盖所述透镜光纤末端部分的至少一部分，由此形成受保护的透镜光纤，所述受保护的透镜光纤具有未被所述保护性元件覆盖的光有效区域；以及

4.在所述受保护的透镜光纤带透镜的部分的光有效区域上形成功能性涂层，以形成所述功能性涂覆的透镜光纤。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，覆盖所述透镜光纤末端部分的至少一部分这一步骤基本上是在形成所述透镜光纤之后立刻进行的。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述功能性涂层是防反射涂层。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述保护性元件延伸到距所述透镜光纤带透镜的顶部约2毫米以内。

8.如权利要求1所述的方法，还包括：在形成所述功能性涂层的步骤之前，至少清洗所述受保护的透镜光纤带透镜的那部分的光有效区域这一步骤。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述保护性元件是保护性涂层。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述保护性元件是玻璃或陶瓷套管。

11.如权利要求1所述的方法，还包括从所述功能性涂覆透镜光纤中去除所述保护性元件这一步骤。

12.一种具有光有效区域的透镜光纤，在所述光有效区域上形成有功能性涂层，所述透镜光纤具有大于40kpsi的平均拉伸强度。

13.一种功能性涂覆透镜光纤，其包括末端部分，所述末端部分包括末端光纤部分和带透镜的部分，所述带透镜的部分具有光有效区域，所述光有效区域具有形成于其上的功能性涂层，其中用保护性元件覆盖所述透镜光纤末端部分的至少一部分，并且其中所述带透镜的部分的光有效区域并不被所述保护性元件覆盖。

14.如权利要求25所述的功能性涂覆的光纤，其特征在于，所述保护性元件是保护性涂层。

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