CN215769128U - 一种光学系统 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种包括氯掺杂模场扩展光纤的光学系统。一种光学系统，包括：光学组件，具有第一光学表面和后光学表面，所述光学组件包括至少三个光学元件；光纤，包括具有光学地耦合到该光学组件的后光学表面的模场直径(MFD)扩展区域的芯部分，该光纤包括掺杂有浓度大于0.5wt％的氯的芯区域，其中该MFD扩展区域在长度上小于5cm，并且具有在耦合到该光学组件的光纤端处的MFD，该MFD比在该光纤的另一端处的MFD大至少20％；光信号源，耦合到该光学组件的第一光学表面，使得由该光信号源提供的光信号沿由该光学组件形成的光学路径路由到所述光纤的模场直径扩展区域。

Description

一种光学系统
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119要求于2019年9月5日提交的美国临时申请序列No.62/896106的优先权，本申请基于该临时申请的内容并且该临时申请的内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开大体涉及耦合到光纤的光学系统，并且更具体地，涉及利用耦合到光学组件的具有扩展模场直径(MFD)的光纤的光学系统。
背景技术
包括“自由空间”光学组件和/或用于微光学应用的光学组件(例如，光学准直器、波分复用组件等)的许多光学系统提供需要耦合到标准光纤的输出信号。例如，包括光学元件(诸如反射镜、透镜、光信号路由器或滤波器)的光学组件用于将光信号从光学组件的一个部分路由到另一个部分。光学组件的一端可以连接到光源(例如，激光二极管)，光信号在光学组件的另一端被收集并耦合到光纤。当光信号从光学组件的一端传输到另一端时，它会与沿途的多个光学元件相互作用。图1示出了一种常规的光学系统设计，该设计包括五个光学元件E1-E5的自由空间组件(即，彼此之间是空气间隔的五个光学元件E1-E5的组件)。在图1的光学系统中，光信号经由光学组件从源(激光二极管LD)传输到单模光纤F，该光学组件包括位于光学路径沿途的五个中间光学元件E1-E5。
典型的单模光纤F具有非常小的芯直径，并且需要在纤芯FC所在的精确位置处将由光学系统收集或处理的光信号提供给该光纤。因此，从光学组件提供给光纤的光信号输出光束需要具有非常小的直径，使该光束以非常高的精度与纤芯相交。错过纤芯的信号光会导致光学系统性能的损失。例如，光学元件中的任何未对准都会导致信号的损失，从而对光学组件性能产生负面影响。然而，精确对准要求增加了组装时间并导致额外的费用。
成本敏感型应用的关键问题是高效且经济地将多个光学元件的光学系统和/或光学组件耦合到光纤上。因此，需要以低成本提供在包括 (多个)激光器或类似信号光源和多个光学元件的光学组件到单模光纤之间的有效耦合的光学系统。
不承认本文所引用的任何参考构成现有技术。申请人明确保留对任何引用文件的准确性和相关性提出质疑的权利。
实用新型内容
本公开的一个实施例涉及光学系统，包括：
(i)光学组件，该光学组件包括第一光学表面和后光学表面，所述光学组件包括至少三个光学元件，
(ii)光纤，该光纤包括具有光学地耦合到该光学组件的该后光学表面的锥形芯区域(例如，模场扩展区域)的芯部分，该光纤包括掺杂有浓度大于0.5wt％的氯的芯区域，并且其中该模场扩展区域在长度上小于5cm，
该光纤在操作波长λ处具有在耦合到该光学组件的该光纤端处的模场直径，该模场直径比在该光纤的另一端处的光纤模场直径大至少20％；以及
(iii)光信号源，该光信号源耦合到该光学组件的该第一光学表面，使得由该光信号源提供的光信号沿由该光学组件形成的光学路径路由到所述光纤的场扩展区域。
根据一些实施例，一种光学系统，包括：
(A)光纤，包括：长度L、第一端面和第二端面、以及所述光纤的第一端面处的MFD，该MFD与在该光纤的另一个区域处的MFD不同，该光纤进一步包括：
(I)第一Cl掺杂二氧化硅基芯，包括：
(a)第一Cl掺杂芯区域，具有最大折射率Δ0，使得0.05％≤Δ0≤ 0.6％(相对于未掺杂的二氧化硅)，以及外芯直径D0，其中5微米≤D0≤12微米，所述第一Cl掺杂芯区域具有最大Cl浓度[Cl]，其中0.5wt.％≤[Cl]≤5wt.％；以及
(b)Cl掺杂锥形芯区域，与第一Cl掺杂芯区域和第一光纤端面相邻，该Cl掺杂锥形芯区域具有长度L2，其中0.05mm≤L2≤5cm，以及沿所述锥形芯区域的所述长度减小的最大芯折射率ΔC，该锥形区域具有沿长度L2变化的外直径和最大直径D最大，使得
(i)D最大≥D0+3微米；
(ii)8微米≤D最大≤70微米；以及
(II)二氧化硅基包层，围绕Cl掺杂二氧化硅基芯；
(B)光学组件，包括耦合到该光纤的该Cl掺杂锥形芯区域的多个光学元件；
(C)另一个光纤，耦合到所述第一Cl掺杂芯区域。
根据一些实施例，0.05mm≤L2≤30mm，根据一些实施例，0.05mm≤ L2≤10mm。
在一些实施例中，该锥形芯区域具有锥形轮廓，该锥形轮廓具有：线性锥形、抛物线锥形、指数形锥形或高斯锥形。在一些实施例中，锥形芯区域具有绝热(adiabatic)锥形并满足以下条件：
Figure DEST_PATH_GDA0003033361880000031
其中D是在该锥形芯区域内的位置z处的芯直径，λ是操作波长，neff是基模的有效折射率，并且ncl是包层的折射率。根据一些实施例，800nm<λ<1580 nm。在一些实施例中，λ＝1310nm。在一些实施例中，λ＝1550nm。在一些实施例中，λ＝980nm。
在一些实施例中，锥形芯区域具有基本绝热锥形并满足以下条件：
Figure DEST_PATH_GDA0003033361880000032
在一些实施例中，Cl在芯中的最大浓度在1.1wt.％和5wt.％之间。在一些实施例中，该芯包括具有在1.4wt.％和5wt.％之间的最大Cl浓度的至少一个区域。
在一些实施例中，相对于未掺杂的二氧化硅，0.0％≤│ΔC(在D 最大处)│≤0.3％，例如其中0.0％≤│ΔC(在D最大处)│≤0.2％。在一些实施例中，长度L2小于3cm。在一些实施例中，L2为0.05mm到30mm，在一些实施例中为0.1mm到30mm，在一些实施例中为0.5mm到20mm，并且在一些实施例中为1mm到2cm。在一些实施例中，长度L2小于10mm，例如L2可以为 0.1mm到10mm。
根据实施例中的至少一些，包层是F掺杂二氧化硅基包层。根据一些实施例，光纤包层中的最大F浓度为1wt％。根据一些实施例，光纤包层中的最大F浓度为例如，0.05wt％到0.75％wt％。
根据一些实施例，Cl掺杂锥形芯区域具有绝热锥形。
根据一些实施例，锥形芯区域在1550nm(波长)处具有≤0.2 dB的锥形诱导损耗。根据一些实施例，锥形芯区域在1310nm(波长)处具有≤0.2dB的锥形诱导损耗。根据一些实施例，锥形芯区域在1310nm(波长)处具有≤0.1dB的锥形诱导损耗。
根据一些实施例中，在对应于最大直径最大值D最大的位置处折射率差量(delta)Δc相对于纯二氧化硅为约-0.2％到约0.8％(即，-0.2％≤Δc(在D最大处)≤0.8％)。根据一些实施例中，在对应于最大直径最大值D 最大的位置处折射率差量Δc相对于未掺杂二氧化硅为≤0.4％(即，Δc(在D最大处)≤0.4％)。根据一些实施例，相对于未掺杂(纯)二氧化硅，│Δc (在D最大处)│≤0.2％。根据一些实施例，相对于未掺杂(纯)二氧化硅，│Δc(在D最大处)│≤0.15％。根据其他实施例，相对于未掺杂(纯)二氧化硅，│Δc(在D最大处)│≤0.1％。根据一些实施例，相对于未掺杂二氧化硅，0％≤│Δc(在D最大处)│≤0.3％。在一些实施例中，相对于未掺杂二氧化硅，0.0％≤│Δc(在D最大处)│≤0.2％。根据一些实施例，0.15％≤ [Δ0-Δc(在D最大处)]≤0.37％。
根据一些实施例，包层是F掺杂包层，并且相对于纯二氧化硅，│Δc(在D最大处)│≤0.2％。根据一些实施例，包层是F掺杂包层，并且相对于纯二氧化硅，│Δc(在D最大处)│≤0.15％。
根据一些实施例，一种光学系统，包括：
(a)光源，
(b)光学组件，该光学组件包括多个光学元件，所述光学组件耦合到该光源，
(c)光纤，该光纤包括具有耦合到所述光学组件的锥形芯区域的芯，
锥形芯区域包括Cl并且具有沿锥形芯区域的长度L2变化的外直径Dc和最大外直径D最大，使得8微米≤D最大≤70微米；该锥形芯区域进一步包括沿锥形芯区域的长度L2减小的最大芯折射率Δc；所述光纤进一步包括围绕所述芯的二氧化硅基包层；以及
(c)单模光纤，光学地耦合到包括锥形芯区域的光纤。
根据一些实施例，光学组件包括至少3个光学组件并且所述光学元件是从包括以下项的组中选择的：反射镜、透镜、光信号路由器、滤波器或它们的组合。根据一些实施例，光学组件包括至少5个光学组件并且所述光学元件是从包括以下项的组中选择的：反射镜、透镜、光信号路由器、滤波器或它们的组合。
根据一些实施例，光学组件包括光学准直器、和/或光学准直器阵列单元；和/或光学滤波器设备(例如，多端口滤波器设备)、或可变光学衰减器。
本文所描述的实施例有利地提供以下中的一项或多项：低插入损耗；低制造成本；提高的产量；改善的光学性能。
将在随后的详细描述中阐述附加特征以及优点，通过描述这些特征以及优点部分地对所属领域的技术人员显而易见，或通过实施如书面描述所描述以及此处的权利要求以及附图所描述的实施例识别这些特征以及优点。应当理解的是，以上一般描述和以下详细描述两者仅为示例性的，并且它们旨在提供用于理解权利要求书的本质和特性的概观或框架。
各个附图被包括以提供进一步理解，各个附图被收入并构成本说明书的一部分。附图图示一个或多个实施例，并与说明书一起用来解释各实施例的原理和操作。
附图说明
图1是比较光学系统的横截面示意图；
图2A是根据一个实施例的光纤的横截面示意图；
图2B示意性地示出了耦合到另一光纤的图2A的光纤；
图2C示出了与图2A所示的光纤一起使用的示例性光学系统的横截面示意图；
图2D示出了与图2A所示的光纤一起使用的另一个示例性光学系统的横截面示意图；
图3示出了用于利用图2A所示的一个或多个光纤和多个光学部件的示例性光学系统(波分复用设备)的光学布局；
图4示出了在1310nm和1550nm波长处随图1的光纤的外芯直径变化(as afunction of)的模场直径(MFD)的变化(以μm为单位)；
图5A示意性地示出了通过热扩散的过程制造锥形芯光纤的一个方法；
图5B示出了随距离热量被施加的区(拼接中心)的距离(μm) 变化的示例性Cl掺杂SiO2纤芯的模场扩展(锥形芯区域中芯直径的变化)；
图5C示出了在二氧化硅玻璃中随玻璃温度变化的Cl、Ge和F掺杂剂的扩散率；
图6A示出了在1900℃下，在具有掺杂氯的芯和掺杂氟的包层的光纤中，氯分布(Cl浓度(wt％))随暴露时间的演变；
图6B示出了在1900℃下，在具有掺杂氯的芯和掺杂氟的包层的光纤中，氟分布(F浓度(wt％))随暴露时间的演变；
图6C示出了在1900℃下，在具有掺杂氯的芯和掺杂氟的包层的光纤中，折射率分布随暴露时间的演变；
图7A示出了在1900℃下，在具有掺杂氯芯的芯和未掺杂的二氧化硅包层的光纤中，氯分布(Cl浓度(wt％))随暴露时间的演变；
图7B示出了在1900℃下，在具有掺杂氯芯的芯和未掺杂的包层的光纤中，折射率分布随暴露时间的演变；
图8A示出了在1900℃下，在具有掺杂氯和氟的芯以及掺杂氟的包层的光纤中，氯分布(Cl浓度(wt％))随暴露时间的演变；
图8B示出了在1900℃下，在具有掺杂氯和氟的芯以及掺杂氟的包层的光纤中，氟分布(F浓度(wt％))随暴露时间的演变；
图8C示出了在1900℃下，在具有掺杂氯和氟的芯以及掺杂氟的包层的光纤中，折射率分布随暴露时间的演变；
图9A示出了在1900℃下，在具有掺杂氯的芯以及掺杂氯和氟的包层的光纤中，氯分布(Cl浓度(wt％))随暴露时间的演变；
图9B示出了在1900℃下，在具有掺杂氯的芯以及掺杂氯和氟的包层的光纤中，氟分布(F浓度(wt％))随暴露时间的演变；以及
图9C示出了在1900℃下，在具有掺杂氯的芯和掺杂氯和氟的包层的光纤中，折射率分布随暴露时间的演变。
具体实施方式
本文所描述的热扩散扩展芯方法使用掺杂剂在加热光纤中的扩散现象来扩展模场直径。具有不同模场直径的两个光纤的熔接的一种方法是连续地或绝热地(adiabatically)改变一个或两个光纤的芯直径，使得模场直径在它们的边界处匹配。在掺杂剂扩散过程中，与普通光纤部分相比，芯直径局部变大，并且相对折射率差局部变小。结果得到锥形芯，从而在光纤内得到锥形模场直径。本文所描述的用于制作热扩散扩展芯的方法的实施例提供了以下优点中的一个或多个：它对许多应用是有效的、是相对廉价的、并且可以相对快速和廉价地完成。
图2A是根据本实用新型的一个示例性实施例的扩展模场直径 (无涂层)光纤10的放大局部横截面图。该光纤具有长度L，并且该光纤的一个端面(例如，端面12)上的模场直径大于该光纤的另一个端面(端面 14)处的模场直径(MFD)。光纤10是用于将具有一个MFD的光源或光学部件连接到具有另一个MFD的光纤的“跳线(jumper)”光纤。在该实施例中，光纤10具有长度L，并且根据一些实施例，L<100m。优选地L<50 m，例如0.2m到20m。在一些实施例中，0.2m≤L≤2m。根据至少一个实施例，光纤10包括Cl掺杂二氧化硅玻璃芯20和围绕芯20的F掺杂二氧化硅包层40。然而，在其他实施例中，包层40可以是例如，纯二氧化硅或掺杂硼的二氧化硅。
更具体地，光纤10包括芯20和围绕芯20的包层(优选地具有恒定外直径Dc)。芯20包括两个芯区域：恒定芯区域22和与该恒定芯区域相邻的锥形芯区域24。本文所使用的术语“恒定外直径”是指光纤沿长度具有小于3微米的外包层直径变化。
芯区域22(本文也称为恒定芯节段或恒定芯区域22)具有长度 L1(例如L1>10cm(并且优选地L1>12cm或L1>15cm))、沿长度L1基本恒定的最大折射率差量Δ0和基本恒定的外直径D0。本文所使用的术语“基本恒定”意味着芯区域22的直径D0和最大折射率差量Δ0可以具有小的变化，即，在典型制造公差范围内的变化。芯区域22具有恒定最大折射率。本文中的术语“恒定最大折射率”是指纤芯沿长度具有小于10％的最大折射率变化。在一些实施例中，纤芯区域22沿长度具有小于5％的最大折射率变化。
光纤10的锥形芯区域24具有小于5cm的长度L2(即，0cm<L2< 5cm)并且与该光纤的第一端面12相邻。在一些实施例中，0.2cm<L2<3 cm。锥形芯区域24具有沿其长度L2变化的外芯直径Dc。在一些实施例中，光纤沿长度具有小于1微米的外直径变化。在一些实施例中，例如，15cm ≤L1≤50m并且L2<3cm。在一些实施例中，L2<2cm，例如2mm到1 cm，或2mm到5mm。锥形芯区域24在沿该锥形区域的长度L2的每一个位置 z处具有最大折射率差量ΔC，使得ΔC沿着锥形芯区域24的长度L2变化。
示例性光纤10具有恒定外包层直径。术语“恒定外直径”在本文中是指光纤沿长度具有小于3微米的外直径变化。
芯20在锥形芯区域24中具有最大外芯直径D最大并且在光纤的恒定区域(即，在芯区域22中，例如，在端面14处或在端面14附近)中具有外直径D0。优选地，锥形芯区域24具有绝热锥形，即，芯的直径Dc绝热地变化。在其他实施例中，锥形芯区域24的锥形轮廓(锥形芯区域24内的外芯直径Dc沿该光纤的长度的变化)是线性的、抛物线的或指数的。在一些实施例中，锥形是高斯锥形。芯20包含氯(Cl)，并且芯中的最大Cl浓度在 0.5wt％和5wt％之间，例如1wt％到5wt％，或1.1wt％到5wt％，或1.2wt％到5％wt％，或1.3wt％到5wt％。
在该实施例中，构造纤芯20使得：D最大>D0。在一些实施例中，5μm≤D0≤11μm,8μm≤D最大≤50μm,0.005％≤Δ0≤1％(例如，0.05％≤Δ0≤0.6％，或0.2％≤Δ0≤1％)，并且在对应于最大直径最大值D最大的位置处的折射率差量ΔC小于Δ0。在一些实施例中，ΔC(在D最大处)<Δ0，例如ΔC(在D最大处)<0.9Δ0，或ΔC(在D最大处)<0.8Δ0。在一些实施例中，│ΔC(在D最大处)│<0.7Δ0，例如│ΔC(在D最大处)│<0.5 Δ0，并且在一些实施例中，│ΔC(在D最大处)│≤0.2Δ0。
在一些实施例中，Δ0-ΔC(在D最大处)>0.05％。例如，根据一些实施例，Δ0-ΔC(在D最大处)≥0.08％，或Δ0-ΔC(在D最大处)≥0.1％，或Δ0- ΔC(在D最大处)≥0.12％。在一些实施例中，0.35％≥Δ0-ΔC(在D最大处)≥ 0.05％。
根据一些实施例，10微米/mm≤(D最大-D0)/L2≤100微米 /mm。根据一些实施例，14微米/mm≤(D最大-D0)/L2≤86微米/mm。根据一些实施例，14微米/mm≤(D最大-D0)/L2≤35微米/mm。
恒定芯区域22具有模场直径MFD0。在一些实施例中，MFD0类似于标准单模光纤的模场直径，例如，MFD0在1310nm(波长)处在8μm到 10μm之间，在1550nm(波长)处在9.5μm到11.5μm之间。在一些实施例中，MFD0小于标准单模光纤的模场直径，例如，MFD0在1310nm(波长) 处在4μm到8μm之间，在1550nm(波长)处在5μm到9μm之间。
在锥形芯区域24中，模场直径MFD从恒定芯区域22的模场直径 MFD0扩展成更大的直径。例如，光纤的最大模场直径MFD最大(即，对应于 D最大的MFD)在1310nm(波长)处在8μm到50μm之间，在1550nm(波长) 处在8.5μm到50μm之间。例如，最大MFD可以在锥形芯区域24的一端(例如，端面12)处。在本文所描述的实施例中，MFD最大>MFD0，例如MFD最大≥1.5MFD0，或MFD最大≥2MFD0。在一些实施例中，例如，15MFD0≥ MFD最大≥1.5MFD0；并且在一些实施例中，15MFD0≥MFD最大≥ 2MFD0。
如图2B所示，根据一些实施例，光纤10的端面14耦合到光纤 105。光纤105可以是具有芯106的单模光纤，并且布置光纤10和光纤105使得该两个光纤的模场直径在相邻端面处彼此匹配(即，基本相同，例如，在彼此的正负1μm内)。也就是说，为了使得光纤10和光纤105之间有良好的模匹配，光纤105的芯直径优选地与光纤10的芯直径在端面14处相同或基本相同(例如，D0的正负1μm)。光纤10和光纤105具有类似或相同外芯直径促进这两个光纤的对准和附接。此外，因为在光纤10的端面14处的模场直径和在光纤105的相邻端面处的模场直径基本相同，所以光纤10和光纤105 之间的耦合损失被最小化。
如图2C和图2D所示，光纤10的第一端面12耦合到光学组件 200，使得由该光学组件提供的信号光进入锥形芯区域24。由于芯20在锥形芯区域24中具有最大外芯直径D最大，因此这使得能够降低光学组件和光纤10 之间的耦合损失，减小(放松)光学组件200的光学部件所需的组装、位置或制造公差，并在光学组件200和光纤之间提供非常有效的耦合。
在光纤10的端面12处的锥形芯区域24的芯直径(D最大)与入射到光纤10的端面12上的激光束直径优选地相同、基本相同，或大于入射到光纤10的端面12上的激光束直径。在光纤10的端面12处具有大的芯直径(D 最大)使光学组件200和光纤10之间的耦合损失最小化，并在光学组件200和光纤10之间提供有效的耦合。在光纤10的端面12处具有大的芯直径(D最大) 提供大的(放松的)空间对准公差，使光学组件200和光纤10之间的耦合损失最小化。
图2D示出了耦合到诸如激光二极管LD之类的激光源50(即，光信号源)并且也耦合到光纤10的光学组件200。光学组件200包括多个光学部件。在该实施例中，光学组件200包括面向激光源的透镜60、中间光学部件60’以及面向光纤10的光学部件60”。如图2D所示，在该实施例中，光纤 10耦合到光纤105。注意，在光学组件200的第一光学部件(例如，透镜60)和光纤105之间，信号激光束直径可以改变。
例如，如图2C和图2D的实施例中所示，光纤10的锥形芯区域24 促进将激光源50耦合到光学组件200。例如，如图2D所示，为了使得能够通过锥形端有效耦合到光纤，由激光源50提供给光学组件200的激光束52首先通过光学部件60准直以扩大光束直径。然后准直光束54耦合到光纤10的锥形芯区域24中(即，准直光束54入射到对应于具有大的芯直径D最大的芯区域的光纤端上)。注意，图2D中所描绘的光学部件60可以包括单个透镜元件或多个透镜元件。其可以包括例如，球面透镜、非球面透镜、柱面透镜、变形(anamorphic)透镜或GRIN透镜。
光纤10被设计为具有与出现在光纤10前面的光源的数值孔径和 MFD相匹配的数值孔径(NA)和MFD。匹配的MFD意味着面向紧邻地位于其前面的光源的光纤端面(例如，如图2A所示的面向光学部件60或60’的光纤端面)的模场直径MFD在该部件的MFD的15％，并且优选地10％之内。具有由光学组件200提供给光纤10的小于或等于光接收光纤10的芯直径D最大的相同光束直径促进光纤10到光学组件200的对准和/或耦合。
图3示出了利用至少一个光纤10的示例性光学系统500的示意性横截面图。更具体地，图3的光学系统500是波分复用设备，其包括光学组件200，该光学组件200具有耦合到多个光纤10的多个间隔开的光学部件或元件。使用光纤10代替典型的单模光纤F实现在相对于彼此以及相对于光纤组装光学部件时的更宽松的公差，以及在光学部件E1、E2等与光纤10之间的更高的耦合效率。
图4示出了在1310nm波长和1550nm波长(以μm为单位)处的光纤10的MFD随图2A的光纤10的外芯直径Dc变化的变化。表1示出了在模场扩展区域中具有不同模场直径的光纤10的耦合系数和插入损耗。如可见的，通过将模场直径从9.2微米增加到15微米，插入损耗可以降低约40％。本文所公开的光纤10的实施例在光纤芯中具有氯作为掺杂剂，其中氯浓度大于0.5wt％。在一些其他实施例中，光纤芯中的氯浓度大于1wt％。在又其他实施例中，光纤中的氯浓度大于1.5wt％。
表1
Figure DEST_PATH_GDA0003033361880000111
具有氯作为芯掺杂剂的光纤对于制造模场扩展光纤10是优选的，因为在高温下(例如在高于1700℃且优选地高于1800℃的温度下)有高的氯扩散率，(温度越高，氯扩散率越高)。可以使用热源250(诸如加热器、激光器、拼接器、等离子体、火焰、感应或它们的组合)来实现模场扩展。这在图5A中示意性地示出了，并且在下面进行了更详细的描述。图 5B示出了氯掺杂纤芯中的模式扩展与距离热源的距离(μm)的关系。更具体地，两个Cl掺杂光纤10被拼接，并且热源(在三个不同的功率水平下)被引导到拼接中心10秒。最高功率水平对应于施加到光纤上的最大热量的量，并且对应于上面的曲线。图5B示出了芯直径Dc(并且因此MFD)在对应于拼接中心的位置(距离拼接中心的距离＝0μm)处最大，在此处光纤经历最高温度和最高氯扩散水平，并且芯直径Dc随距离拼接中心的距离的增大而减小。图5C示出了在二氧化硅玻璃中随玻璃温度变化的Cl、Ge和F掺杂剂的扩散率。图5C示出了在相同温度下，Cl在二氧化硅基玻璃中的扩散率高于锗在二氧化硅基玻璃中的扩散率。
图6A到图9C示出了对于具有氯掺杂芯的几种光纤10，在暴露于 1900℃温度下，掺杂剂扩散分布和折射率分布随时间的变化，并且将在本说明书后文更详细地描述。
优选地，区域24中的芯直径锥形被设计为具有绝热过渡，以使通过锥的光传播损耗最小化。也就是说，模场转换发生在芯20的较宽部分中 (在锥形芯区域24中)，并且芯区域24的绝热形状或基本绝热形状提供了几乎无损的光传输。在本文所描述的一些实施例中，锥形芯区域24内的光损耗小于1dB，并且在一些实施例中小于0.5dB，或甚至0.2dB或更小。锥形损耗可以通过行业中的标准技术来测量，诸如在光纤的输入端处将光发射到芯中，并且使用功率计测量从光纤端部处的芯发出的光，并且将其与光纤端部处具有锥形的光纤进行比较。绝热区域内的芯直径Dc的变化允许第一光模(LP01)被限制在锥形芯区域24中，而无需转换为高阶模或者无需通过包层辐射出去，并且绝热区域的长度(锥长度L2)应当足够长以达到该目的。优选地，绝热过渡使得芯直径的变化满足以下条件：
Figure DEST_PATH_GDA0003033361880000121
其中Dc是长度L2内位置z处的芯区域24中的芯直径，λ是透射波长，neff是基模LP01的有效折射率，ncl是包层在波长λ处的折射率。
在一些实施例中，芯锥形(芯半径形状)近似绝热(本文也称为基本绝热锥形)，使得芯直径的变化满足以下条件
Figure DEST_PATH_GDA0003033361880000131
根据本文所描述的实施例，λ＝1310nm。然而，在其他实施例中，λ可以是1550nm或980nm。
用于制造锥形芯光纤10的过程：
除非另外明确地指出，本文所阐述的任何方法决不会被解释为要求其步骤以特定的顺序执行。因此，在方法权利要求实际上未叙述要遵循其步骤的顺序、或者在权利要求或说明书中未以其他方式特别陈述这些步骤限于特定顺序的情况下，不打算推断出任何特定顺序。
根据一些实施例，一种在包括由包层围绕的氯掺杂芯的玻璃光纤中形成锥形芯的方法包括在小于60秒的累积持续时间(例如，50秒或更少、45秒或更少、30秒或更少)内向具有模场直径MFD0的光纤的区域施加热量的步骤，从而将氯从光纤的芯扩散到光纤的包层中，并扩展模场直径使得光纤的最大模场直径MFD最大(即，对应于D最大的MFD)大于MFD0，例如MFD最大≥1.5MFD0，或MFD最大≥2MFD0。在一些实施例中，例如，15 MFD0≥MFD最大≥1.5MFD0；并且在一些实施例中，15MFD0≥MFD最大≥2MFD0。例如，在一些实施例中，最大(扩展)模场直径MFD最大在1310 nm(波长)处在8μm到50μm之间，在1550nm(波长)处在8.5μm到50μm之间。
根据一些实施例，一种在包括由包层围绕的氯掺杂芯的玻璃光纤中形成锥形芯的方法包括在小于60秒的累积持续时间内向光纤的区域施加热量的步骤，从而将氯从光纤的芯扩散到光纤的包层中，并将模场直径 MFD扩展至少3微米。根据一些实施例，一种在玻璃光纤中形成锥形芯的方法包括：(i)在小于60秒的累积持续时间内向光纤的区域加热，从而将氯从光纤的芯扩散到光纤的包层中，并将模场直径MFD扩展至少3微米；以及 (ii)在模场MFD被扩展至少3微米的光纤区域中劈开光纤。
更具体地，可以通过将芯掺杂剂向包层热扩散和/或包层掺杂剂朝向或进入纤芯热扩散来形成锥形芯轮廓(锥形芯区域24)。图5A示意性地示出了用于制造光纤10的芯区域24的示例性过程的一个实施例。根据该实施例，初始光纤10A(具有恒定芯直径和恒定最大芯折射率差量)放置在加热元件250旁边，以形成具有带有锥形的芯区域(锥形芯区域24)的光纤 10。加热元件250可以是电阻线圈、气体燃烧器或激光源。根据一个实施例，光纤由保持夹具(未示出)保持，并且加热元件包围光纤10A。优选地，该热源加热元件250均匀地分布在光纤周围以形成径向对称的掺杂剂扩散分布。在该实施例中，通过加热元件将光纤10A的光纤端区域加热到期望的温度(光纤掺杂剂扩散温度Td)，例如1500℃≤Td<2200℃。我们发现当Td<2200℃时，由于热量引起的不期望的光纤变形被最小化。优选地， Td≤2100℃，以避免光纤的显著的不期望变形或使光纤的显著的不期望变形最小化。根据一些实施例，1600℃≤Td≤2100℃。我们发现，在这些温度下，掺杂剂扩散(例如，Cl的扩散)可以在光纤内以非常快的速率发生，从而在光纤区域24中的纤芯中形成期望的锥形，而没有不期望的光纤变形。例如，在一些实施例中，1700℃≤Td≤2100℃，并且在一些实施例中， 1700℃≤Td≤2000℃。在一些实施例中，温度Td低于包层玻璃软化点，以避免不期望的光纤变形。光纤以一定的速度分布移动穿过热区(温度 Td)，该速度分布控制掺杂剂沿光纤的扩散量(从纤芯扩散出去和/或从包层扩散出去)。替代地，光纤保持静止并且加热元件沿着光纤长度移动预定距离。在一些其他实施例，温度高于包层的软化点。在这些实施例中，与芯区域24相对应的光纤部分在温度Td下的总暴露时间小于1分钟，以避免光纤发生显著的不期望变形(例如，弯曲或外半径的变化)，并且在一些实施例中，在温度Td下的总(或累积)暴露时间为1秒到45秒，或1秒到30秒。尽管施加热量的步骤(使光纤处于温度Td下)可以间歇进行或作为单个连续步骤进行，但在小于60秒的累积持续时间(例如，总时间为1秒到45秒，或甚至1秒到30秒)内执行该步骤。
在一些实施例中，热源(例如，加热元件250)可以放置在远离光纤10A的边缘，即，与光纤10A的中间相邻或围绕光纤10A的中间的某处。在一个实施例中，具有氯掺杂芯的光纤由保持夹具保持，并且加热元件250在光纤的中间区域中包围光纤10A。优选地，该热源加热元件250均匀地分布在光纤周围以形成径向对称的掺杂剂扩散分布。在该实施例中，通过加热元件将光纤10A的光纤端区域加热到期望的温度(光纤掺杂剂扩散温度 Td)，例如1500℃≤Td<2200℃，并且光纤相对于热源移动(或热源相对于光纤移动)，以通过掺杂剂扩散在光纤的中间区域中扩展纤芯模场直径 (通过掺杂剂扩散)。在一些实施例中，1500℃≤Td<2100℃，并且在一些实施例中，1700℃≤Td<2100℃，例如1500℃≤Td<2000℃或1700℃≤Td<2000℃。
图5B示出了Cl掺杂SiO2芯，F掺杂的SiO2包层光纤的模场扩展，其显示了掺杂剂的拼接扩散效应以及由此产生的MFD与径向位置的关系。结果表明，利用氯作为芯掺杂剂的模场在约400微米的距离内可以扩展多达 2倍。具有氯作为芯掺杂剂的光纤是用于制造模场扩展光纤的理想候选，因为在高于1800℃的温度下有高的氯扩散率。可以使用热源(诸如加热器、激光器、拼接器、等离子体、火焰、感应或它们的组合)来实现模场扩展。
根据一些实施例，一种在芯中包括大于0.5wt％氯的玻璃光纤中形成低损耗锥形的方法，该芯具有初始模场直径MFD(在1550nm处)并且被包层围绕，该方法包括以下步骤：
(a)通过向所述光纤施加热量少于60秒的累积持续时间，在1550nm(波长)处将初始芯MFD扩展至少3微米，从而将氯从光纤的芯扩散到光纤的包层中；
(b)在MFD被扩展至少3微米的位置处劈开所述光纤。
根据一些实施例，一种在光纤中形成绝热锥形或基本绝热锥形的方法包括以下步骤：
对准并邻接具有小的MFD(例如，在1550nm(波长)处， MFD≥5μm，例如在5μm和11μm之间)的第一光纤的劈开端和与热源相邻的具有大的MFD(相对于第一光纤的MFD)的第二光纤的劈开端，以形成拼接接缝；
将拼接接缝从热源的加热区域的中心偏移预定距离；
在加热区域中施加热量以拼接光纤并扩展MFD；
监测加热步骤期间的拼接损耗的减少；
当拼接损耗达到或充分接近目标损耗时，终止热量的施加；
在来自热源的热量从加热区域的中心传递到第一光纤的位置处劈开第一光纤，其中施加热量的步骤(即，将光纤保持在温度Td下的步骤)的(总或累积)持续时间小于1分钟，从而使一种或多种掺杂剂(例如，Cl)从第一光纤和第二光纤的芯扩散到第一光纤和第二光纤各自的包层中。
根据另一个实施例，一种在光纤中形成绝热锥形或基本绝热锥形的方法，该方法包括以下步骤：劈开具有小的MFD(例如，在1550nm的波长处，MFD≥5μm，例如在5μm和≤11μm之间)和氯掺杂芯的光纤的一端；通过移动光纤节段穿过热源，对从该劈开端起具有预定长度的该光纤节段施加热量；控制光纤移动速度分布，以绝热地从节段的内端朝向劈开端扩展MFD，其中在温度Td下在小于1分钟的总(累积)持续时间内执行施加热量的步骤。优选地，根据一些实施例，1500℃≤Td<2200℃。根据一些实施例，1600℃≤Td<2100℃，并且甚至更优选地，1800℃≤Td<2000℃，以在最小化或避免不期望的光纤变形的同时促进掺杂剂在纤芯内的最佳扩散。根据一些实施例，t为45秒或更少，或例如，30秒或更少、20秒或更少、10秒或更少。例如，在一些实施例中，1秒≤t≤45秒，1秒≤t≤30 秒，或1秒≤t≤20秒，或甚至1秒≤t≤10秒。根据一些实施例，t为5秒到 45秒，或5秒到45秒，或5到30秒。
根据另一个实施例，一种在具有Cl掺杂芯的光纤中形成绝热锥形或基本绝热锥形的方法，该方法包括以下步骤：
(i)去除位于光纤的中间(即远离光纤端面)的具有预定长度的光纤节段的光纤涂层；
(ii)通过热源向光纤节段施加热量，使得光纤节段在小于1分钟的总(累积)持续时间内暴露在温度Td下，并从Cl掺杂芯中扩散Cl；
(iii)控制光纤移动速度分布，以从节段的两端朝向节段的中间绝热地扩展 MFD；
(iv)从中间劈开光纤节段以形成两个绝热锥形。
在一些实施例中，提供t为45秒或更少、30秒或更少、20秒或更少、10秒或更少、或1秒到10秒的热量施加。
优选地，根据一些实施例，1500℃≤Td<2200℃。根据一些实施例， 1500℃≤Td<2100℃，并且优选地，1600℃≤Td<2100℃、1700℃≤Td< 2000℃或1800℃≤Td<2000℃以促进掺杂剂在最小时间量内在纤芯内的最佳扩散，以最小化或避免不期望的光纤变形。
例如，高度局部化的高温热源，诸如电弧熔接拼接器(例如，爱立信公司制造的型号FSU 975)、钨丝或CO2激光器可以用于扩展光纤10 的模场直径，并且因此在Cl掺杂纤芯中形成锥形芯区域24(例如，绝热锥形)。在一个实施例中，具有Cl掺杂芯(0.3％≤Δ0≤2.5％，氯浓度约0.2 wt％到约2.5wt％)和二氧化硅基包层(例如，F掺杂二氧化硅包层)的光纤在其长度的一部分上被剥去其主涂层，露出由包层40界定的小直径芯 20，然后被劈开。然后剥去另一个光纤10′(具有更大的模场直径)的涂层，劈开该光纤，并且这两个光纤(未示出)在熔接拼接器中，使得两个劈开的端彼此面对，并且芯处于适当的对准状态。施加电弧使得较小的Cl掺杂光纤10的较大部分位于电弧区域或加热区域内，而不是大的模场直径光纤的部分。也就是说，在该实施例中，电弧区域从拼接接缝偏移，而不是直接位于拼接接缝50上方。两个光纤10和10′初始地在拼接接缝处通过传递初始电弧放电电流(例如，近似10毫安至20毫安)达近似2秒的电弧时间来进行熔接。附加电弧放电电流间歇性地施加在电弧区域上，以将光纤温度保持在温度Td，以便在驻留在电弧区域中的小模场直径光纤10的芯内扩散Cl，以形成锥形区域24。在本文所描述的示例性实施例中，光纤温度在小于1分钟的总(或累积)时间上保持在温度Td。在一些实施例中，光纤经受温度Td总共5秒到45秒。然后劈开由此生成的熔接光纤，形成具有与图2A和图2B所示的锥形区域类似的锥形区域的氯掺杂芯的光纤10。在不受理论约束的情况下，我们相信由于Cl(在芯中)和F(在包层中)都有仅一个化学键，这些掺杂剂协同作用，快速地在相对方向上移动并彼此替换，因此令人惊讶地并有利地导致在较低温度(<2200℃，优选地≤2100℃、且更优选地≤2000℃ )下形成期望的锥形芯区域24，并且速率可以比可以由具有Ge掺杂芯的光纤实现的速率更快。然而，即使光纤10的包层40是纯二氧化硅而不是F掺杂二氧化硅，具有Cl掺杂芯而不是Ge掺杂芯的光纤也可以在小于一分钟(例如，t＝45秒或更少)时间内经受低温Td以得到期望的锥形芯区域。也就是说，我们的模型表明相比Ge，Cl在二氧化硅中扩散得快得多，并且在更低的温度下扩散。短暂(<1分钟，并且优选地≤50秒)暴露于温度Td下使光纤中不期望的热诱导变化的影响最小化。因此，根据一些实施例，二氧化硅基芯40可以是纯二氧化硅，或(优选地)掺杂F的二氧化硅。
将通过以下示例进一步阐述各种实施例。表1公开了在光纤经受温度Td之前的纤芯参数，而表2显示了在通过使光纤经受温度Td达1秒到45 秒而形成锥形之后锥形芯区域24的纤芯参数。
表1
Figure DEST_PATH_GDA0003033361880000181
Figure DEST_PATH_GDA0003033361880000191
表2
Figure DEST_PATH_GDA0003033361880000192
表2的光纤10展示了在1550nm(波长)处≤0.2dB的锥形诱导损耗。例如，至少在光纤10的一些实施例中，这些光纤的锥形区域24在 1310nm(波长)处展示出≤0.2dB的锥形诱导损耗。例如，至少在光纤10 的一些实施例中，这些光纤的锥形区域24在1310nm(波长)处展示出≤0.1 dB的锥形诱导损耗。
用于模场扩展的光纤设计
为了使锥形芯区域与光纤跳线(诸如光纤10)的一端相邻，需要逐渐减小该区域中光纤的芯折射率，并且需要逐渐增大该区域中的芯直径。这可以由通过加热光纤端使芯掺杂剂扩散来实现。
尽管在大多数单模光纤中使用的Ge掺杂剂可以在加热光纤时会扩散，从而形成锥形芯区域，但在低于2200℃的温度下的此类光纤中，充分模场扩展所需的扩散将花费非常长的时间(许多分钟或许多小时)，因为 Ge的扩散系数太低，从而使过程低效且昂贵。然而，如果Ge掺杂光纤经受相对快速的加热时间(1-2分钟)，则光纤需要被加热到非常高的温度(即，高于2200℃或高于2300℃，或甚至更高(加热时间越快，温度越高))，这会形成不期望的(多种)光纤变形，例如它会形成光纤弯曲和/ 或显著改变光纤的外直径。
申请人意识到，为了提高扩散速度，而不通过将光纤加热到非常高的温度使光纤发生显著变形，应当使用具有具有多于0.5wt％Cl的Cl掺杂芯的光纤代替具有Ge掺杂芯的典型光纤。本文所讨论的示例性光纤实施例因此利用Cl掺杂芯，因为Cl可以在较低的温度下比Ge更容易地且更快地扩散。优选地，根据至少一些实施例，光纤利用F掺杂包层，因为随着Cl朝向光纤的外直径扩散出去，F同时朝向光纤的中心向内扩散，并且该两种掺杂剂(Cl和F)协同地工作，以促进在较小温度Td下快速形成锥形芯区域，而不会引起光纤变形(即，没有不想要的弯曲，或光纤外直径的显著变化)。
在Td低于2100℃的Td温度下(例如，大于1500℃且小于 2100℃，或不大于2000℃，例如1500℃到2000℃，或1600℃到2000℃，或 1700℃到2000℃)，纤芯内的Cl掺杂剂扩散通过二氧化硅的速度比在比较光纤中的Ge快得多。图5C示出了在不同温度(750℃≤Td≤2000℃)下 Cl、F和Ge在纯二氧化硅玻璃中的扩散率(cm2/sec)。注意，在约2100℃下，氯在纯二氧化硅玻璃中的扩散率比锗的扩散率快约2倍。如图5C所示，在约2000℃下，氯在纯二氧化硅玻璃中的扩散率比锗的扩散率快约2.4倍。在1900℃下，氯在纯二氧化硅玻璃中的扩散率比锗的扩散率快约3倍。在 1700℃下，氯在纯二氧化硅玻璃中的扩散率比锗的扩散率快约5.5倍。因此，该图示出温度越高，扩散率越高。在感兴趣的温度(Td<2200℃，且更优选地Td<2100℃)下，Cl扩散通过二氧化硅比Ge快得多，并且在该温度范围内，光纤不会发生显著的(多种)变形。因此，在至少一些实施例中，优选的是1500℃＜Td＜2100℃，因为在该温度范围内，光纤基本上不会发生不期望的(多种)变形。
当光纤经受温度Td(例如，1500℃≤Td≤2100℃)时，纤芯中的Cl开始从芯朝向包层扩散出去并扩散到包层中。Cl的扩散降低了芯的最大折射率，并且同时增加了芯外直径。在包层40包括氟的实施例中，当光纤经受温度Td时，来自包层的氟也开始从包层扩散到芯中，进一步降低了芯的折射率。图6A-图9C示出了经受不同温度Td的示例性阶跃折射率光纤的氯和氟掺杂浓度分布的建模变化，以及由于氯和氟物种在玻璃中的扩散而导致的折射率分布的对应变化的变化。
图6A-图6C示出了当光纤经受温度Td(其中Td高于光纤包层的软化点)时，随时间变化的光纤的芯和包层内Cl/F浓度的变化以及光纤的折射率分布的变化。更具体地，图6A-图6B示出了在温度Td＝1900℃下，在具有氯掺杂二氧化硅基芯和氟掺杂二氧化硅基包层的光纤中Cl和F如何在二氧化硅中扩散。图6C示出了在1900℃的温度下在小于1分钟的总时间内处理光纤之后，在位置D最大处的光纤的由此生成的相对折射率差量分布。更具体地，图6C示出了在1900℃下随暴露时间的折射率分布的演变。例如，图6C 示出了施加热量的步骤可以在总时间或累积时间t内执行，其中1秒<t<1分钟，并且在一些实施例中为3秒到45秒(例如，1秒<t≤30秒，或3秒<t≤ 45秒，或3秒<t≤30秒，或5秒<t≤30秒)。
如图6C中所呈现的结果可见，由于氯和氟掺杂剂的扩散，芯和包层之间的折射率差减小，并且芯的半径增大(Cl扩散出去，或远离芯中心，并且F从包层朝向芯的中心扩散出去，从而使芯/包层边界之间的过渡平滑。图6C示出了经历热诱导掺杂剂扩散的光纤的横截面区域中的折射率分布发生了变化，不再是阶跃折射率分布。注意，如果原始光纤不是阶跃折射率光纤，而是渐变折射率光纤(例如，具有具有1.8到3的α值的芯的光纤)，则此类光纤在经受温度Td时也会展示朝向边缘的Cl扩散率，这将降低芯相对于包层的折射率，并且增加芯尺寸。折射率分布的这些变化导致诸如例如光纤10之类的光纤(本文也称为跳线光纤)所需的MFD的扩展。
类似地，图7A示出了在温度Td＝1900℃下，在具有氯掺杂二氧化硅基芯和未掺杂的二氧化硅包层的光纤实施例中Cl如何在二氧化硅中扩散。图7B示出了在1900℃的温度下在小于1分钟时间(即，1秒<t<1分钟) 内处理光纤之后，在位置D最大处的光纤的由此生成的相对折射率差量分布。在1700℃和2100℃下也获取了类似的结果。
我们发现，当光纤具有具有至少0.5wt％的Cl浓度的Cl掺杂芯时，我们可以在约1500℃和约2100℃之间的温度下，在小于1分钟(例如， 1秒到45秒，例如，5秒到45秒，10秒到45秒，15秒到45秒，或5秒到30秒，或15秒到45秒)内形成绝热锥形，而不会形成不期望的(多种)变形。优选的温度范围是1700℃到2100℃，并且更优选地1700℃到2000℃。
图8A-图8C描绘了在温度Td下另一个光纤实施例的Cl/F浓度和折射率分布的变化。更具体地，图8A-图8B示出了在温度Td＝1900℃下，在具有氯和氟掺杂二氧化硅基芯以及氟掺杂二氧化硅基包层的光纤中Cl和F如何在二氧化硅中扩散。图8C示出了在1900℃的温度Td下在小于1分钟 (即，1秒<t<1分钟)内处理光纤之后，在位置D最大处的光纤的由此生成的相对折射率差量分布。类似地，在高于光纤的包层的软化点的温度Td下，暴露时间小于1分钟，并且在一些实施例中为45秒或更少，在另其他实施例中小于30秒，并且在又其他实施例中小于15秒(5秒-15秒)。我们发现，当光纤具有具有至少0.5wt％的Cl浓度的Cl掺杂芯时，我们可以在约1500℃和约2100℃之间的温度Td(例如：1800℃、1850℃、1900℃、1950℃、2000℃，或介于两者之间)下在小于1分钟(例如，1秒到45秒)内形成绝热锥形，而不会形成不期望的(多种)变形。
图9A-图9C对应于温度Td下Cl/F浓度和折射率分布的变化，其中Td高于光纤包层的软化点。更具体地，图9A-图9B示出了在温度Td＝1900 ℃时，在具有氯掺杂二氧化硅基芯以及氯和氟掺杂二氧化硅基包层的光纤中Cl和F如何在二氧化硅中扩散，并且图9C示出了在1900℃的温度下在小于 1分钟(即，1秒<t<1分钟)内处理光纤之后，在位置D最大处的光纤的由此生成的相对折射率差量分布。我们发现，当光纤具有具有至少0.5wt％的Cl 浓度的Cl掺杂芯时，我们可以在约1500℃和约2100℃之间的温度下在小于1 分钟(例如，1秒到45秒)内形成绝热锥形，而不会形成不期望的(多种) 变形。
本文所描述的光纤10适于将光信号有效地耦合到光学组件。该光学组件可以包括在空间上彼此分离的多个(例如，3个、4个、5个或更多个)光学部件。根据本文所公开的至少一些实施例，光纤10包括具有变化的外直径和变化的最大芯折射率的Cl掺杂锥形芯区域24，以在感兴趣的波长处提供到光学组件的改善的耦合。光学组件可以包括例如，光学准直器、光学准直器阵列单元、光学滤波器设备(例如，多端口滤波器设备)、波分复用单元、或可变衰减器。光学组件可以例如在1310nm处或1310nm附近的操作波长λ处操作。
本公开延伸到包含光纤10的光学系统(例如，集成系统)500。在一个实施例中，光学系统500包括光信号源(例如激光光源50，例如，激光器或LED)、光学组件200和光纤10。在一个实施例中，光源50在1310 nm处或1310nm附近的波长(例如，在从1250nm到1350nm的范围内、或在从1260nm到1325nm的范围内、或在从1275nm到1325nm的范围内、或在从1290nm到1320nm的范围内、或在从1200nm到1400nm的范围内)处操作。在另一实施例中，光源50在1550nm处或1550nm附近的波长(例如，在从1500nm到1580nm的范围内)处操作。
光学组件200可以耦合到具有锥形芯24的光纤10，用于在光学组件和另一个(任选的)光纤105之间交换光信号。系统500包括本文所公开的类型的光纤10。在一些实施例中，光纤105通过光纤10直接耦合到光学组件200。光学系统500的光学组件200可以是设备或部件，诸如调制器、检测器、复用器、解复用器等。图3示出了耦合到光纤10的波分复用器光学组件200的示例性实施例。
由本文所描述的光纤10提供的大模场直径降低了光纤和光学组件200之间的耦合损失。
根据一些实施例，系统500包括光学组件200和至少一个光纤 10，但不包括光纤105。在此类实施例中，光纤10的长度更长，因为光纤10 的长度L1起到了光纤105的作用，并且在芯区域22中具有外直径D0的芯部分起到了与光纤105的芯106的作用相同的作用。
再次参考图2C和图2D，根据一个实施例，光学系统包括：
光学组件200，其光学地耦合到至少一个光纤10，该光纤包括：
(a)氯掺杂二氧化硅基锥形芯区域24，该锥形芯区域24具有沿锥形芯区域24的长度L2变化的外直径Dc和最大外直径D最大，使得8微米≤ D最大≤70微米；该锥形芯区域24进一步包括沿锥形芯区域的长度减小的最大芯折射率，Δc；以及
(b)二氧化硅基包层，其围绕纤芯。优选地，该包层在贯穿光纤的长度上具有恒定外直径。光学组件优选地包括多个空气隔开的光学部件(例如至少2个、至少3个、至少4个或至少5个光学部件)。这些光学部件可以是例如折射光学部件或反射光学部件，并且可以包括包含光学涂层的光学部件。光学系统可以进一步包括激光源50(本文也称为光信号源)。激光源50可以耦合到光学组件200。光学组件200可以位于激光源50和光纤10之间。在一些实施例中，光学组件200可以位于多个光源 50和多个光纤10之间。
根据一个实施例，光学系统500包括：
光学组件200，包括第一光学表面和后光学表面，所述光学组件200包括至少三个光学元件E1-E3，
光纤10，包括端面12和具有光学地耦合到该光学组件的后光学表面的场扩展区域的相邻芯部分，该光纤10包括掺杂有浓度大于0.5wt％的氯的芯区域，并且其中该模场扩展区域在长度上小于5cm，并且光纤10在操作波长λ处具有在耦合到光学组件的光纤端处的模场直径，该光纤端处的该模场直径比在光纤的另一端处的光纤模场直径大至少20％；以及
光信号源50，耦合到该光学组件的第一光学表面，使得由该光信号源 50提供的光信号沿由光学组件200形成的光学路径路由到光纤10的光纤端面 12。
对本领域技术人员显而易见的是在不背离本实用新型的精神或范围的情况下可以作出各种修改和变化。由于所属技术领域的技术人员可以想到包括本实用新型的精神和实质的所公开的各实施例的修改、组合、子组合和变体，因此，本实用新型应当被理解为包括所附权利要求书以及它们的等效内容的范围的一切。

Claims (47)

1.一种光学系统，包括：
(i)光学组件，所述光学组件包括第一光学表面和后光学表面，所述光学组件包括至少三个光学元件，
(ii)光纤，所述光纤包括具有光学地耦合到所述光学组件的所述后光学表面的场扩展区域的芯部分，
(iii)光信号源，所述光信号源耦合到所述光学组件的所述第一光学表面，使得由所述光信号源提供的光信号沿由所述光学组件形成的光学路径路由到所述光纤的所述场扩展区域，其中：
所述光纤包括掺杂有浓度大于0.5wt％的氯的芯区域，并且其中所述场扩展区域在长度上小于5cm，并且
所述光纤在操作波长λ处操作，并且在所述操作波长λ处具有在耦合到所述光学组件的光纤端处的模场直径，所述模场直径比在所述光纤的另一端处的光纤模场直径大至少20％。
2.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述芯包含具有在1.1wt.％和5wt.％之间的Cl浓度的至少一个区域。
3.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述芯包含具有在1.4wt.％和5wt.％之间的Cl浓度的至少一个区域。
4.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学组件包括至少3个光学元件并且所述光学元件是从包括以下项的组中选择的：反射镜、透镜、一个或多个光信号路由器、滤波器或它们的组合。
5.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学组件包括至少五个光学元件并且所述光学元件是从包括以下项的组中选择的：反射镜、透镜、光信号路由器、滤波器或它们的组合。
6.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光信号源是激光二极管。
7.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学组件包括光学准直器。
8.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学组件包括光学准直器阵列单元。
9.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学组件包括滤波器设备。
10.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，包括多端口滤波器设备。
11.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，包括可变光学衰减器。
12.一种光学系统，包括：
(A)光纤，
(B)光学组件，
(C)另一个光纤，其中，所述光学系统的特征在于:
所述光纤包括：长度L、第一端面和第二端面、以及所述光纤的所述第一端面处的MFD(模场直径)，所述MFD与在所述光纤的另一个区域处的MFD不同，并且其中所述光纤进一步包括：
(I)第一Cl掺杂二氧化硅基芯，包括：
(a)第一Cl掺杂芯区域，具有最大折射率Δ0，使得0.05％≤Δ0≤0.6％(相对于未掺杂的二氧化硅)，以及外芯直径D0，其中5微米≤D0≤12微米，所述第一Cl掺杂芯区域具有最大Cl浓度[Cl]，其中0.5wt.％≤[Cl]≤5wt.％；以及
(b)Cl掺杂锥形芯区域，与所述第一Cl掺杂芯区域和所述第一端面相邻，所述Cl掺杂锥形芯区域具有长度L2，其中0.05mm≤L2≤50mm，以及沿所述Cl掺杂锥形芯区域的所述长度减小的最大芯折射率ΔC，所述Cl掺杂锥形芯区域具有沿所述长度L2变化的外直径和最大直径D最大，使得
(i)D最大≥D0+3微米；
(ii)8微米≤D最大≤70微米；以及
(II)二氧化硅基包层，围绕所述Cl掺杂二氧化硅基芯；并且
所述光学组件包括耦合到所述光纤的所述Cl掺杂锥形芯区域的多个光学元件；并且
所述另一个光纤耦合到所述第一Cl掺杂芯区域。
13.如权利要求12所述的光学系统，其特征在于，具有所述第一Cl掺杂芯区域的所述光纤夹在所述光学组件和所述另一个光纤之间。
14.如权利要求12所述的光学系统，其特征在于：
所述第一Cl掺杂芯区域具有长度L1，并且所述第一Cl掺杂芯区域的所述最大折射率Δ0沿所述长度L1恒定，并且所述第一Cl掺杂芯区域的所述外芯直径D0沿所述长度L1恒定，其中L1>12cm。
15.如权利要求12所述的光学系统，其特征在于，所述光纤在所述光纤的所述第一端面处具有与在所述光纤的所述第二端面处的MFD不同的MFD。
16.如权利要求12所述的光学系统，其特征在于，所述包层包括氟，并且具有所述第一Cl掺杂芯区域的所述光纤的光纤长度L小于100m。
17.如权利要求12所述的光学系统，其特征在于，所述芯包含具有在1.1wt.％和5wt.％之间的Cl浓度的至少一个区域。
18.如权利要求12所述的光学系统，其特征在于，所述芯包含具有在1.4wt.％和5wt.％之间的Cl浓度的至少一个区域。
19.如权利要求14所述的光学系统，其特征在于，所述锥形芯区域具有基本绝热锥形并满足以下条件：
Figure DEST_PATH_FDA0003286902140000041
其中D是在所述锥形芯区域内的位置z处的芯直径，λ是操作波长，neff是基模的有效折射率，并且ncl是所述包层的折射率。
20.如权利要求12所述的光学系统，其特征在于，所述锥形芯区域具有锥形轮廓，所述锥形轮廓是以下中的一个：线性、抛物线形、指数形或高斯锥形。
21.如权利要求14所述的光学系统，其特征在于，L2为0.05mm≤L2≤1mm。
22.如权利要求14所述的光学系统，其特征在于，L2为0.05mm≤L2≤1mm，其中L2为0.2mm≤L2≤5mm。
23.如权利要求14所述的光学系统，其特征在于，L2为0.05mm≤L2≤1mm，其中10微米/mm≤(D最大-D0)/L2≤100微米/mm。
24.如权利要求14所述的光学系统，其特征在于，L2为0.05mm≤L2≤1mm，其中14微米/mm≤(D最大-D0)/L2≤86微米/mm。
25.如权利要求14所述的光学系统，其特征在于，L2为0.05mm≤L2≤1mm，其中14微米/mm≤(D最大-D0)/L2≤35微米/mm。
26.如权利要求19所述的光学系统，其特征在于，λ为：1550nm、或1310nm、或980nm。
27.如权利要求12所述的光学系统，其特征在于，相对于未掺杂的二氧化硅，0.0％≤│ΔC(在D最大处)│≤0.3％。
28.如权利要求12所述的光学系统，其特征在于，相对于未掺杂的二氧化硅，0.0％≤│Δcx(在D最大处)│≤0.2％。
29.如权利要求12所述的光学系统，其特征在于，0.15％≤[Δ0-ΔC(在D最大处)]≤0.37％。
30.如权利要求12所述的光学系统，其特征在于，所述锥形芯区域具有以下的锥形诱导损耗：(a)在1550nm处≤0.2dB；或(b)在1310nm处≤0.2dB；或(c)在1310nm处≤0.1dB。
31.如权利要求12所述的光学系统，其特征在于，所述光学组件包括至少3个光学元件并且所述光学元件是从包括以下项的组中选择的：反射镜、透镜、至少一个光信号路由器、滤波器或它们的组合。
32.如权利要求12所述的光学系统，其特征在于，所述光学组件包括至少五个光学元件并且所述光学元件是从包括以下项的组中选择的：反射镜、透镜、光信号路由器、滤波器或它们的组合。
33.如权利要求12所述的光学系统，其特征在于，进一步包括光源，所述光源是激光二极管。
34.如权利要求12所述的光学系统，其特征在于，所述光学组件是光学准直器。
35.如权利要求12所述的光学系统，其特征在于，所述光学组件是光学准直器阵列单元。
36.如权利要求12所述的光学系统，其特征在于，所述光学组件是滤波器设备。
37.如权利要求12所述的光学系统，其特征在于，所述光学组件是多端口滤波器设备。
38.如权利要求12所述的光学系统，其特征在于，所述光学组件是可变光学衰减器。
39.一种光学系统，包括：
光源，
光学组件，所述光学组件包括多个光学元件，所述光学组件耦合到所述光源，
单模光纤，
光纤，其中，所述光学系统的特征在于，
所述光纤包括耦合到所述光学组件的锥形芯区域，所述光纤包括：
(a)所述锥形芯区域，所述锥形芯区域包括Cl并且具有沿所述锥形芯区域的长度L2变化的外直径Dc和最大外直径D最大，使得8微米≤D最大≤70微米；所述锥形芯区域进一步包括沿所述锥形芯区域的所述长度L2减小的最大芯折射率Δc；以及
(b)二氧化硅基包层，围绕所述芯区域；并且
所述单模光纤光学地耦合到包括锥形芯区域的所述光纤。
40.如权利要求39所述的光学系统，其特征在于，所述光学组件包括至少3个光学组件并且所述光学元件是从包括以下项的组中选择的：反射镜、透镜、一个或多个光信号路由器、滤波器或它们的组合。
41.如权利要求39所述的光学系统，其特征在于，所述光学组件包括至少五个光学组件并且所述光学元件是从包括以下项的组中选择的：反射镜、透镜、光信号路由器、滤波器或它们的组合。
42.如权利要求39所述的光学系统，其特征在于，所述光源是激光二极管。
43.如权利要求39所述的光学系统，其特征在于，所述光学组件是光学准直器。
44.如权利要求39所述的光学系统，其特征在于，所述光学组件是光学准直器阵列单元。
45.如权利要求39所述的光学系统，其特征在于，所述光学组件是滤波器设备。
46.如权利要求39所述的光学系统，其特征在于，所述光学组件是多端口滤波器设备。
47.如权利要求39所述的光学系统，其特征在于，所述光学组件是可变光学衰减器。
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