DE60304841T2

DE60304841T2 - Lichtstrahl-ablenkvorrichtung und verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: DE60304841T2
Application number: DE60304841T
Authority: DE
Inventors: John Horseheads HIMMELREICH; Nagaraja Painted Post SHASHIDHAR; A Venkata Big Flats BHAGAVATULA
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 2002-03-04
Filing date: 2003-02-27
Publication date: 2006-11-23
Anticipated expiration: 2023-02-28
Also published as: TWI252338B; CN1307448C; TW200403457A; JP2011123493A; CN1650207A; AU2003219941A1; EP1481274A1; EP1481274B1; JP5070330B2; DE60304841D1; WO2003076993A1; US6904197B2; US20030165291A1; JP2005519342A

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine optische Vorrichtung für Nicht-In-Line-Modenfeldverbindungen, und insbesondere eine Modentransformationsvorrichtung, die konfiguriert ist, eine Kopplung optischer Signale mit einer hohen Effizienz zu erleichtern, die zwischen einer derartigen Vorrichtung und einer optischen Komponente und/oder einem anderen Wellenleiter, die ein unterschiedliches Modenfeld aufweisen, geleitet werden.
Während die vorliegende Erfindung einem breiten Bereich von Anwendungen unterworfen ist, ist sie insbesondere gut geeignet zur Kopplung von Quellen von elliptisch geformten optischen Signalen, wie etwa Laserdioden und Halbleiterwellenleitern, an optische Fasern, die zirkular symmetrische Modenfelder aufweisen.
2. Technischer Hintergrund
Eine Kopplung optischer Signale, die zwischen Signalquellen, wie etwa Laserdioden, optischen Fasern und optischen Halbleiterverstärkern (SOAs, Semiconductor Optical Amplifiers), und anderen optischen Komponenten, wie etwa optischen Fasern, Spezialfasern, SOAs und dergleichen mit einer hohen Kopplungseffizienz, geleitet werden, ist ein wichtiger Aspekt von optischen Kommunikationen. Ein herkömmliches Licht-emittierendes Modul, das in einem optischen Kommunikationssystem enthalten ist, schließt allgemein einen Halbleiterlaser, der als eine Lichtquelle dient, wie etwa eine Laserdiode, eine optische Faser, die einen Lichtübertragungskern aufweist, und eine Linse, wie etwa eine sphärische Linse, eine selbstfokussierende Linse oder eine asphärische Linse ein, die zwischen dem Halbleiterlaser und der optischen Faser zum Konvergieren des Laserstrahls auf den optischen Faserkern angeordnet ist. Da das Licht emittierende Modul typischerweise eine hohe Kopplungseffizienz zwischen dem Halbleiterlaser und der optischen Faser erfordert, ist das Modul vorzugsweise mit der optischen Faser des Halbleiterlasers, einer Linse und einer optischen Faser, die zueinander ausgerichtet sind, zusammengesetzt, um eine maximale Kopplungsenergie zu erreichen. Die relativ große Abmessung und die hohen Kosten früherer Licht emittierender Module, teilweise aufgrund von Linsenbeabstandungs- und Ausricht-Sachverhalten, haben die Fortschritte in dem Feld vorangetrieben und zu einer Anzahl alternativer Zugänge geführt.
Ein derartiger Zugang ist die Verwendung einer Gradientenindex-(GRIN-) Stablinse. Anders als andere Linsen ist der Brechungsindex einer GRIN-Stablinse radial abhängig und ist in der optischen Achse der Stablinse ein Maximum. Allgemein gesagt, ist das Brechungsindexprofil über der GRIN-Stablinse in der Form parabolisch, und somit ist es das Linsenmedium selbst anstelle der Luft-Linsen-Grenzfläche, die den Linseneffekt durchführt. Dementsprechend weisen, anders als herkömmliche Linsen, GRIN-Stablinsen planare Eingangs- und Ausgangsflächen auf, was eine Brechung an diesen Oberflächen unnötig macht. Diese Eigenschaft ermöglicht es, dass optische Elemente an jedem Ende der Linse mit einem Indexanpasskleber oder -epoxid befestigt werden. Der Index-Gradient wird typischerweise durch einen Ionenaustauschprozess erzeugt, der sowohl zeitaufwändig als auch teuer ist. Eine typische GRIN-Stablinse kann durch einen Ionenaustausch von Kalium- oder Cäsium-dotiertem Multikomponentenglas erzeugt werden. Ein Salzschmelzbad kann für den Ionenaustauschprozess verwendet werden, derart, dass Natrium- und entweder Thallium- oder Cäsiumionen aus dem Glas he rausdiffundieren, während Kaliumionen in das Glas von einem 500°C-KNO₃-Bad diffundieren.
Da es das aus diesem Prozess herrührende Brechungsindexprofil des Linsenmediums ist, das das Licht fokussiert, sind enge Steuerungen während des Herstellungsprozesses erforderlich, um sicherzustellen, dass eine gegebene GRIN-Stablinse das geeignete Brechungsindexprofil für eine bestimmte Kopplungsanwendung aufweist. Außerdem sind, anders als GRIN-Faserlinsen, die in Übereinstimmung mit zumindest einem Aspekt der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden, GRIN-Stablinsen schlecht zum Spleißen auf Standard-Telekommunikationsfasern und/oder andere optische Komponenten ausgelegt. Allgemein gesagt, sind GRIN-Stablinsen Multikomponenten-Glasstrukturen, die beträchtlich unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten und Erweichungspunkte (die Temperatur, bei welcher das Glas erweicht) als die optischen Wellenleiter aufweisen, mit welchen sie gekoppelt werden. GRIN-Faserlinsen werden andererseits typischerweise durch einen Faserherstellungsprozess hergestellt und sind Strukturen mit einer hohen Quarzverbindung. Somit sind die Erweichungspunkte und die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der GRIN-Faserlinsen im Wesentlichen ähnlich zu den Erweichungspunkten und thermischen Ausdehnungskoeffizienten der meisten Telekommunikationsfasern und anderer Wellenleiter, an welchen sie angebracht werden können. Dementsprechend sind GRIN-Faserlinsen gut ausgelegt, beispielsweise durch Schmelzspleißen mit den meisten Telekommunikationsfasern gekoppelt zu werden.
Es ist ein weiterer Zugang gewesen, eine Mikrolinse an einem Ende einer optischen Faser zu bilden, um eine optische Kopplung zwischen einem Halbleiterlaser und einem optischen Wellenleiter bereitzustellen. Bei einem derartigen Zugang wird die Linse direkt und integral an einer Endfläche der optischen Faser an einem Abschnitt der Faser gebildet, an welchem Licht von der Lichtquelle einfällt. Eine derartige optische Faser wird nachstehend als eine "mit einer Linse versehene optische Faser" bezeichnet. Wenn Licht emittierende Module unter Verwendung derartiger mit Linsen versehener Fasern hergestellt werden, kann die Anzahl erforderlicher Komponenten verringert werden, da kein Bedarf an Licht konvertierenden Linsen außer von der Faser selbst besteht und da die Anzahl von Betriebsschritten, die mit einer axialen Ausrichtung einhergehen, auch verringert werden kann. Mit Linsen versehene optische Fasern werden als optische Fasern mit anamorpher Linse bezeichnet, wenn die Linse, die auf der optischen Faser gebildet ist, in der Lage ist, das Modenfeld eines optischen Signals, das dort hindurchläuft, zu ändern. Spezifischer ist eine anamorphe Linse, die an einem Ende der optischen Faser gebildet ist, im Allgemeinen in der Lage, das elliptische Modenfeld eines optischen Signals, das aus einer Laserdiode emittiert wird, in ein im wesentlichen zirkular symmetrisches, optisches Signal zu ändern, das effizienter in den Kern einer optischen Faser gekoppelt werden kann, die ein zirkular symmetrisches Modenfeld aufweist.
Jeder der oben beschriebenen Zugänge weist verschiedene Nutzwerte und Vorteile auf, die im Stand der Technik bekannt sind. Jeder Zugang weist jedoch seinen eigenen Satz von Beschränkungen auf. Beispielsweise ändern, während eine herkömmliche GRIN-Stablinsentechnologie ausgezeichnete symmetrische Fokussiereigenschaften für optische Signale, die dort hindurchlaufen, bereitstellt, GRIN-Stablinsen alleine die geometrische Form eines optischen Signals nicht wesentlich, wie es oft für effiziente optische Komponentenkopplungsanwendungen erforderlich ist. Zusätzlich sind, da es die Materialeigenschaft der GRIN-Stablinse selbst ist, die das Fokussieren bereitstellt, präzise Herstellungstechniken notwendig, um eine kontrollierte Variation des Brechungsindexprofils der GRIN-Stablinse bereitzustellen, das für eine bestimmte Anwendung erforderlich ist.
In gleicher Weise ist, während anamorphe Faserlinsen das Ändern der geometrischen Form des optischen Signals oder eines Strahls, der durch sie läuft, auf einfache Weise bereitstellen, der Bereich verfügbarer Arbeitsabstände für Anwendungen mit anamorpher Linse etwas beschränkt. Dementsprechend können, wenn geeignete Arbeitsabstände für bestimmte Anwendungen nicht verfügbar sind, Kopplungsdämpfungen beträchtlich sein, wodurch für viele Anwendungen unpraktisch werden.
Im Allgemeinen werden die oben erwähnten, bekannten Vorrichtungen oft für "In-Line"-optische Signalkoppelanwendungen eingesetzt. Anders gesagt, breitet sich das optische Signal, das zu koppeln ist, im Allgemeinen entlang eines Pfads aus, der im Wesentlichen kollinear zu den optischen Achsen der Vorrichtungen ist, zwischen welchen das optische Signal gekoppelt wird. Ohne die Hilfe von Spiegeln oder anderen optischen Vorrichtungen und Strukturen sind die oben erwähnten bekannten Vorrichtungen schlecht für "Off-Line"-Koppelungsanwendungen ausgelegt, d.h. jene Kopplungsanwendungen, wo ein optisches Signal, das zu koppeln ist, sich entlang eines Pfads ausbreitet, der nicht kollinear zu der optischen Achse der Vorrichtung ist, mit welcher das optische Signal zu koppeln ist. Im Wege eines Beispiels, aber nicht einschränkend, kann ein optisches Signal von einer Vorrichtung unter einem Winkel von ungefähr 90° bezüglich der optischen Achse einer Vorrichtung emittiert werden, zu welcher das optische Signal zu koppeln ist. In einem derartigen Fall wird das optische Signal umgeleitet oder abgelenkt werden, um eine geeignete optische Signalkopplung zu erleichtern.
Was deswegen benötigt wird, aber im Stand der Technik gegenwärtig nicht verfügbar ist, ist eine Vorrichtung für optische Signalkopplungsanwendungen, die diese und andere Nachteile überwindet, die mit der Verwendung von anamorphen Linsen oder GRIN-Stablinsen einhergehen. Eine derartige Vorrichtung sollte in der Lage sein, die Größe und/oder geometrische Form und/oder andere Modenfeldeigenschaften eines optischen Signals, das durch die Vorrichtung läuft, zu ändern, während gleichzeitig eine Auslegungsflexibilität bereitgestellt wird, was Kopplungsdämpfungen begrenzen wird, einen breiteren Bereich von zugelassenen Arbeitsabständen gestatten wird, Phasenfront-Aberrationen minimieren wird und allgemein eine bessere Steuerung und Effizienz bei optischen Signalkopplungsanwendungen bereitstellt. Zusätzlich sollte die Modentransformationsvorrichtung der vorliegenden Erfindung vorzugsweise in der Lage sein, den Pfad eines optischen Signals mit einer minimalen Dämpfung umzuleiten. Eine derartige Vorrichtung sollte relativ kostengünstig zu fertigen sein, relativ einfach für eine Massenproduktion sein und im Allgemeinen einen viel breiteren Bereich von Anwendungen aufweisen, ohne die Materialeigenschaften und die Eigenschaften der Vorrichtung selbst signifikant zu ändern. Es ist die Bereitstellung einer derartigen Vorrichtung, auf die die vorliegende Erfindung primär gerichtet ist.
Die Aufmerksamkeit wird gerichtet auf die US-A-5163113 und die US-A-6081638, die jeweils eine Vorrichtung zum Ändern des Modenfelds eines optischen Signals beschreiben, wobei die Vorrichtung eine optische Faser und eine reflektierende Oberfläche umfasst, die an einem Ende der optischen Faser angeordnet ist, wobei die reflektierende Oberfläche konfiguriert ist, mit der optischen Faser zusammenzuwirken, um den Pfad eines optischen Signals, das auf die reflektierende Oberfläche hin gerichtet ist, umzuleiten. Die Aufmerksamkeit wird weiter gerichtet auf die US-A-5719973, die eine optische Faser beschreibt, die mit einer integrierten GRIN-Faserlinse versehen ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein Aspekt der Erfindung ist auf eine Vorrichtung zum Ändern des Modenfelds eines optischen Signals gerichtet. Die Vorrichtung schließt eine GRIN-Faserlinse, die ein Kugellinse an einem Ende einschließt, und eine reflektierende Oberfläche, die an dem Ende der GRIN-Faserlinse an einem Abschnitt der Kugellinse angeordnet ist, ein, wobei die reflektierende Oberfläche konfiguriert ist, mit der GRIN-Faserlinse zusammenzuwirken, um den Pfad eines optischen Signals, das an die GRIN-Faserlinse gekoppelt ist, wenn das optische Signal auf die reflektierende Oberfläche hin gerichtet ist, abzulenken.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine optische Anordnung. Die optische Anordnung schließt eine optische Komponente, ein Substrat, das konfiguriert ist, die Komponente zu halten, und eine Vorrichtung ein, die auf dem Substrat und in Bezug auf die optische Komponente positioniert ist, um das Modenfeld eines optischen Signals zu ändern, das zwischen der Vorrichtung und der optischen Komponente läuft. Die Vorrichtung schließt eine GRIN-Faserlinse, die eine Kugellinse an einem Ende einschließt, und eine reflektierende Oberfläche ein, die an dem Ende der GRIN-Faserlinse an einem Abschnitt der Kugellinse angeordnet ist. Die reflektierende Oberfläche ist konfiguriert, mit der GRIN-Faserlinse zusammenzuwirken, um den Pfad eines optischen Signals, der auf die reflektierende Oberfläche hin gerichtet ist, umzulenken.
Die Strahlumlenkvorrichtung der vorliegenden Erfindung führt zu einer Anzahl von Vorteilen gegenüber anderen Modentransformierungsvorrichtungen, die im Stand der Technik bekannt sind. In einem Aspekt können, da eine Modentransformierungslinse direkt auf einer GRIN-Faserlinse gebildet werden kann, die geometrische Form und/oder die Größe des Modenfelds eines optischen Signals durch die Modentransformierungslinse geändert werden, während die Fokussierung des geänderten optischen Sig nals größtenteils durch die GRIN-Faserlinse durchgeführt werden kann. Folglich kann die Wellenfront des optischen Signals besser an jene der optischen Komponente oder eines anderen Wellenleiters angepasst werden, in welche (welchen) das optische Signal gekoppelt wird. Dementsprechend werden Kopplungsdämpfungen minimiert und Phasenfront-Aberrationen verringert. Die Strahlumlenkvorrichtung der vorliegenden Erfindung kann auch ausgelegt werden, einen größeren Bereich von betriebsfähigen Arbeitsabständen bereitzustellen. Als Folge dieser und anderer Vorteile werden Kopplungseffizienzen in hohem Maße verbessert.
Zusätzlich zu diesen Vorteilen stellt die GRIN-Faserlinse selbst eine Anzahl von Vorteilen bei der Herstellung bereit. Wie oben stehend erwähnt, sind GRIN-Faserlinsen vorzugsweise Strukturen mit hohem Siliciumanteil, die durch herkömmliche Multimoden-Faserherstellungsprozesse ausgeführt werden. Weil GRIN-Faserlinsen durch Telekommunikationsfaser-Herstellungstechniken hergestellt werden, können GRIN-Faserlinsen auf die gewünschten Dimensionen mit einem hohen Genauigkeitsgrad gezogen werden. Allgemein gesagt, können GRIN-Faserlinsen gezogen werden, die einen Außendurchmesser aufweisen, der von ungefähr 25,0 Mikron bis ungefähr 1000,0 Mikron reicht. Vorzugsweise können derartigen GRIN-Faserlinsen derart gezogen werden, dass sie Außendurchmesser aufweisen, die von ungefähr 50,0 Mikron bis ungefähr 500,0 Mikron reichen. Noch bevorzugter können derartige GRIN-Faserlinsen einen Außendurchmesser von zwischen ungefähr 75,0 Mikron bis ungefähr 250,0 Mikron aufweisen. Zusätzlich können, da GRIN-Faserlinsen unter Verwendung von herkömmlichem Faserziehgerät gezogen werden können, Stäbe oder Rohgläser hergestellt und danach auf große Längen (bis zu mehreren Kilometern) einer Faser gezogen werden, wenn die Materialeigenschaften aufrechterhalten werden, wie etwa, aber nicht beschränkt auf, das Kern-zu-Mantel-Verhältnis des ursprünglichen Stabs des großen Durchmessers, was das Herstellen und Spleißen einfacher gestaltet. Dementsprechend kann das gewünschte Brechungsindexprofil neben anderen Eigenschaften der GRIN-Faserlinse in den größeren Stab oder Rohglas ausgelegt werden, was eine Präzisions-Submikron-Steuerung von den resultierenden optischen Eigenschaften der GRIN-Faserlinse bereitstellt.
Zusätzlich zu diesen Vorteilen können GRIN-Faserlinsen derart gefertigt werden, dass sie die vorbestimmten Materialeigenschaften für mehr als eine Moden-Transformierungsanwendung aufweisen. Da eine Moden-Transformierungslinse auf einer GRIN-Faserlinse oder auf einem kernlosen Abstandsstab oder einer Faser, die an der GRIN-Faserlinse angebracht ist, gebildet werden kann, anstatt an der Anschlussfaser selbst, können GRIN-Faserlinsen und kernlose Abstandsstäbe, die die gleiche Länge aufweisen, aus den gleichen Materialien hergestellt sind, die gleichen Aspektverhältnisse aufweisen und die gleichen Querschnittsflächen aufweisen, an Anschlussfasern angebracht werden, die unterschiedliche Eigenschaften und/oder Modenfelder aufweisen. Danach kann jede GRIN-Faserlinse und/oder jeder kernlose Stab durch ein Zerteilen auf die geeignete Länge geändert werden, um beispielsweise die erforderliche Modenfeld-Transformierungsfunktionalität bereitzustellen, die für die bestimmte Anschlussfaser erforderlich ist, an welcher die GRIN-Faserlinse und/oder der Abstandsstab angebracht ist. Wie im Detail beschrieben werden wird, kann dies vorzugsweise durch ein Teilen oder anderweitiges Schneiden jeder GRIN-Faserlinse und/oder jedes Abstandsstabs auf die gewünschte Länge und ein Konfigurieren des geschnittenen Endes jeder GRIN-Faserlinse und/oder jedes Stabs erreicht werden, um die gewünschten optischen Signaländerungseigenschaften zu erhalten.
Ein Herstellen des obigen Abstandsstabs stellt zusätzliche Vorteile bereit. Allgemein gesagt, weist der Abstandsstab ei nen im Wesentlichen gleichförmigen Brechungsindex auf, der aus Silicium, bestimmten anderen Materialien mit hohem Siliciumglasanteil ausgeführt ist oder der ein 96%-Siliciumglas sein kann, das von Corning, Incorporated hergestellt wird und als Vycor^® bekannt ist. Allgemein gesagt, kann der Abstandsstab in der Form zylindrisch sein, kann in der Form rechteckig sein oder kann hergestellt sein, um eine bestimmte andere geometrische Form anzunehmen. Wie die GRIN-Faserlinse, die oben stehend diskutiert ist, werden die Abstandsstäbe vorzugsweise aus einem ungefähr einen (1) Meter langen Stab oder Rohglas hergestellt, das unter Verwendung herkömmlicher Faserherstellungstechniken und -geräte auf den gewünschten Durchmesser, wie etwa, aber nicht beschränkt auf, 125,0 Mikron gezogen wird. Allgemein gesagt, wird der Abstandshalter auf Kilometerlängen gezogen (vorzugsweise derart, dass die Materialeigenschaften des ursprünglichen Stabs des großen Durchmessers aufrechterhalten werden) und wird danach auf die geeignete Länge für eine bestimmte Modentransformierungsanwendung geschnitten oder geteilt.
Bei bestimmten Anwendungen kann es vorteilhaft sein, einen Abstandsstab zu benutzen, der eine andere als die zylindrische Form aufweist. Beispielsweise kann es vorteilhaft sein, einen Abstandsstab zu benutzen, der im Wesentlichen in der Form rechteckig ist. In derartigen Fällen kann es zweckmäßig sein, zuerst ein ungefähr ein (1) Meter langes Rohglas zu bilden, das in der Form selbst rechteckig ist. Das rechteckige Rohglas kann dann unter Verwendung herkömmlicher Faserziehtechniken und -geräte gezogen werden, um einen im Wesentlichen rechteckigen Abstandsstab zu bilden, der einen gewünschten Außendurchmesser, wie etwa 125,0 Mikron, aufweist. Auf diese Weise können mehrere Kilometer von im Wesentlichen rechteckförmigem Abstandsstabmaterial aus einem einzigen Rohglas gezogen und danach auf gewünschte Längen geschnitten werden, um Abstandsstäbe zu schaffen, die die gewünschten optischen Eigenschaften aufweisen. Während die Kanten des resultierenden rechteckigen Abstandsstabmaterials während des Ziehprozesses wahrscheinlich etwas abgerundet werden, wird eine im Wesentlichen rechteckige Form aufrechterhalten werden, vorausgesetzt, dass die Temperatur des Ziehofens, die Ziehgeschwindigkeit und die Spannung, unter welcher das Stabmaterial gezogen wird, gesteuert werden. Außerdem werden die Aspektverhältnisse und andere optische Eigenschaften der endgültig geschnittenen rechteckigen Abstandsstäbe, die durch den Ziehprozess gebildet werden, im Wesentlichen aufrechterhalten. Ein derartiges Verarbeiten erleichtert eine Massenherstellung und gesteuerte Dimensionen des endgültigen Abstandsstabs. Fachleute werden erkennen, dass die Herstellungstechniken, die oben beschrieben sind, gleichermaßen anwendbar auf die Herstellung von GRIN-Faserlinsen sind.
Die oben beschriebene Strahlumlenkvorrichtung stellt zusätzliche Vorteile für optische Anordnungen und andere Verpackungsanordnungen bereit. Die Strahlumlenkvorrichtung stellt große Arbeitsabstände, wie etwa zwanzig (20,0) Mikron oder mehr bereit, was signifikant größer als die Arbeitsabstände ist, die durch anamorphe oder andere Modentransformierungsvorrichtungen bereitgestellt werden, die im Stand der Technik bekannt sind. Folglich wird ein Koppeln an eine Laserdiode oder eine andere Halbleitervorrichtung mit niedriger Dämpfung zum Teil aufgrund der relaxierten Ausrichtungstoleranzen zwischen der Vorrichtung und der Halbleitereinrichtung erleichtert.
Sämtliche der oben erwähnten Aspekte stellen eine Produktion von GRIN-Faserlinsen und/oder Abstandsstäben in großem Maßstab bereit, was wiederum die Herstellung erleichtert, Kosten, die mit dem Herstellungsprozess einhergehen, reduziert und eine größere Wirtschaftlichkeit ermöglicht. Die beschriebene Strahlumlenkvorrichtung kann derart aufgebaut werden, dass das Modenfeld eines optischen Signals, das dort hindurchläuft, von einem elliptischen Modenfeld in ein zirkulares Modenfeld, von einem zirkularen Modenfeld in ein elliptisches Modenfeld, von einem Modenfeld, das eine Elliptizität aufweist, in ein Modenfeld, das eine unterschiedliche Elliptizität aufweist, oder von einem Modenfeld in ein anderes Modenfeld, das die gleiche Form, aber eine unterschiedliche Größe aufweist, geändert werden kann. Außerdem kann die Vorrichtung derart ausgelegt werden, dass sie das Modenfeld eines optischen Signals, das dort hindurchläuft, in jeder Richtung ändern kann.
Zusätzliche Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in der detaillierten Beschreibung offenbart, die folgt, und werden für Durchschnittsfachleute aus dieser Beschreibung auf einfache Weise offensichtlich sein oder durch ein Verwirklichen der Erfindung, wie sie hierin beschrieben ist, erkannt werden.
Es ist zu verstehen, dass sowohl die vorangehende allgemeine Beschreibung als auch die folgende detaillierte Beschreibung nur beispielhaft für die Erfindung sind und dafür bestimmt sind, eine Übersicht oder einen Rahmen zum Verständnis der Natur und des Charakters der Erfindung, wie sie beansprucht wird, bereitzustellen. Die zugehörigen Zeichnungen sind eingeschlossen, um ein weiteres Verständnis der Erfindung bereitzustellen, veranschaulichen unter anderem Ausführungsformen der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien und die Wirkungsweise der Erfindung zu erläutern.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die zugehörigen Zeichnungen veranschaulichen verschiedene Formen einer Strahlumlenkvorrichtung, wobei jene in den 5E und 8 gezeigten gemäß der beanspruchten Erfindung sind.
In den Zeichnungen zeigen:
1A schematisch eine Seitenansicht einer beispielhaften Ausführungsform einer Strahlumlenkvorrichtung;
1A' schematisch eine Seitenansicht einer ersten alternativen beispielhaften Ausführungsform einer Strahlumlenkvorrichtung;
1B schematisch eine Seitenansicht einer zweiten alternativen beispielhaften Ausführungsform einer Strahlumlenkvorrichtung;
1B' schematisch eine Seitenansicht einer dritten alternativen beispielhaften Ausführungsform einer Strahlumlenkvorrichtung;
1C schematisch eine Seitenansicht einer vierten alternativen beispielhaften Ausführungsform einer Strahlumlenkvorrichtung;
1C' schematisch eine Seitenansicht einer fünften alternativen beispielhaften Ausführungsform einer Strahlumlenkvorrichtung;
2 eine Querschnittsansicht einer Strahlumlenkvorrichtung der 1B, die den Einfallswinkel eines optischen Signals veranschaulicht, das von der reflektierenden Oberfläche wegreflektiert wird, die auf der GRIN-Faserlinse angeordnet ist;
3 schematisch eine Querschnittsansicht einer weiteren alternativen beispielhaften Ausführungsform der Strahlumlenkvorrichtung;
4A schematisch eine Seitenansicht einer zusätzlichen alternativen beispielhaften Ausführungsform der Strahlumlenkvorrichtung;
4B schematisch eine perspektivische Ansicht der Strahlumlenkvorrichtung, die in 4A veranschaulicht ist;
5A schematisch eine Seitenansicht noch einer weiteren alternativen beispielhaften Ausführungsform der Strahlumlenkvorrichtung;
5B schematisch eine Seitenansicht einer weiteren alternativen beispielhaften Ausführungsform der Strahlumlenkvorrichtung;
5C schematisch eine Seitenansicht noch einer weiteren alternativen beispielhaften Ausführungsform der Strahlumlenkvorrichtung;
5D schematisch eine Seitenansicht noch einer weiteren alternativen beispielhaften Ausführungsform der Strahlumlenkvorrichtung;
5E einen Photomikrographen, der eine beispielhafte Ausführungsform der Strahlumlenkvorrichtung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
5F–5G Photomikrographen, die verschiedene Stadien einer Herstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Strahlumlenkvorrichtung veranschaulichen;
6A–6C Photomikrographen, die verschiedene Ansichten der GRIN-Faserlinse der Strahlumlenkvorrichtung, die in 1B veranschaulicht ist, veranschaulichen, wobei die optischen Signalmodenfelder darin gezeigt sind;
7A–7B schematisch Seiten- bzw. Drauf sichten einer beispielhaften optischen Anordnung, die die Strahlumlenkvorrichtung enthält, die in 1B veranschaulicht ist;
7C eine Seitenansicht einer alternativen beispielhaften Ausführungsform einer optischen Anordnung, die die Strahlumlenkvorrichtung enthält, die in 1B veranschaulicht ist;
8 schematisch eine Anordnung einer Off-Line-Strahlumlenkvorrichtung der vorliegenden Erfindung, die die Bezeichnung der verschiedenen Auslegungsvariablen enthält; und
9 einen Graphen, der die Kurve der Kopplungseffizienz über dem Arbeitsabstand für eine beispielhafte Off-Line-Anordnung veranschaulicht.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Bezug wird nun im Detail auf die Vorrichtungen genommen werden, die in den zugehörigen Zeichnungen gezeigt sind. Wo möglich, werden die gleichen Bezugszeichen durchgehend durch die Zeichnungen verwendet, um die gleichen oder ähnliche Teile zu bezeichnen. Eine beispielhafte Strahlumlenkvorrichtung ist in 1A gezeigt und wird allgemein durchgehend durch ein Bezugszeichen 20 bezeichnet.
Allgemein gesagt, schließt eine beispielhafte Strahlumlenkvorrichtung 20, die in der Seitenansicht der 1A veranschaulicht ist, eine GRIN-Faserlinse 24, die ein Quadratgesetz-Index- oder Parabolbrechungsindex-Profil aufweist und eine reflektierende Oberfläche 26 ein, die an einem Ende der GRIN-Faserlinse 24 angeordnet ist. Ein Strahl, vorzugsweise ein optisches Signal 30, kann in die GRIN-Faserlinse 24 eintreten und sich im Allgemeinen entlang einer optischen Achse 28 ausbreiten, die longitudinal durch die GRIN-Faserlinse 24 ver läuft. wie detaillierter unten stehend erläutert werden wird, wird das optische Signal 30 vorzugsweise an der reflektierenden Oberfläche 26 reflektiert und wird derart umgeleitet oder umgelenkt, dass das optische Signal 30 durch eine Seitenoberfläche 33 der GRIN-Faserlinse 24 läuft. In der in 1A veranschaulichten Ausführungsform ist eine GRIN-Faserlinse 24 vorzugsweise in der Form zylindrisch. Dementsprechend ist der Abschnitt der Seitenoberfläche 33, durch welchen das optische Signal 30 läuft, vorzugsweise eine gekrümmte Oberfläche 34. Wenn das optische Signal 30 durch die gekrümmte Oberfläche 34 verläuft, werden Eigenschaften des Modenfelds des optischen Signals 30 vorzugsweise geändert. Beispielsweise kann, wenn das Modenfeld des optischen Signals 30 im Wesentlichen in der Form kreisförmig ist, wenn es durch die GRIN-Faserlinse 24 läuft, wie in 1A gezeigt, die Modenfeldform vorzugsweise von einem im Wesentlichen zirkularen symmetrischen Modenfeld in ein elliptisches Modenfeld geändert werden, wenn das optische Signal 30 durch die gekrümmte Oberfläche 34 läuft.
Eine erste alternative beispielhafte Strahlumlenkvorrichtung 20' ist in der Seitenansicht der 1A' veranschaulicht. Anders als in der oben diskutierten Ausführungsform ist die GRIN-Faserlinse 24' in der Form im Wesentlichen rechteckig oder kann anderweitig durch ebene Seitenflächen 33' definiert sein. Die reflektierende Oberfläche 26' kann vorzugsweise eine abgeschrägte Oberfläche sein, die an einem Ende der GRIN-Faserlinse 24' angeordnet ist. Wenn ein optisches Signal 30 an einer reflektierenden Oberfläche 26' reflektiert wird, wird es vorzugsweise derart umgeleitet, dass er durch eine im Wesentlichen ebene Oberfläche 35 läuft, wodurch die Modenfeldeigenschaften des optischen Signals 30 geändert werden. Während die ebene Oberfläche 35 vorzugsweise die Form des Modenfelds des optischen Signals 30 nicht ändert, ändert sie vorzugsweise die Modenfeldgröße. Obwohl in den Zeichnungsfiguren nicht gezeigt, wird eine Fachperson erkennen, dass der gleiche Modenfeldef fekt mit einer im Wesentlichen zylindrischen GRIN-Faserlinse 24 erreicht werden kann, wenn ein Abschnitt einer Seitenoberfläche 33 poliert oder anderweitig aufgebaut ist, um eine ebene Oberfläche 35 an einem Ort einzuschließen, wo ein umgeleitetes optisches Signal 30 durch die Seitenoberfläche 33 läuft. Eine derartige ebene Oberfläche 35 kann an der Seitenoberfläche 33 durch beispielsweise Laser-Mikrobearbeitung gebildet werden.
Eine zweite alternative beispielhafte Ausführungsform einer Strahlumlenkvorrichtung 20' ist in der Seitenansicht der 1B. Die Strahlumlenkvorrichtung 20' schließt vorzugsweise eine optische Faser oder eine Anschlussfaser 22, eine GRIN-Faserlinse 24, die an dem einen Ende der Anschlussfaser 22 vorzugsweise durch ein Spleißen befestigt ist, und eine reflektierende Oberfläche 26, in diesem Fall eine abgeschrägte Oberfläche, die an einem Ende der GRIN-Faserlinse 24 entfernt von der Anschlussfaser 22 angeordnet ist, ein. Die Anschlussfaser 22 kann eine Standard-Monomode-Faser, wie etwa eine SMF-28-Faser, die von Corning, Inc. hergestellt wird, eine Polarisations erhaltende (PM-)Faser, eine Multimode-Faser oder eine andere Sonderfaser, wie etwa eine Hochbrechungsindex-Faser sein, die in optischen Kommunikationssystemen verwendet wird. Außerdem kann die Anschlussfaser 22 zirkular symmetrisch sein, wenn sie von dem Ende betrachtet wird, wie in 1B veranschaulicht, oder kann von jedweder anderen Form sein. Obwohl die reflektierende Oberfläche 26 direkt an dem Ende der GRIN-Faserlinse 24 in der in 1B veranschaulichten Ausführungsform gebildet ist, kann die reflektierende Oberfläche 26 an einem Ende eines getrennten kernlosen Abstandsstabs angeordnet oder ausgelegt sein, der selbst an einem Ende einer GRIN-Faserlinse 24 entfernt von der Anschlussfaser 22 befestigt sein kann, wie detaillierter unten stehend unter Bezugnahme auf die 4A und 4B beschrieben werden wird. Im Betrieb wird ein optisches Signal 30 durch die Anschlussfaser 22 und in die GRIN-Faserlinse 24 geleitet, wo das Signal durch das parabolische Brechungsindexprofil der GRIN-Faserlinse 24 geändert wird. Das geänderte optische Signal 30' wird vorzugsweise an der reflektierenden Oberfläche 26 reflektiert und durch die gekrümmte Oberfläche 24 der Seitenoberfläche 33 der GRIN-Faserlinse 24 umgeleitet. Wie in der in 1A veranschaulichten Ausführungsform wird die Form des Modenfelds des geänderten optischen Signals 30' vorzugsweise geändert, wenn das geänderte optische Signal 30' durch die gekrümmte Oberfläche 34 läuft.
Eine dritte alternative beispielhafte Strahlumlenkvorrichtung 20''' ist in der Seitenansicht der 1B' veranschaulicht. Die Strahlumlenkvorrichtung 20''' schließt vorzugsweise eine Anschlussfaser 22', vorzugsweise in der Form rechteckig, eine GRIN-Faserlinse 24', vorzugsweise in der Form rechteckig, und eine reflektierende Oberfläche 26', die an einem Ende der GRIN-Faserlinse 24' entfernt von der Anschlussfaser 22' angeordnet ist, ein. wie in der in 1B veranschaulichten Ausführungsform wird ein optisches Signal 30 durch die Eigenschaften der GRIN-Faserlinse 24' geändert, sobald das optische Signal 30 durch die Spleißverbindung 37 läuft. Wenn das geänderte optische Signal 30' durch die GRIN-Faserlinse 24' läuft, wird es vorzugsweise an der reflektierenden Oberfläche 26' reflektiert, derart, dass es durch eine ebene Oberfläche 35 einer Seitenoberfläche 33' läuft. Während die ebene Oberfläche 35 vorzugsweise die Form des Modenfelds des geänderten optischen Signals 30' nicht ändert, ändert sie die Modenfeldgröße.
Die vierte alternative Strahlumlenkvorrichtung 20'''', 20''''' kann gebildet werden, ein oder mehrere verjüngte Elemente einzuschließen, wie in den 1C bzw. 1C' gezeigt. Eine derartige verjüngte Mehrfachlinsenvorrichtung 20'''' kann vorzugsweise eine Anschlussfaser 22, eine verjüngte GRIN-Faserlinse 24'', die ein quadratisches Index- oder ein parabolisches Bre chungsindexprofil aufweist, die an einem Ende der Anschlussfaser 22 angeordnet ist, und eine reflektierende Oberfläche 26' einschließen, die an einem Ende der GRIN-Faserlinse 24'' entfernt von der Anschlussfaser 22 angeordnet ist. Wie in 1C gezeigt, schließt die verjüngte GRIN-Faserlinse 24'' vorzugsweise einen GRIN-Faserabschnitt 29, der eine im Wesentlichen gleichförmige oder konstante Radialaußendimension aufweist, die longitudinal von einem Ende der Anschlussfaser 22 zu einer Phantomlinie A₁ verläuft, einen verjüngten GRIN-Faserabschnitt 31, der eine sich ändernde, vorzugsweise abnehmende Radialaußendimension (oder geneigte äußere Oberfläche) aufweist, die longitudinal zwischen Phantomlinien A₁ und A₂ verläuft, und einen reflektierenden Oberflächenabschnitt 27 ein, der eine im Wesentlichen gleichförmige oder konstante Radialaußendimension aufweist, die longitudinal von der Phantomlinie A₂ zu der reflektierenden Oberfläche 26'' verläuft. Obwohl in den Zeichnungsfiguren nicht gezeigt, wird eine Fachperson erkennen, dass eine oder mehrere von der Anschlussfaser 22, des kernlosen Abstandsstabs (der kernlosen Abstandsstäbe) und/oder der GRIN-Faserlinse(n) auf eine weise ähnlich zu der verjüngten GRIN-Faserlinse 24'', die in 1C veranschaulicht ist, für eine der hierin beschriebenen und/oder veranschaulichten Ausführungsformen verjüngt sein können. Der verjüngte GRIN-Faserabschnitt 31 ändert vorzugsweise das geänderte optische Signal 30', was zu einem geänderten optischen Signal 30'' führt, das an der reflektierenden Oberfläche 26'' reflektiert wird. Das umgeleitete, geänderte optische Signal 30'' läuft dann vorzugsweise durch die gekrümmte Oberfläche 34, die die Modenfeldform des geänderten optischen Signals 30'' vorzugsweise ändert.
Eine fünfte alternative beispielhafte Ausführungsform einer Strahlumlenkvorrichtung 20''''' ist in 1C' veranschaulicht. Der Aufbau und der Betrieb der Strahlumlenkvorrichtung 20''''', die in 1C' veranschaulicht ist, ist ähnlich dem Aufbau und dem Betrieb der Strahlumlenkvorrichtung 20'''', die in 1C veranschaulicht ist. Die Strahlumlenkvorrichtung 25' ist jedoch vorzugsweise rechteckig in der Form, anstatt im Wesentlichen kreissymmetrisch. Dementsprechend schließt die Strahlumlenkvorrichtung 20''''' vorzugsweise eine im Wesentlichen rechteckige Anschlussfaser 22' und eine verjüngte GRIN-Faserlinse 24''' ein, die ebene Seitenoberflächen 33' und eine ebene Oberfläche 35 aufweist, durch welche das geänderte optische Signal 30'' läuft, nachdem es an der reflektierenden Oberfläche 26''' reflektiert ist. Wenn das geänderte optische Signal 30'' durch die ebene Oberfläche 35 läuft, ändert sich die Größe des Modenfelds des geänderten optischen Signals 30'' vorzugsweise, anstatt die Modenfeldform.
Falls nicht anderweitig bemerkt, werden in jeder der veranschaulichten Ausführungsformen die Anschlussfaser 22 und ihre Variationen beschrieben werden, eine SMF-28-Faser zu sein, die einen Außendurchmesser von ungefähr 1250 Mikron und einen Kerndurchmesser von ungefähr 8,0–10,0 Mikron aufweist. Die Fachperson wird erkennen, dass andere Anschlussfasern, die andere Durchmesser und andere geometrische Formen aufweisen, verwendet werden können. Zusätzlich können weitere Details, die den Aufbau, die Auslegung, die Herstellung und die Herstellungsvorteile der Strahlumlenkvorrichtung der vorliegenden Erfindung betreffen, in den gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldungen mit dem Titel "Beam Altering Fiber Lens Device and Methode of Manufacture", eingereicht am 23. Juli 2002, und "Optical Signal Altering Lensed Apparatus and Method of Manufacture", eingereicht am 23. Juli 2002 gefunden werden, die gemeinsam von Corning Incorporated gehalten werden.
Im Allgemeinen schließen sämtliche der offenbarten Ausführungsformen eine Anspruchsfaser ein, die einen Kernbereich aufweist, der durch einen Mantelbereich umgeben ist. Eine GRIN-Faserlinse 24 und ihre Variationen schließen vorzugsweise auch einen Kernbereich ein, der von einem Mantelbereich umgeben oder nicht umgeben sein kann. In einer bevorzugten Ausführungsform nimmt das relative Brechungsindexprofil einer GRIN-Faserlinse der vorliegenden Erfindung radial zu der optischen Achse der Strahlumlenkvorrichtung hin zu. Ein Ende einer GRIN-Faserlinse ist vorzugsweise an ein Ende einer Anschlussfaser über eine Bogenschmelz-Spleißeinrichtung oder eine andere Einrichtung gespleißt, die im Stand der Technik allgemein bekannt ist, entweder bevor oder nachdem die GRIN-Faserlinse auf die geeignete Länge geteilt ist. Eine reflektierende Oberfläche ist vorzugsweise an einem Ende der GRIN-Faserlinse entfernt von der Anschlussfaser angeordnet. In dieser und anderen beispielhaften Ausführungsformen, die hierin offenbart sind, kann die reflektierende Oberfläche vorzugsweise eine abgeschrägte Oberfläche sein, die durch herkömmliche Poliertechniken, durch Laser-Mikrobearbeitung oder durch andere Verfahren gebildet ist, die detaillierter unten stehend beschrieben werden.
Anders als die Ausführungsformen, die in den Anmeldungen offenbart sind, auf die oben stehend Bezug genommen ist, die auf In-Line-Kopplungsgeometrien gerichtet sind, sind die beispielhaften Ausführungsformen, die hierin offenbart sind, vorzugsweise auf Nicht-In-Line-Kopplungsgeometrien oder Off-Line-Kopplungsgeometrien gerichtet, die zusätzlich zu einem Ändern des Modenfelds eines optischen Signals vorzugsweise die Umleitung oder Umlenkung des optischen Signals erleichtern. Zurückkehrend nun zu 1A definiert die Strahlumlenkvorrichtung 20 vorzugsweise eine optische Achse 28, die longitudinal durch ihre Mitte verläuft, entlang welcher sich ein optisches Signal durch die Strahlumlenkvorrichtung 20 ausbreiten wird. In der in 1A veranschaulichten beispielhaften Ausführungsform ist die GRIN-Faserlinse 24 vorzugsweise an oder nahe einer Viertelteilungslänge ausgelegt. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die GRIN-Faserlinse 24 nicht auf eine Viertelteilung beschränkt ist, sondern auf eine Viertelteilungslänge für spe zielle Anwendungen, wie etwa Linsenanwendungen mit großen Aspektverhältnis, ausgelegt werden kann.
In Anwendungen, die im Stand der Technik bekannt sind, werden GRIN-Faserlinsen in typischer Weise hergestellt, einen Außendurchmesser aufzuweisen, der zu dem Außendurchmesser des optischen Wellenleiters passt, an welchem sie angebracht wird. Somit wird, wenn der Außendurchmesser des optischen Wellenleiters 125,0 Mikron beträgt, die GRIN-Faserlinse vorzugsweise auch hergestellt, einen Außendurchmesser von 125,0 Mikron aufzuweisen. Somit wird, wenn zwei optische Wellenleiter, die jeweils Außendurchmesser von 125,0 Mikron aufweisen, unterschiedliche Modenfelder aufweisen, der Unterschied in dem Brechungsindexprofil Δ für jede GRIN-Faserlinse geändert, so dass die GRIN-Faserlinsen die Spezifikationen erfüllen können, während der gleiche 125,0-Mikron-Außendurchmesser aufrechterhalten wird. Der Außendurchmesser der GRIN-Faserlinse muss nicht auf 125,0 Mikron aufrechterhalten werden. Stattdessen wird der Unterschied in dem Brechungsindex Δ der GRIN-Faserlinse im Wesentlichen gleich gehalten, und der Außendurchmesser, der Kerndurchmesser und die Länge jeder GRIN-Faserlinse werden vorzugsweise geändert, die Modentransformierungsanforderungen jedes optischen Wellenleiters zu erfüllen. Die Länge jeder GRIN-Faserlinse kann unterschiedlich von der Viertelteilung sein, falls nötig. Folglich kann das gleiche Rohglas verwendet werden, um die GRIN-Faserlinsen zur Verwendung in verschiedenen Anwendungen zu ziehen. Da das Brechungsindexprofil des Rohglases nicht geändert werden muss, können der Rohglas-Herstellungsprozess und der GRIN-Faserlinsen-Herstellungsprozess vereinfacht werden. Dementsprechend kann das gleiche Rohglas für unterschiedliche Modentransformierungsanwendungen verwendet werden. Das Rohglas wird vorzugsweise in unterschiedliche Außendurchmesser für unterschiedliche Anwendungen wieder gezogen, und die resultierende GRIN-Faserlinse kann auf unter schiedliche Längen geschnitten oder geteilt werden, um die Anforderungen für unterschiedliche Anwendungen zu erfüllen.
Die GRIN-Faserlinse 24 schließt vorzugsweise auch eine reflektierende Oberfläche 26 ein, die vorzugsweise aus einer abgeschrägten Oberfläche besteht, die beispielsweise durch ein Laser-Mikrobearbeiten der GRIN-Faserlinse 24 auf die gewünschte Länge und bei dem gewünschten Winkel bezüglich der optischen Achse 28 gebildet ist. Beim Betrieb wird ein optisches Signal 30 durch die Anschlussfaser 22 und die GRIN-Faserlinse 24 geleitet und trifft auf die reflektierende Oberfläche 26, in diesem Fall eine abgeschrägte Oberfläche. Es sei darauf hingewiesen, dass das optische Signal divergierend, konvergierend, fokussierend oder kollimierend sein kann, wenn es durch die GRIN-Faserlinse läuft. Wenn die abgeschrägte Oberfläche unter einem Winkel von ungefähr 45° oder nahe dem kritischen Winkel für die Materialien gebildet wird „ der bezüglich der optischen Achse verwendet wird, veranlasst die Luft/Glas- oder andere Medien/Glas-Grenzfläche 32, die durch die reflektierende Oberfläche 26 definiert ist, das optische Signal 30 dazu, intern totalreflektiert zu werden und auf eine gekrümmte Seitenoberfläche 34 der GRIN-Faserlinse 24 zu fallen. Die Oberfläche 34 wirkt vorzugsweise als eine (asphärische) Zylinderlinse und fokussiert den Strahl entlang einer Achse, aber nicht entlang der anderen. Einer der Vorteile dieses Zugangs besteht darin, dass die Zylinderlinse mit der GRIN-Faserlinse selbstausgerichtet ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Krümmung der Oberfläche durch ein Steuern des Durchmessers der GRIN-Faserlinse oder des Abstandsstabs präzise gesteuert wird, wenn die reflektierende Oberfläche an einem Ende eines Abstandsstabs statt an dem anderen Ende der GRIN-Faserlinse angeordnet wird. Auch kann, da die GRIN-Faserlinsen oder die Abstandsstäbe durch übliche Faserziehprozesse massenproduziert werden können, die Oberflächenqualität der gekrümmten Oberflächen 34, die die zylindrischen Linsen bilden, sehr hoch sein.
Außerdem bildet sich für eine 45° abgeschrägte, reflektierende Oberfläche 26 mit einer Luft- und Siliciumglas-Grenzschicht das Bild vorzugsweise unter 90° bezüglich der optischen Achse 28, die longitudinal durch die Anschlussfaser 22 und die GRIN-Faserlinse 24 verläuft. Die fokussierte Bildgröße und die Aspektverhältnisse können mit einer geeigneten Steuerung verschiedener Eigenschaften der GRIN-Faserlinse 24 variiert werden, wie etwa, aber nicht beschränkt auf, ihren Kern- und Außendurchmesser, ihre relative Brechungsindexdifferenz, die Verwendung von kernlosen Abstandsstäben, die einen gleichförmigen oder konstanten Brechungsindex aufweisen, und, wie detaillierter unten stehend beschrieben werden wird, unter Verwendung anderer reflektierender Materialien oder Oberfläche anstelle von oder zusätzlich zu einer abgeschrägten Oberfläche.
Diese und andere Strahlumlenkvorrichtungen, die detaillierter unten stehend beschrieben werden, können zum Koppeln optischer Signale sehr zweckmäßig sein, die zwischen Anschlussfasern und Laserdioden oder anderen optischen Wellenleitern laufen. Eine Verwendung einer derartigen Strahlumlenkvorrichtung stellt andere Vorteile, wie etwa Arbeitsabstände so groß wie 20,0 Mikron oder mehr verglichen mit herkömmlich erhältlichen Faserlinsen bereit, die in herkömmlicher Weise an dem Ende einer Monomode-Faser poliert sind. Dieser größere Arbeitsabstand erleichtert relaxierte Ausrichtungstoleranzen zwischen der GRIN-Faserlinse und der Laserdiode oder einer anderen optischen Komponente, zwischen welchen das optische Signal geleitet wird.
Ein wichtiger Aspekt der beispielhaften Ausführungsformen der Strahlumlenkvorrichtung, die in verschiedenen Zeichnungsfiguren veranschaulicht ist, kann am besten unter Bezugnahme auf 2 verstanden werden. In 2 veranschaulicht ist eine Querschnittsansicht der Strahlumlenkvorrichtung 20, die in
1A veranschaulicht ist. Wie in 2 gezeigt, wird ein optisches Signal 30 durch die GRIN-Faserlinse 24 geleitet und fällt auf die reflektierende Oberfläche 26, in diesem Fall eine abgeschrägte Oberfläche unter einem Einfallswinkel Φ_i ein und wird unter einem Reflexionswinkel Φ_r reflektiert. Der Einfallswinkel Φ_i wird durch den Winkel zwischen dem einfallenden optischen Signal 30 und einer Linie B normal zu der abgeschrägten Oberfläche definiert, wohingegen der Reflexionswinkel Φ_r durch einen Winkel zwischen der Linie B normal zu der abgeschrägten Oberfläche und dem reflektierten Strahl 30' definiert ist. Wenn der Einfallswinkel Φ_i größer als der kritische Winkel Φ_c der Medien n₁ und n₂ ist, wird das optische Signal 30 intern total reflektiert, und keine zusätzliche Beschichtung ist notwendig, damit der Strahl reflektiert wird. Der kritische Winkel Φ_c kann durch die folgende Gleichung beschrieben werden: Φ2 = sin–1(n2/n1)
n₁ ist der Brechungsindex des Mediums, durch welchen das optische Signal läuft, und n₂ ist der Brechungsindex des Mediums, das das Material umgibt, durch welchen das optische Signal läuft. n₂ wird typischerweise der Brechungsindex von Luft sein, während n₁ der Brechungsindex der GRIN-Faserlinse 24 ist. Wenn der Einfallswinkel Φ_i größer als der kritische Winkel Φ_c ist, dann ist ein anderes reflektierendes Material zusätzlich zu der abgeschrägten Oberfläche, die die reflektierende Oberfläche 26 definiert, nicht notwendig.
Indem dies erläutert ist, wird, wenn der Einfallswinkel Φ_i geringer als der kritische Winkel Φ_c ist, dann eine abgeschrägte Oberfläche allein allgemein unzureichend sein, um die gewünschten Aufgaben zu lösen. Dementsprechend kann ein zusätz liches und/oder alternatives reflektierendes Element notwendig sein. Eine Anzahl dieser zusätzlichen reflektierenden Elemente werden unten stehend unter Bezugnahme auf die verschiedenen alternativen beispielhaften Ausführungsformen der Strahlumlenkvorrichtung, die in den 3–5G veranschaulicht ist, beschrieben werden.
Die Strahlumlenkvorrichtung 20, die in 3 veranschaulicht ist, schließt vorzugsweise eine Anschlussfaser 22, eine GRIN-Faserlinse 24, die einen Außendurchmesser größer als der Außendurchmesser der Anschlussfaser 22 aufweist, direkt an ein Ende der Anschlussfaser 22 gespleißt ist, ein. Zusätzlich zu einer abgeschrägten Oberfläche, die die reflektierende Oberfläche 26 definiert, kann ein zusätzliches reflektierendes Element 26 an der reflektierenden Oberfläche 26 befestigt oder anderweitig an dieser angeordnet werden. Ein derartiges reflektierendes Element 26 kann ein metallisches oder dielektrisches Beschichtungsmaterial oder ein anderes funktionales Element, wie etwa eine doppelbrechende oder polarisierende Scheibe sein. Wie unten stehend detaillierter beschrieben werden wird, kann das zusätzliche reflektierende Element 36 eine zusätzliche Oberfläche, wie etwa eine asphärische Glasoberfläche sein, die auf der Abschrägung angeordnet ist. Wie in der Zeichnungsfigur gezeigt, sind die optischen Strahlenpfade 38, die den Kern 40 der Anschlussfaser 22 verlassen, im Wesentlichen zu der reflektierenden Oberfläche 26 hin kollimiert. An dem reflektierenden Element 36 und der reflektierenden Oberflächen-26-Grenzfläche wird zumindest ein wesentlicher Betrag des optischen Signals zu der gekrümmten Oberfläche 34 der GRIN-Faserlinse 24 umgeleitet. Wie zuvor erwähnt, bildet eine gekrümmte Oberfläche 34 vorzugsweise eine konische Oberfläche und arbeitet als eine Zylinderlinse, um den Strahl entlang einer Achse, aber nicht entlang der anderen zu fokussieren. Somit kann, wenn das Modenfeld des optischen Signals, das durch die Strahlumlenkvorrichtung 20 läuft, die in 3 veran schaulicht ist, in der Form zirkular ist, während es sich entlang der optischen Achse ausbreitet, das zirkulare Modenfeld vorzugsweise in ein im Wesentlichen elliptisches Modenfeld transformiert werden und wird im Wesentlichen in einem Abstand außerhalb von oder unterhalb der GRIN-Faserlinse 24 fokussiert sein.
Eine zusätzliche beispielhafte Ausführungsform der Strahlumlenkvorrichtung 24 zum Ändern des Modenfelds eines optischen Signals ist in den 4A und 4B veranschaulicht. Anders als in der in 3 veranschaulichten Ausführungsform schließt die Strahlumlenkvorrichtung 20, die in den 4A und 4B veranschaulicht ist, eine Abstandsfaser oder einen Abstandsstab 42 ein, der zwischen der Anschlussfaser 22 und der GRIN-Faserlinse 24 positioniert ist. Zusätzlich kann ein zweiter Abstandsstab 24 wahlweise zwischen der GRIN-Faserlinse 24 und der reflektierenden Oberfläche 26 positioniert werden. In der in den 4A und 4B veranschaulichten Ausführungsform ist eine reflektierende Oberfläche 26 an einem Ende eines kernlosen Abstandsstabs 44 anstatt an einem Ende der GRIN-Faserlinse 24 angeordnet. Weil der Winkel zwischen der Abschrägung und der optischen Achse in dieser beispielhaften Ausführungsform ein anderer als 45° ist, schließt die reflektierende Oberfläche 26 ein zusätzliches reflektierendes Element 36, wie etwa eine Metallbeschichtung oder eine dielektrische Beschichtung, oder ein bestimmtes anderes Funktionselement, wie etwa eine doppelbrechende oder polarisierende Scheibe ein. Das Beschichtungselement 36 kann auch eine reflektierende Oberfläche, wie etwa eine asphärische Oberfläche, oder ein bestimmtes anderes Material oder eine Vorrichtung einschließen, die in der Lage ist, ein optisches Signal geeignet umzulenken, wie es für eine gegebene Anwendung erforderlich ist. Obwohl sie sich im Außendurchmesser unterscheiden, sind die Abstandsstäbe 42 und 44 vorzugsweise kernlose Glasstäbe eines lichtleitenden Materials, das ein gleichförmiges oder konstantes radiales Bre chungsindexprofil aufweist. In einer bevorzugten Ausführungsform werden der Abstandsstab 42 und der Abstandsstab 44 durch einen herkömmlichen Faserziehprozess hergestellt, auf eine gewünschte Länge geschnitten und an die Anschlussfaser 22 und/oder die GRIN-Faserlinse 24 gespleißt oder anderweitig an diesen befestigt. Die schräge reflektierende Oberfläche 26, die an einem Ende des Abstandsstabs 44 entfernt von der GRIN-Faserlinse 24 angeordnet ist, kann an dem Abstandsstab 44 entweder vor oder nach einem Spleißen vorzugsweise durch ein Polieren oder ein Laser-Mikrobearbeiten gebildet oder anderweitig positioniert werden.
Wie in der perspektivischen Ansicht, die in 4B veranschaulicht ist, gezeigt, weisen die Abstandsstäbe 42 und 44 unterschiedliche Außendurchmesser auf, und der Abstand zum Stab 24 und die GRIN-Faserlinse 24 sind in der Form im Wesentlichen rechteckig, während der Abstandsstab 44 in der Form im Wesentlichen zylindrisch ist. Eine Fachperson wird erkennen, dass die Anschlussfaser 22, die GRIN-Faserlinse 24 und einer oder mehrere der Abstandsstäbe jedwede geometrische Form aufweisen können, einschließlich zylindrischer, rechteckiger, quadratischer oder elliptischer. Zusätzlich kann, obwohl dies in den Zeichnungsfiguren nicht gezeigt ist, die Strahlumlenkvorrichtung 20 GRIN-Faserlinsen und Abstandsstäbe zusätzlich zu jenen in den 4A und 4B gezeigten einschließen. Allgemein gesagt, wird die Anordnung, die Form, der Außendurchmesser, die Länge und die Anzahl von jeweils der GRIN-Faserlinse und des Abstandsstabs, die eingesetzt werden, vorzugsweise durch den kosteneffektivsten Zugang getrieben werden, um Modenfeld-Kopplungsauslegungsspezifikationen für die bestimmte Modentransformierungs-/Umlenkanwendung zu erfüllen. Allgemein gesagt, wird die GRIN-Faserlinse 24 oder der Abstandsstab 44, auf welchen die reflektierende Oberfläche 26 angeordnet ist, vorzugsweise eine gekrümmte Oberfläche 34 einschließen, die in der Form asphärisch ist, um den gewünschten anamorphen Linsen effekt für eine gegebene Anwendung bereitzustellen. Außerdem können, wie es in den 4A und 4B gezeigt ist, der Abstandsstab 42, die GRIN-Faserlinse 24 und der Abstandsstab 44 vorzugsweise mit einem Ausrichtmerkmal oder einer Nut 46 oder anderweitig, wie in den Zeichnungsfiguren gezeigt, markiert werden, um anzuzeigen, wie der Abstandsstab 42, die GRIN-Faserlinse 24 und der Abstandsstab 44 vorzugsweise während des Herstellungsprozesses ausgerichtet werden sollten, um die Polarisationsachsen der Anschlussfaser 22 aufrechtzuerhalten. Ein derartiges Markieren ist auch für die anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die hierin offenbart sind, vorzuziehen. Eine Fachperson wird jedoch erkennen, dass ein derartiges Markieren insbesondere nützlich ist, wenn die Geometrie der verschiedenen Elemente der Strahlumlenkvorrichtung 20 zylindrisch ist oder anderweitig nicht-planare Oberflächen enthält. Außerdem wird die Fachperson auch erkennen, dass die Ausrichtungsnuten nicht auf jedweder Oberfläche positioniert oder ausgelegt werden können, durch welche ein optisches Signal laufen wird, da ein derartiges Positionieren den Betrieb der Vorrichtung nachteilig beeinflussen wird.
Die Strahlumlenkvorrichtung 20, die in 5A veranschaulicht ist, ist ähnlich der in der 4A veranschaulichten Ausführungsform. Hier sind jedoch Abstandsstababschnitte 42 und 44 gezeigt, die den gleichen Außendurchmesser aufweisen. Außerdem schließt die schräge reflektierende Oberfläche 26, die in 5A gezeigt ist, nicht ein metallisches, dielektrisches oder anderes Funktionsbeschichtungselement, wie etwa eine doppelbrechende oder polarisierende Scheibe ein. Stattdessen ist eine zweite reflektierende Oberfläche 48, vorzugsweise eine reflektierende asphärische Oberfläche auf der ersten reflektierenden Oberfläche gebildet. Die reflektierende asphärische Oberfläche 48 kann auf der reflektierenden Oberfläche 26 durch Laser-Mikrobearbeiten, Nassätzen, Polieren oder anderweitig, wie es im Stand der Technik bekannt ist, gebildet werden. Al ternativ kann ein zusätzliches reflektierendes Material an der schrägen reflektierenden Oberfläche 26 über einen bestimmten Typ eines transparenten Epoxids befestigt werden.
Die in der 5B veranschaulichte Strahlumlenkvorrichtung 20 ist ähnlich der in der 5A veranschaulichten Ausführungsform mit der Ausnahme des Strahlumlenkmerkmals. Spezifischer schließt die Strahlumlenkvorrichtung 20, die in 5B veranschaulicht ist, nicht eine schräge reflektierende Oberfläche 26 ein noch schließt sie eine zweite reflektierende Oberfläche 48 ein. Stattdessen ist eine gekrümmte Oberfläche 47 an dem Ende der Strahlumlenkvorrichtung 20 entfernt von der Anschlussfaser 22 angeordnet. Die gekrümmte Oberfläche 47 ist vorzugsweise unter einem Winkel bezüglich des optischen Zugangs (nicht gezeigt) gebildet, der longitudinal durch die Strahlumlenkvorrichtung 20 verläuft, derart, dass ein optisches Signal, das auf die gekrümmte Oberfläche 47 gerichtet ist, umgeleitet oder umgelenkt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform kann eine gerundete Oberfläche 47 vorzugsweise an dem Ende der Strahlumlenkvorrichtung 20 durch Nassätzen, Laser-Mikrobearbeiten oder eine bestimmte andere Bearbeitungstechnik gebildet werden.
Die in der 5C veranschaulichte Strahlumlenkvorrichtung 20 schließt mehrfache GRIN-Faserlinsen 24 und 24' ein. Anstelle einer einzelnen GRIN-Faserlinse, auf die ein Abstandsstab folgt oder der ein Abstandsstab vorausgeht, schließt die in der 5C veranschaulichte Strahlumlenkvorrichtung 20 eine erste GRIN-Faserlinse 24, die an die Anschlussfaser 22 gespleißt oder anderweitig an dieser befestigt ist, und eine zweite GRIN-Faserlinse 24' ein, die an die erste GRIN-Faserlinse 24 gespleißt oder anderweitig an dieser befestigt ist. Wie die anderen oben stehend beschriebenen Ausführungsformen ist eine schräge reflektierende Oberfläche 26 an dem Ende der Strahlumlenkvorrichtung 20 entfernt von der Anschlussfaser 22 angeordnet.
Die in 5D veranschaulichte Strahlumlenkvorrichtung 20 veranschaulicht eine weitere verjüngte GRIN-Faserlinse 24, die an die Anschlussfaser 22 gespleißt oder an dieser anderweitig befestigt ist. Während die Dimensionen der verjüngten GRIN-Faserlinse 24, die in 5D veranschaulicht ist, sich von denen in den 1C und 1C' unterscheiden, sind die Eigenschaften und die Betriebsweise der verjüngten GRIN-Faserlinse 24, wie in 5D veranschaulicht ist, im Wesentlichen die gleichen wie jene unter Bezugnahme auf die 1C und 1C' beschriebenen.
Die in 5E veranschaulichte Strahlumlenkvorrichtung ist gemäß der vorliegenden Erfindung, die unten stehend beansprucht ist, und schließt vorzugsweise eine Anschlussfaser 22, einen kernlosen Abstandsstab 42, eine GRIN-Faserlinse 24 und eine reflektierende Oberfläche 26 ein. Anders als bei den oben diskutierten Ausführungsformen schließt der kernlose Abstandsstab 42 vorzugsweise ein abgerundetes Ende ein, was ein Spleißen des kernlosen Abstandsstabs 42 an die Anschlussfaser 22 erleichtert. Die GRIN-Faserlinse 24 ist vorzugsweise an das andere Ende des kernlosen Abstandsstabs 42 an einem der Enden gespleißt. Das andere Ende der GRIN-Faserlinse 24 ist vorzugsweise verjüngt geschnitten und vorzugsweise thermisch in eine Kugellinse 65 geformt. Die Kugellinse 65 ist vorzugsweise poliert oder anderweitig geformt, um eine abgeschrägte reflektierende Oberfläche 26 zum Erleichtern einer Strahlumlenkung einzuschließen. Eine abgerundete Oberfläche 67 gegenüber der abgeschrägten reflektierenden Oberfläche 26 auf der Kugellinse 65 ist vorzugsweise eine bikonische Oberfläche, die durch zwei unterschiedliche Kurven C₁ und C₂ definiert ist, die im Wesentlichen orthogonal zueinander angeordnet sind und sich vorzugsweise bei oder nahe der optischen Achse schneiden. Weitere De tails, die die Funktion der gekrümmten Oberfläche C₁ und C₂ betreffen, können in der gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung mit dem Titel "Beam Altering Fiber Lens Device and Method of Manufacture" gefunden werden. Fachpersonen werden erkennen, dass die Kugellinse 65, die eine abgeschrägte reflektierende Oberfläche 26 und eine gekrümmte Oberfläche 67 aufweist, alternativ an dem Ende eines separaten Abstandsstabs anstatt an dem Ende einer GRIN-Faserlinse 24, wie in 5E veranschaulicht, angeordnet werden kann. Eine derartige Strahlumlenkvorrichtung 20 kann vorzugsweise durch ein Spleißen eines Abstandsstabs 42 an die GRIN-Faserlinse 24, ein verjüngtes Schneiden der GRIN-Faserlinse 24 auf die geeignete Länge und danach ein Bilden einer Kugellinse 65 an dem Ende der GRIN-Faserlinse 24 entfernt von der Anschlussfaser 22 hergestellt werden.
Eine alternative Strahlumlenkvorrichtung 20 ist in verschiedenen Stufen des Herstellungsprozesses in den 5F und 5G gezeigt. Die Strahlumlenkvorrichtung 20 schließt vorzugsweise eine Anschlussfaser 22, einen kernlosen Abstandsstab 42, eine GRIN-Faserlinse 24 und eine abgeschrägte reflektierende Oberfläche 26 entfernt von der Anschlussfaser 22 ein. Wie in 5F gezeigt, ist ein abgerundetes Ende 63 an dem Ende des kernlosen Abstandsstabs 42 angeordnet, um ein Spleißen des kernlosen Abstandsstabs 42 an die Anschlussfaser 22 zu erleichtern. Die GRIN-Faserlinse 24 der Strahlumlenkvorrichtung 20 ist vorzugsweise verjüngt geschnitten, um ein verjüngt abgeschnittenes Ende 61 entfernt von der Anschlussfaser 22 einzuschließen. Das verjüngt abgeschnittene Ende 61 kann dann vorzugsweise durch ein Polieren oder ein Laser-Mikrobearbeiten geformt werden, um eine abgeschrägte reflektierende Oberfläche 26 zu bilden, wie in 5G gezeigt. Fachpersonen werden erkennen, dass die Strahlumlenkvorrichtung 20 mehrfache Abstandsstäbe und/oder mehrfache GRIN-Faserlinsen oder einen einzelnen Abstandsstab und mehrfache GRIN-Faserlinsen oder ein einzelne GRIN-Faserlinse und mehrfache Abstandsstäbe einschließen kann, die die gleichen oder unterschiedlichen Eigenschaften aufweisen, in Abhängigkeit von den Anforderungen einer gegebenen Anwendung und dem Auslegungszugang, der genommen wird, um diese Anforderungen zu erfüllen.
Eine Ausführungsform des Betriebs der Strahlumlenkvorrichtung 20 ist in den 6A–6C gezeigt. Die Zeichnungsfiguren veranschaulichen Teilansichten der GRIN-Faserlinse 24, die eine abgeschrägte reflektierende Oberfläche 26 aufweist. Die GRIN-Faserlinse 24, die in den 6A–6C veranschaulicht ist, ist vorzugsweise an der Anschlussfaser 22 befestigt, wie in der beispielhaften Ausführungsform offenbart, die in 1B veranschaulicht ist, und schließt vorzugsweise auch die Merkmale, Eigenschaften und Funktionalität der in 1B veranschaulichten Strahlumlenkvorrichtung 20 ein. Indem dies erläutert ist, veranschaulicht 6A eine Seitenansicht der GRIN-Faserlinse 24, während 6B und 6C zwei Ansichten der GRIN-Faserlinse 24 veranschaulichen. Die GRIN-Faserlinse 24, die in 6B und 6C veranschaulicht ist, ist um ungefähr 90° von ihrer in 6A gezeigten Position gedreht worden, derart, dass eine abgeschrägte reflektierende Oberfläche 26 in die Seitenebene zeigt. 6B zeigt das Modenfeld 50, wobei das Mikroskop im Wesentlichen auf die GRIN-Faserlinsen-24-Oberfläche fokussiert ist. 6C zeigt das Modenfeld 52, wobei das Mikroskop auf ungefähr 100,0 Mikron von der GRIN-Faser-24-Oberfläche entfernt fokussiert ist. Dementsprechend kann in der in 6C veranschaulichten Ausführungsform eine optische Komponente, die ein elliptisches Modenfeld aufweist, in zweckmäßiger weise an die Strahlumlenkvorrichtung 20, die in den 6A–6C veranschaulicht ist, in einem Abstand von ungefähr 100,0 Mikron von der gekrümmten Oberfläche 34 der GRIN-Faserlinsenoberfläche 33 gekoppelt werden, um eine Kopplungseffizienz zu maximieren und somit eine optische Dämpfung zu minimieren.
Eine bevorzugte Anwendung für die oben stehend diskutierte Strahlumlenkvorrichtung dient einem Koppeln derartiger Vorrichtungen an Laserdioden oder andere Halbleiter-Wellenleitereinrichtungen eines hohen Index. Bei derartigen Anwendungen stellen die verbesserten Funktionalitäten, die durch die oben beschriebenen Elemente bereitgestellt werden, eine zusätzliche Auslegungsflexibilität und -funktionalität bereit. Beispielsweise kann die Strahlumlenkvorrichtung mit einem dielektrischen Spiegel, der auf einer polierten Abschrägung positioniert ist, ausgelegt werden, einen bestimmten Prozentsatz von Licht zu reflektieren, der darauf fällt. Zum Laserdiodenkoppeln kann eine derartige Funktionalität zum Überwachen der Laserleistung verwendet werden. Zusätzlich können abgeschrägte Ausführungsformen der Strahlumlenkvorrichtung, die oben stehend beschrieben ist, ausgelegt werden, um Lichtstrahlen unter Winkeln außer 90° zu reflektieren, um mehrere Optionen bei einem Verpacken von Halbleitereinrichtungen mit der Strahlumlenkvorrichtung, die oben stehend beschrieben ist, bereitzustellen. Dies gilt insbesondere dann, wenn optische Banktechniken mit Silicium eingesetzt werden. Wie im Detail unten stehend beschrieben werden wird, können Silicium-Ätzebenen Ausrichtungsprozeduren während einer Verpackung viel einfacher machen.
Wie oben stehend kurz erwähnt, teilen sämtliche der beispielhaften Ausführungsformen der Strahlumlenkvorrichtung 20, die hierin offenbart ist, bestimmte gemeinsame Herstellungstechniken. Zunächst wird eine geeignete GRIN-Faserlinse, die einen parabolischen Betriebsbrechungsindex, einen Kerndurchmesser und einen Außendurchmesser und eine geometrische Form aufweist, vorzugsweise durch ein Spleißen an einer ausgewählten Anschlussfaser oder an einem oder mehreren Abstandsstäben 42 befestigt, die selbst an das Ende der Anschlussfaser 22 gespleißt sind. Derartige Abstandsstäbe 42 sind vorzugsweise kernlose, Silicium enthaltende Glasstäbe, die hergestellt werden können, jedweden geeigneten Außendurchmesser und geometrische Form aufzuweisen, und die einen gleichförmigen oder konstanten radialen Brechungsindex und somit geringe oder keine Linseneigenschaften aufweisen. wenn sie eingesetzt werden, stellen Abstandsstäbe 42 eine zusätzliche Auslegungsflexibilität bereit. Der GRIN-Faserindex, Kerneigenschaften der GRIN-Faser und die Linsenparameter, wie etwa die Viertelteilungslänge, können unter Verwendung gut bekannter Formeln bestimmt werden, die von Emkey and Jack, Analysis and Evaluation of Graded-Index Fiber-Lenses, Journal of Lightwave Technology, Band LT-5, Nr. 9, September 1987, S. 1156–64 offenbart sind.
Die GRIN-Faserlinse kann dann auf die geeignete Länge verglichen mit der Viertelteilung geteilt oder verjüngt geschnitten werden und laser-mikrobearbeitet werden, um den geeigneten Abschrägungswinkel bezüglich der optischen Achse aufzuweisen. Das Ende der GRIN-Faserlinse 24, die so gebildet ist, kann dann poliert werden, falls gewünscht. Die Parameter der GRIN-Faserlinse 24, wie etwa der Abschrägungswinkel, können auf der Grundlage des erforderlichen Arbeitsabstands und des Anschlussfaser-22-Modenfelds und der Anforderungen an die endgültige Modenfeldform ausgelegt werden. Abstandsstäbe, wie sie oben stehend beschrieben sind, können auch zwischen der GRIN-Faserlinse 24 und der reflektierenden Oberfläche 26 der Strahlumlenkvorrichtung 20 der vorliegenden Erfindung positioniert werden, falls gewünscht oder notwendig. In derartigen Fällen kann ein Abstandsstab (können Abstandsstäbe) 44, wie oben stehend beschrieben, geteilt oder verjüngt geschnitten werden, und das Ende des Abstandsstabs 44 entfernt von der GRIN-Faserlinse 24 kann weiter verarbeitet werden, wie oben beschrieben, um zu der gewünschten abgeschrägten reflektierenden Oberfläche an dem Abstandsstab anstatt an der GRIN-Faserlinse zu gelangen.
Es ist auch möglich, zu einer Vielfalt von Auslegungen zu gelangen, wo der Kern oder der Außendurchmesser, die Größe, die Form und die Indexdifferenz der GRIN-Faserlinse 24 und der Anschlussfasern 22 für unterschiedliche Anwendungen variiert werden können. Beispielsweise ist es möglich, den Außendurchmesser der GRIN-Faserlinse gleich, kleiner oder größer als den der Anschlussfaser auszulegen, um Strahlen von variierender Größe aufzunehmen. Die Form der GRIN-Faserlinse, der Anschlussfaser und jedweder Abstandsstäbe kann nichtzylindrisch, wie etwa quadratisch oder rechteckig sein oder kann mit Nuten oder anderweitig zur Vereinfachung einer Herstellung oder um eine Ausrichtung mit der Polarisationsachse der Anschlussfaser zu erleichtern, markiert sein. Durch ein Ausrichten der planaren Seiten oder Markierungen mit den Polarisationsachsen der Anschlussfaser wird eine weitere Verarbeitung, wie etwa ein Koppeln an eine Laserdiode oder an eine andere optische Komponente, mit geeigneten Polarisationsachsen vereinfacht.
Beispielhafte optische Anordnungen, die Strahlumlenkvorrichtungen 20 enthalten, sind in den 7A–7C veranschaulicht. Eine optische Anordnung 54, die in 7A und 7B veranschaulicht ist, schließt vorzugsweise ein Substrat 56 und eine Quelle eines optischen Signals 58, wie etwa eine Laserdiode oder einen anderen Emitter ein, ist darauf aber nicht beschränkt. Die Quelle eines optischen Signals 58 wird vorzugsweise auf einem Substrat 56 gehalten, und eine Strahlumlenkvorrichtung 20 ist vorzugsweise auch auf dem Substrat 56 positioniert, derart, dass die GRIN-Faserlinse 24 in der Lage ist, mit der optischen Quelle 58 zu kommunizieren. Wie deutlich in 7B gezeigt, emittiert die optische Quelle 58 ein optisches Signal, das durch eine konische Oberfläche 34 geleitet wird, die an einer Seitenwand der GRIN-Faserlinse 24 gebildet ist. Ein optisches Signal 60 wird danach an der Medium-Glas-Grenzfläche (typischerweise eine Luft/Glas-Grenzfläche) re flektiert, die durch die reflektierende Oberfläche 26 definiert ist, derart, dass optische Signale 60 entlang der optischen Achse der GRIN-Faserlinse 24 und der Anschlussfaser 22 umgeleitet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Modenfeld des optischen Signals 60 vorzugsweise auch von dem elliptischen Modenfeld, das aus der optischen Signalquelle 58 emittiert wird, in ein im Wesentlichen kreisförmiges symmetrisches Modenfeld zum Koppeln des transformierten optischen Signals 60 an die Anschlussfaser 22 mit niedriger Dämpfung transformiert.
Ein besonderer Vorteil der in den 7A und 7B veranschaulichten Konfiguration besteht in ihrer Toleranz gegenüber Umgebungseffekten. Da die Ausrichtungstoleranzen zwischen der optischen Signalquelle 58 und der GRIN-Faserlinse 24 aufgrund der Orientierung der GRIN-Faserlinse 24 in Bezug auf den optischen Signalquellen-58-Emitter breit sind, werden Umgebungsbedingungen, wie etwa Änderungen in der Temperatur, der Feuchtigkeit, etc. eine geringe Wirkung auf den Betrieb und die Funktionalität der Anordnung 54 aufweisen.
Eine zusätzliche alternative Ausführungsform einer Anordnung 62 ist in 7C veranschaulicht. Die Ausführungsform ist ähnlich der in den 7A–7B veranschaulichten Anordnung 54, benutzt aber eine optische Siliciumbank oder ein anderes Substrat, um das optische Signal 60 in die GRIN-Faserlinse 24 zu reflektieren. Diese Anordnung ist insbesondere gut geeignet zur Verwendung mit einer optischen Siliciumbank, die eine <111>-Fläche 64, die auf dem Siliciumsubstrat 56 geätzt oder anderweitig gebildet ist, und eine V-Nut 55 aufweist, die geätzt oder anderweitig hergestellt ist, um die Strahlumlenkvorrichtung 20 zu halten. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die <111>-Fläche 64 unter einem Winkel von ungefähr 55° angeordnet. Allgemein gesagt, wird die reflektierende Oberfläche 26 abgeschrägt sein, um zu der <111>-Fläche zu passen (pa rallel zu sein), was die Ausrichtung und Herstellung der Anordnung 62, die in 7C veranschaulicht ist, weniger komplex macht.
Obwohl es in den Zeichnungsfiguren nicht gezeigt ist, ist es auch wichtig, dass die Wellenfronten so gut wie möglich angepasst werden. Wenn dies nicht gelingt, führt dies zu Aberrationen, die zu einer konstruktiven oder destruktiven Interferenz mit der Kopplungseffizienz führen. In der Vergangenheit stellten Fachpersonen die Eigenschaften der Linsen, beispielsweise der GRIN-Faserlinse, wie etwa das Brechungsindexprofil der GRIN-Faserlinse, durch ein tatsächliches Ändern der chemischen Eigenschaften des Glases selbst ein. Dies ist sehr zeitraubend und erleichtert eine effiziente Herstellung der Modenfeld-Kopplungsanordnungen nicht. Die Größe und Form der GRIN-Faserlinse, die Verwendung von Abstandsstäben, die wirken, das optische Signalbild zu bewegen, ohne einen signifikanten Linseneffekt zu dem optischen Bild hinzuzufügen, die Größe und Anzahl von Abstandsstäben, die Anzahl von GRIN-Faserlinsen und die unabhängige Steuerung (in der X-Ebene und der Y-Ebene) der Form der externen gekrümmten Oberfläche 34, 35, die die Linse definieren, ermöglichen es Fachpersonen, diese Wellenfronten einfach und effizient wesentlich auf eine weise anzupassen, die praktisch und effizient und kosteneffektiv für eine Massenfertigung von Modenfeld-Kopplungsanordnungen ist. Zusätzlich, und obwohl dies in den oben stehend diskutierten Figuren nicht gezeigt ist, sind die oben erwähnten Prinzipien gleichermaßen auf jene Ausführungsformen der optischen Anordnung, wo das optische Signal durch die Anschlussfaser, dann durch jedwede Abstandsstäbe, die benutzt werden, durch die GRIN-Faserlinse, wo das optische Signal vorzugsweise durch eine reflektierende Oberfläche umgelenkt und danach durch eine externe gekrümmte Oberfläche 34, 35 der GRIN-Faserlinse (oder eines Abstandsstabs) zum Koppeln an eine optische Wellenleiterein richtung, wie etwa, aber nicht beschränkt auf eine SOA oder andere Detektor-Photodiode gerichtet wird, anwendbar.
BEISPIEL
Ein Beispiel einer Off-Line- oder Nicht-In-Line-Strahlumlenkvorrichtung und einer optischen Anordnung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben werden.
Eine beispielhafte Off-Line-Strahlumlenkvorrichtung 80, die gemäß der unten stehend beanspruchten Erfindung ist, die eine Kugellinse 65 einschließt, die eine bikonische gekrümmte Oberfläche 67 und eine abgeschrägte reflektierende Oberfläche 26 aufweist, ist schematisch in 8 unter Bezugnahme auf die unten beschriebenen Variablen gezeigt. Die beispielhafte Mehrfachlinsenvorrichtung schließt eine Quelle 82 eines optischen Signals ein, in diesem Fall eine Laserdiode, die in der Lage ist, ein Signal bei einer Betriebswellenlänge 'wav'; einen Modenfelddurchmesser (MFD) in der x-Richtung (vertikalen Richtung) von wx0(μm) und einen MFD in der y-Richtung von wy0(μm) zu emittieren. Der Strahl von der Quelle 82 breitet sich durch ein Medium (üblicherweise Luft) eines Index (n1) über eine Entfernung (z) aus, bevor er auf eine gekrümmte Oberfläche 67 mit Krümmungsradien von (RLx) (μm) in der x-Richtung und (RLy) (μm) in der y-Richtung fällt, die auf einem Abstandsstab 42 gebildet ist, der ein radial konstantes Brechungsindexprofil und eine Länge (Lc) und einen Index (nc) aufweist. Der MFD des optischen Signals vor der zylindrischen bikonischen Linse ist wx1 und wy1, und die Strahlwellenfront-Krümmungsradien sind rx1 und ry1. Das optische Signal wird durch die bikonische Linse in einen Strahl mit einem MFD und Wellenfront-Krümmungsradien von wx2, wy2 bzw. rx2, ry2 transformiert. Für eine dünne Linse gilt wx1 = wx2 und wy1 = wy2, aber rx2 und ry2 sind im Allgemeinen nicht die gleichen wie rx1 und ry1. Der Strahl breitet sich dann durch einen Abschnitt einer Länge Lc und ei nes Brechungsindex nc des Abstandsstabs 42 aus. Die Länge Lc des Abstandsstabs 42 schließt die Länge des Abstandsstabs vor der abgeschrägten reflektierenden Oberfläche 26 (Lc1) und die Länge des Abstandsstabs 42 ein, die von der abgeschrägten reflektierenden Oberfläche 26 zu der GRIN-Faserlinse 24 verläuft. In der gezeigten Ausführungsform ist sichergestellt, dass die abgeschrägte reflektierende Oberfläche 26 das optische Signal um 90° umlenkt. Die Strahleigenschaften nach dieser Ausbreitung sind wx3, wy3 und rx3 und ry3. Ein Strahl, der diese Eigenschaften hat, fällt auf die GRIN-Faserlinse 24 mit den Eigenschaften einer Länge Lg, einem mittleren Index ng, einem Index-diff=delta und einem Kernradius von (a). Nach einer Ausbreitung durch die GRIN-Faserlinse 24 sind die Strahleigenschaften wx4, wy4, rx4, ry4. Die Aufgabe der Auslenkung besteht darin, wx4 = wy4 = wsmf auszuführen, wobei (wsmf) der kreisförmige MFD der Standard-Monomode-Anschlussfaser 22 ist. Eine weitere Aufgabe besteht darin, rx4 und ry4 so nahe an eine ebene Wellenfront wie möglich auszuführen, um die Kopplungseffizienz an die Anschlussfaser zu maximieren. Diese Aufgabe kann für eine gegebene Quelle 82 und eine Anschlussfaser 22 erreicht werden, indem die Auslegungsvariablen, wie etwa Z. Rx, Ry, Lc der gekrümmten Oberfläche 67, der Kugellinse 65, des Abstandsstabs 42 und auch die Eigenschaften der GRIN-Faserlinse 24, wie etwa Lg, Delta und (a), modifiziert werden. Die Aufgabe besteht auch darin, Z ausreichend groß für zweckmäßige Toleranzen und praktische Verpackungsanforderungen auszuführen, ohne die Kopplungseffizienz zu beeinträchtigen.
Die Strahltransformation kann für Gaußsche Strahlen unter Verwendung der ABCD-Matrixprozeduren für den komplexen Strahlparameter q, wie in den Referenzen, die hierin unter Bezugnahme eingeschlossen sind, offenbart, oder unter Verwendung der Strahlausbreitungstechniken berechnet werden. Die Auslegung wird vorzugsweise für die beste Kopplungseffizienz für jedwedes gewünschte z wie auch für die Quellen-82- und Anschlussfa ser-22-Eigenschaften optimiert. Die Materialeigenschaften n1, nc, ng und ns können in gewissem Maße variiert werden, aber praktische Materialerwägungen begrenzen ihre Werte. Beispielsweise ist n1 im Allgemeinen gleich 1 (Luft), nc ist meistens Silicium oder dotiertes Silicium mit Werten von ~1,45 nahe dem 1,3–1,55-μm-Wellenlängenbereich. Das Gleiche gilt für ng und nsmf.
Der komplexe Strahlparameter q ist definiert als: (1/q) = (1/r) – i·(wav/(pi·w^2·n)wobei r der Wellenfront-Krümmungsradius ist, w der Gaußsche Modenfeldradius ist und wav die Lichtwellenlänge ist.
Die q-Parametertransformation von der Eingangsebene 84 in die Ausgangsebene 86 ist gegeben durch: q2 = (A·q1 + B)/(C·q1 + D)wobei A, B, C, D Elemente der Strahlmatrix sind, die die Strahlparameter für die Eingangs- und Ausgangsebene 84 bzw. 86 betreffen.

1) ABCD-Matrix für Freiraumausbreitung einer Länge z =
2) beim Durchgang von einem Medium eines Brechungsindex n1 nach n (keine Länge) =
3) für eine Linse eines Krümmungsradius R =
4) für eine GRIN-Faserlinse mit n'(r) = n(1 – g^2·r^2)^0,5 und mit der Länge L =
g = ((2·delta)^0,5)/a

Die Linsengeometrie und die Auslegungsvariablen und die MFD-Parameter an spezifischen Orten:

Ebene 83:: Ausgang der Quelle 82: wav, wx0, wy0 – Wellenlänge und x- und y-Modenfelder der Quelle 82
Ebene 84:: Ausbreitung durch Z, eines Materialindex (n1), aber vor der bikonischen Linse wx1, wy1: Modenfelddurchmesser des Strahls in der Ebene 84 rx1, ry1: Wellenfront-Krümmungsradius
Ebene 86:: Genau nach der bikonischen Linse vom Radius Rx und Ry mit einem Materialindex nc wx2, wy2 rx2, ry2
Ebene 88:: Ausbreitung im Abstandsstab der Länge Lc und des Index nc und gerade vor der GRIN-Faserlinse 24 wx3, wy3 rx3, ry3
Ebene 90:: Nach einer Ausbreitung durch die GRIN-Faserlinse 24 mit einer Länge Lg, einem Avg-Index ng, einer Index-diff-Delta, einem Kernradius = a und gerade vor der Anschlussfaser: wx4, wy4 rx4, ry4

Spezifische Beispiele für die Off-Line-Strahlumlenkvorrichtung

Unter Verwendung der oben angezeigten Prozedur können die Auslegungsvariablen für die Strahlumlenkvorrichtung für eine Laserdioden-Kopplungsanwendung berechnet und optimiert werden. Kopplungseffizienzberechnungen, die als eine Funktion von einem Arbeitsabstand aus durchgeführt sind, sind in 9 gezeigt. Auf der Grundlage dieser Kurve beträgt der optimale Arbeitsabstand für diese Auslegung ungefähr 50,0 μm, was ein zweckmäßiger Wert für praktische Verpackungs- und Ausrichtungsanforderungen ist. Die Laserdioden-Eigenschaften und andere Auslegungsparameter sind unten stehend aufgelistet: Laserdioden-Eigenschaften:

Wellenlänge:	0,98 μm
Modenfeldradius in X-Richtung x0x:	0,9 μm
Modenfeldradius in Y-Richtung x0y:	3,6 μm

Andere Auslegungsparameter

X-Krümmungsradius von bikonischer Linse RLx	25 μm
Länge des Abstandsstabes Lc:	40,0
GRIN-Faserlänge Lg:	1170 μm
GRIN-Faserindex-Differenz-Delta:	0,01
GRIN-Faser-Kernradius a:	62,5
Monomode-Anschlussfaser-Modenfeld:	5,2 μm

Das Beispiel ist nur zu veranschaulichenden Zwecken gegeben und wird auf der Grundlage der Anwendungen variieren. Das vorangehende Beispiel kann unter Bezugnahme auf die folgenden Literaturstellen deutlich verstanden werden: W. L. Emkey und C. Jack, JLT-5, Sept. 1987, S. 1156–64; H. Kogelnik, Applied Optics, 4. Dez. 1965, S. 1562; R. Kishimoto, M. Koyama; Transactions on Microwave Theory and Aplications, IEEE MTT-30, Juni 1982, S. 882; und Photonics von B. E. A. Saleh und M. C. Teich, John Wiley & Sons, Inc., 1991.
Während die Erfindung im Detail beschrieben worden ist, ist ausdrücklich zu verstehen, dass es für Fachpersonen offensichtlich ist, dass die Erfindung modifiziert werden kann, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen. Verschiedene Änderungen einer Form, einer Auslegung oder einer Anordnung können an der Erfindung ausgeführt werden, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise kann die GRIN-Faserlinse 24 derart hergestellt werden, dass ihr Brechungsindexprofil longitudinal anstatt radial, wie oben beschrieben, variiert. Zusätzlich wird eine Fachperson erkennen, dass verschiedene Komponenten/Elemente der Strahlumlenkvorrichtung 20 der vorliegenden Erfindung weder aus den gleichen Materialien hergestellt sein noch die gleichen Materialien verkörpern müssen, vorausgesetzt, dass die verschiedenen Materialien, die die verschiedenen Elemente der Strahlumlenkvorrichtung 20 bilden, bezüglich der Eigenschaften, wie etwa, aber nicht beschränkt auf, einen Erweichungspunkt und einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten kompatibel sind. Deswegen ist die oben erwähnte Beschreibung als beispielhaft anstatt einschränkend anzusehen, und der tatsäckliche Umfang der Erfindung ist jener, der in den folgenden Ansprüchen definiert ist.

Claims

Vorrichtung zum Ändern des Modenfeldes eines optischen Signals, aufweisend: eine GRIN-Faserlinse (24), die eine Balllinse (65) an einem Ende aufweist; und eine reflektierende Oberfläche (26), die an dem Ende der GRIN-Faserlinse (24) an einem Teil der Balllinse (65) angebracht ist, wobei die reflektierende Oberfläche zum Kooperieren mit der GRIN-Faserlinse eingerichtet ist, um den Pfad eines optischen Signals, welches in die GRIN-Faserlinse (24) eingekoppelt ist, abzulenken, wenn das optische Signal auf die reflektierende Oberfläche gerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner eine optische Faser (22) aufweist, und wobei das Ende der GRIN-Faserlinse (24), das von der reflektierenden Oberfläche (26) abgewandt ist, an der optischen Faser befestigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die GRIN-Faserlinse (24) eine gekrümmte Oberfläche (67) aufweist, die bezüglich der reflektierenden Oberfläche (26) zum Kommunizieren mit einem optischen Signal angeordnet ist, das in die Vorrichtung eintritt oder austritt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Vorrichtung eine optische Achse festlegt und wobei die gekrümmte Oberfläche (67) durch zwei verschiedene Kurven festgelegt ist, die im Wesentlichen orthogonal zueinander angeordnet sind, wobei eine Hauptkurve C₁ und eine Nebenkurve C₂ sich an oder nahe der optischen Achse schneiden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die GRIN-Faserlinse (24) eine Planare Oberfläche aufweist, die bezüglich der reflektierenden Oberfläche (26) zum Kommunizieren mit einem optischen Signal angeordnet ist, das in die Vorrichtung (80) eintritt oder austritt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die reflektierende Oberfläche (26) eine abgeschrägte Oberfläche aufweist und wobei die abgeschrägte Oberfläche an dem Ende der GRIN-Faserlinse (24) gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die GRIN-Faserlinse (24) eine Mehrzahl von GRIN-Faserlinsen (24) aufweist und wobei die Mehrlinsenvorrichtung ferner einen oder mehrere Abstandsstäbe (42) beinhaltet, von denen jeder einen radial konstanten Brechungsindex aufweist und wobei der eine oder die mehreren Abstandsstäbe (42) zwischen einer oder mehreren der optischen Fasern (22) und der Mehrzahl von GRIN-Faserlinsen (24) angeordnet sind.
Optische Anordnung mit: einer optischen Komponente (58), einem Substrat (56), das zum Tragen der optischen Komponente (58) eingerichtet ist, und einer Vorrichtung, die auf dem Substrat (56) und bezüglich der optischen Komponente (58) angeordnet ist, um eine Mode des Feldes eines optischen Signals (60), welches zwischen der Vorrichtung und der optischen Komponente (58) verläuft, zu ändern, wobei die Vorrichtung eine GRIN-Faserlinse (24), die eine Balllinse an einem Ende (26) aufweist, und eine reflektierende Oberfläche (26) aufweist, die an dem Ende der GRIN-Faserlinse (24) an einem Teil der Balllinse angeordnet ist, wobei die reflektierende Oberfläche zum Kooperieren mit der GRIN-Faserlinse (24) eingerichtet ist, um den Pfad des optischen Signals (60) auf die reflektierende Oberfläche (26) zu richten.