專利名稱：熱形成的透鏡型纖維的制作方法
本申請要求下列美國臨時申請連續(xù)號的優(yōu)先權(quán)Ukrainczyk等人于2001年6月15日提交的題為“Thermally Formed Lensed Fibers for Imaging and CondenserApplications”的No.60/298,841和Ukrainczyk等人于2002年1月28日提交的題為“Thermally Formed Lensed Fibers”的No.60/352,753。
背景技術(shù)：
發(fā)明領域本發(fā)明一般涉及光通信網(wǎng)中在光纖與光學設備之間耦合光的方法和設備。更具體地說，本發(fā)明涉及調(diào)焦透鏡型纖維和形成透鏡型纖維的方法。
背景技術(shù)：
透鏡型纖維是一種用透鏡端接其光纖的單根器件，其優(yōu)越之處在于容易裝配，即它們不要求常用的纖維透鏡對準和纖維與透鏡的粘合，插入損失小，而且因可以做得極小而實現(xiàn)元件超小型化。透鏡熱膨脹系數(shù)與光纖熱膨脹系數(shù)匹配，在某一溫度范圍內(nèi)具有較佳性能。透鏡型纖維便于構(gòu)成陣列，因而對硅光學操作臺應用適合制作陣列型器件，也適合光纖與平面波導的對準。另外，可對特定應用修正透鏡型纖維的光斑大小與工作距離，例如可將透鏡型纖維的光斑大小與工作距離修正成形成更小的束徑，允許在光學開關中使用更小的微機電系統(tǒng)(MEMS)小鏡。
有各種類型的透鏡型纖維。

圖1示出光纖2一端熔融拼接了平面凸透鏡1的原有技術(shù)準直透鏡型纖維，光纖2可以是單?；蚨嗄＠w維，平面凸透鏡1一般由無芯纖維構(gòu)成。平面凸透鏡1正面成形為球面，起準直鏡作用，把光纖2射出的光擴展成準直束。該準直透鏡型纖維可在寬廣距離范圍內(nèi)用來準直，一種主要用途是將來自一條光纖的光耦合到另一條光纖。
準直透鏡型纖維有各種形成方法，一種方法涉及使光纖一個端部熔融而形成有期望曲率半徑的球面。通常，熔融處理涉及在一對置于光纖端部相對兩側(cè)的電極之間產(chǎn)生電弧，電弧使光纖端部熔融而形成球面。或者，用激光束使光纖端部熔融而形成球面。準直透鏡型纖維的另一種形成方法涉及對一條光纖拼接一條有球面的無芯纖維，于是該球面無芯纖維起透鏡作用。
圖2示出在光纖3頂端形成錐體4的錐形透鏡型纖維，光纖3是單模或多模纖維，錐體4作為起透鏡作用的凸面5。與準直透鏡型纖維的平面凸透鏡(圖1的1)相比，凸面5的曲率半徑極小。錐體4通過研磨和/或光制光纖3頂端而實現(xiàn)。錐形透鏡型纖維在短的工作距離內(nèi)準直光，可以光纖與激光源或放學放大器或平面波導之間耦合光。

發(fā)明內(nèi)容
在一個方面，本發(fā)明涉及一種調(diào)焦透鏡型纖維，包括用透鏡端接的光纖，透鏡與束腰的距離大于雷利距離。
在另一個方面中，本發(fā)明涉及一種透鏡型纖維的形成方法，包括對選擇的玻璃纖維區(qū)域抗得住地加熱預定時間，并在抗得住加熱的同時拉玻璃纖維，在選擇區(qū)域形成凸面。
從以下描述和所附權(quán)項將明白本發(fā)明的其它特征與優(yōu)點。
附圖簡介圖1是原有技術(shù)準直透鏡型纖維的示意圖。
圖2是原有技術(shù)錐形透鏡型纖維的示意圖。
圖3A～3C按本發(fā)明一實施例示出各種調(diào)焦透鏡型纖維的實施例。
圖4A與4B示出對各種調(diào)焦透鏡型纖維幾何尺寸在束在100μm空氣中傳播后再在InGaAs(n＝3.18)中傳播示出高斯束射線痕量分析。
圖5A與5B示出在玻璃纖維上形成曲率半徑的方法。
圖5C示出圖5B的玻璃纖維用電阻絲作錐形削減后的狀況。
圖6示出本發(fā)明方法形成的錐形透鏡型纖維。
圖7示出透鏡f數(shù)的定義。
圖8示出作為與調(diào)焦透鏡凸面距離的函數(shù)的模場直徑。
圖9A與9B對調(diào)焦透鏡的x與y分量分別示出束腰處的模場形狀(放大10倍)。
圖10示出錐形透鏡型纖維作為曲率半徑函數(shù)的角形輻射強度。
圖11A～11D對各種錐形透鏡幾何尺寸示出作為與鏡面距離函數(shù)的模場直徑。
詳細描述本發(fā)明諸實施例提供的調(diào)焦透鏡型纖維，把光纖射出的光聚成大于、等于或小于該纖維模場直徑(MFD)的光斑。該調(diào)焦透鏡型纖維能應用于調(diào)焦與聚光場合。本發(fā)明諸實施例提供一種形成該調(diào)焦透鏡型纖維的方法。更具體地說，本發(fā)明諸初稿例提供一種在光纖或更一般地在玻璃纖維頂端形成精密的曲率半徑的方法，該法允許在光纖端部以各種方案形成平面凸透鏡，這樣能對特定應用修正透鏡型纖維的光斑大小與工作距離。該方法還可形成錐形透鏡型纖維。該錐形透鏡型纖維除在短工作距離內(nèi)準直外，還可應用于調(diào)焦與聚光應用。下面參照附圖描述本發(fā)明諸特定實施例。
圖3A示出一種調(diào)焦透鏡型纖維6，其平面凸鏡7附接于光纖8。平面凸鏡7可利用熔融拼接法附接于光纖8。光纖8具有纖芯9和包繞纖芯9的包層10。光纖8可以是任一種單模纖維，包括偏振保持(PM)纖維?；蚴嵌嗄＠w維。圖中把光纖8示為單模纖維。平面凸鏡7的直徑示成大于光纖6的直徑，但這不是一種要求，平面凸鏡7的直徑可與光纖8的直徑一樣(見圖3B)或更小(見圖3C)。平面凸鏡7通常用無波導芯的玻璃纖維制成。玻璃纖維與光纖8可用同一纖維制造工藝做成。一般，平面凸鏡7由二氧化硅或摻雜的二氧化硅如B2O3-SiO2與GeO2-SiO2制成，折射率與纖芯9相近。為盡量減小背反射，通常對平面凸鏡7涂一層反射涂料。背反射大于-55dB一般較佳。
操作時，沿纖芯9傳播的光束一進入平面凸鏡7就發(fā)散，從平面凸鏡7出射時聚成一光斑。選擇透鏡7的曲率半徑(Rc)與厚度(T)，使平面凸鏡7凸面到束腰的距離(f)大于雷利距離。雷利距離是圍繞束腰的軸向距離，束半徑在其最小值的 倍內(nèi)。雷利距離用下式計算？z0=2πw02λ]]>式中Zo是雷利距離，Wo是束腰半徑，λ為波長。使與束腰的距離(f)大于雷利距離，平面凸鏡7形成的束位于雷利距離以外，讓平面凸鏡7起到聚焦鏡或聚光鏡的作用。一般應對該透鏡保持下列條件TRc>nn+1+Φ]]>
式中T是透鏡厚度，Rc是透鏡曲率半徑，n是透鏡在有關波長下的折射率，而Φ為小高斯束衍射造成的相移。
調(diào)焦透鏡型纖維6的光斑大小或模場直徑(MFD)由平面凸鏡7的厚度(T)、曲率半徑(Rc)和與束腰的距離(f)決定。為便于圖示，圖4A與4B對各種調(diào)焦透鏡型纖維幾何尺寸示出了束在100μm空氣中傳播再在InGaAs(n＝3.18)中傳播的高斯束射線痕量分析。圖4A示出作為透鏡厚度和透鏡曲率半徑函數(shù)的模場直徑(MFD)，圖4B示出作為透鏡厚度和曲率半徑函數(shù)的與束腰的距離。圖4A與4B中諸透鏡幾何尺寸用于把CorningSMF-28光纖纖芯成像到10μm直徑的光學檢測器區(qū)上，光學檢測器埋置在折射率為3.18的半導體的100μm內(nèi)。計算表明，若光束傳播通過上方的高折射率材料，則空中16μm的光斑對應于不到100μm。模擬中對該光纖纖芯假設了6.3μm的高斯模場半徑。該假設的模場半徑大于SMF-28標稱的5.2μm模場半徑，因為拼接和透鏡形成造成了熱纖芯展寬。
再參照圖3A，平面凸鏡7的幾何形狀較佳地選成使在光束出射平面凸鏡7的點處的束徑不超過平面凸鏡7的直徑，否則會出現(xiàn)諧振與波導效應。通常，平面凸鏡7在光束出射-8地點的直徑(D)可估算如下D≥2·wd其中wd＝dθbeam且θbeam=λπw0n]]>式中Wd是光束出射透鏡地點的模場半徑，d是光束出射透鏡的點，Qbeam是高斯束在雷利距離以外的角形擴散，λ為光波長，Wo是束腰處的模場半徑，n為有關波長下的折射率。
為實現(xiàn)對稱的模場，要細心控制平面凸鏡7曲率半徑(Rc)的形成。圖5A示出一種在任一玻璃纖維如玻璃纖維20上形成精密曲率半徑的方法，玻璃纖維20可以是一種將成形為平面凸鏡的無芯纖維，或者是將成形為透鏡的單?；蚨嗄＠w維的頂端。本發(fā)明方法涉及把熱源22置于沿玻璃纖維20的某一期望的位置，該位置決定了透鏡的厚度。如圖5B所示，操作熱源22，對玻璃纖維20提供受控的熱量，同時沿箭頭所指方向拉玻璃纖維20。玻璃纖維20受熱被拉而錐形削減，形成具有期望曲率半徑的凸面(圖5C中24)。圖5B的熱源22是向玻璃纖維20提供極均勻熱量的電阻絲，可形成模場對稱的球面鏡。
參照圖5C，凸面24的曲率半徑取決于對電阻絲(圖5B中22)提供的功率。根據(jù)期望的曲率半徑，用于錐形削減玻璃纖維20的功率范圍通常為22～30W。凸面24的曲率半徑還受電阻絲(圖5B中22)加熱時間的影響，一般而言，在錐形削減玻璃纖維20之后，加熱時間越長，曲率半徑就越大。錐形削減后，通過把電阻絲(圖5B中22)置于凸面24正面并朝凸面24移動，由于凸面24被來自電阻絲(圖5B中22)的熱量熔融，故能進一步增大曲率半徑。該過程稱作回熔。控制對凸面24提供的熱量和加熱時間，得到期望的曲率半徑。
像一般兩條光纖拼接一樣，對光纖接接玻璃纖維可形成調(diào)焦透鏡型纖維。玻璃纖維與光纖的拼接可以使用電絲或其它合適的熱源，如電弧。雖然較佳的方法是用電阻加熱法將玻璃纖維接至光纖，但是也可使用其它連接手段，如激光焊接法。玻璃纖維接到光纖后，可像上述那樣對玻璃纖維作抗得住的加熱和拉長，在玻璃纖維上形成一曲率半徑。像上述對玻璃纖維那樣，通過抗得住地加熱和拉長光纖的頂端，可形成錐形透鏡型纖維，以在該光纖頂端形成期望的曲率半徑。圖6示出本發(fā)明方法形成的錐形透鏡型纖維12，其光纖14的錐體16具有期望的曲率半徑，而錐體16起透鏡作用。光纖14的纖芯18由包層19包圍。一般而言，光纖14可以是任一種包括PM纖維的單模纖維或是一種多模纖維。
錐形透鏡型纖維12(圖6所示)與調(diào)焦透鏡型纖維6(圖3A～3C所示)的主要區(qū)別在于與束腰的距離和平面凸鏡7(圖3A～3C所示)與透鏡(或錐體)16(圖6所示)的f數(shù)或速度。參照圖7說明透鏡f數(shù)的定義。透鏡f數(shù)定義為透鏡與束腰的距離(f)同透鏡的透明孔徑(D)或有效直徑之比。通常，有效直徑(D)是光束在透鏡凸面的直徑的99％。錐形透鏡型纖維與束腰的距離(f)范圍一般為約5～50μm，而在束腰處模場直徑類似的調(diào)焦透鏡型纖維與束腰的距離(f)通常大于100μm；錐形透鏡型纖維的f數(shù)很小，通常為1左右，而調(diào)焦透鏡型纖維的f數(shù)則比1大得多。
調(diào)焦透鏡型纖維6(示于3A～3C)與錐形透鏡型纖維12(示于圖6)都能用于調(diào)焦和聚光應用，后者還能在短工作距離內(nèi)準直光。一般而言，調(diào)焦透鏡型纖維6十分適于把光束聚集到光學檢測器或接收器上，把來自垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)的光耦入光纖；錐形透鏡型纖維12十分適于把光纖內(nèi)外的光耦入高數(shù)值孔徑平面波導以及VCSEL與其它具有圖形或近圖形束的激光源。與同樣模場直徑的錐形透鏡型纖維相比，調(diào)焦透鏡型纖維因f數(shù)高，故對角度失準更為敏感。調(diào)焦透鏡型纖維的耦合效率通常大于99％，而錐形透鏡型纖維的耦合效率一般大于80％。
表1示出用上述方法形成的幾例調(diào)焦透鏡型纖維的幾何尺寸，但應明白，表1的實例僅作示例，不以任何方式限制本發(fā)明。對表1的透鏡型纖維幾何尺寸，對單模纖維拼接元芯纖維，該無芯纖維用上述方法錐形削減而形成平面凸鏡。無芯纖維是200μm的硼硅酸鹽條，用Vytran公司(Morganville，NewJersey)以商標FFS-2000出售的熔融拼接器削減該無芯纖維，該拼接器包括加熱無芯纖維的鎢絲。表1列出了削減無芯纖維所用的功率條件。表1還列出了束腰的模場直徑(MFD)、與束腰的距離和透鏡的雷利距離。在1545nm處作測量。
表1加工參數(shù)與調(diào)焦透鏡型纖維幾何尺寸的關系

圖8示出沿x與y軸的模場直徑(見圖3A)，它是沿透鏡D的Z軸(見圖3A)距離的函數(shù)(見表1)。Z軸上的零點(見圖3A)根據(jù)纖維與透鏡間形成的拼接處(見圖1A的元件26)出射束在透鏡中的發(fā)散角而估算。圖9A與9B分別對透鏡D(見表1)示出束腰處模場形狀的x與y分量，在0.25數(shù)值孔徑下用10倍物鏡作束掃描而進行束測量，因此實際模場直徑要小10倍，即為16μm，不是160μm。
圖10示出作為錐形透鏡型纖維曲率半徑函數(shù)的角強度。該錐形透鏡型纖維是在加熱光纖的同時把它拉成錐體而形成的。用Vytran公司(Morganville，New Fersey)以商標FFS-2000出售的熔融拼接對光纖對抗得住加熱，錐體端部形成的曲率半徑正比于纖維承受電阻加熱的時間長度。利用購自Photon公司的LD8900測角輻射計作+72度到-72度掃描，在遠場測得圖10所示的角輻射強度。錐形透鏡型纖維用CorningSMF-28纖維構(gòu)制，用寬帶鉺放大型自放射激光源作測量，曲線示出發(fā)散角與錐體曲率半徑有強烈的相依性(黑符號，y軸左邊)。另外，該圖還表明過程參數(shù)(FFS-2000Vytran熔融拼接器在24.4W下的加熱時間)與曲率半徑(空心圓，y軸右邊)有強烈的相依性。運用θ＝λ/(πWo)，能使τ/e2功率電平下的遠場發(fā)散角(θ)與錐體腰部束腰的模場半徑(Wo)相關。
圖11A-11D對四種不同錐形透鏡型纖維幾何尺寸示出了作為與透鏡凸面距離函數(shù)的模場直徑(MFD)，陰影圓代表沿x軸的模場直徑(見圖6)，非陰影圓代表沿y軸的模場直徑(見圖6)。數(shù)據(jù)用40倍物鏡獲得，將模場直徑除以40。通過將兩根據(jù)透鏡型纖維相互耦合并把透鏡型纖維耦入CorningSMF-28纖芯，測得該錐形透鏡型纖維的耦合效率一般為80～90％。
本發(fā)明的透鏡型纖維有各種實際應用。該透鏡型纖維可以用作成像透鏡，把光聚焦到光學設備上，諸如接收器或檢測器，或者增量n小的平面波導裝置的纖芯。在這些應用中，沿光纖纖的傳播的光一進入透鏡便發(fā)散，從透鏡出射時在光學設備上聚成一光斑。選擇好透鏡幾何尺寸，以在光學設備上形成期望的光斑大小。透鏡型纖維也可用作聚光鏡，此時光可以來自光學設備上某一區(qū)域，如發(fā)射體或平面波導。透鏡匯集來自光學設備的光，把光聚入光纖纖芯。該透鏡型纖維也可用作聚光鏡，光來自一條纖維，其發(fā)射角等于或小于透鏡可接受的角度，而透鏡把光成像入纖芯。
雖已參照若干有限的實施例描述了本發(fā)明，但受益于本揭示內(nèi)容的本領域技術(shù)人員顯然明白，在不背離本文揭示的發(fā)明范圍的情況下，能設想出其它實施例，因此本發(fā)明范圍只應由所附權(quán)項限定。
權(quán)利要求
1.一種調(diào)焦透鏡型纖維，其特征在于，包括用透鏡端接的光纖，透鏡與束腰的距離大于雷利距離。
2.如權(quán)利要求1所述的調(diào)焦透鏡型纖維，其中透鏡的f數(shù)大于1。
3.如權(quán)利要求1所述的調(diào)焦透鏡型纖維，其中與束腰的距離大于100μm。
4.如權(quán)利要求1所述的調(diào)焦透鏡型纖維，其中透鏡包括二氧化硅。
5.如權(quán)利要求1所述的調(diào)焦透鏡型纖維，其中透鏡包括摻雜的二氧化硅。
6.如權(quán)利要求1所述的調(diào)焦透鏡型纖維，其中透鏡直徑大于光纖直徑。
7.如權(quán)利要求1所述的調(diào)焦透鏡型纖維，其中透鏡直徑小于光纖直徑。
8.如權(quán)利要求1所述的調(diào)焦透鏡型纖維，其中透鏡直徑與光纖直徑相同。
9.如權(quán)利要求1所述的調(diào)焦透鏡型纖維，其中透鏡的背反射大于-55dB。
10.如權(quán)利要求9所述的調(diào)焦透鏡型纖維，其中透鏡表面涂有防反射涂層。
11.一種形成透鏡型纖維的方法，其特征在于，包括對選擇的玻璃纖維區(qū)域抗熱地加熱預定時間；和在抗熱地加熱的同時拉玻璃纖維，在選擇的區(qū)域形成凸面。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，還包括對玻璃纖維拼接一條光纖。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，還包括將光纖熔接到玻璃纖維。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中拉玻璃纖維包括沿遠離玻璃纖維與光纖間形成的拼接的方向拉玻璃纖維。
15.如權(quán)利要求11所述的方法，其中玻璃纖維是單模光纖、且凸面形成在玻璃纖維頂端。
16.如權(quán)利要求11所述的方法，其中玻璃纖維是多模光纖、且凸面形成在玻璃纖維頂端。
17.如權(quán)利要求11所述的方法，其中玻璃纖維是保偏光纖、且凸面形成在玻璃纖維頂端。
18.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，還包括通過電阻加熱凸面而增大該凸面的曲率半徑。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中在增大凸面的曲率半徑時，電阻加熱凸面包括沿朝向該下面的方向移動電阻熱源。
全文摘要
調(diào)焦透鏡型纖維包括用透鏡端接的光纖，透鏡與束腰的距離大于雷利距離。形成透鏡型纖維的方法包括對選擇的玻璃纖維區(qū)域抗得住地加熱一段預定時間，而且在抗得住地加熱的同時拉玻璃纖維，以在選擇的區(qū)域形成一凸面。
文檔編號G02B6/10GK1541340SQ02811975
公開日2004年10月27日 申請日期2002年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月15日
發(fā)明者L·尤克雷因克辛克, D·L·瓦斯塔格, L 尤克雷因克辛克, 瓦斯塔格 申請人:康寧股份有限公司