專利名稱：一種橢圓光斑光纖準(zhǔn)直器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種橢圓光斑光纖準(zhǔn)直器，更確切地說提供一種采用平面光波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的橢圓光斑光纖準(zhǔn)直器，屬于光通信器件和光纖傳感領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著微光機(jī)電系統(tǒng)(MOEMS)技術(shù)的發(fā)展，微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)光器件正逐漸應(yīng)用到光通信和光纖傳感領(lǐng)域。MEMS光器件以其批量化生產(chǎn)、低成本、小體積、低功耗、高速度等優(yōu)點(diǎn)受到越來越多的關(guān)注。MEMS光器件與光纖之間的耦合多采用準(zhǔn)直器耦合方式，這是因?yàn)榕c直接耦合方式相比較，準(zhǔn)直器耦合可以達(dá)到較小的插入損耗和較大的工作距離。目前的光纖準(zhǔn)直器多數(shù)采用光纖和準(zhǔn)直微透鏡直接耦合構(gòu)成，出射高斯光束的光斑為圓形，尺寸較大，光斑束腰半徑通常在75 μ m 300 μ m,因此所需的MEMS驅(qū)動(dòng)元件的尺寸和行程需要在300 μ m 1200 μ m之間，然而MEMS驅(qū)動(dòng)器的移動(dòng)行程有限，通常為幾微米到幾十微米， 大行程的驅(qū)動(dòng)元件對于MEMS技術(shù)是相當(dāng)困難的。采用橢圓光斑光纖準(zhǔn)直器與MEMS驅(qū)動(dòng)元件耦合構(gòu)成阻擋型的衰減器或光開關(guān)或其他光通信器件和光纖傳感器，令MEMS驅(qū)動(dòng)元件的移動(dòng)方向?yàn)闄E圓光斑的短軸方向，可以使微鏡的移動(dòng)行程大大縮短，適應(yīng)MEMS光器件的要求。發(fā)明專利“橢圓光斑光纖準(zhǔn)直器及應(yīng)用”(公開號(hào)CN101408645A)提出了一種橢圓光斑光纖準(zhǔn)直器并用于光衰減器，2 X 2光開關(guān)和位移傳感器，該橢圓光斑光纖準(zhǔn)直器的結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示，通過光纖與帶有柱面的 G-Iens或C-Iens耦合而構(gòu)成，其中在G-Iens或C-Iens的入射或出射端面上加工柱面是實(shí)現(xiàn)光斑形狀轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵。然而，應(yīng)用于光通信和光纖傳感領(lǐng)域中的G-Iens或C-Iens的直徑通常在1. Omm 2. 2mm之間，要在這些透鏡的微小端面上加工曲率精確可控且中心軸與微透鏡光軸垂直相交的柱面，目前在微透鏡加工工藝上還存在著較大難度。因此需要發(fā)展基于新的光斑轉(zhuǎn)換原理的橢圓光斑準(zhǔn)直器技術(shù)，使其實(shí)現(xiàn)不依賴于微透鏡端面上的柱面加工，從而降低制作工藝難度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種橢圓光斑光纖準(zhǔn)直器，所述的橢圓光斑光纖準(zhǔn)直器是基于平面光波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器，通過過渡波導(dǎo)的模場漸變過程，使光纖輸入的圓形光斑在波導(dǎo)內(nèi)傳輸過程中逐漸耦合演變?yōu)闄E圓形光斑，然后經(jīng)過微透鏡后形成橢圓光斑準(zhǔn)直光束，如圖3 所示。該橢圓光斑光纖準(zhǔn)直器避免了在微透鏡的端面上進(jìn)行柱面加工，易于實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明提供的橢圓光斑光纖準(zhǔn)直器由光纖頭、平面光波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器和準(zhǔn)直微透鏡三部分依次耦合封裝構(gòu)成。所述的平面光波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器為一段過渡波導(dǎo)，通過過渡波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)在寬度或厚度方向上的展寬或壓縮，從單模光纖輸出的圓形模場光斑，耦合進(jìn)入平面光波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過過渡波導(dǎo)傳輸后轉(zhuǎn)換為橢圓模場光斑，然后再經(jīng)過準(zhǔn)直微透鏡形成橢圓光斑準(zhǔn)直光束。光纖數(shù)N的取值范圍為1 500，當(dāng)光纖頭為單芯或雙芯光纖，或直線排列多芯光纖，或一維光纖陣列時(shí)，平面光波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器中至少具有相應(yīng)數(shù)量的光波導(dǎo)數(shù)。平面光波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器為一段過渡波導(dǎo)，過渡波導(dǎo)的入口處模場光斑形狀為近似圓形，光斑大小與光纖輸入光場匹配，以減小端面耦合損耗，過渡波導(dǎo)的出口處模場光斑形狀為橢圓形，光斑形狀和大小根據(jù)橢圓光斑光纖準(zhǔn)直器的輸出要求調(diào)整，過渡波導(dǎo)的截面尺寸的漸變方式為線性或拋物線形或指數(shù)形式，變化方向位于寬度方向或厚度方向或同時(shí)兩個(gè)方向。平面光波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器在過渡波導(dǎo)之前可增加一段直波導(dǎo)，用于穩(wěn)定光場傳輸，減小傳輸損耗，直波導(dǎo)的長度根據(jù)需要優(yōu)化。平面光波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的光波導(dǎo)制作材料為硅基二氧化硅光波導(dǎo)，或玻璃基離子擴(kuò)散光波導(dǎo)，或聚酰亞胺光波導(dǎo)，或SOI光波導(dǎo)，光波導(dǎo)截面形狀為矩形或脊形或掩埋條帶形。準(zhǔn)直微透鏡為C-Iens或G-lens，微透鏡的焦距根據(jù)橢圓光斑光纖準(zhǔn)直器的輸出光斑尺寸要求調(diào)整，微透鏡的幾何口徑根據(jù)橢圓光斑光纖準(zhǔn)直器的光路要求調(diào)整。所述的橢圓光斑光纖準(zhǔn)直器特征在于所述的平面光波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器位于光纖頭和準(zhǔn)直微透鏡的中間，起到轉(zhuǎn)換光斑形狀的作用。光纖頭與光波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器輸入端相對耦合，使每根光纖和與之相對耦合的光波導(dǎo)之間實(shí)現(xiàn)最小端面耦合損耗。平面光波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器輸出端與準(zhǔn)直微透鏡之間相距一段距離，根據(jù)橢圓光斑光纖準(zhǔn)直器的透射或反射損耗調(diào)整。光纖頭和平面光波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的兩相對端面，平面光波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器和準(zhǔn)直微透鏡的兩相對端面，為經(jīng)過磨拋、制作有增透膜的平面或斜面，斜面角度根據(jù)回波損耗要求和波長相關(guān)損耗要求調(diào)整。本發(fā)明的橢圓光斑光纖準(zhǔn)直器，其主要組成——平面光波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)簡單，制作工藝成熟，具有批量生產(chǎn)的優(yōu)勢，而且光纖數(shù)目易于擴(kuò)展，與光纖陣列耦合形成多光纖橢圓光斑準(zhǔn)直器，這對于橢圓光斑光纖準(zhǔn)直器在MEMS光器件中的廣泛應(yīng)用具有重要意義。由于所述橢圓光斑光纖準(zhǔn)直器是由三部分耦合構(gòu)成，因此光路耦合過程比較復(fù)雜。


圖1是文獻(xiàn)報(bào)道的采用帶柱面的C-Iens單光纖準(zhǔn)直器的結(jié)構(gòu)示意圖。(a)主視圖 (b)左視圖。圖2是文獻(xiàn)報(bào)道的采用帶柱面的G-Iens單光纖準(zhǔn)直器的結(jié)構(gòu)示意圖。(a)主視圖 (b)左視圖。圖1和圖2中，1-光纖；2-毛細(xì)管；3-減反射鏡面；4-套筒；5_漸變折射率材料； 6-均勻折射率材料；7-球面；8-柱面。圖3(a)是本發(fā)明提供的采用平面光波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的單光纖橢圓光斑光纖準(zhǔn)直器結(jié)構(gòu)示意圖，圖中11為單芯光纖；12為具有單條波導(dǎo)的平面光波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器；13為準(zhǔn)直微透鏡；圖3(b)為圖(a)光路對應(yīng)位置上的光斑形狀。圖4是采用平面光波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的多光纖橢圓光斑光纖準(zhǔn)直器結(jié)構(gòu)示意圖，圖中21 為光纖陣列；22為具有波導(dǎo)陣列的平面光波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器；23為準(zhǔn)直微透鏡，該透鏡的幾何口經(jīng)滿足N條平行光路像差要求。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1單光纖橢圓光斑光纖準(zhǔn)直器參閱圖3(a)，采用平面光波導(dǎo)工藝制作并劃片、端面拋光得到平面光波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器，其中至少有一條過渡波導(dǎo)，選取單芯光纖與平面光波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的過渡波導(dǎo)進(jìn)行光路耦合，調(diào)節(jié)兩者端面的相對距離和角度，直至由光纖到波導(dǎo)的傳輸光損耗最低，并將兩者用膠固定為一個(gè)整體端頭，然后進(jìn)行該端頭與準(zhǔn)直微透鏡之間的光路調(diào)整和固定，調(diào)節(jié)方法按照常規(guī)的圓光斑單光纖準(zhǔn)直器的透射應(yīng)用耦合方法。光纖頭和平面光波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的兩相對端面，以及平面光波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器和準(zhǔn)直微透鏡的兩相對端面， 是經(jīng)過磨拋的平面或斜面，斜面角度一般小于等于12°，根據(jù)回波損耗要求和波長相關(guān)損耗要求調(diào)整。實(shí)施例2根據(jù)本發(fā)明的單光纖橢圓光斑光纖準(zhǔn)直器結(jié)構(gòu)，易于聯(lián)想到采用雙芯或直線排列的多芯光纖頭或一維光纖陣列實(shí)現(xiàn)雙光纖橢圓光斑準(zhǔn)直器和多光纖橢圓光斑準(zhǔn)直器。參閱圖4，光纖頭采用雙芯或直線排列的多芯光纖頭或一維光纖陣列，光纖數(shù)N > 2，平面光波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器采用平面光波導(dǎo)工藝制作，經(jīng)過劃片、端面拋光得到，過渡波導(dǎo)數(shù)> N，過渡波導(dǎo)之間的最小間距滿足片內(nèi)串?dāng)_指標(biāo)的要求，準(zhǔn)直微透鏡的幾何口徑滿足N條并行光路的像差要求。封裝過程為首先完成光纖頭與平面光波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器之間的光路耦合，調(diào)節(jié)兩者相對距離和角度，直至由每根光纖輸入到相應(yīng)波導(dǎo)輸出的傳輸損耗最低，并將兩者裝配固定為一個(gè)整體端頭，然后完成該端頭與準(zhǔn)直微透鏡之間的光路調(diào)整和固定，調(diào)節(jié)方法根據(jù)應(yīng)用場合選擇對于2X2光開關(guān)應(yīng)用(發(fā)明專利公開號(hào)CN101408647A)，按照常規(guī)圓光斑雙光纖準(zhǔn)直器的透射應(yīng)用耦合方法；對于1XN(N>》光開關(guān)或其他應(yīng)用，按照常規(guī)圓光斑雙光纖準(zhǔn)直器的反射應(yīng)用耦合方法。光纖頭和平面光波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的兩相對端面，以及平面光波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器和準(zhǔn)直微透鏡的兩相對端面，是經(jīng)過磨拋的平面或斜面，斜面角度根據(jù)回波損耗要求和波長相關(guān)損耗要求調(diào)整。
權(quán)利要求
1.一種橢圓光斑光纖準(zhǔn)直器，其特征在于所述的橢圓光斑準(zhǔn)直器采用平面光波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器，是由光纖頭(11)、平面光波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器(12)、準(zhǔn)直微透鏡(1 三部分依次耦合構(gòu)成；其中，平面光波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器(1 為一段過渡波導(dǎo)，通過過渡波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)在寬度或厚度方向上的展寬或壓縮，從單模光纖輸出的圓形模場光斑，耦合進(jìn)入平面光波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過過渡波導(dǎo)傳輸后轉(zhuǎn)換為橢圓模場光斑，然后再經(jīng)過準(zhǔn)直微透鏡形成橢圓光斑準(zhǔn)直光束。
2.按權(quán)利要求1所述的橢圓光斑光纖準(zhǔn)直器，其特征在于當(dāng)光纖頭為單芯光纖、雙芯光纖、直線排列多芯光纖或一維光纖陣列時(shí)，平面光波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器中至少具有相應(yīng)數(shù)量的光波導(dǎo)數(shù)。
3.按權(quán)利要求1或2所述的橢圓光斑光纖準(zhǔn)直器，其特征在于所述的光纖頭的光纖數(shù)取值范圍為1 500。
4.按權(quán)利要求1所述的橢圓光斑光纖準(zhǔn)直器，其特征在于平面光波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的過渡波導(dǎo)的入口處模場光斑形狀為圓形，光斑大小與光纖輸入光場匹配，以減小端面耦合損耗；過渡波導(dǎo)的出口處模場光斑形狀為橢圓形，光斑形狀和大小根據(jù)橢圓光斑光纖準(zhǔn)直器的輸出要求調(diào)整，過渡波導(dǎo)的截面尺寸的漸變方式為線性、拋物線形或指數(shù)形，變化方向位于寬度方向、厚度方向或同時(shí)兩個(gè)方向。
5.按權(quán)利要求1所述的橢圓光斑光纖準(zhǔn)直器，其特征在于平面光波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器在過渡波導(dǎo)之前可增加一段直波導(dǎo)，直波導(dǎo)的長度根據(jù)需要優(yōu)化。
6.按權(quán)利要求1所述的橢圓光斑光纖準(zhǔn)直器，其特征在于平面光波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的光波導(dǎo)制作材料為硅基二氧化硅光波導(dǎo)、玻璃基離子擴(kuò)散光波導(dǎo)、聚酰亞胺光波導(dǎo)和SOI光波導(dǎo)中的任一種。
7.按權(quán)利要求5所述的橢圓光斑光纖準(zhǔn)直器，其特征在于光波導(dǎo)截面形狀為矩形、脊形或掩埋條帶形。
8.按權(quán)利要求1所述的橢圓光斑光纖準(zhǔn)直器，其特征在于準(zhǔn)直微透鏡為C-Iens或 G-lens，微透鏡的焦距根據(jù)橢圓光斑光纖準(zhǔn)直器的輸出光斑尺寸要求調(diào)整，微透鏡的幾何口徑根據(jù)橢圓光斑光纖準(zhǔn)直器的光路要求調(diào)整。
9.按權(quán)利要求1所述的橢圓光斑光纖準(zhǔn)直器，其特征在于光纖頭與光波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器輸入端相對耦合，使每根光纖和與之相對耦合的光波導(dǎo)之間實(shí)現(xiàn)最小端面耦合損耗。
10.按權(quán)利要求1所述的橢圓光斑光纖準(zhǔn)直器，其特征在于平面光波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器輸出端與準(zhǔn)直微透鏡之間相距一段距離，所述的相距一段距離可根據(jù)橢圓光斑光纖準(zhǔn)直器的透射或反射損耗調(diào)整。
11.按權(quán)利要求1所述的橢圓光斑光纖準(zhǔn)直器，其特征在于光纖頭和平面光波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的兩相對端面，平面光波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器和準(zhǔn)直微透鏡的兩相對端面，為經(jīng)過磨拋、制作有增透膜的平面或斜面，斜面角度根據(jù)回波損耗要求和波長相關(guān)損耗要求調(diào)整。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種橢圓光斑光纖準(zhǔn)直器，其特征在于所述的橢圓光斑光纖準(zhǔn)直器由光纖頭11、平面光波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器12、準(zhǔn)直微透鏡13三部分依次耦合構(gòu)成；其中，平面光波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器12通過過渡波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)在寬度或厚度方向上的展寬或壓縮，從單模光纖輸出的圓形模場光斑，耦合進(jìn)入平面光波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過過渡波導(dǎo)傳輸后轉(zhuǎn)換為橢圓模場光斑，然后再經(jīng)過準(zhǔn)直微透鏡形成橢圓光斑準(zhǔn)直光束。本發(fā)明的橢圓光斑光纖準(zhǔn)直器的關(guān)鍵部件是平面光波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器，可采用成熟的平面波導(dǎo)工藝批量制作，成本低，易于實(shí)現(xiàn)。利用本發(fā)明的橢圓光斑光纖準(zhǔn)直器和微鏡制作光開關(guān)或衰減器，使平移微鏡的移動(dòng)方向與橢圓光斑的短軸方向一致，可以大大減小對于微鏡行程的要求。
文檔編號(hào)G02B6/14GK102183822SQ20111010005
公開日2011年9月14日 申請日期2011年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月20日
發(fā)明者吳亞明, 徐靜, 黃占喜 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所