專利名稱：小型化的光纖透鏡及其制造方法
相關(guān)申請的交叉引用本申請要求標題為“Lensed fiber having small form factor and method ofmaking the same”，申請于2003年1月23日的美國臨時申請60/442,150的優(yōu)先權(quán)。
背景技術(shù)：
本發(fā)明一般涉及在光通信網(wǎng)絡(luò)中的光纖與光學器件之間耦合光的方法和器件。本發(fā)明特別涉及聚焦或準直光束的光纖透鏡及其制造方法。
光以發(fā)散光束的形式在光纖端部出現(xiàn)。在準直應用中，使用透鏡將該發(fā)散光束變換為大體平行的光束。如果要使光大體上注入另一根光纖，則需要起到相反作用的另一個透鏡。在聚焦和聚光應用中，使用透鏡將發(fā)散光束變換為略微會聚的光束。通常，必需將透鏡與光纖完全耦合，以使發(fā)散光束有效地變換為大體平行的光束或略微會聚的光束。一種透鏡與光纖耦合的方法是依據(jù)聚焦步驟的。在這種方法中，將平凸透鏡熔接到光纖以形成稱作光纖透鏡的單體(monolithic)器件。
光纖透鏡是有利的。因為它們不需要有源光纖-透鏡調(diào)準和/或?qū)⒐饫w粘合到透鏡，它們具有低插入損耗、允許器件最小化和設(shè)計靈活性。光纖透鏡易于排列，因此期望用于制造諸如可變光學衰減器和光學隔離器的陣列器件，可用于矽微平臺、高功率連接器和不相似光纖連接器，以及用于將光信號耦合到微光器件中。從光纖透鏡中產(chǎn)生的光束特別具有完美的高斯輪廓。此外，光束直徑和工作距離能夠適合應用要求。


圖1A示出現(xiàn)有技術(shù)的光纖透鏡100，它具有與光纖104熔接的平凸透鏡102。透鏡102具有凸表面106。凸表面106的曲率半徑(Rc)和透鏡102的厚度(T)依賴于所需的光學特性。在圖1A中，凸表面106具有大的半徑，例如，大于60μm。圖1B示出具有小的曲率半徑的凸表面106的透鏡結(jié)構(gòu)。在圖1A和1B示出的現(xiàn)有技術(shù)光纖透鏡中，透鏡102的總直徑是凸表面106曲率半徑的兩倍。通常，曲率半徑越大，可能的光束直徑和工作距離的范圍越廣，制作光纖透鏡使之適合應用要求的靈活性就越高。另一方面，曲率半徑越大，光纖透鏡的總直徑也越大。大的光纖透鏡使器件變大，并增加材料和封裝成本。
如上所述，需要一種小型化并且具有寬范圍的光束直徑和工作距離的光纖透鏡。
發(fā)明概要在一方面，本發(fā)明涉及包括光纖和在該光纖末端形成的透鏡的光纖透鏡。該透鏡的最小直徑由2·T·tan(θ)確定，其中θ＝n·sin-1(NA)，T是透鏡厚度，n是透鏡折射率，NA是光纖的數(shù)值孔徑。
在另一方面，本發(fā)明涉及制造具有光纖和透鏡的光纖透鏡的方法。該方法包括將一根光纖和一根無芯光纖熔接，根據(jù)所需透鏡厚度將無芯光纖縮短到所需長度，并在無芯光纖的末端激光加工預定的曲率半徑。
在另一方面，在另一方面，本發(fā)明涉及制造具有光纖和透鏡的光纖透鏡的方法。該方法包括將一根光纖和一根無芯光纖熔接，該無芯光纖的最小直徑由2·T·tan(θ)確定，其中θ＝n·sin-1(NA)，T是透鏡厚度，n是透鏡折射率，NA是光纖的數(shù)值孔徑。本方法還包括根據(jù)所需透鏡厚度將無芯光纖縮短到所需長度，并在無芯光纖的末端激光加工預定的曲率半徑。
通過下面的詳細描述和附加的權(quán)利要求，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將變得清楚。
附圖簡述圖1A示出現(xiàn)有技術(shù)中具有大的曲率半徑且直徑等于曲率半徑兩倍的透鏡的光纖透鏡。
圖1B示出現(xiàn)有技術(shù)中具有小的曲率半徑且直徑等于曲率半徑兩倍的透鏡的光纖透鏡。
圖2示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的光纖透鏡。
圖3A示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的制作光纖透鏡方法的調(diào)準步驟。
圖3B示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的制作光纖透鏡方法的熔接步驟。
圖3C示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的截取步驟后的圖3B的光纖透鏡。
圖3D示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的曲率構(gòu)成步驟后的圖3C的光纖透鏡。
圖4A示出平凸透鏡的模場直徑和透鏡結(jié)構(gòu)間的關(guān)系，該平凸透鏡由波長為1550nm時的折射率為1.444的玻璃制成，并以模場半徑為6μm的熔接條件與單模光纖熔接。
圖4B示出平凸透鏡的距束腰距離和透鏡結(jié)構(gòu)間的關(guān)系，該平凸透鏡由波長為1550nm時的折射率為1.444的玻璃制成，并以模場半徑為6μm的熔接條件與單模光纖熔接。
較佳實施例的詳細描述現(xiàn)在如附圖所示，參考一些較佳實施例來詳細描述本發(fā)明。在下面描述中，說明了數(shù)個技術(shù)特點以給本發(fā)明提供完全理解。不過顯然，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員也可在沒有部分或所有的這些技術(shù)特點的情況下實施本發(fā)明。另外，沒有詳細描述公知的處理步驟和/或特點，以免使本發(fā)明不清楚。參考下述的附圖和討論將較好地理解本發(fā)明的特點和優(yōu)點。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的光纖透鏡200。光纖透鏡200包括在光纖204端部連接或形成的平凸透鏡202。典型地，通過熔接方法將透鏡202連到光纖204，雖然也可以使用折射率匹配環(huán)氧樹脂或其它連接方式，但可靠性降低了。在一個實施例中，光纖204是涂層光纖(或尾纖)205的剝除區(qū)域。光纖204具有纖芯206，在纖芯206周圍可有或沒有涂層208(也即，涂層208可為空氣)。光纖204可以是任意的單模光纖(包括保偏(PM)光纖)、多模光纖或其它專用光纖。在工作中，通過纖芯206的光束發(fā)散進入透鏡202，在離開透鏡202時折射為準直光束或會聚光束。
透鏡202具有曲率半徑為Rc的凸表面210。和背景部分所討論的現(xiàn)有技術(shù)中的透鏡不同，透鏡202的總直徑不是耦接到凸表面210的曲率半徑上。而是，透鏡202的最小直徑由透鏡202頂點212處的光束尺寸來決定。可使用下式來計算最小直徑(Dmin)Dmin＝2·T·tan(θ) (1)其中
θ＝n·asin(NA) (2)其中，T是透鏡202的厚度，n是透鏡202的折射率，NA是光纖204的數(shù)值孔徑。
透鏡202的最大厚度通過限幅(clip)透鏡頂點處的光束來確定Tmax=Dπ·tan(λπ·w0)]]>其中，D是透鏡直徑，λ是透鏡材料的波長，而w0是透鏡202接合處的光纖204的模場半徑。
在凸表面210的曲率半徑中分離透鏡202的總直徑，使得有可能在保持光纖透鏡尺寸小時使光纖透鏡具有寬的模場直徑和工作距離范圍。為了得到高斯光束輪廓，凸表面210的曲率半徑不應小于光纖透鏡模式中的模場半徑(在限幅標準99％處測量)。如果在透鏡頂部的限幅標準99％處測量的模場半徑大于曲率半徑，則將限幅光束，使得損耗功率、扭曲最佳高斯輪廓光束且耦合效率較低。對凸表面210的曲率半徑?jīng)]有上限。
有尺寸上優(yōu)點的示例由光纖透鏡實例示出，在該實例中，在1550nm波長處的模場直徑為220μm、距束腰的距離為10mm，使用了纖芯半徑約5.5μm的單模光纖，及折射率為1.444(在1550nm處)、厚度為1.946mm、曲率半徑為0.6mm的透鏡。由上述等式(1)確定的透鏡最小直徑為0.38mm?，F(xiàn)有技術(shù)的透鏡具有等于曲率半徑兩倍的1.2mm直徑，這比由等式(1)確定的最小直徑大4倍。
透鏡202由所需傳輸波長的無芯光纖或棒制成。無芯光纖的直徑可等于、大于或小于光纖204的直徑。典型地，無芯光纖由二氧化硅或摻雜的二氧化硅制成，其折射率類似于纖芯206的折射率。透鏡202的熱膨脹系數(shù)可與光纖204的相匹配以在溫度范圍內(nèi)取得較佳的性能。透鏡202可由防反射層涂覆，以使背反射最小。通常需要背反射小于-55dB。當根據(jù)等式(1)給出的解釋制做透鏡202時，透鏡202的直徑將非常小(也即，遠小于曲率半徑的兩倍)，而曲率半徑可以較大，例如為50到5000μm的范圍。這使得器件尤其是陣列器件微型化，為適合特殊應用的模場直徑和工作距離提供了高靈活性。
現(xiàn)有將參考圖3A-3D描述如圖2所述的制作光纖透鏡的方法。在圖3A中，方法從將光纖300軸線與無芯光纖或棒302對準開始。無芯光纖302的直徑可等于、小于或大于光纖直徑。無芯光纖302的最小直徑由上述的等式(1)給出。如圖3B所示，在將光纖300與無芯光纖302的軸線對準之后，使光纖300與無芯光纖302的相對側(cè)合在一起，并使用加熱源304將其熔接在一起。加熱源304可以是電阻絲或其它適宜的加熱源，比如電弧或激光。
在將無芯光纖302熔接到光纖300后，如圖3C所示，將無芯光纖302截取到所需長度或透鏡厚度。由例如激光機器加工、機器切割或其它適宜的裝置可進行無芯光纖302的截取。也可不截取無芯光纖302，而是在無芯光纖302加熱時從相反方向拖拉光纖300、302，而對無芯光纖302進行拉錐截斷(taper-cut)。下面一步是在無芯光纖302的末端(或截取端)306形成所需半徑。在圖3D中，在無芯光纖302的末端形成曲面308。例如，可以采用激光機器加工或機器磨光形成曲面308。
還有一種可形成所需半徑的方法，但較麻煩，就是首先形成如圖1A所示的具有所需透鏡厚度和曲率半徑的光纖透鏡，然后從光纖透鏡機器加工或拋光材料以將光纖透鏡的總直徑縮小到所需直徑。
除非另有說明，下面的實例只是為說明而非限制本發(fā)明。
圖4A示出光纖透鏡的作為透鏡厚度和曲率半徑的函數(shù)的束腰處模場直徑，該光纖透鏡的6μm模場半徑的單模光纖熔接到由無芯光纖形成的在1550nm波長處折射率為1.444平凸透鏡。圖4B示出對上述光纖透鏡的作為透鏡厚度和曲率半徑的函數(shù)的在空氣中距束腰距離。在本發(fā)明中，可以在保持光纖透鏡的小形成因子且不犧牲性能的情況下得到模場直徑、距束腰距離及曲率半徑的廣闊范圍。
本發(fā)明提供了一個或更多的優(yōu)點。一個優(yōu)點是在保持小的光纖透鏡尺寸時，制作大的模場直徑和工作距離的透鏡。作為例子，透鏡曲率半徑的范圍是從50到5000μm，透鏡厚度是從15到18000μm，在空氣中距透鏡束腰的距離是從0到100mm，且在束腰處的模場直徑范圍是從3到1000μm，同時保持光纖透鏡的總直徑基本相同。其優(yōu)點在于將器件合并到光纖透鏡中可保持小的尺寸?？梢赃x擇透鏡直徑，將光纖透鏡裝到標準的玻璃或陶瓷光纖套圈中，裝到V型槽中，或其它硅片或半導體平臺上的蝕刻結(jié)構(gòu)中。在陣列應用中，具有小的形成因子的光纖透鏡可實現(xiàn)密集陣列。
雖然通過幾個實施例描述了本發(fā)明，將從本說明書中獲益的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可理解在不背離這里所述的本發(fā)明范圍的情況下可設(shè)計其它的實施例。因此，本發(fā)明的范圍只由附加的權(quán)利要求所限定。
權(quán)利要求
1.一種光纖透鏡，其特征在于，包括光纖；和在所述光纖端部形成的透鏡，所述透鏡的最小直徑由2·T·tan(θ)確定，其中θ＝n·sin-1(NA)，T是透鏡厚度，n是透鏡折射率，NA是所述光纖的數(shù)值孔徑。
2.如權(quán)利要求1所述的光纖透鏡，其特征在于，所述透鏡的曲率半徑不小于透鏡頂點處的光纖透鏡中模式的模場半徑。
3.如權(quán)利要求1所述的光纖透鏡，其特征在于，所述透鏡的曲率半徑范圍是約50到5000μm。
4.如權(quán)利要求3所述的光纖透鏡，其特征在于，所述透鏡的厚度范圍是約15到18000μm。
5.如權(quán)利要求3所述的光纖透鏡，其特征在于，所述透鏡在空氣中距束腰的距離范圍是約0到100mm。
6.如權(quán)利要求3所述的光纖透鏡，其特征在于，在透鏡束腰處的模場直徑范圍是約3到1000μm。
7.一種制作具有光纖和透鏡的光纖透鏡的方法，包括將光纖接合到無芯光纖；依據(jù)所需透鏡厚度將所述無芯光纖縮短到所需長度；及在所述無芯光纖的末端激光加工預定的曲率半徑。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述無芯光纖的最小直徑由2.T.tan(θ)確定，其中θ＝n.sin-1(NA)，T是透鏡厚度，n是透鏡折射率，NA是所述光纖的數(shù)值孔徑。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，將所述無芯光纖縮短到所需長度包括截取所述無芯光纖到所需長度。
10.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，將所述無芯光纖縮短到所需長度包括拉錐截斷所述無芯光纖到所需長度。
11.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述無芯光纖的所需長度至少等于所述透鏡的所需厚度。
12.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述無芯光纖的所需長度大于所述透鏡的所需厚度。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，激光加工所述預定的曲率半徑包括將所述無芯光纖的所需長度縮短到所述透鏡的所需厚度。
14.一種制作具有光纖和透鏡的光纖透鏡的方法，包括將光纖與無芯光纖熔接，所述無芯光纖的最小直徑由2·T·tan(θ)確定，其中θ＝n.sin-1(NA)，T是透鏡厚度，n是透鏡折射率，NA是所述光纖的數(shù)值孔徑；依據(jù)透鏡厚度將無芯光纖縮短到所需長度；并在所述無芯光纖的末端形成預定的曲率半徑。
全文摘要
一種光纖透鏡，包括光纖和在所述光纖端部形成的透鏡，所述透鏡的最小直徑由2·T·tan(θ)確定，其中θ＝n·sin
文檔編號G02B6/26GK1742220SQ200480002769
公開日2006年3月1日 申請日期2004年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月23日
發(fā)明者L·烏克蘭采克 申請人:康寧股份有限公司