經(jīng)激光處理的grin透鏡和使用它的光學(xué)接口設(shè)備與組件的制作方法
【專利摘要】公開了經(jīng)激光處理的梯度折射率（GRIN）透鏡和使用該經(jīng)激光處理的GRIN透鏡的光學(xué)接口設(shè)備和組件。GRIN透鏡組件包括圓柱形中央部分，其具有GRIN折射率分布、平的前后表面和外表面以及直徑D1，其中200微米＜D1＜420微米。外徑D2的環(huán)狀包層圍繞著該中央部分外表面，且該包層具有前和后環(huán)狀表面以及恒定或變化的折射率。前和后環(huán)狀表面中的一個或兩者可以是彎曲的。在平的后表面處，光纖光學(xué)耦合至該中央部分。通過用支承部件來可操作地支承至少一個GRIN透鏡組件，來形成光學(xué)接口設(shè)備。通過使兩個光學(xué)接口設(shè)備相接，來形成光學(xué)接口組件。
【專利說明】經(jīng)激光處理的GRIN透鏡和使用它的光學(xué)接口設(shè)備與組件
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請根據(jù)35U.S.C.§ 119要求{美國臨時申請?zhí)峤蝗掌趠提交的美國臨時申請{美國臨時申請系列號}的優(yōu)先權(quán)，本申請基于該臨時申請的內(nèi)容并且該臨時申請的內(nèi)容通過引用而整體結(jié)合于此。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本公開大體上涉及梯度折射率(GRIN)透鏡，且更特定地涉及通過激光處理形成的GRIN透鏡、以及使用該經(jīng)激光處理的GRIN透鏡的光學(xué)接口設(shè)備與光學(xué)接口組件。
[0004]背景
[0005]光纖正越來越多地被用于各種應(yīng)用，包括但不限于寬帶語音、視頻、數(shù)據(jù)傳輸、和配置為具有光通信能力的消費電子設(shè)備。因此，消費設(shè)備要求更多的帶寬量，且因此光學(xué)接口設(shè)備(更通俗地也稱為“光連接器”)可能具有越來越多的使用。然而，一般而言，常規(guī)的光學(xué)接口設(shè)備原本是作為電信網(wǎng)絡(luò)的專用光纖連接器而被開發(fā)的。因此這樣的光學(xué)接口設(shè)備并不適用于與具有光學(xué)通信能力的消費電子設(shè)備關(guān)聯(lián)的更一般且穩(wěn)健的要求。常規(guī)光學(xué)接口設(shè)備最經(jīng)常依賴于一個光纖芯與另一個的直接對齊。對于與消費電子設(shè)備關(guān)聯(lián)的穩(wěn)健要求，結(jié)合有效地擴 展所耦合的光束的直徑的透鏡具有特定優(yōu)勢。
[0006]至今所研發(fā)的光學(xué)接口設(shè)備的特定類型采用被支承在一個或多個套圈內(nèi)的一個或多個透鏡，以使具有曲率的透鏡表面并不暴露于外部環(huán)境。此外，外部透鏡表面(即，暴露于外部環(huán)境的表面)一般是平的，且在一些情況下，在形成光學(xué)接口組件時，這些外部透鏡表面配置為與相配的光學(xué)接口設(shè)備的外部透鏡表面做出實質(zhì)性的實體對實體的接觸。這樣的接觸用于將液態(tài)污染物排除出組件接口，從而維持令人滿意的光學(xué)連接。
[0007]基于透鏡的光學(xué)接口設(shè)備的特定類型利用一個或多個GRIN透鏡。該光連接器的GRIN透鏡可被排布在套圈內(nèi)或其他支承部件內(nèi)，然后經(jīng)激光處理(即，激光解理)來實現(xiàn)最終的GRIN透鏡配置。然而，這樣的激光處理以不可預(yù)測和不可控的方式可對于GRIN透鏡的性能具有有害影響，特別是對于外部透鏡表面的形狀。這繼而導(dǎo)致當光學(xué)接口設(shè)備被配對從而形成光學(xué)接口組件時對于通道之間的耦合效率的減少和串擾的增加。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本公開的一方面在于:包括圓柱形中央部分的GRIN透鏡組件，該圓柱形中央部分具有多項式或拋物線GRIN折射率分布、平的前和后表面、外表面、以及范圍在200微米^ D1 ^ 420微米的直徑Dp該GRIN透鏡組件還包括外徑D2的環(huán)狀包層，該包層圍繞中央部分外表面且具有前和后環(huán)狀表面以及恒定或變化的折射率。該GRIN透鏡組件還包括在平的后表面處光學(xué)地耦合至該中央部分的光纖。
[0009]本公開的另一個方面在于用于透射具有一波長的光的光學(xué)接口設(shè)備。該光學(xué)接口設(shè)備包括至少一個如上所述的GRIN透鏡元件。該光學(xué)接口設(shè)備還包括支承部件，被配置為可操作地支承位于前腔室內(nèi)的至少一個GRIN透鏡元件,該支承元件可操作地支承包括該至少一個GRIN透鏡元件的至少一個光學(xué)路徑。
[0010]本公開的另一個方面在于:光學(xué)接口組件，包括相接的第一和第二光學(xué)接口組件，從而它們各自的GRIN透鏡的平的前表面面對著且間隔開距離d，距離d在0微米< d ( 200微米范圍內(nèi)。
[0011]本公開的另一個方面是形成GRIN透鏡的方法，其中該方法包括拉拔具有多項式或拋物線GRIN折射率分布的圓柱形GRIN條(cane)來形成用于定義具有外表面的中央部分的圓柱形GRIN桿，該中央部分具有在200微米≤D1 ( 420微米范圍內(nèi)的直徑Dp該方法還包括用具有范圍在5微米< Sr < 50微米內(nèi)的環(huán)狀寬度Sr的環(huán)狀包層來包覆該圓柱形GRIN桿外表面。該方法還包括激光解理經(jīng)涂覆的圓柱形GRIN桿來形成GRIN透鏡元件，其中該中央部分具有通過激光解理所定義的平的前表面，且該環(huán)狀包層具有也通過激光解理所定義的彎曲的環(huán)狀前表面。
[0012]本公開的另一方面在于GRIN透鏡組件，包括單片透明介質(zhì)和支承在該單片透明介質(zhì)內(nèi)的至少一個GRIN透鏡。
[0013]應(yīng)當理解的是，前面的一般描述和之后的詳細描述兩者給出本公開的實施例，并且它們旨在提供用于理解所要求保護的本公開的本質(zhì)和特性的概觀或框架。包括的附圖提供了對本公開的進一步的理解，且被結(jié)合在本說明書中并構(gòu)成說明書的一部分。附圖示出本公開的各個示例性實施例，并與說明書一起用于解釋本公開的原理和操作。這些權(quán)利要求被并入本說明書中并成為其一部分。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是根據(jù)本公開的示例性GRIN透鏡的立視圖；
[0015]圖2是在Y-Z平面 中 截取的圖1的示例性GRIN透鏡的截面圖；
[0016]圖3A到圖3F示出此處公開的GRIN透鏡的示例性折射率分布；
[0017]圖4是示例性光學(xué)接口設(shè)備的一部分的截面圖，該光學(xué)接口設(shè)備包括支承至少一個GRIN透鏡和攜載光纖的至少一個光纖光纜的支承部件；
[0018]圖5是常規(guī)光學(xué)接口設(shè)備的前端部分的特寫視圖，該光學(xué)接口設(shè)備包括不具有環(huán)狀包層的常規(guī)GRIN透鏡，該視圖示出在常規(guī)GRIN透鏡內(nèi)行進的光如何可以與該支承部件交互且還可以通過常規(guī)GRIN透鏡的圓形或彎曲的邊緣而發(fā)生偏轉(zhuǎn)；
[0019]圖6和圖5類似，除了它示出的是根據(jù)本公開的光學(xué)接口設(shè)備的前端部分，其中該支承部件包括此處公開的GRIN透鏡，示出如何將在GRIN透鏡內(nèi)行進的光從環(huán)狀包層中排除；
[0020]圖7A到圖7C是示出根據(jù)本公開從GRIN桿形成GRIN透鏡的示例性方法的示意圖；
[0021]圖8A是分別被用于形成第一和第二光學(xué)接口設(shè)備的第一和第二支承部件的立視圖；
[0022]圖SB是由第一和第二支承部件形成并被配置為形成光學(xué)接口組件的第一和第二光學(xué)接口設(shè)備的截面圖；
[0023]圖9A和圖9B是GRIN透鏡組件的示例性實施例的前立視圖，其中一個中央部分(圖9A)或多個中央部分(圖9B)被嵌入在單片透明介質(zhì)內(nèi)；[0024]圖1OA是前立視圖，圖1OB是包括圖9B的GRIN透鏡組件的示例性支承部件的截面圖；
[0025]圖1lA是具有被用于經(jīng)由拉拔工藝來形成圓形GRIN桿的圓形截面的示例性GRIN條的側(cè)視圖；
[0026]圖1lB示出具有可被用于形成具有多邊形截面形狀的GRIN桿的多邊形(例如，六邊形，如圖所示)截面形狀的示例性GRIN條的側(cè)視圖；
[0027]圖1lC是具有多邊形截面形狀且通過拉拔圖1lB的多邊形GRIN條而形成的示例性GRIN桿的側(cè)視圖；
[0028]圖1lD類似于圖1lC且示出用于激光解理圖1lC的多邊形GRIN桿來形成多邊形GRIN透鏡的激光束；
[0029]圖12A是示例性光學(xué)接口設(shè)備的立視分解圖，該接口設(shè)備具有帶圓柱形前腔室的支承部件，被用于支承多邊形GRIN透鏡；
[0030]圖12B是圖12A的光學(xué)接口設(shè)備的前視圖，且示出部署在該支承部件的圓柱形前腔室內(nèi)的多邊形GRIN透鏡；
[0031]圖13是具有駐留于 該光學(xué)接口設(shè)備的支承部件的圓柱形前腔室內(nèi)的各端部部分的多個GRIN桿的立視圖，其中該GRIN桿被激光處理從而形成由該支承部件所支承的GRIN透鏡；
[0032]圖14A是GRIN桿在如圖13中所示地由激光解理后支承部件的前立視圖，以使每一個GRIN透鏡的前部延伸過該支承部件前表面；且
[0033]圖14B類似于圖14A，且示出示例性光學(xué)接口設(shè)備，其中該GRIN透鏡被推回至該前腔室內(nèi)以使該GRIN透鏡前端與該支承部件前端基本齊平。
【具體實施方式】
[0034]現(xiàn)在詳細參照本公開的實施例，在附圖中示出了這些實施例的示例。在可能時，在所有附圖中使用相同或類似的附圖標記來指示相同或類似的部件。在本公開的范圍內(nèi)可對以下實施例作出多種修改和變更，而且不同實施例的各方面可按照多種方式混合以獲得更多實施例。因此，本公開的真實范圍應(yīng)當根據(jù)但不限于本文中公開的實施例從本公開的整體來理解。在一些附圖中示出笛卡爾坐標系用于參考且用于查看附圖，而非以限制方式限制為特定取向或方向。
[0035]此處使用的單詞“光”與術(shù)語“光輻射”同義，且可意味著可見光輻射以及不可見光輻射，例如紅外光輻射。
[0036]圖1是根據(jù)本公開的示例性GRIN透鏡10的立視圖。圖2是在Y-Z平面中截取的圖1的示例性GRIN透鏡10的截面圖。GRIN透鏡10是圓形圓柱形的且包括中央軸Al、前端12、和后端14。GRIN透鏡10包括圓心位于軸Al上的圓柱形中央部分20，該中央部分包括平的前表面22、平的后表面24、以及位于半徑ri處的外表面26。中央部分20具有梯度折射率分布，該具有在nA (0) =n0 (即，在軸上)處的最大值和在外表面26處的最小值nA (r:)。下文討論示例性折射率分布nA(r)。
[0037]在各示例中，中央部分具有直徑D1=Zr1,范圍在200微米≤D1 ( 420微米、或240微米≤D1 ( 380微米、或280微米≤D1 ( 360微米。GRIN透鏡10具有長度L，其中在一示例中，長度范圍可1mm≤L≤2mm，其中當該GRIN透鏡被用在如下所述的光學(xué)接口設(shè)備中時示例性長度范圍可從約1.2mm到約1.6mm。
[0038]GRIN透鏡10還可包括圍繞中央部分20的外表面26的環(huán)狀包層30。環(huán)狀包層30具有前表面32、后表面34、位于半徑!T1處的內(nèi)表面35、以及位于半徑r2處的外表面36。在示例性實施例中，前表面32和后表面34中至少一個是彎曲的，且在圖1和圖2中以示例的方式，圖不出前表面和后表面都是彎曲的。在另一個不例性實施例中，前和后表面32和34都是平的。
[0039]環(huán)狀包層30具有從F1到r2的折射率分布ne(r)。在各示例中，徑向環(huán)狀厚度或?qū)挾? r=r2 - T1是在范圍5微米< 3 r < 50微米或10微米< 3 r < 40微米內(nèi)。
[0040]還有，在各示例中，GRIN透鏡10的直徑D2是在范圍210微米≤D2 ≤ 520微米、260微米≤D1 ≤ 420微米內(nèi)。在各示例中，D1ZD2的比值在0.7到0.95之間、或0.75到0.9之間、或0.8到0.9之間。環(huán)狀包層30可包括，例如，無摻雜的二氧化硅、摻雜氟的二氧化硅、諸如UV可固化丙烯酸之類的聚合物、摻雜氟和氯的氧化鍺、或其組合。未摻雜的二氧化硅的折射率被標記為nsilic;a。
[0041]還有在一示例中，GRIN透鏡10的長徑比D2:L在約1:2到約1:10范圍內(nèi)，其中示例性長徑比約為1:4。
[0042]示例性GRIN折射率分布
[0043]圖3A是GRIN透鏡10的示例性折射率分布n1(l (r)。折射率分布n1(l (r)包括從0到r:的拋物線或其他多項式中 央部分折射率分布nA(r)、以及從T1到r2的恒定的包層折射率分布njr)=]!。,其中ne>nA (O)=Iicitj在一示例中，使用摻雜鍺的氧化娃來形成中央部分折射率分布nA(r)。在一示例性實施例中，如圖3A所公開的透鏡可包括摻雜氧化鍺的芯區(qū)域20、圍繞有摻雜氧化鍺的環(huán)狀包層區(qū)域30。
[0044]圖3B類似于圖3A,但是其中。在一示例中，中央部分折射率分布nA(r)是如圖所示的拋物線，而包層折射率分布ne(r)是恒定的，其中ne=nA(ri)。在更一般的示例中，n。> nA(ri)。在一示例性實施例中，中央部分折射率分布是漸變式折射率分布，可由阿爾法分WnA(r)=nQ(l-2A (r/ri)°)1/2 所描述，其中 A = (n(l2-nsilic;a2)/2/n。2 且 a 在不同示例中可在1.8和2.1之間、或在1.85到2.05之間、或在1.9到2之間。在一個示例性實施例中，如圖3B所公開的透鏡可包括摻雜氧化鎵的芯區(qū)域20，被環(huán)狀包層區(qū)域30圍繞，該環(huán)狀包層區(qū)域30包括氧化硅且基本沒有任何上摻雜或下?lián)诫s的添加劑，從而區(qū)域30的折射率可等于無摻雜的氧化硅的折射率。
[0045]圖3C示出類似于圖3A和圖3B的示例，具有上述拋物線或多項式中央部分折射率分布nA(r)、且具有從!T1到1~2隨r變化的包層折射率分布ne(r)。在圖示示例中，從到ra〈r2,nc(r)以基本上繼續(xù)nA(r)的折射率分布的方式進行變化。然后，從ra向外到r2，nc(r)恒定，ne=ne(ra)。在特定實施例中，中央部分折射率分布nA (r)是圖3B中所示的漸變式折射率阿爾法分布，其中a在1.8到2.1之間。在一個示例性實施例中，如圖3C中公開的透鏡可包括直到半徑A的摻雜氧化鎵的芯區(qū)域20，在半徑!^這一點處經(jīng)由氟摻雜繼續(xù)該區(qū)域拋物線形狀，直到在ra處終結(jié)該拋物線形狀。因此，在這個實施例中，r:和r2之間的折射率小于二氧化硅的折射率，比如，這個區(qū)域被摻雜氟從而形成環(huán)狀包層區(qū)域30。在一個實施例中，r:可從165到175微米之間，[0046]盡管在一個示例中，在F1和ra之間的擴展的分布以如該示例中所示的方式遵循中央軸和^之間的相同參數(shù)曲線，但是其他分布也可提供性能優(yōu)勢。通過特定示例的方式，即使在^外的折射率的減少發(fā)生在非常短的徑向距離r上，諸如通過基本瞬時的折射率變化的擴散，仍存在性能優(yōu)勢。
[0047]圖3D類似于圖3C，除了在ra〈r〈rb范圍中nc(r)具有常數(shù)值na，其中rb〈r2。然后，nc(r)在rb〈r〈r2具有常數(shù)值ne2。例如，可通過二氧化硅的氟摻雜和/或通過使用諸如氯、氧化鎵、氧化鈦、磷等之類的摻雜劑對區(qū)域rb和r2之間的區(qū)域進行上摻雜，來形成圖3D的nc(r)的折射率分布。
[0048]在I^Kra之間的包層的部分用作GRIN透鏡10的中央部分20的延伸這一方面，圖3C和圖3D的包層折射率分布一般是有利的。有效地，對于中央部分20的給定的折射率分布，圖3C和圖3D的包層折射率分布將GRIN透鏡10的數(shù)值孔徑增加至一個比中央部分20的折射率分布單獨所產(chǎn)生的值更高的值。
[0049]圖3E類似于圖3B，但是其中nc〈nA(ri)。在一示例中，中央部分折射率分布nA(r)是如圖所示的拋物線，而包層折射率分布ne(r)是恒定的，其中ne〈nA(ri)。例如通過二氧化硅的氟摻雜，可獲得折射率nc〈nA(ri)?？蛇x地，區(qū)域nc由二氧化硅制成，且區(qū)域化^^)是由氧化鎵制成且在Fr1處具有折射率基底(index pedestal)。
[0050]圖3F示出類似于圖3E的示例，不同之處在于，包層對于ri〈r〈ra具有常數(shù)值na，其中n^njri),且對于ra〈 r〈r2具有第二常數(shù)值1?,其中例如,通過在!T1和ra之間的區(qū)域內(nèi)的二氧化硅的氟摻雜，可獲得折射率na。在圖3F所示示例中，ne2=nA(ri)。在更一般的示例中，nC2>nA (rj);在另一個示例中，Wr1)。
[0051]盡管圖3E和圖3F的包層折射率分布可能不如圖3C和圖3D的那些折射率分布有效，它們將在GRIN透鏡10被用于光學(xué)接口設(shè)備中時提供某些益處，因為它們?nèi)詫⒔?jīng)由全內(nèi)反射來引導(dǎo)否則將逸出中央部分20的光70。換言之，在中央部分20內(nèi)傳播并以大于arcsin(ncl/nA(r^)的入射角到達外表面26的光70是通過全內(nèi)反射被反射回中央部分20內(nèi)。
[0052]光學(xué)接口設(shè)備
[0053]圖4是示例性光學(xué)接口設(shè)備142的一部分的截面圖。光學(xué)接口設(shè)備142包括支承部件100，該支承部件100配置為支承至少一個GRIN透鏡10和攜載光纖66的至少一個光纖光纜60。支承部件100包括前和后表面102和104、以及由孔部130連接的前和后圓柱形腔室110和120。前和后圓柱形腔室110和120分別在前和后表面102和104處開口。前圓柱形腔室110由大小能容納GRIN透鏡10的內(nèi)表面112所定義，且后圓柱形腔室120由大小能容納光纖光纜60的端部62的內(nèi)表面122所定義。光纖66從光纖光纜60的端部開始延伸且具有端面68。
[0054]因此，GRIN透鏡10被部署在前腔室110內(nèi)，且光纖光纜60的端部62被排布在后腔室120內(nèi)，從而光纖66駐留在孔部130內(nèi)。光纖端面68因此緊挨著GRIN透鏡10的中央部分20的平的后表面24。GRIN透鏡10和光纖66構(gòu)成定義光通信路徑的GRIN透鏡組件136。在下述討論中，術(shù)語GRIN透鏡組件136和光通信路徑136互換地使用。
[0055]在光學(xué)接口設(shè)備142的操作的一個不例中，來自遠程光源(未不出；見例如，圖8B的光發(fā)射器410)的準直的光70C入射在GRIN透鏡10的中央部分20的平的前表面22上。這個準直的光70C通過與如上所述的折射率分布nA(r)相關(guān)聯(lián)的正光焦度而發(fā)生折射，且遵循彎曲的、會聚的路徑穿過中央部分20，最終聚焦在光纖端面68上。然后這個聚焦的光70變?yōu)槭芤龑?dǎo)的光70G，在光纖66中行進通過光纖光纜60并從支承部件100中出來到達遠處位置，如，遠程檢測器(未示出)。注意，圖4中的光70的光學(xué)路徑是可逆的，即，光70可開始作為光纖66中的受引導(dǎo)的光70G，且在GRIN透鏡10中逐漸發(fā)散從而形成準直的光70C，離開GRIN透鏡的中央部分20的平的前表面22。有時光學(xué)接口設(shè)備142稱為擴展光束光學(xué)接口設(shè)備，因為光70被擴展從而形成準直的光70C。
[0056]中央部分折射率分布nA(r)和光纖66的數(shù)值孔徑(NA)配置為使得光70基本留存在中央部分20內(nèi)。在一示例中，沒有光70在環(huán)狀包層30內(nèi)行進，而在另一個示例中，光70僅有一小部分(如，從光纖端面68發(fā)出的光的總量的10%或更少)在該環(huán)狀包層內(nèi)行進。
[0057]環(huán)狀包層30定義一禁區(qū)，用于防止光70受到GRIN透鏡支承部件100 (且特定地是前腔室110的內(nèi)表面112)的實質(zhì)性影響。圖5是常規(guī)光學(xué)接口設(shè)備142’的前端部的放大視圖，包括不具有環(huán)狀包層30的常規(guī)GRIN透鏡10’，即GRIN透鏡10’僅包括中央部分20’。光70’如圖所示在從光纖66向著GRIN透鏡10’的方向行進并超出GRIN透鏡前表面22，。
[0058]在這個配置中，中央部分20’的外表面26’定義了 GRIN透鏡10’的周界表面。在這個配置中，光70’可與前腔室110的內(nèi)表面112交互、并與GRIN透鏡10’的周界表面交互。例如，環(huán)繞中央部分20’的外表面26’的光70’可與前腔室內(nèi)表面112’交互并從該內(nèi)表面112’散射出去，或與GRIN透鏡10’的周界表面的瑕疵交互并從該瑕疵處散射出去，如所散射的光70S’。
[0059]此外，如果GRIN透鏡10’的前表面22’包括圓形或彎曲的邊緣22E’，通過用作形成會聚的光70D’的環(huán)狀透鏡，該圓形或彎曲的邊緣可不利地影響準直的輸出光70C’的準直。會聚的光70D’并不在期望的方向(S卩，準直的光70C’的方向)中行進。另外，邊緣22E’的圓度或曲率一般并不是均勻的，且因此可能以不可預(yù)測且不可控的方式不利地影響GRIN透鏡10’的功能。這繼而可導(dǎo)致當被用作擴展光束的光學(xué)接口設(shè)備時耦合效率的減少，且可導(dǎo)致當GRIN透鏡10’被用于成像時劣化的圖像質(zhì)量。此外，散射的光70S’以及會聚的光70D’可潛在地導(dǎo)致多通道光學(xué)接口組件中相鄰光學(xué)路徑(通道)之間的串擾。
[0060]圖6類似于圖5，除了它示出根據(jù)本公開的光學(xué)接口設(shè)備142，其中支承部件100包括如此處所公開的GRIN透鏡10。環(huán)狀包層30定義了在中央部分20和前腔室110的內(nèi)表面112之間的上述禁區(qū)，從而基本上防止光70到達內(nèi)壁，且在一示例中是完全防止光70到達內(nèi)壁并且防止光70到達GRIN透鏡10的周界表面。此外，環(huán)狀包層30基本上防止光70穿過環(huán)狀包層30的彎曲的前表面32，且在一示例中是完全防止光70穿過環(huán)狀包層30的彎曲的前表面32。這確保了基本上全部(且在一示例中，是全部)的光70穿過中央部分20的平的前表面22且從此處作為經(jīng)準直的光70C’而離開。這繼而減少了作為散射的光且被引導(dǎo)在不期望的方向的光量，藉此一般地改進了光透射效率并減少了串擾的潛在可能。此處，與光70有關(guān)的術(shù)語“全部”和“基本上全部”并不包括可被吸收在中央部分20中的任何光。
[0061]從GRIN桿形成GRIN透鏡的方法
[0062]圖7A到圖7C是示出從GRIN桿150形成GRIN透鏡10的示例性方法的示意圖。在該方法中，激光束LB被用于解理GRIN桿150從而形成GRIN透鏡10。參看圖7的截面圖(這類似于圖2所示圖)，GRIN透鏡10具有彎曲的前環(huán)狀表面32和平的后環(huán)狀表面34。注意，該中央部分20具有平的前表面22。
[0063]當解理二氧化硅或摻雜氧化鎵的二氧化硅GRIN桿150的激光具有在約300微米到約400微米范圍內(nèi)的直徑D2時，6 r的示例性值為30微米。在一示例中，將環(huán)狀包層30形成為具有Sr的所選值，從而由激光解理工藝形成的任何曲率基本上完全駐留(或在一示例中，完全)在前環(huán)狀表面32上，S卩，曲率并不達到中央部分20的平的前表面22。在一示例中，緊挨著平的前表面22的前環(huán)狀表面32的一部分可以是平的。在一示例中，彎曲的前環(huán)狀表面32可表示GRIN透鏡前端12的總表面積(即，平的前表面22和前環(huán)狀表面32的組合的表面積)的10%到30%之間。
[0064]在一示例中，通過向構(gòu)成中央部分20的現(xiàn)有的GRIN桿施加環(huán)狀包層30，來形成從其本身通過激光解理而形成GRIN透鏡10的GRIN桿150。在另一個示例中，通過將構(gòu)成中央部分20的GRIN條150C (圖11A)拉拔為合適直徑同時施加單層包層來形成環(huán)狀包層30，而形成GRIN條150?？墒褂矛F(xiàn)有技術(shù)已知的化學(xué)蒸鍍沉積技術(shù)來形成構(gòu)成中央部分20的GRIN條150C。形成GRIN條150C的示例性材料包括二氧化硅和氧化鎵。
[0065]光學(xué)接口設(shè)備和組件
[0066]圖8A是用于形成各光學(xué)接口設(shè)備142和342的第一和第二支承部件100和300的立視圖，該光學(xué)接口設(shè)備142和342繼而可被用于形成光學(xué)接口組件。圖SB是當由圖8A的第一和第二支承部件100和300形成的第一和第二光學(xué)接口設(shè)備142和342的截面圖，其中這些光學(xué)接口設(shè)備被相接來形成光學(xué)接口組件200。在一示例中，光學(xué)接口設(shè)備142構(gòu)成插頭且光學(xué)接口設(shè)備342構(gòu)成插座。
[0067]以示例的方式在圖8A中將支承部件100和300圖示為配置為支承多個光學(xué)路徑136和336。一般而言，支承部件100和300可支承一個或多個光學(xué)路徑。圖8A示出其中支承部件300的前腔室310各自包括縱向狹縫315的實施例，當GRIN透鏡10或GRIN桿150被插入該腔室時該狹縫允許空氣逸出。支承部件100的前腔室110也可包括相應(yīng)的縱向狹縫(未示出)。
[0068]光學(xué)接口設(shè)備142包括具有后表面104的支承部件100。支承部件100包括多個光通信路徑136，由各多個GRIN透鏡10以及相關(guān)聯(lián)的光纖66所定義。在圖8B中，支承部件前表面102和302面對且被圖示為定義了彼此之間的尺寸為d的小間隙。在可選實施例中，GRIN透鏡前端12可接觸來形成一個或多個固體對固體接口。在一示例中，間隙尺寸d在0微米< d ( 200微米范圍內(nèi)。
[0069]參看圖8A和圖8B，支承部件300具有帶前表面302的本體301，且支承部件300包括各自具有配置為支承GRIN透鏡10的內(nèi)表面312的前圓柱形腔室310。支承部件本體301由在所使用的光70的波長處基本透明的材料制成。例如，這個波長可以是從850nm到1550nm范圍內(nèi)。支承部件本體301的示例性透明材料是透明樹脂,諸如未填充的聚醚酰亞胺(PEI)，由通用電氣公司以商標名稱ULTEM? 1010出售。例如，支承部件本體301可以是模制的單一結(jié)構(gòu)、模制和機器加工的結(jié)構(gòu)、或多組件結(jié)構(gòu)。在一示例中，使用粘合劑50來將GRIN透鏡10保持在各支承部件100和300的各腔體110和310中。通過示例的方式將粘合劑50圖示為排布在與GRIN透鏡后端14和支承部件100和300的各前端腔室110和310的內(nèi)表面112和312的相應(yīng)部分相鄰處。在一示例中，粘合劑50由折射率匹配的材料制成。一示例性粘合劑50包括可固化的膠，諸如熱固性或紫外可固化的膠。
[0070]支承部件本體301包括后端304，該后端具有配置為內(nèi)反射在其中行進的光70的傾斜的表面306。支撐部件本體301還具有其上形成有一個或多個透鏡元件322的底部表面320。透鏡元件322分別與支承在各前腔室310內(nèi)的GRIN透鏡10的折軸(folded axis)Al對齊。
[0071]因此圖8B的示例性光學(xué)接口設(shè)備342包括由各多個GRIN透鏡10所定義的多個光學(xué)通信路徑336、光70行進通過的支承部件本體301的部分、以及位于底部表面320上的透鏡元件322。
[0072]光學(xué)接口設(shè)備342被圖示為相對于電路板400而放置。電路板400包括可操作地支承一個或多個光發(fā)射器410 (諸如一個或多個垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL))的上表面402。光學(xué)接口設(shè)備342被排布為使得其底部表面320與電路板上表面402相鄰且基本平行，以使光發(fā)射器410與各透鏡兀件322光學(xué)地對齊。
[0073]參看圖8B，在光學(xué)接口組件200的操作的示例中，由光發(fā)射器410發(fā)出發(fā)散的光70T且光70T入射在透鏡元件322上。透鏡元件322具有正的光焦度且用于使得發(fā)散光70T在底部表面320處進入支承部件本體301時較為不發(fā)散。然后光70T行進至傾斜表面306，此處光70T內(nèi)反射并繼續(xù)朝向GRIN透鏡10。光70T作為發(fā)散的光進入中央部分20的平的后表面24。
[0074]在光學(xué)接口設(shè)備342中的GRIN透鏡10的折射率分布nA(r)配置為接收該發(fā)散的光70T并基本形成準直的光70C，離開中央部分20的前平表面22。注意，該光學(xué)接口設(shè)備342的GRIN透鏡10可被配置為產(chǎn)生期望發(fā)散度的光70T，例如，光70T可被制成準直或甚至?xí)鄣?。基本準直的?0C從光學(xué)接口設(shè)備342的GRIN透鏡10進入光學(xué)接口設(shè)備142的GRIN透鏡10的平的前表面22。然后基本準直的光70C以結(jié)合圖4上述的方式在端面68處光學(xué)地耦合入光纖66。
[0075]GRIN透鏡組件
[0076]圖9A和圖9B是GRIN透鏡組件500的示例性實施例的前立視圖，其中GRIN透鏡10的一個中央部分20 (圖9A)或多個中央部分(圖9B)被嵌入在單片透明介質(zhì)530內(nèi)。單片透明介質(zhì)530具有平的前表面532，其在一示例中與中央部分平的前表面(多個)22重合。在一示例中，通過從透明材料中形成單片胚體以及插入GRIN條150C、或通過煙怠壓制(soot pressing)或CVD煙怠沉淀且其后跟著固結(jié),來形成GRIN透鏡組件500。由諸如氧化硅之類的玻璃來形成示例性單片透明介質(zhì)530。
[0077]圖1OA是包括結(jié)合于其中的GRIN透鏡組件500的示例性支承部件300的前立視圖，且圖1OB則是截面圖。支承部件300包括相對較大的前腔室310，該前腔室310具有大小能容納GRIN透鏡組件500的內(nèi)部表面312。支承部件300的這個構(gòu)造防止了在GRIN透鏡組件500的GRIN透鏡10內(nèi)行進的光70碰到前腔室310的內(nèi)表面312且因此起到與環(huán)狀包層30類似目的。在圖1OA中，GRIN透鏡組件500可被認為是GRIN透鏡10的可選實施例，其中替代環(huán)狀包層，該包層具有圍繞中央部分20的外表面26的矩形截面形狀。
[0078]圖1IA是被用于形成GRIN桿150的示例性GRIN條150C的側(cè)視圖。圖1lA的GRIN條150C具有圓形截面形狀。圖1lB是具有多邊形(例如，如圖所示，六邊形)截面形狀的示例性GRIN條150C的側(cè)視圖。通過加工圖1lA的圓形GRIN條，可形成多邊形GRIN條150C?？蓪⒍噙呅蜧RIN條150C拉拔為多邊形GRIN條150，如圖1lC中所示。圖1lD類似于圖1lC且示出用于激光解理圖1lC的多邊形GRIN桿150來形成多邊形GRIN透鏡10的激光束LB。
[0079]圖12A是具有類似于圖8A中所示的支承部件300的示例性接口設(shè)備342的立視分解圖，其中該支承部件包括圓柱形前腔室310。在該展開視圖中，多邊形GRIN透鏡10被圖示為鄰近支承部件300的前端302，其中箭頭顯示GRIN透鏡駐留在各圓柱形前腔室310內(nèi)。圖12B是圖12A的光學(xué)接口設(shè)備342的前視圖，且示出GRIN透鏡10部署于圓柱形前腔室310內(nèi)。
[0080]多邊形GRIN透鏡10具有平的外表面(“平面”)11，其縱向延伸來定義該多邊形截面形狀。平面11用于在前腔室310的內(nèi)表面312與GRIN透鏡10之間形成間隙313。間隙313允許空間用于使得粘合劑50被設(shè)置在前腔室310內(nèi)來將GRIN透鏡10保持在此處，且當GRIN透鏡10被塞入圓柱形前腔室310內(nèi)時允許空氣逸出。當GRIN透鏡10被促進前腔室時，間隙313還允許可流動的粘合劑50流入腔室310內(nèi)且覆蓋更多的內(nèi)表面312。可選地，GRIN透鏡10可具有圓形截面，且圓柱形前腔室310可具有多邊形截面來實現(xiàn)基本相同的這些效果。
[0081]圖13是GRIN桿150的立視圖，該GRIN桿具有駐留于光學(xué)接口設(shè)備342的支承部件300的圓柱形前腔室310內(nèi)的各端部152。支承部件300由第一支承固定裝置350保持或以其他方式被支承，且GRIN桿150由第二支承固定裝置352保持或以其他方式被支承。激光束LB被用于激光解理GRIN桿150，如上結(jié)合圖7A到圖7C所述，藉此形成相應(yīng)的GRIN透鏡10。
[0082]圖14A是光學(xué)接口設(shè)備324的前立視圖，其中每一個GRIN透鏡10的一部分從支承部件300的前表面302開始延伸。在一示例中，GRIN桿150的端部152 —開始僅部分地塞入圓柱形前腔室310內(nèi)。然后，在通過激光解理形成GRIN透鏡10后，可將其余GRIN透鏡以此方式塞入前腔室310內(nèi)，以使它們的前端12基本與支承部件前表面302齊平，如圖14B中所示。
[0083]形成如上所述的光學(xué)接口設(shè)備142或342的示例性方法包括將合適的支承部件100或300安裝在固定裝置350中且在前腔室110或310內(nèi)提供(如，注入)粘合劑50 (見圖12A)。然后將GRIN桿150的各端部152插入相應(yīng)的前腔室110或310。然后在距支承部件100或300的前表面102或310 —所選距離處使用激光LB解理GRIN桿150來形成GRIN透鏡10。然后固化(如，通過施加熱)粘合劑50來將GRIN透鏡10保持在腔室110或310內(nèi)。如上所述，可在GRIN桿端152和腔室端壁之間留有一些空間，從而在形成GRIN透鏡10后，可將它們推入腔室110或310內(nèi)以使GRIN透鏡端12與支承部件100或300的前表面102或302基本齊平。
[0084]對本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見的是，可在不背離本公開的精神和范圍的情況下對本公開作出各種修改和變化。因而，本公開旨在涵蓋本公開的所有這些修改和變型，只要它們落在所附權(quán)利要求書及其等效物的范圍中即可。
【權(quán)利要求】
1.一種梯度折射率(GRIN)透鏡組件，包括: 圓柱形部分，具有多項式或拋物線GRIN折射率分布nA(r)、平的前和后表面、外表面、以及直徑D1，且其中200微米≤ D1≤ 420微米；圍繞著中央部分外表面的具有外徑D2的環(huán)狀包層，且所述包層具有前和后環(huán)狀表面以及恒定或變化的折射率；和 在所述平的后表面處光學(xué)耦合至所述中央部分的光纖。
2.如權(quán)利要求1所述的GRIN透鏡組件，其特征在于，還包括具有曲率的前和后環(huán)狀表面的至少一個。
3.如權(quán)利要求1所述的GRIN透鏡組件，其特征在于，還包括具有徑向?qū)挾萐r的環(huán)狀包層，Sr是在5微米≤δr ≤50微米范圍內(nèi)。
4.如權(quán)利要求1所述的GRIN透鏡組件，其特征在于，其中D1ZD2的比值在0.7和0.95之間。
5.如權(quán)利要求1所述的GRIN透鏡組件，其特征在于，中央部分折射率分WnA(r)由nΔ(r)=n0(l-2Δ(r/ri)°)1/2 給出，其中 Δ = (?2-?2)/2/n02，其中 a 在 1.8 到 2.1 之間，且 n0和nC是常數(shù)。
6.如權(quán)利要求1所述的GRIN透鏡組件，其特征在于，所述中央部分包括氧化鎵且所述環(huán)狀包層區(qū)域包括氧化鎵、氟、和氯。
7.如權(quán)利要求1所述的GRIN透鏡組件，其特征在于，還包括由來自包括如下項的組的至少一個材料制成的環(huán)狀包層:二氧化硅、摻雜的二氧化硅、摻雜氟的二氧化硅、和聚合物。
8.一種光學(xué)接口設(shè)備，包括: 至少一個如權(quán)利要求1所述的GRIN透鏡組件；和支承部件,所述支承部件具有前和后端且被配置為可操作地支承所述至少一個GRIN透鏡組件。
9.如權(quán)利要求1所述的GRIN透鏡組件，其特征在于，還包括: 具有多邊形截面形狀的至少一個GRIN透鏡組件的至少一個GRIN透鏡；和具有至少一個圓形圓柱形腔室且支承所述至少一個GRIN透鏡來在所述GRIN透鏡和所述圓柱形腔室之間定義間隙的支承部件。
10.如權(quán)利要求8所述的GRIN透鏡組件，其特征在于，還包括部署于所述至少一個圓柱形腔室的所述間隙內(nèi)的粘合劑以固定所述至少一個GRIN透鏡在其中。
11.一種用于透射具有一波長的光的光學(xué)接口設(shè)備，包括: 至少一個梯度折射率(GRIN)透鏡元件，其中每一個GRIN透鏡元件包括:a)圓柱形中央部分，具有多項式或拋物線GRIN折射率分布、平的前和后表面、外表面、和范圍在200微米≤D1 ≤ 420微米內(nèi)的直徑D1: 和b)環(huán)狀包層，圍繞著中央部分外表面且具有前和后環(huán)狀表面和恒定或變化的折射率；以及 支承部件，被配置為可操作地支承位于前腔室內(nèi)的所述至少一個GRIN透鏡元件，所述支承元件可操作地支承包括所述至少一個GRIN透鏡元件的至少一個光學(xué)路徑。
12.如權(quán)利要求11所述的光學(xué)接口設(shè)備，其特征在于，還包括具有曲率的至少一個GRIN透鏡元件的前和后環(huán)狀表面的至少一個。
13.一種光學(xué)接口組件，包括: 各自如權(quán)利要求11所述的第一和第二光學(xué)接口設(shè)備，所述第一和第二光學(xué)接口設(shè)備被相接，從而它們各自的GRIN透鏡的平的前表面是面對著且間隔有距離d，距離d在0微米≤d≤200微米范圍內(nèi)。
14.如權(quán)利要求11所述的光學(xué)接口設(shè)備，其特征在于，所述支承部件包括:對于所述波長的光基本上透明且具有帶傾斜小面的后端的本體；以及具有至少一個透鏡元件的底部表面，其中所述至少一個GRIN透鏡元件、所述支承部件本體、和所述至少一個透鏡元件定義了光學(xué)通信路徑。
15.如權(quán)利要求11所述的光學(xué)接口設(shè)備，其特征在于，還包括具有寬度Sr的環(huán)狀包層，Sr是在5微米≤δr≤50微米范圍內(nèi)。
16.如權(quán)利要求15所述的光學(xué)接口設(shè)備，其特征在于，還包括由來自包括如下項的組的至少一個材料制成的環(huán)狀包層:二氧化硅、摻雜的二氧化硅、摻雜氟的二氧化硅、和聚合物。
17.一種形成梯度折射率(GRIN)透鏡的方法，包括: 拉拔具有多項式或拋物線GRIN折射率分布的圓柱形GRIN條來形成圓柱形GRIN桿，所述GRIN桿定義了具有外表面的中央部分，所述中央部分具有直徑D1, D1是在200微米^ D1 ^ 420微米范圍內(nèi)； 用具有范圍在5微米≤ δr ≤ 50微米內(nèi)的環(huán)狀寬度Sr的環(huán)狀包層來包覆所述圓柱形GRIN桿外表面；且 激光解理經(jīng)涂覆的圓柱形GRIN桿來形成GRIN透鏡元件，其中所述中央部分具有通過所述激光解理而定義的平的前表面，且該環(huán)狀包層具有通過所述激光解理而定義的彎曲的環(huán)狀前表面。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，還包括使所述圓柱形GRIN條具有多邊形截面形狀，從而所述GRIN桿和從所述GRIN桿制成的GRIN透鏡元件具有多邊形截面形狀。
19.一種形成梯度折射率(GRIN)透鏡的方法，包括: 形成具有基本拋物線折射率分布的GRIN桿，GRIN條具有帶有由環(huán)狀包層所圍繞的外表面的中央部分；且 激光解理所述GRIN桿來形成GRIN透鏡，所述激光解理定義了所述中央部分的平的前表面和所述環(huán)狀包層的彎曲的前表面。
20.—種GRIN透鏡組件，包括: 單片透明介質(zhì)；和 被支承在所述單片透明介質(zhì)內(nèi)的至少一個GRIN透鏡中央部分，所述GRIN透鏡中央部分具有直徑D1，在200微米≤ D1≤ 420微米范圍內(nèi)。
【文檔編號】G02B6/42GK103608701SQ201280029251
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2012年6月11日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月15日
【發(fā)明者】J·A·德梅里特, D·D·福爾圖希尼, P·坦登 申請人:康寧股份有限公司