用于自由空间光连接的激光准直器的制作方法

专利名称：用于自由空间光连接的激光准直器的制作方法
技术领域：
本发明应用涉及到光束扩展器或准直器件，它们用于扩展来自激光源的光束直径并将此光束以平行光的形式发射。
一般情况下，激光源发出的光的直径较小。这样，需要使用一种光束扩展器或者激光准直器来将激光源发出的光变成大直径、低发散的光，其中该光线是充分平行的。本发明涉及到这些激光准直器的改进设计。
设计激光准直器过程中需要考虑以下几个因素首先，需要使用一个光源和一个半导体激光器，并且此半导体激光器通过光纤头与一条单模光纤光耦合在一起。没有光纤头的半导体激光器发出的光是很不理想的。由于半导体激光介质有宽窄差异较大的高度不对称截面，其输出光是椭圆形的并且该光束在激光介质平面法线方向的发散很强。
其次，带有光纤头的激光器的输出光是截面为高斯强度面的圆形光束而其光束的发散完全由限制角θconfinement决定，θconfinement等于arccos(nclad/ncore)，其中，ncore和nclad分别是单模光纤纤芯和包层的折射率。
再次，在光纤通信应用中，这种激光器是批量生产的，因此，在空间设施中，它可提供低成本、高质量的光源。另外，激光源要求在1500nm波长区中工作。在这个波长区，由适时监控安全标准设置的激光器功率限制远大于工作于较短波长的激光器功率限制。最后，为了在接收器中安装在光控制器来对激光束进行导向，要求激光准直器是一种简单、结构紧密并且重量较轻的器件。图示简介参照优化具体装置的附图，以下将对本发明进行详细的说明。附图如下

图1为激光准直器的一种设计图；图2为根据本发明而设计的激光准直器的示意图；图3为图2中激光准直器装配套管的放大图；图4为根据本发明而设计的激光准直器的另一个具体装置或输入部分图示；图5为根据本发明而设计的激光准直器的另一具体装置或输入部分图示；图6为根据本发明而设计的激光准直器的再一具体装置或输入部分图示；详细说明图1表示一种激光准直器的设计。一个柱状准直器固定座105a牢固地将一个光纤头200固定在其中，并且该光纤头包括一个毛细管201和位于毛细管内的光纤101。准直器固定座105a的一端有一个柱形孔，光纤头200的光纤101的头部102插入并固定于其中，而在105a的另一端有另一个圆柱形孔，一个平凸透镜106a装在其中。
透镜106a的中心轴与光纤101的中心轴是在同一条线上，并且光纤尾纤102位于透镜106a的焦点处。光纤尾纤102发出的光变成锥形发散光，如图所示。光锥半角由光纤数值孔径决定。如果采用的光纤是标准单模光纤，则该半角应该为10-12度。该光锥落在平凸透镜106a上并被折射成直径较大的平行光束。该光束的直径由透镜106a和光纤端部间的距离以及光锥的半角所决定。
在图1所示的激光准直器设计中，需要将光纤头的端面切一个平坦的平面表面，但它不跟光纤轴垂直。该光纤头倾斜端的平坦表面通常与光纤轴成82度角。不将光纤头的端面切成与光纤轴垂直面的原因是如果让该端面与光纤轴垂直，激光在玻璃-空气界面处的菲涅耳后向反射光会被耦合回激光器并影响激光器工作。
此有角度的端面会产生以下几个负面影响。首先，光锥会发生偏离使其轴线不再与光纤-透镜的轴线在同一直线上。在图1中，该偏离表现为光束向上偏离。这种偏离产生的结果是，该平凸透镜106a加工起来要比简单的平凸透镜如图2所示的透镜106复杂而昂贵得多。由于只利用了透镜的一部分，因而透镜106a需要比当光锥位于轴线上时所需的透镜大得多。平凸透镜106a的平坦表面不与透镜轴线垂直，而是被磨来使其与透镜轴线成82度角。
其次，必须将透镜106a安装在准直器固定座中并定向使其表面与图1所示的光纤切断面平行。另一个缺点是通过透镜的光波折射成一束方向不是沿光纤-透镜轴线方向的平行光。该准直器的这一特征使得发射器和接收器间光路的对准更加困难。最后，通过透镜的光经过透镜边缘附近时将产生一个更大的球差，这意味着在接收器处聚焦光斑的大小要比理想情况下大。
本发明的一个目的设计一种带有光纤头的激光二极管，其特征是发散光束的方向与准直器光轴一致，并能减小通过准直器光束产生的球差。
本发明的另一目的提出一种方法以增加来自光纤头光的光锥半角，从而在较短长度准直器中实现较大的出射光束直径。
本发明提出了一种克服上述图1所示激光准直器设计的几个缺点的方法。如图2，根据本发明而设计的准直器100有一个柱状的准直器固定座105。固定座105的一端有一个圆孔，柱状装配套管103插入其中。套管103中有两个元件一个光纤头200和一个楔形玻棒光传输元件104，该插入玻棒104中几乎没有透过光功率。
光纤头200的制造过程通常是将一条裸光纤101粘在毛细管201中并抛光毛细管201和光纤尾纤102使其形成一8度的楔角。光纤头200可以从福建华科光电有限公司购入，该公司可提供多种不同光纤，包括在1550nm波长中工作的单模光纤等。
激光二极管(图2中未标出)与光纤头200的连接是通过将光纤头200的单模光纤101与激光二极管的单模光纤相熔接而实现的，图2中未标出。在准直器固定座105的另一端有另一个直径更大的孔，一个平凸透镜106装在其中。透镜106的轴线与光纤101的轴线在同一线上，并且透镜焦点正好落在光纤尾纤102的末端。
图3是准直器的装配套管103的放大图。插入的玻棒104的折射率与纤芯的折射率ncore相等。玻棒104的一个端面被磨成与其轴线成82度角的平表面。玻棒104的另一端面是平的并且其表面与光纤轴成90度角。玻棒104装在装配套管103中并进行定向以使插入玻棒104有楔角的端面和光纤尾纤102有楔角的端面相啮合，然后，将玻棒104推入准直器的套管103当中，这样，在光纤尾纤102末端和插入棒102末端之间会形成一个小空气隙，如图3所示。
玻棒104对光纤尾纤102一端发出的光的光锥偏离能起到矫正的作用。在该空气隙中，光纤尾纤102发出的光的光锥仍会发生折射而使之偏离光纤轴方向，但由于空气隙很窄，发散光锥在玻棒104第一表面处发生第二次折射之前不会传播太远，这样，发散光锥的偏离得到了矫正，从而使其轴线与光纤轴线(即准直器轴线)平行。
因为空气隙很窄，所以来自准直器光轴方向的光锥的偏离量很小。这样，在玻棒104中，光以半角为θconfinement(单模光纤的限制角)的光锥形式仍沿准直器光轴方向传播。对典型的单模光纤101来说，θconfinement一般为8度。当发散光锥通过玻棒104的输出端时，该光锥将发生又一次折射，它使发散光锥的半角增至θacceptance＝arcsin(ncoreXsinθconfinement)。θacceptance也叫做单模光纤的接收半角，它一般为12度。
光纤尾纤102出射的光会在光纤头—空气隙界面107，空气隙—插入玻棒界面108和插入玻棒的玻璃—空气输出端界面109上发生菲涅耳反射。由于107和108界面有倾斜角，该菲涅耳反射光将不会耦合回光纤。
此外，在界面109处，光束直径远大于单模光纤的纤芯直径，从而大大减少了能返回光纤的菲涅耳反射光。通过在玻棒104的界面109处镀上一层增透膜可进一步减弱菲涅耳反射光。由此可以看出，通过将空气隙厚度减至零厚度，即把光纤尾纤102和玻棒104有楔角端面采用光胶方法连接起来，可以消除界面107和108处的反射。
如图4所示的是根据本发明而设计的另一种具体实施方案，其中，空气隙中充入折射率等于ncore环氧胶110。此方案不需要装配套管103。为了在不使用装配套管103的情况下能固定并保护图4所示的结构，图2所示的准直器固定座有一个适当直径的孔。
该激光准直器设计中加入插入玻棒有以下几点好处。首先，它矫正了来自光纤尾纤102光锥的方向，使光沿准直器光轴方向传播。从而使光经过平凸透镜106的中心，并使得经过扩展的平行光束的方向与激光准直器的光轴方向保持一致。
其次，因为经过玻棒104的光的折射率大于空气折射率，所以平凸透镜106的有效焦距长度大于光纤头到平凸透镜间的实际距离。这样，该平凸透镜106的球面的曲率小于准直器所需的类似透镜的曲率，在该准直器中的光纤头和透镜之间介质都为空气，如图1所示。又由于本发明中的平凸透镜106的直径较小并且其平面表面垂直于光轴，所以本发明中的平凸透镜106比图1所示的准直器的透镜106a更易于加工制造。
最后，由于光经过透镜的中心并且透镜曲率较小，因而通过准直器的光产生的球差也会更小。在图3所示的具体实施方案中，插入玻棒104有两个端面108和109，它们分别与激光准直器光轴成82度和90度角。精通此技术的人士很容易发现，采用其他适当的角度同样可以达到矫正光的光锥偏离(此光来自光纤头)并使其传播方向与准直器光轴方向一致的目的。不过，端面108的楔角最好选择来与光纤头端面107相匹配，因为这样可以使得两端面问的空气隙最小。
精通本技术的人士还会发现在光纤头200中可有多条光纤。例如，光纤头200中可以有两条光纤。为将准直器和接收器校准到在一条直线上，第二条光纤被用来发射可见光，而该可见光起到对准定向作用。当获得信号时，可以适度地调节准直器和接收器位置以获得最大接收信号。第二条光纤也可以用来在载光器中传送另一波长的信号。在这个实施方案中，需要用到双色滤波器或其他波长分离器件以分离接收器中的两个波长。
本发明的另一目的是提供一种光纤头，为了增大光纤尾纤102发出的光的光锥半角，它使光发射有一更大的接收角θacceptance。它能在不增加准直器长度的前提下增大准直器出射的平行光束的直径，这样使得激光准直器能在紧密结构中获得较大的光束扩展。
接收角是光纤的一种特性，并与光纤数值孔径NA和纤芯、包层折射率有关，表达式NA=(ncore2-nciadding2)=sinθacceptance.]]>这样，通过增加光纤纤芯和包层折射率之差可以增大数值孔径。在实际中，这可通过在光纤制造过程中增加纤芯的掺杂量来实现。因此，增大接收角的一种途径是使用一种有较大数值孔径的单模特殊光纤来生产光纤尾纤200。
如图5所示本发明的具体实施方案，在该图中只给出图2中准直器的套管103的示意图。这里，图3所示的单模光纤101由一条有较高纤芯折射率的特殊光纤301代替。为使得插入玻棒104的折射率与特殊光纤301的纤芯折射率相等，玻棒104应有一个较大的折射率。
在这种方法中，最好使特殊光纤301的归一化频率V＝(πd/λ)NA与用作半导体激光器尾纤的标准远程通信光纤的归一化频率相等。对单模远程通信光纤101和单模特殊光纤301来说这个要求是可以得到满足的，让纤芯直径分别为d和ds，数值孔径分别为NA和NAs那么就得到ds/NAs＝d/NA。根据比率d/ds，特殊光纤301的数值孔径大于远程通信光纤的数值孔径。
使单模特殊光纤的直径为远程通信光纤的一半，这是可行的；从而使其数值孔径为远程通信光纤的两倍。相应地，接收角也按照关系sinθacceptance＝NAs增大。采用这种方法来使接收角增加一倍从而使其发出的激光光束直径相似地增大是完全可行的。一种实用方案是将单模特殊光纤与半导体激光器的单模光纤头相连。
如美国专利6,275,627中所述(参考其中关于如何匹配半导体激光器的单模光纤尾纤的模场直径)，这可通过特殊光纤纤芯的热膨胀实现。通过对激光器光纤尾纤进行直接熔接，来使得用在光纤尾纤制造中的特殊光纤实现热膨胀。它制成光纤头而与激光器光纤尾纤直接熔接在一起。图5表示通过熔接接头306将激光二极管304与单模特殊光纤301进行连接，其中，304的光纤尾纤采用的光纤是标准通信单模光纤101。
图5所示的插图表示熔接接头306附近区域的放大图。它表明在熔接处，特种光纤301的纤芯302的直径经热膨胀后与单模光纤101的纤芯307的直径相匹配。这种增大光纤尾纤102出射光的光锥接收角的方法存在一些困难，那就是在光纤头200中需要装入一条特殊光纤。
另一种增大接收角的方法不需要这种特殊光纤，只是在标准单模光纤末端形成一拉锥结构。这可采用一种类似于制造熔融型双锥形耦合器的技术来实现。将几厘米的裸光纤置于夹具中拉紧并用氢焰加热其中心。待其玻璃变软之后，慢慢拉长光纤使之变成一个双锥形拉锥结构。然后将双锥形拉锥在双锥体中心附近切断而形成一个半双锥体或锥形端。制作适合的锥形光纤尾纤必须满足以下几个条件。
首先，为使在单模光纤中传播的光不会在拉锥部分转化为辐射模式，应以渐进的方式进行拉锥。其次，光纤直径要被拉锥到足够小的程度，以使在光纤纤芯中以束缚模式传播的光进入包层并在拉锥端面结构中仍以束缚模式传播，此拉锥结构是以空气作为包层、以光纤玻璃作为纤芯。
在局部归一化频率V＝(πd/λ)NA≈1的拉锥过程中，当纤芯直径d变得足够小时就可以实现这个条件。图6表示本发明具体实施方案中的激光准直器的套管103。半双锥体或拉锥光纤尾纤400装在毛细管201中并有一部分突出在外。
通常我们可以看到，在光纤拉锥端400的波导结构是一个短小的圆形玻棒波导，它有一层空气包层和一个有楔角端面的输出端401。因为包层是空气，该光纤波导400有一个较大的数值孔径(NA≈1.1)。如果光纤波导结构400只支持单模传输，归一化频率V＜2.405，这意味着光纤直径很小，可达到光波长λ＝1550nm量级。有较大直径的光纤波导结构400也可被使用，这对精通此技术人士来说是一件值得高兴的事。即使归一化频率V＞2.405，光纤结构400为多模波导，但由于当光从单模光纤进入该波导结构400时只可能激发低阶模，从而使用较大直径光纤仍是可行的。
然而，在这种情况下，光纤头出射光锥的半角与数值孔径无关而是依赖于光纤波导400中低阶模的传输特性。一个实际应用问题是如何装配光纤头。在装配中必须使光纤波导结构从毛细管201中突出一小段到空气中，但这却限制了波导结构400的长度。由于光纤波导结构400主要是由单模光纤101的包层玻璃形成的，插入玻棒104的折射率通常等于单模光纤101的包层折射率。
精通此技术人士会发现，波导结构400的末端401可采用光胶方法与插入玻棒相连接，并且，适当折射率的环氧胶可用来加固光纤波导结构400和插入玻棒间的连接。
权利要求
1.用来准直充分光束的一种激光准直器，其特征包括-一条由包层束着纤芯的光纤，该光纤有一用于接收激光的输入端和用于传输该激光的倾斜的输出端；-一个透镜，它用于充分准直从光纤输出端接收到的一束输入光束；-一个导光元件，位于光纤输出端和透镜之间，用来矫正来自该光纤倾斜输出端的光束的角度偏离。
2.根据权利要求1所述的一种激光准直器，它包括一个用来固定光纤的套管，其中该套管和光纤有相互平行的纵轴并且两者端面在同一平面上，该端面跟与该纵轴垂直的平面成一楔角。
3.根据权利要求2所述的一种激光准直器，其中，导光元件是一个楔形物。
4.根据权利要求3所述的一种激光准直器，其中，楔形物有一个倾斜表面，该表面与与之相对的光纤倾斜端面充分平行。
5.根据权利要求4所述的一种激光准直器，其中，楔形物有一个与该倾斜表面相对的输出端面，并且该输出端面与光纤套管的纵轴垂直。
6.根据权利要求5所述的一种激光准直器，其中，楔形物和光纤套管由一个外层套管固定，并且，透镜和外部套管是彼此固定的。
7.根据权利要求5所述的一种激光准直器，其中，透镜是粘在外部套管的一端或牢固地固定于其内。
8.根据权利要求1所述的一种激光准直器，其中，该导光元件有两个不平行表面，并且该元件的折射率与纤芯折射率几乎相等或完全相等。
9.根据权利要求1所述的一种激光准直器，其中，光纤输出端数值孔径大于输入端的数值孔径。
10.根据权利要求1所述的一种激光准直器，其中光纤在输出端附近纤芯直径小于输入端附近的纤芯直径，这是为了减小来自输出端光束的模场直径并加大光纤数值孔径进而扩展该输出光束。
11.根据权利要求2所述的一种激光准直器，其中，导光元件是几乎没有光功率的。
12.一种用于准直光束的准直器，其特征包括-一条由包层束着纤芯的光纤，该光纤分别有一个用于接收激光的输入端和用于出射光的倾斜的输出端；-一个用来固定光纤的光纤套管，其中，光纤套管和光纤有相互平行的纵轴并且两者端面在同一平面上，该端面与跟该纵轴垂直的平面成一倾角。-一个透镜，这是用来充分准直来自光纤输出端的接收到的一束输入光束的；-一个导光元件，它有一个光接收面和一个与之相对的出射面，该接收面和出射面是不平行的；为矫正倾斜的输出端中光束的角度偏离，该导光元件位于光纤输出端和透镜之间；和一个与光纤输入端的光耦合在一起的激光器。
13.根据权利要求12所述的一种激光准直器，其中，为了与光纤一起进行光耦合，该激光器包括一个带有尾纤的光纤，并且，导光元件实质上是一个几乎没有光功率的楔形物。
全文摘要
本发明是关于一种用于通过空气的自由空间光连接的激光准直器设计。这种激光准直器对来自单模光纤末端的光束的直径有扩展功能，该光纤与半导体激光二极管光连接并在自由空间中发出一束低发散平行扩展光束。根据本发明的激光器是紧密连接、易于制造并可克服许多由于要求耦合到半导体激光器的单模光纤末端空气—玻璃界面与光纤轴线不垂直而引起的负面影响。我们也设计出了增加来自光纤头的光锥发散的方法，从而使得激光准直器在紧密结构中有较大的扩展比。
文档编号G02B6/26GK1412602SQ0113580
公开日2003年4月23日 申请日期2001年10月18日 优先权日2001年10月18日
发明者吴砺, 凌吉武, 陈朝平, 黄金华, 张山从 申请人:Jds尤尼费斯公司