专利名称：：低损耗和高耦合系数的光纤耦合器及其制作方法
技术领域：
：本发明一般涉及耦合器，更具体说，是涉及能在常规光纤与光波导装置间提供低损耗、高耦合系数的光纤耦合器。
背景技术：
：光波导装置在各种高技术工业的应用中，特别是在电信应用中，是必不可少的。近年来，这些光波导装置，包括平面波导和两维的或三维的光子晶体，结合常规光纤的使用正在增加。具体说，在利用常规光纤的应用中，基于手征光纤的光波导装置是有优势和必要的。该类手征光纤装置，公开在下述一并转让的共同待决美国专利申请中“ChiralFiberGrating”、“ChiralIn-FiberAdjustablePolarizerApparatusandMethod”、“ChiralFiberSensorApparatusandMethod”、“CustomizableChirpedChiralFiberBraggGrating”、“ChiralBroadbandTuningApparatusandMethod”、“CustomizableApodizedChiralFiberGratingApparatusandMethod”、“ExtendedChiralDefectStructureApparatusandMethod”、和“LongPeriodChiralFiberGratingApparatus”，本文全文收录所有这些文件，供参考。但是，在包括手征光纤装置的光波导装置与常规低折射率对比光纤的接口中，存在巨大的难题。通常，至少两个主要障碍必须处理(1)光波导装置直径与常规光纤直径之间的差别(特别是芯尺寸中的差别)，和(2)光波导装置数值孔径与常规光纤数值孔径之间的差别。不能适当解决这些障碍，导致在每一接口上增加的插入损耗和低下的耦合系数。虽然已经尝试解决不同光纤间，以及光纤与信号源间的接口困难，但建议的方案不能解决不匹配孔径的难题。结果是，被连接的光纤变成不希望看到的多模。例如，授予Newhouse等人的美国专利No.4,877,300，公开一种锥形连接器，供能与光纤连接的光纤和光源使用，声称该锥形连接器对未对准较不灵敏。但是，Newhouse专利中建议的办法，要增加连接器的波导直径。结果是，该连接器变成多模的，因此失去保持单模的能力，或失去预定的少量模的能力，而该能力在把光波导装置(例如平面波导或手征光纤装置)与常规低折射率对比光纤的接口中，可能是关键的要求。此外，Newhouse专利中公开的连接器，没有对光波导装置与常规光纤的失配孔径难题，提供解决的方案。因此，极希望提供一种光纤耦合器，它能在高数值孔径的光波导装置与低数值孔径的常规光纤间，提供高耦合系数的接口。也极希望提供一种光纤耦合器，它在与光波导装置接口中，和与不同尺寸及特征的光纤接口中，有可配置的特征。还极希望提供一种光纤耦合器，它能基本上保持单模或在其中有更多预定数量的模。此外也极希望提供一种光纤耦合器，它能容易地并廉价地制作。还极希望提供一种光纤耦合器，它能作为光波导装置的一部分而制作。图1是本发明第一实施例光纤耦合器的侧视图的示意图；图2是示例性预制棒侧视图的示意图，它可用于制作图1的新颖光纤耦合器；图3是本发明第二实施例光纤耦合器的侧视图的示意图；图4是本发明第三实施例光纤耦合器的侧视图的示意图；图5是本发明第四实施例光纤耦合器的侧视图的示意图，图上表明一个或两个新颖的耦合器，与光波导一起作为单一单元而形成；图6A是示例性预制棒第一实施例的断面示意图，该预制棒可用于制作新颖的光纤耦合器；图6B是示例性预制棒第二实施例的断面示意图，该预制棒可用于制作新颖的光纤耦合器；图6C是示例性预制棒第三实施例的断面示意图，该预制棒可用于制作新颖的光纤耦合器；图6D是图6C示例性预制棒另外实施例的断面示意图，该预制棒可用于制作新颖的光纤耦合器；图6E到6G是示例性预制棒的断面示意图，这些预制棒可用于制作新颖的光纤耦合器；图7A和7B分别是常规光纤断面视图及侧视图的示意图；和图8是偏振保持光纤断面视图的示意图。
发明内容本发明针对一种新颖的光纤耦合器，它能在常规光纤和光波导装置之间，哪怕当芯直径和数值孔径不同时，提供低损耗、高耦合系数的接口。该新颖的耦合器，可以作为独立应用装置配置，也可以集成在光波导装置中。该新颖的耦合器包括芯、包层、用于与光纤接口的第一端、和用于与光波导装置接口的第二端。新颖耦合器的有利性质的获得，如下所述。利用预先配置的有芯和包层的预制棒，该预制棒的芯及包层尺寸，按照预定的收缩分布，从第一端到第二端逐渐收缩。选择各种参数，例如折射率、芯及包层尺寸、和收缩分布，使产生的耦合器的第一端有低的数值孔径，和第二端有高的数值孔径，同时有利地使每一端上的插入损耗最小和耦合系数最大。在另一个实施例中，新颖的耦合器包括辅助包层，该辅助包层也在第一和第二端之间收缩，用于使耦合器与周围环境隔离并保护耦合器。在再另一个实施例中，一个或两个新颖的耦合器与基于手征光纤的光波导装置一起，并集成在基于手征光纤的光波导装置内，作为单一连续单元形成。用于制作新颖光纤耦合器的光纤预制棒，可以在制作前蚀刻，以利于收缩分布的应用。此外，用于制作新颖耦合器的光纤预制棒，可以是常规的光纤，如果准备把新颖耦合器用于要求保持偏振的应用，那么光纤预制棒可以是偏振保持光纤。本发明上述实施例的每一个，各有特殊的优点，使它有利于特定的应用种类。本发明其他目的和特性，从下面的详细说明可以看得更清楚，下面的说明是结合附图进行的。但是，应当指出，附图的设计仅为举例说明的目的，不是作为限制本发明的定义，至于本发明的定义，请参考后面的权利要求书。具体实施例方式本发明针对一种光纤耦合器，它能在常规光纤和光波导装置之间，提供低损耗、高耦合系数的接口。该新颖的耦合器包括芯、包层、用于与光纤接口的第一端、和用于与光波导装置接口的第二端。概括地说，耦合器的芯与包层相应的尺寸，按照预定的收缩分布，在第一端到第二端之间逐渐收缩。在制作新颖耦合器的过程中，选择并配置各种参数，例如芯及包层的折射率及尺寸，和收缩分布，以便产生第一端有低数值孔径，和第二端有高数值孔径的波导，同时有利地使每一端上的插入损耗最小和耦合系数最大。按照本发明，要在新颖耦合器的合适端上产生需要的数值孔径，第二芯尺寸的选择，最好不足以引导光，而第二包层尺寸的选择，要与光波导装置支持的光学模数量匹配，使从第一端传播到第二端的光，在接近第二端处，从芯逸出至包层中。反之，从第二端传播到第一端的光，在接近第一端处，从包层迁移至芯中。包层最好被第三折射率的介质包围，该第三折射率低于包层的折射率。该介质可以空气或另一种气体、液态、凝胶、环氧树脂。或者，在下面结合图5讨论的本发明的另一个实施例中，该介质可以是附加的包层，它也在耦合器的第一和第二端之间收缩，形成原来包层上的辅助包层，在第二端上起波导作用。这种安排改进耦合器第二端上的耦合系数。在本发明再另一个实施例中，一个或两个新颖的耦合器与基于手征光纤的光波导装置一起，作为单个连续单元形成。现在参考图1，图上画出本发明第一实施例的光纤耦合器12，它作为接口组件10的一部分。耦合器12在光纤14(有光纤芯18和包层20)与光波导装置16之间起接口的作用。在详细说明新颖耦合器12之前，更详细讨论光纤14和光波导装置16，是有帮助的。光纤14可以是常规的有芯18及包层20(如图7A和7B所示)的低折射率对比光纤。如图1所示，光纤芯18有尺寸B，而光纤包层有尺寸A。光纤14另外的参数在图7B画出，如定义光从其中离开光纤芯18的“锥体”的角度θ。因此，光纤14的数值孔径可以表示为sin(θ)。或者，光纤14可以是有非圆形芯(如图8所示)的偏振保持光纤。或者，偏振保持光纤14可以是熊猫光纤，在熊猫光纤中，由与包层不同的玻璃制成的两种应力组分，在包层内平行于芯伸延。图6E画出一种熊猫光纤的示例性预制棒。有尺寸D的光波导装置16，可以是基于两维和/或三维光子晶体的、基于平面波导的、或基于手征光纤光栅的光学装置。特别是，在利用常规光纤的应用中，使用基于手征光纤光栅的光波导装置，是有利且理想的。这种手征光纤装置，公开在下面一并转让的美国专利中U.S.PatentNo.6,721,469，标题“ChiralIn-FiberAdjustablePolarizerApparatusandMethod”，U.S.PatentNo.6,792,169，标题“ChiralFiberSensorApparatusandMethod”，U.S.PatentNo.6,741,631，标题“CustomizableApodizedChiralFiberGratingApparatusandMethod”，以及下面一并转让的共同待决美国专利申请“ChiralFiberGrating”、“CustomizableChirpedChiralFiberBraggGrating”、“ChiralBroadbandTuningApparatusandMethod”、“ExtendedChiralDefectStructureApparatusandMethod”、和“LongPeriodChiralFiberGratingApparatus”，本文全文收录所有这些专利申请，供参考。如从图1可见，在芯18与光波导装置16的波导部分的直径，以及它们的数值孔径，存在显著的差别。这些差别是把光纤与光波导装置接口和拼接的关键障碍。按照本发明，新颖耦合器12的作用，在于解决因直径及数值孔径中的差别引起的这种障碍，同时使它的每一端上的插入损耗最小和耦合系数最大。耦合器12包括芯22和包层24，及相应的折射率nco和ncl，这里(nco＞ncl)。耦合器12也被诸如空气、别的气体、液体、或固体材料(未画出)等介质包围，有各自小于nco的折射率nm。耦合器12最好由根据图6A到6G所示任一光纤的光纤预制棒拉制。对要求耦合器12为偏振保持的应用，用于制作本发明耦合器的预制棒，也必须为偏振保持的(诸如图6B到6G所示的预制棒)。本发明的实质在于，芯22和包层24的尺寸，按照预定的收缩分布，在耦合器12的第一端28(与光纤14的接口)和耦合器12的第二端30(与光波导16的接口)之间收缩。这样，在端28和端30之间，芯22逐渐从尺寸B收缩到尺寸C，同时，包层24逐渐从尺寸A收缩到尺寸D。最好是，尺寸C的选择要不足以引导光，同时尺寸D的选择，要与光波导装置支持的光学模数量匹配，使从第一端28传播到第二端30的光，在接近第二端30处，从芯22逸出至包层24中。反之，从第二端30传播到第一端28的光，在接近第一端28处，从包层24迁移至芯22中。包层24的尺寸D能使它易于与例如光波导装置16的芯26接口。最好是，选择并配置尺寸A、B、C、和D，以及折射率nco、ncl、和nm，和收缩分布，使耦合器12两端28、30上的插入损耗最小和耦合系数最大。此外，按照本发明，ncl和nm之间的差，最好大于nco和ncl之间的差。虽然图1所示的收缩分布，表明芯22和包层24尺寸在端28、30之间按比例地收缩，但应当指出，作为不背离本发明精神的设计选择，收缩分布可以对芯22和包层24是不按比例的，因此它可以是随机的、线性的，它也可以根据数学函数(例如余弦函数)确定。制作耦合器12中的障碍之一是，尺寸A和B之间的差可能非常大，从而当应用按比例的收缩分布时，早在包层24到达需要的尺寸D之前，芯22可能到达不能引导光的尺寸。现在参考图2，在应用收缩分布之前，通过包层24直径的预先收缩，例如通过蚀刻，使包层24从尺寸A到更小的尺寸E，可以容易地克服这种障碍。这样，在耦合器12的制作过程中，包层24将从尺寸E收缩到尺寸D，而不是从尺寸A收缩到尺寸D。现在参考图6E到6G，如果耦合器12是基于熊猫光纤预制棒200，则围绕应力成分204、206(如图6F和6G所示)蚀刻预制棒200，产生非圆形断面的预制棒，以进一步增强耦合器12保持光的偏振的能力。现在参考图3，图上画出本发明耦合器的第二实施例，以耦合器50表示，可用作光纤60和光波导装置70之间的接口。光纤60和光波导装置70，除包围这些部件的介质是加在每一相应部件60、70上附加的包层外，基本上与图1的光纤14和光波导装置16相同。类似地，耦合器50，除包围其芯52及包层54的介质，是作为包围包层54的第二包层56(有折射率nm)配置外，与图1的耦合器12等价。随着收缩分布的应用，芯52从尺寸H收缩到尺寸I，包层54从尺寸G收缩到尺寸J，与此同时，第二包层56从尺寸F收缩到尺寸K。这种安排保证第二包层56把收缩了尺寸的包层54与周围环境隔离并保护包层54。现在参考图4，图上画出耦合器50的示例性实施例，以耦合器80表示，它除施加在它两端之间的收缩分布是不成比例的之外，在所有方面都与耦合器50相同。最好是，选择并配置尺寸F、G、H、I、J、和K，连同折射率nco、ncl、和nm及收缩分布，使耦合器50两端的插入损耗最小和耦合系数最大。虽然上面在图1、3、和4画出的耦合器12和50，各自依靠使用特殊配置的光纤拉制设备和适当的预制棒(例如图6A到6G所示的各个预制棒，或其他)，是容易制作的，但在本发明另一个实施例中，光波导装置可以与集成在其中的一个或两个新颖的耦合器，作为单一体制作。这种安排有利于简化波导装置与常规光纤的接口工作，不必使用分开的耦合器。现在参考图5，图上画出光波导装置100。装置100包括光波导单元102，单元102可以是基于手征光纤的装置，例如公开在上面引用的专利和专利申请中的装置，或任何其他光波导部件，该光波导单元102有第一端108及第二端110，和在两端108及110任一端上的耦合器104及106，或者，可供选择地在两端108及110上的耦合器104及106，是在任一端还是在两端，取决于装置100是在它的一端还是在它的两端与光纤(如图1的光纤14，或图3的光纤60)接口。耦合器104、106可以与图1的耦合器12相同，也可以与图3的耦合器50相同，且最好是与单元102作为单一连续体形成。如果波导单元102是基于手征光纤光栅的，那么装置100能够容易作为单一装置制作，该单一装置是利用公开在一并转让的共同待决美国专利申请的新颖设备，该专利申请标题为“ApparatusandMethodforFabricatingChiralFiberGrating”，本文全文收录该专利申请，供参考。现在参考图6A到6G，图上画出各种预制棒示例性实施例的断面，这些预制棒可用于制作耦合器12和/或耦合器50。首先参考图6A，如果最终的耦合器50不准备用于偏振保持，可以利用预制棒150。预制棒150包括芯152、包层154、和外包层156，与图3的芯52、包层54、和第二包层56对应。现在参考图6B，如果最终的耦合器50准备用于偏振保持，可以利用预制棒160。预制棒160包括芯162、包层164、和外包层166，与图3的芯52、包层54、和第二包层56对应。预制棒160需要的偏振保持性质，取决于非圆形芯162和非圆形包层164，以及它们彼此间的断面角度对准。现在参考图6C，如果最终的耦合器50准备用于偏振保持，可以利用预制棒170，预制棒170的作用，可以替代图6B的预制棒160，解决芯162与包层164的精确断面角度对准难题。预制棒170包括芯172、包层174、和外包层176，与图3的芯52、包层54、和第二包层56对应。芯172的圆形断面不要求与包层174精确的角度对准。代替的是，需要的偏振保持性质，是在拉制预制棒170时，由于外包层176施加在包层174上的应力，使芯172经受应力产生的双折射而获得的。现在参考图6D，虽然图6B和6C的预制棒160和170，分别要求对各芯、包层、和外包层使用三种不同的材料，但预制棒180只使用两种不同材料，实现预制棒160或170的目的。预制棒180有芯182和外包层186，围绕芯182定义一“虚的”包层184。通过以包围芯182的中空区188、190、192、194，按定义基本上矩形的区的方式，围绕芯182充当包层184(分别类似于图6B和6C的包层154、164)，来制作预制棒180，可以实现这一目的。这样，中空区188、190、192、194有折射率nm，充当外包层(分别类似于图6B和6C的外包层156、166)。现在参考图6E到图6G，图上画出的预制棒200有芯202、包层208、和两种应力组分204、206，该两种应力组分204、206由不同于包层208的玻璃制成，与芯202平行地置于包层208内(即，熊猫光纤)。这种安排能制作偏振保持耦合器12，因为在预制棒200的拉制过程中，应力组分204、206对芯202施加应力引起的双折射。正如上面结合图2的说明，图6F和图6G按收缩预制棒外直径的各种蚀刻的示例性状态，分别画出作为预制棒200的替代预制棒210、220。还应当指出，不管制作本发明耦合器使用的预制棒类型如何，在本发明的一个实施例中，在从预制棒制作新颖耦合器之前，预制棒(例如，图6A到6G预制棒的任一个)要与合适的光纤拼接。因此，本发明示于图1、3、4、和5的光纤耦合器实施例，克服了先前已知耦合器的所有缺点。这样，虽然已经出示并说明，还指出本发明在优选实施例的应用中基本的新颖特性，但是，应当指出，本领域熟练人员，在不偏离本发明的精神下，可以在举出的装置和方法的形式及细节中，和在它们的操作中，作出各种省略及替代和改变。例如，显而易见，按基本上相同方式，完成基本上相同功能，以达到相同结果的那些单元和/或方法步骤的所有组合，都在本发明范围之内。因此，应当认为，本发明只受后面权利要求书指出的范围限制。权利要求1.一种光纤耦合器，与有至少一个光学模容量的光波导装置一起使用，该光纤耦合器包括一种延长的光纤单元，具有第一端、第二端、第一折射率的耦合器的芯、所述第一端上的第一芯尺寸、及所述第二端上的第二芯尺寸；和耦合器包层，具有第二折射率、所述第一端上的第一包层尺寸、及所述第二端上的第二包层尺寸；所述第二芯及包层尺寸基本上小于所述第一芯及包层尺寸，所述耦合器包层被第三折射率的介质包围，其中所述第一折射率大于所述第二折射率，其中所述第二折射率大于所述第三折射率，其中所述第二与所述第三折射率之间的差，大于所述第一与所述第二折射率之间的差，其中所述第一芯尺寸及所述第一包层尺寸，在所述第一端与所述第二端之间沿所述光纤单元，按照预定的收缩分布逐渐收缩，直至达到所述相应的第二芯尺寸及所述第二包层尺寸，其中所述第二芯尺寸的选择，要不足以引导光，所述第二包层尺寸的选择，要引导光波导装置模容量中至少一种模，使从所述第一端传播到所述第二端的光，在接近所述第二端处，从所述芯逸出至所述包层中，且从所述第二端传播到所述第一端的光，在接近所述第一端处，从所述包层迁移至所述芯中，从而使所述第一端形成低数值孔径的波导和所述第二端形成高数值孔径的波导。2.按照权利要求1的耦合器，其中选择并配置所述第一、第二、和第三折射率，以便在所述第一端和所述第二端的每一端上，使耦合系数最大化。3.按照权利要求1的耦合器，其中进一步选择并配置所述第一芯尺寸及所述第一包层尺寸、所述第二芯尺寸及所述第二包层尺寸、和所述预定收缩分布，以便在所述第一端和所述第二端的每一端上，使耦合系数最大化。4.按照权利要求1的耦合器，其中所述预定收缩分布，包括如下之一把所述第一芯尺寸和所述第一包层尺寸中的每一个，彼此按比例地收缩到所述相应的第二芯尺寸和所述第二包层尺寸；和把所述第一芯尺寸及所述第一包层尺寸中的每一个，彼此按不同比率地收缩至所述相应的第二芯尺寸及所述第二包层尺寸。5.按照权利要求1的耦合器，其中所述预定收缩分布，按照如下之一确定线性数学函数、非线性数学函数、和随机函数。6.按照权利要求1的耦合器，其中所述延长的光纤单元，被配置成偏振保持的。7.按照权利要求6的耦合器，其中所述包层在接近所述第二端处，包括非圆形断面，且其中所述芯在接近所述第一端处，包括非圆形断面。8.按照权利要求1的耦合器，其中所述介质是如下的一种气体、液体、凝胶、或固体环境。9.按照权利要求1的耦合器，其中所述介质是附加的包层，所述附加包层在所述第一端有第一附加包层尺寸并在所述第二端有第二附加包层尺寸，其中所述第一附加包层尺寸，在所述第一端与所述第二端之间沿所述光纤单元逐渐收缩，直至达到所述相应的第二附加包层尺寸，且其中所述第二包层尺寸的选择，要能把所述耦合器包层，在所述第二端处及接近所述第二端处，与周围环境充分隔离。10.按照权利要求9的耦合器，其中所述预定收缩分布，包括如下之一把所述第一芯尺寸、所述第一包层尺寸、及所述第一附加包层尺寸中的每一个，彼此按比例地收缩至所述相应的第二芯尺寸、所述附加第二包层尺寸、及所述第二包层尺寸；和把所述第一芯尺寸、所述第一包层尺寸、及所述第一附加包层尺寸中的每一个，彼此按不同比率地收缩至所述相应的第二芯尺寸、所述附加第二包层尺寸、及所述第二包层尺寸。11.按照权利要求9的耦合器，其中至少下列之一所述第一芯尺寸、所述第一包层尺寸、所述第一附加包层尺寸、及所述第二芯尺寸、所述第二包层尺寸与所述第二附加包层尺寸、及所述预定收缩分布，被进一步选择和配置，以便在所述第一端和所述第二端的每一端上，使耦合系数最大化。12.一种耦合器，用于在有第一芯、第一包层、第一接口端、和在第一接口端有第一数值孔径的光纤，与有第二芯、第二包层、第二接口端、和在第二接口端有第二数值孔径并有至少一个光学模容量的光波导装置之间进行接口，该耦合器包括一种延长的光纤单元，具有第一端、第二端、所述第一端上的第一耦合器数值孔径、所述第二端上的第二耦合器数值孔径、第一折射率的耦合器的芯、所述第一端上的第一芯尺寸、及所述第二端上的第二芯尺寸；和耦合器包层，具有第二折射率、所述第一端上的第一包层尺寸、及所述第二端上的第二包层尺寸；所述耦合器包层被第三折射率的介质包围，其中所述第一折射率大于所述第二折射率，其中所述第二折射率大于所述第三折射率，其中所述第二与所述第三折射率之间的差，大于所述第一与所述第二折射率之间的差，其中所述光纤单元位于光纤与光波导装置之间，使所述第一端基本上与第一接口端对准，和所述第二端基本上与第二接口端对准，其中所述第一芯尺寸及所述第一包层尺寸，在所述第一端及所述第二端之间沿所述光纤单元，按照预定的收缩分布逐渐收缩，直至达到所述相应的第二芯尺寸及所述第二包层尺寸，其中，在所述第一端上，选择并配置所述第一与所述第二折射率，使所述第一耦合器数值孔径基本上类似于所述第一数值孔径，并使从中通过的光的插入损耗最小，且其中，在所述第二端上，选择并配置所述第二与所述第三折射率，使所述第二耦合器数值孔径基本上类似于所述第二数值孔径，并使从中通过的光的插入损耗最小，据此在光纤与光波导装置之间形成高耦合系数的接口。13.按照权利要求12的耦合器，其中所述第一芯尺寸及所述第一包层尺寸、和所述第二芯尺寸及所述第二包层尺寸、与所述预定收缩分布，被进一步选择和配置，以便在所述第一端和所述第二端的每一端上，使耦合系数最大化。14.按照权利要求12的耦合器，其中所述第二芯尺寸充分地小，使当光信号通过所述第二端，进入芯模并向所述第二端传播，基本上接近所述第二端时，所述芯模被耦合进包层模；和当光信号通过所述第二端，进入包层模并向所述第一端传播，基本上接近所述第一端时，所述包层模被耦合进芯模。15.按照权利要求12的耦合器，其中所述光波导装置从如下一组选出基于手征光纤光栅的光学装置、基于两维或三维光子晶体的光学装置、和基于平面波导的光学装置。16.按照权利要求12的耦合器，其中所述介质是如下的一种气体、液体、凝胶、或固体环境。17.按照权利要求12的耦合器，其中所述介质是附加的包层，所述附加包层在所述第一端有第一附加包层尺寸并在所述第二端有第二附加包层尺寸，其中所述第一附加包层尺寸，在所述第一端与所述第二端之间沿所述光纤单元逐渐收缩，直至达到所述相应的第二附加包层尺寸，且其中所述第二包层尺寸的选择，要能把所述耦合器包层，在所述第二端处及接近所述第二端处，与周围环境充分隔离。18.按照权利要求12的耦合器，其中所述预定收缩分布，包括如下之一把所述第一芯尺寸和所述第一包层尺寸中的每一个，彼此按比例地收缩至所述相应的第二芯尺寸和所述第二包层尺寸；和把所述第一芯尺寸和所述第一包层尺寸中的每一个，彼此按不同比率地收缩至所述相应的第二芯尺寸和所述第二包层尺寸。19.按照权利要求12的耦合器，其中所述预定收缩分布，按照如下之一确定线性数学函数、非线性数学函数、和随机函数。20.按照权利要求12的耦合器，其中所述延长的光纤单元，被配置成偏振保持的。21.按照权利要求17的耦合器，其中所述包层在接近所述第二端处，包括非圆形断面，且其中所述芯在接近所述第一端处，包括非圆形断面。22.一种光波导装置，被配置在有第一接口端、且在第一接口端处有第一数值孔径的第一光纤，与有第二接口端、且在第二接口端处有第二数值孔径的第二光纤之间进行接口，该光波导装置包括光波导装置单元，具有第一单元端、第二单元端、和所述第一及第二单元端上的第三数值孔径；位于所述第一单元端上的第一光纤耦合器，具有被配置与第一接口端接口的第一端、与所述第一单元端连接的第二端、所述第一端上的第一耦合器数值孔径、所述第二端上的所述第三数值孔径、第一折射率的第一耦合器芯、所述第一端上的第一芯尺寸、及所述第二端上的第二芯尺寸；还有第二折射率的第一耦合器包层、所述第一端上的第一包层尺寸及所述第二端上的第二包层尺寸，所述第一耦合器包层被第三折射率的介质包围，其中所述第一折射率大于所述第二折射率，其中所述第二折射率大于所述第三折射率，其中所述第二与所述第三折射率之间的差，大于所述第一与所述第二折射率之间的差，其中所述第一芯尺寸及所述第一包层尺寸，在所述第一端与所述第二端之间沿所述第一光纤耦合器，按照预定的收缩分布逐渐收缩，直至达到所述相应的第二芯尺寸及所述第二包层尺寸，其中，在所述第一端上，选择并配置所述第一与所述第二折射率，使所述第一耦合器数值孔径基本上类似于所述第一数值孔径，并使从中通过的光的插入损耗最小，且其中，在所述第二端上，选择并配置所述第二与所述第三折射率，以产生所述第三数值孔径；和位于所述第二单元端的第二光纤耦合器，具有与所述第二单元端连接的第三端及被配置与第二接口端接口的第四端、所述第三端上的所述第三数值孔径、所述第四端上的第二耦合器数值孔径、第四折射率的第二耦合器芯、所述第三端上的第三芯尺寸、及所述第四端上的第四芯尺寸；还有第五折射率的第二耦合器包层、所述第三端上的第三包层尺寸及所述第四端上的第四包层尺寸，所述第二耦合器包层被第三折射率的所述介质包围，其中所述第四折射率大于所述第五折射率，其中所述第五折射率大于所述第三折射率，其中所述第五与所述第三折射率之间的差，大于所述第四与所述第五折射率之间的差，其中所述第三芯尺寸及所述第三包层尺寸，在所述第三端与所述第四端之间沿所述第二光纤耦合器，按照所述预定收缩分布的逆分布逐渐增加，直至达到所述相应的第四芯尺寸及所述第四包层尺寸，其中，在所述第四端上，选择并配置所述第四与所述第五折射率，使所述第二耦合器数值孔径基本上类似于所述第二数值孔径，并使从中通过的光的插入损耗最小，且其中，在所述第三端上，选择并配置所述第五与所述第三折射率，以产生所述第三数值孔径，据此形成的光纤波导装置，能在每一端以最小插入损耗及高的耦合系数与标准光纤接口。23.按照权利要求22的光波导装置，其中所述光波导装置单元，是从如下一组选出基于手征光纤光栅的光学装置、基于两维或三维光子晶体的光学装置、和基于平面波导的光学装置。24.按照权利要求22的光波导装置，其中所述第一耦合器、所述第二耦合器、和所述光波导装置单元，是作为单一连续体形成的。25.按照权利要求22的光波导装置，其中所述第一和所述第二数值孔径，基本上相互类似。26.一种光波导装置，被配置与有接口端和在该接口端上有光纤数值孔径的光纤接口，该光波导装置包括光波导装置单元，具有第一单元端、第二单元端、和所述第一及第二单元端上的波导数值孔径；和位于所述第一单元端上的第一光纤耦合器，具有被配置与接口端接口的第一耦合器端、与所述第一单元端连接的第二端、所述第一耦合器端上的耦合器数值孔径、所述第二耦合器端上的所述波导数值孔径、第一折射率的耦合器芯、所述第一耦合器端上的第一芯尺寸、及所述第二耦合器端上的第二芯尺寸；还有第二折射率的耦合器包层、所述第一耦合器端上的第一包层尺寸及所述第二耦合器端上的第二包层尺寸，所述耦合器包层被第三折射率的介质包围，其中所述第一折射率大于所述第二折射率，其中所述第二折射率大于所述第三折射率，其中所述第二与所述第三折射率之间的差，大于所述第一与所述第二折射率之间的差，其中所述第一芯尺寸及所述第一包层尺寸，在所述第一耦合器端与所述第二耦合器端之间沿所述光纤耦合器，按照预定的收缩分布逐渐收缩，直至达到所述相应的第二芯尺寸及所述第二包层尺寸，其中，在所述第一耦合器端上，选择并配置所述第一与所述第二折射率，使所述耦合器数值孔径基本上类似于所述光纤数值孔径，并使从中通过的光的插入损耗最小，且其中，在所述第二端上，选择并配置所述第二与所述第三折射率，以产生所述波导数值孔径。27.按照权利要求26的光波导装置，其中所述光波导装置单元是从如下一组选出基于手征光纤光栅的光学装置、基于两维或三维光子晶体的光学装置、和基于平面波导的光学装置。28.按照权利要求26的光波导装置，其中所述光波导装置单元和所述耦合器，是作为单一连续体形成的。29.一种制作与光波导装置一起使用的光纤耦合器的方法，该光波导装置有至少一个光学模的容量，本方法包括的步骤有(a)提供延长的光纤单元，它具有第一端、第二端、耦合器芯、和耦合器包层，所述耦合器包层被介质包围；(b)为所述耦合器芯选择第一折射率，为所述耦合器包层选择第二折射率，和为所述介质选择第三折射率，其中所述第一折射率大于所述第二折射率，其中所述第二折射率大于所述第三折射率，且其中所述第二与所述第三折射率之间的差，大于所述第一与所述第二折射率之间的差；(c)选择所述第一端上的第一芯尺寸和第一包层尺寸；(d)选择所述第二端上的第二芯尺寸和第二包层尺寸，所述第二芯和包层尺寸，小于所述第一芯和包层尺寸，其中所述第二芯尺寸的选择，要不足以引导光，所述第二包层尺寸的选择，要与光波导装置的光学模容量匹配，使从所述第一端传播到所述第二端的光，在接近所述第二端处，从所述芯逸出至所述包层中，且从所述第二端传播到所述第一端的光，在接近所述第一端处，从所述包层迁移至所述芯中，从而所述第一端形成低数值孔径的波导和所述第二端形成高数值孔径的波导；(e)选择预定的收缩分布，该分布确定所述所述第一端与所述第二端之间，所述第一芯和包层尺寸到所述第二芯和包层尺寸的变化；和(f)按照所述预定收缩分布，在所述所述第一端与所述第二端之间，沿所述光纤单元，逐渐收缩所述第一芯和包层尺寸，直至达到所述相应的第二芯尺寸和所述第二包层尺寸。30.按照权利要求29的方法，其中在所述步骤(e)中，所述第一芯尺寸和所述第一包层尺寸，每一个都彼此按比例地收缩到所述相应的第二芯尺寸和所述第二包层尺寸。31.按照权利要求29的方法，其中所述步骤(f)包括如下步骤之一(g)把所述第一芯尺寸和所述第一包层尺寸中的每一个，彼此按比例地收缩到所述相应的第二芯尺寸和所述第二包层尺寸；和(h)把所述第一芯尺寸及所述第一包层尺寸中的每一个，彼此按不同比率地收缩至所述相应的第二芯尺寸及所述第二包层尺寸。32.按照权利要求29的方法，其中所述预定收缩分布，按照如下之一确定线性数学函数、非线性数学函数、和随机函数。33.按照权利要求29的方法，其中在所述步骤(b)中，选择并配置所述第一端和所述第二端上的所述第一和所述第二折射率，与所述第三端上的所述第三折射率，使进入所述第一端或所述第二端的光的插入损耗最小，并使所述第一和所述第二端的每一个上的耦合系数最大。34.按照权利要求29的方法，还包括如下步骤(i)结合光波导装置的制作，执行步骤(a)到(f)，以产生作为单一连续体的所述光纤耦合器和所述光波导装置。35.按照权利要求29的方法，还包括如下步骤(i)结合光波导装置的制作，执行步骤(a)到(f)中每一步骤两次，以产生作为单一连续体的、在其间有所述光波导装置的两个所述光纤耦合器。全文摘要提供一种能在常规光纤与光波导装置之间提供低损耗、高耦合系数的光纤耦合器。该新颖的耦合器如果在它的制作中使用偏振保持性能的话，可以是偏振保持的，该新颖的耦合器包括，芯、包层、与光纤接口的第一端、和与光波导装置接口的第二端。芯和包层的尺寸，从第一端到第二端按照预定的收缩分布逐渐收缩。选择各种参数，例如折射率和芯及包层的尺寸，以及收缩的分布，以便产生低数值孔径的第一端和高数值孔径的第二端，同时有利地使每一端上的插入损耗最小和耦合系数最大。在另一个实施例中，该新颖的耦合器包括辅助包层，该辅助包层也在第一和第二端之间收缩，以改进耦合器结构在第二端的强度。在又一个实施例中，一个或两个新颖的耦合器与基于手征光纤的光波导一起，作为单个连续单元形成。用于制作新颖耦合器的光纤预制棒，可以在制作前蚀刻，以利于收缩分布的应用。文档编号G02B6/42GK1918496SQ200480041825公开日2007年2月21日申请日期2004年12月18日优先权日2003年12月18日发明者维克特·I·库伯,维克特·特乔里柯弗,乔纳森·星格尔,丹尼尔·纽格罗斯奇尔申请人:手性光子公司