不对称光纤耦合器的制造方法
【专利说明】不对称光纤耦合器
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本专利申请要求2013年2月I日提交的美国临时申请序列N0.61/759，482的优先权，其内容通过引用结合于此。
技术领域
[0003]本发明涉及光学耦合器领域，更具体而言，涉及用于内窥镜、光相干断层成像(tomography)、共焦显微镜和共焦显微内镜此类的親合器。
技术背景
[0004]光纤耦合器在许多类型的成像和感测系统中被使用，其具有一个或多个输入光纤和一个或若干个输出光纤。此类耦合器可以不同方式制造，例如通过热熔光纤以使其芯变得紧密接触。在许多医学成像系统中，经由激光源在耦合器的第一端口提供照明，经由扫描设备在耦合器的第二端口进行输出信号的采样，且可在耦合器的第一和第三端口两者进行检测。取决于应用，各种类型的检测是可能的。
[0005]基于光纤耦合器的医疗成像系统通常面临两个主要挑战:1)斑点，这是与使用激光和单模光纤时与时间和空间相干成像有关的问题，以及2)对可从第二端口提取到第三端口以及从第三端口注入到第二端口的多模信号量的理论均分限制。
[0006]因此需要开发能克服这些挑战的光纤耦合器，特别是需要开发用于医疗成像和感测应用的经改善的光纤耦合器。
[0007]概述
[0008]已经知晓，现有技术的光耦合器受50%的多模态传输的理论均分极限的限制，如由相同维度和相同结构所表征的第一光纤和第二光纤(参见美国专利申请号2012/0190928，通过援引将其内容合并于此)。发现此类光耦合器的最高多模态传输为43%。尽管接近50%的理论均分极限，然而发现实现接近或高于43%具有挑战性。
[0009]本文描述了一种不对称光耦合器，其具有不同于且不限于现有技术的光纤耦合器的理论均分极限的理论极限。因此，实现高于50%的多模态传输是可能的。
[0010]已经发现，光纤耦合器的不对称性可由集光率比来量化，该集光率比被定义为G3/G1，其中Gi由下式给出:
[0011]Gi = JT Si (NAi) 2 ；
[0012]其中Gi是光纤i的集光率，Si是光纤i的串扰部分的横截面区域的表面，而NAi是串扰部分的光纤I的数值孔径。已经发现，通过增大集光率比，多模态传输可无征兆地朝100%增加。因此，通过以增加集光率比的方式来设计第一和第二光纤，可实现高于50%的多模态传输。
[0013]根据一个方面，提供了一种多包层光纤，其具有引导单模信号的单模芯和引导多个模式(也被称为多模信号)的至少一个内多模包覆。该多包层光纤可以沿耦合区域光学耦合于具有不同集光率的第二光纤以创建具有在该多包层光纤和该第二光纤之间增强的双向光传输函数的光纤耦合器。不同的集光率可由不同的横截面面积和不同的数值孔径中的至少一者来提供。
[0014]根据另一方面，提供了可实现高于50% (优选高于60%且最优选地高于70%)的多模态传输的光纤親合器。
[0015]根据另一方面，提供了可被表征为高于1.5 (优选高于2且最优选地高于10)的集光率比的光纤耦合器。
[0016]根据另一方面，提供了一种光纤耦合器，其包括:第一光纤，所述第一光纤具有位于第一末端和第二末端之间的第一串扰部分，并具有第一单模芯、至少一个内多模包覆、以及第一外包覆，所述第一串扰部分具有第一集光率；第二光纤，所述第二光纤具有位于第三末端和第四末端之间的第二串扰部分，所述第二串扰部分具有第二集光率，所述第二集光率相对于所述第一集光率形成不同于I的集光率比；以及耦合区域，所述第一串扰部分在所述耦合区域耦合于所述第二串扰部分；其中所述集光率比指示所述第一光纤的所述第二末端和所述第二光纤的所述第三末端之间的多模信号的传输。
[0017]根据另一方面，提供了一种光纤耦合器，其包括:第一光纤，所述第一光纤具有第一末端、第二末端、在所述第一末端和所述第二末端之间的第一中间部分、以及第一横截面，并具有支持单引导模式的第一芯以及比所述第一芯大的用于引导多个模式的第一内包覆；第二光纤，所述第二光纤具有第三末端、第四末端以及在所述第三末端和第四末端之间的第二中间部分，并具有在结构和尺寸中的至少一者上不同于所述第一横截面的第二横截面，由此所述第二横截面的尺寸不同于所述第一横截面的尺寸；以及由第一中间部分熔合到所述第二中间部分构成的熔合区域以用于单模信号在从所述双包层光纤的所述第一末端到所述第二末端保持在所述芯中，以及用于所述第一内包覆中的多模信号至少部分被传送到所述第二光纤。
[0018]根据另一方面，提供了一种用于制造光耦合器的方法，其包括:提供第一光纤，所述第一光纤具有第一末端、第二末端和位于所述第一末端和所述第二末端之间的第一串扰部分，并具有第一芯、至少一个内包覆、以及第一外包覆，所述第一串扰部分具有第一集光率；提供第二光纤，所述第二光纤具有第三末端、第四末端、位于所述第三末端和所述第四末端之间的第二串扰部分，所述第二串扰部分具有第二集光率，所述第二集光率不同于所述第一集光率；将所述第一光纤的所述第一串扰部分的至少特定区段定位成与所述第二光纤的所述第二串扰部分的特定区段接触并沿着所述第二光纤的所述第二串扰部分的所述特定区段；以及以形成熔合区域的模式向所述第一和第二串扰部分的那两个特定区域提供热；其中所述熔合区域允许单模信号在所述第一光纤的所述第一末端和所述第二末端之间留在所述第一芯中，并且允许所述至少一个内包覆之一中多模信号被双向传送到所述第二光纤。
[0019]根据另一方面，提供了可在用于干涉测量检测、内窥镜、多模态内窥镜、共焦显微内镜、共焦显微镜、非线性显微镜、非线性显微内镜、光相干断层成像、以及其他应用的成像系统中使用的光耦合器，如将在下面更详细地描述的。
[0020]在一个实施例中，该熔合区域允许单模信号从第一端口到第二端口(以及反过来)沿单模芯的近乎无损传输。更具体而言，提供了可实现高于85% (优选高于90%且最优选地高于95% )的单模态传输的光纤親合器。
[0021]在另一实施例中，该多模信号的超过70%可被从该光耦合器的第二端口提取到第三端口。更具体而言，该多模信号的超过50%可被从该多包层光纤的至少一个内包覆提取到该第二光纤。在一些其他实施例中，该多模信号从该第二端口到该第三端口的提取可被包括在约60%和约70%之间。在一些实施例中，该多个模式的提取大于50%。
[0022]根据另一方面，提供了可被用于基于激光烧蚀、热疗法和/或凝结的治疗系统的光耦合器。在此情况下，光纤耦合器被用于发射成像激光穿过该多包层光纤的单模芯并在该多包层光纤的该至少一个内包覆中发射治疗激光穿过该光纤耦合器的第三端口。
[0023]在另一实施例中，该多模信号的超过50%可被从该光耦合器的第三端口注入到第二端口。更具体而言，该多模信号的超过50%可被从该第二光纤注入到该多包层光纤的至少一个内包覆。
[0024]在阅读本公开之后，本领域技术人员将明了关于本改进的许多其他特征及其组入口 ο
[0025]附图简述
[0026]通过下面的详细描述，结合附图，本发明的进一步的特征和优点将变得显而易见，附图中:
[0027]图1是示出作为集光率比的函数从第一光纤到第二光纤的多模信号的传输的示例的图；
[0028]图2解说了光纤耦合器的一般性实施例；
[0029]图3解说了具有不同尺寸的第一和第二双包层光纤的光纤耦合器的实施例；
[0030]图4解说具有第一化学蚀刻双包层光纤的光纤耦合器的实施例；
[0031]图5解说具有被变形以获得内单模包覆(cladding)的第一光纤的光纤耦合器的实施例；
[0032]图6解说了耦合区域的在下游部分和上游部分之间呈现不对称性的第一双包层(double-clad)光纤和第二无芯光纤的光纤親合器的实施例；
[0033]图7解说了具有第一双包层光纤和第二多模光纤的光纤耦合器的实施例；
[0034]图8解说了具有第一双包层光纤和第二单模光纤的光纤耦合器的实施例；
[0035]图9解说了具有第一化学蚀刻双包层光纤和第二预先削锥(pre-tapered)的多模光纤的光纤耦合器的实施例，其中第一和第二光纤仅在耦合区域的下游部分被熔合；
[0036]图10解说具有第二预先削锥多模光纤的光纤耦合器的实施例；
[0037]图11解说了具有第一化学蚀刻双包层光纤和第二预先削锥多模光纤