光扩散光纤的光耦合设备和方法
【专利说明】光扩散光纤的光輔合设备和方法
[0001 ] 本申请根据35U.S.C.§120，要求2013年8月23日提交的美国申请序列第13/974580号的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。
技术领域
[0002]本发明涉及光纤连接件和光扩散光纤，具体地，涉及光扩散光纤的光-光耦合设备以及方法。
[0003]本文所述的任何出版物或专利文献的全文内容通过参考结合于本文。
【背景技术】
[0004]光纤被用于需要将光从光源传递到远处位置的各种应用。例如，光通信系统依靠光纤网络将光从服务提供者发送给系统的终端用户。
[0005]光纤通常被设计成将光从光纤的一端(通常经过长距离)有效地传递到光纤的另一端，这要求从典型光纤侧面散失的光非常少。但是，许多应用如特殊光照、标志或生物应用，包括细菌生长以及光-生物能和生物质燃料的生产，都需要以有效的方式将选定量的光提供给指定区域。
[0006]为此，开发了光扩散光纤，例如参见美国专利第7,450,806号以及尚未授权的公开号US2012/0275180、US2011/0122646和US2013/0107565所述。光扩散光纤配置成沿着光纤的长度将光从光纤散射出来。光扩散光纤被用于各种应用，例如光源(参见例如WO 2013/055842 Al)。
[0007]可以将光扩散光纤与激光二极管光源光学耦合(optically coupled)，由于激光二极管小且较低的数值孔径(NA)，親合效率(coupling efficiency)大于90%。但是，对于某些应用，优选使用发光二极管(LED)作为光源。LED与光扩散光纤的耦合(coupling)是具有挑战性的，因为光扩散光纤的纤芯直径可以是125-250wn，并且NA约为0.35，而LED的尺寸大于或等于约1mm，并且具有大NA，例如约为0.86至高至约I。
[0008]在光学系统中，聚光率(etendue)是守恒的。在与光源和光纤相关的几何方面，如果&和如分别是光源发光区域和纤芯的尺寸，并且NAdPNA2分别是光源和光纤数值孔径，则Ai.(NAO2 = A2.(NA2)2。因此，光扩散光纤和LED光源之间的光耦合会是不可接受的低，这是由于数值孔径和发射/接收区域之间的失配导致的。
【发明内容】
[0009]本发明的一个方面是光纤设备。该光纤设备具有数根光扩散光纤，每根光扩散光纤分别具有折射率为m的圆柱形玻璃纤芯和折射率n2〈m的围绕包层，其中，每根光扩散光纤的端部区段去除了包层，使得纤芯暴露出来。将玻璃纤芯布置成捆紧束，纤芯之间具有空隙。在空隙中存在折射率为nM的透明材料，其中，nM ^ m。
[0010]本发明的另一个方面是光親合(light-coupling)设备。该光親合设备包括上文所述的光纤设备，其具有第一尺寸和形状的端面。光耦合设备还包括LED光源，其具有发射光的输出端，所述输出端具有第二尺寸和形状，其基本与所述第一尺寸和形状相同。LED光源的输出端与光纤设备的端面接合，从而建立光从LED进入光纤设备的对接耦合(butt-coupling)ο
[0011]本发明的另一个方面是光耦合设备，其包括上文所述的光纤设备，并且该光纤设备具有数值孔径NAb以及第一尺寸和第一形状的端面。光耦合设备还包括LED光源，所述LED光源的数值孔径NAs>NAb，并且其输出端的第二尺寸小于所述第一尺寸以及该输出端具有基本相同的第一形状，其中，该输出端发射光。光耦合设备还具有反射集中器，其可操作地布置在LED光源和光纤设备之间，从而使得至少一部分来自LED光源的光从反射集中器反射，并以基本匹配光纤设备的数值孔径NAb的方式进入光纤设备的端面。光耦合设备在位于例如300-2000nm波长范围(例如350-2000nm)的波长处运行。根据一些实施方式，光纤纤芯在位于这些波长范围内的至少一个波长λ处是透明的，并且涂层在位于该波长范围内的至少一个波长λ处也可以是透明的。
[0012]本发明的另一个方面是对光扩散光纤的端部进行加工的方法，所述光扩散光纤具有纤芯和围绕纤芯的包层。该方法包括:劈开光扩散光纤，以形成经劈开的端部，其中，纤芯具有粗糙端;将可紫外(UV)固化材料沉积到粗糙端上;将非粘性UV透明板放置抵靠住可UV固化材料和劈开端部，以形成可UV固化材料的平坦表面；以及用UV光贯穿非粘性UV透明板(其对于UV波长(例如，300-450nm，如310、350nm、380nm或者400nm)是透明的)照射可UV固化材料，以使得可UV固化材料固化，从而在劈开端部形成光滑且平坦的硬化表面。
[0013]本发明的另一个方面是光親合(Iight-coupl ing)设备。光親合设备具有光扩散光纤(LDF)束，其具有多根光扩散光纤，每根光扩散光纤分别具有折射率为m的圆柱形玻璃纤芯和折射率η2〈ηι的围绕包层，其中，每根光扩散光纤的端部区段去除了包层，使得玻璃纤芯暴露出来。将玻璃纤芯布置成捆紧束，纤芯之间具有空隙。在空隙中存在折射率为IW1的第一透明材料，其中，IW1Snlt3LDF束具有第一尺寸和第一形状的端面。设备还具有LED光源，其具有输出端，所述输出端具有第二尺寸和第二形状，其基本匹配所述第一尺寸和形状，并且其发射光。设备还包括具有第一端和第二端的透明杆，其布置在LEF束的端面与LED光源的输出端之间并且与它们接触。设备还包括具有内部空间的外壳，其容纳了 LED光源、透明杆和LDF束的端面。透明外壳具有侧壁，其对于来自LED光源的光是大致透明的，并且对在侧壁中移动的一部分光进行散射。
[0014]本发明的另一个方面是将来自LED的光耦合进入到多根光扩散光纤中的方法，所述多根光扩散光纤分别具有玻璃纤芯和包层，其各自的折射率为m和n2。该方法包括:从所述多根光纤的每一根的端部区段去除一部分包层，以形成具有相应纤芯端的暴露纤芯;将暴露的玻璃纤芯布置成捆紧束，其在捆紧束纤芯之间具有空隙；用透明材料(即对于位于300-2000nm波长范围(例如350-2000nm范围)内的波长或多个波长是透明的材料)填充空隙，以限定光扩散纤芯束，所述透明材料的折射率为nM1，其中nM1 Sm，所述光扩散纤芯束具有端面，其包括纤芯端和一部分的所述材料；以及将光从LED导入到端面中，从而在纤芯和材料内移动。
[0015]本发明的另一个方面是光纤设备，其包括布置成束的多根光扩散光纤。每根光纤具有数值孔径(NA)、折射率为m的圆柱形玻璃纤芯以及折射率仍彳加的围绕包层。每根光扩散光纤的每个端部区段分别去除了包层，从而将纤芯暴露出来。光纤的端部区段处暴露出来的玻璃纤芯熔合在一起，在束的端部形成固体玻璃熔合的纤芯区段。较低折射率包层材料围绕束的熔合纤芯区段，从而限定了与单光纤NA基本匹配的熔合纤芯NA。
[0016]在以下的详细描述中给出了本发明的其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域技术人员而言是容易理解的，或通过实施文字描述和其权利要求书以及附图中所述实施方式而被认识。应理解，上面的一般性描述和下面的详细描述都仅仅是示例性的，用来提供理解权利要求书的性质和特点的总体评述或框架。
【附图说明】
[0017]所附附图提供了对本发明的进一步理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。【附图说明】了本发明的一个或多个实施方式，并与详细描述一起用来解释各种实施方式的原理和操作。因此，结合附图，通过以下详细描述会更好地理解本发明，图中:
[0018]图1是示例性光扩散光纤(LDF)的放大正视图；
[0019]图2是由9根LDF构成的示例性LDF束的正视图，其中，束在光纤之