专利名称：小型化的光纤透镜及其制造方法
相关申请的交叉引用本申请要求标题为“Lensed fiber having small form factor and method ofmaking the same”，申请于2003年1月23日的美国临时申请60/442,150的优先权。
背景技术：
本发明一般涉及在光通信网络中的光纤与光学器件之间耦合光的方法和器件。本发明特别涉及聚焦或准直光束的光纤透镜及其制造方法。
光以发散光束的形式在光纤端部出现。在准直应用中，使用透镜将该发散光束变换为大体平行的光束。如果要使光大体上注入另一根光纤，则需要起到相反作用的另一个透镜。在聚焦和聚光应用中，使用透镜将发散光束变换为略微会聚的光束。通常，必需将透镜与光纤完全耦合，以使发散光束有效地变换为大体平行的光束或略微会聚的光束。一种透镜与光纤耦合的方法是依据聚焦步骤的。在这种方法中，将平凸透镜熔接到光纤以形成称作光纤透镜的单体(monolithic)器件。
光纤透镜是有利的。因为它们不需要有源光纤-透镜调准和/或将光纤粘合到透镜，它们具有低插入损耗、允许器件最小化和设计灵活性。光纤透镜易于排列，因此期望用于制造诸如可变光学衰减器和光学隔离器的阵列器件，可用于矽微平台、高功率连接器和不相似光纤连接器，以及用于将光信号耦合到微光器件中。从光纤透镜中产生的光束特别具有完美的高斯轮廓。此外，光束直径和工作距离能够适合应用要求。
图1A示出现有技术的光纤透镜100，它具有与光纤104熔接的平凸透镜102。透镜102具有凸表面106。凸表面106的曲率半径(Rc)和透镜102的厚度(T)依赖于所需的光学特性。在图1A中，凸表面106具有大的半径，例如，大于60μm。图1B示出具有小的曲率半径的凸表面106的透镜结构。在图1A和1B示出的现有技术光纤透镜中，透镜102的总直径是凸表面106曲率半径的两倍。通常，曲率半径越大，可能的光束直径和工作距离的范围越广，制作光纤透镜使之适合应用要求的灵活性就越高。另一方面，曲率半径越大，光纤透镜的总直径也越大。大的光纤透镜使器件变大，并增加材料和封装成本。
如上所述，需要一种小型化并且具有宽范围的光束直径和工作距离的光纤透镜。
发明概要在一方面，本发明涉及包括光纤和在该光纤末端形成的透镜的光纤透镜。该透镜的最小直径由2·T·tan(θ)确定，其中θ＝n·sin-1(NA)，T是透镜厚度，n是透镜折射率，NA是光纤的数值孔径。
在另一方面，本发明涉及制造具有光纤和透镜的光纤透镜的方法。该方法包括将一根光纤和一根无芯光纤熔接，根据所需透镜厚度将无芯光纤缩短到所需长度，并在无芯光纤的末端激光加工预定的曲率半径。
在另一方面，在另一方面，本发明涉及制造具有光纤和透镜的光纤透镜的方法。该方法包括将一根光纤和一根无芯光纤熔接，该无芯光纤的最小直径由2·T·tan(θ)确定，其中θ＝n·sin-1(NA)，T是透镜厚度，n是透镜折射率，NA是光纤的数值孔径。本方法还包括根据所需透镜厚度将无芯光纤缩短到所需长度，并在无芯光纤的末端激光加工预定的曲率半径。
通过下面的详细描述和附加的权利要求，本发明的其它特征和优点将变得清楚。
附图简述图1A示出现有技术中具有大的曲率半径且直径等于曲率半径两倍的透镜的光纤透镜。
图1B示出现有技术中具有小的曲率半径且直径等于曲率半径两倍的透镜的光纤透镜。
图2示出根据本发明一个实施例的光纤透镜。
图3A示出根据本发明一个实施例的制作光纤透镜方法的调准步骤。
图3B示出根据本发明一个实施例的制作光纤透镜方法的熔接步骤。
图3C示出根据本发明一个实施例的截取步骤后的图3B的光纤透镜。
图3D示出根据本发明一个实施例的曲率构成步骤后的图3C的光纤透镜。
图4A示出平凸透镜的模场直径和透镜结构间的关系，该平凸透镜由波长为1550nm时的折射率为1.444的玻璃制成，并以模场半径为6μm的熔接条件与单模光纤熔接。
图4B示出平凸透镜的距束腰距离和透镜结构间的关系，该平凸透镜由波长为1550nm时的折射率为1.444的玻璃制成，并以模场半径为6μm的熔接条件与单模光纤熔接。
较佳实施例的详细描述现在如附图所示，参考一些较佳实施例来详细描述本发明。在下面描述中，说明了数个技术特点以给本发明提供完全理解。不过显然，本领域的普通技术人员也可在没有部分或所有的这些技术特点的情况下实施本发明。另外，没有详细描述公知的处理步骤和/或特点，以免使本发明不清楚。参考下述的附图和讨论将较好地理解本发明的特点和优点。
图2示出了根据本发明实施例的光纤透镜200。光纤透镜200包括在光纤204端部连接或形成的平凸透镜202。典型地，通过熔接方法将透镜202连到光纤204，虽然也可以使用折射率匹配环氧树脂或其它连接方式，但可靠性降低了。在一个实施例中，光纤204是涂层光纤(或尾纤)205的剥除区域。光纤204具有纤芯206，在纤芯206周围可有或没有涂层208(也即，涂层208可为空气)。光纤204可以是任意的单模光纤(包括保偏(PM)光纤)、多模光纤或其它专用光纤。在工作中，通过纤芯206的光束发散进入透镜202，在离开透镜202时折射为准直光束或会聚光束。
透镜202具有曲率半径为Rc的凸表面210。和背景部分所讨论的现有技术中的透镜不同，透镜202的总直径不是耦接到凸表面210的曲率半径上。而是，透镜202的最小直径由透镜202顶点212处的光束尺寸来决定。可使用下式来计算最小直径(Dmin)Dmin＝2·T·tan(θ) (1)其中
θ＝n·asin(NA) (2)其中，T是透镜202的厚度，n是透镜202的折射率，NA是光纤204的数值孔径。
透镜202的最大厚度通过限幅(clip)透镜顶点处的光束来确定Tmax=Dπ·tan(λπ·w0)]]>其中，D是透镜直径，λ是透镜材料的波长，而w0是透镜202接合处的光纤204的模场半径。
在凸表面210的曲率半径中分离透镜202的总直径，使得有可能在保持光纤透镜尺寸小时使光纤透镜具有宽的模场直径和工作距离范围。为了得到高斯光束轮廓，凸表面210的曲率半径不应小于光纤透镜模式中的模场半径(在限幅标准99％处测量)。如果在透镜顶部的限幅标准99％处测量的模场半径大于曲率半径，则将限幅光束，使得损耗功率、扭曲最佳高斯轮廓光束且耦合效率较低。对凸表面210的曲率半径没有上限。
有尺寸上优点的示例由光纤透镜实例示出，在该实例中，在1550nm波长处的模场直径为220μm、距束腰的距离为10mm，使用了纤芯半径约5.5μm的单模光纤，及折射率为1.444(在1550nm处)、厚度为1.946mm、曲率半径为0.6mm的透镜。由上述等式(1)确定的透镜最小直径为0.38mm。现有技术的透镜具有等于曲率半径两倍的1.2mm直径，这比由等式(1)确定的最小直径大4倍。
透镜202由所需传输波长的无芯光纤或棒制成。无芯光纤的直径可等于、大于或小于光纤204的直径。典型地，无芯光纤由二氧化硅或掺杂的二氧化硅制成，其折射率类似于纤芯206的折射率。透镜202的热膨胀系数可与光纤204的相匹配以在温度范围内取得较佳的性能。透镜202可由防反射层涂覆，以使背反射最小。通常需要背反射小于-55dB。当根据等式(1)给出的解释制做透镜202时，透镜202的直径将非常小(也即，远小于曲率半径的两倍)，而曲率半径可以较大，例如为50到5000μm的范围。这使得器件尤其是阵列器件微型化，为适合特殊应用的模场直径和工作距离提供了高灵活性。
现有将参考图3A-3D描述如图2所述的制作光纤透镜的方法。在图3A中，方法从将光纤300轴线与无芯光纤或棒302对准开始。无芯光纤302的直径可等于、小于或大于光纤直径。无芯光纤302的最小直径由上述的等式(1)给出。如图3B所示，在将光纤300与无芯光纤302的轴线对准之后，使光纤300与无芯光纤302的相对侧合在一起，并使用加热源304将其熔接在一起。加热源304可以是电阻丝或其它适宜的加热源，比如电弧或激光。
在将无芯光纤302熔接到光纤300后，如图3C所示，将无芯光纤302截取到所需长度或透镜厚度。由例如激光机器加工、机器切割或其它适宜的装置可进行无芯光纤302的截取。也可不截取无芯光纤302，而是在无芯光纤302加热时从相反方向拖拉光纤300、302，而对无芯光纤302进行拉锥截断(taper-cut)。下面一步是在无芯光纤302的末端(或截取端)306形成所需半径。在图3D中，在无芯光纤302的末端形成曲面308。例如，可以采用激光机器加工或机器磨光形成曲面308。
还有一种可形成所需半径的方法，但较麻烦，就是首先形成如图1A所示的具有所需透镜厚度和曲率半径的光纤透镜，然后从光纤透镜机器加工或抛光材料以将光纤透镜的总直径缩小到所需直径。
除非另有说明，下面的实例只是为说明而非限制本发明。
图4A示出光纤透镜的作为透镜厚度和曲率半径的函数的束腰处模场直径，该光纤透镜的6μm模场半径的单模光纤熔接到由无芯光纤形成的在1550nm波长处折射率为1.444平凸透镜。图4B示出对上述光纤透镜的作为透镜厚度和曲率半径的函数的在空气中距束腰距离。在本发明中，可以在保持光纤透镜的小形成因子且不牺牲性能的情况下得到模场直径、距束腰距离及曲率半径的广阔范围。
本发明提供了一个或更多的优点。一个优点是在保持小的光纤透镜尺寸时，制作大的模场直径和工作距离的透镜。作为例子，透镜曲率半径的范围是从50到5000μm，透镜厚度是从15到18000μm，在空气中距透镜束腰的距离是从0到100mm，且在束腰处的模场直径范围是从3到1000μm，同时保持光纤透镜的总直径基本相同。其优点在于将器件合并到光纤透镜中可保持小的尺寸。可以选择透镜直径，将光纤透镜装到标准的玻璃或陶瓷光纤套圈中，装到V型槽中，或其它硅片或半导体平台上的蚀刻结构中。在阵列应用中，具有小的形成因子的光纤透镜可实现密集阵列。
虽然通过几个实施例描述了本发明，将从本说明书中获益的本领域普通技术人员可理解在不背离这里所述的本发明范围的情况下可设计其它的实施例。因此，本发明的范围只由附加的权利要求所限定。
权利要求
1.一种光纤透镜，其特征在于，包括光纤；和在所述光纤端部形成的透镜，所述透镜的最小直径由2·T·tan(θ)确定，其中θ＝n·sin-1(NA)，T是透镜厚度，n是透镜折射率，NA是所述光纤的数值孔径。
2.如权利要求1所述的光纤透镜，其特征在于，所述透镜的曲率半径不小于透镜顶点处的光纤透镜中模式的模场半径。
3.如权利要求1所述的光纤透镜，其特征在于，所述透镜的曲率半径范围是约50到5000μm。
4.如权利要求3所述的光纤透镜，其特征在于，所述透镜的厚度范围是约15到18000μm。
5.如权利要求3所述的光纤透镜，其特征在于，所述透镜在空气中距束腰的距离范围是约0到100mm。
6.如权利要求3所述的光纤透镜，其特征在于，在透镜束腰处的模场直径范围是约3到1000μm。
7.一种制作具有光纤和透镜的光纤透镜的方法，包括将光纤接合到无芯光纤；依据所需透镜厚度将所述无芯光纤缩短到所需长度；及在所述无芯光纤的末端激光加工预定的曲率半径。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述无芯光纤的最小直径由2.T.tan(θ)确定，其中θ＝n.sin-1(NA)，T是透镜厚度，n是透镜折射率，NA是所述光纤的数值孔径。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，将所述无芯光纤缩短到所需长度包括截取所述无芯光纤到所需长度。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，将所述无芯光纤缩短到所需长度包括拉锥截断所述无芯光纤到所需长度。
11.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述无芯光纤的所需长度至少等于所述透镜的所需厚度。
12.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述无芯光纤的所需长度大于所述透镜的所需厚度。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，激光加工所述预定的曲率半径包括将所述无芯光纤的所需长度缩短到所述透镜的所需厚度。
14.一种制作具有光纤和透镜的光纤透镜的方法，包括将光纤与无芯光纤熔接，所述无芯光纤的最小直径由2·T·tan(θ)确定，其中θ＝n.sin-1(NA)，T是透镜厚度，n是透镜折射率，NA是所述光纤的数值孔径；依据透镜厚度将无芯光纤缩短到所需长度；并在所述无芯光纤的末端形成预定的曲率半径。
全文摘要
一种光纤透镜，包括光纤和在所述光纤端部形成的透镜，所述透镜的最小直径由2·T·tan(θ)确定，其中θ＝n·sin
文档编号G02B6/26GK1742220SQ200480002769
公开日2006年3月1日 申请日期2004年1月13日 优先权日2003年1月23日
发明者L·乌克兰采克 申请人:康宁股份有限公司