绝热光学耦合系统的制作方法

优先权申请

本申请根据专利法要求2014年11月13日提交的美国临时申请序列号62/079,045的优先权益，所述申请的内容作为本文的基础并且据此以引用的方式整体并入本文。

本说明书涉及用于将光源耦合到接收光纤的光学耦合装置。

背景技术：

硅光子(sip)收发器可以在长距离上传输高数据负载，并且因此在数据中心应用中是有用的。在这些应用中需要单模或小芯多模光纤，因为它可以支持高带宽。当前，难以以低成本耦合sip激光器与光纤。此外，难以将具有高数值孔径的小模场光源与单模或小芯多模光纤耦合。

因此，期望可将激光器模块耦合到小芯多模或单模光纤的改善的耦合装置。

技术实现要素：

在一个实施方式中，光学耦合系统包括锥形耦合元件，锥形耦合元件具有：第一端部，所述第一端部与第二端部相对；芯部，所述芯部在第一端部处比具有在第二端部处更大的芯部直径；以及包覆层，所述包覆层被耦合到芯部并且环绕芯部。光路设置在芯部内并且在第一端部与第二端部之间延伸。锥形耦合元件从第一端部渐缩到第二端部，使得芯部直径将沿着光路行进的光束从第一端部处的第一射束尺寸绝热转换到第二端部处的第二射束尺寸。

在另一实施方式中，光学耦合系统包括光源，所述光源光学耦合到锥形耦合元件的第一端部。光源被配置成生成光束。透镜系统设置在光源与锥形耦合元件的第一端部之间的光路内。锥形耦合元件包括与第二端部相对的第一端部；以及芯部，所述芯部包括在第一端部处比在第二端部处更大的芯部直径。包覆层被耦合到芯部并且环绕芯部。光路设置在芯部内并且在第一端部与第二端部之间延伸。锥形耦合元件从第一端部渐缩到第二端部，使得芯部直径将沿着光路行进的光束从第一端部处的第一射束尺寸绝热转换到第二端部处的第二射束尺寸。此外，接收光纤光学耦合到锥形耦合元件的第二端部。

在又一实施方式中，光学耦合系统包括光源连接器，光源连接器包括：光源外壳；以及光源，所述光源设置在光源外壳内并且被光学耦合到锥形耦合元件的第一端部。光源被配置成生成光束。透镜系统设置在光源与锥形耦合元件的第一端部之间的光路内。锥形耦合元件连接器包括锥形耦合元件外壳。锥形耦合元件设置在锥形耦合元件外壳内。锥形耦合元件包括：第一端部，所述第一端部与第二端部相对；以及芯部，所述芯部包括在第一端部处比在第二端部处更大的芯部直径。包覆层被耦合到芯部并且环绕芯部。光路设置在芯部内并且在第一端部与第二端部之间延伸。锥形耦合元件从第一端部渐缩到第二端部，使得芯部直径将沿着光路行进的光束从第一端部处的第一射束尺寸绝热转换到第二端部处的第二射束尺寸。此外，接收光纤连接器包括接收光纤外壳。接收光纤设置在接收光纤外壳内，并且光学耦合到锥形耦合元件的第二端部。

附图说明

根据以下结合附图来进行的详细描述，将更全面地理解本文所描述的实施方式提供的这些和另外的特征。

附图中阐述的实施方式在本质上是说明性和示例性的，并不旨在限制权利要求所限定的主题。当结合以下附图阅读时，可最佳地理解以下对说明性的实施方式的详细描述，其中相同结构用相同附图标记指示，其中：

图1示意性地描绘了根据本文所述的一或多个实施方式的具有锥形耦合元件的示例性光学耦合系统；

图2示意性地描绘了根据本文所述的一或多个实施方式的示例性锥形耦合元件；

图3描绘了根据本文所述的一或多个实施方式的测量锥形耦合元件的空间偏移公差对比扩展射束尺寸的曲线图；

图4描绘了根据本文所述的一或多个实施方式的测量锥形耦合元件的角度偏移公差对比扩展射束尺寸的曲线图；

图5描绘了根据本文所述的一或多个实施方式的测量随锥形耦合元件的芯部直径而改变的模场直径改变的曲线图；

图6a描绘了根据本文所述的一或多个实施方式的具有锥形耦合元件的示例性光学耦合系统的示意图；

图6b描绘了根据本文所述的一或多个实施方式的具有锥形耦合元件的另一个示例性光学耦合系统的示意图；

图6c描绘了根据本文所述的一或多个实施方式的具有锥形耦合元件和grin透镜的示例性光学耦合系统的示意图；

图6d描绘了根据本文所述的一或多个实施方式的具有锥形耦合元件和倒锥形耦合元件的示例性光学耦合系统的示意图；以及

图7描绘了根据本文所述的一或多个实施方式的示例性光源连接器的示意图。

具体实施方式

本公开的实施方式涉及光学耦合系统，所述光学耦合系统包括用于光学耦合光源与接收光纤(例如，单模或小型多模光纤)的锥形耦合元件。锥形耦合元件可以包括芯部和包覆层，并且可以从第一端部绝热渐缩到第二端部。第一端部可以光学耦合到光源，并且第二端部可以光学耦合到接收光纤。光源产生光束(诸如激光束)，并且接收光纤可以接收光束。本文公开的光学耦合系统提供了一种装置，其用于变换光源的光束分布以便匹配接收光纤的光束分布。此外，光学耦合系统的对准公差启用被动对准，例如，光学耦合系统可以提供大的偏移对准公差。此外，锥形耦合元件可能不需要光源与接收光纤精确对准，从而促进现场安装。

现在参考图1，描绘了示例性光学耦合系统100的示意图。光学耦合系统100包括锥形耦合元件110，所述锥形耦合元件110包括芯部120，所述芯部120耦合到环绕芯部120的包覆层122。锥形耦合元件110从较大的第一端部112渐缩到较小的第二端部114，从而具有线性、非线性、指数、半高斯、s形或其组合的锥形形状。在替代性实施方式中，锥形耦合元件110可以倒转使得第一端部112小于第二端部114。锥形耦合元件110沿着光源140与接收光纤130之间的光路104定位，从而光学耦合光源140与接收光纤130，使得光路104穿过锥形耦合元件110。此外，光学耦合系统100可以包括多个锥形耦合元件110。

另外参考图2，示意性地描绘了图1的锥形耦合元件110的芯部120和包覆层122。芯部120包括高折射率材料，例如具有零个或多个提高折射率的掺杂剂(诸如ge、p、al、ti等)的二氧化硅。包覆层122包括低折射率材料，例如具有零个或多个降低折射率的掺杂剂(诸如f、b等)的二氧化硅。芯部120包括芯部直径116，所述芯部直径116渐缩使得芯部直径116在第一端部112处比在第二端部114处更大。例如当包覆层122的厚度恒定时，芯部120的锥形形状可以是与锥形耦合元件110相同的锥形形状。例如当包覆层122的厚度可变时，芯部120也可以具有与锥形耦合元件110不同的锥形形状。在替代性实施方式中，锥形耦合元件110可以包括多个芯部120。在其他实施方式中，包覆层可以包括多个包覆层，例如在包覆层中的低折射率沟槽，以便更好地将光限制在芯部中来减少由于渐缩而引起的功率损耗。

再次参考图1，光源140可以包括sip激光器、vcsel激光器、或另一种类型的半导体激光器。光源140光学耦合到锥形耦合元件110的第一端部112。光源140发射光束142，其其沿着光路104行进到锥形耦合元件110的第一端部112中。在一些实施方式中，透镜系统150定位在光源140与锥形耦合元件110的第一端部112之间的光路104内。透镜系统150可以例如使用准直透镜来扩展光束142，以便准直和放大光束142的光场分布。在操作中，一旦光束142穿过透镜系统150，它就被引导到锥形耦合元件110中。在一些实施方式中，透镜系统150的直径实质上等于或小于锥形耦合元件110的第一端部112处的芯部直径116，并且透镜系统150的数值孔径可以实质上等于或小于锥形耦合元件110的第二端部114处的数值孔径(被定义为sin9，其中9是光束发散角)，使得具有第一射束尺寸的光束142的光场分布的大部分可以进入锥形耦合元件110(特别是芯部120)，并且通过锥形耦合元件110转移到第二射束尺寸。

另外或替代地，透镜系统150可以包括：球面透镜、非球面透镜、柱面透镜、变形透镜、梯度折射率(grin)透镜、衍射透镜、倒锥形耦合元件、或其组合。倒锥形耦合元件(图6d)可以是锥形耦合元件110，但以倒转取向来定位。倒锥形耦合元件可以包括任何材料和尺寸的上述锥形耦合元件110。此外，倒锥形耦合元件被配置成在光束142穿过倒锥形耦合元件时扩展光束142。透镜系统150可以在工厂对准，例如使用被动对准视觉系统。可使用光刻或晶片级处理以晶片级进行这种对准。可使用通过视觉系统进行的激光波导写入过程来制造倒锥形耦合元件。在本实施方式中，激光写入过程可以形成对准精度，并且在制造倒锥形耦合元件之后可能不需要对准程序。透镜系统150还可使用主动对准，其可以增加对准准确度。

在一些实施方式中，透镜系统150可被配置成使光束142与锥形耦合元件110的芯部直径116对准和匹配，以便最小化角偏移距离和线性偏移距离两者。以期望耦合损耗量将光束142光学耦合到锥形耦合元件110的最大角度和/或线性偏移距离是偏移公差。虽然不旨在受理论的限制，但偏移公差是在保持处于或低于期望耦合损耗量的同时，光束142可以从与锥形耦合元件110的完美角度对准或完美线性对准偏离的距离。最小化角度偏移距离和线性偏移距离可以最小化耦合损耗。图3和图4图形描绘了在保持固定耦合损耗量的同时，在变化射束尺寸下的1550nm波长光束142的角度和线性偏移公差。

现在参考图3，随着扩展光束142的模场直径增加，线性对准公差线性地增加。具体地，图3描绘了在保持不同级别的耦合损耗时光束142可以具有的线性偏移量。例如，具有较低耦合损耗(诸如曲线166所描绘的0.1分贝(db)耦合损耗)的光束142的线性公差比具有较高耦合损耗(诸如曲线161所描绘的3db损耗)的光束142的线性公差更小。图3描绘了六个不同耦合损耗级别的不同扩展射束尺寸下的线性偏移公差。曲线161描绘了针对3db耦合损耗的线性偏移公差与扩展光束尺寸关系。曲线162描绘了针对2db耦合损耗的线性偏移公差与扩展光束尺寸关系。曲线163描绘了针对1db耦合损耗的线性偏移公差与扩展光束尺寸关系。曲线164描绘了针对0.5db耦合损耗的线性偏移公差与扩展光束尺寸关系。曲线165描绘了针对0.3db耦合损耗的线性偏移距离公差与扩展光束尺寸关系。此外，曲线166描绘了针对0.1db耦合损耗的线性偏移距离公差与扩展光束尺寸关系。

现在参考图4，随着扩展光束142的模场直径增加，角度对准公差非线性地减少。具体地，图4描绘了在保持不同级别的耦合损耗时光束142可以具有的角度偏移量。例如，具有较低耦合损耗(诸如曲线166所描绘的0.1db耦合损耗)的光束142的角度偏移公差比具有较高耦合损耗(诸如曲线161所描绘的3db损耗)的光束142的角度偏移公差更小。此外，对于这些耦合损耗级别中的每一个，随着光束142的模场直径增加，角度偏移公差非线性地减小。例如，当光束142从约100μm扩展到约200μm时的角度偏移公差下降大于当光束142从约200μm扩展到约300μm时的角度偏移公差下降。图4描绘了六个不同耦合损耗级别的不同扩展射束尺寸下的角度偏移公差。曲线161描绘了针对3db耦合损耗的角度偏移公差与扩展光束尺寸关系。曲线162描绘了针对2db耦合损耗的角度偏移公差与扩展光束尺寸关系。曲线163描绘了针对1db耦合损耗的角度偏移公差与扩展光束尺寸关系。曲线164描绘了针对0.5db耦合损耗的角度偏移公差与扩展光束尺寸关系。曲线165描绘了针对0.3db耦合损耗的角度偏移距离公差与扩展光束尺寸关系。此外，曲线166描绘了针对0.1db耦合损耗的角度偏移距离公差与扩展光束尺寸关系。

在一些实施方式中，可以选择最佳扩展射束模场直径，以便通过具有可实现的线性和角度对准公差来产生期望的耦合损耗。在将光源140与接收光纤130光学耦合时，这可能产生较低的耦合损耗。例如，当光学耦合光源与单模激光束时，模场直径在约50μm与200μm之间(诸如75μm、100μm和150μm)的扩展光束142可以能够产生较低耦合损耗级别，并且可能增加光学耦合系统100的灰尘/污染公差。在一些实施方式中，非受控机房环境中的污染颗粒尺寸的范围是从约2μm至约30μm。光束142的扩展射束尺寸可能需要大于潜在的污染颗粒尺寸，以便最小化由于光路104内的颗粒污染而引起的损耗。当模场直径大于200μm时，对于单模连接器的当前成本有效的机械设计，角度对准公差变小。

再次参考图1，接收光纤130可以包括光纤，例如像单模光纤、多模光纤、多模多芯光纤等。接收光纤130光学耦合到锥形耦合元件110的第二端部114。在一些实施方式中，接收光纤130的光芯部直径(ocd)等于锥形耦合元件110的第二端部114处的芯部直径116。可使用熔接、机械拼接等将锥形耦合元件110的第二端部114附接到接收光纤130。在操作中，将锥形耦合元件110的第二端部114处的芯部直径116与接收光纤130的ocd匹配有助于对准和附接，并且还光学耦合锥形耦合元件110与接收光纤130，使得光路104以最小的耦合损耗进入接收光纤130。具体地，锥形耦合元件110被配置成使得锥形耦合元件110的第二端部114处的数值孔径(na)和芯部直径116接近或匹配接收光纤130的na和ocd。

在操作中，锥形耦合元件110的第一端部112可以接收具有第一光束直径的由光源140发射的光束142，并且在锥形耦合元件110的第二端部114处使光束142渐缩成第二射束尺寸。第二射束尺寸可以小于第一射束尺寸，并且在一些实施方式中，第二射束尺寸可以实质上等于接收光纤130的直径。锥形耦合元件110的第一端部112可以支持比锥形耦合元件110的第二端部114更多的模式。在一个实施方式中，来自光源140的光束142的大部分可以在锥形耦合元件110的第一端部112(即较大端部)处耦合到一或多个期望模式，以便通过锥形耦合元件110最小化插入损耗。在第一端部112处的期望模式是低阶模式的数量，其等于或小于由第二端部114支持的模式的数量。在一些实施方式中，如果在期望模式之外的高阶模式被激励，则以高阶模式定位的光通过锥形耦合元件110而被损耗，因为它不被第二端部114支持。因此，将来自光源140的光束142耦合到期望模式减小了通过锥形耦合元件110的插入损耗。锥形耦合元件110具有锥形芯部直径116，其可以绝热转换穿过锥形耦合元件110的光束142。具体地，芯部直径116的锥形形状可以将光束142从第一射束尺寸转换到第二射束尺寸，同时光束142保持在一或多个所需模式中的一个。绝热转换提供了具有低传播损耗并且没有与不期望的高阶模式的模式耦合的光束142转换。例如，锥形耦合元件110的第一端部112处以及第二端部114处的的光束142可以是一或多个期望模式中的一个。

虽然不旨在受理论的限制，但芯部直径116沿着光路104绝热转换光束142，使得锥形耦合元件内的传播损耗可以例如小于约1db、小于约0.5db或小于约0.1db。为了实现绝热转换，芯部120的直径斜率(即锥形形状)可以满足以下等式1的条件。在一些实施方式中，芯部直径116的斜率不应太陡。

在等式1中，d是芯部直径116，λ是光束142的波长，nm是m模式分组的有效折射率，nm'是m'模式分组的有效折射率，并且z是沿着锥形耦合元件110的长度的距离。m模式分组和m'模式分组是芯部120中具有波长λ的光束142的相邻模式分组，即m'＝m+1。m模式分组和m'模式分组可以是用于光束142的芯部120内的任何相邻模式分组。具体地，m模式分组和m'模式分组是光束142的两个相邻模式分组，其在沿着锥形耦合元件110的长度的点处具有最相似的有效折射率。虽然不旨在受理论的限制，但两个模式分组m和m'是光束142内的具有使得值(nm-nm')最小的折射率的两个模式分组。此外，应当理解，相对于这些相邻模式分组，nm具有比nm'更大的有效折射率，使得该值为正值。在一些实施方式中，模式分组数量m等于由锥形耦合元件110的第二端部114支持的模式分组的数量。因此，可以根据等式1计算芯部直径116的斜率。此外，在给定锥形耦合元件110的第一端部112和第二端部114处的芯部直径116的情况下，等式1可以用于确定锥形形状和锥形长度。

现在参见图5，图形地描绘了示例性光束142的基本模式的随芯部直径而改变的模场直径(mfd)。在图5中，曲线171表示波长为1550nm的光束142，并且曲线172表示波长为1310nm的光束142。在此非限制性示例中，锥形耦合元件110被设计成光学耦合光源140与单模接收光纤130。此示例性锥形耦合元件110具有阶跃折射率分布设计，其类似于包括0.34％的芯部δ的标准单模光纤。在该示例中，第一端部112处的芯部直径116为约82μm，并且第二端部114处的芯部直径116为约8.8μm，以便以最小耦合损耗将mfd为50μm的准直光束142光学耦合到芯部直径为约8.8μm的单模接收光纤130中。

在操作中，随着芯部直径116减少，光束142的mfd减少。当光束142到达第二端部114(芯部直径约为8.8μm)时，1310nm的光束142和1550nm的光束142的mfd分别为9.3μm和10.4μm。这匹配标准单模光纤的mfd。此外，在此示例中，包覆层直径在第一端部112处应为约1.18mm并且在第二端部114处为约125μm，这匹配标准单模光纤的包覆层直径。虽然实现低耦合损耗不需要在端部部114处具有与接收光纤130直径相同的包覆层直径，它可以简化锥形端部114与接收光纤130之间的接合处的熔接或机械拼接程序。此外，在此示例中，锥形耦合元件110的长度应大于约8mm以便有助于绝热转变，例如10mm、12mm、15mm等。

在另一个示例中，锥形耦合元件110可以被配置成光学耦合光源140和多模接收光纤130，使得光束142通过锥形耦合元件110而经历绝热转换。在此示例中，接收光纤130包括渐变折射率多模光纤，其芯部δ为0.75％、α为约2、以及芯部直径约为30μm。锥形耦合元件110包括0.75％的芯部δ和约2的α。在此示例中，锥形耦合元件的第一端部112可以具有150μm的芯部直径116以及625μm的包覆层直径。锥形耦合元件110的第二端部114可以具有30μm的芯部直径116以及125μm的包覆层直径。此外，锥形耦合元件110的长度应大于约3.8mm以便有助于绝热转换，例如4mm、6mm、8mm等。应当理解，锥形耦合元件110可以包括各种芯折射率分布、芯部δ和芯尺寸，以便耦合各种光源140和接收光纤130。芯折射率分布可以是阶跃折射率分布、渐变折射率分布或多段折射率分布。芯部δ可以在0.2％至3％之间，并且可以在0.3％至2％之间，以及甚至可以在0.3％至1％之间。具体地，锥形耦合元件110的尺寸关系应当满足以上等式1的条件。

在替代性实施方式中，光学耦合系统100可以被配置成光学耦合包括激光/vcsel源阵列的光源140与包括多芯光纤的接收光纤130。在此实施方式中，透镜系统150是远心的，并且锥形耦合元件110包括多个芯部120。在不同实施方式中，透镜系统150可以是具有多个锥形芯的倒锥形耦合元件。在此实施方式中，多个芯部120的每个芯部直径可以满足等式1的限制，以便有助于由激光/vcsel源阵列产生的光束142的绝热转换。

在一些实施方式中，锥形耦合元件110可以由玻璃棒制成，所述玻璃棒的设计芯轮廓具有约500μm与3000μm之间的棒直径以及约50μm与1000μm之间的芯部直径。在使用具有离子产生区、离子复合区和辐射热区域的三相电极电弧下，锥形耦合元件110可以由玻璃棒制成。在操作中，玻璃棒可以放置在棒保持器夹具中，三电极电弧可以局部加热玻璃棒，并且可以沿相反方向施加张力，从而使玻璃棒减缩并且形成锥形耦合元件110。在制造过程期间，芯部直径116和锥形耦合元件110的长度被编程到制造设备中，所述制造设备计算所需的棒保持器速度以便确保恒定或可变的锥形斜率。一旦实现了目标芯部直径116，就可以改变保持器的速度，使得形成具有恒定直径的腰部区。腰部区提供修边位置。此外，在完成制造之后，可使用超声波修边刀片、激光修边器等对锥形耦合元件110进行修边。在修边过程之后，锥形耦合元件110可以经历熔接过程以便将锥形耦合元件110耦合到接收光纤130。

在图6a-6d中描绘的附加实施方式中，描绘了示例性光学耦合系统200，其具有光源连接器270、锥形耦合元件连接器280和接收光纤连接器290。在图6a-6d所描绘的实施方式中，光源连接器270包括用于容纳光源240的光源外壳272，锥形耦合元件连接器280包括用于容纳锥形耦合元件210的锥形耦合元件外壳282，并且接收光纤连接器290包括用于容纳接收光纤230的接收光纤外壳292。在一些实施方式中，光源连接器270、锥形耦合元件连接器280和接收光纤连接器290是一体的。在其他实施方式中，它们使用连接器接口(例如任何示例性金属或塑料连接装置)耦合在一起。此外，可以抛光锥形耦合元件连接器280的每一端部。

在图6a-6d所描绘的实施方式中，锥形耦合元件210可以包括上述锥形耦合元件110的实施方式，并且可使用一或多个套管262来固定在锥形耦合元件外壳282内。套管262可以包括陶瓷材料、塑料材料、金属材料等。套管262可以由两个或更多个套管段组成，或者是具有与锥形耦合元件110的形状相匹配的锥形孔的单个套管。接收光纤230可以包括上述各种接收光纤130，并且可使用一或多个套管262来固定在接收光纤外壳292内。此外，光源240可以包括上述各种光源140。

所示的光学耦合系统200还包括透镜系统250，诸如以上描述的以及图2所示的透镜系统150。透镜系统250可以容纳在光源外壳272或锥形耦合元件外壳282内，并且位于光源240与锥形耦合元件210之间的光路202内。在图6a中，透镜系统250包括定位在光源连接器270内的准直透镜。在图6b中，透镜系统250包括定位在锥形耦合元件连接器280内的准直透镜。在图6c中，透镜系统250包括grin透镜，其被配置成扩展光束242并且定位在光源连接器270内。在图6d中，透镜系统250包括倒锥形耦合元件，其被配置成扩展光束并且使用一或多个套管262来固定在光源外壳272内。

现在参考图7，描述了光源连接器270的替代性实施方式。在此实施方式中，光源连接器270包括两个反射镜264、266，其被配置成将光束142引导到透镜系统250中，例如当光源240和透镜系统250不直接对准时。此外，光源连接器270可以被安装到激光模块板。在一些实施方式中，两个反射镜264、266和透镜系统150可以是单个模制件，并且使用全内反射来反射光。

现在应该理解，光学耦合系统可以具有用于光学耦合光源与接收光纤的锥形耦合元件。锥形耦合元件可以沿着光源与接收光纤之间的光路定位，并且可以具有锥形形状，以便在光束穿过锥形耦合元件时，将光束从第一射束尺寸绝热转换到第二射束尺寸。此外，透镜系统可以定位在光源与锥形耦合元件之间的光路内，并且可以准直光束以便对准光束，使得其可以与锥形耦合元件线性地并且成角度地对准。虽然不旨在受理论的限制，但光学耦合系统可以最小化在光源凸缘接收光纤之间穿过的光束的耦合损耗和传播损耗。

注意，术语“实质上”可以在本文中用于表示可归因于任何定量比较、值、测量或其他表示的固有不确定性。这个术语在本文还用来表示定量表示可与所表述的参考不同的程度，而不导致讨论中的主题基本的功能的变化。

虽然已说明和描述具体实施方式，但是应当理解，在不脱离所要求的主题的精神和范围的情况下也可做出各种其他变化和修改。此外，虽然在本文中已经描述了要求保护的主题的各个方面，但是这些方面无需组合使用。因此，所附权利要求意图覆盖在所要求保护的主题范围内的所有这些改变和修改。