用于将光束耦合到光接收器中的系统和方法与流程

1.本发明构思涉及一种用于将光束耦合到光接收器中的系统和方法，特别是用于将至少一个光束耦合到具有基本上或完全圆形的光接收截面的光接收器中，每个光束具有基本上或完全椭圆形的光束截面。


背景技术：

2.在许多应用中，诸如半导体激光器或者激光二极管的激光器产生的光束需要被耦合到诸如光纤的光接收器中。通常需要将多于仅一条的光束耦合到这样的光接收器中。例如，对于许多显微应用，例如激光扫描技术，有利的是经由单模光纤将包括多条激光线的光传送到显微镜本身。在这种情况下，光纤末端的激光功率的稳定性非常重要。由于单模光纤的只有几微米的小光纤芯直径，光纤耦合需要精确对准将光束引导和偏转到光纤的相应的光学元件。如果涉及几条激光线，通常使用二向色反射镜将光束合并到相同的光束路径上。这种二向色反射镜允许第一光束通过二向色反射镜同时偏转第二光束，使得两个光束然后将沿相同的方向传播，并且优选地同轴传播。
3.对这些应用，通常使用包括反射镜/二向色反射镜(这里也称为“光束偏转器”)的系统，用于将一个或更多个光束偏转到通向光接收器/光纤的相同传播路径上。通常，光束的必要精确对准是通过使用精确的光机械来完成的，该光机械具有通过粘合剂或通过锁紧螺钉固定在其上的反射镜。这种反射镜支架包括三点支承，其中至少两个支撑点可以前后移动，例如，通过具有细牙螺纹的螺钉。因此，可以独立设置竖直和水平倾斜。现有技术的反射镜支架可以非常精确地移动，并且非常适合光纤耦合。此外，机械装置大多可以被锁定，导致相当好的长期稳定性。然而，使用这种反射镜支架存在一些缺点。第一，它们非常昂贵，第二，所实现的光束对准必须长期稳定，以确保光纤末端的激光功率稳定性，这更加增加了对光机械的需求。最后，通常用户必须对准反射镜以用于期望的耦合目的，这是一个耗时的过程。这种类型的反射镜支架或光机械在下文中称为“调节装置”。
4.如今，激光二极管通常被用作紧凑且最具成本效益的激光源。然而，它们在与光纤耦合的结合中有明显的缺陷。准直后，激光束具有椭圆形形状/光束截面，同时单模光纤呈现圆形的对称的芯，这意味着耦合到光纤中的tem00模式也是圆形。结果就是激光二极管到光纤的耦合效率不高，因为椭圆形激光束焦点的很大一部分不能够耦合到圆形光纤芯中。
5.解决这个问题的标准解决方案是光束整形，即通过使用例如变形棱镜对或柱面透镜将椭圆形激光束转变为圆形光束。这增加了光学系统的复杂性和价格，这又是不利的。


技术实现要素：

6.鉴于上述问题，需要一种改进的光束耦合系统及对应的方法，特别是减少对超稳定光机械的需要。
7.本发明构思的实施例提供了一种系统，用于将至少一个光束(例如由相应的半导体激光器或激光二极管产生的一个或更多个光束)耦合到光接收器(例如光纤)中，每个光
束具有基本上或完全地椭圆形的光束截面，光接收器具有基本上或完全地圆形的光接收截面，其中，系统包括：至少一个光束入口，每个入口被配置为允许至少一个光束中的每一个进入系统；光束出口，被配置为允许至少一个光束离开系统，用于将至少一个光束耦合到光接收器中；至少一个光束偏转器，例如反射镜和/或二向色反射镜，用于至少一个光束中的光束的偏转；和光学基底元件，例如在系统的(x-y)平面中延伸的光学基板。在该系统中，所述至少一个光束偏转器的至少一个光束偏转器直接地固定到基底元件，换句话说，非间接地(unintermediately)，特别是没有使用任何调节装置，例如上述光机械或支架。特别地，如此固定的光束偏转器在其固定之后不能调节。由于固定，尤其是在固定期间或者甚至在固定后，如将在下面更详细地解释的，直接固定的光束偏转器通常可能绕旋转轴在小旋转角度范围内旋转，该旋转导致对应的光束的额外偏转。这个“额外”偏转发生在正常的所期望的偏转之外。在该系统中，至少一个光束入口和/或至少一个光束被进一步配置为使得光束偏转器的偏转表面上的相应的光束的椭圆形截面的半长轴基本上或完全地平行于旋转轴定向。最后，在该系统中，至少一个光束偏转器被定向使得在已经通过光束出口之后或在光束出口附近，至少一个光束的椭圆形截面与光接收器的圆形截面重叠。
8.迄今为止，在商用耦合系统中，每个偏转器元件/光束偏转器或至少紧位于光束出口之前的一个偏转元件/光束偏转器都带有其自身的光机械/调节装置，增加了系统的成本。有利的并且对用户更加友好是，例如使用特殊的光机械在工厂中对准反射镜，然后在已经将反射镜固定到系统之后，将反射镜从光机械上释放，光机械然后可以用于制造另一系统。本发明构思正是实现了这个优点。在系统中使用的单个、一些或者甚至所有光束偏转器可以被直接固定到系统的基底元件上，而不需要向系统的用户交付对应的光机械。
9.进一步地，本发明构思克服了与将反射镜固定到系统的基底元件/基板的问题。人们可能会想，例如，使用某种螺钉或者通过简单地使用粘合剂固定反射镜。不幸的是，在固定反射镜时，这些过程中的每个都会稍微移动反射镜。螺钉在紧固反射镜时通常会引起反射镜的轻微移动。另一方面，粘合剂在硬化时常常会收缩，因此移动反射镜。进一步地，随着环境的热变化，粘合剂常常会收缩或膨胀，从而导致反射镜在其固定之后的热致移动，这会影响耦合效率。进一步地，有不同的方法将反射镜固定到基底元件/基板。反射镜的背侧可以固定到与基底元件连接的支架。另一种方法是，以反射镜一侧的侧表面将反射镜直接固定到基底元件。可以使用粘合剂完成固定。在粘合剂硬化期间以及随后由于热波动，粘合剂移动，移动反射镜并且由此导致不同角定向。这通常会使耗时并且复杂的对准过程无效。
10.然而，本发明构思解决了该问题，如在下面根据优选实施例所描述的。
11.以上述方式定向光束的椭圆形截面的想法利用了椭圆形光束截面的假定缺点，以便补偿与将反射镜直接固定到基底元件相关的反射镜移动。这在下面参考附图3进行描述。
12.图3a示意性地示出了通过粘合剂314直接固定到基底元件300上的光束偏转器/反射镜310，此处基底元件300是在系统的x-y平面中延伸的底板。反射镜或光束偏转器310具有偏转表面311和与偏转表面311相对的背侧313，并且在反射镜310的四侧还具有四个侧表面。在该实施例中，反射镜经由粘合剂314以其一个侧表面312直接固定到基底元件300。需要说明的是，在将光束偏转器固定到基底元件的背景下，“直接”或“非间接”尤其应理解为在没有允许固定光束偏转器后自由调节光束偏转器的调节装置的情况下固定光束偏转器的意义。然而，这样的“直接”固定不排除光束偏转器可以被例如不可逆地配合到支架上或
配合到框架中，或者光束偏转器和支架/框架是作为一体式部件的复合单元，并且支架/框架可以被固定到基底元件。固定本身可以经由粘合剂和/或借助于至少一个螺钉和/或焊接或其他固定手段来完成。同样，需要注意的是，固定特别是在不使用如图2所示的任何类型的可调节支架或光机械的情况下完成的，通过该可调节支架或光机械，光束偏转器将被间接地固定到基底元件。
13.图3a进一步示出了光束320，例如在x-y平面中行进并被反射镜310的偏转表面311反射的激光束。在偏转表面311上的照射区域也被示出。箭头320表示激光束的传播方向，而不是光束形状。
14.通过粘合剂314的层将反射镜310固定到基底元件300，粘合剂通常在侧表面312和基板300之间产生层，该层从来不是真正完全均匀的，而是可以例如呈轻微的楔形物的形式。在楔形物由于硬化或热变化而收缩或膨胀时，粘合剂的该楔形物将导致反射镜310绕平行于x轴的轴线旋转。这种情况在图3b中进行了解释说明。然而，反射镜310绕平行于x轴的轴线的旋转不影响被反射的光束320的方向，换句话说，不导致如上面所定义的“额外”偏转。
15.额外地或可替代地，粘合剂的楔形物可以如图3c中所示地形成。同样，在粘合剂由于粘合剂的硬化或者由于热变化而收缩或膨胀期间，楔形物的较厚侧比楔形物的较薄侧膨胀的更多，导致反射镜310绕平行于y轴的旋转轴y’倾斜或旋转。然而，如图3c所示，反射镜310绕y’轴的移动导致光束在反射出x-y平面时的偏转，从而导致额外的不期望的偏转。然而，如下面所解释的，只要椭圆形截面与光接收器的圆形截面重叠，本发明构思在很大程度上对光束这样偏转出x-y平面不敏感。
16.如上文所述，将反射镜310固定到基底元件300的另一种可能是，使用固定到基底元件的支架，反射镜310以其后侧313至少部分地固定到这样的支架。从图3中可以看出，这样的固定可能导致反射镜310在粘合剂收缩或膨胀时绕平行于z轴的轴线轻微地旋转。在这种情况下，必须确保在偏转表面311上的光束的椭圆形截面的半长轴(基本上)平行于旋转轴/z轴定向。
17.如下面结合本发明构思的实施例进一步解释地，图3c的情况，即反射镜310绕y’轴的旋转导致椭圆形截面以其半长轴沿着z方向移位，如图3d中紧邻椭圆形光束截面330的箭头所示。只要椭圆形截面330与光接收器的圆形截面340重叠，这种移位几乎不影响耦合效率。
18.需要注意的是，每个聚焦透镜对穿过透镜的光束的光束截面进行傅里叶变换。在椭圆形形状的情况下，这种傅里叶变换基本上导致椭圆形形状旋转90
°
。因此，例如，如图1所示的透镜170旋转光束120、121的椭圆形形状，光束120、121包括在二向色光束偏转器130和透镜170之间基本上平行于x-y平面定向的椭圆形截面，使得光束出口190附近/光接收器160处的光束的半长轴沿着z方向定向，如图3d中紧邻椭圆形光束截面330的箭头所示。
19.应该注意的是，“基本上或完全地椭圆形”或“椭圆形或至少基本上椭圆形”旨在描述一种椭圆形形状，该椭圆形形状可以由于与光学元件的相互作用而变化，光学元件例如(二向色)反射镜、光学透镜等。这同样适用于“基本上或完全地圆形”的表述和“基本上或完全地平行”和“基本上或完全地垂直”的定义。进一步地，在通常的公差范围内允许有偏差。
20.再次参照图3，光束偏转器310的侧表面312和基底元件300之间的粘合剂楔形物只
有在楔形物的移动导致光束偏转器绕y’轴旋转的情况下才会有相关的影响(见图3c)。如上面已经讨论的，这会导致光束在z方向上的偏转，从而导致焦点沿z方向在光接收元件上移动(见图3d)。如果粘合剂收缩或膨胀，光束偏转器将几乎不会绕z轴显著旋转。记住这一点，如果光束被正确地定向，激光束截面的椭圆形形状甚至可以帮助激光稳定地耦合到光接收器/光纤中。通过定向光束使得椭圆形截面的半长轴在进入系统的光束入口后位于x-y平面中，光束的焦点在穿过包括透镜的出口之后将呈现其平行于z轴定向的半长轴，如图3d所示。因此，如果光束沿z方向移动，由于椭圆形焦点330在该方向上的伸长，圆形光接收截面340仍将被显著照射。
21.在有利实施例中，至少一个光束入口或者每个光束入口包括准直透镜。根据本发明构思，光束出口包括进行傅里叶变换的透镜，特别是聚光透镜。当准直透镜产生一束平行光束时，聚光透镜将一束平行光束聚焦到焦点中。光接收器/光纤的耦合端应位于该焦点。
22.在另一有利实施例中，光束出口还被配置为接收作为光接收器的光纤，以便光纤可以安装到光束出口。类似地，如果激光器，特别是激光二极管，可以安装到光束入口，这是有利的。
23.通常，光束偏转器的侧表面基本上或完全地垂直于光束偏转器用于偏转光束的偏转表面。
24.本发明构思对于将两个或更多个光束耦合到诸如光纤的光接收器中特别有利。在这种情况下，光束偏转器中的至少一个是二向色光束偏转器，二向色光束偏转器允许第一光束穿过二向色光束偏转器并且偏转第二光束，例如由于二向色光束偏转器的波长特性。这种二向色光束偏转器特别适合于叠加两个光束。在多于两个光束的情况下，可以使用多于一个的二向色光束偏转器。这种二向色光束偏转器被有利地布置为用于将第一光束和第二光束导向光束出口。
25.在有利的实施例中，至少紧位于光束出口之前的光束偏转器直接固定到基底元件。通常，系统被设置成在从入口到出口的方向上开始调节光束偏转器。前面的反射镜/光束偏转器的任何偏差可以通过对应地调节紧位于光束出口之前的光束偏转器/二向色光束偏转器而在一定程度上被抵消。为了这个目的，迄今为止光束偏转器/二向色光束偏转器通常设有光机械，即调节装置。然而，利用本发明构思，甚至这些光机械也可以变得多余。在这个背景下，如果至少一个光束偏转器中的每一个都直接固定到基底元件而不使用任何光机械，则是特别有利的。
26.在本发明构思的第二方面中，提供一种用于将至少一个光束耦合到光接收器中的方法，如在对应的独立权利要求中限定的。用于将至少一个光束(每个光束有椭圆形或者至少基本上椭圆形光束截面)耦合到具有圆形或至少基本上圆形光接收截面的光接收器中的方法，包括以下步骤：提供至少一个光束偏转器，用于偏转至少一个光束中的光束，并且提供光学基底元件，特别是在平面中延伸的光学基底元件，其中，所述至少一个光束偏转器中的至少一个光束偏转器在用于定向至少一个光束偏转器的定向步骤之后直接固定到基底元件，特别是在没有调节装置的情况下，调节装置允许对直接固定的偏转器元件在其固定之后进行调节，其中，由于固定，允许相应的直接固定的光束偏转器在小范围内绕旋转轴旋转，该旋转导致对应的光束的额外(不期望的)偏转，并且将相应的光束偏转器的偏转表面上的相应的光束的椭圆形截面的半长轴平行于或者至少基本上平行于旋转轴定向，其中，
用于定向至少一个光束偏转器的定向步骤包括定向至少一个光束偏转器使得至少一个光束的椭圆形截面与光接收器的圆形截面重叠。
27.在优选的实施例中，该方法包括步骤：提供至少一个光束偏转器，用于偏转至少一个光束中的光束，并且提供在x-y平面中延伸的光学基底元件，其中，所述至少一个光束偏转器中的至少一个光束偏转器在用于定向至少一个光束偏转器的定向步骤之后以光束偏转器的侧表面直接固定到基底元件，使得光束偏转器的偏转表面至少基本上垂直于基底元件的表面/x-y平面延伸，并且当相应的光束碰撞/撞击相应的光束偏转器的偏转表面时，将相应的光束的椭圆形截面的半长轴平行于或至少基本上平行于x-y平面定向。
28.需要指出的是，与根据本发明构思的第一方面的系统相关的上述特征代表了根据本发明构思的第二方面的方法的对应特征的类似描述。一些或者所有的方法步骤可以被硬件设备执行(或通过使用硬件设备执行)，例如，处理器、微处理器、可编程计算机、电子电路。在一些实施例中，最重要的方法步骤中的一个或更多个可以被这样的设备执行。
29.在此使用的术语“和/或”包括相关列出项目中的一个或更多个的任何和所有组合，并且可以缩写为“/”。
30.应该注意的是，上述示例以及下面解释的示例的特征可以全部或部分地与在此没有明确提到的其他示例组合，然而仍然是本公开的一部分。
附图说明
31.图1示意性地示出了根据本发明构思的实施例的系统的俯视图；
32.图2示出了现有技术的光机反射镜支架的示例；
33.图3示意性地示出了直接固定到在根据本发明构思的实施例的系统中使用的基底元件的光束偏转器；以及
34.图4示意性地示出了在图1中所示的系统的一部分以及根据本发明构思的实施例的光接收器的透视图。
具体实施方式
35.在图1中，两个光束120、121被耦合到具有圆形光接收截面的光接收器160中，每个光束具有椭圆形光束截面。系统被标示为100。系统100包括两个光束入口180、181，每个入口被配置为允许光束120和121中的每个进入系统100。在所示的实施例中，光束入口180包括以准直透镜150，并被配置为安装用于产生光束120的激光二极管140。这同样适用于光束入口181，光束入口181包括准直透镜151，并被配置为接收用于产生光束121的激光二极管141。
36.系统100还包括光束出口190，其被配置为允许合并的两光束120和121离开系统100，用于将光束耦合到光接收器160中，光接收器160在所示实施例中是光纤。光束出口190还包括聚光透镜170，并还被配置为接收光纤160。通常，系统100不仅包括如图1中所示的元件以及优选为基板300形式的光学基底元件(参见例如图3或图4)，而且还包括至少一个侧壁(图中未示出)，并且特别是带有顶盖元件(图中未示出)，使得系统可以呈盒状。在这种情况下，至少一个光束入口180、181和光束出口190形成在侧壁中。
37.系统100还包括多个光束偏转器110、111、112和130，例如配合到相应的框架中或
配合到相应的支架(未示出)上，用于偏转光束120、121，以便将它们导向光束出口190。光束偏转器110、111、112可以是简单反射镜的形式，而光束偏转器130可以是二向色光束偏转器，其允许光束121穿过并且偏转光束120，以便将两个光束120、121合并到相同的光路上，并且优选地基本上以同轴的方式在朝向光束出口190的方向上传播。
38.系统100可以还包括光学元件并且可以包括多于两个的光束入口。本领域技术人员可以容易地将系统100改造成用于将多于两个的光束耦合到光接收元件160中的系统。
39.系统100还包括在系统的x-y平面中延伸的光学基底元件，该平面对应于图1的绘图平面。至少一个光束偏转器，尤其是二向色光束偏转器130以及有利地还有反射镜110、111、112，以侧表面直接固定到基底元件。这将参考图3进一步描述。固定的光束偏转器的偏转表面基本上或完全地垂直于基底元件/图1的绘图平面延伸。这样的固定的光束偏转器有利地通过粘合剂固定。可替换地或者额外地，该固定可以通过至少一个螺钉和/或通过焊接来实现。
40.系统100可以有利地在工厂中建立，首先对准反射镜110和111，其次对准反射镜112，最后对准二向色反射镜130，并用粘合剂将每个对准的反射镜固定到基底元件。然后，预构建的系统100可以交付给用户，而不需要用户借助光机械进行对准。
41.图2示出了用于光束偏转器的光机支架或光机械200的照片，光机支架或光机械200迄今为止通常用作对准和固定光束偏转器的调节装置。光机械200的反射镜安装表面标示为210。光机械200包括滚珠轴承220、弹簧240和调节螺钉230。反射镜安装表面210的至少两个支撑点可以通过具有细牙螺纹的相应的螺钉230前后移动。因此，可以独立设置竖直和水平倾斜。这允许光束偏转器的高度精确的移动。这样的光机械200成本高，并且对准过程耗时。
42.图3示意性地示出直接固定到光学基底元件300的光束偏转器310，作为图1所示的系统100的实施例的一部分。光束偏转器310可以是图1中的光束偏转器110、111、112、130中的任何一个。光束偏转器310经由粘合剂层314以其侧表面312直接固定到基底元件300上。如图3a所示，光束320的椭圆形截面330的半长轴平行于x-y平面定向，光学基底元件300在x-y平面中延伸并且光束320在x-y平面中沿朝向偏转表面311的方向行进。图3a至图3d的更多细节在上面已经讨论。如上面已经解释的，固定过程和之后的任何可能的热变化可以导致反射镜移动。尽管绕z轴的移动不太可能，绕x轴的移动与耦合效率无关。唯一相关的移动是绕y’轴的移动，如图3c所示。这样的移动导致被偏转的光束320偏转出x-y平面，导致焦点330在z方向上的移动，如图3d所示。只要光束320的椭圆形截面330与光纤160的圆形截面重叠，半长轴沿z方向的移动几乎不会影响耦合效率。
43.图4以透视图示意性地示出了例如在图1中所示的系统的一部分以及根据本发明构思的实施例的光接收器160。光束偏转器310可以是反射镜，尤其是在只有一个光束被耦合到光接收器中的情况下，或者在将两个或更多个光束耦合到光接收器中的情况下，可以是二向色光束偏转器(如图1中所示，用于两个光束)。在后面的情况下，图4中的光束320对应于图1中的光束120，并且光束偏转器310对应于图1的二向色光束偏转器130。同样，箭头320表示激光束传播方向，椭圆形形状表示相应的光束截面。光束320，在被光束偏转器310偏转后，被导向聚光透镜170，图4中示出了椭圆形照射区域(在光束偏转器310的表面上，并且在聚光透镜170面向光束偏转器310的一侧)。聚光透镜170将光束聚焦到光接收器的前
侧，光接收器在此为光纤160，光纤160布置为其前侧在透镜170的焦平面中。该布置导致具有椭圆形光束形状330的光束耦合到具有圆形光接收截面340的光纤160中，如图3d所示。光束偏转器310和聚光透镜170之间的光束320的椭圆形形状被定向为其半长轴基本平行于x-y平面。通过透镜170的傅里叶变换功能，透镜170将光束320的椭圆形形状旋转大约90度，从而产生光束320的(聚焦的)椭圆形形状，其半长轴基本上平行于z轴定向(如图3d所示)。
44.例如，从图3a和图4可以看出，应该确保y方向上的反射镜尺寸，或者更一般地，反射镜宽度足以完全覆盖椭圆形光束形状。由于椭圆形光束形状的半长轴平行于x-y平面定向，如果光束非垂直地撞击反射镜，半长轴在反射镜表面上被放大。(为了解释说明的目的，例如，如果光束非垂直地撞击反射镜，圆形光束轮廓将在反射镜表面上产生椭圆形照射区域)。因此，根据本发明构思，半长轴平行于x-y平面的椭圆形光束轮廓可能需要在y方向上具有较大尺寸的反射镜(如图3a和图4所示)，这一事实通常会阻止本领域技术人员选择这样的光束轮廓定向，而是导致选择半长轴平行于z方向的优选定向。然而，如上面解释的，本发明构思提供了显著的优势，例如更好的光耦合稳定性。
45.附图标记列表
46.100系统
47.110光束偏转器，反射镜
48.111光束偏转器，反射镜
49.112光束偏转器，反射镜
50.130光束偏转器，二向色光束偏转器
51.120光束
52.121光束
53.140激光二极管
54.141激光二极管
55.150准直透镜
56.151准直透镜
57.160光接收器，光纤
58.170聚光透镜
59.180光束入口
60.181光束入口
61.190光束出口
62.200光机支架，光机械
63.210反射镜安装表面
64.220滚珠轴承
65.230调节螺钉
66.240弹簧
67.300光学基底元件，基板
68.310光束偏转器，反射镜，二向色光束偏转器
69.311偏转表面
70.312侧表面
71.313背侧
72.314粘合剂层，粘合剂
73.320光束
74.330椭圆形截面
75.340圆形横向系统。