专利名称：平顶双角楔形光纤端面的制作方法
相关的专利申请这项申请要求的优先权是1997年11月7日申请的美国专利申请第08/965,798号，而该申请要求的优先权是1997年6月4日申请的美国申请第60/048,573号，在此通过引证将它们的教导全部并入本文。
本发明的现有技术在光纤通信系统中，更一般地说在传输光线的光纤系统中，提高光线从光源进入光纤的耦合效率通常是至关重要的。最常见的应用之一是在通信系统中使光线从单横向模光源进入单模光纤，例如，从半导体激光器进入单模光纤。历史上，在高耦合效率与易于制造之间采用的是折衷方案。下述实例说明这个原则1.块状光学器件(Bulk optics)这是一项流行技术，在这项技术中用透镜将来自半导体激光器的光线聚焦到光纤的端面上。如果使用适当的透镜，这项技术可以提供高耦合效率。但是，需要多重元器件，通常是1或2个透镜，这一事实大大增加了实现的复杂性和可靠性风险。
2.双曲线光纤端面这项技术通过使用高功率的红外激光器在光纤端面或尖端上加工双曲线表面将99％的功率从单模激光器耦合到单模光纤中。双曲线是适合光纤耦合的理想形状。
3.单角楔形光纤端面这项技术已被用于980纳米的泵激光器与单模光纤的耦合。尽管这种端面在易于制造方面是有利的，但是，所能实现的耦合效率被限制在65％至70％之间。
4.双角楔形光纤尖端这项技术是上述的双曲线光纤端面和单角楔形光纤端面之间的折衷方案。它提供的耦合效率比单角楔形端面高，但不如双曲线端面。它比双曲线端面容易制造和实现，但又不象单角楔形光纤端面那样容易。为了全面地规定并制造双角楔形光纤尖端，必须相当精确地加工四个独立的角(其角度为仅有的两个数值之一)和三条相交线的位置。
本发明的概述本发明的方向是提供一种改进的光纤端面形状及其制造方法。它将实现双角楔形光纤尖端所能达到的耦合效率并且象单角楔形角度那样易于制造。
一方面，本发明一般地涉及适合传输电磁辐射的包括芯及其周围包层的光纤，具体地涉及通常用于接收来自光源的输入辐射的尖端或端面。本发明的尖端包括基本上垂直于光纤轴线的端面以及与所述端面相交的第一斜面和第二斜面。
在优选的实施方案中，在斜面与端面之间的切顶线落在包层/芯之间的界面的边缘附近并且优选在该界面的外侧，在光纤与被传输的光线如此配置时致使绝大部分光线在包层内传输。
在另一个实施方案中，切顶线基本上是彼此平行的，而且第一和第二表面在光纤的两侧彼此对置。
在又一个实施方案中，增添附加的斜面。在每种情况下，斜面都与端面在切顶线处相交，优选落在包层/芯之间的界面附近。
另一方面，本发明一般地涉及制造光纤尖端的方法。该方法包括首先劈断光纤形成端面。然后，至少形成相对该端面倾斜的第一和第二表面。
在优选的实施方案中，检测从该尖端输出的光线强度的空间分布，并用它监测第一和/或第二斜面的抛光。
现在将参照附图更具体地介绍本发明的上述和其它特征以及其它的优点，包括各种新颖的结构细节和组合。人们将会理解在此展示的体现本发明的具体方法和器件是为了说明的目的而不是作为对本发明的限制。不脱离本发明的范围，本发明的原理和特征可以在各种各样的实施方案中使用。
附图简要说明在不同的附图中，相同的参考符号始终指的是相同的零件。这些附图不必按比例制图，而将重点放在说明本发明的原理上。其中
图1是本发明的光纤尖端的侧剖图2是本发明的光纤尖端的俯视图；图3是侧视图，说明在激光器的光轴不平行于光纤的光轴时激光器和光纤之间的耦合；以及图4A至图4C说明制造本发明的光纤尖端的步骤。
本发明的详细叙述图1是剖视图，它说明按照本发明的原理构成的光纤尖端或端面。
单模光纤100在尖端110上有三个加工表面。平坦的表面S1和S2在光纤两侧从末端向后倾斜。表面S1和S2的倾斜角分别用θ1和θ2表示，该角度是相对垂直于光纤100的机械和光学轴线112的平面测量的。优选的是θ1和θ2大约为25°。适合θ1和θ2的工作范围介于10°和40°之间。在一个实施方案中，θ1和θ2中有一个大于25°，而另一个小于25°。第三表面S3垂直于光纤100的机械和光学轴线112。
如图2所示，斜面S1和S2分别在切顶线BL1和BL2处与端面S3连接。这两条切顶线在光纤芯102的边缘(即包层与芯的界面105)附近通过。
在图示的实施方案中，斜面S1和S2在光纤100的两侧彼此对置，因此切顶线BL1和BL2是彼此平行的。应当注意，切顶线BL1和BL2不需要在所有的应用中都是彼此平行的。在某些情况下，构成彼此并非直接对置的斜面S1和S2是符合要求的。
此外，切顶线BL1和BL2不必与光纤100的芯102相交或穿越它。在图示的实例中，切顶线BL1和BL2在包层与芯的界面105的外侧通过。这种构型通常是在光纤模的波长远远大于截止波长时使用的；因此该模的有效部分将占有包层区域104。
如图3所示，表面S1和S2的角度θ1和θ2不需要彼此相等。在光源200的光轴210不平行于光纤的光轴时(如图所示)这或许是必要的。这与具有倾斜的端面或激光束是等价的。
本发明不限于椭圆芯的光纤或圆对称的光纤。它可以与椭圆形包层、熊猫(panda)、椭圆芯、蝴蝶结(bow-tie)、锥形的以及圆对称的光纤一起使用。此外，可以在尖端110形成两个以上斜面，以便更加接近双曲线末端，同时保留垂直的端面S3。再者，光纤尖端可以有介电涂层。
图4A至图4C说明本发明的光纤尖端的制造技术。
如图4A所示，光纤100的末端110被劈成平面。这个步骤优选采用已知方法来劈断光纤。
然后，如图4B所示在光纤上抛光表面S1。抛光的程度和表面S1的大小是依据光纤出射光线310的分布图来控制的，该出射光线是通过光线射入对置端产生的。利用光电探测器300监测光强分布312。在优选的实施方案中，该光电探测器远离并平行于表面S3。在光电探测器300的平面内按垂直于切顶线BL1的方向巡回检测光强，以便绘出光强的空间分布312。
然后，如图4B所示在光纤上抛光表面S1。抛光的程度和表面S1的大小是依据光纤出射光线310的分布图来控制的，该出射光线是通过光线射入对置端产生的。利用光电探测器300监测光强分布312。在优选的实施方案中，该光电探测器远离并平行于表面S3。在光电探测器300的平面内按垂直于切顶线BL1的方向巡回检测光强，以便绘出光强的空间分布312。
在光强空间分布中，峰314的形状和位置被用于控制该表面的抛光。一般地说，在平行于表面S3的方向上的峰值315位置反映出切顶线BL1的位置，而峰的形状即宽度318反映出角度θ1。因此，该分布所描绘的正是在加工表面S1时的两个变量。
一般地说，通过控制表面S1的抛光，使切顶线BL1或者仅仅落在包层104上，或者在某些情况下允许切顶线通过光纤芯102。这种选择取决于通过光纤传输的光线的频率，它与该光纤的尺寸有关，并因此与光线在光纤包层104内传输的程度有关。
如图4C所示，在下一个步骤中抛光光纤尖端的表面S2。再一次将探测器300上的光强空间分布312用于监测该抛光过程，以便参照峰316的最大值和宽度使切顶线BL2达到所需位置并获得所需的角度θ2。
制作经验表明在抛光过程中允许光纤100略微弯曲将是有利的。从理论上说，这使表面S1和S2产生一些弯曲并在切顶线BL1和BL2上形成圆弧，从而更接近双曲线剖面。
在另一个实施方案中，在光纤尖端打磨出附加的斜面，即两个以上斜面，例如总共四个斜面。尽管这样将增加抛光步骤，但是尖端将更好地接近双曲线旋转体的形状。
相对双角楔形光纤尖端本发明有许多优点。首先，将制作光纤时的独立变量减少到4个，即表面S1和S2的切顶线位置和角度。在制作双角楔形光纤尖端时有7个独立变量。此外，断裂面S3不经历抛光，所以相对抛光表面保留着平滑断裂面的高级光学性质。
尽管参照优选实施方案已经对这项发明做了展示和介绍，但是，应当理解熟悉这项技术的人可以在不脱离权利要求书所定义的本发明的精神和范围的情况下在形式和细节上作出各种各样的变化。
权利要求书按照条约第19条的修改1.一种沿纤维轴线传输电磁辐射的光纤，该光纤包括芯及其周围包层并且适合在其尖端接收来自光源的辐射，该尖端包括端面，该端面基本上与所述轴线垂直；第一斜面，该斜面在第一斜面与所述端面的交界处定义了第一切顶线，该切顶线落在芯的边缘附近；以及至少一个第二斜面，该斜面在第二斜面与所述端面的交界处定义了至少一条第二切顶线，该切顶线落在芯的边缘附近。
2.根据权利要求1的光纤，其中第一和第二切顶线越过光纤芯。
3.根据权利要求1的光纤，其中第一和第二切顶线只越过包层但靠近光纤芯。
4.根据权利要求1的光纤，其中第一和第二切顶线基本上是彼此平行的。
5.根据权利要求1的光纤，其中第一和第二切顶线不是彼此平行的。
6.根据权利要求1的光纤，其中第一和第二斜面在光纤的两侧彼此对置。
7.根据权利要求1的光纤，其中相对所述光纤轴线以不同的角度形成第一和第二斜面。
8.根据权利要求1的光纤，其中相对所述光纤轴线以近似相同的角度形成第一和第二斜面。
9.一种加工光纤尖端的方法，该光纤包括芯及其周围的包层，它适合沿其轴线传输电磁辐射，该方法包括劈断光纤形成端面；抛光在第一斜面与所述端面交界处定义了第一切顶线的第一斜面，直至所述第一切顶线落在光纤芯的边缘附近为止；以及抛光在第二斜面与所述端面交界处定义了第二切顶线的第二斜面，直至所述第二切顶线落在光纤芯的边缘附近为止。
10.根据权利要求9的方法，进一步包括检测从所述尖端输出的光线强度的空间分布；以及利用所述光强的空间分布来监测第一和/或第二斜面的抛光。
11.根据权利要求9的方法，其中光纤是这样劈断的，以致端面基本上垂直于所述光纤的轴线。
12.根据权利要求9的方法，进一步包括相对光纤轴线以不同的角度抛光第一和第二斜面。
13.根据权利要求9的方法，进一步包括相对光纤轴线以相同的角度抛光的第一和第二斜面。
14.一种光纤/激光器耦合系统，其中所述光纤包括适合沿纤维轴线传输电磁辐射的芯及其周围的包层，该系统包括激光光源；以及具有尖端的光纤，该尖端包括断裂面；第一抛光表面，该表面相对断裂面倾斜并且与该断裂面相交；以及至少一个第二抛光表面，该表面相对断裂面倾斜并且与该断裂面相交。
15.根据权利要求14的系统，其中第一斜面和端面在光纤芯的边缘附近相交。
16.根据权利要求15的系统，其中第二斜面和端面在光纤芯的边缘附近相交。
17.根据权利要求1的光纤，其中端面作为断裂面被保留下来，以便在传输来自激光光源的光线时保持有利的光学性质。
权利要求
1.一种沿纤维轴线传输电磁辐射的光纤，该光纤包括芯及其周围包层并且适合在其尖端接收来自光源的辐射，该尖端包括端面，该端面基本上与所述轴线垂直；第一斜面，该斜面在第一斜面与所述端面的交界处定义了第一切顶线，该切顶线落在芯的边缘附近；以及至少一个第二斜面，该斜面在第二斜面与所述端面的交界处定义了至少一条第二切顶线，该切顶线落在芯的边缘附近。
2.根据权利要求1的光纤，其中第一和第二切顶线越过光纤芯。
3.根据权利要求1的光纤，其中第一和第二切顶线只越过包层但靠近光纤芯。
4.根据权利要求1的光纤，其中第一和第二切顶线基本上是彼此平行的。
5.根据权利要求1的光纤，其中第一和第二切顶线不是彼此平行的。
6.根据权利要求1的光纤，其中第一和第二斜面在光纤的两侧彼此对置。
7.根据权利要求1的光纤，其中相对所述光纤轴线以不同的角度形成第一和第二斜面。
8.根据权利要求1的光纤，其中相对所述光纤轴线以近似相同的角度形成第一和第二斜面。
9.一种加工光纤尖端的方法，该光纤包括芯及其周围的包层，它适合沿其轴线传输电磁辐射，该方法包括劈断光纤形成端面；抛光在第一斜面与所述端面交界处定义了第一切顶线的第一斜面，直至所述第一切顶线落在光纤芯的边缘附近为止；以及抛光在第二斜面与所述端面交界处定义了第二切顶线的第二斜面，直至所述第二切顶线落在光纤芯的边缘附近为止。
10.根据权利要求9的方法，进一步包括检测从所述尖端输出的光线强度的空间分布；以及利用所述光强的空间分布来监测第一和/或第二斜面的抛光。
11.根据权利要求9的方法，其中光纤是这样劈断的，以致端面基本上垂直于所述光纤的轴线。
12.根据权利要求9的方法，进一步包括相对光纤轴线以不同的角度抛光第一和第二斜面。
13.根据权利要求9的方法，进一步包括相对光纤轴线以相同的角度抛光的第一和第二斜面。
14.一种沿光纤轴线传输电磁辐射的光纤，包括芯及其周围包层，该光纤具有包括下述要素的尖端断裂面；第一抛光表面，该表面相对断裂面倾斜并且与该断裂面相交；以及至少一个第二抛光表面，该表面相对断裂面倾斜并且与该断裂面相交。
15.根据权利要求14的光纤，其中第一斜面和端面在光纤芯的边缘附近相交。
16.根据权利要求15的光纤，其中第二斜面和端面在光纤芯的边缘附近相交。
全文摘要
本发明揭示了一种改善光源至光纤的光耦合效率的光纤端面形状及其制造方法。本发明的尖端包括断裂端面,该端面优选基本上垂直于光纤轴线,以及与该端面相交成人字形的第一和第二抛光表面。在人字形表面和端面之间的切顶线落在包层/芯界面的边缘附近并且优选在该界面的外侧,光纤与被传输光线的这种配置致使绝大部分光线在包层内传输。在制造期间检测从该尖端输出的光线强度的空间分布并用它监测人字形表面的抛光。实验业已表明本发明的尖端达到与双角楔形光纤尖端相当的耦合效率同时保持相当于单角楔形尖端的易加工性。
文档编号G02B6/42GK1267370SQ98805646
公开日2000年9月20日 申请日期1998年6月1日 优先权日1997年6月4日
发明者杰弗里·科恩, 史蒂文·D·科诺沃, 韦恩·F·沙芬, 托马斯·C·杨 申请人:镭射通公司