漸變折射率透鏡,它在遠程通信應用裝置中的使用及其製造方法

2023-06-08 22:40:31

專利名稱：漸變折射率透鏡,它在遠程通信應用裝置中的使用及其製造方法
技術領域：
本發明涉及漸變折射率(GRIN)透鏡，包括GRIN透鏡的裝置和製作GRIN透鏡的方法。
背景技術：
在諸如開關，環行器，隔離器，和波分多路復用器的光學裝置和遠程通信應用中廣泛使用GRIN透鏡。通常，GRIN透鏡利用具有足夠直徑的玻璃棒，使得GRIN透鏡的折射率可從透鏡的軸朝著外邊緣逐漸地變化。
光學器件朝著小型化的趨向，已使得一些製造商提供其直徑小於工業標準1.8mm的漸變折射率(GRIN)透鏡。許多製造商採用較小直徑的莖管並採用類似於較大直徑產品所用的離子交換工藝製作這些較小直徑的透鏡。這使得在核心折射率η。和折射率ηr方面與較大直徑透鏡那樣，基本上是相同的，以使梯度參數A=(1r2(1-ro))]]>對較小直徑透鏡來說是較大的，此處r是透鏡的半徑。由於透鏡的性質(焦長度，光束進徑等)強烈地取決於 的值，所以較小透鏡的性能顯著地與標準1.8mm透鏡的性能有區別。尤其是，對具有較大 值的透鏡來說，光束直徑(也稱光點尺寸)是較小的。由於較小的光束髮散更為迅速，具有不同的非準直靈敏度。並將有害地影響狹帶波分多路復用(WDM)濾波器的性能，所以對許多應用是不合乎需要的。
避免這問題的一個方法是製作標準的1.8mm透鏡，然後進行研磨和拋光操作以減小透鏡的外直徑。這就產生具有如標準透鏡一樣的相同 值的1較小直徑透鏡。但是，在兩個考慮上是不合需要的，它在製造工序上添加了代價昂貴的研磨步驟，以及對每磅融熔並形成莖管的玻璃生產較小的透鏡而浪費玻璃。另一種生產可產生與標準直徑透鏡相比擬的光束直徑的小直徑透鏡的可能方法將是改變玻璃成分，使得在ηr和ηo方面的變化對r方面的變化作出補償來產生相同的 值。但是，從製造的觀點來看，它是不合需要的，因為它需要為不同性質的透鏡生產不同的玻璃，這就為製造工藝添加複雜性。較佳的是單一的玻璃可供大批量的不同透鏡產品之用。儘管在透鏡的製造中通過延長離子交換步驟或熱處理步驟來使梯度變平是有可能採用單一的玻璃，從而為較小的透鏡減小 但這從製造的觀點來看還是不合需要的，因為它加長了製造時間，從而降低了生產率。
雖然對具有直徑小於約1.8mm的小直徑透鏡存在著特殊的興趣，但是諸如MEMS開關的許多光學器件需要比安裝小直徑透鏡較長的光路距離。用具有標準1.8mm直徑的透鏡來提供具有較大光束，因此也有較長的光路距離的透鏡，應是合乎需要的，因為這將可使用標準封裝和工件夾具。

發明內容
本發明的某些實施例涉及具有節距小於0.23的漸變折射率的透鏡。其它實施例則涉及包括諸如準直器的這種GRIN鏡。還有另一些實施例涉及製作具有節距小於0.23的GRIN透鏡。其它實施例具有約0.23-0.25節距的透鏡。應知道，上面的一般描述和下面的詳細描述這兩者都是示範性的，並企圖按權利要求提供本發明的進一步說明。
附圖簡述

圖1是示出漸變折射率透鏡的折射率梯度對透鏡直徑的關係曲線圖；圖2是示出對各種節距的GRIN透鏡，作為折射率梯度函數的光束直徑圖；圖3是示出對各種節距的GRIN透鏡，工作距離對摺射率梯度的曲線圖；圖4是示出對各種節距的GRIN透鏡，透鏡長度對摺射率梯度的曲線圖；圖5是示出對各種節距的GRIN透鏡，工作距離與透鏡長度之和對摺射率梯度的曲線圖；圖6是示出高斯光束的範圍對離光纖末端距離的曲線圖；圖7是離開具有節距約0.25的常規GRIN透鏡的高斯光束的光點尺寸對離透鏡表面距離的曲線圖；圖8是離開具有節距約0.12的GRIN透鏡的高斯光束的光點尺寸對離透鏡表面距離的曲線圖；圖9是示出由具有節距為0.23和0.125的透鏡所產生的高斯光束的範圍圖；
圖10是示出對節距為0.23或0.125透鏡的準直器對的作為間距函數的計算的超量損耗圖；圖11是對具有核心折射率為1.535和折射率梯度為0.295mm-1的透鏡，工作距離對節距的曲線圖；圖12是對具有核心折射率為1.535和折射率梯度為0.295mm-1的透鏡工作距離與長度之和對節距的曲線圖；圖13是示出對0.23-0.25節距的GRIN透鏡，作為折射率梯度函數的光束直徑圖；以及圖14是示出對從0.25節距的透鏡輸出的高斯光束的光束範圍的圖。
具體實施例方式
在描述本發明的幾個示範性實施例之前，應知道，本發明並不限於在下面描述所陳述的結構細節或工藝過程。本發明可以是其它的實施例並以各種方法來實踐即實施的。
在概述中，本發明的某些實施例與漸變折射率透鏡有關，包括具有徑向變仳折射率的通常圓柱形的玻璃部件，該玻璃部件具有一長度，使得該透鏡具有小於約0.23的節距。正如在本文中使用的，透鏡的節距長度Lo，為 分數節距，即在下文中的節距是L/Lo=LA/2,]]>此處L是透鏡的實際長度。
在各種實施例中，節距是在0.08和0.23之間，諸如，好比說透鏡具有節距為0.22，0.21，0.20，0.19，0.18，0.17，0.16，0.15，0.14，0.13，0.12，0.11，0.10，0.09和0.08。某些實例涉及小直徑透鏡，諸如具有直徑小於或等於約1mm，例如0.8mm的透鏡。在某些實施例中，當用具有模場直徑約為10.4微米的光束照射時，具有直徑小於約1mm的透鏡來產生具有在約350微米和450微米之間的模場直徑的光束是有效力的。
本發明的其它實施例涉及具有在約1.5mm和2mm之間較大直徑的常規透鏡。例如，當用具有模場直徑約為10.4微米的光束照射時，具有在約1.5和2mm之間較大直徑的透鏡來產生具有模場直徑超過約500微米的光束是有效力的。
本發明其它實施例涉及包括各種實施例透鏡的光學器件。這種光學器件包括，但不限於光纖光準直器，它包括有間距相隔關係的光纖和GRIN透鏡。GRIN透鏡可用於包括DWDM，OADM，隔離器，環行器，混合的光器件，光衰減器，MEMs器件，和光開關的種類繁多的器件中。
在一特殊實施例中，安裝包括有間距相隔關係的光纖和通常圓柱形的徑向漸變折射率透鏡的準直器，其中的透鏡具有小於約為0.23的節距。在一更特殊的實施例中，對具有直徑約為1.8mm，核心折射率約為1.535的節距大於約0.10和折射率梯度約為0.295mm-1的透鏡，其在透鏡和光纖之間的工作距離是小於約4mm。在另一特殊實施例中，對具有直徑小於約1mm的透鏡，其在透鏡和光纖之間的工作距離是小於約2.5mm。在還有另一特殊實施例中，對具有直徑小於約0.8mm的透鏡，其在透鏡和光纖之間的工作距離是小於約2.0mm。在還有另一實施例中，對直徑在約1.5和2.0mm之間的透鏡， 是在約0.1和0.3mm-1之間。
本發明的其它實施例涉及製作漸變折射率透鏡的方法。某些方法實施例包括獲得具有徑向變化的折射率的通常圓柱形玻璃部件，並把該玻璃部件形成具有使該透鏡有小於約0.23節距的長度。根據某些實施例，透鏡的節距是在0.23和0.08之間。在某些其它實施例中，GRIN透鏡具有在約0.23和0.25之間的節距。
漸變折射率透鏡是通常圓柱形玻璃物體，或是在物體的中心軸處具有最高折射率的部件。折射率隨著離中心軸的徑向距離在外表面即透鏡的圓周線處降低到最小值。透鏡梯度常數， 由方程A=(1r2(1-ro))]]>定義，此處ηo代表核心折射率，ηr代表在玻璃外圍表面處的折射率，而r則是該部件的半徑。這種透鏡是用熟知的離子交換工藝來製作的，且可以從NSG America Inc andCorning，Inc購到。
在圖1中示出由對1550nm時，ηo約為1.535的玻璃製成的透鏡的直徑對 的函數關係。在圖中的實線代表具有Δη約為0.070的理論值的透鏡，而在圖中的虛線則代表個有約Δη約為0.055的實際值的透鏡，由於離子交換或後熱處理在透鏡的中央部分造成減少折射率的離子出光而引起的。
當GRIN透鏡與具有模場直徑約為9微米和11微米之間，而一般約10.4微米的單光纖一起使用來準直或轉移光信號時，它們產生具有特徵直徑的光束。為保證無損耗地俘獲所有的光能量，透鏡的直徑應為待傳輸光束直徑的約兩倍。圖2是示出對具有ηo＝1.535各種節距的透鏡，作為 的函數的光束直徑圖。在圖2中被圍起來的區域示出對具有直徑為1.0mm和0.8mm的透鏡的有用參數。正如被圍起來的區域所示，在約0.25節距和0.12節距之間可製作產生約400mm光束直徑的1mm透鏡。可製作具有直徑為0.8mm產生光束直徑約為0.4mm的透鏡，這些透鏡顯示出節距在0.25和0.08之間。最良好的情況應是最小節距的透鏡，這些透鏡應是最短的，因此，由玻璃製作的每根杆生產較多的透鏡。但是，將在下面看到的，透鏡直徑約是輸入光束直徑兩倍的要求排除了極小的節距透鏡的使用。
除此之外，對於小直徑透鏡，減小透鏡節距將增加工作距離，如圖3所示。圖3中被圍起來的區域，圖示說明了對1.0mm和0.8mm直徑透鏡的工作距離對漸變折射率的曲線圖。如在本文中所用的，透鏡的工作距離是在透鏡的表面和它的焦點之間的距離。但是，當節距減小時，透鏡長度也被減小，如圖4所示。但是，如圖5所示，除了節距非常小的透鏡之外，作為工作距離加透鏡長度之和的整個部件長度基本上是不變的。
當製作透鏡時，必須保持在心中的一個因素是當在光纖和透鏡之間的距離增加時，從光纖入射到透鏡的光點尺寸也增加。如上提到的，對所有被俘獲的光，這光點尺寸一般應是小於透鏡直徑的約一半。圖6示出當光束從光纖末端傳播出去時，在1550nm時由單模光纖典型發射的10.4微米直徑光束的範圍。為保證俘獲所有的光，光纖應離0.8mm透鏡的末端不遠於約2mm，而離1mm透鏡的末端不遠於約2.5mm。這把透鏡設計限制到在圖3中被圍起來的區域，即把透鏡限制到大於約1.0節距。
圖7和8示出對兩個不同的透鏡為幾根光纖到在它們的工作距離附近的透鏡距離在1550nm時的光束分布。圖7出示當進入透鏡的光束是位於離透鏡輸入表面各個距離、具有模場直徑為10.4微米的高斯光束時的對具有 等於約0.295和節距為0.244的透鏡的光束分布圖。圖8示出當進入透鏡的光束是位於離透鏡輸入表面各個距離、具有模場直徑為10.4微米的高斯光束時的對具有 等於約0.500和節距等於約0.119的透鏡的光束分布圖。作為離工作距離位移的函數的這兩種分布的情況來說，基本上是相同的。因此，減小由採用標準的離子交換工藝過程，過去常用於製作常規1.8mm直徑透鏡的玻璃製作的透鏡直徑提升透鏡的 值，這減小了光束直徑。但是，減小透鏡的節距來產生像1.8mm透鏡相同的光束直徑，可使相同的玻璃用於較小直徑的透鏡，並導致每根已離子交換過的杆產生大量透鏡；即提高了生產率。
在本發明的另一實施例中，可減小常規GRIN鏡，即具有直徑在約1.5mm和2mm之間，而更為一般的約1.8mm的透鏡的節距來製作產生隨離開透鏡距離較慢擴展光束的透鏡。減慢光束的擴展提高了有效的間距，在這間距採用該透鏡的裝置可在沒有過分的損耗下使用。因此，當用具有模場直徑在約9和11微米之間，而更為一般的是約10.4微米(代表單模光纖的)的、其腰部靠近透鏡的焦點的高斯光束照射時，具有在約0.23和0.10之間減小了的節距的常規GRIN透鏡來產生超過500微米的光束直徑(高斯模場直徑)是有效的。較大的光束直徑為透鏡提供較長的有效間距，這可使它們能用於諸如微電子機械(MEMs)開關的較長路徑長度的器件中。作為把透鏡切割到不同長度的結果，隨著通過改變節距，為各種應用調節光束直徑，相同的玻璃和離子交換工藝過程可供許多產品之用。由於這些透鏡實際上比具有超過0.23節距的常規透鏡短，所以對製成並形成杆的每宗定量的玻璃可製作更多的透鏡。
參考圖9，示出通過把離開單模光纖的10.4μm光束腰部設置在兩個透鏡的焦點上而產生的高斯光束的範圍。一組曲線代表由0.23節距透鏡產生的光束，具有ηo＝1.535和 如由虛線所代表的。另一組曲線由具有0.125節距相似的透鏡產生的，如由實線所代表的。透鏡的端部是在圖9的左手一側。0.125節距的透鏡開始時產生較大的光束，但是當它離開透鏡傳播時，較緩慢地擴展，並最後基本上比由0.23節距的透鏡產生的光束小。這就導致較長的距離，在這段距離上，可通過類似的透鏡，在沒有顯著的損耗下來俘獲該光束，在透鏡間提供了較大的有效間距距離。
即使需要較大的有效間距，可使用具有節距在0.23和0.25之間，且帶有已減小了的 值的標準1.8mm直徑的透鏡。這種透鏡可通過改變離子交換和標準透鏡的熱處理來提供減少折射率的離子數或把離子遷移到透鏡中央去來生產。從製作的觀點來看，這比減小節距較不方便，由於它需要持續時間很長的製作步驟或幾個步驟，但是卻對生產提供較長有效光學間距的透鏡是合乎需要的。由於這種透鏡的焦點是在或靠近透鏡的輸入表面，所以無需對關於輸入光束直徑的工作距離影響作出考慮。在圖13中，圍起來的範圍示出在這區域中，具有0.23-0.25節距的1.8mm透鏡的輸出光束(光點尺寸)仍然滿足光束直徑小於透鏡直徑約1/2的判據標準。這個範圍 約為0.10到0.30mm-1。
現在參考圖14，在這個範圍的透鏡將展示出在具有較大 值的透鏡上改善的有效間距。圖14示出對具有 值為0.295和0.15mm-1的兩個0.25節距透鏡所示出的，由輸入10.4微米高斯光束在透鏡焦點處引起的光束的輸出範圍。雖然來自具有較低 值透鏡的光束開始時較大，但是它較緩慢地擴展，因此，提供了較大的有效光學間距。還注意到這光束離開透鏡之處的直徑約為0.85mm，所以它仍然是略小於透鏡直徑的1/2。還在圖14中示出的是來自具有 等於0.295mm-1、0.125節距的減小了的節距透鏡的光束用於作比較。雖然這透鏡的有效光學間距超過相同 值0.25節距透鏡的，但它稍為差於具有減小了的 值的0.25節距透鏡的有效光學間距。至於採用減小了的節距還是採用減小的 值的決定將取決於需要有效的光學間距和對更能承受持續時間長的程度的製作工藝過程這兩者的量度。
圖10示出對0.23節距和0.25節距的透鏡的準直器對的作為間距函數的計算的超量損耗。這計算假設準直器被設計來在零間距處產生最小損耗。顯然，在這段距離上，可把準直器分開，而維持的可接受損耗對較小節距透鏡來說是較大的。
另-考慮在於當光纖透鏡的距離增加時，來自光纖入射至透鏡上的光點尺寸隨之增加。這對要被俘獲的所有光來說必須小於該透鏡直徑的1/2。對於1.8mm透鏡，如圖6所示這距離必須小於約4mm。在圖11中對ηo＝1.535，A=1.535]]>的透鏡示出作為節距函數的工作距離。如果需要工作距離小於約4mm，則應把透鏡節距限制到大於約0.08的值。
現在參考圖12，正如在上面討論的，相對於較小直徑GRIN透鏡，工作距離加透鏡長度之和僅在感興趣的節距範圍內變化，所以已完工的準直器尺寸不會變得過分的。這在圖12中被證明。
根據本發明某些實施例，可把莖管拉到所需的最後外直徑來直接製作較小節距的透鏡。這個工藝過程避免了對已完工的透鏡外直徑研磨和拋光的額外步驟。根據某些實施例，對許多產品可採用相同的玻璃和離子交換工藝，通過把透鏡研磨到不同的長度改變節距長度，為各種應用調整光束直徑。透鏡實際上短於通常在約0.23-0.25和較高的範圍內的較大節距透鏡。所以，對每宗定量所生產的玻璃和所加工的莖管可製作更多的透鏡，降低透鏡和採用這種透鏡的裝置的製作成本。但是，對某些應用，必須要通過持續時間較長的離子交換和/或熱處理來減小 以產生可能是最長的有效光學間距。如果是這樣，那麼這些製作優點是無效力的。
在不背離本發明的精神或範圍，可對本發明作出各種修改和變化，這對本領域中的技術人員而言是清楚的。例如，儘管幾個示圖指出透鏡的光學性能是在1550mm的波長，但應知道本發明並不限於某個特定的工作波長，而其它波長亦在本發明的範圍之內。因此，意味著本發明覆蓋本發明的修改和變化，只要它們包括在所附權利要求和它們的等價方案的範圍之內。
權利要求
1.一種漸變折射率的透鏡，包括具有徑向變化折射率的通常圓柱形的玻璃部件，該玻璃部件具有一個長度，使得該透鏡具有小於約0.23的節距。
2.根據權利要求1所述的漸變折射率透鏡，其特徵在於，其中該玻璃部件顯示出小於或等於約1mm的直徑。
3.根據權利要求2所述的漸變折射率透鏡，其中當用具有模場直徑約為10.4微米的光束照射時，該透鏡產生具有模場直徑在約350微米和450微米之間的光束是有效力的。
4.根據權利要求1所述的漸變折射率透鏡，其特徵在於，其中該透鏡的直徑是在約1.5mm和2mm之間。
5.根據權利要求4所述的漸變折射率透鏡，其特徵在於，其中當用具有模場直徑約為10.4微米的光束照射時，該透鏡產生具有模場直徑超過約500微米的光束是有效力的。
6.一種製作漸變折射率透鏡的方法，包括獲得具有徑向變化折射率的通常圓柱形的玻璃部件，和形成該玻璃部件具有一長度，使得該透鏡具有小於0.23的節距。
7.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，其中該圓柱形的部件顯示出小於或等於約1mm的直徑。
8.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，其中當用具有模場直徑約為10.4微米的光束照射時，該透鏡產生具有模場直徑在約350微米和約450微米之間的光束是有效力的。
9.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，其中該圓柱體的部件直徑是在約1.5mm和2mm之間。
10.根據權利要求9所述的方法，其特徵在於，其中當用具有模場直徑約為10.4微米的光束照射時，該透鏡產生具有模場直徑超過500微米的光束是有效力的。
11.一種準直器，包括有間距隔開關係的光纖和通常圓柱形漸變折射率的透鏡，其中該透鏡具有小於約0.23的節距。
12.根據權利要求11所述的準直器，其特徵在於，其中對具有直徑約為1.8mm和節距大於約0.10的透鏡，在透鏡和光纖之間的工作距離小於約4mm。
13.根據權利要求11所述的準直器，其特徵在於，其中對具有直徑小於1mm和節距大於約0.10的透鏡在光纖和透鏡之間的工作距離小於約2.5mm。
14.一種漸變折射率的透鏡，包括具有徑向變化的折射率，在約0.23和0.25之間的節距，以及小於或等於約0.3mm-1的折射率梯度的通常圓柱形的玻璃部件。
15.根據權利要求14所述的漸變折射率透鏡，其特徵在於，其中該透鏡的直徑在約1.5和2.0mm之間。
全文摘要
揭示了漸變折射率透鏡，方法，和裝置。在某些實施例中，這些透鏡是由具有徑向變化折射率的通常圓柱形玻璃部件製成，並具有小於約0.23的節距。其它實施例涉及具有節距在0.23和0.25之間和折射率梯度小於或等於0.3的緩折射率透鏡。
文檔編號G02B3/00GK1688900SQ03823526
公開日2005年10月26日 申請日期2003年7月28日 優先權日2002年8月14日
發明者D·M·小特羅特 申請人:康寧股份有限公司