具有透鏡化尖端的光纖及其製造方法
2023-05-11 02:05:46
專利名稱：具有透鏡化尖端的光纖及其製造方法
技術領域：
一般，本發明涉及光纖的製造過程，更具體地說，涉及具有透鏡化尖端的光纖(lensed tip optical fiber)的製造方法。
背景技術：
許多應用要求光波在例如將與光纖耦接的平面光波導、光集成電路、光源(諸如雷射器)和檢測器中受控傳播。還有其他的應用要求一個光纖與另一個光纖耦接。遺憾的是，許多這些應用都有缺點，並且製造中要高度小心。
例如，因為雷射器的工作溫度波動，並相應地在光纖和雷射器中引起不同的尺寸改變，所以可能破壞光纖與雷射器器的直接連接。由溫度波動造成的尺寸改變使光纖相對於雷射器位置發生改變，或與雷射器分離。
由於雷射器和光纖中的引導模式(guided mode)的尺寸差異大，直接耦接一般效率不高。一般，通過使用透鏡或透鏡組將雷射器發出的光會聚於光纖，可克服這種低效。
然而，由於使用透鏡或透鏡組，光學耦合還具有其它的缺點。例如，使透鏡和雷射器達到精確的光學對準很困難。由於環境溫度隨著時間波動造成尺寸改變和機械偏移，該光纖可能不能對準。因此，需要一種可以改善光纖耦接的改進的光纖製造方法。
發明內容
本發明提供了一種包括在光纖的至少一端上形成的透鏡的光纖製造的適於實用的方法。
修整光纖的至少一端是通過去除材料的過程以形成點端或「尖端」實現的。根據本發明，進一步加工該尖端，在尖端形成焦距可控制的集成透鏡。用本發明的方法製造的具有透鏡化尖端的光纖可使與其他光纖光學對準以及該光纖與各光學裝置(例如光源、平面形光波導和光學集成電路)的連接更方便。
在本發明的一個方面中，提供了一種製造光纖構件的方法。該方法包括修整光纖構件的至少一端和向該光纖構件的修整端部施加能量，以形成透鏡表面。
在本發明的另一個方面中，提供了製造具有透鏡化尖端的光纖的方法。該方法包括提供透光的柱形光纖並腐蝕該透光的柱形光纖的第一端部以形成尖端。加熱該尖端，以便在加熱的尖端上形成透鏡表面。
在本發明的再一個方面中，提供了一種光纖，它包括在透光的柱形光纖的第一端部上形成的第一透鏡表面。該透鏡表面是這樣形成的修整該透光的柱形光纖的至少一端，並將能量加在該透光的柱形光纖的修整端部上。
形成本發明的具有透鏡化尖端的光纖的方法可廉價地實現在該尖端上形成具有可控半徑或焦距的透鏡。該具有透鏡化尖端的光纖可以更容易與其他光纖或各種分立的和集成的光學裝置，例如光源、平面光波導和光學集成電路等光學對準。因為每一條光纖包括「內置」的透鏡，因此可從大多數光纖組件中去除單獨的透鏡。去除單獨的透鏡減少部件數目並消除多個透鏡或透鏡組之間的不對準的可能性。這是一般的光學組件所具有的問題。減少部件數目可形成較簡單的光學組件，降低一般在光學部件組件化和製造過程中存在的昂貴的組件化勞動成本；並可使光學組件的尺寸作得較小。較小的尺寸意味著可以更方便地實現緊湊的系統和降低成本。
本發明的範圍由包括在這部分中供參考的權利要求書確定。本領域的技術人員通過考慮以下的一個或多個實施例的詳細說明，可以更完整地理解本發明的實施例以及各種優點。首先簡略地說明附圖。
圖1為表示本發明的過程的流程圖；
圖2為根據本發明的一個實施例的液浴的簡圖；圖3為根據本發明的一個實施例的，在一個柱形件的端部上形成修整端部的簡圖；圖4A為根據本發明的一個實施例的，從去除材料過程產生的結構的簡圖；圖4B為根據本發明的一個實施例的，在圖4A的結構的修整端部上形成透鏡的過程的簡圖；圖4C表示根據本發明的一個實施例的，可在圖4A的結構的修整端部上形成的焦距可控制的透鏡表面的簡圖；圖5為根據本發明的一個實施例的，本發明的一種應用的簡圖；和圖6為根據本發明的一個實施例的，本發明的另一種應用的簡圖。
參考下面的詳細說明可以更好地理解本發明的實施例及其優點。圖中相同的附圖標記用於表示一個或多個相同的部件。
具體實施例方式
圖1為表示根據本發明的一個實施例的，在光纖上形成透鏡化尖端的過程100的流程圖。過程100可以包括提供一個或一束柱形件(步驟S102)，例如由玻璃(SiO2)、塑料等製成的柱形杆或光纖。
每一個柱形件的第一端部可通過除去材料而形成腐蝕端部，即修整端部或尖端來修整(步驟S104)。在一個實施例中，將該柱形件的每一端放入液浴或液霧形式的反應液體中，形成尖端。在一個實施例中，柱形件的至少一端至少部分地浸入包括材料去除或腐蝕液體的液浴中。在另一個實施例中，適宜的材料去除或腐蝕液體噴射在柱形件的至少一端上。如下面更詳細地所述那樣，腐蝕液體一般首先從每一個柱形件的一部分的周邊去除材料，從而腐蝕或修整每一個件的一部分。從周邊除去材料的步驟通常會在該柱形件的端部上形成尖端。
在一個實施例中，每一個柱形件的第二端部也可放入液浴或液霧形式的反應液體中。該柱形件的第二端部至少部分地浸入包括腐蝕液體的液浴中。在另一個實施例中，將適當的腐蝕液體噴射在柱形件的第二端部上。上述除去材料的步驟會在該柱形件的第二端部上形成尖端。
在一個實施例中，將該柱形件的尖端或多個端部暴露於能量源中，以加熱該尖端(步驟S106)。如下面更詳細地所述那樣，加熱該尖端可以在該尖端上形成透鏡表面。
圖2為根據本發明的一個實施例的，包括柱形件202的腐蝕浴的簡圖。在一個實施例中，每一個柱形件202可以為一個杆、圓柱體、光纖或其他相同形狀的構件。另一種方案是，該柱形件可以具有或預先修整成非圓形的橫截面，例如方形、矩形或其他多邊形的橫截面。這些橫截面在某些平面光波導、光電子和光學裝置中應用可能更適合。
每一個柱形件202的直徑和長度一般根據應用確定。在一個實施例中，每一個柱形件202的直徑可以為標準單模光纖的直徑，即具有大約9μm的典型芯尺寸且總直徑大約為125μm。一般，根據應用情況，每一個柱形件202的直徑範圍在大約小於100μm和大約幾毫米之間。在另一個實施例中，柱形件202可以為多模光纖。
在一個實施例中，柱形件202的端部204可通過使用根據本發明的一個實施例的腐蝕過程除去材料而修整。
再參見圖2，在一個實施例中，通過將端部204放入液浴206中，可以完成端部204的修整。
液浴206可以包括適合從光纖上除去材料的任何化學配方。在一個實施例中，液浴206包括HF酸208。可以在液浴206中加入一個薄層的油，它在HF酸208的表面上形成油膜210。在HF酸208的表面上加油膜210可在酸的表面上形成屏障，以控制腐蝕過程的深度。一般，腐蝕深度由端部204的浸入深度控制，但是，在一些情況下，HF酸可「爬上」並超出柱形件浸入HF酸中的部分，造成未浸入部分被腐蝕，這是不希望的。油膜210起腐蝕屏障的作用，可防止HF酸超出油膜210。
端部204放入液浴206中的時間一般足夠進行除去所需量的材料。除去材料的時間為每一構件202的材料成分和液浴206的成分和濃度的函數。
在圖3所示的一個實施例中，每一個柱形件202包括一個芯區域C1和包圍芯區域C1的周邊區域P1。在工作中，由於周邊區域P1與HF酸208直接接觸並且暴露在HF酸208中的表面積較大，因此液浴208在影響芯區域C1之前影響周邊區域P1。這在角落區域302上也是如此，因為角落區域的頂部和側面同時露出。所使用的光纖的形式也影響該尖端區域如何形成。一些光纖的芯區域C1作得比周邊區域P1純。不太純的區域更容易被液體除去材料。
可通過柱形件202浸入HF酸208中的在油膜210下面的深度控制修整端部304的長度L。然而，修整端部304的銳度(或斜度)S由該件202保持在液浴206中的時間長度和HF酸208的濃度控制。
優選，本發明的材料去除過程為緩慢的過程。因此，製造者可以連續地檢查材料除去過程的進展，並在獲得端部部分304的希望尺寸的時刻，從液浴206中取出端部204。
由材料除去過程產生的結構為如圖4A所示的尖端構件400。
如圖4A所示，尖端構件400包括至少一個尖端402和基部404。在圖4B所示的實施例中，尖端402放置在可加熱尖端402的能量源410中。熱處理使尖端402的芯區域C1和外周邊P1熔融。由熔融作用產生的表面張力在形成透鏡表面408的構件部分的端部上形成曲面。在尖端402上的加熱位置和施加能量大小確定透鏡表面408的實際形狀和半徑，以及由此在尖端402上形成的透鏡表面408的焦距。
為形成尖端透鏡而供給所需能量的方法可以使用包括熱(即火焰)、電火花和電弧等與下述實施例的等價方法的任何適當的能量發生裝置來實現。
再參見圖4B，在一個實施例中，可將尖端構件400的尖端402放入電弧發生裝置406中，例如已有出售的拼接工具。電弧發生裝置406可以提供可以為任何給定的透光構件材料進行熱處理所需的電弧或電火花。熱處理可用於以上述方法形成透鏡表面408。
在另一些實施例中，為了加熱材料和形成根據本發明的透鏡表面408，提供加熱的能量源410可以為放置在尖端402附近的輝光放電裝置或使用可被尖端402的材料吸收的波長的高功率雷射器。
圖4C為根據本發明的一個實施例的，加熱過程後的單一的透光尖端構件402的側視圖。通過加熱過程可以修整尖端304，使得在兩個互相垂直或其他不同方向上的曲率半徑不同。圖4C中的圖表示諸如在尖端402上不同位置上形成的橢圓、半橢圓、平面/凸形非球面等曲面412a、412b和412c。這些曲面可在相對於透鏡表面408的主軸線的不同的光學軸線上提供不同的光學性能。
透鏡表面408在尖端402上的位置為沿著尖端402的長度L加熱或施加能量的深度與暴露在能量源中的時間長度的函數。在一個實施例中，尖端402的長度為L。在沿著長度L的位置上施加能量，以便在尖端402的該位置上形成透鏡表面408。在一個實施例中，沿著長度L形成透鏡表面408的位置具有大約15°～20°的角度或傾斜，它對於在光纖或光波導耦接或組合(packaging)的應用中特別有用。
根據具體應用的要求可以調節透鏡表面408的曲率和尺寸。透鏡表面408的製造的技術條件和公差由具體的應用決定，並相應地由最後使用者確定。
圖5為根據本發明的一個實施例的，本發明的一種應用的簡圖。在這個示例性應用中，將標準光學組件500a與包括本發明的具有透鏡化尖端的光纖的新的組件500b比較。該標準光學組件500a包括一雷射組件。該雷射組件包括驅動器和環境溫度控制裝置502、雷射器504、透鏡組506、絕緣裝置508和標準光纖510。透鏡組506會聚從雷射器504發出的光，並將光引導和聚焦在光纖510上。所包括的多個部件必需正確地對準和固定在規定位置。對準不同部件需要每一個部件可調節，同時，正確對準的部件需要精確地固定在規定位置上。實際上必須權衡使那些部件可調節和不偏離對準位置而固定這兩者。因此，在傳統的組件500a中，絕達不到最優的對準，這樣，從雷射器504發出的光的大部分不能引導至光纖510中。
新的光學組件500b也包括具有驅動器和環境溫度控制裝置502，雷射器504和絕緣裝置508的雷射組件。然而，在這個示例性的實施例中，去掉了透鏡組506，且標準光纖510被根據本發明的過程製造的具有透鏡化尖端的光纖512代替。焦距和形狀受控制的具有透鏡化尖端的光纖512包括靠近雷射器504的輸出表面放置的透鏡表面408，以便有效地收集從雷射器504發出的大部分光，並引導該光通過光纖512。實驗測試表明，利用根據本發明的一個實施例製造的具有透鏡化尖端的光纖512的光耦合效率可高達80％。
圖6為根據本發明的一個實施例的，本發明的另一種應用的簡圖。在這個示例性應用中，將標準光學組件600a與包括本發明的具有透鏡化尖端的光纖的新的組件600b進行比較。該標準光學組件600a在兩個標準光纖604和606之間包括一個光學部件602。為了正確地對準標準光纖604和606，透鏡608和610放置在光學部件602和每一個標準光纖604和606之間。透鏡608收集從輸入光纖604發出的光，並將該光聚焦在光學部件602的輸入光波導上。在光學部件的輸出側上的透鏡610拾取從光學部件602的輸出光波導發出的光，並重新將該光聚焦在光纖606中。透鏡608和610與光學部件602和兩個光纖604和606的對準要求所有部件可調節以達到優化，同時最優的對準要求所有部件精確地固定。而這在實際中是絕對達不到的。
新的光學組件600b也包括光學部件602。然而，在這個實施例中，利用具有透鏡化尖端的光纖612和614代替標準光纖604和606。由於具有透鏡化尖端的光纖612和614包括透鏡表面408，它們可以自動地與光纖612和614對準，不需要適用於所述透鏡和複雜的組件設計的多個可調節夾具。新的光學組件600b可簡化組件設計和光學對準過程，並且同時，可改善光學組件的可靠性。另外，正確設計和控制的具有透鏡化尖端的光纖可提高光學耦合效率，並減小光學組件的尺寸。
本發明的具有透鏡化尖端的光纖可以用在許多其他應用場合中。例如，本發明的具有透鏡化尖端的光纖可以用在氣密密封的尾纖對準/焊接應用中。可在光纖帶上形成透鏡化尖端，以便在各種密集的波分復用(DWDM)部件、光電子、光學部件和光學集成電路中達到更好的耦合或互相連接的能力；還可以用於將入射光聚焦在檢測器上，以形成更高效率的接收器。具有透鏡化尖端的光纖還可用於各種醫療領域中的雷射外科工具中，並用於微成像、生物探頭、光譜分析等的可攜式傳感器。
上述實施例說明但不限制本發明。應該理解，根據本發明的原理可作各種改進和改變。因此，本發明的範圍只由權利要求書確定。
權利要求
1.一種製造光纖構件的方法，它包括修整光纖構件的至少一端；和向該光纖構件的修整端部施加能量，以形成透鏡表面。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵為，所述修整包括從所述光纖構件的所述至少一端除去材料。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵為，所述修整包括將所述光纖構件的所述至少一端放入腐蝕液體中，以腐蝕所述光纖構件的所述至少一端。
4.如權利要求3所述的方法，其特徵為，所述腐蝕液體包括HF酸。
5.如權利要求1所述的方法，其特徵為，所述光纖構件包括從由玻璃、聚合物和塑料組成的組中選出的材料。
6.如權利要求1所述的方法，其特徵為，所述向修整端部施加能量包括加熱所述修整端部，以形成所述透鏡表面。
7.如權利要求6所述的方法，其特徵為，所述透鏡表面包括凸的、凹的或平面的透鏡表面。
8.如權利要求1所述的方法，其特徵為，所述修整包括從光纖構件的兩個端部除去材料。
9.如權利要求8所述的方法，其特徵為，所述加熱包括加熱兩個端部，以便在每一端上形成透鏡表面。
10.如權利要求1所述的方法，其特徵為，所述修整端部具有第一長度，並且，所述施加能量包括在沿著所述長度的一位置上施加能量，以在所述修整端部的一位置處形成角度為大約15°～20°的所述透鏡表面。
11.如權利要求1所述的方法，其特徵為，所述施加能量包括將所述修整端部暴露於熱源。
12.如權利要求1所述的方法，其特徵為，所述施加能量包括將所述修整端部移至電火花。
13.一種製造具有透鏡化尖端的光纖的方法，它包括提供透光的柱形光纖；腐蝕所述透光的柱形光纖的第一端部，以形成尖端；加熱所述尖端，以形成透鏡表面。
14.如權利要求13所述的方法，其特徵為，所述透光的柱形光纖包括從由玻璃、聚合物和塑料組成的組中選取的材料。
15.如權利要求13所述的方法，其特徵為，所述腐蝕包括將所述透光的柱形光纖的所述第一端部放入腐蝕液體中，以腐蝕所述透光的柱形光纖。
16.如權利要求13所述的方法，其特徵為，所述腐蝕液體包括HF酸。
17.如權利要求13所述的方法，其特徵為，所述透鏡表面包括凸的、凹的或平面的透鏡表面。
18.如權利要求13所述的方法，其特徵為，所述腐蝕包括腐蝕該透光的柱形光纖的所述第一端部和第二端部。
19.如權利要求18所述的方法，其特徵為，所述加熱包括加熱所述第一端部和所述第二端部，以便在每一端形成透鏡表面。
20.一種光纖，它包括在透光的柱形光纖的第一端部上形成的第一透鏡表面，所述第一透鏡表面通過以下方法形成修整所述透光柱形光纖的至少一端；和向所述透光的柱形光纖的修整端部施加能量。
全文摘要
本發明提供了製造具有透鏡化尖端的光纖的方法。該方法包括提供透光的柱形光纖，並腐蝕該透光的柱形光纖的第一端部以形成尖端。加熱該尖端，以在加熱的尖端上形成透鏡表面。所述具有透鏡化尖端的光纖可與其他光纖光學對準，並且便於使光纖與光學裝置連接。
文檔編號B29D11/00GK1926454SQ200580006482
公開日2007年3月7日 申請日期2005年1月10日 優先權日2004年1月8日
發明者因·S·唐 申請人:因·S·唐