光束彎曲裝置及其製造方法

2023-05-15 10:04:06 2

專利名稱：光束彎曲裝置及其製造方法
相關申請的交互引用本申請要求對於Bhagavatula等人的題為「Beam Altering Fiber LensDevice and Method of Manufacture」，遞交於2002年3月4日的美國臨時申請60/361787，和遞交於2002年7月23日的美國臨時申請10/202516的優先權。
背景技術：
1.發明領域本發明一般涉及非在線模式場互相連接的光學裝置，更具體地說，本發明涉及一種模式轉換裝置，該模式轉換裝置的構型促進在這樣的裝置和光學元件和/或其他具有不同模式場的波導之間傳播的光學信號的高效率耦合。
雖然本發明具有廣泛的應用範圍，但其尤其適合於將諸如雷射二極體和半導體波導的橢圓形光學信號源耦合到具有圓對稱模式場的光纖中去。
2.技術背景高耦合效率地耦合在諸如雷射二極體，光纖，特徵光纖和半導體光學放大器(SOA)等信號源之間傳播的光學信號是光通訊中的一個重要方面。被結合在一個光學通訊系統中的常規的光發射模塊通常包括用作為光源的諸如雷射二極體的半導體雷射器，具有光傳播核芯的光纖以及插入半導體雷射器和光纖之間用於將雷射束會聚到光纖芯的各種透鏡，諸如球面透鏡，自聚焦透鏡或非球面透鏡。因為光發射模塊通常需要半導體雷射器和光纖之間的高耦合效率，為了達到最大的耦合功率，模塊最好要裝配成使半導體雷射器，透鏡和光纖的光軸互相對準。早期的光發射模塊部分地由於透鏡的間隔以及對準問題造成的相對大的尺寸和相對高的成本推動了該領域內的發展，並且導致了大量替代的方法。
一種這樣的方法是使用分級指數(GRIN)柱透鏡。不像其他的透鏡，GRIN柱透鏡的折射率為徑向取決型的並在柱透鏡的光軸上有最大值。總之，GRIN柱透鏡的折射率曲線為拋物線形，因此其本身是起透鏡作用的透鏡媒介而不是空氣-透鏡界面。因此，不像常規的透鏡，GRIN柱透鏡有平面的輸入和輸出表面，使在這些表面上的折射是不必要的。該特性能使在該透鏡的任何端的光學元件用折射率匹配膠或環氧樹脂固定在適當位置。折射率梯度通常由離子交換過程產生，該過程既費時又耗錢。通常的GRIN柱透鏡可由摻鉈或摻銫的多組分玻璃的離子交換產生。熔化的鹽浴可被用於該離子交換過程，因此在500℃的KNO3浴中，鈉以及鉈或銫離子從玻璃中擴散出，同時鉀離子被擴散進玻璃。
因為是產生於該過程的透鏡媒介的折射率特性對光起到透鏡的作用，因此在製造的過程中需要有嚴格的控制以保證所製造的GRIN柱透鏡對於特定的耦合應用有適當的折射率特性。另外，不像根據本發明的至少一個方面應用的GRIN光纖透鏡，GRIN柱透鏡很難適合於拼接到標準的通訊光纖和/或其他的光學元件上。總之，GRIN柱透鏡為多組分玻璃的結構，和其將要耦合的光波導相比有明顯不同的熱膨脹係數和軟化點(玻璃開始軟化的溫度)。另一方面，GRIN光纖透鏡通常用光纖製造工藝製造，為具有高二氧化矽成分的結構。這樣，GRIN光纖透鏡的軟化點和熱膨脹係數和大多數其將要被附接到其上的通訊光纖和其他波導的軟化點和熱膨脹係數基本相似。因此，GRIN光纖透鏡非常適合於如通過熔化拼接耦合到大多數通訊光纖上。
另一種方法被用於在光纖的一端形成微透鏡，以在半導體雷射器和光學波導之間提供光學耦合。在這樣的方法中，透鏡被直接和一體化地形成在光纖的一部分的來自光源的光入射的端面上。下文中這樣的光纖被稱為「透鏡光纖」。當用這樣的透鏡光纖製造發光模塊時，因為不需要離開光纖本身的光會聚透鏡，以及因為和軸向對準相關的操作數量也可以減少，因此所需要的元件數可以減少。當形成在光纖上的透鏡能改變在其間通過的光學信號的模式場時，透鏡光纖就被稱為畸變透鏡光纖。更具體地說，形成在光纖端部的畸變透鏡通常能將從雷射二極體發射的光學信號的橢圓模式場轉變成基本圓對稱的光學信號，這樣能更有效率地耦合到具有圓對稱模式場的光纖的核心。
每種上述方法都有各種在技術上顯而易見的功效和優點。但是每種方法也有其自身的局限。例如，雖然常規的GRIN柱透鏡技術為通過其間的光學信號提供了優良的對稱聚焦特性，但GRIN柱透鏡通常單獨不能達到高效率的光學成分耦合應用中經常要求的顯著改變光學信號的幾何形狀。另外，因為是GRIN柱透鏡本身的材料特性提供了聚焦，因此為了提供具體應用需要的GRIN柱透鏡的折射率特性的受控變化，就必須要有精確的製造技術。
同樣，雖然畸變光纖透鏡容易改變通過其間的光學信號或光束的幾何形狀，但對於畸變透鏡應用可達到的工作距離的範圍多少要受到限制。因此，對於具體的應用不能達到合適的工作距離，耦合損耗將很顯著，從而使很多耦合應用沒有可操作性。
總之，上述已知的裝置大多數經常應用於「在線」光學信號耦合的應用場合。用不同的說法，將被耦合的光學信號通常沿和光學信號在其間耦合的各個裝置的光軸基本同線的通路傳播。沒有反射鏡或其他光學裝置和結構的輔助，上述已知的裝置將很難適合於「離線」耦合的應用，即這些光學信號將被耦合的耦合應用沿不和光學信號將被耦合到其上的裝置的光軸同線的通路傳播。通過實例的方式但也不局限於此，光學信號可以從一個裝置以和該光學信號將被耦合到其上的裝置的光軸成大致90度的角度發射。在這樣的情況下，為了便於適當的光學信號的耦合，光學信號將必須被重新定向或被彎曲。
因此，在技術上需要但在當前又不能達到的是一種用於光學信號耦合應用的克服了和使用畸變透鏡或GRIN柱透鏡相關的這樣那樣的缺點的裝置。這樣的裝置應該能改變通過該裝置的光學信號的大小，和/或幾何形狀，和/或其他模式場特性，同時又能在光學信號耦合應用中提供將限制耦合損耗，允許可接受的工作距離的更寬廣的範圍，最大程度地減小相前失真，以及總體上提供更大的控制的效率的設計靈活性。另外，本發明的模式轉換裝置應最好能以最小的損耗對光學信號的通路進行重新定向。這樣的裝置應該在製造上相對價廉，大量生產上相對容易，總之，應該具有更廣泛的應用範圍而不顯著改變材料的性能以及裝置本身的特性。本發明就首先致力於提供這樣的裝置。
發明概述本發明的一個方面致力於用於改變光學信號的模式場的裝置。該裝置包括一個GRIN光纖透鏡和一個設置在該GRIN光纖透鏡的一端的反射表面，該反射表面構型成配合GRIN光纖透鏡對依託該反射表面定向的光學信號的通路重新定向。
在另一方面，本發明涉及一種光學組件。該光學組件包括一個光學元件，一個構型成支撐該元件的襯底和一個裝置，該裝置定位在該襯底上並和該光學元件相關改變通過該裝置和該光學元件之間的光學信號的模式場。該裝置包括一個GRIN光纖透鏡和一個設置在該GRIN光纖透鏡的一端的反射表面，該反射表面構型成配合GRIN光纖透鏡對依託該反射表面定向的光學信號的通路重新定向。
在還有一個方面中，本發明致力於一種製造用於改變光學信號的模式場的裝置的方法。該方法包括在GRIN光纖透鏡的一端設置一個反射表面的步驟，其中，該反射表面構型成配合GRIN光纖透鏡對依託該反射表面定向的光學信號的通路重新定向。
本發明的光束彎曲裝置的優點超過技術上已知的其他的模式轉換裝置。在一個方面，因為模式轉換透鏡可直接形成在GRIN光纖透鏡上，光學信號的模式場的幾何形狀和/或尺寸可以通過模式轉換透鏡而改變，而經改變的光學信號的聚焦主要可由GRIN光纖透鏡進行。結果，光學信號的波前可以更好地和光學信號將耦合到其上的光學元件和其他波導匹配。因此，耦合損耗被減到最小，相前失真也得到減小。本發明的光束彎曲裝置也可以設計成提供操作性工作距離的更大的範圍。這些和其他優點的結果能極大地提高耦合的效率。
除了這些優點之外，GRIN光纖透鏡本身還提供了在本發明的製造中的不少優點。如上所述，GRIN光纖透鏡最好是高二氧化矽含量結構，最好用常規的多模光纖製造工藝製造。因為GRIN光纖透鏡用通訊光纖製造技術製造，根據本發明製造的GRIN光纖透鏡可以以高精度抽製成所需要的尺度。總之，GRIN光纖透鏡可被抽製成具有約25.0到1000.0微米範圍的外徑。更好的是，這樣的GRIN光纖透鏡可被抽製成具有約50.0到500.0微米範圍的外徑。還要好的是，這樣的GRIN光纖透鏡可被抽製成具有約75.0到250.0微米範圍的外徑。另外，因為GRIN光纖透鏡可用傳統的光纖抽制設備抽制，可先製成大直徑的柱或坯件，然後再抽製成(直至幾千米)長度的光纖，同時保持材料的特性，諸如但不限於此的初期大直徑柱的核心包覆層比，使製造的拼接更容易。因此，除了其他的特性之外，GRIN光纖透鏡的所需要的折射率特性可以被設計到該大直徑柱或坯件內，這樣就可以提供超過結果的GRIN光纖透鏡的光學特性的亞微米精度的控制。
除了這些優點以外，GRIN光纖透鏡可以根據本發明製造成具有用於多於一種的模式轉換應用的預先確定的多種材料特性。因為模式轉換透鏡可以形成在GRIN光纖透鏡上或附著到GRIN光纖透鏡的無核心隔離器柱或光纖上，而不是形成在光纖束的本身上，因此，具有相同的長度，用同樣的材料形成，具有同樣的形狀比以及具有同樣的截面積的GRIN光纖透鏡和無核心隔離器柱可以被附著到具有不同特性和模式場的光纖束上。因此，每個GRIN光纖透鏡和/或無核心柱可以通過劈裂成適當的長度而改變，以便例如提供對於每個GRIN光纖透鏡和/或隔離器柱將附著其上的特定的光纖束所需要的模式場轉換功能。如下文將更詳盡地敘述，該目的可最好通過將每個GRIN光纖透鏡和/或隔離器柱劈裂或切割到所需要的長度並將每個GRIN光纖透鏡和/或柱的切割端構型成具有所需要的光學信號改變特性而實現。
根據本發明的隔離器柱的製造提供了另外的優點。總之，隔離器柱具有基本均勻的折射率，該隔離器柱用二氧化矽，其他的高二氧化矽玻璃含量的材料或者由Corning公司製造的被認知為Vycor的96％二氧化矽玻璃製造。總之，根據本發明，隔離器柱可以圓柱形的，矩形的或製造成採用其他的幾何形狀。和如上所述所述的GRIN光纖透鏡相同，隔離器柱最好用約一米長的柱或坯件製造，用常規的光纖製造技術和設備抽製成所需要的諸如但不限於的125.0微米的直徑。總之，隔離器柱被抽製成千米的長度(最好初期的大直徑柱的材料特性仍能保持)，然後被切割或劈裂成用於模式轉換應用的適當的長度。
在一定的應用中，利用圓柱形以外的隔離器柱可以是有利的。例如，根據本發明，可以最好利用基本是矩形的隔離器柱。在這樣的實例中，最好可以首先形成約一米長度的本身為矩形的坯件。然後矩形的坯件可用常規的光纖抽制技術和設備抽制以形成具有需要的諸如125.0微米外徑的基本為矩形的隔離器柱。在該方法中，從一個單坯件可以抽制幾千米長的基本為矩形的隔離器柱材料，然後切割到需要的長度而產生具有所需要的光學特性的隔離器柱。雖然在抽制過程中結果的矩形隔離器柱材料的邊緣可能會一定程度地變圓，但如果控制抽制爐的溫度，抽制速度以及抽制柱材料的張力，還是能保持基本矩形的形狀。另外，由抽制工藝形成的最後經劈裂的矩形隔離器柱的形狀比和其他光學特性將被基本保持。這樣的工藝便於大規模製造以及達到最後隔離器柱的受控尺度。在本技術領域熟練的人員認識到上述製造技術同樣適用於根據本發明的GRIN光纖透鏡的製造。
本發明的光束彎曲裝置提供了對於各種光學組件和其他包裝配置的另外的優點。本發明的光束彎曲裝置提供了基本上比技術上已知的畸變的或其他模式轉換裝置提供的工作距離更長的約20微米或更長的工作距離。結果，部分地由於該裝置和半導體器件之間經緩和的對準容差而便於以低損耗耦合到雷射二極體或其他半導體器件。
本發明的所有上述方面有利於GRIN光纖透鏡和/或隔離器柱的大規模生產，又反過來便於製造工藝，減小和製造工藝相關的成本以及更大的規模經濟效益。本發明的裝置可被構造成使通過其間的光學信號的模式場可從橢圓模式場改變到圓模式場，從圓模式場改變到橢圓模式場，從具有一種橢圓率的模式場改變到具有不同橢圓率的模式場，或將一種模式場形成為具有相同形狀但有不同尺寸的模式場。另外，本發明的裝置可以被設計成可以以任何方向改變通過其間的光學信號的模式場。
本發明的其他特徵和優點將在下文的詳盡敘述中闡述，這些特徵和優點在某種程度上通過該敘述對於在本技術領域熟練的人員是顯而易見的並且如本文所述通過對本發明的實施而得到理解。
應該理解的是，上文的總體敘述及下文的詳盡敘述都僅是本發明的示例，其作用是對於理解本發明所主張的性質和特徵提供概述或準則。所包括的附圖對本發明的各個實施例加以說明，對本發明提供進一步的理解，和說明書一起解釋本發明的原理和操作。
附圖簡述

圖1A示意性地描繪根據本發明的光束彎曲裝置的示範實施例的側視圖。
圖1A』示意性地描繪根據本發明的光束彎曲裝置的第一替代示範實施例的側視圖。
圖1B示意性地描繪根據本發明的光束彎曲裝置的第二替代示範實施例的側視圖。
圖1B』示意性地描繪根據本發明的光束彎曲裝置的第三替代示範實施例的側視圖。
圖1C示意性地描繪根據本發明的光束彎曲裝置的第四替代示範實施例的側視圖。
圖1C』示意性地描繪根據本發明的光束彎曲裝置的第五替代示範實施例的側視圖。
圖2為圖1B的光束彎曲裝置的剖面圖，圖中描繪從設置在GRIN光纖透鏡上的反射表面反射的光學信號的入射角。
圖3示意性地描繪根據本發明的光束彎曲裝置的另一個替代示範實施例的剖面圖。
圖4A示意性地描繪根據本發明的光束彎曲裝置的另一個替代示範實施例的側視圖。
圖4B示意性地描繪圖4A中描繪的光束彎曲裝置的透視圖。
圖5A示意性地描繪根據本發明的光束彎曲裝置的還有一個替代示範實施例的側視圖。
圖5B示意性地描繪根據本發明的光束彎曲裝置的另一個替代示範實施例的側視圖。
圖5C示意性地描繪根據本發明的光束彎曲裝置的還有一個替代示範實施例的側視圖。
圖5D示意性地描繪根據本發明的光束彎曲裝置的還有一個替代示範實施例的側視圖。
圖5E為描繪根據本發明的光束彎曲裝置的另一個替代實施例的顯微照片。
圖5F-5G為描繪根據本發明的光束彎曲裝置的另一個替代實施例的製造的各個階段的顯微照片。
圖6A-6C為描繪圖1B中描繪的光束彎曲裝置的GRIN光纖透鏡的各個視圖的顯微照片，圖中顯示了根據本發明轉換的光學信號模式場。
圖7A-7B分別示意性地描繪了結合圖1B中根據本發明描繪的光束彎曲裝置的示範光學組件的側視圖和頂視圖。
圖7C示意性地描繪了結合圖1B中根據本發明描繪的光束彎曲裝置的光學組件的一個替代示範實施例的側視圖。
圖8示意性地說明本發明的離線光束彎曲裝置的配置，圖中包括各個設計變量的名稱。
圖9是描繪根據本發明的示範離線組件的耦合效率相對於工作距離分布的曲線圖。
優選實施例的詳盡敘述下文將詳盡參考本發明的優選實施例，在附圖中對實例進行說明。只要可能，全部附圖中相同的參考數字將用來表示同一個或相似的部件。圖1A顯示了本發明的光束彎曲裝置的示範實施例，該光束彎曲裝置總體上用參考數字20表示。
總之，圖1A的側視圖中描繪的示範的光束彎曲裝置包括一個GRIN光纖透鏡24，該光纖透鏡24有平方率的折射率或拋物線的折射率特性以及一個設置在GRIN光纖透鏡24一端的反射表面26。根據本發明的一個方面，最好是光學信號30的光束可進入GRIN光纖透鏡24並總體沿縱向通過GRIN光纖透鏡24延伸的光軸28傳播。如下文將詳盡解釋的那樣，光學信號30最好在反射表面26上反射並被重新定向或彎曲，因此光學信號30通過GRIN光纖透鏡24的側表面33。在圖1A描繪的實施例中，GRIN光纖透鏡最好是圓柱形的。因此，光學信號30通過的側表面33的部分最好是一個曲面34。根據本發明的另一個方面，當光學信號通過曲面34時，光學信號30的模式場的特性最好得到改變。例如，當光學信號30在如圖1A所示的GRIN光纖透鏡中傳播的模式場基本為圓形時，當光學信號通過曲面34時，模式場的形狀可最好被從基本圓形的對稱模式場改變到橢圓的模式場。
圖1A』的側視圖描繪了第一替代的示範光束彎曲裝置20』。不像上述實施例，GRIN光纖透鏡24』基本為矩形的形狀，或可以由平面的側表面33』限定。反射表面26』可以最好為設置在GRIN光纖透鏡24』一端的傾斜表面。當光學信號30在反射表面26』上反射時最好被重新定向，因此通過基本平面的表面35，從而改變了光學信號30的模式場特性。雖然平面表面35最好不改變光學信號30的模式場形狀，但最好改變模式場的尺寸。雖然圖中未顯示，本技術領域熟練的人員將認識到，當部分側表面33被拋光或被構造成在被重新定向的光學信號30通過側表面的位置上包括一個平面表面35，通過基本圓柱形的GRIN光纖透鏡24可得到相同的模式場效應。這樣的平面表面35可以通過例如雷射微加工形成在側表面33上。
圖1B的側視圖描繪了光束彎曲裝置20」的第二替代示範實施例。光束彎曲裝置20」最好包括一個光纖或光纖束22，一個最好通過拼接附著到光纖束22的一端的GRIN光纖透鏡24，和一個反射表面26，在本情況下為設置在光纖束22遠端的GRIN光纖透鏡24的一端的傾斜表面。光纖束22可以是標準的單模光纖，諸如由Corning公司製造的SMF-28光纖，極化保持(PM)光纖，多模光纖或其他光通訊系統中應用的特種光纖，諸如高折射率光纖。另外，光纖束22從圖1B所示的一端看時可以是圓對稱的或可以是任何其他形狀。雖然圖1B描繪的實施例中反射表面26直接形成在GRIN光纖透鏡24的一端，反射表面26可以設置或成形在分離的無核心隔離器柱的一端，該無核心隔離器柱本身可以附著到光纖束22的遠端的GRIN光纖透鏡24的一端，下文將參考圖4A和圖4B更詳盡地敘述。在工作中，光學信號30通過光纖束22並進入GRIN光纖透鏡24，在該處光學信號通過GRIN光纖透鏡24的拋物線折射率特性得到改變。被改變的光學信號30』最好在反射表面26反射並通過GRIN光纖透鏡24的側表面33的曲面34重新定向。和圖1A描繪的實施例一樣，被改變的光學信號30』的模式場的形狀最好在被改變的光學信號30』通過曲面34時改變。
圖1B』的側視圖描繪了第三替代示範光束彎曲裝置20」』。光束彎曲裝置20」』最好包括最好為矩形的光纖束22』，最好為矩形的GRIN光纖透鏡24』，以及設置在光纖束22』的遠端的GRIN光纖透鏡24』的一端的反射表面26』。和圖1B的實施例相同，一旦光學信號30通過拼接結37，該光學信號30就通過GRIN光纖透鏡24』的特性被改變。當被改變的光學信號30』通過GRIN光纖透鏡24』時最好在反射表面26』上被反射，這樣，該光學信號就通過側表面33』的平面表面35。雖然平面表面35最好不改變被改變的光學信號30』的模式場的形狀，但最好改變模式場的尺寸。
根據本發明的另一個方面形成本發明的第四和第五替代的光束彎曲裝置20」」和20」」』，該裝置包括一個或多個錐形的元件，如圖1C和圖1C』分別所示。這樣的錐形多透鏡裝置20」」可最好包括光纖束22，位於光纖束22的一端具有平方率折射率或拋物線折射率特性的錐形GRIN光纖透鏡24」以及設置在光纖束22遠端的GRIN光纖透鏡24」的一端的反射表面26」。如圖1C所示，錐形的GRIN光纖透鏡24」最好包括具有基本均勻或恆定的外徑尺寸沿縱向從光纖束22的一端向虛線A1延伸的GRIN光纖部分29，具有變化的最好是減小的外徑尺寸(或傾斜的外表面)沿縱向在虛線A1和A2之間延伸的錐形GRIN光纖部分31，以及具有基本均勻或恆定的外徑尺寸沿縱向從虛線A2向反射表面26」延伸的反射表面部分27。雖然圖中未顯示，本技術領域熟練的人員將認識到，一個或多個光纖束22，無核心隔離器柱和/或GRIN光纖透鏡可以為任何本文中敘述和/或描繪的實施例以和圖1C描繪的錐形GRIN光纖透鏡24」相似的方式做成錐形。錐形的GRIN光纖部分31最好改變已經被改變的光學信號30』，產生在反射表面26」被反射的被改變光學信號30」。然後該被改變並被重新定向的光學信號30」最好通過曲面34，這樣最好改變被改變的光學信號30」的模式場形狀。
圖1C』描繪了本發明的光束彎曲裝置20」」』的第五替代示範實施例。圖1C』描繪的光束彎曲裝置20」」』的結構和操作相似於圖1C描繪的光束彎曲裝置20」」的結構和裝置。但是光束彎曲裝置25』最好是矩形的而不是圓形對稱的。因此，光束彎曲裝置20」」』最好包括一個基本矩形的光纖束22』，一個具有平面側表面33』和經改變的光學信號30」在反射表面26」』反射後通過的平面表面35的錐形的GRIN光纖透鏡24」』。當經改變的光學信號30」通過平面表面35時，最好經改變的光學信號的模式場的尺寸而不是模式場的形狀發生改變。
除非本文另有約定，在每個描繪的實施例中，光纖束22及其變型都被敘述為具有約125.0微米的外徑和約8.0-10.0微米核心直徑的SMF-28光纖。本技術領域熟練的人員將認識到，具有其他直徑和幾何形狀的光纖束也在本發明的範圍之內。另外，相關於本發明的光束彎曲裝置的結構，設計，製造以及製造優點的其他細節也可在由Corning公司共同擁有的申請於2002年7月23日，題為「Beam Altering Fiber Lens Device and Method ofManufacture」，和申請於2002年7月23日，題為「Optical Signal AlteringLensed Apparatus and Method of Manufacture」的美國共同待批專利申請中找到，並通過引用而結合在本文中。
總之，所有揭示的實施例都包括一個由具有包覆區域約束的核心區域的光纖束。GRIN光纖透鏡24及其變型也最好包括一個可由包覆區域約束或不由包覆區域約束的核心區域。在一個優選實施例中，本發明的GRIN光纖透鏡的相對摺射率特性徑向朝光束彎曲裝置的光軸增加。GRIN光纖透鏡的一端最好在該GRIN光纖透鏡被劈裂到適當的長度之前或之後用電弧熔化拼接器或其他技術上普通已知的裝置拼接到光纖束的一端。反射表面最好設置在光纖束遠端的GRIN光纖透鏡的一端。在本文揭示的該實施例和其他實施例中，反射表面可以最好是由常規的拋光技術通過雷射微加工或下文將更詳盡敘述的其他方法形成的傾斜表面。
不像通過引用而結合在本文中的致力於在線耦合幾何形狀的各個申請中揭示的實施例，本文揭示的示範實施例最好致力於非在線耦合幾何形狀或除了改變光學信號的模式場最好還便於光學信號的重新定向或彎曲的離線耦合幾何形狀。轉回圖1A，光束彎曲裝置20最好限定一個縱向通過其中心延伸的光軸28，光學信號將沿該光軸而通過光束彎曲裝置20。在圖1A描繪的示範實施例中，GRIN光纖透鏡24最好被設計成四分之一的節距長度或接近這個長度。但應該注意，GRIN光纖透鏡不局限於四分之一節距，但可以為特殊的應用，諸如大縱橫比的透鏡應用而設計成四分之一節距長度。
在技術上已知的應用中，GRIN光纖透鏡通常被製造成具有和該光纖透鏡被附著到其上的光學波導的外徑匹配的外徑，這樣，當光學波導的外徑為125.0微米時，GRIN光纖透鏡最好也製造成具有125.0微米的外徑。這樣，當每個都有125.0微米外徑的兩個光學波導有不同的模式場時，對於每個GRIN光纖透鏡折射率特性的差異△發生變化，因此GRIN光纖透鏡能符合各種規格同時保持同一個125.0微米的外徑。根據本發明，GRIN光纖透鏡的外徑不需保持在125.0微米。作為替代，GRIN光纖透鏡的折射率差異△基本保持相同，每個GRIN光纖透鏡的外徑，核心外徑和長度最好經改變以符合每個光學波導的模式轉換要求。根據本發明，必要時每個GRIN光纖透鏡的長度可以不同於四分之一節距。結果，根據本發明，同一個坯件可以被用來抽制各種不同用途的GRIN光學透鏡。因為坯件的折射率特性不需改變，就可以簡化坯件的製作過程和GRIN光纖透鏡的製作過程。因此，同一個坯件可以用於不同的模式轉換用途。為不同的用途，坯件最好被重新抽製成不同的外徑，結果的GRIN光纖透鏡可以切割或劈裂到不同的長度以符合不同應用的要求。
GRIN光纖透鏡24最好包括一個反射表面26，該反射表面26最好包括一個例如通過將GRIN光纖透鏡用雷射微加工形成需要的長度和相對於光軸28的需要的角度而形成的傾斜的表面。在操作中，光學信號通過光纖束22和GRIN光纖透鏡24併到達反射表面26，在本情況下是一個傾斜的表面。應該注意，當光學信號通過GRIN光纖透鏡時，該光學信號可以是發散的，會聚的，聚焦的或平行的。當傾斜的表面形成為45度角或接近所使用的材料相對於光軸的臨界角時，由反射表面26限定的空氣/玻璃或其他媒介/玻璃的界面32使光學信號30被內部全反射並落入GRIN光纖透鏡24的側曲面34。表面34最好被用作(非球面的)圓柱透鏡並沿一個軸線而不是另一個軸線聚焦光束。該方法的一個優點是圓柱透鏡和GRIN光纖透鏡自我對準。另一個優點是該表面的曲率通過控制GRIN光纖透鏡的直徑或者如果反射表面被設置在隔離器柱的一端而不是GRIN光纖透鏡的一端時通過控制隔離器柱的直徑而精確控制。還有，因為GRIN光纖透鏡或隔離器柱可以通過傳統的光纖再抽制工藝批量生產，形成圓柱透鏡的曲面34的表面質量可以達到很高。另外，對於45度的傾斜的反射表面26，通過空氣和二氧化矽玻璃界面，圖形最好相對於縱向通過光纖束22和GRIN光纖透鏡24延伸的的光軸28成90度形成。根據本發明的各個方面，經聚焦的圖象尺寸和縱橫比可以隨著對GRIN光纖透鏡24的各種性能的適當控制而變化，這些性能包括但不限於諸如其核心直徑和外徑，相對摺射率差，具有均勻或恆定折射率的無核心隔離器柱的使用，以及將在下文詳盡敘述的替代傾斜的表面或除了該傾斜表面再附加的其他反射材料或表面的使用。
下文將更詳盡敘述的這些和其他光束彎曲裝置對於耦合在光纖束和雷射二極體或其他光學波導之間通過的光學信號是很有用的。利用這樣的光束彎曲裝置提供了其他的優點，諸如和在單模光纖的端部常規地拋光的商業可售的光纖透鏡相比有20.0微米或更長的工作長度等。該更大的工作長度便於緩和光學信號在其間傳播的本發明的GRIN光纖透鏡和雷射二極體或其他光學元件之間的對準容差。
參考圖2可以最好地理解在各個圖中描繪的光束彎曲裝置的示範實施例的重要方面。圖2描繪了圖1A描繪的光束彎曲裝置20的剖面圖。如圖2所示，光學信號30通過GRIN光學透鏡24並以入射角□i入射到在本情況下為傾斜的表面的反射表面26，並以反射角□r被反射。入射角□i由入射光學信號30和垂直於傾斜表面的線B之間的角度限定，而反射角□r由垂直於傾斜表面的線B和被反射光束30』之間的角度限定。當入射角□i大於媒介n1和n2的臨界角□c時，光學信號30被內部全反射，並且對於所有被反射的光束都不需額外的塗層。臨界角□c可由下面的等式表示□c＝sin-1(n2/n1)根據本發明，n1是光學信號在其中傳播的媒介的折射率，n2是形成光學信號在其中傳播的材料的邊界的媒介的折射率。根據本發明，n2通常是空氣的折射率，n1是GRIN光纖透鏡24的折射率。根據本發明的一個方面，如果入射角□i大於臨界角□r，限定反射表面26的傾斜表面以外的其他反射材料就不再必要。
這就是說，如果入射角□i小於臨界角□r，單獨的傾斜表面對於達到本發明的光束重新定向方面的目標將基本上是不充分的。因此，必須有附加的和/或替代的反射元件促進本發明的目標的實現。若干該附加的反射元件將在下文參考圖3-5G中描繪的本發明的光束彎曲裝置的各種替代示範實施例敘述。
圖3描繪的光束彎曲裝置20最好包括一個光纖束22和一個GRIN光纖透鏡24，該GRIN光纖透鏡24具有大於光纖束22的外徑並被直接拼接到光纖束22的一端。除了限定反射表面26的傾斜表面以外，附加的反射元件36可被附著到或以另外方式設置在反射表面26上。這樣的反射元件36可以是一種金屬化的或介電的塗層材料或其他的功能性元件，諸如雙折射或偏振片。如下文將更詳盡地敘述的那樣，附加的反射元件36可以是一個附加的表面，諸如設置在斜面上的非球面玻璃表面。如圖中所示，光學射線通路38離開光纖束22的核心40並基本通向反射平面26。在反射元件36和反射表面26的界面，至少一個實質數量的光學信號被朝向GRIN光纖透鏡24的曲面34重新定向。如上所述，曲面34最好形成一個圓錐表面並用作將光束沿一個光軸而不是另一光軸聚焦的圓柱透鏡。這樣，如果通過圖3描繪的光束彎曲裝置20的光學信號的模式場是圓形的並同時沿該光軸傳播，該圓形的模式場可最好被轉換成基本橢圓的模式場並將基本被聚焦在GRIN光纖透鏡24外部或下面的一定的距離之外。
圖4A和4B描繪了用於改變光學信號的模式場的光束彎曲裝置24的另一個示範實施例。不像圖3描繪的實施例，圖4A和4B描繪的光束彎曲裝置20包括一個位於光纖束22和GRIN光纖透鏡24之間的隔離器光纖或隔離器柱42。另外，第二隔離器柱44可以任選地位於GRIN光纖透鏡24和反射表面26之間。在圖4A和4B描繪的實施例中，反射表面26設置在無核心隔離器柱44的一端而不是設置在GRIN光纖透鏡24的一端。因為在本發明的該示範實施例中斜面和光軸之間的角度為45度以外的角，反射表面26包括一個附加的反射元件36，諸如金屬塗層或介電塗層或其他的功能性元件，諸如雙折射或偏振片。塗層元件36也可以包括一個反射表面，諸如非球面的表面或一些能按一定用途的要求適當地彎曲光學信號的其他材料或裝置。雖然外徑不同，隔離器柱42和44最好是無核心的光傳輸材料的玻璃柱，具有均勻的或恆定的徑向折射率特性。在一個優選實施例中，隔離器柱42和44由常規的光纖抽制工藝製作，切割到需要的長度，拼接或以其他方式附著到光纖束22和/或GRIN光纖透鏡上去。設置在GRIN光纖透鏡24遠端的隔離器柱44的一端的傾斜的反射表面26可以在拼接前或拼接後最好通過拋光或雷射微加工被形成或以其他方式定位在隔離器柱44上。
如圖4B的透視圖所示，隔離器柱42和44具有不同的外徑，隔離器柱42和GRIN光纖透鏡24基本為矩形，而隔離器柱44基本為圓柱形。本技術領域熟練的人員將認識到，光纖束22，GRIN光纖透鏡24以及一個或多個隔離器柱可以是任何幾何形狀，包括圓柱形，矩形，方形或橢圓形。另外，雖然圖中未顯示，除了圖4A和4B所顯示的以外，光束彎曲裝置20可以包括各種GRIN光纖透鏡和隔離器柱。總之，所應用的每種GRIN光纖透鏡和隔離器柱的排列，形狀，外徑，長度和數量將最好由成本上最有效的方法確定以符合特定的模式轉換/彎曲應用的模式場耦合設計的規範。總之，設置反射表面26的GRIN光纖透鏡24或隔離器柱44將最好包括一個非球面形的曲面34，以為給定的應用提供所需要的畸變透鏡效應。另外，如圖4A和4B所示，隔離器柱42，GRIN光纖透鏡24和隔離器柱44可以最好標上一個對準圖形或溝槽46的標記或如圖所示的其他形式，用於表示在製造過程中為了保持光纖束22的偏振軸隔離器柱42，GRIN光纖透鏡24和隔離器柱44最好應該怎樣對準。這樣的標記對於本文中揭示的本發明的其他實施例也都是最優選的。本技術領域熟練的人員將認識到，當光束彎曲裝置20的各個元件的幾何形狀為圓柱形或其他包括非平面表面時才特別有用。另外，本技術領域熟練的人員也將認識到，當對準溝槽的位置將對本發明的操作有反面影響時，對準溝槽可不位於或製作在光學信號將通過的任何表面上。
圖5A描繪的光束彎曲裝置20類似於圖4A描繪的實施例。但這裡隔離器柱部分42和44被顯示為具有相同的外徑。另外，圖5A顯示的傾斜的反射表面26不包括金屬化的，介電的或其他功能性的塗層元件諸如雙折射或偏振片。作為替代，最好為非球面表面的第二反射表面48被形成在第一反射表面26上。非球面反射表面48可以通過雷射微加工，酸刻蝕，拋光或技術上已知的其他形式形成在反射表面26上。或者，一個附加的反射材料可以通過某些類型的透明環氧樹脂粘附到傾斜的反射表面26上。
圖5B描繪的光束彎曲裝置20類似於圖5A描繪的實施例，但不包括光束彎曲特徵。更具體地說，圖5B描繪的光束彎曲裝置20不包括傾斜的反射表面26，也不包括第二反射表面48。作為替代，在光纖束22遠端的光束彎曲裝置20的一端設置一個曲面47。根據本發明，所形成的曲面47最好相對於沿縱向通過光束彎曲裝置20延伸的光學通路(未顯示)成一個角度，這樣，依靠曲面47定向的光學信號被根據本發明重新定向或彎曲。在一個優選實施例中，圓表面47可最好通過酸刻蝕，雷射微加工或其他加工技術形成在光束彎曲裝置20的端部。
圖5C描繪的光束彎曲裝置20包括多個GRIN光纖透鏡24和24』。隔離器柱緊跟的或延續的不是單個的GRIN光纖透鏡，圖5C描繪的光束彎曲裝置20包括拼接或以其他方式附著到光纖束22上的第一GRIN光纖透鏡24和拼接或以其他方式附著到第一GRIN光纖透鏡24上的第二GRIN光纖透鏡24』。和上文敘述的其他實施例一樣，在光纖束22遠端的光束彎曲裝置20的端部設置一個傾斜的反射表面26。
圖5D描繪的光束彎曲裝置20描繪了拼接或以其他方式附著到光纖束22的另一個錐形的GRIN光纖透鏡24。雖然圖5D描繪的錐形GRIN光纖透鏡24的尺度不同於圖1C和1C』，圖5D描繪的錐形GRIN光纖透鏡24的性能和操作基本和圖1C和1C』相同。
圖5E描繪的光束彎曲裝置20最好包括光纖束22，無核心隔離器柱42，GRIN光纖透鏡24和反射表面26。不像上述討論的實施例，無核心隔離器柱42最好包括一個便於將該無核心隔離器柱42拼接到光纖束22的圓端。GRIN光纖透鏡24最好拼接到無核心隔離器柱42兩個端部的另一端。GRIN光纖透鏡24的另一端最好被切割成錐形並最好被熱定形成球透鏡65。球透鏡65最好被拋光或用其他方式定形成包括一個便於光束彎曲的傾斜的反射表面26。球透鏡65上和傾斜的反射表面26相對的圓表面67最好是一個由設置成互相基本垂直並最好在光軸上或附近相交的兩個不同的曲面C1和C2限定的雙錐形表面。涉及曲面C1和C2的功能的進一步的細節可在題為「Beam Altering FiberLens Device and Method of Manufacture」的共同待批的美國專利申請中找到，該申請通過引用而結合在本文中。本技術領域熟練的人員將認識到，具有傾斜的反射表面26和曲面67的球透鏡65可以替代地設置在分離的隔離器柱的端部而不是設置在如圖5E所示的GRIN光纖透鏡24的端部。這樣的光束彎曲裝置20可最好通過將隔離器柱42拼接到GRIN光纖透鏡24，將GRIN光纖透鏡24錐形切割成適當的長度以及隨後在光纖束22的遠端的GRIN光纖透鏡24的端部形成球透鏡65而製成。
圖5F和5G以製造過程的各個階段顯示了一個替代的光束彎曲裝置20。該光束彎曲裝置20最好包括光纖束22，無核心隔離器柱42，GRIN光纖透鏡24和光纖束22遠端的傾斜反射表面26。如圖5F所示，在無核心隔離器柱42的端部設置一個圓端63便於將無核心隔離器柱42拼接到光纖束22。根據本發明的一個方面，光束彎曲裝置20的GRIN光纖透鏡24最好被錐形切割成包括一個光纖束22遠端的錐形切割端61。然後該錐形切割端61可最好通過拋光或雷射微加工成形以形成如圖5G所示的傾斜反射表面26。本技術領域熟練的人員將認識到，本發明的光束彎曲裝置20可包括具有相同的或不同特性的多隔離器柱和/或多GRIN光纖透鏡，或單隔離器柱和多GRIN光纖透鏡，或單GRIN光纖透鏡和多隔離器柱，取決於所給出應用的要求以及符合該要求的設計方法。
圖6A-6C顯示了本發明的光束彎曲裝置20的操作的一個實施例。圖中描繪了具有傾斜的反射表面26的GRIN光纖透鏡24的部分視圖。圖6A-6C中描繪的GRIN光纖透鏡24最好如圖1B描繪的示範實施例揭示的那樣附著到光纖束22上，並且也最好包括圖1B描繪的光束彎曲裝置20的特徵，性能和功能。這就是說，圖6A描繪了GRIN光纖透鏡24的側視圖，而圖6B和6C描繪了GRIN光纖透鏡24的頂視圖。圖6B和6C中描繪的GRIN光纖透鏡24從其圖6A顯示的位置轉動了約90度，因此傾斜的反射表面26面向紙面。圖6B用顯微鏡顯示了基本聚焦在GRIN光纖透鏡24表面的模式場50。圖6C用顯微鏡顯示了聚焦在距GRIN光纖透鏡24表面約100.0微米的模式場52。因此，在圖6C描繪的實施例中，具有橢圓模式場的光學成分可最好被耦合到圖6A-6C中描繪的光束彎曲裝置20距GRIN光纖透鏡表面33的曲面34約100.0微米的距離，以最大限度地提高耦合效率而將光學損耗減到最小。
如上所述的光束彎曲裝置的優選應用是將這樣的裝置耦合到雷射二極體或其他高折射率的半導體波導裝置。在這樣的應用中，由上述元件提供的加強的功能提供了額外的設計靈活性和功能。例如，通過定位在經拋光斜面上的介電鏡，光束彎曲裝置可以被設計成反射落入其上的一定百分比的光。對於雷射二極體耦合，這樣的功能可以用於監視雷射功率。另外，本發明的光束彎曲裝置的傾斜的實施例可以被設計成以90度以外的角度反射光束，以提供和本發明的光束彎曲裝置一起封裝半導體器件的更多的選擇。當應用矽光學臺階技術時，這樣的方法尤其可靠。如下文將更詳盡所述，矽刻蝕平面可以使封裝過程中的對準程序更加簡單。
如上簡單所述，本文揭示的光束彎曲裝置20的每個示範實施例都共用了一定的製造技術。首先，具有操作性的拋物線折射率，核心直徑，外徑和幾何形狀的適當的GRIN光纖透鏡最好通過拼接附著到經選擇的光纖束，或附著到一個或多個其本身被拼接到光纖束端部的隔離器柱42上。這樣的隔離器柱42最好是無核心的含矽玻璃柱，其可以被製成具有任何適當的外徑和幾何形狀，具有均勻的或恆定的徑向折射率，因此幾乎沒有或完全沒有透鏡的特性。在被利用時，隔離器柱42提供了額外的設計靈活性。GRIN光纖透鏡的折射率，核心特性以及諸如四分之一節距長度的透鏡參數可以通過應用眾所周知的公式確定，這些公式由Emkey和Jack在「Analysis and Evaluation ofGraded-Index Fiber-Lenses」，Journal of Lightwave Technology，Vol.LT-5，No.9，September 1987，pgs.1156-64上揭示，該文內容通過引用而結合在本文中。
然後GRIN光纖透鏡可被劈裂或錐形切割到和四分之一節距相比為適當的長度並用雷射微加工的方法加工成具有相對於光軸的適當的傾斜角度。然後如果需要，這樣形成的GRIN光纖透鏡24的端部可以被拋光。諸如傾斜角度的GRIN光纖透鏡24的參數可以根據所要求的工作距離和光纖束22的模式場以及最後的模式場形狀要求設計。如果需要或必要，如上所述的隔離器柱也可以位於本發明的光束彎曲裝置20的GRIB光纖透鏡24和反射表面26之間。在這樣的情況下，隔離器柱44可以被如上所述地劈裂或錐形切割，GRIN光纖透鏡24遠端的隔離器柱44的端部可以被如上所述地進一步處理，以在隔離器柱上而不是在GRIN光纖透鏡上達到所需要的傾斜的反射表面。
也可以達到設計的各種變化，其中，為了不同的應用，GRIN光纖透鏡24和光纖束22的核心直徑或外徑，尺寸以及折射率可以發生變化。例如，GRIN光纖透鏡的外徑可以等於，小於或大於光纖束以容納不同尺寸的光束。GRIN光纖透鏡，光纖束以及任何隔離器柱的形狀可以是非圓柱形，諸如方形或矩形，或可以標以溝槽或其他形式以便於製造和對準光纖束的偏振軸。通過對準平面的側面或標以光纖束的偏振軸，諸如以適當的偏振軸耦合到雷射二極體或其他光學元件的進一步的處理可以被簡化。
圖7A-7C描繪了結合根據本發明的光束彎曲裝置20的示範光學組件。圖7A和7B描繪的光學組件54最好包括襯底56和諸如但不限於雷射二極體或其他發射器的光學信號源58。該光學信號源58最好支撐在襯底56上並根據本發明的光束彎曲裝置20也最好位於襯底56上，因此GRIN光纖透鏡24能夠和光學源58通訊。如圖7B清楚地表示，光學源58發射光學信號60，光學信號60通過形成在GRIN光纖透鏡24側壁上的錐形表面34。然後光學信號60在由反射表面26限定的媒介玻璃界面(通常為空氣/玻璃界面)上反射，因此光學信號沿GRIN光纖透鏡24和光纖束22的光軸重新定向。在一個優選實施例中，光學信號60的模式場也最好從由光學信號源58發射的橢圓模式場轉換成基本圓形的對稱模式場，從而將經轉換的光學信號60以低損耗耦合到光纖束22。
圖7A和7B描繪的構型的具體優點是其對環境效應的寬容。因為光學信號源58和GRIN光纖透鏡24之間的對準容差由於GRIN光纖透鏡24相對於光學信號源58發射器的取向而較寬，諸如溫度，溼度變化等的環境條件對組件54的操作和功能幾乎沒有影響。
圖7C描繪了組件62的另一個替代實施例。該實施例相似於圖7A-B描繪的組件54，但利用了矽光學臺階或其他襯底以將光學信號60反射到GRIN光纖透鏡24中。該配置尤其適合於和具有通過刻蝕或其他方式形成在矽襯底56上的晶面111和通過刻蝕或其他方式製造以支撐光束彎曲裝置20的矽光學臺階一起使用。在一個優選實施例中，111晶面64被排列成約55度的角度。總之，反射表面26將被傾斜以和111晶面匹配(平行)，這樣使圖7C描繪的組件62的對準和製造的複雜性更低。
雖然圖中未顯示，波前儘可能緊密地匹配也很重要。做不到這一點可導致像差，為耦合效率對於相長幹涉或相消幹涉的結果。過去，本技術領域熟練的人員通過改變玻璃本身的化學性能調節例如GRIN光纖透鏡的性能，諸如透鏡的折射率。但非常費時並不便利於模式場耦合組件的高效率製造。根據本發明，GRIN光纖透鏡的尺寸和形狀，用以移動光學信號圖象而不對光學圖象添加任何明顯的透鏡影響的隔離器柱的應用，隔離器柱的尺寸和數量，GRIN光纖透鏡的數量，以及對根據本發明限定透鏡的外部曲面34，35的形狀的獨立控制(X平面中和Y平面中)都使本技術領域中熟練的人員能容易和高效率地以對於模式場耦合組件的大量製造既實用，高效又成本效率高的方式基本匹配這些波前。另外，雖然上述圖中未顯示，但上述原理同樣適用於本發明的光學組件的那些實施例，在該實施例中，光學信號被導向通過光纖束，然後通過任何所應用的隔離器柱，通過GRIN光纖透鏡，在GRIN光纖透鏡中光學信號可最好由反射表面重新定向，然後通過GRIN光纖透鏡(或隔離器柱)的外部曲面34，35耦合到諸如但不限於SOA或其他探測器/光電二極體的光學波導裝置。
實例下文將敘述根據本發明的上述實施例的離線或非在線光束彎曲裝置和光學組件的實例。
圖8參考下文敘述的變化示意性地顯示了一種包括一個具有雙錐形曲面67和傾斜反射表面26的球透鏡65的示範的離線光束彎曲裝置80。該示範的多透鏡裝置包括光學信號源82，在本情況下為能以工作波長『wav』發射信號的雷射二極體；wx0(微米)的x方向(垂直方向)的模式場直徑(MFD)以及wy0(微米)的y方向的MFD。來自源82的光束到達形成在具有徑向恆定的折射率(nc)和長度(Lc)的隔離器柱42上的x方向的曲率半徑(RLx)(微米)和y方向的曲率半徑(R1y)的曲面67之前先通過折射率(n1)的媒介(最普通是空氣)傳播一段距離(z)。在圓柱形雙錐形透鏡前的光學信號的MFD為wx1和wy1，光束波前曲率半徑為rx1和ry1。光學信號通過雙錐形透鏡轉換到分別帶有wx1，wy2的MFD和rx2，ry2的波前曲率半徑的光束。對於一個薄透鏡，wx1＝wx2，wy1＝wy2，但rx2與ry2通常和rx1與ry1不同。然後光束傳播通過長度Lc和折射率nc的隔離器柱42部分。隔離器柱42的長度Lc包括隔離器柱在傾斜反射表面26之前的長度(Lc1)隔離器柱42從傾斜反射表面26延伸到GRIN光纖透鏡24的長度。在所顯示的實施例中，傾斜反射表面26保證將光學信號彎曲90度。光學信號傳播以後的光束特性為wx3，wy3和rx3，ry3。具有這些特性的光束到達帶有長度Lg，平均折射率ng，折射率差＝delta以及核心半徑(a)的特性的GRIN光纖透鏡24。通過GRIN光纖透鏡24傳播以後，光束特性為wx4，wy4，rx4，ry4。設計的目標是使wx4＝wy4＝wsmf，其中(wsmf)為標準信號模式光纖束22的圓MFD。另一個目標是使rx4和ry4儘可能接近於平整的撥前以最大程度地提高通向光纖束的耦合效率。該目標可以通過修改諸如曲面67，球透鏡65，隔離器柱42的Z，Rx，Ry，Lc的設計變量以及諸如Lg，Delta和(a)的GRIN光纖透鏡24的特性而對於任何給出的源82和光纖束22實現。該目標還有使Z對於合理的容差和實際的封裝要求合理地大又不影響耦合效率。
對於gaussian光束的光束轉換可以用對於複雜的光束參數q如通過引用而結合在本文中的參考中揭示的ABCD矩陣程序或用光束傳播技術計算。設計最好對於最佳耦合效率在任何需要的z，以及源82和光纖束22特性上得到優化。材料特性n1，nc，ng和ns可以被變化到一定的程度，但對材料的實際考慮限制了這些數值。例如，n1通常等於1(空氣)，nc大多數情況為二氧化矽或摻二氧化矽，其值在靠近1.3到1.55微米的波長範圍約為1.45。對於ng和nsmf情況相同。
複雜的光束參數q由下式限定(1/q)＝(1/r)-1*(wav/(pi*w∧2*n)式中r為波前的曲率半徑，w為gaussian模式場半徑，wav為光的波長。從輸入平面84到輸出平面86的q參數轉換由下式給出q2＝(A*q1+B)/(C*q1+D)式中A，B，C，D是分別相關於輸入和輸出平面84和86的射線參數的射線矩陣元。
1)長度z的自由空間傳播的ABCD矩陣為 2)從折射率n1的媒介到n(非長度)傳播的矩陣為100(n1/n)]]>3)曲率半徑R的透鏡的矩陣為 4)對於GRIN光纖透鏡n』(r)＝n(1-g∧2*r∧2)∧0.5和長度 g＝((2*□)∧0.5)/5在特定位置上的透鏡的幾何形狀和設計的變量以及MFD參數平面83源82的輸出wav，wx0，wy0-波長，和源82的x和y模式場平面84通過Z傳播，材料折射率(n1)但在錐形透鏡前wx1，wy1在平面84的光束的模式場直徑rx1，ry1撥前曲率半徑平面86正好在半徑Rx和Ry，折射率nc的雙錐形透鏡之後
wx2，wy2rx2，ry2平面88在長度Lc折射率nc的隔離器柱中傳播並正好在GRIN光纖透鏡24前wx3，wy3rx3，ry3平面90通過長度Lg，平均折射率ng，折射率差＝Delta，核心半徑＝a的GRIN光纖透鏡傳播之後並且正好在光纖束前wx4，wy4rx4，ry4離線光束彎曲裝置的具體實例用上述程序，對於雷射二極體耦合應用的光束彎曲裝置的設計變量可以進行計算和優化。圖9顯示作為工作距離的函數進行的耦合效率的計算。根據該曲線，該設計的最佳工作距離約為50.0微米，這對於實際的封裝和對準要求是一個合理的值。雷射二極體特性和其他設計參數排列如下雷射二極體特性波長0.98微米X方向模式場半徑w0x0.9微米Y方向模式場半徑w0y3.6微米其他設計參數雙錐形透鏡的X曲率半徑RLx25微米隔離器柱長度Lc40.0微米GRIN光纖透鏡長度Lg1170微米GRIN光纖透鏡折射率差Delta0.01GRIN光纖透鏡核心半徑a62.5單模光纖束模式場5.2微米實例僅為了說明的目的而給出並將根據實際應用而變化。參考下面的參考材料上述實例可更清楚地理解W.L.Emkey and C.Jack，JLT-5 sept 1987，pp.1156-64；H.kogelnik，Applied Optics，4 Dec 1965，p1562；R.Kishimoto，M.Koyama；Transactions on Microwave Theory and Applications，IEEE MTT-30，June 1982，p882；and Photonics by B.E.A.Saleh and M.C.Teich，JohnWiley Sons，Inc.，1991，上述每一篇文章都通過引用而結合在本文中。
雖然本發明經詳盡的敘述，但應該確切理解，對於在相關技術熟練的人員顯而易見的是本發明可以進行修改而不背離本發明的精神。可以對本發明進行形式，設計或配置的各種變化而不背離本發明的精神和範圍。例如，GRIN光纖透鏡可以被製造成使其折射率特性縱向變化而不是如上所述的徑向變化。另外，本技術領域熟練的人員將認識到，如果形成光束彎曲裝置20的各種元件的各種材料相關於諸如但不限於軟化點和熱膨脹係數的特性協調一致，則本發明的光束彎曲裝置20的各種元件不需要用相同的材料製造，也不包括這些相同的材料。因此，上文的敘述應被認為是實例而不是限制，本發明的真正的範圍應由附後的權利要求限定。
權利要求
1.一種用於改變光學信號的模式場的裝置，該裝置包括一個GRIN光纖透鏡；和一個設置在GRIN光纖透鏡一端的反射表面，該反射表面被構型成配合GRIN光纖透鏡重新定向依託該反射表面定向的光學信號的通路。
2.如權利要求1所述的裝置進一步包括一個光纖，並且其中反射表面的遠端的GRIN光纖透鏡的端部附著到該光纖上。
3.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，其中反射表面包括一個曲面，其中該曲面相對於GRIN光纖透鏡的縱向通路傾斜一個角度並通過拋光或雷射微加工形成在GRIN光纖透鏡的端部。
4.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，其中GRIN光纖透鏡包括一個球透鏡，並且其中反射表面設置在球透鏡的至少一個部分上。
5.如權利要求4所述的裝置，其特徵在於，其中反射表面包括一個傾斜的表面。
6.如權利要求4所述的裝置，其特徵在於，其中GRIN光纖透鏡包括一個錐形區域。
7.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，其中GRIN光纖透鏡包括一個相關於反射表面定位的曲面以和進入或離開該裝置的光學信號相聯繫。
8.如權利要求7所述的裝置，其特徵在於，其中該裝置限定一個光軸，並且其中該曲面由兩條基本互相垂直設置的不同的曲線主曲線C1和副曲線C2限定，其中C1和C2在光軸上或接近光軸相交。
9.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，其中GRIN光纖透鏡包括一個相關於反射表面定位的平面的表面以和進入或離開該裝置的光學信號相聯繫。
10.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，其中反射表面包括一個傾斜表面，並且其中該傾斜表面形成在GRIN光纖透鏡的端部。
11.如權利要求2所述的裝置，其特徵在於，其中該裝置進一步包括一個或多個隔離器柱，每個隔離器柱具有徑向恆定的折射率，並且其中該一個或多個隔離器柱被定位在光纖和GRIN光纖透鏡之間或GRIN光纖透鏡和反射表面之間。
12.如權利要求2所述的裝置，其特徵在於，其中GRIN光纖透鏡包括多個GRIN光纖透鏡，並且其中該多透鏡裝置進一步包括一個或多個隔離器柱，每個隔離器柱具有徑向恆定的折射率，並且其中該一個或多個隔離器柱被定位在一個或多個光纖和多個GRIN光纖透鏡之間。
13.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，其中反射表面包括一個傾斜表面和一個形成在該傾斜表面上的非球形表面。
14.如權利要求2所述的裝置，其特徵在於，其中該裝置進一步包括一個或多個隔離器柱，每個隔離器柱具有徑向恆定的折射率，並且其中該一個或多個隔離器柱被定位在光纖和GRIN光纖透鏡之間以及GRIN光纖透鏡和反射表面之間。
15.一種光學組件包括一個光學元件；一個構型成支撐該元件的襯底；和一個在襯底上並且相關於光學元件定位的裝置，用於改變通過該裝置和光學元件之間的光學信號的模式場，其中該裝置包括一個GRIN光纖透鏡和一個設置在GRIN光纖透鏡一端的反射表面，該反射表面被構型成配合GRIN光纖透鏡重新定向依託該反射表面定向的光學信號的通路。
16.如權利要求15所述的光學組件，其特徵在於，其中矽光學臺階包括一個用於相對於雷射二極體支撐該裝置的V形溝槽，這樣，在雷射二極體和該裝置之間通過的光學信號被高效率地耦合。
17.如權利要求15所述的光學組件，其特徵在於，其中該裝置進一步包括一個光纖和一個或多個隔離器柱，每個隔離器柱具有徑向恆定的折射率，並且其中該一個或多個隔離器柱被定位在一個或多個光纖，GRIN光纖透鏡和反射表面之間。
全文摘要
本發明揭示了一種用於改變光學信號的模式場的裝置，該裝置包括一個GRIN光纖透鏡(24)和一個設置在GRIN光纖透鏡一端的反射表面(26)，該反射表面被構型成配合GRIN光纖透鏡重新定向依託該反射表面定向的光學信號的通路。本發明也揭示了一種製造用於改變光學信號的模式場的裝置和光學組件的方法。
文檔編號H01S5/00GK1650207SQ03810070
公開日2005年8月3日 申請日期2003年2月27日 優先權日2002年3月4日
發明者J·西麥爾裡齊, N·沙西德哈, V·A·巴加瓦圖拉 申請人:康寧股份有限公司