CN102914816A - 光纤和制造其耦合装置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于耦合到光源的光纤，该光纤包括芯部和尖端部分。芯部用于接收从光源发出的沿着光轴导向的光，其中芯部在接近所述光纤一端处被扩张，而该扩张了的芯部具有大于其它没有被扩张的芯部部分的直径。尖端部分位于光纤的所述一端上，其中尖端部分还包括最末端的端面，最末端的端面不垂直于所述光轴。还公开了包括这种光纤的耦合系统和制备光纤耦合器件的方法。由本发明提供的光纤不仅具有适于耦合不同激光模式尺寸的高耦合效率，而且还降低从光纤反射回的激光，否则其会损害激光半导体芯片。

Description

光纤和制造其耦合装置的方法

技术领域

本发明涉及光学元件，以及更具体地涉及能够将光耦合到另一个光学器件或从另一个光学器件耦合光的光学元件。

背景技术

在光通信系统中，由光频率的载波来传输信息，上述光频率由诸如激光或发光二极管的来源产生。与传统的通信系统相比，由于光通信系统大大提高了信道数量，并且具有使用除了昂贵的铜电缆之外的其他材料传递消息的能力，所以光通信系统是可取的。用于传导或引导光学频率的波从一个位置到另一个位置的常见设备是“光波导”。光波导的一个常见例子是光纤。光学频率的载波在传输的同时，被局限于波导中的一个特定区域内。可用的光波导器件必须具备，例如低的光纤传输损耗、低的光吸收性、便于制造、可控的折射率比、以及高的耐热性。

光波导通常耦合到光源以便将光从光源传输到其它光学器件。在光波导和光源之间的耦合中，需要考虑以尽量减少散射损耗和吸收损耗。透镜光纤是用于在光纤和光源(例如激光半导体芯片)之间进行光耦合的一种方法。当来自透镜光纤与来自激光源的模式尺寸完全匹配时产生最佳耦合。但是，在实践中设计一种与给定激光相匹配的特定光纤是困难的，而且光纤通常与激光很差地相匹配。材外，从激光半导体芯片发射的激光可从光纤的端部被反射，而反射的激光会产生问题，包括对激光半导体芯片造成损害。

发明内容

鉴于上述背景技术，本发明的目的是提供一种可选的光波导以及用于制造其耦合器件的方法。

上述目的通过独立权利要求中记载的特征的组合来达到。从属权利要求披露本发明的进一步有利的实施例。

本领域的技术人员将从下面的说明获得本发明的其他目的。因此，上述声明的目的不是详尽的，且仅仅是起到为了说明本发明许多目的中的一些目的的作用。

因此，本发明的一方面涉及用于耦合到光学器件的光纤。该光纤包括芯部及尖端部分。芯部用于接收从所述光源发出的沿着光轴导向的光，其中该芯部在接近所述光纤一端处被扩张，而该扩张了的芯部具有大于其它没有被扩张的芯部部分的直径。光纤的所述一端上的尖端部分还包括最末端的端面，该最末端的端面不垂直于所述光轴。

在本发明的另一方面，披露了包括光纤和光学器件的耦合系统。该光纤包括芯部及尖端部分。芯部用于接收从所述光源发出的沿着光轴导向的光，其中该芯部在接近所述光纤一端处被扩张，而该扩张了的芯部具有大于其它没有被扩张的芯部部分的直径。光纤的所述一端上的尖端部分还包括最末端的端面，该最末端的端面不垂直于所述光轴。

在本发明的另一个方面，制造适于耦合到光学器件的光纤耦合装置的方法包括下述步骤：将光纤的芯部在接近光纤一端的部分进行扩张，芯部能够接收从光源发出的沿着光轴导向的光；该扩张了的芯部在扩张之后具有大于其它没有被扩张的芯部部分的直径；以及形成光纤的一端上的尖端部分，其中尖端部分还包括最末端的端面，该最末端的端面不垂直于所述光轴。

本发明具有许多优势。一个优势是，如本发明所述的具有成角度的最末端的表面和扩张芯部的光纤能够获得适于激光半导体芯片的高耦合效率和低激光反射。由于存在光纤的成角度尖端，反射的激光被迫在相对于光轴方向成一定倾斜角度的方向上行进，而激光半导体芯片发出的激光沿光轴行进，这样反射激光将不会沿着与激光向前传输的相同路径行进。通过这种方式，可避免对产生激光的半导体芯片造成损害，因而可延长芯片的使用寿命。

此外，根据本发明的单模光纤具有极大灵活性，可以用来匹配的不同激光器，因此没有必要为了例如激光二极管的每一种激光设备来制备特定的光纤。根据特定激光二极管的特性，通过相应调整光纤的芯部扩张部分可以获得所需的耦合效率。

附图说明

通过仅仅结合附图的实例提供的优选实施例的下述描述，将明了本发明前述的特征和另外的特征，其中：

图1a是根据本发明一个实施例的具有成角度尖端的光纤的正视图；

图1b是图1a中所示光纤的左视图；

图1c是图1a中所示光纤的顶视图；

图2示出根据本发明一个实施例的包括光纤和激光源的耦合系统；

图3是示出根据本发明一个实施例的光纤制造过程步骤的流程图；

图4a到4c分别示出原始光纤的正视图，左视图和顶视图，其中光纤要经历如图3所示的制造过程；

图5a至5c分别示出经历热扩张过程之后的图4a到4c所示光纤的正视图，左视图和顶视图；

图6a至6c分别示出经历第一抛光过程之后的图5a至5c所示光纤的正视图，左视图和顶视图；

图7a至7c分别示出经历第二抛光过程之后的图6a至6c所示光纤的正视图，左视图和顶视图；

图8a至8c分别示出经历火焰熔化过程之后的图7a至7c所示光纤的正视图，左视图和顶视图。

具体实施方式

在本发明的前述说明中及其随后的权利要求书中，除了由于语言表达或必然含意而使得上下文需要另有所指之外，词语“包括”(“comprise”或诸如“comprises”或“comprising”的变型)采用的是一个包括性的含义，即明确所述特征的存在，但并不排除存在或增加本发明各种实施例中的另外特征。

如在此和权利要求书中所使用的那样，“耦合”或“连接”是指经由一个或多个光学手段直接或间接地耦合或连接，除非另有说明。

现在参考图1a，1b和1c，本发明的一个实施例披露光波导的一部分，其为包括尖端部分36和主干部分34的光纤20。主干部分34作为光纤20的一部分，允许激光信号在其中传播，以及行进所需的地理距离而到达目的地。尖端部分36指的是靠近光纤20两端之一的光纤20的一部分。在主干部分34中，有一个沿光纤长度延伸的玻璃或塑料圆柱体，也被称为光纤20的芯部22。芯部22具有在其整个长度上基本恒定的芯部直径。如图1a、1b和1c中所示的那样，还存在一个在芯部22和光纤20的端部之间延伸的芯部端部部分24。芯部端部部分24优选具有逐渐变细的形状。芯部端部部分24具有大于芯部22的芯部直径的更大直径。随后将参照图2，对该操作进行更具体的描述。

在图1a至1c的实施例中，尖端部分36还包括处于光纤20端部上最远位置处的最末端的端面26。如图1b所示，最末端的端面26与光纤20的直径不平行，而是具有相对于光纤20直径所成的顶端角38。换句话说，最末端的端面26不垂直于光轴(未显示)，而来自外部光学器件的光沿该光轴被导向到尖端部分36。在图1a至1c所示的实施例中，光轴是光纤20的芯部22的纵轴(未显示)。顶端角38根据譬如激光模式的尺寸、来自外部光学器件(诸如激光二极管)的入射光角度、以及激光二极管的发射功率来确定。尖端部分36进一步包括透镜32，其形成于与尖端部分36最末端的端面26的至少一部分重叠的区域上。在优选实施例中，透镜32占据最末端端面26的整个面积。透镜32的宽度根据所需的激光模式尺寸来变化，而激光模式的尺寸反过来是根据激光芯片的激光源发射的激光特性所决定的。如在图1a的顶视图中所看到的那样，透镜32具有大体上椭圆的形状，其由火焰熔化过程所致，火焰熔化过程的更多细节将在稍后进行描述。

图1a至1c中的光纤20的尖端部分36进一步包括两个侧面部分30，每个侧面部分30进一步包括从光纤20的外周边朝向最末端的端面26延伸的表面。这从图1a可以最佳地观察到。每个侧面部分30的表面具有朝向尖端部分36的最末端的端面26延伸的边缘，以及侧面部分30的边缘与最末端的端面26相接触。优选的，尖端部分36大体上为楔形形状，以及侧面部分30的表面是关于透镜32的最末端端面26对称的。楔形的角度，即由侧面部分30的两个表面形成的角度，依赖于激光模式的尺寸。光纤20的尖端部分36进一步包括布置在最末端端面26的相对的两端部附近的两个倒角部分28。倒角部分28被配置成促成光纤被耦合到光学器件内的适当耦合操作，从而在正确的方向上进行耦合，且例如将不会对如光学器件中的激光芯片造成损害。倒角部分28的角度根据具体光学器件(诸如激光半导体芯片)来确定。

在图1a至1c的实施例中所示的光纤20是与G07 980纳米的泵浦激光二极管最佳匹配的单模光纤。光纤20具有约125μm的直径。优选的，顶端角38大约为6度，或者换句话说，在垂直于最末端的端面的最末端的端面的正交线(未显示)与光轴之间的角度大约为6度。楔形角度、顶端角以及倒角部分都可以进行不同的设计，以满足光纤与其耦合的不同光器件的要求。

图2显示了如图1a至1c中所示的光纤20，其与诸如激光半导体二极管的光学器件18耦合。光学器件18和光纤20从而组成耦合系统。在本发明实施例中的光纤20具有尖端部分，尖端部分大体上为楔形。由于该原因，当单模光纤与980纳米的泵浦激光二极管耦合时，该楔形可获得最理想的耦合效率。根据对不同激光二极管的使用，也可以相应地改变楔形。具有扩张芯部的芯部端部部分可以进一步帮助减少由于光纤和其他光学器件之间的不完全耦合而造成的插入损耗。另一方面，在光纤耦合到诸如激光半导体芯片的光学器件时，具有顶端角的成角度透镜的使用实现了返回到光学器件的低激光反射。由于成角度透镜的存在，在激光进入到光纤尖端部分的同时，将迫使反射回的激光在不同的方向上行进，该不同的方向相对于激光沿其进入尖端部分的光轴具有一定的倾斜角度。反射回的激光将不会沿着激光射入光纤所沿的相同直线路径行进返回。换句话说，反射回的激光会发生偏斜。通过该种方式，激光(至少是其主要的部分)将不会返回击中激光半导体芯片(其产生激光)的表面，从而可避免对激光半导体芯片造成的可能损害。

在本发明的另一个方面，披露了制造适于耦合到诸如光源的另一光学器件的光纤的方法。在一个实施例中，该方法包括几个步骤，诸如使得光纤芯部热扩张，抛光光纤以便形成尖端部分和透镜的所需形状，以及对光纤进行火焰熔化以便形成如图3所示的最终形状。该实施例中的步骤的细节在下面参照图4a至图8c进行描述。

图4a至图4c示出了在尚未用本发明方法处理的步骤100的原始光纤20。光纤20具有圆柱形形状，以及在光纤20的内部具有芯部22，芯部22沿着光纤20的纵轴位于光纤20内。光纤20首先要经历热扩张过程102以便扩张芯部22的一部分，从而在光纤内形成处于芯部22和光纤20端部之间的芯部端部部分24。芯部端部部分24具有比芯部22大的更大直径。图5a至图5c示出经过热扩张过程之后的光纤20。优选的，为了与980纳米的激光半导体芯片相匹配，光纤20的加热时间在4分钟到5分钟的范围内。在优选的实施例中，光纤20的加热时间大约为4分钟，从而使得光纤芯部被扩张至具有大约7.1μm的光纤模场直径(MFD)。

然后光纤20将经历抛光过程以便形成楔形形状、成角度的透镜和倒角。抛光过程进一步包括第一抛光过程104和第二抛光过程106。在第一抛光过程104中，如果将图5a中所示的光纤以正视图看的话，光纤的尖端部分36在其两侧上进行抛光。优选的，尖端部分36的两侧被相等地抛光，从而如图6b所示在经历第一抛光过程之后形成的两个侧面部分30两者具有相同的表面积，以及上述表面具有关于光纤20轴向的相同角度。两个侧面部分30的此种构造也被称为楔形。与此同时，由于两个侧面部分30经历了抛光，形成了跨越光纤尖端部分中心的最末端的端面26。此时最末端的端面26为尖锐边缘的形状。

另一方面，在第一抛光过程102中，以一定的角度对两个侧面部分30进行抛光，这样最末端的端面26与光纤20的直径不平行，而是具有相对于光纤直径的一个倾角。换句话说，最末端的端面26不垂直于光轴(未显示)，而来自外部光学器件的光沿着该光轴导向到尖端部分36。这可以通过例如在尖端部分36的前端进行抛光比在尖端部分的后端抛光掉更多的部分来得以实现。尖端部分36的前端和后端指的是在图6a至图6c的视图中确立的方向。如上所述，顶端角，即最末端的端面26和光纤直径之间的角度，或垂直于最末端的端面的最末端的端面的正交线(未显示)与光轴之间的角度约为6度。

在第二抛光过程106中，尖端部分36被进一步从垂直于第一抛光过程104中方向的两个其它方向进行抛光。具体的，对尖端部分36的前端和后端进行抛光以便形成两个倒角28。根据激光半导体芯片的要求，倒角可具有同样的角度或不同的角度，而这可以通过控制第二抛光过程106中的抛光角度来实现。

在最后的火焰熔化过程108中，在尖端部分(即最末端的端面26附近的区域)中的光纤通过使用电极的电弧加热单元可融接。由电弧产生的热将烧掉光纤中覆盖光纤芯部的塑料，并导致玻璃熔化。这样一来，本发明实施例中的火焰熔化过程108由于玻璃在光纤尖端融化而导致原本尖锐的最末端的端面26成为相对平坦但凹凸不平的表面。然而，平的表面仍可被视为尖端部分的脊部。因此由该平的表面形成的透镜32在光纤的尖端部分上形成。透镜32具有由玻璃在光纤尖端融化导致的椭圆形，直到达到尖端部分的以前形成的楔形形状和倒角部分的边界。

虽然在附图和前面描述中已经详细地说明和描述了本发明，但是同样上述是说明性的，而在性质上没有限制，应该理解仅仅示出和描述了示例性实施例，但是并不以任何方式限制本发明的范围。可以认识到在此描述的任意特征可用于任何实施例。示例性的实施例并不互相排斥或并不排斥在此引用的其他实施例。因此，本发明还提供了包括一个或多个上述示例性实施例组合的实施方案。可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对如在此提出的本发明进行变型和变化，因此本发明的范围仅仅由所附权利要求指示的那样进行限制。

应该理解，在澳大利亚或其他任何国家，如果任何公开的现有技术在此进行参考，上述参考不认为公开构成现有技术中公知常识的一部分。

虽然在对本发明实施例的上面描述中，单模光纤被用作光波导的一个实例，但是本领域的那些技术人员将认识到本发明的教导还可以用在经过变型的任意其它类型的光波导上，并且仍落入本发明的发明性理念之内。其它光波导的实例包括但不限于平面波导、条形波导和多模波导。

如上所述的光纤的尖端部分具有适于与980纳米的激光半导体芯片耦合的基本楔形。然而，尖端部分并不一定需要是楔形。根据光纤耦合到其的光学器件的几何尺寸，光纤尖端部分的形状可以相应改变，只要它可以适配到光学器件且不会损害耦合效率即可。例如，在某些情况下，尖端部分可具有不止两个侧面部分。它可具有三个或甚至更多的侧面部分，诸如多边形。

在上述的具体实施例中，在尖端部分形成的最末端的端面的顶端角约为6度。然而，本领域的技术人员应该认识到这并不是为了限制本发明。根据激光半导体芯片的类型和规格，特别是其发光角度，在尖端部分形成脊部的顶端角也可以被改变，以满足特定的要求。

在描述制备具有上述成角度尖端的光纤的本发明实施例中，使用了抛光过程来形成尖端部分的所需形状，以及还用于形成顶端角和倒角部分。然而，本领域的那些技术人员会意识到可用除了抛光之外的在行业内可得到的许多其他方法来切割/处理光纤。这些方法包括但不限于劈开、烧灼、或侵蚀等。

Claims (28)

1.用于耦合到光源的光纤，包括：

芯部，其用于接收从所述光源发出的沿着光轴导向的光，其中该芯部在接近所述光纤一端处被扩张，而该扩张了的芯部具有大于其它没有被扩张的芯部部分的直径；以及

所述光纤的所述一端上的尖端部分，其中所述尖端部分还包括最末端的端面，所述最末端的端面不垂直于所述光轴。

2.根据权利要求1所述的光纤，其中所述尖端部分还包括透镜，从而由所述光源传输到所述光纤的所述光通过所述透镜。

3.根据权利要求2所述的光纤，其中所述透镜形成在与所述最末端的端面的至少一部分重叠的区域上。

4.根据权利要求1所述的光纤，其中所述尖端部分还包括至少两个侧面部分，每一个所述侧面部分还包括从所述光纤的外周边朝向所述尖端部分的所述最末端的端面延伸的表面。

5.根据权利要求4所述的光纤，其中每一个所述侧面部分的所述表面具有与所述尖端部分的所述最末端的端面对齐的边缘，由此所述侧面部分的所述边缘与所述最末端的端面相接触。

6.根据权利要求5所述的光纤，其中所述侧面部分的所述表面关于所述尖端部分的所述最末端的端面对称，以及所述尖端部分大体上为楔形。

7.根据权利要求6所述的光纤，其中所述尖端部分还包括在所述楔形的第一端部处配置的第一倒角部分。

8.根据权利要求7所述的光纤，其中所述尖端部分还包括在所述楔形的与所述第一端部相对的第二端部处配置的第二倒角部分。

9.根据权利要求1所述的光纤，其中所述尖端部分的所述最末端的端面还包括凹凸不平的表面。

10.根据权利要求1所述的光纤，其中所述光纤的所述直径为125μm。

11.根据权利要求1所述的光纤，其中所述光纤为单模光纤。

12.根据权利要求1所述的光纤，其中在所述最末端的端面的正交线与所述光轴之间的角度约为6度。

13.根据权利要求1所述的光纤，其中所述扩张了的芯部具有从所述光纤的所述一端到所述芯部逐渐变细的形状。

14.一种耦合系统，包括：

用于产生光信号的光学器件；以及

耦合到所述光学器件的光纤，其中该光纤进一步包括：

芯部，其用于接收从所述光源发出的沿着光轴导向的光，其中该芯部在接近所述光纤一端处被扩张，而该扩张了的芯部具有大于其它没有被扩张的芯部部分的直径；以及

所述光纤的所述一端上的尖端部分，其中所述尖端部分还包括最末端的端面，所述最末端的端面不垂直于所述光轴。

15.根据权利要求14所述的耦合系统，其中所述光学器件是激光半导体芯片。

16.一种制造适于耦合到光源的光纤耦合装置的方法，包括下述步骤：

将所述光纤的芯部在接近所述光纤一端的部分进行扩张，所述芯部能够接收从所述光源发出的沿着光轴导向的光；该扩张了的芯部在扩张之后具有大于其它没有被扩张的芯部部分的直径；以及

形成所述光纤的所述一端上的尖端部分，其中所述尖端部分还包括最末端的端面，所述最末端的端面不垂直于所述光轴。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述形成步骤进一步包括：

抛光所述尖端部分以便形成所述尖端部分上的至少两个侧面部分，每一个所述侧面部分还包括从所述光纤的外周边朝向所述尖端部分的所述最末端的端面延伸的表面。

18.根据权利要求17所述的方法，其中每一个所述侧面部分的所述表面具有朝向所述尖端部分的所述最末端的端面延伸的边缘，由此所述侧面部分的所述边缘与所述最末端的端面相接触。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述侧面部分的所述表面关于所述尖端部分的所述最末端的端面对称，以及所述尖端部分大体为楔形。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述形成步骤进一步包括：

抛光所述尖端部分以便形成在所述楔形的第一端部处定位的第一倒角部分。

21.根据权利要求20所述的方法，其中所述形成步骤进一步包括步骤：

抛光所述尖端部分以便形成在所述楔形的与所述第一端部相对的第二端部处定位的第二倒角部分。

22.根据权利要求16所述的方法，其中所述方法进一步包括步骤：

在所述形成步骤之后对所述光纤的所述尖端部分进行火焰熔化，以便在所述尖端部分上提供透镜。

23.根据权利要求22所述的方法，其中所述透镜形成于包围所述最末端的端面至少一部分的区域上。

24.根据权利要求16所述的方法，其中所述扩张步骤是热扩张步骤。

25.根据权利要求16所述的方法，其中所述光纤的所述直径为125μm。

26.根据权利要求16所述的方法，其中所述光纤是单模光纤。

27.根据权利要求16所述的方法，其中在所述最末端的端面的正交线与所述光轴之间的角度约为6度。

28.根据权利要求16的所述方法制备的光纤。

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