專利名稱：具有透鏡化尖端的光纖及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一般，本發(fā)明涉及光纖的制造過(guò)程，更具體地說(shuō)，涉及具有透鏡化尖端的光纖(lensed tip optical fiber)的制造方法。
背景技術(shù)：
許多應(yīng)用要求光波在例如將與光纖耦接的平面光波導(dǎo)、光集成電路、光源(諸如激光器)和檢測(cè)器中受控傳播。還有其他的應(yīng)用要求一個(gè)光纖與另一個(gè)光纖耦接。遺憾的是，許多這些應(yīng)用都有缺點(diǎn)，并且制造中要高度小心。
例如，因?yàn)榧す馄鞯墓ぷ鳒囟炔▌?dòng)，并相應(yīng)地在光纖和激光器中引起不同的尺寸改變，所以可能破壞光纖與激光器器的直接連接。由溫度波動(dòng)造成的尺寸改變使光纖相對(duì)于激光器位置發(fā)生改變，或與激光器分離。
由于激光器和光纖中的引導(dǎo)模式(guided mode)的尺寸差異大，直接耦接一般效率不高。一般，通過(guò)使用透鏡或透鏡組將激光器發(fā)出的光會(huì)聚于光纖，可克服這種低效。
然而，由于使用透鏡或透鏡組，光學(xué)耦合還具有其它的缺點(diǎn)。例如，使透鏡和激光器達(dá)到精確的光學(xué)對(duì)準(zhǔn)很困難。由于環(huán)境溫度隨著時(shí)間波動(dòng)造成尺寸改變和機(jī)械偏移，該光纖可能不能對(duì)準(zhǔn)。因此，需要一種可以改善光纖耦接的改進(jìn)的光纖制造方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)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制造的適于實(shí)用的方法。
修整光纖的至少一端是通過(guò)去除材料的過(guò)程以形成點(diǎn)端或“尖端”實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)本發(fā)明，進(jìn)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(fā)明的方法制造的具有透鏡化尖端的光纖可使與其他光纖光學(xué)對(duì)準(zhǔn)以及該光纖與各光學(xué)裝置(例如光源、平面形光波導(dǎo)和光學(xué)集成電路)的連接更方便。
在本發(fā)明的一個(gè)方面中，提供了一種制造光纖構(gòu)件的方法。該方法包括修整光纖構(gòu)件的至少一端和向該光纖構(gòu)件的修整端部施加能量，以形成透鏡表面。
在本發(fā)明的另一個(gè)方面中，提供了制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并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(fā)明的再一個(gè)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，并將能量加在該透光的柱形光纖的修整端部上。
形成本發(fā)明的具有透鏡化尖端的光纖的方法可廉價(jià)地實(shí)現(xiàn)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(xué)裝置，例如光源、平面光波導(dǎo)和光學(xué)集成電路等光學(xué)對(duì)準(zhǔn)。因?yàn)槊恳粭l光纖包括“內(nèi)置”的透鏡，因此可從大多數(shù)光纖組件中去除單獨(dú)的透鏡。去除單獨(dú)的透鏡減少部件數(shù)目并消除多個(gè)透鏡或透鏡組之間的不對(duì)準(zhǔn)的可能性。這是一般的光學(xué)組件所具有的問(wèn)題。減少部件數(shù)目可形成較簡(jiǎn)單的光學(xué)組件，降低一般在光學(xué)部件組件化和制造過(guò)程中存在的昂貴的組件化勞動(dòng)成本；并可使光學(xué)組件的尺寸作得較小。較小的尺寸意味著可以更方便地實(shí)現(xiàn)緊湊的系統(tǒng)和降低成本。
本發(fā)明的范圍由包括在這部分中供參考的權(quán)利要求書(shū)確定。本領(lǐng)域的技術(shù)人員通過(guò)考慮以下的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明，可以更完整地理解本發(fā)明的實(shí)施例以及各種優(yōu)點(diǎn)。首先簡(jiǎn)略地說(shuō)明附圖。


圖1為表示本發(fā)明的過(guò)程的流程圖；
圖2為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的液浴的簡(jiǎn)圖；圖3為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的，在一個(gè)柱形件的端部上形成修整端部的簡(jiǎn)圖；圖4A為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的，從去除材料過(guò)程產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)圖；圖4B為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的，在圖4A的結(jié)構(gòu)的修整端部上形成透鏡的過(guò)程的簡(jiǎn)圖；圖4C表示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的，可在圖4A的結(jié)構(gòu)的修整端部上形成的焦距可控制的透鏡表面的簡(jiǎn)圖；圖5為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的，本發(fā)明的一種應(yīng)用的簡(jiǎn)圖；和圖6為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的，本發(fā)明的另一種應(yīng)用的簡(jiǎn)圖。
參考下面的詳細(xì)說(shuō)明可以更好地理解本發(fā)明的實(shí)施例及其優(yōu)點(diǎn)。圖中相同的附圖標(biāo)記用于表示一個(gè)或多個(gè)相同的部件。
具體實(shí)施例方式
圖1為表示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的，在光纖上形成透鏡化尖端的過(guò)程100的流程圖。過(guò)程100可以包括提供一個(gè)或一束柱形件(步驟S102)，例如由玻璃(SiO2)、塑料等制成的柱形桿或光纖。
每一個(gè)柱形件的第一端部可通過(guò)除去材料而形成腐蝕端部，即修整端部或尖端來(lái)修整(步驟S104)。在一個(gè)實(shí)施例中，將該柱形件的每一端放入液浴或液霧形式的反應(yīng)液體中，形成尖端。在一個(gè)實(shí)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(gè)實(shí)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(xì)地所述那樣，腐蝕液體一般首先從每一個(gè)柱形件的一部分的周邊去除材料，從而腐蝕或修整每一個(gè)件的一部分。從周邊除去材料的步驟通常會(huì)在該柱形件的端部上形成尖端。
在一個(gè)實(shí)施例中，每一個(gè)柱形件的第二端部也可放入液浴或液霧形式的反應(yīng)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(gè)實(shí)施例中，將適當(dāng)?shù)母g液體噴射在柱形件的第二端部上。上述除去材料的步驟會(huì)在該柱形件的第二端部上形成尖端。
在一個(gè)實(shí)施例中，將該柱形件的尖端或多個(gè)端部暴露于能量源中，以加熱該尖端(步驟S106)。如下面更詳細(xì)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(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的，包括柱形件202的腐蝕浴的簡(jiǎn)圖。在一個(gè)實(shí)施例中，每一個(gè)柱形件202可以為一個(gè)桿、圓柱體、光纖或其他相同形狀的構(gòu)件。另一種方案是，該柱形件可以具有或預(yù)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(dǎo)、光電子和光學(xué)裝置中應(yīng)用可能更適合。
每一個(gè)柱形件202的直徑和長(zhǎng)度一般根據(jù)應(yīng)用確定。在一個(gè)實(shí)施例中，每一個(gè)柱形件202的直徑可以為標(biāo)準(zhǔn)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(jù)應(yīng)用情況，每一個(gè)柱形件202的直徑范圍在大約小于100μm和大約幾毫米之間。在另一個(gè)實(shí)施例中，柱形件202可以為多模光纖。
在一個(gè)實(shí)施例中，柱形件202的端部204可通過(guò)使用根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的腐蝕過(guò)程除去材料而修整。
再參見(jiàn)圖2，在一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)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(xué)配方。在一個(gè)實(shí)施例中，液浴206包括HF酸208?？梢栽谝涸?06中加入一個(gè)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(guò)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”并超出柱形件浸入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(shí)間一般足夠進(jìn)行除去所需量的材料。除去材料的時(shí)間為每一構(gòu)件202的材料成分和液浴206的成分和濃度的函數(shù)。
在圖3所示的一個(gè)實(shí)施例中，每一個(gè)柱形件202包括一個(gè)芯區(qū)域C1和包圍芯區(qū)域C1的周邊區(qū)域P1。在工作中，由于周邊區(qū)域P1與HF酸208直接接觸并且暴露在HF酸208中的表面積較大，因此液浴208在影響芯區(qū)域C1之前影響周邊區(qū)域P1。這在角落區(qū)域302上也是如此，因?yàn)榻锹鋮^(qū)域的頂部和側(cè)面同時(shí)露出。所使用的光纖的形式也影響該尖端區(qū)域如何形成。一些光纖的芯區(qū)域C1作得比周邊區(qū)域P1純。不太純的區(qū)域更容易被液體除去材料。
可通過(guò)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(zhǎng)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(shí)間長(zhǎng)度和HF酸208的濃度控制。
優(yōu)選，本發(fā)明的材料去除過(guò)程為緩慢的過(guò)程。因此，制造者可以連續(xù)地檢查材料除去過(guò)程的進(jìn)展，并在獲得端部部分304的希望尺寸的時(shí)刻，從液浴206中取出端部204。
由材料除去過(guò)程產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)為如圖4A所示的尖端構(gòu)件400。
如圖4A所示，尖端構(gòu)件400包括至少一個(gè)尖端402和基部404。在圖4B所示的實(shí)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(qū)域C1和外周邊P1熔融。由熔融作用產(chǎn)生的表面張力在形成透鏡表面408的構(gòu)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(shí)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(shí)施例的等價(jià)方法的任何適當(dāng)?shù)哪芰堪l(fā)生裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。
再參見(jiàn)圖4B，在一個(gè)實(shí)施例中，可將尖端構(gòu)件400的尖端402放入電弧發(fā)生裝置406中，例如已有出售的拼接工具。電弧發(fā)生裝置406可以提供可以為任何給定的透光構(gòu)件材料進(jìn)行熱處理所需的電弧或電火花。熱處理可用于以上述方法形成透鏡表面408。
在另一些實(shí)施例中，為了加熱材料和形成根據(jù)本發(fā)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(zhǎng)的高功率激光器。
圖4C為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的，加熱過(guò)程后的單一的透光尖端構(gòu)件402的側(cè)視圖。通過(guò)加熱過(guò)程可以修整尖端304，使得在兩個(gè)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(duì)于透鏡表面408的主軸線的不同的光學(xué)軸線上提供不同的光學(xué)性能。
透鏡表面408在尖端402上的位置為沿著尖端402的長(zhǎng)度L加熱或施加能量的深度與暴露在能量源中的時(shí)間長(zhǎng)度的函數(shù)。在一個(gè)實(shí)施例中，尖端402的長(zhǎng)度為L(zhǎng)。在沿著長(zhǎng)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(gè)實(shí)施例中，沿著長(zhǎng)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(duì)于在光纖或光波導(dǎo)耦接或組合(packaging)的應(yīng)用中特別有用。
根據(jù)具體應(yīng)用的要求可以調(diào)節(jié)透鏡表面408的曲率和尺寸。透鏡表面408的制造的技術(shù)條件和公差由具體的應(yīng)用決定，并相應(yīng)地由最后使用者確定。
圖5為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的，本發(fā)明的一種應(yīng)用的簡(jiǎn)圖。在這個(gè)示例性應(yīng)用中，將標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)組件500a與包括本發(fā)明的具有透鏡化尖端的光纖的新的組件500b比較。該標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)組件500a包括一激光組件。該激光組件包括驅(qū)動(dòng)器和環(huán)境溫度控制裝置502、激光器504、透鏡組506、絕緣裝置508和標(biāo)準(zhǔn)光纖510。透鏡組506會(huì)聚從激光器504發(fā)出的光，并將光引導(dǎo)和聚焦在光纖510上。所包括的多個(gè)部件必需正確地對(duì)準(zhǔn)和固定在規(guī)定位置。對(duì)準(zhǔn)不同部件需要每一個(gè)部件可調(diào)節(jié)，同時(shí)，正確對(duì)準(zhǔn)的部件需要精確地固定在規(guī)定位置上。實(shí)際上必須權(quán)衡使那些部件可調(diào)節(jié)和不偏離對(duì)準(zhǔn)位置而固定這兩者。因此，在傳統(tǒng)的組件500a中，絕達(dá)不到最優(yōu)的對(duì)準(zhǔn)，這樣，從激光器504發(fā)出的光的大部分不能引導(dǎo)至光纖510中。
新的光學(xué)組件500b也包括具有驅(qū)動(dòng)器和環(huán)境溫度控制裝置502，激光器504和絕緣裝置508的激光組件。然而，在這個(gè)示例性的實(shí)施例中，去掉了透鏡組506，且標(biāo)準(zhǔn)光纖510被根據(jù)本發(fā)明的過(guò)程制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包括靠近激光器504的輸出表面放置的透鏡表面408，以便有效地收集從激光器504發(fā)出的大部分光，并引導(dǎo)該光通過(guò)光纖512。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，利用根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例制造的具有透鏡化尖端的光纖512的光耦合效率可高達(dá)80％。
圖6為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的，本發(fā)明的另一種應(yīng)用的簡(jiǎn)圖。在這個(gè)示例性應(yīng)用中，將標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)組件600a與包括本發(fā)明的具有透鏡化尖端的光纖的新的組件600b進(jìn)行比較。該標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)組件600a在兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)光纖604和606之間包括一個(gè)光學(xué)部件602。為了正確地對(duì)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)光纖604和606，透鏡608和610放置在光學(xué)部件602和每一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)光纖604和606之間。透鏡608收集從輸入光纖604發(fā)出的光，并將該光聚焦在光學(xué)部件602的輸入光波導(dǎo)上。在光學(xué)部件的輸出側(cè)上的透鏡610拾取從光學(xué)部件602的輸出光波導(dǎo)發(fā)出的光，并重新將該光聚焦在光纖606中。透鏡608和610與光學(xué)部件602和兩個(gè)光纖604和606的對(duì)準(zhǔn)要求所有部件可調(diào)節(jié)以達(dá)到優(yōu)化，同時(shí)最優(yōu)的對(duì)準(zhǔn)要求所有部件精確地固定。而這在實(shí)際中是絕對(duì)達(dá)不到的。
新的光學(xué)組件600b也包括光學(xué)部件602。然而，在這個(gè)實(shí)施例中，利用具有透鏡化尖端的光纖612和614代替標(biāo)準(zhǔn)光纖604和606。由于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(dòng)地與光纖612和614對(duì)準(zhǔn)，不需要適用于所述透鏡和復(fù)雜的組件設(shè)計(jì)的多個(gè)可調(diào)節(jié)夾具。新的光學(xué)組件600b可簡(jiǎn)化組件設(shè)計(jì)和光學(xué)對(duì)準(zhǔn)過(guò)程，并且同時(shí)，可改善光學(xué)組件的可靠性。另外，正確設(shè)計(jì)和控制的具有透鏡化尖端的光纖可提高光學(xué)耦合效率，并減小光學(xué)組件的尺寸。
本發(fā)明的具有透鏡化尖端的光纖可以用在許多其他應(yīng)用場(chǎng)合中。例如，本發(fā)明的具有透鏡化尖端的光纖可以用在氣密密封的尾纖對(duì)準(zhǔn)/焊接應(yīng)用中?？稍诠饫w帶上形成透鏡化尖端，以便在各種密集的波分復(fù)用(DWDM)部件、光電子、光學(xué)部件和光學(xué)集成電路中達(dá)到更好的耦合或互相連接的能力；還可以用于將入射光聚焦在檢測(cè)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于各種醫(yī)療領(lǐng)域中的激光外科工具中，并用于微成像、生物探頭、光譜分析等的便攜式傳感器。
上述實(shí)施例說(shuō)明但不限制本發(fā)明。應(yīng)該理解，根據(jù)本發(fā)明的原理可作各種改進(jìn)和改變。因此，本發(fā)明的范圍只由權(quán)利要求書(shū)確定。
權(quán)利要求
1.一種制造光纖構(gòu)件的方法，它包括修整光纖構(gòu)件的至少一端；和向該光纖構(gòu)件的修整端部施加能量，以形成透鏡表面。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征為，所述修整包括從所述光纖構(gòu)件的所述至少一端除去材料。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征為，所述修整包括將所述光纖構(gòu)件的所述至少一端放入腐蝕液體中，以腐蝕所述光纖構(gòu)件的所述至少一端。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征為，所述腐蝕液體包括HF酸。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征為，所述光纖構(gòu)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(quán)利要求1所述的方法，其特征為，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(quán)利要求6所述的方法，其特征為，所述透鏡表面包括凸的、凹的或平面的透鏡表面。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征為，所述修整包括從光纖構(gòu)件的兩個(gè)端部除去材料。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征為，所述加熱包括加熱兩個(gè)端部，以便在每一端上形成透鏡表面。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征為，所述修整端部具有第一長(zhǎng)度，并且，所述施加能量包括在沿著所述長(zhǎng)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(quán)利要求1所述的方法，其特征為，所述施加能量包括將所述修整端部暴露于熱源。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征為，所述施加能量包括將所述修整端部移至電火花。
13.一種制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(quán)利要求13所述的方法，其特征為，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(quán)利要求13所述的方法，其特征為，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(quán)利要求13所述的方法，其特征為，所述腐蝕液體包括HF酸。
17.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征為，所述透鏡表面包括凸的、凹的或平面的透鏡表面。
18.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征為，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(quán)利要求18所述的方法，其特征為，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(guò)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(fā)明提供了制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，并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(xué)對(duì)準(zhǔn)，并且便于使光纖與光學(xué)裝置連接。
文檔編號(hào)B29D11/00GK1926454SQ200580006482
公開(kāi)日2007年3月7日 申請(qǐng)日期2005年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月8日
發(fā)明者因·S·唐 申請(qǐng)人:因·S·唐