專利名稱：具備透鏡功能的光纖及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種廣泛應(yīng)用于光通信系統(tǒng)中的單模光纖，特別涉及光纖之間的光耦合，光纖與光學(xué)器件之間的光耦合，等等。
要建設(shè)一個光纖通信網(wǎng)，這些構(gòu)成要素之間需要以盡量小的光損耗互相耦合。因此，多種形式的光耦合技術(shù)的使用就變得非常重要，這里的光耦合是指諸如半導(dǎo)體激光器與光電二極管之間的耦合，一個光學(xué)器件(濾光器或隔離器)插入光纖之間時的耦合，光纖之間的耦合，光纖與光波導(dǎo)之間的耦合，等等。
迄今為止，這類光耦合通常采用將光纖直接連接或通過一個透鏡實(shí)現(xiàn)。在將光纖直接連接的情況下，損耗不是很高，但定位的允許度非常嚴(yán)格，從而導(dǎo)致安裝成本上升。在使用透鏡的情況下，一個漸變折射率棒形透鏡用在多種場合，因?yàn)橥哥R被做成圓柱形，從幾何形狀上與光纖相配，以便可以直接插入一個中空的圓柱護(hù)套里，再安裝進(jìn)V型槽里，等等(例如，JP-A-60-91316)。
漸變折射率棒形透鏡的折射率分布可以用以下表達(dá)式給出
n(r)2＝n02·{1-(g·r)2+h4(g·r)4+h6(g·r)6+h8(g·r)8+…}其中，r表示到光軸的距離，n(r)表示到光軸的距離是r的那一點(diǎn)上的折射率，n0表示光軸上的折射率，r0表示棒形透鏡的半徑，g表示折射率分布系數(shù)，而h4，h6，h8…則表示各自的折射率分布系數(shù)。
漸變折射率棒形透鏡的透鏡功能依透鏡的長度z而改變。
下列基本用法可以根據(jù)周期長度P作出，而周期長度P由以下表達(dá)式規(guī)定P＝2∏/g(1)當(dāng)Z＝0.25P時設(shè)置在端面上的光源發(fā)出的光被準(zhǔn)直。
(2)當(dāng)Z＝0.50P時設(shè)置在端面上的光源發(fā)出的光被聚焦到相對的端面上。
然而，棒形透鏡通常的直徑大約是1mm，這個直徑與一個標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的外徑差別相當(dāng)大，標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的外徑是125μm。因?yàn)檫@個原因，準(zhǔn)備一個用來夾住棒形透鏡和光纖的專用的夾子，或用一個直徑與棒形透鏡直徑相等的毛細(xì)管夾住光纖的端頭部分就是必要的。如此一來，部件的數(shù)目增加了，裝配變得復(fù)雜了。而且，最終系統(tǒng)的全部占據(jù)了很大的空間。結(jié)果，導(dǎo)致了成本的增加。
作為解決這些問題的方法，人們曾嘗試將一個直徑與光纖直徑相等的透鏡放在光纖的前端。比如，在Journal of Lightwave Technology，Vol.17，No.5，P.924，1999中，有人提出一個結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)將一個直徑與單模光纖直徑相等的石英玻璃制成的漸變折射率光纖(GIF)用一個均質(zhì)的石英玻璃隔片熔凝在單模光纖(SMF)的前端。采用這樣的一種結(jié)構(gòu)，這些光纖可以容易地布設(shè)在V型槽或類似的槽里，這將極大地減少預(yù)期的制造成本。
然而，在上例中，折射率分布不能被完全控制，因?yàn)楝F(xiàn)在通信中使用的是多模石英光纖。因而，這種做法不足以被用來作為透鏡功能。進(jìn)一步說，GIF在通信中的透鏡功能只集中在靠近光軸的核心部位。因?yàn)檫@個原因，折光能力(在前述的折射率分布表達(dá)式中折射率分布系數(shù)g的數(shù)值)是如此之大以致于平行光通量變得很細(xì)。
為了使光通量變粗，必須將兩根光纖的端面分開至特定的距離。在上例中，插入了一個隔片來限定這個距離。因?yàn)檫@個原因，雖然具有了兩根光纖的外徑可以制造成一樣的優(yōu)點(diǎn)，但是與使用夾子或毛細(xì)管的情形相比，組件的數(shù)量并沒有變化。因此，問題依然存在，即最初的目的并沒有實(shí)現(xiàn)。
為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種具備透鏡功能的光纖，其構(gòu)成是至少一根信息傳遞光纖；和至少一根外徑與信息傳遞光纖的外徑相等的漸變折射率光纖，其長度足以顯現(xiàn)特定的透鏡功能，將漸變折射率光纖與信息傳遞光纖連接或接觸。典型的信息傳遞光纖就是單模光纖。
另一方面，漸變折射率光纖是這樣成型的，以便在使用的波長范圍內(nèi)的折射率分布可以用以下表達(dá)式給出n(r)2＝n02·{1-(g·r)2+h4(g·r)4+h6(g·r)6+h8(g·r)8+…}其中，r表示到光軸的距離，n(r)表示到光軸的距離是r的那一點(diǎn)上的折射率，n0表示光軸上的折射率，r0表示漸變折射率光纖的半徑，g表示折射率分布系數(shù)，而h4，h6，h8…則表示各自的高階折射率分布系數(shù)。
在此處，最好滿足下列條件0.1≤n0·g·r0≤0.5。而，能滿足下列條件將更好0.12≤n0·g·r0≤0.25。
在此處，漸變折射率光纖光軸上的折射率n0的范圍最好在1.40至1.80(含此二數(shù))之間，而更好是在1.50至1.70(含此二數(shù))之間。
另外，漸變折射率光纖的長度范圍最好在0.05P至1P(含此二數(shù))之間，其中P是漸變折射率光纖的周期長度。當(dāng)漸變折射率光纖被用做平行光管時，漸變折射率光纖的長度范圍在0.05P至0.5P(含此二數(shù))之間會更好。
信息傳遞光纖和漸變折射率光纖的相互連接和固定是將兩根光纖插入一個內(nèi)徑基本上等于兩根光纖外徑的護(hù)套，這樣就根據(jù)本發(fā)明得到了一個具備透鏡功能的光纖。另一種方式，信息傳遞光纖和漸變折射率光纖可以相互連接和固定在一個槽里，這個槽形成在一個平面基底上，其截面是V型的。
用在依照本發(fā)明具備透鏡功能的光纖中的漸變折射率光纖按下述步驟生產(chǎn)。第一，將一個均質(zhì)玻璃棒浸入熔融的鹽中進(jìn)行離子交換進(jìn)而在玻璃棒中形成折射率分布。在保持垂直的情況下，玻璃棒被加熱延展至形成一個具有理想外徑的漸變折射率光纖。根據(jù)漸變折射率光纖具體的周長，光纖被切成一定的長度。該光纖與一個信息傳遞光纖的前端相連或相接觸。進(jìn)而，制造出了一根具備透鏡功能的光纖。
本發(fā)明涉及日本專利申請No.2000-391926(2000年12月25日遞交)中包含的主題，該申請被引用并包含在本申請中。
圖2是一個光路圖，顯示本發(fā)明的另一個構(gòu)造例子。
圖3是一個光路圖，顯示本發(fā)明的又一個構(gòu)造例子。
圖4是一個顯示本發(fā)明一個實(shí)施例的圖。
圖5是一個顯示本發(fā)明另一個實(shí)施例的圖。
圖6是一個顯示本發(fā)明一個已應(yīng)用實(shí)施例的圖。
圖7是一個顯示本發(fā)明另一個已應(yīng)用實(shí)施例的圖。
圖8是一個顯示本發(fā)明又一個已應(yīng)用實(shí)施例的圖。
在本發(fā)明中，將一根漸變折射率光纖(GIF)連接或接觸到一根單模光纖(SMF)的前端，單模光纖是典型的信息傳遞光纖。GIF的外徑最好做得與SMF的外徑(正常是125μm)相等。這樣，兩根光纖可以容易地進(jìn)行光耦合，以便光纖耦合所需的部件數(shù)量可以減少。
正如象在背景技術(shù)描述中所初步介紹的，如果使用現(xiàn)存的GIF，這個GIF可能有一個與SMF相同的直徑。但是，因?yàn)檫@樣的GIF原本不是打算用做透鏡功能的，所以當(dāng)考慮到象差或其它類似的對透鏡來說很重要的問題時，它的表現(xiàn)就不總是最好的。另外，因?yàn)镚IF在正常情況下是由一個50μm直徑的核心部分和一個核心部分之外的覆蓋部分構(gòu)成，因此GIF并不是被設(shè)計(jì)用來將光傳遞到外側(cè)的圓周部分的。因?yàn)檫@個原因，例如，當(dāng)從SMF發(fā)來的光是平行應(yīng)用的，這些從SMF發(fā)來的光卻被限定在了核心部分。結(jié)果，被發(fā)射的平行光束的直徑就變得像核心部分一樣狹窄。這一點(diǎn)從應(yīng)用的角度看是很不理想的。因此，就需要一種方法能在兩根光纖之間形成一個間隙，或其它類似的東西。
另一方面，這樣小直徑的GIF很難直接用生產(chǎn)漸變折射率棒形透鏡的背景技術(shù)方法生產(chǎn)出來。因?yàn)檫@個原因，使用一個外徑125μm的GIF而這個GIF的幾乎全部物理外徑都能在光學(xué)上被利用是不可能的。
一個依照本發(fā)明生產(chǎn)具備透鏡功能光纖的方法將在下面描述。
一個直徑125μm的GIF是由一個直徑1.1mm的漸變折射率棒形透鏡(基材棒)拔絲而成。
基材棒按如下方法生產(chǎn)。將一個直徑1.1mm含氧化鋰的均質(zhì)玻璃棒浸入熔融的鹽中進(jìn)行離子交換程序以便依照鋰濃度分布形成折射率分布。于是基材棒獲得了如下光學(xué)特性。
外徑Φ1.1mmn01.610g0.232mm-1(測量波長632.8nm)將基材棒切成300mm長。用一個夾子將基材棒垂直懸掛。然后，用環(huán)型加熱器一邊對基材棒進(jìn)行加熱一邊將其向下拉伸。這樣就完成了拔絲。加熱器的溫度范圍在680℃至730℃之間，而拔絲速度要調(diào)整到大約1米/分鐘，以便拔絲后的外徑是125μm。
GIF拔絲后獲得的特性如下。
外徑Φ0.125mmn01.610g2.06mm-1(測量波長632.8nm)折射率分布基本上未被擾亂，球差足以小到留在光纖的圓周部分。因而，可以獲得一個在衍射限度內(nèi)的象。
在將對應(yīng)的端面研磨同時使光纖切成合適的尺寸，然后用在如下的實(shí)施例中。
圖1，圖2和圖3是三個光路圖，其情況是至少一個按上述方法生產(chǎn)的直徑125μm的GIF與至少一個有著與GIF相同直徑的SMF相結(jié)合。
圖1顯示了這樣一個例子，其中一個SMF2a的端面與一個已切成長度為Z＝0.25p的GIF1a的端面對接，以便從SMF2a發(fā)出的光線成為平行光10穿過一個空間，在經(jīng)過長度為z＝0.25p具備透鏡功能的GIF1b后光耦合到SMF2b上。
圖2顯示了這樣一個例子，其中兩根SMF2a和2b通過一個長度為Z＝0.5p的GIF1c直接耦合。
圖3顯示了這樣一個例子，其中GIF1d的長度z可以在范圍0.25p＜Z＜0.50p之間選擇，以便從SMF2a發(fā)出的光線成為會聚光線12的鏡像聚焦在光學(xué)器件3上。
當(dāng)使用玻璃或塑料作為制造GIF的材料時，GIF光軸上的折射率n0的更低限度是大約1.4。當(dāng)使用玻璃作為制造棒形透鏡的材料時，必須增加高折射率成分例如氧化鉛，氧化鑭等成分的數(shù)量，以便讓中心折射率高于1.8。如果這些成分的數(shù)量過大，也會引起問題，要么是離子交換的速度變得極其慢，要么是玻璃很容易地變得不透明。因此，折射率n0的最佳范圍是1.40≤n0≤1.80。但是，在使用玻璃材料的情況下，要容易地制造出GIF，在允許的成功配方下，n0的范圍是1.50≤n0≤1.70。因此，n0的數(shù)值尤其最好在這個范圍內(nèi)選擇。
GIF的亮度由孔徑角θ＝n0·g·r0(弧度)決定，這個弧度顯示允許攝入光線的范圍。如果孔徑角θ小于0.1，從SMF發(fā)出的高斯光束的圓周部分(通常有一個大約等于0.1的數(shù)值孔徑NA，NA＝n0sinθ)將不會被攝入。因此，耦合損耗將變得很大。另一方面，生產(chǎn)θ值大于0.5的光纖也是非常困難的。
為了在NA＝0.1的情況下充分地?cái)z入從SMF發(fā)出的光線并放大平行光通量的直徑，θ值尤其最好選擇的范圍在0.12(包括)至0.25(不包括)之間。
漸變折射率棒形透鏡(此處是GIF)的象差數(shù)值由漸變折射率分布系數(shù)h4，h6，h8…決定。設(shè)h4＝+0.67，同時GIF的外徑是Φ＝125μm時，可以得到足夠的表現(xiàn)，因?yàn)楫?dāng)NA不大于0.2時球面象差的數(shù)值基本上不會大于衍射限度。為了更大地減少象差的數(shù)值，h6，h8…的數(shù)值應(yīng)更加優(yōu)化。
盡管上述描述建立在使用外徑125μm的石英SMF作為信息傳遞光纖的基礎(chǔ)之上，其實(shí)信息傳遞光纖的外徑不必只是125μm，因?yàn)镚IF的外徑如上所述可以相應(yīng)調(diào)整。例如，本發(fā)明也可適用于有較大外徑的光纖，比如多組分玻璃光纖或塑料光纖。如果外徑不小于400μm，用拉伸之類技術(shù)減小直徑的特別步驟就沒有必要了，因?yàn)橛帽尘凹夹g(shù)的離子交換方法就可以生產(chǎn)出漸變折射率棒形透鏡。
本發(fā)明具體的已應(yīng)用實(shí)施例將列表如下。盡管這些實(shí)施例以SMF的外徑為125μm為例進(jìn)行描述，但是外徑和光纖材料并不局限于此。(光纖之間的耦合)當(dāng)光纖依圖1所示的安排相互耦合時，各在一側(cè)的SMF和GIF通過黏合劑之類的東西分別粘在一起，以便結(jié)合成一個整體。因?yàn)檩^粗的平行光通量可以通過一體化獲得，所以耦合損耗可以通過相對兩側(cè)光纖的光軸位移和變換距離來抑制。因此，耦合SMF時的調(diào)整可以簡化，以便容易地以較小的耦合損耗實(shí)現(xiàn)SMF之間的耦合。如圖4所示，這是一個截面圖，使用了一個內(nèi)徑125μm的護(hù)套6，光纖1a和2a從兩側(cè)插入護(hù)套6a并接觸性相互連接，從而容易地實(shí)現(xiàn)了安裝。另外，連接部5被加固以便可靠性得到改善。
當(dāng)耦合依圖2所示的安排實(shí)現(xiàn)時，一個Z＝0.5p的GIF1c被插入一個內(nèi)徑125μm的護(hù)套6b中間，然后，SMF2a和2b從護(hù)套6b兩側(cè)插入與GIF1c如圖5所示接觸并固定在一起。在此，不必校直光軸就可以很容易地獲得高效耦合。當(dāng)兩根光纖被粘合或簡單接觸處的間隙被填充了液體時，反射損耗也可以減少。
使用紫外線固化樹脂，一種環(huán)氧樹脂黏合劑，或類似的東西，可以容易地進(jìn)行兩種光纖的耦合。另外，金屬護(hù)套或玻璃護(hù)套都可以用作護(hù)套。(插入光學(xué)器件)如圖6所示，一個光學(xué)器件13，比如一個多層膠片濾光器，一個隔離器或一個偏振板，可以插入依圖1的安排所示形成的平行光通量部分。
可以替代的是，如圖7所示，光學(xué)器件23可以加工成外徑125μm的圓柱型，以便光學(xué)器件23可以完美地插入護(hù)套6c。因?yàn)椋扛饫w1a，1b，2a和2b的外徑都與光學(xué)器件23的外徑相等，光軸就不必校直。結(jié)果使安裝變得容易。(從光纖發(fā)出光線的聚光)如圖3所示的安排，從SMF2a發(fā)出的光線形成一個焦點(diǎn)，以便一個光檢測器，一個光記錄盤的記錄表面，或類似的東西，可以放在這個焦點(diǎn)上。進(jìn)一步，來自于發(fā)散光源的光線可以耦合到SMF上。(安裝在基底上)在安裝由至少一個SMF和至少一個棒形透鏡構(gòu)成的光耦合系統(tǒng)時，由硅基底或類似之物加工而成的V型槽被廣泛使用。準(zhǔn)備一個V型槽，槽深分別適合SMF和棒形透鏡的外徑，以便分別放入V型槽的SMF和透鏡能相互耦合。依照本發(fā)明，因?yàn)镾MF和GIF的外徑相等，簡單地利用形成在基底21某部位的一個V型槽，將SMF2d和GIF1e放入V型槽，并按如圖8所示將SMF2d和GIF1e相互連接，就可以容易和準(zhǔn)確地將SMF2d和GIF1e進(jìn)行安裝。于是，當(dāng)光學(xué)器件，比如半導(dǎo)體激光器24，透鏡25，反射鏡26，等等，被一體化在同一個基底上后，就容易地獲得了一個緊湊的光路。
上述配置例展示的是GIF的長度范圍在0.25P至0.5P之間的情況。但是，當(dāng)Z的范圍在0.05P至0.1P(含此二數(shù))之間時，具備透鏡功能的光纖通常顯示出多種功能。如果Z＜0.05P，光損耗的數(shù)值將增加，因?yàn)镹A縮小了。而且，這樣的GIF也幾乎不被使用的，因?yàn)閆太小了，很難生產(chǎn)出這樣的GIF并將其裝配進(jìn)具備透鏡功能的光纖。另一方面，使用長度不小于1P的透鏡也沒有意義，因?yàn)橹挥虚L度小于1P的透鏡才具備透鏡的特性，而且因?yàn)橥哥R的長度太大了以致于尺寸變得太大。
順便提及，在GIF被用作正常的準(zhǔn)直透鏡或聚光透鏡的情況下，當(dāng)Z不小于0.5時，特性被重復(fù)。因此，從聚焦的觀點(diǎn)看，使用Z＞0.5P的透鏡沒有意義。為抑制象差的數(shù)值，Z最好的選擇范圍在0.05P至0.5P(含此二數(shù))之間。當(dāng)需要形成一個正像時，Z范圍在0.5P至1.0P之間也是可以的。
依照本發(fā)明，一個用較少部件容易地裝配的小尺寸的具備透鏡功能的光纖可以這樣獲得，即將一個漸變折射率光纖與一個有著同樣外徑的信息傳遞光纖連接和接觸。
權(quán)利要求
1.一種具備透鏡功能的光纖，其構(gòu)成是至少一根信息傳遞光纖；和至少一根外徑與信息傳遞光纖的外徑相等的漸變折射率光纖，其長度足以顯現(xiàn)特定的透鏡功能，將此漸變折射率光纖與此信息傳遞光纖的一個端面連接或接觸。
2.一種根據(jù)權(quán)利要求1的具備透鏡功能的光纖，其中所述的信息傳遞光纖是單模光纖。
3.一種根據(jù)權(quán)利要求1的具備透鏡功能的光纖，其中所述的漸變折射率光纖采用離子交換法生產(chǎn)。
4.一種根據(jù)權(quán)利要求1的具備透鏡功能的光纖，其中，所述的漸變折射率光纖的在使用的波長范圍內(nèi)的折射率分布用以下表達(dá)式給出n(r)2＝n02·{1-(g·r)2+h4(g·r)4+h6(g·r)6+h8(g·r)8+…}所述的漸變折射率光纖滿足下列條件0.1≤n0·g·r0≤0.5其中，r表示到光軸的距離，n(r)表示到光軸的距離是r的那一點(diǎn)上的折射率，n0表示光軸上的折射率，r0表示漸變折射率光纖的半徑，g表示折射率分布系數(shù)，而h4，h6，h8…則表示各自的高階折射率分布系數(shù)。
5.一種根據(jù)權(quán)利要求4的具備透鏡功能的光纖，其中所述的漸變折射率光纖滿足下列條件0.12≤n0·g·r0≤0.25
6.一種根據(jù)權(quán)利要求4或5的具備透鏡功能的光纖，其中所述的漸變折射率光纖在光軸上的折射率n0的范圍在1.40至1.80(含此二數(shù))之間。
7.一種根據(jù)權(quán)利要求4或5的具備透鏡功能的光纖，其中所述的漸變折射率光纖在光軸上的折射率n0的范圍在1.50至1.70(含此二數(shù))之間。
8.一種根據(jù)權(quán)利要求1的具備透鏡功能的光纖，其中所述的漸變折射率光纖的長度范圍在0.05P至1P(含此二數(shù))之間，其中P是所述的漸變折射率光纖的周期長度。
9.一種根據(jù)權(quán)利要求1的具備透鏡功能的光纖，其中所述的漸變折射率光纖的長度范圍在0.05P至0.5P(含此二數(shù))之間，其中P是所述的漸變折射率光纖的周期長度。
10.一種根據(jù)權(quán)利要求1的具備透鏡功能的光纖，其中所述的信息傳遞光纖和所述漸變折射率光纖按以下情況下相互連接和固定，即將兩根光纖插入內(nèi)徑基本上與所述的兩根光纖的所述外徑相等的護(hù)套里。
11.一種根據(jù)權(quán)利要求1的具備透鏡功能的光纖，其中所述的信息傳遞光纖和所述漸變折射率光纖被相互連接和固定在一個槽里，這個槽形成在一個平面基底上，其截面是V型的。
12.一個生產(chǎn)具備透鏡功能光纖的方法，包括的步驟有將一個均質(zhì)玻璃棒浸入熔融的鹽中進(jìn)行離子交換進(jìn)而在所述的玻璃棒中形成折射率分布；在保持垂直的情況下，所述的玻璃棒被加熱延展至形成一個具有理想外徑的漸變折射率光纖；和對應(yīng)所述漸變折射率光纖具體的周期長度，將光纖切成一定的長度。
全文摘要
一種具備透鏡功能的光纖,其構(gòu)成是:至少一個突變折射率光纖;和至少一個外徑與突變折射率光纖的外徑相等,周期長度顯示透鏡功能的漸變折射率光纖,將漸變折射率光纖連接或接觸到突變折射率光纖的一個端面,本發(fā)明尤其對單模光纖有效,單模光纖是典型的突變折射率光纖,漸變折射率光纖可以用離子交換法生產(chǎn)。
文檔編號G02B6/42GK1361439SQ0114493
公開日2002年7月31日 申請日期2001年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月25日
發(fā)明者橘高重雄, 小山正, 北野雅巳 申請人:日本板硝子株式會社