專利名稱：光纖雙錐形透鏡和制造方法
相關專利的參考本發明享有2002年3月4提交的美國臨時申請序列號No.60/361,787和美國序列號No.10/202,515、題名為“束改變光纖透鏡的器件以及其制造方法”專利的權益。
背景技術：
1.發明領域本發明主要涉及適用于模式轉換互連的光學器件，更具體的說，涉及變形模式轉換裝置，該裝置構成了便于高效率耦合在不同模式場的光學元件和/或其它波導之間所通過的光信號。
本發明不僅可以適用于寬范圍的應用，還特別適用于將諸如激光二極管和半導體波導之類的橢圓形光信號的源與具有圓形對稱模式場的光纖相耦合。
2.技術背景光通訊的一個重要方面是高耦合效率將在信號源，例如，激光二極管、光纖和半導體光放大器(SOA)，和其它光學元件，例如，光纖、特殊纖維以及其它等等，之間的光信號相耦合。合并在光通訊系統中的常規發光模塊一般都包括一個半導體激光器，例如，激光二極管，它可用作為光源；一個具有光傳輸的芯，以及一個透鏡，例如，設置在半導體激光器和光纖之間的球面透鏡、自聚焦透鏡或者非球面透鏡，可用于將激光光束轉換到光纖芯中。由于發光模塊一般都需要在半導體激光器和光纖之間具有高的耦合效率，因此該模塊較佳的是以半導體激光器、透鏡和光纖相互對準的光軸來裝配的，以便于獲得最大的耦合功率。由于透鏡的空間和校準等原因，早期的發光模塊都具有相對較大的尺寸和較高的成本，從而一直驅使著在該領域中的進步以及對多種其它探討的研究。
一種探討是采用級差系數(GRIN-Graded-index)桿狀透鏡。不同于其它透鏡，GRIN桿狀透鏡的折射率是徑向獨立的，并且是在桿狀的光軸處具有最大值。一般來說，整個GRIN桿狀透鏡的折射率在形狀上呈拋物線，因此，它本身就是一個透鏡介質，而不再只是進行透鏡化的空氣-透鏡界面。因此，不同于常規透鏡，GRIN-桿狀透鏡具有平面的輸入和輸出表面，在這些表面上不會產生折射。這一特性使得在透鏡兩端的光學元件可以采用系數相匹配的膠水或環氧來固定。該系數梯度一般是采用即耗時又昂貴的離子交換處理工藝來產生的。例如，典型的GRIN-桿狀透鏡是采用鉈或銫摻雜的二氧化硅玻璃的離子交換處理工藝產生的。熔融鹽槽可以用于離子交換處理工藝，使得鈉和鉈或銫離子擴散至玻璃外，而鉀離子可從500°的KNO3池擴散至玻璃中。
另一種探討是在光纖的一端形成微透鏡，以便于提供在半導體激光器和光波導之間的光學耦合。在這種探討中，透鏡是直接和集成形成在光纖的一端的端面上，作為將來自光源的光能夠入射光纖的光纖部分。本文將這類光纖稱之為“透鏡光纖”。在制造使用這類透鏡化光纖的發光模塊時，能夠減少所需元件部分的數量，因為不再需要與光纖本身相分離的光會聚透鏡和減少了與軸對準有關的操作步驟的數量。當在光纖一端所形成的透鏡能夠改變通過其光信號的模式場時，透鏡化的光纖可稱之為失真的透鏡化光纖。更具體的是，在光纖一端所形成的變形透鏡一般都能夠將激光二極管所發出光信號的橢圓形模式場改變成基本圓形對稱的光信號，這樣就能夠更加有效地耦合到具有圓形對稱模式場的光纖芯中。
以上所討論的各種探討都可具有各種不同的應用和優點，這是本領域所眾所周知的。然而，各個探頭也都具有各自的限制。例如，常規GRIN一桿狀透鏡技術對通過其的光信號提供了優異的對稱聚焦特性，GRIN-桿狀透鏡一般自身不會明顯改變光信號的幾何形狀，而這正是高效光信號耦合應用中所必需的。除此之外，GRIN-桿狀透鏡自身能夠提供聚焦的材料特性，所以就需要采用精密制造技術來提供特殊應用所需要的GRIN-桿狀透鏡的折射率類型的可控制變化。
同樣，在失真纖維透鏡能夠容易地改變通過其的光信號或光束的幾何形狀的同時，適用于失真纖維透鏡應用的有效工作距離的范圍也受到了限制。因此，如果對于特殊應用沒有有效的合適工作距離的化，則耦合的損耗就會很明顯，從而就使得許多耦合應用難以實現。


圖1和圖2顯示了一種這類透鏡化光纖。圖1和圖2所示的特殊透鏡化光纖是變形透鏡化的光纖，在該光纖中，在光纖一端上所形成的透鏡能夠改變通過其的光信號的模式場。更具體的說，在光纖一端上所形成的變形透鏡能夠將激光二極管所發出的光信號的圖形模式場變換成基本圓形對稱的光信號，這就可以更加高效地耦合至光纖的芯中。
正如圖1所示，透鏡化光纖10具有芯11和包層12，它包括在其一端上的楔入形纖維微透鏡13。該微透鏡包括一對平面表面14和16，并且在將芯11基本分成兩部分的線18上相交(圖2)。微透鏡還包括表面20和22，該表面在線24和26上分別與表面14和16相交(圖2)。表面14和16的斜率稱為θ，而表面20和22的斜率稱為φ，其中，φ大于θ。角度θ和φ是相對應垂直于光纖軸19的平面28來測量的。第一和第二對表面的交叉24和26的線與芯相交叉，正如圖2所示。此外，較佳的是，表面14的面積基本上等于表面16的面積。換句話說，較佳的是，透鏡13的中心部分是對稱于包含線24和線18的平面。
圖1和圖2所示的楔入形纖維微透鏡13主要是通過使光纖10以較大的角度與砂輪(未顯示)相嚙合以角度θ形成關于平面28的平面表面14來產生的。隨后，將光纖10旋轉180度，使之以較大的角度與砂輪(未顯示)相嚙合以角度θ形成關于平面28的平面表面16。接著重復這一處理過程，各自以角度φ形成關于平面28的平面表面20和22。正如圖3所示，沿著圖1所示的線3-3所看到的光纖10的交叉部分具有軌道形狀，該形狀具有基本平面的上和下表面30以曲線的側表面32。
在最終雙楔入透鏡在一個方向上具有變形透鏡的功能時，這并不是沒有缺陷。更具體的說，因為光纖10的透鏡化面并不是如圖3所示的球面或非球面，所以通過透鏡的光信號或光都會出現明顯的異常，并且在光波前中的失真也很明顯。盡管激光二極管的橢圓形模式場難以通過圖1和2所示的透鏡13與光纖的模式場有效匹配，所以當光信號進入光纖時，光信號的相前不是基本平坦的。正如以上討論的，這是，至少部分是，圖3所示的平坦表面30的功能。
因此，就需要，但是在目前本領域中還沒有效果的，適用于光信號耦合應用的透鏡裝置，以克服與變形透鏡或GRIN-桿狀透鏡單獨使用有關的上述以及其它技術缺陷。這種透鏡裝置應該能夠改變通過裝置的光信號的幾何形狀和其它模式場特性，同時能夠在光信號耦合應用中，提供限制耦合損耗、允許較寬范圍的可接受工作距離、減小相前異常和提供較大控制和效率的的設計靈活性。這種透鏡裝置應該是制造相對廉價的、批量生產相對容易的，以及一般可以在不需要改變透鏡自身材料性能和特性的條件下具有相當寬的應用范圍。本發明原則上提出了這類透鏡化器件的基本原理。

發明內容
本發明的一方面涉及能夠改變光信號的模式場的多透鏡裝置。該透鏡裝置包括具有限定光軸的芯區域的光纖，和定位在光纖有關一端的GRIN-纖維透鏡。雙錐形透鏡，其外表面是由兩個分別為主要曲線C1和輔助曲線C2的基本不同的曲線所限定，且在光軸或接近光軸的位置上C1和C2以基本相互正交的方式來設置。
本發明的另一方面提出了一種能夠改變光信號模式場的透鏡裝置的制造方法。該方法所包含的步驟將雙錐形透鏡設置在光纖的一端上且雙錐形透鏡限定光軸，該雙錐形透鏡包括一個外表面，該外表面是由兩個分別為主要曲線C1和輔助曲線C2且在光軸或接近光軸的位置上C1和C2相交的基本不同曲線所限定。
本發明的還有一方面提出了一種光學組件。該光學組件包括一個光學元件，一個構成對元件支撐的基片，以及一個定位在基片上和與光學元件有關的透鏡裝置，它能夠改變在透鏡裝置和光學元件之間通過的光信號的模式場。該透鏡裝置包括一個光纖和一個設置在光纖一端上的雙錐形透鏡，從而由光纖和雙錐形透鏡限定光軸。該雙錐形透鏡包括一個外表面，該表面是由兩個分別為主要曲線C1和輔助曲線C2且在光軸或接近光軸的位置上C1和C2相交的基本不同曲線所限定。
本發明的透鏡裝置產生了多個優于本領域其它眾所周知的模式轉換器件的優點。一方面，由于雙錐形透鏡可以直接形成在隔離桿的一端上，該隔離桿具有從桿的縱向軸向桿的外表面徑向延伸所測量到的基本均勻的折射率，本發明透鏡裝置可以設計成能夠在光信號圓的發光表面和透鏡自身之間提供較大范圍的工作距離。此外，由于本發明透鏡裝置不具有平面表面，這樣從光信號源所發出的主要功率分量都能夠進入到裝置，因此在光信號波前中的失真很小，并且任何失真都明顯地小于在現有技術中的其它模式轉換裝置。因此，在更加平坦的相前進入光纖的芯中所產生的相前異常一般就更小和更少。其結果是，可以大大改善耦合的效率。
除了上述優點之外，在本發明的使用和制造中，隔離桿的使用自身還提供了許多優點。可以將隔離桿制成，它可以具有適用于多種模式轉換應用的預定特性。由于透鏡可以制成在隔離桿上而不單單是在光纖自身上，因此，具有相同長度、相同材料所制成的、具有相同幅型比率以及具有相同剖面區域的隔離桿就可以粘結成具有不同特性和/或模式場的辮狀纖維。此后，可以改變各個隔離桿，從而為粘結各個隔離桿的特殊纖維辮提供所需的模式場轉換功能。正如更詳細的討論那樣，較佳的是，這是通過將各個隔離桿切割至所需長度并且所使得所切割的一端成形，使其具有所需曲率半徑來完成的。本發明的這一方面提供了桿的大批量生產，從而有利于制造方便、減小與制造工藝有關的成本，以及較大的經濟規模。
根據本發明的透鏡裝置的制造方法提供其它一些優點。更具體的說，較佳的是，可以將本發明透鏡裝置制成，雙錐形透鏡、隔離桿(使用時)或者兩者的某些性能都可以改變，且不影響透鏡裝置未改變性能時的設計特性。這樣，為特殊應用所制造的隔離桿也可以用于其它應用。例如，可以將透鏡裝置可以制成，通過其的光信號的模式場都可以根據需要從橢圓形模式場變化到圓形模式場，從圓形模式場變化到橢圓形模式場，或者從一種橢圓形的模式場變化到具有不同橢圓形的模式場。此外，本發明的透鏡裝置可以設計成，它能夠以另一方向來改變通過透鏡裝置的光信號的模式場。
除了上述優點之外，根據本發明，可以將隔離桿制成具有適用于多種模式轉換應用的預定材料特性。由于雙錐形透鏡較佳的是制成在無芯隔離桿和粘結光纖的纖維上的，而不單單是在光纖本身上，因此，具有相同長度、相同材料所制成的、具有相同幅型比率以及具有相同剖面區域的無芯隔離桿就可以粘結成具有不同特性和/或模式場的辮狀纖維。此后，例如，可以通過割裂成合適長度來改變各個無芯隔離桿，從而為粘結各個隔離桿的特殊纖維辮提供所需的模式場轉換功能。正如更詳細的討論那樣，較佳的是，這是通過將各個隔離桿割裂或者切割至所需長度并且所使得所切割的一端成形，使其具有所需曲率半徑來完成的。
制造根據本發明的隔離桿的方法提供了其它一些優點。一般來說，該隔離桿具有基本均勻的折射率，該隔離桿可以是由Corning公司或者稱之為Vycor公式所出品的二氧化硅，某些其它高二氧化硅玻璃含量材料，或者是96％二氧化硅玻璃所制成的。一般來說，且根據本發明，在形狀上，該隔離桿可以是圓柱形的，也可以是矩形的，還可以是制成具有其它幾何形狀的。類似于以上所討論的GRIN-纖維透鏡，該隔離桿較佳的是使用常規的纖維制造技術和設備，由大約一米長的桿或半成品拉制成所需的直徑，例如但并不限制于，125.0微米。一般來說，該隔離桿可拉制成數公里長，并隨后切割或割裂成特殊模式轉換應用所需的合適長度。
在雙錐形透鏡形成在隔離桿的一端上的應用中，其優點是可采用為模式轉換應用所預先成形的隔離桿。例如，且根據本發明，在特殊應用需要將基本圓形對稱的模式場轉換成基本橢圓形的模式場時，較佳的是，在基本矩形形狀的隔離桿的一端上形成根據本發明的雙錐形透鏡，而不是在圓形的桿的一端上。在該實例中，較佳的是，首先形成大約一米長的矩形形狀的半成品。隨后，使用常規纖維拉制技術和設備來拉制矩形形狀的半成品，以形成具有所需外直徑(例如，125.0微米)的基本矩形形狀的隔離桿。這樣，可以從單個半成品拉制出數公里長基本矩形形狀的隔離桿材料，并隨后切割至所需長度，以獲得具有所需光學性能的隔離桿。在拉制的過程中，基本矩形形狀的隔離桿材料的邊緣可能會變得稍微圓些，但可以通過控制拉制爐的溫度、拉制速度以及拉制材料的張力來保持其基本矩形的形狀。此外，也可以基本保持最終所割裂的由拉制工藝所形成的矩形隔離桿的幅型比率和其它光學特性。這類處理工藝便于最終隔離桿的批量生長和可控制尺寸。通過采用這種方法來制成隔離桿，該隔離桿的端面尺寸能夠更接近于將在隔離桿的端面上所形成的雙錐形透鏡的尺寸和表面曲線。其結果是，與在圓形隔離桿的端面上形成楔入形狀的雙錐形透鏡一般所需要的碾磨和拋光的工作量相比較，減小了形成雙錐形透鏡一般所需要的碾磨和拋光的工作量。
本發明以上所提及的所有方面是為隔離桿的大規模生產所提供的，從而有利于制造方便，減小與制造工藝有關的成本，以及更大的經濟規模32。
在以下詳細描述中將進一步闡述本發明的其它性能和優點，本領域中的熟練技術人士從上述描述中或者通過對本文所描述的實現將會使得上述性能和優點變得更加明顯。
應該理解的是，上述的概念性描述以及以下詳細描述都僅僅是本發明的實例，以試圖提供對權利要求所闡述的本發明性能和特性的概要或框架的理解。所包括的附圖提供了對本發明的進一步理解，說明了本發明的各個實施例，并且與描述一起用于解釋本發明的原理和工作。
附圖的簡要描述圖1是說明本領域中眾所周知的雙楔入變形微透鏡的示意圖。
圖2是圖1所示透鏡的端面圖。
圖3是沿著圖1所示線3-3的透鏡截面圖。
圖4A示意描述了根據本發明最好采用的透鏡裝置的俯視圖。
圖4B示意描述了圖4A所示透鏡裝置的側視圖。
圖4C視野描述了根據本發明一方面舉例錐形透鏡裝置的俯視圖。
圖4D示意描述了圖4C中所描繪的錐形透鏡裝置的側視圖。
圖5A是本發明透鏡裝置的第一替換舉例實施例的截面圖。
圖5B是本發明透鏡裝置的第二替換舉例實施例的截面圖。
圖5C是本發明透鏡裝置的第三替換舉例實施例的透視圖。
圖5D是本發明透鏡裝置的第四替換舉例實施例的透視圖。
圖5E是描述雙錐形透鏡的某些方面的圖5A中所描繪的隔離桿的局部俯視圖。
圖5F示意描述了描述雙錐形透鏡的其它方面的圖5A中所描繪的隔離桿的局部側視圖。
圖5G是圖5F中描繪的隔離桿和雙錐形透鏡的透視圖。
圖5H是沿圖5F中線5H-5H截得的雙錐形透鏡的截面圖。
圖5I示意描述了本發明透鏡裝置第五種替換舉例實施例的俯視圖。
圖5J示意描述了圖5I中描繪的透鏡裝置的側視圖。
圖6示意描述了形成本發明的楔形角的較佳方法。
圖7A是描繪圖4A中隔離桿的局部側面的顯微照片。
圖7B是圖4B中描繪的隔離桿的局部俯視的顯微照片。
圖7C是在透鏡表面上從圖4A中所描繪的隔離桿端部取得的顯微照片。
圖7D是從圖4A所示隔離桿的端部距所述透鏡表面約100.0微米處截得的顯微照片。
圖8示意描述了根據本發明較佳光學組件的側視圖。
圖9-13示意描繪了制造根據本發明的透鏡裝置的較佳方法。
圖14示意描繪了制造根據本發明透鏡裝置的另一較佳方法。
圖15示意描述了根據本發明確定透鏡裝置的設計變量的方法。
圖16是描繪給定例子中于各種設置的耦合效率與工作距離之間關系的圖。
較佳實施例的詳細描述現在，參考在附圖中所說明的實例詳細討論本發明的較佳實施例。只要有可能，在整個附圖中使用相同的標號來表示相同或類似的部件。圖4A和4B顯示了本發明透鏡裝置的舉例實施例，并在所有圖中一律都采用標號40來指定。
一般來說，圖4A的俯視圖和圖4B的側視圖所圖示的舉例透鏡裝置40包括一個光纖或者辮狀纖維42；一個隔離桿44，它定位在辮狀纖維42的一端上且具有平方律系數或拋物線折射率類型；以及一個雙錐形透鏡46，它定位在遠離辮狀纖維42的隔離桿44的一端上。辮狀纖維42可以是在光通訊系統中所使用的標準單模纖維，例如，由Corning公司所制造的SMF-28纖維、偏振保持(PM)纖維、多模纖維或者其它特殊纖維，例如，高系數纖維。此外，從一端面來觀察辮狀纖維42，它可以是圓形對稱的，也可以是任何其它形狀。較佳的是，雙錐形透鏡42可以在隔離桿44拼接或者設置在辮狀纖維42之后直接形成在隔離桿44上，或者可以在隔離桿44設置在辮狀纖維42之前設置或形成在隔離桿上。
根據本發明的另一方面，可以將透鏡裝置40制成包括一個或多個錐形元件，如圖4C和圖4D所示。這種錐形透鏡裝置40可以包括一個辮狀纖維42；一個錐形隔離桿44，它可以具有平方律系數或拋物線折射率類型且定位在辮狀纖維42的一端；以及一個雙錐形透鏡46，它設置遠離辮狀纖維42的隔離桿44的一端。對于某些應用，例如，激光二極管耦合，從激光二極管的輸出小于1.0至2.0微米，并且幅型比率可以在從大約2.0至大于5.0的范圍內。為了便于在這類應用中的模式場匹配，較佳的是，雙錐形透鏡46的曲率半徑可以小些。然而，較佳的是，透鏡裝置的直徑可以保持適當的尺寸，使得透鏡裝置40的各個元件在制造過程中都可以操作。合并錐形隔離桿44的透鏡裝置40是一個較佳探討，它能夠滿足上述要求。正如附圖所示，較佳的是，錐形隔離桿44包括一個桿部分43，它具有基本均勻或恒定的徑向幅型直徑且從辮狀纖維42的一端縱向延伸至虛線A1；以及錐形桿部分45，它具有在虛線A1和A2之間縱向延伸的、可變化的，較佳的是，減小的徑向幅型尺寸(或者傾斜的外表面)。盡管在附圖未顯示，但是在本領域中的熟練技術人士都會意識到對于這里所討論和/或圖示的任何實施例來說，都可以采用類似于圖4C和4D所示的錐形隔離桿44的方式使得一個或多個辮狀纖維42、無芯隔離桿和/或隔離桿44錐形化。
圖5A一5D和5I以及5J圖示說明了本發明的透鏡裝置40的另一舉例實施例。這里除非作其它闡述，否則在各個圖示說明中，所討論的辮狀纖維42可以是標準的單模光纖，例如，SMF-28纖維，它可以具有大約125.0微米的外直徑和大約8.0-10.0微米的芯直徑。本領域的熟練技術人士應該意識到，具有其它直徑和其它幾何形狀的其它辮狀纖維也都在本發明的范圍內。此外，應該理解的是，這里除非作其它闡述，否則對于任何實施例來說，雙錐形透鏡46可以設置在透鏡裝置40中遠離辮狀纖維42最遠的位置上。
現在，參考圖5A，較佳的是，透鏡裝置40可以包括一個辮狀纖維42，它具有一個以包層區域36為分界的芯區域34；以及一個無芯隔離桿44，它設置礙辮狀纖維42的一端上。在較佳實施例中，隔離桿44的相對折射率類型在隔離桿44的光軸和隔離桿44的外表面之間基本保持這徑向均勻。隔離桿44的一端較佳的是采用本領域中眾所周知的弧形拼接器或者某些其它設備拼接或者粘結在辮狀纖維42的一端。雙錐形透鏡46較佳的是設置在遠離辮狀纖維42的隔離桿44的一端。在這里所披露的該實施例或者其它舉例實施例中，較佳的是，可以采用常規成形技術、通過形成和加熱的組合、利用激光器微匹配，或者采用以下更佳詳細討論的其它方法來形成雙錐形透鏡46。此外，在該實施例和其它實施例中所圖示的虛線35表示沿著透鏡裝置40的圓周位置，根據本發明，雙錐形透鏡46在該位置上結束。因此，盡管沒有在附圖中顯示，但是雙錐形透鏡46可以設置在辮狀纖維42上。在該結構中，虛線35可以是共面的，并且根據需要鄰近辮狀纖維的一端。當采用這類結構時，在雙錐形透鏡46的曲線表面和辮狀纖維42之間所駐留的材料可以認為是實現本披露目的的“隔離桿”。
較佳的是，雙錐形透鏡在形狀上是凸出的，并且較佳的是，其尺寸和形狀使得通過其的光信號的模式場可以變化成具有相同形狀但不同尺寸的模式場，可以從基本圓形對稱形狀變化成橢圓形形狀，從橢圓形形狀變化成基本圓形對稱的形狀，和/或從一種橢圓形形狀變化到不同的橢圓形形狀。在圖5A所示的實施例中，雙錐形透鏡46可直接形成在隔離桿44的一端上。因此，雙錐形透鏡46不再包括包層區域。在圖5A所示的實施例中，隔離桿44以及雙錐形透鏡46都呈現出其外直徑小于辮狀纖維42的外直徑。
在圖5B所示的另一舉例實施例中，透鏡裝置40可以包括以上與圖5A討論有關的所有元件。然而，隔離桿44和雙錐形透鏡46的至少一部分都可以具有比辮狀纖維42大的外直徑。一般來說，諸如但并不限制于，與透鏡裝置40相耦合的器件的模式場、結構和尺寸之類的特性都至少是隔離桿44和辮狀纖維42相拼接的尺寸和其它設計性能中的部分決定性因素。此外，增加本發明透鏡裝置40的隔離桿44和其它元件的外直徑尺寸可以方便于制造以及在制造過程中的測量。
在形狀上基本矩形的隔離桿44可以是使用的另外一種變型，正如圖5C和5D所示。例如，正如圖5C所示，透鏡裝置40可以包括圓形對稱的辮狀纖維42，以及基本矩形的隔離桿44，且成形它的一端，以形成雙錐形透鏡46。圖5D所示的實施例，顯示了辮狀纖維42和隔離桿44各自都具有基本矩形的形狀。本領域熟練的技術人士都會意識到，隔離桿44可以是圓形形狀，也可以是某些其它幾何形狀。此外，隔離桿44可以是如同附圖中所顯示的那樣以對準槽44來標記，或者標記成表示隔離桿44應如何較佳地對準辮狀纖維42，以便于保持辮狀纖維42的偏振軸。本領域熟練的技術人士應該意識到，當透鏡裝置40的各個元件的幾何形狀都是圓形的或者非平面時，這種標記就特別有用。
圖5E和圖5F分別示意說明了圖5A所示的隔離桿44部分的俯視圖和側視圖。盡管圖5A所說明的雙錐形透鏡46適用于該討論，但是下文所描述的與圖5E和圖5F有關的原理也同樣可以適用于本發明透鏡裝置的其它舉例實施例，且不論雙錐形透鏡46是否設置在辮狀纖維42的一端，設置在圓形隔離桿44的一端，還是設置在非圓形形狀的隔離桿44的一端。
圖5E圖示說明了隔離桿44部分的俯視圖，同時是從側面來觀察圖5F所示的隔離桿44。不論在雙錐形透鏡46上所使用的制造技術如何，較佳的是，雙錐形透鏡46包括一個最好是由至少兩個不同曲線所限定的外表面。較佳的是，第一或主要曲線C1形成在圖5E所示的平面上，而第二或輔助曲線C2形成在圖5F所示的平面上。較佳的是，曲線C1和C2是相互基本正交的且在和接近圖5G和圖5H所顯示的光軸38的位置上交叉。雙錐形透鏡46的表面47的形狀可以參考圖5H所示的剖面圖來識別。在圖5H所示的實施例中，由曲線C1和C2所限定的曲線表面確定為橢圓形。在雙錐形透鏡46的其它光學性能中，在曲線C1和C2的曲率中的差異以及它們相互基本正交的結構提供了本發明透鏡裝置40的光信號或光線光束改變的功能。不同的曲線C1和C2可以較佳地限定一個是雙錐形表面，并且可以各自限定為球面、或者一個可以限定為球面而另一個可以限定為非球面。此外，該曲線也可以限定不是橢圓形、拋物線或雙曲線的形狀。其結果基本是提供了一個變形透鏡效果的表面。通過控制雙錐形透鏡46的曲線C1和C2的形狀和曲率，就可以控制通過雙錐形透鏡46的光信號的模式場的形狀。
根據本發明的透鏡裝置的第五種舉例實施例由圖5I和圖5J所顯示。在所顯示的實施例中，透鏡裝置40包括一個圓形的辮狀纖維42、一個具有小于辮狀纖維42的外形尺寸的圓形隔離桿44，以及一個設置在遠離辮狀纖維42的隔離桿44一端上的雙錐形透鏡46。不同于以上所討論的實施例，雙錐形透鏡46的外形尺寸大于隔離桿44的外形尺寸。然而，與以上所討論的實施例相同的是，雙錐形透鏡46較佳的是由至少兩個不同的曲線所限定的。較佳的是，第一或主要曲線C1形成在圖5I所示的平面上，而第二或輔助曲線C2形成在圖5J所示的平面上。
以上所提及的透鏡裝置40的各個舉例實施例都可以享用某些通用的制造技術。首先，使用常規的光纖制造設備和光纖制造技術來拉制適用的隔離桿材料，該隔離桿材料應具有可工作拋物線的折射率、芯32的直徑以及外直徑和幾何形狀。隨后，較佳的是，將該隔離桿的材料切割成可形成隔離桿44的長度，并采用拼接的方法粘結在所選擇的辮狀纖維，或者將一個或多個隔離桿40粘結在辮狀纖維42一端上。較佳的是，這種隔離桿40是無芯含有二氧化硅玻璃的桿，且將該桿制成具有合適的外直徑和幾何形狀以及具有均勻或恒定的折射率，從而很少具有或沒有透鏡化的特性。在使用時，其它一些隔離桿44提供了其它設計靈活性。
隨后，可以將隔離桿44割裂或錐形切割成適當的長度，以適用于指定的應用。此后將隔離桿44割裂或錐形切割的一端成形，例如，采用拋光的方法，使之成為具有合適楔形角的中間楔入形狀。隔離桿44的參數、中間楔形角和圓化半徑數值都可以根據所需要的工作距離和辮狀纖維42的模式場，以及指定耦合應用所需要的最終模式場的需求來設計。合適楔形角的圓弧使得雙錐形透鏡46可以設置在遠離辮狀纖維42的隔離桿44的一端上，其中，雙錐形透鏡46的外表面是由兩條不同的曲線所限定的，這兩條曲線分別為主要曲線C1和輔助曲線C2，且C1和C2在本發明透鏡裝置的光軸38或接近光軸38的位置上相交。
根據本發明的級差系數雙錐形透鏡的楔形角可以使用多種條件來確定。一般來說，用于耦合具有小的模式場直徑光源的較佳透鏡形狀是雙曲線。因此，圓錐部分可以用于表示為限定雙錐形表面的曲線C1和C2。根據本發明的較佳實施例，以及參考H.N.Presby和C.A.Edwards所發表的“近似100％效率的纖維微透鏡”(Eletronic Letter，Vol.28，pags 582，1992)中的詳細討論，該文通過參考合并與此，限定楔入形狀的雙曲線的漸近線和曲線C1和C2可以確定雙錐形透鏡的寫入角度。最終楔入可以采用本領域中眾所周知的加熱或其它方法進行圓化，從而為隔離桿提供較佳的雙曲線曲率形狀。
正如圖6所示意說明的那樣，表示曲線C1和C2的雙曲線較佳的是由表示楔入的漸近線52來限定，并且在(h，k)的中心頂點54相交。限定雙曲線的公式可以由下列公式來表示(x-h)2-(y-k)2=1a2b2]]>式中b2＝c2-a2其中c是在頂點54和雙曲線(h+c，k)的校點58之間的距離56，a是在頂點54和雙曲線62之間的距離60。
漸近線可以由線來限定Y＝k+(b*(x-h)/a)并且y＝k-(b*(x-h)/a)從漸近線的公式中，楔形角57可以限定為楔形角＝2*(tan-(b/a))在雙錐形透鏡46上所限定的外表面的獨立可變的曲線提供了變形透鏡效應和設計的靈活性，可滿足眾多應用中的模式耦合的需求。此外，可控制半徑的圓形楔入可作為變型透鏡，而隔離桿44基本上不具有透鏡化的特性。通過限定楔入和隔離桿44的參數，就可以控制變型透鏡(雙錐形透鏡46)的性能，例如，聚焦光束的模式場尺寸。、它的幅型比率(即，它的橢圓型2)，以及離開圓形楔入頂點的聚焦光束成像距離。這類透鏡為沿著辮狀纖維42的光軸38方向延伸的光耦合提供了變形透鏡效應，它也有可能在為各種不同應用而變化GRIN-纖維透鏡和辮狀纖維的芯或外直徑、尺寸、形狀和系數差異的情況下，得到各種不同的設計。例如，有可能使得GRIN-纖維透鏡的外直徑等于、小于或大于辮狀纖維，以實現變化大小的光束。GRIN-纖維透鏡、辮狀纖維以及任何隔離桿的形狀都可以不是圓形的，例如，是方形的或者矩形的，還可以采用對準槽41來標記，以便于制造的方便和便于與辮狀纖維42的偏振軸相對準。通過對準平面一側或采用辮狀纖維42的偏振軸來標記，就可以簡化以后的其它處理，例如，拋光楔入并采用合適的偏振軸與激光二極管或其它光學元件相耦合。
現在，再回到圖5C和圖5D所示的舉例實施例，較佳的是，將諸如矩形形狀的隔離桿44的非圓形桿與辮狀纖維46相拼接。在制造過程中可以實現這種結構的優點。因為矩形隔離桿44較佳的是無芯二氧化硅含量的玻璃材料制成的且具有這是的均勻徑向系數，因此，可以將其制成更加接近于要在透鏡裝置40一端形成的雙錐形透鏡46所需的形狀，從而可以簡化制造步驟。。例如，并不一定要采用諸如拋光之類的方法來形成在透鏡裝置40端面上的楔入形狀。這樣，最少能夠明顯減小拋光的次數和等級。另外，雙錐形透鏡46較佳的是僅僅采用將桿42的一端重新加熱至足以熔融玻璃的溫度來形成，以便于可以圓化矩形桿42的一端的邊緣。較佳的是，施加在矩形桿42一端的熱比玻璃的軟化點高得多，使得邊緣可以圓化，而不再需要進一步的拋光。因此，就可以在遠離隔離桿44的桿42的一端上迅速形成合適形狀的雙錐形透鏡46。
根據本發明的工作的一方面，以及如圖7A和B所示，較佳的是，光信號可由激光二極管或者其它光器件發射出，并且通過雙錐形透鏡46進入和通過隔離桿44，以及進入和通過辮狀纖維42。圖7A是圖示說明透鏡裝置40的局部側視的顯微照片，而圖5B是圖示說明透鏡裝置40的局部俯視的顯微照片。在該附圖中可以清楚地看到限定雙錐形透鏡46外表面的不同曲線C1和C2。根據本發明的這一方面，從激光二極管或其它波導發射出的基本橢圓形模式場較佳的是改變成與辮狀纖維42的模式場相匹配的圓形模式場。
根據本發明的另一方面，雙錐形透鏡46的形狀可以將通過其的光信號的模式場形狀從基本圓形對稱模式場改變成基本橢圓形的模式場，正如圖7C和7D的顯微照片所示。根據本發明的這一方面，具有基本圓形模式場的光信號可以通過辮狀纖維42、隔離桿44和通過雙錐形透鏡46。圖7C所示的圖像是從透鏡裝置40的端面基本上在雙錐形透鏡46的表面上方法拍攝的。在該位置上，圖像44并沒有聚焦，并且正從圓形模式場變化至橢圓形模式場。然而，正如圖7D所示，圖像46是從透鏡裝置40的端面在離開雙錐形透鏡46大約20.0微米的距離上拍攝的，它是基本橢圓形的。于是，對于所示的實施例來說，在大約20.0微米的距離(成像距離)上，橢圓形模式場基本匹配于光信號所要耦合的元件(例如，SOA)的模式場。因此，在封裝這類組件時，較佳的是，將具有橢圓形模式場的SOA或者其它光學元件定位在離開雙錐形透鏡46一端大約20.0微米的位置上，以便于最大化耦合效率并因此最小化光學損耗。
圖8圖示說明了根據本發明所舉例的光學組件70。圖8所示的光學組件70構成了適用于共線模式轉換光耦合應用。較佳的是，光學元件70包括基片72，和光信號76的光源74，例如但并不限制于，激光二極管或其它發光器。光信號76的光源74較佳的是制成在基片72上，并且根據本發明的透鏡裝置40較佳的是定位在基片72上，使得透鏡裝置40能夠與光源74通訊。較佳的是，光源74可以通過粘結在基片72上的預端或止位78與雙錐形透鏡46相對準。由光源74以雙錐形透鏡46的方向發出具有基本橢圓形模式場的光信號76。該信號通過雙錐形透鏡46，由雙錐形透鏡變形改變光信號76的模式場。較佳的是，光信號76可由基本橢圓形模式場改變成圓形對稱模式場并聚焦，使得光信號76可以高效率地耦合到具有基本圓形對稱模式場的辮狀纖維42。
盡管并不是需要的，但是較佳的是，基片72可以是一個具有可腐蝕的<111>面或者形成在基片72上的硅光平臺，并且包括V形槽79，以便于支撐透鏡裝置40與信號源74進行適當的對準。
盡管在附圖中并沒有顯示，但是波前盡可能緊密地匹配是十分重要的。發生故障就會導致異常，這種異常也會對耦合效率產生結構上的或者非結構上的干擾。以往，是由本領域中的熟練技術人士調整諸如GRIN-纖維透鏡的透鏡性能，例如，通過實際改變玻璃本身的化學性能來調整GRIN-纖維透鏡的折射率類型。這是非常耗時的并且不利于模式場耦合組件的高效生產。根據本發明，隔離桿的使用，它只是起到移動光信號圖像的作用而沒有對光信號圖像附加明顯的透鏡效應，隔離桿的尺寸和數量，以及限定雙錐形透鏡46外表面曲線形狀的獨立控制(在x平面和y平面上)，使得在本領域中的熟練技術人士能夠以實踐的方法容易和高效地充分匹配這些波前，實現模式場耦合組件批量生產的效率和成本的高效。此外，盡管在以上所討論的附圖中沒有顯示，但是以上所提及的原理可同樣應用于本發明的光學組件的上述實施例，在這種情況下，所發出的光信號通過辮狀纖維，隨后通過隔離桿，通過雙錐形透鏡，并耦合至光波導器件，例如但并不限制于，SOA或其它檢測/光敏二極管。
參考圖9-13，該圖形顯示了適用于制造根據本發明的透鏡裝置40的處理工藝的較佳實施例。在圖9中，諸如辮狀纖維42的光學波導一般可選擇作為透鏡裝置40，它可以使用微定位平臺(未顯示)夾緊和定位在與隔離桿材料80的適當長度需要對準的位置上。較佳的是，隔離桿材料80具有光傳輸特性，例如，適當的幅型比率、截面面積及其它材料特性，它可以較佳的是使用常規的光纖制造設備和處理加工工藝由半成品制成。較佳的是，該材料可具有大約12.5微米的所需最大外尺寸。隔離桿材料80可以是任何長度和界面形狀的，在圖9-13中顯示了矩形的實施例。相類似，隔離桿材料可類使用微定位平臺來夾緊和定位一個和多個辮狀纖維42，并且隔離桿材料80可以在x、y和z方向上移動以及移動相互之間的角度。較佳的是，辮狀纖維42和隔離桿材料80可以面對面的接近移動或者相互接觸移動，在加熱源82的附近，例如但并不限制于，基于燈絲的拼接器、CO2激光器。弧形拼接器，或者其它相類似的加熱源，正如圖10所示。施加熱，并且使得辮狀纖維42和隔離桿材料80相互接觸且施加一定的壓力，直至在拼接的結84上熔融在一起。辮狀纖維42和隔離桿材料80隨后沿著隔離桿材料80的方向退出(或者移去加熱源，或者兩者一起退出)至所需和預定的位置上，正如圖11所示。加熱隔離桿材料80，并且張緊加熱源82另一面的部分，將隔離桿材料80拉制和分離成兩部分，且各自具有錐形的端面，正如圖12所示，其中一部分形成粘結在辮狀纖維42上的隔離桿44，而另一部分則保持在微定位平臺上，并可以連接起來制成這隔離桿材料80。所保留的隔離桿材料的錐形端面可以作上記號，并且分離開產生一個干凈的端面，以用于制作造在其它辮狀纖維42上的其它隔離桿44。
隨后，隔離桿44的錐形一端定位在接近加熱源82的附近，正如圖13所示，并將隔離桿44的錐形一端加熱，使得隔離桿44的錐形一端升高至它的軟化點和高于它的軟化點，從而使得隔離桿44的錐形端面充分軟化和變形，粘滯狀態的玻璃材料的表面張力形成一個基本圓化的雙錐形透鏡46，該透鏡46可以具有一個由基本相互正交設置的兩條不同曲線所限定的外表面，其中主要曲線為C1和輔助曲線為C2且在光軸或接近光軸的位置上交叉。其結果是，雙錐形透鏡46可集成粘結且與辮狀纖維42相分開，以形成本發明的透鏡裝置40。
正如以上所討論以及根據本發明，進行“錐形切割”的處理工藝在2001年3月19日所提交的、美國專利申請序列號No.09/812,108、題目為“光波導透鏡以及其制造方法”中進行了詳細討論，該文通過參考合并與此。本領域熟練的技術人士都會意識到，將隔離桿材料“錐形切割”成以上所討論的適當長度的步驟是在基板矩形形狀的矩形桿材料的條件下進行的。較佳的是，可以使用相當低的加熱/溫度拉制桿材料所形成的，并不產生相當高的表面張力來圓化矩形形狀的材料80。此外，在成形步驟中，也可以施加相同的加熱。較佳的是，施加充足的加熱量，是在在“錐形切割”步驟所產生的任何邊緣都可以圓化，以形成雙錐形透鏡，但是加熱/溫度都保持著相當低，使得矩形的桿44不會圓形化。由于矩形當44的兩個截面尺寸是不同，所以使得本發明的雙錐形透鏡46在兩個正交方向上的曲率半徑是不同的。
在需要曲率半徑小的模式耦合應用中，例如，大約22.0微米的曲率半徑的應用，會減小由小的模式場源所收集的光部分，并因此也會減小耦合效率。這是由于，至少部分是由于，小的模式場直徑的源具有大的發散角度。為了能夠采用小半徑曲率和高發散角度來獲得適當的耦合效率，通常必須獲得短的錐形以及具有盡可能多德清晰透鏡孔徑。為了能夠達到這一目的，就一定要使用“多錐形切割”理論來優化雙錐形透鏡46的形成，正以一些參考圖14所進行的討論。
在某些耦合應用中，例如，激光二極管耦合應用，激光二極管的輸出可以小到1.0至2.0微米，并且幅型比率在從大約2.0至大約5.0的范圍內。為了能夠獲得小模式場尺寸以及同時保持著相對應的雙錐形透鏡46的尺寸，較佳的是，曲率半徑是小的。正如以上所簡要討論的那樣，可以采用“多錐形切割”理論來獲得具有這種特性的透鏡裝置40，正如圖14所示。根據本發明方法的該較佳多錐形實施例，圖9-11所示的初始化方法步驟可以采用基本相同于以上參考“錐形切割”實施例所討論的方法來進行。然而，唯有的差異是在張緊步驟中，加熱源是采用相互協調的方式以移出微定位平臺為方向移動；即，不再像以上所討論那樣保持在固定的位置上。通過變化加熱源在張緊步驟中的移動速度和溫度，就能夠產生如圖14所顯示的多錐形結構。應該注意的是，不同于圖12和圖13所顯示的步驟，它利用加熱源82，例如但并不限制于，基于燈絲的拼接器，例如，基于鎢絲的拼接器，或者CO2激光二極管，以及掩模來實現兩步錐形切割的處理，以產生遠離辮狀纖維42的雙錐形切割隔離桿44。正如圖14所述，第一表面99A是由第一錐形切割所產生的，它的斜率比第二錐形切割表面99B平得多，并接近于遠離辮狀纖維42的隔離桿44的一端。隨后，使用加熱源重新加熱隔離桿44的多錐形切割端面，以便于多錐形切割吹工藝所產生的任何邊緣得以圓化。不同于以上所討論的單一錐形切割處理工藝，多錐形切割處理工藝所產生的隔離桿44的端面表面可以更加接近于所需要的雙錐形透鏡46的最終雙錐形的形狀。雙錐形透鏡的較佳形狀是雙曲線，這樣，它可以減小相前異常并能夠提供與大發散角度源的較好耦合。
在本發明的方法的其它實施例中，隔離桿44以及雙錐形透鏡46都可以采用不是“錐形切割”隔離桿材料80的割裂方法來形成。在割裂步驟之后，可以采用可控制的方式將所產生的隔離桿46的割裂端重新加熱，圓化割裂步驟所產生的隔離桿44的邊緣。同樣，由于矩形隔離桿44，可以通過控制加熱設置在遠離辮狀纖維42的隔離桿44的一端上的雙錐形透鏡46來達到圓化的目的。另外，可以割裂隔離桿材料80，并不采用加熱來成形，例如，可采用在隨后選擇拋光步驟中所采用諸如拋光輪的夾緊輪來夾緊來成形。一般來說，隔離桿44的割裂端可以采用加金輪以一定的角度來支撐著并相互接觸以及旋轉，以便于成形隔離桿44的割裂端。在本發明方法的較佳實施例中，夾緊輪材料的夾緊尺寸是在從大約0.3微米至大約1.0微米的范圍內。然而，較佳的是，采用激光微機械加工隔離桿44的端面來完成成形。
實例現在討論根據本發明以上所提及的實施例的透鏡裝置和光學組件的實例。
所舉例的透鏡裝置，包括雙錐形透鏡92，如圖15所示意顯示，以下參考該圖來討論其變化。舉例的透鏡裝置包括作為光信號的光源94，在這種情況下，激光二極管能夠以工作波長“wav”發出信號，在方向(垂直方向)上的模式場直徑(MFD)為wx0(μm)，以及在y方向(水平方向)上的MFD為wy0(μm)。來自光源94的光束在進入雙錐形透鏡92之前通過具有系數為(n1)的介質(通常是空氣)傳播一段距離(z)，其中，雙錐形透鏡92具有在x方向上的(RLx)曲率半徑(μm)和在y方向上的(RLy)曲率半徑(μm)且形成在具有徑向恒定折射率類型的隔離桿96上，以及其長度為(Lc)和系數為(nc)。在圓形雙錐形透鏡之前的光信號的MFD為wx1和wy1，以及曲線的光束波前半徑為rx1和ry1。由雙錐形透鏡將光信號轉換成具有MFD和曲率波前半徑分別為wx2、wy2和rx2、ry2的光束。對于一個薄的透鏡來說，wx1＝wx2和wy1＝wy2，但是rx2和ry2一般是與rx1和ry1不同的。隨后，光束通過長度為Lc和系數為nc的隔離桿96部分傳播。在這一傳播之后的光束特性為wx3、wy3和rx3、ry3。設計的目標是使得wx3＝wy3＝wsmf，其中(wsmf)是標準單模辮狀纖維98的圓形MFD。另一目標是使得rx3和ry3能夠盡可能地接近于平面波前，以最大化對辮狀纖維的耦合效率。對于任何指定光源82和辮狀纖維42來說，可以通過改進諸如雙錐形透鏡25和隔離桿36的Z、Rx、Ry、Lc的設計變量，以及改進隔離桿96的特性，來實現這一目標。這一目標也使得Z變得相當大，以滿足相應的公差和實際封裝的需求，且不會失去耦合的效率。
可以使用本文參考文獻中所披露的對復數光束參數q的ABCD矩陣流程，或者使用光束傳播技術，來計算高斯光束的光束轉換。較佳的是，該設計可以對任何所需z的最佳耦合效率以及光源94和辮狀纖維98的特性進行優化。材料特性n1、nc、ng和ns都可以在一定的范圍內變化，但是實際材料的考慮限制了這些數值。例如，n1一般就等于1(空氣)，nc大多是二氧化硅或摻雜二氧化硅所具有的數值，大約為1.45μm或者至少接近與1.3-1.5μm的波長范圍。對于ng和nsmf也基本相同。復數光束參數q可限定為(1/q)＝(1/r)-i*(wav/pi*w^2*n)式中r是曲率的波前半徑，w是高斯模式固定半徑，以及wav是光的波長。
從輸入平面100至輸出平面102的q參數傳播可以由下式給出q2＝(A*q1+B)/(C*q1+D)式中A、B、C和D分別為與輸入和輸出平面100和102的射線參數有關的射線矩陣的元素。
假定一個無限薄的雙錐形透鏡，透鏡幾何形狀和設計的變量以及在指定位置上的MFD參數平面99光源94的輸出wav、wx0和wy0-波長以及光源94的x和y模式場平面100通過材料系數(n1)的Z距離的傳播，但在雙錐形透鏡之前，wx1，wy1在平面100上的光束的模式場直徑rx1，ry1曲率的波前半徑平面102恰在半徑為Rx和Ry且材料系數為nc的雙錐形透鏡之后wx2，wy2rx2，ry2平面104在長度為Lc且系數為nc的隔離桿96中的傳播且正好在辮狀纖維98之前wx3，wy3rx3，ry3適用于透鏡裝置的特例使用以上所顯示的流程，可以計算和優化適用于激光二極管耦合應用的透鏡裝置的設計變量。將舉例光學元件合并于本發明的透鏡裝置的設計參數如下激光二極管特性 波長 1.55μmX方向上的模式場半徑w0x1.50μmY方向上的模式場半徑w0y6.0μm其它設計參數第一組雙錐形透鏡曲率的X-Y半徑RLx；R1y5μm；10μm隔離桿的長度Lc 50μm和65μm第二組雙錐形透鏡曲率的X-Y半徑RLx；R1y10μm；20μm隔離桿的長度Lc 9，100和65μmSMF單模辮狀模式場5.2μm圖16顯示了對這些實例的模擬結果。這些結果標明使用這一理論獲得高耦合效率和相對較寬度的工作距離是可能的。特別是，采用優化工作距離也較大情況下的第二組，對工作距離的公差是較好的。
所提供的實例只是用于說明的目的，并且可以根據應用而變化。參考以下所列出的參考文獻，就能夠更加清楚的理解上述實例W.L.Emkey和C.Jack，JTL-5，sept 1987，pp1156-64；H.Kogelnik，Applied Optics，4 Dec 1965，p1562；R.Kishimoto，M.KoyamaTransactions on Microwave Theory andApplications，IEEE MTT-30，June 1982，p882；以及由B.E.A.Saleh和M.C.Teich所編著的Potonics(John Wiley & Sons 1991出版)，上述各文獻通過參考合并與此。本發明的其它方面、性能和特性可以在共同申請的美國未審查專利中發現，題為“光信號改變透鏡裝置以及其制造方法”(“OpticalSignal Altering Lensed Apparatus and Method of Manufacture”)，該專利由Corning公司所擁有，并因此于同日提交，這里通過參考合并與此。
在詳細討論本發明的過程中，應該理解的是，對于相關領域中的熟練技術人士來說，很顯然，本發明可以在不背離本發明的精神的條件下進行改進。對本發明所作的各種形式、設計或結構上的變化都沒有脫離本發明的精神和范圍。例如，可以在以上所討論任何實施例中采用多個隔離桿46。此外，在本領域中的熟練技術人士都會意識到，本發明透鏡裝置40的各種部件/元件并不一定要由包含相同材料來制造，所提供的形成透鏡裝置40的各種元件的各種材料都具有兼容特性，例如當并不限制于，軟化點以及熱膨脹系數。因此，上述所提及的討論只可認為是舉例，而并不是限制，且本發明的實際范圍可由下列權利要求所限定。
權利要求
1.一種改變光信號的模式場的透鏡裝置，其特征在于，所述裝置包括光纖；以及雙錐形透鏡，位于所述光纖的一端上，使得所述光纖和所述雙錐形透鏡限定了一條光軸，所述雙錐形透鏡包括由兩條大體相互正交的不同曲線即主要曲線C1和輔助曲線C2限定的外表面，其中，C1和輔助曲線C2在光軸處或近光軸處相交。
2.如權利要求1所述的透鏡裝置，其特征在于，還包括至少一個隔離桿，所述隔離桿在所述光纖和所述雙錐形透鏡之間具有大體均勻的折射率。
3.如權利要求1所述的透鏡裝置，其特征在于，所述雙錐形透鏡限定了一個錐形表面。
4.如權利要求2所述的透鏡裝置，其特征在于，至少一個隔離桿包括一個錐形的隔離桿。
5.如權利要求1所述的透鏡裝置，其特征在于，所述曲線C1和C2兩者中的每一個限定了一個球面或非球面。
6.如權利要求2所述的透鏡裝置，其特征在于，所述雙錐形透鏡置于至少一個遠離所述光纖的隔離桿的一端上。
7.一種系統，其特征在于，它包括光學元件；基片，用以支承所述光學元件；以及如權利要求1所述的透鏡裝置，它位于所述基片上，并與所述光學元件相關，用以改變所述透鏡裝置和所述光學元件之間通過的光信號的模式場。
8.一種制造透鏡裝置的方法，其特征在于，該方法包括下述步驟將所述雙錐形透鏡設置在所述光纖的一端，使得所述光纖和雙錐形透鏡限定一條光軸，所述雙錐形透鏡包括由兩條相互正交的不同曲線即主曲線C1和輔曲線C2限定的外表面，其中，C1和C2在光軸處或近光軸處相交。
9.如權利要求8所述的方法，其特征在于，所述設置步驟包括將具有大體均勻的折射率的所述隔離桿安裝在所述光纖的一端上，并且隨后使遠離所述光纖的隔離桿的那一端形成所述雙錐形透鏡的步驟。
10.如權利要求9所述的方法，其特征在于，所述去除步驟包括割裂所述隔離桿的步驟，并且所述成形步驟包括對所述隔離桿的割裂端進行激光微加工，或對所述隔離桿的割裂端進行研磨、拋光和加熱的步驟。
11.如權利要求10所述的方法，其特征在于，所述隔離桿包括矩形桿，并且其中，所述成形步驟包括通過將所述矩形桿的割裂端加熱而軟熔成所需形狀，隨后拋光所述矩形桿的成形端面的步驟。
12.如權利要求9所述的方法，其特征在于，所述去除步驟包括錐形切割離開所述光纖一個工作距離的隔離桿的步驟，并且所述成形步驟包括將所述桿的錐形切割端加熱至足以圓化所述雙錐形透鏡的外表面的溫度，并在所述加熱步驟之后拋光所述雙錐形透鏡的外表面的步驟。
13.如權利要求9所述的方法，其特征在于，所述去除步驟包括多錐形切割離開所述光纖一個工作距離的隔離桿的步驟，并且所述成形步驟包括拋光所述隔離桿的多錐形切割端，以圓化所述雙錐形透鏡的外表面，或者加熱所述隔離桿的多錐形切割端，以圓化所述雙錐形透鏡的外表面的步驟。
14.一種光學組件，其特征在于，它包括光學元件；基片，用以支承所述元件；以及透鏡裝置，它位于所述基片上，并與所述光學元件相關，以改變所述透鏡裝置和所述光學元件之間通過的光信號的模式場，其中，所述透鏡裝置包括光纖和位于所述光纖一端上的雙錐形透鏡，使得所述光纖和雙錐形透鏡限定了一條光軸，所述雙錐形透鏡包括由兩條相互大體正交的不同曲線即主曲線C1和輔曲線C2限定的外表面，其中，C1和C2在光軸處或近光軸處相交。
15.如權利要求14所述的光學組件，其特征在于，所述透鏡裝置還包括一個隔離桿，它在所述光纖和所述雙錐形透鏡之間具有大體均勻的折射率。
16.如權利要求15所述的光學組件，其特征在于，至少一個隔離桿呈錐形。
全文摘要
披露了一種適用于改變光信號的模式場的透鏡裝置。該裝置包括一個定位在光纖(44)一端上的光纖雙錐形透鏡(46)，使得光纖和雙錐形透鏡限定光軸。雙錐形透鏡包括由兩個分別為主要曲線C1和輔助曲線C2且在光軸或接近光軸的位置上C1和C2相交基本正交的不同曲線所限定的外表面。還披露了一種適用于改變光信號的模式場的透鏡裝置和光學組件的制造方法。
文檔編號G02B6/32GK1692294SQ03809892
公開日2005年11月2日 申請日期2003年2月20日 優先權日2002年3月4日
發明者V·A·巴加瓦圖拉, B·J·沃爾弗, N·沙史答爾 申請人:康寧股份有限公司