专利名称：具有透镜化尖端的光纤及其制造方法
技术领域：
一般，本发明涉及光纤的制造过程，更具体地说，涉及具有透镜化尖端的光纤(lensed tip optical fiber)的制造方法。
背景技术：
许多应用要求光波在例如将与光纤耦接的平面光波导、光集成电路、光源(诸如激光器)和检测器中受控传播。还有其他的应用要求一个光纤与另一个光纤耦接。遗憾的是，许多这些应用都有缺点，并且制造中要高度小心。
例如，因为激光器的工作温度波动，并相应地在光纤和激光器中引起不同的尺寸改变，所以可能破坏光纤与激光器器的直接连接。由温度波动造成的尺寸改变使光纤相对于激光器位置发生改变，或与激光器分离。
由于激光器和光纤中的引导模式(guided mode)的尺寸差异大，直接耦接一般效率不高。一般，通过使用透镜或透镜组将激光器发出的光会聚于光纤，可克服这种低效。
然而，由于使用透镜或透镜组，光学耦合还具有其它的缺点。例如，使透镜和激光器达到精确的光学对准很困难。由于环境温度随着时间波动造成尺寸改变和机械偏移，该光纤可能不能对准。因此，需要一种可以改善光纤耦接的改进的光纤制造方法。
发明内容
本发明提供了一种包括在光纤的至少一端上形成的透镜的光纤制造的适于实用的方法。
修整光纤的至少一端是通过去除材料的过程以形成点端或“尖端”实现的。根据本发明，进一步加工该尖端，在尖端形成焦距可控制的集成透镜。用本发明的方法制造的具有透镜化尖端的光纤可使与其他光纤光学对准以及该光纤与各光学装置(例如光源、平面形光波导和光学集成电路)的连接更方便。
在本发明的一个方面中，提供了一种制造光纤构件的方法。该方法包括修整光纤构件的至少一端和向该光纤构件的修整端部施加能量，以形成透镜表面。
在本发明的另一个方面中，提供了制造具有透镜化尖端的光纤的方法。该方法包括提供透光的柱形光纤并腐蚀该透光的柱形光纤的第一端部以形成尖端。加热该尖端，以便在加热的尖端上形成透镜表面。
在本发明的再一个方面中，提供了一种光纤，它包括在透光的柱形光纤的第一端部上形成的第一透镜表面。该透镜表面是这样形成的修整该透光的柱形光纤的至少一端，并将能量加在该透光的柱形光纤的修整端部上。
形成本发明的具有透镜化尖端的光纤的方法可廉价地实现在该尖端上形成具有可控半径或焦距的透镜。该具有透镜化尖端的光纤可以更容易与其他光纤或各种分立的和集成的光学装置，例如光源、平面光波导和光学集成电路等光学对准。因为每一条光纤包括“内置”的透镜，因此可从大多数光纤组件中去除单独的透镜。去除单独的透镜减少部件数目并消除多个透镜或透镜组之间的不对准的可能性。这是一般的光学组件所具有的问题。减少部件数目可形成较简单的光学组件，降低一般在光学部件组件化和制造过程中存在的昂贵的组件化劳动成本；并可使光学组件的尺寸作得较小。较小的尺寸意味着可以更方便地实现紧凑的系统和降低成本。
本发明的范围由包括在这部分中供参考的权利要求书确定。本领域的技术人员通过考虑以下的一个或多个实施例的详细说明，可以更完整地理解本发明的实施例以及各种优点。首先简略地说明附图。
图1为表示本发明的过程的流程图；
图2为根据本发明的一个实施例的液浴的简图；图3为根据本发明的一个实施例的，在一个柱形件的端部上形成修整端部的简图；图4A为根据本发明的一个实施例的，从去除材料过程产生的结构的简图；图4B为根据本发明的一个实施例的，在图4A的结构的修整端部上形成透镜的过程的简图；图4C表示根据本发明的一个实施例的，可在图4A的结构的修整端部上形成的焦距可控制的透镜表面的简图；图5为根据本发明的一个实施例的，本发明的一种应用的简图；和图6为根据本发明的一个实施例的，本发明的另一种应用的简图。
参考下面的详细说明可以更好地理解本发明的实施例及其优点。图中相同的附图标记用于表示一个或多个相同的部件。
具体实施例方式
图1为表示根据本发明的一个实施例的，在光纤上形成透镜化尖端的过程100的流程图。过程100可以包括提供一个或一束柱形件(步骤S102)，例如由玻璃(SiO2)、塑料等制成的柱形杆或光纤。
每一个柱形件的第一端部可通过除去材料而形成腐蚀端部，即修整端部或尖端来修整(步骤S104)。在一个实施例中，将该柱形件的每一端放入液浴或液雾形式的反应液体中，形成尖端。在一个实施例中，柱形件的至少一端至少部分地浸入包括材料去除或腐蚀液体的液浴中。在另一个实施例中，适宜的材料去除或腐蚀液体喷射在柱形件的至少一端上。如下面更详细地所述那样，腐蚀液体一般首先从每一个柱形件的一部分的周边去除材料，从而腐蚀或修整每一个件的一部分。从周边除去材料的步骤通常会在该柱形件的端部上形成尖端。
在一个实施例中，每一个柱形件的第二端部也可放入液浴或液雾形式的反应液体中。该柱形件的第二端部至少部分地浸入包括腐蚀液体的液浴中。在另一个实施例中，将适当的腐蚀液体喷射在柱形件的第二端部上。上述除去材料的步骤会在该柱形件的第二端部上形成尖端。
在一个实施例中，将该柱形件的尖端或多个端部暴露于能量源中，以加热该尖端(步骤S106)。如下面更详细地所述那样，加热该尖端可以在该尖端上形成透镜表面。
图2为根据本发明的一个实施例的，包括柱形件202的腐蚀浴的简图。在一个实施例中，每一个柱形件202可以为一个杆、圆柱体、光纤或其他相同形状的构件。另一种方案是，该柱形件可以具有或预先修整成非圆形的横截面，例如方形、矩形或其他多边形的横截面。这些横截面在某些平面光波导、光电子和光学装置中应用可能更适合。
每一个柱形件202的直径和长度一般根据应用确定。在一个实施例中，每一个柱形件202的直径可以为标准单模光纤的直径，即具有大约9μm的典型芯尺寸且总直径大约为125μm。一般，根据应用情况，每一个柱形件202的直径范围在大约小于100μm和大约几毫米之间。在另一个实施例中，柱形件202可以为多模光纤。
在一个实施例中，柱形件202的端部204可通过使用根据本发明的一个实施例的腐蚀过程除去材料而修整。
再参见图2，在一个实施例中，通过将端部204放入液浴206中，可以完成端部204的修整。
液浴206可以包括适合从光纤上除去材料的任何化学配方。在一个实施例中，液浴206包括HF酸208。可以在液浴206中加入一个薄层的油，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，以控制腐蚀过程的深度。一般，腐蚀深度由端部204的浸入深度控制，但是，在一些情况下，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蚀，这是不希望的。油膜210起腐蚀屏障的作用，可防止HF酸超出油膜210。
端部204放入液浴206中的时间一般足够进行除去所需量的材料。除去材料的时间为每一构件202的材料成分和液浴206的成分和浓度的函数。
在图3所示的一个实施例中，每一个柱形件202包括一个芯区域C1和包围芯区域C1的周边区域P1。在工作中，由于周边区域P1与HF酸208直接接触并且暴露在HF酸208中的表面积较大，因此液浴208在影响芯区域C1之前影响周边区域P1。这在角落区域302上也是如此，因为角落区域的顶部和侧面同时露出。所使用的光纤的形式也影响该尖端区域如何形成。一些光纤的芯区域C1作得比周边区域P1纯。不太纯的区域更容易被液体除去材料。
可通过柱形件202浸入HF酸208中的在油膜210下面的深度控制修整端部304的长度L。然而，修整端部304的锐度(或斜度)S由该件202保持在液浴206中的时间长度和HF酸208的浓度控制。
优选，本发明的材料去除过程为缓慢的过程。因此，制造者可以连续地检查材料除去过程的进展，并在获得端部部分304的希望尺寸的时刻，从液浴206中取出端部204。
由材料除去过程产生的结构为如图4A所示的尖端构件400。
如图4A所示，尖端构件400包括至少一个尖端402和基部404。在图4B所示的实施例中，尖端402放置在可加热尖端402的能量源410中。热处理使尖端402的芯区域C1和外周边P1熔融。由熔融作用产生的表面张力在形成透镜表面408的构件部分的端部上形成曲面。在尖端402上的加热位置和施加能量大小确定透镜表面408的实际形状和半径，以及由此在尖端402上形成的透镜表面408的焦距。
为形成尖端透镜而供给所需能量的方法可以使用包括热(即火焰)、电火花和电弧等与下述实施例的等价方法的任何适当的能量发生装置来实现。
再参见图4B，在一个实施例中，可将尖端构件400的尖端402放入电弧发生装置406中，例如已有出售的拼接工具。电弧发生装置406可以提供可以为任何给定的透光构件材料进行热处理所需的电弧或电火花。热处理可用于以上述方法形成透镜表面408。
在另一些实施例中，为了加热材料和形成根据本发明的透镜表面408，提供加热的能量源410可以为放置在尖端402附近的辉光放电装置或使用可被尖端402的材料吸收的波长的高功率激光器。
图4C为根据本发明的一个实施例的，加热过程后的单一的透光尖端构件402的侧视图。通过加热过程可以修整尖端304，使得在两个互相垂直或其他不同方向上的曲率半径不同。图4C中的图表示诸如在尖端402上不同位置上形成的椭圆、半椭圆、平面/凸形非球面等曲面412a、412b和412c。这些曲面可在相对于透镜表面408的主轴线的不同的光学轴线上提供不同的光学性能。
透镜表面408在尖端402上的位置为沿着尖端402的长度L加热或施加能量的深度与暴露在能量源中的时间长度的函数。在一个实施例中，尖端402的长度为L。在沿着长度L的位置上施加能量，以便在尖端402的该位置上形成透镜表面408。在一个实施例中，沿着长度L形成透镜表面408的位置具有大约15°～20°的角度或倾斜，它对于在光纤或光波导耦接或组合(packaging)的应用中特别有用。
根据具体应用的要求可以调节透镜表面408的曲率和尺寸。透镜表面408的制造的技术条件和公差由具体的应用决定，并相应地由最后使用者确定。
图5为根据本发明的一个实施例的，本发明的一种应用的简图。在这个示例性应用中，将标准光学组件500a与包括本发明的具有透镜化尖端的光纤的新的组件500b比较。该标准光学组件500a包括一激光组件。该激光组件包括驱动器和环境温度控制装置502、激光器504、透镜组506、绝缘装置508和标准光纤510。透镜组506会聚从激光器504发出的光，并将光引导和聚焦在光纤510上。所包括的多个部件必需正确地对准和固定在规定位置。对准不同部件需要每一个部件可调节，同时，正确对准的部件需要精确地固定在规定位置上。实际上必须权衡使那些部件可调节和不偏离对准位置而固定这两者。因此，在传统的组件500a中，绝达不到最优的对准，这样，从激光器504发出的光的大部分不能引导至光纤510中。
新的光学组件500b也包括具有驱动器和环境温度控制装置502，激光器504和绝缘装置508的激光组件。然而，在这个示例性的实施例中，去掉了透镜组506，且标准光纤510被根据本发明的过程制造的具有透镜化尖端的光纤512代替。焦距和形状受控制的具有透镜化尖端的光纤512包括靠近激光器504的输出表面放置的透镜表面408，以便有效地收集从激光器504发出的大部分光，并引导该光通过光纤512。实验测试表明，利用根据本发明的一个实施例制造的具有透镜化尖端的光纤512的光耦合效率可高达80％。
图6为根据本发明的一个实施例的，本发明的另一种应用的简图。在这个示例性应用中，将标准光学组件600a与包括本发明的具有透镜化尖端的光纤的新的组件600b进行比较。该标准光学组件600a在两个标准光纤604和606之间包括一个光学部件602。为了正确地对准标准光纤604和606，透镜608和610放置在光学部件602和每一个标准光纤604和606之间。透镜608收集从输入光纤604发出的光，并将该光聚焦在光学部件602的输入光波导上。在光学部件的输出侧上的透镜610拾取从光学部件602的输出光波导发出的光，并重新将该光聚焦在光纤606中。透镜608和610与光学部件602和两个光纤604和606的对准要求所有部件可调节以达到优化，同时最优的对准要求所有部件精确地固定。而这在实际中是绝对达不到的。
新的光学组件600b也包括光学部件602。然而，在这个实施例中，利用具有透镜化尖端的光纤612和614代替标准光纤604和606。由于具有透镜化尖端的光纤612和614包括透镜表面408，它们可以自动地与光纤612和614对准，不需要适用于所述透镜和复杂的组件设计的多个可调节夹具。新的光学组件600b可简化组件设计和光学对准过程，并且同时，可改善光学组件的可靠性。另外，正确设计和控制的具有透镜化尖端的光纤可提高光学耦合效率，并减小光学组件的尺寸。
本发明的具有透镜化尖端的光纤可以用在许多其他应用场合中。例如，本发明的具有透镜化尖端的光纤可以用在气密密封的尾纤对准/焊接应用中。可在光纤带上形成透镜化尖端，以便在各种密集的波分复用(DWDM)部件、光电子、光学部件和光学集成电路中达到更好的耦合或互相连接的能力；还可以用于将入射光聚焦在检测器上，以形成更高效率的接收器。具有透镜化尖端的光纤还可用于各种医疗领域中的激光外科工具中，并用于微成像、生物探头、光谱分析等的便携式传感器。
上述实施例说明但不限制本发明。应该理解，根据本发明的原理可作各种改进和改变。因此，本发明的范围只由权利要求书确定。
权利要求
1.一种制造光纤构件的方法，它包括修整光纤构件的至少一端；和向该光纤构件的修整端部施加能量，以形成透镜表面。
2.如权利要求1所述的方法，其特征为，所述修整包括从所述光纤构件的所述至少一端除去材料。
3.如权利要求1所述的方法，其特征为，所述修整包括将所述光纤构件的所述至少一端放入腐蚀液体中，以腐蚀所述光纤构件的所述至少一端。
4.如权利要求3所述的方法，其特征为，所述腐蚀液体包括HF酸。
5.如权利要求1所述的方法，其特征为，所述光纤构件包括从由玻璃、聚合物和塑料组成的组中选出的材料。
6.如权利要求1所述的方法，其特征为，所述向修整端部施加能量包括加热所述修整端部，以形成所述透镜表面。
7.如权利要求6所述的方法，其特征为，所述透镜表面包括凸的、凹的或平面的透镜表面。
8.如权利要求1所述的方法，其特征为，所述修整包括从光纤构件的两个端部除去材料。
9.如权利要求8所述的方法，其特征为，所述加热包括加热两个端部，以便在每一端上形成透镜表面。
10.如权利要求1所述的方法，其特征为，所述修整端部具有第一长度，并且，所述施加能量包括在沿着所述长度的一位置上施加能量，以在所述修整端部的一位置处形成角度为大约15°～20°的所述透镜表面。
11.如权利要求1所述的方法，其特征为，所述施加能量包括将所述修整端部暴露于热源。
12.如权利要求1所述的方法，其特征为，所述施加能量包括将所述修整端部移至电火花。
13.一种制造具有透镜化尖端的光纤的方法，它包括提供透光的柱形光纤；腐蚀所述透光的柱形光纤的第一端部，以形成尖端；加热所述尖端，以形成透镜表面。
14.如权利要求13所述的方法，其特征为，所述透光的柱形光纤包括从由玻璃、聚合物和塑料组成的组中选取的材料。
15.如权利要求13所述的方法，其特征为，所述腐蚀包括将所述透光的柱形光纤的所述第一端部放入腐蚀液体中，以腐蚀所述透光的柱形光纤。
16.如权利要求13所述的方法，其特征为，所述腐蚀液体包括HF酸。
17.如权利要求13所述的方法，其特征为，所述透镜表面包括凸的、凹的或平面的透镜表面。
18.如权利要求13所述的方法，其特征为，所述腐蚀包括腐蚀该透光的柱形光纤的所述第一端部和第二端部。
19.如权利要求18所述的方法，其特征为，所述加热包括加热所述第一端部和所述第二端部，以便在每一端形成透镜表面。
20.一种光纤，它包括在透光的柱形光纤的第一端部上形成的第一透镜表面，所述第一透镜表面通过以下方法形成修整所述透光柱形光纤的至少一端；和向所述透光的柱形光纤的修整端部施加能量。
全文摘要
本发明提供了制造具有透镜化尖端的光纤的方法。该方法包括提供透光的柱形光纤，并腐蚀该透光的柱形光纤的第一端部以形成尖端。加热该尖端，以在加热的尖端上形成透镜表面。所述具有透镜化尖端的光纤可与其他光纤光学对准，并且便于使光纤与光学装置连接。
文档编号B29D11/00GK1926454SQ200580006482
公开日2007年3月7日 申请日期2005年1月10日 优先权日2004年1月8日
发明者因·S·唐 申请人:因·S·唐