光源-光纤耦合器制造技术

一种光源—光纤耦合器。它包括光源（例如半导体激光器芯片１０）；用于从光源处发出的散射光通量耦合至光纤（例如单模光纤１６）入射端的梯度折射率柱透镜１４。在该梯度折射率柱透镜中，其邻近光源的端面呈凸球面形状，而邻近光纤的端面则为平面。该梯度折射率柱透镜被放置在托架内，使得该光源（激光芯片）与该梯度折射率柱透镜在该托架内紧靠在一起，所述激光芯片表面与所述梯度折射率柱透镜端面间的距离以不超过０．３ｍｍ为宜，其最佳数值范围为０．２ｍｍ至０．２５ｍｍ．。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种光源—光纤耦合器，该耦合器用一个梯度折射率柱透镜把从光源射出的光束耦合至光纤入射端面。另外，本专利技术特别涉及这样一种光源—光纤耦合器，其梯度折射率柱透镜邻近光源的端面呈凸球面形状，而邻近光纤端则为平面形状，为缩小体积尺寸，该梯度折射率柱透镜与光源间应尽可能靠近。虽然球面镜的造价颇为低廉，但由于受其特性所限，该球面镜无法以较小的损耗完成自半导体透镜至单模光纤的光学耦合，因为这种具有单模特性的光纤的纤芯直径非常细小，因而该透镜需要满足非常精确的像差性能要求以增强光学耦合效率。所以，在现阶段，非球面透镜往往被用来作为高耦合透镜。另一方面，当采用梯度折射率柱透镜时，因为耦合来自半导体激光器的光束需要大的孔径比率(NA)，所以该柱镜中至少应有一个端面被制成凸球面形状，这正是基于凸球面的聚光能力以及由凸球面所形成的像差会因分布于梯度折射率柱透镜上的折射率而被抵消的原理。附图6所示为现有技术中的一个实例，作为光源的半导体激光器被置于特定的封套内(例如TO类型的封套结构)，该激光芯片10被包裹在开有窗口的外套壳内，这样，激光光束可以从该窗口的玻璃罩12处发射，由激光器发射的光束经由梯度折射率柱透镜14而被聚集于单模光纤16的入射端面，在这个实例中，所述的梯度折射率柱透镜14系组装而成，其邻近半导体激光器的端面14a呈凸球面形状，而其邻近光纤的端面14b则为平面。通常，为了制造非球面透镜，首先需要按照透镜的形状来制造模具，这个工序需要耐热性能优良的材料和极高的加工精度，尤其是在大尺寸、小批量的生产中，该透镜的造价因此会变得十分昂贵。与之相反，梯度折射率柱透镜的尺寸较小，制造起来也更为容易和便宜得多，然而，由于半导体激光器在封装后加很容易操作，所以带有封套的半导体激光器更为常用，此时，由于玻璃罩12的存在，激光芯片与梯度折射率柱透镜端面之间的距离就无法缩短到某个特定数值以内，其可以达到的最短的距离值的范围一般为0.6mm到0.7mm，从半导体激光器发射出的光束会因而发生衰减，导致耦合损失增大，所以从半导体激光器至单模光纤的耦合效率很难充分保证。本专利技术的光源—光纤耦合器包括光源以及用于从光源处发出的散射光通量耦合至光纤入射端的梯度折射率柱透镜，在所述的光源—光纤耦合器中，该梯度折射率柱透镜邻近光源的端面呈凸球面形状，而其邻近光纤的端面则为平面，在该梯度折射率柱透镜外还设置有一个托架，梯度折射率柱透镜与作为光源的半导体激光器的激光芯片在该托架内紧靠在一起，而光纤也被安置于在该托架内。在本专利技术中，半导体激光器通常被用来作为光源，当具有微小纤芯直径的单模光纤被用以作为耦合器的组件时，其光耦合效率的提高尤为重要。在本专利技术中，由于梯度折射率柱透镜邻近光源的端面呈凸球面形状，而其邻近光纤的端面为平面，所述激光芯片与梯度折射率柱透镜之间的距离就得以缩短，从而减弱从半导体激光器发射的光束衰减，从而提高了耦合效率。此外，由于选用了这种小口径的梯度折射率柱透镜，还实现该光学仪器的小型化。本专利技术中，光源(激光芯片)与梯度折射率柱透镜端面间的距离的取值范围以不超过3mm为宜，其最佳值为0.2至0.25mm。在上述范围内，耦合损耗可以降为最小。作为该光学仪器的实施例，所述托架包括一个用以放置所述的半导体激光器的激光器支架，一个用于放置梯度折射率柱透镜的镜架，而在该托架内，半导体激光器的位置与梯度折射率柱透镜的位置在其与光轴同向的轴向和与该光轴方向垂直的平面方向是可以调节的，为了保证在轴向调节时，该半导体激光器与梯度折射率柱透镜之间的距离不会小于预定值，该调节范围还应受到激光器支架的约束。本专利技术的内容在日本专利NO.2000-376324(申请日为2000年12月11日)中已有涉及，在这里也可以结合该专利作为全面参考。附附图说明图1是本专利技术的光源—光纤耦合器基本结构示意图从半导体激光器(激光芯片10)处发出的光束(散射光通量)经由梯度折射率柱透镜14被耦合至单模光纤16的入射端，所述的梯度折射率柱透镜14的设置如下其邻近半导体激光器的端面14a呈凸球面形状，而其邻近光纤的端面14b则为平面，在所述半导体激光器上既没有玻璃罩，也没有封套，所述半导体激光器被放置在托架(图中没有绘出)内，所述激光芯片10紧靠同样置于托架内的梯度折射率柱透镜14。另外，光纤16也被置于在该托架内。为了增大柱镜中邻近半导体激光器的端面的孔径比率(NA)，激光芯片与柱镜的间距L1不应该大于3mm(其最小间距应该足以使得激光芯片与柱镜之间保持非接触状态)，该间距的最佳值为0.2mm到0.25mm之间，透镜半径r0的最佳取值范围在0.3mm至1.0mm左右，其球形端面的曲率半径R2的最佳取值范围在1.2mm至2.0mm左右，增大该柱镜中邻近半导体激光器的端面的孔径比率NA2的原因是为了令透镜更好地与半导体激光器的特性相适配。该孔径比率NA2的最佳取值范围在0.5至0.7左右，将透镜半径r0的取值范围限定在0.3mm至1.0mm之间的原因是该透镜半径的数值越小越好，但能够制造出来的该类球形面的最小半径也就是0.3mm，将球形端面的曲率半径R2的取值范围限定在1.2mm至2.0mm左右是为了与透镜半径r0相适配。梯度折射率柱透镜的放射状分布折射率可以由以下的表达式给出n(r)2＝n02.{1-(g.r)2+h4(g.r)4+h6(g.r)6+h8(g.r)8+...}其中，r是该点与中心轴线间的距离，n(r)是与中心轴线距离为r的位置处的折射率，n0是中心轴线上的折射率，g是二次折射率分布系数，而h4、h6、h8...则分别为高次折射率分布系数。下面给出一个实际例子从激光芯片至柱镜的距离L1被设为0.2mm，单模光纤端面的孔径比率NA＝(NA1)设为0.15，柱镜端面至单模光纤的间距L2设为4.5mm左右，n0和g的取值令梯度折射率柱透镜位于中心轴处的折射率n0落到1.5到1.8之间，这样，n0.g.r0的数值取值范围为0.40到0.65之间。这样位于柱镜一端的球面的曲率半径就被改变，光损耗被降至最低。在此状态下，柱镜长度z、高次折射率分布系数h4、h6和h8以及半导体激光器的孔径比率NA2可以被计算出来，其结果见下表1 (表1) 当梯度折射率柱透镜的外形尺寸等同于表1中数字13那一行时，从激光芯片至柱镜的距离L1以及柱镜端面至光纤的间距L2相应地分别取值为0.2mm和4.7mm，其耦合损失为1.59db(耦合效率为69.4％)，反之，当激光芯片至柱镜的距离L1以及柱镜至光纤的间距L2分别取值为0.65mm和6.0mm时(此为现有技术中的配置)，其耦合损失为2.60db(耦合损失为54.9％)，也就是说，本专利技术中的耦合损失与现有技术相比分别提高了约1db和约15％。同样原理，当采用如上所述相同的镜片时，图2表示出耦合损失与激光芯片至柱镜的距离L1之间的关系，可以清楚的看出，激光芯片至柱镜的距离L1激光的适宜取值范围应该不超过0.3mm，其最佳值则应选在0.20mm至0.25mm之间，当激光芯片至柱镜的距离L1激光的取值范围在0.20mm至0.25mm之间时，耦合损失被降到最小。在此情形下，很显然，不需要在所述耦合器位于轴线方向(z向)上本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光源－光纤耦合器，包括光源；用于从光源处发出的散射光通量耦合至光纤入射端的梯度折射率柱透镜； 在所述的梯度折射率柱透镜中，其邻近光源的端面呈凸球面形状，而其邻近光纤的端面则为平面；其特征在于： 在该梯度折射率柱透镜外还设置有一个托架，该梯度折射率柱透镜与作为光源的所述半导体激光器的激光芯片在该托架内紧靠在一起，而光纤也被安置于该托架内。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：越浩志，佐佐木康二，
申请(专利权)人：日本板硝子株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]