阅读说明：本技术 用于对光纤耦合进行优化的技术 (Techniques for optimizing fiber coupling ) 是由 M·P·罗伯特 于 2020-03-23 设计创作，主要内容包括：一种用于对光纤耦合进行优化的方法,包括：生成飞秒激光脉冲；将所述激光脉冲的焦点引导至所述光纤的端面下方的区域中的纵向深度位置处,以生成微空隙；对不同深度位置处的所述激光脉冲的强度调节,以在所述光纤的所述端面下方的所述区域中创建折射率分布。(A method for optimizing fiber coupling, comprising: generating femtosecond laser pulses; directing a focal point of the laser pulse to a longitudinal depth position in a region below an end face of the optical fiber to generate a micro-void; adjusting the intensity of the laser pulses at different depth positions to create a refractive index profile in the region below the end face of the optical fiber.)

用于对光纤耦合进行优化的技术

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年3月25日提交的、申请号为62/823,229的美国临时专利申请的权益。该美国临时专利申请62/823,229的公开内容和全部教导通过引用并入本申请。

技术领域

本公开总体上涉及光学元件，并且更具体地，涉及用于对光纤耦合进行优化的技术。

背景技术

目前，减反射(AR)涂层通常是通过在高真空水平下沉积薄膜的方式制造的。为了获得所期望的光谱，这些层需要对厚度进行精准控制。层离(delamination)也是一个需要关心的问题，层离也可能是由于表面处理不当，或是由于不同材料的热膨胀系数不同而造成的薄膜叠层(stack)中的残余应力。在沉积过程中任何残留物质的存在也会导致光学功率的吸收和后续的薄膜损坏。薄膜材料的选择还会导致会限制器件的工作波长范围的材料吸收，或者，薄膜材料的选择还会引起导致薄膜损坏的吸收。因此，有必要采用多种材料和后续工艺来满足提供跨宽波长范围的解决方案的需求。

反射功率也可以通过在光纤端面处创建带纹理的表面的方式来被降低。通过逐渐使材料变窄(taper)，以使光纤/空气界面处的突变的折射率最小化。这些“蛾眼(motheye)”型结构已经被论证，但是需要对光学表面进行修改，这对于复杂的材料系统可能是有问题的。此外，这会使对该表面进行清洁或潜在地对光纤进行拼接的任何尝试变得复杂化。

因此，迫切需要一种鲁棒的、用于制造跨能够承受高光学功率的所有波段的稳定的AR涂层的工艺。还需要一种相对独立于材料或波长，能够容易地在光纤或电缆中制造特征，而无需对体形(bulk)光学器件的表面进行修改的工艺。此外，需要一种类似的、用于处理熔接光纤的工艺，以及一种用于创建定制数值孔径以实现更好的模式耦合的工艺。

发明内容

本公开的实施例使用飞秒激光脉冲来生成微空隙(microvoid)，以在光纤端面的正下方创建纵向折射率梯度/分布。这些特征将允许要制造的器件能够在较宽的波段中以较低的反射率进行高功率传输。它还避免了对材料表面进行修改，使其与现有的“蛾眼”型设计相比，更加鲁棒且可制造。此外，由于传输窗口将不受涂层材料的选择的限制，它将由基础材料的固有传输特性决定。这些特征能够在光纤中或在布线之后被添加到结构中。

本公开的实施例提供了一种用于在光纤的端面下方创建减反射区域的方法，该方法包括：生成飞秒激光脉冲；将所述激光脉冲的焦点引导至所述光纤的所述端面下方的所述区域中的纵向深度位置处；对所述光纤中不同位置处的所述激光脉冲的强度进行调节，以在所述光纤的所述端面下方的所述区域中创建从所述端面到所述端面以下的所述纵向深度位置处的纵向折射率梯度。

本公开的实施例提供了一种用于创建拼接光纤的减反射拼接界面的方法，该方法包括：生成飞秒激光脉冲；将所述激光脉冲的焦点引导至在紧挨着所述拼接光纤的所述拼接界面的一个或两个区域中的纵向深度位置处，以生成微空隙；对所述光纤中不同位置处的所述激光脉冲的强度进行调节，以在所述一个或两个区域中创建从所述界面到超出所述界面的所述纵向深度位置处的纵向折射率梯度。

本公开的实施例提供了一种用于对光纤的模式耦合进行改进的方法，该方法包括：生成飞秒激光脉冲；将所述激光脉冲的焦点引导至所述光纤的端面下方的区域中的纵向深度位置处，以生成微空隙；对所述光纤中不同位置处的所述激光脉冲的强度进行调节，以在所述光纤的所述端面下方的所述区域中创建从所述光纤的中心到所述光纤的侧表面的径向折射率分布。

本公开的另一实施例提供了一种光纤，包括位于端面下方的减反射区域；其中，位于所述端面下方的所述区域具有从所述端面到所述端面以下的纵向深度位置处的纵向折射率梯度。

本公开的另一实施例提供了一种拼接光纤，包括拼接界面；其中，紧挨着所述拼接界面的一个或两个区域具有从所述界面到超出所述界面的纵向深度位置处的纵向折射率梯度。

本公开的另一实施例提供了一种光纤，包括位于端面下方的定制数值孔径区域；其中，位于所述端面下方的所述区域具有从所述光纤的中心到所述光纤的侧表面的径向折射率分布。

附图说明

图1示出了根据本公开的一种实施例的用于在光纤的端面上制造AR涂层的装备。

图2示出了根据本公开的一种实施例的用于在光纤的端面上制造AR涂层的另一装备。

图3示出了根据本公开的一种实施例的在端面上具有AR涂层的光纤。

图4示出了根据本公开的一种实施例的具有紧挨着拼接界面的AR区域的拼接光纤。

图5示出了根据本公开的一种实施例的具有定制数值孔径的光纤。

具体实施方式

对根据本公开的原理的例示性实施例进行描述的目的在于结合附图进行理解，这些附图应被认为是整个书面描述的一部分。在此处公开的本公开的实施例的描述中，对方向或朝向的任何参考仅仅是为了便于描述，而不是以任何方式限制本公开的范围。相关术语，例如“下方”、“上方”、“水平”、“垂直”、“以上”、“以下”、“向上”、“向下”、“顶部”和“底部”以及它们的派生词(例如，“水平地”、“向下地”、“向上地”等)应解释为按照当时所描述的朝向或在所讨论的附图中所显示的方向。这些相关术语仅仅是为了便于描述，并且除非明确地指出，否则不需要以特定的朝向构造或操作该装置。诸如“附着”、“贴附”、“连接”、“耦合”、“互连”等类似的术语是指这样一种关系，其中结构通过中间结构被直接或间接地彼此固定或附着，以及两者可移动的或刚性的附着或关联，除非另有明确说明。此外，通过参考示例性实施例来阐明本公开的特征和优点。因此，明确的是，本公开不应被限制于这样的示例性实施例，该实施例示出了可以单独存在或存在于其他特征组合中的特征的一些可能的非限制性组合；本公开的范围由本公开所附的权利要求书限定。

本公开描述了目前设想的实施本公开的一个或多个最佳方式。该描述并非旨在以限制性的意义来理解，而是参考附图提供了仅出于说明性目的的本公开的示例，以用于向本领域的普通技术人员告知本公开的优点和构造。在附图的各种视图中，相同的附图标记表示相同或相似的部分

需要注意的是，所公开的实施例仅是本申请中创新教导的许多有利用途的示例。通常，在本申请的说明书中做出的陈述不必限制各种所要求保护的公开内容中的任何一个。此外，某些陈述可以适用于一些创造性特征，而不适用于其他特征。通常，除非另有说明，否则单数元件可以是复数，反之亦然，而不丧失一般性。

图1示出了根据本公开的一种实施例的在光纤的端面上制造AR涂层的示意图。图2示出了另一实施例的示意图，在该另一实施例中，激光光束通过光纤的侧面进入光纤。

如图1所示，飞秒激光器110朝向分束器120生成激光脉冲光束。一部分光束被引导至检测器130，以检测激光光束的强度。控制器150用于控制激光光束的强度。光束由反射镜M反射至物镜160。该物镜将光束聚焦到光纤170的端面以下。该光纤被安装在xyz工作台(stage)180上。激光光束的焦点位置由一个或多个光学元件140、200监测，该光学元件140、200用于对在光纤中创建的特征进行照明和/或监测。例如，该光学元件可以包括诸如LED的光源，以及诸如CCD的图像检测器。应当理解的是，所使用的光学元件及其布置取决于具体的应用和整体光学装备。控制器150控制工作台的移动，以使激光光束被聚焦到光纤横截面中的期望点，以生成微空隙。光纤的光学模式将与由单个空隙或空隙集合形成的特征相互作用，以实现所期望的效果。在一种实施例中，控制器150对温度控制器件190进行调节，以便对形成微空隙的温度进行优化，从而使衰减最小化或使光学损伤阈值最大化。

在一种实施例中，光束被引导至微空隙，并且通过监控器观测光束与微空隙的相互作用，以及，控制器动态且主动地调节激光脉冲的强度和/或位置，以根据观测结果对光纤的性能进行优化。

焦点的深度可以通过沿光纤的纵向方向移动工作台的方式被调节。可代替地，作为替代，物镜沿光纤的纵向方向移动。光纤的横截面区域可以通过沿横向方向移动工作台的方式被覆盖。用于覆盖横截面的其他扫描方法也可以被考虑。

在图2所示的实施例中，光学元件被布置成使得激光光束通过光纤的侧面进入光纤。控制器150控制工作台和/或物镜的移动，以便激光光束被聚焦到光纤内的期望点处。可以想到的是，光学元件的其他布置方式也是可行的，只要激光光束的焦点可以通过工作台和/或物镜的一些移动而被带到光纤内的期望位置即可。

由飞秒激光器110生成的激光脉冲在光纤170的端面以下创建微空隙。激光脉冲会在该脉冲被聚焦的光纤中引起折射率变化。如图3所示，通过改变不同深度位置处的强度，创建纵向折射率梯度区域310。为了说明的目的，在图3中还示出了折射率梯度函数。该示例函数显示出折射率从表面处的n1逐渐变化到期望深度d位置处的n2。可以想到的是，折射率梯度函数可以是直线、阶跃函数、高斯函数、五次函数、正弦函数、指数函数等。在优选的实施例中，折射率应该与它们各自的界面的折射率相匹配。例如，n1应接近于空气的折射率，n2应接近光纤的折射率。对于指定的波长范围，深度d应当被选择以最小化端面处的反射。可以采用数值分析来确定最优深度值。

在一种实施例中，使用上述方法在端面下方的指定深度位置处创建微空隙。然后，可以通过对端面进行抛光或基于该指定深度切割一部分光纤的方式来获得减反射表面，以优化性能。

在一种实施例中，微空隙特征可以在无需去除光纤的光学涂层的情况下被形成，尽管一些应用可能涉及不受涂层特性所施加的限制的处理。在这种情况下，可以选择性地去除涂层，但是一旦处理完成，需对光纤重新涂覆。

在一种实施例中，减反射拼接界面可以在拼接光纤中被创建。在拼接光纤的情况下，为了最小化因反射造成的功率损耗，纤芯的折射率应当被匹配。如图4所示，在拼接界面的每一侧，分别存在区域410和区域420，这两个区域中的一个或两个可以包括通过上文论述的激光脉冲处理形成的微空隙特征。对于拼接光纤，可以在靠近界面的位置处创建微空隙。

根据本公开实施例的本技术还可以用于通过对光纤数值孔径(NA)进行局部控制的方式来定制光纤模式耦合，并且该技术适用于包括石英光纤的任何材料系统。这些特征可以在融接后被写入光纤，避免出现与热处理相关的任何并发问题，同时允许实时监控以优化性能。

在一种实施例中，如图5所示，上述方法用于通过在光纤的端面下方的区域510中生成微空隙，使得在光纤径向上创建期望的折射率分布的方式，对光纤的数值孔径(NA)进行局部调整以获得更好的光学耦合。为了说明的目的，在图5中还示出了折射率分布函数。该示例函数显示出折射率从光纤的中心处的n0逐渐变化到光纤的半径R的横截面处的nR。可以想到的是，折射率分布函数可以是直线、阶跃函数、高斯函数、五次函数、正弦函数、指数函数等。应当注意的是，可以想到对如图3和图5中所示的在纵向上的折射率分布和在径向上的折射率分布进行结合。

在表面以下创建微空隙以使折射率逐渐变小，避免了对光学表面进行修改，并且一旦形成了微空隙就可以保护结构。用这些微空隙创建的光栅已显示出随时间推移和在暴露给高功率的情况下的稳定性，这使得它们成为该应用的有吸引力的备选。可以在光纤、电缆和体形光学器件中容易地形成这些特征。

一旦被开发，根据使用该技术制造的光栅的历史情况，微空隙工艺应该是稳定且鲁棒的。此外，由于这些微空隙不存在固有的吸收并且也不会增加暴露的表面区域，因此，这一技术应当可广泛应用于波长和材料系统。也可以通过沿器件的特征长度或跨器件的孔径对微空隙大小、几何形状和密度进行调节的方式来定制器件特性。

所有这些属性使本技术成为一种具有广泛含义的多用途技术。除了AR涂层和模式耦合外，本技术还可应用于不同的材料系统、体形应用等。

尽管已经以一定长度和一些关于几个所描述的实施例的细节描述了本公开，但是并不意图将本公开限于任何这样的细节或实施例或任何特定的实施例，而应参考所附的权利要求书来解释，以鉴于现有技术提供对该权利要求书的最广泛可能的解释，从而有效地涵盖本公开的预期范围。