大功率扩束连接器及其使用和制备方法 要求先前提交的临时申请的利益
本申请要求于2001年7月5日提交的题为“Expanded Beam Connector forHigh Application”的美国临时申请续号60/303,610的利益，该申请通过引用包括在这里。
【技术领域】
本发明一般涉及光学连接器，尤其涉及能在大功率场合耦合光纤的大功率扩束连接器。
【发明背景】
光学连接器制造商一直试图设计一种能在大功率场合耦合光纤的光学连接器。传统的对接连接器被认为不适合大功率场合，因为清洁处理留下的粒子沾污或留在接点附近的封装粘胶会造成灾难性故障。因此，要求用一种大功率光学连接器来解决上述传统对接连接器的问题。本发明的大功率扩束连接器和方法可满足这一要求和其它要求。
【发明内容】
本发明包括一种能在大功率场合耦接光纤的大功率扩束连接器。该大功率扩束连接器一般包括第一带透镜光纤，它与第二带透镜光纤光耦但在物理上与之分开。第一带透镜光纤能扩展在其内传播的光束并输出准直的光束，第二透镜光纤能接收并聚集准直的光束，从而使光束从第一带透镜光纤传播到第二带透镜光纤。以类似的方法，大功率扩束连接器能把光束从第二带透镜光纤发射到第一带透镜光纤。本发明还包括制作和使用大功率扩束连接器的方法。
附图简介
参阅如下结合附图所作的详述，可更全面地理解本发明。其中：
图1是一框图，示出本发明大功率扩束连接器的分解图；
图2是两个示例套管(ferrule)支承图1所示大功率扩束连接器的带透镜光纤的底部透视图；
图3是示出两根带透镜光纤各种几何尺寸的框图；
图4是能配入图1所示大功率扩束连接器的带透镜光纤的显微图；
图5是一曲线图，说明热纤芯展宽对带透镜光纤的影响，所述带透镜光纤具有硅石平凸透镜与硼硅酸盐平凸透镜；
图6A和6B是曲线图，说明单模光纤(如Corning的SMF-28TM)在λ＝1550nm处不同透镜几何尺寸与对束腰不同距离的关系；
图7是一曲线图，示出不同带透镜光纤计算地背射或回程损失；
图8A-8C均是曲线图，示出与图1所示大功率扩束连接器有关的各种容限(如横移、角移、纵向位移)；
图9是一流程图，说明图1所示大功率扩束连接器较佳制作方法的步骤；
图10是一张照片，表示本发明包括两对带透镜光纤的示例大功率扩束连接器的截面侧视图；和
图11是一流程图，说明图1所示大功率扩束连接器较佳使用方法的步骤。
附图的详细描述
参照图1～11，图中揭示大功率扩束连接器100一较佳实施例及其制作与使用的较佳方法900与1100。虽然大功率扩束连接器100被描述成只光学连接一对光纤，但应理解，大功率扩束连接器100能连接一对或多对光纤(见图10)，因而不得以此受局限的方式来理解大功率扩束连接器100和较佳方法900与1100。
大功率扩束连接器100一般包括第一带透镜光纤104，它与第二带透镜光纤106光耦但在物理上与之分开。第一带透镜光纤104能扩展(分集)在其内传播的光束302并输出准直的光束302(图3示出在带透镜光纤104与106之间准直的光束302)。第二带透镜光纤106能接收和聚集(会聚)准直的光束302，使光束302从第一带透镜光纤104传播到第二带透镜光纤106。以类似的方式，大功率扩束连接器100能将光束302从第二带透镜光纤106发射到第一带透镜光纤104。
参照图1，图示框图示出能光学连接一对或多对光纤101(如单模光纤Corning的SMF-28TM)的大功率扩束连接器100的分解图。大功率扩束连接器100能配用于范围广泛的光学放大器，包括例如工作于100mW或以上的Raman放大器。如上所述，传统的对接连接器被认为不适合大功率场合，因为清洁处理留下的粒子沾污或留在接点附近的封装粘胶会造成灾难性故障。但大功率扩束连接器100却十分适合大功率场合(如≥100mW)，因为光束在透镜116和118的凸面从有效面积约90μm2(λ＝1550nm，Corning的SMF-28TM)扩展到20,000μm2以上。换言之，大功率扩束连接器100对脏物与粘胶等污物不那么敏感，因为较大的光束面积意味着低得多的功率密度。因而，带透镜光纤104与106之间无物理接触改善了功率处理力并使脏物与粘胶等污物的影响减至最少。
如图1所示，大功率扩束连接器100包括支承第一带透镜光纤和第二带透镜光纤104与106的封壳102。特别是封壳102支承并对准第一带透镜光纤和第二带透镜光纤104与106，使它们相互面对并分开一预定距离以尽量减小插入损失。
封壳102包括第一套管108和第二套管110及配准具(mating alignmentfixture)112，第一套管108支承和保护第一带透镜光纤104，第二套管110支承和保护第二带透镜光纤106，配准具112与一个或多个对准销114(图示两个)一起对准第一套管108和第二套管110并保持它们就位，从而使第一带透镜光纤104与第二带透镜光纤106分开一预定距离。对准销114还帮助对准两根带透镜光纤104与106。
第一套管108和第二套管110可用多种不同材料做成多种不同形式。一种形式示于图1，其中第一带透镜光纤104和第二带透镜光纤106的凸透镜116与118分别从第一套管108和第二套管110延伸。另一种形式示于图2，第一带透镜光纤104和第二带透镜光纤106的凸透镜116与118各自不从第一套管108和第二套管110延伸。耳是第一套管108和第二套管110各自由围绕第一带透镜光纤104和第二带透镜光纤106用环氧粘合在一起的顶块(未示出)与底块202a与202b构成。在第二例中，第一套管108和第二套管110可相互对接，但仍在第一带透镜光纤104和第二带透镜光纤106之间保持预定的距离。
操作中，大功率扩束连接器100包括第一带透镜光纤104，它能扩展在其内传播的光束302并输出准直的光束302(图3示出光束302)。第二带透镜光纤106能接收和聚集准直的光束302，使光束302从第一带透镜光纤104传播到第二带透镜光纤106。以类似的方式，大功率扩束连接器100还能将光束302从第二带透镜光纤106发射到第一带透镜光纤104。下面参照图3～8详述第一带透镜光纤104和第二带透镜光纤106。
参照图3，该框图示出两根带透镜光纤104与106的各种几何尺寸，这些几何尺寸决定了第一带透镜光纤104要与第二带透镜光纤106分开的距离。应该理解，在满足下式时，透镜116与118是完美的准直镜：
T＝Rc*((n/n-1)+Φ
式中T是透镜116与118的厚度，Rc是透镜116与118的曲率半径，n为透镜116与118的折射率，Φ为相移。
如在1550nm并且使用硅石(n＝1.444)，当T/Rc＝3.25时，透镜116与118为完美的准直镜。实际上衍射焦移量要增加球面透镜116与118的厚度，因为带透镜光纤104和106并非点源，而且球面透镜部116与118极小，故衍射作用很大。因此，实际的T/Rc比大于3.25。
一示例大功率扩束连接器100的几何尺寸为束腰离透镜116和118表面50～100微米，因而透镜116与118的间距为100～200微米。这种大功率扩束连接器100应具有曲率半径(Rc)为227微米，厚度(T)为765微米，束腰模场直径(MFD)为85微米的透镜116和118。在大功率扩束连接器100中，这样设计的球面透镜部116和118对横向与轴向失准有高容限(见图8A～8C)。
参照图4，图示的显微图是可用于本发明的示例带透镜光纤104和106。图示玻璃透镜400(如平凸准直透镜、透镜部件)用在有关波长呈透明并与光纤101熔接的玻璃制作。玻璃透镜400的热膨胀系数(CTE)与光纤101的CTE匹配或紧密匹配。玻璃透镜400的厚度为T，曲率半径为Rc(见图3)。更具体地说，玻璃透镜400包括喉部402和球面透镜部116与118。带透镜光纤104和106的制作方法是把喉部402一端与光缆101拼接，再在喉部402另一端用带钨丝的熔接器形成凸透镜116与118。Corning公司的美国专利申请续号09/812,108更详细地讨论了玻璃透镜400，其内容通过引用包括在这里。
在该较佳实施例中，带透镜光纤104与106尤其是透镜116与118均用硼硅酸盐玻璃制作。硼硅酸盐玻璃制作的球面透镜部116与118无双折射问题，但用硅石制作的球面透镜却有对偏振相依损失作出贡献的双折射。再者，透镜116与118用硼硅酸盐玻璃制作时，可提高大功率扩束连接器100的性能。因为光纤101与硼硅酸盐玻璃的熔接造成热芯展宽而增大模场直径(MFD)，并增大了带透镜光纤104与106的横向失准容限。此外，用硼硅酸盐玻璃代替硅石，透镜116与118的生产过程重现性更好。
图5更详细地比较了用硼硅酸盐玻璃和用硅石制作的带透镜光纤104与106。尤其可看出热芯展宽的作用。对于附接Corning的SMF-28的硅石与硼硅酸盐透镜，数据点代表沿X与Y方向测得的MFD。实线代表高斯光束模型的拟合。数据表明，Corning的SMF-28TM纤芯从10.4μm标称模场展宽到13.6μm。
参照图6A和6B，曲线表示，单模光纤(如Corning的SMF-28TM)在λ＝1550nm处，透镜104和106不同几何尺寸与对束腰不同距离的关系。在大功率扩束连接器100中，这类信息有助于确定球面透镜部116与118期望的间距。
再参照图1和3，球面透镜部116和118还涂有防发射(AR)膜(未示出)，在光束302撞击其表面时，可防止光束302回射入光纤101。在发明人所作的实验中，通过使透镜116和118在相互面对并对准成得出最大功率读数，测出涂和不涂防反射膜的带透镜光纤104与106的过量损失或耦合效率。应指出，涂防反射膜带透镜光纤104与106典型的耦合效率＜0.2dB/对。实验中，一块透镜116接宽带源，另一块透镜118接检测器。表1列出涂和不涂防反膜透镜116与118的回程损失测量值。透镜号 1542nm回程损失 玻璃涂防反射膜593 63.6 OVD硅石是594 68.7 OVD硅石是597 66.0 HPFS是598 64.8 HPFS是620 57.5 硼硅酸盐是621 62.1 硼硅酸盐是547 41.0 OVD硅石否548 41.1 OVD硅石否503 41.2 HPFS否504 40.9 HPFS否1253 40.1 硼硅酸盐否1254 40.9 硼硅酸盐否
从表1看出，1542nm的回程损失测量表明，涂膜透镜116与118的平均损失低于-60dB，而不涂膜透镜约为-40dB。对于涂膜透镜116与118的测试样品，回程损失测量值范围为-57～-69dB，只有一块稳定间的回程损失大于-60dB。测量是对相对小的透镜116与119实行的，其Rc为225微米，T为800微米。图7示出更详细分析的回程损失测量(背射损失)。
参照图7，图示曲线表示对不同带透镜光纤104与106计算的背射或回程损失。基本上可看出，对于涂膜透镜104与106，膜反射率0.25％，可得到大于55dB的背射。曲率半径更小的透镜104与106，在同样透镜厚度时将具有更低的背射，这对透镜设计增添了灵活性，可对期望的透镜—透镜分离使背射最大。
参照图8A～8C，图示曲线示出与大功率扩束连接器100有关的各种容限(如横移、角移、纵向位移)。具体地，这些曲线示出了在带带透镜光纤104和106(MFD＝10.4)中，和常规的单模光纤如SMF-28TM(MFD＝10.4)、大面积NE-DSF(MFD＝9.6微米)与NE-DSF(MFD＝8.4微米)的的对接连接器中横向、角向与纵向失准对损失的影响。在图8A与8C中可看出，大功率扩束连接器100(如带透镜光纤104与106)的横、纵向容限比传统对接连接器好得多。但在图8B可看出，大功率扩束连接器100的角失准容限则差得多。角失准较小的容限是大功率扩束连接器100较大的MFD造成的。因而大功率扩束连接器100的机械设计不允许倾斜。而且，最好有短的工作距离(如透镜间距)，因为若工作距离短，则角失准引起的横向失准很小。
参照图9，图示流程图说明大功率扩束连接器100较佳制作方法900的步骤。制作大功率扩束连接器100时，把第一带透镜光纤104插入第一套管108(步骤902)。同样把第二带透镜光纤106插入第二套管110(步骤904)。该例中，第一带透镜光纤104和第二带透镜光纤106都涂有防反射膜以减小回程损失(背射)。
之后，把第一套管108接至第二套管110(步骤906)，分几种方法执行，如可用图1的配准具112与一个或多个对准销114(未示出)一起对准和保持第一套管108和第二套管110，或者用例如键式插杆耦合插座把第一套管108与第二套管110相互连接起来。结果，第一套管108和第二套管110以某种方式相互紧固，使第一带透镜光纤104和第二带透镜光纤106对准并分开一预定距离。
第一套管108和第二套管110连接后，大功率扩束连接器100具体是第一带透镜光纤104能扩展其内传播的光束302，并向第二带透镜光纤106输出准直的光束302。第二带透镜光纤106收到准直的光束302就将它聚集，使光束302从第一带透镜光纤104传播到第二带透镜光纤106。以类似的方式，大功率扩束连接器100还能把光束302从第二带透镜光纤106发射到第一带透镜光纤104。
参照图10，图中照片示出本发明一示例大功率扩束连接器100的截面侧视图，包括两对带透镜光纤。
参照图11，该流程图示出大功率扩束连接器100较佳使用方法的诸步骤。大功率扩束连接器100的第一带透镜光纤104一般接到第一光学元件(如放 大器)(步骤1102)，同样将其第二带透镜光纤106接到第二光学元件(如放大器)(步骤1104)。
这样，大功率扩束连接器100已组装好。第一带透镜光纤104能扩展在其内传播的光束302并将准直的光束302输出给第二带透镜光纤106，后者接收并聚集准直的光束302，使光束302从第一带透镜光纤104传播到第二带透镜光纤106。以类似的方式，大功率扩束连接器100能将光束302从第二带透镜光纤106发射到第一带透镜光纤104。
虽然附图只示出本发明一个实施例并对其作了详述，但应理解，本发明并不限于该揭示的实施例，而是包括各种配置、更改与替代，这不违背以下权项所提出和限定的本发明精神。