分叉光学耦合装置和包含这种装置的分叉系统相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119要求2013年7月30日提交的美国临时申请
S/N.61/860,027的优先权权益，本申请基于该临时申请的内容并且该临时申请
的内容通过引用整体结合于此。
背景技术
本公开总地涉及光学装置且更具体地涉及分叉光学耦合装置以供在光
学应用中使用，光学应用包括但不限于空分复用(SDM)系统。
发明内容
本公开涉及分叉光学耦合装置以及包含这种装置的分叉系统。根据本公
开的一个实施例，提供一种光学耦合装置，包括多芯光纤对准站、单模光纤对
准站和分叉透镜组件。多芯光纤对准站包括多芯光纤对准硬件，配置为相对于
分叉透镜组件的光轴将多芯光纤定位在固定的位置处。单模光纤对准站包括单
模光纤对准硬件，配置为相对于分叉透镜组件的光轴将单模光纤定位在固定的
位置处。分叉透镜组件包括放大非球面表面、缩小非球面表面、分叉轴棱锥表
面以及凸轴棱锥表面。沿着光轴定位分叉透镜组件的非球面与轴棱锥表面以使
得放大非球面表面被定位在多芯光纤对准站与分叉轴棱锥表面之间，并且分叉
轴棱锥表面被定位在放大非球面表面与凸轴棱锥表面之间。凸轴棱锥表面被定
位在分叉轴棱锥表面与缩小非球面表面之间，缩小非球面表面被定位在凸轴棱
锥表面与单模光纤对准站之间。分叉轴棱锥表面包含至少一个分叉斜面部件
(slopecomponent)，配置为相对于分叉透镜组件的光轴在空间上分离在多芯
光纤对准站中对准的多芯光纤的光学模式。凸轴棱锥表面包含至少一个远心斜
面部件，配置为确保在多芯光纤对准站中对准的多芯光纤的光学模式在聚焦于
单模光纤对准站中对准的单模光纤的对应输入面时基本上是远心的。分叉和凸
轴棱锥表面相对于分叉透镜组件的光轴是旋转不变的。分叉透镜组件的非球面
与轴棱锥表面被配置为使得在多芯光纤对准站中对准的多芯光纤的光学模式
在空间上是分离的并且基本上远心地被映射到在单模光纤对准站中对准的分
叉单模光纤的对应光学模式。
本公开的附加实施例涉及一种光学耦合系统，包括光学耦合装置、多芯
光纤和多个单模光纤。多芯光纤被定位在相对于分叉透镜组件的光轴的固定的
位置处的多芯光纤对准站中。多个单模光纤被定位在相对于分叉透镜组件的光
轴的多个固定的位置处的单模光纤对准站中。分叉透镜组件的分叉轴棱锥表面
包含至少一个分叉斜面部件，配置为相对于分叉透镜组件的光轴在空间上分离
在多芯光纤对准站中对准的多芯光纤的光学模式。分叉透镜组件的凸轴棱锥表
面包含至少一个远心斜面部件，配置为确保在多芯光纤对准站中对准的多芯光
纤的光学模式在聚焦于单模光纤对准站中对准的单模光纤的对应输入面时基
本上是远心的。分叉透镜组件被配置为使得在多芯光纤对准站中对准的多芯光
纤的光学模式在空间上是分离的并且基本上远心地被映射到在单模光纤对准
站中对准的分叉单模光纤的对应光学模式。
在以下的详细描述中陈述了附加特征和优点，其中的部分特征和优点对
本领域的技术人员而言根据所作描述就容易理解，或者通过实施详细描述、权
利要求书以及附图所述的实施例而被认识。
应当理解的是，以上一般描述和以下详细描述两者仅表示本公开的一些
预想实施例的示例，并且它们仅旨在提供用于理解权利要求书的本质和特性的
概观或框架。
所包括的附图用于提供进一步的理解，且被结合到本说明书中并构成其
一部分。附图示出一个或多个实施例，并与说明书一起用来解释各实施例的原
理和操作。
附图说明
图1是本文描述的光学耦合系统的一个实施例的示意图；
图2是本文描述的多芯光纤的输出面的一个实施例的示意图；
图3是本文描述的单模光纤的输入面的一个实施例的示意图；
图4是本文描述的凸轴棱锥表面的一个实施例的示意性特写图；
图5是本文描述的凸轴棱锥表面的替代实施例的示意性特写图；以及
图6是本文描述的光学耦合系统的替代实施例的示意图。
具体实施方式
现在参见图1，光学耦合系统100包括多芯光纤对准站110、单模光纤
对准站120和分叉透镜组件130。光学耦合系统100进一步包括定位在多芯光
纤对准站110中的多芯光纤112和定位在单模光纤对准站120中的单模光纤
122。多芯光纤对准站110包括多芯光纤对准硬件114，配置为相对于分叉透镜
组件130的光轴140将多芯光纤112定位在固定的位置处。单模光纤对准站120
包括单模光纤对准硬件124，配置为相对于分叉透镜组件130的光轴140将单
模光纤122定位在固定的位置处。多芯光纤对准站110和单模光纤对准站120
可包括配置为相对于光轴140固定多芯光纤112或单模光纤122的位置的任意
对准硬件，诸如光纤连接器，例如包括FC连接器、SC连接器、LC连接器、
ST连接器、SP连接器等。光学耦合系统100被配置为在空间上分离多芯光纤
112的光学模式并将这些光学模式基本上远心地映射到单模光纤122的对应的
光纤模式，从而使得从多芯光纤112的每一个光纤芯发射的光功率耦合到单模
光纤122的对应的光纤芯，如在本文中讨论。
简短地参见图2，在正视图中示出多芯光纤112的输出面116的一个实
施例。多芯光纤112包括定位在输出面116上的纤芯118。当耦合到光源(未
示出)时，纤芯118可发射一光学模式。纤芯118例如可由玻璃或塑料形成并
且可具有大约10μm的纤芯直径。在其他实施例中，纤芯118可由替代材料形
成或者可具有不同的纤芯直径，诸如8μm或6μm。另外，输出面116上的纤
芯118的每一个可具有不同的直径。如图2所示，纤芯118可定位在矩形芯构
造(coreformation)中。在其他实施例中，纤芯118可处于另一个芯构造中，
诸如六角形芯构造、三角形芯构造、线型芯构造等。尽管在图1中示出八个纤
芯118，多芯光纤112可包括额外的或较少的纤芯。
在示出的实施例中，纤芯118中的四个定位在第一行123，纤芯118中
的四个定位在第二行125。纤芯118中的每一个在x方向上与相邻的纤芯118
在空间上相隔一距离126。在一些实施例中，距离126例如可以是47μm。在
其他实施例中，距离126可以多于或少于47μm。定位在第一行123的纤芯118
在y方向上与第二行125的纤芯118在空间上相隔一距离128。在一些实施例
中，距离128例如可以是94μm。在其他实施例中，第一行123的纤芯118与
第二行125的纤芯118分开的距离128可以多于或少于94μm。
纤芯118与多芯光纤112的纵轴132(示为一点)在空间上相隔了径向
距离r1134和r2136。在一些实施例中，纵轴132可定位在多芯光纤112的中
心，如图2所示，而在其他实施例中，纵轴132可定位在多芯光纤112的输出
面116上的另一位置处。根据多芯光纤112的芯构造，纤芯118可具有若干径
向距离。例如，在图2中，各纤芯138与纵轴132相隔了径向距离r1134，而
各纤芯142与纵轴132相隔了径向距离r2136。为了容易看出，绘出与各纤芯
138相交的具有半径r1134的圆144，并且绘出与各纤芯142相交的具有半径
r2136的圆146。在示出的实施例中，两个径向距离r1134和r2136足以与每
一组纤芯138、142相交。在其他实施例中，可需要更多或更少的径向距离来
与多芯光纤112的每一个纤芯相交。
现在参见图3，在正视图中绘出单模光纤122的输入面150。单模光纤
122包括定位在各个单模光纤122的输入面150上的纤芯152。如同多芯光纤
122，在此实施例中，单模光纤122包括矩形构造的纤芯152，四个纤芯152定
位在顶行154，四个纤芯152定位在底行156。纤芯152在x方向上在空间上
相隔一距离158且在y方向上相隔一距离160。此外，纤芯152与单模光纤122
的纵轴162(示为一点)相隔一径向距离。在一些情况中，纵轴162可能与多
芯光纤112的纵轴132是共同的。各纤芯164与纵轴162在空间上相隔一径向
距离r1166，而纤芯168与纵轴162在空间上相隔一径向距离r2170。示出圆
172、174以表示径向距离r1166和r2170在单模光纤122的输入面150上与相
应的各纤芯164、168的每一个相交。在示出的实施例中，两个径向距离r1166
和r2170足以与所有纤芯152相交，然而在其他实施例中，可能需要更多或更
少的径向距离。
单模光纤122的径向距离r1166和r2170可大于多芯光纤112的对应的
各个径向距离134、136。例如，单模光纤122的径向距离r1166与r2170之差
可以是大约50μm，而多芯光纤112的径向距离r1134与r2136之差可以是大
约30μm。多芯光纤112与单模光纤122之间的空间间隔的变化可影响分叉透
镜组件130的光学配置，诸如分叉斜面部件(slopecomponent)、远心斜面部件
的配置和/或分叉透镜组件130的轴棱锥表面之间的距离，如在本文中讨论。
返回参考图1，绘出光学耦合系统100的一个实施例。光学耦合系统100
包括定位在多芯光纤对准站110中的多芯光纤112、分叉透镜组件130和定位
在单模光纤对准站120中的单模光纤122。沿着光轴140定位每一个部件112、
130、122。沿着光轴140从多芯光纤112的输出面116的单个纤芯118中传播
的光学模式经由分叉透镜组件130传播到多个单模光纤122中的一个的输入面
150上的对应纤芯152。在此实施例中，输出面116还形成光学耦合系统100
中的物平面，同时输入面150形成光学耦合系统100中的像平面。
在示出的实施例中，分叉透镜组件130包括沿着光轴140定位的第一透
镜元件190和第二透镜元件200。在一些实施例中，第一与第二透镜元件190、
200可相对于彼此移动，或者在其他实施例中可相对于彼此固定。尽管示出的
实施例包括两个透镜元件190、200，其他实施例可包含更多或更少的透镜元件，
如在本文中讨论。
第一透镜元件190包括放大非球面表面192和分叉轴棱锥表面194。第
二透镜元件200包括凸轴棱锥表面196和缩小非球面表面198。放大非球面表
面192可被定位在多芯光学112与分叉轴棱锥表面194之间。放大非球面表面
192例如可包括非球面透镜并且可减小经由此放大非球面表面192传播的光学
模式的球面像差和/或光学像差。放大非球面表面192关于光轴140可具有对称
的外形，或者更具体地，可相对于分叉透镜组件130的光轴140是旋转不变的。
放大非球面表面192可在分叉轴棱锥表面194附近产生多芯光纤112的纤芯118
的放大的像。
分叉轴棱锥表面194可被定位在放大非球面表面192与凸轴棱锥表面
196之间。分叉轴棱锥表面194例如可包括轴棱锥透镜。分叉轴棱锥表面194
包括具有分叉斜面部件202的锥形表面。分叉轴棱锥表面194包含至少一个分
叉斜面部件202，配置为相对于分叉透镜组件130的光轴140在空间上分离在
多芯光纤对准站110中对准的多芯光纤112的光学模式。分叉轴棱锥表面194
具有一致的分叉斜面部件202，使得分叉轴棱锥表面194相对于分叉透镜组件
130的光轴140是旋转不变的。因为放大非球面表面192和分叉轴棱锥表面194
可以是旋转不变的，第一透镜元件190可不需要特定方位定向。尽管分叉轴棱
锥表面194被示有单个分叉斜面部件202，分叉轴棱锥表面194可具有额外的
斜面部件或与光轴140垂直的平台区域，从而使分叉轴棱锥表面194成为一复
合轴棱锥表面，如在本文中讨论。图4和5(在下面更详细地描述)示出具有
多个斜面部件的轴棱锥表面的两个示例。
分叉轴棱锥表面194可被配置为分离来自多芯光纤112的纤芯118的光
学模式以使得各个光学模式获得基本上等于单模光纤122的空间间隔的空间间
隔。分叉轴棱锥表面194的目的是以获取多芯光纤112的像平面或输出面116
处的光学模式的适当间距的方式来分离这些光学模式。空间间隔与分叉轴棱锥
表面194的分叉斜面角度(例如，分叉斜面部件202)以及分叉轴棱锥表面194
到凸轴棱锥表面196之间的距离204有关，如在下文中讨论。在一些实施例中，
单模光纤122的空间间隔可比多芯光纤112的空间间隔更宽，但在其他实施例
中，单模光纤122的空间间隔可比多芯光纤112的空间间隔更窄。根据与多芯
光纤112的所有纤芯118相交所需要的径向距离的数量，分叉轴棱锥表面194
可具有附加的分叉斜面部件。例如，图2中的多芯光纤112包括两个径向距离
r1134和r2136，径向距离r1134和r2136各自与纤芯118中的四个相交。因
此，分叉轴棱锥表面194可具有至少两个分叉斜面部件。
第二透镜元件200包括凸轴棱锥表面196和缩小非球面表面198。可沿
着光轴140将凸轴棱锥表面196定位在分叉轴棱锥表面194与缩小非球面表面
198之间。在一些实施例中，凸轴棱锥表面196可与分叉轴棱锥表面194分开
一距离204来定位并且可相对于分叉轴棱锥表面194移动。距离204可影响分
叉斜面部件202的配置并且可被配置为获得不同的空间间隔。凸轴棱锥表面196
可被配置为确保经由第二透镜元件200传播的聚焦在单模光纤芯152上的光学
模式基本上是远心的。凸轴棱锥表面196例如可包括轴棱锥透镜并且还可包括
具有远心斜面部件206的锥形表面。远心斜面部件206可以是恒定的，使得凸
轴棱锥表面196相对于分叉透镜组件130的光轴140是旋转不变的。远心斜面
部件206可等于或不同于分叉斜面部件202。
尽管仅示出单个远心斜面部件206，可包括附加的远心斜面部件或平坦
的表面，再一次取决于多芯光纤112的径向距离的数量，如在本文中讨论。凸
轴棱锥表面196可将从分叉轴棱锥表面194中传播的光学模式投影到缩小非球
面表面198，并且随后投影到单模光纤122的输入面150处的纤芯152。凸轴
棱锥表面196可被配置为使得从多芯光纤112的纤芯118中传播的光学模式基
本上远心地映射到单模光纤122的对应纤芯152。通过基本上远心地映射光学
模式，光学模式的模式尺寸可由凸轴棱锥表面196保持基本上不变。注意到，
“基本上”远心的映射允许与完美远心的映射有某种程度的偏离，即达到大约
10％，或更完美地，5％或更低，诸如1％，依据传播光学模式与接收光纤的光
学模式的横截面未对准的程度。
图4和5示出具有多个斜面部件的轴棱锥表面的两个示例。在图4中，
凸轴棱锥表面210的过度部分被示有第一远心斜面部件212和第二远心斜面部
件214。为了容易看出，第一远心斜面部件212与第二远心斜面部件214之间
的斜率差别被夸大。此实施例被配置为与限定设置在两个不同径向距离处的光
学模式的多芯光纤一起使用，一个远心斜面部件被配置为远心地投影多芯光纤
的输出面的内径向距离处的纤芯的光学模式，另一个远心斜面部件被配置为远
心地投影多芯光纤的输出面的外径向距离处的纤芯的光学模式。
在图5中，凸轴棱锥表面220的过度部分包括远心斜面部件224和垂直
于光轴的平坦部分222。此实施例被配置为允许定位在多芯光纤的输出面的中
心附近或中心处的光学模式直接经过凸轴棱锥表面220传播而不改变光学属
性，诸如光学模式的模式尺寸或形状。例如，具有围绕中央芯的六个纤芯的六
角形布置的几何结构的多芯光纤可使用分叉透镜组件(诸如分叉透镜组件130)
来光学地耦合，此分叉透镜组件包含一对复合的分叉轴棱锥表面和凸轴棱锥表
面(例如，凸轴棱锥表面220)，此凸轴棱锥表面具有针对中央芯的平坦中央
区域且具有针对六个周围芯的适当斜角。对应的分叉轴棱锥表面(未示出)也
可具有对应的平坦部分以允许经过分叉透镜组件传播的光学模式能够传播而
不干扰光学模式的光学属性。
返回参考图1，缩小非球面表面198可被定位在凸轴棱锥表面196与单
模光纤122之间。放大非球面表面198例如可包括非球面透镜并且可减小经由
此分叉透镜组件130传播的光学模式的球面像差和/或光学像差。缩小非球面表
面198可具有关于光轴140的对称外形，或者更具体地，可相对于分叉透镜组
件130的光轴140是旋转不变的。缩小非球面表面198可被配置为缩小放大非
球面表面192所产生的多芯光纤112的纤芯的放大像，从而使得单模光纤芯152
接收多芯光纤112的纤芯118所发射的基本上同等尺寸模式场。
光学模式可从多芯光纤112的各个纤芯118中发射。由于光学模式经由
光学耦合系统100传播，此光学模式可被放大非球面表面192放大。放大非球
面表面192放大光学模式并且可调节光学模式的模式场尺寸。第一透镜元件190
的放大非球面表面192在第一透镜元件190的分叉轴棱锥表面194的附近形成
多芯光纤112的放大的像。由于光学模式从放大非球面表面192传播到分叉轴
棱锥表面194，分叉轴棱锥表面194包含分叉斜面部件202，其允许分叉轴棱
锥表面194将该光学模式与从多芯光纤112的输出面116上的纤芯118中发射
的其它光学模式分离以获得基本上等于单模光纤122的空间间隔的空间间隔。
由于光学模式传播跨越分叉轴棱锥表面194与凸轴棱锥表面196之间的距离
204(如果有的话)，凸轴棱锥表面196将该光学模式基本上远心地投影到缩
小非球面表面198。凸轴棱锥表面196包含远心斜面部件206，配置为允许凸
轴棱锥表面196将来自多芯光纤112的纤芯118的光学模式基本上远心地投影
到单模光纤122的对应纤芯152。由于光学模式从凸轴棱锥表面196传播到缩
小非球面表面198，缩小非球面表面198缩小由放大非球面表面192放大的纤
芯118的像，从而使得单模光纤芯152接收多芯光纤112的纤芯118所发射的
同等尺寸模式场。因此，光学模式从多芯光纤112的纤芯118映射到单模光纤
122的对应纤芯152且具有基本上相同的模式尺寸、模式场和空间间隔。光学
耦合系统100可以不是单向的，并且还可将来自单模光纤122的光学模式耦合
到多芯光纤芯118的阵列，或者能以其他方式与在相反方向上传播的光学模式
一起反向使用。
现在参考图6，示出了光学耦合系统300的替代实施例。在此实施例中，
分叉透镜组件310包括聚光透镜元件320、轴棱锥元件330和散光透镜元件340。
聚光、轴棱锥和散光透镜元件320、330、340中的每一个相对于光学耦合系统
300的光轴140可以是旋转不变的。因为透镜元件可以是旋转不变的，透镜元
件320、330、340的对准可比其他光学耦合系统较不耗时。
聚光透镜元件320包括定位在多芯光纤326附近的一端324上的放大非
球面表面322，以及定位在相反端332上的标准平坦或者稍微凸或凹的表面
328。可沿着光轴334将聚光透镜元件320定位在多芯光纤326与轴棱锥330
之间。聚光透镜元件320被配置为将多芯光纤326的纤芯336的放大像投影到
轴棱锥元件330上。轴棱锥元件330可被定位靠近聚光透镜元件320且在聚光
透镜元件320与散光透镜元件340之间。轴棱锥330可包括分叉轴棱锥表面342
和凸轴棱锥表面334。分叉轴棱锥表面342包括分叉斜面部件346，凸轴棱锥
表面344包括远心斜面部件348。在此实施例中，分叉斜面部件346被配置为
在空间上分离多芯光纤326的光学模式以基本上等于单模光纤360的光学模式
的空间间隔，如上所述。远心斜面部件348被配置为保持多芯光纤326的光学
模式的模式尺寸并将多芯光纤326的光学模式映射到单模光纤360的对应光学
模式358，如上所述。散光透镜元件340包括缩小非球面表面350，配置为缩
小放大非球面表面322所放大的多芯光纤326的光学模式的像。放大非球面表
面350可被定位在接近单模光纤360的一端352处。散光透镜元件340还可包
括散光透镜元件340的相反端356处的标准平坦的或稍微凸的或凹的表面354。
在图6中示出的光学耦合系统300的三个透镜元件320、330、340实施
例中，存在光学模式将传播的总共六个表面322、328、342、344、354、350，
当与具有光学模式将传播的总共仅四个表面的光学耦合系统(图1所示)的两
个透镜元件实施例相比较时，这会导致增加的反射损耗。然而，附加的表面可
实现光学耦合系统300的附加自由度，这可允许光学耦合系统300设计的优化
并减小耦合损耗。
各实施例通过以下示例将更为清楚。
示例1在使用图1所示的光学耦合系统100执行的实验中，该光学耦合
系统100具有多芯光纤和单模光纤122，该多芯光纤的纤芯具有大约10μm的
直径和大约r153μm和大约r285μm的空间间隔，该单模光纤具有大约10μm
的直径和大约r1142μm和大约r2229μm的空间间隔。初始模式场直径大约为
10um。在此示例中，单模光纤芯的阵列的位置大约处于多芯光纤的纤芯的2.7X
放大率。为了实现有效的耦合，各个纤芯的放大率可能需要统一。在此实施例
中，多芯光纤的输出面是图1中的物平面，单模光纤的输入面是像平面。因此，
光学耦合系统放大多芯光纤的纤芯大约4.5X以匹配单模光纤的纤芯的空间间
隔。此像然后被缩小非球面表面缩小以确保此系统的总体放大率统一。
此实验中的光学耦合系统的结果指出模式场的尺寸增大大约10％。模式
场直径的这种增大意味着非常低水平的耦合损耗，诸如小于0.1dB。所获得的
另一个度量是像平面处的光学模式的均方根(rms)波前误差。对于内芯和外
芯两者传播大约400nm与大约1600nm之间的光信号，rms波前误差小于1/75。
另外，模式场的变化被测为小于或等于大约10％，且在一些情况下，测得小于
或等于大约5％的模式场的变化。
上述公开可在具有不同空间间隔和布置的光纤之间提供有效的光学耦
合。因为本文所述的光学耦合系统和装置是旋转不变的，可不需要精确对准和
/或特定方位定向，这可导致安装与可制造性的时间减少和简易性增加。另外，
模式场和模式尺寸可保持基本上不变且是远心的，耦合损耗会最小，产生有效
的光学耦合。
出于描述和定义本发明的目的，注意在本文中采用术语“基本上”、“大约”
和“约”来表示可归因于任何定量比较、数值、度量、或其它表示的固有不确
定度。本文还采用这些术语来表示定量表示可以偏离规定参考值而不会导致所
讨论的主题的基本功能改变的程度。
注意到，本文中对本公开的部件以特定方式“配置”以使特定属性具体
化、或以特定方式起作用的叙述都是结构性的叙述，与期望用途的叙述相对。
更特别地，本文提到组件“构造”的方式是指所述组件的存在的物理条件，并且
同样地被作为组件的结构特征的明确表述。
注意，所附权利要求中的一项或多项使用术语“其特征在于”作为过渡短
语。出于限定本发明的目的，应注意该术语是作为开放式的过渡短语而被引入
所附权利要求中的，该开放式的过渡短语用于引入对所述结构的一系列特性的
记载，且应当按照与更常用的开放式前序术语“包括”相似的方式进行解释。
对本领域技术人员显而易见的是在不背离本发明的精神或范围的情况
下可作出各种修改和变化。由于纳入本发明的精神和实质的所披露实施例的修
正组合、子组合和变型对本领域内技术人员是显而易见的，因此本发明应当被
解释成包括在所附权利要求书及其等效物的范围内的任何东西。