政府权利：本发明是在美国政府支持下完成的，合同号为 DASG60-02-C-0012，该合同由美国陆军与导弹防御司令部(U.S.Army and Missile Defense Command)签订。美国政府享有对本发明的一定权利
渐变型折射率(GRIN)透镜已广泛地用于光学元件和器件中作 为准直透镜，聚焦透镜和耦合透镜。GRIN透镜的折射率值随与透镜 轴的径向距离而变化。平方率GRIN透镜的折射率可以用以下公式表 示：

其中n0是透镜轴的折射率，r是与中心轴的径向距离，而g是聚 焦参数。在GRIN透镜中，在到达透镜的后表面之前，光线遵照正弦 路径。传播通过一个节距的光线经历一个正弦波周期，节距描述该透 镜的特征。最常用的GRIN透镜结构是1/4节距长度(一个正弦波周 期的1/4长度)。透镜直径(＞1mm)远远大于光纤直径(125μm)， 这使器件组装复杂化和影响可靠性。此外，GRIN透镜是利用离子交 换方法制成，它往往是有毒和昂贵的。
利用一小段渐变型折射率(GRIN)多模光纤作为透镜与使用常 规GRIN透镜比较有下列的优点：尺寸小，成本低，共同的光纤/透镜 直径，和稳定的(熔融)光纤/透镜界面。唯一的限制因素是可以获得 的光束扩展量和工作距离长度。
1987年发给W.L.Emkey的U.S.Patent No.4,701,011公开一种 熔融合适长度GRIN光纤到单模光纤的端面以代替常规1/4节距 GRIN透镜的方法。GRIN透镜因此用作透镜，但它比利用环氧树脂 粘接到光纤端面的常规1/4节距GRIN透镜有许多优点。具体地说， 可以减小与环氧树脂粘接装置相关的失准，因为可以选取GRIN光纤 与单模光纤有相同的外直径。此外，使用一段光纤作为透镜允许利用 熔融连接代替环氧树脂连接，它在光纤与透镜之间形成更稳定和牢固 的界面。W.L.Emkey在Journal of Lightwave Technology，LT-5(9)， 1987，pp.1156-1164中还报告透镜的制造方法和性能分析。
2003年4月1日发给W.A.Reed的U.S.Patent No.6,542,665 B2 公开一种改进GRIN光纤透镜的方法。具体地说，GRIN光纤透镜有 这样的径向折射率分布，它可以增大发射光束的瑞利范围。增大的瑞 利范围改进光束的准直性，因此，光纤可以在更大的距离范围内耦合 到其他的光学器件。
2000年1月11日发给M.Thual的U.S.Patent No.6,014,483公 开一种在GRIN光纤与单模光纤之间包含熔融一段特定长度的纯石英 无纤芯光纤的方法。在Thual的专利中，石英的作用是空间扩展来自 单模光纤的输出光束。必须准确地控制该长度以保证光束的直径不大 于光纤的直径。这种扩展使得利用整个渐变型折射率体积成为可能。 然后，最大范围利用该段渐变型折射率部分作为透镜，因为光束占有 的体积等于渐变型折射率体积。利用在渐变型折射率透镜与单模光纤 之间插入的石英光纤，最大模场直径为80μm而不是28μm，且光纤 之间的最大距离是1.8mm而不是460μm，耦合损耗在这两种情况下 是相当的(0.5dB)。
1988年6月30日发给K.Shiraishi的U.S.Patent No.5,774,607 公开一种制作光纤透镜的方法，它是在单模光纤与半球面无纤芯光纤 之间熔融平方率折射率光纤。K.Shiraishi在Journal of Lightwave Technology，15(2)，1997，pp.356-363中分析该方法。
2003年7月15日发给L.Ukrainczyk的U.S.Patent No.6,594,419 B2公开一种通过连接单模光纤到锥形渐变型折射率多模光纤制成的 光纤透镜，如该专利中的图4所示。
2000年10月10日发给K.Shiraishi的U.S.Patent No.6,130,972 公开一种通过单模光纤与两个渐变型折射率多模光纤的级联制成光纤 透镜的方法，这两个多模光纤有不同的平方率折射率分布。第二个多 模光纤可以有凸的远端面或可以与有凸远端面的各向同性无芯光纤连 接。K.Shiraishi et al.在Journal of Lightwave Technology，18(6)， 2000，pp.787-2000中也报告该方法。
1995年1月24日发给S.Hirai的U.S.Patent No.5,384,874公开 一种光纤透镜。在Hirai的专利中，直径与光纤外直径相差不大的棒 状透镜整体连接到单模光纤。若渐变型折射率光纤的直径大于单模光 纤的直径，则传输通过单模光纤的大部分光可以进入渐变型折射率光 纤，或可以得到较大直径光束中互相平行的光线，因此，确认设置渐 变型折射率光纤的长度的参考点是更容易。
我们仍然迫切需要这样一种GRIN光纤，它能够扩展光束到较大 的直径并增大其工作距离。

本发明提供一种结构紧凑，低成本且很牢固的光纤准直透镜和透 镜阵列，这种光纤准直透镜和透镜阵列能够实现大的光束直径和长的 工作距离。
这是在诸如Corning SMF-28的标准单模输入光纤与通常为1/4 节距或略长的GRIN光纤透镜之间拼接一段特殊单模光纤实现的。专 用光纤把输入光纤中光束的模场直径(MFD)压缩成较小的MFD。 因此，由于专用光纤的较大发散角，光纤准直透镜可以提供较大的光 束扩展，从而提供较长的工作距离。
根据以下结合附图对优选实施例的详细描述，专业人员显然理解 本发明的这些和其他特征和优点。

图1a和1b是按照本发明光纤准直透镜和光束变化模场直径的侧 视图；
图2是用于光耦合的一对光纤准直透镜的侧视图；
图3说明MFD对光纤准直透镜工作距离和光束腰直径的影响；
图4a至4c是说明按照本发明光纤准直透镜制造过程的侧视图；
图5是本发明另一个实施例的侧视图；
图6a和6b是本发明另一个实施例的侧视图；
图7a至7c是光纤准直透镜阵列的多个视图；和
图8是诸如AWG的波导元件中所用光纤透镜和阵列的侧视图。

本发明提供一种结构紧凑，低成本且很牢固的光纤准直透镜和透 镜阵列，用于准直光束以提供大的光束直径和长的工作距离。光纤准 直透镜是可逆的，可以把GRIN光纤中传播的准直光束从一个较大光 束直径聚焦到标准SMF中。
与SMF/GRIN光纤组合有关的问题是标准SMF的光束传播特征 不能与光纤GRIN透镜很好匹配。因此，不能扩展光束以充满GRIN 光纤的多模纤芯，从而限制光纤准直透镜的工作距离。模场直径 (MFD)是单模光纤中电磁场强度减小至其最大值1/e的直径，即， 其功率减小至标准SMF中最大功率的1/e2，标准SMF的模场直径是 相对地大，例如，SMF-28。典型的数值是在1550nm下为10.4μm， 和在1310nm下为9.2μm。大的MFD在SMF与GRIN光纤之间的界 面产生小的发散角，从而限制光的束扩展和没有充分利用大的多模纤 芯。从另一个角度考虑这个问题是，SMF的数值孔径(NA)是远远 小于GRIN光纤的NA，典型的关系是0.14比0.2-0.6。若可以减小标 准通信单模光纤的MFD或增大NA，则可以缓解这个问题。然而，这 是不切实际的，因为较小的MFD就增大信号光束在光纤中的传播损 耗和光非线性效应。在远程光纤网络中，光信号可以传输几千公里， 因此，传播损耗和线性度是关键的参数。
如图1a和1b所示，一段专用单模光纤10拼接在输入单模光纤 12与一段渐变型折射率多模(GRIN)光纤14之间，为的是有效地匹 配SMF与GRIN光纤而没有对传播损耗或非线性产生负面的影响。 专用光纤10把单模光纤12中传播的光束18的MFD 16压缩成专用光 纤中较小的MFD 20。较小的MFD 20在GRIN光纤的输入端产生较 大的发散角21，从而允许光束18更快地扩展成较大的光束直径22， 它可以大致充满GRIN光纤14的多模纤芯24。专用光纤的MFD 20 最好选取成限制扩展光束到多模纤芯以避免折射和大的光损耗。理想 的光束直径至少为多模纤芯的60％，更好的是80％，最好是95％。 因此，光纤准直透镜26(三段拼接的光纤)比普通光纤准直透镜提供 较长的工作距离和较大的光束扩展。
一般地说，输入单模光纤12的MFD在1550nm的远程传输基 准波长下为8-12μm。光纤的纤芯28直径为7-10μm，而包层30的外 直径为125μm。非常普通的输入光纤是Corning SMF-28，它的MFD 在1550nm下约为10.4μm和在1310nm下约为9.2μm，纤芯为8.2μm， 和外包层直径为125μm。专用单模光纤10的MFD通常为1-6μm。该 光纤中纤芯32的合适直径为1-6μm，而包层34有与标准单模光纤相 同的外直径，例如，125μm。专用光纤的长度不是关键的；它仅需要 足够的长度以压缩光束的MFD。典型的长度为2mm至50mm。GRIN 光纤14中多模纤芯36的合适直径50-300μm，而包层38的合适外直 径为125-400μm。GRIN光纤的长度通常是1/4节距或稍长，可以使 光束腰直径或工作距离最大化。GRIN光纤的长度可以是1/4节距的 倍数。这些光纤通常是，但不必是，未掺杂的石英玻璃光纤。
如图2所示，在许多光学系统中，光束40是从一个光纤准直透 镜42耦合到第二个对称排列的光纤准直透镜44。来自单模光纤46的 光束被一个专用光纤和GRIN光纤透镜对48准直。另一个GRIN光 纤透镜和专用光纤对50收集该光束并把它聚焦到另一个单模光纤52。 自由空间或光波导元件和器件54可以插入在两个GRIN光纤透镜之 间。两个GRIN光纤之间的距离是光束腰(MFD0)位置zW的两倍， 该距离定义为工作距离58。工作距离确定多大的光学元件或器件54 可以插入在光纤透镜对之间。光束腰影响耦合效率，即，损耗。大的 光束腰可以给光纤对的对准和耦合提供较大的容差。
可以把光纤透镜中的光束分析为所示的高斯光束。在离开透镜之 后，光束40的特征是由它的腰直径(MFD0)和位置(zW)表示：
(2)   ${\mathrm{MFD}}_0=\frac{2\lambda }{\pi n_{0}g{w}_0{[{\sin }^2\left(\mathrm{gl}\right)+\left(\frac{\lambda }{\pi n_{0}g{w}_0^2}\right){\cos }^2\left(\mathrm{gl}\right)]}^{1/2}}$
和
(3)        $z_w=\frac{[1-{\left(\frac{a_0}{n_{0}g}\right)}^2]\sin \left(\mathrm{gl}\right)\cos \left(\mathrm{gl}\right)}{n_{0}g[{\sin }^2\left(\mathrm{gl}\right)+{\left(\frac{a_0}{n_{0}g}\right)}^2{\cos }^2\left(\mathrm{gl}\right)]}$
其中w0是单模光纤的模场半径，l是透镜长度，和a0是由下式给 出：$a_0=\frac{\lambda }{\pi w_0^2},$n0是透镜轴的折射率，g是聚焦参数，和λ是光波长。
图3表示标准SMF或专用光纤的单模光纤MFD对工作距离和 标准渐变型折射率光纤透镜输出光束腰直径的影响，该光纤是1/4节 距的GRIN光纤(曲线60)和略大于1/4节距的GRIN光纤。当单模 光纤的MFD减小时，光束腰直径和工作距离都增大。
如以上所讨论的，标准通信单模光纤有相对大的MFD，例如， SMF-28在1550nm下的MFD为10.4μm。在正常的工作波长下，MFD 通常为8-12μm。对于MFD在1550nm下为10.4μm，若透镜长度是 1/4节距(曲线60)，则最大光束直径64约为32.8μm。若透镜长度 略微大于1/4节距(曲线62)，则最大工作距离66仅为488μm。相 应的光束腰仅仅约为24.4μm。这种小的光束直径和短的工作距离对于 光耦合和运行都是不利的，并使可靠的封装更加复杂和昂贵，有时甚 至是不可能的。
在输入光纤与GRIN光纤之间插入专用单模光纤可以有效地减 小输入光纤的模场直径，从而使图3中的曲线向左移。在刚才描述的 例子中，专用单模光纤把输入光纤中的MFD为10.4μm压缩成专用光 纤中的4μm。因此，最大光束直径67在1/4节距处约为86μm。若透 镜的长度比1/4节距略长，则最大工作距离68约为3660μm，而光束 腰仍然是60.6μm。光束直径和工作距离的改善是很显著的。
如上所述，还可以利用数值孔径(NA)描述问题的性质和插入 专用光纤提供的解决方案。光纤的数值孔径是传播光束发散度的量度， 且对于单模光纤和多模光纤有以下的定义：
(4)NA＝(ncore 2-ncl 2)1/2
其中ncore是阶跃型折射率光纤中纤芯的折射率或渐变型折射率 光纤中光纤中心的折射率，和ncl是光纤包层的折射率。标准SMF的 NA为0.08-0.17，典型的NA约为0.14，而典型多模GRIN光纤的NA 约为0.2-0.6。因此，从SMF光纤发散的光扩展不足以充满多模纤芯， 从而导致较小的光束直径和较短的工作距离。由于光通信网中最优选 考虑的是传播损耗和非线性，不能增大SMF的NA使它与GRIN光 纤匹配。
选取专用单模光纤使它的NA与多模GRIN光纤的NA匹配。实 际上，专用光纤的NA最好是略微小，为的是保证光束局限在多模纤 芯内以避免折射。因此，从专用单模光纤发散的光束很快地扩展使它 大致充满多模纤芯，从而得到较大的光束直径和较长的工作距离。
单模光纤的MFD与它的NA是互相联系的，高的NA孔径对应 于小的MFD。换句话说，为了把光束限定在小的MFD中，应当有大 的NA，从而有较大的发散角。MFD与NA之间的区别是，NA仅仅 是纤芯和包层玻璃折射率的函数，而MFD是NA和纤芯直径的函数。 按照习惯，MFD通常用于计算单模光纤中光束的传播。
在小巧，成本低和牢固的熔融光纤透镜中具有扩展光束成较大直 径和具有较长工作距离的能力在整个通信工业中有许多应用。例如， 这种准直器和准直器阵列可用于开关，分插器件，隔离器，环行器， 等等。
如图4a和4b所示，利用标准光纤处理技术制造光纤准直透镜。 切割单模输入光纤70和专用单模光纤72并把它们熔接在一起。可能 需要预熔融专用光纤以保证低的损耗。把专用单模光纤72切割成所需 的长度。其次，切割渐变型折射率多模光纤74并把它熔接到专用光纤 的远端。把多模光纤74切割成所需的长度，例如，1/4节距或略长。 让多模光纤74的远端接受抛光或放电处理以使表面光滑。
在以下的实施例中，单模输入光纤是SMF-28，虽然还可以利用 其他的标准单模光纤，例如，LEAF光纤。为了进行比较，还展示把 SMF-28熔融到GRIN光纤中以制成光纤准直透镜的性质(“控制”)。
实施例1
把专用单模光纤10(1550nm下的MFD为4μm)夹在输入单模 光纤12(SMF-28在1550nm下的MFD为10.4μm)与渐变型折射率 多模光纤透镜14(62.5/125)之间。表1中给出1/4节距长度，光束 腰，和最大工作距离。
表1
  参数   实施例1   控制   1/4节距长度(μm)   266   266   1/4节距长度处的光束腰直径(μm)   56   21.6   最大工作距离(mm)   1.78   0.18   最大工作距离时的光束腰直径(μm)   40   17
把专用单模光纤10(1310nm下的MFD为3.3μm)夹在输入单 模光纤12(SMF-28在1310nm下的MFD为9.2μm)与渐变型折射 率多模光纤透镜14(62.5/125)之间。表2给出1/4节距长度，光束 腰，和最大工作距离。
表2
  参数   实施例1   控制   1/4节距长度(μm)   266   266   1/4节距长度处的光束腰直径(μm)   57.4   20.6   最大工作距离(mm)   1.97   0.204   最大工作距离时的光束腰直径(μm)   40.4   16
实施例2
把专用单模光纤80(1550nm下的MFD为4μm)夹在输入单模 光纤82(SMF-28在1550nm下的MFD为10.4μm)与渐变型折射率 多模光纤透镜84(100/140)之间。如图5所示，透镜光纤84的外直 径略微大于SMF光纤的125μm标准直径。表3给出1/4节距长度， 光束腰，和最大工作距离。
表3
  参数   实施例1   控制   1/4节距长度(μm)   404   404   1/4节距长度处的光束腰直径(μm)   86   32.8   最大工作距离(mm)   3.66   0.488   最大工作距离时的光束腰直径(μm)   60.6   24.4
把专用单模光纤80(1310nm下的MFD为3.3μm)夹在输入单 模光纤82(SMF-28在1310nm下的MFD为9.2μm)与渐变型折射 率多模光纤透镜84(100/140)之间。表4给出1/4节距长度，光束腰， 和最大工作距离。
表4
  参数   实施例1   控制   1/4节距长度(μm)   404   404   1/4节距长度处的光束腰直径(μm)   87.2   31.2   最大工作距离(mm)   4.55   0.535   最大工作距离时的光束腰直径(μm)   61   23
实施例3
为了进一步增大光纤准直透镜26的工作距离，如图6a所示，可 以利用凸表面90制成GRIN光纤14的远端。利用基于放电或化学蚀 刻的热熔融，可以制成凸表面。
或者，可以熔融有均匀折射率的无纤芯光纤92到GRIN光纤14 的远端。可以利用基于放电或化学蚀刻的加热处理，熔融无纤芯光纤 的远端以制成半球面94，如图6b所示。
实施例4
因为光纤准直透镜100可以有与标准通信光纤相同的外直径，所 以，可以容易地把光纤透镜排列在标准的光具座中，例如，图7a-7b 所示的V型槽阵列102。光纤准直透镜100(输入SMF光纤104，专 用单模光纤106和GRIN光纤108)制成在有保护套112的较长绞合 标准SMF光纤104的一端，合适的长度是250μm。因为每个构成部 件的尺寸是标准的，所以，较容易满足阵列的对准要求。如图7c所示， 在两个光纤透镜阵列116之间可以插入自由空间的光学元件和装置 114。整个装置可以小型化，从而降低成本和尺寸。例如，光纤透镜阵 列可以在光开关中使用较小的微机电系统(MEMS)反射镜。
实施例5
在以上的实施例中，光纤透镜的作用是光准直器。光纤透镜还可 以作为波导元件的耦合透镜。通常是，波导有不同于标准光纤的模场 直径。为了改变透镜的长度，可以在很大的范围内制作光纤透镜的光 斑尺寸和工作距离。这种性质在波导元件中有重要的应用。例如，具 有1/2节距或一个节距长度的光纤透镜可以提供较小的光斑尺寸，以 及与标准光纤耦合比较，它与阵列波导光栅(AWG)之间有更好的耦 合容差。如图8所示，单个光纤透镜120把来自标准SMF光纤121 的光束耦合到AWG 122中。光纤透镜阵列124从AWG收集光，并 把它耦合到标准SMF光纤126中。
虽然我们已展示和描述本发明的几个典型实施例，但是，专业人 员可以提出各种改动和其他的实施例。在不偏离所附权利要求书限定 本发明的精神和范围内，可以设想这种改动和其他的实施例。