專利名稱：具有高耦合效率及低反饋噪聲的光纖耦合激光二極管器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖耦合激光二極管，特別涉及具有高耦合效率及低反饋噪聲的光纖耦合激光二極管器件。
背景技術(shù)：
光纖耦合激光二極管使用光纖傳導(dǎo)激光二極管發(fā)出的光。自激光二極管發(fā)出的光被引入光纖后，光纖耦合激光二極管即可方便地用在通訊和探測(cè)的光纖網(wǎng)絡(luò)中。此外，光纖耦合激光二極管是一種適應(yīng)性強(qiáng)的相干光源，亦可用于多種光學(xué)設(shè)備中，如生物醫(yī)學(xué)設(shè)備、光盤系統(tǒng)、激光打印機(jī)及其它等。一個(gè)好的光纖耦合激光二極管必須提供高耦合效率，以獲得最大的光纖光能輸出，及低反饋噪聲，以抑制輸出光的頻率及強(qiáng)度波動(dòng)。
為了獲得激光二極管與單模光纖間的高耦合效率，即使通過光纖傳輸?shù)墓饽茌敵鲎畲蠡?，激光二極管的光分布必須與光纖的模式匹配。(例如，見M.Saruwatari andK.Nawata，”Semiconductor laser to single-mode fiber coupler”，Applied Optics，Vol.18，1847-1856(1979)；M.Cote and R.R.Shannon，Optimization of waveguide coupling lenses withoptical design software”，Applied Optics，Vol.35，6179-6185(1996))單模光纖的模式是高斯分布。如果該光分布與光纖的模式不匹配，則只有部分的光進(jìn)入光纖并在其中傳播，這樣從光纖輸出的光能低。相反，如果光的分布與光纖的模式匹配，則全部的光會(huì)進(jìn)入光纖并在其中傳播，因而耦合效率可接近100％。換句話說，幾乎所有從激光二極管發(fā)射出的光能可通過光纖中傳播。
從激光二極管發(fā)射出的光為具有像散的橢圓形高斯分布。因此，此發(fā)射光應(yīng)修正為消像散的圓形高斯光束。在J.J.Snyder，“Cylindrical micro-optics”，Proceedings of SPIE，Vol.1992，235-246(1993)；S.Jutamulia，“Correction of laser diode beam using microlensoptics”，Optical Memory and Nural Networks，Vol.10，113-116(2001)；及Snyder的1993年的專利號(hào)為5,181,224的美國專利中介紹了一種使用微透鏡對(duì)激光二極管發(fā)射出的光進(jìn)行修正的方法。
將激光二極管的光修正為消像散的圓形高斯光束后，使用一成像透鏡將其聚焦于單模光纖的入口。修正后的高斯光束的束腰可通過調(diào)節(jié)微透鏡至成像透鏡的距離及成像透鏡至光纖的距離進(jìn)行改變，使之與光纖的模式匹配。
已有技術(shù)使用微透鏡的光纖耦合激光二極管如圖1所示。從激光二極管20發(fā)射出的具有像散的橢圓光束被一微透鏡22修正為一消像散的圓形高斯光束。接著修正后的光束被一成像透鏡24聚焦到一單模光纖26上。
盡管因該光分布與光纖的模式匹配，可期望得到高的耦合效率，但仍存在一嚴(yán)重的缺點(diǎn)，即高反饋噪聲。這一點(diǎn)將在下面討論。由于此反饋噪聲會(huì)在輸出光中產(chǎn)生頻率及強(qiáng)度的波動(dòng)，因而會(huì)極大地限制光纖耦合激光二極管的可用性。
激光二極管是基于光放大效應(yīng)的光發(fā)射裝置。光通過激光二極管內(nèi)部時(shí)被放大。與其他激光器類似，激光二極管有一諧振腔。此諧振腔有一個(gè)頻率響應(yīng)，而光放大效應(yīng)有另一個(gè)頻率響應(yīng)。兩種頻率響應(yīng)的重合區(qū)域決定受激頻率(即受激光的頻率)。如果沒有光從諧振腔外進(jìn)入激光二極管，則從激光二極管發(fā)射出的光具有穩(wěn)定的強(qiáng)度和頻率。但若有外部光從諧振腔外進(jìn)入激光二極管，則此光也會(huì)被放大并會(huì)與諧振腔內(nèi)產(chǎn)生的光相互作用，導(dǎo)致發(fā)射光頻率及強(qiáng)度的波動(dòng)。外部光包括從激光二極管發(fā)射出又被反射回激光二極管內(nèi)的光。此反射部分大于發(fā)射光能量的10-6時(shí)即足夠產(chǎn)生強(qiáng)度和頻率的波動(dòng)(W.Bludau and R.H.Rossberg，“Low-loss laser-to-fiber coupling with negligible opticalfeedback”，Journal of Lightwave Technology，Vol.LT-3，294-302(1985))。
圖1所示的已有技術(shù)光纖耦合激光二極管在強(qiáng)度和頻率方面的強(qiáng)烈波動(dòng)起因于以下兩種反饋噪聲源(1)從微透鏡22的反射，這是因?yàn)樗c激光二極管20太近(約30微米)；(2)從光纖26端面的反射，這是因?yàn)閺墓饫w26端面的反射光被透鏡24和微透鏡22反向聚焦到激光二極管20中。
消反(AR)膜僅可消除射入能量的約10-3，這不足以有效地抑制反饋噪聲。為降低從光纖26端面進(jìn)入激光二極管的反射，可使用具有角度的光纖(即光纖的端面磨成一個(gè)與光纖軸向不垂直的角度)。但是，這將顯著地降低耦合系數(shù)，因?yàn)槿肷涞墓饩€在進(jìn)入具有角度的光纖時(shí)將會(huì)在其端面被折射，因而將不再滿足模式匹配的條件。僅從微透鏡22消反膜的反射就足以產(chǎn)生強(qiáng)度和頻率的波動(dòng)。這種不希望有的波動(dòng)限制了此種器件的應(yīng)用。例如，強(qiáng)度的波動(dòng)妨害了在光盤系統(tǒng)中的應(yīng)用，而頻率的波動(dòng)有害于在激光二極管泵浦的固體激光器中的應(yīng)用。
為了使光纖耦合激光二極管兼具高耦合效率及低反饋噪聲，可使用微透鏡直接對(duì)光纖熔接的方法(W.Bludau and R.H.Rossberg，”Low-loss laser-to-fiber coupling withnegligible optical feedback”，Journal of Lightwave Technology，Vol.LT-3，294-302(1985))。盡管將微透鏡置于距激光二極管100微米以外對(duì)光纖熔接，可使反饋噪聲被壓縮至10-7，但卻不能獲得高的耦合效率。耦合效率僅達(dá)到40％至70％之間。該微透鏡是基于一種經(jīng)驗(yàn)的方法，而沒有經(jīng)過精密的設(shè)計(jì)及加工。因此，此種微透鏡存在嚴(yán)重的像差，耦合效率不可能高。此外，也不能大量生產(chǎn)。
總之，圖1所示按已有技術(shù)的光纖耦合激光二極管可提供高于90％的耦合效率(S.Jutamulia，”O(jiān)ptical communicationstechnology and economy”，Proceedings of the 2002International Conference on Opto-Electronics and Laser Applications，A-07-A-10(2002)ISBN979-8575-03-2)，但存在因反饋噪聲產(chǎn)生的較大的強(qiáng)度和頻率波動(dòng)。另一方面，使用微透鏡對(duì)光纖熔接的已有技術(shù)光纖耦合激光二極管可壓縮反饋噪聲，但耦合效率低(小于70％)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種新的具有高耦合效率及低反饋噪聲的光纖耦合激光二極管器件，可以克服已有技術(shù)的缺點(diǎn)。本發(fā)明是改進(jìn)的光纖耦合激光二極管器件，可提供消像散的圓形準(zhǔn)直激光二極管光束并抑制消像散的圓形準(zhǔn)直激光二極管輸出光束的強(qiáng)度和頻率波動(dòng)。能夠提供與光纖間的高耦合系數(shù)，可以獲得最大的光纖光能輸出及低反饋噪聲。本發(fā)明使用和維護(hù)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，可大規(guī)模地生產(chǎn)。
本發(fā)明提供的一種激光二極管與單模光纖耦合的器件，包括(a)一個(gè)激光二極管發(fā)射具有像散的橢圓光束，其橢圓的長(zhǎng)軸為快軸，橢圓的短軸為慢軸，所述的快軸與慢軸互相垂直。
(b)一個(gè)準(zhǔn)直透鏡，用于在其中一個(gè)所述的軸上準(zhǔn)直從所述的激光二極管發(fā)射的所述的光線。
(c)一個(gè)第一柱透鏡，將從所述的激光二極管發(fā)射的所述的光線通過所述的準(zhǔn)直透鏡聚焦到所述的兩個(gè)軸的另一個(gè)上，此處所述的光線被聚焦后發(fā)散。
(d)一個(gè)第二柱透鏡，將所述的光線被第一個(gè)柱透鏡聚焦后發(fā)散的光線準(zhǔn)直，此處被所述的第二柱透鏡準(zhǔn)直的所述的光線在所述的兩個(gè)軸中的所述的另一個(gè)軸上的束腰基本等于被所述的準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直的所述的光線在所述的兩個(gè)軸中的所述的一個(gè)軸上的束腰。
(e)一個(gè)低反饋噪聲光纖準(zhǔn)直器，用于接收被所述的第二柱透鏡準(zhǔn)直的上述光線，此處所述的低反饋噪聲光纖準(zhǔn)直器的束腰基本等于被所述的準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直的所述的光線在所述的兩個(gè)軸中的所述的一個(gè)軸上的束腰。
因此，所述的激光二極管將以高耦合效率及低反饋噪聲被耦合到具有所述的光纖準(zhǔn)直器的單模光纖上。
所述的低反饋噪聲光纖準(zhǔn)直器的器件包括一個(gè)C透鏡和一個(gè)有角度的光纖；或一個(gè)GRIN透鏡和一個(gè)有角度的光纖。
所述的有角度的光纖是一個(gè)單模光纖。
所述的激光二極管與單模光纖耦合的器件中所述的低反饋噪聲光纖準(zhǔn)直器的器件包括熔接在一起的一個(gè)透鏡和一個(gè)單模光纖。
本發(fā)明提供的一種激光二極管與單模光纖耦合的器件，包括(a)一個(gè)激光二極管，用于發(fā)射具有像散的橢圓光束，其橢圓的長(zhǎng)軸為快軸，橢圓的短軸為慢軸，所述的快軸與慢軸互相垂直。
(b)一個(gè)準(zhǔn)直透鏡，用于在其中一個(gè)所述的軸上準(zhǔn)直從所述的激光二極管發(fā)射的所述的光線。
(c)一個(gè)柱透鏡，包括一個(gè)第一正表面，用于將從所述的激光二極管發(fā)射的所述的光線，通過所述的準(zhǔn)直透鏡后，聚焦到所述的兩個(gè)軸的另一個(gè)上，此處所述的光線被聚焦后發(fā)散，此外，一個(gè)第二正表面，在所述的光線被第一正表面聚焦后，將所述的發(fā)散光線準(zhǔn)直，此處被所述的第二正表面準(zhǔn)直的所述的光線在所述的兩個(gè)軸中的所述的另一個(gè)軸上的束腰基本等于被所述的準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直的所述的光線在所述的兩個(gè)軸中的所述的一個(gè)軸上的束腰。
(d)一個(gè)低反饋噪聲光纖準(zhǔn)直器，用于接收被所述的柱透鏡的所述的第二正表面準(zhǔn)直的所述的光線，此處所述的低反饋噪聲光纖準(zhǔn)直器的束腰基本等于被所述的準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直的所述的光線在所述的兩個(gè)軸中的所述的一個(gè)軸上的束腰。
借此，所述的激光二極管將以高耦合效率及低反饋噪聲被耦合到具有所述的光纖準(zhǔn)直器的單模光纖上。
所述的低反饋噪聲光纖準(zhǔn)直器的器件包括一個(gè)C透鏡和一個(gè)有角度的光纖；或一個(gè)GRIN透鏡和一個(gè)有角度的光纖。
所述的有角度的光纖是一個(gè)單模光纖。
所述的激光二極管與單模光纖耦合的器件中所述的低反饋噪聲光纖準(zhǔn)直器的器件包括熔接在一起的一個(gè)透鏡和一個(gè)單模光纖。
本發(fā)明提供的一種用于產(chǎn)生消像散的圓形準(zhǔn)直激光二極管光束的器件，包括(a)一個(gè)激光二極管，發(fā)射具有像散的橢圓光束，其橢圓的長(zhǎng)軸為快軸，橢圓的短軸為慢軸，所述的快軸與慢軸互相垂直。
(b)一個(gè)準(zhǔn)直透鏡，用于在其中一個(gè)所述的軸上準(zhǔn)直從所述的激光二極管發(fā)射的所述的光線。
(c)一個(gè)第一柱透鏡，將從所述的激光二極管發(fā)射的所述的光線通過所述的準(zhǔn)直透鏡聚焦到所述的兩個(gè)軸的另一個(gè)上，此處所述的光線被聚焦后發(fā)散。
(d)一個(gè)第二柱透鏡，將所述的光線被第一個(gè)柱透鏡聚焦后發(fā)散的光線準(zhǔn)直，此處被所述的第二柱透鏡準(zhǔn)直的所述的光線在所述的兩個(gè)軸中的所述的另一個(gè)軸上的束腰基本等于被所述的準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直的所述的光線在所述的兩個(gè)軸中的所述的一個(gè)軸上的束腰。
因此，所述的第二柱透鏡將會(huì)輸出消像散的圓形準(zhǔn)直激光二極管光束。
本發(fā)明提供的一種用于產(chǎn)生消像散的圓形準(zhǔn)直激光二極管光束的器件，包括(a)一個(gè)激光二極管，用于發(fā)射具有像散的橢圓光束，其橢圓的長(zhǎng)軸為快軸，橢圓的短軸為慢軸，所述的快軸與慢軸互相垂直。
(b)一個(gè)準(zhǔn)直透鏡，用于在其中一個(gè)所述的軸上準(zhǔn)直從所述的激光二極管發(fā)射的所述的光線。
(c)一個(gè)柱透鏡包括一個(gè)第一正表面，用于將從所述的激光二極管發(fā)射的所述的光線，通過所述的準(zhǔn)直透鏡后，聚焦到所述的兩個(gè)軸的另一個(gè)上，此處所述的光線被聚焦后發(fā)散，此外，一個(gè)第二正表面，在所述的光線被第一正表面聚焦后，將所述的發(fā)散光線準(zhǔn)直，此處被所述的第二正表面準(zhǔn)直的所述的光線在所述的兩個(gè)軸中的所述的另一個(gè)軸上的束腰基本等于被所述的準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直的所述的光線在所述的兩個(gè)軸中的所述的一個(gè)軸上的束腰。
因此，所述的柱透鏡將會(huì)輸出消像散的圓形準(zhǔn)直激光二極管光束。
本發(fā)明提供了一個(gè)帶有準(zhǔn)直透鏡的激光二極管，附帶一對(duì)柱透鏡或一個(gè)雙正(凸)面柱透鏡，用于將具有像散的橢圓激光二極管輸出光束修正為消像散的圓形準(zhǔn)直光束。被修正后的光束可在激光二極管光束與單模光纖之間獲得高的耦合效率。然后將該光束輸入至一具有低反饋噪聲的光纖準(zhǔn)直器，得到具有高耦合效率和低反饋噪聲的光纖耦合激光二極管。
本發(fā)明可以克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，它是一種既有高耦合效率又有低反饋噪聲的光纖耦合激光二極管器件。按已有技術(shù)制造的光纖耦合激光二極管只能或者具有高耦合效率，或者具有低反饋噪聲，但不能兼而有之。按本發(fā)明如圖3和圖4所示的器件提供了一種適應(yīng)性強(qiáng)的相干光源，它可容易地被安裝到任何光學(xué)系統(tǒng)中，如生物醫(yī)學(xué)設(shè)備、光譜儀、激光打印機(jī)、條形掃描儀、用于自由空間及光纖通訊的傳感器、激光雷達(dá)等。
如圖3和圖4所示的器件亦可不加光纖準(zhǔn)直透鏡28，并產(chǎn)生一個(gè)消像散的圓形準(zhǔn)直激光二極管光束。此無光纖準(zhǔn)直器28的器件可用于光盤、激光打印機(jī)、條形掃描儀、自由空間光通訊、激光雷達(dá)、及需要準(zhǔn)直激光束的其他應(yīng)用中。該器件還可取代傳統(tǒng)激光器，如氦氖激光器及氬離子激光器等。
此外，本發(fā)明的光纖耦合激光二極管器件還具有其他的優(yōu)點(diǎn)它可使用現(xiàn)成的售品或常規(guī)生產(chǎn)的訂購品；它降低了耦合從激光二極管到光纖準(zhǔn)直器的準(zhǔn)直光束時(shí)的校準(zhǔn)要求。
盡管以上的描述包括了很多特性，但這不應(yīng)被理解為限制了本發(fā)明的范圍，而只是提供了一些目前本發(fā)明最佳的實(shí)施方式和本發(fā)明應(yīng)用的說明。例如，準(zhǔn)直透鏡34可完美地準(zhǔn)直快軸光線而不是慢軸光線。而后的一對(duì)柱透鏡36和38或柱透鏡40準(zhǔn)直慢軸光線，并將慢軸光線的束腰擴(kuò)大至與快軸光線的束腰基本相同。另一個(gè)例子是激光二極管20可被一個(gè)發(fā)光二極管(LED)取代。
本發(fā)明可以獲得最大的光纖光能輸出及低反饋噪聲。本發(fā)明使用和維護(hù)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，可大規(guī)模生產(chǎn)。
本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著效果可以從下述的實(shí)施例得以體現(xiàn)，但它們不是對(duì)本發(fā)明作任何限制。


圖1為已有技術(shù)使用微透鏡的光纖耦合激光二極管示意圖。
圖2為已有技術(shù)使用有角度光纖的低反饋噪聲光纖準(zhǔn)直器示意圖。
圖3A為本發(fā)明在快軸平面使用一對(duì)柱透鏡的光纖耦合激光二極管示意圖。
圖3B為本發(fā)明在慢軸平面使用一對(duì)柱透鏡的光纖耦合激光二極管示意圖。
圖4A為本發(fā)明在快軸平面使用一個(gè)雙正面柱透鏡的光纖耦合激光二極管示意圖。
圖4B為本發(fā)明在慢軸平面使用一個(gè)雙正面柱透鏡的光纖耦合激光二極管示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖所示20激光二極管 22微透鏡24成像透鏡 26單模光纖28低反饋噪聲光纖準(zhǔn)直器 30有角度的透鏡32有角度的光纖 34準(zhǔn)直透鏡36第一個(gè)柱透鏡 38第二個(gè)柱透鏡40柱透鏡 42第一個(gè)柱形正表面44第二個(gè)柱形正表面。
圖2所示為一低反饋噪聲光纖準(zhǔn)直器。一入射光束被一有角度的透鏡30聚焦到一有角度的單模光纖32的入口端。該有角度的光纖32的入口端被磨成一與光纖軸向不垂直的角度(故稱為有角度的光纖)以避免從光纖端面的反射光再通過同一透鏡30。透鏡30相應(yīng)地被磨成一與透鏡軸向不垂直的角度，以校正有角度光纖32的端面造成的折射(折曲光線)。這可保證模式匹配條件以獲得最大耦合效率。有角度的光纖32將不會(huì)造成損失，因?yàn)橛捎薪嵌鹊墓饫w32造成的折射會(huì)被由有角度的透鏡30所校正。有角度的透鏡30可以是一個(gè)被稱為C透鏡的玻璃透鏡或一個(gè)折射率漸變(GRIN)透鏡。這類低反饋噪聲光纖準(zhǔn)直器可從中國的Koncent Communication Inc.(康順光通訊公司)(www.koncent.com)買到。
另一方面，可通過將透鏡30熔接到光纖32上來防止從一個(gè)平(無角度的)光纖端面反射的光線。在這種情況下，它們僅為一個(gè)平透鏡和一個(gè)平單模光纖。透鏡和光纖用相同的材料制成。此類低反饋噪聲光纖準(zhǔn)直器可從Florida(美國佛羅里達(dá))的LightPathTechnologies(光程技術(shù)公司)(www.light.net或www.lightpath.com)買到。
如果激光從另一端輸入有角度的光纖32，則從有角度的透鏡30會(huì)輸出一個(gè)園形準(zhǔn)直高斯光束。園形準(zhǔn)直高斯光束的束腰稱為光纖準(zhǔn)直器的束腰。一對(duì)光纖準(zhǔn)直器一般用于對(duì)一個(gè)光學(xué)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行光輸出或輸入。
圖3A和3B圖示的為本發(fā)明使用一對(duì)柱透鏡的光纖耦合激光二極管的最佳的實(shí)施例，它從激光二極管出射的光一般具有橢圓截面。例如，波長(zhǎng)為375至1550納米波長(zhǎng)，功率為2至10毫瓦的激光二極管可從Arkansas(美國阿克薩斯州)的Power Technology(功率技術(shù))公司(www.powertechnology.com)及New Jersey(美國新澤西州)的Thorlabs(薩拉博斯)公司買到。橢圓的長(zhǎng)軸稱為光的快軸，橢圓的短軸稱為光的慢軸?？燧S與慢軸互相垂直。此外，由于在快慢軸上的發(fā)射點(diǎn)不同，因而激光二極管是有像散的?？燧S光源在激光二極管的出射面上(圖3A)，而慢軸光源實(shí)際上是在激光二極管的內(nèi)部(圖3B)。兩個(gè)光源之間的距離稱為激光二極管的像散。
圖3A和3B分別圖示了快軸及慢軸平面。首先，一個(gè)準(zhǔn)直透鏡34將從激光二極管20發(fā)射的光線準(zhǔn)直。準(zhǔn)直透鏡34與激光二極管20間的距離大于100微米。這樣，只有小于10-7的發(fā)射光線將會(huì)被準(zhǔn)直透鏡34反射后從新進(jìn)入激光二極管20。此可忽略的反饋噪聲將不會(huì)在輸出光中產(chǎn)生任何強(qiáng)度和頻率波動(dòng)。
準(zhǔn)直透鏡34將慢軸光線完美地準(zhǔn)直(圖3B)。通過使用一個(gè)具有合適的焦距的準(zhǔn)直透鏡，慢軸光線的束腰可與一個(gè)低反饋噪聲光纖準(zhǔn)直器28的束腰匹配。由于光源在光軸上，一個(gè)非球面透鏡可被用于準(zhǔn)直從激光二極管20發(fā)出的發(fā)散光而不會(huì)帶來任何新的畸變。也可用一個(gè)消色差的透鏡來代替上述非球面透鏡。盡管一個(gè)消色差透鏡的效果要比一個(gè)非球面透鏡的效果差些，但同時(shí)一個(gè)消色差透鏡的價(jià)格也比一個(gè)非球面透鏡的價(jià)格低。但是，由于光線是像散的，所以當(dāng)慢軸光線被準(zhǔn)直透鏡34完美地準(zhǔn)直時(shí)，快軸光線不會(huì)被正確地準(zhǔn)直(圖3A)。
圖3A圖示了光線在快軸平面的傳播。第一個(gè)柱透鏡36將準(zhǔn)直透鏡34輸出的快軸光線聚焦。接著被聚焦的快軸光線發(fā)散并到達(dá)第二個(gè)柱透鏡38。柱透鏡38具有的焦距恰好可將快軸光線準(zhǔn)直并產(chǎn)生一個(gè)新快軸束腰，該束腰大體與慢軸束腰相等。第二個(gè)柱透鏡38的這個(gè)合適的焦距可應(yīng)用透鏡設(shè)計(jì)軟件，如加利福尼亞州ZEMAX Development(吉瑪克斯發(fā)展)公司的Zemax(www.zemax.com)來計(jì)算或確定。此焦距取決于橢圓光束的比率(快軸束腰除以慢軸束腰)，光束的像散，以及第一個(gè)柱透鏡36的焦距。因此，從第二個(gè)柱透鏡38輸出的是一個(gè)消像散的園形準(zhǔn)直光線。
為了使柱透鏡36及38產(chǎn)生的新畸變降到最小，它們必須是非球面柱透鏡或消色差柱透鏡。非球面柱透鏡可以是雙凸面雙曲柱透鏡或平面-雙曲面柱透鏡即可。另一方面，一個(gè)由表面為柱-球(園)狀的兩個(gè)透鏡單元構(gòu)成的消色差柱透鏡的加工更容易些。
從第二個(gè)柱透鏡38輸出的消像散的園形準(zhǔn)直光線進(jìn)入低反饋噪聲光纖準(zhǔn)直器28。準(zhǔn)直透鏡34使其束腰與光纖準(zhǔn)直器28的束腰恰好匹配。因此，從激光二極管20發(fā)射的光線最終可以高耦合效率及低反饋噪聲被輸入到有角度的光纖32(單模光纖)中。光纖準(zhǔn)直器28可以是一個(gè)C透鏡，一個(gè)折射率漸變(GRIN)透鏡，或一個(gè)熔接透鏡型的光纖準(zhǔn)直器，或任何一種新型的低反饋噪聲光纖準(zhǔn)直器。
圖3B圖示了光線在慢軸平面的傳播。準(zhǔn)直透鏡34將慢軸光線準(zhǔn)直。由于此光線是準(zhǔn)直的并與柱透鏡36及38的表面垂直，因此不會(huì)受到這兩個(gè)柱透鏡的影響。
在圖3A和3B所示的光纖耦合激光二極管中，在到達(dá)光纖準(zhǔn)直器28前，快軸光線翻轉(zhuǎn)了180°，而慢軸光線沒有翻轉(zhuǎn)。但由于光束具有圓形高斯分布，因此翻轉(zhuǎn)的光束仍然與光纖的模式匹配。
圖4A和4B為本發(fā)明使用柱透鏡的光纖耦合激光二極管的最佳的實(shí)施例，該柱透鏡的厚度相當(dāng)于或大于其截面尺度。柱透鏡40的作用與柱透鏡組合(36和38)的作用相似。因此，柱透鏡40可以代替柱透鏡組合(36和38)。圖4A圖示了光線在快軸平面的傳播。第一個(gè)柱形正(凸)表面42與第一個(gè)柱透鏡36的作用相同，第二個(gè)柱形正(凸)表面44與第二個(gè)柱透鏡38的作用相同。這兩個(gè)柱形正(凸)表面42和表面44均為非球面，最好為簡(jiǎn)單的柱形雙曲面。表面42和表面44也可以是柱-球(園)表面帶有附加的柱-球(園)透鏡單元，如前述的消色散柱透鏡。
一個(gè)具有一負(fù)(凹)表面和一正(凸)表面(與兩面均為正表面相反)的柱透鏡，已作為一個(gè)微透鏡或一個(gè)小型透鏡在J.J.Snyder的“Cylinderical micro-optics”，Proceedings of SPIE，Vol.1992，235-246(1993)文中，及在Snyder的1993年5181224號(hào)及1996年5553174號(hào)的美國專利中作了介紹。這種具有負(fù)表面和正表面的柱透鏡的主要優(yōu)點(diǎn)是其透鏡厚度小于具有兩個(gè)正表面的柱透鏡的厚度。但是，實(shí)際上在通常的透鏡研磨工藝過程中，此柱形負(fù)表面不可能被制成非球面。因此，在此表面上會(huì)引進(jìn)新的球差。
為了盡可能地降低此負(fù)表面引進(jìn)的球差，在正表面的撓度方程(透鏡表面方程)中包括了較高階的系數(shù)，這使得設(shè)計(jì)及研磨工藝過程變得復(fù)雜和困難，并相應(yīng)地增加了成本。任何殘留的像差都會(huì)降低激光二極管和單模光纖間的耦合系數(shù)。
與此相反，在圖4A和4B中所示的光纖耦合激光二極管中，柱透鏡的兩個(gè)正雙曲表面的撓度方程中不包括較高階的系數(shù)，或消色差的柱面。此表面的設(shè)計(jì)容易，亦可用通常的透鏡研磨工藝過程進(jìn)行加工。由于兩個(gè)表面均為非球面或消色差的，不會(huì)或只會(huì)引進(jìn)可忽略的球差，因而可獲得激光二極管和單模光纖間的高耦合系數(shù)。
使用如圖4A和4B中所示的兩個(gè)正表面產(chǎn)生一個(gè)翻轉(zhuǎn)光束。該光束在快軸翻轉(zhuǎn)180°，但在慢軸不翻轉(zhuǎn)。不過，由于光束具有圓形高斯分布，因而翻轉(zhuǎn)前后的光束看起來是相同的。由于已有技術(shù)的器件不對(duì)光束產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)(J.J.Snyder，“Cylindrical micro-optics，”Proceedings of SPIE，Vol.1992，235-246(1993)；U.S.Patents Nos.5,181,224(1993)and 5,553,174(1996)both to Snyder)，因而必須使用一個(gè)難于加工的負(fù)表面。
將準(zhǔn)直透鏡與一對(duì)柱透鏡或表面結(jié)合可容易地形成一個(gè)在快軸和慢軸具有不同光功率的光學(xué)器件。在Yamamoto的1988年4915484號(hào)及Morris等人的2000年6075650號(hào)的美國專利中介紹了一種專用透鏡，該透鏡有兩個(gè)不同的復(fù)曲面。此復(fù)曲面在快軸和慢軸具有不同光功率。X軸半徑(Rx)不同于Y軸半徑(Ry)的表面就是復(fù)曲面的一例。一個(gè)復(fù)曲面透鏡不可能用一般的研磨工藝過程制成。與此相反，本發(fā)明的光纖耦合激光二極管使用一個(gè)準(zhǔn)直透鏡和一對(duì)柱透鏡或一個(gè)具有兩個(gè)正表面的柱透鏡。這些都可容易地使用常規(guī)工藝過程進(jìn)行加工。
按本發(fā)明也可使用不加光纖準(zhǔn)直器28的如圖3和圖4所示的器件。此無光纖準(zhǔn)直器28的器件可產(chǎn)生一個(gè)消像散的圓形準(zhǔn)直激光二極管光束，用于光盤、激光打印機(jī)、條形掃描儀、自由空間光通訊、激光雷達(dá)、及需要準(zhǔn)直激光束的其他應(yīng)用中。
權(quán)利要求
1.一種激光二極管與單模光纖耦合的器件，其特征在于它包括(a)一個(gè)激光二極管，用于發(fā)射具有像散的橢圓光束，其橢圓的長(zhǎng)軸為快軸，橢圓的短軸為慢軸，所述的快軸與慢軸互相垂直；(b)一個(gè)準(zhǔn)直透鏡，用于在其中一個(gè)所述的軸上準(zhǔn)直從所述的激光二極管發(fā)射的所述的光線；(c)一個(gè)第一柱透鏡，將從所述的激光二極管發(fā)射的所述的光線通過所述的準(zhǔn)直透鏡聚焦到所述的兩個(gè)軸的另一個(gè)上，此處所述的光線被聚焦后發(fā)散；(d)一個(gè)第二柱透鏡，將所述的光線被第一個(gè)柱透鏡聚焦后發(fā)散的光線準(zhǔn)直，此處被所述的第二柱透鏡準(zhǔn)直的所述的光線在所述的兩個(gè)軸中的所述的另一個(gè)軸上的束腰基本等于被所述的準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直的所述的光線在所述的兩個(gè)軸中的所述的一個(gè)軸上的束腰；(e)一個(gè)低反饋噪聲光纖準(zhǔn)直器，用于接收被所述的第二柱透鏡準(zhǔn)直的上述光線，此處所述的低反饋噪聲光纖準(zhǔn)直器的束腰基本等于被所述的準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直的所述的光線在所述的兩個(gè)軸中的所述的一個(gè)軸上的束腰；所述的激光二極管將以高耦合效率及低反饋噪聲被耦合到具有所述的光纖準(zhǔn)直器的單模光纖上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光二極管與單模光纖耦合的器件，其特征在于所述的低反饋噪聲光纖準(zhǔn)直器的器件包括一個(gè)C透鏡和一個(gè)有角度的光纖；或一個(gè)GRIN透鏡和一個(gè)有角度的光纖。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光二極管與單模光纖耦合的器件，其特征在于所述的有角度的光纖是一個(gè)單模光纖。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光二極管與單模光纖耦合的器件，其特征在于所述的低反饋噪聲光纖準(zhǔn)直器的器件包括熔接在一起的一個(gè)透鏡和一個(gè)單模光纖。
5.一種激光二極管與單模光纖耦合的器件，其特征在于它包括(a)一個(gè)激光二極管，用于發(fā)射具有像散的橢圓光束，其橢圓的長(zhǎng)軸為快軸，橢圓的短軸為慢軸，所述的快軸與慢軸互相垂直；(b)一個(gè)準(zhǔn)直透鏡，用于在其中一個(gè)所述的軸上準(zhǔn)直從所述的激光二極管發(fā)射的所述的光線；(c)一個(gè)柱透鏡包括一個(gè)第一正表面，用于將從所述的激光二極管發(fā)射的所述的光線，通過所述的準(zhǔn)直透鏡后，聚焦到所述的兩個(gè)軸的另一個(gè)上，此處所述的光線被聚焦后發(fā)散，此外，一個(gè)第二正表面，在所述的光線被第一正表面聚焦后，將所述的發(fā)散光線準(zhǔn)直，此處被所述的第二正表面準(zhǔn)直的所述的光線在所述的兩個(gè)軸中的所述的另一個(gè)軸上的束腰基本等于被所述的準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直的所述的光線在所述的兩個(gè)軸中的所述的一個(gè)軸上的束腰；(d)一個(gè)低反饋噪聲光纖準(zhǔn)直器，用于接收被所述的柱透鏡的所述的第二正表面準(zhǔn)直的所述的光線，此處所述的低反饋噪聲光纖準(zhǔn)直器的束腰基本等于被所述的準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直的所述的光線在所述的兩個(gè)軸中的所述的一個(gè)軸上的束腰；所述的激光二極管將以高耦合效率及低反饋噪聲被耦合到具有所述的光纖準(zhǔn)直器的單模光纖上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的激光二極管與單模光纖耦合的器件，其特征在于所述的低反饋噪聲光纖準(zhǔn)直器的器件包括一個(gè)C透鏡和一個(gè)有角度的光纖；或一個(gè)GRIN透鏡和一個(gè)有角度的光纖。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的激光二極管與單模光纖耦合的器件，其特征在于所述的有角度的光纖是一個(gè)單模光纖。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的激光二極管與單模光纖耦合的器件，其特征在于所述的低反饋噪聲光纖準(zhǔn)直器的器件包括熔接在一起的一個(gè)透鏡和一個(gè)單模光纖。
9.一種用于產(chǎn)生消像散的圓形準(zhǔn)直激光二極管光束的器件，其特征在于它包括(a)一個(gè)激光二極管，用于發(fā)射具有像散的橢圓光束，其橢圓的長(zhǎng)軸為快軸，橢圓的短軸為慢軸，所述的快軸與慢軸互相垂直；(b)一個(gè)準(zhǔn)直透鏡，用于在其中一個(gè)所述的軸上準(zhǔn)直從所述的激光二極管發(fā)射的所述的光線；(c)一個(gè)第一柱透鏡，將從所述的激光二極管發(fā)射的所述的光線通過所述的準(zhǔn)直透鏡聚焦到所述的兩個(gè)軸的另一個(gè)上，此處所述的光線被聚焦后發(fā)散；(d)一個(gè)第二柱透鏡，將所述的光線被第一個(gè)柱透鏡聚焦后發(fā)散的光線準(zhǔn)直，此處被所述的第二柱透鏡準(zhǔn)直的所述的光線在所述的兩個(gè)軸中的所述的另一個(gè)軸上的束腰基本等于被所述的準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直的所述的光線在所述的兩個(gè)軸中的所述的一個(gè)軸上的束腰；所述的第二柱透鏡將會(huì)輸出消像散的圓形準(zhǔn)直激光二極管光束。
10.一種用于產(chǎn)生消像散的圓形準(zhǔn)直激光二極管光束的器件，其特征在于它包括(a)一個(gè)激光二極管，用于發(fā)射具有像散的橢圓光束，其橢圓的長(zhǎng)軸為快軸，橢圓的短軸為慢軸，所述的快軸與慢軸互相垂直；(b)一個(gè)準(zhǔn)直透鏡，用于在其中一個(gè)所述的軸上準(zhǔn)直從所述的激光二極管發(fā)射的所述的光線；(c)一個(gè)柱透鏡，包括一個(gè)第一正表面，用于將從所述的激光二極管發(fā)射的所述的光線，通過所述的準(zhǔn)直透鏡后，聚焦到所述的兩個(gè)軸的另一個(gè)上，此處所述的光線被聚焦后發(fā)散，此外，一個(gè)第二正表面，在所述的光線被第一正表面聚焦后，將所述的發(fā)散光線準(zhǔn)直，此處被所述的第二正表面準(zhǔn)直的所述的光線在所述的兩個(gè)軸中的所述的另一個(gè)軸上的束腰基本等于被所述的準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直的所述的光線在所述的兩個(gè)軸中的所述的一個(gè)軸上的束腰；所述的柱透鏡將會(huì)輸出消像散的圓形準(zhǔn)直激光二極管光束。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有高耦合效率及低反饋噪聲的光纖耦合激光二極管器件。激光二極管(20)發(fā)射具有像散的橢圓光。橢圓的長(zhǎng)軸是光的快軸，橢圓的短軸是光的慢軸。準(zhǔn)直透鏡(34)將慢軸光線準(zhǔn)直。在準(zhǔn)直透鏡(34)之后，柱透鏡(36)將非準(zhǔn)直的快軸光線聚焦。被聚焦后的快軸光線發(fā)散并到達(dá)第二柱透鏡(38)。柱透鏡(38)將快軸光線準(zhǔn)直。準(zhǔn)直的慢軸光線不受這兩個(gè)柱透鏡的影響。通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)這兩個(gè)柱透鏡的焦距，快軸光的束腰基本等于慢軸光的束腰。柱透鏡(38)輸出一個(gè)消像散的圓形準(zhǔn)直光束。修正后的光束被輸入到低反饋噪聲光纖準(zhǔn)直器(28)，得到具有高耦合效率及低反饋噪聲的光纖耦合激光二極管器件。
文檔編號(hào)G02B6/42GK1540382SQ20041004801
公開日2004年10月27日 申請(qǐng)日期2004年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月24日
發(fā)明者S·朱塔莫利亞, S 朱塔莫利亞 申請(qǐng)人:S·朱塔莫利亞, S 朱塔莫利亞