TWI252338B - Beam bending apparatus and method of manufacture - Google Patents

Description

1252338___ 五、發明說明（1) 相關申請： 本發明依據2002年3月4日申請之美國第60/361，787號 以及2002年7月23日申請之美國第10/202, 562號專利申請 案主張優先權，該專利名稱為"Beam Altering Fiber Lens Device And Method of Manufacture” 。 一、 發明所屬技術領域： 本發明係關於非線性模場相互連接之光學裝置，特別 是關於模轉變裝置，其構造成使通過該裝置與光學組件及/ 或具有不同模場間之光學訊號達到高耦合效率變為容易。 同時本發明適用於廣泛範圍之各種應用，其特別地良 好地適用於耦合橢圓形光學訊號例如雷射二極體以及半導 體波導光源至具有圓形對稱模場之光纖。 二、 先前技術： 以高耦合效率地耦合光學訊號通過訊號光源，例如雷 射二極體，光纖和半導體光學放大器（S〇A )，以及其他光學 組件，例如光纖，特別光纖，S0A等之間是光學通信的重要項 目。通常合併在光學通信系統中傳統發射光線發射之組件 通常包括半導體雷射例如一個雷射二極體充當光源，具有 運載光線心蕊之光纖，和例如球面透鏡的透鏡，自行對焦的 透鏡或者在半導體雷射光纖與將雷射光束匯聚在光纖心蕊 上光殲間之非球面透鏡。因為發射光線的模組典型地需要 半導體雷射和光纖間之高耦合效率，模組組裝優先地使半 導體雷射，透鏡，以及光纖光學中心軸彼此對準以達到最大 的耦合功率。早期光線發射模組相當大的尺寸以及相當高

1252338 五、發明說明（2) :費用’其部份由於透鏡空間以及對準問題所致，因而促使 遺領域進展以及得到一些其他解決方式。 X^解决方式為使用梯度折射率（GR 1 N )—桿件之透鏡 相m ί ΐ Ϊ，梯度折射率桿件透鏡之折射率為與徑向 :二ΐ透鏡之光學中心轴處為最大值。通常，整 鏡折射率分佈為抛物線形狀，及產生透鏡 透ί ΠΜ nV 土本身’而非空氣'透鏡界面。因而不像傳統 GRIN杯件透鏡具有平面輸入以及輸出表面而在這些 ‘件剎田ί Γ需要的折射。該特性使得在透鏡端部處光學 =射率相匹配黏接劑或環氧樹脂加以 ί:梯=率通常由離子交換法產生，其相當耗時以及 子三=㊉GRI Ν -桿件透鏡可利用摻雜鉈或鉋矽石玻璃之 f #· t 產生。離子交換處理過程能夠使用熔融鹽浴使 K:03豳、/ ί或铯離子擴散離開*璃，同時鉀離子由5 0 0。。之 ΚΝ03鹽浴擴散至玻璃。 處理Ϊ ϊ Ϊ鏡介質折射率分佈由該處理過程產生，在製造 者的ϊ ί I需要精確地控制以確保⑶1^^—桿件透鏡具有適 二率分佈作為特定耦合應用。除此，不像依據本發 為拼^ 一項所使用之GRIN光纖透鏡，GRIN-桿件並不適合作 透r a ί !票準通訊光纖，及/或光學組件。通常，GRIN-桿件 點〔=、/、、且件玻璃結構，這些結構之熱膨脹係數以及軟化 _ 軚化之溫度）顯著地異於被耦合之光學波導。另外 ，，GRIN-光纖透鏡通常由光纖製造處理過程製造出以 為向石夕石組成份結構。因而，GRiN—光纖透鏡之軟化點以 1252338 五、發明說明（3) 及熱膨脹係數實質上類似於大部份將連接通訊光纖以及其 他波導之軟化點以及熱膨脹係數。因而，（^ IN ~光纖透鏡能 夠良好地藉由例如融合拼接耦合至大部份之通訊光纖。％ 另外一種形成微透鏡於光纖端部之方式為提供半導體 雷射以及光學波導間之耦合。在該情況下，透鏡直接地以 及整體地形成在一部份光纖之光纖端部表面上，光源發出 光線投射至該表面。因而光纖稱為”透鏡化光纖"。當x 該透鏡化光纖製造發射光線模組時，所需要組件零件數目 能夠減小，因為並不需要聚合光線之透鏡遠離光纖本身 及由於有關光轴對準操作數目能夠減少。透鏡化光纖稱 畸變透鏡=纖，當形成於光纖上之透鏡能夠改變通過其中、、 訊號之模場。更特別地，形成於光纖端部處之畸變透^通 常能夠改變雷射二極體發出之光學訊：二透鏡通 纖心蕊。 更有放地耦合至具有®形對稱模場之光 孰知t i ί種=:κ不同的用途以及優點而為業界所 …、 種方法具有其本身之限制。例如合傳耕rRτΜ 桿件透鏡技術提供極佳對稱 5 一 ΓΡ T W护A、泰拉π i 钉轉♦焦特性以使訊號通過，單一 GRIN—杯件透鏡通常無法顯著地改變光學1# h w d ，其時常被要求作為有效率：二虎之幾何形狀 於GRIN-桿件透鏡本套妊子汛唬耦σ之應用。除此，由 ^ 1 本身材料提供聚焦之特性兩I样宓Μ岳丨 造以提供GRIN-桿侔读锊仏十 心竹注，而要精挽的製 殊應用。才干件透鏡折射率分佈受控制之變化作為特 同樣地’田畸變光纖透鏡立即地使光學訊號或通過其 1252338 五、發明說明（4) 中之光朿幾 離的範圍些 適用於特定 應用變為不 rrr Λ又而 讯號搞合應 著一條路徑 線。並不借 知裝置並不 被沿者一條 軸共線。藉 訊號相對於 光學訊號必 易。

何形狀改變變為容易，畸變透鏡可利用工 微地受到限制。因而，假如適當的工作距離不 =^用，耦合損耗為顯著的，因而使得許多耦合 貝P示0 _ 言，上述已知的裝置最長使用作為"線性"光學 用。以不同方式說明，被耦合光學訊號通= 運行，其實質上與光學訊號耦合裝置之光軸二 助於反射鏡，或其他光學裝置以及結構，上述已 會適合使用於”離線”耦合應用，及耦合光學訊 路徑運行，該路徑並不與訊號耦合至裝置中心 由一些非限制性範例，由一個裝置發射出光學 汛號耦合至裝置的光軸為9 〇度。在該情況下 需再導引或彎曲使適當的光學訊號耦合變為容 兮肤！？所ΐ要光學訊號應用之裝置目前無法加以利用， ^ 2 >服知"些以及其他有關單獨使用畸變透鏡或“1 Ν_ 杯件透鏡之缺點。該裝置應該能夠改變通過裝置光學訊號 及/或幾何形狀，及/或其他模場特性，同時提供限 制耦合損耗之彈性設計，能夠具有寬廣範圍可接受工作距 彳吏_相/1^畸變減為最低，以及通常對光學訊號编合應用 t供較大控制以及較大的效率。除此，本發明模轉變裝置 :該優先地能夠再導引具有最小損耗之光學訊號。該裝置 衣造應邊相當便宜，能夠大量製造，以及具有非常廣泛的應 用範圍而不會顯著地改變裝置本身的性能及雜。本發明

1252338___ 五、發明說明（5) 主要提供該裝置。 三、發明内容： 本發明一項係關於一種裝置以改變光學訊號之模場。 裝置包含GRIN-光纖透鏡以及反射性表面位於GRIN—光纖透 鏡一端，反射性表面構造將與GRIN-光纖透鏡共同再導引光 學訊號路徑朝向反射性表面。 在另外一項中，本發明係關於光學組合。該光學組合 包含光學組件，基板構造成支撐組件，以及裴置放置於基板 上以及相對於光學組件以改變通過装置以及光學組件間之 光學訊號模場。裝置包含GRIN—光纖透鏡以及反射性表面 位於GRIN-光纖透鏡一端。反射性表面構造為與⑶⑺—光纖 透鏡共同再導引光學訊號路徑朝向反射性表面。 在另外一項中，本發明係關於一種製造裝置之方法以 改變光學訊號之模場。該方法包含下列步驟：放置反射性 表面於GRIN-光纖透鏡端部，其中反射性表面構造為與grin 光纖透鏡共同再導引光學訊號路徑朝向反射性表面。 本發明光束彎曲裝置產生一些優點優於其他業界已知 之其他模轉變裝置。其中一項，由於模轉變透鏡能夠直接 地形成於GRIN-光纖透鏡一端，光學訊號模場之幾何形狀及 /或尺寸此夠藉由模轉變透鏡加以改變，同時被改變與 訊號聚焦能夠由GRIN—光纖透鏡進行操作。因而光學子 之波前能夠與被耦合訊號之光學組件或其他波導情況相1 配。因而耦合損耗能夠減為最低以及波前畸變能夠 本發明光束彎曲裝置亦能夠設計來提供相當大範圍之操作 第9頁 1252338 五、發明說明（6) 工作距離 善0 由於這4及其他優點，耥合效率大大地得到改 除了這些優點，在本發明製造中(^^_光纖透鏡本身提 供一些優點。先前提及，grin-光纖透鏡優先地為含高矽石 結構優先地由傳統的多模光纖製造處理過程製造出。由於 GR I N-光纖透鏡能夠由通訊光纖製造技術製造出，依據本發 明製造之GRIN-光纖透鏡能夠高度精確地抽拉為所需要之S 尺寸。通常GRIN-光纖透鏡能夠抽拉出外徑在2 5微米至 ιοοο·ο微米範圍内。優先地，能夠抽拉出該⑶^-光纖透鏡 使付其外徑在5 0 · 0微米至5 0 0 · 〇微米範圍内。更優先地 GRIN-光纖透鏡外徑在75· 〇微米至2 5〇· 〇微米範圍内。除此 由於GRIN-光纖透鏡能夠使用傳統光纖抽拉設備加以抽拉， 能夠製造出較大直徑之桿件或毛胚以及再抽拉為較長之光 纖（通常南達數公里），同時保持原先較大桿件之心蕊與包 層比值，因而使得製造以及拼接較為容易。因而，在其他特 性中grin光纖透鏡所需要折射率分佈能夠設計於較大桿件 或毛胚内，其提供作為精密次微米控制優於所形成⑶I N 一光 纖透鏡光學特性。 除了這些優點，GR I N-光纖透鏡能夠依據本發明製造使 得其具有預先決定材料特性作為超過一個模轉變之應用。 由於圓錐透鏡能夠形成於GRIN—光纖透鏡上或無心蕊^隔 器或連接至GRIN-光纖透鏡之光纖，而非GRIN—光纖透鏡本 身，G R I N光纖透鏡或無心蕊間隔器管件，其具有相同的長 度，由相同的材料製造出，其具有相同的長寬比，以及具有

第10頁 1252338 五、發明說明（7) 相同的斷面積，其能夠連接至具有不同特性及/或模場之尾 辮光纖。因而每一GRIN-光纖透鏡及/或無心蕊桿件能夠= 由劈斷為適當的長度加以改變以提供所需要模場轉變功倉= ，其為每一GRIN-光纖透鏡及/或間隔器桿件所連接特殊尾 瓣光纖所需要。更詳細加以說明，此優先地藉由劈斷或切 =每一GRIN-光纖透鏡及/或桿件為所需要光學訊號改變特 本發明間隔器桿件製造提供額外的優點。通 :桿件具有均勻的折射率分佈，由矽石，一些含有高矽日石玻 璃^其他材料，或由本公司製造商標名稱為VyC0r之96%矽 石長‘方造开出；ί =输 隔号先前所說明GRIN—光纖透鏡，間 ^ ί ΐ 米長桿件或毛胚製造出，該毛胚使用 、、、二纖製造技術及設備抽拉為所需要的直徑例如非限制 十之125· 〇微米。通常，間隔器桿件抽拉出數公里長产 先地使得原先大直徑桿件之材料特性能、^又支 以切：或截斷為適當長度以作為適當模轉變應用'再加 在特定之應用中，使異於圓柱形之間隔器 4 U况下，優先地首先形成長方形長八 在 長方形毛胚再使用傳統光纖抽拉技術以上：：：毛胚。 具有所需要外徑例如125. 〇微米之支::以 下’數公里長方形間隔器桿件能 ^ ^月况 再切割為所需要長度以產生具有所由需早要来毛與胚^拉出以及 、巧π而要光學特性之間隔器 第11頁 桿件。同時，在抽拉處理過程中 材料之邊緣傾向變為约略 :長方形間隔器桿件 拉速度，以及抽拉桿件材抽拉高溫爐溫度，相 為長方形。除此，由抽拉=二 =:夠維持實質上 件之長寬比以及其他光學特性將、.、截斷長方形桿 :造以及控制最終間隔器桿件尺寸、】為：^理過程使大量 者了解上述所說明盤> # ”、、 易。熟知此技術 纖透鏡之製造。 技術同樣地適用於本發明光 本發明光束彎曲裝詈斟風 供額外的優點。本發明光束包裝排列提 微米，或其顯著地大於業界已4沾衣/棱供工作距離大至20 置所提供之工作距離、/、丨〇、畸變以及其他模轉變裝 或其他半導體裝 以低損耗耦合至雷射二極體 體裝置間之對^誤差所$ ，此部份由於緩和裝置與半導 透鏡L有或=目提供大量製細1N-光纖 處理過程之費用，其使製造變為容易，減少製造 裝置使s，、以及較大經濟規模。能夠製造出本發明 為橢圓形’由运具、右過一其中光學訊號模場由圓形對稱形狀改變 率有一種橢圓率之模場改變為具有不同橢圓 小之另夕I’」錄,—種模場改變為具有相同形狀但是不同大 其能夠改變以以方月裝置能綱 太I日日#何方向通過其中光學訊號之模場。 A x 他特性以及優點將詳細地揭示於下列說明中 ’一乃即地為熟知此技術者了解或藉由實施本發明而 1252338 —一 " 一 -----_ 五、發明說明（9) 明瞭。 人們了解先前一般技術及下列詳細說明只作為本發明 之範例，以及在於提供本發明整個概念及架構以了解本發 明申請專利範圍之原理及特性。所包含附圖在於提供更進 一步了解本發明，其顯示出本發明各種實施例以及隨同說 明作為解釋本發明原理及操作。 四、實施方式： 現在參考本發明優先實施例詳細加以說明，其範例顯 示於附圖中。儘可能地，整個附圖中使用相同參考數字表 示相同的部份。本發明光束彎曲裝置範例性實施例顯示於 圖1A及1B以及在整個附圖中以數字2〇表示。 通常，描繪於圖1A中側視圖中範例性光束彎曲裝置2 〇 包含GRIN-光纖透鏡24,其具有平方定律或拋物線折射率分 佈以及反射性表面位於GRIN—光纖透鏡24之一端。依據本 發明一項，優先地為光學訊號30之光束進入GRIN—光纖透鏡 24以及通常沿著縱向延伸通過GRIN -光纖透鏡24之光軸28 運行。如底下詳細說明，光學訊號3 〇優先地在反射表面2 6 反射以及再導引或彎曲使得光學訊號3〇通過GRIN—光纖透 鏡24之側表面33。在圖u所示實施例中，grin—光纖透鏡以 優先，為圓柱形。因而光學訊號3〇通過之側表面部份優先 地=彎曲表面34。依據本發明另外一項，當光學訊號30通 過彎曲表面34時，光學訊號30模場特性優先地加以改變。 例如=訊號運行通過GRIN—光纖透鏡24如圖i所示光學訊號 3〇之模場為圓形時，模場優先地由圓形對稱模場改變為橢〜

第13頁 五、發明說明（10) 圓形模場如光學訊號30通過彎曲表面34。 第一項變化，範例性光束彎曲襞置20，顯示於圖1A，側 視圖中。不像上述所說明實施例，GRIN_光纖透鏡24，為長 f形，或由平面性表面33,界定出。反射性表面26’優先地 f，斜表面位於GRIN_光纖透鏡24，一端。當光學訊號3〇在 性表面26’處反射時，其優先地再導引使得其通過平面 性表面35,因而改變光學訊號3〇之模場特性。同時平面性 表面3 γ優先地並不t改變光學訊號3 〇模場形狀，其優先地 =k杈％尺寸。雖然並不顯示於附圖中，熟知此技術者了 解相同的模場效果能夠利用圓柱形GRIN_光纖透鏡以達成 ，虽部份側表面33加以拋光或製造出而包含平面性表㈣ =導引光學訊⑽通過侧表面33處。該平面性表面⑸ 此夠精由例如雷射微機器加工形成於側表面33上。 网由第ί Ϊ Ϊ化，範例性光束彎曲裝置2(Γ顯示於圖側視 :::上:：裝置2〇”優先地包含光纖或尾瓣光纖22，優 ί =2接至尾瓣光纖22 一端之GRIN_光纖透飢 以及反射性表面位於遠離尾瓣光纖22 2GRIN_光纖透鏡Μ Ϊ t卩處，.該情況反射性表面為傾斜表面。尾瓣光纖22能夠 .、、、單核光纖例如為本公司SMF_28光纖保持偏極（pM)光纖 多模光纖或其他特別光纖例如高折射率光纖，其使用， ，訊系統中。除此，尾瓣光纖22當從圖1β端 ，形地對稱性或任何其他形狀。雖然反射：表看面= 直接地形成於圖1 B實施例之“丨N—光纖透鏡24端部處反射 性表面26能夠位於或形成於分離之無心蕊間隔器桿件之一 1252338

五、發明說明（11) =，其本身能夠連接至至遠離尾瓣光纖22iGRIN—光纖透鏡 =。卩，其在底下將對圖4A及4B詳細加以說明。在操作時，光 學訊號30通過尾瓣光纖22以及進、GRIN—光纖透鏡以，在該 處訊號藉由GRIN-光纖透鏡24拋物線折射率分佈加以改變/ 二改變之光學訊號3 〇 ’優先地在反射表面2 6處反射以及再 導引通過GRIN-光纖透鏡24側表面33之彎曲表面34 ^類似 於圖1A所示實施例，當改變之光學訊號3〇，通過彎曲表面^ 時，改變光學訊號30,模場形狀優先地被改變。 、 第三項變化，範例性光束彎曲裝置20”，顯示於圖1B，側 視圖中。光束彎曲裝置2〇，，，優先地包含為長方形之尾瓣 光纖22’，優先地為長方形之GRIN_光纖透鏡24，，以及反射 性表面26,位於遠離尾瓣光纖22,之GRIN-光纖透鏡24,端部 處。類似於圖1 B所示實施例，一旦光學訊號3〇通過拼接接 頭37時，光學訊號3〇藉由GRIN-光纖透鏡24,改變。當改變 之光學訊號30,通過GRIN-光纖透鏡24,，該光學訊號優先地 在反射性表面2 6 ’處反射，使得光學訊號通過側表面3 3，之 平面性表面3 5。同時平面性表面3 5優先地並不會使已改變 光學訊號30’之模場形狀改變，其優先地改變模場大小。 依據本發明另外一項，第四項變化，本發明光束彎曲裝 置20π π，20” ” ’可形成以包含如圖1C及1C，所顯示一個或多 個漸變元件。該漸變光束彎曲裝置20” ”優先地包含光纖尾 瓣22,漸變GRIN-光纖透鏡24”，其具有平方定律或拋物線折 射率分佈位於尾瓣光纖22 —個端部及反射性表面26”位於 遠離尾瓣光纖22之GRIN-光纖透鏡24端部處。如圖lc所示

1252338 五、發明說明（12) 漸變GRIN-光纖透鏡24”優先地包含GRIN-光纖透鏡區段29 ，其具有均勻或固定外徑尺寸由尾瓣光纖22端部縱向地延 伸至光子導線A1，漸變GRIN-光纖區段31具有變化，優先地 為減小的，之徑向外部尺寸（或傾斜外部表面）縱向=延伸 於光子導線A 1與A2之間，以及反射性表面區段27，其具有均 勻或固定外徑尺寸由縱向尾瓣光纖22端部縱向地由^子導 線A2延伸至反射性表面26，，。雖然並未顯示於附圖中，熟知 此技術者了解一個或多個尾瓣光纖22,無心蕊間隔器桿件， 及/或grin-光纖透鏡能夠以相同的方式漸變為如圖ic所示 對上述所說明及/或所描繪之任何漸變GRIN—光纖透鏡25。 漸變GRIN-光纖區段31優先地使已改變之光學訊號3〇，變化 ，其使已改變之光學訊號30”在反射性表面26，，處被反射。 再導引己改變之光學訊號30"再優先地通過彎曲表面34其 優先地使已改變光學訊號30”之模場形狀改變。 ，/、 、第五項變化，範例性光束彎曲裝置2〇"，，，顯示於圖lc, 侧視圖中。圖1C,，中所描繪之光束彎曲裝置20” ”，類似於圖 1C，中所示光束彎曲裝置2〇，，”之構造及操作。光束彎曲裝置 2/’優先地包含為長方形而非圓形對稱性。因而，光束彎曲 裝置π ”、’，優先地包含長方形尾瓣光纖22，，具有平面性表面 ^平面性表面35之漸變GRIN'-光纖透鏡24，，，，當訊號在 /表面26\’處反射後，改變之光學訊號20”通過該透鏡 。當經改變之光學訊號3〇”通過平面性表面35時改 之光學訊號20^模場大小優先被改變而非改變模場形狀。 除非另有說明，在每一所描繪實施例中，尾瓣光纖22將

1252338 五、發明說明（13) 說明為標準單模光纖例如SMF-28，其外徑約為125. 0微米以 及心蕊半徑約為8. 0 _ 1 0 . 0微米。熟知此技術者了解具有其 他直徑以及其他幾何形狀將亦屬於本發明範圍内。除此， 關於本發明光束彎曲裝置結構，設計，製造，以及製造優點 之詳細說明將參考本公司2002年7月23日申請之n Beam Altering Fiber Lens Device and Method of Manufac- ture 及2002 年7 月23 日申請之’’Optical Signal Altering Lensed Apparatus and Method of Manufacturen，這些專 利在此加入作為參考之用。 通常所有所揭示之實施例包含尾瓣光纖2 2，其具有心 :區域28由包層區域圍束著，以及GRIN_光纖透鏡以及其 變化亦優先地包含心蕊區域32,其可被或不被包層區域圍 束著。在優先實施例中，GRIN-光纖透鏡24相對折射率分佈 徑向地朝著光束彎曲裝置2〇之光軸徑向地提高。GRiN—光 纖透鏡2 4 —端優先地藉由電弧融合拼接或其他業界熟知的 方式拚接或固定至尾瓣光纖22 —端，其在GRIN—光纖透鏡劈 斷為適虽長度之則或之後進行。反射性表面優先地放置於 遠離尾瓣光纖之GRIN_光纖透鏡端部。在該及其他範例性 實施例中，反射性表面優先地藉由傳統拋光技術，f射微機 械加工，或柢下詳細說明之方法形成為傾斜表面。 不像在此加入作為參考之申請案 係關於線性耦合之幾何形狀在灼丁貝她例T…、 #吉@ ^ ^ 戍彳7办狀，在此所揭示實施例係關於偏 掉隹直線輕合幾何形狀或非線性I人 ^ @ % u 耦幾何形狀，其中除了改 變：无学訊號模％ 其將栋氺璺_ μ 〜八將使九子Λ唬之再導引及彎曲變為容

第17頁 J252338 五、發明說明（14) 易。現在參考圖1A，光束彎曲裝置20優先地界定出光軸28, 其縱向地延伸通過其中心，光學訊號將沿著光軸運行通過 光束彎曲裝置2 0。在顯示於圖1 A中範例性實施例，gr I N-光 纖透鏡2 4優先地設計於或接近四分之一間距長度。人們了 解GRIN-光纖透鏡24並不受限於四分之一間距但是設計四 刀之一間距作為特別之應用例如大的長寬比透鏡應用中。 人們了解GRIN-光纖透鏡通常製造出之外徑與所連接 光學波導之外控相匹配。因而光學波導外徑為1 5 〇料半 ，grin-光纖透鏡優先製造出外徑為125〇微米' 因而，p當兩 條均具有1 2 5 · 0微米外徑之光學波導具有不同的模場，對每 GR I N-光纖透鏡之折射率分佈差值△加以變化使得μ I n — 光纖透鏡能夠符合規格，同時保持相同的125〇微米外徑。 依據本發明，GR I Ν-光纖透鏡外徑並不需要保持為丨2 5, 〇微 米。然而，GRIN-光纖透鏡折射率差值△保持相同以及每一 GRIN-光纖透鏡之外徑，心蕊直徑以及長度優先地加以變化 以符合每一光學波導模轉變之規袼。依據本發明，每一 GR I N-光纖透鏡長度在需要情況時能夠與四分之一間距不 同。因而，依據本發明，能夠使用相同的毛胚以抽拉⑽ 光纖透鏡以使用於各種應用中。由於毛胚折射率分 需要變化，製造毛胚處理過程以及製造grin — ^ ^ ,χ b 〇 0 ^ , ^ Λ Λ η 的模轉變應用。毛胚優先地再抽拉為不同的外徑 的應用以及所形成GmN—光纖透鏡能夠加以切 為不同 不同的長度以符合不同應用之規格。 Α方辦為

第18頁 1252338 五、發明說明（15) GRIN-光纖透鏡24優先地包含反射性表面26，其優先地 ^田射機态加工GRIN—光纖透鏡24至所需要長度以及 # ^ ί 在刼作時光學訊號30通過尾瓣光纖22以及GRIN — 過rRTW兄!4以及影響反射性表面26。人們了解光學訊號通 面來4、1光纖透鏡時會發散，會聚，聚焦或準直。當傾斜表 乂目對於光軸為4 5度或接近所使用材料臨界角時由 ί ΓΪ表面26界U线/玻璃或其他介質/玻璃界面32促 九子矾號30全反射以及落kGRIN—光纖透鏡以側邊彎曲 ^ 上表面以優先地作為（非球面）圓柱形透鏡以及沿 =J軸聚焦光束。該方式之一項優點為圓柱形透鏡為自行 三 > 於GR I N-光纖透鏡。另外一項優點為表面曲率精確地 糟由控制GRIN-光纖透鏡或間隔器桿件直徑加以控制，假如 ^射性表面位於間隔器桿件端部而非GRIN—光纖透鏡端部 处、。同時，由於GRIN-光纖透鏡或間隔器桿件能夠藉由傳統 的光纖再抽拉處理過程製造出，形成圓柱形透鏡之彎曲表 面34的表面品質非常良好。除此，對於空氣與矽石玻璃界 面^傾斜45度反射性表面，影像優先地相對於光軸28成45 度’该光軸縱向地延伸通過尾瓣光纖22以及grin-光纖透 依據本發明，聚焦影像尺寸以及長寬比能夠利用適 §控制GR I N-光纖透鏡24各種特性例如非限制性之心蕊以 及外铨，相對折射率差值，使用其他反射性材料或表面或加 上傾斜表面而加以變化，其將詳細說明於底下。 這些以及其他光束彎曲裝置將在底下詳細加以說明，

1252338 五、發明說明（16) 其能夠有用於耦合光學訊號通過尾瓣光纖及雷射二極體或 其他光學波導之間。與在單模光纖端部上傳統性拋光之已 商業化光纖透鏡作比車乂時，使用該光束彎曲裝晋將蔣征盆 他優點例如工作距離大至2。·。微米或更大。上 離將使本發明GR I N-光纖透鏡與雷射二極體或其他光學訊 號傳送通過之光學組件間對準誤差緩和變為容易。 顯示於各附圖中光束彎曲裝置範例性實施例重要項目 能夠參考附圖而了解。顯示於附圖2中為圖u所示光束彎 曲裝置20之斷面圖。如圖2所示，光學訊號3〇通過grin 一光 纖透鏡24以及入射於反射性表面上，該情況為傾斜表面入 : = 以及反射角度…。入射角％由入射訊號 30與垂直於傾斜表面直線6間之夾角界定出，而反射角① 由垂直於傾斜表面直線Β與反射光束3 〇，間之夾角界定' ==角％大於介“及七臨界角％時光學訊號3〇被 :及所有被反射光束並不需要額外塗膜。臨界角 Φ。能夠由下列公式表示： 1月 Φ。= s i rr1 (n2 / η!) 依據本發明，ηι為光學訊號運行通過之介質折射 為光學訊號運行通過之受限材料介質之 依2 通常為空氣折射率同時ηι為⑻,革依:本， 率。依據本發明一項，假如 鏡24之折射 了界定出反射表面2 6之傾斜表面外並^ 1角，則除 料。 計表面外亚不需要其他反射性材

此即假如入射角Φ .小於^ A 耵月％】於fe界角％，則傾斜表面單

第20頁 T252338 五、發明說明（17) · --- 將足以達成本發明光束再導引之目標。因而，額外及/或其 他反射性元件為需要的使得達成本發明目標變為容易。一 些該額外反射性元件將參考顯示於圖3 —5G之本發明光束彎 油裝置之不同的範例性實施例，其詳細說明於底下。 圖3中所示光束弩曲裝置2〇包含尾瓣光纖22, grin-光 纖透鏡24外徑大於直接拼接至尾瓣光纖22 一端之尾瓣光纖 外徑。除了界定出反射性表面2 6之傾斜表面，額外反射性 元件36可連接至或放置於反射性表面26上。該反射性元件 36為金屬性或介電質塗膜材料或其他功能性元件例如雙折 射性或偏極板。如底下詳細說明，額外反射性元件3 6能夠 為其他表面，例如為非球面玻璃表面位於斜面上。如附圖 所示，光線路徑3 8離開尾瓣光纖2 2之心蕊4 0以及被準直朝 向反射性表面2 6。在反射性元件3 6及反射性表面2 6界面處 ，至少一些光學訊號被反射朝向GRIN-光纖透鏡24之彎曲表 面3 4。如先前所提及，彎曲表面優先地形成圓錐表面以及 功能為圓柱形透鏡沿著一條光軸而非另外一條光軸將光束 ，焦。因而，假如通過圖3中光束彎曲裝置2〇之光學訊號模 琢為圓形，同時其沿著光軸運行，圓形模場優先地轉變為橢 圓形模場以及聚焦於距離GRIN-光纖透鏡24外部一些距離 處或在其底下。 改變光學訊號模場之光束彎曲裝置2 〇另外一個範例性 貫施例顯示於圖4A及4B中。不像圖3所示實施例，圖4A及4B 所示光束彎曲裝置20包含間隔器光纖或間隔器桿件42位於 尾瓣光纖22及GRIN-光纖透鏡24之間。除此，第二間隔器桿

1252338 五、發明說明（18) 件44可選擇性地位於GRIN-光纖透鏡24與反射性表面26之 間。在圖4 A及4B所示實施例中，反射性表面2 6位於無心蕊 間隔裔桿件一端而非G R I N ~光纖透鏡2 4 —端。在本發明範 例性實施例中由於斜面與光軸間之角度並非4 5度，反射性 表面2 6包含其他反射性元件3 6例如為金屬塗膜或介電質塗 膜，或一些其他功能性元件例如為雙折射性或偏極板。塗 膜元件36亦可包含反射性表面例如為非球面表面或一些其 他材料或裝置，其能夠適當地彎曲光學訊號如已知應用所、 需要。雖然外徑不同，間隔器桿件42及44優先地為運載光 線材料之無心蕊玻璃桿件，其具有均句或固定徑向折射率 分佈。在優先實施例中，間隔器桿件42以及間隔器桿件44 由傳統光纖抽拉處理過程加工，切斷為所需要長度以及拼 接或連接至尾瓣光纖22及/或GRIN-光纖透鏡24而製造出。 位於遠離GRIN-光纖透鏡24之間隔器桿件44端部處之傾斜 =1性表面2 6在拼接之前或之後優先地藉由拋光或雷射微 機械加工而形成或位於間隔器桿件44上。 如圖4B透射圖所示，間隔器桿件42及44具有不同的 徑以及間隔器桿件42與GRIN-光纖透鏡24為長方形，同時門 隔器桿件44為圓柱形。熟知此技術者纖 s 以及一個或多個間隔器桿 圓柱形，長方形，方形，或橢圓形。除此，雖 鏡以及間隔器桿件加上圖4AA4B所示。通# ^透 先纖透鏡以及間隔器桿件之排列，形狀，外徑，長度以及數

1252338 l、發明說明（19) 目優f地由最經濟方式達成以符合特定模轉變/彎曲應用 之模場耦合設計規格。通常，反射性表面26所在GRIN—光纖 透鏡24或間隔器桿件44優先地包含非球面之彎曲表面34以 提供已知應用所需要之畸變透鏡效應。除此，如圖4A及“ 所示，間隔器桿件42, GRIN-光纖透鏡24,以及間隔器桿件44 ，1標記對準外形或溝槽46，或顯示於附圖中以標示間隔 器桿件42, GRIN-光纖透鏡24以及間隔器桿件44應該在製造 過程中優先地對準以保持尾瓣光纖22之偏極軸。對於本發 明在此所揭示其他實施例中該標記亦優先採用。熟知此技 術者了解當光束彎曲裝置20各個元件之幾何形狀為圓柱形 或包含非平面性表面時，該標記為特別有用。除此，熟知此 技術者亦了解對準溝槽無法位於或形成於任何光學訊號通 過之表面上，而該位置對本發明操作產生負面影響。 圖5A中所示光束彎曲裝置2〇類似於圖α所/示^之實施例 。不過所顯示間隔器桿件42及44具有相同的外徑。除此 顯示於圖5A中傾斜反射性表面26無法包含金屬，介電質， 其他功能性塗膜元件例如為雙折射性或偏極板。除此貝’第 二反射性表面4 8優先地為反射性非球形表面形成於第’一 射性表面26上。反射性非球形表面48可形成於反射性表面 26,其藉由雷射微機器加工，酸蝕刻，拋光，或其他業界已知 技術達成。可加以變化，其他反射性材料能夠經由、一此口 明之環氧樹脂連接至傾斜反射性表面26。 一 & 圖5B中所示光束彎曲裝置2〇類似於圖5A所示之實 ，除了光束彎曲外形。特別地，圖5B中所示光束彎曲裝置

第23頁 1252338___ I、發明說明（20) " '~ 並不包含傾斜反射性表面26，亦不包含第二反射性表面48 。儘管如此，彎曲表面47位於遠離尾瓣光纖22之光束彎曲 裝置2 0端部處。依據本發明，彎曲表面4 7優先地相對於光 線出入口（並未顯示出）成一個角度，該出入縱向地延伸通 過光束幫曲裝置2 0使得導引至彎曲表面4 7之光學訊號依據 本發明被再導引或彎曲。在優先實施例中，圓形化表面4 7 優先地藉由酸钱刻，雷射微機器加工，或其他機器加工技術 形成於光束彎曲裝置20端部處。 圖5C中所示光束彎曲裝置包含多GRIN—光纖透鏡24 及24 。並非間隔器桿件處理之GRI N-光纖透鏡，圖5C中所 不光束彎曲裝置20包含拼接或連接至尾瓣光纖22之第一 GRIN-光纖透鏡，以及拼接或連接至第一grin—光纖透鏡24 之第二GR I N-光纖透鏡。類似上述所說明實施例，傾斜反射 性表面26位於遠離尾瓣光纖22之光束彎曲裝置2〇端部處。 圖5D所示光束彎曲裝置2〇顯示出另外一個漸變GRIN-光纖透鏡24拼接或連接至尾瓣光纖22。同時圖5D所示漸變 GRIN-光纖透鏡24尺寸與圖1C及1C’中所顯示情況不同，圖 5D所示漸變GRIN-光纖透鏡24之特性及操作實質上與針對 圖1 C及1 C ’所說明之情況相同。 圖5 E所示光束彎曲裝置2 〇優先地包含尾瓣光纖2 2，無 心蕊間隔器桿件42, GRIN-光纖透鏡24以及反射性表面26。 不像上述所說明之實施例，無心蕊間隔器桿件42優先地包 含圓形化端部，其將使無心蕊間隔器桿件42拼接至尾瓣光 纖2 2臺為容易。g R I N -光纖透鏡2 4 —端優先地拼接至無心

第24頁 1252338_______ 五、發明說明（21) 蕊間隔器桿件42另外一端。GRIN-光纖透鏡24另外一端優 先地為漸變切斷以及優先地熱成形為球狀透鏡6 5。球狀透 鏡6 5優先地加以拋光或成形而包含傾斜反射性表面2 6使光 束彎曲變為容易。在球狀透鏡6 5上相對傾斜反射性表面2 6 之圓形化表面6 7優先地為雙圓錐表面，其由兩條實質彼此 相互垂直不同的曲線q及(：2界定出之外部表面，其中q及 C2相交於或接近於光軸處。關於彎曲表面q及Q功能之更 進一步說明能夠參考本公司相關專利申請案，其專利名稱 為 Beam Altering Fiber Lens Device and Method of

Manufacture”，該專利之說明在此加入作為參考。熟知此 技術者了解具有傾斜反射性表面2 6以及彎曲表面6 7之球形 透鏡6 5可放置於分離之間隔器桿件端部處而非圖5 E所示 GRIN-光纖透鏡24端部處。該光束彎曲裝置2〇優先地藉由 拼接間隔器桿件42至GRIN-光纖透鏡24,漸變切斷GRIN-光 纖透鏡24為適當長度以及再形成球狀透鏡65於遠離尾瓣光 纖22之GRIN-光纖透鏡24端部處而製造出。 另外一個光束彎曲裝置20各種製造過程之階段顯示於 圖5F及5G中光束彎曲裝置20優先地包含尾瓣光纖22，無 心蕊間隔器桿件42, GRIN-光纖透鏡24,以及傾斜反射性表 面26 =遠離尾瓣光纖22。如圖5F所示，圓形化端部㈢位^ 無心：間隔器桿件42端部處使無心蕊間隔器桿件U拼 尾瓣光纖2 2變為容易。依攄太路 ^ 伙像本發明另外一項，光東蠻曲驻 置2 0之GRIN-光纖锈错止u不4萌表 *㈣夕Λ 漸變切斷以包含遠離尾瓣 、' Μ支刀斷端部61。漸變切斷端部61再優先地藉由

1252338 五、發明說明（22) 拋光或雷射微機器加工以形成傾斜表面2 6如圖％所示。％ 知此技術者了解本發明光束彎曲裝置2〇可包含多間隔器^ 件及/或多GRIN-光纖透鏡，或單一間隔器桿件以及多 光纖透鏡，或單一GRIN-光纖透鏡以及多間隔器桿件1具 有相同的或不同的特性，其決定於已知應用之規格以及符 合這些規格設計方式。 本發明一項光束彎曲裝置20操作實施例顯示於圖6a — 6C中。附圖描繪出具有傾斜反射性表面26之部份⑶a一光 纖透鏡24。描繪於圖6A-6C中GRIN-光纖透鏡24優先地連接 至尾瓣光纖2 2如揭示於圖1 β範例性實施例中以及優先地包 含圖1 Β所不光束彎曲裝置2 〇之特性，外形，以及功能。即圖 6Α顯示出GRIN-光纖透鏡24側視圖，圖6Β及6(：顯示出GRIN_ 光纖透鏡24頂視圖。描繪於圖6B及吒tGRiN—光纖透鏡24 由圖6 A所示位置旋轉9 〇度使得傾斜反射性表面2 6面對圖頁 。圖6B顯示出在GRIN-光纖透鏡24表面處具有顯微聚焦之 模場50。圖6C顯示在距離GRIN—光纖透鏡24表面1〇〇微米處 具有顯被？κ焦模場5 2。因而，在圖β C所顯示實施例中，具有 橢圓形模場之光學組件可優先地耦合至顯示於圖6 A — 6 C之 光束彎曲裝置20於距離GRIN-光纖透鏡表面33彎曲表面34 處1 0 0微米距離處使耦合效率達到最大以及將光學損耗減 為最低。 上述所說明光束彎曲裝置優先應用為耦合該裝置至雷 射二極體或高折射率半導體波導裝置。在該應用中，由上 述所說明元件所提供加強功能提供額外設計之彈性及功能

第26頁 1252338 五、發明說明（23) 。例如具有位於拋光斜面上介電質反射鏡，光束彎曲裝置 可設計來反射特定比例落於其上面之光線。對於雷射二極 體耗合，能夠使用該功能作為監測雷射功率。除此，本發明 光束彎曲裝置傾斜實施例能夠設計不以9 〇度反射光束以在 包裝半導體裝置時利用本發明光束彎曲裝置提供更多選擇 。當採用矽光學載台技術時該方式特別有用。在包裝許多 單純元件時石夕餘刻平面可作對準步驟。 如先前所提及，在此所揭示光束彎曲裝置20每一範例 性實施例共用特定共同之製造技術。首先，具有可操作拋 物線折射率之適當G R I N -光纖透鏡，心蕊直徑，以及外徑以 及幾何形狀優先地藉由拼接固定至所選擇尾瓣光纖，或一 個或多個間隔器桿件42,其本身拼接至尾瓣光纖22之端部 。該間隔器桿件4 2優先地為含有玻璃桿件之無心蕊石夕石， 其能夠製造具有任何適當外徑以及幾何形狀，以及其具有 均勻的或固定折射率，以及小的或並不折射特性。當採用 時，間隔器桿件40提供額外的設計彈性。GRIN-光纖折射率 ，G R I N -光纖之心蕊3 2，以及折射蒼數例如四分之一間距能 夠使用已知的公式決定出，例如由Emkey及Jack之Analysis and Evalution of Graded-Index Fiber -Lenses Journal of Lightwave Technology， V〇l_ LT-5 卩0 g

September 1 987，pgs 1 1 56-64所揭示，其在此加入作為來 考之用。 ’> GRIN-光纖透鏡能夠劈斷或漸變切斷為適當長度，相去 於四分之一長度以及雷射微機器加工相對於光轴具有適:

1252338_ 五、發明說明（24) ~ " _ "—— —- 的傾斜角度。所形成GRIN_光纖透鏡24端部在需要的情況 下能夠加以拋光。GRI N-光纖透鏡2 4參數例如為傾斜^度 能夠依據工作距離以及尾瓣光纖22模場，以及最終模場^ 狀規格加以設計。間隔器桿件在需要時能夠位於本發琢明y 束4曲裝置20之反射性表面26與GRIN-光纖透鏡24之間。 在該情況下，間隔器桿件44以先前所說明方式加以劈^或 =麦切k/f，以及遠離GR I N-光纖透鏡24之間隔器桿件44端3部 能夠更進一步以上述所說明方式作處理以到達所需要^斜 表面於間隔器桿件上而非GR I N-光纖透鏡上。 、有可能達到廣泛的設計，其中作為不同的應用尾瓣光 纖22以及GRIN-光纖透鏡24之心蕊或外徑，尺寸，形狀以及 折射率差值能夠加以變化。例如，GRIN-光纖透鏡有可能具 有外徑大於，小於，或等於尾瓣光纖以適合各種尺寸之^ ς 二GRIN-光纖透鏡，尾瓣光纖，以及任何間隔器桿件之形狀 =夠為非圓柱形，例如為方形或長方形，或標記溝槽或其他 容易製造方式以及使尾瓣光纖偏極軸對準變為容易。^由 對準平面性側邊或標記尾瓣光纖偏極軸，更進一步處理9過 程例如耦合至雷射二極體或其他具有適當的偏極軸之光 組件將被簡化。 包含本發明光束彎曲裝置2〇之範例性光學組合件顯示 於圖7A-7C中。圖7A及7B所示之光學組合件54優先地包含 基板56以及光學訊號58光源，例如非限制性之雷射二極體 或其他發射器。光學訊號58優先地支撐於基板56上以及本 發明光束彎曲裝置2〇優先地位於基板56上使得GRIN—光纖

第28頁 1252338_ ---— --—晒丨，..._______ 五、發明說明（25) 透鏡2 4此夠與光源5 8連通。如圖7 B所示，光源5 8發射出光 學说6 0，其傳送通過形成於Q r I n -光纖透鏡2 4側邊壁板上 之圓錐形表面34上。光學訊號6〇在由反射性表面26界定出 ”貝玻瑞界面處（通#為空氣/玻璃界面）被反射使得. 訊細再導引沿著GRIN-光纖透鏡24以及尾=纖^^ 。在優先實施例中，光學訊號60模場亦優先地由光學訊號 光源58發射出橢圓形模場轉變為圓形對稱模場以低損耗^也 耗合轉變光學訊號6 0至尾瓣光纖。 圖7A及7B所示構造之特別優點為對環境影響之容忍性 、。由於光學訊號光源58與GR I N-光纖透鏡24間之對準誤差 為寬廣的，此由於GRIN-光纖透鏡24相對於光學訊號光源58 之指向，環境條件例如為溫度，濕度之變化所致，其對組合 件5 4之操作及功能產生較小影響。 口 組合件62之其他實施例顯示於圖7(：中。實施例類似於 圖7A-B所顯示組合件54,但是使用矽光學工作台或1他某 板以反射光學訊號進入GRIN_光纖透鏡24。該排列特別^ 合使用於具有<111>小刻面之矽光學工作台或形成於矽基 板56以及V溝槽55被蝕刻或製造出以支撐光束彎曲裝置 。在優先實施例中，<111>小刻面64排列成大約55度。通常 反射性表面26被傾斜以相匹配（平行）於<111>小刻面因而 以較不複雜地產生對準以及製造出圖代所示组合件。’ 雖然並不顯示於附圖中，波前儘可能地相匹配為重 無法達成該情況將產生像差，其為建設性或破壞性干 涉麵合效率之結果。過去，熟知此技術者藉由實際改變玻

第29頁 1252338 五、發明說明（26) ' '— - 埚本身化學特性而調整透鏡例如GR〗N_光纖透鏡之特性，例 $ G R I N光纖透鏡折射率分佈。此非常耗時以及無法使模 場耦合組件有效製造變為容易。依據本發明，GRIN—光纖透 鏡尺寸以及形狀，使用間隔器桿件作為移動光學訊號影像 而不會增加任何顯著透鏡效應至光學訊號影像，隔υ = 件尺寸以及數目，以及獨立控制（χ_平面及y_平面）界;t 圓錐透鏡26外部表面曲線之形狀，促使熟知此技術者容易 地及有效地與實際情況之波前相匹配，有效以及價柊競 性，大量製造模場耦合構件。除此，雖然並不顯示^上 所說明附圖中，上述所說明原理同樣地適用於本發明光與 組件實施例，其中光學訊號導引通過尾瓣光纖，再通過二 一光纖透鏡，通過雙圓錐透鏡以及耦合至光學波導裝 如非限制性之SOA或其他感測器/光子二極體。、，* 範例： 依據本發明上述所說明實施例之離線或非線性 曲装置以及光學組合件範例現在加以說明。 包含具有雙圓錐彎曲表面67以及傾斜反射性表面之 形透鏡65的離線光束彎曲裝置80範例顯示於圖8中針豆 參數說明於底下。範例性多透鏡裝置包含光學訊號之光源 82,在該情況下雷射二極體能夠發射出操作波長之訊"、 ’ wav’，X-方向（垂直方向）模場直徑（MFD)wx〇(微米=及 y 一方向（垂直方向）模場直徑（MFD)wy〇(微米）。由光 射出光束傳播通過折射率（nl)介質（最常見為空氣）在' 眧I 到X方向曲率半徑（RLx)以及y方向曲率半徑（RLy)彎曲表面

1252338 五、發明說明（27) _ '

67之刖經過一段距離（z)，該彎曲表面形成於間隔器桿件“ 上，其具有徑向固定折射率分佈及長度（Lc)及折射率（nc) 。在圓柱形雙圓錐透鏡之前，光學訊號MFD為wxl，及wyl，以 及光束波前曲率半徑為rxl以及ryl。光學訊號由雙圓透鏡 轉變為MFD之光束以及波前曲率半徑分別為wx2, wy2及门2, rJ2對於薄透鏡，wxl = wx2以及wy 1 = wy2，但是rx2及ry2通 $並不等於rxl及ryl。光束再傳播通過間隔器桿件42區段 長度為Lc以及折射率nc。間隔器桿件42長度u包含在傾斜 反射性表面26之前間隔器桿件長度（Lcl )以及由傾斜反射 性表面26延伸至GRIN-光纖透鏡24之間隔器桿件42長度。 在顯示貝施例中，傾斜反射性表面2 β確實使光學訊號彎曲 90度。在該傳播後，光束特性為wx3，wy3及Γχ3及ry3。具有 這些特性光束落於GRIN-光纖透鏡上，其長度為Lg，平均折 射率為ng，折射率差值=△，以及心蕊半徑（a)。在傳播通過 GRIN-光纖透鏡24後，光束特徵為

目軚在於使|\4 = ¥74=^311^，其中^11^為標準單模尾瓣光纖 22為圓形MFD。另外一個目標為使rx4及ry4儘可能地接近 平坦波前使到達尾瓣光纖之耦合效率為最大。已知光源82 以及尾瓣光纖2 2之該目標能夠藉由改變設計參數例如為間 隔器桿件42,球形透鏡65,彎曲表面67iZ，Rx，Ry，Lc，u& GRIN-光纖透鏡24之特徵例如Lg，△，及（a)。一項目標亦使 Z相當大以作為合理之誤差以及實際標準需求而不會損及 搞合效率。 對局斯光束之光束轉移計算能夠使用加入參考文獻所

第31頁 1252338 五、發明說明（28) 揭示複數光束參數q之A B C D 4石卩Φ老m ^ L 4队ϋ矩陣處理過程或使用光束傳播 技術達成。設計優先地對任何所需要ζ以及光源82以及尾 瓣光纖22特性之最佳麵合效率作最佳化。材料特性ni，nc ng，以及ns能夠某種程度加以改.變，但是實際材料考慮因辛 對該數值產生限制。例如，nl通常等於丨（空氣），nc通常為、 矽石以及合有掺雜劑之矽石產生約為丨· 4 5微米或至少接近 1. 3至1. 55微米波長範圍。其對ng &nsmf亦是一樣。 複數光束參數q界定如下： (l/q) = (l/r) -i*(wav/(pi#w~2*n) 其中r為曲率之波前半徑，w為高斯模固定半徑，以及wav為 光線之波長。 由輸入平面84至輸出平面86之q參數轉變為： Q2:(A*ql+B)/(C*ql+l) 其中A，B，C，D為光束矩陣元素分別與輸入及輸出平面84, 86 之光束參數相關。 1)自由空間傳播長度Z之ABCD矩陣 y 2)介質折射率由nl至n (no長度） 3) 對於透鏡曲率半徑「 1 〇· ^-(n2-n1) / (n2^R) 1^/1½ 4) GRIN-光纖透鏡 n，（r)二（i-g，2*:T 2Γ0. 5 以及 長度 L =「cos(gL) sin(gL) /g ，g*sin(gL) cos(gL) 第32頁 g = ((2* △)〃〇. 5)/a ΐ LI位/戈透鏡幾何特性以及設計變數以及_參數. _:wav，wxL光源82波長及乂，二場 .雙圓錐透鏡前材料折射率（nl)之傳播通量Z wxl，wyl :在平面84處光束模場直徑 rxl’ryl:波前之曲率半徑 平面86:在材料折射率nc雙圓錐透鏡半徑以及以後 wx2,wy2 rx2,ry2 、’面8 8 ·在G R I N透鏡2 4剛間隔器桿件長度^ c中傳播，及折 率為nc ' wx3,wy3 rx3,ry3 平面90:在傳播通過GRIN—光纖透鏡24後，其長度為Lg，平均 折射率為ng，折射率差值=△，心蕊半徑=a 以及剛好在尾瓣光纖前： wx4, wy4 rx4,ry4 、線性光束彎曲裝置特定範例： 、 使用上述所說明處理過程，耦合雷射二極體應用之多 透鏡裝置設計參數能夠加以計算以及加以最佳化。為兩夕^ GRI N-光纖區段工作距離函數關係之耦合效率計算顯示於x 圖8中。依據該曲線，該設計最佳工作距離大約2 〇. 〇微米 其為實際包裝以及對準規格之合理數值。雷射二極體特性

第33頁 1252338 五、發明說明（30) 以及其他設計參數列出如下： 雷射二極體特性：波長：0 · 9 8微米 X方向模場半徑wOx : 0. 9微米 Y方向模場半徑w0y:3. 6微米 其他設計參數： 雙圓錐透鏡X-曲率半，RLx: 25微米 間隔器桿件長度LC : 40.0 GRIN -光纖長度Lg: 1170微米 GRIN-光纖折射率差值： 〇. 〇1 GRIN-光纖透鏡心蕊半徑a: 62. 5 單模場尾瓣光纖模場： 5. 2微米 所提出範例只作為列舉用途以及將依據應用變化。先 前範例將參考下列參考文獻更加清楚地了解：w. L. Emkey 以及C. Jack, JLT-5 Sep. 1987， ρρ·1156-64;H. Kogelnik, Applied Optics, 4 Dec. 1965, pl562; R. Kishimoto, M. Koyama; Transactions on Microwave Theory and Application, IEEE MTT-30， June 1982， p882;以及Photonics by B.E.A. Saleh and M.C. Teich， John Wiley & Sons, Inc.， 1991，其均在此加入作為參考 之用。 雖然本發明已詳細加以說明，熟知此技術者可立即了 解，其能夠加以變化而不會脫離本發明範圍。能夠作各種 形式，設計或排列之變化而不會脫離本發明之範圍。例如， 能夠製造GRIN-光纖透鏡24使得其折射率分佈縱向地變化

Η 第34頁 1252338_ 五、發明說明（31) 而非上述所說明之徑向變化。除此，熟知此技術者了解本 發明光束彎曲裝置20各種組件/元件並不需要由相同的材 料製造出，只要形成光束彎曲裝置2 0各個元件之各種材料 與一些特性相匹配，例如非限制性之特性為軟化點，以及熱 膨脹係數。因而，上述所說明只視為範例性，而非限制性， 本發明只受限於下列申請專利範圍中。

第35頁 1252338 圖式簡單說明 附圖簡單說明： 第一圖A示意性地顯示出本發明範例性彎曲光束裝置 實施例之侧視圖。 第一圖A ’示意性地顯示出本發明第一其他範例性彎曲 光束裝置實施例之側視圖。 第一圖B示意性地顯示出本發明第二其他範例性彎曲 光束裝置實施例之側視圖。 第一圖B’示意性地顯示出本發明第二其他範例性彎曲 光束裝置實施例之側視圖。 第一圖C示意性地顯示出本發明第四其他範例性彎曲 光束裝置實施例之側視圖。 第一圖C’示意性地顯示出本發明第五其他範例性彎曲 光束裝置實施例之侧視圖。 第二圖為本發明圖1B彎曲光束裝置之斷面圖，其顯示 出反射離開位於G R I N -光纖透鏡上反射性表面之光學訊號 入射角度。 第三圖示意性地顯示出本發明光束彎曲裝置另外一個 範例性實施例之斷面圖。 第四圖A示意性地顯示出本發明光束彎曲裝置另外一 個範例性實施例之側視圖。 第四圖B示意性地顯示出光束彎曲裝置之透視圖。 第五圖A-E示意性地顯示出本發明光束彎曲裝置另外 一個範例性實施例之側視圖。 第五圖F-G為顯微像片圖，其顯示出本發明光束彎曲裝

第36頁 1252338 圖式簡單說明 置另外一個範例性實施例之不同製造階段。 苐/、圖A - C為顯微像片圖，其顯示出圖1 B中所示光束彎 曲裝置之GRIN-光纖透鏡不同圖式，其顯示出本發明之光學 訊號模場轉變。 第七圖A-B示意性地顯示出包含於圖1 B中所示光束彎 曲裝置之範例性光學組件之側視圖及頂視圖。 第七圖C示意性地顯示出包含於圖1 B中所示光束彎曲 裝置之光學組件另外一範例性實施例側視圖。

第八圖示意性地顯示出本發明離線光束彎曲裝置之排 列，其包含各種不同的設計變數符號。 第九圖為曲線圖，其描繪出本發明範例性離線組件之 耦合效率與工作距離之關係曲線。 附圖元件數字符號說明：

光束彎曲裝置20,20，，20，，，20,’，，20”1，；尾瓣光纖22; GRIN-光纖透鏡24,24’，24，，；光束彎曲裝置25,25，；反射 性表面2 6,26，，26π;反射性表面區段27;光軸28;GRIN-光纖透鏡區段2 9，2 9，；光學訊號3 0，3 0，，3 0心蕊區域 3 2 ;側表面3 3，3 3 ’；彎曲表面3 4 ;平面性表面3 5 ;反射性 元件36;拼接接頭37;光線路徑38;間隔器桿件40;溝槽 41 ;間隔器桿件42;間隔器桿件44 ;溝槽46;彎曲表面47 ;反射性表面48;模場50, 52;光學組合件54;基板56 ;光 源5 8 ;光學訊號6 〇 ;漸變切斷端部6 1 ;組合件6 2 ;圓形化 端部63 ;小刻面64;球狀透鏡;圓形化表面67 ;光束彎 曲裝置80;光源82;平面83;輸入平面84;輸出平面86;

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Claims (1)

1252338 六、申請專利範圍 1 · 一種改變光學訊號模場之裝置，該裝置包含： 一端成形為球面透鏡之梯度折射率（GRIN) -光纖透鏡；及 反射性表面位於在至少，部份球面透鏡上之G R I N -光纖 透鏡一端，反射性表面構造成與GRIN -光纖透鏡共同再導引 光學说5虎投射至反射性表面。 2 ·依據申請專利範圍第1項之裝置，其中更進一步包含光纖 ，以及其中遠離反射性表面之GRIN_光纖透鏡端部連接至光 纖。 3.依 曲表 斜一 光纖 4·依 斜表 5·依 漸變 6·依 含表 訊號 7.依 及其 線C1 近於 8·依 像宁#專利範圍第1項之裝置，其中反射性表面包 :，ΛΛ彎曲表面相對於grin_光纖透鏡縱向出入口 透鏡：ΐ i精由拋先或雷射微機械加工形成於gr 1N- .之裝置，其中反射性表面包含令頁 傾 據申請專利範圍第1 面0 之裝置，其中GRIN-光纖透鏡由 據申請專利範圍第1 區域所構成。 〜印 據申請專利範圍第1 .，rpTM ^ ^ 面位於相對於反射表$之衣置，其中GRIN-先纖透鏡包 〇 ①衣面以連通進入或離開裝置之止 據申請專利範圍第6項 中彎曲表面由兩停實柄衣置，/、中衣置界疋出光軸以 及副曲地ro 来只貝彼此相互垂直不同的曲飨士 線C2界定出外部表面，其—相交AV 乘申明專利乾圍第1項之裝置，其中GRIN-光纖透鏡包

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入或離開裝 表面由j頃 光纖透鏡 3平面丨生表面位於相對於反射性表面以連通進 置之光學訊號。 91依據申睛專利範圍第1項之裝置，其中反射性 斜表面所構成，以及其中傾斜表面形成於GRIN-端部處。 1^· 一依據申請專利範圍第2項之裝置，其中裝置更進一步包 3、個或多個間隔器桿件，每一桿件具有徑向固定折射率 、、/、中個或夕個間隔器桿件位於光纖與G R IN -光纖透 鏡或GRIN-光纖透鏡與反射性表面之間。

11·依據申請專利範圍第2項之裝置，其中GRIN_光纖透鏡包 含一組多GRIN-光纖透鏡，以及其中多透鏡裝置更進一步 f含一個或多個間隔器桿件，每一間隔器桿件具有徑向固 定折射率，以及其中一個或多個間隔器桿件位於一條或多 條光纖以及一組多個G R I N -光纖透鏡之間。 1 2 ·依據申睛專利範圍第i項之裝置，其中反射性表面包含 傾斜表面以及反射性非球面形成於傾斜表面上。

13·依據申請專利範圍第2項之裝置，其中裝置更進一步包 含一個或多個間隔器桿件，每一間隔器桿件具有徑向固定 折射率，以及其中一個或多個間隔器桿件位於光纖與GR j N_ 光纖透鏡以及GR I N -光纖透鏡與反射性表面之間。 1 4 · 一種光學組件，其包含： 光學組件； 基板，其構造成支撑光學組件；以及 透鏡裝置，其放置於基板上以及相對於光學組件以改變

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