[发明专利]光扩散光纤的光耦合设备和方法

说明书

本申请根据35U.S.C.§120，要求2013年8月23日提交的美国申请序列第13/974580 号的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。

技术领域

本发明涉及光纤连接件和光扩散光纤，具体地，涉及光扩散光纤的光-光耦合设备 以及方法。

本文所述的任何出版物或专利文献的全文内容通过参考结合于本文。

背景技术

光纤被用于需要将光从光源传递到远处位置的各种应用。例如，光通信系统依靠 光纤网络将光从服务提供者发送给系统的终端用户。

光纤通常被设计成将光从光纤的一端(通常经过长距离)有效地传递到光纤的另 一端，这要求从典型光纤侧面散失的光非常少。但是，许多应用如特殊光照、标志或生物应 用，包括细菌生长以及光-生物能和生物质燃料的生产，都需要以有效的方式将选定量的光 提供给指定区域。

为此，开发了光扩散光纤，例如参见美国专利第7,450,806号以及尚未授权的公开 号US2012/0275180、US2011/0122646和US2013/0107565所述。光扩散光纤配置成沿着光纤 的长度将光从光纤散射出来。光扩散光纤被用于各种应用，例如光源(参见例如WO2013/ 055842A1)。

可以将光扩散光纤与激光二极管光源光学耦合(opticallycoupled)，由于激光 二极管小且较低的数值孔径(NA)，耦合效率(couplingefficiency)大于90％。但是，对于 某些应用，优选使用发光二极管(LED)作为光源。LED与光扩散光纤的耦合(coupling)是具 有挑战性的，因为光扩散光纤的纤芯直径可以是125-250μm，并且NA约为0.35，而LED的尺寸 大于或等于约1mm，并且具有大NA，例如约为0.86至高至约1。

在光学系统中，聚光率(etendue)是守恒的。在与光源和光纤相关的几何方面，如 果A₁和A₂分别是光源发光区域和纤芯的尺寸，并且NA₁和NA₂分别是光源和光纤数值孔径，则 A₁·(NA₁)²＝A₂·(NA₂)²。因此，光扩散光纤和LED光源之间的光耦合会是不可接受的低，这 是由于数值孔径和发射/接收区域之间的失配导致的。

发明内容

本发明的一个方面是光纤设备。该光纤设备具有数根光扩散光纤，每根光扩散光 纤分别具有折射率为n₁的圆柱形玻璃纤芯和折射率n₂<n₁的围绕包层，其中，每根光扩散光 纤的端部区段去除了包层，使得纤芯暴露出来。将玻璃纤芯布置成捆紧束，纤芯之间具有空 隙。在空隙中存在折射率为n_M的透明材料，其中，n_M≤n₁。

本发明的另一个方面是光耦合(light-coupling)设备。该光耦合设备包括上文所 述的光纤设备，其具有第一尺寸和形状的端面。光耦合设备还包括LED光源，其具有发射光 的输出端，所述输出端具有第二尺寸和形状，其基本与所述第一尺寸和形状相同。LED光源 的输出端与光纤设备的端面接合，从而建立光从LED进入光纤设备的对接耦合(butt- coupling)。

本发明的另一个方面是光耦合设备，其包括上文所述的光纤设备，并且该光纤设 备具有数值孔径NA_B以及第一尺寸和第一形状的端面。光耦合设备还包括LED光源，所述LED 光源的数值孔径NA_S>NA_B，并且其输出端的第二尺寸小于所述第一尺寸以及该输出端具有基 本相同的第一形状，其中，该输出端发射光。光耦合设备还具有反射集中器，其可操作地布 置在LED光源和光纤设备之间，从而使得至少一部分来自LED光源的光从反射集中器反射， 并以基本匹配光纤设备的数值孔径NA_B的方式进入光纤设备的端面。光耦合设备在位于例 如300-2000nm波长范围(例如350-2000nm)的波长处运行。根据一些实施方式，光纤纤芯在 位于这些波长范围内的至少一个波长λ处是透明的，并且涂层在位于该波长范围内的至少 一个波长λ处也可以是透明的。