專利名稱：用于光纖準(zhǔn)直組件的對(duì)稱雙非球面透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及連接光纖的裝置和方法。尤其是涉及用在光纖準(zhǔn)直器組件中的透鏡，并涉及使光纖、透鏡和相關(guān)元件的組裝改善的透鏡設(shè)計(jì)。
在光纖應(yīng)用中，經(jīng)常需要將光從一根光纖耦合到另一根光纖。在多根光纖聚集的地方可以使用轉(zhuǎn)換裝置實(shí)現(xiàn)耦合，或是在密集波分復(fù)用(DWDM)應(yīng)用中通過增加和/或減少波長實(shí)現(xiàn)耦合。實(shí)現(xiàn)耦合的一種已知方法是直接將光纖對(duì)接在一起。光纖還能通過電熔接被連接，當(dāng)兩根光纖開始接合時(shí)，用電弧加熱兩根光纖的末端。光纖被電弧融化，使光纖在永久的機(jī)械穩(wěn)定的接合處連接在一起。如在專利US 4,421,383中描述的，使用透鏡將光從一根光纖耦合到另一根光纖也是可能的。在這里，一實(shí)體連接器保持光纖和透鏡在相對(duì)于彼此的適當(dāng)?shù)奈恢谩?br> 在許多應(yīng)用中，在光從光源光纖發(fā)出之后，且在進(jìn)入接收光纖之前，完成光的處理或操作是最好的。這種處理的范例包括衰減和濾光。在一根光纖中利用多個(gè)波長的，通常稱為波分復(fù)用的光通訊系統(tǒng)中，摻鉺光纖放大器在光纖中被用于在寬帶波長范圍上光學(xué)地放大光信號(hào)。因?yàn)樵诓ǚ謴?fù)用系統(tǒng)中的每個(gè)波長來自不同的光源，為了光學(xué)放大器的最佳工作狀態(tài)，每個(gè)波長的信號(hào)功率需要被調(diào)整。信號(hào)功率的調(diào)整需要光信號(hào)的不同光衰減，通常這種衰減最容易在擴(kuò)展光束中實(shí)現(xiàn)。
另外，如果來自光纖的光束已被準(zhǔn)直，那么光纖之間的光信號(hào)處理最容易完成。

圖1表示一對(duì)傳統(tǒng)的準(zhǔn)直透鏡16和18，它們被用于耦合從光源光纖10到接收光纖20中的光。在本領(lǐng)域中已知，漸變折射率透鏡(GRIN)也常被用于這種應(yīng)用中。GRIN透鏡通過擴(kuò)散摻雜物到柱面玻璃體中制成。摻雜物使透鏡的折射率產(chǎn)生徑向梯度。如果朝向透鏡的邊緣折射率較低，那么透鏡將聚焦來自遠(yuǎn)光源的光。折射率分布的形狀控制透鏡成像性質(zhì)。擴(kuò)散之后，透鏡被切割成特定的長度并且其端面被拋光。當(dāng)光線在透鏡之間準(zhǔn)直時(shí)，在相當(dāng)長的工作距離“D”(一般為10mm)上，光束保持幾乎相同的尺寸。因?yàn)樵谶@個(gè)空間中光束具有幾乎相同的尺寸，所以在其中加入衰減光束或是濾光光束的其它光學(xué)元件是較容易的，例如，如圖2所示的光調(diào)制器17。圖2所示的光學(xué)系統(tǒng)因?yàn)楣馐高^光學(xué)元件而被稱為透射系統(tǒng)。
在涉及處理光信號(hào)的系統(tǒng)中，最理想的是當(dāng)光信號(hào)從一根光纖到另一根光纖耦合時(shí)，保持盡可能多的信號(hào)功率。對(duì)于單模光纖，耦合效率能通過分析的方法被計(jì)算出來。(見R.E Wagner和J.Tomlinson，“單模光纖元件中的光學(xué)器件的耦合效率”，Applied Optics，vol.21，No.15，1982，第2671頁)。對(duì)于從一根光纖到另一根光纖耦合光的情況，為了產(chǎn)生高耦合效率，透鏡必須具有特定的光學(xué)功能。參考圖2，第二準(zhǔn)直透鏡18產(chǎn)生聚焦光束，該光束入射到接收光纖20。在聚焦光束中的任何像差都將導(dǎo)致接收光纖中的光耦合百分率降低。在一光纖系統(tǒng)中，光功率的損失是非常不期望的，因?yàn)樗拗屏嗽谝粭l通訊道上傳輸?shù)男畔⒘浚蚴窃黾恿怂璺糯蟮牧俊?br> 近來，更多基于通訊系統(tǒng)的光纖同時(shí)利用多個(gè)波長，用于提高所傳輸?shù)男畔?shù)量。使用多波長在一般概念上稱為波分復(fù)用。如圖3所示，波分復(fù)用系統(tǒng)使用某種方法將光纖中的不同波長分離出去。光源光纖22位于準(zhǔn)直透鏡16的后焦平面附近。來自光源光纖的光被透鏡16準(zhǔn)直，并在濾光片24處入射。濾光片的涂層反射除了以所期望的波長為中心的一很窄波帶內(nèi)的光之外全部的光。光經(jīng)過濾光片24耦合進(jìn)入接收光纖28。如果濾光片24恰當(dāng)?shù)膶?duì)準(zhǔn)，從該濾光片反射的光將被入射到第二接收光纖26的末端。注意光纖22、26和28在系統(tǒng)中為脫離光軸設(shè)置。包括光源光纖22、準(zhǔn)直透鏡16、濾光片24和接收光纖26的光學(xué)系統(tǒng)被稱為反射系統(tǒng)；而包括光源光纖22、準(zhǔn)直透鏡16、準(zhǔn)直透鏡18和接收光纖28的光學(xué)系統(tǒng)被稱為透射系統(tǒng)。
為了獲得光束進(jìn)入到一光纖中的高耦合效率，光束被聚焦到具有低像差數(shù)量的光纖上是不夠的。更準(zhǔn)確的說，聚焦光束必須和光纖的基諧方式相匹配。這就需要光束具有與光纖模式相同的振幅和相位。為了匹配光纖的相位分布，光束應(yīng)該沿著光纖的光軸進(jìn)入光纖，否則將導(dǎo)致額外的損耗。如果光纖的端面垂直于光纖光軸，那么為了得到最高的耦合效率，光束必須垂直于光纖。對(duì)于通常的成像系統(tǒng)，光束平行于系統(tǒng)光軸的狀態(tài)被稱為遠(yuǎn)心性(telecentricity)。更確切的說，在通常的成像系統(tǒng)中，遠(yuǎn)心性需要穿過光闌中心的主光線在系統(tǒng)中某些點(diǎn)上與光軸平行。對(duì)于單一元件光學(xué)系統(tǒng)，孔徑光闌應(yīng)該位于或靠近透鏡的前或后焦平面。光學(xué)系統(tǒng)可以在它的不同部分成遠(yuǎn)心性。如果主光線在物空間平行于光軸，人們就認(rèn)為系統(tǒng)在物空間成遠(yuǎn)心。如果主光線在像空間平行于光軸，人們就認(rèn)為系統(tǒng)在像空間成遠(yuǎn)心。例如，圖4表示一簡(jiǎn)化的透鏡40和光闌42的系統(tǒng)，其中系統(tǒng)在物空間成遠(yuǎn)心。圖5表示一類似的透鏡50和光闌52的系統(tǒng)，其在像空間成遠(yuǎn)心。
由于光纖光源的性質(zhì)，通常認(rèn)為來自光纖的光束在物空間成遠(yuǎn)心，如從光纖射出的光束平行于光軸。理想的耦合光纖的光學(xué)系統(tǒng)的特征在于為了獲得位于像空間的接收光纖中的光線最高耦合效率，光也被成遠(yuǎn)心于第二準(zhǔn)直透鏡的像空間。如果光相對(duì)于光纖光軸以相當(dāng)大的角度射入光纖，在光纖中光束的耦合效率將顯著降低，或是插入損耗將被增加。盡管為了減小光束和光纖光軸之間的有效角度，可以使光纖傾斜于光軸，但傾斜光纖大大的增加了最終光學(xué)系統(tǒng)安裝的時(shí)間和成本。光學(xué)元件的類型和位置，以及孔徑光闌的位置影響遠(yuǎn)心性的條件。
對(duì)于用于耦合從一根光纖到另一根光纖的光的系統(tǒng)，具有許多限制光束的孔徑和由此降低光學(xué)放大率是不希望的。因此往往不用限定的孔徑或光闌限制光束。當(dāng)沒有物理孔徑限制光束時(shí)，遠(yuǎn)心性由與光學(xué)元件結(jié)合的光源和接收器的特性決定。更準(zhǔn)確的說，如果光束在系統(tǒng)中傳播，并且不希望引入會(huì)以任何方式限制光束的任何孔徑，那么光闌的位置通常通過主光線穿過系統(tǒng)光軸的位置來描述。主光線被定義為位于從光源發(fā)射出的光束分布中心的光線，因此不再由光學(xué)系統(tǒng)中的物理孔徑?jīng)Q定。
本領(lǐng)域中已知漸變折射率(GRIN)透鏡能被用于準(zhǔn)直來自光纖的光。NipponSheet Glass，Somerset，New Jersey生產(chǎn)這樣的透鏡。圖6表示使用兩個(gè)GRIN準(zhǔn)直器透鏡的透射光學(xué)系統(tǒng)。從光源光纖10發(fā)射出的一高斯光束被GRIN透鏡16準(zhǔn)直。準(zhǔn)直的光束62被GRIN透鏡18聚焦進(jìn)入接收光纖20。透鏡的旁軸前焦平面位于該透鏡第二主平面的有效焦距(EFL)上。GRIN透鏡16的前焦平面60位于與透鏡前表面64非常接近的位置。這是因?yàn)榈诙髌矫?6位于GRIN透鏡的內(nèi)部。對(duì)于反射系統(tǒng)(見圖3)，濾光片24應(yīng)該被放置在輸入準(zhǔn)直器透鏡的前焦平面60上，以獲得最大的耦合效率，或是將插入損耗降到最小。因?yàn)闉V光片能被直接膠合在GRIN透鏡16的前表面64上，而不引起過多的插入損耗，濾光片24與GRIN透鏡的前表面64的極為接近有利于組裝反射光子器件，如DWDM分離器。
為了具有高耦合效率，聚焦透鏡不能將明顯的像差引入到光束中。對(duì)于一漸變折射率透鏡，折射率分布的形狀必須精確設(shè)計(jì)，從而產(chǎn)生最小的像差。因?yàn)榉植嫉男螤钪挥刹Ａе袚诫s物的擴(kuò)散控制，所以折射率分布的控制是不容易的。漸變折射率透鏡的更進(jìn)一步的缺點(diǎn)是，普遍應(yīng)用在擴(kuò)散中的摻雜物之一是鉈。例如，漸變折射率透鏡中鉈的使用在美國專利US3,941,474和US4,246,474中有描述。鉈是有毒的金屬(甚至比鉛更毒)。
除漸變折射率玻璃透鏡之外，以前還試圖使用折射透鏡耦合光纖之間的光，如專利US4,421,383中描述的。然而，US4,421,383專利中沒有批露使用非球面或是對(duì)稱雙非球面準(zhǔn)直器透鏡來提高光學(xué)性能。圖7表示如專利US6,438,290所述的，使用兩個(gè)平凸折射準(zhǔn)直器透鏡的透射光學(xué)系統(tǒng)。從光源光纖10發(fā)射出的高斯光束，通過平凸透鏡72被準(zhǔn)直。然后準(zhǔn)直光束62被第二平凸透鏡74聚焦進(jìn)入接收光纖20。
對(duì)于平凸準(zhǔn)直器透鏡，前焦平面82也位于第二主平面80的一個(gè)有效焦距(EFL)上。因?yàn)樗械墓鈱W(xué)放大率都位于表面78，第二主平面80近似的位于表面78處。結(jié)果，前焦平面82近似的位于折射光學(xué)表面78的一有效焦距處。圖8表示使用一對(duì)平凸準(zhǔn)直器透鏡的反射光學(xué)系統(tǒng)。濾光片24必須定位在輸入準(zhǔn)直器透鏡72的前焦平面82上，以使接收光纖26獲得最大的反射光。在反射系統(tǒng)中，可以理解到，由于在溫度變化過程中濾光片(或反射鏡)位置的變化，從前折射表面78到濾光片24有相對(duì)較大的距離是一個(gè)缺點(diǎn)。反射耦合效率被定義為部分光被耦合進(jìn)入接收光纖26，假設(shè)濾光片(或反射鏡)24是理想反射器。反射插入損耗是指在反射光纖組件中損失的光量。
根據(jù)菲涅耳反射作用反射回光源光纖的光被稱為回波損耗或是背反射。非常小的背反射光能引起激光二極管光源中嚴(yán)重的性能惡化。為了減小這種影響，本領(lǐng)域中眾所周知，在光纖和準(zhǔn)直器透鏡上都拋光一斜面，也可以將一高效抗反射涂層涂覆到光纖的端面和透鏡表面上。圖9(a)表示具有拋光斜面102的光源光纖100，和具有同樣斜面106的GRIN透鏡104。圖9(b)表示用于平凸準(zhǔn)直器透鏡110的同樣的構(gòu)造，透鏡110具有斜面108。眾所周知，在光源光纖和準(zhǔn)直器透鏡上，8度的斜面將產(chǎn)生可接受的少量背反射。
準(zhǔn)直器透鏡的最佳設(shè)計(jì)主要是由透鏡的折射率決定的。選擇準(zhǔn)直透鏡的形狀和每個(gè)曲率半徑的比率，將第3級(jí)球面像差減到最小。對(duì)于折射率近似地小于1.68，最佳的光學(xué)設(shè)計(jì)是如圖10(a)所示的雙凸透鏡。透鏡122聚焦準(zhǔn)直光束120到焦平面124上。如果折射率近似為1.68，那么平凸透鏡126形狀是最佳的。(圖10(b))。最后，對(duì)于折射率近似地大于1.68，彎月透鏡128是理想的。(圖10(c))。
通過使用一個(gè)或兩個(gè)非球面光學(xué)表面，能夠獲得其它的光學(xué)波前特性。使用傳統(tǒng)的研磨和拋光方法制造非球面光學(xué)表面既浪費(fèi)時(shí)間又昂貴。對(duì)于大量應(yīng)用，用玻璃或塑料模壓非球面表面是理想的。幾家公司，例如，LightpathTechnologies和Hoya，制造了各種各樣模壓玻璃的雙非球面準(zhǔn)直器透鏡。在每種情況中，透鏡的形狀和曲率半徑的比率一般被選擇為使光學(xué)波前性能達(dá)到最大。通常，為了使準(zhǔn)直器透鏡的第3級(jí)球面像差減到最小，不會(huì)選擇對(duì)稱雙凸形狀。
Eastman Kodak公司商業(yè)銷售兩種模壓玻璃的對(duì)稱雙非球面透鏡，其可用于準(zhǔn)直來自帶有玻璃外罩的激光二極管的光。A-414透鏡的焦距為3.30mm，而A-439的焦距為0.71mm。在這兩種情況中，透鏡不被設(shè)計(jì)為遠(yuǎn)心的。
另外，專利US5,301,249描述了使用反射系統(tǒng)耦合從激光二極管到一光纖中的光。然而，該專利并沒有定量地描述所期望的單模耦合效率，也沒有描述系統(tǒng)的離軸特性。因此，需要在光纖準(zhǔn)直器組件中使用的透鏡來改進(jìn)這些組件的組裝。
一光纖裝置包括一雙凸光學(xué)透鏡，該透鏡具有兩相同的非球面光學(xué)表面；一光纖，近似的位于光學(xué)透鏡的前焦平面和后焦平面之一上；一相對(duì)于光學(xué)透鏡和光纖定位的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)保持光學(xué)透鏡相對(duì)于光纖的位置。
一光纖裝置包括多個(gè)雙凸光學(xué)透鏡，這些透鏡具有兩個(gè)相同的非球面光學(xué)表面；多根光纖近似的位于光學(xué)透鏡的前焦平面和后焦平面之一上；光纖的根數(shù)與雙凸光學(xué)透鏡的個(gè)數(shù)相等；相對(duì)于光學(xué)透鏡和光纖定位的結(jié)構(gòu)，其中該結(jié)構(gòu)保持光學(xué)透鏡相對(duì)于光纖的位置。
下面參考附圖詳細(xì)的描述本發(fā)明的實(shí)施例，其中圖1表示一對(duì)用于將光從光源光纖耦合入接收光纖的GRIN準(zhǔn)直透鏡；圖2表示為了提供附加處理，光學(xué)元件被引入到準(zhǔn)直光束中；圖3表示帶有濾光片的光學(xué)系統(tǒng)，分離不同波長的光；圖4表示遠(yuǎn)心在物空間的光學(xué)系統(tǒng)；
圖5表示遠(yuǎn)心在像空間的光學(xué)系統(tǒng)；圖6表示一對(duì)用于將光從光源光纖耦合入接收光纖的GRIN準(zhǔn)直器透鏡；圖7表示一對(duì)用于將光從光源光纖耦合入接收光纖的平凸準(zhǔn)直器透鏡；圖8表示包含有兩個(gè)平凸準(zhǔn)直器透鏡和一根光纖的光學(xué)系統(tǒng)；圖9a表示具有斜面的GRIN透鏡；圖9b表示具有斜面的平凸透鏡；圖10a表示雙凸準(zhǔn)直器透鏡形狀；圖10b表示一凸平準(zhǔn)直器透鏡形狀；圖10c表示一彎月準(zhǔn)直器透鏡形狀；圖11表示一對(duì)稱的雙凸透鏡；圖12表示一單光纖光學(xué)準(zhǔn)直器組件；圖13表示使用兩單光纖光學(xué)準(zhǔn)直器組件的透射系統(tǒng)；圖14表示一雙光纖光學(xué)準(zhǔn)直器組件；圖15表示使用一雙光纖光學(xué)準(zhǔn)直器組件的反射系統(tǒng)；圖16表示一單V形槽結(jié)構(gòu)；圖17表示一光纖準(zhǔn)直器組件與前述V形槽的結(jié)合；圖18表示光纖準(zhǔn)直器組件的一維陣列；圖19表示光纖準(zhǔn)直器組件的二維陣列；圖20表示對(duì)于1.944mm標(biāo)準(zhǔn)焦距，作為透鏡中心厚度函數(shù)的非球面二次曲線常數(shù)的圖表；圖21表示用于1.944mm標(biāo)準(zhǔn)焦距，作為透鏡中心厚度函數(shù)的曲率半徑的圖表；圖22表示一高斯光束反射離開一凸光學(xué)表面；圖23表示主光線經(jīng)過一GRIN透鏡傳播；圖24表示主光線經(jīng)過一平凸透鏡傳播；圖25表示主光線經(jīng)過一對(duì)稱雙凸透鏡傳播；圖26a表示一對(duì)稱雙凸透鏡，它具有在第二光學(xué)表面上安裝的基面；圖26b表示一對(duì)稱雙凸透鏡，它具有在兩個(gè)光學(xué)表面上都安裝的基面。
當(dāng)前描述特別涉及形成本發(fā)明裝置的一部分的組件或與本發(fā)明裝置更直接協(xié)同工作的組件。應(yīng)該理解，并不特別地指出和說明本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員已知的元件可以有多種形式。在詳述中，我們假設(shè)使用單模光纖，盡管本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)可應(yīng)用到使用具有多模光纖、偏振保持光纖和摻雜光纖的發(fā)明中。
參考圖11，光源光纖10沿著透鏡134的光軸142設(shè)置，透鏡包括兩個(gè)凸光學(xué)表面136和138。第一表面136和第二表面138具有相同的光學(xué)形狀。從光源光纖10發(fā)射的高斯光束首先在表面136被折射，然后在表面138被準(zhǔn)直。從透鏡表面138起始的某一特定距離內(nèi)，被準(zhǔn)直的高斯光束62的尺寸基本保持恒定。為了產(chǎn)生滿意的準(zhǔn)直光束，光源光纖10必須被置于或是靠近透鏡134的后焦平面130。透鏡134的前焦平面140位于透鏡第二主平面144的一有效焦距處。鑒于光學(xué)放大率呈現(xiàn)在透鏡134的第一表面136和第二表面上138上，第二主平面144位于透鏡內(nèi)部，所以前焦距離“FF”比(圖7)所示的平凸準(zhǔn)直器透鏡的等效焦距小。對(duì)于對(duì)稱設(shè)計(jì)，后焦距“BF”和前焦距“FF”相等。雙凸透鏡134的有效焦距EFL，既由光學(xué)表面136和138的曲率半徑?jīng)Q定，也由透鏡材料的折射率和透鏡的中心厚度CT決定。對(duì)于給定的折射率和給定的有效焦距，光學(xué)表面136和138的曲率半徑能被調(diào)整以便增加或減小透鏡的中心厚度。對(duì)于給定的折射率和給定的有效焦距，還存在如下面例1-例4描述的優(yōu)選中心厚度，以使耦合效率最大或是使插入損耗最小。在優(yōu)選實(shí)施例中，光纖為一單模光纖。另外，也可以使用多模光纖、偏振保持光纖和摻雜光纖。
圖12表示一單光纖準(zhǔn)直器組件150的優(yōu)選實(shí)施例，該組件是用于無源光纖器件的基本結(jié)構(gòu)單元。在組裝和使用光纖準(zhǔn)直器組件過程中，光纖到準(zhǔn)直器透鏡的精確對(duì)準(zhǔn)是至關(guān)重要的。當(dāng)出現(xiàn)溫度和濕度變化時(shí)，尤其如此。光纖10被接合進(jìn)一精細(xì)毛細(xì)管146中，以形成本行業(yè)中稱作的光纖引線。一般的，光纖147的端面成一傾角被拋光并涂覆抗反射光學(xué)涂層，從而提高耦合效率和減少背反射。準(zhǔn)直器透鏡134和光纖引線被接合進(jìn)精細(xì)圓柱管145中。透鏡134、毛細(xì)管146和固定管145之間直徑的差異，以及透鏡134的軸承長度148和毛細(xì)管146的軸承長度149，它們將確定光纖10和準(zhǔn)直器透鏡134之間的相關(guān)傾斜和偏心誤差。為了使耦合效率到最大，使光纖10和準(zhǔn)直器透鏡134之間的傾斜和偏心誤差都最小是很重要的。減小傾斜和偏心誤差的一個(gè)方法是增加透鏡134的軸承長度(bearing 1ength)148。這通過增加透鏡的中心厚度來實(shí)現(xiàn)。增加透鏡的中心厚度來達(dá)到?jīng)]有發(fā)生不可接受的耦合效率的點(diǎn)是可能的。
如圖13所示，一般的，兩個(gè)單光纖準(zhǔn)直器組件被用于形成傳輸光纖元件152。在這樣情況中，兩個(gè)單光纖準(zhǔn)直器組件150被接合入一圓柱管154中。其它的光學(xué)元件置于兩準(zhǔn)直器透鏡之間的光束中。
如圖14所示，對(duì)稱雙非球面透鏡也能被用于一雙光纖準(zhǔn)直器組件156中。在此實(shí)施例中，兩光纖22和26被接合入一精細(xì)毛細(xì)管158中，然后該毛細(xì)管和準(zhǔn)直器透鏡134一起被接合入圓柱管145中。如圖15所示，利用一雙光纖準(zhǔn)直器組件156、一濾光片(或反射鏡)24、和一圓柱管162也能制造一反射光纖元件160。在這種情況中，雙光纖準(zhǔn)直器組件156被接合進(jìn)圓柱管162，并且濾光片(或反射鏡)24被接合在圓柱管162的一端上。為了使耦合效率最大，重要的是將雙光纖準(zhǔn)直器組件156接合進(jìn)圓柱管162以使濾光片(或反射鏡)24位于準(zhǔn)直器透鏡的前焦距。
如圖16所示，其它的結(jié)構(gòu)，例如精細(xì)的V形槽，能用來消極對(duì)準(zhǔn)和保持光纖相對(duì)于準(zhǔn)直透鏡的位置。在這個(gè)實(shí)施例中，該結(jié)構(gòu)包括彼此精確對(duì)準(zhǔn)的一較小的V形槽170和一較大V形槽172。該V形槽結(jié)構(gòu)能通過機(jī)械加工金屬或硅、各向異性蝕刻硅或二氧化硅、磨削金屬、或模制塑料或陶瓷等方法制造。圖17表示光纖準(zhǔn)直器組件，其由一V形槽結(jié)構(gòu)168、一光纖174和一對(duì)稱雙非球面準(zhǔn)直器透鏡176組成。光纖和透鏡用膠合劑、其它連接處理或是機(jī)械夾緊的方式連接在V形槽結(jié)構(gòu)上。
圖18表示一準(zhǔn)直器組件的一維陣列，該陣列由安裝在精細(xì)V形槽陣列177中的多根光纖178和多個(gè)對(duì)稱雙非球面光學(xué)透鏡179組成。V形槽陣列結(jié)構(gòu)通過機(jī)械加工金屬或硅、各向異蝕刻硅或二氧化硅、磨削金屬或模制塑料或陶瓷等方法制造。其也能形成準(zhǔn)直器組件的二維陣列。圖19表示準(zhǔn)直器組件的2×2陣列，該陣列由四根光纖182和四個(gè)對(duì)稱雙非球面準(zhǔn)直器透鏡180組成。包括V形槽、圓柱管或孔結(jié)構(gòu)的多種結(jié)構(gòu)能被用于消極對(duì)準(zhǔn)和保持光纖到準(zhǔn)直器透鏡的相對(duì)位置。
一對(duì)稱雙非球面透鏡能用于準(zhǔn)直來自一單模光纖或偏振保持光纖的光，這些光纖在大約1300到1625nm的波長范圍內(nèi)工作。一對(duì)稱雙非球面透鏡還能用于準(zhǔn)直來自多模光纖的光，該多模光纖工作在大約850到1300nm波長范圍內(nèi)。在每種情況中，選擇光學(xué)表面、折射率和中心厚度使耦合效率最大。
在圖11中，為了將由透鏡產(chǎn)生的光束偏差降到最小，透鏡134的凸面136和138選擇為非球面形狀。非球面形狀通常由二次曲線等式表示，其中表面的弛垂度由下式給出sag=y2R1+1-(1+k)y2R2]]>其中R是表面的基圓半徑，y是徑向坐標(biāo)，k是二次曲線常數(shù)。如果k＝0，則表面是球面。在不改變表面的有效函數(shù)的條件下，相等的數(shù)學(xué)式能用于描述同一光學(xué)表面形狀。在本申請(qǐng)的例子中，只是用到圓錐非球面表面。然而，具有高階項(xiàng)的非球面表面也將產(chǎn)生滿意的結(jié)果。
對(duì)于一軸上物，為了將球面像差的所有階都為零，選擇非球面的特殊形狀。一橢球面產(chǎn)生沒有任何球面偏差的無窮大物象。二次曲線的常數(shù)由(-1/n)^2給出，其中n是透鏡的折射率。然而，橢球體只對(duì)在光軸上的成像點(diǎn)給出理想成像。為了確定透鏡最佳綜合性能并考慮到透鏡必須對(duì)軸上點(diǎn)和離軸點(diǎn)都起作用，必須要改變二次曲線常數(shù)以獲得最佳綜合性能。通過使軸上和離軸區(qū)域點(diǎn)的光程差的平均的均方根(rms)降到最小，來選擇二二次曲線常數(shù)的最佳值。
用于設(shè)計(jì)對(duì)稱雙非球面光纖準(zhǔn)直器透鏡的簡(jiǎn)化過程將在下面介紹。首先，選擇1.944mm的標(biāo)準(zhǔn)有效焦距。市場(chǎng)上買得到的光學(xué)設(shè)計(jì)程序，像OpticalResearch Associates的CODE VTM，用于確定折射率范圍從1.5到1.9的透鏡材料的最佳二次曲線常數(shù)、中心厚度和曲率半徑。根據(jù)這個(gè)數(shù)據(jù)，建立線性方程來推算最佳二次曲線常數(shù)、曲率半徑、和中心厚度如何隨透鏡材料折射率變化。僅通過用理想焦距與標(biāo)準(zhǔn)焦距的比率乘以中心厚度和曲率半徑，就能設(shè)計(jì)出來具有非標(biāo)準(zhǔn)焦距的準(zhǔn)直器透鏡。另一方面，最佳二次曲線常數(shù)獨(dú)立于透鏡的有效焦距。對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)有效焦距，還需要許多其它的最佳條件選配來達(dá)到“最好”透鏡設(shè)計(jì)方案。
方法步驟
第1步選擇透鏡材料，指定折射率，N。
第2步使用下式確定最佳二次曲線常數(shù)，kk＝-1.7843*N+0.6713注意，當(dāng)透鏡材料折射率增加時(shí)，二次曲線常數(shù)以量級(jí)減少(或是接近零)。二次曲線常數(shù)接近于零意味著需要較小的非球面偏差以獲得最佳波前。較小的非球面偏差意味著制造更容易，因?yàn)槿绫绢I(lǐng)域中已知的，制造難度隨著非球面偏差的增加而增大。不同于通過上式給出的最佳值的二次曲線常數(shù)也用于產(chǎn)生滿意的耦合效率。
第3步在標(biāo)準(zhǔn)有效焦距EFL0為1.944mm的情況下，計(jì)算最佳標(biāo)準(zhǔn)曲率半徑R0，和最佳標(biāo)準(zhǔn)中心厚度CT0。
R0＝2.6887*N-2.4097CT0＝2.4623*N-2.0505第4步指定理想有效焦距EFL，并依比例確定標(biāo)準(zhǔn)曲率半徑和標(biāo)準(zhǔn)中心厚度。
R=EFLEFL0*R0]]>CT=EFLEFL0*CT0]]>增加透鏡的中心厚度來降低光纖和準(zhǔn)直器透鏡之間的傾斜和偏心誤差是有利的(見圖12)。對(duì)于給定的焦距和折射率，中心厚度能被加長到仍能產(chǎn)生滿意的耦合效率(或插入損耗)的點(diǎn)。圖20表示一曲線族，其描繪對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)焦距1.944mm，二次曲線常數(shù)K如何隨著中心厚度CT變化。圖21表示一曲線族，其描繪對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)焦距1.944mm，曲率半徑R如何隨著中心厚度CT變化。例4說明具有增厚了的中心厚度的準(zhǔn)直器透鏡。在焦距為1.944mm和折射率為1.70條件下，最佳中心厚度大約為2.13mm，通過調(diào)整曲率半徑R＝2.0323mm和二次曲線常數(shù)k＝-1.87767，中心厚度增加到2.50mm。在這種情況下，模型的反射插入損耗小于0.01dB，以及在原型透鏡上測(cè)量的反射插入損耗平均為0.07dB。
透鏡可以由玻璃或模壓塑料制成。玻璃比塑料具有更好的環(huán)境穩(wěn)定性。不像塑料透鏡，玻璃不會(huì)由于化學(xué)變化或濕度而改變折射率。在模壓過程中保持透鏡材料的均勻性是理想的。如行業(yè)中已知的，光學(xué)材料的不均勻性對(duì)透鏡的性能有不利影響。與擴(kuò)散制成的漸變折射率透鏡相比，該透鏡的優(yōu)點(diǎn)在于，沒有象鉈這樣的有毒金屬用于擴(kuò)散。當(dāng)透鏡用玻璃制作時(shí)，玻璃可被模壓或研磨和拋光。
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，透鏡采用了較高折射率的玻璃材料。較高折射率透鏡降低了需要提供給定折光力的彎曲強(qiáng)度，因此制造更簡(jiǎn)單。進(jìn)一步優(yōu)點(diǎn)在于，對(duì)于較高折射率材料，單層光學(xué)涂層能使從透鏡表面反射的光量顯著的降低。這是因?yàn)閱螌涌狗瓷渫繉拥恼凵渎实淖罴堰x擇值與在涂層每一側(cè)上的兩介質(zhì)的折射率的幾何平均數(shù)相等。普通涂層材料之一是氟化鎂，折射率是1.38。因此，氟化鎂對(duì)于1.90的襯底折射率是最佳的。襯底折射率越接近1.90，單層氟化鎂涂層的性能越好。另外，透鏡能被涂覆多層二向色抗反射涂層。
本發(fā)明更進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)是，其前焦距“FF”比平凸準(zhǔn)直器透鏡的短。較短的前焦距有助于在象DWDM分離器這樣的光子器件中安裝濾光片或是其它的光學(xué)元件。本發(fā)明另外的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是由于兩光學(xué)表面的放大率相同，提高了可制造性，降低了對(duì)準(zhǔn)的敏感度。參見圖11，當(dāng)高斯光束62經(jīng)過透鏡134時(shí)，它被兩光學(xué)表面136和138折射。這就降低了由制造微擾引起的額外插入損耗，制造微擾包括中心厚度、放大率、粗糙度、光學(xué)表面的傾斜和光學(xué)表面的偏心。兩表面上的相同放大率也減少了由于透鏡傾斜和偏心等裝配對(duì)準(zhǔn)誤差而造成的性能下降。
本發(fā)明還有另外的優(yōu)點(diǎn)是，降低了在第一光學(xué)表面上的劃痕擦傷技術(shù)要求。任何在高斯光束分布之中的光學(xué)表面上的外表缺陷，象劃痕或擦傷，都將引起耦合效率的降低。當(dāng)光束在光學(xué)表面上的尺寸減小時(shí)，可接受的劃痕或擦傷尺寸也減小。從光纖端面到GRIN和平凸透鏡的第一光學(xué)表面的距離很小——一般為0.25mm。參見圖1，在GRIN透鏡16第一表面12上的光束直徑14通常小于50微米。如圖7所示的平凸透鏡也是如此的。在這種情況下，在第一表面76上的光束直徑82也小于50微米。因?yàn)樵诘谝还鈱W(xué)表面上的光束直徑非常小，可接受的劃痕和擦傷的尺寸也變得非常小?，F(xiàn)在參考圖11，對(duì)稱雙凸透鏡134的第一表面136上的光束直徑132一般將大于200微米。因此，用于對(duì)稱雙非球面透鏡的第一光學(xué)表面的劃痕擦傷的技術(shù)要求將大大的降低，使制造更容易。
為了獲得可接受的回波損耗或背反射，光纖的端面通常被劈開，并且準(zhǔn)直器透鏡的第一表面一般被傾斜8度。這些表面也被涂覆高效抗反射涂層。圖9(a)表示具有斜面106的GRIN透鏡104，而圖9(b)表示具有斜面108的平凸透鏡110。制造具有光學(xué)斜面的準(zhǔn)直器透鏡難度大、成本高。這對(duì)于模壓玻璃的準(zhǔn)直器透鏡尤其如此。
本發(fā)明更進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)是無需斜面就能獲得可接受的回波損耗。參見圖22，發(fā)散的高斯光束186通過抗反射涂覆和傾斜的面102從光源光纖100發(fā)射出。高斯光束186繼續(xù)發(fā)散直到它到達(dá)透鏡134的第一光學(xué)表面136。在這個(gè)表面上，非常小的光量被涂覆有抗反射涂層的表面136反射。凸光學(xué)表面136也增大反射光束184的發(fā)散角。反射光束184繼續(xù)發(fā)散直到到達(dá)光纖斜面102。此時(shí)，反射光束184足夠大以便大大減少進(jìn)入光源光纖100的光量。因此，較長的后焦距和凸光學(xué)表面都使背反射光降低到可接受的水平。
本發(fā)明還有另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即由于透鏡的對(duì)稱使得組裝簡(jiǎn)單。在一組裝過程中，因?yàn)槊總€(gè)光學(xué)表面是相同的，安裝者不需確定哪個(gè)光學(xué)表面應(yīng)該首先被插入安裝管或V形槽。當(dāng)透鏡的尺寸變得越來越小時(shí)，這樣的簡(jiǎn)便在安裝中變得十分重要。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是由沒有傾斜的透鏡端面而產(chǎn)生的。再次參見圖9(a)舉例，光纖斜面102必須旋轉(zhuǎn)對(duì)準(zhǔn)傾斜的透鏡端面106，從而獲得最佳的耦合效率。在一些情況中，光纖斜面和透鏡斜面需要被對(duì)準(zhǔn)，如圖9(a)所示。在其他情況中，光纖斜面102必須與透鏡端面106成90度角對(duì)準(zhǔn)。光纖斜面與透鏡端面的對(duì)準(zhǔn)稱為同步。因?yàn)樵叽缧〖肮饫w斜面和透鏡端面不易接近，同步對(duì)準(zhǔn)的過程十分困難并且浪費(fèi)時(shí)間。因?yàn)閷?duì)稱雙非球面準(zhǔn)直器透鏡不需要光學(xué)斜面，所以本發(fā)明不需要同步。
GRIN透鏡和平凸透鏡的光學(xué)斜面也能引起準(zhǔn)直的高斯光束相對(duì)于光軸傾斜，如圖23所示的一GRIN透鏡。這種效應(yīng)稱為光學(xué)瞄準(zhǔn)。光源光纖100具有一斜面102來降低背反射。主光線192以與透鏡104和光源光纖100的光軸142成一角度從光纖斜面102出射。主光線192從透鏡104射出，并相對(duì)于光軸142成一角度190。主光線190也相對(duì)于透鏡104的外徑194傾斜。圖24表示具有斜面108的平凸透鏡110。主光線204以與光軸142和透鏡202的直徑成一角度從透鏡110射出。高斯光束大規(guī)模的光學(xué)瞄準(zhǔn)增加了對(duì)準(zhǔn)光子器件的難度，因?yàn)椴荒塬@得從光源光纖進(jìn)入到接收光纖的“第一光束”。在許多實(shí)際對(duì)準(zhǔn)過程中，“第一光束”的檢測(cè)是至關(guān)重要的。本發(fā)明因?yàn)闆]有傾斜光學(xué)表面，所以不會(huì)因光學(xué)瞄準(zhǔn)而受到損害。圖25表示主光線210如何通過一對(duì)稱雙非球面透鏡134。主光線通常以相對(duì)于光軸142或透鏡的外徑212的零傾角射出透鏡。這是本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。
安裝基面也可以加入到兩光學(xué)表面上，用以輔助對(duì)準(zhǔn)，如圖26(a)和26(b)所示。圖26(a)表示一對(duì)稱的雙凸透鏡220，該透鏡具有形成在第二光學(xué)表面226上的平基面224。該基面能夠在模壓或二次定心操作過程中形成。圖26b表示一透鏡230，基面234形成在第一光學(xué)表面232上，附加基面238形成在第二光學(xué)表面236上。一個(gè)或兩個(gè)這些基面能被用于對(duì)準(zhǔn)象光纖箍、濾光片和衰減器等其它的光學(xué)元件。
下面給出本發(fā)明的詳細(xì)實(shí)施例，但并不試圖限定本發(fā)明的特定范圍。
例1例1的對(duì)稱雙非球面透鏡具有1.944的有效焦距和1.50的折射率。
第一光學(xué)表面的曲率1∶0.61903mm-1第一光學(xué)表面的二次曲線常數(shù)k＝-2.000878中心厚度1.64mm第二光學(xué)表面的曲率1∶-0.61903mm-1第二光學(xué)表面的二次曲線常數(shù)k＝-2.0008781550nm處的折射率1.50后焦距1.29mm前焦距1.29mm單個(gè)透鏡的有效焦距1.944mm指定的入射光瞳直徑在凸面上1.0mm軸向均方根波前誤差0.001波。
例2例2的對(duì)稱雙非球面透鏡具有1.944的有效焦距和1.60的折射率。
第一光學(xué)表面的曲率1∶0.527295mm-1第一光學(xué)表面的二次曲線常數(shù)k＝-2.185689
中心厚度1.89mm第二光學(xué)表面的曲率1∶-0.527295mm-1第二光學(xué)表面的二次曲線常數(shù)k＝-2.1856891550nm處的折射率1.60后焦距1.22mm前焦距1.22mm單個(gè)透鏡的有效焦距1.944mm指定的入射光瞳直徑在凸面上1.0mm軸向均方根波前誤差0.001波。
例3例3的對(duì)稱雙非球面透鏡具有1.944的有效焦距和1.70的折射率。
第一光學(xué)表面的曲率1∶0.461127mm-1第一光學(xué)表面的二次曲線常數(shù)k＝-2.366173中心厚度2.14mm第二光學(xué)表面的曲率1∶-0.461127mm-1第二光學(xué)表面的二次曲線常數(shù)k＝-2.3661731550nm處的折射率1.70后焦距1.15mm前焦距1.15mm單個(gè)透鏡的有效焦距1.944mm指定的入射光瞳直徑在凸面上1.0mm軸向均方根波前誤差0.0008波。
例4例4具有兩個(gè)相同的對(duì)稱雙非球面透鏡。透鏡的中心厚度已經(jīng)被增加以將光纖和準(zhǔn)直器透鏡之間的傾斜和偏心降到最小。
第一光學(xué)表面的曲率1∶0.48976mm-1第一光學(xué)表面的二次曲線常數(shù)k＝-1.946435中心厚度2.500mm第二光學(xué)表面的曲率1∶-0.48976mm-1第二光學(xué)表面的二次曲線常數(shù)k＝-1.946435
1550nm處的折射率1.7028后焦距0.963mm前焦距0.963mm單個(gè)透鏡的有效焦距1.944mm指定的入射光瞳直徑在凸面上1.0mm軸向均方根波前誤差0.0027波。
盡管具體參照優(yōu)選實(shí)施例詳細(xì)描述了本發(fā)明，但應(yīng)該理解，各種變更和修改在本發(fā)明范圍內(nèi)都是可以實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一光纖裝置包括一雙凸光學(xué)透鏡(134；176；179；180；202；220；或230)，具有兩個(gè)相同的非球面光學(xué)表面；一光纖(10；22；26；174；178；或182)，近似位于光學(xué)透鏡前焦平面和后焦平面之一的位置上；和相對(duì)于光學(xué)透鏡和光纖安置的結(jié)構(gòu)(145；150；154；156；162；168；或177)，其中該結(jié)構(gòu)保持光學(xué)透鏡相對(duì)于光纖的位置。
2.權(quán)利要求1的光纖裝置，其中非球面光學(xué)表面是圓錐形的。
3.權(quán)利要求2的光纖裝置，其中二次曲線常數(shù)范圍從-0.50到-0.36。
4.權(quán)利要求1的光纖裝置，其中當(dāng)直徑為0.972mm時(shí)，非球面光學(xué)表面具有偏離球頂?shù)淖畲笃钤?.0005到0.0040mm內(nèi)。
5.權(quán)利要求1的光纖裝置，其中非球面光學(xué)表面涂覆有單層MgF2抗反射涂層。
6.權(quán)利要求1的光纖裝置，其中雙凸光學(xué)透鏡由玻璃材料制成。
7.權(quán)利要求6的光纖裝置，其中雙凸光學(xué)透鏡具有從1.50到1.90的折射率。
8.權(quán)利要求1的光纖裝置，其中雙凸光學(xué)透鏡由塑料材料制成。
9.權(quán)利要求8的光纖裝置，其中雙凸光學(xué)透鏡具有從1.40到1.60的折射率。
10.權(quán)利要求1的光纖裝置，其中雙凸光學(xué)透鏡具有從1.50到10.0mm的有效焦距。
11.權(quán)利要求1的光纖裝置，其中使該結(jié)構(gòu)適合于對(duì)準(zhǔn)光學(xué)透鏡和光纖的相對(duì)位置。
12.權(quán)利要求1的光纖裝置，其中該光纖是第一光纖，所述裝置進(jìn)一步包括至少一根附加的光纖，近似位于光學(xué)透鏡前焦平面和后焦平面之一的位置。
13.一光纖裝置包括一雙凸光學(xué)透鏡(134；176；179；180；202；220；或230)，具有兩個(gè)相同的非球面光學(xué)表面，其中該透鏡第一光學(xué)表面的曲率為0.48976mm-1，第一光學(xué)表面的二次曲線常數(shù)為k＝-1.946435，中心厚度為2.500mm，第二光學(xué)表面的曲率為-0.48976mm-1，第二光學(xué)表面的二次曲線常數(shù)為k＝-1.946435，并且在1550nm處的折射率為1.7028。
全文摘要
一光纖裝置包括一雙凸光學(xué)透鏡(134；176；179；180；202；220；或230)，具有兩個(gè)相同的非球面光學(xué)表面；一光纖(10；22；26；174；178；或182)近似位于光學(xué)透鏡前焦平面和后焦平面之一的位置上；和一結(jié)構(gòu)(145；150；154；156；162；168；或177)相對(duì)于光學(xué)透鏡和光纖安置，其中該結(jié)構(gòu)保持光學(xué)透鏡相對(duì)于光纖的位置。
文檔編號(hào)G02B6/34GK1497281SQ0314706
公開日2004年5月19日 申請(qǐng)日期2003年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月1日
發(fā)明者P·D·盧丁頓, J·R·比特里, P D 盧丁頓, 比特里 申請(qǐng)人:伊斯曼柯達(dá)公司