專利名稱：光準直器用透鏡部件、光準直器及它們的組裝方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光學耦合光通信用的光纖和透鏡、將來自光纖的出射光變?yōu)槠叫泄?，或者通過透鏡會聚平行光并入射到光纖的光準直器用透鏡部件、光準直器及它們的組裝方法。
背景技術：
在構筑高速大容量的光纖通信系統(tǒng)時多使用光設備。其中會使用從多路復用多個波長的光信號取出任意波長的光信號、配合光信號的相位的光學結晶體等，使用從光纖出射并加寬的光信號變?yōu)槠叫泄獾亩鄠€光準直器。
原來的光準直器中，在其制作時，如圖14所示，首先將光纖2附帶的毛細管3固定于細管1中，從光纖2出射可見光區(qū)域的光源的氦氖激光L，邊由投影臺6確認該激光L的準直狀態(tài)以使得其處于光學上適當?shù)奈恢藐P系邊對透鏡5的位置進行調心后，用環(huán)氧樹脂系的粘結劑7將在精密臺4上夾持的透鏡5固定于細管1。
上述已有技術的組裝方法中，組裝時，從光纖2實際出射激光L，因此有光源和光纖2必須以數(shù)μm的高精度連接，出現(xiàn)有關調心的作業(yè)、光纖2的處理等光準直器制作準備過分復雜，使得作業(yè)性極度變差的問題。
已有技術的組裝方法中，實際的透鏡5的夾持連數(shù)mm都沒有，并且光學位置的調心中要求數(shù)μm到十幾μm水平的高精度，因此作業(yè)性急劇惡化。
光學位置調心時，由于透鏡5和細管1之間有間隙，因此確定位置后使粘結劑7硬化并固定時，由于粘結劑7的體積收縮，出現(xiàn)透鏡5等的位置容易偏離的問題。
由此可見，上述現(xiàn)有的光準直器用透鏡部件、光準直器及它們的組裝方法在結構、方法與使用上，顯然仍存在有不便與缺陷，而亟待加以進一步改進。為了解決光準直器用透鏡部件、光準直器及它們的組裝方法存在的問題，相關廠商莫不費盡心思來謀求解決之道，但長久以來一直未見適用的設計被發(fā)展完成，此顯然是相關業(yè)者急欲解決的問題。
有鑒于上述現(xiàn)有的光準直器用透鏡部件、光準直器及它們的組裝方法存在的缺陷，本發(fā)明人基于從事此類產(chǎn)品設計制造多年豐富的實務經(jīng)驗及專業(yè)知識，并配合學理的運用，積極加以研究創(chuàng)新，以期創(chuàng)設一種新的光準直器用透鏡部件、光準直器及它們的組裝方法，能夠改進一般現(xiàn)有的光準直器用透鏡部件、光準直器及它們的組裝方法，使其更具有實用性。經(jīng)過不斷的研究、設計，并經(jīng)反復試作樣品及改進后，終于創(chuàng)設出確具實用價值的本發(fā)明。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，克服現(xiàn)有的光準直器用透鏡部件、光準直器及它們的組裝方法存在的缺陷，而提供一種新的光準直器用透鏡部件、光準直器及它們的組裝方法，所要解決的技術問題是使其不需要像原來的光準直器組裝方法那樣在組裝時向光纖通過光，并且組裝容易，光調心的可靠性高，從而更加適于實用。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有明顯的優(yōu)點和有益效果。由以上技術方案可知，本發(fā)明的主要技術內(nèi)容如下為達到上述的目的，本發(fā)明提供一種光準直器用透鏡部件，包括細管；部分球面透鏡，留下規(guī)定長度的插入部而固定在上述細管的內(nèi)孔中，由折射率大致均勻的玻璃構成，在其圓柱部的兩端具有曲率中心大致相同的透光球面；將上述部分球面透鏡粘結于上述細管的粘結劑，其中上述細管的中心軸和上述部分球面透鏡的光軸的軸偏移量在5μm以內(nèi)，當將光纖固定在內(nèi)孔且外周面與上述光纖的端面的纖芯中心的軸偏移量在1.5μm以內(nèi)的毛細管插入上述細管的插入部，并且將上述光纖的端面固定于上述部分球面透鏡的焦點位置±40μm以內(nèi)的距離的位置上時，出射光曲率為出射光相對上述細管中心軸在0.2°以內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明，僅通過將把光纖固定于內(nèi)孔中的毛細管插入細管的插入部并固定于為規(guī)定的距離的位置處，可極其容易地制作具有出射光原來不能實現(xiàn)的水平的出射光曲率的光準直器。
當構成光準直器用透鏡部件的細管的中心軸與部分球面透鏡的光軸的軸偏移量在5μm以內(nèi)時，如圖1(A)所示，得到出射光L相對細管的中心軸為希望的0.2°以內(nèi)的出射光曲率θ。另一方面，當細管的中心軸與部分球面透鏡的光軸的軸偏移量超出5μm時，如圖1(B)所示，得不到出射光L相對細管的中心軸為希望的0.2°以內(nèi)的出射光曲率θ。
將光纖15固定在內(nèi)孔中的毛細管，且其外周面與光纖15的端面的纖芯中心的軸偏移量在1.5μm以內(nèi)是重要的。當該軸偏移量超出1.5μm時，如圖1(B)所示，得不到出射光相對細管的中心軸為希望的0.2°以內(nèi)的出射光曲率θ，出射光L的束強度的分布偏離，得不到希望的光信號的耦合效率。
當細管內(nèi)面和部分球面透鏡的光軸和毛細管中的光纖的光軸的同軸性產(chǎn)生偏移時，如圖1(B)所示，得到的平行光中產(chǎn)生角度，因此根據(jù)使用的用途，在許可的角度范圍中確定許可偏移量，但當該角度過大時，再將平行光從另外的光準直器返回光纖時，產(chǎn)生光量衰減。例如，使用作為折射率為1.8左右的玻璃材質的LaSF015構成的、曲率半徑為1.75mm的部分球面透鏡的光準直器的情況下，為達到作為一般耦合特性的插入損耗0.2dB以下，上述角度需要抑制到在0.1°左右以內(nèi)。而且，此時的部分球面透鏡的光軸與光纖15的光軸的軸偏移的許可度大致為4μm。
作為本發(fā)明使用的細管，重要的是在其內(nèi)面插入光纖附帶的毛細管時自動進行調心，細管的內(nèi)面與部分球面透鏡的光軸同軸配置，并且細管內(nèi)面和光纖附帶的毛細管為適當嵌合的尺寸。在細管內(nèi)面和部分球面透鏡的光軸和毛細管中的光纖的光軸的同軸性產(chǎn)生過多的偏移時，得到的平行光中產(chǎn)生角度。因此，根據(jù)使用用途，通過角度許可的范圍確定各要素的許可軸偏移量。在熔接固定光纖附帶的毛細管和細管的情況下，最好使用熔接性和耐久性優(yōu)越的不銹鋼。
如圖2所示，當相對配置一對光準直器來接收光信號時，光纖的端面配置在部分球面透鏡的焦點位置FP上后，如圖2(B)所示的位置上形成出射光的光束腰部BW。當光纖的端面配置在比部分球面透鏡的焦點位置FP還近的位置上時，在圖2(C)所示的位置(靠近部分球面透鏡的位置)上形成出射光的光束腰部BW，但當光纖的端面配置在比部分球面透鏡的焦點位置FP還近40μm以上的位置上時，不形成光束腰部BW，而是加寬了。另一方面，當光纖的端面配置在比部分球面透鏡的焦點位置FP還遠的位置上時，在圖2(D)所示的位置(遠離部分球面透鏡的位置)上形成出射光的光束腰部BW，但當光纖的端面配置在比部分球面透鏡的焦點位置FP還遠40μm以上的位置上時，不形成光束腰部BW，而是加寬了。因此，重要的是光纖的端面固定在部分球面透鏡的焦點位置±40μm以內(nèi)的位置上。
作為本發(fā)明使用的部分球面透鏡，只要是由折射率大致均勻的光學玻璃構成，由通過加工為真球形而可制作具有高的焦點精度的部分球面透鏡的材料所形成，則都可使用，為了光準直器的小型化、細徑化，研削具有高的真球度的球透鏡的周圍制作的部分球面透鏡是適當?shù)摹２糠智蛎嫱哥R的光標準出通過透鏡的曲率中心，為與細管的中心軸平行的軸，因此不對研削周圍時的側面形狀、加工軸的傾斜、軸偏移等產(chǎn)生影響。作為部分球面透鏡使用的玻璃，最好使用光學玻璃的BK7，K3，TaF3，LaF01，LaSF015等。
部分球面透鏡是具有本來的球面象差的透鏡，但折射率低的情況下，球面象差增大，通過部分球面透鏡從光纖的端面出射的光信號或會聚到光纖的端面的光信號的耦合效率降低。因此，本發(fā)明使用的部分球面透鏡最好是折射率在1.7以上。由此，容易制作得到具有高的連接效率和出射光曲率的平行光的光準直器。
上述結構中，光纖的端面和部分球面透鏡的透光球面之間的距離，即從部分球面透鏡的焦點距離f減去透光球面的曲率半徑R的距離在0.1mm以上較好，更好是在0.15mm以上。由此，從部分球面透鏡的透光球面反射并入射到光纖的光可大幅度減少，在動作距離(工作距離)以內(nèi)，光信號特性的變動減小，可在高速大容量的光通信系統(tǒng)的構筑中使用。
部分球面透鏡的曲率半徑R小等情況下，光纖15的端面15a和部分球面透鏡12的透光球面的距離小于0.1mm時，如圖3所示，來自透光球面的反射光Lb多返回到光纖15的端面15a中，成為噪聲。另一方面，比焦點距離+40μm長時，不形成光束腰部BW，而是加寬了。光纖的端面和部分球面透鏡的透光球面之間的距離在0.1mm以上是重要的，為進一步減少再入射到光纖的端面的反射光，最好在0.15mm以上。
上述結構中，可在細管的規(guī)定位置設置貫通部，使得可從外部觀察光纖的端面和部分球面透鏡的透光球面之間的距離。
為可從外部觀察光纖的端面和部分球面透鏡的透光球面之間的距離，可使用例如在規(guī)定位置設置作為貫通部的窺視窗口的金屬制造套筒。為得到平行光，必須在部分球面透鏡的焦點位置配置光纖的端面，但通過使用具有貫通部的細管，例如通過用激光測長機、顯微鏡等測定儀測定部分球面透鏡的透光球面頂點和光纖的端面之間的距離可容易進行調整。調整上述距離后，光纖附帶的毛細管通過粘結劑或熔接固定在細管內(nèi)，但此時，光纖的端面和部分球面透鏡的透光球面的間隔部可觀察到，因此適于確認光的通過區(qū)域中不會產(chǎn)生問題。
或者上述結構中由可從外部測定光纖的端面和部分球面透鏡的透光球面之間的距離的透明體構成細管。由此，可得到與上述同樣的效果。
作為細管，可使用例如透過測定上述距離的光和磁的透明玻璃管等。細管的材料用作管的情況下，熱加工型高，透過光和磁，采用耐久性優(yōu)越的硼硅酸玻璃等。
上述結構中細管可用玻璃或結晶化玻璃形成。由此，可使用高精度廉價的細管，可降低高速、大容量光通信系統(tǒng)的構筑費用。
作為玻璃制或結晶化玻璃制的細管，只要熱膨脹系數(shù)近似部分球面透鏡和毛細管，則都可使用，如果可控制細管的材料結晶析出的狀態(tài)，則在通過連續(xù)成型法高精度且廉價地得到方面是有利的。
上述結構中，細管可以是分割式套筒。
分割式套筒的內(nèi)徑尺寸處于與光纖附帶的毛細管嵌合，緊密嵌合的關系是重要的。二者間的尺寸差影響細管內(nèi)面和部分球面透鏡的光軸的偏移。使用具有比光纖附帶的毛細管小數(shù)μm左右的內(nèi)徑的分割式套筒的情況下，沒有該尺寸差是有效的。作為分割式套筒，可使用金屬制作、氧化鎬陶瓷制作的等。
分割式套筒為金屬制的情況下，最好用硬度低、不會劃傷部分球面透鏡和光纖附帶的毛細管的表面的、可防止灰塵的金屬材料制成，作為這種金屬材料，是和采用尺寸再現(xiàn)性高的磷青銅、不銹鋼等。
上述結構中，作為粘結劑，可使用混合了從陶瓷、玻璃、金屬中選擇的一種以上構成的填充物的環(huán)氧樹脂系樹脂或玻璃熔塊(glass frit)。
用準直器的組裝中一般所使用的環(huán)氧樹脂粘結劑在硬化時產(chǎn)生大約20％左右的體積收縮。為防止這種收縮產(chǎn)生的部分球面透鏡的位置偏移，在粘結劑中混合從陶瓷、玻璃、金屬中選擇的一種以上構成的填充物是有效的。通過混合填充物，在附加觸變性、液滴下垂的防止效果、提高粘結劑的強度方面也是有效的。
采用細管的插入部插入配置有具有規(guī)定內(nèi)徑的內(nèi)孔的內(nèi)細管，內(nèi)細管在相對其管軸以規(guī)定精度將直角端面接觸至部分球面透鏡的透光球面的狀態(tài)下粘結固定于插入部的結構。由此，可相對細管把部分球面透鏡和內(nèi)細管以正確的同軸關系固定在正確的位置上，制作光學特性優(yōu)越的光準直器。
本發(fā)明使用的內(nèi)細管具有嵌入細管的插入部的、間隙為數(shù)μm以內(nèi)的游隙嵌入或為緊緊嵌入的關系的外徑，為了不遮住來自光纖的出射射入光，具有比毛細管大數(shù)μm左右的內(nèi)徑，并且具有以數(shù)秒(“)到數(shù)分(‘)的規(guī)定精度相對內(nèi)細管的管軸成直角的端面。
上述結構中，細管和/或內(nèi)細管可由厚度1mm、使波長350～500nm的光透過50％以上的透明玻璃構成。由此，使用光硬化型粘結劑可在短時間內(nèi)將光纖或光纖附帶的毛細管固定于內(nèi)細管內(nèi)，可有效制作光準直器。
這里，所謂厚度為1mm、使波長350～500nm的光透過50％以上是指光硬化型粘結劑充分透過硬化反應的靈敏度高的近紫外線到藍色的可見光線，作為透明玻璃，可使用抑制降低透明度等的雜質含有率的硼硅酸玻璃、石英玻璃等。
本發(fā)明為達到上述目的，提供一種光準直器用透鏡部件的組裝方法，其中光準直器用透鏡部件包括細管；部分球面透鏡，留下規(guī)定長度的插入部而固定在細管的內(nèi)孔，由折射率大致均勻的玻璃構成，在其圓柱部的兩端具有曲率中心大致相同的透光球面；將部分球面透鏡粘結于細管的粘結劑，其包括下面的工序。即，將具有規(guī)定內(nèi)徑的內(nèi)孔的內(nèi)細管插入細管的內(nèi)孔，在相對其管軸以規(guī)定精度把直角端面設到規(guī)定位置的狀態(tài)下進行固定，將部分球面透鏡插入細管的內(nèi)孔并使之接觸到內(nèi)細管的端面，由此確定部分球面透鏡的位置，之后，將部分球面透鏡粘結固定于細管內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明，可相對細管的內(nèi)孔正確確定部分球面透鏡的位置，可有效制作光準直器用透鏡部件。
本發(fā)明的組裝方法中，插入具有嵌入細管的內(nèi)孔的、間隙為數(shù)μm以內(nèi)的游隙嵌入或為緊緊嵌入的關系的外徑的內(nèi)細管，以規(guī)定精度將相對內(nèi)細管的管軸成直角的端面放置在規(guī)定位置上，但正確地進行部分球面透鏡的位置確定是重要的。細管上以與部分球面透鏡適當?shù)木嚯x配置光纖附帶的毛細管時，在足夠的強度下，盡可能地保持剩余長度(留下的長度)。粘結劑硬化時的位置偏移在光學上沒有問題時，可不在粘結劑中混合填充物。
上述結構中，在將部分球面透鏡粘結固定于細管內(nèi)之前或粘結固定之后，從細管內(nèi)去除內(nèi)細管。由此，容易實現(xiàn)細管內(nèi)孔和部分球面透鏡的高精度的同軸性，可再現(xiàn)性好且容易地制作光學特性優(yōu)越的光準直器用透鏡部件。
例如，將部分球面透鏡吸附到具有和光纖附帶的毛細管相同的外徑、具有和其外徑同軸的空腔的內(nèi)細管中，插入細管，通過在部分球面透鏡和細管的間隙中填充粘結劑并硬化來固定，之后，停止吸附，通過拉拔內(nèi)細管，可容易地實現(xiàn)細管內(nèi)孔和部分球面透鏡的曲率中心，即和光軸的高精度的同軸性。
本發(fā)明的光準直器用透鏡部件在將光纖附帶的毛細管插入細管內(nèi)面時，在同軸上配置細管內(nèi)面和部分球面透鏡的光軸，以使得可自動進行調心，并且細管內(nèi)面和光纖附帶的毛細管為適當嵌合的尺寸。此時，在細管內(nèi)面和部分球面透鏡的光軸和毛細管中的光纖的同軸性產(chǎn)生偏移時，得到的平行光中產(chǎn)生角度。因此，根據(jù)使用用途，在同角度的許可范圍中確定許可軸偏移量。此外，通過使用調整部分球面透鏡的頂點和光纖的端面之間的距離的間隔件、在細管內(nèi)面按突起狀設置的限動件可得到同樣效果。
為達到上述目的，本發(fā)明提供一種光準直器，包括透鏡部件和將光纖固定于內(nèi)孔的毛細管，其中透鏡部件包括細管；部分球面透鏡，留下規(guī)定長度的插入部而固定在細管的內(nèi)孔，由折射率大致均勻的玻璃構成，在其圓柱部的兩端具有曲率中心大致相同的透光球面；將部分球面透鏡粘結于細管的粘結劑，細管的中心軸和部分球面透鏡的光軸的軸偏移量在5μm以內(nèi)，毛細管的外周面與光纖的端面的纖芯中心的軸偏移量在1.5μm以內(nèi)，將毛細管插入透鏡部件的細管的插入部，將光纖的端面固定于部分球面透鏡的焦點位置±40μm以內(nèi)的距離的位置上。
對于上述光準直器的各構成要素，全部與關于光準直器用透鏡部件的已經(jīng)說明的事項相當，因此省略重復記載，簡化記載。
本發(fā)明的光準直器中，也由于和關于光準直器用透鏡部件地已經(jīng)說明的理由相同的理由，可采用下面的各結構。
①部分球面透鏡的折射率在1.7以上。
②光纖的端面和部分球面透鏡的透光球面之間的距離在0.1mm以上。
③細管的材料是玻璃或結晶化玻璃。
④細管是分割式套筒。
⑤分割式套筒的材料是金屬。
⑥粘結劑是混合了從陶瓷、玻璃、金屬中選擇的一種以上構成的填充物的環(huán)氧樹脂系樹脂或玻璃熔塊(glass frit)。
⑦將細管的插入部插入配置具有規(guī)定內(nèi)徑的內(nèi)孔的內(nèi)細管，內(nèi)細管在相對其管軸以規(guī)定精度將直角端面接觸至部分球面透鏡的透光球面的狀態(tài)下粘結固定于插入部。
另外，光纖的端面和部分球面透鏡的透光球面之間的距離比通過部分球面透鏡折射率和透光球面的球面半徑算出的最佳值小，在實際上需要的動作距離范圍內(nèi)光束腰部位置在規(guī)定值±5mm以內(nèi)。
來自光準直器的出射光的準直光束的光束腰部位置在規(guī)定值±5mm以外時，由于光的波動特性，耦合效率降低。通過采用上述結構，以高的耦合效率使出射的準直光束到達接收側的光纖，可維持高品質的通信性能。
為達到上述目的，本發(fā)明提供一種光準直器的組裝方法，該光準直器包括透鏡部件和將光纖固定于內(nèi)孔的毛細管，透鏡部件包括細管；部分球面透鏡，留下規(guī)定長度的插入部而固定在細管的內(nèi)孔、由折射率大致均勻的玻璃構成，在其圓柱部的兩端具有曲率中心大致相同的透光球面；將部分球面透鏡粘結于細管的粘結劑，細管的中心軸和部分球面透鏡的光軸的軸偏移量在5μm以內(nèi)，毛細管的外周面與光纖的端面的纖芯中心的軸偏移量在1.5μm以內(nèi)，將毛細管插入透鏡部件的細管的插入部，將光纖的端面固定于部分球面透鏡的焦點位置±40μm以內(nèi)的距離的位置上，其中將毛細管固定于位置時，光纖的端面和部分球面透鏡的透光球面之間的距離是從外部測定，以確定毛細管的位置。
對于上述光準直器的各構成要素，全部與關于光準直器用透鏡部件的已經(jīng)說明的事項相當，因此省略重復記載，簡化記載。
本發(fā)明的光準直器中，也由于和關于光準直器用透鏡部件地已經(jīng)說明的理由相同的理由，可采用下面的各結構。
①細管在規(guī)定位置具有貫通部，使得可從外部觀察光纖的端面和部分球面透鏡的透光球面之間的距離，且部分球面透鏡的球面和光纖的端面的距離是從外部測定，以確定位置。
②細管由透明體形成，以便可從外部測定光纖的端面和部分球面透鏡的透光球面之間的距離，且部分球面透鏡的球面和光纖的端面的距離是從外部測定，以確定位置。
③細管和內(nèi)細管中的至少之一由厚度1mm、使波長350～500nm的光透過50％以上的透明玻璃構成。
另外，光纖的端面和部分球面透鏡的透光球面之間的距離可設定為比通過部分球面透鏡折射率和透光球面的球面半徑算出的最佳值小，且在實際上需要的動作距離范圍內(nèi)光束腰部位置在規(guī)定值±5mm以內(nèi)。由此，以高的耦合效率使出射的準直光束到達接收側的光纖，可維持高品質的通信性能。
綜上所述，本發(fā)明特殊的光準直器用透鏡部件、光準直器及它們的組裝方法，其不需要像原來的光準直器組裝方法那樣在組裝時向光纖通過光，并且組裝容易，光調心的可靠性高。其具有上述諸多的優(yōu)點及實用價值，并在同類產(chǎn)品及組裝方法中未見有類似的結構設計及方法公開發(fā)表或使用而確屬創(chuàng)新，其不論在產(chǎn)品結構、組裝方法或功能上皆有較大的改進，在技術上有較大的進步，并產(chǎn)生了好用及實用的效果，且較現(xiàn)有的光準直器用透鏡部件、光準直器及它們的組裝方法具有增進的多項功效，從而更加適于實用，而具有產(chǎn)業(yè)的廣泛利用價值，誠為一新穎、進步、實用的新設計。
上述說明僅是本發(fā)明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術手段，而可依照說明書的內(nèi)容予以實施，并為了讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點能更明顯易懂，以下特舉出較佳實施例，并配合附圖，詳細說明如下。


圖1是從光準直器出射的出射光曲率的說明圖，圖1(A)表示使用本發(fā)明的光準直器用透鏡部件的情況下的出射光曲率圖，圖1(B)是使用不良光準直器的情況下的出射光曲率圖；圖2(A)是相對配置光準直器的狀態(tài)圖、圖2(B)是在部分球面透鏡的焦點位置配置光纖的端面時的光束腰部位置圖、圖2(C)是在比部分球面透鏡的焦點位置靠前方配置光纖的端面時的光束腰部位置圖、圖2(D)在比部分球面透鏡的焦點位置靠后方配置光纖的端面時的光束腰部位置圖；圖3表示部分球面透鏡的球面和曲率半徑與光纖的端面的距離與反射光的關系圖；圖4表示光準直器用透鏡部件圖，圖4(A)是平面圖，圖4(B)是截面圖；圖5表示光準直器，圖5(A)是平面圖，圖5(B)是截面圖；圖6是光準直器的主要部分截面圖；圖7表示光準直器的使用方法，圖7(A)表示偏置位置被偏移了的狀態(tài)圖，圖7(B)表示偏置位置相符的狀態(tài)圖，圖7(C)表示在偏置位置被偏移了的狀態(tài)下配合出射光的位置的狀態(tài)圖；圖8(A)和(B)表示分割式套筒，圖8(C)表示內(nèi)細管，圖8(D)表示部分球面透鏡，圖8(E)表示光纖附帶的毛細管；
圖9表示光準直器用透鏡部件和光準直器的組裝工序，圖9(A)表示在分割式套筒安裝內(nèi)細管的工序圖，圖9(B)表示在分割式套筒安裝部分球面透鏡的工序圖，圖9(C)表示從分割式套筒去除內(nèi)細管的工序圖，圖9(D)表示在分割式套筒安裝光帶附帶的毛細管的工序圖；圖10是其它實施例的光準直器用透鏡部件的截面圖；圖11是其它實施例的光準直器的截面圖；圖12(A)表示玻璃細管，圖12(B)表示玻璃內(nèi)細管，圖12(C)表示部分球面透鏡；圖13表示光準直器用透鏡部件和光準直器的組裝工序，圖13(A)表示玻璃細管，圖13(B)表示在玻璃細管安裝玻璃內(nèi)細管的工序圖，圖13(C)表示在玻璃細管安裝部分球面透鏡的工序圖，圖13(D)表示在玻璃內(nèi)細管安裝光纖附帶的毛細管的工序圖；圖14是原來的光準直器的組裝方法的說明圖。
具體實施例方式
為更進一步闡述本發(fā)明為達成預定發(fā)明目的所采取的技術手段及功效，以下結合附圖及較佳實施例，對依據(jù)本發(fā)明提出的光準直器用透鏡部件、光準直器及它們的組裝方法其具體實施方式
、結構、組裝方法、步驟、特征及其功效，詳細說明如后。
如圖4所示，該實施例的光準直器用透鏡部件10包括具有直線狀分割部11b個貫通孔11c、外徑為1.60mm、內(nèi)孔11d穩(wěn)定內(nèi)徑為1.249mm、全長為5.5mm的磷青銅制或不銹鋼制的分割式套筒11；留下2.5mm長的插入部11a而固定在分割式套筒11上的部分球面透鏡12；將部分球面透鏡12粘結于分割式套筒11上的環(huán)氧樹脂系樹脂所構成的粘結劑13。部分球面透鏡12由折射率大致均勻的光學玻璃LaSF015構成，其圓柱部12a的兩端具有曲率中心大致相同、曲率半徑R為1.500±0.002mm的透光球面12b，12c。分割式套筒11的中心軸和部分球面透鏡12的光軸的軸偏移量為3μm。部分球面透鏡12的透光球面12b，12c上形成防反射膜。
圖5表示使用光準直器用透鏡部件10的該實施例的光準直器30。在內(nèi)孔14b中固定單模光纖15的毛細管14插入并固定于分割式套筒11內(nèi)的插入部11a。毛細管14的外徑為1.249mm±0.5μm，全長為5.0mm。毛細管14的外周面14a和光纖15的端面15a的纖芯中心的軸偏移量為0.5μm。光纖15的端面15a相對于光纖15的光軸垂直的平面傾斜8°，形成防反射膜。光纖15的端面15a和部分球面透鏡12的球面12b的距離為0.215±3μm的位置上固定毛細管14時，出射光曲率為出射光在希望的0.2°以內(nèi)的0.1°。
如圖6所示，光準直器用透鏡部件10上固定毛細管14的光準直器30中，從相對與光軸垂直的平面傾斜了傾斜角α的光纖15的端面15a向部分球面透鏡12入射相對光軸傾斜了β的光信號時，光纖15的光軸與來自部分球面透鏡12的出射光的光軸之間產(chǎn)生偏置W。該偏置W通過部分球面透鏡12的折射率n3、曲率半徑R、光纖15的端面15a的傾斜角α而成為圖示的關系。
接著制作4個光準直器30，測定插入損耗和反射衰減量。
將固定了具有傾斜的端面15a的光纖15的毛細管14固定在光準直器用透鏡部件10上的光準直器30中，如圖7所示，僅在來自部分球面透鏡12的出射光從光纖15的光軸離開114μm時產(chǎn)生偏置W，因此在偏置W的方向不一致的情況下，產(chǎn)生圖7(A)所示的光信號的軸偏移信號。因此，在測定插入損耗和反射衰減量時，如圖7(B)或(C)所示配合將動作距離設定為20mm而相對配置的1對光準直器用透鏡部件10的偏置位置。表1表示插入損耗的測定結果。
表1


對于上述光準直器30，測定反射衰減量。表2表示其結果。
表2


測定表2所示測定結果可知，部分球面透鏡和光纖之間的距離越近，反射衰減量(返回損耗)變差。上述距離為0.215±5μm時，反射衰減量為±0.3dB左右的變化。求出部分球面透鏡相對套筒的偏離和反射衰減量的關系，可知如果偏離量在5μm以內(nèi)，則反射衰減量為0.5dB左右的變化。此外，就部分球面透鏡相對套筒的偏離和插入損耗的關系進行測定。將光源側的光準直器固定為基準，使用將受光側的光準直器的透鏡分別在0°方向、90°方向、180°方向、270°方向上偏離4～5μm的結構摶插入損耗的偏離依賴性。其結果表示在表3中。
表3插入損耗的偏芯依賴性

從表3所示測定結果可知，對于部分球面透鏡相對套筒的偏離和插入損耗的關系，插入損耗相對偏離方向的變化量在0.01dB左右。
關于偏離方向和反射衰減量的關系，使用偏離量為4.5μm的部分球面透鏡進行測定。其結果在表4表示。另外，表4中，表示出偏離方向①為光纖尖端靠近部分球面透鏡的光軸的方向、偏離方向②為光纖尖端從部分球面透鏡的光軸遠離的方向的情況。
表4


從表4所示測定結果可知，偏離方向①好于偏離方向②。這樣，將偏離量管理到5μm以內(nèi)時，反射衰減量的變化為0.5dB左右。
接著說明光準直器用透鏡部件10的組裝方法和光準直器30的組裝方法。
首先如圖8(A)，(B)所示，具有直線狀分割部、外徑為1.60mm、內(nèi)孔的內(nèi)徑為1.249mm、全長為5.5mm的分割式套筒中設計貫通部11c來制作分割式套筒11。此時，為使分割式套筒11的精度不降低，嚴格注意加工。
接著如圖8(C)所示，制作外徑為1.249mm、內(nèi)孔17b的內(nèi)徑為0.68mm、具有相對管軸為±0.1°以內(nèi)的直角度的端面17a的內(nèi)細管17。
接著如圖8(D)所示，使用折射率大致均勻的光學玻璃LaSF015制作曲率半徑R為1.500±0.002mm的球透鏡，以光軸為中心旋轉并研磨該球透鏡形成圓柱部12a，制作在兩端具有透光球面12b，12c和用于填充粘結劑的環(huán)狀槽12d的部分球面透鏡12。
接著如圖8(E)所示，制作在內(nèi)孔14b固定光纖15、外徑為1.249mm±0.5μm、全長為5.0mm的毛細管14。光纖15的端面15a相對于光纖15的光軸垂直的平面傾斜8°，形成防反射膜。毛細管14的外周面14a和光纖15的端面15a的纖芯中心的軸偏移量為0.5μm。
接著如圖9(A)所示，在分割式套筒11的內(nèi)孔11d插入內(nèi)細管17并固定在其直角端面17a和分割式套筒11的端面之間的距離為25mm的位置上。然后如圖9(B)所示，在分割式套筒11的內(nèi)孔11d插入部分球面透鏡12，將透光球面12b與內(nèi)細管17的端面17a接觸來確定部分球面透鏡12的位置。之后，如圖9(C)所示，用粘結劑13將部分球面透鏡12固定在分割式套筒11的內(nèi)孔11d。粘結劑13完全硬化后，去除內(nèi)細管17，得到光準直器用透鏡部件10。
此外，如圖9(D)所示，將在內(nèi)孔14b中固定光纖15的毛細管14插入分割式套筒11的插入部11a，邊通過貫通部11c觀察測定邊將其確定在光纖15的端面15a和部分球面透鏡12的透光球面12b之間的距離d1為0.215mm±2μm的位置上，并將其固定粘結在那里，此時得到光準直器30。
接著說明本發(fā)明的其它實施例。
如圖10所示，光準直器用透鏡部件20包括外徑為1.80mm、內(nèi)孔21b的內(nèi)徑為φ1.005mm+0.01/-0mm、全長為6.0mm的玻璃細管21；留下規(guī)定長度的插入部21a而固定在玻璃細管21的內(nèi)孔21b中的部分球面透鏡22；插入并固定于玻璃細管21的插入部21a中的玻璃內(nèi)細管24；將部分球面透鏡22和玻璃內(nèi)細管24粘結于玻璃細管21上的環(huán)氧樹脂系的紫外線硬化型樹脂構成的粘結劑23。部分球面透鏡22由折射率大致均勻的光學玻璃LaSF015構成，直徑為φ0.98mm，其圓柱部22a的兩端具有曲率中心大致相同、曲率半徑R為1.25±0.0015mm的透光球面22b，22c。部分球面透鏡22的外周的中心軸與球面的中心軸的偏離在5μm以內(nèi)。玻璃內(nèi)細管24的外徑為0.997mm±0.005mm，內(nèi)孔24b的內(nèi)徑為0.68mm+0.002/-0mm、長度為3.45mm。玻璃內(nèi)細管24在將與其管軸成直角的端面24a接觸至部分球面透鏡22的透光球面22b的狀態(tài)下插入固定于玻璃細管21的插入部21a上。玻璃細管21的內(nèi)孔21b的中心軸和部分球面透鏡22的光軸以及玻璃內(nèi)細管24的內(nèi)孔24b的中心軸的軸偏移量為3μm。玻璃細管21和玻璃內(nèi)細管24由厚度為1mm、使波長350～500nm的光85％的透過的透明硼硅酸玻璃形成。
圖11表示使用光準直器用透鏡部件20的光準直器40。將光纖25固定在內(nèi)孔26b的毛細管26插入固定在玻璃細管21的插入部21a內(nèi)固定了的玻璃內(nèi)細管24的內(nèi)孔24b中。毛細管26的外徑為0.68mm+0/-0.002mm，全長為5.25mm。毛細管26的外周面26a和光纖25的端面25a的纖芯中心的軸偏移量為0.5μm。當在光纖25的端面25a和部分球面透鏡22的球面22b之間的距離d2為0.182mm±2μm的位置上固定毛細管26時，得到出射光曲率為出射光為希望的0.2°以內(nèi)的0.1°。
光準直器用透鏡部件20上固定固定了具有傾斜的端面25a的光纖25的毛細管26時，與圖7所示同樣，出射光僅從光纖25的光軸偏移95μm就產(chǎn)生偏置W，因此動作距離設定為20mm來相對配置的1對光準直器用透鏡部件20的偏置位置如圖7(B)或(C)所示進行配合，測定插入損耗和反射衰減量。
其結果是與使用前面所述的光準直器用透鏡部件10的光準直器30沒有很大差別，是很優(yōu)越的。
接著說明光準直器用透鏡部件20的組裝方法和光準直器40的組裝方法。
首先如圖12(A)所示，準備內(nèi)孔21d的內(nèi)徑為1.005mm、全長為5.0mm的玻璃細管21。如圖12(B)所示，準備外徑為0.997mm±0.005mm、內(nèi)孔24b的內(nèi)徑為0.68mm+0.002/-0mm、長度為3.45mm的玻璃內(nèi)細管24。如圖12(C)所示，準備由折射率大致均勻的光學玻璃LaSF015構成、直徑為φ0.98mm、其圓柱部22a兩端具有曲率中心大致相同、曲率半徑R為1.250±0.0015mm的透光球面22b，22c并且其外周的中心軸與球面的中心軸的偏離在5μm以內(nèi)的部分球面透鏡22。此外，如圖12(D)所示，準備將光纖25固定于內(nèi)孔26b、外徑為0.68mm+0/-0.002mm、全長為5.25mm的毛細管26。
接著如圖13(B)所示，將玻璃內(nèi)細管24插入玻璃細管21(圖13(A))的內(nèi)孔21d中，將其直角端面24a放置在插入部21a的長度為2.5mm的位置上，由環(huán)氧樹脂系的紫外線硬化型樹脂構成的粘結劑23進行固定。然后如圖13(C)所示，部分球面透鏡22插入玻璃細管21的內(nèi)孔21d中，將其透光球面22b接觸至玻璃內(nèi)細管24的端面24a來進行位置確定，之后，用粘結劑23將部分球面透鏡22固定于玻璃細管21的內(nèi)孔21d上后，得到光準直器用透鏡部件20。
此外，如圖13(D)所示，把內(nèi)孔26b中固定光纖25的毛細管26插入在玻璃細管21的插入部21a固定的玻璃內(nèi)細管24的內(nèi)孔24b中，在光纖25的端面25a和部分球面透鏡22的球面22b之間的距離d為0.182mm±2μm的決定位置上粘結，得到光準直器40。
上述實施例中，分割式套筒為透明玻璃管，但不限定于此，分割式套筒可以是塑料管，也可以是具有能夠確認光纖的端面和部分球面透鏡的球面之間的距離的孔的金屬管等。
上述光準直器的插入損耗的測定如下進行。即，準備2個制作的光準直器，把光纖連接于波長1550nm的激光二極管穩(wěn)定化的光源，用熔融絞接頭將一個光準直器連接到該光纖。然后，將光該準直器固定于具有和XYZ的空間軸正交的2個旋轉軸的5軸光學工作臺上。接著，將另一光準直器固定在光學支架上，把成為光準直器的尾端的光纖的前端連接于功率計。之后操作5軸工作臺，進行調心，使得2個光準直器之間為成像關系，在該狀態(tài)下由功率計測定受光量。從該受光量減去預先測定的用光纖直接連接穩(wěn)定光源和功率計時的受光量的測定值，算出插入損耗。上述光準直器的反射衰減量(返回損耗)的測定如下進行。即，將10mm以上的足夠長的光纖連接于OTDR(光學時域反射計Optical Time Domain Reflect Meter)，用熔融絞接頭將光準直器固定于其前端，通過測定其反射光的強度來測定反射衰減量。
以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術人員，在不脫離本發(fā)明技術方案范圍內(nèi)，當可利用上述揭示的方法及技術內(nèi)容作出些許的更動或修飾為等同變化的等效實施例，但是凡是未脫離本發(fā)明技術方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術方案的范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種光準直器用透鏡部件，其特征在于其包括一細管；部分球面透鏡，留下規(guī)定長度的插入部而固定在該細管的內(nèi)孔中，由折射率大致均勻的玻璃構成，在其圓柱部的兩端具有曲率中心大致相同的透光球面；將該部分球面透鏡粘結于該細管的粘結劑，其中該細管的中心軸和該部分球面透鏡的光軸的軸偏移量在5μm以內(nèi)，當將光纖固定在內(nèi)孔且外周面與該光纖的端面的纖芯中心的軸偏移量在1.5μm以內(nèi)的毛細管插入該細管的插入部，并且將該光纖的端面固定于該部分球面透鏡的焦點位置±40μm以內(nèi)的距離的位置上時，出射光曲率為出射光相對該細管中心軸在0.2°以內(nèi)。
2.根據(jù)權利要求1所述的光準直器用透鏡部件，其特征在于其中所述的部分球面透鏡的折射率在1.7以上。
3.根據(jù)權利要求1所述的光準直器用透鏡部件，其特征在于其中所述的光纖的端面和該部分球面透鏡的透光球面之間的距離在0.1mm以上。
4.根據(jù)權利要求1所述的光準直器用透鏡部件，其特征在于其中所述的細管在規(guī)定位置具有一貫通部，使得可從外部觀察該光纖的端面和該部分球面透鏡的透光球面之間的距離。
5.根據(jù)權利要求1所述的光準直器用透鏡部件，其特征在于其中所述的細管由可從外部測定該光纖的端面和該部分球面透鏡的透光球面之間的距離的透明體構成。
6.根據(jù)權利要求1所述的光準直器用透鏡部件，其特征在于其中所述的細管的材料是玻璃或結晶化玻璃。
7.根據(jù)權利要求1所述的光準直器用透鏡部件，其特征在于其中所述的細管是分割式套筒。
8.根據(jù)權利要求7所述的光準直器用透鏡部件，其特征在于其中所述的分割式套筒的材料是金屬。
9.根據(jù)權利要求1所述的光準直器用透鏡部件，其特征在于其中所述的粘結劑是混合了從陶瓷、玻璃、金屬中選擇的一種以上構成的填充物的環(huán)氧樹脂系樹脂或玻璃熔塊(glass frit)。
10.根據(jù)權利要求1所述的光準直器用透鏡部件，其特征在于其中具有規(guī)定內(nèi)徑的內(nèi)孔的內(nèi)細管插入配置于該細管的插入部，該內(nèi)細管在相對其管軸以規(guī)定精度將直角端面接觸至該部分球面透鏡的透光球面的狀態(tài)下粘結固定于該插入部。
11.根據(jù)權利要求10所述的光準直器用透鏡部件，其特征在于其中所述的細管和該內(nèi)細管中的至少之一由厚度1mm、使波長350～500nm的光透過50％以上的透明玻璃構成。
12.一種光準直器用透鏡部件的組裝方法，其特征在于，其中光準直器用透鏡部件包括一細管；部分球面透鏡，留下規(guī)定長度的插入部而固定在該細管的內(nèi)孔，由折射率大致均勻的玻璃構成，在其圓柱部的兩端具有曲率中心大致相同的透光球面；將該部分球面透鏡粘結于該細管的粘結劑，其中該組裝方法包括以下步驟將具有規(guī)定內(nèi)徑的內(nèi)孔的內(nèi)細管插入該細管的內(nèi)孔，在相對其管軸以規(guī)定精度把直角端面設到規(guī)定位置的狀態(tài)下進行固定，將該部分球面透鏡插入該細管的內(nèi)孔并使之接觸到該內(nèi)細管的端面，由此確定該部分球面透鏡的位置，之后，將該部分球面透鏡粘結固定于該細管內(nèi)。
13.根據(jù)權利要求12所述的光準直器用透鏡部件的組裝方法，其特征在于在將該部分球面透鏡粘結固定于該細管內(nèi)之前或粘結固定之后，從該細管內(nèi)去除該內(nèi)細管。
14.一種光準直器，包括一透鏡部件和將光纖固定于內(nèi)孔的一毛細管，特征在于，其中該透鏡部件包括一細管；部分球面透鏡，留下規(guī)定長度的插入部而固定在該細管的內(nèi)孔，由折射率大致均勻的玻璃構成，在其圓柱部的兩端具有曲率中心大致相同的透光球面；將該部分球面透鏡粘結于上述細管的粘結劑，該細管的中心軸和該部分球面透鏡的光軸的軸偏移量在5μm以內(nèi)，該毛細管的外周面與該光纖的端面的纖芯中心的軸偏移量在1.5μm以內(nèi)，該毛細管插入該透鏡部件的該細管的插入部，該光纖的端面固定于該部分球面透鏡的焦點位置±40μm以內(nèi)的距離的位置上。
15.根據(jù)權利要求14所述的光準直器，其特征在于其中所述的部分球面透鏡的折射率在1.7以上。
16.根據(jù)權利要求14所述的光準直器，其特征在于其中所述的光纖的端面和該部分球面透鏡的透光球面之間的距離在0.1mm以上。
17.根據(jù)權利要求14所述的光準直器，其特征在于其中所述的細管的材料是玻璃或結晶化玻璃。
18.根據(jù)權利要求14所述的光準直器，其特征在于其中所述的細管是分割式套筒。
19.根據(jù)權利要求18所述的光準直器，其特征在于其中所述的分割式套筒的材料是金屬。
20.根據(jù)權利要求14所述的光準直器，其特征在于其中所述的粘結劑是混合了從陶瓷、玻璃、金屬中選擇的一種以上構成的填充物的環(huán)氧樹脂系樹脂或玻璃熔塊(glass frit)。
21.根據(jù)權利要求14所述的光準直器，其特征在于其中所述的具有規(guī)定內(nèi)徑的內(nèi)孔的內(nèi)細管插入配置于細管的插入部，該內(nèi)細管在相對其管軸以規(guī)定精度將直角端面接觸至該部分球面透鏡的透光球面的狀態(tài)下粘結固定于該插入部。
22.根據(jù)權利要求14所述的光準直器，其特征在于其中所述的光纖的端面和該部分球面透鏡的透光球面之間的距離，比通過該部分球面透鏡折射率和該透光球面的球面半徑算出的最佳值小，且在實際上需要的動作距離范圍內(nèi)，光束腰部(beam waist)位置在規(guī)定值±5mm以內(nèi)。
23.一種光準直器的組裝方法，該光準直器包括一透鏡部件和將光纖固定于內(nèi)孔的一毛細管，特征在于，其中該透鏡部件包括一細管；部分球面透鏡，留下規(guī)定長度的插入部而固定在該細管的內(nèi)孔，由折射率大致均勻的玻璃構成，在其圓柱部的兩端具有曲率中心大致相同的透光球面；將該部分球面透鏡粘結于該細管的粘結劑，該細管的中心軸和該部分球面透鏡的光軸的軸偏移量在5μm以內(nèi)，該毛細管的外周面與該光纖的端面的纖芯中心的軸偏移量在1.5μm以內(nèi)，該組裝方法包括以下步驟將該毛細管插入該透鏡部件的該細管的插入部，將該光纖的端面固定于該部分球面透鏡的焦點位置±40μm以內(nèi)的距離的位置上，其中將該毛細管固定于該位置時，該光纖的端面和該部分球面透鏡的透光球面之間的距離是從外部測定以確定該毛細管的位置。
24.根據(jù)權利要求23所述的光準直器的組裝方法，其特征在于其中所述的細管在規(guī)定位置具有一貫通部，使得可從外部觀察該光纖的端面和該部分球面透鏡的透光球面之間的距離，且部分球面透鏡的球面和光纖的端面的距離是從外部測定以確定位置。
25.根據(jù)權利要求23所述的光準直器的組裝方法，其特征在于其中所述的細管由透明體形成，以便可從外部測定該光纖的端面和該部分球面透鏡的透光球面之間的距離，且部分球面透鏡的球面和光纖的端面的距離是從外部測定以確定位置。
26.根據(jù)權利要求23所述的光準直器的組裝方法，其特征在于其中所述的細管和該內(nèi)細管中的至少之一由厚度1mm、使波長350～500nm的光透過50％以上的透明玻璃構成。
27.根據(jù)權利要求24所述的光準直器的組裝方法，其特征在于其中所述的光纖的端面和該部分球面透鏡的透光球面之間的距離設定為比通過該部分球面透鏡折射率和該透光球面的球面半徑算出的最佳值小，且在實際上需要的動作距離范圍內(nèi)，光束腰部(beam waist)位置在規(guī)定值±5mm以內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明是有關于一種光準直器用透鏡部件、光準直器及它們的組裝方法，該光準直器用透鏡部件包括有細管；部分球面透鏡，留下規(guī)定長度的插入部而固定在細管的內(nèi)孔中，由折射率大致均勻的玻璃構成，在其圓柱部的兩端具有曲率中心大致相同的透光球面；將部分球面透鏡粘結于細管的粘結劑。細管的中心軸和上述部分球面透鏡的光軸的軸偏移量在5μm以內(nèi)。當將光纖固定在內(nèi)孔且外周面與光纖的端面的纖芯中心的軸偏移量在1.5μm以內(nèi)的毛細管插入細管的插入部，并且將光纖的端面固定于部分球面透鏡的焦點位置±40μm以內(nèi)的距離的位置上時，出射光曲率為出射光相對細管中心軸在0.2°以內(nèi)。
文檔編號G02B6/32GK1628256SQ03803298
公開日2005年6月15日 申請日期2003年2月21日 優(yōu)先權日2002年2月22日
發(fā)明者瀨戶直, 角見昌昭, 田中宏和, 竹內(nèi)宏和, 伊藤新太郎 申請人:日本電氣硝子株式會社