CN101566710B

CN101566710B - 非球面光纤耦合镜片

Info

Publication number: CN101566710B
Application number: CN2008100932176A
Authority: CN
Inventors: 郭明哲
Original assignee: E Pin Optical Industry Co Ltd
Current assignee: E Pin Optical Industry Co Ltd
Priority date: 2008-04-23
Filing date: 2008-04-23
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2028-04-23
Also published as: CN101566710A

Abstract

一种非球面光纤耦合镜片，其是应用于光电耦合模块中，为一具正屈光度的双凸型透镜，包含：一第一光学面及一第二光学面，其中第一光学面及一第二光学面均为非球面所构成，且满足以下条件；；其中，f为非球面光纤耦合镜片的有效焦距，d2为该镜片的厚度，R1为该镜片第一光学面的曲率半径，R2为该镜片第二光学面的曲率半径。藉此，本发明的非球面光纤耦合镜片可达成聚焦点小、体积小及耦合效率高的优点，藉以提升光电耦合模块的应用性。

Description

非球面光纤耦合镜片

技术领域

本发明是有关一种运用于光电耦合模块的非球面光纤耦合镜片，其可将半导体激光发散出的光线有效率地聚集并聚焦，以供光纤传送。

背景技术

光通讯为近年来重要的产业，在光通讯元件中，光电耦合模块包含功能元件的光源(如激光二极管或LED等)、光纤耦合镜片及光纤(optical fiber)。激光二极管发出数据光线后，经过光纤耦合镜片将数据光线聚集于光纤上，经由光纤传送。如图1，由于光纤的直径很小，大约在数微米至数十微米之间，且光纤耦合镜片的尺寸也很小，不但需要精确的在X方向定位聚焦，也需要在Z方向的光轴上精确的定位聚焦。

在现有技术上，光纤耦合镜片可由单片式或多片式镜片所构成，多片式镜片所构成的光纤耦合镜片，可聚集最大的光线，也有良好的聚焦效果，然而以单片镜片较具市场竞争能力。对于单片镜片所构成的光纤耦合镜片，对于短距离的聚焦点(由光源至聚焦点，d1与d3)的光纤耦合镜片常采用双凸型镜片设计，如美国专利US5,764,838、US4,932,763、US5,293,269、日本专利JP62059912等。由于，光纤耦合镜片直径通常很小，对于较长距离的聚焦点可能会产生绕射现象，除避免绕射现象外，对位精确度(alignment accuracy)与耦合效率(couplingefficiency)也要良好，如美国专利US5,642,233、US2003/012496、日本专利JP9061665、JP63010119、JP5273463、JP62108217、JP2150816、JP07128616等。再者，光电耦合模块的激光光源发出的数据光线经过光纤耦合镜片会造成温度上升，为避免光纤耦合镜片长期受热而变形，以玻璃为材质或以模造玻璃技术制造光纤耦合镜片，如日本专利JP63297233、美国专利US2002/114085、台湾专利TW240706、TWD 076092等。

为使光电耦合模块具最佳效果，要求光纤耦合镜片具有聚焦点小、高耦合效率(coupling efficiency)、光纤耦合镜片的物侧的开孔数(number aperture onobjective side)大等光学特性，为要达此效果，现有技术常使用绕射镜片以设计光纤耦合镜片，如日本专利WO2007145118、JP2006227366，美国专利US2003012496等。然而，使用绕射镜片以设计光纤耦合镜片将增加制造的困难度，使成本也难以降低，因此有必要发展简单的光学曲面、价廉、可由模造玻璃技术制造的光纤耦合镜片，以促进光通讯产业的快速发展。

发明内容

本发明主要目的乃在于提供一种具有简单的光学曲面、价廉、可由模造玻璃技术制造的光纤耦合镜片，为此，本发明提出了一种光纤耦合镜片，其为一双凸型正屈光度的透镜，具有一非球面第一光学面及一非球面第二光学面，其光学特性满足以下条件：

0.5 < \frac{d_{2}}{f} < 1.5; - - - (1)

1.0 < \frac{R_{1} - R_{2}}{R_{1} + R_{2}} < 2.0; - - - (2)

1.2 < (\frac{1}{R_{1}} - \frac{1}{R_{2}}) \cdot f < 2.2; - - - (3)

0.001 < \frac{(N_{d} - 1)}{R_{1}} \cdot \frac{f}{N_{d}} < 0.15; - - - (4)

0.2 < (N_{d} - 1) \frac{{d_{2}}^{2}}{f^{2}} < 1.2; - - - (5)

其中，f为非球面光纤耦合镜片的有效焦距(effective focal length)，d2为该镜片的厚度，N_d为该镜片的折射率(refraction index)，R1为该镜片第一光学面的曲率半径，R2为该镜片第二光学面的曲率半径。

更进一步，该光纤耦合镜片可为玻璃材质所制成，可使用玻璃精密模造方法(precision glass molding)制成，其制成的光纤耦合镜片的折射率满足下列条件：

70＜N_d·ν_d (6)

其中，N_d为该镜片的折射率(refraction index)，ν_d为该镜片的阿贝数(Abbenumber)。

藉此，使本发明的光纤耦合镜片可有效提高聚焦点定位精确度、具有高耦合效率与高数值的物侧的开孔数(number aperture on objective side)等光学特性，达成简易且较低成本的功效，藉以提升光纤耦合镜片的应用性。

附图说明

图1是一光电耦合模块示意图；

图2是一本发明光纤耦合镜片的光路图；

图3是本发明第一实施例的波前像差图；

图4是本发明第二实施例的波前像差图；

图5是本发明第三实施例的波前像差图；

图6是本发明第四实施例的波前像差图；

图7是本发明第五实施例的波前像差图；

图8是本发明第六实施例的波前像差图。

附图标记说明：

1-光电耦合模块(fiber coupling unit)；2-光纤耦合镜片(fiber coupling lens)2；3-发光源(emission point)；4-表玻璃(cover glass)；5-光阑(aperture)5；6-聚焦点(point of focus)。

具体实施方式

为使本发明更加明确详实，兹列举较佳实施例并配合下列图示，将本发明的结构及技术特征详述如后：

参照图1所示，其是本发明运用示意图；本发明是应用于一光电耦合模块1中，其沿着光纤耦合镜片2的光轴Z排列，发光源3为一半导体激光，可发出波长1310nm的数据光线；光电耦合模块1尚包含表玻璃4及光阑5，该光阑5是一种中置光圈，其是设于表玻璃4与光纤耦合镜片2之间如图1所示，数据光线经由表玻璃4及光阑5后由光纤耦合镜片2聚焦于聚焦点6上，由光纤(图未示)接收而传送。其中，本发明的光纤耦合镜片2并不限于使用半导体激光1的波长范围，或限制发光源3至聚焦点6的距离。

参照图2所示，其是本发明的结构示意图；光纤耦合镜片2为一双凸型的非球面透镜，具有一非球面第一光学面R1及一非球面第二光学面R2，可利用折射率(N_d)大于1.5、阿贝数(ν_d)大于46的玻璃或塑胶材质制成。其光学特性满足以下条件：

0.5 < \frac{d_{2}}{f} < 1.5;

1.0 < \frac{R_{1} - R_{2}}{R_{1} + R_{2}} < 2.0;

1.2 < (\frac{1}{R_{1}} - \frac{1}{R_{2}}) \cdot f < 2.2;

0.001 < \frac{(N_{d} - 1)}{R_{1}} \cdot \frac{f}{N_{d}} < 0.15;

0.2 < (N_{d} - 1) \frac{{d_{2}}^{2}}{f^{2}} < 1.2;

其中，f为非球面光纤耦合镜片的有效焦距，d2为该镜片的厚度，N_d为该镜片的折射率，R1为该镜片第一光学面的曲率半径，R2为该镜片第二光学面的曲率半径。

第一光学面R1及第二光学面R2的非球面的方程式(Aspherical SurfaceFormula)为式(7)：

Z = \frac{{ch}^{2}}{1 + \sqrt{(1 - (1 + K) c^{2} h^{2})}} + A_{4} h^{4} + A_{6} h^{6} + A_{8} h^{8} + A_{10} h^{10} + A_{12} h^{12} - - - (7)

其中，c是曲率，h为镜片高度，K为圆锥系数(Conic Constant)、A4、A6、A8、A10、A12分别四、六、八、十、十二阶的非球面系数(Nth Order AsphericalCoefficient)。

藉上述结构，可有效提高聚焦点定位精确度、具有高耦合效率与高数值的物侧的开孔数(number aperture)等光学特性，达成简易且较低成本的功效，藉以提升光纤耦合镜片的应用性。

兹列举较佳实施例，并分别说明如下：

<第一实施例>

请参考图2、3所示，其分别是本发明光纤耦合镜片第一实施例的结构示意图与波前像差(wave front aberration)图；本实施例的光纤耦合镜片2是使用玻璃材料折射率N_d＝1.58313、阿贝数ν_d＝59.4所制成，下列表(一)中分别列有第一光学面R1及第二光学面R2光学面在光轴上的曲率半径R(单位：mm)(theradius of curvature R)、光轴上光纤耦合镜片2的厚度d2(单位：mm)。

表(一)

在表(一)中，f为有效焦距，d2为该镜片的厚度，nF为折射值(refractionindex)、NAO为物侧的开孔数(number aperture on objective side)、NAI为像侧的开孔数(number aperture on image side)、η为耦合效率(Fiber CouplingEfficiency)；由表(一)可计算出：

\frac{d_{2}}{f} = 1.0156;

\frac{R_{1} - R_{2}}{R_{1} + R_{2}} = 1.4796;

(\frac{1}{R_{1}} - \frac{1}{R_{2}}) \cdot f = 1.9453

\frac{(N_{d} - 1)}{R_{1}} \cdot \frac{f}{N_{d}} = 0.1161;

(N_{d} - 1) \frac{{d_{2}}^{2}}{f^{2}} = 0.6014;

N_d·ν_d＝94.04

可以满足条件式(1)～式(6)。

为进一步比较其功效，当发光源3发出波长为1310nm的激光光线时，由于激光光线的波前为一球面波，经由本实施例的光纤耦合镜片2聚集与聚焦于聚焦点6上，其聚焦点6的波前如图3，由此图可计算出本实施例的均方根波前像差(root mean square Wavefront Aberration)为0.0321λrms，藉此可证明本发明的光纤耦合镜片可达成聚焦点小、体积小及耦合效率高的优点，而提升本发明的应用性。

<第二实施例>

本实施例的光纤耦合镜片2是使用玻璃材料折射率N_d＝1.58313、阿贝数ν_d＝59.4所制成，下列表(二)中分别列有第一光学面R1及第二光学面R2光学面在光轴上的曲率半径R、光轴上光纤耦合镜片2的厚度d2、有效焦距f、为折射值nF、物侧的开孔数NAO、像侧的开孔数NAI、耦合效率η。

表(二)

由表(二)可计算出：

\frac{d_{2}}{f} = 1.2023;

\frac{R_{1} - R_{2}}{R_{1} + R_{2}} = 1.5054;

(\frac{1}{R_{1}} - \frac{1}{R_{2}}) \cdot f = 1.9996

\frac{(N_{d} - 1)}{R_{1}} \cdot \frac{f}{N_{d}} = 0.1236;

(N_{d} - 1) \frac{{d_{2}}^{2}}{f^{2}} = 0.8430;

N_d·ν_d＝94.04

可以满足条件式(1)～式(6)。

当发光源3发出波长为1310nm的激光光线时，光纤耦合镜片2将其聚集与聚焦于聚焦点6上，其聚焦点6的波前如图4，由此图可计算出本实施例的均方根波前像差为0.0225λrms，藉此可证明本发明的光纤耦合镜片可达成聚焦点小、体积小及耦合效率高的优点，而提升本发明的应用性。

<第三实施例>

本实施例的光纤耦合镜片2是使用玻璃材料折射率N_d＝1.51424、阿贝数ν_d＝63.7所制成，下列表(三)中分别列有第一光学面R1及第二光学面R2光学面在光轴上的曲率半径R、光轴上光纤耦合镜片2的厚度d2、有效焦距f、为折射值nF、物侧的开孔数NAO、像侧的开孔数NAI、耦合效率η。

表(三)

由表(三)可计算出：

\frac{d_{2}}{f} = 0.8569;

\frac{R_{1} - R_{2}}{R_{1} + R_{2}} = 1.0083;

(\frac{1}{R_{1}} - \frac{1}{R_{2}}) \cdot f = 1.9935

\frac{(N_{d} - 1)}{R_{1}} \cdot \frac{f}{N_{d}} = 0.0028;

(N_{d} - 1) \frac{{d_{2}}^{2}}{f^{2}} = 0.3776;

N_d·ν_d＝96.46

可以满足条件式(1)～式(6)。

当发光源3发出波长为1310nm的激光光线时，光纤耦合镜片2将之聚集与聚焦于聚焦点6上，其聚焦点6的波前如图5，由此图可计算出本实施例的均方根波前像差为0.0563λrms，藉此可证明本发明的光纤耦合镜片可达成聚焦点小、体积小及耦合效率高的优点，而提升本发明的应用性。

<第四实施例>

本实施例的光纤耦合镜片2是使用玻璃材料折射率N_d＝1.58313、阿贝数ν_d＝59.4所制成，下列表(四)中分别列有第一光学面R1及第二光学面R2光学面在光轴上的曲率半径R、光轴上光纤耦合镜片2的厚度d2、有效焦距f、为折射值nF、物侧的开孔数NAO、像侧的开孔数NAI、耦合效率η。

表(四)

A12	-40.022299
				η＝	76.00％
NAO＝	0.4	NAI＝	0.25

由表(四)可计算出：

\frac{d_{2}}{f} = 1.3539;

\frac{R_{1} - R_{2}}{R_{1} + R_{2}} = 1.4345;

(\frac{1}{R_{1}} - \frac{1}{R_{2}}) \cdot f = 1.7457

\frac{(N_{d} - 1)}{R_{1}} \cdot \frac{f}{N_{d}} = 0.0974;

(N_{d} - 1) \frac{{d_{2}}^{2}}{f^{2}} = 1.0689;

N_d·ν_d＝94.04

可以满足条件式(1)～式(6)。

当发光源3发出波长为1310nm的激光光线时，光纤耦合镜片2将之聚集与聚焦于聚焦点6上，其聚焦点6的波前如图6，由此图可计算出本实施例的均方根波前像差为0.0278λrms，藉此可证明本发明的光纤耦合镜片可达成聚焦点小、体积小及耦合效率高的优点，而提升本发明的应用性。

<第五实施例>

本实施例的光纤耦合镜片2是使用玻璃材料折射率N_d＝1.58313、阿贝数ν_d＝59.4所制成，下列表(五)中分别列有第一光学面R1及第二光学面R2光学面在光轴上的曲率半径R、光轴上光纤耦合镜片2的厚度d2、有效焦距f、为折射值nF、物侧的开孔数NAO、像侧的开孔数NAI、耦合效率η。

表(五)

R2	-0.659849
		K	-0.363483
A4	-0.487625
		A6	7.111876
A8	-26.371641
		A10	46.812404

A12	-20.709032
				η＝	64.00％
NAO＝	0.4	NAI＝	0.22

由表(五)可计算出：

\frac{d_{2}}{f} = 0.8711;

\frac{R_{1} - R_{2}}{R_{1} + R_{2}} = 1.0422;

(\frac{1}{R_{1}} - \frac{1}{R_{2}}) \cdot f = 1.7757

\frac{(N_{d} - 1)}{R_{1}} \cdot \frac{f}{N_{d}} = 0.0133;

(N_{d} - 1) \frac{{d_{2}}^{2}}{f^{2}} = 0.4425;

N_d·ν_d＝94.04

可以满足条件式(1)～式(6)。

当发光源3发出波长为1310nm的激光光线时，光纤耦合镜片2聚集与聚焦于聚焦点6上，其聚焦点6的波前如图7，由此图可计算出本实施例的均方根波前像差为0.0502λrms，藉此可证明本发明的光纤耦合镜片可达成聚焦点小、体积小及耦合效率高的优点，而提升本发明的应用性。

<第六实施例>

本实施例的光纤耦合镜片2是使用玻璃材料折射率N_d＝1.73077、阿贝数ν_d＝40.5所制成，下列表(六)中分别列有第一光学面R1及第二光学面R2光学面在光轴上的曲率半径R、光轴上光纤耦合镜片2的厚度d2、有效焦距f、为折射值nF、物侧的开孔数NAO、像侧的开孔数NAI、耦合效率η。

表(六)

由表(六)可计算出：

\frac{d_{2}}{f} = 0.8849;

\frac{R_{1} - R_{2}}{R_{1} + R_{2}} = 1.2365;

(\frac{1}{R_{1}} - \frac{1}{R_{2}}) \cdot f = 1.4817

\frac{(N_{d} - 1)}{R_{1}} \cdot \frac{f}{N_{d}} = 0.0598;

(N_{d} - 1) \frac{{d_{2}}^{2}}{f^{2}} = 0.5723;

N_d·ν_d＝70.09

可以满足条件式(1)～式(6)。

当发光源3发出波长为1310nm的激光光线时，光纤耦合镜片2将之聚集与聚焦于聚焦点6上，其聚焦点6的波前如图8，由此图可计算出本实施例的均方根波前像差为0.0502λrms，藉此可证明本发明的光纤耦合镜片可达成聚焦点小、体积小及耦合效率高的优点，而提升本发明的应用性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅是说明性的，而非限制性的；本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效变更，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims

1.一种非球面光纤耦合镜片，是使用于光电耦合模块中，其特征在于：该非球面光纤耦合镜片为一具有正屈光度的双凸型透镜，包含：一第一光学面及一第二光学面；其中第一光学面及一第二光学面均为非球面所构成，且满足以下条件：

0.5 < \frac{d_{2}}{f} < 1.5;

1.0 < \frac{R_{1} - R_{2}}{R_{1} + R_{2}} < 2.0;

1.2 < (\frac{1}{R_{1}} - \frac{1}{R_{2}}) \cdot f < 2.2;

0.001 < \frac{(N_{d} - 1)}{R_{1}} \cdot \frac{f}{N_{d}} < 0.15

0.2 < (N_{d} - 1) \frac{{d_{2}}^{2}}{f^{2}} < 1.2

70＜N_d·v_d

其中，f为非球面光纤耦合镜片的有效焦距，d2为该镜片的厚度，R1为该镜片第一光学面的曲率半径，R2为该镜片第二光学面的曲率半径，N_d为该镜片的折射率，v_d为该镜片的阿贝数。

2.根据权利要求1所述的非球面光纤耦合镜片，其中该非球面光纤耦合镜片为玻璃材料所制成。