CN1186658C - 光耦合系统及利用该系统的光学装置 - Google Patents

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Abstract

两个透镜用于形成一对并行的准直器，其中两透镜之间的距离基本上与允许束要形成在分别与两透镜相等距离的最大距离一致。

Description

光耦合系统及利用该系统的光学装置
技术领域
本发明涉及一种光通信系统，并尤其涉及一种与光纤联合使用的成对准直器的光学装置。
背景技术
随着近年来英特网的迅速且广泛地发展，对光纤通信网络容量增大的需求加剧。作为增大网络容量的方式的WDM(波分复用)通信得到迅速地发展。在WDM通信中，各条信息通过波长稍稍不同的光分量传递。因此，需要使用波长选择特性良好的光学功能装置，如多路分用器、光学滤波器、光隔离器或光循环器。当然，就可制造性、尺寸的减小、集成性以及稳定性而言，这种功能装置是非常急需的。
在大多数情况下，光学功能装置结构如下。从发射端光纤的端面发出的光通过准直器转变成平行的光通量。平行光通量经过一个具有滤波器或隔离器功能的平面光学功能装置传递。然后，平行光通量又经过一个会聚透镜会聚，使得会聚的光通量传送到入射端光纤的端面。具有径向折射率分布的棒状透镜、球面玻璃透镜或非球面模压透镜用作准直器和会聚透镜。从形状和相差校正的观点来看，最易于加工的透镜是折射率渐变的棒状透镜。
图1是利用由均质材料制作的第一和第二平凸透镜3和4的平行成对准直器释示意图。一般地，在平行成对准直器中，在相对端设置两个彼此相同(透镜厚度：Z)的透镜，使得两透镜彼此相距2L。在图1所示的透镜表面形状非对称的透镜情形中，两透镜3和4设置在相反的方向。即在图1的情况下，第一透镜3具有作为入射面的平面表面30和作为出射面的弯曲表面130。相反，第二透镜4有一个作为入射面的弯曲表面140和一个作为出射面的平面表面40。弯曲表面130和140可以是球面或是非球面。把模式场直径彼此相同并具有相同特性的光纤用作入射端光纤1(以下称作“光源光纤”)和出射端光纤2(以下称作“光接收光纤”)。光源光纤1和透镜3的入射面30之间的距离以及透镜4的出射面40和光接收光纤2的端面20之间的距离做得彼此相等，由此形成一个完全对称的光学系统。
图1是光线5的典型的几何光路。但是，从单模光纤中易于发出的光通量可以认为是如图2所示的高斯光束，在此情况下需要透镜3和4设置成高斯光束7的束腰(BW)26所形成在两透镜3和4之间的中点，以便获得平行准直器对良好的耦合效率。即，对应于从光源光纤1发出的光17的第一束腰16(半径为W1)一度在光学系统的中点形成第二束腰16(半径为w2)，并且通过第二透镜4在第三束腰36的位置耦合到光接收光纤2。
如果使用的波长、每个光纤的NA(数值孔径)和焦点的位置以及每个透镜的焦点都已知，则可以通过使用光线矩阵元根据所谓的ABCD规则的计算来设计图2中所示结构的WD和L值。例如，理论上说，在Kenji Kawano撰写的Foundation and Application of Optical CouplingSystem for Optical Device Gendai Kougaku Sha(1991)中描述了详细的数字公式。市场上的有些光学设计软件有这种ABCD计算功能。
但是，因为最大值Lmax的存在，透镜之间间距、即透镜3或4和第二BW26之间的距离L不允许选择得大于最大值Lmax。在焦距为f的透镜中WD和L之间的关系典型地如图3所示。
在此光学耦合系统中，入射到光接收光纤上的光功率与光源光纤发出的光功率之比、即耦合效率或耦合损耗是一个非常重要的特征参数。如果L不大于Lmax，则在适当地选择WD值时，理论上可以得到100％的耦合效率(耦合损耗为0dB)。相反，如果L超高Lmax，则Lmax值基本上与透镜焦距的平方成比例地增大。
虽然以上描述了一种完全对称的光学系统，但该光学耦合系统可以构造成光源不是由一个光纤组成，而是由一个发光装置构成，如半导体激光器，同时光接收装置不是由光纤构成，而是由一个光电探测器构成，如光电二极管。另外，在此情况下，系统可以根据应用高斯光束设计。
但是，ABCD计算的结果只根据近轴数据。ABCD的计算是建立在假设每个透镜没有相差，并且没有透镜有效直径缺陷的影象导致的遮蔽。在特别应用于这种光学系统的透镜中，透镜中存在的各类相差导致的损耗总是不可避免地会产生。为此，透镜直径的距离2L以及耦合损耗不会总是如图4中所示的那样简单。还考虑到当透镜的焦距和象差等状态根据温度和湿度的变化而变化时耦合损耗也会变化。另外，固定透镜或光纤的元件的体积和长度的变化也是耦合损耗的一个原因。
发明内容
本发明目的在于解决上述问题，并且本发明的目的在于提供一种结构，其中在存在某种程度的象差、缺陷和环境变化的情况下，光耦合系统中的耦合损耗减到最小。
根据本发明，所提供的光耦合系统包括：第一透镜，具有设置在特定方向的入射面，并具有正折射率，从光源入射到入射面上的高斯光束状的光通量通过第一透镜被转变成大致平行的光通量；以及第二透镜，具有第一透镜相同的折射率，但具有设置反方向的入射面和出射面，入射到第二透镜入射面上的近似平行的光通量通过第二透镜被转变成会聚的光通量，会聚的光通量入射到光接收装置上；其特征在于两透镜之间的距离选择成近似等于允许束腰形成在分别与两透镜等距离的最大距离处。
即，当假设两透镜之间的距离为2L、并且假设允许束腰形成在分别与两透镜等距离的最大距离为2Lmax时，距离2L最好处于1.8Lmax≤2L≤2Lmax的范围内。
另外，在根据本发明的光耦合系统中，总损耗设置为等于或小于两透镜的间距2L处于0≤2L≤1.8Lmax时发生的耦合损耗。总耦合损耗值最好不大于0.05dB。
根据本发明的光耦合系统包括：一个具有正折射率的透镜，光源发出的高斯形光通量通过该透镜被转变成近似平行的光通量；和一个反射面，设置在透镜的后面，使得近似平行的光通量被反射面返回到透镜，返回的光通量通过该透镜转变成会聚的光通量，入射到设置在光源及其附加的光接收装置上；其特征在于透镜和反射面之间的距离选择成近似等于允许透镜形成束腰的最大距离。
即，当假设透镜和反射面之间的距离为L，并且假设允许透镜形成束腰的最大距离为Lmax时，距离L最好选择在0.9Lmax≤L≤Lmax的范围内。
另外，在根据本发明的光耦合系统中，总耦合损耗设置成等于或小于当透镜和反射面之间L处于0≤L≤0.9Lmax范围时发射的耦合损耗。总耦合损耗值最好不大于0.05dB。
光源和光接收装置由光纤的端面构成，其中光纤的端面与模式场之间彼此相等。顺便说一下，在根据本发明的光耦合系统中，可以使用光纤的端面，使其作为光源以及光接收装置。
在径向有渐变折射率分布的棒状透镜、在光轴方向有渐变折射率分布的平凸透镜、由匀质材料制成的平凸透镜、由匀质材料制成的球面透镜或光栅透镜表面都可以用作具有正折射率的透镜。
光学装置由根据本发明的光耦合系统以及设置在光耦合系统中两透镜之间中点处的光学功能装置构成。在根据本发明的光耦合系统中，光学功能装置可以设置在透镜和反射面之间的中点处，由此可以形成一个光学装置。在光学装置中，光耦合系统可以设置成一个阵列，具有相同功能的光耦合系统排列成一行或多行。
在根据本发明设置的、以致于透镜之间的距离或透镜和反射面之间的距离对应于允许每个透镜形成一个束腰的最大距离的光耦合系统中，甚至在理想的光学系统中出现象差或缺陷呈现某种程度的增大的情况下或甚至在光学系统的性能根据环境变化而变化的情况下，耦合损耗也只有很小的变化。另外，通过应用本发明的光耦合系统而获得的光学装置的性能对于从理想的设计状态的移位或对于环境变化也只有很小的变化。
本发明公开的内容涉及日本专利申请NO.2001-038412(2001年2月15日提交)，其全文在此引为参考。
附图说明
图1是表示通过一对并行准直器耦合光线的几何示意图；
图2是表示就典型的高斯光束而言，通过一对并行准直器耦合光线的几何示意图；
图3是表示每个透镜与相应的光线之间的距离WD和两透镜之间的距离(半值)L之间的关系曲线；
图4是表示两理想透镜之间的距离(半值)L和耦合损耗之间的关系曲线；
图5是表示在每个透镜的焦距f变化时WD和L之间的关系曲线。
图6是用于解释采用一个透镜、一根光纤和一个反射面的结构的示图；
图7是用于解释采用一个透镜、两根光纤和一个反射面的结构的示图；
图8是表示光栅透镜的光路的示图；
图9是表示光栅透镜的纵向球差的示图；
图10是表示根据本发明第一设计方案的光耦合系统的结构示图；
图11是表示根据本发明第二设计方案的光耦合系统的结构示图；
图12是表示第二设计方案中耦合损耗的计算结果的曲线；
图13是表示根据本发明第三设计方案的光耦合系统的结构示图；
图14是表示第三设计方案中耦合损耗的计算结果的曲线；
图15是表示利用第二设计方案的光耦合系统的光学装置示图；
图16是表示利用第三设计方案的多个光耦合系统的光学装置的结构示图。
具体实施方式
图5是一条这样的曲线，具有的焦距(f+Δf)稍大于f的透镜的关系曲线叠加在图3中所述的关系曲线上。例如当WD等于WD1时，两透镜的L值之差(ΔL)表达成基于两透镜的焦距之差的第二BW位置之差。
顺便说一下，在图5中发现，当WD设置成使得L值接近Lmax时，ΔL值变得非常小。这意味着当L值接近Lmax时，尽管有焦距的变化，但第二和第三BW位置变化很少。
根据在一个真实的并行成对的光学系统中BW位置和耦合损耗之间的关系的计算结果(后面将要描述的设计实例)，发现当满足下列两个条件时，由于焦距变化所致的耦合损耗的增大变得非常小：
(1)成对的并行透镜之间的距离设置为近似2Lmax；和
(2)由于某种原因只是两透镜的焦距变化相等。
关于BW位置变化导致耦合损耗增大的原因需要考虑以下几点：
(1)根据采用的波长之间的波长差的BW位置变化，其中采用的波长是以每个透镜轴的色差为依据。
(2)使用中预定的环境变化，如温度和湿度变化，由此根据使用的波长改变每个透镜的焦距，从而改变BW位置。
(3)使用中预定的环境变化，如温度和湿度变化，由此改变保持光学系统的结构的体积或改变放置在光学系统中间的介质的折射率，从而改变BW位置。
(4)当光轴不对称存在于每个透镜中、使得象散出现于光轴上时，产生多个BW位置。
(5)由每个透镜的双折射产生多个BW位置。
根据这些因素，本发明的“使透镜之间的距离与Lmax一致的结构”在下列特定情况下是有效的：
[1]在一对透镜用于WDM(波分复用)的情况下，当轴向色差很大时，在远离设计的基准波长的波长处耦合损耗增大。但在本发明的结构中，轴向色差的影响可以抑制得很小。色差较大的透镜实例包括显象形式的光栅透镜、具有大焦距的玻璃单透镜和塑料透镜。尤其是光栅透镜具有非常大的轴向色差(是玻璃凸透镜的十倍)，以致于本发明的结构特别有效。
[2]透镜根据环境(如温度和湿度)变化很大的情况
塑料非球面镜是很便宜的，因为它们可以通过压制批量生产。但是塑料非球面镜有一个问题，就是与玻璃透镜相比，透镜的焦距或象差依据温度或湿度的变化非常大。但是，根据本发明的结构，由于此原因所致的耦合损耗的变化可以抑制到很小。
[3]将环境变化抑制到非常小的情况
在大多数情况下，所有的光学系统以及系统中的透镜都非常需要抑制(不透热性)由于温度所致的特性变化。作为提高不透热性的方法，有一种保持整个系统处于恒温的方法、一种使用温度变化很小的材料的方法和使用材料与消除温度变化相结合的方法。当除了这些方法之外还提供本发明的结构时，就有一种减小由光路变化导致的耦合损耗改变的效果。
[4]具有畸变的棒状透镜的情形
在光轴方向具有渐变的折射率分布的棒状透镜中，透镜材料的热膨胀系数根据与光轴的距离而变化。因此，在大多数情况下存留径向畸变。特别是在具有长焦距的透镜中，畸变量变大。在有畸变的透镜中，由于双折射现象，透镜的焦距根据入射光的偏振方向而改变。因此，聚焦不足，使得耦合损耗变大。但根据本发明的结构，甚至在焦距变化的情况下，因为BW位置被校准，所以可以执行精细的聚焦，从而减少耦合损耗。
如图6所述，反射镜8可以设置在一个对应于图2中所示透镜之间中点处的第二束腰位置的位置，使得光返回到用作光源光纤并还用作光接收光纤的光纤11。另外，在此结构中还可以实现本发明的效果。在图6所示的情况下，总是满足条件(2)：
(1)一对并行透镜之间的距离设置为接近2Lmax；和
(2)由于某种原因所致的两透镜的焦距变化相等。
因此，当透镜13和反射镜8之间的距离设置为接近Lmax时，甚至在使用的透镜具有或多或少的下列缺陷时也有抑制缺陷导致的耦合损耗增大的效果：
基于光轴不对称的象差(光轴上产生的象散)；
焦距与标准值的偏差；和
透镜厚度与标准值的偏差。
顺便说一下，如图7所示，在光源光纤21的附近分别设置一个光源光纤21和一个光接收装置22。另外，在图7所示的结构中可以获得与图6中所示结构相同的效果。
下面将根据象散量和耦合损耗关系的计算结果描述一个具体的透镜系统。通过利用美国Sinclair Optics，Inc.，设计的透镜设计软件“OSLO Six”进行计算。
[设计方案1]
设计由光栅透镜组成的成对并行的准直器并计算耦合损耗。
(光栅透镜的设计值)
图8表示每个单透镜的结构。在厚度Zg为1mm的石英玻璃9表面上设置一个焦距为1mm、NA为0.2的光栅透镜(显象形式)25。设计的波长λ为1550nm。采用一个对于主光线的焦点。
由于延伸平面的波表面形状为一个离光轴50有r距离的抛物面。
    波面函数：Φ(r)＝(2π/λ)·df1·r2
              常数：df1＝-0.500
              带深：0.00351mm
              轴向波前象差：RMS-OPD＝0.0062λ
顺便说一下，球差可以忽略，以致于不需要高阶项校正。
(轴向色差)
图9表示在三个波长(1520，1550和1580nm)中远焦单透镜的纵向象差。从中发现，焦点位置对于Δλ＝30nm移动20μm，因为轴向色差非常大。这是关于此光栅透镜的问题。
(并行成对准直器的耦合效率)
如图10所示，分别按照与上述相同的方式设置形成在两件石英玻璃19和29表面上的光栅透镜23和24，作为在光源光线1和具有等于光源光线1的模式场直径的光接收光纤2之间对称的并行对。通过下列程序计算耦合损耗。考虑BW的位置和直径用于计算(根据ABCD计算)，但忽略由于表面反射、内部系数、衍射效率和球差的损耗。设置的光源光纤1和光接收光纤2在波长λ＝1550nm处均具有0.1(1/e2强度)的NA。
(1)首先选择透镜之间的间距2L以优化WD，使得束腰处于中间。
(2)计算λ＝1550nm处的耦合损耗。
(3)在相同结构、但每个光纤在λ＝1550nm处的NA＝0.1的条件下计算耦合损耗。
(4)除光源波长设置为λ＝1580nm以外，按照与上述相同的方式计算耦合损耗。
(a)短L的情况
表1表示L＝0.0836nm和WD＝0.3053nm情况下的计算结果。
λ＝1580nm处的耦合损耗较小。但是当λ变化时BW位置在接收端大幅移动。因此，在Δλ＝±30nm的范围内产生0.5～0.8dB的较大损耗。
                            [表1]
  波长(nm) 光源BW半径w1(μm) 光接收端BW位置(μm) 光接收端BA半径w3(μm)   耦合损耗(dB)
  1550     4.909     0     4.909     0.004
  1520     4.814     40.48     4.993     0.753
  1580     5.004     -37.59     4.831     0.551
(b)L＝Lmax的情形
在此光学系统中，当WD为0.3561mm时L为Lmax＝11.237mm。表2表示计算结果。
λ＝1550nm时的耦合损耗如此之小，以致于与L很短的情况相比，耦合损耗变化很小。但是，甚至当λ改变时BW位置在光接收端的变化也很小。因此，耦合损耗变化很小并且保持在小于0.05dB。
                         [表2]
  波长(nm) 光源BW半径w1(μm)   光接收端BW位置(μm) 光接收端BA半径w3(μm)   耦合损耗(dB)
  1550     4.909     0     4.909     0.004
  1520     4.814     1.568     4.641     0.012
  1580     5.004     -5.098     4.349     0.083
结果表明，耦合损耗较小并且在最佳设计波长λ＝1550nm以及其附近处很少依赖透镜间的距离L，但当波长从最佳设计波长处改变时强烈依赖L。但在L设置为等于Lmax的本发明的结构中，与L充分小于Lmax的情形(典型地情况是L设置为接近于零)相比，由色差导致的耦合损耗大大减小。即，在根据本发明的光耦合系统中，实际光栅透镜的色差对耦合损耗的影响可以被抑制到很小。
顺便说一下，在任何非光栅透镜的透镜中或多或少地存在着色差的问题。因此，根据本发明构成的光耦合系统在一般的具有色差的透镜中是有效的。
[设计方案2]
设计“非球面平凸透镜”的并行准直器对。计算每个凸面的R改变的情况下的并行准直器对的耦合损耗。
(平凸透镜的设计值)
设计波长λ为1550nm。设置一个折射率为1.520并且透镜厚度为1.00mm的透镜。透镜的球差用1.716mm的凸表面R和-0.0152mm-4的非球面系数(第四项)校正。
    轴向波前差：RMS-OPD＝0.0067λ
    焦距：3.30mm
    NA：0.20(有效直径：Φ1,32mm)
(并行准直器对的耦合损耗)
如图11所示，如上所述的具有相同规格的非球面平凸透镜43和44对称地设置为光源光纤1和模式场直径与光源光纤1相等的光接收光纤2之间的并行对。按照与设计方案1相同的方式计算并行对的耦合损耗。
作为变量，透镜43的凸表面150的R和透镜44的凸表面160的R同时改变。波长λ、非球面系数、L、WD、透镜的厚度Z和玻璃的折射率选定为恒定。
表3和图12表示下列情况下的计算结果。
(1)短L的情形(L＝5.00mm，WD＝2.6425mm)
(2)L＝Lmax的情形(L＝114.8mm，WD＝2.6900mm)
                                        [表3]
凹平半径R                  L＝5.00mm             L＝Lmax＝114.8mm
  BW半径w3(μm)   BW位置n(μm)   耦合损耗(dB)   BW半径w3(μm)   BW位置n(μm)   耦合损耗(dB)
  1.680   5.027   -140   4.608   2.681   -49.3   3.048
  1.700   4.958   -61.8   1.341   4.075   -9.6   0.175
  1.705   4.942   -42.4   0.661   4.456   -3.6   0.038
  1.710   4.927   -23.1   0.187   4.755   -0.67   0.005
  1.714   4.915   -7.7   0.013   4.887   -0.02   0.004
  1.716   4.909   -0.04   0.004   4.907   0   0.004
  1.718   4.903   7.6   0.046   4.895   0.02   0.004
  1.722   4.892   22.9   0.280   4.781   0.66   0.005
  1.730   4.869   53.5   1.241   4.303   6.6   0.103
  1.740   4.843   91.5   2.885   3.583   22.6   0.399
  1.750   4.818   129.4   4.569   2.971   43.2   2.271
在此光纤系统中，如果凸表面的R接近设计值，则当L远小于Lmax时，耦合损耗很少地依赖于L。但如图12所示，使耦合损耗不大于0.05dB的范围1/R相对于L较短时的设计值是一个非常窄的范围±0.004mm-1。相反，在根据本发明的光耦合系统中，L设置为等于Lmax，使耦合损耗不大于0.05dB的范围1/R相对于设计值被大大地增大到±0.02mm-1。而且，耦合损耗的值总是小于L很短的情形。结果证明，在本发明的结构中，甚至在平凸透镜的R变化并且焦距随环境变化而变化的情况下，耦合损耗的变化可以抑制到很小。对于促使焦距变化的非R的因素(折射率变化、透镜厚度的变化)可以获得上述相同的效果。因此，本发明的结构对任何除非球面平凸透镜以外的正折射率透镜有效果。
[设计方案3]
由“折射率渐变的棒状透镜”和反射镜的组合设计一个光学系统。
在棒状透镜为光学轴向不对称的情况下计算耦合损耗。
(折射率渐变的棒状透镜的设计值)
假设由下列表达式给出棒状透镜半径方向上折射率的渐变分布：
    n(r)2＝n0 2{1-(g·r)2+h4(g·r)4}
其中，n0是轴向折射率，r是距光轴的距离，g和h4是渐变的折射率分布系数。
在1550nm的设计波长中，设置如下：
        n0：1.600
        焦距Z：4.430mm
        g＝0.326(1/mm)
        h4＝0.67
        透镜半径：0.90mm
        轴向波前差：RMS-OPD＝0.0050λ
        焦距：1.933mm
        NA：0.20(有效直径：Φ0.774mm)
(光轴非对称情况下的耦合效率)
如图13所示，设置一个具有与上相同规格的透镜53和一个用作光源光纤并还用作光接收光纤的光纤11，并且在第二BW位置26设置反射镜的反射表面8。计算该情况下的耦合损耗。首先得到示于表4的关于L值的最佳WD。
             [表4]
    L(mm)     L/Lmax     WD(mm)
    10.89     0.283     0.251
    26.94     0.7     0.264
    30.78     0.8     0.268
    34.63     0.9     0.275
    38.48     1     0.293
然后，设置一个与反射镜相对的透镜表面作为柱面，曲率半径为Rc，产生轴向象散。计算此情况下的耦合效率的变化。
波长λ、L、WD和透镜长度Z选为恒定。表5和表14表示计算的结果。
                     [表5]
              L/Lmax＝1.00
    Rc(mm)     WD(μm)     BW位置(μm)     耦合损耗(dB)
    -100     4.441     -4.10     0.038
    -250     4.820     -0.32     0.006
    -500     4.884     -0.05     0.004
    -1000     4.902     -0.01     0.004
    -2000     4.907     0.00     0.004
    (plane)     4.909     0.00     0.004
    2000     4.909     0.00     0.004
    1000     4.906     0.00     0.004
    500     4.892     0.03     0.004
    250     4.835     0.27     0.004
    100     4.472     3.82     0.026
               L/Lmax＝0.90
    Rc(mm)     WD(μm)     BW位置(μm)     耦合损耗(dB)
    -100     5.441     -0.28     0.023
    -250     5.219     -1.92     0.012
    -500     5.075     -1.33     0.007
    -1000     4.994     -0.75     0.005
    -2000     4.952     0.40     0.004
    (plane)     4.904     0.00     0.004
    2000     4.864     0.45     0.004
    1000     4.819     0.95     0.005
    500     4.727     2.06     0.007
    250     4.537     4.78     0.021
    100     3.970     16.03     0.176
              L/Lmax＝0.80
    Rc(mm)     WD(μm)     BW位置(μm)     耦合损耗(dB)
    -100     5.883     -6.21     0.064
    -250     5.336     -5.05     0.025
    -500     5.124     -2.89     0.011
    -1000     5.016     -1.53     0.006
    -2000     4.962     -0.78     0.006
    (plane)     4.909     0.00     0.004
    2000     4.855     0.83     0.004
    1000     4.801     1.70     0.005
    500     4.695     3.53     0.009
    250     4.487     7.55     0.033
    100     3.914     21.64     0.276
                 L/Lmax＝0.70
    Rc(mm)     WD(μm)     BW位置(μm)     耦合损耗(dB)
    -100     6.108     -15.09     0.138
    -250     5.375     -8.18     0.038
    -500     5.137     -4.34     0.015
    -1000     5.021     -2.22     0.008
    -2000     4.964     -1.11     0.005
    (plane)     4.908     0.00     0.004
    2000     4.852     1.18     0.004
    1000     4.797     2.36     0.005
    500     4.689     4.79     0.011
    250     4.482     9.85     0.042
    100     3.931     26.12     0.338
              L/Lmax＝0.283
    Rc(mm)     WD(μm)     BW位置(μm)     耦合损耗(dB)
    -100     5.592     -43.26     0.377
    -250     5.162     -16.81     0.108
    -500     5.032     -8.33     0.027
    -1000     4.970     -4.15     0.012
    -2000     4.939     -2.01     0.007
    (plane)     4.909     0.00     0.004
    2000     4.879     2.06     0.003
    1000     4.849     4.12     0.005
    500     4.791     8.19     0.015
    250     4.679     16.23     0.081
    100     4.371     39.62     0.462
当Rc为零并处于其附近时轴向象散很小并且很少依赖L。但是，当L/Lmax的值小于0.9时，使耦合损耗不大于0.05dB的范围是±0.01mm-1。相反，在根据本发明的结构的L/Lmax＝1的情况下，使耦合损耗不大于0.05dB的范围增大到±0.02mm-1。顺便说一下，如果L/Lmax值大于1时，束腰形成在反射面上，以致于甚至在没有象散的情况下也会产生耦合损耗。因此，这种情况不适于光学耦合系统。
结果表明，甚至在透镜具有光轴非对称性的情况下，根据本发明结构的耦合损耗被抑制到非常小。对于导致光轴非对称的透镜外形因素以外的任何因素(折射率分布的光轴非对称、居中的失败和条纹)可以获得上述相同的效果。
虽然设计方案1～3表示光栅透镜表面、平凸非球面透镜和折射率径向渐变的棒状透镜，但如果透镜具有正折射率并且可以形成一个光学耦合系统，则可以在任何透镜中获得与设计方案1～3相同的效果。除上述透镜外，还可以采用球面透镜或折射率沿光轴渐变的平凸透镜。
虽然已对由光纤构成光源和光接收单元的情形进行了描述，但如果需要光源发射高斯光束，则光源可以由一个半导体激光构成。另外，光接收装置可以由光接收元件构成。
根据本发明的光耦合系统可以应用于如下的光纤装置。例如，如图15所示，光学功能装置100放在图11中所示光耦合系统中的两个透镜之间。允许采用的光学功能装置为滤光片、光隔离器、光调制器和光学开关。如果装置可以通过入射近似的平行光束操作，则该装置可以用于广泛地目的。在把具有相同功能的多个光耦合系统设置为一个阵列形式的状态下，分别可以在其中插入具有不同功能或相同功能的光学功能装置。
例如，当把不同通带的带通滤波器插入到光耦合系统的状态下从多个光源光纤发出具有多种波长的复合光束时，不同波段内的光束分别耦合到光接收光纤。因而，可以获得光多路分用功能。根据本发明构成的光耦合系统的耦合损耗非常小，以致于可以获得良好性能的光学装置。
例如，如图16所示，光学功能装置可以插在图13所示的光耦合系统中。在此情况下，在光的环形路径中光穿过每个光学功能装置两次。图16表示的例子中，多个透镜53-1、53-2，…53-n排列成一个光耦合系统阵列。如上所述，根据不同的目的光学功能装置100-1、100-2、…100-n可以相同或不同。不需要分布多个反射表面8。如图16所示，一个反射面8可以对所有的光耦合系统共用。
如上所述，当采用根据本发明由两个透镜组成的一个光耦合系统时，由于每个透镜的实质缺陷(色差、基于畸变的双折射)所致的耦合损耗的变化以及由于环境变化(温度和湿度)所致的耦合损耗的变化可以抑制到很小。另外，当采用根据本发明由透镜与反射镜的组合构成的光耦合系统时，由于透镜缺陷(焦距变化以及由光轴不对称导致的象散)所致的耦合损耗的变化可以抑制到很小。因此，甚至在透镜有某种程度的实质缺陷时，缺陷对系统性能的影响也会小到生产的允许范围被加大、从而提高了产量的程度。另外，根据环境变化而发生的性能变化也很小，以致于系统的可靠性提高。

Claims (23)

1.一种光耦合系统，包括：
第一透镜，具有设置在某一方向的入射面，并具有正折射率，从光源入射到入射面上的高斯光束状的光通量通过第一透镜被转变成平行的光通量；和
第二透镜，具有与第一透镜相同的折射率，但具有设置反方向的入射面和出射面，入射到第二透镜入射面上的平行的光通量通过第二透镜被转变成会聚的光通量，会聚的光通量入射到光接收装置上；
其特征在于两透镜之间的距离2L选择成处于下式给定的范围：
                    1.8Lmax≤2L≤2Lmax
其中2Lmax是允许束腰形成在分别与两透镜等距离的最大距离。
2.如权利要求1所述的光耦合系统，其特征在于总损耗设置为等于或小于两透镜的间距2L处于0≤2L≤1.8Lmax时发生的耦合损耗。
3.如权利要求2所述的光耦合系统，其特征在于总耦合损耗值不大于0.05dB。
4.如权利要求1所述的光耦合系统，其特征在于光源和光接收装置由光纤的端面构成，其中光线的端面与模式场之间彼此相等。
5.如权利要求1所述的光耦合系统，其特征在于具有正折射率的透镜是在光轴方向有渐变折射率分布的平凸透镜。
6.如权利要求1所述的光耦合系统，其特征在于具有正折射率的透镜是由匀质材料制成的平凸透镜。
7.如权利要求1所述的光耦合系统，其特征在于具有正折射率的透镜是由匀质材料制成的球面透镜。
8.如权利要求1所述的光耦合系统，其特征在于具有正折射率的透镜具有光栅透镜表面。
9.如权利要求1所述的光耦合系统，其特征在于第一透镜在物理性能上与第二透镜相同。
10.一种光耦合系统，包括：
一个具有正折射率的透镜，光源发出的高斯形光通量通过该透镜被转变成近似平行的光通量；和
一个反射面，设置在透镜的后面，使得平行的光通量被反射面返回到透镜，返回的光通量通过该透镜转变成会聚的光通量，入射到设置在光源及其附加的光接收装置上；
其特征在于透镜和反射面之间的距离L选择成处于下式给定的范围：
                     0.9Lmax≤L≤Lmax
其中Lmax是允许透镜形成束腰的最大距离。
11.如权利要求10所述的光耦合系统，其特征在于总耦合损耗设置成等于或小于当透镜和反射面之间L处于0≤L≤0.9Lmax范围时发射的耦合损耗。
12.如权利要求11所述的光耦合系统，其特征在于总耦合损耗值不大于0.05dB。
13.如权利要求10所述的光耦合系统，其特征在于光源和光接收装置由光纤的端面构成，其中光线的端面与模式场之间彼此相等。
14.如权利要求10所述的光耦合系统，其特征在于光纤的端面作为光源以及光接收装置。
15.如权利要求10所述的光耦合系统，其特征在于具有正折射率的透镜是在径向有渐变折射率分布的棒状透镜。
16.如权利要求10所述的光耦合系统，其特征在于具有正折射率的透镜是在光轴方向有渐变折射率分布的平凸透镜。
17.如权利要求10所述的光耦合系统，其特征在于具有正折射率的透镜是由匀质材料制成的平凸透镜。
18.如权利要求10所述的光耦合系统，其特征在于具有正折射率的透镜是由匀质材料制成的球面透镜。
19.如权利要求10所述的光耦合系统，其特征在于具有正折射率的透镜具有光栅透镜表面。
20.一种包括光耦合系统的光学装置，光学功能装置设置在光耦合系统中的两透镜之间的中点处，其中所述光耦合系统包括：第一透镜，其具有入射面，并具有正折射率，从光源入射到入射面上的高斯光束状的光通量通过第一透镜被转变成平行的光通量；和第二透镜，具有与第一透镜相同的折射率，但具有设置反方向的入射面和出射面，入射到第二透镜入射面上的平行的光通量通过第二透镜被转变成会聚的光通量，会聚的光通量入射到光接收装置上；其中两透镜之间的距离2L选择成处于下式给定的范围：
                      1.8Lmax≤2L≤2Lmax
其中2Lmax是允许束腰形成在分别与两透镜等距离的最大距离。
21.如权利要求20所述的光学装置，其特征在于光耦合系统设置为一个光耦合系统阵列，其中，具有相同功能的光耦合系统排列成一行或多行。
22.一种包括光耦合系统的光学装置，光学功能装置设置在光耦合系统中透镜和反射面之间的中点处，其中所述光耦合系统包括：一个具有正折射率的透镜，光源发出的高斯形光通量通过该透镜被转变成近似平行的光通量；和一个反射面，设置在透镜的后面，使得平行的光通量被反射面返回到透镜，返回的光通量通过该透镜转变成会聚的光通量，入射到设置在光源及其附加的光接收装置上；其中透镜和反射面之间的距离L选择成处于下式给定的范围：
                        0.9Lmax≤L≤Lmax
其中Lmax是允许透镜形成束腰的最大距离。
23.如权利要求22所述的光学装置，其特征在于透镜设置为一个透镜阵列，其中具有相同功能的透镜排列成一行或多行。
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