CN1223871C - 光学设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光学功能组件，其中简化了光纤的调节校准，减小了上述光线的端面与透镜的端面之间的间隙，并且提高了性能的稳定性。一种光学功能组件包括第一折射率分布型透镜，经斜研磨的一个端面，连接到上述斜研磨端面的第一和第二端口，连接到第一折射率分布型透镜的另一端面的光学功能元件，第二折射率分布型透镜，其一个端面被斜研磨，并且将另一个端面放置为通过上述光学功能元件与上述第一折射率分布型透镜的端面相对，以及连接到上述斜研磨的端面的第三端口。在透镜内从上述第一端口经上述光学功能元件反射之后到第二端口的光路长度，等于在透镜内从上述第一端口透过上述光学功能元件之后到上述第三端口的光路长度。

Description

光学设备
技术领域
本发明涉及一种光学设备，其中将采用多层电介质或者类似物质形成的光学功能元件设置在两个折射率分布型透镜之间，并且特别涉及光学复用器/分离器元件，其由多层电介质等类似物质形成并设置于两个折射率分布型透镜之间，并且使用在光通信领域以及光学仪器设备中。
背景技术
下文中，将对本发明两个方面的背景技术给予说明。
在本发明的第一个方面中，描述了光学复用器/分离器滤波器的一个改进的结构，该种结构使用在具有采用多层电介质或者类似的物质形成的光学设备中。该光学复用器/分离器包括一个被插入两个准直透镜的端面之间的光学分路滤波器或者类似设备，以及采用光纤形成的输入和输出端口设置在上述准直透镜的其他端面上。
图10示出了在美国专利号为6347170的申请文件中公开的光学功能组件的一个例子。图中光学功能组件1是一个WDM(波分复用)类型的光学复用器/分离器，并且具有一个WDM光学复用器/分离器滤波器3作为上述光学功能组件。作为准直透镜的第一和第二折射率分布型透镜2和4设置在上述光学复用器/分离器滤波器3的两侧。上述折射率分布型透镜(也叫GRIN透镜)基本上是一个圆柱形透镜，具有从透镜的光轴向外周减小的径向折射率。
用于输入的第一端口5和用于输出的第二端口6以光纤形成，被连接到第一折射率分布型透镜2背离光学复用器/分离器滤波器3一侧的端面2a上。类似地，将一个用光纤形成的第三端口7连接到第二准直透镜4背离光学复用器/分离器滤波器3一侧的端面上。
将各端口5，6和7的端面，以及折射率分布型透镜2和4与各端口5，6和7相对的端面2a和4a研磨并且抛光，以使它们以一个预定的角度(通常在6到8度的范围)相对该光轴倾斜，目的是为了防止由该端面所反射的光线进入到上述光路。结果，上述反射光线被偏离光轴。
光学复用器/分离器1的功能如下。首先，当波分多路复用信号光线从上述第一端口5输入时，该光线经上述第一折射率分布透镜2会聚并且输入到上述光学复用器/分离器滤波器3。上述光学复用器/分离器滤波器3只允许上述波分多路复用信号光线中一定波长的光通过，并且反射其他波长的光。因此，能够通过上述光学复用器/分离器滤波器3的光，在通过它之后，通过第二折射率分布类型透镜4输出到第三端口7。另外，在上述光学复用器/分离器滤波器3中被反射的光，在其中被反射之后，通过第一折射率分布类型透镜2输出到第二端口6。采取此方式，可以将从第一端口5入射的入射光线分为两路输出，从第二和第三端口6和7输出。
采取这种方式，在传统光学功能仪器中，为了减少制造成本，采用具有同样长度以及类似规格的折射率分布型透镜作为折射率分布型透镜2和4。然而，由于其端面2a和4a经过斜研磨，在被上述光学复用器/分离器滤波器3反射之后在透镜中从上述第一端口5到第二端口6的光路长度(图4中光路长度AD+DB)，与透射上述光学复用器/分离器滤波器3之后从上述第一端口5到第三端口7的光路长度(图4中光路长度AD+EC)是不相同的。在图10中，点A到E表示光信号输入或者输出上述折射率分布型透镜2和4的端面的位置。
因此，由于从点B到第二端口6的出射光，以及从点C到第三端口7的出射光不能具有同样的焦距，到端口6和7的耦合效率降低导致了损耗的增加。特别地，这是最近为了增加通信容量而引入的用于高密度波分多路复用通信系统的光学复用器/分离器的一个问题。
因此，为了解决此问题，使上述折射率分布型透镜2和4的长度比这些透镜的焦距(0.25节距(pitch))要短，并且将上述端口5，6和7的端面以及各自与折射率分布型透镜2和4相对的端面分隔开，并且调节这些部件之间的位置关系被调整校准，以便尽可能地减小损耗，并且随后使用粘合剂将这些部件固定。
然而，在此方法中，由于必须进行与透镜光学轴方向的校准，因此端口5，6和7的校准调节是很困难的并且费时。另外，由于上述端口5，6和7以及折射率分布型透镜2和4的端面之间的距离被增加了，随后在采用在上述端面之间填充粘合剂的结构时，仍然存在的问题是，上述光学功能组件的性能容易受到上述粘合剂的机械强度和温度变化引起体积变化的影响，于是上述光学特性的稳定性降低。
在本发明的第二方面中，描述了一个改进的光学复用器/分离器元件，它包括了一个光学复用器/分离器滤波器，一个光学分路滤波器或者类似的部件，插入到两个准直透镜的端面之间，并且由光纤形成的输入和输出端口设置在上述准直透镜的其他端面上。
图11说明了光学复用器/分离器的一个传统例子的示意结构(例如，参见美国专利号6347170)。
图中的光学复用器/分离器1配有一个采用多层电介质制作的光学复用器/分离器元件3，以及设置在此光学复用器/分离器元件3两侧的第一和第二准直透镜2和4。第一和第二折射率分布型透镜2和4被作为准直透镜设置在此光学复用器/分离器滤波器3两侧。
将采用光纤制作的第一端口5和第二端口6连接到第一准直透镜2背离光学复用器/分离器元件3一侧的端面2a。另外，将由光纤形成的一个第三端口7连接到上述第二准直透镜4背离光学复用器/分离器元件3一侧的端面上。
在此光学复用器/分离器1中，采用节距为大约0.25的折射率分布型透镜作为第一和第二准直透镜2和4。这里，折射率分布型透镜中一个节距的长度代表在上述折射率分布型透镜中传输的光束的一个正弦周期。
因此，经上述光学复用器/分离器元件3反射后透镜中从第一端口到第二端口的光路长度，以及穿过上述光学复用器/分离器元件3之后透镜中从第一端口到第三端口的光路长度(不包括通过间隔以及光学复用器/分离器元件3的光路传输长度)，上述两者都是0.5节距。因此，从上述第一端口输入并分散的光线会聚在上述透镜的端面上，所以如果适当选择每个端口5到7的位置，就有可能高效率地将上述准直透镜2和4以及上述端口5到7连接起来。
附带地，然而，近些年，对于扩大通信容量有很强的需求，并且因此扩大了用于通信的波段，这也构成了第二方面的问题。由于上述准直透镜2和4中的波长色散，不能忽略波长具有较大差别的光学信号的波长之间的焦距差。这导致从上述准直透镜2和4的出射光会聚的位置偏离上述端口5到7的端面，并且因此产生了损耗增加的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的第一方面提供了一个光学功能组件包括：一个第一折射率分布型透镜，将其一个端面斜研磨，第一和第二端口与第一折射率分布型透镜的斜研磨端面连接，一个光学功能元件连接到上述第一折射率分布型透镜的另一端面，一个第二折射率分布型透镜，将其一个端面斜研磨，并且另一个端面被设置为通过上述光学功能元件与上述第一折射率分布型透镜的另一端面相对，以及一个第三端口连接到上述第二折射率分布型透镜斜研磨的端面，其中在被上述光学功能元件反射后该透镜内从第一端口到第二端口的光路长度，与在透射上述光学功能元件之后在该透镜内从第一端口到第三端口的光路长度相等。
根据本发明的第一方面的第二方面，在上述光学功能组件中，将第一和第二折射率分布型透镜的各个研磨端面的长度和倾斜角度作成互相相等，并且将这两个折射率分布型透镜的两个最短的侧边的位置设置在与这两个折射率分布型透镜的最长边相同的侧上。
为了解决本发明的第二方面的问题，本发明的第三方面提供了一个光学复用器/分离器，包括第一和第二准直透镜，插入到上述准直透镜的端面之间的一个光学复用器/分离器元件，安置在上述第一准直透镜的另一端面之上的第一和第二端口，以及安置在第二准直透镜的另一端面之上的第三端口，并且其具有两个光路包括，在被上述光学复用器/分离器元件反射之后从第一端口到第二端口的第一光路，以及在透射上述光学复用器/分离器元件之后的从第一端口到第三端口的第二光路，并且其通过利用两个光路以及上述光学复用器/分离器元件组合并且分离了具有不同波长的光，其中相应于由于上述第一和第二准直透镜的波长色散而引起的不同波长的光线的焦距差，提供了第一和第二光路之间的长度差。
本发明的第二方面中的本发明的第四方面，在采用如第三方面所述的光学复用器/分离器过程中，人们希望采用一种设备，其中第一和第二准直透镜是折射率分布型透镜，并且设置准直透镜的位置，该准直透镜具有在与每个斜研磨的端口相对侧的各端面，以使斜研磨的面互相平行，并且上述第一和第二光路的光路长度是不同的，并且在具有不同波长的光之中，其波长在折射率分布型透镜中的焦距会变长的光，通过两个光路中光路的长度比较长的光路。
另外，在本发明的第二个方面中，第五方面提供了一个光学复用器/分离器，其中在上述第一和第二折射率分布型透镜中，优选地使用折射率分布型透镜，其中上述第一和第二折射率分布型透镜的长度是上述折射率分布型透镜中具有比较长的焦距的波长的节距的0.23到0.25倍。
附图说明
图1是本发明的光学功能组件的一个实例的示意性的模块图。
图2是说明折射率分布型透镜的长度和倾斜角度的透视图。
图3是本发明的光学功能组件的另一个实例的示意性的模块图。
图4是本发明的一个光学复用器/分离器的第一实施例的示意性的模块图。
图5是一个折射率分布型透镜的轴向折射率相对波长变化关系的一个实例的曲线。
图6是一个折射率分布型透镜的0.5节距长度相对波长变化关系的一个实例的曲线。
图7是本发明的一个光学复用器/分离器的第二实施例的示意性的模块图。
图8A和8B是本发明的一个光学复用器/分离器的第三实施例的示意性的模块图。
图9是本发明的一个光学复用器/分离器的第四实施例的示意性的模块图。
图10是一个传统的光学功能组件的实例的示意性的模块图。
图11是一个传统光学复用器/分离器的示意性的模块图。
具体实施方式
下面，将参照附图详细说明本发明的第一方面。
图1说明了作为本发明的第一种实施方式的光学复用器/分离器。在此图中，上述光学复用器/分离器1包括一个折射率分布型透镜2，一个WDM光学复用器/分离器滤波器3作为一个光学功能元件，以及一个第二折射率分布型透镜4，按照此顺序排列。
将以光纤形成的一个第一端口5以及一个第二端口6，连接到上述第一折射率分布型透镜2背离上述光学复用器/分离器滤波器3一侧的端面2a上。另外，将一个以光纤形成的第三端口7连接到上述第二折射率分布型透镜4的背离上述光学复用器/分离器滤波器3一侧的端面4a上。
在图1所示的上述实施例中，将端口5到7固定到玻璃毛细管(毛细管道)10和11并且由其所支持。然而，本发明并不限制于此，一个V型的凹槽基片可以被用以支持上述端口5，6和7的设备，并且上述光纤可以直接与上述透镜2和4熔化接合。
确定第一端口5和第二端口6之间的位置关系，以便当从第一端口5入射的入射光线经上述光学复用器/分离器滤波器3反射时，经第二端口6输出。另外，确定第一端口5和第三端口7之间的位置关系，以便当由第一端口5入射的光线透射上述光学复用器/分离器滤波器3后，从第三端口7输出。
第一和第二折射率分布型透镜2和4都是圆柱形的透镜，具有沿径向的折射率分布，这种类型的透镜也被叫做GRIN透镜或者棒形透镜(rod lens)。对于这些第一和第二折射率分布型透镜2和4，可以采用一种由多组分玻璃制作的称为Selfoc(厂商名称为Nippon SheetGlass Co.，Ltd.)的产品，，以及如在由本申请人申请的首次公开号为2001-104929的日本专利申请中所公开的采用石英玻璃制作的折射率分布型透镜，等等，而无特别的限制。
第一和第二折射率分布型透镜2和4，如图2中所示，采用斜研磨，使其一个端面以一个预定的角度相对光轴Z倾斜。另一个端面被研磨使其与上述光轴Z垂直。
如图2中所示，在本发明中，折射率分布型透镜的长度是光轴的长度L与该节距长度的比率，并且将上述折射率分布型透镜被斜研磨的端面的倾斜角定义为由上述端面的法线N以及上述光轴Z形成的角度θ。
在本实施方式中的上述光学复用器/分离器1，第一和第二折射率分布型透镜2和4的长度以及上述倾斜角θ是相等的，该透镜长度是0.23到0.25节距，并且该倾斜角θ是6到8°。
上述光学复用器/分离器滤波器3是一个滤波元件，由多层电介质制成，并且具有反射某一预定波长范围内的光的特性，并且传输另一个预定的波长范围内的光。一般说来，一个高折射率元件和一个低折射率元件是从例如SiO2，TiO2，ZrO2，Nb2O5，Ta2O5以及类似的适合于使用的电介质中选择的，并且以具有预定的薄膜厚度的几个到几百层的方式交替地层叠而成。
另外，在本实施方式的光学复用器/分离器1中，将第一折射率分布型透镜2最短侧边的位置(图1中的顶边)以及最长侧边的位置(图1中的底边)设置在与上述第二折射率分布型透镜4最长侧边相同的一侧。
因此，在透镜内从上述光学复用器/分离器滤波器3到第二端口6的光路长度(图中D和B之间的光路长度)，以及在透镜内从上述光学复用器/分离器滤波器3到第三端口7的光路长度(图中E和C之间的光路长度)，是相等的。因此在经上述光学复用器/分离器滤波器3反射之后，在透镜内从第一端口5到第二端口6的光路长度(图1中AD+DB的光路长度)等于在透射上述光学复用器/分离器滤波器3之后，在透镜内从第一端口5到第三端口7的光路长度(图4中AD+EC的光路长度)。从点B到第二端口6的输出光，以及对于从点C到第三端口7的输出光的两个透镜表面的焦距可以是相同的。
因此，可以使各个端口5，6和7的端面与折射率分布型透镜2和4的端面2a和4a之间的间隙非常小，以使上述透镜轴向方向的对齐操作在对齐固定时可以被省略，从而定位时间可以被缩短。另外，在采用粘合剂填满在上述端面之间的结构的情况下，有可能减小上述粘合剂的薄膜厚度，并且从而增加粘合部分的机械强度，并且减少上述粘合剂的温度膨胀或收缩。结果，上述光学复用器/分离器1的性能不容易根据环境温度的变化而变化，并且稳定性被提高了。
下一步，一种制造前面提到的光学复用器/分离器1的方法将在下面描述。注意下面的过程只是一个例子，并且不限制本发明。
首先，将一个第一折射率分布型透镜2，一个光学复用器/分离器滤波器3，以及一个第二折射率分布型透镜4使用环氧系统等类似的粘合剂按此顺序固定。此时，在用一个电荷耦合式(CCD)相机观察时，相对中心光轴旋转第一折射率分布型透镜2以及第二折射率分布型透镜4的端面2a和4a的倾斜面的方向、上述折射率分布型透镜2和4以调整它们的方向，以使透镜2和4的最短侧边和最长侧边的位置一致。
下一步，第一端口5被固定到上述折射率分布型透镜2的端面2a的预定的位置并且被粘附上。另外，第二端口6的位置被确定并且随后上述第二端口6被粘合。当然，当光线从第一端口5入射时，此时上述第二端口6被提供到上述第一折射率分布型透镜2的一个端面2a，并且被校准调节以使从第六端口6输出的光线强度达到最大值，并且上述第二端口6随后被粘合到此位置。
类似地，在一个与端面2a与第二端口6的端面之间的距离相同的距离处，第三端口7被提供到上述折射率分布型透镜4的端面4a，当光线从上述第一端口5入射时，进行校准调节，以使从上述第三端口7输出的光线的强度达到最大值，并且上述第三端口7随后被粘合到此位置。
通过使用这样一个程序，就能够将上述端口5，6和7校准，以使插入损耗最小，于是有可能制造一个插入损耗非常小的光学复用器/分离器1。
本发明是基于如上所述的优选的实施方式来描述的。然而，本发明并不局限于这些实施方式，不脱离本发明的精神的一定范围的修改是可以的。
例如，采用对波长不存在依赖关系的光学复用器/分离器滤波器代替相对波长具有依赖关系的光学复用器/分离器滤波器3作为光学功能元件，随后可以将此设备应用到一个光学分路耦合器。
另外，如图3中所示，这样的配置也是可以的，即第一折射率分布型透镜2的最长侧边的位置与第二折射率分布型透镜4的最短侧边的位置被安置在同一侧，并且第二折射率分布型透镜4的长度作成比第一折射率分布型透镜2的长度短，以使光路长度AD+DB与光路长度AD+EC相等。
如上面所述，根据本发明的第一方面的光学功能组件，由于通过光学功能元件从上述第一折射率分布型透镜侧上的一个端口到另一端口的长度，与从上述第一折射率分布型透镜侧上的一个端口通过光学功能元件到上述第二折射率分布型透镜上的端口的光路长度相等，因此可以省略对透镜轴方向校准调节，并且校准操作可以在一个很短的时间内完成，使成本得到了降低。另外，在采用在上述端面之间填充粘合剂的结构的情况下，有可能减小光纤的端面与折射率分布型透镜的端面之间的间隙，并且这样使粘合层的薄膜厚度变薄，于是增加了上述光学功能组件的粘合部分的机械强度并且提高了相关于温度的稳定性。
图4说明了符合本发明的第二方面的光学复用器/分离器。在此光学复用器/分离器101中，采用折射率分布型透镜作为准直透镜102和104，其中所述准直透镜102具有第一端面(斜端面)102a和第二端面(垂直端面)102b，所述准直透镜104具有第三端面(垂直端面)104b和第四端面(斜端面)104a，并且将第一折射率分布型透镜102，一个光学复用器/分离器元件103以及第一折射率分布型透镜104以此顺序来安置。
将用光纤形成的一个第一端口105以及一个第二端口106，连接到上述第一折射率分布型透镜102远离上述光学复用器/分离器元件103一侧的端面102a上。另外，将采用光纤制成的一个第三端口107连接到上述第二折射率分布型透镜104的远离上述光学复用器/分离器元件103一侧的端面104a上。
在图4中所示的实施方式中，端口105到107被固定到玻璃毛细管(毛细管道)110和111中并且由其支撑。然而，本发明并不限制于此，可以采用一个V型凹槽基片作为支撑每个端口105到107的设备，并且可以将光纤直接与透镜102和104熔合连接。
确定第一端口105和第二端口106之间的位置关系，以便从第一端口105入射的入射光经上述光学复用器/分离器元件103反射时，从第二端口106输出。另外，第一端口105和第三端口107之间的位置关系被确定，以便当从第一端口105入射的光透射上述光学复用器/分离器元件103后，从第三端口107输出。
第一和第二折射率分布型透镜102和104都是圆柱形的透镜，具有沿径向的折射率分布，这种类型的透镜也被叫做GRIN透镜或者棒形透镜。对于这些折射率分布型透镜2和4，可以采用如一种由多组分的玻璃形成的叫作Selfoc(厂商名称为Nippon Sheet Glass Co.，Ltd.)的产品，以及如由本申请人申请的第一次公开号2001-104929的日本专利申请中所公开的由石英玻璃(silica glass)制成的折射率分布型透镜，等等，而不受特别的限制。
一般来说，对于折射率分布型透镜，当长度为0.25节距时，平行光会聚于一点，并且相反地从一点入射的光将以一个平行光出射。在本实施方式中，一个对应于0.25倍节距的长度被指定为折射率分布型透镜的焦距。
第一和第二折射率分布型透镜102和104，如图4和图2中所示，被斜研磨以使与端口105到107相对侧的端面102a和104a以一个预定的角度相对光轴Z倾斜。
在本发明的第二方面中，折射率分布型透镜的长度是光轴的长度L与该节距长度之比，并且将上述折射率分布型透镜斜研磨的端面的倾斜角定义为由上述端面的法线N以及上述光轴Z形成的夹角θ。
在本实施方式中的上述光学复用器/分离器1中，第一和第二折射率分布型透镜102和104的长度以及倾斜角θ是相等的，该透镜长度是0.23到0.25节距，并且该倾斜角θ是6到8°。
上述光学复用器/分离器元件103是一个滤波元件，由多层电介质制成，并且其特性为，反射一个预定波长范围内的光，并且传输在另一个预定的波长范围内的光。一般说来，一个高折射率元件和一个低折射率元件是从例如SiO2，TiO2，ZrO2，Ta2O5，Nb2O5以及类似的适合于使用的电介质中选择的，并且采用具有预定的薄膜厚度的几个到几百层交替层叠。
另外，在本实施方式的光学复用器/分离器101中，设置第一和第二折射率分布型透镜102和104的位置，以使其经斜研磨的端面102a和104a为平行的，如图4中所示。另外，上述光学复用器/分离器元件103是一种类型，即传输一个预定的长波长成分λ1，并且反射一个预定的短波长成分λ2。第一和第三端口105和107被分别安置在折射率分布型透镜102和104的长边侧，并且该第二端口106被安置在第一折射率分布型透镜102的短边侧。
因此，在被光学复用器/分离器元件103反射之后透镜中从第一端口105到第二端口106的第一光路的光路长度(图4中所示的光路长度AD+DB)比通过光学复用器/分离器元件103传输之后的透镜中的从第一端口105到第三端口107的第二光路的光路长度(图1中的光路长度AD+EC)短。如果形成第一和第二端口105和106的光纤的纤芯之间的距离是d，并且第一和第二折射率分布型透镜102和104的斜研磨的端面的倾斜角度是θ，则第一光路的光路长度与第二光路的光路长度之间的差值ΔL(等于DB与EC之间的差值)可由下面的等式(1)来表示。
                ΔL＝d tan θ    (1)
本实施方式的光学复用器/分离器通过此光路长度差值ΔL补偿了上述折射率分布型透镜102和104之间的焦距的差值。
图5说明了使用主要成分是石英的玻璃制作的折射率分布型透镜轴向折射率相对波长变化关系的例子。另外，图6说明了光路长度(0.5节距，也就是说是焦距的两倍)随波长色散的变化。
如果λ1是1550nm并且λ2是1480nm，则0.5节距的长度对于λ1来说大约是3.29mm，对于λ2来说大约是3.27mm，所以由于波长色散导致的光路长度的差值是大约0.02mm。
因此，为了补偿由于波长色散引起的焦距的差值，将ΔL设为大约20μm。例如，如果d＝125μm并且θ＝8°，那么等式(1)产生一个值ΔL＝大约17.5μm。
因此，对于波长λ2来说上述第一光路的光路长度(AD+DB)是大约0.5节距，于是从上述第一端口105入射的波长成分λ2被上述光学复用器/分离器元件103反射，并且会聚在第一折射率分布型透镜102的端面102a上。另外，由于对于波长为λ1上述第二光路的光路长度(AD+EC)是大约0.5节距，从上述第一端口105入射进入的波长成分λ1透过上述光学复用器/分离器元件103，并且会聚在上述第二折射率分布型透镜104的端面104a上。
因此，有可能提高上述第二端口106与上述第一折射率分布型透镜102之间，以及上述第三端口107与上述第二折射率分布型透镜104之间的耦合效率，并且缩短每个准直透镜的端面与上述端口的距离，于是就有可能减小光学损耗的恶化。另外，在粘合剂填满在上述端面之间的结构中，有可能减少粘合剂的使用量，并且使上述粘合剂的薄膜厚度变薄。结果，增加了上述光学功能组件的粘合部分的机械强度并且提高了相关于温度改变的稳定性。
下一步，一种制造光学复用器/分离器101的方法将在下面描述。下面的程序只是一个例子，并且不限制本发明。
首先，制备具有预定的尺寸和特性的折射率分布型透镜102和104，和一个光学复用器/分离器元件103，并且使用例如环氧系统或者类似的粘合剂依次粘附第一折射率分布型透镜102，上述光学复用器/分离器元件103以及第二折射率分布型透镜104。此时，在使用一个CCD相机观察时，沿中心光轴旋转上述第一折射率分布型透镜102以及第二折射率分布型透镜104的端面102a和104a的倾斜面的方向，上述折射率分布型透镜102和104，以调整它们的方向使其端面102a和104a平行。
下一步，第一端口105被固定到上述第一折射率分布型透镜102的端面102a的预定的位置并且被粘附上。另外，确定第二端口106的位置并且随后粘附该第二端口。然而，光线从第一端口105入射时，上述第二端口106被提供于上述第一折射率分布型透镜102的端面102a且被校准调节以使从第二端口106输出的光线的强度达到最大，随后将上述第二端口106粘合到此位置。
类似地，当光线从第一端口105入射时，上述第三端口107被提供到上述第二折射率分布型透镜104的端面104a上，并且被校准调节以使从第三端口107输出的光线的强度达到最大，随后将上述第三端口107粘合到此位置。
通过使用这样一个程序，就能够将上述端口105，106和107校准，以使连接损耗最小，于是有可能制造一个连接损耗非常小的光学复用器/分离器1。
图7说明了第二实施例的一个光学复用器/分离器。此光学复用器/分离器101与第一种实施方式中光学复用器/分离器的不同之处在于它使用了一个光学复用器/分离器元件103，此元件反射长波长成分λ1，并且传输短波长成分λ2。另外，在透射侧上的第三端口107被安置于第二折射率分布型透镜104的短侧边上。
这样允许长波长成分λ1经光学复用器/分离器元件103反射，通过从第一端口105到第二端口106的第一光路(图7中的光路长度AD+DB)，短波长成分λ2在透射光学复用器/分离器元件103之后通过从第一端口105到第三端口107的第二光路(图7中的光路长度AD+EC)，并且也使光路长度AD+DB比光路长度AD+EC长。
如图7中所示，由于长波长成分λ1的焦距比短波长成分λ2的焦距长，通过使用与第一种实施例的上述光学复用器/分离器1的同样方法，就有可能提高上述第一和第二折射率分布型透镜102和104以及端口105到107的耦合效率，并且减少损耗。
另外，如本发明的第二方面中第一种实施例中所描述的，通过恰当地设计第一和第二端口105和106的光纤的纤芯之间的距离d，以及第一折射率分布型透镜102的斜研磨的端面102a的倾斜角度θ，有可能使第一和第二光路的光路长度(AD+DB以及AD+EC)对于穿过上述每个光路的光的波长λ1和λ2为大约0.5节距。
这样使得折射率分布型透镜102和104以及该端口105到107的端面之间的间隙可以作得更小，使用的粘合剂的数量可以被减少，并且减小了上述粘合剂的厚度。从而增加了粘合部分的机械强度，并且随温度变化的稳定性被提高了。
图8说明了本发明的第二方面的第三实施例的一个光学复用器/分离器的主要部分。在图中所示的一个光学复用器/分离器101中，一个双纤尾纤112被用于上述第一和第二端口105和106。此双纤尾纤112的端面被斜研磨出一个相对上述光轴的倾斜角θ2。此倾斜角θ2与斜研磨的上述第一折射率分布型透镜102的端面的倾斜角θ1具有一个预定的差值。
一个第三端口(图8中没有示出)被安置在第二折射率分布型透镜104的远离上述光学复用器/分离器元件103的一侧。
在此情形中，第一端口105的端面与上述第一折射率分布型透镜102的端面之间的间隙为L1，第二端口106的端面与上述第一折射率分布型透镜102的端面之间的间隙为L2。因为θ1≠θ2，所以L1≠L2。结果，L1与L2之间的差值是光路长度差值ΔL。
根据本发明的第二方面的本实施例中，即使同样长度的透镜被用于第一和第二折射率分布型透镜102和104，有可能通过倾斜角θ1和θ2之间的差值，在被光学复用器/分离器元件103反射之后从第一端口105到第二端口106的第一光路，以及在透过光学复用器/分离器元件103之后从第一端口105到第三端口(图中没有示出)的第二光路之间提供一个光路长度差ΔL。
因此，通过合理地调节θ1和θ2以提供所需要的光路长度差值ΔL，有可能补偿折射率分布型透镜中由于波长色散导致的焦距的差值。因此，有可能提高上述透镜和上述端口的耦合效率，这样就减小了上述光学复用器/分离器1的损耗。
图9是本发明的第二方面的第四实施例的光学复用器/分离器示意性的结构图。在此光学复用器/分离器1中，采用非球面的透镜组用作准直透镜102和104。将一个光学复用器/分离器元件103设置在上述准直透镜102和104的端面之间。将一个包括第一和第二端口105和106的双纤尾纤112设置在上述第一准直透镜102的另一端面侧。另外，将包括第三端口107的单光纤的尾光纤113设置在上述第二准直透镜104的另一端面侧。
在图9中，出示了一个结构，其中采用非球面透镜作为第一和第二准直透镜101和102。然而，作为一个另外一种选择，球形透镜，球面透镜等类似透镜都可以使用。
在这样的光学复用器/分离器101中，具有不同波长的光λ1和λ2从上述第一端口105入射，同时只有被分离的光线λ2从上述第二端口106输出。上述准直透镜102的焦距对于波长为λ1的光和波长为λ2的光是不同的，原因在于准直透镜102的波长色散。如果焦距上的差值得不到补偿，反射光线的损耗就会增加。
因此，在本实施方式中，将与上述第一准直透镜102相对的双纤尾纤112的端面112a斜研磨。此时，光轴方向上的从第一端口105的前端到第二端口106的前端的距离ΔL用下面的等式(2)来表示，其中该双纤尾纤112的端面112a的倾斜角是θ，并且第一端口105的纤芯与第二端口106的纤芯之间的距离是d。
       ΔL＝d tanθ         (2)
因此，通过设置上述倾斜角θ，并且适当地设置纤芯之间距离d的尺寸，使ΔL等于焦距之间的差值，校准第一和第二端口105和106变得容易，并且损耗可以被减少。
可以通过例如下面的程序来调节校准第一和第二端口105和106。首先，将第一端口105连接到一个光源，并且将第二端口106连接到一个输出监视器。当从此光源发出的输入光从第一端口105出射时，第一端口105被提供到第一准直透镜102。此时，移动双纤尾纤112，并且当发现从上述光学复用器/分离器元件103反射的光线以最高强度输入到第二端口106的位置时，将其固定在此位置。通过以这种方式调节校准，就有可能制造一个反射光的损耗极低的光学复用器/分离器101。
本发明的第二方面的描述是基于上面描述的优选的实施例。然而，本发明并不局限于这些实施例，不脱离本发明的精神的一定范围的修改是可以的。
例如，在上面这些实施方式中，描述了一个可逆的光学复用器/分离器元件，但是也可以采用一种结构，其中使用只具有多路复用以及多路分离之一个功能而不能可逆的元件来形成一个光学多路复用器或者光学多路分离器。
另外，可以使用两个单光纤尾光纤作为第一和第二端口105和106而代替使用上述双纤尾纤112。因此，有可能单独调节校准每个单个光纤尾光纤的端面的位置。
例子
在图4中所示的光学复用器/分离器101中，将光学复用器/分离器元件103的透射波长λ1设定为1550nm，并且将反射波长λ2设定为1480nm。另外，将折射率分布类型的透镜102和104的长度作成0.25节距，并且将斜端面的倾斜角θ作成8°。第一和第二端口105和106纤芯之间的距离是125μm。
由方程(1)可得第一和第二光路之间的光路长度差ΔL是17.5μm。另外，这里使用的上述折射率分布类型的透镜102和104的焦距λ1和λ2的差值是大约20μm。
反射光损耗是从通过第一端口105传输的波长为1480nm的强度与输出到第三端口107的波长为1480nm的强度的比率得到的，其值为0.09dB。
透射光损耗是通过将传输通过第一端口105的波长1550nm的强度与输出到第三端口107的波长1550nm的强度进行比较而得到的，其值为0.15dB。
如上所述，可以使反射光和透射光的损耗都非常小。
如上所述，根据本发明的第二方面的光学复用器/分离器，利用从第一端口经上述光学复用器/分离器反射之后到第二端口的第一光路的长度，与从第一端口透过上述光学复用器/分离器之后到第三端口的光路的长度的差值补偿通过每个光路的具有不同波长的光之间的焦距差，于是有可能提高端口以及准直透镜之间的耦合效率，并且减少上述光学复用器/分离器的损耗。
工业适用性
本发明的第一和第二方面提供了用于各种光学应用例如光学通信系统的光学多路复用器以及光学多路分离器元件的结构和制造方法。

Claims (11)

1.一种光学设备，包括：
第一折射率分布型透镜，其具有第一端面和第二端面，上述第一端面被斜研磨；
第一和第二端口，连接到上述第一折射率分布型透镜的上述第一端面；
光学功能元件，连接到上述第一折射率分布型透镜的上述第二端面；
第二折射率分布型透镜，具有第三端面和第四端面，所述第四端面被斜研磨并且所述第三端面被设置以通过上述光学功能元件与上述第一折射率分布型透镜的第二端面相对，以及
第三端口，连接到所述第四端面，其中
从上述第一端口经上述光学功能元件反射之后到上述第二端口的光路长度，被调整为等于从上述第一端口透过上述光学功能元件之后到上述第三端口的光路长度。
2.如权利要求1所述的光学设备，其中沿上述第一折射率分布型透镜中心轴的长度与沿上述第二折射率分布型透镜中心轴的长度相等。
3.如权利要求1所述的光学设备，其中上述第一端面的倾斜角与上述第四端面的倾斜角相等。
4.如权利要求1所述的光学设备，其中沿具有上述第一和第二端面的上述第一折射率分布型透镜中心轴的长度等于沿具有上述第三和第四端面的上述第二折射率分布型透镜中心轴的长度，并且上述第一端面的倾斜角与上述第四端面的倾斜角相等，其中每个第一和第二折射率分布型透镜具有一个最短边和一个最长边，以及
上述第一折射率分布型透镜的最短边的位置以及上述第二折射率分布型透镜的最长边的位置分别被设置在上述光学设备的同一侧。
5.一种光学复用器/分离器包括：
第一准直透镜，具有第一斜端面和第二垂直端面；
第二准直透镜，具有第三垂直端面和第四斜端面；
光学复用器/分离器元件，插入在上述第二垂直端面和上述第三垂直端面之间；
第一和第二端口，相关于上述第一准直透镜的上述第一斜端面设置；以及
第三端口，相关于上述第二准直透镜的上述第四斜端面设置；
其中第一光路是从上述第一端口经上述光学复用器/分离器元件反射之后到上述第二端口，
第二光路，从上述第一端口透过上述光学复用器/分离器元件之后到上述第三端口，
具有不同波长的光线通过上述第一和第二光路以及上述光学复用器/分离器元件被组合以及分离，以及
上述第一光路长度被调整为与上述第二光路长度是不同的，相应于由于上述第一和第二准直透镜的波长色散导致的不同波长光的焦距差。
6.如权利要求5所述的光学复用器/分离器，其中上述第一和第二准直透镜是折射率分布型透镜。
7.如权利要求6所述的光学复用器/分离器，其中上述第一斜端面被设置为面对上述第一和第二端口的经斜研磨的面，并且上述第四斜端面被设置为面对上述第三端口的经斜研磨的面，将上述第一和第四经斜研磨的斜端面被设置为互相平行，并且上述第一和第二光路的光路长度是不同的。
8.如权利要求7所述的光学复用器/分离器，其中上述第一和第二准直透镜是折射率分布型透镜，
上述第一准直透镜具有斜研磨的第一斜端面，其面对第一和第二端口的斜研磨的面，并且第二准直透镜具有斜研磨的第四斜端面，其面对第三端口的斜研磨的端面；以及
将上述第一和第二准直透镜被设置，使上述斜研磨的第一和第四斜端面平行，并且上述第一和第二光路的光路长度是不同的，以及
在上述具有不同波长的光中，具有在折射率分布型透镜中焦距比较长的波长的光通过上述第一和第二光路中较长的光路。
9.如权利要求8所述的光学复用器/分离器，其中上述第一和第二折射率分布型透镜的长度是在上述折射率分布型透镜中具有较长焦距的波长的节距长度的0.23到0.25倍。
10.如权利要求5所述的光学复用器/分离器，其中上述第一和第二端口是一个双纤尾纤的光纤，并且将上述双纤尾纤的在面向上述第一准直透镜的一侧上的端面斜研磨一个预定的倾斜角度，并且上述第三端口是双纤尾纤的一个光纤，并且将上述双纤尾纤的面向上述第二准直透镜的一个端面斜研磨一个预定的倾斜角度。
11.如权利要求5所述的光学复用器/分离器，其中，上述第一和第二准直透镜是非球面透镜，球形透镜以及球面透镜中的任意一种。
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