CN1232844C - 光纤准直器的制作方法 - Google Patents

Abstract

一种光纤准直器的制作方法，该光纤准直器是由内设垫圈的外套管及非球面透镜构成，其特征是制作方法为下列步骤：提供内设有垫圈的外套管，垫圈厚度等于或大于非球面透镜的聚焦，且大于部分不超过30μm；提供一光纤头其外径与外套管内径相同，套入外套管内抵触垫圈第一端面固定；提供一非球面透镜其外径与外套管内径相同，套入外套管内抵触于垫圈第二端面固定，由光波长检测出有效聚焦长度；其垫圈厚度机械加工公差不同，其光纤端点的离焦距离Δd在30μm≥Δd≥0内，最佳工作距离在0mm～140mm内，插入损耗在0.15dB以下，再将工作距离筛选分级供简易选用；组装不需光学调校程序大幅降低成本，达提升光学性能应用在长工作距离组件上增加应用范围。

Description

光纤准直器的制作方法

技术领域

本发明涉及一种光纤准直器的制作方法，特别涉及一种能提升光学性能，应用在长工作距离的组件上的光纤准直器的制作方法。

背景技术

在光通讯组件中，常需要将传输在光纤中的光束扩束并平行化后，经过一些功能组件，再将平行化光束聚焦并耦合回光纤内继续传输。扮演这个角色的零件就是光纤准直器(Fiber Collimator)；而光纤准直器系统包含成对的两个光纤准直器，其一个光纤准直器可将具有一定散角(NA)的出射光束，经准直镜片将光束平行化后，经过系统的工作距离后，由另一个光纤准直器将光束聚焦并耦合回光纤中，而该工作距离中是供放置各种功能件；而一光纤准直器系统的最佳工作距离范围为两个光纤准直器之间的平行光束可维持平行度，并保持系统的最低插入损耗(Insertion Loss)时的两个光纤准直器间的距离。

又已知的光纤准直器(Fiber Collimator)的制造技术，如图1所示，该光纤准直器10是利用一具有平滑内径的玻璃套管(Glass Tube)11，套管11内固定一个外径(Outer Diameter，O.D.)与套管内径(Inner Diameter，I.D.)相同的光纤头12(或称插针)，用以定位光纤13及一个渐变折射率(graded-index，GRIN)的镜片(或称GRIN-type lens)14，用以将光纤13光束平行化或是将平行化光束耦合回另一光纤中，又在玻璃套管11外包覆一不锈钢套管15，作为后续的焊接工程用，包括激光焊接(Laser Welding)及焊锡焊接(Soldering)等。而在组装光纤准直器时，为了降低准直器的插入损耗(Insertion Loss)，通常需要实时调校光纤头12与渐变折射率镜片14的相对位置，使输出光束在工作距离(Working Distance)的范围内，达到最佳的平行光束，即最小散射角(Beam Divergence)及最小的偏折角度。但是，上述具有渐变折射率(graded-index，GRIN)镜片14的光纤准直器10或其制造方法，包括：2002年7月11日公告编号494250号“光纤准直器及其制造方法”发明专利(申请案号090128544)，及2001年1月2日公告US6,168,319B1“SYSTEMAND METHOD FOR ALIGNING OPTICAL FIBER COLLIMATORS”发明专利等，在制程及使用上存在有下列缺点：

(1)、该圆柱形渐变折射率(graded-index，GRIN)镜片本身的制作技术的困难度高，无法简易成型，使制作成本相对提高。

(2)、每一种GRIN镜片的长度一经选定，所制成的光纤准直器系统的工作距离亦为固定，因此，制造上均视功能件需要而先决定工作距离，并决定GRIN镜片的长度，致所需的GRIN镜片有各种长度规格，增加生产麻烦。

(3)、在组装GRIN-type光纤准直器时，为了降低准直器的插入损耗(Insertion Loss)，通常需要实时调校光纤头与渐变折射率镜片的相对位置，使输出光束在工作距离(Working Distance)的范围内能达到最佳的平行光束，但每次的光学调校作业涉及X、Y、Z、θ、φ五轴自由度的对准调校，过程相当繁复而相对提高制作成本。

(4)、又对较长工作距离的功能件而言，GRIN-type光纤准直器无法保持插入损耗(Insertion Loss)在0.15dB以下，致光学性能降低，较不适用于长工作距离如长达100mm以上至140mm的组件上，如光循环器(OpticalCirculator)、光交错器(Optical Interleaver)、光交换器(Optical Switch)等多信道光组件(Multi-oprt Optical Device)上，且使用品质无法合乎所求。

又，一非球面透镜(Aspherical Lens)具有与GRIN镜片的相同功能，而可将在有效聚焦长度f(Effective Focal Length，EFL)内的点发射光束(如光纤端点)转变成平行光束的特性，但若采用一非球面透镜(Aspherical Lens)来取代GRIN-type光纤准直器中的GRIN镜片，则仍会面临过程相当繁复的光学调校作业，故至目前为止，尚未见具有良好使用功效的非球面透镜(Aspherical Lens)型式的光纤准直器，而本发明即是针对此而研发。

发明内容

本发明是要提供一种光纤准直器的制作方法，以解决使其在组装过程中不需要繁杂的光学调校程序，大幅降低制作成本的技术问题。

解决上述技术问题所采用的技术方案是这样的：

一种光纤准直器的制作方法，该光纤准直器主要是利用一外套管及一非球面透镜所构成，该外套管的管径内设有一垫圈，其特征是：制作方法包括下列步骤：

提供一外套管，其管内设有一垫圈，并考虑机械加工公差，而使该垫圈的厚度设计为等于或大于该非球面透镜的有效聚焦长度f，且其中大于的部分以不超过30μm为最佳；

提供一光纤及其光纤头，光纤头的外径设计与外套管的内径相同，套入外套管内而抵触于垫圈的第一端面并予以固定；

提供一非球面透镜，其外径设计与外套管内径相同，套入外套管内而抵触于垫圈的第二端面予以固定，该非球面透镜的有效聚焦长度f可由光波长而检测出；

上述步骤已组设完成的光纤准直器，由于垫圈厚度因机械加工公差而不同，使光纤端点的离焦距离均控制在30μm≥Δd≥0范围内，并因而造成各光纤准直器的最佳工作距离均控制在0mm～140mm范围内，并针对各组设完成的光纤准直器，由光学仪器检测出不同的工作距离；

将工作距离从0mm～140mm分成多个级别，使各光纤准直器依各自的工作距离而作筛选分级，并归属入各不同级别，供不同工作距离的各种组件简易选用。

该非球面透镜为一近乎零像差的模造的非球面玻璃透镜；

该外套管为一不锈钢材质；

该垫圈与外套管一体成型制成；

该外套管为一玻璃材质；

考虑该机械加工公差是在5～15μm范围内，而将该垫圈厚度T设计为T＝(f+15μm)±15μm，式中f为非球面透镜的有效聚焦长度；

该光纤头及非球面透镜是以UV胶分别固定于垫圈两侧的第一端面及第二端面上；

该外套管在垫圈的长度中设有一个通气孔，以保持其内部气压与外部相同，以提高环境因素的可靠度；

该光纤准直器的工作距离在0mm～140mm范围中，以每20mm为一级别。

本发明主要是利用一内设有垫圈的外套管及一非球面透镜以构成一光纤准直器，并于制作过程中，考虑外套管中该垫圈的机械加工公差，而使该垫圈厚度T(沿外套管管轴方向的长度)设计为等于或大于该非球面透镜的有效聚焦长度(f)，且大于的部分以不超过30μm为最佳；再使该非球面透镜与一光纤头套入外套管内并抵紧固定于该垫圈的两侧端面，则可使光纤端点的离焦距离(Δd＝d1-f，而d1为光纤端点至非球面透镜的实际距离)均落在30μm≥Δd≥0范围内，并因而造成所有组装完成的光纤准直器的最佳工作距离(Working Distance)均自然落在0mm～140mm范围内；再依工作距离从0mm到140mm予以分级筛选，可供使用者视功能件使用需要而简易选用；则本发明方法所制成的光纤准直器，其系统的工作距离可随机含盖0mm～140mm间的各种规格，且保持插入损耗在0.15dB以下而提升光学性能，供可应用在长工作距离的组件上而增加应用范围，从而解决了使其在组装过程中不需要繁杂的光学调校程序，大幅降低制作成本的技术问题。

本发明制作方法简便，是利用一内设有垫圈的外套管及一非球面透镜(Aspherical Lens)以组成一光纤准直器，且使该非球面透镜及一光纤头可套入外套管内并抵紧而固定于该垫圈的两侧端面，而可使组装完成的各光纤准直器，得由该垫圈的机械加工公差而可随机产生各种不同的最佳工作距离；其优点如下：

(1)、本发明可在组装时不需繁琐的对光程序，考虑机械加工的误差使最佳的工作距离稍有变化，仅需要在被动组装(Passive Alignment)程序完成后，对成品测试出其光学性能，包含插入损耗、反射损耗以及最佳的工作距离。

(2)、为了在不同的工作距离下达到最佳的光学特性，包括最小的散射角、最低的插入损耗、最小的偏折角度及最低的反射光等，在已知使用渐变折射率镜片的技术中，通常需要实时调校光纤头与渐变折射率镜片的相对位置，而本发明使用非球面玻璃透镜，由于光纤头与非球面镜片的相对位置的误差造成的是最佳工作距离的改变，而非不可补偿的插入损耗的增加。

(3)、本发明利用机械加工的特性，不需实时的调校，可制作出不同工作距离的准直器。

附图说明

图1是已知光纤准直器的剖面图。

图2是非球面透镜的光学特性一示意图。

图3是本发明制作方法的流程图。

图4是本发明所制成的光纤准直器的分解剖面图。

图5是本发明所制成的光纤准直器的组合剖面图。

具体实施方式

如图2所示，为一非球面透镜的光学特性示意图，其中，该非球面透镜20为一个最佳化、极小像差，有效焦距为f的非球面透镜；当自光纤端点(Fiber Tip)点出射的高斯光束(Beam Waist＝ω1)，经过长度d1(d1为光纤端点点至非球面透镜的距离)及非球面透镜20后，聚焦于d2，而2d2为此时的光纤准直器系统的最佳工作距离，腰宽(beam waist)，即为光斑半径(spot radius)变为ω2，并以单模光纤(single-mode fiber)而言，得知其中ω2与ω1、f、Δd(Δd＝d1-f)等相互间关系及其计算公式。

而由上述光学特性可知：当采用一非球面透镜取代一GRIN镜片而使用于光纤准直器时，即可改变光纤端点与透镜焦距f的相对距离，即光纤端点的离焦距离Δd(Δd＝d1-f)，并分为d1＝f时的d＝0、d1＞f时的Δd＞0、d1＞＞f时的Δd＞＞0、及d1＜f时的Δd＜0等不同状况，而分析经过透镜后的各种聚焦状况，此时的光纤准直器系统的最佳工作距离为2d2，可得到下列结果：

例(1)：当d1＝f时，Δd＝0，此时聚焦点在离透镜焦距f处，平行光有最大的光斑半径(spot radius)或光斑大小(spot size)及最小的散射角，最佳工作距离为2f；

例(2)：当d1＞f时，Δd＞0，即光纤端点向图中左方移离，此时聚焦点渐渐远离透镜焦距f处，即最佳工作距离愈来愈大，此时有渐小光斑大小(spotsize)及渐大的散射角；

例(3)：当d1＞＞f时，Δd＞＞0即光纤端点向图中左方移离超出某一距离以上，此时聚焦点在小于透镜焦距f处，有很小光斑大小(spot size)及很大的散射角；

例(4)：当d1＜f，Δd＜0，即光纤端点向右移近非球面透镜，此时平行光不聚焦直接发散，其虚拟聚焦点在非球面透镜20前方(即d2＜0)，且不存在最佳工作距离。

而根据以上所述，代入单模光纤(single-mode fiber)的光学特性，更进而可得知：当光纤端点的离焦距离Δd(Δd＝d1-f)在5～60μm范围时，其所达成的最佳工作距离可自0mm至150mm，且此时散射角均小于0.0025°。

又准直器系统的插入损耗来自于两个准直器出射高斯光束的对准误差(misalignment)以及光斑大小的不吻合(unmatched spot-size)；因此在上述例(1)到例(3)中，可假设透镜的孔径大小(Aperature)甚大于入射的高斯光束的光斑大小，只要两个准直器的工作距离调整至最佳的工作距离，即2d2，准直器因为光斑大小不吻合的插入损耗即可趋近于零。另外，横切面方向的对准误差(transverse direction misalignment)及角度的对准误差(Angularmisalignment)可另参考下列论文：Shifu Yuan and Nabeel A.Riza，″Generalformula for oupling-loss characterizationof single-mode fiber collimators byuse of gradient-index rod lenses″Applied Optics，V01.38，N0.15，pp.3214-3222.。

如图3、4、5所示，本发明是依据上述以一非球面透镜使用于光纤准直器时的光学特性而设计，尤其是当光纤端点的离焦距离(Δd)能有效控制时，即可控制该光纤准直器系统的最佳工作距离(2d2)。本发明光纤准直器的制作方法，主要是利用一外套管(Holder)30及一非球面透镜(AsphericalLens)40所构成，且该外套管30的内管径内设有一垫圈(Spacer)31，其制作方法包括下列步骤：提供一外套管30，其内管中设有一垫圈31，并考虑机械加工公差，而使该垫圈31的厚度T设计为等于或大于该非球面透镜的有效聚焦长度f(Effective Focal Length，EFL)，且其中大于的部分以不超过30μm为最佳；提供一光纤50及其光纤头51，光纤头51的外径设计与外套管30的内径相同，可套入外套管30内而抵触于垫圈31的第一端面32并予以固定；提供一非球面透镜40，其外径设计与外套管30内径相同，可套入外套管30内而抵触于垫圈31的第二端面33并予以固定，并以光波长而检测出其有效聚焦长度f；上述步骤已组设完成的光纤准直器，由于垫圈厚度T因机械加工公差而不同，使光纤端点52的离焦距离(Δd＝d1-f，d1为光纤端点52点至非球面透镜的距离)均控制在30μm≥Δd≥0范围内，并因而造成各光纤准直器的最佳工作距离(Working Distance)均控制在0mm～140mm范围内，故可针对各组设完成的光纤准直器，以光学仪器检测出其不同的工作距离；将工作距离从0mm～140mm分成多个级别(如每20mm为一级)，使各光纤准直器依各自的工作距离而作筛选分级，并归属入各不同级别，供不同工作距离的各种组件可简易选用。

又其中，该非球面透镜(Aspherical Lens)40可为一近乎零像差的模造的非球面玻璃透镜(Molding Aspherical Glass Lens)，即其像差经过非球面高阶系数(High-Order Coefficient)的补正后已趋近于零(＜0.025λatλ＝0.6328μm)；又外套管30可为一不锈钢外套管(Stainless Steel Holder)或玻璃材质，而该垫圈31可与外套管30一体成型制成，而因垫圈31的厚度T是控制为等于或大于非球面透镜40的有效聚焦长度(EFL)f，且大于的部分又以不超过30μm为最佳设计原则，故考虑机械加工误差约为5～15μm范围的情况下，可将该垫圈31厚度T设计为T＝(f+15μm)±15μm。

又光纤头51及非球面透镜40，可分别以UV胶固定于垫圈31两侧的第一端面32及第二端面33。又垫圈31的长度中设有一适当大小的通气孔34，以保持其内部气压与外部相同，以提高环境因素的可靠度。

由于本发明光纤准直器系统的工作距离可以垫圈厚度T的有效控制，而使所要求的规格距离能含盖从0mm到140mm的较大范围，并保持插入损耗在0.15dB以下；又本发明在实际组装过程不需要光学调校程序，只需利用后段检测光束品质(Optical Beam Profile)时，分类筛选因机械加工的公差所造成不同的工作距离；因此本发明可大幅降低制作成本，避免已知技术耗时费力的光学调校，且提升光学性能，可应用在长工作距离的组件上，如光循环器(Optical Circulator)、光交错器(Optical Interleaver)、光交换器(Optical Switch)等多信道光组件(Multi-port Optical Device)。

以上所述，仅为本发明的实施例而已，并非为限定本发明的实施范围，大凡熟悉该项技艺的人士，其所依本发明的特征范畴，所作的其它等效变化或修饰，皆应涵盖在本发明的申请专利范围内。

综上所述，本发明的确能由上述所揭示的方法达到所述的功效。且本发明申请前未见于刊物亦未公开使用，已符合发明专利的新颖性、先进性等要件，故依法提出发明专利申请。

Claims (8)

1、一种光纤准直器的制作方法，该光纤准直器主要是利用一外套管及一非球面透镜所构成，该外套管的管径内设有一垫圈，其特征是：制作方法包括下列步骤：

提供一外套管，其管内设有一垫圈，并考虑机械加工公差，而使该垫圈的厚度设计为等于或大于该非球面透镜的有效聚焦长度f，且其中大于的部分以不超过30μm为最佳；

提供一光纤及其光纤头，光纤头的外径设计与外套管的内径相同，套入外套管内而抵触于垫圈的第一端面并予以固定；

提供一非球面透镜，其外径设计与外套管内径相同，套入外套管内而抵触于垫圈的第二端面予以固定，该非球面透镜的有效聚焦长度f可由光波长而检测出；

上述步骤已组设完成的光纤准直器，由于垫圈厚度因机械加工公差而不同，使光纤端点的离焦距离均控制在30μm≥Δd≥0范围内，并因而造成各光纤准直器的最佳工作距离均控制在0mm～140mm范围内，并针对各组设完成的光纤准直器，由光学仪器检测出不同的工作距离。

2、根据权利要求1所述的光纤准直器的制作方法，其特征是：该非球面透镜为一近乎零像差的模造的非球面玻璃透镜。

3、根据权利要求1所述的光纤准直器的制作方法，其特征是：该外套管为一不锈钢材质。

4、根据权利要求1所述的光纤准直器的制作方法，其特征是：该垫圈与外套管一体成型制成。

5、根据权利要求1所述的光纤准直器的制作方法，其特征是：该外套管为一玻璃材质。

6、根据权利要求1所述的光纤准直器的制作方法，其特征是：考虑该机械加工公差是在5～15μm范围内，而将该垫圈厚度T设计为T＝(f+15μm)±15μm，式中f为非球面透镜的有效聚焦长度。

7、根据权利要求1所述的光纤准直器的制作方法，其特征是：该光纤头及非球面透镜是以UV胶分别固定于垫圈两侧的第一端面及第二端面上。

8、根据权利要求1所述的光纤准直器的制作方法，其特征是：该外套管在垫圈的长度中设有一个通气孔，以保持其内部气压与外部相同，以提高环境因素的可靠度。

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