CN1497281A - 用于光纤准直组件的对称双非球面透镜 - Google Patents

用于光纤准直组件的对称双非球面透镜 Download PDF

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Abstract

一光纤装置包括一双凸光学透镜(134；176；179；180；202；220；或230)，具有两个相同的非球面光学表面；一光纤(10；22；26；174；178；或182)近似位于光学透镜前焦平面和后焦平面之一的位置上；和一结构(145；150；154；156；162；168；或177)相对于光学透镜和光纤安置，其中该结构保持光学透镜相对于光纤的位置。

Description

用于光纤准直组件的对称双非球面透镜
本发明涉及连接光纤的装置和方法。尤其是涉及用在光纤准直器组件中的透镜，并涉及使光纤、透镜和相关元件的组装改善的透镜设计。
在光纤应用中，经常需要将光从一根光纤耦合到另一根光纤。在多根光纤聚集的地方可以使用转换装置实现耦合，或是在密集波分复用(DWDM)应用中通过增加和/或减少波长实现耦合。实现耦合的一种已知方法是直接将光纤对接在一起。光纤还能通过电熔接被连接，当两根光纤开始接合时，用电弧加热两根光纤的末端。光纤被电弧融化，使光纤在永久的机械稳定的接合处连接在一起。如在专利US 4,421,383中描述的，使用透镜将光从一根光纤耦合到另一根光纤也是可能的。在这里，一实体连接器保持光纤和透镜在相对于彼此的适当的位置。
在许多应用中，在光从光源光纤发出之后，且在进入接收光纤之前，完成光的处理或操作是最好的。这种处理的范例包括衰减和滤光。在一根光纤中利用多个波长的，通常称为波分复用的光通讯系统中，掺铒光纤放大器在光纤中被用于在宽带波长范围上光学地放大光信号。因为在波分复用系统中的每个波长来自不同的光源，为了光学放大器的最佳工作状态，每个波长的信号功率需要被调整。信号功率的调整需要光信号的不同光衰减，通常这种衰减最容易在扩展光束中实现。
另外，如果来自光纤的光束已被准直，那么光纤之间的光信号处理最容易完成。图1表示一对传统的准直透镜16和18，它们被用于耦合从光源光纤10到接收光纤20中的光。在本领域中已知，渐变折射率透镜(GRIN)也常被用于这种应用中。GRIN透镜通过扩散掺杂物到柱面玻璃体中制成。掺杂物使透镜的折射率产生径向梯度。如果朝向透镜的边缘折射率较低，那么透镜将聚焦来自远光源的光。折射率分布的形状控制透镜成像性质。扩散之后，透镜被切割成特定的长度并且其端面被抛光。当光线在透镜之间准直时，在相当长的工作距离“D”(一般为10mm)上，光束保持几乎相同的尺寸。因为在这个空间中光束具有几乎相同的尺寸，所以在其中加入衰减光束或是滤光光束的其它光学元件是较容易的，例如，如图2所示的光调制器17。图2所示的光学系统因为光束透过光学元件而被称为透射系统。
在涉及处理光信号的系统中，最理想的是当光信号从一根光纤到另一根光纤耦合时，保持尽可能多的信号功率。对于单模光纤，耦合效率能通过分析的方法被计算出来。(见R.E Wagner和J.Tomlinson，“单模光纤元件中的光学器件的耦合效率”，Applied Optics，vol.21，No.15，1982，第2671页)。对于从一根光纤到另一根光纤耦合光的情况，为了产生高耦合效率，透镜必须具有特定的光学功能。参考图2，第二准直透镜18产生聚焦光束，该光束入射到接收光纤20。在聚焦光束中的任何像差都将导致接收光纤中的光耦合百分率降低。在一光纤系统中，光功率的损失是非常不期望的，因为它限制了在一条通讯道上传输的信息量，或是增加了所需放大的量。
近来，更多基于通讯系统的光纤同时利用多个波长，用于提高所传输的信息数量。使用多波长在一般概念上称为波分复用。如图3所示，波分复用系统使用某种方法将光纤中的不同波长分离出去。光源光纤22位于准直透镜16的后焦平面附近。来自光源光纤的光被透镜16准直，并在滤光片24处入射。滤光片的涂层反射除了以所期望的波长为中心的一很窄波带内的光之外全部的光。光经过滤光片24耦合进入接收光纤28。如果滤光片24恰当的对准，从该滤光片反射的光将被入射到第二接收光纤26的末端。注意光纤22、26和28在系统中为脱离光轴设置。包括光源光纤22、准直透镜16、滤光片24和接收光纤26的光学系统被称为反射系统；而包括光源光纤22、准直透镜16、准直透镜18和接收光纤28的光学系统被称为透射系统。
为了获得光束进入到一光纤中的高耦合效率，光束被聚焦到具有低像差数量的光纤上是不够的。更准确的说，聚焦光束必须和光纤的基谐方式相匹配。这就需要光束具有与光纤模式相同的振幅和相位。为了匹配光纤的相位分布，光束应该沿着光纤的光轴进入光纤，否则将导致额外的损耗。如果光纤的端面垂直于光纤光轴，那么为了得到最高的耦合效率，光束必须垂直于光纤。对于通常的成像系统，光束平行于系统光轴的状态被称为远心性(telecentricity)。更确切的说，在通常的成像系统中，远心性需要穿过光阑中心的主光线在系统中某些点上与光轴平行。对于单一元件光学系统，孔径光阑应该位于或靠近透镜的前或后焦平面。光学系统可以在它的不同部分成远心性。如果主光线在物空间平行于光轴，人们就认为系统在物空间成远心。如果主光线在像空间平行于光轴，人们就认为系统在像空间成远心。例如，图4表示一简化的透镜40和光阑42的系统，其中系统在物空间成远心。图5表示一类似的透镜50和光阑52的系统，其在像空间成远心。
由于光纤光源的性质，通常认为来自光纤的光束在物空间成远心，如从光纤射出的光束平行于光轴。理想的耦合光纤的光学系统的特征在于：为了获得位于像空间的接收光纤中的光线最高耦合效率，光也被成远心于第二准直透镜的像空间。如果光相对于光纤光轴以相当大的角度射入光纤，在光纤中光束的耦合效率将显著降低，或是插入损耗将被增加。尽管为了减小光束和光纤光轴之间的有效角度，可以使光纤倾斜于光轴，但倾斜光纤大大的增加了最终光学系统安装的时间和成本。光学元件的类型和位置，以及孔径光阑的位置影响远心性的条件。
对于用于耦合从一根光纤到另一根光纤的光的系统，具有许多限制光束的孔径和由此降低光学放大率是不希望的。因此往往不用限定的孔径或光阑限制光束。当没有物理孔径限制光束时，远心性由与光学元件结合的光源和接收器的特性决定。更准确的说，如果光束在系统中传播，并且不希望引入会以任何方式限制光束的任何孔径，那么光阑的位置通常通过主光线穿过系统光轴的位置来描述。主光线被定义为位于从光源发射出的光束分布中心的光线，因此不再由光学系统中的物理孔径决定。
本领域中已知渐变折射率(GRIN)透镜能被用于准直来自光纤的光。NipponSheet Glass，Somerset，New Jersey生产这样的透镜。图6表示使用两个GRIN准直器透镜的透射光学系统。从光源光纤10发射出的一高斯光束被GRIN透镜16准直。准直的光束62被GRIN透镜18聚焦进入接收光纤20。透镜的旁轴前焦平面位于该透镜第二主平面的有效焦距(EFL)上。GRIN透镜16的前焦平面60位于与透镜前表面64非常接近的位置。这是因为第二主平面66位于GRIN透镜的内部。对于反射系统(见图3)，滤光片24应该被放置在输入准直器透镜的前焦平面60上，以获得最大的耦合效率，或是将插入损耗降到最小。因为滤光片能被直接胶合在GRIN透镜16的前表面64上，而不引起过多的插入损耗，滤光片24与GRIN透镜的前表面64的极为接近有利于组装反射光子器件，如DWDM分离器。
为了具有高耦合效率，聚焦透镜不能将明显的像差引入到光束中。对于一渐变折射率透镜，折射率分布的形状必须精确设计，从而产生最小的像差。因为分布的形状只由玻璃中掺杂物的扩散控制，所以折射率分布的控制是不容易的。渐变折射率透镜的更进一步的缺点是，普遍应用在扩散中的掺杂物之一是铊。例如，渐变折射率透镜中铊的使用在美国专利US3,941,474和US4,246,474中有描述。铊是有毒的金属(甚至比铅更毒)。
除渐变折射率玻璃透镜之外，以前还试图使用折射透镜耦合光纤之间的光，如专利US4,421,383中描述的。然而，US4,421,383专利中没有批露使用非球面或是对称双非球面准直器透镜来提高光学性能。图7表示如专利US6,438,290所述的，使用两个平凸折射准直器透镜的透射光学系统。从光源光纤10发射出的高斯光束，通过平凸透镜72被准直。然后准直光束62被第二平凸透镜74聚焦进入接收光纤20。
对于平凸准直器透镜，前焦平面82也位于第二主平面80的一个有效焦距(EFL)上。因为所有的光学放大率都位于表面78，第二主平面80近似的位于表面78处。结果，前焦平面82近似的位于折射光学表面78的一有效焦距处。图8表示使用一对平凸准直器透镜的反射光学系统。滤光片24必须定位在输入准直器透镜72的前焦平面82上，以使接收光纤26获得最大的反射光。在反射系统中，可以理解到，由于在温度变化过程中滤光片(或反射镜)位置的变化，从前折射表面78到滤光片24有相对较大的距离是一个缺点。反射耦合效率被定义为部分光被耦合进入接收光纤26，假设滤光片(或反射镜)24是理想反射器。反射插入损耗是指在反射光纤组件中损失的光量。
根据菲涅耳反射作用反射回光源光纤的光被称为回波损耗或是背反射。非常小的背反射光能引起激光二极管光源中严重的性能恶化。为了减小这种影响，本领域中众所周知，在光纤和准直器透镜上都抛光一斜面，也可以将一高效抗反射涂层涂覆到光纤的端面和透镜表面上。图9(a)表示具有抛光斜面102的光源光纤100，和具有同样斜面106的GRIN透镜104。图9(b)表示用于平凸准直器透镜110的同样的构造，透镜110具有斜面108。众所周知，在光源光纤和准直器透镜上，8度的斜面将产生可接受的少量背反射。
准直器透镜的最佳设计主要是由透镜的折射率决定的。选择准直透镜的形状和每个曲率半径的比率，将第3级球面像差减到最小。对于折射率近似地小于1.68，最佳的光学设计是如图10(a)所示的双凸透镜。透镜122聚焦准直光束120到焦平面124上。如果折射率近似为1.68，那么平凸透镜126形状是最佳的。(图10(b))。最后，对于折射率近似地大于1.68，弯月透镜128是理想的。(图10(c))。
通过使用一个或两个非球面光学表面，能够获得其它的光学波前特性。使用传统的研磨和抛光方法制造非球面光学表面既浪费时间又昂贵。对于大量应用，用玻璃或塑料模压非球面表面是理想的。几家公司，例如，LightpathTechnologies和Hoya，制造了各种各样模压玻璃的双非球面准直器透镜。在每种情况中，透镜的形状和曲率半径的比率一般被选择为使光学波前性能达到最大。通常，为了使准直器透镜的第3级球面像差减到最小，不会选择对称双凸形状。
Eastman Kodak公司商业销售两种模压玻璃的对称双非球面透镜，其可用于准直来自带有玻璃外罩的激光二极管的光。A-414透镜的焦距为3.30mm，而A-439的焦距为0.71mm。在这两种情况中，透镜不被设计为远心的。
另外，专利US5,301,249描述了使用反射系统耦合从激光二极管到一光纤中的光。然而，该专利并没有定量地描述所期望的单模耦合效率，也没有描述系统的离轴特性。因此，需要在光纤准直器组件中使用的透镜来改进这些组件的组装。
一光纤装置包括一双凸光学透镜，该透镜具有两相同的非球面光学表面；一光纤，近似的位于光学透镜的前焦平面和后焦平面之一上；一相对于光学透镜和光纤定位的结构，该结构保持光学透镜相对于光纤的位置。
一光纤装置包括多个双凸光学透镜，这些透镜具有两个相同的非球面光学表面；多根光纤近似的位于光学透镜的前焦平面和后焦平面之一上；光纤的根数与双凸光学透镜的个数相等；相对于光学透镜和光纤定位的结构，其中该结构保持光学透镜相对于光纤的位置。
下面参考附图详细的描述本发明的实施例，其中：
图1表示一对用于将光从光源光纤耦合入接收光纤的GRIN准直透镜；
图2表示为了提供附加处理，光学元件被引入到准直光束中；
图3表示带有滤光片的光学系统，分离不同波长的光；
图4表示远心在物空间的光学系统；
图5表示远心在像空间的光学系统；
图6表示一对用于将光从光源光纤耦合入接收光纤的GRIN准直器透镜；
图7表示一对用于将光从光源光纤耦合入接收光纤的平凸准直器透镜；
图8表示包含有两个平凸准直器透镜和一根光纤的光学系统；
图9a表示具有斜面的GRIN透镜；
图9b表示具有斜面的平凸透镜；
图10a表示双凸准直器透镜形状；
图10b表示一凸平准直器透镜形状；
图10c表示一弯月准直器透镜形状；
图11表示一对称的双凸透镜；
图12表示一单光纤光学准直器组件；
图13表示使用两单光纤光学准直器组件的透射系统；
图14表示一双光纤光学准直器组件；
图15表示使用一双光纤光学准直器组件的反射系统；
图16表示一单V形槽结构；
图17表示一光纤准直器组件与前述V形槽的结合；
图18表示光纤准直器组件的一维阵列；
图19表示光纤准直器组件的二维阵列；
图20表示对于1.944mm标准焦距，作为透镜中心厚度函数的非球面二次曲线常数的图表；
图21表示用于1.944mm标准焦距，作为透镜中心厚度函数的曲率半径的图表；
图22表示一高斯光束反射离开一凸光学表面；
图23表示主光线经过一GRIN透镜传播；
图24表示主光线经过一平凸透镜传播；
图25表示主光线经过一对称双凸透镜传播；
图26a表示一对称双凸透镜，它具有在第二光学表面上安装的基面；
图26b表示一对称双凸透镜，它具有在两个光学表面上都安装的基面。
当前描述特别涉及形成本发明装置的一部分的组件或与本发明装置更直接协同工作的组件。应该理解，并不特别地指出和说明本领域的普通技术人员已知的元件可以有多种形式。在详述中，我们假设使用单模光纤，尽管本领域的普通技术人员将认识到本发明的优点可应用到使用具有多模光纤、偏振保持光纤和掺杂光纤的发明中。
参考图11，光源光纤10沿着透镜134的光轴142设置，透镜包括两个凸光学表面136和138。第一表面136和第二表面138具有相同的光学形状。从光源光纤10发射的高斯光束首先在表面136被折射，然后在表面138被准直。从透镜表面138起始的某一特定距离内，被准直的高斯光束62的尺寸基本保持恒定。为了产生满意的准直光束，光源光纤10必须被置于或是靠近透镜134的后焦平面130。透镜134的前焦平面140位于透镜第二主平面144的一有效焦距处。鉴于光学放大率呈现在透镜134的第一表面136和第二表面上138上，第二主平面144位于透镜内部，所以前焦距离“FF”比(图7)所示的平凸准直器透镜的等效焦距小。对于对称设计，后焦距“BF”和前焦距“FF”相等。双凸透镜134的有效焦距EFL，既由光学表面136和138的曲率半径决定，也由透镜材料的折射率和透镜的中心厚度CT决定。对于给定的折射率和给定的有效焦距，光学表面136和138的曲率半径能被调整以便增加或减小透镜的中心厚度。对于给定的折射率和给定的有效焦距，还存在如下面例1-例4描述的优选中心厚度，以使耦合效率最大或是使插入损耗最小。在优选实施例中，光纤为一单模光纤。另外，也可以使用多模光纤、偏振保持光纤和掺杂光纤。
图12表示一单光纤准直器组件150的优选实施例，该组件是用于无源光纤器件的基本结构单元。在组装和使用光纤准直器组件过程中，光纤到准直器透镜的精确对准是至关重要的。当出现温度和湿度变化时，尤其如此。光纤10被接合进一精细毛细管146中，以形成本行业中称作的光纤引线。一般的，光纤147的端面成一倾角被抛光并涂覆抗反射光学涂层，从而提高耦合效率和减少背反射。准直器透镜134和光纤引线被接合进精细圆柱管145中。透镜134、毛细管146和固定管145之间直径的差异，以及透镜134的轴承长度148和毛细管146的轴承长度149，它们将确定光纤10和准直器透镜134之间的相关倾斜和偏心误差。为了使耦合效率到最大，使光纤10和准直器透镜134之间的倾斜和偏心误差都最小是很重要的。减小倾斜和偏心误差的一个方法是增加透镜134的轴承长度(bearing 1ength)148。这通过增加透镜的中心厚度来实现。增加透镜的中心厚度来达到没有发生不可接受的耦合效率的点是可能的。
如图13所示，一般的，两个单光纤准直器组件被用于形成传输光纤元件152。在这样情况中，两个单光纤准直器组件150被接合入一圆柱管154中。其它的光学元件置于两准直器透镜之间的光束中。
如图14所示，对称双非球面透镜也能被用于一双光纤准直器组件156中。在此实施例中，两光纤22和26被接合入一精细毛细管158中，然后该毛细管和准直器透镜134一起被接合入圆柱管145中。如图15所示，利用一双光纤准直器组件156、一滤光片(或反射镜)24、和一圆柱管162也能制造一反射光纤元件160。在这种情况中，双光纤准直器组件156被接合进圆柱管162，并且滤光片(或反射镜)24被接合在圆柱管162的一端上。为了使耦合效率最大，重要的是将双光纤准直器组件156接合进圆柱管162以使滤光片(或反射镜)24位于准直器透镜的前焦距。
如图16所示，其它的结构，例如精细的V形槽，能用来消极对准和保持光纤相对于准直透镜的位置。在这个实施例中，该结构包括彼此精确对准的一较小的V形槽170和一较大V形槽172。该V形槽结构能通过机械加工金属或硅、各向异性蚀刻硅或二氧化硅、磨削金属、或模制塑料或陶瓷等方法制造。图17表示光纤准直器组件，其由一V形槽结构168、一光纤174和一对称双非球面准直器透镜176组成。光纤和透镜用胶合剂、其它连接处理或是机械夹紧的方式连接在V形槽结构上。
图18表示一准直器组件的一维阵列，该阵列由安装在精细V形槽阵列177中的多根光纤178和多个对称双非球面光学透镜179组成。V形槽阵列结构通过机械加工金属或硅、各向异蚀刻硅或二氧化硅、磨削金属或模制塑料或陶瓷等方法制造。其也能形成准直器组件的二维阵列。图19表示准直器组件的2×2阵列，该阵列由四根光纤182和四个对称双非球面准直器透镜180组成。包括V形槽、圆柱管或孔结构的多种结构能被用于消极对准和保持光纤到准直器透镜的相对位置。
一对称双非球面透镜能用于准直来自一单模光纤或偏振保持光纤的光，这些光纤在大约1300到1625nm的波长范围内工作。一对称双非球面透镜还能用于准直来自多模光纤的光，该多模光纤工作在大约850到1300nm波长范围内。在每种情况中，选择光学表面、折射率和中心厚度使耦合效率最大。
在图11中，为了将由透镜产生的光束偏差降到最小，透镜134的凸面136和138选择为非球面形状。非球面形状通常由二次曲线等式表示，其中表面的弛垂度由下式给出：
sag = y 2 R 1 + 1 - ( 1 + k ) y 2 R 2
其中R是表面的基圆半径，y是径向坐标，k是二次曲线常数。如果k＝0，则表面是球面。在不改变表面的有效函数的条件下，相等的数学式能用于描述同一光学表面形状。在本申请的例子中，只是用到圆锥非球面表面。然而，具有高阶项的非球面表面也将产生满意的结果。
对于一轴上物，为了将球面像差的所有阶都为零，选择非球面的特殊形状。一椭球面产生没有任何球面偏差的无穷大物象。二次曲线的常数由(-1/n)^2给出，其中n是透镜的折射率。然而，椭球体只对在光轴上的成像点给出理想成像。为了确定透镜最佳综合性能并考虑到透镜必须对轴上点和离轴点都起作用，必须要改变二次曲线常数以获得最佳综合性能。通过使轴上和离轴区域点的光程差的平均的均方根(rms)降到最小，来选择二二次曲线常数的最佳值。
用于设计对称双非球面光纤准直器透镜的简化过程将在下面介绍。首先，选择1.944mm的标准有效焦距。市场上买得到的光学设计程序，像OpticalResearch Associates的CODE VTM，用于确定折射率范围从1.5到1.9的透镜材料的最佳二次曲线常数、中心厚度和曲率半径。根据这个数据，建立线性方程来推算最佳二次曲线常数、曲率半径、和中心厚度如何随透镜材料折射率变化。仅通过用理想焦距与标准焦距的比率乘以中心厚度和曲率半径，就能设计出来具有非标准焦距的准直器透镜。另一方面，最佳二次曲线常数独立于透镜的有效焦距。对于非标准有效焦距，还需要许多其它的最佳条件选配来达到“最好”透镜设计方案。
方法步骤：
第1步：选择透镜材料，指定折射率，N。
第2步：使用下式确定最佳二次曲线常数，k
k＝-1.7843*N+0.6713
注意，当透镜材料折射率增加时，二次曲线常数以量级减少(或是接近零)。二次曲线常数接近于零意味着需要较小的非球面偏差以获得最佳波前。较小的非球面偏差意味着制造更容易，因为如本领域中已知的，制造难度随着非球面偏差的增加而增大。不同于通过上式给出的最佳值的二次曲线常数也用于产生满意的耦合效率。
第3步：在标准有效焦距EFL0为1.944mm的情况下，计算最佳标准曲率半径R0，和最佳标准中心厚度CT0。
R0＝2.6887*N-2.4097
CT0＝2.4623*N-2.0505
第4步：指定理想有效焦距EFL，并依比例确定标准曲率半径和标准中心厚度。
R = EFL EFL 0 * R 0
CT = EFL EFL 0 * CT 0
增加透镜的中心厚度来降低光纤和准直器透镜之间的倾斜和偏心误差是有利的(见图12)。对于给定的焦距和折射率，中心厚度能被加长到仍能产生满意的耦合效率(或插入损耗)的点。图20表示一曲线族，其描绘对于标准焦距1.944mm，二次曲线常数K如何随着中心厚度CT变化。图21表示一曲线族，其描绘对于标准焦距1.944mm，曲率半径R如何随着中心厚度CT变化。例4说明具有增厚了的中心厚度的准直器透镜。在焦距为1.944mm和折射率为1.70条件下，最佳中心厚度大约为2.13mm，通过调整曲率半径R＝2.0323mm和二次曲线常数k＝-1.87767，中心厚度增加到2.50mm。在这种情况下，模型的反射插入损耗小于0.01dB，以及在原型透镜上测量的反射插入损耗平均为0.07dB。
透镜可以由玻璃或模压塑料制成。玻璃比塑料具有更好的环境稳定性。不像塑料透镜，玻璃不会由于化学变化或湿度而改变折射率。在模压过程中保持透镜材料的均匀性是理想的。如行业中已知的，光学材料的不均匀性对透镜的性能有不利影响。与扩散制成的渐变折射率透镜相比，该透镜的优点在于，没有象铊这样的有毒金属用于扩散。当透镜用玻璃制作时，玻璃可被模压或研磨和抛光。
本发明的一个优点在于，透镜采用了较高折射率的玻璃材料。较高折射率透镜降低了需要提供给定折光力的弯曲强度，因此制造更简单。进一步优点在于，对于较高折射率材料，单层光学涂层能使从透镜表面反射的光量显著的降低。这是因为单层抗反射涂层的折射率的最佳选择值与在涂层每一侧上的两介质的折射率的几何平均数相等。普通涂层材料之一是氟化镁，折射率是1.38。因此，氟化镁对于1.90的衬底折射率是最佳的。衬底折射率越接近1.90，单层氟化镁涂层的性能越好。另外，透镜能被涂覆多层二向色抗反射涂层。
本发明更进一步的优点是，其前焦距“FF”比平凸准直器透镜的短。较短的前焦距有助于在象DWDM分离器这样的光子器件中安装滤光片或是其它的光学元件。本发明另外的一个优点是：由于两光学表面的放大率相同，提高了可制造性，降低了对准的敏感度。参见图11，当高斯光束62经过透镜134时，它被两光学表面136和138折射。这就降低了由制造微扰引起的额外插入损耗，制造微扰包括中心厚度、放大率、粗糙度、光学表面的倾斜和光学表面的偏心。两表面上的相同放大率也减少了由于透镜倾斜和偏心等装配对准误差而造成的性能下降。
本发明还有另外的优点是，降低了在第一光学表面上的划痕擦伤技术要求。任何在高斯光束分布之中的光学表面上的外表缺陷，象划痕或擦伤，都将引起耦合效率的降低。当光束在光学表面上的尺寸减小时，可接受的划痕或擦伤尺寸也减小。从光纤端面到GRIN和平凸透镜的第一光学表面的距离很小——一般为0.25mm。参见图1，在GRIN透镜16第一表面12上的光束直径14通常小于50微米。如图7所示的平凸透镜也是如此的。在这种情况下，在第一表面76上的光束直径82也小于50微米。因为在第一光学表面上的光束直径非常小，可接受的划痕和擦伤的尺寸也变得非常小。现在参考图11，对称双凸透镜134的第一表面136上的光束直径132一般将大于200微米。因此，用于对称双非球面透镜的第一光学表面的划痕擦伤的技术要求将大大的降低，使制造更容易。
为了获得可接受的回波损耗或背反射，光纤的端面通常被劈开，并且准直器透镜的第一表面一般被倾斜8度。这些表面也被涂覆高效抗反射涂层。图9(a)表示具有斜面106的GRIN透镜104，而图9(b)表示具有斜面108的平凸透镜110。制造具有光学斜面的准直器透镜难度大、成本高。这对于模压玻璃的准直器透镜尤其如此。
本发明更进一步的优点是无需斜面就能获得可接受的回波损耗。参见图22，发散的高斯光束186通过抗反射涂覆和倾斜的面102从光源光纤100发射出。高斯光束186继续发散直到它到达透镜134的第一光学表面136。在这个表面上，非常小的光量被涂覆有抗反射涂层的表面136反射。凸光学表面136也增大反射光束184的发散角。反射光束184继续发散直到到达光纤斜面102。此时，反射光束184足够大以便大大减少进入光源光纤100的光量。因此，较长的后焦距和凸光学表面都使背反射光降低到可接受的水平。
本发明还有另一个优点，即由于透镜的对称使得组装简单。在一组装过程中，因为每个光学表面是相同的，安装者不需确定哪个光学表面应该首先被插入安装管或V形槽。当透镜的尺寸变得越来越小时，这样的简便在安装中变得十分重要。
本发明的另一个优点是由没有倾斜的透镜端面而产生的。再次参见图9(a)举例，光纤斜面102必须旋转对准倾斜的透镜端面106，从而获得最佳的耦合效率。在一些情况中，光纤斜面和透镜斜面需要被对准，如图9(a)所示。在其他情况中，光纤斜面102必须与透镜端面106成90度角对准。光纤斜面与透镜端面的对准称为同步。因为元件尺寸小及光纤斜面和透镜端面不易接近，同步对准的过程十分困难并且浪费时间。因为对称双非球面准直器透镜不需要光学斜面，所以本发明不需要同步。
GRIN透镜和平凸透镜的光学斜面也能引起准直的高斯光束相对于光轴倾斜，如图23所示的一GRIN透镜。这种效应称为光学瞄准。光源光纤100具有一斜面102来降低背反射。主光线192以与透镜104和光源光纤100的光轴142成一角度从光纤斜面102出射。主光线192从透镜104射出，并相对于光轴142成一角度190。主光线190也相对于透镜104的外径194倾斜。图24表示具有斜面108的平凸透镜110。主光线204以与光轴142和透镜202的直径成一角度从透镜110射出。高斯光束大规模的光学瞄准增加了对准光子器件的难度，因为不能获得从光源光纤进入到接收光纤的“第一光束”。在许多实际对准过程中，“第一光束”的检测是至关重要的。本发明因为没有倾斜光学表面，所以不会因光学瞄准而受到损害。图25表示主光线210如何通过一对称双非球面透镜134。主光线通常以相对于光轴142或透镜的外径212的零倾角射出透镜。这是本发明的另一个优点。
安装基面也可以加入到两光学表面上，用以辅助对准，如图26(a)和26(b)所示。图26(a)表示一对称的双凸透镜220，该透镜具有形成在第二光学表面226上的平基面224。该基面能够在模压或二次定心操作过程中形成。图26b表示一透镜230，基面234形成在第一光学表面232上，附加基面238形成在第二光学表面236上。一个或两个这些基面能被用于对准象光纤箍、滤光片和衰减器等其它的光学元件。
下面给出本发明的详细实施例，但并不试图限定本发明的特定范围。
例1
例1的对称双非球面透镜具有1.944的有效焦距和1.50的折射率。
第一光学表面的曲率1∶0.61903mm-1
第一光学表面的二次曲线常数：k＝-2.000878
中心厚度：1.64mm
第二光学表面的曲率：1∶-0.61903mm-1
第二光学表面的二次曲线常数：k＝-2.000878
1550nm处的折射率：1.50
后焦距：1.29mm
前焦距：1.29mm
单个透镜的有效焦距：1.944mm
指定的入射光瞳直径：在凸面上1.0mm
轴向均方根波前误差：0.001波。
例2
例2的对称双非球面透镜具有1.944的有效焦距和1.60的折射率。
第一光学表面的曲率1∶0.527295mm-1
第一光学表面的二次曲线常数：k＝-2.185689
中心厚度：1.89mm
第二光学表面的曲率：1∶-0.527295mm-1
第二光学表面的二次曲线常数：k＝-2.185689
1550nm处的折射率：1.60
后焦距：1.22mm
前焦距：1.22mm
单个透镜的有效焦距：1.944mm
指定的入射光瞳直径：在凸面上1.0mm
轴向均方根波前误差：0.001波。
例3
例3的对称双非球面透镜具有1.944的有效焦距和1.70的折射率。
第一光学表面的曲率1∶0.461127mm-1
第一光学表面的二次曲线常数：k＝-2.366173
中心厚度：2.14mm
第二光学表面的曲率：1∶-0.461127mm-1
第二光学表面的二次曲线常数：k＝-2.366173
1550nm处的折射率：1.70
后焦距：1.15mm
前焦距：1.15mm
单个透镜的有效焦距：1.944mm
指定的入射光瞳直径：在凸面上1.0mm
轴向均方根波前误差：0.0008波。
例4
例4具有两个相同的对称双非球面透镜。透镜的中心厚度已经被增加以将光纤和准直器透镜之间的倾斜和偏心降到最小。
第一光学表面的曲率1∶0.48976mm-1
第一光学表面的二次曲线常数：k＝-1.946435
中心厚度：2.500mm
第二光学表面的曲率：1∶-0.48976mm-1
第二光学表面的二次曲线常数：k＝-1.946435
1550nm处的折射率：1.7028
后焦距：0.963mm
前焦距：0.963mm
单个透镜的有效焦距：1.944mm
指定的入射光瞳直径：在凸面上1.0mm
轴向均方根波前误差：0.0027波。
尽管具体参照优选实施例详细描述了本发明，但应该理解，各种变更和修改在本发明范围内都是可以实现。

Claims (13)

1、一光纤装置包括：
一双凸光学透镜(134；176；179；180；202；220；或230)，具有两个相同的非球面光学表面；
一光纤(10；22；26；174；178；或182)，近似位于光学透镜前焦平面和后焦平面之一的位置上；和
相对于光学透镜和光纤安置的结构(145；150；154；156；162；168；或177)，其中该结构保持光学透镜相对于光纤的位置。
2、权利要求1的光纤装置，其中非球面光学表面是圆锥形的。
3、权利要求2的光纤装置，其中二次曲线常数范围从-0.50到-0.36。
4、权利要求1的光纤装置，其中当直径为0.972mm时，非球面光学表面具有偏离球顶的最大偏差在0.0005到0.0040mm内。
5、权利要求1的光纤装置，其中非球面光学表面涂覆有单层MgF2抗反射涂层。
6、权利要求1的光纤装置，其中双凸光学透镜由玻璃材料制成。
7、权利要求6的光纤装置，其中双凸光学透镜具有从1.50到1.90的折射率。
8、权利要求1的光纤装置，其中双凸光学透镜由塑料材料制成。
9、权利要求8的光纤装置，其中双凸光学透镜具有从1.40到1.60的折射率。
10、权利要求1的光纤装置，其中双凸光学透镜具有从1.50到10.0mm的有效焦距。
11、权利要求1的光纤装置，其中使该结构适合于对准光学透镜和光纤的相对位置。
12、权利要求1的光纤装置，其中该光纤是第一光纤，所述装置进一步包括：至少一根附加的光纤，近似位于光学透镜前焦平面和后焦平面之一的位置。
13、一光纤装置包括：
一双凸光学透镜(134；176；179；180；202；220；或230)，具有两个相同的非球面光学表面，其中该透镜第一光学表面的曲率为0.48976mm-1，第一光学表面的二次曲线常数为k＝-1.946435，中心厚度为2.500mm，第二光学表面的曲率为-0.48976mm-1，第二光学表面的二次曲线常数为k＝-1.946435，并且在1550nm处的折射率为1.7028。
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Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7387448B2 (en) 2004-08-17 2008-06-17 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Optical component, method for connecting the same, and optical module having the optical component
CN102253456A (zh) * 2010-05-19 2011-11-23 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 光纤耦合连接器
CN103676040A (zh) * 2012-09-14 2014-03-26 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 硅工作台
TWI480610B (zh) * 2010-06-07 2015-04-11 Hon Hai Prec Ind Co Ltd 光纖耦合連接器
CN107121265A (zh) * 2017-05-10 2017-09-01 深圳市惠富康光通信有限公司 一种C‑lens装配工艺的检测设备和控制方法
CN112630893A (zh) * 2020-12-24 2021-04-09 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种非接触式高效光能量传输方法
CN115201968A (zh) * 2022-06-14 2022-10-18 核工业理化工程研究院 一种光纤耦合器及其应用

Families Citing this family (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4134902B2 (ja) * 2003-03-20 2008-08-20 日本電気硝子株式会社 光コリメータ
WO2004083924A1 (ja) * 2003-03-20 2004-09-30 Nippon Electric Glass Co., Ltd. 光コリメータ
JPWO2005088369A1 (ja) * 2004-03-16 2008-01-31 住友電気工業株式会社 照射光伝達用光ファイバ及びそれを備えた光照射装置
US7455462B2 (en) * 2004-08-20 2008-11-25 Avago Technologies Fiber Ip (Singapore) Pte. Ltd. Zone two fiber optic cable
US7596072B2 (en) * 2004-12-22 2009-09-29 Seagate Technology Llc Optical recording using a waveguide structure and a phase change medium
GB2428490B (en) * 2005-07-19 2009-06-17 Gigacom Holding Ab Optical assembly
US7295730B2 (en) * 2005-12-02 2007-11-13 Finisar Corporation Glass package for optical device
US20080285927A1 (en) * 2006-04-24 2008-11-20 Sterlite Optical Technologies Ltd. Single Mode Optical Fiber Having Reduced Macrobending and Attenuation Loss and Method for Manufacturing the Same
US7474820B2 (en) 2006-04-27 2009-01-06 Invuity, Inc. Micro-optic adapters and tips for surgical illumination fibers
US7920763B1 (en) 2007-02-09 2011-04-05 Agiltron, Inc. Mode field expanded fiber collimator
JP5140396B2 (ja) * 2007-11-28 2013-02-06 富士フイルム株式会社 光コネクタおよびこれを用いる光断層画像化装置
US7660498B2 (en) * 2008-04-15 2010-02-09 Finisar Corporation Multimode reflective tap
EP2656137B1 (en) * 2010-12-21 2015-09-16 OFS Fitel, LLC Multicore collimator
US8498507B2 (en) * 2011-05-13 2013-07-30 Kestrel Labs, Inc. Anti-reflective launch optics for laser to fiber coupling in a photoplethysmograpic device
TWI565994B (zh) * 2012-04-16 2017-01-11 鴻海精密工業股份有限公司 光纖連接器
JP5968033B2 (ja) * 2012-04-18 2016-08-10 アルプス電気株式会社 傾斜面付きレンズの製造方法
KR20140051495A (ko) * 2012-10-12 2014-05-02 한국전자통신연구원 광링크 장애 감시 장치의 성능 향상방법
TWI506318B (zh) * 2012-12-26 2015-11-01 Hon Hai Prec Ind Co Ltd 光纖耦合連接器
CN104238025B (zh) 2013-06-21 2017-12-29 华为技术有限公司 光路处理方法和装置
US9335612B2 (en) * 2013-11-20 2016-05-10 Christie Digital Systems Usa, Inc. System for uniform distribution of light using an array of lenslets
US20160077281A1 (en) * 2014-09-12 2016-03-17 Browave Corporation Variable optical attenuator with wavelength-dependent loss compensation
US9372310B1 (en) * 2014-12-19 2016-06-21 Gooch And Housego Plc Free space fibre-to-fibre coupling using optical fibres below cut-off
WO2018042936A1 (ja) * 2016-08-29 2018-03-08 Tdk株式会社 平凸レンズ、ファイバアレイモジュール及び受光モジュール
US10180544B2 (en) * 2016-11-17 2019-01-15 Corning Optical Communications LLC Micro-optical systems and assemblies using glass tubes and methods of forming same
JP2020042061A (ja) * 2018-09-06 2020-03-19 住友電工デバイス・イノベーション株式会社 発光モジュール

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3941474A (en) * 1968-03-15 1976-03-02 Nippon Selfoc Kabushiki Kaisha Light-conducting glass structures
US4421383A (en) * 1980-01-17 1983-12-20 Gte Laboratories Incorporated Optical fiber connectors
DE3121984A1 (de) * 1981-06-03 1982-12-23 Wacker-Chemie GmbH, 8000 München Zu elastomeren vernetzbare massen
US4953937A (en) * 1988-05-17 1990-09-04 Olympus Optical Co., Ltd. Illumination optical system
US5301249A (en) * 1992-12-31 1994-04-05 Eastman Kodak Company Catoptric coupling to an optical fiber
US5359683A (en) * 1993-06-10 1994-10-25 Advanced Optronics, Inc. 1×N electromechanical optical switch
JP2000506286A (ja) 1996-03-04 2000-05-23 ラクステック コーポレイション ファイバ光結合用のスポットサイズアダプタ
US6005998A (en) * 1998-02-20 1999-12-21 Lucent Technologies Inc. Strictly non-blocking scalable matrix optical switch
JP2000206360A (ja) * 1999-01-18 2000-07-28 Alps Electric Co Ltd 光ファイバ結合装置
US6243508B1 (en) * 1999-06-01 2001-06-05 Picolight Incorporated Electro-opto-mechanical assembly for coupling a light source or receiver to an optical waveguide
US6496623B2 (en) * 2000-03-22 2002-12-17 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Optical device, optical communication component and optical transmission apparatus
US6438290B1 (en) 2000-06-22 2002-08-20 Eastman Kodak Company Micro-aspheric collimator lens
US6568074B1 (en) * 2000-09-15 2003-05-27 Fitel Usa Corp. Method for making planar optical fiber circuits
US20030044118A1 (en) * 2000-10-20 2003-03-06 Phosistor Technologies, Inc. Integrated planar composite coupling structures for bi-directional light beam transformation between a small mode size waveguide and a large mode size waveguide
DE10054552A1 (de) 2000-11-01 2002-05-02 Infineon Technologies Ag Kopplungseinrichtung zur optischen Kopplung versetzt zueinander angeordneter optischer Sende- und Empfangselemente
US6552853B2 (en) * 2000-12-22 2003-04-22 Polaroid Corporation Radiation beam combiner
US6396630B1 (en) * 2001-03-16 2002-05-28 Rose Research, Llc Device and method for a folded transmissive phase retarder
US6587618B2 (en) * 2001-03-16 2003-07-01 Corning Incorporated Collimator array and method and system for aligning optical fibers to a lens array
US6823120B2 (en) * 2002-07-31 2004-11-23 Corning Cable Systems Llc Transmit/receive optical cables

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7387448B2 (en) 2004-08-17 2008-06-17 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Optical component, method for connecting the same, and optical module having the optical component
CN102253456A (zh) * 2010-05-19 2011-11-23 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 光纤耦合连接器
CN102253456B (zh) * 2010-05-19 2013-11-06 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 光纤耦合连接器
TWI480610B (zh) * 2010-06-07 2015-04-11 Hon Hai Prec Ind Co Ltd 光纖耦合連接器
CN103676040A (zh) * 2012-09-14 2014-03-26 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 硅工作台
CN107121265A (zh) * 2017-05-10 2017-09-01 深圳市惠富康光通信有限公司 一种C‑lens装配工艺的检测设备和控制方法
CN107121265B (zh) * 2017-05-10 2020-05-26 深圳市惠富康光通信有限公司 一种C-lens装配工艺的检测设备和控制方法
CN112630893A (zh) * 2020-12-24 2021-04-09 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种非接触式高效光能量传输方法
CN115201968A (zh) * 2022-06-14 2022-10-18 核工业理化工程研究院 一种光纤耦合器及其应用
CN115201968B (zh) * 2022-06-14 2024-04-19 核工业理化工程研究院 一种光纤耦合器及其应用

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