CN2569168Y - 改进的光纤准直器 - Google Patents
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Abstract
一种改进的光纤准直器，主要是由一外套管、一镜片及一光纤头所构成，其特征是该镜片为一非球面透镜，其外径是与外套管的内径相同，并自外套管的第一端套入外套管内固定；外套管内容设该非球面透镜及该光纤头；光纤头外径与外套管内径相同，自外套管的第二端套入其内，并对应非球面透镜而作实时的光学调校程序再予以固定，光纤头固定位置与非球面透镜的间距是调整为等于或大于非球面透镜的有效聚焦长度；该光纤端点的离焦距离Δd控制于30μm≥Δd≥0内，最佳的工作距离随各离焦距离Δd的大小变化而含盖于0mm～140mm中的各种规格，并保持插入损耗在0.15dB以下，以提升光学性能可应用在长工作距离的组件上而增加应用范围，而具实用性。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种光纤准直器，特别涉及一种可提升光学性能而应用在长工作距离组件上的改进的光纤准直器。
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)的结构或制造技术，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，并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”创作专利(申请案号090128544)，2001年1月2日公告US6,168,319B1“SYSTEM AND METHOD FOR ALIGNING OPTICAL FIBERCOLLIMATORS”创作专利等，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，相对地增加生产麻烦。
(3)、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-port Optical Device)上，且使用品质无法合乎所求。于是，为克服上述缺点，本创作人经深入研究开发，终有本实用新型产生。
发明内容
本实用新型是要提供一种改进的光纤准直器，已解决使其提升光学性能而应用在长工作距离的组件上增加应用范围的技术问题。
解决上述技术问题所采用的技术方案是这样的：
一种改进的光纤准直器，主要是由一外套管、一镜片及一光纤头所构成，其特征是：
该镜片为一非球面透镜，其外径是与外套管的内径相同，并自外套管的第一端套入外套管内固定；
该外套管，其管内容设非球面透镜及一光纤头；
该光纤头，其外径是与外套管的内径相同，自外套管的第二端套入外套管内，并对应该非球面透镜而作实时的光学调校程序再予以固定，且光纤头的固定位置与非球面透镜的间距是调整为等于或大于该非球面透镜的有效聚焦长度；
而由上述的结构，使光纤端点的离焦距离被控制于一定范围内，使所设定完成的光纤准直器的最佳工作距离能随离焦距离的大小变化而含盖较大范围中的各种规格，而可提升光学性能，及可应用在长工作距离的组件上而增加应用范围；
该光纤头的固定位置与非球面透镜的间距较该非球面透镜有效聚焦长度大于的部分以不超过30μm为最佳；
该光纤端点的离焦距离Δd是在30μm≥Δd≥0的范围内；
该光纤准直器最佳工作距离是在0mm～140mm范围中，并保持插入损耗在0.15dB以下；
该非球面透镜为一近乎零像差的模造非球面玻璃透镜；
该外套管为不锈钢材质；
该外套管为一玻璃材质；
该光纤头及非球面透镜是以UV胶分别固定于外套管内；
在外套管的光纤头与非球面透镜间的长度中设有一保持内部气压与外部相同的通气孔，而提高环境因素的可靠度。
本实用新型主要是利用一外套管、一非球面透镜及一光纤头所构成，而外套管的内径是与光纤头及非球面透镜的外径相同，使光纤头及非球面透镜可分别由外套管的两端套入外套管内而固定，其中光纤头是对应该已固定的非球面透镜而作实时的光学调校程序，以调整其固定位置，并使光纤头与非球面透镜的间距调整为等于或大于该非球面透镜的有效聚焦长度(EFL)，且使其大于的部分以不超过30μm为最佳，可由上述的结构，使光纤端点的离焦距离Δd控制在30μm≥Δd≥0的一定范围内，使所设定完成的各光纤准直器的最佳的工作距离可随之而含盖0mm～140mm的较大范围中的各种规格，并保持插入损耗在0.15dB以下，从而解决了使其提升光学性能而应用在长工作距离的组件上增加应用范围的技术问题。
本实用新型结构简单，其光纤准直器系统的工作距离可由光纤端点的离焦距离(Δd)的有效控制，而使所要求的工作距离规格能含盖从0mm到140mm的较大范围，并保持插入损耗在0.15dB以下，可有效提升光学性能，并可应用在长工作距离的组件上，如光循环器、光交错器、光交换器等多信道光组件；且由于使用非球面玻璃透镜，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，此为本实用新型的优点。
附图说明
图1是已知光纤准直器的剖面图。
图2是一非球面透镜的光学特性一示意图。
图3是本实用新型一光纤准直器的分解剖面示意图。
图4是本实用新型一光纤准直器的组合剖面示意图。
具体实施方式
如图2所示，为一非球面透镜的光学特性，用以说明本实用新型结构的技术原理，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；当自光纤端点点(Fiber Tip)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；又以单模光纤(single-mode fiber)而言，可得知其中ω2与ω1、f、Δd(Δd＝d1-f)等相互间关在的计算公式。又由上述光学特性可知，当利用一非球面透镜于光纤准直器时，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)，以分析经过透镜后的各种聚焦状况，可分为d1＝f时的Δd＝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，分别说明其结果：
例(1)：当d1＝f时，Δd＝0，此时聚焦点在离透镜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f处，即最佳工作距离愈来愈大，此时有渐小光斑大小(spot size)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f处，有很小光斑大小(spot size)及很大的散射角；
例(4)：当d1＜f时，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。而本实用新型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)。
如图3、4所示，本实用新型改进的光纤准直器，主要是利用一外套管(Holder)30、一非球面透镜(Aspherical Lens)40及一光纤头51所构成，其中，该非球面透镜40的外径是与外套管30内径相同，使非球面透镜40可自外套管30的第一端31套入外套管30内并固定住；而光纤50的光纤头51的外径是与外套管30的内径相同，可自外套管30的第二端32套入外套管30内并固定住，又其中，该光纤头51是对应该非球面透镜40而作实时的光学调校程序而再固定于外套管30内，且光纤头51的固定位置与非球面透镜40的间距是特别调整为等于或大于该非球面透镜的有效聚焦长度(Effective Focal Length，EFL)，而其中大于的部分以不超过30μm为最佳，则由上述的结构，因光纤端点的离焦距离Δd(Δd＝d1-f，而d1为光纤端点点52至非球面透镜40的间距)已被控制于一定范围内如30μm≥Δd≥0，使所设定完成的各光纤准直器的最佳工作距离(Working Distance)能随各离焦距离Δd的大小变化，进而含盖较大范围如0mm～140mm中的各种规格(可由光学仪器逐一检测出各光纤准直器的工作距离)，并保持插入损耗在0.15dB以下，以提升光学性能，并可应用在长工作距离的组件上而增加应用范围。
又该非球面透镜(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)；而外套管30可为不锈钢或玻璃材质制成，其中并以玻璃材质为佳，当光纤头51的固定位置与非球面透镜40的间距在作调整控制时(即令该间距控制在等于或大于该非球面透镜的有效聚焦长度，且令大于的部分以不超过30μm为最佳)，可利用精密仪器配合而由外套管30的玻璃管外侧直接检测；又光纤头51及非球面透镜40可分别以UV胶固定于外套管30内。又光纤头51与非球面透镜40之间的外套管30长度中设有一适当大小的通气孔33，以保持其内部气压与外部相同，以提高环境因素的可靠度。
由于本实用新型光纤准直器系统的工作距离可由光纤端点的离焦距离(Δd)的有效控制，而使所要求的工作距离规格能含盖从0mm到140mm的较大范围，并保持插入损耗在0.15dB以下，因此本实用新型的结构设计，可有效提升光学性能，并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)。
而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；然而，本实用新型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，此为本实用新型的优点。
以上所述，仅为本实用新型的实施例而已，非为限定本实用新型的实施范围；大凡熟悉该项技艺的人士，其依本实用新型的特征范畴，所作的其它等效变化或修饰，皆应涵盖在本实用新型申请专利范围内。
综上所述，本实用新型的确能由上述所揭示的结构达到所预期的功效，且本实用新型申请前未见于刊物亦未公开使用，已符合实用新型专利的新颖性、先进性等要件，故依法提出实用新型专利申请。
Claims (9)
1、一种改进的光纤准直器，主要是由一外套管、一镜片及一光纤头所构成，其特征是：
该镜片为一非球面透镜，其外径是与外套管的内径相同，并自外套管的第一端套入外套管内固定；
该外套管，其管内容设非球面透镜及一光纤头；
该光纤头，其外径是与外套管的内径相同，自外套管的第二端套入外套管内，并对应该非球面透镜而作实时的光学调校程序再予以固定，且光纤头的固定位置与非球面透镜的间距是调整为等于或大于该非球面透镜的有效聚焦长度。
2、根据权利要求1所述的改进的光纤准直器，其特征是：该光纤头的固定位置与非球面透镜的间距较该非球面透镜有效聚焦长度大于的部分以不超过30μm为最佳。
3、根据权利要求1所述的改进的光纤准直器，其特征是：该光纤端点的离焦距离Δd是在30μm≥Δd≥0的范围内。
4、根据权利要求1所述的改进的光纤准直器，其特征是：该光纤准直器最佳工作距离是在0mm～140mm范围中，并保持插入损耗在0.15dB以下。
5、根据权利要求1所述的改进的光纤准直器，其特征是：该非球面透镜为一近乎零像差的模造非球面玻璃透镜。
6、根据权利要求1所述的改进的光纤准直器，其特征是：该外套管为不锈钢材质。
7、根据权利要求1所述的改进的光纤准直器，其特征是：该外套管为一玻璃材质。
8、根据权利要求1所述的改进的光纤准直器，其特征是：该光纤头及非球面透镜是以UV胶分别固定于外套管内。
9、根据权利要求1所述的改进的光纤准直器，其特征是：在外套管的光纤头与非球面透镜间的长度中设有一保持内部气压与外部相同的通气孔。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN 02252544 CN2569168Y (zh) | 2002-09-06 | 2002-09-06 | 改进的光纤准直器 |
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| CN105974525A (zh) * | 2016-07-28 | 2016-09-28 | 福建福晶科技股份有限公司 | 一种使用锥形透镜的光纤准直器 |
| CN107991773A (zh) * | 2017-11-30 | 2018-05-04 | 上海伟钊光学科技股份有限公司 | 光纤光程池的制作方法 |
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2002
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