DE10248778A1

DE10248778A1 - Optische Vorrichtung

Info

Publication number: DE10248778A1
Application number: DE10248778A
Authority: DE
Inventors: Kenji Mori; Terufusa Kunisada; Toshiaki Anzaki; Masahiro Oikawa
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 2001-10-18
Filing date: 2002-10-18
Publication date: 2003-04-30
Also published as: US20030103726A1; JP2003195006A; CA2408736A1; FR2831276A1

Abstract

Die optische Vorrichtung, die den Reflexionsgrad über einen breiten Wellenlängenbereich verringern kann, weist einen Antireflexionsfilm (25) auf, der zwischen einer Stablinse (22) und einer optischen Faser (23) angeordnet ist. Der Antireflexionsfilm (25) umfaßt eine Vielzahl von Schichten. Die Brechzahl der an die optische Faser (23) angrenzenden Schicht wird zur Übereinstimmung mit der der optischen Faser gebracht, während die Brechzahl der an die Stablinse (22) angrenzenden Schicht zur Übereinstimmung mit der der Stangenlinse gebracht wird. Die Brechzahlen der Schichten werden so eingestellt, daß die Brechzahl der optischen Faser (23) und die der Stablinse miteinander verbunden sind, um eine stetige Kurve zu bilden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung, die zwei optische Elemente mit jeweils unterschiedlicher Brechzahl aufweist, insbesondere eine optische Vorrichtung, bei der Licht von einem optischen Element in das andere optische Element geleitet wird.
Bei einer herkömmlichen optischen Vorrichtung werden zwei optische Elemente durch einen Kleber in der später beschriebenen Weise miteinander verbunden. In der japanischen Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift Nr. 2-27301 ist eine optische Vorrichtung beschrieben, die hier als ein erstes Beispiel aus dem Stand der Technik aufgenommen ist. Bei diesem ersten Beispiel aus dem Stand der Technik weisen zwei Prismen jeweils einen Antireflexionsfilm auf, der auf einer Oberfläche derselben gebildet ist, und diese Antireflexionsfilme sind durch einen Kleber miteinander verbunden. Die Antireflexionsfilme sollen eine Brechzahl aufweisen, die ein Zwischenwert zwischen der Brechzahl der Prismen und der des Klebers ist.
In der japanischen Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift Nr. 7-225301 ist eine optische Vorrichtung beschrieben, die hier als zweites Beispiel aus dem Stand der Technik aufgenommen ist. Bei diesem zweiten Beispiel aus dem Stand der Technik weist ein erstes Glasmaterial einen auf diesem gebildeten zweischichtigen Antireflexionsfilm auf, der durch einen Kleber mit einem zweiten Glasmaterial verbunden ist. Zum Verbinden wird ein Kleber mit einer Brechzahl verwendet, die sich von der des zweiten Glasmaterials um 0,1 oder weniger unterscheidet.
Die japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift Nr. 7-225301 beschreibt eine optische Vorrichtung, die hier als drittes Beispiel aus dem Stand der Technik aufgenommen ist. Bei diesem dritten Beispiel aus dem Stand der Technik wird ein auf einem ersten Glasmaterial gebildeter zweischichtiger Antireflexionsfilm durch einen Kleber mit einem auf einem zweiten Glasmaterial gebildeten zweischichtigen Antireflexionsfilm verbunden.
Es ist eine optische Vorrichtung bekannt, die hier als viertes Beispiel aus dem Stand der Technik aufgenommen ist, bei der ein Antireflexionsfilm auf einer Endfläche einer Stangen- bzw. Stablinse mit Gradient-Index durch einen Kleber mit einer optischen Faser verbunden ist, wobei der Kleber eine Brechzahl aufweist, die etwa der der optischen Faser entspricht.
Ebenso ist eine optische Vorrichtung bekannt, die hier als fünftes Beispiel aus dem Stand der Technik aufgenommen ist und eine einzige optische Schicht aufweist, die zwischen einer Stangenlinse mit Gradient-Index und einer optischen Faser oder zwischen einer Stangenlinse und einem Kleber angeordnet ist und eine Brechzahl aufweist, die ein Zwischenwert der Brechzahl der Stangenlinse und der der optischen Faser ist.
Diese Beispiele aus dem Stand der Technik bringen jedoch die folgenden Schwierigkeiten mit sich:

1. Bei der optischen Vorrichtung gemäß dem ersten Beispiel aus dem Stand der Technik sind, da die Brechzahl des Antireflexionsfilms ein Zwischenwert der Brechzahl des Prismas und der des Klebers ist, Sprünge (Differenz) zwischen der Brechzahl des Antireflexionsfilms und der des Klebers sowie zwischen der Brechzahl des Antireflexionsfilms und der des Prismas vorhanden. Somit kann die Reflexion an der Grenzfläche zwischen dem Antireflexionsfilm und dem Kleber sowie die Reflexion an der Grenzfläche zwischen dem Antireflexionsfilm und dem Prisma nicht vollständig verringert werden, was zu einem unzureichenden Reflexionsverhinderungsvermögen führt.
2. Bei den gemäß dem zweiten und dritten Beispiel aus dem Stand der Technik beschriebenen optischen Vorrichtungen weisen die etwa zwei bis vier Schichten umfassenden Antireflexionsfilme enge Antireflexions-Wellenlängenbereiche auf und lassen in hohem Maße Reflexionen von Licht mit Wellenlängen zu, die nicht im vorgesehenen Wellenlängenbereich liegen. Unterdessen kann bei der optischen Vorrichtung gemäß dem fünften Beispiel aus dem Stand der Technik eine Reflexion von Licht mit Wellenlängen um den vorgesehenen Bereich herum verhindert werden, aber je weiter dieses vom vorgesehenen Wellenlängenbereich entfernt ist, desto schlechter werden die Reflexionseigenschaften, da die optische Vorrichtung einen engen Antireflexions-Wellenlängenbereich aufweist.
3. Bei der optischen Vorrichtung gemäß dem vierten Beispiel aus dem Stand der Technik ist die Brechzahl der Stangenlinse höher als die der optischen Faser und die des Klebers. Diese Brechzahlabweichung verursacht Verluste an der Grenzfläche zwischen dem Kleber und dem Antireflexionsfilm, d. h. an der Grenzfläche zwischen der optischen Faser und der Stangenlinse, so daß keine ausreichende Verminderung von Reflexionen an der Grenzfläche erreicht wird. Daher sollte eine Gegenmaßnahme ergriffen werden, um zu verhindern, daß das an der Grenzfläche zwischen der optischen Faser und dem Antireflexionsfilm reflektierte Licht zur Lichtquellenseite zurückkehrt. Eine Bearbeitung der optischen Vorrichtung zu diesem Zweck verkompliziert das Verfahren zur Herstellung der optischen Vorrichtung.
4. Bei jedem der Beispiele aus dem Stand der Technik wurde die Brechzahl des Antireflexionsfilms durch sein auszuwählendes Material bestimmt. Daher ist es schwierig, die Brechzahl des Antireflexionsfilms auf einen gewünschten Wert einzustellen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine optische Vorrichtung bereitzustellen, die Reflexionen an einer Grenzfläche in hohem Maße vermindern, die Brechzahl von Licht über einen breiten Wellenlängenbereich herabsetzen und auf eine Gegenmaßnahme zum Verhindern von Rückreflexionen verzichten kann und die eine uneingeschränkte Auswahl der Brechzahl des Antireflexionsfilms ermöglicht, wenn dieser gebildet werden soll.
Die Aufgabe wird durch eine optische Vorrichtung gemäß Anspruch 1, 7 oder 19 gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Um die obige Aufgabe zu lösen, stellt die vorliegende Erfindung eine optische Vorrichtung bereit, bei der Licht von einem ersten optischen Element mit einer ersten Brechzahl in ein zweites optisches Element mit einer zweiten Brechzahl, die sich von der ersten Brechzahl unterscheidet, geleitet wird. Die optische Vorrichtung umfaßt einen Antireflexionsfilm, der zwischen dem ersten optischen Element und dem zweiten optischen Element angeordnet ist. Der Antireflexionsfilm weist eine erste Grenzfläche gegenüber dem ersten optischen Element und eine zweite Grenzfläche gegenüber dem zweiten optischen Element auf. Die erste Grenzfläche hat eine Brechzahl, die im wesentlichen gleich der ersten Brechzahl ist, die zweite Grenzfläche hat eine Brechzahl, die im wesentlichen gleich der zweiten Brechzahl ist. Die Brechzahl des Antireflexionsfilms ändert sich kontinuierlich zwischen der ersten Grenzfläche und der zweiten Grenzfläche.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist eine optische Vorrichtung vorgesehen, bei der Licht von einem ersten optischen Element mit einer ersten Brechzahl in ein zweites optisches Element mit einer zweiten Brechzahl, die sich von der ersten Brechzahl unterscheidet, geleitet wird. Die optische Vorrichtung umfaßt einen Antireflexionsfilm, der zwischen dem ersten optischen Element und dem zweiten optischen Element angeordnet ist. Der Antireflexionsfilm umfaßt eine Vielzahl von Schichten, einschließlich einer ersten Schicht gegenüber dem ersten optischen Element und einer zweiten Schicht gegenüber dem zweiten optischen Element. Die erste Schicht weist eine Brechzahl auf, die im wesentlichen gleich der ersten Brechzahl ist, und die zweite Schicht hat eine Brechzahl, die im wesentlichen gleich der zweiten Brechzahl ist. Die Brechzahl des Antireflexionsfilms ändert sich monoton zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht.
Andere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung in Zusammenschau mit den beigefügten Zeichnungen hervor, welche die Grundlagen der Erfindung beispielhalber veranschaulichen. Von den Figuren zeigen:
Die Merkmale der vorliegenden Erfindung, die als neu erachtet werden, sind in den beigefügten Ansprüchen noch näher ausgeführt. Die Erfindung, zusammen mit ihren Zielen und Vorteilen, ist am besten unter Bezugnahme auf die nachfolgende Beschreibung der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen zusammen mit den beigefügten Zeichnungen verständlich. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht, die einen Kollimator für eine optische Faser gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 2 eine vergrößerte Teilansicht von Fig. 1;
Fig. 3 ein Diagramm, das einen Brechzahlverlauf eines Antireflexionsfilms gemäß der ersten Ausführungsform zeigt;
Fig. 4A bis 4E Diagramme, welche die Brechzahlverläufe von Antireflexionsfilmen gemäß der ersten Ausführungsform zeigen;
Fig. 5A bis 5E Diagramme, die Reflexionseigenschaften der in den Fig. 4A bis 4E gezeigten Antireflexionsfilme darstellen;
Fig. 6A bis 6E Diagramme, die Brechzahlverläufe von Antireflexionsfilmen gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen;
Fig. 7A bis 7E Diagramme, die Reflexionseigenschaften der in den Fig. 6A bis 6E gezeigten Antireflexionsfilme darstellen;
Fig. 8A bis 8E Diagramme, die Brechzahlverläufe von Antireflexionsfilmen gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen;
Fig. 9A bis 9E Diagramme, die Reflexionseigenschaften der in den Fig. 8A bis 8E gezeigten Antireflexionsfilme darstellen,
Fig. 10A ein Diagramm, das einen Brechzahlverlauf eines Antireflexionsfilms aus Beispiel 1 zeigt;
Fig. 10B ein Diagramm, das Reflexionseigenschaften des Antireflexionsfilms aus Beispiel 1 zeigt;
Fig. 11A ein Diagramm, das einen Brechzahlverlauf eines Antireflexionsfilms aus Beispiel 2 zeigt;
Fig. 11 B ein Diagramm, das Reflexionseigenschaften des Antireflexionsfilms aus Beispiel 2 zeigt;
Fig. 12A ein Diagramm, das einen Brechzahlverlauf eines Antireflexionsfilms aus Beispiel 3 zeigt;
Fig. 12B ein Diagramm, das Reflexionseigenschaften des Antireflexionsfilms aus Beispiel 3 zeigt;
Fig. 13A ein Diagramm, das eine Brechzahlverlauf eines Antireflexionsfilms aus Beispiel 4 zeigt;
Fig. 13B ein Diagramm, das Reflexionseigenschaften des Antireflexionsfilms aus Beispiel 4 zeigt;
Fig. 14A ein Diagramm, das eine Brechzahlverlauf eines Antireflexionsfilms gemäß einem Vergleichsbeispiel zeigt, und
Fig. 14B eine Kurve, die Reflexionseigenschaften des Antireflexionsfilms gemäß einem Vergleichsbeispiel zeigt.
Eine optische Vorrichtung oder ein Optikfaserkollimator 21 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend beschrieben. Wie in Fig. 1 gezeigt, umfaßt der Optikfaserkollimator 21 bzw. der Kollimator 21 für eine optische Faser ein Glasrohr 24, ein in dem Glasrohr 24 enthaltenes optisches Element, d. h. eine Stangenlinse 22 mit Gradient-Index (GRIN), und ein anderes optisches Element, das mit der Stangenlinse 22 verbunden ist, d. h. eine Einmoden- Optikfaser 23.
Auf der linken Endfläche der Stangenlinse 22 ist ein Antireflexionsfilm bzw. ein reflexmindernder Film 25 gebildet. Die optische Faser 23 ist in eine in einer Glaskapillare 26 definierte Einsetzöffnung eingesetzt. Die rechte Endfläche der optischen Faser 23 ist so poliert, daß sie senkrecht zur optischen Achse der optischen Faser 23 ist. Die rechte Endfläche der optischen Faser 23 und die Kapillare 26 sind durch einen (nicht gezeigten) ultravioletthärtenden optischen Kleber mit dem Antireflexionsfilm 25 verbunden. Der Kleber wird durch Ultraviolett- Strahlung ausgehärtet, um den Antireflexionsfilm 25 an der optischen Faser 23 und der Kapillare 26 zu fixieren.
Aus einem Paar Faserkollimatoren 21 für eine optische Faser wird eine Kollimatoroptikvorrichtung gebildet. Bei dieser Kollimatoroptikvorrichtung wird das aus der eingangsseitigen optischen Faser 23 austretende Licht durch die eingangsseitige Stangenlinse 22 in paralleles Licht umgewandelt. Das parallele Licht wird durch die akzeptorseitige (bzw. empfangsseitige) Stangenlinse 22 konvergent gemacht und zur rezeptorseitigen (bzw. emfpangsseitigen) optischen Faser 23 geleitet. Zwischen diesen beiden Stangenlinsen 22 ist eine Vorrichtung mit einer optischen Funktion (z. B. ein Optikfilter, ein Optikisolator, ein Optikschalter und ein Optikmodulator) zwischengeschaltet. Die Vorrichtung mit einer optischen Funktion übt eine vorbestimmte Wirkung auf das durch die eingangsseitige optische Faser 23 transmittierte Licht aus. Das resultierende Licht wird zur rezeptorseitigen optischen Faser transmittiert.
Fig. 2 ist eine vergrößerte Darstellung des eingekreisten Abschnitts X in Fig. 1, die den rechten Endabschnitt der optischen Faser 23 und den Antireflexionsfilm 25 zeigt. Der Antireflexionsfilm 25 ist ein mehrschichtiger Film, der durch Laminieren von n Schichtlagen (L1, L2, L3 . . . Ln) gebildet ist. Die Brechzahl einer ersten Schicht L1, welche die Grenzfläche 27 zwischen dem Antireflexionsfilm 25 und der optischen Faser 23 bildet, ist im wesentlichen gleich der Brechzahl n1 der optischen Faser. Die Brechzahl einer zweiten Schicht Ln, welche die Grenzfläche 28 zwischen dem Antireflexionsfilm 25 und der Stangenlinse 22 bildet, ist im wesentlichen gleich der Brechzahl n2 der Stangenlinse 22. Die Brechzahlen eines oder mehrerer dritter Filme, die zwischen der Schicht L1 und der Schicht Ln (L2 bis Ln-1) gebildet sind, sind so gewählt, daß sie sich allmählich von der Brechzahl n1 der optischen Faser 23 zur Brechzahl n2 der Stangenlinse hin verändern.
Wenn der Antireflexionsfilm 25 eine ausreichend große Anzahl Schichten n aufweist, ändert sich die Brechzahl des Antireflexionsfilms 25 kontinuierlich, wie in Fig. 3 gezeigt. Bei der ersten Ausführungsform kann die Brechzahlverteilung (bzw. der Brechzahlverlauf) des Antireflexionsfilms 25 durch eine Funktion ausgedrückt werden, die von einem Wert, der im wesentlichen gleich der Brechzahl n1 der optischen Faser 23 ist, bis zu dem Wert, der im wesentlichen gleich der Brechzahl n2 der Stangenlinse 22 ist, monoton ansteigt, insbesondere durch einen linearen Ausdruck, der sich linear verändert. Mit anderen Worten, der Antireflexionsfilm 25 ist ein Gradient-Index-Film, der sich zwischen n1 und n2 verändert.
Die Fig. 4A bis 4E sind Diagramme, die Änderungen der Brechzahl (Brechzahlverteilung) von Antireflexionsfilmen 25 entlang deren jeweiligen optischen Achsen zeigen, wobei die Dicke des Antireflexionsfilms 25 (d. h. der Abstand von der Endfläche der optischen Faser 23, die als eingangsseitiges Medium dient) an der Abszisse und die Brechzahl an der Ordinate aufgetragen ist.
Die Fig. 5A bis 5E sind Diagramme, die Reflexionseigenschaften der in den Fig. 4A bis 4E gezeigten Antireflexionsfilme 25 darstellen, wobei die Wellenlänge an der Abszisse und der Reflexionsgrad an der Ordinate aufgetragen ist. Der Reflexionsgrad (dB) wurde durch Messung der Rückreflexion von der Grenzfläche 27 zwischen dem Antireflexionsfilm 25 und der optischen Faser 23 bestimmt, wie dies später noch beschrieben wird. Auf dem Gebiet der optischen Kommunikation ist ein Reflexionsgrad von -45 bis -55 dB oder weniger über den Wellenlängenbereich von 1300 bis 1700 nm erforderlich. Die Mitte des Reflexionsgrades wurde daher bei -50 dB als Referenzniveau für den Reflexionsgrad gesetzt, und in den Fig. 5A bis 5E sind Bezugsmarken 40 angegeben, um die Höhe des Reflexionsgrades und den Wellenlängenbereich zu zeigen. Die gestrichelte Linie in Fig. 5A zeigt den ohne den Antireflexionsfilm 25 gemessenen Reflexionsgrad.
Die in den Fig. 4A bis 4E gezeigten Antireflexionsfilme 25 wurden jeweils durch Laminieren von 49 Schichtlagen gebildet. Der Antireflexionsfilm 25 aus Fig. 4A weist eine Filmdicke von 498 nm auf. Dabei entspricht die Dicke jeder Schicht dem 0,01- fachen einer Wellenlänge von 1550 nm. Der Antireflexionsfilm 25 aus Fig. 4B weist eine Filmdicke von 996 nm auf. Dabei entspricht die Dicke jeder Schicht dem 0,02- fachen einer Wellenlänge von 1550 nm. Der Antireflexionsfilm 25 aus Fig. 4C weist eine Filmdicke von 1494 nm auf. Dabei entspricht die Dicke jeder Schicht dem 0,03- fachen einer Wellenlänge von 1550 nm. Der Antireflexionsfilm 25 aus Fig. 4D weist eine Filmdicke von 2489 nm auf. Dabei entspricht die Dicke jeder Schicht dem 0,1- fachen einer Wellenlänge von 1550 nm. Der Antireflexionsfilm 25 aus Fig. 4E weist eine Filmdicke von 9957 nm auf. Dabei entspricht die Dicke jeder Schicht dem 0,2- fachen einer Wellenlänge von 1550 nm.
Bei der, ersten Ausführungsform wird die Brechzahl jedes Antireflexionsfilms 25 durch einen linearen Ausdruck ausgedrückt, der linear ansteigt. Wichtig ist dabei, daß keine abrupte Änderung der Brechzahl an den Grenzflächen 27 und 28 erfolgt und daß der Antireflexionsfilm 25 zumindest eine vorbestimmte Filmdicke aufweist.
Beispielsweise ist es, wie in den Fig. 4A bis 4C gezeigt, in den Fällen, in denen die Antireflexionsfilme 25 eine Dicke von weniger als 2000 nm aufweisen, schwierig, den Reflexionsgrad über den gesamten Wellenlängenbereich von 1300 bis 1700 nm auf -50 dB oder weniger zu verringern, wie dies aus den Kurven der Fig. 5A bis 5C hervorgeht, während der Reflexionsgrad für den Fall, daß die Antireflexionsfilme 25 Filmdickewerte von 2489 nm (ca. 2500 nm) und 9957 nm (ca. 10000 nm) aufweisen, wie in den Fig. 4D und 4E gezeigt, über den gesamten Wellenlängenbereich von 1300 bis 1700 nm auf -50 dB oder weniger verringert werden kann, wie den Kurven der Fig. 5D und 5E zu entnehmen ist.
Wenn also ein Antireflexionsfilm 25 eine Brechzahlverteilung aufweist, die durch einen linearen Ausdruck ausgedrückt wird, ist die Dicke des Antireflexionsfilms 25 vorzugsweise 2000 nm oder mehr und besonders bevorzugt 10000 nm (10 µm) oder mehr.

Herstellung eines Antireflexionsfilms

Als nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung des Antireflexionsfilms 25 mit einer Brechzahlverteilung, die durch einen linearen Ausdruck ausgedrückt wird, beschrieben.
Der Antireflexionsfilm 25 wird z. B. dadurch gebildet, daß Ziel- bzw. Targetmaterialien zum Bilden des Films mit unterschiedlichen Brechzahlen einer gleichzeitigen elektrischen Entladung und einer Steuerung der Entladungsausgangsleistungen unterzogen werden. Beispielsweise werden die folgenden Mischfilme durch reaktives Sputtern mit Sauerstoff als Reaktionsgas, ausgedrückt durch das folgende Reaktionsschema, gebildet:

Si + Ti + O₂ → Si_xTi_yO_z

Si + Al + O₂ → Si_xAl_yO_z (Mischfilm aus Aluminiumoxid),

worin Si_xTi_yO_z ein dünner Film ist, der ein Gemisch von Siliciumoxid und Titanoxid umfaßt. Si_xAl_yO_z ist ein dünner Film, der ein Gemisch von Siliciumoxid und Aluminiumoxid umfaßt.
Bei der ersten Ausführungsform können die folgenden Vorteile erreicht werden:

1. Da die Brechzahlen des Antireflexionsfilms 25 an den Grenzflächen 27 und 28 im wesentlichen gleich der Brechzahl n1 der optischen Faser 23 bzw. der Brechzahl n2 der Stangenlinse 22 sind, wird an jeder der Grenzflächen 27 und 28 eine Brechzahlanpassung erreicht.
Damit wird vollständig verhindert, daß an den Grenzflächen 27 und 28 Reflexionen oder Verluste auftreten.
2. Da die Brechzahlverteilung des Antireflexionsfilms 25 zwischen den Grenzflächen 27 und 28 durch den linearen Ausdruck ausgedrückt wird, können Reflexionen über einen breiten Wellenlängenbereich vollständig vermindert bzw. verhindert werden. Dies ermöglicht es, einen Antireflexionsfilm 25 bei jeder beliebigen Wellenlänge innerhalb des breiten Wellenlängenbereiches zu verwenden. Beispielsweise kann ein Kollimator 21 für eine optische Faser, der einen Antireflexionsfilm 25 aufweist, in einem dichten Wellenlängenmultiplexsystem (DWDM-System, dense wavelength-division multiplexing system) den Reflexionsgrad auf ein niedriges Niveau verringern, und zwar nicht nur über die Signalwellenlängenbereiche (1310 nm Band, 1550 nm Band), sondern auch über den Wellenlängenbereich des Anregungslichts (980 nm), das von einem mit Erbium dotierten faseroptischen Verstärker emittiert wird.
3. Da Reflexionen an den Grenzflächen 27 und 28 unterdrückt werden, wird das Licht, das an der Grenzfläche 27 reflektiert und zur Lichtquelle zurückkehrt, verringert. Dadurch kann auf eine Maßnahme zum Verhindern von Rückreflexionen verzichtet werden. Beispielsweise kann auf eine diagonale Polierbehandlung der Endfläche der Stangenlinse 22 oder der optischen Faser 23 zum Verhindern von Rückreflexionen verzichtet werden. Dadurch wird das Verfahren zur Herstellung von Kollimatoren 21 für optische Fasern vereinfacht, was die Herstellungskosten senkt.
4. Ein gewünschter Gradient in dem bzw. des linearen Ausdrucks, der die Brechzahlverteilung angibt, kann durch eine geeignete Wahl des Materials der den Antireflexionsfilm 25 bildenden Schichten und der Anzahl der Schichten erhalten werden. Dies führt zu einer größeren Freiheit bei der Entwicklung des Antireflexionsfilms 25.
5. Da der Antireflexionsfilm 25 eine Filmdicke von etwa 10000 nm (10 µm) oder mehr aufweist, kann der Verlust (Reflexion) über den gesamten Wellenlängenbereich von 1300 bis 1700 nm auf -50 dB oder weniger vermindert werden.

Nachfolgend werden eine zweite und eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die gleichen oder ähnliche Elemente wie die bei der ersten Ausführungsform verwendeten sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Es wird ein Kollimator 21 für eine optische Faser gemäß der zweiten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Fig. 6A bis 6E und 7A bis 7E beschrieben. Der Kollimator 21 für eine optische Faser weist einen zwischen einer Stangenlinse 22 und einer optischen Faser 23 angeordneten Antireflexionsfilm 25 auf. Der Antireflexionsfilm 25 weist eine Brechzahl auf, die durch ein Polynom fünften Grades ausgedrückt wird, das monoton ansteigt. Die Kurven in den Fig. 6A bis 6E zeigen Brechzahlverteilungen von Antireflexionsfilmen 25. Die Kurven in den Fig. 7A bis 7E zeigen Reflexionseigenschaften der Antireflexionsfilme 25, die in den Fig. 6A bis 6E dargestellt sind.
Die in 6A bis 6E gezeigten Antireflexionsfilme 25 werden jeweils durch Laminieren von 49 Schichtlagen gebildet. Bei dem in Fig. 6A gezeigten Beispiel weist der Antireflexionsfilm 25 eine Filmdicke von 498 nm auf. Bei dem in Fig. 6B gezeigten Beispiel hat der Antireflexionsfilm 25 eine Filmdicke von 996 nm. Bei dem in Fig. 6C gezeigten Beispiel weist der Antireflexionsfilm 25 eine Filmdicke von 1494 nm auf. Bei dem in Fig. 6D gezeigten Beispiel hat der Antireflexionsfilm 25 eine Filmdicke von 2490 nm. Bei dem in Fig. 6E gezeigten Beispiel weist der Antireflexionsfilm 25 eine Filmdicke von 9961 nm auf. Die Dicke jeder Schicht des Antireflexionsfilms 25 in den Fig. 6A bis 6E entspricht dem 0,01-, 0,02-, 0,03-, 0,05- bzw. 0,2-fachen der Wellenlänge von 1550 nm.
Die Brechzahl des Antireflexionsfilms gemäß der zweiten Ausführungsform ändert sich stetig, und die Brechzahlverteilung wird durch ein Polynom fünften Grades (Polynomgleichung höheren Grades) ausgedrückt. Es ist wesentlich, daß keine Brechzahlsprünge an der Grenzfläche 27 und an der Grenzfläche 28 vorliegen und daß der Antireflexionsfilm 25 zumindest eine vorbestimmte Filmdicke aufweist.
Wie das Beispiel von Fig. 6A zeigt, ist es, wenn der Antireflexionsfilm 25 eine Filmdicke von etwa 500 nm aufweist, insbesondere unmöglich, den Reflexionsgrad über den gesamten Wellenlängenbereich von 1300 bis 1700 nm auf -50 dB oder weniger zu verringern, wie aus der in Fig. 7A gezeigten Kurve hervorgeht, so daß die Norm auf dem Gebiet der optischen Kommunikation nicht erfüllt wird. Andererseits kann der Reflexionsgrad bei den in den Fig. 6B bis 6E gezeigten Beispielen, in denen die Antireflexionsfilme 25 Filmdickewerte von 10000 oder mehr aufweisen, über den gesamten Wellenlängenbereich von 1300 bis 1700 nm auf -50 dB oder weniger reduziert werden, wie aus den in den Fig. 7B bis 7E gezeigten Kurven hervorgeht.
Wie in Fig. 7E gezeigt, kann, wenn der Antireflexionsfilm 25 eine Filmdicke von etwa 10000 (10 µm) oder mehr aufweist, eine anormale Reflexion erfolgen, z. B. in einem niedrigen Band von etwa 600 nm. Da die Bildung eines Antireflexionsfilms 25 mit einer solchen relativ großen Dicke zudem sehr zeitaufwendig ist, weist der Antireflexionsfilm 25 bevorzugt eine Filmdicke von weniger als etwa 10000 nm auf.
Bei der zweiten Ausführungsform ist daher vorgesehen, daß der Antireflexionsfilm 25 mit einer Brechzahlverteilung, die durch ein Polynom fünften Grades ausgedrückt wird, eine Filmdicke im Bereich von etwa 1000 nm (1 µm) bis etwa 10000 nm aufweist.
Bei der zweiten Ausführungsform können die folgenden Vorteile erreicht werden:

1. Der Antireflexionsfilm 25 hat eine Brechzahlverteilung, die durch ein Polynom fünften Grades ausgedrückt wird, das monoton ansteigt. Wenn die Ableitung (bzw. Ableitungen) des Polynoms fünften Grades an den Grenzflächen 27 und 28 auf Null gesetzt werden, werden Brechzahlsprünge an den Grenzflächen 27 und 28 beseitigt. Dadurch kann das Auftreten von Reflexionen an den Grenzflächen 27 und 28 verhindert werden.
2. Da der Antireflexionsfilm 25 eine Brechzahlverteilung aufweist, die durch ein Polynom fünften Grades ausgedrückt wird, können Änderungen der Brechzahl des Antireflexionsfilms 25 relativ frei eingestellt werden. Beispielsweise kann das Auftreten von Reflexionen über einen relativ breiten Wellenlängenbereich verhindert werden, indem der Antireflexionsfilm 25 so ausgelegt wird, daß er eine Brechzahlverteilung aufweist, die durch ein Polynom fünften Grades ausgedrückt wird, das einer Kurve entspricht, welche die Brechzahl n1 der optischen Faser 23 stetig mit der Brechzahl n2 der Stangenlinse 22 verbindet.
3. Der Antireflexionsfilm 25 weist eine Filmdicke von etwa 1 µm bis etwa 10 µm auf. Dies kann den Verlust (Reflexion) über den gesamten Wellenlängenbereich von 1300 bis 1700 nm auf -50 dB oder weniger verringern, anormale Reflexionen im niedrigen Wellenlängenband verhindern und den Zeitaufwand zur Bildung des Antireflexionsfilms 25 verringern.

Ein Kollimator 21 für eine optische Faser gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 8A bis 8E und 9A bis 9E beschrieben. Der Kollimator 21 für eine optische Faser gemäß der dritten Ausführungsform weist einen Antireflexionsfilm 25 auf, dessen Brechzahl sich schrittweise ändert. Die Fig. 8A bis 8E zeigen Änderungen der Brechzahl entlang der optischen Achse des Antireflexionsfilms 25. Die Fig. 9A bis 9E zeigen Reflexionseigenschaften der Antireflexionsfilme 25, die in den Fig. 8A bis 8E dargestellt sind.
Bei jedem der in den Fig. 8A bis 8E gezeigten Antireflexionsfilme 25 ändert sich die Brechzahl schrittweise entlang der Kurve des Polynoms fünften Grades. Der Antireflexionsfilm 25 hat eine Filmdicke von etwa 2 µm. Bei dem in Fig. 8A gezeigten Antireflexionsfilm 25 ändert sich die Brechzahl schrittweise in 6 Stufen (6 Unterteilungen). Bei dem in Fig. 8B gezeigten Antireflexionsfilm 25 ändert sich die Brechzahl schrittweise in 9 Stufen (9 Unterteilungen). Bei dem in Fig. 8C gezeigten Antireflexionsfilm 25 ändert sich die Brechzahl schrittweise in 14 Stufen (14 Unterteilungen). Bei dem in Fig. 8D gezeigten Antireflexionsfilm 25 ändert sich die Brechzahl schrittweise in 19 Stufen (19 Unterteilungen). Bei dem in Fig. 8E gezeigten Antireflexionsfilm 25 ändert sich die Brechzahl schrittweise in 49 Stufen (49 Unterteilungen).
Im Falle eines Antireflexionsfilms 25 mit 6 Unterteilungen (Fig. 8A) kann der Reflexionsgrad nicht über den gesamten Wellenlängenbereich von 1300 bis 1700 nm auf -50 dB oder weniger verringert werden, wie aus der in Fig. 9A gezeigten Kurve hervorgeht. Bei der dritten Ausführungsform weist der Antireflexionsfilm 25 vorzugsweise eine derart gestufte Brechzahlverteilung auf, daß sich die Brechzahl schrittweise in mindestens 9 Stufen ändert.
Bei der dritten Ausführungsform können die folgenden Vorteile erreicht werden:

1. Die Brechzahl des Antireflexionsfilms 25 ändert sich schrittweise in 9 Stufen gemäß dem Polynom fünften Grades und der Antireflexionsfilm 25 weist eine Filmdicke von etwa 2 µm auf. Damit kann der Verlust (Reflexion) über den gesamten Wellenlängenbereich von 1300 bis 1700 nm auf -50 dB oder weniger verringert werden, wie dies in den Fig. 9B bis 9E gezeigt ist.
2. Wenn sich die Brechzahl des Antireflexionsfilms 25 schrittweise in 14 Stufen oder mehr ändert, erfolgt auch dann keine große Änderung der Reflexionseigenschaften, wenn die Anzahl der Stufen erhöht wird. Mit anderen Worten: wenn sich die Brechzahl schrittweise in 14 Stufen oder mehr ändert, werden Reflexionseigenschaften erhalten, die mit dem Fall vergleichbar sind, in dem sich die Brechzahl nahezu kontinuierlich ändert.

Beispiel 1

Unter Bezugnahme auf die Fig. 10A und 10B wird nun ein Kollimator 21 für eine optische Faser gemäß Beispiel 1 beschrieben. Der Antireflexionsfilm 25 im Kollimator 21 für eine optische Faser gemäß Beispiel 1 weist eine Brechzahlverteilung auf, die durch ein Polynom fünften Grades ausgedrückt wird. Fig. 10A ist ein Diagramm, das Änderungen der Brechzahl des Antireflexionsfilms 25 zeigt, und Fig. 10B ist ein Diagramm, das Eigenschaften des Antireflexionsfilms 25 zeigt.

Bildung des Antireflexionsfilms

Die Bildung des Antireflexionsfilms 25 aus Beispiel 1 erfolgte in einem Karusell- Sputtergerät, das eine gleichzeitige Abscheidung aus einem Kathodenpaar durchführt. An einem in der Kammer vorgesehenen Karussel (einer zylindrischen Halterung) wurde eine Stangenlinse 22 befestigt. Als Zielmaterialien wurden Aluminium (Al) und mit Bor dotiertes Silicium (Si : B) verwendet. Diese beiden Zielmaterialien wurden gleichzeitig einer elektrischen Entladung unterzogen, wobei ein Gasgemisch aus Sauerstoff und Argongas als Gas für die elektrische Entladungsbehandlung verwendet und die Stromversorgung der beiden Kathoden separat gesteuert wurde. Durch diese reaktive Sputterbehandlung wurde ein Mischfilm aus Aluminiumoxid und Siliciumoxid auf einer Endfläche der Stangenlinse 22 gebildet. Die Drehung des Karussels, die Sauerstoffgas- Fließgeschwindigkeit, die Argongas-Fließgeschwindigkeit und der Gasdruck betrugen 200 UpM, 100 sccm, 200 sccm bzw. 10 mTorr. Das Substrat wurde während der Filmbildung nicht erwärmt.
Die Stromversorgung der Kathoden wurde so gesteuert, daß die Al₂O₃-Sputterrate und die SiO₂-Sputterrate angepaßt werden konnten. Dabei wurde das Verhältnis Al₂O₃- Komponente: SiO₂-Komponente in dem Mischfilm so geändert, daß dessen Brechzahl angepaßt ist. Es wurden mehrere Filme mit unterschiedlichen Brechzahlen gebildet.
Vorab wurde der folgende Vorversuch durchgeführt. Unter den zuvor beschriebenen Filmbildungsbedingungen wurden Einzelschicht-Mischfilme auf jeweils an dem Karussel befestigten Si-Substraten gebildet, indem der Wert der Stromversorgung jeder Kathode verändert wurde. Die Brechzahlen der so gebildeten Mischfilme wurden mit einem Spektralellipsometer gemessen. Damit wurde die Beziehung zwischen der Stromversorgung jeder Kathode und der Brechzahl des Mischfilms untersucht. Aufgrund der Beziehung zwischen der Stromversorgung jeder der beiden Kathoden und der Brechzahl des darauf gebildeten Mischfilms wurde die tatsächliche Bildung des Antireflexionsfilms durchgeführt.
Gemäß dem zuvor beschriebenen Verfahren wurde auf einer Endfläche einer Stangen- bzw. Stablinse 22, die eine Mittelbrechzahl n von 1,590 (Spezifikation für ein optisches Kommunikationssystem, das optische Übertragungen bei einem Wellenlängenband von 1550 nm unter Verwendung einer Einmodenglasfaser durchführt) und polierte, parallele Enden aufweist, ein Antireflexionsfilm 25 mit 49 Schichtlagen gebildet. Die Brechzahl des Antireflexionsfilms 25 entlang seiner optischen Achse ändert sich gemäß dem folgenden Polynom fünften Grades (Gleichung 1), worin y für eine Brechzahl und x für den Abstand (nm) von der Grenzfläche 27 steht:

y = 6x⁵ - 14,825x⁴ + 9,6503x³ + 0,2069x²- 0,0321x (Formel 1)
Fig. 10A zeigt eine Brechzahlverteilung (X beträgt 1550 nm) eines Antireflexionsfilms 25.

Verbindung des Antireflexionsfilms mit der optischen Faser

Auf einer Endfläche einer Stangenlinse 22 wurde ein Antireflexionsfilm 25 folgendermaßen gebildet und mit einer optischen Faser 23 verbunden:
Ein ultraviolett härtender optischer Kleber mit einer Brechzahl, die im wesentlichen gleich der der optischen Faser 23 ist, wurde auf den Antireflexionsfilm 25 aufgebracht. Die optische Faser 23 wurde in eine in einer Glaskapillare 26 festgelegte Einsetzöffnung für eine optische Faser eingesetzt. Die Einsetzöffnung für die optische Faser hatte im wesentlichen den gleichen Durchmesser wie die optische Faser 23. Dann wurde eine Endfläche der optischen Faser 23 poliert (senkrecht zur optischen Achse). Die Kapillare 26 wurde mit dem Antireflexionsfilm 25 verbunden und anschließend UV-bestrahlt, um den optischen Kleber zu härten, wodurch der Antireflexionsfilm 25 und die optische Faser 23 miteinander verbunden wurden. Ein Einmodenglasfaser-Code, der mit einem Verbinder versehen war, wurde am anderen Ende (Eingangsseite) der optischen Faser 23 aufgeschmolzen, so daß die optische Faser mit einer nachfolgend beschriebenen Rückreflexions-Meßvorrichtung verbunden werden kann.

Messung von Rückreflexionen

Rückreflexionen wurden durch Anschließen einer 1,55 µm Lichtquelle AQ-4137 oder eine 1,31 µm Lichtquelle AQ-1326 (hergestellt von Ando Electric Co., Ltd.) und der optischen Faser 23 an eine Rückreflexions-Meßvorrichtung RM2050B (hergestellt von JDS FITEL) gemessen.
Die unbeschichtete Endfläche (die Endfläche entgegengesetzt zu dem mit einem Antireflexionsfilm 25 gebildeten Ende) der Stangenlinse 22 wurde in diagonaler Richtung optisch poliert (ca. 8°) unterzogen, um Reflexionen an dieser Endfläche auf einen vernachlässigbaren Wert zu verringern. Es wurde die Intensität des an der Grenzfläche 27 zwischen dem Antireflexionsfilm 25 und der optischen Faser 23 reflektierten Lichtes gemessen.

Beispiel 2

Nun wird ein Kollimator 21 für eine optische Faser nach Beispiel 2 unter Bezugnahme auf die Fig. 11A und 11 B beschrieben. Der Kollimator 21 für eine optische Faser nach Beispiel 2 weist einen Antireflexionsfilm 25 mit einer Brechzahlverteilung auf, die durch eine direkte bzw. lineare Funktion ausgedrückt wird. Fig. 11A ist ein Diagramm, das Änderungen der Brechzahl des Antireflexionsfilms 25 zeigt, und Fig. 11 B ist ein Diagramm, das Reflexionseigenschaften des Antireflexionsfilms 25 zeigt.
In Beispiel 2 wurde ein Antireflexionsfilm 25 auf einer Endfläche einer Stangenlinse 22 in derselben Weise wie in Beispiel 1 durch Steuern der Stromversorgung zweier Kathoden gebildet. Der Antireflexionsfilm 25 hatte die nachfolgend beschriebenen Eigenschaften.
Bei dem Antireflexionsfilm 25 nach Beispiel 2 ändert sich die Brechzahl gemäß einem linearen Ausdruck, wobei die Brechzahlen an jeder der Flächen des Films 25 den Brechzahlen der optischen Faser 23 bzw. der Stangenlinse 22 entsprechen. Fig. 11A zeigt eine Brechzahlverteilung (bei der λ 1550 nm beträgt) des Antireflexionsfilms 25. Messungen und dergleichen wurden in derselben Weise wie in Beispiel 1 durchgeführt.

Beispiel 3

Nun wird ein Kollimator 21 für eine optische Faser nach Beispiel 3 unter Bezugnahme auf die Fig. 12A und 12B beschrieben. Der Antireflexionsfilm 25 im Kollimator 21 für eine optische Faser nach Beispiel 3 hat eine Brechzahlverteilung, die durch eine Hyperbelfunktion tanH (x) (bzw. Hyperbeltangens tanh (x)) ausgedrückt wird. Fig. 12A ist ein Diagramm, das Änderungen der Brechzahl des Antireflexionsfilms 25 zeigt, und Fig. 12B ist ein Diagramm, das Reflexionseigenschaften des Antireflexionsfilms 25 zeigt.
In Beispiel 3 wurde ein Antireflexionsfilm 25 auf einer Endfläche einer Stangen- bzw. Stablinse 22 durch Steuerung der Stromversorgung zweier Kathoden gebildet. Der Antireflexionsfilm 25 hatte die nachfolgend beschriebenen Eigenschaften.
Bei dem Antireflexionsfilm 25 aus Beispiel 3 ändert sich die Brechzahl gemäß tanH (x) und die Brechzahlen an jeder der Oberflächen des Films 25 entsprechen den Brechzahlen der optischen Faser 23 bzw. der Stangenlinse 22. Fig. 12A zeigt eine Brechzahlverteilung (bei der λ 1550 nm beträgt) des Antireflexionsfilms 25. Messungen und dergleichen wurden in derselben Weise wie in Beispiel 1 durchgeführt.

Beispiel 4

Nun wird ein Kollimator 21 für eine optische Faser nach Beispiel 4 unter Bezugnahme auf die Fig. 13A und 13B beschrieben. Der Antireflexionsfilm 25 im Kollimator 21 für eine optische Faser nach Beispiel 4 hat eine Brechzahlverteilung, die durch ein Polynom sechsten Grades ausgedrückt wird, das sich entlang der optischen Achse monton ändert. Fig. 13A ist ein Diagramm, das Änderungen der Brechzahl des Antireflexionsfilms 25 zeigt, und Fig. 13B ist ein Diagramm, das Reflexionseigenschaften des Antireflexionsfilms 25 zeigt.
In Beispiel 4 wurde ebenfalls ein Antireflexionsfilm 25 auf einer Endfläche einer Stangenlinse 22 durch Steuerung der Stromversorgung zweier Kathoden gebildet. Der Antireflexionsfilm 25 hatte die nachfolgend beschriebenen Eigenschaften.
Bei dem Antireflexionsfilm 25 aus Beispiel 4 ändert sich die Brechzahl gemäß dem Polynom sechsten Grades (Gleichung 2) und die Brechzahlen an jeder der Oberflächen des Films 25 entsprechen der Brechzahl der optischen Faser 23 bzw. der Stangenlinse 22. Fig. 13A zeigt eine Brechzahlverteilung (bei der λ 1550 nm beträgt) des Antireflexionsfilms 25. Messungen und dergleichen wurden in derselben Weise wie in Beispiel 1 durchgeführt.

y = -47,794x⁶ + 142,61x⁵- 150,12x⁴ + 60,922x³ - 4,7763x² + 0,1491x (Gleichung 2)

Vergleichsbeispiel

Es wird nun ein Kollimator für eine optische Faser gemäß einem Vergleichsbeispiel unter Bezugnahme auf die Fig. 14A und 14B beschrieben. Bei dem Kollimator für eine optische Faser gemäß Vergleichsbeispiel wurde ein einschichtiger Antireflexionsfilm auf einer Endfläche einer Stangenlinse durch Steuern der Stromversorgung zweier Kathoden gebildet. Dieser einschichtige Film ist ein Mischfilm aus Al₂O₃ und SiO₂. Fig. 14A zeigt die Brechzahlverteilung des einschichtigen Films entlang seiner optischen Achse, und Fig. 14B zeigt seine Reflexionseigenschaften.

Ergebnisse

Wie in Tabelle 1 gezeigt, betrugen die Rückreflexionswerte in jedem der Beispiele 1 bis 4 sowohl im 1,55 µm-Band als auch im 1,31 µm-Band -50 dB oder weniger. Daher erfüllen die Kollimatoren für eine optische Faser gemäß den Beispielen 1 bis 4 die Anforderungen bezüglich des Reflexionsgrades auf dem Gebiet der optischen Kommunikation. Dagegen betrug die Rückreflexion im Vergleichsbeispiel im 1,55 µm- Band -50 dB oder weniger, im 1,31 µm-Band jedoch -38,5 dB. Daher konnte der Kollimator für eine optische Faser gemäß Vergleichsbeispiel die Anforderungen bezüglich des Reflexionsgrades auf dem Gebiet der optischen Kommunikation nicht erfüllen. Tabelle 1
Bei dem in den Fig. 12A und 12B gezeigten Beispiel 3 können die folgenden Vorteile erreicht werden:

1. Der Antireflexionsfilm 25 weist eine Brechzahlverteilung auf, die durch die Funktion tanH ausgedrückt wird, so daß die Brechzahl entlang der optischen Achse monoton ansteigt. Ableitungen der Funktion tanH sind an den Grenzflächen 27 und 28 auf Null gesetzt. Da die Brechzahl des Antireflexionsfilms 25 an der Grenzfläche 27 mit der der optischen Faser 23 und an der Grenzfläche 28 mit der der Stangenlinse 22 zusammenfällt, können Reflexionen an den Grenzflächen 27 und 28 verringert werden.
2. Der Antireflexionsfilm 25 wird so gebildet, daß er eine Brechzahlverteilung aufweist, die durch eine Funktion tanH ausgedrückt wird. Der Antireflexionsfilm 25 kann so ausgelegt werden, daß er eine Brechzahlverteilung aufweist, die durch eine Kurve ausgedrückt wird, die die Brechzahl n1 der optischen Faser 23 stetig mit der Brechzahl n2 der Stangenlinse 22 verbindet, indem die Funktion tanH entsprechend eingestellt wird. Damit kann der Reflexionsgrad bzw. das Reflexionsvermögen über einen breiteren Wellenlängenbereich vermindert werden.
3. Wenn der Antireflexionsfilm 25 eine Filmdicke von etwa 2000 nm aufweist, kann der Verlust über den gesamten Wellenlängenbereich von 1300 bis 1700 nm auf -50 dB oder weniger verringert werden. Zudem wird der Antireflexionsfilm 25 in relativ kurzer Zeit gebildet.

Die nachfolgende Tabelle 2 zeigt im Hinblick auf die Beispiele 1 bis 4 und auf das Vergleichsbeispiel die Differenz zwischen der Brechzahl der Schicht (L1) des Antireflexionsfilms 25, der mit der optischen Faser 23 in Kontakt gebracht werden soll, und der Brechzahl (1,4627 bei 1550 nm) der optischen Faser 23, und die Differenz zwischen der Brechzahl der Schicht (Ln) des Antireflexionsfilms 25, der mit der Stangenlinse 22 in Kontakt gebracht werden soll, und der Mittelbrechzahl (1,5901 bei 1550 nm) der Stangenlinse 22. Bei den Beispielen 1 bis 4 betrugen die Brechzahldifferenzen, nachdem der Reflexionsgrad von -50 dB oder weniger erreicht war, alle 0,01 oder weniger. Beim Vergleichsbeispiel waren die Brechzahldifferenzen unterdessen größer als 0,01. Daher kann durch Bilden eines Antireflexionsfilms mit einer Brechzahldifferenz von 0,01 oder weniger zwischen den Grenzflächen ein Reflexionsgrad von -50 dB oder weniger erreicht werden.
Obwohl die Brechzahl der Stangenlinse und der optischen Faser Wellenlängendispersionen aufweisen, betragen die Änderungen der Brechzahlen im Wellenlängenbereich von 1300 bis 1700 nm etwa 0,1% für die Stangenlinse und etwa 0,03% für die optische Faser. Diese Änderungen sind deutlich kleiner als die Brechzahldifferenz von 0,01, so daß nur ein Antireflexionsfilm gebildet werden muß, der selbst unter Berücksichtigung von Wellenlängenänderungen eine Brechzahldifferenz von 0,01 oder weniger aufweist. Tabelle 2
Für den Fachmann sollte ersichtlich sein, daß die vorliegende Erfindung in zahlreichen anderen besonderen Formen ausgeführt werden kann, ohne vom Gedanken oder Umfang der Erfindung abzuweichen. Insbesondere versteht es sich, daß die vorliegende Erfindung in den folgenden Formen ausgeführt werden kann.
Bei der ersten Ausführungsform bestehen die Schichten, die den Antireflexionsfilm 25 bilden, zwar aus einem Gemisch von Siliciumoxid und Aluminiumoxid, doch die Materialien der Schichten sind bei der vorliegenden Erfindung nicht auf diese beschränkt. Ein optischer Film mit einer gewünschten Brechzahl kann durch reaktives Sputtern mit einem Zielmaterial gebildet werden, das ausgewählt ist unter: Si, Ti, Zr, Al, Mg, Ge, Ta, Nb, Sn, Zn und Y. Unterdessen ist es auch möglich, ein gemischtes Zielmaterial, wie Al-Si, Al-Ge und Ti-Nbx, zu verwenden. Die gemischten Zielmaterialien umfassen Suboxid-Zielmaterialien und Nitrid-Zielmaterialien.
Sowohl das Polynom fünften Grades aus Gleichung 1 als auch das Polynom sechsten Grades aus Gleichung 2 sind nur als Beispiele angegeben. Der Antireflexionsfilm 25 kann mit einer Brechzahlverteilung gebildet werden, die durch eine von den Gleichungen 1 und 2 verschiedene Polynomgleichung ausgedrückt wird.
Bei allen zuvor beschriebenen Ausführungsformen und Beispielen wurde der Antireflexionsfilm 25 durch Laminieren mehrerer Schichten mit unterschiedlichen Brechzahlen gebildet. Die Bildung des Antireflexionsfilms 25 soll jedoch nicht auf das obige Verfahren der vorliegenden Erfindung beschränkt sein. Es können auch Wirkungen erzielt werden, die den in den Ausführungsformen und Beispielen beschriebenen entsprechen, selbst wenn im Antireflexionsfilm 25 eine Zwischenschicht- Gegendiffusion erfolgte, damit der Film 25 eine kontinuierliche Verteilung hinsichtlich der Zusammensetzung des Materials aufweisen kann.
Als optische Vorrichtung können andere Vorrichtungen an Stelle des Kollimators 21 für eine optische Faser verwendet werden, sofern sie mit einem ersten optischen Element und einem zweiten optischen Element mit voneinander verschiedenen Brechzahlen versehen sind und die Struktur aufweisen, bei der Licht vom ersten optischen Element in das zweite optische Element geleitet wird.
"Die Funktionen, die eine sich zwischen zwei Grenzflächen kontinuierlich verändernde Brechzahl ausdrücken" umfassen eine Funktion, die eine Brechzahl ausdrückt, welche sich zwischen den beiden Grenzflächen erhöht oder erniedrigt.
Der Begriff "optische Elemente" umfaßt eine Stangen- bzw. Stablinse, optische Wellenleiter (bevorzugt planare), andere Arten von Linsen und Prismen, die aus dielektrischen Materialien, einschließlich Quarzglas, anderer Arten von Glas, Harzen, Halbleitern und ferroelektrischen Substanzen, wie Lithiumniobat, flüssigen Medien, wie Flüssigkristall, und gasförmigen Medien, wie Luft, hergestellt sind. Beispielsweise kann die in Fig. 1 gezeigte optische Faser 23 durch ein optisches Element, das einen mit Flüssigkristall oder Luft gefüllten Durchlaß aufweist, ersetzt werden.

Claims

1. Optische Vorrichtung, die ein erstes optisches Element (22) mit einer ersten Brechzahl und ein zweites optisches Element (23) mit einer zweiten Brechzahl umfaßt, die sich von der ersten Brechzahl unterscheidet, wobei Licht vom ersten optischen Element in das zweite optische Element geleitet wird und die optische Vorrichtung folgendes umfaßt:
einen zwischen dem ersten optischen Element und dem zweiten optischen Element angeordneten Antireflexionsfilm (25), der eine erste Grenzfläche (28) gegenüber dem ersten optischen Element (22) und eine zweite Grenzfläche (27) gegenüber dem zweiten optischen Element (22) aufweist, wobei die erste Grenzfläche (28) eine Brechzahl aufweist, die im wesentlichen gleich der ersten Brechzahl ist, und die zweite Grenzfläche (27) eine Brechzahl aufweist, die im wesentlichen gleich der zweiten Brechzahl ist, und wobei die Brechzahl des Antireflexionsfilms (25) sich zwischen der ersten Grenzfläche (28) und der zweiten Grenzfläche (27) kontinuierlich ändert.

2. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Antireflexionsfilm (25) einen Brechzahlverlauf aufweist, der sich von der ersten Grenzfläche (27) zur zweiten Grenzfläche hin monoton ändert und durch eine Polynomgleichung höheren Grades oder die Funktion tanH ausgedrückt ist.

3. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Ableitung der die Brechzahlverteilung ausdrückenden Funktion an der ersten und an der zweiten Grenzfläche (27, 28) gleich Null sind.

4. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der Antireflexionsfilm (25) eine Dicke von etwa 1 µm bis etwa 10 µm aufweist.

5. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Differenz zwischen der Brechzahl des Antireflexionsfilms (25) an der ersten Grenzfläche (27) und der ersten Brechzahl und auch die Differenz zwischen der Brechzahl des Antireflexionsfilms (25) an der zweiten Grenzfläche und der zweiten Brechzahl 0,01 oder weniger beträgt.

6. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der das erste optische Element (22) eine Stablinse mit Gradient-Index ist, auf deren einer Endfläche der Antireflexionsfilm (25) gebildet ist, und das zweite optische Element (23) eine Einmoden-Lichtleitfaser mit einer polierten Endfläche ist, wobei der Antireflexionsfilm (25) mit der polierten Endfläche verbunden ist.

7. Optische Vorrichtung, die ein erstes optisches Element (22) mit einer ersten Brechzahl und ein zweites optisches Element (23) mit einer zweiten Brechzahl umfaßt, die sich von der ersten Brechzahl unterscheidet, wobei Licht vom ersten optischen Element (22) in das zweite optische Element (23) geleitet wird und die optische Vorrichtung folgendes umfaßt:
einen zwischen dem ersten optischen Element (22) und dem zweiten optischen Element (23) angeordneten Antireflexionsfilm (25) mit einer Vielzahl von Schichten (L1, L2, L3, . . . Ln), einschließlich einer ersten Schicht (Ln) gegenüber dem ersten optischen Element (22) und einer zweiten Schicht (L1) gegenüber dem zweiten optischen Element (23), wobei die erste Schicht (Ln) eine Brechzahl aufweist, die im wesentlichen gleich der ersten Brechzahl ist, und die zweite Schicht (L1) eine Brechzahl aufweist, die im wesentlichen gleich der zweiten Brechzahl ist, und wobei die Brechzahl des Antireflexionsfilms (25) sich zwischen der ersten Schicht (Ln) und der zweiten Schicht (L1) monoton ändert.

8. Optische Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der der Antireflexionsfilm (25) eine Brechzahlverteilung aufweist, die sich von der ersten Schicht (Ln) zur zweiten Schicht (L1) hin monoton ändert und durch eine Polynomgleichung höheren Grades oder die Funktion tanH ausgedrückt wird.

9. Optische Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, bei der die Ableitung der Funktion an einer Grenzfläche zwischen dem ersten optischen Element (22) und der ersten Schicht (Ln) sowie an einer Grenzfläche zwischen dem zweiten optischen Element (23) und der zweiten Schicht (L1) gleich Null sind.

10. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei der der Antireflexionsfilm (25) eine Dicke von etwa 1 µm bis etwa 10 µm aufweist.

11. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei der sich die Brechzahl des Antireflexionsfilms (25) mit einer Rate ändert, die kleiner wird, je mehr sich dem ersten optischen Element (22) bzw. dem zweiten optischen Element (33) genähert wird.

12. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, bei der die Differenz zwischen der Brechzahl der ersten Schicht (Ln) und der ersten Brechzahl und auch die Differenz zwischen der Brechzahl der zweiten Schicht (L1) und der zweiten Brechzahl jeweils 0,01 oder weniger beträgt.

13. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, bei der das erste optische Element (22) und/oder das zweite optische Element (23) aus einem Material gebildet ist, das aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: Glas, Harze, Halbleiter und dielektrische Materialien.

14. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, bei der das erste optische Element (22) und/oder das zweite optische Element (23) eine Linse ist.

15. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, bei der das erste optische Element (22) und/oder das zweite optische Element (23) eine optische Faser ist.

16. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, bei der das erste optische Element (22) eine Stablinse mit Gradient-Index und das zweite optische Element (23) eine optische Faser ist.

17. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, bei der das erste optische Element (22) und/oder das zweite optische Element (23) ein planarer optischer Wellenleiter ist.

18. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, bei der das erste optische Element und/oder das zweite optische Element einen Durchgang aufweist, der mit einer Flüssigkeit oder einem Gas gefüllt ist.

19. Optische Vorrichtung mit
einer optischen Faser (23), die eine erste Brechzahl aufweist,
einer Stablinse (22), die mit der optischen Faser (23) optisch verbunden ist und eine zweite Brechzahl aufweist, und
einem Antireflexionsfilm (25), der eine erste Schicht (L1), die an die optische Faser (23) angrenzend ausgebildet ist und eine Brechzahl aufweist, die im wesentlichen gleich der ersten Brechzahl ist, eine zweite Schicht (Ln), die an die Endfläche der Stablinse (22) angrenzend ausgebildet ist und eine Brechzahl aufweist, die im wesentlichen gleich der zweiten Brechzahl ist, und eine Vielzahl dritter Schichten umfaßt, die zwischen der ersten und der zweiten Schicht (L1, Ln) laminiert sind und eine Brechzahl aufweisen, die sich von der ersten und der zweiten Brechzahl unterscheidet.

20. Optische Vorrichtung nach Anspruch 19, bei der die Differenz zwischen der Brechzahl der ersten Schicht (1) und der ersten Brechzahl und auch die Differenz zwischen der Brechzahl der zweiten Schicht (Ln) und der zweiten Brechzahl jeweils 0,01 oder weniger beträgt.

21. Optische Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, bei der die Differenz zwischen den Brechzahlen jedes Paares benachbarter dritter Schichten konstant ist.

22. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 21, bei der der Antireflexionsfilm (25) eine Dicke von mehr als 2000 nm aufweist.

23. Optische Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, bei der sich die Differenz zwischen den Brechzahlen jedes Paares benachbarter dritter Schichten zur ersten und zur zweiten Schicht (L1, Ln) hin verringert.

24. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 23, bei der der Antireflexionsfilm (25) eine Dicke von etwa 1 µm bis etwa 10 µm aufweist.

25. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 24, mit einem Reflexionsgrad von -50 dB oder weniger in einem Wellenlängenbereich von 1300 bis 1700 nm.

26. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 25, bei der jede Schicht ein optischer Mischfilm ist, der mittels reaktivem Sputtern unter Verwendung einer Vielzahl von Zielmaterialien gebildet ist.