JP2004126586A

JP2004126586A - 光ファイバコリメータ組み立て品に使用するための対称双非球面レンズ

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Publication number: JP2004126586A
Application number: JP2003342913A
Authority: JP
Inventors: Paul D Ludington; ポール　デビット　ルディントン; Joseph R Bietry; ジョセフ　レイモンド　ビートリー
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 2002-10-01
Filing date: 2003-10-01
Publication date: 2004-04-22
Also published as: KR20040030338A; TW200411241A; CN1497281A; US20040062478A1; EP1406100A3; EP1406100A2; US7068883B2

Abstract

【課題】光ファイバコリメータ組み立て品に使用されるレンズに関し、かつ光ファイバ、レンズおよび関連する構成品の改良された実装を可能にする。
【解決手段】レンズ１３４の光軸１４２に沿って光源ファイバ１０が取り付けられ、レンズ１３４は２つの凸光学表面１３６および１３８を備えている。第１表面１３６および第２表面１３８は、同じ光学的形状を有している。光源ファイバ１０から発生するガウス型ビームは、表面１３６で最初に屈折され、続いて表面１３８でコリメートされる。コリメートされたガウス型ビーム６２の大きさは、レンズ表面１３８からある特定の距離にわたって一定に保たれる。光源ファイバ１０は、レンズ１３４の後部焦点面１３０に置かれる。
【選択図】図１１

Description

　本発明は、光ファイバを接続する装置と方法に関する。特に、光ファイバコリメータ組み立て品に使用されるレンズに関し、かつ光ファイバ、レンズおよび関連する構成品の改良された実装を可能にするための、このようなレンズの設計に関する。

　光ファイバ利用においては、一本のファイバから他のファイバに光を結合することが、しばしば必要となる。これはスイッチ装置でなされる。スイッチ装置では多重ファイバが一緒にされ、あるいは高密度の波長分割多重化（ＤＷＤＭ）利用において、波長の加算および／または引き落としがなされる。これを行う既知の方法は、ファイバを直接つき合わせることである。ファイバは電気的融合でも接合できる。この場合には電気アークを使用して２本のファイバの端部を接触させて加熱する。電気アークはファイバを溶融し、持続的機械的に安定な接合部として接合させる。一方のファイバから他方のファイバに光を結合させるのに、レンズを使用することもまた可能である（特許文献１参照）。物理的接合子が、ファイバとレンズを互いに適切な位置で保持することが開示されている。

　多くの応用においては、光が光源ファイバから出射した後、受光ファイバに入射する前に、光に対する処理ないし操作を施すことが望ましい。この処理の例としては減衰や濾過が含まれる。１ファイバに多重波長を利用する、通常波長分割多重化法と呼ばれる光通信システムにおいては、エルビウム添加ファイバ増幅器が、広い波長領域にわたってファイバの光信号を光学的に増幅するのに使用される。波長分割多重化システムにおける各波長は、異なった光源に由来するので、光増幅器の最適作動のためには各波長の信号電力を調整することを必要とする。信号電力の調節は光信号に対し可変光減衰器を必要とし、この減衰は拡大されたビームに対して、しばしば最も容易に実施される。

　さらに、ファイバ間の光信号処理は、ファイバからの光ビームがコリメートもされている場合に最も容易に達成される。図１は、一対の通常のコリメートレンズ１６および１８の例を示し、光源ファイバ１０からの光を受光ファイバ２０に結合させるのに使用されている。この応用に対して一般に傾斜屈折率（ＧＲＩＮ）レンズが使用されることは、当分野では周知である。ＧＲＩＮレンズは、円筒状ガラス本体に添加物質を拡散させて製作する。添加物はレンズの屈折率に半径方向の勾配を生ずる。レンズ円周方向に向かって屈折率が低下する場合、レンズは遠隔の光源からの光を収束する。屈折率プロフィルの形状がレンズの結像特性を支配する。添加物拡散後、レンズは特定の長さに切断され、端部が研磨される。レンズ間で光がコリメートされると、ビームはかなりな作業距離「Ｄ」（代表的には数十ミリメータ）にわたって大体同じ大きさにとどまる。この空間ではビームは大体同じ大きさなので、例えば、図２に示される光変調器のようなビームを減衰させ、あるいは濾過する付加的光学素子追加するのが容易になる。図２に示される光学システムは、ビームは光学素子を透過するので、透過システムとして知られている。

　光信号処理を含むシステムにおいては、一本のファイバから他方のファイバへ光信号を結合させる場合に、可能な限り大きな信号電力を維持することが望ましい。単一モード光ファイバの場合には、結合効率は解析的方法で計算できる（非特許文献１参照）。一本のファイバから他方へ光信号を結合させる場合に、高い結合効率を生ずるためには、レンズは特別な光学的機能を持つものでなくてはならない。図２を参照して、第２のコリメートレンズ１８は、受光ファイバ２０に向けられた収束ビームを生ずる。受光ファイバに結合される光の割合は、収束ビーム中のいかなる収差によっても減少する。ファイバシステム中の光エネルギの損失は極度に望ましくない。何故なら通信チャネル上で伝達可能な情報量が制限され、あるいは必要となる増幅量が増加するからである。

　最近では、より多くの光ファイバに基づく通信システムが、搬送する情報量を増加させるために同時に多重波長を利用する。多重波長を用いる一般的な概念は、波長分割多重化と呼ばれる。波長分割多重化システムは図３に示されるように、光ファイバ中に存在する異なった波長の信号を選別する方法を使用する。光源ファイバ２２はコリメートレンズ１６の後部焦点面近くに配置される。光源ファイバ２２からの光はレンズ１６によってコリメートされ、光フィルタ２４に向けられる。光フィルタのコーティングは、所望の波長付近を中心とする狭い波長帯域の光を除くすべての光を反射するように構成される。フィルタ２４を通過する光は、受光ファイバ２８に結合される。フィルタ２４が正しく整列されていれば、フィルタから反射される光は第２受光ファイバ２６の端部に向けられる。ファイバ２２、２６および２８は、システムの光軸からそれた位置に置かれていることに注意すべきである。光源ファイバ２２、コリメートレンズ１６、光フィルタ２４および光ファイバ２６から成る光学システムは、反射システムとして知られ、他方、光源ファイバ２２、コリメートレンズ１６、コリメートレンズ１８、および受光ファイバ２８から成る光学システムは、透過システムとして知られている。

　光ビームの光ファイバへの高い結合効率を達成するためには、ビームを少量の収差でファイバに収束させるだけでは十分ではない。より明確には、収束ビームはファイバの基本モードと整合しなくてはならない。このことはビームがファイバと同じ振幅と位相であることを要求する。ファイバの位相分布を整合させるためには、ビームはファイバの光軸に沿ってファイバに入射しなくてはならない。さもないと更なる損失が起きる。ファイバの端面がファイバの光軸に対して垂直である場合には、最高の結合効率であるためにはビームはファイバに垂直でなければならない。通常の画像システムに対して、ビームがシステム軸に平行である条件はテレセントリシティと呼ばれる。より明確には、通常の画像システムにおけるテレセントリシティは、絞りの中心を通過する光線である主光線は、システムのある点において光軸に平行であることを要求する。単一素子光学システムでは、開口絞りはレンズの前部焦点面または後部焦点面、あるいはその近くに位置しなくてはならない。光学システムは、光学システムの異なった部分でテレセントリックであることも可能である。物体空間において主光線が光軸に平行な場合には、システムは物体空間においてテレセントリックであると見なされよう。像空間において主光線が光軸に平行な場合には、システムは像空間においてテレセントリックであると見なされよう。例えば、図４はレンズ４０および絞り４２の簡単化されたシステムを示すが、このシステムは物体空間においてテレセントリックである。図５は、像空間においてテレセントリックであるレンズ５０および絞り５２の同様なシステムを示す。

　ファイバ光源の性質によって、光ファイバから来るビームは通常物体空間においてテレセントリックである。何故ならビームはファイバから光軸に平行に出射するからである。受光ファイバに対し光の最も高い結合効率を達成するために、光が第２コリメートレンズの像空間においてもテレセントリックであることは、ファイバを結合させるための光学システムの望ましい特徴である。受光ファイバは第２コリメートレンズの像空間に位置する。光ファイバの軸に対して光がかなりな角度をなして光ファイバに入射する場合、ビームのファイバへの結合効率は著しく減少するか、または挿入損失が増加する。ビームとファイバ光軸との間の実行角度を減少させるため、光軸からファイバを傾けることは可能であろうが、ファイバを傾けることは、最終光学システム組み立ての時間と経費を大幅に増加させる。光学素子の位置と型および開口絞りの位置は、テレセントリシティの条件に影響する。

　一ファイバから他方に光を結合するのに使用されるシステムにおいては、ビームを制限しそのため光エネルギを減少させるいかなる口径があることも望ましくない。そのためしばしばビーム定義口径すなわちビーム制限絞りがない。ビームを制限する物理的口径がない場合、テレセントリシティは光源、受光器と光学素子との組み合わせた特性によって決定される。より明確には、ビームがシステムを伝播し、いかなる方法でも光ビームを制限するいかなる口径を導入することも望ましくない場合、絞りの位置は、主光線がシステムの光軸を横切る位置によって通常定められる。主光線は光源から放射されるビーム分布の中心にある光線として定義され、従って光学システムにおける物理的口径によって決定されるものではない。

　傾斜屈折率（ＧＲＩＮ）レンズは光ファイバからの光をコリメートするのに使用できることは、当分野では周知である。ニュージャージー州サマセットのニッポンシートグラス（Ｎｉｐｐｏｎ　Ｓｈｅｅｔ　Ｇｌａｓｓ（Ｓｏｍｅｒｓｅｔ、Ｎｅｗ　Ｊｅｒｓｅｙ））は、このようなレンズを製造している。図６は二つのＧＲＩＮコリメートレンズを使用した透過光学システムを示す。ガウス型ビームが光源ファイバ１０から発生し、ＧＲＩＮレンズ１６によってコリメートされる。そしてコリメートビーム６２はＧＲＩＮレンズ１８によって受光ファイバ２０に収束される。レンズの近軸前部焦点面は、そのレンズの第２主平面から１実効焦点距離（ＥＦＬ）の位置にある。ＧＲＩＮレンズ１６の前部焦点面６０は、レンズの前面６４の極めて近くに位置する。これは第２主平面６６がＧＲＩＮレンズ１６の内部に位置するからである。反射システム（図３を参照）に対して光学フィルタ２４は、最大結合効率すなわち最小の挿入損失を達成するために、入力コリメートレンズの前部焦点面６０に配置されなくてはならない。光学フィルタ２４がＧＲＩＮレンズ１６の前面６４の近傍にあることは、ＤＷＤＭデマルチプレクサのような反射光装置を組み立てるのに有利である。何故なら、光学フィルタは過度な挿入損失を招くこと無しに、ＧＲＩＮレンズ１６の前面６４に直接接合剤で接合できるからである。

　高い結合効率を持たせるために、収束レンズはビームに著しい収差を持ち込んではならない。傾斜屈折率レンズに対しては、屈折率プロフィルの形状は最小の収差しか生じないように正確に調整されなくてはならない。屈折率プロフィルを制御することは困難である。何故なら屈折率プロフィルの形状は、ガラスに添加物を拡散させることによってのみ制御されるからである。傾斜屈折率レンズのさらに不利な点は、通常、拡散で使用される一つの添加物がタリウムであることである。傾斜屈折率レンズにおけるタリウムの使用は開示されている（例えば特許文献２，３参照）。タリウムは有毒金属である（鉛よりも有毒）。

　傾斜屈折率ガラスレンズに加え、屈折率レンズを使用してファイバ間の光を結合させる試みは既になされ、開示されている（特許文献４参照）。しかしながら、光学特性を改善するため非球面を使用することも、記述された対称双方向非球面コリメータレンズを使用することも開示されていない。図７は開示された二つの平凸屈折コリメータレンズを用いる透過光学システムを示す（特許文献５参照）。光源ファイバ１０からガウス型ビームが発し、平凸レンズ７２によってコリメートされる。コリメートされたビーム６２は、次に第２の平凸レンズ７４によって受光ファイバ２０に収束される。

　平凸コリメータレンズに対し、前部焦点面８２は第２主平面８０から１実行焦点距離（ＥＦＬ）の位置にある。すべての光エネルギは表面７８に存在するので、第２主平面８０は近似的に表面７８に位置する。その結果、前部焦点面８２は屈折光学表面７８の前方約１実効焦点距離に位置する。図８は一対の平凸コリメータレンズを用いる反射システムを示す。光フィルタ２４は、受光ファイバ２６への最大反射光を達成するために、入力コリメータレンズ７２の前部焦点面８２に位置しなくてはならない。前屈折面７８から光フィルタ２４までの比較的大きな距離は、温度変化の間の光フィルタ（または鏡）の位置の変化のため、反射システムにおける欠点と考えられる。反射結合効率は、光フィルタ（または鏡）２４が完全な反射体と仮定して、受光ファイバ２６に結合される光の割合と定義される。反射挿入損失は、反射光ファイバ構成品において失われる光の量を定量化する。

　フレネル反射によって光源ファイバに反射し戻る光は、反射減衰量あるいは後方反射として知られている。非常に少量の後方反射光でも、レーザダイオード光源に重大な性能劣化を引き起こす可能性がある。この効果を減少させるため、ファイバおよびコリメータレンズ両方の傾斜小面を研磨すると共に、ファイバ小面とレンズ表面に高効率の反射防止コーティングを施すことは、当分野では周知である。図９ａは、研磨された傾斜小面１０２を持つ光源ファイバ１００、および同様な傾斜小面１０６を持つＧＲＩＮレンズ１０４を示す。図９ｂは、傾斜小面１０８を持つ平凸レンズ１１０に対する同様な配置を示す。光源ファイバおよびコリメータレンズで８度傾斜した小面は、許容できる程度の少量の後方反射を生ずることは周知である。

　コリメータレンズの最適設計は、主としてレンズの屈折率によって決定される。コリメータレンズの形状および各曲率半径の比は、代表的には３次球面収差を最小にするように選ばれる。約１．６８よりも小さい屈折率に対して、最適光学設計は、図１０ａに示されるように双凸レンズである。レンズ１２２はコリメートビーム１２０を焦点面１２４に収束する。屈折率が約１．６８の場合には、平凸レンズ形状１２６が最適である（図１０ｂ）。最後に、屈折率が約１．６８よりも大きい場合、メニスカスレンズ形状が望ましい（図１０ｃ）。

　一つまたは二つの非球面光学表面を用いることによって、付加的な光波面特性を実現することができる。従来の研削および研磨を用いて非対称光学表面を製造することは、時間がかかり高価になる。大量の応用には、ガラスないしプラスチックで非対称球面を型成形することが望ましい。いくつかの会社、例えばライトパステクノロジーズ（Ｌｉｇｈｔｐａｔｈ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）およびホーヤ（Ｈｏｙａ）は、広い範囲のガラス成型双非球面コリメータレンズを製造している。夫々の場合、レンズの形状および曲率半径比は、代表的には光波面性能を最大にするように選ばれる。通常、対称双凸形状は、コリメータレンズの３次球面収差を最小にするためには選択されないであろう。

　イーストマンコダック社（Ｅａｓｔｍａｎ　Ｋｏｄａｋ　Ｃｏ．）は、夫々カバーガラスを備えたレーザダイオードからの光をコリメートするのに使用するため、２ガラス成型対称双非球面レンズを市販している。Ａ−４１４レンズは焦点距離３．３０ｍｍを有し、一方、Ａ−４３９は焦点距離０．７１ｍｍを有す。両者の場合共に、レンズはテレセントリックであるようには設計されなかった。

　さらに、レーザダイオードからの光をファイバに結合するため、鏡を利用するシステムを用いる方法が開示されている（特許文献６参照）。

米国特許第４，４２１，３８３号明細書米国特許第３，９４１，４７４号明細書米国特許第４，２４６，４７４号明細書米国特許第４，４２１，３８３号明細書米国特許第６，４３８，２９０号明細書米国特許第５，３０１，２４９号明細書Ｒ．Ｅ．Ｗａｇｎｅｒ，Ｊ．Ｔｏｍｌｉｓｏｎ著「Ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｏｆ　ｏｐｔｉｃｓ　ｉｎ　ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ　ｆｉｂｅｒ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ（単一モードファイバ構成品における光結合効率）」、Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｏｐｔｉｃｓ，ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．１５，１９８２，ｐｇ　２６７１

　レーザダイオードからの光をファイバに結合するため、鏡を利用するシステムを用いる方法があるが、単一モード結合効率は不明であり、またシステムの光軸からそれた（ｏｆｆ−ａｘｉｓ）性能も考慮されていない。このように、光ファイバ組み立て品の実装を改善する、これら組み立て品に使用できるレンズ開発に対する必要性が存在する。

　ファイバ光学装置であって、二つの等価な非球面光学表面を有する双凸光学レンズと、光学レンズの前部焦点面と後部焦点面の位置にほぼ位置する光ファイバと、および光学レンズと光ファイバに相対的に位置する構造とを備え、この構造は光ファイバに相対的に光学レンズの位置を保持することを特徴とする。

　ファイバ光学装置であって、二つの等価な非球面光学表面を有する多数の双凸光学レンズと、光学レンズの前部焦点面と後部焦点面の位置にほぼ位置する多数の光ファイバと、光ファイバの数は双凸光学レンズの数に等しく、光学レンズと光ファイバに相対的に位置する構造とを備え、この構造は光ファイバに相対的に光学レンズの位置を保持することを特徴とする。

　上述のように特性が改善できるほか、製造も容易で安価になる効果が期待できる。

　本記述は特に、本発明に従う装置の部分を形成し、あるいはより直接的に連携する素子に向けられる。特に明確に示されないあるいは記述されない素子は、当分野で周知な種々の形態をとることが可能であることを理解すべきである。議論では、単一モード光ファイバを用いると仮定するが、本発明の利点は、多重モードファイバ、偏光保持ファイバおよび添加ファイバを用いた発明の利用にも当てはまることは、当業者には認識されよう。

　図１１を参照して、レンズ１３４の光軸１４２に沿って光源ファイバ１０が取り付けられ、レンズ１３４は２つの凸光学表面１３６および１３８を備えている。第１表面１３６および第２表面１３８は、同じ光学的形状を有している。光源ファイバ１０から発生するガウス型ビームは、表面１３６で最初に屈折され、続いて表面１３８でコリメートされる。コリメートされたガウス型ビーム６２の大きさは、レンズ表面１３８からある特定の距離にわたって、本質的に一定に保たれる。良くコリメートされたビームを発生させるためには、光源ファイバ１０は、レンズ１３４の後部焦点面１３０に、またはその近くに置かれなくてはならない。レンズ１３４の前焦点面１４０は、レンズの第２主平面１４４から１実効焦点距離に位置する。レンズ１３４の第１表面１３６および第２表面１３８の両方に光エネルギが存在するため、第２主平面１４４はレンズの内部に位置する。その結果前部焦点距離「ＦＦ」は、（図７）に示されるような等価な平凸コリメートレンズの焦点距離よりも小さい。対称的設計においては、後部焦点距離「ＢＦ」と前部焦点距離「ＦＦ」は等価である。双凸レンズ１３４の実効焦点距離ＥＦＬは、光学表面１３６および１３８の曲率半径、およびレンズ物質の屈折率とレンズの中心厚さＣＴによって決定される。与えられた屈折率と与えられた実効焦点距離に対し、光学表面１３６および１３８の曲率半径は、レンズの中心厚さを増加または減少させるように調整できる。与えられた屈折率と与えられた実効焦点距離に対し、例１−４に関連して以下に記述されるように、結合効率を最大にする、あるいは挿入損失を最小にする好ましい中心厚さが存在する。好ましい実施形態においては、光ファイバは単一モード光ファイバである。さらに、多重モード、偏光保持、および添加光ファイバも用いることができる。

　図１２は単一ファイバコリメート組み立て品１５０の好ましい実施形態を示す。この組み立て品は、多くの受動光ファイバ装置の基本組み立てブロックである。コリメートレンズに対し光ファイバを精密に整列することは、光ファイバ組み立て品の組み立ておよび使用の間、決定的なことである。これは特に温度や湿度の変化が起こるとき当てはまる。光ファイバ１０は精密毛細管１４６に接合され、当産業界でファイバリード線（ｐｉｇｔａｉｌ）として知られているリード線を作成する。代表的には、光ファイバ１４７の端部はある傾斜角で研磨され、反射防止光コーティングでコートされて、結合効率を改善し後方反射を減少させる。そしてコリメータレンズ１３４およびファイバリード線は、精密円筒管１４５に接合される。レンズ１３４、毛細管１４６、および取り付け管１４５との間の直径の差、およびレンズ１３４の支持部長さ１４８と毛細管の支持部長さ１４９は、光ファイバ１０とコリメータレンズ１３４との間の相対的傾きと中心ずれ（ｄｅｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ）誤差を決定する。最大結合効率であるためには、光ファイバ１０とコリメータレンズ１３４との間の傾きと中心ずれ誤差を、両者とも最小にすることが重要である。傾きと中心ずれ誤差を減少させる一つの方法は、レンズ１３４の支持部長さ１４８を増加することである。これはレンズの中心厚さを増加することで達成される。レンズの中心の厚さを増加することは、ある点までは受け入れがたい結合効率を招くことなく可能である。

　代表的に、２つの単一ファイバコリメータ組み立て品が、図１３に示されるように透過光ファイバ構成品１５２を組み立てるのに使用される。この場合、２つの単一ファイバコリメータ組み立て品１５０が、円筒管１５４に接合される。付加的な光学素子は、２つのコリメータレンズ間の光ビーム中に配置できる。

　対称双非球面レンズは、図１４に示されるように、２重ファイバコリメータ組み立て品１５６にも使用できる。この実施形態では、２本の光ファイバ２２と２６は、精密毛細管１５８に接合され、精密毛細管１５８は続いてコリメータレンズ１３４と共に円筒管１４５に接合される。反射光ファイバ構成品１６０は、図１５に示されるように、２重ファイバコリメータ組み立て品１５６、光フィルタ（または鏡）２４、および円筒管１６２を用いて組み立てできる。この場合、２重ファイバコリメータ組み立て品１５６は、円筒管１６２に接合され、光フィルタ（または鏡）２４は、円筒管１６２の一端に接合される。最大結合効率に対しては、光フィルタ（または鏡）２４がコリメータレンズの前部焦点距離に位置するように、２重ファイバコリメータ組み立て品１５６を円筒管１６２に接合することが重要である。

　精密ｖ−溝のようなほかの構造は、図１６に示されるように、光ファイバをコリメータレンズに対して受動的に整列し、相対位置を維持するのに使用できる。この実施形態では構造体は、互いに精密に整列された小さいｖ−溝１７０と大きなｖ−溝１７２を備えている。ｖ−溝構造は、金属またはシリコンの機械加工、シリコンまたはシリカの非均質エッチング、金属の研削、あるいはプラスチックまたはセラミックの成型によって製造することができる。図１７は、ｖ−溝構造体１６８、光ファイバ１７４、及び対称双非球面コリメータレンズ１７６から構成される光ファイバコリメータ組み立て品を示す。光ファイバおよびレンズは、ｖ−溝構造体に接合剤や他の接着法、あるいは機械的クランプによって取り付けることができる。

　図１８は、精密ｖ−溝１７７の配列に組み立てられた、精密多重光ファイバ１７８と多重対称双非球面光学レンズ１７９とから構成されるコリメータ組み立て品の１次元配列を示す。やはり、ｖ−溝配列構造体は、金属またはシリコンの機械加工、シリコンまたはシリカの非均質エッチング、金属の研削、あるいはプラスチックまたはセラミックの成型によって製造することができる。２次元配列のコリメータ組み立て品を生産することも可能である。図１９は、４本の光ファイバ１８２、及び４個の対称双非球面コリメータレンズ１８０から構成される２×２配列のコリメータ組み立て品を示す。種々の構造体は、ｖ−溝と円筒管や孔を含め、コリメータレンズに対し光ファイバの位置を受動的に整列し保持するのに使用できる。

　対称双非球面レンズは、約１３００ｎｍから１６２５ｎｍの波長領域わたって作動する、単一モードまたは偏光維持光ファイバからの光をコリメートするのに使用できる。対称双非球面レンズはまた、約８５０ｎｍから１３００ｎｍの波長領域わたって作動する、多重モード光ファイバからの光をコリメートするのにも使用できる。夫々の場合に、光学表面、屈折率、および中心の厚さに対する規定は、結合効率を最大にするように選ばれる。

　図１１におけるレンズ１３４の凸表面１３６と１３８は、レンズによって生ずる収差を最小にするように、非球面形状を持つように選ぶことができる。形状は通常、円錐曲線方程式で明記されるが、表面のサグ（たるみ）は

で与えられ、ここにＲは表面の基本半径、ｙは半径座標、そしてｋは円錐曲線定数である。ｋ＝０の場合、表面は球形である。表面の実質的機能を変えることなしに、同じ光学表面の形状を記述するのに、等価な数式が使用できる。ここに提示する例に対しては、円錐形非球状表面のみが使用された。しかしながら、より高次の項を含む非球状表面も許容できる結果を生ずる。

　軸上の物体に対して、すべての次数の収差をゼロにするために、特別な形状の非球面を選ぶことができる。楕円体表面は、いかなる球面収差もなしに、無限物体の像を生ずる。円錐常数は、（−１／ｎ）＾２で与えられ、ここにｎはレンズの屈折率である。しかしながら楕円体は、光軸上の点状の像に対してのみ完全な結像を提供する。最善の全体的性能を決定するため、およびレンズは軸上と軸から外れた点両者に対し機能すべきことを考慮して、最善の全体的性能を達成するために、円錐曲線定数は変えられなくてはならない。円錐曲線定数の最適値は、軸上の点と軸から外れた視野の点との光路差について自乗平均平方根（ｒｍｓ）の平均値を最小にすることによって、選択される。

　対称双非球面光ファイバコリメータレンズ設計に対する簡単化された方法が、以下に記述される。第１に、標準実効焦点距離が１．９４４ｍｍに選ばれる。次にオプティカルリサーチアソシエーツ（Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ）から市販されているＣＯＤＥ　Ｖ^TMのような光学設計プログラムを使用して屈折率が１．５から１．９の領域のレンズ物質に対する最適な円錐曲線定数、中心厚さおよび曲率半径を決定する。このデータから線型方程式を作成し、最適な円錐曲線定数、曲率半径、および中心の厚みがレンズ物質の屈折率と共にどのように変化するかを予測する。非標準焦点距離を持ったコリメータレンズは、単に所望焦点距離の標準焦点距離に対する比を中心厚さと曲率半径に乗ずることによって設計できる。他方、最適双曲線定数は、レンズの実効焦点距離と独立である。非標準実効焦点距離に対しては、「最善」レンズ設計に到達するには、ある付加的な最適化が要求される。

ステップ１：レンズ物質を選定する、これは屈折率Ｎを規定する。
ステップ２：次式を使用して最適双曲線定数ｋを決定する。
　　　　　　　　ｋ＝−１．７８４３＊Ｎ＋０．６７１３
レンズ物質の屈折率が増加するのに従って、双曲線定数は大きさが減少する（あるいはゼロに近づく）ことに注意すべきである。双曲線定数がゼロに近づくことは、最適波面を生ずるためには非対称性がより低いことが要求されることを意味する。非対称性のずれがより低いことは、製作がより容易であることを意味する。何故なら当分野では周知なように、製作の困難さは非球面のずれの増加と共に増大する。上記方程式によって与えられる最適値から変化する双曲線定数は、許容できる結合効率を生ずるのにも使用できる。
ステップ３：１．９４４ｍｍの標準実効焦点距離ＥＦＬ₀に対し、最適標準曲率半径Ｒ₀および最適標準中心厚さＣＴ₀を計算する。
　　　　　　　　Ｒ₀＝２．６８８７＊Ｎ−２．４０９７
　　　　　　　　ＣＴ₀＝２．４６２３＊Ｎ−２．０５０５
ステップ４：所望の実効焦点距離ＥＦＬを指定し、標準曲率半径と標準中心厚さを縮尺変更する。
　　　　　　　　Ｒ＝ＥＦＬ／ＥＦＬ₀　＊　Ｒ₀
　　　　　　　　ＣＴ＝ＥＦＬ／ＥＦＬ₀　＊　ＣＴ₀

　レンズの中心厚さを増加して、光ファイバとコリメータレンズとの間の傾斜および中心ずれを減少させることは、有利の可能性がある（図１２参照）。与えられた焦点距離および屈折率に対し、中心厚さは、許容できる結合効率（または挿入損失）を依然として生ずる点にまでは伸張することができる。図２０は１．９４４ｍｍの標準焦点距離に対し、円錐曲線定数ｋが、中心厚さＣＴと共に変化する様子を図示する曲線群である。図２１は１．９４４ｍｍの標準焦点距離に対し、曲率半径Ｒが、中心厚さＣＴと共に変化する様子を図示する曲線群である。例４には、増加された中心厚みを有するコリメートレンズが記述される。１．９４４ｍｍの焦点距離で１．７０の屈折率に対する最適中心厚さは、約２．１３ｍｍである。曲率半径をＲ＝２．０３２３ｍｍおよび円錐曲線定数ｋ＝−１．８７７６７に調整することによって、中心厚さは２．５０ｍｍにまで増加された。この場合、モデルの反射減衰量は０．０１ｄＢより小さく、原型レンズについて測定された反射減衰量は平均は０．０７ｄＢであった。

　レンズはガラスあるいは成型プラスチックのどちらかから作られる。ガラスはプラスチックよりも環境に対しより大きな安定性がある。プラスチックレンズと異なって、ガラスは化学的変化あるいは湿度によって屈折率が変化しない。レンズ材料の均一性は、成型過程の間維持されることが望ましい。工業界では周知のように、光学材料の非均一性は、レンズの性能に悪い方向に影響する。拡散で製作される傾斜屈折率レンズと比較して、タリウムのような毒性金属が拡散のため使用されないことは、レンズの有利点である。

　レンズのために高い屈折率のガラスが選べるのは、本発明の有利な点である。高い屈折率のレンズは、与えられた屈折の能力を提供するのに要する曲線強度を減少させ、従って製造を容易にする。単層光学コーティングは、レンズ表面からの反射光の量を著しく減少できることは、高い屈折率物質にとって更なる利点である。これは、単層反射防止コーティングの屈折率に対する最適な選択は、コーティング各側面の二つの媒体の屈折率の幾何平均に等しいからである。通常のコーティング物質の一つは、フッ化マグネシウムで、屈折率１．３８である。従ってフッ化マグネシウムは、屈折率１．９０の基板に対し最適である。基板屈折率が１．９０に近いほど、単層フッ化マグネシウムコーティングの性能はさらに良くなる。

　前部焦点距離「ＦＦ」が平凸コリメータレンズよりも短いことは、本発明の更なる利点である。短い前部焦点距離は、光ファイバや他の光学素子をＤＷＤＭ逆多重化装置のようなフォトニック装置に取り付けるのを助ける。本発明の他の利点は、両光学平面上で光エネルギが等しくなるため、製造し易さが改善され、整列感度が減少することである。図１１を参照して、ガウス型ビーム６２はレンズ１３４を通過する際、両光学表面１３６と１３８で屈折される。これは製造上の擾乱によって引き起こされる付加的挿入損失を減少させる。製造上の擾乱とは、光学表面の中心厚さ、エネルギ、不規則性、傾きなどであり、さらに光学表面の中心ずれがある。両平面上でエネルギが等しいことは、レンズの傾きや中心ずれのような組み立て整列誤差によって引き起こされる性能低下をも、また減少させる。

　本発明のまた他の利点は、レンズ第１表面上の擦傷堀傷が減少する特性である。ガウス型ビームプロフィル内では、光学表面上の擦傷や堀傷のようないかなる化粧欠陥も、結合効率の減少を招く。光学表面上のビームの大きさが減少するのに従って、許容される擦傷や堀傷の大きさも減少する。ファイバの小面からＧＲＩＮと平凸レンズの第１光学表面までの距離は、非常に小さいく、代表的には０．２５ｍｍである。図１を参照して、ＧＲＩＮレンズ１６の第１表面１２上でビーム直径１４は、代表的には５０マイクロメータよりも小さい。これは図７に示されるように、平凸レンズにもあてはまる。この場合、第１表面７６上のビーム径８２は、やはり５０マイクロメータよりも小さい。第１光学表面上でビーム径が非常に小さいので、許容できる擦傷や堀傷もまた非常に小さくなる。図１１を参照して、対称双凸レンズ１３４の第１表面１３６上のビーム直径１３２は、代表的には２００マイクロメータよりも大きい。その結果、対称双非球面レンズの第１光学表面に対する擦傷堀傷仕様は大幅に緩められ、製造を容易にする。

　許容できる反射減衰量あるいは後方反射を達成するためには、ファイバ端部は直角に切断されて、コリメートレンズの第１表面は、代表的には８度に傾けられる。これら表面はまた、高効率反射防止コーティングでコートされる。図９ａは、傾斜小面１０６を有するＧＲＩＮレンズ１０４を示し、他方図９ｂは、傾斜小面１０８を有する平凸レンズ１１０を示す。傾斜光学小面を有するコリメータレンズ製造することは困難であり高価になる。これは特にガラス成型コリメータレンズに当てはまる。

　本発明の更なる利点は、傾斜小面を必要とせずに許容できる反射減衰量を達成する能力である。図２２を参照して発散するガウス型ビーム１８６が、反射防止コートされ傾けられた小面１０２を通して光源ファイバ１００から出射する。ガウス型ビーム１８６は、レンズ１３４の第１光学面１３６に当たるまで発散を続ける。この表面で非常に少量の光が、反射防止コートされた面１３６から反射される。凸光学面１３６も反射ビーム１８４の発散角を増加させる。反射ビーム１８４は、傾けられたファイバ小面１０２に到達するまで発散し続ける。この点では反射されたビーム１８４は充分に大きく、光源ファイバ１００に入射する光の量は大幅に減少する。こうして長い後部焦点距離と凸光学表面は、共に後方反射光を許容できるレベルに下げるのに寄与する。

　本発明のまた他の利点は、レンズの対称性に起因する組み立ての容易さである。組立作業中に、作業者はどの光学表面を取り付け管あるいはｖ−溝に最初に挿入すべきか決定する必要はない。何故なら各光学表面は同等だからである。組み立てにおけるこの容易さは、レンズの大きさがますます小さくなるにつれて非常に重要になる。

　本発明の他の利点は、傾斜レンズ小面がないことに由来する。例えば再び図９ａを参照して、傾斜ファイバ小面１０２は、最適結合効率を達成するためには、傾斜レンズ小面１０６に回転方向に整列されなくてはならない。ある場合にはファイバ小面とレンズ小面は、図９ａに示されるように整列される必要がある。他の場合にはファイバ小面１０２は、レンズ小面１０６に対し９０度で整列されなくてはならない。ファイバ小面のレンズ小面に対する整列は、クロッキングとして知られている。クロッキング整列の工程は、非常に時間を要し、かつ困難である。何故なら部品が非常に小さく、またファイバ小面とレンズ小面が近づき難いからである。本発明ではクロッキングは要求されない。何故なら対象双非球面コリメートレンズは、傾斜した光学小面を必要としないからである。

　ＧＲＩＮレンズの傾斜光学小面と平凸レンズは、ＧＲＩＮレンズに対し図２３に示されるように、コリメートガウス型ビームを光軸に対し傾斜させる。この効果は光学ポインティングとして知られている。光源ファイバ１００は後方反射を減少させるため傾斜小面１０２を有している。主光線１９２は、レンズ１０４と光源ファイバ１００の光軸１４２に対しある角度で、傾斜ファイバ小面１０２から出射する。主光線１９２は、光軸１４２に対し角度１９０でレンズ１０４から出射する。主光線１９０はレンズ１０４の外径１９４に対しても傾斜している。図２４は傾斜小面１０８を有する平凸レンズ１１０を示す。主光線２０４は、光軸１４２とレンズ２０２の直径に対し、ある角度でレンズ１１０から出射する。ガウス型ビームの大きな光学ポインティングは、光源ファイバから受光ファイバへの「第１光」を得ることが不能なため、光学通信装置整列の困難さを増大する可能性がある。「第１光」の検出は、多くの能動的整列手順の間、決定的に重要である。本発明では、傾斜光学表面が存在しないため、光学ポインティングに悩まされない。図２５は主光線２１０がどのように対称双非球面レンズ１３４中を通過するかを示す。主光線は通常、レンズの光軸１４２あるいは外径２１２に対し傾きなしに出射する。これもまた本発明の他の利点である。

　取り付け基準面は、図２６ａおよび図２６ｂに示されるように、整列を助けるため光学表面両方に付け加えることが可能である。図２６ａは、第２光学表面２２６に形成された平面基準面２２４を持った対称双凸レンズ２２０を示す。基準面は成型工程の間、または２次の中心だし作業の間に形成することが可能である。図２６ｂは、第１光学表面２３２に形成された基準面２３４と、第２光学表面２３６に形成された付加的な基準面２３８を有するレンズ２３０を示す。これら基準面の一つまたは両者は、ファイバフェルール、光フィルタ、および減衰器のような付加的光学素子を整列するのに使用できる。

　以下の例は本発明の特定の実施形態を示し、本発明を特定の次元に制限するとを意図するものではない。

　例１は、実効焦点距離１．９４４で、屈折率＝１．５０の対称双非球面レンズを有している。
　　第１光学表面の曲率　１：０．６１９０３ｍｍ^-1
　　第１光学表面の円錐曲線定数：ｋ＝−２．０００８７８
　　中心厚さ：１．６４　ｍｍ
　　第２光学表面の曲率　１：−０．６１９０３ｍｍ^-1
　　第２光学表面の円錐曲線定数：ｋ＝−２．０００８７８
　　１５５０ｎｍにおける屈折率：１．５０
　　後部焦点距離：１．２９ｍｍ
　　前部焦点距離：１．２９ｍｍ
　　単体のレンズの実効焦点距離：１．９４４ｍｍ
　　指定入り口ひとみ直径：凸表面で１．０ｍｍ
　　軸ｒｍｓ波面誤差：０．００１波

　例２は、実効焦点距離１．９４４で、屈折率＝１．６０の対称双非球面レンズを有している。
　　第１光学表面の曲率　１：０．５２７２９５ｍｍ^-1
　　第１光学表面の円錐曲線定数：ｋ＝−２．１８５６８９
　　中心厚さ：１．８９ｍｍ
　　第２光学表面の曲率　１：−０．５２７２９５ｍｍ^-1
　　第２光学表面の円錐曲線定数：ｋ＝−２．１８５６８９
　　１５５０ｎｍにおける屈折率：１．６０
　　後部焦点距離：１．２２ｍｍ
　　前部焦点距離：１．２２ｍｍ
　　単体のレンズの実効焦点距離：１．９４４ｍｍ
　　指定入り口ひとみ直径：凸表面で１．０ｍｍ
　　軸ｒｍｓ波面誤差：０．００１波

　例３は、実効焦点距離１．９４４で、屈折率＝１．７０の対称双非球面レンズを有している。
　　第１光学表面の曲率　１：０．４６１１２７ｍｍ^-1
　　第１光学表面の円錐曲線定数：ｋ＝−２．３６６１７３
　　中心厚さ：２．１４ｍｍ
　　第２光学表面の曲率　１：−０．４６１１２７ｍｍ^-1
　　第２光学表面の円錐曲線定数：ｋ＝−２．３６６１７３
　　１５５０ｎｍにおける屈折率：１．７０
　　後部焦点距離：１．１５ｍｍ
　　前部焦点距離：１．１５ｍｍ
　　単体のレンズの実効焦点距離：１．９４４ｍｍ
　　指定入り口ひとみ直径：凸表面で１．０ｍｍ
　　軸ｒｍｓ波面誤差：０．０００８波

　例４は、二つの全く同じ対称双非球面レンズを有している。レンズの中心厚さは、光ファイバとコリメータレンズとの間の傾斜および中心ずれを最小にするように、増加されている。
　　第１光学表面の曲率　１：０．４８９７６ｍｍ^-1
　　第１光学表面の円錐曲線定数：ｋ＝−１．９４６４３５
　　中心厚さ：２．５００ｍｍ
　　第２光学表面の曲率　１：−０．４８９７６ｍｍ^-1
　　第２光学表面の円錐曲線定数：ｋ＝−１．９４６４３５
　　１５５０ｎｍにおける屈折率：１．７０２８
　　後部焦点距離：０．９６３ｍｍ
　　前部焦点距離：０．９６３ｍｍ
　　単体のレンズの実効焦点距離：１．９４４ｍｍ
　　指定入り口ひとみ直径：凸表面で１．０ｍｍ
　　軸ｒｍｓ波面誤差：０．００２７波

　ファイバ光学素子の光学表面は、非球面光学表面で円錐曲線であることが可能である。円錐曲線定数は−０．５０から−０．３６まで分布する。非球面状光学表面は、頂点球の０．９７２ｍｍの直径位置で頂点球から０．０００５から０．００４０ｍｍまで最大変位する事が可能である。非球面状光学表面は、単一層のＭｇＦ２反射防止コーティング剤でコートできる。あるいは、非球面状光学表面は多層膜ダイクロイック反射防止コーティング剤でもコートできる。非球面状光学表面は研削研磨し、あるいは成型することができる。

　ファイバ光学装置の双凸光学レンズは、ガラス物質から製作できる。ガラス物質は１．５０から１．９０までの屈折率を持つことが可能である。あるいはまた双凸光学レンズは、プラスティック物質から製作できる。プラスティック物質は１．４０から１．６０までの屈折率を持つことが可能である。双凸光学レンズは、１．５０から１０．０ｍｍまでの実効焦点距離を有する。

　ファイバ光学装置の構造は、光学レンズと光ファイバとの相対位置を整列するのに適合している。この構造には、ｖ−溝あるいは円筒管が含まる。

　ファイバ光学装置の光ファイバには、単一モード光ファイバが可能である。一方、光ファイバは多重モード光ファイバでも可能である。光ファイバには、偏光保持光ファイバも可能である。光ファイバには溶液ドープ光ファイバも可能である。ファイバ光学装置の光ファイバには、光学レンズの前部焦点面と後部焦点面の一つにほぼ位置する、付加的光ファイバを少なくとも一本備えた装置を有する、第１光ファイバが可能である。光学レンズと光ファイバは、１次元配列に整列できる。一方、光学レンズと光ファイバは、２次元配列にも整列できる。さらに、光学レンズの少なくとも一つは、光学レンズの前部焦点面および後部焦点面の一つにほぼ位置する、複数の光ファイバを有することができる。

　本発明は、その好ましい実施形態を特に参照して詳細に記述されたが、しかし、変形や修正は本発明の範囲内でなされ得ることを理解されよう。

　以下に提示される本発明の実施形態の詳細な記述において、添付される図面を参照する。

光源ファイバからの光を受光ファイバに結合させるのに使用される、一対のＧＲＩＮコリメートレンズを示す概略図である。追加処理を提供するために、コリメートビームに導入された光学素子を示す概略図である。異なった波長の光を分離するフィルタを有する光学システムを示す概略図である。物体空間においてテレセントリックなシステムを示す概略図である。像空間においてテレセントリックなシステムを示す概略図である。光源ファイバからの光を受光ファイバに結合させるのに使用される、一対のＧＲＩＮコリメータレンズを示す概略図である。光源ファイバからの光を受光ファイバに結合させるのに使用される、一対の平凸コリメータレンズを示す概略図である。二つの平凸屈折コリメータレンズと光ファイバを備えた光学システムを示す概略図である。傾斜小面を有するＧＲＩＮレンズを示す概略図である。傾斜小面を有する平凸レンズを示す概略図である。双凸コリメータレンズの形状を示す概略図である。凸平コリメータレンズの形状を示す概略図である。メニスカスコリメータレンズの形状を示す概略図である。対称双凸レンズを示す概略図である。単一ファイバ光コリメータ組み立て品を示す概略図である。二つの単一ファイバ光コリメータ組み立て品を用いた透過システムを示す概略図である。二重ファイバ光コリメータ組み立て品を示す概略図である。単一二重ファイバ光コリメータ組み立て品を使用する反射システムを示す概略図である。単一ｖ−溝構造を示す概略図である。精密ｖ−溝構造を組み込んだ光ファイバコリメータ組み立て品を示す概略図である。ファイバコリメータ組み立て品の１次元配列を示す概略図である。ファイバコリメータ組み立て品の２次元配列を示す概略図である。１．９４４ｍｍの標準焦点距離に対し、レンズ中心厚みの関数として非対称円錐曲線定数を示すグラフである。１．９４４ｍｍの標準焦点距離に対し、レンズ中心厚みの関数として曲率半径を示すグラフである。凸光学表面から反射されるガウス型ビームを示す概略図である。ＧＲＩＮレンズを通過する主光線を示す概略図である。平凸レンズを通過する主光線を示す概略図である。対称双凸レンズを通過する主光線を示す概略図である。第２光学表面に取り付け基準面を持った、対称双凸レンズを示す概略図である。両光学表面に取り付け基準面を持った、対称双凸レンズを示す概略図である。

符号の説明

　１０　光源ファイバ、１２　第１表面、１４　ビーム直径、１６，１８　コリメートレンズ、１７　光変調器、２０　受光ファイバ、２２　光源ファイバ、２４　光フィルタ、２６　第２受光ファイバ、２８　受光ファイバ、４０　レンズ、４２　絞り、５０　レンズ。

Claims

　ファイバ光学装置であって、
　二つの等価な非球面光学表面を有する双凸光学レンズと、
　前記光学レンズの前部焦点面および後部焦点面の位置にほぼ位置する光ファイバと、
　前記光学レンズと前記光ファイバとに相対的に位置する構造と、
　を備え、
　前記構造は前記光ファイバに相対的に前記光学レンズの前記位置を保持することを特徴とする光学装置。
　ファイバ光学装置であって、
　二つの等価な非球面光学表面を有する多数の双凸光学レンズと、
　前記光学レンズの前部焦点面および後部焦点面の位置にほぼ位置する多数の光ファイバと、
　前記光ファイバの数は前記双凸光学レンズの数に等しく、
　前記光学レンズと前記光ファイバに相対的に位置する構造と、
　を備え、
　前記構造は前記光ファイバに相対的に前記光学レンズの前記位置を保持することを特徴とする光学装置。
　ファイバ光学装置であって、
　二つの等価な非球面光学表面を有する双凸光学レンズを
　備え、
　前記レンズは前記第１光学表面の曲率０．４８９７６ｍｍ^-1、前記第１光学表面の円錐曲線定数はｋ＝−１．９４６４３５、中心厚さは２．５００ｍｍ、前記第２光学表面の曲率は−０．４８９７６ｍｍ^-1、前記第２光学表面の円錐曲線定数はｋ＝−１．９４６４３５、１５５０ｎｍにおける屈折率は１．７０２８であることを特徴とする光学装置。