JP2004126588A - 透過および反射光ファイバ部品に使用される対称的両非球状レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】　光学システムにおいて、１つの光ファイバから他の光ファイバへ光を高効率で連結する。
【解決手段】　１対の光学レンズは、２つの同じ光学非球状表面を備える第１の両凸レンズと、第１の両凸レンズから離れて位置される、２つの同じ光学非球状表面を備える第２の両凸レンズとからなる。第１の両凸レンズは、光源用光ファイバからの光を収束光束、発散光束およびコリメート光束の中の１つの光束に具体化し、第２の両凸レンズは、前記の１つの光束を受光用光ファイバの中に合焦して、光源用光ファイバから放出される光を受光用光ファイバの中に連結する。
【選択図】図１２

Description

　本発明は、複数の光ファイバを連結する装置及び方法に関する。より詳細には、本発明は、透過および／または反射光学システムにおいて１つの光ファイバから他の光ファイバへ光を連結するレンズに関し、また、光ファイバ、レンズおよび関連する部品のパッケージの改良を可能にするレンズの設計に関する。

　光ファイバの使用において、光を１つの光ファイバから他の光ファイバへ連結することがしばしば必要である。これは、複数の光ファイバがともに含まれるスイッチ装置により行え、また、高波長分割多重化(ＤＷＤＭ)の用途において波長を追加または削除することにより行える。これを行う公知の方法は、光ファイバを直接に接することである。また、光ファイバは、電気溶接によっても連結できる。ここで、電気アークが接触される２つの光ファイバの端を加熱するために使用される。電気アークは、光ファイバを溶解して、永久的な、機械的に安定したジョイントとして結合させる。また、米国特許第４，４２１，３８３号に記載されるように、１つの光ファイバから他の光ファイバへ光を連結するためにレンズを使用できる。ここで、物理的なコネクタが、光ファイバとレンズを相互に対して適当な位置に保持する。

　多くの用途では、光が光源のために使用される光源用光ファイバを出た後で、受光のために使用される受光用光ファイバに入る前に、光の処理または操作を行うことが望ましい。この処理の例は、減衰と濾波を含む。１つの光ファイバで多数の波長を利用する光学通信システム（一般に波長分割多重化という）において、エルビウムをドープしたファイバ増幅器が、広い波長範囲において光ファイバの中の光信号を光学的に増幅するために使用される。波長分割多重化システムにおいて各波長は異なる光源からくるので、各波長での信号のパワーは、光増幅器の最適な動作のために調整されねばならない。信号パラーの調整は、光信号の可変の光減衰を必要とし、この減衰はしばしば拡大された光束について最も容易に実行される。

　さらに、複数の光ファイバの間の光信号の処理は、光ファイバからの光束がコリメートされているときに、最も容易に行われる。図１は、１対の通常のコリメートレンズ１６，１８の１例を示す。これらのレンズは、光源用光ファイバ１０から受光用光ファイバ２０へ光を連結するために使用される。公知であるが、複数の勾配屈折率レンズ（ＧＲＩＮ)はこの用途に一般的に使用される。ＧＲＩＮレンズは、円筒状のガラスの中にドーパントを拡散することにより作成される。ドーパントは、レンズの屈折率において半径方向の勾配を生じる。もし屈折率がレンズの周辺に向かって低くなっていくなら、レンズは遠い光源からの光を合焦する。屈折率のプロファイルの形状は、レンズの像形成の性質を制御する。拡散の後で、レンズは特定の長さに切断され、両端が研磨される。光がレンズの間でコリメートされるとき、光束は、かなりの距離“Ｄ”（典型的には数十ｍｍ）にわたってほぼ同じ寸法にとどまる。光束がこの空間でほぼ同じ寸法であるので、光束を減衰または濾波する光学素子（たとえば図２の光変調器１７）を追加するのが容易である。図２に示される光学システムは、光束が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。

　光信号の処理を含むシステムにおいて、１つの光ファイバから他の光ファイバへ光信号を連結するとき、できるだけ大きな信号パワーを維持することが望ましい。単独モードの光ファイバの場合、連結効率は、解析的方法により計算できる（R.E. Wagner and J. Thomlinson, "Coupling efficiency of optics in single-mode fiber components"（単一モードファイバ部品における光学素子の連結効率）, Applied Optics, vol. 21, No. 15, 1982, p2671 参照）。１つの光ファイバから他の光ファイバへ光を連結する場合、高い連結効率を生じるために、レンズは特定の光学機能を持たねばならない。図２を参照すると、第２のコリメートレンズ１８は、受光用ファイバの方に向けられた、合焦された光を生じる。受光用ファイバに連結される光の割合は、合焦される光束における収差により減少される。ファイバシステムにおけるパワー損失は、通信チャンネルを移送される情報の量を制限するため、また、必要な増幅率が増加するため、非常に好ましくない。

　最近、光ファイバを基にした多くの通信システムが、搬送される情報量を増加するために、１時に多数の波長を使用するようになってきている。多重波長の使用の基本的概念を、波長分割多重化という。波長分割多重化システムは、図３に示されるように、光ファイバの中に存在する異なる波長の信号を分離する方法を用いる。光源用光ファイバ２２は、コリメートレンズ１６の後焦点面の近くに位置される。光源用光ファイバ２２からの光は、コリメートレンズ１６によりコリメートされ、光ファイバ２４に向けられる。光ファイバの被覆は、希望の波長を中心とする非常に狭い波長帯における光以外を全て反射するように作成される。フィルタ２４を通る光は受光用光ファイバに連結される。もしフィルタ２４が正しく配列されれば、フィルタから反射される光は、第２の受光用光ファイバ２６の端部上に向けられる。なお、光ファイバ２２，２６，２８はこのシステムの光軸からずれて位置される。光源用光ファイバ２２、コリメートレンズ１６、光ファイバ２４、および受光用光ファイバ２６からなるシステムは、反射システムとして知られている。これに対し、光源用光ファイバ２２、コリメートレンズ１６、コリメートレンズ１８および受光用光ファイバ２８からなるシステムは、透過システムとして知られている。

　光ファイバの中への光束の高い連結効率を達成するために、光束を光ファイバの中に低い収差で合焦することは十分ではない。より詳細には、合焦される光束は、光ファイバの基本モードに整合しなければならない。このことは、光束が光ファイバのモードと同じ振幅と波長であることを要求する。光ファイバの波長分布を整合するため、光束は、光ファイバの光軸にそって光ファイバに入らねばならない。そうでないと、余分な損失が生じる。もし光ファイバの端面が光ファイバの光軸に垂直であれば、光束は、最高の連結効率のために、光ファイバに対して垂直でなければならない。通常の像形成システムにおいて、システムの軸に光束が並行であるという条件は、テレセントリック性（telecentricity）という。より詳細には、通常の像形成システムにおけるテレセントリック性は、絞りの中心を通る光線である主光線がシステム内のある点で光軸に並行であることを要求する。単独素子の光学システムにおいて、開口の絞りは、レンズの前または後の焦点面またはその近傍に位置されねばならない。光学システムは、その光学システムの異なる複数の部分でテレセントリックであってもよい。もし主光線が物体空間で光軸に平行であれば、そのシステムは物体空間でテレセントリックであると考えられる。もし主光線が像空間で光軸に平行であれば、そのシステムは像空間でテレセントリックであると考えられる。たとえば、図４は、レンズ４０と絞り４２からなる単純化されたシステムを示すが、このシステムは物体空間でテレセントリックである。図５は、レンズ５０と絞り５２からなる同様なシステムを示すが、このシステムは像空間でテレセントリックである。

　ファイバ光源の性質により、光ファイバからの光束は、光軸に平行に光ファイバから出てくるので、通常は物体空間でテレセントリックであると考えられる。像空間に存在する受光用光ファイバへの光の最大連結効率を達成するために、光が第２のコリメートレンズの像空間でもテレセントリックであることは、光ファイバを連結する光学システムの望ましい特徴である。もし光が光ファイバの軸に対してある角度をなして光ファイバに入るなら、光ファイバの中への光束の連結効率は著しく減少され、すなわち、挿入損失が増大する。光束と光ファイバの光軸との間の有効角度を減少するため、光ファイバを光軸から傾けることは可能であるけれども、傾いている光ファイバは、最終的な光システムの組立の時間と費用を大きく増大する。光学素子の位置と種類は、テレセントリック性の条件に影響する。

　１つの光ファイバから他の光ファイバへ光を連結するシステムにとって、光束を限定して光のパワーを減少する開口は望ましくない。それゆえ、光束を限定する明確な開口または絞りはしばしば設けられない。光束を制限する物理的開口が存在しないとき、テレセントリック性は、光学素子と組み合わされている光源と受光器の性質により決定される。より詳細には、もし光束が１つのシステムを伝播していて、光束を制限する開口を導入することがどんな形態でも望ましくないなら、絞りの位置は、通常は、主光線がシステムの光軸に交差する位置により記述される。主光線は、光源から出射される光束分布の中心医ある光線として定義され、したがって、光システムの中の物理的開口によっては決定されない。

　勾配屈折率（ＧＲＩＮ)レンズが光ファイバからの光をコリメートするために使用できることは当業界において知られている。日本板硝子(ニュージャージー州ソマーセット）はそのようなレンズを製造している。図６は、２つのＧＲＩＮコリメータレンズを用いる透過光システムを示す。ガウス型光束が光源用光ファイバ１０から出て、ＧＲＩＮレンズ１６によりコリメートされる。次に、コリメートされた光束６２は、ＧＲＩＮレンズ１８により受光用光ファイバ２０の中に合焦される。次に、レンズの近軸の前焦点面は、そのレンズの第２の主面から有効焦点距離（ＥＦＬ)だけ離れて位置される。ＧＲＩＮレンズ１６の前焦点面６０は、そのレンズの前面６４の非常に近くに位置される。これは、第２主面６６がＧＲＩＮレンズの中に位置されるためである。屈折性システム(図３参照）について、光フィルタ２４は、入力コリメータレンズの前焦点面６０に位置されて、最大の連結効率すなわち最小の挿入損失を達成する。ＧＲＩＮレンズの前面６４のすぐ近くに光フィルタをおくことは、ＤＷＤＭデマルチプレクサのような反射性フォトン(photonic)装置を組み立てるときに効果的である。なぜなら、光フィルタは、余分な挿入損失を生じることなく、ＧＲＩＮレンズ１６の前面６４に直接に接合できるからである。

　高い連結効率を達成するために、合焦をするレンズは、光束の中に収差を導入してはならない。勾配屈折率レンズについて、屈折率プロファイルの制御は、最小の収差を生じるように正確に調整されねばならない。屈折率プロファイルの形状がガラスのドーパントの拡散によってのみ制御されるため、プロファイルの制御は困難である。勾配屈折率レンズのもう１つの欠点は、通常使用されるドーパントの１つがタリウムであることである。勾配屈折率レンズにおけるタリウムの使用は、米国特許第３，９４１，４７４号と米国特許第４，２４６，４７４号に記載されている。タリウムは、（鉛よりも）有毒な金属である。

　勾配屈折率レンズに加えて、米国特許第４，４２１，３８３号には、光ファイバの間で光を連結するために屈折性レンズを使用する試みが記載されている。しかし、米国特許第４，４２１，３８３号は、光学性能を向上するために非球状表面の使用を記載せず、また、対称的両非球状コリメータレンズの使用も記載していない。図７は、米国特許第６，４３８，２９０号に記載されたような、２つの平凸屈折性コリメータレンズを用いる屈折性光システムを示す。ガウス型光線は、光源用光ファイバ１０を出て、平凸レンズ７２によりコリメートされる。次に、コリメートされた光線６２は、第２の平凸レンズ７４により受光用光ファイバ２０の中に合焦される。

　平凸コリメータレンズについて、前焦点面８２は、また、第２の主面８０から有効焦点長（ＥＦＬ）だけ離れて位置される。全ての光のパワーが表面７８に位置されるので、第２主面８２は、屈折性光学表面７８の前で約有効焦点長だけ離れて位置される。図８は、１対の平凸コリメータレンズを用いる屈折性システムを示す。光ファイバ２４は、受光用光ファイバの中への最大の反射光を達成するために、入力コリメータレンズ７２の前焦点面７８に位置されねばならない前屈折性表面７８から光ファイバ２４への比較的長い距離は、温度変化による光フィルタ（またはミラー)における位置変化のため、屈折性システムにおいて短所として考えられる。光フィルタ（またはミラー)が完全な反射体であると仮定すると、反射された連結の効率は、受光用光ファイバ２６の中へ連結される光の割合として定義される。反射挿入損失は、反射された光ファイバ部品において失われた光の量を計るものである。

　フレネル反射から光源用光ファイバの中に反射される光は、戻り損失または後反射として知られている。非常に少量の後反射光が、半導体レーザの光源において重大な性能低下を生じることがある。この影響を小さくするため、周知のように、光ファイバとコリメータレンズの両方の傾いた小面（facet）を研磨し、また、光ファイバの小面とコリメータレンズの表面に、高効率の反射防止膜を設ける。図９ａは、研磨された傾いた小面１０２を有する光源用光ファイバ１００と、同様な研磨された傾いた小面１０６を有するＧＲＩＮレンズ１０４を示す。図９ｂは、傾いた小面１０８を有する平凸コリメータレンズ１１０のための同様な構造を示す。周知のように、光源用光ファイバやコリメータレンズの８度の傾いた小面は、許容可能な小量の逆反射を生じる。

　コリメータレンズの最適な設計は、第１に、レンズの屈折率により決定される。コリメータレンズの形状と各曲率半径の比は、典型的には、３次の球面収差を最小にするように決定される。約１．６８より小さい屈折率について、最適な光学設計は、図１０ａに示される両凸レンズである。レンズ１２２は、コリメートされた光束１２０を焦点面１２４に合焦する。もし屈折率は約１．６８であるなら、平凸レンズの形状１２６が最適である（図１０ｂ）。最後に、約１．６８より大きい屈折率について、メニスカスレンズ形状１２８が望ましい(図１０ｃ）。

　追加の光波面性能は、１または２の非球状光学表面を用いることにより達成できる。伝統的な研磨を用いる非球状光学表面を製造することは、時間がかかり、また、費用も高くなる。ライトパス・テクノロジー、ホーヤなどのいくつかの会社は、広い範囲のガラス成形された両非球状コリメータレンズを製造する。各々の場合、レンズの形状と、曲率半径の比は、最適な波面性能を最大にするように選択される。通常は、コリメータレンズの３次の球面収差を最小にするため、対称的両凸形状は選択されない。

　イーストマン・コダック社は、カバーガラスをそれぞれ備える半導体レーザから光をコリメートするために使用される２つのガラス成形された両非球状コリメータレンズを市販している。Ａ−４１４レンズは、３．３０ｍｍの焦点距離を有し、Ａ−４３９レンズは、０．７１ｍｍの焦点距離を有する。２つの場合、レンズはテレセントリックには設計されていない。

　さらに、米国特許５，３０１，２４９号は、半導体レーザからの光を光ファイバの中に連結するために、ミラーを用いるシステムの使用を記載する。しかし、この特許は、単独モードの期待される連結効率を定量的には記載していず、また、システムの軸をはずれたときの性能も記載していない。したがって、光軸の上、または、光軸からずれて位置される複数の光ファイバの高効率の連結を提供できるレンズが必要である。
米国特許第４，４２１，３８３号 米国特許第３，９４１，４７４号 米国特許第４，２４６，４７４号 米国特許第５，３０１，２４９号 米国特許第６，４３８，２９０号 R.E. Wagner and J. Thomlinson, "Coupling efficiency of optics in single-mode fiber components," Applied Optics, vol. 21, No. 15, 1982, p2671

　この発明の目的は、透過および／または反射光学システムにおいて１つの光ファイバから他の光ファイバへ光を高効率で連結できるようにすることである。

　本発明に係る１対の光学レンズは、２つの同じ光学非球状表面を備える第１の両凸レンズと、２つの同じ光学非球状表面を備える第２の両凸レンズとからなり、第２の両凸レンズは、第１の両凸レンズから離れて位置される。ここで、第１の両凸レンズは、光源用光ファイバからの光を収束光束、発散光束およびコリメート光束の中のいずれか１つの光束とし、第２の両凸レンズは、前記の１つの光束を受光用光ファイバの中に合焦して、光源用光ファイバから放出される光を受光用光ファイバの中に連結する。

　好ましくは、前記の１対の光学レンズにおいて、前記の第１と第２の両凸レンズの１部が光軸を定義し、第１の両凸レンズは、光軸上に位置される光源用光ファイバからの光を、収束光束、発散光束およびコリメート光束の中のいずれか１つの光束とし、第２の両凸レンズは、前記の１つの光束を光軸上に位置される受光用光ファイバの中に合焦する。

　好ましくは、前記の１対の光学レンズにおいて、前記の第１と第２の両凸レンズの１部が光軸を定義し、第１の両凸レンズは、光軸からずれて位置される光源用光ファイバからの光を、収束光束、発散光束およびコリメート光束の中のいずれか１つの光束とし、第２の両凸レンズは、前記の１つの光束を光軸からずれて位置される受光用光ファイバの中に合焦する。

　２つの同じ光学非球状表面を備える両凸レンズである光学レンズにおいて、この光学レンズの１部は光軸を定義する。この光学レンズは、光学レンズの光軸からずれて位置される光源用光ファイバからの光を、収束光束、発散光束およびコリメート光束の中のいずれか１つの光束とし、次に、光ファイバから出射された光が受光用光ファイバの中に連結されるように、光学レンズを通る反射光束を、光学レンズの光軸からずれて位置される受光用光ファイバに合焦する。

　透過および／または反射光学システムにおいて１つの光ファイバから他の光ファイバへ光を高効率で連結できる。また、そのための製造が容易に行える。

　本発明は、実施の形態、特にそれを構成する素子について、添付の図面を参照して説明される。特に説明されない事項は当業者に周知な種々の形態をとるものである。図面において、同じ参照記号は同一または同等のものを示す。以下の説明では、単一モードの光ファイバを使用すると仮定するが、当業者が理解するように、本発明の効果は、マルチモードの光ファイバにも適用できる。

　図１１を参照して説明すると、光源用光ファイバ１０は、レンズ１３４の光軸１３２の上に置かれる。このレンズ１３４は、２つの凸の光学表面１３６，１３８を備える。第１の表面１３６と第２の表面１３８は、同じ光学形状を有する。光源用光ファイバ１０から出射されるガウス型光束は、まず表面１３６で屈折され、次に表面１３８でコリメートされる。コリメートされるガウス型光束６２の寸法は、レンズの表面１３８からある距離まで実質的に一定である。十分コリメートされた光束を作るため、光源用光ファイバ１０は、レンズ１３４の後焦点面１３０またはその近くに置かれる。レンズ１３４の前焦点面１４０は、レンズ１３４の第２主面１４４から焦点距離離れた位置に置かれる。光パワーがレンズ１３４の第１表面１３６と第２表面１３８の両方にあるので、第２主面１４４はレンズ１３４の内部に位置される。その結果、前焦点距離“ＦＦ”は、図７に示される平凸コリメータレンズの等価焦点距離より小さい。対称的な設計において、後焦点距離“ＢＦ”と前焦点距離“ＦＦ”は同じである。両凸レンズ１３４の有効焦点距離ＥＦＬは、レンズ材料の屈折率とレンズの中心厚さＣＴ並びに光学表面１３６，１３８の曲率半径により決定される。屈折率と有効焦点距離が与えられると、光学表面１３６，１３８の曲率半径は、レンズの中心厚さを増加または減少するように調整できる。屈折率と有効焦点距離が与えられると、連結効率を最大にするすなわち挿入損失を最小にする好ましい中心厚さが存在する。好ましい実施の形態では、光ファイバは、単一モードの光ファイバである。また、マルチモードの、極性を維持する、ソリューション・ドープの光ファイバが使用できる。

　図１２は、透過の配置で使用される１対の両凸レンズを示す。光源用光ファイバ１０はガウス型光束を出射し、この光束はレンズ１７０によりコリメートされる。コリメートされるガウス型光束６２は次にレンズ１７２により受光用光ファイバ２０の中に合焦される。光源用光ファイバ１０と受光用の光ファイバ２０は、ともに、コリメータレンズ１７０，１７２の光軸の上またはその近くにある。光スイッチなどの用途では、２つのレンズの間の作動距離Ｄをできるだけ長くすることが望ましい。作動距離の長い装置において最適の連結効率を達成するために、各コリメータレンズの有効焦点距離は増加されねばならない。５ｍｍと１０００ｍｍの間の作動距離に対して、コリメータレンズの有効焦点距離は１．９ｍｍから８ｍｍまでの範囲にある。

　また、いくつかの用途では、光源用と受光用の光ファイバを、コリメータレンズの光軸からはなれて位置することが望ましい。図１３に示す透過型光学系では、光源用光ファイバ１０と受光用の光ファイバ２０は、コリメータレンズ１７０，１７２の光軸からずれて位置される。もし各コリメータレンズの有効焦点距離が同じであれば、２つの光ファイバの横方向の変位は同じである。

　図１４は、１対の対称的両凸コリメータレンズを用いる。この場合、光源用光ファイバ１０からの光は、レンズ１７０によりコリメートされる。光の一部は、光フィルタ２４から反射され、レンズ１７０を通って受光用の光ファイバ２６の中に戻る。光フィルタ２４から反射されない光は、第２のコリメータレンズ１７２を通って受光用光ファイバ２０の中に入る。主光線は光軸１４２に平行であるので、この光学システムは、像空間でテレセントリックであり、光ファイバがこのシステムの光軸からずれて位置されていても、単一モードの光ファイバにおいて高い連結効率を達成できる。光フィルタ２４は、光ファイバ２６に入る反射光の量を最大にするために、レンズ１７０の前焦点面１４０またはその近くに位置されねばならない。この光学システムの倍率の大きさは、第１のレンズの焦点距離と第２のレンズの焦点距離との比に等しく、したがって、図１４の構成において、２つのレンズが同じ焦点距離を持つことが望ましい。

　約１３００から１６２５ｎｍの波長範囲において動作する２本の単一モードの、すなわち、極性を維持する、光ファイバからの光を連結するため、１対の対称的両非球状レンズが使用できる。また、約８６０から１３００ｎｍの波長範囲において動作する２つのマルチモード光ファイバからの光を連結するため、１対の対称的両非球状レンズが使用できる。各々の場合において、光学表面、屈折率および中心厚さの規定は、連結効率を最大にするように選択される。光源用と受光用の光ファイバが同じであれば、２つのコリメートレンズの焦点距離も同じである。しかし、もし光源用と受光用の光ファイバが同じでなければ、２つのコリメートレンズの焦点距離は、各光ファイバのモードフィールド半径に整合するように選択される。

　図１１におけるレンズ１３４の凸表面１３６，１３８は、レンズ１３４により作られる光束の収差を最小にするために非球状形状を有するように選択できる。この形状は、円錐方程式の形で特定される。ここで、表面のサグ（sag）は、以下の式により与えられる。

ここに、Ｒは表面の基部（base）半径であり、ｙは半径座標であり、ｋは円錐定数である。もしｋ＝０であるなら、表面は球である。表面の実質的機能を変えることなしに、等価な数学的公式が同じ光学表面の形状を記述するために使用できる。ここで提示される例では、円錐状の非球状表面が使用された。しかし、より高次の項を有する非球状表面も、許容可能な結果を生じる。

　光軸上の物体について、非球状の形状が、全ての次数の球面収差をゼロにするために選択できる。楕円表面は、球状収差を有しない無限の物体の像を作る。円錐定数は、(−１／ｎ)^２により与えられる。ここに、ｎはレンズの屈折率である。しかし、楕円体は光軸上で像が形成される点についてのみ完全な像を形成する。最良の総合的な性能を決定するため、また、レンズが光軸上でも光軸からずれても機能しなければならないことを考慮して、円錐定数は、最良の総合的性能を達成するために変化されねばならない。円錐定数の最適な値は、光軸上の点と光軸からずれた点の光路差の平均最小自乗根(rms)を最小にすることにより選択される。

　以下に、対称的、両非球状、光ファイバ用コリメータレンズの単純化された設計法が説明される。まず、１．９４４ｍｍの標準有効焦点距離が選択される。オプティカル・リサーチ・アソシエーツ社（Optical Research Associates）からのＣＯＤＥ Ｖ（商標）などの市販の光学設計プログラムが、レンズ材料の１．５から１．９までの屈折率のための最適円錐定数、中心厚さおよび曲率半径を決定するために使用される。このデータから、最適円錐定数、曲率半径および中心厚さがレンズ材料の屈折率と共にどのように変化するかを予測するために、線形方程式が生成される。非標準の焦点距離のコリメータレンズは、中心厚さと曲率半径を、所望の焦点距離の標準の焦点距離に対する比を単純に乗算することにより、設計できる。他方、最適の円錐定数は、レンズの有効焦点距離に依存しない。追加の最適化は、非標準の焦点距離のための「最良」レンズ設計に達するために要求される。

処理ステップ．
ステップ１：　レンズ材料を選択して、屈折率Ｎを特定する。
ステップ２：　対称的両凸レンズ２２０を使用して最適円錐定数ｋを決定する。

なお、屈折率Ｎが増加するにつれ、円錐定数ｋの大きさが減少する（すなわち０に近くなる）。０に近い円錐定数は、最適な波面を作るために、より小さい非球状ずれが要求されることを意味する。製造の困難は非球状ずれが増加するにつれ増加することが当業者に周知であるので、非球状ずれがより小さいことは、製造がより容易になることを意味する。また、上述の方程式により与えられる最適値から変化する円錐定数は、許容可能な連結効率を生じるために使用できる。

ステップ３：　１．９４４ｍｍの標準有効焦点距離ＥＦＬ_０のための最適曲率半径Ｒ_０と最適標準中心厚さＣＴ_０を計算する。

ステップ４：　所望の有効焦点距離ＥＦＬを特定し、最適曲率半径Ｒ_０と最適標準中心厚さＣＴ_０を用いて標準曲率半径Ｒと中心厚さＣＴを得る。

　光ファイバとコリメータの間の傾きと中心からのずれの誤差とを減少するために、レンズの中心厚さを増加することが有利である。焦点距離と屈折率が与えられると、許容可能な連結効率（すなわち挿入損失）を生じる範囲内で、中心厚さが１つの点にまで厚くできる。図１５に示す１グループの曲線は、１．９４４ｍｍの標準焦点距離に対して円錐定数ｋが中心厚さＣＴに対してどのように変わるかを表わす。図１６に示す１グループの曲線は、１．９４４ｍｍの標準焦点距離に対して曲率半径Ｒが中心厚さＣＴに対してどのように変わるかを表わす。後で説明する例４は、中心厚さが増加するときのコリメータレンズを示す。１．９４４ｍｍの標準焦点距離と１．７０の屈折率の場合の最適中心厚さは約２．１３ｍｍである。曲率半径Ｒ＝２．０３２３ｍｍと円錐半径ｋ＝−１．８７７６７に調整することにより、中心厚さは２．５０ｍｍに増加する。この場合、モデルの反射挿入損失は０．０１ｄＢより小さく、測定された反射挿入損失はプロトタイプの複数のレンズについて平均で０．０７ｄＢである。

　レンズは、ガラスまたは成形プラスチックから製造される。ガラスはプラスチックより大きな環境安定性を持つ。プラスチックレンズと異なり、ガラスは、化学変化または湿度により屈折率が変化しない。望ましくは、レンズ材料の一様性は成形過程の間で維持される。当業界で知られているように、光学材料の一様性は、レンズの性能に対して逆に影響する。拡散により製造される勾配屈折率レンズと比較して、タリウムなどの有害金属が拡散において使用されないことが、レンズにとって有利な点である。

　本発明の１つの効果は、より大きな屈折率のガラスがレンズのために選択できることである。レンズの屈折率が大きくなると、所定の屈折パワーを生じるために必要な曲線の程度（strength）が小さくなるので、したがって、製造がより容易になる。レンズの屈折率が大きくなることによる別の有利な点は、単層の光学被覆膜が、レンズ表面から反射される光の量をかなり減少させることである。これは、単層の反射防止膜の屈折率の最適な選択が膜の両側での２つの媒体の屈折率の幾何学的平均に等しいためである。一般的な被膜材料の１つは、１．３８の屈折率のフッ化マグネシウムである。フッ化マグネシウムは、１．９０の屈折率に対して最適である。基板の屈折率が１．９０に近づくにつれ、単層フッ化マグネシウム膜の性能がよりよくなる。

　本発明の別の効果は、前焦点距離ＦＦが平凸コリメータレンズより短いことである。前焦点距離が短くなると、ＤＷＤＭデマルチプレクサなどのフォトン装置の中に光ファイバまたは他の光学部品を取り付けることを助ける（図１４）。本発明の他の効果は、２つの光学表面でのパワーが同じであることによる製造可能性の改善とアライメント精度の減少である。図１１を参照すると、ガウス型光束６２は、レンズ１３４を通るとき、２つの光学表面１３６，１３８で屈折される。これは、中心厚さ、パワー、不規則性、光学表面の傾き、光学表面の中心のずれなどの製造における変動により生じる追加の挿入損失を減少することである。また、２つの光学表面でのパワーが同じであることは、レンズの傾き、中心のずれなどの組立アライメント誤差により生じる性能の劣化を減少する。

　本発明のさらに別の効果は、レンズの第１の光学表面の上のかき傷の仕様が減少することである。ガウス型の光束のプロファイルの中の光学表面の上の引っかき傷などの表面の不完全性は、連結効率を減少させる。光学表面の光束の大きさが減少するにつれ、傷の許容可能な大きさが減少する。ＧＲＩＮレンズと平凸レンズの第１の光学表面への光ファイバの小面からの距離は、典型的には０．２５ｍｍと非常に小さい。図１を参照すると、ＧＲＩＮレンズ１６の第１表面１２の上のビームの直径１４は、典型的には５０マイクロメータより小さい。また、これは、図７に示される平凸レンズについても正しい。この場合、第１表面の上の光束の直径は８２は、５０マイクロメータより小さい。第１の光学表面の上の光束の直径が非常に小さいので、許容可能な傷の大きさも非常に小さい。また図１１を参照すると、対称的両凸レンズ１３４の第１表面１３６の上の光束の直径１３２は、典型的には２００マイクロメータより大きい。その結果、第１の光学表面または対称的両非球状レンズのための傷の仕様は大きく減少されて、製造をより容易にする。

　許容可能な戻り損失すなわち逆反射を達成するために、光ファイバの端は、正常に劈開され、コリメータレンズの第１表面は典型的には８度に傾けられる。また、これらの表面は、光効率の反射防止膜で被覆される。図９ａは、傾けられた小面１０６を有するＧＲＩＮレンズ１０４を示し、図９ｂは、傾けられた小面１０８を有する平凸レンズ１１０を示す。傾けられた小面を有するコリメータレンズを製造することは困難であり費用がかかる。このことは、特にガラス成形コリメータレンズについて当てはまる。

　本発明のさらに他の効果は、傾けられた小面を必要とせずに、許容可能な戻り損失を達成する可能性である。図１７を参照すると、発散するガウス型光束１８２は、光源用光ファイバ１００と反射防止膜で被覆された、傾けられた小面１０２を出る。ガウス型光束１８２は、レンズ１３４の第１の光学表面１３６に当るまで発散しつづける。この表面において、非常に少量の光が反射防止膜から反射される。この点で、反射された光束１８０は、十分に大きいので、光源用の光ファイバ１００に入る光の量を大きく減少する。こうして、より長い後焦点距離と凸の光学表面が、ともに後反射光を許容可能なレベルまで減少するのに寄与する。

　本発明のもう１つの効果は、レンズの対称性から生じる組立の容易さである。各光学表面が同一であるので、組立の間、作業者は、取り付け管またはｖ溝に最初に挿入される光学表面を決定する必要がない。この製造の容易さは、レンズが小さくなるにつれ非常に重要になる。

　本発明のもう１つの別の効果は、傾けられたレンズの小面がないことから生じる。たとえば図９aを参照すると、傾けられた光ファイバの小面１０２は、最適の連結効率を達成するために、傾けられたレンズの小面を回転してアラインしなければならない。いくつかの場合に、光ファイバの小面とレンズの小面とは図９ａに示されるようにアラインされねばならない。他の場合には、光ファイバの小面１０２はレンズの小面１０６に対して９０°回転されねばならない。光ファイバの小面のレンズの小面に対するアライメントは、クロッキングとして知られている。クロッキング・アライメントの工程は、部品の大きさが小さいため、また、光ファイバの小面とレンズの小面とに接近できないため、非常に時間がかかり、また、困難である。対称的な両非球状コリメータレンズは、傾けられた光学小面を必要としないため、クロッキングは本発明では要求されない。

　ＧＲＩＮレンズと平凸レンズの傾けられた光学表面は、ＧＲＩＮレンズに対して図１８に示されるように、コリメートされたガウス型光束を光軸に対して傾けさせる。この効果は光学ポインティング（pointing）として知られている。光源用の光ファイバ１００は、後反射を減少するために、傾けられた小面を有する。主光線１９２は、レンズ１０４と光源用光ファイバ１００の光軸に対してある角度で、傾けられた光ファイバの小面１０２を出る。主光線１９２は、光軸１４２に対してある角度でレンズ１０４を出る。また、主光線１９０は、レンズ１０４の外側の直径１９４に対して傾けられる。図１９は、傾けられた小面１０８を有する平凸レンズ１１０を示す。また、主光線２０４は、光軸１４２とレンズ２０２の直径に対してある角度でレンズ１１０を出る。ガウス型光束の大きな光学ポインティングは、光源用光ファイバから受光用光ファイバへの「第１の光」を得ることができないため、光子装置のアライメントの困難性を増加する。「第１の光」の検出は、多くのアライメント過程において重要である。本発明は、傾けられた光学表面がないため、光学ポインティングから影響を受けない。図２０は、主光線２１０が対称的両非球状レンズ１３４をどのように通るかを示す。主光線は、光軸１４２またはレンズの外側直径２１２に対して傾かずにレンズを出る。これは本発明の別の効果である。

　また、図２１ａと図２１ｂに示されるように、取り付け用の基準面(datum)は、アライメントを助けるために２つの光学表面に追加される。図２１ａに示す対称的両凸レンズ２２０は、第２の光学表面２２６において形成される平らな基準面２２４を有する。この基準面は、レンズの成形において、または、第２のセンタリング（centering）作業において形成できる。図２１ｂに示すレンズ２３０は、第１の光学表面２３２に形成された基準面２３４と第２の光学表面２３６に形成される追加の基準面２３８とを有する。これらの基準面のうち１つまたは２つが、光ファイバのフェルール、光フィルタおよび減衰器などの追加の光学部品をアラインするために使用できる。

　以下の例は、この発明のいくつかの例を示すが、これらは、本発明を特定の寸法に限定しようとするものではない。

例１．
　例１は、１．９４４の実効的焦点距離と１．５０の屈折率を有する対称的両非球状レンズを有する。

例２．
　例２は、１．９４４の実効的焦点距離と１．６０の屈折率を有する対称的両非球状レンズを有する。

例３．
　例３は、１．９４４の実効的焦点距離と１．７０の屈折率を有する対称的両非球状レンズを有する。

例４．
　例４は、２つの同一の対称的両非球状レンズを有する。レンズの中心厚さは、チルト(tilt)と、光ファイバとコリメータレンズとの間の中心のずれを最小にするために増加されている。

発明の他の特徴.
　上述の光学レンズの一方または両方は、円錐状の光学非球状表面を有する。円錐定数は、−０．５０から−０．３６までの範囲内にある。光学レンズの非球状表面のバーテックススフィア（vertex sphere）からの最大のずれは、０．９７２ｍｍの半径で０．０００５から０．００４０までの範囲にある。

　光学レンズの光学表面は、単層のＭｇＦ_２反射防止膜を被覆できる。別の手法では、光学レンズの光学表面は、多層の２色性反射防止膜で被覆できる。さらに、光学レンズの光学表面は、研磨され、または、成形される。

　光学レンズの材料は、たとえばガラスである。ガラスが使用されるとき、屈折率は１．５０〜１．９０の範囲内にある。別の例では、光学レンズの材料はプラスチックである。プラスチックが使用されるとき、屈折率は１．４０〜１．６０の範囲内にある。光学レンズは、１．５０ｍｍから１０．００ｍｍまでの実効的焦的距離を有する。

　この発明は、好ましい実施の形態を参照して説明されたが、その変形は、この発明の範囲の中にある。

光源のファイバから受光用ファイバに光を連結するために使用される１対のＧＲＩＮコリメートレンズの図 追加の処理を行うため、コリメートされる光束に導入される光学部品の図 異なる波長の光を分離するフィルタを備える光システムの図 物体空間でテレセントリックであるシステムの図 像空間でテレセントリックであるシステムの図 光源用光ファイバから受光用光ファイバへ光を連結するために使用される１対のＧＲＩＮコリメータレンズの図 光源用光ファイバから受光用光ファイバへ光を連結するために使用される１対の平凸コリメータレンズの図 ２つの平凸コリメータレンズと光ファイバからなる光システムの図 傾いた小面を有するＧＲＩＮレンズの図 傾いた小面を有する平凸レンズの図 両凸コリメータレンズの形状の図 凸平コリメータレンズの形状の図 メニスカスコリメータレンズの形状の図 対称的両凸レンズの図 光源用光ファイバから受光用光ファイバへ光を連結するために使用される１対の対称的両凸レンズの図 コリメータレンズの光軸からはなれて位置される光源用光ファイバと受光用光ファイバを備える透過性光システムの図 ２つの対称的両凸コリメータレンズと光ファイバとからなる光システムの図 １．９４４ｍｍの標準的焦点距離のためのレンズの中心厚みの関数としての非球状円錐定数のグラフ １．９４４ｍｍの標準的焦点距離のためのレンズの中心厚みの関数としての曲率半径のグラフ 光学凸表面から反射されるガウス型光線の図 ＧＲＩＮレンズを伝播する主光線の図 平凸レンズを伝播する主光線の図 対称的両凸レンズを伝播する主光線の図 第２の光学表面の上に取り付け基準面を備えた対称的両凸レンズの図 ２つの光学表面の上に取り付け基準面を備えた対称的両凸レンズの図

符号の説明

　１０、２０、２２、２６、２８　光ファイバ、　　１３２　光軸、　　１３４　レンズ、　　１３６，１３８　凸の光学表面、　　１７０、１７２　レンズ。

Claims (4)

1. 　２つの同じ光学非球状表面を備える第１の両凸レンズと、
   　第１の両凸レンズから離れて位置される、２つの同じ光学非球状表面を備える第２の両凸レンズとからなり、
   　第１の両凸レンズは、光源用光ファイバからの光を収束光束、発散光束およびコリメート光束の中のいずれか１つの光束とし、第２の両凸レンズは、前記の１つの光束を受光用光ファイバの中に合焦して、光源用光ファイバから放出される光を受光用光ファイバの中に連結する
   　１対の光学レンズ。
2. 　請求項１に記載された１対の光学レンズにおいて、
   　前記の第１と第２の両凸レンズの１部が光軸を定義し、
   　第１の両凸レンズは、光軸上に位置される光源用光ファイバからの光を、収束光束、発散光束およびコリメート光束の中のいずれか１つの光束とし、第２の両凸レンズは、前記の１つの光束を光軸上に位置される受光用光ファイバの中に合焦する
   　１対の光学レンズ。
3. 　請求項１に記載された１対の光学レンズにおいて、
   　前記の第１と第２の両凸レンズの１部が光軸を定義し、
   　第１の両凸レンズは、光軸からずれて位置される光源用光ファイバからの光を、収束光束、発散光束およびコリメート光束の中のいずれか１つの光束とし、第２の両凸レンズは、前記の１つの光束を光軸からずれて位置される受光用光ファイバの中に合焦する
   　１対の光学レンズ。
4. 　２つの同じ光学非球状表面を備える両凸レンズである光学レンズであって、
   　この光学レンズの１部は光軸を定義し、
   　この光学レンズは、光学レンズの光軸からずれて位置される光源用光ファイバからの光を、収束光束、発散光束およびコリメート光束の中のいずれか１つの光束とし、次に、光ファイバから出射された光が受光用光ファイバの中に連結されるように、光学レンズを通る反射光束を、光学レンズの光軸からずれて位置される受光用光ファイバに合焦することを特徴とする光学レンズ。

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