JPH04507152A - 非球面レンズを有する光フアイバー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 非球面レンズを有する光フアイバー 発明の背景 発明の分野 本発明は、先端に非球面レンズを有する光ファイバーとその作製方法に関する。 　先行技術の説明 光通信システムは、光エネルギー源と、光フアイバー導波管で連結された関連受 信器とを含む。源からファイバー又はファイバーから受信器へ結合されたパワー の測量は、結合効率と呼ばれる。 一般光フアイバーは、約９マイクロメートル径のコアを有し、コアは、所定の第 １屈折率を示す材料から形成される。コアは、所定の第２屈折率を示すクラッド 材料の外層によって取り囲まれる。一般光フアイバーの全外径は、１２５マイク ロメートルの次元である。 光ファイバーは、通常、先端にレンズ端を有する。レンズ端は、一般に、球面で あるが、レンズ端は非球面の形状でも良いことが公知である。 球面レンズは生産が容易で、一般に、それが配置されたシステムの必要性を満た すために十分であるが、球面レンズは、球面収差を受ける。 そのような球面収差は、結合効率を低下させ、こうして、そのようなファイバー をレーザー光増幅器の如く低損失高利得用途のために不好適にしている。 非球面レンズは、球面収差を縮小し、任意の大きさのレンズに対して結合効率を 改良することが認識された。しかし、非球面レンズは、多分、製造において認め られる困難さのために、光フアイバー導波管において広く使用されるようには見 えない。 米国特許第４，５６５．５５８号（Ｋｅｉｌ他）と米国特許第４，５８９．８９ ７号（Ｍａｔｈｙｓｓｅｋ他）は、光ファイバーにおける球面又は非球面レンズ 端の形成に関する。これらの特許において開示された装置は、２つの締め具を使 用し、それらの少なくとも一方は、電気アークが締め具の間のファイバーの部分 を加熱する間、他方に関して移動する。一定張力と加熱の結果として、緊縮が生 ずる時、張力は降下され、そしていっそうの緊縮が発生し、熱が遮断された時固 化する分離につながり、テーパしたファイバーにおいてレンズが形成される。 ＢｌａｕｃｉａｕとＲｏｓｓｂｅｒｇによるＪｏｕｒｎａｌ　ｏｆＬｉｇｈｔｗ ａｖｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、Ｖｏｗ、ＬＴ−３、Ｎｏ、３．１９８５年４月 は、最初にファイバーにおいてバルブ状球面レンズを形成し、その後、バルブの 中心において純石英のシリンダーを溶接することによる、非球面レンズの作製を 記載している。再よう融により、純石英は流出し、非球面を形成する。 米国特許第４．２４３．３４９号と第４，３７０，０２１号（両方共Ｋｈｏｅ他 ）は、半だ円状レンズを生産するために光ファイバーの端部の平面加工を記載し ている。 発明の要約 本発明は、先端が２つのテーバ領域を有する光ファイバー導波管に関する。第１ テーバ領域は、ファイバーの全直径に隣接して配置され、そしてファイバーの軸 に関して浅い傾斜を特徴としている。より正確に規定すると、第１テーバ領域の 表面にある線の延長部分が、１０〜３０度の範囲の角度においてファイバー軸と 交差する。好ましくは、角度は約１８度である。 第２のより急しゅんなテーバ領域が、第１テーバ領域にすぐ隣接して配置される 。第２領域は、表面にある線の延長部分が、３５〜６０度の範囲の角度において ファイバーの軸と交差することを特徴としている。 好ましくは、角度は、約４５度である。第２のより急しゅんなテーバ領域は、非 球面レンズにおいて終端する。レンズは、好ましくは、略双曲線の断面である。 本発明はまた、上記の構造の先端を有する光フアイバー導波管の作製方法に関す る。方法は、第１及び第２離間締め付は点において光ファイバーの長さを確実に 締め付ける段階と、第１及び第２締め付は点の中間のファイバーにおける所定分 離点にエネルギーアークを照射する段階とを含む。アークは、遷移温度よりも高 くファイバーを軟化させるために十分な温度である。こうして、分離点に関して 、ファイバーにおける第１及び第２部分が規定される。締め具の少なくとも一方 は、エネルギーアークの存在において所定の第１分離加速度で他方の締め具に関 して相対的に移動され、これにより、ファイバーの少な（とも一つの部分におい て第１テーバ領域を規定する。分離加速度は、ファイバーを章縮させて第１及び 第２部分を分離点において分離するために、段階的に増大される。この作用は、 第１テーバ領域を有するファイバーの少なくとも一部においてニップル状延長部 分を形成する。ニップル状延長部分を有するファイバーの部分は、延長部分を固 化するために遷移温度よりも下に冷却される。その後、固化二ソプル状延長部分 は、アークに導入される。 ニップル状延長部分は、先端の残部よりも急速に加熱され、そして表面張力効果 のために、ニップル状延長部分は引っ込み収縮し、非球面レンズ端を有する第２ テーパ領域へ形成される。第２テーバ領域のより明白な傾斜は、第１及び第２部 分へのファイバーの単線分離の結果として形成される。 図面の簡単な説明 発明は、この出願の一部を形成する添付の図面に関連して取られた次の詳細な説 明からさらに十分に理解されるであろう。 第１図は、本発明による非球面レンズを有する光ファイバーを形成する方法を実 現するための装置の非常に様式化された絵画図である。 第２図は、本発明によるプロセスの実施中いろいろな所定時点における形成プロ セスの各種のパラメータの状態タイミング図と形成される光ファイバーの輪郭の 図である。 第３Ａ図と第３Ｂ図は、第２図に示された光ファイバーの先端の輪郭の選択拡大 図である。 第４図は、本発明により形成された非球面レンズを有する光ファイバーの先端の 拡大輪郭図である。 発明の詳細な説明 次の詳細な説明を通して、同様の参照番号は、図面のすべての図において同様の 要素を参照する。 第１図は、本発明による非球面レンズを有する光ファイバーを形成する方法を実 現するための参照文字１０によって一般に示された装置の非常に様式化された絵 画図である。装置１０は、第１及び第２ファイバー締め具１４Ａ、１４Ｂを含み 、それらの各々は、それぞれのステージ１６Ａ、１６Ｂに取り付けである。後述 される如く、各締め具１４Ａ、１４Ｂは、それぞれの第１及び第２締め付は点２ ＯＡ、２０Ｂにおいて光ファイバーＦの所定長を確実に締め付けるために動作す る。締め付は点２ＯＡ、２０Ｂは、参照文字２２によって一般に示された延伸ゾ ーンを規定するために離隔される。 締め具１４Ａ、１４Ｂは、好ましくは、ファイバーが敷設された溝付き台１７Ａ 、１７Ｂを使用して実現される。ファイバーは、心はずれ締め具によるすべりを 排除するように位置において確実に保持される。ステージ１６Ａ、１６Ｂの各々 は、Ｋｌｉｎｇｅｒ　５ｃｉｅｎｔｉｆｉｃｏｆ　Ｇａｒｄｅｎ　Ｃ１ｔｙ、ニ ューヨークからＫｌｉｎｇｅｒモデルＵＴ　１００．２５リニアステージとして 市販されるものの如く、リニアステージ装置を使用して実現される。 各ステージ１６Ａ、１６Ｂは、適切に固定されたそれぞれの駆動モーター２６Ａ 、２６Ｂを有する。駆動モーター２６Ａ、２６Ｂは、第１図と第２図においてそ れぞれ参照文字２８Ａ、２８Ｂによって示された、それぞれの移動経路に沿って 各ステージ１６Ａ、１６Ｂを併進させるために動作する。各モーター２６Ａ、２ ６Ｂは、参照文字３０によって集合的に示された、適切なモーターコントローラ によって制御される。記載された好ましい実施態様において、両方のステージが 併進されるが、ステージの所与の一方を固定する（又は少なくとも移動させない ）こと、あるいはステージの一方が所定加速度において他方に関して相対的に可 動であるならば、他の効率的な配置を使用することは、発明の範囲内にあること が注目される。 駆動モーター２６Ａ、２６Ｂとしては、Ｃｏｍｐ　ｕｍｏ　ｔ　ｏ　ｒＤｉｖｉ ｓｉｏｎ　ｏｆ　Ｐａｒｋｅｒ　Ｈａｎｎｉｆｉｎ　Ｃｏｒｐ。 ベタルーマ、カリフォルニア州からＣｏｍｐｕｍｏｔｏｒ　Ａ３７−８３として 市販されるステッパーモーターが適切である。モーターコントローラ３０は、Ｃ ｏｍｐｕｍｏｔｏｒ　Ａ３７−８３コントローラとして同社から市販されるコン トローラを使用して実現される。 延伸ゾーン２２において、一対のアーク電極３４Ａ、３４Ｂが配設しである。電 極３４Ａ、３４Ｂは、各々、参照文字３８によって第１図に集合的に示された、 適切なアーク変成器及びコントローラに連結しである。この目的の使用ために、 Ａｃｔｉｏｎ　ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓＩｎｃ、、サンディエゴ、カリフォルニ ア州から構成される装置が適切である。各アーク変成器及びコントローラ３８Ａ 、３８Ｂは、逓昇変成器、ＡＰ３２３１位相角コントローラ及びＡＰ３０１０誘 導負荷ドライバーを含む。変成器は、２４０ボルト５０Ｈｚパワ一人力を５００ ０ボルトに逓昇し、一方、位相角コントローラとドライバーは、変成器から出力 されたパワーにおける正弦波チョッパーとして機能する。 全システム制御は、ＩＢＭ社Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　Ｐ ｒｏｄｕｃｔｓ、Ｂｏｃａ　Ｒａｔｏｎ、　フロリダ州から獲得されるＩＢＭ産 業用ＡＴの如く、適切なプログラマブル制御装置４０を使用して行われる。コン ピュータ４０は、２つのＣｏｍｐｕｍｏｔ。 ｒ　ＰＣ２１カードとデータ変換１２ビツトＤ／Ａカードを装備している。後者 は、Ｄａｔａ　Ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ、Ｍａｒｌｂｏｒｏ。 マサチューセッツ州から構成される 装置１０はまた、ファイバーＦにおける分離点Ｓの近傍において延伸ゾーン２の 領域を見るために、参照文字４２によって一般に示された視覚監視システムを含 む。視覚監視システム４２は、適切なカメラ４４と（所望の倍率を設けるための ）関連光学装置４６を含み、これにより、レンズ形成の実時間画像が、モニター ４８において操作者によって目視される。延伸ゾーン２２のレンズ形成領域にお ける分離点Ｓの近傍は、照射された白色光により背面照明されるべきである。　 光ファイバーＦの先端において非球面レンズを形成するために、ファイバーＦの 所定長のジャケットと緩衝被覆がはく離され清浄される。ファイバーＦは、それ ぞれの締め付は点２ＯＡ、２０Ｂにおいて締め具１４Ａ、１４Ｂによって締め付 けられ、その結果清浄及びはく離されたファイバーの長さは、延伸ゾーン２２を 横断する。ジャケットと緩衝被覆でなお覆われたファイバーＦの残糸長は、第１ 図に示されたコイル状長さＣによって表された如く、経路外に保持される。以降 の図において、上方部材は、ファイバーの残余のコイル状長さの一部として理解 されるものである。図における下方部材は、通常捨てられるファイバーのスタブ 長を規定する。 延伸ゾーン２２においてファイバーＦにおける所定点Ｓは、電極３４Ａ、、３４ ．８の間にある。展開される如く、点Ｓは、分離ファイバーの第１及び第２部分 が規定される分離点を規定する。 本発明による方法の段階は、第２図から理解される。この図は、本発明によるプ ロセスの実施中、形成プロセスの各種パラメータの状態のタイミング図と、いろ いろな所定時点において形成される光ファイバーの先端の輪郭図である。第２図 において、相対加速度、速度、締め具１４Ａ、１４Ｂの変位と電極３４Ａ、３４ Ｂの間に確立されたアークのエネルギーは、時間の関数として示される。さらに 、第２図は、延伸ゾーン２２内の点Ｓの回りでファイバーＦの長さが受けた物理 的変化を示す。 プロセス初期において、アークは、コンピュータ４０の制御下で電極３４Ａ、３ ４Ｂの間に生成される。アークは、分離点Ｓにおいて延伸ゾーンのファイバーと 相互作用する。アークエネルギーは、ファイバーの延伸中、初期アークエネルギ ー値から最終アークエネルギー値の範囲を取り、その後、単線（ｊｅｒｋｉｎｇ ）アークエネルギー値に飛躍し、そして所定のレンズアークエネルギーを示すた めに縮小される如く、プロセスの全体で制御される。これらはすべて後述される 。コンピュータ４０からのＯ〜４０９５の範囲の所定の「ビットカウント」　（ 次の表において使用された測量）は、コントローラ３８に出力された０〜１０ポ ルトに対応し、そして対応するＯ〜５ＱｍＡ電流を電極３４Ａ、３４Ｂに生じさ せる。電極への電流は、アークエネルギーレベルを支配する。 プロセスの開始において、締め具１４Ａ、１４Ｂは、所定の一部テーバ加速度に おいて互いに相対的に離隔される。この延伸作用は、分離点Ｓの上と下のファイ バーＦの各部分において長く、比較的浅い傾斜のテーパ５２Ａ、５２Ｂを規定す る。後述される如く、テーバの傾斜は、ファイバーＦの軸Ａに関して規定される （第４図）。締め具が移動し始める時、アークエネルギーは、ファイバーが薄く 延伸される一定率で、初期値から最終値にコントローラ４０によって縮小される 。このフェーズ中、アークエネルギーは、延伸を生じさせるために、遷移温度よ りもファイバーを昇温させるために必要な最小熱を印加するように選択される。 非常に強度のアークエネルギーにより、ファイバーはよう融されるが、わずかな 熱では、ファイバーは適正に延伸されない。 分離点Ｓにおけるファイバーの直径寸法Ｄ（第２図と第３Ａ図）が、（１２５マ イクロメートルファイバーに対して約２０マイクロメートルである）所定の断面 寸法に縮小される時、締め具１４Ａ、１４Ｂの加速度は、段階的に増大される。 段階的増大は、初期テーパ加速度から単線加速度への加速度の急変化であり、ミ リ秒の次元において短時間範囲で発生する。！ｌ！縮作用の下での締め具の相対 変位は、テーパ距離と呼ばれ、第２図にグラフで示される。 加速度の段階的増大は、ファイバーに課せられる章縮作用を生じさせ、第２図に 示された如く、第１部分５４Ａと第２部分５４Ｂを分離点Ｓにおいて分離させる 。単結作用は、第２図と第３Ａ図において参照文字５６Ａ、５６Ｂにおいて最良 に示された如く、テーパの傾斜を鋭く変化させる。さらに、第１及び第２部分へ のファイバーの章縮分離は、ファイバーが２つの部分に分離する時、材料のニッ プル状延長部分５８Ａ１５８Ｂを引き出す。 いったんファイバーが第１及び第２部分５４Ａ、５４Ｂに分離されると、アーク は、消失され、そしてファイバーの作動長（すなわち、第２図に示されたファイ バーの上方コイル状部分Ｃ）は、第２図に矢印６゜によって示された如く、アー ク平面の方に移動させられる。この間、ファイバーＦの部分５４Ａの端部とニッ プル状延長部分５８Ａは、遷移温度よりも降下させられる。冷却期間の持続時間 とすべての他の期間の持続時間は、第２図のグラフにおいて示される。 アークは、再点火され、そして操作者は、モニター４８によって案内されて、（ レンズアークエネルギー値において）１７２秒のアークバーストを、ファイバー Ｆの第１部分５４Ａにおけるニップル状延長部分５８Ａに印加する。レンズアー クの印加は、ファイバーＦの第１部分５４Ａのテーパ部分５２Ａ、５６Ａよりも より大きな範囲まで、ニップル状延長部分５８Ａの材料を軟化させる。ニップル 状延長部分５８Ａは、こうして、遷移温度よりも昇温され、そして表面張力効果 は、（第２図、第３Ａ図と第３Ｂ図に示された如く）上方に延長部分５８Ａを回 収させる。端部においてレンズ６０（第３Ｂ図、第４図）を有する第２テーバ領 域５６゛　Ａを形成するためのニップル状延長部分５８Ａの収縮と癒着は、第３ Ａ図と第３Ｂ図の比較により最良に見られると考えられる。 レンズアークエネルギーの印加は、プログラム制御の下で実施され、そして第２ テーバ領域５６°Ａとレンズ６０を形成するための（適切な持続時間と適切なエ ネルギーにおいて）単一アークバーストの印加は、発明の範囲内にあることが理 解される。 こうして形成された結果のレンズファイバーは、第４図において拡大図で示され る。本発明の結果として生産された光ファイバーは、２つのテーパ領域５２Ａと ５６゛Ａを有する先端を含む。第１テーバ領域５２Ａは、（第４図のスケールに おいて不可視の）ファイバーの全径に隣接して配置され、そしてファイバーの軸 Ａに関して傾斜が浅いことを特徴とする。第１テーバ領域５２Ａの表面は、ファ イバーＦの軸Ａに関して第１所定角度６４を規定している。第４図にさらに正確 に示された如（、第１テーバ領域５２Ａの表面にある線の延長部分は、１０〜３ ０度の範囲の角度６４においてファイバーの軸Ａと交差する。好ましくは、角度 ６４は、約１８度である。 ファイバーＦの先端の第２テーバ領域５６′Ａは、第１テーバ領域５２Ａにすぐ 隣接して配置され、そしてこの領域の表面は、ファイバーＦの軸Ａに関してより 急しゅんにテーパされる。上記の如く、第２領域５６゛　Ａは、ファイバーを第 １及び第２部分に分離する章縮作用の結果として生成される。第２テーパ領域５ ６゛　Ａは、表面にある線の延長部分が、３５〜６０度の範囲内の角度６８の軸 Ａと交差することを特徴とする。好ましくは、角度は約４５度である。 第２のさらに急しゅんなテーバ領域５６゛Ａは、非球面レンズ６０において終端 する。レンズ６０は、好ましくは、略双曲線の断面である。 ３次元において、レンズ６０は、好ましくは、双曲面である。用語「略双曲線断 面」と「双曲面」は、双曲線断面と双曲面形状から逸脱するレンズ形状を包含し 、放物線断面と３次元形状において放物面になる傾向を意図される。 パラメータの相互作用は、ある量の実験が、所望の構成を生ずる条件を選択する ために必要とされる如（であることが認識される。次の表は、非球面レンズの平 均半径により達せられたそのような変化と結果の多数の例を示す。「平均半径」 は、レンズ６０の先端から軸Ａに沿って約１５マイクロメーターに配置した点Ｘ に中心を置くファイバーの先端の輪郭（すなわち、第４図に示された輪郭）への 最小自乗分析により適合した円の半径を意味する。 表 平均半径　８　１０　１４ （マイクロメートル） テーパ距離　１２５　８０　９０ （マイクロメーター） 初期アーク　３０００　２８００　２８００（ビットカウント） 最終アーク　２２２３　２２７５　２３５０（ビットカウント） テーパ加速度　４．６　１０．０　１０．０（マイクロメーター／５ｅｃ２） 重縮アーク　２３５０　２３５５　２３５０（ビットカウント） 単線加速度　３０００　８０００　８０００（マイクロメーター／５ｅｅ２） 本発明により作製された非球面レンズは、同一平均半径の球面レンズと比較した 時、優れた特性（横の心のずれへのあまり大きな感度のない発散角と結合効率） を示す。この発明の最大の効用は、単一モードファイバーをレンズ化することに あると考えられるが、発明はまた、所望ならば多重モードファイバーにも適用さ れる。本発明の恩恵を得た技術における当業者は、多数の修正を行うことができ る。そのような修正は、請求の範囲に記載された如く、本発明の範囲内にあると 理解されるものである。 特表千４−５０７１５２　（５） 電線加速度＼ 図２ 要　約 軸と先端を具備する光ファイバー（Ｆ）であり、先端は、第１テーパ領域と第２ 隣接テーバ領域（５２Ａ、５６Ａ）を含む。第２テーノ＜領域（５６Ａ）は、非 球面レンズ（６０）において終端する。テーノ（領域（５２Ａ、５６Ａ）の各々 は、表面を有する。第１テーパ領域（５２Ａ）の表面は、約１０〜約３０度の範 囲においてファイバーの軸に関して角度を規定し、第２テーパ領域（５６Ａ、） の表面は、約３５〜約６０度の範囲においてファイバーの軸に関して角度を規定 する。第２テーノ（領域（５６Ａ）は、ファイバー（Ｆ）の延伸中課せられた単 線作用の結果として生産される。 手続補正書 平成４年７月３１日

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．軸と先端を有する光ファイバーにおいて、先端は、第１テーパ領域と第２隣 接テーパ領域を含み、第２テーパ領域は、非球面レンズにおいて終端し、テーパ 領域の各々は、表面を有し、第１テーパ領域の表面は、約１０〜約３０度の範囲 においてファイバーの軸に関して角度を規定し、第２テーパ領域の表面は、約３ ５〜約６０度の範囲においてファイバーの軸に関して角度を規定することを特徴 とする光ファイバー。
2. ２．第１テーパ領域によって規定された角度が、約１８度である請求の範囲１に 記載のファイバー。
3. ３．第２テーパ領域によって規定された角度が、約４５度である請求の範囲２に 記載のファイバー。
4. ４．第２テーパ領域によって規定された角度が、約４５度である請求の範囲１に 記載のファイバー。
5. ５．非球面レンズが、略双曲線断面である請求の範囲４に記載のファイバー。
6. ６．非球面レンズが、略双曲線断面である請求の範囲３に記載のファイバー。
7. ７．非球面レンズが、略双曲線断面である請求の範囲２に記載のファイバー。
8. ８．非球面レンズが、略双曲線断面である請求の範囲１に記載のファイバー。
9. ９．光ファイバーにおいて先端を形成する方法において、（ａ）第１及び第２離 間締め付け点において光ファイバーの長さを確実に締め付ける段階と、 （ｂ）ファイバーにおいて第１及び第２部分を分離点に関して規定するように、 第１及び第２締め付け点の中間のファイバーにおける所定分離点においてエネル ギーアークを照射する段階と、（ｃ）エネルギーアークの存在において第１所定 分離加速度で締め具の少なくとも一方を他方に関して相対的に移動させ、これに より、ファイバーの少なくとも一つの部分において第１テーパ領域を規定する段 階と、（ｄ）ファイバーを攣縮させて第１及び第２部分を分離し、第１テーパ領 域を有するファイバーの少なくとも部分においてニップル状延長部分を形成する ように、分離加速度を段階的に増大させる段階と、（ｅ）ニップル状延長部分を 有する部分を遷移温度よりも降下させる段階と、 （ｆ）その後、ニップル状延長部分を非球面レンズ端を有する第２テーパ領域に 形成するために、ニップル状延長部分をアークに導入する段階とを含む方法。
10. １０．請求の範囲９のプロセスによって生産された製品。