JPH09133843A - 光ファイバへ入射する光線の球面収差を最小化し且つ半径方向変位の調整レンズを使用した装置 - Google Patents
光ファイバへ入射する光線の球面収差を最小化し且つ半径方向変位の調整レンズを使用した装置Info
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- JPH09133843A JPH09133843A JP8263887A JP26388796A JPH09133843A JP H09133843 A JPH09133843 A JP H09133843A JP 8263887 A JP8263887 A JP 8263887A JP 26388796 A JP26388796 A JP 26388796A JP H09133843 A JPH09133843 A JP H09133843A
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- G02B6/4236—Fixing or mounting methods of the aligned elements
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- Physics & Mathematics (AREA)
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- Optics & Photonics (AREA)
- Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 本発明は光ファイバへ、レーザーのような光
源から入射した光線の球面収差を最小化する装置に関す
る。 【解決手段】 レーザーのような光源から光ファイバ
へ入射した光線の球面収差を最小化する装置。レーザー
は通信システムで使用される光ファイバへの道筋に沿っ
て光線を送信する。ボールレンズは光の道筋内に位置し
前焦点を持っている。レーザーは、該レーザーの送った
光線が中間パアキシャル焦点を形成するように前焦点の
前面に位置している。調整レンズがパアキシャル焦点を
調整する位置にあり、それでレーザー光線は光ファイバ
へ最小の球面収差と増大した結合効率をもって入射され
る。該調整レンズは、光軸ずれ収差及びコマを補償する
ように半径方向へ中心をずらすよう移動される。
源から入射した光線の球面収差を最小化する装置に関す
る。 【解決手段】 レーザーのような光源から光ファイバ
へ入射した光線の球面収差を最小化する装置。レーザー
は通信システムで使用される光ファイバへの道筋に沿っ
て光線を送信する。ボールレンズは光の道筋内に位置し
前焦点を持っている。レーザーは、該レーザーの送った
光線が中間パアキシャル焦点を形成するように前焦点の
前面に位置している。調整レンズがパアキシャル焦点を
調整する位置にあり、それでレーザー光線は光ファイバ
へ最小の球面収差と増大した結合効率をもって入射され
る。該調整レンズは、光軸ずれ収差及びコマを補償する
ように半径方向へ中心をずらすよう移動される。
Description
【０００１】本出願は同一発明者により１９９５年１０
月６日に出願された「光ファイバへ入射する光線の球面
収差を最小化する装置」のタイトルで係属中の出願に関
連している。
月６日に出願された「光ファイバへ入射する光線の球面
収差を最小化する装置」のタイトルで係属中の出願に関
連している。
【０００２】
【発明の分野】本出願は光ファイバへ、レーザーのよう
な光源から入射した光線の球面収差を最小化する装置に
関する。
な光源から入射した光線の球面収差を最小化する装置に
関する。
【０００３】
【発明の背景】通信応用の分野において、レーザーダイ
オード、ＬＥＤ、あるいは他のファイバーから発せられ
た光は光ファイバへ結合される。光ファイバは単一モー
ドあるいはマルチモードファイバが可能である。ＩｎＧ
ａＡｓＰレーザーからの短波長赤外光を単一モードファ
イバへ結合することを試みる際に、結合効率の問題が現
れる。
オード、ＬＥＤ、あるいは他のファイバーから発せられ
た光は光ファイバへ結合される。光ファイバは単一モー
ドあるいはマルチモードファイバが可能である。ＩｎＧ
ａＡｓＰレーザーからの短波長赤外光を単一モードファ
イバへ結合することを試みる際に、結合効率の問題が現
れる。
【０００４】或る解決法ではクリーブドファイバが、直
接レーザー出力面に配置される。この単純な取り組み方
では、レーザーと光ファイバ間のモードサイズの不一致
が理由で大部分の光が失われる。典型的にはこのタイプ
の装置及び方法での結合効率は約１５％に制限される。
別の取り組み方ではガラスが光ファイバのチップで溶融
され、球面レンズが形成される。レーザー光が形成され
た球面レンズに入射される。しかしながら球面は、結合
効率を約５０％に制限する収差を持っている。
接レーザー出力面に配置される。この単純な取り組み方
では、レーザーと光ファイバ間のモードサイズの不一致
が理由で大部分の光が失われる。典型的にはこのタイプ
の装置及び方法での結合効率は約１５％に制限される。
別の取り組み方ではガラスが光ファイバのチップで溶融
され、球面レンズが形成される。レーザー光が形成され
た球面レンズに入射される。しかしながら球面は、結合
効率を約５０％に制限する収差を持っている。
【０００５】多少の光ファイバは、７０％以上で光結合
する双曲面レンズを形成させ製作されている。しかしな
がら双曲面レンズ使用の障害は、その実現の困難及びレ
ーザーに対する光ファイバーの配置を維持する難しさで
ある。この配置の許容誤差は通常約０．１ミクロンで、
いくつかの通信応用にしか適用できない非常に難しい許
容誤差である。付け加えるとレーザーへファイバーを近
接させるため他の光デバイス（例えばアイソレータ）を
間へ挿入することが出来ない。現在非常に一般的に使用
される解法は、高屈折率のガラス球、ボールレンズとも
呼ばれるものの使用である。
する双曲面レンズを形成させ製作されている。しかしな
がら双曲面レンズ使用の障害は、その実現の困難及びレ
ーザーに対する光ファイバーの配置を維持する難しさで
ある。この配置の許容誤差は通常約０．１ミクロンで、
いくつかの通信応用にしか適用できない非常に難しい許
容誤差である。付け加えるとレーザーへファイバーを近
接させるため他の光デバイス（例えばアイソレータ）を
間へ挿入することが出来ない。現在非常に一般的に使用
される解法は、高屈折率のガラス球、ボールレンズとも
呼ばれるものの使用である。
【０００６】ボールレンズは安価で配置しやすくそれゆ
え好ましいが低結合効率である。直径約１ｍｍの球状ボ
ールレンズは約２５％の結合効率を実現できる。より小
さいボールレンズはより高い結合効率を実現できるが、
配置許容誤差が比例して減少し、調整を困難にする。そ
れにもかかわらずボールレンズの対称性は、レンズの傾
きに関する敏感さ全てが除去されるため有利である。ボ
ールレンズはコストも低く重量も軽く、しかもガラス半
田あるいは酸化アルミニウム接着法により装着できるシ
リコンプラットフォームを用いて使用できる。
え好ましいが低結合効率である。直径約１ｍｍの球状ボ
ールレンズは約２５％の結合効率を実現できる。より小
さいボールレンズはより高い結合効率を実現できるが、
配置許容誤差が比例して減少し、調整を困難にする。そ
れにもかかわらずボールレンズの対称性は、レンズの傾
きに関する敏感さ全てが除去されるため有利である。ボ
ールレンズはコストも低く重量も軽く、しかもガラス半
田あるいは酸化アルミニウム接着法により装着できるシ
リコンプラットフォームを用いて使用できる。
【０００７】しかしながらボールレンズの球面収差が理
由でボールレンズの利用は多くの通信応用の分野におい
て限られている。シリコンプラットフォーム上ボールレ
ンズの前面に装着された第２のボールレンズをもって平
行あるいはほぼ平行の光線が得られたとしても、結合効
率は依然たった約５０％に過ぎない。時に、レーザーに
対するボールレンズ配置の許容誤差がこの大きさであれ
ば十分純粋機械的あるいは視覚的手段でボールレンズ配
置をさせられるという理由から、この結合効率の不具合
が重要視されていない。２個のボールレンズの長所は、
２つのレンズがスプリッタ、アイソレータ、波長多重伝
送マルチプレクサ及び他の光部品のような付加的な光素
子を収容できるよう間隔を保てることである。
由でボールレンズの利用は多くの通信応用の分野におい
て限られている。シリコンプラットフォーム上ボールレ
ンズの前面に装着された第２のボールレンズをもって平
行あるいはほぼ平行の光線が得られたとしても、結合効
率は依然たった約５０％に過ぎない。時に、レーザーに
対するボールレンズ配置の許容誤差がこの大きさであれ
ば十分純粋機械的あるいは視覚的手段でボールレンズ配
置をさせられるという理由から、この結合効率の不具合
が重要視されていない。２個のボールレンズの長所は、
２つのレンズがスプリッタ、アイソレータ、波長多重伝
送マルチプレクサ及び他の光部品のような付加的な光素
子を収容できるよう間隔を保てることである。
【０００８】いくつかの応用においてボールレンズの除
去できない球面収差が、ボールレンズに接着され非球面
に形成された薄膜ポリマーラベルを適用することにより
克服されている。又ボールレンズがガラス成形のボール
レンズあるいは平凸分布屈折率レンズに置き換わること
が出来る。技術的に複雑な通信応用において更に期待さ
れる効率であるところの約７０％の結合効率がこれらの
方法で獲得されてきた。
去できない球面収差が、ボールレンズに接着され非球面
に形成された薄膜ポリマーラベルを適用することにより
克服されている。又ボールレンズがガラス成形のボール
レンズあるいは平凸分布屈折率レンズに置き換わること
が出来る。技術的に複雑な通信応用において更に期待さ
れる効率であるところの約７０％の結合効率がこれらの
方法で獲得されてきた。
【０００９】再び非球面レンズを使用する際伴う障害
は、必要とされる困難な光軸配置精度である。レーザー
がレンズの対称軸に非常に接近するようにこれらレンズ
は精確に配置される必要がある。この厳しい光軸配置を
達成することは、レーザーが励起され焦点が合わされた
光線がアクティブにモニターされ他方でレンズがそれに
応じ適宜動かされるというようなアクティブな方法を除
外すると、非常に困難である。一旦レンズがその本来あ
るべき位置に設定されると、しばしば高性能で高価なレ
ーザー装置と重く高価な金属リテーナーを必要として、
レンズは移動されることなく安全が守られる必要があ
る。これら金属リテーナーもまた光軸配置上時として必
要とされる様々な移動自由度を制限している。そしてそ
の上レーザーとレンズは、安定性を補償ししかも該部分
のレーザー形成を可能とする共通の金属ベースに通常付
けられている。
は、必要とされる困難な光軸配置精度である。レーザー
がレンズの対称軸に非常に接近するようにこれらレンズ
は精確に配置される必要がある。この厳しい光軸配置を
達成することは、レーザーが励起され焦点が合わされた
光線がアクティブにモニターされ他方でレンズがそれに
応じ適宜動かされるというようなアクティブな方法を除
外すると、非常に困難である。一旦レンズがその本来あ
るべき位置に設定されると、しばしば高性能で高価なレ
ーザー装置と重く高価な金属リテーナーを必要として、
レンズは移動されることなく安全が守られる必要があ
る。これら金属リテーナーもまた光軸配置上時として必
要とされる様々な移動自由度を制限している。そしてそ
の上レーザーとレンズは、安定性を補償ししかも該部分
のレーザー形成を可能とする共通の金属ベースに通常付
けられている。
【００１０】このシステムは高価であるだけではなく、
メタル部分がアセンブリに重量を加えそしてもしアセン
ブリが熱電気クーラー上に置かれなければならないとし
たら、最終パッケージの電撃抵抗が低減されるかもしれ
ない。 熱的質量の存在もあり、金属部品にレーザーが
近接しておりもし高速変調が要求されているなら装置の
無線周波数特性に有害な影響を与えている。
メタル部分がアセンブリに重量を加えそしてもしアセン
ブリが熱電気クーラー上に置かれなければならないとし
たら、最終パッケージの電撃抵抗が低減されるかもしれ
ない。 熱的質量の存在もあり、金属部品にレーザーが
近接しておりもし高速変調が要求されているなら装置の
無線周波数特性に有害な影響を与えている。
【００１１】上記に引用した「光ファイバへ入射する光
線の球面収差を最小化する装置」と題する共同出願の申
請において、その発明では上に記した問題について、レ
ーザーまたは他の光源から放射された光線を受光するた
めの第１のレンズ素子としてボールレンズを使用するこ
とにより、またある通信応用においては光ファイバへ注
がれた光の収差を低減するため下流光学を利用すること
により解決した。しかしながら例えばレンズが傾いた時
あるいはチップが半径方向に光軸ずれを起こした時のよ
うないくつかの光軸配置エラーに関しては収差は補償さ
れない。そのような収差はコマとなる。すなわち光軸か
ら離れた一点の像の見かけが彗星状になる。レンズの傾
きと光軸ずれから生ずるコマを補償することは有益で望
ましいことであろう。
線の球面収差を最小化する装置」と題する共同出願の申
請において、その発明では上に記した問題について、レ
ーザーまたは他の光源から放射された光線を受光するた
めの第１のレンズ素子としてボールレンズを使用するこ
とにより、またある通信応用においては光ファイバへ注
がれた光の収差を低減するため下流光学を利用すること
により解決した。しかしながら例えばレンズが傾いた時
あるいはチップが半径方向に光軸ずれを起こした時のよ
うないくつかの光軸配置エラーに関しては収差は補償さ
れない。そのような収差はコマとなる。すなわち光軸か
ら離れた一点の像の見かけが彗星状になる。レンズの傾
きと光軸ずれから生ずるコマを補償することは有益で望
ましいことであろう。
【００１２】
【発明の要旨】本発明は上に記した問題について軸ずれ
による収差とコマを補償するため調整レンズを半径方向
に中心をずらすことにより解決する。本発明に従ってレ
ーザーは光ファイバへ伝わる道筋に沿って光線を放射す
る。ボールレンズは光線の伝わる道筋に配置されてい
る。調整レンズは光の伝わる道筋に配置されている。調
整レンズは、レーザー光線が最小の球面収差と増大した
光ファイバの結合効率をもって光ファイバへ差し込まれ
るように配置されている非球面を持つ。ボールレンズは
前焦点を持っておりレーザーは、該レーザーの発した光
線がボールレンズを通過後中間のパアキシャル焦点を結
ぶように前焦点の前に配置される。調整レンズはパアキ
シャル焦点を越えたところに配置される。軸ずれによる
収差とコマを補償するために、調整レンズはコマ補償の
役を果たすのに十分なだけ半径方向に中心をずらしてい
る。
による収差とコマを補償するため調整レンズを半径方向
に中心をずらすことにより解決する。本発明に従ってレ
ーザーは光ファイバへ伝わる道筋に沿って光線を放射す
る。ボールレンズは光線の伝わる道筋に配置されてい
る。調整レンズは光の伝わる道筋に配置されている。調
整レンズは、レーザー光線が最小の球面収差と増大した
光ファイバの結合効率をもって光ファイバへ差し込まれ
るように配置されている非球面を持つ。ボールレンズは
前焦点を持っておりレーザーは、該レーザーの発した光
線がボールレンズを通過後中間のパアキシャル焦点を結
ぶように前焦点の前に配置される。調整レンズはパアキ
シャル焦点を越えたところに配置される。軸ずれによる
収差とコマを補償するために、調整レンズはコマ補償の
役を果たすのに十分なだけ半径方向に中心をずらしてい
る。
【００１３】
【詳細な説明】本発明に従うと、ボールレンズはレーザ
ーの次に位置する第１のレンズとして使用される一方
で、光ファイバへ射し込む光の最小球面収差をもって増
大した結合効率をも持っている。コマと他の球面収差を
補償するために調整レンズは半径方向に中心が移されて
いる。
ーの次に位置する第１のレンズとして使用される一方
で、光ファイバへ射し込む光の最小球面収差をもって増
大した結合効率をも持っている。コマと他の球面収差を
補償するために調整レンズは半径方向に中心が移されて
いる。
【００１４】さて図１と図２に関連すると、光の高度の
球面収差を持ち、いくつかの進んだ通信応用には有効で
はないレンズ構成として公知の２つの先行技術が存在し
ている。図１に示すようにレーザー１０はボールレンズ
１２を通過させる光線１１を発し、そのボールレンズ１
２は典型的にその上にボールレンズを装着するためエッ
チングされたフォトリソグラフィを持つ（図示されてい
ない）シリコンプラットフォームに装着されている。典
型的にボールレンズ１２は直径約０．５ｍｍから約１．
０ｍｍであるがいくつかの応用ではより大きくしてい
る。図１に示すようにボールレンズ１２は１４のラベル
を付けた線分で示される経線方向の球面収差を発生さ
せ、そしてマージナル焦点並びに光ファイバ２０に差し
込むパアキシャル像焦点とを持つ。この単一レンズによ
る設計ではたった約２５％の結合効率を持つに過ぎな
い。図２は単一レンズ設計の進展−２つのボールレンズ
２２、２４を持つダブルレンズ設計を示す。しかしなが
らこのダブルレンズ設計では約５０％の結合効率を持つ
だけである。経線方向の球面収差は単一レンズ設計の場
合より短縮しており、間隙２６で示されている。マージ
ナル焦点２８とパアキシャル焦点３０は互いに近づいて
いる。
球面収差を持ち、いくつかの進んだ通信応用には有効で
はないレンズ構成として公知の２つの先行技術が存在し
ている。図１に示すようにレーザー１０はボールレンズ
１２を通過させる光線１１を発し、そのボールレンズ１
２は典型的にその上にボールレンズを装着するためエッ
チングされたフォトリソグラフィを持つ（図示されてい
ない）シリコンプラットフォームに装着されている。典
型的にボールレンズ１２は直径約０．５ｍｍから約１．
０ｍｍであるがいくつかの応用ではより大きくしてい
る。図１に示すようにボールレンズ１２は１４のラベル
を付けた線分で示される経線方向の球面収差を発生さ
せ、そしてマージナル焦点並びに光ファイバ２０に差し
込むパアキシャル像焦点とを持つ。この単一レンズによ
る設計ではたった約２５％の結合効率を持つに過ぎな
い。図２は単一レンズ設計の進展−２つのボールレンズ
２２、２４を持つダブルレンズ設計を示す。しかしなが
らこのダブルレンズ設計では約５０％の結合効率を持つ
だけである。経線方向の球面収差は単一レンズ設計の場
合より短縮しており、間隙２６で示されている。マージ
ナル焦点２８とパアキシャル焦点３０は互いに近づいて
いる。
【００１５】さて図３に目を向けると、一般的に３０で
示すレーザーパッケージを使用し本発明に従って提案し
た設計が例示されており、この設計によりボールレンズ
３２が第１のレンズとして使用されたとき光ファイバに
射し込む光の収差を減少させた。図に示されたようにシ
リコンプラットフォーム３４はフォトリソグラフィで形
成されその上がエッチング３６されている。シリコンプ
ラットフォーム３４のこれらエッチング３６はレーザー
１０に対する正しい相対位置にボールレンズを配置する
ために使われる。シリコンプラットフォーム３４はあま
り費用がかからず、専門家により容易に加工可能であり
しかもレーザーに対するボールレンズや他のレンズの精
密な配置を可能にする。シリコンプラットフォーム３４
は専門家に知られたレーザーマウンティング手段４０を
用いてレーザー１０に据えられている。本発明により高
い結合損失を被ることなくこの技術の使用を可能にして
いる。
示すレーザーパッケージを使用し本発明に従って提案し
た設計が例示されており、この設計によりボールレンズ
３２が第１のレンズとして使用されたとき光ファイバに
射し込む光の収差を減少させた。図に示されたようにシ
リコンプラットフォーム３４はフォトリソグラフィで形
成されその上がエッチング３６されている。シリコンプ
ラットフォーム３４のこれらエッチング３６はレーザー
１０に対する正しい相対位置にボールレンズを配置する
ために使われる。シリコンプラットフォーム３４はあま
り費用がかからず、専門家により容易に加工可能であり
しかもレーザーに対するボールレンズや他のレンズの精
密な配置を可能にする。シリコンプラットフォーム３４
は専門家に知られたレーザーマウンティング手段４０を
用いてレーザー１０に据えられている。本発明により高
い結合損失を被ることなくこの技術の使用を可能にして
いる。
【００１６】図３に示されるようにボールレンズ３２は
シリコンプラットフォーム３４に据え付けられている。
ボールレンズ３２は典型的に約０．５ｍｍから約１．０
ｍｍであり、一般に４２で示される前焦点を持つ。レー
ザー１０は、中間マージナル焦点４４と中間パアキシャ
ル焦点４６が形成されるような第１のボールレンズ３２
の前面にある前焦点４２の外側に位置している。非球面
調整レンズ４８は中間パアキシャル焦点４６の後方に位
置している。レーザー光線は非線形調整レンズ４８に導
かれ該調整レンズからの光は最小の非球面収差を持ち、
図１と２で示したボールレンズ構成よりも増大した光フ
ァイバ結合効率を持つ。本発明の１具体例において、そ
れぞれのレンズ３２、４８の間隔は約１０ｍｍでありレ
ーザー１０のボールレンズ３２とのギャップは約９０マ
イクロメーターである。
シリコンプラットフォーム３４に据え付けられている。
ボールレンズ３２は典型的に約０．５ｍｍから約１．０
ｍｍであり、一般に４２で示される前焦点を持つ。レー
ザー１０は、中間マージナル焦点４４と中間パアキシャ
ル焦点４６が形成されるような第１のボールレンズ３２
の前面にある前焦点４２の外側に位置している。非球面
調整レンズ４８は中間パアキシャル焦点４６の後方に位
置している。レーザー光線は非線形調整レンズ４８に導
かれ該調整レンズからの光は最小の非球面収差を持ち、
図１と２で示したボールレンズ構成よりも増大した光フ
ァイバ結合効率を持つ。本発明の１具体例において、そ
れぞれのレンズ３２、４８の間隔は約１０ｍｍでありレ
ーザー１０のボールレンズ３２とのギャップは約９０マ
イクロメーターである。
【００１７】図５は図３のレンズ構成からの結果である
ピューピル歪みのグラフである。２次ピューピル歪みが
ここで正の値であり、高開口数に対するレンズ収差の調
整を許している。しかしながら調整素子上の光線高さ
（レイハイツ）は、入射ピューピル開口数の２乗で増加
をし、そのため調整レンズの直径が開口数と共に急増す
る。より大きなピューピル歪みが極めて非球面な表面を
持つために調整素子を必要とするだろう。このような障
害を回避するためにフィールドレンズ５０を図４で示す
ように中間焦点４４、４６付近に配置することが出来
る。フィールドレンズ５０はボールレンズ３２と調整レ
ンズ４８の間に挿入され調整レンズ４８のピューピル歪
みを低減あるいは解消する。フィールドレンズ５０はボ
ールレンズ３２の背面が調整レンズ４８に近接して映し
出されるように設計される必要がある。フィールドレン
ズ５０の厳密な位置と曲率半径は自動最適化により決定
できる。
ピューピル歪みのグラフである。２次ピューピル歪みが
ここで正の値であり、高開口数に対するレンズ収差の調
整を許している。しかしながら調整素子上の光線高さ
（レイハイツ）は、入射ピューピル開口数の２乗で増加
をし、そのため調整レンズの直径が開口数と共に急増す
る。より大きなピューピル歪みが極めて非球面な表面を
持つために調整素子を必要とするだろう。このような障
害を回避するためにフィールドレンズ５０を図４で示す
ように中間焦点４４、４６付近に配置することが出来
る。フィールドレンズ５０はボールレンズ３２と調整レ
ンズ４８の間に挿入され調整レンズ４８のピューピル歪
みを低減あるいは解消する。フィールドレンズ５０はボ
ールレンズ３２の背面が調整レンズ４８に近接して映し
出されるように設計される必要がある。フィールドレン
ズ５０の厳密な位置と曲率半径は自動最適化により決定
できる。
【００１８】図８のプロットで示すように調整レンズ４
８の前面のピューピル歪みは仮想的に解消される。４次
の調整項まで付与できる自動最適化は調整レンズ設計に
も使用される。この結果は光軸上仮想的に完璧な光学像
である。ピーク波面収差はλ／１００以上であり、２乗
平均のスポットサイズは０．０５マイクロメータ以下で
ある。焦点における仮想的に完璧な回折強度は図７の回
折強度パターンに見られる。この設計は計算された０．
９９以上のシュトレール比と１０−６λ以下の波面変動
を持っている。本システムの焦点通過スポット図が図８
であり、焦点ずれにより色々異なる断片フィールドを示
している。
８の前面のピューピル歪みは仮想的に解消される。４次
の調整項まで付与できる自動最適化は調整レンズ設計に
も使用される。この結果は光軸上仮想的に完璧な光学像
である。ピーク波面収差はλ／１００以上であり、２乗
平均のスポットサイズは０．０５マイクロメータ以下で
ある。焦点における仮想的に完璧な回折強度は図７の回
折強度パターンに見られる。この設計は計算された０．
９９以上のシュトレール比と１０−６λ以下の波面変動
を持っている。本システムの焦点通過スポット図が図８
であり、焦点ずれにより色々異なる断片フィールドを示
している。
【００１９】レーザー／光ファイバ結合におけるピュー
ピル歪みと球面収差について、ボールレンズが第１素子
に使用された時でさえ、本発明で公開された適切な調整
レンズが使用されるならば最小化できる事が明らかであ
る。ボールレンズ、フィールドレンズと調整レンズを使
用するこの３素子設計において、システムは軸上性能の
最適化が可能であること、あるいは軸上以外の性能を向
上させるには軸上性能が犠牲にされる可能性のあること
が発見された。どちらの場合も（正常から離れた）シス
テムの位置誤差が故意ではない収差を引き起こし結合効
率を低下させる。軸上の配置ずれ（例えばレンズ間隔）
は、ファイバの再焦点合わせにより部分的に補償可能な
球面収差を引き起こす。
ピル歪みと球面収差について、ボールレンズが第１素子
に使用された時でさえ、本発明で公開された適切な調整
レンズが使用されるならば最小化できる事が明らかであ
る。ボールレンズ、フィールドレンズと調整レンズを使
用するこの３素子設計において、システムは軸上性能の
最適化が可能であること、あるいは軸上以外の性能を向
上させるには軸上性能が犠牲にされる可能性のあること
が発見された。どちらの場合も（正常から離れた）シス
テムの位置誤差が故意ではない収差を引き起こし結合効
率を低下させる。軸上の配置ずれ（例えばレンズ間隔）
は、ファイバの再焦点合わせにより部分的に補償可能な
球面収差を引き起こす。
【００２０】しかしながら半径方向の軸ずれ及び素子の
傾きがコマ収差を引き起こす。コマを補償する効果的な
１つの方法はコマ収差をなくすように調整レンズを（半
径方向に）アクティブに配置することである。この技術
は光学的にモデリングしたソフトウェアを利用して効果
的に証明されてきている。図４がフィールドレンズの傾
きを示しており、それは調整レンズ４８の半径方向の変
位で補償される。フィールドレンズの傾きが、調整レン
ズ４８の半径方向の変位で補償される収差の原因になっ
ている。
傾きがコマ収差を引き起こす。コマを補償する効果的な
１つの方法はコマ収差をなくすように調整レンズを（半
径方向に）アクティブに配置することである。この技術
は光学的にモデリングしたソフトウェアを利用して効果
的に証明されてきている。図４がフィールドレンズの傾
きを示しており、それは調整レンズ４８の半径方向の変
位で補償される。フィールドレンズの傾きが、調整レン
ズ４８の半径方向の変位で補償される収差の原因になっ
ている。
【００２１】例えば、図１６は調整レンズが光軸に直交
な面に関して５°傾いたときのスポット図である。この
収差によって生成されたコマは図１６に示されている。
この構成では１０．７μｍの２乗平均スポット像及び
０．０１４波長の波面変動を示している。調整レンズの
半径方向位置を再調整したあとでは、軸上の像は２μｍ
へ修正され、波面変動は０．００２８波長へ低減され
る。補償のこの型は光軸ずれレンズ或いは光軸ずれフィ
ールドレンズで引き起こされた収差の調整に対して有効
に作用する。
な面に関して５°傾いたときのスポット図である。この
収差によって生成されたコマは図１６に示されている。
この構成では１０．７μｍの２乗平均スポット像及び
０．０１４波長の波面変動を示している。調整レンズの
半径方向位置を再調整したあとでは、軸上の像は２μｍ
へ修正され、波面変動は０．００２８波長へ低減され
る。補償のこの型は光軸ずれレンズ或いは光軸ずれフィ
ールドレンズで引き起こされた収差の調整に対して有効
に作用する。
【００２２】図９−１３は異なった光軸ずれを原因とす
る様々なスポット図である。例えば図９では半径方向の
チップ光軸ずれ、図１０は傾いたフィールドレンズ、図
１１は傾いた調整レンズ、図１２は半径方向にずれたフ
ィールドレンズ、及び図１３ではチップのずれ、フィー
ルドレンズのずれとフィールドレンズの傾きが組み合わ
さった光軸ずれを示している。図１４と図１５は調整レ
ンズの変位を使用して調整されたスポット図を表してい
る。本発明のこれまでの記述はこれについて単に例示し
ようと意図されたものにすぎず、他の具体例、補正例並
びに等価な例が当業者にとってその精神から逸脱するこ
となく明白であることを理解するべきである。
る様々なスポット図である。例えば図９では半径方向の
チップ光軸ずれ、図１０は傾いたフィールドレンズ、図
１１は傾いた調整レンズ、図１２は半径方向にずれたフ
ィールドレンズ、及び図１３ではチップのずれ、フィー
ルドレンズのずれとフィールドレンズの傾きが組み合わ
さった光軸ずれを示している。図１４と図１５は調整レ
ンズの変位を使用して調整されたスポット図を表してい
る。本発明のこれまでの記述はこれについて単に例示し
ようと意図されたものにすぎず、他の具体例、補正例並
びに等価な例が当業者にとってその精神から逸脱するこ
となく明白であることを理解するべきである。
【図１】図１はレーザー光を光ファイバへ結合する際単
独使用のボールレンズで生成された経線方向の球面収差
を示す図である。
独使用のボールレンズで生成された経線方向の球面収差
を示す図である。
【図２】図２は第２のボールレンズを使用して図１の構
成が利用された際低減された球面収差を示す図である。
成が利用された際低減された球面収差を示す図である。
【図３】図３は第１のレンズとしてボールレンズ及び１
つの非球面レンズを使用した本発明の１レンズ構成を示
す図である。
つの非球面レンズを使用した本発明の１レンズ構成を示
す図である。
【図４】図４はボールレンズと調整レンズ間の中間焦点
付近に置かれたフィールドレンズを示し且つフィールド
レンズの傾きに起因するコマを補償するための調整レン
ズ半径方向の中心ずれを示す、図３に類似した別の図で
ある。
付近に置かれたフィールドレンズを示し且つフィールド
レンズの傾きに起因するコマを補償するための調整レン
ズ半径方向の中心ずれを示す、図３に類似した別の図で
ある。
【図５】図５は図３に示すレンズ構成の際のひずみ特性
を示す図である。
を示す図である。
【図６】図６は図４に示すレンズ構成の際のひずみ特性
を示す図である。
を示す図である。
【図７】図７は図４に示すレンズ構成の回折強度のパタ
ーン図である。
ーン図である。
【図８】図８は図４に示すレンズ構成の焦点通過スポッ
ト図である。
ト図である。
１０ レーザー １１ 光線 １２，２２，２４，３２ ボールレンズ １４，２６ 経線方向球面収差 １６，２８ マージナル焦点 １８ パアキシャル焦点 ２０ 光ファイバ ３０ レーザーパッケージ ３４ シリコンプラットフォーム ３６ エッチング ４０ レーザー据え付け手段 ４２ 前焦点 ４４ 中間マージナル焦点 ４６ 中間パアキシャル焦点 ４８ 非球面調整レンズ ５０ フィールドレンズ
【手続補正書】
【提出日】平成８年１０月１１日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】発明の詳細な説明
【補正方法】変更
【補正内容】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】本出願は光ファイバへ、レーザーのよう
な光源から入射した光線の球面収差を最小化する装置に
関する。
な光源から入射した光線の球面収差を最小化する装置に
関する。
【０００２】
【発明の背景】通信応用の分野において、レーザーダイ
オード、ＬＥＤ、あるいは他のファイバーから発せられ
た光は光ファイバへ結合される。光ファイバは単一モー
ドあるいはマルチモードファイバが可能である。ＩｎＧ
ａＡｓＰレーザーからの短波長赤外光を単一モードファ
イバへ結合することを試みる際に、結合効率の問題が現
れる。
オード、ＬＥＤ、あるいは他のファイバーから発せられ
た光は光ファイバへ結合される。光ファイバは単一モー
ドあるいはマルチモードファイバが可能である。ＩｎＧ
ａＡｓＰレーザーからの短波長赤外光を単一モードファ
イバへ結合することを試みる際に、結合効率の問題が現
れる。
【０００３】或る解決法ではクリーブドファイバが、直
接レーザー出力面に配置される。この単純な取り組み方
では、レーザーと光ファイバ間のモードサイズの不一致
が理由で大部分の光が失われる。典型的にはこのタイプ
の装置及び方法での結合効率は約１５％に制限される。
別の取り組み方ではガラスが光ファイバのチップで溶融
され、球面レンズが形成される。レーザー光が形成され
た球面レンズに入射される。しかしながら球面は、結合
効率を約５０％に制限する収差を持っている。
接レーザー出力面に配置される。この単純な取り組み方
では、レーザーと光ファイバ間のモードサイズの不一致
が理由で大部分の光が失われる。典型的にはこのタイプ
の装置及び方法での結合効率は約１５％に制限される。
別の取り組み方ではガラスが光ファイバのチップで溶融
され、球面レンズが形成される。レーザー光が形成され
た球面レンズに入射される。しかしながら球面は、結合
効率を約５０％に制限する収差を持っている。
【０００４】多少の光ファイバは、７０％以上で光結合
する双曲面レンズを形成させ製作されている。しかしな
がら双曲面レンズ使用の障害は、その実現の困難及びレ
ーザーに対する光ファイバーの配置を維持する難しさで
ある。この配置の許容誤差は通常約０．１ミクロンで、
いくつかの通信応用にしか適用できない非常に難しい許
容誤差である。付け加えるとレーザーへファイバーを近
接させるため他の光デバイス（例えばアイソレータ）を
間へ挿入することが出来ない。現在非常に一般的に使用
される解法は、高屈折率のガラス球、ボールレンズとも
呼ばれるものの使用である。
する双曲面レンズを形成させ製作されている。しかしな
がら双曲面レンズ使用の障害は、その実現の困難及びレ
ーザーに対する光ファイバーの配置を維持する難しさで
ある。この配置の許容誤差は通常約０．１ミクロンで、
いくつかの通信応用にしか適用できない非常に難しい許
容誤差である。付け加えるとレーザーへファイバーを近
接させるため他の光デバイス（例えばアイソレータ）を
間へ挿入することが出来ない。現在非常に一般的に使用
される解法は、高屈折率のガラス球、ボールレンズとも
呼ばれるものの使用である。
【０００５】ボールレンズは安価で配置しやすくそれゆ
え好ましいが低結合効率である。直径約１ｍｍの球状ボ
ールレンズは約２５％の結合効率を実現できる。より小
さいボールレンズはより高い結合効率を実現できるが、
配置許容誤差が比例して減少し、調整を困難にする。そ
れにもかかわらずボールレンズの対称性は、レンズの傾
きに関する敏感さ全てが除去されるため有利である。ボ
ールレンズはコストも低く重量も軽く、しかもガラス半
田あるいは酸化アルミニウム接着法により装着できるシ
リコンプラットフォームを用いて使用できる。
え好ましいが低結合効率である。直径約１ｍｍの球状ボ
ールレンズは約２５％の結合効率を実現できる。より小
さいボールレンズはより高い結合効率を実現できるが、
配置許容誤差が比例して減少し、調整を困難にする。そ
れにもかかわらずボールレンズの対称性は、レンズの傾
きに関する敏感さ全てが除去されるため有利である。ボ
ールレンズはコストも低く重量も軽く、しかもガラス半
田あるいは酸化アルミニウム接着法により装着できるシ
リコンプラットフォームを用いて使用できる。
【０００６】しかしながらボールレンズの球面収差が理
由でボールレンズの利用は多くの通信応用の分野におい
て限られている。シリコンプラットフォーム上ボールレ
ンズの前面に装着された第２のボールレンズをもって平
行あるいはほぼ平行の光線が得られたとしても、結合効
率は依然たった約５０％に過ぎない。時に、レーザーに
対するボールレンズ配置の許容誤差がこの大きさであれ
ば十分純粋機械的あるいは視覚的手段でボールレンズ配
置をさせられるという理由から、この結合効率の不具合
が重要視されていない。２個のボールレンズの長所は、
２つのレンズがスプリッタ、アイソレータ、波長多重伝
送マルチプレクサ及び他の光部品のような付加的な光素
子を収容できるよう間隔を保てることである。
由でボールレンズの利用は多くの通信応用の分野におい
て限られている。シリコンプラットフォーム上ボールレ
ンズの前面に装着された第２のボールレンズをもって平
行あるいはほぼ平行の光線が得られたとしても、結合効
率は依然たった約５０％に過ぎない。時に、レーザーに
対するボールレンズ配置の許容誤差がこの大きさであれ
ば十分純粋機械的あるいは視覚的手段でボールレンズ配
置をさせられるという理由から、この結合効率の不具合
が重要視されていない。２個のボールレンズの長所は、
２つのレンズがスプリッタ、アイソレータ、波長多重伝
送マルチプレクサ及び他の光部品のような付加的な光素
子を収容できるよう間隔を保てることである。
【０００７】いくつかの応用においてボールレンズの除
去できない球面収差が、ボールレンズに接着され非球面
に形成された薄膜ポリマーラベルを適用することにより
克服されている。又ボールレンズがガラス成形のボール
レンズあるいは平凸分布屈折率レンズに置き換わること
が出来る。技術的に複雑な通信応用において更に期待さ
れる効率であるところの約７０％の結合効率がこれらの
方法で獲得されてきた。
去できない球面収差が、ボールレンズに接着され非球面
に形成された薄膜ポリマーラベルを適用することにより
克服されている。又ボールレンズがガラス成形のボール
レンズあるいは平凸分布屈折率レンズに置き換わること
が出来る。技術的に複雑な通信応用において更に期待さ
れる効率であるところの約７０％の結合効率がこれらの
方法で獲得されてきた。
【０００８】再び非球面レンズを使用する際伴う障害
は、必要とされる困難な光軸配置精度である。レーザー
がレンズの対称軸に非常に接近するようにこれらレンズ
は精確に配置される必要がある。この厳しい光軸配置を
達成することは、レーザーが励起され焦点が合わされた
光線がアクティブにモニターされ他方でレンズがそれに
応じ適宜動かされるというようなアクティブな方法を除
外すると、非常に困難である。一旦レンズがその本来あ
るべき位置に設定されると、しばしば高性能で高価なレ
ーザー装置と重く高価な金属リテーナーを必要として、
レンズは移動されることなく安全が守られる必要があ
る。これら金属リテーナーもまた光軸配置上時として必
要とされる様々な移動自由度を制限している。そしてそ
の上レーザーとレンズは、安定性を補償ししかも該部分
のレーザー形成を可能とする共通の金属ベースに通常付
けられている。
は、必要とされる困難な光軸配置精度である。レーザー
がレンズの対称軸に非常に接近するようにこれらレンズ
は精確に配置される必要がある。この厳しい光軸配置を
達成することは、レーザーが励起され焦点が合わされた
光線がアクティブにモニターされ他方でレンズがそれに
応じ適宜動かされるというようなアクティブな方法を除
外すると、非常に困難である。一旦レンズがその本来あ
るべき位置に設定されると、しばしば高性能で高価なレ
ーザー装置と重く高価な金属リテーナーを必要として、
レンズは移動されることなく安全が守られる必要があ
る。これら金属リテーナーもまた光軸配置上時として必
要とされる様々な移動自由度を制限している。そしてそ
の上レーザーとレンズは、安定性を補償ししかも該部分
のレーザー形成を可能とする共通の金属ベースに通常付
けられている。
【０００９】このシステムは高価であるだけではなく、
メタル部分がアセンブリに重量を加えそしてもしアセン
ブリが熱電気クーラー上に置かれなければならないとし
たら、最終パッケージの電撃抵抗が低減されるかもしれ
ない。 熱的質量の存在もあり、金属部品にレーザーが
近接しておりもし高速変調が要求されているなら装置の
無線周波数特性に有害な影響を与えている。したがっ
て、ボールレンズおよび同様の光学デバイスがレーザー
応用において用いられて、非球面レンズにおいて用いら
れる設計と互換性のある結合効率が増加されることが望
まれる。
メタル部分がアセンブリに重量を加えそしてもしアセン
ブリが熱電気クーラー上に置かれなければならないとし
たら、最終パッケージの電撃抵抗が低減されるかもしれ
ない。 熱的質量の存在もあり、金属部品にレーザーが
近接しておりもし高速変調が要求されているなら装置の
無線周波数特性に有害な影響を与えている。したがっ
て、ボールレンズおよび同様の光学デバイスがレーザー
応用において用いられて、非球面レンズにおいて用いら
れる設計と互換性のある結合効率が増加されることが望
まれる。
【００１０】
【発明の要旨】本発明は、レーザーもしくは他の光源に
より放射される光ビームを受信するための第１のレンズ
要素として用いられるボールレンズと、遠隔通信応用に
おける光ファイバに向けられる光の収差を減少するため
の下流光学デバイスとにより上述の問題点を解決するも
のである。本発明に従ってレーザーは光ファイバへ伝わ
る道筋に沿って光線を放射する。ボールレンズは光線の
伝わる道筋に配置されている。調整レンズは光の伝わる
道筋に配置されている。調整レンズは、レーザー光線が
最小の球面収差と増大した光ファイバの結合効率をもっ
て光ファイバへ差し込まれるように配置されている非球
面を持つ。ボールレンズは前焦点を持っておりレーザー
は、該レーザーの発した光線がボールレンズを通過後中
間のパアキシャル焦点を結ぶように前焦点の前に配置さ
れる。調整レンズはパアキシャル焦点を越えたところに
配置される。本発明のある局面において、調整レンズは
高い非球面性を有しており、ボールレンズはおよそ０．
５ｍｍないし１．０ｍｍの直径をもっている。ボールレ
ンズおよび調整レンズはレーザーに装着され得るシリコ
ンプラットフォーム上に位置づけられる。本発明の別の
局面においては、フィールドレンズがより平等に離間さ
れた断片をもつより狭い範囲に光ビームを収束させるよ
うパアキシャルイメージに隣接して位置づけらる。この
ようにして、調整レンズを減少された直径のものとする
ことができ、調整レンズには、フィールドレンズが用い
られるときに良好な調整のための低次の収差項のみが必
要とされる。
より放射される光ビームを受信するための第１のレンズ
要素として用いられるボールレンズと、遠隔通信応用に
おける光ファイバに向けられる光の収差を減少するため
の下流光学デバイスとにより上述の問題点を解決するも
のである。本発明に従ってレーザーは光ファイバへ伝わ
る道筋に沿って光線を放射する。ボールレンズは光線の
伝わる道筋に配置されている。調整レンズは光の伝わる
道筋に配置されている。調整レンズは、レーザー光線が
最小の球面収差と増大した光ファイバの結合効率をもっ
て光ファイバへ差し込まれるように配置されている非球
面を持つ。ボールレンズは前焦点を持っておりレーザー
は、該レーザーの発した光線がボールレンズを通過後中
間のパアキシャル焦点を結ぶように前焦点の前に配置さ
れる。調整レンズはパアキシャル焦点を越えたところに
配置される。本発明のある局面において、調整レンズは
高い非球面性を有しており、ボールレンズはおよそ０．
５ｍｍないし１．０ｍｍの直径をもっている。ボールレ
ンズおよび調整レンズはレーザーに装着され得るシリコ
ンプラットフォーム上に位置づけられる。本発明の別の
局面においては、フィールドレンズがより平等に離間さ
れた断片をもつより狭い範囲に光ビームを収束させるよ
うパアキシャルイメージに隣接して位置づけらる。この
ようにして、調整レンズを減少された直径のものとする
ことができ、調整レンズには、フィールドレンズが用い
られるときに良好な調整のための低次の収差項のみが必
要とされる。
【００１１】
【詳細な説明】本発明に従うと、ボールレンズはレーザ
ーの次に位置する第１のレンズとして使用される一方
で、光ファイバへ射し込む光の最小球面収差をもって増
大した結合効率をも持っている。コマと他の球面収差を
補償するために調整レンズは半径方向に中心が移されて
いる。
ーの次に位置する第１のレンズとして使用される一方
で、光ファイバへ射し込む光の最小球面収差をもって増
大した結合効率をも持っている。コマと他の球面収差を
補償するために調整レンズは半径方向に中心が移されて
いる。
【００１２】さて図１と図２に関連すると、光の高度の
球面収差を持ち、いくつかの進んだ通信応用には有効で
はないレンズ構成として公知の２つの先行技術が存在し
ている。図１に示すようにレーザー１０はボールレンズ
１２を通過させる光線１１を発し、そのボールレンズ１
２は典型的にその上にボールレンズを装着するためエッ
チングされたフォトリソグラフィを持つ（図示されてい
ない）シリコンプラットフォームに装着されている。典
型的にボールレンズ１２は直径約０．５ｍｍから約１．
０ｍｍであるがいくつかの応用ではより大きくしてい
る。図１に示すようにボールレンズ１２は１４のラベル
を付けた線分で示される経線方向の球面収差を発生さ
せ、そしてマージナル焦点並びに光ファイバ２０に差し
込むパアキシャル像焦点とを持つ。この単一レンズによ
る設計ではたった約２５％の結合効率を持つに過ぎな
い。図２は単一レンズ設計の進展−２つのボールレンズ
２２、２４を持つダブルレンズ設計を示す。しかしなが
らこのダブルレンズ設計では約５０％の結合効率を持つ
だけである。経線方向の球面収差は単一レンズ設計の場
合より短縮しており、間隙２６で示されている。マージ
ナル焦点２８とパアキシャル焦点３０は互いに近づいて
いる。
球面収差を持ち、いくつかの進んだ通信応用には有効で
はないレンズ構成として公知の２つの先行技術が存在し
ている。図１に示すようにレーザー１０はボールレンズ
１２を通過させる光線１１を発し、そのボールレンズ１
２は典型的にその上にボールレンズを装着するためエッ
チングされたフォトリソグラフィを持つ（図示されてい
ない）シリコンプラットフォームに装着されている。典
型的にボールレンズ１２は直径約０．５ｍｍから約１．
０ｍｍであるがいくつかの応用ではより大きくしてい
る。図１に示すようにボールレンズ１２は１４のラベル
を付けた線分で示される経線方向の球面収差を発生さ
せ、そしてマージナル焦点並びに光ファイバ２０に差し
込むパアキシャル像焦点とを持つ。この単一レンズによ
る設計ではたった約２５％の結合効率を持つに過ぎな
い。図２は単一レンズ設計の進展−２つのボールレンズ
２２、２４を持つダブルレンズ設計を示す。しかしなが
らこのダブルレンズ設計では約５０％の結合効率を持つ
だけである。経線方向の球面収差は単一レンズ設計の場
合より短縮しており、間隙２６で示されている。マージ
ナル焦点２８とパアキシャル焦点３０は互いに近づいて
いる。
【００１３】さて図３に目を向けると、一般的に３０で
示すレーザーパッケージを使用し本発明に従って提案し
た設計が例示されており、この設計によりボールレンズ
３２が第１のレンズとして使用されたとき光ファイバに
射し込む光の収差を減少させた。図に示されたようにシ
リコンプラットフォーム３４はフォトリソグラフィで形
成されその上がエッチング３６されている。シリコンプ
ラットフォーム３４のこれらエッチング３６はレーザー
１０に対する正しい相対位置にボールレンズを配置する
ために使われる。シリコンプラットフォーム３４はあま
り費用がかからず、専門家により容易に加工可能であり
しかもレーザーに対するボールレンズや他のレンズの精
密な配置を可能にする。シリコンプラットフォーム３４
は専門家に知られたレーザーマウンティング手段４０を
用いてレーザー１０に据えられている。本発明により高
い結合損失を被ることなくこの技術の使用を可能にして
いる。
示すレーザーパッケージを使用し本発明に従って提案し
た設計が例示されており、この設計によりボールレンズ
３２が第１のレンズとして使用されたとき光ファイバに
射し込む光の収差を減少させた。図に示されたようにシ
リコンプラットフォーム３４はフォトリソグラフィで形
成されその上がエッチング３６されている。シリコンプ
ラットフォーム３４のこれらエッチング３６はレーザー
１０に対する正しい相対位置にボールレンズを配置する
ために使われる。シリコンプラットフォーム３４はあま
り費用がかからず、専門家により容易に加工可能であり
しかもレーザーに対するボールレンズや他のレンズの精
密な配置を可能にする。シリコンプラットフォーム３４
は専門家に知られたレーザーマウンティング手段４０を
用いてレーザー１０に据えられている。本発明により高
い結合損失を被ることなくこの技術の使用を可能にして
いる。
【００１４】図３に示されるようにボールレンズ３２は
シリコンプラットフォーム３４に据え付けられている。
ボールレンズ３２は典型的に約０．５ｍｍから約１．０
ｍｍであり、一般に４２で示される前焦点を持つ。レー
ザー１０は、中間マージナル焦点４４と中間パアキシャ
ル焦点４６が形成されるような第１のボールレンズ３２
の前面にある前焦点４２の外側に位置している。非球面
調整レンズ４８は中間パアキシャル焦点４６の後方に位
置している。レーザー光線は非線形調整レンズ４８に導
かれ該調整レンズからの光は最小の非球面収差を持ち、
図１と２で示したボールレンズ構成よりも増大した光フ
ァイバ結合効率を持つ。本発明の１具体例において、そ
れぞれのレンズ３２、４８の間隔は約１０ｍｍでありレ
ーザー１０のボールレンズ３２とのギャップは約９０マ
イクロメーターである。
シリコンプラットフォーム３４に据え付けられている。
ボールレンズ３２は典型的に約０．５ｍｍから約１．０
ｍｍであり、一般に４２で示される前焦点を持つ。レー
ザー１０は、中間マージナル焦点４４と中間パアキシャ
ル焦点４６が形成されるような第１のボールレンズ３２
の前面にある前焦点４２の外側に位置している。非球面
調整レンズ４８は中間パアキシャル焦点４６の後方に位
置している。レーザー光線は非線形調整レンズ４８に導
かれ該調整レンズからの光は最小の非球面収差を持ち、
図１と２で示したボールレンズ構成よりも増大した光フ
ァイバ結合効率を持つ。本発明の１具体例において、そ
れぞれのレンズ３２、４８の間隔は約１０ｍｍでありレ
ーザー１０のボールレンズ３２とのギャップは約９０マ
イクロメーターである。
【００１５】図５は図３のレンズ構成からの結果である
ピューピル歪みのグラフである。２次ピューピル歪みが
ここで正の値であり、高開口数に対するレンズ収差の調
整を許している。しかしながら調整素子上の光線高さ
（レイハイツ）は、入射ピューピル開口数の２乗で増加
をし、そのため調整レンズの直径が開口数と共に急増す
る。より大きなピューピル歪みが極めて非球面な表面を
持つために調整素子を必要とするだろう。このような障
害を回避するためにフィールドレンズ５０を図４で示す
ように中間焦点４４、４６付近に配置することが出来
る。フィールドレンズ５０はボールレンズ３２と調整レ
ンズ４８の間に挿入され調整レンズ４８のピューピル歪
みを低減あるいは解消する。フィールドレンズ５０はボ
ールレンズ３２の背面が調整レンズ４８に近接して映し
出されるように設計される必要がある。フィールドレン
ズ５０の厳密な位置と曲率半径は自動最適化により決定
できる。
ピューピル歪みのグラフである。２次ピューピル歪みが
ここで正の値であり、高開口数に対するレンズ収差の調
整を許している。しかしながら調整素子上の光線高さ
（レイハイツ）は、入射ピューピル開口数の２乗で増加
をし、そのため調整レンズの直径が開口数と共に急増す
る。より大きなピューピル歪みが極めて非球面な表面を
持つために調整素子を必要とするだろう。このような障
害を回避するためにフィールドレンズ５０を図４で示す
ように中間焦点４４、４６付近に配置することが出来
る。フィールドレンズ５０はボールレンズ３２と調整レ
ンズ４８の間に挿入され調整レンズ４８のピューピル歪
みを低減あるいは解消する。フィールドレンズ５０はボ
ールレンズ３２の背面が調整レンズ４８に近接して映し
出されるように設計される必要がある。フィールドレン
ズ５０の厳密な位置と曲率半径は自動最適化により決定
できる。
【００１６】図８のプロットで示すように調整レンズ４
８の前面のピューピル歪みは仮想的に解消される。４次
の調整項まで付与できる自動最適化は調整レンズ設計に
も使用される。この結果は光軸上仮想的に完璧な光学像
である。ピーク波面収差はλ／１００以上であり、２乗
平均のスポットサイズは０．０５マイクロメータ以下で
ある。焦点における仮想的に完璧な回折強度は図７の回
折強度パターンに見られる。この設計は計算された０．
９９以上のシュトレール比と１０−６λ以下の波面変動
を持っている。本システムの焦点通過スポット図が図８
であり、焦点ずれにより色々異なる断片フィールドを示
している。
８の前面のピューピル歪みは仮想的に解消される。４次
の調整項まで付与できる自動最適化は調整レンズ設計に
も使用される。この結果は光軸上仮想的に完璧な光学像
である。ピーク波面収差はλ／１００以上であり、２乗
平均のスポットサイズは０．０５マイクロメータ以下で
ある。焦点における仮想的に完璧な回折強度は図７の回
折強度パターンに見られる。この設計は計算された０．
９９以上のシュトレール比と１０−６λ以下の波面変動
を持っている。本システムの焦点通過スポット図が図８
であり、焦点ずれにより色々異なる断片フィールドを示
している。
【００１７】レーザー／光ファイバ結合におけるピュー
ピル歪みと球面収差について、ボールレンズが第１素子
に使用された時でさえ、本発明で開示された適切な調整
レンズが使用されるならば最小化できる事が明らかであ
る。
ピル歪みと球面収差について、ボールレンズが第１素子
に使用された時でさえ、本発明で開示された適切な調整
レンズが使用されるならば最小化できる事が明らかであ
る。
【００１８】本発明のこれまでの記述はこれについて単
に例示しようと意図されたものにすぎず、他の具体例、
補正例並びに等価な例が当業者にとってその精神から逸
脱することなく明白であることを理解するべきである。
に例示しようと意図されたものにすぎず、他の具体例、
補正例並びに等価な例が当業者にとってその精神から逸
脱することなく明白であることを理解するべきである。
Claims (18)
- 【請求項１】 光ファイバへの道筋に沿って光線を送る
レーザー；光の該道筋の内側で該光線を受ける場所に位
置するボールレンズ；及び光の該道筋の内側に位置する
調整レンズから構成される、低減された収差の光ファイ
バ入射光を持つレーザーパッケージにおいて、 該調整レンズが非球面を持ち且つ該調整レンズを通過し
たレーザー光線が最小の非球面収差と増大した結合効率
をもって光ファイバに入射するように位置づけられてお
り、そして該調整レンズが光軸ずれ収差とコマの補償の
ため半径方向に中心ずれ変位していることを特徴とする
レーザーパッケージ。 - 【請求項２】 請求項１に記載のレーザーパッケージに
おいて、上記ボールレンズが前焦点を持っていること；
該レーザーが、該レーザーの発した光線が該ボールレン
ズの後方中間パアキシャル焦点を形成するような該前焦
点の前面に位置していること；及び該調整レンズが該パ
アキシャル焦点を調整する位置にあることを特徴とする
レーザーパッケージ。 - 【請求項３】 請求項１に記載のレーザーパッケージに
おいて、該調整レンズが高度の非球面を持つことを特徴
とするレーザーパッケージ。 - 【請求項４】 請求項１に記載のレーザーパッケージに
おいて、該ボールレンズが約０．５ｍｍから約１．０ｍ
ｍの直径であることを特徴とするレーザーパッケージ。 - 【請求項５】 請求項１に記載のレーザーパッケージに
おいて、該ボールレンズと調整レンズが据え付けられて
いるシリコンプラットフォームを含むことを特徴とする
レーザーパッケージ。 - 【請求項６】 請求項５に記載のレーザーパッケージに
おいて、上記シリコンプラットフォームが該レーザーに
据え付けられていることを特徴とするレーザーパッケー
ジ。 - 【請求項７】 光ファイバへの道筋に沿って光線を生成
するレーザー；光の該道筋の内側に位置するボールレン
ズ；及び光の該道筋の内側でフィールドレンズの後方に
位置する調整レンズから構成される、低減された収差の
光ファイバ入射光を持つレーザーパッケージにおいて、 該ボールレンズが前焦点を持ち、該レーザーの発した光
線が中間パアキシャル像を形成するように該レーザーは
該前焦点の前面に位置し、該光線が更に狭い範囲で焦点
を結ぶように該フィールドレンズが該パアキシャル像を
調整する位置にある事；及び該調整レンズが非球面を持
ち、該レーザー光線が最小の球面収差と増大した結合効
率をもって光ファイバへ入射するように位置しており且
つ該調整レンズが光軸ずれ収差とコマの補償のため半径
方向に中心ずれ変位する事を特徴とするレーザーパッケ
ージ。 - 【請求項８】 請求項７に記載のレーザーパッケージに
おいて、該調整レンズが低度の非球面を持つことを特徴
とするレーザーパッケージ。 - 【請求項９】 請求項７に記載のレーザーパッケージに
おいて、該ボールレンズが約０．５ｍｍから１．０ｍｍ
の直径であることを特徴とするレーザーパッケージ。 - 【請求項１０】 請求項７に記載のレーザーパッケージ
において、該ボールレンズと調整レンズが据え付けられ
ているシリコンプラットフォームを含むことを特徴とす
るレーザーパッケージ。 - 【請求項１１】 請求項７に記載のレーザーパッケージ
において、上記調整レンズが実質的に球面であることを
特徴とするレーザーパッケージ。 - 【請求項１２】 その上に少なくともボールレンズと調
整レンズの据え付けるためそこにフォトリソグラフィの
エッチングしたシリコンプラットフォーム；あらかじめ
決めた道筋の該光線を受光するために該シリコンプラッ
トフォームに据え付けられたボールレンズ；及び該シリ
コンプラットフォームに据え付けられ光の該道筋の内側
に位置する調整レンズから構成される、光源から光ファ
イバへ入射する光線の球面収差を最小化する装置におい
て、 該調整レンズが非球面を持ち且つ該調整レンズを通過し
た該光線が最小の非球面収差と増大した結合効率をもっ
て光ファイバに入射するような位置にある事；及び該調
整レンズが光軸ずれ収差とコマの補償のため半径方向に
中心ずれ変位する事を特徴とする装置。 - 【請求項１３】 請求項１２に記載の装置において、該
調整レンズが高度の非球面を持つことを特徴とする装
置。 - 【請求項１４】 請求項１２に記載の装置において、該
ボールレンズが約０．５ｍｍから１．０ｍｍの直径であ
ることを特徴とする装置。 - 【請求項１５】 請求項１２に記載の装置において、上
記シリコンプラットフォームが該シリコンプラットフォ
ームを該レーザーに据え付ける手段を含むことを特徴と
する装置。 - 【請求項１６】 その上に少なくともボールレンズと調
整レンズの据え付けるためそこにフォトリソグラフィの
エッチングしたシリコンプラットフォーム；該光線が該
ボールレンズを通過して中間パアキシャル焦点を形成す
るように、あらかじめ決めた道筋の該光線を受光するた
めに該シリコンプラットフォームに据え付けられたボー
ルレンズ；該シリコンプラットフォームに据え付けら
れ、該光線を更に狭い範囲に焦点を合わすため該パアキ
シャル焦点調整された位置にあるフィールドレンズ；及
び該フィールドレンズの後方で該光線を受光する該シリ
コンプラットフォームに据え付けられた調整レンズから
構成される、光源から光ファイバへ入射する光線の球面
収差を最小化する装置において、 該調整レンズが非球面を持ち且つ該光線が最小の非球面
収差と増大した結合効率をもって光ファイバに入射する
ような位置にある事；及び該調整レンズが光軸ずれ収差
とコマの補償のため半径方向に中心ずれ変位する事を特
徴とする装置。 - 【請求項１７】 請求項１６に記載の装置において、該
ボールレンズが約０．５ｍｍから１．０ｍｍの直径であ
ることを特徴とする装置。 - 【請求項１８】 請求項１６に記載の装置において、該
調整レンズが実質的に球面であることを特徴とする装
置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/539950 | 1995-10-06 | ||
| US08/539,950 US5638475A (en) | 1995-10-06 | 1995-10-06 | Apparatus for minimizing spherical aberration of light beam emitted into an optical fiber |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09133843A true JPH09133843A (ja) | 1997-05-20 |
Family
ID=24153331
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8263887A Pending JPH09133843A (ja) | 1995-10-06 | 1996-10-04 | 光ファイバへ入射する光線の球面収差を最小化し且つ半径方向変位の調整レンズを使用した装置 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5638475A (ja) |
| EP (1) | EP0767392A1 (ja) |
| JP (1) | JPH09133843A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001124962A (ja) * | 1999-09-02 | 2001-05-11 | Agilent Technol Inc | ファイバ光学用伝送レンズ |
| KR20180084967A (ko) * | 2016-07-08 | 2018-07-25 | 예놉틱 어드밴스트 시스템스 게엠베하 | 광학 빔 성형 유닛, 거리 측정 디바이스 및 레이저 조명기 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6267670B1 (en) * | 1997-03-21 | 2001-07-31 | Walker Digital, Llc | System and method for performing lottery ticket transactions utilizing point-of-sale terminals |
| US5911021A (en) * | 1997-04-02 | 1999-06-08 | Lucent Technologies Inc. | Subassembly and method for coupling optical devices |
| US6608671B2 (en) * | 1998-07-17 | 2003-08-19 | Vertex Pharmaceuticals (San Diego) Llc | Detector and screening device for ion channels |
| US6349160B2 (en) | 1998-07-24 | 2002-02-19 | Aurora Biosciences Corporation | Detector and screening device for ion channels |
| JP2000121883A (ja) * | 1998-10-16 | 2000-04-28 | Hitachi Ltd | 光通信装置およびネットワーク装置 |
| WO2002041063A2 (en) * | 2000-11-16 | 2002-05-23 | L-A-Omega, Inc. | Method and system for aligning an optical fiber delivery system |
| US20050078383A1 (en) * | 2003-10-08 | 2005-04-14 | Jones Edward L. | Plastic, thermally stable, laser diode coupler |
| JP2005352075A (ja) * | 2004-06-09 | 2005-12-22 | Mitsubishi Electric Corp | 光半導体素子モジュール |
| WO2007013862A1 (en) * | 2005-07-29 | 2007-02-01 | National University Of Singapore | An optical fiber irradiation system and a method of coupling light into an optical fiber irradiation system |
| KR100867950B1 (ko) * | 2007-04-25 | 2008-11-11 | 삼성전기주식회사 | 조명 광학 장치 |
| US8345350B2 (en) | 2008-06-20 | 2013-01-01 | Carl Zeiss Smt Gmbh | Chromatically corrected objective with specifically structured and arranged dioptric optical elements and projection exposure apparatus including the same |
| US8666254B2 (en) | 2011-04-26 | 2014-03-04 | The Boeing Company | System and method of wireless optical communication |
| US9245443B2 (en) | 2013-02-21 | 2016-01-26 | The Boeing Company | Passenger services system for an aircraft |
| US20160327747A1 (en) * | 2013-11-08 | 2016-11-10 | Empire Technology Development Llc | Printed ball lens and methods for their fabrication |
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| FR2571504B1 (fr) * | 1984-10-05 | 1987-01-23 | Labo Electronique Physique | Dispositif de couplage d'une source lumineuse et d'un guide d'onde lumineuse |
| JPS61122614A (ja) * | 1984-11-20 | 1986-06-10 | Fujitsu Ltd | レ−ザモジユ−ル |
| US4842391A (en) * | 1988-02-05 | 1989-06-27 | Tacan Corporation | Two spherical lens optical coupler |
| GB2220501A (en) * | 1988-07-06 | 1990-01-10 | Plessey Co Plc | Coupling waveguides using transverse cylindrical lenses |
| US4919506A (en) * | 1989-02-24 | 1990-04-24 | General Electric Company | Single mode optical fiber coupler |
| EP0450560B1 (en) * | 1990-04-03 | 1998-07-22 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | An optical device |
| US5301249A (en) * | 1992-12-31 | 1994-04-05 | Eastman Kodak Company | Catoptric coupling to an optical fiber |
| US5511140A (en) * | 1994-10-13 | 1996-04-23 | International Business Machines Corporation | Molded plastic optical fiber-optoelectronic converter subassembly |
-
1995
- 1995-10-06 US US08/539,950 patent/US5638475A/en not_active Expired - Lifetime
-
1996
- 1996-09-25 EP EP96306954A patent/EP0767392A1/en not_active Ceased
- 1996-10-04 JP JP8263887A patent/JPH09133843A/ja active Pending
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| JP2019500639A (ja) * | 2016-07-08 | 2019-01-10 | イェノプティック アドバンスト システムズ ゲーエムベーハーＪｅｎｏｐｔｉｋ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｇｍｂｈ | 光学ビーム整形ユニット、距離測定装置およびレーザ照明器 |
| US11237399B2 (en) | 2016-07-08 | 2022-02-01 | Jenoptik Optical Systems Gmbh | Optical beam shaping unit, distance measuring device and laser illuminator |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US5638475A (en) | 1997-06-10 |
| EP0767392A1 (en) | 1997-04-09 |
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