KR20040030338A

KR20040030338A - 섬유 광학계 장치

Info

Publication number: KR20040030338A
Application number: KR1020030067887A
Authority: KR
Inventors: 루딩톤폴데이비드; 비에트리조셉레이몬드
Original assignee: 이스트맨 코닥 캄파니
Priority date: 2002-10-01
Filing date: 2003-09-30
Publication date: 2004-04-09
Also published as: US7068883B2; US20040062478A1; TW200411241A; EP1406100A2; CN1497281A; JP2004126586A; EP1406100A3

Abstract

두 개의 등가 비구면 광학 표면을 갖는 양볼록 광학렌즈와, 광학렌즈의 전방 초점평면과 후방 초점평면 중 하나에 근접하게 위치한 광섬유와, 광학렌즈 및 광섬유에 대하여 배치된 구조체를 포함하되, 구조체는 광학렌즈의 배치를 광섬유에 대하여 유지하는 섬유 광학계 장치가 개시되어 있다.

Description

섬유 광학계 장치{SYMMETRIC, BI-ASPHERIC LENS FOR USE IN OPTICAL FIBER COLLIMATOR ASSEMBLIES}

본 발명은 광섬유 접속 장치 및 방법에 관한 것으로, 구체적으로 광섬유 시준기 어셈블리에 사용되는 렌즈와, 광섬유, 렌즈 및 관련 구성 요소들의 개선된 패키징을 허용하도록 하는 이들 렌즈들의 설계에 관한 것이다.

광섬유 애플리케이션에 있어서, 하나의 섬유에서 다른 섬유로 광을 커플링하는 것이 종종 필요하다. 이것은, 다수의 섬유들이 함께 모이는 스위칭 장치에서 또는 고밀도 파장 분할 다중화(DWDM: dense wavelength division multiplexing) 애플리케이션에서 파장을 가산 및/또는 감산하는 이루어질 수 있다. 이렇게 하기 위한 알려진 방법은 섬유들을 직접 접하게 하는 것이다. 섬유들은 또한 전기적 융합에 의해 커플링될 수 있는데, 두 개의 섬유가 접촉하게 됨에 따라 이들의 종단을 가열하기 위해 전기적 아크(an electric arc)가 사용된다. 전기적 아크는 섬유를 녹여 그들을 영구적이고 기계적으로 안정적인 접속으로 결합시킨다. 미국 특허 제 4,421,383 호에 설명된 바와 같이, 광을 하나의 섬유에서 다른 섬유로 커플링하기 위해 렌즈를 사용하는 것이 가능하다. 여기서, 물리적 콘넥터는 섬유 및 렌즈를 서로에 대해 적절한 위치에 고정한다.

여러 애플리케이션에 있어서, 광이 소스 섬유를 빠져나간 후와 광이 수신 섬유에 들어가기 전에 광의 처리 또는 조작(manipulation)을 수행하는 것이 바람직하다. 이 처리의 예는 감쇠(attenuation) 및 필터링을 포함한다. 일반적으로 파장분할 다중화로 지칭되는, 하나의 섬유에 대해 다수의 파장을 이용하는 광학 통신 시스템에 있어서는, 에르븀 도핑된 섬유 증폭기가 폭넓은 파장 범위에 걸쳐 섬유의 광학 신호를 광학적으로 증폭하는 데 사용된다. 파장 분할 다중화 시스템에서의 각 파장은 상이한 소스에서 발생하기 때문에, 각 파장에서의 신호 전력은 광학 증폭기의 최적 동작을 위해 조정될 필요가 있을 수 있다. 신호 전력의 조정은 광학 신호의 가변 광학 감쇠를 필요로 하고, 이 감쇠는 흔히 팽창된 빔에 대해 가장 쉽게 수행된다.

또한, 섬유로부터의 광학 빔도 시준된 경우 섬유 사이의 광학 신호의 처리는 가장 쉽게 수행된다. 도 1은 소스 섬유(10)로부터의 광을 수신 섬유(20)로 커플링하는 데 사용되는 종래의 시준 렌즈(16 및 18) 쌍에 대한 예를 도시하고 있다. 이 애플리케이션에 그린(gradient index; GRIN) 렌즈가 일반적으로 사용된다는 것은 당업계에 알려져 있다. GRIN 렌즈는 원통형 유리 몸체에 도펀트(dopant)를 확산시킴으로써 만들어진다. 이 도펀트는 렌즈의 굴절률에 있어 원형 그레디언트(radial gradient)를 생성한다. 굴절률이 렌즈의 주변 쪽으로 낮아지는 경우, 이 렌즈는 멀리 떨어진 소스로부터 광을 집속시킬 수 있다. 반사율 프로파일의 형태는 렌즈의 이미징 특성을 제어한다. 확산 이후, 렌즈는 특정 길이로 절단되고 종단은 연마된다. 광이 렌즈 사이에서 시준된 경우, 빔은 적절한 동작 거리 "D"(전형적으로 수십 밀리미터)에 걸쳐 거의 동일한 크기로 유지된다. 이 공간에서 빔은 거의 동일한 크기이기 때문에, 빔을 감쇠 또는 필터링하는 부가적인 광학 구성요소, 예를 들어 도 2에 도시된 광학 변조기(17)를 배치하는 것은 더 용이하다. 도 2에 도시된 광학 시스템은 전송 시스템으로서 알려져 있는데 그 이유는 빔이 광학 구성요소를 통해 전송되기 때문이다.

광학 신호의 처리와 관련되는 시스템에 있어서, 광학 신호를 하나의 섬유에서 다른 섬유로 커플링하는 경우 신호 전력을 가능한 한 크게 유지하는 것이 바람직하다. 단일 모드 광학 섬유의 경우에서, 커플링 효율은 분석적 방법에 의해 계산될 수 있다. (R.E. Wagner 및 J. Tomlinson의 "Coupling efficiency of optics in single-mode fiber components", Applied Optics, vol. 21, No. 15, 1982, 페이지 2671를 참조). 광을 하나의 섬유에서 다른 섬유로 커플링하는 경우에서, 렌즈는 높은 커플링 효율을 생성하기 위해 특정 광학 기능을 가져야 한다. 도 2를 참조하면, 제 2 시준 렌즈(18)는 수신 섬유(20)쪽으로 향하는 집속된 빔을 생성한다. 수신 섬유로 커플링되는 광의 비율은 집속된 빔에서의 임의의 수차(aberrations)만큼 감소될 것이다. 섬유 시스템의 광학 전력의 손실은 매우 바람직하지 못한데, 그 이유는 이 손실로 인해 통신 채널을 통해 전달될 수 있는 정보량이 제한될 수 있거나 필요한 증폭량을 증가시킬 수 있기 때문이다.

최근에, 보다 많은 광학 섬유 기반 통신 시스템은 전달되는 정보량을 증가시키기 위해 한번에 다수의 파장을 이용한다. 다수의 파장을 이용하는 일반적 개념은 파장 분할 다중화로 지칭된다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 파장 분할 다중화 시스템은 광섬유에 존재하는 상이한 파장의 신호들을 분리하는 방법을 사용한다. 소스 섬유(22)는 시준 렌즈(16)의 후방 초점평면(back focal plane) 가까이에 위치한다. 소스 섬유로부터의 광은 렌즈(16)에 의해 시준되고 광학 필터(24)로 향한다. 광학 필터의 코팅은 원하는 파장에 중심을 두는 매우 좁은 파장 대역의 광을 제외한 모든 광을 반사하도록 구성된다. 필터(24)를 통과하는 광은 수신 섬유(28)로 커플링된다. 필터(24)가 정확하게 정렬된 경우, 필터로부터 반사된 광은 제 2 수신 섬유(26)의 종단으로 향하게 될 것이다. 섬유(22,26 및 28)는 시스템의 광학 축을 벗어나 위치한다는 것을 인지하자. 소스 섬유(22), 시준 렌즈(16), 광학 필터(24) 및 수신 섬유(26)를 포함하는 광학 시스템은 반사 시스템으로서 알려져 있는 반면, 소스 필터(22), 시준기 렌즈(16), 시준 렌즈(18) 및 수신 섬유(28)를 포함하는 광학 시스템은 전송 시스템으로서 알려져 있다.

빔을 광학 섬유로 커플링함에 있어 높은 커플링 효율을 달성하기 위해, 적은 양의 수차를 이용해 빔을 섬유 상으로 집속하는 것만으로는 부족하다. 보다 구체적으로, 집속된 빔은 섬유의 기본 모드와 일치해야 한다. 이것은 빔이 섬유 모드와 동일한 진폭 및 위상을 가지도록 요구한다. 섬유의 위상 분포와 일치하기 위해, 빔은 섬유의 광학 축을 따라 섬유에 들어가야 한다. 즉 부가적인 손실이 발생할 것이다. 섬유의 종단면이 섬유의 광학축에 수직이면, 빔은 가장 높은 커플링 효율을 위해 섬유에 직교해야 한다. 표준 이미징 시스템에 있어, 빔이 시스템의 축에 평행한 상태는 텔레센트리시티(telecentricity)로서 지칭된다. 보다 구체적으로, 표준 이미징 시스템의 텔레센트리시티는, 조리개(stop)의 중심을 통해 이동하는 광선인 주광선(chief ray)이 시스템의 소정 지점에서 광학축과 평행하도록 요구한다. 단일 소자 광학 시스템에 대해, 개구 조리개는 렌즈의 전면 또는 후방 초점평면에 또는 그에 가까이에 위치해야 한다. 광학 시스템은 광학 시스템의 상이한 부분들에서 텔레센트릭(telecentric)일 수 있다. 주광선이 목적 공간(object space)에서 광학축에 평행한 경우, 목적 공간에서 시스템이 텔레센트릭하다고 여길 수 있다. 주광선이 이미지 공간에서 광학 축에 평행한 경우, 이미지 공간에서 시스템이 텔레센트릭하다고 간주할 수 있다. 예를 들어, 도 4는 렌즈(40) 및 조리개(42)로 이루어진 간략화된 시스템을 도시하는데 이 시스템은 목적 공간에서 텔레센트릭하다. 도 5는 이미지 공간에서 텔레센트릭한, 렌즈(50) 및 조리개(52)로 이루어진 유사한 시스템을 도시한다.

섬유 소스의 고유한 특성으로 인해, 광섬유로부터 발생하는 빔은 보통 목적 공간에서 텔레센트릭하다고 간주될 수 있는데, 그 이유는 그 빔은 광학축에 평행한 섬유로부터 발생하기 때문이다. 광을 이미지 공간에 위치한 수신 섬유로 커플링하는 가장 높은 커플링 효율을 달성하기 위해, 제 2 시준 렌즈의 이미지 공간에서 광이 또한 텔레센트릭하다는 것은, 섬유를 커플링하기 위한 광학 시스템의 바람직한 특성이다. 광이 광섬유의 축에 대해 상당한 각도로 광섬유로 들어가는 경우, 빔을 섬유로 커플링하는 커플링 효율이 상당히 감소하거나, 삽입 손실이 증가할 것이다. 빔과 섬유의 광학 축 사이의 유효 각을 감소시키기 위해 광학축으로부터 섬유를 기울이는 것이 가능하지만, 섬유를 기울이게 되면 최종 광학 시스템을 조립하는 시간 및 비용이 상당히 증가할 수 있다. 광학 소자의 배치 및 유형 및 개구 조리개의 배치는 텔레센트리시티의 상태에 영향을 준다.

하나의 섬유에서 다른 섬유로 광을 커플링하는 데 사용되는 시스템에 대해, 빔을 제한하여 광학 전력을 감소시키는 임의의 개구를 갖는 것은 바람직하지 않다.그러므로 흔히 빔을 제한하는 정의된 개구 또는 조리개는 존재하지 않는다. 빔을 제한하는 물리적 개구가 존재하지 않는 경우, 텔레센트리시티는 소스 및 광학 소자와 커플링한 수신기들의 특성에 의해 결정된다. 보다 구체적으로, 빔이 시스템 내에서 전파되고 임의의 방식으로 광학 빔을 제한할 수 있는 임의의 개구를 도입하는 것이 바람직하지 않는 경우, 조리개의 위치는 주광선이 시스템의 광학축을 가로지는 위치에 의해 대개 지정된다. 주광선은 소스로부터 방출되는 빔 분포의 중심 광선이도록 정의되고, 따라서 광학 시스템의 물리적 개구에 의해 결정되지 않는다.

그린(GRIN) 렌즈가 광섬유로부터의 광을 시준하는 데 사용될 수 있다는 것은 당업계에 알려져 있다. 뉴저지 서머셋의 니폰 시트 글래스는 이러한 렌즈를 제조한다. 도 6은 두 개의 GRIN 시준기 렌즈를 사용하는 전송 광학 시스템을 도시하고 있다. 가우시안 빔은 소스 섬유(10)로부터 방출되고 GRIN 렌즈(16)에 의해 시준된다. 시준된 빔(62)은 GRIN 렌즈(18)에 의해 수신 섬유(20)로 집속된다. 렌즈의 근축 전방 초점평면(paraxial front focal plane)은 이 렌즈의 제 2 주평면(principle plane)으로부터 하나의 유효 초점거리(EFL)에 위치해 있다. GRIN 렌즈(16)의 전방 초점 평면(60)은 이 렌즈의 전면(front face)에 매우 근접하게 위치해 있다. 반사 시스템(도 3을 참조)에 대해 광학 필터(24)는 입력 시준기 렌즈의 전방 초점평면(60)에 배치되어 최대 커플링 효율 또는 최소 삽입 손실을 달성한다. 광학 필터는 과도한 삽입 손실없이 GRIN 렌즈(16)의 전면(64)에 직접 접합될 수 있기 때문에, GRIN 렌즈의 전면(64)에 대한 광학 필터(24)의 근접성은 DWDM 디멀티플렉서와 같은 반사 포토닉 장치(reflective photonic device)를 조립하는 데 유리할 수 있다.

높은 커플링 효율을 가지기 위해, 집속 렌즈는 빔에 대하여 상당한 수차를 발생시키지 말아야 한다. 그린 렌즈에 대해, 굴절률 프로파일의 형상은 최소 수차를 생성하도록 정확하게 다루어져 한다(tailored). 프로파일의 형태는 유리로의 도펀트 확산에 의해서만 제어되기 때문에 굴절률 프로파일의 제어는 어렵다. 확산에 주로 사용되는 도펀트들 중 하나로 탈륨을 사용하는 것은 그린 렌즈에 더 불리하다. 예를 들어, 그린 렌즈에 탈륨의 사용은 미국 특허 제 3,941,474 호 및 제 4,246,474 호에 설명되어 있다. 탈륨은 독성 금속(납보다 훨씬 독성적임)이다.

그린 유리 렌즈 이외에, 섬유 사이에 광을 연결하는 데 굴절 렌즈를 사용하려는 시도가 있어왔고, 이는 미국 특허 제 4,421,383 호에 설명되어 있다. 그러나, 미국 특허 제 4,421,383 호는 광학 성능을 개선하기 위한 비구면의 사용을 개시하지 않을 뿐만 아니라, 대칭적 양-비구면 시준기 렌즈(symmetric bi-aspheric collimator lens)도 설명하지 않는다. 도 7은 평볼록(plano-convex) 굴절 시준기 렌즈를 사용하는 전송 광학 시스템을 도시하며 이는 미국 특허 제 6,438,290 호에 설명되어 있다. 가우시안 빔은 소스 섬유(10)로부터 방출되고 평볼록 렌즈(72)에 의해 시준된다. 시준된 빔(62)은 제 2 평볼록 렌즈(74)에 의해 수신 섬유(20)로 집속된다.

평볼록 시준기 렌즈에 대해, 전방 초점평면(82)도 제 2 주평면(80)으로부터 하나의 유효 초점거리(EFL)에 위치한다. 모든 광학 전력이 표면(78)에 위치하기 때문에, 제 2 주평면(80)은 표면(78)에 근접하게 위치한다. 그 결과, 전방 초점평면(82)은 굴절 광학 표면(78) 전방에서 대략 하나의 유효 초점거리에 위치한다. 도 8은 한 쌍의 평볼록 시준기 렌즈를 사용하는 반사 시스템을 도시하고 있다. 광학 필터(24)는 입력 시준기 렌즈(72)의 전방 초점평면(82)에 위치하여 수신 섬유(26)로의 최대 반사 광을 달성해야 한다. 온도 변화 동안 광학 필터(또는 미러)에서의 위치 변경때문에, 굴절 표면(78)에서 광학 필터(24)까지의 비교적 큰 거리는 반사 시스템에서 단점으로 여겨질 수 있다. 반사된 커플링 효율은 수신 섬유(26)로 커플링되는 광의 부분으로 정의되고, 광학 필터(또는 미러)는 완벽한 반사기로 여겨진다. 반사된 삽입 손실은 반사된 광섬유 구성 요소에서 손실되는 광의 양을 수량화한다.

프레넬 반사에 의해 소스 섬유로 다시 반사된 광은 반환 손실 또는 후방반사로서 알려져 있다. 매우 작은 양의 후방반사 광으로도 레이저 다이오드 소스에 심각한 성능 저하를 야기할 수 있다. 이러한 영향을 감소시키기 위해, 섬유와 시준기 렌즈 상의 경사진 패시트(facet)를 연마하는 것과, 섬유의 패시트 및 렌즈 표면에 높은 효율의 안티 반사 코팅을 적용하는 것은 당업계에 잘 알려져 있다. 도 9(a)는 연마된 경사진 패시트(102)를 가진 소스 섬유(100) 및 그와 유사한 경사진 패시트(106)를 가진 GRIN 렌즈(104)를 도시하고 있다. 도 9(b)는 경사진 패시트(108)를 가진 평볼록 시준기 렌즈(110)에 대한 유사한 구성을 도시하고 있다. 소스 섬유 및 시준기 상의 8도 경사진 패시트는 수용가능하게 작은 양의 후방반사를 생성할 것이라는 것은 잘 알려져 있다.

시준기 렌즈의 최적 설계는 주로 렌즈의 굴절률에 의해 결정된다. 시준 렌즈의 형상 및 곡률의 각 반경의 비는 전형적으로 3차 구면의 수차를 최소화하도록 선택된다. 대략 1.68보다 작은 굴절률에 대해, 최적 광학 설계는 도 10(a)에 도시된 바와 같은 양-볼록 렌즈이다. 렌즈(122)는 시준기 빔(12)을 초점평면(124) 쪽으로 집속시킨다. 굴절률이 대략 1.68인 경우, 평볼록 렌즈 형상(126)이 최적이다(도 10(b)). 끝으로, 대략 1.68보다 큰 굴절률에 대해, 오목볼록 렌즈 형상(128)이 바람직하다(도 10(c)).

부가적인 광학 파면 성능(optical wavefront performance)은 하나 또는 두 개의 비구면 광학 표면을 사용함으로써 달성될 수 있다. 전통적인 그라인딩 및 연마를 사용하여 비구면 광학 표면을 제조하는 것은 시간이 많이 소비되고 비용이 많이 든다. 부피가 큰 애플리케이션의 경우는, 유리 또는 플라스틱에 비구면 표면을 몰딩(molding)하는 것이 바람직하다. 몇몇 회사, 예를 들어 Lightpath Technologies 및 Hoya는 넓은 범위의 유리 몰딩된, 양비구면의 시준기 렌즈를 제조한다. 각 경우에 있어서, 렌즈의 형상 및 곡률의 반경의 비는 전형적으로 광학 파면 성능을 최대화하도록 선택된다. 보통은, 시준기 렌즈의 3차 구면의 수차를 최소화하도록 대칭적인 양볼록 형상은 선택되지 않는다.

Eastman Kodak Co.는 각각이 커버 유리를 포함하는 레이저 다이오드로부터의 광을 시준하는 데 사용되는 두 개의 유리 몰딩된, 대칭적인 양비구면 렌즈를 상업적으로 판매한다. A-414 렌즈는 3.30 mm의 초점거리를 가지고 있는 반면, A-439는 0.71 mm의 초점거리를 가지고 있다. 양 경우에 있어서, 렌즈는 텔레센트릭하게 설계되지 않았다.

또한, 미국 특허 제 5,301,249 호는 광을 섬유 다이오드로부터 섬유로 커플링하는 미러형 시스템의 사용을 설명한다. 그러나, 이 특허는 예상되는 단일 모드 커플링 효율을 양적으로 설명하지 않을 뿐만 아니라, 시스템의 오프축(off-axis) 성능도 설명하지 않는다. 이와 같이, 광섬유 시준기 어셈블리에 사용되어 이들 어셈블리의 패키징을 개선하는 렌즈가 필요하다.

두 개의 등가 비구면 광학 표면을 갖는 양볼록 광학렌즈와, 광학렌즈의 전방 초점평면 및 후방 초점평면 중 하나에 근접하게 위치한 광학 섬유 및 광학렌즈 및 광섬유에 대하여 배치된 구체조를 포함하되, 이 구조체는 광섬유에 대하여 광학렌즈의 위치를 유지하는 섬유 광학계 장치가 개시되어 있다.

섬유 광학계 장치는 두 개의 등가 비구면 광학 표면을 갖는 다수의 양볼록 광학렌즈와, 광학렌즈의 전방 초점평면 및 후방 초점평면 중 하나에 근접하게 위치한 다수의 광섬유 및 광학렌즈 및 광섬유에 대하여 배치된 구체조를 포함하되, 광섬유의 개수는 양볼록 광학렌즈의 개수와 동일하고, 구조체는 광섬유에 대하여 광학렌즈의 위치를 유지한다.

도 1은 소스 섬유에서 수신 섬유로 광을 커플링하는 데 사용되는 한 쌍의 GRIN 시준 렌즈를 도시하는 도면,

도 2는 부가적인 프로세싱을 제공하기 위해 시준된 빔에 도입된 광학 구성 요소를 도시하는 도면,

도 3은 상이한 파장의 광을 분리하는 필터를 구비한 광학 시스템을 도시하는 도면,

도 4는 물체 공간내의 텔레센트릭된 시스템(a system telecentric in object space)을 도시하는 도면,

도 5는 이미지 공간 내에 텔레센트릭된 시스템을 도시하는 도면,

도 6은 소스 섬유에서 수신 섬유로 광을 커플링하는 데 사용되는 한쌍의 GRIN 시준기 렌즈를 도시하는 도면,

도 7은 소스 섬유에서 수신 섬유로 광을 커플링하는 데 사용되는 한 쌍의 평볼록 시준기 렌즈를 도시하는 도면,

도 8은 두 개의 평볼록 시준기 렌즈와 하나의 광학 필터로 구성된 광학 시스템을 도시하는 도면,

도 9a는 경사진 패시트를 갖는 GRIN 렌즈를 도시하는 도면,

도 9b는 경사진 패시트를 갖는 평볼록 렌즈를 도시하는 도면,

도 10a는 양볼록 시준기 렌즈 형상을 도시하는 도면,

도 10b는 평볼록 시준기 렌즈 형상을 도시하는 도면,

도 10c는 오목볼록(meniscus) 시준기 렌즈 형상을 도시하는 도면,

도 11은 대칭적 양볼록 렌즈를 도시하는 도면,

도 12는 단일 섬유 광학 시준기 어셈블리를 도시하는 도면,

도 13은 두 개의 단일 섬유 광학 시준기 어셈블리를 사용하는 전송 시스템을 도시하는 도면,

도 14는 이중 섬유 광학 시준기 어셈블리를 도시하는 도면,

도 15는 하나의 이중 섬유 광학 시준기 어셈블리를 사용하는 반사 시스템을 도시하는 도면,

도 16은 단일 v-그루브 구조체를 도시하는 도면,

도 17은 정밀한 v-그루브를 포함하는 광섬유 시준기 어셈블리를 도시하는 도면,

도 18은 섬유 시준기 어셈블리의 1차원 어레이를 도시하는 도면,

도 19는 섬유 시준기 어셈블리의 2차원 어레이를 도시하는 도면,

도 20은 1.944mm의 표준 초점거리에 대한 렌즈 중심 두께의 함수로서 비구면 원추 상수(aspheric conic constant)의 그래프를 도시하는 도면,

도 21은 1.944mm의 표준 초점거리에 대한 렌즈 중심 두께의 함수로서 곡률 반경의 그래프를 도시하는 도면,

도 22는 볼록 광학 표면에서 반사되는 가우시안 빔을 도시하는 도면,

도 23은 GRIN 렌즈를 통해 전파되는 주광선을 도시하는 도면,

도 24는 평볼록 렌즈를 통해 전파되는 주광선을 도시하는 도면,

도 25는 대칭적 양볼록 렌즈를 통해 전파되는 주광선을 도시하는 도면,

도 26a는 제 2 광학 표면 상에 장착 기준선을 갖는 대칭적 양볼록 렌즈를 도시하는 도면,

도 26b는 양 광학 표면 상에 장착 기준선을 갖는 대칭적 양볼록 렌즈를 도시하는 도면.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 소스 섬유12 : 시준기

16, 18 : 시준 렌즈17 : 광학 변조기

20 : 수신 섬유24 : 광학 필터

72 : 평볼록 렌즈104 : GRIN 렌즈

124 : 초점평면142 : 광학 축

145 : 원통형 관150 : 단일 섬유 어셈블리

156 : 이중 섬유 어셈블리172 : v-그루브

이하의 본 발명의 실시예의 상세한 설명에서, 첨부한 도면을 참조한다.

본 발명은 본 발명에 따른 장치의 부분을 형성하거나 또는 이 장치와 보다직접적으로 함께 동작하는 소자를 특히 설명할 것이다. 구체적으로 도시되거나 또는 설명되지 않은 소자들도 다양한 형태를 취할 수 있다는 것을 당업자에게는 잘 알려져 있다는 것이 이해될 것이다. 본 명세서에서는 단일 모드 광섬유를 사용하는 것으로 가정하지만, 당업자라면 다중 모드, 편광유지 섬유 및 도핑된 섬유를 사용함으로써 본 발명의 장점을 실현할 수 있음을 알 것이다.

도 11을 참조하면, 소스 광섬유(10)는 두 개의 볼록 광학 표면(136 및 138)을 포함하는 렌즈(134)의 광학 축(142)을 따라 설치된다. 제 1 표면(136) 및 제 2 표면(138)은 동일한 광학 형상을 갖는다. 소스 섬유(10)로부터 방출되는 가우시안 빔은 표면(136)에서 먼저 굴절되고 그런 다음 표면(138)에서 시준된다. 시준된 가우시안 빔(62)의 크기는 본질적으로 렌즈 표면(138)으로부터 어느 특정 거리에 걸쳐 일정하게 유지된다. 적절히 시준된 빔을 생성하기 위해, 소스 섬유(10)는 렌즈(134)의 후방 초점평면(130)에 또는 그 가까이에 배치되어야 한다. 렌즈(134)의 전방 초점평면(140)은 렌즈의 제 2 주평면(144)으로부터 하나의 유효 초점거리에 위치한다. 광학 전력이 렌즈(134)의 제 1 표면(136)과 제 2 표면(138) 상에 존재하기 때문에 제 2 주평면(144)은 렌즈 내부에 위치한다. 그 결과 도 7에 도시된 바와 같이 전방 초점거리 "FF"는 동일한 초점거리의 평볼록 시준기 렌즈보다 작다. 대칭적 설계에 있어, 후방 초점거리 "BF"와 전방 초점거리 "FF"는 동일하다. 양볼록 렌즈(134)의 유효 초점거리(EFL)는 광학 표면(136 및 138)의 곡률 반경과, 렌즈 재료의 굴절률 및 렌즈의 중심 두께(CT)에 의해 결정된다. 주어진 굴절률 및 주어진 유효 초점거리에 대해, 광학 표면(136 및 138)의 곡률의 반경이 조정되어 렌즈의 중심 두께를 증가 또는 감소시킬 수 있다. 주어진 굴절률 및 주어진 유효 초점거리에 대해, 예(1 내지 4)에 대하여 이하에서 설명하는 바와 같이, 커플링 효율을 최대화하거나 삽입 손실을 최소화하는 바람직한 중심 두께가 존재한다. 바람직한 실시예에서, 광섬유는 단일 모드 광섬유이다. 또한, 다중 모드, 편광 유지(polarization-maintaining) 및 도핑된 광섬유도 사용될 수 있다.

도 12는 다수의 수동 광섬유 장치에 대한 기본 조립 블록인 단일 섬유 어셈블리(150)의 바람직한 실시예를 도시하고 있다. 시준기 렌즈에 대한 광섬유의 정확한 정렬은 어셈블리 및 광섬유 시준기 어셈블리의 사용 동안 중요하다. 이것은 온도 및 습도의 변화가 발생하는 경우에 특히 중요하다. 광섬유(10)는 정밀한 모세관(146)에 고착되어 산업에서 섬유 피그테일(pigtail)로서 알려진 것을 생성한다. 전형적으로, 광섬유(147)의 종단은 경사진 각으로 연마되고 안티 반사 광학 코팅으로 코팅되어 커플링 효율을 개선하고 후방반사를 감소시킨다. 시준기 렌즈(134) 및 섬유 피그테일은 정밀한 원통형 관(145)에 고착된다. 렌즈(134), 모세관(146) 및 탑재관(145) 사이의 직경 차이와, 렌즈(134)의 베어링 길이(bearing length)(148) 및 모세관(146)의 베어링 길이(149)는 광섬유(10)와 시준기 렌즈(134) 사이의 상대적 경사(tilt) 및 탈중심화 에러(decentration errors)를 결정할 것이다. 최대 커플링 효율을 위해 광섬유(10)와 시준 렌즈(134) 사이의 경사 및 탈중심화 에러 모두를 최소화하는 것이 중요하다. 경사 및 탈중심화 에러를 줄이기 위한 하나의 방법은 렌즈(134)의 베어링 길이(148)를 증가시키는 것이다 이것은 렌즈의 중심 두께를 증가시킴으로써 달성된다. 렌즈의 중심 두께를 수용할수 없는, 커플링 효율을 달성하지 않는 지점까지 증가시킬 수 있다.

전형적으로, 도 13에 도시된 바와 같이 전송 광섬유 구성 요소(152)를 구성하기 위해 두 개의 단일 섬유 시준기 어셈블리가 사용된다. 이 경우에 있어서, 두 개의 단일 섬유 시준기 어셈블리(150)는 원통형 관(154)에 고착된다. 부가적인 광학 구성 요소는 두 개의 시준기 렌즈 사이의 광학 빔에 배치될 수 있다.

도 14에 도시된 바와 같이, 대칭적, 양비구면 렌즈도 이중 섬유 시준기 어셈블리(156)에 사용될 수 있다. 이 실시예에서, 두 개의 광섬유(22 및 26)는 시준기 렌즈(134)를 따라 원통형 관(145)에 고착되는 정밀한 모세관(158)에 고착된다. 도 15에 도시된 바와 같이, 반사 광섬유 구성 요소(160)도 이중 섬유 시준기 어셈블리(156), 광학 필터(또는 미러)(24) 및 원통형 관(162)을 사용하여 제조될 수 있다. 이 경우에 있어서, 이중 섬유 시준기 어셈블리(156)는 원통형 관(162)에 고착되고 광학 필터(또는 미러)(24)는 원통형 관(162)의 한쪽 종단 상에 고착된다. 최대 커플링 효율을 위해, 이중 섬유 시준기 어셈블리(156)를 원통형 관(162)에 고착시켜 광학 필터(또는 미러)(24)가 시준기 렌즈의 전방 초점거리에 위치하도록 하는 것이 중요하다.

도 16에 도시된 바와 같이 정확한 v-그루브와 같은 다른 구조체가 사용되어 시준 렌즈에 대한 광섬유의 상대적 배치를 수동적으로 정렬 및 유지하는 데 사용될 수 있다. 이 실시예에서, 이 구조체는 서로에 대해 정확하게 정렬되는 보다 작은 v-그루브(170) 및 보다 큰 v-그루브(172)를 포함한다. v-그루브 구조체는 금속 또는 실리콘을 틀에 맞게 만들거나(machining), 실리콘 또는 실리카를 이방성 에칭하거나 금속으로 그라인딩하거나 또는 플라스틱 혹은 세라믹으로 몰딩함으로써 제조될 수 있다. 도 17은 v-그루브 구조체(168), 광섬유(174) 및 대칭적, 양비구면 시준기 렌즈(176)로 구성된 광섬유 시준기 어셈블리를 도시하고 있다. 광섬유 및 렌즈는 v-그루브 구조체에 시멘트 또는 다른 커플링 프로세스를 이용해 부착될 수 있거나 또는 기계적으로 클램핑될 수 있다.

도 18은 정확한 v-그루브(177)의 어레이로 조립된 다수의 광섬유(178) 및 다수의 대칭적, 양비구면 광학렌즈(179)로 구성된 시준기 어셈블리의 1차원 어레이를 도시하고 있다. 다시, v-그루브 어레이 구조체는 금속 또는 실리콘을 틀에 맞게 만들거나, 실리콘 또는 실리카를 이방성 에칭하거나 금속으로 그라인딩하거나 또는 플라스틱 혹은 세라믹으로 몰딩함으로써 제조될 수 있다. 시준기 어셈블리의 2차원 어레이를 생성하는 것도 가능하다. 도 19는 네 개의 광섬유(182) 및 네 개의 대칭적, 양비구면 시준기 렌즈(180)로 구성된 시준기 어셈블리의 2×2 어레이를 도시하고 있다. 다양한 구조체가 사용되어 시준기 렌즈, v-그루브 및 원통형 관 또는 홀에 대한 광섬유의 상대적 위치를 수동적으로 정렬 및 유지할 수 있다.

대칭적, 양비구면 렌즈는 약 13000 내지 1625 nm의 파장 범위에 걸쳐 동작하는 단일 모드의 또는 편광유지 광학 섬유로부터 광을 시준하는 데 사용될 수 있다. 대칭적, 양비구면 렌즈는 대략 850 내지 1300 nm의 파장 범위에 걸쳐 동작하는 다중 모드의 광섬유로부터 광을 시준하는 데도 사용될 수 있다. 각 경우에 있어서, 광학 표면, 굴절률 및 중심 두께의 규정은 커플링 효율을 최대화하도록 선택될 수 있다.

도 11에 있는 렌즈(134)의 볼록 표면(136 및 138)은 렌즈에 의해 생성되는 빔의 수차를 최소화하기 위해 비구면 형성을 갖도록 선택될 수 있다. 이 형상은 대개 원추 방정식(conic equation)의 형태로 구체화되며, 이 표면의 새그(sag)는 다음과 같이 주어진다.

여기서, R은 표면의 기본 반경이고, y는 반지름 좌표이며 k는 원추 상수이다. k=0인 경우, 표면은 구면이다. 등가의 수학 공식이 사용되어 표면의 유효 기능을 변경하지 않고 동일한 광학 표면 형성을 나타낼 수 있다. 본 명세서에서 나타낸 예에 있어서, 원추형 비구면만이 사용되었다. 그러나, 보다 높은 차수의 항을 가진 비구면도 수용가능한 결과를 생성할 것이다.

축 상의 객체에 대해, 모든 차수의 구면 수차를 0으로 이끌기 위해 비구면의 특정 형상이 선택될 수 있다. 타원의 표면은 임의의 구면 수차 없이 무한 객체의 이미지를 생성한다. 원추 상수는 (-1/n)²로 주어지되, n은 렌즈의 굴절률이다. 그러나, 타원형은 광학 축 상에서 이미지화된 점들에 대해서만 완벽한 이미징을 제공한다. 최상의 전체적 성능을 결정하기 위해 그리고 렌즈가 축 상 및 축을 벗어난 점들 모두에 대해 작용하여야 한다고 고려할 경우, 최상의 전체적 성능을 달성하도록 원추 상수는 변경되어야 한다. 원추 상수의 최적 값은 축 상과 축을 벗어난 필드 점들 사이의 광학 경로 차이의 제곱근(rms)을 최소화함으로써 선택된다.

대칭적, 양비구면의 광학 섬유 시준기 렌즈에 대한 간단한 프로세스가 이하에서 설명된다. 먼저, 표준 유효초점거리인 1.944mm가 선택된다. 상업적으로 이용가능한 광학 설계 프로그램, 예를 들어 OPA(Optical Research Associates)로부터의 CODE VTM이 사용되어 최적의 원추 상수, 중심 두께 및 1.5 내지 1.9의 범위의 굴절률인 렌즈 재료의 곡률 반경이 결정된다. 이 데이터로부터, 최적의 원추 상수, 곡률 반경 및 중심 두께가 어떻게 렌즈 재료의 굴절률과 달라지는 지를 예측하는 선형 방정식이 생성된다. 비표준의 초점거리를 갖진 시준기 렌즈는 단순히 중심 두께와 곡률의 반경에, 표준 초점거리에 대한 원하는 초점거리의 비를 곱함으로써 설계될 수 있다. 즉 다시 말해, 최적의 원추 상수는 렌즈의 유효초점거리와 무관하다. 비표준 유효 초점거리에 대한 "최상의" 렌즈 설계에 도달하기 위해 어떤 부가적인 최적화가 필요하다.

프로세스 단계

단계(1): 굴절률 N을 갖는 렌즈 재료를 선택한다

단계(2): 다음의 방정식을 사용하여 최적의 원추 상수 k를 결정한다

k=-1.7843*N+0.6713

렌즈 재료의 굴절률이 증가함에 따라, 원추 상수의 크기는 감소한다(0에 근접하도록)는 것을 인지하자. 원추 상수가 0에 가깝다는 것은 최적의 파면을 생성하기 위해 보다 적은 비구면 이탈(departure)이 요구된다는 것을 의미한다. 제조의 어려움은 비구면 이탈의 증가와 함께 증가한다는 것은 당업계에 잘 알려져 있기 때문에, 보다 낮은 비구면 이탈은 제조가 더 용이하다는 것을 의미한다. 위의 수학식에 의해 주어진 최적 값으로부터 변경되는 원추 상수는 수용가능한 커플링 효율을 생성하는 데 사용될 수 있다.

단계(3): 1.944 mm인 표준 유효 초점거리(EFL₀)에 대해 곡률의 최적의 표준 반경(R₀) 및 최적의 표준 중심 두께(CT₀)를 계산한다.

R₀=2.6887*N-2.4097

CT₀=2.4623*N-2.0505

단계(4): 원하는 유효초점거리(EFL)를 지정하고 곡률의 표준 반경 및 표준 중심 두께를 계산한다.

광섬유와 시준기 렌즈 사이의 경사 및 탈중심화 에러를 감소시키기 위해 렌즈의 중심 두께를 증가시키는 것이 유리할 수 있다(도 12 참조). 주어진 초점거리 및 굴절률에 대해, 중심 두께는 수용가능한 커플링 효율(또는 삽입 손실)을 생성하는 지점까지 연장될 수 있다. 도 20은 원추 상수(k)가 표준 초점거리 1.944에 대해 중심 두께(CT)와 함께 어떻게 변하는 지를 도시하는 곡선의 패밀리를 도시하고 있다. 도 21은 곡률의 반경(R)이 표준 초점거리 1.944에 대해 중심 두께(CT)와 함께 어떻게 변하는 지를 도시하는 곡선의 패밀리를 도시하고 있다. 예(4)는 증가한 중심 두께를 가진 시준기 렌즈를 설명한다. 1.944의 초점거리 및 1.70의 굴절률에 대한 최적의 중심 두께는 대략 2.13 mm이다. 중심 두께는 곡률 반경 R을 R=2.0323으로, 또한 원추 상수 k를, k=-1.87767로 조정함으로써 2.50mm까지 증가하였다. 이 경우에 있어서, 몰딩된 반사 삽입 손실은 0.01 dB 및 원형(prototypes) 렌즈 상의 측정된 반사 손실, 즉 0.07dB 보다 작았다.

렌즈는 유리 또는 몰딩된 플라스틱으로 만들어질 수 있다. 유리는 플라스틱보다 큰 환경적 안정성을 가지고 있다. 플라스틱 렌즈와는 달리, 유리는 화학적 변화 또는 습도로 인해 굴절률에 변화를 주지 않을 것이다. 렌즈 재료의 동질성을 몰딩 프로세스 동안 유지되는 것이 바람직하다. 산업에서 알려진 바와 같이, 광학 재료의 동질성은 반대로 렌즈의 성능에 영향을 줄 수 있다. 확산에 의해 만들어지는 그린 렌즈와 비교해 볼 때, 탈륨과 같은 비중금속이 확산용으로 사용되는 것이 이 렌즈의 장점이다.

보다 낮은 굴절률의 유리를 렌즈용으로 선택되는 것이 본 발명의 장점이다. 보다 높은 굴절률의 렌즈는 주어진 굴절 파워를 제공하는 데 필요한 곡선의 세기를 감소시켜, 제조를 보다 쉽게 한다. 보다 높은 굴절률의 재료에 대해, 단일 층의 광학 코팅은 렌즈 표면으로부터 반사된 광의 양에 상당한 감소를 야기할 수 있다는 것도 장점이다. 이것은 단일 층의 안티 반사 코팅의 굴절률에 대한 최적의 선택은 코팅의 각 측면 상의 두 개의 매체의 기하 평균과 동일하기 때문이다. 일반적 코팅 재료들 중 하나는 1.38의 굴절률을 가진 마그네슘 플로라이드이다. 그러므로, 마그네슘 플로라이드는 1.90의 기판 굴절률에 대해 최적이다. 기판 굴절률이 1.90에 가까워질수록 단일 층 마스네슘 플로라이드 코팅의 성능은 더 좋아진다.

전방 초점거리 "FF"가 평볼록 시준기 렌즈보다 짧은 것은 본 발명의 장점이다. 보다 짧은 전방 초점거리는 광학 필터 또는 다른 광학 구성 요소를 DWDM 디멀티플렉서와 같은 포토닉 장치에 장착하는 데 도움을 준다. 본 발명의 또 다른 장점은 양 광학 표면 상의 동일한 전력에 기인하는 개선된 제조성(manufacturability) 및 감소된 정렬 민감도이다. 도 11을 참조하면, 가우시안 빔(62)이 렌즈(134)를 통과함에 따라 양 광학 표면(136 및 138)에서 굴절된다. 이것은 중심 두께, 파워, 불규칙, 광학 표면의 경사 및 광학 표면의 탈중심화와 같은 제조 근심(perturbations)에 의해 야기되는 부가적인 삽입 손실을 감소시킨다. 양 표면 상의 동일한 파워로 인해 렌즈 경사 및 탈중심화와 같은 어셈블리 정렬 에러에 의해 야기되는 성능 저하가 감소된다.

렌즈의 제 1 광학 표면 상의 감소된 스크래치 딕 사양(scratch-dig specification)이 또한 본 발명의 장점이다. 가우시안 빔 프로파일 내의 광학 표면 상의 스크래치 또는 딕(digs)과 같은 임의의 표면적 결함은 커플링 효율의 감소를 야기할 것이다. 광학 표면 상의 빔 크기가 감소함에 따라, 스크래치 또는 딕의 수용가능한 크기는 감소한다. 섬유 패시트에서부터 GRIN 및 평볼록 렌즈의 제 1 광학 표면까지의 거리는 매우 작으며 전형적으로 0.25 mm이다. 도 1을 참조하면, GRIN 렌즈(16)의 제 1 표면(12) 상의 빔 직경(14)은 전형적으로 50 마이크로미터 이하이다. 이것은 도 7에 도시된 평볼록 렌즈에 대해서도 마찬가지다. 이 경우에 있어서, 제 1 표면(76) 상의 빔 직경(82)도 50 마이크로미터 이하이다. 제 1 광학 표면 상의 빔 직경이 매우 작기 때문에, 수용가능한 스크래치 및 딕의 크기도매우 작아진다. 이제 도 11을 참조하면, 대칭적인, 양볼록 렌즈(134)의 제 1 표면(136)의 빔 직경(132)은 전형적으로 200 마이크로미터보다 클 것이다. 그 결과, 대칭적인, 양볼록 렌즈의 제 1 광학 표면에 대한 스크래치-딕 사양은 굉장히 감소하여 제조가 용이해질 것이다.

수용가능한 반환 손실 또는 후면 반사를 달성하기 위해, 섬유의 종단은 보통 쪼개어지고(cleaved) 시준기 렌즈의 제 1 표면은 전형적으로 8도 경사진다. 이들 표면은 또한 높은 효율의 안티 반사 코팅으로 코팅된다. 도 9(a)는 경사진 패시트(106)를 가진 GRIN 렌즈(104)를 도시하는 반면, 도 9(b)는 경사진 패시트(108)를 가진 평볼록 렌즈(110)를 도시한다. 경사진 광학 패시트를 사용하여 시준기 렌즈를 제조하는 것은 어렵고 비용이 많이 든다. 이것은 유리 몰딩된 시준기 렌즈에 특히 그러하다.

경사진 패시트 필요없이 수용가능한 반환 손실을 달성하는 능력이 본 발명의 장점이다. 도 22를 참조하면, 분기하는 가우시안 빔(186)은 소스 섬유(106)에서 빠져나와 안티 반사 코팅 및 경사진 패시트(102)를 통과한다. 가우시안 빔(186)은 렌즈(134)의 제 1 광학 표면(136)에 충돌할 때까지 발산한다. 이 표면에서 매우 작은 양의 광이 안티 반사 코팅된 표면(136)으로부터 반사된다. 볼록 광학 표면(136)도 반사된 빔(184)의 발산 각을 증가시킨다. 반사된 빔(84)은 경사진 섬유 패시트(102)에 도달할 때까지 발산을 지속한다. 이 점에서 반사된 빔(184)은 충분히 커 소스 섬유(100)에 들어가는 광의 양을 상당히 감소시킨다. 그러므로 보다 긴 후방 초점거리 및 볼록 광학 표면 모두는 후방 반사된 광을 수용가능한 레벨로 감소하는 데 기여한다.

렌즈의 대칭성으로부터 야기되는 어셈블리의 용이가 본 발명의 또 다른 장점이다. 어셈블리 진행 동안, 각 광학 표면이 동일하기 때문에 조작자는 어느 광학 표면이 먼저 탑재 관 또는 v-그루브에 삽입해야할 것인 가를 결정하지 않는다. 어셈블리의 이 용이함은 렌즈의 크기가 점점 작이지는 경우 매우 중요해진다.

본 발명의 또 다른 장점은 경사진 렌즈 패시트의 부족으로부터 야기된다. 다시 도 9(a)를 참조하면, 예를 들어 경사진 섬유 패시트(102)는 경사진 렌즈 패시트(106)에 대해 회전식으로 정렬되어 최적의 커플링 효율을 달성해야 한다. 몇몇 경우에 있어서, 섬유 패시트 및 렌즈 패시트는 도 9(a)에 도시된 바와 같이 정렬될 필요가 있다. 다른 경우에 있어서, 섬유 패시트(102)는 렌즈 패시트(106)에 대해 90도로 정렬되어야 한다. 렌즈 패시트에 대한 섬유 패시트의 정렬은 클록킹(clocking)으로서 알려져 있다. 클록킹 정렬의 프로세스는 매우 시간을 소비하며 어려운데 그 이유는 구성의 작은 크기 및 섬유 패시트와 렌즈 패시트의 접근 어려움(inaccessibility) 때문이다. 대칭적인 양비구면 시준기 렌즈가 경사진 광학 패시트를 필요로 하지 않기 때문에 본 발명에서는 클록킹은 필요하지 않다.

GRIN 렌즈에 대해 도 23에 도시된 바와 같이, GRIN 렌즈 및 평볼록 렌즈의 경사진 광학 패시트는 또한 시준된 가우시안 빔이 광학 축에 대해 경사지도록 야기한다. 이러한 효과는 광학 포인팅으로 알려져 있다. 소스 섬유(100)는 후방반사를 감소시키는 경사진 패시트(102)를 가지고 있다. 주광선(192)은 렌즈(104)의 광학 축(142) 및 소스 섬유(100)에 대해 비스듬한 각도로 경사진 섬유 패시트(102)를빠져나온다. 주광선(192)은 렌즈(104)를 광학 축(102)에 대해 각(190)으로 빠져나온다. 주광선(192)은 렌즈(104)의 바깥 직경(194)에 대해서도 경사진다. 도 24는 경사진 패시트(108)를 가진 평볼록 렌즈(110)를 도시하고 있다. 주광선(204)은 또한 광학 축(142) 및 렌즈(102)의 직경에 대해 비스듬한 각도로 렌즈(110)를 빠져나온다. 가우시안 빔의 큰 광학 포인팅은, 소스 섬유로부터의 "제 1 광"을 수신 섬유로 획득할 수 없음으로 인해 포토닉 장치 정렬을 더욱 어렵게 할 수 있다. "제 1 광"의 검출은 다수의 능동적인 정렬 프로세스 동안에 중요하다. 경사진 광학 표면의 부족으로 인해 본 발명은 광학 포인팅을 겪지 않는다. 도 25는 주광선(210)이 대칭적, 양비구면 렌즈(134)를 어떻게 횡단하는 지를 도시하고 있다. 주광선은 보통 광학 축(142) 또는 렌즈의 바깥 직경(212)에 대해 0 경사를 가지고 렌즈를 빠져나올 것이다. 이것은 본 발명의 또 다른 장점이다.

도 26(a) 및 도 26(b)에 도시된 바와 같이 정렬을 돕기 위해 양 광학 표면에 탑재 기준선이 또한 부가될 수 있다. 도 26(a)은 제 2 광학 표면(226)에 형성된 평탄한 기준선을 가진 대칭적인 양볼록 렌즈(220)를 도시하고 있다. 이 기준선은 몰딩 동안 또는 제 2의 센터링 동작 동안에 형성될 수 있다. 도 26b는 제 1 광학 표면(232)에 형성된 기준선(234) 및 제 2 광학 표면(236)에 형성된 부가적인 기준선(238)을 갖는 렌즈(230)를 도시하고 있다. 이들 기준선들 중 하나 또는 모두는 섬유 페룰(ferrules), 광학 필터 및 감쇠기와 같은 부가적인 광학 구성 요소를 정렬시키는 데 사용될 수 있다.

이하의 예는 본 발명의 특정 실시예를 제공하고, 본 발명을 특정 치수에 제한하려 하지 않는다.

예 1

예 1은 1.944의 유효초점거리 및 1.50의 굴절률을 갖는 대칭적인 양비구면 렌즈를 갖는다.

제 1 광학 표면의 곡률 1: 0.61903 mm^-1

제 1 광학 표면의 원추 상수: k=-2.000878

중심 두께: 1.64mm

제 2 광학 표면의 곡률 1: -0.61903 mm^-1

제 2 광학 표면의 원추 상수: k=-2.000878

1550 nm에서의 굴절률: 1.50

후방 초점거리: 1.29 mm

전방 초점거리: 1.29mm

개별 렌즈의 유효초점거리: 1.944

특정 입력 동공 직경: 오목 표면 상에서 1.0 mm

축 rms 파면 에러: 0.0001 파

예 2

예 2는 1.944의 유효초점거리 및 1.60의 굴절률을 갖는 대칭적인 양비구면 렌즈를 갖는다.

제 1 광학 표면의 곡률 1: 0.527295 mm^-1

제 1 광학 표면의 원추 상수: k=-2.185689

중심 두께: 1.89mm

제 2 광학 표면의 곡률 1: -0.527295 mm^-1

제 2 광학 표면의 원추 상수: k=-2.185689

1550 nm에서의 굴절률: 1.60

후방 초점거리: 1.22 mm

전방 초점거리: 1.22mm

개별 렌즈의 유효초점거리: 1.944

특정 입력 동공 직경: 오목 표면 상에서 1.0 mm

축 rms 파면 에러: 0.0001 파

예 3

예 3은 1.944의 유효초점거리 및 1.70의 굴절률을 갖는 대칭적인 양비구면 렌즈를 갖는다.

제 1 광학 표면의 곡률 1: 0.461127 mm^-1

제 1 광학 표면의 원추 상수: k=-2.366173

중심 두께: 2.14mm

제 2 광학 표면의 곡률 1: -0.461227 mm^-1

제 2 광학 표면의 원추 상수: k=-2.366173

1550 nm에서의 굴절률: 1.70

후방 초점거리: 1.15 mm

전방 초점거리: 1.15mm

개별 렌즈의 유효초점거리: 1.944

특정 입력 동공 직경: 오목 표면 상에서 1.0 mm

축 rms 파면 에러: 0.0008 파

예 4

예 4는 두 개의 동이한 대칭적인 양비구면 렌즈를 갖는다. 렌즈의 중심 두께는 증가되어 광학 섬유와 시준기 렌즈 사이의 경사 및 탈중심화를 최소화한다.

제 1 광학 표면의 곡률 1: 0.48976 mm^-1

제 1 광학 표면의 원추 상수: k=-1.946435

중심 두께: 2.500mm

제 2 광학 표면의 곡률 1: -0.48976 mm^-1

제 2 광학 표면의 원추 상수: k=-1.946435

1550 nm에서의 굴절률: 1.7028

후방 초점거리: 0.963 mm

전방 초점거리: 0.963mm

개별 렌즈의 유효초점거리: 1.944

특정 입력 동공 직경: 오목 표면 상에서 1.0 mm

축 rms 파면 에러: 0.0027 파

섬유 광학계 장치의 광학 표면은 비구면 광학 표면 및 원추형일 수 있다. 원추 상수는 -0.50 내지 -0.36의 범위일 수 있다. 이 비구면 광학 표면은 0.972mm의 직경에서 꼭지점 구면(vertex shpere)으로부터 0.0005 내지 0.0040 mm의 최대 이탈을 가질 수 있다. 비구면 광학 표면은 단일 층의 MgF₂안티 반사 코팅으로 코팅될 수 있다. 이와 달리, 비구면 광학 표면은 다층의, 이색성(dichroic) 안티 반사 코팅으로 코팅될 수 있다. 비구면 광학 표면은 그라인딩 및 연마 또는 몰딩될 수 있다.

섬유 광학계 장치의 양볼록 광학렌즈는 유리 재료로부터 만들어질 수 있다. 유리 재료는 1.50 내지 1.90의 굴절률을 가질 수 있다. 이와 달리, 양볼록 광학렌즈는 플라스틱 재료로부터 만들어질 수 있다. 플라스틱 재료는 1.40 내지 1.60의 굴절률을 가질 수 있다. 양볼록 광학렌즈는 1.50 내지 10.0 mm의 유효초점거리를 가진다.

섬유 광학계 장치의 구조는 광학렌즈와 광섬유의 상대적 위치를 정렬하도록 적응된다. 이 구조는 v-그루브 또는 원통형 관을 포함할 수 있다.

섬유 광학계 장치의 광섬유는 단일 모드 광섬유일 수 있다. 이와 달리, 광섬유는 다중 모드 광섬유일 수 있다. 광섬유는 편광유지 광섬유일 수 있다. 광섬유는 용액 도핑된 광섬유(solution-doped optical fiber)일 수 있다. 섬유 광학계 장치의 광섬유는 제 1 광섬유일 수 있되 이 장치는 광학렌즈의 전방 초점평면과 후방 초점평면 중 하나에 근접하게 위치한 적어도 하나의 부가적인 광섬유를 더 포함한다. 광학렌즈 및 광섬유는 1차원 패턴으로 배열될 수 있다. 이와 달리, 광학렌즈 및 광섬유는 2차원 패턴으로 배열될 수 있다. 또한, 광학렌즈들 중 적어도 하나는, 광학렌즈의 전방 초점평면과 후방 초점평면 중 하나에 근접하게 위치한 다수의 광섬유를 가질 수 있다.

본 발명은 본 발명의 바람직한 실시예를 특히 참조하여 상세히 설명하였지만, 본 발명의 범위 내에서 변형 및 수정이 이루어질 수 있다는 것을 이해할 것이다.

이상과 같이, 본 발명에 따른 렌즈를 광섬유 시준기 어셈블리에 사용함으로써 이들 어셈블리의 패키징을 개선할 수 있다.

Claims

두 개의 등가 비구면 광학 표면(two equivalent aspheric optical surface)을 갖는 양볼록(biconvex) 광학렌즈와,

상기 광학렌즈의 전방 초점평면과 후방 초점평면 중 하나에 근접하게 위치한 광섬유와,

상기 광학렌즈 및 상기 광섬유에 대하여 배치된 구조체

를 포함하되,

상기 구조체는 상기 광섬유에 대한 상기 광학렌즈의 상기 배치를 유지하는 섬유 광학계 장치.
두 개의 등가 비구면 광학 표면을 갖는 다수의 양볼록 광학렌즈와,

상기 광학렌즈의 전방 초점평면과 후방 초점평면 중 하나에 근접하게 위치한 다수의 광섬유와,

상기 광학렌즈 및 상기 광섬유에 대하여 배치된 구조체

를 포함하되,

상기 광섬유의 개수와 상기 양볼록 광학렌즈의 개수는 동일하고,

상기 구조체는 상기 광섬유에 대한 상기 광학렌즈의 상기 배치를 유지하는 섬유 광학계 장치.
두 개의 등가 비구면 광학 표면을 갖는 다수의 양볼록 광학렌즈를 포함하되, 상기 렌즈는 0.48976 mm^-1의 제 1 광학 표면의 곡률과, k=-1.946435의 상기 제 1 광학 표면의 원추 상수와, 2.500 mm의 중심 두께와, -0.48976 mm^-1의 제 2 광학 표면의 곡률과, k=-1.946435의 제 2 광학 표면의 원추 상수 및 1550nm에서 1.7028의 굴절률을 갖는

섬유 광학계 장치.