TW200411215A - Symmetric, bi-aspheric lens for use in transmissive and reflective optical fiber components - Google Patents

Description

200411215 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種用於連接光纖之裝置及方法。詳言之 ，本發明係關於在透射及/或反射光學系統中將光自一光纖 耦接入另一光纖之透鏡，亦關於該等透鏡之設計以便允許 改良之光纖、透鏡及相關元件之封裝。 【先前技術】 在光纖應用中，通常需要將光自一光纖耦接入另一光纖 。可在一將多個光纖聚集於其中之開關組件中或藉由在一 _ 稠密波長分割多工轉換（DWDM)應用中增加及/或減小波 長來完成孩操作。一已知方法為直接將該等光纖對接。亦 可藉由電熔化接合該等光纖，其中當使兩光纖之末端相接 觸時使用電弧對其進行加熱。該電弧使該等光纖融化，導 致其以永久且機械安定之接頭接合。亦可使用透鏡將光自 一光纖耦接入另一光纖，如第4,421，383號美國專利中所描 C 此處 物理連接器使該光纖及透鏡相互保持在適當 的相對位置。 在諸多應用中，要求在光自源光纖射出之後且在其進入 接收光纖之則，對光執行處理或操作。該處理之實例包括 衰減及過濾。在於一光纖上利用多個波長之光學通信系統 (通常稱之為波長分割多工轉換）中，使用一餌摻雜光纖放 大器在一廣闊之波長範圍内將光纖内之光學訊號進行光學 放大由於波長分割多工轉換系統中每一波長均來自不同 源’因此需調整每一波長之訊號功率以實現該光學放大器

87241.DOC 200411215 <取佳運作。該訊號功率之調整需要該光學訊號之可變光 學衰減’且通常最易於在一擴展光束上執行該衰減。 此外’若同時業已將來自該光纖之光束準直，則最易於 執行對光纖之間光學訊號之處理。圖1展示一對習知準直透 氣16及18之實例，其用於將光自源光纖1〇耦接入接收光纖 20 °在此项技術中吾人已知通常將梯度指數（GRIN)透鏡用 於该應用。藉由使一掺雜劑擴散入一圓柱形玻璃主體可製 成GRIN透鏡。該摻雜劑在透鏡之折射指數中產生徑向梯度 若折射指數朝向透鏡周邊逐漸減小，則該透鏡將使來自鲁 遠距離源之光聚焦。該折射指數剖面之形狀控制透鏡之成 像特性。（摻雜劑）擴散後，將該等透鏡切割成特定長度且 將其末端拋光。當將光在該等透鏡之間準直時，光束在一 可估計之工作距離”D”（通常為幾十毫米）内保持幾乎相同 之尺寸。由於在此空間光束之尺寸幾乎相同，因此更易於 安置額外的用於衰減或過濾該光束之光學元件，例如，圖2 所TF之光學調變器17。因為光束藉由該等光學元件傳輸， 所以吾人已知圖2所示之光學系統為透射系統。 翁

耦接入另一光纖時要求保留盡可能多的訊號功率。對於單 模光纖之狀況，可藉由名 ，可藉由分析方法計算耦接效率（參看「應用

一特定光學功能以產生高耦接效率。 況，該等透鏡必須具有 。參看圖2，一第二準直

87241.DOC f鏡18產生-被引向接收光纖2〇之聚焦光束。該聚焦光束 /勺任何偏差將減小_接入該接收光纖的光的百分比。光 戴系、先中光予功率之損耗極非吾人所樂見，因為其會限制 可藉由通信通道傳輸的資訊量或增加所需的放大量。 合近來，、更多基於光纖之通信系統同時利用多個波長以提 门斤氣載之貝訊量。該使用多個波長之一般概念被稱為波 長分割多工轉換。波長分割多工轉換系統使用一方法將光 、’裁中存在的不同波長之訊號分離，如圖3所示。一源光纖^ 位於一準直透鏡16之後焦平面附近。藉由準直透鏡Μ將來馨 :源光纖之光準直並將其引至一光學滤光片24。建構該光 :濾光片之塗層以反射除了集中於所要波長周圍很窄波長 帶内的光之外的所有光。將穿過濾光片24之光耦接入一接 收光纖28。若將濾光片24準確校直，則可將自該濾光片反 射之光引入一第二接收光纖26之末端。可發現，將光纖22 、26及28定位於該系統之光軸以外。吾人已知該包含源光 、截22、準直透鏡16、光學濾光片24及接收光纖26之光學系 統被稱為反射系統，而該包含源光纖22、準直透鏡16、準籲 直透鏡18及接收光纖28之光學系統被稱為透射系統。 為獲得一光束至一光纖之高耦接效率，將該光束以少量 偏差聚焦於光纖仍不足夠。更特定言之，該聚焦後之光束 必/員與泫光纖之基本模式相符。此要求該光束與該光纖模 式具有相同之振幅及相位。為與光纖之相位分佈匹配，光 束應沿光纖之光軸進入光纖，否則將導致額外之損耗。若 光纖之端面與光纖之光軸垂直，則光束必須垂直光纖以獲

87241.DOC 二高的輕接效率。對於-普通成像系統，光束平行於系 统=〈條件被稱為焦闌性。更特定言之，-普通成像系 、·=:焦閑性要求主光線(其為穿過光閣中心之光線)於該 ^’些點平行於光軸。對於單-it件（eiemem)光學系 :孔徑光闌應位於該透鏡前或後焦平面之上或附近。 2學系統可在其不同部分焦闌。若主光線於物體空間内 Ά轴」口人可遇為該系統於物體空間内焦闌。若 像工間内平行光轴’則吾人可認為該系統於影 象工門内焦闌。例如’圖4展示—透鏡糾及—光闌之簡化謂 系統’其中該系統於物體空間内焦闌。圖5展示一透鏡5〇 及光闌52心相似系統，該系統於影像空間内焦閑。 由於光纖源之本性，通常認為來自-光纖之光束於物體 空間内焦闌，因為自光纖射出之光束平行於光軸。光亦於 第二準直透鏡之影像空間内焦闌，此為用於搞接光纖之光 學系統所要之特點，以獲得光至該接收光纖之最高純效 率讀收光纖位於影像空間。若光以與光纖之轴成相當 大的角度進入3光纖，則將顯著減小光束至該光纖之♦禺接_ 效率，或將增加插入損耗。儘管可使光纖自光軸傾斜以減 小光束與該光纖光軸之間的有纟角，錢光纖傾斜可大大 增加組裝最終光學系統之時間及成本。光學元件（eie_t) <位置及型號以及孔徑光闌之位置影響焦闌性之狀態。 對於用以將光自一光纖耦接入另一光纖之系統，吾人不 希望其具有任何限制光束並藉此減小光功率之孔徑。·因此 ，通常不存在限制光束的界定孔徑或光闌。當不存在限制

87241.DOC -9- 200411215 光束之實體孔徑時，焦闌性由光源及接收器連同光學元件 之特徵確定。更特定言之，若一光束於該系統中傳播且不 希望以任何方式引入將限制該光束的任何孔徑，則光闌之 位置通常被描述為主光線與該系統光軸相交之位置。該主 光線被界定為位於自光源射出的光線分佈中心之光線，因 此其非由該光學系統中的實體孔徑確定。 此項技術中已知，可使用梯度指數（GRIN)透鏡來準直來 自光纖之光。新澤西（New Jersey)，Somerset之日本玻璃片 (Nippon Sheet Glass)公司生產該等透鏡。圖6展示一使用兩肇 個GRIN準直透鏡之透射光學系統。自該源光纖10發出一高 斯（Gaussian)光束並藉由GRIN透鏡16將其準直。此後藉由 GRIN透鏡18將該準直光束62聚焦入接收光纖20。透鏡之旁 軸前焦平面位於與該透鏡第二主平面相距一個有效焦距 (EFL)之位置。該grin透鏡16之前焦平面60的位置極接近 該透鏡正面64。此係因為該第二主平面66位於該grI]s[透鏡 内部。對於反射系統（參看圖3)，應將該光學濾光片24安置 於該輸入準直透鏡之前焦平面60内以獲得最大耦接效率，籲 或最小插入損耗。該光學濾光片24與該鏡正面64 位置的接近有利於組裝一反射光子設備（例如DWDM多路 訊號分離器），因為可將該光學濾光片直接接合至GRIN透 鏡16之正面64，而不引起過量的插入損耗。 為具有高輕接效率，該聚焦透鏡不能將顯著偏差引入該 光束。對於一梯度指數透鏡，必須對該折射指數剖面形狀 進行精確加工以產生最小偏差。由於剖面形狀僅由摻雜物 -10 -

87241.DOC 200411215 在玻璃中的擴散所控制，因此很難控制折射指數剖面。擴 散中常用的摻雜物之一為錄，此為梯度指數透鏡之另一缺 陷。例如’第3,941，474號及第4,246,474號美國專利中描述 了梯度指數透鏡中錄之使用。錄係一種有毒金屬（甚至比錯 更毒）。 除了梯度指數玻璃透鏡之外，先前嘗試中使用了折射透' 鏡以將光在光纖之間耦接，如第4,421，383號美國專利中所: 描述。然而，第4,421，383號美國專利並未揭示非球形表面 <使用以改良光學效能，亦未討論一對稱雙非球形準直透_ 鏡之使用。圖7展示一使用兩個如第6,438,29〇號美國專利 中描述之平凸折射準直透鏡之透射光學系統。自該源光纖 10發出局斯（Gaussian)光束並藉由平凸透鏡72將其準直。此 後藉由一弟一平凸透鏡74將該準直光束62聚焦入接收光纖 20中。 對於一平凸準直透鏡，前焦平面82亦位於與該第二主平 面80相距一個有效焦距（EFL)之位置。因為所有光功率均位 於表面78，因此該第二主平面80位於表面78附近。因此，⑩ 前焦平面82位於該折射光學表面78前方約一個有效焦距之 位置。圖8展示一使用一對平凸準直透鏡之反射系統。必須 將該光學濾光片24安置於該輸入準直透鏡72之前焦平面82 内以獲得最大量的進入接收光纖26之反射光。由於溫度變 化過程中光學濾光片（或鏡）中的位置變化，可將自該前折 射表面78至光學濾光片24之相對較大距離看作反射系統中 的一個缺陷。假定該光學濾光片（或鏡）24為理想反射器， 87241.DOC -11 - 200411215 則可將反射耦接效率界定為被耦接入接收光纖26的光的小 部份。將反射插入損耗量化為在一反射光纖元件中損耗的 光的量。 吾人已知自菲淫耳反射（Fresnel reflection)反射回源光 纖之光為回程損耗或背反射。很少量之背反射光可導致雷 射一極體源中嚴重的效能降低。為減小此效應，該項技術 中熟知方法為在光纖及準直透鏡上拋光一傾斜小平面 (facet) ’以及對該光纖小平面及透鏡表面施加一高效抗反 射塗層。圖9(a)展示一具有一拋光傾斜小平面1〇2之源光纖鲁 100及一具有相似傾斜小平面1〇6之Grin透鏡104。圖9(b) 展示一具有一傾斜小平面108之平凸準直透鏡11 〇之相似組 怨。眾所周知’該源光纖及準直透鏡上8度的傾斜小平面將 產生吾人可接受之少量背反射。 準直透鏡之最佳設計係主要由透鏡之折射指數確定。通 常選擇該準直透鏡之形狀及每一曲率半徑之比率以最小化 第3階（3rd order)球體偏差。對於小於約ι·68之折射指數， 取佳光學設計為圖10(a)所示之雙凸透鏡。透鏡122將一準參 直光束120向下聚焦至一聚焦平面124。若折射指數約為 1·68，則最佳為一平凸透鏡形狀126(圖1〇(b))。最後，對於 大於約1.68之折射指數’理想為一凹凸透鏡形狀128(圖 10(c)) 〇 藉由使用一個或兩個非球形光學表面可獲得額外之光波 前（wavefront)效能。使用傳統磨削及拋光方法製作非球形 光學表面費時且昂貴。對於大量應用，以玻璃或塑膠鑄造 87241.DOC -12- 200411215 非球形表面係理想的。一些公司，例如光路技術（Lightpath Technologies)公司及河谷（H〇ya)公司，製作多種玻璃铸造 的雙非球形準直透鏡。在每一狀況下，通常選擇透鏡之形 狀及曲率半徑之比率以最大化光波前效能。通常不選擇一 對稱雙凸面形狀來最小化準直透鏡之第3階（yd 〇rder)球體 偏差。 伊士曼柯達（Eastman Kodak)公司銷售用於準直來自若 干均包含一防護玻璃之雷射二極體之光的兩種玻璃鑄造的 對稱雙非球形透鏡。該A-4U透鏡具有一 3·3〇毫米之焦距，# 而Α-439透鏡具有一〇·71毫米之焦距。在該兩種狀況下，未 將該等透鏡設計為焦闌。 此外’第5,301，249號美國專利描述了反射鏡系統之使用 以將光自一雷射二極體耦接入一光纖。然而，該專利並未 足量描述要求足單模耦接效率，亦未描述該系統之軸外效 能。因而，需要一透鏡，其可提供對位於其光軸上及其光 軸之外的光纖之高耦接效率。 【發明内容】 _ 一對光學透鏡，其包含一具有兩個相等非球形光學表面 之第雙凸面光學透知及一具有與該第一雙凸面光學透鏡 分隔開來的兩個相等非球形光學表面之第二雙凸面光學透 鏡’其中該第一光學透鏡適用於將自一源光纖發射之光定 形為會聚光束、發散光束及準直光束中的一個，且該第二 光學透鏡適用於將該光束聚焦入一接收光纖，以將自該源 光纖發射之光耦接入該接收光纖。 87241.DOC -13- 200411215 一包含一具有兩個相等非球形光學表面之雙凸面光學透 鏡之光學透鏡，該光學透鏡之一部分界定一光軸，其中該 光學透鏡適用於將自一位於該透鏡光軸之外的源光纖發射 之光定形為會聚光束、發散光束及準直光束中的一個，且 隨後將一穿過該光學透鏡反射回來的反射光束聚焦進入一 位於該光學透鏡光軸之外的接收光纖之内，以致將自該源 光纖發射之光耦接入該接收光纖。 【實施方式】 本說明將尤其指向形成根據本發明之裝置的部分之元件· 或更為直接地與根據本發明之裝置合作之元件。熟悉此項 技術者應瞭解，未特定展示或描述之元件可具有各種形態 。在論述中，儘管熟悉此項技術者將瞭解同樣將本發明用 於多模光纖之優勢，但將假定吾人所用的係單模光纖。 參看圖11，將一源光纖10安裝於透鏡134之光軸142上， 該透鏡包含兩個光學凸面136及138。該第一表面136及該第 二表面138具有相同的光學形狀。將自該源光纖丨〇發出之高 斯（Gaussian)光束首先於表面136折射且其後將其於表面籲 138準直。在自透鏡表面138的一特定距離内該準直高斯 (Gaussian)光束62之尺寸基本保持恒定。為產生一準直良好 之光束，將源光纖10放置於透鏡134後焦平面13〇之上或附 近。透鏡134之前焦平面140位於距離該透鏡第二主平面144 一個焦距之位置。由於光功率存在於透鏡之第一表面 136及第二表面13 8上，因此該第二主平面ι44位於該透鏡内 部。因此，該前焦距”FF”小於如圖7所示平凸準直透鏡之同 -14-

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等焦距。對於一對稱設計，該後焦距”BF”與該前焦距”FF 相等。雙凸面透鏡134之有效焦距（EFL)由光學表面136及 13 8之曲率半徑以及該透鏡材料之折射指數及該透鏡之中 心厚度CT確定。對於一給定折射指數及一給定有效焦距， 可调整光學表面136及138之曲率半徑以增加或減少該透鏡 之中心厚度。對於一給定折射指數及一給定有效焦距，存 在一可最大化耦接效率或最小化插入損耗之較佳中心厚度 。在該較佳實施例中，該光纖為一單模光纖。此外，亦可 使用多模光纖、偏振保持光纖及溶劑摻雜光纖。 着 圖12展示一對用於一透射組態之雙凸透鏡。該源光纖1〇 發出一高斯（Gaussian)光束，藉由透鏡17〇將其準直。此後 藉由透叙172將孩準直高斯（Gaussian)光束62聚焦入接收光 纖2〇。該源光纖10及接收光纖2〇位於該等準直透鏡之光軸 、2上或附近。在如光學開關之應用中，要求使該等透鏡間 二工作距離D盡可能地大。為獲得用於長工作距離設備之 最佳輪接效率，必須增加每—準直透鏡之有效焦距。對於5 ^與咖毫米之間的工作距離，準直透鏡之有效焦距之籲 範圍應為自1·9毫米至8毫米。 谁應用巾’亦要求使該源光纖及接收光纖位於該等 及接之外。圖13展示一透射系統’其中該源光纖 戴20位於準直透鏡17。及Μ之光細之夕卜若 有效焦距均相等’㈣等㈣之橫向位移 之反射系統。在 圖14展示一使用一 對對稱雙凸準直透鏡

87241.DOC -15- 200411215 該種狀況下，藉由透鏡no將來自源光纖22之光準直。部分 光自光學濾光片24反射出並經由透鏡17〇傳播回到接收光 纖26。藉由該第二透鏡172將未被反射出光學濾、光片24之光 傳輸進入接收光纖28。由於主光線與光軸142平行，因此即 使該等光纖位於該系統之光軸之外，該光學系統現於影像 空間焦闌並可獲得進入一單模光纖之高耦接效率。必須將 ?褒光學濾光片24放置於透鏡17〇前焦平面14〇之内或附近以 最大化進入光纖26之反射光之量。該光學系統之放大率等 級等於該第一透鏡之焦距與該第二透鏡之焦距之比率，因 此，在圖14之組態中，要求使兩個透鏡具有相等之焦距。 可使用-對對稱雙凸透鏡以將來自兩個單模光纖或偏振 保持光纖 < 光耦接，該等光纖於約13〇〇至1625奈米之波長 範圍内運作。亦可使用一對對稱雙非球形透鏡以將來自兩 個多模光纖之光耦接，該等光纖於約85〇奈米至13〇〇奈米之 波長範圍内運作。在每一狀況下，選擇該等光學表面之規 格、折射指S及中心厚度以最大化摘接效率。㈣源光纖 與接收光纖相同，則該等兩個準直透鏡之焦距亦相等。然 而，若該源光纖與接收光纖不相同，則應選擇該等兩個準 直透鏡之焦距以與每一光纖之模式場半徑相匹配。 可選擇圖11中透鏡134之凸面136及138以使其具有非球 形形狀用以最小化由透鏡產生的光束之偏差。通常將該形 狀規疋為錐形曲線方程式之形態，其中將該表面之垂度定 義為：

87241.DOC -16- 200411215 sag =—— 其中R為表面基圓半徑，y為徑向座標，且k為錐形曲線常 數。若k=0，則表面為球形。可使用等效的數學公式來描 述相同的光學表面形狀，而不必改變該表面之有效函數。 對於此處列舉之實例，僅使用了錐形非球形表面。然而， 具有更高階項之非球形表面亦可產生吾人可接受之結果。 對於一位於軸上之物體，可選擇非球形之特定形狀以使 所有階的球體偏差趨向0。一橢球表面產生一無任何球體偏 差之無窮大物像。該錐形曲線常數給定為（_1/η)Λ2，其中η 為透鏡折射指數。然而，該橢球僅對成像於光軸之點產生 良好成像。為確定最佳總效能，並考慮到透鏡必須對軸上 及軸外的點均起作用，必須改變錐形曲線常數以獲得最佳 總效能。藉由最小化該等軸上及軸外部份的點的光路差之 平均均方根（rms)來選擇錐形曲線常數之最佳值。 下文將描述一用於設計對稱、雙非球形光纖準直透鏡之 簡化方法。首先，選擇一 1.944毫米之標準有效焦距。其後 使用一可講仔之光學设计程式（例如來自光學研究聯盟 (Optical Research Associates)之CODE VTM)以確定最佳錐 形曲線常數、中心厚度及用於折射指數為1 ·5至1 ·9之透鏡 材料之曲率半徑。自該資料，產生線性方程式以預測該最 佳圓錐曲線常數、曲率半徑及中心厚度如何隨透鏡材料折 射指數變化。僅將所要焦距與標準焦距之比率乘上中心厚 度及曲率半徑，可設計具有非標準焦距之準直透鏡。反之 87241.DOC -17- 200411215 ’違最佳圓錐曲線常數與該透鏡之有效焦距無關。必須有 若干額外之最佳化才能實現用於非標準有效焦距之"最佳，, 透鏡設計方案。 過程步驟 步驟1 ··選擇一規定了折射指數N之透鏡材料。 步騾2 :使用以下方程式以確定光學錐形曲線常數，k。 k = -1.7843 * N + 0.6713 應注意，當透鏡材料折射指數增加時，錐形曲線常數數值 減小（或接近0)。更加接近0之錐形曲線常數表明需要更小馨 的非球形偏離以產生最佳波前。較低的非球形偏離意味著 更易於製作，因為根據此項技術中熟知，製作難度隨著非 球形偏離之增加而增加。亦可使用不同於上述方程式給定 之最佳值的錐形曲線常數以產生可接受之耦接效率。 步驟3 :為1.944毫米之標準有效焦距EFLq計算最佳標準曲 率半徑R〇及最佳標準中心厚度CT〇。 R〇 = 2.6887 * N - 2.4097 CT〇 = 2.4623 * N ~ 2.0505 Φ 步驟4 :確定所要之有效焦距EFL並換算出標準曲率半徑及 標準中心厚度。 cr = EFL efl〇 ctq 增加透鏡之中心厚度以減小光纖與準直儀之間的傾斜及 不共心（decentration)誤差係有利的。對於一給定焦距及折 87241.DOC -18- 200411215 心曰數’可將中心厚度延長至一點同時仍產生吾人可接受 <耦接效率（或插入損耗）。圖15展示了一系列曲線，其描 j對於一 1.944¾米之標準焦距而言，錐形曲線常數化如何

Ik中心厚度CT之變化而變化。圖16展示了一系列曲線，其 描述對於一 1.944¾米之標準焦距而言，曲率半徑尺如何隨 中心厚度CT之變化而變化。實例4描述了具有增大之中心 厚度之準直透鏡。對於1944毫米之焦距及17〇之折射指數 而&，最佳中心厚度為約2· 13毫米。藉由調整曲率半徑尺二 2.0323毫米及錐形曲線常數k==_1 87767，可將中心厚度增_ 至2.50毫米。在該種狀況下，模型的（m〇deled)反射插入損 耗小於0.01 dB且原型透鏡上量測的反射插入損耗平均為 0.07 dB。 透鏡可由玻璃或模壓塑膠製成。與塑膠相比，玻璃具有 更大的環境安足性。與塑膠透鏡不同，玻璃不會由於化學 變化或濕度改變折射指數。在鑄模過程中要求保持透鏡材 料之同質性。此項工業中已知，光學材料之異質性可對透 鏡之效能產生不良影響。與由擴散製成的梯度指數透鏡相_ 比，未將有毒金屬（例如鉈）用於該擴散，此為該透鏡的一 個優勢。當透鏡由玻璃製成時，可將玻璃鏵模或磨削及拋 光。 本發明之優勢為，為透鏡選擇較高指數之玻璃。一較高 指數透鏡減小了提供一給定折射功率所需的曲線強度，從 而更易於製造。本發明之另一優勢為：對於一較高指數材 料而言，一單層光學塗層可引起自透鏡表面反射之光之量 87241.DOC -19- 200411215 的顯著減小。此係因 > 一罝展p ^ u局早層抗反射塗層之指數的最佳選 擇等於該塗層兩側兩種媒質折射指數之幾何平均值。一共 =塗層材料為氟化鎂’其折射指數為i·38。因此，氣化鎂 最適用於折射&數為！ ·9〇的基板。基板折射指數愈接近 9〇單層氟化鎂塗層之效能愈佳。或者，可將透鏡塗覆 一多層二向色抗反射塗層。 本發明之另一優勢為：前焦距，，FF”小於一平凸準直透鏡 。較小之前焦距有助於在一光子裝置例如_DWDM多工解 訊器（參看圖14)中安裝一光學濾光片或其他光學元件。本φ 發明之另一優勢為由於兩光學表面上相等之功率所引起的 改良之可製造性及減小之校直敏感性。參看圖丨丨，當高斯 (Gaussian)光束62穿過透鏡134時，其在光學表面136及138 均被折射。此減小了由製造擾動（例如中心厚度、功率、不 規則性、光學表面之傾斜及光學表面之不共心）所引起的額 外插入損耗。兩個表面上相等之功率亦減小了由組裝校直 誤差（例如透鏡傾斜及不共心）所導致的效能降級。 本發明再一優勢為透鏡第一光學表面上減小了劃痕挖痕籲 (scratch-dig)規格。高斯（Gaussian)光束剖面内光學表面上 任何表面缺陷（例如劃痕或挖痕）將導致耦接效率之降低。 隨著光學表面上光束尺寸之減小，可接受之劃痕或挖痕尺 寸亦減小。自光纖小平面至GRIN及平凸透鏡第一光學表面 之距離很小，通常為0.25毫米。參看圖1，GRIN透鏡16第 一表面12上的光束直徑14通常小於50微米。此對於圖7所示 之平凸透鏡亦成立。在該種狀況下，第一表面76上的光束 -20-

87241.DOC 200411215 直徑82亦小於50微米。由於第一光學表面上的光束直徑很 小，因此可接受之劃痕或挖痕尺寸亦變得很小。現參看圖 11 ’對稱雙凸透鏡134之第一表面136上光束直徑132將通常 大於200微米。因此，將大大減小第一光學表面或對稱雙非 球形透鏡之劃痕挖痕（scratch-dig)規格，使得製造更為簡 單。 為獲得可接受的回程損耗或背反射，通常將光纖的末端 劈開且準直透鏡的第一表面通常以8度之角度傾斜。通常亦 在該等表面上塗覆高效抗反射塗層。圖9(a)展示一具有一 _ 傾斜小平面106之GRIN透鏡1〇4，而圖9(b)展示一具有一傾 斜小平面108之平凸透鏡11〇。製作具有傾斜光學小平面之 準直透鏡較為困難且昂貴。對於玻璃鑄模準直透鏡尤其如 此。 本發明之另一優勢為其具有不需傾斜小平面而獲得可接 受之回程損耗之能力。參看圖17，發散高斯（(jaussian)光束 182經由一抗反射塗覆傾斜小平面1〇2自源光纖ι〇〇發出。該 高斯（Gaussian)光束182繼續發散直至撞擊透鏡134之第一鲁 光學表面1 36。在該表面上，很少量的光自該抗反射塗覆表 面13 6被反射。該光學凸面136亦增加了反射光束180之發散 角。反射光束1 80繼續發散直至其到達傾斜光纖小平面1 〇2 。在該點，反射光束180足夠大以大大減少進入源光纖1〇〇 的光的量。因此，該較長的後焦距及該光學凸面均有助於 將背反射光減少到一可接受之等級。 本發明再一優勢為由於透鏡的對稱性使組裝變得容易。 87241.DOC •21 - 200411215 在組裝過程中，操作者不必確定首先應將哪個光學表面插 入 士裝管或v形槽内，因為每個光學表面均相同。隨著 透鏡尺寸不斷變小，該組裝之簡易變得十分重要。 本發明另一優勢係由於傾斜透鏡小平面之缺少所引起。 例如參看圖9(a)，必須將傾斜光纖小平面1〇2與傾斜透鏡小 平面106在旋轉中校直以獲得最佳耦接效率。在某些狀況下 ’品要將光纖小平面與透鏡小平面以圖9(a)所示之方式校 直。在其他狀況下，必須將光纖小平面102相對於透鏡小平 面10 6成9 0度角校直。已知光纖小平面至透鏡小平面之校_ 直為同步（clocking)。由於該等元件尺寸較小且光纖小平面 及透鏡小平面難以接近，因此同步校直過程十分耗時且十 分困難。因為對稱雙非球形準直透鏡不需傾斜光學小平面 ，所以本發明不需要同步。 對於GRIN透鏡，如圖18所示，GRIN透鏡及平凸透鏡之 傾斜光學小平面亦導致準直高斯（Gaussian)光束相對於光 軸傾斜。已知該效應為光學指向。源光纖100具有一傾斜小 平面102以減小背反射。主光線192以相對於透鏡1〇4及源光_ 纖100之光軸142的一角度自傾斜光纖小平面102發出。該主 光線192以相對於光軸142之角度190自透鏡104發出。該主 光線190亦相對於透鏡104之外徑194傾斜。圖19展示一具有 一傾斜小平面108之平凸透鏡110。主光線204亦以一相對於 光軸142及透鏡202直徑之角度自透鏡110發出。該高其斤 (Gaussian)光束之較大光學指向可增加校直光子設備之難 度，因為不能自源光纖獲得進入接收光纖的”第一光線 87241.DOC -22- 200411215 "(first light)。在諸多有效校直過程中，”第一光線，•之偵測 至關重要。由於缺少傾斜光學表面，因此本發明沒有光學 指向的問題。圖20展示主光線2 1 〇如何穿過一對稱雙非球形 透鏡134。該主光線自透鏡發出，相對於光軸142或透鏡之 外徑2 1 2不傾斜。此為本發明之再一優勢。 如圖21(a)及（b)所示，可將安裝基準面加到兩個光學表面 以幫助校直。圖21(a)展示一具有一形成於第二光學表面 226上的平坦基準面224之對稱雙凸透鏡220。該基準面可在 鑄模期間或在辅助的中心校正期間形成。圖21(b)展示一透鲁 鏡230 ’其具有一形成於第一光學表面232上的基準面234 及另一形成於第二光學表面236上的額外基準面238。可將 該等基準面之一或全部用以校直額外的光學元件，例如光 纖套圈、滤光器及衰減器。 下列實例給出本發明之特定實施例，但並非意欲將本發 • 明限制於該等特定範圍。 實例1 實例1具有一對稱雙非球形透鏡，其具有一 1.944毫米之_ 有效焦距且折射指數為15〇。 第一光學表面之曲率為1:〇.619〇3毫米-1 第一光學表面之錐形曲線常數·· k = -2.000878 中心厚度為：1·64毫米 第二光學表面之曲率為1 >0.61903毫米-1 第二光學表面之錐形曲線常數：k = -2.000878 1550奈米處折射指數為：15〇

87241.DOC -23- 200411215 後焦距為：1.29毫米 前焦距為：1.29毫米 個別透鏡之有效焦距為：1.944毫米 特定入射光瞳直徑為·· 1〇毫米（位於凸面上） 軸向均方根值（rms)波前誤差為·· 〇0〇1波（waves) 實例2 實例2具有一對稱雙非球形透鏡，其具有一 ι·944毫米之 有效焦距且折射指數為16〇。 第一光學表面之曲率為1:〇5 27295毫米-1 第一光學表面之錐形曲線常數k = -2 185689 中心厚度為1.89毫米 第二光學表面之曲率為1>〇·527295毫米-! 第一光學表面之錐形曲線常數]<：=_2 185689 1550奈米處折射指數為16〇 後焦距為1.22毫米 前焦距為1.22毫米 個別透鏡之有效焦距為1.944毫米 特定入射光瞳直徑為1.0毫米（位於凸面上） 轴向均方根值（rms)波前誤差為0.001波（waves) 實例3 實例3具有—對稱雙非球形透鏡，其具有- 1.944毫米之 有效焦距且折射指數為17〇。 第-光學表面之曲率為1:0.461127毫米-1 第一光學表面之錐形曲線常數k = _2.366173

87241.DOC 200411215 中心厚度為2.14毫米 第二光學表面之曲率為1:_〇· 461127毫米-1 第二光學表面之錐形曲線常數k = _2 366173 1550奈米處折射指數為17〇 後焦距為1 · 15毫米 前焦距為1 · 1 5毫米 個別透鏡之有效焦距為1 ·944毫米 特定入射光瞳直徑為h0毫米（位於凸面上） 軸向均方根值（rms)波前誤差為〇 〇〇〇8波（waves) 實例4 實例4具有兩個相同對稱雙非球形透鏡，已將彡鏡中心厚 度，加以最小化傾斜及光纖與準直透鏡之間的不共心。予 第一光學表面之曲率為1:0 48976毫米-, 第光子表面之錐形曲線常數k = -1.946435 中心厚度為2.500毫米 第一光學表面之曲率為1:-0.48 976毫米-1 第二光學表面之錐形曲線常數k = _1946435 1550奈米處折射指數為1.7028 後焦距為〇 · 9 6 3毫米 前焦距為0.963毫米 個別透鏡之有效焦距為1.944毫米 特定入射光瞳直徑為1·〇毫米（位於凸面上） 向均方根值（rms)波前誤差為〇 〇〇27波一"以） 特別參知、其較佳實施例對本發明進行詳細描述，但應理

87241.DOC 200411215 變化及修改 解，在本發明之範圍内可對其進行各種 【圖式簡單說明】 貫施例之詳細描述中參照了該等 在下文對本發明之若干 附圖，其中： 圖1展示一對用於將光自一 GRIN準直透鏡； 源光纖耦接入一接收光纖之 圖2展7JT若干被引 光學元件； 圖3展TF —具有一 光學系統； 入該準直光束的用以提供額外處理之 用於將不同波長的光分開之濾光片之籲 圖4展示一於物體空間焦闌之系統； 圖5展示一於影像空間焦闌之系統； 圖6展不一對用於將光自一源光纖耦接入一接收光纖之 GRIN準直透鏡； 圖7展π —對用於將光自一源光纖耦接入一接收光纖之 平凸準直透鏡； 圖8展示一由兩個平凸準直透鏡及一光學濾光片構成之_ 光學系統； 圖9a展不一具有傾斜小平面之grin透鏡； 圖9b展示一具有傾斜小平面之平凸透鏡； 圖l〇a展示一雙凸準直透鏡形狀； 圖l〇b展示一平凸準直透鏡形狀； 圖l〇c展示一凹凸準直透鏡形狀； 圖11展示一對稱雙凸透鏡；

87241.DOC -26 - 200411215 圖12展示一對用於將光自 對稱雙凸準直透鏡； 一源光纖耦接入一接收光纖之 、圖13展不一透射光學系、统，其中該源、光纖及接收光纖位 於該等準直透鏡光軸之外； 圖14展示一具有兩個對稱雙凸準直透鏡及一光學滹光片 之光學系統； 圖15展示一充當1 944毫米標準焦距之透鏡中心厚度之 函數的非球形圓錐曲線常數之曲線圖； 圖16展示一充當ι·944毫米標準焦距之透鏡中心厚度之_ 函數之曲率半徑之曲線圖； 圖17展示自一光學凸面反射之高斯（Gaussian)光束； 圖18展示一經由一 GRIN透鏡傳播之主光線； 圖19展示一經由一平凸透鏡傳播之主光線； 圖20展示一經由一對稱雙凸透鏡傳播之主光線； 圖21 a展示一於該第二光學表面上具有安裝基準點之對 稱雙凸透鏡；及 圖21b展示一於兩個光學表面上均具有安裝基準點之對_ 稱雙凸透鏡。 【圖式代表符號說明】 10 源光纖 12 第一表面 14 光束直徑 16 準直透鏡 18 準直透鏡 -27-

87241.DOC 200411215 20 接收光纖 17 光學調變器 22 源光纖 24 光學濾光片 26 接收光纖 28 接收光纖 40 透鏡 42 光闌 50 透鏡 52 光闌 60 前焦平面 62 準直光束 64 正面 66 主平面 72 凸透鏡 74 凸透鏡 76 表面 78 反射系統 80 主平面 82 前焦平面 100 源光纖 102 小平面 104 透鏡 106 傾斜小平面 -28-

87241.DOC 200411215 108 傾斜小平面 110 準直透鏡 120 準直光束 122 透鏡 124 焦平面 126 平凸透鏡 128 凹凸透鏡 130 後焦平面 132 光束直徑 134 透鏡 136 光學表面 138 光學表面 140 前焦平面 142 光車由 144 第二主平面 EFL 有效焦距 BF 後焦距 CT 中心厚度 FF 前焦距 170 V形槽 172 V形槽 180 準直透鏡 182 光纖 190 角度

87241.DOC 200411215 192 主光線 194 外徑 200 角度 202 透鏡 204 主光線 210 主光線 212 外徑 220 凸透鏡 222 第一表面 224 平坦基準面 226 第二表面 230 透鏡 232 第一表面 234 基準面 236 第二表面 238 額外基準面 30-

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Claims (1)

1. 200411215 拾、申請專利範圍： 1· 一對光學透鏡，其包含： 一具有兩個相同非球形光學表面之第一雙凸光學透 鏡（134或170); 一具有與該第一雙凸面光學透鏡分隔開來的兩個相 同非球形光學表面之第二雙凸面光學透鏡（172)，其中該 第一光學透鏡適用於將自一源光纖發射之光定形為一會 氷光束發欢光束及準直光束中的一個，且該第二光學 透鏡適用於將該光束聚焦入一接收光纖以將自該源光：· 發射之光耦接入該接收光纖。 2.如申請專利範圍第丨項之該對光學透鏡，該第一及第二光 學透鏡之部分界定-光軸，其中該第一光學透鏡適用於 將自一位於該光軸上的源光纖發射之光定形為一會聚光 束、發散光束及準直光束中的一個，且該第二光學透鏡 適用於將該光束聚焦入一位於該光軸上的接收光纖中。 3·如申請專利範圍第1項之該對光學透鏡，該第一及第二光 學透鏡之部分界定-絲，其中該第_光學透鏡適用於參 將自位於該光軸之外的源光纖發射之光定形為一會聚 光束、發散光束及準直光束中的一個，且該第二光學透 叙適用於將該光束聚焦入一位於該光軸之外的接收光纖 中。 4·如申請專利範圍第1項之該對光學透鏡，其中該第一及第 二光學透鏡之非球形光學表面為圓錐形。 5·如申請專利範圍第丨項之該對光學透鏡，其中該第一及第 87241.DOC 200411215 二光學透鏡之該等非球形表面與該直徑為0.972毫米之 球體頂點之最大偏差在0.0005至0.0040毫米之範圍内變 化。 6·如申請專利範圍第1項之該對光學透鏡，其中將該第一及 第一光學透鏡之光學表面塗覆一抗反射塗層。 7·如申請專利範圍第1項之該對光學透鏡，其中該第一及第 二光學透鏡之光學透鏡材料為玻璃。 8·如申請專利範圍第7項之該對光學透鏡，其中該第一及第 一光學透鏡具有一自1.50至1.90之折射指數。 9·如申請專利範圍第1項之該對光學透鏡，其中該第一及第 二光學透鏡之光學透鏡材料為塑膠。 1 〇·如申請專利範圍第9項之第一及第二光學透鏡，其中該第 一及第一^光學透鏡具有一自1.40至1.60之折射指數。 11·如申請專利範圍第1項之第一及第二光學透鏡，其中該第 一及第二光學透鏡具有一自1·5〇至lo.oo毫米之有效焦 距。 12. —種光學透鏡，其包括： 一具有兩個相同非球形光學表面之雙凸光學透鏡 (170)，該透鏡之一部分限定一光軸，其中該光學透鏡適 用於將自一位於該透鏡光軸之外的源光纖發射之光定形 為一會聚光束、發散光束及準直光束中的一個，且隨後 將一穿過該光學透鏡反射回來的反射光束聚焦入一位於 該光學透鏡光軸之外的接收光纖中，從而將自該源光纖 發射之該光轉接入該接收光纖。 87241.DOC -2 ·