專利名稱：光耦合系統(tǒng)及利用該系統(tǒng)的光學(xué)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光通信系統(tǒng)，并尤其涉及一種與光纖聯(lián)合使用的成對(duì)準(zhǔn)直器的光學(xué)裝置。
在大多數(shù)情況下，光學(xué)功能裝置結(jié)構(gòu)如下。從發(fā)射端光纖的端面發(fā)出的光通過(guò)準(zhǔn)直器轉(zhuǎn)變成平行的光通量。平行光通量經(jīng)過(guò)一個(gè)具有濾波器或隔離器功能的平面光學(xué)功能裝置傳遞。然后，平行光通量又經(jīng)過(guò)一個(gè)會(huì)聚透鏡會(huì)聚，使得會(huì)聚的光通量傳送到入射端光纖的端面。具有徑向折射率分布的棒狀透鏡、球面玻璃透鏡或非球面模壓透鏡用作準(zhǔn)直器和會(huì)聚透鏡。從形狀和相差校正的觀點(diǎn)來(lái)看，最易于加工的透鏡是折射率漸變的棒狀透鏡。


圖1是利用由均質(zhì)材料制作的第一和第二平凸透鏡3和4的平行成對(duì)準(zhǔn)直器釋示意圖。一般地，在平行成對(duì)準(zhǔn)直器中，在相對(duì)端設(shè)置兩個(gè)彼此相同(透鏡厚度Z)的透鏡，使得兩透鏡彼此相距2L。在圖1所示的透鏡表面形狀非對(duì)稱的透鏡情形中，兩透鏡3和4設(shè)置在相反的方向。即在圖1的情況下，第一透鏡3具有作為入射面的平面表面30和作為出射面的彎曲表面130。相反，第二透鏡4有一個(gè)作為入射面的彎曲表面140和一個(gè)作為出射面的平面表面40。彎曲表面130和140可以是球面或是非球面。把模式場(chǎng)直徑彼此相同并具有相同特性的光纖用作入射端光纖1(以下稱作“光源光纖”)和出射端光纖2(以下稱作“光接收光纖”)。光源光纖1和透鏡3的入射面30之間的距離以及透鏡4的出射面40和光接收光纖2的端面20之間的距離做得彼此相等，由此形成一個(gè)完全對(duì)稱的光學(xué)系統(tǒng)。
圖1是光線5的典型的幾何光路。但是，從單模光纖中易于發(fā)出的光通量可以認(rèn)為是如圖2所示的高斯光束，在此情況下需要透鏡3和4設(shè)置成高斯光束7的束腰(BW)26所形成在兩透鏡3和4之間的中點(diǎn)，以便獲得平行準(zhǔn)直器對(duì)良好的耦合效率。即，對(duì)應(yīng)于從光源光纖1發(fā)出的光17的第一束腰16(半徑為W1)一度在光學(xué)系統(tǒng)的中點(diǎn)形成第二束腰16(半徑為w2)，并且通過(guò)第二透鏡4在第三束腰36的位置耦合到光接收光纖2。
如果使用的波長(zhǎng)、每個(gè)光纖的NA(數(shù)值孔徑)和焦點(diǎn)的位置以及每個(gè)透鏡的焦點(diǎn)都已知，則可以通過(guò)使用光線矩陣元根據(jù)所謂的ABCD規(guī)則的計(jì)算來(lái)設(shè)計(jì)圖2中所示結(jié)構(gòu)的WD和L值。例如，理論上說(shuō)，在Kenji Kawano撰寫(xiě)的Foundation and Application of Optical CouplingSystem for Optical Device Gendai Kougaku Sha(1991)中描述了詳細(xì)的數(shù)字公式。市場(chǎng)上的有些光學(xué)設(shè)計(jì)軟件有這種ABCD計(jì)算功能。
但是，因?yàn)樽畲笾礚max的存在，透鏡之間間距、即透鏡3或4和第二BW26之間的距離L不允許選擇得大于最大值Lmax。在焦距為f的透鏡中WD和L之間的關(guān)系典型地如圖3所示。
在此光學(xué)耦合系統(tǒng)中，入射到光接收光纖上的光功率與光源光纖發(fā)出的光功率之比、即耦合效率或耦合損耗是一個(gè)非常重要的特征參數(shù)。如果L不大于Lmax，則在適當(dāng)?shù)剡x擇WD值時(shí)，理論上可以得到100％的耦合效率(耦合損耗為0dB)。相反，如果L超高Lmax，則Lmax值基本上與透鏡焦距的平方成比例地增大。
雖然以上描述了一種完全對(duì)稱的光學(xué)系統(tǒng)，但該光學(xué)耦合系統(tǒng)可以構(gòu)造成光源不是由一個(gè)光纖組成，而是由一個(gè)發(fā)光裝置構(gòu)成，如半導(dǎo)體激光器，同時(shí)光接收裝置不是由光纖構(gòu)成，而是由一個(gè)光電探測(cè)器構(gòu)成，如光電二極管。另外，在此情況下，系統(tǒng)可以根據(jù)應(yīng)用高斯光束設(shè)計(jì)。
但是，ABCD計(jì)算的結(jié)果只根據(jù)近軸數(shù)據(jù)。ABCD的計(jì)算是建立在假設(shè)每個(gè)透鏡沒(méi)有相差，并且沒(méi)有透鏡有效直徑缺陷的影象導(dǎo)致的遮蔽。在特別應(yīng)用于這種光學(xué)系統(tǒng)的透鏡中，透鏡中存在的各類相差導(dǎo)致的損耗總是不可避免地會(huì)產(chǎn)生。為此，透鏡直徑的距離2L以及耦合損耗不會(huì)總是如圖4中所示的那樣簡(jiǎn)單。還考慮到當(dāng)透鏡的焦距和象差等狀態(tài)根據(jù)溫度和濕度的變化而變化時(shí)耦合損耗也會(huì)變化。另外，固定透鏡或光纖的元件的體積和長(zhǎng)度的變化也是耦合損耗的一個(gè)原因。
根據(jù)本發(fā)明，所提供的光耦合系統(tǒng)包括第一透鏡，具有設(shè)置在特定方向的入射面，并具有正折射率，從光源入射到入射面上的高斯光束狀的光通量通過(guò)第一透鏡被轉(zhuǎn)變成大致平行的光通量；以及第二透鏡，具有第一透鏡相同的折射率，但具有設(shè)置反方向的入射面和出射面，入射到第二透鏡入射面上的近似平行的光通量通過(guò)第二透鏡被轉(zhuǎn)變成會(huì)聚的光通量，會(huì)聚的光通量入射到光接收裝置上；其特征在于兩透鏡之間的距離選擇成近似等于允許束腰形成在分別與兩透鏡等距離的最大距離處。
即，當(dāng)假設(shè)兩透鏡之間的距離為2L、并且假設(shè)允許束腰形成在分別與兩透鏡等距離的最大距離為2Lmax時(shí)，距離2L最好處于1.8Lmax≤2L≤2Lmax的范圍內(nèi)。
另外，在根據(jù)本發(fā)明的光耦合系統(tǒng)中，總損耗設(shè)置為等于或小于兩透鏡的間距2L處于0≤2L≤1.8Lmax時(shí)發(fā)生的耦合損耗。總耦合損耗值最好不大于0.05dB。
根據(jù)本發(fā)明的光耦合系統(tǒng)包括一個(gè)具有正折射率的透鏡，光源發(fā)出的高斯形光通量通過(guò)該透鏡被轉(zhuǎn)變成近似平行的光通量；和一個(gè)反射面，設(shè)置在透鏡的后面，使得近似平行的光通量被反射面返回到透鏡，返回的光通量通過(guò)該透鏡轉(zhuǎn)變成會(huì)聚的光通量，入射到設(shè)置在光源及其附加的光接收裝置上；其特征在于透鏡和反射面之間的距離選擇成近似等于允許透鏡形成束腰的最大距離。
即，當(dāng)假設(shè)透鏡和反射面之間的距離為L(zhǎng)，并且假設(shè)允許透鏡形成束腰的最大距離為L(zhǎng)max時(shí)，距離L最好選擇在0.9Lmax≤L≤Lmax的范圍內(nèi)。
另外，在根據(jù)本發(fā)明的光耦合系統(tǒng)中，總耦合損耗設(shè)置成等于或小于當(dāng)透鏡和反射面之間L處于0≤L≤0.9Lmax范圍時(shí)發(fā)射的耦合損耗?？傫詈蠐p耗值最好不大于0.05dB。
光源和光接收裝置由光纖的端面構(gòu)成，其中光纖的端面與模式場(chǎng)之間彼此相等。順便說(shuō)一下，在根據(jù)本發(fā)明的光耦合系統(tǒng)中，可以使用光纖的端面，使其作為光源以及光接收裝置。
在徑向有漸變折射率分布的棒狀透鏡、在光軸方向有漸變折射率分布的平凸透鏡、由勻質(zhì)材料制成的平凸透鏡、由勻質(zhì)材料制成的球面透鏡或光柵透鏡表面都可以用作具有正折射率的透鏡。
光學(xué)裝置由根據(jù)本發(fā)明的光耦合系統(tǒng)以及設(shè)置在光耦合系統(tǒng)中兩透鏡之間中點(diǎn)處的光學(xué)功能裝置構(gòu)成。在根據(jù)本發(fā)明的光耦合系統(tǒng)中，光學(xué)功能裝置可以設(shè)置在透鏡和反射面之間的中點(diǎn)處，由此可以形成一個(gè)光學(xué)裝置。在光學(xué)裝置中，光耦合系統(tǒng)可以設(shè)置成一個(gè)陣列，具有相同功能的光耦合系統(tǒng)排列成一行或多行。
在根據(jù)本發(fā)明設(shè)置的、以致于透鏡之間的距離或透鏡和反射面之間的距離對(duì)應(yīng)于允許每個(gè)透鏡形成一個(gè)束腰的最大距離的光耦合系統(tǒng)中，甚至在理想的光學(xué)系統(tǒng)中出現(xiàn)象差或缺陷呈現(xiàn)某種程度的增大的情況下或甚至在光學(xué)系統(tǒng)的性能根據(jù)環(huán)境變化而變化的情況下，耦合損耗也只有很小的變化。另外，通過(guò)應(yīng)用本發(fā)明的光耦合系統(tǒng)而獲得的光學(xué)裝置的性能對(duì)于從理想的設(shè)計(jì)狀態(tài)的移位或?qū)τ诃h(huán)境變化也只有很小的變化。
本發(fā)明公開(kāi)的內(nèi)容涉及日本專利申請(qǐng)NO.2001-038412(2001年2月15日提交)，其全文在此引為參考。
圖1是表示通過(guò)一對(duì)并行準(zhǔn)直器耦合光線的幾何示意圖；圖2是表示就典型的高斯光束而言，通過(guò)一對(duì)并行準(zhǔn)直器耦合光線的幾何示意圖；圖3是表示每個(gè)透鏡與相應(yīng)的光線之間的距離WD和兩透鏡之間的距離(半值)L之間的關(guān)系曲線；圖4是表示兩理想透鏡之間的距離(半值)L和耦合損耗之間的關(guān)系曲線；圖5是表示在每個(gè)透鏡的焦距f變化時(shí)WD和L之間的關(guān)系曲線。
圖6是用于解釋采用一個(gè)透鏡、一根光纖和一個(gè)反射面的結(jié)構(gòu)的示圖；圖7是用于解釋采用一個(gè)透鏡、兩根光纖和一個(gè)反射面的結(jié)構(gòu)的示圖；圖8是表示光柵透鏡的光路的示圖；圖9是表示光柵透鏡的縱向球差的示圖；圖10是表示根據(jù)本發(fā)明第一設(shè)計(jì)方案的光耦合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示圖；圖11是表示根據(jù)本發(fā)明第二設(shè)計(jì)方案的光耦合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示圖；圖12是表示第二設(shè)計(jì)方案中耦合損耗的計(jì)算結(jié)果的曲線；圖13是表示根據(jù)本發(fā)明第三設(shè)計(jì)方案的光耦合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示圖；圖14是表示第三設(shè)計(jì)方案中耦合損耗的計(jì)算結(jié)果的曲線；圖15是表示利用第二設(shè)計(jì)方案的光耦合系統(tǒng)的光學(xué)裝置示圖；圖16是表示利用第三設(shè)計(jì)方案的多個(gè)光耦合系統(tǒng)的光學(xué)裝置的結(jié)構(gòu)示圖。
順便說(shuō)一下，在圖5中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)WD設(shè)置成使得L值接近Lmax時(shí)，ΔL值變得非常小。這意味著當(dāng)L值接近Lmax時(shí)，盡管有焦距的變化，但第二和第三BW位置變化很少。
根據(jù)在一個(gè)真實(shí)的并行成對(duì)的光學(xué)系統(tǒng)中BW位置和耦合損耗之間的關(guān)系的計(jì)算結(jié)果(后面將要描述的設(shè)計(jì)實(shí)例)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)滿足下列兩個(gè)條件時(shí)，由于焦距變化所致的耦合損耗的增大變得非常小(1)成對(duì)的并行透鏡之間的距離設(shè)置為近似2Lmax；和(2)由于某種原因只是兩透鏡的焦距變化相等。
關(guān)于BW位置變化導(dǎo)致耦合損耗增大的原因需要考慮以下幾點(diǎn)(1)根據(jù)采用的波長(zhǎng)之間的波長(zhǎng)差的BW位置變化，其中采用的波長(zhǎng)是以每個(gè)透鏡軸的色差為依據(jù)。
(2)使用中預(yù)定的環(huán)境變化，如溫度和濕度變化，由此根據(jù)使用的波長(zhǎng)改變每個(gè)透鏡的焦距，從而改變BW位置。
(3)使用中預(yù)定的環(huán)境變化，如溫度和濕度變化，由此改變保持光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的體積或改變放置在光學(xué)系統(tǒng)中間的介質(zhì)的折射率，從而改變BW位置。
(4)當(dāng)光軸不對(duì)稱存在于每個(gè)透鏡中、使得象散出現(xiàn)于光軸上時(shí)，產(chǎn)生多個(gè)BW位置。
(5)由每個(gè)透鏡的雙折射產(chǎn)生多個(gè)BW位置。
根據(jù)這些因素，本發(fā)明的“使透鏡之間的距離與Lmax一致的結(jié)構(gòu)”在下列特定情況下是有效的[1]在一對(duì)透鏡用于WDM(波分復(fù)用)的情況下，當(dāng)軸向色差很大時(shí)，在遠(yuǎn)離設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)波長(zhǎng)的波長(zhǎng)處耦合損耗增大。但在本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中，軸向色差的影響可以抑制得很小。色差較大的透鏡實(shí)例包括顯象形式的光柵透鏡、具有大焦距的玻璃單透鏡和塑料透鏡。尤其是光柵透鏡具有非常大的軸向色差(是玻璃凸透鏡的十倍)，以致于本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特別有效。[2]透鏡根據(jù)環(huán)境(如溫度和濕度)變化很大的情況塑料非球面鏡是很便宜的，因?yàn)樗鼈兛梢酝ㄟ^(guò)壓制批量生產(chǎn)。但是塑料非球面鏡有一個(gè)問(wèn)題，就是與玻璃透鏡相比，透鏡的焦距或象差依據(jù)溫度或濕度的變化非常大。但是，根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，由于此原因所致的耦合損耗的變化可以抑制到很小。[3]將環(huán)境變化抑制到非常小的情況在大多數(shù)情況下，所有的光學(xué)系統(tǒng)以及系統(tǒng)中的透鏡都非常需要抑制(不透熱性)由于溫度所致的特性變化。作為提高不透熱性的方法，有一種保持整個(gè)系統(tǒng)處于恒溫的方法、一種使用溫度變化很小的材料的方法和使用材料與消除溫度變化相結(jié)合的方法。當(dāng)除了這些方法之外還提供本發(fā)明的結(jié)構(gòu)時(shí)，就有一種減小由光路變化導(dǎo)致的耦合損耗改變的效果。[4]具有畸變的棒狀透鏡的情形在光軸方向具有漸變的折射率分布的棒狀透鏡中，透鏡材料的熱膨脹系數(shù)根據(jù)與光軸的距離而變化。因此，在大多數(shù)情況下存留徑向畸變。特別是在具有長(zhǎng)焦距的透鏡中，畸變量變大。在有畸變的透鏡中，由于雙折射現(xiàn)象，透鏡的焦距根據(jù)入射光的偏振方向而改變。因此，聚焦不足，使得耦合損耗變大。但根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，甚至在焦距變化的情況下，因?yàn)锽W位置被校準(zhǔn)，所以可以執(zhí)行精細(xì)的聚焦，從而減少耦合損耗。
如圖6所述，反射鏡8可以設(shè)置在一個(gè)對(duì)應(yīng)于圖2中所示透鏡之間中點(diǎn)處的第二束腰位置的位置，使得光返回到用作光源光纖并還用作光接收光纖的光纖11。另外，在此結(jié)構(gòu)中還可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的效果。在圖6所示的情況下，總是滿足條件(2)(1)一對(duì)并行透鏡之間的距離設(shè)置為接近2Lmax；和(2)由于某種原因所致的兩透鏡的焦距變化相等。
因此，當(dāng)透鏡13和反射鏡8之間的距離設(shè)置為接近Lmax時(shí)，甚至在使用的透鏡具有或多或少的下列缺陷時(shí)也有抑制缺陷導(dǎo)致的耦合損耗增大的效果基于光軸不對(duì)稱的象差(光軸上產(chǎn)生的象散)；焦距與標(biāo)準(zhǔn)值的偏差；和透鏡厚度與標(biāo)準(zhǔn)值的偏差。
順便說(shuō)一下，如圖7所示，在光源光纖21的附近分別設(shè)置一個(gè)光源光纖21和一個(gè)光接收裝置22。另外，在圖7所示的結(jié)構(gòu)中可以獲得與圖6中所示結(jié)構(gòu)相同的效果。
下面將根據(jù)象散量和耦合損耗關(guān)系的計(jì)算結(jié)果描述一個(gè)具體的透鏡系統(tǒng)。通過(guò)利用美國(guó)Sinclair Optics，Inc.，設(shè)計(jì)的透鏡設(shè)計(jì)軟件“OSLO Six”進(jìn)行計(jì)算。[設(shè)計(jì)方案1]設(shè)計(jì)由光柵透鏡組成的成對(duì)并行的準(zhǔn)直器并計(jì)算耦合損耗。(光柵透鏡的設(shè)計(jì)值)圖8表示每個(gè)單透鏡的結(jié)構(gòu)。在厚度Zg為1mm的石英玻璃9表面上設(shè)置一個(gè)焦距為1mm、NA為0.2的光柵透鏡(顯象形式)25。設(shè)計(jì)的波長(zhǎng)λ為1550nm。采用一個(gè)對(duì)于主光線的焦點(diǎn)。
由于延伸平面的波表面形狀為一個(gè)離光軸50有r距離的拋物面。
波面函數(shù)Φ(r)＝(2π/λ)·df1·r2常數(shù)df1＝-0.500帶深0.00351mm軸向波前象差RMS-OPD＝0.0062λ順便說(shuō)一下，球差可以忽略，以致于不需要高階項(xiàng)校正。(軸向色差)圖9表示在三個(gè)波長(zhǎng)(1520，1550和1580nm)中遠(yuǎn)焦單透鏡的縱向象差。從中發(fā)現(xiàn)，焦點(diǎn)位置對(duì)于Δλ＝30nm移動(dòng)20μm，因?yàn)檩S向色差非常大。這是關(guān)于此光柵透鏡的問(wèn)題。(并行成對(duì)準(zhǔn)直器的耦合效率)如圖10所示，分別按照與上述相同的方式設(shè)置形成在兩件石英玻璃19和29表面上的光柵透鏡23和24，作為在光源光線1和具有等于光源光線1的模式場(chǎng)直徑的光接收光纖2之間對(duì)稱的并行對(duì)。通過(guò)下列程序計(jì)算耦合損耗?？紤]BW的位置和直徑用于計(jì)算(根據(jù)ABCD計(jì)算)，但忽略由于表面反射、內(nèi)部系數(shù)、衍射效率和球差的損耗。設(shè)置的光源光纖1和光接收光纖2在波長(zhǎng)λ＝1550nm處均具有0.1(1/e2強(qiáng)度)的NA。(1)首先選擇透鏡之間的間距2L以優(yōu)化WD，使得束腰處于中間。(2)計(jì)算λ＝1550nm處的耦合損耗。(3)在相同結(jié)構(gòu)、但每個(gè)光纖在λ＝1550nm處的NA＝0.1的條件下計(jì)算耦合損耗。(4)除光源波長(zhǎng)設(shè)置為λ＝1580nm以外，按照與上述相同的方式計(jì)算耦合損耗。(a)短L的情況表1表示L＝0.0836nm和WD＝0.3053nm情況下的計(jì)算結(jié)果。
λ＝1580nm處的耦合損耗較小。但是當(dāng)λ變化時(shí)BW位置在接收端大幅移動(dòng)。因此，在Δλ＝±30nm的范圍內(nèi)產(chǎn)生0.5～0.8dB的較大損耗。


(b)L＝Lmax的情形在此光學(xué)系統(tǒng)中，當(dāng)WD為0.3561mm時(shí)L為L(zhǎng)max＝11.237mm。表2表示計(jì)算結(jié)果。
λ＝1550nm時(shí)的耦合損耗如此之小，以致于與L很短的情況相比，耦合損耗變化很小。但是，甚至當(dāng)λ改變時(shí)BW位置在光接收端的變化也很小。因此，耦合損耗變化很小并且保持在小于0.05dB。


結(jié)果表明，耦合損耗較小并且在最佳設(shè)計(jì)波長(zhǎng)λ＝1550nm以及其附近處很少依賴透鏡間的距離L，但當(dāng)波長(zhǎng)從最佳設(shè)計(jì)波長(zhǎng)處改變時(shí)強(qiáng)烈依賴L。但在L設(shè)置為等于Lmax的本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中，與L充分小于Lmax的情形(典型地情況是L設(shè)置為接近于零)相比，由色差導(dǎo)致的耦合損耗大大減小。即，在根據(jù)本發(fā)明的光耦合系統(tǒng)中，實(shí)際光柵透鏡的色差對(duì)耦合損耗的影響可以被抑制到很小。
順便說(shuō)一下，在任何非光柵透鏡的透鏡中或多或少地存在著色差的問(wèn)題。因此，根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的光耦合系統(tǒng)在一般的具有色差的透鏡中是有效的。[設(shè)計(jì)方案2]設(shè)計(jì)“非球面平凸透鏡”的并行準(zhǔn)直器對(duì)。計(jì)算每個(gè)凸面的R改變的情況下的并行準(zhǔn)直器對(duì)的耦合損耗。(平凸透鏡的設(shè)計(jì)值)設(shè)計(jì)波長(zhǎng)λ為1550nm。設(shè)置一個(gè)折射率為1.520并且透鏡厚度為1.00mm的透鏡。透鏡的球差用1.716mm的凸表面R和-0.0152mm-4的非球面系數(shù)(第四項(xiàng))校正。
軸向波前差RMS-OPD＝0.0067λ焦距3.30mmNA0.20(有效直徑Φ1,32mm)(并行準(zhǔn)直器對(duì)的耦合損耗)如圖11所示，如上所述的具有相同規(guī)格的非球面平凸透鏡43和44對(duì)稱地設(shè)置為光源光纖1和模式場(chǎng)直徑與光源光纖1相等的光接收光纖2之間的并行對(duì)。按照與設(shè)計(jì)方案1相同的方式計(jì)算并行對(duì)的耦合損耗。
作為變量，透鏡43的凸表面150的R和透鏡44的凸表面160的R同時(shí)改變。波長(zhǎng)λ、非球面系數(shù)、L、WD、透鏡的厚度Z和玻璃的折射率選定為恒定。
表3和圖12表示下列情況下的計(jì)算結(jié)果。
(1)短L的情形(L＝5.00mm，WD＝2.6425mm)(2)L＝Lmax的情形(L＝114.8mm，WD＝2.6900mm)

在此光纖系統(tǒng)中，如果凸表面的R接近設(shè)計(jì)值，則當(dāng)L遠(yuǎn)小于Lmax時(shí)，耦合損耗很少地依賴于L。但如圖12所示，使耦合損耗不大于0.05dB的范圍1/R相對(duì)于L較短時(shí)的設(shè)計(jì)值是一個(gè)非常窄的范圍±0.004mm-1。相反，在根據(jù)本發(fā)明的光耦合系統(tǒng)中，L設(shè)置為等于Lmax，使耦合損耗不大于0.05dB的范圍1/R相對(duì)于設(shè)計(jì)值被大大地增大到±0.02mm-1。而且，耦合損耗的值總是小于L很短的情形。結(jié)果證明，在本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中，甚至在平凸透鏡的R變化并且焦距隨環(huán)境變化而變化的情況下，耦合損耗的變化可以抑制到很小。對(duì)于促使焦距變化的非R的因素(折射率變化、透鏡厚度的變化)可以獲得上述相同的效果。因此，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)對(duì)任何除非球面平凸透鏡以外的正折射率透鏡有效果。[設(shè)計(jì)方案3]由“折射率漸變的棒狀透鏡”和反射鏡的組合設(shè)計(jì)一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)。在棒狀透鏡為光學(xué)軸向不對(duì)稱的情況下計(jì)算耦合損耗。(折射率漸變的棒狀透鏡的設(shè)計(jì)值)假設(shè)由下列表達(dá)式給出棒狀透鏡半徑方向上折射率的漸變分布n(r)2＝n02{1-(g·r)2+h4(g·r)4}其中，n0是軸向折射率，r是距光軸的距離，g和h4是漸變的折射率分布系數(shù)。在1550nm的設(shè)計(jì)波長(zhǎng)中，設(shè)置如下n01.600焦距Z4.430mmg＝0.326(1/mm)h4＝0.67透鏡半徑0.90mm軸向波前差RMS-OPD＝0.0050λ焦距1.933mmNA0.20(有效直徑Φ0.774mm)(光軸非對(duì)稱情況下的耦合效率)如圖13所示，設(shè)置一個(gè)具有與上相同規(guī)格的透鏡53和一個(gè)用作光源光纖并還用作光接收光纖的光纖11，并且在第二BW位置26設(shè)置反射鏡的反射表面8。計(jì)算該情況下的耦合損耗。首先得到示于表4的關(guān)于L值的最佳WD。


然后，設(shè)置一個(gè)與反射鏡相對(duì)的透鏡表面作為柱面，曲率半徑為Rc，產(chǎn)生軸向象散。計(jì)算此情況下的耦合效率的變化。
波長(zhǎng)λ、L、WD和透鏡長(zhǎng)度Z選為恒定。表5和表14表示計(jì)算的結(jié)果。






當(dāng)Rc為零并處于其附近時(shí)軸向象散很小并且很少依賴L。但是，當(dāng)L/Lmax的值小于0.9時(shí)，使耦合損耗不大于0.05dB的范圍是±0.01mm-1。相反，在根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的L/Lmax＝1的情況下，使耦合損耗不大于0.05dB的范圍增大到±0.02mm-1。順便說(shuō)一下，如果L/Lmax值大于1時(shí)，束腰形成在反射面上，以致于甚至在沒(méi)有象散的情況下也會(huì)產(chǎn)生耦合損耗。因此，這種情況不適于光學(xué)耦合系統(tǒng)。
結(jié)果表明，甚至在透鏡具有光軸非對(duì)稱性的情況下，根據(jù)本發(fā)明結(jié)構(gòu)的耦合損耗被抑制到非常小。對(duì)于導(dǎo)致光軸非對(duì)稱的透鏡外形因素以外的任何因素(折射率分布的光軸非對(duì)稱、居中的失敗和條紋)可以獲得上述相同的效果。
雖然設(shè)計(jì)方案1～3表示光柵透鏡表面、平凸非球面透鏡和折射率徑向漸變的棒狀透鏡，但如果透鏡具有正折射率并且可以形成一個(gè)光學(xué)耦合系統(tǒng)，則可以在任何透鏡中獲得與設(shè)計(jì)方案1～3相同的效果。除上述透鏡外，還可以采用球面透鏡或折射率沿光軸漸變的平凸透鏡。
雖然已對(duì)由光纖構(gòu)成光源和光接收單元的情形進(jìn)行了描述，但如果需要光源發(fā)射高斯光束，則光源可以由一個(gè)半導(dǎo)體激光構(gòu)成。另外，光接收裝置可以由光接收元件構(gòu)成。
根據(jù)本發(fā)明的光耦合系統(tǒng)可以應(yīng)用于如下的光纖裝置。例如，如圖15所示，光學(xué)功能裝置100放在圖11中所示光耦合系統(tǒng)中的兩個(gè)透鏡之間。允許采用的光學(xué)功能裝置為濾光片、光隔離器、光調(diào)制器和光學(xué)開(kāi)關(guān)。如果裝置可以通過(guò)入射近似的平行光束操作，則該裝置可以用于廣泛地目的。在把具有相同功能的多個(gè)光耦合系統(tǒng)設(shè)置為一個(gè)陣列形式的狀態(tài)下，分別可以在其中插入具有不同功能或相同功能的光學(xué)功能裝置。
例如，當(dāng)把不同通帶的帶通濾波器插入到光耦合系統(tǒng)的狀態(tài)下從多個(gè)光源光纖發(fā)出具有多種波長(zhǎng)的復(fù)合光束時(shí)，不同波段內(nèi)的光束分別耦合到光接收光纖。因而，可以獲得光多路分用功能。根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的光耦合系統(tǒng)的耦合損耗非常小，以致于可以獲得良好性能的光學(xué)裝置。
例如，如圖16所示，光學(xué)功能裝置可以插在圖13所示的光耦合系統(tǒng)中。在此情況下，在光的環(huán)形路徑中光穿過(guò)每個(gè)光學(xué)功能裝置兩次。圖16表示的例子中，多個(gè)透鏡53-1、53-2，…53-n排列成一個(gè)光耦合系統(tǒng)陣列。如上所述，根據(jù)不同的目的光學(xué)功能裝置100-1、100-2、…100-n可以相同或不同。不需要分布多個(gè)反射表面8。如圖16所示，一個(gè)反射面8可以對(duì)所有的光耦合系統(tǒng)共用。
如上所述，當(dāng)采用根據(jù)本發(fā)明由兩個(gè)透鏡組成的一個(gè)光耦合系統(tǒng)時(shí)，由于每個(gè)透鏡的實(shí)質(zhì)缺陷(色差、基于畸變的雙折射)所致的耦合損耗的變化以及由于環(huán)境變化(溫度和濕度)所致的耦合損耗的變化可以抑制到很小。另外，當(dāng)采用根據(jù)本發(fā)明由透鏡與反射鏡的組合構(gòu)成的光耦合系統(tǒng)時(shí)，由于透鏡缺陷(焦距變化以及由光軸不對(duì)稱導(dǎo)致的象散)所致的耦合損耗的變化可以抑制到很小。因此，甚至在透鏡有某種程度的實(shí)質(zhì)缺陷時(shí)，缺陷對(duì)系統(tǒng)性能的影響也會(huì)小到生產(chǎn)的允許范圍被加大、從而提高了產(chǎn)量的程度。另外，根據(jù)環(huán)境變化而發(fā)生的性能變化也很小，以致于系統(tǒng)的可靠性提高。
權(quán)利要求
1.一種光耦合系統(tǒng)，包括第一透鏡，具有設(shè)置在特定方向的入射面，并具有正折射率，從光源入射到入射面上的高斯光束狀的光通量通過(guò)第一透鏡被轉(zhuǎn)變成大致平行的光通量；和第二透鏡，具有與第一透鏡相同的折射率，但具有設(shè)置反方向的入射面和出射面，入射到第二透鏡入射面上的近似平行的光通量通過(guò)第二透鏡被轉(zhuǎn)變成會(huì)聚的光通量，會(huì)聚的光通量入射到光接收裝置上；其特征在于兩透鏡之間的距離2L選擇成處于下式給定的范圍1.8Lmax≤2L≤2Lmax其中2Lmax是允許束腰形成在分別與兩透鏡等距離的最大距離。
2.如權(quán)利要求1所述的光耦合系統(tǒng)，其特征在于總損耗設(shè)置為等于或小于兩透鏡的間距2L處于0≤2L≤1.8Lmax時(shí)發(fā)生的耦合損耗。
3.一種光耦合系統(tǒng)，包括一個(gè)具有正折射率的透鏡，光源發(fā)出的高斯形光通量通過(guò)該透鏡被轉(zhuǎn)變成近似平行的光通量；和一個(gè)反射面，設(shè)置在透鏡的后面，使得近似平行的光通量被反射面返回到透鏡，返回的光通量通過(guò)該透鏡轉(zhuǎn)變成會(huì)聚的光通量，入射到設(shè)置在光源及其附加的光接收裝置上；其特征在于透鏡和反射面之間的距離L選擇成處于下式給定的范圍0.9Lmax≤L≤Lmax其中Lmax是允許透鏡形成束腰的最大距離。
4.如權(quán)利要求3所述的光耦合系統(tǒng)，其特征在于總耦合損耗設(shè)置成等于或小于當(dāng)透鏡和反射面之間L處于0≤L≤0.9Lmax范圍時(shí)發(fā)射的耦合損耗。
5.如權(quán)利要求2或4所述的光耦合系統(tǒng)，其特征在于總耦合損耗值不大于0.05dB。
6.如權(quán)利要求1或3所述的光耦合系統(tǒng)，其特征在于光源和光接收裝置由光纖的端面構(gòu)成，其中光線的端面與模式場(chǎng)之間彼此相等。
7.如權(quán)利要求3所述的光耦合系統(tǒng)，其特征在于光纖的端面作為光源以及光接收裝置。
8.如權(quán)利要求3所述的光耦合系統(tǒng)，其特征在于具有正折射率的透鏡是在徑向有漸變折射率分布的棒狀透鏡。
9.如權(quán)利要求1或3所述的光耦合系統(tǒng)，其特征在于具有正折射率的透鏡是在光軸方向有漸變折射率分布的平凸透鏡。
10.如權(quán)利要求1或3所述的光耦合系統(tǒng)，其特征在于具有正折射率的透鏡是由勻質(zhì)材料制成的平凸透鏡。
11.如權(quán)利要求1或3所述的光耦合系統(tǒng)，其特征在于具有正折射率的透鏡是由勻質(zhì)材料制成的球面透鏡。
12.如權(quán)利要求1或3所述的光耦合系統(tǒng)，其特征在于具有正折射率的透鏡具有光柵透鏡表面。
13.如權(quán)利要求1所述的光耦合系統(tǒng)，其特征在于光耦合系統(tǒng)設(shè)置在光耦合系統(tǒng)中的兩透鏡之間的中點(diǎn)處。
14.如權(quán)利要求13所述的光耦合系統(tǒng)，其特征在于光耦合系統(tǒng)設(shè)置為一個(gè)光耦合系統(tǒng)陣列，其中，具有相同功能的光耦合系統(tǒng)排列成一行或多行。
15.一種包括權(quán)利要求2限定的光耦合系統(tǒng)的光學(xué)裝置，光學(xué)功能裝置設(shè)置在光耦合系統(tǒng)中透鏡和反射面之間的中點(diǎn)處。
16.如權(quán)利要求15所述的光耦合系統(tǒng)，其特征在于透鏡設(shè)置為一個(gè)透鏡陣列，其中具有相同功能的透鏡排列成一行或多行。
17.如權(quán)利要求1所述的光耦合系統(tǒng)，其特征在于第一透鏡在物理性能上與第二透鏡相同。
全文摘要
兩個(gè)透鏡用于形成一對(duì)并行的準(zhǔn)直器,其中兩透鏡之間的距離基本上與允許束要形成在分別與兩透鏡相等距離的最大距離一致。
文檔編號(hào)G02B6/42GK1371005SQ02105209
公開(kāi)日2002年9月25日 申請(qǐng)日期2002年2月19日 優(yōu)先權(quán)日2001年2月15日
發(fā)明者橘高重雄, 永田秀史, 中澤達(dá)洋, 佐佐木康二, 谷山實(shí) 申請(qǐng)人:日本板硝子株式會(huì)社