專利名稱：棒狀非球面透鏡及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及棒狀非球面透鏡及其制造方法，這種透鏡應用在光通信和光路封裝中所用的光耦合系統(tǒng)，將發(fā)射自光源、光纖或光學波導的輸出光束轉換成平行光或會聚光，或者轉換光束以耦合會聚光束進入光纖或光學波導。
背景技術：
在使諸如激光二極管、光纖、光學波導、發(fā)光二極管以及光開關一類光學元件之間的光有效地進行耦合的光通信和微光學中對諸如微型透鏡之類很小透鏡的需求業(yè)已迅速增長。
對其中成象于光軸上的光學系統(tǒng)用光耦合系統(tǒng)分為兩類耦合光源和光纖的耦合系統(tǒng)與耦合光纖和光纖的耦合系統(tǒng)。光纖之間的光耦合系統(tǒng)采用準直光學系統(tǒng)，其中發(fā)射自光源和光纖的光通過透鏡轉換成平行光(準直之光)，然后穿越通過諸如波長濾波器和光隔離器一類光學器件，而后通過另一透鏡再次耦合進入光纖。在該系統(tǒng)中，其中的光纖和準直儀透鏡相結合的光纖準直儀起著重要作用。
所建議的使用在這兩類光耦合系統(tǒng)中的透鏡包括坡度折射指數(shù)透鏡(gradient index lens-GRIN lens)，球面透鏡，非球面透鏡，球面觸點的光纖，平直表面坡度折射指數(shù)透鏡，F(xiàn)resnel透鏡，以及這些透鏡的聯(lián)合。
圖21(A)圖像說明常規(guī)的準直儀透鏡。在圖21A中，發(fā)射自光纖11的光進入雙凸透鏡211的第一表面(入射表面)211a，透射透鏡介質，然后被第二表面(發(fā)射表面)211b折射成準直光13。在能獲得良好準直光之前，考慮到雙凸透鏡211的光學特性，應適當調整光纖端面11a和雙凸透鏡211的第一表面211之間的距離Z，不然的話，由于發(fā)射自光11的光會聚或發(fā)散這一事實只在短的距離范圍內獲得準直光13。
因此，若不能獲得準直良好的光束，那末例如，采用準直的光學系統(tǒng)(轉換成平行光束的系統(tǒng))就無法實現(xiàn)諸如光分裂器、光多路分解器、光隔離器、光循環(huán)器、光濾波器以及光開關一類低損耗的光學裝置。
圖21B用圖說明采用準直儀透鏡211加以配置的光纖直儀。
圖21B中所示光纖準直儀包括其上固定結合有光纖11的金屬套(ferrule)213，雙凸透鏡211，以及準直儀外殼214，后者固定地容納有光纖11和雙凸透鏡211。
為在此常規(guī)技術中獲得準直良好的光，采用金屬套213的法蘭212使之對接至準至儀外殼214，從而設定透鏡射表面211a和其上固定有光纖11的金屬套213的末端表面(11a)之間的距離Z。這樣，距離Z是固定的。
照這樣，便使光纖和透鏡之間的距離固定以提供具有某一折射指數(shù)的雙凸透鏡發(fā)射出準直光的光纖準直儀。
另一常規(guī)光束直儀透鏡的已知例子是一種其中將一段光纖插入形成于模制透鏡中的凹槽中(例如，日本專利申請公開號No.7-49432和日本專利申請公開號No.63-58406)。日本專利申請公開號No.7-49432和日本專利申請公開號No.63-58406中所述整個內容此處通過參考全部加以合并。
然而，對于所述常規(guī)技術，光纖端面和透鏡入射面之間的距離由于準直儀外殼長度的變化，金屬套末端表面的拋光量差異，以及透鏡擺放位置的變化而并不總是固定的值以致不能獲得準直良好的光。
換言之，光束隨同與透鏡距離的增加而會聚或發(fā)散，結果在長的距離范圍內無法獲得準直光。
是故，當允許光穿越通過光纖和透鏡的組合使之準直，然后透鏡穿過光學元件，而后通過另一透鏡耦后進入另一光纖，或者當耦合其他準直之光進入光纖時，上述準直儀透鏡具有差的嚴重影響光學特性的耦合作用。
圖21C用圖說明采用GRIN透鏡(分布的折算指數(shù)透鏡)的光纖準直儀。
示于圖3C的GRIN透鏡是個棒狀透鏡，它在穿越通過光軸的徑向方向上具有分布的折射指數(shù)，并且在透鏡中光的幾何曲折周期的節(jié)距為0.25。具有0.25節(jié)距的GRIN透鏡具有這樣的長度，俾使無穹遠物體的倒象形成于入射表面，從而當把點光源置于GRIN入射表面中心時便使準直光引導出來。發(fā)射自光纖11之端面的光通過GRIN透鏡212而得以準直并發(fā)射出來。
然而，當采用LD光源和光纖時，光源不必是個點光源。這樣一種GRIN透鏡遭受到以下問題，而光束直徑隨離透鏡光出射表面212b之距離的增加而變大，這樣就無法提供準直良好的光。
通過離子交換改變玻璃材料的形狀以提供分布的折射指數(shù)，對此要提供低價的棒狀透鏡是困難的。
對光通信網(wǎng)絡的各種另部件均大量使用許多這樣一種透鏡GRIN)。所以，降低這類透鏡的制造成本代表整個光通信網(wǎng)絡總的成本降低的一大部分，并且是降低整個系統(tǒng)成本的關鍵因素。

發(fā)明內容
本發(fā)明鑒于所述常規(guī)準直儀透鏡的缺點，其目的在于提供棒狀非球面的透鏡及其制造方法。該棒狀非球面透鏡可在光通信和光路封裝中使用并提供方便的光束準真和良好的會聚效率。換句話說，棒狀非球面透鏡能提供長距離范圍內的準直和會聚光束的光學系統(tǒng)，實現(xiàn)高的耦合效率，低成本，高性能以及光學裝置的小型化。
本發(fā)明的第一發(fā)明是一種將發(fā)射自預定光源或光纖發(fā)射端的光轉換成預定光的棒狀非球面透鏡，該棒狀非球面透鏡包含具有球面或平直面的第一表面，所述第一表面同光源或發(fā)射端相接觸；以及與所述第一表面基本相對的第二表面，所述第二表面具有非球面的形狀，發(fā)射自光源或光纖的光穿越通過所述半球面形狀，所述第二表面將光轉換成準直光或會聚光束。
本發(fā)明的第二發(fā)明是如第一發(fā)明所述的棒狀非球面透鏡，其中所述第一表面與光纖的發(fā)射端接觸，而已通過所述第二表面的光是準直光；其中第二表面的焦點落在所述第一表面上與發(fā)射端接觸的位置處。
本發(fā)明的第三發(fā)明是如第一發(fā)明所述的棒狀非球面透鏡，其中所述第一表面與光纖的發(fā)射端接觸，而已通過所述第二表面的光是會聚光束；其中所述第二表面具有一焦點，其位置比所述第一表面上接觸發(fā)射端的位置更接近棒狀透鏡的內部。
本發(fā)明的第四發(fā)明是如第二或第三發(fā)明所述的棒狀非球面透鏡，其中棒狀非球面透鏡基本上是個圓柱體形狀，它具有的預定外直徑基本上與維持光纖與金屬套結合的金屬套的直徑相同。
本發(fā)明的第五發(fā)明是一種制造如第一發(fā)明所述的棒狀非球面透鏡的方法，該方法包括
第一階段，此時加熱透鏡材料至其具有塑性的預定溫度；第二階段，此時通過采用模子在壓力下使所加熱的透鏡材料形成透鏡形狀；第三階段，此時形成兩個透鏡的表面，同時加壓透鏡材料并將透鏡材料從預定溫度冷卻至轉化點；以及第四階段，此時冷卻模壓過的透鏡材料至低于轉化點的溫度。
本發(fā)明的第六發(fā)明是一種將發(fā)射自預定光源或光纖發(fā)射端的光轉換成預定光的棒狀非球面透鏡，該棒狀非球面透鏡包含具有導引孔的第一表面，該孔中插入多個光源或多根光纖的發(fā)射端；基本上對著所述第一表面的第二表面，第二表面具有非球面形狀，通過它使發(fā)射自諸光源或諸光纖的光穿越通過，所述第二表面將該光轉換成準直光或會聚光束。
本發(fā)明的第七發(fā)明是如第六發(fā)明所述的棒狀非球面透鏡，其中已通過所述第二表面的光是準直光；其中第二表面的焦點基本上落在導引孔的底部。
本發(fā)明的第八發(fā)明是如第六發(fā)明所述的棒狀非球面透鏡，其中已通過所述第二表面的光是會聚光束；其中第二表面的焦點位于比導引孔底部更內的透鏡位置處。
本發(fā)明的第九發(fā)明是如第七發(fā)明所述的棒狀非球面透鏡，其中如此形成的導引孔使兩平行光纖的發(fā)射端得以插入以形成雙光纖準直儀。
本發(fā)明的第十發(fā)明是一種制造如第六發(fā)明所述的棒狀非球面透鏡的方法，該方法包括第一階段，此時加熱透鏡材料至其具有塑性的預定溫度；第二階段，此時通過采用模子在壓力下使所加熱的透鏡材料成形為透鏡；第三階段，此時形成兩個透鏡表面，同時加壓透鏡材料并將透鏡材料從預定溫度冷卻至轉化溫度；以及第四階段，此時冷卻模壓過的透鏡材料至低于轉化溫度的溫度；其中形成第一表面用的模子具有一用以形成導引孔的凸起。
本發(fā)明的第十一發(fā)明是如第一或第六發(fā)明所述的棒狀非球面透鏡，其中棒狀非球面透鏡基本上呈圓柱體形，并具有形成在圓柱體之圓柱表面上的槽溝或平直部分。
本發(fā)明的第十二發(fā)明是如第一或第六發(fā)明所述的外表面棒狀非球面透鏡，其中棒狀非球面透鏡基本上呈多角棱柱體形狀。
本發(fā)明的第十三發(fā)明是如第五或第十發(fā)明所述的制造棒狀非球面透鏡的方法，其中模子基本上具有對應于棒狀非球面透鏡外表面的圓形圓柱體的內表面，該圓形圓柱體的內表面具有在棒狀非球面透鏡中形成槽溝用的凸起和在棒狀非球面透鏡上形成平直部分用的平直部分。
本發(fā)明的第十四發(fā)明是如第五或第十發(fā)明所述的制造棒狀非球面透鏡的方法，其中模子基本上具有對應于棒狀非球面透鏡外表面的多角棱柱體。
本發(fā)明的第十五發(fā)明是一種將發(fā)射自預定光源或光纖發(fā)射端的光轉換成預定光的棒狀非球面透鏡，該棒狀非球面透鏡包含第一表面，發(fā)射自光源或發(fā)射端的光入射到其上，所述第一表面與入射到所述第一表面的光的光軸相垂直的平面成一傾斜角；具有非球面形的第二表面，入射在所述第一表面上的光穿越通過它，所述第二表面將該光轉換成準直光或會聚光束，并發(fā)射出準直光或會聚光束。
本發(fā)明的第十六發(fā)明是如第十五發(fā)明所述的棒狀非球面透鏡，其中所述第一表面同光纖的發(fā)射端是空間分隔的。
本發(fā)明的第十七發(fā)明是如第十六發(fā)明所述的棒狀非球面透鏡，其中發(fā)射自所述第二表面的光是準直光，而所述第二表面的焦點位于光纖的發(fā)射端上。
本發(fā)明的第十八發(fā)明是如第十五發(fā)明所述的棒狀非球面透鏡，其中所述第一表面同光纖的發(fā)射端相接觸。
本發(fā)明的第十九發(fā)明是如第十八發(fā)明所述的棒狀非球面透鏡，其中所述第一表面是球面或非球面，而光纖的發(fā)射端是以下任何形狀之一(1)平直，(2)球面，以及(3)非球面，光纖的發(fā)射端對應于傾斜角而傾斜。
本發(fā)明的第二十發(fā)明是如第十九發(fā)明所述的棒狀非球面透鏡，其中發(fā)射自所述第二表面的光是準直光，而所述第二表面的焦點位于所述第一表面上發(fā)射端與所述第一表面相接觸的位置處。
本發(fā)明的第二十一發(fā)明是如第十九發(fā)明所述的棒狀非球面透鏡，其中發(fā)射自所述第二表面的光是會聚光，而所述第二表面的焦點位于透鏡內部比所述第一表面更內些。
本發(fā)明的第二十二發(fā)明是如第十五發(fā)明所述的棒狀非球面透鏡，其中傾斜角是6度，8度和12度中的任何一個。
本發(fā)明的第二十三發(fā)明是一種制造如第十五發(fā)明所述的棒狀非球面透鏡的方法，方法包括以下步驟第一階段，此時加熱透鏡材料至該材料具有塑性的預定溫度；第二階段，此時通過采用模子在壓力下使加熱過透鏡材料形成為透鏡形狀；第三階段，此時形成兩個透鏡表面，同時加壓透鏡材料并使透鏡材料從預定溫度冷卻至轉化溫度；以及第四階段，此時冷卻模壓過的透鏡材料至低于轉化點的溫度；其中形成第一表面用的模子與垂直于光軸的平面成一傾斜角。
本發(fā)明的第二十四發(fā)明是如第一、第六或第十五發(fā)明所述的棒狀非球面透鏡，其中棒狀非球面透鏡的透鏡材料具有與光纖纖芯相同的折射指數(shù)。
本發(fā)明的第二十五發(fā)明是如第一、第六或第十五發(fā)明所述的棒狀非球面透鏡，其中棒狀非球面透鏡的所述第一表面和所述第二表面均涂有防反射涂層。
本發(fā)明的第二十六發(fā)明是如第一、第六或第十五發(fā)明所述的棒狀非球面透鏡，其中棒狀非球面透鏡具有施加于其外表面的金屬薄膜。
本發(fā)明的第二十七發(fā)明是如第一、第六或第十五發(fā)明所述的棒狀非球面透鏡，其中棒狀非球面透鏡的所述第二表面具有形成于其上的波長濾波器。
本發(fā)明的第二十八發(fā)明是如第一、第六或第十五發(fā)明所述的棒狀非球面透鏡，其中棒狀非球面透鏡的透鏡材料是玻璃材料或樹脂材料。
本發(fā)明的第二十九發(fā)明是一種制造棒狀非球面透鏡的方法，該方法包括以下步驟a)將玻璃棒置于吹模中，該吹模包括第一開口和與第一開口相對的第二開口；b)將玻璃棒加熱到玻璃棒具有塑性的預定溫度以上；c)將具有第一形狀端部的第一模子滑入吹模的第一開口；d)將具有第二形狀端部的第二模子滑入吹模的第二開口，第二模子的第二形狀端部具有一凹形非球面形狀；e)在第一模子的第一形狀端部和第二模子的第二形狀端部之間壓制加熱的玻璃棒，以形成棒狀非球面透鏡；以及f)將棒狀非球面透鏡冷卻至預定溫度以下，其中
第一模子的第一形狀端部具有凹形球面形狀或平直表面。
本發(fā)明的第三十發(fā)明是一種制造棒狀非球面透鏡的方法，該方法包括以下步驟a)將玻璃棒置于吹模中，該吹模包括第一開口和與第一開口相對的第二開口；b)將玻璃棒加熱到玻璃棒具有塑性的預定溫度以上；c)將具有第一形狀端部的第一模子滑入吹模的第一開口；d)將具有第二形狀端部的第二模子滑入吹模的第二開口，第二模子的第二形狀端部具有一凹形非球面形狀；e)在第一模子的第一形狀端部和第二模子的第二形狀端部之間壓制加熱的玻璃棒，以形成棒狀非球面透鏡；以及f)將棒狀非球面透鏡冷卻至預定溫度以下，其中第一模子的第一形狀端部具有至少一個凸起；以及棒狀(e)還包括相對第一模子的第一形狀端部的凸起壓制玻璃棒，以在棒狀非球面透鏡中形成至少一個導引孔的步驟。
本發(fā)明的第三十一發(fā)明是如第二十九或第三十發(fā)明所述的制造棒狀非球面透鏡的方法，其中吹模的內表面包括一個沿內表面一部分長度的三角形或平直部分；以及步驟(e)還包括相對吹模內表面的三角形或平直部分壓制玻璃棒，以在棒狀非球面透鏡上形成標記的步驟。
本發(fā)明的第三十二發(fā)明是如第二十九或第三十發(fā)明所述的制造棒狀非球面透鏡的方法，其中吹模的內表面具有預定多角截面的多角棱柱體形狀；吹模的第一開口具有預定的多角形狀；以及吹模的第二開口具有預定的多角形狀。
本發(fā)明的第三十三發(fā)明是一種制造棒狀非球面透鏡的方法，該方法包括以下步驟a)將玻璃棒置于吹模中，該吹模包括第一開口和與第一開口相對的第二開口；b)將玻璃棒加熱到玻璃棒具有塑性的預定溫度以上；c)將具有第一形狀端部的第一模子滑入吹模的第一開口；
d)將具有第二形狀端部的第二模子滑入吹模的第二開口，第二模子的第二形狀端部具有一凹形非球面形狀；e)在第一模子的第一形狀端部和第二模子的第二形狀端部之間壓制加熱的玻璃棒，以形成棒狀非球面透鏡；以及f)將棒狀非球面透鏡冷卻至預定溫度以下，其中吹模具有對應于棒狀非球面透鏡之光軸的縱軸；以及第一模子的第一形狀端部表面的法線與吹模的縱軸形成預定角度。


圖1說明按本發(fā)明一棒狀非球面透鏡的實施例；圖2A和2B說明按本發(fā)明制造該非球面棒狀透鏡方法的實施例；圖3說明按本發(fā)明一棒狀非球面透鏡的實施例；圖4說明按本發(fā)明一棒狀非球面透鏡的實施例；圖5說明按本發(fā)明一棒狀非球面透鏡的實施例；圖6A至6E說明按本發(fā)明一棒狀非球面透鏡的例子；圖7A和7B說明按本發(fā)明一棒狀非球面透鏡的實施例；圖7C是按本發(fā)明一雙光纖維直儀的透視圖；圖8A和8B說明按本發(fā)明一制造棒狀非球面透鏡方法的實施例；圖9A-9C說明按本發(fā)明一棒狀非球面透鏡的實施例；圖10A-10C說明按本發(fā)明一棒狀非球面透鏡方法的實施例；圖11A-11B說明按本發(fā)明一棒狀非球面透鏡方法的實施例；圖12A-12C說明按本發(fā)明一棒狀非球面透鏡的實施例；圖13A-13B說明按本發(fā)明一棒狀非球面透鏡的實施例；圖14A-14B說明按本發(fā)明一棒狀非球面透鏡的實施例；圖15A-15C說明按本發(fā)明一棒狀非球面透鏡方法的實施例；圖16A-16E說明按本發(fā)明一棒狀非球面透鏡的實施例；圖16F是圖16B中光纖接觸部分的放大視圖；圖17A和17B說明按本發(fā)明制造棒狀非球面透鏡方法的實施例；圖18A和18B說明按本發(fā)明一棒狀非球面透鏡的實施例；圖19A和19B說明對不同的透鏡插入損耗依賴距離的關系；圖20A-圖20C說明按本發(fā)明一棒狀非球面透鏡的實施例；以及圖21A-21C說明按常規(guī)技術一棒狀非球面透鏡的示意圖。
符號介紹11光纖12，31，41，51，54，61，71，91，111棒狀非球面透鏡12a，61a，71a，91，111a第一表面12b，61b，71b，91b，111b第二表面13準直光14發(fā)射一側上的光纖21，81，101，121透鏡材料22，82，102，122上模23，83，103，123下模24，84，104，124吹模25，85，105，125間隔器32，42金屬套33，43，52，55，165毛細管44，53，56套筒57光學功能元件61c，62c，63c，64c，71c引導單個或多個光纖的導引孔82a指數(shù)91c槽溝92，112固定板104a指數(shù)111c平直部分124a平直部分131呈四角棱柱體狀的棒狀透鏡132呈六角棱柱體狀的棒狀透鏡154吹模161，162，163棒狀非球面透鏡164傾斜拋光金屬套172上模
181會聚光束用的棒狀非球面透鏡183會聚的光束191，191，201，202，203棒狀非球面透鏡201c AR涂層202c金屬化層(金屬的遮蓋層)203c波長濾波器211雙凸透鏡212法蘭213金屬套214準直儀外殼具體實施方式
將參考圖1-20來描述本發(fā)明的諸實施例。
(第一實施例)圖1說明按本發(fā)明一棒狀非球面透鏡的實施例。如圖1所示，發(fā)明的棒狀非球面透鏡12是個準直化透鏡，它轉換發(fā)射自光纖11的光成準直光13。
參考圖1，將光纖11和棒狀非球面透鏡12以這樣一種方式進行對準，俾使其光軸彼此成一直線。棒狀非球面透鏡12具有其上光入射進來的球面第一表面12a和光從其中射出的非球面第二表面12b，第一表面和第二表面是按從光纖從起始的順序。
光纖11通常呈單模光纖或多模光纖形式。在圖1的實施例中，光纖11是個單模光纖。通常透射通過光纖的光波長處在50nm波段，1310nm波段，以及1550nm波段。光通信中使用聽光處在1310nm波段和1550nm波帶。該實施例中使用的光處在1550nm波段。
透鏡材料是光學玻璃。該實施例中使用的光學玻璃具有1.46至1.48的折射指數(shù)范圍，接近于單模光纖纖芯的指數(shù)。透鏡直徑為2.5mm，長4.5mm。第一表面是個具有20mm半徑的球形表面，而第二表面則是個非球面透鏡。
棒狀非球面透鏡運行如下發(fā)射自光纖11端面的光進入棒狀非球面透鏡12的第一表面12a，透射通過透鏡介質，然后被第二表面如此折射，俾使光轉換成準直光13。由于非球面的第二表面之故，所以當光纖11鄰接第一表面時，非球面的第二表面12b就提供沒有象差的準直光13。按本發(fā)明由該棒狀非球面透鏡產生的光束具有大約340μm的直徑。
在有了其中第二表面為非球面和把第二表面12b的焦點置于第一表面12a上的棒狀非球面透鏡12情況下，只要使光纖11的位置鄰接至第一表面就能產生準直光?？紤]到來自光纖的散播角，把第二表面設計成非球面形，從而能獲得準直良好的光而沒有因象差引起的有害影響，這種象差要不然將會在該透鏡中發(fā)生。尤其是，第二表面的曲率半徑要比第一表面的小。若第二表面具有普通的球形表面，則出現(xiàn)一有害的象差效應而對準直光的產生是不利的。
正如式(1)的指出的，將第二表面設計成非球面形，其中把諸如4次方項和6次方項之類的高階項附加至雙曲面形。非球面形由一般式加以表示，也即式(1)。
(式1)Z=C·h21+(1-(K+1))·C2·h2}+A·h4+B·h6+C·h8+······]]>式中h由h=x2+y2]]>給出。式(1)中諸參數(shù)如下x和y是垂直于光軸方向的坐標，z是光軸方向的坐標，c是曲率半徑，k是二次曲線常數(shù)，A是4次方的項的系數(shù)，B是6次方的項的系數(shù)，以及C是8次方的項的系數(shù)。
若k＝0，則該表面為球形，若K＞0，則該表面為具有光軸同短軸相符的橢球表面。若-1＜k＜0，則該表面為具有光軸同長軸相符的橢球表面。若k＝-1，則該表面為拋物線表面。若k＜-1，則該表面為雙曲面。根據(jù)光纖和光源的斑點尺寸和散播角，透鏡材料的折射指數(shù)和厚度(光軸上的長度)，所需要光束的直徑以及最佳非球面形用的參數(shù)均由考慮到所用光波長的模擬加以確定。作參考用的二階彎曲表面由曲率半徑C和二次曲線常數(shù)K確定。即使假設多項式的系數(shù)A，B和C并非有限值，也仍然能形成非球面形。
現(xiàn)將介紹按本實施例球形第一表面的優(yōu)點。通常光纖固定在金屬套或光連接器的毛細管內。光連接器是便于連接光纖至另一光纖或裝置的元件。用于這樣一種目的的金屬套是維持光纖端面的光連接器類型。該金屬套提供光纖同由金屬套所維持匹配光纖的端面或同透鏡精確對準。對于單模光纖，要求金屬套鄰接至兩根光纖，俾當光連接器彼此相互連接時使得兩根光纖的截面(大約φ9μm)在預定壓力下彼此精確相符。
當光從光纖發(fā)射出來進入另一介質時透射進入光纖內的光為光纖的端面所反射。光纖端面的表面精加工確定因反射引起的光損耗，也即，返回損耗(向后的反射)。返回損耗表示為從金屬套或連接器傳播至下一介質的光Pi對由金屬套或光連結器端面反射并反回至光源的光Pr之比，也即，以分貝表示的返回損耗＝-10×log(Pr/Pi)(dB)。例如50dB的返回損耗意味著只有1/100,000的總功率返回。
盡可能大的返回損耗絕對值對高速光通信系統(tǒng)是十分重要的因素。諸如在高速光通信系統(tǒng)中所用DFB激光器一類狹帶光源有遭遇輸出功率模式跳躍和波動的傾向。因此，返回損耗應盡可能多地減小。是故，光纖要求借助于PC(物理接觸)進行連接，其中把金屬套的端面作成凸形球面，從而使光纖的纖芯彼此緊密接觸以減少Fresnel反射。
在本實施例中，第1表面形成為具有半徑20mm的球形表面，從而促使固定至金屬套的光纖同第一表面易于物理接觸。
這種結構提供降低反射光返回的特定優(yōu)點。第一表面不必是具有20mm半徑的球形表面，只要能做到物理接觸即行。換言之，例如，10mm和30mm的半徑同樣提供降低反射光返回的優(yōu)點。
圖19A和19B說明采用按本發(fā)明的棒狀非球形透鏡所測得的插入損耗。
圖19A說明測量用的設置。發(fā)射自光纖11的光通過棒狀球形透鏡191得以準直。
所準直的光由棒狀非球形透鏡192接收，后者位置同位于入射一側的棒狀非球面透鏡191呈背對背的關系，并耦合至光發(fā)射一側的光纖11。插入損耗由一10log(p1/P2)計算出，式中P1是發(fā)射自棒狀非球面透鏡191的光功率，而P2則為最終所發(fā)射的光功率。
換言之，插入損耗就是當把諸如光連接器之類光學元件插入傳播線或光學元件被空間隔開時光傳播線上發(fā)生的光損耗。因此，插入損耗最好應盡可能地小。
圖19B說明對常規(guī)雙凸透鏡(符號△)，GRIN透鏡(符號口)，以及棒狀非球面透鏡(符號○)所測量的損耗。
正如圖19B清楚表明的那樣，棒狀非球面透鏡在提供具備良好平行光線的準直器同時依然不增加長距離范圍的插入損耗。
現(xiàn)將敘述其中各光路被連的邊界。一般講，在兩分別具有折射指數(shù)n1和n2的介質間邊界之上的反射率R由式(2)加以表示。
(式2)R=[n1-n2n1+n2]]]>這樣，具有大折射指數(shù)差的界面就引起大約反射率。降低邊界上反射率的方法之一是以多層介質形式施加防反射涂層(AR涂層)來減少反射率。在本實施例中，第一表面可以是平直的俾使透鏡是棒狀非球面透鏡。然而，施加防反射涂層至入射一側上的光纖11和第一表面以及發(fā)射一側上的光纖14和第二表面就使反射率因而光返回減低。
該實施例中所采用的玻璃材料是以下那些材料中的一種，即它們具有折射指數(shù)接近于單模光纖之纖芯材料的折射指數(shù)。若將單模光纖鄰接至按本發(fā)明的棒狀非球面透鏡，則因折射指數(shù)差引起的反射率減少。換言之，若連至光纖的光學材料(此處為透鏡材料)具有接近于光纖纖芯材料的折射指數(shù)，則有可能使光學連接具有低的反射率而無需AR涂層，并導致低成本的系統(tǒng)。
(第二實施例)現(xiàn)將參考如圖描述制造按第一實施例的棒狀非球面透鏡的方法。圖2A和2B說明制造棒狀非球面透鏡的各個階段。
正如圖2A和2B所示，制造棒狀非球面透鏡的方法包括第一至第五階段。在第一階段，將呈玻璃形式的透鏡材料21置于在適當位置的吹模24，上模22和下模23。吹模由碳化鎢作成，并控制透鏡材料21的光軸。上模和下模22和23同樣由碳化鎢作成。加熱透鏡材料21至玻璃具有塑性的溫度。在第二階段，通過使用上模22和下模23在壓力下所加熱的透鏡材料21形成為透鏡形狀。
在第三階段，在壓力下將透鏡材料21成形的同時，也同樣使之從玻璃具有塑性的預定溫度鄰卻至玻璃的轉化點。在第三階段，采用間隔器25來控制上模22和下模23之間的平行度以及透鏡材料21的厚度。在第四階段，使模壓過的透鏡材料21冷卻至低于玻璃轉化點的溫度。
第二實施例的特征在于成形棒狀非球面透鏡第一表面用上模22的一部分22a具有球形或平直的表面，而成形第二表面用下模23的一部分23a則具有非球面的表面。特別重要的是，要設計23b這一部分使之具有精確的非球面形狀。
正如上述，按照制造棒狀非球面透鏡的方法，精確的模壓允許把非球面形的模子形狀從良好的可重復性進行轉換。這樣，就可以十分低的成本大量生產棒狀非球面透鏡。
(第三實施例)圖3說明按本發(fā)明一棒狀非球面的透鏡。
圖3中的棒狀非球面透鏡的特征在于棒狀非球面透鏡31具有如金屬套32之毛細管33相同的直徑，而套32則維持光纖用。
具有如金屬套32之毛細管33相同直徑的透鏡使光學裝置制造時裝配操作的效率提高。用作金屬套的毛細管33包括，例如，被用作SC連接器和FC連接器的直徑為2.5mm的毛細管，或者被用作MU連接器和LC連接器的直徑為1.25mm的毛細管。
在第三實施例中，棒狀非球面透鏡具有2.5mm和1.25mm的直徑，視毛細管的尺寸而定。棒狀非球面透鏡便于固定在，例如分立的套筒和陶瓷套筒上，尤其使裝配成本降低。
具體而言，如圖4所示，棒狀非球面透鏡41具有如金屬套42之毛細管43相同的直徑，而用分立的套筒44維持該透鏡41和毛細管43在一起。借助于分立的套筒44維持棒狀非球面透鏡41和金屬套42在一起允許光纖11的光軸同透鏡41的光軸相符，并且提供較長距離范圍內準直良好的光。
這里使棒狀非球面透鏡的直徑和MU連接器用金屬套42之毛細管43的直徑1.25mm相同。
通過采用準直儀光學系統(tǒng)加以配置的光學功能裝置將參考圖5進行描述。圖5以圖說明一光學功能裝置，其中光纖11，光學功能元件57，以及光纖14均通過透鏡進行耦合。光學功能裝置包括在入射一側上的光纖11，支承光纖11用的毛細管52，非球面準直儀透鏡51，套筒53，光學功能元件57，收集光用的非球面準直儀透鏡54毛細管55，套筒56，以及在發(fā)射一側上的光纖14。
將介紹圖5中光學功能裝置的運行。發(fā)射自由毛細管52所維持光纖11的光通過棒狀非球面透鏡51轉換成準直光13。所述準直光通過光學功能元件57進入光接收一側上的棒狀非球面透鏡54。進入棒狀非球面透鏡54的準直光耦合進入固定在光發(fā)射一側上毛細管55中的光纖14。
按照第三實施例，在準直光學耦合系統(tǒng)中諸透鏡之間的距離設定為5mm。按本發(fā)明的棒狀非球面透鏡提供一準直光學耦合系統(tǒng)，它在甚至更長的距離范圍內，例如光開關用的100mm也具有高的耦合效率，而其結果則示于圖19。對100mm距離的插入損耗為0.5dB。
雖然相對于供在25mm-MU金屬套用毛細管上加以配置的棒狀非球面透鏡介紹了第三實施例，但可把棒狀非球面透鏡作成不僅使之具有2.5mm和1.25mm的直徑，后者是供金屬套用毛細管的外部尺寸，而且按照供裝配光學功能裝置用毛細管外部尺寸的1.8mm和1.4mm直徑以及按照具有更小直徑的微型毛細管的直徑，使之小于1.0mm的直徑，例如，1.0mm或0.5mm。當棒狀非球面透鏡同固定在這些毛細管中的光纖聯(lián)合時，按本發(fā)明的棒狀非球面透鏡能實現(xiàn)同樣具有高耦合效率的準直儀光學系統(tǒng)。
(第四實施例)圖6A-6E說明按本發(fā)明一棒狀非球面透鏡的實施例以及該實施例的改進。
棒狀非球面透鏡61包括第一表面61a，第二表面61b，以及引導光纖的導引孔61c。
換句話說，該棒狀非球面透鏡具有導引孔61c，后者帶有通過模壓形成的凹槽。該棒狀非球面透鏡是個直徑為1mm和長為3mm的高度小型化的微型透鏡，導引孔的直徑大約為125微米或250微米，從而能使裸露的光纖插入該導引孔內。
導引孔61c的中心是在棒狀非球面透鏡61的光軸上，從而當把光纖插入該導引孔61c時就可獲得準直光。換言之，透射光纖11的光由光纖11的端面射出，后者固定在形成于棒狀非球面透鏡61的導引出孔61c內。在光透射入棒狀非球面透鏡61之后，就通過棒狀非球面透鏡的第二表面616把光轉換成準直光。這樣，和常規(guī)技術相比，按第四實施例的棒狀非球面透鏡易于裝配并在長的距離范圍內提供準直光。
圖7A-圖7C是這些棒狀非球面透鏡的透視圖。
圖7A是從入射一側觀察的視圖。圖7B是從發(fā)射一側觀察的視圖。圖7C將留后介紹。
正如圖7B所示，發(fā)射自插入導引孔71c中光纖11的端面的光通過棒狀非球面透鏡71被轉換成準直光。
正如上述，為牢固地支承光纖而形成導引孔使得裝配操作容易且成本低而無需調整光纖的光軸使之與棒狀非球面透鏡相一致。圖6B示出從第1表面觀察到的導引孔的形狀。雖然該導引孔是圓柱體形，但可以是其他的形狀，諸如三角棱柱體，四角柱體以及如圖6C所示的多角柱體，只要能支承光纖即行。
導引孔的直徑不必是和光纖的直徑250微米相同。該直徑可以小許多，例如，125微米，或者大很多，例如，0.5mm和0.9mm。
正如圖6D和6E所示，可把棒狀非球面透鏡作成其中帶有兩個接收兩根光纖的導引孔。如圖6D所示，可形成邊靠邊的兩個導引孔63c，另一可供選擇的是，導引孔64c可以是單孔，其中可一起插入兩根光纖。還有其他的選擇，可形成多個導引孔，從而可使光纖陣列插入并在其中加以固定。
正如上述，其中固定有兩根光纖以形成準直儀透鏡的裝置，這在常規(guī)技術中是不存的。這種配置可應用于混合光隔離器，光循環(huán)器，光開關，光纖放大器，以及光衰減器，并配備在光通信系統(tǒng)中是重要的光學功能裝置上。本發(fā)明可方便地應用于DCF的制造。
常規(guī)的雙光纖維直儀(DCF)是其中兩根光纖同第一表面接觸的一種配置。和本發(fā)明相反，常規(guī)的雙光纖準直儀在透鏡中沒有形成導引孔。
圖7C是按本實施例一供DCF用棒狀非球面透鏡的透視圖。圖7C清晰地表明，由插入導引孔72c的兩光纖11x和11y的端面發(fā)射出的光通過棒狀非球面透鏡71分別轉換成準直光13x和13y。兩光纖11x和11y相隔一距離，例如125μm或250μm。對于等于或小于250μm的距離，即使若棒狀非球面透鏡72的發(fā)射端面72a之非球形面狀與單光纖準直儀71的發(fā)射端面71a之形狀相同，也能獲得準直良好的光。當把多根光纖插入形成于棒狀非球面透鏡的導引孔并以大于250μm的間隔空間相隔時，希望所設計的非球面微型透鏡陣列具有無曲率表面的非球面形狀，從而使導引孔的中心軸與光纖的光軸相一致。
這里雖然相對于光纖描述了實施例的光源，但若光源為一半導體激光器或能藏于導引孔的中表面發(fā)射的激光，則通過采用具有導引孔的棒狀非球面透鏡同樣可產生準直光和準直的光束。
正如上述，提供導引孔，即使對于多根光纖和帶狀多芯光纖，也無需調整光軸，從而允許在預定間隔處容易而精確地固定諸光纖。這就實現(xiàn)，例如，低成本的DCF。
在這里，相對于光纖的固定技術作了描述，其中在透鏡的第一表面上形成有導引孔固定有多根光纖。該結構并不只限于此，例如，在部件形狀不同于透鏡的玻璃材料上可制作類似于上述導引孔的孔，而后可把多根光纖或帶狀多芯光纖固定住以形成光纖陣列。
(第五實施例)將參考圖8A和8B描述制造帶有光纖引導的棒狀非球面透鏡的方法。圖8A和8B說明制造棒狀非球面透鏡的各個階段。
如圖8A和8B所示，按照第五實施例制造棒狀非球面透鏡的方法與圖2A和2B中第二實施例的不同之處在于，碳化鎢作的上模82具有凸起82a，借助導引孔就得以形成。
如上所述，在模子上表面上提供凸起允許以一塊結構制作具有導引孔的棒狀非球面透鏡。
技術上的關鍵是在具有高硬度碳化鎢作的模子上形成直徑為，例如125μm或250μm凸起的方法。為在模子上精確形成凸起，采用顯微電氣放電機械加工。
顯微電氣放電機械加能在模子表面上形成直徑為125μm和250μm的凸起。為便于機械加工，最好將該凸起形成為圓柱體，但也可形成為三角棱柱，四角棱柱，或多角棱柱體。
可以邊靠邊地形成多個凸起來替代只有一個凸起。
再者，可在模式上形成多個凸起，俾使多個導引孔形成于棒狀非球面透鏡的第一表面，從而形成一光纖陣列。
例如，若在限定棒狀非球面透鏡第一表面的上模上形成制作導引孔用的兩個凸起，或如圖6E所示在上模上形成一接納兩孔用足夠大的凸起，則可在模壓成的棒狀非球面透鏡的第一表面上邊靠邊地固定住兩根光纖，從而實現(xiàn)雙光纖維直儀。
所用模子要求凸起具有寬相等于兩直徑為125μm的圓柱體和高在500μm至5mm的范圍內，俾使諸光纖角插入如此形成的孔中。在本發(fā)明中，通過采用能微機械加工的顯微電氣放電機械加工機械加工模子以提供該凸起。采用微機械加工允許精確地機械加工滲碳模子的細部并使之能提供具有多個凸起的模子。
正如上述，按照第五實施例制造棒狀非球面透鏡的方法允許以低成本、高制造效率來大量生產棒狀非球面透鏡。
(第六實施例)將介紹圖9A-9C所示按本發(fā)明一棒狀非球面透鏡的實施例。
圖9A和9B是說明棒狀非球面透鏡91的透視圖。
圖9A是從入射側觀察的視圖。圖9B是從出射側觀察的視圖。
棒狀非球面透鏡91與圖1中棒狀非球面透鏡的不同之外在于有一對槽溝91C配備在棒狀非球面透鏡91的側面上。該透鏡如此運行，俾使發(fā)射自光纖11的光鄰接至棒狀非球面透鏡91的第一表面91a，穿越通過棒狀非球面透鏡91，并被第二表面91b折射成準直光13。
如圖9C所示，該槽溝對91C對定位棒狀非球面透鏡于光功能裝置中的固定板92是有用的。槽溝對91C允許裝配工作期間棒狀非球面透鏡的便于固定，并以低的成本定位該棒狀非球面透鏡。
制造這種具有槽溝的棒狀非球面透鏡的方法將參考圖10A-圖10C加以描述。
圖10A-圖10C說明制造該棒狀非球面透鏡的各個階段。
該按本發(fā)明制造棒狀非球面透鏡的方法與圖2中所示第二實施例的不同之處在于形成槽溝用三角形凸起104a配備在如圖10B所示碳化鎢所作吹模14的內表面上。在限定棒狀非球面透鏡外部輪廓的模子上備有三角形凸起允許易于形成具有槽溝的棒狀非球面透鏡。在棒狀非球面透鏡上形成槽溝的一個方法是精密研磨。然而，如本實施例那樣通過模壓在側面上形成槽溝則具備有以十分低的成本定位槽溝。
雖然第六實施例中所用模式具有形成槽溝用的三角形凸起，但該凸起可以是半圓柱體或僅僅是高出的部分。為使模壓件從模子中平滑釋放出來，不應在跨越模子的整個長度上形成槽溝，而是只可在外部輪廓的有限部分，例如靠近第一表和第二表面處。
(第七實施例)將參考圖11A和11B描述按發(fā)明一棒狀非球面透鏡的實施例。
第七實施例與圖1中第一實施例的棒狀非球面透鏡不同之處在于該棒狀非球面透鏡并非圓柱體形，而是在其側面上包括有一平直的部分11c。
第七實施例的透鏡將如下運行發(fā)射自鄰接棒狀非球面透鏡111第一表面111a之光纖11的光穿越通過棒狀非球面透鏡111，并被第二表面111b折射成準直光13。
如上所述，在棒狀非球面透鏡的一部分上配備平直部分111c允許該棒狀非球面透鏡相對于光學功能裝置上的固定板112進行定位。該結構使透鏡易于定位，尤其是在高度方向上。通過對齊多個棒狀非球面透鏡111，便能配置出準直使透鏡陣列和光纖準直儀陣列。
制造具有平直部分棒狀非球面透鏡的方法將參考圖12A-12V進行介紹。
圖12A-圖12C說明制造該棒狀非球面透鏡的各個階段。
按第七實施例制造棒狀非球面透鏡的方法與圖2中第二實施例的不同之處在于如圖12B所示，碳化鎢所作吹模124具有一平直部分124a。如上所述，在一部分限定棒狀非球面透鏡外形的模子上配備一平直的部分允許易于制造具有平直部分的棒狀非球面透鏡。
如本實施例那樣通過模壓在透鏡側面形成平直部分使得透鏡表面的定位具備有十分低的成本。
(第八實施例)將參考圖13A和13B描述按本發(fā)明的一棒狀非球面透鏡。
第八實施例與圖1中按第一實施例的棒狀非球面透鏡不同之外在于棒狀非球面透鏡并非圓柱體而是諸如四角棱柱體和六角棱柱體一類的多角棱柱體。
圖13A說明呈四角棱柱體形的棒狀非球面透鏡131。圖13B說明呈六角棱柱體形的棒狀非球面透鏡132。透鏡運行如下發(fā)射自鄰接棒狀非球面透鏡131和132第一表面131a和132a的光纖11的光分別通過棒狀非球面透鏡131和132，然后分別由第二表面131b和132b折射成準直光。
四角棱柱體和六角棱柱體允許多個棒狀非球面透鏡進行堆疊，從而使光學準直儀陣列易于制造。圖14A和14B說明第八實施例的這一情況。
圖14A說明利用其側面使兩四角棱柱體形棒狀非球透鏡131和141邊靠近地進行對齊。圖14B說明利用其側面將三個六角棱柱體形棒狀非球面透鏡132和142對齊，從而使其光軸平行。
如此制作的棒狀非球面透鏡的優(yōu)點在于可精確設定各透鏡光軸間的距離，從而精確地設定各光束光軸之間的距離。因而能方便地配置出準直儀透鏡陣列和光纖準直儀陣列。
圖15A～圖15C說明制造上述多角棱柱體形棒狀非球面透鏡的方法。
圖15A～圖15C說明該制造棒狀非球面透鏡的各個階段。
按第八實施例制造棒狀非球面透鏡的方法與第二實施例不同之處在于碳化鎢所作吹模154具有如圖15B所示的六角形部分154a。
如上所述，在一部分限定棒狀非球面透鏡外部輪廓的橫子上配備六角形部分允許棒狀非球面透鏡具有一六角棱柱體的平直部分。
為使模子容易釋放脫出，吹模154可以是具有兩個半邊的二—部模子。正如目前那樣，通過模壓形成平直的表面以限定六角棱柱體形狀允許以低的成本定位透鏡的表面以及透鏡陣列的精確制造。
圖6A到8B所示的引導單個或多個光纖的導引孔可在棒狀非球面透鏡中形成，例如如圖9到15C所示。
(第九實施例)將描述如圖16A～圖16F中按本發(fā)明的棒狀球面透鏡。
圖16A中的棒狀非球面透鏡包括第一表面161a和非球面的第二表161b，第一表面161a與垂直于光軸的平面形成一角度。
第1表面161a是個傾斜的表面，為的是防止發(fā)生返回光纖11的反射光。該棒狀非球面透鏡是個十分小的棒狀透鏡，例如，具有直徑1mm和長3mm，以及直徑2.5mm和長4.5mm。
第一表面的角度θ通常在6至8度的范圍，但可以大于8度，例如，10度及12度。所以可設計第一表面具有角度，例如，6，7，8，10，以及12度或者甚至更大。
圖16A中的實施例是個非接觸型棒狀非球面透鏡，它具有呈傾斜面的第一表面161a。相反，圖16B中的例子是個接觸型棒狀非球面透鏡，其中第一表面162a以帶有傾斜角的PC形加以形成，從而使該透鏡能夠PC連接至業(yè)經(jīng)APC(Angled Physical Contact-成角度的物理接觸)的金屬套。
圖16C說明具有第一表面部分傾斜的棒狀非球面透鏡。形成如圖16C所示的第一表面使透鏡同金屬套164或業(yè)已傾斜拋光的光纖易于進行物理接觸，如圖16D所示那樣，并當進行光連接時減少反射損耗。
現(xiàn)將描述光纖端面的精加工。光纖端面的精加工包括四種類型表面拋光，凸面拋光(PC拋光)，精密凸面拋光(精密PC拋光)以及傾斜拋光，所有這些全在把透鏡固定至金屬套或毛細管之后完成。連接器端面的表面拋光使往回反射減少大約-16dB(4％)。PC拋光，也即，凸面拋光提供一略為彎曲的表面，后者當光纖連接器彼此相互耦合時允許諸端面的物理接觸。
這使存在的空氣減至最少，空氣在光路徑上具有和透鏡不同的折射指數(shù)，從而使返回損耗減至30至40dB。
凸面(PC)拋光是各種不同應用中最常采用的連接器端面拋光用技術。精密凸面拋光(先進的PC拋光)包括更多的拋光階段，為的是進一步改進連接器端面的質量，并用來使返回反射降低至40至55dB。
這些拋光類型均在高速數(shù)字光通信系統(tǒng)中得到應用。傾斜拋光是一種使光纖端面與垂直于光纖光軸之平面成一角度的技術。成角度的PC拋光是一種其中使光纖端面以與垂直于光纖光軸之平面如上述范圍在6至8度角進行PC拋光的技術。在PC拋光中，光纖的諸纖芯同樣彼此相互接觸，而光則以同光軸成一角度而離開另一光纖的纖芯往回反射。這樣，返回損耗或小于60dB。
圖16A中的實施例具有一垂直于光軸的光纖11的平面端面。為防止反射的光返回，在圖16D中具有PC-拋光端面165a的光纖可同圖16A中的棒狀非球面透鏡相聯(lián)合，其中端面165a與垂直于光軸的平面成一角度(參見圖16E)。另一可供選擇的是，在圖16D中具有其端面與垂直于光軸之平面成一角度的PC-拋光端面的光纖可同圖16B中的精狀非球面透鏡相聯(lián)合。這樣一種聯(lián)合當應用于所述光纖準直儀和雙光纖準直儀時就具備有特別的優(yōu)點，也就是說，圖16A-16C中范圍6至8度的傾斜角θ便于PC連接，并使返回的反射光減少。
圖16E說明圖16D中光纖的端面165a和圖16A中透鏡的第一表面161a彼此并不接觸，而是相互隔開一所希的距離y。在該情況下，如此設計非球面的形狀，俾當準直光進入棒狀非球面透鏡161的發(fā)射面一側時，也即，從第二表面161b的右側起，把光聚焦在結合于金屬套165的光纖端面165a上，換言之，重要的是，要如此設計棒狀非球面透鏡，俾使棒狀非球面透鏡的第二表面161b之正面焦點落在光纖的端面165a上。
這里，光纖端面的傾斜角θ可以與非球面透鏡傾斜入射表面的相同，但也不必相同，只要返回的反射光并不傳播進入光纖即行。尤其是因入射一側光纖的端面通常以8度進行拋光，故按照光纖的端面，設計待要成形的棒狀非球面透鏡的第一表面使之傾斜4至9度的角。
一般講，有兩種平行光線從具有有限尺寸光源的每一部分輻射出的所有光纖是平行的，以及從無限小光源輻射出的所有光線是平行的。應注意，由于光纖的端面和光源通常具有有限的尺寸而并非都是理想的點源，故由透鏡發(fā)射的光均發(fā)散。假設光輻射自具有直徑為A的光源，而該光擬轉換成平行光所用透鏡具有焦距f，則平行光的發(fā)散角的弧度表示為A/f。即使假定輻射自光源之一點的光束轉換成平行光，該平行光也與輻射自另一點的光束成一角度，因而所發(fā)射出的最終光將是發(fā)散的。為使采用具有有限尺寸的光源產生具有發(fā)散角盡可能小的光束，重要的是要設計一具有長焦距的透鏡，俾當入射光正如發(fā)射自半導體激光器和單模光纖的高斯光束那樣時，使透鏡第二表面的形狀具有一在距透鏡第二表面盡可能遠的點上形成的光束腰部。
圖16F是圖16B中光纖接觸部分的放大視圖。在該情況下，把光纖末梢11a拋光成使之同垂直于拋光光纖纖芯光軸的平面成一規(guī)定角度的表面，也即，APC(成角度的物理接觸)。光纖端面11a與棒狀非球面透鏡162接觸，后者同樣以同垂直于光纖光軸的平面成一角度θ來形成彎曲的表面162a。在該情況下，透射通過棒狀非球面透鏡并從透鏡第二表面發(fā)散出的光業(yè)已得到準直，而第二表面也即發(fā)射表面162b的非球面形狀，則設計成具有正面焦點落在與共同光纖相接觸的第一表面162a之部分1601上。
圖17A和17B說明制造具有傾斜第一表面的棒狀非球面透鏡的方法。
制造棒狀非球面透鏡的方法與按照圖2實施例不同之處在于，正如圖17A所示，碳化鎢作的上模172具有傾斜的表面172a，用以限定棒狀非球面透鏡的傾斜表面。
在模子上具備有傾斜的表面172a允許棒狀非球面透鏡易于模壓成具有一傾斜的第一表面。在形成棒狀非球面透鏡之后通過精密拋光也可在棒狀非球面透鏡上制該傾斜的表面。然而，按照本實施例在單個工藝階段中模制棒狀非球面透鏡允許以十分低的成本制造具有傾斜表面的棒狀非球面透鏡。
該實施例使具有圖16B中傾斜PC表示的第一表面或具有圖16C中部分傾斜表面的第一表面這樣一種棒狀非球面透鏡易于制造，并允許以良好的可重復性精密轉移模子的非球面形狀。這樣，該實施例允許以低的成本結合高的制造效率大量生產棒狀非球面透鏡。
上述制造方法采用了碳化鎢制作的模子。然而，若透鏡材料對玻璃模壓適合的話，則例如由低熱膨脹的結晶化玻璃也可用來形成棒狀非球面透鏡。
(第十實施例)圖18A說明按本發(fā)明一棒狀非球面透鏡的實施例。
圖18A中的棒狀非球面透鏡是供會聚光束用的棒狀非球面透鏡181。
第十實施例與已述過實施例的區(qū)別在于光學耦合系統(tǒng)并非呈準直儀系統(tǒng)的形式，而是呈會聚光束形式的光學系統(tǒng)或共焦光學系統(tǒng)。常常通過準直儀光學系統(tǒng)來配置光學功能裝置，但可以采用其中光被耦合的會聚光束光學系統(tǒng)來進行配置。
圖18A清楚地表明，采用的棒狀非球面透鏡允許發(fā)射自光纖11的光轉換成會聚光束183。
這樣，設計棒狀非球面透鏡的折射指數(shù)、長度，以及非球面的形狀允許在前述各實施例中所介紹的棒狀非球面透鏡不僅作為準直儀透鏡，而且也作為產生會聚合光束用的棒狀非球面透鏡加以使用。
具體而言，重要的是要如此設計該透鏡，俾使第二表面181b的焦點比光纖11的發(fā)射端面與之接觸的第1表面181a上的位置更內些。
圖18B說明配置以會聚光束光學系統(tǒng)的光耦合系統(tǒng)?？墒褂眠@樣一種共焦光學系統(tǒng)來配置光學功能裝置用的光耦合系統(tǒng)，在該情況下，通過從耦合效率，定位精度以及易于裝配的觀點出發(fā)修正透鏡的折射指數(shù)、長度(厚度)以及非球面的形狀可以有益地應用以上按本發(fā)明業(yè)已介紹過的棒狀非球面透鏡。
(第十一實施例)雖然相對于玻璃材料業(yè)已描述過按以上所述諸實施例的棒狀非球面透鏡，但小心設計和選擇模子，加熱溫度，加熱時間，透鏡材料數(shù)量，以及注射技術則允許塑料和樹脂材料的使用。
如果透鏡材料是由塑料和樹脂材料構成，則可以使用注射模和注射壓膜來制造按本發(fā)明的棒狀非球面透鏡。
另外，可采用按十一實施例的模壓來制造沖壓透鏡(press lens)，在該情況下，模子要求在模壓之后易于從塑料和樹脂材料中釋放出來。
采用，例如由玻璃材料作的模子對精確地轉換非球面的形狀是有效的。
(第十二實施例)正如在第一實施例中所述，對棒狀非球面透鏡設定透鏡材料的折射指數(shù)相等于光纖纖芯的，則提供的反射率下降，這對連接光纖至按本發(fā)明的透鏡是有利的。
第一實施例已對范圍在1.46至1.48的折射指數(shù)作了介始，這一范圍是在考慮了單模光纖纖芯的折射數(shù)后加以確定的。為減少反射率可有效采用光學玻璃，假設該玻璃具有接近于各種不同光纖的折射指數(shù)。
這樣，可選擇透鏡材料具有基本上如擬與該透鏡耦合的光纖纖芯相同的折射指數(shù)，從而使模壓棒狀非球面透鏡沒有困難。
正如第一實施例所述，在棒狀非球面透鏡的兩個表面均具備有防反射涂層(AR涂層)同樣使透鏡的插入損耗減少，對配置高性能光學功能裝置也是有效的。
圖20A說明一具有其上放置有AR涂層的棒狀非球面透鏡。
棒狀非球面透鏡具有第1表面201a和第二表面201b，該兩表面均涂在AR涂層201c。當欲配置一光學功能裝置時，非球面一側同一具有不同折射指數(shù)的介質，例如，空氣相接觸。這樣，施加AR涂層201c于棒狀非球面透鏡201上對減少透鏡與空氣之間邊界上的反射損耗就特別有效。
圖20B說明施加至棒狀非球面透鏡的金屬化工藝。
為牢固地安裝透鏡于，例如，固定的基底，通過蒸發(fā)沉積在棒狀非球面透鏡外部輪廓(側面)上形成的金屬化層(金屬遮蓋層)202c允許棒狀非球面透鏡容易進行固定，對棒狀非球面透鏡的制造提供優(yōu)點，使該金屬化層用于通過焊接固定和通過接合固定。
金屬化層202c可使用作為標準涂復材料的Ni同Au，F(xiàn)e，Cu，Ag以及Sn的合金型涂層進行涂復。Ni-Au和Ni-Fe合金對用焊接固定尤為有效。金屬化層特別有利之處在于不必在所有側面都形成金屬化層，而僅需在部分側面形成，與此同時依然使棒狀非球面透鏡的裝配易于進行。
圖20C說明加工施加至棒狀非球面透鏡的波長濾波器。
正如從圖20C所表明的那樣，棒狀非球面透鏡203具有在第二表面上形成的呈介質多層形式的波長濾波器203c，從其上發(fā)射行進在光纖11中的光。
正如上述，在棒狀非球面透鏡上形成波長濾波器使透鏡添加上波長選擇的功能。在常規(guī)技術中，當作為光學功能裝置形成波長濾波器時，要求把一對光纖準直儀和光學濾波器裝配在一起。然而，采用具有波長濾波器的棒狀非球面透鏡就無需分立的光學濾波器，并簡化裝配操作，從而使波長濾波器小型化。
通常，波長濾波器包括多個具有不同光學性質(折射指數(shù))的材料，一個層迭在另一個之上，該層迭的結構控制著光波的傳播特性。
通常設計每一層使之具備通過該層光的1/4波長的光程(＝折射指數(shù)×厚度×Cos(入射角))。
采用包括TiO2，Ta2O5，ZrO2和Nb2O3作為高折射指數(shù)材料，SiO2作為低折射指數(shù)材料，以及Al2O3作為中間物質的介質多層膜來制造波長濾波器。
例如，可采用蒸發(fā)沉積，濺射，以及化學汽相沉積。在本實施例中，波長濾波器通過雙離子束濺射(DIBS)同時監(jiān)控光學特性來制作光學濾波器。
若施加波長濾波器至一棒狀非球面透鏡，后者具有小的長度(厚度)和小的直徑，例如φ2mm或以下，則發(fā)射出具有小直徑的光束，并在靠近江軸區(qū)域內進行折射。是故，所發(fā)射的光束并不受到象差的嚴重影響，且與進入該濾波器之光束的入射角無關。這樣，該實施例對于，例如，波分復用濾光器的應用就特別有利。
(第十三實施例)相對于作為光輸入裝置的光纖描述了棒狀非球面透鏡。可以采用諸如半導體激光器(D)，LED，表面發(fā)射激光器(VCSEL)之類的光源來代替光纖。
應注意的是，呈LD形式的光源具有通過它光得以發(fā)射的不同的數(shù)值孔徑(NA)，所以非球面透鏡要求具有不同于光纖用的最佳非球面形狀。
正如上述，按本發(fā)明的棒狀非球面透鏡沒有象差，易于光軸的調整，并具備良好的光束準直性和會聚性。換言之，經(jīng)準直的光在長的距離范圍內延伸，或者能配置一會聚光束的光學系統(tǒng)而無困難。這樣，按照本發(fā)明的棒狀非球面透鏡提供的透鏡在光學系統(tǒng)中就呈現(xiàn)出優(yōu)良的耦合效率。
此外，能夠配置透鏡陣列和光纖準直儀陣列而無困難，從而使提供的透鏡及其制造方法能夠實現(xiàn)低成本，高性能以及小型化的光學功能裝置。
可將按照本發(fā)明的棒狀非球面透鏡應用于以下領域中的光耦合，光信號處理，以及光束轉換，這些領域不僅有光通信，而且也有光路元件—安裝的基底，圖像信息處理裝置，以及液晶顯示裝置。
上述各實施例主要相對于以下情況進行了描述，即其中棒狀非球面透鏡轉換發(fā)射自光纖的光為準直之尖或會聚的光束。本發(fā)明并不限于這些實施例。可應用本發(fā)明于其中光源，例如取表面發(fā)射激光器形式的配置，且依然具有如上述那些同樣的優(yōu)點和作用。
上述配置能在光耦合系統(tǒng)中實現(xiàn)具有高耦合效率的棒狀非球面透鏡，并以十分低的成本提供大量生產棒狀非球面透鏡的方法。再者，上述配置還易使棒狀非球面透鏡同光纖的平滑耦合，實現(xiàn)光學功能裝置的小型化，陣列型形式和高性能。
正如從以上介紹中所表明的那樣，本發(fā)明提供在光耦合系統(tǒng)中具有高耦合效率的棒狀非球面透鏡以及制造這樣一種棒狀非球面透鏡的方法。
權利要求
1.一種將發(fā)射自預定光源或光纖發(fā)射端的光轉換成預定光的棒狀非球面透鏡，其特征在于該棒狀非球面透鏡包含具有球面或平直面的第一表面，所述第一表面同光源或發(fā)射端相接觸；以及與所述第一表面基本相對的第二表面，所述第二表面具有非球面的形狀，發(fā)射自光源或光纖的光穿越通過所述半球面形狀，所述第二表面將光轉換成準直光或會聚光束。
2.如權利要求1所述的棒狀非球面透鏡，其特征在于，所述第一表面與光纖的發(fā)射端接觸，而已通過所述第二表面的光是準直光；其中第二表面的焦點落在所述第一表面上與發(fā)射端接觸的位置處。
3.如權利要求1所述的棒狀非球面透鏡，其特征在于，所述第一表面與光纖的發(fā)射端接觸，而已通過所述第二表面的光是會聚光束；其中所述第二表面具有一焦點，其位置比所述第一表面上接觸發(fā)射端的位置更接近棒狀透鏡的內部。
4.如權利要求2或3所述的棒狀非球面透鏡，其特征在于，棒狀非球面透鏡基本上是個圓柱體形狀，它具有的預定外直徑基本上與維持光纖與金屬套結合的金屬套的直徑相同。
5.一種制造如權利要求1所述的棒狀非球面透鏡的方法，其特征在于，該法包括以下步驟第一階段，此時加熱透鏡材料至其具有塑性的預定溫度；第二階段，此時通過采用模子在壓力下使所加熱的透鏡材料形成透鏡形狀；第三階段，此時形成兩個透鏡的表面，同時加壓透鏡材料并將透鏡材料從預定溫度冷卻至轉化點；以及第四階段，此時冷卻模壓過的透鏡材料至低于轉化點的溫度。
6.一種將發(fā)射自預定光源或光纖發(fā)射端的光轉換成預定光的棒狀非球面透鏡，其特征在于，該棒狀非球面透鏡包含具有導引孔的第一表面，該孔中插入多個光源或多根光纖的發(fā)射端；基本上對著所述第一表面的第二表面，第二表面具有非球面形狀，通過它使發(fā)射自諸光源或諸光纖的光穿越通過，所述第二表面將該光轉換成準直光或會聚光束。
7.如權利要求6所述的棒狀非球面透鏡，其特征在于，已通過所述第二表面的光是準直光；其中第二表面的焦點基本上落在導引孔的底部。
8.如權利要求6所述的棒狀非球面透鏡，其特征在于，已通過所述第二表面的光是會聚光束；其中第二表面的焦點位于比導引孔底部更內的透鏡位置處。
9.如權利要求7所述的棒狀非球面透鏡，其特征在于，如此形成的導引孔使兩平行光纖的發(fā)射端得以插入以形成雙光纖準直儀。
10.一種制造如權利要求6所述的棒狀非球面透鏡的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟第一階段，此時加熱透鏡材料至其具有塑性的預定溫度；第二階段，此時通過采用模子在壓力下使所加熱的透鏡材料成形為透鏡；第三階段，此時形成兩個透鏡表面，同時加壓透鏡材料并將透鏡材料從預定溫度冷卻至轉化溫度；以及第四階段，此時冷卻模壓過的透鏡材料至低于轉化溫度的溫度；其中形成第一表面用的模子具有一用以形成導引孔的凸起。
11.如權利要求1或6所述的棒狀非球面透鏡，其特征在于，棒狀非球面透鏡基本上呈圓柱體形，并具有形成在圓柱體之圓柱表面上的槽溝或平直部分。
12.如權利要求1或6所述的外表面棒狀非球面透鏡，其特征在于，棒狀非球面透鏡基本上呈多角棱柱體形狀。
13.如權利要求5或10所述的制造棒狀非球面透鏡的方法，其特征在于模子基本上具有對應于棒狀非球面透鏡外表面的圓形圓柱體的內表面，該圓形圓柱體的內表面具有在棒狀非球面透鏡中形成槽溝用的凸起和在棒狀非球面透鏡上形成平直部分用的平直部分。
14.如權利要求5或10所述的制造棒狀非球面透鏡的方法，其特征在于模子基本上具有對應于棒狀非球面透鏡外表面的多角棱柱體。
15.一種將發(fā)射自預定光源或光纖發(fā)射端的光轉換成預定光的棒狀非球面透鏡，其特征在于該棒狀非球面透鏡包含第一表面，發(fā)射自光源或發(fā)射端的光入射到其上，所述第一表面與入射到所述第一表面的光的光軸相垂直的平面成一傾斜角；具有非球面形的第二表面，入射在所述第一表面上的光穿越通過它，所述第二表面將該光轉換成準直光或會聚光束，并發(fā)射出準直光或會聚光束。
16.如權利要求15所述的棒狀非球面透鏡，其特征在于，所述第一表面同光纖的發(fā)射端是空間分隔的。
17.如權利要求16所述的棒狀非球面透鏡，其特征在于，發(fā)射自所述第二表面的光是準直光，而所述第二表面的焦點位于光纖的發(fā)射端上。
18.如權利要求15所述的棒狀非球面透鏡，其特征在于，所述第一表面同光纖的發(fā)射端相接觸。
19.如權利要求18所述的棒狀非球面透鏡，其特征在于，所述第一表面是球面或非球面，而光纖的發(fā)射端是以下任何形狀之一(1)平直，(2)球面，以及(3)非球面，光纖的發(fā)射端對應于傾斜角而傾斜。
20.如權利要求19所述的棒狀非球面透鏡，其特征在于，發(fā)射自所述第二表面的光是準直光，而所述第二表面的焦點位于所述第一表面上發(fā)射端與所述第一表面相接觸的位置處。
21.如權利要求19所述的棒狀非球面透鏡，其特征在于，發(fā)射自所述第二表面的光是會聚光，而所述第二表面的焦點位于透鏡內部比所述第一表面更內些。
22.如權利要求15所述的棒狀非球面透鏡，其特征在于，傾斜角是6度，8度和12度中的任何一個。
23.一種制造如權利要求15所述的棒狀非球面透鏡的方法，其特征在于該方法包括以下步驟第一階段，此時加熱透鏡材料至該材料具有塑性的預定溫度；第二階段，此時通過采用模子在壓力下使加熱過透鏡材料形成為透鏡形狀；第三階段，此時形成兩個透鏡表面，同時加壓透鏡材料并使透鏡材料從預定溫度冷卻至轉化溫度；以及第四階段，此時冷卻模壓過的透鏡材料至低于轉化點的溫度；其中形成第一表面用的模子與垂直于光軸的平面成一傾斜角。
24.如權利要求1、6或15所述的棒狀非球面透鏡，其特征在于，棒狀非球面透鏡的透鏡材料具有與光纖纖芯相同的折射指數(shù)。
25.如權利要求1、6或15所述的棒狀非球面透鏡，其特征在于，棒狀非球面透鏡的所述第一表面和所述第二表面均涂有防反射涂層。
26.如權利要求1、6或15所述的棒狀非球面透鏡，其特征在于，棒狀非球面透鏡具有施加于其外表面的金屬薄膜。
27.如權利要求1、6或15所述的棒狀非球面透鏡，其特征在于，棒狀非球面透鏡的所述第二表面具有形成于其上的波長濾波器。
28.如權利要求1、6或15所述的棒狀非球面透鏡，其特征在于，棒狀非球面透鏡的透鏡材料是玻璃材料或樹脂材料。
29.一種制造棒狀非球面透鏡的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟a)將玻璃棒置于吹模中，該吹模包括第一開口和與第一開口相對的第二開口；b)將玻璃棒加熱到玻璃棒具有塑性的預定溫度以上；c)將具有第一形狀端部的第一模子滑入吹模的第一開口；d)將具有第二形狀端部的第二模子滑入吹模的第二開口，第二模子的第二形狀端部具有一凹形非球面形狀；e)在第一模子的第一形狀端部和第二模子的第二形狀端部之間壓制加熱的玻璃棒，以形成棒狀非球面透鏡；以及f)將棒狀非球面透鏡冷卻至預定溫度以下，其中第一模子的第一形狀端部具有凹形球面形狀或平直表面。
30.一種制造棒狀非球面透鏡的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟a)將玻璃棒置于吹模中，該吹模包括第一開口和與第一開口相對的第二開口；b)將玻璃棒加熱到玻璃棒具有塑性的預定溫度以上；c)將具有第一形狀端部的第一模子滑入吹模的第一開口；d)將具有第二形狀端部的第二模子滑入吹模的第二開口，第二模子的第二形狀端部具有一凹形非球面形狀；e)在第一模子的第一形狀端部和第二模子的第二形狀端部之間壓制加熱的玻璃棒，以形成棒狀非球面透鏡；以及f)將棒狀非球面透鏡冷卻至預定溫度以下，其中第一模子的第一形狀端部具有至少一個凸起；以及棒狀(e)還包括相對第一模子的第一形狀端部的凸起壓制玻璃棒，以在棒狀非球面透鏡中形成至少一個導引孔的步驟。
31.如權利要求29或30所述的制造棒狀非球面透鏡的方法，其特征在于吹模的內表面包括一個沿內表面一部分長度的三角形或平直部分；以及步驟(e)還包括相對吹模內表面的三角形或平直部分壓制玻璃棒，以在棒狀非球面透鏡上形成標記的步驟。
32.如權利要求29或30所述的制造棒狀非球面透鏡的方法，其特征在于吹模的內表面具有預定多角截面的多角棱柱體形狀；吹模的第一開口具有預定的多角形狀；以及吹模的第二開口具有預定的多角形狀。
33.一種制造棒狀非球面透鏡的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟a)將玻璃棒置于吹模中，該吹模包括第一開口和與第一開口相對的第二開口；b)將玻璃棒加熱到玻璃棒具有塑性的預定溫度以上；c)將具有第一形狀端部的第一模子滑入吹模的第一開口；d)將具有第二形狀端部的第二模子滑入吹模的第二開口，第二模子的第二形狀端部具有一凹形非球面形狀；e)在第一模子的第一形狀端部和第二模子的第二形狀端部之間壓制加熱的玻璃棒，以形成棒狀非球面透鏡；以及f)將棒狀非球面透鏡冷卻至預定溫度以下，其中吹模具有對應于棒狀非球面透鏡之光軸的縱軸；以及第一模子的第一形狀端部表面的法線與吹模的縱軸形成預定角度。
全文摘要
一種將發(fā)射自預定光源或光纖發(fā)射端的光轉換成預定光的棒狀非球面透鏡，該棒狀非球面透鏡包含具有球面或平直面的第一表面，第一表面同光源或發(fā)射端相接觸；以及與第一表面基本相對的第二表面，第二表面具有非球面形狀，發(fā)射自光源或光纖的光穿越通過它，第二表面將光轉換成準直光或會聚光束。
文檔編號G02B3/04GK1409144SQ02144009
公開日2003年4月9日 申請日期2002年9月27日 優(yōu)先權日2001年9月27日
發(fā)明者伊藤伸器, 東城正明, 森岡一夫 申請人:松下電器產業(yè)株式會社