專利名稱：光學(xué)透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用在纖維光學(xué)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中的單個(gè)或陣列式的微光學(xué)透鏡的領(lǐng)域，具體地說，本發(fā)明涉及將激光引入高帶寬光纖中同時(shí)減小或消除到激光器的反饋的廉價(jià)透鏡。
背景技術(shù)：
圖1示出了一般公知的布置，其中光學(xué)透鏡10插入在激光(即，相干)光源15和光纖20的前端之間。激光光源15例如安裝在晶體管外殼(TO)頭部或覆蓋了腔14的開放端的電路板12上。透鏡10具有物(或輸入)面25和像(或輸出)面30。透鏡10通過晶體管外殼(TO)容器或模16夾持，且與激光源15光對(duì)齊。圖1以光線跟蹤的方式示出了從激光源15進(jìn)入光纖20的前端22的光線的典型路徑。光纖20還具有與接收機(jī)設(shè)備35相連接的后端24。
關(guān)于這種透鏡，有若干種不利的設(shè)計(jì)因素。這包括了以下情形，即在包含激光器、透鏡和光纖末端的封裝內(nèi)，空間容積是非常小的。一般地說，在平行光通道應(yīng)用中，在激光光源和透鏡的輸入面之間只有300μm。這對(duì)透鏡設(shè)計(jì)提出了限制。此外，這種透鏡耦合單元通常以陣列形式(一般為12×1)制造。這種透鏡設(shè)計(jì)中最重要的目的是避免后向反射。再參考圖1，傳統(tǒng)的光纖面22部分地反射輸入激光，然后輸入激光會(huì)干涉光源15(從而干擾調(diào)制光源所代表的數(shù)據(jù))，導(dǎo)致在光纖遠(yuǎn)端的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。在輸出面24也可能發(fā)生部分反射，該部分反射光向后傳播到激光光源15，再次導(dǎo)致數(shù)據(jù)損壞。另外還要求透鏡將激光引入到光纖中，同時(shí)避免光纖中心與芯-包層界面處的折射率異常，從而提高數(shù)據(jù)通信的帶寬。
在英國(guó)專利公開No.GB 2 354 839A(安捷倫科技公司)中描述了在現(xiàn)有技術(shù)中對(duì)于部分反射問題的解決方法的一個(gè)示例。該現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)描述了環(huán)形透鏡表面，作為對(duì)更早的雙曲傳輸透鏡的替換。
另外公知的是使用亞微米衍射圖(例如，小脊)作為透鏡表面，以減小后向反射。這些透鏡利用昂貴的亞微米晶片技術(shù)來產(chǎn)生，并且這些透鏡衰減激光光束。
通常希望能夠?qū)ξ⑼哥R注塑成模，因?yàn)檫@種制造工藝適于大量、低成本的生產(chǎn)。因?yàn)榧す獍l(fā)射器/收發(fā)器模塊在通過焊點(diǎn)回流工藝或熔焊浴放置到PCB板上的期間，要暴露在高溫下，所以要求透鏡能在200℃或更高的溫度下保持形狀。由于這個(gè)原因，只能使用具有高的玻璃臨界溫度的聚合物。然而，使用這些類聚合物妨礙了衍射表面的應(yīng)用。除了聚合物外，也可利用某些類型的玻璃，然而這會(huì)明顯提高透鏡或透鏡陣列的價(jià)格。

發(fā)明內(nèi)容
一種具有至少一個(gè)以下端面的光學(xué)透鏡，所述端面的表面形狀為二次曲線組分、螺旋組分和圓錐組分的組合。
透鏡可被布置為陣列形式。透鏡或透鏡陣列可以與外封裝(housing)集成，所述外封裝的一端耦合到一個(gè)或多個(gè)激光光源，另一端耦合到一根或多根光纖的自由端。
一種制造所述光學(xué)透鏡的方法，涉及形成與透鏡具有相反形狀的模，所述模包括對(duì)應(yīng)于透鏡端面的模部分。模部分與二次曲線組分、螺旋組分和圓錐組分的組合是相反的。通過將可流動(dòng)材料放入模中，產(chǎn)生所述透鏡。


在附圖中圖1示出了已知的通用光纖/光源耦合布置的示意圖；圖2是透鏡的二次曲線表面的透視圖；圖3是透鏡的圓錐表面的透視圖；圖4是透鏡端面的螺旋成分的透視圖；圖5是具有二次曲線、圓錐和螺旋成分的透鏡端面的透視圖；
圖6示出了與實(shí)施本發(fā)明的透鏡集成在一起的光耦合器；圖7示出了發(fā)生在光纖近端面的引入分布(profile)；圖8示出了來自透鏡的后向反射；圖9a和9b示出了透鏡陣列；圖10示出了集成耦合器的示意形式；以及圖11示出了另一種形式的集成耦合器的示意形式。
具體實(shí)施例方式
在一種實(shí)施方式中，輸入透鏡表面被制造成代表二次曲線、螺旋和圓錐的幾何組合的形狀。
下面的方程代表二次曲線組分z=c(x2+y2)1+1-(1+k)c2(x2+y2)---(1)]]>其中z表面的垂度或z坐標(biāo)；x，y橫向坐標(biāo)；k二次曲線常數(shù)；c曲率(表面的彎曲半徑的倒數(shù))。
圖2是由該方程實(shí)現(xiàn)的二次曲線形狀40的實(shí)施例。
下面的方程代表圓錐z(x,y)=dx2+y2---(2)]]>這里，z表示表面的垂度或z坐標(biāo)，x和y還代表橫向坐標(biāo)，d表示常數(shù)。
圖3示出了由該方程實(shí)現(xiàn)的圓錐面形狀45的實(shí)施例。
下面的段落代表螺旋組分z(x,y)=uarctan(yx)---(3)]]>這里，z表示表面的垂度或z坐標(biāo)，x和y代表橫向坐標(biāo)，u表示常數(shù)。
圖4示出了由該方程實(shí)現(xiàn)的螺旋面形狀50的實(shí)施例。
圖5示出了合成的端面形狀55，合成的端面形狀55是二次曲線、螺旋和圓錐表面的組合。這種形狀用于透鏡的物面25′，還可用在像面30′。
這樣的透鏡10′起兩個(gè)作用。第一個(gè)作用是防止例如被光纖的前端面22反射回激光器的光到達(dá)激光器15。必須防止這種后向反射，因?yàn)檫@會(huì)使激光器不穩(wěn)定，并嚴(yán)重地干擾接收機(jī)側(cè)的數(shù)據(jù)恢復(fù)。通過使用透鏡10′，對(duì)前光纖面上的光點(diǎn)進(jìn)行“調(diào)節(jié)(condition)”。這種經(jīng)過調(diào)節(jié)的引入減小了多膜光纖中的模色散，從而增大了光纖的數(shù)據(jù)帶寬。電信工業(yè)協(xié)會(huì)的任務(wù)組已經(jīng)將調(diào)節(jié)引入指定為使用“高帶寬”光纖所必需的步驟。
圓錐、螺旋和二次曲線的理想垂度取決于激光器的特性，如模式分布和數(shù)值孔徑。此外，還必須考慮最小耦合效率和已接受的后向反射。最后，也必須考慮激光器到透鏡和透鏡到光纖的距離。透鏡10′可應(yīng)用于單模和多模應(yīng)用中。例如，在多模VCSEL應(yīng)用中，可利用具有螺旋組分加上圓錐組分的透鏡表面，其中當(dāng)從透鏡的圓周移動(dòng)時(shí)，螺旋組分經(jīng)過360°轉(zhuǎn)動(dòng)引入6π的相變，圓錐組分引入-4π的相變。
具體實(shí)施例為了描述目的，可參考圖6，在圖6中，實(shí)施了本發(fā)明并且與外封裝集成在一起的透鏡10′被用來替換圖1中的傳統(tǒng)透鏡10。
在該實(shí)施例中，制造透鏡10′的材料為“Ultem”。Ultem在850nm和1300nm處呈現(xiàn)出高的透射系數(shù)，使得其成為適用于發(fā)射器、接收器和收發(fā)器的合適材料。其玻璃臨界溫度較高，約為215℃，從而允許模塊回流。
下面的方程表示凸的輸入端面25′的形狀，其直徑為250μmz(x,y)=4.53(x2+y2)1+1+34.07(x2+y2)+[6πarctan[yx]-4π(x2+y2)125·10-3]850·10-62π·0.632---(4)]]>從以上的通用方程可識(shí)別出的組分形狀為二次曲線、螺旋和圓錐。包括了最后的倍乘因子，以將‘相面’轉(zhuǎn)化為波長(zhǎng)850nm的Ultem形狀，并且最后的倍乘因子在分母中包含校正參數(shù)，校正參數(shù)代表(折射率-1)。
在該具體實(shí)施例中，只選擇將透鏡的像(即，輸出)端面30′實(shí)現(xiàn)為凸雙曲面。
z(x,y)=3.36(x2+y2)1+1+18.64(x2+y2)---(5)]]>這里，曲率半徑為0.297mm，二次曲線常數(shù)為-2.65。第一和第二表面的頂點(diǎn)之間的距離被選定為1.5mm。
圖7示出了由上述透鏡10′實(shí)現(xiàn)的引入圖案60。如可觀察到的，獲得了光強(qiáng)的環(huán)形分布。
圖8示出了來自透鏡10′和光纖20的組合的后向反射65，后向反射65可由激光光源15看見。很顯然，該部分反射不對(duì)光源產(chǎn)生影響，這意味著極大地減少了數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的發(fā)生。
制造方法所描述的通用和具體形式的透鏡可通過注模方法制造?？衫镁酆衔锊牧稀⒏鞣N類型的玻璃和具有合適的光學(xué)性質(zhì)的其他材料?？衫媒饎偸D(zhuǎn)動(dòng)工藝加工模腔的形狀。
實(shí)施本發(fā)明的透鏡可制造為陣列結(jié)構(gòu)。圖9a和圖9b以示意圖的形式示出了12×1的透鏡10′的陣列。
圖10是光耦合器80的剖面圖，光耦合器80具有與所述透鏡10′集成的模85，其與輸入孔徑90和輸出孔徑95對(duì)齊。激光光源15牢固地安裝在入口孔徑90中。以類似的方式，在出口孔徑95接收并固定光纖。激光器15、透鏡10′和光纖20保持在適當(dāng)?shù)墓鈱?duì)齊方式下。
圖11以剖面圖的形式示出了另一種形式的光耦合器100。該耦合器與圖9布置的不同之處在于晶體管外殼封裝(通常稱為TO盒)105位于入口孔徑90′內(nèi)部。在輸出孔徑95中接收光纖20，輸出孔徑95面向出口室98開放，像面30′凸出到出口室98中。透鏡10′的輸入面25′延伸到腔102中。在腔102的開口處安裝有激光光源15，激光光源15從TO頭部105處安裝。
應(yīng)用領(lǐng)域根據(jù)本發(fā)明概念構(gòu)造的透鏡和透鏡陣列可應(yīng)用于多模和單模光數(shù)據(jù)通信設(shè)備，如發(fā)射器、收發(fā)器和接收器。
總結(jié)本發(fā)明涉及這樣的實(shí)現(xiàn)，該實(shí)現(xiàn)直接對(duì)包括二次曲線、螺旋和圓錐形狀組合的基本形狀模壓成型，防止后向反射光到達(dá)激光光源，并將來自激光器的光聚焦為環(huán)形形狀，使得光纖的芯層不被照射。與現(xiàn)有技術(shù)相比，增強(qiáng)了防止后向反射光到達(dá)激光器的能力，使得透鏡的耦合效率更高，透鏡成本更低且設(shè)計(jì)靈活性更高。
權(quán)利要求
1.一種具有至少一個(gè)以下端面的光學(xué)透鏡，所述端面的表面形狀為二次曲線組分、螺旋組分和圓錐組分的組合。
2.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)透鏡，其中，所述二次曲線組分為雙曲面、拋物面或球面的一種。
3.如權(quán)利要求2所述的光學(xué)透鏡，其中，由所述螺旋組分和所述圓錐組分引入的最大相移的比率為-3∶2。
4.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)透鏡，由適于模壓的材料制造。
5.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)透鏡，其中，二次曲線、螺旋和圓錐組分中每一種的數(shù)學(xué)特征在于垂度分量，并且所述垂度分量被選定為至少與光源的模式分布或數(shù)值孔徑相匹配，其中所述透鏡與所述光源一同使用。
6.如權(quán)利要求5所述的光學(xué)透鏡，其中，所述垂度分量還取決于所述透鏡和光源、以及所述透鏡和光纖之間的各自距離，其中所述透鏡與所述光纖一同使用。
7.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)透鏡，其中，另一端面為凸雙曲面形狀。
8.一種用于將激光引入到光纖線纜中的光學(xué)透鏡，包括一種光透射材料的體部分，其中，至少激光器側(cè)端面的形狀為二次曲線組分、螺旋組分和圓錐組分的組合。
9.如權(quán)利要求8所述的光學(xué)透鏡，其中，所述二次曲線組分為雙曲面、拋物面或球面的一種。
10.如權(quán)利要求9所述的光學(xué)透鏡，其中，由所述螺旋組分和所述圓錐組分引入的最大相移的比率為-3∶2。
11.如權(quán)利要求8所述的光學(xué)透鏡，由適于模壓的材料制造。
12.如權(quán)利要求8所述的光學(xué)透鏡，其中，二次曲線、螺旋和圓錐組分中每一種的數(shù)學(xué)特征在于垂度分量，并且所述垂度分量被選定為至少與光源的模式分布或數(shù)值孔徑相匹配，其中所述透鏡與所述光源一同使用。
13.如權(quán)利要求12所述的光學(xué)透鏡，其中，所述垂度分量還取決于所述透鏡和光源、以及所述透鏡和光纖之間的各自距離，其中所述透鏡與所述光纖一同使用。
14.如權(quán)利要求8所述的光學(xué)透鏡，其中，光纖端表面為凸雙曲面形狀。
15.一種光耦合器，包括一端耦合連接到激光光源，另一端連接用來接收并保持光纖的自由端的外封裝；以及集成在所述外封裝內(nèi)的光學(xué)透鏡，所述光學(xué)透鏡與所述激光光源和所述光纖自由端對(duì)齊，并且其中，所述透鏡包括一種光透射材料的體部分，其中，至少激光器端表面的形狀為二次曲線組分、螺旋組分和圓錐組分的組合。
16.如權(quán)利要求15所述的光耦合器，其中，所述二次曲線組分為雙曲面、拋物面或球面的一種。
17.如權(quán)利要求16所述的光耦合器，其中，由所述螺旋組分和所述圓錐組分引入的最大相移的比率為-3∶2。
18.如權(quán)利要求16所述的光耦合器，由適于模壓的材料制造。
19.如權(quán)利要求15所述的光耦合器，其中，二次曲線、螺旋和圓錐組分中每一種的數(shù)學(xué)特征在于垂度分量，并且所述垂度分量被選定為至少與光源的模式分布或數(shù)值孔徑相匹配，其中所述透鏡與所述光源一同使用。
20.如權(quán)利要求19所述的光耦合器，其中，所述垂度分量還取決于所述透鏡和光源、以及所述透鏡和光纖之間的各自距離，其中所述透鏡與所述光纖一同使用。
21.如權(quán)利要求15所述的光耦合器，其中，光纖端表面為凸雙曲面形狀。
22.如權(quán)利要求15所述的光耦合器，其中，所述激光器安裝在印刷電路板和/或柔性電路帶上。
23.一種制造光學(xué)透鏡的方法，包括以下步驟形成與透鏡具有相反形狀的模，所述模包括對(duì)應(yīng)于所述透鏡的端面的模部分，并且所述模部分與二次曲線組分、螺旋組分和圓錐組分的組合是相反的；以及通過將可流動(dòng)材料放入所述模中，產(chǎn)生所述透鏡。
24.一種包括安裝有多個(gè)光學(xué)透鏡的陣列的光學(xué)透鏡陣列，每個(gè)所述光學(xué)透鏡具有至少一個(gè)以下端面，所述端面的表面形狀為二次曲線組分、螺旋組分和圓錐組分的組合。
25.一種光耦合器，包括一端耦合連接到激光光源陣列，另一端連接用來接收并保持光纖陣列的自由端的外封裝；以及集成在所述外封裝內(nèi)的光學(xué)透鏡陣列，所述光學(xué)透鏡陣列與所述激光器陣列和所述光纖陣列的自由端對(duì)齊，并且其中，所述透鏡陣列包括一種光透射材料的體部分，并且其中，陣列中透鏡的至少激光器端表面的形狀為二次曲線組分、螺旋組分和圓錐組分的組合。
26.如權(quán)利要求25所述的光耦合器，其中，所述二次曲線組分為雙曲面、拋物面或球面的一種。
27.如權(quán)利要求26所述的光耦合器，其中，由所述螺旋組分和所述圓錐組分引入的最大相移的比率為-3∶2。
28.如權(quán)利要求27所述的光耦合器，由適于模壓的材料制造。
29.如權(quán)利要求15所述的光耦合器，其中，二次曲線、螺旋和圓錐組分中每一種的數(shù)學(xué)特征在于垂度分量，并且所述垂度分量被選定為至少與光源的模式分布或數(shù)值孔徑相匹配，其中所述透鏡陣列將與所述光源一同使用。
30.如權(quán)利要求29所述的光耦合器，其中，所述垂度分量還取決于所述透鏡陣列和所述激光器陣列、以及所述透鏡陣列和所述光纖陣列之間的各自距離，其中所述透鏡陣列將與所述光纖陣列一同使用。
31.如權(quán)利要求25所述的光耦合器，其中，所述透鏡陣列中透鏡的光纖端表面具有凸雙曲面形狀。
32.如權(quán)利要求25所述的光耦合器，其中，所述激光器陣列安裝在印刷電路板和/或柔性電路帶上。
全文摘要
描述了一種將激光耦合進(jìn)光纖的光學(xué)透鏡，其引入光以避開光纖的中心和芯－包層，防止了到激光光源的光反饋，并且可以以單個(gè)或陣列的形式經(jīng)濟(jì)地大量制造。透鏡(10′)具有至少一個(gè)以下端面(25′)，端面(25′)的形狀為二次曲線組分、螺旋組分和圓錐組分的組合(55)。二次曲線組分可以為雙曲面、拋物面或球面形狀的一種。另一端面(30′)典型地是凸雙曲面形狀。透鏡位于外封裝中，或者可以與外封裝集成，所述外封裝的一端耦合到激光光源(15)，另一端耦合用來接收并保持光纖(20)的自由端。制造透鏡的步驟如下首先形成與透鏡具有相反形狀的模，所述模包括對(duì)應(yīng)于透鏡端面的模部分，并且所述模部分與二次曲線組分、螺旋組分和圓錐組分的組合相反，然后將可流動(dòng)材料放入所述模中，以產(chǎn)生所述透鏡。
文檔編號(hào)G02B3/02GK1711487SQ200380103127
公開日2005年12月21日 申請(qǐng)日期2003年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月12日
發(fā)明者阿德里安努·J·P.·范哈斯特恩 申請(qǐng)人:安捷倫科技有限公司