專利名稱：光學元件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及利用光導纖維的通信系統(tǒng)中使用的光學元件。更詳細地說，涉及使用棒狀透鏡的光學元件。
近年來，由于互聯(lián)網(wǎng)的爆發(fā)性的普及，強烈要求光導纖維通信網(wǎng)增大容量，作為其方法正在快速地開發(fā)WDM(波長多重)通信。在WDM通信中，由于波長差別微小的光傳遞個別的信息，所以要求波長選擇性好的被稱為濾波器、隔離器的光學功能元件。
在上述的光學功能元件中多半采用這樣的結構利用平行光管使從出射側光導纖維的端面射出的光呈平行光束，該平行光束透過具有濾波器和隔離器的功能的平板狀的部件后，再利用聚光透鏡聚光后被送入入射側光導纖維的端面。作為平行光管及聚光透鏡使用沿半徑方向有折射率分布的棒狀透鏡、玻璃制球透鏡或非球面模壓透鏡等，從形狀和像差修正的觀點來看，棒狀透鏡是最容易使用的透鏡。
圖1模式地表示使用棒狀透鏡的光學元件的光學系統(tǒng)。如圖1所示，為了防止反射光產生的交調失真，出射側光導纖維1及入射側光導纖維2的端面(與棒狀透鏡相對的面)通常加工成傾斜6°～8°(假設出射側光導纖維1的端面的傾角為θFA，入射側光導纖維2的端面的傾角為θFB)。由于同樣的理由，第一棒狀透鏡3及第二棒狀透鏡4的端面(與光導纖維相對的面)也加工成傾斜狀態(tài)(設第一棒狀透鏡3的端面的傾角為θPA，第二棒狀透鏡4的端面的傾角為θPB)。出射側光導纖維1和第一棒狀透鏡3相對配置，兩者之間有適當?shù)目諝忾g隔WA，第二棒狀透鏡4和入射側光導纖維2相對配置，兩者之間夾著適當?shù)目諝忾g隔WB。另外，在出射側光導纖維1和第一棒狀透鏡3之間、以及在第二棒狀透鏡4和入射側光導纖維2之間，為了降低反射光產生的損耗，有時填充具有接近于光導纖維及棒狀透鏡的折射率的透明液體或固體。另外，在兩個棒狀透鏡3、4之間(間隔L)設置濾波器、隔離器等光學功能元件。
作為通信用的光導纖維，通常使用單模光纖，所以射出的光束成為高斯光束。這里，將構成高斯光束的對稱中心的最大強度的光線定義為“中軸光線”。為了增大圖1中的兩條光導纖維1、2間的耦合效率，需要將各光導纖維1、2和各棒狀透鏡3、4配置得滿足以下條件(1)～(3)。
(1)從出射側光導纖維1射出的光束在入射側光導纖維2的端面上會聚成交點。
(2)上述焦點處的數(shù)值孔徑NA與入射側光導纖維2的數(shù)值孔徑NA一致。
(3)入射到入射側光導纖維2上的中軸光線與入射側光導纖維2的光軸一致。
另外，為了在實用上沒有遮掩地傳輸高斯光束，各棒狀透鏡3、4最好至少有光導纖維的數(shù)值孔徑NA的1.5～2倍的數(shù)值孔徑NA。當然，還必須充分地修正工作波長的各像差。
可是，如圖1所示，如果將所有的光導纖維和棒狀透鏡的光軸排列在一直線上，則由于存在許多傾斜加工面，所以難以滿足上述的條件，由于發(fā)生(4)焦點位置偏離入射側光導纖維2的光軸(5)中軸光線和入射側光導纖維2的光軸傾斜兩者中的任意一者或兩者，所以耦合效率下降。作為一例，將所有的光導纖維和棒狀透鏡的光軸排列在一直線上，使傾角(θFA、θFB、θPA、θPB)一律為8°的情況下，將(參考例1)的具體的設計值示于下面的(表1)。在此情況下，“焦點位置的偏移”極其微小，“中軸光線的傾斜”大，達到2.85°，所以耦合效率變小，為77.3％(-1.118dB)。因此，如圖13所示，有必要通過進行入射側光導纖維2的修正(傾角的修正，X、Y方向的位置修正等)，使其光軸和中軸光線一致。在參考例1中進行了傾角的修正后是參考例2(參照下面的(表1))，該情況的耦合效率提高到98.28％(-0.075dB)。
另外，通過個別地使出射側光導纖維1或各棒狀透鏡3、4傾斜，或使位置偏移，能進行同樣的修正。
可是，修正光導纖維或棒狀透鏡的位置(X、Y方向)和傾角的工作非常麻煩，成為成本高的主要原因。
因此，如圖2所示，如果從組裝光學元件的立場來說，最好利用具有與第一及第二棒狀透鏡3、4相同外徑的套筒5，保持出射側光導纖維1和入射側光導纖維2，將入射側光導纖維2、第二棒狀透鏡4、第一棒狀透鏡3、出射側光導纖維1依次插入單一的套6內。在此情況下，雖然不可能“位置偏移”和“傾角的修正”，但能夠沿Z軸方向插入或拔出各光導纖維1、2，來調整各光導纖維1、2的位置。另外，圖2中，8表示光學功能元件。
在圖2所示的結構中，為了實現(xiàn)高的耦合效率，需要設計這樣一種光學系統(tǒng)，即通過只調整各光導纖維1、2的Z軸方向，來滿足上述條件。
本發(fā)明就是鑒于這樣的現(xiàn)狀而完成的，其目的在于提供一種特別是在通過使棒狀透鏡的傾斜加工面的角度最佳化，使各光導纖維和棒狀透鏡的光軸都一致的結構中，能使入射到入射側光導纖維中的中軸光線與上述光軸一致的光學元件。
為了達到上述目的，本發(fā)明的光學元件的第1結構是這樣一種光學元件，即利用第一棒狀透鏡，將從出射側光導纖維的端面射出的光束變換成大致平行光線，通過光學功能元件后，利用第二棒狀透鏡聚光并被送入入射側光導纖維中，該光學元件的特征在于上述出射側光導纖維、上述第一棒狀透鏡、上述第二棒狀透鏡以及上述入射側光導纖維的光軸全都一致，假設從上述第一棒狀透鏡的光軸測得的徑向距離為r、上述第一棒狀透鏡的光軸上的折射率為nOA、折射率分布系數(shù)為gA、h4A、h6A、h8A時，用下面的(式21)表示上述第一棒狀透鏡的折射率分布，假設從上述第二棒狀透鏡的光軸測得的徑向距離為r、上述第二棒狀透鏡的光軸上的折射率為nOB、折射率分布系數(shù)為gB、h4B、h6B、h8B時，用下面的(式22)表示上述第二棒狀透鏡的折射率分布，假設上述出射側光導纖維的出射面的法線與光學元件總體的光軸構成的角為θFA、上述入射側光導纖維的入射面的法線與光學元件總體的光軸構成的角為θFB時，滿足下面的(式23)所示的關系，用上述出射側光導纖維的心線中心折射率nFA、上述入射側光導纖維的心線中心折射率nFB、上述出射側光導纖維和上述第一棒狀透鏡的間隔WA、上述第二棒狀透鏡和上述入射側光導纖維的間隔WB、上述出射側光導纖維和上述第一棒狀透鏡之間的介質的折射率nLA、上述第二棒狀透鏡和上述入射側光導纖維之間的介質的折射率nLB、上述第一棒狀透鏡和上述第二棒狀透鏡之間的介質的折射率nM、上述第一棒狀透鏡的出射面的法線與光學元件總體的光軸構成的角θQA、上述第二棒狀透鏡的入射面的法線與光學元件總體的光軸構成的角θQB，并利用下面的(式24)、(式25)定義了θ3A、θ3B時，上述θ3A、θ3B滿足下面的(式26)所示的關系，而且，上述第一棒狀透鏡的入射面的法線與光學元件總體的光軸構成的角θPA、上述第二棒狀透鏡的出射面的法線與光學元件總體的光軸構成的角θPB滿足下面的(式27)、(式28)所示的關系。[式21]nA(r)2=nOA2·{1-(gA·r)2+h4A(gA·r)4+h6A(gA·r)6+h8A(gA·r)8+…}[式22]nB(r)2=nOB2·{1-(gB·r)2+h4B(gB·r)4+h6B(gB·r)6+h8B(gB·r)8+…}[式23]θFA·θFB＞0[式24]θ3A=nOA·gA·WA·(nFA-nLA)θFA/(nM·nLA)+(nM-nOA)·θQA/nM[式25]θ3B=nOB·gB·WB·(nFB-nLB)θFB/(nM·nLB)+(nM-nOB)·θQB/nM[式26]0≤｜θ3A-θ3B｜≤π/180[式27]0≤｜θPA｜≤15·(π/180)[式28]0≤｜θPB｜≤15·(π/180)如果采用該光學元件的第1結構，則在使第一及第二棒狀透鏡的傾斜加工面的角度最佳化、使出射側光導纖維、第一棒狀透鏡、第二棒狀透鏡、入射側光導纖維的光軸全都一致的結構中，能使入射到入射側光導纖維中的中軸光線與上述光軸一致。其結果，由于能大幅度地簡化光學元件的組裝調整工作，所以能謀求降低生產成本。
另外，本發(fā)明的光學元件的第2結構是這樣一種光學元件，即利用第一棒狀透鏡，將從出射側光導纖維的端面射出的光束變換成大致平行光線，通過光學功能元件后，利用第二棒狀透鏡聚光并被送入入射側光導纖維中，該光學元件的特征在于上述出射側光導纖維、上述第一棒狀透鏡、上述第二棒狀透鏡以及上述入射側光導纖維的光軸全都一致，假設從上述第一棒狀透鏡的光軸測得的徑向距離為r、上述第一棒狀透鏡的光軸上的折射率為nOA、折射率分布系數(shù)為gA、h4A、h6A、h8A時，用下面的(式29)表示上述第一棒狀透鏡的折射率分布，假設從上述第二棒狀透鏡的光軸測得的徑向距離為r、上述第二棒狀透鏡的光軸上的折射率為nOB、折射率分布系數(shù)為gB、h4B、、h6B、h8B時，用下面的(式30)表示上述第二棒狀透鏡的折射率分布，假設上述出射側光導纖維的出射面的法線與光學元件總體的光軸構成的角為θFA、上述入射側光導纖維的入射面的法線與光學元件總體的光軸構成的角為θFB時，滿足下面的(式31)所示的關系，用上述出射側光導纖維的心線中心折射率nFA、上述入射側光導纖維的心線中心折射率nFB、上述出射側光導纖維和上述第一棒狀透鏡的間隔WA、上述第二棒狀透鏡和上述入射側光導纖維的間隔WB、上述出射側光導纖維和上述第一棒狀透鏡之間的介質的折射率nLA、上述第二棒狀透鏡和上述入射側光導纖維之間的介質的折射率nLB、上述第一棒狀透鏡和上述第二棒狀透鏡之間的介質的折射率nM、上述第一棒狀透鏡的入射面的法線與光學元件總體的光軸構成的角θPA、上述第二棒狀透鏡的出射面的法線與光學元件總體的光軸構成的角θPB，并利用下面的(式32)、(式33)定義了θQAO、θQBO時，上述第一棒狀透鏡的出射面的法線與光學元件總體的光軸構成的角θQA、上述第二棒狀透鏡的入射面的法線與光學元件總體的光軸構成的角θQB滿足(式34)、(式35)所示的關系，而且，上述θPA、θPB滿足下面的(式36)、(式37)所示的關系。[式29]nA(r)2=nOA2·{1-(gA·r)2+h4A(gA·r)4+h6A(gA·r)6+h8A(gA·r)8+…}[式30]nB(r)2=nOB2·{1-(gB·r)2+h4B(gB·r)4+h6B(gB·r)6+h8B(gB·r)8+…}[式31]θFA·θFB＜0[式32]θQAO=nOA·gA·WA·(nOA-nLA)·θPA/{nLA·(nOA-nM)}式中nOA-nM=0時、θQAO=0[式33]θQBO=nOB·gB·WB·(nOB-nLB)·θPB/{nLB·(nOB-nM)}式中nOB-nM=0時、θQBO=0[式34]-(π/180)≤θQA-θQAO≤(π/180)[式35]-(π/180)≤θQB-θQBO≤(π/180)[式36]0≤｜θPA｜≤5·(π/180)[式37]0≤｜θPB｜≤5·(π/180)如果采用該光學元件的第2結構，則在使第一及第二棒狀透鏡的傾斜加工面的角度最佳化、使出射側光導纖維、第一棒狀透鏡、第二棒狀透鏡、入射側光導纖維的光軸全都一致的結構中，能使入射到入射側光導纖維中的中軸光線與上述光軸一致。其結果，由于能大幅度地簡化光學元件的組裝調整工作，所以能謀求降低生產成本。
另外，本發(fā)明的第一方面所述的光學元件在上述光學元件的第1結構中，用光學元件總體的光軸上的第一棒狀透鏡和第二棒狀透鏡的間隔L，并用下面的(式38)、(式39)定義了θQAO、θQBO時，第一棒狀透鏡的出射面的法線與光學元件總體的光軸構成的角θQA、以及第二棒狀透鏡的入射面的法線與光學元件總體的光軸構成的角θQB滿足下面的(式40)所示的關系。[式38]L＞0時、θQAO={(0.5·nOA2·gA2·L·WA-nLA·nM)·(nFA-nLA)θFA+nLA·nM(nOA-nLA)·θPA}/{0.5·nOA·nLA·gA·L·(nOA-nM)}L=0時、θQAO=0[式39]L＞0時、θQBO={(0.5·nOB2·gB2·L·WB-nLB·nM)·(nFB-nLB)θFB+nLB·nM(nOB-nLB)·θPB}/{0.5·nOB·nLB·gB·L·(nOB-nM)}L=0時、θQBO=0[式40]-2.5·(π/180)≤(θQA+θQB)-(θQAO+θQBO)≤+2.5·(π/180)另外，在上述本發(fā)明的光學元件的第一或第2結構中，在從出射側光導纖維射出的光束中，成為光強分布的對稱中心的光線最好在入射到入射側光導纖維中之后與光學元件總體的光軸一致。
另外，在上述本發(fā)明的光學元件的第一或第2結構中，假設第一棒狀透鏡的半徑為rOA時，最好滿足1.4≤nOA≤2.0的關系。
另外，在上述本發(fā)明的光學元件的第一或第2結構中，假設第二棒狀透鏡的半徑為rOB時，最好滿足1.4≤nOB≤2.0的關系。
另外，在上述本發(fā)明的光學元件的第一或第2結構中，最好滿足0.125mm≤2rOA≤5mm的關系。
另外，在上述本發(fā)明的光學元件的第一或第2結構中，最好滿足0.125mm≤2rOB≤5mm的關系。
另外，在上述本發(fā)明的光學元件的第一或第2結構中，最好滿足0.1≤nOA·gA·rOA≤1的關系。
另外，在上述本發(fā)明的光學元件的第一或第2結構中，最好滿足0.1≤nOB·gB·rOB≤1的關系。
另外，在上述本發(fā)明的光學元件的第一或第2結構中，最好滿足4·(π/180)≤｜θFA｜≤15·(π/180)的關系，另外滿足6·(π/180)≤｜θFA｜≤8·(π/180)的關系就更好。
另外，在上述本發(fā)明的光學元件的第一或第2結構中，最好滿足4·(π/180)≤｜θFB｜≤15·(π/180)的關系，另外滿足6·(π/180)≤｜θFB｜≤8·(π/180)的關系就更好。
另外，在上述本發(fā)明的光學元件的第一或第2結構中，最好滿足gA·WA≤0.2的關系。
另外，在上述本發(fā)明的光學元件的第一或第2結構中，最好滿足gB·WB≤0.2的關系。
另外，在上述本發(fā)明的光學元件的第一或第2結構中，最好滿足｜θFA｜=｜θFB｜的關系。
另外，在上述本發(fā)明的光學元件的第一或第2結構中，最好滿足nLA=nLB的關系，另外滿足nLA=nLB=1的關系就更好。
另外，在上述本發(fā)明的光學元件的第一或第2結構中，最好滿足nOA=nOB、gA=gB、rOA=rOB的關系。
另外，在上述本發(fā)明的光學元件的第1結構中，最好滿足θPA=θPB的關系。
另外，在上述本發(fā)明的光學元件的第2結構中，最好滿足θPA=-θPB的關系。
另外，在上述本發(fā)明的光學元件的第一或第2結構中，最好滿足nFA=nFB的關系。
另外，在上述本發(fā)明的光學元件的第2結構中，最好滿足θPA=θPB=0的關系。
另外，在上述本發(fā)明的光學元件的第2結構中，最好滿足θFA=θPA、θFB=θPB的關系。
圖1是模式地表示本發(fā)明的光學元件的光學系統(tǒng)的側視圖。
圖2是模式地表示本發(fā)明的光學元件的一實施例的側視圖。
圖3是表示本發(fā)明的光學元件中使用的棒狀透鏡的斜視圖。
圖4是本發(fā)明的光學元件中使用的棒狀透鏡的折射率分布曲線的模式圖。
圖5是說明本發(fā)明的一實施例的中軸光線的路徑的模式圖。
圖6是說明本發(fā)明的另一實施例的中軸光線的路徑的模式圖。
圖7是模式地表示本發(fā)明的設計例3-1的光學系統(tǒng)的側視圖。
圖8是模式地表示本發(fā)明的設計例3-2的光學系統(tǒng)的側視圖。
圖9是模式地表示本發(fā)明的設計例3-3的光學系統(tǒng)的側視圖。
圖10是模式地表示本發(fā)明的設計例3-4的光學系統(tǒng)的側視圖。
圖11是模式地表示本發(fā)明的設計例3-5的光學系統(tǒng)的側視圖。
圖12是模式地表示本發(fā)明的設計例3-6的光學系統(tǒng)的側視圖。
圖13是模式地表示現(xiàn)有的光學元件的光學系統(tǒng)的側視圖。
以下，用實施例更具體地說明本發(fā)明。
圖1是模式地表示本發(fā)明的第一實施例的光學元件的光學系統(tǒng)的側視圖。如圖1所示，本實施例的光學元件是依次按照出射側光導纖維1、第一棒狀透鏡3、第二棒狀透鏡4以及入射側光導纖維2的順序排列構成的，出射側光導纖維1、第一棒狀透鏡3、第二棒狀透鏡4以及入射側光導纖維2的光軸全都一致。
本發(fā)明的光導纖維(出射側光導纖維1及入射側光導纖維2)雖然以光通信用的單模光纖(工作波長區(qū)大約從900nm至1600nm)為前提，但當然也能在其他波長區(qū)使用階躍折射型或折射率分布型的多模光纖等。
為了防止反射光產生的交調失真，出射側光導纖維1及入射側光導纖維2的端面(與棒狀透鏡相對的面)被加工成傾斜面。希望在此情況下，端面的法線和光纖的光軸構成的角度在4°至15°的范圍內。即，假設出射側光導纖維1的出射面的法線與光學元件總體的光軸(Z軸)構成的角為θFA、入射側光導纖維2的入射面的法線與光學元件總體的光軸(Z軸)構成的角為θFB時，希望θFA、θFB滿足下面的(式41)、(式42)所示的關系。[式41]4·(π/180)≤｜θFA｜≤15·(π/180)[式42]4·(π/180)≤｜θFB｜≤15·(π/180)該角度如果小于4°，則不能充分獲得防止交調失真的效果，另外，如果超過15°，則發(fā)生彗形像差，耦合效率有可能降低。
通常，該角度設定在6°至8°的范圍內，這是更希望的范圍。
由于相同的理由，第一棒狀透鏡3及第二棒狀透鏡4的端面(與光導纖維相對的面)被加工成傾斜面。這里，假設第一棒狀透鏡3的入射面的法線與光學元件總體的光軸(Z軸)構成的角為θPA、第二棒狀透鏡4的出射面的法線與光學元件總體的光軸(Z軸)構成的角為θPB。
另外，大部分光通信用的單模光纖的心線中心折射率為1.44左右(石英的值)、NA(數(shù)值孔徑)為0.1左右(由1/e2強度的定義決定)，但當然也可以使用具有除此以外的心線中心折射率或NA值的光導纖維。這里，假設出射側光導纖維1的心線中心折射率為nFA、入射側光導纖維2的心線中心折射率為nFB。另外，假設出射側光導纖維1和第一棒狀透鏡3的間隔為WA、第二棒狀透鏡4和入射側光導纖維2的間隔為WB、第一棒狀透鏡3和第二棒狀透鏡4的間隔為L、出射側光導纖維1和第一棒狀透鏡3之間的介質的折射率為nLA、第二棒狀透鏡4和入射側光導纖維2之間的介質的折射率為nLB、第一棒狀透鏡3和第二棒狀透鏡4之間的介質的折射率為nM。
如圖3、4所示，本發(fā)明中使用的棒狀透鏡7的折射率n沿半徑方向分布，該折射率分布在工作波長區(qū)用下面的(式43)表示。[式43]n(r)2=nO2·{1-(g·r)2+h4·(g·r)4+h6·(g·r)6+h8·(g·r)8+…}在上面的(式43)中，r是從棒狀透鏡7的光軸7a測得的徑向距離，n(r)是從棒狀透鏡7的光軸7a測得的徑向距離r位置上的折射率，n0是棒狀透鏡7的光軸7a上的折射率(中心折射率)，g、h4、h6、h8是折射率分布系數(shù)。另外，在圖3中，r0表示棒狀透鏡7的半徑。
希望棒狀透鏡7的外徑2r0在0.125mm至5mm的范圍內。由于光導纖維的包層外徑規(guī)格為0.125mm，所以棒狀透鏡7的外徑為該值以上，另外，如果外徑超過5mm，則光學元件總體難以實現(xiàn)小型輕量化。另外，成為事實上的國際標準的外徑1.8mm是特別希望的值。
在使用玻璃或塑料作為材料的情況下，棒狀透鏡7的中心折射率n0的下限為1.4左右。另外，如果為了使中心折射率n0大于2.0而使用玻璃作為棒狀透鏡7的材料，使得氧化鉛、氧化鑭等高折射率成分增多，則離子交換速度會極度變慢，將容易產生透明性消失的問題。
棒狀透鏡7的亮度由表示透鏡能取入光的范圍的開口角θ=n0·g·r0(rad)決定，希望該開口角θ=n0·g·r0在0.1≤n0·g·r0≤1.0的范圍內。在n0·g·r0的值小于0.1的情況下，由于數(shù)值孔徑NA變小，所以難以使從光導纖維射出的光全部會聚起來，遮掩損耗變大。另外，n0·g·r0的值超過1.0的折射率差大的棒狀透鏡難以制作。棒狀透鏡7容易制作的更希望的范圍是0.15≤n0·g·r0≤0.60。
棒狀透鏡7的像差量由折射率分布系數(shù)h4、h6、h8、…決定。在本發(fā)明的使用狀況下，如果使h4=+0.67，則數(shù)值孔徑NA在0.2以下的范圍內，球面像差量幾乎達到衍射極限以下，所以能獲得非常好的性能。為了使像差量更小，將h6、h8、…的值最佳化即可。
另外，用P=2π/g定義了棒狀透鏡7的周期長時，如果使棒狀透鏡7在光軸上的長度Z等于0.25P，則能使從一側端面入射的平行光線在另一側端面上成像。在實際使用時為了取棒狀透鏡7和光導纖維的間隔為某一大小，最好取Z值為0.23P至0.25P，但如果小于0.23P，則間隔大了，當然為了補償由高斯光束產生的光束擴散，也可以比0.25P大一些。
第一棒狀透鏡3沿光軸(Z軸)方向的長度為ZA。如上所述，第一棒狀透鏡3的折射率nA沿半徑方向分布，在工作波長區(qū)域內用下面的(式44)表示該折射率分布。[式44]nA(r)2=nOA2·{1-(gA·r)2+h4A(gA·r)4+h6A(gA·r)6+h8A(gA·r)8+…}在上面的(式44)中，r是從第一棒狀透鏡3的光軸測得的徑向距離，nA(r)是從第一棒狀透鏡3的光軸測得的徑向距離r位置上的折射率，nOA是第一棒狀透鏡3的光軸上的折射率(中心折射率)，gA、h4A、h6A、h8A是折射率分布系數(shù)。
第二棒狀透鏡4沿光軸(Z軸)方向的長度為ZB。第二棒狀透鏡4的折射率nB也沿半徑方向分布，在工作波長區(qū)域內用下面的(式45)表示該折射率分布。[式45]nB(r)2=nOB2·{1-(gB·r)2+h4B(gB·r)4+h6B(gB·r)6+h8B(gB·r)8+…}在上面的(式45)中，r是從第二棒狀透鏡4的光軸測得的徑向距離，nB(r)是從第二棒狀透鏡4的光軸測得的徑向距離r位置上的折射率，nOB是第二棒狀透鏡4的光軸上的折射率(中心折射率)，gB、h4B、h6B、h8B是折射率分布系數(shù)。
圖5中模式地示出了從出射側光導纖維射出的中軸光線的路徑。在此情況下，θFA＞0,θFB＞0，滿足下面的(式46)所示的關系。[式46]θFA·θFB＞0另外，從出射側光導纖維1射出的光束的中軸光線入射到入射側光導纖維2后，與總體光軸一致。
關于圖5中左半部分的出射側光導纖維1和第一棒狀透鏡3來說，如果將微小角近似(sinθ=θ)用于斯奈爾定律，則能獲得下面的(式47)～(式51)(由于h1、h2也是微小量，所以假設第一棒狀透鏡3的折射率為nOA)。這里，中軸光線和總體光軸的交點F位于兩個棒狀透鏡3、4的中點(LA=LB=0.5L)。[式47]nFA·θFA=nLA·(θFA+θ1)[式48]h1=WA·θ1[式49]nLA·(θ1+θPA)=nOA·(θPA+θ2)[式50]h2=LA·θ3A[式51]nM·(θ3-θQA)=nOA·(θ4-θQA)另外，如果棒狀透鏡的透鏡長度大致等于1/4周期長，則由于WA、WB是微小量，所以能近似地獲得下面的(式52)、(式53)所示的關系。[式52]gA·h1=θ4[式53]gA·h2=θ2在點F處，θ3A=θ3B是必要的。根據(jù)上述的關系式，能用下面的(式54)定義θ3A，同樣能用下面的(式55)定義θ3B。[式54]θ3A=nOA·gA·WA·(nFA-nLA)θFA/(nM·nLA)+(nM-nOA)·θQA/nM[式55]θ3B=nOB·gB·WB·(nFB-nLB)θFB/(nM·nLB)+(nM-nOB)·θQB/nM在上面的關系式(式54)、(式55)中有微小角近似產生的誤差，如果考慮該誤差，則實際上應滿足的條件為下面的(式56)。另外，關于上面的(式54)、(式55)中不包含的θQA、θQB，如果從上面的關系式中消去θ1、θ2、θ3A、θ4、h1、h2，則能獲得下面的(式57)所示的關系。θQA={(0.5·nOA2·gA2·L·WA-nLA·nM)·(nFA-nLA)θFA+nLA·nM(nOA-nLA)·θPA}/{0.5·nOA·nLA·gA·L·(nOA-nM)}這里，將用上面的(式57)的右邊定義的值重新設定為θQAO。
同樣，關于第二棒狀透鏡4和入射側光導纖維2，也能獲得下面的(式58)所示的關系。[式58]θQB={(0.5·nOB2·gB2·L·WB-nLB·nM)(nFB-nLB)θFB+nLB·nM(nOB-nLB)·θPB}/{0.5·nOB·nLB·gB·L·(nOB-nM)}這里，將用上面的(式58)的右邊定義的值重新設定為θQBO。
在上面的(式57)、(式58)中，在L=0的情況下，設θQAO=θQBO=0。
在上面的關系式(式57)、(式58)中有微小角近似產生的誤差，如果考慮該誤差，則實際的θQA、θQB偏離θQAO、θQBO，所以實際上應滿足的條件為下面的(式59)。-2.5·(π/180)≤θQA-θQAO≤+2.5·(π/180)-2.5·(π/180)≤θQB-θQBO≤+2.5·(π/180)如果假設LA=LB=0.5L，則由于基本上滿足上面的(式59)的條件，全部光學系統(tǒng)的對稱性變好，所以由于也能將各棒狀透鏡作成相同的形狀故是較為理想的?？墒牵谑笷點顯著偏離兩個棒狀透鏡的中點的情況下，不滿足上面的(式59)，而下面的(式60)變成應滿足的條件。-2.5·(π/180)≤(θQA+θQB)-(θQAO+θQBO)≤+2.5·(π/180)通過滿足上面的(式56)，或滿足上面的(式56)、(式60)，使第一及第二棒狀透鏡3、4的傾斜加工面的角度最佳化，在使出射側光導纖維1、第一棒狀透鏡3、第二棒狀透鏡4、入射側光導纖維2的光軸全都一致的結構中，能使入射到入射側光導纖維2中的中軸光線與上述光軸一致。其結果，由于能大幅度地簡化光學元件的組裝調整工作，所以能謀求降低生產成本。即，如圖2所示，利用具有與第一及第二棒狀透鏡3、4相同外徑的套筒5，保持出射側光導纖維1和入射側光導纖維2，將入射側光導纖維2、第二棒狀透鏡4、第一棒狀透鏡3、出射側光導纖維1依次插入單一的套6內，通過這樣的簡單操作，能組裝光學元件。
圖6中模式地示出了本發(fā)明的光學元件的另一例的從出射側光導纖維射出的中軸光線的路徑。
在本發(fā)明的光學元件中，如圖6所示，出射側光導纖維1與第一棒狀透鏡3相對的面、以及入射側光導纖維2與第二棒狀透鏡4相對的面也可以配置成大致呈面對稱的狀態(tài)，即，也可以配置出射側光導纖維1、第一棒狀透鏡3、第二棒狀透鏡4、入射側光導纖維2，以便滿足下面的(式61)所示的關系。θFA·θFB＜0從出射側光導纖維1射出的光束的中軸光線入射到入射側光導纖維2中后與總體的光軸一致。
在此情況下，也可以與L的大小無關、使中軸光線平行于總體的光軸。
關于圖6中左半部分的出射側光導纖維1和第一棒狀透鏡3，如果將微小角近似(sinθ=0)用于斯奈爾定律，則能獲得下面的(式62)～(式65)。[式62]nFA·θFA=nLA·(θFA+θ1)[式63]h1=WA·θ1[式64]nL·(θ1+θPA)=nOA·(θPA+θ2)[式65]-nM·θQA=nOA·(θ4-θQA)另外，如果棒狀透鏡的長度為1/4周期長，則近似為下面的(式66)，但如果修正間隔WA，則變成下面的(式67)、(式68)所示的關系。[式66]θ4=gA·h1[式67]θ4=gA·h1’[式68]h1’=h1-nO·WA·θ2/nL從上面的關系式(除(式66)以外)消去θ1、θ2、θ4、h1、h1’，能獲得下面的(式69)所示的關系。θQA=nOA·gA·WA·(nOA-nLA)·θPA/{nLA·(nOA-nM)}這里，將用上面的(式69)的右邊定義的值重新設定為θQAO(在nOA-nM=0的情況下，θQAO=0)。
同樣，關于第二棒狀透鏡4和入射側光導纖維2，也能獲得下面的(式70)所示的關系。θQB=nOB·gB·WB·(nOB-nLB)·θPB/{nLB·(nOB-nM)}這里，將用上面的(式70)的右邊定義的值重新設定為θQBO(在nOB-nM=0的情況下，θQBO=0)。
在上面的關系式(式69)、(式70)中有微小角近似產生的誤差，如果考慮該誤差，則實際上應滿足的條件為下面的(式71)、(式72)。[式71]-(π/180)≤θQA-θQAO≤(π/180)[式72]-(π/180)≤θQB-θQBO≤(π/180)通過滿足上面的(式71)、(式72)，使第一及第二棒狀透鏡3、4的傾斜加工面的角度最佳化，在使出射側光導纖維1、第一棒狀透鏡3、第二棒狀透鏡4、入射側光導纖維2的光軸全都一致的結構中，能使入射到入射側光導纖維2中的中軸光線與上述光軸一致。其結果，由于能大幅度地簡化光學元件的組裝調整工作，所以能謀求降低生產成本。
在實際的光學元件中，θFA·θFB的值不管是正還是負，為了減少部件的種類，提高出生率，希望增加下面的(6)～(12)所述的條件。
(6)出射側光導纖維1與第一棒狀透鏡3相對的面的端面角度、以及入射側光導纖維2與第二棒狀透鏡4相對的面的端面角度的絕對值相同(｜θFA｜=｜θFB｜)。
(7)用相同的介質、例如空氣充滿出射側光導纖維1和第一棒狀透鏡3之間的空間、以及第二棒狀透鏡4和入射側光導纖維2之間的空間(nLA=nLB)。
(8)使第一及第二棒狀透鏡3、4的材料相同(nOA=nOB、gA=gB、rOA=rOB)。
(9)第一棒狀透鏡3與出射側光導纖維1相對的面的端面角度、以及第二棒狀透鏡4與入射側光導纖維2相對的面的端面角度的相同(｜θPA｜=｜θPB｜。
(10)使出射側光導纖維1和入射側光導纖維2的心線材料相同(nFA=BFB)。
(11)使第一棒狀透鏡3的出射面角度和第二棒狀透鏡4的入射面角度都為0(θQA=θQB=0)。
(12)使第一棒狀透鏡3與出射側光導纖維1相對的面平行于出射側光導纖維1的端面。另外，使第二棒狀透鏡4與入射側光導纖維2相對的面平行于入射側光導纖維2的端面(θPA=θFA、θPB=θFB)。
另外，由于如果WA、WB大則容易發(fā)生彗形像差，故希望滿足下面的(式73)、(式74)所示的關系。[式73]gA·WA≤0.2[式74]gB·WB≤0.2(實施例)以下，舉出具體的實施例，更詳細地說明本發(fā)明。
采用美國Sinclair Optics公司制的光學設計軟件“OsloSix”，進行了光學系統(tǒng)的設計及耦合效率的計算。
下面的(表2)～(表5)所示的設計例1-1至設計例1-128是將棒狀透鏡的直徑2r0作為1，對圖5所示結構的光學元件進行了標準化設計而成的光學元件，即，滿足上述各條件，中軸光線入射到入射側光導纖維中之后與總體的光軸一致。
另外，下面的(表6)所示的設計例2-1～2-6是將棒狀透鏡的直徑2r0作為1，對圖6所示結構的光學元件進行了標準化設計而成的光學元件。另外，在下面的(表2)～(表6)所示的設計例中，使4次折射率分布系數(shù)為h4=+0.67，使6次折射率分布系數(shù)全部為0。
作為下面的(表1)～(表6)中的r0，在從0.125mm≤2r0≤5mm的范圍內選擇具體的數(shù)值的情況下，具有長度單位的W、Z、L作為與r0成正比的數(shù)值，使單位為(長度)-1的g與r0成反比即可。折射率n和折射率分布系數(shù)h4、h6、h8…無量綱。另外，下面的(表2)～(表6)中的角度的單位用(°)表示。
表2 表3 表4 表5 表6
下面的(表7)～(表9)所示的設計例3-1～3-6及上面的(表1)所示的參考例1、2是實際數(shù)值的實施例及參考例。圖7～圖12中模式地示出了與設計例3-1～3-6對應的光學元件的光學系統(tǒng)。耦合效率的計算值是忽視了邊界面上的反射損耗、內部吸收損耗、以及設置在棒狀透鏡之間的光學功能部件產生的損耗后的數(shù)值。另外，作為光導纖維采用單模光纖，其數(shù)值孔徑(NA)用高斯光束的強度達到最大值的1/e2的遠場的分散來定義。
圖5中配置的設計例3-1～3-4及參考例1、2的通用條件如下光的波長λ=1550nm光導纖維的材料為石英(1550nm時的折射率=1.4440)數(shù)值孔徑NA=0.10棒狀透鏡的折射率分布n(r)2=n02·{1-(g·r)2+h4·(g·r)4}n0=1.5901g=0.326mm-1h4=+0.67棒狀透鏡的外徑2r0=1.8mmθQA=θQB=0在設計例3-1～3-4中，中軸光線與光軸的偏移ΔY、以及中軸光線與光軸的傾斜TLA大致為0，可知能獲得高耦合效率?？墒牵趨⒖祭?中，雖然滿足0≤｜θ3A-θ3B｜≤π/180的條件但是中軸光線入射到入射側光導纖維中之后與總體的光軸不一致，由于(θQA+θQB)-(θQAO+θQBO)的絕對值大，所以TLA增大，耦合效率變壞。為了使耦合效率好，如參考例2所示，有必要修正TLA。
圖5中配置的設計例3-5的條件如下光的波長λ=1550nm光導纖維的材料為石英(1550nm時的折射率=1.4440)數(shù)值孔徑NA=0.10棒狀透鏡的折射率分布n(r)2=n02·{1-(g·r)2+h4·(g·r)4}n0=1.6600g=1.50mm-1h4=+0.67棒狀透鏡的外徑2r0=1.0mmθQA=θQB=0圖6中配置的設計例3-6的條件如下光的波長λ=1550nm光導纖維的材料為石英(1550nm時的折射率=1.4440)數(shù)值孔徑NA=0.10棒狀透鏡的折射率分布n(r)2=n02·{1-(g·r)2+h4·(g·r)4}n0=1.6600g=1.500mm-1h4=+0.67棒狀透鏡的外徑2r0=0.50mmθQA=θQB=0在以上的設計例中，即使采用使光的方向反向、轉換了出射側與入射側的結構，也能獲得完全相同的效果。
如上所述，如果采用本發(fā)明，則能大幅度地簡化使用了棒狀透鏡的光學元件的組裝調整工作，能謀求降低生產成本。
權利要求
1．一種光學元件，它利用第一棒狀透鏡，將從出射側光導纖維的端面射出的光束變換成大致平行光線，通過光學功能元件后，利用第二棒狀透鏡聚光并被送入入射側光導纖維中，該光學元件的特征在于上述出射側光導纖維、上述第一棒狀透鏡、上述第二棒狀透鏡以及上述入射側光導纖維的光軸全都一致，假設從上述第一棒狀透鏡的光軸測得的徑向距離為r、上述第一棒狀透鏡的光軸上的折射率為nOA、折射率分布系數(shù)為gA、h4A、h6A、h8A時，用下面的(式1)表示上述第一棒狀透鏡的折射率分布，假設從上述第二棒狀透鏡的光軸測得的徑向距離為r、上述第二棒狀透鏡的光軸上的折射率為nOB、折射率分布系數(shù)為gB、h4B、h6B、h8B時，用下面的(式2)表示上述第二棒狀透鏡的折射率分布，假設上述出射側光導纖維的出射面的法線與光學元件總體的光軸構成的角為θFA、上述入射側光導纖維的入射面的法線與光學元件總體的光軸構成的角為θFB時，滿足下面的(式3)所示的關系，用上述出射側光導纖維的心線中心折射率nFA、上述入射側光導纖維的心線中心折射率nFB、上述出射側光導纖維和上述第一棒狀透鏡的間隔WA、上述第二棒狀透鏡和上述入射側光導纖維的間隔WB、上述出射側光導纖維和上述第一棒狀透鏡之間的介質的折射率nLA、上述第二棒狀透鏡和上述入射側光導纖維之間的介質的折射率nLB、上述第一棒狀透鏡和上述第二棒狀透鏡之間的介質的折射率nM、上述第一棒狀透鏡的出射面的法線與光學元件總體的光軸構成的角θQA、上述第二棒狀透鏡的入射面的法線與光學元件總體的光軸構成的角θQB，并利用下面的(式4)、(式5)定義了θ3A、θ3B時，上述θ3A、θ3B滿足下面的(式6)所示的關系，而且，上述第一棒狀透鏡的入射面的法線與光學元件總體的光軸構成的角θPA、上述第二棒狀透鏡的出射面的法線與光學元件總體的光軸構成的角θPB滿足下面的(式7)、(式8)所示的關系。[式1]nA(r)2=n0A2·{1-(gA·r)2+h4A(gA·r)4+h6A(gA·r)6+h8A(gA·r)8+…}[式2]nB(r)2=n0B2·{1-(gB·r)2+h4B(gB·r)4+h6B(gB·r)6+h8B(gB·r)8+…}[式3]θFA·θFB＞0[式4]θ3A=nOA·gA·WA·(nFA-nLA)θFA/(nM·nLA)+(nM-nOA)·θQA/nM[式5]θ3B=nOB·gB·WB·(nFB-nLB)θFB/(nM·nLB)+(nM-nOB)·θQB/nM[式6]0≤｜θ3A-θ3B｜≤π/180[式7]0≤｜θPA｜≤15·(π/180)[式8]0≤｜θPB｜≤15·(π/180)
2．一種光學元件，它利用第一棒狀透鏡，將從出射側光導纖維的端面射出的光束變換成大致平行光線，通過光學功能元件后，利用第二棒狀透鏡聚光并被送入入射側光導纖維中，該光學元件的特征在于上述出射側光導纖維、上述第一棒狀透鏡、上述第二棒狀透鏡以及上述入射側光導纖維的光軸全都一致，假設從上述第一棒狀透鏡的光軸測得的徑向距離為r、上述第一棒狀透鏡的光軸上的折射率為nOA、折射率分布系數(shù)為gA、h4A、h6A、h8A時，用下面的(式9)表示上述第一棒狀透鏡的折射率分布，假設從上述第二棒狀透鏡的光軸測得的徑向距離為r、上述第二棒狀透鏡的光軸上的折射率為nOB、折射率分布系數(shù)為gB、h4B、h6B、h8B時，用下面的(式10)表示上述第二棒狀透鏡的折射率分布，假設上述出射側光導纖維的出射面的法線與光學元件總體的光軸構成的角為θFA、上述入射側光導纖維的入射面的法線與光學元件總體的光軸構成的角為θFB時，滿足下面的(式11)所示的關系，用上述出射側光導纖維的心線中心折射率nFA、上述入射側光導纖維的心線中心折射率nFB、上述出射側光導纖維和上述第一棒狀透鏡的間隔WA、上述第二棒狀透鏡和上述入射側光導纖維的間隔WB、上述出射側光導纖維和上述第一棒狀透鏡之間的介質的折射率nLA、上述第二棒狀透鏡和上述入射側光導纖維之間的介質的折射率nLB、上述第一棒狀透鏡和上述第二棒狀透鏡之間的介質的折射率nM、上述第一棒狀透鏡的入射面的法線與光學元件總體的光軸構成的角θPA、上述第二棒狀透鏡的出射面的法線與光學元件總體的光軸構成的角θPB，并利用下面的(式12)、(式13)定義了θQAO、θQBO時，上述第一棒狀透鏡的出射面的法線與光學元件總體的光軸構成的角θQA、上述第二棒狀透鏡的入射面的法線與光學元件總體的光軸構成的角θQB滿足(式14)、(式15)所示的關系，而且，上述θPA、θPB滿足下面的(式16)、(式17)所示的關系。[式9]nA(r)2=nOA2·{1-(gA·r)2+h4A(gA·r)4+h6A(gA·r)6+h8A(gA·r)8+…}[式10]nB(r)2=nOB2·{1-(gB·r)2+h4B(gB·r)4+h6B(gB·r)6+h8B(gB·r)8+…}[式11]θFA·θFB＜0[式12]θQAO=nOA·gA·WA·(nOA-nLA)·θPA/{nLA·(nOA-nM)}nOA-nM=0時、θQAO=0[式13]θQBO=nOB·gB·WB·(nOB-nLB)·θPB/{nLB·(nOB-nM)}nOB-nM=0時、θQBO=0[式14]-(π/180)≤θQA-θQAO≤(π/180)[式15]-(π/180)≤θQB-θQBO≤(π/180)[式16]0≤｜θPA｜≤15·(π/180)[式17]0≤｜θPB｜≤15·(π/180)
3．根據(jù)權利要求1所述的光學元件，其特征在于用光學元件總體的光軸上的第一棒狀透鏡和第二棒狀透鏡的間隔L，并用下面的(式18)、(式19)定義了θQAO、θQBO時，第一棒狀透鏡的出射面的法線與光學元件總體的光軸構成的角θQA、以及第二棒狀透鏡的入射面的法線與光學元件總體的光軸構成的角θQB滿足下面的(式20)所示的關系。[式18]L＞0時、θQAO={(0.5·nOA2·gA2·L·WA-nLA·nM)·(nFA-nLA)θFA+nLA·nM(nOA-nLA)·θPA}/{0.5·nOA·nLA·gA·L·(nOA-nM)}L=0時、θQAO=0[式19]L＞0時、θQBO={(0.5·nOB2·gB2·L·WB-nLB·nM)·(nFB-nLB)θFB+nLB·nM(nOB-nLB)·θPB}/{0.5·nOB·nLB·gB·L·(nOB-nM)}L=0時、θQBO=0[式20]-2.5·(π/180)≤(θQA+θQB)-(θQAO+θQBO)≤+2.5·(π/180)
4．根據(jù)權利要求1或2所述的光學元件，其特征在于在從出射側光導纖維射出的光束中，成為光強分布的對稱中心的光線在入射到入射側光導纖維中之后與光學元件總體的光軸一致。
5．根據(jù)權利要求1或2所述的光學元件，其特征在于滿足1.4≤nOA≤2.0的關系。
6．根據(jù)權利要求1或2所述的光學元件，其特征在于滿足1.4≤nOB≤2.0的關系。
7．根據(jù)權利要求1或2所述的光學元件，其特征在于假設第一棒狀透鏡的半徑為rOA時，滿足0.125mm≤2rOA≤5mm的關系。
8．根據(jù)權利要求1或2所述的光學元件，其特征在于假設第二棒狀透鏡的半徑為rOB時，滿足0.125mm≤2rOB≤5mm的關系。
9．根據(jù)權利要求1或2所述的光學元件，其特征在于滿足0.1≤nOA·gA·rOA≤1的關系。
10．根據(jù)權利要求1或2所述的光學元件，其特征在于滿足0.1≤nOB·gB·rOB≤1的關系。
11．根據(jù)權利要求1或2所述的光學元件，其特征在于滿足4·(π/180)≤｜θFA｜≤15·(π/180)的關系。
12．根據(jù)權利要求1或2所述的光學元件，其特征在于滿足4·(π/180)≤｜θFB｜≤15·(π/180)的關系。
13．根據(jù)權利要求11所述的光學元件，其特征在于滿足6·(π/180)≤｜θFA｜≤8·(π/180)的關系。
14．根據(jù)權利要求12所述的光學元件，其特征在于滿足6·(π/180)≤｜θFB｜≤8·(π/180)的關系。
15．根據(jù)權利要求1或2所述的光學元件，其特征在于滿足gA·WA≤0.2的關系。
16．根據(jù)權利要求1或2所述的光學元件，其特征在于滿足gB·WB≤0.2的關系。
17．根據(jù)權利要求1或2所述的光學元件，其特征在于滿足｜θFA｜=｜θFB｜的關系。
18．根據(jù)權利要求1或2所述的光學元件，其特征在于滿足nLA=nLB的關系。
19．根據(jù)權利要求18所述的光學元件，其特征在于滿足nLA=nLB=1的關系。
20．根據(jù)權利要求1或2所述的光學元件，其特征在于滿足nOA=nOB、gA=gB、rOA=rOB的關系。
21．根據(jù)權利要求1所述的光學元件，其特征在于滿足θPA=θPB的關系。
22．根據(jù)權利要求2所述的光學元件，其特征在于滿足θPA=-θPB的關系。
23．根據(jù)權利要求1或2所述的光學元件，其特征在于滿足nFA=nFB的關系。
24．根據(jù)權利要求2所述的光學元件，其特征在于滿足θPA=θPB=0的關系。
25.根據(jù)權利要求2所述的光學元件，其特征在于滿足θFA=θPA、θFB=θPB的關系。
全文摘要
實現(xiàn)這樣一種光學元件:能在特別是通過使棒狀透鏡的傾斜加工面的角度最佳化以使各光導纖維和棒狀透鏡的光軸全都一致的結構中使入射到入射側光導纖維中的中軸光線與上述光軸一致。用下面的(式54)、(式55)定義了θ
文檔編號G02B13/00GK1309310SQ0110300
公開日2001年8月22日 申請日期2001年1月21日 優(yōu)先權日2000年1月21日
發(fā)明者橘高重雄 申請人:日本板硝子株式會社