專利名稱：光學(xué)設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)設(shè)備，其中將采用多層電介質(zhì)或者類似物質(zhì)形成的光學(xué)功能元件設(shè)置在兩個折射率分布型透鏡之間，并且特別涉及光學(xué)復(fù)用器/分離器元件，其由多層電介質(zhì)等類似物質(zhì)形成并設(shè)置于兩個折射率分布型透鏡之間，并且使用在光通信領(lǐng)域以及光學(xué)儀器設(shè)備中。
背景技術(shù)：
下文中，將對本發(fā)明兩個方面的背景技術(shù)給予說明。
在本發(fā)明的第一個方面中，描述了光學(xué)復(fù)用器/分離器濾波器的一個改進(jìn)的結(jié)構(gòu)，該種結(jié)構(gòu)使用在具有采用多層電介質(zhì)或者類似的物質(zhì)形成的光學(xué)設(shè)備中。該光學(xué)復(fù)用器/分離器包括一個被插入兩個準(zhǔn)直透鏡的端面之間的光學(xué)分路濾波器或者類似設(shè)備，以及采用光纖形成的輸入和輸出端口設(shè)置在上述準(zhǔn)直透鏡的其他端面上。
圖10示出了在美國專利號為6347170的申請文件中公開的光學(xué)功能組件的一個例子。圖中光學(xué)功能組件1是一個WDM(波分復(fù)用)類型的光學(xué)復(fù)用器/分離器，并且具有一個WDM光學(xué)復(fù)用型/分離型濾波器3作為上述光學(xué)功能組件。作為準(zhǔn)直透鏡的第一和第二折射率分布型透鏡2和4設(shè)置在上述光學(xué)復(fù)用型/分離型濾波器3的兩側(cè)。上述折射率分布型透鏡(也叫GRIN透鏡)基本上是一個圓柱形透鏡，具有從透鏡的光軸向外周逐漸減小的徑向折射率。
用于輸入的第一端口5和用于輸出的第二端口6以光纖形成，被連接到第一折射率分布型透鏡2背離光學(xué)復(fù)用型/分離型濾波器3一側(cè)的端面2a上。類似地，將一個用光纖形成的第三端口7連接到第二準(zhǔn)直透鏡4背離光學(xué)復(fù)用型/分離型濾波器3一側(cè)的端面上。
將各端口5，6和7的端面，以及折射率分布型透鏡2和4與各端口5，6和7相對的端面2a和4a研磨并且拋光，以使它們以一個預(yù)定的角度(通常在6到8度的范圍)相對該光軸傾斜，目的是為了防止由該端面所反射的光線進(jìn)入到上述光路。因此，使上述反射光線偏離光軸。
光學(xué)復(fù)用器/分離器1的功能如下。首先，當(dāng)波分多路復(fù)用信號光線從上述第一端口5輸入時，該光線經(jīng)上述第一折射率分布透鏡2匯聚并且輸入到上述光學(xué)復(fù)用型/分離型濾波器3。上述光學(xué)復(fù)用型/分離型濾波器3只允許上述波分多路復(fù)用信號光線中一定波長的光通過，并且反射其他波長的光。因此，能夠通過上述光學(xué)復(fù)用型/分離型濾波器3的光，在通過它之后，通過第二折射率分布類型透鏡4輸出到第三端口7。另外，經(jīng)上述光學(xué)復(fù)用型/分離型濾波器3反射的光，在被反射之后，通過第一折射率分布類型透鏡2輸出到第二端口6。采取此方式，可以將從第5端口入射的入射光線分為兩路輸出，從第二和第三端口6和7輸出。
采取這種方式，在傳統(tǒng)光學(xué)功能儀器中，為了減少制造成本，采用具有同樣長度以及類似規(guī)格的折射率分布型透鏡作為折射率分布型透鏡2和4。然而，由于其端面2a和4a經(jīng)過斜研磨，在被上述光學(xué)復(fù)用型/分離型濾波器3反射之后在透鏡中從上述第一端口5到第二端口6的光路長度(圖4中光路長度AD+DB)，與透射上述光學(xué)復(fù)用型/分離型濾波器3之后從上述第一端口5到第三端口7的光路長度(圖4中光路長度AD+EC)是不相同的。在圖10中，點A到E表示光信號輸入或者輸出上述折射率分布型透鏡2和4的端面的位置。
因此，由于從點B到第二端口6的出射光，以及從點C到第三端口7的出射光不能具有同樣的焦距，到端口6和7的耦合效率降低導(dǎo)致了損耗的增加。特別地，這是最近為了增加通信容量而引入的用于高密度波分多路復(fù)用通信系統(tǒng)的光學(xué)復(fù)用器/分離器的一個問題。
因此，為了解決此問題，使上述折射率分布型透鏡2和4的長度比這些透鏡的焦距要短(0.25節(jié)距(pitch))，并且將上述端口5，6和7的端面以及各自相對的折射率分布型透鏡2和4的端面分隔開，并且調(diào)節(jié)這些部件之間的位置關(guān)系(校準(zhǔn))，以便盡可能地減小損耗，并且隨后使用粘合劑將這些部件固定。
然而，在此方法中，由于必須進(jìn)行與透鏡光學(xué)軸方向的校準(zhǔn)，因此端口5，6和7的校準(zhǔn)調(diào)節(jié)是很困難的并且費時。另外，由于上述端口5，6和7以及折射率分布型透鏡2和4的端面之間的距離被增加了，隨后在采用在上述端面之間填充粘合劑的結(jié)構(gòu)時，仍然存在的問題是，上述光學(xué)功能組件的性能容易受到上述粘合劑的機(jī)械強(qiáng)度和溫度變化引起體積變化的影響，于是上述光學(xué)特性的穩(wěn)定性降低。
在本發(fā)明的第二方面中，描述了一個改進(jìn)的光學(xué)復(fù)用器/分離器元件，它包括了一個光學(xué)復(fù)用型/分離型濾波器，一個光學(xué)分路濾波器或者類似的部件，插入到兩個準(zhǔn)直透鏡的端面之間，并且由光纖形成的輸入和輸出端口設(shè)置在上述準(zhǔn)直透鏡的其他端面上。
圖11說明了光學(xué)復(fù)用器/分離器的一個傳統(tǒng)例子的示意結(jié)構(gòu)(例如，參見美國專利號6347170)。
圖中的光學(xué)復(fù)用器/分離器1配有一個采用多層電介質(zhì)制作的光學(xué)復(fù)用器/分離器元件3，以及設(shè)置在此光學(xué)復(fù)用器/分離器元件3兩側(cè)的第一和第二準(zhǔn)直透鏡2和4。第一和第二折射率分布型透鏡2和4被作為準(zhǔn)直透鏡設(shè)置在此光學(xué)復(fù)用型/分離型濾波器3兩側(cè)。
將采用光纖制作的第一端口5和第二端口6連接到第一準(zhǔn)直透鏡2背離光學(xué)復(fù)用器/分離器元件3一側(cè)的端面2a。另外，將由光纖形成的一個第三端口7連接到上述第二準(zhǔn)直透鏡4背離光學(xué)復(fù)用器/分離器元件3一側(cè)的端面上。
在此光學(xué)復(fù)用器/分離器1中，采用節(jié)距為大約0.25的折射率分布型透鏡作為第一和第二準(zhǔn)直透鏡2和4。這里，折射率分布型透鏡中一個節(jié)距的長度代表在上述折射率分布型透鏡中傳輸?shù)墓馐囊粋€正弦周期。
因此，經(jīng)上述光學(xué)復(fù)用器/分離器元件3反射后透鏡中從第一端口到第二端口的光路長度，以及穿過上述光學(xué)復(fù)用器/分離器元件3之后透鏡中從第一端口到第三端口的光路長度(不包括通過間隔以及光學(xué)復(fù)用器/分離器元件3的光路傳輸長度)，上述兩者都是0.5節(jié)距。因此，從上述第一端口輸入并分散的光線匯聚在上述透鏡的端面上，所以如果適當(dāng)選擇每個端口5到7的位置，就有可能高效率地將上述準(zhǔn)直透鏡2和4以及上述端口5到7連接起來。
附帶地，然而，近些年，對于擴(kuò)大通信容量有很強(qiáng)的需求，并且因此擴(kuò)大了用于通信的波段，這也構(gòu)成了第二方面的問題。由于上述準(zhǔn)直透鏡2和4中的波長色散，不能忽略波長具有較大差別的光學(xué)信號的波長之間的焦距差。這導(dǎo)致從上述準(zhǔn)直透鏡2和4的出射光匯聚的位置偏離上述端口5到7的端面，并且因此產(chǎn)生了損耗增加的問題。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明的第一方面提供了一個光學(xué)功能組件包括一個第一折射率分布型透鏡，將其一個端面斜研磨，第一和第二端口與第一折射率分布型透鏡的斜研磨端面連接，一個光學(xué)功能元件連接到上述第一折射率分布型透鏡的另一端，一個第二折射率分布型透鏡，將其一個端面斜研磨，并且設(shè)置另一個端面通過上述光學(xué)功能元件以使其與上述第一折射率分布型透鏡的另一端面相對，以及一個第三端口連接到上述第二折射率分布型透鏡斜研磨的端面，其中在被上述光學(xué)功能元件反射后該透鏡內(nèi)從第一端口到第二端口的光路長度，與在透射上述光學(xué)功能元件之后在該透鏡內(nèi)從第一端口到第三端口的光路長度相等。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面的第二方面，在上述光學(xué)功能組件中，將第一和第二折射率分布型透鏡的各個研磨端面的長度和傾斜角度作成互相相等，并且將這兩個折射率分布型透鏡的兩個最短的側(cè)邊的位置設(shè)置在相同的一面，如同這兩個折射率分布型透鏡的最長邊。
為了解決本發(fā)明的第二方面的問題，本發(fā)明的第三方面提供了一個光學(xué)復(fù)用器/分離器，包括第一和第二準(zhǔn)直透鏡，插入到上述準(zhǔn)直透鏡的端面之間的一個光學(xué)復(fù)用器/分離器元件，安置在上述第一準(zhǔn)直透鏡的另一端面之上的第一和第二端口，以及安置在第二準(zhǔn)直透鏡的另一端面之上的第三端口，并且其具有兩個光路包括，在被上述光學(xué)復(fù)用器/分離器元件反射之后從第一端口到第二端口的第一光路，以及在透射上述光學(xué)復(fù)用器/分離器元件之后的從第一端口到第三端口的第二光路，并且其通過利用兩個光路以及上述光學(xué)復(fù)用器/分離器元件組合并且分離了具有不同波長的光，其中相應(yīng)于由于上述第一和第二準(zhǔn)直透鏡的波長色散而引起的不同波長的光線的焦距差，設(shè)置第一和第二光路之間的長度差。
本發(fā)明的第二方面中的本發(fā)明的第四方面，在采用如第三方面所述的光學(xué)復(fù)用器/分離器過程中，人們希望采用一種設(shè)備，其中第一和第二準(zhǔn)直透鏡是折射率分布型透鏡，并且設(shè)置準(zhǔn)直透鏡的位置，該準(zhǔn)直透鏡具有在與每個斜研磨的端口相對側(cè)的各端面，以使斜研磨的面互相平行，并且上述第一和第二光路的長度是不同的，并且在具有不同波長的光之中，其波長在折射率分布型透鏡中的焦距會變長的光，通過兩個光路中光路的長度比較長的光路。
另外，在本發(fā)明的第二個方面中，第五方面提供了一個光學(xué)復(fù)用器/分離器，其中在上述第一和第二折射率分布型透鏡之間，優(yōu)選地使用折射率分布型透鏡，其中上述第一和第二折射率分布型透鏡的長度是上述折射率分布型透鏡中具有比較長的焦距的波長的節(jié)距的0.23到0.25倍。


圖1是本發(fā)明的光學(xué)功能組件的一個實例的示意性的模塊圖。
圖2是說明折射率分布型透鏡的長度和傾斜角度的透視圖。
圖3是本發(fā)明的光學(xué)功能組件的另一個實例的示意性的模塊圖。
圖4是本發(fā)明的一個光學(xué)復(fù)用器/分離器的第一實施例的示意性的模塊圖。
圖5是一個折射率分布型透鏡的軸向折射率相對波長變化關(guān)系的一個實例的曲線。
圖6是一個折射率分布型透鏡的0.5節(jié)距長度相對波長變化關(guān)系的一個實例的曲線。
圖7是本發(fā)明的一個光學(xué)復(fù)用器/分離器的第二實施例的示意性的模塊圖。
圖8A和8B是本發(fā)明的一個光學(xué)復(fù)用器/分離器的第三實施例的示意性的模塊圖。
圖9是本發(fā)明的一個光學(xué)復(fù)用器/分離器的第四實施例的示意性的模塊圖。
圖10是一個傳統(tǒng)的光學(xué)功能組件的實例的示意性的模塊圖。
圖11是一個傳統(tǒng)光學(xué)復(fù)用器/分離器的示意性的模塊圖。
具體實施例方式
下面，將參照附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的第一方面。
圖1說明了作為本發(fā)明的第一種實施方式的光學(xué)復(fù)用器/分離器。在此圖中，上述光學(xué)復(fù)用器/分離器1包括一個折射率分布型透鏡2，一個WDM光學(xué)復(fù)用型/分離型濾波器3作為一個光學(xué)功能元件，以及一個第二折射率分布型透鏡4，按照此順序排列。
將以光纖形成的一個第一端口5以及一個第二端口6，連接到上述第一折射率分布型透鏡2背離上述光學(xué)復(fù)用型/分離型濾波器3一側(cè)的端面2a上。另外，將一個以光纖形成的第三端口7連接到上述第二折射率分布型透鏡4的背離上述光學(xué)復(fù)用型/分離型濾波器3一側(cè)的端面4a上。
在圖1所示的上述實施例中，將端口5到7固定到玻璃毛細(xì)管(毛細(xì)管道)10和11并且由其所支持。然而，本發(fā)明并不限制于此，一個V型的凹槽底層可以被用作以支持上述端口5，6和7的設(shè)備，并且上述光纖可以直接與上述透鏡2和4熔化接合。
確定第一端口5和第二端口6之間的位置關(guān)系，以便當(dāng)從第一端口5入射的入射光線經(jīng)上述光學(xué)復(fù)用型/分離型濾波器3反射時，經(jīng)第二端口6輸出。另外，確定第一端口5和第三端口7之間的位置關(guān)系，以便當(dāng)由第一端口5入射的光線透射上述光學(xué)復(fù)用型/分離型濾波器3后，從第三端口7輸出。
第一和第二折射率分布型透鏡2和4都是圓柱形的透鏡，具有沿徑向的折射率分布，這種類型的透鏡也被叫做GRIN透鏡或者棒形透鏡。對于這些第一和第二折射率分布型透鏡2和4，可以采用一種由多組分玻璃制作的稱為Selfoc(廠商名稱為Nippon Sheet Glass Co.，Ltd.)的產(chǎn)品，以及如在由本申請人申請的首次公開號為2001-104929的日本專利申請中所公開的采用石英玻璃制作的折射率分布型透鏡，等等，而無特別的限制。
第一和第二折射率分布型透鏡2和4，如圖2中所示，采用斜研磨，使其一個端面以一個預(yù)定的角度相對光軸Z傾斜。另一個端面被研磨使其與上述光軸Z垂直。
如圖2中所示，在本發(fā)明中，折射率分布型透鏡的長度是光軸的長度L與該節(jié)距長度的比率，并且將上述折射率分布型透鏡被斜研磨的端面的傾斜角定義為由上述端面的法線N以及上述光軸Z形成的角度θ。
在本實施方式中的上述光學(xué)復(fù)用器/分離器1，第一和第二折射率分布型透鏡2和4的長度以及上述傾斜角θ是相等的，該透鏡長度是0.23到0.25節(jié)距，并且該傾斜角θ是6到8°。
上述光學(xué)復(fù)用型/分離型濾波器3是一個濾波元件，由多層電介質(zhì)制成，并且具有反射某一預(yù)定波長范圍內(nèi)的光的特性，并且傳輸另一個預(yù)定的波長范圍內(nèi)的光。一般說來，一個高折射率元件和一個低折射率元件是從例如SiO2，TiO2，ZrO2，Nb2O5，Ta2O5以及類似的適合于使用的電介質(zhì)中選擇的，并且以具有預(yù)定的薄膜厚度的幾個到幾百層的方式交替地層疊而成。
另外，在本實施方式的光學(xué)復(fù)用器/分離器1，將第一折射率分布型透鏡2最短側(cè)邊的位置(圖1中的頂邊)以及最長邊的位置(圖1中的底邊)設(shè)置在與上述第二折射率分布型透鏡4最長側(cè)邊相同的一側(cè)。
因此，在透鏡內(nèi)從上述光學(xué)復(fù)用型/分離型濾波器3到第二端口6的光路長度(圖中D和B之間的光路長度)，以及在透鏡內(nèi)從上述光學(xué)復(fù)用型/分離型濾波器3到第三端口7的光路長度(圖中E和C之間的光路長度)，是相等的。因此在經(jīng)上述光學(xué)復(fù)用型/分離型濾波器3反射之后，在透鏡內(nèi)從第一端口5到第二端口6的光路長度(圖1中AD+DB的光路長度)等于在透射上述光學(xué)復(fù)用型/分離型濾波器3之后，在透鏡內(nèi)從第一端口5到第三端口7的光路長度(圖4中AD+EC的光路長度)。從點B到第二端口6的輸出光，以及對于從點C到第三端口7的輸出光的兩個透鏡表面的焦距可以是相同的。
因此，可以使各個端口5，6和7的端面與折射率分布型透鏡2和4的端面2a和4a之間的間隙非常小，以使上述透鏡軸向方向的對齊操作在對齊固定時可以被省略，從而定位時間可以被縮短。另外，在采用粘合劑填滿在上述端面之間的結(jié)構(gòu)的情況下，有可能減小上述粘合劑的薄膜厚度，并且從而增加粘合部分的機(jī)械強(qiáng)度，并且減少上述粘合劑的溫度膨脹或收縮。結(jié)果，上述光學(xué)復(fù)用器/分離器1的性能不容易根據(jù)環(huán)境溫度的變化而變化，并且穩(wěn)定性被提高了。
下一步，一種制造前面提到的光學(xué)復(fù)用器/分離器1的方法將在下面描述。注意下面的過程只是一個例子，并且不限制本發(fā)明。
首先，將一個第一折射率分布型透鏡2，一個光學(xué)復(fù)用型/分離型濾波器3，以及一個第二折射率分布型透鏡4使用環(huán)氧系統(tǒng)等類似的粘合劑按此順序固定。此時，在用一個電荷耦合式(CCD)相機(jī)觀察時，相對中心光軸旋轉(zhuǎn)第一折射率分布型透鏡2以及第二折射率分布型透鏡4的端面2a和4a的傾斜面的方向、上述折射率分布型透鏡2和4以調(diào)整它們的位置，以使透鏡2和4的最短側(cè)邊和最長側(cè)邊的位置一致。
下一步，第一端口5被固定到上述折射率分布型透鏡2的端面2a的預(yù)定的位置并且被粘附上。另外，第二端口6的位置被確定并且隨后上述第二端口6被粘合。當(dāng)然，此時上述第二端口6被提供到上述第一折射率分布型透鏡2的一個端面2a，當(dāng)光線從第一端口5入射時，進(jìn)行校準(zhǔn)調(diào)節(jié)以使從第六端口6輸出的光線強(qiáng)度達(dá)到最大值，并且上述第二端口6隨后被粘合到此位置。
類似地，在一個與端面2a與第二端口6的端面之間的距離相同的距離處，第三端口7被提供到上述折射率分布型透鏡4的端面4a，當(dāng)光線從上述第一端口5入射時，進(jìn)行校準(zhǔn)調(diào)節(jié)，以使從上述第三端口7輸出的光線的強(qiáng)度達(dá)到最大值，并且上述第三端口7隨后被粘合到此位置。
通過使用這樣一個程序，就能夠?qū)⑸鲜龆丝?，6和7校準(zhǔn)，以使插入損耗最小，于是有可能制造一個插入損耗非常小的光學(xué)復(fù)用器/分離器1。
本發(fā)明是基于如上所述的優(yōu)選的實施方式來描述的。然而，本發(fā)明并不局限于這些實施方式，不脫離本發(fā)明的精神的一定范圍的修改是可以的。
例如，采用對波長不存在依賴關(guān)系的光學(xué)復(fù)用型/分離型濾波器代替相對波長具有依賴關(guān)系的光學(xué)復(fù)用型/分離型濾波器3作為光學(xué)功能元件，隨后可以將此設(shè)備應(yīng)用到一個光學(xué)分路耦合器。
另外，如圖3中所示，這樣的配置也是可以的，即第一折射率分布型透鏡2的最長側(cè)邊的位置與第二折射率分布型透鏡4的最短側(cè)邊的位置被安置在同一側(cè)，并且第二折射率分布型透鏡4的長度作成比第一折射率分布型透鏡2的長度短，以使光路長度AD+DB與光路長度AD+EC相等。
如上面所述，根據(jù)本發(fā)明的第一方面的光學(xué)功能組件，由于通過光學(xué)功能元件從上述第一折射率分布型透鏡側(cè)上的一個端口到另一端口的長度，與從上述第一折射率分布型透鏡側(cè)上的一個端口通過光學(xué)功能元件到上述第二折射率分布型透鏡上的端口的光路長度相等，因此可以省略對透鏡軸方向校準(zhǔn)調(diào)節(jié)，并且校準(zhǔn)操作可以在一個很短的時間內(nèi)完成，使成本得到了降低。另外，在采用在上述端面之間填充粘合劑的結(jié)構(gòu)的情況下，有可能減小光纖的端面與折射率分布型透鏡的端面之間的間隙，并且這樣使粘合層的薄膜厚度變薄，于是增加了上述光學(xué)功能組件的粘合部分的機(jī)械強(qiáng)度并且提高了相關(guān)于溫度的穩(wěn)定性。
圖4說明了符合本發(fā)明的第二方面的光學(xué)復(fù)用器/分離器。在此光學(xué)復(fù)用器/分離器101中，采用折射率分布型透鏡作為準(zhǔn)直透鏡102和104，并且將第一折射率分布型透鏡102，一個光學(xué)復(fù)用器/分離器元件103以及第一折射率分布型透鏡104以此順序來安置。
將用光纖形成的一個第一端口105以及一個第二端口106，連接到上述第一折射率分布型透鏡102遠(yuǎn)離上述光學(xué)復(fù)用器/分離器元件103一側(cè)的端面102a上。另外，將采用光纖制成的一個第三端口107連接到上述第二折射率分布型透鏡104的遠(yuǎn)離上述光學(xué)復(fù)用器/分離器元件103一側(cè)的端面104a上。
在圖4中所示的實施方式中，端口105到107被固定到玻璃毛細(xì)管(毛細(xì)管道)110和111并且由其支撐。然而，本發(fā)明并不限制于此，可以采用一個V型凹槽底層作為支撐每個端口105到107的設(shè)備，并且可以將光纖直接與透鏡102和104熔合連接。
確定第一端口105和第二端口106之間的位置關(guān)系，以便從第一端口105入射的入射光經(jīng)上述光學(xué)復(fù)用器/分離器元件103反射時，從第二端口106輸出。另外，確定第一端口105和第三端口107之間的位置關(guān)系被確定，以便當(dāng)從第一端口105入射的光透射上述光學(xué)復(fù)用器/分離器元件103后，從第三端口107輸出。
第一和第二折射率分布型透鏡102和104都是圓柱形的透鏡，具有沿徑向的折射率分布，這種類型的透鏡也被叫做GRIN透鏡或者棒形透鏡。對于這些第一和第二折射率分布型透鏡2和4，可以采用如一種由多組分類型的玻璃形成的叫作Selfoc(廠商名稱為Nippon SheetGlass Co.，Ltd.)的產(chǎn)品，以及如由本申請人申請的第一次公開號2001-104929的日本專利申請中所公開的由石英玻璃制成的折射率分布型透鏡，等等，而不受特別的限制。
一般來說，對于折射率分布型透鏡，當(dāng)長度為0.25節(jié)距時，平行光匯聚于一點，并且相反地從一點入射的光將以一個平行光出射。在本實施方式中，用一個對應(yīng)于0.25倍節(jié)距的長度表示折射率分布型透鏡的焦距。
第一和第二折射率分布型透鏡102和104，如圖4和圖2中所示，被斜研磨以使與端口105到107相對側(cè)的端面102a和104a以一個預(yù)定的角度相對光軸Z傾斜。
在本發(fā)明的第二方面中，折射率分布型透鏡的長度是光軸的長度L與該節(jié)距長度之比，并且將上述折射率分布型透鏡斜研磨的端面的傾斜角定義為由上述端面的法線N以及上述光軸Z形成的夾角θ。
在本實施方式中的上述光學(xué)復(fù)用器/分離器1中，第一和第二折射率分布型透鏡102和104的長度以及傾斜角θ是相等的，該透鏡長度是0.23到0.25節(jié)距，并且該傾斜角θ是6到8°。
上述光學(xué)復(fù)用器/分離器元件103是一個濾波元件，由多層電介質(zhì)制成，并且其特性為，反射一個預(yù)定波長范圍內(nèi)的光，并且傳輸在另一個預(yù)定的波長范圍內(nèi)的光。一般說來，一個高折射率元件和一個低折射率元件是從例如SiO2，TiO2，ZrO2，Ta2O5，Nb2O5以及類似的適合于使用的電介質(zhì)中選擇的，并且采用幾個到幾百層具有預(yù)定的薄膜厚度的薄膜交替層疊。
另外，在本實施方式的光學(xué)復(fù)用器/分離器101中，設(shè)置第一和第二折射率分布型透鏡102和104的位置，以使其經(jīng)斜研磨的端面102a和104a為平行的，如圖4中所示。另外，上述光學(xué)復(fù)用器/分離器元件103是一種類型，即傳輸一個預(yù)定的長波長成分λ1，并且反射一個預(yù)定的短波長成分λ2。第一和第三端口105和107被分別安置在折射率分布型透鏡102和104的長邊側(cè)，并且該第二端口106被安置在第一折射率分布型透鏡102的短邊側(cè)。
因此，在被光學(xué)復(fù)用器/分離器元件103反射之后透鏡中從第一端口105到第二端口106的第一光路的光路長度(圖4中所示的光路長度AD+DB)比通過光學(xué)復(fù)用器/分離器元件103傳輸之后的透鏡中的從第一端口105到第三端口107的第二光路的光路長度(圖1中的光路長度AD+EC)短。如果形成第一和第二端口105和106的光纖的纖芯之間的距離是d，并且第一和第二折射率分布型透鏡102和104的斜研磨的端面的傾斜角度是θ，則第一光路的光路長度與第二光路的光路長度之間的差值ΔL(等于DB與EC之間的差值)可由下面的等式(1)來表示。
ΔL＝dtanθ(1)本實施方式的光學(xué)復(fù)用器/分離器通過此光路長度差值ΔL補(bǔ)償了上述折射率分布型透鏡102和104之間的焦距的差值。
圖5說明了使用主要成分是石英的玻璃制作的折射率分布型透鏡軸向折射率相對波長變化關(guān)系的例子。另外，圖6說明了光路長度(0.5節(jié)距，也就是說是焦距的兩倍)隨波長色散的變化。
如果λ1是1550nm并且λ2是1480nm，則0.5節(jié)距的長度對于λ1來說大約是3.29mm，對于λ2來說大約是3.27mm，所以由于波長色散導(dǎo)致的光路長度的差值是大約0.02mm。
因此，為了補(bǔ)償由于波長色散引起的焦距的差值，將ΔL設(shè)為大約20μm。例如，如果d＝125μm并且θ＝8°，那么等式(1)產(chǎn)生一個值ΔL＝大約17.5μm。
因此，對于波長λ2來說上述第一光路的光路長度(AD+DB)是大約0.5節(jié)距，于是從上述第一端口105入射的波長成分λ2被上述光學(xué)復(fù)用器/分離器元件103反射，并且匯聚在第一折射率分布型透鏡102的端面102a上。另外，由于對于波長為λ1上述第二光路的光路長度(AD+EC)是大約0.5節(jié)距，從上述第一端口105入射進(jìn)入的波長成分λ1透過上述光學(xué)復(fù)用器/分離器元件103，并且匯聚在上述第二折射率分布型透鏡104的端面104a上。
因此，有可能提高上述第二端口106與上述第一折射率分布型透鏡102之間，以及上述第三端口107與上述第二折射率分布型透鏡104之間的耦合效率，并且縮短每個準(zhǔn)直透鏡的端面與上述端口的距離，于是就有可能減小光學(xué)損耗的惡化。另外，在粘合劑填滿在上述端面之間的結(jié)構(gòu)中，有可能減少粘合劑的使用量，并且使上述粘合劑的薄膜厚度變薄。結(jié)果，增加了上述光學(xué)功能組件的粘合部分的機(jī)械強(qiáng)度并且提高了相關(guān)于溫度改變的穩(wěn)定性。
下一步，一種制造光學(xué)復(fù)用器/分離器101的方法將在下面描述。下面的程序只是一個例子，并且不限制本發(fā)明。
首先，制備具有預(yù)定的尺寸和特性的折射率分布型透鏡102和104，和一個光學(xué)復(fù)用器/分離器元件103，并且使用例如環(huán)氧系統(tǒng)或者類似的粘合劑依次粘附第一折射率分布型透鏡102，上述光學(xué)復(fù)用器/分離器元件103以及第二折射率分布型透鏡104。此時，在使用一個CCD相機(jī)觀察時，沿中心光軸旋轉(zhuǎn)上述第一折射率分布型透鏡102以及第二折射率分布型透鏡104的端面102a和104a的傾斜面的方向，上述折射率分布型透鏡102和104，以調(diào)整它們的方向使其端面102a和104a平行。
下一步，第一端口105被固定到上述第一折射率分布型透鏡102的端面102a的預(yù)定的位置并且被粘附上。另外，確定第二端口106的位置并且隨后粘附該第二端口。然而，在將上述第二端口106設(shè)置于上述第一折射率分布型透鏡102的端面102a且光線從第一端口105入射時，進(jìn)行校準(zhǔn)調(diào)節(jié)以使從第二端口106輸出的光線的強(qiáng)度達(dá)到最大，隨后將上述第二端口106粘合到此位置。
類似地，當(dāng)在上述第二折射率分布型透鏡104的端面104a上配置上述第三端口107時，光線從第一端口105入射，并且進(jìn)行校準(zhǔn)調(diào)節(jié)以使從第三端口107輸出的光線的強(qiáng)度達(dá)到最大，隨后將上述第三端口107粘合到此位置。
通過使用這樣一個程序，就能夠?qū)⑸鲜龆丝?05，106和107校準(zhǔn)，以使連接損耗最小，于是有可能制造一個連接損耗非常小的光學(xué)復(fù)用器/分離器1。
圖7說明了第二實施例的一個光學(xué)復(fù)用器/分離器。此光學(xué)復(fù)用器/分離器101與第一種實施方式中光學(xué)復(fù)用器/分離器的不同之處在于它使用了一個光學(xué)復(fù)用器/分離器元件103，此元件反射長波長成分λ1，并且傳輸短波長成分λ2。另外，在透射側(cè)上的第三端口107被安置于第二折射率分布型透鏡104的短側(cè)邊上。
這樣允許長波長成分λ1經(jīng)光學(xué)復(fù)用器/分離器元件103反射，通過從第一端口105到第二端口106的第一光路(圖7中的光路長度AD+DB)，短波長成分λ2在透射光學(xué)復(fù)用器/分離器元件103之后通過從第一端口105到第三端口107的第二光路(圖7中的光路長度AD+EC)，并且也使光路長度AD+DB比光路長度AD+EC長。
如圖7中所示，由于長波長成分λ1的焦距比短波長成分λ2的焦距長，通過使用與第一種實施例的上述光學(xué)復(fù)用器/分離器1的同樣方法，就有可能提高上述第一和第二折射率分布型透鏡102和104以及端口105到107的耦合效率，并且減少損耗。
另外，如本發(fā)明的第二方面中第一種實施例中所描述的，通過恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計第一和第二端口105和106的光纖的纖芯之間的距離d，并且第一折射率分布型透鏡102的斜研磨的端面102a的傾斜角度θ，有可能使第一和第二光路的光路長度(AD+DB以及AD+EC)對于穿過上述每個光路的光的波長λ1和λ2為大約0.5節(jié)距。
這樣使得折射率分布型透鏡102和104以及該端口105到107的端面之間的間隙可以作得更小，使用的粘合劑的數(shù)量可以被減少，并且減小了上述粘合劑的厚度。從而增加了粘合部分的機(jī)械強(qiáng)度，并且隨溫度變化的穩(wěn)定性被提高了。
圖8說明了本發(fā)明的第二方面的第三實施例的一個光學(xué)復(fù)用器/分離器的主要部分。在圖中所示的一個光學(xué)復(fù)用器/分離器101中，一個雙纖尾纖112被用于上述第一和第二端口105和106。此雙纖尾纖112被斜研磨出一個相對上述光軸的傾斜角θ2。此傾斜角θ2與斜研磨的上述第一折射率分布型透鏡102的端面的傾斜角θ1具有一個預(yù)定的差值。
一個第三端口(圖8中沒有示出)被安置在第二折射率分布型透鏡104的遠(yuǎn)離上述光學(xué)復(fù)用器/分離器元件103的一側(cè)。
在此情形中，第一端口105的端面與上述第一折射率分布型透鏡102的端面之間的間隙為L1，第二端口106的端面與上述第一折射率分布型透鏡102的端面之間的間隙為L2。因為θ1≠θ2，所以L1≠L2。結(jié)果，L1與L2之間的差值是光路長度差值ΔL。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面的本實施例中，即使同樣長度的透鏡被用于第一和第二折射率分布型透鏡102和104，有可能由于傾斜角θ1和θ2之間的差值，在被光學(xué)復(fù)用器/分離器元件103反射之后從第一端口105到第二端口106的第一光路，以及在透過光學(xué)復(fù)用器/分離器元件103之后從第一端口105到第三端口(圖中沒有示出)的第二光路之間提供一個光路長度差ΔL。
因此，通過合理地調(diào)節(jié)θ1和θ2以提供所需要的光路長度差值ΔL，有可能補(bǔ)償折射率分布型透鏡中由于波長色散導(dǎo)致的焦距的差值。因此，有可能提高上述透鏡和上述端口的耦合效率，這樣就減小了上述光學(xué)復(fù)用器/分離器1的損耗。
圖9是本發(fā)明的第二方面的第四實施例的光學(xué)復(fù)用器/分離器示意性的結(jié)構(gòu)圖。在此光學(xué)復(fù)用器/分離器1中，采用非球面的透鏡組用作準(zhǔn)直透鏡102和104。將一個光學(xué)復(fù)用器/分離器元件103設(shè)置在上述準(zhǔn)直透鏡102和104的端面之間。將一個包括第一和第二端口105和106的雙纖尾纖112設(shè)置在上述第一準(zhǔn)直透鏡102的另一端面?zhèn)?。另外，將包括第三端?07的單光纖的尾光纖113設(shè)置在上述第二準(zhǔn)直透鏡104的另一端面?zhèn)取?br> 在圖9中，出示了一個結(jié)構(gòu)，其中采用非球面透鏡作為第一和第二準(zhǔn)直透鏡101和102。然而，作為一個另外一種選擇，球形透鏡，球面透鏡等類似透鏡都可以使用。
在這樣的光學(xué)復(fù)用器/分離器101中，具有不同波長的光λ1和λ2從上述第一端口105入射，同時只有被分離的光線λ2從上述第二端口106輸出。上述準(zhǔn)直透鏡102的焦距對于波長為λ1的光和波長為λ2的光是不同的，原因在于準(zhǔn)直透鏡102的波長色散。如果焦距上的差值得不到補(bǔ)償，反射光線的損耗就會增加。
因此，在本實施方式中，將與上述第一準(zhǔn)直透鏡102相對的雙纖尾纖112的端面112a斜研磨。此時，光軸方向上的從第一端口105的前端到第二端口106的前端的距離ΔL用下面的等式(2)來表示，其中該雙纖尾纖112的端面112a的傾斜角是θ，并且第一端口105的纖芯與第二端口106的纖芯之間的距離是d。
ΔL＝dtanθ (2)因此，通過設(shè)置上述傾斜角θ，并且適當(dāng)?shù)卦O(shè)置纖芯之間距離d的尺寸，使ΔL等于焦距之間的差值，校準(zhǔn)第一和第二端口105和106變得容易，并且損耗可以被減少。
可以通過例如下面的程序來調(diào)節(jié)校準(zhǔn)第一和第二端口105和106。首先，將第一端口105連接到一個光源，并且將第二端口106連接到一個輸出監(jiān)視器。當(dāng)從此光源發(fā)出的輸入光從第一端口105出射時，將第一端口105配設(shè)到第一準(zhǔn)直透鏡102。此時，移動雙纖尾纖112，并且當(dāng)發(fā)現(xiàn)從上述光學(xué)復(fù)用器/分離器元件103反射的光線以最高強(qiáng)度輸入到第二端口106的位置時，將其固定在此位置。通過以這種方式調(diào)節(jié)校準(zhǔn)，就有可能制造一個反射光的損耗極低的光學(xué)復(fù)用器/分離器101。
本發(fā)明的第二方面的描述是基于上面描述的優(yōu)選的實施例。然而，本發(fā)明并不局限于這些實施例，不脫離本發(fā)明的精神的一定范圍的修改是可以的。
例如，在上面這些實施方式中，描述了一個可逆的光學(xué)復(fù)用器/分離器元件，但是也可以采用一種結(jié)構(gòu)，其中使用只具有多路復(fù)用以及多路分解之一個功能而不能可逆的元件來形成一個光學(xué)多路復(fù)用器或者光學(xué)多路分解器。
另外，可以使用兩個單光纖尾光纖作為第一和第二端口105和106而代替使用上述雙纖尾纖112。因此，有可能單獨調(diào)節(jié)校準(zhǔn)每個單個光纖尾光纖的端面的位置。
例子在圖4中所示的光學(xué)復(fù)用器/分離器101中，將光學(xué)復(fù)用器/分離器元件103的透射波長λ1設(shè)定為1550nm，并且將反射波長λ2設(shè)定為1480nm。另外，將折射率分布類型的透鏡102和104的長度作成0.25節(jié)距，并且將斜端面的傾斜角θ作成8°。第一和第二端口105和106纖芯之間的距離是125μm。
由方程(1)可得第一和第二光路之間的光路長度差ΔL是17.5μm。另外，這里使用的上述折射率分布類型的透鏡102和104的焦距λ1和λ2的差值是大約20μm。
反射光損耗是從通過第一端口105傳輸?shù)牟ㄩL為1480nm的強(qiáng)度與輸出到第三端口107的波長為1480nm的強(qiáng)度的比率得到的，其值為0.09dB。
透射光損耗是通過將傳輸通過第一端口105的波長1550nm的強(qiáng)度與輸出到第三端口107的波長1550nm的強(qiáng)度進(jìn)行比較而得到的，其值為0.15dB。
如上所述，可以使反射光和透射光的損耗都非常小。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的第二方面的光學(xué)復(fù)用器/分離器，利用從第一端口經(jīng)上述光學(xué)復(fù)用器/分離器反射之后到第二端口的第一光路的長度，與從第一端口透過上述光學(xué)復(fù)用器/分離器之后到第三端口的光路的長度的的差值補(bǔ)償通過各自光路的具有不同波長的光之間的焦距差，于是有可能提高端口以及準(zhǔn)直透鏡之間的耦合效率，并且減少上述光學(xué)復(fù)用器/分離器的損耗。
工業(yè)適用性本發(fā)明的第一和第二方面提供了用于各種光學(xué)應(yīng)用例如光學(xué)通信系統(tǒng)的光學(xué)多路復(fù)用器以及光學(xué)多路分解器元件的結(jié)構(gòu)和制造方法。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)設(shè)備，包括一個第一折射率分布型透鏡，其具有第一端面和第二端面，上述第一端面被斜研磨；第一和第二端口，連接到上述第一折射率分布型透鏡的上述第一端面；光學(xué)功能元件，連接到上述第一折射率分布型透鏡的上述第二端面；一個第二折射率分布型透鏡，具有第三端面和第四端面，所述第四端面被斜研磨并且將所述第三端面的位置設(shè)為通過上述光學(xué)功能元件與上述第一折射率分布型透鏡的第二端面相對，以及第三端口，連接到上述第二折射率分布型透鏡的第四端面，其中從上述第一端口經(jīng)上述光學(xué)功能元件反射之后到上述第二端口的光路長度，等于從上述第一端口透過上述光學(xué)功能元件之后到上述第三端口的光路長度。
2.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)設(shè)備，其中上述第一折射率分布型透鏡沿中心軸的長度與上述第二折射率分布型透鏡沿中心軸的長度相等。
3.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)設(shè)備，其中上述第一端面的傾斜角與上述第四端面的傾斜角相等。
4.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)設(shè)備，其中具有上述第一和第二端面的上述第一折射率分布型透鏡沿中心軸的長度等于具有上述第三和第四端面的上述第二折射率分布型透鏡沿中心軸的長度，并且上述第一端面的傾斜角與上述第四端面的傾斜角相等，其中每個第一和第二折射率分布型透鏡具有一個最短邊和一個最長邊，以及分別將上述第一和第二折射率分布型透鏡的最短邊的位置以及上述第一和第二折射率分布型透鏡的最長邊的位置設(shè)置在上述光學(xué)設(shè)備的同一側(cè)。
5.一個光學(xué)復(fù)用器/分離器包括第一準(zhǔn)直透鏡，具有第一端面和第二端面；第二準(zhǔn)直透鏡，具有第三端面和第四端面；光學(xué)復(fù)用器/分離器元件，介于上述第二端面和上述第三端面之間；第一和第二端口，相對于上述第一準(zhǔn)直透鏡的上述第一端面設(shè)置；以及第三端口，相對于上述第二準(zhǔn)直透鏡的上述第四端面設(shè)置，其中第一光路，從上述第一端口經(jīng)上述光學(xué)復(fù)用器/分離器元件反射之后到上述第二端口，第二光路，從上述第一端口透過上述光學(xué)復(fù)用器/分離器元件之后到上述第三端口，具有不同波長的光線通過上述第一和第二光路以及上述光學(xué)復(fù)用器/分離器元件被組合以及分解，以及上述第一光路長度與上述第二光路長度是不同的，相應(yīng)于由于上述第一和第二準(zhǔn)直透鏡的波長色散導(dǎo)致的不同波長光的焦距差。
6.如權(quán)利要求5所述的光學(xué)復(fù)用器/分離器，其中上述第一和第二準(zhǔn)直透鏡是折射率分布型透鏡。
7.如權(quán)利要求6所述的光學(xué)復(fù)用器/分離器，其中上述第一端面被設(shè)置為面向上述第一和第二端口的經(jīng)斜研磨的面，并且上述第四端面被設(shè)置為面向上述第三端口的經(jīng)斜研磨的面，將上述第一和第四經(jīng)斜研磨的面設(shè)為互相平行，并且上述第一和第二光路的光路長度是不同的。
8.如權(quán)利要求7所述的光學(xué)復(fù)用器/分離器，其中上述第一和第二準(zhǔn)直透鏡是折射率分布型透鏡，上述第一準(zhǔn)直透鏡具有斜研磨的第一端面，其面向第一和第二端口斜研磨的面，并且第二準(zhǔn)直透鏡具有斜研磨的第四端面，其面對第三端口斜研磨的端面；以及將上述第一和第二準(zhǔn)直透鏡的位置設(shè)為，使上述斜研磨的第一和第四端面平行，并且上述第一和第二光路的光路長度是不同的，以及在上述具有不同波長的光之間，具有在折射率分布型透鏡中焦距比較長的波長的光通過上述第一和第二光路中較長的光路。
9.如權(quán)利要求8或4所述的光學(xué)復(fù)用器/分離器，其中上述第一和第二折射率分布型透鏡的長度是在上述折射率分布型透鏡中具有較長焦距的波長的節(jié)距長度的0.23到0.25倍。
10.如權(quán)利要求5所述的光學(xué)復(fù)用器/分離器，其中上述第一和第二端口是一個雙纖尾纖的各光纖，并且將上述雙纖尾纖的在面向上述第一準(zhǔn)直透鏡的上述第一側(cè)的一側(cè)上的端面斜研磨一個預(yù)定的傾斜角度，并且上述第三端口是雙纖尾纖的一個光纖，并且將上述雙纖尾纖的面向上述第二準(zhǔn)直透鏡的上述第四側(cè)邊的一個端面斜研磨一個預(yù)定的傾斜角度。
11.如權(quán)利要求5所述的光學(xué)復(fù)用器/分離器，其中，上述第一和第二準(zhǔn)直透鏡是非球面透鏡，球形透鏡以及球面透鏡中的任意一種。
全文摘要
本發(fā)明提供一種光學(xué)功能組件，其中簡化了光纖的調(diào)節(jié)校準(zhǔn)，減小了上述光線的端面與透鏡的端面之間的間隙，并且提高了性能的穩(wěn)定性。一種光學(xué)功能組件包括第一折射率分布型透鏡，經(jīng)斜研磨的一個端面，連接到上述斜研磨端面的第一和第二端口，連接到第一折射率分布型透鏡的另一端面的光學(xué)功能元件，第二折射率分布型透鏡，其一個端面被斜研磨，并且將另一個端面放置為通過上述光學(xué)功能元件與上述第一折射率分布型透鏡的端面相對，以及連接到上述斜研磨的端面的第三端口。在透鏡內(nèi)從上述第一端口經(jīng)上述光學(xué)功能元件反射之后到第二端口的光路長度，等于在透鏡內(nèi)從上述第一端口透過上述光學(xué)功能元件之后到上述第三端口的光路長度。
文檔編號G02B6/34GK1488960SQ0315644
公開日2004年4月14日 申請日期2003年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月30日
發(fā)明者淺野健一郎, 百津仁博, 西脅賢治, 博, 治 申請人:株式會社藤倉