专利名称：光纤准直器和光纤准直器阵列的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种采用折射率渐变之棒状透镜的光纤准直器和光纤准直器阵列。
在准直器光学装置的两个准直透镜之间，插入滤光器、光隔离器、光开关等光学功能元件。通过这些种功能元件，光学准直器装置对从入射侧光纤传来的光加以预定的作用，继而将其耦合到接收侧光纤准直器的光纤上。
图1为用于普通光学准直器装置中所用光纤准直器20的结构示意图。光纤准直器20具有折射率渐变的棒状透镜21、单模光纤22、保持光纤22的毛细管23、保持毛细管23和棒状透镜21的玻璃管24。棒状透镜21的两个端面上形成防反射膜25、26，光纤22的端面(单模光纤(SMF)端面)上也形成防反射膜27。防反射膜25-27通常是多层介质膜。
所述防反射膜25-27防止来自光纤22的入射光反射回到光源一侧。另外，也抑制了由于反射而导致的入射光损耗。就光纤准直器20来说，光纤22的端面和棒状透镜21的一个端面以倾斜方式受到研磨。这种倾斜的研磨，可防止来自光纤22各端面和棒状透镜21一个端面的反射光再入射到光纤22，并返回光源一侧。如果不采取任何防反射的措施而使棒状透镜21和光纤22结合，就会发生以下不良情况。
图2仅示出没有任何防反射膜的光纤准直器20A的棒状透镜21A和光纤22A。在光纤准直器20A中，棒状透镜21A的两个端面21a、21b都是垂直于光轴的平面，所述两个端面21a、21b上并未形成防反射膜。光纤22A的SMF端面为垂直于其纤芯中心轴的平面，而且该SMF端面上也没有形成防反射膜。
在没有采取防反射措施的光纤准直器20A中，由于SMF端面和棒状透镜21A的两个端面21a、21b当中每一个实际上发生5％的反射，总共产生大约14％的损失。结果导致耦合率等于或低于-0.6dB，无法达到比如-0.2dB或以上的标准所求特性。
所述SMF端面上的反射光和棒状透镜21A的两个端面21a、21b的反射光直接作为返回的光，再入射到光纤22A上，并返回光源一侧。所以，必须像图1所示光纤准直器20那样的防反射措施。如图1和图3所示，在棒状透镜21的两个端面和光纤22的SMF端面上分别设有各自的反射率在0.2％或更小的防反射膜25、26和27。防反射膜25、26和27使总反射损失降低到约0.6％。另外，SMF端面和棒状透镜21的一个端面分别被研磨成斜面。借助这种研磨成斜面的防反射措施，极大地降低了来自SMF端面的反射返回光和来自棒状透镜21两个端面的反射返回光。
但是，图1所示的普通光纤准直器20存在如下的问题。
(A)在光纤22的SMF端面上必须形成防反射膜27，而在狭长的SMF端面上要形成防反射膜27并非易事。
(B)要在棒状透镜21的至少一个端面和光纤22的SMF端面分别研磨出斜面需要很长时间，并导致成品率和生产效率的降低。
(C)由于必须有毛细管23和玻璃管24，导致零件数和组装过程的数目增，从而导致成本上升。
(D)为了实现光学调整，使棒状透镜21的光轴与光纤22的纤芯中心一致，就须考虑呈斜面的光纤22的SMF端面和棒状透镜21的一个端面的光反射光线引发的偏转。因而使所述光学调整变得烦杂。
按照本发明的一个方面，提供一种光纤准直器，它包括折射率渐变的棒状透镜和与所述棒状透镜光学连接的光纤。所述光纤准直器包含在所述棒状透镜一个端面上形成的防反射膜。所述防反射膜沿其膜厚方向的折射率从实质上等于该棒状透镜中心折射率的值到实质上等于所述光纤折射率的值之间连续变化。所述光纤准直器还包含折射率耦合介质，该介质的折射率实质上等于所述光纤的折射率，并将防反射膜和所述光纤的端面接合。
本发明的另一方面提供一种制造光纤准直器的方法，所述光纤准直器包括折射率渐变的棒状透镜和与该棒状透镜光学连接的光纤。所述方法包括在所述棒状透镜的一个端面上形成防反射膜的步骤。所述防反射膜沿其膜厚方向的折射率从实质上等于该棒状透镜中心折射率的值到实质上等于所述光纤折射率的值之间连续变化。所述方法还包括使用折射率耦合介质的步骤，所述介质的折射率实质上等于所述光纤的折射率，使所述防反射膜与光纤的端面接合。
本发明的再一方面提供一种包含多个光纤准直器的光纤准直器阵列。所述多个光纤准直器中的每一个都具有折射率渐变的棒状透镜和与所述棒状透镜光学连接的光纤。各光纤准直器包含形成于棒状透镜一个端面上的防反射膜。所述防反射膜沿其膜厚方向的折射率从实质上等于该棒状透镜中心折射率的值到实质上等于所述光纤折射率的值之间连续变化。所述光纤准直器还包含折射率耦合介质，该介质的折射率实质上等于所述光纤的折射率，并将防反射膜和所述光纤的端面接合。
图6是本发明第二实施例光纤准直器的纵剖面示意图；图7是本发明第三实施例光纤准直器的纵剖面示意图；图8是本发明第四实施例光纤准直器的纵剖面示意图；图9是本发明第五实施例光纤准直器阵列的平面示意图；图10是图9的A向视图；图11是沿图9中11-11线所取的剖视图；图12是表示图9光纤准直器阵列之棒状透镜保持部分的基板的侧视图；图13是表示图9光纤准直器阵列之各光纤准直器出射光的偏转角的说明示意图；图14是图9所示光纤准直器阵列的改型实例的局部剖面示意图。
以下将参照图4和图5描述本发明第一实施例的光纤准直器31。
光纤准直器31包括折射率渐变的棒状透镜32和光纤33，该准直器通过棒状透镜32将来自光纤33的入射光变换成平行光。在所述折射率渐变的棒状透镜(下称棒状透镜)32的一个端面32a上形成防反射膜34，并且另一端面32b上形成防反射膜35。
所述防反射膜34为多层介质膜，并且使其折射率分布成为关于膜厚方向折射率呈连续变化。详细如图5所示，防反射膜34的折射率出实际上等于棒状透镜32之中心轴上折射率的值到实际上等于光纤33之纤芯的折射率值之间连续变化。例如，防反射膜34由数十层薄膜构成。另一个端面32b上形成的防反射膜35是具有单一折射率的普通多层介电薄膜。
这里，棒状透镜32的中心轴上折射率(中心折射率)是1.59(n＝1.59)。光纤33的纤芯折射率(下称光纤33的折射率)是1.46(n＝1.46)。防反射膜34的折射率分布比如可由单调的线性方程、高次多项式，如五次方程，或者双曲正切函数(双曲函数)表述，其中折射率关于薄膜厚方向连续变化。
光纤33的端面与防反射膜34的入射侧表面用锥状光学粘结剂36相接合。光学粘结剂36为折射率耦合(matching)介质，它的折射率n(n＝1.46)实质上等于光纤33的折射率，并且是比如紫外线固化型光学粘结剂。
第一实施例的光纤准直器31有以下优点。
(1)不必在光纤33的端面上形成防反射膜，从而简化了制造过程。
(2)光纤33端面的折射率与光学粘结剂36的折射率实质上无差异。因此，来自光纤33端面的反射返回光实质上等于零。棒状透镜32的一个端面32a与防反射膜34的折射率实质上没有差异。因此，来自棒状透镜32的一个端面32a的反射返回光实质上也等于零。换言之，在光束入射部分附近，形成理论上具有零反射的光学系统。所以，不必将光纤的端面和棒状透镜的一个端面32a研磨成斜面，从而简化了制造过程，提高了生产效率。
(3)在用光学粘结剂36将光纤33的端面与防反射膜34简单地接合的情况下，可以易于使棒状透镜32与光纤33结合。
(4)在用光学粘结剂36将光纤33的端面与防反射膜34接合的情况下，使棒状透镜32与光纤33相结合。所以，可省略现有技术中的毛细管，减少部件的数量，同时简化了组装过程，从而提高了生产效率、降低了成本。
(5)光纤33的端面和棒状透镜32的一个端面32a是垂直于光轴的平面。所以，不必考虑来自斜面反射光而导致的光线的偏转，也使光学调整变得容易。由此可缩短操作时间，提高生产效率，降低成本。
以下将参照图6描述本发明第二实施例光纤准直器31A。如图6所示，对于光纤准直器31A来说，光学粘结剂36以及与光学粘结剂36接合的光纤33的接合部附近33a是通过结构粘结剂(接合部件)37接合的，用以增加强度。其他的构成实质上与第一实施例的光纤准直器31相同。
也就是说，将结构粘结剂37浇注封装于光学粘结剂36的圆锥状表面和光纤33的端面附近33a，对其进行覆盖，从而通过结构粘结剂37使光学粘结剂36和光纤33的端面附近33a相接合。因此，在第二实施例的光纤准直器31A中，通过结构粘结剂37提高了光学粘结剂36和光纤33的接合部的刚性。
以下将参照图7描述本发明第三实施例的光纤准直器31B。如图7所示，光纤准直器31B具有圆柱状盒38。圆柱状盒38嵌合在棒状透镜32的外周，并在与光学粘结剂36及光纤的一部分33b之间形成空间。在圆柱状盒38内的空间里填充有用于增加强度的粘结剂39。通过这种用于增加强度的粘结剂39，将光学粘结剂36及光纤33的一部分33b与该圆柱状盒38接合。而光纤准直器31B的其他结构实质上与第一实施例的光纤准直器31相同。
第三实施例的光纤准直器31B具有以下优点。
利用填充在圆柱状盒38内空间里的增强粘结剂39使光学粘结剂36和光纤33的一部分33b与嵌合在棒状透镜32外周的圆柱状盒38接合。因而大大提高了光纤准直器31B的整体刚性。
以下将参照图8描述本发明第四实施例的光纤准直器31C。如图8所示，光纤准直器31C包含与光纤33为一体的毛细管40，用以保持光纤33。利用光学粘结剂36A作为折射率耦合介质，使毛细管40的端面(图8所示的左侧端面)与光纤33的端面一起与防反射膜34接合。光学粘与做成盘状的防反射膜34一样，粘结剂36A也呈盘状。
光纤33穿过毛细管40的光纤通孔40a。在光纤通孔40a的端面(图8所示的右侧端面)形成开口40b，它的口径比光纤通孔40a的口径大。利用从开口40b填充到光纤通孔40a内的粘结剂(固定材料)41，将光纤33和毛细管40粘结成一体。而光纤准直器31C的其它结构实质上与第一实施例的光纤准直器31相同。
第四实施例光纤准直器31C具有以下优点。
保持光纤33的毛细管40的端面与光纤33的端面都由光学粘结剂36A与防反射膜34相接合。从而提高了防反射膜34和光纤33接合部分的刚性。
以下将参照图9至图13描述本发明第五实施例的光纤准直器阵列50。图9是阵列50的平面视图，图10是图9的A向视图，图11是沿图9的11-11线所取的剖视图。第五实施例的光纤准直器阵列50包含六个如图4所示的第一实施例光纤准直器31。
光纤准直器阵列50包括棒状透镜保持部分51和光纤保持部分52。如图9和图10所示，棒状透镜保持部分51使六个光纤准直器31的各棒状透镜32平行且等间隔地固定。光纤保持部分52保持六条光纤33，使每个都连到相应的棒状透镜32。
如图11所示，棒状透镜保持部分51包含第一和第二基板53、63，它们的形状相同。所述第一和第二基板53、63由比如硅材料制成，所述第一固定板53上形成六个第一V形槽54，所述第二基板63上形成六个第二V形槽64。所述六个第一和第二V形槽54、64相互平行、间隔相等且有同样的尺寸。
各基板53、63的宽度(图9所示左右方向的长度)比棒状透镜32的长度要短(参照图9)。将六个光纤准直器31的各棒状透镜32分别置于位于下方的第一基板53的六个第一V形槽54上。在这种状态下，将位于上方的第二基板63的接合面63a与位于下方的第一基板53的接合面53a相对连接。于是，各棒状透镜32被第一和第二基板53、63的各对V形槽54、64定位挟持(参照图11)。在各棒状透镜32被第一和第二基板53、63的各对V形槽54、64定位挟持的状态下，所述六个棒状透镜32被固定成一体。
光纤保持部分52包含扇形光纤保持基板55，其厚度实际上与第一基板53相等。保持基板55的一个端面(图9所示左侧的端面)被粘结在第一基板53的一个端面(图9所示右侧的端面)上。通过将六根光纤33粘接固定到光纤保持基板55的表面上，使六根光纤33被固定在保持基板55上，并受到粘结剂的保护。
在光纤保持部分52的与第一基板53粘接部位的附近，形成六个容纳各棒状透镜32之一个端部(位于与光纤33连接侧的端部)的凹坑55a。各棒状透镜32仅由第一和第二基板53、63的第一和第二V形槽54、64定位。六根光纤33被集中，并从光纤保持基板55的另一端面延伸。
关于光纤保持基板55的材质不受限制，只要能够维持作为光学零件的刚性即可。例如，可以是玻璃、工程塑料以及金属。作为第五实施例使用的粘结剂，采用具有一定程度弹性的结构粘结剂。所述结构粘结剂的例子包括氨基甲酸乙酯(urethane)类、硅基(silicon)类、环氧基(epoxy)类的粘结剂。
第五实施例的光纤准直器阵列50具有以下优点。
(1)各棒状透镜32被置于第一基板53的相应第一V形槽54内，并将上面的第二基板63与第一基板53接合，就能由相应的一对V形槽54、64所挟持，使各棒状透镜32以等间隔排列，并且各透镜的光轴相互平行地延伸。因此，对于各光纤准直器31，不必进行麻烦的调节/对心操作。这样就可简化光纤准直器阵列50的组装过程，提高生产效率，降低成本。
(2)各棒状透镜32被各对第一和第二的V形槽54、64所挟持。因此，可将来自各棒状透镜32的出射光的偏转角(参见图13)抑制到最低限度。
(3)通过将各棒状透镜32配置到各V形槽54、64之间，并将两个基板53、63互相接合制成所述光纤准直器阵列50。因此，易于制作光纤准直器阵列50。
应能理解，可按以下形式具体实施本发明。
各实施例中，也可使用溶凝胶转换工艺(sol-gel process)制成的玻璃材料作为折射率耦合介质，。
各实施例中，若来自棒状透镜32的另一端面32b的反射返回光发生问题，则可将图13所示的出射光偏转角设定成适当的值，或者仅把该另一端面32b研磨成斜面。
在第五实施例中，光纤准直器阵列50并非必须包括光纤保持部分52。
在第五实施例中，可以省略第二基板63。在这种情况下，将各棒状透镜32置于第一基板53的六个第一V形槽54内，并用粘结剂将各棒状透镜32粘结合于这六个第一V形槽54内。
在第五实施例中，光纤准直器31的数量是任选的。
在第五实施例中，譬如图14所示，可将光纤保持部分52与第一和第二光纤保持基板57、58互相接合，使每个棒状透镜32的一端和六根光纤33均可被容纳于第一和第二光纤保持基板57、58内。图14对应于沿图9中14-14线所取的剖视图。
第一和第二凹部57a、58a分别形成于第一和第二光纤保持基板57、58中，并且各棒状透镜32的一端和六根光纤33被容纳于第一和第二凹部57a、58a内。为了固定光纤33，给第一和第二凹部57a、58a注入粘结剂。
在第五实施例中，对于光纤保持部分52，使在包括在盒子外围所形成的各个壁部分的被分割成的两半个盒子互相接合，使每个棒状透镜32的一端部和六根光纤33均可被容纳在盒子内。还可用粘结剂使六根光纤33被固定。
在第五实施例中，可使各棒状透镜32的一端部不从棒状透镜保持部分51露出。在这种情况下，就不必在光纤保持部分52内设置旨在容纳各棒状透镜32之一端的凹坑55a。
权利要求
1.一种光纤准直器，其特征在于，包括折射率渐变的棒状透镜(32)；与所述棒状透镜光学连接的光纤(33)；在所述棒状透镜的个端面(32a)上形成的防反射膜(34)，其中所述防反射膜的折射率沿其膜厚方向从实质上等于所述棒状透镜中心折射率的值到实质上等于所述光纤折射率的值之间连续变化；以及折射率耦合介质(36)，它的折射率实质上等于所述光纤的折射率，并使所述防反射膜与所述光纤的一个端面结合。
2.根据权利要求1所述的光纤准直器，其特征在于，所述折射率耦合介质是光学粘结剂。
3.根据权利要求1所述的光纤准直器，其特征在于，所述折射率耦合介质是由溶凝胶转换过程制成的玻璃材料。
4.根据权利要求1至3任一项所述的光纤准直器，其特征在于，还包含与所述折射率耦合介质和所述光纤的端面附近相接合的接合部件(37)。
5.根据权利要求1至3任一项所述的光纤准直器，其特征在于，还包含圆柱状盒(38)，其中容纳所述棒状透镜，并且它在所述折射率耦合介质和部分所述光纤之间形成空间；以及所述盒子内的空间里填充的结构粘结剂(39)。
6.根据权利要求1至3任一项所述的光纤准直器，其特征在于，还包含与所述光纤成为一体并保持所述光纤的毛细管(40)；其中所述折射率耦合介质(36A)使所述毛细管的端面和所述光纤端面与所述防反射膜接合。
7.根据权利要求6所述的光纤准直器，其特征在于，所述毛细管包括用以插入光纤的光纤通孔(40a)；以及在所述光纤通孔的一端形成的开口(40b)，该开口的口径比所述光纤通孔的口径大；所述光纤准直器还包含填入所述开口(40b)及光纤通孔(40a)的固定材料(41)，用以固定所述光纤。
8.根据权利要求1至3任一项所述的光纤准直器，其特征在于，所述光纤的端面是垂直于光纤光轴的平面，并且所述棒状透镜的一个端面是垂直于棒状透镜光轴的平面。
9.根据权利要求1至3任一项所述的光纤准直器，其特征在于，所述防反射膜(34)是多层介质膜。
10.一种制造光纤准直器的方法，所述光纤准直器包括折射率渐变的棒状透镜(32)和与所述棒状透镜光学连接的光纤(33)，其特征在于，所述方法包括如下步骤在所述棒状透镜的一个端面(32a)上形成防反射膜(34)，其中所述防反射膜(34)的折射率沿其膜厚方向从实质上等于所述棒状透镜中心折射率的值到实质上等于所述光纤折射率的值之间连续变化；以及使用折射率耦合介质(36)，使所述防反射膜与所述光纤的端面接合，所述折射率耦合介质的折射率实质上等于所述光纤的折射率。
11.根据权利要求10所述的光纤准直器的制造方法，其特征在于，还包括用接合部件(37)使所述折射率耦合介质与所述光纤的端面附近接合的步骤。
12.一种光纤准直器阵列，其特征在于，包括多个光纤准直器(31)；所述多个光纤准直器中的每一个包括折射率渐变的棒状透镜(32)；与所述棒状透镜光学连接的光纤(33)；在所述棒状透镜的一个端面(32a)上形成的防反射膜(34)，所述防反射膜的折射率沿其膜厚方向从实质上等于所述棒状透镜中心折射率的值到实质上等于所述光纤折射率的值之间连续变化；以及折射率耦合介质(36)，它的折射率实质上等于所述光纤的折射率，并使所述防反射膜与所述光纤的一个端面结合。
13.根据权利要求12所述的光纤准直器阵列，其特征在于，还包括棒状透镜保持部分(51)，它有多个V形槽(54)，用以固定多个棒状透镜；其中，形成所述多个V形槽，以保持所述多个棒状透镜，使所述多个棒状透镜互相具有相等的间隔，且各棒状透镜的光轴互相平行。
14.根据权利要求13所述的光纤准直器阵列，其特征在于，所述棒状透镜保持部分(51)包括第一基板(53)，它有多个第一V形槽(54)；第二基板(63)，它与所述第一基板相对配置，并有多个第二V形槽(64)，与所述多个第一V形槽相对布置；其中，将所述两块基板设置成使每个V形槽互相面对；每一对第一和第二V形槽保持相关光纤准直器的棒状透镜。
15.根据权利要求12至14任一项所述的光纤准直器阵列，其特征在于，还包括具有第一凹部(57a)的第一光纤保持基板(57)；第二光纤保持基板(58)，它与所述第一光纤保持基板(57)结合，并且包括第二凹部(58a)，该第二凹部与所述第一凹部(57a)相对配置；其中所述第一和第二凹部(57a、58a)容纳各棒状透镜的一个端部和多条光纤。
全文摘要
一种光纤准直器，易于进行光学调整。所述光纤准直器包括折射率渐变的棒状透镜(32)和与所述棒状透镜光学连接的光纤(33)。在棒状透镜的一个端面(32a)上形成防反射膜(34)。防反射膜(34)的折射率沿其膜厚方向从实质上等于所述棒状透镜中心折射率的值到实质上等于所述光纤折射率的值之间连续变化。折射率耦合介质(36)，其折射率实质上等于所述光纤的折射率，并使所述防反射膜与所述光纤的一个端面结合。
文档编号G02B6/36GK1412587SQ0214723
公开日2003年4月23日 申请日期2002年10月18日 优先权日2001年10月18日
发明者田中裕之, 福泽隆, 安崎利明, 森健次 申请人:日本板硝子株式会社