專利名稱：改進的光纖準直器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種光纖準直器，特別涉及一種可提升光學(xué)性能而應(yīng)用在長工作距離組件上的改進的光纖準直器。
背景技術(shù)：
在光通訊組件中，常需要將傳輸在光纖中的光束擴束并平行化后，經(jīng)過一些功能組件，再將平行化光束聚焦并耦合回光纖內(nèi)繼續(xù)傳輸。扮演這個角色的零件就是光纖準直器(Fiber Collimator)；而光纖準直器系統(tǒng)包含成對的兩個光纖準直器，其一個光纖準直器可將具有一定散角(NA)的出射光束，經(jīng)準直鏡片將光束平行化后，經(jīng)過系統(tǒng)的工作距離后，由另一個光纖準直器將光束聚焦并耦合回光纖中，而該工作距離中是供放置各種功能件；而一光纖準直器系統(tǒng)的最佳工作距離范圍為兩個光纖準直器之間的平行光束可維持平行度，并保持系統(tǒng)的最低插入損耗(Insertion Loss)時的兩個光纖準直器間的距離。
又已知的光纖準直器(Fiber Collimator)的結(jié)構(gòu)或制造技術(shù)，如圖1所示，該光纖準直器10是利用一具有平滑內(nèi)徑的玻璃套管(Glass Tube)11，套管11內(nèi)固定一個外徑(Outer Diameter，O.D.)與套管內(nèi)徑(Inner Diameter，I.D.)相同的光纖頭12(或稱插針)，用以定位光纖13，及一個漸變折射率(graded-index，GRIN)的鏡片(或稱GRIN-type lens)14，用以將光纖13光束平行化或是將平行化光束耦合回另一光纖中，又在玻璃套管11外包覆一不銹鋼套管15，作為后續(xù)的焊接工程用，包括激光焊接(Laser Welding)及焊錫焊接(Soldering)等。而在組裝光纖準直器時，為了降低準直器的插入損耗(Insertion Loss)，通常需要實時調(diào)校光纖頭12與漸變折射率鏡片14的相對位置，并使輸出光束在工作距離(Working Distance)的范圍內(nèi)，達到最佳的平行光束，即最小散射角(Beam Divergence)及最小的偏折角度。但是，上述具有漸變折射率(graded-index，GRIN)鏡片14的光纖準直器10或其制造方法，包括2002年7月11日公告編號494250號“光纖準直器及其制造方法”創(chuàng)作專利(申請案號090128544)，2001年1月2日公告US6,168,319B1“SYSTEM AND METHOD FOR ALIGNING OPTICAL FIBERCOLLIMATORS”創(chuàng)作專利等，在制程及使用上存在有下列缺點(1)、該圓柱形漸變折射率(graded-index，GRIN)鏡片本身的制作技術(shù)的困難度高，無法簡易成型，使制作成本相對提高。
(2)、每一種GRIN鏡片的長度一經(jīng)選定，所制成的光纖準直器系統(tǒng)的工作距離亦為固定，因此，制造上均視功能件需要而先決定工作距離，并決定GRIN鏡片的長度，致所需的GRIN鏡片有各種長度規(guī)格，相對地增加生產(chǎn)麻煩。
(3)、對較長工作距離的功能件而言，GRIN-type光纖準直器無法保持插入損耗(Insertion Loss)在0.15dB以下，致光學(xué)性能降低，較不適用于長工作距離如長達100mm以上至140mm的組件上，如光循環(huán)器(OpticalCirculator)、光交錯器(Optical Interleaver)、光交換器(Optical Switch)等多信道光組件(Multi-port Optical Device)上，且使用品質(zhì)無法合乎所求。于是，為克服上述缺點，本創(chuàng)作人經(jīng)深入研究開發(fā)，終有本實用新型產(chǎn)生。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型是要提供一種改進的光纖準直器，已解決使其提升光學(xué)性能而應(yīng)用在長工作距離的組件上增加應(yīng)用范圍的技術(shù)問題。
解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是這樣的一種改進的光纖準直器，主要是由一外套管、一鏡片及一光纖頭所構(gòu)成，其特征是該鏡片為一非球面透鏡，其外徑是與外套管的內(nèi)徑相同，并自外套管的第一端套入外套管內(nèi)固定；該外套管，其管內(nèi)容設(shè)非球面透鏡及一光纖頭；
該光纖頭，其外徑是與外套管的內(nèi)徑相同，自外套管的第二端套入外套管內(nèi)，并對應(yīng)該非球面透鏡而作實時的光學(xué)調(diào)校程序再予以固定，且光纖頭的固定位置與非球面透鏡的間距是調(diào)整為等于或大于該非球面透鏡的有效聚焦長度；而由上述的結(jié)構(gòu)，使光纖端點的離焦距離被控制于一定范圍內(nèi)，使所設(shè)定完成的光纖準直器的最佳工作距離能隨離焦距離的大小變化而含蓋較大范圍中的各種規(guī)格，而可提升光學(xué)性能，及可應(yīng)用在長工作距離的組件上而增加應(yīng)用范圍；該光纖頭的固定位置與非球面透鏡的間距較該非球面透鏡有效聚焦長度大于的部分以不超過30μm為最佳；該光纖端點的離焦距離Δd是在30μm≥Δd≥0的范圍內(nèi)；該光纖準直器最佳工作距離是在0mm～140mm范圍中，并保持插入損耗在0.15dB以下；該非球面透鏡為一近乎零像差的模造非球面玻璃透鏡；該外套管為不銹鋼材質(zhì)；該外套管為一玻璃材質(zhì)；該光纖頭及非球面透鏡是以UV膠分別固定于外套管內(nèi)；在外套管的光纖頭與非球面透鏡間的長度中設(shè)有一保持內(nèi)部氣壓與外部相同的通氣孔，而提高環(huán)境因素的可靠度。
本實用新型主要是利用一外套管、一非球面透鏡及一光纖頭所構(gòu)成，而外套管的內(nèi)徑是與光纖頭及非球面透鏡的外徑相同，使光纖頭及非球面透鏡可分別由外套管的兩端套入外套管內(nèi)而固定，其中光纖頭是對應(yīng)該已固定的非球面透鏡而作實時的光學(xué)調(diào)校程序，以調(diào)整其固定位置，并使光纖頭與非球面透鏡的間距調(diào)整為等于或大于該非球面透鏡的有效聚焦長度(EFL)，且使其大于的部分以不超過30μm為最佳，可由上述的結(jié)構(gòu)，使光纖端點的離焦距離Δd控制在30μm≥Δd≥0的一定范圍內(nèi)，使所設(shè)定完成的各光纖準直器的最佳的工作距離可隨之而含蓋0mm～140mm的較大范圍中的各種規(guī)格，并保持插入損耗在0.15dB以下，從而解決了使其提升光學(xué)性能而應(yīng)用在長工作距離的組件上增加應(yīng)用范圍的技術(shù)問題。
本實用新型結(jié)構(gòu)簡單，其光纖準直器系統(tǒng)的工作距離可由光纖端點的離焦距離(Δd)的有效控制，而使所要求的工作距離規(guī)格能含蓋從0mm到140mm的較大范圍，并保持插入損耗在0.15dB以下，可有效提升光學(xué)性能，并可應(yīng)用在長工作距離的組件上，如光循環(huán)器、光交錯器、光交換器等多信道光組件；且由于使用非球面玻璃透鏡，光纖頭與非球面鏡片的相對位置的誤差造成的是最佳工作距離的改變，而非不可補償?shù)牟迦霌p耗的增加，此為本實用新型的優(yōu)點。


圖1是已知光纖準直器的剖面圖。
圖2是一非球面透鏡的光學(xué)特性一示意圖。
圖3是本實用新型一光纖準直器的分解剖面示意圖。
圖4是本實用新型一光纖準直器的組合剖面示意圖。
具體實施方式
如圖2所示，為一非球面透鏡的光學(xué)特性，用以說明本實用新型結(jié)構(gòu)的技術(shù)原理，該非球面透鏡20為一個最佳化、極小像差，有效焦距為f的非球面透鏡；當自光纖端點點(Fiber Tip)出射的高斯光束(Beam Waist＝ω1)，經(jīng)過長度d1(d1為光纖端點點至非球面透鏡的距離)及非球面透鏡20后聚焦于d2，而2d2為此時的光纖準直器系統(tǒng)的最佳工作距離，腰寬(beam waist)即為光斑半徑(spot radius)變?yōu)棣?；又以單模光纖(single-mode fiber)而言，可得知其中ω2與ω1、f、Δd(Δd＝d1-f)等相互間關(guān)在的計算公式。又由上述光學(xué)特性可知，當利用一非球面透鏡于光纖準直器時，可改變光纖端點與透鏡焦距f的相對距離，即光纖端點的離焦距離Δd(Δd＝d1-f)，以分析經(jīng)過透鏡后的各種聚焦狀況，可分為d1＝f時的Δd＝0、d1＞f時的Δd＞0、d1＞＞f時的Δd＞＞0及d1＜f時的Δd＜0等不同狀況，分別說明其結(jié)果例(1)當d1＝f時，Δd＝0，此時聚焦點在離透鏡f處，平行光有最大的光斑半徑(spot radius)或光斑大小(spot size)及最小的散射角，最佳工作距離為2f；例(2)當d1＞f時，Δd＞0，即光纖端點向圖中左方移離，此時聚焦點漸漸遠離透鏡f處，即最佳工作距離愈來愈大，此時有漸小光斑大小(spot size)及漸大的散射角；例(3)當d1＞＞f時，Δd＞＞0即光纖端點向圖中左方移離超出某一距離以上，此時聚焦點在小于透鏡f處，有很小光斑大小(spot size)及很大的散射角；例(4)當d1＜f時，Δd＜0，即光纖端點向右移近非球面透鏡，此時平行光不聚焦直接發(fā)散，其虛擬聚焦點在非球面透鏡20前方(即d2＜0)，且不存在最佳工作距離。
而根據(jù)以上所述，代入單模光纖(single-mode fiber)的光學(xué)特性，更進而得知當光纖端點的離焦距離Δd(Δd＝d1-f)在5～60μm范圍時，其所達成的最佳工作距離可自0mm至150mm，且此時散射角均小于0.0025°。又準直器系統(tǒng)的插入損耗來自于兩個準直器出射高斯光束的對準誤差(misalignment)以及光斑大小的不吻合(unmatched spot-size)；因此在上述例(1)到例(3)中，可假設(shè)透鏡的孔徑大小(Aperature)甚大于入射的高斯光束的光斑大小，只要兩個準直器的工作距離調(diào)整至最佳的工作距離(即2d2)，準直器因為光斑大小不吻合的插入損耗即可趨近于零。而本實用新型是依據(jù)上述以一非球面透鏡使用于光纖準直器時的光學(xué)特性而設(shè)計，尤其是當光纖端點的離焦距離(Δd)能有效控制時，即可控制該光纖準直器系統(tǒng)的最佳工作距離(2d2)。
如圖3、4所示，本實用新型改進的光纖準直器，主要是利用一外套管(Holder)30、一非球面透鏡(Aspherical Lens)40及一光纖頭51所構(gòu)成，其中，該非球面透鏡40的外徑是與外套管30內(nèi)徑相同，使非球面透鏡40可自外套管30的第一端31套入外套管30內(nèi)并固定??；而光纖50的光纖頭51的外徑是與外套管30的內(nèi)徑相同，可自外套管30的第二端32套入外套管30內(nèi)并固定住，又其中，該光纖頭51是對應(yīng)該非球面透鏡40而作實時的光學(xué)調(diào)校程序而再固定于外套管30內(nèi)，且光纖頭51的固定位置與非球面透鏡40的間距是特別調(diào)整為等于或大于該非球面透鏡的有效聚焦長度(Effective Focal Length，EFL)，而其中大于的部分以不超過30μm為最佳，則由上述的結(jié)構(gòu)，因光纖端點的離焦距離Δd(Δd＝d1-f，而d1為光纖端點點52至非球面透鏡40的間距)已被控制于一定范圍內(nèi)如30μm≥Δd≥0，使所設(shè)定完成的各光纖準直器的最佳工作距離(Working Distance)能隨各離焦距離Δd的大小變化，進而含蓋較大范圍如0mm～140mm中的各種規(guī)格(可由光學(xué)儀器逐一檢測出各光纖準直器的工作距離)，并保持插入損耗在0.15dB以下，以提升光學(xué)性能，并可應(yīng)用在長工作距離的組件上而增加應(yīng)用范圍。
又該非球面透鏡(Aspherical Lens)40可為一近乎零像差的模造的非球面玻璃透鏡(Molding Aspherical Glass Lens)，即其像差經(jīng)過非球面高階系數(shù)(High-Order Coefficient)的補正后已趨近于零(＜0.025λatλ＝0.6328μm)；而外套管30可為不銹鋼或玻璃材質(zhì)制成，其中并以玻璃材質(zhì)為佳，當光纖頭51的固定位置與非球面透鏡40的間距在作調(diào)整控制時(即令該間距控制在等于或大于該非球面透鏡的有效聚焦長度，且令大于的部分以不超過30μm為最佳)，可利用精密儀器配合而由外套管30的玻璃管外側(cè)直接檢測；又光纖頭51及非球面透鏡40可分別以UV膠固定于外套管30內(nèi)。又光纖頭51與非球面透鏡40之間的外套管30長度中設(shè)有一適當大小的通氣孔33，以保持其內(nèi)部氣壓與外部相同，以提高環(huán)境因素的可靠度。
由于本實用新型光纖準直器系統(tǒng)的工作距離可由光纖端點的離焦距離(Δd)的有效控制，而使所要求的工作距離規(guī)格能含蓋從0mm到140mm的較大范圍，并保持插入損耗在0.15dB以下，因此本實用新型的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可有效提升光學(xué)性能，并可應(yīng)用在長工作距離的組件上，如光循環(huán)器(Optical Circulator)、光交錯器(Optical Interleaver)、光交換器(Optical Switch)等多信道光組件(Multi-port Optical Device)。
而為了在不同的工作距離下達到最佳的光學(xué)特性，包括最小的散射角、最低的插入損耗、最小的偏折角度及最低的反射光等，在已知使用漸變折射率鏡片的技術(shù)中，通常需要實時調(diào)校光纖頭與漸變折射率鏡片的相對位置；然而，本實用新型使用非球面玻璃透鏡，由于光纖頭與非球面鏡片的相對位置的誤差，造成的是最佳工作距離的改變，而非不可補償?shù)牟迦霌p耗的增加，此為本實用新型的優(yōu)點。
以上所述，僅為本實用新型的實施例而已，非為限定本實用新型的實施范圍；大凡熟悉該項技藝的人士，其依本實用新型的特征范疇，所作的其它等效變化或修飾，皆應(yīng)涵蓋在本實用新型申請專利范圍內(nèi)。
綜上所述，本實用新型的確能由上述所揭示的結(jié)構(gòu)達到所預(yù)期的功效，且本實用新型申請前未見于刊物亦未公開使用，已符合實用新型專利的新穎性、先進性等要件，故依法提出實用新型專利申請。
權(quán)利要求1.一種改進的光纖準直器，主要是由一外套管、一鏡片及一光纖頭所構(gòu)成，其特征是該鏡片為一非球面透鏡，其外徑是與外套管的內(nèi)徑相同，并自外套管的第一端套入外套管內(nèi)固定；該外套管，其管內(nèi)容設(shè)非球面透鏡及一光纖頭；該光纖頭，其外徑是與外套管的內(nèi)徑相同，自外套管的第二端套入外套管內(nèi)，并對應(yīng)該非球面透鏡而作實時的光學(xué)調(diào)校程序再予以固定，且光纖頭的固定位置與非球面透鏡的間距是調(diào)整為等于或大于該非球面透鏡的有效聚焦長度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進的光纖準直器，其特征是該光纖頭的固定位置與非球面透鏡的間距較該非球面透鏡有效聚焦長度大于的部分以不超過30μm為最佳。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進的光纖準直器，其特征是該光纖端點的離焦距離Δd是在30μm≥Δd≥0的范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進的光纖準直器，其特征是該光纖準直器最佳工作距離是在0mm～140mm范圍中，并保持插入損耗在0.15dB以下。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進的光纖準直器，其特征是該非球面透鏡為一近乎零像差的模造非球面玻璃透鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進的光纖準直器，其特征是該外套管為不銹鋼材質(zhì)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進的光纖準直器，其特征是該外套管為一玻璃材質(zhì)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進的光纖準直器，其特征是該光纖頭及非球面透鏡是以UV膠分別固定于外套管內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進的光纖準直器，其特征是在外套管的光纖頭與非球面透鏡間的長度中設(shè)有一保持內(nèi)部氣壓與外部相同的通氣孔。
專利摘要一種改進的光纖準直器，主要是由一外套管、一鏡片及一光纖頭所構(gòu)成，其特征是該鏡片為一非球面透鏡，其外徑是與外套管的內(nèi)徑相同，并自外套管的第一端套入外套管內(nèi)固定；外套管內(nèi)容設(shè)該非球面透鏡及該光纖頭；光纖頭外徑與外套管內(nèi)徑相同，自外套管的第二端套入其內(nèi)，并對應(yīng)非球面透鏡而作實時的光學(xué)調(diào)校程序再予以固定，光纖頭固定位置與非球面透鏡的間距是調(diào)整為等于或大于非球面透鏡的有效聚焦長度；該光纖端點的離焦距離Δd控制于30μm≥Δd≥0內(nèi)，最佳的工作距離隨各離焦距離Δd的大小變化而含蓋于0mm～140mm中的各種規(guī)格，并保持插入損耗在0.15dB以下，以提升光學(xué)性能可應(yīng)用在長工作距離的組件上而增加應(yīng)用范圍，而具實用性。
文檔編號G02B6/32GK2569168SQ0225254
公開日2003年8月27日 申請日期2002年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月6日
發(fā)明者鄧兆展, 朱翊麟, 詹淑媚 申請人:一品光學(xué)工業(yè)股份有限公司