一光纤装置包括： 一双凸光学透镜（１３４；１７６；１７９；１８０；２０２；２２０；或２３０），具有两个相同的非球面光学表面； 一光纤（１０；２２；２６；１７４；１７８；或１８２），近似位于光学透镜前焦平面和后焦平面之一的位置上；和 相对于光学透镜和光纤安置的结构（１４５；１５０；１５４；１５６；１６２；１６８；或１７７），其中该结构保持光学透镜相对于光纤的位置。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及连接光纤的装置和方法。尤其是涉及用在光纤准直器组件中的透镜，并涉及使光纤、透镜和相关元件的组装改善的透镜设计。在光纤应用中，经常需要将光从一根光纤耦合到另一根光纤。在多根光纤聚集的地方可以使用转换装置实现耦合，或是在密集波分复用(DWDM)应用中通过增加和/或减少波长实现耦合。实现耦合的一种已知方法是直接将光纤对接在一起。光纤还能通过电熔接被连接，当两根光纤开始接合时，用电弧加热两根光纤的末端。光纤被电弧融化，使光纤在永久的机械稳定的接合处连接在一起。如在专利US 4,421,383中描述的，使用透镜将光从一根光纤耦合到另一根光纤也是可能的。在这里，一实体连接器保持光纤和透镜在相对于彼此的适当的位置。在许多应用中，在光从光源光纤发出之后，且在进入接收光纤之前，完成光的处理或操作是最好的。这种处理的范例包括衰减和滤光。在一根光纤中利用多个波长的，通常称为波分复用的光通讯系统中，掺铒光纤放大器在光纤中被用于在宽带波长范围上光学地放大光信号。因为在波分复用系统中的每个波长来自不同的光源，为了光学放大器的最佳工作状态，每个波长的信号功率需要被调整。信号功率的调整需要光信号的不同光衰减，通常这种衰减最容易在扩展光束中实现。另外，如果来自光纤的光束已被准直，那么光纤之间的光信号处理最容易完成。附图说明图1表示一对传统的准直透镜16和18，它们被用于耦合从光源光纤10到接收光纤20中的光。在本领域中已知，渐变折射率透镜(GRIN)也常被用于这种应用中。GRIN透镜通过扩散掺杂物到柱面玻璃体中制成。掺杂物使透镜的折射率产生径向梯度。如果朝向透镜的边缘折射率较低，那么透镜将聚焦来自远光源的光。折射率分布的形状控制透镜成像性质。扩散之后，透镜被切割成特定的长度并且其端面被抛光。当光线在透镜之间准直时，在相当长的工作距离“D”(一般为10mm)上，光束保持几乎相同的尺寸。因为在这个空间中光束具有几乎相同的尺寸，所以在其中加入衰减光束或是滤光光束的其它光学元件是较容易的，例如，如图2所示的光调制器17。图2所示的光学系统因为光束透过光学元件而被称为透射系统。在涉及处理光信号的系统中，最理想的是当光信号从一根光纤到另一根光纤耦合时，保持尽可能多的信号功率。对于单模光纤，耦合效率能通过分析的方法被计算出来。(见R.E Wagner和J.Tomlinson，“单模光纤元件中的光学器件的耦合效率”，Applied Optics，vol.21，No.15，1982，第2671页)。对于从一根光纤到另一根光纤耦合光的情况，为了产生高耦合效率，透镜必须具有特定的光学功能。参考图2，第二准直透镜18产生聚焦光束，该光束入射到接收光纤20。在聚焦光束中的任何像差都将导致接收光纤中的光耦合百分率降低。在一光纤系统中，光功率的损失是非常不期望的，因为它限制了在一条通讯道上传输的信息量，或是增加了所需放大的量。近来，更多基于通讯系统的光纤同时利用多个波长，用于提高所传输的信息数量。使用多波长在一般概念上称为波分复用。如图3所示，波分复用系统使用某种方法将光纤中的不同波长分离出去。光源光纤22位于准直透镜16的后焦平面附近。来自光源光纤的光被透镜16准直，并在滤光片24处入射。滤光片的涂层反射除了以所期望的波长为中心的一很窄波带内的光之外全部的光。光经过滤光片24耦合进入接收光纤28。如果滤光片24恰当的对准，从该滤光片反射的光将被入射到第二接收光纤26的末端。注意光纤22、26和28在系统中为脱离光轴设置。包括光源光纤22、准直透镜16、滤光片24和接收光纤26的光学系统被称为反射系统；而包括光源光纤22、准直透镜16、准直透镜18和接收光纤28的光学系统被称为透射系统。为了获得光束进入到一光纤中的高耦合效率，光束被聚焦到具有低像差数量的光纤上是不够的。更准确的说，聚焦光束必须和光纤的基谐方式相匹配。这就需要光束具有与光纤模式相同的振幅和相位。为了匹配光纤的相位分布，光束应该沿着光纤的光轴进入光纤，否则将导致额外的损耗。如果光纤的端面垂直于光纤光轴，那么为了得到最高的耦合效率，光束必须垂直于光纤。对于通常的成像系统，光束平行于系统光轴的状态被称为远心性(telecentricity)。更确切的说，在通常的成像系统中，远心性需要穿过光阑中心的主光线在系统中某些点上与光轴平行。对于单一元件光学系统，孔径光阑应该位于或靠近透镜的前或后焦平面。光学系统可以在它的不同部分成远心性。如果主光线在物空间平行于光轴，人们就认为系统在物空间成远心。如果主光线在像空间平行于光轴，人们就认为系统在像空间成远心。例如，图4表示一简化的透镜40和光阑42的系统，其中系统在物空间成远心。图5表示一类似的透镜50和光阑52的系统，其在像空间成远心。由于光纤光源的性质，通常认为来自光纤的光束在物空间成远心，如从光纤射出的光束平行于光轴。理想的耦合光纤的光学系统的特征在于为了获得位于像空间的接收光纤中的光线最高耦合效率，光也被成远心于第二准直透镜的像空间。如果光相对于光纤光轴以相当大的角度射入光纤，在光纤中光束的耦合效率将显著降低，或是插入损耗将被增加。尽管为了减小光束和光纤光轴之间的有效角度，可以使光纤倾斜于光轴，但倾斜光纤大大的增加了最终光学系统安装的时间和成本。光学元件的类型和位置，以及孔径光阑的位置影响远心性的条件。对于用于耦合从一根光纤到另一根光纤的光的系统，具有许多限制光束的孔径和由此降低光学放大率是不希望的。因此往往不用限定的孔径或光阑限制光束。当没有物理孔径限制光束时，远心性由与光学元件结合的光源和接收器的特性决定。更准确的说，如果光束在系统中传播，并且不希望引入会以任何方式限制光束的任何孔径，那么光阑的位置通常通过主光线穿过系统光轴的位置来描述。主光线被定义为位于从光源发射出的光束分布中心的光线，因此不再由光学系统中的物理孔径决定。本领域中已知渐变折射率(GRIN)透镜能被用于准直来自光纤的光。NipponSheet Glass，Somerset，New Jersey生产这样的透镜。图6表示使用两个GRIN准直器透镜的透射光学系统。从光源光纤10发射出的一高斯光束被GRIN透镜16准直。准直的光束62被GRIN透镜18聚焦进入接收光纤20。透镜的旁轴前焦平面位于该透镜第二主平面的有效焦距(EFL)上。GRIN透镜16的前焦平面60位于与透镜前表面64非常接近的位置。这是因为第二主平面66位于GRIN透镜的内部。对于反射系统(见图3)，滤光片24应该被放置在输入准直器透镜的前焦平面60上，以获得最大的耦合效率，或是将插入损耗降到最小。因为滤光片能被直接胶合在GRIN透镜16的前表面64上，而不引起过多的插入损耗，滤光片24与GRIN透镜的前表面64的极为接近有利于组装反射光子器件，如DWDM分离器。为了具有高耦合效率，聚焦透镜不能将明显的像差引入到光束中。对于一渐变折射率透镜，折射率分布的形状必须精确设计，从而产生最小的像差。因为分布的形状只由玻璃中掺杂物的扩散控制，所以折射率分布的控制是不容易的。渐变折射率透镜的更进一步的缺点是，普遍应用在扩散中的掺杂物之一是铊。例如，渐变折射率透镜中铊的使用在美国专利US3,941,474和US本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：P·D·卢丁顿，J·R·比特里，
申请(专利权)人：伊斯曼柯达公司，
类型：发明
国别省市：
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