(57)【要約】【課題】光ファイバーコリメーターの製造プロセス及びその応用範囲を単純化する光ファイバーコリメーター及びその製造方法を提供する。【解決手段】主にホルダー３０、非球面レンズ４０、光ファイバーヘッド５１により構成する。ホルダーの内管径にスペイサー３１を設置し、スペイサー両側には第一端面３１、第二端面３２を具える。スペイサーの製造工程中の機械加工の誤差を考慮し、スペイサーの厚みは、非球面レンズの有効焦点距離と同等か３０ミクロン以内で大きくする。光ファイバーヘッド外径をホルダー内径と同じにし、光ファイバーヘッドと非球面レンズをそれぞれホルダー両端から嵌入し、スペイサー両側端面に抵触させ、固定する。各ホルダーの厚みが上記誤差範囲であれば、光ファイバー端チップの離焦点距離△ｄは一定範囲内に制御され、各光ファイバーコリメーターの最良作業距離は比較的大きい範囲内に制御される。【選択図】図４
2004102011.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主にホルダー、非球面レンズ、光ファイバーヘッドにより構成し、
該ホルダーの内管径にはスペイサーを設置し、該スペイサー両側には第一端面及び第二端面を具え、該スペイサーの製造工程中の機械加工の誤差範囲内で該スペイサーの厚みを、該非球面レンズの有効焦点距離ｆと同等か大きくし、
該光ファイバーヘッド内には光ファイバーを設置し、該光ファイバーヘッド外径を該ホルダーの内径と同じにし、該ホルダー内に嵌入し、該スペイサーの第一端面に抵触させて固定し、光ファイバー端チップを該スペイサーに対面させ、
該非球面レンズの外径設計と該ホルダー内径を同じにし、該ホルダー内に設定して該スペイサーの第二端面に抵触させて固定し、
光ファイバー端チップと非球面レンズとの距離と上記有効焦点距離ｄ１との差（△ｄ＝ｄ１−ｆ）：離焦点距離△ｄを０又は一定範囲内で大きくしてなる、
ことを特徴とする光ファイバーコリメーター。
【請求項２】
前記スペイサーの厚みＴは、Ｔ＝（ｆ＋１５μｍ）プラスマイナス１５ミクロンとしてなることを特徴とする請求項１記載の光ファイバーコリメーター。
【請求項３】
前記光ファイバー端チップの離焦点距離△ｄは３０μｍ≧△ｄ≧０の範囲内において制御されてなることを特徴とする請求項１記載の光ファイバーコリメーター。
【請求項４】
前記光ファイバーコリメーターの最良作業距離は０ｍｍ〜１４０ｍｍの範囲内に制御し、挿入ロスを０．１５ｄＢ以下に保持したことを特徴とする請求項１記載の光ファイバーコリメーター。
【請求項５】
前記非球面レンズはゼロ収差に近い擬似非球面レンズとしたことを特徴とする請求項１記載の光ファイバーコリメーター。
【請求項６】
前記ホルダーはステンレス材質としたことを特徴とする請求項１記載の光ファイバーコリメーター。
【請求項７】
前記ホルダーはガラス材質としたことを特徴とする請求項１記載の光ファイバーコリメーター。
【請求項８】
前記スペイサーと前記ホルダーは一体成型としたことを特徴とする請求項１記載の光ファイバーコリメーター。
【請求項９】
前記光ファイバーヘッド及び前記非球面レンズはそれぞれＵＶ接着剤により前記スペイサー両側の第一端面及び第二端面に固定してなることを特徴とする請求項１記載の光ファイバーコリメーター。
【請求項１０】
前記ホルダーは前記スペイサーの長さにおいて通気孔を設置し、内部と外部の気圧の一致を保持し、環境素因の信頼度を高めたことを特徴とする請求項１記載の光ファイバーコリメーター。
【請求項１１】
主に光ファイバーコリメーターはホルダー、非球面レンズ、光ファイバーヘッドにより構成し、該ホルダーの内管径にはスペイサーを設置し、その製造方法は以下のステップを含み、
先ず、該ホルダーの内管中にスペイサーを設置し、
該光ファイバーヘッドの外径設計と該ホルダーの内径を同じにし、該ホルダー内に嵌入し、該スペイサーの第一端面に抵触させ、固定し、光ファイバー端チップを該スペイサーに対面させ、
該非球面レンズは有効焦点距離ｆを具え、その外径設計と該ホルダー内径を同じにし、該ホルダー内に嵌入し、該スペイサーの第二端面に接触させて固定し、組立て完成後の各光ファイバーコリメーターは、光学機器によりその異なる作業距離を検出可能で、
該各光ファイバーコリメーターは異なる作業距離に応じてレベルを分けられることを特徴とする光ファイバーコリメーターの製造方法。
【請求項１２】
前記ホルダー内のスペイサーの厚みは機械加工誤差を考慮し、前記非球面レンズの有効焦点長度と同じか或いは大きく設計することを特徴とする請求項１１記載の光ファイバーコリメーターの製造方法。
【請求項１３】
前記機械加工誤差が５〜１５ミクロン範囲内の状況において、前記スペイサーの厚みＴ設計はＴ＝（ｆ＋１５μｍ）プラスマイナス１５ミクロンとすることを特徴とする請求項１１記載の光ファイバーコリメーターの製造方法。
【請求項１４】
前記光ファイバー端チップの離焦点距離△ｄは３０μｍ≧△ｄ≧０の範囲内において制御されることを特徴とする請求項１１記載の光ファイバーコリメーターの製造方法。
【請求項１５】
前記光ファイバーコリメーターの最良作業距離は０ｍｍ〜１４０ｍｍの範囲内に制御することを特徴とする請求項１１記載の光ファイバーコリメーターの製造方法。
【請求項１６】
前記光ファイバーコリメーターの作業距離が０ｍｍ〜１４０ｍｍの範囲内にある時、各２０ｍｍを１レベルとすることを特徴とする請求項１１記載の光ファイバーコリメーターの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一種の光ファイバーコリメーター及びその製造方法に関する。特に一種の光ファイバーコリメーターの製造プロセス及びその応用範囲を単純化する光ファイバーコリメーター及びその製造方法に係る。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバーコリメーターは、光通信において光ファイバー中の光束を束ね平行化後、ある機能の部品を経て、さらに平行化した光束を集束し、光ファイバー内に戻し継続伝送する光学部品である。該光ファイバーコリメーターシステムは対になった二個の光ファイバーコリメーターを含み、片方の光ファイバーコリメーターは一定ＮＡの入射光束を具え、コリメーターレンズを通して該光束を平行化後、システムの作業距離を経て、もう一方の光ファイバーコリメーターにより該光束を集束し、統合して光ファイバー中に戻す。該作業距離中には各種機能を設定することができる。
ある光ファイバーコリメーターシステムの最良の作業距離範囲は、二個の光ファイバーコリメーター間の平行光束の平行度を維持し、システムの最低挿入ロスを保持可能である時の二個の光ファイバーコリメーター間の距離である。
【０００３】
図１が示すように、公知の光ファイバーコリメーター１０は平滑な内径を具えたグラスチューブ１１を利用する。該グラスチューブ１１内には外径が該グラスチューブ１１内径と同一の光ファイバーヘッド１２を固定し、光ファイバー１３を定位する。また、該ＧＲＩＮレンズ１４は該光ファイバー１３を用い光束を平行化し、或いは平行化した光束を別の光ファイバー中に投合し戻す。また、該グラスチューブ１１は外側をステンレスチューブ１５で覆い、レーザー溶接及びロウ付けを含む溶接工程に備える。
光ファイバーコリメーターの組立て時には、光ファイバーコリメーターの挿入ロスを低く抑えるため、通常は該光ファイバーヘッドと該ＧＲＩＮレンズ１４の相対位置を即時調整する。これにより、入射光束は作業距離の範囲内において最良の平行光束、即ち、最小拡散角及び最小偏光屈折角に到達する。
【０００４】
上記の一般のＧＲＩＮレンズを具えた光ファイバーコリメーター１０或いはその製造方法は、米国で特許を取得しているが、以下のように多くの欠点を存する。
先ず、該ＧＲＩＮレンズの製作技術は難易度が高いため、成型が容易でなく、必然的にコストが高くなる。
また、該ＧＲＩＮレンズの長さを選定し製造された光ファイバーコリメーターシステムの作業距離もまた固定されており、製造上は必要な機能に応じて作業距離を先に決め、また該ＧＲＩＮレンズの長さを決めなければならない。これにより、該ＧＲＩＮレンズは各種長さの規格を具える必要があり、生産管理が面倒である。
さらに、ＧＰＩＮタイプの光ファイバーコリメーターの組立て時には、光ファイバーコリメーターの挿入ロスを低下させるため、通常は該光ファイバーヘッドと該ＧＲＩＮレンズの相対位置を即時調整し、入射光束は作業距離の範囲内において最良の平行光束、即ち、最小拡散角及び最小偏光屈折角に到達する。しかし、各光学系調整作業はＸ、Ｙ、Ｚ、θ、φ五軸自由度の照準調整に関わり、その過程は非常に複雑であるため、製造コストを引き上げる一因となっている。
また、作業距離が長い機能部品においては、ＧＲＩＮタイプの光ファイバーコリメーターは挿入ロスを０．１５ｄＢ以下に保持することができず、光学性能を低下させてしまっているため、１００ｍｍ以上１４０ｍｍと作業距離が長い製品には不適切である。該製品には光循環器、光交錯器、光交換器等のマルチポート光学デバイスがある。
一方、非球面レンズはＧＲＩＮレンズと同様の機能を具え、ＥＦＬ内の点において照射光束（例えば、光ファイバー端点）を不平行光束の特性に変化させることができる。しかし、非球面レンズを採用し、公知のＧＲＩＮタイプの光ファイバーコリメーター中のＧＲＩＮレンズに代えるなら、過程が非常に煩雑な光学系調整作業に直面することになる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記公知構造の欠点を解決するため、本発明は光ファイバーコリメーター及びその製造方法の提供を課題とする。
それは、組立て時に煩雑な調整プロセスを必要とせず、機械加工の誤差を考慮し、最良の作業距離を変化させることができる。
さらにそれは、受動アライメントプロセス完了後において、完成品に対して挿入ロス、反射ロス、最良の作業距離を含むその光学性能を測定することができる。
またそれは、異なる作業距離において、最小の拡散角、最低の挿入ロス、最小の偏折角度、最低の反射光等の最良の光学特性を獲得するためには、公知のＧＲＩＮレンズの技術においては、通常は光ファイバーヘッドとＧＲＩＮレンズの相対位置の調整が必要であるが、本発明は非球面レンズを使用し、光ファイバーヘッドと非球面レンズの相対位置の誤差により、生まれる最良作業距離を変え、挿入ロスの増加を補償する。
加えてそれは、機械加工の特性を利用し、即時調整を不要とし、様々な作業距離の光ファイバーコリメーターを製造することができる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は下記の光ファイバーコリメーター及びその製造方法を提供する。
それは主にホルダー、非球面レンズ、光ファイバーヘッドにより構成する。
光ファイバーコリメーターの製造工程において、該スペイサーの製造工程中の機械加工の誤差を考慮し、該スペイサーの厚み（ホルダーの管軸方向に沿った長さ）設計は、該非球面レンズの有効焦点距離ｆと同等か大きくする。しかも、大きくとも３０ミクロンを超過しない。
該非球面レンズと該光ファイバーヘッドを該ホルダー内に嵌入し、該スペイサーの両側端面に接触させ、固定し、光ファイバー端チップの離焦点距離△ｄ（△ｄ＝ｄ１−ｆ、ｄ１は光ファイバー端チップから非球面レンズまでの実際の距離）が３０μｍ≧△ｄ≧０等の一定範囲内に制御される。
上記構造により、組立て完成後の光ファイバーコリメーターの最良作業距離は０ｍｍ〜１４０ｍｍ範囲の各種規格を含む。
作業距離の長短によりレベルを分け、使用者は必要に応じて簡単に選択し使用することができる。最良作業距離は０ｍｍ〜１４０ｍｍ範囲の各種規格を含み、応用範囲を広げることができ、挿入ロスを０．１５ｄＢ以下に保持し、光学性能を向上させることができる。また、組立て過程においては煩雑な光学調整プロセスを不要とし、製造工程を単純化し製造コストを低下させることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図２が示すように、非球面レンズ２０は最良で、像差が極めて小さく、焦点距離が有効な非球面レンズである。光ファイバー端チップが入射したビームウエスト＝ωが長さｄ１（ｄ１は光ファイバー端チップから非球面レンズまでの距離）及び該非球面レンズ２０を経て、ｄ２に照準する。ｄ２はこの時の光ファイバーコリメーターシステムの最良の作業距離で、そのビームウエストはスポット半径がω２である。
また、シングルモードファイバーにおいては、その内のω２とω１、ｆ、△ｄ（△ｄ＝ｄ１−ｆ）等の相互関係及びその計算公式が知られる。
上記光学特性により、非球面レンズを採用しＧＲＩＮレンズの代用とする時には、光ファイバー端チップの離焦点距離△ｄを変化可能で、非球面レンズを経由後の各種焦点状況を分析した結果は以下の通りである。
【０００８】
Ｃａｓｅ１：ｄ１＝ｆである時、△ｄ＝０である。この時、焦点はレンズｆから離れ、平行光は最大のスポット半径或いはスポットサイズ及び最小の散射角を具える。最良の作業距離は２ｆである。
Ｃａｓｅ２：ｄ１＞ｆである時、光ファイバー端チップは図中の左方に向かい移動する。この時、焦点は徐々にレンズｆから離れ、最良作業距離もまた徐々に大きくなり、スポットサイズは徐々に小さくなり、散射角は徐々に大きくなる。Ｃａｓｅ３：ｄ１＞＞ｆである時、△ｄ＞＞０、即ち、光ファイバー端チップは図中の左方に向かい移動し、ある距離を超えると、焦点はレンズｆより小さくなり、最小スポットサイズ及び非常に大きな散射角を具える。
Ｃａｓｅ４：ｄ１＜ｆである時、△ｄ＜０、即ち、光ファイバー端チップは図中の右方に向かい移動する。この時、平行光は焦点を結ばず、直接発散し、その擬似焦点は非球面レンズ２０の前方（即ちｄ２＜０）で、しかも最良の作業距離には存在しない。
上記のように、光ファイバー端チップの離焦点距離△ｄ（△ｄ＝ｄ１−ｆ）が５〜６０ミクロンの範囲内である時、それが達成する最良作業距離は０ｍｍから１５０ｍｍで、しかも、この時の散射各はすべて０．００２５より小さい。
また、光ファイバーコリメーターシステムの挿入ロスは、二個の光ファイバーコリメーター入射光束のアライメント誤差及び光スポットサイズの不一致による。上記Ｃａｓｅ１からＣａｓｅ３において、レンズの口径はその光束の光スポットサイズより非常に大きいと仮定すると、二個の光ファイバーコリメーターの作業距離は最良の作業距離２ｄ２に調整され、光ファイバーコリメーターは光スポットサイズが一致しない挿入ロスはゼロに近くなる。
【０００９】
次に図３、４、５が示すように、本発明は非球面レンズを光ファイバーコリメーターに使用する時の光学特性により設計する。特に、光ファイバー端チップの離焦点距離（△ｄ）が効果的に制御されれば、該光ファイバーコリメーターシステムの最良作業距離（２ｄ２）を制御することができる。
本発明の光ファイバーコリメーターは主に、ホルダー３０、非球面レンズ４０、光ファイバーヘッド５０により構成する。該ホルダー３０の内管径にはスペイサー３１を設置する。
その製造方法は以下のステップを含む。
先ず、該ホルダー３０の内管中にスペイサー３１を設置し、該ホルダー３０の製造工程中の機械加工の誤差を考慮し、該スペイサー３１の厚みＴ設計は、該非球面レンズ４０の有効焦点距離（ＥＦＬ）と同等か大きくする。しかも、その大きい程度は３０ミクロンを超えないよう制御する。
さらに、該光ファイバーヘッド５１の外径設計と該ホルダーの内径を同じにし、該ホルダー３０内に嵌入し、該スペイサー３１の第一端面３２に抵触させ、固定する。
次に、該非球面レンズ４０の外径設計と該ホルダー３０内径を同じにし、該ホルダー３０内に嵌入し、該スペイサー３１の第二端面３３に抵触させ、固定する。こうして、光波長により有効焦点拒理ｆを探測する。
上記ステップにより光ファイバーコリメーターの組立てを完成する。該スペイサー３１の厚みＴは、機械加工誤差により異なるため、光ファイバー端チップ５２の離焦点距離（△ｄ＝ｄ１ｆ、ｄ１は光ファイバー端チップ５２から非球面レンズ４０までの距離）はすべて３０μｍ≧△ｄ≧０の一定範囲内において制御される。こうして、各光ファイバーコリメーターの最良作業距離は０ｍｍ〜１４０ｍｍの範囲内に制御されるため、工学機器は既に完成した各光ファイバーコリメーターの異なる作業距離を検査、探測可能である。
次に、作業距離０ｍｍ〜１４０ｍｍを数レベルに分け（各２０ｍｍを１レベルとする）、各光ファイバーコリメーターをレベルに分類し、異なる作業距離の各種機体を選択し使用する。
【００１０】
該非球面レンズ４０はゼロ像差に近い擬似非球面レンズとすることができ、その像差は非球面ハイエンド係数の補正を経て、ゼロ（＜０．０２５λａｔλ＝０．６３２８μｍ）に近くなる。
該ホルダー３０はステンレスホルダー或いはガラス材質とし、該スペイサー３１は該ホルダー３０と一体成型する。該スペイサー３１の厚みＴは、該非球面レンズ４０の有効焦点長度（ＥＦＬ）ｆと同等か大きくなるよう制御し、しかも、その大きい部分は３０ミクロンを超えないよう制御する。機械加工誤差が約５〜１５ミクロン範囲の状況において、該スペイサー３１の厚みＴ設計はＴ＝（ｆ＋１５μｍ）プラスマイナス１５ミクロンとする。
また、該光ファイバーヘッド５１及び該非球面レンズ４０は、それぞれＵＶ接着剤により該スペイサー３１両側の第一端面３２及び第二端面３３に固定する。該スペイサー３１の長さにおいて適当な大きさの通気孔３４を設置し、内部と外部の気圧の一致を保持し、環境素因の信頼度を高める。
【００１１】
本発明の光ファイバーコリメーターシステムの作業距離は該スペイサー３１厚みＴを効果的に制御することにより、要求される規格距離を０ｍｍ〜１４０ｍｍの比較的大きい範囲におさめ、挿入ロスを０．１５ｄＢ以下に保持する。
また本発明の実際の組立て過程においては、光学調整プロセスが不要で、後続の光束品質検査を利用し、機械加工の誤差により生まれた作業距離の差異を分類するだけで良い。こうして、本発明は製造コストを大幅に引き下げることができる。さらに、光学特性を向上可能であるため、作業距離が長い、光循環器、光交錯器、光交換器等のマルチポート光学デバイスに適切である。
【００１２】
【発明の効果】
上記のように、本発明は組立て時に煩雑な調整プロセスを必要とせず、機械加工の誤差を考慮し、最良の作業距離を変化させることができる。本発明は受動アライメントプロセス完了後において、完成品に対して挿入ロス、反射ロス、最良の作業距離を含むその光学性能を測定することができる。
異なる作業距離において、最小の散射角、最低の挿入ロス、最小の偏折角度、最低の反射光等の最良の光学特性を獲得するためには、公知のＧＲＩＮレンズの技術においては、通常は光ファイバーヘッドとＧＲＩＮレンズの相対位置の調整が必要であるが、本発明は非球面レンズを使用し、光ファイバーヘッドと非球面レンズの相対位置の誤差により生じる最良作業距離を変え、挿入ロスの増加を補償する。
さらに本発明は機械加工の特性を利用し、即時調整を不要とし、異なる作業距離の光ファイバーコリメーターを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】公知の光ファイバーコリメーターの断面図である。
【図２】非球面レンズの光学特性指示図である。
【図３】本発明製造工程のフローチャート図である。
【図４】本発明により製造する光ファイバーコリメーターの分解断面図である。
【図５】本発明により製造する光ファイバーコリメーターの組合せ断面図である。
【符号の説明】
１０　光ファイバーコリメーター
１１　グラスチューブ
１２　光ファイバーヘッド
１３　光ファイバー
１４　ＧＲＩＮレンズ
１５　ステンレスチューブ
２０　非球面レンズ
３０　ホルダー
３１　スペイサー
３２　第一端面
３３　第二端面
３４　通気孔
４０　非球面レンズ
５０　光ファイバー
５１　光ファイバーヘッド
５２　光ファイバー端チップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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