JP2002055276A

JP2002055276A - 微小非球面コリメータレンズ

Info

Publication number: JP2002055276A
Application number: JP2001189573A
Authority: JP
Inventors: Joseph R Bietry; ジョゼフ・アール・ビートリー; Paul D Ludington; ポール・ディ・ルディントン; John P Bowen; ジョン・ピー・ボーウェン
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 2000-06-22
Filing date: 2001-06-22
Publication date: 2002-02-20
Also published as: EP1168012A2; EP1168012A3; US6438290B1

Abstract

(57)【要約】【課題】一方のファイバーから他方の単一モード受信
ファイバーまで光の高い結合効率を可能にする装置を提
供する。【解決手段】本発明に係る一方の光ファイバーから他
方の光ファイバーに光を結合する装置は、一対の成形平
凸レンズを備える。各々のレンズは、非球面と平坦面と
を備える。非球面は、−０．６から−０．３までの間の
コニック定数を有し、コニック定数は、非球面に入力さ
れる平行にされたビームから平坦面付近に位置された光
ファイバーまでの最適な結合効率を与えるように選択さ
れる。一対のレンズの間隔は、レンズの焦点距離の和に
ほぼ等しい距離である。その一対のレンズのうち一方の
レンズの焦点面近くに位置された光ファイバーからの光
が、他方のレンズの焦点面近くに位置された光ファイバ
ーに合焦される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバーを接
続する方法および装置に関する。特に、それは、一方の
ファイバーから他方のファイバーまで光を結合するレン
ズ、並びに、そのようなレンズの、光ファイバー、レン
ズおよび関連部品のパッケージングを改善するような設
計に関する。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバーの適用において、しばし
ば、一方のファイバーから他方のファイバーまで光を結
合することが必要である。これは、複数のファイバーが
合わせられるスイッチング設備でなされる。これを行う
既知の方法は、ファイバーを合わせて直接接続すること
である。また、ファイバーは、電気的融着によっても接
合できる。この方法において、２本のファイバーが接触
するとき、これらのファイバーの端部を加熱するために
アークが使用される。アークはファイバーを溶かし、そ
れらを永久に、かつ、機械的に安定に結合させる。ま
た、１９８３年１２月２０日に発行された米国特許第４
４２１３８３号で開示されるように、一方のファイバー
から他方のファイバーまで光を結合するレンズを使用す
ることも可能である。それは、レンズ、および、ファイ
バーとレンズを適当な位置に保つ物理的コネクタについ
て説明している。

【０００３】多くの用途において、光の処理または操作
は、光がソースファイバーを出た後、かつ、受信ファイ
バーに入る前に実行されることが望ましい。この処理の
例は、減衰やフィルタリングを含む。一方のファイバー
で多重波長を使用する波長分割多重技術と呼ばれる光通
信システムでは、エルビウムドープファイバー増幅器が
使用され、広い波長範囲でファイバー中の光信号を光学
的に増幅する。波長分割多重化システムにおける各々の
波長は、別々のソースから発生し、各々の波長における
信号パワーは、光増幅器の最適な処理のために調節する
必要がありうる。信号パワーの調節は、光信号の可変の
光減衰を必要とし、この減衰は、しばしば、拡大された
ビームにおいて最も容易に実行される。

【０００４】ファイバー間の光信号の処理は、ファイバ
ーからの光ビームが拡大され、平行にされるなら、最も
容易に実行される。図１は、ソースファイバー１４から
の光を受信ファイバー１６に結合するために使用される
従来の一対のコリメートレンズ１０および１２の例を示
す。この用途のために、一般に、分布屈折率レンズが使
用されることは当業界では周知である。分布屈折率レン
ズは、円筒形ガラス体にドーパントを拡散することによ
って作製される。ドーパントは、レンズの屈折率におい
て半径方向の分布を生成する。もし、その屈折率がレン
ズの周囲に比べて小さいなら、レンズは離れた位置にあ
るソースからの光を合焦する。屈折率プロファイルの形
状は、レンズのイメージング特性を制御する。拡散後、
レンズは特定の長さにカットされ、その端部は磨かれ
る。光がレンズ間で平行にされるとき、ビームは、かな
りの距離「Ｄ」（一般に、数１０ミリメータ）にわたっ
て、ほとんど同じ大きさのままである。この空間でビー
ムがほとんど同じ大きさなので、例えば、図２に示され
る光変調器「Ｍ」のような、ビームを減衰するかフィル
タリングするかのどちらかを行う追加の光学部品を置く
おくことは簡単である。

【０００５】光信号の処理を必要とするシステムにおい
て、一方のファイバーから他方のファイバーまで光信号
を結合するとき、できるだけ多くの信号パワーを維持す
ることが望ましい。単一モード光ファイバーの場合、結
合効率は分析手法によって計算できる（Ｒ．Ｅ．Ｗａｇ
ｎｅｒとＪ．Ｔｏｍｌｉｎｓｏｎの「Ｃｏｕｐｌｉｎｇ
ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｏｐｔｉｃｓｉｎｓｉ
ｎｇｌｅ−ｍｏｄｅｆｉｂｅｒｃｏｍｐｏｎｅｎｔ
ｓ」ＡｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｃｓｖｏｌ．２１Ｎｏ．
１５１９８２年２６７１ページを参照）。一方のファ
イバーから他方のファイバーまで光を結合する場合に、
レンズは、高い結合効率を生成するために特定の光学的
機能を有していなければならない。第２のコリメートレ
ンズ１２は、受信ファイバー１６に向かう合焦ビームを
生成する。受信ファイバーに結合される光の割合は、合
焦ビームにおける任意の減衰によって減じられる。ある
通信チャンネルにわたって伝達できる情報量を制限しう
るので、ファイバーシステムにおける光パワーの損失は
非常に望ましくない。

【０００６】最近、より多くの光ファイバーに基づく通
信システムは、運ばれる情報量を増加させるために、一
時、多重波長を利用する。多重波長を使用するという一
般的な概念は、波長分割多重技術と呼ばれる。波長分割
多重システムは、光ファイバー内に存在する波長の異な
る信号を分離する方法を必要とする。これは、図３に示
されるような方法によってなされてよい。ソースファイ
バー１８は、コリメートレンズ２０の前焦点面付近に位
置される。ソースファイバーからの光は、コリメートレ
ンズ２０によって平行にされ、光フィルタ２２に向けら
れる。光フィルタのコーティングは、所望の波長付近が
中心となるかなり狭い波長域の光を除いて、全ての光を
反射するように構成される。フィルタ２２を通過する光
は、受信ファイバー２４に結合される。フィルタ２２が
正確に位置決めされるなら、フィルタから反射された光
は、第２の受信ファイバー２６の端部に向けられる。フ
ァイバー１８、２４および２６は、システムの光軸から
外れて位置されることに注意すべきである。

【０００７】光ファイバーに対するビームの高い結合効
率を達成するために、収差の小さいビームがファイバー
に合焦されるということは十分でない。より詳細には、
合焦されたビームは、ファイバーの基本モードに適合し
なければならない。これは、ビームが、ファイバーモー
ドと同じ振幅と位相とを備えることを要する。ファイバ
ーの位相分布を適合させるために、ビームは、ファイバ
ーの光軸に沿ってファイバーに入射するべきである。そ
うでなければ、結果として追加の損失が生じる。もし、
ファイバーの端面がファイバーの光軸と直角であると想
定するなら、ビームは、最高の結合効率のために、ファ
イバーに直角でなければならない。垂直イメージングシ
ステムの場合、システムの軸に平行であるビーム状態
は、テレセントリシティーとよばれる。より詳細には、
垂直イメージングシステムにおけるテレセントリシティ
ーは、絞りの中心を通る光線である主光線が、システム
におけるいくつかの点で光軸に平行であることを要す
る。光学システムは、その光学システムの種々の部分で
テレセントリックでありうる。もし主光線が物体空間に
おいて光軸に平行であるなら、そのシステムは、物体空
間においてテレセントリックであるとみなされる。もし
主光線が像空間において光軸に平行なら、そのシステム
は、像空間においてテレセントリックであるとみなされ
る。例えば、図４は、システムが物体空間においてテレ
セントリックであるレンズ２８と絞り３０の簡略化シス
テムを示す。図５は、像空間でテレセントリックである
レンズ２８’と絞り３０’の同様のシステムを示す。

【０００８】ファイバーソースの性質により、光ファイ
バーから発するビームは、ビームがファイバーから光軸
に平行に出てくるとみなされるとき、通常、物体空間で
テレセントリックであるとみなされる。像空間に位置さ
れた受信ファイバーに対する光の最高の結合効率を実現
するために、像空間においても光がテレセントリックで
あることは、ファイバーを結合する光学システムの望ま
しい特徴である。もし、光が、光ファイバーに、光ファ
イバーの軸に対して実質的な角度で入射するなら、ビー
ムのファイバーに対する結合効率は相当減少する。ビー
ムとファイバーの光軸との間の有効角度を減じるため
に、光軸からファイバーを傾けることは可能であるけれ
ども、ファイバーを傾けることは、最終的な光学システ
ムを組み立てる時間と費用とを相当増大させる可能性が
ある。テレセントリシティーの状態は、光学部品の位置
と型、および、絞りの位置によって影響を受ける。

【０００９】一方のファイバーから他方のファイバーに
光を結合するために使用されるシステムの場合、ビーム
を制限し、その結果、光パワーを減ずる任意のアパーチ
ャを備えることは望ましくない。それ故、しばしば、ビ
ームを制限する明確なアパーチャまたは絞りは存在しな
い。ビームを制限する物理的アパーチャが全くないと
き、テレセントリシティーは、光学部品と組み合わせら
れたソースとレシーバの特性によって定められる。より
詳細には、もし、ビームがシステム中を伝搬し、多少な
りとも光ビームを制限する任意のアパーチャを導入する
ことが望ましくないなら、絞りの位置は、大抵、主光線
がシステムの光軸と交わる位置として述べられる。主光
線は、ソースから放出されるビーム分布の中心にある光
線であると定められ、故に、光学システムにおいて物理
的アパーチャとして定められない。

【００１０】分布屈折率レンズが光ファイバーからの光
を平行にするために使用できることは当業者に知られて
いる。そのようなレンズは、ニュージャージー州、サマ
セットの日本板硝子社によって作られる。分布屈折率レ
ンズが、一方の面上の一点のソースから放出される光が
平行にされるような長さであるとき、そのレンズを、ク
ォーターピッチレンズと呼ぶ。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】分布屈折率レンズの重
大な欠点が図６に示される。ここで、ファイバー３４か
らの光を平行にするクォータピッチロッドレンズ３２が
示される。もし、図に示されるように、ファイバーがシ
ステムの光軸３６から離れて設置されるなら、主光線３
８（光線がファイバー面に垂直に放出されることによっ
て示される）は、クォーターピッチロッドレンズ３２の
出口面４０で光軸と交わる。このビームをファイバーに
合焦させて、高い結合効率を生成するために、第２のク
ォーターピッチロッドレンズ４２は、第１のクォーター
ピッチロッドレンズ３２の出口面４０に近接して位置さ
れなければならない。このような方法で、第２のクォー
ターピッチロッドレンズ４２から出てくる主光線は、第
２のレンズ４２から出てきた後、レンズおよび受信ファ
イバー４４の光軸にほとんど平行である。従って、高い
結合効率を保証する。もし、第２のクォーターピッチロ
ッドレンズが、図７に示されるように、第１のクォータ
ーピッチロッドレンズから長さ方向に移動されるなら、
主光線は、レンズから出てきた後、受信ファイバーの軸
に平行でない。

【００１２】もし、分布屈折率レンズが図３のレンズに
使用されるなら、フィルターは、レンズが分離されるこ
とを要求する。これは、言いかえると、受信レンズから
光軸に平行な主光線が出てこないこと、すなわち、前述
された観点からいうと、そのシステムは、像空間におい
て、テレセントリックではないことを意味する。テレセ
ントリシティーの欠乏は、もし、ファイバーがテレセン
トリシティーの欠乏を補うために再位置決めされないな
ら、光学システムがより高い損失を有することを意味す
る。

【００１３】市販の分布屈折率レンズの例は、日本板硝
子社によるＳＬＷ１８である。図８は、ＮＳＧＳＬＷ
レンズ対のレンズ間隔（Ｄ）の関数とした場合の、理論
上の結合効率を示す。この例は、ファイバーが光軸から
１００ミクロン離れており、１．５６ミクロンの波長で
処理すると想定する。軸外の結合効率は、２つのレンズ
間の距離が増すにつれて劇的に減少することに注意する
べきである。

【００１４】高い結合効率を備えるため、合焦レンズ
は、ビームに有効な収差を導入してはならない。分布屈
折率レンズの場合、最小の収差を生成するために、屈折
率プロファイルの形状が正確に調節される必要がある。
プロファイルの形状はドーパントのガラスへの拡散によ
ってのみ制御されるので、屈折率プロファイルの制御は
困難である。

【００１５】分布屈折率レンズのさらなる欠点は、拡散
に通常使用されるドーパントの１つがタリウムであるこ
とである。例えば、分布屈折率レンズにおけるタリウム
の使用は、１９７６年３月２日に発行された米国特許第
３９４１４７４号、１９８１年１月２０日に発行された
米国特許第４２４６０１６号で述べられる。タリウム
は、有毒な金属である（鉛よりもずっと有毒である）。

【００１６】分布屈折率ガラスレンズに加えて、先の研
究者は、米国特許第４４２１３８３号に記載されるよう
にファイバー間の光を結合する屈折性レンズを使用す
る。しかし、米国特許第４４２１３８３号は、光学動作
を改善する非球面の使用を述べず、軸外ファイバー間の
軸外結合効率を改善するために必要な条件を述べていな
い。１９９４年の４月５日に発行された（Ｈａｍｂｌｅ
ｎ等の）米国特許第５３０１２４９号は、半導体レーザ
ーからの光をファイバーに結合するミラーシステムの使
用について述べる。しかし、この特許は、予想される単
一モード結合効率を定量的に述べず、システムの軸外動
作についても述べていない。

【００１７】本発明の目的は、光ファイバー間の高い結
合効率を生成するレンズの規定を提供することである。

【００１８】本発明のもう１つの目的は、あるファイバ
ーから別の単一モード受信ファイバーまで光の高い結合
効率を可能にすることである。

【００１９】本発明の更なる目的は、光ファイバーがレ
ンズの光軸から外れて位置されたときでさえ、単一モー
ドファイバー間の高い結合効率を可能にすることであ
る。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明に係るレンズは、
非球面と平坦面とを備える成形された平凸レンズであ
る。前記の非球面は、−０．６から−０．３までの間の
コニック定数を有し、前記のコニック定数は、前記の非
球面に入力される平行にされたビームから前記の平坦面
付近に位置された光ファイバーまでの最適な結合効率を
与えるように選択される。

【００２１】本発明に係るレンズは、各々が正の焦点距
離と焦点面とを備えた一対のレンズである。一対のレン
ズの間隔は、レンズの焦点距離の和にほぼ等しい距離で
ある。また、一対のレンズのうち一方のレンズの焦点面
近くに位置された光ファイバーからの光は、他方のレン
ズの焦点面近くに位置された光ファイバーに合焦され
る。

【００２２】本発明の特徴によると、レンズは、一方の
表面上の屈折性成形凸形状と他方の表面上の平坦な表面
とを有する。レンズの全ての光パワーは、凸表面上に集
中される。以下で述べるように、これは、ファイバー間
で光を結合するためにレンズが一対で使用される時とて
も有利である。

【００２３】本発明のもう１つの特徴において、凸表面
は非球面であり、レンズを通過するビームの収差を最小
にするために、非球面の量が制御される。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下に、添付の図面を参照して、
本発明の実施の形態について説明する。本記述は、特
に、本発明による装置の一部を形成する部品、または、
本発明による装置とより直接的に提携する部品に向けら
れる。特に示されない、または、記述されない部品は、
当業者に周知の様々な形式をとりうる。該分野を学んだ
人は、本発明の効果が多重モードファイバーを用いた本
発明の使用に適用されることを理解するけれども、この
説明では、単一モード光ファイバーを使用すると想定す
る。

【００２５】図９を参照すると、光ファイバー４６は、
円筒レンズ５０の光軸４８から離れて取り付けられる。
レンズの外径はその長さよりも短いので、レンズをｖ溝
または円筒ハウジングに取り付けることが容易である。
レンズの第１の表面５２は、製造を容易にするために平
坦である。レンズの第２の表面５４は、屈折パワーを提
供し、凸型形状である。

【００２６】レンズ５０は、主光線５６が第２の表面５
４まで屈折されないという点で、分布屈折率レンズと異
なる。それ故、第２の表面５４と主光線５６が光軸４８
に交わる位置との間に適当な距離がある。絞り「Ｓ」
は、主光線が光軸と交わるところに位置される。このレ
ンズの場合、絞りは、レンズから１つの焦点距離離れて
いる。全ての光パワーが非球面上にあるので、テレセン
トリック状態のレンズと開口絞りとの間の間隔は最大で
ある。

【００２７】さらに、レンズの分離は、米国特許第４４
２１３８３号の場合と同様に、レンズが焦点距離の和よ
りも実質的に短い距離で分離される場合に軸外のファイ
バーの結合効率を改善する。

【００２８】第２のレンズ６０は、絞り「Ｓ」から１つ
の焦点距離離れて位置される。第２のレンズの第１の表
面６２による屈折の後、主光線が、第２のレンズから光
軸に平行に出てくる。主光線が光軸に平行なので、その
光学システムは像空間においてテレセントリックであ
る。たとえ、ファイバーがシステムの光軸から離れて位
置されても、単一モードファイバーに対する高い結合効
率を達成することが可能である。図９における２つのレ
ンズ間の距離「Ｄ」は、それらの焦点距離の和に等し
い。もし、ソースファイバーと受信ファイバーが、同じ
モードフィールド径を有しているなら（大抵は、そのよ
うな場合である）、ソースファイバー４６と受信ファイ
バー６４との間の倍率は−１．０であることが望まし
い。倍率の大きさは、図９の構成において、第２のレン
ズの焦点距離に対する第１のレンズの焦点距離の割合に
等しい。故に、同じ焦点距離をもつ両方のレンズを備え
ることが望ましい。

【００２９】１９７８年にＡｃａｄｅｍｉｃＰｒｅｓ
ｓ社から出版されたＲ．Ｋｉｎｓｌａｋｅの「Ｌｅｎｓ
ＤｅｓｉｇｎＦｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ」３７ページ
に述べられているように、図９におけるレンズの凸表面
は、レンズによって生成されるビームの収差を最小にす
るために非球面形状をもつように選択できる。その形状
は、一般に、コニック方程式（ｃｏｎｉｃｅｑｕａｔ
ｉｏｎ）の形で特定され、その方程式においては、表面
のサグ（ｓａｇ）が数１で与えられる。

【数１】ここで、Ｒは表面のベース半径であり、ｙはラジアル座
標であり、ｋはコニック定数（ｃｏｎｉｃｃｏｎｓｔ
ａｎｔ）である。もしｋ＝０なら、表面は球面である。
このレンズ（例１でさらに詳細に述べられる）の場合、
設計パラメータは、Ｒ＝１．３１、ｋ＝−０．４４４で
ある。同じ光学的面形状を説明するために、表面の有効
関数を変えることなく、同じ数式が使用できる。

【００３０】軸上の物体の場合、球面収差の全てのオー
ダーを０にするために、特別な非球面形状が選択でき
る。既知のように、楕円表面は、球面収差のない無限物
体の像を生成する。コニック定数は、（−１／ｎ）^２で
与えられる。ここで、ｎはレンズの屈折率である（Ｋｉ
ｎｇｓｌａｋｅ、１１３ページを参照）。しかし、楕円
は、光軸上に像が形成される点に対してのみ完全なイメ
ージングを与える。最良の全体のパフォーマンスを定め
るために、レンズが軸上の点と軸外の点の両方に作用し
なければならないことを考慮すると、コニック定数は、
最良の全体パフォーマンスを達成するために変化しなけ
ればならない。図１０は、フィールドの大きさの関数と
して、コニック定数の変化を示す。図からわかるよう
に、非ゼロフィールド（例えば、０．２ｍｍ）の最適な
コニック定数は、実質的に、軸上の場合の最適なコニッ
ク定数とは（５０％）異なる。コニック定数の最適値
は、オンアクシス（軸上）フィールドおよびオフアクシ
ス（軸外）フィールド点の平均ｒｍｓ光路差を最小化す
ることによって選択された。焦点距離は、１．９４ｍｍ
である。他の全ての一次特性は維持された。レンズ材料
の屈折率が増加すると、コニック定数の大きさが小さく
なる（または、０に近くなる）ことに注目すべきであ
る。コニック定数が０に近いということは、最適な波面
を生成するために非球面の出発点がより必要とされなく
なることを意味する。非球面の出発点が少ないというこ
とは、周知のとおり、非球面の出発点が増すにつれて製
造の困難が増すために、作製が容易になることを示す。

【００３１】レンズ間の間隔（図９で設計されたＤ）
は、第２のレンズの第１の主面（設計されたＰ．Ｐ．
１）が屈折性表面であるために、像空間においてテレセ
ントリックビームを維持する一方、実質的に、軸外条件
に対して増大する。そして、前焦点長さ（ｆｏｃａｌ
ｄｉｓｔａｎｃｅ）は前焦点距離（ｆｏｃａｌｌｅｎ
ｇｔｈ）と等しい。このシステムは、図８に示される一
対の分布屈折率レンズと比較して、かなり高い結合効率
を維持する一方で、レンズ間のかなり大きい作動距離を
提供する。対称的に、分布屈折率レンズの第１の主面
は、レンズ内に埋め込まれ、故に、前焦点長さ（ｆｏｃ
ａｌｄｉｓｔａｎｃｅ）は前焦点距離（ｆｏｃａｌｌ
ｅｎｇｔｈ）よりもずっと短い。

【００３２】図１１は、これらのレンズが対で使用され
る時の、ここで述べられたレンズに対するレンズ間隔
「Ｄ」の関数として、軸外ファイバーの理論上の結合効
率を示す。この場合に、軸外結合効率は、２つのレンズ
間隔が比較的大きく増大するときに最高である。本発明
のこの特徴により、高い結合効率を維持する一方、部品
がレンズ間に容易に挿入できる。

【００３３】レンズは、ガラスと成形プラスチックのど
ちらかから作成できる。ガラスは、プラスチックよりも
環境的に安定である。プラスチックレンズと異なり、ガ
ラスは、化学変化または湿気によって屈折率を変化させ
ない。レンズ材料の均質性は成形工程の間維持されるこ
とが望ましい。産業界で知られているように、光学材料
の不均質性は、レンズの動作に有害に影響しうる。拡散
によって作製された分布屈折率レンズと比較すると、タ
リウムのような有毒金属が拡散に全く使用されないとい
うことはレンズの効果である。

【００３４】より屈折率の大きいガラスをレンズに選べ
ることは、ここで提案される発明の効果である。屈折率
の大きいレンズは、所定の屈折パワーを提供するために
必要とされる曲線の長さを減ずる。故に、製造を簡単に
する。さらなる効果は、屈折率の大きい材料の場合、単
層光学コーティングが、レンズ表面から反射される光量
を著しく減少できることである。これは、単層反射防止
コーティングの屈折率の最適な選択が、コーティングの
各々の側面上における２つの媒体の屈折率の相乗平均に
等しいからである。一般のコーティング材料のうち１つ
はフッ化マグネシウムであり、その屈折率は１．３８で
ある。故に、フッ化マグネシウムは、１．９０の基板屈
折率に最適である。基板屈折率が１．９０に近づくほ
ど、単層フッ化マグネシウムコーティングの作用はよく
なる。

【００３５】レンズの全長は、光ファイバーがレンズの
平坦な表面付近にあるように選択される。これは、レン
ズの裏面に対してファイバーを物理的に保持することを
容易にする。図１２を参照すると、レンズ５０の平坦な
表面における所定の位置にファイバー４８を保持する方
法は、熱または紫外線によって硬化できる接着剤６６を
使用することである。いくつかの製造方法において、レ
ンズの裏面にファイバーを配置できることは、製造費用
を削減できる。また、図１３に示されるように、ファイ
バー４８が、フェルール６８内で保持され、レンズ５０
の裏面近くに配置されてもよい。その後、このフェルー
ルは、接着剤を用いて適所に保持できる。また、レンズ
の裏面に小さい凹状部分を成形することも可能であり、
ファイバーは、その凹状部分において接着剤で保持され
てもよい。

【００３６】図１４を参照すると、レンズ４８の長さは
直径よりも実質的に長いので、円筒ホルダー（チュー
ブ）またはＶ溝７０において、直径に対する長さの比が
大きいレンズを保持すること、および、レンズの光軸と
取り付け表面の機械的な軸とを合わせることを維持する
ことが容易である。

【００３７】もう１つの効果は、図１５に示されるよう
に、傾けられた平面で達成される。この場合に、レンズ
上の角度のついたファセット７２は、ソースファイバー
４８からそれ自身に戻るバック反射を減ずる。これは、
通信システムにおいてレンズを使用する時、重要な問題
である。ここで、バック反射は、信号対雑音比の減少を
引き起こす可能性がある。産業界では、通常、８度の角
度でファイバーの端を結合または研磨する。故に、ファ
イバー端から反射された光は、ファイバーに引き返して
伝搬しない。ファイバーから送られた光は、ファイバー
端のエッジによってそらされる。偏差量θは、ほぼθ＝
（ｎ−１）αの式で与えられることが知られている。こ
こで、ｎは材料の屈折率であり、αはウェッジ角度であ
る。同じ角度の補償ウェッジが、一般的に、図１５に示
すように、コリメートレンズの後ろに置かれる。レンズ
の裏面の補償ウェッジは、主光線を、光軸にほとんど平
行な条件に戻す。

【００３８】成形に使用されてもよいガラスの１例は、
約１．７４の屈折率を有するＨｏｙａＴａｃ−４であ
る。ファイバーがその端で約８度の角度で結合されるこ
とは産業界で一般的である。ファイバーは、主に融解さ
れた１．４７５の屈折率をもつシリカであるので、ファ
イバー端のウェッジを通る光の偏差角は約０．０６７ラ
ジアンである。この角度偏差を補償するために、Ｔａｃ
−４から作成されたレンズの裏面上のウェッジは、５．
４６度である。

【００３９】合焦ビーム中にウェッジ形状の面を配置す
ると、非点収差を含む収差をもたらすことが知られてい
る。ビームにおける非点収差は、単一モード結合効率を
減少させる。Ｔａｃ−４レンズのウェッジ角度に対する
上述の計算された角度は、最終的な像における非点収差
の総量を減らすために変化してもよい。５度から６度の
角度は、産業界で先に知られたコリメータの８度のウェ
ッジと比較して非点収差の総量を減らす。

【００４０】以下の例は、本発明による特定の実施の形
態を与える。本発明を特定の範囲に制限するものではな
い。例１提案された発明の一例である特定のレンズ設計が以下に
与えられる。その設計は、２つの同一の平凸レンズを使
用する。これらのレンズについて、凸表面は、非球面で
あると説明される。凸表面１の曲率：０．７６３４ｍｍ^−１凸非球面のコニック定数：Ｋ＝−０．４４４レンズ厚さ：２．９６０ｍｍガラス：ＨｏｙａＴａｃ−４１５５０ｎｍにおける屈折率：１．７０ファイバーとレンズとの間の作動距離：０．２２ｍｍ個々のレンズの有効な焦点距離：１．９ｍｍ平面の垂線と凸表面の非球面軸との間の角度：０．０度特定の入射瞳孔径：凸表面上で１．３５ｍｍ複合ｒｍｓ波面誤差：０．０２４波

【００４１】この光学システムの場合、レンズ間隔の関
数としての主光線の角度は、表１に示される。

【表１】このレンズの場合、もしレンズが０．４ｍｍ分離される
なら、ソースファイバーからのビームは、受信ファイバ
ーにおいて５．２度の角度で入射され、かなりの量の損
失をもたらす。

【００４２】例２例２は、２つの同一の平凸非球面を使用する。平面ファ
セットは、非球面の光軸に関して傾けられる。その傾斜
量は、光ファイバーに使用される共通の結合角度である
８度に等しく設定される。凸表面の曲率：０．７６３４ｍｍ^−１凸非球面のコニック定数：Ｋ＝−０．４４４レンズ厚さ：２．９６０ｍｍガラス：ＨｏｙａＴａｃ−４１５５０ｎｍにおける屈折率：１．７０ファイバーとレンズとの間の作動距離：０．２２ｍｍ有効焦点距離：１．９ｍｍＮＡ：０．３５平面の垂線と凸表面の非球面軸との間の角度：８度複合ｒｍｓ波面誤差：０．０４５波

【００４３】例３例３は、平面レンズのファセット角度が収差全体を減ず
るように最適化されることを除いて、例２と同一であ
る。特に、平面ファセットの角度は、レンズの非球面軸
に関して５．３４８度である。複合ｒｍｓ波面誤差が１
５％削減されたことがわかる。凸表面の曲率：０．７６３４ｍｍ^−１凸非球面のコニック定数：Ｋ＝−０．４４４レンズ厚さ：２．９６０ｍｍガラス：ＨｏｙａＴａｃ−４１５５０ｎｍにおける屈折率：１．７０ファイバーとレンズとの間の作動距離：０．２２ｍｍ有効焦点距離：１．９ｍｍＮＡ：０．３５平面の垂線と凸表面の非球面軸との間の角度：５．３４
８度特定の入射瞳孔径：凸表面上で１．３５ｍｍ複合ｒｍｓ波面誤差：０．０３８波

【００４４】例４は、融解温度がかなり低いガラスを使
用する。融解温度の低いガラスは、このガラスを種々の
成形材料で成形することを可能にする。凸表面の曲率：０．８７８ｍｍ^−１凸非球面のコニック定数：Ｋ＝−０．４６９６レンズ厚さ：２．７２２ｍｍガラス：ＣｏｒｎｉｎｇＣｏ−５５０１５５０ｎｍにおける屈折率：１．５８５ファイバーとレンズとの間の作動距離：０．２４ｍｍ有効焦点距離：１．９ｍｍＮＡ：０．３５平面の垂線と凸表面の非球面軸との間の角度：０度複合ｒｍｓ波面誤差：０．０２０波

【００４５】

【発明の効果】本発明による装置により、あるファイバ
ーから別の単一モード受信ファイバーまで光の高い結合
効率が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ソースファイバーから受信ファイバーまで光
を結合するために使用される一対のコリメートレンズを
示す図。

【図２】追加の処理を行うために平行にされたビーム
に導入される光学部品を示す図。

【図３】光を異なる波長に分離するフィルターを備え
た光学システムを示す図。

【図４】物体空間においてテレセントリックなシステ
ムを示す図

【図５】像空間においてテレセントリックなシステム
を示す図。

【図６】クォータピッチグリンロッドレンズを示す
図。

【図７】第２のレンズが第１のレンズから離れて位置
された一対のクォータピッチロッドレンズを示す図。

【図８】一対の分布屈折率ロッドレンズに対するレン
ズ間隔（Ｄ）の関数として理論的な結合効率を示す図。

【図９】第１のファイバーから第２のファイバーまで
光を結合するために組み合わされた２つのレンズを示す
図。

【図１０】軸外ファイバー距離の関数としてコニック
定数ｋの最適選択を示す図。

【図１１】本発明によるレンズのレンズ間隔（Ｄ）の
関数として、レンズが対で使用されたときの軸外ファイ
バーの理論的な結合効率を示す図。

【図１２】レンズの裏面に取り付けられたファイバー
を示す図。

【図１３】レンズの裏面付近に位置されたフェルール
内のファイバーを示す図。

【図１４】ｖ溝内のレンズを示す図。

【図１５】非球面と非球面の非球面軸に関して角度が
設定された平面とを備えたレンズを示す図。

【符号の説明】

４６ソースファイバー４８光軸５０第１の円筒レンズ５２平坦面５４、６２非球面５６主光線６０第２の円筒レンズ６４受信ファイバー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ジョン・ピー・ボーウェンアメリカ合衆国14534ニューヨーク州ピッツフォード、スプリングデイル・ロック７番Ｆターム(参考） 2H037 AA01 BA32 CA04 CA15 CA16 CA21 DA18 2H087 KA22 LA25 PA02 PA17 PB02 QA01 QA05 QA13 QA21 QA33 QA41 RA04 RA05 RA12 RA13

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】非球面と平坦面とを備える成形された平
凸レンズであって、前記非球面は、−０．６から−０．３までの間のコニッ
ク定数を有し、前記コニック定数は、前記非球面に入力される平行にさ
れたビームから前記平坦面付近に位置された光ファイバ
ーまでの最適な結合効率を与えるように選択されるレン
ズ。
【請求項２】各々が正の焦点距離と焦点面とを備えた
一対のレンズであって、前記一対のレンズの間隔が、レンズの焦点距離の和にほ
ぼ等しい距離であり、前記一対のレンズのうち一方のレンズの焦点面近くに位
置された光ファイバーからの光が、他方のレンズの焦点
面近くに位置された光ファイバーに合焦されるレンズ。