CN109073822A - 带透镜的光纤及光耦合器 - Google Patents

Abstract

在使用了GRIN透镜的带透镜的光纤的电容器中，不考虑GRIN透镜的材料选择，而实现束腰直径的小径化。一种带透镜的光纤(1)，其第1GRIN透镜(3)的一个端面连接于光纤(2)的端面，且第2GRIN透镜(4)的一个端面连接于第1GRIN透镜(3)的另一个端面，在该带透镜的光纤(1)中，光纤(2)、第1GRIN透镜(3)及第2GRIN透镜(4)同轴连接，第1GRIN透镜(3)的数值孔径小于第2GRIN透镜(4)的数值孔径，将第2GRIN透镜(4)的最低分布折射率nt的径向位置设定在第2GRIN透镜(4)的外缘的内侧，并且设定在与通过第1GRIN透镜(3)扩散的光的最外周相同的位置或其外侧。

Description

带透镜的光纤及光耦合器

技术领域

本发明涉及一种带透镜的光纤及使用了该带透镜的光纤的光耦合器。

背景技术

带透镜的光纤为高效率地进行射入到光纤上的光或者从光纤射出的光的光耦合的光纤耦合部件，且用于光纤相互之间的光耦合、光纤与发光/受光元件之间的光耦合、光纤与光部件(光波导、光集成电路等)之间的光耦合等。

作为以往的带透镜的光纤，已知有将GRIN透镜熔接于光纤而得的带透镜的光纤。GRIN透镜为折射率分布型透镜(梯度折射率透镜：Gradient Index Lens)，且为半径r方向的折射率分布n(r)成为n(r)＝n₀(1-(1/2)(g·r)²)的圆柱(棒)状透镜。在此，n₀为中心折射率，g为表示GRIN透镜的聚光能力的常数(折射率分布常数)。在此，若将GRIN透镜的半径设为R，则折射率量的最低折射率(最低分布折射率)nt成为透镜的外缘部的折射率，且成为nt＝n(R)＝n₀(1-(1/2)(g·R)²)。

关于使用了GRIN透镜的带透镜的光纤，由于GRIN透镜为圆柱状，因此通过将光纤的外径与GRIN透镜的外径设为大致相同的直径，具有光耦合时的机械轴对准变得容易的优点，并且具有在并排布置多个带透镜的光纤时提高空间效率的优点。

使用了GRIN透镜的带透镜的光纤，通常用作准直来自光纤的光的准直器(Collimator)、或者聚集来自光纤的光的电容器(Condenser)。尤其，作为用作电容器时的例子，具有发光元件(例如，半导体激光器)与光纤之间的光耦合。在该情况下，要求能够充分覆盖发光元件的辐射角的高聚光能力的GRIN透镜，并且要求在光纤的临界角内将射入到GRIN透镜的光射入到光纤的纤芯。

作为与这种要求相对应的带透镜的光纤，公开有一种带GRIN透镜的光纤，该带GRIN透镜的光纤将相对低NA的GRIN透镜连接于光纤的端面，且将相对高NA的GRIN透镜连接于该GRIN透镜的端面(参考下述专利文献1)。在此，NA为数值孔径(Numerical Aperture)，若使用前述g及GRIN透镜的半径R、中心折射率n₀，则表示为NA＝n₀·g·R。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第4037346号公报

发明内容

发明要解决的技术课题

如图1所示，关于将低NA的GRIN透镜3连接于光纤2的端面，且将高NA的GRIN透镜4连接于该GRIN透镜3的端面的带透镜的光纤1，耦合光L(射入到光纤上的光或从光纤射出的光)的方式近似地成为高斯光束，在从高NA的GRIN透镜4的端面远离规定距离(束腰距离L₀)的位置形成束腰。即，即使在最聚光的位置，耦合光L也不会聚集在一点，而形成具有规定的直径(束腰直径2ω₀)的束斑。

束斑能够视为在光纤2的纤芯传播的光、尤其是在单模光纤的情况下的基模的光的大小即模场直径2ωs的像，在束腰距离L₀短的情况下，以低NA的GRIN透镜3的NA(NA1)与高NA的GRIN透镜4的NA(NA2)的比率产生缩小倍率。即，束腰直径成为2ω₀＝2ωs×(NA1/NA2)。

随着包含光通信的光学相关技术的发展，与这种带透镜的光纤1进行光耦合的光部件已多样化，光部件的入射/出射口直径具有微小化的倾向。为了以高耦合效率进行与这种光部件的光耦合，要求将前述带透镜的光纤1的束腰直径2ω₀进一步小径化。例如，在考虑与光集成电路的光耦合的情况下，光集成电路中的光波导直径为3μm以下，因此直接将带透镜的光纤1和光集成电路进行连接时，要求将束腰直径设为3μm以下。

相对于此，通过将高NA侧GRIN透镜4的中心折射率n₀设定为更高、或者将高NA侧GRIN透镜4的最低分布折射率nt设定为更低，提高GRIN透镜4的NA，将折射率分布设为陡峭(增加g值)，在理论上，能够将束腰直径进行小径化。然而，关于提高中心折射率n₀、进一步降低最低分布屈性率nt，通过成为GRIN透镜4的基底的玻璃材料和掺杂剂材料的选择来完成，因此，其设定自然而然具有限制。因此，要求不考虑材料选择，而以与以往技术相等的中心折射率n₀或者最低分布折射率nt的设定，将束腰直径进一步小径化。

除此之外，通过将低NA侧GRIN透镜3的NA设定为较低而使折射率分布进一步接近平坦，在理论上，也能够将束腰直径进行小径化。然而，若减小低NA侧GRIN透镜3的NA，则光束过度扩散，所扩散的光束的边缘部到达透镜外壁而导致损耗，因此，其设定自然而然具有限制。

本发明是为了应对这种情况而提出的。即，本发明的课题在于：在使用了GRIN透镜的带透镜的光纤中，不考虑GRIN透镜的材料选择，而实现束腰直径的小径化。

用于解决技术课题的手段

为了解决这种问题，基于本发明的带透镜的光纤具备以下结构。

一种带透镜的光纤，其第1GRIN透镜的一个端面连接于光纤的端面，且第2GRIN透镜的一个端面连接于第1GRIN透镜的另一个端面，所述带透镜的光纤的特征在于，所述光纤、所述第1GRIN透镜及所述第2GRIN透镜同轴连接，所述第1GRIN透镜的数值孔径小于所述第2GRIN透镜的数值孔径，将所述第2GRIN透镜的最低分布折射率的径向位置设定在所述第2GRIN透镜的外缘的内侧，并且设定在与通过所述第1GRIN透镜扩散的光的最外周相同的位置或其外侧。

发明效果

根据具有这种特征的带透镜的光纤，将第2GRIN透镜的最低分布折射率的径向位置设定在第2GRIN透镜的外缘的内侧，并且设定在与通过第1GRIN透镜扩散的光的最外周相同的位置或其外侧，由此不变更设定第2GRIN透镜的中心折射率和最低分布折射率的材料选择，而能够无损耗地传播从光纤射出的光，并将第2GRIN透镜的折射率分布设为陡峭。

由此，能够将用作电容器时的带透镜的光纤的束腰直径进行小径化，并能够高效率地进行与入射/出射口直径已微小化的光部件的光耦合。

附图说明

图1是示出使用了GRIN透镜的带透镜的光纤的说明图。

图2是示出本发明的实施方式所涉及的带透镜的光纤中的第2GRIN透镜的折射率分布的说明图。

图3是示出带透镜的光纤中的耦合光的方式(相对于自透镜端面的距离的光束直径)的说明图。

图4是示出将本发明的实施方式所涉及的带透镜的光纤光耦合到光部件(光波导)的光耦合器的构成例的说明图。

具体实施方式

以下，参考附图，对本发明的实施方式进行说明。如图1所示，本发明的实施方式所涉及的带透镜的光纤1具备光纤2、第1GRIN透镜3及第2GRIN透镜4，且作为电容器(聚光器)发挥功能。在此，光纤2、第1GRIN透镜3及第2GRIN透镜4同轴连接。详细而言，第1GRIN透镜3的一个端面熔接于光纤2的端面，且第2GRIN透镜4的一个端面熔接于第1GRIN透镜3的另一个端面。

关于带透镜的光纤1，若将第1GRIN透镜3的数值孔径设为NA1，且将第2GRIN透镜4的数值孔径设为NA2，则可设定为NA1＜NA2。由此，从光纤2射出的光通过第1GRIN透镜3暂时扩大光束直径，且通过第2GRIN透镜4进行聚光，由此在第2GRIN透镜4的端面或其附近形成束腰直径2ω₀的束斑。

在此，若将第1GRIN透镜3的半径设为R1，将第2GRIN透镜4的半径设为R2，且将光纤2的半径(包层半径)设为R，则设为R＝R1＝R2，由此能够获得带透镜的光纤1，该带透镜的光纤1能够使用套筒等而容易地进行机械光轴对准。但是，本发明的实施方式所涉及的带透镜的光纤1并不限定于此，也可以设为R≤R1≤R2等。

图2示出本发明的实施方式所涉及的带透镜的光纤1中的第2GRIN透镜4的折射率分布。关于第2GRIN透镜4的折射率分布，中心折射率为n₀，且自中心的距离r为0≤r≤R2’时，成为n(r)＝n₀(1-(1/2)(g’·r)²)的抛物线状的折射率分布，自中心的距离为R2’时，成为最低分布折射率(以抛物线状分布的折射率的最低值)nt。并且，自中心的距离r为R2’＜r≤R2时，成为一定值(n1)。在此，R2为GRIN透镜4的半径(外径/2)，R2’为GRIN透镜4的有效半径(R2’＜R2)。即，在本发明的实施方式所涉及的带透镜的光纤1中，将第2GRIN透镜4的最低分布折射率nt的径向位置设定在第2GRIN透镜4的外缘的内侧。

并且，对于从光纤2射入到第1GRIN透镜3的光，在第1GRIN透镜3内扩大光束直径并到达第2GRIN透镜4界面时的光束直径2ωG1与第2GRIN透镜4的最低分布折射率的直径2R2’之间的关系被设定为2ωG1≤2R2’。即，在本发明的实施方式所涉及的带透镜的光纤1中，将第2GRIN透镜4中的最低分布折射率nt的径向位置设定在与从光纤2射入到第1GRIN透镜3并通过第1GRIN透镜3扩散的光的最外周相同的位置或其外侧。并且，第2GRIN透镜的最低分布折射率nt的直径2R2’与第1GRIN透镜3的直径2R1之间的关系被设定为2R2’＜2R1。

关于具备这种第1GRIN透镜3和第2GRIN透镜4的带透镜的光纤1，从光纤2射出的光在第1GRIN透镜3和第2GRIN透镜4无损耗地传播，进而能够将形成于第2GRIN透镜4的端面附近或其外侧的束腰直径进行小径化。

在示出这种折射率分布的GRIN透镜4中，中心折射率n₀和最低分布折射率nt通过形成GRIN透镜4的材料而设定。例如，GRIN透镜4以石英玻璃(SiO₂)基底选择钛氧化物(Ti₂O₃)来作为掺杂剂材料(金属添加物)时，能够将中心折射率设定为n₀＝1.53，且将最低分布折射率设定为nt＝1.49。

在此，以相同的材料选择，设定相同的中心折射率n₀和最低分布折射率nt时，在将最低分布折射率nt的径向位置设在GRIN透镜的外缘附近的以往技术中，成为图2中由虚线表示的折射率分布(n(r)＝n₀(1-(1/2)(g·r)²))。若将该情况下的折射率分布系数g与本发明的实施方式中的第2GRIN透镜4的自中心的距离r为0≤r≤R2’时的折射率分布n(r)＝n₀(1-(1/2)(g’·r)²)情况下的g’进行比较，则NA相同且直径(有效直径)变小，因此成为g＜g’。即，折射率分布系数成为g’的本发明的实施方式中的GRIN透镜4的g值高于以往技术。

然而，束腰距离L₀位于第2GRIN透镜4的端面的附近时，能够视为在光纤1的纤芯传播的光的像的束腰直径2ω₀的倍率，能够由低NA侧的第1GRIN透镜3中的g值(g1)和中心折射率(n₀₁)的乘积与高NA侧的第2GRIN透镜4的g值(g2＝g’)和中心折射率(n₀)的乘积之比来表示。即，倍率成为(g1·n₀₁)/(g’·n₀)。在此，在将第1GRIN透镜3的g值和中心折射率(g1·n₀₁)认为是一定的情况下，相对于以往技术的g，采用了g＜g’的GRIN透镜4的本发明的实施方式中，作为像的束腰直径2ω₀减小与高NA侧的g值增加对应的量。

图3示出带透镜的光纤1中的耦合光L的方式(相对于自透镜端面的距离的光束直径)。在图中，实线表示如图2中所示的实线那样设定第2GRIN透镜4的折射率分布的情况下(本发明的实施方式)的方式，虚线表示如图2中所示的虚线那样设定第2GRIN透镜4的折射率分布的情况下(以往技术)的方式。如图所示，关于束腰直径(自透镜端面的距离为10μm的光束直径)2ω₀，相对于以往技术为5.0μm左右，在本发明的实施方式中将直径减小至3μm以下。如此，本发明的实施方式所涉及的带透镜的光纤1不通过材料选择来调节折射率，而能够提高第2GRIN透镜4的g值，并将束腰直径进行小径化。

以下，对第2GRIN透镜4的制造方法进行说明。具备如图2中由实线表示的折射率分布的GRIN透镜4，能够应用作为光纤的制造法而公知的棒管法(rod-in-tube)来制造。即，在以往技术中的GRIN透镜的母材的周围覆盖石英管，然后，与以往技术中的GRIN透镜的制造方法同样地，进行拉伸并将外径对准于已设定的外径(2×R2)。然后，进行调节透镜长度的切断来获得第2GRIN透镜4。关于如此制造的第2GRIN透镜4，在有效直径(2×R2’)内，如图2中由实线表示那样示出抛物线状的折射率分布，在有效直径(2×R2’)的外侧设有不含掺杂剂材料的石英玻璃的管层(图2中的n1为石英玻璃的折射率)。

图4示出将本发明的实施方式所涉及的带透镜的光纤光耦合到光部件的光耦合器的构成例。在此，示出将光集成电路等光波导20和带透镜的光纤1进行耦合的例子。在该例子中，将带透镜的光纤1中的第2GRIN透镜4的端面和光波导20的连接端面对置配置，直接或者经由粘合剂、折射率匹配剂等偶联剂连接两个端面。此时，通过使带透镜的光纤1中的束腰位置靠近第2GRIN透镜4的端面或者与该端面一致，能够以低损耗来进行直接连接，通过将通过带透镜的光纤1被小径化的束腰直径设定为与光波导20的纤芯20A的直径相等或其以下，能够实现高效率的耦合。

如以上说明那样，本发明的实施方式所涉及的带透镜的光纤1、或者使用了该带透镜的光纤1的光耦合器，不考虑通过材料选择来调节折射率，而能够无损耗地传播耦合到光纤2上的光，并将使用了第1GRIN透镜3及第2GRIN透镜4的带透镜的光纤1的束腰直径进行小径化。由此，本发明的实施方式所涉及的带透镜的光纤1、或者使用了该带透镜的光纤1的光耦合器对应于耦合对象的光部件的入射/出射口直径的微小化而能够进行高效率的光耦合。

符号说明

1-带透镜的光纤，2-光纤，3、4-GRIN透镜，20-光波导，20A-纤芯。

Claims (5)

1.一种带透镜的光纤，其第1GRIN透镜的一个端面连接于光纤的端面，且第2GRIN透镜的一个端面连接于所述第1GRIN透镜的另一个端面，所述带透镜的光纤的特征在于，

所述光纤、所述第1GRIN透镜及所述第2GRIN透镜同轴连接，所述第1GRIN透镜的数值孔径小于所述第2GRIN透镜的数值孔径，

将所述第2GRIN透镜的最低分布折射率的径向位置设定在所述第2GRIN透镜的外缘的内侧，并且设定在与通过所述第1GRIN透镜扩散的光的最外周相同的位置或其外侧。

2.根据权利要求1所述的带透镜的光纤，其特征在于，

所述第1GRIN透镜及所述第2GRIN透镜与所述光纤具有相同直径。

3.根据权利要求1或2所述的带透镜的光纤，其特征在于，

在所述第2GRIN透镜中的所述最低分布折射率的位置的外侧，设置有不含掺杂剂材料的管层。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的带透镜的光纤，其特征在于，

所述带透镜的光纤的耦合光的束腰直径为3μm以下。

5.一种光耦合器，其是权利要求1至4中任一项所述的带透镜的光纤和光部件进行光耦合而得。