JP2002277695A - 良好なマルチモ−ドファイバ励振と反射制御をもたらす回折光学素子 - Google Patents
良好なマルチモ−ドファイバ励振と反射制御をもたらす回折光学素子Info
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Abstract
射制御をもたらす回折光学素子を提供する。 【解決手段】 本発明の光学素子は、光源を光伝送媒体
に結合する回折型伝達レンズ(140)であって、角度に
対して対称性を有する第1の位相関数と、動径方向の対
称性及びカスプ領域を有する第2の位相関数とを含む面
関数によって画定されている回折面(160)を有し、カ
スプ領域が不連続な傾斜を有することを特徴とする。
Description
関し、より詳細には、良好なマルチモードファイバ励振
と良好な反射制御をもたらす回折光学素子に関する。
は、その面からビームを垂直に射出する。VCSELから射
出された光は、通常、伝達レンズによって光ファイバに
結像されてデータの伝送のために使用される。ギガビッ
トのイーサネット(登録商標)のような伝送技術は、VC
SELとマルチモード光ファイバケーブルを使用する。
常に増大しているデータ転送速度は、所定のビット誤り
率を満足するために送信機モジュール対して非常に精密
な接続光学系を必要とする。
慮すべき事項がある。それらは、1)反射制御と、2)
良好な励振状態の形成である。最初の設計考慮事項であ
る反射制御は、光ファイバの表面から後方反射されて
(今後「後方反射」あるいはフィードバックとする)、
光源(例えばレーザ)に導かれる光量を最小にすること
を追求することである。反射が適切に制御されない場合
には、後方反射は、レーザ光源に安定性の問題を引き起
こすことがある。特に、これらの後方反射が制御又は減
少されないときには、レーザは、不安定状態となり、雑
音の多い出力信号を発生させることになる。例えば、過
剰のパワーが光ファイバの端部からの反射としてレーザ
内に接続されて戻される場合には、レーザが不安定状態
となり、出力パワーが上下に振動し、それによって、受
信信号パルスに特別で大きなダメージを与える量のジッ
ターが生じる。換言すれば、レーザにおけるこの不安定
状態は、誤差の多いデータ信号をもたらす。
ーザ内の雑音の増加は、データリンクの光学的バジェッ
ト(optical budget)において、2.5 dBの大きさのパワ
ー損失をもたらす。この後方反射によるパワー損失の増
大は、2.5 Gbit/secのデータ転送速度に対して約8dBの
大きさである総リンクパワーバジェットの大きな部分を
示していることが明らかである。後方反射又はフィード
バックの悪影響は、より速いデータ転送速度のシステム
に対してより顕著に現れ、重大な事項となる。例えば、
10 Gbit/secのリンクに対するパワーバジェットでは、
2.5 Gbit/secのリンクに対するよりもさらに負担がかか
る。
域幅と距離の積を最大にするようにファイバ界面におい
て良好な励振状態を与えることが重要である。例えば、
標準の50 μmの屈折率分布型ファイバに関して、2.5 Gb
it/secのリンクは、500 MHz*kmの帯域幅と距離の積を必
要とする。同様に、10 Gbit/secのリンクに関して、フ
ァイバは、帯域幅と距離の積2.2 GHz*kmによりサポート
する必要がある。
大させ、側方へのずれ(すなわちレーザとファイバ間の
不整合、調整不良)に強い。励振状態を改善する1つの
試みは、ファイバの真の中心に沿う光の励振を避けるこ
とである。ファイバの中心を避ける理由は、多くのファ
イバが、製造による制約のために、ファイバの中心に沿
って欠陥を有しているためである。さらに、側方へのず
れの許容誤差が、レーザとファイバ間の不整合を相殺で
きることが望ましい。また、システムにおける不整合
(例えば光ファイバと伝達レンズ間の不整合あるいは伝
達レンズとレーザ間の不整合)は、レーザからの光を光
ファイバに入射させることをできなくすることがある。
後方反射に対処する点で、又は良好な励振状態を提供す
る点で欠点を有する。これらの欠点および不利益は、主
としてレンズ製造における制約と困難さに起因してい
る。
渦レンズ(vortex lens) 光を屈折率分布型ファイバに向けて励振させるための結
合光学系として回折素子を使うことが試みられてきた。
1つの研究が、E. G. Johnson, J. Stack, C.Koehler
および T. Suleski によって Diffractive Optics and
Micro-Optics,Optical Society of America(OSA)Techni
cal Digest, pp.205-207, Washington,DC, 2000に次の
ような名称“Diffractive Vortex Lens for Mode-Match
ing Graded Index Fiber”で報告されている。この刊行
物は、励振される光の位相を屈折率分布型ファイバの特
定モードに整合させるために回折素子を使用するという
試みを開示している。
みは、理想的な点光源(すなわち単純な分布を備えると
ともに完全にコヒーレントな光)に対する許容可能な結
果をもたらすが、これらの試みは、より複雑な光分布を
持つ光源(例えばマルチモードレーザ)を使用する用途
には適合させることができない。これらの特定の現実の
用途において、従来周知の伝達レンズは、軸上の大量の
エネルギーに起因する後方散乱の不十分な制御又は好ま
しくない励振状態によって、あるいはこれらの両方によ
って、より不安定なフィードバックという問題を有す
る。
もに良好な励振状態をもたらし、しかも上述したような
不利益を克服できる伝達レンズが依然として求められて
いる。
れば、光源(例えばレーザ)によって射出された光を光
伝送媒体(例えば光ファイバ)に伝達する伝達レンズが
提供される。この伝達レンズは、光源から発生した光を
受容するとともに平行化、コリメートする回折面を含
む。この回折面は、角度に関して対称である第1の位相
関数(phase function)と、動径方向に対称である第2
の位相関数を有する面関数(surface function)によっ
て画定されている。第2の位相関数は、不連続な傾斜を
有するカスプ(cusp)、尖点、先端領域を含む。伝達レ
ンズは、反射制御をもたらし、それによって、光ファイ
バの端部で反射された光が、光源によって光が射出され
た位置には結像されない。その上、また伝達レンズは、
良好な励振状態をもたらし、それによって、光ファイバ
内に励振される光が、光ファイバの軸上及びコア−クラ
ッド界面における屈折率異常、屈折率の異なる領域を回
避する。
は、伝達レンズの回折面が、反射制御と良好な励振をも
たらすことにあり、これらはマルチモード光ファイバシ
ステムにとって特別都合がよい。
ファイバ、伝達レンズを含む光伝送システムが提供され
る。伝達レンズは、レーザから射出された光を光ファイ
バに伝達する。伝達レンズは、レーザから発生した光を
受容して平行化する回折面を備えている。回折面は、角
度に関して対称である第1の位相関数と、動径方向に対
称である第2の位相関数を有する面関数によって画定さ
れている。第2の位相関数は、不連続な傾斜を有するカ
スプ領域を含む。伝達レンズは、反射制御をもたらし、
それによって、光ファイバの端面で反射された光がレー
ザによって光が射出される位置には結像されず、また、
良好な励振状態をもたらし、それによって、光ファイバ
内に励振される光が光ファイバの軸に沿う屈折率異常を
回避する。
よって説明されるが、添付の図面によって限定されるも
のではない。なお、異なる図面の同様の部材には同じ参
照番号が付される。マルチモードファイバ励振とフィー
ドバック制御に関して最適化された回折光学素子が説明
される。以下の記述において、説明のために、多くの特
定の詳細が、本発明の一貫した理解のために述べられ
る。しかしながら、当業者には、本発明がこれらの特定
の詳細を用いなくても実施できることが明らかであろ
う。別の実施例において、従来周知の構造および装置
が、本発明を不必要に不明瞭なものにすることを避ける
ためにブロック図の形で示されている。
ロック図を示し、伝達レンズ140が、本発明の好適実施
例にしたがって使用可能である。システム100は、光を
射出するための光源110(例えばレーザ)、光導波媒
体、光伝送媒体120(例えば光ファイバケーブル)、光
源110によって射出された光を光伝送媒体120に伝達する
伝達レンズ140を含む。
(VCSEL)のような、構造と動作が当業者に周知である
半導体レーザとすることができる。光伝送媒体120は、
例えば、周知の形式の光ファイバケーブルである50μm
のマルチモードファイバ又は62.5μmのマルチモードフ
ァイバとすることができる。さらに、本発明の伝達レン
ズ140は、良好な励振状態と反射制御(本発明ではフィ
ードバック制御とも称する)をもたらす。
光源で生じた光を受容して平行化するための、及びフィ
ドバック制御と良好な励振状態をももたらすための回折
面150を含む。伝達レンズ140は、光を拡大し、この光を
光伝送媒体120上に結像するための光学表面160(例えば
屈折面あるいは回折面)を含む。本発明の伝達レンズ14
0を、図2〜図6を参照して以下により詳細に記述す
る。
ッケージの内部に回折面150が配置され、それによって
回折面150はごみや損傷の影響を受けにくくなる。
数によって画定されている。本発明の好適実施例にした
がい、回折面150に関する面関数は、1)位相が開口の
極座標の角度成分にのみ依存している第1の位相関数
(以後「角度に関して対称性」を有する第1の位相関数
と称する)と、2)位相が開口の極座標の動径方向成分
にのみ依存し、カスプ領域を有する第2の位相関数(以
後「動径方向の対称性」を有する第2の位相関数と称す
る)を含む。好ましくは、第2の位相関数は、開口の中
心から引いた仮想の線に関して対称であり、したがっ
て、カスプ領域は、そこに含まれる不連続の傾斜であ
る。
の位相関数と動径方向の対称性を有する第2の位相関数
を説明する。図2Aは、角度に関して対称性を有する第
1の位相関数を図解する(例えばmS=+3である螺旋
位相関数)。mSは、開口の中心の周囲の円を横切ると
き、いかに迅速に位相が変化するかを示す実数(−IN
F〜+INF)である。
の位相関数を図解する(例えばmC=−2である円錐位
相関数)。mCは、開口の中心からの動径方向の線を横
切るとき、いかに迅速に位相が変化するかを示す実数
(−INF〜+INF)である。円錐の傾斜は、開口の
中心における0からエッジにおける2×π×mへの位相
値(phase value)の変化を支配する。動径方向の対称
性とカスプ領域を有する第2の位相関数の他の実施例
が、図4を参照して説明される。
図2Aの第1の位相関数及び図2Bの第2の位相関数を
組み合わた位相関数を図解している。この実施例におい
て、特定の値“m”が以下のように選択される。角度に
関して対称性を有する位相関数に対して、m=+3であ
り、動径方向の対称性を有する位相関数に対して、m=
−2である。値“m”は、結合係数、不整合許容差、フ
ィードバック量を平衡化することによって決定すること
ができる。これらの値“m”は、特定の光学的な用途の
要求に適合するように調節できることに注意されたい。
えば第3の位相関数、第4の位相関数など)を含み、特
定用途の要求に適合可能であることに注意されたい。こ
れらの追加の位相関数又は位相項は、例えば、レンズ機
能、収差制御機能、プリズム機能、格子機能を含むこと
ができる。これらの項は、当業者には周知であるので、
ここでは詳述はしない。
された光を受容し、平行化するコリメート面とすること
ができ、したがって、本発明の回折態様を面160に組み
込むことが可能である。この実施例において、面160が
回折面であり、伝達レンズに対してフィードバック制御
と良好な励振状態をもたらす。
適な回折面の斜視図である。この回折面の階段状の造作
あるいはステップ状の造作は、標準的な半導体工程によ
る製造に特に適していることに注目されたい。例えば、
マスクと腐食工程を含む周知のリソグラフィーが、本発
明の伝達レンズの回折面を製造、実現するために利用可
能である。代替的には、回折面は、連続した、すなわち
滑らかな面転移(surface transition)を備えることが
できる。回折面は、連続し、滑らかに変化する面を有す
る。この連続し、滑らかな面転移は、本発明の伝達レン
ズによる性能を高めるものである。しかしながら、この
代替的な実施例は、連続的な斜面を実現するために回折
面を回転したり、ミリング、フライス加工したりするこ
とを含む一層複雑な工程を必要とする。
ンズの回折面の面関数に組み込むことができる動径方向
の対称性とカスプ領域を有する例示的な位相関数の断面
図を示す。第1の位相関数410は、概して凹形状を特徴
とする断面を有する。第2の位相関数420は、概して三
角形の断面を特徴とする。第1の位相関数430は、概し
て凸形状を特徴とする断面を有する。これらの位相関数
のそれぞれは、反転可能であり、したがって、反転され
た位相関数は、同様の結果を得るように利用可能であ
る。例えば、第4の位相関数440は、第1の位相関数410
を反転したものである。
位相関数(すなわち動径方向の対称性を有する第2の位
相関数と組み合わされた角度に対して対称性を有する第
1の位相関数)を含むことが好ましい。
べての点の位相をφで表し、ρは点の開口の中心からの
距離、θは点のx軸からの角度を表す。
面関数は、動径方向の対称性を有する第2の位相関数
(例えば円錐位相関数)と組み合わされた角度に対して
対称性を有する第1の位相関数(例えば螺旋位相関数)
を少なくとも含む。例えば、面関数は、次のように φ=mS×θ+2πmC×ρ と表現される。螺旋位相関数は、次のように φ=mS×θ と表現される。ここで“mS”は、開口の中心の周囲の
円を横切るとき、いかに迅速に位相が変化するかを示す
実数、−INF〜+INFである。円錐位相関数は、次
のように φ=2πmC×ρ と表現される。ここで“mC”は、開口の中心からの動
径方向の線を横切るとき、いかに迅速に位相が変化する
かを示す実数、−INF〜+INFである。ρは正規化
された動径方向の成分であり、したがって、ρは開口の
縁では1に等しく、開口の中心では0に等しい。
が、回折素子の光学特性をさらに記述するように上述の
面関数に付け加えられる。
(例えばマルチモードVCSEL光源)に関して、本発明の
伝達レンズ設計および従来技術の伝達レンズ設計に対す
る光ファイバおよびフィードバック面におけるシミュレ
ートされた光分布を示す。
イアグラムであり、良好な励振状態を例示している。本
発明の伝達レンズが、非常に効率的な結合、カップリン
グをもたらし、かつファイバの中心を避けていることに
注目されたい。光はファイバの中心を避けて伝送されて
いる。特に、回折面150は、良好な励振状態をもたら
し、それによって、光ファイバ内に励振される光は、光
ファイバの軸上、かつコア−クラッド界面における屈折
率異常を回避する。図6は、本発明の伝達レンズのスポ
ットダイアグラムであり、反射制御を例示している。本
発明の伝達レンズが、光源から離れて反射を導くことに
より、非常に良いフィードバック制御をもたらすことに
注目されたい。
ポットダイアグラムであり、この図は、励振された高い
エネルギがファイバの軸、又は中心に沿って現れること
を示す。図5とは対照的に、この従来技術の伝達レンズ
は、光ファイバケーブルの中心内に励振されたより大き
なエネルギが存在するために、不十分な励振状態をもた
らす。前述したように、ファイバ内の製造時の欠陥がシ
ステムの帯域幅に悪影響を及ぼし又は帯域幅を減少させ
るので、中心内にエネルギーを励振するのは不利であ
る。
ダイアグラムであり、不十分な反射制御を例示する。図
6とは対照的に、従来技術の伝達レンズは、より多くの
光が光源内に後方反射されるので、不十分な反射制御を
もたらす。そのために、光源は、不十分に制御されたフ
ィードバックのために、安定性に問題が生じることがあ
る。
の特定の実施例に関して記述された。しかしながら、種
々の修正および変更が、本発明のより広い技術的な範囲
から逸脱することなく、実施され得ることは明らかであ
ろう。したがって、詳細な説明及び図面は、限定を加え
るという観点ではなく、説明という観点に立って解釈さ
れるべきものである。
ドレーザからファイバ媒体内に光を励振させるといった
文脈で記述された。しかしながら、本発明の回折素子
は、多くの異なる分野において様々な異なる用途に対し
て適応可能である。本発明の回折素子は、複雑な光分布
を有する光源を他の光伝送媒体に結合する必要が生じた
場合に、いつでも適用できるという利点を備えている。
例えば、本発明の回折素子は、2つのマルチモードファ
イバ間に光を伝送するのに使用することができる。
バ(120)、伝達レンズ(140)を含む光伝送システム
(100)に関する。伝達レンズはレーザによって発せら
れた光を光ファイバに伝達する。伝達レンズは、回折面
(160)を含み、レーザから射出された光を受容し平行
化する。回折面は、角度に対して対称性を有する第1の
位相関数及び動径方向の対称性を有する第2の位相関数
を含む面関数によって画定される。第2の位相関数は、
不連続な斜面を有するカスプ領域を含む。伝達レンズ
は、反射制御をもたらし、それによって光ファイバの端
部で反射された光がレーザによって光が発せられる位置
に結像せず、また良好な励振状態をもたらし、それによ
って光ファイバ内に励振される光が光ファイバの軸に沿
う屈折率異常を回避する。
ク図であり、このシステムでは、伝達レンズが本発明の
好適実施例にしたがって使用可能である。
の位相関数を示す。図2Bは動径方向に対称である例示
的な第2の位相関数を示す。図2Cは、本発明の好適実
施例による図2Aに示す第1の位相関数と、図2Bに示
す第2の位相関数を組み合わせた位相関数を示す。
である。
み込むことができる動径方向の対称性とカスプ部分を有
する例示的な位相関数の断面図である。
達レンズのスポットダイアグラムである。
ズのスポットダイアグラムである。
における伝達レンズのスポットダイアグラムである。
における伝達レンズのスポットダイアグラムである。
Claims (10)
- 【請求項1】 光源を光伝送媒体に結合する回折型伝達
レンズ(140)であって、 角度に対して対称性を有する第1の位相関数と、動径方
向の対称性及びカスプ領域を有する第2の位相関数とを
含む面関数によって画定されている回折面(160)を有
し、 前記カスプ領域が不連続な傾斜を有する伝達レンズ。 - 【請求項2】 前記第1の位相関数が螺旋位相関数であ
り、前記第2の位相関数が円錐位相関数である請求項1
に記載の伝達レンズ。 - 【請求項3】 前記螺旋位相関数が、 φ=mS×θ と表現され、mSが、開口の中心の周囲の円を横断する
際に、いかに早く位相が変化するかを示す実数であり、 前記円錐位相関数が、 φ=2πmC×ρ と表現され、mCが、開口の中心からの動径方向の線を
横断する際に、いかに早く位相が変化するかを示す実数
である請求項2に記載の伝達レンズ。 - 【請求項4】 mSが3に等しく、mCが−2に等しい請
求項3に記載の伝達レンズ。 - 【請求項5】 前記伝達レンズが反射制御をもたらし、
それによって、光がレーザによって射出される位置に光
ファイバの端部で反射された光が導かれない請求項1に
記載の伝達レンズ。 - 【請求項6】 前記伝達レンズが、良好な励振状態をも
たらし、それによって、光ファイバ内に励振される光
が、該光ファイバの軸に沿う屈折率異常を回避する請求
項1に記載の伝達レンズ。 - 【請求項7】 さらに、光を光ファイバ上に結像する光
学表面を有し、 前記回折面が、前記光源で生じた光を受容するとともに
平行化する請求項1に記載の伝達レンズ。 - 【請求項8】 さらに、前記光源を収容するパッケージ
を備え、 前記回折面が、ハウジング内に配置されている請求項1
に記載の伝達レンズ。 - 【請求項9】 光ファイバに結合する光学モジュールで
あって、 光を射出するレーザ(110)と、 前記レーザによって射出された光を光ファイバに伝達す
る伝達レンズ(140)を有するものにおいて、 前記伝達レンズが、面関数によって画定されている回折
面(160)を含み、 前記面関数が、第2の位相関数と組み合わされた第1の
位相関数を含み、良好な励振状態と反射制御をもたらす
光学モジュール。 - 【請求項10】 前記第1の位相関数が角度に対して対
称性を有し、 前記第2の位相関数が、動径方向の対称性及び不連続な
傾斜を備えるカスプ領域を有する請求項9に記載の光学
モジュール。
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