JP2003043294A - モード変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型のモード変換器を提供する。 【解決手段】 特徴とするモード変換装置（Ａ）第１と
第２の光学導波路と、（Ｂ）前記第１と第２の光学導波
路の両方に取り付けられたＧＲＩＮファイバレンズとを
有することを特徴とするモード変換器。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光学デバイスに関
し、特に、傾斜屈折率レンズに関する。

【０００２】

【従来の技術】傾斜屈折率（graded refractive index
ＧＲＩＮ）レンズは、レンズの中心軸から半径方向に向
かって屈折率が変化するレンズである。屈折率の少なか
らぬ変動により光が屈折し、ＧＲＩＮレンズに通常のレ
ンズに類似した焦点（集光）機能を与える。それ故多く
の光学デバイスはＧＲＩＮレンズまたは通常レンズを互
換性を有しながら採用している。

【０００３】光学デバイスは、レンズを用いて光ビーム
を集光（コリメート）し拡張している。図１の光ファイ
バデバイス１０において、ＧＲＩＮファイバレンズ１１
が光ファイバ１３の端部１２に溶融接続（融着）されて
いる。ＧＲＩＮファイバレンズ１１は、光ファイバ１３
から放射された光ビームを拡張する。ＧＲＩＮファイバ
レンズ１１は、光ファイバ１３と光ファイバデバイス１
５との間の光学結合効率を、光ファイバ１３と光ファイ
バデバイス１５との間に通常存在する複屈折に起因する
結合効率に比較して改善している。ＧＲＩＮファイバレ
ンズ１１は、光ファイバ１３が他の光ファイバに光学的
に結合された場合には回析損失を低減する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ＧＲＩＮレンズの軸に
沿って光ビームの直径が変動し、この直径の変動により
レンズの長さの測定値が得られる。ビームの直径が変化
することにより２個の完全なサイクルが形成される長さ
は、レンズのピッチとして知られている。通常ＧＲＩＮ
レンズの長さは、ピッチ長さの倍数例えば１／２ピッチ
または１／４ピッチで表される。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の原理を採用した
ある装置は、モードコンバータであり、異なる伝搬モー
ドの導波路が当接結合（end-coupled）したときの損失
を低減する。光ファイバにおいては、伝搬モードの形状
は半径方向の屈折率に依存する。モードコンバータは、
第１と第２の光学導波路とＧＲＩＮレンズとを有する。
ＧＲＩＮファイバレンズは第１と第２の導波路の両方に
取り付けられる。

【０００６】本発明の原理を採用する別の装置は、光学
素子を介して少なくとも３本の光ファイバに当接結合さ
れる。本発明の装置は光をコリメートし集光するために
ファイバ端部に取り付けられた光ファイバＧＲＩＮレン
ズ（湾曲した透過表面を具備したレンズではなく）を用
いる。。

【０００７】本発明の原理を採用した他のデバイスは、
光ファイバアレイと光学素子と導波路とを含む。このデ
バイスにおいては、ＧＲＩＮファイバレンズは、光ファ
イバアレイに取り付けられる。光学素子は光ファイバと
導波路の間の光を方向づける。

【０００８】

【発明の実施の形態】１．ＧＲＩＮファイバレンズ 図２は光ファイバデバイス１６を示し、光ファイバデバ
イス１６においては、光ファイバ１７がＧＲＩＮファイ
バレンズ１８に例えば溶融あるいは接着により端部結合
（当接結合）されている。ＧＲＩＮファイバレンズ１８
と光ファイバ１７は、同軸に配置されほぼ等しい外形を
有する。その通常の外径の値は１００μｍ〜１３５μｍ
の範囲で例えば１２５μｍである。ＧＲＩＮファイバレ
ンズ１８は、光ファイバ１７の端部から放射された光ビ
ーム１９をコリメートし、これにより開口数を裸の光フ
ァイバのそれ以下に減らしている。逆にＧＲＩＮファイ
バレンズ１８は、また入射した光ビームを光ファイバ１
７の端部２０に焦点を合わせることができる。

【０００９】代表的な光ファイバ１７は、シングルモー
ドファイバ及びマルチモードファイバを含む。本発明の
ＧＲＩＮファイバレンズ１８は、従来のＧＲＩＮファイ
バレンズの屈折率の半径方向プロファイルとは大きく異
なる半径方向プロフィルの屈折率を有する。この新たな
半径方向プロファイルにより開口数を減らすことがで
き、かつ図１の従来の光ファイバデバイス１０と比較し
て光ファイバデバイス１６に対するレイレイ（Rayleig
h）範囲を増加させる。開口数が減ることは従来の光フ
ァイバデバイス１０で放射された光ビーム１４よりも光
ビーム１９内の複屈折量とパワー密度が減ることを意味
する。レイレイ範囲が増加することは、放射された光ビ
ーム１９は光ビーム１４よりもより多くコリメートされ
ていることを意味する。光ビーム１９の特性が改善され
たことにより、光ファイバデバイス１６を別の光ファイ
バデバイス（図示せず）に端部結合するのに必要な横方
向の整合要件が緩和される。

【００１０】光ファイバデバイス１６のある実施例にお
いては、ＧＲＩＮファイバレンズ１８は光ファイバ１７
に入力する光の反射を減らす為に、傾斜してクリーブさ
れた端面２１を有する。特に端面２１の法線方向のベク
トルは、ＧＲＩＮファイバレンズ１８の軸に対し１°か
ら−２°の範囲の角度でクリーブされるのが好ましい。
このクリーブ角は、端面から光ファイバ（図示せず）に
反射される反射量を減らすのに用いられる約８°のクリ
ーブ角よりも小さい。その理由は、ＧＲＩＮファイバレ
ンズ１８により与えられるビーム拡張により、クリーブ
角を減らしても、光ファイバ１７への後方反射の等価量
を減らすことができるからである。

【００１１】この新たなＧＲＩＮファイバレンズ１８
は、円柱状のコア２２とこのコア２２を包囲する管状ク
ラッド層２４を有する。コア２２内においては屈折率
は、ＧＲＩＮファイバレンズ１８の軸から半径方向の距
離に従って変動する。クラッド層２４内においては屈折
率は一定であるが、コア２２のそれよりも小さな値であ
る。ＧＲＩＮファイバレンズ１８、１１の外形は１２５
μｍである。新ＧＲＩＮファイバレンズ１８と旧ＧＲＩ
Ｎファイバレンズ１１は、コア内のドーパント原子の濃
度分布の差によって異なる半径方向の屈折率プロファイ
ルを有する。代表的なドーパントはＧｅ，Ａｌ，Ｐ，Ｆ
を含む。

【００１２】図３Ａは、ＧＲＩＮファイバレンズ１１の
Ｇｅドーパント濃度の半径方向プロファイル２６と、Ｇ
ＲＩＮファイバレンズ１８のＧｅドーパント濃度の半径
方向プロファイル２７を示す。新たなＧＲＩＮファイバ
レンズ１８のコア２２内においてはＧｅドーパント濃度
は中心軸で最大で下方向に凹状の半径方向のプロファイ
ル２７を有している。このプロファイル２７は軸方向で
濃度ディップ（落ち込み）は存在しない点で一部の従来
のＧＲＩＮファイバレンズ（図示せず）とは異なる。Ｇ
ｅドーパントの半径方向のプロファイルの湾曲度は、旧
ＧＲＩＮファイバレンズ１１のコア内（プロファイル２
６）よりも新ＧＲＩＮファイバレンズ１８のコア２２内
（プロファイル２７）の方が平均値は小さい。新ＧＲＩ
Ｎファイバレンズ１８と旧ＧＲＩＮファイバレンズ１１
の両方のクラッド層では、Ｇｅドーパント濃度は光ファ
イバのコアよりも低くかつ光ファイバの軸から半径方向
の距離に関わらず一定である。

【００１３】コアとクラッド層の間の境界即ちＲ_ｃとＲ
_ｃ’の半径方向距離においては、Ｇｅドーパント濃度及
び／または濃度の半径方向の傾斜において急激な変化が
特徴である。コアの直径は、新たなＧＲＩＮファイバレ
ンズ１８の方が従来のＧＲＩＮファイバレンズ１１より
も大きい、即ちＲ_ｃ’＞Ｒ_ｃ である。コアの直径を増
加させると、適宜の長さのＧＲＩＮファイバレンズ１８
が用いられた場合には光ファイバデバイス１６のレイレ
イ範囲を増加させることになる。ＧＲＩＮファイバレン
ズ１８の代表的な実施例においては、外形が１２５μｍ
で、コアの直径が８５μｍで好ましくは１００μｍ以上
でさらに好ましくは１０５μｍ以上である。ある種のＧ
ＲＩＮファイバレンズ１８においては、クラッド層は存
在せず、その結果コアの直径は１２５μｍである。

【００１４】図３Ｂは、ＧＲＩＮファイバレンズ１１と
ＧＲＩＮファイバレンズ１８のＧｅドーパント濃度の半
径方向プロファイル２６，２７に対応する屈折率プロフ
ァイル２８，２９を示す。屈折率プロファイル２８，２
９は、コア２２内では凹状をしている。屈折率プロファ
イル２８，２９が示すところによれば、新ＧＲＩＮファ
イバレンズ１８は、従来の旧ＧＲＩＮファイバレンズ１
１よりも大幅に緩やかな変動の半径方向プロファイルの
屈折率を有する。パラメータ「ｇ」は、ＧＲＩＮファイ
バレンズのコア内の屈折率プロファイルの半径方向のカ
ーブを表す。特にパラメータ「ｇ」は次式で決定され
る。

【数１】 ここで「ｒ」はＧＲＩＮファイバレンズの軸からの半径
方向の距離を表し、ｎ_０はＧＲＩＮファイバレンズの軸
上の屈折率の値を表し、Ｐ（ｒ）はファイバレンズの軸
から距離「ｒ」のところの屈折率の値である。

【００１５】ＧＲＩＮファイバレンズ１８は、レンズの
コア全体にわたり緩やかな半径方向の変動を有する屈折
率プロファイルを有する。ＧＲＩＮファイバレンズ１８
の屈折率プロファイルは、以下の文献の表１に開示され
たものよりは小さな半径方向の湾曲度を有する。Analys
is and Evaluation of Graded-Index Fiber-Lenses,Jo
nrnal of Lightwave Technology, Vol.LT-5,No.9(sept1
987),pages 1156-1164, by W.L.Emkey et al(EMKEY)
（以下ＭＫ論文と称する）。ＧＲＩＮファイバレンズ１
８の実施例における屈折率プロファイルの半径方向の曲
率の大きさは、ＭＫ論文に開示された同一の量の値より
も１／２以下である。代表的なＧＲＩＮファイバレンズ
１８の「ｇ」は、１．７×１０^−６μｍ^−２で好ましく
は０．９×１０^−６μｍ^−２以下で更に好ましくは５．
０×１０^−７μｍ^−２以下である。１２５μｍの直径の
ＧＲＩＮファイバレンズ１８の「ｇ」の値は、１．７×
１０ ^−６μｍ^−２から５．０×１０^−７μｍ^−２範囲か
ら選択され、好ましくは０．９×１０^−６μｍ^−２から
５．０×１０^−７μｍ^−２の範囲から選択され、良好な
ビームコリメーションを提供する。

【００１６】代表的なＧＲＩＮファイバレンズ１８のコ
ア屈折率プロファイルは、レンズの軸からの距離の約二
乗で変動する。しかしＧＲＩＮファイバレンズ１８の他
の実施例では、二乗ではない屈折率プロファイルを有し
てもよい。図２を参照すると、新たなＧＲＩＮファイバ
レンズ１８は、従来のＧＲＩＮファイバレンズ１１より
も太いコア２２を有する。この太いコア２２とパラメー
タ「ｇ」の小さな値により、適宜の長さの新たなＧＲＩ
Ｎファイバレンズ１８がビームコリメータとして使用さ
れたときには、断面積が広くエネルギー密度の低いビー
ムを生成することができる。

【００１７】図４Ａ，４Ｂは、それぞれ図２，１に示し
た新たな光ファイバデバイス１６’と従来の光ファイバ
デバイス１０’により放射された光ビーム３１，３２を
示す。光ファイバデバイス１６’，光ファイバデバイス
１０’は、同一ピッチ例えば５／１６ピッチであるが、
異なる屈折率プロファイルを有するＧＲＩＮファイバレ
ンズ１８’，１１’を有する。ＧＲＩＮファイバレンズ
１８’の新たなプロファイルは、従来の光ファイバデバ
イス１０’のレイレイ範囲ＲＲ’以上に新たな光ファイ
バデバイス１６’のレイレイ範囲ＲＲを大幅に増加させ
る。このレイレイ範囲の増加は、従来のＧＲＩＮファイ
バレンズ１１内のビーム拡張に比較してＧＲＩＮファイ
バレンズ１８’内のより穏やかなビーム拡張から得られ
たものである。特に図４Ａ，４Ｂは、ＧＲＩＮファイバ
レンズの屈折率の半径方向の湾曲度（radial curvatur
e）を従来のＧＲＩＮファイバレンズよりも小さくする
ことにより、あるピッチに対し放射されたビームの分散
（divergence）を大幅に低減できることを示している。

【００１８】レイレイ範囲は、光学デバイスが損失無し
に光ファイバデバイスに結合できる距離を決定する。新
たな光ファイバデバイス１６’内のレイレイ範囲が大き
くなることにより、従来の光ファイバデバイス１０’で
得られたのよりも、デバイスに当接結合するのに利用出
来る距離が長くなる。

【００１９】等ピッチのＧＲＩＮレンズは、レンズ長さ
のｇ^１/２倍の等しい積を有する。新たなＧＲＩＮファ
イバレンズ１８はｇの値が小さいために、ＧＲＩＮファ
イバレンズ１８は等ピッチの従来のＧＲＩＮファイバレ
ンズ１１よりも通常長くなる。長さが増えることによ
り、新たなＧＲＩＮファイバレンズ１８は、光ファイバ
への整合と溶融接続（接着）が従来のＧＲＩＮファイバ
レンズ１１よりも容易となる。また長さが増えることに
より、新たなＧＲＩＮファイバレンズ１８の製造中に起
きるクリーブ誤差に関連するコリメーション誤差を減ら
すことが出来る。

【００２０】図５は修正気相成長法（modified chemica
l vapor deposition (ＭＣＶＤ)）により、ドープした
シリカガラス製のＧＲＩＮファイバレンズを製造する方
法１００のフローチャートである。光ファイバをＭＣＶ
Ｄで製造する方法は、米国特許第４９０９８１６号と第
４２１７０２７号に開示されている。製造方法１００
は、改良したＧＲＩＮプリフォームを形成し、その後こ
の改良したＧＲＩＮプリフォームを用いてＧＲＩＮファ
イバレンズ（例えば図２のＧＲＩＮファイバレンズ１
８）を形成する。

【００２１】ＧＲＩＮプリフォームを形成するために、
シリカガラス製の層をＭＣＶＤにより形成されたシリカ
製ガラスクラッドチューブの内側に堆積する（ステップ
１０２）。ＭＣＶＤプロセスの間、時間的に変動する部
分圧のドーパントガスを、クラッドチューブの内側にシ
リカガラスを堆積するために、ガス混合物内に入れる。
代表的なドーパントはＧｅ，Ａｌ，Ｐ，Ｆを含む。これ
らのドーパントの一種類あるいは複数種類をシリカ製ガ
ラス内に導入することにより、ガラスの屈折率が変化す
る。ドーパントガスの部分圧は、ＭＣＶＤプロセスの間
変動して最終製品のシリカガラス製プリフォーム内のド
ーパント原子の半径方向の濃度プロファイルを生成す
る。

【００２２】ドーパント原子の半径方向の濃度プロファ
イルは、最終プリフォームの半径方向に傾斜した屈折率
を生成する。ドーパント濃度と屈折率の代表的なプロフ
ァイルは、下方向に凹んでいる、即ち負の半径方向の曲
率を有するプロファイルである。屈折率プロファイル
は、プリフォームのコア内のプリフォームの軸からの距
離の二乗で変動する。例えば図３Ａ，３Ｂの半径方向プ
ロファイル２７，屈折率プロファイル２９のようにであ
る。他の半径方向のプロファイルも、ＭＣＶＤの間ドー
パント原子の部分圧を適宜時間的に変動させることによ
り得られる。ＧＲＩＮファイバの非二乗プロファイルは
光ビームの再成形が可能である。

【００２３】本発明の方法１００は、ロッド状プリフォ
ームを形成するための内部堆積により形成されたチュー
ブを用いる。ロッド状プリフォームを形成するために、
ドープしたシリカガラス製のチューブを部分的にコラッ
プスするために加熱する（ステップ１０４）。本発明の
一実施例においては、加熱は炉のホットゾーン内にチュ
ーブを繰り返し通過させることにより行われる。加熱ス
テップは、ガラスがチューブ内の軸方向チャネルを完全
にブロックする前に停止する。

【００２４】チューブを部分的にコラップした後、シリ
カガラス製エッチング混合物を軸方向チャネル内を通過
させて、チューブの軸方向からガラスの数層を除去する
（ステップ１０６）。代表的なガス状エッチング混合物
は、Ｃ_２Ｆ_７，Ｏ_２，Ｃｌ_２を含む。他のガス状エッチ
ング混合物はＨＦを含む。除去された層はシリカガラス
製の隣接する外側層よりも低いドーパント濃度を有する
が、その理由は、チューブをコラップするための加熱プ
ロセス中に、チューブの軸方向からドーパントが蒸発し
て失われるからである。低濃度のドーパントを具備する
これらの層が除去されない場合には、最終プリフォーム
はドーパント濃度が軸方向にジップを有し、また屈折率
もそれに対応する軸方向ジップを有する。屈折率の軸方
向ジップは、従来のＧＲＩＮファイバレンズの動作の障
害となる。

【００２５】ガラス製の数個の中央層をエッチングで除
去した後、チューブを外部から加熱してコラップスし、
それをドープしたシリカガラス製のロッド状プリフォー
ムに仕上げる（ステップ１０８）。

【００２６】プリフォームを冷却した後、エッチング剤
を外側表面に塗布してプリフォームの外側からクラッド
チューブの選択した適宜の厚さを除去する（ステップ１
１０）。クラッドチューブの一部を除去することによ
り、クラッド層無しのガラスファイバまたは薄いクラッ
ド層のガラスファイバの後続ステップでの引き抜きが容
易となる。これに関しては図３Ａ，３Ｂの半径方向プロ
ファイル２７，屈折率プロファイル２９を参照のこと。
これらの薄いクラッド層を具備する光ファイバあるいは
クラッド層を具備しない光ファイバは、ＧＲＩＮファイ
バレンズにとって利点があるが、その理由はこのような
ファイバは最終製品のＧＲＩＮファイバの断面積の大部
分が光学ビームを拡張することが出来るからである。大
きな断面に渡ってビームを拡張させることにより、開口
数を減らしパワー密度を減らす。その結果レンズの端部
表面あるいは放射ビームの目標上の欠陥が、素子の損傷
を引き起こす可能性が低くなる。

【００２７】ＧＲＩＮファイバレンズの製造プロセス
は、傾斜屈折率プリフォームからＧＲＩＮファイバレン
ズを引き抜くために標準のファイバ引き抜き用炉を用い
る（ステップ１１２）。冷却後、引き抜かれたＧＲＩＮ
ファイバの一端を溶融して標準のファイバ（即ち非傾斜
の屈折率のコアを具備するファイバ）の端部に接着す
る。ＧＲＩＮファイバと標準ファイバを溶着するため
に、これらの端部を適宜整合し互いに隣接して配置しな
がら、２本のファイバの端部を電気炉あるいはアルゴン
雰囲気のタングステンフィラメントでもって加熱する。

【００２８】最後にＧＲＩＮファイバをクリーブして所
望の長さの光学レンズを生成する（ステップ１１６）。
最後に取り付けられたＧＲＩＮファイバレンズのピッチ
は１／４，１／２あるいは他の所望の長さを有し。それ
をビームコリメータ及び拡張器として機能する光ファイ
バに溶融接続する。

【００２９】最終のファイバデバイスの面からファイバ
への反射を減らす為に、クリービング（cleaving）プロ
セスが、ＧＲＩＮファイバの軸に直交しない方向に沿っ
て行われる。非ＧＲＩＮ光学ファイバにおいては、ファ
イバの直交する方向に対し８度の角度でクリービングす
ると、戻り反射を減らすことができる。ＧＲＩＮファイ
バレンズにおいて、このクリーブ角は、レンズの軸に直
交する方向から８度以下（例えば好ましいクリーブ角
は、約０．５−２度である）にすることができ、これに
より取り付けられた光ファイバへの戻り反射を減らすこ
とが出来る。

【００３０】本発明の方法１００により、ＧＲＩＮファ
イバレンズ（例えば図２のＧＲＩＮファイバレンズ１
８）が形成され、これは従来のＧＲＩＮファイバレンズ
（図１のＧＲＩＮファイバレンズ１１）よりも単位長さ
あたりの反射パワーが低い。かくして新たなＧＲＩＮフ
ァイバレンズは、同一の光学パワーを有する従来のＧＲ
ＩＮファイバレンズよりも大幅に長くなる。この長くな
ったレンズが、光をより良好にコリメートし、デバイス
の製造中およびデバイスの組み立て中、操作（処理）し
やすい。半径方向のドーパント濃度の傾斜量が低い代表
的ＧＲＩＮファイバレンズは、約２，３の全ピッチ長さ
即ち４−２０ｍｍの長さを有する。

【００３１】図２のＧＲＩＮファイバレンズ１８は、va
por axial deposition(ＶＡＤ),Ｏuter Ｖapor Ｄeposi
tion(ＯＶＤ)及び sol-gel方法で製造することが出来
る。このようなプロセスにより、最終製品のＧＲＩＮフ
ァイバレンズ内の屈折率に軸方向のディップの形成を回
避することが出来る。

【００３２】２．ＧＲＩＮファイバレンズを用いる光フ
ァイバデバイス 様々な実施例により、以下に説明する光ファイバデバイ
スを提供できる。様々なデバイスは、従来のＧＲＩＮフ
ァイバレンズ（例えば図１のＧＲＩＮファイバレンズ１
１）または新たなＧＲＩＮファイバレンズ（例えば図２
のＧＲＩＮファイバレンズ１８）のいずれかを用いるこ
とが出来る。

【００３３】図６Ａは、異なる基本または高次の伝搬モ
ードを有する一対の光ファイバ３６，３８を結合するモ
ードコンバータ３４を示す。ある種の実施例において
は、光ファイバ３６，３８は異なる直径のコアまたはコ
ア−クラッド境界にまたがって異なる大きさの屈折率変
動を有する。モードコンバータ３４において、ＧＲＩＮ
ファイバレンズ素子４３が光ファイバ３６，３８の端部
に取り付けられる。モードコンバータ３４において、Ｇ
ＲＩＮファイバレンズ素子４３は、光ファイバ３６，３
８に直接溶融接続されるか、あるいは接着層（図示せ
ず）を介して光ファイバ３６，３８に接続される。後者
の場合、接着層の厚さは光ファイバ３６，３８のコアの
幅を超えない。

【００３４】光ファイバ３６，３８は、異なるコア直径
及び／または屈折率変動を有するために、光ファイバ３
６，３８は異なるサイズの伝搬モード、例えば基本モー
ドを有する。本明細書において伝搬モードのサイズと
は、最大振幅の半分の間のモードの完全な直径として定
義される。伝搬モードのサイズが異なるために、光ファ
イバ３６，３８の結合は、光学エネルギーの大幅な結合
損失（即ちスプライス損失）を作り出してしまう。

【００３５】スプライス損失を減らす為に、ＧＲＩＮフ
ァイバレンズ素子４３は、光ファイバ３６，３８の間に
配置され、光ファイバ３８の伝搬モードの直径よりも大
きな直径を有するように光ファイバ３６の狭い伝搬モー
ドを拡張するよう選択される。適宜のサイズの変換をお
こなうために、ＧＲＩＮファイバレンズ素子４３の設計
方法は、適宜のレンズ長さを選択することに関係してく
る。光ファイバ３６の伝搬モードのサイズを光ファイバ
３８の伝搬モードのサイズに変換するのに必要な拡大率
に基づいて、ＧＲＩＮファイバレンズ素子４３の長さを
選択する方法は当業者に公知である。

【００３６】本発明の他の実施例においては、モードコ
ンバータ３４は光ファイバ以外の導波路を光ファイバ３
８に結合することもできる。

【００３７】図６Ｂは、図６Ａのモードコンバータ３４
の特定の実施例であるモードコンバータ３４’を示す。
モードコンバータ３４’においては、ＧＲＩＮファイバ
レンズ素子４３’は、第１ＧＲＩＮファイバレンズ素子
４３Ａ，第２ＧＲＩＮファイバレンズ素子４３Ｂのシー
ケンス（直列接続）から構成される合成レンズである。
第１ＧＲＩＮファイバレンズ素子４３Ａは、光ファイバ
３６の端部に直接溶融接続され、第２ＧＲＩＮファイバ
レンズ素子４３Ｂは、光ファイバ３８の端部に直接溶融
接続される。さらに異なる屈折率プロファイルと長さを
有するＧＲＩＮファイバレンズ素子４３Ａ，４３Ｂが溶
融接続される。２個のＧＲＩＮファイバレンズ素子４３
Ａ，４３Ｂの長さと屈折率プロファイルは、光ファイバ
３６，３８をより良好に光学的に結合するよう選択され
る。ある実施例においては、第１ＧＲＩＮファイバレン
ズ素子４３Ａは、光ファイバ３６により放射された光ビ
ームを拡張し、第２ＧＲＩＮファイバレンズ素子４３Ｂ
は、光ファイバ３８内の伝搬モードのサイズにビームの
ウエストを集光する。

【００３８】図７Ａは、１×２マイクロ−光学ルーター
４６を示す。１×２マイクロ−光学ルーター４６は、入
力用光ファイバ４８と、出力用ファイバ５０，５２と、
可動反射器５４とを有し、入力用光ファイバ４８からの
光を出力用ファイバ５０と５２の内の選択された一方の
ファイバに向ける。入力用光ファイバ４８，出力用ファ
イバ５０，５２の端部は、例えば同一のＧＲＩＮファイ
バレンズ４９，４９’，４９”に溶融接続される。ＧＲ
ＩＮファイバレンズ４９は、入力用光ファイバ４８から
放射された光ビームをコリメート即ち集光させるよう機
能する。ＧＲＩＮファイバレンズ４９’，４９”は、光
を収集し、この収集された光を関連する出力用ファイバ
５０，５２に結合する。出力用ファイバ５０，５２は、
入力用光ファイバ４８により放射された光ビームのウエ
スト（くぼんだ場所）が、入力用光ファイバ４８，出力
用ファイバ５０，出力用ファイバ５２の間の光学パスの
中間点にあるよう配置される。可動反射器５４の反射表
面は、光を出力用ファイバ５０に反射するよう配置され
たときに、レイレイ範囲以内にビームのウエストが配置
される。

【００３９】経路選択するために、可動反射器５４は、
入力用光ファイバ４８により放射された光ビームのパス
の内あるいは外に移動される。可動反射器５４は、マイ
クロ−電子−機械（ＭＥＭデバイス）５６に取り付けら
れ、可動反射器５４はマイクロ−電子−機械（ＭＥＭデ
バイス）５６に入力された電気信号に応答して、光ビー
ムの光学パスの内外に移動する。

【００４０】ＧＲＩＮファイバレンズ４９，４９’，４
９”は、ビームのコリメーションと光収集を改善し、そ
の結果端面５８，６０，６２は、ルーティング領域６４
に可動反射器５４を挿入したりあるいは外すことが可能
な距離だけ分離される。図２，３Ａ，３Ｂ，４Ａの新た
なＧＲＩＮファイバレンズ１８に基づく１×２マイクロ
−光学ルーター４６の実施例においては、端面５８，６
０，６２の間のビームのコリメーションが可能な距離
は、約９ｍｍである。これらの大きなファイバ間の距離
においては、ＧＲＩＮファイバレンズ４９，４９’，４
９”は光学結合損失を０．５ｄＢ以下に、好ましくは
０．２ｄＢ−０．０５ｄＢ以下に減らすことが出来る。
しかしファイバ間のスペースが大きくなると、ファイバ
デバイスの不整合と言う重要な問題を引き起こす。

【００４１】本発明の一実施例においては、１×２マイ
クロ−光学ルーター４６は、全体サイズＳを有し、これ
は、湾曲した透過表面を具備する従来のレンズで置換さ
れたＧＲＩＮファイバレンズ４９，４９’，４９”の類
似のルーターの全体サイズよりも遙かに小さい。湾曲し
た透過表面を具備するレンズは、ＧＲＩＮファイバレン
ズ４９，４９’，４９”よりも大きな直径を有する。レ
ンズの直径が大きいということは、入力用ファイバと出
力用ファイバの端部を、本発明の１×２マイクロ−光学
ルーター４６よりもルーター内で離して配置することが
必要であること意味する。湾曲した透過表面を有するレ
ンズは、１×２マイクロ−光学ルーター４６のＧＲＩＮ
ファイバレンズ４９よりもルーティング領域でより大き
な直径のコリメートされたビームを生成する。ビームの
直径が大きくなると、湾曲した透過表面を有するレンズ
を具備したルーターの反射器上の透過表面が、１×２マ
イクロ−光学ルーター４６の反射器５４で必要とされる
よりも大きくする必要がある。

【００４２】１×２マイクロ−光学ルーター４６の一実
施例においては、ＧＲＩＮファイバレンズ４９，４
９’，４９”の間の離間距離Ｓは、光ファイバの直径の
１−３倍の範囲からレイレイ範囲の１−３倍の範囲内の
値、例えば１ｍｍ以下の値を有する。これらの実施例に
おいては、ＧＲＩＮファイバレンズ４９，４９’，４
９”の間の領域６４の小さなサイズが部分的に達成され
るが、その理由は取り付けられたＧＲＩＮファイバレン
ズ４９，４９’，４９”の直径は小さいからであり、可
動反射器５４上の反射表面は小さなビーム許容ウィンド
ウを有するからである。入力ビームを反射させる許容ウ
ィンドウ(acceptance window)は、光ファイバの直径よ
りも小さいが、その理由はＧＲＩＮファイバレンズ４９
は入力用光ファイバ４８の直径よりも小さなビームウエ
ストを生成するからである。小さな直径のＧＲＩＮファ
イバレンズ４９，４９’，４９”と可動反射器５４の小
型化の両方により、１×２マイクロ−光学ルーター４６
は、湾曲した透過表面を有するレンズを使用するルータ
ーよりも遙かに小型となる。

【００４３】図７Ｂは、図７Ａに示した１×２マイクロ
−光学ルーター４６の他の実施例の１×２マイクロ−光
学ルーター４６’を示す。１×２マイクロ−光学ルータ
ー４６’においては、入力用光ファイバ４８，出力用フ
ァイバ５０，５２は隣接して直線アレイ６８に配置され
る。１個の回転可能な可動反射器５４’例えばＭＥＭＳ
制御の反射器が、入力用光ファイバ４８からの光を出力
用ファイバ５０または５２のいずれかに選択的にルーテ
ィングする。本発明の一実施例においては、出力用ファ
イバ５０，５２の軸は、入力用光ファイバ４８の軸に対
し若干傾斜し、これにより出力用ファイバ５０，５２の
軸に可動反射器５４からの光を平行になるようにしてい
る。

【００４４】入力用光ファイバ４８，出力用ファイバ５
０，５２を直線アレイ６８に配列することは、１×２マ
イクロ−光学ルーター４６’の幅を直線アレイ６８の幅
Ｗにほぼ等しくすることである。ＧＲＩＮファイバレン
ズ４９，４９’，４９”の直径を小さくすること及びコ
リメーションを正確にすることにより、入力用光ファイ
バ４８，出力用ファイバ５０，５２を近接して直線アレ
イ６８に配列することが可能となる。かくして１×２マ
イクロ−光学ルーター４６の実施例は、幅Ｗを有し、こ
のＷは湾曲した透過表面を有するレンズが、ＧＲＩＮフ
ァイバレンズ４９，４９’，４９”を置換するような類
似の形態のルーターの幅よりも遙かに小さい。

【００４５】図７Ｃは、偏光、波長、光ファイバの位置
に基づいて３個の入力用光ファイバ４８，出力用ファイ
バ５０，５２を結合する１×２マイクロ−光学ルーター
４６”の実施例を示す。入力用光ファイバ４８，出力用
ファイバ５０，５２は光をコリメートし収集するＧＲＩ
Ｎファイバレンズ４９，４９’，４９”を有する。１×
２マイクロ−光学ルーター４６”は、入力用光ファイバ
４８，出力用ファイバ５０，５２間で偏光または波長に
よって光を送信する可動反射器５４’を有する。様々な
実施例において可動反射器５４’は、偏光ビームスプリ
ッタ、グレーティング光学サーキュレータ、波長選択性
リフレクタ例えばブラググレーティング(Bragg gratin
g)を有する。

【００４６】図８は、１×Ｎマイクロ−光学ルーター７
０を示し、この１×Ｎマイクロ−光学ルーター７０は、
入力用光ファイバ７２と、Ｎ本の出力用光ファイバ７４
_１−７４_Ｎの出力アレイ７３と，反射器７６とを有す
る。入力用光ファイバ７２，出力用光ファイバ７４_１−
７４_Ｎは、シングルモードファイバで、これにターミナ
ルのＧＲＩＮファイバレンズ７７_０−７７_Ｎが溶融接続
される。入力用光ファイバ７２からの光ビーム７８は、
光ビーム７８のウエスト近傍に配置された反射器７６で
交差する、即ちレイレイ範囲の１／２範囲以内で交差す
る。

【００４７】反射器７６は、波長依存の方法で光を反射
する複屈折グレーティングを回転あるいは移動させるよ
うなミラーを有する。例えばルーターは、波長分割多重
化ネットワーク用の周波数に敏感なディマルチプレクサ
である。

【００４８】ＧＲＩＮファイバレンズ７７_０−７７
_Ｎは、入力用光ファイバ７２の光ビーム７８を拡張しコ
リメートし、光ビーム７８をＧＲＩＮファイバレンズ７
４_１−７４_Ｎに集光する。ＧＲＩＮファイバレンズ７７
_０−７７_Ｎのために、ＧＲＩＮファイバレンズ７４_１−
７４_Ｎの出力アレイ７３と入力用光ファイバ７２は、反
射器７６を結合損失無しにパス内に挿入可能とするよう
な十分な長さの光学パスで分離することが可能である。
１×Ｎマイクロ−光学ルーター７０においては結合損失
は、通常０．５ｄＢ−０．２ｄＢ以下で好ましくは０．
１ｄＢ以下である。

【００４９】１×Ｎマイクロ−光学ルーター７０におい
て、ＧＲＩＮファイバレンズ７７_０は入力用光ファイバ
７２からのビームを反射器７６上の反射性アクセプタン
スウィンドウ上に集光する。方向Ｄに直行するアクセプ
タンスウィンドウの直径は、ファイバの直径未満であ
る。同時にＧＲＩＮファイバレンズ７７_０−７７_Ｎを使
用することにより、ＧＲＩＮファイバレンズ７４_１−７
４_Ｎの別の１つの方向に反射される光ビーム間に干渉を
無いようにしながら出力アレイ７３内で光ファイバの実
装密度を上げることが出来る。最後にＧＲＩＮファイバ
レンズ７７_０を用いることによりアクセプタンスウィン
ドウと反射器７６の全体サイズを、湾曲した透過表面を
有するレンズを用いるルーターで必要とされる反射器の
サイズよりもより小型に出来る。かくしてＧＲＩＮファ
イバレンズ７７_０−７７_Ｎを用いることにより湾曲した
透過表面を有するレンズに基づいた光ファイバルーター
よりも１×Ｎマイクロ−光学ルーター７０のより小型化
が可能となる。

【００５０】他の実施例では、図２のＧＲＩＮファイバ
レンズ１８を用いて、Ｎ×１ルーター（図示せず）を構
成することが出来る。例えば２×１ルーターは、図７Ａ
の１×２マイクロ−光学ルーター４６の入力用光ファイ
バ４８，出力用ファイバ５０，５２の指定を変えること
により構成可能である。

【００５１】図９は、Ｎ×Ｍマイクロ−光学ルーター８
０の上面図である。Ｎ×Ｍマイクロ−光学ルーター８０
は、Ｎ個の入力用光ファイバ８２_１−８２_Ｎからなるア
レイ８１と、Ｍ個の出力用光ファイバ８４_１−８４_Ｍか
らなるアレイ８３とを有する。入力用光ファイバ８２_１
−８２_Ｎと、出力用光ファイバ８４_１−８４_Ｍは、その
端部に溶融結合されたＧＲＩＮファイバレンズ８５_１−
８５_Ｎと、ＧＲＩＮファイバレンズ８６_１−８６_Ｍを有
する。ＧＲＩＮファイバレンズ８５_１−８５_ＮとＧＲＩ
Ｎファイバレンズ８６_１−８６_Ｍは、図７ＡのＧＲＩＮ
ファイバレンズ４９，４９’，４９”で説明したのと同
様なビームコリメーション機能と光収集機能を提供す
る。入力用光ファイバ８２_１−８２_Ｎ，出力用光ファイ
バ８４_１−４_Ｍの間にバンク８７_Ｆ，８７_Ｒを構成す
る、ルーティング用の反射器８８_Ｆ１−８８_ＦＮ，反射
器８９_Ｒ１−８８_ＲＮが配置されている。反射器８９
_Ｒ１−８８_ＲＮは、波長選択性反射器例えばグレーティ
ングと波長非選択性反射器とを有する。反射器８８_R1−
８８_ＲＮを適正に整合することにより、入力用光ファイ
バ８２_１−８２_Ｎの個々のファイバから出力用光ファイ
バ８４_１−８４_Ｍの内の選択されたファイバへ光をルー
ティングできる。反射器８８_Ｒ１−８８_ＲＮは、ＭＥＭ
デバイス８９_１−８９_Ｎにより操作され、アレイ８１の
ファイバ間のスペース（inter-fiber spacing ＩＦＳ）
よりも小さな直径を有する入力ビーム用のアクセプタン
スウィンドウを有する。

【００５２】取り付けられたＧＲＩＮファイバレンズ８
５_１−８５_Ｎ，ＧＲＩＮファイバレンズ８６_１−８６_Ｍ
を用いることにより。アレイ８１，８３内のファイバの
実装密度は、湾曲透過表面を具備するレンズ（図示せ
ず）が図９のＧＲＩＮファイバレンズ８５_１−８５_Ｎ，
ＧＲＩＮファイバレンズ８６_１−８６_Ｍを置換するＮ×
Ｍファイバルーターの上記のファイバ実装密度を増加さ
せることが出来る。同様にＮ×Ｍマイクロ−光学ルータ
ー８０内の反射器８８_Ｆ１−８８_ＦＮ，反射表面のサイ
ズは、湾曲した透過表面のレンズに基づいてルーター内
の反射器の透過表面のサイズよりも小さくなるが、その
理由はＧＲＩＮファイバレンズ８５_１−８５_Ｎにより生
成されるビームの直径が小さいからである。この両方の
影響により新たなＮ×Ｍは湾曲した透過性表面を有する
レンズに基づいたＮ×Ｍのルーターよりも小型化が可能
となる。

【００５３】図１０は、光ファイバ９２の端部９１と光
ファイバ９４と端部９３の間に直線上に配置されたＮ×
Ｍマイクロ−光学ルーター９０を示す。このＮ×Ｍマイ
クロ−光学ルーター９０は、波長選択性追加／ドロップ
モジュールと偏光化器と、偏光ローテータと、一方向光
学アイソレータと、制御可能な光学減数器を有する。光
ファイバ９２の端部９１と光ファイバ９４の端部９３
は、それぞれＧＲＩＮファイバレンズ９６，９８に溶融
接続されている。ＧＲＩＮファイバレンズ９６は光ファ
イバ９２より放射された光をコリメートする。ＧＲＩＮ
ファイバレンズ９８は、受光した光を光ファイバ９４に
焦点を合わせる。Ｎ×Ｍマイクロ−光学ルーター９０の
厚さでは、ＧＲＩＮファイバレンズ９６，９８のレイレ
イ範囲よりも大きくはない。このような厚さにおいては
ＧＲＩＮファイバレンズ９６，９８は複屈折に関連する
結合損失を低下させることができる。

【００５４】本発明の他の実施例も当業者には上記の明
細書、図面及び特許請求の範囲の記載から明らかであ
る。特許請求の範囲に記載した参照番号は発明の容易な
る理解のためのもので、権利範囲を限定するよう解釈さ
れるべきではない。

【００５５】特許請求の範囲の発明の要件の後に括弧で
記載した番号は、本発明の一実施例の対応関係を示すも
ので本発明の範囲を限定するものと解釈すべきではな
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】 従来のＧＲＩＮファイバレンズを２本の光
ファイバの端部に結合するよう用いた光ファイバデバイ
スの断面図

【図２】 光ファイバをＧＲＩＮファイバレンズに溶
融した光ファイバデバイスの断面図。

【図３】 （Ａ）従来のＧＲＩＮファイバレンズと、新
たなＧＲＩＮファイバレンズのＧｅドーパント濃度の半
径方向のプロファイルを表す図。 （Ｂ）（Ａ）のＧＲＩＮファイバレンズの屈折率の半径
方向のプロファイルを表す図。

【図４】 （Ａ）新たなＧＲＩＮファイバレンズを具備
した光ファイバデバイスのビームコリメーションを表す
図。 （Ｂ）従来のＧＲＩＮファイバレンズを具備した光ファ
イバデバイスのビームコリメーションを表す図。

【図５】 図２の光ファイバデバイスの製造方法を表
すフローチャート図。

【図６】 （Ａ）モードコンバータの断面図。 （Ｂ）合成ＧＲＩＮファイバレンズを用いたモードコン
バータの断面図。

【図７】 （Ａ）１×２マイクロ−光学ルーターの上面
図。 （Ｂ）１×２マイクロ−光学ルーターの他の形状の断面
図。 （Ｃ）３本の光ファイバを光学的に結合するデバイスの
上面図。

【図８】 １×Ｎのマイクロ−光学ルーターの断面
図。

【図９】 Ｎ×Ｍのマイクロ−光学ルーターの上面
図。

【図１０】 一線状に配置された光学デバイスを具備し
た光ファイバの断面図。

【符号の説明】

１０ 光ファイバデバイス １１ ＧＲＩＮファイバレンズ １２ 端部 １３ 光ファイバ １５ 光ファイバデバイス １６ 光ファイバデバイス １７ 光ファイバ １８ ＧＲＩＮファイバレンズ １９ 光ビーム ２０ 端部 ２１ 端面 ２２ コア ２４ クラッド層 ２６，２７ 半径方向プロファイル ２８，２９ 屈折率プロファイル ３１，３２ 光ビーム ３４ モードコンバータ ３６，３８ 光ファイバ ４３ ＧＲＩＮファイバレンズ素子 （ａ）第１ （ｂ）第２ ４６ １×２マイクロ−光学ルーター ４８ 入力用光ファイバ ５０，５２ 出力用光ファイバ ５４ 可動反射器 ５６ マイクロ−電子−機械（ＭＥＭデバイス） ５８，６０，６２ 端面 ７０ １×Ｎのマイクロ−光学ルーター ７２ 入力用光ファイバ ７３ 出力アレイ ７４ 出力用光ファイバ ７６ 反射器 バルクリフレクタ ７８ 光ビーム ７７ ＧＲＩＮファイバレンズ ８０ Ｎ×Ｍのマイクロ−光学ルーター ９０ Ｎ×Ｍのマイクロ−光学ルーター ８１ アレイ ８２ 入力用光ファイバ ８３ アレイ ８４ 出力用光ファイバ ８５，８６ ＧＲＩＮファイバレンズ ８７ バンク ８８ 反射器 ８９ ＭＥＭデバイス ９０ マイクロ−光学デバイス ９１，９３ 端部 ９２，９４ 光ファイバ ９６，９８ ＧＲＩＮファイバレンズ １０２ クラッドチューブ内にＭＣＶＤ方法により半径
方向に変化するドーパントプロファイルを具備したシリ
カガラス製のチューブを生成する。 １０４ チューブ内の軸方向の穴を完全にブロックする
ことなくドーピングしたシリカ製ガラスのチューブを加
熱しながらコラップスする。 １０６ シリカ製ガラスの内装を除去するために前記穴
内にシリカ製ガラスのエッチング剤通過させる。 １０８ ロッド状のプリフォームを形成するために加熱
する。 １１０ プリフォームのクラッドチューブ部分の選択さ
れた厚さをエッチングで除去する。 １１２ プリフォームからＧＲＩＮファイバを引き抜
く。 １１４ ＧＲＩＮファイバの一端を標準に溶接する。 １１６ ＧＲＩＮファイバをクリーブして所望のレンズ
長さを得る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 596077259 600 Ｍｏｕｎｔａｉｎ Ａｖｅｎｕｅ, Ｍｕｒｒａｙ Ｈｉｌｌ， Ｎｅｗ Ｊｅ ｒｓｅｙ 07974−0636Ｕ．Ｓ．Ａ. (72)発明者 ウィリアム アルフレッド リード アメリカ合衆国、07901 ニュージャージ ー州、サミット、ブラックバーン ロード 143 (72)発明者 マーク ジェイ シュニッツァー アメリカ合衆国、07030 ニュージャージ ー州、ホーボーケン、＃802 パーク ア ベニュー 77 Ｆターム(参考） 2H037 CA16 DA04 DA05 DA06 2H041 AA14 AA16 AB14 AC06 AZ05

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 （Ａ） 第１と第２の光学導波路（３
   ６、３８）と、 （Ｂ） 前記第１と第２の光学導波路（３６、３８）の
   両方に取り付けられたＧＲＩＮファイバレンズ（４３）
   とを有することを特徴とするモード変換装置。
2. 【請求項２】 前記第１と第２の導波路（３６、３８）
   は、ＧＲＩＮファイバレンズ（４３）に溶融結合あるい
   は接着剤により結合されていることを特徴とする請求項
   １記載の装置。
3. 【請求項３】 前記第１と第２の導波路（３６、３８）
   は、それぞれ第１と第２の光ファイバであることを特徴
   とする請求項２記載の装置。
4. 【請求項４】 前記第１の光ファイバは、第２の光ファ
   イバとは異なるサイズの伝搬モードを有することを特徴
   とする請求項３記載の装置。
5. 【請求項５】 （Ａ） 第１と第２と第３の光ファイバ
   （４８、５０、５２）と、 （Ｂ） 前記第１と第２と第３の光ファイバ（４８、５
   ０、５２）にそれぞれ接続される第１と第２と第３のＧ
   ＲＩＮファイバレンズ（４９、４９’、４９”）と、 （Ｃ） 前記第１と第２と第３の光ファイバに光学的に
   結合されるように構成されたされた光学素子（５４）と
   を有することを特徴とする光学装置。
6. 【請求項６】 （Ｄ） ＭＥＭデバイス（５６）を更に
   有し、 前記光学素子（５４）は、ＭＥＭデバイス（５６）によ
   りその位置と方向が制御される可動反射器であることを
   特徴とする請求項５記載の装置。
7. 【請求項７】 前記光学素子は、光学サーキュレータ
   と、偏光選択性スプリッタと、波長選択性反射器の内の
   いずれか１つを含むことを特徴とする請求項５記載の装
   置。
8. 【請求項８】 （Ａ） ＧＲＩＮファイバレンズが取り
   付けられた少なくとも３個の光ファイバからなるアレイ
   と、 （Ｂ） 前記アレイのＧＲＩＮファイバレンズの内の１
   つと別の光学導波路との間で光を向けるよう構成された
   光学デバイスとを有することを特徴とする光学装置。
9. 【請求項９】 前記別の導波路は、ファイバＧＲＩＮレ
   ンズが取り付けられた光ファイバであることを特徴とす
   る請求項８記載の装置。
10. 【請求項１０】 前記光学デバイスは、複数の光ファイ
    バの内の１本のファイバからの光りようにアクセプタン
    スウィンドウを表示するように構成され、 前記アクセプタンスウィンドウの直径は前記複数の光フ
    ァイバの内の１本のファイバの直径を超えないことを特
    徴とする請求項９記載の装置。