JP2004233566A - Laser beam coupling optical fiber, optical fiber and optical fiber module - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光結合用光ファイバ及び光ファイバ並びに光ファイバモジュールに関するものである。
【0002】
【従来技術】
光通信用の発光源としては、レーザーダイオード、発光ダイオード等が用いられる。短波長レーザーダイオードからの出射光のパターンは、光分布が円状のガウス分布ではなく縦方向と横方向で異なる楕円状のガウス分布となる。特に、強度がピーク値に対して1/e(自然対数の底)になる半径をスポットサイズという。また、そのスポットサイズが最小になる位置をビームウエストという。典型的な980nmレーザーダイオードは2.5:1と4:1の間のアスペクト比を有する出射光のパターン(楕円光スポット形状)となり、このような大きなアスペクト比を有するレーザーダイオードと光ファイバとの結合には、従来、楔形のウェッジファイバが用いられている。
【0003】
従来の楔形ウェッジファイバではレーザーダイオードのスポットサイズにより結合効率が変化することにより、それぞれのスポットサイズにあった先端の傾斜面角度と先端の曲率半径を選定している。例えば、図3に示す従来のウェッジファイバ10は、光ファイバのコア軸12に関して対称で且つ光ファイバ先端に先鋭な稜線を形成する一対の傾斜面11aからなるレンズ11を備えている。
【0004】
また図4に示す二段楔形のウェッジファイバ10は、光ファイバのコア軸12に関して対称で且つファイバ先端に先鋭な稜線を形成する一対の傾斜面11aと、傾斜面11aの傾斜方向に連続し且つ光ファイバのコア軸に対して前記の傾斜面11aよりも緩い角度が設けられた一対の傾斜面11bからなるレンズ11を備えている(例えば、特許文献1参照)。
【0005】
また図4に示すウェッジファイバ10と同様の目的から、図5に示すウェッジファイバ20は、光ファイバのコア軸23に関して対称の一対の傾斜面21を設けて楔形状とし、これらの傾斜面に対し連続して半円筒状の曲面22を備えてレンズを形成している(例えば、特許文献2参照)。
【0006】
また図6に示すウェッジファイバ30は光ファイバの先端部に、コア軸33に対して対称な二つの傾斜面31とコア軸に対して垂直な平面部32とから構成され、傾斜面31とコア軸に垂直な平面部に対する角度θが10°〜70°からなるレンズを形成している(例えば、特許文献3参照)。
【0007】
【特許文献1】
特開平8−5865号公報
【特許文献2】
特開平8−86923号公報
【特許文献3】
特開平10−307230号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のウェッジファイバは、いずれも光結合特性が低いという問題があった。即ち、図3に示すウェッジファイバ10では、先端が尖っている形状であるため、レーザダイオードとの光結合効率が非常に悪く、又、砥石等を使用した研磨加工によって光ファイバ先端を先鋭な稜線に加工する必要があるが、その先端稜線部にチッピング等が発生しやすいため、稜線の形成が非常に困難である。光ファイバ先端稜線部のチッピングは損失の要因となり、光結合特性を著しく低下させるという問題があった。
【0009】
また、図4に示す従来のウェッジファイバ10では、図3よりも光結合効率は良好であるものの、クラッドとコアの境界において楔角が滑らかには変化していないため、レーザダイオードとの光結合効率は悪かった。又、図3と同様砥石等を使用した研磨加工によって光ファイバ先端を先鋭な稜線に加工する必要があるため、上記と同様、光ファイバ先端稜線部のチッピングは損失の要因となり、光結合特性を著しく低下させるという問題があった。
【0010】
さらに、図5に示す従来のウェッジファイバ20では、傾斜面21のコア軸に垂直な平面に対する角度θが25°〜65°、曲面22の曲率半径が3.0〜8.0μmであり、レーザダイオードのスポットサイズとの組み合わせが適切でない場合、光結合効率が悪く、更にレーザダイオードとの組み立てに時間を要する上に歩留まりが悪い。又、組み合わせが悪い場合、レーザダイオードとの組み立て時に高い光結合効率の得られる範囲が制限されるという欠点がある。
【0011】
さらにまた、図6に示す従来のウェッジファイバ30では、先端が平坦でありその面の法線は光軸方向であるため、レーザダイオードとの光結合効率が極端に悪いものであった。又、砥石等を使用した研磨加工によって光ファイバ先端を先鋭な稜線に加工する必要があるため、上記と同様、光ファイバ先端稜線部のチッピングは損失の要因となり、光結合特性を著しく低下させるという問題があった。
【0012】
即ち、従来のいずれの方法のウェッジファイバでも、レーザダイオードとの結合において満足する光結合効率が得られないという課題があった。
【0013】
本発明は、レーザダイオードとの光結合効率を高くできるレーザ光結合用光ファイバ及び光ファイバ並びに光ファイバモジュールを提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明のレーザ光結合用光ファイバは、レーザダイオードからの楕円光スポット形状を有するレーザ光が入射されるコアを有するレーザ光結合用光ファイバであって、レーザ光が入射される端面のコア形状が、前記レーザダイオードの楕円光スポット形状に対応する楕円形状であり、前記コアが端面から伝送方向に向けて次第に円形状に形成されていることを特徴とする。
【0015】
このようなレーザ光結合用光ファイバでは、レーザ光が入射される端面のコア形状が楕円形状であり、端面から光伝送方向に向けて次第に円形状に形成されているため、レーザダイオードからの楕円光スポット形状を有するレーザ光が、楕円形状のコアに入射され、次第に円形状になっていくコアを伝送していくため、また、研磨加工等が必要なく、鋭利な部分が存在しないため、損失が非常に小さくなり、レーザダイオードとの光結合効率を高くすることができる。
【0016】
また、本発明のレーザ光結合用光ファイバは、レーザ光が入射される端面のコアサイズから決定されるスポットサイズが、レーザダイオードのスポットサイズと略一致することを特徴とする。このようなレーザ光結合用光ファイバでは、ファイバのコア形状とレーザのスポットサイズの不整合による反射への寄与がないため、光結合効率をさらに高くすることができる。
【0017】
さらに、本発明のレーザ光結合用光ファイバは、レーザ光が入射される端面のコアサイズから決定されるスポットサイズが、レーザダイオードのビームウエストでのスポットサイズと略一致することを特徴とする。このようなレーザ光結合用光ファイバでは、出射直後のレーザ光がレーザ光結合用光ファイバに入射し、しかも、レーザダイオードのビームウエストでのスポットサイズと略一致するため、光結合効率をさらに高くすることができる。
【0018】
さらに、本発明のレーザ光結合用光ファイバは、レーザ光が入射される端面の形状がコアに対応する楕円形状であり、断面形状が、前記端面から伝送方向に向けて次第に円形状に形成されていることを特徴とする。このようなレーザ光結合用光ファイバでは、レーザ光が入射される端面の形状がコアに対応する楕円形状であり、断面形状が楕円形状から次第に円形状になるため、例えば、光ファイバ材料を溶融させ、その材料を断面円形状に引き延ばす一般的な製法において、先端部を挟んで加圧し少々変形させた状態で引き延ばすことにより、容易に形成することができる。
【0019】
また、本発明の光ファイバは、上記レーザ光結合用光ファイバと、該レーザ光結合用光ファイバに接続され、円形コアを有する光ファイバ本体とを有することを特徴とする。このような光ファイバでは、レーザダイオードとの光結合効率を高くすることができ、効率良く光信号を伝播することができる。
【0020】
さらに、本発明の光ファイバモジュールは、楕円光スポット形状を有するレーザ光を出射するレーザダイオードと、該レーザダイオードからのレーザ光が入射する上記レーザ光結合用光ファイバと、該レーザ光結合用光ファイバに接続され、円形コアを有する光ファイバ本体とを具備することを特徴とする。
【0021】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の光ファイバモジュールを示すもので、光ファイバモジュールは、楕円光スポット形状を有するレーザ光を出射するレーザダイオード31と、このレーザダイオード31からのレーザ光が入射するレーザ光結合用光ファイバ33と、このレーザ光結合用光ファイバ33に接続された光ファイバ本体34とを具備して構成されている。レーザ光結合用光ファイバ33と、光ファイバ本体34とで光ファイバが構成されている。
【0022】
レーザダイオード31は、図2(a)に示すような楕円光スポット形状を有するレーザ光を出射するもので、レーザ光はレーザ光結合用光ファイバ33に入射される。
【0023】
このレーザ光結合用光ファイバ33は、レーザダイオード31からのレーザ光が入射されるコア35を有する。そして、本発明のレーザ光結合用光ファイバは、レーザ光が入射される端面のコア35の形状が、図2(b)に示すように、レーザダイオード31の楕円光スポット形状に対応する楕円形状であり、コア35が端面から伝送方向Xに向けて次第に円形状に形成されている。
【0024】
レーザ光が入射される端面のコアサイズから決定されるスポットサイズは、レーザダイオード31のスポットサイズと略一致することが望ましい。さらに、レーザ光が入射される端面のコアサイズから決定されるスポットサイズは、レーザダイオードのビームウエストでのスポットサイズと略一致することが望ましい。尚、この場合には、レーザダイオード31の出射部とレーザ光結合用光ファイバの端面とがほぼ当接することになる。
【0025】
また、レーザ光結合用光ファイバ33の断面形状(外形)は、レーザ光が入射される端面の形状がコアサイズに対応する楕円形状であり、端面から伝送方向Xに向けて次第に円形状に形成されている。このようなレーザ光結合用光ファイバ33は、一般的な光ファイバの作製工程を用いて容易に作製することができる。
【0026】
即ち、光ファイバ材料を溶融させ、その材料を断面円形状に引き延ばす一般的な製法において、先端部を挟んで加圧し少々変形させた状態で引き延ばすことにより、容易に形成することができる。
【0027】
尚、光ファイバ33、34は励起光用であり、シングルモード光ファイバ(光ファイバ本体34)は、光が閉じこめられる円形断面のコア35と、これを同心円状に囲むクラッド37からなり、レーザ光結合用光ファイバ33は、コア35とクラッド37はともに楕円形である。このレーザ光結合用光ファイバ33の伝送方向Xの長さは、1mm以上あることが望ましい。
【0028】
以上のように構成されたレーザ光結合用光ファイバでは、端面のコア形状が楕円形状であり、端面から光伝送方向Xに向けて次第に円形状に形成されているため、レーザダイオード31からの楕円光スポット形状を有するレーザ光が、楕円形状のコア35に入射され、次第に円形状になっていくコア35を伝送していくため、また、研磨加工等が必要なく、鋭利な部分存在しないため、損失が非常に小さくなり、レーザダイオード31との光結合効率を高くすることができる。
【0029】
【実施例】
レーザーダイオードのビームウエストでのスポットサイズをw1x=2.550μm,w1y=0.720μmとし、結合用光ファイバのスポットサイズがw2x=w2y=2.95μmである場合を例にとる。
【0030】
レーザーダイオードからの電磁場、シングルモードファイバ中の電磁場はガウスビームとして良く近似できる事が知られているので、以下ではガウスビーム近似を用いて結合効率の計算を行う。空気中での結合効率をCとすると、
C=2/(w1x/w2x+w2x/w1x)
*2/(w1y/w2y+w2y/w1y)
となる。w1x、w1yと、w2x、w2yは、それぞれビーム伝搬方向に垂直な面内の互いに垂直な2方向のスポットサイズである(例えば「光デバイスのための光結合系の基礎と応用(河野、現代工学社)」参照)。
よって、このまま、このレーザーダイオードに直接ファイバを結合させると
C=0.456
となる。これに、空気中からファイバを構成するSiO2への平面波の進入の透過率T
T=1―((1−n)/(1+n))^2
を考慮する。ここで、^2は2乗の意味である。SiO2の屈折率n=1.457を代入すると
T=0.965
となるので、最終的な結合効率は
CT=0.44
となる。
【0031】
一方、ファイバ中の端面付近でのシングルモードのスポットサイズがレーザーダイオードのそれと一致する場合には、w2x=2.550μm,w2y=0.720μmとなり、C=1なので、結合効率はCT=0.965となる。
【0032】
これは、レンズファイバやウエッジファイバ等の従来の方法で実現されている理論的結合効率0.8台を大きく上回っている。
【0033】
【発明の効果】
本発明によれば、光ファイバ中の端面付近でのシングルモードのスポットサイズがレーザーダイオードのそれと等しくなるような楕円状であり、その端面から長手方向に徐々に真円形に変形することで、より高い光結合効率を有する優れたレーザー光結合用光ファイバを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の光ファイバモジュールを示す説明図である。
【図2】(a)は図1のA−A線に沿った断面(レーザ光)、(b)はレーザ光結合用光ファイバの端面の形状を示すB−B線に沿った側面図、(c)はC−C線に沿った断面図である。
【図3】従来の第1のウェッジファイバの側面図である。
【図4】従来の第2のウェッジファイバの側面図である。
【図5】従来の第3のウェッジファイバの側面図である。
【図6】従来の第4のウェッジファイバの側面図である。
【符号の説明】
31・・・レーザーダイオード
35・・・コア
33・・・レーザ光結合用光ファイバ
34・・・光ファイバ本体[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical fiber for coupling laser light, an optical fiber, and an optical fiber module.
[0002]
[Prior art]
As a light emitting source for optical communication, a laser diode, a light emitting diode, or the like is used. The pattern of the light emitted from the short-wavelength laser diode is not a circular Gaussian distribution but an elliptical Gaussian distribution that differs in the vertical and horizontal directions. In particular, a radius at which the intensity becomes 1 / e (base of natural logarithm) with respect to the peak value is called a spot size. The position where the spot size becomes minimum is called beam waist. A typical 980 nm laser diode has a pattern of emitted light (elliptical spot shape) having an aspect ratio between 2.5: 1 and 4: 1. Conventionally, a wedge-shaped wedge fiber is used for coupling.
[0003]
In a conventional wedge-shaped wedge fiber, the coupling efficiency changes depending on the spot size of the laser diode, and thus the angle of the inclined surface of the tip and the radius of curvature of the tip are selected according to each spot size. For example, the
[0004]
Further, the two-stage wedge-
[0005]
For the same purpose as the
[0006]
The
[0007]
[Patent Document 1]
JP-A-8-5865 [Patent Document 2]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-86923 [Patent Document 3]
JP-A-10-307230
[Problems to be solved by the invention]
However, each of the above-mentioned conventional wedge fibers has a problem that the optical coupling characteristics are low. That is, the
[0009]
Further, in the
[0010]
Further, in the
[0011]
Furthermore, in the
[0012]
That is, there has been a problem that any of the conventional wedge fibers cannot provide a satisfactory optical coupling efficiency in coupling with a laser diode.
[0013]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an optical fiber for laser light coupling, an optical fiber, and an optical fiber module that can increase the efficiency of light coupling with a laser diode.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
The laser light coupling optical fiber of the present invention is a laser light coupling optical fiber having a core into which laser light having an elliptical light spot shape from a laser diode is incident, and the core shape of an end face on which the laser light is incident. Is an elliptical shape corresponding to the elliptical light spot shape of the laser diode, and the core is gradually formed in a circular shape from the end face in the transmission direction.
[0015]
In such an optical fiber for coupling laser light, since the core shape of the end face on which the laser light is incident is elliptical and is gradually formed in a circular shape from the end face toward the light transmission direction, the ellipse from the laser diode is formed. Since the laser beam having the light spot shape is incident on the elliptical core and is transmitted through the gradually becoming circular core, and since no polishing or the like is required and there is no sharp portion, the loss is reduced. Becomes very small, and the optical coupling efficiency with the laser diode can be increased.
[0016]
In the optical fiber for coupling laser light of the present invention, the spot size determined from the core size of the end face on which the laser light is incident is substantially equal to the spot size of the laser diode. In such a laser light coupling optical fiber, the mismatch between the fiber core shape and the laser spot size does not contribute to reflection, so that the optical coupling efficiency can be further increased.
[0017]
Further, the optical fiber for coupling laser light of the present invention is characterized in that the spot size determined from the core size of the end face on which the laser light is incident substantially matches the spot size at the beam waist of the laser diode. In such an optical fiber for coupling laser light, the laser light immediately after being emitted enters the optical fiber for coupling laser light, and furthermore, approximately matches the spot size at the beam waist of the laser diode. can do.
[0018]
Further, in the laser light coupling optical fiber of the present invention, the shape of the end face on which the laser light is incident is an elliptical shape corresponding to the core, and the cross-sectional shape is gradually formed in a circular shape from the end face in the transmission direction. It is characterized by having. In such an optical fiber for coupling laser light, the shape of the end face on which the laser light is incident is an elliptical shape corresponding to the core, and the cross-sectional shape gradually changes from the elliptical shape to a circular shape. Then, in a general manufacturing method in which the material is stretched into a circular cross section, the material can be easily formed by stretching the material in a slightly deformed state by pressing the front end portion therebetween.
[0019]
Further, an optical fiber according to the present invention is characterized by comprising the optical fiber for coupling laser light and an optical fiber main body connected to the optical fiber for coupling laser light and having a circular core. In such an optical fiber, the optical coupling efficiency with the laser diode can be increased, and the optical signal can be efficiently propagated.
[0020]
Further, the optical fiber module according to the present invention includes a laser diode that emits laser light having an elliptical light spot shape, the laser light coupling optical fiber that receives laser light from the laser diode, and the laser light coupling light. An optical fiber body connected to the fiber and having a circular core.
[0021]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 shows an optical fiber module according to the present invention. The optical fiber module comprises a
[0022]
The
[0023]
The laser light coupling
[0024]
It is desirable that the spot size determined from the core size of the end face on which the laser light is incident substantially coincides with the spot size of the
[0025]
The cross-sectional shape (outer shape) of the laser light coupling
[0026]
That is, in a general manufacturing method in which an optical fiber material is melted and the material is stretched to have a circular cross section, the fiber can be easily formed by pressing the tip end portion and stretching it in a slightly deformed state.
[0027]
The
[0028]
In the optical fiber for laser light coupling configured as described above, the core shape of the end face is elliptical and is gradually formed in a circular shape from the end face toward the light transmission direction X. Since the laser light having the light spot shape is incident on the
[0029]
【Example】
The case where the spot size at the beam waist of the laser diode is w1x = 2.550 μm and w1y = 0.720 μm, and the spot size of the coupling optical fiber is w2x = w2y = 2.95 μm is taken as an example.
[0030]
It is known that the electromagnetic field from a laser diode and the electromagnetic field in a single-mode fiber can be well approximated as a Gaussian beam, so that the coupling efficiency is calculated using Gaussian beam approximation below. When the coupling efficiency in the air is C,
C = 2 / (w1x / w2x + w2x / w1x)
* 2 / (w1y / w2y + w2y / w1y)
It becomes. w1x, w1y and w2x, w2y are spot sizes in two directions perpendicular to each other in a plane perpendicular to the beam propagation direction (for example, “Basic and application of an optical coupling system for an optical device (Kono, Hyundai Engineering Co., Ltd.) Company))).
Therefore, if a fiber is directly coupled to this laser diode, C = 0.456
It becomes. In addition, the transmittance T of the penetration of the plane wave from the air into the SiO 2 constituting the fiber is shown.
T = 1 − ((1−n) / (1 + n)) ^ 2
Consider. Here, ^ 2 means the square. Substituting the refractive index n = 1.457 of SiO 2 , T = 0.965.
Therefore, the final coupling efficiency is CT = 0.44.
It becomes.
[0031]
On the other hand, when the single mode spot size near the end face in the fiber matches that of the laser diode, w2x = 2.550 μm, w2y = 0.720 μm, and C = 1, so that the coupling efficiency is CT = 0. 965.
[0032]
This greatly exceeds the theoretical coupling efficiency of 0.8 units realized by a conventional method such as a lens fiber or a wedge fiber.
[0033]
【The invention's effect】
According to the present invention, the single-mode spot size in the vicinity of the end face in the optical fiber is elliptical such that it is equal to that of the laser diode, and is gradually deformed into a perfect circular shape in the longitudinal direction from the end face. An excellent optical fiber for laser light coupling having high light coupling efficiency can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing an optical fiber module of the present invention.
2A is a cross-sectional view (laser light) taken along the line AA in FIG. 1, FIG. 2B is a side view taken along the line BB showing the shape of the end face of the optical fiber for coupling laser light, (C) is a cross-sectional view along the line CC.
FIG. 3 is a side view of a first conventional wedge fiber.
FIG. 4 is a side view of a second conventional wedge fiber.
FIG. 5 is a side view of a third conventional wedge fiber.
FIG. 6 is a side view of a fourth conventional wedge fiber.
[Explanation of symbols]
31
Claims (6)
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009003007A (en) * | 2007-06-19 | 2009-01-08 | Mitsubishi Electric Corp | Light receiving element module |
US20120027352A1 (en) * | 2009-03-18 | 2012-02-02 | Furukawa Electric Co., Ltd. | Semiconductor laser module and optical module |
-
2003
- 2003-01-29 JP JP2003020870A patent/JP2004233566A/en active Pending
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Legal Events
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