JP2004531774A - ドープされた二酸化ケイ素を用いたマイクロレンズ付きファイバの製造 - Google Patents

Abstract

ドープされたシリカ棒材を光ファイバ（３）にスプライスし、ドープされたシリカ棒材の端部を平凸屈折レンズ（２）に成形することによる、マイクロレンズ付きファイバ（１）の製造方法が開示されている。ドープされたシリカ棒材は、ドープされていないシリカよりも融点およびアニール点が低く、それゆえ、マイクロレンズ付きファイバ（１）を製造するのに必要な電力は少ない。これにより、製造設備の加熱素子の磨耗が減少し、それゆえ、周期間で製造できるマイクロレンズ付きファイバの数が増える。本発明のさらなる態様は、上記方法により製造されたマイクロレンズ付きファイバ（１）である。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロレンズ付き光ファイバおよびその製造方法に関する。本発明のマイクロレンズ付き光ファイバは、光スイッチ、コネクタおよびターミナルを含む様々な光学系において有用である。
【背景技術】
【０００２】
演算や通信などの用途のための光学素子の開発、小型化、および単純化は、新規の光学部品の開発にかかっている。製造が容易かつ経済的であり、耐久性があり、結合効率の高い光結合部品が特に望ましい。
【０００３】
接着剤を介して光ファイバに接合された別個の球面レンズ、ボールレンズ、グリン（勾配屈折率）レンズを用いた従来の結合系は、レンズをファイバにアライメントするのが難しいので、難点がある。したがって、その製造は、高くつき、部品間でもばらつきが大きくなることが多い。これらの部品は、機械的および熱的に不安定なこともある。
【０００４】
単一ユニットとしてレンズとファイバとが互いに融着されたマイクロレンズ付きファイバは、接着剤により接合された結合系に代わるものである。そのような部品を製造する方法の１つは、光ファイバの先端部分を溶融し、このファイバの先端に結合されている球面レンズを形成することである。これには、非常に均一な球面レンズの表面を形成できるように非常に均一な熱源が必要である（例えば、特許文献１およびその中の他の文献を参照のこと）。球面レンズを形成するのに必要な温度は、二本のファイバを一緒に単にスプライスするのに必要な温度よりも高いので、より多くの電力を熱源に供給しなければならない。これにより、加熱設備の磨耗が増し、メンテナンスの機会が増え、耐用寿命が短くなる。
【特許文献１】
米国特許第５２９３４３８号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、必要な加熱電力が少なく、したがって、メンテナンス周期の間に多くのユニットを製造できるマイクロレンズ付きファイバの製造方法を開発することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の態様の１つは、光ファイバにスプライスされた平凸屈折レンズを有してなるマイクロレンズ付きファイバを提供することにある。ある実施の形態によれば、そのレンズは、Ｘ₂Ｏ、ＹＯ、Ｚ₂Ｏ₃、ＴＯ₂、またはＲ₂Ｏ₅から選択された一種類以上の化合物がドープされたシリカを有してなり、ここで、
ＸはＮａ，Ｋ，Ｌｉ，ＡｌまたはＣｓであり、
ＹはＭｇ，ＣｏまたはＺｎであり、
ＺはＢ，Ａｌ，Ｇａ，ＳｂまたはＢｉであり、
ＴはＧｅまたはＴｉであり、
ＲはＰである。
【０００７】
本発明のさらなる態様は、マイクロレンズ付きファイバを製造する方法であって、
a) 光ファイバの端部をドープシリカ棒材の端部に接触させ、ファイバと棒材とを接合するのに効果的な温度に接触区域を加熱することにより、ドープシリカ棒材を光ファイバにスプライスし、
b) ドープシリカ棒材のある領域を加熱しながら、これと同時に、ドープシリカ棒材が前記加熱された領域で所望の所定長さに切断されるように棒材に張力を加え、
c) ドープシリカ棒材の端部が、所望の曲率半径を持つ平凸レンズ表面に溶融するように、光ファイバにスプライスされたままのドープシリカ棒材のある領域を加熱する、
各工程を有してなる方法を提供することにある。
【０００８】
マイクロレンズ付きファイバの製造には、非常に均一な球面レンズを形成できる非常に均一な熱源が必要である。適切な熱源の一例は、タングステンフィラメントを持つフュージョンスプライサーである。特に、Ｖｙｔｒａｎフュージョンスプライサーなどのフィラメントループを持つフュージョンスプライサーは、対称円形モードフィールドを持つ球面レンズを形成できる非常に均一な熱を提供する。
【０００９】
マイクロレンズ付きファイバの製造は、以下の各工程を含むであろう：
a) 光ファイバのシリカ棒材へのスプライシング。この工程において、光ファイバおよびそこからレンズが形成されるガラス棒材を、端部と端部でアライメントし、ファイバと棒材を、二本の光ファイバの一般的なスプライシングの場合のように、フィラメントで加熱しながら、互いに押しつける。フィラメントの電力は、二本の同じ光ファイバをスプライスするのに用いられる電力と同等である。
【００１０】
b) シリカ棒材のテーパーカット。スプライシング後、フィラメントの高温区域をシリカ棒材に沿って所望の距離だけ移動させる。次いで、フィラメントの電力を増加させ、シリカ棒材を、加熱しながら引っ張ることによりテーパーカットする。
【００１１】
c) 戻りながらの溶融およびレンズ形成。テーパーカット後、フィラメントの高温区域を、所望の曲率半径による距離だけ接続部に向かって移動させ、フィラメントの電力をさらに増加させる。この工程により、球面レンズを形成する。
【００１２】
工程ｂおよびｃに用いたフィラメントの電力は、二本のファイバの標準的なスプライシング中に用いられる電力よりもずっと大きいので、フィラメントをスプライシングのみのために用いた場合と比較すると、レンズ製造プロセスにおいては、フィラメントの耐用寿命が著しく短くなる。例えば、一般的なフィラメントループでは、約５００のSMF-28とSMF-28との接続部を製造できるが、シリカレンズは約８０しか製造できない。このことは、レンズ材料として純粋なシリカを用いる製造プロセスにとって重大な制限である。
【００１３】
これに鑑みて、本発明は、マイクロレンズ付きファイバの製造方法であって、シリカより低いアニール点および／または粘度を持つガラスを使用することにより、レンズ形成中のフィラメントの耐用寿命が長くなる方法を特徴とする。本発明のある実施の形態は、マイクロレンズ付きファイバの製造方法であって、
光ファイバの端部をドープシリカ棒材の端部に接触させ、ファイバと棒材とを接合するのに効果的な温度に接触区域を加熱することにより、ドープシリカ棒材を光ファイバにスプライスし、
ドープシリカ棒材のある領域を加熱しながら、これと同時に、ドープシリカ棒材が前記加熱された領域で所望の所定長さに切断されるように棒材に張力を加え、
ドープシリカ棒材の端部が、所望の曲率半径を持つ平凸レンズ表面に溶融するように、光ファイバにスプライスされたままのドープシリカ棒材のある領域を加熱する、
各工程を有してなる方法にある。
【００１４】
本発明のある実施の形態によれば、加熱は抵抗加熱したフィラメントにより行う。特に好ましい熱源は、抵抗加熱フィラメントループを有するフュージョンスプライサーである。ある実施の形態によれば、フィラメントループはタングステンから構成される。
【００１５】
本発明のある実施の形態によれば、ドープシリカ棒材を、所望の所定長さに切断すべきときに、約１５００℃から約３０００℃の温度で加熱する。ある実施の形態によれば、ドープシリカ棒材を、レンズ形成中に約１５００℃から約３０００℃の温度で加熱する。
【００１６】
多くの光ファイバが当該技術分野において知られており、特定の用途に適切な光ファイバを選択することは、当業者の能力に含まれる。本発明による特に好ましいファイバは、シリカから構成されるシングルモードファイバ（ＳＭＦ）である。そのようなファイバの例としては、SMF-28（コーニング社(Corning Inc.)）が挙げられる。
【００１７】
マイクロレンズ付きファイバのレンズ部分を製造するのに適したドープシリカ材料は、好ましくは、シリカのものよりも低い軟化点および粘度を有する。特に好ましい材料は、約５×１０^-7から約３５×１０^-7／℃の熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する。
【００１８】
表面張力は、戻りながらの溶融中のレンズ形成に影響を与える別の性質である。一般に、ドーパントが存在するとガラスの表面張力が減少し、これにより、戻りながらの溶融中に使用される電力を減少できる（すなわち、温度を低くできる）。
【００１９】
レンズの製造に適したドープシリカ材料の例としては、Ｘ₂Ｏ、ＹＯ、Ｚ₂Ｏ₃、ＴＯ₂、またはＲ₂Ｏ₅から選択された一種類以上の化合物がドープされたシリカが挙げられ、ここで、ＸはＮａ，Ｋ，Ｌｉ，ＡｌまたはＣｓであり、ＹはＭｇ，ＣｏまたはＺｎであり、ＺはＢ，Ａｌ，Ｇａ，ＳｂまたはＢｉであり、ＴはＧｅまたはＴｉであり、ＲはＰである。特に好ましい材料の例としては、Ｂ₂Ｏ₃，ＧｅＯ₂，Ｂ₂Ｏ₃−ＧｅＯ₂，Ｂ₂Ｏ₃−Ｐ₂Ｏ₅，Ｐ₂Ｏ₅，ＧｅＯ₂−Ｐ₂Ｏ₅，ＧｅＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃−Ｐ₂Ｏ₅，Ａｌ₂Ｏ₃，またはＧｅＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃がドープされたシリカが挙げられる。さらにより好ましい材料としてしは、約１から約２０重量％の酸化ホウ素がドープされたシリカ、および約１から約３０重量％の酸化ゲルマニウムがドープされたシリカが挙げられる。
【００２０】
本発明のある実施の形態によれば、マイクロレンズ付きファイバのレンズ部分に用いられるドープシリカ材料は、光ファイバのものよりも低い粘度および光ファイバのＣＴＥよりも大きいＣＴＥを有する。この場合、光ファイバとドープシリカ棒材を互いにスプライスしたときに、スプライスの光ファイバ側（低膨張側）にわずかに引張応力が加わる。この応力は、ドープシリカ棒材の直径が光ファイバの直径よりも大きい場合は、わずかに減少する。
【００２１】
したがって、本発明のある実施の形態では、光ファイバの直径よりもわずかに大きい直径を持つドープシリカ棒材を使用する。特に好ましい実施の形態では、１２５μｍの光ファイバにスプライスされた２００μｍまたは２５０μｍの直径のドープシリカファイバを使用する。
【００２２】
本発明の別の態様は、光ファイバにスプライスされた平凸屈折レンズを有してなるマイクロレンズ付きファイバであって、平凸レンズが上述したドープシリカから構成されたものであるマイクロレンズ付きファイバにある。ある実施の形態によれば、光ファイバのコアは、接続部で広げられている。
【００２３】
特に好ましいマイクロレンズ付きファイバは、上述したように製造される。ある好ましい実施の形態によれば、レンズがそれから形成されるドープシリカ棒材は、光ファイバよりも直径が大きい。
【００２４】
本発明によるマイクロレンズ付きファイバは、ｘおよびｙ方向においてガウス形であるビームプロファイルを示すことが好ましい。本発明のある実施の形態によれば、接続部でのモードフィールドは、光ファイバの公称モードフィールドよりも大きい。
【実施例１】
【００２５】
シリカ、約４重量％の酸化ホウ素がドープされたシリカ、および約１０重量％の酸化ゲルマニウムがドープされたシリカからなる、直径が２００μｍの棒材およびSMF-28光ファイバを用いて、上述したようにマイクロレンズ付きファイバを製造した。レンズ材料の性質が以下の表１に列記されている。
【表１】

【００２６】
図２は、ｌｎη＝ｌｎη₀＋Ｑ／Ｔ（ηは所定の温度での粘度であり、η₀は無限温度での粘度であり、Ｑは気体定数で割られた活性化エネルギーであり、Ｔは絶対温度である）を用いて計算した、シリカおよびホウケイ酸ガラスについての温度の関数としての粘度のプロットを示している。酸化ホウ素でドープすると、ガラスの粘度が低下し、レンズ形成中の温度を低くできる。
【００２７】
各々のレンズ材料を用いた、各工程に必要なおおよそのフィラメント電力が表２に示されている。全てのフィラメント電力は、Vytran FFS-2000スプライサー（１５ＡのＤＣ電源）の標準的なフィラメントループに関するものである。
【表２】

【００２８】
表２に示したように、３つの加熱工程の各々に要する電力は、ドープされていないレンズの場合よりも、ドープされたシリカレンズの場合のほうが少ない。ドープシリカガラスを用いた、フィラメント当たりに製造できるレンズの数は、シリカを用いた場合に製造できる数の約二倍である。
【００２９】
図３Ａおよび３Ｂは、ホウケイ酸レンズに関するビームプロファイラーデータを示している。このビームプロファイルは、ｘおよびｙ方向の両方においてガウス形であり、楕円率は示さない。このレンズは、対称であり、レンズ形成プロセス中に「垂れ下がら」ない。モードフィールド径（ＭＦＤ）は、レンズ表面近くで測定した。
【００３０】
シリカおよびホウケイ酸レンズに関する距離の関数としてのビームプロファイラーデータが、それぞれ、図４Ａおよび４Ｂに示されている。ビームプロファイルは、０．２５μｍの増分でｘおよびｙ方向について収集した。図４の適合させた曲線は、測定したレンズの幾何学形状を用いてシミュレートしたデータに対するガウス形ビームモデルの適合を示す。このモデルは、接続部でのモードフィールドが、SMF-28の公称モードフィールドよりも大きいことを示している。このことは、接続部に熱によるコアの広がりがあることを示している（ここで用いたSMF-28のモードフィールド径は１５５０ｎｍで１０．８μｍである）。
【００３１】
熱によるコアの広がりは、純粋なシリカの場合よりもホウケイ酸レンズの場合のほうが大きい。理論により拘束するものではなく、ホウ素は、接続部でのゲルマニウム拡散を促進させるようである。さらに、前記モデルの適合は、ホウケイ酸レンズの場合よりもシリカレンズの場合のほうがずっと良好であり、レンズ表面から約１．５ｃｍから約２．５ｃｍ離れたモードフィールド径の平らな領域を全てが示す。視準は、ＳｉＯ₂レンズについてよりも、Ｂ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂レンズについてのほうが良好である。
【００３２】
Ｂ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂レンズを用いた、５０〜７０μｍのモードフィールドを持つマイクロレンズ付きファイバの結合効率は、約０．０８から約０．２ｄＢである。レンズ表面を反射防止コーティングで被覆した場合、反射減衰量は６０ｄＢより大きく、偏波減衰量は０．０１ｄＢ未満である。
【００３３】
参考文献
以下の文献は、ここに記載したものの補助的な方法または他の詳細についての例示を示す程度に、ここに特別に引用する。
【００３４】
並木精密宝石の「Mocrolensed Optical Terminals and Optical System Equipped Therewith, and Methods for Their Manufacture, Especially an Optical Coupling Method and Optical Coupler for Use Therewith」と題する１９９４年発行の特許文献１
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】光ファイバ３にスプライスされた平凸レンズ２を有してなるマイクロレンズ付きファイバ１を示す概略図
【図２】温度の関数としてのシリカガラスおよびホウケイ酸ガラスの粘度を示すグラフ
【図３】ガウス形の球面モードフィールドを示すｘおよびｙ方向のホウケイ酸レンズに関するビーム・プロファイラーデータを示すグラフ
【図４Ａ】シリカから製造されたレンズに関するレンズ表面からの距離の関数としての１５５０ｎｍでのモードフィールド径を示すグラフ
【図４Ｂ】ホウケイ酸ガラスから製造されたレンズに関するレンズ表面からの距離の関数としての１５５０ｎｍでのモードフィールド径を示すグラフ
【図５】２つのマイクロレンズ付きファイバの光結合に関する幾何学形状パラメータを示す概略図
【符号の説明】
【００３６】
１ マイクロレンズ付きファイバ
２ 平凸レンズ
３ 光ファイバ

Claims (21)

1. マイクロレンズ付きファイバを製造する方法であって、
   a) 光ファイバの端部をドープシリカ棒材の端部に接触させ、該ファイバと該棒材とを接合するのに効果的な温度に接触区域を加熱することにより、該ドープシリカ棒材を該光ファイバにスプライスし、
   b) 前記ドープシリカ棒材のある領域を加熱しながら、これと同時に、該ドープシリカ棒材が前記加熱された領域で所望の所定長さに切断されるように該棒材に張力を加え、
   c) 前記ドープシリカ棒材の端部が、所望の曲率半径を持つ平凸レンズ表面に溶融するように、前記光ファイバにスプライスされたままの前記ドープシリカ棒材のある領域を加熱する、
   各工程を有してなる方法。
2. 前記ドープシリカ棒材が、Ｂ₂Ｏ₃，ＧｅＯ₂，Ｂ₂Ｏ₃−ＧｅＯ₂，Ｂ₂Ｏ₃−Ｐ₂Ｏ₅，Ｐ₂Ｏ₅，ＧｅＯ₂−Ｐ₂Ｏ₅，ＧｅＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃−Ｐ₂Ｏ₅，Ａｌ₂Ｏ₃，またはＧｅＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃がドープされたシリカから構成されていることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記ドープシリカ棒材が、約１から約２０重量％のＢ₂Ｏ₃がドープされたシリカから構成されていることを特徴とする請求項２記載の方法。
4. 前記ドープシリカ棒材が、約１から約３０重量％のＧｅＯ₂がドープされたシリカから構成されていることを特徴とする請求項２記載の方法。
5. 前記ドープシリカ棒材の軟化点がシリカの軟化点よりも低いことを特徴とする請求項１記載の方法。
6. 前記ドープシリカ棒材の熱膨張係数が約１×１０^-7から約３５×１０^-7／℃の請求項１記載の方法。
7. 前記光ファイバがシングルモード光ファイバであることを特徴とする請求項１記載の方法。
8. 前記ドープシリカ棒材の直径が前記光ファイバの直径よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の方法。
9. 前記ドープシリカ棒材の直径が約２００μｍであり、前記光ファイバの直径が約１２５μｍであることを特徴とする請求項８記載の方法。
10. 前記光ファイバのコアが接続部で広げられており、該接続部でのモードフィールドが、該光ファイバの公称モードフィールドよりも大きいことを特徴とする請求項１記載の方法。
11. 工程b)の最中の温度が約１５００℃から約３０００℃であり、抵抗加熱されたタングステンフィラメントを用いて加熱を行うことを特徴とする請求項１記載の方法。
12. 光ファイバにスプライスされたドープシリカ棒材を有してなり、前記ドープシリカ棒材の末端が平凸屈折レンズに成形されていることを特徴とするマイクロレンズ付きファイバ。
13. 前記ドープシリカ棒材が、Ｂ₂Ｏ₃，ＧｅＯ₂，Ｂ₂Ｏ₃−ＧｅＯ₂，Ｂ₂Ｏ₃−Ｐ₂Ｏ₅，Ｐ₂Ｏ₅，ＧｅＯ₂−Ｐ₂Ｏ₅，ＧｅＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃−Ｐ₂Ｏ₅，Ａｌ₂Ｏ₃，またはＧｅＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃がドープされたシリカから構成されていることを特徴とする請求項１２記載のマイクロレンズ付きファイバ。
14. 前記ドープシリカ棒材が、約１から約２０重量％のＢ₂Ｏ₃がドープされたシリカから構成されていることを特徴とする請求項１３記載のマイクロレンズ付きファイバ。
15. 前記ドープシリカ棒材が、約１から約３０重量％のＧｅＯ₂がドープされたシリカから構成されていることを特徴とする請求項１３記載のマイクロレンズ付きファイバ。
16. 前記ドープシリカ棒材の軟化点がシリカの軟化点よりも低いことを特徴とする請求項１２記載のマイクロレンズ付きファイバ。
17. 前記ドープシリカ棒材の熱膨張係数が約１×１０^-7から約３５×１０^-7／℃の請求項１２記載のマイクロレンズ付きファイバ。
18. 前記光ファイバがシングルモード光ファイバであることを特徴とする請求項１２記載のマイクロレンズ付きファイバ。
19. 前記ドープシリカ棒材の直径が前記光ファイバの直径よりも大きいことを特徴とする請求項１２記載のマイクロレンズ付きファイバ。
20. 前記ドープシリカ棒材の直径が約２００μｍであり、前記光ファイバの直径が約１２５μｍであることを特徴とする請求項１９記載のマイクロレンズ付きファイバ。
21. 前記光ファイバのコアが接続部で広げられており、該接続部でのモードフィールドが、該光ファイバの公称モードフィールドよりも大きいことを特徴とする請求項１８記載のマイクロレンズ付きファイバ。

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