JP2005115097A - 光ファイバ結合部品 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 光ファイバの一端に少なくとも1つ発光源(半導体レーザなど)の開口数NAsよりも大きな開口数NAをもつGRINレンズを融着接続することで、発光源から放射された光を全てGRINレンズ内に進入させることができ、光の損失を低減できる。また、開口数NAfの光ファイバの一端に開口数NA2の第二のGRINレンズを溶融接続し、さらに前記第二のGRINレンズの他端にNA2よりも大きな開口数NA1の第一のGRINレンズを融着接続することで、発光源から放射された光を効率よく光ファイバ内に進入させることができ、光の損失を低減できる。この場合、
NAf ≦ NA2 < NAs ≦ NA1
とすることが望ましい。
【選択図】 図2
Description
Indexレンズ、以下、「GRINレンズ」と略す。)などが用いられている。GRINレンズは、屈折率が一様でない(中心に近いほど屈折率が大きい)媒質を用いたレンズで、屈折率が連続的に変化することでレンズ作用をするレンズである。このGRINレンズの半径方向の屈折率分布n(r)は
n(r)=n0(1−(1/2)(gr)2)
で表される(図1)。ここでn(r)は中心からの距離rの位置の屈折率、n0は中心部の屈折率、gはGRINレンズの集光能力を表わす定数である。このレンズは球面収差は比較的小さいが、従来存在するGRINレンズでは、その臨界角が20°以下と小さいため、標準的な放射半値全角θがほぼ25°である光通信用の半導体レーザからの光を充分に取り入れることが出来ず結合損失が大きかった。そのために、ボールレンズ とGRINレンズ との組合せが使用されることが多いが、軸合わせが難しく、組立てコストが増大する要因になっていた。また、GRINレンズの先端を球状に切削加工して見かけのNAを上げる(集光能力を高める)工夫もなされているが、量産性が悪く、手間がかかり、製造コストが増大するという問題点があった。また、従来、GRINレンズは多成分系ガラスで作製されており、その軟化点は約500〜600℃で、石英ガラスを主成分とする光ファイバと融着接合することが出来ず、光学接着剤を使用するため、軸合わせが難しいと共に、接着剤の光吸収により高強度光が入射した場合、温度上昇し接着剤が変質することにより光学特性が劣化するという問題があった。
Vapor Deposition)法では非常に難しい。イオン交換法で作られるGRINレンズは、アルカリ成分を含む多成分ガラスのため、熱膨張係数が非常に大きくなって耐熱性の問題で信頼性に乏しかった。また、気相法では、0.38のNA(例えば文献;P.B.O’Connorほか:Electron.Lett.,13(1977)170-171)が得られているが、それ以上のNAを得るために添加物(GeO2,P2O5など)の添加量を増やしていくと、熱膨張係数が大きくなり母材が割れやすくなる。これら熱膨張の整合が高NAの課題であった。
シリコンのアルコキシド(Si(OR)4(R:アルキル基))を主成分とするアルコール溶液に、溶媒として酸または塩基を添加し加水分解することでゾルとし、多成分系のガラスを作製する場合にはさらに金属成分を添加し、このゾルをさらに重縮合反応させることで、架橋反応を進行させウェットゲルを作製している。そして、得られたウェットゲルを乾燥し、ゲル中の溶媒を除去後、焼成することで緻密なガラスを作製している。ゾルゲル法を用いてGRINレンズを作製する場合には、金属成分に濃度分布を形成することが必要となる。金属成分の濃度が濃い部分は屈折率が大きくなるから、GRINレンズの中心部の濃度を濃くし、外側ほど濃度が薄くなるようにする。金属成分の原料として金属アルコキシド、金属塩を用いる方法、更には分子スタッフィング法などがある。
NAf≦NA2<NAs≦NA1
を満足するように構成されていることを特徴とする光ファイバ結合部品である。
Z1=(n0*d1/NA1)arctan(d1/(NA1*L))
を満足することを特徴とする光ファイバ結合部品である。
Z1=(n0*d1/NA1)arctan(d1/(NA1*L)) (1)
に調整することで、Z1の長さを伝播した放射半値全角θ内の全ての光線は光ファイバの光軸に対して平行光線になる。但し、半導体レーザの放射光がGRINレンズ1の半径d1の側面に到達し蹴られないためには、
NA1≧NAs (2)
のもと、近似的に
d1≧L/((1/NAs-1/NA1)/NA1)1/2 (3)
を満足すればよい。式(1)(2)(3)から分かるように、特に、L/d1≪1の時には、Z1〜(n0*d1/NA1)*(π/2)となり (2)の条件のもと、いかなる半径dを設定しても、GRINレンズ1に入射した光は、GRINレンズ1の側壁に蹴られることは無い。
NAf≦NA2 (4)
の第二のGRINレンズ2(NA2と呼ぶ。)に入射させる。このとき第一のGRINレンズ1の総ての平行光が、第二のGRINレンズの側壁に蹴られない、あるいは、半径d2で開口数NA2の第二のGRINレンズ2に取り込まれるためには、第一のGRINレンズと第二のGRINレンズ内の光線方程式を解くと
(NAf/NA2)*(d2/d1)≧NAs((L/d1)2NA1+1/NA1) (5)
を満足するように半径d1、d2を設定すればよい。特に、式(5)から分かるように、特に、L/d1≪1の時には
d2/d1≧(NA2/NAf)*(NAs/NA1) (6)
を満足するように半径d1、d2を決定すればよい。
第二のGRINレンズ2に入射された総ての平行光は、この第二のGRINレンズ2の長さZ2を、第二のGRINレンズ2の伝播光の蛇行周期の1/4の長さ
Z2=(n0*d2/NA2)*(π/2) (7)
あるいはその奇数倍の長さとすると、第一のGRINレンズ1の集光性に比べ小さな集光性の第二のGRINレンズ2により、緩やかな角度で光ファイバ4の中心軸に集光する。特に顕著なことは、光ファイバ4の中心軸に集光した光の中心軸となす角度は、第二のGRINレンズの小さな集光能力によって、光ファイバの臨界角と同じかやや小さくなる。このため、光ファイバ内に殆ど総て受け入れられ、結合効率が飛躍的に向上する。
まとめると、特にL/d1≪1の時には、結合効率を飛躍的に向上させるためには、
NAf≦NA2<NAs≦NA1 (8)
d2/d1≧(NA2/NAf)*(NAs/NA1) (9)
を満足する第一と第二のGRINレンズ1,2を光ファイバ3の先端に融着した構成にすることである。
結合損失は1dB以下と極めて高い結合効率が得られ、本発明の優位性が証明された。
2 第二のGRINレンズ
3 半導体レーザ
4 光ファイバ
21 容器
22 ウエットゲル層
23 ガラス体
24 GRINレンズ母体
Claims (10)
- 光ファイバの一端に少なくとも1つ発光源の開口数NAsよりも大きな開口数NAをもつGRINレンズを融着接続したことを特徴とする光ファイバ結合部品。
- 請求項1の結合部品において、前記開口数NAが0.43以上であることを特徴とする光ファイバ結合部品。
- 請求項1又は2の結合部品において、前記GRINレンズは熱膨張係数が15×10-7K-1以下であり、且つゾルゲル法により作成されたことを特徴とする光ファイバ結合部品。
- 開口数NAfの光ファイバの一端に開口数NA2の第二のGRINレンズを溶融接続し、さらに前記第二のGRINレンズの他端にNA2よりも大きな開口数NA1の第一のGRINレンズを融着接続したことを特徴とする光ファイバ結合部品。
- 請求項4の結合部品において、光ファイバの開口数(NAf)、第一のGRINレンズの開口数(NA1)、第二のGRINレンズの開口数(NA2)及び発光源の開口数(NAs)が、
NAf≦NA2<NAs≦NA1
を満足するように構成されていることを特徴とする光ファイバ結合部品。 - 請求項4又は5の結合部品において、前記第一のGRINレンズの開口数NA1が0.43以上であることを特徴とする光ファイバ結合部品。
- 請求項4〜6のいずれかの結合部品において、前記第一のGRINレンズの長さZ1が、中心部のガラスの屈折率をn0、レンズ1の半径をd1、発光源との距離をLとしたときに、
Z1=(n0*d1/NA1)arctan(d1/(NA1*L))
を満足することを特徴とする光ファイバ結合部品。 - 請求項7の結合部品において、前記第二のGRINレンズの長さZ2が、伝播する光線の蛇行周期の略1/4の長さあるいはその奇数倍の長さであることを特徴とする光ファイバ結合部品。
- 請求項4〜8のいずれかの結合部品において、前記第一及び第二のGRINレンズは熱膨張係数が15×10-7K-1以下であり、且つ少なくとも第一のGRINレンズはゾルゲル法により作成されたことを特徴とする光ファイバ結合部品。
- 請求項1〜9のいずれかの結合部品において、前記光ファイバが単一モード光ファイバであることを特徴とする光ファイバ結合部品。
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