JP2006221011A - レーザ光ビームの集光方式 - Google Patents

Abstract

【課題】光ファイバ等の受光端面の位置合わせが容易であり、光ファイバ等への集光効率の良好なレーザ光ビームの集光方式を提供する。
【解決手段】拡散するレーザ光ビーム３４を平行光に変換するコリメータ３６、あるいは、拡散するレーザ光ビームを集光する集光レンズ５０と、コリメータ３６あるいは集光レンズ５０の出力光を受け入れる略円形の回折格子４０と、この回折格子の出力するエアリー環４２の光軸上に受光端面４６を配置した光ファイバ４４とを備えている。エアリー環の内部には光の８４％の成分が含まれているので、十分な集光量を得ることができる。またエアリー環の大きさは位置によって変化するが、この変化量はレンズ系を使用した場合の変化に比べてきわめて緩やかであり、位置の変動を受けにくい構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、光無線通信における集光、レーザ光の集光、レーザ光の光ファイバへの集光等に適用されるレーザ光ビームの集光方式に関する。

光無線通信ではレーザ光を空間に出射し、遠方でこれを集光することで通信を行う。レーザ光は種々のモードで発生するが、概略としてはその基底モード（ＴＥＭ００）の形状であるガウスビームで表現することができる。ガウスビームは一定の放射角で拡散しながら伝播する。このようなレーザ光を遠方まで伝播させるためにはレーザ光を平行光にすることが必要であり、拡散している光をコリメータで平行光に変換し出射する。これを受信側では再度凸レンズで集光した光をフォトダイオードや光ファイバ等で受光することが従来行われている（特許文献１参照）。

図７の上方に示すレーザ送信器１２から発射された基底モードのレーザビーム１４を横断面から見たとき、その光エネルギは、図７の下方に示すようなガウス形１６の分布をしている。以下、こうした特性をもつコヒーレントなレーザビーム１４をガウスビームと呼ぶ。

光無線通信でガウスビームを利用する場合、図８に示すように、レーザ送信器１２から発射されたガウスビーム１４をコリメータ１８を用いて円筒状の平行な光ビーム２０に変換し空間に出射する。その後、空間を伝播してきた光を凸レンズ２２を用いて集光する。このように集光した光ビーム２４を光ファイバ２６の端面２８で受光することで受信することができる。
特開平７−１７７０９０号公報

ところで、上記の技術には、次のような解決すべき課題があった。
上記従来の方法では図８に示す凸レンズ２２の焦点に集光するが、光ファイバ２６の受光端面２８が凸レンズ２２の焦点から前後に位置が外れた場合には急激に光が拡散する。すなわち、光エネルギが一点に集中する範囲が非常に狭い。このため、光信号を伝送する光ファイバの端面を正確にレンズの焦点に位置決めするのはかなり高度で精密な接続技術が要求される。また、送信器の設定によってもレーザビーム径が異なり、受信側でレーザ径が最小になる位置が変化するのでフォトダイオードや光ファイバの位置決めが難しいという問題があった。

本発明は以上の課題を解決するためになされたもので、光ファイバやフォトダイオード等の受光端面の位置合わせが容易であり、光ファイバやフォトダイオードへの集光効率の良好なレーザ光ビームの集光方式を提供することを目的とする。

本発明の各実施例においては、それぞれ次のような構成により上記の課題を解決する。
〈構成１〉
拡散するレーザ光ビームを受け入れる略円形の回折格子と、上記回折格子の出力するエアリー環の光軸上に受光端面を配置した光ファイバ若しくは受光素子とを備えたことを特徴とするレーザ光ビームの集光方式。

エアリー環の大きさは位置によって変化するが、この変化量はレンズ系を使用した場合の変化に比べてきわめて緩やかであり、位置の変動を受けにくいため、光ファイバ若しくはフォトダイオード等の受光素子の受光端面の位置合わせが容易である。またエアリー環の内部には光の８４％の成分が含まれているので、十分な集光量を得ることができる。さらに回折格子の半径と集光位置を調整することにより、エアリー環の大きさを調整することも可能であり、その形状もガウス形に近く光ファイバへの集光効率の向上が期待できる。

〈構成２〉
拡散するレーザ光ビームを平行光に変換するコリメータと、上記コリメータの出力光を受け入れる略円形の回折格子と、上記回折格子の出力するエアリー環の光軸上に受光端面を配置した光ファイバ若しくは受光素子とを備えたことを特徴とするレーザ光ビームの集光方式。

コリメータで平行光に変換することにより効率的に出力光を受光できる。

〈構成３〉
レーザ光ビームを拡大するビーム拡大レンズと、上記ビーム拡大レンズで拡大されたレーザ光ビームを平行光に変換するコリメータと、上記コリメータの出力光を受け入れる略円形の回折格子と、上記回折格子の出力するエアリー環の光軸上に受光端面を配置した光ファイバ若しくは受光素子とを備えたことを特徴とするレーザ光ビームの集光方式。

ビーム拡大レンズでレーザ光ビームを拡大してコリメータで変換される平行光の範囲を拡大する。

〈構成４〉
拡散するレーザ光ビームを集光する集光レンズと、 集光されたレーザ光ビームを平行光に変換するコリメータと、上記コリメータの出力光を受け入れる略円形の回折格子と、上記回折格子の出力するエアリー環の光軸上に受光端面を配置した光ファイバ若しくは受光素子とを備えたことを特徴とするレーザ光ビームの集光方式。

回折格子の前に集光レンズとコリメータを置くことにより、比較的弱い強度の光でも十分な集光量が得られる。擬似的に十分受光効率のよいエアリー環が形成される。

〈構成５〉
構成１ないし４のいずれかに記載のレーザ光ビームの集光方式において、上記エアリー環の大きさが、上記光ファイバの受光端面において、当該光ファイバのモードプロファイルと同じ大きさになるように、上記光ファイバの光軸上の位置を選定したことを特徴とするレーザ光ビームの集光方式。

光ファイバの受光端面の位置調整が簡略化される。

本発明では、ガウスビームであるレーザ光をコリメータで平行光化し、この平行光を回折格子に通して回折光を発生させ、いわゆるエアリー環を生成することによって光を集光するものである。本発明を実施する際、送信装置では拡散するレーザ光ビームをより遠方まで伝播させるために平行光に近づける。このためにコリメータを使用する。送信装置からの出力光は空間を伝播した後に受光装置で受光される。受光時において回折格子を通過させ光ファイバにレーザ光ビームを入力する。この方式を採用すれば、光ファイバの受光端面の位置合わせが容易であり、かつ、十分な集光量を得ることができる。

ここで、光の強度とエアリー環について説明する。
光の波長をλ、回折格子の半径をａ、回折格子から観測点までの距離をr、とすると、観測点での光の強度Ｉpは、
Ｉp＝４・Ｉ₀・｛J₁（ν）／ν｝^２
であらわされる。
ただし J₁（ν）は第一次ベッセル関数である。
ν＝(λ/2π)・ａ・（ρ／r）；式１
ρは観測点での中心からの距離、Ｉ₀は中心での強度であらわされる。
ここで、式１にν＝1.22π（エアリー環第１零点）を代入すると、エアリー環の半径ρ₀は、
ρ₀＝0.61λ・r／ａ；式２
であらわされる。

この光の強度は周期的に減衰するが、第一の環（エアリー環）の中に全体のエネルギの８４％が集中しているので、効率的に光を集光させることができる。
さらに式２からも明らかなように、エアリー環の大きさは、回折格子の半径と回折格子と観測点との距離を調整することで容易に制御できる。

本発明ではまず、レーザ送信器等の光源から発せられた光をコリメータ等で平行光に変換するようにする。平行化された光は空間を長距離伝播される。
受信側での光のエネルギ密度と回折格子の大きさにより、次の２つの形態が考えられる。

（１）回折格子の内部に入る光の量が十分大きい場合
平行光を直接回折格子に導入し、形成されるエアリー環の大きさが光を受光するファイバのモードプロファイルとほぼ同じ大きさになるように設定する。
これによってエアリー環とファイバのモードのカップリングが最大になり効率的に光を受光できるようになる。

（２）回折格子の内部に入る光の量が小さく集光効率が十分に得られない場合
大口径の集光レンズ等で光をある程度集光した後コリメータ（コリーメントレンズ）で平行光に変換して回折格子に通す。
この場合は回折格子を通過する段階である程度光を集光しているので、比較的弱い強度の光でも十分な集光量が得られる。
集光レンズからの光は焦点に向かって集光してゆくので完全な平行光線ではなく理想的なエアリー環は形成されないが、擬似的には十分受光効率のよいエアリー環が形成される。このようにして集光されたレーザ光を光ファイバ等に受光する。
以下、上記２つの形態を、それぞれ実施例１と実施例２に分けて説明する。

図１の（ａ）、（ｂ）は、実施例１のレーザ光ビームの集光方式を示す説明図である。
図１（ａ）に示すように、このレーザ光ビームの集光方式は、レーザ送信器３２から発射された基底モードの光ビームを拡大するビーム拡大レンズ３３と、拡大した光ビーム３４を平行光３８に変換するコリメータ３６と、このコリメータ３６からの平行光３８を受け入れる窓４１を有する略円形の回折格子４０と、回折格子４０の出力するエアリー環の光ビーム４２の光軸上に受光端面４６を配置した光ファイバ４４とを順次備えている。

この集光方式は、例えば１００ｍ程の空間を伝播して来た平行光３８を円形の回折格子４０に通すことで回折現象を発生させ、この回折現象で発生するエアリー環を利用して集光するものである。この方式は、上記した回折格子４０の内部に入る光の強度が十分大きい場合に適する。図１（ｂ）は、（ａ）の光ビーム４２の横断面（ＡＡ断面）を拡大して示したものである。

図２は、図１に示したコリメータ３６からの平行光３８を受け入れる略円形の回折格子４０と、この回折格子４０から出力されたエアリー環の光ビーム４２を示し、その下方に、回折格子４０から４５ｍｍ離れた位置での、光ビーム４２の径方向における光エネルギ分布をイメージ的に示している。この光エネルギ分布の縦軸は図１（ｂ）のＢＢ断面に沿う径方向位置を示している。横軸は基準値との比で示した光強度を示している。

図３は、同回折格子４０から出力されたエアリー環の光ビーム４２と、その下方に回折格子４０から５４ｍｍ離れた位置での、光ビームの径方向における光エネルギ分布をイメージ的に示している。同様に、図４は、同回折格子４０から出力されたエアリー環の光ビーム４２と、その下方に回折格子４０から６５ｍｍ離れた位置での、光ビームの径方向における光エネルギ分布をイメージ的に示している。

このように集光された光ビームを光ファイバ４４に受光することにより、次の効果が得られる。すなわち、図２〜図４から分かるように、回折格子４０から４５〜６５ｍｍ離れた位置での各光エネルギ分布の状況はほとんど変わらない。つまり、エアリー環の出力光４２の強度は光軸をピークに周辺に向かって減衰するが、光軸部分のピーク中に全体の８４％の光エネルギが集中しているので、十分な集光量を得ることができる。

また、エアリー環４２の外径は、回折格子４０からの距離によって変化する。しかし、この距離による、エアリー環外径の変化量は、図８に示したようなレンズ系を使用した場合の変化に比べて、きわめて緩やかで、位置の変動を受けにくい。これは、光ファイバの受光端面の位置合わせを容易にすることである。さらに、回折格子の半径と集光位置を調整することにより、エアリー環の大きさを調整することも可能である。そのエアリー環の内部の光ビームはガウス分布に近い光エネルギ分布をしているから、光ファイバへの集光効率の向上が期待できる。

回折格子に十分な光エネルギが入力できる場合には、コリメータ３６の出力する平行光３８を直接回折格子４０に導入する。エアリー環の大きさが、光ファイバ４４の受光端面４６において、そのモードプロファイルと同じ大きさになるように調整する。これにより、エアリー環と光ファイバとの結合効率が最大になり、光信号を効率的に伝送できる。

図５、図６は、本発明の他の実施例を示す説明図である。
図５および図６に示す実施例は、図１に示した実施例１における回折格子４０の前に、凸レンズ（集光レンズ）５０とコリメータ５１を配設したものである。
図５の（ａ）は、回折格子４０の回折窓半径が３ｍｍの場合の出力光４２を示し、同（ｂ）は、同出力光４２のＣＣ断面における光エネルギ分布を示している。図６の（ａ）は、回折格子４０の回折窓半径が５ｍｍの場合の出力光４２を示し、同（ｂ）は、同出力光４２のＤＤ断面における光エネルギ分布を示している。

この実施例は、回折格子４０の内部に入る光の量が小さく、集光効率が十分に得られない場合に適する。すなわち、コリメータ３６からの平行光３８を、大口径の凸レンズ５０で光５２をある程度集光した後、その光５２をコリメータ５１で平行光５３に変換し回折格子４０に入力するものである。これで、回折格子４０に十分な光エネルギを入力できる。この場合は、回折格子４０を通過する段階で、ある程度光を集光しているので比較的弱い強度の光でも十分な集光量が得られる。

なお、凸レンズ５０からの光５２は焦点に向かって集光されるが、これをコリメータ５１で平行光５３に変換する。この平行光５３は完全な平行光線でない。従って、完全なエアリー環は形成されないが、擬似的には十分受光効率のよいエアリー環は形成され、図５（ｂ）および図６（ｂ）にそれぞれ示したように十分な光エネルギの集中が実現する。

ここで、１例として回折格子の半径が３ｍｍの場合には、
エアリー環の半径をρ₀、波長をλ＝1.55μm、回折格子の半径をａ＝３ｍｍ、焦点までの距離をr＝３０ｍｍとすると、上述の式２から、
ρ₀＝0.61λ・r／ａ＝３．９μmとなる。
同様に回折格子の半径が５ｍｍの場合には、
エアリー環の半径をρ₀、波長をλ＝1.55μm、回折格子の半径をａ＝５ｍｍ、焦点までの距離をr＝３０ｍｍとすると、上述の式２から、
ρ₀＝0.61λ・r／ａ＝５．６７μmとなる。
いずれもシングルファイバのモードプロファイルと同等になる。このエアリー環の中に光の８４％の成分が含まれる。

なお、本発明は、実施例で述べたような受光面に光ファイバを配設したものに限定されるものではなく、受光面に、同様の効果を奏するフォトダイオード（ＰＤ）等の受光素子を配設したものも含むものとする。

実施例１のレーザ光ビームの集光方式を示す概略図。 同集光方式により得られる光エネルギ分布を示す説明図。 同集光方式により得られる他の光エネルギ分布を示す説明図。 同集光方式により得られるさらに他の光エネルギ分布を示す説明図。 実施例２のレーザ光ビームの集光方式を示す説明図。 同集光方式で回折格子の半径を代えた、レーザ光ビームの集光方式を示す説明図。 従来の集光方式および同装置から得られる光エネルギ分布を示す説明図。 従来の集光方式を示す概略図。

符号の説明

３２ レーザ送信器
３３ ビーム拡大レンズ
３４ 光ビーム
３６ コリメータ
３８ 平行光
４０ 回折格子
４２ エアリー環の光ビーム
４４ 光ファイバ
４６ 受光端面

Claims (5)

1. 拡散するレーザ光ビームを受け入れる略円形の回折格子と、
   前記回折格子の出力するエアリー環の光軸上に受光端面を配置した光ファイバ若しくは受光素子とを備えたことを特徴とするレーザ光ビームの集光方式。
2. 拡散するレーザ光ビームを平行光に変換するコリメータと、
   前記コリメータの出力光を受け入れる略円形の回折格子と、
   前記回折格子の出力するエアリー環の光軸上に受光端面を配置した光ファイバ若しくは受光素子とを備えたことを特徴とするレーザ光ビームの集光方式。
3. レーザ光ビームを拡大するビーム拡大レンズと、
   前記ビーム拡大レンズで拡大されたレーザ光ビームを平行光に変換するコリメータと、
   前記コリメータの出力光を受け入れる略円形の回折格子と、
   前記回折格子の出力するエアリー環の光軸上に受光端面を配置した光ファイバ若しくは受光素子とを備えたことを特徴とするレーザ光ビームの集光方式。
4. 拡散するレーザ光ビームを集光する集光レンズと、
   集光されたレーザ光ビームを平行光に変換するコリメータと、
   前記コリメータの出力光を受け入れる略円形の回折格子と、
   前記回折格子の出力するエアリー環の光軸上に受光端面を配置した光ファイバ若しくは受光素子とを備えたことを特徴とするレーザ光ビームの集光方式。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載のレーザ光ビームの集光方式において、
   前記エアリー環の大きさが、前記光ファイバの受光端面において、当該光ファイバのモードプロファイルと同じ大きさになるように、前記光ファイバの光軸上の位置を選定したことを特徴とするレーザ光ビームの集光方式。

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