JP2006267284A - Diffraction optical lens, conversion method of optical beam mode profile using the diffraction optical lens, connecting method of optical device and pitch conversion method of the optical device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、回折光学レンズ、及びそれを用いた光ビームのモードプロファイルの変換方法、光学デバイスの接続方法、並びに光学デバイスのピッチ変換方法に関する。 The present invention relates to a diffractive optical lens, a method for converting a mode profile of a light beam using the same, a method for connecting an optical device, and a pitch converting method for an optical device.
光学デバイスは、コンピュータ内における光学ピックアップによる光学メディアのデータ検索から、データ伝送システムの電気通信網まで日常生活において広く使用されている。これらのシステムにおいては、2以上のデバイスを光学損失がない状態で結合する必要がある。例えば、ネットワークにおいて欠かせない存在である光ファイバーは、非常に小さな伝播損失で長距離にデータを伝送することができるが、システム内における光学デバイス同士の結合では損失が大きい。従って、光学伝送システムにおいては、結合損失が、予算を最小限に抑えるためのカギを握る。 Optical devices are widely used in daily life from data retrieval of optical media by an optical pickup in a computer to a telecommunication network of a data transmission system. In these systems, it is necessary to combine two or more devices without optical loss. For example, an optical fiber, which is indispensable in a network, can transmit data over a long distance with a very small propagation loss, but has a large loss when coupling optical devices in a system. Therefore, in an optical transmission system, coupling loss is key to minimizing the budget.
通常、結合損失は2つのデバイス間における光学モードプロファイルが異なることが原因で発生する。例えば、シングルモードファイバー(SMF)とシングルモードの光導波路を接続する場合、シングルモードファイバーでは円形のモードプロファイルであるのに対し、シングルモードの光導波路はほとんど楕円形のモードプロファイルである。このモードプロファイルの形と光学パワーの差異が結合損失の大きな原因となる。従って、モードの差を最小限にすること、あるいは、あるモードから別のモードへ変換することが好ましい。 Typically, coupling loss occurs due to the different optical mode profiles between the two devices. For example, when a single mode fiber (SMF) is connected to a single mode optical waveguide, the single mode fiber has a circular mode profile, whereas the single mode optical waveguide has an almost elliptical mode profile. The difference between the shape of the mode profile and the optical power causes a large coupling loss. Therefore, it is preferable to minimize the mode difference or convert from one mode to another.
光ファイバーの終端と光導波路とを、モードが異なることを意識しないで接続できる手法として、いわゆるバットカップリングが知られている。それによって2つの光学デバイスを低コストで簡単に接続することができるが、1面当たり4dBから6dBという高い結合損失を起こす。その結合損失の原因は、主に、光ファイバーのモードプロファイルが円形であるのに対し、光導波路は、ほとんどの場合、水平方向よりも垂直方向の方が短い楕円形であることにある。結合損失を抑える手法として、光導波路のモードプロファイルを可能な限り光ファイバーのモードに近づけるように修正する手法がある。この手法は拡散光導波路では一般的であり、ニオブ酸リチウム光導波路で広く使用されているチタン膜の成膜を精密にコントロールすることによって行われる。この手法は、結合損失を低減する簡単な手法であるが、その手法が適用可能なのは拡散光導波路のみであり、他の光導波路では制限される。 A so-called butt coupling is known as a technique for connecting the end of an optical fiber and an optical waveguide without being aware of different modes. Thereby, the two optical devices can be easily connected at low cost, but cause a high coupling loss of 4 dB to 6 dB per surface. The cause of the coupling loss is mainly that the mode profile of the optical fiber is circular, whereas the optical waveguide is almost elliptical in the vertical direction shorter than the horizontal direction in most cases. As a technique for suppressing the coupling loss, there is a technique for correcting the mode profile of the optical waveguide so as to be as close to the mode of the optical fiber as possible. This technique is generally used for a diffusion optical waveguide, and is performed by precisely controlling the formation of a titanium film widely used in lithium niobate optical waveguides. This method is a simple method for reducing the coupling loss, but the method can be applied only to a diffusion optical waveguide and is limited in other optical waveguides.
そこで、結合損失を低減する手法として別の手法が採用される。即ち、(1)モードプロファイルの変換をするため、テーパ型の光導波路を用いる、(2)光ファイバーと光導波路との間にマイクロ光学素子を配設し、光ファイバーから光導波路に向けて光ビームを集光して形状を変換することである。(1)では、テーパ形状を形成するのに綿密な製造スキームが要求される(例えば、非特許文献1参照)。特に、テーパ形状のばらつきを招くほどのロスを考えた場合、ほとんどの場合、結合損失低減には、テーパ材料の化学材料のみでなく光学材料も制限され、結局は製造が不完全となる。(2)では、光ファイバーと光導波路との間に種々のマイクロ光学素子が挟持される。その他、例えば、光ファイバー自体を光導波路に適合させるべくテーパ状にする例(例えば、非特許文献2参照)も挙げられる。しかし、この場合は、テーパ状にした光ファイバーと光導波路とが適合する許容範囲が狭く、ほとんどの場合円形のみしか成しえない。
同様の手法として、光導波路コアに光ビームの焦点を合わせるのに球面レンズファイバーを使用する手法が挙げられる。しかしながら、円形のモードプロファイルを形成するのみに制限されていて、また、前述のように結合損失と許容範囲とのトレードオフの関係の問題がある。円形モードプロファイルから楕円のモードプロファイルに変換するその他の手法として、GRINレンズを用いる手法が挙げられる(例えば、非特許文献3参照)。この技術は有用ではあるが、GRINレンズを使用すると、変換可能なモードプロファイルが大きく、小さな直径の光ビームを生成することはできず、シングルモードの光導波路の結合には功を奏しない。
Therefore, another method is adopted as a method for reducing the coupling loss. (1) A tapered optical waveguide is used to convert the mode profile. (2) A micro optical element is disposed between the optical fiber and the optical waveguide, and a light beam is directed from the optical fiber toward the optical waveguide. Condensing and transforming the shape. In (1), a precise manufacturing scheme is required to form a tapered shape (see, for example, Non-Patent Document 1). In particular, when a loss that causes variations in the taper shape is considered, in most cases, not only the chemical material of the taper material but also the optical material is limited to reduce the coupling loss, which eventually leads to incomplete manufacturing. In (2), various micro optical elements are sandwiched between an optical fiber and an optical waveguide. In addition, for example, an example in which the optical fiber itself is tapered so as to be adapted to the optical waveguide (see, for example, Non-Patent Document 2) is also included. However, in this case, the allowable range in which the tapered optical fiber and the optical waveguide are compatible is narrow, and in most cases only a circular shape can be achieved.
A similar approach is to use a spherical lens fiber to focus the light beam on the optical waveguide core. However, it is limited only to form a circular mode profile, and there is a problem of the trade-off relationship between the coupling loss and the tolerance as described above. Another method for converting a circular mode profile into an elliptical mode profile is a method using a GRIN lens (see, for example, Non-Patent Document 3). Although this technique is useful, using a GRIN lens has a large convertible mode profile, cannot produce a light beam with a small diameter, and does not work well for combining single mode optical waveguides.
一方、従来のフレネルレンズを使用し、結合損失を改善した例が知られている(例えば、特許文献1、2参照)。しかし、フレネルレンズは、同心円状にプリズムが配された構成であり、垂直方向及び水平方向ともに対称であり、光ビームの大小を変換するのみで、モードプロファイルの変換は行うことができない。 On the other hand, examples in which a conventional Fresnel lens is used to improve coupling loss are known (see, for example, Patent Documents 1 and 2). However, the Fresnel lens has a configuration in which prisms are concentrically arranged, is symmetric in both the vertical direction and the horizontal direction, and cannot convert the mode profile only by converting the size of the light beam.
以上のように、従来においては、あるモードプロファイルを別のモードプロファイルへの変換を許容範囲内で実現することと、結合損失の低減とを同時に満足するモードの変換は存在しなかった。
本発明は、前記従来における諸問題を解決し、以下の目的を達成することを課題とする。即ち、
本発明の目的は、ある形状のモードプロファイルから別のモードプロファイルの光学モードに変換し得る回折光学レンズ、光ビームのモードプロファイルを容易に変換することができるモードプロファイルの変換方法、異なるモードの光学デバイスを小さな結合損失で接続可能な光学デバイスの接続方法、及び光学デバイスのピッチを容易に変換することができる変換方法を提供することにある。
An object of the present invention is to solve the conventional problems and achieve the following objects. That is,
An object of the present invention is to provide a diffractive optical lens that can convert a mode profile of one shape into an optical mode of another mode profile, a mode profile conversion method that can easily convert a mode profile of a light beam, and optical in different modes. An object of the present invention is to provide an optical device connection method capable of connecting devices with a small coupling loss, and a conversion method capable of easily converting the pitch of the optical device.
前記課題を解決する手段は以下の通りである。即ち、
<1> 角度の異なる複数のプリズムが、中心が同一でそれぞれ相似の関係をなす複数の楕円形状に形成され、前記プリズムが屈曲面として機能することを特徴とする回折光学レンズである。
Means for solving the problems are as follows. That is,
<1> A diffractive optical lens, wherein a plurality of prisms having different angles are formed in a plurality of elliptical shapes having the same center and similar relationships, and the prism functions as a bent surface.
<2> 楕円形状のモードプロファイルを有する第1の光ビームを、前記第1の光ビームの楕円形状とは長径と短径との比が異なる楕円形状のモードプロファイルを有する第2の光ビームに変換する光ビームのモードプロファイルの変換方法であって、前記第1の光ビームから前記第2の光ビームへの変換を前記<1>に記載の回折光学レンズを用いて行うことを特徴とする光ビームのモードプロファイルの変換方法である。 <2> The first light beam having an elliptical mode profile is changed to a second light beam having an elliptical mode profile in which the ratio of the major axis to the minor axis is different from the elliptical shape of the first optical beam. A method of converting a mode profile of a light beam to be converted, wherein the conversion from the first light beam to the second light beam is performed using the diffractive optical lens according to <1>. This is a method of converting a mode profile of a light beam.
<3> モードプロファイルが異なる2種の光学デバイスを接続する光学デバイスの接続方法であって、前記2種の光学デバイスがいずれも光ファイバーであり、一方の光ファイバーのファイバーモードと他方の光ファイバーのファイバーモードとを、前記<1>に記載の回折光学レンズを用いて一致させて前記2種の光学デバイスを接続する光学デバイスの接続方法である。 <3> An optical device connection method for connecting two types of optical devices having different mode profiles, each of the two types of optical devices being an optical fiber, and a fiber mode of one optical fiber and a fiber mode of the other optical fiber. Are connected using the diffractive optical lens described in <1> above, and the two types of optical devices are connected.
<4> モードプロファイルが異なる2種の光学デバイスを接続する光学デバイスの接続方法であって、前記2種の光学デバイスのうちの一方が光ファイバーであり、他方が光導波路であって、光ファイバーのモードプロファイルと、光導波路のモードプロファイルとを、前記<1>に記載の回折光学レンズを用いて一致させて光ファイバーと光導波路とを接続することを特徴とする光学デバイスの接続方法である。 <4> An optical device connection method for connecting two types of optical devices having different mode profiles, wherein one of the two types of optical devices is an optical fiber and the other is an optical waveguide. An optical device connection method comprising connecting an optical fiber and an optical waveguide by matching a profile with a mode profile of the optical waveguide using the diffractive optical lens according to <1>.
<5> 前記2種の光学デバイスがいずれもアレイ状に2以上配置されていて、該アレイ状に配置された2種の光学デバイスを接続することを特徴とする前記<3>または<4>に記載の光学デバイスの接続方法である。 <5> Two or more of the two types of optical devices are arranged in an array, and the two types of optical devices arranged in the array are connected. <3> or <4> It is the connection method of the optical device as described in above.
<6> 入力側の2以上の光学デバイスのピッチを、出力側において異なるピッチに変換する光学デバイスのピッチ変換方法であって、前記<1>に記載の回折光学レンズを、該回折光学レンズの光軸と前記光学デバイスの中心軸とが一致しないように配置してピッチの変換を行うことを特徴とする光学デバイスのピッチ変換方法である。 <6> A pitch conversion method for an optical device that converts the pitch of two or more optical devices on the input side to a different pitch on the output side, wherein the diffractive optical lens according to <1> The pitch conversion method of the optical device is characterized in that the pitch conversion is performed by arranging the optical axis and the central axis of the optical device so as not to coincide with each other.
本発明によれば、ある形状のモードプロファイルから別のモードプロファイルの光学モードに変換し得る回折光学レンズ、光ビームのモードプロファイルを容易に変換することができるモードプロファイルの変換方法、異なるモードの光学デバイスを接続可能な光学デバイスの接続方法、及び光学デバイスのピッチを容易に変換することができる変換方法を提供することができる。 According to the present invention, a diffractive optical lens that can convert a mode profile of one shape into an optical mode of another mode profile, a mode profile conversion method that can easily convert a mode profile of a light beam, and optical in different modes It is possible to provide a method for connecting an optical device to which a device can be connected and a conversion method capable of easily converting the pitch of the optical device.
本発明の回折光学レンズは、角度の異なる複数のプリズムが、中心が同一でそれぞれ相似の関係をなす複数の楕円形状に形成され、前記プリズムが屈曲面として機能することを特徴としている。
また、本発明のモードプロファイルの変換方法は、楕円形状のモードプロファイルを有する第1の光ビームを、前記第1の光ビームの楕円形状とは長径と短径との比が異なる楕円形状のモードプロファイルを有する第2の光ビームに変換する光ビームのモードプロファイルの変換方法であって、前記第1の光ビームから前記第2の光ビームへの変換を前記本発明の回折光学レンズを用いて行うことを特徴としている。
The diffractive optical lens of the present invention is characterized in that a plurality of prisms having different angles are formed in a plurality of elliptical shapes having the same center and similar relationships, and the prism functions as a bending surface.
Also, the mode profile conversion method of the present invention provides a first light beam having an elliptical mode profile in an elliptical mode in which the ratio of the major axis to the minor axis is different from the elliptical shape of the first light beam. A method for converting a mode profile of a light beam to be converted into a second light beam having a profile, wherein the conversion from the first light beam to the second light beam is performed using the diffractive optical lens of the present invention. It is characterized by doing.
本発明の回折光学レンズは、別の表現をすると、フレネルレンズとして知られている板状平面レンズの同心円状に形成されたプリズムを楕円に変更したレンズである。この本発明の回折光学レンズを光導波路に適用することにより、異なるモードプロファイルの変換を容易に行うことができ、2種の光学デバイスの結合に際し、結合損失の低減と、適合の許容範囲の広範化とを両立することができる。特に、回折光学素子と光導波路との接続を容易に行うことができる。 In other words, the diffractive optical lens of the present invention is a lens in which a concentric prism of a planar plate lens known as a Fresnel lens is changed to an ellipse. By applying the diffractive optical lens of the present invention to an optical waveguide, conversion of different mode profiles can be easily performed. When two optical devices are coupled, the coupling loss is reduced and the allowable range of adaptation is wide. Both can be achieved. In particular, the diffractive optical element and the optical waveguide can be easily connected.
図1は、本発明の回折光学レンズについて説明する図である。図1に示す回折光学レンズ10は、角度の異なる複数のプリズムが楕円形状に水平方向と垂直方向とにおいて異なる非対称に配されている。より具体的には、回折光学レンズ10は、垂直方向よりも水平方向が径が長い楕円形状のプリズムが形成されていて、プリズムの角度は従来のフレネルレンズと同様に、中心ほどレンズ面に対する角度が小さく、中心から離れるほど角度が大きくなるように形成されている。図1では、光ファイバー12から出射する円形のモードプロファイルの光ビームを回折光学レンズ10を透過させ、垂直方向よりも水平方向が径が長い楕円形状のモードプロファイルの光ビーム14に変換する様子を示している。 FIG. 1 is a diagram for explaining a diffractive optical lens of the present invention. In the diffractive optical lens 10 shown in FIG. 1, a plurality of prisms having different angles are arranged in an elliptical shape with different asymmetric shapes in the horizontal direction and the vertical direction. More specifically, the diffractive optical lens 10 is formed with an elliptical prism whose diameter in the horizontal direction is longer than that in the vertical direction. Is formed so that the angle increases as the distance from the center decreases. FIG. 1 shows a state where a circular mode profile light beam emitted from the optical fiber 12 is transmitted through the diffractive optical lens 10 and converted into an elliptical mode profile light beam 14 whose diameter in the horizontal direction is longer than that in the vertical direction. ing.
本発明の回折光学レンズは、プリズムの角度は水平方向に比べ、垂直方向のが大きいため、垂直方向の方がより大きく屈折する。従って、水平方向よりも垂直方向の方がビーム径が小さくなる。同様に、水平方向はプリズムの角度が小さいため、屈折は小さくなり、ビーム径は垂直方向に比べ大きい。本発明の回折光学レンズにおいては、以上の原理から、円形のモードプロファイルの光ビームを楕円形に変換する。 In the diffractive optical lens of the present invention, the angle of the prism is larger in the vertical direction than in the horizontal direction, so that the vertical direction is more refracted. Therefore, the beam diameter is smaller in the vertical direction than in the horizontal direction. Similarly, since the angle of the prism is small in the horizontal direction, refraction is small and the beam diameter is large compared to the vertical direction. In the diffractive optical lens of the present invention, a light beam having a circular mode profile is converted into an ellipse from the above principle.
図2は、楕円形状の光ビーム(第1の光ビーム)16を、回折光学レンズ10を用いて、該楕円形状とは水平方向と垂直方向とにおいて径が異なる楕円形状の光ビーム(第2の光ビーム)18に変換する様子を示している。つまり、円形状の光ビームのみならず、楕円形状の光ビームも、回折光学レンズ10のプリズムの楕円形状の長径と短径との比率に応じて変換される。 In FIG. 2, an elliptical light beam (first light beam) 16 is diffracted from the elliptical light beam (second light beam) using the diffractive optical lens 10 in a horizontal direction and a vertical direction. The light beam is converted to (18). That is, not only the circular light beam but also the elliptical light beam is converted according to the ratio between the major axis and the minor axis of the elliptical shape of the prism of the diffractive optical lens 10.
図3は、異なる回折光学レンズによって光ビームのモードプロファイルを変換する様子を示している。Aは回折光学レンズに入射前の形状(円形:10.4μm(水平方向)×10.4μm(垂直方向))である。そして、入射光は、回折光学レンズ20、22、24により、それぞれ、B、C、Dの形状となる。なお、回折光学レンズ20は、プリズムの水平方向と垂直方向とにおける径の比が同一であり、つまり従来のフレネルレンズを示し、本発明の回折光学レンズではない。回折光学レンズ22、24が本発明の回折光学レンズである。入射前の光ビームは、回折光学レンズ20、22、24を透過すると、それぞれのビーム径(水平方向×垂直方向)は、9.0μm×9.0μm(A)、9.0μm×5.2μm(B)、9.0μm×3.8μm(C)となる。なお、各回折光学レンズの外形はいずれも25μm×25μmの板状正方形である。 FIG. 3 shows how the mode profile of a light beam is converted by different diffractive optical lenses. A is the shape before entering the diffractive optical lens (circular: 10.4 μm (horizontal direction) × 10.4 μm (vertical direction)). The incident light is shaped into B, C, and D by the diffractive optical lenses 20, 22, and 24, respectively. The diffractive optical lens 20 has the same diameter ratio in the horizontal and vertical directions of the prism, that is, a conventional Fresnel lens, and is not a diffractive optical lens of the present invention. The diffractive optical lenses 22 and 24 are diffractive optical lenses of the present invention. When the light beam before incidence passes through the diffractive optical lenses 20, 22, and 24, the respective beam diameters (horizontal direction × vertical direction) are 9.0 μm × 9.0 μm (A), 9.0 μm × 5.2 μm. (B), 9.0 μm × 3.8 μm (C). The outer shape of each diffractive optical lens is a plate-like square of 25 μm × 25 μm.
図4は、本発明の回折光学レンズを光ファイバー26の端面に付設した状態を示す図である。図4に示すように、光ファイバー26は、外側にクラッド28、内側にコア30の2層構成であり、端面に、水平方向と垂直方向において径が異なる楕円形状のプリズムが形成された円形の回折光学レンズ32が付設されている。図4においては、回折光学レンズ32の直径は25μmである。
なお、図4においては、光ファイバー26の端面に回折光学レンズ32を付設した形態を示したが、光ファイバー26の端面をエッチングすることにより、回折光学レンズ32の表面と同様の楕円形のプリズムを直接形成してもよい。
FIG. 4 is a view showing a state in which the diffractive optical lens of the present invention is attached to the end face of the optical fiber 26. As shown in FIG. 4, the optical fiber 26 has a two-layer configuration including a clad 28 on the outer side and a core 30 on the inner side, and circular diffraction in which elliptical prisms having different diameters in the horizontal direction and the vertical direction are formed on the end surface. An optical lens 32 is attached. In FIG. 4, the diameter of the diffractive optical lens 32 is 25 μm.
Although FIG. 4 shows a form in which the diffractive optical lens 32 is attached to the end face of the optical fiber 26, the end face of the optical fiber 26 is etched so that an elliptical prism similar to the surface of the diffractive optical lens 32 is directly formed. It may be formed.
図5は、図4に示す光ファイバー26を、光導波路に接続する状態を示す図である。図5においては、光ファイバー26から出射する光ビームが光導波路34のコア36に入射するように光ファイバー26と光導波路34が配置している。光ファイバー26の端面(光導波路34側の面)には、回折光学レンズ32が付設されており、光ファイバー26のモードプロファイルは、回折光学レンズ32によって変換され、光導波路34のモードプロファイルと一致するように設定されている。つまり、光ファイバー26内で伝播する光のモードプロファイルは円形であるが、端面に位置する回折光学レンズ32によって楕円形状に変換され、光導波路32と一致する。そのため、結合損失を低減することができる。 FIG. 5 is a diagram illustrating a state in which the optical fiber 26 illustrated in FIG. 4 is connected to the optical waveguide. In FIG. 5, the optical fiber 26 and the optical waveguide 34 are arranged so that the light beam emitted from the optical fiber 26 enters the core 36 of the optical waveguide 34. A diffractive optical lens 32 is attached to the end surface of the optical fiber 26 (the surface on the optical waveguide 34 side), and the mode profile of the optical fiber 26 is converted by the diffractive optical lens 32 so that it matches the mode profile of the optical waveguide 34. Is set to That is, the mode profile of light propagating in the optical fiber 26 is circular, but is converted into an elliptical shape by the diffractive optical lens 32 located on the end face, and coincides with the optical waveguide 32. Therefore, the coupling loss can be reduced.
図6は、図5に示した光導波路34の詳細を示す断面図である。光導波路34は、基板38上に、下部電極40と、下部クラッド層42と、コア36と、上部クラッド層44と、上部電極46とを有する。コア36は図6に示すようにリッジ型である。そして、本構成のシングルモードでの動作をさせ光学パワーの吸収による損失を最低限に抑えるための数値の一例を以下に示す。下部クラッド層42、上部クラッド層44の波長1.55μmの光に対する屈折率は1.5128であり、コア36の同光に対する屈折率は1.5886である。下部クラッド層42、上部クラッド層44の厚みはいずれも4.5μmであり、コア36の厚みは、リッジ部においては1.6μmであり、それ以外は1.2μmである。また、リッジ部の幅は5.00μmである。そして、以上の条件での両極間での吸収は0.1dB/cm未満であった。 FIG. 6 is a cross-sectional view showing details of the optical waveguide 34 shown in FIG. The optical waveguide 34 has a lower electrode 40, a lower cladding layer 42, a core 36, an upper cladding layer 44, and an upper electrode 46 on a substrate 38. The core 36 is a ridge type as shown in FIG. An example of numerical values for operating in the single mode of this configuration to minimize loss due to absorption of optical power is shown below. The lower cladding layer 42 and the upper cladding layer 44 have a refractive index of 1.5128 for light having a wavelength of 1.55 μm, and the core 36 has a refractive index of 1.5886 for the same light. The thicknesses of the lower clad layer 42 and the upper clad layer 44 are both 4.5 μm, and the thickness of the core 36 is 1.6 μm at the ridge portion, and is 1.2 μm otherwise. The width of the ridge portion is 5.00 μm. And the absorption between both poles on the above conditions was less than 0.1 dB / cm.
図7は、図4のように光ファイバーを光導波路に接続した場合において、図3に示したA〜Dの場合に対応する結合損失をグラフで示す図である。Aは光ファイバーから直接伝播させた場合であり結合損失は3.8dBである。Bは従来のフレネルレンズを透過させたさせた場合であり結合損失は3dBに減少している。Cは、図3の説明で述べたように、本発明の回折光学レンズを透過させた場合であり結合損失は1.4dBに減少している。同様に、Dは、結合損失は0.7dBに減少している。つまり、本発明の回折光学レンズを使用した場合、結合損失は3.1(=3.8−0.7)dB改善している。これは、本発明によって従来の約2倍の光学パワーが変換されたと言ってもよい。 FIG. 7 is a graph showing the coupling loss corresponding to the cases A to D shown in FIG. 3 when the optical fiber is connected to the optical waveguide as shown in FIG. A is the case of direct propagation from the optical fiber, and the coupling loss is 3.8 dB. B is a case where a conventional Fresnel lens is transmitted, and the coupling loss is reduced to 3 dB. As described in the explanation of FIG. 3, C is a case where the light is transmitted through the diffractive optical lens of the present invention, and the coupling loss is reduced to 1.4 dB. Similarly, for D, the coupling loss is reduced to 0.7 dB. That is, when the diffractive optical lens of the present invention is used, the coupling loss is improved by 3.1 (= 3.8−0.7) dB. It can be said that the optical power of about twice that of the prior art has been converted by the present invention.
次に、図5に示した光導波路を使用し、本発明により変換された光ビームの楕円形状が異なる場合の結合損失について考察する。図8は、モードプロファイルが変換されて出力される光ビームの楕円形状が異なるように本発明の回折光学レンズを設計した場合における結合損失を示すグラフである。図8の3本のグラフは、それぞれ、水平方向の径が9.0μm、7.5μm、6.0μmの楕円の光ビームに対して、垂直方向の径(x軸)に対する結合損失(y軸)を示している。図8より、楕円形状の水平方向の径を変化させるよりも、垂直方向の径を変化させた方が結合損失が大きく変化することが分かる。また、図8より、水平方向の径が3(=9.0−6.0)μm、垂直方向の径が1.4μm変化しても、結合損失は0.5dB未満に抑えられていることが分かる。また、理論的には、6.0μm×2.5μmの楕円形状の光ビームへのモード変換がなされた場合、結合損失0dBも達成可能であることも分かる。 Next, the coupling loss when the optical waveguide shown in FIG. 5 is used and the elliptical shapes of the light beams converted according to the present invention are different will be considered. FIG. 8 is a graph showing the coupling loss when the diffractive optical lens of the present invention is designed so that the elliptical shape of the light beam output after the mode profile is converted is different. The three graphs in FIG. 8 show the coupling loss (y-axis) relative to the vertical diameter (x-axis) for elliptical light beams with horizontal diameters of 9.0 μm, 7.5 μm, and 6.0 μm, respectively. ). FIG. 8 shows that the coupling loss changes more greatly when the vertical diameter is changed than when the elliptical horizontal diameter is changed. Further, from FIG. 8, even when the horizontal diameter changes by 3 (= 9.0-6.0) μm and the vertical diameter changes by 1.4 μm, the coupling loss is suppressed to less than 0.5 dB. I understand. Theoretically, it can also be seen that a coupling loss of 0 dB can be achieved when mode conversion into an elliptical light beam of 6.0 μm × 2.5 μm is performed.
以上の本発明の回折光学レンズは、フレネルレンズを製造する方法を応用し、バイナリーオプティックスとホログラフィックレコーディングとにより製造することができる。バイナリーオプティックスの詳細は、Y.Orihara ら、Appl.Opt.40、pp.5877−5885に記載されている、また、ホログラフィックレコーディングの詳細は、Anthony VanderLugt、OpticalSignal Processing、John Wiley & Sons、Inc.1992、p.82に記載されている。回折光学素子の材質としては、透明のアクリル樹脂、シリカ、エポキシ樹脂などが挙げられる。 The above-described diffractive optical lens of the present invention can be manufactured by binary optics and holographic recording by applying a method of manufacturing a Fresnel lens. For details on binary optics, see Y.K. Orihara et al., Appl. Opt. 40, pp. Details of holographic recording described in 5877-5855 can be found in Anthony VanderLuggt, Optical Signal Processing, John Wiley & Sons, Inc. 1992, p.82. Examples of the material of the diffractive optical element include transparent acrylic resin, silica, and epoxy resin.
本発明の回折光学レンズの形状やサイズについては特に限定はないが、例えば、一辺の長さは、5〜40μmの正方形や、直径2〜20μmの円形とすることができる。また、厚みは、50〜5000μmとすることができる。 The shape and size of the diffractive optical lens of the present invention are not particularly limited. For example, the length of one side can be a square of 5 to 40 μm or a circle of 2 to 20 μm in diameter. Moreover, thickness can be 50-5000 micrometers.
本発明は、アレイ化した光学デバイスに対しても適用することができる。図11は、n×m個の回折光学レンズを配列させた状態を示す一例である。このように、自由に配列させた光学デバイスアレイにも、適宜変換の度合いを設定した回折光学レンズを配することにより、小さな結合欠損で接続することができる。 The present invention can also be applied to an arrayed optical device. FIG. 11 is an example showing a state in which n × m diffractive optical lenses are arranged. In this way, the optical device array that is freely arranged can be connected with a small deficiency by arranging a diffractive optical lens with an appropriate degree of conversion.
図12はn×m本(3×4本)の光ファイバー26を配列させ光ファイバーアレイを構成した状態を示す。各光ファイバーの端面には回折光学レンズが付設されている。この態様によると、各光ファイバーに付設する回折光学レンズを、接続すべき光導波路アレイのモードプロファイルに適合させることにより小さな結合欠損で接続することができる。 FIG. 12 shows a state in which an optical fiber array is configured by arranging n × m (3 × 4) optical fibers 26. A diffractive optical lens is attached to the end face of each optical fiber. According to this aspect, the diffractive optical lens attached to each optical fiber can be connected with a small coupling defect by adapting to the mode profile of the optical waveguide array to be connected.
次いで、本発明の光学デバイスアレイのピッチ変換方法について説明する。まず、図9を参照してその原理について説明する。図9は、図1に対応する図であり、図1と同じ構成要素には同一の符号を付している。図9(A)は、図1に示したように、光ファイバー12の光軸と回折光学レンズ10の中心とが一致し、光ビームはX方向に進む。これに対して、図9(B)は、光ファイバー12の光軸を回折光学レンズ10の中心と一致させずにずらして配置している。回折光学レンズ10は中心から遠ざかるほど屈折率が大きくなるため、図9(B)のように配置すると、屈折して光ビームの光軸はX方向からY方向に、角度θだけずれることとなる。そして、本発明の光学デバイスアレイのピッチ変換方法においては、この光軸のずれを利用してピッチの変換を行う。また、図9(B)に示す原理は、光軸をずらすことと、フォーカシングを同時に行う必要がある場合に有用である。 Next, the pitch conversion method for the optical device array of the present invention will be described. First, the principle will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a diagram corresponding to FIG. 1, and the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. In FIG. 9A, as shown in FIG. 1, the optical axis of the optical fiber 12 coincides with the center of the diffractive optical lens 10, and the light beam travels in the X direction. On the other hand, in FIG. 9B, the optical axis of the optical fiber 12 is shifted so as not to coincide with the center of the diffractive optical lens 10. The refractive index of the diffractive optical lens 10 increases as the distance from the center increases. Therefore, when the diffractive optical lens 10 is disposed as shown in FIG. . In the pitch conversion method of the optical device array of the present invention, the pitch conversion is performed by utilizing the deviation of the optical axis. The principle shown in FIG. 9B is useful when it is necessary to shift the optical axis and perform focusing simultaneously.
図10は、2つの光ファイバー12A、12Bを用いて、ピッチを変換する様子を示している。図10において、光ファイバー12Aと光ファイバー12Bはピッチaで配置されている。光ファイバー12Aの光路には回折光学レンズ10の中心からずらし下半分に光ビームが透過するように配置され、一方、光ファイバー12Bの光路には回折光学レンズ10の中心からずらし上半分に光ビームが透過するように配置されている。光ファイバー12Aからの光ビームは上方向に光軸がずれ、光ファイバー12Bからの光ビームは下方向に光軸がずれる。従って、10によってモードプロファイルが変換されるとともに、変換後においてbだけピッチがずれた状態となる。本発明の光学デバイスアレイのピッチ変換方法により、回折光学レンズの配置を変更するだけで、様々なピッチに変換することでき、しかも、結合損失が小さく変換することができる。ピッチの変更は、回折光学レンズの位置を変えることにより行うことができる。 FIG. 10 shows how the pitch is converted using the two optical fibers 12A and 12B. In FIG. 10, the optical fiber 12A and the optical fiber 12B are arranged at a pitch a. The optical path of the optical fiber 12A is shifted from the center of the diffractive optical lens 10 so that the light beam is transmitted through the lower half, while the optical path of the optical fiber 12B is shifted from the center of the diffractive optical lens 10 and the light beam is transmitted through the upper half. Are arranged to be. The optical axis of the optical beam from the optical fiber 12A is shifted upward, and the optical axis of the optical beam from the optical fiber 12B is shifted downward. Therefore, the mode profile is converted by 10 and the pitch is shifted by b after the conversion. According to the pitch conversion method of the optical device array of the present invention, the pitch can be converted into various pitches only by changing the arrangement of the diffractive optical lenses, and the coupling loss can be reduced. The pitch can be changed by changing the position of the diffractive optical lens.
10 22 24 32 回折光学レンズ
12 26 光ファイバー
34 光導波路
10 22 24 32 Diffractive optical lens 12 26 Optical fiber 34 Optical waveguide
Claims (6)
前記第1の光ビームから前記第2の光ビームへの変換を請求項1に記載の回折光学レンズを用いて行うことを特徴とする光ビームのモードプロファイルの変換方法。 Light for converting a first light beam having an elliptical mode profile into a second light beam having an elliptical mode profile in which the ratio of the major axis to the minor axis is different from the elliptical shape of the first optical beam. A beam mode profile conversion method comprising:
The method of converting a mode profile of a light beam, wherein the conversion from the first light beam to the second light beam is performed using the diffractive optical lens according to claim 1.
前記2種の光学デバイスがいずれも光ファイバーであり、一方の光ファイバーのファイバーモードと他方の光ファイバーのファイバーモードとを、請求項1に記載の回折光学レンズを用いて一致させて前記2種の光学デバイスを接続する光学デバイスの接続方法。 An optical device connection method for connecting two types of optical devices having different mode profiles,
The two optical devices are both optical fibers, and the fiber mode of one optical fiber and the fiber mode of the other optical fiber are matched using the diffractive optical lens according to claim 1, and the two optical devices are used. To connect the optical device.
前記2種の光学デバイスのうちの一方が光ファイバーであり、他方が光導波路であって、光ファイバーのモードプロファイルと、光導波路のモードプロファイルとを、請求項1に記載の回折光学レンズを用いて一致させて光ファイバーと光導波路とを接続することを特徴とする光学デバイスの接続方法。 An optical device connection method for connecting two types of optical devices having different mode profiles,
One of the two types of optical devices is an optical fiber and the other is an optical waveguide, and the mode profile of the optical fiber and the mode profile of the optical waveguide are matched using the diffractive optical lens according to claim 1. An optical device connection method comprising connecting an optical fiber and an optical waveguide.
請求項1に記載の回折光学レンズを、該回折光学レンズの光軸と前記光学デバイスの中心軸とが一致しないように配置してピッチの変換を行うことを特徴とする光学デバイスのピッチ変換方法。 A pitch conversion method for an optical device that converts the pitch of two or more optical devices on the input side to a different pitch on the output side,
A pitch conversion method for an optical device, wherein the pitch conversion is performed by arranging the diffractive optical lens according to claim 1 so that an optical axis of the diffractive optical lens does not coincide with a central axis of the optical device. .
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