JP2006276737A - 反射光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型で調整の容易な反射光学系を提供する。
【解決手段】 光ファイバと、その光ファイバからの出射光を反射する反射鏡と、その光ファイバと反射鏡とを光接続する光学素子とが基体上に配置された反射光学系である。光ファイバが、シングルモードファイバと、そのシングルモードファイバの一端に接続されたグレイデッドインデックスファイバとから成る二元光ファイバであって、かつ反射鏡が凸面鏡であり、その凸面鏡にてグレイデッドインデックスファイバの他端から出射される光を反射させ、グレイデッドインデックスファイバに再入射させる。
【選択図】図１

Description

本発明は光の反射を利用した反射ファイバ光学系に関し、さらに詳しくは光センサ用、光ファイバアンプ用に好適な光ファイバを用いた反射光学系に関する。

光ファイバを用いた反射光学系の代表的なものにファラデー回転ミラーがある。このファラデー回転ミラーＦ１は図８に示すようにシングルモードファイバ（以下ＳＭファイバという）１、レンズ２、偏波面を４５度回転させるファラデー回転子５、反射鏡３からなる。ファラデー回転子５には通常、磁界を印加するための磁石４が設けられている。ＳＭファイバ１から出射された光はファラデー回転子５によって偏波面を４５度回転させられた後、反射鏡３で反射させられ再びファラデー回転子５を通り、さらに偏波面を４５度回転させられ、結果としてＳＭファイバ１から出射された光と９０度回転した偏光状態となってＳＭファイバ１に再び入射し戻って行く。

このようなファラデー回転ミラーＦ１は例えば光ファイバアンプの励起用ファイバに接続され信号光の光増幅における偏光依存性を補正したり、干渉計に接続することにより、偏波の変動による感度劣化を防止する機能を果たす。またファラデー回転子５は外部磁界により偏波面の回転角度を変化させるため、このような反射光学系自体を磁気センサーのプローブとして用いることもある。

また図９に示すようなファラデー回転ミラーＦ２にコア拡大ファイバ６を用いた例もあった。（特許文献１）これは、レンズを用いずにコア拡大ファイバ６によりＳＭファイバ１内のビーム径を拡大しビーム拡角を小さくして出射するものである。反射鏡３はファラデー回転子５の背面に一体に作製されている。多くは誘電体多層膜による全反射膜をファラデー回転子５に直接成膜することで作られる。この発明ではレンズを用いないため全体を小型に構成できるという利点を持っている。コア拡大ファイバ６はコアが徐々に拡大する構造を持っており、ＳＭファイバ１の端部を加熱し、コア９のドーパント（屈折率を高めるための添加物）を熱拡散することによって前記の構造を形成する。ＳＭファイバ１を伝播してきた光は徐々にビーム径を広げられ出射される。

ここでＳＭファイバ１を伝搬し、出射される光について図１０を参照して説明する。この伝播する光は軸対称の強度分布（ガウシアン分布）をもったガウシアンビームという光である。ガウシアンビームのビーム径１５とは、中心軸（ビーム強度最強部）の１／ｅ^２の強度部分をいう。ガウシアンビームはＳＭファイバ内を平面波として進みファイバから出射すると同時にビーム径が広がる。またレンズにより広がった光を集光することが可能であるが、このガウシアンビームのビーム径が極小値の部分をビームウェスト１３と呼び、ビームウェストに於いては波面１４は平面である。ガウシアンビームに於いてはビームウェストと波長が決まればビームの拡角１６は一義的に決まり、逆に拡角１６と波長からビームウェスト１３の大きさを一義的に決めることができる。

ビームウェスト径（半径）をＷ０、波長をλ、ビーム拡角（片側）をθとして、
θ＝λ／（πＷ０）、
波面の曲率Ｒは焦点位置からの距離とほぼ同一である。即ち焦点位置からある波面までの距離をＺとすれば波面曲率Ｒは、
Ｒ（Ｚ）＝Ｚ
となる。

光は波面（等位相面とも言う）に垂直の方向に進む。平行に進む光は波面が平面で（平面波）、広がったり収束する光の波面は曲面となる性質がある。ファラデー回転ミラーとしての特性は損失無く反射光を光ファイバに戻すことが重要である。これを挿入損失という。最も挿入損失を少なく光ファイバに光を戻すためには、入射光と全く同一の経路に反射させることである。また反射鏡自体の反射率も１００％に近い方が望ましい。同一の経路に反射させるためには、波面が平面になっている箇所に平面鏡を置く。光は波面と垂直方向に進むため、平面波の状態では平面鏡に対し完全に垂直に入射するので入射した経路そのままに反射される。
特開平９−２１６０８号公報

前述のようにガウシアンビームはＳＭファイバ内を平面波として進みファイバから出射すると同時にビーム径が広がる。またレンズにより広がった光を集光することが可能であるが、このガウシアンビームのビーム径が極小値となるビームウェストにおける波面は平面である。

挿入損失を小さくするためには反射光が正確に光ファイバに戻る必要がある。そのためには、平面波に近い波面に対して平面鏡を使うことがある。図８に示した従来例は平面である反射鏡３の表面にビームウェストが位置するようにレンズ２にて調整されている。即ち、平面波になるようにされている。さらに挿入損失を最小にするには、反射鏡３の角度調整が重要である。ところで、一般に光軸をZ軸とした直交座標に対する調整に対し角度調整は困難である。さらに角度調整した後に実用上は強固に固定するために平面鏡を特別な金具に取付ける必要があったり、また複雑化や大型化する傾向があった。

また特許文献１の例では、ビームは収束することなくコア拡大ファイバ６の端面にビームウェストを持つ。先に述べたようにビームの拡角（従って波面の曲率）はビーム径に依存するのでビームが広い方がより平面波に近くなるためこのような構成が可能であるが、図８の従来例に比べれば厳密に平面波で無い箇所で反射されるため挿入損失では不利であるし、図８の例と同様に反射鏡の角度調整が煩雑でまた、角度調整後の固定が難しかった。

また必要な反射光は反射鏡より反射した光のみであり、光ファイバ端面からの反射光等は不要で干渉計やセンサの特性を劣化させる。そのため、光ファイバ端面に角度をつける場合がある。その際は図１１に示すファラデー回転ミラーのようにＳＭファイバ１の端面にて光が屈折するため、反射鏡３の角度設定がより煩雑になってしまうといった問題があった。

そこで、本発明は上記課題を解決し、小型で調整の容易な反射光学系を提供することを目的とした。

上記課題を解決するため、本発明の反射光学系は、光ファイバと、該光ファイバからの出射光を反射する反射鏡と、該光ファイバと該反射鏡とを光接続する光学素子とが基体上に配置されなる反射光学系であって、該光ファイバが、シングルモードファイバと、該シングルモードファイバの一端に接続されたグレイデッドインデックスファイバとから成る二元光ファイバであって、かつ該反射鏡が凸面鏡であり、該凸面鏡にて該グレイデッドインデックスファイバの他端から出射される光を反射させ、該グレイデッドインデックスファイバに再入射させることを特徴とする。

ここで、上記凸面鏡には先端に１層以上の反射膜を有する先球ファイバを用いることができる。

また、上記光ファイバには、さらにグレイデッドインデックスファイバの他端にコアレスファイバを接続して成る三元光ファイバを用いることができる。

また、上記光ファイバの出射端面が、光軸に垂直な面に対し傾斜している光ファイバを用いることができる。

また、上記基体上に第１実装溝を設ける一方、該第１実装溝を横切る第２実装溝を設け、光ファイバと先球ファイバとを先球ファイバの先球部と光ファイバの出射端面とが対向するように第２実装溝を挟んで第１実装溝に配置し、第２実装溝には上記光学素子を配置した構成とすることもできる。

また、上記光学素子には、４５度偏波面を回転させるファラデー回転子を用いることができる。

本発明によれば、反射鏡に凸面鏡を用い、光の平面波の部分でなく、曲率を有する波面と同一の曲率を有する凸面鏡で反射するようにしたので、反射鏡の角度調整が不要となり、操作が簡便な反射光学系を提供できる。また、グレイデッドインデックスファイバはレンズとして作用するので、構成が簡略で小型化が可能な反射光学系を提供できる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の一実施例に係る反射光学系の構造を示す横模式断面図であり、円筒状の基体に収納された反射光学系を示している。基体１２は、Ｖ溝からなるファイバ固定用の長手方向溝２０と、その長手方向溝２０を横切る幅方向溝１０を有している。二元光ファイバ１７と凸面鏡１８は、二元光ファイバの出射端面と凸面鏡の反射面とが幅方向溝１０を挟んで対向するように配置されている。光学素子５は、幅方向溝１０内に配置されている。二元光ファイバ１７の出射端面からの出射光は、光学素子５を通過した後、凸面鏡１８で反射され、再度光学素子を通過して二元光ファイバ１７に再入射する。

二元光ファイバ１７は、ＳＭファイバ１に、中心軸から外周に向かって徐々に屈折率が減少するグレイデッドインデックス光ファイバ（以下ＧＩファイバという）７が融着等により接続されたものである。ＧＩファイバはレンズ作用を有するため、別途レンズを設ける必要がないため、反射光学系を小型化することが可能となる。ＧＩファイバには、一般的なＳＭファイバを局所的に加熱して作製されるものを用いることができる。例えば、ＳＭファイバを加熱し、コアにドープされているＧｅ等のドーパントを拡散させ、ドーパントの拡散領域を広くするとともに屈折率差を小さくすることにより作製することができる。ＧＩファイバ７には、例えば、コア径が１０５μｍ、外周がＳＭファイバ１と同じ１２５μｍのものを用いることができる。

また、ＧＩファイバの出射端面にコアレスファイバを接続した三元光ファイバを用いることもできる。ＧＩファイバはレンズ作用を有するため、その焦点距離を調整する必要がある。しかし、コアレスファイバを接続すると、コアレスファイバの長さで焦点距離が決まるため、所定長さのコアレスファイバを用いれば、焦点距離の調整が不要となる。

また、焦点位置には凸面鏡１８を設置する。凸面鏡には、球状の反射膜を有するものを用いることができるが、より好ましくは表面に反射膜を有する球体あるいは先球ファイバを用いることができる。球状の反射膜は、焦点位置に置くだけで全ての光線が反射面に垂直に入射するため、その設置角度の調整が不要である。焦点位置と凸面鏡１８の曲面の中心位置を合わせるだけでよい。

球体の場合、メッキ膜からなる反射膜を有する、例えば径５０μｍの金属ベアリングを用いることができる。先球ファイバは、光ファイバの先端部を溶融したもので、外径をＳＭファイバやＧＩファイバと同一にすることができるため、同じ基体上のＶ溝、あるいはファイバ挿入孔のあるフェルール等を用いた基体にＳＭファイバやＧＩファイバと一緒に、先球ファイバを搭載することが可能で簡略な構造にすることができる。

また、反射鏡は金属膜の他に誘電体多層膜でも形成可能である。誘電体多層膜は酸化膜からなるため錆びることなく、長期の安定性に優れる。誘電体多層膜には、ＳｉＯ_２膜、ＴｉＯ_２膜、Ｔａ_２Ｏ_５膜又はこれらの膜の組み合わせを用いることができる。

また、光ファイバの出射端面を、光軸に垂直な面に対し傾斜するようにすることもできる。これにより、光ファイバの出射端面及び光学素子の入射面（光ファイバとの対向面）における不要反射光を除去することができるので、不要反射光が光ファイバに再入射することがない。そのため、反射減衰量を大きくすることができる。通常、光学素子の屈折率の方が光ファイバの屈折率より大きい。そのため、光学素子を光軸に垂直な面に対し傾斜させる場合は光ファイバの出射面の角度より大きく、且つ、逆方向にする。これにより、不要反射光をさらに除去することができる。

また、光学素子には、光ファイバセンサシステムや光増幅システムに使用される光学素子であって、振動、圧力、温度、電界、磁界、音波等の外力を光ファイバの光路長の長さの変化を検出するシステムに用いられるものを挙げることができる。具体例を挙げれば、ファラデー効果を利用したファラデー回転子やニオブ酸リチウムを用いた応力検知素子等がある。前述のように、ファラデー回転ミラーは例えば光ファイバアンプの励起用ファイバに接続され信号光の光増幅における偏光依存性を補正し、また干渉計に接続することにより、偏波の変動による感度劣化を防止する機能を果たす。また外部磁界により偏波面の回転角度を変化させるため、反射光学系自体を磁気センサのプローブとして用いることもできる。

また、ニオブ酸リチウムの応力複屈折率を利用し、反射光学系を圧力センサのプローブとして用いることもできる。図７は、本発明の反射光学系の構造の一例を示す模式縦断面図であり、圧力センサのプローブを構成している。すなわち、反射光学系Ｆ６は、ＳＭファイバ１とＧＩファイバ７を接続してなる二元光ファイバ１７をファイバ挿入孔２１を有する基体１２に挿入固定し、先球ファイバ１９も同様にファイバ挿入孔２１に挿入固定し第２実装溝１０にニオブ酸リチウム結晶２４を設置し、該ニオブ酸リチウム結晶２４の一部が外部に通ずるようにハウジング２３を被せた構造を有する。ニオブ酸リチウムは応力複屈折を持つため、圧力が加わると透過する光の偏光状態が変化（偏光の回転）する。ＳＭファイバ１のＧＩファイバ７と接続した側と反対側をマッハツェンダー型干渉計等の干渉計（不図示）に接続すれば、干渉は同一偏波に対してしか生じないため、偏波の変動に応じて干渉光の強度が変動するため圧力変化を検出できる。

以下、実施例を用いて本発明をさらに具体的に説明する。
（実施例１）
図１は、実施例１に係るファラデー回転ミラーの構成を示す模式縦断面図である。外径１２５μｍでモードフィールド径１０μｍの石英系ＳＭファイバ１に、外径１２５μｍでコア径１０５μｍ、屈折率差０．５％のＧＩファイバ７を融着接続後、９４０μｍの長さにカットし二元光ファイバ１７とした。

その後、シリコン製基体１２に水酸化カリウムによる異方性エッチングによりＶ溝からなる第１実装溝２０を形成し、その一端側のファイバ固定溝２０Ａに前述の融着した二元ファイバ１７をエポキシ系熱硬化型接着材（不図示）にて固定した。その後、他端側の反射鏡固定溝２０Ｂの反射光が最大になる位置に、二元ファイバと光学素子が実装可能なように離間して、球体に銀メッキした直径５０μｍの反射鏡１８を設置した。

次いで、第１実装溝２０を分断するように第２実装溝１０をダイシングにより幅５００μｍに形成し、厚さ４５０μｍの磁性ガーネットからなるファラデー回転子５を第２実装溝１０の底部に接着し、ファラデー回転ミラーＦ３を作製した。
本実施例によれば、反射鏡１８の角度調整は不要でＺ方向の位置あわせのみの簡便な調整でファラデー回転ミラーを作製することができた。

（実施例２）
図２は、実施例２に係るファラデー回転ミラーの構成を示す模式断面図である。外径１２５μｍでモードフィールド径１０μｍの石英系ＳＭファイバ１、外径１２５μｍでコア径１０５μｍ、屈折率差０．５％のＧＩファイバ７を融着接続後、９４０μｍの長さにカットし二元光ファイバ１７とした。

その後、外径１．２５ｍｍのジルコニアフェルール（中央に第１実装溝に相当するファイバ挿入孔２１をもつ）を基体１２とし、前述の融着した二元光ファイバ１７をエポキシ系熱硬化型接着材（不図示）にて固定した。

その後、基体１２にファイバ挿入孔２１を横切る第２実装溝１０をダイシングにより幅５００μｍに形成し、厚さ４５０μｍの磁性ガーネットからなるファラデー回転子５を第２実装溝１０の底部に接着した。さらにＲ１５μｍの先球ファイバ１９をファイバ挿入孔２１に挿入し反射光量が最大となる位置で固定し、ファラデー回転ミラーＦ４を作製した。先球ファイバ１９には銀メッキを反射膜として形成した。なお、反射膜を、ＴｉＯ_２とＳｉＯ_２等からなる誘電体の多層膜によって形成することもできる。図３で示す様に先球ファイバ１９の先端部は球体と同様の反射鏡として作用する。また図４（Ａ）、（Ｂ）で示すように先球ファイバ１９が傾いても先端のＲは変わらないので角度調整は不要である。
本実施例によれば、先球ファイバ１９の角度調整は不要でＺ方向の位置あわせのみの簡便な調整でファラデー回転ミラーを作製することができた。

（実施例３）
本実施例は、実施例２の二元光ファイバに代えて三元光ファイバを用いた例を示す。図５は、本実施例に係るファラデー回転ミラーの構造を示す模式縦断面図である。外径１２５μｍでモードフィールド径１０μｍの石英系ＳＭファイバ１、外径１２５μｍでコア径１０５μｍ、屈折率差０．８５％のＧＩファイバ７を融着接続後、６８３μｍの長さにカットし、さらに純石英からなるコアレスファイバ８を融着接続し、三元光ファイバ２２とした。

その後、外径１．２５ｍｍのジルコニアフェルール（中央に第１実装溝に相当するファイバ挿入孔２１Ａをもつ）を基体１２Ａとし、前述の融着した三元光ファイバ２２をエポキシ系熱硬化型接着材（不図示）にて固定した。

その後、基体１２Ａにファイバ挿入孔２１Ａを横切る第２実装溝１０をｘ軸に対し１．５度の角度にてダイシングにより幅５００μｍに形成した。この溝角度と反射減衰量の関係を図６（Ａ）に示す。反射減衰量を３０ｄＢ程度とするため溝角度は１．５度とした。なおコアレスファイバ８から出射される光はＺ軸に対して−０．６８度屈折する。

さらに、厚さ４５０μｍの磁性ガーネットからなるファラデー回転子５を第２実装溝１０の底にコアレスファイバ８の端面と対向するように−１．８８度の角度で接着した。ファラデー回転子５の表面には反射率０．５％以下の反射防止膜（不図示）を形成した。なお時計回りの角度を＋としている。

このファラデー回転子５の角度と反射減衰量の関係を図６（Ｂ）に示す。ファラデー回転子５からの反射減衰量を３０ｄＢ以上とするには、図６（Ｂ）の結果から−１．２度以上傾ける必要がある。コアレスファイバ８から出射される光が前述のように既にＺ軸に対して−０．６８度の傾きを持っているため、−１．８８度傾ければよい。なお、反射減衰量は大きい方が好適であるため前述の−１．８８度の角度以上で設置されればよい。反射鏡が平面であれば、コアレスファイバ８の端面の角度（溝角度）やファラデー回転子５の設置角度に応じての角度を微調整しなければならない。しかし、反射面が球面であるのでそのような角度調整は不要である。

さらにＲ１５μｍの先球ファイバ１９を外径１．２５ｍｍのジルコニアフェルールからなる基体１２Ｂのファイバ挿入孔２１Ｂに挿入した。ここで、光ファイバ反射光量が最大となる位置に基体１２Ａ、１２Ｂ同士をｘｙ方向で調整し、先球ファイバ１９の位置はＺ方向で調整して固定し、ファラデー回転ミラーＦ５を作製した。

本実施例によれば、先球ファイバ１９の角度調整は不要でＺ方向の位置あわせのみの簡便な調整でファラデー回転ミラーを作製することができた。なお先球ファイバ１９は図４（Ａ）、（Ｂ）に示すように光軸に対し、先球ファイバ１９の軸が傾いていても反射状態は変わらない。また、コアレスファイバ８の端面を斜めに形成しているため、反射鏡（図３では先球ファイバ１９）以外からの不要な反射を除去できる。これにより、屈折光が複雑な角度をたどっても調整組み立てを容易に行うことができる。

本発明の実施例１に係る反射光学系の構造を示す模式縦断面図である。 本発明の実施例２に係る反射光学系の構造を示す模式縦断面図である。 本発明の実施例２に係る反射光学系における先球ファイバ先端での光の反射の様子を示す模式図である。 本発明の実施例２における先球ファイバと入射光の状態を示す模式図であって、（Ａ）は光軸ズレの無い場合を示し、（Ｂ）は光軸と先球ファイバの軸がずれている場合を示す。 本発明の実施例３に係る反射光学系の構造を示す模式縦断面図である。 本発明の実施例３に係る反射光学系における、コアレスファイバの角度と反射減衰量との関係を示すグラフ（Ａ）と、ファラデー回転子の角度と反射減衰量の関係を示すグラフ（Ｂ）である。 本発明の反射光学系に係る圧力センサの構造の一例を示す模式縦断面図である。 従来の反射光学系の例を示す模式縦断面図である 従来の反射光学系の別の例を示す模式縦断面図である。 ガウシアンビームの性質を示す略図である。 従来の反射光学系の別の例を示す模式縦断面図である。

符号の説明

１ ＳＭファイバ
２ レンズ
３ 反射鏡
４ 磁石
５ ファラデー回転子
６ コア拡大ファイバ
７ ＧＩファイバ
８ コアレスファイバ
９ コア
１０ 第２実装溝
１１ 光学素子
１２，１２Ａ，１２Ｂ 基体
１３ ビームウェスト
１４ 波面
１５ ビーム径
１６ 拡角
１７ 二元光ファイバ
１８ 凸面鏡
１９ 先球ファイバ
２０，２１ 第１実装溝
２０Ａ ファイバ固定溝
２０Ｂ 反射鏡固定溝
２１Ａ，２１Ｂ ファイバ挿入孔
２２ 三元光ファイバ
２３ ハウジング
２４ ニオブ酸リチウム結晶
Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３、Ｆ４、Ｆ５ ファラデー回転ミラー
Ｆ６ 圧力センサ

Claims (6)

1. 光ファイバと、該光ファイバからの出射光を反射する反射鏡と、該光ファイバと該反射鏡とを光接続する光学素子とが基体上に配置されてなる反射光学系であって、
   該光ファイバが、シングルモードファイバと、該シングルモードファイバの一端に接続されたグレイデッドインデックスファイバとから成る二元光ファイバであって、かつ該反射鏡が凸面鏡であり、該凸面鏡にて該グレイデッドインデックスファイバの他端から出射される光を反射させ、該グレイデッドインデックスファイバに再入射させる反射光学系。
2. 上記凸面鏡が先端に１層以上の反射膜を有する先球ファイバである請求項１記載の反射光学系。
3. 上記光ファイバが、さらに上記グレイデッドインデックスファイバの他端にコアレスファイバを接続して成る三元光ファイバである請求項１又は２に記載の反射光学系。
4. 上記光ファイバの出射端面が、光軸に垂直な面に対し傾斜している請求項１から３のいずれか一つに記載の反射光学系。
5. 上記基体上に第１実装溝を設ける一方、該第１実装溝を横切る第２実装溝を設け、光ファイバと先球ファイバとを先球ファイバの先球部と光ファイバの出射端面とが対向するように第２実装溝を挟んで第１実装溝に配置し、第２実装溝には上記光学素子を配置してなる請求項２から４のいずれか一つに記載の反射光学系。
6. 上記光学素子が４５度偏波面を回転させるファラデー回転子である請求項１から５のいずれか一つに記載の反射光学系。
   
   

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