JP2006524845A - 複数波長帯域用コリメータ - Google Patents
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Abstract
多波長で使用するコリメータ(100)は、光ファイバ(102)と、光ファイバの端部に対して一定の距離を隔てて配置された屈折率分布型レンズ(106)とを備える。一態様において、屈折率分布型レンズは、選択された範囲の赤外スペクトル領域にわたり、0.01未満の選択ピッチで色収差を有する。別の態様において、屈折率分布型レンズは、選択された範囲の可視スペクトル領域にわたり、0.035未満の選択ピッチで色収差を有する。
Description
本出願は、2003年4月25日に出願された米国仮特許出願第60/465830号の利益を主張するものである。
本発明は複数の波長帯域に対応可能なコリメータに関する。
ファイバ端部から出てくる光からほぼ平行な光線を作るためのレンズ付きファイバ端部組立体は「コリメータ」と呼ばれている。レンズは、屈折率分布型(GRIN)レンズ、屈折レンズ、または回折レンズとすることができる。ここでは、GRINレンズを組み込んだコリメータについて考える。GRINレンズの屈折率は、レンズの軸からレンズ外周に向かって徐々に変化する。GRINレンズ内では、光線が正弦波を描き、その軌道はピッチで定義される。1ピッチは光が伝播する1つの正弦波サイクルと等価であり、次のように表される。
ここで、Pはピッチであり、√Aは屈折率分布パラメータであり、Lはレンズの長さである。
ここで、K0、K1およびK2はレンズ材料によって異なる定数である。
ファイバ−レンズ間の距離は、コリメータが低い挿入損失で動作するようなものであることが理想である。特定の設計波長で効率よく動作するようにコリメータを調整することが一般的である。しかし、GRINレンズのBFLは、色分散のために波長によって異なる。したがって、特定の設計波長で効率よく動作するように調整されたコリメータが、この設計波長ではない波長で使用された場合、BFLのずれが生じる。このずれを補償するようにファイバ−レンズ間の距離を調節しないと、特に設計波長と動作波長の格差が大きい場合に、コリメータは過度の挿入損失を被ることになる。動作波長毎にファイバ−レンズ間の距離の調節が必要ということで、複数波長帯域用途におけるコリメータの使用が面倒なものとなることは明らかである。
上記に鑑み、波長毎にファイバ−レンズ間の距離を再調節する必要なく、複数の波長帯域で効率よく動作できるコリメータが望まれている。
本発明は多波長で使用するコリメータに関する。一態様において、このコリメータは、光ファイバと、光ファイバの端部に対して一定の距離に配置された屈折率分布型レンズとを有する。一態様において、屈折率分布型レンズは、選択された範囲の赤外スペクトル領域にわたり、0.01未満の選択ピッチで色収差を有する。別の態様において、屈折率分布型レンズは、選択された範囲の可視スペクトル領域にわたり、0.035未満の選択ピッチで色収差を有する。
本発明のその他の特徴および利点は、以下の説明および添付される特許請求の範囲から明らかになるであろう。
ここで本発明を、添付図面に示されるようないくつかの好ましい実施形態を参照して詳細に説明する。以下の説明では、本発明の完全な理解を促すために具体的な数多くの細目事項が記載されている。しかしながら、当業者には、これらの具体的な細目事項のいくつかまたは全てがなくとも本発明が実施され得ることが明らかであろう。さらに、本発明を不必要に曖昧にしないため、周知の特徴および/または処理工程は詳述していない。本発明の特徴および利点は、図面および以下の説明を参照することによって、より深く理解することができる。
本発明の実施形態は、光ファイバの端部にGRINレンズを配したコリメータである。このコリメータは特定の設計波長に合わせた後、ファイバ端部とレンズの間の距離を再調節する必要なく、この設計波長を含む広範囲の波長にわたって効率よく動作させることが可能である。このコリメータは特に赤外スペクトル領域を対象とするものであるが、近赤外スペクトル領域および可視スペクトル領域で使用することも可能である。本発明は1つには、コリメータに組み込まれたときに色収差が小さいGRINレンズは、ファイバ−レンズ間の距離を再調節する必要なく広範囲の波長にわたって低い挿入損失でコリメータを動作させることができる、という発見に基づくものである。980〜1550nmの波長帯にわたって0.42dBより小さい挿入損失が達成された。
図1Aは、本発明の一実施形態にしたがうコリメータ100を示す。コリメータ100は、フェルール104に挿入されたファイバ102と、ファイバ端部から距離を隔てて配置されたGRINレンズ106を備えている。ファイバ端部108とGRINレンズ106の表面110の間の距離、すなわちファイバ−レンズ間の距離、は、前述の式(2)によって与えられるGRINレンズ106のBFLによって決まる。一実施形態において、ファイバ102はシングルモードファイバである。あるいは、ファイバ102はマルチモードファイバまたは他の特殊ファイバとすることもできる。図1B〜1Dは、コリメータ100の別の実施形態を示す。図1Bでは、ファイバ116がGRINレンズ106に融着されており、すなわち、ファイバ−レンズ間の距離はゼロである。図1Cでは、コリメータ100が、ファイバ120の端部に形成されたレンズ118、すなわちレンズ付きファイバ、と、レンズ118から距離を隔てて配置されたGRINレンズ106とを備えている。図1Dでは、コリメータ100がコアレスロッド122を備え、このコアレスロッド122はファイバ124とGRINレンズ106の間に挟持されている。コアレスロッド122は溶融シリカまたは他の適切なレンズ/ファイバ材料から作られる。
再び図1Aを参照すると、GRINレンズ106はコア112を有している。コア112は、クラッド114によって境界が定められていてもよいし、そうでなくてもよい。GRINレンズ106のコア112は、半径方向にレンズの光軸に向かって増加する屈折率分布を有している。本発明にしたがえば、GRINレンズ106の色収差が低いことにより、ファイバ−レンズ間の距離(d)を再調節せずに広範囲の波長にわたってコリメータ100を使用することが可能となる。色収差は一般に、2波長間のC線(波長656nm)、F線(波長486nm)、およびFranunhoffer光に対応するD線(波長589nm)における、有効焦点距離に対する2波長間の有効焦点距離の比率の変化、と定義される。しかし、コリメータの主な用途は、可視スペクトル領域ではなく、赤外スペクトル領域での用途である。赤外スペクトル領域の場合の色収差は、赤外波長が使用される点を除き、可視スペクトル領域の場合の色収差と同様に定義される。
ここで、Nは中心軸から距離rの位置における屈折率であり、N0は中心軸における屈折率であり、Aは波長依存の定数である(Aの定義については式(4)を参照)。GRINレンズの有効焦点距離(EFL)は、次式で与えられる。
ここでLはレンズの長さである。定数Aは波長依存であるので、レンズは波長毎に異なるEFLを有する。図2は、本発明の実施形態にしたがうGRINレンズの980nmおよび1550nmにおけるEFLを示す。図2Bは980nmおよび1550nmにおけるEFLの差(ΔEFL)を示す。EFLおよびΔEFLは、レンズの長さの関数として周期的に変化する。この差は、ピッチ0.25に対応する長さのときに最も低く、ピッチ0.5、1.0、1.5等に対応する長さでは漸近的に無限増加する。この依存性のため、色収差は特定ピッチで指定される必要がある。
ここで、EFL1は第1の波長における有効焦点距離であり、EFL2は第2の波長における有効焦点距離であり、EFL1/2は第1の波長と第2の波長の間の波長における有効焦点距離である。赤外スペクトル領域の場合、第1の波長を1550nmとし、第2の波長を980nmとし、第1の波長と第2の波長の間の波長を1310nmとすることができよう。これらの波長は電気通信で広く使用されている。図2Cは、式(7)の波長を使用し、縦色収差が、本発明の一実施形態にしたがうGRINレンズの長さの関数としてどのように変化するかを示すものである。
同様に、図2Dは、前述の式(9)の赤外波長を使用し、縦の色収差が、本発明の一実施形態にしたがうGRINレンズの長さの関数としてどのように変化するかを示すものである。
縦色収差および横色収差は、レンズを通過するときに各波長のピッチ長が異なることによる。長さに対するこの依存性は、式(7)および(8)に使用されているEFLおよびhを、長さではなく、ピッチ(P)の関数として次式のように表すことによって取り除くことが可能である。
縦色収差および横色収差を長さではなくピッチの関数として表せば、これらは等しくなり、波長範囲にわたって一定値に近づく。下記の表1は、本発明にしたがうGRINレンズAと従来のGRINレンズBについて、可視波長範囲(656/486nm)および赤外波長範囲(1550/980nm)におけるこの一定値が何であるかを示すものである。レンズAは、銀の含有量が高いホウケイ酸ガラスから作られている。レンズBはタリウムベースのガラスから作られている。表1から分かるように、可視波長範囲ではレンズAおよびレンズBの色収差はほぼ同等であるが、赤外波長領域ではこの2種類のレンズの色収差に著しい違いがある。本発明の一実施形態にしたがえば、本発明のコリメータに使用するのに適したGRINレンズは、例えば波長範囲980nm〜1550nmにわたる赤外スペクトル領域では、0.01未満の色収差を有し、例えば波長範囲486nm〜656nmにわたる可視波長範囲では、0.035未満の色収差を有する。
ここでP1は第1の波長におけるピッチであり、P2は第1の波長におけるピッチであり、P1/2は第1の波長と第2の波長の間の波長におけるピッチである。波長範囲980nm〜1550nmの場合、P1は1550nmにおけるピッチであり、P2は980nmおけるピッチであり、ここでP1/2は1310nmにおけるピッチである。波長範囲486nm〜656nmの場合、P1は656nmにおけるピッチであり、P2は486nmおけるピッチであり、ここでP1/2は587nmにおけるピッチである。表2では、レンズA(本発明の一実施形態)とレンズB(従来技術)を上記波長範囲のΔP/Pについて比較したものである。表2は、従来のレンズBと比較してレンズAの方が低いΔP/Pを有していることを示している。本発明の一実施形態にしたがえば、本発明のコリメータに使用するのに適したGRINレンズは、例えば波長範囲980nm〜1550nmにわたる赤外スペクトル領域では、0.005未満のΔP/Pを有し、例えば波長範囲486nm〜656nmにわたる可視波長範囲では、0.025未満のΔP/Pを有する。
一実施形態において、色収差の低いGRINレンズ106は銀の含有量が高いホウケイ酸ガラスから作られる。下記の組成範囲のガラスバッチをこのGRINレンズに使用してもよい:15〜60重量%のSiO2、10〜30重量%のAl2O3、30〜50重量%のAg2O、および10〜45重量%のB2O3。ガラスバッチは省略可能な他の成分を含むこともできる。Ag2Oの含有量が高いほど、GRINレンズの屈折率が高くなる。下記の組成範囲を有するガラスバッチにより、所望の結果を備えたGRINレンズを実現した:34.89〜35.31重量%のSiO2、16.47〜16.73重量%のAl2O3, 34.55〜34.85重量%のAg2O、および13.95〜14.25重量%のB2O3。文献引用によってその開示内容を本願に組み込んだものとする国際公開第02/14233号パンフレットには、銀の含有量が高いホウケイ酸ガラスを作るのに適した方法が記載されている。
GRINレンズのBFLは、上記式(2)に示されているように屈折率分布パラメータ√Aの関数である。図3は、本発明の一実施形態によるレンズAと従来のレンズBおよびCを、波長の関数としての√Aの変化について比較したものである。レンズAは、次の組成範囲を有するガラスバッチから作られている:34.89〜35.31重量%のSiO2、16.47〜16.73重量%のAl2O3、34.55〜34.85重量%のAg2O、および13.95〜14.25重量%のB2O3。従来のレンズBおよびCは、タリウムを含むソーダ石灰ガラスから作られている。レンズA、BおよびCの結像力は1.8である。図3から、波長の関数としての√Aは、レンズAの方が、従来のレンズB,Cより低い限界値まで変化することが分かる。レンズAおよびBの分散係数B、C、K0、K1およびK2を以下の表3に示す。表3には、レンズAおよび従来レンズBの、√Aならびに1310nmおよび1550nmのBFLも示されている。
従来レンズBを組み込んだコリメータを1550nmで有効動作するように設計したと仮定する。このコリメータは、ファイバ−レンズ間距離0.2423mm、レンズピッチ0.23を有するであろう。この同じコリメータを1310nmで使用した場合、1550nmでピッチ0.23であるレンズの長さは、表3に示されているように、1310nmではピッチ0.23066となる。ピッチ0.23066の場合のBFLは0.2335となり、この値は1550nmのBFLと8.9μmの差がある。本発明の一実施形態にしたがうレンズAを含むコリメータを1550nmで有効動作するように設計した場合、コリメータのファイバ−レンズ間距離は、ピッチ0.23の場合に0.2723mmとなる。この同じコリメータを1310nmで使用した場合、1550nmでピッチ0.23を出していたレンズの長さは、上記表3に示されているように、1310nmではピッチ0.23028を出す。ピッチ0.23028の場合のBFLは0.2680であり、この値は1550nmのBFLと4.3μmの差で、従来レンズBを組み込んだコリメータにおけるBFLずれの半分以下である。このBFLのずれの減少は、レンズAが従来レンズBと比較して低い色収差を有していることを示唆するものである。
本発明の一実施形態にしたがうレンズAおよび従来レンズBを組み込んだ各コリメータの性能をZemax(登録商標)光線追跡プログラムを使用して試験した。図4は、1550nmで有効動作するように設計されたコリメータの、さまざまな波長におけるBFLの違いを示す。このようなシステムにおいて、1310nmの場合、従来レンズBではBFLの差が9.4μmで、レンズAでは3.4μmとなる。これは、上記表3に示される計算を裏付けるものであり、観察される性能差は、前述の例で示される例より大きくなり得ることを示唆するものである。下記の表4は、予測モデルを使用して、レンズAおよび従来レンズBを組み込んだコリメータのBFLを、さまざまな波長範囲について比較するものである。測定誤差内(約3μm)で、レンズAを組み込んだコリメータのBFLと従来レンズBを組み込んだコリメータのBFLの間に測定可能な差が存在することがデータから分かる。詳細には、レンズBと比較してレンズAの色収差が低いことにより、レンズAのBFL変化の方がはるかに小さくなる。
コリメータの性能はBFLの違いに非常に敏感である。図5は、レンズAおよび従来レンズBの最適状態からのBFLのずれと比較した挿入損失の測定値を示す。この例では、コリメータを1550nmで調整した。ずれが9μm(レンズB)の場合は0.4dBより大きい挿入損失が生じるが、ずれが4.5μm(レンズA)の場合は0.2dBより小さい挿入損失となる。これは総挿入損失であり、このことは、レンズAまたはレンズAと同様の色収差を有するレンズを使用するコリメータは、波長範囲1310nm〜1550nmにわたって挿入損失が0.2dB未満であることを示す。レンズAでは、波長範囲の片側、すなわち1310nmまたは1550nm、でコリメータの調整を行った場合に、他方の側における挿入損失が0.4dBとなる。波長範囲の中央でコリメータの調整を行った場合、挿入損失は前述の波長範囲にわたって0.2dB未満となる。ピッチ0.25ピッチの計算によっても、レンズAと従来レンズBの間に同様の性能差が示される。
また、図4から、レンズAを組み込んだコリメータを1550nmで調整すると、980nmでのレンズに対するファイバの軸ずれが15μm未満となることも分かる。しかし、同じコリメータを全体波長範囲980〜1625nmの中央、すなわち1302nm、で調整すると、この軸ずれは、波長範囲の両側(980nmおよび1625nm)において15μmの半分(すなわち7.5μm)となる。図5の例は、7.5μmの軸ずれにより、980nmまたは1625nmにおける最大挿入損失が約0.38dBとなり、すなわち、980nm〜1625nmの全動作範囲にわたって挿入損失が0.42dB未満となることを示す。
従来レンズBのように高い色収差を有するレンズを用いて構成されたコリメータでは、1550nmすなわち2波長範囲用に最適化することも、範囲中央の波長について最適化することもできる。例えば波長範囲1310nm〜1550nmの場合、コリメータを1430nmで最適化させることが可能である。しかしながら、1430nmで最適化させたコリメータは、1310nmおよび1550nmにおいて性能が低下する。一方、本発明にしたがうレンズAなど、色収差を減少させたレンズを用いて構成されたコリメータは、波長範囲の中央、例えば1430nmで最適化させることができ、また、この装置は1430nmにおいても、波長範囲両側、例えば1310nmおよび1550nmにおいても有効に作用する。
本発明にしたがってレンズの色収差を減少させることは、1310nmおよび1550nmにおける2波長用途のコリメータだけでなく、980nm〜1625nmにおける複数波長帯域用途のコリメータを作成する上で有利である。レンズの色収差が低いことにより、波長範囲全体の最適位置からレンズのBFLの変化を減少させることとなり、これにより、波長範囲全体にわたってコリメータの性能向上、例えば挿入損失低減、がもたらされる。本発明によるコリメータは複数波長にわたって使用できるので、1310nmと1550nmの両方で動作する製品または980〜1625nmの全波長範囲にわたって複数波長帯域で動作する製品を複数種類保管することに対し、1種類の製品を保管することによって在庫水準が少なくなり、最小在庫管理単位処理が改善される。
当業者には、本発明の範囲および精神から逸脱せずに本発明に対してさまざまな変更および変形を施せることが分かるであろう。例えば、図面には波長1310nmおよび1550nmにおけるレンズの光学性能を示されているが、本発明は特定の使用波長に限定されるものではなく、他の波長も本発明の範囲内であることが分かるであろう。したがって、本発明の変更および変形が添付特許請求項またはそれらの等価物の範囲内に入れば、そのような変更および変形は本発明に包含されるものとする。
限られた数の実施形態に関して本発明を説明したが、本開示の恩恵を浴する当業者であれば、本明細書に開示された本発明の範囲を逸脱しない別の実施形態が案出され得ることを認めるであろう。したがって、本発明の範囲は添付される特許請求の範囲によってのみ限定されるべきである。
100 コリメータ
102 ファイバ
104 フェルール
106 GRINレンズ
102 ファイバ
104 フェルール
106 GRINレンズ
Claims (10)
- 光ファイバと、
前記光ファイバの一端に対して一定の距離に配置され、赤外スペクトル領域の選択範囲にわたって0.01よりより小さい選択ピッチで色収差を有する屈折率分布型レンズと
を有することを特徴とする、複数波長で使用するためのコリメータ。 - 前記屈折率分布型レンズが、前記赤外スペクトル領域の前記選択範囲にわたって0.005より小さいピッチ変化を有することを特徴とする請求項1に記載のコリメータ。
- 前記赤外スペクトル領域の前記選択範囲が980nm〜1550nmであることを特徴とする請求項1に記載のコリメータ。
- 前記屈折率分布型レンズが、可視スペクトル領域の選択範囲にわたって0.035より小さい選択ピッチで色収差を有することを特徴とする請求項1に記載のコリメータ。
- 前記屈折率分布型レンズは、前記可視スペクトル領域の前記選択範囲にわたって0.025より小さいピッチ変化を有することを特徴とする請求項4に記載のコリメータ。
- 前記可視スペクトル領域の前記選択範囲が486nm〜656nmであることを特徴とする請求項5に記載のコリメータ。
- 前記屈折率分布型レンズが銀を含むことを特徴とする請求項1に記載のコリメータ。
- 前記屈折率分布型レンズが30〜50重量%のAg2Oを含むことを特徴とする請求項1に記載のコリメータ。
- 980nm〜1550nmの波長範囲にわたって挿入損失が約0.42dBであることを特徴とする請求項1に記載のコリメータ。
- 1310nm〜1550nmの波長範囲にわたって挿入損失が約0.2dBであることを特徴とする請求項1に記載のコリメータ。
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