JP2007052054A - 光ファイバデバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 安価に構成でき、かつ反射戻り光を十分に低減できる光ファイバデバイスを提供する。
【解決手段】 先端が対向配置された２本のシングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）１１と先端間に介在される光機能素子を有し、ＳＭＦ１１は先端にロッドレンズ１３を具備し、ロッドレンズ１３の先端面に無反射多層膜が形成されている光ファイバデバイスにおいて、２つのロッドレンズ１３が同一の屈折率分布を有し、共に内部を伝播する光のモードフィールド径が極大をなす位置とその極大の次に極小となる位置との略中点に先端面が軸と垂直に形成されているものとし、両ロッドレンズ１３の先端面を一方の先端面から出射した光がビームウエストを形成する点に対して対称に配置する。反射光１，２のＳＭＦ１１への大きな結合損失が得られる。
【選択図】 図１

Description

この発明は先端が互いに対向配置されて光結合される２本の光ファイバ（シングルモード光ファイバ）と、それら先端間に介在される光機能素子とを有する光ファイバデバイスに関する。

先端が互いに対向配置された光ファイバの先端間に構成される光路中に、例えば可動ミラーや可動シャッタ等、あるいは固定された光フィルタ等の、伝播光に対し目的に応じた作用を奏する光機能素子を介在させてなる光ファイバデバイスが各種提案、実用化されている。
このような光ファイバデバイスにおいては光ファイバ端面で反射して光ファイバに再入射する反射戻り光は雑音の原因となることから、そのような反射戻り光を低減することが性能上、重要な問題となっている。

特許文献１には先端が対向配置された光ファイバの先端間に可動ミラーが配され、可動ミラーを光路に対し、挿抜することにより光路切り替えを行えるようにした光ファイバデバイスが記載されており、この特許文献１には光ファイバ端面での反射戻り光を低減すべく、光ファイバ端面に反射防止膜を形成すること、さらには光ファイバ端面及びミラーをマッチングオイル（屈折率整合剤）に浸漬して界面の屈折率差をなくすことが記載されている。
また、特許文献２には特許文献１と同様、可動ミラーにより光路切り替えを行う光ファイバデバイスにおいて、反射戻り光を低減すべく、光ファイバの端面に斜め研磨を施すことが記載されている。

さらに、特許文献３には光ファイバを接続する光ファイバコネクタにおいて、接続される光ファイバの端面にそれぞれロッドレンズを取り付け、それらロッドレンズのピッチを調整することで光ファイバ端面の斜め研磨を用いることなく、端面反射光を低減することが記載されている。
一方、光ファイバ先端間に光機能素子を配置する光ファイバデバイスにおいては、光ファイバ先端にレンズを備えることにより、光機能素子に照射される光スポットサイズを縮小したり、光機能素子までのワーキングディスタンスを変える自由度を持たせることが行われている。特許文献４には光ファイバの端面に屈折率が一様なスペーサを接続し、そのスペーサの他端面にグレーデッドインデックス光ファイバを接続することで、上述の光スポットサイズやワーキングディスタンスを互いに独立して可変できるようにした構成が記載されている。
米国特許第６，３１５，４６２号明細書 特開２００５−３７８８５号公報 特開昭５６−３９５０７号公報 特開２００３−４３２７０号公報

上述したように、光ファイバ端面での反射戻り光を低減するための方法として、光ファイバ端面に反射防止膜を形成したり光ファイバ端面を屈折率整合剤に浸漬するといった方法があり、これらは反射光そのものを低減するものであるが、その反射低減性能には限界がある。例えば、今日の技術水準で最高性能の反射防止膜（無反射多層膜）を用いたとしても、その反射減衰は４５ｄＢ程度が上限であり、屈折率整合剤浸漬法でも同程度である。
これに対し、光ファイバ端面の斜め研磨は反射光の光ファイバへの再入射を抑制するものであって、反射結合損失は６０ｄＢに達し、光ファイバデバイスにとって十分な値が得られる。しかしながら、光ファイバ端面を斜めに研磨するといった工程が必要であって、この研磨工程のコストに加え、この斜め研磨された光ファイバ端面からは光が斜めに出射するため、それに対応する光結合系の設計や調芯作業が複雑・困難になり、また光が斜めに出射することによって諸制約が生じる不利がある。加えて、透過光の効率の点で上述の反射光そのものを低減する方法に比べて劣るという欠点もある。

一方、特許文献３は光ファイバ端面の斜め研磨に替えて所要のピッチに調整したロッドレンズを用いることで反射光を低減するものとなっているものの、この特許文献３に記載された構成は光ファイバコネクタであって、光ファイバ先端間に間隙を設けて光機能素子を介在させる構成の光ファイバデバイスには適用することはできない。
なお、光ファイバ端面を斜め研磨せず、反射戻り光の十分な低減作用のある光ファイバ端末構造として、コアを直接球面にした先球光ファイバがあるが、ワーキングディスタンスが極めて短く、また出射光のビームウエスト径も極めて小さく、これらの点で光学系の設計自由度が小さいといった欠点がある。加えて、そのような３次元的形状を正確に制御して形成することは容易ではなく、その点でコストがかかるものとなっている。

一方、光スポットサイズやワーキングディスタンスに関して高い自由度が得られる光ファイバ端末構造が特許文献４に記載されているものの、この特許文献４には反射戻り光を低減させることについては何ら記載されていない。
この発明の目的は上述したような状況に鑑み、端面斜め研磨を用いることなく、反射戻り光を十分に低減できるようにし、よって良好な性能を有し、かつ安価に構成することができる光ファイバデバイスを提供することにある。

請求項１の発明によれば、先端が互いに対向配置されて光結合される２本のシングルモード光ファイバと、それら先端間に介在される光機能素子とを有する光ファイバデバイスであって、２本のシングルモード光ファイバはそれぞれ先端にロッドレンズを具備し、それらロッドレンズの先端面にそれぞれ無反射多層膜が形成されている光ファイバデバイスにおいて、上記２つのロッドレンズは同一の屈折率分布を有し、共に、そのロッドレンズを具備するシングルモード光ファイバから出射されてロッドレンズの内部を伝播する光のモードフィールド径が極大をなす位置と、そのロッドレンズが軸方向に延長されていると仮定した場合にその伝播光の伝播方向においてモードフィールド径が上記極大の次に極小となる位置との略中点に、上記先端面が上記軸と垂直に形成されており、上記両先端面は一方の先端面から外部へ出射した光がビームウエストを形成する点に対して対称に配置されているものとされる。

請求項２の発明によれば、先端が互いに対向配置されて光結合される２本のシングルモード光ファイバと、それら先端間に介在される光機能素子とを有する光ファイバデバイスであって、２本のシングルモード光ファイバはそれぞれ先端にロッドレンズを具備し、それらロッドレンズの先端面及び光機能素子が屈折率整合剤中に浸漬されている光ファイバデバイスにおいて、上記２つのロッドレンズは同一の屈折率分布を有し、共に、そのロッドレンズを具備するシングルモード光ファイバから出射されてロッドレンズの内部を伝播する光のモードフィールド径が極大をなす位置と、そのロッドレンズが軸方向に延長されていると仮定した場合にその伝播光の伝播方向においてモードフィールド径が上記極大の次に極小となる位置との略中点に、上記先端面が上記軸と垂直に形成されており、上記両先端面は一方の先端面から外部へ出射した光がビームウエストを形成する点に対して対称に配置されているものとされる。

請求項３の発明では請求項１又は２の発明において、ロッドレンズがシングルモード光ファイバと同一径の短尺グレーデッドインデックス光ファイバよりなるものとされる。
請求項４の発明では請求項１乃至３のいずれかの発明において、ロッドレンズが短尺のスペーサを介してシングルモード光ファイバの先端に接続され、スペーサはシングルモード光ファイバと同一径で屈折率が一様な光ファイバよりなるものとされる。
請求項５の発明では請求項１乃至３のいずれかの発明において、シングルモード光ファイバと、それに具備されるロッドレンズとが間隔を隔てて同一の溝上に搭載固定され、上記間隔に屈折率整合剤が充填されているものとされる。

この発明によれば、雑音の原因となる反射戻り光を十分に低減することができ、よって良好な性能を有する光ファイバデバイスを得ることができる。
また、反射戻り光の低減対策として従来用いられていた光ファイバ端面の斜め研磨や先球加工といった面倒でコストがかかり、かつ光結合系の設計に制約が生じる方法と異なり、垂直端面のままで所要の性能を実現できるため、その点で安価な光ファイバデバイスを実現することができる。

以下、この発明の実施形態について説明する。
図１はこの発明の一実施形態における２本のシングルモード光ファイバの端末構造、配置関係及び光の軌跡を模式的に示したものであり、２本のシングルモード光ファイバ１１の先端にはそれぞれ短尺のスペーサ１２を介してロッドレンズ１３が接続されており、それらロッドレンズ１３の先端面が互いに対向配置されている。
スペーサ１２はこの例ではシングルモード光ファイバ１１と同一径で屈折率が一様な光ファイバよりなるものとされ、ロッドレンズ１３はシングルモード光ファイバ１１と同一径の短尺グレーデッドインデックス光ファイバよりなるものとされる。対向配置された２つのロッドレンズ１３は同一の屈折率分布を有するものとされる。

このようなシングルモード光ファイバ１１の端末構造はスペーサ１２及びロッドレンズ１３をそれぞれ融着接続することによって作製され、具体的には以下に示すような工程（１）〜（４）によって作製することができる。
（１）スペーサ１２用の光ファイバとロッドレンズ１３用のグレーデッドインデックス光ファイバとをそれぞれ長尺のまま融着接続する。
（２）スペーサ１２用の光ファイバを例えば応力切断器を用いて所定の長さに切断し、短尺化してスペーサ１２を構成する。

（３）スペーサ１２の切断面に長尺のシングルモード光ファイバ１１を融着接続する。
（４）ロッドレンズ１３用のグレーデッドインデックス光ファイバを例えば応力切断器を用いて所定の長さに切断し、短尺化してロッドレンズ１３を構成する。これにより、図１に示したようなシングルモード光ファイバ１１の端末構造が完成する。
この図１に示したような構成において、一方のシングルモード光ファイバ１１を伝播してきた光はスペーサ１２及びロッドレンズ１３を伝播してロッドレンズ１３の先端面から出射し、対向する他方のロッドレンズ１３の先端面に入射してロッドレンズ１３及びスペーサ１２を伝播し、他方のシングルモード光ファイバ１１に至る。図１中、実線はこのように伝播する透過光の軌跡を示したものであり、破線は透過光の出射側のロッドレンズ１３の先端面（出射端面）で反射された反射光１の軌跡を示す。

ロッドレンズ１３の内部を伝播する光のモードフィールド径は図１に示したようにその伝播方向（ロッドレンズ１３の軸方向）において周期的に変化する。この例ではロッドレンズ１３の先端面はそのロッドレンズ１３を具備するシングルモード光ファイバ１１から出射されてロッドレンズ１３の内部を伝播する光のモードフィールド径が極大をなす位置と、そのロッドレンズ１３が軸方向に延長されていると仮定した場合にその伝播光の伝播方向においてモードフィールド径が上記極大の次に極小となる位置との中点に、軸と垂直に形成されている。

このような「中点」位置にロッドレンズ１３の先端面を設けると、図１に示したようにその先端面で反射された反射光１がシングルモード光ファイバ１１の端面を再照射する時のモードフィールド径が最大化され、よって反射戻り光のシングルモード光ファイバ１１への再結合効率が最小化される。
これに対し、図２は比較例としてロッドレンズ１３の先端面から出射する光（透過光）が平行光となるようにロッドレンズ１３の長さが規定され、つまりロッドレンズ１３の先端面の位置が規定されている場合を示したものであり、この図２の場合、反射光１はほぼ全てシングルモード光ファイバ１１に再入射してしまう。

図３はロッドレンズ１３の長さに対する反射光１のシングルモード光ファイバ１１への再結合効率をシミュレーションにより求めた結果（線）及び実験により得た結果（点）を示したものであり、縦軸は反射光１の結合損失として示している。なお、図３ではスペーサ１２の長さを変え、長さが３００μｍの場合と１５０μｍの場合と０μｍの場合（スペーサ１２がない場合：ロッドレンズ１３を直接シングルモード光ファイバ１１に融着接続した場合）の３通りについて示している。
この図３におけるシミュレーション曲線の極大点はロッドレンズ１３の先端面が上述した「中点」に位置された場合であり、ロッドレンズ１３の先端面をこのように「中点」に位置させた場合、反射光の大きな結合損失を得ることができ、つまり反射戻り光の低減において最適点となる。なお、この図３よりスペーサの長さを長くすることで、より大きな結合損失が得られることがわかる。

ところで、この発明の実施にあたっては、例えば光スポットサイズやワーキングディスタンス等の他の性能・特性に対する要求から、反射光の結合損失の最適点にロッドレンズの先端面を位置させることができない場合が起こりうる。このような場合をふまえ、ロッドレンズ１３の先端面は厳密に上記「中点」に位置させなくてもよく、略中点に、つまり中点近傍の反射戻り光低減の十分な作用を得る範囲内にロッドレンズ１３の先端面を位置させればよいこととする。
即ち、図１では図示を省略しているが、ロッドレンズ１３の先端面には無反射多層膜（反射防止膜）が形成されているものとされ、この無反射多層膜と上述したようなロッドレンズ１３の先端面の位置規定とを併用することによって、この例では反射戻り光の低減を図るものとなっている。以下、この点について説明する。

無反射多層膜による反射減衰の性能は前述したように４５ｄＢ程度が限界である。一方、高性能・高精度の光ファイバデバイスにおいては、反射光の結合損失は５０ｄＢ程度の性能が要求される。従って、ロッドレンズ１３の先端面の位置規定による反射光の結合損失として少なくとも５ｄＢ以上の値が得られれば、これと無反射多層膜との併用によって光ファイバデバイスとして必要な５０ｄＢの反射結合損失を得ることができる。これに基づいて、例えば図３に示したシミュレーション曲線において、反射光の結合損失の値が５ｄＢ以上となる領域からロッドレンズ１３の長さを選定し、先端面の位置を規定すればよい。

次に、対向する２つのロッドレンズ１３の配置関係について説明する。
一方のシングルモード光ファイバ１１の先端に設けられたロッドレンズ１３から出射した光は境界条件のない空間を図１に示したように光ビームのフィールド径を縮小させながら伝播してある距離でビームウエストを形成し、そのビームウエストを中心に再び対称にフィールド径が拡大する光ビームを形成する。通常はビームウエストの位置に光機能素子を配置して、ロッドレンズ１３からビームウエストまでの距離がワーキングディスタンスとなる。

ここで、対向する２つのロッドレンズ１３の先端面がそれぞれ上述したような「中点」にあり、つまり最適点にある時、一方のロッドレンズ１３の先端面から外部へ出射した光がビームウエストを形成する点に対して両ロッドレンズ１３の先端面を対称に配置すれば、対向する何れの側のシングルモード光ファイバ１１からの伝播光もそのロッドレンズ１３の出射端面での反射戻り光が上述のとおりに低減されるのみならず、入射側（結合相手側）のロッドレンズ１３の先端面で生じる反射光も、その反射光が出射側のシングルモード光ファイバ１１の端面を再照射する時のモードフィールド径が十分拡大されて、その反射戻り光の再結合効率を十分に低減することができる。図１中、一点鎖線はこのように入射側のロッドレンズ１３の先端面（入射端面）で反射された反射光２の軌跡を示す。なお、両ロッドレンズ１３の先端面は厳密に「中点」に位置していなくてもよく、上述したように略中点に位置していればよい。

以上、図１に示した構成において、反射戻り光の低減効果について説明したが、この発明の好ましい実施形態においては、無反射多層膜による反射減衰性能４５ｄＢ程度と、ロッドレンズ１３の先端面の位置規定の最適化による反射結合損失１０数ｄＢ以上（例えば図３におけるスペーサ長さが３００μｍの場合）とが加算されて、反射結合損失は最終的に６０ｄＢレベルに達するものとなり、よって垂直端面のままで、例えば光ファイバ端面の斜め研磨や先球加工のような端面形状の３次元構造による反射戻り光の低減性能に比肩するものとなる。

次に、光ファイバデバイスの具体的構成例について説明する。
図４は上述したような構成とされてスペーサ１２及び先端面に無反射多層膜が形成されたロッドレンズ１３を端末に具備する２本のシングルモード光ファイバ１１間に光機能素子として可動ミラー２１が配置された光ファイバデバイスを示したものである。可動ミラー２１はビームウエスト位置に配置され、光路への挿入位置で光ビームを遮断する際に反射光が光ファイバに戻らないよう、ミラー面は斜めとされている。
図５は光機能素子として光フィルタ２２を有する光ファイバデバイスを示したものであり、光フィルタ２２は光学多層膜よりなり、基板２３上に成膜形成されている。なお、この例では光フィルタ２２を形成した基板２３を反射対策として光路に対し斜めに固定すると、透過光は軸ズレするので、対向する２つのシングルモード光ファイバ１１の端末は一直線上に整合されず、基板２３中に偏向を受けて形成されるビームウエストを中心に対称な位置に２つのロッドレンズ１３の先端面が図５に示したように配置される。

光ファイバデバイスにおいて配備される光機能素子はこれら可動ミラーや光フィルタに限らない。例えば、光スイッチとして機能する可動ミラーに替えて可動シャッタを配置すれば、光減衰器を構成することができる。
以上、説明した光ファイバデバイスにおいては、シングルモード光ファイバ１１とロッドレンズ１３との間にスペーサ１２を設けているが、スペーサ１２は必ずしも設けなくてもよい。しかしながら、このようなスペーサ１２を具備することにより、光スポットサイズやワーキングディスタンスに関して高い自由度を得ることができ、さらにより大きな反射光の結合損失を得ることができる。

また、ロッドレンズ１３の先端面に反射低減のために無反射多層膜を形成しているが、これに替え、ロッドレンズ１３の先端面及び光機能素子を屈折率整合剤中に浸漬する構成としてもよく、これによっても前述したように無反射多層膜と同程度の反射減衰性能を得ることができ、ロッドレンズ１３の先端面の位置規定との併用により光ファイバデバイスとして必要な５０ｄＢの反射結合損失を得ることができる。
さらに、スペーサ１２に替え、シングルモード光ファイバ１１とロッドレンズ１３との間に屈折率整合剤が存在するような構成とすることもできる。この場合は例えばＶ溝等の位置決め溝を形成した基板を用意し、その溝にシングルモード光ファイバ１１の端部とロッドレンズ１３とを所定の間隔を隔てて搭載して例えばＵＶ（紫外線硬化型）接着剤で固定し、上記間隔に屈折率整合剤を充填する構造とすればよい。なお、この場合の好適な構成は例えば基板上に両シングルモード光ファイバ１１、ロッドレンズ１３及び光機能素子その他必要な部品を搭載し、その基板を基板ごと屈折率整合剤に浸漬して光路となる空隙に屈折率整合剤が全て充填されるようにして封止するようにすればよく、これによってロッドレンズ１３の先端面の無反射多層膜の形成を不要とすることができる。

なお、この発明による光ファイバデバイスにおいて用いる２つのロッドレンズ１３は２本のシングルモード光ファイバ１１の先端におけるモードフィールドのマッチングのために前述したように基本的に同一の屈折率分布を有するものとされるが、長さについてはその内部を伝播する光のモードフィールド径の変化周期の整数倍分の差を有してもよいことになる。但し、実際には２つのロッドレンズ１３は同一長さのものを用いるのが製造面から好ましい。

この発明の一実施形態を説明するための図。 図１に対する比較例を示す図。 ロッドレンズの長さと反射光の結合損失との関係を示すグラフ。 この発明による光ファイバデバイスの一実施例を説明するための図。 この発明による光ファイバデバイスの他の実施例を説明するための図。

Claims (5)

1. 先端が互いに対向配置されて光結合される２本のシングルモード光ファイバと、それら先端間に介在される光機能素子とを有する光ファイバデバイスであって、
   上記２本のシングルモード光ファイバはそれぞれ先端にロッドレンズを具備し、それらロッドレンズの先端面にそれぞれ無反射多層膜が形成されている光ファイバデバイスにおいて、
   上記２つのロッドレンズは同一の屈折率分布を有し、共に、そのロッドレンズを具備する上記シングルモード光ファイバから出射されてロッドレンズの内部を伝播する光のモードフィールド径が極大をなす位置と、そのロッドレンズが軸方向に延長されていると仮定した場合にその伝播光の伝播方向においてモードフィールド径が上記極大の次に極小となる位置との略中点に、上記先端面が上記軸と垂直に形成されており、
   上記両先端面は一方の先端面から外部へ出射した光がビームウエストを形成する点に対して対称に配置されていることを特徴とする光ファイバデバイス。
2. 先端が互いに対向配置されて光結合される２本のシングルモード光ファイバと、それら先端間に介在される光機能素子とを有する光ファイバデバイスであって、
   上記２本のシングルモード光ファイバはそれぞれ先端にロッドレンズを具備し、それらロッドレンズの先端面及び上記光機能素子が屈折率整合剤中に浸漬されている光ファイバデバイスにおいて、
   上記２つのロッドレンズは同一の屈折率分布を有し、共に、そのロッドレンズを具備する上記シングルモード光ファイバから出射されてロッドレンズの内部を伝播する光のモードフィールド径が極大をなす位置と、そのロッドレンズが軸方向に延長されていると仮定した場合にその伝播光の伝播方向においてモードフィールド径が上記極大の次に極小となる位置との略中点に、上記先端面が上記軸と垂直に形成されており、
   上記両先端面は一方の先端面から外部へ出射した光がビームウエストを形成する点に対して対称に配置されていることを特徴とする光ファイバデバイス。
3. 請求項１又は２記載の光ファイバデバイスにおいて、
   上記ロッドレンズが上記シングルモード光ファイバと同一径の短尺グレーデッドインデックス光ファイバよりなることを特徴とする光ファイバデバイス。
4. 請求項１乃至３記載のいずれかの光ファイバデバイスにおいて、
   上記ロッドレンズは短尺のスペーサを介して上記シングルモード光ファイバの先端に接続され、
   上記スペーサは上記シングルモード光ファイバと同一径で屈折率が一様な光ファイバよりなることを特徴とする光ファイバデバイス。
5. 請求項１乃至３記載のいずれかの光ファイバデバイスにおいて、
   上記シングルモード光ファイバと、それに具備される上記ロッドレンズとが間隔を隔てて同一の溝上に搭載固定され、
   上記間隔に屈折率整合剤が充填されていることを特徴とする光ファイバデバイス。

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