JP2008170471A - ファイバレンズ、ファイバレンズアレイ、ファイバコリメータおよび光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】製造が容易で、小型の光通信用機器や光センシングシステム用機器を構成することが可能なファイバレンズ、ファイバレンズアレイ、ファイバコリメータおよび光モジュールを提供すること。
【解決手段】本発明のファイバレンズ７は屈折率分布型ファイバレンズ２と、回折格子６を有し、一端面が屈折率分布型ファイバレンズ２の一方端面に接合されているとともに他端面が屈折率分布型ファイバレンズ２の中心軸の垂直面に対して傾斜して成るファイバ状の位相格子１とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信用機器や光センシングシステム用機器に使用するファイバレンズ、ファイバレンズアレイ、ファイバコリメータおよび光モジュールに関する。

光通信用機器の光回路の小型・集積化に向けて、各種の光通信用部品が使用されている。光通信用部品としては、光分岐・光結合機能を有するものがあり、その一例として、図８に示したものがある（たとえば特許文献１参照）。同図に示した光分岐・結合器９９は、直方体プリズム９０に４つのファイバコリメータ９１，９２，９３，９４を接続したものである。

直方体プリズム９０は、六角プリズム９５と２つの直角プリズム９６を含んでおり、これらの斜面にハーフミラー９７，９８を形成したものである。ファイバコリメータ９１〜９４は、光ファイバ９１Ａ〜９４Ａの端部にロッドレンズ９１Ｂ〜９４Ｂを接続したものである。光ファイバ９１Ａ，９４Ａは光を入力させるものであり、光ファイバ９２Ａ，９３Ａは光を出力させるものである。

この光分岐・結合器９９では、光ファイバ９１Ａから入力される光がロッドレンズ９１Ｂで平行光化された後、一部がハーフミラー９７を透過する一方で、一部がハーフミラー９７で反射される。すなわち、ハーフミラー９７では、光ファイバ９１Ａから入力された光が分岐させられる。

ハーフミラー９７を透過した光は、直角プリズム９６を透過してロッドレンズ９２Ｂで集光されてから光ファイバ９２Ａに入力される。これに対して、ハーフミラー９７で反射された光は、ハーフミラー９８で反射した後、ロッドレンズ９３Ｂで集光されてから光ファイバ９３Ａに入力される。

一方、光ファイバ９４Ａから入力される光は、ロッドレンズ９４Ｂで平行光化された後にハーフミラー９８を透過し、ロッドレンズ９３Ｂで集光されてから光ファイバ９３Ａに入力される。すなわち、光ファイバ９３Ａにおいては、光ファイバ９１Ａから入力される光と光ファイバ９４Ａから入力される光が結合される。
特許２６１１８１２号公報 特願２００５−３７１５２３号公報

光分岐・結合器９９では、光路を適切に確保し、光ファイバ９１Ａ，９４Ａから入力された光を有効に利用するためには、ロッドレンズ９１Ｂ〜９４Ｂの光軸を精密に位置調整する必要ある。しかしながら、ロッドレンズ９１Ｂ〜９４Ｂを六角プリズム９５や直角プリズム９６に正確に位置決めして接続するのは困難であるために作業性が悪く、ロッドレンズ９１Ｂ〜９４Ｂの位置決めが不正確な場合には、光ファイバ９１Ａ，９４Ａから入力された光の利用効率が著しく低下する。

さらに、光分岐・結合器９９では、ロッドレンズ９１Ｂ〜９４Ｂを使用しているが、ロッドレンズ９１Ｂ〜９４Ｂは比較的に焦点距離が大きく、目的とするレンズ機能を発揮させるために必要なレンズ長が比較的に大きい。その上、焦点距離が比較的に大きいために、六角プリズム９５や直角プリズム９６において、光路を比較的に大きく設定する必要があり、直方体プリズム９０のサイズが大きくなる。その結果、光通信用機器や光センシングシステム用機器が大型化する。

そこで、本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、製造が容易で、小型の光通信用機器や光センシングシステム用機器を構成することが可能なファイバレンズ、ファイバレンズアレイ、ファイバコリメータおよび光モジュールを提供することを課題としている。

本発明のファイバレンズは、屈折率分布型ファイバレンズと、回折格子を有し、一端面が前記屈折率分布型ファイバレンズの一方端面に接合されているとともに他端面が前記屈折率分布型ファイバレンズの中心軸の垂直面に対して傾斜して成るファイバ状の位相格子とを具備することを特徴とする。

本発明のファイバレンズにおいて好ましくは、前記位相格子と前記屈折率分布型ファイバレンズとは融着接続されていることを特徴とする。

本発明のファイバレンズにおいて好ましくは、前記他端面と前記垂直面との成す角度をαとし、前記回折格子と前記中心軸との成す角度をγとし、前記位相格子の本体材料の屈折率をｎ１としたときに、２γ＝α−ｓｉｎ^−１｛（ｓｉｎα）／ｎ１｝であることを特徴とする。

本発明のファイバレンズアレイは、上記本発明のファイバレンズをホルダにアレイ状に設置固定したことを特徴とする。

本発明のファイバコリメータは、上記本発明のファイバレンズの前記屈折率分布型ファイバレンズの他方端面に光ファイバを接続したことを特徴とする（このファイバレンズの屈折率分布型ファイバレンズに光ファイバを接続したファイバコリメータを以下、第１のファイバコリメータという）。

本発明のファイバコリメータは、上記本発明のファイバレンズアレイの前記屈折率分布型ファイバレンズの他方端面に光ファイバを接続したことを特徴とする（このファイバレンズアレイの屈折率分布型ファイバレンズに光ファイバを接続したファイバコリメータを以下、第２のファイバコリメータという）。

本発明の光モジュールは、一対の上記本発明のファイバコリメータを、前記屈折率分布型ファイバレンズの中心軸同士が一致するとともに前記位相格子の前記他端面同士が対向するように配置して成ることを特徴とする。

本発明では、屈折率分布型ファイバレンズ、位相格子、光ファイバを一連に接続した構成とすることにより、各構成要素を融着させる等によって容易に接続することができ、製造工程が簡略化できる。

また、本発明のファイバレンズおよびファイバコリメータは、単体としてハンドリング容易な構成となっており、これらを部品として用いることにより、光通信用機器や光センシングシステム用機器を小型化することができる。

次に本発明のファイバレンズの実施形態について図に基づいて説明する。

図１は、本発明のファイバレンズの実施形態で所定の長さの屈折率分布型ファイバレンズ（以下、ＧＩファイバレンズともいう）２の片端にファイバ状の位相格子１を融着接続している。そして、図１はＧＩファイバレンズ２のもう一方の端に光ファイバ３を融着接続しており、これにより本発明の第１のファイバコリメータとなる。

使用するＧＩファイバレンズ２は、屈折率分布型のマルチモード光ファイバの製法で製作されるもので、クラッド径に対しコア径が大きく、その径比はクラッド径１に対し、コア径は０．９以上あり、クラッド径としては、１２５〜５００μｍ程度のものである。基本的な光学特性は、屈折率分布型レンズに類するもので、その長さＺは、数１で示される。

なお、位相格子１の本体材料の屈折率ｎ１とは、回折格子部以外の位相格子１の本体を構成する材料の屈折率をいる。

図１の実施例の場合、Ｐ＝０．２５で円柱形状にカットしたＧＩファイバレンズ２である。その片側端面に融着接続したファイバ状の位相格子１は、ある特定の波長の光を回折、偏向することができるもので、光軸に平行な光が位相格子１によって偏向された回折光４であり、光軸に対し角度（ω―α）で屈折した光が位相格子１を透過した入出射光５である。

こうした特性を有する位相格子１は、ある周期的な屈折率変動ｎ（ｘ）を有する間隔Λｉの回折格子６を有したものであり、その格子間隔Λｉは数２で示される。

位相格子への入射角の余角γ（回折格子とＧＩファイバレンズの中心軸との成す角度）は、ブラッグ回折条件の角度で、基本的に鏡面反射条件であり、高い回折効率を有し、通常こうした位相格子はブラッグ格子と呼ばれている。

屈折率変動ｎ（ｘ）は数３で示される。

ここで使用する位相格子１の本体材料としては、たとえばガラス材料やプラスチック材料等の媒体に屈折率を増大させるための光熱反応性材料を添加してＰＴＲ（Photo-Thermo-Refractive）ガラスとすることにより形成できる。

ＰＴＲガラスとしては、例えば媒体が石英ガラスの場合、光熱反応性材料としてはＧｅＯ_５、ＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３等が使用される。また、媒体が蛍光性のシリカガラスの場合、Ｇｅ、Ａｇ等が使用される。通常、ｎ（ｘ）値は、０．００１〜０．１の間にある。

その回折効率ηは、挿入損失があるものの、大方、入出射光（透過光）４と回折光５の強度比率：Ｐ１／（Ｐ０＋Ｐ１）により示すことができる（数４参照）。図３は、その回折効率特性を示したもので、中心波長λＢに対し、±（２．５〜５）ｎｍ程度のものが実現できる。その回折光の帯域幅は、屈折率変動ｎ（ｘ）の屈折率に依存する。

位相格子１の製法は通常、レーザ光を二つに分割、再度結合干渉させ、その際の周期的な強度変化を用いるホログラフィック干渉法と、間隔Λｍの位相シフトマスクを用いたフェイズマスク法がある。後者のフェイズマスク法の方が、安定的な製作ができ、ファイバ状材料の露光記録に適している。

図７は、位相の揃ったコヒーレントなＵＶ光（波長：３２０〜５００ｎｍ）の平行光を格子間隔Λｍの位相シフトマスク１２に入射、露光することより得るフェイズマスク法を示したもので、フェイズマスクによる回折光を位相格子材料１’に露光転写するものである。その関係式を数５に示す。

この場合、位相格子用材料の屈折率ｎ１とほぼ同じ屈折率を有するマッチングオイルなどの媒体内に傾斜して設置、位相格子用材料の角度をＸ軸に対し±γ傾斜、露光することにより容易に光軸に対し所定の角度±γ傾斜した位相格子を構成することができる。（特許文献２）その後、熱処理などの安定化処理をすることで屈折率変動を有する位相格子１として形成することができる
こうした位相格子１の回折条件を波長λ１に設定し、複数の波長光（例えばλ１、λ２）を有する入射光を、光ファイバ３から入射した場合、波長λ１、波長λ２の光は、Ｐ＝０．２５（ピッチ）長のＧＩファイバレンズ２で平行光に変換され、位相格子１に入射する。位相格子１に入射した光の内、波長λ１の光は、位相格子１内の回折格子６により回折され、位相格子端に入射角βで入射、屈折角αで光軸に平行に直進する。波長λ２の光は、平行光のまま位相格子１内を透過、端面に入射角αで入射、屈折角ωで透過する。ここでｎ１＞１の関係から、ω＞αである為、光軸に対し（ω―α）の方向に直進する。

尚、位相格子１により回折・偏向する光軸に平行な回折光４は、ＧＩファイバレンズ２の光軸に対しΔＳ＝Ｔ・ｔａｎ（２γ）シフトする。（ここで、Ｔは位相格子１の光軸上の長さである）
本発明のファイバレンズ７は、先端部の位相格子１の他端面（ＧＩファイバレンズ２と反対側の端面）が角度α傾斜していることによって、位相格子１内の回折格子６の傾斜角を調整することにより、ＧＩファイバレンズ２の軸方向に近い方向の光を入出射することができる。特に、位相格子１の他端面とＧＩファイバレンズ２の中心軸の垂直面との成す角度α、回折格子６とＧＩファイバレンズ２の中心軸の垂直面との成す角度γ、および位相格子１の本体材料の屈折率ｎ１の関係が２γ＝α−ｓｉｎ^−１｛（ｓｉｎα）／ｎ１｝である場合に、所定の波長の入出射光は、ＧＩファイバレンズ２の中心軸に対し平行に入出射することができ、光モジュールとして位置調整する際、ファイバレンズ同士の角度調整が単純になり、実装時の位置あわせが非常に容易になる。

また、ＧＩファイバレンズ２を、その中心軸に対して両端面が垂直面である円柱状とすることによって、ＧＩファイバレンズ２の一部を除去することなく良好に位相格子１との界面で中心軸に対して平行な平行光を入出射することができ、レンズ機能を最大限に発揮することができる。

また、ファイバ状のレンズ（ＧＩファイバレンズ２）の端面に位相格子１が装着されているため、フィルタ機能を併せもち、別途フィルタ素子を装着する必要性がなく、小型化が可能となる。

なお、ファイバ状の位相格子、ＧＩファイバレンズ、又接続用の光ファイバ等、全て融着接続をすれば、各部の屈折率を整合させることにより、反射減衰のきわめて少ない低損失な光学系として構成できる。さらに、各部を融着接続するため、光路上に接着剤がなく、経時劣化による損失増大が抑えられ、高信頼な光学系として実現できる。

図４は、本発明のファイバレンズアレイ８の実施形態で、図４（ａ）は正面図、図４（ｂ）はＡ−Ａ’線の断面図である。ファイバレンズアレイ８は本発明のファイバレンズ７を端面角度α、間隔Ｐを有する４芯ホルダ８’内に固定実装したフィルタ機能を有するファイバレンズアレイ８として構成したものである。ホルダ８’形状は、図示したような精密穴を有するものでもよいが、Ｖ溝上に固定実装した構成のものでもよい。このような構成をとることにより、多芯のフィルタ機能付きファイバレンズアレイ８として構成でき、各位相格子１の回折特性を変えることで、異なる波長の光を光軸に平行に出力することができる。

図５は、図４で示した本発明のファイバレンズアレイ８に光ファイバ３を接続することにより構成した本発明の第２のファイバコリメータ１０であり、図５（ａ）はその平面図、図５（ｂ）はＢ−Ｂ’断面図である。

この図において、光ファイバ３は、複数のものがＶ溝などを有する支持体９’上に並列に設けられることによりファイバアレイ９を構成し、光ファイバ３の先端がファイバレンズアレイ８のＧＩファイバレンズ２に融着接続されている。そうした構成をとることにより、光軸に平行な光を入出射可能なアレイ状のファイバコリメータ１０として構成できる。このようなファイバコリメータ１０を用いることにより、フィルタ素子を用いる事無しに各種多芯型の光モジュールを構成することができる。

図６は、図５に示した本発明のファイバコリメータ１０を用いた本発明の光モジュールの実施例で、ファイバコリメータ１０を２段型で対向して構成することにより多芯の合分波器モジュールとして構成できる。例えばこの場合、下段のファイバコリメータ１０ａから波長（λ１＋λ４）の光を入出射する。位相格子１には波長λ１の光を回折する回折格子を有しており、波長λ１の光は回折偏向され、光軸に平行に直進する。ファイバコリメータ１０ｂにも同様な構成の位相格子１を有しており、波長（λ１＋λ２）の光が入出射する。λ４の光とλ２の光は屈折により、光軸に対し（ω―α）で上方に偏向する。

上段のファイバコリメータ１０ｃ、１０ｄは、波長λ３の光を回折する位相格子１を有しており、波長λ３の光は光軸に平行に直進、ファイバコリメータ間１０ｃ、１０ｄ間で送受信する。波長λ２の光は、ファイバコリメータ１０ｂと、波長λ４の光はファイバコリメータ１０ａとの間で、送受信することができる。それを必要なチャネル数多芯で構成することが可能である。又、各ファイバコリメータ１０内の隣接するファイバレンズ７の各位相格子１の回折格子間隔Λを変えることにより、複数の異波長でも動作させることも可能である。

図７は、フェイズドマスク法による露光プロセスにより本発明の位相格子１を製作する場合の実施例である。

その場合は、外径ＤのＰＴＲガラス材料等からなるコアのない光ファイバを準備、コヒーレントなＵＶ光（波長：３２０〜５００ｎｍ）の平行光を間隔Λｍを有する位相シフトマスク１２を通すことにより必要な格子間隔Λｉを得ることができる。

この場合、位相格子用ファイバ１’の角度をＸ軸に対しγに傾斜して設置、露光記録することにより得られる。ここで、必要な格子間隔Λｉは、マスク間隔Λｍの位相シフトマスク１２を必要数準備しておく。又回折格子１１への入射角度は、位相格子用ファイバ１’を設置する治具角度γを調整することにより得られる。露光、その後、熱処理などの安定化処理をすることで屈折率変動を有するファイバ状の位相格子１として形成することができる。

次に本発明によるファイバレンズ７の具体的な実施例を示す。

先ず、位相格子１の製作は、図７に示したフェイズマスク法を用いて行った。ＰＴＲガラスの位相格子用ファイバ１’として外径Ｄ＝５００μｍ、長さ１ｍ、屈折率ｎ１＝１．４８７の位相格子用ファイバ１’を１本用意、その内のそれらを約５ｍｍ程度に複数個カットし、傾斜固定可能なファイバ固定治具上に円形状が上下になるよう束ねて並置、Ｘ軸に対し角度γ＝３．３°傾斜して設置固定した。露光用ＵＶ光源は、波長３２５ｎｍのコヒーレント長３０ｃｍ、出力５０ｍＷのＨｅ−Ｃｄレーザを用いた。露光光学系は、レーザ出射光をピンホール付き集光レンズを用い、コリメータレンズで出力強度１／ｅ２で径２０ｍｍの平行光に拡大し、露光用の平行光学系を構成した。

実際に使用する光は、波長１５５０±５ｎｍの光である。その光を光軸に対し角度６．６°で反射するファイバ状の位相格子１を製作した。必要な回折格子６の間隔Λ１は、λｍ＝λ０／ｎ１および数２から
Λ１＝（１５５０／１．４８７）／（２×ｓｉｎ３．３°）＝９０５４（ｎｍ）
となる。

即ち、製作条件としては、ファイバ状の位相格子１は回折格子間隔Λｍ１＝９（μｍ）の位相シフトマスク１２を準備、位相格子用ファイバ１’を角度γ＝３．３°で設置、前記露光用平行光学系を位相シフトマスク１２に入射、露光記録した。

上記の露光用光学系を用いて位相格子用ファイバ１’を１０〜２０分間露光する。その後、傾斜固定治具から露光された位相格子用ファイバ１’を取り出し電気炉で４５０〜５００℃で３時間程度加熱することで、周期的な正弦波状の屈折率変動を有するファイバ状の位相格子１となる。

位相格子１の長さＴは、ブラッグ回折効率に影響するが、長さＴ＝１ｍｍ程度あればほぼ９６％以上１００％に近い回折効率を得ることができる。製作した長さ約１．５ｍｍのファイバ状の位相格子１をＧＩファイバレンズ２に順番に融着接続、その後ファイバーカッターにより所定の長さの１ｍｍにカットする。ＧＩファイバレンズ２の長さＺは、Ｐ＝０．２５（ピッチ）、√Ａ＝１のもの、Ｚ＝１．５７（ｍｍ）であり、その長さで、ファイバ状の位相格子１と融着接続後にカットした。

このようにして製作したファイバレンズを、位相格子１側を端面角度２０°になるよう研磨器を用いて端面を複数まとめて研磨加工し、必要数準備した。次に異径ファイバ同士の融着接続が可能な融着接続器を準備、シングルモード光ファイバ３と、光軸芯を合わせＧＩファイバレンズ２端を融着接続することにより、図１に示したファイバレンズをファイバコリメータとして構成した。回折入出射光の光軸とのシフト量はおおよそΔＳ＝１００μｍである。

こうしたファイバコリメータを１６個、図４に示したＰ＝１（ｍｍ）４つの穴をもつ樹脂製のホルダ８’を４個準備し、ホルダ８’内にファイバレンズを実装固定し、図６に示した光モジュールを構成した。この光モジュールの大きさは長さＬ＝２５ｍｍ、幅Ｗ＝ ５ｍｍ、高さＨ＝５ｍｍであり、波長として図に示したようにλ１＝１３１０±５ｎｍ、λ２＝１４９０±５ｎｍ、λ３＝１５５０±５ｎｍ、λ４＝１６５０±５ｎｍの光を入射し、それぞれの特性を測定した。

以下表１に本発明のファイバレンズ７を用いて構成した本発明の光モジュールの特性を示す。

挿入損失、アイソレーション、反射減衰量共に良好な特性を有していることが示された。

一方、比較として、従来（図８）と同等な光モジュールを試作して評価したが、そのサイズは長さ５０ｍｍ、幅及び高さ５ｍｍ程度であり、挿入損失１ｄＢ程度、反射減衰量が−４５ｄＢ程度であった。又、本実施例の場合、４個必要なことから、すなわち、本発明の光モジュールは、長さ１／２、体積で１／８程度となり、従来に比較して小型・集積化が図られ、光学特性も優れていることが示された。

又、本発明による他の実施例としては、上記実施例に留まることなく、図５に示したような各位相格子１に、異なる格子間隔を有する回折格子を構成し、隣接したポートごとに別の波長帯域のものを回折直進させることも可能であり、さまざまな波長の多ポート多層型光フィルタモジュールとしても構成することができる。

本発明のファイバレンズの実施例を示した断面図である。 図１のファイバレンズの要部拡大断面図である。 本発明のファイバレンズの回折効率特性を示したグラフである。 （ａ）は本発明のファイバレンズアレイの実施例を示した正面図であり、（ｂ）はＡ−Ａ’線断面図である。 （ａ）は本発明のファイバコリメータの実施例の平面図であり、（ｂ）はＢ−Ｂ’線断面図である。 本発明の光モジュールの実施例を示す断面図である。 本発明に使用する位相格子を露光記録するプロセスを示した図である。 従来の光モジュールを示した図である。

符号の説明

１．位相格子
２．ＧＩファイバレンズ（屈折率分布型ファイバレンズ）
３．光ファイバ
４．回折光
５．入出射光
６．回折格子
７．ファイバレンズ
８．ファイバレンズアレイ
９．ファイバアレイ
１０．ファイバコリメータ

Claims (7)

1. 屈折率分布型ファイバレンズと、回折格子を有し、一端面が前記屈折率分布型ファイバレンズの一方端面に接合されているとともに他端面が前記屈折率分布型ファイバレンズの中心軸の垂直面に対して傾斜して成るファイバ状の位相格子とを具備することを特徴とするファイバレンズ。
2. 前記位相格子と前記屈折率分布型ファイバレンズとは融着接続されていることを特徴とする請求項１記載のファイバレンズ。
3. 前記他端面と前記垂直面との成す角度をαとし、前記回折格子と前記中心軸との成す角度をγとし、前記位相格子の本体材料の屈折率をｎ１としたときに、
   ２γ＝α−ｓｉｎ^−１｛（ｓｉｎα）／ｎ１｝
   であることを特徴とする請求項１または請求項２記載のファイバレンズ。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のファイバレンズをホルダにアレイ状に設置固定したことを特徴とするファイバレンズアレイ。
5. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のファイバレンズの前記屈折率分布型ファイバレンズの他方端面に光ファイバを接続したことを特徴とするファイバコリメータ。
6. 請求項４記載のファイバレンズアレイの前記屈折率分布型ファイバレンズの他方端面に光ファイバを接続したことを特徴とするファイバコリメータ。
7. 一対の請求項５または請求項６記載のファイバコリメータを、前記屈折率分布型ファイバレンズの中心軸同士が一致するとともに前記位相格子の前記他端面同士が対向するように配置して成ることを特徴とする光モジュール。

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