JP2010026505A - 集光光ファイバ - Google Patents

Abstract

【課題】光ビームをその光軸に対して鈍角の角度で集光するように適合された光ファイバ導波管を提供すること。
【解決手段】本発明によれば、光ファイバの集光端は、光ファイバ導波管を通る光ビームの光路によって画定される光軸と表面法線とが一致しない角度で研磨されている。したがって角度θは必然的に０度より大きく、且つ９０度より小さい角度である。また本発明は、集光端で光ファイバ導波管の外部に結合された集束レンズを含む。この集束レンズはボール・レンズとすることができ、接着剤によってクラッド層の外部に取り付けられる。
【選択図】図３

Description

本発明は光ファイバ導波管に関し、より詳細には、入射する光ビームを光ファイバの光軸に対して直角に導くようになされた光ファイバ導波管に関する。

光ファイバ導波管は、直径が通常０．１〜０．０１ｍｍ程度の極めて細いガラス製もしくは合成プラスチック材料製のファイバである。典型的な光ファイバ導波管は、ガラス・コアおよびシースすなわちクラッド層を備えており、このクラッド層の屈折率はコアの屈折率より小さい。コアの屈折率は一定にすることができ、或いは所定の式に従って半径方向に変化させてグレーデッド・インデックス形光ファイバを生成することもできる。

コアおよびクラッド層を構成している材料間のこの屈折率の差により、光ファイバの一端に入射した光は、コア内の光ファイバ軸線に沿って透過する。透明性の極めて高い特定のタイプのガラスを使用することにより、光ファイバの一方の端部からもう一方の端部へ、極めて小さい減衰もしくは分散で光を透過させることができる。

しかしながら、光の挙動に対する物理的な制約により、特定のアプリケーション、とりわけ極めて短い距離を光ファイバの光軸に対して鈍角で光を導かなければならないアプリケーションにおける光ファイバ導波管の使用が妨げられている。この場合、光ファイバをきつく曲げることは、光ファイバを疲労させ、また光ファイバを破損させる点で適切な手段ではなく、或いは鋭い曲り部分における放射によって光が失われる点で適切な手段ではない。

このような状況の下、必要な角度で光を反射させるために、ミラーと高度に研磨された光学系との利用が提案されている。そうすることにより、入射光を反射させるための凸面、凹面もしくは平面光学コンポーネントを備えた装置を設計することができる。しかし、提案されている解決法がいくつかの所定の目的を達成する一方で、そのためにコストが増加し、総合効率についてはあまり配慮がなく、また光学系の大きさが制約される。

したがって本発明は、光ビームを案内および方向付けるコアを取り囲むクラッド層からなる光ファイバ導波管を含む。クラッド層は、第１の境界および集光端を画定しており、この光ファイバ導波管の集光端は反射表面を画定している。反射表面からは、光軸に対する当該表面の相対位置を決定するための表面法線ベクトルが突出している。集光端は、光ファイバ導波管を通る光ビームの光路によって画定される光軸と表面法線が一致しない角度で研磨されている。したがって角度θは必然的に０度より大きく、且つ９０度より小さい角度である。特定の実施例では、角度θは３６度から５５度の間であり、また特定のアプリケーションに対しては、約４３〜４９度である。

本発明は、集光端で光ファイバ導波管のクラッド層の外部表面に結合された集束レンズをさらに含む。集束レンズはボール・レンズとすることができ、好ましくは屈折率整合タイプの接着剤によってクラッド層の外部に取り付けられる。したがって集光端で反射した光ビームは、屈折率整合接着剤および取り付けられている集束レンズを介して、集束レンズの外部表面である第２の境界へ向かって透過する。集束レンズは本質的に球面であるため、第２の境界は、光ビームに対して球面レンズとして作用する。したがって光ビームは、直径が５〜９μｍ程度の円形スポット内に集束する。

本発明による光ファイバ集光システムの略図である。 本発明による光ファイバ導波管の横断面図である。 本発明による集光アプリケーションのための光ファイバの横断面図である。 本発明の光ファイバによって集光される光ビームのスポット・サイズを示すグラフである。

本発明は一般に対象構造体上への光ビームの集束および誘導に関する。より詳細には、本発明は、光ファイバを介してレーザ光をチャネリングする（経路付ける）のに特に適し、光軸に対して９０度の角度で光ファイバから出る光を集束させる。以下、本発明についてさらに詳細に論じられる。

図１は、本発明による光ファイバ集光システム１０を示したものである。光ファイバ集光システム１０は、概ね、光ファイバ導波管１２、光源２２、集光光学系１４および対象構造体１８からなっている。光源２２は、光ファイバ導波管１２を介してその集光端１１までチャネリングされる光ビーム２０を生成する。集光端１１に到達した光ビーム２０は内部で全反射し、集光光学系１４を通して対象構造体１８を照射する。

図２は、本発明による光ファイバ導波管１２をより詳細に示したものである。光ファイバ導波管１２は、光ビーム２０を取り囲み且つ導くクラッド層２４からなる。クラッド層２４は、第１の境界２８および集光端１１を画定している。光ビーム２０は、ポイント２６で集光端１１に衝突する。光ファイバ導波管１２の集光端１１は、表面法線ベクトル２５を画定する反射表面を画定している。集光端１１は、光ファイバ導波管１２を通る光ビーム２０の光路によって画定される光軸と表面法線２５とが一致しない角度で研磨されている。したがって角度θは必然的に０度より大きく、且つ９０度より小さい角度である。好ましい実施例では、角度θは３６度と５５度の間であり、また特定のアプリケーションに対しては、約４３〜４９度である。

光ビーム２０が集光端１１に衝突すると、マクスウェルの方程式に従って一定の量の光ビーム２０が透過し、吸収され、反射される。しかし、特定の境界条件の下で全内反射（ＴＩＲ）現象が生じることが知られている。このような境界条件の１つは、スネルの法則として知られており、下記の式で与えられる。
（１） ｎ_１・ｓｉｎ（θ_１）＝ｎ_２・ｓｉｎ（θ_２）
ここで、ｎ_ｉはファイバｉの屈折率であり、θ_１は入射角である。このアプリケーションでは、ＴＩＲの条件を満足するように、ｎ_１・ｓｉｎ（θ_１）は一定に等しい。式（１）はまた、次のように書き直すことができる。

典型的な光ファイバの屈折率ｎ_１は約１．４６であり、したがって全内反射の臨界角度θ_１は約４３度である。光ビーム２０が４３度以上の角度で集光端１１に衝突すると、光ビーム２０は全反射することになる。

図２の断面図に示すように、光ビーム２０は、角度θで集光端１１に衝突している。光ビーム２０は、光ビーム２０の元の軸線に対してほぼ直角に反射する。光ビーム２０は、第１の境界２８に到達するまで自然発散し、第１の境界２８に到達すると、マクスウェルの方程式に従ってその光路が再び変化する。光ファイバ導波管１２は、本質的に円筒状であるため、第１の境界２８は、光ビーム２０に対して円筒レンズとして作用する。したがって光ビームは、Ｙ軸の方がＸ軸より長い楕円スポット３０内に集束する。

光ビーム２０の急速で望ましくない発散を阻止するために、光ファイバ導波管１２は、図３に示すように集束レンズ１４に結合されている。上で説明したように、光ビーム２０は、角度θで集光端１１に衝突している。光ビーム２０は、光軸に対してほぼ直角に反射する。この場合も、光ビーム２０は、第１の境界２８に到達するまで自然発散する。しかし、マクスウェルの方程式に従ってその光路が変化する代わりに、光ビームは、第２の境界２９へ向かって接着剤１６および集束レンズ１４を透過する。集束レンズ１４は、本質的に球面であるため、第２の境界２９は、光ビーム２０に対して球面レンズとして作用する。したがって光ビームは、Ｙ軸とＸ軸が等しい円形スポット３２内に集束する。

第１の境界２８における内部反射を回避するためには、接着剤１６および集束レンズ１４の屈折率は、それぞれクラッド層２４の屈折率と整合していなければならない。すなわち、接着剤１６および集束レンズ１４の屈折率は、１．３０から１．７０の間であることが好ましく、より狭い範囲の１．４５から１．５０の間であることが最適である。前述の条件が満たされた場合、第１の境界２８には光学境界条件は存在せず、したがって光ビーム２０の反射または屈折は存在しない。最適性能すなわち光学品質を保証するために、屈折率整合セメントが接着剤１６として好ましい。同様に、集光光学系１４は、屈折率がクラッド層２４の屈折率と同じ屈折率であるボール・レンズであることが好ましい。

図３に示す改良型設計光ファイバ導波管１２にもかかわらず、光ビーム２０の透過は完全ではない。円形スポット３２を形成している光ビーム２０は、入射光の１００％ではない。フレネルの方程式によれば、空気／ガラス界面で反射するのは、光の伝搬方向に無関係に、入射するビームの約４％である。消失感度に関する限りにおいては、４％の感度低下は決して激変的なものではないが、光ビーム２０のこの４％の一部が元の光路すなわち光軸に戻ると、ネットワークにクロストーク（混信）がもたらされ、システムの総合性能が低下することになる。

多くのアプリケーションでは、光軸内に反射して戻る光の量を、１０００に対して１パート未満、すなわち元の光ビーム２０の０．１％未満に維持しなければならない。この規格は光反射減衰量（ＯＲＬ）と呼ばれ、通常、強度損失の対数測度であるデシベル（ｄＢ）の単位で規定されている。例えば、１０００に対する１パートは、−３０ｄＢのＯＲＬに相当する。標準的なアプリケーションでは、光ファイバの側壁に向かって伝搬し、反射してコアに戻る典型的な光ビームにより、−９ｄＢという大きなＯＲＬがもたらされる。これは、最適性能に対する許容量の約１００倍の量の光がコアに再入射していることを意味している。試行されているＯＲＬ問題に対する解決法は、光ファイバのガラス表面に反射防止被覆を施し、４％反射を除去することであるが、この解決法は、治具で固定中および処理加工中に各ファイバに反射防止被覆を施すために極めて高価である。しかし、図３に示す光ファイバ導波管１２は、ＯＲＬの問題を自然に解決している。屈折率が整合した集束レンズ１４および接着剤１６を使用することにより、妨害されることなくクラッド層２４および集束レンズ１４を介して光を伝搬させることができ、光ビーム２０の前述の４％を反射しているのは第２の境界２９のみである。この第２のガラス界面２９が光軸から遠くに離れていることに加えて、より重要なことは、集束レンズ１４の表面の大きい曲率が、光を光軸から外れるように反射させていることである。したがって好ましいボール・レンズ１４を使用したＯＲＬは、通常、−４０ｄＢ未満、すなわち元のビーム中の１０，０００の光に対して１パート未満である。

図３に示す光ファイバ導波管１２の性能の向上は、円形スポット３２の直径に関してもさらに立証されている。図４は、円形スポット３２が検出器の急峻な境界を横切って移動する際の、ファイバ・レンズ・アセンブリの平行移動（μｍ）とそれに続く検出器の感度（Ａ／Ｗ）との間の関係を示したグラフである。この特定のデータは、４５°で研磨された光ファイバ導波管に結合された直径３４μｍのボール・レンズを示している。検出器自体は比較的大きいが、そのエッジは極めて急峻である。これは、ファイバ・レンズ・アセンブリが検出器のエッジ上で平行移動されたときに、（レンズによって形成される）円形レーザ・スポットが急に検出器上に通過することを暗に意味している。図に示すように、スポットが５μｍから１０μｍまで移動する際に、感度が１０〜９０％上昇している。これは、集束されたレーザ・スポット（ＦＷＨＭ）が、約１００μｍ未満の直径のボール・レンズを必要とする、５μｍ程度もしくは少なくとも３μｍから１５μｍの間の範囲内のスポットであることを示唆している。また、感度プラトーが１．０Ａ／Ｗであることは注目に値する。これは、このタイプの検出器の理論的限界であり、事実上、光学アセンブリ内における光の損失がないことを示している。

上で説明したように、本発明は、光ファイバ集光系、光ファイバ導波管、およびそれらを製造する方法からなっている。詳細には、この光ファイバ導波管は、光軸に対して直角をなす角度で入射ビームを誘導するのにとりわけ適している。しかしながら、上で説明した実施例が、単に説明を目的とした本発明の可能な多くの特定の実施例のうちのいくつかに過ぎないことは、当業者には明らかであろう。当業者は、特許請求の範囲の各請求項に定義されている本発明の精神および範囲を逸脱することなく、他の多くの様々な構造を容易に工夫することができよう。

１０ 光ファイバ集光システム
１１ 集光端
１２ 光ファイバ導波管
１４ 集光光学系
１６ 接着剤
１８ 対象構造体
２０ 光ビーム
２２ 光源
２４ クラッド層
２５ 表面法線
２６ ポイント
２８ 第１の境界
２９ 第２の境界
３０ 楕円スポット
３２ 円形スポット

Claims (12)

1. 対象構造体（１８）を照射するための光ビーム（２０）を提供する光源（２２）を有する光ファイバ集光システムであって、
   光軸を画定している光ファイバ導波管（１２）であって、該光ファイバ導波管（１２）は受光端および集光端（１１）を有し、該集光端（１１）は、表面法線（２５）を有する反射表面を画定し、また前記光ファイバ導波管（１２）は、コアを取り囲むクラッド層（２４）からなる光ファイバ導波管と、
   前記集光端（１１）に結合された集束レンズ（１４）と
   を有する光ファイバ集光システムにおいて、
   前記集束レンズ（１４）が前記集光端（１１）に結合され、また前記表面法線（２５）が前記光軸に対して所定の角度で配向され、それによって前記光ビーム（２０）は前記集光端（１１）から前記集束レンズ（１４）に向かって反射され、その後前記対象構造体（１８）の上に集束されるようになっており、
   前記集束レンズ（１４）が、前記光ファイバ導波管の前記集光端（１１）で接着材料によって前記クラッド層（２４）の外部表面に結合されたボール・レンズであり、
   前記ボール・レンズおよび前記接着材料が、前記クラッド層（２４）の屈折率と同じ屈折率を有し、
   前記ボール・レンズの表面は、該表面から内部に反射した光が前記光軸から外れて反射されるような大きい曲率を有している
   ことを特徴とする光ファイバ集光システム。
2. 前記光ファイバ導波管の屈折率が１．３から１．７の間である請求項１に記載の光ファイバ集光システム。
3. 前記光ファイバ導波管の屈折率が１．４５から１．５０の間である請求項２に記載の光ファイバ集光システム。
4. 前記光軸に対する前記表面法線の角度が３６度から５５度の間である請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の光ファイバ集光システム。
5. 前記光軸に対する前記表面法線の角度が４３度から４９度の間である請求項４に記載の光ファイバ集光システム。
6. 前記接着材料がセメントである請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の光ファイバ集光システム。
7. 前記ボール・レンズによって集束された前記ビームが、円形断面を有している請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の光ファイバ集光システム。
8. 前記ボール・レンズによって集束された前記ビームが、３マイクロメートルから１５マイクロメートルの間の直径のスポット・サイズを有し、また前記光ファイバ導波管が、０．１から０．０１ｍｍ程度の直径を有している請求項７に記載の光ファイバ集光システム。
9. 前記ボール・レンズによって集束された前記ビームが、５マイクロメートルから９マイクロメートルの間の直径のスポット・サイズを有している請求項８に記載の光ファイバ集光システム。
10. 請求項１から請求項９までのいずれか一項に記載の光ファイバ集光システムのための光ファイバ導波管を製造する方法であって、
    コアを取り囲むクラッド層（２４）からなる光ファイバ導波管を提供するステップであって、該光ファイバ導波管は光軸を画定し、また受光端および集光端（１１）を有しており、該集光端（１１）は、表面法線（２５）を有する反射表面を画定しているステップと、
    前記クラッド層（２４）の屈折率と同じ屈折率を有する集束レンズ（１４）としてボール・レンズを提供するステップと、
    前記表面法線（２５）が前記光軸に対して所定の角度を画定するように、前記光ファイバ導波管の前記集光端を研磨するステップと、
    前記クラッド層（２４）の屈折率を整合させる光学セメントを使用して、前記集光端で前記ボール・レンズを前記光ファイバ導波管に結合するステップと
    を含む製造方法において、
    前記ボール・レンズの表面は、光が前記光軸から外れて反射されるような大きい曲率を有している製造方法。
11. 前記集光端は、前記表面法線が前記光軸に対して所定の角度を画定するように研磨されており、該角度が４２度から５２度の間である請求項１０に記載の方法。
12. クラッドが１．４から１．５の間の屈折率を有する光ファイバ導波管が使用される請求項１１および／または請求項１２に記載の方法。

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