JP2011123493A - ビーム曲げ装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】装置と異なるモードフィールドを有する光学部品および／または他の導波路との間を通過する光信号の高効率の結合を容易にするように構成されたモード変換装置の提供。
【解決手段】光信号のモードフィールドを変更するための装置であり、ピグテールファイバ２２と、ピグテールファイバ２２の一端に直接スプライス接合されるピグテールファイバ２２の外径より大きい外径を有するＧＲＩＮファイバレンズ２４と、ＧＲＩＮファイバレンズ２４の一端に配置された反射面２６を有し、反射面２６上にさらなる反射要素３６を固着または別の方法で配置してもよい。光線経路３８はピグテールファイバ２２のコア４０から出射し、反射面２６で曲面３４に向かって再方向付けされる。曲面３４は、円錐面を形成し、１つの軸に沿ってビームを集光し、他の軸に沿って集光しないようにするために、円柱レンズとして機能する。
【選択図】図３

Description

関連出願の説明

本願は、２００２年３月４日出願の米国仮出願番号第６０／３６１，７８７号明細書および「Ｂｅａｍ Ａｌｔｅｒｉｎｇ Ｆｉｂｅｒ Ｌｅｎｓ Ｄｅｖｉｃｅ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ」という名称のバガヴァチュラ（Ｂｈａｇａｖａｔｕｌａ）らの２００２年７月２３日出願の米国特許出願第１０／２０２，５１６号明細書の利益を主張するものである。

本発明は、全般的には非インラインモードフィールド相互接続用の光学デバイスに関し、特に、このような装置と異なるモードフィールドを有する光学部品および／または他の導波路との間を通過する光信号の高効率の結合を容易にするように構成されたモード変換装置に関する。

本発明は幅広い用途を対象としているが、レーザダイオードおよび半導体導波路などの楕円形状の光信号源を円対称のモードフィールドを有する光ファイバに結合する場合に特によく適している。

レーザダイオード、光ファイバおよび半導体光増幅器（ＳＯＡ）などの信号源と光ファイバ、特殊ファイバ、ＳＯＡなどの他の光学部品との間を通過する光信号を高い結合効率で結合することは、光通信の重要な側面である。光通信システムに組込まれる従来の発光モジュールとしては一般に、光源として機能する、レーザダイオードなどの半導体レーザ、光搬送コアを有する光ファイバ、球面レンズ、半導体レーザとレーザビームを光ファイバコアに集光するための光ファイバとの間に組込まれた自己収束レンズまたは球面レンズなどのレンズなどがある。発光モジュールは一般に、半導体レーザと光ファイバとの間で高い結合効率を必要とするため、最大の結合パワーを実現するためには、モジュールは、互いに整列された半導体レーザ、レンズおよび光ファイバの光軸を集めることが好ましい。一部にはレンズ間隔および位置合せの問題のために、比較的大型で、高コストであった初期の発光モジュールは、当分野において発展を遂げ、その結果、多数の代替アプローチが生まれた。

このようなアプローチの１つが、分布屈折率（ＧＲＩＮ）ロッドレンズの利用である。他のレンズとは異なり、ＧＲＩＮロッドレンズの屈折率は半径方向によって決まり、ロッドレンズの光軸で最大となる。一般的に言えば、ＧＲＩＮロッドレンズにわたる屈折率分布は放物線形状であるため、レンズ効果を誘起するのは、空気とレンズの境界面ではなく、レンズ媒体自体である。したがって、従来のレンズとは異なり、ＧＲＩＮロッドレンズは、平面入射面および平面出射面を有し、これらの面における屈折を不必要にする。この特性により、レンズのいずれかの端部の光学素子を屈折率整合接着剤またはエポキシによって所定の位置に固定することができる。屈折率勾配は一般に、時間がかかり、高価でもあるイオン交換工程によって形成される。一般的なＧＲＩＮロッドレンズは、たとえば、タリウムまたはセシウムをドープした多成分ガラスのイオン交換によって製造されてもよい。ナトリウムおよびタリウムイオンまたはセシウムイオンのいずれかがガラスから拡散するようなイオン交換工程のために融解塩槽を用い、カリウムイオンを５００℃のＫＮＯ_３槽からガラスに拡散することもできる。

光にレンズ効果を及ぼすのは、この工程から生じるレンズ媒体の屈折率であるため、所与のＧＲＩＮロッドレンズが特定の結合用途に適した屈折率分布を確実に有するようにするために、製造工程中の緻密な制御が必要である。さらに、本発明の少なくとも１つの態様によって用いられるＧＲＩＮファイバレンズとは異なり、ＧＲＩＮロッドレンズは、標準的な遠距離通信ファイバおよび／または他の光学部品をスプライス接合するにはあまり適していない。一般的に言えば、ＧＲＩＮロッドレンズは、結合対象の光導波路とは著しく異なる熱膨張係数および軟化点（ガラスが軟化する温度）を有する多成分ガラス構造物である。他方、ファイバ製造工程によって構成されるＧＲＩＮファイバレンズは一般に、高シリカ組成構造物である。したがって、ＧＲＩＮファイバレンズの軟化点および熱膨張係数は、取付けられることができる大部分の遠距離通信ファイバおよび他の導波路の軟化点および熱膨張係数と実質的に同様である。したがって、ＧＲＩＮファイバレンズは、たとえば融着スプライス接合によって、大部分の遠距離通信ファイバに結合するのに十分適している。

別のアプローチは、半導体レーザと光導波路との間の光学結合を提供するために、光ファイバの端部にマイクロレンズを形成してきた。このようなアプローチにおいて、レンズは、光ファイバの端面の、光源からの光が入射するファイバの一部分に直接に一体形成される。以下では、このような光ファイバを「レンズ付き光ファイバ」と呼ぶ。このようなレンズ付き光ファイバを用いる発光モジュールを製造するときには、ファイバ自体から光収束レンズを離す必要がないため、および軸位置合せに関連する動作の数も削減することができるために、必要な構成要素の数を削減することができる。レンズ付き光ファイバは、光ファイバの端部に形成されるレンズが、このレンズを通過する光信号のモードフィールドを変更することができる場合には、アナモルフィックレンズ付き光ファイバと呼ばれる。さらに具体的に言えば、光ファイバの端部に形成されるアナモルフィックレンズは一般に、レーザダイオードから発せられる光信号の楕円形のモードフィールドを実質的に円対称の光信号に変えることができ、円対称のモードフィールドを有する光ファイバのコアにより効率的に結合することができる。

上述の各アプローチは、当業界では公知である種々の有用性および利点を有する。しかし、各アプローチは、独自の制限がある。たとえば、従来のＧＲＩＮロッドレンズ技術は、通過する光信号に関して優れた対称集光特性を提供するが、ＧＲＩＮロッドレンズ単独では、一般に、効率的な光信号結合用途にしばしば必要とされるように、光信号の幾何形状を著しく変化させることはない。さらに、集光を行うＧＲＩＮロッドレンズ自体の材料特性のために、特定の用途に必要なＧＲＩＮロッドレンズの屈折率分布の制御された変動を提供するために、正確な製造技術が必要である。

同様に、アナモルフィックファイバレンズは、レンズを通過する光信号またはビームの幾何形状を容易に変更しやすくするものであるが、アナモルフィックレンズ用途の有効作動距離の範囲がある程度制限される。したがって、適切な作動距離が特定の用途に適さない場合に結合損失が大きくなることがあり、そのために多くの結合用途が実現不可となる。

一般的に言えば、上述の周知のデバイスは「インライン」光信号結合用途に最もよく用いられる。別の言い方をすれば、結合対象の光信号は一般に、光信号が結合されるデバイスの光軸間で実質的に同一平面である経路に沿って伝搬している。ミラーまたは他の光学デバイスおよび構造物の助けがなければ、上述の周知のデバイスは、「オフライン」結合用途、すなわち結合対象の光信号は光信号が結合されるデバイスの光軸と同一平面でない経路に沿って伝搬している結合用途にはあまり適さない。一例として、これに限定されるわけではないが、光信号は、１つのデバイスから、光信号が結合されるデバイスの光軸に関して約９０°の角度で発せられてもよい。そのような場合には、光信号は、適切な光信号結合を容易にするために、再方向付けまたは屈曲させられる必要がある。

したがって、必要とされているが、現時点において当業界では利用可能ではないのは、アナモルフィックレンズまたはＧＲＩＮロッドレンズの使用に関連する上記および他の欠点を克服する光信号結合用途の装置である。このような装置は、装置を通過する光信号のサイズおよび／または幾何形状および／または他のモードフィールド特性を変更できなくてはならず、これと同時に結合損失を制限する設計の融通性を提供できなくてはならない。また、より広範囲の許容可能な作動距離を可能にし、位相面の収差を最小限に抑え、一般に、光信号結合用途においてより大きな制御および効率を提供する必要がある。さらに、本発明のモード変換装置は、最小限の損失で光信号の経路を再方向付けすることができるものであることが好ましい。このような装置は、比較的廉価で製造され、比較的大量生産しやすく、一般に装置の材料特性および装置自体の特性をあまり変更することなく、はるかに広範囲の用途に対応することが要求される。本発明は主にこのような装置の提供に関する。

本発明の一態様は、光信号のモードフィールドを変更するための装置に関する。この装置は、ＧＲＩＮファイバレンズと、ＧＲＩＮファイバレンズの一端に配置された反射面と、を有し、反射面がＧＲＩＮファイバレンズと協働して、反射面に対して向けられた光信号の経路を再方向付けするように構成されている。

別の態様において、本発明は、光学アセンブリに関する。この光学アセンブリは、光学部品と、光学部品を支持するように構成された基板と、装置と光学部品との間を通過する光信号のモードフィールドを変更するために、基板上に位置し、光学部品に関連する装置と、を有している。この装置は、ＧＲＩＮファイバレンズと、ＧＲＩＮファイバレンズの一端に配置された反射面と、を有している。反射面は、ＧＲＩＮファイバレンズと協働して、反射面に対して向けられた光信号の経路を再方向付けするように構成される。

さらに別の態様において、本発明は、光信号のモードフィールドを変更するための装置の製造方法に関する。この方法は、ＧＲＩＮファイバレンズの一端に反射面を配置するステップを含み、反射面がＧＲＩＮファイバレンズと協働して、反射面に対して向けられた光信号の経路を再方向付けするように構成されている。

本発明のビーム曲げ装置は、当業界では周知である他のモード変換デバイスに関する多数の利点を生じる。ある意味では、モード変換レンズはＧＲＩＮファイバレンズ上に直接形成することもできるため、光信号のモードフィールドの幾何形状および／またはサイズはモード変換レンズによって変更することができ、変更される光信号の集光は主にＧＲＩＮファイバレンズによって行われてもよい。その結果、光信号の波面と、光信号が結合される光学部品または他の導波路の波面との一致度が改善されるであろう。したがって、結合損失を最小限に抑え、位相面の収差が緩和される。本発明のビーム曲げ装置はまた、より広範囲の有効作動距離を提供するように設計されてもよい。これらをはじめとする利点の結果、結合効率が、非常に向上する。

これらの利点に加えて、ＧＲＩＮファイバレンズ自体は、本発明の製造に際し多数の利点を提供する。上述したように、ＧＲＩＮファイバレンズは、従来のマルチモードファイバ製造工程によって作成されることが好ましい高シリカを含む構造物であることが好ましい。ＧＲＩＮファイバレンズは遠距離通信ファイバ製造技術によって製造されるため、本発明によって製造されるＧＲＩＮファイバレンズは、高精度で所望の寸法に延伸されてもよい。一般的に言えば、ＧＲＩＮファイバレンズは、約２５．０ミクロン〜約１０００．０ミクロンの範囲の外径を備えるように延伸されてもよい。このようなＧＲＩＮファイバレンズは、約５０．０ミクロン〜約５００．０ミクロンの範囲の外径を備えるように延伸されることができればさらに好ましい。このようなＧＲＩＮファイバレンズは、約７５．０ミクロン〜約２５０．０ミクロンの範囲の外径を備えるように延伸されることができれば最も好ましい。さらに、ＧＲＩＮファイバレンズは慣例的なファイバ延伸機器を用いて延伸されるため、大きな直径のロッドまたはブランクが製造された後、元の大きな直径のロッドのコア対クラッドの比など（これらに限定されるわけではない）の材料特性を維持しながら、ファイバの長い長さ（数ｋｍに及ぶ）まで延伸されてもよいため、製造およびスプライス接合がよりたやすい。したがって、ＧＲＩＮファイバレンズの他の特性の中でも所望の屈折率分布は、このようにして得られたＧＲＩＮファイバレンズの光学特性に関して正確なサブミクロンの制御を提供するより大きなロッドまたはブランクに設計されてもよい。

これらの利点に加えて、本発明によれば、ＧＲＩＮファイバレンズは、２つ以上のモード変換用途に関して所定の材料特性を有するように製造されてもよい。モード変換レンズはピグテールファイバ自体ではなく、ＧＲＩＮファイバレンズ上またはＧＲＩＮファイバレンズに固着されるコアレススペーサロッドまたはファイバ上に形成可能であるため、同一の長さを有し、同一の材料から形成され、同一のアスペクト比を有し、同一の断面積を有するＧＲＩＮファイバレンズおよびコアレススペーサロッドが、異なる特性および／またはモードフィールドを有するピグテールファイバに固着されてもよい。それゆえ、各ＧＲＩＮファイバレンズおよび／またはコアレスロッドは、たとえば、各ＧＲＩＮファイバレンズおよび／またはスペーサロッドが固着される特定のファイバピグテールに必要とされる不可欠なモードフィールド変換機能性を提供するために、適切な長さに劈開することによって、変更されてもよい。さらに詳細に述べるように、これは、各ＧＲＩＮファイバレンズおよび／またはスペーサロッドを所望の長さに劈開または他の方法で切断し、各ＧＲＩＮファイバレンズおよび／またはロッドの切断された端部が所望の光信号変更特性を有するように成形することによって実現されることができることが好ましい。

本発明によるスペーサロッドの製造は、さらなる利点を提供する。一般的に言えば、スペーサロッドは、実質的に均一な屈折率分布を有し、シリカ、いずれか他の高シリカガラスを含む材料から構成されるか、またはコーニング・インコーポレイティッド（Ｃｏｒｎｉｎｇ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ）によって製造され、バイコール（Ｖｙｃｏｒ）（登録商標）として公知である９６％シリカガラスであってもよい。一般的に言えば、および本発明によれば、スペーサロッドが円筒形状、矩形形状であってもよく、またはいずれか他の幾何形状を取るように製造されてもよい。上述のＧＲＩＮファイバレンズと同様に、スペーサロッドは、従来のファイバ製造技術および機器を用いて、１２５．０ミクロン（これに限定されるわけではない）などの所望の直径に延伸される長さ約１ｍのロッドまたはブランクから製造されることが好ましい。一般的に言えば、スペーサロッドは、ｋｍの長さ（元の大きな直径のロッドの材料特性を維持することが好ましい）に延伸された後、特定のモード変換用途のために、適切な長さに切断または劈開される。

一定の用途において、円筒形状以外のスペーサロッドを利用することが好都合である場合がある。たとえば、本発明によれば、実質的に矩形形状であるスペーサロッドを利用することがが好ましい場合がある。このような場合には、第一に、それ自体が矩形形状である長さ約１ｍのブランクを形成することが好ましい可能性がある。次に、１２５．０ミクロンなどの所望の外形を有する実質的に矩形のスペーサロッドを形成するために、従来のファイバ延伸技術および機器を用いて、矩形のブランクが延伸されてもよい。このように、数ｋｍの実質的に矩形形状のスペーサロッド材料は、単独のブランクから延伸された後、所望の光学特性を有するスペーサロッドを形成するために、所望の長さに切断されてもよい。このようにして得られた矩形のスペーサロッド材料の縁は延伸工程中、ある程度丸みを帯びるようになりやすい可能性があるが、ロッド材料が延伸される延伸炉の温度、延伸速度および張力が制御されるという条件であれば、実質的に矩形状が維持される。さらに、延伸工程によって形成され、最終的に劈開される矩形のスペーサロッドのアスペクト比および他の光学特性は、実質的に維持される。このような処理は、大量生産および最終的なスペーサロッドの制御された寸法を容易にする。当業者は、上述の製造技術が本発明によるＧＲＩＮファイバレンズの製造にも同様に適用可能であることを認識されたい。

本発明のビーム曲げ装置は、光学アセンブリおよび他の実装構成に関してさらなる利点を提供する。本発明のビーム曲げ装置は約２０．０ミクロン以上より大きい作動距離を提供し、これは当業界では周知のアナモルフィックモード変換装置および他のモード変換装置によって提供される作動距離よりずっと大きい。その結果、部分的には装置と半導体デバイスとの間の位置合せの許容差が緩和されるために、低損失のレーザダイオードまたは他の半導体デバイスに結合することが容易となる。

本発明の上述の態様のすべてが、ＧＲＩＮファイバレンズおよび／またはスペーサロッドの大規模生産を提供し、さらには製造しやすさ、製造工程に関連するコストの削減およびより大きな規模の節約を促進する。本発明の装置は、中を通過する光信号のモードフィールドを、楕円形のモードフィールドから円形のモードフィールドに、円形のモードフィールドから楕円形のモードフィールドに、１つの楕円率を有するモードフィールドから異なる楕円率を有するモードフィールドに、または１つのモードフィールドから同一の形状であるが異なるサイズである他のモードフィールドに、変更することができるように製造することもできる。さらに、本発明の装置は、いずれかの方向にも装置を通過する光信号のモードフィールドを変更することができるように設計されてもよい。

本発明の他の特徴および利点は、以下の詳細な説明に記載され、部分的には、その詳細から当業者には容易に明白となり、本願明細書に記載されているように本発明を実行することによって認識されるであろう。

前述の一般的な説明および以下の詳細な説明はいずれも、本発明の例示に過ぎず、請求されている本発明の性質および特徴を理解するための概要または枠組みを提供することを目的としていることを理解されたい。添付図面は、本発明の理解を深め、本発明の種々の実施形態を示し、明細書本文と共に、本発明の原理および動作を説明するのに役立つように包含されている。

本発明によるビーム曲げ装置の具体的な実施形態の概略的側面図。 本発明によるビーム曲げ装置の第１の具体的な代替実施形態の概略的側面図。 本発明によるビーム曲げ装置の第２の具体的な代替実施形態の概略的側面図。 本発明によるビーム曲げ装置の第３の具体的な代替実施形態の概略的側面図。 本発明によるビーム曲げ装置の第４の具体的な代替実施形態の概略的側面図。 本発明によるビーム曲げ装置の第５の具体的な代替実施形態の概略的側面図。 ＧＲＩＮファイバレンズ上に配置される反射面で反射される光信号の入射角を示す図１Ｂのビーム曲げ装置の断面図。 本発明のビーム曲げ装置の別の具体的な代替実施形態の概略的断面図。 本発明のビーム曲げ装置のさらなる具体的な代替実施形態の概略的側面図。 図４Ａに示されるビーム曲げ装置の概略的斜視図。 本発明のビーム曲げ装置のさらに別の具体的な代替実施形態の概略的側面図。 本発明のビーム曲げ装置のさらなる具体的な代替実施形態の概略的側面図。 本発明のビーム曲げ装置のさらに別の具体的な代替実施形態の概略的側面図。 本発明のビーム曲げ装置のさらに別の具体的な代替実施形態の概略的側面図。 本発明のビーム曲げ装置の別の具体的な代替実施形態を示す顕微鏡写真。 本発明のビーム曲げ装置のさらに別の具体的な代替実施形態の製造の種々のステージを示す顕微鏡写真。 本発明のビーム曲げ装置のさらに別の具体的な代替実施形態のの種々のステージを示す顕微鏡写真 本発明によって変換される光信号のモードフィールドを示す図１Ｂに示されるビーム曲げ装置のＧＲＩＮファイバレンズの図を示す顕微鏡写真。 本発明によって変換される光信号のモードフィールドを示す図１Ｂに示されるビーム曲げ装置のＧＲＩＮファイバレンズの図を示す顕微鏡。 本発明によって変換される光信号のモードフィールドを示す図１Ｂに示されるビーム曲げ装置のＧＲＩＮファイバレンズの種々の図を示す顕微鏡 本発明による図１Ｂに示されるビーム曲げ装置に組込まれる具体的な光学アセンブリの概略的側面図。 本発明による図１Ｂに示されるビーム曲げ装置に組込まれる具体的な光学アセンブリの概略的平面図。 本発明による図１Ｂに示されるビーム曲げ装置に組込まれる別の具体的な光学アセンブリの概略的側面図。 種々の設計変数の表示を含む本発明のオフラインビーム曲げ装置の概略的構成。 本発明による具体的なオフラインアセンブリに関する結合効率対作動距離曲線を示すグラフ。

ここで、添付図面に示される本発明の好ましい実施形態および実施例を詳細に参照されたい。可能な限り、同一の参照符号は、複数の図面を通して同一または類似の部分を指すために用いられる。本発明のビーム曲げ装置の具体的な実施形態が、図１Ａに示され、全体として参照符号２０によって表される。

一般的に言えば、図１Ａの側面図に示される具体的なビーム曲げ装置２０は、四角形の低屈折率または放物線状の屈折率分布を有するＧＲＩＮファイバレンズ２４と、ＧＲＩＮファイバレンズ２４の一端に配置される反射面２６を有している。本発明の一態様によれば、ビーム、好ましくは光信号３０は、ＧＲＩＮファイバレンズ２４に入射し、ＧＲＩＮファイバレンズ２４を通って長手方向に延在する光軸２８に沿って一般に進むことができる。以下にさらに詳細に述べるように、光信号３０は、反射面２６で反射され、光信号３０がＧＲＩＮファイバレンズ２４の側面３３を通過するように再方向付けまたは曲げられることが好ましい。図１Ａに示される実施形態において、ＧＲＩＮファイバレンズ２４は、円筒形状であることが好ましい。したがって、光信号３０が中を通過する側面３３の当該部分は曲面３４であることが好ましい。本発明の別の態様によれば、光信号３０が曲面３４を通過するときに、光信号３０のモードフィールドの特性が変更されることが好ましい。たとえば、図１Ａに示されているようにＧＲＩＮファイバレンズ２４を進む場合、光信号３０のモードフィールドが実質的に円形形状であるとき、光信号３０が曲面３４を通過するにつれて実質的に円対称のモードフィールドから楕円計のモードフィールドにモードフィールドの形状を変更することが好ましい。

第１の代替例の具体的なビーム曲げ装置２０’が、図１Ａ’の側面図に示されている。上述の実施形態とは異なり、ＧＲＩＮファイバレンズ２４’は、実質的に矩形形状であり、または他の方法で、平面的な側面３３’によって画定されてもよい。反射面２６’は、ＧＲＩＮファイバレンズ２４’の一端に配置される斜面であることが好ましい場合がある。光信号３０が反射面２６’で反射されるとき、実質的に平面３５を通過するように再方向付けされ、それによって光信号３０のモードフィールド特性を変更することが好ましい。平面３５は、光信号３０のモードフィールドの形状を変更しないことが好ましく、モードフィールドサイズを変更することが好ましい。図面には示されていないが、当業者は、側面３３の一部が研磨されるか、または別の方法で再方向付けされた光信号３０が側面３３を通過する位置に平面３５を備えるように構成されるとき、実質的に円筒形のＧＲＩＮファイバレンズ２４によって同一のモードフィールド効果を実現してもよいことを理解されたい。このような平面３５は、たとえば、レーザマイクロマシニングによって側面３３上に形成されてもよい。

第２の代替例の具体的なビーム曲げ装置２０”が、図１Ｂの側面図に示されている。ビーム曲げ装置２０”は、光ファイバまたはピグテールファイバ２２と、好ましくはスプライス接合によってピグテールファイバ２２の一端に固着されるＧＲＩＮファイバレンズ２４と、ピグテールファイバ２２から遠いＧＲＩＮファイバレンズ２４の端部上に配置されるこの場合には斜面である反射面２６と、を有していることが好ましい。ピグテールファイバ２２は、コーニング・インコーポレイティッド（Ｃｏｒｎｉｎｇ Ｉｎｃ．）によって製造されたＳＭＦ−２８ファイバなどの標準的なシングルモードファイバ、偏光保持（ＰＭ）ファイバ、マルチモードファイバまたは光通信システムに用いられる高屈折率ファイバなどの他の専用ファイバであってもよい。さらに、ピグテールファイバ２２は、図１Ｂに示されるように端部から見たときに円対称であってもよく、または任意の他の形状であってもよい。図１Ｂに示される実施形態では、次に反射面２６はＧＲＩＮファイバレンズ２４の端部上に直接形成されるが、反射面２６が個別のコアレススペーサロッドの一端に配置または形成されてもよく、図４Ａおよび図４Ｂを参照して以下にさらに詳細に述べるようにそれ自体がピグテールファイバ２２から遠いＧＲＩＮファイバレンズ２４の端部に固着されてもよい。作動中、光信号３０は、ピグテールファイバ２２を通ってＧＲＩＮファイバレンズ２４に達し、信号はＧＲＩＮファイバレンズ２４の放射線状の屈折率分布によって変更される。変更された光信号３０’は、反射面２６で反射され、ＧＲＩＮファイバレンズ２４の側面３３の曲面３４によって再方向付けされることが好ましい。図１Ａに示される実施形態と同様に、変更された光信号３０’が曲面３４を通過するときに、変更された光信号３０’のモードフィールドの形状が変更されることが好ましい。

第３の代替例の具体的なビーム曲げ装置２０’’’が、図１Ｂ’の側面図に示されている。ビーム曲げ装置２０’’’は、矩形形状であることが好ましいピグテールファイバ２２’と、矩形形状であることが好ましいＧＲＩＮファイバレンズ２４’と、ピグテールファイバ２２’から遠いＧＲＩＮファイバレンズ２４’の端部上に配置される反射面２６’と、を有していることが好ましい。図１Ｂに示される実施形態と同様に、一旦、光信号３０がスプライス接合部３７を通過すると、光信号３０はＧＲＩＮファイバレンズ２４’の特性によって変更される。変更された光信号３０’がＧＲＩＮファイバレンズ２４’を通過するとき、光信号３０’が側面３３’の平面３５を通過するように反射面２６’で反射されることが好ましい。平面３５は、変更された光信号３０’のモードフィールドの形状を変更しないことが好ましく、モードフィールドサイズを変更することが好ましい。

本発明の別の態様によれば、本発明の第４の代替例の具体的なビーム曲げ装置２０””、２０’’’’’は、図１Ｃおよび図１Ｃ’にそれぞれ示されているように、１つ以上のテーパ型要素を有するように製造されてもよい。このようなテーパ型マルチレンズ装置２０””は、ピグテールファイバ２２と、ピグテールファイバ２２の一端で位置決めされる四角形の低い屈折率または放物線上の屈折率分布を有するテーパ型ＧＲＩＮファイバレンズ２４”と、ピグテールファイバ２２から遠いＧＲＩＮファイバレンズ２４”の端部上に配置される反射面２６”と、を有することが好ましい場合がある。図１Ｃに示されているように、テーパ型ＧＲＩＮファイバレンズ２４”は、ピグテールファイバ２２の端部から仮想線Ａ_１まで長手方向に延在する実質的に均一または一定の半径方向の外形寸法を有するＧＲＩＮファイバ部分２９と、仮想線Ａ_１とＡ_２の間で長手方向に延在する変化する、好ましくは減少する半径方向の外形寸法（または傾斜外面）を有するテーパ型ＧＲＩＮファイバ部分３１と、仮想線Ａ_２から反射面２６”まで長手方向に延在する実質的に均一または一定の半径方向の外形寸法を有する反射面部分２７と、を有することが好ましい。図面には示されていないが、当業者は、１つ以上のピグテールファイバ２２、コアレススペーサロッドおよび／またはＧＲＩＮファイバレンズが、記載された任意の実施形態および／または本願明細書に記載された任意の実施形態に関して、図１Ｃに示されるテーパ型ＧＲＩＮファイバレンズ２４”と類似の態様でテーパをなしていてもよいことを認識されたい。テーパ型ＧＲＩＮファイバ部分３１は、変更された光信号３０’を変化させ、反射面２６”で反射される変更された光信号３０”を生じることが好ましい。次に、再方向付けされ、変更された光信号３０”は変更された光信号３０”のモードフィールド形状を変更することが好ましい曲面３４を通過することが好ましい。

本発明の第５の代替例の具体的なビーム曲げ装置２０’’’’’が、図１Ｃ’に示されている。図１Ｃ’に示されるビーム曲げ装置２０’’’’’の構成および動作は、図１Ｃに示されるビーム曲げ装置２０””の構成および動作と類似である。しかし、ビーム曲げ装置２０’’’’’は、実質的に円対称より矩形形状であることが好ましい。したがって、ビーム曲げ装置２０’’’’’は、実質的に矩形のピグテールファイバ２２’と、平面的な側面３３’を有するテーパ型ＧＲＩＮファイバレンズ２４’’’と、変更された光信号３０”が反射面２６’’’で反射された後に通過する平面３５と、を有することが好ましい。変更された光信号３０”が平面３５を通過するとき、変更された光信号３０”のモードフィールドのサイズがモードフィールド形状より変化することが好ましい。

本願明細書に特記がない限り、記載された実施形態のそれぞれにおいて、ピグテールファイバ２２およびその変形物は、外形約１２５．０ミクロン、コア直径約８．０〜１０．０ミクロンのＳＭＦ−２８ファイバとして記載される。当業者は、他の直径および他の幾何形状を有する他のピグテールファイバもまた、本発明の範囲内であることを認識されたい。さらに、本発明のビーム曲げ装置の構造、設計、製造および製造に関する利点に関するさらなる詳細は、２００２年７月２３日に提出の「Ｂｅａｍ Ａｌｔｅｒｉｎｇ Ｆｉｂｅｒ Ｌｅｎｓ Ｄｅｖｉｃｅ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ」という名称および２００２年７月２３日に提出の「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ａｌｔｅｒｉｎｇ Ｌｅｎｓｅｄ Ａｐｐｒａｔｕｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ」という名称の同時係属中の米国特許出願において見い出すことができる。いずれの特許出願もコーニング・インコーポレイティッド（Ｃｏｒｎｉｎｇ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ）が同一出願人であり、その開示内容は、本願明細書に参照によって包含されるものとする。

一般的に言えば、開示された実施形態のすべては、クラッディング領域によって境界づけられるコア領域を有するピグテールファイバを有している。ＧＲＩＮファイバレンズ２４およびその変形物はまた、クラッディング領域によって境界づけられるコア領域またはクラッディング領域によって境界づけられないコア領域を有することが好ましい。好ましい実施形態において、本発明のＧＲＩＮファイバレンズの相対屈折率分布は、ビーム曲げ装置の光軸に対して半径方向に増大する。ＧＲＩＮファイバレンズの一端は、当業界では一般に公知であるアーク融着接続装置またはいずれか他の装置によって、ＧＲＩＮファイバレンズが適切な長さに劈開される前または後のいずれかに、ピグテールファイバの一端にスプライス接合されることが好ましい。反射面は、ピグテールファイバから遠いＧＲＩＮファイバレンズの端部上に配置されることが好ましい。本願明細書に開示されるこれらの具体的な実施形態および他の具体的な実施形態において、反射面は従来の研磨技術、レーザマイクロマシニングまたは以下にさらに詳細に記載する他の方法によって形成される斜面であることが好ましい場合がある。

インライン結合構成に関連する、参照によって本願明細書に包含される特許出願に開示される実施形態とは異なり、本願明細書に開示される具体的な実施形態は非インライン結合構成またはオフライン結合構成に関することが好ましく、光信号のモードフィールドを変更することに加えて、光信号の再方向付けまたは曲げを容易にすることが好ましい。ここで図１Ａを参照すると、ビーム曲げ装置２０は、光信号がビーム曲げ装置２０を進むその中心に沿って長手方向に延在する光軸２８を画定することが好ましい。図１Ａに示される具体的な実施形態において、ＧＲＩＮファイバレンズ２４は、４分の１ピッチ長さまたはそれに近いことが好ましい。しかし、ＧＲＩＮファイバレンズ２４は４分の１ピッチに制限されるわけではなく、大きなアスペクト比のレンズ用途などの特殊な用途では、４分の１ピッチ長さに設計されてもよいことを留意されたい。

当業界では周知の用途のおいて、ＧＲＩＮファイバレンズは一般に、固着される光導波路の外径に適合する外径を有するように製造される。したがって、光導波路の外径が１２５．０ミクロンであるとき、ＧＲＩＮファイバレンズもまた１２５．０ミクロンの外径を有するように製造されることが好ましい。したがって、それぞれが１２５．０ミクロンの外径を有する２つの光導波路が異なるモードフィールドを有するとき、屈折率分布の差Δは、同一の１２５．０ミクロンの外径を維持すると同時に、ＧＲＩＮファイバレンズが仕様を満足できるように、各ＧＲＩＮファイバレンズに関して変更される。本発明によれば、ＧＲＩＮファイバレンズの外径は、１２５．０ミクロンで維持される必要はない。代わりに、ＧＲＩＮファイバレンズの屈折率分布の差Δが実質的に同一であるように維持され、各ＧＲＩＮファイバレンズの外径、コア直径および長さは各光導波路のモード変換要件を満たすように変更されることが好ましい。本発明によれば、各ＧＲＩＮファイバレンズの長さは、必要に応じて、４分の１ピッチとは異なっていてもよい。その結果、本発明によれば、種々の用途において用いるために、同一のブランクを用いてＧＲＩＮファイバレンズを延伸してもよい。ブランクの屈折率分布を変更する必要はないため、ブランク製造工程およびＧＲＩＮファイバレンズ製造工程を簡略化してもよい。したがって、異なるモード変換用途のために、同一のブランクを用いることができる。ブランクは、異なる用途のために異なる外径に再延伸されることが好ましく、異なる用途のための要件を満たすように、このようにして得られたＧＲＩＮファイバレンズを異なる長さに切断または劈開してもよい。

ＧＲＩＮファイバレンズ２４はまた、たとえば、レーザマイクロマシニングによって、ＧＲＩＮファイバレンズ２４を光軸２８に対する所望の角度で所望の長さに形成される斜面から構成されることが好ましい反射面２６を有することが好ましい。作動中、光信号３０はピグテールファイバ２２およびＧＲＩＮファイバレンズ２４を通過し、反射面２６、この場合には斜面に当たる。光信号は、ＧＲＩＮファイバレンズを通過するときに、発散、収束、集光または平行化してもよいことを留意されたい。斜面が光軸に対して、約４５°の角度または用いられる材料の臨界角に近い角度で形成されるとき、反射面２６によって画定される空気／ガラスまたは他の媒体／ガラスの境界面３２は、光信号３０を内部全反射し、ＧＲＩＮファイバレンズ２４の側面の曲面３４に達するようにする。面３４は、（非球面の）円柱レンズとして機能し、１つの軸に沿ってビームを集光し、他の軸に沿って集光しないことが好ましい。このアプローチの利点の１つは、円柱レンズがＧＲＩＮファイバレンズと自己整列することである。別の利点は、反射面がＧＲＩＮファイバレンズの端部ではなくスペーサロッドの端部上に配置される場合には、ＧＲＩＮファイバレンズまたはスペーサロッドの直径を制御することによって、面の曲率が正確に制御されることである。また、ＧＲＩＮファイバレンズまたはスペーサロッドが慣例的なファイバ再延伸工程によって大量生産されるため、円柱レンズを形成する曲面３４の面の品質がきわめて高い可能性がある。さらに、４５°の傾斜付き反射面２６の場合には、空気とシリカガラスの境界面に関して、像はピグテールファイバ２２およびＧＲＩＮファイバレンズ２４を通過する長手方向に延在する光軸２８に対して９０°をなすことが好ましい。本発明の態様によれば、コアおよび外形、相対屈折率の差、均一または一定の屈折率を有するコアレススペーサロッドの使用（これらに限定されるわけではない）などのＧＲＩＮファイバレンズ２４の種々の特性の正確な制御、以下にさらに詳細に述べるように他の反射材料または斜面の代わりに用いられる面または斜面に加えて用いられる面によって、集光された像のサイズおよびアスペクト比を変更することができる。

これらをはじめとするビーム曲げ装置は、以下にさらに詳細に述べるが、ピグテールファイバとレーザダイオードまたは他の光導波路との間を通過する光信号を結合するためにきわめて有用となり得る。このようなビーム曲げ装置を利用することは、シングルモードファイバの端部に従来は研磨される市販のファイバレンズに比べて、２０．０ミクロン以上の大きな作動距離などの他の利点を提供する。このより大きな作動距離は、本発明のＧＲＩＮファイバレンズと光信号が通過されるレーザダイオードまたは他の光学部品との間の位置合せの許容差の緩和を促進する。

種々の図面に示されるビーム曲げ装置の具体的な実施形態の重要な態様については、図２を参照すれば最もよく理解されると思われる。図２には、図１Ａに示されるビーム曲げ装置２０の断面図が示される。図２に示されているように、光信号３０は、ＧＲＩＮファイバレンズ２４を通過し、反射面２６、この場合には斜面、に入射角Φ_ｉで入射し、反射角Ф_ｒで反射される。入射角Ф_ｉは入射する光信号３０と斜面に対して垂直である線Ｂとの間の角度によって画定され、反射角Ф_ｒは斜面に対して垂直である線Ｂと反射されるビーム３０’との間の角度によって画定される。入射角Ф_ｉで媒体ｎ_１、ｎ_２の臨界角Φ_ｃより大きい場合には、光信号３０は内部全反射され、反射されるビームのすべてに関してさらなるコーティングは必要ではない。臨界角Ф_ｃは、以下の式によって記述されることができる。

Φ_ｃ＝ｓｉｎ^-１（ｎ_２／ｎ_１）
本発明によれば、ｎ_１は光信号が進む媒体の屈折率であり、ｎ_２は光信号が進む材料に境界づけられる媒体の屈折率である。本発明によれば、ｎ_２は一般に空気の屈折率であり、ｎ_１はＧＲＩＮファイバレンズ２４の屈折率である。本発明の一態様によれば、入射角Ф_ｉが臨界角Ф_ｃより大きい場合には、反射面２６を画定する斜面の他の反射材は不要である。

言い換えれば、入射角Ф_ｉが臨界角Ф_ｃより小さい場合には、斜面だけでは一般に、本発明のビーム再方向付け態様の目的を実現するのに不十分である。したがって、本発明の目的を促進するために、さらなる反射要素および／または代替の反射要素を必要とする可能性がある。このようなさまざまな別の反射要素については、図３〜図５Ｇに示される本発明のビーム曲げ装置の種々の具体的な代替実施形態を参照して、以下に説明する。

図３に示されるビーム曲げ装置２０は、ピグテールファイバ２２と、ピグテールファイバ２２の一端に直接スプライス接合されるピグテールファイバ２２の外径より大きい外径を有するＧＲＩＮファイバレンズ２４と、を有することが好ましい。反射面２６を画定する斜面に加えて、反射面２６上にさらなる反射要素３６を固着または別の方法で配置してもよい。このような反射要素３６は、金属または誘電性のコーティング材料または複屈折性または偏光性のスラブなどの他の機能的要素であってもよい。以下にさらに詳細に述べるように、さらなる反射要素３６は斜面に配置される非球面のガラス面などの別の面であってもよい。図面に示されているように、光線経路３８はピグテールファイバ２２のコア４０から出射し、反射面２６に向かって実質的に平行化される。反射要素３６と反射面２６との境界面で、少なくとも相当量の光信号が、ＧＲＩＮファイバレンズ２４の曲面３４に向かって再方向付けされる。前述したように、曲面３４は、円錐面を形成し、１つの軸に沿ってビームを集光し、他の軸に沿って集光しないようにするために、円柱レンズとして機能することが好ましい。したがって、光信号が光軸に沿って進む間、図３に示されるビーム曲げ装置２０を通過する光信号のモードフィールドが円形形状である場合には、円形のモードフィールドは、実質的に楕円形のモードフィールドに変換されることが好ましく、ＧＲＩＮファイバレンズ２４の外方向にある程度距離またはＧＲＩＮファイバレンズ２４の下で実質的に集光される。

光信号のモードフィールドを変更するためのビーム曲げ装置２０の別の具体的な実施形態が、図４Ａおよび図４Ｂに示される。図３に示される実施形態とは異なり、図４Ａおよび図４Ｂに示されるビーム曲げ装置２０は、ピグテールファイバ２２とＧＲＩＮファイバレンズ２４との間に位置決めされるスペーサファイバまたはスペーサロッド４２を有している。さらに、第２のスペーサロッド４４は任意に、ＧＲＩＮファイバレンズ２４と反射面２６との間に位置決めされてもよい。図４Ａおよび図４Ｂに示される実施形態において、反射面２６は、ＧＲＩＮファイバレンズ２４の端部ではなく、コアレススペーサロッド４４の端部上に配置される。本発明のこの具体的な実施形態において、斜面と光軸との間の角度が４５°以外であるために、反射面２６は、金属コーティングまたは誘電性コーティング、または複屈折性または偏光性のスラブなどの他の機能的要素などのさらなる反射要素３６を有している。コーティング要素３６はまた、非球面または所与の用途に必要であるように、光信号を適切に曲げることができるいずれか他の材料またはデバイスなどの反射面を有してもよい。外径の点で異なるが、スペーサロッド４２、４４は、均一または一定の半径方向の屈折率分布を有する光搬送材料のコアレスガラスロッドであることが好ましい。好ましい実施形態において、スペーサロッド４２およびスペーサロッド４４は従来のファイバ延伸工程によって製造され、所望の長さに切断され、ピグテールファイバ２２および／またはＧＲＩＮファイバレンズ２４にスプライス接合または他の方法で固着される。ＧＲＩＮファイバレンズ２４から遠いスペーサロッド４４の端部上に配置される斜面の反射面２６は、好ましくは研磨またはレーザマイクロマシニングによって、スプライス接合の前または後のいずれかにスペーサロッド４４上に形成または他の方法で位置決めされてもよい。

図４Ｂに示される斜視図に示されているように、スペーサロッド４２、４４は異なる外径を有し、スペーサロッド４２およびＧＲＩＮファイバレンズ２４は実質的に矩形形状であり、スペーサロッド４４は実質的に円筒形状である。当業者は、ピグテールファイバ２２、ＧＲＩＮファイバレンズ２４および１つ以上のスペーサロッドは、円筒形、矩形、四角形または楕円形などの任意の幾何形状であってもよいことを認識されたい。さらに、図面には示されていないが、ビーム曲げ装置２０は、図４Ａおよび図４Ｂに示されているものに加えて、ＧＲＩＮファイバレンズおよびスペーサロッドを有してもよい。一般的に言えば、用いられる各ＧＲＩＮファイバレンズおよびスペーサロッドの構成、形状、外径、長さおよび数は、特定のモード変換／曲げ用途のためのモードフィールド結合設計仕様を満たすために、最も経済的に効率のよいアプローチによって決定されることが好ましい。一般的に言えば、反射面２６が配置されるＧＲＩＮファイバレンズ２４またはスペーサロッド４４は、所与の用途に関して所望のアナモルフィックレンズ効果を提供するために、形状が非球面である曲面３４を有することが好ましい。さらに、図面に示されているように、ピグテールファイバ２２の偏光軸を維持するために、スペーサロッド４２、ＧＲＩＮファイバレンズ２４およびスペーサロッド４４が製造工程中、どのように位置合せされる必要があるかを示すために、図４Ａおよび図４Ｂに示されているように、スペーサロッド４２、ＧＲＩＮファイバレンズ２４およびスペーサロッド４４は、位置合せ特徴部または溝４６または他の方法で印付けされることが好ましい場合がある。このような印付けはまた、本願明細書に開示される本発明の他の実施形態に関しても好ましい。しかし、当業者は、ビーム曲げ装置２０の種々の要素の幾何形状が円筒形である場合またはそうでなければ非平面を含む場合に、このような印付けが特に有用であることを認識されたい。さらに、当業者はまた、位置合せ溝は、このような位置合せが本発明の動作に悪影響を及ぼすような光信号が通過する任意の面上に位置決めまたは製造されてはならないことを認識されたい。

図５Ａに示されるビーム曲げ装置２０は、図４Ａに示される実施形態と類似である。しかし、ここでは、スペーサロッド部分４２、４４は同一の外径を有するように示されている。図５Ａに示される傾斜付き反射面２６は、金属、誘電性、または複屈折性または偏光性のスラブなどの他の機能的なコーティングを備えていない。代わりに、第２の反射面４８、好ましくは反射非球面が第１の反射面２６上に形成される。反射非球面４８は、レーザマイクロマシニング、酸エッチング、研磨または当業界では周知の他の方法によって、反射面２６上に形成されてもよい。別法として、別の反射材料がある種の透明エポキシによって傾斜付き反射面２６に固着されてもよい。

図５Ｂに示されるビーム曲げ装置２０は、ビーム曲げ特性を除き、図５Ａに示される実施形態と類似である。さらに具体的に言えば、図５Ｂに示されるビーム曲げ装置２０は、傾斜付き反射面２６も第２の反射面４８も有していない。代わりに、曲面４７が、ピグテールファイバ２２から遠いビーム曲げ装置２０の端部上に配置される。本発明によれば、曲面４７は、ビーム曲げ装置２０を通って長手方向に延在する光学アクセス（図示せず）に対して一定の角度で形成され、曲面４７に対して向けられた光信号が本発明によって再方向付けまたは曲げられることが好ましい。好ましい実施形態において、丸みを帯びた面４７は、酸エッチング、レーザマイクロマシニングまたはいずれか他の機械加工技術によって、ビーム曲げ装置２０の端部に形成されることが好ましい場合もある。

図５Ｃに示されるビーム曲げ装置２０は、複数のＧＲＩＮファイバレンズ２４、２４’を有する。スペーサロッドを伴うか、またはスペーサロッドに続く単独のＧＲＩＮファイバレンズではなく、図５Ｃに示されるビーム曲げ装置２０は、ピグテールファイバ２２にスプライス接合または他の方法で固着される第１のＧＲＩＮファイバレンズ２４と、第１のＧＲＩＮファイバレンズ２４にスプライス接合または他の方法で固着される第２のＧＲＩＮファイバレンズ２４’と、を有している。上述の他の実施形態と同様に、傾斜付き反射面２６は、ピグテールファイバ２２から遠いビーム曲げ装置２０の端部に配置される。

図５Ｄに示されるビーム曲げ装置２０は、ピグテールファイバ２２にスプライス接合または他の方法で固着される別のテーパ型ＧＲＩＮファイバレンズ２４を示している。図５Ｄに示されるテーパ型ＧＲＩＮファイバレンズ２４の寸法は図１Ｃおよび図１Ｃ’に示されるものとは異なるが、図５Ｄに示されるテーパ型ＧＲＩＮファイバレンズ２４の特性および動作は図１Ｃおよび図１Ｃ’を参照して説明したものと実質的に同一である。

図５Ｅに示されるビーム曲げ装置２０は、ピグテールファイバ２２と、コアレススペーサロッド４２と、ＧＲＩＮファイバレンズ２４と、反射面２６と、を有することが好ましい。上述の実施形態とは異なり、コアレススペーサロッド４２は、ピグテールファイバ２２へのコアレススペーサロッド４２のスプライス接合を容易にする丸みを帯びた端部を有することが好ましい。ＧＲＩＮファイバレンズ２４は、端部の一方でコアレススペーサロッド４２の他端にスプライス接合されることが好ましい。ＧＲＩＮファイバレンズ２４の他端は、テーパ状に切断されることが好ましく、ボールレンズ６５に熱形成されることが好ましい。ボールレンズ６５は、ビーム曲げを容易にするための傾斜付き反射面２６を備えるように研磨または他の方法で形成されることが好ましい。ボールレンズ６５上の傾斜付き反射面２６に対向する丸い面６７は、互いに実質的に直交して配置され、光軸またはその付近で交差することが好ましい２つの異なる曲線Ｃ_１、Ｃ_２によって画定される双円錐面であることが好ましい。曲線Ｃ_１、Ｃ_２の関数に関するさらなる詳細は、「Ｂｅａｍ Ａｌｔｅｒｉｎｇ Ｆｉｂｅｒ Ｌｅｎｓ Ｄｅｖｉｃｅ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ」という名称の同時係属中の米国特許出願において見い出すことができ、その開示内容は本願明細書に参照によって包含されるものとする。当業界は、傾斜付き反射面２６および曲面６７を有するボールレンズ６５が別法として、図５Ｅに示されるように、ＧＲＩＮファイバレンズ２４の端部上ではなく、個別のスペーサロッドの端部上に配置されてもよいことを認識されたい。このようなビーム曲げ装置２０は、ＧＲＩＮファイバレンズ２４にスペーサロッド４２をスプライス接合し、適切な長さにＧＲＩＮファイバレンズ２４をテーパ切断した後、ピグテールファイバ２２から遠いＧＲＩＮファイバレンズ２４の端部にボールレンズ６５を形成することによって製造されることが好ましい場合がある。

別のビーム曲げ装置２０が、図５Ｆおよび図５Ｇの製造工程の種々のステージに示されている。ビーム曲げ装置２０は、ピグテールファイバ２２と、コアレススペーサロッド４２と、ＧＲＩＮファイバレンズ２４と、ピグテールファイバ２２から遠い傾斜付き反射面２６と、を有することが好ましい。図５Ｆに示されているように、ピグテールファイバ２２へのコアレススペーサロッド４２のスプライス接合を容易にするために、丸い端部６３がコアレススペーサロッド４２の端部上に配置される。本発明の一態様によれば、ビーム曲げ装置２０のＧＲＩＮファイバレンズ２４は、ピグテールファイバ２２から遠い方にテーパ切断された端部６１を含むようにテーパ切断されることが好ましい。テーパ切断された端部６１は、図５Ｇに示されるような傾斜付き反射面２６を形成するように、研磨またはレーザマイクロマシニングによって形成されることが好ましい。当業者は、本発明のビーム曲げ装置２０が、所与の用途の要件およびそれらの要件を満たすために取られた設計アプローチに応じて、同一または異なる特性のいずれかを有する複数のスペーサロッドおよび／または複数のＧＲＩＮファイバレンズ、または単独のスペーサロッドおよび複数のＧＲＩＮファイバレンズ、または単独のＧＲＩＮファイバレンズおよび複数のスペーサロッドを含むことを認識されたい。

本発明のビーム曲げ装置２０の動作の一実施形態が、図６Ａ〜図６Ｃに示されている。図面は、傾斜付き反射面２６を有するＧＲＩＮファイバレンズ２４の部分図を示している。図６Ａ〜図６Ｃに示されるＧＲＩＮファイバレンズ２４は、図１Ｂに示される具体的な実施形態に開示されたように、ピグテールファイバ２２に固着されることが好ましく、図１Ｂに示されるビーム曲げ装置２０の特徴、特性および機能性も備えることが好ましい。言い換えれば、図６ＡはＧＲＩＮファイバレンズ２４の側面図を示し、図６Ｂおよび図６ＣはＧＲＩＮファイバレンズ２４の平面図を示している。図６Ｂおよび図６Ｃに示されるＧＲＩＮファイバレンズ２４は、傾斜付き反射面２６が紙面に面するように、図６Ａに示されるその位置から約９０°回転されている。図６Ｂは、実質的にＧＲＩＮファイバレンズ２４面で集光されるモードフィールド５０を顕微鏡を用いて示している。図６Ｃは、ＧＲＩＮファイバレンズ２４面から約１００．０ミクロンで光されるモードフィールド５２を顕微鏡を用いて示している。したがって、図６Ｃに示される実施形態において、楕円形のモードフィールドを有する光学部品は、結合効率を最大にし、光学損失を最小限に抑えるために、ＧＲＩＮファイバレンズ面３３の曲面３４から約１００．０ミクロンの距離で、図６Ａ〜図６Ｃに示されるビーム曲げ装置２０に結合されることが好ましい場合がある。

上述のようなビーム曲げ装置の好ましい用途は、このような装置のレーザダイオーまたは他の光屈折率半導体導波路デバイスへの結合である。このような用途において、上述の要素によって提供される強化される機能性は、さらなる設計の融通性および機能性を提供する。たとえば、研磨された斜面上に位置する誘電性ミラーによって、ビーム曲げ装置は、そこに達する光の一定の率を反射するように設計されてもよい。レーザダイオード結合の場合には、このような機能性を用いて、レーザパワーを監視することができる。さらに、本発明のビーム曲げ装置の傾斜付き実施形態は、本発明のビーム曲げ装置を半導体デバイスに実装する際に、複数のオプションを提供するために、９０°以外の角度で光ビームを反射するように設計されることができる。これは、シリコンオプティカルベンチ技術を用いる場合に特に言える。以下にさらに詳細に述べるように、シリコンエッチング面は、実装中の位置合せ手順をより簡単にすることができる。

上記で簡単に述べたように、本願明細書に開示されたビーム曲げ装置２０の具体的な実施形態のそれぞれは、一定の共通の製造技術を共有していてもよい。第一に、有効な放物線状の屈折率、コア直径、外形および幾何形状を有する適切なＧＲＩＮファイバレンズが、選択されたピグテールファイバ、またはピグテールファイバ２２の端部にそれ自体がスプライス接合される１つ以上のスペーサロッド４２に好ましくはスプライス接合によって固着される。このようなスペーサロッド４２は、コアレスシリカを含むガラスロッドであることが好ましく、任意の適切な外形寸法および幾何形状を有するように製造されることができ、均一または一定の半径方向の屈折率を有するため、レンズ特性はほとんどないかまたはまったくない。使用時には、スペーサロッド４２がさらなる設計の融通性を提供する。エムケー（Ｅｍｋｅｙ）およびジャック（Ｊａｃｋ）著、「Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ Ｇｒａｄｅｄ−Ｉｎｄｅｘ Ｆｉｂｅｒ−Ｌｅｎｓｅｓ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、ｖｏｌ．ＬＴ−５、Ｎｏ．９、１９８７年９月、ｐ．１１５６−１１６４（本願明細書に参照によって包含されるものとする）に開示される公知の公式を用いて、ＧＲＩＮファイバの屈折率、ＧＲＩＮファイバのコア特性および４分の１ピッチ長さなどのレンズ変数を決定してもよい。

次に、ＧＲＩＮファイバレンズは、４分の１ピッチに比べて適切な長さに劈開またはテーパ切断され、光軸に対して適切な斜角を有するように、レーザマイクロマシニングされてもよい。次に、このように形成されたＧＲＩＮファイバレンズ２４の端部は、必要に応じて研磨されてもよい。斜面の角度などのＧＲＩＮファイバレンズ２４の変数は、必要な作動距離およびピグテールファイバ２２のモードフィールドおよび最終的なモードフィールド形状の要件に基づいて設計されてもよい。スペーサロッドはまた、上述したように、所望または必要に応じて、本発明のビーム曲げ装置２０のＧＲＩＮファイバレンズ２４と反射面２６との間に位置決めされてもよい。このような場合には、上述したように、スペーサロッド４４は劈開またはテーパ切断されてもよく、ＧＲＩＮファイバレンズ２４から遠いスペーサロッド４４の端部が上述したように、ＧＲＩＮファイバレンズ上ではなく、スペーサロッド上に所望の傾斜付き反射面に達するようにさらに処理されてもよい。

また、異なる用途のためにＧＲＩＮファイバレンズ２４およびピグテールファイバ２２のコアまたは外径、サイズ、形状および屈折率差を変更することができるように、種々の設計において実現することも可能である。たとえば、ＧＲＩＮファイバレンズの外径を変化するサイズのビームに適合するように、ピグテールファイバと同一であるか、ピグテールファイバより小さいか、または大きいようにすることも可能である。ＧＲＩＮファイバレンズ、ピグテールファイバおよび任意のスペーサロッドの形状は、四角形または矩形などの非円筒形であってもよく、または製造しやすさおよびピグテールファイバの偏光軸との位置合せを容易にするために、溝または他の方法で印付けされてもよい。平たい側面または印付けをピグテールファイバの偏光軸と位置合せすることによって、適切な偏光軸によってレーザダイオードまたは他の光学部品に対する結合などの別の処理が簡略化される。

本発明によるビーム曲げ装置２０に組込まれる具体的な光学アセンブリが、図７Ａ〜図７Ｃに示されている。図７Ａおよび図７Ｂに示される光学アセンブリ５４は、基板５６と、レーザダイオードまたは他の発光体など（これらに限定されるわけではない）の光信号源５８とを有する。光信号源５８は基板５６上に支持されることが好ましく、本発明によるビーム曲げ装置２０はまた、ＧＲＩＮファイバレンズ２４が光源５８と通信を行うことができるように基板５６上に位置決めされることが好ましい。図７Ｂに明確に示されるように、光源５８は、ＧＲＩＮファイバレンズ２４の側壁に形成される双円錐面３４を通過する光信号６０を発する。その後、光信号６０は、光信号６０がＧＲＩＮファイバレンズ２４およびピグテールファイバ２２の光軸に沿って再方向付けされるように、反射面２６によって画定される媒体のガラス境界面（一般に空気／ガラス境界面）で反射される。好ましい実施形態において、光信号６０のモードフィールドはまた、低損失でピグテールファイバ２２に変換される光信号６０を結合するために、光信号源５８から発せられる楕円形のモードフィールドから実質的に円対称のモードフィールドに変換されることが好ましい。

図７Ａおよび図７Ｂに示される構成に関する特定の利点は、環境効果に対するその許容差である。光信号源５８とＧＲＩＮファイバレンズ２４との間の位置合せの許容差は光信号源５８の発光体に対するＧＲＩＮファイバレンズ２４の向きのために広いため、温度、湿度などの変化などの環境条件はアセンブリ５４の動作および機能性にほとんど影響を及ぼさない。

アセンブリ６２の別の代替実施形態が、図７Ｃに示される。この実施形態は、図７Ａおよび図７Ｂに示されるアセンブリ５４と類似であるが、光信号６０をＧＲＩＮファイバレンズ２４に反射するために、シリコンオプティカルベンチまたは他の基板を利用する。この構成は、シリコン基板５６にエッチングまたは他の方法で形成される＜１１１＞ファセット６４およびビーム曲げ装置２０を支持するためにエッチングまたは他の方法によって製造されたＶ字型溝５５を有するシリコンオプティカルベンチと共に用いるのに特によく適している。好ましい実施形態において、＜１１１＞ファセット６４は、約５５°の角度で配置される。一般的に言えば、反射面２６は、＜１１１＞ファセットに適合する（平行である）ように斜面が形成され、図７Ｃに示されるアセンブリ６２の位置合せおよび作成をより複雑でないようにする。

図面には示されていないが、波面ができる限り似るように整合することも重要である。そうしないと、収差を生じる恐れがある。これは結合効率に肯定的または否定的に干渉した結果である。これまで、当業者は、ガラス自体の化学特性を実際に変更することによって、レンズ、たとえばＧＲＩＮファイバレンズの屈折率分布などのＧＲＩＮファイバレンズの特性を調整してきた。これは、きわめて時間がかかり、モードフィールド結合アセンブリを効率的に製造することは困難である。本発明によれば、ＧＲＩＮファイバレンズのサイズおよび形状、スペーサロッドの使用は、光学像に対する何らかのレンズ効果、スペーサロッドのサイズおよび数、ＧＲＩＮファイバレンズの数、本発明によるレンズを画定する外部曲面３４、３５の形状の独立制御（Ｘ平面およびＹ平面）をまったく加えなくても、光信号像を移動するように作用し、当業者は、モードフィールド結合アセンブリの大量生産に関して現実的かつ効率的であり、コスト効率もよい態様で、容易かつ効率的にこれらの波面に実質的に適合させることができる。さらに、上述の図には示されていないが、上述の原理は、光信号がピグテールファイバ、次に用いられるスペーサロッド、ＧＲＩＮファイバレンズを介して指向され、次にＳＯＡまたは他の検出器／フォトダイオード（これらに限定されるわけではない）などの光導波路デバイスに結合するために、反射面によって再方向付けされた後、ＧＲＩＮファイバレンズ（またはスペーサロッド）の外部曲面３４、３５を通過することが好ましい本発明の光学アセンブリの実施形態にも等しく適用可能である。

ここで、本発明の上述の実施形態によるオフラインまたは非インラインビーム曲げ装置および光学アセンブリの実施例について記載する。

ボールレンズ６５を有し、双円錐曲面６７および傾斜付き反射面２６を有する具体的なオフラインビーム曲げ装置８０が、後述の変数を参照して図８に概略的に示される。具体的なマルチレンズ装置は、光信号の源８２を有している。この場合には動作波長「ｗａｖ」、ｗｘ０（μｍ）のｘ方向（垂直方向）におけるモードフィールド径（ＭＦＤ）、ｗｙ０（μｍ）のｙ方向におけるＭＦＤの信号を発することができるレーザダイオードである。源８２からのビームは、半径方向に一定の屈折率分布を有し、長さ（Ｌｃ）および屈折率（ｎｃ）を有するスペーサロッド４２上に形成される曲率半径がｘ方向において（ＲＬｘ）（μｍ）、ｙ方向において（ＲＬｙ）（μｍ）の曲面６７に達するまでの距離（ｚ）では、屈折率（ｎ１）の媒体（通常は空気）を伝搬する。円筒形のバイコニックレンズの前の光信号のＭＦＤはｗｘ１、ｗｙ１であり、ビームの波面の曲率半径はｒｘ１、ｒｙ１である。光信号は、バイコニックレンズによって、それぞれｗｘ２、ｗｙ２のＭＦＤ、ｒｘ２、ｒｙ２の波面の曲率半径を有するビームに変換される。薄いレンズの場合には、ｗｘ１＝ｗｘ２、ｗｙ１＝ｗｙ２であるが、ｒｘ２、ｒｙ２は一般にｒｘ１、ｒｙ１と同一ではない。次に、ビームは、長さＬｃおよび屈折率ｎｃのスペーサロッド４２の部分を通って伝搬する。スペーサロッド４２の長さＬｃは、傾斜付き反射面２６（Ｌｃ１）の前のスペーサロッドの長さおよび傾斜付き反射面２６からＲＩＮファイバレンズ２４まで延在するスペーサロッド４２の長さを含む。示された実施形態において、傾斜付き反射面２６は、光信号を９０°曲げると想定される。この伝搬後のビーム特性は、ｗｘ３、ｗｙ３、ｒｘ３、ｒｙ３である。これらの特性を有するビームは、光信号Ｌｇ、平均屈折率ｎｇ、屈折率の差＝Δおよびコア半径（ａ）の特性を備えたＧＲＩＮファイバレンズ２４に達する。ＧＲＩＮファイバレンズ２４を伝搬した後、ビーム特性は、ｗｘ４、ｗｙ４、ｒｘ４、ｒｙ４である。設計の目的は、ｗｘ４＝ｗｙ４＝ｗｓｍｆをなすことである。尚、（ｗｓｍｆ）は、標準的なシングルモードピグテールファイバ２２の円形のＭＦＤである。別の目的は、ピグテールファイバへの結合効率を最大にするために、ｒｘ４、ｒｙ４を可能な限り平坦な波面に近づけることである。この目的は、任意の所与の源８２およびピグテールファイバ２２に関して、曲面６７、ボールレンズ６５、スペーサロッド４２のＺ、Ｒｘ、Ｒｙ、Ｌｃなどの設計変数、Ｌｇ、Δ、（ａ）などのＧＲＩＮファイバレンズ２４の特性を修正することによって、実現されてもよい。結合効率を妥協することなく、手頃な許容差および実際的な実装要件を実現する場合には、Ｚを相当大きくすることも目的である。

ビーム変換は、参照によって本願明細書に引用される参考文献において開示されたように、複素ビーム変数ｑに関してＡＢＣＤ行列手法を用いて、またはビーム伝搬技術を用いて、ガウスビームに関して算出できる。設計は、任意の所望のｚに関する最適な結合効率のほか、源８２およびピグテールファイバ２２の特性に関して、最適化されることが好ましい。材料特性ｎ１、ｎｃ、ｎｇ、ｎｓをある程度変更することができるが、実際の材料を考慮すると、これらの値は制限される。たとえば、ｎ１は一般に１（空気）に等しく、ｎｃは値が〜１．４５μｍ、１．３〜１．５５μｍの波長範囲に近い主にシリカまたはドープシリカである。ｎｇ、ｎｓｍｆに関しても同様である。

複素ビーム変数ｑは、以下のように画定される。

（１／ｑ）＝（１／ｒ）−ｉ^＊（ｗａｖ／（π^＊ｗ^2＊ｎ）
式中、ｒは波面の曲率半径であり、ｗはガウスビームのモードフィールド半径であり、ｗａｖは光の波長である。

入射面８４から出射面８６までのｑの変数変換は、
ｑ２＝（Ａ^＊ｑ１＋Ｂ）／（Ｃ^＊ｑ１＋Ｄ）
によって与えられる。式中、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄはそれぞれ、入射面８４および出射面８６の光線変数に関連する光線行列の要素である。

１）長さ

の自由空間伝搬に関するＡＢＣＤ行列
２）屈折率ｎ１〜ｎ（長さなし）の媒体までに進む

の場合
３）曲率半径

のレンズの場合
４）ｎ’（ｒ）＝ｎ（１−ｇ^２＊ｒ^２）^0.5のＧＲＩＮファイバレンズおよび長さ

およびｇ＝（（２^＊Δ）^０．５）／ａの場合
特定の位置におけるレンズの幾何構成、設計変数およびＭＦＤ変数
平面８３：源８２の出力：ｗａｖ、ｗｘ０、ｗｙ０：源８２の波長およびｘ方向およびｙ方向のモードフィールド
平面８４：材料屈折率（ｎ１）のＺを伝搬するが、バイコニックレンズの前
ｗｘ１、ｗｙ１：平面８４におけるビームのモードフィールド径
ｒｘ１、ｒｙ１：波面の曲率半径
平面８６：材料屈折率ｎｃを有する半径Ｒｘ，Ｒｙのバイコニックレンズの直後
ｗｘ２、ｗｙ２
ｒｘ２、ｒｙ２
平面８８：長さＬｃおよび屈折率ｎｃのスペーサロッドにおいて伝搬し、ＧＲＩＮファイバレンズ２４の直前
ｗｘ３、ｗｙ３
ｒｘ３、ｒｙ３
平面９０：長さＬｇ、平均屈折率ｎｇ、屈折率の差＝Δ、コア半径＝ａのＧＲＩＮファイバレンズ２４を伝搬した後、ピグテールファイバの直前
ｗｘ４、ｗｙ４
ｒｘ４、ｒｙ４
オフラインビーム曲げ装置に関する特殊な例
上述の手法を用いて、レーザダイオード結合用途の場合のビーム曲げ装置の設計変数を算出し最適化してもよい。作動距離の関数として行われた結合効率の計算が、図９に示されている。この曲線に基づき、この設計に関する最適作動距離は約５０．０μｍであり、実際の実装および位置合せ要件に関する合理的な値である。レーザダイオード特性および他の設計変数は、以下に列挙される。

レーザダイオード特性：波長：０．９８μｍ
Ｘ方向におけるモードフィールド半径ｗ０ｘ：０．９μｍ
Ｙ方向におけるモードファイルド半径ｗ０ｙ：３．６μｍ
他の設計変数
バイコニックレンズのＸ方向の曲率半径ＲＬｘ：２５μｍ
スペーサロッドの長さＬｃ：４０．０
ＧＲＩＮファイバの長さＬｇ：１１７０μｍ
ＧＲＩＮファイバの屈折率の差Δ：０．０１
ＧＲＩＮファイバのコア半径ａ：６２．５
シングルモードピグテールファイバのモードフィールド：５．２μｍ
実施例は、例示の目的のためにのみ与えられており、用途に基づいて変化する。上記の実施例は、以下の参考文献を参照すればより明確に理解されると思われる。Ｗ・Ｌ・エムケー（Ｗ．Ｌ．Ｅｍｋｅｙ）およびＣ・ジャック（Ｃ．Ｊａｃｋ）著、ＪＬＴ−５、１９８７年９月、ｐ．１１５６〜１１６４；Ｈ・コーゲルニック（Ｈ．Ｋｏｇｅｌｎｉｋ）著、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ、１９６５年１２月４日、ｐ．１５６２；Ｒ・キシモト（Ｒ．Ｋｉｓｈｉｍｏｔｏ）およびＭ・コヤマ（Ｍ．Ｋｏｙａｍａ）著、「Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」、ＩＥＥＥ ＭＴＴ−３０、１９８２年６月、ｐ．８８２；Ｂ・Ｅ・Ａ・サラ（Ｂ．Ｅ．Ａ．Ｓａｌｅｈ）およびＭ・Ｃ・タイヒ（Ｍ．Ｃ．Ｔｅｉｃｈ）著、「Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ」、Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ，Ｉｎｃ．、１９９１。それぞれ本願明細書に参照によって包含されるものとする。

本発明は詳細に説明されているが、関連当業者には、本発明の精神を逸脱することなく、本発明を修正することができることは明白であることは明確に理解されたい。本発明の精神および範囲を逸脱することなく、本発明に対して形態、設計または構成に関する種々の変更を行うことができる。たとえば、ＧＲＩＮファイバレンズ２４は、その屈折率分布が上述したように、半径方向ではなく長手方向に変化するように製造されてもよい。さらに、当業者は、本発明のビーム曲げ装置２０の種々の部品／要素は、ビーム曲げ装置２０の種々の要素が軟化点および熱膨張係数など（これらに限定されるわけではない）の特性に対して互換性があるという条件であれば、同一の材料から製造される必要はないことを認識されたい。したがって、上述の記述は、限定するものではなく、具体的なものとして考えるべきであり、本発明の真の範囲は、以下の特許請求の範囲において画定される。

Claims (11)

1. 光信号のモードフィールドを変更するための装置であって、当該装置が、
   双円錐面を有するレンズを有してなるＧＲＩＮファイバレンズと、
   前記ＧＲＩＮファイバレンズの一端にあって、その少なくとも一部に形成された反射面と、
   を有してなるもので、
   前記反射面は、前記ＧＲＩＮファイバレンズと協働して、前記反射面に対して向けられた光信号の経路を再方向付けするように構成されるものであることを特徴とする装置。
2. 光ファイバをさらに有し、前記反射面から遠い前記ＧＲＩＮファイバレンズの端部が前記光ファイバに固着されることを特徴とする、請求項１記載の装置。
3. 前記反射面が曲面を有し、前記曲面が前記ＧＲＩＮファイバレンズの長手方向の軸に対して一定の角度で傾斜させられていることを特徴とする、請求項１記載の装置。
4. 前記反射面が傾斜面を含むことを特徴とする、請求項１記載の装置。
5. 前記ＧＲＩＮファイバレンズが前記反射面に対して位置決めされる曲面を有し、前記装置に入射または前記装置から出射する光信号と通信を行うことを特徴とする、請求項１記載の装置。
6. 前記装置は光軸を画定し、前記曲面は互いに対してほぼ直角に配置される２つの異なる曲線、大曲線Ｃ_１および小曲線Ｃ_２によって画定され、前記曲線Ｃ_１およびＣ_２は前記光軸またはその付近で交差することを特徴とする、請求項５記載の装置。
7. 前記ＧＲＩＮファイバレンズが前記反射面に対して位置決めされる平面を有し、前記装置に入射または前記装置から出射する光信号を送受信することを特徴とする、請求項１記載の装置。
8. 前記反射面が斜面を有し、前記斜面が前記ＧＲＩＮファイバレンズの前記端部に形成されることを特徴とする、請求項１記載の装置。
9. 前記ＧＲＩＮファイバレンズが複数のＧＲＩＮファイバレンズを有し、前記マルチレンズ装置がそれぞれ半径方向に一定の屈折率を有する１つ以上のスペーサロッドをさらに有し、前記１つ以上のスペーサロッドが、１つ以上の光ファイバと前記複数のＧＲＩＮファイバレンズとの間に位置決めされることを特徴とする、請求項２記載の装置。
10. 前記反射面が、斜面および前記斜面上に形成される反射非球面を有することを特徴とする、請求項１記載の装置。
11. 光学部品と、
    前記光学部品を支持するように構成される基板と、
    前記光学部品との間を通過する光信号のモードフィールドを変更するように前記基板上に前記光学部品に対して位置決めされる装置であって、双円錐面を有するレンズを有してなるＧＲＩＮファイバレンズと、前記ＧＲＩＮファイバレンズの一端にあって、その少なくとも一部に形成された反射面とを有し、該反射面は、前記ＧＲＩＮファイバレンズと協働して、前記反射面に対して向けられた光信号の経路を再方向付けするように構成されるものとを有してなる光学アセンブリ。

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