JP2013509614A - 拡大ビームインターフェースデバイスおよびその製作方法 - Google Patents

Abstract

光電子デバイス（２００）は、光路長Ｌを有する屈折率分布レンズ（２０４）を備え、ここでＬ＝Ｐ／４＋ＮＰ／２であり、上式で、Ｎは０以上の整数であり、Ｐは屈折率分布レンズ（２０４）のピッチである。所望の焦点が屈折率分布レンズの端面から離れている場合、光路長Ｌは、その距離およびその距離を占める媒体の屈折率に応じて調整することができる。

Description

本発明は、オプトエレクトロニクスに関する。とりわけ、本発明は、拡大ビーム光電子コネクタ（expanded beam optoelectronic connectors）に関連して特に有用である。

光ファイバ上で伝達される光信号は、その光ファイバから別の光ファイバもしくは電子デバイスへ、または当該別の光ファイバもしくは当該電子デバイスから、結合される必要があることが一般的である。通常、光ファイバの端部には、所定の形状因子の光コネクタが備えられている。この光コネクタは、他のファイバまたは光電子デバイス（optoelectronic device）上の相手側光コネクタに結合することができる。光電子デバイスは、光−電気（optical-to-electrical）変換デバイスまたは電気−光（electrical-to-optical）変換デバイスとすることができる。例えば、光信号は、２つの電子デバイス間でデータを伝送する極めて効率的な方法であることがよく知られている。しかし、その光データは、伝送デバイスで電気信号から光信号へ変換され、次いで受信デバイスで光信号から再び電気信号へ変換される必要がある。したがって、光信号は通常、デジタル電子信号として開始され、光−電気式の光電子サブアセンブリ（an optical to electrical optoelectronic sub-assembly）によって、光パルスに変換される。この光電子サブアセンブリは、通常、電気信号を光信号に変換するレーザまたはＬＥＤを少なくとも備える。次いで、光信号が伝送される。この光信号は、受信端部にある受信デバイスで受信される。この受信デバイスは、通常、光−電気式の光電子サブアセンブリを備える。この光電子サブアセンブリは、光入力信号を電気出力信号に変換するフォトダイオードなどの光検出器を、少なくとも有している。

光電子技術では、コネクタ内に光電子サブアセンブリ（受信側または伝送側）を直接組み込んで設けることがよく知られている。

これらのコネクタは、一般的に、コネクタを通じて可能な限り多くの光を確実に伝送するために、極めて精密に製作する必要がある。典型的な光ファイバでは、光は一般的にファイバのコアの中のみに含まれる。このコアは、通常、シングルモードファイバの場合は直径約１０ミクロン、またはマルチモードファイバの場合は直径約５０ミクロンである。ごく小さな粉塵の断面は、一般的に１０ミクロンより大きい。したがって、２つのコネクタのインターフェースにごく小さな粉塵が一つでもあれば、この粉塵が光信号のコネクタ通過を実質的に、または、さらには完全に阻止する可能性がある。したがって、野外で、特に軍事用および産業用の適用分野でしばしば見られるような厳しい環境や、粉塵の多い環境において接続が行われる可能性が高い状況では、拡大ビームコネクタを使用することがよく知られている。

拡大ビームコネクタは、ビームを拡大して、コネクタの光インターフェース（すなわち、別の光コネクタまたは光電子デバイスに接続されるように設計されたコネクタの端部）でビームの断面を増大させる、光学系(optics)を含む。もちろん、コネクタ内における光の進行方向に応じて、拡大ビームコネクタは、入力ビームをより大きい断面に拡大することができ、および／または入力された拡大ビームを受信して小さな断面に集束させることができる。理論的には、拡大ビームの断面は十分に大きいため、嵌合されるコネクタ間を結合する光の量が、粉塵粒子によって低減することは実質的にはない。

米国特許第６，９１３，４０２号は、図１に示すように、内蔵型光電子サブアセンブリを有する拡大ビーム光コネクタを開示している。このコネクタ１００は、ボールレンズ１０１と、光インターフェース表面１１１と光電子サブアセンブリ１０４の間に位置決めされたフェルール１０３内に収容されたファイバ１０２と、を含む。一例として、受信側の光−電気サブアセンブリを使用すると、光インターフェース表面１１１でコネクタ１００に入る視準光（collimated light）１１３は、ボールレンズ１０１に入り、ファイバ１０２の入力端面１１５上に集束される。ファイバ１０２の他方の端面は、光電子サブアセンブリ１０４の光入力１０６と接触する。光電子サブアセンブリ１０４は、検出器表面に当たる光信号に対応して、１つまたは複数の電線１０７上にデジタル電気信号を出力する。

図１のデバイスは、拡大ビームを集束するのに効果的であり、またはその反対の場合も同様であるが（or vice versa）、製造するのが困難かつ高価であることが解決すべき課題となっている。具体的には、このデバイスは、ボールレンズ、光ファイバ、フェルール、筐体、および光学サブアセンブリを含むさまざまな光部品を備えており、これらをすべて精密に組み立てなければならない。

解決策は、光路長Ｌを有する屈折率分布レンズを備える拡大ビーム光結合によって提供される。ここで、Ｌは約Ｐ／４＋ＮＰ／２であり、上式で、Ｎは整数であり、Ｐは屈折率分布レンズのピッチである。この長さにより、屈折率分布レンズの入力端面に当たった視準された入力光ビーム（a collimated input light beam）がレンズの他方の端面の１点に集束し、または、屈折率分布レンズの一方の端面に当たった１点の光ビームが、レンズの他方の端面から出力される拡大された視準ビームに拡大する。屈折率分布レンズの端面と同一平面上にない１点に拡大ビームを集束させることが望ましい場合、レンズの長さは、それに応じてＰ／４＋ＮＰ／２から調整することができる。例えば、所望の焦点が、屈折率分布レンズの端面からゼロ以外の距離Ｄだけ離れている場合、屈折率分布レンズの光路長Ｌは、距離Ｄ、およびその距離を占める媒体の、屈折率分布レンズの屈折率に対する屈折率に応じて、適宜短くすることができる。

本発明は、光−光コネクタ（optical-to-optical connectors）、ならびに光−電気サブアセンブリおよび電気−光サブアセンブリ（electrical-to-optical sub-assembly）などの内蔵型光電子サブアセンブリを有する光電子コネクタを含む拡大ビームコネクタにて、使用することができる。

本発明を、添付の図面を参照して以下に例示する。

従来技術の拡大ビーム光電子コネクタを示す図である。 第１の実施形態による拡大ビーム光電子コネクタを示す図である。 代表的な屈折率分布レンズの屈折率を示すグラフである。 屈折率分布レンズ内の視準光ビームの代表的な経路を示す図である。 第２の実施形態による拡大ビーム光電子コネクタを示す図である。 第３の実施形態による拡大ビーム光電子コネクタを示す図である。

図２は、光電子サブアセンブリが組み込まれた隔壁コネクタなどの、拡大ビーム光電子コネクタに適用される、本発明の原理を示す。この代表的な実施形態では、拡大ビーム内の光信号を入力として受信し、その光を光−電気式の光電子サブアセンブリにおける光検出器表面上へ集束させて、電気信号を出力する、光電子コネクタを例示する。しかし、これは代表的なものであるにすぎない。同じ原理は、電気−光式の光電子コネクタなど、ビームを拡大するための実質的に同じ構成に適用することができる。さらに、本発明の原理は、電気と光を変換するコネクタでの使用に限定されるものではない。同じ原理は、光電子サブアセンブリを備えていない光−光拡大ビーム接続で使用することができる。さらに、本発明の原理は、コネクタ自体での使用に限定されるものではなく、視準光ビームを拡大または収縮させることが望ましいいずれの場合にも、適用可能である。

ともかく、図２の代表的な実施形態において、コネクタ２００は、表面２０１を備え、表面２０１上に入射光２０２が衝突する。表面２０１は、例えば、光コネクタの端面を備え得る。この表面２０１は、放射状屈折率分布（ＧＲＩＮ）レンズ（radial gradient index (GRIN) lens）２０４の端面２１２を備える。または、この表面２０１は、端面２１２に当接する。屈折率分布レンズ２０４の反対側の端面２０８は、光−電気サブアセンブリ２０６の光検出器２０９の光入力２０７に当接する。光−電気サブアセンブリ２０６は、任意の従来の光−電気サブアセンブリとすることができる。

光−電気サブアセンブリ２０６は、光信号を電気信号に変換する。この電気信号は、１つまたは複数の電線２０３上で、コネクタ２００が電気結合され得る電子装置へ出力される。

屈折率分布レンズ２０４は、円柱の放射状屈折率分布レンズである。放射状屈折率分布レンズの屈折率は、円柱レンズの長手方向における中心軸２１１からの放射状の距離ｒに応じて変動する。放射状ＧＲＩＮレンズの屈折率プロファイルは、

と表すことができる。上式で、ｎ_０は、レンズの中心軸２１１上の屈折率であり、ｎ（ｒ）は、ＧＲＩＮレンズの軸２１１からの距離ｒにおける屈折率であり、ｒは、光軸２１１からの距離であり、Ａは、レンズの屈折率定数の２乗である（すなわち、レンズの屈折率定数は、

である）。Ａは、中心軸２１１からの放射状の距離に応じて、屈折率の変化を本質的に定義する定数である。ｎ_０とＡは、いずれも、所定のＧＲＩＮレンズにおける定数である。一般に、必ずしも必要ではないが、屈折率ｎは、軸２１１からの距離ｒに応じて放物線状に変動する。図３は、典型的な放物線状のＧＲＩＮレンズにおける、中心軸からの距離ｒに応じた屈折率の、代表的なグラフを示す。

図４に示すように、ＧＲＩＮレンズに入る視準光は、レンズを通ってほぼ正弦曲線の経路を進む。この正弦曲線の「振幅」は、光が当たるレンズでの、長手方向における中心軸からの距離ｒに応じている。

ＧＲＩＮレンズ内における正弦曲線の光路の「周期」は、ＧＲＩＮレンズの「ピッチ」Ｐとして知られており、次の関係による屈折率定数に関連する。

図４は、理論上のＧＲＩＮレンズ３０９の端面３０７に、その端面３０７に対して直角に当たる代表的な５つの平行光ビーム３０１、３０２、３０３、３０４、３０５の経路を示す。各ビームは、同じピッチＰを有する正弦曲線の経路を進むが、各経路は異なる「振幅」を有している。この異なる「振幅」は、各ビームが当たった端面３０７での、レンズ中心軸３１２からの放射状の距離ａ、ｂ、ｃ、ｄ、またはｅにより規定される。したがって、図４から容易に理解されるように、平行ビーム３０１、３０２、３０３、３０４、３０５からの光は、端面３０７からピッチの４分の１（１／４）Ｐにて単一の点にすべてが集束され、次いで、再び、その後２分の１ピッチ（１／２）Ｐごとに、たとえば、３／４Ｐ、５／４Ｐ、７／４Ｐにて、単一の点に集束される。この関係を、
焦点＝Ｐ／４＋Ｎ（Ｐ／２）と表すことができる。上式で、Ｎは０以上の整数である。
これらの焦点は、光がレンズの端面に対して直角に当たると仮定すると、レンズ３０９の中心軸３１２上に位置する。

したがって、「４分の１ピッチ」のＧＲＩＮレンズ（長さＬ＝Ｐ／４）は、視準源（a collimated source）からの光を受けて、その光をレンズの端面上の１点に集束させるであろう。「２分の１ピッチ」のＧＲＩＮレンズは、１点からの光を受けて、それを再び距離Ｌ＝Ｐ／２だけ移動させた１点に撮像するであろう。

図２に戻ると、当該図のＧＲＩＮレンズ２０４は、（３／４）Ｐの光路長を有する。すなわち、ＧＲＩＮレンズ２０４は、３／４ピッチのＧＲＩＮレンズであり、視準光を受けて、その視準光を点２２１に集束させ、次いでその点をレンズの他方の端面（光／電気サブアセンブリ２０６の光入力２０７と同一平面上にある端面）に撮像する。

図５のコネクタ５００は、コネクタ５００が備える光−電気サブアセンブリが光ビームを受信し集束させるためのものではなく、ビームを拡大して伝送するための電気−光サブアセンブリ５０１であることを除いては、同等のコネクタである。ビームを拡大して伝送するこの実施形態では、光５０３は、レーザ５１５の出力などの小さな点にて、３／４ピッチのＧＲＩＮレンズ５０５に入る。そして、光５０３は、反対側の端面でＧＲＩＮレンズ５０５を出るときに、拡大および視準される。したがって、３／４ピッチのＧＲＩＮレンズは、単一の光学要素（すなわち、ＧＲＩＮレンズ）を使用して、小さな点から放出された光を、拡大された視準ビームに変換することができ、かつ／または、拡大された視準ビームを小さな点に集束することができる。これは、例えば図１に示す従来技術の拡大ビームコネクタと比較すると、大いに簡略化されている。

この設計の変形形態は、長さＬを有し、
Ｌ＝Ｐ／４＋ＮＰ／２、
であり、上式で、Ｎは０以上の整数である。この等式内の第１の項、Ｐ／４は、ＧＲＩＮレンズが視準光ビーム受けて、入力レンズ面から波長の４分の１である１点にそれを撮像する（または、その反対の場合も同様である（or vice versa））ことを表す。第２の項、ＮＰ／２は、集束された画像がＧＲＩＮレンズの軸に沿って２分の１ピッチごとに伝達されることを表す。実際には、Ｎが増大するにつれて、撮像される点は、より不鮮明となる可能性が高い。したがって、Ｎの値には事実上の上限が存在し、この上限は、ＧＲＩＮレンズの品質および入力光の品質を含む様々なパラメータに依存する。

屈折率定数

、レンズの中心軸上の屈折率（ｎ_０）、および／または上記の等式内の整数Ｎを調整して、効果的な焦点距離を提供することができる。この効果的な焦点距離は、実質的に、任意の所望の距離であるが、この距離は、任意の適用分野、形状因子、または他の考慮事項により規定され得るものである。米国ワシントン州ベルビューのＺｅｍａｘ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎより入手可能なＺＥＭＡＸなどの光学モデリングソフトウェアを使用して、画像の品質を予測し、設計を改良して性能を最適化することができる。

上述の実施形態は、（集束の適用分野において）視準光の集束される点が、ＧＲＩＮレンズの端面と同一平面上にあるという前提に基づくものである。しかし、これが常に当てはまるわけではないであろう。光を集束させることが望ましい点が、レンズの端面から離れている適用分野もあり得る。そのような場合、所望の焦点はレンズの外側に位置する可能性が最も高いが、レンズの本体内の１点に集束させることが望ましい適用分野もありうる。

例えば、図６を参照すると、光−電気変換光電子コネクタ６００において、検出器表面６０１を、ＧＲＩＮレンズ６０３の端面６０２から距離Ｄだけ離すことができる。したがって、このときＧＲＩＮレンズは、その長さがＰ／４＋ＮＰ／２よりわずかに短く設計されることになるであろう。その結果、焦点は、レンズの端面から所望の距離Ｄだけ離れることになる。通常、ＧＲＩＮレンズの端面と検出器表面との間の空間は、空気、真空、その他媒体など、ＧＲＩＮレンズ６０３とは異なる屈折率を有する１つまたは複数の異なる媒体によって占められる。ＧＲＩＮレンズの長さは、ＧＲＩＮレンズと、ＧＲＩＮレンズと焦点の間の媒体と、の接点における屈折率のあらゆる変化を相殺するように、選択されるであろう。この場合、ＧＲＩＮレンズの所望の長さＬは数学的に、
Ｌ＝Ｐ／４＋ＮＰ／２−ｙ
と表すことができる。上式で、ｙは、屈折率分布レンズの第１端面に入った視準光ビームが屈折率分布レンズの第２端面から距離Ｄの位置にて集束されるように選択される距離である。なお、上の文では、受信側のシステムについて説明する文言によって距離ｙについて記載したが、ＧＲＩＮレンズの長さを上述のように調整することは、送信側の構成にも適用できることに留意されたい。ＧＲＩＮレンズの長さの変更が可能であることを説明したにすぎず、受信側の構成のみに適用し得ることを暗示しようとするものではない。

比較の目的で、図６は、（１）長さＬ＝（３／４）Ｐ−ｙのＧＲＩＮレンズと、（２）長さＬ＝（３／４）ＰのＧＲＩＮレンズ（想像上の端面６３１で表す）の双方における、光の経路および焦点を示す。ＧＲＩＮレンズの端面と焦点との間の距離Ｄが、レンズ調整距離ｙと同じではないことは明らかである。なぜなら、ＧＲＩＮレンズ６０３の屈折率と、ＧＲＩＮレンズと表面６０１との間の空間における媒体の屈折率が異なるからである。ＧＲＩＮレンズは長さｙだけ短くされるが、この長さｙは、概ね（１／４）Ｐ未満である。例えば、ＧＲＩＮレンズ端面６０２と所望の焦点６０１との間に１つの媒体のみが存在し、その媒体が屈折率ｎ_ｍを有するとした場合、少なくとも理論上は、距離ｙは、

と表すことができる。上式で、他のあらゆる項は、前述の等式で定義したとおりである（具体的には、Ｐは、ＧＲＩＮレンズのピッチであり、ｎ_０は、ＧＲＩＮレンズの長手方向における中心軸上の屈折率である）。この等式の結果も、ＺＥＭＡＸなどの光学モデリングソフトウェアを使用してさらに最適化する必要があるだろう。

光が拡大される（例えば、光が図６に示す方向とは反対の方向に進行する）システムの場合、通常、光が反対側の端面から視準光として出ることが望ましいであろう。したがって、通常、装置が視準光ビームを拡大するために使用されているとき、ＧＲＩＮレンズの長さをＰ／４＋ＮＰ／２から調整する必要はない。しかし、ＧＲＩＮレンズの長さをＰ／４＋ＮＰ／２から意図的に変更することができる展開された適用分野は確かに存在し得る。そのような状況は、例えば、入力光が視準されていないとき、または出力光が視準されるのではなく、むしろ拡大ビームであることが望ましいときに生じることがある。他の場合では、設計者は、システムを意図的に離調して、減衰を増大させ、あるいは、角度ずれに対する公差を増大させることができる。

本発明の別の利点は、光学要素の支持構造がより簡易であることである。具体的には、図１に示すような従来技術のシステムにおいて、支持構造はレンズとフェルールが高精度に位置合わせされた状態に維持されなければならないが、本発明にそのような要件はない。

本明細書に記載された本発明の原理は、拡大ビームコネクタから単一のファイバコネクタへ変換する変換器の構築にも適用することができ、またはその反対の場合も同様である（or vice versa）。このような実施形態では、様々な形状の光サブアセンブリを、光コネクタのフェルールに換えることができる。

Claims (12)

1. 光路長Ｌを有する屈折率分布レンズ（２０４）を備え、Ｌは、
   Ｐ／４＋ＮＰ／２
   に実質的に等しく、上式で、Ｎは０以上の整数であり、
   Ｐは前記屈折率分布レンズ（２０４）のピッチである、
   光電子デバイス（２００）。
2. Ｌは（３／４）Ｐに実質的に等しい、請求項１に記載のデバイス（２００）。
3. 

   であり、
   

   

   であり、
   ｎ_ｒ＝前記屈折率分布レンズ（２０４）の光軸（２１１）から距離ｒにおける屈折率、
   ｎ_０＝前記屈折率分布レンズ（２０４）の前記光軸上の屈折率、
   ｒ＝前記屈折率分布レンズ（２０４）の前記光軸（２１１）からの距離である、請求項１に記載のデバイス（２００）。
4. 前記屈折率分布レンズ（２０４）の端面に隣接して位置決めされた光電子サブアセンブリ（２０６）をさらに備え、前記屈折率分布レンズ（２０４）と前記光電子サブアセンブリ（２０６）との間で光を伝送することができる、
   請求項１に記載のデバイス（２００）。
5. 前記光電子サブアセンブリ（２０６）の光入力は、前記屈折率分布レンズ（２０４）の前記端面と実質的に同一平面上にある、請求項４に記載のデバイス（２００）。
6. 前記光電子サブアセンブリ（２０６）は、前記屈折率分布レンズ（２０４）内へ光を伝送する、請求項４に記載のデバイス（２００）。
7. 前記光電子サブアセンブリ（２０６）は、前記屈折率分布レンズ（２０４）から光を受信する、請求項４に記載のデバイス（２００）。
8. 前記デバイスは、拡大ビームコネクタである、請求項１に記載のデバイス（２００）。
9. 前記拡大ビームコネクタは、光−光コネクタである、請求項８に記載のデバイス（２００）。
10. 前記拡大ビームコネクタは、光−電気コネクタである、請求項８に記載のデバイス（２００）。
11. 前記デバイスは、隔壁コネクタである、請求項８に記載のデバイス（２００）。
12. 前記デバイスは、拡大ビームコネクタと単一のファイバコネクタとの間の変換器である、請求項１に記載のデバイス（２００）。

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