JP2017504839A - レーザと光ファイバとを結合するための装置及び光信号伝送システム並びに伝送方法 - Google Patents

Abstract

本願発明は、レーザと光ファイバとを結合するための装置及び光信号伝送システム並びに伝送方法を開示する。結合装置がレーザと光ファイバとの間に配置され、当該結合装置は、その内部屈折率が漸次的に変化する光信号伝送部を有し、屈折率は、光信号伝送部の主軸により近い位置ほどより高くなり、光信号伝送部は、レーザから入射する光信号を整形する（光信号収束又は発散を含む）よう構成されてよく、これにより、調整された光信号のモードフィールド半径が光ファイバのコア半径と合致し、調整された光信号は高効率で光ファイバ内に結合されることができる。

Description

本願発明は、光信号の分野に関し、特に、レーザと光ファイバとを結合するための装置及び光信号伝送システム並びに伝送方法に関する。

複数の大規模集積回路の発展と伴に、複数の回路における複数の構成要素の密度及び実行速度が急速に増加し、電気相互接続に基づいた従来方式の通信がボトルネックに直面している。これは、電気相互接続用の接続が非常に小型であることが原因で、その結果、電気相互接続の遅延が構成要素の実行速度より大きく、構成要素の正常な実行に影響を及ぼす。加えて、高い構成要素配線密度がまた、厳しい寄生効果、深刻なクロストーク、及び高電力消費をもたらしてしまう。

上述の電気相互接続の欠陥に起因して、低遅延、高電磁適合性、低電力消費、及び高帯域幅などのその複数の利点を有する光相互接続が、電気相互接続の欠陥を克服するための重要な技術となっている。図１に示されているように、図１は、光相互接続技術に基づく典型的な光信号伝送の模式図である。電気信号を構成要素Ａから構成要素Ｂに伝送するために、電気信号は変調によって光波にロードされて光信号を形成し、次に、形成された光信号は光ファイバを介して伝送され、次に、検出器が光信号を受信して信号変換及び復調などの複数の動作を実行し、最終的には、ソース電気信号が得られて構成要素Ｂに伝送され、全伝送工程が完了する、ということが図１からわかる。

図１に示されている光信号伝送工程において、電気信号をロードするのに用いられる光源が非常に重要部分である。現在用いられる光源がレーザにより放射されるレーザ光である。一般に用いられるレーザが、端面発光型レーザ（例えば、分布帰還型（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ，ＤＦＢ）レーザ）と、面発光レーザ（例えば、垂直共振器型面発光レーザ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ，ＶＣＳＥＬ））とを含む。端面発光型レーザと比較すると、面発光レーザは、（１）面発光レーザは直接に変調されることができ、高変調効率を有し、低閾値電流で足りること、（２）温度ドリフトが軽微で熱電冷却が必要とされないこと、及び（３）電気−光変換率が高く、電力消費が低いことである、という複数の利点により、沢山の応用シナリオを有する。

図１に示されている光信号伝送工程において、レーザから放射された光は、光ファイバのコア内に結合される必要がある。例えば、用いられているレーザがＶＣＳＥＬで、用いられている光ファイバが単一モード光ファイバである場合、ＶＣＳＥＬから放射された光は、単一モード光ファイバのコア内に結合される必要がある。しかしながら、ＶＣＳＥＬから放射された光のモードフィールド直径（ＭＦＤ，Ｍｏｄｅ Ｆｉｅｌｄ Ｄｉａｍｅｔｅｒ，すなわち、光信号の横モードのモードフィールドにより占有された最大面積に対応する直径）が数十から百マイクロメータ（例えば、５０μｍから１００μｍ）である。一方、光ファイバのコア直径が６μｍから１０μｍである。この場合、図２に示されているように、ＶＣＳＥＬと単一モード光ファイバとの間に、深刻なモードフィールド直径不整合が存在し、その結果、ＶＣＳＥＬから放射された光と単一モード光ファイバとの結合率が低い。

モードフィールド不整合の問題（レーザから放射された光のモードフィールド直径が光ファイバのコア直径よりかなり大きい、又は、光ファイバのコア直径よりかなり小さいという問題を含む）は、ＶＣＳＥＬと単一モード光ファイバとの間に存在するほか、別の種類のレーザと単一モード光ファイバ（又は多重モード光ファイバ）との間にも存在し得る。従って、レーザから放射された光信号を整形する適切な方式が求められており、これにより、調整された光信号のスポット直径が光ファイバのコア直径に合致し、光信号は高効率で光ファイバ内に結合されることができる。

本願発明の複数の実施形態では、レーザと光ファイバとを結合するための装置及び光信号伝送システム並びに伝送方法を提供し、これにより、光ファイバに入る光信号の直径と光ファイバのコア直径との間の不整合の問題を解決する。

第１の態様によれば、レーザと光ファイバとを結合するための装置が提供され、当該装置は、光信号伝送部を備え、光信号伝送部のその両端部がそれぞれ、レーザと結合されるよう構成されるレーザ固定部と、光ファイバと結合されるよう構成される光ファイバ固定部とを有し、光信号伝送部の屈折率が漸次的に変化し、屈折率は主軸により近い位置ほどより高くなり、光信号伝送部は、レーザ固定部と結合されたレーザから入射する複数の光信号を収束する、又は、レーザ固定部と結合されたレーザから入射する光信号を発散し、次に、収束された光信号又は発散された複数の光信号を、光ファイバ固定部に結合された光ファイバ内に放射するよう構成される。

第１の態様に関連して、第１の可能な実装方式では、光ファイバ固定部の外側表面の屈折率と、光ファイバを包囲するのに用いられるクラッドの屈折率との間の差異が閾値未満である。

第１の態様又は第１の態様の第１の可能な実装方式に関連して、第２の可能な実装方式では、光信号伝送部は、第１のサブ部と第２のサブ部とを有し、第１のサブ部は第２のサブ部に包囲され、第１のサブ部の断面半径が漸次的に変化し、屈折率が任意の断面の中心により近い位置ほどより高くなり、第２のサブ部の屈折率が一定である。

第１の態様の第２の可能な実装方式に関連して、第３の可能な実装方式では、第１のサブ部の断面半径が光信号伝送方向において漸次的に減少するとき、第１のサブ部は、光信号収束を実行するよう構成される、又は、第１のサブ部の断面半径が光信号伝送方向において漸次的に増加するとき、第１のサブ部は、光信号発散を実行するよう構成される。

第１の態様の第３の可能な実装方式に関連して、第４の可能な実装方式では、第１のサブ部の、光信号を放射する位置における断面半径と、光信号が第１のサブ部から放射されたときに得られるモードフィールド半径との間の関係が
であり、ここで、
が第１のサブ部の任意の断面半径であり、
が
に対応する、光信号の断面のモードフィールド半径であり、
であり、ここで、
が光信号を変調するのに用いられる光源の真空状態での波長であり、
が第１のサブ部の主軸における屈折率であり、
であり、ここで、
が第２のサブ部の屈折率である。

第１の態様又は第１の態様の第１の可能な実装方式に関連して、第５の可能な実装方式では、光信号伝送部は、第３のサブ部と第４のサブ部とを有し、第４のサブ部は、第３のサブ部の、光信号を放射する位置において第３のサブ部と接続され、屈折率が第３のサブ部の任意の断面の中心により近い位置ほどより高くなり、第４のサブ部の屈折率が一定であり、第４のサブ部の屈折率は、第３のサブ部の主軸における屈折率に等しい。

第１の態様の第５の可能な実装方式に関連して、第６の可能な実装方式では、第３のサブ部の長さが閾値より大きい場合、第３のサブ部は、光信号収束を実行するよう構成され、第３のサブ部の長さが長いほど、より高い光信号収束度を示す、又は、第３のサブ部の長さが閾値未満である場合、第３のサブ部は、光信号発散を実行するよう構成され、第３のサブ部の長さが短いほど、より高い光信号発散度を示す。

第１の態様の第６の可能な実装方式に関連して、第７の可能な実装方式では、第３のサブ部の長さと、光信号が第４のサブ部から放射されたときに得られるモードフィールド半径との間の関係が
であり、ここで、
が第１のサブ部の長さであり、
が光信号が第１のサブ部から放射されたときに得られるモードフィールド半径であり、
が光信号が第１のサブ部に入るときに得られるモードフィールド半径であり、
であり、ここで、
であり、ここで、
が光信号を変調するのに用いられる光源の真空状態での波長であり、
が第１のサブ部の主軸における屈折率であり、
が合焦パラメータである。

第２の態様によれば、光信号伝送システムが提供され、当該システムは、レーザと、光ファイバと、レーザと光ファイバとを結合するための装置とを備え、レーザと光ファイバとはそれぞれ、当該結合装置のレーザ固定部と光ファイバ固定部とを用いて結合装置と結合され、結合装置の光信号伝送部がレーザにより放射された複数の光信号を収束した、又はレーザにより放射された光信号を発散した後、放射された光信号又は放射された複数の光信号は光ファイバに入り、光ファイバ伝送部の屈折率が漸次的に変化する。

第２の態様に関連して、第１の可能な実装方式では、光ファイバのテールエンドが接着剤を用いて光ファイバ固定部内に固定される。

第２の態様又は第２の態様の第１の可能な実装方式に関連して、第２の可能な実装方式では、光ファイバのテールエンドは、設定された角度を有する接平面であり、これにより、光ファイバに入った光信号が接平面により反射され、次に、光信号は光ファイバのコアに沿って光ファイバに伝送される。

第２の態様の第２の可能な実装方式に関連して、第３の可能な実装方式では、光ファイバのテールエンドにおける接平面は、光信号の漏れを低減させるよう構成される反射層により被覆される。

第２の態様に関連して、第４の可能な実装方式では、結合装置の光信号伝送部は、第１のサブ部と、第１のサブ部を包囲する第２のサブ部とを有し、第１のサブ部の断面半径が漸次的に変化し、屈折率が任意の断面の中心により近い位置ほどより高くなり、第２のサブ部の屈折率が一定なとき、複数の光信号を収束するよう、第１のサブ部の、複数の光信号を放射する位置における断面半径が減少し、これにより、結合装置を通過した後に放射される光信号のモードフィールド半径と、光ファイバのコア半径との間の差異が設定閾値未満である、又は、結合装置の光信号伝送部は、第３のサブ部と、第３のサブ部の、複数の光信号を放射する位置において第３のサブ部と結合される第４のサブ部とを有し、屈折率が第３のサブ部の任意の断面の中心により近い位置ほどより高くなり、第４のサブ部の屈折率が一定であり、第４のサブ部の屈折率が第３のサブ部の主軸における屈折率に等しいとき、複数の光信号を収束するよう、第３のサブ部の長さが増加し、これにより、結合装置を通過した後に放射される光信号のモードフィールド半径と、光ファイバのコア半径との間の差異が設定閾値未満である。

第３の態様によれば、光信号伝送方法が提供され、当該方法は、レーザと光ファイバとを結合させるための装置と結合されたレーザから放射された光信号を、その結合装置内に放射する段階と、光信号が結合装置の光信号伝送部内に伝送されたとき、光信号収束又は発散を実行する段階であって、光信号伝送部の屈折率が漸次的に変化する、段階と、収束された光信号又は発散された複数の光信号を、結合装置から、その結合装置により結合された光ファイバ内に、放射する段階とを備える。

本願発明の複数の有益な効果が以下の通りである。本願発明の複数の実施形態では、レーザと光ファイバとを結合するための装置が、レーザと光ファイバとの間に配置され、当該結合装置は、その内部屈折率が漸次的に変化する光信号伝送部を備え、屈折率が光信号伝送部の主軸により近い位置ほどより高くなり、光信号伝送部は、レーザから入射する光信号を整形する（光信号収束又は発散を含む）よう構成され得る。これにより、調整された光信号のモードフィールド半径が光ファイバのコア半径と合致し、調整された光信号は高効率で光ファイバ内に結合されることができる。

本願発明の複数の実施形態における複数の技術的な解決手段をより明確に説明するために、以下では複数の実施形態を説明するのに必要とされる複数の添付の図面を簡潔に紹介する。以下の説明における複数の添付の図面は、本願発明の一部の実施形態を示すにすぎず、当業者が創造努力なしでも、これらの添付の図面から他の複数の図面を導き出し得ることが明らかである。

背景技術における光相互接続技術に基づく光信号伝送の模式図である。

ＶＣＳＥＬから放射された光のモードフィールドと、背景技術における単一モード光ファイバのコア直径との間の不整合の模式図である。

本願発明の実施形態１に係る、レーザと光ファイバとを結合するための装置の概略構造図である。

本願発明の実施形態１に係る内−外型光信号伝送部の概略構造図である。

本願発明の実施形態１に係る上−下型光信号伝送部の概略構造図である。

本願発明の実施形態２に係る伝送システムの概略構造図である。

本願発明の実施形態３に係る伝送方法の複数の段階の概略フローチャートである。

本願発明の実施形態３に係る伝送方法の応用シナリオの模式図である。

本願発明の複数の目的、技術的な解決手段、及び利点をより明確にするために、以下では、複数の添付の図面を参照して、本願発明をさらに詳細に説明する。説明される複数の実施形態が本願発明の実施形態の全てではなく、それらの一部にすぎないことが明らかである。本願発明の複数の実施形態に基づいて当業者により創造努力なしで得られる全ての他の実施形態は、本願発明の保護範囲内に属すべきである。

本願発明の複数の実施形態は、レーザと光ファイバとを結合するための装置を説明する。当該結合装置は、レーザから入射する光信号を整形する、つまり、光信号収束又は発散を実行する。これにより、調整された光信号のモードフィールド直径が光ファイバのコア直径と合致し、光信号は高効率で光ファイバ内に結合されることができる。

以下では、本願発明の複数の解決手段における、レーザと光ファイバとを結合するための装置、並びに、当該結合装置を用いて光信号伝送を実行するための伝送システム及び伝送方法を、複数の具体的な実施形態を用いて説明する。勿論、本願発明の複数の解決手段は、以下の複数の実施形態に限定されない。実施形態１

本願発明の実施形態１では、レーザと光ファイバとを結合するための装置を説明する。図３に示されているように、結合装置は、光信号伝送部を備え、光信号伝送部の両端部がそれぞれ、レーザと結合されるよう構成されるレーザ固定部と、光ファイバと結合されるよう構成される光ファイバ固定部とを有し、レーザ固定部がレーザと結合されることとは、レーザとレーザ固定部とが互いに統合し、レーザが光信号をレーザ固定部に放射することを指し、光ファイバ固定部が光ファイバと結合されることとは、光ファイバ固定部と光ファイバとが互いに統合し、光信号が光ファイバ固定部から放射され、光ファイバに入ることを指す。

実施形態１における結合装置は以下の通り、詳細に説明される。

光信号伝送部は、その内部屈折率が漸次的に変化する部分であり、屈折率が主軸により近い位置ほどより高くなる。光信号伝送部に対するサイズ設計によって、光信号伝送部は、レーザから入射する光信号を整形する（光信号収束又は発散を含む）ことができ、これにより、調整された光信号のモードフィールド半径が光ファイバのコア半径と合致し、光信号は高効率で光ファイバ内に結合されることができる。

好ましくは、光信号伝送部の主軸における屈折率は、主軸における屈折率とクラッドの屈折率との間の差異が閾値未満である状態を満たすように設計され得る。つまり、光信号伝送部の主軸における屈折率は、クラッドの屈折率に等しい又は可能な限り近くなるよう設計される。これには、光信号伝送部により調整された光信号が光ファイバに入ったとき、接合箇所における反射が最小化され、これにより、光信号が光ファイバに入ったときに得られる結合率が増加されることができるという利点がある。クラッドは、光ファイバの外側の部分を包囲するよう構成され、ファイバコアを保護することができる。

光信号伝送部が入射光信号収束又は発散を実行することができ、つまり、光信号伝送部に対するサイズ設計に従って、光信号伝送部から放射された光信号のモードフィールド半径が決定され得るので、特定の種類のレーザと特定の種類の光ファイバとの光信号伝送が実行されるとき、結合装置内の選択された光信号伝送部のサイズが適切な場合、レーザ装置から放射された光信号のモードフィールド半径が調整されることができ、これにより、最終的に光ファイバに入った光信号のモードフィールド半径が光ファイバのコア半径に合致し、それにより、レーザと光ファイバとの間で深刻なモードフィールド不整合が起きてしまうという問題を回避する。

図３に示されている結合装置は、例として長方形の形状を用いて説明される。加えて、結合装置はまた、様々な実際の応用シナリオに応じて、円筒形の形状、球状の形状、又は楕円形の形状などの別の形状を有してよい。本願発明のこの実施形態では、結合装置の形状に対して制限は課されない。

好ましくは、レーザ固定部と光ファイバ固定部とがそれぞれ、光信号伝送部の両端部に位置付けられ、レーザ固定部と結合されたレーザから入射する光信号がその結合装置を通過した後に、光ファイバ固定部に結合された光ファイバ内に放射されることができるならば、垂直に又は横に配置されてよい。

好ましくは、レーザ固定部は、スロット、フック、又は同様のものであってよく、レーザとレーザ固定部とを一緒に結合することができ、これにより、レーザから入射する光信号が結合装置に入る位置が固定される。

好ましくは、光ファイバ固定部は、球状の形状、楕円形の形状、又はＶ状の溝であってよく、光ファイバが接着剤を用いてその溝内に固定され、これにより、光ファイバ固定部と光ファイバとの間の結合を実現する。当該溝は、図３に示されているように、水平方向にあってよく、又は、実際の応用シナリオに応じて溝と水平方向との間に特定の角度があってよい。光ファイバと結合装置とは光ファイバ固定部を用いて一緒に結合されてよく、これにより、結合装置から放射された光信号が、固定された位置において、光ファイバに入る。

レーザ及び光ファイバが両方、光信号伝送部と結合されるので、レーザ及び光ファイバを固定している間に位置アライメントが一度実行されるならば、光信号伝送の間のその都度、現場でのリアルタイムのアライメントを実行する必要なく、レーザにより放射された光信号が結合装置を通過した後、光ファイバのコアに正確に入ることができることを確実にできる。通信帯域が目視により識別できず、特別なアライメントデバイスが必要とされるので、レーザ固定部及び光ファイバ固定部によれば、アライメント処理が大いに簡易化されることができ、周囲環境の影響に起因して複数のアライメント処理にもたらされる誤差も低減される。加えて、レーザ、結合装置、及び光ファイバがその後またパッケージングされる必要がある場合、レーザ、結合装置、及び光ファイバを一緒に固定する方式も、パッケージングの難しさ及び統合コストを効果的に低減させ、応用の信頼性を向上させることができる。

好ましくは、光ファイバ固定部の外側表面の屈折率とクラッドの屈折率との間の差異が閾値未満であるという状態を満たすよう、外側表面の屈折率が設計され得る。つまり、光ファイバ固定部の外側表面の屈折率は、クラッドの屈折率に等しい又は可能な限り近い。これには、光ファイバ固定部の外側表面（つまり、溝の外側表面）が光ファイバと接触するので、光信号が光ファイバ固定部の外側表面に伝送されたとき、光ファイバ固定部の外側表面の屈折率が外側表面と接触するクラッドの屈折率に等しい又は近い場合、フレネル反射に起因して接合箇所における結合率に対して引き起こされる不利な影響が緩和されることができるという利点がある。

好ましくは、結合装置は、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、若しくは、他の高分子材料又はポリマ材料など、レーザチップの熱放散に役に立つ材料により作成されてよい。本願発明のこの実施形態では、実際に作成される結合装置の材料に対して制限は課されない。

好ましくは、結合装置を製造する間に、屈折率が漸次的に変化する結合装置が、分布型光ファイバ製造の既存方式（プリフォーム法又は直接共押出法など）において製造され得る、又は、イオン交換技術又は蒸着法を用いて製造され得る。本願発明のこの実施形態では、結合装置の製造技術に対しては制限は課されない。

なお、本願発明のこの実施形態に関連する光信号は、レーザチップから放射される、変調情報を含むライトフィールドを指す。レーザチップは、駆動回路を通じて電気信号により励起され、レーザ関連の駆動回路が外部に配置されてよく、又は、レーザと光ファイバとを結合するための装置におけるレーザチップと一緒に固定されてよい。

以下では、複数の具体的な例を用いて結合装置の光信号伝送部の構造を詳細に説明する。なお、実施例１及び実施例２が例として光信号収束を用いて説明される。実施例１

図４に示されているように、図４は、内−外型光信号伝送部の構造の模式図である。光信号伝送部は第１のサブ部と第２のサブ部とを有し、第１のサブ部は内層部であり、第２のサブ部は外層部であり、第１のサブ部は第２のサブ部に包囲される、ということが図４からわかる。

第１のサブ部は屈折率が漸次的に変化するサブ部であり、屈折率は主軸により近い位置ほどより高くなり、つまり、屈折率は任意の断面の中心により近い位置ほどより高くなる。

第１のサブ部は、円錐台の形状をしており、第１のサブ部の断面半径が漸次的に変化する。光信号が第１のサブ部の底部から上部に伝送されること、つまり、光信号が第１のサブ部内に伝送された方向が第１のサブ部の底部から上部に向かうと仮定すると、断面半径が漸次的に減少する場合、第１のサブ部は光信号収束を実行することができ、断面半径が漸次的に増加する場合、第１のサブ部は光信号発散を実行することができる。

第２のサブ部は屈折率が一定なサブ部である。第２のサブ部は第１のサブ部を包囲し、これにより、光信号伝送部全体が長方形となる。勿論、本願発明のこの実施形態では、第１のサブ部の形状及び第２のサブ部の形状に対して具体的な制限は課されない。第２のサブ部はまた別の形を有してよく、これにより、光信号伝送部全体が円筒形又は球状などの形状を有する。

レーザにより放射された光信号が第１のサブ部の底部から入射し、上部から放射される。上部から放射された光信号のモードフィールド半径が光ファイバのコア半径と合致することを確実にするために、第１のサブ部は、入射光信号を整形する能力を有する必要がある。光信号が第１のサブ部から放射されたときに得られるモードフィールド半径が、第１のサブ部の放射位置における断面半径に関連することを考慮すると、第１のサブ部の放射位置における断面半径が大きいほど、光信号が第１のサブ部から放射された場合に得られるモードフィールド半径がより大きいことを示す。従って、複数の結合装置が予め製造されることができ、全ての結合装置の複数の第２のサブ部の複数の放射位置における複数の断面半径が異なり、これにより、実際の伝送工程に用いられる光ファイバのコアサイズに応じて適切な結合装置を選択する。

図４に示されている光信号伝送部では、第１のサブ部の断面が光信号伝送方向において漸次的に減少し、従って、光信号のモードフィールド半径が漸次的に減少し、光信号収束を実行するという目的を達成する。第１のサブ部の断面が光信号伝送方向において漸次的に増加する場合、光信号のモードフィールド半径が漸次的に増加し、光信号発散を実行するという目的を達成する。光信号が第１のサブ部から放射されたときに得られるモードフィールド半径は、第１のサブ部の断面半径の長さを制御することによって制御されることができる。つまり、光信号が第１のサブ部から放射されたときに必要とされるモードフィールド半径が光線のコア半径に従って決定された場合、第１のサブ部の形状パラメータが断面半径の適切な長さに従って決定されることができる。図４を参照すると、光信号が第１のサブ部（図４の太い実線）に伝送されたときに得られるモードフィールド半径は、破線により示される。

光信号が第１のサブ部から放射されたときに得られるモードフィールド半径と、第１のサブ部の放射位置における断面半径との間の具体的な関係が、以下の数式を用いて決定され得る。

図４に示されている光信号伝送部の任意の断面の屈折率分布が数式（１）
であり、ここで、
が光信号伝送部の任意の断面の位置における屈折率であり、その位置と中心との間の距離が
であり、
が第１のサブ部の任意の断面半径であり、
が第１のサブ部の主軸における屈折率であり、
が第２のサブ部の屈折率であり、複数の断面の屈折率の間の相対的な差異が
であり、
が第１のサブ部の任意の断面の屈折率分布指数であり、
が２である場合、断面の屈折率が二乗の割合で分布することを示す。

と
との間の差異が非常に小さい場合、
となる。

好ましくは、
は、クラッドの屈折率との間の差異が、閾値未満であり、好ましくは、クラッドの屈折率に可能な限り近く、これにより、光信号が光ファイバに入ったときに得られる結合率を増加させる。

加えて、光信号伝送部における光信号の誘導伝播モードが数式（２）
であり、ここで、
が誘導伝播モードであり、
が光信号が調整された後に得られるモードフィールド半径であり、
であり、
が光信号を調整するのに用いられる光源の真空状態での波長である。

が安定した値であるので、
が成り立ち、数式（３）
が数式（２）の導関数をとって得られることができる。

数式（１）に関連して、
が２であり、かつ、
である場合、数式（１）中の
を数式（３）に代入することによって、数式（４）
が得られることができる。

部分積分を用いて数式（４）を簡略化することによって数式（５）
が得られることができ、
が成立した場合、数式（６）
が得られることができる。

数式（６）は数式（７）
に変形され、数式（７）は、
と
との間の論理演算関係であり、
は、
に対応する、光信号の断面におけるモードフィールド半径であり、数式（３）における
は、第１のサブ部の任意の断面半径を指し、ここの
が放射中のモードフィールド半径を指す場合、ここの
は特に、第１のサブ部の上部断面の半径（つまり、第１のサブ部の、光信号を放射する位置における断面半径）を指す。

上述の数式（７）は、第１のサブ部の断面半径と、光信号のモードフィールド半径との間の関係式ではあるが、本願発明のこの実施形態では、第１のサブ部の断面半径と、光信号のモードフィールド半径との間の関係を表す別の関係式を制限しない。実施例２

図５に示されているように、図５は、上−下型光信号伝送部の構造の模式図である。光信号伝送部は第３のサブ部と第４のサブ部とを有し、第３のサブ部は下層部であり、第４のサブ部は上層部であり、第４のサブ部は第３のサブ部の、光信号を放射する位置において第３のサブ部と接続される、ということが図５からわかる。

第３のサブ部は、円筒形であり、第３のサブ部の断面半径が一定である。

第３のサブ部は屈折率が漸次的に変化するサブ部であり、屈折率が主軸により近い位置ほどより高くなり、つまり、屈折率は、任意の断面の中心により近い位置ほど、より高くなる。

第４のサブ部は屈折率が一定なサブ部であり、第４のサブ部の屈折率は、第３のサブ部の主軸における屈折率に等しい。

好ましくは、第４のサブ部の屈折率（つまり、第３のサブ部の主軸における屈折率）は、クラッドの屈折率との間の差異が閾値未満であり、好ましくは、クラッドの屈折率に可能な限り近く、これにより、光信号が光ファイバに入ったときに得られる結合率を増加させる。

第４のサブ部はまた円筒形であり、これにより、光信号伝送部全体が円筒形となる。勿論、本願発明のこの実施形態では、第３のサブ部の形状及び第４のサブ部の形状に対して具体的な制限は課されない。例えば、第３のサブ部及び第４のサブ部は直方体であり、これにより、光信号伝送部全体も直方体である。

レーザにより放射された光信号が、第３のサブ部の底部から入射し、第３のサブ部の上部から第４のサブ部の底部内に放射され、最終的には、第４のサブ部の上部から光ファイバ内に放射される。第４のサブ部の上部から放射される光信号のモードフィールド半径が光ファイバのコア半径と合致することを確実にするために、第３のサブ部は、入射光信号を整形する能力を有する必要がある。光信号が最終的に放射されたときに得られるモードフィールド半径が第３のサブ部の長さに関連することを考慮すると、第３のサブ部の長さが長いほど、光信号が第３のサブ部から放射されたときに得られるモードフィールド半径がより小さいこと、又は、光信号が第４のサブ部から放射されたときに得られるモードフィールド半径がより小さいことを示す。従って、実際の伝送工程に用いられる光ファイバのコアサイズに応じてその第３のサブ部が適切な長さを有する適切な結合装置が選択されることができる。

例えば、第３のサブ部の長さの閾値が実験に従って決定され、閾値は、臨界値である。第３のサブ部の長さが閾値より長い場合、第３のサブ部は光信号収束を実行してよく、第３のサブ部の長さが長いほど、より高い光信号収束度を示し、第３のサブ部の長さが閾値より短い場合、第３のサブ部は光信号発散を実行してよく、第３のサブ部の長さが短いほど、より高い光信号発散度を示す。

光信号が第３のサブ部から放射されたときに得られるモードフィールド半径と、第３のサブ部の長さとの間の関係は、数式（８）
であり得て、ここで、
が第３のサブ部の長さであり、
が光信号が第３のサブ部から放射されたときに得られるモードフィールド半径であり、
が光信号が第３のサブ部に入ったときに得られるモードフィールド半径（つまり、レーザにより放射された光信号のモードフィールド半径）であり、
であり、ここで、
であり、
が光信号を変調するのに用いられる光源の真空状態での波長であり、
が合焦パラメータであり、
が第４のサブ部の屈折率、つまり、第３のサブ部の主軸における屈折率である。

図５では、説明のために、光信号収束が例として用いられる。図５の破線部分に示されているように、レーザから入射する光信号が第３のサブ部により調整され、次に、放射のために第４のサブ部（その長さがＬ２）の上部に焦点を合わせられる。第４のサブ部がその屈折率が一定な部分なので、たとえ第４のサブ部がなかったとしても、光信号は第３のサブ部により調整された後に光ファイバに直接に伝送されることができる。結合装置の適切なサイズ及び第３のサブ部の設計されたサイズを考慮すると、第３のサブ部に対してより短い長さが設計された場合、適切な長さを有する第４のサブ部が設計されることができる。

好ましくは、図５に示されている第３のサブ部の内側はまた、実施例１において説明された内−外型構造に従って設計され得る。

なお、実施例１及び実施例２に関連する第１のサブ部、第２のサブ部、第３のサブ部、及び第４のサブ部の「第１」、「第２」、「第３」、及び「第４」という用語が、全てのサブ部を区別するために用いられており、サブ部の実際の構造又は寸法に対して制限を課することを意図しない。実施形態２

実施形態１において説明されたレーザと光ファイバとを結合するための装置に基づき、本願発明の実施形態２においては、光信号伝送システムが説明される。図６に示されているように、伝送システムは、レーザと光ファイバとを結合するための装置と、レーザと、光ファイバとを備える。

レーザと光ファイバとはそれぞれ、その結合装置のレーザ固定部と光ファイバ固定部とを用いて結合装置と結合される。結合装置の光信号伝送部がレーザにより放射された複数の光信号を収束した、又は、レーザにより放射された光信号を発散した後、放射された光信号又は放射された複数の光信号は光ファイバに入り、光ファイバ伝送部の屈折率が漸次的に変化する。

勿論、実施例１又は実施例２における説明によれば、光ファイバのコア半径に応じて、適切な構造で適切なサイズを有する結合装置が選択され得る。これにより、結合装置により調整された後に放射された光信号のモードフィールド半径と、光ファイバのコア半径との間の差異が設定閾値未満となり、つまり、放射された光信号のモードフィールド半径は、光ファイバのコア半径と合致する。

例えば、結合装置が実施例１における構造を用いる場合、第１のサブ部の、光信号を放射する位置における断面半径を減少させることによって、光信号収束が実行され得る。又は、第１のサブ部の、光信号を放射する位置における断面半径を増加させることによって、光信号発散が実行され得る。これにより、結合装置を通過した後に放射される光信号のモードフィールド半径と、光ファイバのコア半径との間の差異が閾値より小さい。

結合装置が実施例２における構造を用いる場合、光信号収束は第３のサブ部の長さを増加させることによって実行される、又は、光信号発散は第３のサブ部の長さを減少させることによって実行される。これにより、結合装置を通過した後に放射される光信号のモードフィールド半径と光ファイバのコア半径との間の差異が閾値より小さい。

図６の例に関連して、レーザと結合装置とは、スロット、フック（つまり、レーザ固定部）、又は同様のものを用いて一緒に固定され、光信号が結合装置に垂直に入る。光ファイバの円筒形のテールエンドが、接着剤を用いて、結合装置の溝（つまり、光ファイバ固定部）内に水平に固定される。この場合、垂直方向における光信号が結合装置から放射されるが、光ファイバのコア方向が水平方向である。光信号が光ファイバのコアに入ることを確実にするために、光ファイバのテールエンドは、設定された角度（例えば、角度θ）を有する接平面であるよう設計されることができ、これにより、光信号がクラッドを通過した後に光ファイバのテールエンドにおいて角度θを有する接平面に入る。反射が接平面において発生し、これにより、光信号伝送方向が変化し、光信号が光ファイバのコアに沿って光ファイバに伝送されることができる。

図６に示されている例では、放射された光信号の伝送方向が光ファイバのコア方向と垂直となっており、角度θは、４５度に設計されてよい。この場合、垂直方向における光信号は、ちょうど水平方向に沿って反射され得る。勿論、光ファイバのコア方向と、放射された光信号の伝送方向との間の角度が変化するとき、角度θも相応に変化する。例えば、光ファイバのテールエンドが結合装置の溝内に垂直に固定されている（つまり、光ファイバのコア方向と放射された光信号の伝送方向との間の角度が０度である）とき、角度θは０度である。

好ましくは、光ファイバのテールエンドにおける接平面はさらに、反射層により被覆されてよく、反射層は、金属の反射層であってよく、又は他の材料により成された反射層であってよく、単一層の反射層、多層膜を含むブラッグ反射型ミラー、エッチングされた端部表面を有する反射格子、又は同様のものであってよい。反射層は、溝の表面上で発生する光信号の漏れを低減させるのに用いられるものであり、これにより、複数の光信号が光ファイバのコア内に可能な限り多く反射され、光信号結合率が増加される。

本願発明の実施形態２に関連する光ファイバは、受信用の標準単一モード光ファイバであってよく、又は、別の種類の光ファイバであってよい。標準単一モード光ファイバは、国際電気通信連合電気通信標準化部門（ＩＴＵ−Ｔ）により指定された単一モード光ファイバＧ．６５２、Ｇ．６５３、Ｇ．６５４、Ｇ．６５５、及びＧ．６５６と、国際電気標準会議（ＩＥＣ）により指定された単一モード光ファイバＢ１．１、Ｂ１．２、Ｂ１．３、Ｂ２、及びＢ４と、複数の他の単一モード光ファイバとを含むが、これらに限定されない。光ファイバを製造するための材料は、二酸化ケイ素、対応するポリマ、及び同様のものを含むが、これらに限定されない。

本願発明の実施形態２に関連するレーザは、複数の放射光波の異なる波長に従って、８５０ｎｍ波長のレーザ、１３１０ｎｍ波長のレーザ、１５５０ｎｍ波長のレーザ、及び同様のものに分類される。実施形態３

本願発明の実施形態３では、実施形態２において説明された伝送システムに基づく光信号伝送方法を説明する。図７に示されているように、当該方法は、以下の複数の段階を備える。

段階１０１：結合装置と結合されたレーザチップを駆動する段階であって、レーザチップは、変調情報を含む光信号を放射し、光信号は結合装置の光信号伝送部に入り、光信号伝送部の屈折率が漸次的に変化する、段階である。

段階１０２：光信号が光信号伝送部内に伝送されたとき、光信号収束又は発散を実行する段階である。

段階１０３：収束された光信号又は発散された複数の光信号が結合装置と光ファイバとの間の接合箇所に伝送されたとき、収束された光信号又は発散された複数の光信号をクラッド内に放射する段階である。

段階１０４：光信号がクラッドを貫通して、次に、角度θを有する、光ファイバのテールエンドの接平面（接平面は反射層により被覆されている）により反射された後、光信号伝送方向が変化し、光信号は光ファイバのコアに入り、コアに沿って伝送される段階であり、これにより、光信号伝送工程が完了する。

図８に示されているシナリオは、例として用いられる。４つの１０Ｇ電気信号が、レーザドライバを用いてＶＣＳＥＬレーザ上に記録されると仮定すると、当該複数の電気信号は、直接変調方式により変調され、複数の光信号が出力され、複数の光信号のモードフィールド半径が結合装置により調整された後、整形された複数の光信号は光ファイバに入り、ファイバリンクに伝送される。特定の距離において伝送された後、複数の光信号は検出器により受信され、出力電流が、増幅などの後続処理を経て、分離によって複数の電気信号を得る。それにより、全電気−光−電気変換伝送処理が完了する。

本願発明のこの実施形態における解決手段によれば、設計された結合装置が、屈折率が漸次的に変化する構造を用いており、入射光信号のモードフィールドが整形され（収束又は発散を含む）、最終的に出現する光信号が調整され、これにより、整形された光信号のモードフィールド半径が光ファイバのコア半径と合致し、レーザにより放射された光信号のモードフィールド半径と、光ファイバのコアサイズとの間の大きい差異によりもたらされた深刻なモードフィールド不整合の問題が回避され、光信号は高効率で光ファイバ内に結合されることができる。例として、図２に示されている例を用いると、ＶＣＳＥＬから放射された光のモードフィールド直径が単一モード光ファイバのコア直径と大いに異なり、ＶＣＳＥＬと単一モード光ファイバとの間に深刻なモードフィールド不整合が存在する。本願発明のこの実施形態における解決手段によれば、ＶＣＳＥＬにより放射された光が収束されることができ、これにより、結合装置から放射された光信号のモードフィールド直径が単一モード光ファイバのコア直径に合致し、ＶＣＳＥＬから放射された複数の光信号は高効率で光ファイバ内に結合されることができる。

加えて、結合装置の主軸における屈折率と、結合装置と光ファイバとの間の接合箇所における屈折率とが、クラッドの屈折率に近く、これにより、接合箇所での反射が最小化され、さらに結合効率を向上させ、また、殆ど全ての入射光信号が、光ファイバのテールエンドにおいて被覆されている反射層により、光ファイバのコア内に反射され得て、結合率をさらに向上させる。その他には、レーザ、光ファイバ、及び結合装置は一緒に結合され、これは、デバイスが複数回にわたって装着されることによってもたらされる誤差を低減させるだけではなく、封入の難しさ及び統合コストも低減させる。

本願のいくつかの例示的な実施形態が説明されているが、当業者は、それらが基本の発明概念を一旦認識すれば、これらの実施形態に対して複数の変化及び変更例を成すことができる。従って、以下の特許請求の範囲は、複数の好ましい実施形態と、本願の範囲内に属する全ての変化及び変更例とを含むことを解釈することを意図する。

明らかに、当業者であれば、本願の趣旨及び範囲から逸脱せず、本願に対して様々な変更例及び変形例を成すことができる。本願は、複数の変更例及び変形例が以下の特許請求の範囲及びそれらと等価の技術により定義される保護範囲内に属するならば、これらの変更例及び変形例を含むことを意図する。

第１の態様の第６の可能な実装方式に関連して、第７の可能な実装方式では、第３のサブ部の長さと、光信号が第４のサブ部から放射されたときに得られるモードフィールド半径との間の関係が
であり、ここで、
が第３のサブ部の長さであり、
が光信号が第３のサブ部から放射されたときに得られるモードフィールド半径であり、
が光信号が第３のサブ部に入るときに得られるモードフィールド半径であり、
であり、ここで、
であり、ここで、
が光信号を変調するのに用いられる光源の真空状態での波長であり、
が第４のサブ部の主軸における屈折率であり、
が合焦パラメータである。

第２の態様によれば、光信号伝送システムが提供され、当該システムは、第１の態様又は第１の態様の７つの可能な実装方式のうちの何れか１つに係る、レーザと、光ファイバと、レーザと光ファイバとを結合するための装置とを備え、レーザと光ファイバとはそれぞれ、当該結合装置のレーザ固定部と光ファイバ固定部とを用いて結合装置と結合され、結合装置の光信号伝送部がレーザにより放射された複数の光信号を収束した、又はレーザにより放射された光信号を発散した後、放射された光信号又は放射された複数の光信号は光ファイバに入り、光信号伝送部の屈折率が漸次的に変化する。

図４に示されている光信号伝送部では、第１のサブ部の断面が光信号伝送方向において漸次的に減少し、従って、光信号のモードフィールド半径が漸次的に減少し、光信号収束を実行するという目的を達成する。第１のサブ部の断面が光信号伝送方向において漸次的に増加する場合、光信号のモードフィールド半径が漸次的に増加し、光信号発散を実行するという目的を達成する。光信号が第１のサブ部から放射されたときに得られるモードフィールド半径は、第１のサブ部の断面半径の長さを制御することによって制御されることができる。つまり、光信号が第１のサブ部から放射されたときに必要とされるモードフィールド半径が光ファイバのコア半径に従って決定された場合、第１のサブ部の形状パラメータが断面半径の適切な長さに従って決定されることができる。図４を参照すると、光信号が第１のサブ部（図４の太い実線）に伝送されたときに得られるモードフィールド半径は、破線により示される。

レーザと光ファイバとはそれぞれ、その結合装置のレーザ固定部と光ファイバ固定部とを用いて結合装置と結合される。結合装置の光信号伝送部がレーザにより放射された複数の光信号を収束した、又は、レーザにより放射された光信号を発散した後、放射された光信号又は放射された複数の光信号は光ファイバに入り、光信号伝送部の屈折率が漸次的に変化する。

図８に示されているシナリオは、例として用いられる。４つの１０Ｇ電気信号が、レーザドライバを用いてＶＣＳＥＬレーザにロードされると仮定すると、当該複数の電気信号は、直接変調方式により変調され、複数の光信号が出力され、複数の光信号のモードフィールド半径が結合装置により調整された後、整形された複数の光信号は光ファイバに入り、ファイバリンクに伝送される。特定の距離において伝送された後、複数の光信号は検出器により受信され、出力電流が、増幅などの後続処理を経て、分離によって複数の電気信号を得る。それにより、全電気−光−電気変換伝送処理が完了する。

明らかに、当業者であれば、本願の範囲から逸脱せず、本願に対して様々な変更例及び変形例を成すことができる。本願は、複数の変更例及び変形例が以下の特許請求の範囲及びそれらと等価の技術により定義される保護範囲内に属するならば、これらの変更例及び変形例を含むことを意図する。

Claims (14)

1. レーザと光ファイバとの結合装置であって、
   光信号伝送部であって、その両端部がそれぞれ、レーザと結合されるよう構成されるレーザ固定部と、光ファイバと結合されるよう構成される光ファイバ固定部とを有する、光信号伝送部
   を備え、
   前記光信号伝送部の屈折率が漸次的に変化し、前記屈折率は、主軸により近い位置ほどより高くなり、前記光信号伝送部は、前記レーザ固定部と結合された前記レーザから入射する複数の光信号を収束する、又は前記レーザ固定部と結合された前記レーザから入射する光信号を発散し、次に、収束された光信号又は発散された複数の光信号を、前記光ファイバ固定部と結合された前記光ファイバ内に放射するよう構成される、
   結合装置。
2. 前記光ファイバ固定部の外側表面の屈折率と、前記光ファイバを包囲するのに用いられるクラッドの屈折率との間の差異が閾値未満である、
   請求項１に記載の結合装置。
3. 前記光信号伝送部は、第１のサブ部と第２のサブ部とを有し、
   前記第１のサブ部は、前記第２のサブ部に包囲され、
   前記第１のサブ部の断面半径が漸次的に変化し、屈折率が任意の断面の中心により近い位置ほどより高くなり、前記第２のサブ部の屈折率が一定である、
   請求項１又は２に記載の結合装置。
4. 前記第１のサブ部の前記断面半径が光信号伝送方向において漸次的に減少するとき、前記第１のサブ部は、光信号収束を実行するよう構成され、
   前記第１のサブ部の前記断面半径が光信号伝送方向において漸次的に増加するとき、前記第１のサブ部は、光信号発散を実行するよう構成される、
   請求項３に記載の結合装置。
5. 前記第１のサブ部の、光信号を放射する位置における断面半径と、前記光信号が前記第１のサブ部から放射されたときに得られるモードフィールド半径との間の関係が
   であり、ここで、
   が前記第１のサブ部の任意の断面半径であり、
   が
   に対応する、光信号の断面のモードフィールド半径であり、
   であり、ここで、
   が光信号を変調するのに用いられる光源の真空状態での波長であり、
   が前記第１のサブ部の主軸における屈折率であり、
   であり、ここで、
   が前記第２のサブ部の屈折率である、
   請求項４に記載の結合装置。
6. 前記光信号伝送部は、第３のサブ部と第４のサブ部とを有し、
   前記第４のサブ部は、前記第３のサブ部の、光信号を放射する位置において、前記第３のサブ部と接続され、屈折率が前記第３のサブ部の任意の断面の中心により近い位置ほどより高くなり、前記第４のサブ部の屈折率が一定であり、前記第４のサブ部の前記屈折率は、前記第３のサブ部の主軸における屈折率に等しい、
   請求項１又は２に記載の結合装置。
7. 前記第３のサブ部の長さが閾値より大きい場合、前記第３のサブ部は、光信号収束を実行するよう構成され、前記第３のサブ部の長さが長いほど、より高い光信号収束度を示し、
   前記第３のサブ部の長さが閾値未満である場合、前記第３のサブ部は、光信号発散を実行するよう構成され、前記第３のサブ部の長さが短いほど、より高い光信号発散度を示す、
   請求項６に記載の結合装置。
8. 前記第３のサブ部の前記長さと、光信号が前記第４のサブ部から放射されたときに得られるモードフィールド半径との間の関係が
   であり、ここで、
   が前記第３のサブ部の前記長さであり、
   が光信号が前記第４のサブ部から放射されたときに得られる前記モードフィールド半径であり、
   が光信号が前記第３のサブ部に入るときに得られるモードフィールド半径であり、
   であり、ここで、
   であり、
   が光信号を変調するのに用いられる光源の真空状態での波長であり、
   が前記第３のサブ部の前記主軸における前記屈折率であり、
   が合焦パラメータである、
   請求項７に記載の結合装置。
9. 光信号伝送システムであって、
   前記システムは、レーザと、光ファイバと、請求項１から８の何れか一項に記載の、レーザと光ファイバとの結合装置とを備え、
   前記レーザと前記光ファイバとはそれぞれ、前記結合装置のレーザ固定部と光ファイバ固定部とを用いて前記結合装置と結合され、
   前記結合装置の光信号伝送部が、前記レーザにより放射された複数の光信号を収束した、又は、前記レーザにより放射された光信号を発散した後、放射された光信号又は放射された複数の光信号が前記光ファイバに入り、前記光ファイバ伝送部の屈折率が漸次的に変化する、
   システム。
10. 前記光ファイバのテールエンドが、接着剤を用いて前記光ファイバ固定部内に固定される、
    請求項９に記載のシステム。
11. 前記光ファイバの前記テールエンドは、設定された角度を有する接平面であり、これにより、前記光ファイバに入る光信号が前記接平面により反射され、次に、前記光信号は前記光ファイバのコアに沿って前記光ファイバに伝送される、
    請求項９又は１０に記載のシステム。
12. 前記光ファイバの前記テールエンドにおける前記接平面は、光信号の漏れを低減させるよう構成される反射層により被覆される、
    請求項１１に記載のシステム。
13. 前記結合装置の前記光信号伝送部は、第１のサブ部と、前記第１のサブ部を包囲する第２のサブ部とを有し、前記第１のサブ部の断面半径が漸次的に変化し、屈折率が任意の断面の中心により近い位置ほどより高くなり、前記第２のサブ部の屈折率が一定なとき、前記複数の光信号を収束するよう、複数の光信号を放射する位置における、前記第１のサブ部の断面半径が減少し、これにより、前記結合装置を通過した後に放射される光信号のモードフィールド半径と、前記光ファイバのコア半径との間の差異が設定閾値未満となる、又は、
    前記結合装置の前記光信号伝送部は、第３のサブ部と、前記第３のサブ部の、複数の光信号を放射する位置において前記第３のサブ部と結合される第４のサブ部とを有し、屈折率が前記第３のサブ部の任意の断面の中心により近い位置ほどより高くなり、前記第４のサブ部の屈折率が一定であり、前記第４のサブ部の前記屈折率が前記第３のサブ部の主軸における屈折率に等しいとき、前記複数の光信号を収束するよう、前記第３のサブ部の長さが増加し、これにより、前記結合装置を通過した後に放射される光信号のモードフィールド半径と、前記光ファイバのコア半径との間の差異が設定閾値未満となる、
    請求項９に記載のシステム。
14. 請求項９から１３の何れか一項に記載の伝送システムに基づく、光信号伝送を実行するための方法であって、
    前記方法は、
    レーザと光ファイバとの前記結合装置と結合されたレーザから放射された光信号を、前記結合装置内に放射する段階と、
    前記光信号が前記結合装置の光信号伝送部内に伝送されたとき、光信号収束又は発散を実行する段階であって、前記光信号伝送部の屈折率が漸次的に変化する、段階と、
    前記結合装置から、収束された光信号又は発散された複数の光信号を、前記結合装置により結合された光ファイバ内に放射する段階と
    を備える、
    光信号伝送を実行するための方法。