JP2017535810A - ビーム整形コンポーネントを備える光ファイバアセンブリ - Google Patents

Abstract

光ファイバ、及び前記光ファイバの先端に取り付けられるビーム整形コンポーネントを含む光ファイバアセンブリが提供される。前記光ファイバは、第１の形状を画定する空間プロファイルを有する導波モードをサポートする。前記ビーム整形コンポーネントは、光路を画定し、且つ、内側の屈折率値よりも大きい外側の屈折率値を含む横断屈折率プロファイルを有する。前記ビーム整形コンポーネントは、前記第１の形状と前記第１の形状とは異なる第２の形状との間で光路に沿って伝搬する光ビームの空間プロファイルを変換する。前記光学アセンブリは、例えば、ガウス光ビームをフラットトップ又はドーナツ形状に変換し得る。

Description

本発明は、光ファイバの分野に関するものであり、より具体的には、光ファイバの先端から突き出るビーム整形コンポーネントを有する光ファイバアセンブリに関する。

光ファイバは、多数の用途に関して光を導くために用いられる。標準的な単一モード光ファイバでは、導かれた光は、その強度がファイバの縦軸に対して横断的にガウス様プロファイルを画定するように光が空間的に分布する一つの利用可能なモード、つまり、ガウス形状に強く酷似する横断光分布、において伝搬する。多モード光ファイバの基本モードもまた、ガウス様形状を画定する。

いくつかの用途に関して、光ファイバから出力される光が異なる空間プロファイルを有することが望まれ得る。例えば加工用途に関して、鋭い遷移を備える明確に画定されたプロファイル、例えば、可能な限り切り立ったビームの端での遷移及びこれらの端の間での一定の光強度を備える“フラットトップ”プロファイル、を有することが光ビームにとってしばしば好ましい。フラットトッププロファイルはまた、集積光導波路内へ光を結合するために有用である。他の可能な形状の内、ビームプロファイルが暗い又は低い強度中心の周りでより高い強度のリングを画定する“ドーナツ様”形状はまた、例えば、光学顕微鏡、プラスチック加工及びレーザートラッピング用途において、関心がある。

典型的な光ファイバによって導かれるガウスビームをフラットトップビーム又は標準的なガウス様プロファイルとは異なる他の形状に変換するための様々な技術が当該技術分野において知られている。

いくつかのこのような技術は、レンズ、フィルター、回折素子及び同様のもの等の、光ファイバの出力の下流に配されるバルク素子の使用を含む。様々な配置における非球面レンズが、この目的のために一般的に用いられる。しかしながら、自由空間解決法は、いくつかの欠点により苦労する。それらはしばしば嵩張り、それらは、コンポーネントのアライメントに大きく依存し得、低い製作公差を有し得、低い効率により典型的に苦労し得る。

非特許文献１は、凹型コーンチップを形成するために単一モード光ファイバの端部が逆エッチングによって修正されるビーム変換スキームを教示する。エッチングされたコーンは、ファイバのコアへ閉じ込められ得る、又はクラッド内へ伸び得る。このアプローチは、単一モードファイバにおいて伝搬するガウスビームからの、いくらかフラットトップ形状の出力を提供し得る。

光ビームを運ぶ光ファイバの変換を含む他のビーム整形方法は、ファイバにおけるＬＰＧ（Ｌｏｎｇ Ｐｅｒｉｏｄ Ｇｒａｔｉｎｇ）の規定（例えばＵＳ２００９／００９０７８０７（ＧＵ等）を参照）、又は切り立ったテーパー（非特許文献２）を含む。しかしながら、いずれの方法も、大きな損失に苦しみ得、ＬＰＧｓはさらに、いくつかの用途に有害であり得る固有の波長依存性を有し得る。

非特許文献３は、ガウスビームをシルクハット、ドーナツ形状、テーパー形状及びベッセル様ビーム等の異なる形状のビームに変換するために、光ファイバの端部で取り付けられる円筒状多モード導波路の短い部分の使用を教示する。この技術は、導波路の追加された部分における多モード干渉（ＭＭＩ）の原理に基づく。しかしながら、このアプローチは、多モード導波路の長さ上の厳密な製作公差により苦労し得る。

光ビームの空間プロファイルを、光ファイバによって典型的には運ばれるガウス様形状からフラットトップ又は他の所望の形状に変換するための、効率的な、単純な且つ低コストのビーム整形スキームに関する必要性が残る。

MAYEH等("Laser Beam Shaping and Mode Conversion in Optical Fibers", Photonic Sensors (2011) Vol. 1 No. 2: 187-198) Tian等 "Laser beam shaping using a single-mode fiber abrupt taper", Optics Letters vol. 34, No. 3: 229 (February 1, 2009) ＺＨＵ等（"Coherent beam transformations using multimode waveguides", Optics Express 7506, Vol. 18, No. 7, 29 March 2010）

一態様に従うと、第１の形状を画定する空間プロファイルを有する導波モードをサポートする光ファイバを含む光ファイバアセンブリが提供される。光学アセンブリは、光ファイバの先端に取り付けられ且つ光学的に結合される第１の端部、及び第１の端部の反対側の第２の端部を有するビーム整形コンポーネントをさらに含む。ビーム整形コンポーネントは、第１の端部と第２の端部との間の光路を画定し、内側の屈折率値よりも大きい外側の屈折率値を含む横断屈折率プロファイルを有する。ビーム整形コンポーネントは、第１の端部及び第２の端部の内の一つで注入される光ビームの空間プロファイルを変換し、第１の端部での第１の形状と第２の端部での第１の形状とは異なる第２の形状との間で光路に沿って伝搬する。

光ファイバは、単一モード又は多モードであり得る。いくつかの実施形態では、ビーム整形コンポーネントとは、光ファイバの先端に融合され得る。

有利には、いくつかの変形例では、ビーム整形コンポーネントは、光ファイバからの光ビームをガウス形状から、例えば“フラットトップ”又は“ドーナツ”形状等の非ガウス形状に変換し得る。

いくつかの実装では、ビーム整形コンポーネントは、内側の屈折率値によって特徴づけられる内側領域、及び外側の屈折率値によって特徴づけられる外側領域を有し得る。例えば、光ファイバがシリカ系ファイバである場合では、ビーム整形コンポーネントの外側領域は、シリカガラスで作製され得、内側領域は、少なくとも一つの屈折率低下ドーパントによってドープされたシリカガラスで作製され得る。屈折率低下ドーパントは、例えばホウ素、フッ素又はそれらの組み合わせを含み得る。いくつかの変形例では、内側領域は、コア、第１のリング及び第２のリングを同心円状に含み得る。

他の特徴及び優位点は、添付の図面を参照して好ましい実施形態を読むことでより良く理解されるであろう。

光ファイバの横断面図である。 光ファイバ及びビーム整形コンポーネントを含む光学アセンブリの横断面図である。 （図２Ａ）一実施形態によるビーム整形コンポーネントとの端面図である；（図２Ｂ）図２Ａのビーム整形コンポーネントの横断屈折率プロファイルのグラフである。 図２Ａで示されたようなビーム整形コンポーネントにおける光ビームのシミュレートされた伝搬及び変換を示す。 シミュレートされたビーム整形コンポーネント設計の異なる長さから得られる出力非ガウス形状のグラフである。 ビーム整形コンポーネントの内側領域の直径を変更することによって得られる異なる形状を示す。 振幅及び幅の両方に関して規格化された同じ形状を示す。 得られたビーム形状の側端の、計算され規格化された傾斜を示す。 ビーム整形コンポーネントの異なる屈折率差に関する規格化されたビームプロファイルを示す。 （図５Ａ）他の一つの実施形態によるビーム整形コンポーネントの端面図である；（図５Ｂ）図５Ａのビーム整形コンポーネントの横断屈折率プロファイルのグラフである。 図５Ａに示されるようなビーム整形コンポーネントにおける光ビームのシミュレートされた伝搬及び変換を示す。 図５Ｂ及び２Ｂの各々の屈折率プロファイルから得られる出力非ガウス形状を比較するグラフである。 ２つの異なる長さのビーム整形コンポーネントを備える光学アセンブリから得られる実験の出力ビームプロファイルを示す。 長さ１．１ｍｍのビーム整形コンポーネントを用いたコリメートされたビームプロファイルを示す。 他の一つの実施形態によるビーム整形コンポーネントの屈折率を示す。 図９Ａに示されるようなビーム整形コンポーネントを出るシミュレートされたビームプロファイルを示す。 他の一つの実施形態によるビーム整形コンポーネントの屈折率である。 長手方向テーパー部を有するビーム整形コンポーネントにおける光ビームのシミュレートされた伝搬を示す。 ３つの異なるテーパー比に関して、対応する出力ビーム空間プロファイルを示す。 図１１Ｂのプロファイルの、規格化された傾斜を示す。

本発明の実施形態に従って、光ファイバの先端に取り付けられるビーム整形コンポーネントを有する光学アセンブリが提供される。

図１Ａ（従来技術）は、光ファイバ２２、及びこのようなファイバによって出力される光ビームの典型的なプロファイル２１を示す。典型的な光ファイバは、導波コア２６及びクラッド２８を含み、複数のクラッド、及び／又は保護ジャケット若しくはコーティング（図示されない）をさらに含み得る。

光ファイバ２２は、一以上の導波モードをサポートし得る。当業者によって容易に理解されるように、“モード”との語句は、どのように光が空間を介して分布するかを指す。光ファイバによって運ばれる又はサポートされるモードは、典型的には、横モードである。つまり、光ビームに関連した電場が、光ビームの伝搬方向に対して横方向に沿って振動する。それゆえ、光ファイバにおける各導波モードは、ファイバの縦軸に対して横断する平面に沿った光強度分布によって特徴づけられる空間プロファイルを有する。当業者によってさらに理解されるように、“導波モード”との語句は、ファイバ構造において効率的に導かれるモードを指す。そのため、光は、低い損失で、且つそのモード分布を保存して、通常はファイバコアにおいて、長い距離にわたって伝搬し得る。光ファイバ又は他のタイプの導波路では、導波モードは典型的には、外側の屈折率値よりも高い内側の屈折率値を設けることによってサポートされ、幾何光学において全内部屈折を有することに類似する。

当該技術分野において知られる光ファイバは、単一モードであり得る。つまり、導波コア２６が、ただ一つの導波モードをサポートする。典型的には、このような光ファイバによって出力される光ビームの空間プロファイルは、図１Ａに示されるようにガウス様形状を有する。他のタイプの光ファイバは多モードであり得るので、導波コア２６及び／又はクラッド２８は、ガウス様形状を画定する空間プロファイルを典型的には有する基本モードを含む複数の導波モードをサポートする。本記載を通して、単一モードファイバの単一導波モード、及び、多モードファイバの基本モードは、ファイバによってサポートされる“基本モード”を指すであろう。さらに、本明細書で用いられる“ガウス形状”又は“ガウス分布”との語句は、十分にそのように認識されるガウス曲線に似たガウス様光分布パターンを覆うことが意図される。当業者は、その中の光分布がガウス曲線を完全に再現しないとしても、典型的な光ファイバがガウス基本モードを有すると考えることを容易に理解するであろう。

いくつかの実装に従って、光ファイバによって出力される光ビームの空間プロファイルを、ファイバの導波モードに対応する形状、典型的にはガウス形状から、光ビームが向かうことになる用途にさらに適した他の一つの形状へと変換することが所望され得る。上述のように、フラットトッププロファイル等の、鋭い遷移を備える明確に画定されたプロファイルを有する光ビームは、加工用途等のいくつかの用途に関して、又は集積光導波路に光を結合することに関して、有用であり得る。他の可能性のある形状のうち、ビームプロファイルが暗い又は低い強度の中心の周りに、より高い強度のリングを画定する“ドーナツ様”形状はまた、例えば光学顕微鏡、プラスチック加工及びレーザートラッピング用途において関心がある。このようなプロファイル及び用途は、例示のみで与えられ、本発明の範疇を制限するものとしては考えられるべきではない。

他の実装では、光ファイバの導波モードの空間プロファイルとは異なる空間プロファイルを有する光ビームは、光ファイバ内への挿入を促進するために、ファイバによってサポートされる導波モードに近い形状に変換される必要があり得る。このような実装の例は、半導体ダイオードからの光を光ファイバに結合することである。ダイオードのモードプロファイルは、ビーム変換デバイスを用いて適合され得て、ファイバ内へのより良い結合効率を得る。

図１Ｂを参照すると、一実施形態による光学アセンブリ２０が概略的に示される。光学アセンブリ２０は、光ファイバ２２及びビーム整形コンポーネント２４を含む。光ファイバ２２は、導波コア２６及びクラッド２８を有する。いくつかの実施形態では、光ファイバは、複数のクラッド、及び／又は保護ジャケット若しくはコーティング（図示されない）を含み得る。いくつかの実施形態では、光ファイバは、例えば電気通信又は同様のものに関して用いられる、標準的なゲルマニウムドープファイバであり得る。他の実装では、光ファイバは、例えば、偏光維持ファイバ、中空コアファイバ、又は微細構造ファイバ等の特化したファイバによって具現化され得る。光ファイバは、シリカガラス、フッ化物又はカルコゲナイド等の適切な材料で作製され得、ゲルマニウム、アルミニウム、ホウ素、フッ素等の任意の数のドーパントを有し得る。ファイバは、追加で又は代わりに、イッテルビウム、エルビウム、ツリウム若しくは任意の他の希土類又は光を発生する若しくは増幅する他の元素等の一以上の活性ドーパントを含み得る。

光ファイバ２２は、第１の形状を画定する空間プロファイル２１を有する導波モードを有する。いくつかの実施形態では、光ファイバは単一モードであり得、その場合、導波モードの空間プロファイル２１の第１の形状がガウスであり得る。他の実装では、光ファイバ２２は多モードであり得る。一変形例によると、第１の形状を有する多モード光ファイバの導波モードは基本モードであり得、第１の形状は、例えばガウス形状であり得る。他の変形例では、第１の形状を有する導波モードは、より高いオーダーのモード又はクラッドモードであり得る。

いまだに図１Ｂを参照すると、上述のように、光学アセンブリ２０は、ビーム整形コンポーネント２４を含む。ビーム整形コンポーネント２４は、第１の端部３０と、第１の端部３０の反対側である第２の端部３２を有する。第１の端部３０は、光ファイバ２２の先端２３に取り付けられ、光ファイバ２２からの導波モードを受け取るために、そこへ光学的に結合される。ビーム整形コンポーネント２４は、様々な方法で光ファイバ２２の先端２３に取り付けられ得る。いくつかの実装では、ビーム整形コンポーネント２４の第１の端部３０は、既知の技術である融着接続に従って光ファイバ２２の先端２３と融合される。他の変形例では、エポキシ、接着剤、ゾル−ゲル又は機械的固定具が、光ファイバにビーム整形コンポーネント２４を固定するために用いられ得る。容易に理解されるように、光ファイバにビーム整形コンポーネントを取り付けるために用いられる方法は、これらの２つのコンポーネントの間の適切な光結合、つまり、低い損失、又は、光学アセンブリが向かうことになる用途の要件と互換性のある損失のレベルで、一方から他方へ光が伝搬することを可能にすること、を保証するべきである。

いくつかの実装では、ビーム整形コンポーネント２４は円筒形状を有し、光ファイバ２２と同軸である。このような実施形態では、第１の端部３０及び第２の端部３２は、円筒形状の向かい合った円形面によって画定される。様々な実施形態では、ビーム整形コンポーネント２４の直径は、光ファイバ２２の直径よりも大きい、同じ又は小さいことがある。他の実施形態では、ビーム整形コンポーネントは、本発明の範疇から逸脱することなく、円筒形以外の形状を有し得る。

ビーム整形コンポーネント２４は、それに沿って横断屈折率プロファイルを有する、第１の端部３０と及び第２の端部３２との間の光路３４を画定する。当該技術分野においてよく知られるように、“屈折率”との語句は、どのように光がそれを通って伝搬するかを決定する材料の本質的な特性を指す。“横断プロファイル”との語句は、光伝搬方向に対して横断する、つまり、本例では光路３４に対して横断する、平面における屈折率の変化を指すと理解される。

光ファイバは典型的には、走行光がその２つの間の界面で反射されるように、周囲のクラッドよりも大きい屈折率を有するコアを含む、導波コアに沿った光の誘導に有利な横断屈折率プロファイルを有する。本明細書で記載される光学アセンブリ２０の一態様では、ビーム整形コンポーネント２４の屈折率プロファイルは、内側の屈折率値よりも大きい外側の屈折率値を含む。光路３４に沿って走行する光は、より低い屈折率値によって画定される領域内で誘導されないので、ビームは回折に起因して徐々発散し、ビームが伝搬するにつれて、次第により大きいビーム直径につながる。以下でさらに説明されるように、このような屈折率プロファイルは、第１端部及び第２の端部の内の一つで注入される光ビームの空間プロファイル２１をビーム整形コンポーネントが変換し、且つ第１の端部での第１の形状と第２の端部での第１の形状とは異なる第２の形状との間で光路に沿って伝搬することを可能にする。

図２Ａ及び２Ｂを参照すると、一実施形態によるビーム整形コンポーネント２４の断面図、及び対応する横断屈折率プロファイル３６が示される。この実施形態では、ビーム整形コンポーネント２４は、内側領域３８及び外側領域４０を含む。ビーム整形コンポーネント２４の横断屈折率プロファイル３６は、内側領域３８における一定の内側の屈折率値４２、及び外側領域における一定の外側の屈折率値４４によって特徴づけられる。上記で説明されるように、外側の屈折率値４４は、内側の屈折率値４２よりも大きい。いくつかの実装では、例えば光ファイバがシリカ系ファイバである場合、ビーム整形コンポーネント２４の外側領域４０は、シリカガラスで作製される。外側領域４０のガラス材料は、例えば、純粋なシリカであり得る、又は、ゲルマニウム若しくはアルミニウム等の一以上のドーパント、若しくは、イッテルビウム、エルビウム、ツリウム若しくは任意の他の希土類等の活性ドーパントによってドープされ得る。ドーピングは、当該技術分野においてよく知られるように、ガラス材料の屈折率値に影響を与え得る。ビーム整形コンポーネント２４の内側領域３８は、少なくとも一つの屈折率低下ドーパントによって追加でドープされた、外側領域４０と同じシリカガラスで好ましくは作製される。屈折率低下ドーパントは、例えばホウ素、フッ素又は両方であり得る。ドーピングレベルが高いほど、結果として得られる屈折率は低くなり、ビーム変換に異なる影響を与えることになる。しかしながら、いくつかの実施形態では、１×１０^−５以上である内側の屈折率値と外側の屈折率値との間の差異は、ビーム整形コンポーネントを伝搬する光ビームの空間プロファイルの所望の形状を得るのに十分であり得ることが理解されるであろう。例えば、図２Ｂの示される例では、外側領域４０内の外側の屈折率値は、１μｍの波長の周りで純粋なシリカのそれはｎ２＝１．４５０４であるのに対して、屈折率低下ドーパントによるドープを通して得られる内側の屈折率値はｎ１＝１．４５０３である。

有利には、本明細書で記載されるいくつかの実施形態によるビーム整形コンポーネントは、第１の端部でガウス形状を有する導波モードを、第２の端部で非ガウス形状、例えばフラットトップ又はドーナツに近い形状に変換し得ることが見出される。ビーム整形コンポーネントの第１の端部と第２の端部との間の長さは、所望のフラットトップ形状又はドーナツ形状を提供するように選択され得る。この点を示すために、図３Ａは、図２Ｂに示されるような屈折率プロファイルを有するビーム整形コンポーネントを通るガウスビームに関するビーム伝搬シミュレーションの結果を示す。このシミュレーション例では、ガウスビームは、２０μｍのコア直径、及び、１０６４ｎｍの光波長で動作する０．１０の開口数（ＮＡ）を有する光ファイバ２２から受ける。開口数は、その中で光が入る又は出ることが可能な受け入れ円錐を代表する無次元パラメータであり、内側領域及び外側領域の屈折率に依存する。ビーム整形コンポーネントは、２３μｍの直径を有する内側領域３８を有し、且つ、０．０２の負のＮＡを有し、“負の”は、内側領域３８の屈折率が外側領域４０の屈折率よりも低いという事実を指す。結果として得られるグラフは、ビーム整形コンポーネント２４の長さに沿って左から右へのビームの空間プロファイルの発達を示す。従って、ビーム整形コンポーネント２４に関して所定の長さを選択することは、走行光の出力空間プロファイルに関して対応する形状を提供し得る。図３Ｂは、１０００μｍ、１２３５μｍ又は１５００μｍのいずれかの、入力と出力との間の長さを選択することによって得られ得る３つの空間プロファイルを示す。分かるように、得られた形状は、非ガウスであり、ガウス形状の側端よりも切り立った側端を有するフラットトップ形状に近づく。１２３５μｍの長さで得られるフラットトップ形状は、側端間で実質的に一定値を有するのに対して、１５００μｍで得られる形状は、側端間で中心のくぼみを与える。図３Ａに示されるシミュレーションから観測され得るように、より長い伝搬長さは、ドーナツのように見える形状をもたらすであろう。

ビーム整形コンポーネントの長さに加えて、内側領域及び外側領域の直径もまた、アセンブリの出力で得られる非ガウス形状に影響を与える要因であり得る。図３Ａの例では、ビーム整形コンポーネントの外側領域の直径は、光ファイバに関する１２５μｍと比較して、４００μｍに設定され、有利には、光路に沿って伝搬する光が、ビーム整形コンポーネントの外側表面と、周囲の媒体、典型的には空気、アクリレート又はポリマーとの間の外側界面によるその変換に関して要求される伝搬長さの間に影響されないことを保証する。しかしながら、他の実装では、ビーム整形コンポーネントは、より小さい直径を有し得、ビーム変換は、伝搬する光が外側界面によって影響される場合でさえ効果的に起こり得る。

図４Ａから４Ｄを参照すると、内側領域の異なる直径に関するシミュレーションの結果が示される。内側領域及び外側領域の屈折率の上記の同じ値に関して、３つの異なる、つまり、光ファイバの導波コアの直径よりも、小さい（１０μｍ）、等しい（２０μｍ）及び、大きい（３０μｍ）直径を備える内側領域を有するビーム整形コンポーネント、がシミュレートされた。各場合に関して得られる光学形状が、図４Ａに示され、振幅において規格化される。利用可能な最善の“フラットトップ”形状に対応するビーム整形コンポーネントの長さが、光ファイバのコアの直径に対するビーム整形コンポーネントの内側領域の直径への依存性を示すことに注意することが重要である。図４Ｂは、振幅において規格化されただけでなく、形状の半値幅に対して幅においても規格化された同じビーム形状を示す。図４Ｃは、各曲線の２０％と８０％との間の、ビームの半値幅によって割った、側端の計算された規格化された傾斜を示す。内側領域の直径がファイバコアのそれよりも小さい場合は、他の２つの試験ケースよりも、切り立ちが小さいフラットトップ形状の端をもたらすことがわかる。等しい直径及びより大きい直径形状はフラットトップと同様に見えるが、傾斜計算は、内側領域の直径がファイバの導波コアの直径と同じ場合が、より切り立った側端をもたらすことを示す。

ビーム整形コンポーネントの出力で光ビームの横断プロファイルの形状に潜在的に影響を与える他の一つの要因は、ときどき開口数（ＮＡ）で表現される、その内側領域と外側領域との間の屈折率差（ｄｎ）である。図４Ｄは、ビーム整形コンポーネントのｄｎの関数としての出力ビームの空間プロファイルを示す。分かるように、空間プロファイルの形状の険しさは、ビーム整形コンポーネントのＮＡによって変化され得、一方で、中央の振動にも影響を与える。

図５Ａ及び５Ｂを参照すると、他の一つの実施形態によるビーム整形コンポーネント２４の設計が示される。図２Ａの実施形態のように、ビーム整形コンポーネント２４は、内側領域３８及び外側領域４０を含む。しかしながら、内側領域３８はここで、同心円状に、コア４６、第１のリング４８及び第２のリング５０を含む。好ましくは、外側領域４０及び第１のリング４８は、それぞれ、コア４６及び第２のリング５０よりも高い屈折率を有する。一変形例では、ビーム整形コンポーネントの外側領域４０及び第１のリング４８はシリカガラスで作製され得るのに対して、ビーム整形コンポーネントのコア４６及び内側領域の第２のリング５６は、少なくとも一つの屈折率低下ドーパントによってドープされたシリカガラスで作製される。上述のように、屈折率低下ドーパントは、例えばホウ素、フッ素又は両方であり得る。この例では、第２のリング５６は、第２のリング５６における屈折率が非常に低くなるように、コア４６よりも高濃度にドープされ、コア４６における屈折率プロファイルは、第１のリング４８における純粋なシリカの屈折率に対してわずかなくぼみのみを作成する。一変形例では、コア４６及び第１のリング４８は、同じ材料で作製され得るので、ビーム変換に大きく影響を与えることなく、一定の屈折率値の大きなコア構造を画定し得る。

図６は、図５Ｂの屈折率プロファイルに関する伝搬シミュレーションの結果を示す。観測され得るように、第１のリング４８と第２のリング５０との間の屈折率差は、第１のリング４８において伝搬する光ビームの誘導につながる。しかしながら、この実施形態では、ビーム整形コンポーネントは（第２のリング５０における）内側の屈折率値よりも大きい（外側領域４０における）外側の屈折率値を含むことがいまだに言われ得る。フラットトップは、ＬＰ_０１及びＬＰ_０２モードである、第１のリング４８によって誘導される２つのモードの重ね合わせから周期的に得られる。図７は、図５Ｂの屈折率プロファイルに対応する、図６においてシミュレートされたビーム整形コンポーネントに関して得られる空間プロファイルの例を点線で示す。分かるように、得られる全体的な形状は、比較のために示された図２Ｂの屈折率プロファイルを通して得られるフラットトップ形状と比較しても、非常に鋭い側端を備えるフラットトップを提供する。

図６に示される実施形態では、光ファイバは、ビーム整形コンポーネントによる変換に関する追加のモードをサポートする多モード光ファイバであると仮定された。ビーム整形コンポーネントの横断屈折率プロファイルは、第１の端部でのそれらの注入時にこれらの追加のモードの各々の空間プロファイルの変換、及びビーム整形コンポーネントの第２の端部へ向かう伝搬を提供する。各追加のモードは、第１の端部での初期形状から第１の形状とは異なる第２の端部での最終形状へ変換される。この実施形態では、ビーム整形コンポーネントにおいて始められる追加のモードは、ビーム整形コンポーネントの伝搬長に沿って誘導されるいくつかのモードを引き起こすであろう。これらのいくつかのモードは、干渉して、所定の長さで、注入されたビームプロファイルと比較して変更されたビームプロファイルを形成する。有利には、ビーム整形コンポーネントの長さに対するこの構成の感度は、Zhu(“Coherent beam transformations using multimode waveguides”, Optics Express 7506, Vol. 18, No. 7, 29 March 2010)において示されるような多モードデバイスと比較して小さい。ビーム整形要素によって誘導されるモードの数は、２０個未満であり得、図６の特殊な場合におけるように、２個であり得る。

図８Ａ及び８Ｂは、一実施形態による光ファイバ及びビーム整形コンポーネントを有する光学アセンブリを用いた実験の実演から得られた結果を示す。光ファイバは、２０μｍ直径のコア、０．１２の開口数ＮＡ、１２５μｍの直径を有するシリカクラッドを有し、ガウス分布のＬＰ０１モードをサポートした。ビーム整形コンポーネントは、上述のように光ファイバの出力へ接合された。ビーム整形コンポーネントは、フッ素ドープシリカで作製され、２３μｍの直径及び−０．０２３の負のＮＡを有する内側領域を有した。ビーム整形コンポーネントは、１２５μｍの直径を有するシリカで作製された外側領域をさらに有した。図８Ａは、その２つの異なる長さに関してビーム整形コンポーネントの出力での光ビームの空間プロファイルを示す。観測され得るように、０．３ｍｍの短いビーム整形コンポーネントは、ビームに影響を与えるには小さすぎであり、プロファイルはガウス分布のままである。しかしながら、１．１ｍの長さを有するビーム整形コンポーネントを用いることは、フラットトップ様ビームプロファイルへの所望のビーム変換を提供する。小さなくぼみは、ビーム空間プロファイルにおいて見られ得るが、このような特徴は、いくつかの用途に関して有害ではない。

図８Ａに示される結果では、ビームの空間プロファイルは、光ファイバを出た後１ｍｍから３５ｍｍ測定された。ビームプロファイルは、ビームプロファイラによって測定される。図８Ｂは、１．１ｍｍ長さのビーム整形要素から得られるプロファイルを示すが、ビームが、１１ｍｍの焦点距離の回折限界の非球面レンズによってコリメートされた後である。ファイバ先端は、レンズの焦点近くに配される。その焦点距離で、コリメートされたレンズを使用することは、フレネル近似がこのビーム伝搬に適用されるので、ビームプロファイルのフーリエ変換を実施することに等しい。図８Ｂは、１．１ｍｍのビーム整形コンポーネントによる図８Ａのビームプロファイルの、計算されたフーリエ変換を示す。実験のビームプロファイルが、図８Ｂ上に並置される。モードのサイドローブを示す実験とシミュレーションとの間で相関が得られる。その後、コリメートされたビームは、２５０ｍｍ焦点距離のレンズを用いて再び焦点が合わせられた。集束レンズの後ろで、図８Ａのフラットトップビームプロファイルは、数十ｍｍの伝搬にわたって再び得られる。したがって、図８Ａは、ビーム整形コンポーネントを出るフラットトップ様プロファイル、又はそれらの焦点近くで用いられるコリメートし集束するレンズを用いて再結像されたものの両方を与える。理論では、フラットトップビームは、２５０ｍｍでレンズの焦点で再結像される。しかし実際には、フラットトップビームは、不完全なコリメーションにおそらく起因して、レンズの後ろ３３０ｍｍあたりで再結像された。同様の結果が、異なる焦点距離を備える光学素子を用いる異なるタイプのレンズ又はレンズ様システムを用いて得られるであろう。図８Ａのフラットトップビームは、その焦点距離の外側でレンズを用いることによって他の形状において変換され得る。例えば、三角形状が、２５０ｍｍ焦点距離の集束レンズの後ろ４００ｍｍのビームプロファイルを測定することによって観測された。

図９Ａは、他の一つの実施形態によるビーム整形コンポーネントの屈折率プロファイルを示す。この実装では、屈折率プロファイルは、負の勾配の屈折率形状を有する。図９Ｂは、図９Ａの屈折率プロファイルのビーム変換結果の例を示す。２０μｍコア直径及び０．１０ＮＡファイバからのＬＰ０１ガウスビームプロファイルを用いて、長さ２．５ｍｍの且つ図９Ａの屈折率プロファイルを有するビーム整形コンポーネントは、ファイバの先端に取り付けられた。用いられる屈折率は、０．０４の負のピークＮＡ及び２０μｍの半値半幅を有する。図９Ｂの出力ビーム空間プロファイルは、ビーム整形コンポーネントを通って２．５ｍｍの伝搬後に入力ガウスビームがドーナツビームに変換されることを示す。同様の出力空間プロファイルは、長さ１ｍｍのビーム整形コンポーネントに関して得られ、ビーム出力空間プロファイルが、この実装ではファイバ長さに対してあまり敏感ではないことを示すように思われる。実際、シミュレーションは、ビーム変換の多くが、５００μｍの伝搬の後で生じることを示す。ビーム整形コンポーネントの直径は、このシミュレーションに関して４００μｍに設定された。

図１０は、他の一つの実施形態による、シミュレートされたビーム整形コンポーネントの屈折率プロファイルを示す。この屈折率プロファイルは、内側の屈折率値よりも大きい外側の屈折率値を再び与え、その２つの間で鋭い遷移を有し、内側領域の屈折率は中心に向かって徐々に増加する。

他の実装によると、ビーム整形コンポーネントは、光路に沿って先細りにされ得る。つまり、その外側直径が、伝搬方向に沿って徐々に増加し得る。このような実施形態は、ビーム変換をさらに最適化するために有用であり得る。図１１Ａを参照すると、シミュレーション結果は、図３Ａ上に示されるものと似た構成に関して示されるが、ビーム整形コンポーネントは、外側領域に関して一定の直径を有する代わりに、広がるテーパー形状を有するように仮定された。図１１Ｂは、それぞれ１、２及び３のテーパー比を有するビーム整形コンポーネントに関する出力ビームの空間プロファイルを示す。当業者によって容易に理解されるように、３のテーパー比は、ビーム整形コンポーネントの外側直径が、その入力端でよりもその出力端で３倍大きいことを意味する。ビーム整形コンポーネントの屈折率プロファイルは、テーパーの直径変化に比例して、直径が拡大・縮小する。図１１Ｂの空間プロファイルの、正規化された遷移傾斜を計算することによって、出力の内側領域のコア直径の関数として側端傾斜を示す図１１Ｃのグラフに示されるように、テーパーの使用が、フラットトップビームプロファイルの険しさに影響を与えることが観測され得る。テーパーのプロファイルは本明細書で示されるシミュレーションに関して線形で変化したが、例えば二乗余弦（ｒａｉｓｅｄ−ｃｏｓｉｎｅ）又は修正指数関数形状等の異なるテーパー形状は、他の変形例（Marcuse, “Mode conversion in Optical Fibers with Monotonically Increasing Core Radius”, Journal of LIghtwave Technology, Vol. LT-5, No.1, 1987）において用いられ得ることが留意される。出力直径が入力よりも小さい逆の状況もまた行われ得る。

フラットトップ様又はドーナツ様ビームプロファイルへのビーム変換の例が例として本明細書で与えられたが、他の実装に関して、他の空間プロファイルへの変換は、ビーム整形コンポーネントにおける異なる屈折率プロファイルを用いて達成され得ることが留意される。

もちろん、多数の変形が、添付の特許請求の範囲において定義されるような本発明の範疇から逸脱することなく、上記実施形態へ為され得る。

Claims (20)

1. 光ファイバアセンブリであって、
   −第１の形状を画定する空間プロファイルを有する導波モードをサポートする光ファイバと、
   −前記光ファイバの先端に取り付けられ且つ光学的に結合される第１の端部、及び前記第１の端部と反対側の第２の端部を有するビーム整形コンポーネントであって、前記ビーム整形コンポーネントが、前記第１の端部と第２の端部との間で光路を画定し、且つ内側の屈折率値よりも大きい外側の屈折率値を含む横断屈折率プロファイルを有し、前記ビーム整形コンポーネントが、前記第１の端部及び第２の端部の内の一つで注入される光ビームの空間プロファイルを変換し、且つ前記第１の端部での前記第１の形状と前記第２の端部での前記第１の形状とは異なる第２の形状との間で前記光路に沿って伝搬する、ビーム整形コンポーネントと、
   を含む、光ファイバアセンブリ。
2. 前記光ファイバが、単一モード光ファイバである、請求項１に記載の光ファイバアセンブリ。
3. 前記光ファイバが、多モード光ファイバであり、前記導波モードが前記多モード光ファイバの基本モードに対応する、請求項１に記載の光ファイバアセンブリ。
4. 前記ビーム整形コンポーネントの入力が、前記光ファイバの前記先端と融合される、請求項１から３の何れか一項に記載の光ファイバアセンブリ。
5. 前記ビーム整形コンポーネントが、前記光ファイバの直径よりも大きい直径の円筒形状を有する、請求項１から４の何れか一項に記載の光ファイバアセンブリ。
6. 前記内側の屈折率値と前記外側の屈折率値との間の差異が、１×１０^−５以上である、請求項１から５の何れか一項に記載の光ファイバアセンブリ。
7. 前記第１の形状がガウス形状であり、前記第２の形状が非ガウス形状である、請求項１から６の何れか一項に記載の光ファイバアセンブリ。
8. 前記非ガウス形状が、前記ガウス形状の側端よりも切り立った側端を有するフラットトップ形状である、請求項７に記載の光ファイバアセンブリ。
9. 前記フラットトップ形状が、前記側端間で中心のくぼみを画定する、請求項８に記載の光ファイバアセンブリ。
10. 前記ビーム整形コンポーネントが、前記フラットトップ形状を提供するために選択された前記第１の端部と第２の端部との間の長さを有する、請求項８又は９に記載の光ファイバアセンブリ。
11. 前記ビーム整形コンポーネントは、前記内側の屈折率値によって特徴づけられる内側領域、及び前記外側の屈折率値によって特徴づけられる外側領域を含む、請求項１から１０の何れか一項に記載の光ファイバアセンブリ。
12. −前記光ファイバが、シリカ系ファイバであり、
    −前記ビーム整形コンポーネントの前記外側領域が、シリカガラスで作製され、
    −前記ビーム整形コンポーネントの前記内側領域が、少なくとも一つの屈折率低下ドーパントによってドープされたシリカガラスで作製される、請求項１１に記載の光ファイバアセンブリ。
13. 前記少なくとも一つの屈折率低下ドーパントが、ホウ素、フッ素又はそれらの組み合わせを含む、請求項１２に記載の光ファイバアセンブリ。
14. 前記内側領域が、前記光ファイバの導波コアの直径以上の直径を有する、請求項１１から１３の何れか一項に記載の光ファイバアセンブリ。
15. 前記ビーム整形コンポーネントが、
    −コア、第１のリング及び第２のリングを同心円状に含む内側領域と、
    −前記内側領域を囲む外側領域と、
    を含み、
    前記外側領域及び前記第１のリングが、それぞれ、前記コア及び第２のリングよりも高い屈折率を有する、請求項１から１０の何れか一項に記載の光ファイバアセンブリ。
16. −前記光ファイバが、シリカ系ファイバであり、
    −前記ビーム整形コンポーネントの前記外側領域及び第１のリングが、シリカガラスで作製され、
    −前記ビーム整形コンポーネントの前記内側領域の前記コア及び第２のリングが、少なくとも一つの屈折率低下ドーパントによってドープされたシリカガラスで作製される、請求項１５に記載の光ファイバアセンブリ。
17. 前記少なくとも一つの屈折率低下ドーパントが、ホウ素、フッ素又はそれらの組み合わせを含む、請求項１６に記載の光ファイバアセンブリ。
18. 前記第２のリングが、前記少なくとも一つの屈折率低下ドーパントによって、前記内側領域の前記コアよりも高濃度にドープされる、請求項１６又は１７に記載の光ファイバアセンブリ。
19. 前記多モード光ファイバが、前記ビーム整形コンポーネントによる変換に関して追加のモードをサポートし、前記ビーム整形コンポーネントの前記横断屈折率プロファイルが、前記第１の端部でのその注入及び前記ビーム整形コンポーネントの前記第２の端部に向かう伝搬時に前記第１の端部での初期形状から前記第１の形状とは異なる前記第２の端部での最終形状へ、前記追加のモードの各々の空間プロファイルの変換を提供する、請求項３に記載の光ファイバアセンブリ。
20. 前記ビーム整形コンポーネントが、テーパー形状を有する、請求項１から１９の何れか一項に記載の光ファイバアセンブリ。