JP3615735B2 - 相当大きな断面積の光学素子に溶着接続された光ファイバを使用するコリメータの製造 - Google Patents
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Description
技術分野
本発明は、一般的には、レンズ、フィルタ、格子、プリズム等の光学素子、特にファイバコリメータに接続された光ファイバの如き非常に異なる断面積の光学部品を含むオプトエレクトロニクスに関するものである。
【0002】
背景技術
ファイバコリメータには、オプトエレクトロニクスにおいて、特に、光ファイバから視準レンズへ、或いは、視準レンズから光ファイバへ光を接続することに広範囲の用途が見いだされている。ファイバコリメータは、アイソレータ、機械スイッチ、カプラ、サーキュレータ、光スイッチ、波長分割多重化デバイス、の如き通信用の製品の基本的な部品である。このようなファイバコリメータは、光ファイバを光学素子に接続することにより製造される。
【0003】
1本の光ファイバを他の光ファイバへ接続し、或いは、1本の光ファイバを光導波路へ接続することは知られているが、寸法は同じようなものであり、光学部品を共に融着接続するのに局部的な加熱を使用することができる。光ファイバを、一層大きな光学素子に接続することは、一層興味のあることである。例えば、1988年4月12日に、K. J. Warbrickに発行された「純粋なシリカレンズを含む光ファイバの成端部およびそれを製造する方法」という表題の米国特許第4,737,006号には、ドープされていない(純粋な)シリカ棒を単一モードファイバに電気アークを用いて融着接続してコリメータを製造することが開示されている。しかし、これは非常に複雑な方法であり、用途が限られる。
【0004】
大きな光学素子に光ファイバを取り付けるために最もよく用いられている工程は、(1)ファイバ面を光学素子に接着剤で直接接着する工程、或いは(2)環境条件の大きな変化のある間中空気分離型ファイバと光学素子の安定した位置決めを行なう複合メカニカルハウジングを作る工程を含む。
【0005】
このようなデバイスの光路内に接着剤を使用することは、時間の経過により接着剤の劣化の虞があるので好ましくない。他方、複合メカニカルハウジングを用いてファイバを光学部品から一定の距離だけ間隔を空けるのに、デバイスを通過する光エネルギーの損失を最小にするために空気とガラスとのすべての境界に反射防止コーティングが必要となる。空気とガラスの境界があることが、光ファイバ内に光が反射して戻る原因ともなっている。後方反射として知られるこの現象は、多くの通信ネットワークにおいてノイズの原因となり、このような通信ネットワークの伝送帯域幅を事実上制限している。
【0006】
本発明は、2000年3月7日発行の米国特許第6,033,515号に関連するものである。この特許は、異なる寸法の2つの光学部品を共に融着接続する単一の工程、例えば、レーザー加熱を使用して光ファイバをずっと大径(少なくとも直径が2倍)の光学素子に融着接続する工程を提供する。
【0007】
光ファイバの光学素子への突き当て接続は簡単なので好ましいが、実際には、従来技術は、後方反射を低減し或いは最小にするために、光ファイバの角度をつけた切断(angle−cleaving)および光学素子の角度をつけた研磨(angle−polishing)を必要としている。即ち、光ファイバおよび光学素子は、光ファイバに平行である光学軸(optic axis)に直交しない角度で接続するように両方とも処理されている。単純な突き当て接続からもたらされる後方反射は、光出力および効率を減少させる。光通信システムにおいて、後方反射は、BER(ビット誤差比)およびSNR(信号とノイズの比)に有害な影響がある。その生成および伝搬は制御されないため、ファイバ内に後方反射されるパワーは、検出されると突出したノイズ(excess noise)とみなされる。
【0008】
従来技術においては、視準レンズの角度をつけて研磨した面(angle−polished face)近傍で、角度をつけて切断されたファイバ(angle−cleaved fiber)或いは 角度をつけて研磨したファイバを位置決めすることが、ファイバコリメータの優れた視準(collimation)および優れた性能特性をもたらすことが示されている。しかし、コリメータを組み立てる為のこれらの現在の技術では、非常に労力を要するアライメント技術を必要とする。このアライメント技術は、最終組立の間、レンズに対してファイバの位置を3つの直線軸および3つの回転軸内で操作することを含む。コリメータが作られるならば、ファイバとレンズは効率的に一体のものとなり、融着工程の間、2つの直線軸および2つの回転軸に対するアライメントを低減することができ、最終組立の間にはアライメントは必要でなくなり、これにより、コストが劇的に低減される。
【0009】
コリメータの組立時に、最小にすべきカギとなる性能パラメータは、ファイバへの光の後方反射である。ファイバを同じ屈折率のレンズに突き当て接続或いは融着接続によって、後方反射を生じる明白な境界面(interface)がなくなる。次にビームがレンズ内を発散し、レンズを出るまで屈折率が変化する面(index break surface)を見ることはない。その時までには、ビームは大きくなっているので、ファイバコアに戻ることのできる光量は非常に少ない。
【0010】
本特許出願に開示され請求されたレーザ融着接続法は、−57dBの後方反射を提供する。これは、いくつかの用途に受け入れられるかもしれない。しかし、他の用途については、後方反射の更なる低減が望ましい。
【0011】
発明の開示
本発明によれば、ファイバコリメータは、低減された後方反射と、改善されたポインティング精度と、改善された出力処理特性を有する。ファイバコリメータは、コリメータレンズの如き光学素子に融着接続された少なくとも1本の光ファイバを有する。光学素子は、融着接続される光ファイバの屈折率と略等しい屈折率を有する光学材料から構成される。商業上の理由から、純粋な溶融シリカガラスが好ましい。加えて、ファイバコリメータは、コリメータレンズ以外の、別体のコリメータレンズと接合してその後、組み立てられる平面−平面「ペレット」の如き光学素子に溶融接続された少なくとも1つのファイバを有してもよい。この後者の構成は、長い光路長および関連する大きな視準されたビーム直径を有するコリメータを作るのに特に有用である。光学ペレットを使用することにより、長い焦点距離のコリメータ内で必要とされるレンズ厚を薄くしながら、低減された後方反射、改善された出力処理といった全ての利点が得られる。
【0012】
レーザ融着接続によって得られた接続は、典型的には−57dBの後方反射を有する。この僅かに残る後方反射は、ファイバコアと純粋な溶融シリカ間の屈折率の小さな相違によるものである。スプライス接続部に薄い軸勾配層を形成することによって均一な低後方反射が実現できる。溶融接続工程のパラメータの簡単な調節は、ファイバコア内のドーパントの拡散による軸勾配の生成を促進するのに十分である。その結果、後方反射は接続の品質に何ら悪影響を与えることなく−65dB未満となり得る。同様な結果は、溶融される光学素子上の薄い表面層の従来のドーピングで得ることが可能である。
【0013】
エポキシ或いは他の特殊な成端技法を使用しないで、ファイバを直接他の光学部品に取り付けることによって、コストが低減でき、環境の安定性が改善され、アライメント精度が向上し、ポインティング精度が改善され、そして出力処理量が大幅に増大する。
【0014】
本発明の他の目的、特徴、および利点は以下の詳細な説明および添付図面を参照することで明白となろう。添付図面中、図を通じて、類似の引用番号は類似の特徴を表している。
【0015】
本発明を実施するための最良の形態
この明細書で引用された図は、特に注記がなければ一定の拡大比で描かれてはいないものと理解すべきである。
【0016】
発明を実施するために発明者によって現在意図された最良の形態を示す、本発明の特定の実施形態について詳細に参照する。代りの実施形態についても適宜簡単に説明する。
【0017】
レンズ14に光学的に接続された光ファイバ12を有する従来技術のファイバコリメータ10を図1aに示す。光ファイバ12は、ガラスフェルール或いは、セラミックフェルール16により所定位置に維持されている。レンズ14および光ファイバ12を有するフェルール16は、取付けスリーブ18内に固定されている。取付けスリーブ18には、光ファイバ12が延出する端部に応力緩和エラストマ20が設けられている。レンズ14およびフェルール16には、表面14a、16aが、夫々形成されているが、これらはファイバ12に対し垂直ではない。ファイバ12は、空隙22によりレンズ14から離隔している。
【0018】
比較のために、本発明のファイバコリメータ110を図1bに示す。ファイバ12は、以下の融着工程によりレンズ14に直接接続されていて、実質的に空隙が全くないことに気が付かれよう。さらに、レンズ面14aはファイバ12に対し全く角度がついておらず、レンズ面は、ファイバに対し垂直である。結果として、後方反射は相当低減され、且つポインティング精度が改善される。さらにここに開示した工程の結果として、処理出力の大きさは相当大きくなる。後方反射の減少、ポインティング精度の改善、および処理出力の増大について、全て以下に一層詳細に述べる。
【0019】
局部的な加熱は、表面研磨、ファイバの線引き、および融着接続を含む、様々なガラスの処理操作に効果的に使用されてきた。使用される熱源は、簡単な抵抗過熱器或いは制御されたアークが多い。前述の処理の全ては、熱源としてレーザを用いて行うこともできる。
【0020】
しかし、本発明以前には、相当異なる断面積の光学部品を接続する方法は、発明者の知る限りでは、開発されていなかった。本発明は、継ぎ目なしに溶融された一体構造部品を形成する方法を目指すものである。
【0021】
第1の断面積の1つ以上の光学部品を、相当大きな断面積の光学部品に融着するために、一実施形態では、大きな表面はレーザによって予熱される。予熱温度は、大きな部品の表面の小さい部品を融着したい位置を研磨し且つ溶融するに十分なものであればよい。寸法によって全表面の加熱であってもよく、或いは単なる局部的な加熱であってもよい。次に、第1の表面が予熱された表面と接触され、そして、(加熱によって)一旦熱交換がなされると、全ての部品は同時に加熱される。全ての表面が大きいならば(局部的に加熱された領域に対して大きい)、全ての表面が予熱を必要とするかもしれない。一旦、表面が適切に上昇した温度で接触すると、融着が始まる。この融着温度は、2つの部品間で熱エネルギーの良好な流れを確実にする軟化温度より大きければ十分である。
【0022】
第2の実施形態では、全ての光学部品の接触により開始され、部品は融着接続の間分離されることはない。
【0023】
第3の実施形態では、全ての光学部品は接触し、次に、整列された後引っ張られて、第1の実施形態と同様に融着接続される。
【0024】
境界面の格付けは、機械的試験と同様に、システムを通る光の後方反射を測定することによってなされる。
【0025】
断面の幾何学形状の寸法が適合していなかったり、或いは、適合していることに関して、この手法を用いることに実施上の制約はなにもない。
【0026】
光学部品のいかなる多数の部品も、無機ガラス或いは有機ポリマーのいずれを有していても、本発明の方法を用いて融着することができる。最も一般的な用途は、オプトエレクトロニックデバイス或いは、通信用デバイスへの単一モードファイバの融着であろう。ここでの教示による融着接続によって、後方反射およびそれに伴う損失は、ほとんど完全に除去される。融着は、2〜3秒以下で済み、工程は完全自動化ができるので非常に低コストでもある。融着は、多くの場合に積極的な整列を不要とする。また、融着により、汚染が除去され、光路内の接着剤および他の有機材料の如き無関係の材料の必要性がなくなる。
【0027】
シリカ、ケイ酸塩、ホウケイ酸塩、ホウ酸塩、リン酸塩、アルミン酸塩、カルコゲニド、およびカルコハライド(chalco−halides)、ハロゲン化物、等の如き光学無機ガラスおよびアクリレート、メタクリレート、ビニルアセテート、アクリロニトリル、スチレン、等の如き光学有機ポリマーを本発明の実施に用いてもよいが、本発明は、列記した材料の特定の種類に限定されるものではない。
【0028】
加熱は素早く且つ局部的なので、部品には融着前に溶融される表面以外の表面に反射防止塗装をすることができる。本発明の工程は、塗装された表面の数も最少にする。典型的な組立技法によって、塗装される表面の数、即ち融着されている各光ファイバの面およびレンズの入力面および出力面の両方が最少にされる。しかし、本発明の処理によって、いくつかの面(各光ファイバ面およびレンズ入力面)が一体構造溶融部に結合されているので一つの面と同じくらいの少ない面が残る。各面は、たとえ塗装されていても、完全な反射防止塗装はないのでシステムにとって損失となる。このように、塗装すべき面の数を減らすことは、システムの損失を低減する。さらに、従来のコリメータにとって、ファイバの先端に使用されているコーティングは、これらの素子の出力処理能力を甚だしく制限する。本発明の方法は、ファイバの先端のコーティングをなくし、実際、ファイバ−空気結合部も全てなくす。この方法により製造されたコリメータは、他の形式のコリメータより、非常に大きい出力(10倍以上)を処理できる。
【0029】
ポインティング精度およびビーム品質を融着の前に監視して、融着のために固定することができる。在来の(従来技術)コリメータは、本質的なポインティングエラー(コリメータから出るビームは、コリメータの軸と約0.5°の角度をなす線に沿って伝播する)を有する。このエラーは、斜めに研磨された面および関連する空隙から生じる。本発明においては、ただ1本のファイバで構成されたとき、コリメータはファイバで画定された軸の回りに対称性を示し、ポインティングエラーは0.1°より小さい値に低減することができる。このような小さなポインティングエラーは、光学的なアライメントが早く簡単になるので、デバイス内でこれらのコリメータを引き続き使用する上で大きな利点となる。
【0030】
斜めの面の屈折率の変化(index breaks)をなくすことにより、製造された部品の偏光による損失(polarization dependent losses(PDL))および偏波モード分散(polarization mode dispersion(PMD))のような偏光効果(polarization effect)が低減される。現行の方法は、後方反射を制御するために光軸に関して斜めになった光学表面を使用し、それにより、材料内のそれらの固有の偏光による損失や偏波モード分散上に偏光による損失および偏波モード分散を生じる。
【0031】
本発明の別の明らかな利点は、システムの温度の安定性である。部品は継ぎ目なしに一体構造部品に融着されているので、オプトエレクトロニックデバイスおよび通信用デバイスにおいて、他の従来技術での試みがあるが、ミクロン以下の間隔公差を維持するためにハウジングに頼ることはない。
【0032】
本発明は、オプトエレクトロニクス/通信産業用の高品質且つ低コストの製品を可能にするものである。この技術が無ければ、通信産業における既知の、非常に高価な、同じようには作動できず、そして/或いは光路に望ましくない材料を使用する従来技術を使用することを余儀なくされるだろう。
【0033】
1本以上の小断面積の光ファイバを大断面積の光学素子接続するための本発明の方法は、
1.光ファイバと光学素子を軸に沿って整列させる工程と、
2.レーザビームを形成するために(赤外線レーザの如き)指向性レーザ熱源を点灯する工程と、
3.ファイバと同一直線上になるようにレーザビームを方向付ける工程と、(この工程では、斜入射では、反射係数が非常に高いので、レーザ光の大部分は小さなファイバによって吸収されず表面で反射される)
4.前記レーザビームが大断面積の光学素子に、レーザの吸収が大表面で一層効率的になるように直角或いは略直角に入射するように確実に照射する工程と、
5.レーザ出力レベルを、融着接続(および、同時に研磨と汚染の除去)をするために光学素子の前記表面の軟化温度と同じか或いはそれより高い温度に達するよう調節する工程と、
6.レーザを切る工程と、
を有する。
【0034】
第1の実施形態では、2つの部品(例えば、光ファイバと光学素子)は、整列されるが、(典型的には2〜3mmの)間隔で離隔され、レーザビームは、軟化領域を形成するために点灯され、光ファイバの表面は光学素子の軟化領域と接触され、この接触によって光ファイバの表面に熱が伝達されて軟化され、融着接続がなされる。
【0035】
第2の実施形態では、2つの部品(例えば、光ファイバと光学素子)は、まず接触され、次に、レーザビームが点灯されて、2つの部品が接触している部分に軟化領域が形成されて融着接続される。
【0036】
第3の実施形態では、2つの部品(例えば、光ファイバと光学素子)が整列されて接触され、次に間隔を空けて分離され(典型的には2〜3mm)、軟化領域を形成するためにレーザが点灯され、光ファイバの表面が光学素子の軟化領域と接触され、この接触により光ファイバの表面に熱が伝達されて軟化し、それにより融着接続がなされる。
【0037】
シリカを基材としたガラスは、非常に大きな吸収係数を有するので、シリカの如き典型的な無機ガラスを融着接続するためには、9から11μmの範囲で作動するCO2レーザが好ましい。他の光学材料は、赤外線の大きな吸収性を有する、従って、IRスペクトルの他の領域で作動するレーザは、このような他の光学材料に使用できるかもしれない。
【0038】
レーザビームは、光ファイバと同一直線であり、且つすれすれに接する。このことは、多数の方法で実施することができる。例えば、中央に孔を有する45°のミラーを用いて、レーザビームコリメータをファイバの軸に向ける(ファイバは、互いに平行に孔を通過する)。ファイバの軸に沿うようにレーザビームを方向付ける他の方法を採用しても良いが、このような方法は当業者にとって周知である。レーザビームそれ自体は、形状が環状になることができるが、必ずしもそうなるとは限らない。この最後の要件は、異なる手法、即ちスキャニングシステム、特殊な光学部品(アキシコン)、TEM01レーザモード、中央の障害物(central obstruction)、回折用光学素子、等によって実施される。同じ効果は、全てが光ファイバと同一直線の2つ以上のレーザビームを使用して実現できる。
【0039】
融着接続されている光学部品は、同じ様な熱的および/または、機械的特性を有することが好ましい。しかし、このことは、本発明の教示を採用して異なる光学部品が融着接続できるので、必要な要件ではない、このような場合、処理による歪みがあるとすると、条件が正しくなければ接続部が破損するかもしれないので、考慮しなければならない。しかし、このような考慮は当業者の経験内で十分であるので、いかなる過度の実験をも必要としない。
【0040】
図2は、貫通する孔26aを有するミラー26に入射するレーザビーム24を示す。一本の光ファイバ12がミラー26内の孔26aを通過し、例えばレンズ14の如き光学素子に融着接続される。図2は、レンズ14に融着接続される直前の光ファイバ12を示す。図3は、ファイバ12に沿う環状のレーザビーム24aを断面で示す。光学素子14は、レンズ、フィルタ、格子、プリズム、波長分割多重化デバイス、或いは、光ファイバ12を接続することが望まれるような他の光学部品であってもよい。図4は、光ファイバ12a、12bと光学素子14の接続を示す同様な図である。ここでの教示により、さらに多くの光ファイバを光学素子14に融着接続してもよいことが理解できよう。
【0041】
ここに開示した技術は、従来のファイバコリメータ、拡散ビーム(expanded beam)コリメータ、波長分割多重化製品、およびガラス取り付け領域或いはポリマ−取り付け領域を有するいかなる他のデバイスにも適用することができる。略同様な直径を有するだけの融着部品に、もはや限定されない。
【0042】
上記したように、コリメータ組立体において、最少にすべきキーとなる性能パラメータは、ファイバ12に戻る光の後方反射である。同じ屈折率のレンズへのファイバの突き合わせ接続、或いは融着接続では、後方反射を生じる明確な境界がない。純シリカによって作られた光学素子へのファイバの融着接続においては、2つの素子の屈折率の違いは小さいので、しばしば無視される。しかし、ファイバのコアが大部分の材料よりも僅かに高い屈折率を有しているので、この違いは正確には零ではない。実際、この屈折率の違いはファイバのガイド特性の基礎となる。典型的な単一モードステップ形インデックスファイバでは、この相違は約0.36%(コーニング社の登録商標SMF−28TM CPC6単一モード光ファイバの製品情報シートによる)であり、境界面からの後方反射は、−57dB(=10log[反射出力/入射パワー])となる。ほとんどの用途については、この少量の後方反射パワーは無視し得る。しかし、いくつかの場合に有害となる。これらの場合に、−65dBの後方反射は、許容できる性能と考えられる。
【0043】
図5は、ファイバが単一モードステップ形インデックスファイバと仮定して、光学素子の屈折率の関数として、融着接続部からの予測される後方反射を示す。この曲線は、他の全ての形式のファイバと非常に似たものとなろう。
【0044】
1.55μmの溶融シリカの屈折率は1.444である。僅かに高い屈折率の材料を用いることにより、後方反射が−57dBから低下して−65dBになろう。しかし、シリカは、その温度特性がファイバの温度特性とよく一致しているので、依然として最良の材料である。よい解決方法は、ファイバ12と光学素子14の間に中間層28を形成することである。中間層28の屈折率は、図6aおよび図6bに示すように徐々に変化する。指数関数の正確な形状は重要ではない。中間層28は光学素子14の表面14aに形成され、内方に短距離Dだけ延びる。中間層28は、融着接続されるファイバ12の直近に形成される、仮想線で示す領域28’に置き換えてもよい。
【0045】
このような勾配により、境界面の後方反射が低減される。厚さDの直線的な勾配については、計算された後方反射を図7に示す。
【0046】
図7から非常に薄い勾配層(<2μm)でも、融着接続の後方反射を相当改善することが判る。屈折率プロファイルおよび厚さは重要なパラメータではないので、勾配層26は融着接続工程に容易に導入することができる。効果的にするためには、勾配は少なくとも0.2μmの厚さが必要である。勾配が厚くなればなるほど、結果は良好なものとなる。しかし、2μmを越える厚さでは、後方反射の漸増的な減少は無視し得る。
【0047】
勾配層28を形成するための異なるアプローチが可能である。第1の且つ最も簡単な方法は、融着接続処理の際にファイバコアドーパントの拡散を促進することである。単一モードステップ形インデックスファイバ12の特別な場合においては、屈折率を増大するために、ファイバコアに少量のゲルマニウム(Ge)を添加する。融着接続処理の際、ファイバ先端のガラスの薄い層は非常に高い温度に達して溶融し、ゲルマニウムを添加したガラスを広げゲルマニウムを拡散する。処理のパラメータ(レーザパワー、露出時間、結合圧力、後加熱、等)の様々な組合せを、この薄い勾配層28を形成するために用いることができる。例えば、図8は、レーザ出力の強さと、測定された後方反射を示す。
【0048】
この特別な場合においては、融着接続は、ファイバの先端をレンズの後面と接触させるように配置し、本出願に記載した方法でレーザ出力を加えることにより得られる。レーザ出力規模の下端で、表面および/またはファイバ先端を溶かすのに十分な熱が発生し、ファイバとレンズの後面との完全な光学的接触が実現される。これによって、後方反射が約−57dBとなり、ファイバコアの屈折率と溶融シリカの屈折率の相違と一致する。出力レベルが増大すると、ファイバのコア内のゲルマニウム接続部の薄い層内で拡散し或いは分離する点が出てくる。この層は、屈折率勾配として作用し、後方反射を−65dBより下の値に低減する。
【0049】
融着接続前に光学素子14の表面14aの薄い軸方向の勾配層28を生成することによって同じ全体の結果が得られる。ゲルマニウムはファイバコアの屈折率を増大させるのに使用されるドーパントであるから、明確なアプローチは、ゲルマニウムを拡散することである。一つの可能な方法は、酸化ゲルマニウムの溶液を表面に付着させ、CO2(炭酸ガス)レーザを使用してゲルマニウムを溶融したガラスの薄い表面層に導入することである。他の内部拡散(in−diffusion)、イオン注入、イオン泳動(ion migration) 法もまた、可能である。
【0050】
このように、勾配層28は、光ファイバ12と直接関連づけて、直近か或いは表面全体に亘り、光学素子14の表面14aの少なくとも一部に形成されることが理解されよう。
【0051】
本発明の教示に従って準備されたファイバコリメータは、高い出力処理能力を有する。いかなる損傷をも示すことなく、9ワットを越える出力レベルが達成された。図1aに示すファイバコリメータの如き従来のファイバコリメータの出力を10倍上回ることを示す。
【0052】
従来技術の方法を用いて、製造されたファイバコリメータは、連続的なレーザ出力処理量が1ワット未満に典型的には限定される。大部分は、規定された300ミリワットの出力処理限度を有している。従来技術のコリメータの欠陥構造は、反射防止塗装されたファイバフェーセット(ファイバの面)上への高強度のレーザによって生じる典型的には壊滅的な損傷である。単一モード光ファイバ(直径10マイクロメーターが代表的である)の非常に小さな中心ガイド領域の為に、非常に高い強度レベル(約1メガワット/cm2)が1ワットの処理パワーレベルで到達する。この強度レベルは、光学表面に壊滅的な損傷をしばしば生じることが良く知られている。
【0053】
しかし、純シリカコリメータレンズ、或いは平面−平面ペレットの如き光学素子に向けられたファイバを溶融することによりファイバのフェーセット(面)が効率的に除去された。空気とガラスの境界面は、取り付けられた光学素子の、典型的には500マイクロメーターに拡大した出力面に移動した。1ワットのレーザ出力処理における強度は、光学素子の出力フェーセットにおけるたったの500ワット/cm2であり、2500倍の強度の減少を示す。従って、本発明の教示により製造されたコリメータの出力処理容量は、従来のコリメータの出力処理容量よりも何倍も高い。レーザ通信機の分野、高ポンプ出力ファイバ増幅器、ファイバレーザ、レーザ投射ディスプレー、レーザ速度計、医療用レーザ投射システム、および工業用レーザ投射システムに潜在的な用途がある。
【0054】
図9および図10は、本発明のファイバコリメータの2つの好ましい実施形態の断面図である。図9では、ファイバコリメータ110は、レンズ14に融着接続されたファイバ12を含み、両者は取り付けスリーブ18に保持される。ガラス安定化チューブ30はファイバ12を支持し、そしてエラストマ20は応力緩和を付与する。例として、取り付けスリーブ18は、3マイクロメーターの厚さのCu−Ni−Auメッキを施した300シリーズステンレス鋼を有する。そのかわり、レンズ14およびガラス安定化チューブ30には、取り付けスリーブ18の所定位置に金属塗装を施しても良い。視準ビームの典型的な直径は、約0.5mmである。
【0055】
図10では、ファイバコリメータ210は、ここでは平面−平面ペレットである光学素子14に融着接続されたファイバ12を含み、両者は取り付けスリーブ18に保持されている。取り付けスリーブ18は、室34を含むハウジング32に固定される。取り付けスリーブ18は、室34の一端にある距離だけ突出する。室34の他端には別体のコリメータレンズ114がある。平面−平面ペレット14は、平面入射および平面出力面を形成したガラス棒を含む。ファイバ12から出射するビーム36は、ペレット14で分散するが、これは後方反射を最小にし、ペレットはビームをコリメートしない。代わりに、分散したビーム36は、別体のコリメータレンズ114によりコリメートされる。この構成により、はるかに大きな、1から80mmおよびそれより大きなコリメートされたビームが可能となる。このような大きなコリメータされたビームは、図10に示された形状なしに、通常相当多くのガラスを必要とする。このように、図10に示された形状は、ガラスを節約すると共にそれに伴う重量を節約する。勿論、ビーム36は別体のコリメータレンズ114にに入射して光ファイバ12上に収束することができる。
【0056】
産業への応用可能性
本発明の方法は、少なくとも1本の光ファイバを比較的大きな断面積を有する光学素子に融着接続してファイバコリメータを製造することに用途を見いだすことが期待される。
【図面の簡単な説明】
【図1a】従来のファイバコリメータの側面図である。
【図1b】本発明のファイバコリメータの一実施形態の側面図である。
【図2】1本の光ファイバが光学部品に融着接続された装置の概略を示す側面図である。
【図3】光ファイバが通過するミラー面上に表れる環状のレーザビームの図である。
【図4】2本の光ファイバが光学部品に融着接続された状態を示す、図2と同様な側面図である。
【図5】後方反射(dB)および屈折率の座標上の、ファイバ/純粋なシリカ光学境界面からの計算された後方反射のプロットである。
【図6a】光学素子の結合面内に勾配層を有する光学素子に融着接続された光ファイバを描いた側面の概略図である。
【図6b】屈折率および距離の座標上の、勾配層を通過して光学素子に入る光ファイバに沿う距離の関数としての屈折率のプロットである。
【図7】後方反射(dB)および勾配層の厚さの座標上のプロットであり、融着接続部の後方反射への軸勾配層の影響を示す。
【図8】融着接続のために使用されるレーザ出力を調節することによって、どのように薄い購買層が生成できるか、そしてその結果以下に後方反射が改善できるかを示す、後方反射(dB)と出力(相対的ユニット)座標上のプロットである。
【図9】コリメータレンズに融着接続されたファイバを有する、本発明のコリメータの断面図である。
【図10】平面−平面型光学素子(ペレット)に融着接続されたファイバを有する、別体のコリメータレンズと組み合わせて組み立てられた本発明のコリメータの断面図である。
Claims (9)
- 光学素子(14)と、該光学素子の表面(14a)に融着接続された少なくとも1本の光ファイバ(12)とを有し、前記光学素子(14)の前記表面(14a)の前記少なくとも1本の光ファイバ(12)が融着接続された部分に、前記少なくとも1本の光ファイバ(12)の屈折率と前記光学素子(14)の屈折率との間で後方反射を低減するように単調に徐々に変化する屈折率勾配(28または28’)が形成されていることを特徴とするファイバコリメータ(110、210)。
- 前記光学素子(14)の前記表面(14a)の前記屈折率勾配(28または28’)の、前記少なくとも1本の光ファイバ(12)の長手方向における厚さが少なくとも0.2μmあり、且つ約2μm未満であることを特徴とする請求項1記載のファイバコリメータ(110、210)。
- 前記光学素子(14)は、前記表面(14a)が前記少なくとも1本の光ファイバ(12)の軸に垂直であるコリメータレンズであり、該コリメータレンズ(14)および前記少なくとも1本の光ファイバ(12)が取付けスリーブに固定されていることを特徴とする請求項1記載のファイバコリメータ(110)。
- 前記光学素子(14)は、平面入射面および平面出力面が両端に形成されたガラス棒を含む、後方反射を低減する平面−平面ペレットであり、前記平面入射面の前記表面(14a)は前記少なくとも1本の光ファイバ(12)の軸に垂直であり、前記平面−平面ペレット(14)および前記少なくとも1本の光ファイバ(12)が取付けスリーブ(18)に整列して固定され、該取付けスリーブ(18)が室(34)を有するハウジング(32)に、前記室(34)の一端側で前記平面−平面ペレット(14)および前記取付けスリーブ(18)が部分的に前記室(34)内に延出するように固定され、前記室(34)の他端にコリメータレンズ(114)が位置していることを特徴とする請求項1記載のファイバコリメータ(210)。
- 前記光学素子(14)が、レンズ、フィルタ、格子、プリズム、および波長分割多重化デバイスからなるグループから選択されていることを特徴とする請求項1記載のファイバコリメータ(110、210)
- 請求項1の前記ファイバコリメータ(110、210)を形成するために、少なくとも1本の前記光ファイバ(12)を前記光学素子(14)にレーザビーム(24)で融着接続する方法であって、前記光学素子(14)が前記少なくとも1本の光ファイバ(12)の端部表面よりも大きな、前記光ファイバの長手方向に直交する断面積を有する表面(14a)を有し、
(a)前記光学素子(14)の前記表面(14a)に垂直な軸に沿って、少なくとも前記1本の光ファイバの軸を整列させる工程と、
(b)前記レーザビーム(24)を形成するために指向性レーザ熱源を点灯する工程と、
(c)前記レーザビーム(24)の軸を、前記少なくとも1本の光ファイバ(12)の軸と同一直線上になるように方向付ける工程と
(d)前記レーザビーム(24)が前記光学素子(14)の前記表面(14a)に、前記レーザビーム(24)の吸収が前記表面(14a)で直角或いは略直角に入射するように照射する工程と、
(e)前記レーザビーム(24)の出力レベルを、軟化領域を形成するために前記光学素子(14)の前記表面(14a)の軟化温度と同じか或いは高い温度に達するよう調節して、前記融着接続を実現する工程と、
(f)前記光学素子(14)の前記表面(14a)の前記屈折率勾配(28または28’)を、前記融着接続時或いはその前に形成する工程と、
(g)前記レーザ熱源を切る工程と、
を有することを特徴とする光ファイバ(12)を光学素子(14)にレーザビーム(24)で融着接続する方法。 - 前記光学素子の前記断面積は、前記少なくとも一つの光ファイバ(12)の長手方向に直交する断面積の少なくとも2倍あることを特徴とする請求項6記載の方法。
- 前記少なくとも1本の光ファイバ(12)および前記光学素子(14)はシリカを基材としたガラスからなり、前記レーザが約9〜11μmの波長領域で作動することを特徴とする請求項6記載の方法。
- 前記光ファイバ(12)がクラッドにより囲まれたコアを有し、該コアが少なくとも1つのドーパントを添加され、前記光学素子(14)の前記表面(14a)は、前記融着接続前に前記少なくとも1つのドーパントを塗装されて該少なくとも1つのドーパントが、前記レーザビーム(24)の吸収により前記屈折率勾配(28または28’)が前記融着接続前に形成され、前記表面(14a)内に拡散することを特徴とする請求項6記載の方法。
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