JP3755771B2 - レンズ付光ファイバ - Google Patents

Description

本発明は、レンズ付光ファイバに関するものである。

半導体レーザ等の光デバイスと光ファイバ又は光ファイバ同士を高い結合効率で結合するための手段の一つとして、レンズ付光ファイバが従来から用いられている。

このようなレンズ付光ファイバとしては、シングルモード光ファイバや偏波保持光ファイバの先端を直接に球面加工して球面部分を形成したものや、シングルモード光ファイバや偏波保持光ファイバの先端にマルチモード光ファイバやコアレスファイバを融着により接合して、これらのマルチモード光ファイバやコアレスファイバに球面部分を形成するもの等がある。

例えば特許文献１には、等方性の屈折率を有するコアレスファイバの先端を球面加工すると共に、このコアレスファイバとシングルモード光ファイバとをマルチモード光ファイバにより接合して形成したレンズ付光ファイバが記載されており、このマルチモード光ファイバは伝播する光の蛇行周期の1/4ピッチ長、又はその奇数倍の長さに設定している。

この場合、マルチモード光ファイバにおける光の蛇行周期は、コア径、比屈折率差等の数値に基づき、その屈折率分布が完全な２乗分布となっていることを仮定した近似計算により求め、その1/4を、1/4ピッチ長としている。尚、1/4ピッチ長のマルチモード光ファイバを利用するレンズ付光ファイバについては、特許文献２等、その他の多数の文献においても開示されている。

更に特許文献１には、シングルモード光ファイバの先端を直接に球面加工して球面部分を形成したものが従来技術として記載されている。
特開平８−２９２３４１号公報 特開平１１−２１８６４１号公報

シングルモード光ファイバは、例えば代表的なものとして、波長が1.55μｍの場合においてスポットサイズが10.4μｍ程度と小さいため、先端を直接に球面加工して球面部分を形成する場合には、球面加工時の同芯性、形状精度等の条件が厳しく、また必然的に焦点距離が短く、作動距離が、例えば５μｍ程度と非常に短くなるため、光デバイスや他の光ファイバとの結合において、調芯作業等においてそれらを衝突させる危険性が高い。

一方、シングルモード光ファイバの先端側にマルチモード光ファイバを接合して球面部分を構成するものでは、屈折率の２乗分布が外側に無限に続くように仮定した近似計算に基づいて光の蛇行周期を計算して1/4ピッチ長を設定しているのに対して、実際のマルチモード光ファイバでは、屈折率の２乗分布は有限のコア半径までであり、その外側は均一の屈折率のクラッドであるため、実際のものとの近似誤差が生じ、最高の結合効率を得るのが困難である。

上述したとおり、シングルモード光ファイバの先端側にマルチモード光ファイバを接合して球面部分を構成する従来の技術では、マルチモード光ファイバの長さを、その中を蛇行して伝播するビームが最大に広がる、1/4ピッチ長、又はその奇数倍に設定することを最大の重要な点としているのに対して、本発明では、以下を重要な点として成されたものである。

即ち、発明者は、半導体レーザ等の光デバイスと光ファイバ又は光ファイバ同士を、レンズ付光ファイバを用いて結合する際の重要な点は、最初から1/4ピッチ長にあるのではなく、次の２点にあるとの知見を得た。
（１） レンズ付光ファイバで集光したビームの焦点位置（ビーム・ウエスト）におけるビームの強度分布がガウス分布に限りなく近いこと
（２） 結合する相互のビームのスポットサイズが一致していること

そして、発明者は、上述したこれらの２つの重要点を満たすレンズ付光ファイバを形成するためには、シングルモード光ファイバ又は偏波保持光ファイバに接合されたマルチモード光ファイバ中を伝播するビームのモードが基本モードのみで、高次モードの励振やコア・クラッド界面を伝播する漏洩モードを無くすことが必要であり、またスポットサイズを可変とするためには、焦点距離を容易に、且つ自由に変更できる形成方法が必要であるとの知見を得た。

本発明は、以上の知見に基づき、シングルモード光ファイバや偏波保持光ファイバの先端にマルチモード光ファイバを融着により接合し、その先端を球面加工して球面部分を形成することにより、以上の課題を解決すると共に、上記マルチモード光ファイバの先端の球面部分の曲率半径や、マルチモード光ファイバの長さを適切に設定することにより、収差を低減させて結合効率を高めることを目的としている。

即ち、本発明では上述した目的を達成するために、請求項１では、シングルモード光ファイバの先端にマルチモード光ファイバを融着により接合し、その先端を球面加工して球面部分を形成し、球面部分の曲率半径は、マルチモード光ファイバによって拡大されたシングルモード光ファイバのスポットサイズの最大値よりも大きく設定するレンズ付光ファイバにおいて、マルチモード光ファイバは、コア径とクラッド径が夫々50μｍと125μｍのマルチモード光ファイバを用い、球面部分の曲率半径は、マルチモード光ファイバに入射するビームのスポットサイズと、焦点位置における目標とするスポットサイズに対して、下記の対応関係に基づいて設定するレンズ付光ファイバを提案している。
記
Ｒ＝69.5ｆ／（222.7−ｆ）
ｆ＝πω ₀ ² ／√｛（ω ₀ ／ω ₀ ‘） ² −１｝
但し、ω ₀ ：マルチモード光ファイバに入射するビームのスポットサイズ、ω ₀ ‘：焦点位置における目標とするスポットサイズ、Ｒ：球面部分の曲率半径である。

また、請求項２では、シングルモード光ファイバの先端にマルチモード光ファイバを融着により接合し、その先端を球面加工して球面部分を形成し、球面部分の曲率半径は、マルチモード光ファイバによって拡大されたシングルモード光ファイバのスポットサイズの最大値よりも大きく設定するレンズ付光ファイバにおいて、マルチモード光ファイバは、コア径とクラッド径が夫々50μｍと125μｍのマルチモード光ファイバを用い、球面部分の曲率半径は、マルチモード光ファイバに入射するビームのスポットサイズと、焦点位置における目標とするスポットサイズに対して、下記の対応関係に基づいて設定すると共に、
記
Ｒ＝69.5ｆ／（222.7−ｆ）
ｆ＝πω ₀ ² ／√｛（ω ₀ ／ω ₀ ‘） ² −１｝
但し、ω ₀ ：マルチモード光ファイバに入射するビームのスポットサイズ、ω ₀ ‘：焦点位置における目標とするスポットサイズ、Ｒ：球面部分の曲率半径である。
マルチモード光ファイバの長さは、下記の対応関係に基づいて設定することを特徴とするレンズ付光ファイバを提案している。
記
Ｌgif＝334＋Ｒ
但し、Ｌgif：マルチモード光ファイバの長さ（μｍ）、Ｒ：曲率半径（μｍ）である。

また請求項３では、偏波保持光ファイバの先端にマルチモード光ファイバを融着により接合し、その先端を球面加工して球面部分を形成し、球面部分の曲率半径は、マルチモード光ファイバによって拡大された偏波保持光ファイバのスポットサイズの最大値よりも大きく設定するレンズ付光ファイバにおいて、マルチモード光ファイバは、コア径とクラッド径が夫々50μｍと125μｍのマルチモード光ファイバを用い、球面部分の曲率半径は、マルチモード光ファイバに入射するビームのスポットサイズと、焦点位置における目標とするスポットサイズに対して、下記の対応関係に基づいて設定するレンズ付光ファイバを提案している。
記
Ｒ＝69.5ｆ／（222.7−ｆ）
ｆ＝πω ₀ ² ／√｛（ω ₀ ／ω ₀ ’） ² −１｝
但し、ω ₀ ：マルチモード光ファイバに入射するビームのスポットサイズ、ω ₀ ’：焦点位置における目標とするスポットサイズ、Ｒ：球面部分の曲率半径である。

また請求項４では、偏波保持光ファイバの先端にマルチモード光ファイバを融着により接合し、その先端を球面加工して球面部分を形成し、球面部分の曲率半径は、マルチモード光ファイバによって拡大された偏波保持光ファイバのスポットサイズの最大値よりも大きく設定するレンズ付光ファイバにおいて、マルチモード光ファイバは、コア径とクラッド径が夫々50μｍと125μｍのマルチモード光ファイバを用い、球面部分の曲率半径は、マルチモード光ファイバに入射するビームのスポットサイズと、焦点位置における目標とするスポットサイズに対して、下記の対応関係に基づいて設定すると共に、
記
Ｒ＝69.5ｆ／（222.7−ｆ）
ｆ＝πω ₀ ² ／√｛（ω ₀ ／ω ₀ ’） ² −１｝
但し、ω ₀ ：マルチモード光ファイバに入射するビームのスポットサイズ、ω ₀ ’：焦点位置における目標とするスポットサイズ、Ｒ：球面部分の曲率半径である。
マルチモード光ファイバの長さは、下記の対応関係に基づいて設定することを特徴とするレンズ付光ファイバを提案している。
記
Ｌgif＝334＋Ｒ
但し、Ｌgif：マルチモード光ファイバの長さ（μｍ）、Ｒ：曲率半径（μｍ）である。

以上の本発明によれば、シングルモード光ファイバ又は偏波保持光ファイバの先端に接合したマルチモード光ファイバによるビームの蛇行特性を利用してビーム径の拡大を図ると共に、その先端を球面加工して球面部分を形成することにより、開口数（ＮＡ）を変化させることなく焦点距離を長くすることができ、以て作動距離を拡大して長くすることができる。

こうして本発明では、収差発生が少なく、高い結合効率のレンズ付光ファイバを提供することができる。

次に本発明の詳細を実施例と共に添付図面を参照して説明する。
図１は本発明のレンズ付光ファイバの構成を概念的に示す説明図であり、符号１はシングルモード光ファイバ又は偏波保持光ファイバであり、この光ファイバの先端にマルチモード光ファイバ２を融着により接合しており、その先端を球面加工して球面部分３を形成している。尚、符号１ａ、２ａはコア、１ｂ、２ｂはクラッドを示すものである。

上記レンズ付光ファイバのマルチモード光ファイバ２の長さＬgifと、先端の球面部分３の曲率半径Ｒを設定する手法と、上記効果を奏する根拠を以下に説明する。

まず上述したレンズ付光ファイバの作動距離を拡大するためには、マルチモード光ファイバ２中を伝播するビームのスポットサイズを拡大する必要がある。
そのため、シングルモード光ファイバ１（コア径：8.3μｍ、クラッド径：125μｍ…コーニング社製SMF-28）の先端にマルチモード光ファイバ（コア径：50μｍ、クラッド径：125μｍ）を融着により接合し、その先端を平面に切断した場合の、端面のスポットサイズとその長さの関係を測定した。測定の結果は図２に示すとおりである。尚、測定に用いた光の波長は、1．55μｍであり、図２には測定値と理論値を示している。

図２に示す測定結果によれば、ビームの蛇行周期の1/4ピッチ長は、測定値と理論値が略一致して280μｍであり、その時のスポットサイズは測定値：22/2=11μｍ、理論値：23/2=11.5μｍであった。従ってシングルモード光ファイバ１のスポットサイズ：5.2μｍが11μｍ（測定値）に拡大されていることが確認された。

次に、収差が無いレンズでガウス分布を有するビーム（以下ガウスビームと称する。）を集光した場合のスポットサイズと焦点距離の関係を考察する。
レンズに入射するガウスビームのスポットサイズ：ω₀を１枚のレンズで像変換した場合における、像変換後のスポットサイズ：ω₀’は、非特許文献１に示されているように、次式で計算することができる。

ω₀’／ω₀＝１／√｛［1-(s/f)］²+（Zr/f）²｝ （１）
Zr=πω₀ ²/λ
但し、s:像距離、f:レンズの焦点距離、λ:波長である。

S.A.Self、Appl."Focusing ofspherical Gaussian beams"、 Opt. 22、No.5、1983、p658

レンズの主平面にマルチモード光ファイバで拡大されたビームのスポットが来る配置を仮定すると、s=0となるから、上記（１）式は簡略化される。
簡略化された（１）式を用いて計算した例を示すと、例えば波長：λ＝1.55μｍ、入射スポットサイズ：ω₀＝5.2μｍのビームを、曲率半径を調整して焦点距離ｆ＝35μｍとしたレンズで像変換した場合の、焦点位置でのスポットサイズ：ω₀’＝2.8μｍとなる。

従って、このように（１）式により計算した、収差を含まない理想的なスポットサイズを、実測したスポットサイズと比較することで、測定に使用したレンズの収差量の大小を見積ることができることが分かる。また（１）式から、レンズの焦点距離を変更することで、スポットサイズを変え得ることが分かる。

図３は、コア径：50μｍ、クラッド径：125μｍ、長さＬgif:280μｍ（1/4ピッチ長）のマルチモード光ファイバ２につき、先端を球面加工して球面部分３を形成し、その曲率半径Ｒを変えることにより、焦点距離を変えた場合のビームのスポットサイズの変化を測定した結果を示すものである。尚、図３には測定値と理論値を示している。

図３によれば、ビームのスポットサイズは、焦点距離が90μｍ以下の範囲においては、ほぼ理論値と同じとなり、従って、上記マルチモード光ファイバ２につき、先端を球面加工して球面部分３を形成したものは、収差が少ないレンズであることが確認された。尚、このようなビームのスポットサイズと曲率半径との関係は、他の測定から、コア径が85μｍまでのマルチモード光ファイバにも当てはまることが確認されている。

以上のことから、本発明に適用するマルチモード光ファイバ２としては、現在、広く流通しているコア径：50μｍ、クラッド径：125μｍのマルチモード光ファイバや、コア径：65μｍ、クラッド径：125μｍのマルチモード光ファイバを利用するのが、入手性やコスト面から考えても、最適であることが分かる。

そこで、次に、コア径：50μｍ、クラッド径：125μｍのマルチモード光ファイバ２を用いたレンズの先端の曲率半径Ｒと焦点距離ｆの関係を測定した結果を図４に示す。この測定は、先端を球面加工して球面部分３を形成したマルチモード光ファイバ２の長さを一定とし、先端の球面部分３の曲率半径Ｒを変化させた場合の焦点距離ｆを測定して、その関係を調べたものである。図中、黒点は測定値であり、実線は回帰曲線である。

即ち、上記測定における測定値を回帰分析した結果、球面加工部分の曲率半径Ｒと焦点距離ｆとの間には図中実線で示すように、次の関係式で表される対応関係があることが分かった。
ｆ＝222.7×Ｒ／（69.5＋Ｒ） ……（２）

以上に説明した（１）、（２）式から、マルチモード光ファイバ２に入射するビームのスポットサイズ：ω₀において、焦点位置におけるビームのスポットサイズ：ω₀’を得るのに必要な球面部分３の曲率半径Ｒは、以下の関係式により求め得ることが分かる。
Ｒ＝69.5ｆ／（222.7−ｆ）
ｆ＝πω₀ ²／√｛（ω₀／ω₀’）²−１｝ ……（３）
但し、ω₀：マルチモード光ファイバ２に入射するビームのスポットサイズ、ω₀’：焦点位置における目標とするスポットサイズ、λ：波長、Ｒ：球面部分３の曲率半径である。

次に、以上の如くして、マルチモード光ファイバ２の先端を曲面加工して球面部分３を形成した場合において、ビームのスポットサイズが最小になる条件、即ち収差量が最小になるマルチモード光ファイバ２の長さＬgifを求める手法を説明する。

図１に示すとおり、マルチモード光ファイバ２の長さＬgifは、シングルモード光ファイバ１との融着面から球面部分の最突出部分までの長さとし、球面部分３の曲率半径Ｒを一定とし、即ち曲率半径Ｒをパラメータとして、長さＬgifを変化させた場合のビームのスポットサイズの変化を測定した。

図５は、この測定結果を示すものである。夫々の曲率半径Ｒにおいて、スポットサイズが最小となるマルチモード光ファイバ２の長さＬgifが最も収差が小さな長さであるから、それが最小になる長さＬgifを夫々の曲率半径Ｒにおいて求めると、図５中の実線で示すように、最も小さなスポットサイズが得られるマルチモード光ファイバレンズ２の長さＬgifは、レンズの曲率半径Ｒに依存しており、その関係は次の関係式で表せることが分かった。
Ｌgif＝334＋Ｒ（μｍ） ……（４）

従って、この（４）式を用いることにより、球面部分３の、ある曲率半径Ｒに対して、最も収差の少ないマルチモード光ファイバ２の長さを求め得ることが分かる。

次にマルチモード光ファイバ２の先端の球面部分３の曲率半径Ｒと、ビームのスポットサイズωとの関係について考察する。
まず、マルチモード光ファイバ２の先端を球面加工して球面部分３を形成する場合、球面部分３による像変換が、正常なガウス−ガウスの像変換となるためには、まず、球面部分の曲率半径Ｒは、マルチモード光ファイバ２内を伝播するビームが蛇行により最も広がる蛇行周期の1/4ピッチ長におけるスポットサイズよりも大きくなければならないことは、当然のこととして、直感的に分かることである。

そこで、球面部分３を形成するマルチモード光ファイバ２として、コア径：50μｍ、クラッド径：125μｍのものを用い、その中を伝播するビームの1/4ピッチ長におけるスポットサイズの上記測定値であるω＝11μｍに対し、球面部分３の曲率半径Ｒを変えた場合における、焦点位置におけるビームの強度分布を測定した。その結果は図６に示すとおりである。

図６に示されるように、上記スポットサイズ：ω＝11μｍよりも小さい曲率半径Ｒ＝10μｍの場合（ω／Ｒ＝1.1）には、焦点位置におけるビームの強度分布に回折パターンが生じており、このような場合には、正常なガウス分布とはならないことが分かる。一方、上記スポットサイズ：ω＝11μｍよりも大きい曲率半径Ｒ＝15μｍ（ω／Ｒ＝0.73）やＲ＝20μｍ（ω／Ｒ＝0.55）の場合には、回折パターンが生じておらず、これらの場合では正常なガウス分布となることが分かる。

従って、コア径：50μｍ、クラッド径：125μｍのマルチモード光ファイバ２を用いた場合、上記重要な点（１）、即ち、レンズ付光ファイバで集光したビームの焦点位置（ビーム・ウエスト）におけるビームの強度分布がガウス分布に限りなく近いことという点を満たすためには、球面部分の曲率半径は、11μｍよりも大きく設定することが必要であることが分かった。

しかしながら上述したとおり、マルチモード光ファイバ２に入射するビームのスポットサイズ：ω₀において、焦点位置におけるビームのスポットサイズ：ω₀’を得るのに必要な球面部分３の曲率半径Ｒは、上述した（３）式から求められるので、球面部分３の曲率半径Ｒは、これらの論理積により決定すれば良い。

本発明は以上のとおりであるので、シングルモード光ファイバや偏波保持光ファイバ等の光ファイバと半導体レーザ等の光デバイスとの結合、又はこれらの光ファイバ相互の結合において、高い結合効率を得ることができると共に、作動距離を長くすることにより、調芯作業等における損傷等を防止できるというような格別なる利点がある。

本発明のレンズ付光ファイバの構成を概念的に示す説明図である。 シングルモード光ファイバの先端にマルチモード光ファイバを接合し、その先端を平面に切断した場合の、ビームの端面のスポットサイズと、マルチモード光ファイバの長さの関係を測定した測定結果を示す説明図である。 球面部分の曲率半径を変えることにより、焦点距離を変えた場合のビームのスポットサイズの変化を測定した結果を示す説明図である。 マルチモード光ファイバを用いたレンズの先端の曲率半径と焦点距離の関係を測定した結果を示す説明図である。 球面部分の曲率半径Ｒをパラメータとして、マルチモード光ファイバの長さを変化させた場合のビームのスポットサイズの変化を測定した結果を示す説明図である。 球面部分の曲率半径を変えた場合における、焦点位置におけるビームの強度分布を測定した結果を示す説明図である。

符号の説明

１ シングルモード光ファイバ
１ａ コア
１ｂ クラッド
２ マルチモード光ファイバ
２ａ コア
２ｂ クラッド
３ 球面部分

Claims (4)

1. シングルモード光ファイバの先端にマルチモード光ファイバを融着により接合し、その先端を球面加工して球面部分を形成し、球面部分の曲率半径は、マルチモード光ファイバによって拡大されたシングルモード光ファイバのスポットサイズの最大値よりも大きく設定するレンズ付光ファイバにおいて、マルチモード光ファイバは、コア径とクラッド径が夫々50μｍと125μｍのマルチモード光ファイバを用い、球面部分の曲率半径は、マルチモード光ファイバに入射するビームのスポットサイズと、焦点位置における目標とするスポットサイズに対して、下記の対応関係に基づいて設定することを特徴とするレンズ付光ファイバ。
   記
   Ｒ＝69.5ｆ／（222.7−ｆ）
   ｆ＝πω ₀ ² ／√｛（ω ₀ ／ω ₀ ’） ² −１｝
   但し、ω ₀ ：マルチモード光ファイバに入射するビームのスポットサイズ、ω ₀ ’：焦点位置における目標とするスポットサイズ、Ｒ：球面部分の曲率半径である。
2. シングルモード光ファイバの先端にマルチモード光ファイバを融着により接合し、その先端を球面加工して球面部分を形成し、球面部分の曲率半径は、マルチモード光ファイバによって拡大されたシングルモード光ファイバのスポットサイズの最大値よりも大きく設定するレンズ付光ファイバにおいて、マルチモード光ファイバは、コア径とクラッド径が夫々50μｍと125μｍのマルチモード光ファイバを用い、球面部分の曲率半径は、マルチモード光ファイバに入射するビームのスポットサイズと、焦点位置における目標とするスポットサイズに対して、下記の対応関係に基づいて設定すると共に、
   記
   Ｒ＝69.5ｆ／（222.7−ｆ）
   ｆ＝πω ₀ ² ／√｛（ω ₀ ／ω ₀ ’） ² −１｝
   但し、ω ₀ ：マルチモード光ファイバに入射するビームのスポットサイズ、ω ₀ ’：焦点位置における目標とするスポットサイズ、Ｒ：球面部分の曲率半径である。
   マルチモード光ファイバの長さは、下記の対応関係に基づいて設定することを特徴とするレンズ付光ファイバ。
   記
   Ｌgif＝334＋Ｒ
   但し、Ｌgif：マルチモード光ファイバの長さ（μｍ）、Ｒ：曲率半径（μｍ）である。
3. 偏波保持光ファイバの先端にマルチモード光ファイバを融着により接合し、その先端を球面加工して球面部分を形成し、球面部分の曲率半径は、マルチモード光ファイバによって拡大された偏波保持光ファイバのスポットサイズの最大値よりも大きく設定するレンズ付光ファイバにおいて、マルチモード光ファイバは、コア径とクラッド径が夫々50μｍと125μｍのマルチモード光ファイバを用い、球面部分の曲率半径は、マルチモード光ファイバに入射するビームのスポットサイズと、焦点位置における目標とするスポットサイズに対して、下記の対応関係に基づいて設定することを特徴とするレンズ付光ファイバ。
   記
   Ｒ＝69.5ｆ／（222.7−ｆ）
   ｆ＝πω ₀ ² ／√｛（ω ₀ ／ω ₀ ’） ² −１｝
   但し、ω ₀ ：マルチモード光ファイバに入射するビームのスポットサイズ、ω ₀ ’：焦点位置における目標とするスポットサイズ、Ｒ：球面部分の曲率半径である。
4. 偏波保持光ファイバの先端にマルチモード光ファイバを融着により接合し、その先端を球面加工して球面部分を形成し、球面部分の曲率半径は、マルチモード光ファイバによって拡大された偏波保持光ファイバのスポットサイズの最大値よりも大きく設定するレンズ付光ファイバにおいて、マルチモード光ファイバは、コア径とクラッド径が夫々50μｍと125μｍのマルチモード光ファイバを用い、球面部分の曲率半径は、マルチモード光ファイバに入射するビームのスポットサイズと、焦点位置における目標とするスポットサイズに対して、下記の対応関係に基づいて設定すると共に、
   記
   Ｒ＝69.5ｆ／（222.7−ｆ）
   ｆ＝πω ₀ ² ／√｛（ω ₀ ／ω ₀ ’） ² −１｝
   但し、ω ₀ ：マルチモード光ファイバに入射するビームのスポットサイズ、ω ₀ ’：焦点位置における目標とするスポットサイズ、Ｒ：球面部分の曲率半径である。
   マルチモード光ファイバの長さは、下記の対応関係に基づいて設定することを特徴とするレンズ付光ファイバ。
   記
   Ｌgif＝334＋Ｒ
   但し、Ｌgif：マルチモード光ファイバの長さ（μｍ）、Ｒ：曲率半径（μｍ）である。

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