JP3793718B2 - 良好なマルチモ−ドファイバ励振と反射制御をもたらす回折光学素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に、光学に関し、より詳細には、良好なマルチモードファイバ励振と良好な反射制御をもたらす回折光学素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
垂直キャビティ面発光レーザ（VCSEL）は、その面からビームを垂直に射出する。VCSELから射出された光は、通常、伝達レンズによって光ファイバに結像されてデータの伝送のために使用される。ギガビットのイーサネット（登録商標）のような伝送技術は、VCSELとマルチモード光ファイバケーブルを使用する。
【０００３】
マルチモード光ファイバシステムを介する常に増大しているデータ転送速度は、所定のビット誤り率を満足するために送信機モジュール対して非常に精密な接続光学系を必要とする。
【０００４】
伝達レンズを設計する上で２つの重要な考慮すべき事項がある。それらは、１）反射制御と、２）良好な励振状態の形成である。最初の設計考慮事項である反射制御は、光ファイバの表面から後方反射されて（今後「後方反射」あるいはフィードバックとする）、光源（例えばレーザ）に導かれる光量を最小にすることを追求することである。反射が適切に制御されない場合には、後方反射は、レーザ光源に安定性の問題を引き起こすことがある。特に、これらの後方反射が制御又は減少されないときには、レーザは、不安定状態となり、雑音の多い出力信号を発生させることになる。例えば、過剰のパワーが光ファイバの端部からの反射としてレーザ内に接続されて戻される場合には、レーザが不安定状態となり、出力パワーが上下に振動し、それによって、受信信号パルスに特別で大きなダメージを与える量のジッターが生じる。換言すれば、レーザにおけるこの不安定状態は、誤差の多いデータ信号をもたらす。
【０００５】
さらに、接続レンズによって誘導されるレーザ内の雑音の増加は、データリンクの光学的バジェット（optical budget）において、2.5 dBの大きさのパワー損失をもたらす。この後方反射によるパワー損失の増大は、2.5 Gbit/secのデータ転送速度に対して約８dBの大きさである総リンクパワーバジェットの大きな部分を示していることが明らかである。後方反射又はフィードバックの悪影響は、より速いデータ転送速度のシステムに対してより顕著に現れ、重大な事項となる。例えば、10 Gbit/secのリンクに対するパワーバジェットでは、2.5 Gbit/secのリンクに対するよりもさらに負担がかかる。
【０００６】
第２に、伝達レンズ設計が、システムの帯域幅と距離の積を最大にするようにファイバ界面において良好な励振状態を与えることが重要である。例えば、標準の50 μmの屈折率分布型ファイバに関して、2.5 Gbit/secのリンクは、500 MHz*kmの帯域幅と距離の積を必要とする。同様に、10 Gbit/secのリンクに関して、ファイバは、帯域幅と距離の積2.2 GHz*kmによりサポートする必要がある。
【０００７】
良好な励振状態は、システムの帯域幅を増大させ、側方へのずれ（すなわちレーザとファイバ間の不整合、調整不良）に強い。励振状態を改善する１つの試みは、ファイバの真の中心に沿う光の励振を避けることである。ファイバの中心を避ける理由は、多くのファイバが、製造による制約のために、ファイバの中心に沿って欠陥を有しているためである。さらに、側方へのずれの許容誤差が、レーザとファイバ間の不整合を相殺できることが望ましい。また、システムにおける不整合（例えば光ファイバと伝達レンズ間の不整合あるいは伝達レンズとレーザ間の不整合）は、レーザからの光を光ファイバに入射させることをできなくすることがある。
【０００８】
不幸にも、従来技術の伝達レンズ設計は、後方反射に対処する点で、又は良好な励振状態を提供する点で欠点を有する。これらの欠点および不利益は、主としてレンズ製造における制約と困難さに起因している。
【０００９】
モード整合屈折率分布型ファイバ用回折型渦レンズ（ vortex lens ）
光を屈折率分布型ファイバに向けて励振させるための結合光学系として回折素子を使うことが試みられてきた。１つの研究が、E. G. Johnson, J. Stack, C. Koehler および T. Suleski によって Diffractive Optics and Micro-Optics, Optical Society of America(OSA)Technical Digest, pp.205-207, Washington, DC, 2000に次のような名称“Diffractive Vortex Lens for Mode-Matching Graded Index Fiber”で報告されている。この刊行物は、励振される光の位相を屈折率分布型ファイバの特定モードに整合させるために回折素子を使用するという試みを開示している。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
これらの従来技術の試みは、理想的な点光源（すなわち単純な分布を備えるとともに完全にコヒーレントな光）に対する許容可能な結果をもたらすが、これらの試みは、より複雑な光分布を持つ光源（例えばマルチモードレーザ）を使用する用途には適合させることができない。これらの特定の現実の用途において、従来周知の伝達レンズは、軸上の大量のエネルギーに起因する後方散乱の不十分な制御又は好ましくない励振状態によって、あるいはこれらの両方によって、より不安定なフィードバックという問題を有する。
【００１１】
以上に基づき、後方反射を減少させるとともに良好な励振状態をもたらし、しかも上述したような不利益を克服できる伝達レンズが依然として求められている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の一実施態様によれば、光源（例えばレーザ）によって射出された光を光伝送媒体（例えば光ファイバ）に伝達する伝達レンズが提供される。この伝達レンズは、光源から発生した光を受容するとともに平行化、コリメートする回折面を含む。この回折面は、角度に関して対称である第１の位相関数（phase function）と、動径方向に対称である第２の位相関数を有する面関数（surface function）によって画定されている。第２の位相関数は、不連続な傾斜を有するカスプ（cusp）、尖点、先端領域を含む。伝達レンズは、反射制御をもたらし、それによって、光ファイバの端部で反射された光が、光源によって光が射出された位置には結像されない。その上、また伝達レンズは、良好な励振状態をもたらし、それによって、光ファイバ内に励振される光が、光ファイバの軸上及びコア−クラッド界面における屈折率異常、屈折率の異なる領域を回避する。
【００１３】
この発明による伝達レンズ設計の他の利点は、伝達レンズの回折面が、反射制御と良好な励振をもたらすことにあり、これらはマルチモード光ファイバシステムにとって特別都合がよい。
【００１４】
本発明の一実施態様によれば、レーザ、光ファイバ、伝達レンズを含む光伝送システムが提供される。伝達レンズは、レーザから射出された光を光ファイバに伝達する。伝達レンズは、レーザから発生した光を受容して平行化する回折面を備えている。回折面は、角度に関して対称である第１の位相関数と、動径方向に対称である第２の位相関数を有する面関数によって画定されている。第２の位相関数は、不連続な傾斜を有するカスプ領域を含む。伝達レンズは、反射制御をもたらし、それによって、光ファイバの端面で反射された光がレーザによって光が射出される位置には結像されず、また、良好な励振状態をもたらし、それによって、光ファイバ内に励振される光が光ファイバの軸に沿う屈折率異常を回避する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下において、本発明が実施例によって説明されるが、添付の図面によって限定されるものではない。なお、異なる図面の同様の部材には同じ参照番号が付される。
マルチモードファイバ励振とフィードバック制御に関して最適化された回折光学素子が説明される。以下の記述において、説明のために、多くの特定の詳細が、本発明の一貫した理解のために述べられる。しかしながら、当業者には、本発明がこれらの特定の詳細を用いなくても実施できることが明らかであろう。別の実施例において、従来周知の構造および装置が、本発明を不必要に不明瞭なものにすることを避けるためにブロック図の形で示されている。
【００１６】
光伝送システム 100
図１は、例示的な光伝送システム100の単純化されたブロック図を示し、伝達レンズ140が、本発明の好適実施例にしたがって使用可能である。システム100は、光を射出するための光源110（例えばレーザ）、光導波媒体、光伝送媒体120（例えば光ファイバケーブル）、光源110によって射出された光を光伝送媒体120に伝達する伝達レンズ140を含む。
【００１７】
光源110は、垂直キャビティ面発光レーザ（VCSEL）のような、構造と動作が当業者に周知である半導体レーザとすることができる。光伝送媒体120は、例えば、周知の形式の光ファイバケーブルである50μmのマルチモードファイバ又は62.5μmのマルチモードファイバとすることができる。さらに、本発明の伝達レンズ140は、良好な励振状態と反射制御（本発明ではフィードバック制御とも称する）をもたらす。
【００１８】
好適実施例において、伝達レンズ140は、光源で生じた光を受容して平行化するための、及びフィードバック制御と良好な励振状態をももたらすための回折面150を含む。伝達レンズ140は、光を拡大し、この光を光伝送媒体120上に結像するための光学表面160（例えば屈折面あるいは回折面）を含む。本発明の伝達レンズ140を、図２〜図６を参照して以下により詳細に記述する。
【００１９】
好適実施例の伝達レンズの一態様では、パッケージの内部に回折面150が配置され、それによって回折面150はごみや損傷の影響を受けにくくなる。
【００２０】
回折面 150
図１に示されている伝達レンズ140の回折面150は、面関数によって画定されている。本発明の好適実施例にしたがい、回折面150に関する面関数は、１）位相が開口の極座標の角度成分にのみ依存している第１の位相関数（以後「角度に関して対称性」を有する第１の位相関数と称する）と、２）位相が開口の極座標の動径方向成分にのみ依存し、カスプ領域を有する第２の位相関数（以後「動径方向の対称性」を有する第２の位相関数と称する）を含む。好ましくは、第２の位相関数は、開口の中心から引いた仮想の線に関して対称であり、したがって、カスプ領域は、そこに含まれる不連続の傾斜である。
【００２１】
さらに、角度に関して対称性を有する第１の位相関数と動径方向の対称性を有する第２の位相関数を説明する。図２Ａは、角度に関して対称性を有する第１の位相関数を図解する（例えばｍ_S＝＋３である螺旋位相関数）。ｍ_Sは、開口の中心の周囲の円を横切るとき、いかに迅速に位相が変化するかを示す実数（−ＩＮＦ〜＋ＩＮＦ）である。
【００２２】
図２Ｂは、動径方向の対称性を有する第２の位相関数を図解する（例えばｍ_C＝−２である円錐位相関数）。ｍ_Cは、開口の中心からの動径方向の線を横切るとき、いかに迅速に位相が変化するかを示す実数（−ＩＮＦ〜＋ＩＮＦ）である。円錐の傾斜は、開口の中心における０からエッジにおける２×π×ｍへの位相値（phase value）の変化を支配する。動径方向の対称性とカスプ領域を有する第２の位相関数の他の実施例が、図４を参照して説明される。
【００２３】
図２Ｃは、本発明の好適実施例にしたがう図２Ａの第１の位相関数及び図２Ｂの第２の位相関数を組み合わせた位相関数を図解している。この実施例において、特定の値“ｍ”が以下のように選択される。角度に関して対称性を有する位相関数に対して、ｍ＝＋３であり、動径方向の対称性を有する位相関数に対して、ｍ＝−２である。値“ｍ”は、結合係数、不整合許容差、フィードバック量を平衡化することによって決定することができる。これらの値“ｍ”は、特定の光学的な用途の要求に適合するように調節できることに注意されたい。
【００２４】
面150に対する面関数は、他の位相項（例えば第３の位相関数、第４の位相関数など）を含み、特定用途の要求に適合可能であることに注意されたい。これらの追加の位相関数又は位相項は、例えば、レンズ機能、収差制御機能、プリズム機能、格子機能を含むことができる。これらの項は、当業者には周知であるので、ここでは詳述はしない。
【００２５】
代替的な実施例において、面150を、射出された光を受容し、平行化するコリメート面とすることができ、したがって、本発明の回折態様を面160に組み込むことが可能である。この実施例において、面160が回折面であり、伝達レンズに対してフィードバック制御と良好な励振状態をもたらす。
【００２６】
図３は、階段構造を有する伝達レンズの好適な回折面の斜視図である。この回折面の階段状の造作あるいはステップ状の造作は、標準的な半導体工程による製造に特に適していることに注目されたい。例えば、マスクと腐食工程を含む周知のリソグラフィーが、本発明の伝達レンズの回折面を製造、実現するために利用可能である。代替的には、回折面は、連続した、すなわち滑らかな面転移（surface transition）を備えることができる。回折面は、連続し、滑らかに変化する面を有する。この連続し、滑らかな面転移は、本発明の伝達レンズによる性能を高めるものである。しかしながら、この代替的な実施例は、連続的な斜面を実現するために回折面を回転したり、ミリング、フライス加工したりすることを含む一層複雑な工程を必要とする。
【００２７】
図４は、本発明の実施例にしたがう伝達レンズの回折面の面関数に組み込むことができる動径方向の対称性とカスプ領域を有する例示的な位相関数の断面図を示す。第１の位相関数410は、概して凹形状を特徴とする断面を有する。第２の位相関数420は、概して三角形の断面を特徴とする。第１の位相関数430は、概して凸形状を特徴とする断面を有する。これらの位相関数のそれぞれは、反転可能であり、したがって、反転された位相関数は、同様の結果を得るように利用可能である。例えば、第４の位相関数440は、第１の位相関数410を反転したものである。
【００２８】
好適実施例
本発明の回折素子の設計は、上述した少なくとも２つの位相関数（すなわち動径方向の対称性を有する第２の位相関数と組み合わされた角度に対して対称性を有する第１の位相関数）を含むことが好ましい。
【００２９】
極座標ρ、θで表されるレンズ開口内のすべての点の位相をφで表し、ρは点の開口の中心からの距離、θは点のｘ軸からの角度を表す。
【００３０】
好適実施例において、本発明の回折素子の面関数は、動径方向の対称性を有する第２の位相関数（例えば円錐位相関数）と組み合わされた角度に対して対称性を有する第１の位相関数（例えば螺旋位相関数）を少なくとも含む。例えば、面関数は、次のように
φ＝ｍ_S×θ＋２πｍ_C×ρ
と表現される。
螺旋位相関数は、次のように
φ＝ｍ_S×θ
と表現される。ここで“ｍ_S”は、開口の中心の周囲の円を横切るとき、いかに迅速に位相が変化するかを示す実数、−ＩＮＦ〜＋ＩＮＦである。
円錐位相関数は、次のように
φ＝２πｍ_C×ρ
と表現される。ここで“ｍ_C”は、開口の中心からの動径方向の線を横切るとき、いかに迅速に位相が変化するかを示す実数、−ＩＮＦ〜＋ＩＮＦである。ρは正規化された動径方向の成分であり、したがって、ρは開口の縁では１に等しく、開口の中心では０に等しい。
【００３１】
上述したように、他の位相関数又は位相項が、回折素子の光学特性をさらに記述するように上述の面関数に付け加えられる。
【００３２】
図５〜図８は、マルチモードレーザ光源（例えばマルチモードVCSEL光源）に関して、本発明の伝達レンズ設計および従来技術の伝達レンズ設計に対する光ファイバおよびフィードバック面におけるシミュレートされた光分布を示す。
【００３３】
図５は、本発明の伝達レンズのスポットダイアグラムであり、良好な励振状態を例示している。本発明の伝達レンズが、非常に効率的な結合、カップリングをもたらし、かつファイバの中心を避けていることに注目されたい。光はファイバの中心を避けて伝送されている。特に、回折面150は、良好な励振状態をもたらし、それによって、光ファイバ内に励振される光は、光ファイバの軸上、かつコア−クラッド界面における屈折率異常を回避する。図６は、本発明の伝達レンズのスポットダイアグラムであり、反射制御を例示している。本発明の伝達レンズが、光源から離れて反射を導くことにより、非常に良いフィードバック制御をもたらすことに注目されたい。
【００３４】
図７は、従来技術の伝達レンズに対するスポットダイアグラムであり、この図は、励振された高いエネルギがファイバの軸、又は中心に沿って現れることを示す。図５とは対照的に、この従来技術の伝達レンズは、光ファイバケーブルの中心内に励振されたより大きなエネルギが存在するために、不十分な励振状態をもたらす。前述したように、ファイバ内の製造時の欠陥がシステムの帯域幅に悪影響を及ぼし又は帯域幅を減少させるので、中心内にエネルギーを励振するのは不利である。
【００３５】
図８は、従来技術の伝達レンズのスポットダイアグラムであり、不十分な反射制御を例示する。図６とは対照的に、従来技術の伝達レンズは、より多くの光が光源内に後方反射されるので、不十分な反射制御をもたらす。そのために、光源は、不十分に制御されたフィードバックのために、安定性に問題が生じることがある。
【００３６】
上述の詳細な説明において、本発明は、その特定の実施例に関して記述された。しかしながら、種々の修正および変更が、本発明のより広い技術的な範囲から逸脱することなく、実施され得ることは明らかであろう。したがって、詳細な説明及び図面は、限定を加えるという観点ではなく、説明という観点に立って解釈されるべきものである。
【００３７】
例えば、本発明の回折素子は、マルチモードレーザからファイバ媒体内に光を励振させるといった文脈で記述された。しかしながら、本発明の回折素子は、多くの異なる分野において様々な異なる用途に対して適応可能である。本発明の回折素子は、複雑な光分布を有する光源を他の光伝送媒体に結合する必要が生じた場合に、いつでも適用できるという利点を備えている。例えば、本発明の回折素子は、２つのマルチモードファイバ間に光を伝送するのに使用することができる。
【００３８】
【発明の効果】
本願発明は、レーザ（110）、光ファイバ（120）、伝達レンズ（140）を含む光伝送システム（100）に関する。伝達レンズはレーザによって発せられた光を光ファイバに伝達する。伝達レンズは、回折面（160）を含み、レーザから射出された光を受容し平行化する。回折面は、角度に対して対称性を有する第１の位相関数及び動径方向の対称性を有する第２の位相関数を含む面関数によって画定される。第２の位相関数は、不連続な斜面を有するカスプ領域を含む。伝達レンズは、反射制御をもたらし、それによって光ファイバの端部で反射された光がレーザによって光が発せられる位置に結像せず、また良好な励振状態をもたらし、それによって光ファイバ内に励振される光が光ファイバの軸に沿う屈折率異常を回避する。
【図面の簡単な説明】
【図１】例示的な光伝送システムの単純化されたブロック図であり、このシステムでは、伝達レンズが本発明の好適実施例にしたがって使用可能である。
【図２】図２Ａは角度に関して対称である例示的な第１の位相関数を示す。図２Ｂは動径方向に対称である例示的な第２の位相関数を示す。図２Ｃは、本発明の好適実施例による図２Ａに示す第１の位相関数と、図２Ｂに示す第２の位相関数を組み合わせた位相関数を示す。
【図３】階段構造の伝達レンズの好適な回折面の斜視図である。
【図４】本発明の実施例による伝達レンズの回折面に組み込むことができる動径方向の対称性とカスプ部分を有する例示的な位相関数の断面図である。
【図５】良好な励振状態を説明するための、本発明の伝達レンズのスポットダイアグラムである。
【図６】反射制御を説明するための、本発明の伝達レンズのスポットダイアグラムである。
【図７】不十分な励振状態を説明するための、従来技術における伝達レンズのスポットダイアグラムである。
【図８】不十分な反射制御を説明するための、従来技術における伝達レンズのスポットダイアグラムである。
【符号の説明】
１１０ 光源
１２０ 光伝送媒体
１４０ 回折型伝達レンズ
１５０ 回折面
１６０ 光学表面

Claims (9)

1. 光源を光伝送媒体に結合する回折型伝達レンズ（140）であって、
   角度に対して対称性を有する第１の位相関数と、動径方向の対称性及びカスプ領域を有する第２の位相関数とを含む面関数によって画定されている回折面（160）を有し、
   前記カスプ領域が不連続な傾斜を有する伝達レンズ。
2. 前記第１の位相関数が螺旋位相関数であり、前記第２の位相関数が円錐位相関数である請求項１に記載の伝達レンズ。
3. 前記螺旋位相関数が、
   φ＝ｍ_Ｓ×θ
   と表現され、ｍ_Ｓが、開口の中心の周囲の円を横断する際に、いかに早く位相が変化するかを示す実数であり、
   前記円錐位相関数が、
   φ＝２πｍ_Ｃ×ρ
   と表現され、ｍ_Ｃが、開口の中心からの動径方向の線を横断する際に、いかに早く位相が変化するかを示す実数である請求項２に記載の伝達レンズ。
4. ｍ_Ｓが３に等しく、ｍ_Ｃが−２に等しい請求項３に記載の伝達レンズ。
5. 前記伝達レンズが反射制御をもたらし、それによって、光がレーザによって射出される位置に光ファイバの端部で反射された光が導かれない請求項１に記載の伝達レンズ。
6. 前記伝達レンズが、良好な励振状態をもたらし、それによって、光ファイバ内に励振される光が、該光ファイバの軸に沿う屈折率異常を回避する請求項１に記載の伝達レンズ。
7. さらに、光を光ファイバ上に結像する光学表面を有し、
   前記回折面が、前記光源で生じた光を受容するとともに平行化する請求項１に記載の伝達レンズ。
8. さらに、前記光源を収容するパッケージを備え、
   前記回折面が、ハウジング内に配置されている請求項１に記載の伝達レンズ。
9. 光ファイバに結合する光学モジュールであって、
   光を射出するレーザ（110）と、
   前記レーザによって射出された光を光ファイバに伝達する伝達レンズ（140）を有するものにおいて、
   前記伝達レンズが、面関数によって画定されている回折面（160）を含み、
   前記面関数が、動径方向の対称性及び不連続な傾斜を備えるカスプ領域とを有する第２の位相関数と、この第２の位相関数と組み合わされ、角度に対して対称性を有する第１の位相関数を含み、良好な励振状態と反射制御をもたらす光学モジュール。

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