JP4416129B2 - 先端に高屈折率層を形成したレンズ付き光ファイバおよびそのレンズ付き光ファイバを用いた光結合モジュール - Google Patents

Description

本発明は、例えば光通信や光記録あるいはセンサ分野において使用されるレンズ付きファイバに関し、詳しくは、半導体レーザ等の発光素子等と光ファイバとを高効率で結合するために、先端に高屈折率層を形成したレンズ付き光ファイバおよびレンズ付き光ファイバを用いた光結合モジュールに関するものである。

半導体レーザなどの発光素子は、その発光面のサイズが光ファイバを伝播する光強度分布の径に比べて小さく、光通信においては両者を高効率で結合させる技術が必要であった。そこで、両者の結合効率を高めるために、特許文献１に記載の「光ファイバ端の先球化方法及び装置」のように、光ファイバの端部を球状に加工してレンズを形成し、その前方焦点位置に発光素子を配置するようにしていた。また、発光面形状が楕円の半導体レーザに対しては、先端を楔形または半円柱形にしたレンズ付き光ファイバが利用されていた。
特開平８−４３６４７号公報

しかしながら、上述したレンズ付き光ファイバを含めて従来のレンズ付き光ファイバは、発光面の光強度分布が発振波長程度に小さい半導体レーザに対しては十分な結合効率を得ることが出来なかった。また、電子回路の高速信号伝達部分を光回路で置き換える超集積・超高速の演算回路ではシリコン細線導波路が期待されている。この導波路が搭載された電子・光回路基板を光ファイバで結ぶ光インターコネクション技術もその発展が期待されている。しかし、シリコン細線導波路のスポットサイズ即ちスポット半径は、波長が１．５μmの場合、通常は０．１５μｍ程度である。これに対して、光ファイバ、特に単一モード光ファイバのスポットサイズは通常５μｍ以上であるため、両者を直接結合すると、２０ｄＢ以上の損失が発生する。そのため、微小なスポットサイズを持つ光素子に対しても高効率で結合できる新しいレンズ付き光ファイバの実現が望まれていた。

半導体レーザは一般に活性層に平行な方向の界分布が広く、活性層に垂直な方向の界分布が狭い傾向があり、発光面が扁平になっている場合が多い。特に、高出力半導体レーザにはこの傾向が強いため、レンズ付きファイバの中には先端レンズ形状を楔形あるいは半円柱型にして前記活性層に垂直な方向に対してのみレンズ作用を持たせたものがあった（特開２０００−３０４９６５号）。この場合、活性層に垂直な方向のスポットサイズが発振波長程度に小さい半導体レーザに対しては従来の楔形あるいは半円柱型を有するレンズ付き光ファイバでは高効率結合が難しいという問題があった。

本発明は、上記の課題解決するためになされたものであり、その目的は光ファイバを伝搬する光強度分布を、その伝搬する光の波長程度のスポットサイズまで縮小できること、即ち言い換えれば光の波長程度の微小なスポットサイズをもつ光源から光ファイバに高効率で結合できるファレンズ付き光ファイバおよびそのレンズ付き光ファイバを用いた光結合モジュールを提供することにある。また、発光面が扁平な場合でも高効率結合を可能にすることである。

上記課題を解決するために、本発明のレンズ付きファイバは、コアの周りをクラッドで覆って形成される光ファイバの端面が該光ファイバ軸に対して凸あるいは凹状に形成され、該凸あるいは凹状の面上に前記光ファイバのコアおよびクラッドの屈折率より高い屈折率を有する層を形成し、該光ファイバ側から見て高屈折率層の前方に配置された光源から放射した光波を該光ファイバに効率良く結合、あるいは該光ファイバを伝搬してきた光波を高屈折率層の前方に集光させる効果をもたせたことを特徴とする。

また、本発明のレンズ付きファイバは、コアの周りをクラッドで覆って形成される第一の光ファイバの端面にコアの屈折率が二乗分布形状を有し、伝搬する光線の界分布変化周期の概１/４周期ないしはその奇数倍の長を有する第二の光ファイバが接続され、該第二の光ファイバの端面が該第二の光ファイバ軸に対して凸あるいは凹状に形成され、該凸あるいは凹状の面上に該第二の光ファイバのコアの屈折率より高い屈折率を有する層を形成し、該第二の光ファイバから見て高屈折率層の前方に配置された光源より放射した光波を前記第一の光ファイバに効率良く結合、あるいは前記第一の光ファイバを伝搬してきた光波を高屈折率層がその先端に付与された前記第二の光ファイバの前方に集光させる効果をもたせたことを特徴とする。

ここで、前記レンズ付き光ファイバは、凸あるいは凹状の面が球面、あるいは光ファイバ軸を中心とした回転対称な略球面であることも可能である。

また、前記レンズ付き光ファイバは、凸あるいは凹状の曲面が円筒面、あるいは光ファイバ軸を含む平面に対して対称な略円筒面をしていることも可能である。

さらに、前記レンズ付き光ファイバは、凸あるいは凹状の面が、複数の平面からなることも可能である。

またさらに、前記レンズ付き光ファイバは、高屈折率膜層の片面または両面に反射防止層を形成することも可能である。

また、前記レンズ付き光ファイバは、膜層の厚さを均一またはファイバ軸から半径方向に沿って次第に薄くなるように形成することも可能である。

また、本発明の光結合モジュールは、前記レンズ付き光ファイバの先端前方に半導体レーザあるいは光導波路を結合させたことを特徴とする。

以上述べたように本発明によれば、先端に、高屈折率の物質からなる膜層を形成したことで、微小な発光源からの放射光を光ファイバ中に高効率で導くことが可能になる。言い換えれば光ファイバを導波されてきた光に対しては、集光効果が増して波長程度の小さなスポットに集光できる。その結果、発光素子や細径コア導波路等との結合効率が向上する。同時に、高屈折率層を付与しない場合に比べて作動距離即ち発光素子等とレンズ付き光ファイバの先端との間隔を大きくすることができるため、組立ての際に両者が衝突して破損することを避けることが可能になる。

以下、図に基づいて本発明の実施形態を説明する。
レンズ付き単一モード光ファイバ（以下、ＳＭＦと称す）の先端に屈折率３．７のシリコン（Ｓｉ）の膜を形成した場合についての解析例を、比較のため膜を形成しないものと対比しながら説明する。光ファイバを導波してきた光が、光ファイバ先端にレンズを形成することにより空気中に出射したあとに集光されてどのようなスポットサイズになるかを調べた。解析には、光線追跡およびビーム伝搬法（ＢＰＭ）を用いた。ＳＭＦの先端形状は、次式で表される非球面形状を仮定した。

ここで、Zは光ファイバ軸方向距離、ｒは光ファイバ軸からの半径方向距離、Ｒは光ファイバ先端曲率半径、ｋは円錐定数である。

解析例では、レンズ付きＳＭＦに１０μｍの厚みのＳｉ膜を形成し、その形状は、曲率半径Ｒ＝１０μｍ、円錐定数ｋ＝−２．２とした。波長は光通信で用いられている１．５５μmを仮定した。図１はＳｉ膜を形成していない先端凸状のレンズ付きＳＭＦの光線追跡の解析結果を示し、図２はその半径方向の光強度分布を示す。図１では、モードフィールド直径１０μmのＳＭＦを伝搬してきた光線が、光ファイバ端面における空気との境界で屈折し、集光している。その集光位置はＳＭＦの端部から１６．９μｍである。このときの断面の光強度分布が図２のようになり、スポットサイズ（半径）は２．５μｍである。

これに対して、図３は上述のレンズ付きＳＭＦにＳｉ膜を形成した場合の光線追跡の解析結果を示し、図４はその半径方向の強度分布を示す。図３に示されるように、ＳＭＦからの光線がＳｉ膜層との境界で屈折し、膜中でビーム径がいったん拡大し、次の空気層との境界で大きく光ファイバ軸側に屈折して集光している。その集光位置はＳｉ膜の端部から７．３μｍである。このときの断面の強度分布が図４のようになり、スポットサイズは０．８μｍである。この結果から、Ｓｉ膜を形成したことにより、スポットサイズが約３分の１に小さくなることが確認できる。

なお、光線追跡のほか、BPMにより波動光学に基づいた解析を行い本発明の効果の確認を行った。解析に使用したパラメータを表１に示す。

Ｓｉ膜を形成しないレンズ付きＳＭＦについての波動光学の解析結果を図５および図６に示す。図５は振幅分布と等位相分布を示し、図６は正規化振幅および位相分布を示す。これらの図から、光ファイバ先端のレンズ作用により光ビームの等位相分布が変形して集光されることが確認できる。集光位置は１７．６μｍであり、スポットサイズは、２．４μｍである。光線追跡とほぼ同じ結果であった。

これに対して、図７および図８は、上述のレンズ付きＳＭＦにＳｉ膜を形成した場合のＢＰＭによる解析結果を示し、図７は振幅分布と等位相分布を示し、図８は正規化振幅および位相分布を示す。これらの図から、Ｓｉ膜を形成したことにより、等位相分布がＳｉ膜中で外に凸の状態になり、さらに空気中に出射する際には急激に凹面になり強く集光されている。集光位置は８．８μｍであり、このときのスポットサイズは、０．９μｍである。なお、光振幅分布の裾にみられるサイドローブは、曲率半径、円錐定数、Ｓｉ膜厚などを最適化することにより大幅に軽減できる。

以上の解析で、高屈折率のＳｉ膜をレンズ付きＳＭＦの端部に形成したことで、ＳＭＦからの光線が、一旦広がってから集光し、集光位置でのスポットサイズが小さくなることが確認できた。次に、Ｓｉ膜の膜厚による集光位置とスポットサイズの関係について解析した結果について説明する。図９および図１０は光線追跡とＢＰＭにより、膜厚とスポットサイズ、膜厚と作動距離について解析した結果を示す。

図中の下の曲線が光線追跡による解析結果であり、図中の上の曲線がＢＰＭによる解析結果である。計算方法の違いにより値に差が出る理由は、光線追跡では回折の効果の評価が十分でないこと、ＢＰＭでは、光の回折の効果が大きく近軸近似の条件から外れることによる誤差が含まれるためである。これらの解析では、数値が若干異なるものの、傾向は同じである。図示されるように、いずれの解析でも、膜厚が厚くなると、スポットサイズを小さくできることがわかる。

Ｓｉ膜を凸状のレンズ付きＳＭＦに形成した場合に集光点での波面収差が小さくなる条件を求めたのが図１１である。同図は集光位置（作動距離）に対する円錐定数、曲率半径、膜厚（Ｄ）、波面収差および開口数（NA）の関係も示している。図１１の左図では、上の直線が曲率半径Ｒを、中間の曲線が円錐定数ｋを、下の直線が膜厚Ｄを表している。図１１の右図では、下に凸の曲線が波面収差（単位は波長）を、右下がりの曲線が開口数を表している。これらの関係を参照することで、Ｓｉ膜を形成した凸状のレンズ付きＳＭＦの設計を容易に行うことができる。

また、上述した解析例以外に、Ｓｉ膜の膜厚を中心が厚く外側が薄いものについても、解析をしたところ、同様にスポットサイズが縮小し、集光位置が短くなることが確認できた。

光ファイバ先端形状は、凸面だけに限らず、凹面であっても集光効果を大きくすることが可能である。図１２は、端部に円錐型凹面レンズを形成したＳＭＦの斜視図を示す。このＳＭＦにＳｉ膜を形成した場合の光線追跡による解析結果を図１３に示す。図示例は、曲率半径Ｒ＝−３０μｍ、円錐定数ｋ＝−２．０の凹面を形成し、その端部に２０μｍの厚みのＳｉ膜を形成した。この場合は、集光位置は３．０μｍ、ＮＡが０．５１、スポットサイズが０．８３μｍとなった。すなわち、図１に示した高屈折率層がない先端凸のレンズ付きファイバの場合のスポットサイズ２．４μmの１/３の大きさにできる。

次に、実際に製作した実施例について説明する。実施例では、ＳＭＦとして、コーニング社製のＳＭＦ２８を用い、炭酸ガスレーザにより、光ファイバ端面にレンズ加工を施し、さらに、高周波スパッタ装置によりＳｉ膜を形成した。Ｓｉ膜の表裏には反射防止のための１/４波長厚のシリコン酸化膜層を高周波スパッタにより成膜した。図１４が、レンズ部分の表面にＳｉ膜が形成されたＳＭＦの断面を示す。膜厚は９．５μｍである。表面形状は、光ファイバ端面の先球半径９．２μｍ、円錐定数−２．０８であり、Ｓｉ成膜後の表面形状は先球半径１１．６μｍ、円錐定数−２．０９であった。このＳＭＦについて、成膜前と成膜後で光ファイバに波長１．５５μmの光を導波させて光ファイバ端面から出射して集光された光スポットの強度分布を測定した結果は、成膜前のスポットサイズが１．９２μｍ、成膜後のスポットサイズが１．１８μｍであり、スポットサイズが６０％に縮小されたことが確認できた。

なお、レンズ付ＳＭＦの端部にアモルファスＳｉなどの高屈折率膜を反射防止層なしで形成すると反射による損失が生ずるほか、高屈折率層内の多重反射により集光点での光強度分布が乱れることがあった。その場合は、Ｓｉ膜の両面または片面に無反射膜としてＡＲコートを施すことで改善されることが確認できた。

また、解析例、実施例では、端部形状が略半球状のＳＭＦについて説明したが、図１５および図１６に示すようにＳＭＦの先端に二乗形の屈折率分布を有する光ファイバを接続し、その光ファイバを光線の蛇行周期の略１/４あるいはその奇数倍の長さにした光ファイバについても、先端を凸あるいは凹状に加工して高屈折率層を付与することによっても集光作用を大きくする効果が得られる。二乗形の屈折率分布を有する光ファイバとしては、光ファイバ軸に対して回転対称の屈折率分布をもつ、いわゆるＧＩファイバ（ＧＩＦ）であってもよく、あるいは楕円のコアをもち半径方向に二乗形の屈折率分布をもつ、特許第３４０３３２７号に記載されている界分布変換光ファイバ（ＧＩＯファイバとよぶ）であってもよい。ＧＩＯファイバを用いる場合には、集光点でのスポットの形状を楕円にすることが可能、即ち楕円の発光面をもつ光源との結合に有効である効果が生じる。

図１７はＳＭＦ（図では省略）の端部にＧＩファイバやＧＩＯファイバを接続した凸状のレンズ付ファイバにＳｉ膜を形成した場合の解析結果を示す。図示例は、先球半径を１２μｍ、円錐定数を−２．０、Ｓｉ膜厚を５．０μｍとしたものあり、解析結果は、作動距離が１３μｍ、ＮＡが０．７５、スポット半径が０．４μｍとなった。図１に記載した高屈折率層がない先端凸のレンズ付きファイバと比べてスポットサイズを１/６にできる。同じく、図１８はＳＭＦの端部にＧＩファイバやＧＩＯファイバを接続した凹状のレンズ付のファイバにＳｉ膜を形成した場合の解析結果を示す。図示例は、先球半径を−３０μｍ、円錐定数を−２．０、Ｓｉ膜厚を４０μｍとしたものであり、解析結果は、作動距離が１０μｍ、ＮＡが０．５３、スポット半径が０．７９μｍとなった。これも、図１に記載した高屈折率層がない先端凸のレンズ付きファイバの場合のスポットサイズ２．４μmの１/３程度に縮小される。

本発明の効果は、図３、図１３、あるいは図１８を紙面方向には一様な構造とみなせば、光ファイバ軸に対して回転対称でない先端形状でも有効である。図１９および図２０に示されるように、略楔あるいは略半円柱型をした凸面または凹面レンズ付のＳＭＦであれば、高屈折率層を付与することによりＸ方向に集光作用の増強効果が生じる。同じく、図２１および図２２に示されるように、ＳＭＦの端部にＧＩファイバやＧＩＯファイバを接続し、その先端を略楔あるいは略半円柱型をした凸面または凹面状のレンズ付のファイバにも適用可能であり、Ｘ方向に集光作用の増強効果が生じる。図１９から図２２に示される構造では、一方向の集光作用の増強があるため、発光面形状が大きく扁平し、Ｘ方向の発光幅が特に小さい半導体レーザなどの場合にＳＭＦに高効率で結合させる場合などに有効である。

なお、図１９から図２２に示した実施例にあるような略楔あるいは略半円柱構造を、３以上の複数の平面で構成して近似的に略楔あるいは略半円柱の構造にしても本発明の効果は有効である。同様に、図３、図１２、図１３、図１５、および図１６に記載された構造でも略半球面や非球面を複数の平面で近似的に置き換えることで集光の増強効果を得ることができる。

また、解析例、実施例では、膜の材質としてＳｉを使用したが、Ｓｉ以外に使用可能な材料として、光ファイバよりも高屈折率であるＴａ2Ｏ5、Ｙ2Ｏ3、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、Ｎｂ2Ｏ3、ＨｆＯ等がある。また、膜の生成方法は、実施例のスパッタ以外に真空蒸着、ＣＶＤ、メッキ等がある。

本発明は、光通信以外に、情報処理システムや情報伝送システムにおける光回路、ＤＶＤの光ピックアップの結合部分などに利用可能である。

比較例としてＳｉ膜を形成していないレンズ付きＳＭＦの光線追跡の解析結果を示す図である。 図１の集光点での半径方向の強度分布を示す図である。 本発明の解析例における光線追跡結果を示す図である。 図３の集光点での半径方向の強度分布を示す図である。 比較例における振幅分布と位相分布を示す図である。 比較例における正規化振幅および位相を示す図である。 本発明の解析例における振幅分布と位相分布を示す図である。 本発明の解析例における正規化振幅および位相を示す図である。 本発明の解析例における膜厚とスポットサイズの関係を示す図である。 本発明の解析例における膜厚と作動距離の関係を示す図である。 本発明の解析例における各パラメータの相互の関係を示す図である。 端部に凹面レンズを形成したＳＭＦの斜視図である。 図１２のＳＭＦにＳｉ膜を形成した場合の解析結果を示す図である。 本発明の実施例を示し、Ｓｉ膜が形成されたＳＭＦの断面図であり、上の曲線がＳＭＦ先端形状、下の曲線が高屈折率層の先端表面形状を示す。 本発明の適用が可能な凸面レンズを形成したＧＩファイバやＧＩＯファイバの斜視図である。 本発明の適用が可能な凹面レンズを形成したＧＩファイバやＧＩＯファイバの斜視図である。 ＳＭＦの端部にＧＩファイバやＧＩＯファイバを接続した凸面レンズ付のファイバにＳｉ膜を形成した場合の解析結果を示す図である。 ＳＭＦの端部にＧＩファイバやＧＩＯファイバを接続した凹面レンズ付のファイバにＳｉ膜を形成した場合の解析結果を示す図である。 本発明の適用が可能な略楔型をした凸面レンズ付のＳＭＦの斜視図である。 本発明の適用が可能な凹面レンズ付のＳＭＦの斜視図である。 本発明の適用が可能な略楔型をした凸面レンズ付のＧＩファイバやＧＩＯファイバの斜視図である。 本発明の適用が可能な凹面レンズ付のＧＩファイバやＧＩＯファイバの斜視図である。

Claims (7)

1. コアの周りをクラッドで覆って形成される光ファイバの端面が該光ファイバ軸に対して凸あるいは凹状に形成され、該凸あるいは凹状の端面前方全面に、前記光ファイバのコアおよびクラッドの屈折率より高い屈折率を有し軸方向の厚みが均一で且つ単一の材料から成る５〜１５μｍの厚みを有し、該光ファイバ側から見て前方に配置された光源から放射された光波を該光ファイバに結合させ、或いは該光ファイバを伝搬してきた光波を前方に集光させる層、を形成したことを特徴とするレンズ付き光ファイバ。
2. コアの周りをクラッドで覆って形成される第一の光ファイバの端面にコアの屈折率が二乗分布形状を有し、伝搬する光線の界分布変化周期の概１/４周期ないしはその奇数倍の長を有する第二の光ファイバが接続され、該第二の光ファイバの端面が該第二の光ファイバ軸に対して凸あるいは凹状に形成され、該凸あるいは凹状の端面前方全面に、前記光ファイバのコアおよびクラッドの屈折率より高い屈折率を有し軸方向の厚みが均一で且つ単一の材料から成る５〜１５μｍの厚みを有し、該光ファイバ側から見て前方に配置された光源から放射された光波を該光ファイバに結合させ、或いは該光ファイバを伝搬してきた光波を前方に集光させる層、を形成したことを特徴とするレンズ付き光ファイバ。
3. 凸あるいは凹状の面が球面、あるいは光ファイバ軸を中心とした回転対称な略球面であることを特徴とする請求項１または請求項２記載のレンズ付き光ファイバ。
4. 凸あるいは凹状の曲面が円筒面、あるいは光ファイバ軸を含む平面に対して対称な略円筒面をしていることを特徴とする請求項１または請求項２記載のレンズ付き光ファイバ。
5. 凸あるいは凹状の面が、複数の平面からなることを特徴とする請求項１または請求項２記載のレンズ付き光ファイバ。
6. 高屈折率膜層の片面または両面に反射防止層を形成したことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載のレンズ付き光ファイバ。
7. 請求項１から請求項６のいずれか一つに記載のレンズ付き光ファイバの先端前方に半導体レーザあるいは光導波路を結合させたことを特徴とする、レンズ付き光ファイバを用いた光結合モジュール。

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