JP5725176B2 - 導光装置及び導光方法 - Google Patents

Description

本発明は、導光装置及び導光方法に関する。

光ファイバーは、従来は、近赤外域の光のみに利用されてきた。しかし、近年は、光ファイバーに関する技術が発達しており、その結果、紫外域から中赤外域までその利用範囲が広がりつつある。例えば特許文献１には、波長が互いに異なる光を、フォトニック結晶ファイバーを用いて導光することが記載されている。

なお、特許文献２には、複数の光源で生成した光を互いに異なる光ファイバーで導光した上で、レンズを介して集光させることが記載されている。

また特許文献３には、シングルモード光ファイバーを、フォトニック結晶ファイバーを介して光学素子に接続することが記載されている。

特開２００５−６２８５０号公報 特表２００９−５２２６０５号公報 特開２００４−６１８３０号公報

光ファイバーを用いると、光の照射範囲を狭めることができるため、光学系を小さくすることができる。この特徴を生かしたまま、波長が互いに異なる光を光ファイバーで導光するためには、波長が互いに異なる光が、互いにほぼ同一のモードフィールド径かつシングルモードで、コリメートされた状態で光ファイバーから出射することが求められる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、光ファイバーから、波長が互いに異なる光を、コリメートされた状態で、互いにほぼ同一のモードフィールド径かつシングルモードで出射させることにある。

本発明に係る導光装置は、第１シングルモード光ファイバー、フォトニック結晶ファイバー、及びグレーデッドインデックスファイバーを備える。フォトニック結晶ファイバーは、第１シングルモード光ファイバーの出射側の端面に接続している。グレーデッドインデックスファイバーは、フォトニック結晶ファイバーの出射側の端面に接続している。グレーデッドインデックスファイバーは、光を集光する方向に屈折率が径方向に変化している。

この導光装置によれば、互いに波長が異なる複数の光は、第１シングルモード光ファイバー、フォトニック結晶ファイバー、及びグレードインデックスファイバーを介して出射される。複数の光は、フォトニック結晶ファイバーを経由することにより、互いに同一のモードフィールド径かつシングルモードを有する。複数の光は、フォトニック結晶ファイバーを経由した後、さらにグレーデッドインデックスファイバーを経由することにより、コリメートされる。

本発明に係る導光方法では、まず、第１シングルモード光ファイバー、フォトニック結晶ファイバー、及びグレーデッドインデックスファイバーを備える導光装置を準備する。この導光装置において、フォトニック結晶ファイバーは、第１シングルモード光ファイバーの出射側の端面に接続している。グレーデッドインデックスファイバーは、フォトニック結晶ファイバーの出射側の端面に接続している。グレーデッドインデックスファイバーは、光を集光する方向に屈折率が径方向に変化している。そして、互いに波長が異なる複数の光を、第１シングルモード光ファイバーで導光する。そしてこれら複数の光に対し、フォトニック結晶ファイバーを用いて、シングルモード化、及びモードフィールド径の均一化を行う。さらに、複数の光に対し、グレーデッドインデックスファイバーを用いて色収差の補正を行う。そして複数の光をグレーデッドインデックスファイバーから出射する。

本発明によれば、光ファイバーから、波長が互いに異なる光を、コリメートされた状態で、互いにほぼ同一のモードフィールド径かつシングルモードで出射させることができる。

上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。

第１の実施形態に係る導光装置の構成を示す図である。 フォトニック結晶ファイバーの構成を示す断面図である。 第２の実施形態に係る導光装置の構成を示す図である。 第３の実施形態に係る導光装置の構成を示す図である。 第４の実施形態に係る導光装置の構成を示す図である。 第５の実施形態に係る光学装置の構成を示す図である。 第６の実施形態に係る光学装置の構成を示す図である。 実施例に係る導光装置のコリメータ特性を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る導光装置の構成を示す図である。この導光装置は、第１シングルモード光ファイバー１０、フォトニック結晶ファイバー２０、及びグレーデッドインデックスファイバー（以下、ＧＩファイバーと記載）３０を備えている。第１シングルモード光ファイバー１０は、光を導光するためのファイバーである。

フォトニック結晶ファイバー２０及びＧＩファイバー３０は、第１シングルモード光ファイバー１０の出射部を構成している。具体的には、フォトニック結晶ファイバー２０は、第１シングルモード光ファイバー１０の出射側の端面に接続している。ＧＩファイバー３０は、フォトニック結晶ファイバー２０の出射側の端面に接続している。ＧＩファイバー３０は、光を集光する方向に屈折率が径方向に変化している。フォトニック結晶ファイバー２０及びＧＩファイバー３０の長さは、フォトニック結晶ファイバー２０及びＧＩファイバー３０がフェルール等の取付治具内に収容されるように設計される。例えばフォトニック結晶ファイバー２０の長さは、０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下であり、ＧＩファイバー３０の長さは、０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下である。

第１シングルモード光ファイバー１０は、例えばシリカガラスにより形成されている。また第１シングルモード光ファイバー１０は、コア１２を有している。コア１２は、第１シングルモード光ファイバー１０の本体に不純物、例えばＧｅをドープすることにより、形成される。フォトニック結晶ファイバー２０は、コア２２を有している。ＧＩファイバー３０は、コア３２を有している。コア１２，２２，３２は、いずれも光が導光する領域である。

ＧＩファイバー３０のコア３２は、径方向に屈曲率が変化している。この屈曲率の変化方向は、コア３２を透過する光が集光される方向である。例えばコア３２は、中心から外側に向けて不純物が少なくなっている。詳細には、不純物の濃度は、コア３２の中心が最も高く、中心からの距離の２乗に反比例している。なお、ＧＩファイバー３０がシリカガラスにより形成されている場合、コア３２にドープされている不純物は、例えばＧｅである。

なお、第１シングルモード光ファイバー１０とフォトニック結晶ファイバー２０の接続部分は、例えば融着により接続されている。ただし第１シングルモード光ファイバー１０とフォトニック結晶ファイバー２０は、接着剤を用いて接続されていても良い。同様に、フォトニック結晶ファイバー２０とＧＩファイバー３０は、例えば融着により接続されている。ただし、これらの接続には、接着剤が用いられても良い。

図２は、フォトニック結晶ファイバー２０の構成を示す断面図である。フォトニック結晶ファイバー２０は、複数の空孔２４を有している。空孔２４は、コア２２内に規則的に配列されている。すなわち、空孔２４が配列されている領域がコア２２になる。複数の空孔２４は、いずれもほぼ同径であり、かつコア２２の内部において同一間隔で配列されている。ただし、コア２２の中心部分では、空孔２４は配置されていない。すなわち空孔２４の配列の中央部分では、空孔２４が欠損している。そしてこの欠損している領域の周囲に、空孔２４は、少なくとも３列以上配列されている。本図に示す例では、空孔２４は、正六角形に配列されている。このようにすると、フォトニック結晶ファイバー２０を透過するとき、互いに波長が異なる複数の光は、互いに同一のモードフィールド径かつシングルモードを有するようになる。

次に、本実施形態の作用及び効果について説明する。図１に示した導光装置は、例えば、多波長光源装置において、レーザ光源が出射した、互いに波長が異なる複数のレーザ光を導光するために用いられる。この複数のレーザ光は、同時に導光装置に入射しても良いし、互いに異なるタイミングで入射しても良い。このレーザ光の波長は、例えば４９０ｎｍ以上６３０ｎｍ以下である。

第１シングルモード光ファイバー１０のうちフォトニック結晶ファイバー２０が設けられている側の端部は、光を導光すべき領域、例えば試料の上方に位置している。そして、第１シングルモード光ファイバー１０は、フォトニック結晶ファイバー２０とは逆側の端部に、光が入射される。

第１シングルモード光ファイバー１０によって導光された光は、フォトニック結晶ファイバー２０及びＧＩファイバー３０を介して、出射される。そしてフォトニック結晶ファイバー２０を透過するとき、互いに波長が異なる複数の光は、互いに同一のモードフィールド径かつシングルモードを有するようになる。また、フォトニック結晶ファイバー２０を透過した光は、さらにＧＩファイバー３０を透過することにより、コリメートが補正される。

従って、本実施形態によれば、一つの光ファイバーから、波長が互いに異なる光を、コリメートされた状態で、互いにほぼ同一のモードフィールド径かつシングルモードで出射させることができる。そして、本実施形態に係る導光装置を用いることにより、導光のために必要な光学系が少なくなるため、多波長光源装置を小型化することができる。

なお、ＧＩファイバー３０の出射側の端面には、反射防止コーティング（Anti-reflection コーティング）が施されていても良い。反射防止コーティングは、例えばＧＩファイバー３０よりも低屈折率の薄膜である。反射防止コーティングを形成すると、ＧＩファイバー３０から光が出射するときに、ＧＩファイバー３０と外部の界面で光が反射することを抑制できる。

（第２の実施形態）
図３は、第２の実施形態に係る導光装置の構成を示す図である。この導光装置は、ＧＩファイバー３０が凹部３４を有している点を除いて、第１の実施形態に係る導光装置と同様の構成である。

凹部３４は、ＧＩファイバー３０の出射側の端面に設けられている。凹部３４は凹型のレンズ形状を有しており、少なくともコア３２の端面全体にわたって設けられている。凹部３４は、ＧＩファイバー３０から出射する光の色収差を補正する機能を有している。

凹部３４は、研磨によって形成されても良いし、エッチングにより形成されても良い。コア３２の不純物の濃度は、コア３２の中心が最も高く、外側に向かうにつれて浅くなる。ＧＩファイバー３０の強度は、不純物の濃度に反比例する。このため、コア３２の端面を研磨又はエッチングすると、コア３２の中心が最も深くなり、外側に向かうにつれて浅くなる。また、コア３２の不純物の濃度は、中心からの距離の２乗に反比例している。従って、凹部３４は、凹型のレンズ形状になる。なお、コア３２をエッチングする際、エッチング液としては、例えばＨＦ系の薬液が用いられる。

凹部３４を研磨により形成する場合、設備投資が少なくて済む。また、複数の導光装置を同時に処理することができるため、生産性が高くなる。一方、凹部３４をエッチングにより形成する場合、加工中に凹部３４の形状をモニタリングすることが可能になるため、凹部３４の加工精度が高くなる。

本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、ＧＩファイバー３０の出射側の端面に、凹レンズ形状の凹部３４を形成している。このため、外部にレンズを設けなくても、ＧＩファイバー３０から互いに波長が異なる複数の光が出射する際に、色収差が生じることを抑制できる。

（第３の実施形態）
図４は、第３の実施形態に係る導光装置の構成を示す図である。本実施形態に係る導光装置は、第１シングルモード光ファイバー１０の端部１４の構造を除いて、第２の実施形態に係る導光装置と同様の構成である。

本実施形態において、第１シングルモード光ファイバー１０のコア１２は、端部１４において、コア１２が徐々に広がっている。このような構造は、端部１４を熱処理（ＴＥＣ処理：Thermally Expanded Core処理）して、コア１２の不純物を熱拡散させることにより、得られる。そして第１シングルモード光ファイバー１０のモードフィールド径は、フォトニック結晶ファイバー２０との接合面において、フォトニック結晶ファイバー２０のモードフィールド径と同径になっている。なお、本実施形態において、凹部３４を設けなくても良い。

本実施形態によっても、第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、第１シングルモード光ファイバー１０のコア１２は、端部１４において徐々に広がっている。そして、フォトニック結晶ファイバー２０との接合面において、コア１２はフォトニック結晶ファイバー２０のコア２２と同径になっている。このため、第１シングルモード光ファイバー１０とフォトニック結晶ファイバー２０の接合面において、モードフィールド径のミスマッチに起因して光の損失が生じることを抑制できる。

（第４の実施形態）
図５は、第４の実施形態に係る導光装置の構成を示す図である。本実施形態に係る導光装置は、第２シングルモードファイバー４０を備えている点を除いて、第２の実施形態に係る導光装置と同様の構成である。

第２シングルモードファイバー４０は、第１シングルモード光ファイバー１０とフォトニック結晶ファイバー２０の間に設けられている。第２シングルモードファイバー４０は、低Ｎ．Ａ．（Numerical Aperture）ファイバーである。すなわち、第２シングルモードファイバー４０のコア４２の径は、第１シングルモード光ファイバー１０のコア１２よりも大きい。すなわち第２シングルモードファイバー４０のモードフィールド径は、第１シングルモード光ファイバー１０のモードフィールド径よりも大きい。ただし、第２シングルモードファイバー４０のモードフィールド径は、フォトニック結晶ファイバー２０のモードフィールド径と等しいか、それよりも小さい。また第２シングルモードファイバー４０におけるコア４２とクラッド部分との屈折率差は、第１シングルモード光ファイバー１０におけるコア１２とクラッド部分との屈折率差よりも小さい。なお、第１の実施形態において、第２シングルモードファイバー４０を有していても良い。

本実施形態によっても、第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、第１シングルモード光ファイバー１０とフォトニック結晶ファイバー２０の間に第２シングルモードファイバー４０が位置している。このため、第１シングルモード光ファイバー１０により導光された光のモードフィールド径は、第２シングルモードファイバー４０を伝播している間に広がり、その後フォトニック結晶ファイバー２０に入射する。従って、第１シングルモードファイバー１０とフォトニック結晶ファイバー２０の接合面において、モードフィールド径のミスマッチに起因して光の損失が生じることを抑制できる。

（第５の実施形態）
図６は、第５の実施形態に係る光学装置の構成を示す図である。本実施形態に係る光学装置は、第１〜第４の実施形態のいずれかに係る導光装置の出射側の端部を、フェルール６０に取り付けたものである。本図に示す例では、第４の実施形態に係る導光装置を例示している。

詳細には、第１シングルモード光ファイバー１０は、被覆部材５０によって被覆されている。ただし第１シングルモード光ファイバー１０のうち出射側の端部には、被覆部材５０が設けられていない。第１シングルモード光ファイバー１０の出射側の端部は、被覆部材５０の端部とともに、フェルール６０の差込口６２に差し込まれている。そして第１シングルモード光ファイバー１０の端部、第２シングルモードファイバー４０、フォトニック結晶ファイバー２０、及びＧＩファイバー３０は、フェルール６０によって保持されている。

（第６の実施形態）
図７は、第６の実施形態に係る光学装置の構成を示す図である。本実施形態に係る光学装置は、第１〜第４の実施形態のいずれかに係る導光装置を、複数、保持部材７０に保持させたものである。本図に示す例では、第４の実施形態に係る導光装置を例示している。

保持部材７０には、複数のＶ字型の溝が互いに平行に設けられている。そして第１シングルモード光ファイバー１０の端部、第２シングルモードファイバー４０、フォトニック結晶ファイバー２０、及びＧＩファイバー３０は、この溝に填め込まれている。このようにすることで、保持部材７０は、複数の導光装置を互いに平行に保持することができる。

（実施例）
図４に示した導光装置を作製した。第１シングルモード光ファイバー１０には、カットオフ波長が４３０ｎｍの可視光ファイバーを用いた。フォトニック結晶ファイバー２０には、モードフィールド径が１５μｍのものを使用した。また、ＧＩファイバー３０には、コア系が６２．５ｎｍのものを使用した。

まず、第１シングルモード光ファイバー１０の端部１４を熱処理した。その後、第１シングルモード光ファイバー１０とフォトニック結晶ファイバー２０とを熱融着した。さらに、フォトニック結晶ファイバー２０とＧＩファイバー３０とを、熱融着した。その後、ＧＩファイバー３０に、ＨＦエッチングにより凹部３４を形成した。

図８に、実施例に係る導光装置のコリメータ特性を示す。縦軸は、出射された光のビーム径であり、横軸には、凹部３４からの距離を示した。本図に示すように、波長が５４０ｎｍの光、及び波長が５６０ｎｍの光それぞれにおいて、良好なコリメート特性が得られた。また、これら２つの波長において、ビーム径はほぼ同じであった。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

この出願は、２０１１年６月１６日に出願された日本出願特願２０１１−１３３９１６を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims (5)

1. 第１シングルモード光ファイバーと、
   前記第１シングルモード光ファイバーの出射側の端面に接続しているフォトニック結晶ファイバーと、
   前記フォトニック結晶ファイバーの出射側の端面に接続しており、光を集光する方向に屈折率が径方向に変化しているグレーデッドインデックスファイバーと、
   を備え、
   前記グレーデッドインデックスファイバーは、出射側の端面に、レンズ状の凹部を有する導光装置。
2. 請求項１に記載の導光装置において、
   前記第１シングルモード光ファイバーの出射側の端部は、他の部分と比較してモードフィールド径が大きくなっている導光装置。
3. 請求項１又は２に記載の導光装置において、
   前記第１シングルモード光ファイバーと、前記フォトニック結晶ファイバーとの間に、前記第１シングルモード光ファイバーよりもモードフィールド径が大きい第２シングルモード光ファイバーを備える導光装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の導光装置において、
   波長が４９０ｎｍ以上６３０ｎｍ以下の光に対して使用される導光装置。
5. 第１シングルモード光ファイバーの出射側の端面に、フォトニック結晶ファイバー、及び、光を集光する方向に屈折率が径方向に変化しているグレーデッドインデックスファイバーをこの順に接続した導光装置を準備し、
   前記第１シングルモード光ファイバーにより導光された互いに波長が異なる複数の光に対し、前記フォトニック結晶ファイバーを用いてシングルモード化及びモードフィールド径の均一化を行い、さらに、前記グレーデッドインデックスファイバーを用いて色収差の補正を行った後、前記複数の光を前記グレーデッドインデックスファイバーから出射し、
   前記グレーデッドインデックスファイバーは、出射側の端面に、レンズ状の凹部を有する、導光方法。

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