JP6878770B2 - レンズ付き光ファイバ及び光結合器 - Google Patents

Description

本発明は、レンズ付き光ファイバとこれを用いた光結合器に関するものである。

レンズ付き光ファイバは、光ファイバに入射する光或いは光ファイバから出射する光の光結合を高効率で行う光ファイバ結合部品であり、光ファイバ相互の光結合、光ファイバと発光・受光素子との光結合、光ファイバと光部品（光導波路、光集積回路など）との光結合などに用いられている。

従来のレンズ付き光ファイバとして、ＧＲＩＮレンズを光ファイバに融着接続したものが知られている。ＧＲＩＮレンズは、屈折率分布型レンズ（Gradient Index Lens）であり、半径ｒ方向の屈折率分布ｎ（ｒ）が、ｎ（ｒ）＝ｎ₀（１−（１／２）（ｇ・ｒ）²）となる円柱（ロッド）状レンズである。ここでのｎ₀は中心屈折率であり、ｇはＧＲＩＮレンズの集光能力を表す定数（屈折率分布定数）である。ここで、ＧＲＩＮレンズの半径をＲとすると、屈折率分の最低屈折率（最低分布屈折率）ｎｔは、レンズの外縁部の屈折率となり、ｎｔ＝ｎ（Ｒ）＝ｎ₀（１−（１／２）（ｇ・Ｒ）²）となる。

ＧＲＩＮレンズを用いたレンズ付き光ファイバは、ＧＲＩＮレンズが円柱状であるため、光ファイバの外径とＧＲＩＮレンズの外径を略同径にすることで、光結合の際の機械的な軸合わせが容易になる利点があり、また、複数のレンズ付き光ファイバを並列してアレイ化する際に、スペース効率を向上させる利点がある。

ＧＲＩＮレンズを用いたレンズ付き光ファイバは、一般に、光ファイバからの光をコリメートするコリメータ（Collimator）、或いは光ファイバからの光を集光するコンデンサ（Condenser）として用いられている。特に、コンデンサとして用いる場合の例としては、発光素子（例えば、半導体レーザ）と光ファイバとの光結合がある。この場合には、発光素子の放射角を充分にカバーしうる高い集光能力のＧＲＩＮレンズが求められると共に、ＧＲＩＮレンズに入射した光を光ファイバの臨界角内で光ファイバのコアに入射することが求められる。

このような要求に対応するレンズ付き光ファイバとして、光ファイバの端面に比較的低ＮＡのＧＲＩＮレンズを接続し、そのＧＲＩＮレンズの端面に比較的高ＮＡのＧＲＩＮレンズを接続したＧＲＩＮレンズ付き光ファイバが開発されている（下記特許文献１参照）。ここでのＮＡは開口数（Numerical Aperture）であり、前述のｇとＧＲＩＮレンズの半径Ｒ、中心屈折率ｎ₀を用いると、ＮＡ＝ｎ₀・ｇ・Ｒと表される。

特許第４０３７３４６号公報

図１に示すように、光ファイバ２の端面に低ＮＡのＧＲＩＮレンズ３を接続し、そのＧＲＩＮレンズ３の端面に高ＮＡのＧＲＩＮレンズ４を接続しているレンズ付き光ファイバ１は、結合光Ｌ（光ファイバに入射する光又は光ファイバから出射する光）の態様が近似的にガウシアンビームになり、高ＮＡのＧＲＩＮレンズ４の端面から所定距離（ビームウエスト距離Ｌ₀）だけ離れた位置でビームウエストを形成する。すなわち、最も集光された位置でも結合光Ｌは１点には集まらず、所定の直径（ビームウエスト直径２ω₀）を有するビームスポットが形成されることになる。

ビームスポットは光ファイバ２のコアを伝播する光、特にシングルモード光ファイバの場合には基底モードの光の大きさであるモードフィールド直径２ωｓの像と見なすことができ、ビームウェスト距離Ｌ₀が短い場合には、低ＮＡのＧＲＩＮレンズ３のＮＡ（ＮＡ１）と、高ＮＡのＧＲＩＮレンズ４のＮＡ（ＮＡ２）との比率で縮小倍率が生じている。すなわち、ビームウエスト直径は、２ω₀＝２ωｓ×（ＮＡ１／ＮＡ２）となる。

このようなレンズ付き光ファイバ１との光結合を行う光部品は、光通信を含む光関連技術の発展に伴って多様化しており、光部品の入出射口径は微小化する傾向にある。このような光部品との光結合を高い結合効率で行うためには、前述したレンズ付き光ファイバ１のビームウエスト直径２ω₀を更に小径化することが求められる。例えば、光集積回路との光結合を考えた場合、光集積回路における光導波路直径は３μｍ以下のものがあるので、直接的にレンズ付き光ファイバ１と光集積回路とを接続する際には、ビームウエスト直径を３μｍ以下にすることが求められる。

これに対しては、高ＮＡ側ＧＲＩＮレンズ４の中心屈折率ｎ₀をより高く設定するか、或いは、高ＮＡ側ＧＲＩＮレンズ４の最低分布屈折率ｎｔをより低く設定して、ＧＲＩＮレンズ４のＮＡを高め、屈折率分布を急峻にする（ｇ値を高くする）ことで、理論上ビームウエスト直径を小径化することが可能になる。しかしながら、中心屈折率ｎ₀を高めることや最低分布屈性率ｎｔをより低くすることは、ＧＲＩＮレンズ４のベースとなるガラス材料とドーパント材料との選択によってなされるので、その設定には自ずと限界がある。そのため、材料選択を考慮すること無く、従来技術と同等の中心屈折率ｎ₀或いは最低分布屈折率ｎｔの設定で、ビームウエスト直径をより小径化することが求められている。

この他にも、低ＮＡ側ＧＲＩＮレンズ３のＮＡを低く設定して屈折率分布をより平坦に近づけることでも、理論上ビームウエスト直径を小径化することが可能になる。しかしながら、低ＮＡ側ＧＲＩＮレンズ３のＮＡを低くするとビームが拡がり過ぎ、拡がったビームの裾部がレンズ外壁に到達し損失に繋がることから、その設定にも自ずと限界がある。

本発明は、このような事情に対処するために提案されたものである。すなわち、ＧＲＩＮレンズを用いたレンズ付き光ファイバにおいて、ＧＲＩＮレンズの材料選択を考慮すること無く、ビームウエスト直径の小径化を図ることが本発明の課題である。

このような課題を解決するために、本発明によるレンズ付き光ファイバは、以下の構成を具備するものである。

光ファイバの端面に第１のＧＲＩＮレンズの一方の端面が接続されており、前記第１のＧＲＩＮレンズの他方の端面に第２のＧＲＩＮレンズの一方の端面が接続されているレンズ付き光ファイバであって、前記光ファイバと前記第１及び第２のＧＲＩＮレンズは同軸上に接続されており、前記第１のＧＲＩＮレンズの開口数が前記第２のＧＲＩＮレンズの開口数より小さく、前記第２のＧＲＩＮレンズの最低分布屈折率の径方向位置が、前記第２のＧＲＩＮレンズの外縁より内側に設定されていると共に、前記第１のＧＲＩＮレンズにより拡がった光の最外周と同位置又はそれより外側に設定されていることを特徴とするレンズ付き光ファイバ。

このような特徴を有するレンズ付き光ファイバによると、第２のＧＲＩＮレンズの最低分布屈折率の径方向位置を、第２のＧＲＩＮレンズの外縁より内側に設定し、且つ第１のＧＲＩＮレンズにより拡がった光の最外周と同位置又はそれより外側に設定することで、第２のＧＲＩＮレンズの中心屈折率と最低分布屈折率を設定する材料選択を変更すること無く、光ファイバから出射する光を損失無く伝搬して、第２のＧＲＩＮレンズの屈折率分布を急峻にすることができる。

これによって、コンデンサとして利用する場合のレンズ付き光ファイバのビームウエスト直径を小径化することができ、入出射口径が微小化した光部品との光結合を高効率で行うことができる。

ＧＲＩＮレンズを用いたレンズ付き光ファイバを示した説明図である。 本発明の実施形態に係るレンズ付き光ファイバにおける第２のＧＲＩＮレンズの屈折率分布を示した説明図である。 レンズ付き光ファイバにおける結合光の態様（レンズ端面からの距離に対するビーム直径）を示した説明図である。 本発明の実施形態に係るレンズ付き光ファイバを光部品（光導波路）に光結合した光結合器の構成例を示した説明図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。本発明の実施形態に係るレンズ付き光ファイバ１は、図１に示したように、光ファイバ２と、第１のＧＲＩＮレンズ３と、第２のＧＲＩＮレンズ４とを備え、コンデンサ（集光器）として機能するものである。ここで、光ファイバ２と第１のＧＲＩＮレンズ３と第２のＧＲＩＮレンズ４とは、同軸上に接続されている。詳しくは、光ファイバ２の端面に第１のＧＲＩＮレンズ３の一方の端面が融着接続されており、第１のＧＲＩＮレンズ３の他方の端面に第２のＧＲＩＮレンズ４の一方の端面が融着接続されている。

レンズ付き光ファイバ１は、第１のＧＲＩＮレンズ３の開口数をＮＡ１とし、第２のＧＲＩＮレンズ４の開口数をＮＡ２とすると、ＮＡ１＜ＮＡ２のように設定されている。これによって、光ファイバ２から出射した光は、第１のＧＲＩＮレンズ３で一端ビーム径が拡径され、第２のＧＲＩＮレンズ４で集光することで、第２のＧＲＩＮレンズ４の端面又はその近傍にビームウエスト直径２ω₀のビームスポットを形成する。

ここで、第１のＧＲＩＮレンズ３の半径をＲ１とし、第２のＧＲＩＮレンズ４の半径をＲ２として、光ファイバ２の半径（クラッド半径）をＲとすると、Ｒ＝Ｒ１＝Ｒ２とすることで、スリーブなどを用いて簡易に機械的な光軸合わせが可能なレンズ付き光ファイバ１を得ることができる。但し、本発明の実施形態に係るレンズ付き光ファイバ１は、これに限定されるものではなく、Ｒ≦Ｒ１≦Ｒ２などとしたものであってもよい。

図２は、本発明の実施形態に係るレンズ付き光ファイバ１における第２のＧＲＩＮレンズ４の屈折率分布を示している。第２のＧＲＩＮレンズ４の屈折率分布は、中心屈折率はｎ₀であり、中心からの距離ｒが０≦ｒ≦Ｒ２’では、ｎ（ｒ）＝ｎ₀（１−（１／２）（ｇ’・ｒ）²）の放物線状の屈折率分布となり、中心からの距離がＲ２’において、最低分布屈折率（放物線状に分布する屈折率の最低値）ｎｔになっている。そして、中心からの距離ｒがＲ２’＜ｒ≦Ｒ２では、一定値（ｎ１）になっている。ここでのＲ２はＧＲＩＮレンズ４の半径（外径／２）であり、Ｒ２’は、ＧＲＩＮレンズ４の有効半径（Ｒ２’＜Ｒ２）である。すなわち、本発明の実施形態に係るレンズ付き光ファイバ１においては、第２のＧＲＩＮレンズ４は、最低分布屈折率ｎｔの径方向位置が第２のＧＲＩＮレンズ４の外縁より内側に設定されている。

また、光ファイバ２から第１のＧＲＩＮレンズ３に入射した光にビーム径が第１のＧＲＩＮレンズ３内で拡径され第２のＧＲＩＮレンズ４界面に到達した時のビーム直径２ωＧ１と、第２のＧＲＩＮレンズ４の最低分布屈折率の直径２Ｒ２’との関係が、２ωＧ１≦２Ｒ２’に設定されている。すなわち、本発明の実施形態に係るレンズ付き光ファイバ１においては、第２のＧＲＩＮレンズ４における最低分布屈折率ｎｔの径方向位置が、光ファイバ２から第１のＧＲＩＮレンズ３に入射して第１のＧＲＩＮレンズ３により拡がった光の最外周と同位置又はそれより外側に設定されている。また、第２のＧＲＩＮレンズの最低分布屈折率ｎｔの直径２Ｒ２’と第１のＧＲＩＮレンズ３の直径２Ｒ１との関係は、２Ｒ２’＜２Ｒ１となるように設定されている。

このような第１のＧＲＩＮレンズ３と第２のＧＲＩＮレンズ４を備えるレンズ付き光ファイバ１は、光ファイバ２から出射した光が、第１のＧＲＩＮレンズ３と第２のＧＲＩＮレンズ４を損失無く伝搬することになり、更には、第２のＧＲＩＮレンズ４の端面近傍又はその外側に形成されるビームウエスト直径を小径化することが可能になる。

このような屈折率分布を示すＧＲＩＮレンズ４において、中心屈折率ｎ₀と最低分布屈折率ｎｔは、ＧＲＩＮレンズ４を形成する材料によって設定される。例えば、ＧＲＩＮレンズ４が、シリカガラス（ＳｉＯ₂）ベースでドーパント材（金属添加物）としてチタン酸化物（Ｔｉ₂Ｏ₃）を選択した場合には、中心屈折率はｎ₀＝１．５３、最低分布屈折率はｎｔ＝１．４９に設定することができる。

ここで、同様の材料選択で、同じ中心屈折率ｎ₀と最低分布屈折率ｎｔを設定した場合であって、最低分布屈折率ｎｔの径方向位置をＧＲＩＮレンズの外縁付近にした従来技術では、図２の破線で示す屈折率分布（ｎ（ｒ）＝ｎ₀（１−（１／２）（ｇ・ｒ）²））になる。この場合の屈折率分布係数ｇを、本発明の実施形態における第２のＧＲＩＮレンズ４における、中心からの距離ｒが０≦ｒ≦Ｒ２’での屈折率分布ｎ（ｒ）＝ｎ₀（１−（１／２）（ｇ’・ｒ）²）におけるｇ’と比較すると、ＮＡが同じで直径（有効径）が小さくなるため、ｇ＜ｇ’となる。すなわち、屈折率分布係数がｇ’となる本発明の実施形態におけるＧＲＩＮレンズ４は、従来技術よりもｇ値が高くなっている。

ところで、ビームウエスト距離Ｌ₀が第２のＧＲＩＮレンズ４の端面に近いところにある場合は、光ファイバ１のコアを伝搬する光の像と見なすことができるビームウエスト径２ω₀の倍率は、低ＮＡ側の第１のＧＲＩＮレンズ３におけるｇ値（ｇ１）と中心屈折率（ｎ₀₁）の積と高ＮＡ側の第２のＧＲＩＮレンズ４のｇ値（ｇ２＝ｇ’）と中心屈折率（ｎ₀）の積との比で表すことができる。すなわち、倍率は、（ｇ１・ｎ₀₁）／（ｇ’・ｎ₀）となる。ここで、第１のＧＲＩＮレンズ３のｇ値と中心屈折率（ｇ１・ｎ₀₁）を一定と考えた場合には、従来技術のｇに対して、ｇ＜ｇ’のＧＲＩＮレンズ４を採用した本発明の実施形態は、高ＮＡ側のｇ値が大きくなった分だけ像であるビームウェスト直径２ω₀が小さくなる。

図３は、レンズ付き光ファイバ１における結合光Ｌの態様（レンズ端面からの距離に対するビーム直径）を示している。図において、実線は、第２のＧＲＩＮレンズ４の屈折率分布を図２に示した実線のように設定した場合（本発明の実施形態）の態様を示し、破線は、第２のＧＲＩＮレンズ４の屈折率分布を図２に示した破線のように設定した場合（従来技術）の態様を示している。図示のように、ビームウエスト直径（レンズ端面からの距離１０μｍにおけるビーム直径）２ω₀は、従来技術が５．０μｍ程度であるのに対して、本発明の実施形態では３μｍ以下に小径化されている。このように、本発明の実施形態に係るレンズ付き光ファイバ１は、材料選択による屈折率調整を行うこと無く、第２のＧＲＩＮレンズ４のｇ値を高めて、ビームウエスト直径を小径化することを可能にしている。

以下に、第２のＧＲＩＮレンズ４の製造方法を説明する。図２の実線で示すような屈折率分布を備えるＧＲＩＮレンズ４は、光ファイバの製造法として知られるロッドインチューブ法を応用して製造することができる。すなわち、従来技術におけるＧＲＩＮレンズの母材の周囲に石英チューブを被せ、その後は、従来技術におけるＧＲＩＮレンズの製法と同様に、引き延ばしを行って外径を設定された外径（２×Ｒ２）に合わせる。その後は、レンズ長を調整する切断を行って第２のＧＲＩＮレンズ４を得る。このようにして製造された第２のＧＲＩＮレンズ４は、有効径（２×Ｒ２’）内では、図２の実線で示すように放物線状の屈折率分布を示し、有効径（２×Ｒ２’）の外側にはドーパント材料を含まない石英ガラスのチューブ層が設けられている（図２におけるｎ１は石英ガラスの屈折率）。

図４は、本発明の実施形態に係るレンズ付き光ファイバを光部品に光結合した光結合器の構成例を示している。ここでは、光集積回路などの光導波路２０とレンズ付き光ファイバ１とを結合した例を示している。この例では、レンズ付き光ファイバ１における第２のＧＲＩＮレンズ４の端面と光導波路２０の接続端面とを対面して配置し、両端面を直接的に或いは接着剤や屈折率整合剤などのカップリング材を介して接続している。この際、レンズ付き光ファイバ１におけるビームウエスト位置を第２のＧＲＩＮレンズ４の端面に近づける或いは一致させることで、直接的な接続を低損失で行うことが可能になり、レンズ付き光ファイバ１によって小径化されたビームウエスト直径を光導波路２０のコア２０Ａの径と同等又はそれ以下に設定することで、高効率な結合が可能になる。

以上説明したように、本発明の実施形態に係るレンズ付き光ファイバ１、或いはこれを用いた光結合器は、材料選択による屈折率調整を考慮すること無く、光ファイバ２に結合する光を損失無く伝搬して、第１及び第２のＧＲＩＮレンズ３，４を用いたレンズ付き光ファイバ１のビームウエスト直径を小径化することができる。これによって、本発明の実施形態に係るレンズ付き光ファイバ１、或いはこれを用いた光結合器は、結合対象の光部品の入出射口径の微小化に対応して、高効率な光結合を行うことができる。

１：レンズ付き光ファイバ，２：光ファイバ，３，４：ＧＲＩＮレンズ，
２０：光導波路，２０Ａ：コア

Claims (5)

1. 光ファイバの端面に第１のＧＲＩＮレンズの一方の端面が接続されており、前記第１のＧＲＩＮレンズの他方の端面に第２のＧＲＩＮレンズの一方の端面が接続されているレンズ付き光ファイバであって、
   前記光ファイバと前記第１及び第２のＧＲＩＮレンズは同軸上に接続されており、前記第１のＧＲＩＮレンズの開口数が前記第２のＧＲＩＮレンズの開口数より小さく、
   前記第２のＧＲＩＮレンズの最低分布屈折率の径方向位置が、前記第２のＧＲＩＮレンズの外縁より内側に設定されていると共に、前記第１のＧＲＩＮレンズにより拡がった光の最外周と同位置又はそれより外側に設定されていることを特徴とするレンズ付き光ファイバ。
2. 前記第１及び第２のＧＲＩＮレンズは、前記光ファイバと同径であることを特徴とする請求項１記載のレンズ付き光ファイバ。
3. 前記第２のＧＲＩＮレンズにおける前記最低分布屈折率の位置より外側には、ドーパント材を含まないチューブ層が設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載のレンズ付き光ファイバ。
4. 前記レンズ付き光ファイバの結合光のビームウエスト直径が３μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載のレンズ付き光ファイバ。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載されたレンズ付き光ファイバと光部品とが光結合した光結合器。

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