JPH03269403A - 光通信パッケージ、光パワーと光ファイバとの結合方法、光ファイバマイクロレンズの製造方法 - Google Patents
光通信パッケージ、光パワーと光ファイバとの結合方法、光ファイバマイクロレンズの製造方法Info
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- JPH03269403A JPH03269403A JP2326119A JP32611990A JPH03269403A JP H03269403 A JPH03269403 A JP H03269403A JP 2326119 A JP2326119 A JP 2326119A JP 32611990 A JP32611990 A JP 32611990A JP H03269403 A JPH03269403 A JP H03269403A
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Abstract
め要約のデータは記録されません。
Description
スとの結合に関する。
単一モード光ファイバが広範囲で使用されるようになり
、光ファイバと光デバイス間、特に半導体レーザまたは
半導体増幅器と光ファイバ間の効率の良いパワーの結合
方法が求められている。例えば、結合効率の増加、すな
わち結合損失の減少は、長距離や海底伝送システムの中
継器間隔の増加を可能にする。しかし、半導体レーザと
光ファイバの結合は、光ファイバ通信の出現のために一
般的な関心を呼ぶ問題であり続けてきた。
合せ継ぎ半結合により7乃至11dBの損失を被るので
、レーザと光ファイバのモードを整合させるために、フ
ァイバ端でマイクロレンズを使用することにより、又は
バルクの光学系により、或いはマイクロレンズとバルク
の光学系の結合によって、結合効率は至る所で改善され
る。マイクロレンズは、その製造とパッケージングが簡
単であるために、より一般的に使用されている。
半導体レーザ、光ファイバ増幅器、ファイバ増幅器用の
ポンプといった、光ファイバ及び光デバイスを有する通
信パッケージの一部として非常に頻繁に使用される。光
通信のパッケージには、多くの形状と実施例がある。こ
れらのうちの一つは、G−D、 コーらの「レーザ・
単一モードファイバ結合と修正されたTo−5パツケー
ジ中の封入(Laser Monomode−Fibe
r Coupling and Encapsulat
ion in a Modif’jed To−5Pa
ckage)J 、ジャーナル オブ ライトウニイブ
テクノロジーLT3.第6号、1985年12月、1
315〜1320頁の論文に示されている。別の例は、
J。
試験で利用された光構成部品(Optical Co1
ponentry Utilized in Fiel
d Trial of Single Mode Fi
ber Long−Haul Transaissio
n) J 、 I E EEジャーナル オブ クワ
ンタム エレクトロニクス、QE18.第4号、198
2年4月、705〜717頁の論文に開示されている。
くして先を尖らせ、その先端を溶かすことにより作製さ
れる。先細にするためには、ファイバの端の部分を酸の
中でエツチングするか、或いはファイバの一部を熱し、
熱せられた部分を引っ張って離す。加熱は、炎、アーク
、又はレーザにより行われる。その結果としてできるマ
イクロレンズは、形は半球状であり、不運なことに、常
に利用可能なレーザ放射の典型的には50パーセント(
−3dB)以下、最高でも55パーセント(−2,5d
B)Lか集光しないといった不完全な結合を示す。レー
ザからの残りの光は失われる。
月5日に出願された米国特許出願第07/333.23
0号(H,M、ブレスビー、ケース3つ)は、光ファイ
バの端に任意の形状のマイクロレンズを作製する新しい
レーザ機械加工技術を開示している。先細にする技術に
よるマイクロレンズの作製と比較すると、この技術によ
るマイクロレンズの作製は簡単になり迅速になるが、こ
れらのマイクロレンズはまだ比較的高い結合損失(例え
ば、1.5乃至4.5dB、特許出願の第5図を参照の
こと)を示している。
光フィードバックを伴った低損失レーザファイバ結合(
Low−Loss La5er−to−Fiber C
oupling vlth Negligible 0
ptical Feedback) J 、 ジャー
ナル オブ ライトウニイブ テクノロジーLT3.第
2号、1985年4月、294〜302頁において、マ
イクロレンズの形を半球面形から非球面(双曲線)形に
変えることで、光パワーのフィードバックを同時に減少
させてレーザとファイバの結合効率を改善させる試みを
述べている。
より作製される。まず大きな直径(d−240μm)で
短い長さ(約1mm)のシリカロッドを単一モードファ
イバ(コアの直径は一般的には10um)に接続し、シ
リカロッドの本来の直径よりも大きな直径(d−355
μm)の半球形レンズを作るためにシリカロッドの自由
端を熱し、半球の中央の先に純粋な石英の小滴を付け、
その結果としてできるレンズの形がほぼ非球面レンズの
形になるように小滴をレンズ本体中に溶は込ませるため
にレンズを再び溶かす。しかし、この製造工程は光フィ
ードバックの減少を導くが、結合効率が40パ一セント
以上でその最高値が僅か70パーセントであるため、結
合効率の改善は十分に効果的ではない。それ故、光デバ
イスと光ファイバとの結合効率を先行技術の結果以上に
増やすことが、いまだに望まれている。また、マイクロ
レンズは簡単で迅速な仕方で再現性良く作製されるべき
である。
した光ファイバの端にあるマイクロレンズを有する光通
信パッケージと、55パーセント(−2,5dB)を越
える改善された結合効率が可能なマイクロレンズの作製
物とを用いた、光ファイバの端にあるマイクロレンズに
よる光デバイスと光ファイバ間の光エネルギの効率的な
結合に関する。本発明によれば、無コートレンズでは9
0パーセント或いはそれ以上(0,45dBの以下の損
失)、反射防止コートレンズでは95パーセント或いは
それ以上といった、70パーセントを越える結合効率が
得られる。
悪い結合性能を示している。そこで本発明者らは、悪い
結合性能は、ファイバ切断、モード不整合、球面収差、
及びフレネル反射から生じる損失といった損失に寄与す
る幾つかの要因の結合から起こると理解してきた。これ
らの損失のうちの最初の3つは主にマイクロレンズが半
球面形であることによると認識した後、レーザといった
光デバイスから出された放射が最適に集められるための
マイクロレンズの形を設計した。最適なマイクロレンズ
の形は比較的短い焦点距離fを持つ実質的には回転双曲
面であり、それは次のように表される。
れぞれレンズの材料及びレンズの周囲の媒体の屈折率で
あり、ρは軸の座標であり、fはレンズの焦点距離であ
り次式で定義される。
光ファイバのモード半径であり、λは光デバイスから放
射される光の波長である。ω0とω1の典型的な値は、
小さな焦点距離をもたらし、例えば、ωo−1μm及び
ω1−5μmだとfは12μmとなる。このマイクロレ
ンズは、非常に低い結合損失を示し、55パーセントを
越える結合効率を示し、好ましくは70パーセントを越
え、最も好ましくは90パーセント或いはそれ以上とな
る結合効率をもたらす。この場合の損失は主に反射によ
るものである。ここでX及びy方向に対称なガウシアン
モードを有する理想的なレーザでは、典型的には、レー
ザのモード半径ω○−1μm5ファイバのモード半径ω
1−5μm1動作波長λ−1,3μmに対して、その反
射は0.22dBである。マイクロレンズ上に反射防止
コーティングをすると、理論的には放射エネルギのほぼ
100パーセントを集光することが可能になる。
に取り込む能力は、今日までは単なる他愛のない希望に
過ぎなかった。本発明に従って設計された双曲線マイク
ロレンズを使用することにより、はとんどすべての通信
システムにおいてかなりのシステム改善を行うことが可
能となる。本発明は、光ファイバを半導体レーザに結合
するときだけでなく、半導体増幅器やファイバ増幅器や
ファイバ増幅器用のポンプ源に結合するのにも適用され
る。光ファイバからの光をこのマイクロレンズでフォト
ディテクタといった受光デバイスに結合させるとき結合
効率が同様に改善されると期待される。最適なマイクロ
レンズの形を用いた改良されたシステム性能との関係は
様々で、広範囲に及び、ファイバがレーザ若しくは1曽
幅器を含む光デバイスに結合される領域のほとんどすべ
てを覆う。
レーザといった光デバイスへの結合において、半球面マ
イクロレンズに比べて数dB程度と極めて優れている。
さえも簡単なものではない。これらのような微視的なレ
ンズは、結合の増大を十分に実現するためにはサブミク
ロンの精度を持たなければならない。
月5日に出願された米国特許出願第07/333.23
0号(H,M、プレスビー、ケース39)で述べられた
、レーザミクロ機械加工による光ファイバの端部上へマ
イクロレンズを作製する近年発展した技術を、これらの
双曲線の形状をしたマイクロレンズの作製に利用しても
よい。
効率よく形成するために十分な制御がなされる。このプ
ロセスにおいて、ファイバの長手方向の軸のまわりを回
転しているファイバは、機械加工の道具が金属ロッドか
ら材料を除去するようにシリカファイバを融除する狭く
集光されたレーザ光線の中および周りに移動される。
効率的な結合に関する。本発明は、光ファイバの端部に
マイクロレンズを設けることで達成され、このマイクロ
レンズは、55パーセントを越え、好ましくは70パー
セントを越え、最も好ましくは90パ一セント台の高い
結合効率を可能とする。
に影響を与える様々な制限を考慮し、光線追跡法を用い
た後で得られた最適なマイクロレンズの形は、実質的に
回転双曲面である。これらのレンズは、光波源に結合さ
れた際、ほぼ最適な性能を示す。無コートマイクロレン
ズは、主に反射損失を被る。計算によると、ただ反射だ
けにより制限される無コート非球面レンズは、理論的に
は、X及びy方向の対称的なガウシアンモードを有する
典型的なレーザに結合するとき、約0.22dBの損失
しか受けない。モード対称な半導体レーザ源及び反射防
止コートマイクロレンズの結合効率は、95パーセント
或いはそれ以上と予想される。
端部に形成された典型的なマイクロレンズ1を示す概略
図である。この実施例において、光ファイバは、5μm
のシリカベースのコア3と125μmの外径のクラッド
を有する典型的な単一モード光ファイバである。マイク
ロレンズは光ファイバの境界の内側にあり、コア及びク
ラッドの少なくとも一部と同一の広がりを持つ。
パッケージを示す概略断面図である。その一方の端にマ
イクロレンズ1を持つ光ファイバ2の長さは、はめ輪5
に固定され、さらにハウジング7内にレーザ6と一直線
になる関係に組み立てられる。ハウジングから突出して
いるファイバのピグテール部8は、単独で或いは他のピ
グテイルと共に、適切なコネクタ(図示せず)を経て長
距離光ファイバに接続される。
クロレンズの概略図が、第3図に示されている。この例
では、レーザから進行している発散する球面波を平面波
に変えるレンズの形は、半球形レンズの結合損失に寄与
する特定の要因を考慮して導かれる。光ファイバをレー
ザに結合するためにそのようなマイクロレンズを使用す
ると、第4図に表されるような優れた結合効率が得られ
る。第4図では、レーザビームウェストω0の関数とし
て、レーザ及び整合する双曲線マイクロレンズ間の結合
効率が描かれている。ここでω0はレーザのモード半径
である(曲線はファイバモード半径ω1−5μmでλ−
1,3μmを基礎としている)。
であればfは12μmζなる。ω0゜ω1.λの値が異
なれば、異なる焦点距離を導く。
部と一体式構造で形成される。好ましくは、このマイク
ロレンズは、この明細書に取り入れられた、H,M、ブ
レスビーの名前で1989年4月5日に出された米国特
許出願箱07/333゜230号CH,M、ブレスビー
、ケース39)に開示された、近年発展したマイクロレ
ンズ作製技術を利用したレーザミクロ機械加工により、
形成される。説明のために、この出願の第1図及び第2
図を第5図及び第6図としてここに再び示す。
マイクロレンズ1を作製するための装置10の実施例を
示す。マイクロレンズを作製するためには、まず絶縁材
が取り除かれた望みの長さのファイバが、ファイバの一
部がホルダから突き出るように、ホルダ13の穴の中に
挿入される。
るマイクロポジショナ12の上に固定される。マイクロ
レンズは、その縦軸のまわりに回転しているファイバの
突き出た端部上にレーザ光線20を集光するための集光
装置16.18及び19を有するCO2レーザ或いはエ
キシマレーザであるレーザ15から供給された狭いパル
スレーザ光線20を用いて、形成される。レーザ光線は
、ファイバの縦軸に対して0度くθく90度である鋭角
θでファイバの端部に当たる。レーザミクロ機械加工が
、ファイバの端部に双曲線形のマイクロレンズ1を作製
するために、所定の方法でファイバの小部分を融除する
ことにより実施される。
マイクロレンズを形成するのに十分な材料だけを除去す
る。形状の制御は、操作者により、例えば、形作られて
いくファイバの端部の縦断面の輪郭を、モニタ23のス
クリーンのようなスクリーン22上の所望のレンズ形状
の型板の縦断面図の上に既知の方法で重ねさらに端部の
輪郭がスクリーン上の型板の縦断面と一致するようにフ
ァイバをレーザミクロ機械加工することにより、成され
る。ビデオカメラ及びモニタに結合された長範囲の顕微
鏡を有するモニタリング装置の例は、この明細書に引用
例として取り入れられた1987年12月1日にヘルマ
ンM、ブレスビーに発行された米国特許第4,710,
605号に開示されている。この技術の代わりに、レン
ズ形成は、マイクロレンズの所望の輪郭を得るために開
発されたコンビニ−タブログラムにより制御されてもよ
い。
とで作製された双曲線マイクロレンズのレンズ輪郭は、
第1図に示されるようなものである。マイクロレンズ1
は、少なくとも、結合が起こる場所であるファイバのコ
ア領域あたりは、双曲線に良く近似し、さらにファイバ
のクラッド領域に向って少なくとも部分的に広がる。レ
ーザミクロ機械加工技術により作製された本発明による
形状を有する多数のマイクロレンズは、様々な注意深く
計測された半導体レーザからファイバに結合された光パ
ワーを測定することで評価される。
質を示す。典型的には、フィードバック制御を伴わない
レーザ機械加工技術で作製された無コートレンズは、0
.5dB以下の損失を達成する。レーザ機械加工をより
精密に制御することにより、再現性のある0、22dB
という計算された結合損失値に匹敵する実際の損失値を
有する無コートレンズの作製が可能となる。このように
、90パーセントまたはそれ以上の結合効率を有するレ
ンズの再現性のある製造が、実行できる。
て、広く使用されている半球面マイクロレンズの種種の
損失寄与要因が調査され、レンズ半径を関数とする結合
効率が種種のレーザパラメータのもとで計算された。そ
の結果の分析から、半球面マイクロレンズを伴った典型
的な系での最大の結合効率は約56バーセン) (2,
5dB)に制限されることが明らかになった。これは、
G。
イバへの結合技術の効率及びフィードバック特性の比較
(Comparison of EfTicieney
and Feedback Characteris
tics of Techniques ror Cu
ppHng Sem1conductor La5er
to Slngle−Mode Fiber) J
、アプライド オブティクス、第22巻。
頁で報告された結果と良く一致する。
FT)、モード不整合(M)、球面収差(A)、及びフ
レネル反射(R)から起こる損失を含む、幾つかの起こ
り得る損失寄与要因の組み合わせから生じることを認識
し、さらにこれらの要因を除去することで、はとんど完
全な光パワーの結合が可能になると認識してきた。ここ
で以下に、レーザを半球面マイクロレンズに結合する際
のこれらの起こり得る損失源が考察され、結合効率への
これらの効果が定量的に評価される。場の1/e振幅半
径をモード半径ωと言い、ω0及びω1はそれぞれレー
ザモード半径及びファイバモード半径を表す。この分析
で用いられた典型的なシステムのパラメータはωo=1
.0μm、ω1−5.0μm、λ−1,3μmである。
想的な、円対称のガウシアンの場の分布が仮定される。
モード異方性による損失を加えればよい。一般的に付加
される損失は小さい。すなわち、例えば、モード比ω
/ω −0,8の場合は、 y 約0.2dBの結合損失を生じる。
合効率を定義することが望ましい。第7図に示されるよ
うに、ω1は一つのガウシアンモードのモード半径を表
し、ω2はもう一つのガウシアンモードのモード半径を
表す。一つのモードから別のモードへの結合パワーは、
次の式で与えられる。
。位相項e′2yrP/2は結合された節点間の位相不
整合を表す。これらは、H,コゲルニクの「光モードの
結合及び変換係数」、クアジオブティクスに関するシン
ポジウムのプロシーディング、ポリテクニック プレス
、プルツクリン。
ている。
には解けない。この配置では、ω1はファイバのモード
半径を表し、ω0はレーザのモード半径を表し、ω2は
広がっていくレーザ光線のモード半径を表す。以下で明
らかになるように、結合は、マイクロレンズの形状と次
数に非常に大きく依存している。
径ω0を有するレーザ85から距離dだけ離れている。
と、モード半径ω0はω2の値に広がり、その位相面は
曲率半径R2を持った球ニなる。この29のパラメータ
は、次式で関係付けられる。
半径である。これらは、H,コゲルニクとT、りの「レ
ーザ光線と共振器(Laser Beams andR
esonators)J 、アプライド オブテイクス
、第5巻(1966年)、1550〜1567頁に示さ
れている。いま反対方向に進行する光を想像するならば
、ファイバ内を伝播する平面波は、レンズ81により球
形に収束する波に変えられる。収差を無視すると、この
波は、曲率半径R1のまた球面形である位相面を持つ。
典的に与えられる。
率である。これらは、M、ホルンとE、ウルツの「光学
の原理(Principles of’ 0ptics
) 第6版」、ペルガモン プレス、オフスフオード
。
るように、レンズの焦点にあるとき、最適な性能が得ら
れる。このように、広がるレーザ光線の位相面がレンズ
本来の変形された位相面と整合するように、拡大するレ
ーザ光線のモード半径ω2を決定することか必要である
。
幅に対して半球面マイクロレンズが小さいことから生じ
る損失源が調べられる。この効果の大きさを認識するた
めに、第9図に概略的に示されている切断されたファイ
バ92の端にある典型的な半球面マイクロレンズ91を
調べる。レンズ91の形状はほとんど真球であり、およ
そ10μmの曲率半径を持つ。このレンズは、半球面レ
ンズ91が円柱状ロッド92の端部に示されている第1
0図で理想化されている。
ズ表面と交差し、そこでその後、光線は次式で与えられ
る角度で反射及び屈折する。
及びR2はそれぞれレンズと周囲の材料、例えば空気、
の屈折率であり、ρは光軸から光線がレンズ表面を交差
する点までの(又は光線がレンズ表面を交差する点から
の軸から外れた位置の)距離を表す軸座標である。
π/2に達するまで増加する。最大値π/2は、入射角
が次式で表される臨界角に達するときに起こる。
に全反射される。三次元では、 ρ−ρmaxは、開口の境界として作用する光軸のまわ
りに円を描く。円の内部を通過するすべての光線は、レ
ンズに受は入れられ、さらに伝導され、他のすべての光
線は拒絶される。第9式と第10図から、次式で表され
る臨界半径を得る。
−1,46でR2−1,0の光ファイバでは、レンズの
断面積の50パ一セント未満が光を集め通す。臨界限界
を越えたレンズの外郭部は、幾何学的な陰にあるため、
レーザからの光を受は取ることができない。
る。結合方程式(第3式)はこのように評価され得るが
、ρ−0からρ−ρ まで分 a x 子における積分を有する。
FT−ファイバ切断とラベルを付けられた曲線で示され
る。レンズ半径の減少は開口の縮小を伴うので、小さい
半径ではファイバ切断による損失は非常に大きいことに
注意を要する。この損失は比較的大きなレンズ(すなわ
ち、約18μm以上の半径を持つレンズ)では小さいが
、そのような大きいレンズはモード整合と両立できず、
次の半球面マイクロレンズの制限的特徴であるモード不
整合を導く。
レンズ半径に強く依存する。収差を無視すると、最大の
結合は、レーザ波面の曲率の中心が第5式で定義された
球面レンズの焦点に位置するときに起きる。与えられた
レーザとレンズにおいて、最適な分離距離d が存在す
る。この最適値未満の距離では、波が伝播するにつれて
波は発散し続ける。d より大きな距離では、波は収束
し、それから発散する。
とレンズ半径RLは次式で関係付けられる。
すために用いると、レンズ半径の関数として第3式を数
値的に解くことができる。この損失源は第11図におい
て、「M−モード不整合」と、ラベルが貼られた曲線に
より表される。29のモードが完全に整合する最適なレ
ンズ半径Rt、 −R8があり、損失は零である。ωo
−1では、最適レンズ半径R−6,25μmである。し
かし、R0≠R0では、29の波動関数は整合せず、損
失は急激に増加する。モード不整合は、今度はレンズ半
径と共に増加する焦点距離と共に増加する(M5式)。
大きなレンズ半径では、この損失は非常に大きなものに
なる。
ていると見られる。考察する第3の損失源は球面収差で
ある。球面レンズの特徴を制限する原理は球面収差であ
ることは良く知られている。
、ヘクト、「光学(Optics) 第2版」 (ア
ディソンーウェスレイ;リーディング、マサチューセッ
ツ、1987年)、221〜223頁に示されている。
である程度をいう。すべての球状に形成されたレンズ、
特に光線が光軸から極めて遠くを通過するレンズは、球
面収差を受ける。
から生じる。収差因子F−ei2”P/2(ただしPは
位相誤差項である)を第3式に包含することにより、半
球面マイクロレンズに対する球面収差の影響の大きさを
評価することができる。
離れてファイバ内をレンズに向かって伝播する2本の光
線において、位相誤差Pは、近似的な光路長を結合する
ことで軸から離れた位置ρの関数として数値的に計算で
きる。
)であり、fは近軸焦点距離である。
、第11図において八−球面収差とラベルを付けられた
曲線により表される。レンズと実際に交差した光線しか
この収差を受けないので、積分はすでにファイバ切断の
節で定義したρ までしか行われないことに注意を
要する。
る損失は、RL−Rmにおいて最大になる。R未満の半
径では、パワーは切断効果により失われる。より大きな
半径では、開口は増加するが、ビーム幅は一定のままで
ある。結果として、ビームは、球面収差が零に近付く、
軸の周りに制限されたレンズのより小さな断面積を通過
する。
は約0.:3dBである。
生じる。29のモードの結合に対する反射の効果を計算
するために、レンズの修正透過係数が、結合方程式(第
3式)内に因子として包含される。このレンズ係数は、
平行及び垂直標準透過率の2乗根の平均で近似される。
。)入射角及び反射角は、第6式及び第7式で与えられ
る。この因子を第3式に代入すると、次式を得る。
X する。
解け、その結果は第11図においてR−反射とラベルが
付1才られた曲線により表される。
ンズは最も大きな平均入射角を有し、それ故最大の反射
をもたらすからである。レンズ半径が増えると、曲線は
、平面界面の損失であるり η□−−−0.15dBに近付く。
包含される。
過係数(第16式)である。接種のレンズ/レーザのパ
ラメータのもとで第20式を解くと、レーザ結合のため
の半球面レンズの最良な可能な性能を示す一連の一般的
な曲線が得られる。そのような曲線群の一つが、動作波
長λ−1,3μmでの接種のレーザ/ファイバのモード
半径比における結合効率をレンズ半径の関数として描い
た第13図に表されている。
m1ファイバモード半径ω1m5μm1及びλ−1,3
μmという典型的な系のパラメータを見ると明らかにな
る。これらの値では、理想的な円対称ガウシアンレーザ
出力において可能である最大の結合効率は、−2,75
dBである。
合の目的で半球面マイクロレンズを使用すると厳しい損
失の不利益が払われることを示している。
、半球面マイクロレンズに固有の2.75dsの結合損
失は、少なくともファイバ切断、モード不整合、球面収
差、及びフレネル反射という要因から生じる。最大の結
合効率を求める際、これらの損失源を除去する、或いは
少なくとも減らすことが必要である。フレネル反射は、
適切な反則防止(A R)コーティングにより減らすこ
とができる。他の3つの損失源、即ち球面収差、ファイ
バ切断、及びモード不整合も除去されるべきであり、そ
の結果理想的なマイクロレンズは、すべてのレーザ放射
を集光するために大きな数値の開口を持ち、レーザモー
ドとファイバモードを完全に整合させる焦点距離を有し
、さらに球面収差を有するべきでない。
で得られる。無収差レンズは、すべての光線を位相を揃
えて焦点に収束させる。即ち、−定の波面から焦点まで
のすべての光路長は等しい。
、Lは第14式で与えられる。第14式及び第21式か
ら次式が得られる。
率の相対値に依存する。n 2 > n 1では、第2
2式乃至第24式は楕円を表す。しかし、レーザとファ
イバの結合の場合では、レンズ媒質の屈折率n は周囲
の材料の屈折率n2よりも大きい。それ故、双曲線が球
面収差を除去するための理想的なレンズ形状である。
利益が得られるが、明らかに、単なる実質的に回転双曲
面である形状でも、最適よりは劣るがいまだに利益があ
る結果が得られる。本発明の目的のために、マイクロレ
ンズの形状は実質的に回転双曲面であると言われる。こ
のときマイクロレンズの形状は、第22、第23、及び
第24式a及びbが、これらの式で与えられる値から、
この適用内で定義されたように少なくともファイバ切断
、モード不整合、及び球面収差から生じる光の結合損失
を実質的に除去することをいまだに可能にする量だけ異
なる。
される性能を計算できる。レンズの形状は、双曲線の漸
近線と2本の線を伴った第3図に示される。半球面マイ
クロレンズと異なり、双曲線マイクロレンズはファイバ
切断の撓失を被らない。しかし、双曲線レンズは収容円
錐を持たないので、十分に発散する源においては、焦点
から出た幾つかの光線はレンズとまったく交差しない。
=1.45.n2−1.0. ωo−1μm、ω1
−5μmを用いると、θ8槙43 が得られる。λ−1
,3μmのレーザ光源は、無交差放射による顕著な損失
を有するために、ω0<0.55μmのモード半径を持
つ必要かある。(H,コゲルニク、T、りの前出の論文
を参照のこと。)双曲線レンズに収容円錐も存在するが
、それは大きいので、はとんどの半導体光源にとり要素
ではない。
ードを完全に整合させるか調べる。第21式と第22式
に見られるように、aとbはどちらも古典的焦点距離f
に線形状に依存する。結果として、焦点距離はレンズの
スケールのみに依存する。レーザに結合すると、焦点距
離は、ω0゜ω 及びλに依存し、モしてR2−fとし
て第4式を解くことで得られる。このようにレンズのス
ケールはモード不整合を完全に除去するために調整され
る。
論反射防止コーティングで除去できる。
結合効率を計算する。半球面マイクロレンズで用いられ
た方法と同様の方法で、次式を解くことができる。
数である。反射角及び回折角は、2が双曲線図形を表す
として(第20式)、第6式及び第7式のように与えら
れる。今はファイバ切断効果がないので、第26式の積
分は零から無限大まて行われる。無コート双曲線マイク
ロレンズの結合損失は、レーザモードω○の関数として
第4図に示される。レーザモード半径ωo = 1.0
μm。
3μmの典型的な場合では、結合損失は約0.22dB
であると示されている。
変更及び修正が、広い意味で本発明から離れずに為され
ることは当業者には明らかである。
レンズを有する光ファイバを示す概略図図である。 第2図は、レーザとレーザに面する端部にマイクロレン
ズを有する光ファイバとを含む典型的な光通信パッケー
ジを示す概略断面図である。 第3図は、レーザのモードに合うように設計された典型
的な理想的な双曲線マイクロレンズを示す概略図である
。軸から外れた2本の光線は、収差による変位はまった
く持たずに漸近線の交点を越えて収束することが示され
ている。関連パラメータは、レーザモード半径ωo−1
μm、7アイバモード半径ω1−5μm1及びλ−1,
3μmである。 第4図は、ファイバモード半径ω1−5μm及びλ−1
63μmにおけるレーザモード半径ω○の関数として、
整合している双曲線マイクロレンズへのレーザの全結合
効率を示す図である。 第5図は、光ファイバ端にマイクロレンズを作製するの
に利用されたレーザ機械加工装置を示す図である。 第6図は、第5図で示された装置の一部を示す拡大図で
ある。 第7図は、そのそれぞれがω1とω2のモード半径と、
曲率半径がR□とR2である位相面とを有する29のガ
ウシアンモードの結合を示す図である。 第8図は、レーザとマイクロレンズの結合を示す概略図
である。光が半導体レーザの面(ファセット)から伝播
すると、レーザモードは最小の半径ω0からより大きな
半径ω2に広がる。ファイバはモード半径ω1を持つ。 第9図は、切断されたファイバの端部に半球面マイクロ
レンズを有する切断された従来の光ファイバを示す概略
図である。マイクロレンズのおおよその曲率半径は10
μmである。 第10図は、半球面マイクロレンズの理想化された示す
図である。 第11図は、4つの損失源、であるファイバ切断、モー
ド不整合、球面収差、及びフレネル反射における、レン
ズ半径RLの関数として、レーザの半球面マイクロレン
ズへの結合効率を示した図である。関連パラメータは、
レーザモード半径ωo = 1μm1ファイバモード半
径ω1−5μm1λ−1,3μmである。 第12図は、球面収差の計算のための一般的な半球面マ
イクロレンズの形状を示す図である。 第13図は、様々なレーザ半径ωo1ファイバモード半
径ω1−5μm1及びλ−1,3μmの場合の、レンズ
半径R2の関数として、レーザの半球面マイクロレンズ
への全結合効率を示す図である。 記号の一覧表 ここで用いられた記号は以下のように定義される。 ω −場の振幅が1 / eとなる半径(モード半径)
ω0−レーザの最小モード半径 ω1−ファイバのモード半径 ωっ一レーザの広がったモード半径 λ −レーザの放射波長 f −レンズの焦点距離 d −レーザの前面(フロントファセット)からレンズ
までの距離 RL−レンズの曲率半径 R1−ファイバから周囲の媒質に伝播する収束波面の曲
率半径 R2−発散するレーザ波面の曲率半径 R−球面収差による最大の損失を有するレンズの半径 2−レンズの軸の座標 ρ −レンズの半径の座標 η2−29のモード間の結合効率 マユ−ファイバ内の場の波動関数 マ2−レーザから放射される場の波動関数n1−レンズ
材料の屈折率 R2−レンズの周囲の媒質(例えば空気)の屈折率 θ、−入射角 θ、−透過角 θ −反射角 θaミーミー曲線レンズ容円錐(半分の角)マイクロメ
ータ FIG、4 レーザのモード半径 000m) FIG、1 4クラ1ド FIG、7 FIo、8 FIG、9 先行技術 2 FIG、10 FIG、11 RL(JAm) FIG、13
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 (1)光デバイスと、光ファイバと、これらの光ファイ
バと光デバイス間の光パワー結合を改善するマイクロレ
ンズとを有し、上記マイクロレンズは、ファイバの境界
内にあり、さらに、少なくともファイバ切断、モード不
整合、及び球面収差から生じる光結合損失が実質的に除
去されるように選択された輪郭である実質的に回転双曲
面を有することを特徴とする光通信パッケージ。 (2)上記マイクロレンズは、光ファイバの凸状の端部
を有することを特徴とする請求項1記載のパッケージ。 (3)光ファイバは、コア(3)及びクラッド(4)を
有し、さらにファイバの凸状端部の実質的に全コア部は
、実質的に回転双曲面を有することを特徴とする請求項
2記載のパッケージ。 (4)ファイバの凸状端部のクラッド部の少なくとも一
部は、実質的に回転双曲面の一部を有することを特徴と
する請求項3記載のパッケージ。 (5)上記結合損失の除去により、結合される光パワー
の70ないし90%の結合効率をもたらすことを特徴と
する請求項1記載のパッケージ。 (6)上記結合損失の除去により、マイクロレンズのフ
レネル反射を実質的に除去するための、マイクロレンズ
上の反射防止コーティングを設けたことを特徴とする請
求項1記載のパッケージ。 (7)上記光デバイスは、レーザと、半導体増幅器と、
光ファイバ増幅器と、ファイバ増幅器用ポンプ源よりな
る光デバイスのグループから選択されることを特徴とす
る請求項1記載のパッケージ。 (8)結合される光パワーの波長λは、 0.8乃至1.6μmの範囲内で、ほぼ、1.3μmに
等しいことを特徴とする請求項1記載のパッケージ。 (9)上記実質的な回転双曲面は、次式の、▲数式、化
学式、表等があります▼ で表され、この式において、zはレンズの軸の座標であ
り、n_1及びn_2はそれぞれレンズの材料及びレン
ズの周囲の媒質の屈折率であり、ρは軸座標であり、さ
らにfはレンズの焦点距離で、次式の、 f=πω_0ω_1^2/λ(√ω_1^2−ω_0^
2)で表され、この式において、ω_0は光デバイスの
モード半径であり、ω_1は光ファイバのモード半径で
あり、λは結合される光パワーの波長であることを特徴
とする請求項1記載のパッケージ。 (10)光デバイスの上記モード半径ω_0は、1μm
に等しく、光ファイバの上記モード半径ω1は、5μm
に等しく、結合される光エネルギの動作波長λは、1.
3μmに等しく、さらに、マイクロレンズの焦点距離が
、ほぼ12μmに等しいことを特徴とする請求項9記載
のパッケージ。 (11)光ファイバの境界内にあるマイクロレンズを用
いて光パワーの結合を改善し、この改善が、少なくとも
ファイバ切断、モード不整合、及び球面収差から生じる
光結合損失を実質的に除去するために、マイクロレンズ
が実質的に回転双曲面の形状を選択することによりなさ
れることを特徴とする光パワーと光ファイバとの結合方
法。 (12)上記マイクロレンズは、光ファイバの凸状端部
を有し、このファイバの凸状端部の全コア部は、実質的
に回転双曲面を有することを特徴とする請求項11記載
の結合方法。 (13)ファイバの凸状端部のクラッド部の少なくとも
一部は、実質的に回転双曲面の一部を有することを特徴
とする請求項12記載の結合方法。 (14)上記結合損失の除去により、結合される光パワ
ーの70ないし90%の結合効率をもたらすことを特徴
とする請求項11記載の結合方法。 (15)上記結合損失の除去により、マイクロレンズの
フレネル反射を実質的に除去するための、マイクロレン
ズ上の反射防止コーティングを設けたことを特徴とする
請求項11記載の結合方法。 (16)結合される光パワーの波長λは、 0.8乃至1.6μmの範囲内で、ほぼ、1.3μmに
等しいことを特徴とする請求項11記載の結合方法。 (17)上記結合は、光ファイバと、 レーザ、半導体増幅器、光ファイバ増幅器、ファイバ増
幅器用ポンプ源よりなるグループから選択された光デバ
イスの間で行われる ことを特徴とする請求項11記載の結合方法。 (18)上記実質的な回転双曲面は、次式の、▲数式、
化学式、表等があります▼ で表され、この式において、zはレンズの軸の座標であ
り、n_1及びn_2はそれぞれレンズの材料及びレン
ズの周囲の媒質の屈折率であり、ρは軸座標であり、f
はレンズの焦点距離次式の f=πω_0ω_1^2/λ(√ω_1^2−ω_0^
2)で表され、この式において、ω_0は光デバイスの
モード半径であり、ω_1は光ファイバのモード半径で
あり、λは結合される光パワーの波長であることを特徴
とする請求項11ないし17のいずれかに記載の結合方
法。 (19)光デバイスの上記モード半径ω_0は、1μm
に等しく、光ファイバの該モード半径ω_1は、5μm
に等しく、結合される光エネルギの動作波長λは、1.
3μmに等しく、さらに、マイクロレンズの焦点距離が
、ほぼ12μmに等しいことを特徴とする請求項18記
載の結合方法。 (20)a)モード半径ω_0の光デバイスとモード半
径ω1の光ファイバの間でのある動作波長λの光パワー
の結合に適したマイクロレンズの輪郭形状を選択するス
テップであって、この輪郭形状が、少なくともファイバ
切断、モード不整合、及び球面収差から生じる光結合損
失を実質的に除去するために選択されるステップと、 b)光ファイバの端部を上記輪郭形状を有する凸型状に
形成するステップと、 を有する光パワー結合効率を改善することが可能な光フ
ァイバマイクロレンズの製造方法。 (21)光ファイバは、コア及びクラッドよりなり、 ファイバの凸状端部の実質的全コア部は、実質的に回転
双曲面であり、 ファイバの凸状端部のクラッド部の少なくとも一部は、
実質的に回転双曲面の一部を有することを特徴とする請
求項20記載の製造方法。 (22)上記除去により、結合される光パワーの70な
いし90%の結合効率をもたらすことを特徴とする請求
項20記載の製造方法。 (23)結合損失の上記除去により、マイクロレンズの
フレネル反射を実質的に除去するためのマイクロレンズ
上の反射防止コーティングを設けたことを特徴とする請
求項20記載の製造方法。 (24)上記光デバイスは、レーザと、半導体増幅器と
、光ファイバ増幅器と、ファイバ増幅器用ポンプ源より
なる光デバイスのグループから選択されることを特徴と
する請求項20記載の製造方法。 (25)結合される光パワーの波長λは、 0.8乃至1.6μmの範囲内で、ほぼ、1.3μmに
等しいことを特徴とする請求項20記載の製造方法。 (26)上記実質的な回転双曲面は、次式の、▲数式、
化学式、表等があります▼ で表され、この式において、zはレンズの軸座標であり
、n_1及びn_2はそれぞれレンズの材料及びレンズ
の周囲の媒質の屈折率であり、ρは軸座標、さらにfは
レンズの焦点距離で、次式の、f=πω_0ω_1^2
/λ(√ω_1^2−ω_0^2)で表され、この式に
おいて、ω_0は光デバイスのモード半径であり、ω_
1は光ファイバのモード半径であり、そらにλは結合さ
れる光パワーの波長であることを特徴とする請求項20
記載の製造方法。 (27)光デバイスの上記モード半径ω_0は、1μm
に等しく、光ファイバの上記モード半径ω_1は、5μ
mに等しく、結合される光エネルギの動作波長λは、1
.3μmに等しく、さらに、マイクロレンズの焦点距離
が、ほぼ12μmに等しいことを特徴とする請求項26
記載の製造方法。 (28)マイクロレンズの上記形成は、上記光ファイバ
の端部をレーザミクロ機械加工することで行われ、この
形成は、レーザ光線を用いて光ファイバの端部を融除す
ることによりなされることを特徴とする請求項20記載
の製造方法。 (29)上記レーザミクロ機械加工は、 0度<θ<90度の上記端部上への入射角を有するでパ
ルスレーザ光線により行われることを特徴とする請求項
28記載の製造方法。
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