JPS62501732A - ファイバ−レンズ光カプラ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ファイバーレンズ光カプラ 本発明の背景 １、本発明の分野 本発明はシングルモードファイバに付随して用いるためのカプラに係る。

２、璽米呈晰勿艮述 シングルモード光部品の設計における共通、の問題は、効率よく安定な光結合を 実現することである。典型的な場合、この結合は与えられたデバイスの異なる部 分に配置された二つのシングルモード光ファイバ間である。二つのシングルモー ドファイバを結合する標準的な方法は、レンズ、しばしば傾斜屈折率（Ｇ　ＲＩ 　Ｎ）レンズ、を用い入力シングルモードファイバを通して入力ビームを広げる ことを必要とする。次に、広げたビームは光部品（場合によっては複数）を通り 、その後、第２のレンズが出力のシングルモードファイバのコア上にビームの焦 点をあわせる。

そのような方法に付随した問題は、ファイバ／レンズ界面での位置合せ誤差に対 する感受性である。この位置合せ誤差により、製作中の精密な微小位置合せの必 要性と、デバイスの使用中の安定なファイバ／レンズ結合を保持する必要性の両 方が生じる。

木造１順回４灯 カプラは適当な長さのマルチモードファイバを含み、それはレンズとして働き、 シングルモードファイバの端部に接続されている。

図面の簡単な説明 第１図はシングルモードファイバから出て、二乗側媒体を通るガウス型ビームの 伝搬を示す図；第２−４図は本発明に従い、傾斜屈折率マルチモードファイバー レンズを形成するために用いられる方法の例の各工程を示す図； 第５図は本発明に従い形成されるステップ−インデックスマルチモードファイバ ーレンズを示す図；第６図は本発明に従い形成されるマルチモードファイバーレ ンズを用いたシステムの例を示す図；第７図は本発明の例である４分の１ピツチ 長傾斜屈折率マルチモ一ドフアイバーレンズ結合装置と４分の１ピッチ長以上の 傾斜屈折率マルチモードファイバーレンズ結合装置の両方の場合の結合損失の軸 方向依存性をグラフで示す図； 第８図はレンズのないシングルモードファイバと本発明の傾斜屈折率マルチモー ドファイバーレンズカプラを用いたシングルモードファイバの場合の列について 、横方向の位置合せ誤差の関数としての結合効率をグラフで示す図である。

罷ｌじ］１川 本発明はマルチモードファイバの一部をレンズとして用いた光カプラを実現する 。好ましい実施例において、カプラは伝送ファイバの端部に、直接溶融される。

本発明を実施する際、任意の型のマルチモードファイバを用いてよく、二つの例 はステップ−インデックスマルチモードファイバと傾斜屈折率マルチモードファ イバである。

当業者には周知のように、パステップ−インデックス″というのは、屈折率ｎ。

をもつコア領域とｎ工の屈折率をもつクラッド領域を含み、ｎｏ＞　ｎｌでこれ ら二つの領域の屈折率間に明らかなパ段差″が存在するものをさす。

他方、傾斜屈折率ファイバはファイバ中のコアおよびクラッドの同心内層を形成 するために用いられる各種ガラスの関数で、従ってステップ−インデックスファ イバよりゆるやかな屈折率の変化となる。本発明とともに用いてもよい傾斜屈折 率ファイバの具体的な一つの型は、二乗側媒体として定義でき、その場合二乗則 媒体中の屈折率の半径方向依存性は で表わされる。ここで＋　ｎ、は光学軸上の屈折率と定義され、ｇは次式で与え られる焦点パラメータである。

ｇ＝φ「Δ／ａ ここで、Δはｎｏとファイバクラッド間の屈折率差、ａはコア半径である。第１ 図は、シングルモードファイバ（１２）を出て、二乗側媒体（１４）を通過する ガウスビーム（１０）を示す。ガウスビーム（１０）に付随した腰部およびビー ムサイズは、尚業者には周知の方程式から見出され、　Ｉ　Ｅ　Ｅ　Ｅ　Ｔｒａ ｎｓ、　Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　刊印りス国ｃｈ（アイ・イーイーイー・トランス ・マイクロウェーブ・セオリ・テクノロジー）、第ＭＴＴ−３０巻、第６号、１ ９８２年６月、８２−９３頁に発表されているＲ　、　Ｋ　ｉｓｈｉｍｏｔ。

（アール、キシモト）による“シングルモードファイバおよび二乗則媒体間の結 合特性″という記事の中に完全に述べられている。二乗側媒体（１４）を通過す るとき。

入力ビーム（１０）のＺ＝０において最も拡大するようにするため（これは多く の場合、最大結合効率を得るために望ましい）、二乗側媒体（１４）はπ／　２ 　ｇに等しい長さＬから成るべきである。ここで１ｇは第０（２）式で定義され る焦点パラメータである。これは当業者には４分の１−ピッチ二乗側デバイスと して一般的によばれている。二乗側実施例についてこの議論は例にすぎず、説明 のためであることを理解すべきである。なぜなら、本発明に従って形成されるフ ァイバーレンズは、焦点合せのできる任意の傾斜を用いてもよいからである。一 般に１本発明はレンズとして適当な長さの任意の型の多モードファイバを用いる ことに係り、それはシングルモードファイバ（１２）の端部に直接溶融され、そ れによりシングルモードファイバは他のファイバまたはシステム中の光部品に効 率よくかつ安定に光学的結合ができる。

伝送ファイバとファイバーレンズ間の位置合せ誤差を最小にして、″単一ファイ バ″の均一性の利点を実現するため、シングルモード伝送ファイバと同じ外径を もつマルチモードファイバーレンズを用いることが、必要ではないが望ましい、 二つのファイバは溶融により接続され、溶融ガラスの表面張力がマルチモードフ ァイバーレンズをシングルモードファイバに自己整合させる傾向をもち、従って 位置合せを容易にする。

本発明に従って形成されるカプラは、マルチモードファイバーレンズをシングル モード伝送ファイバに接続する任意の方法を用いてよいことを、理解すべきであ る。

たとえば、シングルモードファイバの端面にファイバーレンズを固着させるため 、ＵＶなましセメントを用いてもよい。あるいは、ファイバーレンズはシングル モード伝送ファイバの端面にエポキシでつけてもよい。しかし、好ましい装置に おいて、結合レンズは光ファイバの一部から形成し、従ってレンズをシングルモ ードファイバの端面に直接溶融させることが可能となる。上で述べたように、溶 融接合プロセスを用いることにより、その後の位置合せ誤差の問題に対し、より 頑強で感度の鈍い結合装置が実現する。第２−４図は、ファイバーレンズを形成 するために、傾斜屈折率マルチモードファイバの一部を用いた溶融プロセスの例 に含まれる工程を示す、第１の工程はシングルモードファイバ（１２）の端面を 、傾斜屈折率マルチモードファイバ（１６）の端面に溶融することである。この ことは第２図に示されるように、ファイバ（１２）および（１６）の端部を、た とえば電気アークのような加熱源（１８）中に置き、それによりシングルモード ファイバ（１２）と傾斜屈折率マルチモードファイバ（１６）間に１．低損失溶 融領域が形成される。

上で述べたように、入力ビームの最大の広がりは、もし傾斜屈折率マルチモード ファイバーレンズ（１６）が４分の１ピツチ長から成るならば起る。もし必要な らば（以下で述べるように、他の長さもしばしば望ましいが）そのような長さは 、単に所望の位置でファイバ（１６）をけがき折ることにより、得られる。しか し、この方法は制御が難しい。別の方法において、余分の構造的支持を作るため 、溶融ファイバ（１２）および（１６）は容器内に置かれ、その後、所望の長さ に研磨される。第３図に示されるように、毛細管（２０）はそのような容器に用 いてもよく、その場合、溶融ファイバ（１２）および（１６）はろうでみがくか 、エポキシで位置を定める。第４図は所望の４分の１ピツチ長を得るために、研 磨されたファイバーレンズカプラ（２２）を示す。最終的な研磨に続いて、容器 （２０）を除去してもよく、その場合そのような除去はカブラの大きさをできる だけ小さくする必要のあるとき必要となることがある。あるいは、更に安定させ 堅固にするため、もとのままにしておいてもよい。

第５図に示される別の結合装置においては、シングルモード伝送ファイバ（１２ ）の端面に溶融された一定の長さのステップ−インデックスマルチモードファイ バ（１６Ｓ）が用いられる。ステップ−インデックスマルチモードファイバーレ ンズ（１６ｓ）の長さは、十分な光結合を実現することのできるビーム幅が得ら れるよう選択される。当業者には周知のように、ステップ−インデックスファイ バのコアの半径は、ビーム幅に影響を与え、比較的大きなコア領域が本発明の目 的には望ましい。ステップ−インデックス−ファイバーレンズの形成において、 マルチモードファイバーレンズは第２図に示されるように、最初シングルモード 伝送ファイバの端面に溶融させる６次に、ファイバーレンズは研磨され、適当な 長さしにへき閲される。好ましくは、ファイバーレンズ（１６Ｓ）の端部は第５ 図に示されるような丸い端部を得るために、熱源中に置かれる。ファイバーレン ズ（１６ｓ）の丸い端面ば、ビームが無限に広がり続けるのを許すのではなく、 透過するビームを焦点にあわせる働きをする。

先に述べたように傾斜屈折率マルチモードファイバの一部から形成したファイバ ーレンズも丸い端面から成ってもよく、そのような構造は広角ビームを極端に焦 点にあわせる必要のある場合に有用である。

上で述べたように、ファイバーレンズの組合せ、たとえば溶融したシングルモー ドおよびマルチモードファイバ部分（１２）および（１６）をそれぞれ形成した ら、そのような組合せはマルチモードファイバの自由端に溶融できる別のシング ルモードファイバとともに用いる。

（図示されていない）。その結果、二つのシングルモードファイバ間に接して溶 融された一定のマルチモードファイバが得られ、その一つは中間のマルチモード （レンズ）ファイバを経て他の（出力）シングルモードファイバに光信号を結合 させる入力ファイバと考えることができる。

あるいは、以下で述べるように、二つの独立のファイバーレンズ構造は二つのフ ァイバーレンズ構造間に配置された光部品のための入力および出力結合手段とし て用いることができる。

４分の１ピツチフアイバーレンズは、二つのシングルモードファイバを近接して 結合させるか、比較的近接して保つとき有用であり、著しくずれて配置されたフ ァイバ間を十分結合させることはできない、たとえば数ミリメートルの範囲とい ったかなりの距離で、入力および出力ファイバを分離させることが、しばしば必 要である。

この場合、４分の１ピツチ傾斜屈折率フアイバーレンズは望ましくない。なぜな らば、ファイバーレンズを出るビームの焦点をあわせることは、完全でないから である。

すなわち、ビーム幅は広がり続け、出力ファイバへの結合がなくなる０間隔が大 きいと、４分の１ピッチ長より長いファイバーレンズを用いたとき、最適結合が 起る。

第６図はそのような装置を示す。この場合、各ファイバーレンズ（１６）は４分 の１ピッチ長より大きな長さＬ′から成る。

第６図を参照すると、誘導された入力光ビームＩはシングルモード入力ファイバ （１２Ｉ）を通過し、入力シングルモードファイバ（１２Ｉ）の端部に溶融され たマルチモードファイバーレンズ（１６Ｉ）から成るカプラ（２２Ｉ）に入る。

先に述べたように、ファイバーレンズ（１６Ｉ）は傾斜屈折率マルチモードファ イバの一部から形成され、４分の１ピッチ長しより大きな長さＬ′をもつ、（あ るいは傾斜屈折率ファイバは、部分的なビームの広がりを示すものを用いてもよ い）、従って、カプラ（２２Ｉ）からの出力ビーム１′は腰部Ｗ′の一点に集ま る。一点に集まったビームエ′は光部品（３０）を距離Ｘだけ通過し、これは多 数の光部品から成ってもよい。

光部品（または複数）（３０）の詳細な構造は、本発明にとって重要ではない、 光部品（場合によっては複数）（３０）を通過した後１分散出力ビーム（０′） とよばれる光ビームは、出力カプラ（２２０）に入る。出力カプラ（２２０）は 入力カプラ（２２Ｉ）と同じ長さＬ′をもっことができ（対象構成の場合、ただ し一般には所望の任意の長さをもってよい）入力カプラ（２２Ｉ）が反転動作を 行なうよう配置する。ここで２分散ビーム（０′）はマルチモードファイバーレ ンズ（１６０）を通過し、ここでそれは再び焦点をあわせ、出力シングルモード ファイバ（１２０）に結合される。ファイバ（１２０）は上で述べたように、マ ルチモードファイバーレンズの端部に溶融できる。

ファイバーレンズ長と結合効率９間の関係を更に説明するために、第７図は本発 明に従って形成されたファイ、バーレンズを用いた結合装置の二つの例の軸方向 のずれの関数として、結合損失（ｄＢ単位で）を示す。窮１の装置は一対の４分 の１ピッチ長（２５１μｍ）傾斜屈折率ファイバーレンズ（具体的にはＡＴ＆Ｔ 　６２．５　／１２５μｍファイバ）を用い、この場合この装置に付随した損失 は、曲線Ａで示されている。第２の装置は一対の傾斜屈折率ファイバーレンズを 用い、各ファイバーレンズは４分の１ピッチ長以上の長さく３００μｍ）をもつ 、予想されるように、４分の１ピツチ長フアイバーレンズ装置は、ファイバが近 接結合（すなわち軸方向のずれがゼロに等しい）したとき、最小損失ＯｄＢ　を 経験する。曲線Ｂはこの例の長さを拡大したファイバーレンズ装置が、入力およ び出力ファイバが約２５０μｍだけ離れたときＯｄＢ　結合損失を示すことを表 わしている。

４分の１ピツチ長フアイバーレンズ装置は、ファイバが５００μｍだけずれたと き、２ｄＢの損失を経験する。

これは長さを拡大したファイバーレンズ装置が２ｄＢ結合損失が観測される前に 、２００μｍ余分に約７００μｍの距離にずらすことができる所である。もし長 さを拡大したファイバーレンズを近接結合装置中で用いるならば、それは約０． ５　ｄ　Ｂの損失を示し、これは４分の１ピツチ長フアバーレンズ装置より０． ０　ｄ　Ｂ大きい。

第８図中に示されるように、本発明に従って形成されたファイバーレンズが、横 方向の位置合せ誤差に関して、レンズのないファイバと比較されている。ファイ バーレンズについてのデータは、実際の測定から得るが、　レンズのないファイ バについてのデータは、上で引用したＫｉｓｈｉｍｏｔｏ（キシモト）の記事か ら引用した式を用いて得る。第８図を参照すると１通常のレンズのないシングル モードファイバ間の５μｍの横方向のずれで、ずれがゼロのときの１００’％か ら約３０％に結合効率は減少する。

５μｍの許容量は最大許容量として、しばしば産業で用いられるから、このこと は重要である。本発明の傾斜屈折率マルチモードファイバーレンズ装置の例を用 いると。

この５μｍの許容量という産業的な指定内で、約８０％の結合効率が得られる。

事実、第８図を参照すると、シングルモードファイバ間の１０μｍの横方向のず れは、本発明のファイバーレンズ装置の例を用いれば、伝送を完全に不可能にす ることはしない、なぜならば、この位置合せ誤差で４０％以上の結合効率が存在 するからである。しかし、レンズのない装置を用いるとき、１０μｍずれた二つ のファイバ間では、伝送は本質的に失われる。

マルチモードファイバパラメータを選択的に選べば、軸方向および縦方向の位置 合せ許容量は、かなり増すことに注意すべきである。

上で述べた１対１結合装置に本発明の溶融ファイバーレンズを用いるのに加え１ 本発明はファイバアレイ結合装置を用いる場合にも適用できる。ファイバアレイ はしばしば″リボンｎ構成、すなわちＩＸＮアレイとよばれるものに構成される 。二つのリボンをともに接続することは、困難な仕事の例で、それはファイバが 相互に近接しているという性質のため、はとんど完全な位置合せを要求する。本 発明の溶融ファイバーレンズ結合装置を用いると、この位置合せの問題を克服で きる。なぜならば、上で述べたように、シングルモード伝送ファイバとマルチモ ードファイバーレンズの間に溶融領域を用いることにより、従来技術の結合装置 に付随した位置合せの問題が克服できるからである。

ＦＩＧ、／ 軸方向の“拷“才、（ミクｏ＞） 国際調査報告 ＡＮＮＥＸ　Ｔｏ　ＴＨＥ　ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ　５ＥＡＲＣＨＲＥＰ ＯＲＴ　０ＮＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ　ＡＰＩ’ｔＪＣＡＴＩＯＮ　Ｎｏ、 　ＰＣＴ／ＵＳ　８５１０２５６５　（ＳＡ　１１９４４）ＵＳ−Ａ、−４２７ ３ＬＯ９Ｌ６１０６／８１　ＮｏｎｅＵＳ−Ａ−３Ｂ２９ｉ９５　１３１０ａ／ ７４　ＮｏｎｅＵＳ−Ａ−４０７６３７５２８１０２／７８　Ｎｏｎｅ

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. １．シングルモード光ファイバ用光カプラ装置において、端面が前記シングルモ ードファイバの端面に固着されたマルチモード光ファイバを含むことを特徴とす る装置。
2. ２．請求の範囲第１項に記載された装置において、前記マルチモードファイバの 端面は、シングルモードファイバの端面に溶融されることを特徴とする装置。
3. ３．請求の範囲第１項に記載された装置において、前記マルチモードファイバは ステップーインデックス型で、そのもう一方の端面は丸い輪郭をもつことを特徴 とする装置。
4. ４．請求の範囲第１項に記載された装置において、前記マルチモードファイバは 傾斜屈折率型であることを特徴とする装置。
5. ５．請求の範囲第４項に記載された装置において、前記マルチモードファイバの 他端は丸い輪郭をもっことを特徴とする装置。
6. ６．請求の範囲第４項に記載された装置において、前記マルチモードファイバは ４分の１ピッチ長と規定されるような長さＬを有することを特徴とする装置。
7. ７．請求の範囲第３項に記載された装置において、前記マルチモードファイバは 付随した４分の１ピッチ長とは異なる長さＬ′を有することを特徴とする装置。
8. ８．請求の範囲第１項に記載された装置において、前記マルチモードファイバの 外径は、前記シングルモードファイバの外径と、本質的に等しいことを特徴とす る装置。