KR20060131726A - 광파이버 결합부품 - Google Patents

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KR20060131726A
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도요 가라스 가부시키가이샤
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Abstract

작동 거리를 크게 유지하면서 결합손실을 줄이는 것이 가능하며, 또한 모듈 조립성이 좋은 광파이버 결합부품을 개발한다. 광파이버의 일단에 적어도 1개 발광원(반도체 레이저 등)의 개구수 NAs보다도 큰 개구수 NA를 갖는 GRIN 렌즈를 융착 접속함으로써 발광원으로부터 방사된 광을 모두 GRIN 렌즈내에 진입시킬 수 있어, 광의 손실을 줄일 수 있다. 또, 개구수 NAf의 광파이버의 일단에 개구수 NA2의 제 2 GRIN 렌즈를 용융 접속하고, 또한 상기 제 2 GRIN 렌즈의 타단에 NA2 보다도 큰 개구수 NA1의 제 1 GRIN 렌즈를 융착접속 함으로써 발광원으로부터 방사된 광을 효율적으로 광파이버내에 진입시킬 수 있어, 광의 손실을 저감할 수 있다. 이 경우, NAf≤NA2<NAs≤NA1으로 하는 것이 바람직하다.
Figure 112006015182366-PCT00003
광파이버, 개구수, GRIN 렌즈, 발광원, 융착접속, 조립성, 굴절율.

Description

광파이버 결합부품{OPTICAL FIBER COUPLING COMPONENT}
본 발명은 광통신에서 사용되는 반도체 레이저 등의 발광원과 광파이버를 고효율로 결합하는 광파이버 결합부품에 관한 것이다.
반도체 레이저와 광파이버를 고효율로 결합하는 기술은 광통신에 있어서는 가장 중요한 기술의 하나이다. 예를 들면, 종래부터 구 렌즈나 비구면 렌즈 등의 렌즈를 사용하는 방법이나, 광파이버 선단을 구면으로 형성한 선구(先球) 파이버에 의한 방법(특허문헌 1 참조) 등이 사용되고 있다. 렌즈를 사용하는 방법은, 결합 효율을 비교적 높게 취할 수 있는 특징이 있는 반면, 반도체 레이저, 렌즈, 광파이버 상호간의 축 맞춤이 번잡해지는데다, 결합계 전체가 커지는 동시에 제조 코스트가 증대한다는 문제가 있었다. 또, 렌즈의 치수가 커 배치 스페이스를 차지하기 때문에, 복수의 반도체 레이저나 복수의 광파이버가 짧은 간격으로 배열되어 있는 반도체 레이저 어레이와 광파이버 어레이의 결합에는 사용할 수 없다. 한편, 선구 파이버에 의한 방법은, 소형이기 때문에 반도체 레이저 어레이와 광파이버 어레이의 결합이 가능하다. 이 선구 광파이버는, 단일 모드 광파이버의 선단에 반구 형상의 렌즈부를 일체 형성한 것이지만, 선구 광파이버를 제작하기 위해서는, 종래, 파이버의 선단부를 둥글게 연마하고 있었으므로, 양산성이 나쁘고, 손이 많이 간다 는 문제점이 있었다. 게다가, 광파이버의 선단이 구면이기 때문에, 구면 수차에 의해 결합 효율의 저하가 발생한다는 문제가 있다. 즉 레이저 단면으로부터 출사한 광선은 그 출사각에 의해, 단일모드 광파이버 단면에 상이한 위치 및 각도로 도달한다. 이 때문에, 광선에 따라서는 코어로부터 벗어나거나, 또는 코어에 도달해도, 코어에의 입사각이 임계각 이상이 되어 단일모드 광파이버를 전파하는 광선으로 되지 않아, 결합손실이 저하된다. 예를 들면, 표준적인 반도체 레이저를 사용했을 때의 결합손실은 6dB 전후이다.
이들 문제를 해결하기 위해서, 축 맞춤이 용이한 원기둥 형상의 분포 굴절율 렌즈(Graded Index 렌즈, 이하, 「GRIN 렌즈」라고 약칭한다.) 등이 사용되고 있다. GRIN 렌즈는 굴절율이 일정하지 않은(중심에 가까울수록 굴절율이 큰) 매질을 사용한 렌즈에서, 굴절율이 연속적으로 변화함으로써 렌즈 작용을 하는 렌즈이다. 이 GRIN 렌즈의 반경 방향의 굴절률 분포 n(r)은
n(r)=n0(1-(1/2)(gr)2)
로 표시된다(도 1). 여기에서 n(r)은 중심으로부터의 거리 r의 위치의 굴절율, n은 중심부의 굴절율, g는 GRIN 렌즈의 집광 능력을 나타내는 정수이다. 이 렌즈는 구면 수차는 비교적 작지만, 종래 존재하는 GRIN 렌즈에서는, 그 임계각이 20° 이하로 작기 때문에, 표준적인 방사 반치(半値) 전각 θ가 거의 25°인 광통신용의 반도체 레이저로부터의 광을 충분히 받아들일 수 없어 결합손실이 컸다. 그 때문에, 볼 렌즈와 GRIN 렌즈와의 조합이 사용되는 일이 많지만, 축 맞춤이 어 렵고, 조립 코스트가 증대하는 요인이 되고 있었다. 또, GRIN 렌즈의 선단을 구 형상으로 절삭가공 하여 외관상의 NA를 올리는(집광 능력을 높이는) 연구도 이루어졌지만, 양산성이 나쁘고, 손이 많이 가, 제조 코스트가 증대한다는 문제점이 있었다. 또, 종래, GRIN 렌즈는 다성분계 유리로 제작되었고, 그 연화점은 약 500-600℃이어서, 석영 유리를 주성분으로 하는 광파이버와 융착 접합할 수 없어, 광학 접착제를 사용하기 때문에, 축 맞춤이 어려운 동시에, 접착제의 광흡수에 의해 고강도 광이 입사한 경우, 온도 상승하여 접착제가 변질됨으로써 광학특성이 열화된다는 문제가 있었다.
이 접속 열화의 문제를 해결하기 위해서, GI(Graded-Index) 광파이버를 렌즈로서 사용한 구조도 제안되어 있다(특허문헌 2, 3 참조). 이 GI 광파이버는 코어 부분의 굴절율이 포물선 모양으로 변화하는 광파이버이다. GI 광파이버는, 광파이버와 동일한 석영제이기 때문에 광파이버와 융착 접속하는 것이 가능하여, 고강도 광에 대한 내성을 얻는 것을 기대할 수 있다. 그러나, 이 경우, GI 광파이버의 임계각이 20° 이하로 작(집광 능력이 작)으므로, 표준적인 방사 반치 전각이 거의 25°인 광통신용의 반도체 레이저로부터의 광을 충분히 받아들일 수 없어 결합손실이 크고, 또 실제로 렌즈로서 조립할 때의 취급성이 나쁜 것이었다.
특허문헌 1: 미국 특허 제3910677호 공보
특허문헌 2: 미국 특허 제4701011호 공보
특허문헌 3: 미국 특허 제5384874호 공보
특허문헌 4: 일본 특개평8-292341호 공보
발명이 이루고자 하는 기술적 과제
상기의 문제를 해결하기 위해서는, 반도체 레이저의 방사각을 충분하게 커버할 수 있는 광의 집광 능력이 높은(개구수가 큰) GRIN 렌즈의 개발이 요망된다. 특히, 표준적인 반도체 레이저의 방사 반치 전각은 25° 이상이기 때문에, 반도체 레이저의 광을 충분히 GRIN 렌즈로 인도하기 위해서는 적어도 임계각이 25° 이상을 갖는 GRIN 렌즈를 개발할 필요가 있다. 임계각은 광이 광파이버나 GRIN 렌즈에 그 축선에 대해 기울어 입사하는 경우, 광이 광파이버나 GRIN 렌즈 내에 진입할 수 있는 축선 에 대한 최대각이다. 통상 임계각의 정현 함수를 개구수(Numerical Aperture)(이하, 「NA」라고 약칭한다.)라고 칭한다. 반도체 레이저의 방사 반치 전각이 25°인 경우, 그 개구수 NAs는 0.43이므로, NA가 0.43 이상인 GRIN 렌즈이면, 반도체 레이저의 광을 모두 렌즈 내에 진입시키는 것이 가능하게 되기 때문에, 이러한 GRIN 렌즈가 요구되고 있다. 게다가, 반도체 레이저와 GRIN 렌즈, 광파이버의 광축 맞춤을 용이하게 하기 위해서 GRIN 렌즈의 열팽창 계수는, 광파이버와의 융착 접속을 가능하게 하기 위해서 석영의 열팽창 계수 5×10-7K-1에 대해 15×10-7K-1 이하가 요구된다. 이 융착 접속은, 생산성 향상의 필수 기술이며, 융착 접속함으로써, 광파이버와 렌즈의 경계면에서 반사되어서 반도체 레이저로 되돌아오는 광이 경감될 뿐만 아니라, 종래와 같은 접착제를 사용한 접속과 같이, 접착제의 광흡수에 의해 고강도 광이 입사한 경우, 온도상승하여 접착제가 변질됨으로써 광학특성이 열화되는 것과 같은 문제도 해소한다. 또, 거의 동일한 단면 형상을 갖는 광파이버와 GRIN 렌즈를 산소수소 버너 등의 화염하에서 융착하면 자기배열 효과(녹은 유리의 표면 장력에 의해 광파이버와 GRIN 렌즈 쌍방의 중심축이 자연히 일치하는 효과)에 의해, 지금까지의 현안이었던 정밀한 축 맞춤을 행하지 않고 광파이버와 렌즈의 중심축이 일치되어, 조립성이 대폭 향상된다는 큰 메리트가 있다.
이러한 광의 집광 능력이 높은 GRIN 렌즈를 사용하여 반도체 레이저의 광을 효율적으로 집광하기 위해서는, 광파이버의 선단에 NA가 높은 GRIN 렌즈를 직접 융착 접속하는 방법으로 해도 좋지만, 그때에는 3-4dB 정도의 결합 손실을 각오하지 않으면 안 된다. 이 이유는, 반도체 레이저 단면으로부터 방사한 광은, NA가 높은 GRIN 렌즈의 집광 효과에 의해 단일모드 광파이버의 단면에 집광하지만, 방사각도가 큰 광의 일부는 광파이버의 임계각 이상의 각도로 도달하기 때문이다. 특히 반도체 레이저의 임계각(이 정현 함수=개구수를 NAs라고 부른다.)이 광파이버의 임계각(이 정현 함수=개구수를 NAf라고 부른다.)보다도 큰 경우에는, 광선의 방사각도에 따라서는 광파이버의 코어로부터 벗어나거나, 또는 코어에 도달해도, 코어에의 입사각이 임계각 이상이 되어서 단일모드 광파이버에 입사할 수 없어, 결합손실이 저하된다는 문제가 있었다.
상기 문제를 해결하기 위해서, 코어와 클래드를 갖는 단일모드 광파이버의 일단과 코어레스 광파이버의 타단을 전파광의 사행 주기의 1/4의 길이 또는 그 홀수배의 길이의 자승형 굴절률 분포를 갖는 자승형 광파이버(GRIN 렌즈에 상당한다.)로 접속한 렌즈부착 광파이버(특허문헌 4 참조)가 제안되어 있다. 렌즈부착 광파이버는, 코어와 클래드를 갖는 단일모드 광파이버에, 전파광의 사행 주기의 1/4의 길이 또는 그 홀수배의 길이의 자승형 굴절률 분포를 갖는 자승형 광파이버(GRIN 렌즈에 상당한다.)를 접속한 것이다. 여기에서, 자승형 광파이버는 코어와 클래드를 갖고, 선단이 반구 형상으로 형성되어 있다. 상기의 광파이버를 사용하면, 반도체 레이저와 결합했을 때의 결합손실이 4dB 전후까지 저감되었는데, 실용상 요구되는 결합손실(3dB 이하)을 만족하는 것은 아니었다. 일반적으로, 반도체 레이저와 광파이버의 결합손실은, 작으면 작을 수록 광통신 시스템이 고성능으로 되고, 시스템의 구축도 용이하게 된다. 또 선단이 반구 형상으로 형성되어 있기 때문에, 제조 수율이 나빠 코스트가 상승하게 되었다. 선단의 반구 형상 렌즈와 반도체 레이저의 결합 효율을 극단적으로 저하시키지 않기 위해서는, 반구 형상 렌즈와 반도체 레이저의 단면 사이의 거리, 즉 작동 거리를 10㎛ 전후로 하지 않으면 안 된다. 이 때문에, 반구 형상 렌즈부착 광파이버를 반도체 레이저와 결합한 결합계를 조립할 때에, 반도체 레이저와 반구 형상 렌즈가 충돌하여, 사용불능으로 되는 결점이 있었다.
그렇지만, 작동 거리를 크게 유지하면서, 보다 낮은 결합손실을 실현하고, 또한 반도체 레이저, 렌즈와 광파이버의 광축 맞춤이 간이 하다는 요구를 동시에 만족하는 것은, 종래의 렌즈부착 광파이버에 관한 기술에서는 불가능했다. 본 발명은 상기의 점을 감안하여 이루어진 것으로서, 작동 거리를 크게 유지하면서 결합손실을 저감시키는 것이 가능하고, 또한 모듈 조립성이 좋은 GRIN 렌즈부착 광파이버와 레이저 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
과제를 해결하기 위한 수단
본 발명은, 광파이버의 일단에 적어도 1개 발광원(반도체 레이저 등)의 개구수 NAs보다도 큰 개구수 NA를 갖는 GRIN 렌즈를 융착 접속한 것을 특징으로 하는 광파이버 결합부품이다.
본 발명의 광파이버 결합부품은, GRIN 렌즈측의 단부를 발광원에 대향하여 배치하고, 타단에 광통신용의 광파이버를 접속함으로써 발광원으로부터 방사된 광을 효율적으로 광통신용의 광파이버에 보내는 것이다. GRIN 렌즈는, 상기한 바와 같이, 굴절율이 일정하지 않은(중심에 가까울수록 굴절율이 큰) 매질을 사용한 렌즈이고, 굴절율이 연속적으로 변화함으로써 렌즈 작용을 하는 렌즈이다. 도 1은 GRIN 렌즈의 설명도이며, 좌측에 반경방향의 굴절률 분포, 우측에 사시도를 도시한다. 동 도면 에 도시되는 바와 같이, GRIN 렌즈는 자승형 굴절률 분포로 되어 있다. 발광원(반도체 레이저 등)의 개구수 NAs는, 방사 반치 전각(도 2의 θ)의 정현 함수, GRIN 렌즈의 개구수 NA는 GRIN 렌즈의 임계각의 정현 함수이며, 개구수가 큰 발광원일 수록 광이 퍼져서 방사되어, 개구수가 큰 GRIN 렌즈일 수록 집광 능력이 높아진다.
종래, 반도체 레이저의 개구수 NAs보다도 큰 개구수 NA를 갖고, 또한, 광파이버에 융착할 수 있는 GRIN 렌즈는 존재하지 않았지만, 하기에 기술하는 방법 및 실시예에 의해 제조 가능하게 되었다. GRIN 렌즈의 개구수가 발광원의 개구수보다도 크므로, 발광원으로부터 방사된 광을 모두 GRIN 렌즈 내에 진입시킬 수 있어, 광의 손실을 줄일 수 있다.
(구성 2) 또 본 발명은, 상기 구성 1의 결합부품에 있어서, 상기 개구수 NA가 0.43 이상인 것을 특징으로 하는 광파이버 결합부품이다. 상기한 바와 같이, 일반적인 발광원(반도체 레이저)의 개구수는 0.43이므로, GRIN 렌즈의 개구수를 0.43 이상으로 함으로써 일반적인 발광원보다도 큰 개구수로 된다.
(구성 3) 또 본 발명은, 상기 구성 1 또는 2의 결합부품에 있어서, 상기 GRIN 렌즈는 열팽창 계수가 15×10-7K-4 이하이며, 또한 졸겔법에 의해 작성된 것을 특징으로 하는 광파이버 결합부품이다. GR[N 렌즈는 열팽창 계수를 15×10-7K-1 이하로 함으로써 석영 유리인 광파이버와의 융착을 하자 없이 행할 수 있게 되어, 생산성이 우수하여(축 맞춤 불필요, 수율 향상 등), GRIN 렌즈와 광파이버의 접속부의 변질, 광 손실의 문제가 해소된다. 이러한 열팽창율의 GRIN 렌즈는 졸겔법에 의해 제조 가능하게 된다. 졸겔법에 관해서는 하기에 상세히 기술한다.
NA가 높고, 또한 열팽창 계수가 석영 유리와 거의 동등하다는 GRIN 렌즈를 형성하기 위해서는, 종래와 같은 이온 교환법이나 기상 CVD(Chemical Vapor Deposition)법에서는 대단히 어렵다. 이온교환법으로 만들어지는 GRIN 렌즈는, 알칼리 성분을 포함하는 다성분 유리이기 때문에, 열팽창 계수가 대단히 커져서 내열성의 문제에서 신뢰성이 부족했다. 또, 기상법에서는, 0.38의 NA(예를 들면 문헌; P.B.0' Comor 외: Electron. Lett., 13(1977)170-171)가 얻어졌지만, 그 이상의 NA를 얻기 위해서 첨가물(GeO2P2O5 등)의 첨가량을 늘려 가면, 열팽창 계수가 커져 모재가 균열되기 쉬워진다. 이들 열팽창의 정합이 고NA의 과제였다.
이 문제를 해결할 수 있는 유일한 방법은 저온합성법을 기반으로 한 졸겔법이다. 졸겔법은, 실리콘의 알콕시드(Si(OR)4(R:알킬기))를 주성분으로 하는 알콜 용액에, 용매로서 산 또는 염기를 첨가하고 가수분해함으로써 졸로 만들고, 다성분계의 유리를 제작하는 경우에는 금속성분을 더 첨가하고, 이 졸을 더 중축합반응 시킴으로써 가교 반응을 진행시켜 웨트 겔을 제작하고 있다. 그리고, 얻어진 웨트 겔을 건조하고, 겔 중의 용매를 제거 후, 소성 함으로써 치밀한 유리를 제작하고 있다. 졸겔법을 사용하여 GRIN 렌즈를 제작하는 경우에는, 금속성분에 농도분포를 형성하는 것이 필요하게 된다. 금속성분의 농도가 짙은 부분은 굴절율이 커지기 때문에, GRIN 렌즈의 중심부의 농도를 짙게 하고, 외측일수록 농도가 옅어지도록 한다. 금속성분의 원료로서 금속 알콕시드, 금속염을 사용하는 방법, 게다가 분자 스터핑법 등이 있다.
본 발명의 GRIN 렌즈에 첨가하는, 굴절율을 높게 하기 위한 금속성분을 검토하기 위해서, 2원계 실리카 유리의 굴절율을, 잘 알려진 Lorentz-Lorenz의 계산식을 사용하여 예측한 바, GRIN 렌즈의 금속첨가물 성분의 후보로서, SiO2-Bi2O3, -ln2O3, -Y2O3, -La2O3, -Ga3O2, -Sb3O2, -Gd3O2, -Nb2O5, -SnO2, -Ta2O5, -TiO2 및 -ZrO2를 들 수 있었다. 이 중에서, Bi, ln, Y, La를 포함하는 조성은, 첨가원소의 알콕시드가 모두 난용성 고체이어서, 겔을 제작할 수 없는 것을 알았다. 또, Gd, Ga를 포함하는 조성은 첨가물이 적은 영역(Si에 대한 첨가량이 20mol% 이하)에서는 0.3 이하의 개구수(NA)밖에 얻어지지 않았다. 또, Nb, Sn 첨가 유리는 결정성 물질의 존재가 확인됨과 동시에, 열팽창 계수가 커 GRIN 렌즈로서는 부적합했다. 또, Sb첨가 유리는, 겔의 소결시에 첨가원소인 Sb가 증발한다는, 또 Zr첨가 유리는, 가수분해반응은 비교적 빠르고, 겔 작성의 과정에서, 용매인 메탄올중에서 소량이기는 하지만 침전이 형성된다는 프로세스상의 불안정성을 갖고 있었다.
이상의 검토 결과로, SiO2-Sb2O3, SiO2-Ta2O5, SiO2-Ti2O3 및 SiO2-ZrO2계 석영 유리가, 더욱 바람직하게는, 프로세스의 안정성을 고려하여, SiO2-Ta2O5, SiO2-Ti2O3계 석영 유리가 적합하고, 각각 Ta:10mol%, Ti:12mol%를 졸겔법으로 첨가하면, NA가 높고, 열팽창 계수가 석영 유리에 근사한 GRIN 렌즈를 제작할 수 있는 것이 밝혀졌다.
(구성 4) 또 본 발명은, 개구수 NAf의 광파이버의 일단에 개구수 NA2의 제 2 GRIN 렌즈를 용융 접속하고, 또한 상기 제 2 GRIN 렌즈의 타단에 NA2보다도 큰 개구수 NA1의 제 1 GRIN 렌즈를 융착 접속한 것을 특징으로 하는 광파이버 결합부품이다.
본 발명의 광파이버 결합부품은, 제 1 GRIN 렌즈측의 단부를 발광원에 대향하여 배치하고, 타단에 광통신용의 광파이버를 접속함으로써, 발광원으로부터 방사된 광을 효율적으로 광통신용의 광파이버에 보내는 것이다. 발광원으로부터 방사된 광은 순차적으로 제 1 GRIN 렌즈, 제 2 GRIN 렌즈를 거쳐서 광파이버에 진입해 가지만, 제 1 GRIN 렌즈의 개구수 NA1은 제 2 GRIN 렌즈의 개구수 NA2보다도 크므로, 제 1 GRIN 렌즈로서 개구수가 큰(바람직하게는, 발광원의 개구수 NAs 보다도 큰) 것을 채용하여, 발광원으로부터 방사된 광을 효율적으로 제 1 GRIN 렌즈내에 진입시킬 수 있다. 또, 제 2 GRIN 렌즈의 개구수 NA2가 NA1보다도 작으므로, 개구수가 충분히 작은 것을 선택할 수 있고, 이것에 의해 제 2 GRIN 렌즈로부터 광파이버에 이르는 광의 임계각을 작게 할 수 있으므로(개구수가 작으면 GRIN 렌즈내를 사행하여 진행되는 광의 사행 주기가 길어지고, GRIN 렌즈로부터 나가는 광의 임계각도 작아짐), 제 2 GRIN 렌즈로부터 광파이버에 광이 효율적으로 진입한다.
(구성 5) 또 본 발명은, 상기 구성 4의 결합부품에 있어서, 광파이버의 개구수(NAf), 제 1 GRIN 렌즈의 개구수(NA1), 제 2 GRIN 렌즈의 개구수(NA2) 및 발광원의 개구수(NAs)가,
NAf≤NA2<NAs≤NA1
을 만족하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광파이버 결합부품이다.
NAs≤NA1 이므로, 발광원으로부터 방사된 광이 모두 제 1 GRIN 렌즈내에 진입하여, 광의 손실이 없어진다. 또, NAf≤NA2<NAs이므로, 제 2 GRIN 렌즈로부터 광파이버에 이르는 광의 임계각이 작아져, 제 2 GRIN 렌즈로부터 광파이버에 광이 효율적으로 진입한다. 따라서, 전체로서 발광원으로부터 방사된 광이 효율적으로 광파이버에 진입한다. 또한, 통상은 NAf=0.15, NAs=0.43이다.
(구성 6)
또 본 발명은, 상기 구성 4 또는 5의 결합부품에 있어서, 상기 제 1 GRIN 렌즈의 개구수 NA1이 0.43 이상인 것을 특징으로 하는 광파이버 결합부품이다. 상기한 바와 같이, 일반적인 발광원(반도체 레이저)의 개구수는 0.43이기 때문에, 제 1 GRIN 렌즈의 개구수를 0.43 이상으로 함으로써 일반적인 발광원보다도 큰 개구수로 된다.
(구성 7)
또 본 발명은, 상기 구성 4~6중 어느 하나의 결합부품에 있어서, 상기 제 1 GRIN 렌즈의 길이 Z1이, 중심부의 유리의 굴절율을 n0, 렌즈(1)의 반경을 d1, 발광원과의 거리를 L로 했을 때에,
Z1=(n0*d1/NA1)arctan(d1/(NA1*L))
를 만족하는 것을 특징으로 하는 광파이버 결합부품이다.
Z1=(n0*d1/NA1)arctan(d1/(NA1*L))로 함으로써 제 1 GRIN 렌즈에 진입한 광이, 그 종단에서 평행 광선으로 되어, 효율적으로 제 2 GRIN 렌즈에 입사한다. 또, 제 1 GRIN 렌즈의 개구수가 큰 것과 더불어, 발광원과의 거리를 길게 하여, 조립성을 좋게 할 수 있다.
(구성 8) 또 본 발명은, 상기 구성 7의 결합부품에 있어서, 상기 제 2 GRIN 렌즈의 길이 Z2가, 전파하는 광선의 사행 주기의 약 1/4의 길이 또는 그 홀수배의 길이인 것을 특징으로 하는 광파이버 결합부품이다.
상기 구성 7에 의해, 제 2 GRIN 렌즈에는 제 1 GRIN 렌즈로부터 평행광선이 입사한다. 제 2 GRIN 렌즈의 길이 Z2가, 전파하는 광선의 사행 주기의 약 1/4의 길이 또는 그 홀수배의 길이이므로, 입사한 평행광선은 종단에서, 광파이버(4)의 중심축에 집광된다. 이때, 제 2 GRIN 렌즈의 집광성은 제 1 GRIN 렌즈에 비해 작으므로, 완만한 각도로 집광되게 되어, 광이 효율적으로 광파이버에 진입한다.
(구성 9) 또 본 발명은, 상기 구성 4~8중 어느 하나의 결합부품에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 GRIN 렌즈는 열팽창 계수가 15×10-7K-1 이하이며, 또한 적어도 제 1 GRIN 렌즈는 졸겔법에 의해 작성된 것을 특징으로 하는 광파이버 결합부품이다. 제 1, 제 2 GRIN 렌즈는 열팽창 계수를 15×10-7K-1 이하로 함으로써 제 1과 제 2 GRIN 렌즈의 융착, 제 2 GRIN 렌즈와 석영 유리인 광파이버와의 융착을 하자 없이 행할 수 있게 되어, 생산성이 우수하고(축맞춤 불필요, 수율 향상 등), 접속부의 변질, 광 손실의 문제가 해소된다. 이러한 열팽창율을 갖고, 개구수가 큰 제 1 GRIN 렌즈는 졸겔법에 의해 제조 가능하게 된다. 개구수가 작은 제 2 GRIN 렌즈는 종래의 공지 방법에 의해서도 제조할 수 있다.
(구성 10) 또 본 발명은, 상기 구성 1-9중 어느 하나의 결합부품에 있어서, 상기 광파이버가 단일모드 광파이버인 것을 특징으로 하는 광파이버 결합부품이다. 본 발명의 결합부품에 있어서, 광파이버로서는 가장 일반적인 단일모드 광파이버를 사용할 수 있다. 단일모드 광파이버는, 통상, 중심부의 굴절율이 비교적 큰 코어와, 그 주위의 굴절율이 비교적 작은 클래드로 이루어지고, 코어의 직경은 10㎛ 정도, 클래드의 직경(파이버의 직경)은 125㎛ 정도이다.
발명의 효과
본 발명의 GRIN 렌즈 부착한 광파이버 결합부품에 의하면, 광파이버와 거의 변함없는 굵기로 할 수 있고, 결합계 전체가 작아도 되므로, 복수의 반도체 레이저나 복수의 광파이버가 짧은 간격으로 배열되어 있는 반도체 레이저 어레이와 광파이버 어레이의 결합이 가능하다. 작동 거리(발광원과의 거리)를 크게 할 수 있으므로 결합계의 조립이 용이하여, 렌즈를 상처 낼 우려도 없다. 결합 손실을 현저하게 줄일 수 있는 것은 물론이다. 또, 본 발명의 GRIN 렌즈부착의 광파이버 결합부품은, 모두 광파이버형으로, 기존의 파이버 융착접속 기술을 그대로 이용하여 제작할 수 있기 때문에, 제작이 간단하고 대량생산도 가능하다는 큰 효과가 있다.
도 1은 GRIN 렌즈의 설명도이다.
도 2는 실시예의 광파이버 결합부품의 설명도이다.
도 3은 실시예의 광파이버 결합부품의 형성과정의 설명도이다.
도 4는 GRIN 렌즈의 형성과정의 설명도이다.
(부호의 설명)
1 제 1 GRIN 렌즈
2 제 2 GRIN 렌즈
3 반도체 레이저
4 광파이버
21 용기
22 웨트 겔층
23 유리체
24 GRIN 렌즈 모체
발명을 실시하기 위한 최량의 형태
다음에 도 2에 기초하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 개구수 NAs의 반도체 레이저(3)와, NAs와 같거나 그것보다도 약간 큰 NA를 갖는 제 1 GRIN 렌즈(1)(이 GRIN 렌즈의 NA를 NA1이라고 부른다.)와의 거리를 L이라고 하면, 반도체 레이저(1)로부터 개구수 NAs에 상당하는 방사 반치 전각 θ에서 방사되는 광은, 제 1 GRIN 렌즈(1)에 받아들여져, 제 1 GRIN 렌즈(1) 내를 전파할 수 있다. 이때, 제 1 GRIN 렌즈(1)의 중심부의 굴절율을 n0, 그 반경을 d1으로 하고, 제 1 GRIN 렌즈(1) 내의 광선 방정식을 풀면, 제 1 GRIN 렌즈(1)의 길이 Z1을,
Z1=(n0*(d1/NA1)arctan(d1/(NA1*L)) (1)
로 조정함으로써 Z1의 길이를 전파한 방사 반치 전각 θ내의 모든 광선은 광파이버의 광축에 대해 평행광선으로 된다. 단, 반도체 레이저의 방사광이 GRIN 렌즈(1)의 반경 d1의 측면에 도달하여 배척되지 않기 위해서는,
NA1≥NAs (2)
의 기초하에, 근사적으로
d1≥L/((1/NAs-1/NA1)/NA1)1/2 (3)
을 만족하면 된다. 식 (1), (2), (3)으로부터 알 수 있는 바와 같이, 특히, L/d1≪1일 때에는, Z1~(n0*d1/NA1)*(π/2)이 되고 (2)의 조건하에, 어떠한 반경 d를 설정해도, GRIN 렌즈(1)에 입사한 광은, GRIN 렌즈(1)의 측벽으로 배척되지 않는 다.
다음에, 이러한 평행광선을, NAf의 광파이버(4)와 동일하거나 그것보다도 약간 큰
NANAf≤NA2 (4)
의 제 2 GRIN 렌즈(2)(NA2라고 부른다.)에 입사시킨다. 이때 제 1 GRIN 렌즈(1)의 모든 평행광이, 제 2 GRIN 렌즈의 측벽으로 배척되지 않거나, 또는, 반경 d2에서 개구수 NA2의 제 2 GRIN 렌즈(2)에 받아들여지기 위해서는, 제 1 GRIN 렌즈와 제 2 GRIN 렌즈내의 광선방정식을 풀면
(NAf/NA2)*(d2/d1)≥NAs((L/d1)2NA1+1/NA1) (5)
을 만족하도록 반경 d1, d2를 설정하면 된다. 특히, 식 (5)로부터 알 수 있는 바와 같이, 특히, L/d1≪1일 때에는
d2/d1≥(NA2/NAf)*(NAs/NA1) (6)을 만족하도록 반경 d1, d2를 결정하면 된다.
제 2 GRIN 렌즈(2)에 입사된 모든 평행광은, 이 제 2 GRIN 렌즈(2)의 길이 Z2를, 제 2 GRIN 렌즈(2)의 전파광의 사행 주기의 1/4의 길이
Z2=(n0*d2/NA2)*(π/2) (7)
혹은 그 홀수배의 길이로 하면, 제 1 GRIN 렌즈(1)의 집광성에 비해 작은 집광성의 제 2 GRIN 렌즈(2)에 의해, 완만한 각도로 광파이버(4)의 중심축에 집광한다. 특히 현저한 것은, 광파이버(4)의 중심축에 집광한 광의 중심축과 이루는 각 도는, 제 2 GRIN 렌즈의 작은 집광 능력에 의해, 광파이버의 임계각과 같거나 약간 작아진다. 이 때문에, 광파이버내에 거의 모두 받아들여져, 결합 효율이 비약적으로 향상된다.
물론, 제 1 GRIN 렌즈(1)와 제 2 GRIN N렌즈(2), 게다가 광파이버(4)는 융착 접합되어 있기 때문에, 각각의 접합면에서의 반사손실은 거의 0이 된다. 정리하면, 특히 L/d1≪1일 때에는, 결합 효율을 비약적으로 향상시키기 위해서는,
NAf≤NA2<NAs≤NA1 (8)
d2/d1≥(NA2/NAf)*(NAs/NA1) (9)
를 만족하는 제 1과 제 2 GRIN 렌즈(1, 2)를 광파이버(3)의 선단에 융착한 구성으로 하는 것이다.
이상의 고찰로부터, L/d1≪1일 때에 대해 설명하면 우선, 반도체 레이저에 GRIN 렌즈부착 광파이버가 근접하기 쉬운 작동 거리 L(예 30um)로 설정한다. 다음에 반경 d2에서 (8)을 만족하는 개구수 NA2의 제 2 GRIN 렌즈(2)를 선택하고, 그 길이를 제 2 GRIN 렌즈(2)의 전파광의 사행 주기의 1/4의 길이((7)식) 또는 그 홀수배의 길이 Z2로 설정한다. 다음에 (9)식을 사용하여 제 1 GRIN 렌즈(1)의 반경 d1을 정한다. 통상은 d1=d2로 설정한다. 그 값을 (1)식에 대입하고 제 1 GRIN 렌즈(1)의 길이 Z1을 작동 거리를 사용하여 설정한다. 이와 같이, 제 1 GRIN 렌즈와 반도체 레이저와의 거리 L을 설정하면, 조립할 때에 서로 접촉 또는 충돌하지 않는다. 또, (1)식에서 알 수 있는 바와 같이, Z1의 길이는 역삼각함수의 성질상 일의적이지는 않고 π의 복수배 존재하지만, GRIN 렌즈(1)의 가공의 용이성을 고려하여 정하면 좋다. 통상은 π배로 설정하는 것이 요망된다.
또한, 지금까지 광파이버(4)를 단일모드 광파이버로서 설명해 왔지만, 단일모드 광파이버에 한정되는 것은 아니고, (8)식이 만족되면 다모드 광파이버라도 좋다. 또, 고출력의 멀티 모드 LD에서는, 평행방향의 발광 영역과 수직방향의 발광 영역의 비율이 수십:1부터 수백:1에도 달하고, 또 레이저광의 수직 퍼짐각 θv와 평행 퍼짐각 θp가 극단적으로 상이하다(θv>>θp). 그 때문에, 상술한 바와 같은 회전대칭 광학계에서는, 대칭성이 좋은 광입사 개구를(예를들면 원형) 갖는 광파이버에 LD 레이저광을 효율적으로 도입시키는 것은 곤란하다. 그 대책으로서, 수직 퍼짐각 θv에 상당하는 NA(NAs라고 부른다.)과 동등하거나 큰 개구수 NA를 갖는 평판의 GRIN 렌즈(NA1이라고 부른다.)를 원통형의 제 1 GRIN 렌즈(1) 대신에 삽입하고, 수직 퍼짐각 θv만을 제 1 평판의 GRIN 렌즈로 조정하면 된다.
또, 반도체 레이저로부터의 방사광은, 통상 타원 형상을 갖고 있지만, 제 1 GRIN 렌즈(1)는 원통형이 아니어도 타원형상의 굴절률 분포를 가지고 있어도 된다. 어느쪽의 경우에도, 형상에 관계없이 (2)식을 만족하는 GRIN 렌즈를 조합함으로써 고효율의 결합 효율을 얻을 수 있다.
다음에 본 발명의 실시형태의 형성 방법 등을 도 2, 3에 기초하여 설명한다. 반도체 레이저 모듈(결합계)의 구성은, 도 1에 도시하는 바와 같이, 반도체 레이저(3)와 제 1과 제 2 GRIN 렌즈부착 광파이버가 30㎛ 정도의 작동 거리를 두고 대향 배치되어 있다. 반도체 레이저(3)는, 예를 들면, 피크 발진 파장 1330nm, 동작 전류 16mA, 동작 전압 1.0V, 수평방향 방사 반치 전각 20°, 수직 방향 방사 반치 전 각 25°로 할 수 있다. GRIN 렌즈부착 광파이버는, 코어와 클래드를 갖는 개구수 NAf=0.15의 단일모드 파이버(4)의 일단에, 제 2 GRIN 렌즈(2)와 제 1 GRIN 렌즈(1)가 당해순으로 접속되어 있는 것으로 할 수 있다. 제 1 GRIN 렌즈(1)와 제 2 GRIN 렌즈(2)의 직경은 광파이버(4)의 직경과 같거나 약간 크게 설정된다. 도 2의 구성예에서는, GRIN 렌즈(1, 2)의 직경은 각각 같아서 150㎛, 개구수 NA1,2는 각각 0.5, 0.16으로 설정되어 있다. 제 2 GRIN 렌즈(2)는 렌즈내를 전파하는 광선의 사행 주기의 약 1/4의 길이이며, (7)식으로부터 대략 860㎛로 설정되어 있다. 한편, 제 1 GRIN 렌즈의 길이는, 상기 (1)식으로부터 구해지고, 여기에서는 π배로 취하여, 길이 대략 990㎛로 설정되어 있다.
상기한 바와 같이 구성되는 GRIN 렌즈부착 광파이버는, 아래와 같이 하여 제조된다. 우선 도 3(a)에 도시하는 개구수 NAf=0.15, 직경 125㎛의 단일모드 광파이버(4)의 일단에 개구수 NA2=0.16의 자승형 굴절률 분포를 갖는 직경 150㎛의 제 2 GRIN 렌즈(2)를 융착접속기를 사용하여 융착접속 한다. 그 후에 제 2 GRIN 렌즈내를 전파하는 광의 사행 주기의 1/4주기의 길이 860㎛에서 절단한다(도 3(b)). 다음에 제 2 GRIN 렌즈와 상이한 개구수 NA1=0.5, 직경 150㎛의 자승형 굴절률 분포를 갖는 적당한 길이의 제 1 GRIN 렌즈(1)의 소재를 제 2 GRIN 렌즈(2)에 융착접속 한다. 그 후 제 1 GRIN 렌즈(1)의 길이가 990㎛가 되도록 절단 감삭하면 GRIN 렌즈부착 광파이버가 얻어진다(도 3(c)).
상기 반도체 레이저 모듈을 사용하여, 피크 발진 파장 1330nm, 동작 전류 16mA, 동작 전압 1.0V로, 수평방향 방사 반치 전각 20°, 수직방향 방사 반치 전각 25°의 방사 특성을 갖는 반도체 레이저와 NA1=0.5를 갖는 GRIN 렌즈부착 광파이버를 30㎛의 거리에서 대향시킨 바, 결합손실은 1dB 이하로 극히 높은 결합 효율이 얻어졌고, 본 발명의 우위성이 증명되었다.
실시예 1
실리콘테트라메톡시드 75.5ml와 이소프로파놀 183.4ml의 혼합액에 2규정 염산 9.2ml를 첨가하고, 30분간 교반한 후, 티타늄테트라n부톡시드 9.8ml를 가했다. 그 후에 0.01규정 암모니아수를 첨가하고 교반하여 웨트 겔을 얻었다. 상기 웨트 겔을 50℃에서 2일간 숙성한 후, 그 웨트 겔을 6규정 염산중에 2시간 침지하고, 외주부의 티타늄을 용출시킴으로써 겔 중에 티타늄의 농도분포를 부여했다. 침지 후, 70℃에서 갓 건조시켜 직경 약 10mm의 드라이 겔을 얻었다. 얻어진 드라이 겔을, 실온부터 800℃까지는 산소분위기 중에서 150℃/㎞로 승온하고, 그 후 1250℃까지 헬륨 분위기 중에서 50℃/hr로 승온하고 소성하여 투명한 유리체를 얻었다. 이 원기둥 형상 유리체의 굴절률 분포를 측정한 결과, 중심으로부터 주변을 향하여 거의 자승 곡선으로 감소하는 NA=0.16의 제 2 GRIN 렌즈의 모체가 얻어졌다.
이어서, 실리콘테트라메톡시드 75.5ml와 이소프로파놀 183.4ml의 혼합액에 2규정 염산 9.2ml를 첨가하고, 30분간 교반한 후, 티타늄테트라n부톡시드 30.8ml를 가했다. 그 후에 0.01규정 암모니아수를 첨가하여 웨트 겔을 얻었다. 상기 웨트 겔을 50℃에서 2일간 숙성한 후, 그 웨트 겔을 6규정 염산중에 2시간 침지하고, 겔 중에 티타늄의 농도분포를 부여했다. 침지 후, 겔을 메탄올 중에 침지하고, 겔 중의 염산분의 세정을 행했다. 그 후에 상기 겔을 6규정 염산중에 20분간 침지하고, 2회째의 농도분포 부여를 행하고, 1회째와 동일하게 겔을 메탄올 중에 침지하여 염산의 세정을 행하고나서 건조시켰다. 그 후 상기 겔을 6규정 염산 중에 8분간 침지하고, 3회째의 농도분포 부여를 행하고, 1회째와 동일하게 겔을 메탄올 중에 침지하여 염산의 세정을 행하고나서 건조시켜 직경 약 10mm의 드라이 겔을 얻었다. 얻어진 드라이 겔을, 실온부터 350℃까지는 10℃/hr로 승온하고, 그 후 1200℃까지 승온하고 소성하여 투명한 유리체를 얻었다. 이 원기둥 형상 유리체의 굴절률 분포를 측정한 결과, 중심으로부터 주변을 향해서 거의 자승 곡선으로 감소하는 NA=0.5의 제 1 GRIN 렌즈의 모체가 얻어졌다. 이와 같이, 웨트 겔 상태에서 복수회 농도분포의 부여를 행함으로써 개구수가 큰 GRIN 렌즈를 형성할 수 있다.
이들 2개의 모체를 각각 별도로 카본 히터의 전기로에 0.04mm/s로 삽입하면서 외경 150㎛의 GRIN 렌즈 형상 광파이버로 방사(紡絲)하여, 제 1 GRIN 렌즈 형상 광파이버와 제 2 GRIN 렌즈 형상 광파이버를 제작했다. 제작한 제 2 GRIN 렌즈 형상 광파이버를 개구수 0.15의 단일모드 광파이버의 일단에 방전 융착접속기를 사용하여 융착접속 했다. 그 후 제 2 GRIN 렌즈내를 전파하는 광의 사행 주기의 1/4주기 길이 990㎛에서 절단가공 했다. 다음에 제 2 GRIN 렌즈와 상이한 개구수 0.5의 제 1 GRIN 렌즈 형상 광파이버를, 상기와 같은 방전 융착접속기를 사용하여 제 2 GRIN 렌즈에 융착접속 했다. 그 후 길이 860㎛이 되도록 절단연마 하고, 제 1, 제 2 GRIN 렌즈가 부착된 실시예 1이 부착된 광파이버 결합부품을 얻었다.
얻어진 광파이버 결합부품을, 피크 발진 파장 1330nm,동작 전류 16mA, 동작 전압 1.0V, 수평방향 방사 반치 전각 20°, 수직방향 방사 반치 전각 25°의 반도 체 레이저에 30㎛의 작동 거리에서 대향시킨 바, 결합 손실이 0.9dB 이하의 높은 결합 효율이 얻어졌다.
실시예 2
우선, 첫째로, 실시예 1과 동일한 프로세스로, 개구수 NA=0.16의 제 2 GRIN 렌즈의 모체를 작성한 후, 카본 히터의 전기로에서 방사하여, 외경 150㎛의 제 2 GRIN 렌즈 형상 광파이버를 얻었다.
계속해서, 실리콘테트라메톡시드 76.6ml와 이소프로파놀 184.3ml의 혼합액에 2규정 염산 9.2ml를 첨가한 후, 초미립자 실리카 50ml를 혼합하고, 1시간 교반하여 부분 가수분해를 행했다. 이 용액을 8등분 하고, 표 1에 나타내는 농도의 티타늄테트라n부톡시드를 첨가하고, 티타늄 성분이 상이한 1층부터 8층까지의 8종의 졸을 시간을 두고 제작했다. 그 후에 각각 시간을 두고 0.01규정의 암모니아수를 첨가하고, 졸을 조제했다. 우선, 1층째의 졸을 내경 50mm의 원통형 폴리프로필렌 용기에 넣고, 1100 회전/분의 속도로 30분 회전시켜, 원통 형상의 용기(21)의 내벽에 원통 형상의 웨트 겔을 제작했다. 그 후에 동일한 프로세스로, 2층부터 8층의 티타늄 성분이 상이한 졸액을 순차 이 용기(21)에 넣고, 용기(21)의 내벽에 동심원 형상으로 8층의 티타늄의 첨가량이 상이한 웨트 겔층(22)을 적층했다(도 4(a)). 제작한 원통 형상의 웨트 겔을 회전시키면서, 60℃에서 1주간 건조시켜서 드라이 겔을 얻었다. 드라이 겔은 수축하여, 내경 26mm, 외경 13mm이며, 타원율이 0.04% 이하의 원통이었다. 얻어진 드라이 겔을 실온으로부터 800℃까지는 산소분위기 중에서 150℃/hr로 승온하고, 그 후 1250℃까지 헬륨 분위기 중에서 50℃/hr로 승온 ·소성하여 투명한 유리체(23)를 얻었다. 이 원통 형상의 유리체(23)의 양단을 회전선반에 고정하고, 회전하면서 약 2000℃의 산소수소 버너(25)로 단부부터 순차 가열해 가면, 내경이 닫힌 원기둥 형상의 GRIN 렌즈 모체(24)가 얻어졌다(도 4(c)).
Figure 112006015182366-PCT00001
이 GRIN 렌즈 모체(24)를 카본 히터의 전기로에 0.04mm/s로 삽입하면서 외경 150㎛의 GRIN 렌즈 형상 광파이버로 방사하여, 제 1 GRIN 렌즈 형상 광파이버를 제작했다. 제작한 제 1 GRIN 렌즈 형상 광파이버의 굴절률 분포를 측정한 결과, 중심으로부터 주변을 향해서 거의 자승 곡선으로 감소하는 굴절률 분포를 갖고, 그 개구수는 NA=0.53이었다. 여기에서, 1900℃ 이상의 방사시에 중심부의 티타늄 성분이 약간 비산하기 때문에, 표 1에 나타내는 바와 같이 8층의 티타늄 첨가량을 많게 하여, 굴절율의 저하를 방지했다.
이렇게 하여 제작한 제 2 GRIN 렌즈 형상 광파이버를 개구수 0.15의 단일모드 광파이버의 일단에 방전 융착접속기를 사용하여 융착접속 했다. 그 후, 제 2 GRIN 렌즈내를 전파하는 광의 사행 주기의 1/4주기 길이 990㎛에서 절단가공했다. 다음에 제 2 GRIN 렌즈와 상이한 개구수 0.53의 제 1 GRIN 렌즈 형상 광파이버를 상기와 동일한 방전 융착접속기를 사용하여 제 2 GRIN 렌즈에 융착접속 했다. 그 후, 길이 840㎛가 되도록 절단 연마하여 실시예 2의 광파이버 결합부품을 얻었다.
얻어진 광파이버 결합부품을, 피크 발진 파장 1330nm, 동작 전류 16mA, 동작 전압 1.0V, 수평방향 방사 반치 전각 20°, 수직방향 방사 반치 전각 25의 반도체 레이저에 30㎛의 작동 거리에서 대향시킨 바, 결합손실이 0.9dB 이하의 높은 결합 효율이 얻어졌다.
실시예 3
우선, 첫째로, 실시예 1과 동일한 프로세스로, 개구수 NA=0.16의 제 2 GRIN 렌즈의 모체를 작성한 후, 카본 히터의 전기로에서 방사하고, 외경 150㎛의 제 2 GRIN 렌즈 형상 광파이버를 얻었다.
계속해서, 실리콘테트라메톡시드 1.1g과 표 2에 나타내는 8종의 첨가량의 탄탈 에톡시드를 첨가 혼합하고, 메탄올 1.3cc를 첨가 혼합하고 교반시켰다. 그 후 초미립자 실리카 0.3g을 혼합하고, 1시간 교반한 후, 시간을 두고 각각 메탄올 1.3cc와 순수 0.3cc를 혼합하고 적하하여, 졸을 조제했다.
우선, 1층째의 졸을 내경 50mm의 원통형 폴리프로필렌 용기에 넣고, 1000 회전/분의 속도로 30분 회전시키고, 용기의 내벽에 원통 형상의 겔을 제작했다. 그 후에 동일한 프로세스로, 2층부터 8층의 티타늄 성분이 상이한 졸을 순차 이 용기에 넣고, 용기의 내벽에 동심원 형상으로 8층의 탄탈 농도가 상이한 웨트 겔을 적층 했다. 제작한 원통 형상의 웨트 겔을 회전시키면서, 60℃에서 1주간 건조시켜서 드라이 겔을 얻었다. 드라이 겔은, 내경 25mm 외형 14mm이고, 타원율이 0.04% 이하의 원통이었다. 얻어진 드라이 겔을 실온부터 800℃까지는 산소분위기 중에서 150℃/hr로 승온하고, 그 후 1250℃까지 헬륨 분위기 중에서 50℃/hr로 승온·소성하여 투명한 유리체를 얻었다.
Figure 112006015182366-PCT00002
이 원통 형상의 유리체로부터, 상기 실시예 2와 동일하게 닫힌 원통 형상의 GRIN 렌즈 모체를 형성하고, 이 모체를 카본 히터의 전기로에 0.04mm/s로 삽입하면서 외경 150㎛의 GRIN 렌즈 형상 광파이버로 방사하고, 제 1 GRIN 렌즈 형상 광파이버를 제작했다. 제작한 제 1 GRIN 렌즈 형상 광파이버의 굴절률 분포를 측정한 결과, 중심으로부터 주변을 향해서 거의 자승 커브로 감소하는 굴절률 분포를 갖고, 그 개구수는 NA=0.52였다. 탄탈의 경우에는, 실시예 2에서 기술되어 있는 바와 같은, 탄탈의 비산은 없었다.
이렇게 하여 제작한 제 2 GRIN 렌즈 형상 광파이버를 개구수 0.15의 단일모드 광파이버의 일단에 방전 융착접속기를 사용하여 융착접속 했다. 그 후, 제 2 GRIN 렌즈내를 전파하는 광의 사행 주기의 1/4주기 길이 990㎛에서 절단 가공했다. 다음에, 제 2 GRIN 렌즈와 상이한 개구수 0.53의 제 1 GRIN 렌즈 형상 광파이버를, 상기 와 동일한 방전 융착접속기를 사용하여 제 2 GRIN 렌즈에 융착접속 했다. 그 후, 길이 840㎛가 되도록 절단 연마하여 실시예 3의 광파이버 결합부품을 얻었다.
얻어진 광파이버 결합부품을, 피크 발진 파장 1330nm, 동작 전류 16mA, 동작 전압 1.0V, 수평방향 방사 반치 전각 20°, 수직방향 방사 반치 전각 25의 반도체 레이저에 30㎛의 작동 거리에서 대향시킨 바, 결합손실이 0.9dB 이하의 높은 결합 효율이 얻어졌다.
실시예 4
우선, 첫째로, 실시예 1과 동일한 프로세스로, 개구수 NA=0.16의 제 2 GRIN 렌즈의 모체를 작성한 후, 카본 히터의 전기로에서 방사하여, 외경 150㎛의 제 2 GRIN 렌즈 형상 광파이버를 얻었다.
다음에 실리콘테트라메톡시드, 순수, 염산을 몰비로 1:5:0.001의 비율로 혼합하고, 가수분해가 완전히 끝날 때까지 교반하여 졸액을 얻었다. 그 후, 초미립자 실리카를 졸내의 SiO2와의 중량비가 40%가 되도록 이 졸액에 혼합하고, 충분히 교반했다. 그 후, 0.1규정의 암모니아수를 첨가하여 졸을 조제했다. 이 용액을 내경 50mm의 원통형 폴리프로필렌 용기에 넣고, 1000회전/분의 속도로 2시간 회전시키고, 용기의 내벽에 원통 형상의 웨트 겔을 제작했다. 이 웨트 겔을 50g의 몰레큘러 시브 3A를 첨가한 이소프로파놀과 아세톤을 혼합한 처리액 800ml 중에 침지하고 24시간 교반하는 조작을 행한 후에, 처리액을 바꾸어서 재차 동일한 조작을 행했다. 그 후, 원통 형상내에 5g의 티타늄테트라n부톡시드와 에탄올 70ml를 혼합한 용액을 주입하고 5시간 교반하여, 원통 형상의 웨트 겔에 티타늄의 농도분포를 부여했다. 이 겔을 아세톤에 침지하고, 티타늄을 겔의 미세구멍중에 고정했다.
이 제작한 티타늄의 농도분포를 갖는 원통 형상의 웨트 겔을 회전시키면서, 60℃에서 1주간 건조시켜서 드라이 겔을 얻었다. 드라이 겔은, 내경 26㎜ 외형 13mm이고, 타원율이 0.04% 이하의 원통이었다. 얻어진 드라이 겔을 실온부터 800℃까지는 산소분위기 중에서 150℃/hr로 승온하고, 그 후 1250℃까지 헬륨 분위기 중에서 50℃/hr로 승온·소성하여 투명한 유리체를 얻었다.
이 원통 형상의 유리체로부터, 상기 실시예 2, 3과 동일하게 닫힌 원통 형상의 GRIN 렌즈 모체를 형성하고, 이 모체를 카본 히터의 전기로에 0.04mm/s로 삽입하면서 외경 150㎛의 GRIN 렌즈 형상 광파이버로 방사하여, 제 1 GRIN 렌즈 형상 광파이버를 제작했다. 제작한 제 1 GRIN 렌즈 형상 광파이버의 굴절률 분포를 측정한 결과, 중심으로부터 주변을 향해서 거의 자승 곡선으로 감소하는 굴절률 분포를 갖고, 그 개구수는 NA=0.48이었다.
이렇게 하여 제작한 제 2 GRIN 렌즈 형상 광파이버를 개구수 0.15의 단일모드 광파이버의 일단에 방전 융착접속기를 사용하여 융착접속 했다. 그 후, 제 2 GRIN 렌즈내를 전파하는 광의 사행 주기의 1/4주기 길이 990㎛에서 절단 가공했다. 다음에, 제 2 GRIN 렌즈와 상이한 개구수 0.48의 제 1 GRIN 렌즈 형상 광파이버를, 상기와 동일한 방전 융착접속기를 사용하여 제 2 GRIN 렌즈에 융착접속 했다. 그 후, 길이 890㎛가 되도록 절단 연마하여 실시예 4의 광파이버 결합부품을 얻었다.
얻어진 광파이버 결합부품을, 피크 발진 파장 1330nm, 동작 전류 16mA, 동작 전압 1.0V, 수평방향 방사 반치 전각 20°, 수직방향 방사 반치 전각 25의 반도체 레이저에 30㎛의 작동 거리에서 대향시킨 바, 결합손실이 0.9dB 이하의 높은 결합 효율이 얻어졌다.
상기 실시예 4와 동일하게 제작한 티타늄의 농도분포를 고정한 웨트 겔의 외벽만을 6규정 염산 중에 5분간 침지하고, 웨트 겔의 주변부분에 고정된 티타늄 첨가물을 제거하고, 가파른 티타늄의 농도분포를 부여했다. 얻어진 웨트 겔을 메탄올 중에 침지하고 염산의 세정을 행하고 건조시켜서, 내경 26mm 외형 13mm의 드라이 겔을 얻었다. 얻어진 드라이 겔을 관 형상 노에 넣고, 실온부터 350℃까지는 10℃/hr로 승온하고, 그 후 1200℃까지 승온하고 소성하여, 투명한 원통 형상의 유리체를 얻었다. 얻어진 유리체를 실시예 1과 동일하게 150㎛로 방사하고, 굴절률 분포를 측정한 바, 실시예보다도 더욱 자승 곡선에 가깝고, 개구수가 0.55로 높은 GRIN 렌즈였다. 이 GRIN 렌즈를 제 1 GRIN 렌즈로 하고, 상기 실시예 1~4와 동일하게 광파이버 결합부품을 형성함으로써 높은 결합 효율의 광파이버 결합부품을 얻을 수 있다.
또한, 실시예 4에서의 티타늄테트라n부톡시드 대신에 탄탈프로폭시드 Ta(OC3H7)5를 사용하여 동일하게 탄탈의 농도분포의 고정을 행하고, 건조·소결했는데, 얻어진 유리의 굴절률 분포는 거의 자승곡선으로 감소하는 굴절률 분포이고, 그 개구수는 NA=0.52이었다. 이 GRIN 렌즈를 제 1 GRIN 렌즈로서, 상기 실시예 1~4와 동일하게 광파이버 결합부품을 형성함으로써 높은 결합 효율의 광파이버 결합부품을 얻을 수 있다.

Claims (10)

  1. 광파이버의 일단에 적어도 1개 발광원의 개구수 NAs보다도 큰 개구수 NA를 갖는 GRIN 렌즈를 융착 접속한 것을 특징으로 하는 광파이버 결합부품.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 개구수 NA가 0.43 이상인 것을 특징으로 하는 광파이버 결합부품.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 GRIN 렌즈는 열팽창 계수가 15×10-7K-1 이하이며, 또한 졸겔법에 의해 작성된 것을 특징으로 하는 광파이버 결합부품.
  4. 개구수 NAf의 광파이버의 일단에 개구수 NA2의 제 2 GRIN 렌즈를 용융 접속하고, 또한 상기 제 2 GRIN 렌즈의 타단에 NA2 보다도 큰 개구수 NA1의 제 1 GRIN 렌즈를 융착 접속한 것을 특징으로 하는 광파이버 결합부품.
  5. 제 4 항에 있어서, 광파이버의 개구수(NAf), 제 1 GRIN 렌즈의 개구수(NA1), 제 2 GRIN 렌즈의 개구수(NA2) 및 발광원의 개구수(NAs)가,
    NAf≤NA2<NAs≤NA1
    을 만족하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 광파이버 결합부품.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 GRIN 렌즈의 개구수 NA1이 0.43 이상인 것을 특징으로 하는 광파이버 결합부품.
  7. 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 GRIN 렌즈의 길이 Z1이, 중심부의 유리의 굴절율을 n0, 렌즈(1)의 반경을 d1, 발광원과의 거리를 L로 했을 때,
    Z1=(n0*d1/NA1)arctan(d1/(NA1*L))
    을 만족하는 것을 특징으로 하는 광파이버 결합부품.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 제 2 GRIN 렌즈의 길이 Z2가 전파하는 광선의 사행 주기의 약 1/4의 길이 또는 그 홀수배의 길이인 것을 특징으로 하는 광파이버 결합부품.
  9. 제 4 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 GRIN 렌즈는 열팽창 계수가 15×10-7K-1 이하이며, 또한 적어도 제 1 GRIN 렌즈는 졸겔법에 의해 작성된 것을 특징으로 하는 광파이버 결합부품.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광파이버가 단일모드 광파이버인 것을 특징으로 하는 광파이버 결합부품.
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