KR20170073654A

KR20170073654A - 광결합기 및 grin 렌즈 부착 광파이버의 광결합 방법

Info

Publication number: KR20170073654A
Application number: KR1020177013796A
Authority: KR
Inventors: 타로 스즈키; 나오후미 마루야마; 고 엔도
Original assignee: 도요세이칸 그룹 홀딩스 가부시키가이샤
Priority date: 2014-12-22
Filing date: 2015-11-25
Publication date: 2017-06-28
Also published as: JP2016118717A; US9904017B2; CN107111065A; US20170329088A1; EP3239749B1; EP3239749A1; JP5928570B1; EP3239749A4; KR101911283B1; TWI676057B; WO2016104020A1; CN107111065B; TW201626016A

Abstract

GRIN 렌즈 부착 광파이버를 소정의 렌즈 간 거리를 마련하여 동축 상에 대향시킨 광결합기에 있어서, 다른 파장의 광을 전송하는 경우에도, 렌즈 간 거리의 설정을 파장별로 변경하지 않고, 각 파장에서 적정한 결합 효율을 얻는다. 광파이버(11)와 GRIN 렌즈(12)를 동축 상에 접합한 GRIN 렌즈 부착 광파이버(10)를 설정된 렌즈 간 거리(WD)를 마련하여 동축 상에 대향시키고, 한쪽의 GRIN 렌즈 부착 광파이버(10)의 전송광을 다른 한쪽의 GRIN 렌즈 부착 광파이버(10)에 결합시키는 광결합기(1)로서, 렌즈 간 거리(WD)의 중간 위치가, 전송광 중 가장 짧은 파장(λ_m)의 광에 있어서의 빔 웨이스트 위치에 맞춰 설정되며, GRIN 렌즈(12)의 광축 방향을 따른 렌즈 길이(z)가, 전송광 중 파장(λ_m)과는 다른 파장(λ_i)의 광의 빔 웨이스트 위치의 거리 편차(D)에 의한 결합 손실의 바닥부에 따라 설정된다.

Description

광결합기 및 GRIN 렌즈 부착 광파이버의 광결합 방법{OPTICAL COUPLER AND OPTICAL COUPLING METHOD OF OPTICAL FIBER WITH GRIN LENS}

본 발명은, GRIN 렌즈 부착 광파이버를 대향시킨 광결합기 및 그 광결합 방법에 관한 것이다.

광파이버를 이용한 광정보 전송 시스템에 있어서, 한쪽의 광파이버 단부로부터 출사된 광을 공간을 통하여 다른 한쪽의 광파이버 단부에 입사시키는 광결합기는, 그 공간에 파장 선택기, 광분기기, 광스위치, 광아이솔레이터, 광변조기 등의 기능 소자를 삽입할 수 있는 기능성이 높은 광모듈이다. 이와 같은 광결합기는, 종래, 한 쌍의 볼록 렌즈를 이용한 콜리메이터에 의하여, 공간을 통과하는 광을 평행 광에 가깝게 하는 것이 이루어지고 있었지만, 볼록 렌즈에 의한 콜리메이터는 광파이버의 외경에 대하여 직경이 커져, 광전송계의 세경화(細徑化)·고밀도화의 요구에는 대응할 수 없는 문제가 있었다.

이에 대하여, 세경화·고밀도화의 요구에 대응할 수 있는 광결합기로서, 광파이버와 GRIN 렌즈(굴절률 분포형 렌즈)를 동축(同軸) 상에 접합하고, 소정의 렌즈 간 거리를 마련하여 한 쌍의 GRIN 렌즈의 선단면을 대향하도록 배치한 광파이버 콜리메이터 쌍이 알려져 있다(하기 특허문헌 1 참조). 여기에서 이용되는 GRIN 렌즈는, 도 1(a)에 나타내는 바와 같이, 광파이버와 대략 동일한 직경의 원기둥 형상이며, 도 1(b)에 나타내는 바와 같이, 중심축에서의 굴절률(n₁)이 가장 높고, 중심축으로부터 외주 방향으로 떨어지면 연속적으로 2차 곡선 형상으로 굴절률(n)이 낮아지는 굴절률 분포를 갖고 있으며, 그 단면 방향(x, y)의 굴절률(n)을 중심축으로부터의 거리(r)의 함수 n(r)로 나타내면, 하기 식 (1)로 나타낼 수 있다.

[수학식 1]

여기에서, g는 GRIN 렌즈의 집광 능력을 나타내는 상수(분포 상수), n₁은 GRIN 렌즈의 중심 굴절률, r은 반경 방향의 거리(r²=x²+y²), n₂는 렌즈 반경(R)에서의 굴절률이다. 중심 굴절률(n₁)과 분포 상수(g), 렌즈 반경(R)의 관계는, 하기 식 (2)로 나타난다.

[수학식 2]

여기에서, NA는, 개구수 Numerical Aperture(이하, "NA"라고 약기함)라고 불리고, 렌즈 성능을 나타내는 파라미터이다. NA가 높은 렌즈는 광의 집광 능력이 높은 렌즈이다.

특허문헌 1: 일본 공개특허공보 2008-20560호

비특허문헌 1: Jung W, Benalcazar WA, Ahmad A, Sharma U, Tu H and Boppart SA, "Numerical analysis of gradient index lens-based optical coherence tomography imaging probes", J. Biomed. Opt. 15(6), 066027(December 30, 2010). 비특허문헌 2: Marcuse D, "Loss analysis of single-mode fiber splices", Bell System Technical Journal, 56: 5. May-June 1977 pp 703-718.

도 2는, GRIN 렌즈 부착 광파이버(10)를 대향시킨 광결합기(1)를 나타내고 있다. 이 광결합기(1)는, 광파이버(11)와 GRIN 렌즈(12)를 동축 상에 접합하고, 렌즈 간 거리(WD)를 설정하여 대향 배치한 것이다. 광결합기(1)의 구성예로서는, 석영계의 GRIN 렌즈(12)와 싱글 모드 광파이버인 광파이버(11)를 접합하고, 광파이버(11)의 개구수를 NA_f로 하며, GRIN 렌즈(12)의 개구수를 NA_g로 한 경우에, 0.090≤NA_g≤0.17 또한 NA_f≤NA_g, 또한 광파이버(11)의 외경을 D_f, GRIN렌즈(12)의 외경을 R로 한 경우에, D_f-3μm≤R≤D_f로 하고 있다.

GRIN 렌즈 부착 광파이버(10)를 대향시킨 광결합기(1)에 있어서의 GRIN 렌즈의 광축 방향의 길이(z)는, 렌즈 간 거리(WD)가 짧은 경우에는, 하기의 식 (3)으로 나타내는 z_1/4의 길이, 혹은 그 홀수 배의 길이로 설정되지만, 렌즈 간 거리(WD)를 길게 설정하는 경우는 결합 효율을 향상시키기 위하여 렌즈 길이(z)를 z_1/4보다 길게 설정한다.

z_1/4=π/(2g) … (3)

도 3에 나타내는 바와 같이, 렌즈 길이(z)를 상기 식 (3)으로 나타낸 z_1/4보다 길게 하면, 광파이버(11)로부터 출사되는 광은 근사적으로 가우시안 빔이 되고, 이것을 GRIN 렌즈(12)로 집광하면 1점으로는 좁혀지지 않고 소정 크기(2ω₀)의 직경으로 좁혀진다. 이 좁혀진 상태의 부분을 빔 웨이스트라고 하고, 그 직경(2ω₀)을 빔 웨이스트 직경이라고 한다.

GRIN 렌즈(12)의 길이(z)를 상기 식 (3)으로 나타낸 z_1/4와 z_1/2=2×z_1/4의 사이로 변화시킨 경우, 빔 웨이스트 직경(2ω₀)과 GRIN 렌즈(12)의 광출사측 단부면으로부터 빔 웨이스트 위치까지의 거리(빔 웨이스트 거리)(L₀)는, 도 3에 나타내는 바와 같이 변화한다. 즉, GRIN 렌즈(12)의 길이(z)를, z_1/ ₂>z>z_1/4의 사이에서 z1>z2>z3으로 서서히 작아지도록 변화시키면, 빔 웨이스트 직경(2ω₀)은 서서히 커져, 빔 웨이스트 거리(L₀)도 서서히 커지지만, 빔 웨이스트 직경(2ω₀)과 빔 웨이스트 거리(L₀)는 각각 다른 렌즈 길이(z)에서 피크를 갖는다.

이와 같은 집광 특성을 갖는 GRIN 렌즈 부착 광파이버(10)를 좌우 대칭으로 또한 동축 상에 대향시킨 광결합기(1)는, GRIN 렌즈 길이(z)를 z_1/4<z<z_1/2로 설정함으로써, GRIN 렌즈(12)의 단부면 간에 유효한 렌즈 간 거리(WD)를 설정할 수 있고, 또 렌즈 간 거리(WD)를 빔 웨이스트 거리(L₀)의 2배(WD=2×L₀)로 설정함으로써 결합 효율을 최적화할 수 있다.

그러나, 광파이버(11)로 다른 파장의 광을 전송하는 경우, 특정한 굴절률 분포를 갖는 GRIN 렌즈를 구비한 광결합기에서는, 전송광의 파장별로 굴절률 부여 물질 자체의 분산에 의하여 렌즈의 굴절률 분포가 변경되고, 그 결과 빔 웨이스트 거리(L₀)가 다른 값이 되므로, 특정한 파장에 대한 빔 웨이스트 거리(L₀)에 근거하여 렌즈 간 거리(WD)(=2×L₀)를 설정하면, 전송하는 다른 파장의 광에서는 최적의 결합 효율을 얻을 수 없는 문제가 발생한다.

본 발명은, 이와 같은 문제에 대처하는 것을 과제의 일례로 하는 것이다. 즉, GRIN 렌즈 부착 광파이버를 소정의 렌즈 간 거리를 마련하여 동축 상에 대향시킨 광결합기에 있어서, 다른 파장의 광을 전송하는 경우에도, 렌즈 간 거리의 설정을 파장별로 변경하지 않고, 각 파장에서 적정한 결합 효율을 얻을 수 있는 것 등이 본 발명의 목적이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 광파이버와 GRIN 렌즈를 동축 상에 접합한 GRIN 렌즈 부착 광파이버를 설정된 렌즈 간 거리를 마련하여 동축 상에 대향시키고, 한쪽의 GRIN 렌즈 부착 광파이버의 전송광을 다른 한쪽의 GRIN 렌즈 부착 광파이버에 결합하는 광결합기로서, 상기 렌즈 간 거리의 중간 위치가, 상기 전송광 중 가장 짧은 파장의 광에 있어서의 빔 웨이스트 위치에 맞춰 설정되며, 상기 GRIN 렌즈의 광축 방향을 따른 렌즈 길이가, 상기 전송광 중 상기 파장과는 다른 파장의 광의 빔 웨이스트 위치의 거리 편차에 의한 결합 손실의 바닥부에 따라 설정되어 있는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 GRIN 렌즈 부착 광파이버의 광결합 방법은, 광파이버와 GRIN 렌즈를 동축 상에 접합한 GRIN 렌즈 부착 광파이버를 설정된 렌즈 간 거리를 마련하여 동축 상에 대향시키고, 한쪽의 GRIN 렌즈 부착 광파이버의 전송광을 다른 한쪽의 GRIN 렌즈 부착 광파이버에 결합하는 광결합 방법으로서, 상기 렌즈 간 거리의 중간 위치를, 상기 전송광 중 가장 짧은 파장의 광에 있어서의 빔 웨이스트 위치에 맞춰 설정하며, 상기 GRIN 렌즈의 광축 방향을 따른 렌즈 길이를, 상기 전송광 중 상기 파장과는 다른 파장의 광의 빔 웨이스트 위치의 거리 편차에 의한 결합 손실의 바닥부에 따라 설정하는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 특징을 갖는 본 발명에 의하면, GRIN 렌즈 부착 광파이버를 소정의 렌즈 간 거리를 마련하여 동축 상에 대향시킨 광결합기 및 광결합 방법에 있어서, 다른 파장의 광을 전송하는 경우에도, 렌즈 간 거리의 설정을 파장별로 변경하지 않고, 각 파장에서 적정한 결합 효율을 얻을 수 있다.

도 1은 GRIN 렌즈의 굴절률 분포를 나타낸 설명도이다.
도 2는 GRIN 렌즈 부착 광파이버를 대향시킨 광결합기를 나타낸 설명도이다.
도 3은 GRIN 렌즈 부착 광파이버에 있어서, GRIN 렌즈 길이를 변경한 경우의 출사광의 집광 특성의 차이를 나타낸 설명도이다.
도 4는 본 발명의 실시형태에 관한 광결합기의 설계 방법을 나타낸 설명도이다.
도 5는 본 발명의 실시형태에 관한 광결합기의 렌즈 길이의 설정예를 나타낸 설명도이다(렌즈 길이(z)를 변경한 경우의 각 파장(λ₁,λ₂,λ₃)의 광의 빔 웨이스트 거리(L₀)를 나타낸 그래프).
도 6은 본 발명의 실시형태에 관한 광결합기의 렌즈 길이의 설정예를 나타낸 설명도이다(렌즈 길이(z)를 변경한 경우의 각 파장(λ₁,λ₂,λ₃)의 광의 빔 웨이스트 직경(2ω₀)을 나타낸 그래프).
도 7은 본 발명의 실시형태에 관한 광결합기의 렌즈 길이의 설정예를 나타낸 설명도이다(렌즈 길이(z)를 변경한 경우의 각 파장(λ₁,λ₂,λ₃)의 광의 거리 편차(D)에 의한 결합 손실을 나타낸 그래프).
도 8은 본 발명의 실시형태에 관한 광결합기의 렌즈 길이의 설정예를 나타낸 설명도이다(도 5와 도 7을 합성한 그래프).
도 9는 본 발명의 실시형태에 관한 광결합기의 GRIN 렌즈 부착 광파이버로부터 출사된 광의 집광 상태를 나타낸 그래프이다.

본 발명의 실시형태에 관한 광결합기 및 광결합 방법으로서, 싱글 모드 광파이버를 석영계의 GRIN 렌즈(굴절률 분포형 렌즈)에 접합한 GRIN 렌즈 부착 광파이버(10)를, 소정의 렌즈 간 거리(WD)를 마련하여 동축 상에 대향시킨 광결합기(1)를 예로 하여 설명한다(도 2 참조). 여기에서의 GRIN 렌즈(12)의 렌즈 길이(z)는, 상기 식 (3)으로 나타낸 z_1/4와 z_1/2=2×z_1/4의 사이로 설정된다. 이 경우, 상술한 바와 같이, 한쪽의 GRIN 렌즈 부착 광파이버(10)로부터 출사되는 광은 근사적으로 가우시안 빔이 되고, 그 출사광의 거동은, 주로 빔 웨이스트 직경(2ω₀)과 빔 웨이스트 거리(L₀)에 의하여 기술할 수 있다(도 3 참조).

여기에서, 상술한 식 (1), (2)가 성립하는 GRIN 렌즈(12)를 구비하는 광결합기(1)는, 빔 웨이스트 거리(L₀)와 빔 웨이스트 직경(ω₀)을 하기 식 (4), (5)에 의하여 나타낼 수 있다(비특허문헌 1 참조). 즉, 광결합기(1)의 빔 웨이스트 거리(L₀)와 빔 웨이스트 직경(ω₀)을, 전송광의 파장(λ)과 렌즈 길이(z)의 함수로서 나타낼 수 있다. 식 (4), (5)에 있어서, 싱글 모드 광파이버인 광파이버(11)가 전송하고 있는 파장(λ)의 광의 모드 필드 직경(싱글 모드 광파이버의 코어 직경보다 약간 큼)을 2ω_s라고 하고 있다.

[수학식 3]

광결합기(1)의 결합 효율을 구할 때에, 2개의 GRIN 렌즈 부착 광파이버로부터 각각 파장(λ)의 광을 출사시켰을 때에 형성되는 빔 웨이스트 직경이 2ω₁,2ω₂이며, 빔 웨이스트 위치가 거리 편차(D)를 갖는 상태를 생각하여, 그때의 결합 효율(η)을 구하면, k=2π/λ로 하여, 하기 식 (6), (7)로 나타낼 수 있다(비특허문헌 2 참조).

[수학식 4]

본 발명의 실시형태에 관한 광결합기(1)는, 좌우 대칭의 GRIN 렌즈 부착 광파이버(10)를 이용하므로, ω₁=ω₂=ω₀(λ,z)이 된다. 그리고, 그 광결합기(1)에 다른 파장(λ_i)의 광을 전송하는 경우에서 거리 편차(D)를 갖는 경우의 결합 효율(η)은, 전송광의 파장(λ_i)과 렌즈 길이(z)의 함수(η(λ_i,z))이며, 하기의 식 (8), (9)와 같이 나타낼 수 있다. 여기에서, k_i=2π/λ_i이다.

[수학식 5]

도 4는, 본 발명의 실시형태에 관한 광결합기(1)의 설계 방법을 나타내고 있다. 본 발명의 실시형태에 관한 광결합기(1)는, GRIN 렌즈(12)의 광축 방향을 따른 렌즈 길이(z)와 렌즈 간 거리(WD)의 설정으로, 다른 파장의 광을 결합하는 경우의 결합 효율의 최적화를 도모하고 있다. 먼저, 도 4(a)에 나타내는 바와 같이, 전송광 중 가장 짧은 파장(λ_m)의 광을 대상으로 하여, 빔 웨이스트 거리(L₀(λ_m,z))를 구하며, 그 빔 웨이스트 위치가 렌즈 간 거리(WD)의 중간 위치와 일치하도록, 렌즈 간 거리(WD)를 설정한다.

렌즈 간 거리(WD)의 중간 위치와 파장(λ_m)의 광의 빔 웨이스트 위치가 일치하고 있는 상태에서, 광결합기(1)로 파장(λ_m)과는 다른 파장(λ_i)의 광을 결합하면, 파장(λ_i)의 광의 빔 웨이스트 위치는, 도 4(b)에 나타내는 바와 같이, 거리 편차(D)를 갖게 되고, 그때의 결합 효율(η)은, 식 (8), (9)로 나타난다. 여기에서, 식 (8), (9)에 있어서의 렌즈 길이(z)를 조정하여, 파장(λ_i)의 광을 결합하는 경우의 결합 효율(η(λ_i,z))의 적정화를 도모한다. 이때, 렌즈 길이(z)의 조정에 따라서 파장(λ_m)의 광의 빔 웨이스트 거리(L₀(λ_m,z))가 변경되므로, 그에 따라, 파장(λ_m)의 광의 빔 웨이스트 위치가 렌즈 간 거리(WD)의 중간 위치와 일치하도록, 렌즈 간 거리(WD)를 가변 조정한다.

도 5~도 8은, 본 발명의 실시형태에 관한 광결합기(1)의 렌즈 길이(z)의 설정예를 나타내고 있고, 소정 렌즈 파라미터를 갖는 GRIN 렌즈(12)와 소정 빔 직경(2ω_s)이 설정된 싱글 모드의 광파이버(11)로 이루어지는 GRIN 렌즈 부착 광파이버(10)를 동축 상에 대향시킨 광결합기(1)에 있어서, 다른 파장의 단파장광(單波長光)(파장 λ₁:450nm,파장 λ₂:532nm,파장 λ₃:635nm)을 결합시키는 경우의 렌즈 간 거리(WD)와 렌즈 길이(z)의 설정예를 나타내고 있다.

도 5는, 렌즈 길이(z)를 변경한 경우의 각 파장(λ₁,λ₂,λ₃)의 광의 빔 웨이스트 거리(L₀)를 나타내고 있고, 도 6은, 렌즈 길이(z)를 변경한 경우의 각 파장(λ₁,λ₂, λ₃)의 광의 빔 웨이스트 직경(2ω₀)을 나타내고 있으며, 도 7은, 렌즈 길이(z)를 변경한 경우의 각 파장(λ₁,λ₂,λ₃)의 거리 편차(D)에 의한 결합 손실(dB)을 나타내고 있다. 여기에서의 결합 손실은, -10·log₁₀(η(λ_i, z))으로 계산한다. 도 8은, 도 5에 나타낸 빔 웨이스트 거리(L₀)와 도 7에 나타낸 거리 편차(D)에 의한 결합 손실(dB)을 겹쳐 나타내고 있다.

여기에서, 렌즈 길이(z)를 조정하면, 각 파장(λ₁,λ₂,λ₃)에 있어서의 빔 웨이스트 거리(L₀)는 변화하지만, 각 파장(λ₁,λ₂,λ₃)에 있어서의 거리 편차(D)에 의한 결합 손실 -10·log₁₀(η(λ_i,z))을 구하는 조건으로서, 가장 짧은 파장인 파장(λ₁)(=450nm)의 광의 빔 웨이스트 위치가 항상 렌즈 간 거리(WD)의 중간 위치가 되는, 즉, 파장 λ₁에 있어서의 결합 손실이 렌즈 길이(z)에 상관없이 항상 0dB이 되는 것을 조건으로 하고 있다.

렌즈 길이(z)의 설정에 있어서, 여기에서는, 파장(λ₁,λ₂,λ₃)중 가장 긴 파장(λ₃)=635nm의 광에 있어서의 결합 손실이 바닥부를 나타내고, λ₃의 광에 있어서의 빔 웨이스트 거리(L₀)가 최대가 되는 렌즈 길이(z)=606μm를 설정값으로 하고 있다. 이 렌즈 길이(z)에 의한 파장(λ₁)의 광의 빔 웨이스트 거리(L₀)를 구하여 렌즈 간 거리(WD)를 설정하면, 도 5에 나타내는 바와 같이, 파장(λ₁,λ₂,λ₃)중 가장 짧은 파장(λ₁)의 광의 빔 웨이스트 거리(L₀)가 750μm이기 때문에, 렌즈 간 거리(WD)=2×L₀=1500μm(1.5mm)로 설정된다.

이와 같이 설정한 렌즈 길이(z)(606μm)와 렌즈 간 거리(WD)(1.5mm)를 구비하는 광결합기(1)(실시예)에 의하여, 파장 λ₁(450nm),λ₂(532nm),λ₃(635nm)의 광을 결합한 경우의 결합 손실의 실측값을 표 1에 나타낸다. 이와 같이 설정된 실시예에서는, 다른 파장의 광의 결합 손실의 차(450nm와의 차)가 0.3dB 미만으로 억제되어 있다.

WD=1.5mm
파장(nm)	렌즈 길이(μm)	결합 손실(dB)	450nm와의 차
450	606	0.99	0.00
532	606	1.24	0.25
635	606	1.10	0.11

상술한 실시예에서는, 렌즈 길이(z)의 설정을 파장(λ₁,λ₂,λ₃)중 가장 긴 파장(λ₃)=635nm의 광에 있어서의 결합 손실이 바닥부를 나타내는 값으로 설정하고 있지만, 이에 한정되지 않고, 중간의 파장(λ₂)의 광에 있어서의 결합 손실이 바닥부를 나타내는 값과 가장 긴 파장(λ₃)의 광에 있어서의 결합 손실이 바닥부를 나타내는 값의 사이로, 렌즈 길이(z)를 설정해도 된다. 즉, 전송광이 3파장 이상의 다른 파장의 광인 경우에는, 렌즈 길이는, 가장 짧은 파장 이외의 2파장 이상의 다른 파장의 광에 있어서의 결합 손실의 바닥부에 따라 설정된다. 여기에서의 결합 손실의 바닥부는, 예를 들면 결합 손실이 0.5dB 이하, 바람직하게는 0.3dB 이하가 되는 범위로 특정할 수 있다. 또한, 실시예에서는, 3개의 다른 파장을 전송시키는 경우에 대하여 설명했지만, 전송광의 파장은, 다른 2파장 이상이면 동일하게 설정할 수 있다.

이에 대하여, 도 5~도 8에 나타낸 예에서, 결합 손실에 착안하지 않고 렌즈 길이(z)를 약간 길게 설정하고, 다른 파장(λ₁,λ₂,λ₃)의 각각의 빔 웨이스트 거리(L₀)가 근사하는 곳에서 렌즈 길이(z)를 설정하는 경우를 비교예로 한다. 예를 들면, 렌즈 길이(z)를 766μm로 설정하면, 렌즈 간 거리(WD)는, 도 5에 나타내는 바와 같이, 이 렌즈 길이(z)에 의한 파장(λ₁)의 광의 빔 웨이스트 거리(L₀)가 200μm이기 때문에, 렌즈 간 거리(WD)=2×L₀=400μm(0.4mm)가 된다.

이와 같이 설정한 렌즈 길이(z)(766μm)와 렌즈 간 거리(WD)(0.4mm)를 구비하는 광결합기(비교예)에 의하여, 파장 λ₁(450nm),λ₂(532nm),λ₃(635nm)의 광을 결합한 경우의 결합 손실의 실측값을 표 2에 나타낸다. 이와 같이 설정된 비교예에서는, 다른 파장의 광의 결합 손실의 차(450nm와의 차)가 최대로 1.76dB이나 된다.

WD=0.4mm
파장(nm)	렌즈 길이(μm)	결합 손실(dB)	450nm와의 차
450	766	2.01	0.00
532	766	3.15	1.15
635	766	3.77	1.76

이와 같이, 본 발명의 실시형태에 관한 광결합기(1)는, 다른 파장의 광을 결합하는 경우에, 렌즈 간 거리(WD)의 중간 위치를, 전송광 중 가장 짧은 파장(λ_m)의 광에 있어서의 빔 웨이스트 위치에 맞춰 설정하고, GRIN 렌즈(12)의 광축 방향을 따른 렌즈 길이(z)를, 다른 파장(λ_i)의 광의 빔 웨이스트 위치의 거리 편차(D)에 의한 결합 손실이 바닥부를 나타내도록 설정하고 있다. 이와 같이 설정된 광결합기(1)는, 전송광의 전체 파장으로 결합 효율을 적정화할 수 있다.

전송광 중 가장 짧은 파장(λ_m)의 광에 있어서의 빔 웨이스트 위치에 렌즈 간 거리(WD)의 중간 위치를 맞춘 경우에, 다른 파장(λ_i)의 광의 빔 웨이스트 위치의 거리 편차(D)에 의한 결합 손실 -10·log₁₀(η(λ_i,z))은, 도 7에 나타내는 바와 같이 렌즈 길이(z)에 따라 변화하지만, 그 결합 손실 -10·log₁₀(η(λ_i,z))의 바닥부는, 상기 식 (3)으로 나타낸 z_1/4와 z_1/2=2×z_1/4의 사이로 설정되는 렌즈 길이(z)를 비교적 짧게 설정함으로써 얻어진다. z_1/4와 z_1/2=2×z_1/4의 사이에서 렌즈 길이(z)를 짧게 해 가면, 도 8에 나타내는 바와 같이, 파장(λ_i)의 빔 웨이스트 거리(L₀)는 피크를 나타내지만, 그 피크가 되는 렌즈 길이(z) 부근에서 결합 손실 -10·log₁₀(η(λ_i,z))은 바닥부(최솟값 부근)를 나타낸다. 본 발명의 실시형태는, 이 특성을 이용하여, 렌즈 길이(z)의 조정에 의하여, 거리 편차(D)가 발생하는 다른 파장(λ_i)의 광의 결합 손실의 적정화를 도모하고 있다.

이에 대하여 종래에는, 상술한 결합 손실 -10·log₁₀(η(λ_i,z))에 착안하지 않고, 모든 파장의 빔 웨이스트 거리(L₀)에만 착안하여, 상술한 비교예와 같이, 상기 식 (3)으로 나타낸 z_1/4와 z_1/2=2×z_1/4의 사이에서 약간 길게 렌즈 길이(z)를 설정하며, 모든 파장의 빔 웨이스트 거리(L₀)를 가까운 값으로 하는 설정이 이루어져 있었다. 도 8에 나타내는 바와 같이, 렌즈 길이(z)를 766μm로 약간 길게 설정하면, 빔 웨이스트 거리(L₀)의 파장별 차는 작아진다.

그러나, 그와 같은 렌즈 길이의 설정에서는, 표 2에 나타내는 바와 같이, 다른 파장의 광의 결합 효율을 적정화할 수는 없다. 이는, 이와 같은 약간 긴 렌즈 길이(z)의 설정에서는, 빔 웨이스트 거리(L₀)는 각 파장에서 가까운 값이 되지만, 빔 웨이스트 직경의 변화율이 빔 웨이스트 위치 부근에서 가팔라져, 근소한 빔 웨이스트 거리(L₀)의 차이가 파장별 결합 효율의 큰 차가 되어 버리기 때문이다.

도 9는, 본 발명의 실시형태에 관한 광결합기(1)에 있어서, GRIN 렌즈 부착 광파이버(10)로부터 출사된 광의 집광 상태를 나타내고 있다. 상술한 바와 같이, 렌즈 간 거리(WD)의 중간 위치를, 전송광 중 가장 짧은 파장(λ_m)의 광에 있어서의 빔 웨이스트 위치에 맞춰 설정하고, GRIN 렌즈(12)의 광축 방향을 따른 렌즈 길이(z)를, 다른 파장(λ_i)의 광의 빔 웨이스트 위치의 거리 편차(D)에 의한 결합 손실이 바닥부를 나타내도록 설정한 경우에는, 전송광(파장λ₁: 450nm, 파장λ₂: 532nm, 파장λ₃: 635nm)의 빔 웨이스트 거리(L₀(λ₁), L₀(λ₂), L₀(λ₃))는, 도시한 바와 같이 L₀(λ₁)<L₀(λ₂)<L₀(λ₃)의 대소 관계가 되고, 각각의 파장에 있어서의 빔 웨이스트 반경(ω₀(λ₁), ω₀(λ₂), ω₀(λ₃))은, 도시한 바와 같이 ω₀(λ₁)<ω₀(λ₂)<ω₀(λ₃)의 관계가 된다.

그리고, 본 발명의 실시형태에 있어서의 렌즈 간 거리(WD)와 렌즈 길이(z)의 설정에 의하면, GRIN 렌즈 부착 광파이버(10)로부터 출사되는 광의 집광 상태는, 광축 방향을 따른 집광 상태의 변화율이 파장별로 다른 특성을 나타내고, 가장 짧은 파장(λ₁)에서는 빔 웨이스트 위치 부근에 있어서의 집광 상태의 변화가 가팔라지지만, 가장 긴 파장(λ₃)에서는 빔 웨이스트 위치 부근에 있어서의 집광 상태의 변화가 완만해진다. 이와 같은 빔 웨이스트 위치 부근의 집광 상태의 변화는, 하기 식 (10)으로 나타내는 가우시안 빔에 있어서의 레일리 길이(X_R)에 의하여 설명할 수 있다(ω₀:빔 웨이스트 반경, λ: 전송광의 파장).

X_R=πω₀ ²/λ … (10)

레일리 길이(X_R)는, 빔 직경이 빔 웨이스트 직경의 2^1/2배가 되는 광축 방향의 위치와 빔 웨이스트 위치의 거리이며, 레일리 길이(X_R)가 짧을수록, 빔 웨이스트 부근에서의 집광 상태의 변화가 가팔라지고, 레일리 길이(X_R)가 길수록, 빔 웨이스트 부근에서의 집광 상태의 변화가 완만해진다.

그리고, 도 9에 나타내는 바와 같이, GRIN 렌즈 부착 광파이버(10)로부터 출사되는 광의 집광 상태로는, 빔 웨이스트 위치의 전후에서 레일리 길이 범위(빔 웨이스트 위치의 전후 양측에 레일리 길이(X_R)를 설정한 범위)를 설정할 수 있다. 이 레일리 길이 범위의 개념을 도입하면, 본 발명의 실시형태와 같이, 렌즈 간 거리(WD)와 GRIN 렌즈(12)의 광축 방향을 따른 렌즈 길이(z)를 설정한 경우에는, 렌즈 간 거리(WD)의 중간 위치는, 전송광의 모든 파장에 있어서의 각각의 레일리 길이 범위가 겹치는 위치에 설정되게 된다.

이와 같이, 본 발명의 실시형태에 관한 광결합기(1)는, 빔 웨이스트 위치 부근에 있어서의 집광 상태의 변화가 가장 가파르고, 렌즈 간 거리(WD)의 중앙 위치와 빔 웨이스트 위치의 편차에 의하여 결합 효율의 저하가 가장 큰 파장(가장 짧은 파장)에 대해서는, 렌즈 간 거리(WD)의 중앙 위치를 빔 웨이스트 위치에 맞춤으로써 최적의 결합 효율이 얻어지도록 하고 있다. 그리고, 빔 웨이스트 부근에 있어서의 집광 상태의 변화가 비교적 완만한 다른 파장에 대해서는, 렌즈 간 거리(WD)의 중앙 위치가 각각의 파장의 광의 빔 웨이스트에 있어서의 레일리 길이 범위 내가 되도록 설정함으로써, 다른 파장에 있어서도 결합 효율이 크게 저하되지 않는 광결합 상태를 실현하고 있다.

이와 같은 파장별 출사광의 집광 상태는, 본 발명의 실시형태와 같이, z_1/4와 z_1/2=2×z_1/4의 사이에서 약간 짧게 렌즈 길이(z)를 설정함으로써 실현되는 것이며, z_1/4와 z_1/2=2×z_1/4의 사이에서 약간 길게 렌즈 길이(z)를 설정한 경우에는, 모든 파장에 있어서 빔 웨이스트 위치 부근에서의 집광 상태의 변화가 가팔라져, 각 파장의 광의 결합 효율을 적정화시킬 수 없게 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시형태에 관한 광결합기(1) 및 이것을 이용한 광결합 방법은, 렌즈 간 거리(WD)의 중간 위치를, 전송광 중 가장 짧은 파장(λ_m)의 광에 있어서의 빔 웨이스트 위치에 맞춰 설정하고, GRIN 렌즈(12)의 광축 방향을 따른 렌즈 길이(z)를, 전송광 중 파장(λ_m)과는 다른 파장(λ_i)의 광의 빔 웨이스트 위치의 거리 편차(D)에 의한 결합 손실의 바닥부에 따라 설정함으로써, 다른 파장의 광을 전송하는 경우에도, 렌즈 간 거리(WD)의 설정을 파장별로 변경하지 않고, 각 파장에서 적정한 결합 효율을 얻을 수 있다.

1: 광결합기
10: GRIN 렌즈 부착 광파이버
11: 광파이버
12: GRIN 렌즈
WD: 렌즈 간 거리
z: 렌즈 길이
L₀:빔 웨이스트 거리

Claims

광파이버와 GRIN 렌즈를 동축 상에 접합한 GRIN 렌즈 부착 광파이버를 설정된 렌즈 간 거리를 마련하여 동축 상에 대향시키고, 한쪽의 GRIN 렌즈 부착 광파이버의 전송광을 다른 한쪽의 GRIN 렌즈 부착 광파이버에 결합하는 광결합기로서,
상기 렌즈 간 거리의 중간 위치가, 상기 전송광 중 가장 짧은 파장의 광에 있어서의 빔 웨이스트 위치에 맞춰 설정되며,
상기 GRIN 렌즈의 광축 방향을 따른 렌즈 길이가, 상기 전송광 중 상기 파장과는 다른 파장의 광의 빔 웨이스트 위치의 거리 편차에 의한 결합 손실의 바닥부에 따라 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 광결합기.
청구항 1에 있어서,
상기 중간 위치는, 상기 전송광의 모든 파장에 있어서의 각각의 레일리 길이 범위가 겹치는 위치에 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 광결합기.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 결합 손실의 바닥부는 0.5dB 이하인 것을 특징으로 하는 광결합기.
광파이버와 GRIN 렌즈를 동축 상에 접합한 GRIN 렌즈 부착 광파이버를 설정된 렌즈 간 거리를 마련하여 동축 상에 대향시키고, 한쪽의 GRIN 렌즈 부착 광파이버의 전송광을 다른 한쪽의 GRIN 렌즈 부착 광파이버에 결합하는 광결합 방법으로서,
상기 렌즈 간 거리의 중간 위치를, 상기 전송광 중 가장 짧은 파장의 광에 있어서의 빔 웨이스트 위치에 맞춰 설정하며,
상기 GRIN 렌즈의 광축 방향을 따른 렌즈 길이를, 상기 전송광 중 상기 파장과는 다른 파장의 광의 빔 웨이스트 위치의 거리 편차에 의한 결합 손실의 바닥부에 따라 설정하는 것을 특징으로 하는 GRIN 렌즈 부착 광파이버의 광결합 방법.