TW201626016A - 光耦合器及帶ｇｒｉｎ透鏡光纖的光耦合方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種光耦合器及帶GRIN透鏡光纖的光耦合方法，使帶GRIN透鏡光纖在同軸上隔開規定的透鏡間距離而相對向之光耦合器中，即使在傳輸不同波長的光之情況下，亦無需按每個波長改變透鏡間距離的設定，就可在各波長下得到適當的耦合效率。一種光耦合器(1)，其使帶GRIN透鏡光纖(10)在同軸上隔開已設定之透鏡間距離(WD)而相對向，該帶GRIN透鏡光纖(10)由光纖(11)和GRIN透鏡(12)在同軸上接合而成，將其中一方的帶GRIN透鏡光纖(10)的傳輸光耦合於另一方的帶GRIN透鏡光纖(10)，其中，透鏡間距離(WD)的中間位置是依傳輸光中最短波長λm的光中之束腰位置來設定，沿GRIN透鏡(12)的光軸方向之透鏡長度(z)，依據基於傳輸光中與波長λm不同之波長λi的光的束腰位置的距離偏移(D)之耦合損失的底部來設定。

Description

光耦合器及帶GRIN透鏡光纖的光耦合方法
本發明係有關一種使帶GRIN透鏡光纖相對向之光耦合器及其光耦合方法者。
在使用光纖之光資訊傳輸系統中，使從其中一方的光纖端射出之光經由空間入射到另一方的光纖端之光耦合器係能夠在其空間內插入波長選擇器、光分路器、光開關、光隔離器、光調變器等功能元件之功能性較高的光模組。該種光耦合器習知藉由使用一對凸透鏡之準直器，將通過空間之光設為接近平行光，但存在使用凸透鏡之準直器相對於光纖外徑直徑較大，不能應對光傳輸系統的細徑化/高密度化要求之問題。
對此，作為能夠應對細徑化/高密度化要求之光耦合器，已知有在同軸上接合光纖和GRIN透鏡(折射率分佈型透鏡)，並隔開規定的透鏡間距離而使一對GRIN透鏡的前端面相對向配置之光纖準直器對(參閱下述專利文獻1)。如第1圖(a)所示，在這裡使用之GRIN透鏡為與光纖大致同直徑的圓柱狀，如第1圖(b)所示，具有在中心軸的折射率n1最高，隨著從中心軸向外周方向遠離，並且折射率n以二次曲線狀連續降低之折射率分佈，由自中心軸的距離r的函數n(r) 表示其截面方向x、y的折射率n，可以由下述(1)式表示。
其中，g為表示GRIN透鏡的聚光能力之常數(分佈常數)，n1為GRIN透鏡的中心折射率，r為半徑方向的距離(r2=x2+y2)，n2為在透鏡半徑R上的折射率。中心折射率n1與分佈常數g、透鏡半徑R的關係由下述(2)式表示。
其中，NA稱為開口數Numerical Aperture(以下，簡稱為“NA”)，係表示透鏡性能之參數。NA較高的透鏡為光的聚光能力較高的透鏡。
【先行技術文獻】 【專利文獻】
專利文獻1：日本專利公開2008-20560號公報
【非專利文獻】
非專利文獻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).
非專利文獻2：Marcuse D, "Loss analysis of single-mode fiber splices", Bell System Technical Journal, 56: 5. May-June 1977 pp 703-718.
第2圖示出使帶GRIN透鏡光纖10相對向之光耦合器1。該光耦合器1係使光纖11與GRIN透鏡12在同軸上接合，設定透鏡間距離WD而使其相對向配置者。作為光耦合器1的構成例，接合石英類GRIN透鏡12與作為單模光纖之光纖11，將光纖11的開口數設為NAf，將GRIN透鏡12的開口數設為NAg之情況下，0.090NAg0.17且NAfNAg，並且，將光纖11的外徑設為Df，將GRIN透鏡12的外徑設為R之情況下，Df-3μmRDf。
使帶GRIN透鏡光纖10相對向之光耦合器1中之GRIN透鏡的光軸方向的長度z，在透鏡間距離WD較短之情況下，設定為由下述(3)式表示之z 1/4的長度，或者其奇數倍的長度，但在較長設定透鏡間距離WD之情況下，為了提高耦合效率，將透鏡長度z設定為比z 1/4長。
z 1/4=π/(2g)...(3)
如第3圖所示，若將透鏡長度z設為比由上述(3)式表示之z 1/4長，則從光纖11射出之光近似成為高斯光束，若將其藉由GRIN透鏡12進行聚光，則不會收攏在1点而是 收攏成某一大小(2ω0)的直徑。將該所收攏之狀態的部分稱為束腰，將其直徑2ω0稱為束腰直徑。
使GRIN透鏡12的長度z在由上述(3)式表示之z 1/4與z 1/2=2×z 1/4之間變化時，束腰直徑2ω0與從GRIN透鏡12的光射出側端面到束腰位置為止的距離(束腰距離)L0如第3圖所示那樣變化。亦即，若使GRIN透鏡12的長度z在z 1/2>z>z 1/4之間，以z 1>z 2>z 3這樣逐漸變小之方式變化，則束腰直徑2ω0逐漸變大，束腰距離L0亦逐漸變大，但束腰直徑2ω0和束腰距離L0在個別不同之透鏡長度z具有峰值。
在使具有該種聚光特性之帶GRIN透鏡光纖10左右對稱且在同軸上相對向之光耦合器1中，藉由將GRIN透鏡長度z設定為z 1/4<z<z 1/2，能夠在GRIN透鏡12的端面之間設定有效的透鏡間距離WD，並且，藉由將透鏡間距離WD設定為束腰距離L0的2倍(WD=2×L0)，能夠使耦合效率最適化。
然而，藉由光纖11傳輸不同波長的光之情況下，在具備具有特定的折射率分佈之GRIN透鏡之光耦合器中，由於賦予了折射率的物質自身的分散而使透鏡的折射率分佈按每個傳輸光的波長發生變化，其結果，束腰距離L0成為不同值，因此若基於相對於特定波長之束腰距離L0來設定透鏡間距離WD(=2×L0)，則產生藉由進行傳輸之其他波長的光不能得到最佳耦合效率之問題。
本發明係將解決該種問題為課題的一例者。亦即， 本發明的目的為，使帶GRIN透鏡光纖在同軸上隔開規定透鏡間距離而相對向之光耦合器中，即使傳輸不同波長的光之情況下，無需按每個波長改變透鏡間距離的設定，就能夠在各波長下得到適合的耦合效率等。
為了實現該種目的，本發明係一種光耦合器，其使帶GRIN透鏡光纖在同軸上隔開已設定透鏡間距離而相對向，該帶GRIN透鏡光纖由光纖和GRIN透鏡在同軸上接合而成，將其中一方的帶GRIN透鏡光纖的傳輸光耦合於另一方的帶GRIN透鏡光纖，該光耦合器的特徵為，前述透鏡間距離的中間位置是依據前述傳輸光中最短波長的光中之束腰位置來設定，沿前述GRIN透鏡的光軸方向之透鏡長度，依據基於前述傳輸光中與前述波長不同之波長的光的束腰位置的距離偏移之耦合損失的底部來設定。
並且，本發明的帶GRIN透鏡光纖的光耦合方法，其使帶GRIN透鏡光纖在同軸上隔開已設定透鏡間距離而相對向，該帶GRIN透鏡光纖由光纖和GRIN透鏡在同軸上接合而成，將其中一方的帶GRIN透鏡光纖的傳輸光耦合於另一方的帶GRIN透鏡光纖，該光耦合方法的特徵為，將前述透鏡間距離的中間位置依據前述傳輸光中最短波長的光中之束腰位置來設定，沿前述GRIN透鏡的光軸方向之透鏡長度，依據基於前述傳輸光中與前述波長不同之波長的光的束腰位置的距離偏移之耦合損失的底部來設定。
依具有該種特徵之本發明，在使帶GRIN透鏡光纖在同軸上隔開規定透鏡間距離而相對向之光耦合器及光耦合方法中，即使傳輸不同波長的光時，亦無需按每個波長改變透鏡間距離的設定，就能夠在各波長下得到適當的耦合效率。
1‧‧‧光耦合器
10‧‧‧帶GRIN透鏡光纖
11‧‧‧光纖
12‧‧‧GRIN透鏡
WD‧‧‧透鏡間距離
z‧‧‧透鏡長度
L0‧‧‧束腰距離
第1圖係表示GRIN透鏡的折射率分佈之說明圖。
第2圖係表示使帶GRIN透鏡光纖相對向之光耦合器之說明圖。
第3圖係表示帶GRIN透鏡光纖中，改變GRIN透鏡長度之情況下的出射光的聚光特性的差異之說明圖。
第4圖係表示本發明的實施形態之光耦合器的設計方法之說明圖。
第5圖係表示本發明的實施形態之光耦合器的透鏡長度的設定例之說明圖(表示改變透鏡長度z之情況下的各波長(λ1、λ2、λ3)的光的束腰距離L0之曲線圖)。
第6圖係表示本發明的實施形態之光耦合器的透鏡長度的設定例之說明圖(表示改變透鏡長度z之情況下的各波長(λ1、λ2、λ3)的光的束腰直徑2ω0之曲線圖)。
第7圖係表示本發明的實施形態之光耦合器的透鏡長度的設定例之說明圖(表示基於改變透鏡長度z之情況下的各波長(λ1、λ2、λ3)的光的距離偏移D之耦合損失之曲線圖)。
第8圖係表示本發明的實施形態之光耦合器的透鏡長度的設定例之說明圖(合成第5圖和第7圖之曲線圖)。
第9圖係表示本發明的實施形態之光耦合器的從帶GRIN透鏡光纖射出之光的聚光狀態之曲線圖。
作為本發明的實施形態之光耦合器及光耦合方法，以使帶GRIN透鏡光纖10在同軸上隔開規定透鏡間距離WD而相對向之光耦合器1為例進行說明，該帶GRIN透鏡光纖10將單模光纖接合於石英類GRIN透鏡(折射率分佈型透鏡)而成(參閱第2圖)。此處的GRIN透鏡12的透鏡長度z在由上述(3)式表示之z 1/4與z 1/2=2×z 1/4之間設定。該種情況下，如前所述，從其中一方的帶GRIN透鏡光纖10射出之光近似成為高斯光束，其出射光的變動主要能夠藉由束腰直徑2ω0和束腰距離L0來敘述(參閱第3圖)。
在此，具備前述之(1)、(2)式成立之GRIN透鏡12之光耦合器1可以藉由下述(4)、(5)式表示束腰距離L0和束腰徑ω0(參閱非專利文献1)。亦即，可以將光耦合器1的束腰距離L0和束腰徑ω0作為傳輸光的波長λ和透鏡長度z的函數來表示。在(4)、(5)式中，將傳輸作為單模光纖之光纖11之波長λ的光模場直徑(稍微大於單模光纖的芯直徑)設為2ωs。
在求出光耦合器1的耦合效率時，若考慮由兩個帶GRIN透鏡光纖個別地射出波長λ的光時形成之束腰直徑為2ω1，2ω2，且束腰位置具有距離偏移D之狀態，來求出此時的耦合效率η，設k=2π/λ，則可以由下述(6)、(7)式表示(參閱非專利文献2)。
本發明的實施形態之光耦合器1使用左右對稱的帶GRIN透鏡光纖10，因此ω1=ω2=ω0(λ，z)。而且，向該光耦合器1傳輸不同波長λi的光之情況下，具有距離偏移D時之耦合效率η為傳輸光的波長λi和透鏡長度z的函數η(λi，z)，可以如下述(8)、(9)式表示。在此，k i=2π/λi。
第4圖中示出本發明的實施形態之光耦合器1的設計方法。本發明的實施形態之光耦合器1藉由沿GRIN透鏡12的光軸方向之透鏡長度z和透鏡間距離WD的設定，謀求耦合不同波長的光時的耦合效率的最適化。首先，如第4圖(a)所示，將傳輸光中最短的波長λm的光作為對象，求出束腰距離L0(λm，z)，以該束腰位置與透鏡間距離WD的中間位置一致之方式設定透鏡間距離WD。
在透鏡間距離WD的中間位置與波長λm的光的束腰位置一致之狀態下，若藉由光耦合器1耦合與波長λm不同的波長λi的光，則如第4圖(b)所示，波長λi的光的束腰位置具有距離偏移D，此時的耦合效率η由(8)、(9)式表示。在此，調整在(8)、(9)式中之透鏡長度z，來謀求耦合波長λi的光時的耦合效率η(λi，z)的適當化。此時，依據透鏡長度z的調整，波長λm的光的束腰距離L0(λm，z)發生變化，因此藉此，以波長λm的光的束腰位置與透鏡間距離WD的中間位置一致之方式對透鏡間距離WD進行可變調整。
第5圖~第8圖中示出本發明的實施形態之光耦合器1的透鏡長度z的設定例，示出如下設定例，即使由具有某一透鏡參數之GRIN透鏡12和設定了某一光束直徑2ωs之 單模光纖11構成之帶GRIN透鏡光纖10在同軸上相對向之光耦合器1中，示出耦合不同波長的單波長光(波長λ1：450nm，波長λ2：532nm，波長λ3：635nm)時的透鏡間距離WD和透鏡長度z的設定例。
第5圖中示出改變透鏡長度z之情況下的各波長(λ1，λ2，λ3)的光的束腰距離L0，第6圖中示出改變透鏡長度z之情況下的各波長(λ1，λ2，λ3)的光的束腰直徑2ω0，第7圖中示出改變透鏡長度z之情況下的基於各波長(λ1，λ2，λ3)的距離偏移D之耦合損失(dB)。此處的耦合損失由-10‧log10(η(λi，z))計算。第8圖中重疊第5圖所示之束腰距離L0和第7圖所示之基於距離偏移D之耦合損失(dB)來表示。
在此，若調整透鏡長度z，則各波長(λ1，λ2，λ3)中之束腰距離L0發生變化，但作為求出基於各波長(λ1，λ2，λ3)中之距離偏移D之耦合損失-10‧log10(η(λi，z))之條件，最短波長亦即波長λ1(=450nm)的光的束腰位置始終為透鏡間距離WD的中間位置，亦即，將波長λ1中之耦合損失與透鏡長度z無關始終成為0dB來作為條件。
在透鏡長度z的設定中，在此，波長(λ1，λ2，λ3)中最長波長λ3=635nm的光中之耦合損失顯示底部，將λ3的光中之束腰距離L0成為最大之透鏡長度z=606μm設為設定值。若求出基於該透鏡長度z之波長λ1的光的束腰距離L0來設定透鏡間距離WD，則如第5圖所示，波長(λ1、λ2、λ3)中最短的波長λ1的光的束腰距離L0為750μm，因此設定為透鏡間 距離WD=2×L0=1500μm(1.5mm)。
藉由具備這樣設定之透鏡長度z(606μm)和透鏡間距離WD(1.5mm)之光耦合器1(實施例)，將耦合波長λ1(450nm)、λ2(532nm)、λ3(635nm)的光時的耦合損失的實測值示於表1。在這樣設定之實施例中，抑制不同波長的光的耦合損失差(與450nm的差)小於0.3dB。
在前述的實施例中，關於透鏡長度z的設定，設定為波長(λ1、λ2、λ3)中最長的波長λ3=635nm的光中之耦合損失顯示底部之值，但不限於此，亦可以在中間的波長λ2的光中之耦合損失顯示底部之值與最長波長λ3光中之耦合損失顯示底部之值之間，設定透鏡長度z。亦即，傳輸光為3波長以上的不同波長的光之情況下，透鏡長度依據最短波長以外的2波長以上的不同波長的光中之耦合損失的底部來設定。關於此處的耦合損失的底部，可以特定例如耦合損失為0.5dB以下，在0.3dB以下之範圍為較佳。另外，實施例中，對傳輸3個不同波長之情況進行了說明，但傳輸光的波長只要為不同的2波長以上，則可以同樣地進行設定。
對此，第5圖~第8圖中所示之例子中，將無需著眼於耦合損失，而較長設定透鏡長度z，在不同波長(λ1、 λ2、λ3)各自的束腰距離L0近似處設定透鏡長度z的情況作為比較例。例如，若將透鏡長度z設定為766μm，則透鏡間距離WD，如第5圖所示，基於該透鏡長度z之波長λ1的光的束腰距離L0為200μm，因此透鏡間距離WD=2×L0=400μm(0.4mm)。
藉由具備這樣設定之透鏡長度z(766μm)和透鏡間距離WD(0.4mm)之光耦合器(比較例)，耦合波長λ1(450nm)、λ2(532nm)、λ3(635nm)的光時的耦合損失的實測值示於表2。在這樣設定之比較例中，不同波長的光的耦合損失的差(與450nm的差)最大為1.76dB。
這樣，本發明的實施形態之光耦合器1耦合不同波長的光之情況下，將透鏡間距離WD的中間位置依據傳輸光中最短的波長λm的光中之束腰位置來設定，將沿GRIN透鏡12的光軸方向之透鏡長度z設定為基於其他波長λi的光的束腰位置的距離偏移D之耦合損失顯示底部。這樣設定之光耦合器1能夠在傳輸光的所有波長下使耦合效率適當化。
將透鏡間距離WD的中間位置配合傳輸光中最短的波長λm的光中之束腰位置之情況下，基於其他波長λi的光的束腰位置的距離偏移D之耦合損失-10‧log10(η(λi，z))， 如第7圖所示，藉由透鏡長度z變化，但該耦合損失-10‧log10(η(λi，z))的底部藉由將較短設定在由上述(3)式表示之z 1/4與z 1/2=2×z 1/4之間設定之透鏡長度z來獲得。若在z 1/4與z 1/2=2×z 1/4之間，縮短透鏡長度z，則如第8圖所示，波長λi的束腰距離L0顯示峰值，但在成為該峰值之透鏡長度z附近耦合損失-10‧log10(η(λi，z))顯示底部(最小值附近)。本發明的實施形態利用該特性，藉由透鏡長度z的調整，謀求產生距離偏移D之其他波長λi的光的耦合損失的適當化。
對此，習知，無需著眼於前述之耦合損失-10‧log10(η(λi，z))，而是僅著眼於所有波長的束腰距離L0，如前述之比較例，在由上述(3)式表示之z 1/4與z 1/2=2×z 1/4之間較長設定透鏡長度z，進行將所有波長的束腰距離L0設為近似值之設定。如第8圖所示，若較長設定透鏡長度z為766μm，則每個波長的束腰距離L0的差變小。
然而，在該種透鏡長度的設定中，如表2所示，不能使不同波長的光的耦合效率適當化。這是因為，在該種較長的透鏡長度z的設定中，束腰距離L0在各波長下成為近似值，但束腰直徑的變化率在束腰位置附近急劇變化，較小的束腰距離L0的差異成為每個波長的耦合效率較大的差。
第9圖示出在本發明的實施形態之光耦合器1中，從帶GRIN透鏡光纖10射出之光的聚光狀態。如前所述，將透鏡間距離WD的中間位置依據傳輸光中最短的波長λm的光中之束腰位置來設定，將沿GRIN透鏡12的光軸方向之透鏡 長度z設定為表示基於其他波長λi的光的束腰位置的距離偏移D之耦合損失顯示底部之情況下，傳輸光(波長λ1：450nm、波長λ2：532nm、波長λ3：635nm)的束腰距離L0(λ1)、L0(λ2)、L0(λ3)，如圖所示，成為L0(λ1)<L0(λ2)<L0(λ3)的大小關係，個別的波長中之束腰半徑ω0(λ1)、ω0(λ2)、ω0(λ3)，如圖所示，成為ω0(λ1)<ω0(λ2)<ω0(λ3)的關係。
而且，依本發明的實施形態中之透鏡間距離WD和透鏡長度z的設定，從帶GRIN透鏡光纖10射出之光的聚光狀態顯示沿光軸方向之聚光狀態的變化率按每個波長而不同之特性，在最短波長λ1下束腰位置附近的聚光狀態急劇變化，而最長波長λ3下束腰位置附近的聚光狀態平穩變化。該種束腰位置附近的聚光狀態的變化可以藉由下述(10)式表示之高斯光束中之瑞利長度XR進行說明(ω0：束腰半徑，λ：傳輸光的波長)。
XR=πω02/λ...(10)
瑞利長度XR為光束直徑成為束腰直徑的2 1/2倍之光軸方向的位置與束腰位置的距離，瑞利長度XR越短束腰附近的聚光狀態越急劇變化，瑞利長度XR越長，束腰附近的聚光狀態越平穩變化。
而且，如第9圖所示，從帶GRIN透鏡光纖10射出之光的聚光狀態下，可以在束腰位置的前後設定瑞利長度範圍(在束腰位置的前後両側設定瑞利長度XR之範圍)。若導 入該瑞利長度範圍的概念，則如本發明的實施形態那樣，設定透鏡間距離WD和沿GRIN透鏡12的光軸方向之透鏡長度z時，將透鏡間距離WD中間位置設定為傳輸光的所有波長中之各自的瑞利長度範圍重疊之位置。
這樣，本發明的實施形態之光耦合器1中，在束腰位置附近之聚光狀態最急劇變化，對於藉由透鏡間距離WD的中央位置與束腰位置的偏移而使耦合效率的降低最大的波長(最短波長)，藉由將透鏡間距離WD的中央位置與束腰位置配合來得到最佳的耦合效率。而且，關於束腰附近之聚光狀態比較平穩變化之其他波長，藉由以透鏡間距離WD的中央位置在個別波長的光的束腰中之瑞利長度範圍內的方式設定，即使在其他波長下，亦實現耦合效率不會較大降低之光耦合狀態。
如本發明的實施形態那樣，該種每個波長的出射光的聚光狀態係藉由在z 1/4與z 1/2=2×z 1/4之間較短設定透鏡長度z來實現者，而在z 1/4與z 1/2=2×z 1/4之間較長設定透鏡長度z時，在所有波長中，束腰位置附近的聚光狀態急劇變化，不能使各波長的光的耦合效率適當化。
如以上說明，本發明的實施形態之光耦合器1及利用該光耦合器之光耦合方法，藉由將透鏡間距離WD的中間位置依據傳輸光中最短的波長λm的光中之束腰位置來設定，依據基於傳輸光中與波長λm不同波長λi的光的束腰位置的距離偏移D之耦合損失的底部來設定沿GRIN透鏡12的光軸方向之透鏡長度z，藉此即使傳輸不同波長的光之情況下，無需 按每個波長改變透鏡間距離WD，就能夠在各波長下得到適合的耦合效率。
z‧‧‧透鏡長度
WD‧‧‧透鏡間距離
L0‧‧‧束腰距離
D‧‧‧距離偏移

Claims (4)

  1. 一種光耦合器，其使帶GRIN透鏡光纖在同軸上隔開已設定之透鏡間距離而相對向，該帶GRIN透鏡光纖由光纖和GRIN透鏡在同軸上接合而成，將其中一方的帶GRIN透鏡光纖的傳輸光耦合於另一方的帶GRIN透鏡光纖，該光耦合器的特徵為：前述透鏡間距離的中間位置是依據前述傳輸光中最短波長的光中之束腰位置來設定，沿前述GRIN透鏡的光軸方向之透鏡長度，依據基於前述傳輸光中與前述波長不同之波長的光的束腰位置的距離偏移之耦合損失的底部來設定。
  2. 如申請專利範圍第1項之光耦合器，其中，前述中間位置設定在前述傳輸光的所有波長中各瑞利長度範圍重疊之位置。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之光耦合器，其中，前述耦合損失的底部為0.5dB以下。
  4. 一種帶GRIN透鏡光纖的光耦合方法，其使帶GRIN透鏡光纖在同軸上隔開已設定之透鏡間距離而相對向，該帶GRIN透鏡光纖由光纖和GRIN透鏡在同軸上接合而成，將其中一方的帶GRIN透鏡光纖的傳輸光耦合於另一方的帶GRIN透鏡光纖，該光耦合方法的特徵為：將前述透鏡間距離的中間位置依據前述傳輸光中最短波長的光中之束腰位置來設定，將沿前述GRIN透鏡的光軸方向之透鏡長度，依據基於前述 傳輸光中與前述波長不同之波長的光的束腰位置的距離偏移之耦合損失的底部來設定。
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