TWI544246B - Light guide and light guide method - Google Patents
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Description
本發明係有關導光裝置及導光方法。
過去，光纖僅使用近紅外區域的光。但近年來，隨著光纖相關技術發達，其使用範圍逐漸擴大到紫外區域乃至於中紅外區域。例如專利文獻1便記載利用光子結晶光纖(photonic crystal fiber)，對波長互異的光導光。
另，專利文獻2則記載對複數光源所生成的光以互異之光纖導光，且以透鏡令其聚光。
此外，專利文獻3記載藉由光子結晶光纖來將單模光纖(single mode fiber)連接至光學元件。
[專利文獻1]日本特開2005-62850號公報
[專利文獻2]日本特表2009-522605號公報
[專利文獻3]日本特開2004-61830號公報
若使用光纖，便能縮減光的照射範圍，故可使光學系統縮小。為了活用此一特徵而以光纖對波長互異的光導光
，必須要求該些波長互異的光彼此幾乎為相同的模場直徑(mode field diameter)且為單模，以準直後之狀態從光纖射出。
本發明即有鑑於上述緣由而研發，目的在於令波長互異的光，以準直後之狀態，彼此以幾乎相同的模場直徑且單模態從光纖射出。
本發明之導光裝置具備第1單模光纖、光子結晶光纖、及漸變折射率光纖(graded-index fiber)。光子結晶光纖連接至第1單模光纖的射出側端面。漸變折射率光纖連接至光子結晶光纖的射出側端面。漸變折射率光纖於聚光方向，折射率會沿徑方向變化。
按此導光裝置，波長互異的複數光，會經由第1單模光纖、光子結晶光纖、及漸變折射率光纖而射出。複數光會通過光子結晶光纖，藉此，彼此具有相同模場直徑且單模。複數光通過光子結晶光纖後，又通過漸變折射率光纖，藉此獲得準直。
本發明之導光方法中，首先準備好具備第1單模光纖、光子結晶光纖、及漸變折射率光纖的導光裝置。該導光裝置中，光子結晶光纖連接至第1單模光纖的射出側端面。漸變折射率光纖連接至光子結晶光纖的射出側端面。漸變折射率光纖於聚光方向，折射率會沿徑方向變化。而對波長互異的複數光，以第1單模光纖導光。接著針對此些
複數光，利用光子結晶光纖進行單模化及模場直徑的均一化。再針對複數光，利用漸變折射率光纖進行色像差校正。接著，複數光從漸變折射率光纖射出。
按本發明，可令波長互異的光，以準直後之狀態，彼此以幾乎相同的模場直徑且單模態從光纖射出。
以下利用圖面，說明本發明之實施形態。另，所有圖面中，遇相同之構成要素者，標記相同符號，視情況省略說明。
圖1為第1實施形態之導光裝置結構示意圖。該導光裝置具備第1單模光纖10、光子結晶光纖20、及漸變折射率光纖(以下記載為GI光纖)30。第1單模光纖10係用以將光導光之光纖。
光子結晶光纖20及GI光纖30，構成第1單模光纖10的射出部。具體來說，光子結晶光纖20連接至第1單模光纖10的射出側端面。GI光纖30連接至光子結晶光纖20的射出側端面。GI光纖30於聚光方向，折射率會沿徑方向變化。光子結晶光纖20及GI光纖30的長度，係被設計成光子結晶光纖20及GI光纖30可容納於套圈
(ferrule)等安裝治具內。舉例來說，光子結晶光纖20的長度在0.5mm以上5mm以下，GI光纖30的長度在0.1mm以上1mm以下。
第1單模光纖10例如由氧化矽玻璃(silica glass)所形成。此外，第1單模光纖10具有纖核12。纖核12係於第1單模光纖10本體摻入如Ge等雜質而形成。光子結晶光纖20具有纖核22。GI光纖30具有纖核32。纖核12，22，32皆為光導光之區域。
GI光纖30的纖核32，其折射率會沿徑方向變化。該折射率之變化方向，即透過纖核32的光所聚光的方向。舉例來說，纖核32從中心朝向外側，其雜質逐漸減少。詳細來說，雜質濃度在纖核32的中心最高，與離中心距離的平方成反比。另，GI光纖30以氧化矽玻璃形成時，摻入纖核32的雜質例如為Ge。
另，第1單模光纖10與光子結晶光纖20的連接部分，例如以熔接方式連接。但，第1單模光纖10與光子結晶光纖20亦可以黏著劑連接。同樣地，光子結晶光纖20與GI光纖30例如以熔接方式連接。但，該連接亦可使用黏著劑。
圖2為光子結晶光纖20結構示意剖面圖。光子結晶光纖20具有複數的空孔24。空孔24在纖核22內呈規則性排列。也就是說，空孔24所排列的區域即為纖核22。複數的空孔24幾乎皆為同徑，且於纖核22內部距相同間隔排列。但，纖核22的中心部分並未配置空孔24。也就
是說，在空孔24排列的中央部分，有缺少空孔24。而在該缺少區域的周圍，至少排列有3列以上的空孔24。在本圖所示例中，空孔24呈正六角形排列。如此一來，波長互異的複數光在透過光子結晶光纖20時，彼此會具有相同模場直徑且單模。
接下來說明本實施形態的作用及功效。圖1所示之導光裝置，例如是在多波長光源裝置中，對雷射光源所射出之波長互異之複數雷射光進行導光之用。該複數雷射光可同時射入導光裝置，亦可在彼此相異的時間點射入。該雷射光的波長例如在490nm以上630nm以下。
第1單模光纖10中，設置光子結晶光纖20側的端部，係位於欲將光導光之區域，例如試料的上方。而光從第1單模光纖10中與光子結晶光纖20相反側的端部射入。
藉由第1單模光纖10所導光的光，會經由光子結晶光纖20及GI光纖30而射出。而在透過光子結晶光纖20時，波長互異之複數光，彼此會具有相同模場直徑且單模。此外，透過光子結晶光纖20的光，再透過GI光纖30，藉此獲得準直校正。
是故按本實施形態，可令波長互異的光，以準直後之狀態，彼此以幾乎相同的模場直徑且單模態從一條光纖射出。而藉由使用本實施形態之導光裝置，能縮小導光所需之光學系統，故可使多波長光源裝置小型化。
另，GI光纖30的射出側端面，亦可施加反射防止塗層(Anti-reflection coating)。反射防止塗層例如為比GI
光纖30的折射率還低的薄膜。若形成反射防止塗層，當光從GI光纖30射出時，可抑制光於GI光纖30與外部的交界面產生反射。
圖3為第2實施形態之導光裝置結構示意圖。該導光裝置中，除GI光纖30具有凹部34外，其餘結構與第1實施形態之導光裝置相同。
凹部34設置於GI光纖30的射出側端面。凹部34具有凹型透鏡形狀，且設置成至少橫跨纖核32的整個端面。凹部34的功能，係校正從GI光纖30射出的光的色像差。
凹部34可藉由研磨來形成，亦可以蝕刻來形成。纖核32的雜質濃度在纖核32的中心最高，愈朝外側愈降低。GI光纖30的強度與雜質濃度成反比。因此，對纖核32的端面進行研磨或蝕刻，則纖核32的中心最深，愈朝外側愈淺。此外，纖核32的雜質濃度，與離中心距離的平方成反比。是故凹部34成為凹型透鏡形狀。另，在蝕刻纖核32時，例如以HF系藥液作為蝕刻液。
以研磨來形成凹部34，可減少設備投資。此外，尚可同時處理複數的導光裝置，能提高生產性。另一方面，以蝕刻來形成凹部34，在加工中能夠監控凹部34的形狀，能提高凹部34的加工精度。
按本實施形態，可得與第1實施形態相同之功效。此
外，GI光纖30的射出側端面上，形成凹透鏡形狀的凹部34。因此，即使不在外部設置透鏡，當波長互異之複數光從GI光纖30射出時，仍然可抑制色像差產生。
圖4為第3實施形態之導光裝置結構示意圖。本實施形態之導光裝置，除第1單模光纖10的端部14構造外，其餘結構與第2實施形態之導光裝置相同。
本實施形態中，第1單模光纖10的纖核12，於端部14逐漸變寬。此一構造可藉由對端部14進行熱處理(TEC處理：Thermally Expanded Core處理)使纖核12的雜質熱擴散而得。而第1單模光纖10之模場直徑，在與光子結晶光纖20的接合面，係和光子結晶光纖20的模場直徑同徑。另，本實施形態中亦可不設置凹部34。
按本實施形態，可得與第2實施形態相同之功效。此外，第1單模光纖10的纖核12，於端部14逐漸變寬。而在與光子結晶光纖20的接合面，纖核12係和光子結晶光纖20的纖核22同徑。因此，在第1單模光纖10與光子結晶光纖20的接合面，便可抑制因模場直徑不匹配所導致的光損失。
圖5為第4實施形態之導光裝置結構示意圖。本實施形態之導光裝置，除具備第2單模光纖40外，其餘結構
與第2實施形態之導光裝置相同。
第2單模光纖40設置於第1單模光纖10與光子結晶光纖20之間。第2單模光纖40係為低N.A.(Numerical Aperture，數值孔徑)光纖。也就是說，第2單模光纖40的纖核42直徑，較第1單模光纖10的纖核12來得大。換言之，第2單模光纖40的模場直徑較第1單模光纖10的模場直徑來得大。但，第2單模光纖40的模場直徑，係與光子結晶光纖20的模場直徑相等，或較其來得小。此外，第2單模光纖40的纖核42與包覆部分的折射率差，係較第1單模光纖10的纖核12與包覆部分的折射率差來得小。另，第1實施形態中亦可具有第2單模光纖40。
按本實施形態，可得與第2實施形態相同之功效。此外，第2單模光纖40位於第1單模光纖10與光子結晶光纖20之間。因此，第1單模光纖10所導光的光之模場直徑，於第2單模光纖40傳播中會變寬，其後射入光子結晶光纖20。是故，在第1單模光纖10與光子結晶光纖20的接合面，便可抑制因模場直徑不匹配所導致的光損失。
圖6為第5實施形態之光學裝置結構示意圖。本實施形態之導光裝置，是在第1~第4實施形態任一者之導光裝置的射出側端部，加裝了套圈60而成。本圖所示例中，係以第4實施形態之導光裝置為例。
詳細來說，第1單模光纖10係由被覆構件50所被覆
。但，第1單模光纖10中，射出側端部並未設置被覆構件50。第1單模光纖10的射出側端部，與被覆構件50的端部一起插入套圈60的插入口62內。而第1單模光纖10的端部、第2單模光纖40、光子結晶光纖20、及GI光纖30，被套圈60保持住。
圖7為第6實施形態之光學裝置結構示意圖。本實施形態之導光裝置，係對於第1~第4實施形態任一者之導光裝置，以複數之保持構件70保持而成。本圖所示例中，係以第4實施形態之導光裝置為例。
保持構件70上，彼此平行設置有複數的V字型溝槽。而第1單模光纖10的端部、第2單模光纖40、光子結晶光纖20、及GI光纖30填入此溝槽中。如此一來，保持構件70可將複數的導光裝置互相平行保持住。
實際製造圖4所示之導光裝置。第1單模光纖10使用了截止波長為430nm的可視光光纖。光子結晶光纖20使用模場直徑為15μm者。此外，GI光纖30使用纖核系為62.5nm者。
首先，對第1單模光纖10的端部14進行熱處理。其後，將第1單模光纖10與光子結晶光纖20熱熔接。再將光子結晶光纖20與GI光纖30熱熔接。其後，在GI光纖
30上以HF蝕刻，形成凹部34。
圖8所示者為實施例之導光裝置的準直特性。縱軸為射出光的光束直徑，橫軸為距凹部34的距離。如本圖所示，分別在波長540nm的光，及波長560nm的光，皆得到良好的準直特性。此外，該兩波長下之光束直徑幾乎相同。
以上已參照圖面敍述了本發明之實施形態，但它們皆為本發明之示例，亦可採用上述以外的各種結構。
10‧‧‧第1單模光纖
12‧‧‧纖核
14‧‧‧端部
20‧‧‧光子結晶光纖
22‧‧‧纖核
24‧‧‧空孔
30‧‧‧GI光纖
32‧‧‧纖核
34‧‧‧凹部
40‧‧‧第2單模光纖
42‧‧‧纖核
50‧‧‧被覆構件
60‧‧‧套圈
62‧‧‧插入口
70‧‧‧保持構件
[圖1]第1實施形態之導光裝置結構示意圖。
[圖2]光子結晶光纖20結構示意剖面圖。
[圖3]第2實施形態之導光裝置結構示意圖。
[圖4]第3實施形態之導光裝置結構示意圖。
[圖5]第4實施形態之導光裝置結構示意圖。
[圖6]第5實施形態之光學裝置結構示意圖。
[圖7]第6實施形態之光學裝置結構示意圖。
[圖8]實施例之導光裝置之準直特性示意圖表。
10‧‧‧第1單模光纖
12‧‧‧纖核
20‧‧‧光子結晶光纖
22‧‧‧纖核
30‧‧‧GI光纖
32‧‧‧纖核
Claims (5)
- 一種導光裝置，其特徵為，具備：第1單模光纖；及光子結晶光纖，係連接至前述第1單模光纖的射出側端面；及漸變折射率光纖，係連接至前述光子結晶光纖的射出側端面，於聚光方向，折射率會沿徑方向變化；係針對波長490nm以上630nm以下的光而使用。
- 如申請專利範圍第1項所述的導光裝置，其中，前述漸變折射率光纖，於射出側端面具有透鏡狀的凹部。
- 如申請專利範圍第1或2項所述的導光裝置，其中，前述第1單模光纖的射出側端部，相較於其他部分，模場直徑較大。
- 如申請專利範圍第1或2項所述的導光裝置，其中，前述第1單模光纖與前述光子結晶光纖之間，具備第2單模光纖，其模場直徑較前述第1單模光纖的模場直徑來得大。
- 一種導光方法，其特徵為：準備一導光裝置，該導光裝置係針對波長490nm以上630nm以下的光而使用，於第1單模光纖的射出側端面，依序連接光子結晶光纖、及於聚光方向折射率會沿徑方向 變化之漸變折射率光纖對於前述第1單模光纖所導光之波長互異之複數光，利用前述光子結晶光纖來進行單模化及模場直徑的均一化，再利用前述漸變折射率光纖進行色像差校正後，使前述複數光從前述漸變折射率光纖射出。
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