(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学素子（１４）と、該光学素子の表面（１４ａ）に融着接続された少なくとも１本の光ファイバ（１２）とを有し、前記光学素子（１４）の前記表面（１４ａ）の前記少なくとも１本の光ファイバ（１２）が融着接続された部分に、前記少なくとも１本の光ファイバ（１２）の屈折率と前記光学素子（１４）の屈折率との間で後方反射を低減するように単調に徐々に変化する屈折率勾配（２８または２８’）が形成されていることを特徴とするファイバコリメータ（１１０、２１０）。
【請求項２】
前記光学素子（１４）の前記表面（１４ａ）の前記屈折率勾配（２８または２８’）の、前記少なくとも１本の光ファイバ（１２）の長手方向における厚さが少なくとも０．２μｍあり、且つ約２μｍ未満であることを特徴とする請求項１記載のファイバコリメータ（１１０、２１０）。
【請求項３】
前記光学素子（１４）は、前記表面（１４ａ）が前記少なくとも１本の光ファイバ（１２）の軸に垂直であるコリメータレンズであり、該コリメータレンズ（１４）および前記少なくとも１本の光ファイバ（１２）が取付けスリーブに固定されていることを特徴とする請求項１記載のファイバコリメータ（１１０）。
【請求項４】
前記光学素子（１４）は、平面入射面および平面出力面が両端に形成されたガラス棒を含む、後方反射を低減する平面−平面ペレットであり、前記平面入射面の前記表面（１４ａ）は前記少なくとも１本の光ファイバ（１２）の軸に垂直であり、前記平面−平面ペレット（１４）および前記少なくとも１本の光ファイバ（１２）が取付けスリーブ（１８）に整列して固定され、該取付けスリーブ（１８）が室（３４）を有するハウジング（３２）に、前記室（３４）の一端側で前記平面−平面ペレット（１４）および前記取付けスリーブ（１８）が部分的に前記室（３４）内に延出するように固定され、前記室（３４）の他端にコリメータレンズ（１１４）が位置していることを特徴とする請求項１記載のファイバコリメータ（２１０）。
【請求項５】
前記光学素子（１４）が、レンズ、フィルタ、格子、プリズム、および波長分割多重化デバイスからなるグループから選択されていることを特徴とする請求項１記載のファイバコリメータ（１１０、２１０）
【請求項６】
請求項１の前記ファイバコリメータ（１１０、２１０）を形成するために、少なくとも１本の前記光ファイバ（１２）を前記光学素子（１４）にレーザビーム（２４）で融着接続する方法であって、前記光学素子（１４）が前記少なくとも１本の光ファイバ（１２）の端部表面よりも大きな、前記光ファイバの長手方向に直交する断面積を有する表面（１４ａ）を有し、
（ａ）前記光学素子（１４）の前記表面（１４ａ）に垂直な軸に沿って、少なくとも前記１本の光ファイバの軸を整列させる工程と、
（ｂ）前記レーザビーム（２４）を形成するために指向性レーザ熱源を点灯する工程と、
（ｃ）前記レーザビーム（２４）の軸を、前記少なくとも１本の光ファイバ（１２）の軸と同一直線上になるように方向付ける工程と
（ｄ）前記レーザビーム（２４）が前記光学素子（１４）の前記表面（１４ａ）に、前記レーザビーム（２４）の吸収が前記表面（１４ａ）で直角或いは略直角に入射するように照射する工程と、
（ｅ）前記レーザビーム（２４）の出力レベルを、軟化領域を形成するために前記光学素子（１４）の前記表面（１４ａ）の軟化温度と同じか或いは高い温度に達するよう調節して、前記融着接続を実現する工程と、
（ｆ）前記光学素子（１４）の前記表面（１４ａ）の前記屈折率勾配（２８または２８’）を、前記融着接続時或いはその前に形成する工程と、
（ｇ）前記レーザ熱源を切る工程と、
を有することを特徴とする光ファイバ（１２）を光学素子（１４）にレーザビーム（２４）で融着接続する方法。
【請求項７】
前記光学素子の前記断面積は、前記少なくとも一つの光ファイバ（１２）の長手方向に直交する断面積の少なくとも２倍あることを特徴とする請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記少なくとも１本の光ファイバ（１２）および前記光学素子（１４）はシリカを基材としたガラスからなり、前記レーザが約９〜１１μｍの波長領域で作動することを特徴とする請求項６記載の方法。
【請求項９】
前記光ファイバ（１２）がクラッドにより囲まれたコアを有し、該コアが少なくとも１つのドーパントを添加され、前記光学素子（１４）の前記表面（１４ａ）は、前記融着接続前に前記少なくとも１つのドーパントを塗装されて該少なくとも１つのドーパントが、前記レーザビーム（２４）の吸収により前記屈折率勾配（２８または２８’）が前記融着接続前に形成され、前記表面（１４ａ）内に拡散することを特徴とする請求項６記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
技術分野
本発明は、一般的には、レンズ、フィルタ、格子、プリズム等の光学素子、特にファイバコリメータに接続された光ファイバの如き非常に異なる断面積の光学部品を含むオプトエレクトロニクスに関するものである。
【０００２】
背景技術
ファイバコリメータには、オプトエレクトロニクスにおいて、特に、光ファイバから視準レンズへ、或いは、視準レンズから光ファイバへ光を接続することに広範囲の用途が見いだされている。ファイバコリメータは、アイソレータ、機械スイッチ、カプラ、サーキュレータ、光スイッチ、波長分割多重化デバイス、の如き通信用の製品の基本的な部品である。このようなファイバコリメータは、光ファイバを光学素子に接続することにより製造される。
【０００３】
１本の光ファイバを他の光ファイバへ接続し、或いは、１本の光ファイバを光導波路へ接続することは知られているが、寸法は同じようなものであり、光学部品を共に融着接続するのに局部的な加熱を使用することができる。光ファイバを、一層大きな光学素子に接続することは、一層興味のあることである。例えば、１９８８年４月１２日に、Ｋ． Ｊ． Ｗａｒｂｒｉｃｋに発行された「純粋なシリカレンズを含む光ファイバの成端部およびそれを製造する方法」という表題の米国特許第４，７３７，００６号には、ドープされていない（純粋な）シリカ棒を単一モードファイバに電気アークを用いて融着接続してコリメータを製造することが開示されている。しかし、これは非常に複雑な方法であり、用途が限られる。
【０００４】
大きな光学素子に光ファイバを取り付けるために最もよく用いられている工程は、（１）ファイバ面を光学素子に接着剤で直接接着する工程、或いは（２）環境条件の大きな変化のある間中空気分離型ファイバと光学素子の安定した位置決めを行なう複合メカニカルハウジングを作る工程を含む。
【０００５】
このようなデバイスの光路内に接着剤を使用することは、時間の経過により接着剤の劣化の虞があるので好ましくない。他方、複合メカニカルハウジングを用いてファイバを光学部品から一定の距離だけ間隔を空けるのに、デバイスを通過する光エネルギーの損失を最小にするために空気とガラスとのすべての境界に反射防止コーティングが必要となる。空気とガラスの境界があることが、光ファイバ内に光が反射して戻る原因ともなっている。後方反射として知られるこの現象は、多くの通信ネットワークにおいてノイズの原因となり、このような通信ネットワークの伝送帯域幅を事実上制限している。
【０００６】
本発明は、２０００年３月７日発行の米国特許第６，０３３，５１５号に関連するものである。この特許は、異なる寸法の２つの光学部品を共に融着接続する単一の工程、例えば、レーザー加熱を使用して光ファイバをずっと大径（少なくとも直径が２倍）の光学素子に融着接続する工程を提供する。
【０００７】
光ファイバの光学素子への突き当て接続は簡単なので好ましいが、実際には、従来技術は、後方反射を低減し或いは最小にするために、光ファイバの角度をつけた切断（ａｎｇｌｅ−ｃｌｅａｖｉｎｇ）および光学素子の角度をつけた研磨（ａｎｇｌｅ−ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）を必要としている。即ち、光ファイバおよび光学素子は、光ファイバに平行である光学軸（ｏｐｔｉｃ ａｘｉｓ）に直交しない角度で接続するように両方とも処理されている。単純な突き当て接続からもたらされる後方反射は、光出力および効率を減少させる。光通信システムにおいて、後方反射は、ＢＥＲ（ビット誤差比）およびＳＮＲ（信号とノイズの比）に有害な影響がある。その生成および伝搬は制御されないため、ファイバ内に後方反射されるパワーは、検出されると突出したノイズ（ｅｘｃｅｓｓ ｎｏｉｓｅ）とみなされる。
【０００８】
従来技術においては、視準レンズの角度をつけて研磨した面（ａｎｇｌｅ−ｐｏｌｉｓｈｅｄ ｆａｃｅ）近傍で、角度をつけて切断されたファイバ（ａｎｇｌｅ−ｃｌｅａｖｅｄ ｆｉｂｅｒ）或いは 角度をつけて研磨したファイバを位置決めすることが、ファイバコリメータの優れた視準（ｃｏｌｌｉｍａｔｉｏｎ）および優れた性能特性をもたらすことが示されている。しかし、コリメータを組み立てる為のこれらの現在の技術では、非常に労力を要するアライメント技術を必要とする。このアライメント技術は、最終組立の間、レンズに対してファイバの位置を３つの直線軸および３つの回転軸内で操作することを含む。コリメータが作られるならば、ファイバとレンズは効率的に一体のものとなり、融着工程の間、２つの直線軸および２つの回転軸に対するアライメントを低減することができ、最終組立の間にはアライメントは必要でなくなり、これにより、コストが劇的に低減される。
【０００９】
コリメータの組立時に、最小にすべきカギとなる性能パラメータは、ファイバへの光の後方反射である。ファイバを同じ屈折率のレンズに突き当て接続或いは融着接続によって、後方反射を生じる明白な境界面（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）がなくなる。次にビームがレンズ内を発散し、レンズを出るまで屈折率が変化する面（ｉｎｄｅｘ ｂｒｅａｋ ｓｕｒｆａｃｅ）を見ることはない。その時までには、ビームは大きくなっているので、ファイバコアに戻ることのできる光量は非常に少ない。
【００１０】
本特許出願に開示され請求されたレーザ融着接続法は、−５７ｄＢの後方反射を提供する。これは、いくつかの用途に受け入れられるかもしれない。しかし、他の用途については、後方反射の更なる低減が望ましい。
【００１１】
発明の開示
本発明によれば、ファイバコリメータは、低減された後方反射と、改善されたポインティング精度と、改善された出力処理特性を有する。ファイバコリメータは、コリメータレンズの如き光学素子に融着接続された少なくとも１本の光ファイバを有する。光学素子は、融着接続される光ファイバの屈折率と略等しい屈折率を有する光学材料から構成される。商業上の理由から、純粋な溶融シリカガラスが好ましい。加えて、ファイバコリメータは、コリメータレンズ以外の、別体のコリメータレンズと接合してその後、組み立てられる平面−平面「ペレット」の如き光学素子に溶融接続された少なくとも１つのファイバを有してもよい。この後者の構成は、長い光路長および関連する大きな視準されたビーム直径を有するコリメータを作るのに特に有用である。光学ペレットを使用することにより、長い焦点距離のコリメータ内で必要とされるレンズ厚を薄くしながら、低減された後方反射、改善された出力処理といった全ての利点が得られる。
【００１２】
レーザ融着接続によって得られた接続は、典型的には−５７ｄＢの後方反射を有する。この僅かに残る後方反射は、ファイバコアと純粋な溶融シリカ間の屈折率の小さな相違によるものである。スプライス接続部に薄い軸勾配層を形成することによって均一な低後方反射が実現できる。溶融接続工程のパラメータの簡単な調節は、ファイバコア内のドーパントの拡散による軸勾配の生成を促進するのに十分である。その結果、後方反射は接続の品質に何ら悪影響を与えることなく−６５ｄＢ未満となり得る。同様な結果は、溶融される光学素子上の薄い表面層の従来のドーピングで得ることが可能である。
【００１３】
エポキシ或いは他の特殊な成端技法を使用しないで、ファイバを直接他の光学部品に取り付けることによって、コストが低減でき、環境の安定性が改善され、アライメント精度が向上し、ポインティング精度が改善され、そして出力処理量が大幅に増大する。
【００１４】
本発明の他の目的、特徴、および利点は以下の詳細な説明および添付図面を参照することで明白となろう。添付図面中、図を通じて、類似の引用番号は類似の特徴を表している。
【００１５】
本発明を実施するための最良の形態
この明細書で引用された図は、特に注記がなければ一定の拡大比で描かれてはいないものと理解すべきである。
【００１６】
発明を実施するために発明者によって現在意図された最良の形態を示す、本発明の特定の実施形態について詳細に参照する。代りの実施形態についても適宜簡単に説明する。
【００１７】
レンズ１４に光学的に接続された光ファイバ１２を有する従来技術のファイバコリメータ１０を図１ａに示す。光ファイバ１２は、ガラスフェルール或いは、セラミックフェルール１６により所定位置に維持されている。レンズ１４および光ファイバ１２を有するフェルール１６は、取付けスリーブ１８内に固定されている。取付けスリーブ１８には、光ファイバ１２が延出する端部に応力緩和エラストマ２０が設けられている。レンズ１４およびフェルール１６には、表面１４ａ、１６ａが、夫々形成されているが、これらはファイバ１２に対し垂直ではない。ファイバ１２は、空隙２２によりレンズ１４から離隔している。
【００１８】
比較のために、本発明のファイバコリメータ１１０を図１ｂに示す。ファイバ１２は、以下の融着工程によりレンズ１４に直接接続されていて、実質的に空隙が全くないことに気が付かれよう。さらに、レンズ面１４ａはファイバ１２に対し全く角度がついておらず、レンズ面は、ファイバに対し垂直である。結果として、後方反射は相当低減され、且つポインティング精度が改善される。さらにここに開示した工程の結果として、処理出力の大きさは相当大きくなる。後方反射の減少、ポインティング精度の改善、および処理出力の増大について、全て以下に一層詳細に述べる。
【００１９】
局部的な加熱は、表面研磨、ファイバの線引き、および融着接続を含む、様々なガラスの処理操作に効果的に使用されてきた。使用される熱源は、簡単な抵抗過熱器或いは制御されたアークが多い。前述の処理の全ては、熱源としてレーザを用いて行うこともできる。
【００２０】
しかし、本発明以前には、相当異なる断面積の光学部品を接続する方法は、発明者の知る限りでは、開発されていなかった。本発明は、継ぎ目なしに溶融された一体構造部品を形成する方法を目指すものである。
【００２１】
第１の断面積の１つ以上の光学部品を、相当大きな断面積の光学部品に融着するために、一実施形態では、大きな表面はレーザによって予熱される。予熱温度は、大きな部品の表面の小さい部品を融着したい位置を研磨し且つ溶融するに十分なものであればよい。寸法によって全表面の加熱であってもよく、或いは単なる局部的な加熱であってもよい。次に、第１の表面が予熱された表面と接触され、そして、（加熱によって）一旦熱交換がなされると、全ての部品は同時に加熱される。全ての表面が大きいならば（局部的に加熱された領域に対して大きい）、全ての表面が予熱を必要とするかもしれない。一旦、表面が適切に上昇した温度で接触すると、融着が始まる。この融着温度は、２つの部品間で熱エネルギーの良好な流れを確実にする軟化温度より大きければ十分である。
【００２２】
第２の実施形態では、全ての光学部品の接触により開始され、部品は融着接続の間分離されることはない。
【００２３】
第３の実施形態では、全ての光学部品は接触し、次に、整列された後引っ張られて、第１の実施形態と同様に融着接続される。
【００２４】
境界面の格付けは、機械的試験と同様に、システムを通る光の後方反射を測定することによってなされる。
【００２５】
断面の幾何学形状の寸法が適合していなかったり、或いは、適合していることに関して、この手法を用いることに実施上の制約はなにもない。
【００２６】
光学部品のいかなる多数の部品も、無機ガラス或いは有機ポリマーのいずれを有していても、本発明の方法を用いて融着することができる。最も一般的な用途は、オプトエレクトロニックデバイス或いは、通信用デバイスへの単一モードファイバの融着であろう。ここでの教示による融着接続によって、後方反射およびそれに伴う損失は、ほとんど完全に除去される。融着は、２〜３秒以下で済み、工程は完全自動化ができるので非常に低コストでもある。融着は、多くの場合に積極的な整列を不要とする。また、融着により、汚染が除去され、光路内の接着剤および他の有機材料の如き無関係の材料の必要性がなくなる。
【００２７】
シリカ、ケイ酸塩、ホウケイ酸塩、ホウ酸塩、リン酸塩、アルミン酸塩、カルコゲニド、およびカルコハライド（ｃｈａｌｃｏ−ｈａｌｉｄｅｓ）、ハロゲン化物、等の如き光学無機ガラスおよびアクリレート、メタクリレート、ビニルアセテート、アクリロニトリル、スチレン、等の如き光学有機ポリマーを本発明の実施に用いてもよいが、本発明は、列記した材料の特定の種類に限定されるものではない。
【００２８】
加熱は素早く且つ局部的なので、部品には融着前に溶融される表面以外の表面に反射防止塗装をすることができる。本発明の工程は、塗装された表面の数も最少にする。典型的な組立技法によって、塗装される表面の数、即ち融着されている各光ファイバの面およびレンズの入力面および出力面の両方が最少にされる。しかし、本発明の処理によって、いくつかの面（各光ファイバ面およびレンズ入力面）が一体構造溶融部に結合されているので一つの面と同じくらいの少ない面が残る。各面は、たとえ塗装されていても、完全な反射防止塗装はないのでシステムにとって損失となる。このように、塗装すべき面の数を減らすことは、システムの損失を低減する。さらに、従来のコリメータにとって、ファイバの先端に使用されているコーティングは、これらの素子の出力処理能力を甚だしく制限する。本発明の方法は、ファイバの先端のコーティングをなくし、実際、ファイバ−空気結合部も全てなくす。この方法により製造されたコリメータは、他の形式のコリメータより、非常に大きい出力（１０倍以上）を処理できる。
【００２９】
ポインティング精度およびビーム品質を融着の前に監視して、融着のために固定することができる。在来の（従来技術）コリメータは、本質的なポインティングエラー（コリメータから出るビームは、コリメータの軸と約０．５°の角度をなす線に沿って伝播する）を有する。このエラーは、斜めに研磨された面および関連する空隙から生じる。本発明においては、ただ１本のファイバで構成されたとき、コリメータはファイバで画定された軸の回りに対称性を示し、ポインティングエラーは０．１°より小さい値に低減することができる。このような小さなポインティングエラーは、光学的なアライメントが早く簡単になるので、デバイス内でこれらのコリメータを引き続き使用する上で大きな利点となる。
【００３０】
斜めの面の屈折率の変化（ｉｎｄｅｘ ｂｒｅａｋｓ）をなくすことにより、製造された部品の偏光による損失（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｌｏｓｓｅｓ（ＰＤＬ））および偏波モード分散（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ（ＰＭＤ））のような偏光効果（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ）が低減される。現行の方法は、後方反射を制御するために光軸に関して斜めになった光学表面を使用し、それにより、材料内のそれらの固有の偏光による損失や偏波モード分散上に偏光による損失および偏波モード分散を生じる。
【００３１】
本発明の別の明らかな利点は、システムの温度の安定性である。部品は継ぎ目なしに一体構造部品に融着されているので、オプトエレクトロニックデバイスおよび通信用デバイスにおいて、他の従来技術での試みがあるが、ミクロン以下の間隔公差を維持するためにハウジングに頼ることはない。
【００３２】
本発明は、オプトエレクトロニクス／通信産業用の高品質且つ低コストの製品を可能にするものである。この技術が無ければ、通信産業における既知の、非常に高価な、同じようには作動できず、そして／或いは光路に望ましくない材料を使用する従来技術を使用することを余儀なくされるだろう。
【００３３】
１本以上の小断面積の光ファイバを大断面積の光学素子接続するための本発明の方法は、
１．光ファイバと光学素子を軸に沿って整列させる工程と、
２．レーザビームを形成するために（赤外線レーザの如き）指向性レーザ熱源を点灯する工程と、
３．ファイバと同一直線上になるようにレーザビームを方向付ける工程と、（この工程では、斜入射では、反射係数が非常に高いので、レーザ光の大部分は小さなファイバによって吸収されず表面で反射される）
４．前記レーザビームが大断面積の光学素子に、レーザの吸収が大表面で一層効率的になるように直角或いは略直角に入射するように確実に照射する工程と、
５．レーザ出力レベルを、融着接続（および、同時に研磨と汚染の除去）をするために光学素子の前記表面の軟化温度と同じか或いはそれより高い温度に達するよう調節する工程と、
６．レーザを切る工程と、
を有する。
【００３４】
第１の実施形態では、２つの部品（例えば、光ファイバと光学素子）は、整列されるが、（典型的には２〜３ｍｍの）間隔で離隔され、レーザビームは、軟化領域を形成するために点灯され、光ファイバの表面は光学素子の軟化領域と接触され、この接触によって光ファイバの表面に熱が伝達されて軟化され、融着接続がなされる。
【００３５】
第２の実施形態では、２つの部品（例えば、光ファイバと光学素子）は、まず接触され、次に、レーザビームが点灯されて、２つの部品が接触している部分に軟化領域が形成されて融着接続される。
【００３６】
第３の実施形態では、２つの部品（例えば、光ファイバと光学素子）が整列されて接触され、次に間隔を空けて分離され（典型的には２〜３ｍｍ）、軟化領域を形成するためにレーザが点灯され、光ファイバの表面が光学素子の軟化領域と接触され、この接触により光ファイバの表面に熱が伝達されて軟化し、それにより融着接続がなされる。
【００３７】
シリカを基材としたガラスは、非常に大きな吸収係数を有するので、シリカの如き典型的な無機ガラスを融着接続するためには、９から１１μｍの範囲で作動するＣＯ２レーザが好ましい。他の光学材料は、赤外線の大きな吸収性を有する、従って、ＩＲスペクトルの他の領域で作動するレーザは、このような他の光学材料に使用できるかもしれない。
【００３８】
レーザビームは、光ファイバと同一直線であり、且つすれすれに接する。このことは、多数の方法で実施することができる。例えば、中央に孔を有する４５°のミラーを用いて、レーザビームコリメータをファイバの軸に向ける（ファイバは、互いに平行に孔を通過する）。ファイバの軸に沿うようにレーザビームを方向付ける他の方法を採用しても良いが、このような方法は当業者にとって周知である。レーザビームそれ自体は、形状が環状になることができるが、必ずしもそうなるとは限らない。この最後の要件は、異なる手法、即ちスキャニングシステム、特殊な光学部品（アキシコン）、ＴＥＭ０１レーザモード、中央の障害物（ｃｅｎｔｒａｌ ｏｂｓｔｒｕｃｔｉｏｎ）、回折用光学素子、等によって実施される。同じ効果は、全てが光ファイバと同一直線の２つ以上のレーザビームを使用して実現できる。
【００３９】
融着接続されている光学部品は、同じ様な熱的および／または、機械的特性を有することが好ましい。しかし、このことは、本発明の教示を採用して異なる光学部品が融着接続できるので、必要な要件ではない、このような場合、処理による歪みがあるとすると、条件が正しくなければ接続部が破損するかもしれないので、考慮しなければならない。しかし、このような考慮は当業者の経験内で十分であるので、いかなる過度の実験をも必要としない。
【００４０】
図２は、貫通する孔２６ａを有するミラー２６に入射するレーザビーム２４を示す。一本の光ファイバ１２がミラー２６内の孔２６ａを通過し、例えばレンズ１４の如き光学素子に融着接続される。図２は、レンズ１４に融着接続される直前の光ファイバ１２を示す。図３は、ファイバ１２に沿う環状のレーザビーム２４ａを断面で示す。光学素子１４は、レンズ、フィルタ、格子、プリズム、波長分割多重化デバイス、或いは、光ファイバ１２を接続することが望まれるような他の光学部品であってもよい。図４は、光ファイバ１２ａ、１２ｂと光学素子１４の接続を示す同様な図である。ここでの教示により、さらに多くの光ファイバを光学素子１４に融着接続してもよいことが理解できよう。
【００４１】
ここに開示した技術は、従来のファイバコリメータ、拡散ビーム（ｅｘｐａｎｄｅｄ ｂｅａｍ）コリメータ、波長分割多重化製品、およびガラス取り付け領域或いはポリマ−取り付け領域を有するいかなる他のデバイスにも適用することができる。略同様な直径を有するだけの融着部品に、もはや限定されない。
【００４２】
上記したように、コリメータ組立体において、最少にすべきキーとなる性能パラメータは、ファイバ１２に戻る光の後方反射である。同じ屈折率のレンズへのファイバの突き合わせ接続、或いは融着接続では、後方反射を生じる明確な境界がない。純シリカによって作られた光学素子へのファイバの融着接続においては、２つの素子の屈折率の違いは小さいので、しばしば無視される。しかし、ファイバのコアが大部分の材料よりも僅かに高い屈折率を有しているので、この違いは正確には零ではない。実際、この屈折率の違いはファイバのガイド特性の基礎となる。典型的な単一モードステップ形インデックスファイバでは、この相違は約０．３６％（コーニング社の登録商標ＳＭＦ−２８ＴＭ  ＣＰＣ６単一モード光ファイバの製品情報シートによる）であり、境界面からの後方反射は、−５７ｄＢ（＝１０ｌｏｇ［反射出力／入射パワー］）となる。ほとんどの用途については、この少量の後方反射パワーは無視し得る。しかし、いくつかの場合に有害となる。これらの場合に、−６５ｄＢの後方反射は、許容できる性能と考えられる。
【００４３】
図５は、ファイバが単一モードステップ形インデックスファイバと仮定して、光学素子の屈折率の関数として、融着接続部からの予測される後方反射を示す。この曲線は、他の全ての形式のファイバと非常に似たものとなろう。
【００４４】
１．５５μｍの溶融シリカの屈折率は１．４４４である。僅かに高い屈折率の材料を用いることにより、後方反射が−５７ｄＢから低下して−６５ｄＢになろう。しかし、シリカは、その温度特性がファイバの温度特性とよく一致しているので、依然として最良の材料である。よい解決方法は、ファイバ１２と光学素子１４の間に中間層２８を形成することである。中間層２８の屈折率は、図６ａおよび図６ｂに示すように徐々に変化する。指数関数の正確な形状は重要ではない。中間層２８は光学素子１４の表面１４ａに形成され、内方に短距離Ｄだけ延びる。中間層２８は、融着接続されるファイバ１２の直近に形成される、仮想線で示す領域２８’に置き換えてもよい。
【００４５】
このような勾配により、境界面の後方反射が低減される。厚さＤの直線的な勾配については、計算された後方反射を図７に示す。
【００４６】
図７から非常に薄い勾配層（＜２μｍ）でも、融着接続の後方反射を相当改善することが判る。屈折率プロファイルおよび厚さは重要なパラメータではないので、勾配層２６は融着接続工程に容易に導入することができる。効果的にするためには、勾配は少なくとも０．２μｍの厚さが必要である。勾配が厚くなればなるほど、結果は良好なものとなる。しかし、２μｍを越える厚さでは、後方反射の漸増的な減少は無視し得る。
【００４７】
勾配層２８を形成するための異なるアプローチが可能である。第１の且つ最も簡単な方法は、融着接続処理の際にファイバコアドーパントの拡散を促進することである。単一モードステップ形インデックスファイバ１２の特別な場合においては、屈折率を増大するために、ファイバコアに少量のゲルマニウム（Ｇｅ）を添加する。融着接続処理の際、ファイバ先端のガラスの薄い層は非常に高い温度に達して溶融し、ゲルマニウムを添加したガラスを広げゲルマニウムを拡散する。処理のパラメータ（レーザパワー、露出時間、結合圧力、後加熱、等）の様々な組合せを、この薄い勾配層２８を形成するために用いることができる。例えば、図８は、レーザ出力の強さと、測定された後方反射を示す。
【００４８】
この特別な場合においては、融着接続は、ファイバの先端をレンズの後面と接触させるように配置し、本出願に記載した方法でレーザ出力を加えることにより得られる。レーザ出力規模の下端で、表面および／またはファイバ先端を溶かすのに十分な熱が発生し、ファイバとレンズの後面との完全な光学的接触が実現される。これによって、後方反射が約−５７ｄＢとなり、ファイバコアの屈折率と溶融シリカの屈折率の相違と一致する。出力レベルが増大すると、ファイバのコア内のゲルマニウム接続部の薄い層内で拡散し或いは分離する点が出てくる。この層は、屈折率勾配として作用し、後方反射を−６５ｄＢより下の値に低減する。
【００４９】
融着接続前に光学素子１４の表面１４ａの薄い軸方向の勾配層２８を生成することによって同じ全体の結果が得られる。ゲルマニウムはファイバコアの屈折率を増大させるのに使用されるドーパントであるから、明確なアプローチは、ゲルマニウムを拡散することである。一つの可能な方法は、酸化ゲルマニウムの溶液を表面に付着させ、ＣＯ２（炭酸ガス）レーザを使用してゲルマニウムを溶融したガラスの薄い表面層に導入することである。他の内部拡散（ｉｎ−ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）、イオン注入、イオン泳動（ｉｏｎ ｍｉｇｒａｔｉｏｎ） 法もまた、可能である。
【００５０】
このように、勾配層２８は、光ファイバ１２と直接関連づけて、直近か或いは表面全体に亘り、光学素子１４の表面１４ａの少なくとも一部に形成されることが理解されよう。
【００５１】
本発明の教示に従って準備されたファイバコリメータは、高い出力処理能力を有する。いかなる損傷をも示すことなく、９ワットを越える出力レベルが達成された。図１ａに示すファイバコリメータの如き従来のファイバコリメータの出力を１０倍上回ることを示す。
【００５２】
従来技術の方法を用いて、製造されたファイバコリメータは、連続的なレーザ出力処理量が１ワット未満に典型的には限定される。大部分は、規定された３００ミリワットの出力処理限度を有している。従来技術のコリメータの欠陥構造は、反射防止塗装されたファイバフェーセット（ファイバの面）上への高強度のレーザによって生じる典型的には壊滅的な損傷である。単一モード光ファイバ（直径１０マイクロメーターが代表的である）の非常に小さな中心ガイド領域の為に、非常に高い強度レベル（約１メガワット／ｃｍ２）が１ワットの処理パワーレベルで到達する。この強度レベルは、光学表面に壊滅的な損傷をしばしば生じることが良く知られている。
【００５３】
しかし、純シリカコリメータレンズ、或いは平面−平面ペレットの如き光学素子に向けられたファイバを溶融することによりファイバのフェーセット（面）が効率的に除去された。空気とガラスの境界面は、取り付けられた光学素子の、典型的には５００マイクロメーターに拡大した出力面に移動した。１ワットのレーザ出力処理における強度は、光学素子の出力フェーセットにおけるたったの５００ワット／ｃｍ２であり、２５００倍の強度の減少を示す。従って、本発明の教示により製造されたコリメータの出力処理容量は、従来のコリメータの出力処理容量よりも何倍も高い。レーザ通信機の分野、高ポンプ出力ファイバ増幅器、ファイバレーザ、レーザ投射ディスプレー、レーザ速度計、医療用レーザ投射システム、および工業用レーザ投射システムに潜在的な用途がある。
【００５４】
図９および図１０は、本発明のファイバコリメータの２つの好ましい実施形態の断面図である。図９では、ファイバコリメータ１１０は、レンズ１４に融着接続されたファイバ１２を含み、両者は取り付けスリーブ１８に保持される。ガラス安定化チューブ３０はファイバ１２を支持し、そしてエラストマ２０は応力緩和を付与する。例として、取り付けスリーブ１８は、３マイクロメーターの厚さのＣｕ−Ｎｉ−Ａｕメッキを施した３００シリーズステンレス鋼を有する。そのかわり、レンズ１４およびガラス安定化チューブ３０には、取り付けスリーブ１８の所定位置に金属塗装を施しても良い。視準ビームの典型的な直径は、約０．５ｍｍである。
【００５５】
図１０では、ファイバコリメータ２１０は、ここでは平面−平面ペレットである光学素子１４に融着接続されたファイバ１２を含み、両者は取り付けスリーブ１８に保持されている。取り付けスリーブ１８は、室３４を含むハウジング３２に固定される。取り付けスリーブ１８は、室３４の一端にある距離だけ突出する。室３４の他端には別体のコリメータレンズ１１４がある。平面−平面ペレット１４は、平面入射および平面出力面を形成したガラス棒を含む。ファイバ１２から出射するビーム３６は、ペレット１４で分散するが、これは後方反射を最小にし、ペレットはビームをコリメートしない。代わりに、分散したビーム３６は、別体のコリメータレンズ１１４によりコリメートされる。この構成により、はるかに大きな、１から８０ｍｍおよびそれより大きなコリメートされたビームが可能となる。このような大きなコリメータされたビームは、図１０に示された形状なしに、通常相当多くのガラスを必要とする。このように、図１０に示された形状は、ガラスを節約すると共にそれに伴う重量を節約する。勿論、ビーム３６は別体のコリメータレンズ１１４にに入射して光ファイバ１２上に収束することができる。
【００５６】
産業への応用可能性
本発明の方法は、少なくとも１本の光ファイバを比較的大きな断面積を有する光学素子に融着接続してファイバコリメータを製造することに用途を見いだすことが期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】従来のファイバコリメータの側面図である。
【図１ｂ】本発明のファイバコリメータの一実施形態の側面図である。
【図２】１本の光ファイバが光学部品に融着接続された装置の概略を示す側面図である。
【図３】光ファイバが通過するミラー面上に表れる環状のレーザビームの図である。
【図４】２本の光ファイバが光学部品に融着接続された状態を示す、図２と同様な側面図である。
【図５】後方反射（ｄＢ）および屈折率の座標上の、ファイバ／純粋なシリカ光学境界面からの計算された後方反射のプロットである。
【図６ａ】光学素子の結合面内に勾配層を有する光学素子に融着接続された光ファイバを描いた側面の概略図である。
【図６ｂ】屈折率および距離の座標上の、勾配層を通過して光学素子に入る光ファイバに沿う距離の関数としての屈折率のプロットである。
【図７】後方反射（ｄＢ）および勾配層の厚さの座標上のプロットであり、融着接続部の後方反射への軸勾配層の影響を示す。
【図８】融着接続のために使用されるレーザ出力を調節することによって、どのように薄い購買層が生成できるか、そしてその結果以下に後方反射が改善できるかを示す、後方反射（ｄＢ）と出力（相対的ユニット）座標上のプロットである。
【図９】コリメータレンズに融着接続されたファイバを有する、本発明のコリメータの断面図である。
【図１０】平面−平面型光学素子（ペレット）に融着接続されたファイバを有する、別体のコリメータレンズと組み合わせて組み立てられた本発明のコリメータの断面図である。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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