(57)【要約】【課題】  ある形状のモードプロファイルから別のモードプロファイルの光学モードに変換し得る回折光学レンズ、光ビームのモードプロファイルを容易に変換することができるモードプロファイルの変換方法を提供する。【解決手段】  角度の異なる複数のプリズムが、中心が同一でそれぞれ相似の関係をなす複数の楕円形状に形成され、前記プリズムが屈曲面として機能することを特徴とする回折光学レンズ、及び楕円形状のモードプロファイルを有する第１の光ビームを、前記第１の光ビームの楕円形状とは長径と短径との比が異なる楕円形状のモードプロファイルを有する第２の光ビームに変換する光ビームのモードプロファイルの変換方法であって、前記第１の光ビームから前記第２の光ビームへの変換を前記回折光学レンズを用いて行うことを特徴とする光ビームのモードプロファイルの変換方法である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
角度の異なる複数のプリズムが、中心が同一でそれぞれ相似の関係をなす複数の楕円形状に形成され、前記プリズムが屈曲面として機能することを特徴とする回折光学レンズ。
【請求項２】
楕円形状のモードプロファイルを有する第１の光ビームを、前記第１の光ビームの楕円形状とは長径と短径との比が異なる楕円形状のモードプロファイルを有する第２の光ビームに変換する光ビームのモードプロファイルの変換方法であって、
前記第１の光ビームから前記第２の光ビームへの変換を請求項１に記載の回折光学レンズを用いて行うことを特徴とする光ビームのモードプロファイルの変換方法。
【請求項３】
モードプロファイルが異なる２種の光学デバイスを接続する光学デバイスの接続方法であって、
前記２種の光学デバイスがいずれも光ファイバーであり、一方の光ファイバーのファイバーモードと他方の光ファイバーのファイバーモードとを、請求項１に記載の回折光学レンズを用いて一致させて前記２種の光学デバイスを接続する光学デバイスの接続方法。
【請求項４】
モードプロファイルが異なる２種の光学デバイスを接続する光学デバイスの接続方法であって、
前記２種の光学デバイスのうちの一方が光ファイバーであり、他方が光導波路であって、光ファイバーのモードプロファイルと、光導波路のモードプロファイルとを、請求項１に記載の回折光学レンズを用いて一致させて光ファイバーと光導波路とを接続することを特徴とする光学デバイスの接続方法。
【請求項５】
前記２種の光学デバイスがいずれもアレイ状に２以上配置されていて、該アレイ状に配置された２種の光学デバイスを接続することを特徴とする請求項３または４に記載の光学デバイスの接続方法。
【請求項６】
入力側の２以上の光学デバイスのピッチを、出力側において異なるピッチに変換する光学デバイスのピッチ変換方法であって、
請求項１に記載の回折光学レンズを、該回折光学レンズの光軸と前記光学デバイスの中心軸とが一致しないように配置してピッチの変換を行うことを特徴とする光学デバイスのピッチ変換方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回折光学レンズ、及びそれを用いた光ビームのモードプロファイルの変換方法、光学デバイスの接続方法、並びに光学デバイスのピッチ変換方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学デバイスは、コンピュータ内における光学ピックアップによる光学メディアのデータ検索から、データ伝送システムの電気通信網まで日常生活において広く使用されている。これらのシステムにおいては、２以上のデバイスを光学損失がない状態で結合する必要がある。例えば、ネットワークにおいて欠かせない存在である光ファイバーは、非常に小さな伝播損失で長距離にデータを伝送することができるが、システム内における光学デバイス同士の結合では損失が大きい。従って、光学伝送システムにおいては、結合損失が、予算を最小限に抑えるためのカギを握る。
【０００３】
通常、結合損失は２つのデバイス間における光学モードプロファイルが異なることが原因で発生する。例えば、シングルモードファイバー（ＳＭＦ）とシングルモードの光導波路を接続する場合、シングルモードファイバーでは円形のモードプロファイルであるのに対し、シングルモードの光導波路はほとんど楕円形のモードプロファイルである。このモードプロファイルの形と光学パワーの差異が結合損失の大きな原因となる。従って、モードの差を最小限にすること、あるいは、あるモードから別のモードへ変換することが好ましい。
【０００４】
光ファイバーの終端と光導波路とを、モードが異なることを意識しないで接続できる手法として、いわゆるバットカップリングが知られている。それによって２つの光学デバイスを低コストで簡単に接続することができるが、１面当たり４ｄＢから６ｄＢという高い結合損失を起こす。その結合損失の原因は、主に、光ファイバーのモードプロファイルが円形であるのに対し、光導波路は、ほとんどの場合、水平方向よりも垂直方向の方が短い楕円形であることにある。結合損失を抑える手法として、光導波路のモードプロファイルを可能な限り光ファイバーのモードに近づけるように修正する手法がある。この手法は拡散光導波路では一般的であり、ニオブ酸リチウム光導波路で広く使用されているチタン膜の成膜を精密にコントロールすることによって行われる。この手法は、結合損失を低減する簡単な手法であるが、その手法が適用可能なのは拡散光導波路のみであり、他の光導波路では制限される。
【０００５】
そこで、結合損失を低減する手法として別の手法が採用される。即ち、（１）モードプロファイルの変換をするため、テーパ型の光導波路を用いる、（２）光ファイバーと光導波路との間にマイクロ光学素子を配設し、光ファイバーから光導波路に向けて光ビームを集光して形状を変換することである。（１）では、テーパ形状を形成するのに綿密な製造スキームが要求される（例えば、非特許文献１参照）。特に、テーパ形状のばらつきを招くほどのロスを考えた場合、ほとんどの場合、結合損失低減には、テーパ材料の化学材料のみでなく光学材料も制限され、結局は製造が不完全となる。（２）では、光ファイバーと光導波路との間に種々のマイクロ光学素子が挟持される。その他、例えば、光ファイバー自体を光導波路に適合させるべくテーパ状にする例（例えば、非特許文献２参照）も挙げられる。しかし、この場合は、テーパ状にした光ファイバーと光導波路とが適合する許容範囲が狭く、ほとんどの場合円形のみしか成しえない。
同様の手法として、光導波路コアに光ビームの焦点を合わせるのに球面レンズファイバーを使用する手法が挙げられる。しかしながら、円形のモードプロファイルを形成するのみに制限されていて、また、前述のように結合損失と許容範囲とのトレードオフの関係の問題がある。円形モードプロファイルから楕円のモードプロファイルに変換するその他の手法として、ＧＲＩＮレンズを用いる手法が挙げられる（例えば、非特許文献３参照）。この技術は有用ではあるが、ＧＲＩＮレンズを使用すると、変換可能なモードプロファイルが大きく、小さな直径の光ビームを生成することはできず、シングルモードの光導波路の結合には功を奏しない。
【０００６】
一方、従来のフレネルレンズを使用し、結合損失を改善した例が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。しかし、フレネルレンズは、同心円状にプリズムが配された構成であり、垂直方向及び水平方向ともに対称であり、光ビームの大小を変換するのみで、モードプロファイルの変換は行うことができない。
【０００７】
以上のように、従来においては、あるモードプロファイルを別のモードプロファイルへの変換を許容範囲内で実現することと、結合損失の低減とを同時に満足するモードの変換は存在しなかった。
【特許文献１】米国特許第５３５９６８４号明細書
【特許文献２】米国特許第５５１３２８９号明細書
【非特許文献１】Min-Cheol Oh et al, IEEE Photonics Tech. Lett., 14, pp.1121-1123 (2002)
【非特許文献２】Thomas Paatzsch et al, Appl. Opt., 36, pp. 5129-5133 (1997)
【非特許文献３】Shifu Yuan et al, Appl. Opt., 38, pp. 3214-3222 (1999)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、前記従来における諸問題を解決し、以下の目的を達成することを課題とする。即ち、
本発明の目的は、ある形状のモードプロファイルから別のモードプロファイルの光学モードに変換し得る回折光学レンズ、光ビームのモードプロファイルを容易に変換することができるモードプロファイルの変換方法、異なるモードの光学デバイスを小さな結合損失で接続可能な光学デバイスの接続方法、及び光学デバイスのピッチを容易に変換することができる変換方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決する手段は以下の通りである。即ち、
＜１＞  角度の異なる複数のプリズムが、中心が同一でそれぞれ相似の関係をなす複数の楕円形状に形成され、前記プリズムが屈曲面として機能することを特徴とする回折光学レンズである。
【００１０】
＜２＞  楕円形状のモードプロファイルを有する第１の光ビームを、前記第１の光ビームの楕円形状とは長径と短径との比が異なる楕円形状のモードプロファイルを有する第２の光ビームに変換する光ビームのモードプロファイルの変換方法であって、前記第１の光ビームから前記第２の光ビームへの変換を前記＜１＞に記載の回折光学レンズを用いて行うことを特徴とする光ビームのモードプロファイルの変換方法である。
【００１１】
＜３＞  モードプロファイルが異なる２種の光学デバイスを接続する光学デバイスの接続方法であって、前記２種の光学デバイスがいずれも光ファイバーであり、一方の光ファイバーのファイバーモードと他方の光ファイバーのファイバーモードとを、前記＜１＞に記載の回折光学レンズを用いて一致させて前記２種の光学デバイスを接続する光学デバイスの接続方法である。
【００１２】
＜４＞  モードプロファイルが異なる２種の光学デバイスを接続する光学デバイスの接続方法であって、前記２種の光学デバイスのうちの一方が光ファイバーであり、他方が光導波路であって、光ファイバーのモードプロファイルと、光導波路のモードプロファイルとを、前記＜１＞に記載の回折光学レンズを用いて一致させて光ファイバーと光導波路とを接続することを特徴とする光学デバイスの接続方法である。
【００１３】
＜５＞  前記２種の光学デバイスがいずれもアレイ状に２以上配置されていて、該アレイ状に配置された２種の光学デバイスを接続することを特徴とする前記＜３＞または＜４＞に記載の光学デバイスの接続方法である。
【００１４】
＜６＞  入力側の２以上の光学デバイスのピッチを、出力側において異なるピッチに変換する光学デバイスのピッチ変換方法であって、前記＜１＞に記載の回折光学レンズを、該回折光学レンズの光軸と前記光学デバイスの中心軸とが一致しないように配置してピッチの変換を行うことを特徴とする光学デバイスのピッチ変換方法である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ある形状のモードプロファイルから別のモードプロファイルの光学モードに変換し得る回折光学レンズ、光ビームのモードプロファイルを容易に変換することができるモードプロファイルの変換方法、異なるモードの光学デバイスを接続可能な光学デバイスの接続方法、及び光学デバイスのピッチを容易に変換することができる変換方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の回折光学レンズは、角度の異なる複数のプリズムが、中心が同一でそれぞれ相似の関係をなす複数の楕円形状に形成され、前記プリズムが屈曲面として機能することを特徴としている。
また、本発明のモードプロファイルの変換方法は、楕円形状のモードプロファイルを有する第１の光ビームを、前記第１の光ビームの楕円形状とは長径と短径との比が異なる楕円形状のモードプロファイルを有する第２の光ビームに変換する光ビームのモードプロファイルの変換方法であって、前記第１の光ビームから前記第２の光ビームへの変換を前記本発明の回折光学レンズを用いて行うことを特徴としている。
【００１７】
本発明の回折光学レンズは、別の表現をすると、フレネルレンズとして知られている板状平面レンズの同心円状に形成されたプリズムを楕円に変更したレンズである。この本発明の回折光学レンズを光導波路に適用することにより、異なるモードプロファイルの変換を容易に行うことができ、２種の光学デバイスの結合に際し、結合損失の低減と、適合の許容範囲の広範化とを両立することができる。特に、回折光学素子と光導波路との接続を容易に行うことができる。
【００１８】
図１は、本発明の回折光学レンズについて説明する図である。図１に示す回折光学レンズ１０は、角度の異なる複数のプリズムが楕円形状に水平方向と垂直方向とにおいて異なる非対称に配されている。より具体的には、回折光学レンズ１０は、垂直方向よりも水平方向が径が長い楕円形状のプリズムが形成されていて、プリズムの角度は従来のフレネルレンズと同様に、中心ほどレンズ面に対する角度が小さく、中心から離れるほど角度が大きくなるように形成されている。図１では、光ファイバー１２から出射する円形のモードプロファイルの光ビームを回折光学レンズ１０を透過させ、垂直方向よりも水平方向が径が長い楕円形状のモードプロファイルの光ビーム１４に変換する様子を示している。
【００１９】
本発明の回折光学レンズは、プリズムの角度は水平方向に比べ、垂直方向のが大きいため、垂直方向の方がより大きく屈折する。従って、水平方向よりも垂直方向の方がビーム径が小さくなる。同様に、水平方向はプリズムの角度が小さいため、屈折は小さくなり、ビーム径は垂直方向に比べ大きい。本発明の回折光学レンズにおいては、以上の原理から、円形のモードプロファイルの光ビームを楕円形に変換する。
【００２０】
図２は、楕円形状の光ビーム（第１の光ビーム）１６を、回折光学レンズ１０を用いて、該楕円形状とは水平方向と垂直方向とにおいて径が異なる楕円形状の光ビーム（第２の光ビーム）１８に変換する様子を示している。つまり、円形状の光ビームのみならず、楕円形状の光ビームも、回折光学レンズ１０のプリズムの楕円形状の長径と短径との比率に応じて変換される。
【００２１】
図３は、異なる回折光学レンズによって光ビームのモードプロファイルを変換する様子を示している。Ａは回折光学レンズに入射前の形状（円形：１０．４μｍ（水平方向）×１０．４μｍ（垂直方向））である。そして、入射光は、回折光学レンズ２０、２２、２４により、それぞれ、Ｂ、Ｃ、Ｄの形状となる。なお、回折光学レンズ２０は、プリズムの水平方向と垂直方向とにおける径の比が同一であり、つまり従来のフレネルレンズを示し、本発明の回折光学レンズではない。回折光学レンズ２２、２４が本発明の回折光学レンズである。入射前の光ビームは、回折光学レンズ２０、２２、２４を透過すると、それぞれのビーム径（水平方向×垂直方向）は、９．０μｍ×９．０μｍ（Ａ）、９．０μｍ×５．２μｍ（Ｂ）、９．０μｍ×３．８μｍ（Ｃ）となる。なお、各回折光学レンズの外形はいずれも２５μｍ×２５μｍの板状正方形である。
【００２２】
図４は、本発明の回折光学レンズを光ファイバー２６の端面に付設した状態を示す図である。図４に示すように、光ファイバー２６は、外側にクラッド２８、内側にコア３０の２層構成であり、端面に、水平方向と垂直方向において径が異なる楕円形状のプリズムが形成された円形の回折光学レンズ３２が付設されている。図４においては、回折光学レンズ３２の直径は２５μｍである。
なお、図４においては、光ファイバー２６の端面に回折光学レンズ３２を付設した形態を示したが、光ファイバー２６の端面をエッチングすることにより、回折光学レンズ３２の表面と同様の楕円形のプリズムを直接形成してもよい。
【００２３】
図５は、図４に示す光ファイバー２６を、光導波路に接続する状態を示す図である。図５においては、光ファイバー２６から出射する光ビームが光導波路３４のコア３６に入射するように光ファイバー２６と光導波路３４が配置している。光ファイバー２６の端面（光導波路３４側の面）には、回折光学レンズ３２が付設されており、光ファイバー２６のモードプロファイルは、回折光学レンズ３２によって変換され、光導波路３４のモードプロファイルと一致するように設定されている。つまり、光ファイバー２６内で伝播する光のモードプロファイルは円形であるが、端面に位置する回折光学レンズ３２によって楕円形状に変換され、光導波路３２と一致する。そのため、結合損失を低減することができる。
【００２４】
図６は、図５に示した光導波路３４の詳細を示す断面図である。光導波路３４は、基板３８上に、下部電極４０と、下部クラッド層４２と、コア３６と、上部クラッド層４４と、上部電極４６とを有する。コア３６は図６に示すようにリッジ型である。そして、本構成のシングルモードでの動作をさせ光学パワーの吸収による損失を最低限に抑えるための数値の一例を以下に示す。下部クラッド層４２、上部クラッド層４４の波長１．５５μｍの光に対する屈折率は１．５１２８であり、コア３６の同光に対する屈折率は１．５８８６である。下部クラッド層４２、上部クラッド層４４の厚みはいずれも４．５μｍであり、コア３６の厚みは、リッジ部においては１．６μｍであり、それ以外は１．２μｍである。また、リッジ部の幅は５．００μｍである。そして、以上の条件での両極間での吸収は０．１ｄＢ／ｃｍ未満であった。
【００２５】
図７は、図４のように光ファイバーを光導波路に接続した場合において、図３に示したＡ〜Ｄの場合に対応する結合損失をグラフで示す図である。Ａは光ファイバーから直接伝播させた場合であり結合損失は３．８ｄＢである。Ｂは従来のフレネルレンズを透過させたさせた場合であり結合損失は３ｄＢに減少している。Ｃは、図３の説明で述べたように、本発明の回折光学レンズを透過させた場合であり結合損失は１．４ｄＢに減少している。同様に、Ｄは、結合損失は０．７ｄＢに減少している。つまり、本発明の回折光学レンズを使用した場合、結合損失は３．１（＝３．８−０．７）ｄＢ改善している。これは、本発明によって従来の約２倍の光学パワーが変換されたと言ってもよい。
【００２６】
次に、図５に示した光導波路を使用し、本発明により変換された光ビームの楕円形状が異なる場合の結合損失について考察する。図８は、モードプロファイルが変換されて出力される光ビームの楕円形状が異なるように本発明の回折光学レンズを設計した場合における結合損失を示すグラフである。図８の３本のグラフは、それぞれ、水平方向の径が９．０μｍ、７．５μｍ、６．０μｍの楕円の光ビームに対して、垂直方向の径（ｘ軸）に対する結合損失（ｙ軸）を示している。図８より、楕円形状の水平方向の径を変化させるよりも、垂直方向の径を変化させた方が結合損失が大きく変化することが分かる。また、図８より、水平方向の径が３（＝９．０−６．０）μｍ、垂直方向の径が１．４μｍ変化しても、結合損失は０．５ｄＢ未満に抑えられていることが分かる。また、理論的には、６．０μｍ×２．５μｍの楕円形状の光ビームへのモード変換がなされた場合、結合損失０ｄＢも達成可能であることも分かる。
【００２７】
以上の本発明の回折光学レンズは、フレネルレンズを製造する方法を応用し、バイナリーオプティックスとホログラフィックレコーディングとにより製造することができる。バイナリーオプティックスの詳細は、Ｙ．Ｏｒｉｈａｒａ  ら、Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．４０、ｐｐ．５８７７−５８８５に記載されている、また、ホログラフィックレコーディングの詳細は、Ａｎｔｈｏｎｙ  ＶａｎｄｅｒＬｕｇｔ、ＯｐｔｉｃａｌＳｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ、Ｊｏｈｎ  Ｗｉｌｅｙ  ＆  Ｓｏｎｓ、Ｉｎｃ．１９９２、ｐ.82に記載されている。回折光学素子の材質としては、透明のアクリル樹脂、シリカ、エポキシ樹脂などが挙げられる。
【００２８】
本発明の回折光学レンズの形状やサイズについては特に限定はないが、例えば、一辺の長さは、５〜４０μｍの正方形や、直径２〜２０μｍの円形とすることができる。また、厚みは、５０〜５０００μｍとすることができる。
【００２９】
本発明は、アレイ化した光学デバイスに対しても適用することができる。図１１は、ｎ×ｍ個の回折光学レンズを配列させた状態を示す一例である。このように、自由に配列させた光学デバイスアレイにも、適宜変換の度合いを設定した回折光学レンズを配することにより、小さな結合欠損で接続することができる。
【００３０】
図１２はｎ×ｍ本（３×４本）の光ファイバー２６を配列させ光ファイバーアレイを構成した状態を示す。各光ファイバーの端面には回折光学レンズが付設されている。この態様によると、各光ファイバーに付設する回折光学レンズを、接続すべき光導波路アレイのモードプロファイルに適合させることにより小さな結合欠損で接続することができる。
【００３１】
次いで、本発明の光学デバイスアレイのピッチ変換方法について説明する。まず、図９を参照してその原理について説明する。図９は、図１に対応する図であり、図１と同じ構成要素には同一の符号を付している。図９（Ａ）は、図１に示したように、光ファイバー１２の光軸と回折光学レンズ１０の中心とが一致し、光ビームはＸ方向に進む。これに対して、図９（Ｂ）は、光ファイバー１２の光軸を回折光学レンズ１０の中心と一致させずにずらして配置している。回折光学レンズ１０は中心から遠ざかるほど屈折率が大きくなるため、図９（Ｂ）のように配置すると、屈折して光ビームの光軸はＸ方向からＹ方向に、角度θだけずれることとなる。そして、本発明の光学デバイスアレイのピッチ変換方法においては、この光軸のずれを利用してピッチの変換を行う。また、図９（Ｂ）に示す原理は、光軸をずらすことと、フォーカシングを同時に行う必要がある場合に有用である。
【００３２】
図１０は、２つの光ファイバー１２Ａ、１２Ｂを用いて、ピッチを変換する様子を示している。図１０において、光ファイバー１２Ａと光ファイバー１２Ｂはピッチａで配置されている。光ファイバー１２Ａの光路には回折光学レンズ１０の中心からずらし下半分に光ビームが透過するように配置され、一方、光ファイバー１２Ｂの光路には回折光学レンズ１０の中心からずらし上半分に光ビームが透過するように配置されている。光ファイバー１２Ａからの光ビームは上方向に光軸がずれ、光ファイバー１２Ｂからの光ビームは下方向に光軸がずれる。従って、１０によってモードプロファイルが変換されるとともに、変換後においてｂだけピッチがずれた状態となる。本発明の光学デバイスアレイのピッチ変換方法により、回折光学レンズの配置を変更するだけで、様々なピッチに変換することでき、しかも、結合損失が小さく変換することができる。ピッチの変更は、回折光学レンズの位置を変えることにより行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】円形のモードプロファイルから楕円形のモードプロファイルに変換する様子を示す図である。
【図２】楕円形のモードプロファイルから、長径と短径との比が異なる別の楕円形のモードプロファイルに変換する様子を示す図である。
【図３】本発明の板状光学素子を用いて、円形のモードプロファイルを、別の形状のモードプロファイルに変換した様子を示す図である。
【図４】本発明の板状光学素子を光ファイバーの端面に付設した状態を示す図である。
【図５】図４に示した光ファイバーを光導波路に接続した状態を示す図である。
【図６】図５に示す光導波路の断面図である。
【図７】図２に示すＡ〜Ｄのモードプロファイル変換に際しての結合損失をグラフで示す図である。
【図８】種々の楕円形状に対する結合損失の変化をグラフで示す図である。
【図９】本発明の板状光学素子を用い、レーザービームを直進させた様子と、光軸をずらした様子を示す図である。
【図１０】本発明の板状光学素子により、２つの光学デバイスのピッチ変換が可能であることを説明する図である。
【図１１】本発明を適用したｎ×ｍのマルチチャンネルの光学デバイスアレイを示す図である。
【図１２】本発明を適用したｎ×ｍ本の光ファイバーアレイを示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
１０  ２２  ２４  ３２  回折光学レンズ
１２  ２６  光ファイバー
３４  光導波路
【図１】
2006267284.tif 000003
【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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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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【図１２】
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【図３】
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【図１１】
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