(57)【要約】光信号のモードフィールドを変更するためのマルチレンズ装置が開示されている。装置は、光軸を画定するコア領域（２８）を有する光ファイバ（２２）と、光ファイバの一端に対して位置決めされたＧＲＩＮファイバレンズ（２４）と、を有する。互いにほぼ直角に配置される２つの異なる曲線、大曲線Ｃ１および小曲線Ｃ２によって画定される外面を有し、Ｃ１およびＣ２が光軸またはその付近で交差するバイコニックレンズ（２６）は、ファイバから遠いＧＲＩＮファイバレンズの端部に対して位置決めされる。光信号のモードフィールドを変換するためのマルチレンズ装置の製造方法および光学アセンブリもまた、開示されている。
2005519343.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光信号のモードフィールドを変換するためのマルチレンズ装置であって、
光軸を画定するコア領域を有する光ファイバと、
前記光ファイバの一端に対して位置決めされる少なくとも１つのＧＲＩＮファイバレンズと、
前記ファイバから遠い前記ＧＲＩＮファイバレンズの端部に対して位置決めされるバイコニックレンズであって、互いにほぼ直角に配置される２つの異なる曲線、大曲線Ｃ１および小曲線Ｃ２によって画定される外面を備え、前記曲線Ｃ１およびＣ２が前記光軸またはその付近で交差するバイオコニックレンズと、
を有することを特徴とするマルチレンズ装置。
【請求項２】
前記曲線Ｃ１およびＣ２の両方はそれぞれが、球面または非球面を画定することを特徴とする、請求項１記載のマルチレンズ装置。
【請求項３】
前記光ファイバと前記ＧＲＩＮファイバレンズまたは前記ＧＲＩＮファイバレンズと前記バイコニックレンズとの間に位置決めされる、半径方向に一定の屈折率をそれぞれが有する１つ以上のスペーサロッドをさらに有することを特徴とする、請求項１記載のマルチレンズ装置。
【請求項４】
前記バイコニックレンズが、前記ＧＲＩＮファイバレンズから遠い前記スペーサロッドの端部に直接形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のマルチレンズ装置。
【請求項５】
前記ＧＲＩＮファイバレンズと前記バイコニックレンズとの間に位置決めされる非円形のスペーサロッドをさらに有し、前記非円形のスペーサロッドが矩形のロッドであり、前記バイコニックレンズが前記ＧＲＩＮファイバレンズから遠い前記矩形のロッドの端部に直接形成されることを特徴とする、請求項１記載のマルチレンズ装置。
【請求項６】
１つ以上の前記光ファイバおよび前記ＧＲＩＮファイバレンズが、矩形、四角形、楕円など、円筒形以外の幾何形状を含むことを特徴とする、請求項１記載のマルチレンズ装置。
【請求項７】
光学部品と、
前記光学部品を支持するように構成される基板と、
前記基板上に前記光学部品に関連して位置決めされる請求項１記載のマルチレンズ装置であって、前記マルチレンズ装置と前記光学部品との間を通過する光信号のモードフィールドを変更するようになっているマルチレンズ装置と、
を有することを特徴とする、システム。
【請求項８】
光信号のモードフィールドを変更するためのマルチレンズ装置の製造方法であって、
光軸を画定するコア領域を有する光ファイバの一端に対してＧＲＩＮファイバレンズの一端を位置決めするステップと、
前記光ファイバから遠い前記ＧＲＩＮファイバレンズの端部に対してバイコニックレンズを配置し、前記バイコニックレンズが互いに対してほぼ直角に配置される２つの異なる曲線、大曲線Ｃ１および小曲線Ｃ２によって画定される外面を備え、前記曲線Ｃ１およびＣ２が前記光軸またはその付近で交差するステップと、
を含むことを特徴とするマルチレンズ装置の製造方法。
【請求項９】
前記位置決めステップが、前記光ファイバの前記一端に前記ＧＲＩＮファイバレンズの一端をスプライス接合するステップおよび前記ＧＲＩＮファイバレンズを所望の長さに劈開するステップを含み、前記配置ステップが前記ＧＲＩＮファイバレンズの前記劈開される端部上に前記バイコニックレンズを形成するステップを含むことを特徴とする、請求項９記載の方法。
【請求項１０】
前記位置決めステップが、前記光ファイバの前記一端に前記ＧＲＩＮファイバレンズの一端をスプライス接合するステップおよび前記ＧＲＩＮファイバレンズを所望の長さに劈開するステップを含み、前記配置ステップが前記ＧＲＩＮファイバレンズの前記劈開される端部に前記矩形のロッドの一端を固着するステップおよび前記矩形のロッドの他方の端部を成形して前記バイコニックレンズを上に形成するステップを含むことを特徴とする、請求項１２記載の方法。
【請求項１１】
光学部品と、
前記光学部品を支持するように構成される基板と、
前記基板上に前記光学部品に関連して位置決めされるマルチレンズ装置であって、前記マルチレンズ装置と前記光学部品との間を通過する光信号のモードフィールドを変更するようになっているマルチレンズ装置であって、光軸を画定するコア領域を有する光ファイバと、前記ファイバの一端に対して位置決めされるＧＲＩＮファイバレンズと、前記ファイバから遠い前記ＧＲＩＮファイバレンズの端部に対して形成されるバイコニックレンズと、を有し、前記バイコニックレンズが互いに対してほぼ直角に配置される２つの異なる曲線、大曲線Ｃ１および小曲線Ｃ２によって画定される外面を備え、前記曲線Ｃ１およびＣ２が前記光軸またはその付近で交差するマルチレンズ装置と、
を有することを特徴とする光学アセンブリ。
【請求項１２】
前記マルチレンズ装置が、それぞれが半径方向に一定の屈折率を有する１つ以上のスペーサロッドを有し、前記１つ以上のスペーサロッドが、１つ以上の前記光ファイバと前記ＧＲＩＮファイバレンズとの間、および前記ＧＲＩＮファイバレンズと前記バイコニックレンズとの間に位置決めされることを特徴とする、請求項１６記載の光学アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本願は、２００２年３月４日出願の米国仮出願番号第６０／３６１，７８７号明細書および「Ｂｅａｍ  Ａｌｔｅｒｉｎｇ  Ｆｉｂｅｒ  Ｌｅｎｓ  Ｄｅｖｉｃｅ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ」という名称のバガヴァチュラ（Ｂｈａｇａｖａｔｕｌａ）らの２００２年７月２３日出願の米国特許出願第１０／２０２，５６２号明細書の利益を主張するものである。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、全般的にはモードフィールド相互接続用の光学デバイスに関し、特に、異なるモードフィールドを有する光学部品および／または他の導波路との間を通過する光信号の高効率の結合を容易にするように構成されたマルチレンズモード変換装置に関する。
【０００３】
本発明は幅広い用途を対象としているが、レーザダイオードおよび半導体導波路などの楕円形状の光信号源を円対称のモードフィールドを有する光ファイバに結合する場合に特によく適している。
【背景技術】
【０００４】
レーザダイオード、光ファイバおよび半導体光増幅器（ＳＯＡ）などの信号源と光ファイバ、特殊ファイバ、ＳＯＡなどの他の光学部品との間を通過する光信号を高い結合効率で結合することは、光通信の重要な側面である。光通信システムに組込まれる従来の発光モジュールとしては一般に、光源として機能する、レーザダイオードなどの半導体レーザ、光搬送コアを有する光ファイバ、球面レンズ、半導体レーザとレーザビームを光ファイバコアに集光するための光ファイバとの間に組込まれた自己収束レンズまたは球面レンズなどのレンズなどがある。発光モジュールは一般に、半導体レーザと光ファイバとの間で高い結合効率を必要とするため、最大の結合パワーを実現するためには、モジュールは、互いに整列された半導体レーザ、レンズおよび光ファイバの光軸を集めることが好ましい。一部にはレンズ間隔および位置合せの問題のために、比較的大型で高コストであった初期の発光モジュールは、当分野において発展を遂げ、その結果、多数の代替アプローチが生まれた。
【０００５】
このようなアプローチの１つが、分布屈折率（ＧＲＩＮ）ロッドレンズの利用である。他のレンズとは異なり、ＧＲＩＮロッドレンズの屈折率は半径方向によって決まり、ロッドレンズの光軸で最大となる。一般的に言えば、ＧＲＩＮロッドレンズにわたる屈折率分布は放物線形状であるため、レンズ効果を誘起するのは、空気とレンズの境界面ではなく、レンズ媒体自体である。したがって、従来のレンズとは異なり、ＧＲＩＮロッドレンズは、平面入射面および平面出射面を有し、これらの面における屈折を不必要にする。この特性により、レンズのいずれかの端部の光学素子を屈折率整合接着剤またはエポキシによって所定の位置に固定することができる。屈折率勾配は一般に、時間がかかり、高価でもあるイオン交換工程によって形成される。一般的なＧＲＩＮロッドレンズは、たとえば、タリウムまたはセシウムをドープしたシリカガラスのイオン交換によって製造してもよい。ナトリウムおよびタリウムイオンまたはセシウムイオンのいずれかがガラスから拡散するようなイオン交換工程のために融解塩槽を用い、カリウムイオンを５００℃のＫＮＯ３槽からガラスに拡散することもできる。
【０００６】
光にレンズ効果を及ぼすのは、この工程から生じるレンズ媒体の屈折率であるため、所与のＧＲＩＮロッドレンズが特定の結合用途に適した屈折率分布を確実に有するようにするために、製造工程中の緻密な制御が必要である。さらに、本発明によって用いられるＧＲＩＮファイバレンズとは異なり、ＧＲＩＮロッドレンズは、標準的な遠距離通信ファイバおよび／または他の光学部品をスプライス接合するにはあまり適していない。一般的に言えば、ＧＲＩＮロッドレンズは、結合対象の光導波路とは著しく異なる熱膨張係数および軟化点（ガラスが軟化する温度）を有する多成分ガラス構造物である。他方、ファイバ製造工程によって構成されるＧＲＩＮファイバレンズは一般に、高シリカ組成構造物である。したがって、ＧＲＩＮファイバレンズの軟化点および熱膨張係数は、取付けられることができる大部分の遠距離通信ファイバおよび他の導波路の軟化点および熱膨張係数と実質的に同様である。したがって、ＧＲＩＮファイバレンズは、たとえば融着スプライス接合によって、大部分の遠距離通信ファイバに結合するのに十分適している。
【０００７】
別のアプローチは、半導体レーザと光導波路との間の光学結合を提供するために、光ファイバの端部にマイクロレンズを形成してきた。このようなアプローチにおいて、レンズは、光ファイバの端面の、光源からの光が入射するファイバの一部分に直接に一体形成される。以下では、このような光ファイバを「レンズ付き光ファイバ」と呼ぶ。このようなレンズ付き光ファイバを用いる発光モジュールを製造するときには、ファイバ自体から光収束レンズを離す必要がないため、および軸位置合せに関連する動作の数も削減することができるために、必要な構成要素の数を削減することができる。レンズ付き光ファイバは、光ファイバの端部に形成されるレンズが、このレンズを通過する光信号のモードフィールドを変更することができる場合には、アナモルフィックレンズ付き光ファイバと呼ばれる。さらに具体的に言えば、光ファイバの端部に形成されるアナモルフィックレンズは一般に、レーザダイオードから発せられる光信号の楕円形のモードフィールドを実質的に円対称の光信号に変えることができ、円対称のモードフィールドを有する光ファイバのコアにより効率的に結合することができる。
【０００８】
上述の各アプローチは、当業界では公知である種々の有用性および利点を有する。しかし、各アプローチは、独自の制限がある。たとえば、従来のＧＲＩＮロッドレンズ技術は、通過する光信号に関して優れた対称集光特性を提供するが、ＧＲＩＮロッドレンズ単独では、一般に、効率的な光信号結合用途にしばしば必要とされるように、光信号の幾何形状を著しく変化させることはない。さらに、集光を行うＧＲＩＮロッドレンズ自体の材料特性のために、特定の用途に必要なＧＲＩＮロッドレンズの屈折率分布の制御された変動を提供するために、正確な製造技術が必要である。
【０００９】
同様に、アナモルフィックファイバレンズは、レンズを通過する光信号またはビームの幾何形状を容易に変更しやすくするものであるが、アナモルフィックレンズ用途の有効作動距離の範囲がある程度制限される。したがって、適切な作動距離が特定の用途に適さない場合に結合損失が大きくなることがあり、そのために多くの結合用途が実現不可となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって、必要とされているが、現時点において当業界では利用可能ではないのは、アナモルフィックレンズまたはＧＲＩＮロッドレンズの単独使用に関連する上記および他の欠点を克服する光信号結合用途のマルチレンズ装置である。このようなマルチレンズ装置は、装置を通過する光信号の幾何形状および他のモードフィールド特性を変更できなくてはならず、これと同時に、結合損失を制限する設計の融通性を提供できなくてはならない。また、より広範囲の許容可能な作動距離を可能にし、位相面の収差を最小限に抑え、一般に、光信号結合用途においてより大きな制御および効率を提供する必要がある。このようなマルチレンズ装置は、比較的廉価で製造され、比較的大量生産しやすく、一般に材料特性およびレンズ自体の特性をあまり変更することなく、はるかに広範囲の用途に対応することが要求される。本発明は主にこのようなマルチレンズ装置を提供することに関する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一態様は、光信号のモードフィールドを変更するためのマルチレンズ装置に関する。この装置は、光軸を画定するコア領域を有する光ファイバと、光ファイバの一端に配置されたＧＲＩＮファイバレンズとを有する。互いにほぼ直角に配置される２つの異なる曲線、大曲線Ｃ１および小曲線Ｃ２によって画定される外面を有し、Ｃ１およびＣ２が光軸またはその付近で交差するバイコニックレンズが、ファイバから遠いＧＲＩＮファイバレンズの端部に配置される。
【００１２】
別の態様において、本発明は、光信号のモードフィールドを変換するためのマルチレンズ装置の製造方法に関する。この方法は、ＧＲＩＮファイバレンズの一端を、光軸を画定するコア領域を有する光ファイバの一端に対して位置決めするステップと、ファイバから遠いＧＲＩＮファイバレンズの端部に対してバイコニックレンズを形成するステップと、を含む。バイコニックレンズの外面は、互いにほぼ直角に配置される２つの異なる曲線、大曲線Ｃ１および小曲線Ｃ２によって画定され、Ｃ１およびＣ２が光軸またはその付近で交差することが好ましい。
【００１３】
さらに別の態様において、本発明は、光学アセンブリに関する。この光学アセンブリは、光学部品と、光学部品を支持するように構成された基板と、マルチレンズ装置と光学部品との間を通過する光信号のモードフィールドを変更するように、基板上に、光学部品との相関から位置決めされたマルチレンズ装置と、を有している。このマルチレンズ装置は、光軸を画定するコア領域を有する光ファイバと、光ファイバの一端に対して位置決めされるＧＲＩＮファイバレンズと、ファイバから遠いＧＲＩＮファイバレンズの端部に形成されるバイコニックレンズとを有している。バイコニックレンズは、互いにほぼ直角に配置される２つの異なる曲線、大曲線Ｃ１および小曲線Ｃ２によって画定される外面を有し、Ｃ１およびＣ２は、光軸またはその付近で交差する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のマルチレンズ装置は、当業界では公知である他のモード変換デバイスに関する多数の利点を生じる。ある意味では、バイコニックレンズはＧＲＩＮファイバレンズの端部上に直接形成することもできるため、光信号のモードフィールドの幾何形状をバイコニックレンズによって変更することができ、変更される光信号の集光は主にＧＲＩＮファイバレンズによって行われてもよい。その結果、光信号の波面と、光信号が結合される光学部品の波面との一致度が改善されるであろう。したがって、結合損失が最小限に抑えられ、位相面の収差が緩和される。本発明のマルチレンズ装置はまた、より広範囲の有効作動距離を提供するように設計されてもよい。これらをはじめとする利点の結果、結合効率が、非常に向上する。
【００１５】
さらなる利点が、本発明によるマルチレンズ装置の製造方法によって提供される。さらに具体的に言えば、本発明のマルチレンズ装置は、マルチレンズ装置の不変の特性である設計上の特徴に影響を及ぼすことなく、バイコニックレンズ、ＧＲＩＮファイバレンズ、またはその両方のある特性を変更することができるように製造されることができることが好ましい。このように、特定の用途向けに製造されたＧＲＩＮファイバレンズを同様に他の用途にも使用することもできる。たとえば、マルチレンズ装置は、通過する光信号のモードフィールドを、必要に応じて、楕円形のモードフィールドから円形のモードフィールドに、円形のモードフィールドから楕円形のモードフィールドに、１つの楕円率を有するモードフィールドから異なる楕円率を有するモードフィールドに、または同一の形状であるが異なるサイズを有する１つのモードフィールドから別のモードフィールドに変更することができるように製造されてもよい。さらに、本発明のマルチレンズ装置は、いずれの方向にもレンズ付き装置を通過する光信号のモードフィールドを変更することができるように設計されてもよい。
【００１６】
これらの利点に加えて、ＧＲＩＮファイバレンズ自体は、本発明の製造に際し多数の利点を提供する。上述したように、ＧＲＩＮファイバレンズは、従来のマルチモードファイバ製造工程によって作成されることが好ましい高シリカを含む構造物であることが好ましい。ＧＲＩＮファイバレンズは遠距離通信ファイバ製造技術によって製造されるため、本発明によって製造されるＧＲＩＮファイバレンズは、高精度で所望の寸法に延伸されてもよい。一般的に言えば、ＧＲＩＮファイバレンズは、約２５．０ミクロン〜約１０００．０ミクロンの範囲の外径を備えるように延伸されてもよい。このようなＧＲＩＮファイバレンズは、約５０．０ミクロン〜約５００．０ミクロンの範囲の外径を備えるように延伸されることができればさらに好ましい。このようなＧＲＩＮファイバレンズは、約７５．０ミクロン〜約２５０．０ミクロンの範囲の外径を備えるように延伸されることができれば最も好ましい。さらに、ＧＲＩＮファイバレンズは慣例的なファイバ延伸機器を用いて延伸されるため、大きな直径のロッドまたはブランクが製造された後、元の大きな直径のロッドのコア対クラッドの比などの材料特性を維持しながら、ファイバの長い長さ（数ｋｍに及ぶ）まで延伸できるので、製造およびスプライス接合が容易化される。したがって、ＧＲＩＮファイバレンズの他の特性の中でも所望の屈折率分布は、このようにして得られたＧＲＩＮファイバレンズの光学特性に関して正確なサブミクロンの制御を提供する、より大きなロッドまたはブランクに設計されてもよい。
【００１７】
これらの利点に加えて、本発明によれば、ＧＲＩＮファイバレンズは、２つ以上のモード変換用途に関して所定の材料特性を有するように製造されてもよい。バイコニックレンズはＧＲＩＮファイバファイバ自体ではなく、ＧＲＩＮファイバレンズ上またはＧＲＩＮファイバレンズに固着されたコアレススペーサロッドまたはファイバ上に形成されてもよいため、同一の長さを有し、同一の材料から形成され、同一のアスペクト比を有し、同一の断面積を有するＧＲＩＮファイバレンズおよびコアレススペーサロッドを、異なる特性および／またはモードフィールドを有するピグテールファイバに固着してもよい。その後、各ＧＲＩＮファイバレンズおよび／またはコアレスロッドを、たとえば、各ＧＲＩＮファイバレンズおよび／またはスペーサロッドが固着される特定のファイバピグテールに必要とされる不可欠なモードフィールド変換機能性を提供するために、適切な長さに劈開することによって、変更してもよい。下記に詳細に述べるが、これは、各ＧＲＩＮファイバレンズおよび／またはスペーサロッドを所望の長さに劈開または他の方法で切断し、各ロッドの切断された端部が所望のモード変換効果を有するように成形することによって実現できることが好ましい。
【００１８】
本発明によるＧＲＩＮファイバレンズは４分の１ピッチ長さまたはそれに近いピッチ長さで設計できるが、ＧＲＩＮファイバレンズは４分の１ピッチ長さに限定されるわけではないことを留意されたい。一般的に言えば、ＧＲＩＮファイバレンズは大きなアスペクト比のバイコニックレンズ用途などの特殊な用途向けに、４分の１ピッチ長さに設計されてもよい。当業界では周知の用途において、ＧＲＩＮファイバレンズは、固着される光導波路の外径に適合する外径を有するように製造される。したがって、光導波路の外径が１２５．０ミクロンであるとき、ＧＲＩＮファイバレンズもまた１２５．０ミクロンの外径を有するように製造されることが一般的である。したがって、それぞれが１２５．０ミクロンの外径を有する２つの光導波路が異なるモードフィールドを有するとき、屈折率分布の差（Δ）は、同一の１２５．０ミクロンの外径を維持すると同時に、ＧＲＩＮファイバレンズが仕様を満足できるように、各ＧＲＩＮファイバレンズ毎に変更される。本発明によれば、ＧＲＩＮファイバレンズの外径は、１２５．０ミクロンで維持される必要はない。代わりに、ＧＲＩＮファイバレンズの屈折率の差Δが実質的に同一に維持され、各ＧＲＩＮファイバレンズの外径、コア直径および長さは各光導波路のモード変換要件を満足するように変更されることが好ましい。本発明によれば、ＧＲＩＮファイバレンズの直径は、固着される光導波路の外径より、小さくても、大きくても、または等しくてもよい。さらに、本発明によれば、各ＧＲＩＮファイバレンズの長さは、必要に応じて、４分の１ピッチとは異なっていてもよい。その結果、本発明によれば、種々の用途において用いるために、同一のブランクを用いてＧＲＩＮファイバレンズを延伸してもよい。ブランクの屈折率分布を変更する必要はないため、ブランク製造工程およびＧＲＩＮファイバレンズ製造工程を簡略化してもよい。その結果、異なるモード変換用途のために同一のブランクを用いることができる。ブランクは、異なる用途のために異なる外径に再延伸されることが好ましいというに過ぎず、このようにして得られたＧＲＩＮファイバレンズを異なる長さに切断または劈開してもよい。やはり、製造効率および費用削減効率が最大となる。
【００１９】
本発明によるスペーサロッドの製造は、さらなる利点を提供する。一般的に言えば、スペーサロッドは、実質的に均一な屈折率分布を有し、シリカ、いずれか他の高シリカガラスを含む材料から構成されるか、またはコーニング・インコーポレイティッド（Ｃｏｒｎｉｎｇ  Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ）によって製造され、バイコール（Ｖｙｃｏｒ）（登録商標）として公知である９６％シリカガラスであってもよい。一般的に言えば、および本発明によれば、スペーサロッドは円筒形状、矩形形状であってもよいし、またはいずれか他の幾何形状を取るように製造されてもよい。上述のＧＲＩＮファイバレンズと同様に、スペーサロッドは、従来のファイバ製造技術および機器を用いて、１２５．０ミクロン（これに限定されるわけではない）などの所望の直径に延伸される長さ約１ｍのロッドまたはブランクから製造されることが好ましい。一般的に言えば、スペーサロッドは、ｋｍの長さに延伸された後、特定のモード変換用途に合わせて適切な長さに切断または劈開される。
【００２０】
バイコニックレンズをスペーサロッドの端部に形成すべき用途では、特定のモード変換用途用に予め成形されたスペーサロッドを利用することが好都合である。たとえば、本発明によれば、特定の用途で、実質的に円対称のモードフィールドを実質的に楕円形のモードフィールドに変換することが要求されるとき、円筒形ロッドの端部ではなく、実質的に矩形形状であるスペーサロッドの端部に、本発明によるバイコニックレンズを形成することが好ましい場合がある。このような場合には、それ自体が矩形形状である長さ約１ｍのブランクを最初に形成することが好ましい可能性がある。次に、１２５．０ミクロンなどの所望の外形寸法を有する実質的に矩形のスペーサロッドを形成するために、従来のファイバ延伸技術および機器を用いて、矩形のブランクを延伸してもよい。このように、実質的に矩形形状の数ｋｍのスペーサロッド材料が単独のブランクから延伸された後、所望の光学特性を有するスペーサロッドを形成するために、所望の長さに切断してもよい。このようにして得られた矩形のスペーサロッド材料の縁は、延伸工程中、ある程度丸みを帯び始めている可能性があるが、ロッド材料が延伸される延伸炉の温度、延伸速度および張力が制御されれば、実質的に矩形状が維持される。さらに、延伸工程によって形成されて最終的に劈開される矩形のスペーサロッドのアスペクト比および他の光学特性は、実質的に維持されることが好ましい。このような処理は、大量生産および最終的なスペーサロッドの制御された寸法を容易にする。このような態様でスペーサロッドを形成することによって、スペーサロッドの端部は、スペーサロッドの端部に形成されるバイコニックレンズの寸法および面の曲率にはるかに近い大きさに形成される。その結果、円筒形スペーサロッドの端部に楔形のバイコニックレンズを形成するために一般に必要とされる研削および研磨の量に比べて、バイコニックレンズを形成するために一般に必要とされる研削および研磨の量が低減される。
【００２１】
本発明の上述の態様のすべてが、ＧＲＩＮファイバレンズおよび／またはスペーサロッドの大規模生産を実現するものであり、ひいては製造しやすさ、製造工程に関連するコストの削減およびより大規模の節約を促進する。
【００２２】
本発明のさらなる特徴および利点は、以下の詳細な説明に記載され、部分的には、その説明から当業者には容易に明白となり、本願明細書に述べるように本発明を実施することによって認識されるであろう。
【００２３】
前述の一般的な説明および以下の詳細な説明はいずれも、本発明の例示に過ぎず、請求されている本発明の性質および特徴を理解するための概要または枠組みを提供することを目的としていることを理解されたい。添付図面は、本発明の理解を深め、本発明の種々の実施形態を示し、明細書本文と共に、本発明の原理および動作を説明するのに役立つように包含されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
ここで、添付図面に示される本発明の好ましい実施形態および実施例を詳細に参照されたい。可能な限り、同一の参照符号は、複数の図面を通して同一または類似の部分を指すために用いられる。本発明のマルチレンズ装置の具体的な実施形態が、図１Ａおよび図１Ｂに示され、全体として参照符号２０によって表される。
【００２５】
一般的に言えば、図１Ａの平面図および図１Ｂの側面図に示される具体的なマルチレンズ装置２０は、光ファイバまたはピグテールファイバ２２と、ピグテールファイバ２２の一端に位置決めされた四角形の低屈折率または放射線状の屈折率分布を有するＧＲＩＮファイバレンズ２４と、ピグテールファイバ２２から遠いＧＲＩＮファイバレンズ２４の端部に配置されたバイコニックレンズ２６と、を有している。ピグテールファイバ２２は、コーニング・インコーポレイティッド（Ｃｏｒｎｉｎｇ  Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ）によって製造されたＳＭＦ−２８ファイバなどの標準的なシングルモードファイバ、偏光保持（ＰＭ）ファイバ、マルチモードファイバまたは光通信システムに用いられる高屈折率ファイバなどの他の専用ファイバであってもよい。さらに、ピグテールファイバ２２は、端部から見たときに円対称であってもよく、または任意の他の形状であってもよい。バイコニックレンズ２６は、ＧＲＩＮファイバレンズ２４上に直接形成されてもよい（たとえば、図２Ａ参照）。図２Ｃを参照して以下にさらに詳細に述べるように、バイコニックレンズ２６はまた、個別のコアレススペーサロッドの一端に配置されてもよい。コアレススペーサロッド自体は、ピグテールファイバ２２から遠いＧＲＩＮファイバレンズ２４の端部に配置されてもよい。
【００２６】
本発明の別の態様によれば、マルチレンズ装置２０は、図１Ｃおよび図１Ｄに示されているように、１つ以上のテーパ型要素を有するように製造されてもよい。このようなテーパ型マルチレンズ装置２０は、ピグテールファイバ２２と、ピグテールファイバ２２の一端で位置決めされる四角形の低い屈折率または放物線上の屈折率分布を有するテーパ型ＧＲＩＮファイバレンズ２５と、ピグテールファイバ２２から遠いＧＲＩＮファイバレンズ２５の端部上に配置されるバイコニックレンズ２６と、を有してもよい。レーザダイオード結合などのある種の用途では、レーザダイオードからの出力は１．０〜２．０ミクロン程度に小さくてもよく、アスペクト比は約２．０〜約５．０の範囲であってもよい。モードフィールドをこのような用途に容易に適合するために、バイコニックレンズ２６の曲率半径は小さいことが好ましい。しかし、マルチレンズ装置２０の直径は、製造中にマルチレンズ装置２０の種々の要素を操作できるように手頃なサイズに維持されることもまた好ましい。テーパ型ＧＲＩＮファイバレンズ２５を組込んだマルチレンズ装置２０は、これらの目的に適合する１つの好ましいアプローチである。図に示されているように、テーパ型ＧＲＩＮファイバレンズ２５は、ピグテールファイバ２２の端部から仮想線Ａ１まで長手方向に延在する実質的に均一または一定の半径方向の外形寸法を有するＧＲＩＮファイバ部分２３および仮想線Ａ１とＡ２の間で長手方向に延在する変化する、好ましくは減少する半径方向の外形寸法（または傾斜外面）を有するテーパ型ＧＲＩＮファイバ部分２７を有することが好ましい。図面には示されていないが、当業者は、１つ以上のピグテールファイバ２２、コアレススペーサロッドおよび／またはＧＲＩＮファイバレンズ２４、２５が、記載された任意の実施形態および／または本願明細書に記載された任意の実施形態に関して、図１Ｃおよび図１Ｄに示されるテーパ型ＧＲＩＮファイバレンズ２５と類似の態様でテーパをなしていてもよいことを認識されたい。
【００２７】
本発明のマルチレンズ装置２０の具体的な代替実施形態が、図２Ａ〜図２Ｅ、図３Ａ〜図３Ｂに示されている。本願明細書に特記がない限り、記載された実施形態のそれぞれにおいて、ピグテールファイバ２２は、外形寸法約１２５．０ミクロン、コア直径約８．０〜１０．０ミクロンのＳＭＦ−２８ファイバなどの標準的なシングルモード光ファイバとして記載される。当業者は、他の直径および他の幾何形状を有する他のピグテールファイバもまた、本発明の範囲内であることを認識されたい。さらに、本願明細書に特記がない限り、任意の実施形態に関して、バイコニックレンズ２６は、ピグテールファイバ２２から最も遠い位置でマルチレンズ装置２０上に配置されることを理解されたい。
【００２８】
ここで図２Ａを参照すると、マルチレンズ装置２０は、クラッディング領域３０によって境界づけられるコア領域２８を有するピグテールファイバ２２およびクラッディング領域３４によって境界づけられても境界づけられなくてもよいコア領域３２を有するＧＲＩＮファイバレンズ２４を有することが好ましいこともある。好ましい実施形態において、ＧＲＩＮファイバレンズ２４の相対屈折率分布は、マルチレンズ装置２０の光軸に対して半径方向に増大する。ＧＲＩＮファイバレンズ２４の一端は、当業界では一般に公知であるアーク融着接続装置またはいずれか他の装置によって、ピグテールファイバ２２の一端にスプライス接合されるかまたは他の方法によって固着されることが好ましい。バイコニックレンズ２６は、ピグテールファイバ２２から遠いＧＲＩＮファイバレンズ２４の端部上に配置されることが好ましい。本願明細書に開示されるこれらの具体的な実施形態および他の具体的な実施形態において、バイコニックレンズ２６は、従来の成形技術、成形および加熱の組合せ、レーザマイクロマシニング、または以下にさらに詳細に記載する他の方法によって形成されることが好ましい可能性がある。さらに、これらの実施形態および他の実施形態において、本発明によるバイコニック面２６が成端するマルチレンズ装置２０に沿った円周の位置を示すために、破線３５が示されている。
【００２９】
バイコニックレンズ２６は、凸面形状であることが好ましく、中を通過する光信号のモードフィールドを同一形状であるが別サイズのモードフィールドに、実質的に円対称の形状から楕円形状に、楕円形状から実質的に円対称の形状に、および／または１つの楕円形状から異なる楕円形状に、変更するようなサイズに成形されることが好ましい。図２Ａに示される実施形態において、バイコニックレンズ２６は、ＧＲＩＮファイバレンズ２４の端部に直接形成される。したがって、バイコニックレンズ２６は、クラッディング領域３２およびコア領域３４の一部を含む。図２Ａに示される実施形態において、ＧＲＩＮファイバレンズ２４のほか、バイコニックレンズ２６も、ピグテールファイバ２２の外径より小さい外径を呈する。
【００３０】
図２Ｂに示される具体的な代替実施形態において、マルチレンズ装置２０は、図２Ａに対して上述の要素のすべてを含んでもよい。しかし、ＧＲＩＮファイバレンズ２４およびバイコニックレンズ２６の少なくとも一部はいずれも、ピグテールファイバ２２より大きい外形寸法を有する。一般的に言えば、マルチレンズ装置２０に結合されるデバイスのモードフィールド、構造およびサイズなど（これらに限定されるわけではない）の特性は、ピグテールファイバ２２にスプライス接合されるＧＲＩＮファイバレンズ２４のサイズおよび他の設計特徴に少なくとも一部の決定的要因がある。さらに、本発明のマルチレンズ装置２０のＧＲＩＮファイバレンズ２４および他の要素の外形寸法のサイズを増大させることにより、製造しやすさを促進し、製造中の測定を他の方法で支援する可能性がある。
【００３１】
本発明のマルチレンズ装置２０の別の具体的な代替実施形態が、図２Ｃに示されている。上述の実施形態とは異なり、バイコニックレンズ２６は、均一または一定の半径方向の屈折率分布を有する光搬送材料のスペーサロッドまたはファイバ３６の端部上に配置される。好ましい実施形態において、ロッド３６はＧＲＩＮファイバレンズ２４にスプライス接合され、バイコニックレンズ２６は、スプライス接合の前または後のいずれかで、ＧＲＩＮファイバレンズ２４から遠いスペーサロッド３６の端部上に形成または他の方法で配置されてもよい。実質的に矩形形状のスペーサロッド４２が、図２Ｄおよび図２Ｅに示されているように、別法として用いられてもよい。図２Ｄに示されるように、たとえば、マルチレンズ装置２０は、円対称のピグテールファイバ２２と、円対称のＧＲＩＮファイバレンズ２４と、実質的に矩形のスペーサロッド４２と、を有し、スペーサロッド４２の端部にバイコニックレンズ２６を形成するように成形されている。図２Ｅに示される実施形態は、ピグテールファイバ２２と、ＧＲＩＮファイバレンズ２４およびスペーサロッド４２のそれぞれが実質的に矩形形状として示されている。当業者は、スペーサロッド３６、４２が円筒形状であってもよく、またはいずれか他の幾何形状であってもよいことを理解されたい。さらに、ロッド３６、４２は、ロッド３６がピグテールファイバ２２の偏光軸を維持するために、ＧＲＩＮファイバレンズ２４とどのように位置合せすることが好ましいかを示すために、図面に示されているように位置決め溝４１によって印付けされてもよく、または他の方法で印付けされてもよい。このような印付けはまた、ＧＲＩＮファイバレンズ２４に関しても、バイコニックレンズ２６がスペーサロッド３６上に形成される場合およびバイコニックレンズ２６がＧＲＩＮファイバレンズ２４上に配置される個々のスペーサロッド３６上に形成されるのではなく、ＧＲＩＮファイバレンズ２４上に直接形成される場合に好ましい。当業者は、マルチレンズ装置２０の種々の要素の幾何形状が円形である場合またはそうでなければ非平面を含む場合に、このような印付けが特に有用であることを認識されたい。
【００３２】
図２Ｃに示されるスペーサロッド３６の一部の平面図および側面図がそれぞれ、図２Ｆおよび図２Ｇに概略的に示されている。図２Ｃに示されるバイコニックレンズ２６がこの説明用に用いられているが、図２Ｆおよび図２Ｇに関して以下に説明する原理は、バイコニックレンズ２６がＧＲＩＮファイバレンズ２４の端部上に配置されるか、またはスプライス接合または他の方法で固着またはＧＲＩＮファイバレンズ２４上に配置されるスペーサロッド３６の端部上に配置されるかに関係なく、本発明のインラインビーム偏光実施形態の他の具体的な実施形態に等しく適用可能である。
【００３３】
図２Ｆはロッド３６の一部の平面図を示しているのに対し、図２Ｇにおけるロッド３６の図は側面から見たものである。バイコニックレンズ２６で実現するのに用いられる製造技術に関係なく、バイコニックレンズ２６は、少なくとも２つの異なる曲線によって画定されることが好ましい外面を有することが好ましい。第１の曲線すなわち大曲線Ｃ１は図２Ｆに示される平面に形成されることが好ましく、第２の曲線すなわち小曲線Ｃ２は図２Ｇに示される平面に形成されることが好ましい。曲線Ｃ１、Ｃ２は、図２Ｈおよび図２Ｉに示されるように、互いに対してほぼ直角であり、光軸３８またはその付近で交差することが好ましい。バイコニックレンズ２６の面４３の形状は、図２Ｉに示される断面図を参照すれば、容易に識別することができる。図２Ｉに示される実施形態において、曲線Ｃ１、Ｃ２によって画定される曲面は、たとえば楕円面、放物面または双曲面などの円錐面を画定する。バイコニックレンズ２６の他の光学特性の中で、曲線Ｃ１、Ｃ２の曲率の差および互いに対してほぼ直角の構成は、本発明のマルチレンズ装置２０のインラインビーム変更機能性を提供するものである。異なる曲線Ｃ１、Ｃ２は、それぞれ球面を画定してもよく、それぞれ非球面を画定してもよく、または一方は球面を他方は非球面を画定してもよい。さらに、曲線は、楕円面、放物面または双曲面以外の形状を画定してもよい。その結果、本質的に、アナモルフィックレンズ効果を提供する面が得られる。バイコニックレンズ２６の曲線Ｃ１、Ｃ２の形状および曲率を制御することによって、バイコニックレンズ２６を通過する光信号のモードフィールドの形状を制御してもよい。
【００３４】
別の具体的な実施形態が図３Ａの断面図に示されている。上述の実施形態と異なり、図３Ａに示されるマルチレンズ装置２０は、一定または均一な半径方向の屈折率分布を有する光搬送材料の別のスペーサロッドまたはファイバ４０を有している。スペーサロッド４０は、図３Ａに示されているように、ピグテールファイバ２２とＧＲＩＮファイバレンズ２４との間に位置決めされてもよく、またはＧＲＩＮファイバレンズ２４とバイコニックレンズ２６との間に位置決めされてもよい。あるいは、光信号が通過することになっている光学部品の要件に応じて、２つ以上のスペーサロッド４０が、ＧＲＩＮファイバレンズ２４の前および／または後（図３Ｂに示される）に位置決めされてもよい。さらに、当業者は、アナモルフィックレンズ効果を提供するために成形されるわけではないスペーサロッド３６の長さなどのＧＲＩＮファイバレンズ２４から遠い導波路材料の端部上に配置されるＧＲＩＮファイバレンズ２４とバイコニックレンズ２６との間にある導波路材料の任意の部分また領域それ自体がスペーサロッドとして画定されてもよいことを認識されたい。同様に、図面には示されていないが、所与の用途の要件およびそれらの要件を満たすために取られた設計アプローチに応じて、マルチレンズ装置２０は、複数のスペーサロッドおよび／または複数のＧＲＩＮファイバレンズまたは単独のスペーサロッドおよび複数のＧＲＩＮファイバレンズ、または単独のＧＲＩＮファイバレンズおよび複数のスペーサロッドを含んでもよい。
【００３５】
マルチレンズ装置２０の上述の具体的な実施形態のそれぞれは、一定の共通の製造技術を共有していてもよい。第一に、有効な放物線状の屈折率、コア３２の直径、外形および幾何形状を有する適切なＧＲＩＮファイバレンズが、選択されたピグテールファイバ、またはピグテールファイバ２２の端部にスプライス接合される１つ以上のスペーサロッド４０に好ましくはスプライス接合によって固着される。このようなスペーサロッド４０は、コアレスシリカガラスを含むロッドであることが好ましく、任意の適切な外形寸法および幾何形状を有するように製造でき、均一または一定の半径方向の屈折率を有するため、レンズ（光を通す）特性はほとんどないかまたはまったくない。使用時には、スペーサロッド４０がさらなる設計の融通性を提供する。エムケー（Ｅｍｋｅｙ）およびジャック（Ｊａｃｋ）著、「Ａｎａｌｙｓｉｓ  ａｎｄ  Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｇｒａｄｅｄ−Ｉｎｄｅｘ  Ｆｉｂｅｒ−Ｌｅｎｓｅｓ」、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、ｖｏｌ．ＬＴ−５、Ｎｏ．９、１９８７年９月、ｐ．１１５６−１１６４（本願明細書に参照によって包含されるものとする）に開示される公知の公式を用いて、ＧＲＩＮファイバの屈折率、ＧＲＩＮファイバのコア３２および４分の１ピッチ長さなどのレンズ変数を決定してもよい。
【００３６】
次に、ＧＲＩＮファイバは、ＧＲＩＮファイバレンズ２４を形成するために、４分の１ピッチに比べて適切な長さに劈開または「テーパ切削」されてもよい。本発明による「テーパ切削」または「テーパ切削加工」を行う工程については、「Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  Ｌｅｎｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ」という名称の２００１年３月１９に提出された米国特許出願第０９／８１２，１０８号明細書にさらに詳細に記載される。尚、当該特許は、本願明細書に参照によって包含されるものとする。次に、このように形成されたＧＲＩＮファイバレンズ２４の劈開またはテーパ切削された端部は、研磨またはレーザマイクロマシニング（これらに限定されるわけではない）などのアプローチによって、適切な楔角を有する楔形状に成形されてもよい。ＧＲＩＮファイバレンズ２４の変数、楔角および丸い部分の半径の値は、必要な作動距離およびピグテールファイバ２２のモードフィールドおよび最終的なモードフィールド形状の要件に基づいて設計されてもよい。適切な楔角の丸みにより、ピグテールファイバ２２から遠いＧＲＩＮファイバレンズ２４の端部上に配置されるバイコニックレンズ２６を生じ、バイコニックレンズ２６の外面は、互いに対してほぼ直角に配置される２つの異なる曲線、大曲線Ｃ１および小曲線Ｃ２によって画定され、Ｃ１およびＣ２は、本発明のマルチレンズ装置２０の光軸３８またはその付近で交差する。
【００３７】
本発明による分布屈折率バイコニックレンズの楔角は、さまざまな判断基準を用いて決めることができる。一般的に言えば、小さなモードフィールド径の光源を結合するために好ましいレンズ形状は双曲線である。したがって、円錐部分を用いて双円錐面を画定する曲線Ｃ１、Ｃ２を表してもよい。本発明の好ましい実施形態によれば、Ｈ．Ｎ．プレスビー（Ｈ．Ｎ．Ｐｒｅｓｂｙ）およびＣ．Ａ．エドワーズ（Ｃ．Ａ．Ｅｄｗａｒｄｓ）著、「Ｎｅａｒ  １００％  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  Ｆｉｂｒｅ  Ｍｉｃｒｏｌｅｎｓ」、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．２８、ｐ．５８２、１９９２（この開示内容は、本願明細書に参照によって包含されるものとする）を参照してさらに詳細に記載されるように、楔形状を画定する双曲線の漸近線、すなわち曲線Ｃ１、Ｃ２を用いて、バイコニックレンズのための中間の楔角度を決定することができる。このようにして得られた中間の楔は、スペーサロッドに好ましい双曲線形状を与えるために、当業界では周知の加熱または他の方法によって丸みを帯びさせてもよい。
【００３８】
図４に示される概略図に示されているように、曲線Ｃ１またはＣ２を表す双曲線５０は、楔を表す漸近線５２によって画定され、（ｈ、ｋ）で中点５４と交差することが好ましい。双曲線を画定する式は、以下のように表現されることができる。
【数１】
2005519343.tif 000003
【００３９】
式中、ｂ２＝ｃ２−ａ２であり、
ｃは中点５４と双曲線の焦点５８（ｈ＋ｃ、ｋ）との間の距離５６であり、ａは中点５４と双曲線の頂点６２との間の距離６０である。
【００４０】
漸近線は、
線Ｙ＝ｋ＋（ｂ＊（ｘ−ｈ）／ａ）およびｙ＝ｋ−（ｂ＊（ｘ−ｈ）／ａ）
によって画定される。漸近線の式から、楔角５７は、
楔角＝２＊（ｔａｎ−（ｂ／ａ））
として決定されることができる。
【００４１】
バイコニックレンズ２６に画定される外面の独立変数曲線は、さまざまな用途のモード結合要件を満たすために、アナモルフィックレンズ効果および設計の融通性を提供する。さらに、制御された半径を有する丸みを帯びた楔はアナモルフィックレンズとして機能するのに対し、ＧＲＩＮファイバレンズは球面レンズとして機能する。楔およびＧＲＩＮファイバレンズの変数を画定することによって、集光されるビームのモードフィールド径、そのアスペクト比（すなわちその楕円率）および丸みを帯びた楔の先端から集光されるビームの像距離などのアナモルフィックレンズの特性を制御してもよい。このようなレンズは、ピグテールファイバ２２の光軸３８の方向に沿った光学結合のためにアナモルフィックレンズ効果を提供する。また、ＧＲＩＮファイバレンズおよびピグテールファイバのコアまたは外形、サイズ、形状および屈折率の差をさまざまな用途のために偏光することができる種々の設計を実現することも可能である。たとえば、変更するサイズのビームに適合するように、ＧＲＩＮファイバレンズの外径をピグテールファイバと同一であるか、ピグテールファイバより小さいかまたは大きくすることが可能である。ＧＲＩＮファイバレンズ、ピグテールファイバの形状、任意のスペーサロッドは、四角形または矩形などの非円筒形であってもよく、または製造しやすさおよびピグテールファイバ２２の偏光軸との位置合せを容易にするために、位置決め溝４１または他の方法で印付けされてもよい。平たい側面または印付けをピグテールファイバ２２の偏光軸と位置合せすることによって、楔の研磨および適切な偏光軸によるレーザダイオードまたは他の光学部品に対する結合などの別の処理が簡略化される。
【００４２】
スペーサロッドは、上述したように、所望または必要に応じて、本発明のマルチレンズ装置２０のＧＲＩＮファイバレンズ２４とバイコニックレンズ２６との間に位置決めされてもよい。このような場合には、スペーサロッド３６、４０、４２を、上述したように劈開およびテーパ切削してもよく、ＧＲＩＮファイバレンズ２４から遠いスペーサロッド３６、４０、４２の端部は、ＧＲＩＮファイバレンズ２４上ではなく、スペーサロッド３６、４０、４２上に形成されるバイコニックレンズ２６に達するために、上述したようにさらに処理してもよい。
【００４３】
図２Ｄおよび図２Ｅに示される具体的な実施形態において、矩形のロッド４２などの非円筒形のロッドは、適切なサイズであり、それ自体がピグテールファイバ２２にスプライス接合されるＧＲＩＮファイバレンズ２４にスプライス接合されることが好ましい。この構成の利点は、製造中に実現される。矩形のロッド４２、好ましくは均一な半径方向の屈折率を有するコアレスシリカを含むガラス材料は、マルチレンズ装置２０の端部に形成されることになっているバイコニックレンズ２６の所望の形状に相当似ているように製造されることができるため、製造処理を簡略化することができる。たとえば、研磨などによってマルチレンズ装置２０の端部上に楔形状を形成することが、必要ではない場合がある。少なくとも、研磨の量および程度を大幅に低減させることができる。代わりに、バイコニックレンズ２６は、矩形のロッド４２の端部の縁に丸みを帯びさせるために、ロッド４２の端部を、ガラスをリフローするのに十分な温度まで単に再加熱するだけで形成されることが好ましい場合がある。矩形のロッド４２の端部に印加される熱は、さらなる再成形を行わなくても縁に丸みを帯びさせるように、ガラスを軟化させるのに十分なほど高いことが好ましい。したがって、適切な形状のバイコニックレンズ２６がＧＲＩＮファイバレンズ２４から遠いロッド４２の端部上に容易に製造され得る。
【００４４】
本発明の動作の一態様によれば、図５Ａおよび図５Ｂに示されているように、図１Ａおよび図１Ｂを簡単に参照すると、レーザダイオードまたは他の光学デバイスによって発せられることが好ましい光信号は、バイコニックレンズ２６を通ってＧＲＩＮファイバレンズ２４の中に、およびピグテールファイバ２２の中を通過することが好ましい。図５Ａは図１Ｂに示されるものと類似のマルチレンズ装置２０の部分側面図を示す顕微鏡写真であり、図５Ｂは図１Ａに示されるものと類似のマルチレンズ装置２０の部分平面図を示す顕微鏡写真である。バイコニックレンズ２６の外面を画定する異なる曲線Ｃ１、Ｃ２は、図において明確に分かる。本発明のこの態様によれば、レーザダイオードまたは他の導波路から発せられる実質的に楕円形のモードフィールドは、ピグテールファイバ２２のモードフィールドに実質的に適合する円形のモードフィールドに変更されることが好ましい。
【００４５】
本発明の別の態様によれば、図５Ｃおよび図５Ｄの顕微鏡写真に示されているように、バイコニックレンズ２６の形状は、中を通過する光信号のモードフィールド形状を実質的に円対称のモードフィールドから実質的に楕円形のモードフィールドに変更してもよい。本発明のこの態様によれば、実質的に円形のモードフィールドを有する光信号は、ピグテールファイバ２２、ＧＲＩＮファイバレンズ２４およびバイコニックレンズ２６を通過してもよい。図５Ｃに示される像４４は、マルチレンズ装置２０の端部から実質的にバイコニックレンズ２６の面で拡大して撮影した。この位置で、像４４は、ピントがずれて円形のモードフィールドから楕円形のモードフィールドに変更し始めている。しかし、図５Ｄに示されているように、バイコニックレンズ２６から約２０．０ミクロンの距離でマルチレンズ装置２０の端部から拡大して撮影した像４６は、実質的に楕円形である。したがって、示される実施形態の場合には、楕円形のモードフィールドが、光信号が結合されることになっているＳＯＡなどの部品のモードフィールドに実質的に適合するのは、約２０．０ミクロンのこの距離（像距離）である。したがって、このようなアセンブリを実装する場合には、楕円形のモードフィールドを有するＳＯＡまたは他の光学部品は、最大結合効率および最小の光学損失のために、バイコニックレンズ２６の端部から約２０．０ミクロン離れた位置に配置することが好ましいと考えられる。
【００４６】
本発明による具体的な光学アセンブリ７０が図６に示されている。図６に示される光学アセンブリ７０は、実質的にインラインモード変換光学結合用途用に構成される。光学アセンブリ７０は、基板７２と、レーザダイオードまたは他の発光体（これらに限定されるわけではない）などの光信号７６の源７４と、を有することが好ましい。光信号７６の源７４は基板７２上に支持されることが好ましく、本発明によるマルチレンズ装置２０はまた、マルチレンズ装置２０が源７４と通信を行うことができるように基板７２上に位置決めされることが好ましい。光源７４は、基板７２に固着されるペディスタルまたはストッパ７８によってバイコニックレンズ２６と位置合せされることが好ましい。本発明の一態様によれば、実質的に楕円形のモードフィールドを有する光信号７６は、源７４からバイコニックレンズ２６の方向に発せられる。信号７６は、光信号７６のモードフィールドをアナモルフィック状に変更するバイコニックレンズ２６を通過する。光信号７６は、実質的に楕円形のモードフィールドから円対称のモードフィールドに変更されることが好ましく、光信号７６が実質的に円対称のモードフィールドを有するピグテールファイバ２２に効率的に結合されるようにＧＲＩＮファイバレンズ２４によって集光される。
【００４７】
必要というわけではないが、基板７２は、基板７２にエッチングまたは他の方法で形成される＜１１１＞ファセットを有するシリコンオプティカルベンチであることが好ましい場合があり、信号源７４と適切に位置合せしてマルチレンズ装置２０を支持するためのＶ字型溝７９を有することが好ましい場合がある。
【００４８】
図面には示されていないが、波面ができる限り似るように整合することも重要である。そうしないと、収差を生じる恐れがあり、これは、結合効率に肯定的または否定的に干渉した結果である。これまで、当業者は、ガラス自体の化学特性を実際に変更することによって、レンズ、たとえばＧＲＩＮロッドレンズの屈折率分布などのＧＲＩＮロッドレンズの特性を調整してきた。これは、きわめて時間がかかり、モードフィールド結合アセンブリの効率的な製造は困難である。本発明によれば、ＧＲＩＮファイバレンズのサイズおよび形状、光信号像に対する著しいレンズ効果を加えることなく光信号像を移動するように作用するスペーサロッドの使用、スペーサロッドのサイズおよび数、バイコニックレンズ２６を画定する湾曲した外面の形状の独立制御（ｘ平面およびｙ平面）により、当業者は、モードフィールド結合アセンブリの大量生産に関して現実的かつ効率的であり、コスト効率もよい態様で、容易かつ効率的にこれらの波面に実質的に適合させることができる。さらに、上述の図には示されていないが、上述の原理は、光信号がピグテールファイバ、次にＧＲＩＮファイバレンズ、バイコニックレンズを介して指向され、次にＳＯＡまたは他の検出器／フォトダイオード（これらに限定されるわけではない）などの光導波路デバイスに結合される本発明の光学アセンブリの実施形態にも等しく適用可能である。
【実施例】
【００４９】
ここで、本発明の上述の実施形態によるインラインビーム変更マルチレンズ装置および光学アセンブリの実施例について記載される。
【００５０】
バイコニックレンズ２６を有する具体的なインラインマルチレンズ装置８０が、後述の変数を参照して図７に概略的に示される。具体的なマルチレンズ装置は、光信号源８２を有している。この場合には動作波長「ｗａｖ」、ｗｘ０（μｍ）のｘ方向（垂直方向）におけるモードフィールド径（ＭＦＤ）と、ｗｙ０（μｍ）のｙ方向におけるＭＦＤの信号を発することができるレーザダイオードである。源８２からのビームは、半径方向に一定の屈折率分布を有し、長さ（Ｌｃ）および屈折率（ｎｃ）を有するスペーサロッド３６上に形成される曲率半径がｘ方向において（ＲＬｘ）（μｍ）、ｙ方向において（ＲＬｙ）（μｍ）のバイコニックレンズ２６に達するまでの距離（ｚ）では、屈折率（ｎ１）の媒体（通常は空気）を伝搬する。円筒形のバイコニックレンズの前の光信号のＭＦＤはｗｘ１、ｗｙ１であり、ビームの波面の曲率半径はｒｘ１、ｒｙ１である。光信号は、バイコニックレンズによって、それぞれｗｘ２、ｗｙ２のＭＦＤ、ｒｘ２、ｒｙ２の波面の曲率半径を有するビームに変換される。薄いレンズの場合には、ｗｘ１＝ｗｘ２、ｗｙ１＝ｗｙ２であるが、ｒｘ２、ｒｙ２は一般にｒｘ１、ｒｙ１と同一ではない。次に、ビームは、長さＬｃおよび屈折率ｎｃの空間ロッド３６の部分を通って伝搬する。この伝搬後のビーム特性は、ｗｘ３、ｗｙ３、ｒｘ３、ｒｙ３である。これらの特性を有するビームは、光信号Ｌｇ、平均屈折率ｎｇ、屈折率の差＝Δおよびコア半径（ａ）の特性を備えたＧＲＩＮファイバレンズに達する。ＧＲＩＮファイバレンズ２４を伝搬した後、ビーム特性は、ｗｘ４、ｗｙ４、ｒｘ４、ｒｙ４である。設計の目的は、ｗｘ４＝ｗｙ４＝ｗｓｍｆをなすことである。尚、（ｗｓｍｆ）は、標準的なシングルモードピグテールファイバ２２の円形のＭＦＤである。別の目的は、ピグテールファイバへの結合効率を最大にするために、ｒｘ４、ｒｙ４を可能な限り平坦な波面に近づけることである。この目的は、任意の所与の源８２およびピグテールファイバ２２に関して、バイコニックレンズ２５およびスペーサロッド３６のＺ、Ｒｘ、Ｒｙ、Ｌｃなどの設計変数、Ｌｇ、Δ、（ａ）などのＧＲＩＮファイバレンズ２４の特性を修正することによって、実現されてもよい。結合効率を妥協することなく、手頃な許容差および実際的な実装要件を実現する場合には、Ｚを相当大きくすることも目的である。
【００５１】
ビーム変換は、参照によって本願明細書に引用される参考文献において開示されたように、複素ビーム変数ｑに関してＡＢＣＤ行列手法を用いて、またはビーム伝搬技術を用いて、ガウスビームに関して算出されることができる。設計は、任意の所望のｚに関する最適な結合効率のほか、源８２およびピグテールファイバ２２の特性に関して、最適化されることが好ましい。材料特性ｎ１、ｎｃ、ｎｇ、ｎｓをある程度変更することができるが、実際の材料を考慮すると、これらの値は制限される。たとえば、ｎ１は一般に１（空気）に等しく、ｎｃは値が〜１．４５μｍまたは少なくとも１．３〜１．５５μｍの波長範囲に近い主にシリカまたはドープシリカである。ｎｇ、ｎｓｍｆに関しても同様である。
【００５２】
複素ビーム変数ｑは、以下のように画定される。
【００５３】
（１／ｑ）＝（１／ｒ）−ｉ＊（ｗａｖ／（π＊ｗ２＊ｎ）
式中、ｒは波面の曲率半径であり、ｗはガウスビームのモード固定半径であり、ｗａｖは光の波長である。
【００５４】
入射面８４から出射面８６までのｑの変数変換は、
ｑ２＝（Ａ＊ｑ１＋Ｂ）／（Ｃ＊ｑ１＋Ｄ）
によって与えられる。式中、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄはそれぞれ、入射面８４および出射面８６の光線変数に関連する光線行列の要素である。
【００５５】
１）長さ
【数２】
2005519343.tif 000004
【００５６】
の自由空間伝搬に関するＡＢＣＤ行列
２）屈折率ｎ１〜
【数３】
2005519343.tif 000005
【００５７】
の媒体までに進む場合
３）曲率半径
【数４】
2005519343.tif 000006
【００５８】
のレンズの場合
４）ｎ’（ｒ）＝ｎ（１−ｇ−２＊ｒ−２）0.5のＧＲＩＮファイバレンズおよび長さ
【数５】
2005519343.tif 000007
【００５９】
およびｇ＝（（２＊Δ）0.5）／ａの場合
特定の位置におけるレンズの幾何構成、設計変数およびＭＦＤ変数
平面８３：源８２の出力：ｗａｖ、ｗｘ０、ｗｙ０：源８２の波長およびｘ方向およびｙ方向のモードフィールド
平面８４：材料屈折率（ｎ１）のＺを伝搬するが、バイコニックレンズの前
ｗｘ１、ｗｙ１：平面８４におけるビームのモードフィールド径
ｒｘ１、ｒｙ１：波面の曲率半径
平面８６：材料屈折率ｎｃを有する半径Ｒｘ、Ｒｙのバイコニックレンズの直後
ｗｘ２、ｗｙ２
ｒｘ２、ｒｙ２
平面８８：長さＬｃおよび屈折率ｎｃのスペーサロッドにおいて伝搬し、ＧＲＩＮレンズの直前
ｗｘ３、ｗｙ３
ｒｘ３、ｒｙ３
平面９０：長さＬｇ、平均屈折率ｎｇ、屈折率の差＝Δ、コア半径＝ａのＧＲＩＮファイバレンズを伝搬した後、ピグテールファイバの直前
ｗｘ４、ｗｙ４
ｒｘ４、ｒｙ４
インラインマルチレンズ装置に関する特殊な例
上述の手法を用いて、レーザダイオード結合用途の場合のマルチレンズ装置の設計変数を算出し最適化してもよい。２つの長さのＧＲＩＮファイバ部分に関する作動距離の関数として行われた結合効率の計算が、図８に示されている。この曲線に基づき、この設計に関する最適作動距離は約２０．０μｍであり、実際の実装および位置合せ要件に関する合理的な値である。レーザダイオード特性および他の設計変数は、以下に列挙される。
【００６０】
レーザダイオード特性：波長：０．９８μｍ
Ｘ方向におけるモードフィールド半径ｗ０ｘ：０．９μｍ
Ｙ方向におけるモードファイルド半径ｗ０ｙ：３．６μｍ
他の設計変数
バイコニックレンズのＸ方向の曲率半径ＲＬｘ：１０μｍ
スペーサロッドの長さＬｃ：０
ＧＲＩＮファイバの長さＬｇ：１３３０μｍ
ＧＲＩＮファイバの屈折率の差Δ：０．０１
ＧＲＩＮファイバのコア半径ａ：６２．５
シングルモードピグテールファイバのモードフィールド：５．２μｍ
図９に高いアスペクト比のレーザダイオードビームに関するＧＲＩＮファイバレンズの前にコアレススペーサロッドを用いる利点が示されている。利点は、ここで考慮される設計に関して＞５のアスペクト比を備えたレーザダイオードの場合に明白となる。この考慮において、ＧＲＩＮファイバレンズ特性およびピグテールＳＭＦ特性は上記と同一である。作動距離は、Ｚ＝２０．０μｍに固定される。分かるように、より長いスペーサロッド長さＬｃは、より高いアスペクト比ＬＤに関してよりよい結合効率を提供する。〜８より大きなアスペクト比の場合には、１０％超の改善が算出される。
【００６１】
実施例は、例示の目的のためにのみ与えられており、用途に基づいて変化する。上記の実施例は、以下の参考文献を参照すればより明確に理解されると思われる。Ｗ．Ｌ．エムケー（Ｗ．Ｌ．Ｅｍｋｅｙ）およびＣ．ジャック（Ｃ．Ｊａｃｋ）著、ＪＬＴ−５、１９８７年９月、ｐ．１１５６〜１１６４；Ｈ．コーゲルニック（Ｈ．Ｋｏｇｅｌｎｉｋ）著、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ、１９６５年１２月４日、ｐ．１５６２；Ｒ．キシモト（Ｒ．Ｋｉｓｈｉｍｏｔｏ）およびＭ．コヤマ（Ｍ．Ｋｏｙａｍａ）著、「Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｔｈｅｏｒｙ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」、ＩＥＥＥ  ＭＴＴ−３０、１９８２年６月、ｐ．８８２；Ｂ．Ｅ．Ａ．サラ（Ｂ．Ｅ．Ａ．Ｓａｌｅｈ）およびＭ．Ｃ．タイヒ（Ｍ．Ｃ．Ｔｅｉｃｈ）著、「Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ」、Ｊｏｈｎ  Ｗｉｌｅｙ  ＆  Ｓｏｎｓ，Ｉｎｃ．、１９９１。それぞれ本願明細書に参照によって包含されるものとする。本発明のさらなる態様、特徴および特性は、本願と同日に提出され、本願明細書に参照によって包含されるものとする「Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ａｌｔｅｒｉｎｇ  Ｌｅｎｓｅｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ」という名称の同時係属中の米国特許非仮出願（これもコーニング・インコーポレイティッド（Ｃｏｒｎｉｎｇ  Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ）によって共通に所有される）に記載されている。
【００６２】
本発明は詳細に説明されているが、関連当業者には、本発明の精神を逸脱することなく、本発明を修正することができることは明白であることは明確に理解されたい。本発明の精神および範囲を逸脱することなく、本発明に対して形態、設計または構成に関する種々の変更を行うことができる。たとえば、ＧＲＩＮファイバレンズ２４は、その屈折率分布が上述したように、半径方向ではなく長手方向に変化するように製造されてもよい。さらに、当業者は、本発明のマルチレンズ装置２０の種々の部品／要素は、マルチレンズ装置２０の種々の要素が軟化点および熱膨張係数など（これらに限定されるわけではない）の特性に対して互換性があるという条件であれば、同一の材料から製造されるまたは具体化される必要はないことを認識されたい。したがって、上述の記述は、限定するものではなく、具体的なものとして考えるべきであり、本発明の真の範囲は、以下の特許請求の範囲において画定される。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１Ａ】本発明による具体的なマルチレンズ装置の概略的平面図。
【図１Ｂ】図１Ａに示されるマルチレンズ装置の概略的側面図。
【図１Ｃ】本発明の一態様によれば、具体的なテーパ型マルチレンズ装置の概略的平面図。
【図１Ｄ】図１Ｃに示されるテーパ型マルチレンズ装置の概略的側面図。
【図２Ａ】本発明のマルチレンズ装置の第１の具体的な代替実施形態の断面図。
【図２Ｂ】本発明のマルチレンズ装置の第２の具体的な代替実施形態の断面図。
【図２Ｃ】本発明のマルチレンズ装置の第３の具体的な代替実施形態の断面図。
【図２Ｄ】本発明のマルチレンズ装置の第４の具体的な代替実施形態の断面図。
【図２Ｅ】本発明のマルチレンズ装置の第５の具体的な代替実施形態の断面図。
【図２Ｆ】バイコニックレンズの態様を示す図２Ｃに示されるスペーサロッドの概略的部分平面図。
【図２Ｇ】バイコニックレンズの別の態様を示す図２Ｆに示されるスペーサロッドの概略的部分側面図。
【図２Ｈ】図２Ｇに示されるバイコニックレンズの斜視図。
【図２Ｉ】図２Ｇの線２Ｉ−２Ｉに沿って切ったバイコニックレンズの断面図。
【図３Ａ】本発明のマルチレンズ装置の第６の具体的な代替実施形態の断面図。
【図３Ｂ】本発明のマルチレンズ装置の第７の具体的な代替実施形態の断面図。
【図４】本発明による楔角を形成する概略的な好ましい方法。
【図５Ａ】図１Ａおよび図１Ｂに示されるＧＲＩＮファイバレンズの部分側面図を示す顕微鏡写真。
【図５Ｂ】図４Ａに示されるＧＲＩＮファイバレンの部分平面図を示す顕微鏡写真。
【図５Ｃ】レンズ面における図４Ａに示されるＧＲＩＮファイバレンズの端部から撮影した顕微鏡写真。
【図５Ｄ】レンズ面から約２０．０ミクロンの距離で図４Ａに示されるＧＲＩＮファイバレンズの端部から撮影した顕微鏡写真。
【図６】本発明による好ましい光学アセンブリの概略的側面図。
【図７】種々の設計変数の表示を含む本発明のインラインマルチレンズ装置の概略的構成。
【図８】種々のＧＲＩＮファイバレンズ長さに関する結合効率対作動距離を示すグラフ。
【図９】種々のスペーサロッド長さに関する結合効率対レーザダイオードアスペクト比を示すグラフ。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図２Ｆ】
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【図２Ｇ】
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【図２Ｈ】
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【図２Ｉ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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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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【国際調査報告】
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