(57)【要約】  レンズ付ファイバは、光ファイバ及び光ファイバの遠端に形成されたレンズを有する。レンズは２・Ｔ・tan（θ）で求められる最小直径を有し、ここで、θ＝ｎ・sin−１（ＮＡ）であり、Ｔはレンズ厚、ｎはレンズの屈折率、ＮＡは光ファイバの開口数である。
2007500870.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバ、及び
前記光ファイバの遠端に形成されたレンズ
を有し、
前記レンズが２・Ｔ・tan（θ）で求められる最小直径を有し、ここで、θ＝ｎ・sin−１（ＮＡ）であり、Ｔが前記レンズの厚さ、ｎが前記レンズの屈折率、ＮＡが前記光ファイバの開口数であることを特徴とするレンズ付ファイバ。
【請求項２】
前記レンズの曲率半径が前記レンズの頂点における前記レンズ付ファイバにおけるモードのモードフィールド半径以上であることを特徴とする請求項１に記載のレンズ付ファイバ。
【請求項３】
前記レンズの曲率半径がほぼ５０μｍから５０００μｍの範囲にあり、前記レンズの前記厚さがほぼ１５μｍから１８０００μｍの範囲にあることを特徴とする請求項１に記載のレンズ付ファイバ。
【請求項４】
前記レンズの空気中におけるビームウエストまでの距離がほぼ０ｍｍから１００ｍｍの範囲にあり、前記レンズのビームウエストにおけるモードフィールド径がほぼ３μｍから１０００μｍの範囲にあることを特徴とする請求項２に記載のレンズ付ファイバ。
【請求項５】
光ファイバ及びレンズを有するレンズ付ファイバの作成方法において、
光ファイバをコアレスファイバに永久接続する工程、
前記レンズの所望の長さに基づいて前記コアレスファイバを所望の長さに短縮する工程、及び
前記コアレスファイバの遠端を所定の曲率半径にレーザ加工する工程、
を有してなることを特徴とする方法。
【請求項６】
前記コアレスファイバが２・Ｔ・tan（θ）で求められる最小直径を有し、ここで、θ＝ｎ・sin−１（ＮＡ）であり、Ｔが前記レンズの前記所望の厚さであり、ｎが前記レンズの屈折率であり、ＮＡが前記光ファイバの開口数であることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記コアレスファイバを前記所望の長さに短縮する工程が前記コアレスファイバを前記所望の長さに切断する工程を含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記コアレスファイバを前記所望の長さに短縮する工程が前記コアレスファイバを前記所望の長さにテーパカットする工程を含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項９】
前記コアレスファイバの前記所望の長さが前記レンズの前記所望の厚さより大きいことを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項１０】
前記あらかじめ定められた曲率半径をレーザ加工で形成する工程が前記コアレスファイバの前記所望の長さを前記レンズの前記所望の厚さまで短縮する工程を含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は、２００３年１月２３日に出願された、名称を「形状因子が小さいレンズ付ファイバ及びその作成方法（Lensed fiber having small form factor and method of making the same）」とする、米国仮特許出願第６０/４４２１５０号の利益を主張するものである。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、広義には、光通信網において光ファイバと光デバイスの間で光を結合するための方法及びデバイスに関する。特に本発明は、ビームを集束またはコリメートするためのレンズ付ファイバと、このレンズ付ファイバを作成する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
光は発散ビームの形態で光ファイバの末端から出てくる。コリメート応用分野においては、この発散ビームをほぼ平行なビームに変換するためにレンズが用いられる。引き続き光を別の光ファイバに再入射する場合には、逆の態様で動作する別のレンズが必要となるであろう。集束及び集光器応用分野においては、発散ビームを弱収斂ビームに変換するためにレンズが用いられる。一般に、発散ビームをほぼ平行なビームまたは弱収斂ビームへ効率良く変換するにはレンズが光ファイバに適切に結合されなければならない。レンズを光ファイバに結合するための方法の１つは、融着プロセスを使用したものである。この方法では、平凸レンズが光ファイバに融着接続されてレンズ付ファイバと呼ばれるモノリシックデバイスが形成される。
【０００４】
レンズ付ファイバは、ファイバ−レンズ間の位置合せ及び／またはファイバのレンズへの接合が不要であり、挿入損失が小さく、デバイスの小型化及び設計フレキシビリティを可能にするため、有利である。レンズ付ファイバは容易にアレイに配列され、したがって、可変光減衰器及び光アイソレータなどのアレイ配列デバイスの作成、シリコン光学ベンチ応用分野における使用、高パワーコネクタ及びその他のファイバコネクタとしての使用、並びに別の微小光デバイスへの光信号結合に望ましい。レンズ付ファイバから出てくる光は一般に完全なガウス型プロファイルを有する。さらに、ビーム径及び作動距離を用途仕様に合ったものにすることができる。
【０００５】
図１Ａは、平凸レンズ１０２が光ファイバ１０４に融着接続されている従来技術のレンズ付ファイバ１００を示す。レンズ１０２は凸面１０６を有する。凸面１０６の曲率半径（ＲＣ）及びレンズ１０２の厚さ（Ｔ）は所望の光学特性に依存する。図１Ａにおいて、凸面１０６は、例えば６０μｍよりかなり大きい、大半径を有する。図１Ｂは凸面１０６が小さな曲率半径を有するレンズ形状を示す。図１Ａ及び１Ｂに示される従来技術のレンズ付ファイバにおいて、レンズ１０２の総直径は凸面１０６の曲率半径の２倍である。一般に、曲率半径が大きくなるほど、ビーム径及び可能な作動距離の範囲が広くなり、また、用途仕様に合せるためのレンズ付ファイバの調製フレキシビリティが高くなる。他方で、曲率半径が大きくなるほど、レンズ付ファイバの総直径が大きくなる。大きなレンズ付ファイバは、デバイスの大型化ならびに材料費及びパッケージ費の増大をもたらす。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記に鑑み、形状因子が小さく、ビーム径及び作動距離の範囲が広いレンズ付ファイバが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一態様において、本発明は光ファイバ及び光ファイバの遠端に形成されたレンズを有するレンズ付ファイバに関する。レンズの最小直径は、２・Ｔ・tan（θ）で求められ、ここで、θ＝ｎ・sin−１（ＮＡ）であり、Ｔはレンズ厚、ｎはレンズの屈折率、ＮＡは光ファイバの開口数である。
【０００８】
別の態様において、本発明は光ファイバ及びレンズを有するレンズ付ファイバの作成方法に関する。本方法は、光ファイバをコアレスファイバに永久接続する工程、所望のレンズ厚に基づいてコアレスファイバを所望の長さに短縮する工程、及びコアレスファイバの遠端を所定の曲率半径にレーザ加工する工程を含む。
【０００９】
別の態様において、本発明は、最小直径が２・Ｔ・tan（θ）で求められるコアレスファイバに光ファイバを永久接続する工程を含む、光ファイバ及びレンズを有するレンズ付ファイバの作成方法に関し、ここで、θ＝ｎ・sin−１（ＮＡ）であり、Ｔはレンズ厚、ｎはレンズの屈折率、ＮＡは光ファイバの開口数である。本方法は、レンズ厚に基づいてコアレスファイバを所望の長さに短縮する工程及びコアレスファイバの遠端を所定の曲率半径に形成する工程をさらに含む。
【００１０】
本発明のその他の特徴及び利点は以下の説明及び添付される特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
ここで本発明を、添付図面に示されるようないくつかの好ましい実施形態を参照して詳細に説明する。以下の説明において、本発明の完全な理解を促すために数多くの特殊な細目事項を記載する。しかし、当業者には、これらの特殊な細目事項のいくつかまたは全てがなくとも本発明が実施され得ることは明らかであろう。さらに、本発明を不必要に曖昧にしないため、周知の処理工程及び／または特徴は詳述していない。本発明の特徴及び利点は、図面及び以下の説明を参照することによって、より深く理解することができる。
【００１２】
説明のために、図２に本発明の一実施形態にしたがうレンズ付ファイバ２００を示す。レンズ付ファイバ２００は、光ファイバ２０４の端部に装着また形成された平凸レンズ２０２を備える。一般に、レンズ２０２は融着接続プロセスにより光ファイバ２０４に取り付けられ、屈折率整合エポキシ樹脂またはその他の接着剤も用いることができるが、信頼性は低くなる。一実施形態において、光ファイバ２０４は被覆光ファイバ（またはピグテイル）２０５の被覆剥取領域である。光ファイバ２０４はコア２０６を有し、コア２０６を囲むクラッド２０８を有していてもいなくても差し支えない。すなわち、クラッド２０８は空気とすることもできる。光ファイバ２０４は、偏波保存（ＰＭ）ファイバを含む、いずれかの単一モードファイバ、多モードファイバまたはその他の特殊ファイバとすることができよう。動作中、コア２０６を進行する光ビームはレンズ２０２に入る際に発散し、レンズ２０２を出る際に屈折し、コリメートまたは集束されているビームになる。
【００１３】
レンズ２０２は曲率半径（ＲＣ）をもつ凸面２１０を有する。[背景技術]のセクションに記載した従来技術のレンズと異なり、レンズ２０２の総直径は凸面２０２の曲率半径に関係しない。代わりに、レンズ２０２の最小直径はレンズ２０２の頂点２１２におけるビームの寸法によって決まる。最小直径（Ｄ最小）は、式（１）：
【数１】
2007500870.tif 000003
【００１４】
を用いて計算することができ、ここでθは、式（２）：
【数２】
2007500870.tif 000004
【００１５】
で与えられ、Ｔはレンズ２０２の厚さ、ｎはレンズ２０２の屈折率、ＮＡは光ファイバ２０４の開口数である。
【００１６】
レンズ２０２の最大厚はレンズの頂点におけるビームのクリッピングによって決定され、式（３）：
【数３】
2007500870.tif 000005
【００１７】
で与えられる。ここで、Ｄはレンズの直径、λはレンズ材料における波長、ｗ０はレンズ２０２の永久接続部における光ファイバ２０４のモードフィールド半径である。
【００１８】
レンズ２０２の総直径の凸面２１０の曲率半径との関係をなくすことにより、モードフィールド径及び作動距離の範囲が広いレンズ付ファイバを作成することが可能になり、同時にレンズ付ファイバの寸法を小さく保つことができる。ガウス型ビームプロファイルを得るためには、凸面２１０の曲率半径をレンズ付ファイバにおけるモードの（９９％クリップレベルで測定した）モードフィールド半径より小さくすべきではない。レンズの頂点において９９％クリップレベルで測定したモードフィールド半径が曲率半径より大きければ、ビームはクリップされ、パワーの損失、最適ガウス型形状からのビームのゆがみ及び結合効率の低下が生じるであろう。凸面２１０の曲率半径に関する上限はない。
【００１９】
寸法上の利点の一例を、コア半径がほぼ５.５μｍの単一モードファイバ及び、屈折率が（１５５０ｎｍにおいて）１.４４４，厚さが１.９４６ｍｍ，曲率半径が０.６ｍｍのレンズを用いた、波長１５５０ｎｍにおいてモードフィールド径が２２０μｍ，ビームウエストまでの距離が１０ｍｍのレンズ付ファイバを例として説明する。式（１）で求められるレンズの最小直径は０.３８ｍｍである。直径が曲率半径の２倍に等しい従来技術のレンズは、式（１）を用いて求められた最小直径の４倍より大きい１.２ｍｍの直径を有するであろう。
【００２０】
レンズ２０２は、注目する波長を透過させるコアレスファイバまたはロッドでつくられる。コアレスファイバの直径は、光ファイバ２０４の直径と同じとすることも、それより大きくすることも、小さくすることも可能である。一般に、コアレスファイバはシリカまたはドープトシリカでつくられ、コア２０６の屈折率と同様の屈折率を有する。レンズ２０２の熱膨張係数は、ある温度範囲にわたってより良い性能を達成するために、光ファイバ２０４の熱膨張係数と整合させることができる。レンズ２０２は背面反射を最小限に抑えるために反射防止膜で被覆することができる。−５５ｄＢより小さい背面反射が一般に望ましい。レンズ２０２が式（１）に与えられる数式にしたがって作成される場合、レンズ２０２の直径を非常に小さく、すなわち曲率半径の２倍よりずっと小さくすることができ、同時に、曲率半径を極めて大きく、例えば５０〜５０００μｍにすることができる。これにより、特にアレイ配列デバイスについて、コンポーネントの小型化が可能になり、特定の用途に合せるモードフィールド径及び作動距離の調製における高いフレキシビリティが提供される。
【００２１】
次に、図２に説明したようなレンズ付ファイバの作成方法を、図３Ａ〜３Ｄを参照して説明する。図３Ａにおいて、本方法は、光ファイバ３００の長さ方向の軸をコアレスファイバまたはロッド３０２の長さ方向の軸と位置合せする工程で開始される。コアレスファイバ３０２の直径は、光ファイバの直径と同じとすることも、それより小さくすることも、または大きくすることも可能である。コアレスファイバ３０２の最小直径は式（１）で与えられる。光ファイバ３００の軸とコアレスファイバ３０２の軸の位置合せ工程後、光ファイバ３００とコアレスファイバ３０２の対向する末端が、図３Ｂに示されるように突き合されて、熱源３０４を用いて互いに融着接続される。熱源３０４は、抵抗加熱フィラメントであってもよいし、電気アークまたはレーザなど、その他の適する熱源であってもよい。
【００２２】
コアレスファイバ３０２の光ファイバ３００への永久接続工程後、図３Ｃに示されるように、コアレスファイバ３０２は切断されて所望の長さまたはレンズ厚にされる。コアレスファイバ３０２の切断工程は、例えば、レーザ加工、機械的切断機またはその他の適する装置で達成することができる。コアレスファイバ３０２の切断の代わりに、ファイバ３００，３０２を反対方向に引っ張りながらコアレスファイバに熱を印加することによってコアレスファイバ３０２をテーパカットすることもできよう。次の工程は、コアレスファイバ３０２の遠端（すなわち切断された末端）３０６に所望の曲率３０８を形成することである。図３Ｄにおいて、曲率３０８はコアレスファイバ３０２の遠端に形成される。曲率３０８は、例えば、レーザ加工または機械的研磨を用いて形成することができる。
【００２３】
初めに所望のレンズ厚及び曲率半径をもつ図１Ａに示すようなレンズ付ファイバを形成し、次いでレンズ付ファイバから材料を機械加工または研磨で取り除いてレンズ付ファイバの総直径を所望の直径まで縮めることも可能であるが、面倒である。
【００２４】
以下の例は、説明を目的としているだけであり、本明細書の他の説明と同様に、本発明を限定すると解されるべきではない。
【００２５】
図４Ａは、波長１５５０ｎｍにおける屈折率が１.４４４のコアレスガラスファイバでつくられた平凸レンズに、モードフィールド半径が６μｍの単一モードファイバが永久接続されたレンズ付ファイバについて、ビームウエストにおけるモードフィールド径をレンズ厚及び曲率半径の関数として示す。図４Ｂは、上に説明したレンズ付ファイバについて、空気中のビームウエストまでの距離をレンズ厚及び曲率半径の関数として示す。本発明では、レンズ付ファイバの形状因子を小さく保ちながら、性能を犠牲にすることなく、広範囲の、モードフィールド径、ビームウエストまでの距離及び曲率半径が達成される。
【００２６】
本発明は１つまたはそれより多くの利点を提供する。利点の１つは、レンズ付ファイバの寸法を小さく保ちながら、モードフィールド径及び作動距離が大きなレンズを作成できることである。例として、レンズ付ファイバの総直径は実質的に同じに保たれながら、レンズの曲率半径は５０〜５０００μｍの範囲にわたることができ、レンズ厚は１５〜１８０００μｍの範囲にわたることができ、レンズの空気中のビームウエストまでの距離は０〜１００ｍｍの範囲にわたることができ、ビームウエストにおけるモードフィールド径は３〜１０００μｍの範囲にわたることができる。そのようなレンズ付ファイバを組み込んでいるデバイスを小さく保つことができるから、これは有利である。レンズの直径は、レンズ付ファイバを標準のガラスまたはセラミックのファイバフェルールに、あるいはシリコンチップまたはその他の半導体基板上のＶ溝またはその他のエッチングされた構造内に収めることができるように、選ぶことができる。アレイ配列用途の場合、形状因子が小さいレンズ付ファイバにより密なアレイも可能になる。
【００２７】
限られた数の実施形態に関して本発明を説明したが、本開示の恩恵に浴する当業者であれば、本明細書に開示された本発明の範囲を逸脱しない別の実施形態が案出され得ることを認めるであろう。したがって、本発明の範囲は添付される特許請求の範囲によってのみ限定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１Ａ】曲率半径が大きく、直径が曲率半径の２倍に等しいレンズを有する従来技術のレンズ付ファイバを示す
【図１Ｂ】曲率半径が小さく、直径が曲率半径の２倍に等しいレンズを有する従来技術のレンズ付ファイバを示す
【図２】本発明の一実施形態にしたがうレンズ付ファイバを示す
【図３Ａ】本発明の一実施形態にしたがうレンズ付ファイバを作成するための方法の位置合せ工程を示す
【図３Ｂ】本発明の一実施形態にしたがうレンズ付ファイバを作成するための方法の融着接続工程を示す
【図３Ｃ】本発明の一実施形態にしたがう切断工程後の図３Ｂのレンズ付ファイバを示す
【図３Ｄ】本発明の一実施形態にしたがう曲率形成工程後の図３Ｃのレンズ付ファイバを示す
【図４Ａ】モードフィールド径と、波長１５５０ｎｍにおける屈折率が１.４４４のガラスで形成され且つ永久接続部におけるモードフィールド半径が６μｍの単一モードファイバに永久接続された平凸レンズのレンズ寸法との関係を示す
【図４Ｂ】ビームウエストまでの距離と、波長１５５０ｎｍにおける屈折率が１.４４４のガラスで形成され且つ永久接続部におけるモードフィールド半径が６μｍの単一モードファイバに永久接続された平凸レンズのレンズ寸法との関係を示す
【符号の説明】
【００２９】
２００    レンズ付ファイバ
２０２    平凸レンズ
２０４    光ファイバ
２０５    被覆光ファイバ
２０６    コア
２０８    クラッド
２１０    凸面
２１２    頂点
【図１Ａ】
2007500870.tif 000006
【図１Ｂ】
2007500870.tif 000007
【図２】
2007500870.tif 000008
【図３Ａ】
2007500870.tif 000009
【図３Ｂ】
2007500870.tif 000010
【図３Ｃ】
2007500870.tif 000011
【図３Ｄ】
2007500870.tif 000012
【図４Ａ】
2007500870.tif 000013
【図４Ｂ】
2007500870.tif 000014
【国際調査報告】
2007500870.tif 000015
2007500870.tif 000016