(57)【要約】  レンズチップ付き光ファイバの製造方法が提供される。この方法は、光透過性円柱形ファイバを提供するステップと、チップ部を形成するために、その光透過性円柱形ファイバの第一端部をエッチングするステップとを備える。そのチップ部が加熱されることにより、この加熱されたチップ部にレンズ面が形成される。このレンズチップ付き光ファイバは、他の光ファイバとの光位置調整、及びその光ファイバと光学装置との結合を容易にする。
2007518140.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバ部材の製造方法であって、
光ファイバ部材の少なくとも一端部を変形させる変形ステップと、
レンズ面を形成するために、前記光ファイバ部材の変形した端部にエネルギを加えるステップと、
を備えることを特徴とする、光ファイバ部材の製造方法。
【請求項２】
前記変形ステップが、前記光ファイバ部材の前記少なくとも一端部から材料を除去するステップを備えることを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
前記変形ステップが、前記光ファイバ部材の前記少なくとも一端部をエッチング液にさらすことにより当該光ファイバ部材の当該少なくとも一端部をエッチングするステップを備えることを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
【請求項４】
前記エッチング液がHF酸を含むことを特徴とする、請求項３に記載の製造方法。
【請求項５】
前記光ファイバ部材が、ガラス、ポリマー、及びプラスチックから成る群から選択される材料を含むことを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
【請求項６】
前記変形した端部にエネルギを加えるステップが、前記レンズ面を形成するために、前記変形した端部を加熱する加熱ステップを備えることを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
【請求項７】
前記レンズ面が、凸状、凹状、または平面状のレンズ面を備えることを特徴とする、請求項６に記載の製造方法。
【請求項８】
前記変形ステップが、前記光ファイバ部材の両端部から材料を除去するステップを備えることを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
【請求項９】
前記加熱ステップが、前記各端部にレンズ面を形成するために、両端部を加熱するステップを備えることを特徴とする、請求項８に記載の製造方法。
【請求項１０】
前記変形した端部が第一の長さを有しており、前記エネルギを加えるステップが、約１５°から約２０°の間の角度を有する当該変形した端部上の位置に前記レンズ面を形成するために、前記第一の長さに亘る位置にエネルギを加えるステップを備えることを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
【請求項１１】
前記エネルギを加えるステップが、前記変形した端部を熱源にさらすステップを備えることを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
【請求項１２】
前記エネルギを加えるステップが、前記変形した端部を火花に向けて移動させるステップを備えることを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
【請求項１３】
レンズチップ付き光ファイバの製造方法であって、
光透過性円柱形ファイバを提供する提供ステップと、
チップ部を形成するために、前記光透過性円柱形ファイバの第一端部をエッチングするエッチングステップと、
レンズ面を形成するために、前記チップ部を加熱する加熱ステップと、
を備えることを特徴とする、レンズチップ付き光ファイバの製造方法。
【請求項１４】
前記光透過性円柱形ファイバが、ガラス、ポリマー、及びプラスチックから成る群から選択される材料を含むことを特徴とする、請求項１３に記載の製造方法。
【請求項１５】
前記エッチングステップが、前記光透過性円柱形ファイバの前記第一端部をエッチング液にさらすことにより、前記光透過性円柱形ファイバをエッチングするステップを備えることを特徴とする、請求項１３に記載の製造方法。
【請求項１６】
前記エッチング液がHF酸を含むことを特徴とする、請求項１３に記載の製造方法。
【請求項１７】
前記レンズ面が、凸状、凹状、または平面状のレンズ面を備えることを特徴とする、請求項１３に記載の製造方法。
【請求項１８】
前記エッチングステップが、前記光透過性円柱形ファイバの前記第一端部、及び第二端部をエッチングするステップを備えることを特徴とする、請求項１３に記載の製造方法。
【請求項１９】
前記加熱ステップが、前記第一端部および前記第二端部の双方を加熱して、該各端部にレンズ面を形成するステップを備えることを特徴とする、請求項１８に記載の製造方法。
【請求項２０】
光透過性円柱形ファイバの第一端部に形成された第一レンズ面であって、前記光透過性円柱形ファイバの少なくとも一端部を変形させ、且つ、当該光透過性円柱形ファイバの当該変形した端部にエネルギを加えることによって形成された第一レンズ面を備えることを特徴とする、光ファイバ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この出願は２００４年１月８日出願の米国出願番号１０／７５４，３６５の一部継続出願、２００４年２月９日出願の米国出願番号１０／７７５，７９３の一部継続出願、及び２００４年２月２４日出願の米国出願番号１０／７８６，７６６の一部継続出願であり、これらは全て同一出願人によるものであり、あらゆる目的で参照することにより本願に盛り込まれている。
【０００２】
本発明は、一般に光ファイバの形成工程に関し、より詳細にはレンズチップ付き光ファイバの形成方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
多くの適用例では、平面導波路、光集積回路、レーザ等の光源におけるものと同様の光波の伝播制御や、光ファイバへ結合される検出器が必要とされる。また別の適用例においては、ある光ファイバを別の光ファイバに接続することが必要とされる。残念ながらこのような適用例の多くが欠点を抱えており、その製造には細心の注意が必要とされる。
【０００４】
例えば、レーザの動作温度が一定せず、ファイバ及びレーザの夫々で異なる寸法変動が引き起こされるために、光ファイバのレーザへの直接的な接続は妨げられる可能性がある。温度変動に伴う寸法変動により、ファイバのレーザに対する位置が変動したり、レーザからの分離が起こる。
【０００５】
レーザ及びファイバの誘導されるモードの次元には大きな差異があるため、直接的な結合は一般的に非効率的である。この非効率性は、通常、レンズまたはレンズ群を使用してレーザからの発光を光ファイバに収束させることで解決される。
【０００６】
しかしながら、そのレンズまたはレンズ群を使用する光結合には更なる問題が生ずる。例えば、そのレンズとレーザとの正確な光位置調整を達成するのは困難である。時間の経過による環境温度変動に伴う寸法変動および機械的なずれにより、ファイバの位置調整が狂う。したがって、光ファイバの結合を改善可能である改良された光ファイバの形成方法が必要とされている。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、光ファイバの少なくとも一端部に形成されたレンズを備える光ファイバを製造するための経済的な方法を提供するものである。
【０００８】
その光ファイバの少なくとも一端が、例えば材料除去工程を使用して変形させられて、先細の端部または「チップ形成端部(tipped end)」が形成される。このチップ形成端部が本発明に従ってさらに処理され、このチップ形成端部に焦点距離を調節可能な集光レンズが形成される。本発明の工程により形成されたレンズチップ付き光ファイバ(lensed tip optical fiber)により、他の光ファイバとの光の位置調整や、光ファイバと、光源、平面導波路、及び光集積回路等の光学装置との接続が容易になる。
【０００９】
本発明の一態様では、光ファイバ部材の製造方法が提供される。この方法は、光ファイバ部材の少なくとも一端部を変形させるステップと、レンズ面を形成するために、その光ファイバ部材の変形した端部にエネルギを加えるステップとを備える。
【００１０】
本発明の別の態様では、レンズチップ付き光ファイバの製造方法が提供される。この方法は、光透過性円柱形ファイバを提供するステップと、チップ部(tip)を形成するために、光透過性円柱形ファイバの第一端部をエッチングするステップとを含む。このチップ部が加熱されることで、加熱されたチップ部にレンズ面が形成される。
【００１１】
本発明のさらに別の態様では、光透過性円柱形ファイバの第一端部に形成された第一レンズ面を備える光ファイバが提供される。そのレンズ面は、その光透過性円柱形ファイバの少なくとも一端部を変形させ、且つ、この光透過性円柱形ファイバの変形した端部にエネルギを加えることによって形成される。
【００１２】
本発明のレンズチップ付き光ファイバの形成方法は、チップ部におけるレンズの調節可能な半径または焦点距離を経済的な価格で提供する。このレンズチップ付き光ファイバにより、他の光ファイバ、または光源、平面導波路、光集積回路のような様々な分離して統合された光学装置との光の位置調整がより容易になる。各光ファイバが「内蔵型」のレンズを備えるため、独立したレンズは殆どの光ファイバパッケージから取り外すことが可能である。独立したレンズを取り外すことにより、必要とされる部品点数が減り、一般的な光学パッケージにつきものの多数のレンズまたはレンズ群間の位置調整ずれの可能性が除去される。部品点数の減少により、光学パッケージはより単純なものとなり、光学部品のパッケージングおよび製造工程に一般に関連する、費用のかかるパッケージング関連の人件費が削減され、そして、光学パッケージの小型化が可能となる。小型化はコストの低減のみならず、小型システム設計がより簡便に実施できることを意味する。
【００１３】
本発明の範囲は、特許請求の範囲によって定義され、参照することにより本項に盛り込まれる。当業者は、以下に記載する１つ以上の態様の詳細な記述を考察することにより、その更なる利点の認識は勿論のこと、本発明の態様をより完全に理解できるであろう。参照する添付図面の簡単な説明を先に記載する。
【００１４】
本発明の態様およびその利点は、以下の詳細な記述を参照することで最もよく理解される。１つ以上の図で図示される類似の構成要素は、類似の参照番号で表示されるものとする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、本発明の一実施形態係る光ファイバ上にレンズチップを形成するための工程１００を示すフローチャートである。工程１００は、例えばガラス（ＳｉＯ２）又はプラスチック等からなる円柱形のロッドまたはファイバ等である一本または束状の円柱形部材（ｓ１０２）を提供するステップを備えている。
【００１６】
各円柱形部材の第一端部は、エッチングされた端部、変形した端部、またはチップ部を形成するために、材料を除去することによって変形させられる（ｓ１０４）。一実施形態では、このチップ部は、液体槽に入った反応液または噴霧される反応液に円柱形部材の各端部をさらすことによって形成される。一実施形態においては、材料除去液またはエッチング液を含む液体槽中に円柱形部材の少なくとも一端部が少なくとも部分的に浸漬される。別の実施形態においては、適切な材料除去液またはエッチング液が円柱形部材の少なくとも一端部に噴霧される。以下にさらに詳述するように、そのエッチング液により、通常まず、各部材の周縁部から材料を除去することで各部材の一部をエッチングし又は変形させる。その周縁部からの材料除去により、通常、円柱形部材の端部にチップ部が形成される。
【００１７】
一実施形態においては、各円柱形部材の第二端部もまた、液体槽に入った反応液または噴霧される反応液にさらされる。この円柱形部材の第二端部は、エッチング液を含む液体槽中に少なくとも部分的に浸漬される。別の実施形態では、その円柱形部材の第二端部上に適切なエッチング液が噴霧される。材料を除去することにより、その円柱形部材の第二端部にチップ部が形成される。
【００１８】
一実施形態においては、円柱形部材のチップ形成端部がエネルギ源にさらされ、これによりチップ形成端部が加熱される（ｓ１０６）。以下でさらに詳述するように、チップ形成端部を加熱することで、チップ形成端部にレンズ面が形成される。
【００１９】
図２は、本発明の一実施形態係る円柱形部材２０２を含むエッチング槽の簡略図である。一実施形態においては、各円柱形部材２０２はロッド、円柱、ファイバまたは他の類似形状をした部材にすることができる。あるいは、円柱形部材は、例えば正方形、長方形、またはいくつかの平面導波路、フォトニック装置およびオプトエレクトロニック装置での適用により適した他の多角形断面等の非円形断面を有するか、または非円形断面に予め変形させることができる。
【００２０】
各円柱形部材２０２の直径および長さは、通常その用途によって決定される。一実施形態において、各円柱形部材２０２の直径ｄは、標準単一モードファイバの長さと同じであり、典型的なコア寸法が約９μｍ、外径が約１２５μｍである。一般に、各円柱形部材２０２の直径ｄは、その用途に応じて約１００μｍより小さい範囲から約数ｍｍの範囲にすることができる。別の実施形態においては、円柱形部材２０２は多モードファイバにすることができる。
【００２１】
一実施形態においては、例えば本発明の一実施形態に係るエッチング工程を使用して材料を除去することにより、円柱形部材２０２の端部２０４を変形させてもよい。
【００２２】
図２を再度参照すると、一実施形態においては、端部２０４は、液体槽２０６中に端部２０４を配置することで変形させられる。
【００２３】
液体槽２０６は、ファイバから材料を除去するのに適した所望の任意の化学物質配合物を含むことができる。一実施形態において、液体槽２０６はＨＦ酸２０８を含む。薄い油層が液体槽２０６に加えられてもよく、これによりＨＦ酸２０８の表面に油膜２１０が形成される。ＨＦ酸２０８の表面上に油膜２１０を加えることにより、エッチング処理の深さを調整するための境界が酸表面に形成される。一般に、エッチングの深さは、端部２０４を浸漬させる深さによって調節されるが、場合によってはＨＦ酸に浸漬された部位を越えてHF酸がその部材を「せり上がり」、非浸漬部位まで不必要にエッチングされるということが起こる。油膜２１０は、エッチング止めとして機能し、ＨＦ酸が油膜２１０を越えてせり上がるのを防ぐ。
【００２４】
端部２０４は、所望の量の材料を除去するのに十分な特定の時間にわたって液体槽２０６中に配置される。材料除去に必要な時間は、各部材２０２の材料組成、及び液体槽２０６の組成と濃度に関係する。
【００２５】
図３に示される一実施形態において、各円柱形部材２０２は、コア領域Ｃ１およびコア領域Ｃ１を取り巻く周縁領域Ｐ１から構成される。処理中には、周縁領域Ｐ１がHF酸２０８に直接接触するとともに、ＨＦ酸２０８にさらされる表面領域がより広いため、液体槽２０８がコア領域Ｃ１に影響を及ぼす前に、周縁領域Ｐ１に影響が及ぼされる。このことは、角部領域３０２の上面および側面が同時にさらされることから、この角部領域で特に顕著である。使用されるファイバの種類もまた、チップ部がどのように形成されるかに影響する。ファイバのコア領域Ｃ１がその周縁領域Ｐ１よりも高純度であるファイバもあり、純度の低い領域ほど液体による材料除去がしやすい。
【００２６】
変形した端部３０４の長さLは、例えば、油膜２１０の下方のＨＦ酸２０８へ部材２０２が浸漬される深さによって調節される。一方、変形した端部３０４の鋭度（または勾配）Ｓは、部材２０２が液体槽２０６内に保持される時間及びＨＦ酸２０８の濃度によって調節される。
【００２７】
本発明の材料除去工程は、ゆっくりとした工程であるという利点がある。従って、その製造者は、材料除去工程の進行具合を継続的に確認することができ、端部３０４が所望の寸法に到達した時点で液体槽２０６から端部２０４を取り出すことができる。
【００２８】
この材料除去工程によって得られた構造が、図４Ａに示されるチップ形成部材４００である。
【００２９】
図４Ａに示されるように、チップ形成部材４００は、少なくとも１つのチップ形成端部４０２と基部４０４とを含む。図４Ｂに示される一実施形態においては、チップ形成端部４０２がエネルギ源４１０にさらされ、これによりチップ形成端部４０２が加熱される。この加熱処理により、チップ形成端部４０２におけるコア領域Ｃ１及び外縁部Ｐ１の双方が溶融する。その溶融の結果生じた表面張力により、その部材の一部分の端部に曲面が形成され、レンズ面４０８が形成される。加熱する位置およびチップ形成端部４０２に与えられるエネルギの量によって、レンズ面４０８の物理的形状および半径が決定され、これによってチップ形成端部４０２に形成されたレンズ面４０８の焦点距離が決定される。
【００３０】
レンズチップを形成するために必要なエネルギの供給方法は、熱（つまり火炎）、電気火花、電気アーク放電および以下に述べる実施形態における同等物を含む任意の適切なエネルギ発生手段を使用しても達成できる。
【００３１】
図４Ｂを再度参照すると、一実施形態において、チップ形成部材４００のチップ形成端部４０２は、市販の接合装置のようなアーク発生装置４０６内に配置される。アーク発生装置４０６は、アークまたは火花を提供でき、これによりあらゆる所定の光透過性部材の材料を加熱処理することができる。この加熱処理により、上述のようにレンズ面４０８が形成される。
【００３２】
他の実施形態において、加熱を行うエネルギ源４１０は、本発明により材料を加熱しレンズ面４０８を形成するために、チップ形成端部４０２近傍に配置されたグロー放電、またはレンズ形成端部４０２の材料が吸収可能な波長の高出力レーザにすることができる。
【００３３】
図４Ｃは、本発明の一実施形態に係る加熱工程後の単一の光透過性のチップ形成部材４０２についての側面図を含む。チップ形成端部３０４は、互いに直交する２つの方向または他の異なる方向に異なる曲率半径を有するように、加熱処理により変形させられる。図４Ｃには、チップ形成端部４０２の異なる位置に形成された楕円形、半楕円形、平凸非球面等の曲面４１２ａ、４１２ｂ、及び４１２ｃが詳細に示され、これらの曲面は、レンズ面４０８の長軸に対して異なる光軸に異なる光学性能を提供することができる。
【００３４】
レンズ形成端部４０２のレンズ面４０８が形成される部位は、レンズ形成端部４０２の長さＬに亘るエネルギの付加または加熱の強さ、およびエネルギ源にさらした時間の長さに関係する。一実施形態においては、レンズ形成端部４０２が長さＬを有する。エネルギが長さＬに亘る部位に加えられることにより、レンズ形成端部４０２におけるその部位にレンズ面４０８が形成される。一実施形態においては、レンズ面４０８が形成される長さＬに亘る部位は、約１５°から約２０°の角度または勾配を有しており、光ファイバ或いは導波路を結合およびパッケージングする用途に特に有用である。
【００３５】
レンズ面４０８の曲率および寸法は、その特定の用途の要件に応じて調節可能である。レンズ面４０８の製造仕様および許容誤差は、その特定の用途によって決定され、したがってそのエンドユーザにより規定される。
【００３６】
図５は、本発明の一実施形態に係る本発明の適用例を示す簡略図である。この適用例においては、標準的な光学パッケージ５００aと、本発明のレンズチップ付き光ファイバを備える新規なパッケージ５００ｂとを比較している。その標準的な光学パッケージ５００aは、レーザモジュールを備える。このレーザモジュールは、駆動および環境温度制御装置５０２、レーザ５０４、レンズ群５０６、隔離装置５０８、および標準光ファイバ５１０を含む。レンズ群５０６は、レーザ５０４からの光を集光し、光ファイバ５１０に光を指向および収束させる。関連する多くの部品は、適切に位置調整され、所定の位置に固定されなくてはならない。異なる構成部品を位置調整するには、各構成部品が調節可能でなくてはならず、それと同時に適切に位置調整された構成部品を所定の位置に精密に固定する必要がある。実際は、これらの構成部品を調節可能にし、かつその位置調整された位置からずれないように所定の位置に固定するには妥協が必要となる。従って、従来のパッケージ５００aでは、最適な位置調整をすることは決してできず、よってレーザ５０４からの光の多くは光ファイバ５１０に指向されない。
【００３７】
また、この新規な光学パッケージ５００ｂは、駆動および環境温度制御装置５０２を有するレーザモジュール、レーザ５０４、および隔離装置５０８を備えている。しかしながら、この適用例においては、レンズ群５０６が取り外され、標準光ファイバ５１０が本発明の工程により作成されたレンズチップ付き光ファイバ５１２に置き換えられていることが有利な点である。焦点距離及び形状が調整されたレンズチップ付き光ファイバ５１２はレンズ面４０８を有しており、レーザ５０４からの大部分の光を効率的に集光し、光ファイバ５１２を介してその光を指向させるように、このレンズ面４０８をレーザ５０４の出力面の近くに配置することができる。本発明の一実施形態にそって製造されたレンズチップ付き光ファイバ５１２を使用することにより、８０％もの光結合効率が達成できることが実験により示される。
【００３８】
図６は、本発明の一実施形態に係る本発明の別の適用例の簡略図である。この適用例においては、標準的な光学パッケージ６００aと、本発明のレンズチップ付き光ファイバを備える新規なパッケージ６００ｂとを比較している。その標準的な光学パッケージ６００aは、２つの標準光ファイバ６０４と６０６との間に光学部品６０２を備えている。標準ファイバ６０４及び６０６を適切に位置調整するために、光学部品６０２と各標準光ファイバ６０４及び６０６との間に、レンズ６０８と６１０とを配置する。レンズ６０８は、入力側の光ファイバ６０４からの光を集光して、その光を光学部品６０２の入力側の導波路上に収束させる。光学部品の出力側のレンズ６１０は、光学部品６０２の出力側の導波路からの光を集光し、その光を光ファイバ６０６に再び収束させる。レンズ６０８および６１０と、光学部品６０２並びに２つの光ファイバ６０４及び６０６との位置調整には、全ての部品が最適な状態に調節可能である必要がある一方、最適な位置調整には、全ての部品を所定の位置に精密に固定する必要があり、これは実際問題として実行不可能である。
【００３９】
新規な光学パッケージ６００ｂもまた、光学部品６０２を備えている。しかしながら、この実施形態では、レンズチップ付き光ファイバ６１２及び６１４が標準ファイバ６０４及び６０６の代わりに使用されている。レンズチップ付き光ファイバ６１２および６１４は、レンズ面４０８を備えているため、光ファイバ６１２および６１４に対して自動的に位置調整され、レンズおよび複雑なパッケージ設計に幾つもの調節固定器具を必要としなくなる。新規な光学パッケージ６００ｂにより、パッケージ設計および光位置調整工程が簡略化され、同時に、光学パッケージの信頼性が向上する。さらに、適切に設計され調節されたレンズチップ付きファイバは、光結合効率を向上させ、光学パッケージの大きさを小型化する。
【００４０】
本発明のレンズチップ付き光ファイバは、他の数多くの用途に使用可能である。例えば、本発明のレンズチップ付き光ファイバは、気密密閉されたリード線の位置調整／結合のために使用することができる。このレンズは、様々な高密度波長分割多重（DWDM）方式の構成部品、オプトエレクトロニクス部品、光学部品、および光集積回路における結合性または相互接続性を向上させるために、ファイバリボン上に形成することが可能であり、そして高効率の受信器を形成するように入射光を検知器に収束させるのに使用することができる。また、このレンズチップ付き光ファイバは、様々な医療分野におけるレーザ手術器具や、マイクロイメージング、バイオプローブ、スペクトル分析等の持ち運び可能なセンサに使用することもできる。
【００４１】
上記実施形態は、本発明を例示するものであり、限定するものではない。また、本発明の原理にそって種々の改変や変更が可能なことは理解されるであろう。従って、本発明の範囲は特許請求の範囲によってのみ定義される。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の工程を示すフローチャートである。
【図２】本発明の一実施形態に係る液体槽の簡略図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る円柱形部材の一端における変形した端部の形成を示す簡略図である。
【図４Ａ】本発明の一実施形態に係る材料除去工程から得られる構造の簡略図である。
【図４Ｂ】本発明の一実施形態に係る図４Aの構造における変形した端部上にレンズを形成する工程を示す簡略図である。
【図４Ｃ】本発明の一実施形態に係る図４Aの構造における変形した端部上に形成可能である焦点距離を調節可能なレンズ面を示す簡略図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る本発明の適用例を示す簡略図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る本発明の別の適用例を示す簡略図である。
【図１】
2007518140.tif 000003
【図２】
2007518140.tif 000004
【図３】
2007518140.tif 000005
【図４Ａ】
2007518140.tif 000006
【図４Ｂ】
2007518140.tif 000007
【図４Ｃ】
2007518140.tif 000008
【図５】
2007518140.tif 000009
【図６】
2007518140.tif 000010
【国際調査報告】
2007518140.tif 000011
2007518140.tif 000012