(57)【要約】【課題】テーパ部を有する第１マルチモード光ファイバと、それに接合された第２マルチモード光ファイバとからなる光ファイバモジュールにおいて、伝搬損失を低減する。【解決手段】出射端１１ｃに続く一部がテーパ部１１ｆとされた第１マルチモード光ファイバ１１と、この第１マルチモード光ファイバ１１の出射端１１ｃに接合された第２マルチモード光ファイバ１２とからなる光ファイバモジュールにおいて、第１マルチモード光ファイバ１１のテーパ部以外の開口数、コア径を各々ＮＡ1、d1、テーパ部のコア径比（コア最小径／コア最大径）をαとし、第２マルチモード光ファイバ１２の開口数、コア径を各々ＮＡ2、d2とし、入射光１６の第１マルチモード光ファイバ入射端１１ｄ上での径をdinとしたとき、d2≧α×d1とするとともに、入射光１６の拡がり角をθinとして、din×tanθin≦d1×ＮＡ1、tanθin≦α×ＮＡ1、tanθin≦α×ＮＡ2の条件を満足させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
出射端に続く一部がテーパ部とされた第１マルチモード光ファイバと、
この第１マルチモード光ファイバとコア同士が結合する状態で、入射端が該第１マルチモード光ファイバの出射端に接合された第２マルチモード光ファイバとからなり、
前記第１マルチモード光ファイバの入射端に、該光ファイバのコア径よりも小さい径に集光した入射光を結合させて使用される光ファイバモジュールにおいて、
前記第１マルチモード光ファイバのテーパ部以外の開口数、コア径をそれぞれＮＡ1、d1、テーパ部のコア径比（コア最小径／コア最大径）をαとし、第２マルチモード光ファイバの開口数、コア径をそれぞれＮＡ2、d2とし、前記入射光の第１マルチモード光ファイバ入射端上での径をdinとしたとき、
d2≧α×d1であるとともに、
前記入射光の拡がり角をθinとして、din×tanθin≦d1×ＮＡ1、tanθin≦α×ＮＡ1、tanθin≦α×ＮＡ2の条件が満たされていることを特徴とする光ファイバモジュール。
【請求項２】
前記第１マルチモード光ファイバが複数設けられ、それらが１本の前記第２マルチモード光ファイバに接合されていることを特徴とする請求項１記載の光ファイバモジュール。
【請求項３】
前記入射光の拡がり角が、互いに直交する２方向において相異なる状態となっており、
前記第１マルチモード光ファイバに入射する前の入射光のＮＡを、拡がり角の大きい方向についてのみ小さくする手段が設けられたことを特徴とする請求項１または２記載の光ファイバモジュール。
【請求項４】
前記入射光の波長が160ｎｍから500ｎｍの範囲にあることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の光ファイバモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テーパ部を有するマルチモード光ファイバに別のマルチモード光ファイバを接合させてなる光ファイバモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１に示されるように、複数の第１光ファイバの出射端を１本の第２光ファイバの入射端と結合させ、複数の第１光ファイバにそれぞれ入射させた光を第２光ファイバにおいて合波させるようにした光ファイバモジュールが知られている。このような光ファイバモジュールによれば、合波された高出力の光を得ることができる。
【０００３】
なお、この合波を目的とする光ファイバモジュールにおいては、一般にマルチモード光ファイバが適用される。そして、そのような第１マルチモード光ファイバと第２マルチモード光ファイバとは、通常、コア同士を融着させた状態にして互いに接合される。
【０００４】
また、この種の光ファイバモジュールにおいては、特許文献１にも示されているように、第１マルチモード光ファイバの出射端に続く一部を先細りのテーパ部とすることが考えられている。そのようにすれば、１本の第２マルチモード光ファイバに対して、より多数の第１マルチモード光ファイバを接合することが可能となる。
【特許文献１】特開２００４−３２５９５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、上述のようなテーパ部を有する第１マルチモード光ファイバを第２マルチモード光ファイバに接合してなる光ファイバモジュールにおいては、上記テーパ部および両者の接合部以降で光ファイバから光が漏れ出し、光の伝搬効率が低下する問題が認められる。
【０００６】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、テーパ部を有する第１マルチモード光ファイバを第２マルチモード光ファイバに接合してなる光ファイバモジュールにおいて、光の漏れ出しを防止して、高い伝搬効率を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による光ファイバモジュールは、
出射端に続く一部がテーパ部とされた第１マルチモード光ファイバと、
この第１マルチモード光ファイバとコア同士が結合する状態で、入射端が該第１マルチモード光ファイバの出射端に接合された第２マルチモード光ファイバとからなり、
前記第１マルチモード光ファイバの入射端に、該光ファイバのコア径よりも小さい径に集光した入射光を結合させて使用される光ファイバモジュールにおいて、
前記第１マルチモード光ファイバのテーパ部以外の開口数、コア径をそれぞれＮＡ1、d1、テーパ部のコア径比（コア最小径／コア最大径）をαとし、第２マルチモード光ファイバの開口数、コア径をそれぞれＮＡ2、d2とし、前記入射光の第１マルチモード光ファイバ入射端上での径をdinとしたとき、
d2≧α×d1であるとともに、
前記入射光の拡がり角をθinとして、din×tanθin≦d1×ＮＡ1、tanθin≦α×ＮＡ1、tanθin≦α×ＮＡ2の条件が満たされていることを特徴とするものである。
【０００８】
なお上記の「拡がり角」は、入射光が集光された状態で第１マルチモード光ファイバに入射する点から考えれば「収束角」と言うべきものであるが、光ファイバ内を伝搬する光の拡がり角と対応することを考慮して、分かりやすく「拡がり角」と称するものである。
【０００９】
なお本発明による光ファイバモジュールは、第１マルチモード光ファイバが複数設けられ、それらが１本の第２マルチモード光ファイバに接合された形態で構成されるのが特に望ましい。
【００１０】
また本発明の光ファイバモジュールにおいて、例えば入射光源として半導体レーザを用いた場合のように、入射光の拡がり角が互いに直交する２方向において相異なる場合は、第１マルチモード光ファイバに入射する前の入射光のＮＡを、拡がり角の大きい方向についてのみ小さくする手段が設けられることが望ましい。
【００１１】
他方、本発明による光ファイバモジュールは、入射光の波長が160ｎｍから500ｎｍの範囲にあることを前提として構成されることが望ましい。
【００１２】
さらに、本発明による光ファイバモジュールにおいて、第１マルチモード光ファイバおよび／または第２マルチモード光ファイバは、クラッドにＦがドープされた石英光ファイバであることが望ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明者は、先に述べた光の漏れの原因について検討した結果、第１マルチモード光ファイバのテーパ部を光が伝搬する際に光の拡がり角が増大して、光ファイバのＮＡよりも大きくなっていることから、漏れ光が発生していることを究明した。つまり、テーパ部を有する光ファイバではそのＮＡが実効的に下がってしまい、それが漏れ光発生の原因となっているのである。
【００１４】
以下、上記のことについてさらに詳しく説明する。入射端のコア径がd1で出射端のコア径がα×d1（αは前述のコア径比）であるテーパ部付きマルチモード光ファイバに拡がり角θinの光を入射させた場合、その光ファイバから出射する光の拡がり角の正接はtanθin／aとなる。また、テーパ化して出射端のコア径を小さくした場合、光ファイバの開口数ＮＡtfは、テーパ部で光のＮＡが拡大することから、テーパ化しない場合の開口数ＮＡ1よりも低下して、
ＮＡtf=a×ＮＡ1 
となる。そのため、テーパ化しない場合の開口数ＮＡ1に合わせて入射光の拡がり角を決めると、テーパ部で損失が生じてしまう。損失を起こさないようにするには、テーパ率を小さくする、つまりコア径比αを大きくすることが考えられるが、そのようにすると、必然的に第２マルチモード光ファイバのコア径が大きくなって高輝度光が得られないといった不具合が生じる。
【００１５】
さらに本発明者は、マルチモード光ファイバを伝搬する光の拡がり角は、光ファイバの開口数ＮＡよりも小さい拡がり角θin (tanθin≦ＮＡ)で光が入射した場合、すぐには光ファイバの開口数まで拡がらず、入射時の拡がり角θinが保持されることを見出した。このことから、第１マルチモード光ファイバに入射する光の拡がり角の正接tanθinを光ファイバの開口数よりも十分に小さくし、具体的にはテーパによって低下する光ファイバの開口数ＮＡtf以下にして光を入射させることで、大きな損失の発生を防止可能であることが判る。この知見に基づいて、本発明の光ファイバモジュールにおいてはtanθin≦ＮＡtf＝α×ＮＡ2とすることにより、テーパ部による光の漏れ出しを防止して、高い伝搬効率を実現可能となっている。
【００１６】
なお、本発明の光ファイバモジュールにおけるd2≧α×d1なる条件は、第２マルチモード光ファイバに入射する光の径を、該光ファイバのコア径よりも小さくすることにより、ここでの入射時に光がコア外に漏れ出さないようにする条件である。
【００１７】
またdin×tanθin≦d1×ＮＡ1なる条件は、入射光が第１マルチモード光ファイバのコアと結合するための条件である。
【００１８】
そして、tanθin≦α×ＮＡ2なる条件は、第１マルチモード光ファイバと第２マルチモード光ファイバとの間の結合において光が漏れ出さないための条件である。すなわち入射光は第１マルチモード光ファイバの出射端で、拡がり角がtanθin／α（空気中での拡がり角に換算）と大きくなる。その拡がり角は第２マルチモード光ファイバ入射端へ入射する光の拡がり角と等しく、第２マルチモード光ファイバで光が漏れ出さないためには、tanθin／α≦ＮＡ2つまりtanθin≦α×ＮＡ2となる。
【００１９】
なお、光入力系を構成する光源としては、安価に入手できることから半導体レーザが有用である。しかし半導体レーザを用いた場合は、入射光の拡がり角が互いに直交する２方向において相異なるため、光入力系を構成する光学系には、拡がり角の大きな方向に合わせて必要以上に大きな倍率のレンズを用いなければならない。そうであると、そのレンズ倍率に応じて第１マルチモード光ファイバのコア径の最小値が決まってしまい、高輝度化が困難となる。
【００２０】
そこで、そのような場合において、特に第１マルチモード光ファイバに入射する前の入射光のＮＡを、拡がり角の大きい方向についてのみ小さくする手段を設ければ、入射光のビーム断面形状を円に近くすることで、同じビーム径でもＮＡを小さくすることができ、上述のような問題に対処可能となる。
【００２１】
他方、第１マルチモード光ファイバの入射端の汚染防止のために、その入射端にオプティカルコンタクトするように誘電体ブロックを配置することが考えられる。その場合、入射光の波長が160ｎｍから500ｎｍ程度の範囲にあると、特に入射光のビーム径が小さいとき、光ファイバ入射端と誘電体ブロックとが融着などにより貼り付くことがある。そうなると、光ファイバの脱着や振動などによって両者の位置が動くことで、貼り付いていた部分が剥離し、光ファイバへの結合効率が著しく低下するという問題が生じる。
【００２２】
そのような場合、光ファイバ入射端面における入射光の輝度を下げることで、上記の貼り付きを抑制することができるが、そうした場合は一般に、出力光の輝度も低くなりやすい。しかし本発明の光ファイバモジュールにおいては、上述した通り光の漏れ出しを防止できることから、入射光の輝度が比較的低い場合でも比較的高輝度の出力光が得られるので、入射光の波長が160ｎｍから500ｎｍ程度の範囲にある場合でも、入射光の輝度を下げて上記貼り付きの問題を防止する一方で、出力光の高輝度化も実現できるものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２４】
〔第１の実施形態〕
図１は、本発明の第１の実施形態による光ファイバモジュールの概略側面形状を示すものである。この光ファイバモジュールは、コア１１ａおよび、それよりも低屈折率で該コア１１ａの周囲に形成されたクラッド１１ｂからなる第１マルチモード光ファイバ１１と、同じくコア１２ａおよび、それよりも低屈折率で該コア１２ａの周囲に形成されたクラッド１２ｂからなる第２マルチモード光ファイバ１２と、第１マルチモード光ファイバ１１に入射光１６を結合させる光入力系１３とから構成されている。
【００２５】
上記光入力系１３は、入射光源としての半導体レーザ１４および、この半導体レーザ１４から発散光状態で発せられた入射光１６を集光する集光レンズ１５から構成されている。
【００２６】
第１マルチモード光ファイバ１１は、出射端１１ｃに続く一部が先細りのテーパ部１１ｆとされたものであり、その入射端１１ｄに、集光された入射光１６が照射されるように配置されている。一方、第２マルチモード光ファイバ１２はコア径が一定のもので、第１マルチモード光ファイバ１１とコア同士が結合する状態にして、その入射端１２ｄが第１マルチモード光ファイバ１１の出射端１１ｃに融着等により接合されている。
【００２７】
第１マルチモード光ファイバ１１のテーパ部１１ｆ以外の開口数ＮＡ1、コア径d1は、それぞれＮＡ1＝0.18、d1＝33μｍである。またその出射端１１ｃにおけるコア径は25μｍであり、よってテーパ部１１ｆのコア径比（コア最小径／コア最大径）α＝0.76である。一方、第２マルチモード光ファイバ１２の開口数ＮＡ2、コア径d2は、それぞれＮＡ2＝0.22、d2＝60μｍである。
【００２８】
以下、この光ファイバモジュールの作用について説明する。半導体レーザ１４から発せられた入射光１６は集光レンズ１５により、第１マルチモード光ファイバ１１の入射端１１ｄ（詳しくはコア１１ａの入射端）上で所定の径dinとなる状態に集光され、そこからコア１１に入射して伝搬する。伝搬した入射光１６は第１マルチモード光ファイバ１１の出射端１１ｃ（詳しくはコア１１ａの出射端）から出射し、第２マルチモード光ファイバ１２の入射端１２ｄからコア１２ａ内に入射する。そして該入射光１６はこのコア１２ａを伝搬して出射端１２ｃから出射し、所定の用途に使用される。
【００２９】
ここで、上記の通りd1＝33μｍ、d2＝60μｍ、そしてα＝0.76であるから、前述したd2≧α×d1の関係が満足されている。
【００３０】
また図２に示すように、光入力系１３の光軸を第1マルチモード光ファイバ１１のコア軸に対して角度θ傾け、その角度θを段階的に変化させることにより、第1マルチモード光ファイバ１１を伝搬する光の拡がり角を実効的に高くして行き、そのとき第２マルチモード光ファイバ１２から出射した光１６の出力をフォトダイオード２０により測定した。
【００３１】
このとき、第1マルチモード光ファイバ１１に入射させた入射光１６の光出力に対する出射光出力の比を伝搬効率として求め、また入射光１６の実効的な拡がり角θinの正接tanθinを求めて、それら両者の関係を５点プロットしたものを図３に示す。ここに示されるように、入射光拡がり角の正接tanθinが0.13以下の領域は、ほとんど損失が認められないが、それ以上になると損失が大きくなり、tanθin＝0.18で伝搬効率が66%まで低下する。これは、テーパ部１１ｆで入射光のＮＡが大きくなり、第１マルチモード光ファイバ１１のＮＡ1＝0.18を超えるためである。損失が発生する入射光拡がり角の正接tanθinは、第１マルチモード光ファイバ１１のＮＡ1にコア径比αを乗じた値（0.18×0.76＝0.137）とほぼ一致している。
【００３２】
コア径比αの値が各々0.6、0.44、0.42である他の第１マルチモード光ファイバを用いて、同様に伝搬効率が急激に下がる入射光拡がり角の正接tanθinを調べたところ、図４のようになり、コア径比αと光ファイバのＮＡ1で定まるα×ＮＡ1とほぼ一致することが分かった。ここから、前述したtanθin≦α×ＮＡ1の条件を満たせば、高い伝搬効率が得られることが分かる。
【００３３】
本実施形態では、角度θを上述のように段階的に変化させたときの結果から、tanθinが0.13以下となる条件下で光ファイバモジュールを用いることとする。その場合、α＝0.76、ＮＡ2＝0.22よりα×ＮＡ2＝0.17であるから、tanθin≦0.13＜0.17＝α×ＮＡ2となり、前述したtanθin≦α×ＮＡ2の条件が満足され、伝搬損失がほとんど認められない状態となる。
【００３４】
また本実施形態では、din＝28μｍである。そして上述の通りtanθin≦0.13、d1＝33μｍ、ＮＡ1＝0.18、であるから、din×tanθin≦3.64＜5.94＝d1×ＮＡ1となり、前述したdin×tanθin≦d1×ＮＡ1の関係が満たされている。
【００３５】
以上説明した実施形態においては、十分大きなＮＡをもつ第２マルチモード光ファイバ１２を適用したため、第２マルチモード光ファイバ１２における損失はないが、第１マルチモード光ファイバ１１のテーパ部１１ｆよりも小さなＮＡにすると、第２マルチモード光ファイバ１２における損失が同様に観測される。
【００３６】
また、説明した実施形態は、１本の第１マルチモード光ファイバ１１を１本の第２マルチモード光ファイバ１２に接合したものであるが、複数本の第１マルチモードテーパ光ファイバを１本の第２マルチモード光ファイバに融着接合した合波器においても、伝搬損失を抑えるための条件は同様のものとなる。
【００３７】
〔第２の実施形態〕
図５および図６はそれぞれ、本発明の第２の実施形態による光ファイバモジュールの概略側面形状、概略平面形状を示すものである。この第２実施形態の光ファイバモジュールは基本的に、図１に示した実施形態に、シリンドリカルレンズ３０が追加設置された形のものである。すなわち本実施形態では、発光幅が7μｍ、FFP（ファーフィールドパターン）の全幅がHorizontal方向で20°、Vertical方向で45°の半導体レーザ１４が用いられ、そこからの出射光１６が、上記Horizontal方向のみについて1/2の縮小倍率を有するシリンドリカルレンズ３０に通される。それにより出射光１６は、Horizontal方向に関して約45°の拡がり角になるようにビーム成形され、次に4倍の倍率の集光レンズ１５によって集光されて、コア径d1＝33μｍの第１マルチモード光ファイバ１１に結合される。
【００３８】
上記のシリンドリカルレンズ３０を配置しない構成の場合、第１マルチモード光ファイバ１１の入射端１１ｄでのHorizontal方向のビーム径は28μｍとなり、コア径d1＝33μｍの第１マルチモード光ファイバ１１に入射させるとき、モジュール製造時の組立てばらつきにより、位置ずれによる結合効率の低下が生じていた。それに対して、上述のシリンドリカルレンズ３０を配置することで、光ファイバ入射端でのHorizontal方向のビーム径は14μｍになり、高い結合効率を安定して得られる光源モジュールが得られた。
【００３９】
〔第３の実施形態〕
図７は、本発明の第３の実施形態による光ファイバモジュールの概略側面形状を示すものである。この第３の実施形態は基本的に、図５および図６に示した第２の実施形態に、誘電体ブロック４０が追加設置された形のものである。すなわち本実施形態では、発光幅が7μｍ、FFP（ファーフィールドパターン）の全幅がHorizontal方向で20°、Vertical方向で45°、そして発振波長が405ｎｍである短波長半導体レーザ１４が用いられ、そこから出射した入射光１６がシリンドリカルレンズ３０および集光レンズ１５によって集光されて、コア径d1＝33μｍの第１マルチモード光ファイバ１１に結合される。そして第１マルチモード光ファイバ１１の入射端１１ｄには、有機物等による汚染を防止するために、誘電体ブロック４０がオプティカルコンタクトによって被着固定されている。
【００４０】
上述のような短波長の入射光１６を伝搬させる場合、特にその輝度が高い場合は、上記誘電体ブロックと光ファイバ入射端１１ｄとが融着などにより貼り付く現象があることが分かっている。この現象は、輝度が高いときに顕著になり、輝度が低い場合には起こらないこともある。そこで、光ファイバ入射端１１ｄでの輝度を下げると有効であり、そのために例えば集光レンズ１５の倍率を大きくすると、光ファイバ入射端１１ｄ端面での輝度が下げられ、貼り付き現象を確実に抑制することができる。
【００４１】
特に半導体レーザを用いる場合は、そこからの出射光のビーム形状が楕円であるため、シリンドリカルレンズなどにより真円化することで、光ファイバのコア径内でビーム径を有効に広げて、輝度を下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の第１の実施形態による光ファイバモジュールを示す概略側面図
【図２】上記光ファイバモジュールの別の状態を示す概略側面図
【図３】光ファイバに入射する光の拡がり角の正接tanθinと、伝搬効率との関係を示すグラフ
【図４】テーパ付き光ファイバにおいて伝搬効率が急激に下がる入射光拡がり角の正接tanθinに対する、テーパ部コア径比αとテーパ部以外の開口数ＮＡ1との積の関係を示すグラフ
【図５】本発明の第２の実施形態による光ファイバモジュールを示す概略側面図
【図６】本発明の第２の実施形態による光ファイバモジュールを示す概略平面図
【図７】本発明の第３の実施形態による光ファイバモジュールを示す概略側面図
【符号の説明】
【００４３】
１１    第１マルチモード光ファイバ
１１ａ  第１マルチモード光ファイバのコア
１１ｂ  第１マルチモード光ファイバのクラッド
１１ｃ  第１マルチモード光ファイバの出射端
１１ｄ  第１マルチモード光ファイバの入射端
１１ｆ  第１マルチモード光ファイバのテーパ部
１２    第２マルチモード光ファイバ
１２ａ  第２マルチモード光ファイバのコア
１２ｂ  第２マルチモード光ファイバのクラッド
１２ｃ  第２マルチモード光ファイバの出射端
１２ｄ  第２マルチモード光ファイバの入射端
１３    光入力系
１４    半導体レーザ
１５    集光レンズ
１６    入射光
３０    シリンドリカルレンズ
４０    誘電体ブロック
【図１】
2008076830.tif 000003
【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６】
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【図７】
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