(57)【要約】【課題】反射戻り光を抑えることが可能であり、しかも製造が容易で信頼性及び特性にも優れたファイバ型光デバイスを提供すること。【解決手段】２乗型屈折率分布を有する第１マルチモードファイバ３１、及び第１ステップインデックス型ファイバ４１が縦列に接続された部分を含む第１光ファイバ体と、第２ステップインデックス型ファイバ４２、２乗型屈折率分布を有する第２マルチモードファイ３２バ、及びシングルモードファイバ６１がこの順で縦列に接続された部分を含む第２光ファイバ体とを備えるとともに、前記第１光ファイバ体の第１ステップインデックス型ファイバ４１側と、前記第２光ファイバ体の第２ステップインデックス型ファイバ４２側との間に、光学素子５１を介在させて成るファイバ型光デバイスとする。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２乗型屈折率分布を有する第１マルチモードファイバ、及び第１ステップインデックス型ファイバが縦列に接続された部分を含む第１光ファイバ体と、第２ステップインデックス型ファイバ、２乗型屈折率分布を有する第２マルチモードファイバ、及びシングルモードファイバが、この順で縦列に接続された部分を含む第２光ファイバ体とを備えるとともに、前記第１光ファイバ体の前記第１ステップインデックス型ファイバ側と、前記第２光ファイバ体の前記第２ステップインデックス型ファイバ側との間に、光学素子を設けて成ることを特徴とするファイバ型光デバイス。
【請求項２】
前記第１ステップインデックス型ファイバのコア中心部屈折率が前記第１マルチモードファイバのコア中心部屈折率にほぼ等しく、且つ前記第２ステップインデックス型ファイバのコア中心部屈折率が前記第２マルチモードファイバのコア中心部屈折率にほぼ等しいことを特徴とする請求項１に記載のファイバ型光デバイス。
【請求項３】
前記第１ステップインデックス型ファイバの軟化温度が前記第１マルチモードファイバの軟化温度にほぼ等しく、且つ前記第２ステップインデックス型ファイバの軟化温度が前記第２マルチモードファイバの軟化温度にほぼ等しいことを特徴とする請求項１に記載のファイバ型光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に光通信やセンサ分野において使用されるファイバ型光デバイスに関する。
【０００２】
【発明の背景】
発光素子が配設されたレーザーモジュールに実装されるファイバ型光デバイスを考える。例えば図２に示すように、光出力側から順に、シングルモードファイバ（以下、ＳＭファイバともいう）２３２、２乗型屈折率分布を有するマルチモードファイバ（以下、ＧＩファイバともいう）２４２、コアレスファイバ２５２、光アイソレータチップ２６１、コアレスファイバ２５１、先端に先球２２１が形成されたＧＩファイバ２４１が配設されてファイバ型光デバイスを構成している。
【０００３】
このファイバ型光デバイスにおいて、発光素子であるレーザーダイオード２１１から出射されたガウシアンビームは、レンズとして機能する先球２２１を有するＧＩファイバ２４１で像変換が行われ、光アイソレータチップ２６１の中心部でビームウェストが形成される。その後、さらにレンズとして機能するＧＩファイバ２４２で像変換が行われ、ＳＭファイバ２３２に光結合される（特願２００２−０７３０６３号）。
【０００４】
図２に示す光学系において、ＧＩファイバ２４１とコアレスファイバ２５１間、コアレスファイバ２５２とＧＩファイバ２４２間において、各ファイバ間のファイバ中心部屈折率の差異が大きいので、ホイヘンスの原理による反射が生じて反射戻り光が発生する。この反射戻り光は光源のレーザーダイオード内部の共振器で干渉を起こすため、光源のレーザーダイオード２２１を不安定にするという問題があった。
【０００５】
また、ＧＩファイバ２４１とコアレスファイバ２５１、ＧＩファイバ２４２とコアレスファイバ２５２におけるコア形成のための不純物濃度等の相違により軟化温度の相違が大きいため、これら２箇所での融着接合も困難であった。
【０００６】
そこで、本発明は反射戻り光を抑えることが可能であり、しかも製造が容易で信頼性及び特性にも優れたファイバ型光デバイスを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明のファイバ型光デバイスは、２乗型屈折率分布を有する第１マルチモードファイバ、及び第１ステップインデックス型ファイバが縦列に接続された部分を含む第１光ファイバ体と、第２ステップインデックス型ファイバ、２乗型屈折率分布を有する第２マルチモードファイバ、及びシングルモードファイバが、この順で縦列に接続された部分を含む第２光ファイバ体とを備えるとともに、前記第１光ファイバ体の前記第１ステップインデックス型ファイバ側と、前記第２光ファイバ体の前記第２ステップインデックス型ファイバ側との間に、光学素子を設けて成ることを特徴とする。
【０００８】
特に前記第１ステップインデックス型ファイバのコア中心部屈折率が前記第１マルチモードファイバのコア中心部屈折率にほぼ等しく、且つ前記第２ステップインデックス型ファイバのコア中心部屈折率が前記第２マルチモードファイバのコア中心部屈折率にほぼ等しい。ここで、「ほぼ等しい」とは、第１ステップインデックス型ファイバのコア中心部屈折率をｎ３１、第１マルチモードファイバのコア中心部屈折率をｎ２１とすれば、│（ｎ３１−ｎ２１）／ｎ２１│×１００（％）≦０．６３（％）であり、第２ステップインデックス型ファイバのコア中心部屈折率をｎ３２、第２マルチモードファイバのコア中心部屈折率をｎ２２とすれば、│（ｎ３２−ｎ２２）／ｎ２２│×１００（％）≦０．６３（％）である。
【０００９】
また特に、前記第１ステップインデックス型ファイバの軟化温度が前記第１マルチモードファイバの軟化温度にほぼ等しく、且つ前記第２ステップインデックス型ファイバの軟化温度が前記第２マルチモードファイバの軟化温度にほぼ等しい。ここで、「ほぼ等しい」とは、第１ステップインデックス型ファイバの軟化温度をｔ１（℃）、第１マルチモードファイバの軟化温度をｔ２（℃）とすれば、│ｔ１−ｔ２│≦５０（℃）であり、第２ステップインデックス型ファイバの軟化温度をｔ３（℃）、第２マルチモードファイバの軟化温度をｔ４（℃）とすれば、│ｔ３−ｔ４│≦５０（℃）であるものとする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係わるファイバ型デバイスの実施形態について、模式的に図示した図面に基づき詳細に説明する。
【００１１】
図１に示すように、本発明のファイバ型光デバイスは、主に石英（ＳｉＯ２）から成る第１光ファイバ体と同様に主に石英から成る第２光ファイバ体とが光アイソレータや波長フィルタ等の光学素子を介在させて設け縦列に接続されてなる。
【００１２】
ここで、第１光ファイバ体は、発光素子であるレーザダイオード１１からの出射光を入射させる側から、例えば先端が球状レンズに形成された先球２１であるマルチモードファイバの第１ＧＩファイバ３１、ステップインデックス型屈折率分布ファイバである第１ＳＩファイバ４１をこの順で縦列接続させた部分を含むものである。なお、図中４０は後記する分離前のもともと１本から成るＳＩファイバを示す。
【００１３】
また、第２光ファイバ体は、この第１光ファイバ体から出射された光を入射させるステップインデックス型屈折率分布ファイバである第２ＳＩファイバ４２、マルチモードファイバの第２ＧＩファイバ３２、シングルモードファイバであるＳＭファイバ６１をこの順で縦列接続させた部分を含むものである。
【００１４】
この実施形態では特に、第１光ファイバ体において、第１ＧＩファイバ３１はこれの後段（先球）に配設され、これと略同一径の第１ＳＩファイバ４１に融着接合されている。また、第２光ファイバ体は、光アイソレータ５１の配設側から、第２ＳＩファイバ４２と、これに融着接合されこれと略同一径の第２ＧＩファイバ３２と、この第２ＧＩファイバ３２に融着接合されこれと略同一径のＳＭファイバ６１とがこの順で縦列に接続されて成る。なお、第１光ファイバ体において、上記第１ＧＩファイバ３１のかわりに先端を垂直にクリーブしたＧＩファイバを採用してもよい。また、第２光ファイバ体において、ＧＩファイバ３２とシングルモードファイバ６１の間にＳＩファイバ等を介在させてもよい。
【００１５】
第１及び第２ＳＩファイバ４１，４２のコア中心部屈折率をそれぞれｎ３で同一、第１及び第２ＧＩファイバ３１，３２のコア中心部屈折率をそれぞれｎ２で同一とした場合、ｎ３とｎ２とはほぼ等しいこととする。すなわち、｜（ｎ３−ｎ２）／ｎ２｜×１００（％）≦０．６３（％）であって、これにより、第１及び第２ＧＩファイバ３１，３２と第１及び第２ＳＩファイバ４１，４２間において、それぞれ屈折率の相違による反射減衰量を５０ｄＢ以下に抑えることができ、反射戻り光による光源レーザーダイオードの出力不安定現象を取り除くことができ、ＧＩファイバとＳＩファイバ間の屈折率相違による反射を極力抑えることができる。
【００１６】
ここで、第１ＧＩファイバ３１と第１ＳＩファイバ４１間、第２ＧＩファイバ３２と第２ＳＩファイバ４２間の反射減衰量の計算式は、｜（ｎ３−ｎ２）／ｎ２｜×１００（％）を０．６３（％）とすると、以下の通りとなる。
【００１７】
反射減衰量＝１０×ｌｏｇ（（ｎ３−ｎ２）／（ｎ３＋ｎ２））２
≒−５０．０６（ｄＢ）
また、第１及び第２ＳＩファイバ４２，４１の軟化温度をｔ１（℃）、第１及び第２ＧＩファイバ３１，３２の軟化温度をｔ２（℃）とすれば、ｔ１とｔ２はほぼ等しい。すなわち、｜ｔ１−ｔ２｜≦５０（℃）であることにより、ファイバ間の軟化温度の相違が小さく、第１ＳＩファイバ４１と第１ＧＩファイバ３１、第２ＳＩファイバ４２と第２ＧＩファイバ３２との融着接続を容易に行え、高性能で量産性に優れたファイバ型光デバイスを提供することができる。
【００１８】
上記の第１及び第２ＧＩファイバ３１，３２、ＳＩファイバ４０は、例えば、以下のようにして作製できる。
【００１９】
第１及び第２ＧＩファイバ３１，３２については、図３（ａ）に示す２乗型屈折率分布のファイバを作製する際、ファイバ内にコア部を形成するための不純物ＧｅＯ２を領域、分布を精度よくドープすれば、例えば、比屈折率差が０．８５％、コア径１０５μｍ、クラッド径１２５μｍ、軟化温度が約１５００℃のＧＩファイバを作製できる。
【００２０】
また、ＳＩファイバ４０については、図３（ｂ）に示すようなＳＩ型屈折率分布のファイバを作製する際、ファイバ内にコア部を形成するための不純物ＧｅＯ２を領域、分布を精度よくドープすれば、例えば、比屈折率差が０．８５％、コア径９０μｍ、クラッド径１２５μｍ、軟化温度が約１５００℃のＳＩファイバを作製できる。
【００２１】
図１において、レーザーダイオード１１から出射した光ビームはガウシアンビームと考えることができる。また、スポットサイズω３の光ビームが出射され、先球２１と第１ＧＩファイバ３１で構成する複合レンズ７１で像変換が行われる。アイソレータチップ５１内で、ビームウェスト８１が形成されるように、先球２１と第１ＧＩファイバ３１の各種パラメータ、長さ等を設定することができる。このとき、光アイソレータ５１内のビームウェスト８１のビームスポットサイズはω６となる。
【００２２】
このビームスポットサイズω６のガウシアンビームは、レンズとして機能する第２ＧＩファイバ３２によって再び像変換が行われ、ＳＭファイバ６１の端面にビームウェストが位置するように、かつビームスポットサイズω５がＳＭファイバのモードフィールド径と一致するように、第２ＧＩファイバ３２のコア径、比屈折率差、及び長さ等を設定する。
【００２３】
レーザダイオード１１から光アイソレータ５１の中央部までの光学系における光線行列をＭ１、レーザダイオード１１から先球２１までの距離をｄ１、その間の媒体の屈折率をｎ１、第１ＧＩファイバ３１のコア中心部屈折率をｎ２、先球２１の曲率半径をＲ、第１ＧＩファイバ３１の集束パラメータＡ０、第１ＧＩファイバ３１の長さをｄ２、第１及び第２ＳＩファイバ４１，４２のコア屈折率をｎ３、第１ＳＩファイバ４１の長さをｄ１０、光アイソレータ５１の屈折率をｎ６、第１ＳＩファイバ４１から光アイソレータ５１の中央部（ビームウエストが形成される位置）までの距離をｄ９、光アイソレータ５１を通過する光の波長をλ６、光アイソレータ５１内のガウシアンビームのビームスポット径をω６、レーザダイオード１１から出射される光の波長をλ１、光アイソレータ５１の中央部（ビームウエストが形成される位置）からＳＭファイバ６１の入射端までの光学系における光線行列をＭ２、光アイソレータ５１の中央部（ビームウエストが形成される位置）から第２ＳＩファイバ４２の光入射端までの距離をｄ８、第２ＳＩファイバ４２の長さをｄ７、第２ＧＩファイバ３２の長さをｄ５、ＳＭファイバ６１のモードフィールド径をω５、ＳＭファイバ６１を伝搬する光の波長をλ５とし、行列式の要素をＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄとしたときに、式（１）〜（６）を満足するように構成する。ここで、式（２）、（３）、（５）、（６）は伝搬する光ビームがガウシアンビームであるための条件式である。
【００２４】
【数１】
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【００２５】
以上の関係式のパラメータを設定することにより、入力側のレーザーダイオード１１から出射されたガウシアンビームは、出力側のＳＭファイバ６１に伝送される際に必要な結合効率を得ることができる。
【００２６】
このような光学系を作製する方法として、まず図６に示すような一本のファイバ体からなる光学系を作製する。すなわち、ＳＭファイバ６１にレンズとして機能する一定長の第２ＧＩファイバ３２を融着接続し、次に、必要長のＳＩファイバ４０を第２ＧＩファイバ３２に融着接続する。さらに、レンズとして機能する一定長の第１ＧＩファイバ３１をＳＩファイバ４０に融着接続する。ここで、ＳＩファイバ４０と第１及び第２ＧＩファイバ３１，３２の軟化温度がほぼ等しいので、ＳＩファイバ４０と第１ＧＩファイバ３１、及びＳＩファイバ４０と第２ＧＩファイバ３２融着が極めて容易に行なえる。最後に、第１ＧＩファイバ３１の先端に先球２１を形成することで、レーザーダイオード１１と結合するための光学系ができ上がる。
【００２７】
また、この光学系に光アイソレータなどの光学素子を実装する方法として、ファイバ体を基板に形成したＶ溝に固定してから光学素子を実装してもよいが、光学系をフェルールに挿入、固定してから光デバイスを実装してもよい。
【００２８】
例えば、光学系をフェルールに実装する場合、図４に示すように、ファイバ体１０１をフェルール９１の貫通孔に挿入し、このファイバ体１０１をエポキシ系樹脂等の光学用の接着剤１１１、１２１で接着固定する。
【００２９】
次に、図５に示すように、ＳＩファイバ部（図６における４０）に例えば１６００μｍより短い溝１３１をファイバの光軸を横切るように切り込み、次いでアイソレータチップ５１を挿入し、エポキシ系樹脂、アクリル系樹脂、シリコーン系樹脂等の光学用の接着剤１４１で接着固定する。
【００３０】
本発明のファイバ型光デバイスによれば、第１光ファイバ体はＧＩファイバ、ＳＩファイバがこの順に縦列接続されているファイバ体から成り、第２光ファイバ体は、ＳＩファイバ、ＧＩファイバ、ＳＭファイバをこの順に接続されているファイバ体から成る。この構成により、光学レンズの作用が生じて、光学素子の前後での光結合を高効率で行なわせることができる。特に、光学素子として光アイソレータを用いた場合には、内部無反射、低コスト、超小型、低挿入損失のアイソレータを期待することができ、波長フィルタを用いた場合には、同様、内部無反射、低コスト、超小型、低挿入損失のフィルタを期待することができる。
【００３１】
【発明の効果】
以上、詳述したように、本発明のファイバ型光デバイスによれば、２乗型屈折率分布を有する第１マルチモードファイバ、及び第１ステップインデックス型ファイバが縦列に接続された部分を含む第１光ファイバ体と、第２ステップインデックス型ファイバ、２乗型屈折率分布を有する第２マルチモードファイバ、及びシングルモードファイバが、この順で縦列に接続された部分を含む第２光ファイバ体とを備えるとともに、第１光ファイバ体の第１ステップインデックス型ファイバ側と、第２光ファイバ体の第２ステップインデックス型ファイバ側との間に、光学素子を介在させて成るので、超小型、低挿入損失、低コストのファイバ型光デバイスを提供することができる。
【００３２】
また、第１ステップインデックス型ファイバのコア中心部屈折率が前記第１マルチモードファイバのコア中心部屈折率にほぼ等しく、且つ第２ステップインデックス型ファイバのコア中心部屈折率が第２マルチモードファイバのコア中心部屈折率にほぼ等しいので、マルチモードファイバとステップインデックス型ファイバ間の屈折率相違による反射を極力抑えることができ、反射戻り光による光源レーザーダイオードの出力不安定現象を取り除いた優れたファイバ型光デバイスを提供することができる。
【００３３】
さらに、第１ステップインデックス型ファイバの軟化温度が第１マルチモードファイバの軟化温度にほぼ等しく、且つ第２ステップインデックス型ファイバの軟化温度が第２マルチモードファイバの軟化温度にほぼ等しいので、マルチモードファイバとステップインデックス型ファイバ間の融着接続を容易に行うことができ、高性能で量産性に優れたファイバ型光デバイスを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るファイバ型光デバイスの実施形態を模式的に説明する断面図である。
【図２】ファイバ型光デバイスの比較例を模式的に説明する断面図である。
【図３】本発明に係る光ファイバの屈折率分布とその構成を示す図であり、（ａ）はＧＩファイバを、（ｂ）はＳＩファイバをそれぞれ示す。
【図４】光ファイバ体をフェルールに装着したファイバ型光デバイスを模式的に示す断面図である。
【図５】フェルール内に光ファイバ体及びアイソレータチップを装着したファイバ型光デバイスを模式的に示す断面図である。
【図６】本発明に係る光学系において光学素子を除いたファイバ型光デバイスを模式的に説明する断面図である。
【符号の説明】
１１：レーザーダイオード（発光素子）
２１：先球
３１：第１マルチモードファイバ（ＧＩファイバ）
３２：第２マルチモードファイバ（ＧＩファイバ）
４０：ステップインッデクス型屈折率分布ファイバ（ＳＩファイバ）
４１：第１ステップインッデクス型屈折率分布ファイバ（ＳＩファイバ）
４２：第２ステップインッデクス型屈折率分布ファイバ（ＳＩファイバ）
５１：光アイソレータ（光学素子）
６１：シングルモードファイバ（ＳＭファイバ）
９１：フェルール
【図１】
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【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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