(57)【要約】ファイバレンズは、分布屈折率レンズ（３０８）、分布屈折率レンズ（３０８）の第１の末端に配置された単一モードファイバ（３１０）及び、単一モードファイバ（３１０）からのビームを回折限界スポットまで集束するための、分布屈折率レンズ（３０８）の第２の末端に配置された双曲型または準双曲型の形状を有する屈折レンズ（３０６）を備える。
2006512616.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ファイバレンズにおいて、
分布屈折率レンズ、
前記分布屈折率レンズの第１の末端に配置された単一モードファイバ、及び
前記単一モードファイバからのビームを回折限界スポットまで集束するための、前記分布屈折率レンズの第２の末端に配置された双曲型または準双曲型の形状を有する屈折レンズ、
を備えることを特徴とするファイバレンズ。
【請求項２】
前記双曲型形状がコリメートされたビームを集束して前記回折限界スポットにすることを特徴とする請求項１に記載のファイバレンズ。
【請求項３】
前記準双曲型形状が、ビーム曲率を補償する補正因子を有し、コリメートされていないビームを集束して前記回折限界スポットにし得ることを特徴とする請求項１に記載のファイバレンズ。
【請求項４】
前記屈折レンズと前記分布屈折率レンズの間にスペーサロッドが配置されていることを特徴とする請求項１に記載のファイバレンズ。
【請求項５】
前記分布屈折率レンズと前記単一モードファイバの間にスペーサロッドが配置されていることを特徴とする請求項１に記載のファイバレンズ。
【請求項６】
前記スポットのモードフィールド径が１０μｍより小さいことを特徴とする請求項１に記載のファイバレンズ。
【請求項７】
前記スポットの前記モードフィールド径がほぼ２μｍから５μｍの範囲にあることを特徴とする請求項６に記載のファイバレンズ。
【請求項８】
前記ファイバレンズの作動距離がほぼ５μｍより長いことを特徴とする請求項６に記載のファイバレンズ。
【請求項９】
前記ファイバレンズの作動距離がほぼ２０μｍから６０μｍの範囲にあることを特徴とする請求項６に記載のファイバレンズ。
【請求項１０】
前記屈折レンズの先端からビームウエストまでの距離の前記ビームウエストにおける前記モードフィールド径に対する比がほぼ５より大きいことを特徴とする請求項６に記載のファイバレンズ。
【請求項１１】
前記分布屈折率レンズのコアの直径がほぼ５０μｍから５００μｍの範囲にあることを特徴とする請求項１に記載のファイバレンズ。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は、２００２年１２月３１日に出願された、名称を「小モードフィールドファイバレンズ（Small Mode-Field Fiber Lens）」とする米国仮特許出願第６０/４３７３２８号、及び２００３年１０月３１日に出願された、名称を「小モードフィールドファイバレンズ（Small Mode-Field Fiber Lens）」とする米国特許出願第１０/６９９４５０号の恩典を主張する。
【技術分野】
【０００２】
本発明は全般的には光コンポーネント間で光信号を結合するための光デバイスに関する。さらに詳しくは、本発明は光コンポーネント間で信号を結合するためのファイバレンズに関する。
【背景技術】
【０００３】
光通信においては、光ファイバ、レーザダイオード及び半導体光増幅器のような光コンポーネントの間で光信号を結合するために、様々な手法が用いられる。手法の１つは、ピグテイルファイバの一端にレンズが配置されたモノリシックデバイスである、ファイバレンズの使用をともなう。光はレンズまたはピグテイルファイバを通ってファイバレンズに入るかまたはファイバレンズを出ることができる。ファイバレンズはピグテイルファイバからの光を選ばれた作動距離において集束して、所要の寸法及び強度を有するスポットにすることができる。しかし、従来技術では、スポット寸法がいかに小さくして所要の強度分布を達成し得るかに関する限界並びにスポット寸法及び強度分布を制御しながら達成し得る作動距離に関する限界がある。いくつかの用途に対しては、５μｍより長い作動距離においてガウス型強度分布を維持しながら、２.５μｍから３.０μｍほどの小さいモードフィールド径を得ることが望ましい。そのような用途の例には、半導体光増幅器から光ファイバへの光信号の結合、高屈折率の半導体または誘電体の導波路から光ファイバへの光信号の結合等がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したことから、広い範囲の作動距離に対して小さいモードフィールド径及び所要の強度分布をもつ集束されたスポットをつくることができるファイバレンズが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一態様において、本発明は、分布屈折率レンズ、分布屈折率レンズの第１の末端に配置された単一モードファイバ及び、単一モードファイバからのビームを回折限界スポットまで集束するための、分布屈折率レンズの第２の末端に配置された双曲型または準双曲型の形状を有する屈折レンズを備えるファイバレンズに関する。
【０００６】
別の態様において、本発明は、単一モードファイバ及び単一モードファイバの末端に配置されたレンズを備え、レンズの先端からでるビームのビームウエストにおけるモードフィールド径が１０μｍより小さく、レンズの先端からビームウエストまでの距離のビームウエストにおけるモードフィールド径に対する比が５より大きい、ファイバレンズに関する。
【０００７】
また別の態様において、本発明は、単一モードファイバを分布屈折率ファイバに永久接続する工程、分布屈折率ファイバを所望の長さに切る工程及び分布屈折率ファイバの先端を丸めて双曲型または準双曲型の形状にする工程を有してなるファイバレンズの作成方法に関する。
【０００８】
別の態様において、本発明は、単一モードファイバを分布屈折率ファイバに永久接続する工程、分布屈折率ファイバを所望の長さに切る工程、無コアファイバを分布屈折率ファイバに永久接続する工程、無コアファイバを所望の長さに切る工程及び無コアファイバの先端を丸めて双曲型または準双曲型の形状にする工程を有してなるファイバレンズの作成方法に関する。
【０００９】
本発明の上記及びその他の特徴及び利点は以下の本発明の詳細な説明において添付図面とともにさらに詳細に論じられるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明を、限定としてではなく、例として、添付図面に示す。図面において、同様の参照数字は同様の要素を指す。
【００１１】
ここで、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本発明を詳細に説明する。以下の説明においては、本発明の完全な理解を提供するために、数多くの特定の詳細が述べられる。しかし、それらの特定の詳細の内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が当業者には明らかであろう。また、本発明を不必要に曖昧にすることを避けるため、よく知られたプロセス工程及び／または特徴は詳細には説明していない。図面及び以下の議論を参照すれば、本発明の特徴及び利点を一層よく理解することができる。
【００１２】
本発明の実施形態は、光ファイバからの光を集束して、用途により必要とされる距離において所要の寸法及び強度分布を有するスポットにすることができる、ファイバレンズを提供する。ファイバレンズには集束ビームをつくるために屈折レンズと分布屈折率（ＧＲＩＮ）レンズの組合せを用いる。一実施形態において、屈折レンズはコリメートされたビームを集束して回折限界スポットにするために双曲型形状を有する。別の実施形態において、屈折レンズはコリメートされていないビームを集束して回折限界スポットにするために準双曲型形状を有する。ＧＲＩＮレンズの多モードパラメータ及び屈折レンズの形状の制御により、例えば２μｍ〜５μｍの範囲にある、小さなモードフィールド径（ＭＦＤ）が適当なガウス型強度分布とともに達成された。さらに、１５５０ｎｍの動作波長において、小ＭＦＤ及びガウス型強度分布を維持しながら、２５μｍ〜４０μｍもの長い作動距離が達成された。
【００１３】
図１Ａは本発明の一実施形態にしたがうファイバレンズ１００を示す。ファイバレンズ１００は、分布屈折率（ＧＲＩＮ）レンズ１０２，ＧＲＩＮレンズ１０２の一端に配置された屈折レンズ１０４及びＧＲＩＮ−ファイバレンズ１０２の他端に配置された単一モードピグテイルファイバ１０６を備える。ＧＲＩＮレンズ１０２はコア１０８を有し、コア１０８はクラッド１１０で囲まれていてもいなくともよい。ＧＲＩＮレンズ１０２のコア１０８は、二乗型または放物型のプロファイルのような、ファイバレンズ１００の光軸に向かって径方向に高くなる屈折率プロファイルを有することが好ましい。一実施形態において、屈折レンズ１０４は双曲型表面１１２を有する双曲型レンズである。双曲型レンズ１０４はコア１１４を有し、コア１１４はクラッド１１６で囲まれていてもいなくともよい。理想的には、コア１１４は一様な屈折率を有するべきであるが、ＧＲＩＮレンズ１０２の末端を双曲型表面に研磨することによって屈折レンズ１０４を形成するほうがおそらく容易であり、この場合、コア１１４はファイバレンズ１００の光軸に向かって径方向に高くなる屈折率プロファイルを有することになろう。
【００１４】
双曲型レンズ１０４のプロファイルは式（１ａ）、
【数１】
2006512616.tif 000003
【００１５】
で与えられる。図１Ｂは上式のグラフ表示である。この表示において、双曲型レンズ１０４はｕ−ｖ座標系上の双曲線の分枝であり、双曲線分枝の頂点はｕ軸上で（ａ,０）にある。双曲線分枝の焦点は（ｃ,０）にあり、ここでｃは式（１ｂ）、
【数２】
2006512616.tif 000004
【００１６】
で与えられる。双曲線分枝は、式（１ｃ）、
【数３】
2006512616.tif 000005
【００１７】
で表される２本の漸近線の間に挟まれる。漸近線の傾きは＋ｂ/ａ及び−ｂ/ａである。漸近線は原点（０,０）で交差し、式（１ｄ）、
【数４】
2006512616.tif 000006
【００１８】
で与えられる頂角αを有するくさび形を形成する。
【００１９】
エドワーズ（Edwards）等によれば、入射球面波を正確に平面波に変換する理想的双曲型プロファイルに対して、上式（１ａ）から（１ｄ）の項ａ及びｂはそれぞれ式（２ａ）、
【数５】
2006512616.tif 000007
【００２０】
及び式（２ｂ）、
【数６】
2006512616.tif 000008
【００２１】
によって与えられ、ここで、ｎ１は双曲型レンズのコアの屈折率、ｎ２は双曲型レンズのコアを囲む媒質の屈折率、ｒ２は双曲型レンズの先端における曲率半径である（クリストファー・エイ・エドワーズ（Christopher A. Edwards），ハーマン・エム・プレスビー（Herman M. Presby）及びコラド・ドラゴン（Corrado Dragone），「レーザからファイバへの結合のための理想マイクロレンズ（Ideal Microlenses for Laser to Fiber Coupling）」，Journal of Lightwave Technology，１９９３年，第１１巻，第２号、ｐ.２５２）。この双曲型プロファイルにより、図１Ｂに示される面（１）及び面（２）におけるモードフィールド半径は等しく、面（２）における曲率半径は無限大である。すなわち、面（２）におけるビーム波面は平面である。
【００２２】
図１Ａに戻れば、ピグテイルファイバ１０６は、コーニング（Corning）ＳＭＦ−２８（登録商標）ファイバのような、いずれかの標準単一モードファイバ、あるいは、偏波保存（ＰＭ）ファイバのような、特製単一モードファイバとすることができよう。ピグテイルファイバ１０６は、末端から見たときに円対称にすることができ、あるいは別の形状、例えば正方形または楕円形を有することができる。ＧＲＩＮレンズ１０２はピグテイルファイバ１０６に取り付けられることが好ましい。信頼性及び長期安定性のため、ＧＲＩＮレンズ１０２は融着接続によりピグテイルファイバ１０６に取り付けることができよう。双曲型レンズ１０４はＧＲＩＮレンズ１０２に直接に形成するか、あるいはＧＲＩＮレンズ１０２に取り付けられた無コアスペーサロッドに形成することができよう。図１Ｃに示されるように、双曲型レンズ１０４は、ＧＲＩＮレンズ１０２に取り付けられた、無コアスペーサロッド１２０に取り付けることもできよう。屈折レンズ及びスペーサロッドの仕上げ寸法は一般に極めて小さいから、好ましい手法においては、より長いＧＲＩＮファイバまたはスペーサロッドが初めにピグテイルに取り付けられ、屈折レンズの形状を末端に形成する前に、所要の長さに切られるかまたは折られる（ＧＲＩＮレンズ１０２とピグテイルファイバ１０６の間に無コアスペーサロッドを配置することもできよう）。双曲型レンズ１０４は、ある長さのファイバを頂角（図１Ｂのα）を有する円錐／くさび形に整形することによって形成することができる。例えば、研磨をともなう（対称性のための）テーパ切削プロセスまたはレーザ微細加工を用いてファイバを円錐／くさび形に整形することができよう。次いで、所望の双曲旗プロファイルを与えるために、得られた円錐／くさび形の先端に曲率を形成することができる。図面には示していないが、ＧＲＩＮレンズ及び／または単一モードピグテイルファイバにテーパを付けることもできよう。ピグテイルファイバの全径はＧＲＩＮレンズの全径より小さくするかまたは実質的に同じとすることができよう。
【００２３】
ＧＲＩＮレンズ１０２及び双曲型レンズ１０４は、小さいモードフィールド径（ＭＦＤ）、優れた波面特性及び長い作動距離を有する、集束ビームをつくる。一実施形態においては、以下の属性、
・適当なガウス型強度分布をもつ、１０μｍより小さく、好ましくは２μｍ〜５μｍの範囲の、ビームウエストにおけるモードフィールド径（ＭＦＤ）、
・５μｍより長く、好ましくは２０μｍから６０μｍの範囲の、作動距離、
・５より大きい、レンズ先端からビームウエストまでの距離のビームウエストにおけるＭＦＤに対する比、及び
・２５０ｎｍ〜２,０００ｎｍの範囲の動作波長に対して６５％より高いレンズ間結合効率、
が望ましい。双曲型レンズ１０４及びＧＲＩＮレンズ１０２のいずれもが小さいＭＦＤ及び長い作動距離を達成するために重要である。例えば、ＧＲＩＮレンズ１０２が用いられなければ、双曲型レンズ１０４の先端におけるスポット寸法は単一モードピグテイルファイバのＭＦＤに制限されるであろうし、この結果、達成され得る作動距離は小さな値に制限されるであろう。例えば、ほとんどの実用単一モードファイバのＭＦＤは１５５０ｎｍの動作波長において１０μｍ〜１２μｍの範囲にある。３μｍの集束ＭＦＤに必要な、ＭＦＤが１０μｍで発散角が３８μｍの単一モードファイバに対して、双曲型レンズだけが用いられる場合に、最長作動距離は約１４μｍに制限されるであろう。
【００２４】
双曲型レンズ１０４及びＧＲＩＮレンズ１０２をともに使用することの重要性をさらに示すため、ＧＲＩＮレンズを介さずに単一モードピグテイルファイバの末端に双曲型レンズが配置されたファイバレンズについて、双曲型レンズの先端の曲率半径を作動距離の関数として示す図２Ａを考察する。この図はファイバレンズが優れた波面特性を有することを示す。図２Ｂは、図２Ａに示した例について、双曲型レンズの先端の曲率半径の作動距離の関数としての変化を示す。この図は、２.０μｍ〜３.５μｍの範囲の集束ＭＦＤに対して、２０μｍより長い作動距離を達成するためには双曲型レンズの先端におけるＭＦＤが１０μｍより大きくなければならないことを示す。双曲型レンズと単一モードピグテイルファイバの間にＧＲＩＮレンズが配置されていなければ、双曲型レンズの先端におけるＭＦＤが単一モードピグテイルファイバのＭＦＤに制限されるであろうから、ほとんどの実用単一モードファイバを用いて２０μｍよりかなり長い作動距離を達成することはできないであろう。
【００２５】
図３は、面（１），（２），（３）及び（４）を通って伝搬しているビーム３００を示す。面（１）は光デバイス３０２の端面を含む。面（２）はファイバレンズ３０４の先端に一致する。面（３）は双曲型レンズ３０６とＧＲＩＮレンズ３０８の間の界面に一致する。面（４）は単一モードピグテイルファイバ３１０の端面を含む。光デバイス３０２は、２ｗ０に等しいＭＦＤを有し、ファイバレンズ３０４の先端から距離ｄに配置されているとする。この場合、動作波長８においてファイバレンズ３０４の先端から距離ｄにおけるファイバレンズ３０４の集束スポット寸法が可能な限り２ｗ０に近くなるように、ファイバレンズ３０４を設計することが望ましい。ＧＲＩＮレンズ３０８の末端におけるビームの特性及び双曲型レンズ３０６の特性が集束ビームのスポット寸法特性を決定する。一実施形態において、ファイバレンズ３０４を設計するためのプロセスには以下のステップ、
（１）集束スポット寸法をつくるために必要なファイバレンズ３０４の先端における曲率半径及びモードフィールドの計算、
（２）計算された曲率半径を用いる双曲型レンズ３０６のプロファイルの決定、及び
（３）計算されたモードフィールド及びピグテイルファイバ３１０のモードフィールドを用いるＧＲＩＮレンズ３０８のパラメータの決定、
がある。以下はこのプロセスを実施する１つの可能な方法の議論である。
【００２６】
ステップ（１）に関し、面（２）における、すなわちファイバレンズ３０４の先端における、モードフィールド半径（ｗ２）及び曲率半径（ｒ２）を、ガウス型ビームの伝搬に関する周知の公式を用いて決定することができる。例えば、上に引用したエドワーズ等は、ｗ２及びｒ２に対して式（２ａ）、
【数７】
2006512616.tif 000009
【００２７】
及び式（２ｂ）、
【数８】
2006512616.tif 000010
【００２８】
を与えている。ステップ（２）に関し、式（２ａ）及び（２ｂ）を式（１ａ）〜（１ｂ）とともに用いて得られる曲率半径（ｒ２）を双曲型レンズ３０６のプロファイルの決定に用いることができる。
【００２９】
ステップ（３）に関し、ＧＲＩＮレンズ３０８は、面（３）におけるモードフィールド半径がｗ３で曲率半径がｒ３のビームを面（４）におけるモードフィールド半径がｗ４で曲率半径がｒ４のビームに変換する。最適設計のためには、ｗ４が単一モードピグテイルファイバ３１０のモードフィールド半径ｗｐに可能な限り近いことが必要である。最適設計を達成する手法の１つは、ｗｐが既製品のＧＲＩＮレンズ３０８に対するｗ４に等しくなるような、特製単一モードピグテイルファイバを選択することであろう。あるいは、ｗ４がｗｐの特定の値に可能な限り近づくように、ＧＲＩＮレンズ３０８のパラメータを選ぶことができよう。この場合は、コーニングＳＭＦ−２８のような標準単一モードファイバをピグテイルファイバとして用いることができる。ＧＲＩＮレンズパラメータには、コア径、外径（すなわちクラッド径）、屈折率プロファイル、コアとクラッドの間の屈折率差及びＧＲＩＮレンズ長がある。一実施形態において、ＧＲＩＮレンズのコア径は約５０μｍ〜５００μｍの範囲にあり、外形は約６０μｍ〜１０００μｍの範囲にある。屈折率差の値は、光通信システムに用いられるファイバへの永久接続に適合する高シリカ組成において約０.５％〜３％の範囲にあることが好ましい。
【００３０】
ｒ３＝∞、すなわち面（３）におけるビームの波面が平面であり、ｗ３＝ｗ２である双曲型レンズの場合に、ＧＲＩＮレンズ３０８の長さは単純に四分ピッチになる。この単純な場合では、モードフィールド半径ｗ３及びｗ４は式（３ａ）、
【数９】
2006512616.tif 000011
【００３１】
によってＧＲＩＮレンズパラメータに関係付けられる。ここで、ｇは式（３ｂ）、
【数１０】
2006512616.tif 000012
【００３２】
で与えられる集束パラメータであり、ａはＧＲＩＮレンズのコア半径、ΔはＧＲＩＮレンズのコアとクラッドの間の屈折率差である。四分ピッチ（Ｌ/４）に対する公式は式（３ｃ）、
【数１１】
2006512616.tif 000013
【００３３】
で与えられる。ここでΔは式（３ｄ）、
【数１２】
2006512616.tif 000014
【００３４】
で与えられ、Ｌはピッチ、ｎ１はＧＲＩＮレンズのコアの屈折率、ｎ２はＧＲＩＮレンズのクラッドの屈折率である。
【００３５】
非四分ピッチＧＲＩＮレンズに対しては、エムキー（Emkey）等によって開発されたＡＢＣＤ行列処理手法を用いてガウス型ビーム変換を計算することができる（ウイリアム・エル・エムキー（William L. Emkey）及びカーチス・エイ・ジャック（Curtis A. Jack），「分布屈折率ファイバレンズの解析及び評価（Analysis and Evaluation of Graded-Index Fiber Lenses）」，Journal of Lightwave Technology，１９８７年，第ＬＴ−５巻，第９号，ｐ.１１５６〜１１６４）。この手法は式（４ａ）、
【数１３】
2006512616.tif 000015
【００３６】
として定義される複素ビームパラメータ‘ｑ’を用いる。ここで、ｒはガウス型ビームの曲率半径、ｗはガウス型モードフィールド半径、λは自由空間波長、ｎは屈折率である。単一モードピグテイルファイバ３１０の端面を含む面（４）からファイバレンズ３０４の最終ビームウエストを含む面（１）への、ｑ（ｚ）の変換は式（４ｂ）、
【数１４】
2006512616.tif 000016
【００３７】
で与えられ、ここで、ｑ１及びｑ４はそれぞれ、面（１）及び（４）における複素ビームパラメータである。
【００３８】
項Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは面（４）の光線パラメータを面（１）に関係付ける光線行列の要素であり、式（５ａ）、
【数１５】
2006512616.tif 000017
【００３９】
から得られる。ここでＭ１は面（１）と面（２）の間の光線パラメータの変換であって、式（５ｂ）、
【数１６】
2006512616.tif 000018
【００４０】
として表される。ここで、ｚは双曲型レンズの先端に対する最終ビームウエストの位置である。Ｍ２は双曲型レンズにおける光線パラメータの変換であって、式（５ｃ）、
【数１７】
2006512616.tif 000019
【００４１】
として表される。Ｍ３はＧＲＩＮレンズにおける光線パラメータの変換であって、式（５ｃ）、
【数１８】
2006512616.tif 000020
【００４２】
として表される。ここで、ｇは長さＬ及び式（５ｄ）、
【数１９】
2006512616.tif 000021
【００４３】
で与えられる屈折率プロファイルを有するＧＲＩＮレンズに対して式（３ｂ）で与えられる。ここで、ｒはレンズ軸から径方向の位置である。Ｍ４は屈折率がｎ１の媒質から面（４）におけるｎへの光線パラメータの変換であって、式（５ｅ）、
【数２０】
2006512616.tif 000022
【００４４】
として表される。ＧＲＩＮレンズの長さＬ及び集束パラメータｇは、ビームがＧＲＩＮレンズを通過した後に、面（４）におけるモードフィールド半径ｗ４が単一モードピグテイルファイバのモードフィールド半径ｗｐの可能な限り近くに変換されるように、調節することができる。
【００４５】
双曲型レンズはコリメートされたビームを回折限界スポットまで集束するが、全ての光線の経路長をスポットにおいて等しくすることはないから、コリメートされていないビームを回折限界スポットまで集束することはできない。四分ピッチを有するＧＲＩＮレンズでは、ＧＲＩＮレンズの出力面におけるビームはコリメートされている。したがって、双曲型レンズが四分ピッチＧＲＩＮレンズに続いていれば、単一モードピグテイルファイバからのビームは回折限界スポットまで集束されるであろう。四分ピッチを有していないＧＲＩＮレンズでは、ＧＲＩＮレンズの末端における出力ビームは、ＧＲＩＮレンズ長が四分ピッチより短いかまたは長いかに依存して、発散するかまたは収束するであろう。したがって、ＧＲＩＮレンズは四分ピッチにまたはその近くに設計されることが好ましい。しかし、非四分ピッチＧＲＩＮレンズを有することが望ましいであろう用途があることに注意すべきである。そのような用途に対して、本発明はコリメートされていないビームを回折限界スポットまで集束できる準双曲型レンズを提供する。
【００４６】
下の表１は出力ビームのＭＦＤ及び曲率半径（Ｒ）をＧＲＩＮレンズ長（Ｚ）の関数として示す。計算に用いられたパラメータは以下の通りである。コア径＝５０μｍ，屈折率差Δ＝０.０１，動作波長λ＝１５５０ｎｍ，及び単一モードピグテイルファイバのモードフィールド半径ｗｐ＝１０.６μｍ。
【表１】
2006512616.tif 000023
【００４７】
表１に示される設計に対して、ＧＲＩＮレンズのピッチ長はほぼ１１１０μｍ（すなわち１.１１ｍｍ）である。式（３ｃ）を用いれば、四分ピッチはほぼ２７７.６μｍ（すなわち０.２７７６ｍｍ）である。四分ピッチに近いＧＲＩＮレンズ長に対して、Ｒは非常に大きい。四分ピッチより短いＧＲＩＮレンズ長に対して、Ｒは発散している。例えば、２６０μｍのＧＲＩＮレンズ長に対して、Ｒはほぼ２.１４ｍｍである。四分ピッチより長いＧＲＩＮレンズに対して、Ｒは収束している。例えば、２９０μｍのＧＲＩＮレンズ長に対して、Ｒはほぼ−３.０７ｍｍである。Ｒが発散または収束しているＧＲＩＮレンズ長に対して、回折限界である集束されたスポットを達成するためには、ビーム曲率を補償する補正因子によって修正された双曲型形状である、準双曲型形状が必要である。
【００４８】
準双曲型レンズプロファイルは、ビーム曲率を補償するために双曲型形状になされる必要がある光路長及び物理的経路長の変更を計算することによって、妥当な確度で決定することができる。図４Ａは、ＧＲＩＮレンズ長が四分ピッチであるかまたはそれに近い場合に生じる平ビーム波面４００，及びＧＲＩＮレンズ長が四分ピッチより短い場合に生じる発散ビーム波面４０２を示す。平ビーム波面４００の光路長に比較して、発散ビーム波面４０２の光路長は光軸４０４から離れると短くなっている。光軸４０４からの径方向距離の関数としての光路長差，Ｌopt（ｒ）は公式（６ａ）、
【数２１】
2006512616.tif 000024
【００４９】
を用いて計算することができ、ここでφは式（６ｂ）、
【数２２】
2006512616.tif 000025
【００５０】
で与えられる。物理的経路長差、Ｌｐ（ｒ）は式（６ｃ）、
【数２３】
2006512616.tif 000026
【００５１】
で与えられ、ここでｎはレンズ材料の屈折率である。同様の態様で、四分ピッチより長いＧＲＩＮレンズ長、すなわち収束ビーム波面に対する準双曲型形状を計算することができる。この場合、光路長差は光軸からの距離の増加関数でなければならない。図４Ｂは、発散ビーム波面を集束して回折限界スポットにすることができる準双曲型形状４０８を達成するために双曲型形状４０６になされる変更の略図を示す。
【００５２】
ＧＲＩＮレンズ長が２００μｍで曲率半径（Ｒ）が４７３.８μｍの特定の例に対する、光軸からの径方向位置の関数としての双曲型形状からの光路長の偏差が表２に与えられる。
【表２】
2006512616.tif 000027
【００５３】
物理的経路長差は、光路長を（ｎ−１）で割算することにより、光路長から計算される。ここでｎはレンズ材料の屈折率である。表２からわかるように、大きい曲率半径に対し、光軸からの距離が小さければ、双曲型形状からの修正は極めて小さい。しかし、光軸から離れるほど、また小さい曲率半径に対して、偏差は大きくなる。上に示した計算は、準双曲型形状を決定するための処理方法の一例を示すことを目的としている。準双曲型形状のより正確な決定は適切なレンズ設計モデルを用いて行うことができる。
【００５４】
本発明にしたがえば、ファイバレンズに用いられるＧＲＩＮレンズのそれぞれの長さは必要に応じて四分ピッチと異なることができる。この結果、及び本発明にしたがい、様々な用途に用いるためのＧＲＩＮレンズを同じブランクを用いて線引きすることができる。ブランクの屈折率プロファイルを変える必要がないから、ブランク作成プロセス及びＧＲＩＮレンズ作成プロセスを簡略化することができる。したがって、同じブランクを異なるモード変換用途に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線引きされることが好ましく、得られたＧＲＩＮレンズは異なる用途のための要件を満たすために異なる長さに切るかまたは折ることができる。ＧＲＩＮレンズ四分ピッチのようなＧＲＩＮレンズパラメータは先に述べた処方を用いて決定することができる。本発明においては、準双曲型レンズにより、回折限界スポットを達成するためにはＧＲＩＮレンズが四分ピッチでなければならないという制限が取り除かれる。準双曲型形状は、双曲型レンズの機能と曲率残差を補正する球レンズの機能を有効に組み合せる。
【００５５】
本明細書で別に述べられない限り本発明を限定すると見なされるべきではない一実施例において、コーニングＳＭＦ−２８ファイバが単一モードピグテイルファイバとして用いられる。ピグテイルファイバはＧＲＩＮレンズの一端に永久接続され、準双曲型レンズがＧＲＩＮレンズの他端に形成される。永久接続部と双曲型レンズの先端の間の距離はほぼ２７５μｍである。ＧＲＩＮレンズのコア径は５０μｍであり、外径は１２５μｍである。ＧＲＩＮレンズのコアとクラッドの間の屈折率差は１％である。図５は本試料についての遠視野発散角の関数としての遠視野強度分布のグラフを示す。特性決定は１.３１μｍでなされ、ファイバレンズの遠視野半値全幅（ＦＷＨＭ）発散角はほぼ２０°である。グラフは強度分布が事実上ガウス型であることを示す。
【００５６】
本発明のファイバレンズの一用途は、光ファイバと半導体光増幅器（ＳＯＡ）またはその他の導波路の間での光信号の結合にある。そのような用途に対する一般的要件には、ＭＦＤ＜３.０μｍ、ビームウエストまでの距離＞１０μｍ、反射減衰量＞４５ｄＢ及びコンポーネント集成中の破損を防止するための頑強なレンズ形状がある。ＳＯＡ及び導波路用途に対し、ファイバレンズはピグテイルファイバのモードフィールドを変換して導波路またはＳＯＡのモードフィールドに一致させなければならない。現在ここで考えられる導波路及び多くのＳＯＡデバイスは実質的に円形のＭＦＤを有する。ＳＯＡについてのＭＦＤは１５５０ｎｍで２.５μｍ〜３.８μｍの範囲にある。そのような値は、１８°〜２２°もの大きな遠視野半値全幅（ＦＷＨＭ）発散角に相当する。〜１３.５％（１/ｅ２）強度レベルにおける遠視野半値角（θ）は式（７）、
【数２４】
2006512616.tif 000028
【００５７】
で与えられる。ここで、λは光の波長、ｗ０はビームのモードフィールド半径である。ＭＦＤは２ｗ０である。
【００５８】
ＳＯＡ集成プロセス及びファイバレンズの望ましい特徴に影響を与えるＳＯＡの別の属性はＳＯＡの傾斜ファセットである。背面反射を低減するため、ＳＯＡのファセットはほぼ１５°傾けられている。傾斜ファセットにより、ファセット端とファイバレンズ先端の間の空隙が適当であることが重要となる。そうでないと、最適結合のためにファイバレンズがＳＯＡに位置合せされている間にファイバレンズがＳＯＡファセットと接触してＳＯＡファセットを損傷する確率が高くなるであろう。１５５０ｎｍの動作波長において２.５μｍ〜３.８μｍの範囲のＭＦＤを有する、現在入手可能なファイバレンズのほとんどの作動距離は短く、５μｍ〜１０μｍでしかない。したがって、この属性を改善し、集成プロセス中にＳＯＡを損傷する確率を低くするためには、作動距離を１５μｍ〜２０μｍより長くすることが有利であろう。また、ＳＯＡは背面反射の影響を極めて受け易い。作動距離が長ければ、ファイバレンズ先端からＳＯＡに届く背面反射の率はより小さくなる。これも、ＳＯＡの性能及び安定性を改善する。
【００５９】
ＳＯＡ用途に対する別の有用な特徴は、ファイバレンズで集束された光の強度分布及び波面特性である。波面特性はＳＯＡとピグテイルファイバの間でモードフィールド強度分布を、寸法、強度分布及び位相のいずれにおいても、可能な限り近づけて、一致させるべきである。これは、ファイバレンズによって集束されたピグテイルファイバからの光が２.５μｍ〜３.８μｍの範囲の寸法を有し、可能な限りガウス型でなければならないことを意味する。現在入手可能なファイバレンズはＭＦＤが大きくなれば上記の特性を達成するが、ＭＦＤが小さくなるとそれほどよくは達成しない。このため、大きな結合損失が生じ、ＳＯＡ性能が劣化する。この性能を改善することが有利である。
【００６０】
別の属性はファイバレンズの頑強性である。例えば、ファイバレンズが非常に小さくて壊れやすい先端を有するような設計であれば、ＳＯＡパッケージへの集成のためのファイバレンズの調製に含まれる様々なプロセス工程の間、レンズ先端が損傷を受け、性能が劣化する可能性があろう。壊れやすくはない、物理的に頑強なファイバ先端は有用な属性であろう。別の有用な属性は、安定で、プロセス変動に対する許容度がより高い、レンズ設計及びプロセスであろう。例えば、レンズ先端の曲率半径が１０μｍであれば、非常に小さい１μｍの曲率半径の変動は１０％の変動であり、集束特性を大きく変化させ得るであろう。２５μｍの曲率半径設計における同じ１μｍの変動は同じ程度までは性能を劣化させ得ない。本発明においては、これらの問題のいくつかが扱われ、改善される。
【００６１】
本発明のファイバレンズの別の用途は光ファイバとレーザダイオードの間での光信号の結合にある。通信レーザに用いられるレーザダイオードは、波長１５５０ｎｍにおいて約０.８μｍのＭＦＤに相当する、４０°もの大きな遠視野発散角を有する。ｘ方向及びｙ方向におけるレーザ光のアスペクト比は１から４まで変化する。レンズのＭＦＤがこれに一致するように近づくほど、結合効率が高くなる。本開示において、ファイバレンズは一般に、１により近いアスペクト比を有するデバイスに適合される。１０μｍより長いビームウエストまでの距離が、これにより集成中のレンズによるレーザの損傷が防止されるであろうから、望ましい。この用途のためのファイバレンズの好ましい性能特性は以下の通りである。１５５０ｎｍの動作波長においてＭＦＤ＜３.０μｍまたは発散角＞２２°、反射減衰量＞４５ｄＢ、ビームウエストまでの距離＞１０μｍ及び９０％より高いレンズ間結合効率。
【００６２】
本発明のファイバレンズの別の用途は光ファイバと検出器の間で渡される光信号の結合にある。スポット寸法だけでなく、強度分布及び等位相面誤差も重要である上記の用途と異なり、検出器用途では、スポット寸法及びある領域内だけのパワー量の制御が必要である。この用途に対しては、作動距離が５０〜６０μｍまでで３μｍ〜５μｍより小さいスポット寸法が、低コスト集成体のために有利であろう。
【００６３】
本発明のファイバレンズは１つまたはそれより多くの利点を提供する。本ファイバレンズは光デバイス間での光信号の結合を可能にする。ファイバレンズの先端に形成された双曲型レンズまたは準双曲型レンズは機械的に頑強であり、例えばテーパ型レンズと比較して、損傷を受け難く、性能が劣化し難い。小ＭＦＤを適当なガウス型強度パターン及び長い作動距離とともに達成するため、ＧＲＩＮレンズの多モードパラメータ及び双曲型レンズまたは準双曲型レンズの形状を制御することができる。双曲型レンズはコリメートされたビームを回折限界スポットまで集束する。準双曲型レンズはコリメートされていないビームの波面曲率を補正し、ビームの回折限界スポットまでの集束を可能にする。
【００６４】
本発明をいくつかの好ましい実施形態に関して説明したが、本発明の範囲内に入る変更、置換及び等価物がある。したがって、添付される特許請求の範囲は、本発明の真の精神及び範囲内に入るような変更、置換及び等価物の全てを含むと解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１Ａ】本発明の一実施形態にしたがうファイバレンズの略図である
【図１Ｂ】双曲型レンズの幾何学的図面である
【図１Ｃ】ＧＲＩＮレンズと屈折レンズの間に無コアスペーサロッドが配置されたファイバレンズを示す
【図２Ａ】双曲型レンズが単一モードピグテイルファイバの一端に配置されている場合に対する、作動距離の関数としての双曲型レンズの先端における曲率半径のグラフである
【図２Ｂ】図２Ａに示される例に対する、作動距離の関数としての双曲型レンズの先端におけるＭＦＤの変化を示す
【図３】本発明のファイバレンズを通るビーム伝搬の略図である
【図４Ａ】平面ビーム波面及び発散ビーム波面の幾何学的図面である
【図４Ｂ】準双曲型レンズを形成するために双曲型形状になされるべき変更の略図である
【図５】本発明の一実施形態にしたがうファイバレンズに対する、遠視野発散角の関数としての遠視野強度分布のグラフである
【符号の説明】
【００６６】
１００    ファイバレンズ
１０２，３０８    ＧＲＩＮレンズ
１０４，３０６    屈折レンズ
１０６，３１０    単一モードピグテイルファイバ
１０８    ＧＲＩＮレンズコア
１１０    ＧＲＩＮレンズクラッド
１１２    双曲型表面
１１４    屈折レンズコア
１１６    屈折レンズクラッド
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図５】
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【国際調査報告】
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