(57)【要約】テーパ型レンズ付ファイバは屈折率分布型コアを有するテーパ付マルチモードファイバ及びテーパ付マルチモードファイバに取り付けられた光ファイバを備える。テーパ型レンズ付ファイバを形成するための方法は、屈折率分布を有するマルチモードファイバに光ファイバを取り付ける工程、マルチモードファイバの表面に熱を加える工程、及びマルチモードファイバを引き伸ばしてテーパを付ける工程を含む。この方法により、テーパ付偏波保存ファイバを、偏波保存ファイバの応力ロッド及び偏波分別特性を維持しながら形成することも可能になる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
テーパ型レンズ付ファイバにおいて：
屈折率分布型コアを有するテーパ付マルチモードファイバ、及び
前記テーパ付マルチモードファイバに取り付けられた光ファイバ、
を備えることを特徴とするテーパ型レンズ付ファイバ。
【請求項２】
前記テーパ付マルチモードファイバが曲率半径をもって終端されていることを特徴とする請求項１に記載のテーパ型レンズ付ファイバ。
【請求項３】
前記曲率半径が約５μｍから３０μｍの範囲にあることを特徴とする請求項２に記載のテーパ型レンズ付ファイバ。
【請求項４】
前記光ファイバがシングルモードファイバであることを特徴とする請求項１に記載のテーパ型レンズ付ファイバ。
【請求項５】
前記シングルモードファイが偏波保存ファイバであることを特徴とする請求項４に記載のテーパ型レンズ付ファイバ。
【請求項６】
テーパ型レンズ付ファイバを形成するための方法において、
屈折率分布型コアを有するマルチモードファイバに光ファイバを取り付ける工程、
前記マルチモードファイバの表面に熱を加える工程、及び
前記マルチモードファイバを引き伸ばしてテーパを付ける工程、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項７】
前記マルチモードファイバの前記表面に熱を加える前記工程が前記熱を与えるために抵抗フィラメントを用いる工程を含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記マルチモードファイバの前記表面に熱を加える前記工程が、加熱中に、前記抵抗フィラメントを前記マルチモードファイバの前記表面に沿って移動させる工程をさらに含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記マルチモードファイバの前記表面に熱を加える前記工程及び前記マルチモードファイバを引き伸ばしてテーパを付ける前記工程が同時に実施されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
前記マルチモードファイバを引き伸ばしてテーパを付ける前記工程が前記テーパの遠端に曲率半径を形成する工程を含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項１１】
前記曲率半径が約５μｍから３０μｍの範囲にあることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記マルチモードファイバに前記光ファイバを取り付ける前記工程が前記マルチモードファイバに前記光ファイバを融着接続する工程を含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項１３】
前記マルチモードファイバを引き伸ばしてテーパを付ける前記工程が、前記光ファイバと前記マルチモードファイバを前記マルチモードファイバの軸線に沿って反対方向に同時に引っ張る工程を含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項１４】
前記光ファイバがシングルモードファイバであることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項１５】
前記シングルモードファイバが偏波保存ファイバであることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
テーパ付偏波保存ファイバを形成するための方法において、
屈折率分布型コアを有するマルチモードファイバに偏波保存ファイバを取り付ける工程、
前記マルチモードファイバの表面に熱を加える工程、及び
前記マルチモードファイバを引き伸ばしてテーパを付ける工程、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１７】
前記マルチモードファイバの前記表面に熱を加える前記工程が前記熱を与えるために抵抗フィラメントを用いる工程を含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記マルチモードファイバの前記表面に熱を加える前記工程及び前記マルチモードファイバを引き伸ばしてテーパを付ける前記工程が同時に実施されることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記マルチモードファイバを引き伸ばしてテーパを付ける前記工程が前記テーパの遠端に曲率半径を形成する工程を含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記マルチモードファイバに前記偏波保存ファイバを取り付ける前記工程が前記マルチモードファイバに前記偏波保存ファイバを融着接続する工程を含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
テーパ付偏波保存ファイバにおいて、
屈折率分布型コアを有するテーパ付マルチモードファイバ、及び
前記テーパ付マルチモードファイバに取り付けられた偏波保存ファイバ、
を備えることを特徴とするテーパ付偏波保存ファイバ。
【請求項２２】
前記マルチモードファイバが曲率半径をもって終端されていることを特徴とする請求項２１に記載のテーパ型レンズ付ファイバ。
【請求項２３】
前記曲率半径が約５μｍから３０μｍの範囲にあることを特徴とする請求項２２に記載のテーパ付偏波保存ファイバ。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は、２００１年６月１５日に出願された、名称を「結像及び集光器用熱形成レンズ付ファイバ」とする米国仮特許出願第６０/２９８８４１号、及び２００２年１月２９日に出願された、名称を「集束及び集光器用テーパ型レンズ付ファイバ」とする米国仮特許出願第６０/３５２７３５号による優先権を主張する。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、全般的には、光通信ネットワークにおける光伝送及び集光のためのレンズ付ファイバに関する。さらに詳しくは、本発明は集束及び集光器用のテーパ型レンズ付ファイバと、テーパ型レンズ付ファイバを形成するための方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
レンズ付ファイバはレンズで終端されている光ファイバを有する一体式デバイスである。レンズ付ファイバは、集成が容易、すなわち能動的なファイバ−レンズ間位置合せ及びファイバのレンズへの接着を必要とせず、挿入損失が小さいことから、また非常に小さくつくることができるのでコンポーネントを小型化できることから、有利である。また、レンズの熱膨張係数を光ファイバの熱膨張係数に整合させて、ある温度範囲にわたりより高い性能を達成することができる。レンズ付ファイバは容易に配列させることができ、したがって、シリコン光学ベンチ用途で使用するため、光ファイバをプレーナ型導波路に位置合せする等のため、アレイ型デバイスの作成に望ましい。さらに、レンズ付ファイバのスポット径及び作動距離は、特定の用途に合せて調整することができる。例えば、スポット径及び作動距離は、さらに小さい超小型電気機械システム（ＭＳＭＥ）ミラーの光スイッチにおける使用を可能にできるよう、さらに小さいビーム径を生成するように調整できる。
【０００４】
レンズ付ファイバには３つの主要なタイプがあり、それぞれは、コリメーティングレンズ付ファイバ、集束レンズ付ファイバ及びテーパ型レンズ付ファイバである。図１は、光ファイバ２４の一端に平凸レンズ２２が融着接続されている、従来技術のコリメーティングレンズ付ファイバ２０を示す。光ファイバ２４はシングルモードファイバであっても、マルチモードファイバであってもよい。図では、光ファイバ２４はシングルモードファイバである。平凸レンズ２２は無コアファイバから形成され、レンズ２２の前面は球のような形につくられる。レンズ２２の球面は一般に、電気アークまたはレーザビームを用いて無コアファイバを溶融することにより形成される。レンズ２２の球面は、光ファイバ２４から入ってくる光を拡大して平行ビームにするコリメータとして作用する。実用上、レンズ付ファイバ２０はあるファイバから別のファイバに光を結合するために用いられる。
【０００５】
図２Ａは、シングルモードファイバ３０の一端に第１の２乗屈折率ファイバ２８が融着接続されている、従来技術の集束レンズ付ファイバ２６を示す。第２の２乗屈折率ファイバ３２が第１の２乗屈折率ファイバ２８に接続される。レンズとして作用する、凸面３４を第２の２乗屈折率ファイバ３２の遠端３６に設けることができる。一般に、凸面３４の曲率半径はコリメーティングレンズ付ファイバ用レンズの曲率半径より小さい（図１のレンズ２２参照）。集束レンズ付ファイバ２６は光を集束させてスポットを形成し、検出器または受信器上へのビームの集束及びレーザ光源からの光の光ファイバへの結合といった集束用途に有用である。
【０００６】
第２の２乗屈折率ファイバ３２の遠端３６に凸面３４を設けるには様々な方法がある。方法の１つは遠端３６を溶融して半球面を形成する工程を含む。第２の方法は遠端３６を化学エッチングして凸面３４を形成する工程を含む。図２Ｂに示される第３の方法は、第２の２乗屈折率ファイバ３２の遠端３６に無コアファイバ３８を融着接続する工程及び、次いで、無コアファイバ３８を溶融して半球面を形成する工程を含む。溶融は通常、放電を使用する。
【０００７】
図３は、シングルモードファイバ４４の先端にテーパ４２が形成されている、従来技術のテーパ型レンズ付ファイバ４０を示す。テーパ４２はレンズとして作用する凸面４６を有する。テーパ４２は、シングルモードファイバ４４の先端を研削及び／または研磨することにより得ることができる。テーパ型レンズ付ファイバは短作動距離で光をコリメートする。テーパ型レンズ付ファイバは光ファイバとレーザ光源または光増幅器またはプレーナ型導波路の間で光を結合するために用いることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
光ファイバの特性を維持する、熱形成テーパ型レンズ付ファイバ及びその作成法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
一態様において、本発明は屈折率分布型コアを有するテーパ付マルチモードファイバ及びテーパ付マルチモードファイバに取り付けられた光ファイバを備えるテーパ型レンズ付ファイバに関する。
【００１０】
別の態様において、本発明は、屈折率分布型コアを有するマルチモードファイバに光ファイバを取り付ける工程、マルチモードファイバの表面に熱を加える工程、及びマルチモードファイバを引き伸ばしてテーパを付ける工程を含む、テーパ型レンズ付ファイバを形成するための方法に関する。
【００１１】
別の態様において、本発明は、屈折率分布型コアを有するマルチモードファイバに偏波保存ファイバを取り付ける工程、マルチモードファイバの表面に熱を加える工程、及びマルチモードファイバを引き伸ばしてテーパを付ける工程を含む、テーパ付偏波保存ファイバを形成するための方法に関する。
【００１２】
別の態様において、本発明は、屈折率分布型コアを有するテーパ付マルチモードファイバ及びテーパ付マルチモードファイバに取り付けられた偏波保存ファイバを備えるテーパ付偏波保存ファイバに関する。
【００１３】
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】
【００１４】
本発明の実施形態は集束及び集光器用のテーパ型レンズ付ファイバと、前記テーパ型レンズ付ファイバを作成するための方法とを提供する。総じて、本テーパ型レンズ付ファイバは、偏波保存（ＰＭ）ファイバを含む、いずれかのシングルモードファイバに永久接続されたマルチモードファイバを備える。ＰＭファイバは１つの偏波状態しか伝搬させない。マルチモードファイバは分布屈折率（ＧＲＩＮ）コア、すなわちあらかじめ定められたプロファイルにしたがって屈折率が変化するコアを有する。マルチモードファイバはテーパを付けるために引き伸ばされる。一般に、引伸ばしプロセスはマルチモードファイバの加熱により達成される。テーパ付ファイバのレンズ効果はテーパの屈折率及び屈折率分布の両者から生じる。したがって、特定の用途に対するレンズ付ファイバのモードフィールド直径（ＭＦＤ）及び発散角の調整における適応性が高くなり、これより、最終的には、改善された結合効率が得られる。本発明の方法により、ＰＭファイバの応力ロッド及び偏波分別特性は維持しながら、テーパ付ＰＭファイバを形成することができる。本発明の特定の実施形態を添付図面を参照して以下に説明する。
【００１５】
図４は本発明の一実施形態にしたがうテーパ型レンズ付ファイバ２を示す。テーパ型レンズ付ファイバ２は、光ファイバ６に取り付けられたテーパ付マルチモードファイバ４を備える。マルチモードファイバ４はいずれか適当な手段、例えば融着接続によるかまたは屈折率整合エポキシ樹脂により光ファイバ６に取り付けることができる。テーパ付マルチモードファイバ４は、クラッド１０で囲まれたコア８を有する。コア８は屈折率があらかじめ定められたプロファイルにしたがって変化する分布屈折率を有し、プロファイルは目標用途により決定される。ＧＲＩＮコアをもつマルチモードファイバを作成するための方法は技術上既知である。一般に、分布屈折率はコアを形成する相異なるガラス材料層にドーパントを導入することにより達成される。光ファイバ６はクラッド１４に囲まれたコア１２も有する。光ファイバ６は、ＰＭファイバを含むシングルモードファイバであれば、どのようなものであってもよい。
【００１６】
図５Ａ及び５Ｂはテーパ型レンズ付ファイバ（図４の２）を形成するための方法を示す。本方法にしたがえば、後に図４のテーパ付マルチモードファイバ４になる、マルチモードファイバ５が光ファイバ６に融着接続される。ファイバ５，６を融着接続するためのプロセスは、図５Ａに示されるように、ファイバ５，６の末端５ａ，６ａを突き合わせ位置に配置する工程及び、次いで、矢印で示されるように、末端５ａ，６ａを互いに押しつけながら加熱する工程を含む。末端５ａ，６ａを互いに融着するために、抵抗加熱、電気アークまたはレーザビームのような、いずれか適当な熱源を用いることができる。ファイバ５及び６が互いに融着接続されると、次いでマルチモードファイバ５がテーパ付け工程にかけられる。
【００１７】
図５Ｂに示されるように、テーパ付け工程はマルチモードファイバ５と光ファイバ６を、矢印で示されるように、ファイバの軸線に沿って反対方向に引っ張りながら、マルチモードファイバ５に沿って熱源７を移動させる工程を含む。マルチモードファイバ５は引っ張られるにつれて細長く伸びる。熱源７は抵抗フィラメントであることが好ましい。抵抗フィラメントを用いる利点の１つは、テーパ角及び対称性の制御性が比較的高いことである。本発明での使用に適する抵抗フィラメントの例は、米国ニュージャージー州モーガンビル（Morganville）のバイトラン・コーポレーション（Vytran Corporation）によりＦＦＳ−２０００という商品名で販売されている融着接続装置に備えられているループ型タングステンフィラメントである。しかし、本発明がこの特定の抵抗フィラメントにあるいは抵抗加熱に限定されないことは、明らかである。例えば、熱源７は電気アークまたはレーザビームとすることもできる。
【００１８】
テーパ付けプロセスが完了すると、マルチモードファイバ５は図４のマルチモードファイバ４のように見えるであろう。図４に示されるテーパ付マルチモードファイバ４はレンズとして作用し、レンズ効果はテーパ付マルチモードファイバ４の屈折率及び屈折率分布により生じる。一般に、テーパ付マルチモードファイバ４の長さは約１２５μｍないしこれより長い。図４に示されるように、テーパ付マルチモードファイバ４の先端１６は曲率半径を有する。一般にこの曲率半径は小さく、例えば約５から３０μｍである。テーパ付マルチモードファイバ４の形成に用いられる抵抗フィラメント（図５Ｂの７）により、対称なモードフィールドをもつ球形の先端（すなわちレンズ）１６の形成が可能になる。テーパ付マルチモードファイバ４の先端１６の曲率半径は、フィラメント（図５Ｂの７）に供給される電力を制御することにより調節することができる。一般に、フィラメント（図５Ｂの７）に供給される電力が高くなるほど、曲率半径は大きくなる。
【００１９】
上述したテーパ型レンズ付ファイバの形成方法により、テーパ付ファイバの特徴とＰＭファイバとの複合が可能となることに注意すべきである。本来、ＰＭファイバは、引き伸ばしてテーパを付けると、ＰＭファイバ内の応力ロッドが破壊されるであろう。応力ロッドが破壊されれば、ＰＭファイバの偏波分別特性は維持されないであろう。本発明においては、マルチモードファイバをＰＭファイバに永久接続し、次いでマルチモードファイバをテーパ付けプロセスにかけることにより、ＰＭファイバの偏波分別特性が維持され得る。
【００２０】
動作時、テーパ型レンズ付ファイバ２を通して伝送される光ビームは、テーパ付マルチモードファイバ４から出射すると、スポットに集束される。一般に、テーパ付マルチモードファイバ４の先端１６の曲率半径が大きいほど、スポット径は大きくなる。
【００２１】
以下の実施例は説明を目的とするものにすぎず、本明細書で他に述べられていない限り、本発明を限定すると解釈されるべきではない。
【００２２】
図６は、９μｍ径コアをもつシングルモードファイバに融着接続された、直径６２.５μｍのＧＲＩＮコアをもつ外径１２５μｍのマルチモードファイバを有するテーパ型レンズ付ファイバについて、ｘ及びｙ軸（図４参照）に沿うモードフィールド直径をｚ軸（図４を見よ）に沿う距離の関数として示したものである。ｚ軸（図４参照）上のゼロ点は、マルチモードファイバとシングルモードファイバの間に形成された永久接続において出てくるビームのレンズにおける発散角から推定した。ビーム測定は、１０倍対物レンズを０.１７の開口数で用いるビームスキャンによって行った。
【００２３】
図７は、角放射強度を、マルチモードファイバの末端に形成されたテーパの曲率半径の関数として示す。マルチモードファイバは、外径が１２５μｍで、６２.５μｍ径ＧＲＩＮコアを有していた。放射強度は、フォトン社（Photon Inc.）から入手できるゴニオメーター放射計ＬＤ８９００を用いて＋７２°から−７２°までスキャンすることにより、ファーフィールドで測定した。グラフには、マルチモードファイバに融着接続されたシングルモードファイバ及び偏波保存ファイバの両者についてのデータがある。シングルモードファイバは、９μｍ径コア及び１０.４μｍのモードフィールド直径を有する、コーニング（登録商標）ＳＭＦ−２８ファイバとした。測定は広帯域エルビウム増幅自然放出レーザ光源を用いて行った。グラフは発散角とテーパの曲率半径の間の依存性を示す。１/ｅ２パワーレベルにおけるファーフィールド発散角（θ）とテーパのビームウエストにおけるモードフィールド半径（ｗ０）は、θ＝λ/（πｗ０）を用いて関係付けることができる。
【００２４】
マルチモードファイバは、約３００μｍの長さでテーパを付け、それから所望の曲率半径の丸みを付けた。一般に、ＧＲＩＮ領域の長さは曲率半径が大きくなるにつれて短くなる。曲率半径が小さいときは、一般的なテーパ付ファイバについて予想されるように、曲率半径が小さくなるにつれて発散角が大きくなる。しかし、約１６μｍの曲率半径において、発散角は横ばい状態になり始める。１６μｍより大きい曲率半径では、発散角は再び増加する。曲率半径が大きくなるとともにＧＲＩＮ領域が短くなるため、発散が大きくなる。
【００２５】
本発明は１つまたはそれより多くの利点を提供する。テーパ型レンズ付ファイバは、シングルモードファイバをマルチモードファイバに融着接続し、次いで、マルチモードファイバにテーパを付けることにより形成できる。これと同じ方法を用いて、偏波分別特性を維持する、テーパ付ＰＭファイバを形成できる。本発明のテーパ型レンズ付ファイバは様々な用途に用いることができる。例えば、本テーパ型レンズ付ファイバはシングルモードファイバからの光を半導体光増幅器またはプレーナ型導波路またはその他の光デバイスに結合するために用いることができる。また、本テーパ型レンズ付ファイバは光を逆方向に、すなわち半導体光増幅器またはプレーナ型導波路または球形レーザ光源またはその他の光デバイスからシングルモードファイバに結合するために用いることもできる。
【００２６】
以上、限られた数の実施形態に関して本発明を説明したが、本開示の恩恵を有する当業者には、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が理解されるであろう。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】
【００２７】
【図１】従来技術のコリメーティングレンズ付ファイバを示す
【図２Ａ】従来技術の集束レンズ付ファイバを示す
【図２Ｂ】従来技術の集束レンズ付ファイバを示す
【図３】従来技術のテーパ型レンズ付ファイバを示す
【図４】本発明の一実施形態にしたがうテーパ型レンズ付ファイバを示す
【図５Ａ】シングルモードファイバに永久接続されたマルチモードファイバを示す
【図５Ｂ】テーパ付け工程中の図５Ａのマルチモードファイバを示す
【図６】本発明の一実施形態にしたがって形成されたテーパ型レンズ付ファイバについて、モードフィールド直径をレンズ面からの距離の関数として示す
【図７】本発明の一実施形態にしたがって形成されたテーパ型レンズ付ファイバについて、ファーフィールド発散角をテーパの曲率半径の関数として示す
【符号の説明】
【００２８】
２    テーパ型レンズ付ファイバ
４    テーパ付マルチモードファイバ
５    マルチモードファイバ
６    光ファイバ
７    熱源
８，１２    コア
１０，１４    クラッド
１６    テーパ付マルチモードファイバ先端
【図１】
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【図２Ａ】
2004530927.tif 000004
【図２Ｂ】
2004530927.tif 000005
【図３】
2004530927.tif 000006
【図６】
2004530927.tif 000007
【図７】
2004530927.tif 000008
【国際公開パンフレット】
2004530927.tif 000009
2004530927.tif 000010
2004530927.tif 000011
2004530927.tif 000012
2004530927.tif 000013
2004530927.tif 000014
2004530927.tif 000015
2004530927.tif 000016
2004530927.tif 000017
2004530927.tif 000018
2004530927.tif 000019
2004530927.tif 000020
2004530927.tif 000021
2004530927.tif 000022
2004530927.tif 000023
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004530927.tif 000024
【国際調査報告】
2004530927.tif 000025
2004530927.tif 000026