(57)【要約】      （修正有）【課題】後方反射を低減し且つ光ファイバリンクの長さを増大することを可能にすると同時に、光ファイバリンクの帯域幅を増大できる光送信機またはトランシーバモジュールを提供する。【解決手段】光送信機１は光ビームを生成する単一モード光源２と、光結合システム１０を含み、光結合システムは、光ビームを受光し、予め選択された空間強度分布パターンを有する光へ光ビームを変換し、予め選択された空間強度分布パターンを有する光をマルチモード光ファイバ（ＭＭＦ）４の端面４ａの方へ送るように構成されており、予め選択された空間強度分布パターンは、予め選択された空間強度分布パターンを有する光がＭＭＦを伝って移動する際に、欠陥を含む可能性があるＭＭＦの１つ又は複数の領域を回避するように予め選択されている。【選択図】図１
2016091014.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光送信機またはトランシーバモジュールであって、
光ビームを生成する単一モード光源と、
光結合システムを含み、前記光結合システムは、前記光ビームを受光し、予め選択された空間強度分布パターンを有する光へ前記光ビームを変換し、前記予め選択された空間強度分布パターンを有する光をマルチモード光ファイバ（ＭＭＦ）の端面の方へ送るように構成されており、前記予め選択された空間強度分布パターンは、前記予め選択された空間強度分布パターンを有する光が前記ＭＭＦを伝って移動する際に、欠陥を含む可能性がある前記ＭＭＦの１つ又は複数の領域を回避するように予め選択されている、光送信機またはトランシーバモジュール。
【請求項２】
前記光結合システムが、第１の光学要素および第２の光学要素を含み、前記第１の光学要素は、前記第２の光学要素が受光される光ビームに衝突する前に、前記受光される光ビームに衝突し、前記第１の光学要素が、前記光ビームを前記予め選択された空間強度分布パターンを有する光へ変換するための所定の方法で前記受光される光ビームに作用するアナログ的自由形状表面を含み、前記第２の光学要素が、前記ＭＭＦの端面上に前記予め選択された空間強度分布パターンを有する光を送る屈折レンズである、請求項１に記載の光送信機またはトランシーバ。
【請求項３】
前記第１及び第２の光学要素が、単一要素で形成される、請求項２に記載の光送信機またはトランシーバ。
【請求項４】
前記単一要素が、モールド成形されたプラスチック要素である、請求項３に記載の光送信機。
【請求項５】
前記単一要素が、エポキシ樹脂の複製された要素である、請求項３に記載の光送信機。
【請求項６】
前記単一要素が、ガラス要素である、請求項３に記載の光送信機。
【請求項７】
前記第１の光学要素が、ボルテックスレンズを含む、請求項３に記載の光送信機。
【請求項８】
前記第１の光学要素が、前記ＭＭＦの前記端面からの前記単一モード光源のアパーチャへの後方反射を、少なくとも１０デシベル（ｄＢ）だけ低減する、請求項２に記載の光送信機。
【請求項９】
前記第１の光学要素が、前記ＭＭＦの前記端面からの前記単一モード光源のアパーチャへの後方反射を、最高３０ｄＢだけ低減する、請求項８に記載の光送信機。
【請求項１０】
前記予め選択された空間強度分布パターンは、前記光が前記ＭＭＦの中心およびエッジの欠陥を回避するように予め選択される、請求項２に記載の光送信機。
【請求項１１】
前記光結合システムが、第１の光学要素および第２の光学要素を含み、前記第１の光学要素は、前記第２の光学要素が受光される光ビームに衝突する前に、前記受光される光ビームに衝突し、前記第１の光学要素が、前記受光される光ビームを前記予め選択された空間強度分布パターンを有する光へ変換するための所定の方法で前記受光される光ビームに作用する回折面を含み、前記第２の光学要素が、前記ＭＭＦの端面上に前記予め選択された空間強度分布パターンを有する光を送る屈折レンズである、請求項１に記載の光送信機。
【請求項１２】
前記回折面が、前記予め選択された空間強度分布パターンを達成するコンピュータで生成されたホログラムに基づいて製造される位相パターンを含む、請求項１１に記載の光送信機。
【請求項１３】
前記第１及び第２の光学要素が、単一要素で形成される、請求項１１に記載の光送信機またはトランシーバ。
【請求項１４】
前記単一要素が、モールド成形されたプラスチック要素である、請求項１１に記載の光送信機。
【請求項１５】
前記単一要素が、エポキシ樹脂の複製された要素である、請求項１１に記載の光送信機。
【請求項１６】
前記位相パターンが、前記回折面の厚さの空間的変化を含む、請求項１１に記載の光送信機。
【請求項１７】
前記位相パターンが、前記回折面の屈折率の空間的変化を含む、請求項１１に記載の光送信機。
【請求項１８】
前記単一要素が、ガラス要素である、請求項１１に記載の光送信機。
【請求項１９】
前記第１の光学要素が、回折ボルテックスレンズを含む、請求項１１に記載の光送信機。
【請求項２０】
前記第１の光学要素が、前記ＭＭＦの前記端面からの前記単一モード光源のアパーチャへの後方反射を、少なくとも１０デシベル（ｄＢ）だけ低減する、請求項１１に記載の光送信機。
【請求項２１】
前記第１の光学要素が、前記ＭＭＦの前記端面からの前記単一モード光源のアパーチャへの後方反射を、最高３０ｄＢだけ低減する、請求項２０に記載の光送信機。
【請求項２２】
単一モード光源により生成された光をマルチモード光ファイバ（ＭＭＦ）の端面へ発射するための方法であって、
前記単一モード光源を用いて、光ビームを生成し、
光結合システムを用いて、予め選択された空間強度分布パターンを有する光へ前記光ビームを変換し、前記予め選択された空間強度分布パターンを有する光を前記ＭＭＦの端面上へ送ることを含み、
前記予め選択された空間強度分布パターンは、前記予め選択された空間強度分布パターンを有する光が前記ＭＭＦを伝って移動する際に、欠陥を含む可能性がある前記ＭＭＦの１つ又は複数の領域を回避するように予め選択されている、方法。
【請求項２３】
前記光結合システムが、前記ＭＭＦの前記端面からの前記単一モード光源のアパーチャへの後方反射を、少なくとも１０デシベル（ｄＢ）だけ低減する、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記光結合システムが、前記ＭＭＦの前記端面からの前記単一モード光源のアパーチャへの後方反射を、最高３０ｄＢだけ低減する、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
マルチモード光ファイバを含み、マルチモード光ファイバ（ＭＭＦ）リンクの長さ及び帯域幅を増大させることを可能にするための方法であって、
ＭＭＦの第１の端面へ発射されるべき光ビームを生成するために単一モード光源を使用し、
前記ＭＭＦの前記第１の端面と前記単一モード光源との間に光結合システムを配置し、前記光結合システムは、予め選択された空間強度分布パターンを有する光へ前記光ビームを変換し、且つ前記ＭＭＦの前記第１の端面から前記単一モード光源のアパーチャへの光の後方反射を低減するように設計されており、前記予め選択された空間強度分布パターンは、前記予め選択された空間強度分布パターンを有する光が前記ＭＭＦを伝って移動する際に、欠陥を含む可能性がある前記ＭＭＦの１つ又は複数の領域を回避するように予め選択されており、
前記光結合システムを用いて、前記光ビームを受光し、その受光された光ビームを、前記予め選択された空間強度分布パターンを有する光へ変換し、前記予め選択された空間強度分布パターンを有する光を前記ＭＭＦの前記第１の端面上へ送ることを含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバネットワークに関し、より具体的には、後方反射を低減し且つ光ファイバリンクの長さを増大することを可能にすると同時に、光ファイバリンクの帯域幅を増大するために、マルチモード光ファイバリンクと共に単一モード光源を使用することに関する。
【０００２】
発明の背景
光通信ネットワークにおいて、光学トランシーバモジュールは、光ファイバを介して光信号を送受信するために使用される。トランシーバモジュールは、送信機側および受信機側を含む。送信機側では、レーザ光源が変調レーザ光を生成し、光結合システムが当該変調レーザ光を受光し、当該光を光ファイバの端部上へ光学的に結合または投影する。レーザ光源は一般に、特定の波長または波長帯の光を生成する１つ又は複数のレーザダイオードを含む。送信機側のレーザダイオードのドライバ回路は、レーザダイオードを変調する電気駆動信号を出力する。光結合システムは一般に、１つ又は複数の反射要素、屈折要素および／または回折要素を含む。受信機側では、光ファイバの端部から排出される光信号が、トランシーバモジュールの光結合システムにより、フォトダイオード上へ光学的に結合される。フォトダイオードは、光信号を電気信号へ変換する。受信機側の受信機回路は、データを復元するために当該電気信号を処理する。
【０００３】
高速データ通信ネットワーク（例えば、１０ギガビット／秒（Ｇｂ／ｓ）及びそれより高速）において、マルチモード光ファイバ（ＭＭＦ）に関連したより低い実施コスト（例えば、安価なコネクタ及びより低いメンテナンス費用）に起因して、単一モード光ファイバ（ＳＭＦ）ではないマルチモード光ファイバ（ＭＭＦ）が使用されることが多い。係るネットワークにおいて、例えば、リンク伝送距離のような、特定のリンク性能の特徴は、レーザ光源の特性および光結合システムの設計に依存する。リンク伝送距離、即ちＭＭＦリンクの長さは、ディファレンシャルモード分散（Differential Modal Dispersion：ＤＭＤ）、色分散（Chromatic Dispersion：ＣＤ）、及びモード分配雑音（Modal Partition Noise：ＭＰＮ）により制限されることが多い。ＣＤ及びＭＰＤがマルチモード光源によってもたらされるのに対して、ＤＭＤは、ＭＭＦの不完全状態に起因してもたらされる。
【０００４】
ＭＭＦリンクに単一モード光源を使用することは、マルチモード光源によりもたらされるＣＤ及びＭＰＮの障害を取り除くことができ、それによってより大きいＭＭＦリンクの長さを達成することが可能になる。更に、ＭＭＦリンクに単一モード光源を使用することは、コネクタを維持しやすくし、トランシーバのパッケージングの複雑性およびコストを低減する。しかしながら、単一モード光源は、マルチモード光源よりも後方反射に影響されやすい。データセンタのＭＭＦインフラにおいて、特にＭＭＦトランシーバのインターフェースが物理的コンタクトで終端されておらず、接続の特性が試験されていない場合、後方反射は固有である。
【０００５】
後方反射を操作（処理）するための従来の手法は、一定の偏光出力ビームを有する端面発光レーザダイオードを光アイソレータと連係して使用すること、又はリンクファイバの光軸に対して非ゼロ度の角度でリンクファイバの端面上に光源からの光を送るために、ピグテール付きトランシーバパッケージにおける傾斜したファイバ又はファイバスタブが使用される傾斜オフセット発射を含む。これら手法の全ては、利点と欠点を有する。光アイソレータは、可変偏光出力ビームを有するレーザ光源（例えば、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ））と共に使用される場合には、所望の効果を有することができない。傾斜したファイバのピグテール又はファイバスタブを用いることは、トランシーバのパッケージングの複雑性およびコストを増大させる可能性がある。
【０００６】
ＤＭＤの原因となることが多いファイバの不完全状態は、ＭＭＦの屈折率プロファイルにおける中心およびエッジの欠陥（不良）である。係る欠陥は一般に、ＭＭＦを製造するために使用される工程の特性に起因している。様々な技術を用いて、ＭＭＦの端部へのレーザ光の発射に関する発射状態を制御して、欠陥が最も深刻である且つ欠陥の発生の頻度が最も高いＭＭＦの領域を、レーザ光が通過しないようにされる。例えば、光がＭＭＦを通過する際に光が欠陥の少なくとも一部を回避することを可能にするようにＭＭＦの端部へ光を発射する（送り出す）ために、空間オフセット発射を使用することが知られている。空間オフセット発射において、レーザ光源とＭＭＦの端面との間に配置された光学オフセットデバイスが、ＭＭＦ端面の中心から空間的にオフセットしているＭＭＦの端面の場所上に、レーザ光源により生成された光を送る。例えば、光学オフセットデバイスは、一端部上でＭＭＦの端部に接続または光学的に結合され、ＭＭＦの光軸から空間的にオフセットしているけれどもその光軸に平行である光軸を有する光ファイバスタブとすることができる。光源からの光は、当該スタブを通過して、ＭＭＦの端面へ入る。スタブの光軸およびＭＭＦの光軸がオフセットしている、即ち同軸ではないので、スタブから排出される光は、ＭＭＦの端面の中心から空間的にオフセットしている場所においてＭＭＦの端面に入射する。適切に実施される場合、このタイプの空間オフセット発射は、レーザ光がＭＭＦを通過する際に、中心およびエッジの欠陥を回避するレーザ光という結果になることができる。
【０００７】
例えば、スパイラル状発射のような、ＭＭＦの欠陥を回避するように設計された他のタイプの発射も知られている。スパイラル状発射には、光源からの光を光ファイバの端面上へ結合するために使用されるコリメータレンズの光軸の周りに線形的に光源からのレーザ光の位相を回転させる位相パターンでもって当該レーザ光をエンコードするスパイラル状発射光結合システムを使用することを含む。光軸を中心としてレーザ光の位相を回転させることは、ファイバの中心の欠陥を回避することを確実にすることに役立つ。
【０００８】
従って、ＭＭＦと共に単一モードレーザ光源を用いることは、増大した帯域幅、増大したリンクの長さ、及び低減されたトランシーバのパッケージングの複雑性という点で、利点を提供するが、克服される必要がある特定の障害が存在する。特に、後方反射およびＭＭＦ欠陥に関する問題に対する解決策が必要とされている。従って、より高い帯域幅およびより大きなリンクの長さを達成することを可能にしながら、後方反射を操作し且つＭＭＦの欠陥を回避するように発射状態も制御するように、単一モード光源およびＭＭＦを使用する光通信リンクを提供することが望ましい。
【０００９】
発明の概要
本発明は、後方反射を操作し且つＭＭＦの欠陥を回避するように発射状態も制御しながら、より高い帯域幅およびより大きいリンクの長さを達成することを可能にするように単一モード光源およびＭＭＦを使用する光送信機モジュール及び方法を対象とする。光送信機は、単一モード光源および光結合システムを含む。単一モード光源は、光結合システムにより受光される光ビームを生成する。光結合システムは、光ビームを受光し、予め選択された空間強度分布パターンを有する光へ光ビームを変換し、予め選択された空間強度分布パターンを有する光をＭＭＦの端面の方へ送るように構成されている。予め選択された空間強度分布パターンは、予め選択された空間強度分布パターンを有する光がＭＭＦを伝って移動する際に、欠陥を含む可能性があるＭＭＦの１つ又は複数の領域を回避するように予め選択されている。
【００１０】
一実施形態に従って、方法は以下のことを含む。単一モード光源を用いて、光ビームを生成する。光結合システムを用いて、予め選択された空間強度分布パターンを有する光へ光ビームを変換し、予め選択された空間強度分布パターンを有する光をＭＭＦの端面上へ送る。予め選択された空間強度分布パターンは、予め選択された空間強度分布パターンを有する光がＭＭＦを伝って移動する際に、欠陥を含む可能性があるＭＭＦの１つ又は複数の領域を回避するように予め選択されている。
【００１１】
別の実施形態に従って、方法は以下のことを含む。ＭＭＦの第１の端面と単一モード光源との間に光結合システムを配置し、この場合、光結合システムは、予め選択された空間強度分布パターンを有する光へ光ビームを変換し、且つＭＭＦの第１の端面から単一モード光源のアパーチャへの光の後方反射を低減するように設計されている。予め選択された空間強度分布パターンは、欠陥を含む可能性があるＭＭＦの１つ又は複数の領域を回避するように予め選択されている。光結合システムを用いて、光ビームを受光し、予め選択された空間強度分布パターンを有する光へ変換し、ＭＭＦの第１の端面上へ送る。
【００１２】
本発明のこれら及び他の特徴と利点は、以下の説明、図面および特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】単一モードレーザ（ＳＭＬ）光源と光結合システムを含む光送信機のブロック図である。
【図２】図１に示された送信機の光結合システムが特定の物理的構造体を有する、図１に示された光送信機の略図である。
【図３】図１に示された送信機の光結合システムが図２に示された物理的構造体と異なる特定の物理的構造体を有する、図１に示された光送信機の略図である。
【図４】ＭＭＦの端面において、従来の屈折性光結合システムにより生じた発射状態の平面図である。
【図５】ＭＭＦの端面において、図２又は図３に示された光結合システムにより生じた発射状態の平面図である。
【図６】ＭＭＦの端面において、図２又は図３に示された光結合システムにより生じた発射状態の平面図である。
【図７】従来の屈折性光結合システムによるＳＭＬ光源のアパーチャへ戻るように送られる後方反射された光パワーの平面図である。
【図８】ＳＭＬ光源２のアパーチャ上に入射しないように、図２又は図３に示された光結合システムにより分散化された、後方反射された光パワーの平面図である。
【図９】ＳＭＬ光源２のアパーチャ上に入射しないように、図２又は図３に示された光結合システムにより分散化された、後方反射された光パワーの平面図である。
【図１０】光結合システムの第１の面が、図５に示されたタイプの空間強度分布パターンを達成するために、屈折レンズと組み合わされたアナログ的自由形状表面として実現された例示的な実施形態による、図２に示された光結合システムの第１の面の位相パターンの平面図である。
【図１１】光結合システムの第１の面が、図５に示されたタイプの空間強度分布パターンを達成するために、屈折面と組み合わされた回折面として実現された例示的な実施形態による、図３に示された光結合システムの第１の面の平面図である。
【図１２】光結合システムの第１の面が、図６に示されたタイプの空間強度分布パターンを達成するために、屈折レンズと組み合わされたホログラフィの位相パターンとして実現された別の例示的な実施形態による、図３に示された光結合システムの第１の面の平面図である。
【００１４】
例示的な実施形態の詳細な説明
本明細書で説明される例示的な又は説明上の実施形態に従って、ＳＭＬ光源へのレーザ光の後方反射を低減し且つレーザ光がＭＭＦを伝って移動する際に当該レーザ光がＭＭＦの欠陥領域を回避することを可能にする制御された発射状態を提供するように、単一モードレーザ（ＳＭＬ）光源からの光をＭＭＦへ結合するための光結合システム及び方法が提供される。発射状態は、レーザ光がＭＭＦを通過する際にレーザ光がＭＭＦの欠陥領域を回避する予め選択された空間強度分布パターンをＭＭＦへ発射するように制御される。これら特徴の組み合わせにより、トランシーバのパッケージングの複雑性を増大させることなしに、より大きなリンク帯域幅およびリンクの長さが、ＭＭＦで達成されることが可能になる。
【００１５】
１つの例示的な実施形態に従って、光結合システムは、後方反射を低減する第１の光学要素、及びＳＭＬ光源からのレーザ光をＭＭＦの端部へ結合する第２の光学要素を含む。第１及び第２の光学要素は、光学材料の単一の一体構成要素で形成され得るか、又はそれらは、光学材料の別個の構成要素で形成されて、次いで一つになるように固定される別個の要素とすることができる。説明のために、光学要素が、光学材料の単一の一体構成要素の両側に形成されているように示される。
【００１６】
光結合システムは、ＳＭＬ光源の出力ファセットとＭＭＦの端面との間に延びる光路に沿って配置される。本明細書で説明される例示的な実施形態に従って、光結合システムの第１及び第２の光学要素は、ＳＭＬ光源の出力ファセットから放出されたレーザ光が第２の光学要素に衝突する前に第１の光学要素に衝突するように、ＳＭＬ光源およびＭＭＦの端面に対して配置される。第１の光学要素は、予め選択された空間強度分布パターンへ光を変換すると同時に、ＳＭＬ光源に対する後方反射を低減する。第２の光学要素は、予め選択された空間強度分布パターンをＭＭＦの端面上へ発射、投射または投影する。レーザ光の予め選択された空間強度分布パターンにより、レーザ光は、ＭＭＦの欠陥を回避する。空間強度分布パターンは、ＭＭＦへ発射されるレーザ光がＭＭＦの中を進む際に欠陥領域を回避することを確実にするために、ＭＭＦの既知の又は可能性のある欠陥領域に基づいて予め選択される。さて、説明上の又は例示的な実施形態が図１〜図１２に関連して説明され、係る図面において、同じ参照符号は、同様のコンポーネント、要素または特徴要素を意味する。
【００１７】
図１は、単一モードレーザ（ＳＭＬ）光源２と光結合システム１０を含む光送信機１のブロック図を示す。光送信機１は一般に、光受信機（図示せず）も含む光トランシーバモジュール（図示せず）の一部である。用語「光送信機」は、本明細書で使用される限り、光導波路を介した伝送用の光信号を生成するためのコンポーネントを有する送信機を意味することが意図されている。
【００１８】
ＳＭＬ光源２は、電気データ信号により変調されて、光データ信号を生成する。この例示的な実施形態に従って、任意のレーザコントローラ３が、光源２に供給されるバイアス及び変調電流を制御することにより、光源２の動作を制御する。光送信機は、分かりやすくするために及び説明を容易にするために図示されていない追加の要素またはコンポーネントを含むことができる。ＳＭＬ光源２により生成されたレーザ光は、光結合システム１０により受光され、光結合システム１０によりＭＭＦ４の端部へ結合または発射される。
【００１９】
光結合システム１０は、後方反射を操作し且つ光がＭＭＦを伝って移動する際に光が欠陥を含むＭＭＦ中の領域を回避する制御された発射を提供するように設計された第１及び第２の光学要素１０ａ及び１０ｂを含む。例えば、ＭＭＦは中心およびエッジの欠陥を包含することが一般に知られている。従って、より詳細に後述されるように、制御された発射は、レーザ光がＭＭＦ４を伝って移動する際にレーザ光がＭＭＦ４の中心およびエッジの欠陥領域を回避することを確実にするレーザ光の予め選択された空間強度分布パターンをＭＭＦ４の端面４ａ上に投射または投影することができる。第１及び第２の光学要素１０ａ及び１０ｂが、これら目的を達成するように設計および製造される方法が、詳細に後述される。
【００２０】
図２及び図３は、コントローラ３を備えない、図１に示された光送信機１の例示的な実施形態の略図を示す。図２に示された例示的な実施形態に従って、光送信機１の光結合システム１０’は、図１に示された第１の光学要素１０ａに対応するアナログ的自由形状表面である第１の面１１、及び図１に示された第２の光学要素１０ｂに対応するアナログ的自由形状表面でもある第２の面１２を有する、単一の又は一体的に形成された要素である。図３に示された例示的な実施形態に従って、光送信機１の光結合システム１０”は、図１に示された第１の光学要素１０ａに対応する回折面である第１の面１３、及び図１に示された第２の光学要素１０ｂに対応するアナログ的自由形状表面でもある第２の面１４を有する、単一の又は一体的に形成された要素である。これら実施形態の双方において、第２の光学要素１２及び１４は、屈折レンズ又はコリメータレンズであるが、それらは他のタイプの光学要素とすることができる。
【００２１】
光結合システム１０”の第１及び第２の面１１及び１２の自由形状表面は、予め選択された数式により定義される。第１の面１１は、レーザ光を所定の空間強度分布パターンへ変換しながら、特定のデシベル（ｄB）レベル未満に後方反射を低減する、又は特定のデシベル（ｄB）レベルに後方反射を維持するように設計される。第２の面１２は、レーザ光の所定の空間分布をＭＭＦ４の端面４ａ上に光学的に結合するための所定の方法でレーザ光を処理するように設計される。
【００２２】
図２に示された光結合システム１０’は一般に、熱可塑性材料のような成形可能な光学材料を射出成形するためのモールド成形プロセスを用いることにより、又は表面１１及び１２をエポキシ樹脂において複製するためのエポキシ樹脂複製プロセスを用いることにより作成される。これらプロセスにおいて使用される光学モールド成形材料またはエポキシ樹脂は、ＳＭＬ光源２により放出された光の動作波長に透過的である。また、ダイヤモンド旋削を用いて、光結合システム１０’を作成してもよい。
【００２３】
図３に示された光結合システム１０”の第１の面１３は、回折パターン又はホログラフィのパターンである。第１の面１３は、レーザ光をレーザ光の所定の空間強度分布パターンへ変換しながら、特定のｄＢレベル未満に後方反射を低減する、又は特定のデシベルｄＢレベルに後方反射を維持するように設計される。第２の面１４は、レーザ光の所定の空間強度分布パターンをＭＭＦ４の端面４ａ上に結合するように設計される。
【００２４】
図３に示された光結合システム１０”は一般に、ガラス又はシリコン（ケイ素）から作成される。回折またはホログラフィのパターンは、第１の面１３の表面１３ａに形成され、一般にフォトリソグラフィプロセス（即ち、マスクを形成するためにフォトレジストをパターン形成して、マスクされていない領域をエッチングする）を用いて形成される。同様に、第２の面１４は、フォトリソグラフィのパターン形成およびエッチングプロセスを通じて製作され得る。代案として、表面１３ａに形成された回折またはホログラフィのパターンのマスターが、フォトリソグラフィプロセスを用いて生成されることができ、次いで当該マスターがモールド成形プロセス又はエポキシ樹脂複製プロセスにおいて使用されて、光結合システム１０”をプラスチック又はエポキシ樹脂において複製することができる。図３に示された光結合システム１０”の第２の光学要素１４は、図２に示された光結合システム１０’の第２の光学要素１２と同一であってもよく、図２に関連して上述された方法で形成され得る。
【００２５】
留意されるべきは、本発明は、光結合システム１０、１０’及び１０”を作成するために使用されるプロセス又は材料に関して制限されない。当業者には理解されるように、様々なプロセス及び材料が、光結合システム１０、１０’及び１０”を作成するのに適している。上述されたプロセス及び材料は、このために使用され得る適切なプロセス及び材料の幾つかの単なる例である。
【００２６】
図４は、典型的なＭＭＦの端面において、従来の屈折性光結合システムにより生じた発射状態の平面図を示す。円２１は、典型的なＭＭＦの５０マイクロメータのコアを表す。看取されるように、図４に示された図の最も明るい領域は、コア２１の中心に集束された光エネルギーであり、当該コア２１の中心は、ＭＭＦの欠陥が存在することが多い場所である。ＭＭＦを伝って移動するレーザ光と係る欠陥との間の衝突は、上述されたようなＤＭＤを引き起こし、帯域幅およびリンクの長さの低減につながる。
【００２７】
図５は、ＭＭＦ４の端面４ａにおいて、それぞれ図２及び図３に示された光結合システム１０’又は１０”により生じた発射状態の平面図を示す。円２５は、ＭＭＦ４の５０マイクロメータのコアを表すが、ＭＭＦ４のコアは他の寸法を有することができる。図５に示された図の最も明るい領域は、光結合システム１０’又は１０”によりもたらされた所定の発射状態により生じた所定の空間強度分布パターンである。看取され得るように、空間強度分布パターンは、コア２５の中心に対して分散化され、即ちそれはコア２５の外側にある。また、看取されるように、空間強度分布パターンは、コア２５のエッジの内側であり、当該エッジは、欠陥がＭＭＦに存在することが多い場所である。このように、光エネルギーの大部分は、ＭＭＦ４の中心およびエッジの欠陥の何れも回避する。
【００２８】
図６は、ＭＭＦ４の端面４ａにおいて、図２及び図３に示された光結合システム１０’又は１０”により生じた発射状態の平面図を示す。円２８は、ＭＭＦ４の５０マイクロメータのコアを表す。看取され得るように、所定の空間強度分布パターンが、コア２８の外側および中心を除いて、取り巻く複数の領域において光エネルギーを分散させる。また、パターンはコア２８のエッジの内側である。このように、光エネルギーの大部分は、ＭＭＦ４の中心およびエッジの欠陥の何れも回避する。
【００２９】
留意すべきは、図５及び図６は、ＭＭＦ４の特定の領域を回避する２つの所定の空間強度分布パターンを示すが、光結合システム１０は、任意の所望の空間強度分布パターンを達成するように設計および製作され得る。図５及び図６に示されたパターンは、ＭＭＦが図５及び図６に示されたパターンにより回避される中心およびエッジの欠陥を備えやすいということが一般的に知られているという事実に起因して、一例として使用されている。
【００３０】
図７は、従来の屈折性光結合システムによるＳＭＬ光源のアパーチャへ戻るように送られる後方反射された光パワーの平面図を示す。後方反射された光が中心に集められているので、光の大部分は、ＳＭＬ光源のアパーチャに入る。図８は、後方反射された光エネルギーの大部分がＳＭＬ光源２のアパーチャへ戻るように送られないように、図２又は図３に示された光結合システム１０’又は１０”により分散化された、後方反射された光パワーの平面図を示す。図９は、後方反射された光エネルギーの大部分がＳＭＬ光源２のアパーチャへ送られないように、図２又は図３に示された光結合システム１０’又は１０”により中心に集められない及び分散された、後方反射された光パワーの平面図を示す。このように、看取され得るように、光結合システム１０’又は１０”は、ＭＭＦの欠陥領域を回避する空間強度分布パターンを提供することに加えて、同時にＳＭＬ光源２のアパーチャへ送られる光パワーのｄＢレベルを低減する目標も達成する。
【００３１】
図１０は、第１の面１１が、図５に示されたものと類似する空間強度分布パターンを達成するために、屈折レンズと組み合わされたアナログ的自由形状表面３０として実現された例示的な実施形態による、図２に示された光結合システム１０’の第１の面１１の平面図を示す。アナログ的自由形状表面３０は、−２πから＋２πの範囲にわたる位相値を有する位相パターンにより画定され、この場合、−２πは自由形状表面３０により形成された、レーザ光の最も小さい位相遅延に対応し、＋２πは自由形状表面３０により形成された、レーザ光の最も大きい位相遅延に対応する。位相値は以下のように計算される。即ち、
位相値＝Ｍ×Φ            式１
ここで、Ｍは、定数、一般に整数であり、Φは、光結合システム１０’の光軸に対応するＺ軸を有する極座標系のアジマス角である。
【００３２】
図１０の例示的な実施形態に従って、アナログ的自由形状表面３０は、ＳＭＬ光源２から受け取ったレーザ光を、図５に示されたパターンに類似した空間強度分布パターンへ変換する。このタイプの空間強度分布パターンを達成することができるアナログ的自由形状表面の例は、ボルテックスレンズである。同時に、アナログ的自由形状表面３０は、図８に示されたものに類似する分散化された後方反射を提供する。
【００３３】
図１１は、光結合システム１０”の第１の面１３が、図５に示された空間強度分布パターンを達成するために、屈折レンズと組み合わされた回折面３５として実現された例示的な実施形態による、図３に示された光結合システム１０”の第１の面の平面図を示す。図３に示された表面１３ａに対応する回折面３５は、０から２πの範囲にわたる位相値から構成された位相パターンを含む。上述したように、スパイラル状発射を行う光結合システムは、コリメータレンズの光軸の周りに線形的に光の位相を回転させる位相パターンでもって光源からのレーザ光をエンコードするものである。スパイラル状発射は一般に、ＭＭＦファイバの中心およびエッジの欠陥を回避する時に有効である。この例示的な実施形態に従って、回折面１３ａに形成された回折パターンにより生成された所定の空間強度パターンは、ＳＭＬ光源２からの光を光結合システム１０”の光軸の周りに線形的にエンコードする。第２の面１４の屈折レンズは、エンコードされた光をＭＭＦ４の端面４ａ上に送る（向ける）。このように、光結合システム１０”は、図９に示されたものに類似する分散した後方反射を提供しながら、同時にＭＭＦ４の中心およびエッジの欠陥を回避するように、図５に示された空間強度分布パターンを達成する。
【００３４】
スパイラル状発射は、ＭＭＦ４の中心およびエッジの欠陥を回避する所定の空間強度分布を生じる制御された発射の一例であるが、ＭＭＦ４の他の欠陥領域を回避する作用を有する他のタイプの制御された発射も使用され得る。上述したように、光結合システム１０は、ＭＭＦ４の端面４ａ上へのレーザ光の任意の所望の空間強度分布の発射を達成するように設計および製造され得る。従って、ＭＭＦの欠陥領域が位置する可能性が最も高い場所が予め分かっている限り、光結合システム１０は、レーザ光がＭＭＦ中を伝播する際に、レーザ光がこれら領域を回避することを確実にする所望の発射状態を達成するように設計および製造され得る。
【００３５】
図１２は、第１の面１３にも形成されている屈折レンズと組み合わされて光結合システム１０”（図３）の第１の面１３の表面１３ａに形成された、ホログラフィのパターン４０の例示的な実施形態に関するスクリーンショットの平面図を示す。ホログラフィのパターン４０は、ＭＭＦ４の欠陥領域を回避する図６に示されたようなＭＭＦ４への制御された発射を提供しながら、同時に図９に示されたように後方反射を低減する予め選択された空間強度分布パターンを生成することができる、コンピュータで生成されたホログラムに基づいて設計される。
【００３６】
図１１に示された位相パターン３５と同様に、この例示的な実施形態に従って、ホログラフィのパターン４０は、ＳＭＬ光源２により放出されたレーザ光のスパイラル状発射を提供する。このように、この例示的な実施形態に従って、回折パターン４０は、光結合システム１０”の光軸の周りに線形的に光を回転させる位相でもって、光源２からのレーザ光をエンコードし、それによりＭＭＦ４の中心の欠陥およびＭＭＦ４のエッジの近くの欠陥が回避されることを確実にする。
【００３７】
そこに形成されたホログラフィのパターン４０を有する表面１３ａは一般に、以下のように設計される。空間強度分布パターンを生成する１つ又は複数のアルゴリズムが実行される。次いで、生成された空間強度分布パターンの１つが、ＭＭＦ４の欠陥領域を回避する際のその有効性に基づいて選択される。この例示的な実施形態に従って、空間強度分布パターンは、ＭＭＦ４の中心およびエッジの欠陥を回避する際のその有効性に基づいて選択される。ひとたび空間強度分布パターンが選択されたなら、当該選択された強度分布パターンを入力として受け取り、ホログラムを生成する回折面シミュレーションアルゴリズムを実行する１つ又は複数の他のアルゴリズムが実行されて、各ホログラムをシミュレーションされた回折面へ挿入し、所望の強度分布パターンを達成するシミュレーションされた回折面という結果になるホログラムを選択する。
【００３８】
ひとたび、ホログラムが選択されたならば、シミュレーションされた設計を備える実際の光結合システム１０”に使用するのに適した回折面が設計され、光結合システム１０”は、表面１３ａがそこに形成された回折パターン４０を有するように製造され、当該回折パターン４０は、対応するホログラムを複製する。回折パターン４０は、光結合システム１０”の適切な基体材料の厚さ及び／又は屈折率における空間的変化へと、選択されたホログラムの位相パターンをマッピングすることにより製造され、例えば、当該材料は、ガラス、プラスチック、ポリマー又は半導体材料とすることができる。上述したように、フォトリソグラフィのプロセスが、基体材料の厚さ及び／又は屈折率におけるランダムな空間的変化を形成するのに良好に適している。
【００３９】
２０１１年９月１３に発行されて本出願の譲受人に譲渡された米国特許第８，０１９，２３３号は、光ファイバの中心およびエッジの欠陥を回避する制御された発射を提供するためにそこに形成された回折パターンを有する、光送信機の光結合システムを設計および製造するための方法およびシステムを説明する。その特許に開示された方法およびシステムは、参照により全体として本明細書に組み込まれ、表面１３ａに回折パターン４０を形成することに関して同様に良好に適している。従って、簡略にするために、これら方法およびシステムの詳細な説明は、本明細書に提供されない。
【００４０】
モジュールの複雑性を増大させることなく、ＭＭＦリンクの長さ及び帯域幅を増大することを可能にすることに加えて、本発明は、より低いＭＭＦ製造コスト及び増大した歩留まりのような他の利点も提供する。本発明は、欠陥を含む可能性があるファイバの特定の領域を回避する予め選択された空間強度分布を達成することを可能にするので、ファイバの製造業者は、これらの領域の欠陥を低減することにそれほど集中しなくてもよく、例えば、ファイバのプロファイルαの制御のような、性能最適化パラメータにもっと集中することができる。例えば、光学マルチモード（ＯＭ）１、ＯＭ２、ＯＭ３及びＯＭ４光ファイバは、それらのコアに中心およびエッジの欠陥を有することが知られている。欠陥領域を低減すること及び性能最適化パラメータにもっと集中することに関連した許容誤差を緩和することにより、ＭＭＦ性能が改善されると同時に、製造歩留まりも改善しコストを低減することができる。
【００４１】
留意すべきは、本発明は、本発明の原理および概念を例示するために幾つかの例示的な実施形態に関連して説明された。例えば、例示的な実施形態は、第２の光学要素１０ｂよりもＳＭＬ光源２に近く配置されている第１の光学要素１０ａがＳＭＬ光源２に対してであるように説明および図示しているが、ＳＭＬ光源２に対する第１及び第２の光学要素１０ａ及び１０ｂの位置は、ＳＭＬ光源２に対する後方反射を低減する上述した同じ光学的効果を提供し且つＭＭＦ４の欠陥領域を回避するように発射状態を制御すると同時に、反対にすることができる。従って、本明細書に提供された説明に鑑みて当業者には理解されるように、本発明は、当該例示的な実施形態に制限されない。当業者ならば理解されるように、本明細書に説明された実施形態に対して、変更がなされることができ、係る変更の全ては、本発明の範囲内にある。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【外国語明細書】
2016091014000001.pdf