(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の光ファイバ、
該第１の光ファイバに取り付けられた第１のＧＲＩＮファイバ・レンズ、
第２の光ファイバ、
該第２の光ファイバに取り付けられた第２のＧＲＩＮファイバ・レンズ、及び
該第１のＧＲＩＮファイバ・レンズの開放端から該第２のＧＲＩＮファイバ・レンズへ光ビームの部分を向けることができる光学デバイスからなり、該第１及び第２のＧＲＩＮファイバ・レンズが径方向プロファイルを有するシリカガラスのコアを有し、該プロファイルが、その前記コアにおける平均強度がＧＲＩＮファイバ・レンズ軸の屈折率の値の約１．７×１０−６ミクロン−２倍より小さい負の二次導関数である装置。
【請求項２】
前記レンズがシリカガラスのクラッドを有していない請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１の光ファイバがＧＲＩＮではないコアおよびクラッドを有する請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記光学デバイスに物理的に結合されたマイクロ電子機械コントローラをさらに備える請求項１に記載の装置。
【請求項５】
第３の光ファイバと、
前記第３の光ファイバに取り付けられた第３のＧＲＩＮファイバ・レンズと
をさらに備え、前記光学デバイスが、前記第１のＧＲＩＮファイバ・レンズの開放端から放出される光ビームの部分を前記第３のＧＲＩＮファイバ・レンズへ向けることができる請求項１記載の装置。
【請求項６】
ＧＲＩＮファイバを製造するための方法であって、
径方向分布プロファイルを有するドーパント濃度を有する環状コアと、前記環状コアに隣接して前記環状コアの外側の同心環状クラッドとを有するシリカガラスのチューブを形成するステップ、
熱を加えることによってチューブを部分的に破壊するステップであって、前記部分的に破壊されたチューブが中央チャネルを有する、ステップ、
シリカガラスの中間層を取り除くために、前記中央チャネルを通してガラス・エッチャントを通過させるステップ、
その後、前記エッチングされたチューブをロッド状のプリフォームに破壊するステップ、及び
前記プリフォームからＧＲＩＮファイバを線引きするステップ
からなり、
前記ＧＲＩＮファイバのコアが、平均強度が前記ＧＲＩＮファイバ・レンズの軸の屈折率値の約１．７×１０−６ミクロン−２倍より小さい負の径方向二次導関数のプロファイルの屈折率を有する方法。
【請求項７】
前記形成するステップが、さらに、
環状クラッシングの内側表面にコアの部分を堆積するステップを含み、前記堆積するステップが、ドーパント堆積のために前駆体、および環状クラッドの内側のシリカガラス堆積のための前駆体の混合物を導入するステップを含み、前記堆積するステップが前記混合物におけるドーパントの前駆体の割合が時間で変化することを含み、
前記形成するステップが、さらに、前記環状クラッド・チューブの少なくとも１つの外層を前記プリフォームから取り除くステップを含む請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記ＧＲＩＮファイバの部分を他の光ファイバに溶着するステップをさらに含む請求項７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本願は、２００１年２月１７日に出願された米国仮特許出願第６０／２６９５８６号、および２００１年５月１９日に出願された米国仮特許出願第６０／２９２０１７号の恩恵を請求する。
【０００２】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学デバイスおよび屈折率分布型レンズに関する。
【０００３】
【従来の技術】
屈折率分布（ＧＲＩＮ、Ｇｒａｄｅｄ  Ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ  Ｉｎｄｅｘ）型レンズは、レンズの軸からの径方向距離で変化する値の屈折率の値を有する。屈折率におけるかなりの変化は、光を屈折させ、通常のレンズの集束能力と同様の集束能力をＧＲＩＮレンズに与える。したがって、多くの光学デバイスは、交換可能にＧＲＩＮレンズまたは通常のレンズを用いる。
【０００４】
多くの光学デバイスは、光ビームを集束し、コリメートし、または拡大するためにレンズを使用する。図１は、ＧＲＩＮファイバ・レンズ１１が、光学ファイバ１３の終端１２に集束されるファイバ・デバイス１０を示す。ＧＲＩＮファイバ・レンズ１１は、光ファイバ１３によって放出される光ビームを拡大およびコリメートする。ＧＲＩＮファイバ・レンズ１１は、回折により、そうでなければ光ファイバ１３とファイバ・デバイス１５との間に存在する光学結合と比べて、光ファイバ１３とファイバ・デバイス１５との間の光学結合を改善する。ＧＲＩＮファイバ・レンズ１１は、光ファイバ１３が、他の光ファイバに光学的に結合されたときに、回折損失を低減する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
光ビームの径は、ＧＲＩＮレンズの軸に沿って変化するため、ビーム径の変化から、レンズ長の尺度が得られる。ビーム径における変化が２つの完全な周期を作る長さは、レンズのピッチと呼ばれる。一般に、ＧＲＩＮレンズの長さは、ピッチ長さの倍数、例えば１／２ピッチまたは１／４ピッチで表される。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の原理を用いるいくつかの光学デバイスは、屈折率が新規な径方向プロファイルを有するＧＲＩＮファイバ・レンズを含む。光学ファイバの端部に取り付けられたとき、新規なＧＲＩＮファイバ・レンズは、従来のＧＲＩＮレンズに取り付けられた同様のファイバによって放出される光ビームのレイリー（Ｒａｙｌｅｉｇｈ）範囲を超えて、放出されたビームのレイリー範囲を増大する。増大されたレイリー範囲は、ビーム・コリメーションを改善し、ファイバは、より大きな距離範囲にわたって他の光学デバイスに結合することができる。
【０００７】
様々な実施形態において、ＧＲＩＮファイバ・レンズは、屈折率が径方向に分布するプロファイルを有するシリカ・ガラス・コアを含む。ＧＲＩＮファイバ・レンズの軸上で、プロファイルが、径方向の二次導関数を有し、この二次導関数の大きさが、ＧＲＩＮファイバ・レンズの軸上の屈折率の値の約１．７×１０−６ミクロン−２倍よりも小さい。以降、ミクロンは、μｍと記載される。
図において、同様の参照符号は、機能的に同様の特徴を参照する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
１．Ｇｒｉｎファイバ・レンズ
図２は、光ファイバ１７が、ＧＲＩＮファイバ・レンズ１８に端部結合された、例えばファイバ１７に溶着された、または接着された、光ファイバ・デバイス１６を示す。ＧＲＩＮファイバ・レンズ１８および光ファイバ１７は、同軸であり、約１００μｍから約１３５μｍの範囲、例えば１２５μｍの値である、同様なまたは等しい外径を有する。ＧＲＩＮファイバ・レンズ１８は、光ファイバ１７の端部から放出される光ビーム１９をコリメートし、それによって未処理の光ファイバの開口数より小さく、開口数を低減する。ＧＲＩＮファイバ・レンズ１８は、光ファイバ１７の端部２０内に、入射光ビームを集束することもできる。
【０００９】
例示的な光ファイバ１７は、シングル・モードおよびマルチ・モード・ファイバを含む。
【００１０】
例示的なＧＲＩＮファイバ・レンズ１８は、径方向のプロファイルが、従来のＧＲＩＮファイバ・レンズの径方向プロファイルとはかなり異なる屈折率を有する。新規な径方向プロファイルは、図１の従来のファイバ・デバイス１０における同じ量の値と比べて、開口数を低減し、ファイバ・デバイス１６に関するレイリー範囲を増加することができる。低減された開口数は、適切な長さのＧＲＩＮファイバ・レンズ１８が、従来のファイバ・デバイス１０によって放出される光ビーム１４におけるよりも、放出される光ビーム１９においてより小さい回折およびより低いパワー密度を生じることを意味する。増大されたレイリー範囲は、放出されたビーム１９が、ビーム１４より良くコリメートされることを意味する。放出されたビーム１９の改善された特性は、他のファイバ・デバイス（図示せず）に対する、端部結合されたファイバ・デバイス１６に必要な横断方向位置合わせを容易にする。
【００１１】
ファイバ・デバイス１６のある実施形態において、ＧＲＩＮファイバ・レンズ１８は、光ファイバ１７への光の戻り反射を低減するためにへき開された角度である端部面２１を有する。特に、好ましくは、端部面２１に対する垂直ベクトルは、ＧＲＩＮファイバ・レンズ１８の軸に対して、１°〜２°以下でへき開される。このへき開角度は、その端部面から光ファイバ（図示せず）に戻る反射をより小さくするために使用される、約８°の一般的なへき開角度より小さい。ＧＲＩＮファイバ・レンズ１８によって提供されるビーム拡大は、ファイバ１７へ戻る反射を同様に低減するために必要なへき開角度量を少なくする。
【００１２】
新規なＧＲＩＮファイバ・レンズ１８は、円形のコア２２と、コア２２を囲む環状のクラッド２４とを有する。コア２２において、屈折率は、ＧＲＩＮファイバ・レンズ１８の軸からの径方向距離で変化する。クラッド２４において、屈折率は一定であり、コア２２より低い値を有する。ＧＲＩＮファイバ・レンズは、約１２５μｍの外径を有する。外径は、図１に示される従来のＧＲＩＮファイバ・レンズ１１の外径と同じである。しかし、新規なＧＲＩＮファイバ・レンズ１８と従来のＧＲＩＮファイバ・レンズ１１とは、それらのコアにおけるドーパント原子の密度分布の違いのために、異なる径方向屈折率プロファイルを有する。例示的なドーパントは、ゲルマニウム（Ｇｅ）、アルミニウム（Ａｌ）、リン（Ｐ）、およびフッ素（Ｆ）を含む。
【００１３】
図３Ａは、それぞれ、従来のＧＲＩＮファイバ・レンズ１１におけるＧｅドーパント密度の径方向プロファイル２６と、新規なＧＲＩＮファイバ・レンズ１８におけるＧｅドーパント密度の径方向プロファイル２７とを示す。新規なＧＲＩＮファイバ・レンズ１８のコア２２において、Ｇｅドーパント密度は、中央軸で最も大きく、下方に湾曲した凹状である径方向プロファイルを有する。プロファイルは、軸方向密度のくぼみを有さない、すなわちいくつかの従来のＧＲＩＮファイバ・レンズ（図示せず）とは異なる。Ｇｅドーパントの径方向プロファイルの湾曲は、従来のＧＲＩＮファイバ・レンズ１１のコアにおけるよりも、新規なＧＲＩＮファイバ・レンズ１８のコア２２においてより小さい平均強度を有する。従来のＧＲＩＮファイバ・レンズ１１と新規なＧＲＩＮファイバ・レンズ１８との両方のクラッドにおいて、Ｇｅドーパント密度が、ファイバ・コアよりも低く、ファイバ軸からの径方向距離に関して一定である。
【００１４】
コアとクラッドとの間の境界、すなわち径方向距離ＲｃおよびＲｃ’は、Ｇｅドーパント濃度および／または濃度の径方向勾配における、急激な変化を特徴とする。コア径は、従来のＧＲＩＮファイバ・レンズ１１におけるよりも、新規なＧＲＩＮファイバ・レンズ１８におけるほうがより大きい。すなわち、Ｒｃ’＞Ｒｃである。コア径を増大すると、適切な長さのＧＲＩＮファイバ・レンズ１８がファイバ・デバイスに使用されるとき、ファイバ・デバイス１６のレイリー範囲が増大する。ＧＲＩＮファイバ・レンズ１８の例示的な実施形態は、約１２５μｍの外径と、コア２２は、約８５μｍ、好ましくは１００μｍ以上、より好ましくは１０５μｍ以上の径を有する。あるＧＲＩＮファイバ・レンズ１８において、クラッドはなく、コアが約１２５μｍの径を有している。
【００１５】
図３Ｂは、それぞれ、ＧＲＩＮファイバ・レンズ１１のＧｅドーパント濃度プロファイル２６に対応する屈折率プロファイル２８、およびＧＲＩＮファイバ・レンズ１８のＧｅドーパント濃度プロファイル２７に対応する屈折率プロファイル２９を示す。径方向プロファイル２８、２９は、コア２２内に下方に凹である。
【００１６】
径方向プロファイル２８、２９は、その径方向プロファイルが、従来のＧＲＩＮファイバ・レンズ１１におけるよりも、著しくよりなだらかな変化を有する屈折率を、新規なＧＲＩＮファイバ・レンズ１８が有することも示す。パラメータ「ｇ」は、ＧＲＩＮファイバ・レンズのコアにおける屈折率プロファイルの径方向湾曲を評価する。実際に、パラメータｇは、以下の式で定義される。
【００１７】
0004121775.tif 000002
ここで、「ｒ」は、ＧＲＩＮファイバ・レンズの軸に関する径方向距離であり、ｎ０は、ＧＲＩＮファイバ・レンズの軸上の屈折率の値であり、Ｐ（ｒ）は、ファイバ・レンズの軸から「ｒ」の距離での屈折率の値である。
【００１８】
ＧＲＩＮファイバ・レンズ１８は、レンズのコアにわたるよりなだらかな径方向の変化を有する屈折率プロファイルを有する。一般に、ＧＲＩＮファイバ・レンズ１８の屈折率プロファイルは、参照によって本明細書に完全に組み込まれる、Ｗ．Ｌ．Ｅｍｋｅｙなどによる、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ＬｉｇｈｔｗａｖｅＴｅｃｈｎｏｌｉｇｙ、Ｖｏｌ．ＬＴ−５、Ｎｏ．９（１９８７年９月）、ｐｐ．１１５６〜１１６４の「Ａｎａｌｙｓｉｓ  ａｎｄ  Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆ  Ｇｒａｄｅｄ−Ｉｎｄｅｘ  Ｆｉｂｅｒ−Ｌｅｎｓｅｓ（屈折率分布ファイバ・レンズの解析および評価）」（ＥＭＫＥＹ）の表１に開示されている大きさよりも小さい径方向湾曲を有する。一般に、ＧＲＩＮファイバ・レンズ１８の実施形態に関する屈折率プロファイルの径方向湾曲の大きさは、少なくとも、ＥＭＫＥＹに開示された屈折率プロファイルの径方向湾曲の大きさの半分である。例示的なＧＲＩＮファイバ・レンズ１８は、１．７×１０−６μｍ−２より小さく、好ましくは約０．９×１０−６μｍ−２より小さく、より好ましくは約５．０×１０−７μｍ−２より小さい「ｇ」を有する。１２５μｍのＧＲＩＮファイバ・レンズ１８径に関して、「ｇ」の値は、良好なビーム・コリメーションを提供するために、１．７×１０−６μｍ−２から５．０×１０−７μｍ−２の範囲から、好ましくは、０．９×１０−６μｍ−２から５．０×１０−７μｍ−２の範囲から選択される。
【００１９】
例示的なＧＲＩＮファイバ・レンズ１８は、レンズ軸から距離においてほぼ二次関数で変化するコア屈折率プロファイルを有する。しかし、ＧＲＩＮファイバ・レンズ１８の他の実施形態は、二次関数ではない屈折率プロファイルを有する。
【００２０】
図２を再び参照すると、新規なＧＲＩＮファイバ・レンズ１８は、従来のＧＲＩＮファイバ・レンズ１１より広いコア２２を有する。より広いコア２２およびより小さい値のパラメータ「ｇ」は、ビーム・コリメータとして使用されたとき、適切な長さの新規なＧＲＩＮファイバ・レンズ１８が、より広い断面積およびより低いエネルギー密度を有するビームを作り出すことを可能にする。
【００２１】
図４Ａは、図１に示されるタイプの新規なファイバ・デバイス１６’によって放出された光ビーム３１を示し、図４Ｂは、図２に示されるタイプの従来のファイバ・デバイス１０’によって放出された光ビーム３２を示す。ファイバ・デバイス１６’、１０’は、等しいピッチ、例えば５／１６ピッチであるが、異なる屈折率プロファイルを有する、ＧＲＩＮファイバ・レンズ１８’、１１’を有する。レンズ１８’における新規なプロファイルは、従来の装置１０’のレイリー範囲ＲＲ’を超える、ファイバ・デバイス１６’のレイリー範囲ＲＲをかなり増大する。増大されたレイリー範囲は、従来のＧＲＩＮファイバ・レンズ１１におけるビーム拡大と比べると、ＧＲＩＮファイバ・レンズ１８’におけるよりなだらかなビーム拡大を結果として生じる。実際に、図４Ａおよび図４Ｂは、従来のＧＲＩＮファイバ・レンズにおけるよりも小さい、ＧＲＩＮファイバ・レンズの屈折率プロファイルにおける径方向湾曲にすることが、所定のピッチで放出されたビームの発散をかなり低減することを示す。
【００２２】
レイリー範囲は、光学デバイスがほぼ損失なしにファイバ・デバイスに結合することができる距離範囲を決定する。新規なファイバ・デバイス１６’におけるより大きなレイリー範囲は、従来のファイバ・デバイス１０’に利用できるよりも大きな、そのような装置に端部結合するために利用できる一組の距離を作る。
【００２３】
等しいピッチのＧＲＩＮレンズは、通常、レンズ長のｇ１／２倍の等しい積を有する。新規なＧＲＩＮファイバ・レンズ１８はより小さいｇ値を有するため、新規なＧＲＩＮファイバ・レンズ１８は、通常、等しいピッチの通常のＧＲＩＮファイバ・レンズ１１よりも長い。より長い長さは、新規なＧＲＩＮファイバ・レンズ１８を、通常のＧＲＩＮファイバ・レンズ１１よりも、取り扱い、位置合わせ、かつ光ファイバへの溶着をより容易にする。増大された長さは、同様に、新規なＧＲＩＮファイバ・レンズ１８の製造中に発生するへき開誤差に関連する、コリメーション誤差を低減する。
【００２４】
図５は、内付け化学気相成長（Ｍｏｄｉｆｉｅｄ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＭＣＶＤ）によってドープされたシリカ・ガラスのＧＲＩＮファイバ・レンズを製造する方法１００に関するフローチャートである。光ファイバのＭＣＶＤ構成は、参照により本明細書にその全体が組み込まれた、米国特許第４９０９８１６号および第４２１７０２７号に記載されている。製造方法１００は、改善されたＧＲＩＮプリフォームを形成し、その後、ＧＲＩＮファイバ・レンズ、例えば図２のＧＲＩＮファイバ・レンズ１８を作るために、改善されたＧＲＩＮプリフォームを使用することを含む。
【００２５】
ＧＲＩＮプリフォームを形成するために、シリカ・ガラスの層は、ＭＣＶＤによってシリカ・ガラス・クラッド・チューブの内側に堆積される（ステップ１０２）。ＭＣＶＤ中に、ドーパント・ガスの分圧の時間変化は、クラッド・チューブの内側にシリカ・ガラスを堆積するために使用されるガス混合物に放出される。例示的なドーパントは、Ｇｅ、Ａｌ、Ｐ、およびＦを含む。シリカ・ガラス内の１つ以上のこれらのドーパントの導入は、ガラスの屈折率を変化させる。ドーパント・ガスの分圧は、最終シリカ・ガラス・プリフォーム内のドーパント原子の平凡ではない径方向プロファイルを作り出すために、ＭＣＶＤプロセス中に変化される。
【００２６】
ドーパント原子における径方向プロファイルは、最終プリフォームにおける選択された径方向に分布された屈折率を作り出す。ドーパント密度および屈折率に関する例示的なプロファイルは、下方に凹状、または負の径方向湾曲を有するプロファイルを有する。しばしば、屈折率プロファイルは、プリフォームのコアにおけるプリフォーム軸からの距離の平方、例えば、図３Ａおよび図３Ｂのプロファイル２７、２９として変化する。他の径方向プロファイルは、ＭＣＶＤ中にドーパント原子の分圧の時間変化を適切に変更することによって得ることができる。ＧＲＩＮファイバにおける二次関数ではないプロファイルは、当業者に知られているようにＧＲＩＮファイバ内の光ビームの再整形を可能にする。
【００２７】
方法１００は、ロッド状のプリフォームを形成するために内側堆積によって作られたチューブを使用することを含む。ロッド状のプリフォームを形成するために、熱が、ドープされたシリカ・ガラスのチューブを部分的に壊すために加えられる（ステップ１０４）。一実施形態において、熱を加えることは、炉の高温ゾーンを通してチューブを繰り返し通過させることを含む。熱を加えることは、チューブ内の軸方向チャネルがガラスで完全に閉塞される前に停止される。
【００２８】
チューブを部分的に壊した後、シリカ・ガラス・エチャント混合物が、チューブの軸からガラスのいくつかの層を取り除くために、軸方向チャネルを通過される（ステップ１０６）。例示的なガス状エチャント混合物は、Ｃ２Ｆ２、Ｏ２、およびＣｌ２を含む。他のガス状エチャント混合物はＨＦを含む。取り除かれた層は、シリカ・ガラスの隣接する外側層より低いドーパント濃度を有する。なぜなら、ドーパントは気化し、チューブを壊すために使用される加熱の間にチューブの軸方向チャネルを通して失われるからである。より低いドーパント密度を有するこれらの層が取り除かれないなら、最終プリフォームは、ドーパント密度における軸方向のくぼみ、および屈折率における対応する軸方向くぼみを有する。屈折率における軸方向のくぼみは、いくつかの従来のＧＲＩＮファイバ・レンズの作動を妨げる。
【００２９】
いくつかのガラスの中央層のエッチング除去後、チューブは、ドープされたシリカ・ガラスのロッド状プリフォームに対してその破壊を終了するために、外部から加熱される（ステップ１０８）。
【００３０】
プリフォームを冷却した後、エチャントが、プリフォームの外側からクラッド・チューブの選択された厚みを取り除くために、外側表面に加えられる（ステップ１１０）。クラッド・チューブの部分を取り除くことは、クラッドが少ないまたはないガラス・ファイバのその後の線引きを可能にする。例えば、図３Ａにおけるプロファイル２７、および図３Ｂにおけるプロファイル２９を参照されたい。これらのクラッドの薄いまたはクラッドのないファイバは、ＧＲＩＮファイバ・レンズには有利である。なぜなら、そのようなファイバは、光ビームが、最終のＧＲＩＮファイバの断面積のより広い部分にわたって拡大することを可能にする。より広い断面積にわたるビームを拡大することは、関連する開口数を低減し、かつパワー密度を低減し、レンズの端部表面上、または放出されたビームのターゲット上の欠陥は、構成部品損傷をより引き起こし難くする。
【００３１】
ＧＲＩＮファイバ・レンズの製造は、分布屈折率プリフォームからＧＲＩＮファイバを線引きするために、標準のファイバ線引き炉を使用することを同様に含む（ステップ１１２）。冷却後、線引きされたＧＲＩＮファイバの一端部は、標準のファイバ、すなわち非分布屈折率コアを有するファイバの一端部に溶着される（ステップ１１４）。ＧＲＩＮおよび標準ファイバを溶着するために、２つのファイバの端部は、アルゴン雰囲気における電気アークまたはタングステン・フィラメントを用いて加熱され、一方、端部は、互いに適切に位置合わせされ、かつ隣接して配置される。
【００３２】
最後に、ＧＲＩＮファイバは、所望の長さを有する光学レンズを作り出すためにへき開される（ステップ１１６）。最終的に取り付けられたＧＲＩＮファイバ・レンズは、１／４、１／２、または任意の他の所望の長さを有し、ビーム・コリメータおよび拡大器として機能するファイバに溶着される。
【００３３】
最終のファイバ・デバイスの面からファイバに戻る反射を低減するために、へき開することは、ＧＲＩＮファイバの軸に垂直ではない方向に沿ってしばしば行われる。ＧＲＩＮではない光ファイバにおいて、ファイバの軸に対して垂直方向に対して８°の角度で、ファイバの端部面をへき開することは、戻り反射を著しく低減する。ＧＲＩＮファイバ・レンズに関しては、このへき開角度は、取り付けられた光ファイバへの戻り反射の同様な低減を達成するために、レンズ軸に垂直な方向から８°より小さく低減されることができ、例えば、好ましいへき開角度は、約０．５〜２°である。
【００３４】
方法１００は、従来のＧＲＩＮファイバ・レンズ、例えば図１のレンズ１１より、低い単位長さ当りの屈折パワーを有する、ＧＲＩＮファイバ・レンズ、例えば図２のレンズ１８を作り出す。したがって、新規なＧＲＩＮファイバ・レンズは、同様の光学パワーを有する従来のＧＲＩＮファイバ・レンズより著しく長い。より長いレンズは、より良く光をコリメートし、かつ装置構成中に操作することがより容易である。低い径方向ドーパント傾斜を有する例示的なＧＲＩＮファイバ・レンズは、約２、３、または４〜２０ｍｍの完全なピッチ長さを有する。
【００３５】
図２のＧＲＩＮファイバ・レンズ１８は、当業者に知られている、気相軸方向堆積（Ｖａｐｏｒ  Ａｘｉａｌ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＶＡＤ）、外方気相堆積（Ｏｕｔｅｒ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＯＶＤ）、およびゾル−ゲル・プロセスで作ることもできる。そのようなプロセスは、最終のＧＲＩＮファイバ・レンズの屈折率における軸方向くぼみを形成することを避けることを、同様に可能にする。
【００３６】
２．ＧＲＩＮファイバ・レンズを使用するファイバ・デバイス
様々な実施形態から、以下に記載する光ファイバ・デバイスが得られる。記載する様々な装置は、従来のＧＲＩＮファイバ・レンズ、例えば図１のレンズ１１、または新規なＧＲＩＮファイバ・レンズ、例えば図２のレンズ１８のいずれかを用いることができる。
【００３７】
図６Ａは、異なる基本モードまたはより高い伝搬モードを有する、一対の光ファイバ３６、３８を結合するモード・コンバータ４０を示す。いくつかの実施形態において、光ファイバ３６、３８は、異なる径のコアを有するか、またはコア・クラッド境界を横切る、異なるサイズの屈折率ジャンプを有する。モード・コンバータ４０において、ＧＲＩＮファイバ・レンズ４３は、光ファイバ３６、３８の端部に取り付けられる。例示的なモード・コンバータ４０において、ＧＲＩＮファイバ・レンズ４３は、光ファイバ３６、３８に直接溶着されるか、またはその厚みが、ファイバ３６、３８のコアの幅より大きくないグルー層（図示せず）によって、ファイバ３６、３８に結合される。
【００３８】
光ファイバ３６、３８は、異なるコア径、および／または屈折率ジャンプを有するので、ファイバ３６、３８は、異なるサイズを有する、伝搬モード、例えば基本モードを有する。ここで、伝搬モードのサイズは、最大強度値の半分のモードの完全な径として定義される。伝搬モードの異なるサイズのため、光ファイバ３６、３８を直接結合することは、光エネルギーの相当な結合損失、すなわちスプライス損失（ｓｐｌｉｃｅ  ｌｏｓｓ）を作り出す。
【００３９】
スプライス損失を低減するために、ＧＲＩＮファイバ・レンズ４３は、光ファイバ３６、３８間に配置され、光ファイバ３８の伝搬モードの径に等しいより大きな径を有するために、光ファイバ３６のより狭い伝搬モードを拡張するために選択される。適切なサイズ変換を作り出すために、ＧＲＩＮファイバ・レンズ４３を設計することは、適切なレンズ長を選択することを伴う。当業者は、一方のファイバ３６の伝搬モードサイズを、他方のファイバ３８の伝搬モードサイズに変換するために必要な強度量に基づいて、ＧＲＩＮファイバ・レンズ４３の長さをいかに選択するかを知っているであろう。
【００４０】
他の実施形態において、モード・コンバータ３４は、光ファイバ以外の導波路を光ファイバ３８に結合する。
【００４１】
図６Ｂは、図６Ａのモード・コンバータ３４の特定の実施形態３４’を示す。モード・コンバータ３４’において、ＧＲＩＮファイバ・レンズ４３’は、一連のＧＲＩＮファイバ・レンズ素子４３Ａ、４３Ｂで作られた複合レンズである。第１の素子４３Ａは、光ファイバ３６の端部に直接溶着され、最後の素子４３Ｂは、光ファイバ３８の端部に直接溶着される。例示的なＧＲＩＮ素子４３Ａおよび４３Ｂは、共に溶着され、異なる屈折率プロファイルおよび長さを有する。２つのレンズ素子４３Ａ、４３Ｂの長さおよび屈折率プロファイルは、ファイバ３６、３８をより良好に光学的に結合されるように選択される。いくつかの実施形態において、第１のＧＲＩＮ素子４３Ａは、ファイバ３６によって放出される光ビームを拡張し、第２の素子４３Ｂは、ファイバ３８内の伝搬モードのサイズに対するビーム・ウェストを集束する。
【００４２】
図７Ａは、１×２マイクロ光ルータ４６を示す。ルータ４６は、入力光ファイバ４８と、出力光ファイバ５０、５２と、出力ファイバ５０、５２の選択された１つに入力ファイバ４８からの光を向けるための可動反射器５４とを含む。光ファイバ４８、５０、５２の終端は、ＧＲＩＮファイバ・レンズ４９、４９’、４９”、例えば同一のＧＲＩＮファイバ・レンズに溶着される。ＧＲＩＮファイバ・レンズ４９は、ファイバ４８からの放出された光ビームをコリメートする、または集束する機能を行う。ＧＲＩＮファイバ・レンズ４９’、４９”は、光を収集する、および結合された光ファイバ５０、５２に収集された光を結合する機能を行う。出力光ファイバ５０、５２は、入力光ファイバ４８によって放出されたビームのウェストが、入力光ファイバ４８と出力光ファイバ５０、５２との間の光経路の中間であるように配置される。反射器５４の反射表面は、出力光ファイバ５０に光を反射するように配置されたとき、ほぼレイリー範囲内のビーム・ウェストに配置される。
【００４３】
ルーティングを選択するために、反射器５４は、光ファイバ４８によって放出された光ビームの経路に、または経路を外れて動かされる。反射器５４は、マイクロ電子機械（ＭＥＭ、ｍｉｃｒｏ−ｅｌｅｃｔｒｏ−ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ）装置５６に印加された電気信号に応答して、反射器５４をビームの光経路に、または光経路を外して動かすＭＥＭ装置５６に固定される。
【００４４】
ＧＲＩＮファイバ・レンズ４９、４９’、４９”は、終端５８、６０、６２が、ルーティング領域６４の反射器５４の挿入および除去を可能にするために十分に長い距離だけ分離されることができるように、ビーム・コリメーションおよび収集を改善する。図２、３Ａ〜３Ｂ、４Ａの新規なＧＲＩＮファイバ・レンズ１８に基づくルータ４６の実施形態において、より良好なビーム・コリメーションは、終端５８、６０、６２間の距離が約９ｍｍと同じ大きさになることを可能にする。これらの大きなファイバ間距離に関して、ＧＲＩＮファイバ・レンズ４９、４９’、４９”は、約０．５デシベル（ｄＢ）より小さく、および好ましくは約０．２ｄＢ〜０．０５ｄＢより小さく、光結合損失を低減する。しかしながら、より大きいファイバ間空間は、より重大なファイバ・デバイス位置合わせ問題を伴う。
【００４５】
いくつかの実施形態において、マイクロ・ルータ４６は、ＧＲＩＮファイバ・レンズ４９、４９’、４９”が、湾曲した屈折表面を有する従来のレンズで置き換えられた、類似のルータの全体サイズよりかなり小さい全体サイズＳを有する。湾曲した屈折表面を有するレンズは、ＧＲＩＮファイバ・レンズ４９、４９’、４９”より大きな径を有する。より大きなレンズ径は、マイクロ・ルータ４６よりそのようなルータにおけるより大きな分離で、入力および出力ファイバの端部を配置する必要がある。湾曲した屈折表面を有するレンズは同様に、一般に、マイクロ・ルータ４６の溶着されたＧＲＩＮファイバ・レンズ４９より大きな径のルーティング領域におけるコリメートされたビームを作り出す。より大きなビーム径は、マイクロ・ルータ４６の反射器５６に必要であるより大きな、レンズが湾曲した屈折表面を有するルータのルーティング反射器の反射表面を必要とする。
【００４６】
マイクロ・ルータ４６のある実施形態において、ＧＲＩＮレンズ４９、４９’、４９”間分離の特性距離Ｓは、レイリー範囲の約１〜３倍に対してファイバ径の約１〜３倍の範囲の値、例えば約１ｍｍより小さい値を有する。これらの実施形態において、取り付けられたＧＲＩＮファイバ・レンズ４９、４９’、４９”の径が小さいため、レンズ４９、４９’、４９”間の領域６４の小さいサイズが一部分は達成され、反射器５４の反射表面が、小さなビーム・アクセプタンス・ウインドウ（ｂｅａｍ  ａｃｃｅｐｔａｎｃｅ  ｗｉｎｄｏｗ）を有するため一部分は達成される。入力ビームを反射するアクセプタンス・ウインドウは、ＧＲＩＮファイバ・レンズ４９が、ファイバ４８の径より小さいビーム・ウェストを作り出すので、ファイバ径より小さいことができる。小さな径のＧＲＩＮファイバ・レンズ４９、４９’、４９”および反射器５４の微小性の両方が、ルータ４６を湾曲した屈折表面を有するレンズを使用するルータよりかなり小さくなることを可能にする。
【００４７】
図７Ｂは、図７Ａに示されるルータ４６の代わりの実施形態４６’を示す。ルータ４６’において、ファイバ４８、５０、５２は隣接し、かつリニア・アレイ６８に配置される。単一の回転可能な反射器５６’、例えばＭＥＭＳ制御された反射器は、ファイバ４８からの光を、ファイバ５０またはファイバ５２のどちらかに選択的にルーティングする。いくつかの実施形態において、ファイバ５０および５２の軸は、反射器５６’からの光がファイバ５０、５２の軸と平行になることを確実にするために、ファイバ４８の軸に対してわずかに傾斜される。
【００４８】
ファイバ４８、５０、５２をアレイ６８に構成することは、ルータ４６’の幅をアレイ６８の幅Ｗにほぼ等しくする。ＧＲＩＮファイバ・レンズ４９、４９’、４９”の小さな径および優れたコリメーションは、ファイバ４８、５０、５２を密接してアレイ６８に詰め込むことを可能にする。したがって、ルータ４６の実施形態は、湾曲した屈折表面を有するレンズがＧＲＩＮファイバ・レンズ４９、４９’、４９”を置き換える同様の形態のルータの幅よりかなり小さい幅Ｗを有することができる。
【００４９】
図７Ｃは、光の偏光、光波長、または相対的ファイバ位置に基づく３本の光ファイバ４８、５０、５２を結合する光学デバイス４６”の実施形態を示す。光ファイバ４８、５０、５２は、取り付けられ、光をコリメートしかつ収集するＧＲＩＮファイバ・レンズ４９、４９’、４９”を有する。装置４６”は、光ファイバ４８、５０、５２間に光を、例えば偏光または波長に応じた方法で伝送する光素子５４’を含む。様々な実施形態において、光学デバイス５４’は、偏光ビームスプリッタ、格子、光サーキュレータ、またはブラッグ（Ｂｒａｇｇ）格子などの波長選択反射器を含む。
【００５０】
図８は、入力光ファイバ７２、Ｎ本の出力光ファイバ７４１〜７４Ｎの出力アレイ７３、および反射器７６を含む１×Ｎマイクロ光ルータ７０を示す。光ファイバ７２、７４１〜７４Ｎは、端末ＧＲＩＮファイバ・レンズ７７０〜７７Ｎが溶着されたシングル・モード・ファイバである。入力光ファイバ７２からの光ビーム７８は、ビーム７８のウェスト、すなわちレイリー範囲の１／２内近くで反射器７６と交差する。
【００５１】
例示的な反射器７６は、動きまたは回転するミラー、または波長依存の方法で光を反射する回折格子を含む。例えば、ルータは、波長分割多重化ネットワークのためのスペクトル感受性のデマルチプレクサであることもできる。
【００５２】
ＧＲＩＮファイバ・レンズ７７０〜７７Ｎは、入力光ファイバ７２の光ビーム７８を拡大しかつコリメートし、光ビーム７８を出力光ファイバ７４１〜７４Ｎに集束する。ＧＲＩＮファイバ・レンズ７７０〜７７Ｎのため、光ファイバ７４１〜７４Ｎの出力アレイ７３および入力光ファイバ７２は、著しい結合損失なしにバルク反射器７６を経路に挿入することを可能にするために十分な長さである光経路によって分離することが可能である。ルータ７０のために、結合損失は、一般に約０．５ｄＢ〜０．２ｄＢより小さく、好ましくは約０．１ｄＢより小さい。
【００５３】
マイクロ光ルータ７０において、ＧＲＩＮファイバ・レンズ７７０は、ファイバ７２からのビームを、反射器７６の反射アクセプタンス・ウインドウに集束する。方向Ｄに対して垂直方向のアクセプタンス・ウインドウの径は、ファイバ径より小さい。同様に、ＧＲＩＮファイバ・レンズ７７０〜７７Ｎの使用は、ファイバ７４１〜７４Ｎの異なるファイバに向けて反射される光ビーム間の干渉なしに、アレイ７３における増大されたファイバ・パッキング密度を可能にする。最終的に、ＧＲＩＮファイバ・レンズ７７０の使用は、反射器７６のアクセプタンス・ウインドウおよび全体サイズを、そうでなければ、湾曲された屈折表面を有するレンズ（図示せず）を用いるルータにおいて必要とする反射器のアクセプタンス・ウインドウおよび全体サイズより小さいことを可能にする。したがって、ＧＲＩＮファイバ・レンズ７７０〜７７Ｎの使用は、マイクロ・ルータ７０において、湾曲された屈折表面を有するレンズに基づくファイバ・ルータより大幅な小型化を可能にする。
【００５４】
他の実施形態は、図２のＧＲＩＮファイバ・レンズ１８を用い、上述した開示から当業者には明らかな方法によって、Ｎ×１ルータ（図示せず）を構成する。例えば、２×１ルータは、図７Ａの１×２マイクロ・ルータ４６におけるファイバ４８、５０、５２に関する、入力および出力の指定を換えることによって構成することができる。
【００５５】
図９は、Ｎ×Ｍ光ルータ８０の上面図である。ルータ９０は、Ｎ本の入力光ファイバ８２１〜８２Ｎのアレイ８１、およびＭ本の出力光ファイバ８４１〜８４Ｍのアレイ８３を含む。ファイバ８２１〜８２Ｎ、８４１〜８４Ｍは、それらの終端部に溶着されたＧＲＩＮファイバ・レンズ８５１〜８５Ｎ、８６１〜８６Ｍを有する。ＧＲＩＮファイバ・レンズ８５１〜８５Ｎ、８６１〜８６Ｍは、図７ＡのＧＲＩＮファイバ・レンズ４９、４９’、４９”に関して前述されたＧＲＩＮファイバ・レンズに類似するビーム・コリメーションおよび収集を提供する。入力ファイバ８２１〜８２Ｎと出力ファイバ８４１〜８４Ｍとの間は、固定されたおよびルーティング反射器８８Ｆ１〜８８ＦＮ、８９Ｒ１〜８９ＲＮのバンク８７Ｆ、８７Ｒである。例示的な反射器８９Ｒ１〜８９ＲＮは、波長選択反射器、例えば格子、および波長非感受性反射器を含む。適切な位置合わせ反射器８８Ｒ１〜８８ＲＮは、入力ファイバ８２１〜８２Ｎの個別のファイバからの光を、出力ファイバ８４１〜８４Ｍの選択されたファイバにルーティングする。反射器８８Ｒ１〜８８ＲＮは、ＭＥＭの装置８９１〜８９Ｎによって動作され、その径が、アレイ８１のファイバ間の間隔ＩＦＳより小さい入力ビームのためのアクセプタンス・ウインドウを有する。
【００５６】
取り付けられたＧＲＩＮファイバ・レンズ８５１〜８５Ｎ、８６１〜８６Ｍを用いることによって、アレイ８１、８３におけるファイバ・パッキング密度は、湾曲された屈折表面を有するレンズ（図示せず）が、図９のＧＲＩＮファイバ・レンズ８５１〜８５Ｎ、８６１〜８６Ｍを置き換えるＮ×Ｍファイバ・ルータのファイバ・パッキング密度より増大することができる。同様に、ルータ８０における反射器８８Ｆ１〜８８ＦＮ、８９Ｒ１〜８９ＲＮの反射表面サイズは、湾曲された屈折表面を有するレンズに基づくルータにおける反射器の反射表面のサイズより小さい。なぜなら、ＧＲＩＮファイバ・レンズ８５１〜８５Ｎによって作られたビーム径が、小さいからである。両方の作用が、新規なＮ×Ｍが、湾曲された屈折表面を有するレンズに基づくＮ×Ｍルータより小さいことを可能にする。
【００５７】
図１０は、光ファイバ９２、９４の端部９１、９３の間にインラインに配置されるマイクロ光学デバイス９０を示す。例示的なマイクロ光学デバイス９０は、波長感受性アド／ドロップ・モジュール、偏光子、偏光ロテータ、一方向光アイソレータ、および制御可能な光減衰器を含む。光ファイバ９２、９４の端部９１、９３は、ＧＲＩＮファイバ・レンズ９６、９８に溶着される。ＧＲＩＮファイバ・レンズ９６は、光ファイバ９２によって放出された光をコリメートする。ＧＲＩＮファイバ・レンズ９８は、受信された光を光ファイバ９４に集束する。マイクロ光学デバイス９０は、ＧＲＩＮファイバ・レンズ９６、９８に関連するレイリー範囲より大きくない、適切な厚みｄを有する。そのような厚みのために、ＧＲＩＮファイバ・レンズ９６、９８は、解析に関連する結合損失を低減する。
【００５８】
本発明の他の実施形態は、本願の明細書、図面、および請求項から当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】２つの光ファイバを端部結合するために従来のＧＲＩＮファイバ・レンズを用いる、ファイバ・デバイスの断面図である。
【図２】光ファイバがＧＲＩＮファイバ・レンズの一実施形態に対して溶着された、ファイバ・デバイスの断面図である。
【図３Ａ】従来のＧＲＩＮファイバ・レンズおよび新規なＧＲＩＮファイバ・レンズにおいて、ゲルマニウム・ドーパント濃度の径方向プロファイルを示す。
【図３Ｂ】図３ＡのＧＲＩＮファイバ・レンズに関する屈折率の径方向プロファイルを示す。
【図４Ａ】新規なＧＲＩＮファイバ・レンズを有するファイバ・デバイスにおけるビーム・コリメーションを示す。
【図４Ｂ】従来のＧＲＩＮファイバ・レンズを有するファイバ・デバイスにおけるビーム・コリメーションを示す。
【図５】図２のファイバ・デバイスを製造する方法に関するフローチャートである。
【図６Ａ】モード・コンバータの断面図である。
【図６Ｂ】複合ＧＲＩＮファイバ・レンズを使用するモード・コンバータの断面図である。
【図７Ａ】１×２マイクロ光学ルータの上面図である。
【図７Ｂ】１×２マイクロ光学ルータに関する他の形態の上面図である。
【図７Ｃ】３つの光ファイバに光学的に結合する装置の上面図である。
【図８】１×Ｎマイクロ光学ルータの断面図である。
【図９】Ｎ×Ｍマイクロ光学ルータの上面図である。
【図１０】インライン光学デバイスを有する光ファイバの断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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