KR20020032564A - 광 파이버/마이크로 렌즈, 광 파이버 및 광 파이버의 배치방법 - Google Patents

광 파이버/마이크로 렌즈, 광 파이버 및 광 파이버의 배치방법 Download PDF

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Abstract

코어(2)와 클래드(4)를 갖고, 광 파이버 축선(3)은 코어(2)를 통해서 신장하고, 또한 애너몰픽 집속 수단을 취하는 단일 모드 광 파이버·마이크로 렌즈에 있어서, 광원 또는 출사광에 대향하는 광 파이버(1) 선단면에 경사면으로 이루어지는 웨지형상을 형성하고, 웨지형상 선단부의 교차부 길이 방향으로 광 파이버 축선과 직교 방향으로 각각 각도(θ)를 이루는 제2 경사면을 대칭으로 형성하고, 2개의 제2 면이 서로 교차하는 단부에 웨지형상 마이크로 렌즈를 구비한다.

Description

광 파이버/마이크로 렌즈, 광 파이버 및 광 파이버의 배치 방법{OPTICAL FIBER/MICRO-LENS, OPTICAL FIBER AND OPTICAL FIBER ARRANGING METHOD}
광통신용의 발광원으로서는, 레이저 다이오드(이하 LD라고 한다), 발광 다이오드 등이 이용되지만, 광 전송로인 광 파이버에 입광시키기 위해서는 광 파이버 단을 발광면에 위치 맞추어 결합시키는 것이 일반적이다. 그러나, 발광면으로부터의 광의 출사각은 상당히 퍼짐이 있기 때문에, 광 파이버와의 결합 효율은 매우 좋다고는 말할 수 없다. 따라서, 결합 효율을 향상시키기 위해서 마이크로 렌즈 등을 삽입하여 광을 집속시켜서 광 파이버로의 입광 효율을 좋게 하는 방법이 있다. 한편 광 파이버 입사시의 후방 반사에 의한 손실을 억제하기 위해서 광 파이버 및 마이크로 렌즈를 경사시키는 방법도 종래로부터 함께 이용되고 있다. 이것은 광 파이버 그것의 단면을 연마하여 각도를 만드는 방법, 혹은 광 파이버와 LD의 위치 결정 시에 발광면에 대해서 비스듬히 위치 맞추는 방법이다.
1990년 9월 발행의 간행물 저널·오브·라이트 웨이브·테크놀로지에 게재된 비렌드러·S·서어 등에 의한 「웨지형상(쐐기형상)의 파이버 단면을 이용한 980㎚ 광영역 레이저로부터 단일 모드 파이버로의 효율적인 파워 결합」에는 비대칭성의 광원으로부터의 방사광을 유효하게 결합시키기 위해서 애너몰픽 집속 수단을 이용한 광 파이버·마이크로 렌즈가 제안되어 있다(Journal of Lightwave Technology Volume8 No. 9, Sep. 1990, Efficient Power Coupling from a 980-nm, Broad-Area Laser to a Single-Mode Fiber Using a Wedge-Shaped Fiber Endface). 이것에 의하면 47%의 결합 효율을 가질 수 있는 웨지형상 렌즈를 제안하고 있다. 이 경우의 웨지 각도(θ)는 25도가 된다. 각도(θ)는 광 파이버의 길이 방향 축선 즉 코어의 중심축 방향에 대해서 직교하는 평면과 웨지면의 교차 부분을 이루는 각도이다.
예를 들면 일본국 특개평 8-5865호 공보에는 타원 모드 필드 광 빔을 원대칭 싱글 모드 광 파이버에 결합시키는 것을 목적으로 하고, 파이버의 선단에 애너몰픽 집속 수단을 이용한 더블 웨지 마이크로 렌즈가 제안되어 있다(도 14A 참조). 도14a에 의하면 50은 광 파이버, 51은 코어, 52는 클래드, 53의 광 파이버 축선과 평면(54)은 직교 관계에 있다. 그리고 5θ<5Ø의 관계가 존재한다.
또 본원과 동일한 출원인에 의한 일본국 특개평 8-86923호 공보에는 광원에 대항하는 광 파이버 단의 코어 중심을 기준으로 한 중심선의 양측에 경사 단면을 설치하여 웨지형상으로 하고, 이 선단에 원하는 곡률을 설치하여 반원통형상 렌즈를 형성한다고 기재되어 있다. 도 14B는 이 광 파이버 단의 삼면도이다.
이들의 제안은 엘빔·도핑·파이버 증폭기(이하 EDFA) 등의 여기(勵起)에 이용되는 고 파워인 980㎚의 LD에 대응하여 이용된다. 그것은 어스펙트비가 4 : 1 이상으로 현저한 타원형의 출력 방사 패턴을 갖는다는 특징을 갖고 있다. 또 일그러진 격자형 양자 우물 렌즈에서도 광 방사창부가 동일하게 현저하게 옆으로 넓어져서 결합 효율을 좋게 하기 위해서 편평 렌즈 등의 애너몰픽 집속 수단을 이용한 원 비대칭 렌즈를 이용한다.
이 애너몰픽 집속 수단을 이용한 마이크로 렌즈는 타원형의 비대칭성의 출력 방사 패턴을 갖는 고 파워 LD에 대응하여 이용되고 있고, 결합 효율 면에서는 확실하게 효과를 이룬다. 그러나 결합 효율을 중시하는 나머지, 비대칭성 고출력 패턴을 수반한 이 고 파워 LD가 후방 반사의 영향을 직접 받고, 그 출력 방사 스펙트럼을 넓은 범위에 걸쳐서 변화시켜 버리는 개연성이 있을 수 있다. 전술한 EDFA의 980㎚의 LD도 후방 반사한 나머지, 엘빔의 흡수 대역 바깥으로 여기 방사가 나사 굴곡되어 증폭 기능에 크게 영향을 미치는 경우도 있다. 이들의 문제점은 1994년 8월 발행의 간행물「IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL.6, NO.8 : Reflection-Induced Chages in the Optocal Spectra of 980-nm QW Lasers」에 C.R. 기레스에 의해 제안되어 있다.
본원 발명자의 계산에서도 광 파이버의 선단의 라인이 광 파이버의 축에 대해서 90도를 이루는 경우, 더블 웨지형상의 광 파이버 마이크로 렌즈에서도 후방 반사 레벨이 약 -30㏈ 생겨 버린다. 그리고 이 값은 상기 고 파워 LD의 증폭 기능에 반사 감쇠량으로서 확실하게 큰 영향을 미쳐 버린다.
이들 후방 반사 영향에 대한 해결책으로서, 벨크 격자, 파이버 격자 반사기를 광 파이버 모듈로 내장하는 방법이 있다. 이것은 반사를 억제하여 협대역에 봉해 넣음으로써 개선을 도모한다고 하는 것이었다. 그러나, 이들 반사 기기는 광 파이버 모듈로서 사용하는 데에는 대단히 고가이다. 그래서 다른 방법으로 일본국 특개평 10-78531호 공보에는 LD와 광 파이버의 결합 효율을 높이면서 후방 반사 레벨을 저감시키는 목적으로 새로운 광 파이버 마이크로 렌즈가 제안되어 있다.
이 출원에 의하면, 광 파이버 초소형 렌즈에 있어서, 광 파이버와 비대칭성 출력을 갖는 레이저·다이오드 사이의 결합 효율을 높이고, 초소형 렌즈로부터 레이저·다이오드로의 후방 반사 레벨을 저감하는 것에 과제가 놓여져 있다. 그 해결 수단은 도 15에 의하면, 광 파이버(61)의 웨지 선단에서의 2개의 평탄한 표면(65, 66)의 교차선(67)이 초소형 렌즈(64)의 장축을 이루고, 그 교차선(67)을 광 파이버의 축선(63)에 대해서 90도 미만의 각도(θ)로 위치 맞춤 함으로써 달성되는 것이다.
이 방법에서는 후방 반사 레벨의 저감, 즉 광 반사 감쇠량의 저감화에는 확실하게 효과를 이루지만, 결합 효율의 면에서는 LD와 광 파이버의 위치 결정을 희생하고 있다. 먼저, 2개의 평탄한 표면(65, 66)의 교차선(67)을 초소형 렌즈(64)의 장축을 이루도록 설계하고 있고, 그 교차선이 90도 미만인 각도(θ)로 광 파이버의 축선에 대해서, 즉 경사진 각도를 갖고 초소형 렌즈가 광 파이버 선단에 설치되기 때문에, 당연히 LD로부터의 레이저는 굴절되어 입사하게 된다. 여전히 존재하는 LD와 광 파이버의 결합의 곤란성이라는 것은 이와 같은 각도가 있는 선단을 갖는 광 파이버·초소형 렌즈의 경우, 굴절률에 맞추어 LD를 광 파이버에 대해서경사시켜서 위치를 취하거나, 혹은 역으로 광 파이버를 반대로 경사시켜서 위치 결정하는 수밖에 없다는 점이다. 어느 쪽이든 선단이 경사각을 이루는 경우, 그 각도분은 반드시 중심부 코어를 향해서 LD로부터 거리가 생기게 된다(도 15에서의 거리(L)의 부분). 그 때문에 LD와 광 파이버의 최적의 위치 결정이 곤란하게 되어 버린다.
따라서, 이 발명은 엘빔·도핑·파이버 증폭기(EDFA)의 여기에 이용되는 980㎚의 LD나 일그러진 격자형 양자 우물 레이저 등의 비대칭성 출력을 갖는 고 파워의 LD 등과 광 파이버·마이크로 렌즈 또는 광 파이버와의 결합 효율을 보다 양호하게 이루고, 또한 마이크로 렌즈로부터 LD로의 후방 반사량을 저감하고, 결론적으로 광 파이버 단면에서의 광 반사 감쇠량을 될 수 있는 한 저감시키면서 대단히 고효율의 결합을 도모하는 것이 가능한 광 파이버·마이크로 렌즈, 광 파이버 및 광 파이버의 배치 방법을 제공하는 것으로 목적으로 하고 있다.
이 발명은 광통신에 사용하는 레이저 다이오드, 특히 타원형상 방사선의 발생원 등의 발광원과, 광 파이버의 단부에 형성된 단일 모드 또는 다중 모드 광 파이버·마이크로 렌즈 또는 광 파이버와의 광 결합 내지 광 파이버의 배치 방법에 관한 것이다.
도 1은 이 발명의 한 실시예를 도시하는 광 파이버·마이크로 렌즈의 상면도이다.
도 2는 이 발명의 한 실시예를 도시하는 광 파이버·마이크로 렌즈의 측면도이다.
도 3은 이 발명의 한 실시예를 도시하는 광 파이버·마이크로 렌즈의 정면도이다.
도 4는 이 발명의 한 실시예를 도시하는 광 파이버·마이크로 렌즈의 개략 사시도이다.
도 5는 실시형태 2의 광 파이버의 선단 형상을 코어 부분을 중심으로 도시한 설명도이다.
도 6은 실시형태 2의 광 파이버의 선단 형상을 코어 부분을 중심으로 도시한 설명도이다.
도 7은 광 파이버의 선단부가 타원체의 일부의 표면이 되어 있는 상태를 도시한 설명도이다.
도 8은 y평면상에서는 반경(Rh)의 원호를 그리고, x평면상에서는 반경(Rv)의 원호를 그리는 코어 선단부의 형상의 모양을 도시한 설명도이다.
도 9는 반도체 레이저로부터 출사되는 레이저광의 광 선속의 형상을 도식적으로 도시한 설명도이다.
도 10은 광 파이버와 반도체 레이저 배치 예를 도시한 설명도이다.
도 11은 Rh 및 Rv를 변화시킨 경우의 결합 효율을 도시한 도면이다.
도 12는 반원통 렌즈 형상으로 선단부를 가공한 종래의 광 파이버의 외관도이다.
도 13은 광 파이버의 선단 형상의 다른 가공 예를 도시한 도면이다.
도 14는 A, B 모두 종래의 웨지형상 광 파이버와 마이크로 렌즈를 도시하는 도면이다.
도 15는 종래의 선단이 경사진 광 파이버와 마이크로 렌즈의 측면도와 상면도이다.
이 발명에 관한 광 파이버·마이크로 렌즈는 코어와 클래드를 갖고, 상기 코어 선단부에 애너몰픽 집속 수단을 구비하는 광 파이버·마이크로 렌즈에 있어서, 광원 또는 출사광에 대향하는 광 파이버 선단에서 웨지형상으로 교차하는 위치 관계에 있는 제1의 2개의 경사면을 형성하고, 상기 코어의 중심을 통하는 광 파이버 축선에 수직인 평면상의 축에 있어서, 상기 광 파이버 축선과 상기 웨지형상으로 교차하는 방향에 수직인 축으로부터 각각 각도(θ)를 이루는 제2 경사면을 형성하고, 형성된 4개의 경사면에 둘러싸인 단부를 애너몰픽 수속 수단으로서 마이크로렌즈를 형성한 것을 특징으로 한다.
이 발명에 의하면 애너몰픽 수속 수단에 의해 고출력의 레이저 다이오드 등으로부터의 광을 효율적으로 코어에 집광시킨다.
또, 이 발명에 관한 광 파이버는 선단을 곡면에 가공한 광 파이버로서, 상기 곡면은 타원면의 일부의 표면이고, 상기 타원면의 주축의 하나가 코어의 중심축과 일치하도록 가공한 것을 특징으로 한다.
이 발명에 의하면, 타원체의 표면의 일부를 선단에 가짐으로써, 고출력의 레이저 다이오드 등으로부터의 광을 효율적으로 코어에 집광시킨다.
또, 이 발명에 관한 광 파이버는 선단을 곡면에 가공한 광 파이버로서, 코어의 중심축을 포함하는 서로 수직인 2개의 평면과 상기 곡면의 교차선이 각각 소정 반경의 원호가 되도록 가공한 것을 특징으로 한다.
이 발명에 의하면, 2개의 곡률을 갖는 곡면을 선단에 가짐으로써, 고출력의 레이저 다이오드 등으로부터의 광을 효율 좋게 코어에 집광시킨다. 또한, 이 직교하는 원호의 사이는 매끄러운 곡면을 갖고, 코어 중심에 대해서 대칭인 형상인 것으로 한다.
또, 이 발명에 관한 광 파이버는 상기 곡면을 코어 부분에 설치하고, 클래드 부분에는 상기 곡면에 연속하는 평면을 상기 중심축에 대해서 대칭으로 설치한 것을 특징으로 한다.
이 발명에 의하면, 클래드 부분에 입사하는 광을 포함시키고, 고출력의 레이저 다이오드 등으로부터의 광을 효율적으로 코어에 집광시킨다.
또, 이 발명에 관한 광 파이버는 상기 원호의 곡률 반경의 비를 1.2∼3.8의 사이에 설치한 것을 특징으로 한다.
이 발명에 의하면, 코어 선단부가 원통형상으로 가공됨으로써 집광 작용을 갖는 광 파이버와 동등 이상으로 고출력의 레이저 다이오드 등으로부터의 광을 코어에 집광시킨다.
또, 이 발명에 관한 광 파이버는 상기 원호의 곡률 반경의 비를 1.8∼2.4의 사이에 설치한 것을 특징으로 한다.
이 발명에 의하면, 더욱 고효율로 광을 코어에 집광시킨다.
또, 이 발명에 관한 광 파이버는 상기 원호의 곡률 반경 중 작은 쪽의 곡률 반경의 코어 반경에 대한 비를 1.3∼2.6의 사이에 설치한 것을 특징으로 한다.
이 발명에 의하면, 코어 선단부가 원통 형상으로 가공됨으로써 집광 작용을 갖는 광 파이버와 동등 이상으로 고출력의 레이저 다이오드 등으로부터의 광을 코어에 집광시킨다.
또, 이 발명에 관한 광 파이버는 상기 원호의 곡률 반경 중 작은 쪽의 곡률 반경의 코어 반경에 대한 비를 1.6∼1.9의 사이에 설치한 것을 특징으로 한다.
이 발명에 의하면, 더욱 고효율로 광을 코어에 집광시킨다.
또, 이 발명에 관한 광 파이버의 배치 방법은 소정의 광원으로부터 입사해 오는 광선속이 광 파이버의 선단에 접하는 평면상에서 타원형상으로 편평한 형상인 경우에, 코어의 중심축을 상기 광 선속의 중심의 광선의 진행 방향으로 일치시키고, 또한 코어 선단에서 가장 큰 곡률을 갖는 접속 방향을 상기 편평한 형상의 길이 방향과 직교인 위치 관계가 되도록 광 파이버를 축 회전시켜서 배치하는 것을 특징으로 한다.
이 발명에 의하면, 편평하게 넓어지는 방향으로 가장 곡률이 작은(즉 광을 잘 절곡하는) 곡면이 배치되기 때문에 고출력의 레이저 다이오드 등으로부터의 광을 효율적으로 코어에 집광시킨다.
이하, 본 발명의 실시형태를 설명한다. 실시형태 1에서는 특히 후방 반사를 저감시키는 관점으로부터 광 파이버·마이크로 렌즈를 설명하고, 실시형태 2에서는 특히 결합 효율을 향상시키는(즉, 코어에 광을 고효율로 집광시키는) 광 파이버 및 광 파이버의 배치 방법에 대해서 설명한다.
(실시형태 1)
실시형태 1에서는 후방 반사를 저감시키는 점에 대해서 발명을 상세하게 설명한다. 여기에서는 먼저 광 파이버·마이크로 렌즈의 형상을 그 제작 방법을 따름으로써 도면을 이용하여 설명하고, 다음에 다시 도면을 이용하면서 상세한 형상 설명을 행한다.
광 파이버·마이크로 렌즈의 작성에 있어서는, 먼저 전술한 본원과 동일 출원인인 일본국 특개평 8-86923호 공보에 따라서 광 파이버의 선단을 연마하여 웨지형상으로 형성한다. 물론 애너몰픽 집속 수단을 취하는 단일 모드 광 파이버·마이크로 렌즈의 형상을 그 목적으로 한다. 도 1 내지 도 4를 참고로 하면, 먼저 웨지형상으로 연마하여 경사면(A, A')이 형성된다(도 14B도 참조). 또한, 발명자의 계산에 의하면 웨지형상으로 형성하였을 때의 웨지형상 개각도(β)는 50도 내지 120도까지의 임의의 각도를 취할 수 있다. 웨지형상 선단부의 중앙부보다 더 각도(θ)를 갖고 연마된다. 또 이 각도(θ)는 길이 방향 광 파이버 축선에 대해서 방사 관계에 있는 평면(x)에 대해서 계측되는 것이다. 이 각도(θ)를 갖는 연마, 그것은 중심부(T)까지 연마를 행하고, 완만한 능선을 그릴 정도의 곡면을 이룰 때까지로 한다. 그리고 웨지형상 선단부에 새롭게 제2의 면(a, a')이 대칭으로 형성되는 것을 특징으로 하는 광 파이버·마이크로 렌즈가 제공되는 것이다.
다음에 반사 감쇠량에 대해서 생각한다. 일반적으로 반사 복귀광(후방 반사)이 크면, 광 커넥터 사이의 다중 반사나 레이저로의 복귀가 전송 특성의 열화를 초래한다. 반사 감쇠량은 커넥터 등의 광학 특성으로서 가장 중요한 지표의 하나이다. 그리고 이 반사 복귀광의 주요한 발생 원인은 연마 단면에서 발생하는 프레넬 반사이다. 프레넬 반사의 크기는 광 파이버 단면의 절단각에 크게 의존하고, 6도 이상에서는 무반사가 되어 광 펄스 시험기(OTDR)로도 측정할 수 없다. 한편으로 광 파이버 렌즈의 웨지의 선단의 곡률이 커지면 후방 반사 레벨은 보다 커져 버린다. 본원의 경우 웨지형상의 선단을 간단히 어느 곡률을 갖는 능선의 연속, 결국 선단을 평탄한 상태 그대로 해 두는 것만이 아니라, 보다 후방 반사 레벨을 저감시키기 위해서, 각도(θ)만큼 경사시킨 a, a'의 제2 면을 선단에 형성시키고, 더 나아가서는 반사 감쇠량의 저감을 이루는 것이다.
다음에, 도 1 내지 도 4를 참고로 하여 본 발명을 설명한다. 도 1 내지 도 4는 본 발명의 한 실시예이다. 도 1은 본 발명의 광 파이버·마이크로 렌즈의 상면도이다. 도 2는 본 발명의 광 파이버·마이크로 렌즈의 측면도, 도 3은 본 발명의 광 파이버·마이크로 렌즈의 정면도, 도 4는 본 발명의 광 파이버·마이크로 렌즈의 개략 사시도이다.
기본적으로 광 파이버는 굴절률이 높은 코어 재료를 굴절률이 낮은 클래드 재료로 둘러싼 원주형상 구조를 갖는다. 전송 가능한 모드의 수를 나타내는 양으로서 정규화 주파수(V)가 이용된다. 다 모드 파이버에서는 V가 수십 이상, 모드의 수로 수백 이상이 전송 가능하다. 한편, 코어 직경이나 코어 클래드 사이의 상대 굴절률 차를 작게 해 가면 차례로 V가 감소하고, 스텝형 파이버의 경우, V=2.4 이하에서는 단지 1개의 모드만이 전송이 허가되게 된다. 이것이 본원과 같은 단일 모드 파이버이다.
도 1 내지 도 4에 있어서, 1은 광 파이버, 2가 나타내고 있는 점선은 코어를 나타내고, 3은 길이 방향 광 파이버 축선, 4는 클래드이다. A, A'는 광 파이버를웨지형상으로 형성하는 매끄러운 면으로 당연히 대칭으로 서로 같다. a, a'는 각도(θ)로 연마하여 완성한 제2 면으로 당연히 대칭으로 서로 같다. 도 3의 T는 본 광 파이버·마이크로 렌즈의 중심 정점을 나타내고, t는 마이크로 렌즈 곡률 반경을 나타낸다.
도 1 내지 도 4에 있어서, 웨지형상으로 연마된 광 파이버(1)에 대해서 웨지형상 선단부의 중앙부보다 더 각도(θ)를 갖고 연마된다. 또 이 각도(θ)는 길이 방향 광 파이버 축선에 대해서 방사 관계에 있는 평면(x)에 대해서 계측되는 것이다. 이 각도(θ)를 갖는 연마라는 것은 그것은 중심부까지 연마를 행하고, 매끄러운 능선을 그릴 정도의 곡면을 이룰 때까지로 하는 것이다. 발명자의 계산에 의하면 θ는 2도 내지 12도의 값을 취할 수 있지만 바람직하게는 7도 내지 8도이다. θ가 결정되면 광 파이버 자신의 각도(Ø)는 176도 내지 156도라는 것이 된다. 또한 광 파이버(1)의 직경(R)은 125㎛으로 하고 있다. 또한, 레이저광의 출력이나 광 파이버 반경, 코어 반경 등의 관계에 의해서는 θ는 20도 내지 30도의 각도로 해도 좋다. 이 경우에는 Ø는 120도 내지 140도의 각도가 된다.
도 3에 있어서, t는 마이크로 렌즈 곡률 반경이지만, t는 LD 등의 발광면으로부터의 레이저 출사 각도에 따라서 변화한다. 예를 들면 본원은 980㎚의 펌프 레이저 모듈 등의 고출력 LD를 상정하고 있지만, 이러한 LD 발광체의 출사구는 편평하고, 세로가 (y축 방향) 0.5∼1㎛이고 가로가 (x축 방향) 2∼6㎛의 경우가 많고, 이 경우 FFP 출사 각도 25∼45도의 방사 광선에 대해서는(파이버의 코어 직경에 따라서도 다르지만, 일반적인 5∼6㎛ 코어 직경의 단일 모드 광 파이버의경우), 본 마이크로 렌즈 굴곡 반경(t)은 5 내지 6㎛의 값이 된다.
그리고 웨지형상 선단부에 T를 정점으로 한 각도(θ)를 갖는 새로운 제2 면(a, a')이 대칭으로 형성되는 것을 특징으로 하는 광 파이버·마이크로 렌즈가 제공된다. 이 광 파이버·마이크로 렌즈는 도 15의 각도를 갖고 경사시키고 있는 광 파이버 렌즈에 비교하면 제15에서의 L의 거리가 없기 때문에, LD 출사구의 정면 중앙에 초점의 조절을 용이하게 하는, 즉 용이하게 위치 결정하는 것이 가능하게 되었다.
또한 LD와 선단(T)의 거리를 출사 각도로부터의 계산에 의해서 3㎛ 내지 5㎛의 거리에 두는 것이 필요한 경우에도, 각도를 갖고 경사시키고 있는 광 파이버 렌즈에 비교하면, 용이한 위치 결정과 함께 접촉 등에 의한 LD와 광 파이버 양자의 손상의 발생 가능성도 감소시킬 수 있다.
(실시 형태 2)
다음에, 결합 효율을 향상시키는 광 파이버 및 광 파이버의 배치 방법에 대해서 설명한다. 도 5 내지 도 8은 실시형태 2의 광 파이버의 선단 형상을 코어 부분을 중심으로 도시한 설명도이다. 여기에서는 광 파이버의 연마 방법을 개설함으로써 광 파이버의 선단 형상에 대해서 설명한다.
먼저, 광 파이버(10)는 그 선단부가 둥글게 되도록 연마된다. 이 작업과 병행하여 클래드(13) 부분에는 둥글어진 선단부에 접속하는 평면(A, A')이 코어(11)의 중심축(12)에 대해서 대칭이 되도록 연마되어 설치된다. 이 평면(A, A')은 말하자면 웨지형상의 위치 관계로 되어 있다(도 5 참조).
다음에, 연마하는 방향을 90도 바꾸고, 최초의 연마면과 직교하는 방향으로 둥글게 되도록 연마된다. 이 둥글어짐은 최초의 연마에 의한 둥글어짐보다 크게 되도록 연마된다(도 6 참조). 또, 이 제2 연마에 관해서도 둥글어진 선단부에 접속하는 평면(a, a')(도 9 참조)이 중심축(12)에 대해서 대칭이 되도록 연마되어 설치된다.
도 7 및 도 8은 이 2개의 연마 공정을 거친 경우의 코어(11)를 포함한 광 파이버(10) 선단부의 3차원의 곡면 형상을 도시한 설명도이다. 이 중 도 7은 광 파이버(10)의 선단부가 타원면의 일부의 표면이 되어 있는 상태를 도시한 도면이다. 도 7에 도시한 좌표계를 이용하면, 타원면은 소정 계수(p, q, r)를 이용하여 하기 식(1)과 같이 표현할 수 있다.
(x/p)2+(y/q)2+(z/r)2=1 …(1)
또한, p, q, r은 반드시 서로 다를 필요는 없고, 어느 2개가 일치하고 있어도 좋다. 이 경우에는 식(1)은 회전 타원면을 나타낸다.
또한, 연마의 방법을 바꾸어, 광 파이버(10) 선단부의 형상이 중심축(12)에 평행한 면에서 절단한 경우에 동일 원호를 그리는 형상이 되도록 해도 좋다. 도 8은 y평면상에서는 반경(Rh)의 원호를 그리고, x평면상에서는 반경(Rv)의 원호를 그리는 코어(11) 선단부의 형상의 모양을 도시한 설명도이다. 도면에는 y평면상의 원호(Ch)와 x평면상의 원호(Cv)를 나타내고 있다.
이상 설명한 예에서는 광 파이버(10) 선단부의 곡면 형상을 설명하기 위해서 타원면의 일부의 표면(도 7) 또는 곡률 반경이 다른 원호(도 8)의 조합을 이용하여설명하였지만, 코어(11) 선단부는 미소 영역이기 때문에, 어느 표현계를 이용해도 곡면 형상은 대략 동일하게 된다.
다음에, 광 파이버의 배치 방법에 대해서 설명한다. 도 9 및 도 10은 광 파이버와 반도체 레이저의 배치 예를 도시한 설명도이다. 이 중 도 9는 반도체 레이저로부터 출사되는 레이저광의 광 선속의 형상을 도식적으로 도시한 설명도이다. 또한, 여기에서는 고출력의 반도체 레이저를 이용한 경우에 대해서 설명한다.
반도체 레이저(20)는 고출력의 레이저광을 출사하기 때문에, 그 출사구(22)는 x축 방향으로 가늘고 긴 직사각형 형상으로 되어 있다(도 10 참조). 이 출사구(22)로부터 고출력의 레이저광이 출사되면, 그 광 선속은 y축 방향으로 편평하게 넓어지는 레이저광이 된다. 본원 발명자는 이 레이저광을 고효율로 결합시키는 광 파이버(10)의 배치를 발견하였다. 그 배치라는 것은, 먼저 반도체 레이저(20)가 출사하는 광 선속(21)의 중심 광선(레이저 광)의 진행 방향과 코어(11)의 중심축(12)을 일치시키고, 다음에 코어(11) 선단에서 가장 큰 곡률을 갖는 접선 방향(도 8에서 말하는 원호(Ch)의 접선 방향)을 도 9 또는 도 10의 x축 방향으로 하는 위치 관계이다. 바꿔 말하면, 출사광이 편평하게 넓어지는 방향과 원호(Ch)의 접선 방향을 직교의 위치 관계로 함으로써, 고효율의 결합이 가능하게 되는 것을 발견하였다.
다음에, 고효율의 결합을 가능하게 하는 광 파이버(10)의 선단 형상에 대해서 설명한다. 광 파이버(10)의 선단부의 3차원 곡률 형상은 전술한 바와 같이, 2개의 곡률로 특징지을 수 있다. 여기에서는, 도 5 및 도 6에 도시한 2개의 곡률반경(Rh 및 Rv)을 변화시켜서 결합 효율을 측정하는 실험을 행하였다. 실험에서는 980㎚ 여기용 레이저 다이오드를 이용하고, 코어 반경 2.95[㎛], 코어 굴절률 1.485, 개구수(NA) 0.14로 하여 수치 계산을 행하였다. 이후에서는 코어 반경을 Rc로 표기한다.
도 11은 Rh 및 Rv를 변화시킨 경우의 결합 효율을 도시한 도표이다. 또한 도표 우단에는 선단을 단일한 반원통 렌즈 형상으로 가공한 광 파이버의 결합 효율을 나타내고 있다. 도 12는 종래의 반원통 렌즈 형상으로 선단부를 가공한 광 파이버의 외관도이다. 이후에서는 이 반원통 렌즈 형상으로 가공한 광 파이버를 CLF(Cylindrical Lenzed Fiber)라고 칭하는 것으로 한다. 또한, CLF에서는 Rv가 유한이고, Rh가 무한대라고 생각할 수 있다.
도시하는 바와 같이, 굵은 선으로 둘러싼 영역(A)에서는 CLF에서의 최고 결합 효율인 88.07%를 넘는 결합 효율을 나타내고 있고, 본 발명의 광 파이버의 배치 방법 및 선단 3차원 곡면 형상이 대단히 우수한 것을 알았다. 이 영역(A)에서는 곡률 반경의 비(Rh/Rv)는 1.2∼3.8의 사이의 어느 값이다. 또, Rv(곡률 반경이 작은 쪽)의 코어 반경(Rc)에 대한 비(Rv/Rc)는 1.3∼2.6의 사이의 어느 값이다.
또한, 영역(A) 중 영역(B)은 결합 효율이 95%를 넘는 영역을 나타내고 있다. 즉, 영역(B)의 파라미터에서는 영역(A)에 비해서도 대단히 우수한 결합 효율을 달성하는 것을 알았다. 이 영역(B)에서는 곡률 반경의 비(Rh/Rv)는 1.8∼2.4의 어느 값이다. 또, Rv(곡률 반경이 작은 쪽)의 코어 반경(Rc)에 대한 비(Rv/Rc)는 1.6∼1.9 사이의 값이다.
이상의 결과로부터, 광 파이버(10)의 선단 형상은 1.3≤Rv/Rc≤2.6, 1.2≤Rh/Rv≤3.8이 바람직하고, 1.6≤Rv/Rc≤1.9, 1.8≤Rh/Rv≤2.4가 가장 바람직하는 것을 알았다.
또한, Rv와 Rh가 동일한 경우, 즉, 광 파이버(10) 선단부가 구형인 경우의 결합 효율은 코어 반경(Rc)의 2개 전후의 경우(도 11의 예에서는 Rh=Rv=7[㎛])가 가장 결합 효율이 높고 79% 정도인 것을 알았다. 또, 광 파이버(10) 선단을 코어를 반구로 노출시킨 경우(즉, Rv와 Rh와 Rc가 같은 경우)에는, 결합 효율이 40%로 약해졌다. 이것으로부터도 본 발명의 광 파이버 및 광 파이버의 배치 방법이 고출력의 레이저광을 코어(11)에 어떻게 효율적으로 집광 내지 도광하는지 알 수 있다.
또한, 도 13은 광 파이버(10)의 선단 형상의 다른 가공 예를 도시한 도면이다. 여기에서 좌측의 도면은 z축 진행 방향에서 광 파이버(10)를 본 도면이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 광 파이버·마이크로 렌즈에서는 상기와 같이 구성하였기 때문에, 980㎚의 고출력 LD 등의 현저한 타원형의 출력 방사 패턴을 갖는 편평 광선도 후방 반사 레벨의 저감화를 도모하면서 받아들일 수 있기 때문에 높은 결합 효율을 얻을 수 있게 되었다. 결국 출사단이 편평한 펌프 레이저 모듈 등의 고출력 LD나 LED가 발생하는 광선을 광 반사 감쇠량의 저감화를 위하면서, 새지 않고 고효율로 광 파이버로 결합하는 것이 가능하게 된다고 하는 효과를 가져온다.
또, 상기 설명은 980㎚ 펌프 레이저 등의 어스펙트비가 큰 것이 대해서 효과를 나타내었지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것이 아니라, 어스펙트비가 작은 LD,예를 들면 라만 증폭용 광원에 대해서도 유효하다는 것은 말할 필요도 없다.
또한, 말하자면 웨지형상 광 파이버의 양단이 연마되어 있기 때문에, 간단히 웨지형상의 평탄한 반원통의 능선 선단을 갖는 광 파이버나 능선 선단을 경사시키고 있는 광 파이버와 비교하여, 고출력 LD를 경사시켜서 배치시키는, 또는 광 파이버 측을 경사시킬 필요도 없고, LD 출사구의 정면 중앙에 광 파이버·마이크로 렌즈의 초점의 조절, 즉 위치 결정하는 것이 가능하게 되어, 양자의 결합 방법이 간편한 것이 되었다. 그리고 이것도 더 나아가서는 결합 효율의 향상에 연결된다.
또, 부차적인 효과로서, LD와 광 파이버 사이의 거리를 3㎛ 내지 5㎛까지의 거리로 설치하였다고 해도, 말하자면 웨지형상 광 파이버의 양단이 연마되어 있기 때문에 간단히 웨지형상의 평탄한 능선 선단을 갖는 광 파이버나 능선 선단을 경사시키고 있는 광 파이버와 비교하여 각을 취하고 있기 때문에, 광 파이버와 LD 등의 접촉에 의한 손상의 발생 가능성도 보다 적게 되었다.
또 복잡한 공정으로 제조하지 않고 광 파이버를 연마하는 것만으로 형성할 수 있는 광 파이버·마이크로 렌즈를 저 비용으로 제공할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명에 관한 광 파이버·마이크로 렌즈, 광 파이버 및 광 파이버의 배치 방법은 광통신에 이용되는 고출력의 레이저광을 고효율로 안정적으로 결합시키는 데에 유효하고, 특히 장거리 전송 또는 다중 전송을 행하는 환경에 적용하는 데에 적합하다.

Claims (9)

  1. 코어와 클래드를 갖고, 상기 코어 선단부에 애너몰픽 집속 수단을 구비하는 광 파이버·마이크로 렌즈에 있어서,
    광원 또는 출사광에 대향하는 광 파이버 선단에서 웨지형상으로 교차하는 위치 관계에 있는 제1의 2개의 경사면을 형성하고,
    상기 코어의 중심을 통하는 광 파이버 축선에 수직인 평면상의 축에 있어서, 상기 광 파이버 축선과 상기 웨지형상으로 교차하는 방향으로 수직인 축으로부터 각각 각도(θ)를 이루는 제2 경사면을 형성하고,
    형성된 4개의 경사면에 둘러싸인 단부를 애너몰픽 수속 수단으로서 마이크로 렌즈를 형성한 것을 특징으로 하는 광 파이버·마이크로 렌즈.
  2. 선단을 곡면에 가공한 광 파이버에 있어서,
    상기 곡면은 타원면의 일부의 표면이고, 상기 타원면의 주축의 하나가 코어의 중심축과 일치하도록 가공한 것을 특징으로 하는 광 파이버.
  3. 선단을 곡면에 가공한 광 파이버에 있어서,
    코어의 중심축을 포함하는 서로 수직인 2개의 평면과 상기 곡면의 교차선이 각각 소정 반경의 원호가 되도록 가공한 것을 특징으로 하는 광 파이버.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 곡면을 코어 부분에 설치하고, 클래드 부분에는 상기 곡면에 연속하는 평면을 상기 중심축에 대해서 대칭으로 설치한 것을 특징으로 하는 광 파이버.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 원호의 곡률 반경의 비를 1.2∼3.8의 사이에 설치한 것을 특징으로 하는 광 파이버.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 원호의 곡률 반경의 비를 1.8∼2.4의 사이에 설치한 것을 특징으로 하는 광 파이버.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 원호의 곡률 반경 중 작은 쪽의 곡률 반경의 코어 반경에 대한 비를 1.3∼2.6의 사이에 설치한 것을 특징으로 하는 광 파이버.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 원호의 곡률 반경 중 작은 쪽의 곡률 반경의 코어 반경에 대한 비를 1.6∼1.9의 사이에 설치한 것을 특징으로 하는 광 파이버.
  9. 소정의 광원으로부터 입사해 오는 광선속이 상기 청구의 범위 제2항 또는 제3항에 기재된 광 파이버의 선단에 접하는 평면상에서 타원형상으로 편평한 형상인 경우에, 코어의 중심축을 상기 광 선속의 중심의 광선의 진행 방향으로 일치시키고, 또한 코어 선단에서 가장 큰 곡률을 갖는 접선 방향을 상기 편평한 형상의 길이 방향과 직교인 위치 관계가 되도록 광 파이버를 축 회전시켜서 배치하는 것을 특징으로 하는 광 파이버의 배치 방법.
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Patent event date: 20020304

Patent event code: PA01051R01D

Comment text: International Patent Application

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