JPH06235847A - 光ファイバの反射光学結合装置及び方法 - Google Patents

光ファイバの反射光学結合装置及び方法

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JPH06235847A
JPH06235847A JP5332194A JP33219493A JPH06235847A JP H06235847 A JPH06235847 A JP H06235847A JP 5332194 A JP5332194 A JP 5332194A JP 33219493 A JP33219493 A JP 33219493A JP H06235847 A JPH06235847 A JP H06235847A
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optical fiber
mirror
radiant energy
aperture
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JP5332194A
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David P Hamblen
ピー．ハンブレン デビッド
David S Ross
エス．ロス デビッド
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Original Assignee
Eastman Kodak Co
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 光ファイバに対してレーザダイオードを効率
的に光結合することを目的とする。 【構成】 レーザダイオードからの光を光ファイバに結
合するための装置が提供され、この装置は、光ファイバ
のより小さな開口数又は受入角度の内側にレーザダイオ
ードの拡散光ビームを再方向付けるために、互いに対向
する２つの鏡を使用する。これらの対向する２つの鏡
は、例えば、２つの凹面楕円面鏡か、１つの凸面球面鏡
と１つの凹面球面鏡か、１つの平面鏡と１つの凹面球面
鏡であってよい。各々の鏡は、最初のレーザダイオード
光ビームを通過させるための、又は、光ファイバに向け
て再方向付けされた光ビームを通過させるための開口
を、その鏡内に有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、レーザダイオードから
光ファイバへの放射の反射光学結合のための装置に係わ
る。更に特に、本発明は、レーザダイオードからの拡散
的な楕円形の放射を、光ファイバのコアにおける比較的
小さい光受入角度の内側に導き、それによって光損失を
最少に保つ、複鏡面システムを提供する。
【０００２】
【従来の技術】レーザダイオードの出力は、その横断面
が楕円のような、非対称で非常に拡散的な光円錐であ
る。この拡散光の横方向の広がりは、その楕円の長軸に
関しては概ね25〜35度であり、短軸に関して概ね8 〜10
度である。レーザの大半の適用例では、平行光線化され
た対称な光ビームを必要とし、従って、レーザダイオー
ドの自然発生的な拡散は補正されなければならない。こ
うした楕円形ビームの再方向付けと集束とが行われない
場合には、エネルギー損失が大きなものとなる可能性が
ある。
【０００３】現時点では、こうした拡散的な光の広がり
は、主として反射光学系の使用によって再方向付けされ
る。３枚構成レンズが一般的である複合レンズや、コリ
メータレンズとアナモフィックプリズム対とで構成され
る更に精巧な光学システムが使用される。例えば、シー
スター・オプティクス社（Seastar Optics）、カナダ，
ブリティシュ・コロンビア，シドニー (Sidney, Britis
h Columbia, Canada)は、１対の回折制限ガラス非球面
モールドレンズを含む結合装置を提供する。これらの２
つのレンズの小さい方のレンズである高開口数コリメー
タは、有効レーザダイオード光の殆ど全てを集光する。
一方、大きい方のレンズは、レーザダイオード光を光フ
ァイバの中に方向付ける。従って、単一モード用途の場
合に50％を上回る結合効率が得られる（ジー・ロジャー
及びエム．フィッチ（G. Rogersand M. Fitch) 、フォ
トニクス・スペクトラ（Photonics Spectra) 175-176,
1991年9 月）。結合効率が100 ％より小さいことに起因
する光損失を補償するために、より高ミリワットのレー
ザダイオードが使用される。こうした高ミリワットのレ
ーザダイオードは、より強力であり、従って、そのシス
テムの中へより多くの光を入力する。従って、結合効率
が増大させられていなくても、より多くの光が光ファイ
バの中に入力される。より高ミリワットのレーザダイオ
ードを必要とすることが、結合システムにおける嵩高さ
の問題と温度の問題の両方を生じさせる。
【０００４】メレス・グリオット会社（Melles Griot C
o.）は、レーザダイオードの非対称な出力を補正するた
めに、一連の固定ビーム拡大器とコリメータと固定アナ
モフィックプリズム対とに組み合わされたレンズを使用
するシステムを提供する。この場合も同様に、このレン
ズシステムは嵩高く且つ高コストである。レンズを使用
するレーザダイオード発光の再方向付けに関連した更に
別の問題は、球面収差と、レーザダイオードに向かって
の光の逆方向反射とである。典型的には、レンズはレー
ザダイオードビームの約 4％を逆方向反射し、そのビー
ムの強度を劣化させる。最適波長で使用するようにレン
ズが作られるが、レーザダイオード光の波長は、温度変
化と逆方向反射とによって変化させられる可能性があ
る。レーザダイオードの波長が変化するや否や、そのレ
ンズシステムは新たな波長に適合したものでなくなる可
能性がある。更に、そのレンズシステムは、円形の集光
位置に集束する時に、楕円ビームの一部を失うことが多
い。
【０００５】これらの問題を克服する試みとして、1991
年 1月 1日付でフォルソム（Folsom）に与えられた、
「集束ミラーレンズ("Focusing Mirror Lense") 」と表
題された米国特許第 4,981,343号は、互いに反対側に位
置する入口端部と出口端部の両方がコーティングされた
集束鏡である、（好ましくは円筒形の）透明な単一構造
レンズ本体を開示する。これらの鏡の少なくとも一方、
好ましくはその両方が、円筒の一部分の形状を有する。
他方の鏡は、円筒の一部分の形状か、又は、球の一部分
の形状を有してもよい。これらの鏡の軸線は、これらの
鏡が両方とも円筒の一部分の形状である時に、互いに対
して垂直である。これらの鏡の各々は、上記レンズ本体
の縦軸に沿って位置合わせされた無反射性の光透過ひと
みを有する。光が入口ひとみを通過すると、光がレンズ
本体を通過し、出口鏡によって所定の方向に集束させら
れ、更に、入口鏡に向けて逆方向に反射され、入口鏡で
は、光が、上記第１の方向に対して垂直な方向に再び集
束させられ、出口ひとみに向けて反射され、この出口ひ
とみから外に出される。この集束ミラーレンズは、レー
ザダイオードの非点収差を補正し、楕円ビームの楕円の
度合いを低減させる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】光ファイバに対してレ
ーザダイオードを効率的に結合するための新たな結合装
置が、絶えず要求されている。特に、比較的小さな開口
に向けられなければならない拡散放射を放射エネルギー
源が放出する場合には、こうした結合装置は、任意の放
射エネルギー源を集束させるためにも使用されることが
可能である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の反射光学結合装
置によって、上記要求が満たされ、従来の結合装置の問
題点が克服される。本発明は、放射エネルギー源からの
放射エネルギーを光ファイバに向けるための反射光学
（鏡使用）結合装置を提供する。これは、第１の鏡面
と、この第１の鏡面に対向する第２の鏡面とを使用する
ことによって、実現される。これらの鏡面の各々は、そ
の表面内に開口を有し、これらの鏡面は、各々の開口が
互いに共軸であるように互いに相対配置される。放射エ
ネルギー源が第１の鏡面の反対側に配置されるように、
その放射エネルギー源を上記開口と共軸に配置するため
の手段が備えられ、この手段は後で更に詳細に説明され
る。光ファイバの受光端部を第２の鏡面内の開口と共軸
に配置するための手段も備えられる。従って、この反射
光学結合装置の各要素が光軸に沿って共軸に配置され
る。この光軸は、上記第１と第２の鏡面の平面に対して
垂直方向に、上記の両開口の中心を通って延びる。
【０００８】このように配置された放射エネルギー源に
よって発生させられる概ね全ての放射エネルギーが、第
１の鏡面内の開口を通過し、第２の鏡面に達する。この
第２の鏡面上に衝突する放射エネルギーは、第１の鏡面
に向けて逆方向に反射される。この後で第１の鏡面上に
衝突する放射エネルギーは、第１の鏡面によって再び反
射される。その結果として生じる反射光が、第２の鏡面
内の開口に向けられ、この開口において、その反射光
が、上記のように配置された光ファイバの受光端部上に
衝突する。
【０００９】こうして、放射エネルギーが、第１の鏡面
内の開口を通って複鏡面装置の中に入り、第２の鏡面内
の開口を通ってその複鏡面装置から出て行く。本発明で
使用可能な放射エネルギー源の一例であるレーザダイオ
ードが、楕円ビームを放出する。レーザダイオードは、
そのレーザダイオードからの放射の最大円錐角度が第１
の鏡面の開口を通って第２の鏡面上に達するように、第
１の鏡面の開口に配置される。同様に、光ファイバの受
光端部は、その光ファイバのコアの受入角度が第１の鏡
面からの反射ビームの円錐角度に等しいか又はそれより
大きいように、第２の鏡面内の開口に配置される。
【００１０】
【作用】本発明によって、放射エネルギー源が光ファイ
バに結合される。本発明の利点は、放射エネルギー源か
らの放射エネルギーの最大集光効率である。これは、レ
ーザダイオードのように放射エネルギー源が非円形のビ
ームを放出する場合に、特に適している。レーザダイオ
ードは、その断面が細長い楕円に似ている非対称な放射
を放出する。この放射の横方向の広がりは、一般的に、
長軸で25〜35度であり、短軸で8 〜10度である。この拡
散光の広がりは、4 〜5 ミクロンから50ミクロンまでの
範囲の直径を有することが多い比較的小さな光ファイバ
コアに向けて、再方向付けられなければならない。放射
エネルギーが光ファイバによって受け入れられることが
可能な角度は、光ファイバの最大受入角度と呼ばれる。
本発明の結合装置は、レーザダイオードと同じように広
がる拡散光ビームを放出するレーザダイオード以外の光
源に対しても、同様に適用されることが可能である。
【００１１】
【実施例】本発明のこれらとその他の目的と利点と特徴
とが、添付図面を参照して、以下の本発明の幾つかの実
施例の詳細な説明から、更に適切に理解されるだろう。
図１は３つの角度を示している。図に示されるように、
レーザダイオード12は、角度Θを有する最大円錐の内側
に光を放出する。光ファイバ16は、角度Φを有する最大
受入円錐の内側に光を受け入れる。
【００１２】本発明による結合装置は、レーザダイオー
ドからの最大量の光を上記最大受入角度内で光ファイバ
のコアに再方向付けるために、互いに相補的な鏡を使用
し、即ち、本発明の結合装置は「反射光学」結合装置で
ある。これは、互いに対向するように配置された第１の
鏡面と第２の鏡面とを使用することによって実現され
る。各々の鏡面は開口を有し、これらの開口は互いに共
軸である。この結合装置を使用してレーザダイオードと
光ファイバとが結合される時には、レーザダイオードと
光ファイバも上記開口と共軸である。従って、本発明の
結合装置は、第１の鏡面の開口と共軸に放射エネルギー
源を配置するための手段と、第２の鏡面の開口と共軸に
光ファイバの受光端部を配置するための手段とを更に含
む。
【００１３】従って、この結合装置は、レーザダイオー
ドによって発生させられる放射エネルギーの概ね全て
が、第１の鏡面の第１の開口を通過して第２の鏡面に衝
突することを可能にする。この後で、この放射エネルギ
ーは、第２の鏡面によって反射され、第１の鏡面に衝突
し、更に、この放射エネルギーは、第１の鏡面におい
て、第２の鏡面に向けて逆方向に反射される。この場合
に、再反射された放射エネルギーの経路は、その放射エ
ネルギーの概ね全てが第２の鏡面の開口を通過するよう
に再方向付けられている。これに加えて、放射エネルギ
ーの角度が、光ファイバの受入角度の範囲内に、即ち光
ファイバの開口数の範囲内に、減少させられている。こ
うして、再方向付けられた放射エネルギーが、第２の鏡
面の開口に配置された光ファイバの受光端部に衝突す
る。
【００１４】本発明の結合装置において、様々な実施例
を提供することが可能である。互いに対向する鏡の適正
な配置が、楕円光の最大集光を可能にする。図２〜４に
示される幾つかの実施例は、互いに共軸に配置され且つ
内側が凹面である２つの対向する楕円面鏡を使用する。
各々の鏡は、異なった曲率と円錐定数を有する。各々の
鏡の形状は楕円面の錐台と言い表される。変形キャセグ
レイン（Cassegrain）配置に似て、この装置の非球面の
鏡は、大きな開口数の光放出（即ちレーザダイオード拡
散放射）を小さな開口数（即ち光ファイバコア）の中へ
進むように方向付ける。レーザダイオード光源の対物レ
ンズと光ファイバ像点とが、これらに関連した各々の鏡
の焦点に配置される。レーザダイオードからの光が、反
対側に位置した第２の楕円面鏡に逆方向反射される。こ
の第２の鏡は、光ファイバコアによって受け入れられる
ように、より小さな円錐角度の内側に光を再方向付け
る。この後で、より小さな角度の光軌道が、最大集光効
率が得られるように、レーザダイオードから光ファイバ
コアに向けて再方向付けされることが好ましい。外側フ
ァイバクラッドを除いたファイバコア直径をレーザダイ
オードからの放射が通過することを可能にするために、
各々の鏡は、軸上に小さな開口を有する。
【００１５】上記の２つの対向する楕円面鏡の配置と、
これらの鏡の望ましい曲率とが、数式によって決定され
確認されることが可能である。再び図１を参照すると、
この図では、レーザダイオード12が、角度10を有する円
錐の形に光を放出する点光源を表す。光ファイバ16の軸
は光円錐の軸と一致し、光ファイバは受入角度14を有す
る。点光源と光ファイバ先端との間の距離はL である
が、この実施例のためには正規化されることが可能であ
り、従ってL は１である。数式の適用のためには、光フ
ァイバの直径は１に比較して非常に小さく、従って、こ
の直径はゼロと見なされることが可能である。同様に、
上記点光源の直径は１に比較して非常に小さく、従っ
て、この直径はゼロと見なされることが可能である。
【００１６】x 軸は光円錐の軸と一致する。y 軸はこの
x 軸に直交している。このy 軸は、上記x 軸である光軸
からの垂直距離を表示する。１対の対称な直線であるy
= xtan Θとy = −x tan Θとが描かれている。これら
の直線は、上記点光源から生じる再端の光線である。別
の１対の対称な直線である y = ±(1−x) tanΦが描か
れている。これらの直線は、光ファイバの受入角度を画
定する。x = ξを、直線 y = x tanΘと直線 y =(1−x)
tanΦとが出会う点の x座標とする。即ち、
【００１７】
【数１】
【００１８】である。更に、２つの楕円が構成されるこ
とが可能である。図１に要素20として示される第１の楕
円E2は、(0, 0)と (ξ, 0)とに焦点を有し、光ファイバ
の開口である点(1, 0)を通過する。この楕円の方程式
は、
【００１９】
【数２】
【００２０】である。図１に要素18として示される第１
の楕円E1は、 (ξ, 0)と (1, 0) とに焦点を有し、点光
源の位置である点(0, 0)を通過する。この楕円の方程式
は、
【００２１】
【数３】
【００２２】である。直線 y =±(1−x) tanΦによって
切り取られたE1の切片と、直線 y =±(1−x)tanΘによ
って切り取られたE1の切片は、反射鏡であるように銀め
っきされる。さて、点光源から放出される任意の光線を
考察されたい。この光線が衝突するE2の一部分が銀めっ
きされており、且つ点光源がE2の焦点に位置するので、
この光線はE2から反射され、E2の他方の焦点である点
(ξ, 0)を通過する。この光線は更にE1に衝突する。こ
の光線がE1の銀めっき部分に衝突する場合には、この光
線はE1から反射される。この後で、この光線は、光ファ
イバの始点の位置であり且つE1の他方の焦点である(1,
0)を通過する。この場合には、光線が、光ファイバの受
入角度よりも小さい角度で光ファイバに進入する。こう
した光線を上記受入角度よりも小さい角度で反射するE1
の一部分が銀めっきされる。数学的理論は、ΦがΘより
も小さい場合に、こうした光線が実際にE1の銀めっき部
分上に衝突するということを裏付ける。
【００２３】これらの数式の使用の最終的な結果は、図
２に示されている通りの２つの対向する楕円面鏡を使用
する結合装置の構成である。第１の凹面楕円面鏡22は、
第２の凹面楕円面鏡24に対向して配置される。鏡22と鏡
24は、端部キャップ26、28によってハウジング30内に配
置され、鏡22、24は、これらの端部キャップ26、28に当
業者に公知の手段で取り付けられる。例えば、鏡面が端
部キャップに機械的に連結又は接合されることが可能で
あり、又は、鏡面が端部キャップ上に直接的に被覆され
ることが可能である。ハウジング30の端部40、42に端部
キャップ26、28をねじ込み式に取り付けることを可能に
するために、細かいねじ山が端部キャップ26、28に付け
られる。従って、これらの端部キャップは、鏡を保持す
る手段又は鏡を受ける手段を与えることに加えて、互い
に対向する鏡を共軸であるように心出しすることと、こ
れらの鏡を縦方向において一定の間隔に保つことを可能
にする。一方、これは、互いに対向する鏡をハウジング
内に厳密に配置することを可能にし、従って、光ファイ
バの受入角度の内側にレーザダイオード放射を適正に再
方向付けすることが実現される。
【００２４】更に、端部キャップ26、28は、レーザダイ
オード34と、光ファイバ44の受光端部38とを別々に配置
するための手段である。図に示されるように、レーザダ
イオード34は、このレーザダイオード34が第１の鏡22の
開口46の中に共軸に配置されるように、端部キャップ26
の中にねじ込まれた別のハウジング32の中に取り付けら
れる。光ファイバ44も、光ファイバ44の受光端部38が第
２の鏡24の開口48の中に共軸に配置されるように、端部
キャップ28の中にねじ込まれる別のハウジング36の中に
取り付けられる。光ファイバ44の受光端部38が第２の鏡
24の表面と面一であることが好ましい。言い換えれば、
ファイバ端面又は入口ひとみの平面が、第２の鏡24の開
口において、この第２の鏡の平面と平行である。このこ
とは、第１の鏡22からの反射光全てが光ファイバの受入
角度の内側に入ることを可能にすると同時に、非常に小
さい開口48の使用を可能にする。こうした非常に小さい
開口48を有することが可能であることは、集光効率を最
大にするように第２の鏡の反射表面を増大させることを
可能にする。
【００２５】上記鏡が楕円形状であるので、集光効率を
最大にするために、一方の鏡の位置が他方の鏡の焦点位
置と一致している。このことは、第１の鏡によって囲ま
れる形に且つ第２の鏡の一方の焦点の位置にレーザダイ
オードを配置することと、第２の鏡によって囲まれる形
に且つ第１の鏡の一方の焦点の位置に光ファイバの受光
端部を配置することとに結果する。
【００２６】レーザダイオード34から放出される光が第
１の鏡22の開口46を通過し、第２の鏡24によって逆方向
に反射される。更に、この光は第１の鏡22上に衝突し、
第２の鏡24の開口48を通過するように再方向付けられ
る。更に、この光は、光ファイバ44の受光端部38に衝突
する。こうして、レーザダイオード光源からの拡散光
が、光ファイバの最大受入角度の内側で光ファイバ上に
衝突するように再方向付けられる。
【００２７】容易に理解できるように、上記ハウジング
と端部キャップの実際の形状と構成とが変更されること
が可能である。この変更における必要条件は、反射光学
接合装置の形状が、互いに対向した鏡を使用することに
よって光ファイバの小さな開口に拡散光線を集光するこ
とを可能にするということである。更に、互いに対向し
た２つの凹面楕円面鏡を使用する本発明の更に別の実施
例が、図３に示されている。この実施例では、上記実施
例と同様に、第１の凹面楕円面鏡50と第２の凹面楕円面
鏡52とが、ねじ山付きの端部キャップ56、58を使用して
ハウジング54の中に取り付けられる。レーザダイオード
60と光ファイバ64の受光端部62が各々に、別のねじ山付
きハウジング70、72を使用して、開口66、68に取り付け
られる。この更に別の実施例は、ハウジングと端部キャ
ップの固有の構造において、図１に示される実施例と異
なっている。更に、レーザダイオードからの放出光の拡
散角度を小さくするために、レンズ17がレーザダイオー
ドに付加される。
【００２８】図２と図３に示されるように透明気体（例
えば空気）によって上記２つの鏡が隔てられているので
はなく、上記２つの鏡が透明固体材料で隔てられている
結合装置を構成することも可能である。この追加の実施
例は、図４に示されている。図に示されているように、
第１の凹面楕円面鏡74と第２の凹面楕円面鏡76とが、透
明固体材料（例えばプラスチック又はガラス）の円筒形
本体78の両端部の表面上にコーティングされる。このコ
ーティングは、当業者に公知の任意の手段（例えば蒸
着）で行われることが可能である。ハウジング82内の所
定の位置に透明固体材料を保持するために、円筒形本体
78の中央部分80にねじ山が付けられるか、又は、この中
央部分80がハウジング82の中にスナップ嵌め合いされ
る。この図に示される他の全ての要素は、図２と図３に
示されている要素と同様である。
【００２９】図２〜４に示される実施例の各々は、互い
に対向する２つの凹面楕円面鏡を使用する。図５は、こ
れらの実施例における光線経路と、レーザダイオード光
源25からの拡散光が光ファイバ23の小さな開口に対して
再方向付けされる様子とを示している。２つの鏡の開口
の中にレーザダイオードと光ファイバを配置すること
は、これら２つの鏡が各々の鏡の焦点に厳密に配置され
ることを必要とする。こうした厳密な位置合せの必要性
は、本発明の更に別の実施例の使用によって軽減される
ことが可能である。
【００３０】この更に別の実施例では、球面鏡を使用し
て光ビームを再方向付けすることが可能である。図６に
示されるように、第１の鏡84は凸面球面鏡であり、第２
の鏡86は凹面球面鏡である。その他の要素は、この場合
にも更なる変形を示すためにハウジング88と端部キャッ
プ90、92との特定の構成が変更されていることを除い
て、図2 〜4 に示された要素と同様である。２つの球面
鏡の間の距離が、集光効率を最大にするために２つの鏡
の曲率半径に基づいて調整される。これらの鏡の最適配
置と、これらの鏡の曲率とが、市販品として入手可能な
コンピュータソフトウェアプログラム（即ち、シンクレ
ア・オプティクス（Sinclair Optics)1680パルメラ・ロ
ード，フェアポート，ニューヨーク，14450 (6780 Pal
myra Road,Fairport, New York 14450)から入手可能なO
SLOシリーズ・２オプティカル・デザインプログラム，
リブィジョン2.1 [1991]（OSLO Series 2 Optical Desi
gh Program, Revision 2.1 [1991] ))を使用すること
と、上記距離を変更することと、光ファイバに受け入れ
られる光を測定することによって決定されることが可能
である。こうした測定は、当業者に公知である市販品と
して入手可能な光学検出器（例えばシリコンセル）を使
用して容易に行われることが可能である。
【００３１】図７は、互いに対向する球面鏡を使用する
本発明の実施例の光路を示す。この場合にも同様に、レ
ーザダイオード光源27からの拡散ビームが、光ファイバ
29の小さな開口に向けて再方向付けられる。これは、図
８に示されるようにレーザダイオード33が第１の鏡37の
背後にずらされている場合にも当てはまる。この場合に
も、拡散光ビームが、光ファイバ29の小さな開口に向け
て再方向付けされる。このシステムは、ある程度のミス
アラインメントを許容しながら、光ファイバコア上への
ビーム集束を生じさせるように構成されている。この場
合には、光ファイバに進入する光の直径は、光ファイバ
の直径（又は、受入角度）よりも僅かに小さく、その結
果として、光ファイバコアの正確な中心からの僅かな偏
差があっても、依然として光ファイバコア内へのビーム
の集束が得られる。
【００３２】楕円面鏡と球面鏡とに加えて、図９は、平
面鏡94と凹面球面鏡96とが組み合わされる本発明の実施
例を示している。図10に示される光路は、上記の実施例
と同様に、鏡94の背後にずらされたレーザダイオード93
の拡散ビームが光ファイバ95に向けて再方向付けされる
ことを示している。実際には、この反射光学結合装置
は、光ファイバ専門技術者によって作業現場に容易に輸
送されることが可能な、小形の（好ましくはプラスチッ
ク製の）装置として製造される。２つの互いに対向する
鏡がその中に厳密に配置されたプラスチック製ハウジン
グが、現地のレーザダイオードがその装置の一方の端部
に接続され、且つ現地の光ファイバがその装置の他方の
端部に接続されることが可能である場所に、配置され
る。或いは、この代わりに、作業現場に到着する以前
に、レーザダイオードがこの装置に接続されてもよい。
レーザダイオードと光ファイバの接続が、レーザダイオ
ード放射光の正確で効率的な再方向付けを結果的にもた
らすための全ての要素の共軸の位置合せを実現するよう
に、上記ハウジングの両端部が作られる。この効率は、
現場用の大きさの光学検出器を使用して、本発明の装置
の反対側の端部にレーザダイオードを接続した後に開口
からの出力を測定することによって、試験されることが
可能である。
【００３３】容易に理解されるように、本発明は、レー
ザダイオードから光ファイバへの最大集光効率を得るた
めの互いに対向する２つの鏡面の使用を提案する。これ
ら２つの鏡面の中に各々に開口を備えることによって、
レーザダイオードからの放射が光ファイバの受入角度の
内側に再方向付けされる。従って、本発明の利点は容易
に明らかである。結果として得られる反射光学結合装置
は、レーザダイオードからの拡散光の大部分（例えば90
％以上）を光ファイバに対して方向付ける。このこと
は、単一モード又は多モードのグレーデッドインデック
ス形又はステップインデックス形の光ファイバに特に当
てはまる。更に、本発明の装置は、固有の楕円形レーザ
ダイオード光からの集光効率を最大にする。光の逆方向
反射が、非平面反射表面を使用することによって最少に
される。更に、鏡の使用は、そのシステムから色収差を
取り除き、従って、レーザダイオードの波長位相変移の
影響を受けずに一定不変の集束を維持する。更に、本発
明の装置は、光線が光ファイバコアの開口数（最大受入
角度）内に集束するように、光線を方向付ける。
【００３４】以下の例は本発明の幾つかの実施例を説明
するが、これらの例の特定の寸法又は配置に本発明を限
定することは全く意図されていない。これらの例は、本
発明による適切な反射光学結合装置を単に例示するにす
ぎない。例１ 第１の鏡は、10.50 mmの半径と、−5.25の焦点距離と、
5.0 mmの直径（鏡径）と、約0.5 mmの中心穴とを有する
凸面鏡であった。第２の鏡は、−20.50 mmの半径と、−
10.25 の焦点距離と、5.0 mmの鏡径と、0.10 mm の中心
穴とを有する凹面鏡であった。鏡の間隔(mirror separa
tion) は7.74260 mmだった。これらの鏡は銀めっきさ
れ、λ= 0.6328μにおいて反射率99.9％を有した。フォ
ーカルスポットサイズ(focal spot size)(RMS Radial)
は0.00338 mmだった。この反射光学結合装置は、初期の
広がり（全角）が35°の場合に光放出の96.6％を集中さ
せ、ファイバひとみにおける焦点角度(focal angle) は
15.8°だった。例２ 第１の鏡は、−8.40 mm の半径と、5.0 mmの鏡径とを有
する凸面鏡であった。第２の鏡は、−7.80 mm の半径
と、5.0 mmの鏡径とを有する凹面鏡であった。鏡の間隔
は7.31641 mmだった。フォーカルスポットサイズ(RMS R
adial)は0.0007 mm であり、ファイバひとみにおける焦
点角度は 9.5°だった。例３ 第１の鏡は、−10.50 mmの半径と、5.0 mmの鏡径とを有
する凸面鏡であった。第２の鏡は、−8.40 mm の半径
と、5.0 mmの鏡径とを有する凹面鏡であった。鏡の間隔
は7.43126 mmだった。フォーカルスポットサイズ(RMS R
adial)は0.0020 mm であり、ファイバひとみにおける焦
点角度は 8.25 °だった。例４ ２つの鏡は、互いに対向した楕円面鏡だった。第１の鏡
は、−0.74873mm の半径と、0.40 mm の鏡径とを有し
た。第１の鏡の円錐定数(conic constant)(cc)は−0.33
084 だった。第２の鏡は、0.55218 mmの半径と、0.40 m
m の鏡径とを有した。第２の鏡の円錐定数は−0.20092
だった。鏡の間隔は1.00 mm だった。フォーカルスポッ
トサイズ(RMS Radial)は0.00696 mmであり、ファイバひ
とみにおける焦点角度は 7.62 °だった。例５ 第１の鏡は、∞の半径と、5.0 mmの鏡径とを有する平面
鏡であった。第２の鏡は、−9.85093 mmの半径と、5.0
mmの鏡径とを有する凹面鏡であった。鏡の間隔は6.4598
5 mmだった。フォーカルスポットサイズ(RMS Radial)は
0.00658 mmであり、ファイバひとみにおける焦点角度は
11.6 °だった。本発明の追加の実施例 請求項１、２の実施例に加えて、本発明は次の特徴を有
することも可能である。
【００３５】a. 前記第１の鏡面が凹面楕円面表面(22
、50、74) を有し、前記第２の鏡面が凹面楕円面表面
(24 、35、52、76) を有する請求項１に記載の反射光学
結合装置。 b. 前記第１の鏡面が凹面球面表面(84)を有し、前記第
２の鏡面が凹面球面表面(86)を有する請求項１に記載の
反射光学結合装置。
【００３６】c. 前記第１の鏡面が平面表面(94)を有
し、前記第２の鏡面が凹面球面表面(96)を有する請求項
１に記載の反射光学結合装置。 d. 前記端部キャップの一方が前記第１の鏡面を配置す
るための手段(26 、90) を有する請求項１に記載の反射
光学結合装置。 e. 光ファイバの受光端部を配置するための前記手段が
前記端部キャップの他方(28 、58、92) である請求項１
に記載の反射光学結合装置。
【００３７】f. 前記端部キャップの前記他方が、前記
第２の鏡面を配置するための手段を有する特徴e の反射
光学結合装置。 g. 前記ファイバ端部の平面が、前記第２の開口におけ
る前記第２の鏡面の平面に対して平行である請求項１に
記載の反射光学結合装置。 h. 更に放射エネルギー源によって特徴付けられる請求
項１に記載の反射光学結合装置。
【００３８】i. 前記放射エネルギー源がレーザダイオ
ードである特徴h の反射光学結合装置。 j. 前記レーザダイオードが、最大コア角度Θを有する
放射エネルギービームを放出し、前記第２の鏡面が、前
記最大コア角度の内側に入る光を受け入れる特徴i の反
射光学結合装置。
【００３９】k. 受光端部を有する光ファイバによって
更に特徴付けられる請求項１に記載の反射光学結合装
置。 l. 前記光ファイバが放射エネルギー受入角度Φを有
し、前記放射エネルギーの概ね全てが前記受入角度の内
側で前記受光端部上に衝突する特徴k の反射光学結合装
置。
【００４０】m. 前記光ファイバが最大円錐角度Φの内
側に入る光を受け入れ、前記第１の鏡面が前記最大コア
角度の内側に放射エネルギーを反射する特徴k の反射光
学結合装置。 n. 前記光ファイバが約 4〜約50ミクロンの直径を有す
る特徴k の反射光学結合装置。
【００４１】o. 前記第１の凹面楕円面鏡面の一方の焦
点に概ね配置された光ファイバを更に含む特徴a の反射
光学結合装置。 p. 前記第２の凹面楕円面鏡面の一方の焦点に概ね配置
された光ファイバを更に含む特徴a の反射光学結合装
置。 q. 前記第１の鏡面と前記第２の鏡面との間の前記密閉
空間が透明な屈折性物質(78)で満たされることによって
特徴付けられる請求項１に記載の反射光学結合装置。
【００４２】r. 前記第１の鏡面と前記第２の鏡面との
間の前記密閉空間が透明気体で満たされることによって
更に特徴付けられる請求項１に記載の反射光学結合装
置。
【００４３】
【発明の効果】こうして、レーザダイオードから光ファ
イバへの放射エネルギーの最大結合が得られる。90％を
越える結合効率が得られることが可能である。これは、
従来技術の装置と方法によって得られることが可能な結
合効率を大きく上回る。この高い効率が、より出力が低
いレーザダイオードの使用を可能にし、それによって、
上記の嵩高さと高コストと温度の問題を回避することを
可能にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】レーザダイオードから放出される光の最大円錐
角度と、光ファイバによる放射エネルギーの最大受入角
度と、レーザダイオードから光ファイバへ放射エネルギ
ーを方向付けるように数式に基づいて構成された２つの
楕円とを示す説明図である。
【図２】２つの互いに対向する楕円面鏡が使用される本
発明の実施例の１つである反射光学結合装置を示す説明
図である。
【図３】２つの互いに対向する楕円面鏡が使用される本
発明の別の実施例である反射光学結合装置を示す説明図
である。
【図４】透明固体材料で隔てられた２つの互いに対向す
る楕円面鏡が使用される本発明の更に別の実施例である
反射光学結合装置を示す説明図である。
【図５】レーザダイオードを光ファイバに結合するため
に２つの互いに対向する楕円面鏡が使用される時の光線
の経路を示す説明図である。
【図６】一方が凹面であり他方が凸面である２つの互い
に対向する球面鏡が使用される本発明の実施例の１つで
ある反射光学結合装置を示す説明図である。
【図７】レーザダイオードを光ファイバに結合するため
に一方が凹面であり他方が凸面である２つの互いに対向
する球面鏡が使用される場合の光線の経路を示す説明図
である。
【図８】ずらされたレーザダイオードを光ファイバに結
合するために一方が凹面であり他方が凸面である２つの
互いに対向する球面鏡が使用される場合の光線の経路を
示す説明図である。
【図９】レーザダイオードを光ファイバに結合するため
に、平面鏡と、これに対向する凹面球面鏡とが使用され
る本発明の実施例の１つである反射光学結合装置を示す
説明図である。
【図１０】レーザダイオードを光ファイバに結合するた
めに、平面鏡と、これに対向する凹面球面鏡が使用され
る場合の光線の経路を示す説明図である。
【符号の説明】
10…光円錐 Θ…円錐角度 12、25、27、33、34、60、93…レーザダイオード 14…最大受入角度（φ） 16、23、29、44、64、95…光ファイバ 17…レンズ Ｌ…距離 x-x …光円錐の軸 y-y … x-xに直交する軸 18、20…楕円 22、24、35、50、52、74、76…凹面楕円面鏡 26、28、56、58、90、92…端部キャップ 30、32、36、54、82、88…ハウジング 38…受光端部 46…開口 47…開口 62…受光端部 66、68…開口 70、72…ねじ山付きハウジング 78…円筒形本体 80…本体の中心 84…凸面球面鏡 86、96…凹面球面鏡 94…平面鏡

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 放射エネルギー源からの放射エネルギー
    を光ファイバに方向付けるための反射光学結合装置であ
    って、第１の開口を有する第１の鏡面と、前記第１の開
    口と共軸である第２の開口を有し且つ前記第１の鏡面に
    対向する第２の鏡面と、前記第１の開口と共軸である縦
    軸に沿って互いに間隔を置いた対向する両端部を有する
    密閉空間を画定するハウジングとを含み、前記第１の鏡
    面と前記第２の鏡面とが前記ハウジング内に配置され、
    更に、前記装置が、 前記ハウジンクの前記対向する両端部の各々にねじ込ま
    れた端部キャップと、 前記第１の開口と共軸に且つ前記第１の鏡面の反対側に
    前記放射エネルギー源を配置するための、前記端部キャ
    ップの一方の中に収容された手段と、 前記第２の開口と共軸に前記光ファイバの受光端部を配
    置するための、前記端部キャップの他方の中に収容され
    た手段とを含み、 前記放射エネルギー源によって発生される放射エネルギ
    ーの概ね全てが前記第１の開口を通過して前記第２の鏡
    面に衝突するように、前記放射エネルギー源が配置さ
    れ、それによって、前記放射エネルギーが、前記第１の
    鏡面上に衝突するように前記第２の鏡面によって反射さ
    れ、前記第１の鏡面上に衝突する前記放射エネルギー
    が、前記第２の開口を通過して前記光ファイバの前記受
    光端部上に衝突するように前記第１の鏡面によって反射
    されることを特徴とする光ファイバの反射光学結合装
    置。
  2. 【請求項２】 放射エネルギー源から光ファイバへ放射
    エネルギーを方向付けるための方法であって、第１の開
    口を有する第１の鏡面を選択する段階と、第２の開口を
    有する第２の鏡面を選択する段階と、互いに対向する両
    端部を有する密閉空間を画定するハウジングを選択する
    段階と、前記互いに対向する両端部が前記第１の開口と
    共軸である縦軸に沿って互いに間隔を置いて配置される
    ように、且つ、前記第２の鏡面が前記第１の鏡面に対向
    するように、前記ハウジング内に前記第１の鏡面と前記
    第２の鏡面を配置する段階と、前記放射エネルギー源か
    ら放射エネルギービームを放出させ、このビームを前記
    第１の鏡面内の前記第１の開口を通過させる段階と、前
    記第２の鏡面から前記放射エネルギービームを反射さ
    せ、反射された前記放射エネルギービームを前記第１の
    鏡面に向けて方向付ける段階と、前記第１の鏡面から反
    射された前記放射エネルギービームを前記第２の鏡面内
    の前記第２の開口を通過するように再反射し、それによ
    って、前記第２の鏡面内の前記第２の開口に配置された
    光ファイバの上に前記放射エネルギービームを方向付け
    る段階とを含み、前記方法が、 前記放射エネルギー源を第１のねじ山付き端部キャップ
    に装着する段階と、 前記ハウジングの前記互いに対向する両端部の一方に前
    記第１のねじ山付き端部キャップをねじ込み、それによ
    って、前記第１の開口と共軸に且つ前記第２の鏡面の反
    対側に前記放射エネルギー源を配置する段階と、 前記光ファイバの受光端部を第２のねじ山付き端部キャ
    ップに装着する段階と、 前記ハウジングの前記互いに対向する両端部の他方に前
    記第２のねじ山付き端部キャップをねじ込み、それによ
    って、前記第２の開口と共軸に前記光ファイバの受光端
    部を配置する段階と、を含むことを特徴とする光ファイ
    バの反射光学結合方法。
JP5332194A 1992-12-31 1993-12-27 光ファイバの反射光学結合装置及び方法 Pending JPH06235847A (ja)

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