KR102100312B1 - 렌즈 부착 광파이버 및 광결합기 - Google Patents

렌즈 부착 광파이버 및 광결합기 Download PDF

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Abstract

GRIN 렌즈를 이용한 렌즈 부착 광파이버의 콘덴서에 있어서, GRIN 렌즈의 재료 선택을 고려하지 않고, 빔 웨이스트 직경의 소경화를 도모한다. 광파이버(2)의 단부면에 제1 GRIN 렌즈(3)의 한쪽의 단부면이 접속되어 있고, 제1 GRIN 렌즈(3)의 다른 쪽의 단부면에 제2 GRIN 렌즈(4)의 한쪽의 단부면이 접속되어 있는 렌즈 부착 광파이버(1)로서, 광파이버(2)와 제1 및 제2 GRIN 렌즈(3, 4)는 동축 상에 접속되어 있으며, 제1 GRIN 렌즈(3)의 개구수가 제2 GRIN 렌즈(4)의 개구수보다 작고, 제2 GRIN 렌즈(4)의 최저 분포 굴절률 nt의 직경 방향 위치가, 제2 GRIN 렌즈(4)의 외연보다 내측으로 설정되어 있음과 함께, 제1 GRIN 렌즈(3)에 의하여 확산된 광의 최외주와 동일한 위치 또는 그보다 외측으로 설정되어 있다.

Description

렌즈 부착 광파이버 및 광결합기
본 발명은, 렌즈 부착 광파이버와 이를 이용한 광결합기에 관한 것이다.
렌즈 부착 광파이버는, 광파이버에 입사하는 광 혹은 광파이버로부터 출사하는 광의 광결합을 고효율로 행하는 광파이버 결합 부품이고, 광파이버 상호의 광결합, 광파이버와 발광·수광 소자의 광결합, 광파이버와 광부품(광도파로, 광집적 회로 등)의 광결합 등에 이용되고 있다.
종래의 렌즈 부착 광파이버로서, GRIN 렌즈를 광파이버에 융착 접속한 것이 알려져 있다. GRIN 렌즈는, 굴절률 분포형 렌즈(Gradient Index Lens)이고, 반경 r방향의 굴절률 분포 n(r)은, n(r)=n0(1-(1/2)(g·r)2)이 되는 원기둥(로드) 형상 렌즈이다. 여기에서의 n0은 중심 굴절률이고, g는 GRIN 렌즈의 집광 능력을 나타내는 상수(굴절률 분포 상수)이다. 여기에서, GRIN 렌즈의 반경을 R로 하면, 굴절률분의 최저 굴절률(최저 분포 굴절률) nt는, 렌즈의 외연부의 굴절률이 되고, nt=n(R)=n0(1-(1/2)(g·R)2)가 된다.
GRIN 렌즈를 이용한 렌즈 부착 광파이버는, GRIN 렌즈가 원기둥 형상이기 때문에, 광파이버의 외경과 GRIN 렌즈의 외경을 대략 동일 직경으로 함으로써, 광결합 시의 기계적인 축 맞춤이 용이해지는 이점이 있고, 또 복수의 렌즈 부착 광파이버를 병렬하여 어레이화할 때에, 스페이스 효율을 향상시키는 이점이 있다.
GRIN 렌즈를 이용한 렌즈 부착 광파이버는, 일반적으로, 광파이버로부터의 광을 콜리메이트하는 콜리메이터(Collimator), 혹은 광파이버로부터의 광을 집광하는 콘덴서(Condenser)로서 이용되고 있다. 특히, 콘덴서로서 이용하는 경우의 예로서는, 발광 소자(예를 들면, 반도체 레이저)와 광파이버의 광결합이 있다. 이 경우에는, 발광 소자의 방사각을 충분히 커버할 수 있는 높은 집광 능력의 GRIN 렌즈가 요구됨과 함께, GRIN 렌즈에 입사한 광을 광파이버의 임계각 내에서 광파이버의 코어에 입사하는 것이 요구된다.
이와 같은 요구에 대응하는 렌즈 부착 광파이버로서, 광파이버의 단부면에 비교적 저NA의 GRIN 렌즈를 접속하고, 그 GRIN 렌즈의 단부면에 비교적 고NA의 GRIN 렌즈를 접속한 GRIN 렌즈 부착 광파이버가 개발되고 있다(하기 특허문헌 1 참조). 여기에서의 NA는 개구수(Numerical Aperture)이고, 상술의 g와 GRIN 렌즈의 반경 R, 중심 굴절률 n0을 이용하면, NA=n0·g·R로 나타난다.
일본 특허공보 제4037346호
도 1에 나타내는 바와 같이, 광파이버(2)의 단부면에 저NA의 GRIN 렌즈(3)를 접속하고, 그 GRIN 렌즈(3)의 단부면에 고NA의 GRIN 렌즈(4)를 접속하고 있는 렌즈 부착 광파이버(1)는, 결합광(L)(광파이버에 입사하는 광 또는 광파이버로부터 출사하는 광)의 양태가 근사적으로 가우시안 빔이 되고, 고NA의 GRIN 렌즈(4)의 단부면으로부터 소정 거리(빔 웨이스트 거리(L0))만큼 떨어진 위치에서 빔 웨이스트를 형성한다. 즉, 가장 집광된 위치에서도 결합광(L)은 1점에는 모이지 않고, 소정의 직경(빔 웨이스트 직경(2ω0))을 갖는 빔 스폿이 형성되게 된다.
빔 스폿은 광파이버(2)의 코어를 전파하는 광, 특히 싱글 모드 광파이버의 경우에는 기저 모드의 광의 크기인 모드 필드 직경 2ωs의 상(像)으로 간주할 수 있고, 빔 웨이스트 거리(L0)이 짧은 경우에는, 저NA의 GRIN 렌즈(3)의 NA(NA1)와, 고NA의 GRIN 렌즈(4)의 NA(NA2)의 비율로 축소 배율이 발생하고 있다. 즉, 빔 웨이스트 직경은, 2ω0=2ωs×(NA1/NA2)가 된다.
이와 같은 렌즈 부착 광파이버(1)와의 광결합을 행하는 광부품은, 광통신을 포함하는 광관련 기술의 발전에 따라 다양화되고 있고, 광부품의 입출사 개구 직경은 미소화되는 경향이 있다. 이와 같은 광부품과의 광결합을 높은 결합 효율로 행하기 위해서는, 상술한 렌즈 부착 광파이버(1)의 빔 웨이스트 직경(2ω0)을 더 소경화하는 것이 요구된다. 예를 들면, 광집적 회로와의 광결합을 생각한 경우, 광집적 회로에 있어서의 광도파로 직경은 3μm 이하인 것이 있으므로, 직접적으로 렌즈 부착 광파이버(1)와 광집적 회로를 접속할 때에는, 빔 웨이스트 직경을 3μm 이하로 하는 것이 요구된다.
이에 대해서는, 고NA 측 GRIN 렌즈(4)의 중심 굴절률 n0을 보다 높게 설정하거나, 혹은, 고NA 측 GRIN 렌즈(4)의 최저 분포 굴절률 nt를 보다 낮게 설정하여, GRIN 렌즈(4)의 NA를 높이고, 굴절률 분포를 급준(急峻)하게 함(g값을 높게 함)으로써, 이론상 빔 웨이스트 직경을 소경화하는 것이 가능해진다. 그러나, 중심 굴절률 n0을 높이는 것이나 최저 분포 굴성률 nt를 보다 낮게 하는 것은, GRIN 렌즈(4)의 베이스가 되는 유리 재료와 도펀트 재료의 선택에 의하여 이루어지므로, 그 설정에는 자연히 한계가 있다. 그로 인하여, 재료 선택을 고려하지 않고, 종래 기술과 동등한 중심 굴절률 n0 혹은 최저 분포 굴절률 nt의 설정으로, 빔 웨이스트 직경을 보다 소경화하는 것이 요구되고 있다.
이 외에도, 저NA 측 GRIN 렌즈(3)의 NA를 낮게 설정하여 굴절률 분포를 보다 평탄하게 근접킴으로써도, 이론상 빔 웨이스트 직경을 소경화하는 것이 가능해진다. 그러나, 저NA 측 GRIN 렌즈(3)의 NA를 낮게 하면 빔이 너무 확산되고, 확산된 빔의 테일부가 렌즈 외벽에 도달하여 손실로 이어지는 점에서, 그 설정에도 자연히 한계가 있다.
본 발명은, 이와 같은 사정에 대처하기 위하여 제안된 것이다. 즉, GRIN 렌즈를 이용한 렌즈 부착 광파이버에 있어서, GRIN 렌즈의 재료 선택을 고려하지 않고, 빔 웨이스트 직경의 소경화를 도모하는 것이 본 발명의 과제이다.
이와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 의한 렌즈 부착 광파이버는, 이하의 구성을 구비하는 것이다.
광파이버의 단부면에 제1 GRIN 렌즈의 한쪽의 단부면이 접속되어 있고, 상기 제1 GRIN 렌즈의 다른 쪽의 단부면에 제2 GRIN 렌즈의 한쪽의 단부면이 접속되어 있는 렌즈 부착 광파이버로서, 상기 광파이버와 상기 제1 및 제2 GRIN 렌즈는 동축 상에 접속되어 있으며, 상기 제1 GRIN 렌즈의 개구수가 상기 제2 GRIN 렌즈의 개구수보다 작고, 상기 제2 GRIN 렌즈의 최저 분포 굴절률의 직경 방향 위치가, 상기 제2 GRIN 렌즈의 외연보다 내측으로 설정되어 있음과 함께, 상기 제1 GRIN 렌즈에 의하여 확산된 광의 최외주와 동일한 위치 또는 그보다 외측으로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 렌즈 부착 광파이버.
이와 같은 특징을 갖는 렌즈 부착 광파이버에 의하면, 제2 GRIN 렌즈의 최저 분포 굴절률의 직경 방향 위치를, 제2 GRIN 렌즈의 외연보다 내측으로 설정하고, 또한 제1 GRIN 렌즈에 의하여 확산된 광의 최외주와 동일한 위치 또는 그보다 외측으로 설정함으로써, 제2 GRIN 렌즈의 중심 굴절률과 최저 분포 굴절률을 설정하는 재료 선택을 변경하지 않고, 광파이버로부터 출사하는 광을 손실 없이 전반하여, 제2 GRIN 렌즈의 굴절률 분포를 급준하게 할 수 있다.
이로써, 콘덴서로서 이용하는 경우의 렌즈 부착 광파이버의 빔 웨이스트 직경을 소경화할 수 있고, 입출사 개구 직경이 미소화된 광부품과의 광결합을 고효율로 행할 수 있다.
도 1은 GRIN 렌즈를 이용한 렌즈 부착 광파이버를 나타낸 설명도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 관한 렌즈 부착 광파이버에 있어서의 제2 GRIN 렌즈의 굴절률 분포를 나타낸 설명도이다.
도 3은 렌즈 부착 광파이버에 있어서의 결합광의 양태(렌즈 단부면으로부터의 거리에 대한 빔 직경)를 나타낸 설명도이다.
도 4는 본 발명의 실시형태에 관한 렌즈 부착 광파이버를 광부품(광도파로)에 광결합한 광결합기의 구성예를 나타낸 설명도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 본 발명의 실시형태에 관한 렌즈 부착 광파이버(1)는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 광파이버(2)와, 제1 GRIN 렌즈(3)와, 제2 GRIN 렌즈(4)를 구비하여, 콘덴서(집광기)로서 기능하는 것이다. 여기에서, 광파이버(2)와 제1 GRIN 렌즈(3)와 제2 GRIN 렌즈(4)는, 동축 상에 접속되어 있다. 자세하게는, 광파이버(2)의 단부면에 제1 GRIN 렌즈(3)의 한쪽의 단부면이 융착 접속되어 있고, 제1 GRIN 렌즈(3)의 다른 쪽의 단부면에 제2 GRIN 렌즈(4)의 한쪽의 단부면이 융착 접속되어 있다.
렌즈 부착 광파이버(1)는, 제1 GRIN 렌즈(3)의 개구수를 NA1로 하고, 제2 GRIN 렌즈(4)의 개구수를 NA2로 하면, NA1<NA2와 같이 설정되어 있다. 이로써, 광파이버(2)로부터 출사한 광은, 제1 GRIN 렌즈(3)에서 일단 빔 직경이 확대되고, 제2 GRIN 렌즈(4)로 집광함으로써, 제2 GRIN 렌즈(4)의 단부면 또는 그 근방에 빔 웨이스트 직경(2ω0)의 빔 스폿을 형성한다.
여기에서, 제1 GRIN 렌즈(3)의 반경을 R1로 하고, 제2 GRIN 렌즈(4)의 반경을 R2로 하며, 광파이버(2)의 반경(클래드 반경)을 R로 하면, R=R1=R2로 함으로써, 슬리브 등을 이용하여 간단히 기계적인 광축 맞춤이 가능한 렌즈 부착 광파이버(1)를 얻을 수 있다. 단, 본 발명의 실시형태에 관한 렌즈 부착 광파이버(1)는, 이에 한정되는 것은 아니고, R≤R1≤R2 등으로 한 것이어도 된다.
도 2는, 본 발명의 실시형태에 관한 렌즈 부착 광파이버(1)에 있어서의 제2 GRIN 렌즈(4)의 굴절률 분포를 나타내고 있다. 제2 GRIN 렌즈(4)의 굴절률 분포는, 중심 굴절률은 n0이고, 중심으로부터의 거리 r이 0≤r≤R2'에서는, n(r)=n0(1-(1/2)(g'·r)2)의 포물선 형상의 굴절률 분포가 되며, 중심으로부터의 거리가 R2'에 있어서, 최저 분포 굴절률(포물선 형상으로 분포하는 굴절률의 최저값) nt가 되고 있다. 그리고, 중심으로부터의 거리 r이 R2'<r≤R2에서는, 일정값(n1)이 되고 있다. 여기에서의 R2는 GRIN 렌즈(4)의 반경(외경/2)이고, R2'는, GRIN 렌즈(4)의 유효 반경(R2'<R2)이다. 즉, 본 발명의 실시형태에 관한 렌즈 부착 광파이버(1)에 있어서는, 제2 GRIN 렌즈(4)는, 최저 분포 굴절률 nt의 직경 방향 위치가 제2 GRIN 렌즈(4)의 외연보다 내측으로 설정되어 있다.
또, 광파이버(2)로부터 제1 GRIN 렌즈(3)에 입사한 광에 빔 직경이 제1 GRIN 렌즈(3) 내에서 확대되어 제2 GRIN 렌즈(4) 계면에 도달했을 때의 빔 직경 2ωG1과, 제2 GRIN 렌즈(4)의 최저 분포 굴절률의 직경 2R2'의 관계가, 2ωG1≤2R2'로 설정되어 있다. 즉, 본 발명의 실시형태에 관한 렌즈 부착 광파이버(1)에 있어서는, 제2 GRIN 렌즈(4)에 있어서의 최저 분포 굴절률 nt의 직경 방향 위치가, 광파이버(2)로부터 제1 GRIN 렌즈(3)에 입사하여 제1 GRIN 렌즈(3)에 의하여 확산된 광의 최외주와 동일한 위치 또는 그보다 외측으로 설정되어 있다. 또, 제2 GRIN 렌즈의 최저 분포 굴절률 nt의 직경 2R2'와 제1 GRIN 렌즈(3)의 직경 2R1의 관계는, 2R2'<2R1이 되도록 설정되어 있다.
이와 같은 제1 GRIN 렌즈(3)와 제2 GRIN 렌즈(4)를 구비하는 렌즈 부착 광파이버(1)는, 광파이버(2)로부터 출사한 광이, 제1 GRIN 렌즈(3)와 제2 GRIN 렌즈(4)를 손실 없이 전반함으로써, 나아가서는 제2 GRIN 렌즈(4)의 단부면 근방 또는 그 외측에 형성되는 빔 웨이스트 직경을 소경화하는 것이 가능해진다.
이와 같은 굴절률 분포를 나타내는 GRIN 렌즈(4)에 있어서, 중심 굴절률 n0과 최저 분포 굴절률 nt는, GRIN 렌즈(4)를 형성하는 재료에 의하여 설정된다. 예를 들면, GRIN 렌즈(4)가, 실리카 유리(SiO2) 베이스에서 도펀트재(금속 첨가물)로서 타이타늄 산화물(Ti2O3)을 선택한 경우에는, 중심 굴절률은 n0=1.53, 최저 분포 굴절률은 nt=1.49로 설정할 수 있다.
여기에서, 동일한 재료 선택으로, 동일한 중심 굴절률 n0과 최저 분포 굴절률 nt를 설정한 경우로서, 최저 분포 굴절률 nt의 직경 방향 위치를 GRIN 렌즈의 외연 부근으로 한 종래 기술에서는, 도 2의 파선으로 나타내는 굴절률 분포(n(r)=n0(1-(1/2)(g·r)2))가 된다. 이 경우의 굴절률 분포 계수 g를, 본 발명의 실시형태에 있어서의 제2 GRIN 렌즈(4)에 있어서의, 중심으로부터의 거리 r이 0≤r≤R2'에서의 굴절률 분포 n(r)=n0(1-(1/2)(g'·r)2)에 있어서의 g'와 비교하면, NA가 동일하고, 직경(유효 직경)이 작아지기 때문에, g<g'가 된다. 즉, 굴절률 분포 계수가 g'가 되는 본 발명의 실시형태에 있어서의 GRIN 렌즈(4)는, 종래 기술보다 g값이 높게 되어 있다.
그런데, 빔 웨이스트 거리(L0)가 제2 GRIN 렌즈(4)의 단부면에 가까운 곳에 있는 경우는, 광파이버(1)의 코어를 전반하는 광의 상이라고 간주할 수 있는 빔 웨이스트 직경(2ω0)의 배율은, 저NA 측의 제1 GRIN 렌즈(3)에 있어서의 g값(g1)과 중심 굴절률(n01)의 곱과 고NA 측의 제2 GRIN 렌즈(4)의 g값(g2=g')과 중심 굴절률(n0)의 곱의 비로 나타낼 수 있다. 즉, 배율은, (g1·n01)/(g'·n0)이 된다. 여기에서, 제1 GRIN 렌즈(3)의 g값과 중심 굴절률(g1·n01)을 일정하다고 생각한 경우에는, 종래 기술의 g에 대하여, g<g'의 GRIN 렌즈(4)를 채용한 본 발명의 실시형태는, 고NA 측의 g값이 커진 만큼만 상인 빔 웨이스트 직경(2ω0)이 작아진다.
도 3은, 렌즈 부착 광파이버(1)에 있어서의 결합광(L)의 양태(렌즈 단부면으로부터의 거리에 대한 빔 직경)를 나타내고 있다. 도면에 있어서, 실선은, 제2 GRIN 렌즈(4)의 굴절률 분포를 도 2에 나타낸 실선과 같이 설정한 경우(본 발명의 실시형태)의 양태를 나타내고, 파선은, 제2 GRIN 렌즈(4)의 굴절률 분포를 도 2에 나타낸 파선과 같이 설정한 경우(종래 기술)의 양태를 나타내고 있다. 도시하는 바와 같이, 빔 웨이스트 직경(렌즈 단부면으로부터의 거리 10μm에 있어서의 빔 직경)(2ω0)은, 종래 기술이 5.0μm 정도인 것에 반하여, 본 발명의 실시형태에서는 3μm 이하로 소경화되어 있다. 이와 같이, 본 발명의 실시형태에 관한 렌즈 부착 광파이버(1)는, 재료 선택에 의한 굴절률 조정을 행하지 않고, 제2 GRIN 렌즈(4)의 g값을 높여, 빔 웨이스트 직경을 소경화하는 것을 가능하게 하고 있다.
이하에, 제2 GRIN 렌즈(4)의 제조 방법을 설명한다. 도 2의 실선으로 나타나는 바와 같은 굴절률 분포를 구비하는 GRIN 렌즈(4)는, 광파이버의 제조법으로서 알려진 로드 인 튜브법을 응용하여 제조할 수 있다. 즉, 종래 기술에 있어서의 GRIN 렌즈의 모재(母材)의 주위에 석영 튜브를 피복하고, 그 후에는 종래 기술에 있어서의 GRIN 렌즈의 제법과 동일하게, 연신을 행하여 외경을 설정된 외경(2×R2)에 맞춘다. 그 후에는, 렌즈 길이를 조정하는 절단을 행하여 제2 GRIN 렌즈(4)를 얻는다. 이와 같이 하여 제조된 제2 GRIN 렌즈(4)는, 유효 직경(2×R2') 내에서는, 도 2의 실선으로 나타내는 바와 같이 포물선 형상의 굴절률 분포를 나타내고, 유효 직경(2×R2')의 외측에는 도펀트 재료를 포함하지 않는 석영 유리의 튜브층이 마련되어 있다(도 2에 있어서의 n1은 석영 유리의 굴절률).
도 4는, 본 발명의 실시형태에 관한 렌즈 부착 광파이버를 광부품에 광결합한 광결합기의 구성예를 나타내고 있다. 여기에서는, 광집적 회로 등의 광도파로(20)와 렌즈 부착 광파이버(1)를 결합한 예를 나타내고 있다. 이 예에서는, 렌즈 부착 광파이버(1)에 있어서의 제2 GRIN 렌즈(4)의 단부면과 광도파로(20)의 접속 단부면을 대면하여 배치하고, 양단부면을 직접적으로 혹은 접착제나 굴절률 정합제 등의 커플링제를 통하여 접속하고 있다. 이때, 렌즈 부착 광파이버(1)에 있어서의 빔 웨이스트 위치를 제2 GRIN 렌즈(4)의 단부면에 근접시키거나 혹은 일치시킴으로써, 직접적인 접속을 저손실로 행하는 것이 가능해지고, 렌즈 부착 광파이버(1)에 의하여 소경화된 빔 웨이스트 직경을 광도파로(20)의 코어(20A)의 직경과 동등 또는 그 이하로 설정함으로써, 고효율적의 결합이 가능해진다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시형태에 관한 렌즈 부착 광파이버(1), 혹은 이를 이용한 광결합기는, 재료 선택에 의한 굴절률 조정을 고려하지 않고, 광파이버(2)에 결합하는 광을 손실 없이 전반하여, 제1 및 제2 GRIN 렌즈(3, 4)를 이용한 렌즈 부착 광파이버(1)의 빔 웨이스트 직경을 소경화할 수 있다. 이로써, 본 발명의 실시형태에 관한 렌즈 부착 광파이버(1), 혹은 이를 이용한 광결합기는, 결합 대상의 광부품의 입출사 개구 직경의 미소화에 대응하여, 고효율의 광결합을 행할 수 있다.
1: 렌즈 부착 광파이버
2: 광파이버
3, 4: GRIN 렌즈
20: 광도파로
20A: 코어

Claims (5)

  1. 광파이버의 단부면에 제1 GRIN 렌즈의 한쪽의 단부면이 접속되어 있고, 상기 제1 GRIN 렌즈의 다른 쪽의 단부면에 제2 GRIN 렌즈의 한쪽의 단부면이 접속되어 있는 렌즈 부착 광파이버로서,
    상기 광파이버와 상기 제1 및 제2 GRIN 렌즈는 동축 상에 접속되어 있으며, 상기 제1 GRIN 렌즈의 개구수가 상기 제2 GRIN 렌즈의 개구수보다 작고,
    상기 제2 GRIN 렌즈의 최저 분포 굴절률의 직경 방향 위치가, 상기 제2 GRIN 렌즈의 외연보다 내측으로 설정되어 있음과 함께, 상기 제1 GRIN 렌즈에 의하여 확산된 광의 최외주와 동일한 위치 또는 그보다 외측으로 설정되고,
    상기 제2 GRIN 렌즈에 있어서의 상기 최저 분포 굴절률의 위치보다 외측에는, 도펀트재를 포함하지 않는 튜브층이 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 렌즈 부착 광파이버.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 및 제2 GRIN 렌즈는, 상기 광파이버와 동일 직경인 것을 특징으로 하는 렌즈 부착 광파이버.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 렌즈 부착 광파이버의 결합광의 빔 웨이스트 직경이 3μm 이하인 것을 특징으로 하는 렌즈 부착 광파이버.
  5. 청구항 1에 기재된 렌즈 부착 광파이버와 광부품이 광결합한 광결합기.
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