光耦合器及带GRIN透镜光纤的光耦合方法与流程

本发明涉及一种使带grin透镜光纤相对置的光耦合器及其光耦合方法。

背景技术：

在使用光纤的光信息传输系统中，使从一方的光纤端射出的光经由空间入射到另一方的光纤端的光耦合器是能够在其空间内插入波长选择器、分光器、光开关、光隔离器、光调变器等功能元件的功能性较高的光模组。这种光耦合器以往是通过使用一对凸透镜的准直器，使通过空间的光接近平行光，但存在使用凸透镜的准直器相对于光纤外径直径较大，不能应对光传输系统的细径化/高密度化要求的问题。

对此，作为能够应对细径化/高密度化要求的光耦合器，已知有配置为将光纤和grin透镜(折射率分布型透镜)在同轴上接合、并使一对grin透镜的前端面隔开规定的透镜间距离地相对置的光纤准直器对(参考下述专利文献1)。如图1的(a)所示，在这里使用的grin透镜为与光纤大致同直径的圆柱状，如图1的(b)所示，具有在中心轴的折射率n1最高、并且折射率n随着从中心轴向外周方向远离而以二次曲线状连续降低的折射率分布，若由距中心轴的距离r的函数n(r)表示该折射率分布的截面方向x、y的折射率n，能够由下述式(1)表示。

[数学式1]

其中，g为表示grin透镜的聚光能力的常数(分布常数)，n1为grin透镜的中心折射率，r为半径方向上的距离(r²＝x²+y²)，n2为在透镜半径r处的折射率。中心折射率n1与分布常数g、透镜半径r的关系由下述式(2)表示。

[数学式2]

其中，na称为数值孔径numericalaperture(以下，简称为“na”)，是表示透镜性能的参数。na较高的透镜为光的聚光能力较高的透镜。

专利文献1：日本特开2008-20560号公报

非专利文献1：jungw,benalcazarwa,ahmada,sharmau,tuhandboppartsa,"numericalanalysisofgradientindexlens-basedopticalcoherencetomographyimagingprobes",j.biomed.opt.15(6),066027(december30,2010)

非专利文献2：marcused,"lossanalysisofsingle-modefibersplices",bellsystemtechnicaljournal,56:5.may-june1977pp703-718

技术实现要素：

发明要解决的技术课题

图2示出使带grin透镜光纤10相对置而成的光耦合器1。该光耦合器1将光纤11与grin透镜12在同轴上接合后，设定透镜间距离wd并使它们相对置。作为光耦合器1的结构例，接合石英类grin透镜12与作为单模光纤的光纤11，在将光纤11的数值孔径设为naf、将grin透镜12的数值孔径设为nag的情况下，0.090≤nag≤0.17且naf≤nag，并且，在将光纤11的外径设为df、将grin透镜12的外径设为r的情况下，df-3μm≤r≤df。

在透镜间距离wd较短时，使带grin透镜光纤10相对置而成的光耦合器1中的grin透镜的光轴方向上的长度z被设定为由下述式(3)表示的z1/4的长度，或者其奇数倍的长度，但由于将透镜间距离wd设定得较长时会提高耦合效率，因此将透镜长度z设定为比z1/4长。

z1/4＝π/(2g)…(3)

如图3所示，若将透镜长度z设为比由上述(3)式表示的z1/4长，则从光纤11射出的光近似成为高斯光束，若将其通过grin透镜12进行聚光，则不会收拢成一点而是收拢成某一大小(2ω0)的直径。将该收拢状态的部分称为束腰，将其直径2ω0称为束腰直径。

使grin透镜12的长度z在由上述式(3)表示的z1/4与z1/2＝2×z1/4之间变化时，束腰直径2ω0与从grin透镜12的光射出侧端面到束腰位置的距离(束腰距离)l0如图3所示变化。即，若使grin透镜12的长度z在z1/2＞z＞z1/4之间以z1＞z2＞z3逐渐变小的方式变化，则束腰直径2ω0逐渐变大，束腰距离l0也逐渐变大，但束腰直径2ω0和束腰距离l0在各不相同的透镜长度z具有峰值。

在使具有这种聚光特性的带grin透镜光纤10在同轴上左右对称地相对置而成的光耦合器1，通过将grin透镜长度z设定为z1/4＜z＜z1/2，能够在grin透镜12的端面之间设定有效的透镜间距离wd，并且，通过将透镜间距离wd设定为束腰距离l0的2倍(wd＝2×l0)，能够使耦合效率最佳化。

然而，通过光纤11传输不同波长的光时，在具备具有特定的折射率分布的grin透镜的光耦合器中，由于折射率赋予物质自身的分散而使透镜的折射率分布按每个传输光的波长发生变化，其结果，束腰距离l0成为不同值，因此若基于相对于特定波长的束腰距离l0来设定透镜间距离wd(＝2×l0)，则产生通过进行传输的其它波长的光不能得到最佳耦合效率的问题。

本发明将解决这种问题为课题的一例。即，本发明的目的为，使带grin透镜光纤在同轴上隔开规定透镜间距离地相对置而成的光耦合器中，即使传输不同波长的光时，也无需按每个波长改变透镜间距离的设定，就能够在各波长下得到适合的耦合效率等。

用于解决技术课题的手段

为了实现这种目的，本发明的光耦合器，使带grin透镜光纤在同轴上隔开已设定的透镜间距离地相对置而成，将一方的带grin透镜光纤的传输光耦合于另一方的带grin透镜光纤，其中，该带grin透镜光纤由光纤和grin透镜在同轴上接合而成，该光耦合器的特征在于，以使所述透镜间距离的中间位置与所述传输光中最短波长的光的束腰位置对准的方式设定所述透镜间距离的中间位置，根据因所述传输光中与所述最短波长不同的波长的光的束腰位置的距离偏移所产生的耦合损失的底部来设定沿所述grin透镜的光轴方向的透镜长度。

并且，本发明的带grin透镜光纤的光耦合方法，用于使带grin透镜光纤在同轴上隔开已设定的透镜间距离地相对置，将一方的带grin透镜光纤的传输光耦合于另一方的带grin透镜光纤，其中，该带grin透镜光纤由光纤和grin透镜在同轴上接合而成，该光耦合方法的特征在于，以使所述透镜间距离的中间位置与所述传输光中最短波长的光的束腰位置对准的方式设定所述透镜间距离的中间位置，根据因所述传输光中与所述最短波长不同的波长的光的束腰位置的距离偏移所产生的耦合损失的底部来设定沿所述grin透镜的光轴方向的透镜长度。

发明效果

依具有这种特徵的本发明，在使带grin透镜光纤在同轴上隔开规定透镜间距离地相对置的光耦合器及光耦合方法中，即使传输不同波长的光时，也无需按每个波长改变透镜间距离的设定，就能够在各波长下得到适当的耦合效率。

附图说明

图1是表示grin透镜的折射率分布的说明图。

图2是表示使带grin透镜光纤相对置而成的光耦合器的说明图。

图3是表示带grin透镜光纤中，改变grin透镜长度时，射出光的聚光特性的差异的说明图。

图4是表示涉及本发明的实施方式的光耦合器的设计方法的说明图。

图5是表示涉及本发明的实施方式的光耦合器的透镜长度的设定例的说明图(表示改变透镜长度z时的各波长(λ1、λ2、λ3)的光的束腰距离l0的曲线图)。

图6是表示涉及本发明的实施方式的光耦合器的透镜长度的设定例的说明图(表示改变透镜长度z时的各波长(λ1、λ2、λ3)的光的束腰直径2ω0的曲线图)。

图7是表示本发明的实施方式的光耦合器的透镜长度的设定例的说明图(表示改变透镜长度z时的各波长(λ1、λ2、λ3)的光的基于距离偏移d的耦合损失的曲线图)。

图8是表示涉及本发明的实施方式的光耦合器的透镜长度的设定例的说明图(合成图5和图7的曲线图)。

图9是表示涉及本发明的实施方式的光耦合器的从带grin透镜光纤射出的光的聚光状态的曲线图。

具体实施方式

作为涉及本发明的实施方式的光耦合器及光耦合方法，以使带grin透镜光纤10在同轴上隔开规定透镜间距离wd地相对置而成的光耦合器1为例进行说明，该带grin透镜光纤10将单模光纤接合于石英类grin透镜(折射率分布型透镜)而成(参考图2)。此处的grin透镜12的透镜长度z在由上述式(3)表示的z1/4与z1/2＝2×z1/4之间设定。这种情况下，如前所述，从一方的带grin透镜光纤10射出的光近似成为高斯光束，该射出光的变动主要能够通过束腰直径2ω0和束腰距离l0来描述(参考图3)。

在此，具备所述式(1)、(2)成立的grin透镜12的光耦合器1能够通过下述式(4)、(5)表示束腰距离l0和束腰半径ω0(参考非专利文献1)。即，能够将光耦合器1的束腰距离l0和束腰半径ω0作为传输光的波长λ和透镜长度z的函数来表示。在式(4)、(5)中，由作为单模光纤的光纤11传输的波长λ的光的模场直径(稍微大于单模光纤的芯直径)设为2ωs。

[数学式3]

在求取光耦合器1的耦合效率时，若考虑由两个带grin透镜光纤分别射出波长λ的光时形成的束腰直径为2ω1、2ω2且束腰位置具有距离偏移d的状态来求出此时的耦合效率η，设k＝2π/λ,则能够由下述式(6)、(7)表示(参考非专利文献2)。

[数学式4]

涉及本发明的实施方式的光耦合器1使用左右对称的带grin透镜光纤10，因此ω1＝ω2＝ω0(λ，z)。而且，向该光耦合器1传输不同波长λi的光时，具有距离偏移d时的耦合效率η为传输光的波长λi和透镜长度z的函数η(λi，z)，能够如下述式(8)、(9)表示。在此，ki＝2π/λi。

[数学式5]

图4中示出涉及本发明的实施方式的光耦合器1的设计方法。涉及本发明的实施方式的光耦合器1通过沿grin透镜12的光轴方向的透镜长度z和透镜间距离wd的设定，谋求耦合不同波长的光时的耦合效率的最佳化。首先，如图4的(a)所示，将传输光中最短波长λm的光作为对象，求出束腰距离l0(λm，z)，以该束腰位置与透镜间距离wd的中间位置一致的方式设定透镜间距离wd。

在透镜间距离wd的中间位置与波长λm的光的束腰位置一致的状态下，若通过光耦合器1耦合与波长λm不同的波长λi的光，则如图4的(b)所示，波长λi的光的束腰位置具有距离偏移d，此时的耦合效率η能够由式(8)、(9)表示。在此，调整在式(8)、(9)中的透镜长度z来谋求耦合波长λi的光时的耦合效率η(λi，z)的适当化。此时，与透镜长度z的调整相应地，波长λm的光的束腰距离l0(λm，z)发生变化，因此，与之相应地，以波长λm的光的束腰位置与透镜间距离wd的中间位置一致的方式对透镜间距离wd进行可变调整。

图5～图8中示出涉及本发明的实施方式的光耦合器1的透镜长度z的设定例，示出在使由具有某一透镜参数的grin透镜12和设定了某一光束直径2ωs的单模光纤11构成的带grin透镜光纤10在同轴上相对置而成的光耦合器1中，耦合不同波长的单波长光(波长λ1：450nm，波长λ2：532nm，波长λ3：635nm)时的透镜间距离wd和透镜长度z的设定例。

图5中示出改变透镜长度z时的各波长(λ1，λ2，λ3)的光的束腰距离l0，图6中示出改变透镜长度z时的各波长(λ1，λ2，λ3)的光的束腰直径2ω0，图7中示出改变透镜长度z时的各波长(λ1，λ2，λ3)的基于距离偏移d的耦合损失(db)。此处的耦合损失由-10·log10(η(λi，z))计算。图8中重叠图5所示的束腰距离l0和图7所示的基于距离偏移d的耦合损失(db)来表示。

在此，若调整透镜长度z，则各波长(λ1，λ2，λ3)下的束腰距离l0发生变化，但作为求出各波长(λ1，λ2，λ3)下的基于距离偏移d的耦合损失-10·log10(η(λi，z))的条件，最短波长即波长λ1(＝450nm)的光的束腰位置始终为透镜间距离wd的中间位置，即，将波长λ1下的耦合损失与透镜长度z无关始终成为0db这一情况作为条件。

在透镜长度z的设定中，在此，波长(λ1，λ2，λ3)中最长波长λ3＝635nm的光的耦合损失显示底部，将λ3的光的束腰距离l0成为最大的透镜长度z＝606μm设为设定值。若求出基于该透镜长度z的波长λ1的光的束腰距离l0来设定透镜间距离wd，则如图5所示，波长(λ1，λ2，λ3)中最短波长λ1的光的束腰距离l0为750μm，因此设定为透镜间距离wd＝2×l0＝1500μm(1.5mm)。

通过具备这样设定的透镜长度z(606μm)和透镜间距离wd(1.5mm)的光耦合器1(实施例)，将耦合波长λ1(450nm)、λ2(532nm)、λ3(635nm)的光时的耦合损失的实测值示于表1。在这样设定的实施例中，将不同波长的光的耦合损失差(与450nm的差)抑制成小于0.3db。

[表1]

在所述的实施例中，关于透镜长度z的设定，设定为波长(λ1，λ2，λ3)中最长波长λ3＝635nm的光的耦合损失显示底部的值，但并不限于此，也能够在中间波长λ2的光的耦合损失显示底部的值与最长波长λ3的光的耦合损失显示底部的值之间设定透镜长度z。即，传输光为3种波长以上的不同波长的光时，根据最短波长以外的2种波长以上的不同波长的光的耦合损失的底部来设定透镜长度。关于此处的耦合损失的底部，能够在例如耦合损失为0.5db以下、优选0.3db以下的范围内确定。另外，实施例中，对传输3个不同波长的情况进行了说明，但传输光的波长只要为不同的2种波长以上，则能够同样地进行设定。

对此，图5～图8中所示的例子中，将以下情况作为比较例：不着眼于耦合损失而将透镜长度z设定得较长，在不同波长(λ1、λ2、λ3)各自的束腰距离l0近似之处设定透镜长度z。例如，若将透镜长度z设定为766μm，则关于透镜间距离wd，如图5所示，波长λ1的光的基于该透镜长度z的束腰距离l0为200μm，因此透镜间距离wd＝2×l0＝400μm(0.4mm)。

通过具备这样设定的透镜长度z(766μm)和透镜间距离wd(0.4mm)的光耦合器(比较例)，耦合波长λ1(450nm)、λ2(532nm)、λ3(635nm)的光时的耦合损失的实测值示于表2。在这样设定的比较例中，不同波长的光的耦合损失的差(与450nm的差)最大为1.76db。

[表2]

这样，涉及本发明的实施方式的光耦合器1耦合不同波长的光时，以使透镜间距离wd的中间位置与传输光中最短波长λm的光的束腰位置对准的方式设定透镜间距离wd的中间位置，以因其它波长λi的光的束腰位置的距离偏移d所产生的耦合损失显示底部的方式设定沿grin透镜12的光轴方向的透镜长度z。这样设定的光耦合器1能够在传输光的所有波长下使耦合效率适当化。

将透镜间距离wd的中间位置与传输光中最短波长λm的光的束腰位置对准的情况下，因其它波长λi的光的束腰位置的距离偏移d所产生的耦合损失-10·log10(η(λi，z))如图7所示那样根据透镜长度z而变化，但该耦合损失-10·log10(η(λi，z))的底部通过将在由上述式(3)表示的z1/4与z1/2＝2×z1/4之间设定的透镜长度z设为较短来获得。若透镜长度z在z1/4与z1/2＝2×z1/4之间逐渐变短，则如图8所示，波长λi的束腰距离l0显示峰值，但在成为该峰值的透镜长度z附近耦合损失-10·log10(η(λi，z))显示底部(最小值附近)。本发明的实施方式利用该特性，通过透镜长度z的调整，谋求产生距离偏移d的其它波长λi的光的耦合损失的适当化。

对此，以往，不着眼于所述的耦合损失-10·log10(η(λi，z))，而是仅着眼于所有波长的束腰距离l0，如所述比较例，在由上述式(3)表示的z1/4与z1/2＝2×z1/4之间将透镜长度z设定得较长，进行将所有波长的束腰距离l0设为近似值的设定。如图8所示，若将透镜长度z设定较长为766μm，则每个波长的束腰距离l0的差变小。

然而，在这种透镜长度的设定中，如表2所示，不能使不同波长的光的耦合效率适当化。这是因为，在这种较长的透镜长度z的设定中，束腰距离l0在各波长下成为近似值，但束腰直径的变化率在束腰位置附近变得急剧，较小的束腰距离l0的差异会导致每个波长的耦合效率的大的差异。

图9示出在涉及本发明的实施方式的光耦合器1中从带grin透镜光纤10射出的光的聚光状态。如前所述，以使透镜间距离wd的中间位置与传输光中最短波长λm的光的束腰位置对准的方式设定透镜间距离wd的中间位置，在以因其它波长λi的光的束腰位置的距离偏移d所产生的耦合损失显示底部的方式设定沿grin透镜12的光轴方向的透镜长度z的情况下，传输光(波长λ1：450nm、波长λ2：532nm、波长λ3：635nm)的束腰距离l0(λ1)、l0(λ2)、l0(λ3)如图所示那样成为l0(λ1)＜l0(λ2)＜l0(λ3)的大小关系，各个波长下的束腰半径ω0(λ1)、ω0(λ2)、ω0(λ3)如图所示那样成为ω0(λ1)＜ω0(λ2)＜ω0(λ3)的关系。

而且，根据本发明的实施方式中的透镜间距离wd和透镜长度z的设定，从带grin透镜光纤10射出的光的聚光状态显示沿光轴方向的聚光状态的变化率按每个波长而不同的特性，在最短波长λ1下束腰位置附近的聚光状态变化急剧，而最长波长λ3下束腰位置附近的聚光状态变化平缓。这种束腰位置附近的聚光状态的变化能够通过下述式(10)表示的高斯光束的瑞利长度xr进行说明(ω0：束腰半径，λ：传输光的波长)。

xr＝πω0²/λ…(10)

瑞利长度xr为光束直径成为束腰直径的2^1/2倍的光轴方向的位置与束腰位置的距离，瑞利长度xr越短，则束腰附近的聚光状态的变化越急剧，瑞利长度xr越长，则束腰附近的聚光状态的变化越平缓。

而且，如图9所示，从带grin透镜光纤10射出的光的聚光状态下，能够在束腰位置的前后设定瑞利长度范围(在束腰位置的前后两侧设定瑞利长度xr的范围)。若导入该瑞利长度范围的概念，则如本发明的实施方式那样，设定透镜间距离wd和沿grin透镜12的光轴方向的透镜长度z时，将透镜间距离wd的中间位置设定在传输光的所有波长下的各个瑞利长度范围重叠的位置。

这样，涉及本发明的实施方式的光耦合器1中，在束腰位置附近的聚光状态的变化最急剧，对于因透镜间距离wd的中央位置与束腰位置的偏移而使耦合效率的降低最大的波长(最短波长)，通过将透镜间距离wd的中央位置与束腰位置对准来得到最佳的耦合效率。而且，关于束腰附近的聚光状态的变化比较平缓的其它波长，通过以透镜间距离wd的中央位置在各个波长的光的束腰的瑞利长度范围内的方式设定，在其它波长下也实现耦合效率不会降低较大的光耦合状态。

如本发明的实施方式那样，这种每个波长的射出光的聚光状态通过在z1/4与z1/2＝2×z1/4之间将透镜长度z设定得较短来实现，而在z1/4与z1/2＝2×z1/4之间将透镜长度z设定得较长时，在所有波长下，束腰位置附近的聚光状态的变化急剧，不能使各波长的光的耦合效率适当化。

如以上说明的那样，涉及本发明的实施方式的光耦合器1及利用该光耦合器的光耦合方法，通过以使透镜间距离wd的中间位置与传输光中最短波长λm的光的束腰位置对准的方式设定透镜间距离wd的中间位置，根据因传输光中与波长λm不同的波长λi的光的束腰位置的距离偏移d所产生的耦合损失的底部来设定沿grin透镜12的光轴方向的透镜长度z，由此传输不同波长的光时，也无需按每个波长改变透镜间距离wd的设定，就能够在各波长下得到适合的耦合效率。

附图标记说明

1：光耦合器；10：带grin透镜光纤；11：光纤；12：grin透镜；wd：透镜间距离；z：透镜长度；l0：束腰距离。