特許 5928570 光結合器及びＧＲＩＮレンズ付き光ファイバの光結合方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】5928570

(24)【登録日】2016年5月13日

(45)【発行日】2016年6月1日

(54)【発明の名称】光結合器及びＧＲＩＮレンズ付き光ファイバの光結合方法

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/32 20060101AFI20160519BHJP

【ＦＩ】

   G02B6/32

【請求項の数】4

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2014-259425(P2014-259425)

(22)【出願日】2014年12月22日

【審査請求日】2016年2月29日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000003768

【氏名又は名称】東洋製罐グループホールディングス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000626

【氏名又は名称】特許業務法人 英知国際特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100118898

【弁理士】

【氏名又は名称】小橋 立昌

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 太郎

(72)【発明者】

【氏名】丸山 直文

(72)【発明者】

【氏名】遠藤 剛

【審査官】 金高 敏康

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００２−３５０６６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平４−１１０８０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−２４３９９１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ６／２６− ６／２７

Ｇ０２Ｂ ６／３０− ６／３４

Ｇ０２Ｂ ６／４２− ６／４３

ＪＳＴＰｌｕｓ（ＤｒｅａｍＩＩＩ）

ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光ファイバとＧＲＩＮレンズとを同軸上に接合したＧＲＩＮレンズ付き光ファイバを設定されたレンズ間距離を設けて同軸上に対向させ、一方のＧＲＩＮレンズ付き光ファイバの伝送光を他方のＧＲＩＮレンズ付き光ファイバに結合する光結合器であって、
前記レンズ間距離の中間位置が、前記伝送光のうち最も短い波長の光におけるビームウェスト位置に合わせて設定され、
前記ＧＲＩＮレンズの光軸方向に沿ったレンズ長さが、前記伝送光のうち前記波長とは異なる波長の光のビームウェスト位置の距離ズレによる結合損失の底部に応じて設定されていることを特徴とする光結合器。

【請求項2】

前記中間位置は、前記伝送光の全ての波長における各々のレイリー長範囲が重なる位置に設定されていることを特徴とする請求項１項に記載の光結合器。

【請求項3】

前記結合損失の底部は０．５ｄＢ以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の光結合器。

【請求項4】

光ファイバとＧＲＩＮレンズとを同軸上に接合したＧＲＩＮレンズ付き光ファイバを設定されたレンズ間距離を設けて同軸上に対向させ、一方のＧＲＩＮレンズ付き光ファイバの伝送光を他方のＧＲＩＮレンズ付き光ファイバに結合する光結合方法であって、
前記レンズ間距離の中間位置を、前記伝送光のうち最も短い波長の光におけるビームウェスト位置に合わせて設定し、
前記ＧＲＩＮレンズの光軸方向に沿ったレンズ長さを、前記伝送光のうち前記波長とは異なる波長の光のビームウェスト位置の距離ズレによる結合損失の底部に応じて設定することを特徴とするＧＲＩＮレンズ付き光ファイバの光結合方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ＧＲＩＮレンズ付き光ファイバを対向させた光結合器及びその光結合方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

光ファイバを用いた光情報伝送システムにおいて、一方の光ファイバ端から出射した光を空間を介して他方の光ファイバ端に入射する光結合器は、その空間に波長選択器，光分岐器，光スイッチ，光アイソレータ，光変調器などの機能素子を挿入することができる機能性の高い光モジュールである。このような光結合器は、従来、一対の凸レンズを用いたコリメータによって、空間を通過する光を平行光に近づけることがなされていたが、凸レンズによるコリメータは光ファイバの外径に対して径が大きくなり、光伝送系の細径化・高密度化の要求には対応できない問題があった。

【0003】

これに対し、細径化・高密度化の要求に対応できる光結合器として、光ファイバとＧＲＩＮレンズ（屈折率分布型レンズ）とを同軸上に接合し、所定のレンズ間距離を設けて一対のＧＲＩＮレンズの先端面を対向するように配置した光ファイバコリメータ対が知られている（下記特許文献１参照）。ここで用いられるＧＲＩＮレンズは、図１（ａ）に示すように、光ファイバと略同径の円柱状であり、図１（ｂ）に示すように、中心軸での屈折率ｎ₁が最も高く、中心軸から外周方向に離れると連続的に二次曲線状に屈折率ｎが低くなる屈折率分布を有しており、その断面方向ｘ，ｙの屈折率ｎを中心軸からの距離ｒの関数ｎ（ｒ）で表すと、下記（１）式で表すことができる。

【0004】

【数1】

【0005】

ここで、ｇはＧＲＩＮレンズの集光能力を表わす定数（分布定数）、ｎ₁はＧＲＩＮレンズの中心屈折率、ｒは半径方向の距離（ｒ²＝ｘ²＋ｙ²）、ｎ₂はレンズ半径Ｒでの屈折率である。中心屈折率ｎ₁と分布定数ｇ，レンズ半径Ｒとの関係は、下記（２）式で表される。

【0006】

【数2】

【0007】

ここで、ＮＡは、開口数Numerical Aperture（以下、「ＮＡ」と略す。）と呼ばれ、レンズ性能を表わすパラメータである。ＮＡの高いレンズは光の集光能力が高いレンズである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開２００８−２０５６０号公報

【非特許文献】

【0009】

【非特許文献1】Jung W, Benalcazar WA, Ahmad A, Sharma U, Tu H and Boppart SA, "Numerical analysis of gradient index lens-based optical coherence tomography imaging probes", J. Biomed. Opt. 15(6), 066027 (December 30, 2010).

【非特許文献2】Marcuse D, "Loss analysis of single-mode fiber splices", Bell System Technical Journal, 56: 5. May-June 1977 pp 703-718.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

図２は、ＧＲＩＮレンズ付き光ファイバ１０を対向させた光結合器１を示している。この光結合器１は、光ファイバ１１とＧＲＩＮレンズ１２とを同軸上に接合して、レンズ間距離ＷＤを設定して対向配置したものである。光結合器１の構成例としては、石英系のＧＲＩＮレンズ１２とシングルモード光ファイバである光ファイバ１１とを接合し、光ファイバ１１の開口数をＮＡ_fとして、ＧＲＩＮレンズ１２の開口数をＮＡ_gとした場合に、0.090≦ＮＡ_g≦0.17かつＮＡ_f≦ＮＡ_g、さらに、光ファイバ１１の外径をＤ_f、ＧＲＩＮレンズ１２の外径をＲとした場合に、Ｄ_f−３μｍ≦Ｒ≦Ｄ_fとしている。

【0011】

ＧＲＩＮレンズ付き光ファイバ１０を対向させた光結合器１におけるＧＲＩＮレンズの光軸方向の長さｚは、レンズ間距離ＷＤが短い場合には、下記の（３）式で示すｚ_1/4の長さ、あるいはその奇数倍の長さに設定されるが、レンズ間距離ＷＤを長く設定する場合は結合効率を向上させるためにレンズ長さｚをｚ_1/4より長く設定する。

【0012】

ｚ_1/4＝π／（２ｇ） … （３）

【0013】

図３に示すように、レンズ長さｚを上記（３）式で示したｚ_1/4より長くすると、光ファイバ１１から出射される光は近似的にガウシアンビームになり、これをＧＲＩＮレンズ１２で集光すると１点には絞られずある大きさ（２ω₀）の径に絞られる。この絞られた状態の部分をビームウェストといい、その直径２ω₀をビームウェスト直径という。

【0014】

ＧＲＩＮレンズ１２の長さｚを上記（３）式で示したｚ_1/4とｚ_1/2＝２×ｚ_1/4の間で変化させた場合、ビームウェスト直径２ω₀とＧＲＩＮレンズ１２の光出射側端面からビームウェスト位置までの距離（ビームウェスト距離）Ｌ₀は、図３に示すように変化する。すなわち、ＧＲＩＮレンズ１２の長さｚを、ｚ_1/2＞ｚ＞ｚ_1/4の間でｚ１＞ｚ２＞ｚ３と徐々に小さくなるように変化させると、ビームウェスト直径２ω₀は徐々に大きくなり、ビームウェスト距離Ｌ₀も徐々に大きくなるが、ビームウェスト直径２ω₀とビームウェスト距離Ｌ₀はそれぞれ異なるレンズ長さｚでピークを持つ。

【0015】

このような集光特性を有するＧＲＩＮレンズ付き光ファイバ１０を左右対称且つ同軸上に対向した光結合器１は、ＧＲＩＮレンズ長さｚをｚ_1/4＜ｚ＜ｚ_1/2に設定することで、ＧＲＩＮレンズ１２の端面間に有効なレンズ間距離ＷＤを設定することができ、また、レンズ間距離ＷＤをビームウェスト距離Ｌ₀の２倍（ＷＤ＝２×Ｌ₀）に設定することで結合効率を最適化することができる。

【0016】

しかしながら、光ファイバ１１にて異なる波長の光を伝送する場合、特定の屈折率分布を有するＧＲＩＮレンズを備えた光結合器では、伝送光の波長毎に屈折率付与物質自体の分散によってレンズの屈折率分布が変わり、その結果ビームウェスト距離Ｌ₀が異なる値になるので、特定の波長に対するビームウェスト距離Ｌ₀に基づいてレンズ間距離ＷＤ（＝２×Ｌ₀）を設定すると、伝送する他の波長の光では最適な結合効率を得ることができない問題が生じる。

【0017】

本発明は、このような問題に対処することを課題の一例とするものである。すなわち、ＧＲＩＮレンズ付き光ファイバを所定のレンズ間距離を設けて同軸上に対向させた光結合器において、異なる波長の光を伝送する場合にも、レンズ間距離の設定を波長毎に変えること無く、各波長で適正な結合効率を得ることができること、等が本発明の目的である。

【課題を解決するための手段】

【0018】

このような目的を達成するために、本発明は、光ファイバとＧＲＩＮレンズとを同軸上に接合したＧＲＩＮレンズ付き光ファイバを設定されたレンズ間距離を設けて同軸上に対向させ、一方のＧＲＩＮレンズ付き光ファイバの伝送光を他方のＧＲＩＮレンズ付き光ファイバに結合する光結合器であって、前記レンズ間距離の中間位置が、前記伝送光のうち最も短い波長の光におけるビームウェスト位置に合わせて設定され、前記ＧＲＩＮレンズの光軸方向に沿ったレンズ長さが、前記伝送光のうち前記波長とは異なる波長の光のビームウェスト位置の距離ズレによる結合損失の底部に応じて設定されていることを特徴とする。

【0019】

また、本発明のＧＲＩＮレンズ付き光ファイバの光結合方法は、光ファイバとＧＲＩＮレンズとを同軸上に接合したＧＲＩＮレンズ付き光ファイバを設定されたレンズ間距離を設けて同軸上に対向させ、一方のＧＲＩＮレンズ付き光ファイバの伝送光を他方のＧＲＩＮレンズ付き光ファイバに結合する光結合方法であって、前記レンズ間距離の中間位置を、前記伝送光のうち最も短い波長の光におけるビームウェスト位置に合わせて設定し、前記ＧＲＩＮレンズの光軸方向に沿ったレンズ長さを、前記伝送光のうち前記波長とは異なる波長の光のビームウェスト位置の距離ズレによる結合損失の底部に応じて設定することを特徴とする。

【発明の効果】

【0020】

このような特徴を有する本発明によると、ＧＲＩＮレンズ付き光ファイバを所定のレンズ間距離を設けて同軸上に対向させた光結合器及び光結合方法において、異なる波長の光を伝送する場合にも、レンズ間距離の設定を波長毎に変えること無く、各波長で適正な結合効率を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】ＧＲＩＮレンズの屈折率分布を示した説明図である。

【図2】ＧＲＩＮレンズ付き光ファイバを対向させた光結合器を示した説明図である。

【図3】ＧＲＩＮレンズ付き光ファイバにおいて、ＧＲＩＮレンズ長さを変えた場合の出射光の集光特性の違いを示した説明図である。

【図4】本発明の実施形態に係る光結合器の設計手法を示した説明図である。

【図5】本発明の実施形態に係る光結合器のレンズ長さの設定例を示した説明図である（レンズ長さｚを変えた場合の各波長（λ₁，λ₂，λ₃）の光のビームウェスト距離Ｌ₀を示したグラフ）。

【図6】本発明の実施形態に係る光結合器のレンズ長さの設定例を示した説明図である（レンズ長さｚを変えた場合の各波長（λ₁，λ₂，λ₃）の光のビームウェスト直径２ω₀を示したグラフ）。

【図7】本発明の実施形態に係る光結合器のレンズ長さの設定例を示した説明図である（レンズ長さｚを変えた場合の各波長（λ₁，λ₂，λ₃）の光の距離ズレＤによる結合損失を示したグラフ）。

【図8】本発明の実施形態に係る光結合器のレンズ長さの設定例を示した説明図である（図５と図７を合成したグラフ）。

【図9】本発明の実施形態に係る光結合器のＧＲＩＮレンズ付き光ファイバから出射した光の集光状態を示したグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0022】

本発明の実施形態に係る光結合器及び光結合方法として、シングルモード光ファイバを石英系のＧＲＩＮレンズ（屈折率分布型レンズ）に接合したＧＲＩＮレンズ付き光ファイバ１０を、所定のレンズ間距離ＷＤを設けて同軸上に対向させた光結合器１を例にして説明する（図２参照）。ここでのＧＲＩＮレンズ１２のレンズ長さｚは、上記（３）式で示したｚ_1/4とｚ_1/2＝２×ｚ_1/4の間で設定される。この場合、前述したように、一方のＧＲＩＮレンズ付き光ファイバ１０から出射する光は近似的にガウシアンビームになり、その出射光の振る舞いは、主にビームウェスト直径２ω₀とビームウェスト距離Ｌ₀によって記述することができる（図３参照）。

【0023】

ここで、前述した（１），（２）式が成り立つＧＲＩＮレンズ１２を備える光結合器１は、ビームウェスト距離Ｌ₀とビームウェスト径ω₀を下記（４），（５）式によって表すことができる（非特許文献１参照）。すなわち、光結合器１のビームウェスト距離Ｌ₀とビームウェスト径ω₀を、伝送光の波長λとレンズ長さｚの関数として表すことができる。（４），（５）式において、シングルモード光ファイバである光ファイバ１１を伝送している波長λの光のモードフィールド直径（シングルモード光ファイバのコア径よりやや大きい）を２ω_sとしている。

【0024】

【数3】

【0025】

光結合器１の結合効率を求めるに際して、２つのＧＲＩＮレンズ付き光ファイバからそれぞれ波長λの光を出射させた際に形成されるビームウェスト直径が２ω₁，２ω₂であり、ビームウェスト位置が距離ズレＤを有する状態を考え、そのときの結合効率ηを求めると、ｋ＝２π／λとして、下記（６），（７）式で表すことができる（非特許文献２参照）。

【0026】

【数4】

【0027】

本発明の実施形態に係る光結合器１は、左右対称のＧＲＩＮレンズ付き光ファイバ１０を用いるので、ω₁＝ω₂＝ω₀（λ，ｚ）となる。そして、その光結合器１に異なる波長λ_iの光を伝送する場合で距離ズレＤを有する場合の結合効率ηは、伝送光の波長λ_iとレンズ長さｚの関数η（λ_i，ｚ）であって、下記の（８），（９）式のように表すことができる。ここで、ｋ_i＝２π／λ_iである。

【0028】

【数5】

【0029】

図４は、本発明の実施形態に係る光結合器１の設計手法を示している。本発明の実施形態に係る光結合器１は、ＧＲＩＮレンズ１２の光軸方向に沿ったレンズ長さｚとレンズ間距離ＷＤの設定で、異なる波長の光を結合する場合の結合効率の最適化を図っている。先ず、図４（ａ）に示すように、伝送光のうち最も短い波長λ_mの光を対象として、ビームウェスト距離Ｌ₀（λ_m，ｚ）を求め、そのビームウェスト位置がレンズ間距離ＷＤの中間位置と一致するように、レンズ間距離ＷＤを設定する。

【0030】

レンズ間距離ＷＤの中間位置と波長λ_mの光のビームウェスト位置が一致している状態で、光結合器１にて波長λ_mとは異なる波長λ_iの光を結合すると、波長λ_iの光のビームウェスト位置は、図４（ｂ）に示すように、距離ズレＤを有することになり、その際の結合効率ηは、（８），（９）式で表される。ここで、（８），（９）式におけるレンズ長さｚを調整して、波長λ_iの光を結合する場合の結合効率η（λ_i，ｚ）の適正化を図る。この際、レンズ長さｚの調整に応じて波長λ_mの光のビームウェスト距離Ｌ₀（λ_m，ｚ）が変わるので、それに応じて、波長λ_mの光のビームウェスト位置がレンズ間距離ＷＤの中間位置と一致するように、レンズ間距離ＷＤを可変調整する。

【0031】

図５〜図８は、本発明の実施形態に係る光結合器１のレンズ長さｚの設定例を示しており、あるレンズパラメータを有するＧＲＩＮレンズ１２とあるビーム直径２ω_sが設定されたシングルモードの光ファイバ１１からなるＧＲＩＮレンズ付き光ファイバ１０を同軸上に対向させた光結合器１において、異なる波長の単波長光（波長λ₁：４５０ｎｍ，波長λ₂：５３２ｎｍ，波長λ₃：６３５ｎｍ）を結合させる場合のレンズ間距離ＷＤとレンズ長さｚの設定例を示している。

【0032】

図５は、レンズ長さｚを変えた場合の各波長（λ₁，λ₂，λ₃）の光のビームウェスト距離Ｌ₀を示しており、図６は、レンズ長さｚを変えた場合の各波長（λ₁，λ₂，λ₃）の光のビームウェスト直径２ω₀を示しており、図７は、レンズ長さｚを変えた場合の各波長（λ₁，λ₂，λ₃）の距離ズレＤによる結合損失（ｄＢ）を示している。ここでの結合損失は、−１０・ｌｏｇ₁₀（η（λ_i，ｚ））で計算する。図８は、図５に示したビームウェスト距離Ｌ₀と図７に示した距離ズレＤによる結合損失（ｄＢ）を重ねて示している。

【0033】

ここで、レンズ長さｚを調整すると、各波長（λ₁，λ₂，λ₃）におけるビームウェスト距離Ｌ₀は変化するが、各波長（λ₁，λ₂，λ₃）における距離ズレＤによる結合損失−１０・ｌｏｇ₁₀（η（λ_i，ｚ））を求める条件として、最も短い波長である波長λ₁（＝４５０ｎｍ）の光のビームウェスト位置が常にレンズ間距離ＷＤの中間位置になる、すなわち、波長λ₁における結合損失がレンズ長さｚに拘わらず常に０ｄＢになることを条件としている。

【0034】

レンズ長さｚの設定において、ここでは、波長（λ₁，λ₂，λ₃）のうち最も長い波長λ₃＝６３５ｎｍの光における結合損失が底部を示し、λ₃の光におけるビームウェスト距離Ｌ₀が最大になるレンズ長さｚ＝６０６μｍを設定値としている。このレンズ長さｚによる波長λ₁の光のビームウェスト距離Ｌ₀を求めてレンズ間距離ＷＤを設定すると、図５に示すように、波長（λ₁，λ₂，λ₃）のうち最も短い波長λ₁の光のビームウェスト距離Ｌ₀が７５０μｍであるから、レンズ間距離ＷＤ＝２×Ｌ₀＝１５００μｍ（１．５ｍｍ）に設定される。

【0035】

このように設定したレンズ長さｚ（６０６μｍ）とレンズ間距離ＷＤ（１．５ｍｍ）を備える光結合器１（実施例）により、波長λ₁（４５０ｎｍ），λ₂（５３２ｎｍ），λ₃（６３５ｎｍ）の光を結合した場合の結合損失の実測値を表１に示す。このように設定された実施例では、異なる波長の光の結合損失の差（４５０ｎｍとの差）が０．３ｄＢ未満に抑えられている。

【0036】

【表1】

【0037】

前述の実施例では、レンズ長さｚの設定を波長（λ₁，λ₂，λ₃）のうち最も長い波長λ₃＝６３５ｎｍの光における結合損失が底部を示す値に設定しているが、これに限らず、中間の波長λ₂の光における結合損失が底部を示す値と最も長い波長λ₃の光における結合損失が底部を示す値の間に、レンズ長さｚを設定してもよい。すなわち、伝送光が３波長以上の異なる波長の光である場合には、レンズ長さは、最も短い波長以外の２波長以上の異なる波長の光における結合損失の底部に応じて設定される。ここでの結合損失の底部は、例えば結合損失が０．５ｄＢ以下、望ましくは０．３ｄＢ以下になる範囲に特定することができる。なお、実施例では、３つの異なる波長を伝送させる場合について説明したが、伝送光の波長は、異なる２波長以上であれば同様に設定することができる。

【0038】

これに対して、図５〜図８に示した例で、結合損失に着目すること無くレンズ長さｚを長めに設定して、異なる波長（λ₁，λ₂，λ₃）の各々のビームウェスト距離Ｌ₀が近似するところでレンズ長さｚを設定する場合を比較例とする。例えば、レンズ長さｚを７６６μｍに設定すると、レンズ間距離ＷＤは、図５に示すように、このレンズ長さｚによる波長λ₁の光のビームウェスト距離Ｌ₀が２００μｍであるから、レンズ間距離ＷＤ＝２×Ｌ₀＝４００μｍ（０．４ｍｍ）となる。

【0039】

このように設定したレンズ長さｚ（７６６μｍ）とレンズ間距離ＷＤ（０．４ｍｍ）を備える光結合器（比較例）により、波長λ₁（４５０ｎｍ），λ₂（５３２ｎｍ），λ₃（６３５ｎｍ）の光を結合した場合の結合損失の実測値を表２に示す。このように設定された比較例では、異なる波長の光の結合損失の差（４５０ｎｍとの差）が最大で１．７６ｄＢにもなる。

【0040】

【表2】

【0041】

このように、本発明の実施形態に係る光結合器１は、異なる波長の光を結合する場合に、レンズ間距離ＷＤの中間位置を、伝送光のうち最も短い波長λ_mの光におけるビームウェスト位置に合わせて設定し、ＧＲＩＮレンズ１２の光軸方向に沿ったレンズ長さｚを、他の波長λ_iの光のビームウェスト位置の距離ズレＤによる結合損失が底部を示すように設定している。このように設定された光結合器１は、伝送光の全波長で結合効率を適正化することができる。

【0042】

伝送光のうち最も短い波長λ_mの光におけるビームウェスト位置にレンズ間距離ＷＤの中間位置を合わせた場合に、他の波長λ_iの光のビームウェスト位置の距離ズレＤによる結合損失−１０・ｌｏｇ₁₀（η（λ_i，ｚ））は、図７に示すようにレンズ長さｚによって変化するが、その結合損失−１０・ｌｏｇ₁₀（η（λ_i，ｚ））の底部は、上記（３）式で示したｚ_1/4とｚ_1/2＝２×ｚ_1/4の間で設定されるレンズ長さｚを比較的短く設定することで得られる。ｚ_1/4とｚ_1/2＝２×ｚ_1/4の間でレンズ長さｚを短くしていくと、図８に示すように、波長λ_iのビームウェスト距離Ｌ₀はピークを示すが、そのピークとなるレンズ長さｚ近辺で結合損失−１０・ｌｏｇ₁₀（η（λ_i，ｚ））は底部（最小値近辺）を示す。本発明の実施形態は、この特性を利用して、レンズ長さｚの調整によって、距離ズレＤが生じる他の波長λ_iの光の結合損失の適正化を図っている。

【0043】

これに対して従来は、前述した結合損失−１０・ｌｏｇ₁₀（η（λ_i，ｚ））に着目すること無く、全ての波長のビームウェスト距離Ｌ₀のみに着目して、前述した比較例のように、上記（３）式で示したｚ_1/4とｚ_1/2＝２×ｚ_1/4の間で長めにレンズ長さｚを設定して、全ての波長のビームウェスト距離Ｌ₀を近い値にする設定がなされていた。図８に示すように、レンズ長さｚを７６６μｍと長めに設定すると、ビームウェスト距離Ｌ₀の波長毎の差は小さくなる。

【0044】

しかしながら、そのようなレンズ長さの設定では、表２に示すように、異なる波長の光の結合効率を適正化することはできない。これは、このような長めのレンズ長さｚの設定では、ビームウェスト距離Ｌ₀は各波長で近い値になるが、ビームウェスト径の変化率がビームウェスト位置近辺で急峻になり、僅かなビームウェスト距離Ｌ₀の違いが波長毎の結合効率の大きな差になってしまうからである。

【0045】

図９は、本発明の実施形態に係る光結合器１において、ＧＲＩＮレンズ付き光ファイバ１０から出射した光の集光状態を示している。前述したように、レンズ間距離ＷＤの中間位置を、伝送光のうち最も短い波長λ_mの光におけるビームウェスト位置に合わせて設定し、ＧＲＩＮレンズ１２の光軸方向に沿ったレンズ長さｚを、他の波長λ_iの光のビームウェスト位置の距離ズレＤによる結合損失が底部を示すように設定した場合には、伝送光（波長λ₁：４５０ｎｍ，波長λ₂：５３２ｎｍ，波長λ₃：６３５ｎｍ）のビームウェスト距離Ｌ₀（λ₁），Ｌ₀（λ₂），Ｌ₀（λ₃）は、図示のように、Ｌ₀（λ₁）＜Ｌ₀（λ₂）＜Ｌ₀（λ₃）の大小関係になり、それぞれの波長におけるビームウェスト半径ω₀（λ₁），ω₀（λ₂），ω₀（λ₃）は、図示のように、ω₀（λ₁）＜ω₀（λ₂）＜ω₀（λ₃）の関係になる。

【0046】

そして、本発明の実施形態におけるレンズ間距離ＷＤとレンズ長さｚの設定によると、ＧＲＩＮレンズ付き光ファイバ１０から出射される光の集光状態は、光軸方向に沿った集光状態の変化率が波長毎に異なる特性を示し、最も短い波長λ₁ではビームウェスト位置近辺における集光状態の変化が急峻になるが、最も長い波長λ₃ではビームウェスト位置近辺における集光状態の変化がなだらかになる。このようなビームウェスト位置近辺の集光状態の変化は、下記（１０）式で表すガウシアンビームにおけるレイリー長Ｘ_Rによって説明することができる（ω₀：ビームウェスト半径，λ：伝送光の波長）。

【0047】

Ｘ_R＝πω₀²／λ … （１０）

【0048】

レイリー長Ｘ_Rは、ビーム直径がビームウェスト直径の２^1/2倍になる光軸方向の位置とビームウェスト位置との距離であり、レイリー長Ｘ_Rが短い程、ビームウェスト近辺での集光状態の変化が急峻になり、レイリー長Ｘ_Rが長い程、ビームウェスト近辺での集光状態の変化がなだらかになる。

【0049】

そして、図９に示すように、ＧＲＩＮレンズ付き光ファイバ１０から出射される光の集光状態には、ビームウェスト位置の前後でレイリー長範囲（ビームウェスト位置の前後両側にレイリー長Ｘ_Rを設定した範囲）を設定することができる。このレイリー長範囲の概念を導入すると、本発明の実施形態のように、レンズ間距離ＷＤとＧＲＩＮレンズ１２の光軸方向に沿ったレンズ長さｚを設定した場合には、レンズ間距離ＷＤの中間位置は、伝送光の全ての波長における各々のレイリー長範囲が重なる位置に設定されることになる。

【0050】

このように、本発明の実施形態に係る光結合器１は、ビームウェスト位置近辺における集光状態の変化が最も急峻であり、レンズ間距離ＷＤの中央位置とビームウェスト位置とのずれによって結合効率の低下が最も大きい波長（最も短い波長）に対しては、レンズ間距離ＷＤの中央位置をビームウェスト位置に合わせることで最適な結合効率が得られるようにしている。そして、ビームウェスト近辺における集光状態の変化が比較的なだらかな他の波長については、レンズ間距離ＷＤの中央位置がそれぞれの波長の光のビームウェストにおけるレイリー長範囲内になるように設定することで、他の波長においても結合効率が大きく低下することがない光結合状態を実現している。

【0051】

このような波長毎の出射光の集光状態は、本発明の実施形態のように、ｚ_1/4とｚ_1/2＝２×ｚ_1/4の間で短めにレンズ長さｚを設定することで実現されるものであり、ｚ_1/4とｚ_1/2＝２×ｚ_1/4の間で長めにレンズ長さｚを設定した場合には、全ての波長においてビームウェスト位置近辺での集光状態の変化が急峻になり、各波長の光の結合効率を適正化することができなくなる。

【0052】

以上説明したように、本発明の実施形態に係る光結合器１及びこれを用いた光結合方法は、レンズ間距離ＷＤの中間位置を、伝送光のうち最も短い波長λ_mの光におけるビームウェスト位置に合わせて設定し、ＧＲＩＮレンズ１２の光軸方向に沿ったレンズ長さｚを、伝送光のうち波長λ_mとは異なる波長λ_iの光のビームウェスト位置の距離ズレＤによる結合損失の底部に応じて設定することで、異なる波長の光を伝送する場合にも、レンズ間距離ＷＤの設定を波長毎に変えること無く、各波長で適正な結合効率を得ることができる。

【符号の説明】

【0053】

１：光結合器，
１０：ＧＲＩＮレンズ付き光ファイバ，
１１：光ファイバ，１２：ＧＲＩＮレンズ，
ＷＤ：レンズ間距離，ｚ：レンズ長さ，Ｌ₀：ビームウェスト距離

【要約】      （修正有）

【課題】異なる波長の光を伝送する場合にも、レンズ間距離の設定を波長毎に変えること無く、各波長で適正な結合効率が得られる光結合器及びＧＲＩＮレンズ付き光ファイバの光結合方法を提供する。
【解決手段】光ファイバとＧＲＩＮレンズとを同軸上に接合したＧＲＩＮレンズ付き光ファイバを設定されたレンズ間距離ＷＤを設けて同軸上に対向させ、一方のＧＲＩＮレンズ付き光ファイバの伝送光を他方のＧＲＩＮレンズ付き光ファイバに結合する光結合器であって、レンズ間距離ＷＤの中間位置が、伝送光のうち最も短い波長λ_mの光におけるビームウェスト位置に合わせて設定され、ＧＲＩＮレンズの光軸方向に沿ったレンズ長さｚが、伝送光のうち波長λ_mとは異なる波長λ_iの光のビームウェスト位置の距離ズレＤによる結合損失の底部に応じて設定される。
【選択図】図４

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】