JP2008102357A

JP2008102357A - 光出射装置

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Publication number: JP2008102357A
Application number: JP2006285425A
Authority: JP
Inventors: Fumio Sato; 史雄佐藤; Akihiko Sakamoto; 明彦坂本
Original assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Priority date: 2006-10-19
Filing date: 2006-10-19
Publication date: 2008-05-01

Abstract

【課題】本発明の目的は、安価で製造できるとともに、光源から出射される光の出力や光の波長が安定した光出射装置を提供することである。
【解決手段】本発明の光出射装置は、光源と、光ファイバと、出射部とを備え、光ファイバの片端側には光源が配設され、他端には出射部が配設されてなる光出射装置であって、出射部がフォトニッククリスタル構造を有する光導波部品からなり、光ファイバと光導波部品との間に空間が設けられ、光ファイバと光導波部品が空間を介して光接続されてなることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、光ファイバセンサ等に使用される光出射装置に関するものである。

レーザ光やＬＥＤ光を光源に用いた光センサは、製造ラインや実験室において、物体の動きなどを検知するために広く用いられている。中でも、光ファイバを用いた光ファイバセンサは、センサ部を光源から離隔できるため小型にできるとともに、曲げ操作が可能であるなど操作性にも優れている。

このような光ファイバセンサにおいては、出射される光は強度のゆらぎがなく、分解能が高いことが必要とされるため、出射光として可視領域のシングルモード光が用いられる。シングルモード光を出射するには、光ファイバ中で光をシングルモードで導波させる必要がある。しかし、一般に使用されている光通信用光ファイバは、波長１．５５μｍ付近の近赤外線をシングルモードで導波する特性を有するが、センサとして利用価値の高い可視領域の光をシングルモードで導波させることはできない。

また、可視領域の光に適した特殊な光ファイバを使用すればシングルモードで導波することができる。

しかし、この特殊な光ファイバは、そのコア径が一般の光通信用ファイバの半分以下と、非常に小さい。そのため光源となるレーザダイオード等から特殊なファイバ内に光を入射する際の損失が大きくなるという問題がある。

そこで、非特許文献１に記載されているように、一般に光通信用途で使用されている光ファイバにＧＩコリメータを介してフォトニック結晶ファイバを光接続することによって、可視光線をシングルモード光で出射できることが開示されている。
２００３年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会Ｃ−３−４０フォトニック結晶ファイバコリメータ

ところで、非特許文献１に記載の光出射装置は、出射部から出射した光が反射して、再び出射部に戻ってきた場合、光が光源まで導波され、光源に反射光が届きやすい構造となっている。光源に光が入射すると、光源から出射される光の出力や光の波長が不安定になりやすいという問題を有していた。

また、ＧＩコリメータは、通常の光ファイバを高精度に温度管理して熱処理することによってモードフィールド径が傾斜的に拡大されたものであるため、作製が容易でなく、コストが高くなるという問題も有している。

本発明の目的は、安価で製造できるとともに、光源から出射される光の出力や光の波長が安定した光出射装置を提供することである。

本発明者等は、上記課題に対して鋭意検討した結果、ＧＩコリメータを用いず、光ファイバとフォトニッククリスタル構造を有する光導波部品を間隔を設けて光接続すると、間隔を設けたことによる２つの界面（光ファイバと空気の界面および光導波部品と空気の界面）で反射され、光が光源に導波することを抑制できることを見出し、本発明として提案するものである。

すなわち、本発明の光出射装置は、光源と、光ファイバと、出射部とを備え、光ファイバの片端側には光源が配設され、他端には出射部が配設されてなる光出射装置であって、出射部がフォトニッククリスタル構造を有する光導波部品からなり、光ファイバと光導波部品との間に空間が設けられ、光ファイバと光導波部品が空間を介して光接続されてなることを特徴とする。

本発明の光出射装置は、光ファイバと光導波部品との間に空間を設け、光ファイバと光導波部品が空間を介して光接続されてなるため、出射した光が再び出射部に戻ってきても、光ファイバと空気の界面、および光導波部品と空気の界面において、戻ってきた光を反射しての光源への導波を抑制でき、光源から安定した出力と波長の光を出射することができる。

また、特殊な部品等を使用しないため、安価に光出射装置を作製することができる。

本発明の光出射装置は、光ファイバと光導波部品との間隔が３ｍｍ以下であると、接続損失が小さくなるため好ましく、より好ましくは２ｍｍ以下、さらに好ましくは１ｍｍ以下である。なお、光ファイバと光導波部品との間隔は、上記の効果を得るためには少なくとも１μｍ必要である。

本発明の光出射装置は、光ファイバと空気との界面が光ファイバの軸に対して垂直な面から６〜１０°傾斜していて、光導波部品と空気との界面が光導波部品の軸に対して垂直な面から６〜１０°傾斜して光ファイバと光導波部品とが空間を介して光接続されていると、界面において反射した光が、進んできた光路と別の方向に進むため、出射光にも光源にも影響を与えにくく好ましい。

本発明の光出射装置は、光ファイバや光導波部品の空間側に多層反射膜が形成されてなると、光源に光が導波されにくいため好ましい。多層反射膜は、特定の波長の光において、表面から入射した光の透過率が高いとともに、裏面から入射した光の反射率が高いものである。光ファイバには多層反射膜の表面側から順に積層されていると好ましく、光導波部品には多層反射膜の裏面側から順に積層されていると好ましい。

多層反射膜としては、高屈折率（酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化チタン等）と低屈折率（酸化ケイ素、フッ化マグネシウム、窒化ケイ素等）の薄膜が交互に積層されたものであると、層の形成や積層が容易であるため好ましい。

この場合、（１）光導波部品を光ファイバと同じ外径としてチューブ内で対向させても、（２）光ファイバをフェルール等の固定部品に挿通固定して光導波部品を固定部品と同じ外径にしてチューブ内で対向させても、（３）光ファイバと光導波部品のそれぞれにフェルール等の固定部品に挿通固定して両者の外径を合わせてチューブ内で対向させても良い。

本発明において、フォトニッククリスタル構造を有する光導波部品としては例えば導波部の周りに規則正しく配列された複数の空孔を有し、それらの空孔を有する部位がクラッドとして機能するフォトニッククリスタルファイバ等が使用可能である。

本発明の光出射装置は、フォトニッククリスタル構造を有する光導波部品が、広い波長域の光をシングルモードで導波できることから、接続する光ファイバは一般の光通信用の光ファイバやマルチモードファイバ等が使用できる。もちろん、可視光をシングルモードで導波するための特殊光ファイバを使用することもできるが、一般の光通信用光ファイバやマルチモードファイバのコア径は、可視光をシングルモードで導波する特殊光ファイバに比べ大きいため、光源から光ファイバ内に光を入射する際の損失を特殊ファイバ使用時に比べ小さくすることができる。

光源としては、Ｈｅ−Ｎｅレーザ、ＧａＮ系半導体レーザ、ＤＶＤピックアップ用半導体レーザ、ＣＤピックアップ用半導体レーザ、レーザダイオード等が使用可能である。

本発明の光出射装置は、光ファイバと光導波部品との間の空間に機能性部材が配設されてなると、種々の機能を付与できるため好ましい。

機能性部材としては、ファラデー回転素子、狭帯域波長フィルタ、干渉フィルタなどの光学特性に機能を付与するものや、レンズなどの光の経路を制御するものが使用可能である。

本発明の光出射装置は、光導波部品のモードフィールド径が光ファイバのモードフィールド径以上の大きさを有すると、光ファイバと光導波部品の間の接続損失が小さくなるため好ましい。その差は、好ましくは０〜１５０μｍ、さらに好ましくは０〜１００μｍである。

光ファイバのモードフィールド径と光導波部品のモードフィールド径の差が１５０μｍよりも大きいと、光導波部品のモードフィールド径は１５０μｍを上回ることになり、これにより光導波部品から出射される光束が太くなるため、光のエネルギーが分散されてセンサ光として使用しにくい場合がある。

また、レンズを用いる場合は、光導波部品のモードフィールド径が光ファイバのモードフィールド径よりも小さくても、接続損失が少なく、充分な強度の光を出射しやすいため好ましい。

また、レンズを用いる場合は、光ファイバと光導波部品との間隔を長く取ることができるが、間隔が１０ｍｍ以下であると、出射部を小さくしやすいため好ましい。

レンズとしては、球レンズ、凸レンズ等が使用可能であり、ガラス製であってもプラスティックス製であっても良い。

本発明の光出射装置は、光導波部品の長さが１〜５０ｍｍであると好ましい。１ｍｍよりも短いとシングルモード光を出射できない場合があるとともに、部品が小さいため取り扱いにくい。一方５０ｍｍよりも長いと出射部を小さくしにくい。

本発明の光出射装置は、光導波部品の光導波部と周囲の空孔を有する部分の比屈折率差が０．００１以下であると、出射部から出射される光が拡散しにくく、平行光線に近くなるため好ましい。ちなみに、出射光の分散角θは以下の式１によって求められる。

ｓｉｎθ＝ｎ_core（２×Δ_core-clad）^0.5 ―式１
なお、光導波部品の比屈折率差Δ_core-cladは以下の式２によって求められる。

Δ_core-clad＝（ｎ_core−ｎ_clad）／ｎ_core ―式２
ｎ_coreは、光導波部品の光導波部の屈折率であり、ｎ_cladは、光導波部品の周囲の空孔を有する部分の実質的な屈折率である。

光導波部品の比屈折率差は０．０００５以下であると好ましく、０．０００１以下であるとさらに好ましい。比屈折率差が０に近づくほど出射光が平行光線に近くなるが、比屈折率差が小さくなると光導波部品内の光の閉じ込め効果が低下するため、２×１０^-9以上であると好ましく、２×１０^-7以上であるとより好ましく、２×１０^-6以上であるとさらに好ましく、最も好ましくは１×１０^-5以上である。

本発明の光出射装置は、光ファイバのコア部と光導波部品の光導波部の比屈折率差が０．０５以下であると、光ファイバから光導波部品へ光が入射した際の反射損失が小さくなるため好ましい。この比屈折率差は、０．０４以下であると好ましく、０．０２５以下であるとさらに好ましい。

なお、光ファイバのコア部と光導波部品の導波部の比屈折率差δは、以下の式３によって求められる。

δ＝（ｎ_core−ｎ_F）／ｎ_core ―式３
ｎ_Fは、光ファイバのコア部の屈折率である。

本発明の光出射装置には、光導波部品が用いられるが、光導波部品のモードフィールド径は、一定であっても、出射方向に向かって連続的に大きくなっていても小さくなっていても良い。

光導波部品のモードフィールド径を連続的に大きくしたり、小さくしたりするには、モードフィールド径が一定の光導波部品を例えば加熱延伸することによって容易に作製できる。

光導波路部品の出射部側の端部において、モードフィールド径を連続的に大きくすると、より大きい平行光束を得ることができるし、モードフィールド径を連続的に小さくすると、より小さい平行光束を得ることができる。

つまり、レンズのような働きを光導波路部材のみで行なうことができ、しかもレンズやその他の部品を使用する必要がない。そのため、構造が簡易になり光出射装置の出射部を小型化しやすい。

本発明の光出射装置について、実施例に基づいて詳細に説明する。

表１は、実施例１および４の特性を示すものである。

光導波部品を以下のようにして作製した。

まず、アルカリホウケイ酸ガラスからなるガラス外筒管１本、ガラスキャピラリ２３７本、ガラスロッド１本を準備した。なお、ガラス外筒管は、一方の端部に底面が形成されており、他方の端部には底面が形成されておらず開口している。

次に、ガラス外筒管の内部の略中心部に１本のガラスロッドを配置し、その周囲に２３７本のガラスキャピラリを配置充填した。

続いて、ガラスキャピラリおよびガラスロッドを充填したガラス外筒管の内部を減圧し、その気圧に保ったまま、ガラス外筒管を底面側から開口端に向かって順次７３０℃まで加熱収縮させ、その後、室温まで徐冷しながら常圧に戻した。

最後に、上記ガラスプリフォームを、環状電気炉に挿入し、一端をローラーで挟んで引っ張りながら線引き成形することによって図１に記載のように空孔が周期的に配置された外径１．２５ｍｍφ、空孔径４μｍ、空孔間距離２２μｍ、波長６３３ｎｍの光におけるモードフィールド径２５μｍの光導波部品を作製した。

［実施例１］
実施例１の光出射装置１０を以下のようにして作製した（図２）。

まず、光源としてＨｅ−Ｎｅレーザ１１（出射波長６３３ｎｍ）を用い、光ファイバ１２として１５５０ｎｍをシングルモード導波する光通信用の一般的な光ファイバ（長さ：１ｍ、外径：１２５μｍφ、モードフィールド径＝１０μｍａｔ１５５０ｎｍ）と、上記方法にて作製した長さ４０ｍｍに切断した光導波部品１３を準備した。

次に、光ファイバ１２の両端にはＭＵ型フェルール１４を取り付け、光導波部品１３は、両端面を平面形状になるよう研磨した。

最後に、Ｈｅ−Ｎｅレーザの発信部に光ファイバ１２の一端を固定し、光ファイバ１２と光導波部品１３は結晶化ガラス製チューブ（内径１．２５ｍｍφ）１５内で空間１６（間隔１００μｍ）を介して光接続した光出射装置１０を作製した。

［実施例２］
図３に示すように、図２に示す光出射装置１０の光導波部品１３の替わりに光導波部品１３の一端を加熱延伸した光導波部品２４を用いた以外はすべて同じ構造を有する光出射装置２０を作製した。なお、光導波部品２４のモードフィールド径は、６３３ｎｍの波長の光において一端（大きい方）が２５μｍであり、他端（小さい方）が６μｍであり、連続的に小さくなっている。光導波部品２４の長さは４０ｍｍであり、空間の間隔は１００μｍである。

［実施例３］
図４に示すように、図２に示す光出射装置１０の光導波部品１３の替わりに、上記の方法と同様の方法で外径２．５ｍｍφの光導波部品を作製し、その光導波部品の一端を外径の最細径が１．２５ｍｍφとなるように加熱延伸した光導波部品３４を用いた以外はすべて同じ構造を有する光出射装置３０を作製した。なお、光導波部品３４のモードフィールド径は、６３３ｎｍの波長の光において一端（小さい方）が２５μｍであり、他端（大きい方）が５０μｍであり、連続的に大きくなっている。光導波部品３４の長さは４０ｍｍであり、空間の間隔は１００μｍである。

［実施例４］
図５に示すように、図２に示す光出射装置１０の光導波部品１３の替わりに、上記の方法と同様の方法で作製した外径１２５μｍφ、長さ２０ｍｍの光導波部品４４を、キャピラリ４６（長さ２０ｍｍ、外径１．２５ｍｍφ、内径１２７μｍφ）の内孔に挿通し、エポキシ樹脂を用いて固定したものを用いた以外は、すべて同じ構造を有する光出射装置４０を作製した。なお、光導波部品４４は、６３３ｎｍの波長の光においてモードフィールド径は２５μｍであり、空孔径４μｍ、空孔間距離２２μｍである。また、空間の間隔は１００μｍであった。

［実施例５］
図６に示すように、光ファイバ５２（波長４０５ｎｍにおけるモードフィールド径：１００μｍ）と接するようにレンズ５７を空間５６に設け、波長６３３ｎｍの光におけるモードフィールド径が２５μｍの光導波部品５４を用いた以外は、実施例１の光出射装置１０と同様に構成された光出射装置５０を作製した。なお、空間５６の間隔は２．５ｍｍであった。

［実施例６］
図７に示すように、ファラデー回転素子６７（日本レーザー製）を空間６６に設けた以外は、実施例１の光出射装置１０と同様に構成された光出射装置６０を作製した。

［実施例７］
光源としてＧａＮ系半導体レーザ５１（波長４０５ｎｍ）、光ファイバ５２として波長４０５ｎｍの光をマルチモード導波する長さ１ｍの光通信用の一般的な光ファイバ（モードフィールド径＝１００μｍａｔ４０５ｎｍ）を用いた以外は実施例５の光出射装置５０と同様に構成された光出射装置を作製した。

実施例１および４に用いた光導波部品の光導波部と周囲の空孔を有する部分の比屈折率差Δ_core-cladは次のように算出した。

まず、光導波部の屈折率ｎ_coreは、光導波材料の材質に用いたガラスの屈折率を適用し、ガラスの屈折率は精密屈折率計（カルニュー社製ＫＰＲ−２０００）により測定した。

次に、周囲の空孔を有する部分の実質的な屈折率ｎ_cladは、シミュレーションソフトＢｅａｍＰＲＯＰ（Ｄｅｓｉｇｎ社製ＲＳｏｆｔ）にて計算した。計算に必要なパラメータである空孔径および空孔間距離は実測値を用いた。それぞれ求めたｎ_coreとｎ_cladを式１に代入してΔ_core-cladを算出した。

光ファイバのコア部と光導波部品の導波部の比屈折率差δは、次のように算出した。

光ファイバの屈折率ｎ_Fは、ＨａｎｄｂｏｏｋｏｆＧｌａｓｓＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ＡｃａｄｅｍｉｃＰｒｅｓｓ，ｐ．２３．（Ｎ．Ｐ．ＢａｎｓａｌａｎｄＲ．Ｈ．Ｄｏｒｅｍｕｓ，１９８６）に記載のシリカガラスの波長６６８ｎｍでの屈折率１．４５６を適用した。光導波部品用材料の屈折率はｎ_coreと同値である。ｎ_Fとｎ_coreを式３に代入してδを算出した。

続いて、以下のようにして分散角θを求めた。

光の出射角については出射光を黒色のスクリーンに映し、そのビーム径Ｒをマイクロメータで計測した。その際、黒色スクリーンと光導波部品の端面との距離ｄを計測し、式４を用いて分散角θを算出した。また、ビーム径Ｒと距離ｄの関係を図８のグラフに示す。

θ＝Ａｒｃｔａｎ（Ｒ／２ｄ） ―式４
光導波部品から出射された光の導波モードは、ビームアナライジングシステム（浜松ホトニクス社製ＬＥＡＰＡＳ−１１）により計測した。その結果を図４に示す。

光導波部品への挿入損失はパワーメータ（アドバンテスト社製Ｑ８２２１）を用いて測定した。測定方法は、まず光ファイバから出射される光の強度Ｐａをパワーメータにて計測した後、光導波部品を接続して光導波部品から出射される光の強度Ｐｂをパワーメータにて計測した。この両者の差Ｐａ−Ｐｂを光導波部品の挿入損失として算出した。

図８に示すように実施例１の実測による出射光の分散角は１．１°であり平行光束に近い出射光が得られた。また、この実測の分散角θは、表１に示すｎ_coreとΔ_core-cladを、式１に代入して求めた分散角θの計算値とよく一致している。

また、その出射光は図９に示すように、そのニアフィールドパターンの強度分布がガウス分布を示すシミュレイション曲線（点線）に一致することからシングルモードで出射されていることが確認できた。

実施例２、３、５〜７も、シングルモードで平行光束に近い光を出射することができた。なお、光ファイバセンサ等の用途として、実施例２は出射光を絞りたい場合に、実施例３は出射光を拡げたい場合に好適に使用できるものと考えられる。

また、表１に示すように実施例１および４は、δがともに０．０２２であり、光ファイバと光導波部品を接続した際の挿入損失はともに０．６ｄＢであった。

実施例の光導波部品の断面を示す写真である。実施例１の光出射装置を示す説明図である。実施例２の光出射装置を示す説明図である。実施例３の光出射装置を示す説明図である。実施例４の光出射装置を示す説明図である。実施例５の光出射装置を示す説明図である。実施例６の光出射装置を示す説明図である。出射部からの距離と出射光の直径の関係を示すグラフである。出射光のニアフィールドパターンの強度分布を示すグラフである。

符号の説明

１０、２０、３０、４０、５０、６０光出射装置
１１、２１、３１、４１、６１Ｈｅ−Ｎｅレーザ
１２、２２、３２、４２、５２、６２光ファイバ
１３、２４、３４、４４、５４、６４光導波部品
１４、２３、３３、４３、５３、６４フェルール
１５、２５、３５、４５、５５、６５チューブ
１６、２６、３６、４７、５６、６６空間
４６キャピラリ
５１ＧａＮ系半導体レーザ
５７レンズ
６７ファラデー回転素子

Claims

光源と、光ファイバと、出射部とを備え、光ファイバの片端側には光源が配設され、他端には出射部が配設されてなる光出射装置であって、出射部がフォトニッククリスタル構造を有する光導波部品からなり、光ファイバと光導波部品との間に空間が設けられ、光ファイバと光導波部品が空間を介して光接続されてなることを特徴とする光出射装置。
光ファイバと光導波部品との間の空間に機能性部材が配設されてなることを特徴とする請求項１に記載の光出射装置。
機能性部材が、ファラデー回転素子、狭帯域波長フィルタ、または干渉フィルタであることを特徴とする請求項２に記載の光出射装置。
光導波部品のモードフィールド径が光ファイバのモードフィールド径以上の大きさを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光出射装置。
機能性部材が、レンズであることを特徴とする請求項２に記載の光出射装置。
光導波部品のモードフィールド径が光ファイバのモードフィールド径よりも小さいことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光出射装置。
光導波部品の長さが１〜５０ｍｍであることを特徴とする請求項１〜６に記載の光出射装置。
光ファイバのコア部と光導波部品の光導波部の比屈折率差が０．０５以下であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の光出射装置。
フォトニッククリスタル構造を有する光導波部品の光導波部と周囲の空孔を有する部分の比屈折率差が０超〜０．００１であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の光出射装置。
光導波部品の一端から他端へのモードフィールド径が連続的に大きくまたは小さくなっていることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の光出射装置。