JP2010513961A - 反射減衰量の大きな光回転結合器 - Google Patents

Abstract

第一の光ファイバーを接続するための第一のコリメータ配列と、回転軸の周りを第一のコリメータ配列と逆向きに回転可能な形で軸支された、第二の光ファイバーを接続するための第二のコリメータ配列とを有する光回転結合器を記載している。これらのコリメータ配列の間には、ドーブプリズムがデロテーション素子として配備されている。光学部品の周囲環境との少なくとも一つの境界面には、微小光学系の材料の屈折率と周囲環境の媒質の屈折率の間に有る平均的な屈折率を有するナノ構造を備えた中間層が配備されている。

Description

本発明は、光回転結合器及び光学的にビームを誘導する、或いはビームを成形するためのコリメータなどの微小光学系に関する。

互いに逆向きに回転可能なユニットの間で光信号を伝送する様々な伝送システムが知られている。

特許文献１には、デロテーション素子としてのドーブプリズムを備えた多チャンネル用光回転結合器が開示されている。光は、供給用光ファイバーからコリメータを経由してドーブプリズムに入力結合され、ドーブプリズムを用いてデロテーションされて、別のコリメータを経由して、分離用光ファイバーに入力結合されている。ドーブプリズムの周囲環境の媒質の屈折率に関係しない配列を構成するために、光を垂直に入射させる役割を果たす事前調整部材をプリズムに配備している。そのように光を垂直に入射させることによって、通過面での屈折は起こらない。その欠点は、垂直な通過面で光が部分的に反射されて、その結果、光の少なくとも一部が再び光ファイバーに入力結合されてしまうことである。そのため、比較的小さい反射減衰量しか得られない。

別の形式の光回転結合器が、特許文献２に開示されている。即ち、そこには、光学部品と機械部品を一体的な構成要素として配備した微小光学系が提示されている。そのような実施形態によって、個々のガラスファイバーの著しく大きなパッケージング密度を達成することが可能となっている。同様に、その欠点は、又もや光入射面及び光出射面が平行であり、反射減衰量が比較的低くなっていることである。

これらの周知技術の欠点は、伝送する光の比較的大きな反射が回転結合器の内部又はコリメータで起こることである。光学部品と周囲環境の屈折率の間の屈折率を有する中間層を蒸着させることによって、それを改善することができる。しかし、空気やオイルなどの周囲環境の媒質が異なる場合には、そのような中間層もそれに適合させなければならない。

米国特許公開第２００５／００３６７３５号明細書 国際特許公開第０１／９８８０１号明細書 ドイツ特許第１０２００５０４１５４７号明細書

本発明の課題は、光信号を複数のチャンネルで伝送する回転結合器を改善して、特に、その配列の光反射減衰量が改善されるように構成することである。更に、有利には、そのような形式の回転結合器で使用される微小光学系、例えば、コリメータを改善して、より大きな反射減衰量を持つようにすることである。更に、回転結合器又は微小光学系を異なる周囲環境の媒質でも使用することができるようにすることである。

本課題の本発明による解決策は、独立請求項に提示されている。本発明の改善構成は、従属請求項に記載されている。

本発明による回転結合器は、回転軸６の周りを互いに逆向きに回転可能な形で配置された二つのコリメータ配列４，５を有する。第一のコリメータ配列４とそれと逆向きに回転可能な形で配置された第二のコリメータ配列５の間に、光を伝送する光パスが形成されている。この光パス内には、二つのコリメータ間の回転運動に関係無く、第一のコリメータ配列４から出た光を第二のコリメータ配列５上に結像させるとともに、同様にその逆方向にも結像させる役割を果たす、少なくとも一つのデロテーション素子、例えば、ドーブプリズム１が有る。そのために、ドーブプリズムは、第一のコリメータ配列４と第二のコリメータ配列５が回転する角速度の半分で回転する。本配列の内部空間は、例えば、ガスやオイルなどの媒質で満たされている。

コリメータ配列４，５の各々は、少なくとも一つのコリメータと、その少なくとも一つのコリメータを支持する少なくとも一つの手段とを有する。ここで、コリメータという用語は、非常に広い意味でのビーム誘導素子又はビーム成形素子を表すものとする。そのようなコリメータの役割は、光ファイバー、例えば、シングルモードファイバー又はマルチモードファイバー内に導入された光を、回転結合器を通過する、特に、デロテーション素子を通過するように誘導することが可能な光路の方に偏向させることである。そのような光路は、自由空間内、或いは例えば、ガラス又はオイルなどの光学媒質内の光路に対応する。同様に、コリメータによって、逆方向、即ち、回転結合器内の光路から光ファイバーへの偏向も行うことができる。当然のことながら、コリメータ内において、信号を両方向に伝送することができるように、両方向に偏向することも考えられる。典型的には、コリメータは、レンズ、特に有利には屈折率分布型レンズ（ＧＲＩＮレンズ）である。同様に、コリメータを微小光学系として構成することもできる。その場合、コリメータ配列４，５及びデロテーション用光学素子１は、それぞれ簡潔な用語で光学部品とも呼ばれる。

本発明では、コリメータ配列４，５の中の少なくとも一つのコリメータ配列及び／又はプリズムは、光学的な光入射面及び／又は光出射面に、少なくとも一つの中間層を有する。この中間層は、有利には、ナノ構造を有する。更に、中間層は、材料の屈折率と周囲環境の媒質の屈折率の間の範囲内に有る屈折率の勾配を有する。それに代わって、中間層は、材料の屈折率と周囲環境の媒質の屈折率の間に有る平均的な屈折率を有する。材料という用語は、構成部品の光学材料を表すものとする。材料の屈折率とは、出射面の領域内の屈折率であるが、中間層以外の屈折率を意味する。例えば、材料の屈折率が１．６５の値であり、周囲環境の媒質の屈折率が１．４５の値である場合、屈折率の勾配とは、１．６５から１．４５にまで推移する勾配である。その中間層の平均的な屈折率とは、有利には、１．５５の値である。

本発明による配列によって、材料と周囲環境の媒質の間での屈折率の急激な変化を緩和させた遷移を実現している。そうすることによって、反射が軽減される。中間層のナノ構造のために、二つの媒体の混合が起こり、その結果、平均的な屈折率が得られる。ナノ構造が多数の円錐又は角錐から構成される場合、底面が大きいために、その領域では屈折率が比較的大きくなり、頂点の横断面が小さいために、頂点の領域では屈折率が小さくなる。そのことは、ナノ構造の屈折率が媒質の屈折率よりも大きい場合に言えることである。当然のことながら、同じ原理は、逆の場合にも相応に適用することができる。同様に、中空の空間が外側に向かって大きくなって行く多孔質な構造を使用することもできる。ナノ構造による実施形態によって、本配列も、周囲環境の屈折率に依存しないものとなる。周囲環境の媒質が、ナノ構造内に入り込むか、或いは拡散することができるので、常に平均的な屈折率が得られる。そのため、本発明による配列は、修正すること無く様々な周囲環境の媒質に対して動作させることができる。即ち、回転結合器の内部は、例えば、水やオイルなどの液体で満たすことができる。同様に、ガスを含むこともできる。ナノ構造のサイズを決定する場合、層に対して垂直な信号の広がりが取り立てて影響を受けないことが重要である。そのため、そのような構造は、回折効果を回避するために、１波長以内の広がりを持たなければならない。ナノ構造という用語は、その要素及び要素の相互間隔が伝送する光の波長よりも一桁小さいか、或いは等しい構造を表すものとする。それに対して、中間層のナノ構造又は材料の厚さは、伝送する光の波長よりも大きいか、有利には、大幅に大きいものとする。反射の低減のためにも用いられる周知の干渉層の層厚は、典型的には、波長の１／４の大きさである。そのような層の作用は、波長に依存する。本発明による層厚を光の波長の２倍以上、より良くは５倍以上、より一層良くは１０倍以上で実現するのが特に有利である。層厚が大きい場合、周知の干渉層と同様の干渉効果が背景で起こる。その場合、基本的な作用は、屈折率の適合によって実現される。層厚が非常に大きい場合、伝送する信号の特性ひずみを発生させる可能性が有る。即ち、屈折率の差が最大となることによって、伝送時間差が最大になると想定することができる。例えば、１０Ｇｂ／ｓの伝送区間で２０ｐｓの最大ジッターが許容される場合、最大層厚Ｄ＝２０ｐｓ＊ｃ０／（ｎ１−ｎ２）となり、ここで、ｃ０は真空中での光速度であり、ｎ１は材料の屈折率であり、ｎ２は媒質の屈折率である。本発明によるシステムでは、０．０００３％に相当する５５ｄｂよりも大きい反射減衰量を達成することができる。従来の干渉層では、１．５％の界面反射率しか達成することはできない。

本発明による中間層は、少なくとも部分的に媒質を取り込むことが可能なように、そのため特性を媒質と適合させることが可能なように構成することができる。そうすることによって、その時々の周囲環境の媒質との自動的な適合が実現されることとなる。それと逆に、従来から周知の方法は、予め固定的に与えられた周囲環境の媒質に対して設計されている。同様に、中間層の構造内に媒質を固定的に取り込むこともできる。

更に、本発明による中間層は、屈折率の異なる複数の部分的な層から構成することもできる。

本発明による中間層は、例えば、次の方法の中の一つにもとづき製作することができる。
・プラズマエッチング法。
・固い粒子又は緩い粒子（研磨ペースト、エマルジョン）を用いたサンドブラス法又はグラインド法などの機械的な研磨方法。
・基板又は成膜した層の荒削り法。
・フッ化水素酸などの液体に混合したエッチング剤によるエッチング法。この場合、媒体を不均一とすることができ、例えば、エッチング剤とそれと結合しない担体から成る混合物を含むことができる。この場合、エッチングプロセスをマスク有り、或いはマスク無しで実行することができる。マスクとして、所定通り構造化された感光用フォトレジスト又は所定通りコーティング（噴霧、縮合）した媒体を用いることができる。
・一つの相を暫定的なものとして、その相を用途で用いられる媒体で置き換えることができる、２相系による積層法。

本発明は、基本的に、全てのデロテーション素子に対して実施可能である。ここでは、分かり易さのために、ドーブプリズムに関して述べた。しかし、同様に、デロテーション素子として、アッベ・ケーニヒプリズムを使用することも可能である。例えば、特許文献３に開示されている通り、外側の光入射面が光路に対して垂直となるように、事前調整部品を備えたプリズムを使用するのが特に有利である。

本発明の別の特徴では、少なくとも一つのコリメータは、周囲を取り囲む媒質との境界面に本発明による少なくとも一つの中間層を有する。

本発明の別の特徴では、微小光学系が、周囲を取り囲む媒質との境界面に本発明による中間層を有する。

ここでは、説明を分かり易くするために、光出射面に関して述べた。当然のことながら、ここで提案している光学系は両方向に同じ特性を有するので、光入射面に関しても同じことが言える。

以下において、図面と関連した実施例にもとづき、本発明の例を説明するが、本発明の一般的な技術思想を制限するものではない。

本発明による配列の一般的な形態の模式図 従来技術にもとづく配列例の図 本発明による微小光学系を備えた配列の別の実施形態の図 本発明による中間層の詳細図 円錐形の頂点を備えた中間層の図 表面が不揃いな中間層の図 多層構造の中間層において、層の数に依存する反射率のグラフ

図１は、本発明による配列の回転軸６に沿った断面の模式構成を図示している。本発明による光回転結合器は、光ファイバー２と接続するための第一のコリメータ配列４と、別の光ファイバー３と接続するための第二のコリメータ配列５と、デロテーション用光学素子１とを有する。第一のコリメータ配列４の光出射面は、第一の中間層１０を有する。デロテーション用光学素子１の光出射面は、第二の中間層１１と第三の中間層１２を有する。第二のコリメータ配列５の光出射面は、第四の中間層１３を有する。

図２は、従来技術による配列の模式構成を図示している。光回転結合器は、第一の光ファイバー２を接続するための第一のコリメータ配列４と、第二の光ファイバー３を接続するための第二のコリメータ配列５とを有する。第二のコリメータ配列５は、回転軸６の周りを第一のコリメータ配列４と逆向きに回転可能な形で軸支されている。回転運動を補償するために、第一のコリメータ配列４と第二のコリメータ配列５の間の光路内には、ドーブプリズム１の形のデロテーション素子が有る。第一の光ファイバー２から出てから、第一のコリメータ配列４を経由して、ドーブプリズム１を通過し、第二のコリメータ配列５を経由して、第二の光ファイバー３に至るまでの光線９の光路の例が図示されている。

図３は、本発明による別の光学部品の実施例を模式構成の断面図で図示している。ここでは、この部品は、微小光学系である。それは、光ファイバー３５を接続するための支持プレート３４を有し、支持プレート３４の別の側には、第二の屈折率の材料３２が有る。その上には、第一の屈折率の材料３０が配置されている。これら二つの材料の間には、集束用のレンズ３３が形成されている。光出射面、即ち、この場合第一の屈折率の材料３０の表側には、中間層３１が設けられている。

図４は、本発明による光学部品２０の表面の一部を図示している。その右には、当該の屈折率のグラフが置かれている。中間層を構成するために、媒質２３への遷移面には、窪み２１と隆起部２２が設けられている。媒質は、窪み２１に入り込む。それによって、光学部品２０の屈折率２４と媒質２３の屈折率２６の間に有る平均的な屈折率２５が得られる。矢印２７は、屈折率が増加する方向を示している。有利には、隆起部は、角錐形状又は円錐形状に構成することもでき、その結果、屈折率の連続的な推移が得られる。

図５は、図４と同様な配列であるが、表面上に円錐形の頂点を有する配列を図示している。この場合、屈折率のほぼ直線的な推移が得られる。

図６は、図４と同様な配列であるが、表面が不揃いに分割された配列を図示している。この場合、屈折率の連続的な推移が得られる。

図７は、例えば、屈折率が１．４５から１．６５に推移する多層構造の中間層において、反射率（垂直軸）が層の数（水平軸）に依存することを図示している。層の数を多くする程、より小さい反射率を達成することができることが明らかに分かる。

１ デロテーション用光学素子
２ 第一の光ファイバー
３ 第二の光ファイバー
４ 第一のコリメータ配列
５ 第二のコリメータ配列
６ 回転軸
９ 光線
１０ 第一の中間層
１１ 第二の中間層
１２ 第三の中間層
１３ 第四の中間層
２０ 光学部品
２１ 窪み
２２ 隆起部
２３ 媒質
２４ 光学部品の屈折率
２５ 中間層での屈折率
２６ 媒質の屈折率
２７ 屈折率が増加する方向
３０ 第一の屈折率を有する材料
３１ 中間層
３２ 第二の屈折率を有する材料
３３ レンズ
３４ 支持プレート
３５ 光ファイバー

Claims (8)

1. 第一の光ファイバー（２）を接続するための第一のコリメータ配列（４）と、
   回転軸（６）の周りを第一のコリメータ配列（４）と逆向きに回転可能な形で軸支された、第二の光ファイバー（３）を接続するための第二のコリメータ配列（５）と、
   第一のコリメータ配列（４）と第二のコリメータ配列（５）の間の光パス内に有るデロテーション用光学素子（１）と、
   の光学部品が配備され、これらの光学部品の間の配列の内部空間が媒質で満たされている光回転結合器において、
   これらの光学部品の中の少なくとも一つ光学部品が、媒質との境界面に、その少なくとも一つの光学部品の屈折率と媒質の屈折率の間で推移する屈折率を有する中間層（１０，１１，１２，１３）を備えていることを特徴とする光回転結合器。
2. 光学的なビーム誘導及び／又はビーム成形を行うためのコリメータにおいて、
   このコリメータが、コリメータと媒質の間の境界面に、コリメータの屈折率とコリメータを取り囲む媒質の屈折率の間で推移する屈折率を有する中間層を備えた光学部品であることを特徴とするコリメータ。
3. 微小光学系において、
   この微小光学系が、微小光学系と媒質の間の境界面に、微小光学系の屈折率と微小光学系を取り囲む媒質の屈折率の間で推移する屈折率を有する中間層を備えた光学部品であることを特徴とする微小光学系。
4. 当該の中間層は、個々の要素のサイズ及び相互間隔が伝送する光の波長よりも小さい、有利には、大幅に小さい、特に、光の波長の１／１０であるナノ構造を有することを特徴とする請求項１から３までのいずれか一つに記載の装置。
5. 当該の中間層の厚さが、伝送する光の波長よりも大きいことを特徴とする請求項１から４までのいずれか一つに記載の装置。
6. 当該のナノ構造が、光学部品と媒質の屈折率の平均値と等しい平均的な屈折率を有することを特徴とする請求項１から５までのいずれか一つに記載の装置。
7. 当該のナノ構造が、隆起部（２２）と窪み（２１）を有することを特徴とする請求項１から６までのいずれか一つに記載の装置。
8. 当該の窪みが、中間層の表面の５０％を覆っていることを特徴とする請求項７に記載の装置。

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