チュートリアル光ファイバーコリメーター

光ファイバーコリメーターには様々な形がある。シングルモードであったり、マルチモードであったりする。直径はファイバーそのものと同じくらい小さいもの、例えば125umのものから、数十mm、数百mmのものまであります。しかし、基本的な構造はレンズと光ファイバーで構成されています。このチュートリアルでは、"単純な "光ファイバーコリメーターの様々な顔を探ります。

レンズタイプ

光ファイバーコリメータを構成するために、ほとんどすべての既知のレンズタイプが使用されてきました。これらのレンズには、ファイバーレンズ、ボールレンズ、非球面レンズ、球面シングレットやダブレット、GRIN（GRaded INdex）レンズ、顕微鏡対物レンズ、シリンドリカルレンズ、熱膨張コア（TEC）ファイバーのようにレンズが全くないものなどがあります。レンズの材質は、ガラス、プラスチック、シリコンなど様々です。現在使用されている光ファイバーコリメーターのほとんどは、GRINレンズを使用しています。GRINレンズは小型で扱いやすく、比較的安価で、光学性能も競争力があります。しかし、限界もあります。GRINレンズは大型のものはほとんどなく、その性能は可視スペクトル範囲ではわずかです。

サイズは重要だ

GRINレンズは小型の通信機器には最適ですが、FSO（Free Space Optic）通信（応用 ）で使用されるような、ビームサイズが数ミリから数十ミリに及ぶような大きな光ビームの生成には適していません。ビームサイズが1mmから5mmの場合、非球面レンズは球面収差を補正する能力に優れているため、理想的です。ビームサイズが数ミリより大きい場合は、入手が容易で安価な球面シングレットやダブレットが適しています。

球面収差または色収差

ほとんどすべての研磨レンズは、平らな球面を形成し、ガウシアン光ビームを回折限界スポットに集光するレンズの能力を制限します。この挙動の専門用語は球面収差です。その結果、球面レンズで作られたコリメーターペア間の結合効率は最適とは程遠くなります。非球面レンズは、球面収差を大幅に減少させるために、わずかに修正された表面輪郭を使用しています。非球面レンズは、単一波長または比較的小さな帯域幅を持つほとんどの応用 。球面レンズでも非球面レンズでも、波長の大きく異なる2つのビームが1つのレンズに入射すると、焦点距離が異なり、色収差と呼ばれることが多い。この影響を軽減するために、アクロマティック・ダブレットがよく使われます。

シングルモードまたはマルチモード

シングルモードファイバーは、数学的にほぼ完全なガウシアンビームを生成します。コリメートされたガウシアンビームの挙動は、マルチモードビームとは大きく異なります。ガウシアンビームは、ビーム共焦点パラメータと呼ばれる一定の距離でコリメーションを維持します。ビームコンフォーカルパラメータの中心はビームウエストと呼ばれます。最適な性能を得るためには、ビームウエストの位置を決めることが非常に重要です。ビームウエストは、あるサイズのコリメータに対して調整することができます。焦点距離が長いほど、調整範囲は大きくなります。

覚えておくべき重要なことは、焦点距離を2倍にすれば、同調範囲とビーム共焦点パラメータは4倍になるということです。一方、マルチモードの「コリメータ」は決してビームをコリメートしません。コリメータは、ある距離でファイバーコアの像を形成するだけです。従って、対になるコリメータ間の像距離を決めることが重要です。

ペアリング、ターゲティング、レーザーピッグテーリング

同じコリメーターでも、応用 の違いによって作りが大きく異なることがあるため、コリメーターを購入する前に用途を正確に定義することの重要性はいくら強調してもしすぎることはない。ペアリングは、ペア間の間隔であるワーキングディスタンスを明確に定義する必要がある。ターゲティングでは、ターゲット距離とサンプルサイズが定義される。レーザーピグテーリングでは、最大のカップリング効率を得るためにビーム径を明確にする必要があります。

0度または8度

シングルモード・ファイバーは、後方反射を減らす（リターン・ロスを増やす）ために8度の角度で研磨されることが多い。その代償として、ビームがわずかにオフセンターになります。しかし、特別に設計されたファイバーフェルールとアライメント治具を使用すれば、これを修正することは可能です。ほぼすべてのマルチモードファイバーは、システムのリターンロス要求がかなり低いのは事実ですから、0度で研磨されています。

代替案

別個のレンズを使わずに平行ビームを形成する独創的な方法は数多くある。最も重要なカテゴリーは、ファイバー先端処理です。TEC ファイバーは、ファイバー・ペア間のギャップを小さくして適度な挿入損失を維持するために、ビームの発散を大幅に減少させます。ファイバー先端に凸面を形成することで、同様の結果が得られます。このような特殊処理を施したファイバーは、マイクロサイズのデバイスやアレイやバンドルに使用することで、非常に大きなチャネル数を持つデバイスを作ることができます。しかし、ファイバーは壊れやすく、洗浄が難しいため、ファイバーに光学的な反射防止コーティングを施すことは困難な場合が多い。

結論

コリメータを購入する際に考慮すべきことは、想像以上に多い。設計エンジニアは、システムの正確な必要性を理解し、選択する前に、異なるタイプのコリメーターの類似点と相違点を研究することが極めて重要です。