JP2000206360A - 光ファイバ結合装置 - Google Patents

光ファイバ結合装置

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JP2000206360A
JP2000206360A JP11009643A JP964399A JP2000206360A JP 2000206360 A JP2000206360 A JP 2000206360A JP 11009643 A JP11009643 A JP 11009643A JP 964399 A JP964399 A JP 964399A JP 2000206360 A JP2000206360 A JP 2000206360A
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optical fiber
light
optical
optical fibers
coupling device
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Miki Ono
美樹 小野
Yoshihiro Someno
義博 染野
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Alps Electric Co Ltd
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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/262—Optical details of coupling light into, or out of, or between fibre ends, e.g. special fibre end shapes or associated optical elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/32—Optical coupling means having lens focusing means positioned between opposed fibre ends

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 光ファイバ間の光伝送の低損失化を図り、レ
ンズ部材を必要としない光結合効率を高めた光ファイバ
結合装置を提供することにある。 【解決手段】 対向する２つの光ファイバ１６，１８か
らなり、該光ファイバの一方１６には、曲面を形成した
端面を有し、該曲面を有した光ファイバ１６のコア径を
Ｅ1、開口数をＮＡ1、屈折率をｎ1、曲面の曲率半径を
ｒ1とし、他方の光ファイバ１８のコア径をＥ2とし、２
つの光ファイバ１６，１８間の距離をＬとするとき、焦
点距離ｆ＝ｒ／（ｎ1−１）としたとき、Ｅs＝２・Ｌ・
tan(sin-1ＮＡ1）とするときの光ファイバ同士の結合効
率ηは、焦点距離ｆ≦Ｌにあっては、 Ｅ2／（Ｅ1＋Ｅs）＜η＜（Ｅ2／（Ｅs＋（Ｌ／ｆ−
１）・Ｅ1））2≦１．０、 焦点距離ｆ＞Ｌにあっては、 Ｅ2／（Ｅ1＋Ｅs）＜η＜（Ｅ2／（Ｅs＋（１−Ｌ／
ｆ）・Ｅ1））2≦１．０ となる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバ同士の
結合構造に関し、特に光ファイバ間にレンズ部材を用い
ないで、結合した光ファイバ結合装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】光ファイバ同士の相互接続において、最
大の課題は、可能な限り低損失で光伝送することにあ
る。このような低損失化を図った従来の第１の光ファイ
バ結合装置５０は、図１４に示すように、円筒状をした
筐体５３と、この筐体５３内に収納された１枚の両凸レ
ンズ５４とからなり、筐体５３の一方端には第１の光フ
ァイバ５１の一端が、他方端には第２の光ファイバ５２
の一端が配置されている。第１の光ファイバ５１の図示
しない一端面から入射した光が第１の光ファイバ５１内
を透過し、その他端面５１ａから出射され、光をレンズ
５４を介して第２の光ファイバ５２の端面５２ａに集光
するように入射されている。
【０００３】次に、従来の第２の光ファイバ結合装置６
０は、図１５に示すように、円筒状をした第１の接続部
６５と、円筒状をした第２の接続部６６とからなり、こ
れら第１及び第２の接続部６５，６６はその端部につば
部６５ａ，６６ａをそれぞれ備え、さらに第１の接続部
６５内に収納された第１のレンズ６３と、第２の接続部
６６内に収納された第２のレンズ６４とからなってい
る。そして、第１及び第２の接続部６５，６６は、その
つば部６５ａ，６６ａとは反対側端部に、中央に小さな
孔を形成した凸部６７ａ，６８ａを備えた円盤状をした
第１および第２の固定部６７，６８が配設されている。
そして、これら固定部６７，６８の孔にはそれぞれ第１
の光ファイバ６１、および第２の光ファイバ６２の一端
が配置されている。
【０００４】そして、第１及び第２の接続部６５、６６
内に第１及び第２のレンズ６３、６４をそれぞれ光軸の
位置を一致させるように取付け固定した後、第１及び第
２の接続部６５，６６を各つば部６５ａ，６６ａが嵌合
するように取付けて、さらに第１及び第２の固定部６
７，６８を第１及び第２の接続部６５，６６にネジなど
で取付け固定する。さらに、第１及び第２の光ファイバ
６１、６２の先端の被覆部を剥ぎ取り、それら一端６１
ａ，６２ａを固定部６７，６８の孔に嵌合する。このよ
うに構成された装置６０では、各第１及び第２の光ファ
イバ６１，６２の一端６１ａ，６２ａの端面に焦点を結
ぶように、例えば、第１の光ファイバ６１の一端６１ａ
の端面から出射した光が第１のレンズ６３に入射し、第
１のレンズ６３から平行光として出射し、その平行光が
第２のレンズ６４に入射する。そして、第２のレンズ６
４から出射した出射光が収束光として第２の光ファイバ
６２の一端６２ａの端面上に結合する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
光ファイバ結合装置５０，６０において、光ファイバ同
士を接続する際に、光ファイバ同士の光伝送で安定した
光を出力するために、光ファイバの位置決めを精度よく
行う必要があった。そして、レンズ等の光学素子を介し
て光結合効率を高めて、光ファイバ同士を直接結合する
よりも光伝送損失を少ないものにするため、上述したよ
うにレンズ５４、６３，６４を筐体５３，６５，６６内
に取り付け固定しなければならず、レンズ５４，６３，
６４の焦点位置を合わせる必要があり、位置決め調整が
必要であり、そのため位置調整に手間がかかるおそれが
あった。
【０００６】本発明の目的は、以上の問題点に鑑みてな
されたものであり、光ファイバ間の光伝送の低損失化を
図り、レンズ部材を必要としない光結合効率の高い光フ
ァイバ結合装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記課題の少なくとも１
つを解決するための第１の解決手段として、対向する２
つの光ファイバからなり、該光ファイバのうち、一方の
発光側の光ファイバは、曲面状を形成した先球部を有
し、該先球部を有する光ファイバのコア径をＥ1、開口
数をＮＡ1、屈折率をｎ1、該先球部の曲率半径をｒ1と
し、他方の受光側の光ファイバのコア径をＥ2とし、２
つの光ファイバ間の距離をＬとするとき、発光側の光フ
ァイバの焦点距離ｆは、ｆ＝ｒ／（ｎ1−１）となり、
受光側の光ファイバの端面におけるビーム径をＥsとす
るとき、Ｅs＝２・Ｌ・tan(sin-1ＮＡ1）となり、これ
ら光ファイバ同士の結合効率ηは、焦点距離ｆ≦Ｌにあ
っては、 Ｅ2／（Ｅ1＋Ｅs）＜η＜（Ｅ2／（Ｅs＋（Ｌ／ｆ−
１）・Ｅ1））2≦１．０、 焦点距離ｆ＞Ｌにあっては、 Ｅ2／（Ｅ1＋Ｅs）＜η＜（Ｅ2／（Ｅs＋（１−Ｌ／
ｆ）・Ｅ1））2≦１．０ となる。
【０００８】また第２の解決手段として、曲面を有する
光ファイバは、コア中心から外周になるにしたがって、
曲率半径ｒ1より小さくなる少なくとも１つの第２の曲
率半径ｒsよりなる。
【０００９】
【発明の実施の形態】本発明の第１の実施の形態である
光ファイバ結合装置１０は、図１に示すように、光を透
過しない合成樹脂または金属からなる、円筒状をした筐
体１１と、この筐体１１内に設けられた円柱状をした導
光路１１ａと、この導光路１１ａに繋がり、両端部に設
けられた第１の丸孔１１ｂ、及び第２の丸孔１１ｃとを
備えている。
【００１０】プラスチックファイバ（ＰＯＦ）１６、１
８は、図１及び図２に示すように、高純度のメタルクリ
ル樹脂（ポリメチルメタアクリレート：ＰＭＭＡ）から
なるコア１６ａ、１８ａと、このコア１６ａ，１８ａを
覆う特殊フッ素樹脂の薄い層からなるクラッド１６ｂ，
１８ｂとからなる。このＰＯＦ１６，１８のコア径Ｅ
1、Ｅ2は、約１ｍｍで、先端部には研磨して精度良く球
面レンズ状に加工した先球部１６ｃ，１８ｃが形成され
ている。上記プラスチックファイバ１６，１８は、コア
１６ａ，１８ａのそれぞれの屈折率ｎ1、ｎ2が半径方向
に一様な値を有し、吸収あるいは散乱によって次第に減
衰しながら光が長距離伝搬する、いわゆるマルチモード
タイプ（ＭＭＦ）となっている。そして、ＰＯＦ１６、
１８は、その一端を上記筐体１１の第１及び第２の丸孔
１１ｂ，１１ｃにぞれぞれ着脱可能に取付けられてい
る。
【００１１】このような光ファイバ結合装置１０では、
図１に示すように、一方のＰＯＦ１６のコア１６ａの一
端面（図示せず）から入射した光は、コア１６ａ内を伝
搬して、他端部である先球部１６ｃに出射する。この先
球部１６ｃに出射した光は、導光路１１ａ内の空間部を
透過して、他方のＰＯＦ１８のコア１８ａの先球部１８
ｃに入射する。このようにして、図示しない送信部から
送信された情報がこの光ファイバ結合装置１０を介して
遠隔地にある図示しない受信部へ双方向通信され、受信
部では光信号を電気信号に変換して、上記情報を受信す
ることができる。
【００１２】次に、この光ファイバ結合装置１０におい
て、光ファイバ同士を接続する際の最適化条件を以下に
示すモデルを用いて説明する。ここで、ＰＯＦ１６，１
８は、発光側の光ファイバ、受光側の光ファイバにそれ
ぞれ設定し、発光側に起因する上記最適化条件をＰＯＦ
１６を中心に説明する。図３に示すように、ＰＯＦ１６
の端面が平坦であると仮定すると、ＰＯＦ１６の一端面
から入射し、コア１６ａ内を透過し、その他端面から外
部に出射した光は、主光線（太線）で示したような複数
の略平行光として出射され、異なる位置に焦点を結ぶと
考えられる。しかしながら、実際には、図４に示すよう
に、発光モード（マルチモード）の影響により、ＰＯＦ
１６の端面の外周部分で主光線が発散傾向になる発散光
となる。例えば、図４に示すように、点光源から出射し
た光は、ＰＯＦ１６内を透過して、途中変化のない一様
な発散光束となり、５個の異なる位置に焦点を結ぶ。し
たがって、異なる５個の点光源から出射したのと等価的
に考えられる。このように各焦点が５個生じたことと等
価になり、ＰＯＦ１６の一端から出射した光は、図示し
ないＰＯＦ１８の一端面に入射する際、実際上、結合効
率の悪いものとなる。また、図４において、５本の主光
線のうち外側の２本が、外方の発散方向側に向いていて
ますます結合効率を悪くしている。
【００１３】次に、図５に示すように、ＰＯＦ１６の先
端に先球部１６ｃを有した光ファイバ結合装置にあって
は、曲率半径をｒ1として、ＰＯＦ１６の屈折率をｎ1と
すると、焦点距離ｆ＝ｒ1／（ｎ1−１）の関係式で表さ
れる位置に焦点ｆ16を結び、また同じ焦点距離ｆで光が
円環状に収束する、即ち２種類の光（収束光及び発散
光）となる。これは、図５に示すように、図３及び図４
に示したＰＯＦ１６の平坦面を、この先球部１６ｃ、１
８ｃにすることにより、太線の主光線を光軸中心側に寄
せて一点に収束する状態とし、図４よりも発散光束をま
とめたものである。また、図４に示すように、ＰＯＦ１
６，１８の平坦面であっても、典型的なマルチモードタ
イプの光ファイバの場合、外周部で主光線が発散光とな
り、図６に示したように、ＰＯＦ１６の先端を所定の曲
率半径ｒをもつ先球部１６ｃ、１８ｃにしても、外周部
の主光線が１点に寄り切らない状態となる。このように
図３乃至図６に示す状態にあっては、収束光及び発散光
に対する受け側ファイバ、即ちＰＯＦ１８による取り込
み効率は、受け側ファイバであるＰＯＦ１８の位置にお
ける、後述するビーム径の大きさと受け側ファイバの大
きさ（コア径Ｅ2）との関係より、次のように説明され
る。
【００１４】図８は、本発明の光ファイバ結合装置１０
の焦点距離ｆと結合効率ηとの関係を示していて、横軸
に図１を特徴付ける量（コア径Ｅ1，Ｅ2、ＰＯＦ１６と
１８間の距離Ｌ、開口数ＮＡ1）４つの因子による各サ
ンプルをプロットし、縦軸にはＰＯＦ１６，１８間の結
合効率ηを示したものである。図８中、横軸に示した焦
点距離ｆはＰＯＦ１６の屈折率の大きさをｎ1、先球部
１６ｃの曲率半径の大きさをｒ1としたとき、上述した
ように、 ｆ＝ｒ1／（ｎ1−１） ・・・（１） である。
【００１５】図８中において、曲線Ａは、ＰＯＦ１６の
焦点距離ｆが光ファイバ間距離Ｌよりも小さい場合であ
り、発散光による受光側であるファイバＰＯＦ１８での
受光損失により結合効率ηが低下することを示してい
る。また、曲線Ｂは、同焦点距離ｆが光ファイバ間距離
Ｌよりも大きい場合であり、２段階の発散光による光損
失により結合効率ηが低下したことを示している。結合
効率ηが１００％を超えないことを考慮すると、この結
合効率ηには３つの範囲が存在することになる。すなわ
ち、１）光ファイバ間距離Ｌが焦点距離ｆよりも大きい
範囲、２）光ファイバ間距離Ｌが焦点距離ｆよりも小さ
い範囲、３）光ファイバ間距離Ｌが焦点距離ｆと同じ
か、ほぼ近似している範囲の３つに分けられる。
【００１６】また、ＰＯＦ１６、１８の端面を平坦面と
し、ＰＯＦ１６から出射した光が距離Ｌ離れた、コア径
Ｅ2を有するＰＯＦ１８の端面位置における光束径（ビ
ームサイズ）Ｅは、面積比より以下に示す式が導き出さ
れる。すなわち、 η ＝ （Ｅ2／Ｅ）2 ・・・（２） である。したがって、この光ファイバ結合装置（端面を
平坦面とした）において、ＰＯＦ１８のコア径Ｅ2が十
分に大きく、上記光束径（ビームサイズ）Ｅがそのコア
径Ｅ2内に入るときには、結合効率ηは１．０（＝１０
０％）となる。
【００１７】図１１に示すように、図９を模式化した光
ファイバ結合装置において、上記光束径（ビームサイ
ズ）Ｅは、発散光なので、次式のような１つの式で表さ
れる。すなわち、 Ｅ＝Ｅ1＋２・Ｌ・tan(sin-1ＮＡ1）・・・（３） である。ＰＯＦ１６の焦点距離ｆにおける光束径（ビー
ムサイズ）をＥ1sとすると、一様に発散する発散光なの
で、次式のような１つの式で表される。すなわち、 Ｅ1s＝２・ｆ・tan(sin-1ＮＡ1） ・・・（４） である。
【００１８】次に、図１０に示した光ファイバ結合装置
１０の一部は、図１２に示すように、各ＰＯＦ１６の端
面を先球部１６ｃとしたので、焦点距離ｆを境に２段階
の発散光（ビーム）を有する。よって、光束径（ビーム
サイズ）Ｅを特定する式は、焦点距離ｆに対するファイ
バ間距離Ｌとの関係によって、次式が求まる。 １）光ファイバ間距離Ｌが焦点距離ｆより大きい範囲
（０≦ｆ＜Ｌ）：この範囲では、ビームサイズＥは次式
で表される。すなわち、 Ｅ＝Ｅ1＋Ｌ／ｆ・（Ｅ1s−Ｅ1） ・・・（５） である。したがって、光結合効率ηは、上記（２）式に
上記（５）式を代入して展開すると、次式のように表さ
れる。すなわち、 η＝（Ｅ2／Ｅ）2 ＝（Ｅ2／（Ｅ1＋Ｌ／ｆ・（Ｅ1s−Ｅ1）））2 ＝（Ｅ2／（（１−Ｌ／ｆ）・Ｅ1＋２・Ｌ・tan(sin-1ＮＡ1））2 ・・・（６） である。これは、図８中の曲線Ａに相当する。
【００１９】２）光ファイバ間距離Ｌが焦点距離ｆより
小さい範囲（ｆ＞Ｌ）：この範囲では、ビームサイズＥ
は次式で表される。すなわち、 Ｅ＝Ｅ1s＋２・（Ｌ−ｆ）・tan(sin-1ＮＡ1ｕ）・・・（７） である。ここで、ＮＡuは、図１２に示すように、２段
目の発散光束（ビーム）の開口数である。このＮＡu
は、図１３に示すように、角度αと角度βとによる各Ｎ
Ａを合算したものである。
【００２０】図１３に示すように、角度αによる開口数
はＮＡ1である。一方、角度βによる開口数ＮＡ1uは、
ＰＯＦ１６のコア径Ｅ1と焦点距離ｆより、次式のよう
に表される。 sinα＝ＮＡ1 ・・・（８） sinβ＝ΔＮＡ ・・・（９） β＝tan-1Ｅ1／２ｆ ・・・（１０） 角度βによる開口数ＮＡ1uは、次式で表され、上記
（９）式及び（１０）式により、式展開されて、すなわ
ち、 ＮＡ1u＝ＮＡ1＋ΔＮＡ ・・・（１１） ＝ＮＡ1＋sin(tan-1Ｅ1／２ｆ） ・・・（１２） である。
【００２１】したがって、結合効率ηは、上記（２）式
に上記（７）式、及び上記（４）式を代入して展開する
と、次式のように表される。すなわち、 η＝（Ｅ2／Ｅ）2 ＝（Ｅ2／（Ｅ1s＋２・（Ｌ−ｆ）・tan(sin-1ＮＡ1ｕ））2 ＝（Ｅ2／（２ｆtan(sin-1ＮＡ1） ＋２（Ｌ−ｆ）・tan(sin-1(NA1+sin(tan-1E1/2f))))2 ＝（Ｅ2／（２ｆtan(sin-1ＮＡ1） ＋２（Ｌ−ｆ）・tan(sin-1(NA1+E1/2f))))2 ・・・（１３） である。これは、図８中の曲線Ｂに相当する。
【００２２】次に、図８及び図１１乃至図１３に示した
ように、光ファイバ結合装置１０における結合効率η
は、ＰＯＦ１６，１８の先端が平坦面である場合、上記
（３）式より、 η＝（Ｅ2／Ｅ）2 ＝（Ｅ2／（Ｅ1＋２Ｌ・tan（sin-1ＮＡ1））2・・・（１４） である。したがって、結合効率ηは、少なくともこの
（１４）式よりも結合効率が良いことが必要である。
【００２３】図８中の曲線Ａ，Ｂで、結合効率ηが１．
０（１００％）であるときの焦点距離ｆは、それぞれ上
記（６）式、上記（１３）式より、次式が導き出され
る。すなわち、 ｆ＝Ｌ・Ｅ1／（Ｅ1＋Ｅ2−２・Ｌ・tan(sin-1ＮＡ1））・・・（１５） ｆ＝Ｌ・Ｅ1／（Ｅ1−Ｅ2＋２・Ｌ・tan(sin-1ＮＡ1））・・・（１６） 図８中、曲線Ａ，Ｂの交点は、焦点距離ｆ＝Ｌの場合で
あり、上記（６）式、上記（１６）式より、次式が導き
出される。すなわち、 η＝（Ｅ2／２Ｌtan(sin-1ＮＡ1））2 ・・・（１７） である。但し、結合効率η≦１．０（＝１００％）であ
り、これを超えることはない。
【００２４】このような光ファイバ結合装置において、
ファイバ自身の伝送損失を考慮した場合、好ましくは、
結合効率ηが０．５〜０．６以上、最も好ましくは伝送
損失３ｄＢ程度を達成することが望ましい。
【００２５】次に、光ファイバ結合装置１０において、
ＰＯＦ１６，１８の先球部１６ｃ、１８ｃの中心部を曲
率半径ｒの球面形状にするとともに、その外周部を曲率
半径ｒsの小さな球面にした非球面形状をしたＰＯＦ１
６，１８として、以下説明する。
【００２６】本発明の実施形態の１つである光ファイバ
結合装置１０は、図７に示すように、ＰＯＦ１６，１８
の先球部１６ｃ、１８ｃの外周部の主光線を一点に寄せ
るため、コア１６ａ，１８ｃ中心部の曲率半径ｒよりも
小さい曲率半径ｒsを外周部に設けたものである。
【００２７】上記曲率半径ｒsは、曲率半径ｒである場
合に比べて、ＰＯＦ１６，１８の外周部が僅かにコア内
側にカーブするように形成されている。このような形状
にすることにより、ＰＯＦ１６，１８の外周部から出射
した光（ビーム）は、より一点に焦点を結ぶようにな
り、ＰＯＦ１６，１８の結合の際に、その結合効率の損
失をより一層防ぐことができる。
【００２８】したがって、図８に示したように、光ファ
イバの端面を球面にした場合において、斜線で示した領
域内であれば結合効率が良いことになる。そのような数
値となるように設定すれば、本発明の光ファイバ結合装
置を得ることができる。
【００２９】
【発明の効果】以上説明してきたように本発明の光ファ
イバ結合装置は、対向する２つの光ファイバからなり、
該光ファイバのうち、一方の発光側の光ファイバの端面
には、曲面状に形成した先球部を有し、該先球部を有す
る光ファイバのコア径をＥ1、開口数をＮＡ1、屈折率を
ｎ1、該先球部の曲率半径をｒ1とし、他方の受光側の光
ファイバのコア径をＥ2とし、２つの光ファイバ間の距
離をＬとするとき、焦点距離ｆはｆ＝ｒ／（ｎ1−１）
となり、受光側の光ファイバの端面におけるビーム径を
Ｅsとするとき、Ｅs＝２・Ｌ・tan(sin-1ＮＡ1）とな
り、これら光ファイバ同士の結合効率ηは、焦点距離ｆ
≦Ｌにあっては、 Ｅ2／（Ｅ1＋Ｅs）＜η＜（Ｅ2／（Ｅs＋（Ｌ／ｆ−
１）・Ｅ1））2≦１．０、 焦点距離ｆ＞Ｌにあっては、 Ｅ2／（Ｅ1＋Ｅs）＜η＜（Ｅ2／（Ｅs＋（１−Ｌ／
ｆ）・Ｅ1））2≦１．０ となることにより、光ファイバの端面を平坦面にしたも
のよりも結合効率が高くなって、この結合効率を改善し
た光ファイバ結合装置となることができる。
【００３０】また、先球部を有する光ファイバは、コア
中心から外周になるにしたがって、曲率半径ｒ1より小
さくなる少なくとも１つの第２の曲率半径ｒsよりなる
ことにより、外周の発散光がより一点に集光するので、
より一層の結合効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光ファイバ結合装置を示す断面模式図
である、
【図２】該装置に取付けられるプラスチックファイバの
断面図である。
【図３】本発明の光ファイバ結合装置のファイバ端面を
平坦にした場合を示す説明図である。
【図４】本発明の光ファイバ結合装置のファイバ端面を
平坦にした場合における、マルチモードの場合を示す説
明図である。
【図５】本発明の光ファイバ結合装置のファイバ端面を
曲面にした場合を示す説明図である、
【図６】本発明の光ファイバ結合装置であって、図４に
おける発散光における、ファイバ端面を曲面にした場合
を説明する説明図である。
【図７】本発明の光ファイバ結合措置であって、外周部
を曲率半径の異なる大きさにした場合を説明する説明図
である、
【図８】本発明の光ファイバ結合装置の結合効率を示す
グラフである。
【図９】本発明の光ファイバ結合装置のファイバ端面を
平坦にした場合を示す説明図である。
【図１０】本発明の光ファイバ結合装置のファイバ端面
を曲面にした場合を示す説明図である。
【図１１】図９に示す、本発明の光ファイバ結合装置の
発散光束（ビームサイズ）を説明するための模式図であ
る。
【図１２】図１０に示す、本発明の光ファイバ結合装置
の２段階の発散光束（ビームサイズ）となる場合を説明
するための模式図である。
【図１３】図１２に示す、開口数を説明するための模式
図である。
【図１４】従来の第１の光ファイバ結合装置を説明する
断面図である。
【図１５】従来の第２の光ファイバ結合装置を説明する
断面図である。
【符号の説明】
１６ 発光側の光ファイバ １８ 受光側の光ファイバ ＮＡ1、ＮＡ2 光ファイバの開口数 Ｅ1、Ｅ2 光ファイバのコア径 ｆ1、ｆ2 光ファイバの焦点距離 Ｌ 光ファイバー間距離 ｒ１ 発光側の光ファイバの曲率半径 ｎ1 発光側の光ファイバのコア屈折率 ｒs 発光側の光ファイバの第２の曲率半径
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１１年１２月２０日（１９９９．１２．
２０）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記課題の少なくとも１
つを解決するための第１の解決手段として、対向する２
つの光ファイバからなり、該光ファイバのうち、一方の
発光側の光ファイバは、曲面状を形成した先球部を有
し、該先球部を有する光ファイバのコア径をＥ1、開口
数をＮＡ1、屈折率をｎ1、該先球部の曲率半径をｒと
し、他方の受光側の光ファイバのコア径をＥ2とし、２
つの光ファイバ間の距離をＬとするとき、発光側の光フ
ァイバの焦点距離ｆは、ｆ＝ｒ／（ｎ1−１）となり、
受光側の光ファイバの端面におけるビーム径をＥsとす
るとき、Ｅs＝２・Ｌ・tan(sin-1ＮＡ1）となり、これ
ら光ファイバ同士の結合効率ηは、焦点距離ｆ≦Ｌにあ
っては、 Ｅ2／（Ｅ1＋Ｅs）＜η＜（Ｅ2／（Ｅs＋（Ｌ／ｆ−
１）・Ｅ1））2≦１．０、 焦点距離ｆ＞Ｌにあっては、 Ｅ2／（Ｅ1＋Ｅs）＜η＜（Ｅ2／（Ｅs＋（１−Ｌ／
ｆ）・Ｅ1））2≦１．０ となる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００８】また第２の解決手段として、曲面を有する
光ファイバは、コア中心から外周になるにしたがって、
曲率半径ｒより小さくなる少なくとも１つの第２の曲率
半径ｒsよりなる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１３】次に、図５に示すように、ＰＯＦ１６の先
端に先球部１６ｃを有した光ファイバ結合装置にあって
は、曲率半径をｒとして、ＰＯＦ１６の屈折率をｎ1と
すると、焦点距離ｆ＝ｒ／（ｎ1−１）の関係式で表さ
れる位置に焦点ｆ16を結び、また同じ焦点距離ｆで光が
円環状に収束する、即ち２種類の光（収束光及び発散
光）となる。これは、図５に示すように、図３及び図４
に示したＰＯＦ１６の平坦面を、この先球部１６ｃ、１
８ｃにすることにより、太線の主光線を光軸中心側に寄
せて一点に収束する状態とし、図４よりも発散光束をま
とめたものである。また、図４に示すように、ＰＯＦ１
６，１８の平坦面であっても、典型的なマルチモードタ
イプの光ファイバの場合、外周部で主光線が発散光とな
り、図６に示したように、ＰＯＦ１６の先端を所定の曲
率半径ｒをもつ先球部１６ｃ、１８ｃにしても、外周部
の主光線が１点に寄り切らない状態となる。このように
図３乃至図６に示す状態にあっては、収束光及び発散光
に対する受け側ファイバ、即ちＰＯＦ１８による取り込
み効率は、受け側ファイバであるＰＯＦ１８の位置にお
ける、後述するビーム径の大きさと受け側ファイバの大
きさ（コア径Ｅ2）との関係より、次のように説明され
る。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１４】図８は、本発明の光ファイバ結合装置１０
の焦点距離ｆと結合効率ηとの関係を示していて、横軸
に図１を特徴付ける量（コア径Ｅ1，Ｅ2、ＰＯＦ１６と
１８間の距離Ｌ、開口数ＮＡ1）４つの因子による各サ
ンプルをプロットし、縦軸にはＰＯＦ１６，１８間の結
合効率ηを示したものである。図８中、横軸に示した焦
点距離ｆはＰＯＦ１６の屈折率の大きさをｎ1、先球部
１６ｃの曲率半径の大きさをｒとしたとき、上述したよ
うに、 ｆ＝ｒ／（ｎ1−１） ・・・（１） である。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正内容】
【００２９】
【発明の効果】以上説明してきたように本発明の光ファ
イバ結合装置は、対向する２つの光ファイバからなり、
該光ファイバのうち、一方の発光側の光ファイバの端面
には、曲面状に形成した先球部を有し、該先球部を有す
る光ファイバのコア径をＥ1、開口数をＮＡ1、屈折率を
ｎ1、該先球部の曲率半径をｒとし、他方の受光側の光
ファイバのコア径をＥ2とし、２つの光ファイバ間の距
離をＬとするとき、焦点距離ｆはｆ＝ｒ／（ｎ1−１）
となり、受光側の光ファイバの端面におけるビーム径を
Ｅsとするとき、Ｅs＝２・Ｌ・tan(sin-1ＮＡ1）とな
り、これら光ファイバ同士の結合効率ηは、焦点距離ｆ
≦Ｌにあっては、 Ｅ2／（Ｅ1＋Ｅs）＜η＜（Ｅ2／（Ｅs＋（Ｌ／ｆ−
１）・Ｅ1））2≦１．０、 焦点距離ｆ＞Ｌにあっては、 Ｅ2／（Ｅ1＋Ｅs）＜η＜（Ｅ2／（Ｅs＋（１−Ｌ／
ｆ）・Ｅ1））2≦１．０ となることにより、光ファイバの端面を平坦面にしたも
のよりも結合効率が高くなって、この結合効率を改善し
た光ファイバ結合装置となることができる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正内容】
【００３０】また、先球部を有する光ファイバは、コア
中心から外周になるにしたがって、曲率半径ｒより小さ
くなる少なくとも１つの第２の曲率半径ｒsよりなるこ
とにより、外周の発散光がより一点に集光するので、よ
り一層の結合効率の向上を図ることができる。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】符号の説明
【補正方法】変更
【補正内容】
【符号の説明】 １６ 発光側の光ファイバ １８ 受光側の光ファイバ ＮＡ1、ＮＡ2 光ファイバの開口数 Ｅ1、Ｅ2 光ファイバのコア径 ｆ1、ｆ2 光ファイバの焦点距離 Ｌ 光ファイバー間距離ｒ 発光側の光ファイバの曲率半径 ｎ1 発光側の光ファイバのコア屈折率 ｒs 発光側の光ファイバの第２の曲率半径

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 対向する２つの光ファイバからなり、該
    光ファイバのうち、一方の発光側の光ファイバは、曲面
    状に形成した先球部を有し、該先球部を有する光ファイ
    バのコア径をＥ1、開口数をＮＡ1、屈折率をｎ1、該先
    球部の曲率半径をｒ1とし、他方の受光側の光ファイバ
    のコア径をＥ2とし、２つの光ファイバ間の距離をＬと
    するとき、前記発光側の光ファイバの焦点距離ｆは、ｆ
    ＝ｒ／（ｎ1−１）となり、前記受光側の光ファイバの
    端面におけるビーム径をＥsとするとき、Ｅs＝２・Ｌ・
    tan(sin-1ＮＡ1）となり、前記光ファイバ同士の結合効
    率ηは、焦点距離ｆ≦Ｌにあっては、 Ｅ2／（Ｅ1＋Ｅs）＜η＜（Ｅ2／（Ｅs＋（Ｌ／ｆ−
    １）・Ｅ1））2≦１．０、 焦点距離ｆ＞Ｌにあっては、 Ｅ2／（Ｅ1＋Ｅs）＜η＜（Ｅ2／（Ｅs＋（１−Ｌ／
    ｆ）・Ｅ1））2≦１．０ となることを特徴とする光ファイバ結合装置。
  2. 【請求項２】 前記先球部を有する光ファイバは、コア
    中心から外周になるにしたがって、前記曲率半径ｒ1よ
    り小さくなる少なくとも１つの第２の曲率半径ｒsより
    なることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ結合装
    置。
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