JP2000304965A - 端部レンズ付きファイバ - Google Patents
端部レンズ付きファイバInfo
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- JP2000304965A JP2000304965A JP11111448A JP11144899A JP2000304965A JP 2000304965 A JP2000304965 A JP 2000304965A JP 11111448 A JP11111448 A JP 11111448A JP 11144899 A JP11144899 A JP 11144899A JP 2000304965 A JP2000304965 A JP 2000304965A
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- fiber
- single mode
- light
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- semiconductor laser
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- Optical Fibers, Optical Fiber Cores, And Optical Fiber Bundles (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 発光強度分布が高アスペクト比をもつ半導体
レーザからの出射光を単一モード光ファイバへ高効率で
結合させることが可能なレンズ付きファイバを提供す
る。 【構成】 コアとクラッドとを有するマルチモードファ
イバであって、一端がシングルモードファイバに融着も
しくは接着によって接合され、他端が斜断面を設けて楔
状とし、この先端に所望の曲率を設けた先円筒凸曲面に
加工され、そのコア部が屈折率分布をもち、マルチモー
ド部のファイバ長が、先円筒方向または先楕円長軸方向
に拡散伝搬する光線成分と、それぞれ直角方向に拡大す
る光線成分が、シングルモードファイバ端部で円形状の
焦点像を形成するに必要な長さをもつこと。
レーザからの出射光を単一モード光ファイバへ高効率で
結合させることが可能なレンズ付きファイバを提供す
る。 【構成】 コアとクラッドとを有するマルチモードファ
イバであって、一端がシングルモードファイバに融着も
しくは接着によって接合され、他端が斜断面を設けて楔
状とし、この先端に所望の曲率を設けた先円筒凸曲面に
加工され、そのコア部が屈折率分布をもち、マルチモー
ド部のファイバ長が、先円筒方向または先楕円長軸方向
に拡散伝搬する光線成分と、それぞれ直角方向に拡大す
る光線成分が、シングルモードファイバ端部で円形状の
焦点像を形成するに必要な長さをもつこと。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、光通信に使用する発光
源と光ファイバとの光結合に使用するレンズ付きファイ
バに関する。
源と光ファイバとの光結合に使用するレンズ付きファイ
バに関する。
【0002】
【従来の技術】半導体レーザ等の光半導体素子と光ファ
イバとを高い結合効率の下に結合することは、光通信に
おいて最も重要な技術の一つであり、従来、光半導体素
子と光ファイバとの間に球レンズや非球面レンズ等のレ
ンズを配置して結合する方法や、図2に示すように、コ
ア1aと共に先端を球面に成形した先球ファイバ1を用
いて半導体レーザ5と結合する方法が知られている。
イバとを高い結合効率の下に結合することは、光通信に
おいて最も重要な技術の一つであり、従来、光半導体素
子と光ファイバとの間に球レンズや非球面レンズ等のレ
ンズを配置して結合する方法や、図2に示すように、コ
ア1aと共に先端を球面に成形した先球ファイバ1を用
いて半導体レーザ5と結合する方法が知られている。
【0003】これらの方法のうち、先球ファイバ1を用
いて半導体レーザ5と結合する方法は、レンズを用いな
いことから小型な結合が可能で、半導体レーザアレイと
先球ファイバアレイとの結合も可能である。しかし、こ
の結合方法は、高い結合効率を実現するために、先球フ
ァイバ1の先端と半導体レーザ5の出射端面5aとの光
軸方向の間隔、即ち、作動距離をコア1aの直径程度の
10μm前後にしなければならない。このため、先球フ
ァイバ1と半導体レーザ5との結合系を組み立てる際
に、相互に接触あるいは衝突することによって破損し、
使用不能になることがあるという欠点があった。
いて半導体レーザ5と結合する方法は、レンズを用いな
いことから小型な結合が可能で、半導体レーザアレイと
先球ファイバアレイとの結合も可能である。しかし、こ
の結合方法は、高い結合効率を実現するために、先球フ
ァイバ1の先端と半導体レーザ5の出射端面5aとの光
軸方向の間隔、即ち、作動距離をコア1aの直径程度の
10μm前後にしなければならない。このため、先球フ
ァイバ1と半導体レーザ5との結合系を組み立てる際
に、相互に接触あるいは衝突することによって破損し、
使用不能になることがあるという欠点があった。
【0004】そこで、このような問題を解決する結合手
段として、図3に示すレンズ付きファイバ2が提案され
ている。このファイバ2は、光ファイバ3の先端にコア
がなく等方性の屈折率を有し、先端が球面のコアレスフ
ァイバ4を接続したもので、作動距離Dを大きくするこ
とによって半導体レーザ5との接触あるいは衝突を回避
したものである。
段として、図3に示すレンズ付きファイバ2が提案され
ている。このファイバ2は、光ファイバ3の先端にコア
がなく等方性の屈折率を有し、先端が球面のコアレスフ
ァイバ4を接続したもので、作動距離Dを大きくするこ
とによって半導体レーザ5との接触あるいは衝突を回避
したものである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構
成のレンズ付きファイバ2は、コアレスファイバ4の先
端が球面であることから、球面収差によって結合効率が
低下するという問題がある。即ち、半導体レーザ5から
出射される光線は、コアレスファイバ4先端の球面に種
々の角度で入射し、球面におけるレンズ効果によって集
束されて、光ファイバ3とコアレスファイバ4との接続
面に入射する。このため、光線によっては、光ファイバ
3とコアレスファイバ4との接続面において光ファイバ
3のコア3aから外れたり、あるいは、コア3aに到達
しても臨界角以上となってコア3a内を伝搬しない場合
があり、構成部材相互間における結合効率が低下すると
いう問題があった。
成のレンズ付きファイバ2は、コアレスファイバ4の先
端が球面であることから、球面収差によって結合効率が
低下するという問題がある。即ち、半導体レーザ5から
出射される光線は、コアレスファイバ4先端の球面に種
々の角度で入射し、球面におけるレンズ効果によって集
束されて、光ファイバ3とコアレスファイバ4との接続
面に入射する。このため、光線によっては、光ファイバ
3とコアレスファイバ4との接続面において光ファイバ
3のコア3aから外れたり、あるいは、コア3aに到達
しても臨界角以上となってコア3a内を伝搬しない場合
があり、構成部材相互間における結合効率が低下すると
いう問題があった。
【0006】本発明は上記の点に鑑みてなされたもの
で、構成部材相互間における結合効率を向上させること
が可能なレンズ付きファイバを提供することを目的とす
る。
で、構成部材相互間における結合効率を向上させること
が可能なレンズ付きファイバを提供することを目的とす
る。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、コアとクラッ
ドとを有するマルチモードファイバであって、一端がシ
ングルモードファイバに融着もしくは接着によって接合
され、他端が斜断面を設けて楔状とし、この先端に所望
の曲率を設けた先円筒凸曲面に加工され、そのコア部が
屈折率分布を有することを特徴とした端部レンズ付きフ
ァイバである。
ドとを有するマルチモードファイバであって、一端がシ
ングルモードファイバに融着もしくは接着によって接合
され、他端が斜断面を設けて楔状とし、この先端に所望
の曲率を設けた先円筒凸曲面に加工され、そのコア部が
屈折率分布を有することを特徴とした端部レンズ付きフ
ァイバである。
【0008】さらに本発明は、ファイバ端の一部に斜断
面を設けて楔状とし、この先端に所望の曲率を直交する
2方向に設けたことを特徴とした先楕円の端部レンズ付
きファイバである。
面を設けて楔状とし、この先端に所望の曲率を直交する
2方向に設けたことを特徴とした先楕円の端部レンズ付
きファイバである。
【0009】さらに本発明は、マルチモード部のファイ
バ長が、先円筒方向または先楕円長軸方向に拡散伝搬す
る光線成分と、それぞれ直角方向に拡大する光線成分
が、シングルモードファイバ端部で円形状の焦点像を形
成するに必要な長さを有することを特徴とした端部レン
ズ付きファイバである。
バ長が、先円筒方向または先楕円長軸方向に拡散伝搬す
る光線成分と、それぞれ直角方向に拡大する光線成分
が、シングルモードファイバ端部で円形状の焦点像を形
成するに必要な長さを有することを特徴とした端部レン
ズ付きファイバである。
【0010】本発明の端部レンズ付ファイバは、図1に
示すように単一モードファイバ6に対して、コア部7が
二乗型屈折率分布をもつ多モードファイバ部分8を融着
もしくは接着によって接続9し、他端の先端部に斜断面
10を設けて外観上は略楔形状とし、さらにその先端11に
所望の曲率を設けた半円柱状先端曲面Rを形成したもの
であり、(a)はその側面図、(b)はその平面図であ
る。
示すように単一モードファイバ6に対して、コア部7が
二乗型屈折率分布をもつ多モードファイバ部分8を融着
もしくは接着によって接続9し、他端の先端部に斜断面
10を設けて外観上は略楔形状とし、さらにその先端11に
所望の曲率を設けた半円柱状先端曲面Rを形成したもの
であり、(a)はその側面図、(b)はその平面図であ
る。
【0011】半導体レーザ3の出射端面での光強度分布
が、その接合面に平行な方向に長軸をもつ楕円の場合に
は、その端面からの出射光は空間を伝搬するに従い、接
合面に平行な方向には緩やかに拡がり、逆に接合面に垂
直な方向には急速に拡がる性質がある。本発明では、前
記半円柱先端多モードファイバの半円柱軸方向が前記半
導体レーザの接合面に対して平行になるように配置す
る。
が、その接合面に平行な方向に長軸をもつ楕円の場合に
は、その端面からの出射光は空間を伝搬するに従い、接
合面に平行な方向には緩やかに拡がり、逆に接合面に垂
直な方向には急速に拡がる性質がある。本発明では、前
記半円柱先端多モードファイバの半円柱軸方向が前記半
導体レーザの接合面に対して平行になるように配置す
る。
【0012】半導体レーザの接合面に垂直な面内の空間
を伝搬する出射光は、半導体レーザ端面を離れるに従い
急速に拡がりながら伝搬し、半円柱状先端面に達する
と、その曲面による屈折を受けてファイバ軸に概ね平行
な光線に変換される。
を伝搬する出射光は、半導体レーザ端面を離れるに従い
急速に拡がりながら伝搬し、半円柱状先端面に達する
と、その曲面による屈折を受けてファイバ軸に概ね平行
な光線に変換される。
【0013】一方、半導体レーザの接合面に平行な面内
の空間を伝搬する出射光は、半導体レーザ端面を離れて
も殆ど拡がらずに伝搬し、半円柱状先端面に達する。そ
の端面は半導体レーザの接合面に平行な面内すなわち半
円柱軸方向には曲面になっていないため、屈折せずに多
モードファイバ中に入射する。
の空間を伝搬する出射光は、半導体レーザ端面を離れて
も殆ど拡がらずに伝搬し、半円柱状先端面に達する。そ
の端面は半導体レーザの接合面に平行な面内すなわち半
円柱軸方向には曲面になっていないため、屈折せずに多
モードファイバ中に入射する。
【0014】従って、半導体レーザの接合面に垂直およ
び平行な光線ともに、半円柱先端多モードファイバに入
射後は、ファイバ軸にほぼ平行な光線になる。半導体レ
ーザの接合面に垂直な方向での光ビームの拡がりが、半
導体レーザの接合面に平行な方向での光ビームと等しく
なる距離だけ半導体レーザと半円柱先端を離しておけ
ば、半円柱先端に入射した光はその光強度分布が略円形
で、等位相面が略平坦な光ビームとなる。
び平行な光線ともに、半円柱先端多モードファイバに入
射後は、ファイバ軸にほぼ平行な光線になる。半導体レ
ーザの接合面に垂直な方向での光ビームの拡がりが、半
導体レーザの接合面に平行な方向での光ビームと等しく
なる距離だけ半導体レーザと半円柱先端を離しておけ
ば、半円柱先端に入射した光はその光強度分布が略円形
で、等位相面が略平坦な光ビームとなる。
【0015】多モードファイバの屈折率分布は二乗形の
ため、そこを光ビームが伝搬するとそのスポットサイズ
は周期的に変化する。半円柱先端に入射した光ビームの
スポットサイズが、単一モード光ファイバのスポットサ
イズと等しくなるように、多モードファイバの比屈折率
差、コア径、および長さを設定しておくことにより高効
率な光結合が得られる。
ため、そこを光ビームが伝搬するとそのスポットサイズ
は周期的に変化する。半円柱先端に入射した光ビームの
スポットサイズが、単一モード光ファイバのスポットサ
イズと等しくなるように、多モードファイバの比屈折率
差、コア径、および長さを設定しておくことにより高効
率な光結合が得られる。
【0016】以上のように、本発明はビームの伝搬する
際の性質と半円柱面の屈折の性質を利用することによ
り、1:100程度の発光強度分布のアスペクト比をも
つ半導体レーザからの出射光を単一モード光ファイバへ
高効率で結合させることができた。
際の性質と半円柱面の屈折の性質を利用することによ
り、1:100程度の発光強度分布のアスペクト比をも
つ半導体レーザからの出射光を単一モード光ファイバへ
高効率で結合させることができた。
【0017】
【実施例】ガウス形の光強度分布を有する光源からの光
の放射は、そのスポットサイズをw、波面の曲率半径を
Rとすれば、それぞれ次の式で表される。
の放射は、そのスポットサイズをw、波面の曲率半径を
Rとすれば、それぞれ次の式で表される。
【数1】
【数2】 ここで、w0、D、λはそれぞれ光源のスポットサイ
ズ、伝搬距離、波長である。
ズ、伝搬距離、波長である。
【0018】図4は、半導体レーザから出射した光ビー
ムのスポットサイズが、伝搬距離に対してどのように変
化するかを表したものである。ここで、接合面に平行及
び垂直方向の発光面のサイズをそれぞれ0.5、50μmと
し、波長を0.85μmとした。接合面に平行な成分はほと
んど拡がらず、一方垂直方向成分はほぼ直線的に拡が
る。伝搬距離(W.D.)が92.4μmに達したところでは、
両成分ともに同じサイズすなわち円形の光強度分布にな
る。
ムのスポットサイズが、伝搬距離に対してどのように変
化するかを表したものである。ここで、接合面に平行及
び垂直方向の発光面のサイズをそれぞれ0.5、50μmと
し、波長を0.85μmとした。接合面に平行な成分はほと
んど拡がらず、一方垂直方向成分はほぼ直線的に拡が
る。伝搬距離(W.D.)が92.4μmに達したところでは、
両成分ともに同じサイズすなわち円形の光強度分布にな
る。
【0019】図5は、半導体レーザからの出射ビームの
うち、接合面に垂直な方向の成分の波面の曲率半径を伝
搬距離に対して表したものである。伝搬距離に対してほ
ぼ直線的に増加し、強度分布が円形となる距離92.4μm
では伝搬距離と同じ曲率半径値になる。一方、接合面に
平行な方向の成分の波面の曲率半径は0.9mとなり平坦
な波面と考えて良い。従って、波面を平坦にするには接
合面に垂直な方向の成分のみについて平坦化すれば良
く、半円柱形の端面があれば良い。その端面の曲率半径
RLは、ファイバの屈折率をnとすれば、近似的に次式
により与えられる。
うち、接合面に垂直な方向の成分の波面の曲率半径を伝
搬距離に対して表したものである。伝搬距離に対してほ
ぼ直線的に増加し、強度分布が円形となる距離92.4μm
では伝搬距離と同じ曲率半径値になる。一方、接合面に
平行な方向の成分の波面の曲率半径は0.9mとなり平坦
な波面と考えて良い。従って、波面を平坦にするには接
合面に垂直な方向の成分のみについて平坦化すれば良
く、半円柱形の端面があれば良い。その端面の曲率半径
RLは、ファイバの屈折率をnとすれば、近似的に次式
により与えられる。
【数3】 したがって、図5に示した伝搬距離92.4μmの場合に
は、半導体レーザの接合面に垂直な方向に、屈折率1.45
のファイバを曲率半径42μmの曲面にすれば良い。以上
により、伝搬距離すなわち作動距離が92.4μmにおいて
スポットサイズが50μmの円形かつ波面が平坦な光ビー
ムが得られる。
は、半導体レーザの接合面に垂直な方向に、屈折率1.45
のファイバを曲率半径42μmの曲面にすれば良い。以上
により、伝搬距離すなわち作動距離が92.4μmにおいて
スポットサイズが50μmの円形かつ波面が平坦な光ビー
ムが得られる。
【0020】単一モード光ファイバのスポットサイズは
50μmより小さいために、上記で得られたビーム径を小
さくする必要がある。二乗形屈折率分布のファイバにお
いては、その光線の蛇行周期の1/4長だけ離れた2点
におけるスポットサイズをw1、w2とすれば次の関係が
あることが知られている。
50μmより小さいために、上記で得られたビーム径を小
さくする必要がある。二乗形屈折率分布のファイバにお
いては、その光線の蛇行周期の1/4長だけ離れた2点
におけるスポットサイズをw1、w2とすれば次の関係が
あることが知られている。
【数4】 ここで、Agは比屈折率差をΔ、コア半径をaとすれば、
【数5】 で与えられるパラメータである。これより、二乗形屈折
率分布ファイバの比屈折率差を0.3%、コア半径を62μm
とすれば、入射スポットサイズ50μmに対する出射スポ
ットサイズは3μmとなり、単一モード光ファイバのスポ
ットサイズと等しくなる。
率分布ファイバの比屈折率差を0.3%、コア半径を62μm
とすれば、入射スポットサイズ50μmに対する出射スポ
ットサイズは3μmとなり、単一モード光ファイバのスポ
ットサイズと等しくなる。
【0021】これによって、アスペクト比が1:100
の光強度分布をもつ半導体レーザからの出射光は、空間
を作動距離92.4μm伝搬後、半円柱先端部に入射して円
形ビームになり、その後二乗形屈折率分布ファイバを通
過するに従いそのビーム径が縮小し、単一モード光ファ
イバに高効率で結合する。
の光強度分布をもつ半導体レーザからの出射光は、空間
を作動距離92.4μm伝搬後、半円柱先端部に入射して円
形ビームになり、その後二乗形屈折率分布ファイバを通
過するに従いそのビーム径が縮小し、単一モード光ファ
イバに高効率で結合する。
【0022】半導体レーザの発光面のアスペクト比がよ
り小さい場合には、接合面に平行な方向に対してもファ
イバ先端に曲率をもたせれば、接合面に垂直な成分に対
するのと同様な効果により、高効率結合が得られる。
り小さい場合には、接合面に平行な方向に対してもファ
イバ先端に曲率をもたせれば、接合面に垂直な成分に対
するのと同様な効果により、高効率結合が得られる。
【0023】
【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よればビームの作動距離を利用することにより、スポッ
ト形状を楕円形から略円形にすることができると共に、
先端部の半円柱ファイバ端により、波面を平坦化するこ
とができ、屈折率分布ファイバの傾斜面部分によりスポ
ット径を縮小してシングルモードファイバのコア径とほ
ぼ同一のサイズにすることができた。
よればビームの作動距離を利用することにより、スポッ
ト形状を楕円形から略円形にすることができると共に、
先端部の半円柱ファイバ端により、波面を平坦化するこ
とができ、屈折率分布ファイバの傾斜面部分によりスポ
ット径を縮小してシングルモードファイバのコア径とほ
ぼ同一のサイズにすることができた。
【0024】本発明の集光レンズは、上記のようにアス
ペクト比の高い扁平な光線を軸対称なガウシャンビーム
に変換するための簡便な構成を提供するものであり、線
形光線を円形光線に像変換することが主体である。特に
高出力LDに対して光ファイバへ結合するとき、高い結
合効率が実現でき、光ファイバとの連結も容易に形成で
きるため、今後多方面に適用が見込まれている高出力L
D搭載機器に対して市場規模の量産が可能で、長期信頼
性があり、低価格な集光レンズとして広範な分野に活用
することができる。
ペクト比の高い扁平な光線を軸対称なガウシャンビーム
に変換するための簡便な構成を提供するものであり、線
形光線を円形光線に像変換することが主体である。特に
高出力LDに対して光ファイバへ結合するとき、高い結
合効率が実現でき、光ファイバとの連結も容易に形成で
きるため、今後多方面に適用が見込まれている高出力L
D搭載機器に対して市場規模の量産が可能で、長期信頼
性があり、低価格な集光レンズとして広範な分野に活用
することができる。
【図1】本発明に係る端部レンズ付きファイバの即面図
(a)、平面図(b)である。
(a)、平面図(b)である。
【図2】従来の端部レンズ付きファイバの概略図であ
る。
る。
【図3】従来の端部レンズ付きファイバの概略図であ
る。
る。
【図4】本発明に係る端部レンズ付きファイバの伝搬距
離に対するスポットサイズの変化を示すグラフである。
離に対するスポットサイズの変化を示すグラフである。
【図5】本発明に係る端部レンズ付きファイバの伝搬距
離に対するビーム波面の曲率半径の変化を示すグラフで
ある。
離に対するビーム波面の曲率半径の変化を示すグラフで
ある。
1 先球ファイバ 1a コア 2 レンズ付きファイバ 3 光ファイバ 4 コアレスファイバ 5 半導体レーザ 6 単一モードファイバ 7 コア 8 多モードファイバ 9 接続部 10 傾斜面 11 ファイバ先端部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 今泉 伸夫 東京都足立区新田3−8−22 並木精密宝 石株式会社内 Fターム(参考) 2H037 AA01 BA03 CA04 CA12 CA20 DA05 DA17 2H050 AC03 AC90
Claims (3)
- 【請求項1】 コアとクラッドとを有するマルチモード
ファイバであって、一端がシングルモードファイバに融
着もしくは接着によって接合され、他端が斜断面を設け
て楔状とし、この先端に所望の曲率を設けた先円筒凸曲
面に加工され、そのコア部が屈折率分布を有することを
特徴とした端部レンズ付きファイバ。 - 【請求項2】 ファイバ端の一部に斜断面を設けて楔状
とし、この先端に所望の曲率を直交する2方向に設けた
ことを特徴とした先楕円の端部レンズ付きファイバ。 - 【請求項3】 マルチモード部のファイバ長が、先円筒
方向または先楕円長軸方向に拡散伝搬する光線成分と、
それぞれ直角方向に拡大する光線成分が、シングルモー
ドファイバ端部で円形状の焦点像を形成するに必要な長
さを有することを特徴とした端部レンズ付きファイバ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11111448A JP2000304965A (ja) | 1999-04-19 | 1999-04-19 | 端部レンズ付きファイバ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11111448A JP2000304965A (ja) | 1999-04-19 | 1999-04-19 | 端部レンズ付きファイバ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000304965A true JP2000304965A (ja) | 2000-11-02 |
Family
ID=14561472
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11111448A Withdrawn JP2000304965A (ja) | 1999-04-19 | 1999-04-19 | 端部レンズ付きファイバ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000304965A (ja) |
Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| JP2004117915A (ja) * | 2002-09-26 | 2004-04-15 | Kyocera Corp | ファイバスタブとこれを用いた光レセプタクル及び光モジュール |
| WO2004061501A1 (en) * | 2002-12-31 | 2004-07-22 | Corning Incorporated | Optical fiber lens and method of manufacture |
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