JP2004109236A - 屈折率分布型レンズ及び屈折率分布型レンズ用母材、並びにファイバコリメータ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明はビーム径が小さく、かつコリメート性に優れた光ビームを出射でき、かつ簡便に製造できる屈折率分布型レンズ、及びその出発原料となる屈折率分布型レンズ用母材、それを用いたファイバコリメータを提供する。
【解決手段】本発明の屈折率分布型レンズは、屈折率分布を有する屈折率分布型レンズであって、該屈折率分布が形成されたレンズ本体１の外周径Ｄ_Ｃが、レンズの外径Ｄ_Ｌよりも小さい構成とする。また本発明の屈折率分布型レンズ用母材は、本発明の屈折率分布型レンズを得るための屈折率分布を有する屈折率分布型レンズ用母材であって、該屈折率分布が形成されたレンズ用母材本体の外周径が、母材の外径よりも小さい構成とする。更に本発明のファイバコリメータは、本発明の屈折率分布型レンズを用いてなる構成とする。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、屈折率分布型レンズ及び屈折率分布型レンズ用母材、並びにファイバコリメータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
屈折率分布型レンズは、ＧＲＩＮレンズとも呼ばれ、両端が平面な円柱状レンズであり、レンズ媒質内で屈折率が放物線状に連続的に変化している。入射光は、レンズ媒質内で、屈折率の変化によって放物線状に屈折し、コリメート性（平行性）に優れた光ビームとして出射することができる。
【０００３】
このため光ファイバ伝搬と空間伝播との切り替えを優れた光結合効率で行うことができ、例えば屈折率分布型レンズから出射された光が伝播する空間に、受光部となるフィルタやアイソレータなどの光学部品を配置することによって、光分岐器、光分波器、光スイッチなどの光機能素子が形成できる。この光機能素子は、光通信機器などに組み込まれ、広く利用されている。
【０００４】
近年の高速、高容量通信に伴い、光通信機器の高集積化が進んでおり、光機能素子は、更なる小型化、省スペース化が望まれている。このため、光機能素子に用いられる屈折率分布型レンズとしては、ビーム径の小さい光ビームが出射できるものが求められている。
ビーム径を小さくすることによって、光機能素子のうち、屈折率分布型レンズから出射された光ビームの受光部を小型化でき、これにより光機能素子の小型化が実現できる。更に光機能素子の小型化によって製造コストの低減が可能となる。
【０００５】
屈折率分布型レンズにおいて、ビーム径の小さい光ビームが出射できるようにするためには、レンズの外径を小さくするか、又は屈折率分布のうち中心軸と周辺部との屈折率差を大きくする必要がある。
【０００６】
レンズの外径を小さくする場合、製造の際、レンズを所定の長さに切断する工程や、切断面の研磨工程の作業が困難であり、歩留まりが悪い問題がある。また光機能素子に組み込むとき、小径の屈折率分布型レンズは、所望の位置に精度良く設置することが困難であり、信頼性に劣る問題がある。
【０００７】
例えば、あらかじめ太いロッドガラスを作製し、これにイオン交換法によってゲルマニウムなどのドーパントを添加し、溶融線引きして所望の外径の屈折率分布型レンズとする技術が開示されている（特許文献１参照。）。この技術では、ロッドガラスの外径を大きくすることによって、ドーパントを添加する工程の作業性が向上する。
しかし、ロッドガラスの外径が大きいため、ドーパントを添加する工程に長時間を要することとなり、作業性に劣る問題がある。
【０００８】
また、光の伝搬方向を長くした屈折率分布型レンズを作製し、光ファイバに接続した後、この屈折率分布型レンズを切断し、所定の長さとする技術も報告されている（特許文献２参照。）。この技術では、小径の屈折率分布型レンズを光ファイバと接続する際、作業性が向上する。
しかし、屈折率分布型レンズを切断し、所定の長さとするため、切断によって不要な部分が生じ、製造コストが高くなる問題がある。
【０００９】
また、あらかじめ、クラッド部の外径を大きく設けた光ファイバ母材をＯＶＤ法で作製し、エッチングによりクラッド部の一部を除去し、所望のコアロッド比（コア部の外径／クラッド部の外径）とする技術も報告されている（特許文献３参照。）。この技術を応用すると、まずクラッド部を設けた屈折率分布型レンズ用母材をＯＶＤ法で作製し、エッチングにより外周部を除去し、小径の屈折率分布型レンズとすることができる。
しかし、この技術では、精度良く外周部を除去することが難しく、歩留まりが悪い問題がある。
【００１０】
屈折率分布の中心軸と周辺部との屈折率差を大きくする場合、ゲルマニウムなどのドーパントを高濃度に添加する必要があり、これによりレンズ材質の硬度などの特性が変化し、耐久性の低下など信頼性に劣る問題が生じる。
またドーパントの添加量によって、レンズ材質の軟化点などが変化するため、製造工程の条件を最適化する必要があり、所望の光学特性を有する屈折率分布型レンズとすることが難しい。更にドーパントを添加して得られる屈折率には上限値があり、所望のビーム径が出射できる屈折率分布型レンズが製造できていないのが現状である。
【００１１】
【特許文献１】
特開平６−３４７６０８号公報
【特許文献２】
特開２００１−５９９１６号公報
【特許文献３】
特開２０００−３５１６４４号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
従って本発明の目的は、上記した事情に鑑みなされたものである。すなわちビーム径が小さく、かつコリメート性に優れた光ビームを出射でき、かつ簡便に製造できる屈折率分布型レンズ、及びその出発原料となる屈折率分布型レンズ用母材、それを用いたファイバコリメータを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するため、請求項１にかかる発明は、屈折率分布を有する屈折率分布型レンズであって、
該屈折率分布が形成されたレンズ本体の外周径が、レンズの外径よりも小さいことを特徴とする屈折率分布型レンズである。
【００１４】
請求項２にかかる発明は、請求項１に記載の屈折率分布型レンズを得るための屈折率分布を有する屈折率分布型レンズ用母材であって、
該屈折率分布が形成されたレンズ用母材本体の外周径が、母材の外径よりも小さいことを特徴とする屈折率分布型レンズ用母材である。
【００１５】
請求項３にかかる発明は、請求項１に記載の屈折率分布型レンズを用いてなることを特徴とするファイバコリメータである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
［屈折率分布型レンズ］
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態の屈折率分布型レンズの屈折率分布の概略図を示す。この屈折率分布型レンズは、径方向に屈折率分布を有し、レンズ作用を行うレンズ部１と、その外周に設けられた外郭部２とからなる円柱状のレンズである。レンズ部１は、石英ガラスに、屈折率を高めるためのドーパントとしてゲルマニウムが、外周側からレンズ中心に向かって次第に高濃度となるように分布されたものである。
【００１７】
これにより図１に示された屈折率分布が得られる。この屈折率分布は、二次曲線に近似でき、レンズの外周側から中心軸に向かって屈折率が高くなる形状である。外郭部２は、高純度の石英ガラスからなり、レンズ部１の外周に設けられる。本実施形態では、外郭部２に対するレンズ中心軸の比屈折率差がΔｎ_０であり、かつレンズ部１の外周径Ｄ_Ｃが、屈折率分布型レンズの外径Ｄ_Ｌよりも小さい構成となる。
【００１８】
この屈折率分布型レンズに光を入射すると、入射光は、レンズ部１の屈折率分布にて屈折され、コリメート性に優れた光ビームとして出射される。本実施形態の屈折率分布型レンズでは、レンズ部１がレンズとして作用する。このためこのレンズ部１の外周径Ｄ_Ｃを調整することによって、所望のビーム径の光ビームを出射できる屈折率分布型レンズが実現できる。
特にレンズ部１の外周径Ｄ_Ｃを小さくすることによって、容易にビーム径の小さい光ビームを出射できる屈折率分布型レンズが実現できる。
【００１９】
また外郭部２の厚さを調整することによって、レンズの外径Ｄ_Ｌを所望の値とすることができる。このためレンズの外径Ｄ_Ｌを、製造工程でのレンズの切断や、切断面の研磨の作業が容易に行える大きさとすることで、ビーム径の小さい光ビームを出射できる屈折率分布型レンズを優れた歩留まりで製造できる。
またレンズの外径Ｄ_Ｌを、組み込み作業のしやすい大きさとすることによって、光機能素子に精度良く組み込むことができ、光学特性と信頼性に優れた光機能素子が実現できる。
【００２０】
更にレンズ部１の外周径Ｄ_Ｃと外郭部２の厚さを調整することによって、レンズの外径Ｄ_Ｌが同一であり、かつ出射される光ビームのビーム径の異なる屈折率分布型レンズが実現できる。
【００２１】
このときレンズの外径Ｄ_Ｌが同一であるため、製造工程のうち、屈折率分布型レンズ用母材を溶融線引き後の工程では、製造装置、製造条件などを共通化して、ビーム径の異なる屈折率分布型レンズが製造でき、これにより製造コストの低減が可能である。またこのような屈折率分布型レンズを光機能素子に組み込む際、レンズ把持用の治具などを屈折率分布型レンズの外径Ｄ_Ｌに合わせて調整する必要が無く、容易に光機能素子に組み込むことができる。
【００２２】
レンズの外径Ｄ_Ｌに対するレンズ部１の外周径Ｄ_Ｃの比Ｄ_Ｃ／Ｄ_Ｌは、０．０１〜０．９であり、好ましくは０．５〜０．８である。更にレンズ部１の外周径Ｄ_Ｃは、接続する光ファイバのコア径以上であり、好ましくはその数倍の径である。
これによりビーム径の小さい光ビームが出射でき、かつ製造工程や光機能素子に組み込む作業性に優れ、歩留まり良く製造できる。
【００２３】
Ｄ_Ｃが接続する光ファイバのコア径よりも小さい場合、例えばファイバコリメータとするとき、屈折率分布型レンズに光ファイバを接続することが困難となるため好ましくない。
【００２４】
なお、本発明の技術範囲は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
レンズ部１や外郭部２は、ゲルマニウム、アルミニウム、リン、フッ素などのドーパントが１種以上添加された石英ガラスであっても構わない。これにより中心軸での比屈折率差Δｎ_０や屈折率分布形状を精密に調整することができる。
【００２５】
またレンズ部１は、レンズ用母材を溶融線引きし、屈折率分布型レンズとしたとき、所望の比屈折率差Δｎ_０、Ｄ_Ｃを有するレンズ部１とすることのできる材料であれば使用でき、例えば硼酸塩系ガラス、燐酸塩系ガラス、弗燐酸塩系ガラス、ビスマス系ガラス、ハロゲン化物ガラス、硫化物ガラス、カルコゲナイドガラスなどの無機ガラス材料や、光学用高分子材料などが使用できる。
【００２６】
外郭部２は、レンズ部１の外周に設けることができ、かつ溶融線引きすることができる材料であれば使用でき、上記したレンズ部１に使用できる材料や、また透光性材料に限らず金属材料なども使用できる。
【００２７】
［屈折率分布型レンズ用母材］
本実施形態の屈折率分布型レンズ用母材は、ゲルマニウムが、外周側から中心軸に向かって次第に高濃度となるように分布され、所望の屈折率分布を有するレンズ用母材部と、その外周に設けられた高純度の石英ガラスの外郭部とからなる。この屈折率分布型レンズ用母材を所望の条件で溶融線引きすることで、上述した本実施形態の屈折率分布型レンズとすることができる。
ここで屈折率分布型レンズとしたとき、本実施形態の屈折率分布型レンズ用母材のうち、レンズ用母材部は、レンズ部１となりレンズとして作用することになる。
【００２８】
屈折率分布型レンズ用母材は、ＭＣＶＤ法などの公知の方法により製造できる。石英ガラス管を定速で回転しながら酸水素バーナで外部から加熱する。この石英ガラス管内に、ＳｉＣｌ_４ガス、ＧｅＣｌ_４ガス、酸素ガスとの混合原料ガスを供給し、酸水素バーナの熱で反応させ、生成したガラス微粒子（スート）を石英ガラス管の内面に堆積させ、更にこのガラス微粒子を酸水素バーナの熱により結晶化させる。
【００２９】
酸水素バーナを石英ガラス管の長手方向に定速度で繰り返し移動させ、ガラス微粒子の生成とその結晶化を繰り返し行い、ゲルマニウムが所望の濃度分布となるように添加されたレンズ用母材部を所望の厚さ形成し、石英ガラス管を中実化することにより屈折率分布型レンズ用母材とする。
【００３０】
本実施形態では、屈折率分布型レンズ用母材を溶融線引きしたとき、所望の屈折率分布とレンズの外径を有する屈折率分布型レンズとなるように、あらかじめシミュレーションによって、屈折率分布型レンズ用母材のうち、レンズ用母材部のゲルマニウムの濃度分布の目標値を算出する。
【００３１】
そしてこの計算結果に基づいてゲルマニウムの添加量を調整し、屈折率分布型レンズ用母材を製造する。シミュレーションの際、ゲルマニウムの添加による石英ガラスの融点、溶融粘度などの変化を考慮して、ゲルマニウムの濃度分布の目標値を算出する。
【００３２】
なお、本実施形態では、屈折率分布型レンズ用母材を製造する際、上述したＭＣＶＤ法を用いた製造方法以外に、ＶＡＤ法など他の化学気相蒸着法でも適用できる。
また例えば上記した化学気相蒸着法や、ゲルマニウム化合物溶液を用いた浸漬法によって、まずゲルマニウムが所望の濃度分布で添加されたレンズ用母材部を製造し、その後、所望の厚さの石英ガラス管に挿入して焼成し、屈折率分布型レンズ用母材としても構わない。
【００３３】
［ファイバコリメータ］
図２は、本実施形態のファイバコリメータの断面概略図を示す。このファイバコリメータ１０は、上記した本実施形態の屈折率分布型レンズ１１が用いられている。図中符号１２は筐体を示し、符号１３は光ファイバ素線をそれぞれ示す。
【００３４】
光ファイバ素線１３は、キャピラリ１４により屈折率分布型レンズ１１に接続されている。屈折率分布型レンズ１１は光学接着剤１５により筐体１２に固定されている。この屈折率分布型レンズ１１と光ファイバ素線１３とは、筐体１２内に収容されており、筐体１２は外枠の役割を果たす。
【００３５】
このファイバコリメータ１０は、本実施形態の屈折率分布型レンズ１１を使用しており、光ファイバ素線１３を伝搬した光を屈折率分布型レンズ１１に通して放物線状に屈折させ、ビーム径ｄが小さく、かつコリメート性（平行性）に優れた光ビーム１６として出射できる。
このため光分岐器、光分波器、光スイッチなどの光機能素子に利用した場合、ビーム径ｄの小さい光ビーム１６を用いることができるため、受光部を小型化でき、これにより光機能素子の小型化が実現できる。更に光機能素子の小型化によって製造コストの低減が可能となる。
【００３６】
次に本発明の具体例を以下に述べる。
ＭＣＶＤ法などの化学気相蒸着法によって、外径２０ｍｍ、肉厚２ｍｍの高純度石英管の内面にゲルマニウムが添加されたガラス微粒子を堆積させて結晶化させ、所望の濃度分布でゲルマニウムが添加されたレンズ用母材部と高純度の石英ガラスの外郭部とからなる屈折率分布型レンズ用母材を製造した。
このレンズ用母材を溶融線引きし、レンズの外径が１ｍｍの屈折率分布型レンズとした。この屈折率分布型レンズから出射された光ビームのビーム径は約３５０μｍであった。
【００３７】
出射光のビーム径は、屈折率分布型レンズのレンズ部の外周径とほぼ比例関係にある。このため上記した屈折率分布型レンズ用母材を使用した場合、レンズの外径が０．２８ｍｍの屈折率分布型レンズとしたとき、ビーム径が１００μｍの光ビームを出射できる。
【００３８】
上記した屈折率分布型レンズ用母材を溶融線引きし、レンズの外径が０．２８ｍｍ、長さが２ｍｍの屈折率分布型レンズの製造を試みた。その結果、屈折率分布型レンズの切断工程や、切断面の研磨工程が困難であり、屈折率分布型レンズを製造することができなかった。
【００３９】
上記した屈折率分布型レンズ用母材を、外径４０ｍｍ、内径約２０ｍｍの高純度石英管に挿入して焼成し、外郭部を厚く設けた屈折率分布型レンズ用母材を製造した。この屈折率分布型レンズ用母材を溶融線引きし、レンズの外径が０．５６ｍｍ、長さが２ｍｍの屈折率分布型レンズとした。
【００４０】
この屈折率分布型レンズから出射された光ビームのビーム径は約１００μｍであった。このように外郭部を厚くすることによって、ビーム径の小さい光ビームを出射できる屈折率分布型レンズが容易に実現できた。
【００４１】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、請求項１に係る発明によれば、径方向に屈折率分布を有し、レンズ作用を行うレンズ部と、その外周に設けられた外郭部とからなる構成として、このレンズ部の外周径がレンズの外径よりも小さくなるようにする。
これにより、例えばこのレンズ部の外周径を小さくすることによって、容易にビーム径の小さい光ビームを出射できる屈折率分布型レンズが実現できる。
【００４２】
また外郭部の厚さを調整し、レンズの外径を、製造工程でのレンズの切断や、切断面の研磨の作業が容易に行える大きさとすることによって、ビーム径の小さい光ビームを出射できる屈折率分布型レンズを優れた歩留まりで製造できる。
更にレンズ部の外周径と外郭部の厚さを調整することによって、ビーム径の異なる光ビームが出射でき、かつレンズの外径が同一の屈折率分布型レンズが実現できる。
【００４３】
また請求項２に係る発明によれば、ゲルマニウムが、外周側から中心軸に向かって次第に高濃度となるように分布され、所望の屈折率分布を有するレンズ用母材部と、その外周に設けられた高純度の石英ガラスの外郭部とからなる構成として、このレンズ用母材部の外周径が母材の外径よりも小さくなるようにする。
これにより、この屈折率分布型レンズ用母材を所望の条件で溶融線引きすることで、レンズ作用を行うレンズ部の外周径が、レンズの外径よりも小さい屈折率分布型レンズを容易に製造できる。
【００４４】
請求項３に係る発明によれば、本発明の屈折率分布型レンズを用いることによって、ビーム径が小さく、かつコリメート性（平行性）に優れた光ビームとして出射できるファイバコリメータが実現できる。
これにより例えば光分岐器、光分波器、光スイッチなどの光機能素子に応用することにより、光機能素子の小型化が実現できる。更に光機能素子の小型化によって製造コストの低減が可能となる。また単一の筐体で所望のビーム径を持つファイバコリメータの製造が可能であり、製造工程の共通化が実現できるため、製造コストの低減が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の屈折率分布型レンズの屈折率分布の一例を示す概略模式図である。
【図２】本実施形態のファイバコリメータの一例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１・・・レンズ部、１０・・・ファイバコリメータ、１１・・・屈折率分布型レンズ

Claims (3)

1. 屈折率分布を有する屈折率分布型レンズであって、
   該屈折率分布が形成されたレンズ本体の外周径が、レンズの外径よりも小さいことを特徴とする屈折率分布型レンズ。
2. 請求項１に記載の屈折率分布型レンズを得るための屈折率分布を有する屈折率分布型レンズ用母材であって、
   該屈折率分布が形成されたレンズ用母材本体の外周径が、母材の外径よりも小さいことを特徴とする屈折率分布型レンズ用母材。
3. 請求項１に記載の屈折率分布型レンズを用いてなることを特徴とするファイバコリメータ。

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