JPH04100009A - 光ファイバ結合用光学系 - Google Patents
光ファイバ結合用光学系Info
- Publication number
- JPH04100009A JPH04100009A JP21708890A JP21708890A JPH04100009A JP H04100009 A JPH04100009 A JP H04100009A JP 21708890 A JP21708890 A JP 21708890A JP 21708890 A JP21708890 A JP 21708890A JP H04100009 A JPH04100009 A JP H04100009A
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- JP
- Japan
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- lens
- optical
- optical fiber
- spherical
- light emitting
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- Pending
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- Lenses (AREA)
- Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
［発明の目的コ
（産業上の利用分野）
本発明はレンズを介して発光素子と光ファイバとを光結
合させる光学系に関する。
合させる光学系に関する。
（従来の技術）
光通信で用いる発光素子モジュール、光合分波モジュー
ル等の光回路部品には、発光素子と光ファイバとの高効
率の光結合か求められており、その光学系には種々の工
夫がなされ、いくつかの方式が提案され実用化されてい
る。
ル等の光回路部品には、発光素子と光ファイバとの高効
率の光結合か求められており、その光学系には種々の工
夫がなされ、いくつかの方式が提案され実用化されてい
る。
球レンズを用いた光学系もその−って、所定の結合効率
が得られ、比較的容易にモジュールを構成できるという
利点を有している。また、単一のレンズのみで結合効率
が不十分な場合は、２個のレンズを組み合わせたいわゆ
る２群レンズ系が採用されている。
が得られ、比較的容易にモジュールを構成できるという
利点を有している。また、単一のレンズのみで結合効率
が不十分な場合は、２個のレンズを組み合わせたいわゆ
る２群レンズ系が採用されている。
第４図はその２群レンズ系の光ファイバ結合用光学系の
例を示す図である。第４図で１は発光素子、２および３
は球レンズ、４は光ファイバてある。また７は発光素子
１より出射角θ（半値角）で出射する光を表す。発光素
子１は球レンズ２の焦点位置に設置され、光ファイバ端
面は球レンズ３の焦点位置に設置される。また図中の点
線りは、発光素子と光ファイバの断面中心とを結ぶ光軸
を表す。第４図に示す２群レンズ系の場合、発光素子が
半導体レーザのような比較的放射角の小さい素子におい
ては、シングルモート光ファイバに対して４０パ一セン
ト以上の光結合か得られ、この２群レンズ系は広く使用
されている。しかしなから、発光素子として発光ダイオ
ードのような放射角が大きい素子を用いた場合は、球レ
ンズにおける球面収差の影響で結合効率か悪くなるとい
った問題かあった。
例を示す図である。第４図で１は発光素子、２および３
は球レンズ、４は光ファイバてある。また７は発光素子
１より出射角θ（半値角）で出射する光を表す。発光素
子１は球レンズ２の焦点位置に設置され、光ファイバ端
面は球レンズ３の焦点位置に設置される。また図中の点
線りは、発光素子と光ファイバの断面中心とを結ぶ光軸
を表す。第４図に示す２群レンズ系の場合、発光素子が
半導体レーザのような比較的放射角の小さい素子におい
ては、シングルモート光ファイバに対して４０パ一セン
ト以上の光結合か得られ、この２群レンズ系は広く使用
されている。しかしなから、発光素子として発光ダイオ
ードのような放射角が大きい素子を用いた場合は、球レ
ンズにおける球面収差の影響で結合効率か悪くなるとい
った問題かあった。
第５図は、第４図の球レンズ２の屈折率を１゜７６、半
径を０．７ｍｍ、球レンズ３の屈折率を１５、半径を１
．９＋ｎｍ、光ファイバ４を１０μｍのコア外径のシン
グルモート光ファイバとしたときの出射角と光ファイバ
端面ての結合位置との関係を示す図である。発光素子１
は球レンズの焦点位置に設置され、光ファイバ４は端面
が球レンズの焦点位置から僅かにずれた位置に置かれる
ように設置される。なお、光結合位置は光ファイバ中心
からの距離（以下これをＹ値と呼ぶ。）で表す。
径を０．７ｍｍ、球レンズ３の屈折率を１５、半径を１
．９＋ｎｍ、光ファイバ４を１０μｍのコア外径のシン
グルモート光ファイバとしたときの出射角と光ファイバ
端面ての結合位置との関係を示す図である。発光素子１
は球レンズの焦点位置に設置され、光ファイバ４は端面
が球レンズの焦点位置から僅かにずれた位置に置かれる
ように設置される。なお、光結合位置は光ファイバ中心
からの距離（以下これをＹ値と呼ぶ。）で表す。
第５図に示すように、Ｙ値か±０．００５ｍｍの最大出
射角は１６．５度で、１６．５度以上の場合は光ファイ
バに結合されないことがわかる。これは、球レンズの球
面収差の原因によるもので、出射光の出力角が太き（な
ればなるほど球面収差により結合位置は光ファイバ端面
の中心位置よりずれる。従って出射角の大きな発光素子
を用いた場合結合効率が劣化してしまうという欠点があ
った。
射角は１６．５度で、１６．５度以上の場合は光ファイ
バに結合されないことがわかる。これは、球レンズの球
面収差の原因によるもので、出射光の出力角が太き（な
ればなるほど球面収差により結合位置は光ファイバ端面
の中心位置よりずれる。従って出射角の大きな発光素子
を用いた場合結合効率が劣化してしまうという欠点があ
った。
（発明が解決しようとする課題）
上記したように従来技術による光ファイバ結合用光学系
は特に、出射角が大きい発光素子の場合、球面収差の影
響で光ファイバとの結合効率が劣化するという欠点があ
った。
は特に、出射角が大きい発光素子の場合、球面収差の影
響で光ファイバとの結合効率が劣化するという欠点があ
った。
本発明は上記欠点を解決すべくなされたもので発光素子
の出射角が大きい場合でも結合効率の高い光ファイバ結
合用光学系を提供することを目的とする。
の出射角が大きい場合でも結合効率の高い光ファイバ結
合用光学系を提供することを目的とする。
［発明の構成］
（課題を解決するための手段）
上記課題を解決するために本発明の光ファイバ結合用光
学系は、発光素子より出射された光を光ファイバへ光結
合させる第１の球レンズおよび第２の球レンズと、前記
第１の球レンズおよび第２の球レンズとの間に挿入され
、前記第１の球レンズを透過した光が前記第２の球レン
ズの所定位置に入射するようにこの光を屈折させること
により前記第２の球レンズで生ずる球面収差を補正する
光学素子とを具備することを第１の特徴とし、前記光学
素子は凸レンズと凹レンズとにより構成され、前記凸レ
ンズの屈折率は前記凹レンズの屈折率より小さいことを
第２の特徴とし、前記光学素子を構成する前記凸レンズ
と前記凹レンズは同じ種類の材料であることを第３の特
徴とする。
学系は、発光素子より出射された光を光ファイバへ光結
合させる第１の球レンズおよび第２の球レンズと、前記
第１の球レンズおよび第２の球レンズとの間に挿入され
、前記第１の球レンズを透過した光が前記第２の球レン
ズの所定位置に入射するようにこの光を屈折させること
により前記第２の球レンズで生ずる球面収差を補正する
光学素子とを具備することを第１の特徴とし、前記光学
素子は凸レンズと凹レンズとにより構成され、前記凸レ
ンズの屈折率は前記凹レンズの屈折率より小さいことを
第２の特徴とし、前記光学素子を構成する前記凸レンズ
と前記凹レンズは同じ種類の材料であることを第３の特
徴とする。
（作用）
上記構成にあっては、第１の球レンズと第２の球レンズ
との間に挿入された光学素子は、凹レンズの作用を有し
、球面収差を低減するように第１の球レンズを透過した
光を屈折させて、光ファイバに光結合するように作用す
る。
との間に挿入された光学素子は、凹レンズの作用を有し
、球面収差を低減するように第１の球レンズを透過した
光を屈折させて、光ファイバに光結合するように作用す
る。
（実施例）
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する
。
。
第１図は本発明の光ファイバ結合用光学系の実施例の構
成を示す図であり、第４図と同一部分には同一符号を付
し、詳しい説明は省略する。
成を示す図であり、第４図と同一部分には同一符号を付
し、詳しい説明は省略する。
第１図において、発光素子１は例えば発光グイオートで
ある。第４図と異なる点は、第１の球レンズ２と第２の
球レンズ３との間には光学素子５が挿入されている点で
ある。この光学素子５は例えばガラス製の半球体１ｏと
凹状光学素子２ｏとの組み合わせにより構成されている
。半球体１゜の屈折率は凹状光学素子２ｏの屈折率より
小さくなっている。
ある。第４図と異なる点は、第１の球レンズ２と第２の
球レンズ３との間には光学素子５が挿入されている点で
ある。この光学素子５は例えばガラス製の半球体１ｏと
凹状光学素子２ｏとの組み合わせにより構成されている
。半球体１゜の屈折率は凹状光学素子２ｏの屈折率より
小さくなっている。
上記のような構成の場合、発光素子１より出射した光は
第１の球レンズ２を透過し、その球面で屈折する。第１
の球レンズ２で屈折した光は発光素子１と光ファイバ４
の中心軸とを結ぶ光軸りに近つき、この光は光学素子５
の半球体１０に入射され、その入射角と半球体１０の屈
折率に応じて屈折し、さらに凹状光学素子２０て屈折す
る。この光学素子５は凹レンズ作用を持ち、入射する光
を光軸りから離すように屈折させる。この作用により、
光学素子５で屈折した光は、第２の球レンズ３上の光軸
りより大きく離れていない位置に光軸りと略平行に入射
する。これにより、第２の球レンズで生ずる球面収差が
低減され、第２の球レンズ３を透過する光は、その中心
軸が光軸りと一致する光ファイバ４の端面に入射される
。
第１の球レンズ２を透過し、その球面で屈折する。第１
の球レンズ２で屈折した光は発光素子１と光ファイバ４
の中心軸とを結ぶ光軸りに近つき、この光は光学素子５
の半球体１０に入射され、その入射角と半球体１０の屈
折率に応じて屈折し、さらに凹状光学素子２０て屈折す
る。この光学素子５は凹レンズ作用を持ち、入射する光
を光軸りから離すように屈折させる。この作用により、
光学素子５で屈折した光は、第２の球レンズ３上の光軸
りより大きく離れていない位置に光軸りと略平行に入射
する。これにより、第２の球レンズで生ずる球面収差が
低減され、第２の球レンズ３を透過する光は、その中心
軸が光軸りと一致する光ファイバ４の端面に入射される
。
上記構成で例えば半球体１０の屈折率を１．５゜半径を
Ｑ、４ｍｍとし、凹状光学素子２０の屈折率を１．５５
とし、発光素子１を球レンズ２の焦点位置に設置し、光
ファイバ４の端面位置を第２の球レンズ３の焦点位置か
ら僅かにずらして光ファイバ４を設置する。このときの
発光素子１の出射角と光ファイバ端面ての光結合位置と
の関係は第２図のようになる。
Ｑ、４ｍｍとし、凹状光学素子２０の屈折率を１．５５
とし、発光素子１を球レンズ２の焦点位置に設置し、光
ファイバ４の端面位置を第２の球レンズ３の焦点位置か
ら僅かにずらして光ファイバ４を設置する。このときの
発光素子１の出射角と光ファイバ端面ての光結合位置と
の関係は第２図のようになる。
第２図より明らかなように光ファイバと光結合する発光
素子の最大出射角は上記した作用から従来より大幅に向
上しており、最大出射角は約２３゜５度まで向上してい
る。（第２図からは、２６度程度までがＹ＝±０．００
５ｍｍ内にあるが、光ファイバコアに入射する光の入射
角に制限かあることから、出射角２４度以上は光ファイ
バに結合されない。）さらに、発光素子の出射角が半値
全角７０度のガウス分布に従う場合は、最大結合角２３
５度での結合効率は２７パーセントである。すなわち、
同しレンズを使用した場合でも従来例に比較して結合効
率は８０パーセント向上する。
素子の最大出射角は上記した作用から従来より大幅に向
上しており、最大出射角は約２３゜５度まで向上してい
る。（第２図からは、２６度程度までがＹ＝±０．００
５ｍｍ内にあるが、光ファイバコアに入射する光の入射
角に制限かあることから、出射角２４度以上は光ファイ
バに結合されない。）さらに、発光素子の出射角が半値
全角７０度のガウス分布に従う場合は、最大結合角２３
５度での結合効率は２７パーセントである。すなわち、
同しレンズを使用した場合でも従来例に比較して結合効
率は８０パーセント向上する。
次に本発明の他の実施例について説明する。第３図は本
発明の他の実施例の構成を示す図である。
発明の他の実施例の構成を示す図である。
本実施例は第１の球レンズと第２の球レンズとの間に光
学素子６が挿入されている。この光学素子６は例えばガ
ラス製の球体１１と光学素子２１とが一体化されたもの
で、光学素子２１の屈折率は球体１１の屈折率より大き
くなっている。この光学素子６は第１図の光学素子５と
同様に第１の球レンズからの光を光軸りと略平行になる
ように屈折させることにより、第１の球レンズで屈折し
た結果光軸方向からずれた分を補正する。上記した構成
では例えば球体１１の屈折率を１゜５．半径を０．４ｍ
ｍ、光学素子２１の屈折率を１．５４として第１図の実
施例の場合と同様に発光素子の出射角と光ファイバ端面
での光の結合位置を測定すると、出射角２５．５度程度
の光まで光ファイバに取り込むことができる。
学素子６が挿入されている。この光学素子６は例えばガ
ラス製の球体１１と光学素子２１とが一体化されたもの
で、光学素子２１の屈折率は球体１１の屈折率より大き
くなっている。この光学素子６は第１図の光学素子５と
同様に第１の球レンズからの光を光軸りと略平行になる
ように屈折させることにより、第１の球レンズで屈折し
た結果光軸方向からずれた分を補正する。上記した構成
では例えば球体１１の屈折率を１゜５．半径を０．４ｍ
ｍ、光学素子２１の屈折率を１．５４として第１図の実
施例の場合と同様に発光素子の出射角と光ファイバ端面
での光の結合位置を測定すると、出射角２５．５度程度
の光まで光ファイバに取り込むことができる。
なお、上記した第１図の実施例の光学素子５を構成する
半球体１０と凹状光学素子２０および第３図の実施例の
光学素子６を構成する球体１１と光学素子２１は同種の
材料を使用することが望ましい。材料としては例えばガ
ラスあるいは高分子樹脂等が望ましい。これは光学素子
５および光学素子旦を構成する部品の屈折率差が温度変
化等により変化すると光ファイバとの結合効率が大幅に
劣化するからである。例えば、第１図において半球体１
０をガラス製、凹状光学素子２ｏをエポキシ系高分子樹
脂とすると、温度変化が３０度あると、両部品の屈折率
差は約０．００４程度変化し、光ファイバとの結合効率
は１０パーセントまで劣化する。これに対して、半球体
１ｏおよび凹状光学素子２０を高分子樹脂とうして構成
し、これらの寸法を第１図と同様にし屈折差を一定とし
た場合、例えば２００度の温度変化に対応する屈折率変
化が生じたとしても結合効率の劣化は起こらない。
半球体１０と凹状光学素子２０および第３図の実施例の
光学素子６を構成する球体１１と光学素子２１は同種の
材料を使用することが望ましい。材料としては例えばガ
ラスあるいは高分子樹脂等が望ましい。これは光学素子
５および光学素子旦を構成する部品の屈折率差が温度変
化等により変化すると光ファイバとの結合効率が大幅に
劣化するからである。例えば、第１図において半球体１
０をガラス製、凹状光学素子２ｏをエポキシ系高分子樹
脂とすると、温度変化が３０度あると、両部品の屈折率
差は約０．００４程度変化し、光ファイバとの結合効率
は１０パーセントまで劣化する。これに対して、半球体
１ｏおよび凹状光学素子２０を高分子樹脂とうして構成
し、これらの寸法を第１図と同様にし屈折差を一定とし
た場合、例えば２００度の温度変化に対応する屈折率変
化が生じたとしても結合効率の劣化は起こらない。
［発明の効果］
以上述べてきたように、本発明によれば２つの球レンズ
間に凹レンズ作用を持つ光学素子を設けることによりレ
ンズの球面収差が補正され、出射角の大きい発光素子を
使用した場合でも結合効率の向上する光ファイバ結合用
光学系を実現することができる。
間に凹レンズ作用を持つ光学素子を設けることによりレ
ンズの球面収差が補正され、出射角の大きい発光素子を
使用した場合でも結合効率の向上する光ファイバ結合用
光学系を実現することができる。
第１図は本発明の実施例の構成を示す図、第２図は本発
明に於ける出射角と光ファイバ端面ての光結合位置との
関係を示す図、第３図は本発明の他の実施例の構成を示
す図、第４図は従来例の構成を示す図、第５図は従来例
を説明するための図。 １・・・発光素子、２・・・第１の球レンズ、３・・・
第２の球レンズ、４・・・光ファイバ、５．６・光学素
子、 １０・・・半球体、２０・・凹状光学素子、１１・・球
体、２１・・・光学素子
明に於ける出射角と光ファイバ端面ての光結合位置との
関係を示す図、第３図は本発明の他の実施例の構成を示
す図、第４図は従来例の構成を示す図、第５図は従来例
を説明するための図。 １・・・発光素子、２・・・第１の球レンズ、３・・・
第２の球レンズ、４・・・光ファイバ、５．６・光学素
子、 １０・・・半球体、２０・・凹状光学素子、１１・・球
体、２１・・・光学素子
Claims (3)
- （１）発光素子より出射された光を光ファイバへ光結合
させる第１の球レンズおよび第２の球レンズと、 前記第１の球レンズおよび第２の球レンズとの間に挿入
され、前記第１の球レンズを透過した光が前記第２の球
レンズの所定位置に入射するようにこの光を屈折させる
ことにより前記第２の球レンズで生ずる球面収差を補正
する光学素子とを具備したことを特徴とする光ファイバ
結合用光学系。 - （２）前記光学素子は凸レンズと凹レンズとにより構成
され、前記凸レンズの屈折率は前記凹レンズの屈折率よ
り小さいことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ結
合用光学系。 - （３）前記光学素子を構成する前記凸レンズと前記凹レ
ンズは同じ種類の材料であることを特徴とする請求項２
記載の光ファイバ結合用光学系。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21708890A JPH04100009A (ja) | 1990-08-20 | 1990-08-20 | 光ファイバ結合用光学系 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21708890A JPH04100009A (ja) | 1990-08-20 | 1990-08-20 | 光ファイバ結合用光学系 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04100009A true JPH04100009A (ja) | 1992-04-02 |
Family
ID=16698647
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP21708890A Pending JPH04100009A (ja) | 1990-08-20 | 1990-08-20 | 光ファイバ結合用光学系 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH04100009A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20170059763A1 (en) * | 2015-07-15 | 2017-03-02 | Flextronics Ap, Llc | LED and Laser Light Coupling Device and Method of Use |
-
1990
- 1990-08-20 JP JP21708890A patent/JPH04100009A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20170059763A1 (en) * | 2015-07-15 | 2017-03-02 | Flextronics Ap, Llc | LED and Laser Light Coupling Device and Method of Use |
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