JPH08146250A - 集光レンズおよびその製造方法 - Google Patents
集光レンズおよびその製造方法Info
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- JPH08146250A JPH08146250A JP6306936A JP30693694A JPH08146250A JP H08146250 A JPH08146250 A JP H08146250A JP 6306936 A JP6306936 A JP 6306936A JP 30693694 A JP30693694 A JP 30693694A JP H08146250 A JPH08146250 A JP H08146250A
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- optical fiber
- curvature
- silica rod
- fiber
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 特殊な個別レンズを組合せる方式に対して、
簡単な構成で、扁平直線状の光線を軸対称な円形ガウシ
ャンビームに変換することができ、大出力ＬＤの扁平光
線も効率良く取り込め、ＬＤ，光ファイバ間の光結合効
率を良くする用途に適用できる集光レンズを提供するこ
とを目的とする。 【構成】 互いに直交し、曲率半径が異なるシリンドリ
カル曲面を、同じ曲面上に形成する集光レンズチップと
して、屈折率が均一で直径が光ファイバ１の径より大き
いコアレスシリカロッド２の端部を光ファイバ１と接合
し、その先端を研摩，溶融等により所望の曲率（曲率半
径R1）からなる曲面にした後、その先端が楔形状でかつ
楔先端部に半径R1の曲面と直交する方向の先端面の曲率
半径R2が、R1＞R2であるようにする。
簡単な構成で、扁平直線状の光線を軸対称な円形ガウシ
ャンビームに変換することができ、大出力ＬＤの扁平光
線も効率良く取り込め、ＬＤ，光ファイバ間の光結合効
率を良くする用途に適用できる集光レンズを提供するこ
とを目的とする。 【構成】 互いに直交し、曲率半径が異なるシリンドリ
カル曲面を、同じ曲面上に形成する集光レンズチップと
して、屈折率が均一で直径が光ファイバ１の径より大き
いコアレスシリカロッド２の端部を光ファイバ１と接合
し、その先端を研摩，溶融等により所望の曲率（曲率半
径R1）からなる曲面にした後、その先端が楔形状でかつ
楔先端部に半径R1の曲面と直交する方向の先端面の曲率
半径R2が、R1＞R2であるようにする。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光通信、光画像処理お
よび光測定機器等に多面な活用が期待できる光線変換や
光結合に関するものである。
よび光測定機器等に多面な活用が期待できる光線変換や
光結合に関するものである。
【０００２】
【従来の技術および課題】レーザ光線を用いる各種光学
機器分野や光通信システムにおいて、従来から技術上の
重要課題として問題とされていたことに、レーザやその
他光デバイスから発生する光強度がガウス分布で近似さ
れるガウシャン・ビームのうち、ビームプロファイルが
縦横に扁平化された光線をいかに円対称な、レンズで扱
いやすい光線に変換するか、があった。
機器分野や光通信システムにおいて、従来から技術上の
重要課題として問題とされていたことに、レーザやその
他光デバイスから発生する光強度がガウス分布で近似さ
れるガウシャン・ビームのうち、ビームプロファイルが
縦横に扁平化された光線をいかに円対称な、レンズで扱
いやすい光線に変換するか、があった。
【０００３】一般に扁平な光線は２個の個別なシリンド
リカルレンズを直角に組み合わせて、円対称な光線に変
換していた。この場合当然個別部品の組み合わせが構成
全体を大型化し、半導体レーザ等に適用し、全体を小形
に組み立てるには限度があった。
リカルレンズを直角に組み合わせて、円対称な光線に変
換していた。この場合当然個別部品の組み合わせが構成
全体を大型化し、半導体レーザ等に適用し、全体を小形
に組み立てるには限度があった。
【０００４】これらの課題は半導体レーザ（以下ＬＤと
いう）光線の集光のみならず、各種平板状の光学導波路
素子と光ファイバ間の光結合において、あるいは直列ア
レイＬＤから放射される光線を一括して円対称な光線プ
ロファイルに変換し、その状態で画像処理等を実施する
ための像変換レンズなど小形構成を要求される各種機器
において重要な課題であった。
いう）光線の集光のみならず、各種平板状の光学導波路
素子と光ファイバ間の光結合において、あるいは直列ア
レイＬＤから放射される光線を一括して円対称な光線プ
ロファイルに変換し、その状態で画像処理等を実施する
ための像変換レンズなど小形構成を要求される各種機器
において重要な課題であった。
【０００５】特に、ＬＤ光線をいかに円対称な光線に変
換するか、は様々な試みがなされてきた。例えばＬＤ直
近に円柱レンズを配して光ファイバコアに集光させる試
みがあり、４〜６dBの結合損失が得られている。さら
に、ＬＤの光線放射窓（開口部）の縦横比率をできるだ
け均等に近づけ、球レンズや非球面レンズを介して光フ
アイバと結合させることも実施されており、１〜３dBの
高い光結合も得られるようになった。
換するか、は様々な試みがなされてきた。例えばＬＤ直
近に円柱レンズを配して光ファイバコアに集光させる試
みがあり、４〜６dBの結合損失が得られている。さら
に、ＬＤの光線放射窓（開口部）の縦横比率をできるだ
け均等に近づけ、球レンズや非球面レンズを介して光フ
アイバと結合させることも実施されており、１〜３dBの
高い光結合も得られるようになった。
【０００６】しかし、光線出射部の縦横比が通常、縦0.
5〜１μｍ、横２〜５μｍ程度までなら前述方法でも充
分に小形で、光通信システム等においても達成される
が、それ以上縦横比（以下アスペクト比という）が大き
いと問題になる。
5〜１μｍ、横２〜５μｍ程度までなら前述方法でも充
分に小形で、光通信システム等においても達成される
が、それ以上縦横比（以下アスペクト比という）が大き
いと問題になる。
【０００７】例えば、ＬＤでは注入電流を大きくして大
出力レーザを形成するには、ＬＤ活性層が過電流によっ
て損傷しないように活性層の横幅を大きくしている。こ
の場合、縦は0.5〜１μｍと変わらずに、横幅が数十〜
数百μｍに拡大されることもあり、アスペクト比で数百
になる。
出力レーザを形成するには、ＬＤ活性層が過電流によっ
て損傷しないように活性層の横幅を大きくしている。こ
の場合、縦は0.5〜１μｍと変わらずに、横幅が数十〜
数百μｍに拡大されることもあり、アスペクト比で数百
になる。
【０００８】これら高アスペクト比光源をコア径が数μ
ｍ〜10μｍである単一モードファイバ（以下ＳＭＦとい
う）へ結合するとき、ほとんどの光線が散逸され、光フ
ァイバに取り込める部分は僅かである。
ｍ〜10μｍである単一モードファイバ（以下ＳＭＦとい
う）へ結合するとき、ほとんどの光線が散逸され、光フ
ァイバに取り込める部分は僅かである。
【０００９】例えば、縦１μｍ、横200μｍのＬＤをコ
ア径５μｍのＳＭＦへ結合しようとしたとき、従来のよ
うなシングルレンズを考え、１μｍ光線を取り込む条件
に設定したとき、予想される結合効率ηは、数１のよう
になる。
ア径５μｍのＳＭＦへ結合しようとしたとき、従来のよ
うなシングルレンズを考え、１μｍ光線を取り込む条件
に設定したとき、予想される結合効率ηは、数１のよう
になる。
【数１】
【００１０】ここで、ω0 は光ファイバのコア半径、ω
Xは横方向（Ｘ軸方向）の光線の光ファイバコア位置ま
で伝搬したときの光線半径で、横200μｍのＬＤ開口径
の光線ならば数百μｍの空間を伝播したときもおおよそ
ωX=100μｍであり、数１から予想される結合効率η
は、η＝13ｄＢとなる。
Xは横方向（Ｘ軸方向）の光線の光ファイバコア位置ま
で伝搬したときの光線半径で、横200μｍのＬＤ開口径
の光線ならば数百μｍの空間を伝播したときもおおよそ
ωX=100μｍであり、数１から予想される結合効率η
は、η＝13ｄＢとなる。
【００１１】勿論、伝搬距離が大きくなればさらに劣化
する。この関係はＬＤ出射光線だけでなく、一般に横長
な発光源を軸対称なガウシャンビームに変換するとき必
ず生じる課題であり、小形で適当なビーム変換レンズが
望まれていた。
する。この関係はＬＤ出射光線だけでなく、一般に横長
な発光源を軸対称なガウシャンビームに変換するとき必
ず生じる課題であり、小形で適当なビーム変換レンズが
望まれていた。
【００１２】特に本例に示すような大出力ＬＤは、その
能力を充分に光ファイバを介して伝達できないため、問
題は光通信分野だけでなく、軸対称なレーザ光線を用い
る多様な分野、たとえばホログラムや各種光干渉システ
ム、光空間伝搬を用いた計測機器等多様な用途において
強力なＬＤ光源をシステムに搭載し、小形で感度の高い
装置を形成するときに問題であった。
能力を充分に光ファイバを介して伝達できないため、問
題は光通信分野だけでなく、軸対称なレーザ光線を用い
る多様な分野、たとえばホログラムや各種光干渉システ
ム、光空間伝搬を用いた計測機器等多様な用途において
強力なＬＤ光源をシステムに搭載し、小形で感度の高い
装置を形成するときに問題であった。
【００１３】〔発明の目的〕上記問題点に鑑み、本発明
は個別なシリンドリカルレンズを組み合わせる方式に対
して、簡単な構造で扁平な光線を軸対称な光線に変換す
るための集光レンズを提供するものであり、集光レンズ
の利用法およびその製造方法を開示することを目的とす
る。
は個別なシリンドリカルレンズを組み合わせる方式に対
して、簡単な構造で扁平な光線を軸対称な光線に変換す
るための集光レンズを提供するものであり、集光レンズ
の利用法およびその製造方法を開示することを目的とす
る。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本発明は、前記従来技術
の課題を解決する為になされたもので、本発明による集
光レンズは、一つのレンズに互いに直交し、曲率半径の
異なる複合曲率面を形成するか、通常のコンベックスレ
ンズ面に曲率半径の異なるシリンドリカル曲面を形成す
るすることによってアスペクト比の高い発光源から軸対
称なガウシャンビームへの変換を容易にすることが主体
である。
の課題を解決する為になされたもので、本発明による集
光レンズは、一つのレンズに互いに直交し、曲率半径の
異なる複合曲率面を形成するか、通常のコンベックスレ
ンズ面に曲率半径の異なるシリンドリカル曲面を形成す
るすることによってアスペクト比の高い発光源から軸対
称なガウシャンビームへの変換を容易にすることが主体
である。
【００１５】一般に発光源に縦２ωp、横２ωhのビーム
ウェイストをもつ場合、この光線をレンズを介して軸対
称な光線に変換するとき、対称光線が形成される位置の
レンズ間距離をＬ、そのときのビーム直径を２ω0、扁
平な発光源からレンズまでの距離をＺ、集光レンズに曲
率Ｒ１とＲ２の互いに直交するシリンドリカル曲面を設
け、前者は幅広の２ωhを取り込み、後者は２ωpを取り
込むためのレンズとすると、ビーム変換は数２の光線行
列となる。
ウェイストをもつ場合、この光線をレンズを介して軸対
称な光線に変換するとき、対称光線が形成される位置の
レンズ間距離をＬ、そのときのビーム直径を２ω0、扁
平な発光源からレンズまでの距離をＺ、集光レンズに曲
率Ｒ１とＲ２の互いに直交するシリンドリカル曲面を設
け、前者は幅広の２ωhを取り込み、後者は２ωpを取り
込むためのレンズとすると、ビーム変換は数２の光線行
列となる。
【数２】
【００１６】行列成分Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、数２からω
h、ωp、２ω0 が既知数の場合、レンズを介してＺ、Ｌ
の位置にビームウェイストを持つ光線について所望のビ
ーム変換を与えるＲ１，Ｒ２を求めることが以下の演算
から算定できる。即ち、ガウシャンビームの光線行列か
ら数３の関係があり、数４，数５の関係が導ける。
h、ωp、２ω0 が既知数の場合、レンズを介してＺ、Ｌ
の位置にビームウェイストを持つ光線について所望のビ
ーム変換を与えるＲ１，Ｒ２を求めることが以下の演算
から算定できる。即ち、ガウシャンビームの光線行列か
ら数３の関係があり、数４，数５の関係が導ける。
【数３】
【数４】
【数５】
【００１７】従って、数４，数５からＺの関数として最
適曲率Ｒ１とレンズからビームウェイスト位置Ｌが推定
できる。次に縦方向に広がるビーム変換について考えた
とき、同じ位置Ｌで同一直径の光線束になることが要求
される。このとき基本の光線行列は数６で表現される。
適曲率Ｒ１とレンズからビームウェイスト位置Ｌが推定
できる。次に縦方向に広がるビーム変換について考えた
とき、同じ位置Ｌで同一直径の光線束になることが要求
される。このとき基本の光線行列は数６で表現される。
【数６】
【００１８】数６ではＬとして数５が導入され、縦方向
と横方向との整合が取れる。このときＲ２は数７の関係
から決定できる。
と横方向との整合が取れる。このときＲ２は数７の関係
から決定できる。
【数７】
【００１９】以上Ｚの関数として求めたＲ１、Ｒ２、Ｌ
およびωh、ωp が確定されたとき、Ｌの位置に結像さ
れるビームウェイスト径を数３等を適用して逆算し、ω
h0、ωp0を導き、数８の結合効率ηが最大になるＺを求
めることから全ての条件が設定できる。
およびωh、ωp が確定されたとき、Ｌの位置に結像さ
れるビームウェイスト径を数３等を適用して逆算し、ω
h0、ωp0を導き、数８の結合効率ηが最大になるＺを求
めることから全ての条件が設定できる。
【数８】
【００２０】以上に記載した事柄は、本発明に基づく、
直角方向に曲率半径の異なる複合曲率集光レンズを用い
た結像変換のあらましを開示したが、Ｒ１の部分がシリ
ンドリカル形状でなく、コンベックス形状（凸形状）に
於いても本発明の効果を損なうものではない。
直角方向に曲率半径の異なる複合曲率集光レンズを用い
た結像変換のあらましを開示したが、Ｒ１の部分がシリ
ンドリカル形状でなく、コンベックス形状（凸形状）に
於いても本発明の効果を損なうものではない。
【００２１】なお、本発明に係わる複合曲率面の基本的
な製法は、レンズの大きさ、扱うビームの性質および用
途等によって多様な手法が考えられるが、基本は第一シ
リンドリカル面もしくはコンベックス面を形成し、つい
で90度回転して直交方向に所望の曲率半径のシリンドリ
カル曲面を形成することから製作できる。勿論逆の手順
から形成することも本発明の主旨が達成できる限り、包
含される技術である。以下実施例に沿って詳述する。
な製法は、レンズの大きさ、扱うビームの性質および用
途等によって多様な手法が考えられるが、基本は第一シ
リンドリカル面もしくはコンベックス面を形成し、つい
で90度回転して直交方向に所望の曲率半径のシリンドリ
カル曲面を形成することから製作できる。勿論逆の手順
から形成することも本発明の主旨が達成できる限り、包
含される技術である。以下実施例に沿って詳述する。
【００２２】
【実施例１】図５は本発明の複合曲率集光レンズの一例
である。直径500μｍのシリカロッドの先端を固定し
て、曲率305μｍの曲面を研磨加工する。次に90度回転
して曲率133μｍに研削した。縦１μｍ、横200μｍのア
スペクト比を示すＬＤ光線を集光し、曲率を持たない他
端面に５μｍの像を結像するレンズの場合、レンズ先端
から約970μｍにシリカロッドを切断し、端面を研磨し
て平面加工した。
である。直径500μｍのシリカロッドの先端を固定し
て、曲率305μｍの曲面を研磨加工する。次に90度回転
して曲率133μｍに研削した。縦１μｍ、横200μｍのア
スペクト比を示すＬＤ光線を集光し、曲率を持たない他
端面に５μｍの像を結像するレンズの場合、レンズ先端
から約970μｍにシリカロッドを切断し、端面を研磨し
て平面加工した。
【００２３】ＬＤの出射中心に形成した複合曲率集光レ
ンズを配置して変換されたビーム形状を計測すると、ほ
ぼ５μｍの直径をもつ軸対称なビームスポットが観測さ
れた。前述の推定から算出したビーム径は、縦方向が4.
98μｍ／横方向が5.00μｍとなり、実際のビーム形状が
一致することが確認された。この場合、ビームウェイス
ト位置をレンズより遠くに結像することも曲率の調整か
ら容易に達成できる。この結果から本発明は微少な複合
曲率集光レンズ１個で従来２個のシリンドリカルレンズ
を互いに直交させて軸対称に変換していたレンズ結合を
１個のレンズで達成できることがわかる。
ンズを配置して変換されたビーム形状を計測すると、ほ
ぼ５μｍの直径をもつ軸対称なビームスポットが観測さ
れた。前述の推定から算出したビーム径は、縦方向が4.
98μｍ／横方向が5.00μｍとなり、実際のビーム形状が
一致することが確認された。この場合、ビームウェイス
ト位置をレンズより遠くに結像することも曲率の調整か
ら容易に達成できる。この結果から本発明は微少な複合
曲率集光レンズ１個で従来２個のシリンドリカルレンズ
を互いに直交させて軸対称に変換していたレンズ結合を
１個のレンズで達成できることがわかる。
【００２４】本チップ状レンズは、逆方向から軸対称な
光線を導入して、出射側に扁平なビームを結合すること
は自明であり、半導体光増幅などでアスペクト比の大き
な増幅用ＬＤの開口部分に結像すれば高い効率で光線を
投射でき、極めて有効なビーム変換が達成できる。
光線を導入して、出射側に扁平なビームを結合すること
は自明であり、半導体光増幅などでアスペクト比の大き
な増幅用ＬＤの開口部分に結像すれば高い効率で光線を
投射でき、極めて有効なビーム変換が達成できる。
【００２５】
【実施例２】図１，図２は実施例１と同様なシリカロッ
ド（直径250μｍ）をコア径５μｍのＳＭＦ１に伝搬さ
せるために、シリカロッドから作成した複合曲率集光レ
ンズチップ２を、その外径を基準として中心部分にＳＭ
Ｆ１を放電融着した。この場合、ファイバコアとの結合
を考えるとき、実施例１と異なる条件として、ファイバ
の屈折率NAに合わせてレンズ設計をする必要が生じる。
ド（直径250μｍ）をコア径５μｍのＳＭＦ１に伝搬さ
せるために、シリカロッドから作成した複合曲率集光レ
ンズチップ２を、その外径を基準として中心部分にＳＭ
Ｆ１を放電融着した。この場合、ファイバコアとの結合
を考えるとき、実施例１と異なる条件として、ファイバ
の屈折率NAに合わせてレンズ設計をする必要が生じる。
【００２６】即ち、シリカレンズ部２を導波してＳＭＦ
コアに結合する光線は、屈折率NAで規定される角度より
大きな入射角の光が排除されるため、レンズで変換され
る光線は、収束角度がファイバの屈折率NAも含めたファ
イバコアから光線が放射されたときの光線広がりと整合
しなければならない。
コアに結合する光線は、屈折率NAで規定される角度より
大きな入射角の光が排除されるため、レンズで変換され
る光線は、収束角度がファイバの屈折率NAも含めたファ
イバコアから光線が放射されたときの光線広がりと整合
しなければならない。
【００２７】屈折率ｎの光ファイバコアと同じ屈折率の
シリンドリカルレンズ導波長Ｌがあるとき、屈折率NAで
与えられる最大許容角度θは数９となり、実質的にはコ
ア近傍のビームウェイストは、融着接合部よりＳＭＦ側
に移動している。
シリンドリカルレンズ導波長Ｌがあるとき、屈折率NAで
与えられる最大許容角度θは数９となり、実質的にはコ
ア近傍のビームウェイストは、融着接合部よりＳＭＦ側
に移動している。
【数９】
【００２８】実質的なビームウェイスト径をω、接合端
面からωとなる距離をｄとするとき、既知量のωｆから
推定して数10となる。
面からωとなる距離をｄとするとき、既知量のωｆから
推定して数10となる。
【数10】
【００２９】ただし、tanθ＝λｄ／（π・ｎ・ωf 2）、N
A＝0.14、屈折率ｎ＝1.459とすると数９、数10から、波
長が0.8μｍにおいてω＝2.477μｍ、ｄ＝4.8μｍとな
る。
A＝0.14、屈折率ｎ＝1.459とすると数９、数10から、波
長が0.8μｍにおいてω＝2.477μｍ、ｄ＝4.8μｍとな
る。
【００３０】即ち、図２でファイバコアからレンズ曲面
に伝播する光線はシリカレンズロッドを進行するときガ
ウシャンビームとして拡大され、レンズ表面ではレンズ
界面を経て、光源側が伝播してくる光線と同じビーム広
がりを形成することが条件になる。即ち、ＬとＺのビー
ム整合条件は、数２，数６の光線行列にも反映されなけ
ればならない。
に伝播する光線はシリカレンズロッドを進行するときガ
ウシャンビームとして拡大され、レンズ表面ではレンズ
界面を経て、光源側が伝播してくる光線と同じビーム広
がりを形成することが条件になる。即ち、ＬとＺのビー
ム整合条件は、数２，数６の光線行列にも反映されなけ
ればならない。
【００３１】即ち、結合条件としてレンズ表面における
光源側からの縦方向ビーム径ωps、横方向ビーム径ωhs
およびＳＭＦ１からシリカ導波部分を伝播してレンズ界
面に達する軸対称なビーム径ωfsを考慮しなければなら
ない。これらは以下の数11から見積もられる。
光源側からの縦方向ビーム径ωps、横方向ビーム径ωhs
およびＳＭＦ１からシリカ導波部分を伝播してレンズ界
面に達する軸対称なビーム径ωfsを考慮しなければなら
ない。これらは以下の数11から見積もられる。
【数11】
【００３２】従って光ファイバに連結し、発光源等に結
合させるときの過剰損失ηｅは数12となり、総合結合損
失はη・ηｅで与えられる。
合させるときの過剰損失ηｅは数12となり、総合結合損
失はη・ηｅで与えられる。
【数12】
【００３３】数12において、ωfs＝ωhs、ωfs＝ωpsな
らばηｅ項は最適条件となるが、結局、数13が前提条件
となることを考慮して、Ｌ、Ｒ１、Ｒ２に対応するＺを
決定することができる。
らばηｅ項は最適条件となるが、結局、数13が前提条件
となることを考慮して、Ｌ、Ｒ１、Ｒ２に対応するＺを
決定することができる。
【数13】
【００３４】これら諸条件を前述の計算式に代入して数
値を決定すると、実施例１と同一ＬＤに適用した場合、
表１の関係になる。
値を決定すると、実施例１と同一ＬＤに適用した場合、
表１の関係になる。
【００３５】
【表１】
【００３６】表１から最適結合が期待できる位置は、Ｚ
＝270μｍ、Ｌ＝1416μｍとなり、直交するシリンドリ
カルレンズの曲率半径は、それぞれ、Ｒ１＝446μｍ、
Ｒ２＝97μｍとなる。ファイバコア位置のＬＤから集光
されたビームスポットは、縦方向が1.9μｍ、横方向が
3.6μｍとなり、ややビームスポットの不整合が認めら
れるが、結合効率として0.7dB見込まれ、従来方式の結
合効率13dBに対して飛躍的に向上することは明白であ
る。
＝270μｍ、Ｌ＝1416μｍとなり、直交するシリンドリ
カルレンズの曲率半径は、それぞれ、Ｒ１＝446μｍ、
Ｒ２＝97μｍとなる。ファイバコア位置のＬＤから集光
されたビームスポットは、縦方向が1.9μｍ、横方向が
3.6μｍとなり、ややビームスポットの不整合が認めら
れるが、結合効率として0.7dB見込まれ、従来方式の結
合効率13dBに対して飛躍的に向上することは明白であ
る。
【００３７】
【実施例３】図３、図４に、集光レンズ付光ファイバの
製造方法を示す。図に示すように、本発明による集光レ
ンズ付光ファイバの製造方法は、屈折率が均一で直径が
ＳＭＦ１の径より大きいコアレスシリカロッド２の端面
をＳＭＦ１と接合し、その先端を研磨、溶融等により所
望の曲率（曲率半径Ｒ１）からなる曲面に加工して、そ
の曲面と直交する方向の先端部に曲率の異なる（曲率半
径Ｒ２）曲面を形成し、Ｒ１＞Ｒ２であるようにしたも
のである。
製造方法を示す。図に示すように、本発明による集光レ
ンズ付光ファイバの製造方法は、屈折率が均一で直径が
ＳＭＦ１の径より大きいコアレスシリカロッド２の端面
をＳＭＦ１と接合し、その先端を研磨、溶融等により所
望の曲率（曲率半径Ｒ１）からなる曲面に加工して、そ
の曲面と直交する方向の先端部に曲率の異なる（曲率半
径Ｒ２）曲面を形成し、Ｒ１＞Ｒ２であるようにしたも
のである。
【００３８】図１、図２はその形状の平面図と正面図で
ある。図中１はＳＭＦ、２はＳＭＦ１より大きい径で先
端が曲面から楔状に加工された二種類の曲率半径Ｒ１＞
Ｒ２をもつコアレスシリカロッド、４はＬＤチップ、５
はＬＤ活性層、Ｚはレンズ端面から出射端面までの距
離、Ｌはレンズ表面からＳＭＦ融着点までの距離、２ω
ｈおよび２ωｐは、それぞれＬＤ端面の横方向と縦方向
のビームウェイストである。
ある。図中１はＳＭＦ、２はＳＭＦ１より大きい径で先
端が曲面から楔状に加工された二種類の曲率半径Ｒ１＞
Ｒ２をもつコアレスシリカロッド、４はＬＤチップ、５
はＬＤ活性層、Ｚはレンズ端面から出射端面までの距
離、Ｌはレンズ表面からＳＭＦ融着点までの距離、２ω
ｈおよび２ωｐは、それぞれＬＤ端面の横方向と縦方向
のビームウェイストである。
【００３９】互いに直交する複合曲率集光レンズに係わ
る設計条件は前述の原理から導かれる。図３、図４にお
いて、直径250μｍのコアレスシリカロッド２をＳＭＦ
１に融着する。融着すべきレンズ形成部分の直径は、取
り込むべき光線の横幅に依存する。前述の様な横幅200
μｍある発光源に対して、一般的な125μｍのＳＭＦ１
と外径が整合するファイバでは、発光部分全体を集光す
ることができないので、本発明ではレンズを形成するコ
アレスシリカロッドの直径は制限していない。勿論、発
光部分の横幅が50μｍ程度もしくはそれ以下ならば125
μｍのコアレスシリカロッドを融着することがファイバ
間の同軸度を高める理由から好ましい。
る設計条件は前述の原理から導かれる。図３、図４にお
いて、直径250μｍのコアレスシリカロッド２をＳＭＦ
１に融着する。融着すべきレンズ形成部分の直径は、取
り込むべき光線の横幅に依存する。前述の様な横幅200
μｍある発光源に対して、一般的な125μｍのＳＭＦ１
と外径が整合するファイバでは、発光部分全体を集光す
ることができないので、本発明ではレンズを形成するコ
アレスシリカロッドの直径は制限していない。勿論、発
光部分の横幅が50μｍ程度もしくはそれ以下ならば125
μｍのコアレスシリカロッドを融着することがファイバ
間の同軸度を高める理由から好ましい。
【００４０】融着されたコアレスシリカロッドは、加工
上がりでＬが取れる長さに切断し、フェルールやキャピ
ラリー等の保護管に挿入・固定する。保護管の材質は後
工程に支障がなければ如何なる材質でも適用できる。次
に、保護管も含めてＲ１の曲率半径のシリンドリカルレ
ンズ面を研磨加工して作成する。ここで同じ曲率のコン
ベックスレンズ面を形成してもよい。その場合、研磨加
工に留まらず、先端を溶融して、表面張力原理を用いて
所望の曲率を確保することも可能である。
上がりでＬが取れる長さに切断し、フェルールやキャピ
ラリー等の保護管に挿入・固定する。保護管の材質は後
工程に支障がなければ如何なる材質でも適用できる。次
に、保護管も含めてＲ１の曲率半径のシリンドリカルレ
ンズ面を研磨加工して作成する。ここで同じ曲率のコン
ベックスレンズ面を形成してもよい。その場合、研磨加
工に留まらず、先端を溶融して、表面張力原理を用いて
所望の曲率を確保することも可能である。
【００４１】次に、最初に加工した曲面に対して直角方
向に曲率半径の異なるシリンドリカルレンズ面を形成す
る。必要な集光横幅が狭いときは、予め先に作成したシ
リンドリカル面の直角方向を両側から楔状に研削して、
Ｒ１で湾曲した刃先を形成することが好ましい。次いで
その刃先を研磨し、所望の曲率Ｒ２を製作する。楔加工
して研磨するか、直ちに直角方向の曲面を研磨加工する
か、は取り扱う光源の状態による。研磨仕上がり後のレ
ンズ表面は、そのままでも使用できるが、反射防止膜を
形成することが望ましい。
向に曲率半径の異なるシリンドリカルレンズ面を形成す
る。必要な集光横幅が狭いときは、予め先に作成したシ
リンドリカル面の直角方向を両側から楔状に研削して、
Ｒ１で湾曲した刃先を形成することが好ましい。次いで
その刃先を研磨し、所望の曲率Ｒ２を製作する。楔加工
して研磨するか、直ちに直角方向の曲面を研磨加工する
か、は取り扱う光源の状態による。研磨仕上がり後のレ
ンズ表面は、そのままでも使用できるが、反射防止膜を
形成することが望ましい。
【００４２】なおシリンドリカルレンズ直径が融着接続
するＳＭＦと同一径の場合も同様な工程から本発明に係
わる集光レンズ付ファイバが作成できる。
するＳＭＦと同一径の場合も同様な工程から本発明に係
わる集光レンズ付ファイバが作成できる。
【００４３】
【実施例４】図６は、実施例３から作製した集光レンズ
付ファイバＳＭＦ１の他端にコリメータレンズを配置し
た構成の応用例である。すでにＳＭＦに取り込まれた光
線は軸対称な典型的ガウシャンビームに変換されている
ので、図６の様な簡単なレンズ構成で拡大したビーム径
２ωexのコリメータ光線を形成できる。
付ファイバＳＭＦ１の他端にコリメータレンズを配置し
た構成の応用例である。すでにＳＭＦに取り込まれた光
線は軸対称な典型的ガウシャンビームに変換されている
ので、図６の様な簡単なレンズ構成で拡大したビーム径
２ωexのコリメータ光線を形成できる。
【００４４】ωexのコリメータ光線は、ビーム拡大用レ
ンズ（焦点距離ｆ）と数14の相関が取れているとき形成
される。即ち、レンズの焦点距離を拡大すべきビーム径
から設計できる。
ンズ（焦点距離ｆ）と数14の相関が取れているとき形成
される。即ち、レンズの焦点距離を拡大すべきビーム径
から設計できる。
【数14】
【００４５】特に、高出力ＬＤを発光源として、小形で
大出力の軸対称光線が必要なとき本実施例の構成から形
成できる。
大出力の軸対称光線が必要なとき本実施例の構成から形
成できる。
【００４６】
【実施例５】図７は、アレイ状に形成されたＬＤを数個
二次元的（例えばＭｘＮ個）に配置し、個々のＬＤから
放射される線形のＬＤ出射光線を軸対称光線マトリック
スに置き換えるとき、本発明に基づく集光レンズ（直径
250μｍ）を対応する個数だけ同じように平面状に配置
し、図７に示すＭｘＮ個の軸対称なガウシャンビームに
変換できる。このとき直交するシリンドリカルレンズ曲
率半径は、当然ＬＤの開口寸法，アスペクト比によって
制限される。
二次元的（例えばＭｘＮ個）に配置し、個々のＬＤから
放射される線形のＬＤ出射光線を軸対称光線マトリック
スに置き換えるとき、本発明に基づく集光レンズ（直径
250μｍ）を対応する個数だけ同じように平面状に配置
し、図７に示すＭｘＮ個の軸対称なガウシャンビームに
変換できる。このとき直交するシリンドリカルレンズ曲
率半径は、当然ＬＤの開口寸法，アスペクト比によって
制限される。
【００４７】以上、本発明のレンズ付ファイバにおいて
は、上記のとおり製造したので、ファイバとレンズが一
体構造であり、しかもレンズがファイバ径に近い微小形
状であることからＬＤとの結合が簡単である。
は、上記のとおり製造したので、ファイバとレンズが一
体構造であり、しかもレンズがファイバ径に近い微小形
状であることからＬＤとの結合が簡単である。
【００４８】また、ＬＤチップの横方向長が大きい場合
でも、導波部の径がＳＭＦの径より大きいので、導波部
分長ＬをR1の曲率とは独立に最適長に調整できるので光
結合機構部分を大幅に小型化できる。また、当初の目的
である高出力ＬＤより発生するアスペクト比の大きな扁
平光線を光ファイバに高い結合効率で伝達することがで
きる。
でも、導波部の径がＳＭＦの径より大きいので、導波部
分長ＬをR1の曲率とは独立に最適長に調整できるので光
結合機構部分を大幅に小型化できる。また、当初の目的
である高出力ＬＤより発生するアスペクト比の大きな扁
平光線を光ファイバに高い結合効率で伝達することがで
きる。
【００４９】さらに、先端が楔形状でかつ楔先端部に半
径R1の曲面と直交する方向の先端面の曲率半径R2が、両
サイド方向に向かって次第に大きくなるように形成した
ので、短軸長軸の曲率半径が回転楕円体を回転端から輪
切りにしたようなものであり、ＬＤチップの縦・横方向
のみならず、斜めを含めた360゜方向でより高い光結合が
できる。
径R1の曲面と直交する方向の先端面の曲率半径R2が、両
サイド方向に向かって次第に大きくなるように形成した
ので、短軸長軸の曲率半径が回転楕円体を回転端から輪
切りにしたようなものであり、ＬＤチップの縦・横方向
のみならず、斜めを含めた360゜方向でより高い光結合が
できる。
【００５０】
【発明の効果】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し、その応用方法
について開示するものであり、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ＬＤ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。
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し、その応用方法
について開示するものであり、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ＬＤ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】本発明の集光レンズ付光ファイバとＬＤとの結
合を説明する平面図。
合を説明する平面図。
【図２】本発明の集光レンズ付光ファイバとＬＤとの結
合を説明する正面図。
合を説明する正面図。
【図３】本発明の実施例を示す集光レンズ付ファイバの
製造方法を説明する図。
製造方法を説明する図。
【図４】本発明の実施例を示す集光レンズ付ファイバの
製造方法を説明する図。
製造方法を説明する図。
【図５】本発明の実施例を示す集光レンズの光線変換原
理を説明する図。
理を説明する図。
【図６】本発明の実施例４の原理を説明する図。
【図７】本発明の実施例５の原理を説明する図。
１ ＳＭＦ ２ コアレスシリカファイバ ３ ファイバ保護管 ４ ＬＤチップ ５ 活性層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 早川 貴子 東京都足立区新田３−８−22 並木精密宝 石株式会社内 (72)発明者 宮崎 哲弥 京都府相楽郡精華町大字乾谷小字三平谷５ 番地 株式会社エイ・ティ・アール光電波 通信研究所内 (72)発明者 唐沢 好男 京都府相楽郡精華町大字乾谷小字三平谷５ 番地 株式会社エイ・ティ・アール光電波 通信研究所内
Claims (6)
- 【請求項１】少なくとも互いに直交する２曲面を有し、
その曲率が異なることを特徴とする集光レンズ。 - 【請求項２】屈折率が均一で直径が光ファイバ径と同等
もしくは大きいコアレスシリカロッドの先端部が、少な
くとも互いに直交する２曲面を有し、その曲率が異なる
ことを特徴とする集光レンズ。 - 【請求項３】屈折率が均一で直径が光ファイバ径と同等
もしくは大きいコアレスシリカロッドの先端部が、少な
くとも互いに直交し、曲率が異なる２曲面を有し、他端
が光ファイバと接合されてなることを特徴とする集光レ
ンズ。 - 【請求項４】屈折率が均一で直径が光ファイバ径と同等
もしくは大きいコアレスシリカロッドの先端部が、少な
くとも互いに直交し、曲率が異なる２曲面を有し、他端
が光ファイバと接合され、当該光ファイバの他端に光フ
ァイバコアから放射される光線をコリメータ光線にする
ために所望のレンズが付与されていることを特徴とする
集光レンズ。 - 【請求項５】ガラスもしくはシリカロッドの一端を所望
の曲率からなるシリンドリカルレンズ状もしくはコンベ
ックスレンズ状に研磨加工する工程、前期研磨加工した
曲面の直角方向もしくは任意方向に曲率の異なるシリン
ドリカルレンズ面を形成する工程を主体とする集光レン
ズの製造方法。 - 【請求項６】集光レンズ付光ファイバ端末の製造方法に
おいて、コアレスシリカロッドにファイバを融着する工
程と、融着したコアレスシリカロッドを導波部分に必要
な長さに切断する工程と、ファイバ保護管を差し込み固
定する工程と、前期切断したコアレスシリカロッドの先
端に所望の曲率からなるシリンドリカルレンズ状もしく
はコンベックスレンズ状に研磨加工する工程と、前期研
磨加工した曲面の直角方向もしくは任意方向に曲率の異
なるシリンドリカルレンズ面を形成する工程と、を主体
とする集光レンズの製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6306936A JPH08146250A (ja) | 1994-11-15 | 1994-11-15 | 集光レンズおよびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6306936A JPH08146250A (ja) | 1994-11-15 | 1994-11-15 | 集光レンズおよびその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08146250A true JPH08146250A (ja) | 1996-06-07 |
Family
ID=17963067
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6306936A Pending JPH08146250A (ja) | 1994-11-15 | 1994-11-15 | 集光レンズおよびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08146250A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003528347A (ja) * | 2000-03-17 | 2003-09-24 | コーニング インコーポレイテッド | 光導波路レンズ及び作成方法 |
| JP2007279228A (ja) * | 2006-04-04 | 2007-10-25 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 光部品 |
| JP2008046185A (ja) * | 2006-08-11 | 2008-02-28 | Toyo Glass Co Ltd | レンズ付き光ファイバの製造方法 |
| JP2011076092A (ja) * | 2009-10-01 | 2011-04-14 | Limo Patentverwaltung Gmbh & Co Kg | レーザビームを形成するための装置 |
| CN111650699A (zh) * | 2019-03-04 | 2020-09-11 | 朗美通经营有限责任公司 | 高功率全光纤望远镜 |
-
1994
- 1994-11-15 JP JP6306936A patent/JPH08146250A/ja active Pending
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003528347A (ja) * | 2000-03-17 | 2003-09-24 | コーニング インコーポレイテッド | 光導波路レンズ及び作成方法 |
| JP2007279228A (ja) * | 2006-04-04 | 2007-10-25 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 光部品 |
| JP2008046185A (ja) * | 2006-08-11 | 2008-02-28 | Toyo Glass Co Ltd | レンズ付き光ファイバの製造方法 |
| JP2011076092A (ja) * | 2009-10-01 | 2011-04-14 | Limo Patentverwaltung Gmbh & Co Kg | レーザビームを形成するための装置 |
| CN111650699A (zh) * | 2019-03-04 | 2020-09-11 | 朗美通经营有限责任公司 | 高功率全光纤望远镜 |
| CN111650699B (zh) * | 2019-03-04 | 2024-02-06 | 朗美通经营有限责任公司 | 高功率全光纤望远镜 |
| US11940652B2 (en) | 2019-03-04 | 2024-03-26 | Lumentum Operations Llc | High-power all fiber telescope |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 19990730 |