JPH08220378A

JPH08220378A - レンズ付きファイバ

Info

Publication number: JPH08220378A
Application number: JP7028497A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Shiraishi; 和男白石; Kazuhito Matsumura; 和仁松村; Naoto Koyama; 直人小山; Isamu Oishi; 勇大石; Shigeru Suga; 繁須賀
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 1995-02-16
Filing date: 1995-02-16
Publication date: 1996-08-30

Abstract

(57)【要約】【目的】構成部品数が少なく部品相互間における調心
が容易で、組み立てられるモジュールの大型化を抑えら
れ、作動距離を大きくとることができ、光軸と直交する
方向における公差が大きいうえ、結合効率が安定したレ
ンズ付きファイバを提供する。【構成】レンズ付きファイバ１は、コアのない等方性
の屈折率を有するファイバの一端を凸曲面に加工したコ
アレスファイバ２と、一端のコア径が拡大されたコア拡
大ファイバ３とが、コアレスファイバの他端とコア拡大
ファイバの一端とで接続されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レンズ付きファイバに
関する。

【０００２】

【従来の技術】各家庭への光ファイバ網の展開に伴い、
光半導体素子と光ファイバとの間を、光エネルギの転移
効率である結合効率を高い条件の下に結合する技術の開
発が望まれている。従来、光半導体素子と光ファイバと
を結合する方法としては、光素子と光ファイバとの間に
マイクロレンズを１枚あるいは２枚配置して結合する方
法、あるいは、先端側に向かって漸縮するコアのある光
ファイバの先端を球状に加工した先球ファイバを用いて
光素子と結合する方法が知られている

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、マイクロレ
ンズを用いた前記第一の方法は、結合効率が比較的高く
とれる利点がある反面、光素子，レンズ及び光ファイバ
相互間における光軸合わせ（調心）が煩雑となるうえ、
これら必須構成部品によって構成されるモジュールが大
型化してコスト高となるという問題があった。

【０００４】一方、光素子、例えば、一般的な半導体レ
ーザでは、３０度程度の角度で出射した光は光ファイバ
のコアから外れ、コアに入射しない。このため、先球フ
ァイバを用いた前記第二の方法では、先端を球状に加工
したレンズ効果を利用して光素子からの出射光を集光す
ると共に、結合効率を高めるために光素子との間の光軸
方向の距離（以下、「作動距離」という）を可能な限り
接近させている。例えば、シングルモードファイバ（以
下、「ＳＭＦ」と記す）の場合、作動距離を５〜１０μ
ｍ程度とって光素子と結合するが、熱によるファイバの
伸縮で光素子を破壊する危険性が高いという問題があっ
た。

【０００５】しかも、上記いずれの方法でも、光軸と直
交する方向における公差（トレランス）が非常に小さ
く、調心後の固定の際に各構成部品相互間で位置がず
れ、結合効率が変動し易いという問題もあった。本発明
は上記の点に鑑みてなされたもので、構成部品数が少な
く部品相互間における調心が容易で、組み立てられるモ
ジュールの大型化を抑えられ、作動距離を大きくとるこ
とができ、光軸と直交する方向における公差が大きいう
え、結合効率が安定したレンズ付きファイバを提供する
ことを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明のレンズ付きファイバは、コアのない等方性
の屈折率を有するファイバの一端を凸曲面に加工したコ
アレスファイバと、一端のコア径が拡大されたコア拡大
ファイバとが、前記コアレスファイバの他端と前記コア
拡大ファイバの一端とで接続された構成としたのであ
る。

【０００７】好ましくは、前記コアレスファイバの凸曲
面は、加熱処理により球面状に加工する。

【０００８】

【作用】コアレスファイバは、光素子からの出射光を凸
曲面のレンズ効果で収束し、コア拡大ファイバの一端に
出射する。このとき、コアレスファイバは、コアがなく
等方性の屈折率を有しているので、光素子との間の距離
が離れても、ファイバの径，屈折率及び凸曲面の形状で
決まる軸心に対して所定角度の範囲内の光が入射する。

【０００９】コア拡大ファイバは、一端のコア外径が拡
大していることから、コアを拡大していない光ファイバ
の場合に比べ、コアレスファイバから出射される光が広
範囲で入射する。従って、コアレスファイバは、凸曲面
から入射した光が、コア拡大ファイバの拡大したコアに
対応する開口数に適合した角度で収束するように、凸曲
面の形状，屈折率及び長さを決める。また、コア拡大フ
ァイバは、一端をコアのドーパントが拡散するように加
熱し、コアの径が拡大するように加工する。

【００１０】このとき、等方性の屈折率を有するコアレ
スファイバの素材としては、アクリル樹脂，シリコーン
樹脂等の合成樹脂や、石英，光学ガラス等が使用でき
る。一方、コア拡大ファイバとしては、通常のシングル
モードファイバ等が使用できる。コアレスファイバは、
合成樹脂を素材として使用したときには、コア拡大ファ
イバと光学接着剤を用いた接着によって接続する。コア
レスファイバとコア拡大ファイバとの接続は、両素材が
ガラスの場合にはアーク放電等による融着接続が簡便で
ある。

【００１１】一方、コア拡大ファイバ内を伝送されてく
る光は、上記と逆の経路を通って光素子に入射する。ま
た、コアレスファイバの凸曲面を、加熱処理により球面
状に加工すると、マイクロトーチやアーク放電が使用で
き、加工が容易である。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１乃至図１２に
基づいて詳細に説明する。レンズ付きファイバ１は、図
１に示すように、コアレスファイバ２とコア拡大ファイ
バ３とを接続したもので、図示のように、光素子、例え
ば、レーザダイオード５と作動距離Ｄをおいて対向配置
して使用される。

【００１３】コアレスファイバ２は、石英等からなるコ
アのない等方性の屈折率を有するファイバの一端を加熱
処理して凸曲面２ａに加工し、他端を軸に直交する平面
で切断した所定長さＬのファイバである。ここで、コア
レスファイバ２は、凸曲面２ａを球面よりも非球面に加
工した方が結合効率を高めるうえでは有効である。コア
拡大ファイバ３は、ＳＭＦの一端をコア３ａのドーパン
トが拡散するように加熱し、コア３ａの径が外方に向か
って拡大するように加工したいわゆるＴＥＣ(Thermal E
xpanded-Core)ファイバである。

【００１４】以上のように構成されるレンズ付きファイ
バ１は、以下のようにして製造される。先ず、ＳＭＦの
一端を加熱して、コアのドーパントを拡散させ、コアの
径が外方に向かって拡大したＴＥＣファイバを作製し、
コアが最大に拡大した部分で切断して図３（ａ）に示す
コア拡大ファイバ３を得た。

【００１５】次に、コア拡大ファイバ３に、同じ直径を
有する石英製のコアレスファイバ２の一端を融着接続し
た後、所定長さＬに切断し、図３（ｂ）に示す形状とし
た。次いで、図３（ｃ）に示すように、切断面近傍で放
電加工を施してコアレスファイバ２の一端を凸曲面に加
工し、図１に示すレンズ付きファイバ１を製造した。

【００１６】以上のように構成される本発明のレンズ付
きファイバ１に関し、製造の容易さ等を考慮し、コアレ
スファイバ２の凸曲面２ａを曲率半径Ｒの球状とした場
合について、高い結合効率を得るための結合特性を規定
する構造パラメータを幾何光学的手法に基づいてモデル
的に解析した。即ち、コア拡大ファイバ３に関し、図２
に示すコア３ａ端面における光線の入射角φ（degree）
と光軸Ｌa から測定した入射位置ｈ（μｍ）との関係
を、レーザダイオード５端面からの光線の出射角θ（図
１参照）をパラメータとし、コアレスファイバ２の屈折
率を1.４５，光線の波長を1.３μｍとおいて、作動距離
Ｄ（μｍ），コアレスファイバ２の長さＬ（μｍ）及び
曲率半径Ｒ（μｍ）をそれぞれ変化させて解析した。こ
の結果を、図５乃至図７に示す。各図において、出射角
θは１゜ごとに変化させてプロットしてある。

【００１７】図５乃至図７において、レーザダイオード
５から出射される光線の出射角θを変化させたときに、
コア拡大ファイバ３における入射位置ｈが有限の値にな
るのは収差による。上記各図から明らかなように、出射
角θの絶対値｜θ｜が小さいときは、θの変化に対する
コア拡大ファイバ３への入射角φの絶対値｜φ｜は小さ
いままなのに対し、入射位置ｈの絶対値｜ｈ｜が大きく
なる傾向が見られる。また、図６から明らかなように、
コアレスファイバ２の曲率半径Ｒ及び作動距離Ｄを一定
とすると、出射角θが−１０≦θ≦１０゜の範囲では、
コアレスファイバ２の長さＬに関係なく入射角φの値が
略一定である。従って、本発明のレンズ付きファイバ１
において、結合特性を規定する構造パラメータは、主に
作動距離Ｄ及び曲率半径Ｒであることが分かった。

【００１８】このように、レーザダイオード５から出射
した光線が、コア拡大ファイバ３に結合するためには、
入射位置ｈ及び入射角φはある一定の範囲の値でなけれ
ばならない。そこで、標準的なＳＭＦとして、入射角φ
が｜φ｜≦4.８゜，入射位置ｈが｜ｈ｜≦4.０μｍのＳ
ＭＦと、コア拡大ファイバとして、入射角φが｜φ｜≦
1.２゜，入射位置ｈが｜ｈ｜≦１6.８μｍのコア拡大
（ＴＥＣ）ファイバとを仮定し、解析結果に基づく図７
の曲率半径Ｒ＝７５μｍの場合の線にＳＭＦとコア拡大
ファイバの入射角φと入射位置ｈとの範囲を四角形で表
示し、図８にそれぞれＳＭＦ及びＴＥＣとして示した。

【００１９】図８に示したように、ＳＭＦは、コア拡大
（ＴＥＣ）ファイバと比較すると、入射角｜φ｜が大き
く、入射位置｜ｈ｜が小さい傾向がある。従って、図５
〜図７に示す解析結果に基づいて判断すると、ＳＭＦを
用いたレンズ付きファイバではあまり多くの光線を受光
することができないことがわかる。これに対して、コア
拡大ファイバを用いたレンズ付きファイバは、レーザダ
イオード５から出射される光線をＳＭＦを用いたレンズ
付きファイバよりも大きな出射角｜θ｜まで受光でき、
広範囲の出射角θに対応できるので、結合効率がＳＭＦ
を用いたレンズ付きファイバよりも高くなることが期待
される。

【００２０】ここで、コア拡大ファイバにおいては、伝
搬される光の正規化周波数が保存されるので、最大受光
角とコア径の積は、コアの拡大率とは無関係に一定であ
る。従って、図８において、ＳＭＦとコア拡大ファイバ
の入射角φと入射位置ｈとの範囲によって決まる長方形
の面積は等しい。以上の解析結果から、コアレスファイ
バとコア拡大ファイバとを、作動距離Ｄ＝１５０μｍ，
曲率半径Ｒ＝７５μｍ及び長さＬ＝１０００μｍの設計
値に基づいて融着接続し、レーザダイオード５からスポ
ットサイズの大きな光線を出射すれば、高い結合効率の
レンズ付きファイバが得られることが期待される。

【００２１】次に、上記設計値に基づき、図３に示した
手順に従ってレンズ付きファイバを製造した。先ず、Ｓ
ＭＦの一端を加熱して、コアのドーパントを拡散させ、
コアの径が外方に向かって拡大したＴＥＣファイバを作
製し、コアが最大に拡大した部分で切断して外直径が１
２５μｍの図３（ａ）に示すコア拡大ファイバ３を得
た。ここで、コア拡大ファイバ３は、光の波長が1.４９
μｍのときのスポット半径が２1.５μｍなるように、コ
アを本来の値の約４倍に拡大した。

【００２２】次に、コア拡大ファイバ３に、同じ直径を
有する石英製のコアレスファイバ２の一端を融着接続し
た後、上記設計値に従って長さＬ＝９８０μｍに切断
し、図３（ｂ）に示す形状とした。次いで、図３（ｃ）
に示すように、切断面近傍で放電加工を施してコアレス
ファイバ２の一端を曲率半径Ｒ＝７５μｍの球面に加工
し、図１に示すレンズ付きファイバ１を製造した。

【００２３】このようにして製造したレンズ付きファイ
バ１に関し、作動距離Ｄの変化に対する結合損失（ｄ
Ｂ）の変化を、図４に示す座標系に基づいて測定した。
図４に示す座標系において、レーザダイオード５は、フ
ァーフィールドパターン（ＦＦＰ）における全幅半値
（ＦＷＨＭ）が、それぞれ接合面の垂直方向(ｘ)で２３
゜及び水平方向(ｙ)で１８゜のものを用い、出射光の波
長は1.４９μｍであった。ここで、結合損失は、レーザ
ダイオード５からの直接出射光量に対するコア拡大ファ
イバ３の他端からの出射光量をｄＢ値で測定して求め
た。

【００２４】作動距離Ｄに対する結合損失（ｄＢ）の測
定結果を図９に○印で示す。図９から明らかなように、
作動距離Ｄが１６０μｍと大きくても、比較的低い結合
損失4.２ｄＢが得られ、先球ファイバを用いる従来の場
合に比べ、作動距離を１０倍以上とすることができるこ
とが分かった。また、幾何光学に基づく結合損失及び波
動光学に基づく結合損失の計算結果を、それぞれ実線Ｌ
RT，ＬWTとして図９に併記した。

【００２５】ここで、幾何光学に基づく結合損失は、レ
ーザダイオード５端面からの光線の出射角θに応じてガ
ウス型の重みを乗じ、コア拡大ファイバ３のコア領域に
臨界角以下で入射する光線を積分して求めた。このと
き、レーザダイオード５の全幅半値は、接合面の垂直方
向（ｘ）及び水平方向（ｙ）において共に２１°と等し
く設定し、計算においては子午線光線を仮定した。

【００２６】その結果、図９に示すように、幾何光学に
基づく結合損失は、前記設計値Ｄ＝１５０μｍよりも大
きい方で実測結果と良く一致した。この場合、レーザダ
イオード５やコア端における光線のスポット径を考慮し
ていないため、高精度の計算とは言い難いが、幾何光学
に基づいて簡便に結合損失の概略値を得られることが分
かった。

【００２７】一方、波動光学に基づく結合損失は、レー
ザダイオード５及びコア拡大ファイバ３のコア端面から
ガウス波が出射していると考え、レーザダイオード５か
ら出射される光線の放射界がコアレスファイバ２の凸曲
面２ａを通過直後に作る界と、コア拡大ファイバ３から
出射される光線が凸曲面２ａで作る仮想放射界との重畳
積分により求めた。但し、前記実測値及び幾何光学によ
って求めた前記計算結果と異なり、この計算においては
凸曲面２ａにおける球面収差が考慮されていない。

【００２８】次に、本発明のレンズ付きファイバ１の製
造において問題となるミスアラインメントに対する許容
特性を調べた。作動距離Ｄ＝１６０μｍのときの軸ずれ
に関する結合損失及び傾斜に関する結合損失として測定
し、軸ずれに関する結合損失を図１０に、また、図４に
示すｘ方向（垂直方向）、即ち、ｘ−ｚ平面内の傾斜及
びｙ方向（水平方向）であるｙ−ｚ平面内における傾斜
に関する結合損失をそれぞれ図１１，１２に示した。

【００２９】ここで、図１１，１２には、ｘ方向及びｙ
方向の傾斜に関する結合損失の測定に際して最適化処理
を施した場合（図中◇印）と、最適化処理を施さなかっ
た場合（図中○印）とを示した。最適化処理は、先ず、
レンズ付きファイバ１とレーザダイオード５との光軸を
合わせた状態で、ファイバ１を光軸に対して角度θtxあ
るいは角度θty傾斜させ、測定した結合損失をそれぞれ
最適化処理を施さない場合のｘ方向及びｙ方向の値とし
た（図中○印）。次に、ファイバ１を傾斜させた角度θ
txあるいは角度θtyを保持した状態で、結合損失が最小
となるようにファイバ１を平行移動し、最小値の結合損
失をそれぞれ最適化処理を施した場合のｘ方向及びｙ方
向の値とした（図中◇印）。

【００３０】そして、図９乃至図１２に示す実測値に基
づいて、最大の光出力が得られた最適結合状態から結合
損失が１ｄＢ増加したときの作動距離Ｄ，軸ずれ量及び
傾斜量の範囲をそれぞれ公差（トレランス）として求め
た。その結果、作動距離Ｄの公差ＴD、ｘ方向（垂直方
向）の軸ずれ量ｄx及びｙ方向（水平方向）の軸ずれ量
ｄyに関する公差ＴL、ｘ方向の角度θtx及びｙ方向の角
度θtyに関する傾斜の公差ＴTは、それぞれＴD＝±１７
μｍ，ＴL＝±1.３μｍ及びＴT＝±0.４゜であり、従来
の一般的な先球ファイバよりも公差を大きくとることが
できた。

【００３１】尚、上記実施例においては、コアレスファ
イバ２は一端を凸曲面を球面状に加工した場合について
説明したが、凸曲面であれば凸放物面や凸楕円面等の非
球面であってもよい。

【００３２】

【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、構成部品数が少なく部品相互間における調心が
容易で、組み立てられるモジュールの大型化を抑えら
れ、作動距離を大きくとることができ、光軸と直交する
方向における公差が大きいうえ、結合効率が安定したレ
ンズ付きファイバが提供される。

【００３３】このとき、コアレスファイバの凸曲面は、
加熱処理により球面状に加工するので、マイクロトーチ
やアーク放電を使用することができ、容易に加工するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のレンズ付きファイバの構成並びに使用
例を示す正面図である。

【図２】図１のＡ部を拡大して示した拡大図である。

【図３】図１のレンズ付きファイバの製造方法を示す説
明図である。

【図４】図１のレンズ付きファイバに関する結合損失の
測定に用いた座標系を示す斜視図である。

【図５】図１のレンズ付きファイバのコア拡大ファイバ
への入射角φと入射位置ｈに関する作動距離依存性に関
する解析結果を示す作動距離特性図である。

【図６】同じく、コアレスファイバの長さ依存性に関す
る解析結果を示す長さ特性図である。

【図７】同じく、コアレスファイバの凸曲面を球面状と
したときの曲率半径依存性に関する解析結果を示す曲率
半径特性図である。

【図８】標準的なＳＭＦとコア拡大ファイバとの、入射
角φと入射位置ｈとに関する有効集光範囲を示す集光特
性図である。

【図９】作動距離の変化に対する結合損失の変化を示す
変化特性図である。

【図１０】光軸に直交する方向の軸ずれに関する結合損
失を示す結合損失図である。

【図１１】ｘ方向の傾斜に関する結合損失を示す結合損
失図である。

【図１２】ｙ方向の傾斜に関する結合損失を示す結合損
失図である。

【符号の説明】

１レンズ付きファイバ２コアレスファイバ２ａ凸曲面３コア拡大ファイバ３ａコア５レーザダイオードＤ作動距離Ｌ長さ（コアレスファイバの）Ｌa 光軸Ｒ曲率半径（凸曲面の）ｈ入射位置 θ 出射角 φ 入射角

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者松村和仁栃木県宇都宮市若草２丁目１番12号若草第二住宅１−８号 (72)発明者小山直人栃木県宇都宮市陽東２丁目13番７号レジデンス寿102号 (72)発明者大石勇東京都千代田区丸の内２丁目６番１号古河電気工業株式会社内 (72)発明者須賀繁東京都千代田区丸の内２丁目６番１号古河電気工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】コアのない等方性の屈折率を有するファ
イバの一端を凸曲面に加工したコアレスファイバと、一
端のコア径が拡大されたコア拡大ファイバとが、前記コ
アレスファイバの他端と前記コア拡大ファイバの一端と
で接続されたことを特徴とするレンズ付きファイバ。
【請求項２】前記コアレスファイバの凸曲面は、加熱
処理により球面状に加工されている、請求項１のレンズ
付きファイバ。