JPWO2020004354A1 - 光部品、屈折率分布型レンズ付光接続部品及び光部品の製造方法 - Google Patents
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Abstract
本開示は、NA変換機能を有する光部品において、小型かつ組立工程が簡単で製品歩留まりを低下させることなくアレイ化を可能とすることを目的とする。本開示の光部品(91)は、複数の屈折率分布型レンズ(20)の周方向がガラスキャピラリ(10)で覆われたキャピラリ型レンズアレイを用いた光部品であって、屈折率分布型レンズ(20)の光軸方向における光部品(91)の一端(PA)の複数の屈折率分布型レンズ(20)の屈折率分布定数(gA)が、屈折率分布型レンズ(20)の光軸方向における光部品(91)の他端(PB)の複数の屈折率分布型レンズ(20)の屈折率分布定数(gB)よりも小さい。
Description
本開示は、複数の屈折率分布型レンズがキャピラリ内に配列されたキャピラリ型レンズアレイを用いた光部品、当該光部品を備える屈折率分布型レンズ付光接続部品、及び光部品の製造方法に関する。
屈折率分布型レンズは入出射端面が平面でありながらガラスの屈折率を半径方向で連続的に変化させることによって光学レンズとしての機能を備えたものである(例えば、非特許文献1参照。)。屈折率分布型レンズはその長さなどの設計によって容易に出射光を平行ビーム、焦点結像、発散光束などにすることができるため、内視鏡レンズ、生体内エンドマイクロスコープ、2光子顕微鏡、脳内イメージング、レーザやアイソレータ等と光ファイバの結合レンズ、複写機、スキャナー光学系などの広い分野で利用されている。
一般に顕微鏡などの光学系においては、対物レンズのNA(Numerical Aperture)を所定の倍率や分解能にして対象物を観察し、比較的小さなNAの接眼レンズで結像させる。屈折率分布型レンズにおける光学系も同様であり、各種NAの屈折率分布型レンズが現在市販されている。これらの異なるNAの屈折率分布型レンズを組み合わせて種々の光学装置を組み立てることが可能となっている。
屈折率分布型レンズのNAを変える方法としてガラス材料の屈折率を変える方法がある(例えば、特許文献1〜3参照。)。つまり式(1)において最周辺部の屈折率n1を固定して、n0を大きくすればNAが大きくなり、n0を小さくすればNAが小さくなる。n0を変化させる事は屈折率分布型レンズのガラス材料中に含まれる金属元素の量を変えることによって可能となる。このための金属元素としては石英系の屈折率分布型レンズではゲルマニウム、チタン、ジルコン、ボロン、フッ素などであり、多成分系のガラスを用いてイオン拡散法で屈折率分布型レンズを作製する方法では、銀イオン、リチウムイオンなどが代表的である。
上記のようにNAを変化させた屈折率分布型レンズは一般的であるがさらに最近では、単眼の屈折率分布型レンズのみでなく空間的な情報を得るために一次元または二次元のアレイ化された屈折率分布型レンズの必要性が高まっている。NAが変換されかつアレイ化された屈折率分布型レンズは例えば生体内の蛍光について、位置による強度分布を所望の空間分解能で観察する際などに使用される。
アレイ化された屈折率分布型レンズを作製するには、まずアレイの数だけの屈折率分布型レンズを用意し、これらを精密に切削加工されたガラスまたは結晶などを材料としたV溝基板上に置き整列させる。この際屈折率分布型レンズの端面は光学的に研磨されていることが必須でありまたレンズの長さも焦点距離との関連で精密に制御されていなくてはならない。ついでこれらアレイ状になった屈折率分布型レンズの上側からガラスまたは結晶の蓋をかぶせ、紫外線硬化の接着剤などを用いて固定する。
屈折率分布型レンズの両サイドでNAが異なりかつアレイ化された屈折率分布型レンズを作製するには、上記のような通常のアレイ化された屈折率分布型レンズを作製するよりもさらに複雑で寸法制御が難しい工程によらなければならない。
まず金属元素含有量を変えてn0が異なるようにした屈折率分布型レンズを少なくとも2種類以上用意し、これらを各NAの焦点距離または設計の長さに応じて精密に切断研磨し、NAの組み合わせ設計に応じて接着剤または融着接続などで接続して両端でのNAが異なる屈折率分布型レンズにする。これらはアレイの数だけ個別に作製する。ついで、V溝基板などを使ってこれらのNA変換型屈折率分布型レンズを整列させ、ガラス板などで蓋をした後、接着剤で固めるなどの方法によっている。この際、アレイの横方向と長さ方向ともに寸法を精密に合わせなければならない。このため通常の屈折率分布型レンズアレイに比べて製造工程が複雑であり多数の要素部品の組み立てであるため、その寸法を精密にコントロールすることは難しく、製造歩留まりが極めて低いという問題があった。さらには工程が長くその分コストの上昇につながっていた。
西沢紘一、「屈折率分布型レンズの光学」、レーザー学会発行「レーザー研究」、第8巻、第5号、pp.748〜758、(1980)
本開示は、NA変換機能を有する光部品において、小型かつ組立工程が簡単で製品歩留まりを低下させることなくアレイ化を可能とすることを目的とする。
本開示の光部品は、
複数の屈折率分布型レンズの周方向がガラスで覆われたキャピラリ型レンズアレイを用いた光部品であって、前記屈折率分布型レンズの光軸方向における前記光部品の一端の前記複数の屈折率分布型レンズの屈折率分布定数が、前記屈折率分布型レンズの光軸方向における前記光部品の他端の前記複数の屈折率分布型レンズの屈折率分布定数よりも小さい。
複数の屈折率分布型レンズの周方向がガラスで覆われたキャピラリ型レンズアレイを用いた光部品であって、前記屈折率分布型レンズの光軸方向における前記光部品の一端の前記複数の屈折率分布型レンズの屈折率分布定数が、前記屈折率分布型レンズの光軸方向における前記光部品の他端の前記複数の屈折率分布型レンズの屈折率分布定数よりも小さい。
本開示の屈折率分布型レンズ付光接続部品は、本開示の光部品と、前記光部品の前記一端に配置されている前記屈折率分布型レンズに接続されている複数の光ファイバと、を備える。
本開示の屈折率分布型レンズ付光接続部品は、本開示の光部品と、前記光部品の前記他端に接続されているマルチコアファイバと、を備える。
本開示の光部品の製造方法は、
複数の屈折率分布型レンズの周方向がガラスで覆われた複数のキャピラリ型レンズアレイを接続することで光部品を製造する、光部品の製造方法であって、
前記キャピラリ型レンズアレイに備わる各屈折率分布型レンズの屈折率分布定数が、共通のキャピラリ型レンズアレイ内では等しく、キャピラリ型レンズアレイごとに異なり、かつ、前記屈折率分布型レンズの光軸方向に垂直な断面での前記キャピラリ型レンズアレイの外形は、各キャピラリ型レンズアレイで等しく、かつ、前記キャピラリ型レンズアレイに備わる各屈折率分布型レンズは、前記外形を基準とする予め定められた位置に配置され、かつ、前記キャピラリ型レンズアレイごとに予め定められた長さを有する、前記複数のキャピラリ型レンズアレイを、個々のキャピラリ型レンズアレイごとに、屈折率分布型レンズを配置したガラスのロッドを溶融延伸することで作製する、溶融延伸工程と、
前記キャピラリ型レンズアレイの前記外形が一致するように、前記キャピラリ型レンズアレイ同士を前記屈折率分布型レンズの光軸方向で接続することで、前記キャピラリ型レンズアレイに備わる各屈折率分布型レンズを接続する、接続工程と、
を備える。
複数の屈折率分布型レンズの周方向がガラスで覆われた複数のキャピラリ型レンズアレイを接続することで光部品を製造する、光部品の製造方法であって、
前記キャピラリ型レンズアレイに備わる各屈折率分布型レンズの屈折率分布定数が、共通のキャピラリ型レンズアレイ内では等しく、キャピラリ型レンズアレイごとに異なり、かつ、前記屈折率分布型レンズの光軸方向に垂直な断面での前記キャピラリ型レンズアレイの外形は、各キャピラリ型レンズアレイで等しく、かつ、前記キャピラリ型レンズアレイに備わる各屈折率分布型レンズは、前記外形を基準とする予め定められた位置に配置され、かつ、前記キャピラリ型レンズアレイごとに予め定められた長さを有する、前記複数のキャピラリ型レンズアレイを、個々のキャピラリ型レンズアレイごとに、屈折率分布型レンズを配置したガラスのロッドを溶融延伸することで作製する、溶融延伸工程と、
前記キャピラリ型レンズアレイの前記外形が一致するように、前記キャピラリ型レンズアレイ同士を前記屈折率分布型レンズの光軸方向で接続することで、前記キャピラリ型レンズアレイに備わる各屈折率分布型レンズを接続する、接続工程と、
を備える。
本開示によれば、NA変換機能を有する光部品において、小型かつ組立工程が簡単で製品歩留まりを低下させることなくアレイ化を可能とすることができる。
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本開示は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本開示は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
(基本構成)
図1〜図4に、本開示に係る光部品の第1〜第4の構成例を示す。第1〜第4の構成例に係る光部品91は、複数の屈折率分布型レンズ20の周方向がキャピラリ10で覆われたキャピラリ型レンズアレイを用いた光部品である。キャピラリ10は、石英ガラスなどのシリカを主成分とするガラスキャピラリである。屈折率分布型レンズ20は、半径方向に屈折率分布をもつ円筒状のレンズであり、本開示ではシリカを主成分とするガラスに金属成分を濃度分布させたものを用いる。複数の屈折率分布型レンズ20は、キャピラリ10の長軸方向に沿って配置されている。
図1〜図4に、本開示に係る光部品の第1〜第4の構成例を示す。第1〜第4の構成例に係る光部品91は、複数の屈折率分布型レンズ20の周方向がキャピラリ10で覆われたキャピラリ型レンズアレイを用いた光部品である。キャピラリ10は、石英ガラスなどのシリカを主成分とするガラスキャピラリである。屈折率分布型レンズ20は、半径方向に屈折率分布をもつ円筒状のレンズであり、本開示ではシリカを主成分とするガラスに金属成分を濃度分布させたものを用いる。複数の屈折率分布型レンズ20は、キャピラリ10の長軸方向に沿って配置されている。
屈折率分布型レンズ20の屈折率nの分布は次式で表される。
(数2)
n2(r)=n0 2{1−(gr)2}
ここで、n(r)は光軸から半径方向に距離r離れた位置での屈折率、n0は光軸上での屈折率、gは屈折率分布定数である。
(数2)
n2(r)=n0 2{1−(gr)2}
ここで、n(r)は光軸から半径方向に距離r離れた位置での屈折率、n0は光軸上での屈折率、gは屈折率分布定数である。
光部品91の一端PAでの屈折率分布型レンズ20の光軸を発光点としたとき、屈折率分布型レンズ20は、光部品91の一端PAから屈折率分布型レンズ20を透過した光が0.5ピッチごとに屈折率分布型レンズ20の光軸に収束する。ここで、一端PA及び他端PBは、それぞれ屈折率分布型レンズ20の光軸方向における光部品91の一端PA及び他端PBである。
屈折率分布型レンズ20のピッチPは、無次元の数であり、次式で表される。
(数3)
P=2π/g
式(3)より、ピッチPは屈折率分布定数gが大きくなるにつれて小さくなることが分かる。
(数3)
P=2π/g
式(3)より、ピッチPは屈折率分布定数gが大きくなるにつれて小さくなることが分かる。
式(4)より、屈折率分布定数gは、光軸上の屈折率n0が大きくなれば大きくなり、屈折率分布型レンズ20のレンズ半径r1が小さくなれば大きくなることがわかる。したがって、光軸上の屈折率n0を大きくするか、又は屈折率分布型レンズ20のレンズ半径r1を小さくし、これらの少なくともいずれかによって屈折率分布定数gを大きくすることで、屈折率分布型レンズ20のNAを実効的に大きくすることができる。
本開示は、キャピラリ型レンズアレイを用いた光部品91において、一端PAから地点PCまでの長さLAの領域90Aの屈折率分布定数がgAであり、地点PCから他端PBまでの長さLBの領域90Bの屈折率分布定数がgBである場合、gBがgAより大きい。gBをgAより大きくするためには、領域90Bの光軸上の屈折率n0を領域90Aよりも大きくするか、又は、領域90Bの屈折率分布型レンズ20のレンズ半径を領域90Aよりも小さくすればよい。
図5〜図7に、屈折率分布型レンズ20の屈折率分布例を示す。図中における符号は以下のとおりである。nA(r)は、一端PA及び地点PCでの屈折率分布型レンズ20の屈折率分布を示す。n0Aは、一端PA及び地点PCでの屈折率分布型レンズ20の光軸上での屈折率を示す。nB(r)は、他端PBでの屈折率分布型レンズ20の屈折率分布を示す。n0Bは、他端PBでの屈折率分布型レンズ20の光軸上での屈折率を示す。RAは、光部品91の一端PA及び地点PCでの複数の屈折率分布型レンズ20のレンズ半径を示す。RBは、光部品91の他端PBでの複数の屈折率分布型レンズ20のレンズ半径を示す。
図1に示す光部品の第1の構成例は、図5に示す第1の屈折率分布例の具体例であり、領域90A及び90Bの屈折率分布型レンズ20のレンズ半径が等しい。第1の屈折率分布例では、n0Bをn0Aよりも大きくすることで、gBをgAよりも大きくする。
図2に示す光部品の第2の構成例は、図6に示す第2の屈折率分布例及び図7に示す第3の屈折率分布例の具体例であり、領域90A及び90Bの屈折率分布型レンズ20のレンズ半径が異なる一定値を有する。第2の屈折率分布例では、RBをRAよりも小さくすることで、gBをgAよりも大きくする。第2の屈折率分布例は、図6に示すように、n0A及びn0Bを等しくすることができる。第3の屈折率分布例では、RBをRAよりも小さくし、さらにn0Bをn0Aよりも大きくする。第3の屈折率分布例は、第2の屈折率分布例に比べてgBとgAの差をより大きくすることができる。さらに、第3の屈折率分布例では、図7に示すように、nA(rC)=nB(rC)=nCとなる。このため、領域90Aからの光をrCの位置で領域90Bに入射させることで、地点PCでの光の反射を防ぐことができる。
図3に示す光部品の第3の構成例及び図4に示す光部品の第4の構成例は、図6に示す第2の屈折率分布例及び図7に示す第3の屈折率分布例の具体例であり、領域90Bの屈折率分布型レンズ20のレンズ半径が徐々に小さくなるテーパ状になっている。すなわち、第2の屈折率分布例及び第3の屈折率分布例において、領域90BのrをRAからRBに徐々に減少させることで、gBをgAよりも大きくする。光部品の第3の構成例では領域90A及び90Bのキャピラリ10の外径が一定であるが、光部品の第4の構成例では領域90Bのキャピラリ10の外径もテーパ状になっている。
光部品の第1の構成例〜光部品の第4の構成例の製造方法は任意である。例えば、領域90A及び90Bを個別のキャピラリ型レンズアレイとして作製し、接着剤又は溶融にて互いに接続する。個別のキャピラリ型レンズアレイは、例えば、キャピラリ10に貫通孔を設け、貫通孔内で屈折率分布型レンズ20を固定する。光部品の第1の構成例〜光部品の第3の構成例について、領域90A及び90Bのキャピラリ10の外径は任意であるが、製品歩留まりの観点からは一定であることが好ましい。
図8に、屈折率分布型レンズ20での光線軌跡の一例を示す。領域90Aの長さLAは、光部品91の一端PAでの屈折率分布型レンズ20の光軸を発光点としたとき、光部品91の一端PAから屈折率分布型レンズ20を透過した光が収束を始める1/4ピッチを超える長さである。光部品91の一端PAから地点PCまでの領域90Aを一定の屈折率分布定数gAとし、地点PCで屈折率分布定数をgAよりも大きなgBに切り替える。これにより、光部品91の他端PBで光線を収束させ、実効的にNAを大きくする。
本開示では、地点PCで屈折率分布定数がgBに切り替わるため、光部品91の一端PAでの屈折率分布型レンズ20の光軸を発光点としたときの、光部品91の一端PAから当該屈折率分布型レンズ20を透過した光が、1/2ピッチよりも手前で収束する。すなわち、本開示は、光部品91の屈折率分布型レンズ20の光軸方向における長さ(LA+LB)が、光部品91の一端PAでの屈折率分布型レンズ20の光軸を発光点としたときの、光部品91の一端PAから当該屈折率分布型レンズ20を透過した光が最初に収束する点(図8に示す1/2ピッチの地点)までの長さよりも、短い。したがって、他端PBにおける出射角は1/2ピッチの地点より大きく、NAが大きくなる。
図9及び図10に、本開示に係る光部品の断面形状の具体例を示す。図9では、1つのキャピラリ10内に、屈折率分布型レンズ20が1列に配列されている例を示す。屈折率分布型レンズ20の本数は任意であり、例えば、図9に示すような4本であってもよいし、図10(a)及び図10(b)に示すような8本であってもよいし、図10(c)及び図10(d)に示すような8本よりも多い任意の数であってもよい。
キャピラリ10の断面における外周形状は任意である。例えば、図1から図4に示すような円形であってもよいし、図9に示すような外周の一部に切り欠き15が設けられていている形状であってもよいし、図10(d)に示すような方形であってもよい。
本開示に係る光部品の断面形状は、図10(d)に示すようなMT(Mechanical Transfer)コネクタなどのコネクタの形状であってもよい。またキャピラリ10には、ガイドピンを挿入するための貫通孔16が設けられていてもよい。
以上説明したように、本開示は、光部品91の一端PAに比べ、光部品91の他端PBのNAを大きくすることができる。ここで、本開示は、キャピラリ型レンズアレイを用いているため、V溝を有するガラス基板を用いることなくアレイ化を行うことができる。さらに、本開示のキャピラリ型レンズアレイは、ガラス製の複数の屈折率分布型レンズ20がガラス製のキャピラリ10で覆われているため、溶融延伸を用いることで、歩留まりよく製造することができる。したがって、本開示は、NA変換機能を有する光部品において、部品を大型化させることなくかつ製品歩留まりを低下させることなくアレイ化を可能にすることができる。
(第1の実施形態)
図11に、本実施形態に係る光部品の構成例を示す。本実施形態に係る光部品91は、複数のキャピラリ型レンズアレイ91A、91B、91Cが、屈折率分布型レンズ20の光軸方向に、光部品91の一端PAから他端PBに向けて順に接続されている。キャピラリ型レンズアレイ91Aに備わる屈折率分布型レンズ20の屈折率分布定数はg21であり、キャピラリ型レンズアレイ91Bに備わる屈折率分布型レンズ20の屈折率分布定数はg22であり、キャピラリ型レンズアレイ91Cに備わる屈折率分布型レンズ20の屈折率分布定数はg23である。屈折率分布定数g21、g22、g23は、キャピラリ型レンズアレイ91A、91B、91ごとに異なり、g21<g22<g23である。本実施形態では接続するキャピラリ型レンズアレイの数が3である場合を示すが、接続するキャピラリ型レンズアレイの数は2以上の任意の数を採用しうる。
図11に、本実施形態に係る光部品の構成例を示す。本実施形態に係る光部品91は、複数のキャピラリ型レンズアレイ91A、91B、91Cが、屈折率分布型レンズ20の光軸方向に、光部品91の一端PAから他端PBに向けて順に接続されている。キャピラリ型レンズアレイ91Aに備わる屈折率分布型レンズ20の屈折率分布定数はg21であり、キャピラリ型レンズアレイ91Bに備わる屈折率分布型レンズ20の屈折率分布定数はg22であり、キャピラリ型レンズアレイ91Cに備わる屈折率分布型レンズ20の屈折率分布定数はg23である。屈折率分布定数g21、g22、g23は、キャピラリ型レンズアレイ91A、91B、91ごとに異なり、g21<g22<g23である。本実施形態では接続するキャピラリ型レンズアレイの数が3である場合を示すが、接続するキャピラリ型レンズアレイの数は2以上の任意の数を採用しうる。
本実施形態では、光部品91の一端PA側にはキャピラリ型レンズアレイ91Aが配置されている。このため、本実施形態では、キャピラリ型レンズアレイ91Aが第1のキャピラリ型レンズアレイとして機能する。キャピラリ型レンズアレイ91A及び91Bの接続面が地点PCに配置されている。このため、本実施形態では、キャピラリ型レンズアレイ91Bが第2のキャピラリ型レンズアレイとして機能する。
図12に、本実施形態に係る光部品の、図1に示す光部品の第1の構成例への適用例を示す。図13に、本実施形態に係る光部品の、図2に示す光部品の第2の構成例への適用例を示す。キャピラリ型レンズアレイ91A、91B、91Cは、それぞれ、複数の屈折率分布型レンズ21、22、23の周方向がキャピラリ11、12、13で覆われている。屈折率分布型レンズ21、22、23の光軸は同一直線上に配置されるよう、キャピラリ11、12、13の外周に対する屈折率分布型レンズ21、22、23の位置はキャピラリ型レンズアレイ91A、91B、91Cで共通している。例えば、屈折率分布型レンズ21の光軸の間隔D21、屈折率分布型レンズ22の光軸の間隔D22、屈折率分布型レンズ23の光軸の間隔D23は等しい。
図14に、図12に示す屈折率分布型レンズ21、22、23の屈折率n21、n22、n23の一例を示す。図12に示す光部品の第1の構成例への適用例では、屈折率分布型レンズ21、22、23のレンズ半径R21、R22、R23が等しく、キャピラリ11、12、13の外径Φ11、Φ12、Φ13も等しい。屈折率分布型レンズ21、22、23の光軸上での屈折率n021、n022、n023は、屈折率分布型レンズ21、22、23の順に大きくなっている(n021<n022<n023)。
図15に、図13に示す屈折率分布型レンズ21、22、23の屈折率分布n21(r)、n22(r)、n23(r)の一例を示す。図13に示す光部品の第2の構成例への適用例では、屈折率分布型レンズ21、22、23のレンズ半径R21、R22、R23が順に小さくなっており、キャピラリ11、12、13の外径Φ11、Φ12、Φ13が等しい。屈折率分布型レンズ21、22、23の光軸上での屈折率n021、n022、n023は、図15に示すように等しくてもよいが、図14に示すように異なっていてもよい。
図12及び図13の構成では、キャピラリ11、12、13の外径Φ11、Φ12、Φ13が等しく、キャピラリ11、12、13の外周に対する屈折率分布型レンズ21、22、23の位置はキャピラリ型レンズアレイ91A、91B、91Cで共通している。このため、本実施形態では、キャピラリ11、12、13の外周形状が一致するようにキャピラリ型レンズアレイ91A、91B、91Cを接続することで、屈折率分布型レンズ21、22、23を接続することができる。
図16に、屈折率分布型レンズ21、22、23が図15に示す光軸上の屈折率が等しく、レンズ半径がR21、R22、R23の順に小さくなっている組み合わせでの光線軌跡の一例を示す。図中のレンズ長z=L1の領域が屈折率分布型レンズ21を示し、図中のレンズ長z=L2の領域が屈折率分布型レンズ22を示し、図中のレンズ長z=L3の領域が屈折率分布型レンズ23を示す。
キャピラリ型レンズアレイ91A、91B、91Cの長さL1、L2、L3は、光線軌跡に応じて予め定められる。例えば、長さL1は、光部品91の一端PAでの屈折率分布型レンズ21の光軸を発光点とする光が収束し始めるよう、1/4ピッチよりも長くする。さらに、地点PCにおける屈折率分布型レンズ21から屈折率分布型レンズ22への入射光の光軸からの距離rCが、屈折率分布型レンズ22のレンズ半径R22より小さくなるようにL1が設定される。
同様に、長さL2は地点PDにおける屈折率分布型レンズ22から屈折率分布型レンズ23への入射光の光軸からの距離rDが、屈折率分布型レンズ23のレンズ半径R23より小さくなるように設定される。
長さL3は、光部品91の一端PAでの屈折率分布型レンズ21の光軸を発光点とする光が光部品91の他端PB又はその外側で最初に収束する点までの光線軌跡に基づいて定められる。ここでの入射光は、屈折率分布型レンズ21の伝搬光のうちの光軸から最も離れた最周辺部を伝搬する光を考慮する。
また、長さL3は、屈折率分布型レンズ22からの入射光が屈折率分布型レンズ23で湾曲されて光軸に収束するかその前の長さを有する。これにより、光部品91の一端PAでの屈折率分布型レンズ21の光軸を発光点とする光を、光部品91の他端PB又はその外側で収束させることができる。
ここで、光部品91の他端PBに配置されているキャピラリ型レンズアレイ91Cの長さL3が0.1mm以上であることが好ましい。これにより、後述する溶融延伸工程におけるキャピラリ型レンズアレイ91Cの作製及び接続工程におけるキャピラリ型レンズアレイ91Cの接続が容易になる。
本実施形態に係る光部品の製造方法について説明する。本実施形態に係る光部品の製造方法は、本実施形態に係る光部品91の製造方法であって、溶融延伸工程と、接続工程と、を備える。
溶融延伸工程では、図12又は図13に示すキャピラリ型レンズアレイ91A、91B、91Cを作製する。図12及び図13に示す屈折率分布型レンズ21、22、23の屈折率分布定数g21、g22、g23は、それぞれ異なる。そこで、ガラスのロッドを溶融延伸することで、キャピラリ型レンズアレイ91A、91B、91Cを個別に作製する。本開示は、溶融延伸を用いてキャピラリ型レンズアレイ91A、91B、91Cを作製するため、キャピラリ型レンズアレイ91A、91B、91Cを歩留まりよく量産することができる。
例えば、図12に示すキャピラリ型レンズアレイ91Aの場合、キャピラリ型レンズアレイ91A、91B、91Cに共通の外径を有するキャピラリの母材となるガラスのロッドと、屈折率分布型レンズ21、22、23に共通のn0を有しかつR21に応じた径を有する屈折率分布型レンズを用意する。ここで、本開示では、溶融延伸を用いるため、R21に応じた径でありかつそれよりも大きい径を有する屈折率分布型レンズを用意する。そして、ガラスのロッドにアレイの数に応じた複数の貫通孔を設け、R21に応じた径を有する屈折率分布型レンズを各貫通孔に挿入し、ガラスのロッドの外径がΦ11でありかつ屈折率分布型レンズ21のレンズ半径がR21になるように溶融延伸する。貫通孔は、例えば切削加工を用いる。そして、キャピラリ型レンズアレイ91Aの長さがL1になるように切断し研磨する。これにより、キャピラリ型レンズアレイ91Aを作製することができる。キャピラリ型レンズアレイ91B、91Cについても同様である。
例えば、図13に示すキャピラリ型レンズアレイ91Aの場合、キャピラリ型レンズアレイ91A、91B、91Cに共通の外径を有するキャピラリの母材となるガラスのロッドと、R21に応じた径でありかつ光軸上での屈折率がn021の屈折率分布型レンズを用意する。ここで、本開示では、溶融延伸を用いるため、R21=R22=R23に応じた径でありかつそれよりも大きい径を有する屈折率分布型レンズを用意する。そして、ガラスのロッドにアレイの数に応じた複数の貫通孔を設け、屈折率分布型レンズ21に応じた屈折率n021を有する屈折率分布型レンズを各貫通孔に挿入し、ガラスのロッドの外径がΦ11でありかつ屈折率分布型レンズ21のレンズ半径がR21=R22=R23になるように溶融延伸する。そして、キャピラリ型レンズアレイ91Aの長さがL1になるように切断し研磨する。これにより、キャピラリ型レンズアレイ91Aを作製することができる。キャピラリ型レンズアレイ91B、91Cについても同様である。
ここで、溶融延伸工程において用意する屈折率分布型レンズは、VAD(Vapor−phase Axial Deposition)法を用いて作製されたものが好ましく、これにより大型の母材が可能になるとともに、溶融延伸を行っても透過特性への影響を受けにくくすることができる。
また溶融延伸工程では、屈折率分布型レンズ21、22、23の光軸方向に垂直な断面での外形の等しいキャピラリ型レンズアレイ91A、91B、91Cを作製する。例えば、図12及び図13に示す外径Φ11、Φ12、Φ13の等しいキャピラリ型レンズアレイ91A、91B、91Cを作製する。また、ガラスのロッドに複数の貫通孔を設ける際、キャピラリ11、12、13の外形を基準とする予め定められた位置に貫通孔を配置する。
したがって、本開示は、キャピラリ型レンズアレイ91A、91B、91Cの作製において、アレイ化の組立工程が不要であり、寸法制御も容易である。さらに、キャピラリ型レンズアレイ91A内において、複数の屈折率分布型レンズ21が接着剤を用いずにガラスで固定されているため、キャピラリ型レンズアレイ91A内での接着剤はがれが生じることもなく、取り扱いが容易である。キャピラリ型レンズアレイ91B、91Cについても同様である。
接続工程では、キャピラリ型レンズアレイ91A、91B、91Cの外形が一致するように、キャピラリ型レンズアレイ91A、91B、91C同士を屈折率分布型レンズ21、22、23の光軸方向で接続する。キャピラリ型レンズアレイ91A、91B、91Cの接続方法は、任意であるが、例えば、接着剤による接着や溶融接続を用いることができる。本実施形態では、キャピラリ11、12、13の外形を基準として屈折率分布型レンズ21、22、23の配置が予め定められているため、キャピラリ型レンズアレイ91A、91B、91Cに備わる各屈折率分布型レンズ21、22、23を接続することができる。
本実施形態では、溶融延伸工程において、複数のキャピラリ型レンズアレイのガラスの外周の予め定められた共通の位置に切り欠きを設けることが好ましい。これにより、図9に示すような、キャピラリ11、12、13の外周のうちの、屈折率分布型レンズ21、22、23に対する予め定められた位置に、切り欠き15を設ける。この場合、接続工程において、キャピラリ型レンズアレイ91A、91B、91Cの外形及び切り欠き15が一致するように、キャピラリ型レンズアレイ91A、91B、91C同士を屈折率分布型レンズの光軸方向で接続する。これにより、接続工程における屈折率分布型レンズ21、22、23の接続を容易に行うことができる。
なお、本実施形態のキャピラリ型レンズアレイ91B及び91Cの少なくともいずれかは、図3に示す領域90Bのように、屈折率分布型レンズ20のレンズ径がテーパ状になっていてもよい。
(第2の実施形態)
図4に、本実施形態に係る光部品の構成例を示す。本実施形態に係る光部品91は、屈折率分布型レンズ20の光軸方向におけるキャピラリ型レンズアレイの少なくとも一部に、一端PA側から他端PB側に向けて屈折率分布型レンズ20のレンズ半径が図6に示すRAからRBに連続的に縮小するテーパを有する。
図4に、本実施形態に係る光部品の構成例を示す。本実施形態に係る光部品91は、屈折率分布型レンズ20の光軸方向におけるキャピラリ型レンズアレイの少なくとも一部に、一端PA側から他端PB側に向けて屈折率分布型レンズ20のレンズ半径が図6に示すRAからRBに連続的に縮小するテーパを有する。
テーパは、屈折率分布型レンズ20の軸方向の任意の位置に配置しうる。本実施形態では、その一例として、図4に示す領域90Bのように、光部品91の他端PB側に配置される例を示す。光部品91の一端PA、他端PB及び地点PCでの屈折率分布型レンズ20の屈折率分布例は、図6で説明したとおりである。また光部品91の光線軌跡は図8で説明したとおりである。テーパの角度は任意である。
本実施形態に係る光部品の製造方法について説明する。本実施形態に係る光部品の製造方法は、溶融延伸工程を備える。本実施形態での溶融延伸工程は、キャピラリの母材となるガラスのロッドと屈折率分布型レンズを用意し、ガラスのロッドにアレイの数に応じた複数の貫通孔を設け、屈折率分布型レンズを各貫通孔に挿入し、溶融延伸する。このとき、領域90Aを一定の速度で延伸し、領域90Bでの延伸速度を領域90Aよりも速くする。そして、領域90Aが長さLAになり、領域90Bが長さLBになるように切断し研磨する。これにより、本実施形態の光部品91を作製することができる。
本実施形態においても、キャピラリ型レンズアレイの作製において、アレイ化の組立工程が不要であり、寸法制御も容易である。さらに、接着剤を用いずに屈折率分布型レンズ20を配列して固定するため、接着剤はがれが生じることもない。なお、本実施形態においても、溶融延伸工程において用意する屈折率分布型レンズはVAD法を用いて作製されたものが好ましい。
図17(a)に、第1のテーパの形態例を示す。第1のテーパの形態例は、一端PA側に配置されている地点PCから他端PB側に向けて屈折率分布型レンズ20のレンズ半径の縮小量が大きくなる凸状のテーパである。凸状のテーパとすることで、後述するように、NAをより大きくすることができる。
図17(b)に、第2のテーパの形態例を示す。第2のテーパの形態例は、一端PA側に配置されている地点PCから他端PB側に向けて屈折率分布型レンズ20のレンズ半径の縮小量が小さくなる凹状のテーパである。凹状のテーパの場合、他端PBでの屈折率分布定数gBの変化がなだらかになるため、他端PBを研磨する際の屈折率分布定数の調整が容易になる。このため、光部品91の製造が容易になる。
図17(c)に、第3のテーパの形態例を示す。第3のテーパの形態例は、一端PA側に配置されている地点PCから他端PB側に向けて屈折率分布型レンズ20のレンズ半径の縮小量が一定の直線状のテーパである。直線状のテーパとすることで、溶融延伸工程における領域90Bでの延伸速度の調整が容易になる。このため、光部品91の製造が容易になる。
図18に、屈折率分布型レンズ20のレンズ半径の縮小量を変化させた場合の光線軌跡の解析例を示す。図18では、レンズ長zが1/4ピッチ以上の領域のみを表示する。L0は、屈折率分布型レンズ20のレンズ半径を0.5mmで一定に保った場合を示す。L0.02は、屈折率分布型レンズ20のレンズ半径を0.02mmずつz方向に一定に縮小した場合を示す。L0.05は、屈折率分布型レンズ20のレンズ半径を0.05mmずつz方向に一定に縮小した場合を示す。L0.069は、屈折率分布型レンズ20のレンズ半径を0.069mmずつz方向に一定に縮小した場合を示す。L0、L0.02、L0.05、L0.069のいずれも、n0=1.477を用いた。
図18に示すように、L0と比較してL0.02は急なサインカーブを描く。このため、屈折率分布型レンズ20のレンズ半径の縮小量を増加させることで、NAを実効的に大きくすることができることが分かる。また、L0.02、L0.05、L0.069を比較すると、次第にNAが実効的に大きくなっていることが分かる。ただし、L0.069では光線軌跡が急激に湾曲しており、これよりも急激なテーパ角度をつけると、光線が屈折率分布型レンズ20から漏れ出す可能性がある。このように、光線が屈折率分布型レンズ20から漏れ出す限界に近いテーパの角度とすることで、NAをより大きくすることができる。
図19に、第1の実施形態と第2の実施形態との組み合わせの一例を示す。図19に示す光部品91は、第1の実施形態で説明した図13に示すキャピラリ型レンズアレイ91B、91Cに代えて、第2の実施形態に係る図4に示す光部品91がキャピラリ型レンズアレイ91Dとして配置されている。この構成では、キャピラリ型レンズアレイ91Dに備わる領域90Aの屈折率分布定数及び長さは、キャピラリ型レンズアレイ91Bと同様にg22及びL2に設定される。
(第3の実施形態)
図20に、本実施形態に係る屈折率分布型レンズ付光接続部品の一例を示す。本開示に係る屈折率分布型レンズ付光接続部品は、ファイバアレイ光接続部品として機能し、本開示に係る光部品91の一端PA側に光ファイバアレイ30が接続されている。
図20に、本実施形態に係る屈折率分布型レンズ付光接続部品の一例を示す。本開示に係る屈折率分布型レンズ付光接続部品は、ファイバアレイ光接続部品として機能し、本開示に係る光部品91の一端PA側に光ファイバアレイ30が接続されている。
光ファイバアレイ30は、光部品91の一端PAでの屈折率分布型レンズ20の位置に光ファイバ31の配置されている任意の光ファイバアレイである。光部品91の一端PAでの各屈折率分布型レンズ20の間隔は、光ファイバアレイに備わる光ファイバの間隔と一致している。例えば、光ファイバアレイの光ファイバのコア間隔及び屈折率分布型レンズ20の光軸の間隔は125μmである。
光部品91は、前述の実施形態の任意の構成を採用することができる。図20では、光部品の一例として、図4に示す領域90Bの構成を採用している例を示す。このように、本開示の光部品91は、各屈折率分布型レンズ20の全ての領域がテーパ形状を有する構成を含む。
特に、第2の実施形態で説明した図4に示すテーパ形状を有する光部品91では、延伸することで、光部品91の他端PBにおいて、NAを大きくするだけでなく、屈折率分布型レンズ20の間隔を狭めることができる。このため、光部品91の他端PBでの屈折率分布型レンズ20の間隔が20μmになるような光部品91を作製することができる。このように屈折率分布型レンズと一体接続されたファイバアレイは光ファイバで光学的像や情報を空間情報も含めて抽出する際に極めて重要な光部品となる。
本開示は、光ファイバアレイ30に代えて、コア32を有するマルチコアファイバ又は光回路が接続されている形態を含む。
(第4の実施形態)
図21に、本実施形態に係る屈折率分布型レンズ付光接続部品の一例を示す。本実施形態に係る屈折率分布型レンズ付光接続部品は、マルチコアファイバ光接続部品として機能し、光部品91の他端PBにマルチコアファイバ40が接続されている。
図21に、本実施形態に係る屈折率分布型レンズ付光接続部品の一例を示す。本実施形態に係る屈折率分布型レンズ付光接続部品は、マルチコアファイバ光接続部品として機能し、光部品91の他端PBにマルチコアファイバ40が接続されている。
マルチコアファイバ40は、光部品91の他端PBでの屈折率分布型レンズ20の位置にコア42の配置されている任意のマルチコアファイバである。光部品91の他端PBでの各屈折率分布型レンズ20の間隔は、マルチコアファイバ40に備わるコア42の間隔と一致している。
本開示は、マルチコアファイバ40に代えて、コア42を有する光回路が接続されている形態を含む。
(第5の実施形態)
図22に、本実施形態に係る屈折率分布型レンズ付光接続部品の一例を示す。本実施形態に係る屈折率分布型レンズ付光接続部品は、光部品91の一端PA側に光ファイバアレイ30が接続され、光部品91の他端PBにマルチコアファイバ40が接続されている。
図22に、本実施形態に係る屈折率分布型レンズ付光接続部品の一例を示す。本実施形態に係る屈折率分布型レンズ付光接続部品は、光部品91の一端PA側に光ファイバアレイ30が接続され、光部品91の他端PBにマルチコアファイバ40が接続されている。
光ファイバアレイ30及びマルチコアファイバ40は、第3の実施形態及び第4の実施形態と同様の構成を採用することができる。
本開示は、コア42の径が10μmでありかつ外径が150μmのマルチコアファイバ40と、コア32の径が10μmでありかつ外径が125μmの光ファイバ31と、の接続に適用することができる。これにより、本開示は、マルチコアファイバ40に備わる各コア42からの光を個別の光ファイバ31にファンアウトし、各光ファイバ31からの光を個別のコア42にファンインすることができる。光ファイバ31及びマルチコアファイバ40の伝搬モードはシングルモードであってもよいしマルチモードであってもよい。
光部品91は、屈折率分布型レンズ20同士の間に、キャピラリ10の屈折率よりも低屈折率の低屈折率層(不図示)が配置されていることが好ましい。これより、光部品91内でのクロストークを防ぐことができる。
低屈折率層は、フッ素などの屈折率を下げる任意の物質が添加されている任意の部材で形成することができる。また低屈折率層は、屈折率分布型レンズ20同士の間の任意の位置に配置されていてもよいが、屈折率分布型レンズ20の周囲に設けることが好ましい。この場合、屈折率分布型レンズ20の母材の周囲に低屈折率層を設けた状態で、キャピラリ10の母材となるガラスロッドの貫通孔に配置し、溶融延伸することで、低屈折率層の設けられた光部品91を製造することができる。
図23に示すように、マルチコアファイバ40についても、クロストークを防ぐため、コア42の周囲に低屈折率層43が配置されている、ダブルクラッドファイバであることが好ましい。また光ファイバ31についても、クロストークを防ぐため、コア32の周囲に低屈折率層33が配置されている、ダブルクラッドファイバであることが好ましい。
本開示は医療・工業用の内視鏡、生体内分析・観察、脳内神経反応のイメージング、情報通信産業に適用することができる。
10、11、12、13:キャピラリ
15:切り欠き
16:貫通孔
20、21、22、23:屈折率分布型レンズ
30:光ファイバアレイ
31:光ファイバ
32、42:コア
33、43:低屈折率層
40:マルチコアファイバ
90A、90B:領域
91:光部品
91A、91B、91C、91D:キャピラリ型レンズアレイ
15:切り欠き
16:貫通孔
20、21、22、23:屈折率分布型レンズ
30:光ファイバアレイ
31:光ファイバ
32、42:コア
33、43:低屈折率層
40:マルチコアファイバ
90A、90B:領域
91:光部品
91A、91B、91C、91D:キャピラリ型レンズアレイ
Claims (15)
- 複数の屈折率分布型レンズの周方向がガラスで覆われたキャピラリ型レンズアレイを用いた光部品であって、
前記屈折率分布型レンズの光軸方向における前記光部品の一端の前記複数の屈折率分布型レンズの屈折率分布定数が、前記屈折率分布型レンズの光軸方向における前記光部品の他端の前記複数の屈折率分布型レンズの屈折率分布定数よりも小さい、
光部品。 - 前記光部品の前記他端の前記複数の屈折率分布型レンズのレンズ半径が、前記光部品の前記一端の前記複数の屈折率分布型レンズのレンズ半径よりも小さい、
請求項1に記載の光部品。 - 前記光部品の前記一端での前記複数の屈折率分布型レンズの屈折率分布定数が、前記光部品の前記一端から1/4ピッチまで一定である、
請求項1又は2に記載の光部品。 - 前記光部品の前記屈折率分布型レンズの光軸方向における長さが、前記光部品の前記一端での前記屈折率分布型レンズの光軸を発光点としたときの、前記光部品の前記一端から当該屈折率分布型レンズを透過した光が最初に収束する点までの長さよりも、短い、
請求項1から3のいずれかに記載の光部品。 - 複数の前記キャピラリ型レンズアレイが前記屈折率分布型レンズの光軸方向に接続されており、
複数の前記キャピラリ型レンズアレイのうちの互いに接続されている第1のキャピラリ型レンズアレイ及び第2のキャピラリ型レンズアレイの接続面において、前記第1のキャピラリ型レンズアレイに備わる各屈折率分布型レンズの端面と前記第2のキャピラリ型レンズアレイに備わる各屈折率分布型レンズの端面とが互いに接続されており、
前記光部品の前記一端側に配置されている前記第1のキャピラリ型レンズアレイに備わる屈折率分布型レンズの屈折率分布定数は、一定であり、かつ、
前記光部品の前記他端側に配置されている前記第2のキャピラリ型レンズアレイに備わる屈折率分布型レンズの屈折率分布定数は、一定でありかつ前記第1のキャピラリ型レンズアレイに備わる屈折率分布型レンズの屈折率分布定数よりも大きい、
請求項1から4のいずれかに記載の光部品。 - 前記第1のキャピラリ型レンズアレイに備わる屈折率分布型レンズの光軸と前記第2のキャピラリ型レンズアレイに備わる屈折率分布型レンズの光軸とは一致し、
前記光部品の前記一端での前記屈折率分布型レンズの光軸を発光点としたときの、前記光部品の前記一端から当該屈折率分布型レンズを透過した光の前記接続面での前記第1のキャピラリ型レンズアレイから前記第2のキャピラリ型レンズアレイへの入射光の光軸からの距離が、前記第2のキャピラリ型レンズアレイに備わる屈折率分布型レンズのレンズ半径より小さくなるように、前記第1のキャピラリ型レンズアレイの長さが設定されている、
請求項5に記載の光部品。 - 複数の前記キャピラリ型レンズアレイのうちの最も前記光部品の前記他端側に配置されているキャピラリ型レンズアレイの前記屈折率分布型レンズの光軸方向の長さが0.1mm以上である、
請求項5又は6に記載の光部品。 - 前記屈折率分布型レンズの光軸方向における前記キャピラリ型レンズアレイの少なくとも一部に、前記一端側から前記他端側に向けて前記屈折率分布型レンズのレンズ半径が縮小するテーパを有する、
請求項1から7のいずれかに記載の光部品。 - 前記テーパは、前記屈折率分布型レンズの光軸の断面形状が凸状のテーパである、
請求項8に記載の光部品。 - 前記テーパは、前記屈折率分布型レンズの光軸の断面形状が凹状のテーパである、
請求項8に記載の光部品。 - 前記テーパは、前記屈折率分布型レンズの光軸の断面形状が直線状のテーパである、
請求項8に記載の光部品。 - 請求項1から11のいずれかに記載の光部品と、
前記光部品の前記一端に配置されている前記屈折率分布型レンズに接続されている複数の光ファイバと、
を備える屈折率分布型レンズ付光接続部品。 - 請求項1から11のいずれかに記載の光部品と、
前記光部品の前記他端に接続されているマルチコアファイバと、
を備える屈折率分布型レンズ付光接続部品。 - 複数の屈折率分布型レンズの周方向がガラスで覆われた複数のキャピラリ型レンズアレイを接続することで光部品を製造する、光部品の製造方法であって、
前記キャピラリ型レンズアレイに備わる各屈折率分布型レンズの屈折率分布定数が、共通のキャピラリ型レンズアレイ内では等しく、キャピラリ型レンズアレイごとに異なり、かつ、前記屈折率分布型レンズの光軸方向に垂直な断面での前記キャピラリ型レンズアレイの外形は、各キャピラリ型レンズアレイで等しく、かつ、前記キャピラリ型レンズアレイに備わる各屈折率分布型レンズは、前記外形を基準とする予め定められた位置に配置され、かつ、前記キャピラリ型レンズアレイごとに予め定められた長さを有する、前記複数のキャピラリ型レンズアレイを、個々のキャピラリ型レンズアレイごとに、屈折率分布型レンズを配置したガラスのロッドを溶融延伸することで作製する、溶融延伸工程と、
前記キャピラリ型レンズアレイの前記外形が一致するように、前記キャピラリ型レンズアレイ同士を前記屈折率分布型レンズの光軸方向で接続することで、前記キャピラリ型レンズアレイに備わる各屈折率分布型レンズを接続する、接続工程と、
を備える光部品の製造方法。 - 前記溶融延伸工程において、前記複数のキャピラリ型レンズアレイのガラスの外周の予め定められた共通の位置に切り欠きを設け、
前記接続工程において、前記キャピラリ型レンズアレイの前記外形及び前記切り欠きが一致するように、前記キャピラリ型レンズアレイ同士を前記屈折率分布型レンズの光軸方向で接続する、
請求項14に記載の光部品の製造方法。
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