WO2006109348A1

WO2006109348A1 - 光ファイバコリメータ系、光ファイバコリメータアレイ、光ファイバコリメータ系及び光ファイバコリメータアレイ系の製造方法

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Publication number: WO2006109348A1
Application number: PCT/JP2005/006638
Authority: WO
Inventors: Hiroyoshi Matsumura; Taro Suzuki; Toru Achiwa
Original assignee: Toyo Glass Co Ltd
Current assignee: Toyo Glass Co Ltd
Priority date: 2005-04-05
Filing date: 2005-04-05
Publication date: 2006-10-19
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Description

明細書

光ファイバコリメータ系、光ファイバコリメータアレイ、光ファイバコリメータ系及び光ファイバコリメータアレイ系の製造方法

技術分野

[0001] 本発明は GRINレンズ付き光ファイバを任意の光学要素を挟んで対向配置した光ファイバコリメータ系、 GRINレンズ付き光ファイバを複数個並列に位置した光フアイノコリメータアレイ、光ファイバコリメータ系の製造方法、及び光ファイバコリメータァレィを対向配置した光ファイバコリメータアレイ系の製造方法に関する。

背景技術

[0002] 従来より光情報伝達においては、一方の光ファイバからの発散光である出射光をコリメータレンズにより平行光とし、この平行光を伝播させた後、別のコリメータレンズにより集光して他方の光ファイバに入射させることが行われている。このような光学系は「コリメータ系」と称されており、両コリメータレンズ間にフィルタや光アイソレータ用素子、光スィッチ、光変調器等各種の光学要素を挿入することにより、多様な光学モジユールを構築することができる。コリメータレンズとしては、一般的に凸レンズが用いられるが、取り付けの容易性から円柱状の分布屈折率レンズ (Graded Indexレンズ、以下「GRINレンズ」と略す。）が用いられている。この GRINレンズは、図 1に示すように、その断面方向 x、 yの屈折率 nを下記（1)式であらわしたとき、円柱状の中心軸の屈折率が最も高ぐ中心軸力外周方向に離れると連続的に、二次曲線状に屈折率が低くなつているレンズで、この屈折率分布によってレンズ作用が行われる。

n = _n。 { 1一 /2} (1 )

ここで、 gは GRINレンズの集光能力を表わす定数、 nは GRINレンズの材料の屈折率

0

、 rは半径方向の距離 (r²=x²+y²)である。

図 1に示すように、 GRINレンズの半径を a、半径 aでの屈折率を nとすれば、

a g=NA/a n ₀ (2)

と表わされる。ここで、 NAは GRINレンズの中心と周辺での屈折率の 2乗差の平方根で、開口数 Numerical Aperture (以下、「NA」と略す。）と称し、レンズ性能を表わす重要なパラメータである。 NAの高いレンズは光の集光能力が高い、即ちレンズ特性の良いレンズである。コリメータレンズとして用いられる GRINレンズの長さ（L)は、 GRI Nレンズ内を伝搬する伝搬光の蛇行周期の 1/4の長さ、あるいはその奇数倍の長さに設定される。蛇行周期の 1/4の長さを L とすると、

1/4

L _1/4 = 7T / (2 _g ) (3)

である。ここで、 GRINレンズの長さ Lは対向するコリメータレンズの間隔が短い場合には、（3)式で示す伝搬光の蛇行周期の 1/4の長さ、あるいはその奇数倍の長さに設定される力間隔が長くなれば結合損失を向上させるために L より若干長く設定さ

1/4

れるのが一般的である。ここでは、説明上コリメータレンズの間隔が短い場合について説明する。

図 2は GRINレンズ la, lbを一対、対向配置させた単芯のコリメータ系を示す斜視図である。各 GRINレンズ la, lbには、その対向面とは反対側の端面に光軸を一致させて光ファイバ 2a, 2bが接続されており、一方の光ファイノ 2aからの光をそれに接続する GRINレンズ laで平行光として出射し、他方の GRINレンズ lbではこの平行光を集光してそれに接続する光ファイバ 2bへと導くことにより光信号の伝達が行われる。従って、このような GRINレンズ la, lbを用いたコリメータ系では、結合損失を少なくするために、対向する GRINレンズ la, lbどうしの光軸、更には GRINレンズ la, lbと光ファイバ 2a, 2bとの光軸を精度良く一致させる必要がある。 [0004] 図 3は光ファイバコリメータアレイ 1を一対、対向配置させた光ファイバコリメータァレィ系を示す概略斜視説明図である。両光ファイバコリメータアレイ 1間には、 MEMS ( Micro Electro-Mechanical Systems)式の 2自由度の光スィッチアレー 3力 ¾段挿入されている。各光ファイバコリメータアレイ 1の各 GRINレンズの対向面とは反対側の端面には、光軸を一致させて光ファイバ 2a, 2bが接続され、これらの光ファイバの集団で光ファイバアレイ 2を構成して、る。一方の各光ファイバ 2aからの光をそれに接続する GRINレンズ laで平行光として出射し、光スィッチアレイ 3の光スィッチ 3a, 3bで 2回反射し、反射の角度を変えることにより方向を変えた平行光とし、他方の各 GRIN レンズ lbではこの平行光を集光して、それに接続する光ファイバ 2bへと導くことにより光信号の伝達が行われる。光の光路は、 2段の MEMS式光スィッチアレイ 3を構成する 2自由度のマイクロミラー 3cの反射角度をそれぞれ適量変えることによって切り替えがなされる。従って、このようなコリメータ系では、結合損失を少なくするために、対向する GRINレンズ la, lbどうしの光軸、個々の GRINレンズ laと光ファイバ 2aとの光軸をそれぞれ精度良く一致させる必要がある。

[0005] ここで、光アイソレータ素子を搭載した単芯のコリメータ系の実用例を図 4に示す。

1.8mm Φの GRINレンズ laと光ファイバ 2aを内蔵した業界標準の 0.9mm Φの光フアイバ芯線 7は,外径力 ¾πιπιΦ、内径力 Sl.8mmと 0.9mmに制御された同心円の光ファイバレンズホルダ (メタル) 8に相互力挿入して接着固定されてヽる。芯線 7は光ファイバ 2a, 2bをプラスチックなどで被覆したものである。光ファイバ 2aと GRINレンズ laとの光軸合わせの精度は、光ファイバレンズホルダ 8の同心円の内径カ卩ェ精度によって左右されるので高度なカ卩ェ精度が要求される。この光ファイバレンズホルダ 8を、外形 10mmで内径が 3mmに制御されたコリメータホルダ (メタル） 9に挿入し、その固定用フランジ 11でコリメータホルダ 9にピン止め固定されて、る。このように対向配置させた単芯のコリメータ系の光軸合わせは、光ファイバレンズホルダ 8の外径.内径及びコリメータホルダ 9の内径の加工精度によって左右されるので高度な加工精度が要求される。このように対向配置させた単芯のコリメータ系では、光ファイバ 2aから出射した光は GRINレンズ laで集光されてほぼ平行な光 6として出射される。このほぼ平行な光 6は他端の GRINレンズ lbで集光され光ファイバ 2bに入射し、コリメータ系が機能する。これら一対の対向したコリメータ系の中間には、種々の光学要素 10、例えば本例のような光アイソレータ部品が挿入固定される。

[0006] し力しながら、治具の加工精度や生産技術上の合わせ精度（図 4の場合には各種ホルダ 8, 9の加工精度、 GRINレンズ la及び光ファイバ芯線の公差精度）の問題で、たとえば図 4のように GRINレンズ la, lbを対向配置させる際に、種々の方向への軸ずれが発生するのが一般的である。図 2に示すように GRINレンズ la, lb及び光ファイバ 2a, 2bに共通する理想的な光軸を符号 Cで表し、この光軸 Cと平行な方向を Z方向、水平方向に直交する方向を X方向、垂直方向に直交する方向を Y方向と規定すると、考えられる対向レンズ間の軸ずれとしては、 X方向への変位、 X方向における傾斜角 θ x、また、 Y方向への変位及び Y方向における傾斜角 Θ yが生じる。

[0007] また、図 3に示したように、 2個の光ファイバコリメータアレイ 1, 1の間に MEMS (

Micro Electro-Mechanical Systems)式の 2自由度の光スィッチアレイ 3が 2段挿入されて、る光ファイバコリメータアレイ系の場合には、光の光路が 2段の MEMS式光スィツチアレイ 3を構成する 2自由度のマイクロミラー 3cの反射角度を適量変えることによつて切り替えられる力光スィッチアレイ内の各々のマイクロミラー 3cのミラー角度が光スィッチアレイ内で全て等しくなく若干異なっているため、例え、光ファイバコリメ一タアレイ 1間の調芯が完全になされたとしても、光スィッチアレイ内のミラー角度のずれによって光軸のずれがそのばらつき分生じることになる。このため、 MEMS式の光フアイバコリメータアレイ系の場合には、通常、図 2に示した GRINレンズ la, lbを一対、対向配置させた単芯のコリメータ系の場合に比べ大きな軸ずれが生じるのが一般的である。

[0008] 通常、 GRINレンズと光ファイバは接着剤を用いて接続されて!、る。 USP4213677に代表される様なこの接着剤を用いて光ファイバと GRINレンズを固定してヽる構造では、接着剤の光吸収により高強度光が入射した場合、温度上昇し接着剤が変質することにより光学特性が劣化する。一般的に光学接着剤は、光通信で使用される波長域での吸収力^〜 5%程度であり、変質温度は高くても 400°C程度である。これらの範囲の物性値であると数 Wクラスの光強度には、耐えることができない。また光ファイバと GRINレンズが接着剤を介して接合されてヽるから、この接着剤に空気を巻き込んで生じる気泡や光軸のずれおよび角度ずれ、接続面での反射戻り光の増加など、製品の歩留まりが劣化する要因が多く存在し、高価になるという問題があった。また、各 GRINレンズと光ファイバとの光軸を 4軸にわたり精度良く一致させる必要があり、実装コストが高価になるという問題があった。

[0009] 上記の問題を解決するために、 USP4701011や USP5384874で開示されているように、 GI (Graded-Index)光ファイバをコリメータレンズとして用いた構造が提案されて！、る。この GI光ファイバは、コア部分の屈折率力放物線状に変化する光ファイバである。 GI光ファイバは、光ファイバと同じ石英製のため光ファイバと融着接続することが可能で、高強度光に対する耐性を得ることが期待できる。この場合、通常の GI光フアイノは、気相 CVD (Chemical Vapor Deposition)法で作成される。気相法では、 0.38の NA (例えば文献； P.B.0， Connorほか： Electron丄 ett. ,13(1977)170-171)が得られているが、それ以上の NAを得るために添加物（GeO ,Ρ 0など）の添力卩量を増やしてい

2 2 5

くと、熱膨張係数が大きくなり母材が割れやすくなるなど熱膨張性の整合の点で、また高ヽ ΝΑが得られな、など屈折率の制御性の点で、実際にコリメータレンズとして組み立てる際の取扱性が悪、ものであった。

特許文献 1：米国特許第 4213677号公報

特許文献 2：米国特許第 4701011号公報

特許文献 3：米国特許第 5384874号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0010] 上記のように、従来では、多軸方向にわたる複雑で微妙な調芯作業が必要で、その工程は困難を極めていた。本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり

、調芯作業の困難さを低減させ、結合損失が少なぐ光学特性が劣化しない光フアイノコリメータ系及び光ファイバコリメータアレイ系を提供する共に、結合損失が少ない光ファイバコリメータ系及び光ファイバコリメータアレイ系を効率よく製造できる製造方法を提供することを課題とする。

課題を解決するための手段

[0011] 本願発明は、屈折率調整物質として Sb O 、 Ta O 、 ΉΟ 又は ZrO力も選択される 1種以上を含有する石英ガラスでなる GRINレンズ（Graded Indexレンズ）の一端に光ファイバを融着した GRINレンズ付き光ファイバ 1対を、その GRINレンズ端面を対向させて一体ィ匕すると共に、前記 GRINレンズ端面間に光学要素を設けたことを特徴とする光ファイバコリメータ系である。（請求項 1)

[0012] また本願発明は、屈折率調整物質として Ta 0 又は TiOから選択される 1種以上

2 5 2

を含有する石英ガラスでなる GRINレンズの一端に光ファイバを融着した GRINレンズ付き光ファイバ 1対を、その GRINレンズ端面を対向させて一体ィ匕すると共に、前記 GRINレンズ端面間に光学要素を設けたことを特徴とする光ファイバコリメータ系である。（請求項 2)

[0013] また本願発明は、請求項 1又は 2の光ファイバコリメータ系において、前記 GRINレンズがゾルゲル法により製造されたものであることを特徴とする光ファイバコリメータ系である。（請求項 3)

[0014] また本願発明は、屈折率調整物質として Sb O

2 3 、Ta O

2 5 、 TiO 又は ZrO力選

2 2 択される 1種以上を含有する石英ガラスでなる GRINレンズ（Graded Indexレンズ）の一端に光ファイバを融着した GRINレンズ付き光ファイバ複数個を、前記 GRINレンズ部分を並列して一体ィ匕したことを特徴とする光ファイバコリメータアレイである。（請求項 4)

[0015] また本願発明は、屈折率調整物質として Ta 0 又は TiOから選択される 1種以上

2 5 2

を含有する石英ガラスでなる GRINレンズの一端に光ファイバを融着した GRINレンズ付き光ファイバ複数個を、前記 GRINレンズ部分を並列して一体ィ匕したことを特徴とする光ファイバコリメータアレイである。（請求項 5)

[0016] また本願発明は、請求項 4又は 5の光ファイバコリメータアレイにおいて、前記 GRI

Nレンズがゾルゲル法により製造されたものであることを特徴とする光ファイバコリメ一タアレイである。（請求項 6)

[0017] また本発明は、請求項 1〜3に記載のいずれかの光ファイバコリメータ系の製造法であって、

複数の光ファイバコリメータ系を試作するステップと、

試作した複数の光ファイバコリメータ系の 1対の GRINレンズの水平方向ずれ量と傾斜角度を測定するステップと、

目標歩留まり及び目標結合損失を設定するステップと、

前記水平方向ずれ量及び前記傾斜角度を前記目標歩留まりに照らして許容水平歩行ずれ量及び許容傾斜角度を求めるステップと、

前記許容水平歩行ずれ量及び許容傾斜角度から GRINレンズの開口数を求めるステップと、

前記求めた開口数以上の開口数を有する GRINレンズを用いて光ファイバコリメ一タ系を製造するステップを有することを特徴とする光ファイバコリメータ系の製造方法である。（請求項 7)

[0018] また本発明は、請求項 4〜6に記載のいずれかの光ファイバコリメータアレイ 1対を直接又はミラーを介して対向させた光コリメータアレイ系の製造法であって、

複数の光ファイバコリメータアレイ系を試作するステップと、

試作した複数の光ファイバコリメータアレイ系の各対応する GRINレンズの水平方向位置ずれ量と傾斜角度を測定するステップと、

目標歩留まり及び目標結合損失を設定するステップと、

前記水平方向ずれ量及び前記傾斜角度を前記目標歩留まりに照らして許容水平方向位置ずれ量及び許容傾斜角度を求めるステップと、

前記許容水平方向位置ずれ量及び許容傾斜角度から GRINレンズの開口数を求めるステップと、

前記求めた開口数以上の開口数を有する GRINレンズを用いて光ファイバコリメ一タアレイ系を製造するステップを有することを特徴とする光ファイバコリメータアレイ系の製造方法である。（請求項 8)

発明の効果

[0019] 本発明の光ファイバコリメータ系及び光ファイバコリメータアレイ系は、 GRINレンズと光ファイバとが既に接続されているものを用いるので、組立に際してレンズと光ファィバとの光軸合わせが不要で、高効率に組み立てることができる。また、 GRINレンズと光ファイバとを融着接続するので、融着の際の表面張力による自己配列効果により GRINレンズと光ファイバとの軸が自動的に一致し、製造がきわめて容易であり、大量生産も可能である。また、接着剤を用いないので、高強度光が入射した場合、温度上昇し接着剤が変質することにより光学特性が劣化するという問題もない。

[0020] 本発明の光ファイバコリメータ系は、複数の試作品から水平方向位置ずれ量と傾斜角度の傾向を調べるので、これに基づ!、て目標歩留まり及び目標結合損失を達成するための許容水平方向位置ずれ量及び許容傾斜角度を求めることができる。そして、許容水平方向位置ずれ量及び許容傾斜角度カゝら GRINレンズに必要な開口数の最低値を求めることができるので、必要以上に大きな開口数の GRINレンズを使用することなぐ効率よく低コストで目標の歩留まり及び結合損失を達成することができる。

[0021] 本発明の光ファイバコリメータアレイ系も、前記の光ファイバコリメータ系と同様に、複数の試作品から水平方向位置ずれ量と傾斜角度の傾向を調べるので、これに基づ、て目標歩留まり及び目標結合損失を達成するための許容水平方向位置ずれ量及び許容傾斜角度を求めることができる。そして、許容水平方向位置ずれ量及び許容傾斜角度力 GRINレンズに必要な開口数の最低値を求めることができるので、必要以上に大きな開口数の GRINレンズを使用することなぐ効率よく低コストで目標の歩留まり及び結合損失を達成することができる。

図面の簡単な説明

[0022] [図 1]GRINレンズの屈折率分布の説明図である。

[図 2]コリメータ系の斜視図である。

[図 3]コリメータアレイ系の概略斜視説明図である。

[図 4]コリメータ系の一部切欠側面図である。

[図 5]コリメータ系の XZ断面図である。

[図 6]GRINレンズのスポットサイズ ωと結合損失の関係図である。

[図 7]コリメータ系の一部切欠側面図である。

[図 8]コリメータ系の水平方向位置ずれ量の説明図である。

[図 9]コリメータ系の傾斜角度の説明図である。

[図 10]コリメータアレイの斜視説明図である。

[図 11]コリメータアレイの正面図である。 [図 12]コリメータアレイ系の水平方向位置ずれ量の説明図である。

[図 13]コリメータアレイ系の傾斜角度の説明図である。

符号の説明

[0023] 1 光ファイバコリメータアレイ

la GRINレンズ

lb GRINレンズ

2 光ファイノくアレイ

2a 光ファイバ

2b 光ファイバ

3 光スィッチアレイ

3a 光スィッチ

3b 光スィッチ

3c マイクロミラー

6 平行なガウスビーム

7 光ファイバ芯線

8 光ファイバレンズホルダ

9 コリメータホルダ

10 光学要素

11 固定用フランジ

12 基板

13 V溝

14 フレーム

発明を実施するための最良の形態

[0024] 熱膨張係数が光ファイバの石英ガラスとほぼ同等の GRINレンズは低温合成法を基盤としたゾルゲル法で製造することができる。ゾルゲル法は、原料として Si(OR) (R:

4 アルキル基）と例えば Tiなどの添カ卩元素のアルコキシドに加水分解のための H〇およ

2 び、これら原料と加水分解との相溶性のためのアルコールをカ卩えて混合すると、加水分解が進むと共に形成された SiOの微粒子による乳濁が見られ (ゾル状態）、ついで液の粘度が急激に高くなり流動性が失われてプリン状のゲル状態が出現する。このゲルを乾燥し、表面に吸着等で残留するアルコールや H 0を徐々に除いて燒結ガラ

2

ス化する。このゾルゲル手法を応用したガラス合成には、 < 1 >低温燒結による結晶化頻度の低減、 < 2>分子レベルでの均質ガラスの合成、 < 3 >高融点材料をも含めた材料の広!、選択性、 < 4 >高、材料合成の収率性による製造コストの低減の可能性などの特徴がある。このような特徴をもつゾルゲルプロセスを用いれば、高い NA を有し屈折率の制御性の良い、熱膨張係数が石英ガラスとほぼ同等であるという GRINレンズを安価に形成できる可能性がある。

[0025] そこで、二元系シリカガラスの屈折率の予測を行ったところ、 GRINレンズの組成の候補としては、 SiO— Bi O , -In O , -Y O ,— La O ,— Ga O ,— Sb O ,— Gd O ,—

2 2 3 2 3 2 3 2 3 3 2 2 3 2 3

Nb O , -SnO , -Ta O , -TiO 及び—ZrO系石英ガラスが挙げられた。この中で、

2 5 2 2 5 2 2

Bi,In,Y,Laを含む組成は、添加元素のアルコキシドがいずれも難溶性固体で、ゲルを作製できなかった。また、 Gd,Gaを含む組成は、添加物が少ない領域 (Siに対する添加量が 20mol%以下）でし力得られな力つた。また、 Nb、 Sn添加ガラスは結晶性物質の存在が認められるとともに、熱膨張係数が大きく GRINレンズとしては不適であった。以上の検討結果から、 SiO -Sb O , SiO -Ta O , SiO— TiO 及び SiO—ZrO系

2 2 3 2 2 5 2 2 2 2 石英ガラスが、高い NAで屈折率の制御性がよぐ且つ熱膨張係数が石英の熱膨張係数 5x10— ⁷K^_1に対して 15x10— ⁷K^_1以下で石英ガラスとほぼ同等であるという GRINレンズを形成できる可能性があることが判明した。但し、 Sb添加ガラスは、ゲルの燒結時に添加元素の Sbが蒸発するという、また Zr添加ガラスは、加水分解反応は比較的早ぐゲル作成の過程で、溶媒であるメタノール中で少量では有るが沈殿が形成されるというプロセス上の不安定性を有していた。以上の検討結果から、 SiO -Sb Ο ,

2 2 3

SiO— Ta O， SiO—TiO 及び SiO—ZrO系石英ガラス力更に願わくば、プロセス

2 2 5 2 2 2 2

の安定性を考慮し、 SiO -Ta O , SiO -TiO系石英ガラスでは、熱膨張係数が石英

2 2 5 2 2

ガラスとほぼ同等で、高ヽ NAを有し屈折率制御性の高ヽ GRINレンズを形成できることが判明した。

[0026] 本発明における GRINレンズは、 SiO— Ta O , SiO—TiO系石英ガラスを主成分と

2 2 5 2 2

し、熱膨張率が光ファイバとほぼ同等であるため、光ファイバとの融着接続が可能となる。ほぼ同じ断面形状を有する光ファイバと GRINレンズを酸水素パーナなどの火炎のもとで融着接続すると、表面張力均衡ィヒによる自己配列効果により、これまでの懸案であった精密な軸合わせを行うことなく光ファイバと GRINレンズの中心軸が一致し、組立て性が大幅に向上するという大きなメリットがある。この融着接続は、生産性向上の必須技術であり、融着接続することにより、光ファイバとレンズの境界面から反射されて半導体レーザに戻る光が軽減されるばかりか、従来のような接着剤を用いた接続のように、接着剤の光吸収により高強度光が入射した場合、温度上昇し接着剤が変質することにより光学特性が劣化するという問題も解消する。

図 5は光ファイバ 2a, 2bに融着接合させた GRINレンズ la, lbを対向配置させた単芯のコリメータ系の XZ断面図である。 GRINレンズ lbを GRINレンズ laに対向配置させる際に、種々の方向への軸ずれが発生するのが一般的で、図 5に示したように理想的な光軸 Zから GRINレンズ lbの中心軸は X方向へ変位 D( m)、 X方向における傾斜角 Θ (ラジアン）が生じているとする。光ファイバ 2aのコア内を伝搬した光は GR INレンズ laのレンズ作用により広がって GRINレンズ laの光軸 Zにほぼ平行なガウスビーム 6として GRINレンズ laの端面から出射する。対向する GRINレンズ lbに到達した平行なガウスビーム 6は GRINレンズ lbのレンズ作用によって収束し、光ファイバ 2bのコアに入射する。光ファイバ 2aからの出射光を、光ファイバ 2aに融着接合させた GRINレンズ laに入射させたときに、その中を伝搬する基本波の電界分布は近似的にガウス分布となる。そのガウス分布は、 GRINレンズ laの長さ Lが式（3)で示した蛇行周期の 1/4、すなわち L=Ll/4の時には、 GRINレンズ laの端面付近では (4)式に示されるスポットサイズ ωを持つ。

ω =—^- (4)

a₀k ₀g

ここで、 ωは単一モード光ファイバの電界分布のスポットサイズで、単一モード光フ

0

アイバがカットオフ周波数 (=2.4)に近い構造では、光ファイバのコア半径を aとすると、近似的に ω =l . la で与えられる。また、 kは波数で、光の波長をえとすると k= 2

0 0

π / λ で与えられる。

[0028] 図 5に示すように、 X方向（水平方向）の位置ずれ Dや傾斜角度 Θが発生している場合には、平行なガウスビーム 6は、完全に GRINレンズ lbを伝搬する基本波と一致せず、その結果として一部のエネルギーは光ファイバに取り込まれず、結合損失となる。この結合損失 Tは、平行なガウスビーム 6の電界分布と式 (4)で示されるスポットサイズ ωをもつ GRINレンズ lbの基本波の電界分布との重なり積分を解くことによつて求めることができ、デシベル表示すると近似的に式 (5)によって表すことができる。

[0029] 図 6に、結合損失 Tを縦軸に GRINレンズのスポットサイズ ωを横軸に取った時の式 (5)の定性的な関係を示す。式（5)は ωの関数で、そのグラフは ω =(2D/kn θ )^1/2で

0 最小値を持つ下に凸のカーブである。このため、図 6に示すように結合損失を T (dB) より小さくするには、 GRINレンズのスポットサイズ ωは、結合損失 T(dB)と交差するグラフ上の 2点の GRINレンズのスポットサイズ ω 、 ω の間にあればよい。すなわち、

L Η

式 (6)を満足するように選択すればよ！、。

式 (2)、（4)を式 (6)に代入すれば、式 (7)に示すように、結合損失を T(dB)より小さくするに必要な GRINレンズの開口数 NAが求められる。

[0031] 通常の巿場で使われている図 4に示したコリメータ系の構造では、加工精度を向上させれば位置の変位 Dを極力小さく抑えることはできる力傾斜角度 Θの調芯手段が乏しぐ傾斜角度 Θを小さく調芯することは不可能に近い。このため、式 (7)が示しているように、傾斜角度 Θが大きくなれば、 GRINレンズの開口数 NAは大きくなければならず、実際の調芯作業を容易にするのは、式 (7)で求めた値よりも大きな NAの GR INレンズを用いなければならな!/、。

[0032] 例えば、多数のコリメータ系を試作し、それらの対向する 1対の GRINレンズレンズの水平方向位置ずれと傾斜角度を測定し、図 8、図 9に示す結果が出たとする。仮に、全ての組み立てたコリメータ系の 90%以上のものの結合損失を ldB以下に抑えるという目標を立てると、図 8及び図 9から、水平方向位置ずれ量 Dを 0.80 mに、傾斜角度 Θを 0.85度（すなわち 0.0148ラジアン)にすればよい。これを式（7)に代入すれば、 GRINレンズの半径を光ファイバ（コア径 a =6.5 μ m)と同じ 62.5 μ mとすれば、波長

0

1.5 μ mにおいて NA=0. 4以上の GRINレンズを用いればよいということが分かる。

[0033] また、例えば多数のコリメータアレイ系を試作し、それらの対向する各対の GRINレンズレンズの水平方向位置ずれと傾斜角度を測定し、図 12、図 13に示す結果が出たとする。仮に、全ての組み立てたコリメータ系の 90%以上のものの結合損失を ldB 以下に抑えるという目標を立てると、図 12及び図 13から、水平方向位置ずれ量 Dを 1.0 mに、傾斜角度 Θを 1.0度（すなわち 0.0175ラジアン)にすればよい。これを式（7

)に代入すれば、 GRINレンズの半径を光ファイバ（コア径 a =6.5 μ m)と同じ 62.5 μ m o

とすれば、波長 1.5 /z mにおいて NA=0. 48以上の GRINレンズを用いればよいことになる。

実施例 1

[0034] 図 7は実施例 1の光ファイバコリメータ系で、筒状のコリメータホルダ 9の両側から G RINレンズ la, lb付きの光ファイバ 2a, 2bを差し込んで接着固定し、中央に光学素子 10 (この場合は光アイソレータ）を装着したものである。このコリメータ系を細心の注意を払って約 230組を組立て、対向する GRINレンズの X方向と Y方向の水平方向への変位 (位置ずれ量 D)と傾斜角（角度ずれ量） θ χ、 Θ yを測定した。それらの X方向と Y方向の水平方向への変位 (位置ずれ量)の累積回数を図 8に、 X方向と Y方向における傾斜変位 (角度ずれ量） 0 x、 0 yの累積回数を図 9に示す。これら図 8、 9より、水平方向の位置ずれ量は、 -0.3 μ mをピークとして約 ± 1 m幅で分布し、傾斜角度のずれ量は、 0.65度をピークとして約 ± 0.5度幅で分布していることがわ力る。

[0035] 実施例 1のコリメータ系を組み立てるのに際し、組立総数の 90%以上のものの結合損失を ldB以下に抑えるという目標を立てた。この目標を達成するための許容水平方向位置ずれ量及び許容傾斜角を図 8、図 9から求めたところ、許容水平方向位置ずれ量 Dは 0.80 m、許容傾斜角度 Θは 0.85度（すなわち 0.0148ラジアン)となった。これを式（7)に代入して必要な NAを計算した。 GRINレンズの半径を光ファイバ（コァ径 a =6.5 m)と同じ 62.5 mとすれば、波長 1.5 mにおいて NA=0. 48となり、これ

0

以上の開口数を有する GRINレンズを用いればょ、ことが分力つた。

[0036] 次に GRINレンズ付きの光ファイバを製作した。シリコンテトラメトキシド 75. 5mlとィソプロパノール 183. 4mlとの混合液に 2規定塩酸 9. 2mlを添カ卩し、 30分間攪拌した後、チタンテトラ nブトキシド 30. 8mlを加えた。その後、 0. 01規定アンモニア水を添加しウエットゲルを得た。前記ウエットゲルを 50°Cで 2日間熟成した後、そのウエットゲルを 3規定塩酸中に 6時間浸漬し、ゲル中にチタンの濃度分布を付与した。浸漬後、ゲルをメタノール中に浸漬し、ゲル中の塩酸分の洗浄を行ってから乾燥させ直径約 10mmのドライゲルを得た。得られたドライゲルを、室温から 350°Cまでは 10°CZ hrで昇温し、その後 1200°Cまで昇温して焼成し透明なガラス体を得た。この円柱状ガラス体の屈折率分布を測定した結果、中心から周辺に向かってほぼ 2乗カーブで減少する NA=0. 42の GRINレンズの母体が得られた。この NAは前記の式（7)から求めた NA=0. 4よりも大きいので、これを使用することが可能であることが分力つた。

[0037] この母体をカーボンヒータの電気炉に 0. 04mm/sで挿入しながら外径 125 /z mの光ファイバに紡糸して、 GRINレンズ状光ファイバを作製した。作製した GRINレンズ状光ファイバをコア径 6.5 μ mの単一モード光ファイバの一端に放電融着接続器を用いて融着接続した。その後、 GRINレンズ内を伝搬する光の蛇行周期の 1Z4周期長 350 μ mで切断加工し、 GRINレンズ付き光ファイバを得た。

[0038] 得られた GRINレンズ付き光ファイバを用いて、図 7のコリメータ系を 90本作成し、全ての結合損失を測定したところ、ほぼ 95%のコリメータ系において結合損失が ldB 以下の高!、結合効率が得られた。

実施例 2

[0039] 図 10、 11は実施例 2の光ファイバコリメータアレイに関する。光ファイバ付き GRIN レンズの先端部分を、 SiO基板 12上に化学的エッチングにより形成された周期的な V

2

溝 13に規則正しく 8列配列し、更に、それらを規則正しく 8段に積層し、フレーム 14内に固定して 8 X 8の GRINレンズコリメータアレーを作製した。このコリメータアレイから、細心の注意を払って、図 3に示す MEMS式の 2自由度の光スィッチアレイ 3が 2段揷入されている光ファイバコリメータアレイ系 1組を組み立てた。対向する各対の GRIN レンズの X方向と Y方向の水平方向への変位 (位置ずれ量 D)と傾斜角（角度ずれ量 ) θ χ, 0 yを測定した。それらの X方向と Υ方向の水平方向への変位 (位置ずれ量）の累積回数を図 12に、 X方向と Y方向における傾斜変位 (角度ずれ量） 0 x、 0 yの累積回数を図 13に示す。水平方向の位置ずれ量は- 0.6 mをピークとして非対称に分布し、傾斜角度のずれ量は 0.8度をピークとして非対称に分布している事がわかる

[0040] 実施例 2のコリメータアレイ系を組み立てるのに際し、 GRINレンズの対の総数の 90

%以上のものの結合損失を ldB以下に抑えるという目標を立てた。この目標を達成するための許容水平方向位置ずれ量及び許容傾斜角を図 12、図 13から求めたところ

、許容水平方向位置ずれ量 Dは 1.0 m、許容傾斜角度 Θは 1.0度 (すなわち 0.0175 ラジアン)となった。これを式（7)に代入して必要な NAを計算した。 GRINレンズの半径を光ファイバ（コア径 a =6.5 μ m)と同じ 62.5 μ mとすれば、波長 1.5 μ mにおいて o

NA=0. 48となり、これ以上の開口数を有する GRINレンズを用いればよいことが分かつた o

[0041] 次に GRINレンズ付きの光ファイバを製作した。シリコンテトラメトキシド 75. 5mlとィソプロパノール 183. 4mlとの混合液に 2規定塩酸 9. 2mlを添カ卩し、 30分間攪拌した後、チタンテトラ nブトキシド 30. 8mlを加えた。その後、 0. 01規定アンモニア水を添加しウエットゲルを得た。前記ウエットゲルを 50°Cで 2日間熟成した後、そのウエットゲルを 6規定塩酸中に 2時間浸漬し、ゲル中にチタンの濃度分布を付与した。浸漬後、ゲルをメタノール中に浸漬し、ゲル中の塩酸分の洗浄を行った。その後、上記ゲルを 6規定塩酸中に 20分間浸漬し、 2回目の濃度分布付与を行い、 1回目と同様にゲルをメタノール中に浸漬して塩酸の洗浄を行って力乾燥させた。その後、上記ゲルを 6規定塩酸中に 8分間浸漬し、 3回目の濃度分布付与を行い、 1回目と同様にゲルをメタノール中に浸漬して塩酸の洗浄を行ってカゝら乾燥させ直径約 10mmのドライゲルを得た。得られたドライゲルを、室温から 350°Cまでは 10°CZhrで昇温し、その後 1200°Cまで昇温して焼成し透明なガラス体を得た。この円柱状ガラス体の屈折率分布を測定した結果、中心から周辺に向かってほぼ 2乗カーブで減少する NA=0.5の GRINレンズの母体が得られた。この NAは前記の式（7)から求めた NA=0. 48よりも大き、ので、これを使用することが可能であることが分力つた。

[0042] この母体をカーボンヒータの電気炉に 0. 04mm/sで挿入しながら外径 125 /z mの光ファイバに紡糸して、 GRINレンズ状光ファイバを作製した。作製した GRINレンズ状光ファイバをコア径 6. 5 mの単一モード光ファイバの一端に放電融着接続器を用いて融着接続した。その後、 GRINレンズ内を伝搬する光の蛇行周期の 1Z4周期長 295 μ mで切断加工し、 GRINレンズ付き光ファイバを得た。

[0043] 得られた GRINレンズ付き光ファイバから図 11の光ファイバコリメータアレイを組み立て、更に、図 3の光ファイバコリメータアレイ系を作成した。全てのチャネルの結合損失を測定したところ、全てのチャネル (GRINレンズ付き光ファイバの対）において、 ldB以下の高、結合効率が得られた。

[0044] 上記実施例は SiO -TiO 系の石英ガラスとする場合である力例えば、 SiO -Ta

2 2 2 2

0 系の石英ガラスとするには、チタンテトラ nブトキシドに代えてタンタルエトキシドを

5

、 SiO -Sb〇系の石英ガラスとするにはトリェチルアンチモンを、 Si〇 -ZrO 系の

2 2 3 2 2 石英ガラスとするには、ジルコニウムプロポキシドを用いればよ！/、。

Claims

請求の範囲

[1] 屈折率調整物質として Sb O 、Ta O 、TiO 又は ZrO力選択される 1種以上を

2 3 2 5 2 2

含有する石英ガラスでなる GRINレンズ（Graded Indexレンズ）の一端に光ファイバを融着した GRINレンズ付き光ファイバ 1対を、その GRINレンズ端面を対向させて一体ィ匕すると共に、前記 GRINレンズ端面間に光学要素を設けたことを特徴とする光フアイバコリメータ系。

[2] 屈折率調整物質として Ta 0 又は TiOから選択される 1種以上を含有する石英ガ

2 5 2

ラスでなる GRINレンズの一端に光ファイバを融着した GRINレンズ付き光ファイバ 1 対を、その GRINレンズ端面を対向させて一体ィ匕すると共に、前記 GRINレンズ端面間に光学要素を設けたことを特徴とする光ファイバコリメータ系。

[3] 請求項 1又は 2の光ファイバコリメータ系において、前記 GRINレンズがゾルゲル法により製造されたものであることを特徴とする光ファイバコリメータ系。

[4] 屈折率調整物質として Sb 0 、Ta O 、TiO 又は ZrO力選択される 1種以上を

2 3 2 5 2 2

含有する石英ガラスでなる GRINレンズ（Graded Indexレンズ）の一端に光ファイバを融着した GRINレンズ付き光ファイバ複数個を、前記 GRINレンズ部分を並列して一体ィ匕したことを特徴とする光ファイバコリメータアレイ。

[5] 屈折率調整物質として Ta 0 又は TiOから選択される 1種以上を含有する石英ガ

2 5 2

ラスでなる GRINレンズの一端に光ファイバを融着した GRINレンズ付き光ファイバ複数個を、前記 GRINレンズ部分を並列して一体ィ匕したことを特徴とする光ファイバコリメータアレイ。

[6] 請求項 4又は 5の光ファイバコリメータアレイにおいて、前記 GRINレンズがゾルゲル法により製造されたものであることを特徴とする光ファイバコリメータアレイ。

[7] 請求項 1〜3に記載のいずれかの光ファイバコリメータ系の製造法であって、

複数の光ファイバコリメータ系を試作するステップと、

試作した複数の光ファイバコリメータ系の 1対の GRINレンズの水平方向位置ずれ量と傾斜角度を測定するステップと、

目標歩留まり及び目標結合損失を設定するステップと、

前記水平方向位置ずれ量及び前記傾斜角度を前記目標歩留まりに照らして許容水平方向位置ずれ量及び許容傾斜角度を求めるステップと、

前記求めた開口数以上の開口数を有する GRINレンズを用いて光ファイバコリメ一タ系を製造するステップを有することを特徴とする光ファイバコリメータ系の製造方法

[8] 請求項 4〜6に記載のいずれかの光ファイバコリメータアレイ 1対を直接又はミラーを介して対向させた光コリメータアレイ系の製造法であって、

目標歩留まり及び目標結合損失を設定するステップと、

前記求めた開口数以上の開口数を有する GRINレンズを用いて光ファイバコリメ一タアレイ系を製造するステップを有することを特徴とする光ファイバコリメータアレイ系の製造方法。