JPH08146250A - Condenser lens and its production - Google Patents

Condenser lens and its production

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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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JP
Japan
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optical fiber
lens
curvature
silica rod
diameter
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Application number
JP6306936A
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Japanese (ja)
Inventor
Nobuo Imaizumi
伸夫 今泉
Takako Hayakawa
貴子 早川
Tetsuya Miyazaki
哲弥 宮崎
Yoshio Karasawa
好男 唐沢
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Namiki Precision Jewel Co Ltd
ATR Optical and Radio Communications Research Laboratories
Original Assignee
Namiki Precision Jewel Co Ltd
ATR Optical and Radio Communications Research Laboratories
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Publication date
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Publication of JPH08146250A publication Critical patent/JPH08146250A/en
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Abstract

PURPOSE: To provide a condenser lens capable of converting a flat straight ray into an axisymmetrical circular gaussian beam with constitution simpler than the constitution of a system to combine special discrete lenses and efficiently taking the flat rays of large output LD as well and which is applicable to applications to improve the optical coupling efficiency between the LD and an optical fiber. CONSTITUTION: The end of a coreless silica rod 2 having a uniform refractive index and the diameter larger than the diameter of the optical fiber 1 is joined as a condense lens chip formed with the cylindrical curved surfaces intersecting orthogonally with each other and varying in the radii of curvature on the same curved surface to the optical fiber 1. The front end is formed to a curved surface consisting of desired curvature (radius R1 of curvature) by polishing, melting, etc., and thereafter, the front end is finished to a wedge shape and edge tip part in such a manner that the radius R2 of curvature on the front end face in a direction orthogonal with the curved surface of the radius R1 attains R1>R2.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[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。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to light ray conversion and optical coupling, which are expected to have various uses in optical communication, optical image processing, optical measuring instruments and the like.

【0002】[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。
2. Description of the Related Art In various optical equipment fields and optical communication systems using a laser beam, it has been a problem in the prior art that a light intensity generated from a laser or other optical device is a Gaussian distribution. Among the Gaussian beams that are approximated by, there was how to convert a ray whose beam profile is flattened in the vertical and horizontal directions into a ray that is circularly symmetric and easy to handle with a lens.

【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。
Generally, a flat ray is converted into a circularly symmetric ray by combining two individual cylindrical lenses at a right angle. In this case, the combination of the individual parts naturally increases the size of the entire structure and is applied to a semiconductor laser or the like, and there is a limit in assembling the size of the whole.

【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。
These problems are not limited to the collection of semiconductor laser (hereinafter referred to as LD) light beams, but also in the light coupling between various flat plate-shaped optical waveguide elements and optical fibers, or the light beams emitted from the series array LD at once. This is an important issue in various devices that require a small configuration such as an image conversion lens for performing image processing and the like by converting the light profile into a circularly symmetric light profile.

【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。
In particular, various attempts have been made to convert an LD light beam into a circularly symmetric light beam. For example, an attempt has been made to arrange a cylindrical lens in the immediate vicinity of the LD to focus the light on the optical fiber core, and a coupling loss of 4 to 6 dB has been obtained. Furthermore, the aspect ratio of the light emitting window (aperture) of the LD is made as close as possible to each other, and coupling with the optical fiber is also performed through a spherical lens or aspherical lens, and high optical coupling of 1 to 3 dB is also obtained. Came to be.

【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。
However, the aspect ratio of the light emitting portion is usually 0.
If the method is about 5 to 1 μm and the width is about 2 to 5 μm, the above method is sufficiently small and can be achieved in an optical communication system, etc., but if the aspect ratio (hereinafter referred to as “aspect ratio”) is larger, it becomes a problem.

【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。
For example, in order to increase the injection current in an LD to form a high-power laser, the lateral width of the active layer is increased so that the LD active layer is not damaged by an overcurrent. In this case, the vertical width is 0.5 to 1 μm, and the horizontal width is several tens to
It may be expanded to several hundreds of μm, and the aspect ratio becomes several hundreds.

【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。
These high aspect ratio light sources have a core diameter of several μm.
When coupled into a single mode fiber (hereinafter referred to as SMF) having a size of m to 10 μm, most of the light rays are scattered and only a small portion can be captured in the optical fiber.

【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。
For example, when an LD having a length of 1 μm and a width of 200 μm is to be coupled to an SMF having a core diameter of 5 μm, when a conventional single lens is considered and a condition of capturing a 1 μm light beam is set, the expected coupling efficiency η Becomes like Equation 1.

【数1】 [Equation 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。
Where ω 0 is the core radius of the optical fiber, and ω
X is the radius of the ray when it propagates to the optical fiber core position of the ray in the lateral direction (X-axis direction), and for a ray with an LD aperture diameter of 200 μm, even if it propagates in a space of several hundred μm, ω X = 100 μm And the coupling efficiency η expected from Equation 1
Becomes η = 13 dB.

【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。
Of course, the longer the propagation distance, the further the deterioration. This relationship is a problem that occurs not only in the LD emitted light but also when converting a horizontally long light emitting source into an axisymmetric Gaussian beam in general, and a small and appropriate beam conversion lens has been desired.

【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。
In particular, the high-power LD as shown in this example cannot transmit its capability sufficiently through the optical fiber, so that the problem is not limited to the optical communication field, but various fields using an axially symmetric laser beam, for example, There has been a problem in forming a small and highly sensitive device by mounting a powerful LD light source in a system for various applications such as holograms, various optical interference systems, and measurement equipment using optical space propagation.

【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。
SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above problems, the present invention provides a condensing lens for converting a flat light beam into an axially symmetric light beam with a simple structure, in contrast to a method of combining individual cylindrical lenses. Therefore, it is an object of the present invention to disclose a method of using a condenser lens and a method of manufacturing the same.

【0014】[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。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art. A condensing lens according to the present invention has a compound curvature which is orthogonal to one lens and has different radii of curvature. The main purpose is to facilitate conversion from a light source with a high aspect ratio to an axisymmetric Gaussian beam by forming a surface or forming a cylindrical curved surface having a different radius of curvature on a normal convex lens surface.

【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。
In general, when the light source has a beam waste of 2ωp in the vertical direction and 2ωh in the horizontal direction, when this ray is converted into an axially symmetric ray through a lens, the distance between lenses at the position where the symmetrical ray is formed is L, At this time, the beam diameter is 2ω 0 , the distance from the flat light source to the lens is Z, and the condensing lens is provided with cylindrical curved surfaces having curvatures R1 and R2 orthogonal to each other. The former captures a wide 2ωh and the latter captures 2ωp. Assuming that the lens is for the beam conversion, the beam conversion becomes the ray matrix of the equation (2).

【数2】 [Equation 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。
The matrix elements A, B, C and D are expressed by
When h, ωp, and 2ω 0 are known numbers, Z, L
It is possible to calculate R1 and R2 that give a desired beam conversion for a ray having a beam waste at the position of from the following calculation. That is, from the Gaussian beam ray matrix, there is a relation of Equation 3, and a relation of Equations 4 and 5 can be derived.

【数3】 (Equation 3)

【数4】 [Equation 4]

【数5】 (Equation 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。
Therefore, from the equations 4 and 5, the beam curvature position L can be estimated from the optimum curvature R1 and the lens as a function of Z. Next, when considering the beam conversion that spreads in the vertical direction, it is required that the light beams have the same diameter at the same position L. At this time, the basic ray matrix is expressed by Equation 6.

【数6】 (Equation 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。
In the equation (6), the equation (5) is introduced as L so that the vertical direction and the horizontal direction can be matched. At this time, R2 can be determined from the relationship of Equation 7.

【数7】 (Equation 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。
R1, R2, L obtained as a function of Z
And ωh and ωp are determined, the beam waste diameter imaged at the position of L is calculated back by applying Equation 3 and the like,
All the conditions can be set by deriving h0 and ωp0 and finding Z that maximizes the coupling efficiency η of Equation 8.

【数8】 (Equation 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。
The matters described above are based on the present invention.
The outline of the image formation conversion using the compound curvature condensing lens having different radii of curvature in the perpendicular direction is disclosed, but the effect of the present invention is impaired even when the portion R1 is not a cylindrical shape but a convex shape (convex shape). Not a thing.

【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。
Various methods can be considered for the basic manufacturing method of the compound curvature surface according to the present invention depending on the size of the lens, the property of the beam to be handled, the use, etc., but the basic method is to use the first cylindrical surface or the convex surface. It can be manufactured by forming and then rotating 90 degrees to form a cylindrical curved surface having a desired radius of curvature in the orthogonal direction. Of course, forming by the reverse procedure is also included as long as the gist of the present invention can be achieved. The details will be described below with reference to examples.

【0022】[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。
Embodiment 1 FIG. 5 shows an example of a compound curvature condenser lens of the present invention. The tip of a silica rod with a diameter of 500 μm is fixed, and a curved surface with a curvature of 305 μm is polished. Next, it was rotated 90 degrees and ground to have a curvature of 133 μm. In the case of a lens that collects LD light having an aspect ratio of 1 μm in the vertical direction and 200 μm in the horizontal direction and forms an image of 5 μm on the other end surface without curvature, cut the silica rod to about 970 μm from the lens tip and polish the end surface. And then processed flat.

【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。
When the converted beam shape was measured by disposing a complex curvature condenser lens formed at the emission center of the LD, an axially symmetric beam spot having a diameter of approximately 5 μm was observed. The beam diameter calculated from the above estimation is 4.
It was confirmed that the actual beam shape agrees with 98 μm / 5.00 μm in the lateral direction. In this case, focusing the beam waste position farther than the lens can be easily achieved by adjusting the curvature. From this result, it can be seen that the present invention can achieve the lens coupling, in which two cylindrical lenses are made orthogonal to each other and are converted into axial symmetry by using one minute compound curvature converging lens, with one lens.

【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。
It is self-evident that this chip-shaped lens introduces an axially symmetric ray from the opposite direction and couples the flat beam to the exit side, and the aperture of the LD for amplification having a large aspect ratio for semiconductor optical amplification or the like. If an image is formed on a portion, a light beam can be projected with high efficiency, and extremely effective beam conversion can be achieved.

【0025】[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。
[Embodiment 2] FIGS. 1 and 2 show a complex curvature condenser lens chip 2 made of a silica rod in order to propagate a silica rod (diameter 250 μm) similar to that in Embodiment 1 to an SMF 1 having a core diameter of 5 μm. SM in the center part based on the outer diameter
F1 was discharge fused. In this case, when considering the coupling with the fiber core, it is necessary to design the lens according to the refractive index NA of the fiber as a condition different from the first embodiment.

【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。
That is, the SMF is guided through the silica lens portion 2.
Light rays that are coupled to the core are excluded from light with an incident angle that is greater than the angle specified by the refractive index NA, so the light rays that are converted by the lens are those that have a convergence angle that includes the refractive index NA of the fiber. Must match the beam spread when is emitted.

【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。
When there is a cylindrical lens waveguide length L having the same refractive index as that of an optical fiber core having a refractive index n, the maximum allowable angle θ given by the refractive index NA is given by Equation 9, and the beam waste in the vicinity of the core is substantially It moves to the SMF side from the fusion spliced part.

【数9】 [Equation 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。
Assuming that the substantial beam waste diameter is ω and the distance from the junction end face to be ω is d, it is estimated from the known amount of ωf, and is given by Equation 10.

【数10】 [Equation 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。
Where tan θ = λd / (π · n · ω f 2 ), N
If A = 0.14 and refractive index n = 1.459, then from Equations 9 and 10, ω = 2.477 μm and d = 4.8 μm at a wavelength of 0.8 μm.

【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。
That is, in FIG. 2, the ray propagating from the fiber core to the curved surface of the lens is expanded as a Gaussian beam when traveling through the silica lens rod, and on the lens surface, the same beam as the ray propagating on the light source side through the lens interface. The condition is to form a spread. That is, the beam matching conditions of L and Z must be reflected also in the ray matrix of Equations 2 and 6.

【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。
That is, as the coupling conditions, the vertical beam diameter ωps from the light source side on the lens surface and the horizontal beam diameter ωhs from the light source side.
Also, the axially symmetric beam diameter ωfs that propagates from the SMF1 through the silica waveguide portion and reaches the lens interface must be considered. These are estimated from the following formula 11.

【数11】 [Equation 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。
Therefore, the excess loss ηe when coupled to an optical fiber and coupled to a light emitting source or the like is given by Equation 12, and the total coupling loss is given by η · ηe.

【数12】 [Equation 12]

【0033】数12において、ωfs=ωhs、ωfs=ωps
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。
In Equation 12, if ω fs = ω hs and ω fs = ω ps , the ηe term is the optimum condition, but after all, considering that Equation 13 is a precondition, L, R1, and R2 are The corresponding Z can be determined.

【数13】 [Equation 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。
By substituting these conditions into the above-mentioned calculation formula to determine numerical values, when applied to the same LD as in Example 1,
Table 1 shows the relationship.

【0035】[0035]

【表1】 [Table 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。
From Table 1, the position where the optimum combination can be expected is Z
= 270 μm, L = 1414 μm, and the radii of curvature of the orthogonal cylindrical lenses are R1 = 446 μm and
R2 = 97 μm. The beam spot collected from the LD at the fiber core position is 1.9 μm in the vertical direction and in the horizontal direction.
It becomes 3.6 μm, and a slight mismatch of the beam spots is recognized, but the coupling efficiency is expected to be 0.7 dB, and it is clear that the coupling efficiency is dramatically improved from the conventional coupling efficiency of 13 dB.

【0037】[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。
Embodiment 3 FIGS. 3 and 4 show a method of manufacturing an optical fiber with a condenser lens. As shown in the figure, in the method of manufacturing an optical fiber with a condenser lens according to the present invention, the end surface of a coreless silica rod 2 having a uniform refractive index and a diameter larger than that of SMF1 is joined to SMF1, and the tip is polished and melted. Etc. to form a curved surface having a desired curvature (curvature radius R1), and form a curved surface with a different curvature (curvature radius R2) at the tip in a direction orthogonal to the curved surface so that R1> R2 Is.

【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。
1 and 2 are a plan view and a front view of the shape. In the figure, 1 is SMF, 2 is a diameter larger than SMF1, and two types of curvature radii R1 where the tip is processed into a wedge shape from a curved surface>
Coreless silica rod with R2, 4 LD chip, 5
Is the LD active layer, Z is the distance from the lens end surface to the exit end surface, L is the distance from the lens surface to the SMF fusion point, 2ω
h and 2ωp are the beam wastes in the horizontal and vertical directions of the LD end face, respectively.

【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。
The design conditions for the compound curvature condensing lenses orthogonal to each other are derived from the above-mentioned principle. 3 and 4, the coreless silica rod 2 with a diameter of 250 μm is attached to the SMF.
Fused to 1. The diameter of the lens forming part to be fused depends on the lateral width of the light beam to be captured. Width 200 as described above
A typical 125 μm SMF1 for a μm emission source
In the present invention, the diameter of the coreless silica rod forming the lens is not limited because the entire light emitting portion cannot be collected with a fiber whose outer diameter is matched with. Of course, if the width of the light emitting part is about 50 μm or less, 125
Fusing a coreless silica rod of μm is preferable for the reason of increasing the coaxiality between the fibers.

【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。
The fused coreless silica rod is cut to a length that allows L to be obtained after processing, and inserted and fixed in a protective tube such as a ferrule or a capillary. As the material of the protective tube, any material can be applied as long as it does not interfere with the subsequent process. Next, the cylindrical lens surface having a radius of curvature of R1 including the protective tube is polished and formed. Here, a convex lens surface having the same curvature may be formed. In that case, it is possible not only to perform polishing but also to melt the tip to secure a desired curvature by using the principle of surface tension.

【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。
Next, cylindrical lens surfaces having different radii of curvature are formed in a direction perpendicular to the first processed curved surface. When the required width of light collection is narrow, grind the cylindrical surface created in advance at right angles to the wedge shape from both sides,
It is preferable to form a curved cutting edge at R1. Next, the cutting edge is polished to produce a desired curvature R2. Whether to grind and polish the wedge or to grind the curved surface in the perpendicular direction immediately depends on the condition of the light source to be handled. The lens surface after polishing can be used as it is, but it is preferable to form an antireflection film.

【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。
Even when the diameter of the cylindrical lens is the same as that of the SMF to be fusion-spliced, the fiber with a condenser lens according to the present invention can be produced from the same steps.

【0043】[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。
Fourth Embodiment FIG. 6 is an application example of a configuration in which a collimator lens is arranged at the other end of the fiber SMF1 with a condenser lens manufactured from the third embodiment. Since the light beam that has already been taken into the SMF has been converted into a typical axially symmetric Gaussian beam, it is possible to form a collimated light beam with an expanded beam diameter of 2ω ex with a simple lens configuration as shown in FIG.

【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。
The collimated light beam of ω ex is formed when the correlation between the beam expanding lens (focal length f) and the equation 14 is obtained. That is, the focal length of the lens can be designed from the beam diameter to be expanded.

【数14】 [Numerical equation 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。
In particular, when a high power LD is used as a light emitting source and a compact and high power axisymmetric light beam is required, it can be formed from the structure of this embodiment.

【0046】[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。
[Embodiment 5] In FIG. 7, several LDs formed in an array are arranged two-dimensionally (for example, M × N), and linear LD emission rays emitted from the individual LDs are replaced with an axisymmetric ray matrix. When the condenser lens (diameter
(250 μm) are similarly arranged in a plane and can be converted into M × N axisymmetric Gaussian beams shown in FIG. At this time, the curvature radii of the cylindrical lenses orthogonal to each other are naturally limited by the aperture size and aspect ratio of the LD.

【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。
As described above, since the fiber with a lens of the present invention is manufactured as described above, the fiber and the lens have an integral structure, and the lens has a minute shape close to the fiber diameter, so that the coupling with the LD is easy. is there.

【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。
Further, even if the lateral length of the LD chip is large, since the diameter of the waveguide portion is larger than the diameter of the SMF, the waveguide portion length L can be adjusted to the optimum length independently of the curvature of R1. The mechanical part can be significantly downsized. Further, it is possible to transmit flat rays having a large aspect ratio generated from the high-power LD, which is the original purpose, to the optical fiber with high coupling efficiency.

【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。
Further, since the tip is formed in a wedge shape and the radius of curvature R2 of the tip end surface in the direction orthogonal to the curved surface of radius R1 is gradually increased toward both sides, the short axis length is formed. The radius of curvature of the axis is similar to that of a spheroid cut into slices from the rotating end, and higher optical coupling is possible not only in the vertical and horizontal directions of the LD chip, but also in the 360 ° direction, including the diagonal direction.

【0050】[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。
As described above, the condenser lens of the present invention provides a simple structure for converting a flat ray having a high aspect ratio into an axially symmetric Gaussian beam, and discloses a method of applying the same. The main idea is to convert a linear ray into a circular ray. In particular, when coupling a high-power LD to an optical fiber, high coupling efficiency can be realized and connection with the optical fiber can be easily formed. It can be mass-produced on a market scale, has long-term reliability, and can be used in a wide range of fields as a low-cost condenser lens.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【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。
FIG. 1 is a plan view illustrating coupling between an optical fiber with a condenser lens according to the present invention and an LD.

【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。
FIG. 2 is a front view illustrating coupling between an optical fiber with a condenser lens according to the present invention and an LD.

【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。
FIG. 3 is a diagram illustrating a method of manufacturing a fiber with a condenser lens according to an embodiment of the present invention.

【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。
FIG. 4 is a diagram illustrating a method of manufacturing a fiber with a condenser lens according to an embodiment of the present invention.

【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。
FIG. 5 is a diagram illustrating the principle of light ray conversion of a condenser lens according to an embodiment of the present invention.

【図6】本発明の実施例4の原理を説明する図。FIG. 6 is a diagram illustrating the principle of Embodiment 4 of the present invention.

【図7】本発明の実施例5の原理を説明する図。FIG. 7 is a diagram illustrating the principle of a fifth embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

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 1 SMF 2 Coreless silica fiber 3 Fiber protection tube 4 LD chip 5 Active layer

───────────────────────────────────────────────────── 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 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (72) Inventor Takako Hayakawa 3-8-22 Nitta, Adachi-ku, Tokyo Inside Namiki Seimitsu Takara Stone Co., Ltd. (72) Inventor Tetsuya Miyazaki Oita, Seiraku-cho, Kyoto Pref. No. 5 In the AR Optical Communications Research Institute (72) Inventor Yoshio Karasawa, Mihaya, Seika-cho, Seika-cho, Soraku-gun, Kyoto No. 5 In the Optical Optical Communications Research Institute, Ltd.

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【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。
1. At least two curved surfaces orthogonal to each other,
A condenser lens characterized by different curvatures.
【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。
2. A condenser lens characterized in that a tip of a coreless silica rod having a uniform refractive index and a diameter equal to or larger than an optical fiber diameter has at least two curved surfaces orthogonal to each other and the curvatures thereof are different.
【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。
3. A coreless silica rod having a uniform refractive index and a diameter equal to or larger than that of an optical fiber has at least two curved surfaces having mutually different curvatures and having the other end joined to an optical fiber. A condensing lens characterized in that
【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。
4. A coreless silica rod having a uniform refractive index and a diameter equal to or larger than that of an optical fiber has at least two curved surfaces which are orthogonal to each other and have different curvatures, and the other end is joined to an optical fiber. A condensing lens, characterized in that a desired lens is provided at the other end of the optical fiber to make a light beam emitted from the optical fiber core a collimator light beam.
【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。
5. A step of polishing one end of a glass or silica rod into a cylindrical lens shape or a convex lens shape having a desired curvature, and forming a cylindrical lens surface having a different curvature in a direction perpendicular to a previously curved surface or in an arbitrary direction. A method of manufacturing a condensing lens mainly including the step of:
【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。
6. A method of manufacturing an optical fiber terminal with a condenser lens, the step of fusing a fiber to a coreless silica rod, and the step of cutting the fused coreless silica rod to a required length for a waveguide portion. The process of inserting and fixing the fiber protection tube, the process of polishing the tip of the coreless silica rod previously cut into a cylindrical lens shape or convex lens shape with a desired curvature, and the direction perpendicular or arbitrary direction of the curved surface that was previously polished And a step of forming cylindrical lens surfaces having different curvatures.
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