CN112969945A - 带透镜的光纤的连接结构、以及带透镜的光纤中的端面的曲率半径的设定方法 - Google Patents

带透镜的光纤的连接结构、以及带透镜的光纤中的端面的曲率半径的设定方法 Download PDF

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Abstract

本发明的带透镜的光纤的连接结构使在光纤(2)的前端同轴地熔接有棒状的GRIN透镜(3)而成的带透镜的光纤(1)彼此进行PC连接,其中,带透镜的光纤(1)具有进行了球面研磨的端面(31),端面(31)的曲率半径R满足式(1)及式(2)所示的条件。式(1):(W/2a)≤1,式(2):a=(R·F·(3/4)·(1‑v2/E))1/3,在此,W为光束直径,a为接触面的半径,F为PC连接时的按压力,v为GRIN透镜的泊松比,E为GRIN透镜的杨氏模量。

Description

带透镜的光纤的连接结构、以及带透镜的光纤中的端面的曲 率半径的设定方法
技术领域
本发明涉及带透镜的光纤的连接结构、以及带透镜的光纤中的端面的曲率半径的设定方法,更详细而言,涉及对于使在光纤的前端同轴地熔接有棒状的GRIN透镜而成的带透镜的光纤彼此进行PC连接而言适合的带透镜的光纤的连接结构、以及端面的曲率半径的设定方法。
背景技术
作为对传输光信号的光纤进行连接的光连接器,已知有单芯用的SC(Singlefiber Coupling)型光连接器、多芯用的MT(Mechanically Transferable)型光连接器等。对于利用光连接器将光纤彼此连接而言,为了降低由菲涅耳反射引起的连接损耗,一般采用使相互的端面对接而进行物理接触的PC(Physical Contact)连接。例如,在SC型光连接器那样的单芯用的光连接器中,使光纤的端面连同在连接器装配的插芯的端面一并进行球面研磨,并利用由连接器内的按压弹簧产生的按压力将光纤的端面彼此压接,由此实现PC连接。在连接器通常组装有按压力为10N(牛顿)的弹簧。
另外,为了当在光通信网络中将传输光信号的光纤彼此连接时能够高效且低损耗地进行连接,已知在光纤的前端同轴地熔接有棒状的GRIN(Gradient Index)透镜而成的带透镜的光纤(lensed fiber)(参照专利文献1)。
并且,在带透镜的光纤中,将GRIN透镜设为与光纤直径相同,由此在带透镜的光纤彼此的PC连接中也能够沿用光连接器。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2003-227963号公报
发明内容
发明要解决的课题
然而,近年来,光纤的多芯高密度化不断进展,且由1个连接器连接的光纤的根数不断增加。若在对用于使各个光纤进行PC连接的弹力(按压力)进行维持的状态下使由1个连接器连接的光纤的根数增加,则连接器内的弹力的合计增大。其结果是,弹力的合计有可能相对于连接器的材料强度变得过大。而且,在一次将多个连接器光连接的背板光连接器中,背板有可能由于较强的弹力而变形或破损。
另一方面,若在维持对连接器内的弹力的合计进行抑制的状态下,使由1个连接器连接的光纤的根数增加,则每1根光纤的弹力降低。若用于使光纤进行PC连接的弹力降低,则通过PC连接来进行压接的接触面的直径变小。其结果是,特别是在使从光纤的芯射出的光束通过GRIN透镜而扩径的、带透镜的光纤中,光束直径变得比接触面的直径大,从而有可能使由菲涅耳反射等引起的连接损耗增大。
因此,本发明的目的在于,提供能够对PC连接时的连接损耗的增大进行抑制并且对PC连接的按压力的增大进行抑制的带透镜的光纤的连接结构、以及带透镜的光纤中的端面的曲率半径的设定方法。
用于解决课题的方案
本发明的带透镜的光纤的连接结构使在光纤的前端同轴地熔接有棒状的GRIN透镜而成的带透镜的光纤彼此进行PC连接,所述带透镜的光纤的连接结构的特征在于,所述带透镜的光纤具有进行了球面研磨的端面,所述端面的曲率半径R满足式(1)及式(2)所示的条件,
式(1):(W/2a)≤1,
式(2):a=(R·F·(3/4)·(1-v2/E))1/3
在此,
a为带透镜的光纤在PC连接时压接的接触面的半径,
W为包含所述接触面在内的平面中的光束直径,
F为每一对带透镜的光纤在PC连接时的按压力,
v为GRIN透镜的泊松比,
E为GRIN透镜的杨氏模量。
本发明的带透镜的光纤中的端面的曲率半径的设定方法设定带透镜的光纤中的进行了球面研磨的端面的曲率半径,该带透镜的光纤在光纤的前端同轴地熔接有棒状的GRIN透镜,所述带透镜的光纤中的端面的曲率半径的设定方法的特征在于,将所述端面的曲率半径R设定为满足式(1)及式(2)所示的条件,
式(1):(W/2a)≤1,
式(2):a=(R·F·(3/4)·(1-v2/E))1/3
在此,
a为带透镜的光纤在PC连接时压接的接触面的半径,
W为包含所述接触面在内的平面中的光束直径,
F为每一对带透镜的光纤在PC连接时的按压力,
v为GRIN透镜的泊松比,
E为GRIN透镜的杨氏模量。
发明效果
根据本发明的带透镜的光纤的连接结构,在本发明中,带透镜的光纤的端面的曲率半径R满足上述的式(1)及式(2)所示的条件,由此能够对PC连接时的连接损耗的增大进行抑制,并且对PC连接的按压力的增大进行抑制。
另外,根据本发明的带透镜的光纤中的端面的曲率半径的设定方法,将带透镜的光纤的端面的曲率半径R设定为满足上述的式(1)及式(2)所示的条件,由此能够对PC连接时的连接损耗的增大进行抑制,并且对PC连接的按压力的增大进行抑制。
附图说明
在图1中,(a)是就本发明的实施方式的带透镜的光纤的连接结构的一例而言示出了非连接时的状态的示意图,(b)是就本发明的实施方式的带透镜的光纤的连接结构的一例而言示出了PC连接时的状态的示意图。
图2是说明带透镜的光纤的GRIN透镜的端面在PC连接时的压接变形的示意图。
图3是示出带透镜的光纤的端面与波导占有率之间的关系的图表。
具体实施方式
以下,参照附图对本发明的实施方式进行说明。
本实施方式的带透镜的光纤的连接结构用于使在光纤2的前端同轴地熔接有棒状的GRIN透镜3而成的带透镜的光纤1彼此进行PC连接。
在本实施方式中,在使带透镜的光纤1彼此进行PC连接时,通过将在光纤2的前端熔接的GRIN透镜3设为与光纤2直径相同(例如为125μm),从而能够使用SC型光连接器、MT型光连接器那样的公知的光连接器。
在此,图1的(a)及图1的(b)是示出通过利用光连接器内的弹簧对相互的端面进行压接而使带透镜的光纤1彼此进行PC连接的例子的示意图,其中省略了光连接器的图示而着眼于一对带透镜的光纤1,图1的(a)示出了连接前的状态,图1的(b)示出了连接时的状态。
在该带透镜的光纤1中,例如将GRIN透镜3的长度设为入射光波长的1/4,由此能够使从光纤2的芯21入射到GRIN透镜3内的光扩径并作为平行光从GRIN透镜3彼此的接触面4射出。在图1的(b)中,用虚线表示如下的光束光,该光束光在一方的GRIN透镜3内传播,且在包含接触面4在内的平面从一方的GRIN透镜3射出并入射至另一方的GRIN透镜3,而在另一方的GRIN透镜3内传播。
在该带透镜的光纤1彼此的PC连接中,接触面4中的光束光的光束直径W变得比光纤2的芯21的直径大,这样的结果具有如下优点。
(1)当在接触面4夹着尘埃那样的异物的情况下,也能够降低连接损耗。
(2)在高功率传输中,能够降低接触面4处的光的能量密度,因此能够抑制咬粘的发生。
而且,通过使光束光作为光束直径被扩径后的平行光来穿过接触面4,从而降低了因轴偏离、角度偏离那样的未对准而产生的损耗,而能够高效且低损耗地进行PC连接。
需要说明的是,在本实施方式中,在GRIN透镜3中除了没有包层的折射率分布型透镜之外,还包括G1(Graded Index)光纤等,只要是利用折射率分布(Gradient Index)来发挥透镜功能的物体就没有特别限定。
另外,在光纤2的前端熔接的GRIN透镜3的长度不限于上述的例子,而能够根据GRIN透镜3的折射率分布、数值孔径(Numerical Aperture)等适当调整,以得到所希望的射出特性。而且,GRIN透镜3为了调整其射出特性,也可以将两种以上的数值孔径不同的透镜相连而形成为一体。GRIN透镜3的具体方式没有特别限定。
然而,为了降低PC连接时的由菲涅耳反射引起的连接损耗,扩径后的光束光需要全部在接触面4内从一方的GRIN透镜3内入射至另一方的GRIN透镜3。为此,以如下情况为条件:在包含接触面4的平面上,光束直径(直径)W的光束光的圆形的截面积S1=((W/2)2×π)比直径2a的圆形的接触面4的面积S2=(a2×π)窄。在PC连接中,由于在接触面4上,圆形的光束光与接触面4实质上为同心圆,因此该条件由以下的(A)式给出。
(A)式:(W/2)2×π)/(a2×π)=(W/2a)2≤1
而且,由于光束直径(直径)W、以及接触面4的直径2a均为正值,因此上述的(A)式由以下的(1)式表示。
(1)式:(W/2a)≤1
上述的(1)式中的包含接触面4在内的平面P处的光束直径W能够如上述那样根据GRIN透镜3的折射率分布、数值孔径(Numerical Aperture)等来适当地设定。
另一方面,上述的(1)式中的在使带透镜的光纤1彼此进行PC连接时压接的接触面4的半径a可以如以下说明的那样求出。
在此,在图2中示意性地示出了PC连接后的带透镜的光纤的GRIN透镜3的端面31的压接变形。在该图中,用虚线表示PC连接前的轮廓,用实线表示PC连接后的轮廓。另外,为了使附图容易理解,用粗线表示PC连接时的接触面4。
将一对带透镜的光纤1的进行了球面研磨的端面31彼此对接而进行的PC连接实质上能够看作是使球体彼此压接而进行的球体接触。因此,在赫兹公式中,作为球体彼此的曲率半径R、泊松比v及杨氏模量E彼此相等的情况,而由以下的(2)式给出使带透镜的光纤1彼此进行PC连接时的接触面的半径a。
(2)式:a=(R·F·(3/4)·(1-v2/E))1/3
在此,在上述的(2)式中,分别是,
R表示带透镜的光纤1在PC连接前的端面31的曲率半径,
F表示每一对带透镜的光纤1在PC连接时的按压力,
v表示GRIN透镜3的泊松比,
E表示GRIN透镜3的杨氏模量。
需要说明的是,上述的(2)式中的按压力F由装配有带透镜的光纤1的连接器内的按压弹簧(未图示)施加。
如上述的(2)式所示,接触面4的半径a相对于曲率半径R与按压力F的乘积的1/3次方成比例。即可知,若增大曲率半径R,则能够在不减小接触面4的半径a的情况下减小按压力F。
因此,若以使接触面4的半径a满足上述的(1)式的方式来设定曲率半径R,则能够对PC连接时的连接损耗的增大进行抑制,并且对PC连接的按压力的增大进行抑制。
在此,在表1中示出了波导占有率(%)的计算结果,该波导占有率(%)在光束直径W=45μm的情况下与作为每一对带透镜的光纤的按压力的弹力F=10N、5N、4N及3N时的曲率半径R(mm)相应。
需要说明的是,波导占有率(%)是在上述的(A)式中示出的(W/2)2×π)/(a2×π)的值。
另外,在计算时设为GRIN透镜3的泊松比v=0.17,杨氏模量E=72。
[表1]
Figure BDA0003055929150000071
而且,在图3中示出了对上述的表1所示的计算结果进行标绘而成的图表。在图3的图表中,弹力F=10N、5N、4N及3N时的计算值分别由白圆、黑四边形、白三角形、以及黑圆标绘。
需要说明的是,在图3的图表中省略了波导占有率超过100%的部分的图示。
从上述的表1及图3的图表可知,在
·弹力F=10N且曲率半径R=1mm时,
·弹力F=5N且曲率半径R=1及2mm时,
·弹力F=4N且曲率半径R=1、2及3mm时,以及
·弹力F=3N且曲率半径R=1、2、3及4mm时,
波导占有率超过了100%,因此不满足上述的式(1)及式(2)的条件,光束直径W变得比接触面4的直径2a大,从而连接损耗增大。
在此,若在每一对带透镜的光纤的弹力F=10、5、4及3N时计算波导占有率为100%的曲率半径R,则如表2所示。
[表2]
Figure BDA0003055929150000081
如上述的表2所示,在光束直径W=45μm的情况下,例如当弹力F=10N时,曲率半径R=1.35mm以上即可,但当弹力F=5N时,需要曲率半径R=2.70mm以上。因此可知,在本实施方式中,例如,在将弹力F抑制为5N的情况下,将GRIN透镜3的端面31的曲率半径R设定为2.70mm以上即可。
另外,为了进行PC连接,GRIN透镜3的端面31需要不是平面而是进行了球面研磨的球面,因此端面31的曲率半径R具有有限值。
以上,针对本发明示出并说明了优选的实施方式,但本发明并不仅限定于前述的实施方式,而能够在本发明的范围内进行各种变更实施。
例如,作为与光连接器的球面研磨相关的技术,一般已知的是,在将光纤插入插芯并由粘接剂固定的状态下,对插芯前端进行球面研磨。在本发明中,为了对带透镜的光纤的端面进行球面研磨,既可以在插入插芯并进行了固定的状态下与插芯一起实施球面研磨,但也可以将带透镜的光纤保持于适当的夹具并对该带透镜的光纤的端面进行球面研磨,然后保持于插芯并将相互的端面压接。另外,插芯既可以是单芯用,也可以是多芯用。
将本说明书中记载的文献以及作为本申请的巴黎公约优先权的基础的日本申请说明书的内容全部援引于此。
附图标记说明:
1 带透镜的光纤
2 光纤
3 GRIN透镜
4 接触面
21 芯
31 端面。

Claims (2)

1.一种带透镜的光纤的连接结构,其使在光纤的前端同轴地熔接有棒状的GRIN透镜而成的带透镜的光纤彼此进行PC连接,所述带透镜的光纤的连接结构的特征在于,
所述带透镜的光纤具有进行了球面研磨的端面,
所述端面的曲率半径R满足式(1)及式(2)所示的条件,
式(1):(W/2a)≤1,
式(2):a=(R·F·(3/4)·(1-v2/E))1/3
在此,
a为带透镜的光纤在PC连接时压接的接触面的半径,
W为包含所述接触面在内的平面中的光束直径,
F为每一对带透镜的光纤在PC连接时的按压力,
v为GRIN透镜的泊松比,
E为GRIN透镜的杨氏模量。
2.一种带透镜的光纤中的端面的曲率半径的设定方法,其设定带透镜的光纤中的进行了球面研磨的端面的曲率半径,该带透镜的光纤在光纤的前端同轴地熔接有棒状的GRIN透镜,所述带透镜的光纤中的端面的曲率半径的设定方法的特征在于,
将所述端面的曲率半径R设定为满足式(1)及式(2)所示的条件,
式(1):(W/2a)≤1,
式(2):a=(R·F·(3/4)·(1-v2/E))1/3
在此,
a为带透镜的光纤在PC连接时压接的接触面的半径,
W为包含所述接触面在内的平面中的光束直径,
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v为GRIN透镜的泊松比,
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