JP2002156535A - レンズ付光ファイバ及びその加工方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】加工性に優れ、高い加工精度が得られ、楕円モ
ード光ビームに対し、光結合効率の良いレンズ付光ファ
イバを提供する。 【解決手段】レンズ付光ファイバの先端部の曲面２２を
レーザ加工で仕上げる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信に使用する
発光源と光ファイバとの光結合に用いるレンズ付光ファ
イバに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光通信用の発光源としては、レーザダイ
オード（以下ＬＤという），発光ダイオード等が用いら
れる。ＬＤからの出射光のパターンは、光分布が円状の
ガウス分布ではなく縦方向と横方向で異なる楕円ビーム
状となる。典型的な９８０ｎｍＬＤは２．５：１と４：
１の間のアスペクト比を有する出射光のパターンとな
る。このような大きなアスペクト比を有するＬＤとファ
イバとの結合には楔形レンズ付光ファイバが有効であ
る。

【０００３】従来の楔形レンズ付光ファイバは、図１に
示す様に光ファイバのコア軸２３に関して対称の一対の
傾斜面２１を設けて楔形状とし、これらの傾斜面２１に
対し連続して半円筒状の曲面２２を備えた形状をなして
おり、その加工方法は光ファイバの片面から研磨し光フ
ァイバのセンタまで研磨したら１８０°回転し、反対方
向から研磨することで楔形状を形成し、先端を所望の曲
率にするために適切な研磨を加えて仕上げていた。（特
開平８−８６９２３公報参照）。

【０００４】又、前記同様に楔形状を研磨で形成した
後、先端を研磨加工ではなく、放電加工にて曲面を形成
する方法もあった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが上記に記載し
た従来の研磨で先端の曲面２２を形成する方法では、研
磨面に０．１μｍ程度の加工変質層が生じ、ＬＤとレン
ズ付光ファイバとの結合効率を悪化させる要因となって
いた。また、研磨時にレンズ面に数μｍ程度の研磨キズ
が付くことがあり、これもＬＤと光ファイバとを光結合
させたときの結合効率を悪化させる要因となっていた。

【０００６】又、従来の放電加工にて曲面を形成する方
法では、図４に示すように曲面２２と傾斜面２１とのつ
ながりが歪な形状となり、これも結合効率を悪化させる
要因となっていた。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記に鑑みて本発明は、
端部に曲面を形成してレンズ部としたレンズ付光ファイ
バにおいて、前記曲面およびその近傍のみが熱によって
形成された溶融面であり、それ以外の加工面は研磨面で
あり、前記曲面と加工面が滑らかに連続していることを
特徴とする。

【０００８】また、上記曲面が半円筒状であり、上記加
工面が２つの傾斜面であって、上記曲面全面とこれに連
続する傾斜面の０〜３０μｍの範囲内を溶融面としたこ
とを特徴とする。

【０００９】更に、レーザ加工により前記曲面を溶融加
工したことを特徴とする。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態につい
て、図面を用いて説明する。

【００１１】図１は本発明の実施形態を示すレンズ付光
ファイバのレンズ部２４の形状を示す図である。周知の
通り光ファイバは、光が閉じこめられるコアと、これを
同心円状に囲むクラッドから成り、かつコアが円形断面
を備えている。

【００１２】光ファイバの先端部には、光ファイバのコ
ア軸２３に対して対称な傾斜面２１からなる楔形状を形
成し、該傾斜面２１に対し連続して半円筒状の曲面２２
から成るレンズ部２４を備えている。

【００１３】レンズ部２４の曲面２２の曲率半径は１μ
ｍ〜２０μｍであることが望ましい。ここで１μｍ未満
の曲率半径であれば、レーザ加工の前工程である研磨で
は曲率半径が小さすぎて加工することが不可能な事と、
２０μｍを越える曲率半径であれば、ＬＤから出た光が
レンズ部２４で十分に集光されず、光ファイバのコア部
に結合効率良く入射されなくなるからである。

【００１４】傾斜面２１の角度θは傾斜面２１と光ファ
イバのコア軸２３に対し垂直な平面２５とのなす角度で
あり、１０°＜θ＜７０°の範囲であることが好まし
い。この範囲を超えると結合効率が極端に悪化するから
である。

【００１５】また、レンズ部２４の曲面２２および曲面
２２の近傍のみが熱によって形成された溶融面をなし、
それ以外の傾斜面２１は研磨面となっている。図１の一
点鎖線が溶融面を示すが、曲面２２は全面が溶融面であ
る必要があり、その曲面２２に連続する傾斜面２１は平
面図投影寸法Ｌ＝０〜３０μｍの範囲内で溶融面である
必要がある。

【００１６】これは少なくとも曲面２２全面が溶融面で
ないと、入射光が光ファイバのコア部に結合効率よく入
射されなくなり、又傾斜面２１の平面図投影寸法で３０
μｍを越える範囲まで溶融面にすると、この部分が歪な
形状となり、傾斜面２１に対して滑らかに連続できなく
なって、結合効率を悪化させるからである。

【００１７】ここで、傾斜面２１をなす研磨面とはダイ
ヤモンド砥石、ダイヤモンド砥粒、もしくはダイヤモン
ド研磨紙により研磨加工された表面をいい、１μｍ程度
以下の無数の微細なキズがついている。これに対し、曲
面２２などをなす溶融面はガラスを一時的に軟化させ、
再度冷却した後は本来のガラスの物性を回復するという
という特性を生かし、研磨加工時に生じた加工変質層や
研磨キズを消失させた、溶融した滑らかな鏡面である。

【００１８】研磨面と溶融面との見分け方は、金属顕微
鏡を用いて１０００倍の倍率で観察すると、研磨面は研
磨キズを確認でき、溶融面は鏡面状態であることから容
易に判別出来る。

【００１９】従来例では放電加工により溶融面を形成し
ていたが、放電加工では熱容量が大きいために、加熱さ
れ溶融した部分が表面積を小さくする力により、歪な曲
面となってしまったが、本発明のレーザ加工では熱容量
を必要最小限に押さえることができ、曲面２２およびそ
の近傍のみを加熱できるために溶融面と加工面を滑らか
に連続させることができ、これによって光結合効率を良
くすることができる。

【００２０】光ファイバの製造時には、ガラスをいった
ん溶融状態にして冷却するという過程を経るが、本発明
の手段では同様の過程を局部的に生じさせることにな
る。

【００２１】加工変質層での屈折率が高くなるのは、研
磨時の圧縮やせん断応力による塑性変形の結果である。
塑性変形部分を加熱して溶融させれば、内部の原子間の
結合状態が再構成され、元の状態に戻る。金属と異な
り、結晶ができるわけではないので、冷却速度は早くて
よい。

【００２２】この点が、金属における焼き鈍しと大きく
異なるところである。光ファイバの材質である石英ガラ
スの線膨脹係数は極めて小さいため、急冷による熱歪み
で屈折率が変化するような現象も無視できる。

【００２３】なお石英ガラスには金属のような明確な融
点は存在せず、温度上昇と共に粘度が変化するのみであ
る。定数としての融点や軟化点は、設定された粘度をも
とに定義されるだけであり、上記の作用自体については
どちらの温度であっても違いがない。原子間の結合状態
の再構成プロセスは粘度が低いほど早くなるので、高い
温度の方がより短時間での加熱で済むというだけであ
る。

【００２４】本発明は楔形レンズ付き光ファイバで説明
してきたが、この形状以外に図２（ａ）に示すような第
一の傾斜面２１の先端に第二の傾斜面２１ａを有し先端
に曲面２２を形成した２段楔形状に用いることも出来
る。

【００２５】また、楔形状のみにとらわれず、図２
（ｂ）に示すような円錐テーパ面２１ｂを有し先端に曲
面２２を形成したテーパ先球形状にでも適用出来うる。
即ち、光ファイバの先端に曲面２２を形成したレンズ付
ファイバであれば形状の如何を問わずに適用することが
できる。

【００２６】図２（ａ）に示す２段楔形状では第一の実
施様態同様に、一点鎖線で溶融面を示しているが、曲面
２２は全面が溶融面である必要があり、その曲面２２の
外側の傾斜面２１は平面図投影寸法Ｌ＝０〜３０μｍの
範囲内で溶融面である必要がある。

【００２７】図２（ｂ）に示すテーパ先球形状の場合の
溶融部は、一点鎖線で溶融面を示しているが、曲面２２
は全面が溶融面である必要があり、その曲面２２の外側
の円錐テーパ面２１ｂは平面図投影寸法Ｌ＝０〜３０μ
ｍの範囲内で溶融面である必要がある。

【００２８】本発明のレンズ付光ファイバは主にシング
ルモード光ファイバに適用するが、マルチモード光ファ
イバに適用することも出来る。

【００２９】次に、本発明のレンズ付光ファイバの加工
方法を図３を用いて説明する。

【００３０】まず、治具を用いて平板の研磨盤と光ファ
イバのコア軸のなす角度を（９０−θ°）に保持しなが
ら研磨し、傾斜面２１が光ファイバのコア軸２３の中心
まで到達したら、１８０°回転し、反対方向から再び研
磨して傾斜面２１を形成し、楔形状とする。

【００３１】次に先端部を所望の曲率になるように研磨
加工し曲面２２を形成し、最後にレーザ加工にて、曲面
２２の微細なキズを溶融し滑らかな曲面２２を得ること
により結合効率の低下及び加工不良を防止できる。

【００３２】さらにレーザ加工での曲面２２の仕上げ加
工はスポット径の調整により局部的に加工ができるた
め、精度の高い曲面加工が可能であり、スポット径はφ
１０〜５０μｍの範囲であることが望ましい。これは１
０μｍ未満では光ファイバのコア部全てをレーザ加工で
きなくなり、又５０μｍを越えると溶融した部分が歪な
形状となり、傾斜面２１に対して滑らかな曲面とならな
くなるからである。

【００３３】加工に用いるレーザの種類としては、特に
限定するものではなく、炭酸ガスレーザ、ＹＡＧレー
ザ、ガラスレーザ、エキシマレーザ等の公知のレーザを
用いることが出来る。

【００３４】この中でより好ましくは、炭酸ガスレーザ
を用いると良い。

【００３５】一例として、炭酸ガスレーザの加熱条件
は、φ５０μｍの範囲では約０．１秒で十分であり、レ
ーザを半円筒方向へ順次移動することによりレーザ加工
は完成する。

【００３６】また照射したレーザ光のパワーは０．２Ｗ
以下で十分である。最近では導波路型の小型な炭酸ガス
レーザが市販されているため、この程度の加熱は安価で
簡便に行うことができる。

【００３７】レーザ加工の条件は被加工物が石英ガラス
で出来た光ファイバであるため、大出力のレーザ光を直
接照射するとヒートショックによりクラックが発生する
可能性があるために、レーザを間欠的に照射して光ファ
イバが急激に温度上昇することを防いだり、レーザ照射
前もしくは照射後に、更には前後に出力を弱めたり、あ
るいはヒートショックを和らげるためにヒータ等の加熱
手段により予め光ファイバを加熱した状態でレーザ照射
を行っても良い。

【００３８】

【実施例】ここで、以下に示す方法で実験を行った。図
１に示す本発明の光ファイバの先端の曲面２２を研磨加
工した後レーザ加工で仕上げたレンズ付光ファイバと、
比較例として従来の光ファイバの先端の曲面２２を研磨
加工のみしたレンズ付光ファイバをそれぞれ１０個試作
し、光結合効率を測定した。

【００３９】光源は波長が９８０ｎｍ、出射光の強度分
布（モードフィールド）パターンは４：１のアスペクト
比である楕円形状である。光ファイバはモードフィール
ド径６．０μｍの円対称シングルモード光ファイバを使
用した。

【００４０】傾斜面２１と光ファイバのコア軸２３に対
し垂直な平面２５とのなす角度θを５０°とし、先端の
曲面２２の曲率半径は４μｍとした。

【００４１】本発明の溶融面は曲率半径４μｍの部分全
面と、その曲面２２の外側の傾斜面２１は平面図投影寸
法で１０μｍとして炭酸ガスレーザ加工を施した。

【００４２】その結果を表１に示す。

【００４３】

【表１】

【００４４】表１からわかるように、従来の曲面２２を
研磨のみで仕上げたレンズ付光ファイバの結合効率は平
均値、ばらつきが７６．９４％、４．３９９％であった
のに対して、本発明のレーザ加工にて曲面２２を仕上げ
たレンズ付光ファイバの結合効率は平均値、ばらつきが
８２．９３％、２．０３８％という結果となり、本発明
のレンズ付光ファイバは結合効率が格段に良くなってい
ることがわかる。

【００４５】

【発明の効果】本発明によれば、レンズ付光ファイバの
先端部の曲面をレーザ加工で仕上げることにより高い光
結合効率を有したレンズ付光ファイバを提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のレンズ付光ファイバを示しており、
（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。

【図２】（ａ）、（ｂ）は本発明の他の実施形態を示す
側面図である。

【図３】本発明のレンズ付光ファイバの加工方法を説明
する図である。

【図４】従来のレンズ光ファイバを示す側面図である。

【符号の説明】

２１ 傾斜面 ２１ａ 傾斜面 ２１ｂ 円錐テーパ面 ２２ 曲面 ２３ コア軸 ２４ レンズ部 ２５ 平面 Ｌ 平面図投影寸法 ｄ 平面図投影寸法

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】端部に曲面を形成してレンズ部としたレン
   ズ付光ファイバにおいて、前記曲面およびその近傍のみ
   が熱によって形成された溶融面であり、それ以外の加工
   面は研磨面であり、前記曲面と加工面が滑らかに連続し
   ていることを特徴とするレンズ付光ファイバ。
2. 【請求項２】上記曲面が半円筒状であり、上記加工面が
   ２つの傾斜面であって、上記曲面全面とこれに連続する
   傾斜面の０〜３０μｍの範囲内を溶融面としたことを特
   徴とする請求項１記載のレンズ付光ファイバ。
3. 【請求項３】レーザ加工により前記曲面を溶融加工した
   ことを特徴とする請求項１又は２記載のレンズ付光ファ
   イバ。