JP2002243991A - 結合光学系およびそれを用いた光学素子 - Google Patents
結合光学系およびそれを用いた光学素子Info
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- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/26—Optical coupling means
- G02B6/32—Optical coupling means having lens focusing means positioned between opposed fibre ends
Abstract
(57)【要約】
【課題】 実際の光学系で用いるレンズでは残存する各
種収差などによる損失が発生することが避けられない。
また、温度や湿度の変化によってレンズの焦点距離や収
差状況が変化すれば、結合損失も変動することが考えら
れる。またレンズや光ファイバを保持する部品の体積や
長さの変動も結合損失の原因となる。 【解決手段】 ２個のレンズを用いてコリメータ平行対
を構成し、両レンズの間隔を、両レンズから等距離の位
置にビームウエストを形成することが可能な最大間隔に
略一致させる。
種収差などによる損失が発生することが避けられない。
また、温度や湿度の変化によってレンズの焦点距離や収
差状況が変化すれば、結合損失も変動することが考えら
れる。またレンズや光ファイバを保持する部品の体積や
長さの変動も結合損失の原因となる。 【解決手段】 ２個のレンズを用いてコリメータ平行対
を構成し、両レンズの間隔を、両レンズから等距離の位
置にビームウエストを形成することが可能な最大間隔に
略一致させる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光通信システムに
関し、特に光ファイバと組み合わせて用いられるコリメ
ータ対光学素子に関するものである。
関し、特に光ファイバと組み合わせて用いられるコリメ
ータ対光学素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、インターネットの急速な普及によ
り、光ファイバ通信網の容量の増大が強く求められてお
り、その手段としてＷＤＭ（波長多重）通信の開発が急
速に進められている。ＷＤＭ通信においては、わずかな
波長差の光が個別の情報を伝達することから、波長選択
性の良い光分波器、光学フィルタ、光アイソレータ、光
サーキュレータといった光学機能素子が必要である。上
記機能素子においては、量産性、小型化、集積化、安定
性などが強く求められていることは言うまでもない。
り、光ファイバ通信網の容量の増大が強く求められてお
り、その手段としてＷＤＭ（波長多重）通信の開発が急
速に進められている。ＷＤＭ通信においては、わずかな
波長差の光が個別の情報を伝達することから、波長選択
性の良い光分波器、光学フィルタ、光アイソレータ、光
サーキュレータといった光学機能素子が必要である。上
記機能素子においては、量産性、小型化、集積化、安定
性などが強く求められていることは言うまでもない。
【０００３】上記の光学機能素子においては、出射側光
ファイバの端面から出射された光をコリメータによって
平行光束とし、フィルタやアイソレータの機能を有する
平板状の光学機能素子を透過させた後に、再び集光レン
ズによって集光して入射側光ファイバの端面に送り込
む、といった構成をとることが多い。コリメータ及び集
光レンズとしては、半径方向に屈折率分布を有するロッ
ドレンズ、ガラス製球レンズや非球面成形レンズなどが
使用されている。形状と収差補正の点では屈折率分布型
ロッドレンズが最も使い易いレンズである。
ファイバの端面から出射された光をコリメータによって
平行光束とし、フィルタやアイソレータの機能を有する
平板状の光学機能素子を透過させた後に、再び集光レン
ズによって集光して入射側光ファイバの端面に送り込
む、といった構成をとることが多い。コリメータ及び集
光レンズとしては、半径方向に屈折率分布を有するロッ
ドレンズ、ガラス製球レンズや非球面成形レンズなどが
使用されている。形状と収差補正の点では屈折率分布型
ロッドレンズが最も使い易いレンズである。
【０００４】図１は、一例として均質な材料からなる第
１の平凸レンズ３，第２の平凸レンズ４を用いたコリメ
ータ平行対の模式図である。通常の平行対では、両側に
同一のレンズ（レンズ厚：Ｚ）２個を距離２Ｌを隔てて
配置する。また、図１のようにレンズ面の形状が非対称
なレンズにあっては、両レンズ３，４を互いに逆向きに
なるようにする。すなわち、図１の場合、第１のレンズ
３では平面３０側を入射面とし、曲面１３０側を出射面
とする。第２のレンズ４では逆に曲面１４０側を入射面
とし、平面４０側を出射面とする。曲面１３０、１４０
は球面の場合と非球面の場合とがある。さらに入射側光
ファイバ１（以下、光源ファイバという）と出射側光フ
ァイバ２（以下、受光ファイバ）にはモードフィールド
径の等しい同一特性の光ファイバを用いる。光源ファイ
バ１の端面１０とレンズ３の入射面３０，レンズ４の出
射面４０と受光ファイバ２の端面２０の距離ＷＤを等し
くして、完全な対称光学系とする。
１の平凸レンズ３，第２の平凸レンズ４を用いたコリメ
ータ平行対の模式図である。通常の平行対では、両側に
同一のレンズ（レンズ厚：Ｚ）２個を距離２Ｌを隔てて
配置する。また、図１のようにレンズ面の形状が非対称
なレンズにあっては、両レンズ３，４を互いに逆向きに
なるようにする。すなわち、図１の場合、第１のレンズ
３では平面３０側を入射面とし、曲面１３０側を出射面
とする。第２のレンズ４では逆に曲面１４０側を入射面
とし、平面４０側を出射面とする。曲面１３０、１４０
は球面の場合と非球面の場合とがある。さらに入射側光
ファイバ１（以下、光源ファイバという）と出射側光フ
ァイバ２（以下、受光ファイバ）にはモードフィールド
径の等しい同一特性の光ファイバを用いる。光源ファイ
バ１の端面１０とレンズ３の入射面３０，レンズ４の出
射面４０と受光ファイバ２の端面２０の距離ＷＤを等し
くして、完全な対称光学系とする。
【０００５】図１は光線５を表示した幾何光学的模式図
である。しかし実際に単一モード光ファイバから出射さ
れる光束は図２に示すようにガウシアンビームとみなす
ことができる。この場合、コリメータ平行対により良好
な結合効率を得るためには、両レンズ３，４の中点にガ
ウシアンビーム７のビームウエスト（ＢＷ）２６が形成
されるように配置する必要がある。すなわち、光源ファ
イバ１からの出射光１７に対応する第１のビームウエス
ト１６（半径ｗ１）が光学系の中点で一旦、第２のビー
ムウエスト２６（半径ｗ２）を形成し、さらに第２のレ
ンズ４により第３のビームウエスト３６（半径ｗ３、ｗ
１と等しい）の位置で受光ファイバ２に結合させる。
である。しかし実際に単一モード光ファイバから出射さ
れる光束は図２に示すようにガウシアンビームとみなす
ことができる。この場合、コリメータ平行対により良好
な結合効率を得るためには、両レンズ３，４の中点にガ
ウシアンビーム７のビームウエスト（ＢＷ）２６が形成
されるように配置する必要がある。すなわち、光源ファ
イバ１からの出射光１７に対応する第１のビームウエス
ト１６（半径ｗ１）が光学系の中点で一旦、第２のビー
ムウエスト２６（半径ｗ２）を形成し、さらに第２のレ
ンズ４により第３のビームウエスト３６（半径ｗ３、ｗ
１と等しい）の位置で受光ファイバ２に結合させる。
【０００６】ここで、使用波長、光ファイバのＮＡ（開
口数）、レンズの焦点と主点位置が既知であれば、図２
の構成におけるＷＤとＬは光線行列の要素を用いたいわ
ゆるＡＢＣＤ則の計算によって設計することができる。
理論的には、たとえば河野健治著「光デバイスのための
光結合系の基礎と応用」現代工学社（1991年）に詳しい
数式が示されており、また市販の光学設計ソフトウェア
のなかにもＡＢＣＤ計算機能を備えたものがある。ただ
し、レンズ間距離すなわちレンズ３または４と第２のＢ
Ｗ２６の距離Ｌには最大値Ｌmaxが存在するので、それ
以上の大きな値とすることはできない。焦点距離ｆのレ
ンズについて、ＷＤとＬの関係を模式的に示すと図３の
ようになる。
口数）、レンズの焦点と主点位置が既知であれば、図２
の構成におけるＷＤとＬは光線行列の要素を用いたいわ
ゆるＡＢＣＤ則の計算によって設計することができる。
理論的には、たとえば河野健治著「光デバイスのための
光結合系の基礎と応用」現代工学社（1991年）に詳しい
数式が示されており、また市販の光学設計ソフトウェア
のなかにもＡＢＣＤ計算機能を備えたものがある。ただ
し、レンズ間距離すなわちレンズ３または４と第２のＢ
Ｗ２６の距離Ｌには最大値Ｌmaxが存在するので、それ
以上の大きな値とすることはできない。焦点距離ｆのレ
ンズについて、ＷＤとＬの関係を模式的に示すと図３の
ようになる。
【０００７】このような結合光学系では光源ファイバか
ら出射する光パワーと受光ファイバに入射する光パワー
の比、すなわち結合効率または結合損失が重要な特性パ
ラメータである。ＬがＬmax以下であれば、適当なＷＤ
を選ぶことにより、理論的に１００％の結合効率（結合
損失０ｄＢ）を得ることができるが、ＬがＬmaxを超え
ると結合損失は急速に増大する（図４）。なお、Ｌmax
の値は概略レンズ焦点距離の２乗に比例して大きくな
る。
ら出射する光パワーと受光ファイバに入射する光パワー
の比、すなわち結合効率または結合損失が重要な特性パ
ラメータである。ＬがＬmax以下であれば、適当なＷＤ
を選ぶことにより、理論的に１００％の結合効率（結合
損失０ｄＢ）を得ることができるが、ＬがＬmaxを超え
ると結合損失は急速に増大する（図４）。なお、Ｌmax
の値は概略レンズ焦点距離の２乗に比例して大きくな
る。
【０００８】なお、上記では完全な対称光学系を例に説
明したが、光源が光ファイバでなく半導体レーザのよう
な発光素子であったり、受光側もフォトダイオードのよ
うな光検出器である結合光学系もあり、このような場合
も上記のようなガウシアンビームを適用した設計ができ
る。
明したが、光源が光ファイバでなく半導体レーザのよう
な発光素子であったり、受光側もフォトダイオードのよ
うな光検出器である結合光学系もあり、このような場合
も上記のようなガウシアンビームを適用した設計ができ
る。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記ＡＢＣＤ
計算による結果は近軸データのみに基づいたものであ
り、各レンズは無収差であり、有効径の不足によるケラ
レの影響もないということを前提としている。実際の光
学系で用いるレンズでは残存する各種収差などによる損
失が発生することが避けられない。そのために、レンズ
間距離２Ｌと結合損失の関係も図４に示されるように単
純なものとなるとは限らない。また、温度や湿度の変化
によってレンズの焦点距離や収差状況が変化すれば、結
合損失も変動することが考えられる。またレンズや光フ
ァイバを保持する部品の体積や長さの変動も結合損失の
原因となる。
計算による結果は近軸データのみに基づいたものであ
り、各レンズは無収差であり、有効径の不足によるケラ
レの影響もないということを前提としている。実際の光
学系で用いるレンズでは残存する各種収差などによる損
失が発生することが避けられない。そのために、レンズ
間距離２Ｌと結合損失の関係も図４に示されるように単
純なものとなるとは限らない。また、温度や湿度の変化
によってレンズの焦点距離や収差状況が変化すれば、結
合損失も変動することが考えられる。またレンズや光フ
ァイバを保持する部品の体積や長さの変動も結合損失の
原因となる。
【００１０】本発明は上記のような問題点を解決するた
めになされたもので、ある程度の収差、欠点、環境によ
る変化等が存在する結合光学系について、結合損失を最
小とするような構成条件を提供するものである。
めになされたもので、ある程度の収差、欠点、環境によ
る変化等が存在する結合光学系について、結合損失を最
小とするような構成条件を提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明における結合光学
系の第１の態様は、光源から出射されるガウシアンビー
ム状の光束を正の屈折力を有する第１のレンズにより略
平行光束に変換し、この略平行光束を第１のレンズと同
一のレンズであって光入出射面を逆向きに配置した第２
のレンズに入射し、第２のレンズにより収束光に変換さ
れた光束を受光手段に入射する結合光学系において、両
レンズの間隔を、両レンズから等距離の位置にビームウ
エストを形成することが可能な最大間隔に略一致させた
ことを特徴としている。
系の第１の態様は、光源から出射されるガウシアンビー
ム状の光束を正の屈折力を有する第１のレンズにより略
平行光束に変換し、この略平行光束を第１のレンズと同
一のレンズであって光入出射面を逆向きに配置した第２
のレンズに入射し、第２のレンズにより収束光に変換さ
れた光束を受光手段に入射する結合光学系において、両
レンズの間隔を、両レンズから等距離の位置にビームウ
エストを形成することが可能な最大間隔に略一致させた
ことを特徴としている。
【００１２】すなわち、両レンズ間の距離を２Ｌ、両レ
ンズから等距離の位置にビームウエストを形成すること
が可能な最大間隔を２Ｌmaxとするとき、距離２Ｌが、
１．８Ｌmax≦２Ｌ≦２Ｌmaxの範囲にあることが望まし
い。さらに上記第１の態様の結合光学系における結合損
失が、前記両レンズ間の距離２Ｌが０≦２Ｌ＜１．８Ｌ
maxの範囲にある場合に生じる結合損失と等しいかもし
くは小さくなるようにする。結合損失値は０．０５ｄＢ
以下であることが望ましい。
ンズから等距離の位置にビームウエストを形成すること
が可能な最大間隔を２Ｌmaxとするとき、距離２Ｌが、
１．８Ｌmax≦２Ｌ≦２Ｌmaxの範囲にあることが望まし
い。さらに上記第１の態様の結合光学系における結合損
失が、前記両レンズ間の距離２Ｌが０≦２Ｌ＜１．８Ｌ
maxの範囲にある場合に生じる結合損失と等しいかもし
くは小さくなるようにする。結合損失値は０．０５ｄＢ
以下であることが望ましい。
【００１３】本発明における結合光学系の第２の態様
は、光源から出射されるガウシアンビーム状の光束を正
の屈折力を有するレンズにより略平行光束に変換し、こ
の略平行光束をレンズ後方に設置した反射面により反射
させてレンズに戻し、レンズにより収束光に変換された
光束を光源の位置もしくはその近傍に配設した受光手段
に入射する結合光学系において、レンズと反射面の距離
を、レンズによりビームウエストを形成することが可能
な最大距離に略一致させたことを特徴としている。
は、光源から出射されるガウシアンビーム状の光束を正
の屈折力を有するレンズにより略平行光束に変換し、こ
の略平行光束をレンズ後方に設置した反射面により反射
させてレンズに戻し、レンズにより収束光に変換された
光束を光源の位置もしくはその近傍に配設した受光手段
に入射する結合光学系において、レンズと反射面の距離
を、レンズによりビームウエストを形成することが可能
な最大距離に略一致させたことを特徴としている。
【００１４】すなわち、レンズと反射面の距離をＬ、レ
ンズによりビームウエストを形成することが可能な最大
距離をＬmaxとするとき、距離Ｌが、 ０．９Ｌmax≦Ｌ≦Ｌmax の範囲にあることが望ましい。さらに上記第２の態様の
結合光学系における結合損失が、前記レンズと反射面の
距離Ｌが０≦Ｌ＜０．９Ｌmaxの範囲にある場合に生じ
る結合損失と等しいかもしくは小さくなるようにする。
結合損失値は０．０５ｄＢ以下であることが望ましい。
ンズによりビームウエストを形成することが可能な最大
距離をＬmaxとするとき、距離Ｌが、 ０．９Ｌmax≦Ｌ≦Ｌmax の範囲にあることが望ましい。さらに上記第２の態様の
結合光学系における結合損失が、前記レンズと反射面の
距離Ｌが０≦Ｌ＜０．９Ｌmaxの範囲にある場合に生じ
る結合損失と等しいかもしくは小さくなるようにする。
結合損失値は０．０５ｄＢ以下であることが望ましい。
【００１５】前記の光源および受光手段には互いにモー
ドフィールド径が等しい光ファイバの端面を用いること
ができる。なお、第２の態様の結合光学系の場合には、
１本の光ファイバの端面を光源と受光手段に兼用するこ
とができる。
ドフィールド径が等しい光ファイバの端面を用いること
ができる。なお、第２の態様の結合光学系の場合には、
１本の光ファイバの端面を光源と受光手段に兼用するこ
とができる。
【００１６】前記の正の屈折力を有するレンズとして
は、半径方向に屈折率分布を有するロッドレンズ、光軸
方向に屈折率分布を有する平凸レンズ、均質な材料から
なる平凸レンズ、均質な材料からなる球レンズ、回折レ
ンズ面などを用いることができる。
は、半径方向に屈折率分布を有するロッドレンズ、光軸
方向に屈折率分布を有する平凸レンズ、均質な材料から
なる平凸レンズ、均質な材料からなる球レンズ、回折レ
ンズ面などを用いることができる。
【００１７】上記第１の態様の結合光学系において、両
レンズの中間に光学機能素子を設置することにより光学
素子が構成できる。また第２の態様の結合光学系におい
て、レンズと反射面の中間に光学機能素子を設置するこ
とにより光学素子を構成できる。さらにこれらの光学素
子において、同一の結合光学系を１列もしくは複数列の
アレイ状に配列することもできる。
レンズの中間に光学機能素子を設置することにより光学
素子が構成できる。また第２の態様の結合光学系におい
て、レンズと反射面の中間に光学機能素子を設置するこ
とにより光学素子を構成できる。さらにこれらの光学素
子において、同一の結合光学系を１列もしくは複数列の
アレイ状に配列することもできる。
【００１８】レンズ間またはレンズ−反射面間の距離
を、レンズによりビームウエストを形成することが可能
な最大距離に対応するように設定した本発明の結合光学
系は、理想的な光学系に対してある程度の収差の増加や
欠点が生じた場合や、光学系の性能が環境変化等によっ
て変動した場合にもその結合損失の変動が小さい。さら
に、本発明の結合光学系を応用した光学素子は理想的設
計条件からのずれや環境変動に対して性能の変動が小さ
い。
を、レンズによりビームウエストを形成することが可能
な最大距離に対応するように設定した本発明の結合光学
系は、理想的な光学系に対してある程度の収差の増加や
欠点が生じた場合や、光学系の性能が環境変化等によっ
て変動した場合にもその結合損失の変動が小さい。さら
に、本発明の結合光学系を応用した光学素子は理想的設
計条件からのずれや環境変動に対して性能の変動が小さ
い。
【００１９】
【発明の実施の形態】図３のグラフに、焦点距離がｆよ
りわずかに長い（ｆ＋Δｆ）レンズにおける関係を重ね
たものが図５である。例えばＷＤ＝ＷＤ１のとき、両レ
ンズにおけるＬ値の差（ΔＬ）は、焦点距離の違いによ
る第２のＢＷ位置の差を表わしている。ところで、図５
においてＬ値がＬmaxに近い値になるようにＷＤを設定
すると、ΔＬの値が非常に小さい値となることがわか
る。これは、Ｌ値がＬmaxに近くなると、焦点距離が変
化しても第２および第３のＢＷ位置の変動は小さいこと
を意味する。
りわずかに長い（ｆ＋Δｆ）レンズにおける関係を重ね
たものが図５である。例えばＷＤ＝ＷＤ１のとき、両レ
ンズにおけるＬ値の差（ΔＬ）は、焦点距離の違いによ
る第２のＢＷ位置の差を表わしている。ところで、図５
においてＬ値がＬmaxに近い値になるようにＷＤを設定
すると、ΔＬの値が非常に小さい値となることがわか
る。これは、Ｌ値がＬmaxに近くなると、焦点距離が変
化しても第２および第３のＢＷ位置の変動は小さいこと
を意味する。
【００２０】実際の平行対光学系について、ＢＷ位置と
結合損失の関係を計算した結果（後述する設計例）によ
ると、 平行対のレンズ間距離を２Ｌmax近傍に設定する。 何らかの原因による両レンズの焦点距離の変動は互い
に等しい。 の両条件が満たされる場合には、焦点距離の変動による
結合損失の増大が非常に小さくなることがわかる。
結合損失の関係を計算した結果（後述する設計例）によ
ると、 平行対のレンズ間距離を２Ｌmax近傍に設定する。 何らかの原因による両レンズの焦点距離の変動は互い
に等しい。 の両条件が満たされる場合には、焦点距離の変動による
結合損失の増大が非常に小さくなることがわかる。
【００２１】結合損失の増大を引き起こすＢＷ位置の変
動の原因としてはつぎの点を考慮する必要がある。 （１）レンズの軸上色収差により、使用波長の波長差に
よってＢＷ位置が変動する。 （２）使用状態において予想される温度、湿度などの環
境が変動することにより、使用波長におけるレンズの焦
点距離が変化することによってＢＷ位置が変動する。 （３）使用状態において予想される温度、湿度などの環
境が変動することにより、光学系を保持する構造体の体
積変化や光学系の途中に設置された媒体の屈折率変化に
よってＢＷ位置が変動する。 （４）レンズに光軸非対称が存在し、光軸上で非点収差
などが発生すると、ＢＷ位置が複数個存在することにな
る。 （５）レンズの複屈折によって、ＢＷ位置が複数個存在
することになる。
動の原因としてはつぎの点を考慮する必要がある。 （１）レンズの軸上色収差により、使用波長の波長差に
よってＢＷ位置が変動する。 （２）使用状態において予想される温度、湿度などの環
境が変動することにより、使用波長におけるレンズの焦
点距離が変化することによってＢＷ位置が変動する。 （３）使用状態において予想される温度、湿度などの環
境が変動することにより、光学系を保持する構造体の体
積変化や光学系の途中に設置された媒体の屈折率変化に
よってＢＷ位置が変動する。 （４）レンズに光軸非対称が存在し、光軸上で非点収差
などが発生すると、ＢＷ位置が複数個存在することにな
る。 （５）レンズの複屈折によって、ＢＷ位置が複数個存在
することになる。
【００２２】これらの要因に応じて、本発明による「レ
ンズ間距離にＬmaxに一致させる構成」は、以下に列挙
するような具体的な場合に対して有効である。
ンズ間距離にＬmaxに一致させる構成」は、以下に列挙
するような具体的な場合に対して有効である。
【００２３】［１］軸上色収差の大きいレンズを使用す
る場合 ＷＤＭ（波長多重通信）に用いるレンズ対の場合、軸上
色収差が大きいと設計基準波長から離れた波長では結合
損失が増大する。しかし、本発明の構成とすれば、軸上
色収差の影響を小さく抑えることができる。色収差の大
きいレンズとしては、キノフォーム形状の回折レンズ、
焦点距離の長いガラス製単レンズ、プラスチックレンズ
等がある。特に回折レンズは軸上色収差が著しく大きい
（ガラス凸レンズの数１０倍）ため、本発明の構成は特
に有効である。
る場合 ＷＤＭ（波長多重通信）に用いるレンズ対の場合、軸上
色収差が大きいと設計基準波長から離れた波長では結合
損失が増大する。しかし、本発明の構成とすれば、軸上
色収差の影響を小さく抑えることができる。色収差の大
きいレンズとしては、キノフォーム形状の回折レンズ、
焦点距離の長いガラス製単レンズ、プラスチックレンズ
等がある。特に回折レンズは軸上色収差が著しく大きい
（ガラス凸レンズの数１０倍）ため、本発明の構成は特
に有効である。
【００２４】［２］環境（温度、湿度など）による変化
の大きいレンズの場合 プラスチック非球面レンズはプレスにより量産できるの
で安価であるが、温度、湿度による焦点距離や収差の変
動がガラスレンズなどに比べて非常に大きい、という問
題点がある。しかし、本発明の構成によれば、上記の原
因による結合損失の変動を小さくすることができる。
の大きいレンズの場合 プラスチック非球面レンズはプレスにより量産できるの
で安価であるが、温度、湿度による焦点距離や収差の変
動がガラスレンズなどに比べて非常に大きい、という問
題点がある。しかし、本発明の構成によれば、上記の原
因による結合損失の変動を小さくすることができる。
【００２５】［３］環境による変動を特に小さく抑える
場合 通信用の光学系においては、レンズのみならず装置全体
で温度による特性の変動を小さく抑えること（アサーマ
ル性）が厳しく求められることが多い。アサーマル性を
良くするには、装置全体を一定温度に保つ、温度変化の
少ない材料を使う、材料の組合せによって温度変化を相
殺する、などの方法がとられている。これらの方法に加
えて本発明の構成をとれば、光路長の変化に起因する結
合損失の変動を小さく抑える効果がある。
場合 通信用の光学系においては、レンズのみならず装置全体
で温度による特性の変動を小さく抑えること（アサーマ
ル性）が厳しく求められることが多い。アサーマル性を
良くするには、装置全体を一定温度に保つ、温度変化の
少ない材料を使う、材料の組合せによって温度変化を相
殺する、などの方法がとられている。これらの方法に加
えて本発明の構成をとれば、光路長の変化に起因する結
合損失の変動を小さく抑える効果がある。
【００２６】［４］歪のあるロッドレンズの場合 光軸方向に屈折率分布を有するロッドレンズは、光軸か
らの距離によって素材の熱膨張率も変化するので、半径
方向の歪が残留することが多く、特に焦点距離の長いも
のでは歪量が大きくなる。歪のあるレンズでは、複屈折
現象により入射光の偏光方向によって焦点距離が異なる
ことから、焦点がボケて結合損失が大きくなる。しか
し、本発明の構成によれば、焦点距離に差があってもＢ
Ｗの位置が揃うのでシャープな焦点となり、結合損失を
小さくすることができる。
らの距離によって素材の熱膨張率も変化するので、半径
方向の歪が残留することが多く、特に焦点距離の長いも
のでは歪量が大きくなる。歪のあるレンズでは、複屈折
現象により入射光の偏光方向によって焦点距離が異なる
ことから、焦点がボケて結合損失が大きくなる。しか
し、本発明の構成によれば、焦点距離に差があってもＢ
Ｗの位置が揃うのでシャープな焦点となり、結合損失を
小さくすることができる。
【００２７】図６に示すように、図２のレンズ中間の第
２のビームウエスト２６の位置に相当する位置に反射鏡
８を設置して、光源ファイバ、受光ファイバを兼ねる光
ファイバ１１に光を送り返す構成としても、本発明の効
果は同様に発揮される。図６の場合は、前記条件、 平行対のレンズ間隔を２Ｌmax 近傍に設定する。 何らかの原因による両レンズの焦点距離の変動は互い
に等しい。 のうちは常に満たされている。従って、レンズ１３と
反射鏡８の間隔をＬmaxに近い値とすれば、使用するレ
ンズに、 ・光軸非対称による収差（光軸上で発生する非点収差な
ど） ・焦点距離の基準値からのばらつき ・レンズ厚さの基準値からのばらつき といった欠点が多少存在していても、これらに由来する
結合損失の増大を抑える効果がある。
２のビームウエスト２６の位置に相当する位置に反射鏡
８を設置して、光源ファイバ、受光ファイバを兼ねる光
ファイバ１１に光を送り返す構成としても、本発明の効
果は同様に発揮される。図６の場合は、前記条件、 平行対のレンズ間隔を２Ｌmax 近傍に設定する。 何らかの原因による両レンズの焦点距離の変動は互い
に等しい。 のうちは常に満たされている。従って、レンズ１３と
反射鏡８の間隔をＬmaxに近い値とすれば、使用するレ
ンズに、 ・光軸非対称による収差（光軸上で発生する非点収差な
ど） ・焦点距離の基準値からのばらつき ・レンズ厚さの基準値からのばらつき といった欠点が多少存在していても、これらに由来する
結合損失の増大を抑える効果がある。
【００２８】なお、図７に示すように光源ファイバ２１
と受光ファイバ２２が近接した別個のものであっても、
図６の構成と同様の効果が得られる。具体的なレンズ系
について、非点収差量と結合損失の関係を計算した結果
を以下に説明する。計算は、米国Sinclair Optics社製
レンズ設計ソフト"OSLO Six"を用いて行なった。
と受光ファイバ２２が近接した別個のものであっても、
図６の構成と同様の効果が得られる。具体的なレンズ系
について、非点収差量と結合損失の関係を計算した結果
を以下に説明する。計算は、米国Sinclair Optics社製
レンズ設計ソフト"OSLO Six"を用いて行なった。
【００２９】［設計例１］回折レンズによるコリメータ
平行対を設計して、結合損失を計算した。 （回折レンズの設計値）単レンズの構成を図８に示す。
厚さＺg：１ｍｍの石英ガラス９の表面に、焦点距離１
ｍｍ、ＮＡ＝０．２の回折レンズ（キノフォーム形状）
２５を設定した。設計波長λは１５５０ｎｍであり、１
次光による焦点を利用する。回折面による波面は、光軸
５０からの距離ｒに対して放物線状とした。 波面関数：φ（ｒ）＝（２π／λ）・ｄf1・ｒ2 定数：ｄf1＝−０．５００ ゾーンの深さ（zone depth）：０．００３５１ｍｍ 軸上の波面収差：ＲＭＳ−ＯＰＤ＝０．００６２λ とした。なお、球面収差は無視でき、高次項による補正
の必要はない。
平行対を設計して、結合損失を計算した。 （回折レンズの設計値）単レンズの構成を図８に示す。
厚さＺg：１ｍｍの石英ガラス９の表面に、焦点距離１
ｍｍ、ＮＡ＝０．２の回折レンズ（キノフォーム形状）
２５を設定した。設計波長λは１５５０ｎｍであり、１
次光による焦点を利用する。回折面による波面は、光軸
５０からの距離ｒに対して放物線状とした。 波面関数：φ（ｒ）＝（２π／λ）・ｄf1・ｒ2 定数：ｄf1＝−０．５００ ゾーンの深さ（zone depth）：０．００３５１ｍｍ 軸上の波面収差：ＲＭＳ−ＯＰＤ＝０．００６２λ とした。なお、球面収差は無視でき、高次項による補正
の必要はない。
【００３０】（軸上の色収差）３波長（１５２０、１５
５０、１５８０ｎｍ）における、無限系単レンズの縦収
差を図９に示す。軸上の色収差が極めて大きく、Δλ＝
３０ｎｍに対して焦点位置が２０μｍほど移動すること
がわかる。これは回折レンズの問題点である。
５０、１５８０ｎｍ）における、無限系単レンズの縦収
差を図９に示す。軸上の色収差が極めて大きく、Δλ＝
３０ｎｍに対して焦点位置が２０μｍほど移動すること
がわかる。これは回折レンズの問題点である。
【００３１】（コリメータ平行対の結合効率）図１０に
示すように、上記同様、石英ガラス１９，２９の表面に
形成した回折レンズ２３，２４を平行対としてモードフ
ィールド径の等しい光源ファイバ１と受光ファイバ２の
間に対称配置した場合について、以下の手順により結合
損失を計算した。計算にあたってはＢＷの径と位置（Ａ
ＢＣＤ計算による）は考慮したが、表面反射、内部吸
収、回折効率、球面収差による損失は無視している。光
源ファイバ１と受光ファイバ２はともに波長λ＝１５５
０ｎｍにおいて、ＮＡ＝０．１（１／ｅ2強度）とす
る。
示すように、上記同様、石英ガラス１９，２９の表面に
形成した回折レンズ２３，２４を平行対としてモードフ
ィールド径の等しい光源ファイバ１と受光ファイバ２の
間に対称配置した場合について、以下の手順により結合
損失を計算した。計算にあたってはＢＷの径と位置（Ａ
ＢＣＤ計算による）は考慮したが、表面反射、内部吸
収、回折効率、球面収差による損失は無視している。光
源ファイバ１と受光ファイバ２はともに波長λ＝１５５
０ｎｍにおいて、ＮＡ＝０．１（１／ｅ2強度）とす
る。
【００３２】（１）最初にレンズ間距離２Ｌを設定し
て、ビームウエストが中間に来るようにＷＤを最適化す
る。 （２）λ＝１５５０ｎｍでの結合損失を計算する。 （３）同じ構成のまま、両光ファイバの条件をλ＝１５
２０ｎｍにおいてＮＡ＝０．１として、λ＝１５２０ｎ
ｍにおける結合損失を計算する。 （４）光源λ＝１５８０ｎｍとして同様に結合損失を計
算する。
て、ビームウエストが中間に来るようにＷＤを最適化す
る。 （２）λ＝１５５０ｎｍでの結合損失を計算する。 （３）同じ構成のまま、両光ファイバの条件をλ＝１５
２０ｎｍにおいてＮＡ＝０．１として、λ＝１５２０ｎ
ｍにおける結合損失を計算する。 （４）光源λ＝１５８０ｎｍとして同様に結合損失を計
算する。
【００３３】（ａ）Ｌの短い場合 Ｌ＝０．０８３６ｍｍ、ＷＤ＝０．３０５３ｍｍとした
場合の計算結果を表１に示す。λ＝１５５０ｎｍでの結
合損失は小さい。しかし、λが変わると受け側でのＢＷ
位置が大きく移動するので、Δλ＝±３０ｎｍの範囲で
０．５〜０．８ｄＢの大きい損失が発生する。
場合の計算結果を表１に示す。λ＝１５５０ｎｍでの結
合損失は小さい。しかし、λが変わると受け側でのＢＷ
位置が大きく移動するので、Δλ＝±３０ｎｍの範囲で
０．５〜０．８ｄＢの大きい損失が発生する。
【００３４】
【表１】
【００３５】（ｂ）Ｌ＝Ｌmaxの場合 本光学系では、ＷＤ＝０．３５６１ｍｍの場合にＬmax
＝１１．２３７ｍｍとなる。計算結果を表２に示す。λ
＝１５５０ｎｍでの結合損失は小さく、Ｌが短い場合に
比べてほとんど変化しない。しかしλを変えても受光側
でのＢＷ位置の変動が小さいので、結合損失はほとんど
変化せず、０．０５ｄＢ未満に留まっている。
＝１１．２３７ｍｍとなる。計算結果を表２に示す。λ
＝１５５０ｎｍでの結合損失は小さく、Ｌが短い場合に
比べてほとんど変化しない。しかしλを変えても受光側
でのＢＷ位置の変動が小さいので、結合損失はほとんど
変化せず、０．０５ｄＢ未満に留まっている。
【００３６】
【表２】
【００３７】以上の結果から、最適設計波長であるλ＝
１５５０ｎｍ近傍では、結合損失は小さく、またほとん
どレンズ間距離Ｌに依存しないが、波長が最適設計波長
から変化すると、結合損失はＬに強く依存するようにな
ることがわかる。しかしＬ＝Ｌmaxとした本発明の構成
では、ＬがＬmaxに比べて充分小さい場合（典型的には
Ｌ〜０の近接させた場合）に比べて、色収差による結合
損失が大幅に小さくなる。すなわち本発明の結合光学系
によれば、実際の回折レンズがもつ色収差による結合損
失の影響を小さく抑えることができる。
１５５０ｎｍ近傍では、結合損失は小さく、またほとん
どレンズ間距離Ｌに依存しないが、波長が最適設計波長
から変化すると、結合損失はＬに強く依存するようにな
ることがわかる。しかしＬ＝Ｌmaxとした本発明の構成
では、ＬがＬmaxに比べて充分小さい場合（典型的には
Ｌ〜０の近接させた場合）に比べて、色収差による結合
損失が大幅に小さくなる。すなわち本発明の結合光学系
によれば、実際の回折レンズがもつ色収差による結合損
失の影響を小さく抑えることができる。
【００３８】なお、色収差の問題は回折レンズ以外のレ
ンズでも多かれ少なかれ存在するため、本発明の構成に
おける結合光学系は色収差のあるレンズ一般に対して有
効である。
ンズでも多かれ少なかれ存在するため、本発明の構成に
おける結合光学系は色収差のあるレンズ一般に対して有
効である。
【００３９】［設計例２］「非球面平凸レンズ」による
コリメータ平行対を設計して、凸面のＲが変化した場合
（非球面係数は一定）の結合損失を計算した。 （平凸レンズの設計値）設計波長λを１５５０ｎｍと
し、ガラス屈折率１．５２０、レンズ厚１．００ｍｍの
レンズを設定した。凸面Ｒ：１．７１６ｍｍ、非球面係
数（４次項）：−０．０１５２ｍｍ-4として球面収差を
補正した。 軸上の波面収差：ＲＭＳ−ＯＰＤ＝０．００６７λ 焦点距離：３．３０ｍｍ ＮＡ：０．２０（有効径φ１．３２ｍｍ） とした。
コリメータ平行対を設計して、凸面のＲが変化した場合
（非球面係数は一定）の結合損失を計算した。 （平凸レンズの設計値）設計波長λを１５５０ｎｍと
し、ガラス屈折率１．５２０、レンズ厚１．００ｍｍの
レンズを設定した。凸面Ｒ：１．７１６ｍｍ、非球面係
数（４次項）：−０．０１５２ｍｍ-4として球面収差を
補正した。 軸上の波面収差：ＲＭＳ−ＯＰＤ＝０．００６７λ 焦点距離：３．３０ｍｍ ＮＡ：０．２０（有効径φ１．３２ｍｍ） とした。
【００４０】（コリメータ平行対の結合効率）図１１に
示すように、上記仕様の非球面平凸レンズ４３，４４を
平行対としてモードフィールド径の等しい光源ファイバ
１と受光ファイバ２の間に対称配置して、設計例１と同
様に結合損失を計算した。変数としては凸面１５０、１
６０のＲを、両レンズ同時に変化させた。波長λ、非球
面係数、Ｌ、ＷＤ、レンズ厚Ｚ、ガラス屈折率は一定と
した。 Ｌの短い場合（Ｌ＝５．００ｍｍ ＷＤ＝２．６４２
５ｍｍ） Ｌ＝Ｌmaxの場合（Ｌ＝１１４．８ｍｍ ＷＤ＝
２．６９００ｍｍ） についての計算結果を表３と図１２に示す。
示すように、上記仕様の非球面平凸レンズ４３，４４を
平行対としてモードフィールド径の等しい光源ファイバ
１と受光ファイバ２の間に対称配置して、設計例１と同
様に結合損失を計算した。変数としては凸面１５０、１
６０のＲを、両レンズ同時に変化させた。波長λ、非球
面係数、Ｌ、ＷＤ、レンズ厚Ｚ、ガラス屈折率は一定と
した。 Ｌの短い場合（Ｌ＝５．００ｍｍ ＷＤ＝２．６４２
５ｍｍ） Ｌ＝Ｌmaxの場合（Ｌ＝１１４．８ｍｍ ＷＤ＝
２．６９００ｍｍ） についての計算結果を表３と図１２に示す。
【００４１】
【表３】
【００４２】この光学系においても、凸面Ｒが設計値の
近傍であれば、ＬがＬmaxに比べて小さい範囲におい
て、結合損失はＬにあまり依存しない。しかし図１２に
示すように、Ｌが短い場合、結合損失が０．０５ｄＢ以
下となる１／Ｒの範囲は設計値に対して±０．００４ｍ
ｍ-1程度と極めて狭い。これに対してＬ＝Ｌmaxとした
本発明の結合光学系では、結合損失が０．０５ｄＢ以下
となる１／Ｒの範囲は、設計値に対して±０．０２ｍｍ
-1程度と大幅に拡大する。また、その値は常にＬが短い
場合に比べると小さい。以上の結果から、本発明の構成
とすることにより、環境の影響等によって平凸レンズの
Ｒが変化して焦点距離が変動しても、結合損失の変動は
非常に小さく抑えられることが明らかとなった。焦点距
離の変化を引き起こすＲ以外の要因（屈折率の変動、レ
ンズ厚の変動など）に対しても、同様な効果が得られ
る。したがって本発明の構成は非球面平凸レンズ以外の
正の屈折力をもつレンズ一般に対して効果を有する。
近傍であれば、ＬがＬmaxに比べて小さい範囲におい
て、結合損失はＬにあまり依存しない。しかし図１２に
示すように、Ｌが短い場合、結合損失が０．０５ｄＢ以
下となる１／Ｒの範囲は設計値に対して±０．００４ｍ
ｍ-1程度と極めて狭い。これに対してＬ＝Ｌmaxとした
本発明の結合光学系では、結合損失が０．０５ｄＢ以下
となる１／Ｒの範囲は、設計値に対して±０．０２ｍｍ
-1程度と大幅に拡大する。また、その値は常にＬが短い
場合に比べると小さい。以上の結果から、本発明の構成
とすることにより、環境の影響等によって平凸レンズの
Ｒが変化して焦点距離が変動しても、結合損失の変動は
非常に小さく抑えられることが明らかとなった。焦点距
離の変化を引き起こすＲ以外の要因（屈折率の変動、レ
ンズ厚の変動など）に対しても、同様な効果が得られ
る。したがって本発明の構成は非球面平凸レンズ以外の
正の屈折力をもつレンズ一般に対して効果を有する。
【００４３】［設計例３］「屈折率分布型ロッドレン
ズ」と反射鏡による光学系を設計して、ロッドレンズが
光軸非対称である場合の結合損失を計算した。 （屈折率分布型ロッドレンズの設計値）ロッドレンズの
半径方向の屈折率分布は次式にしたがうとする。 ｎ（ｒ）2 ＝ ｎ0 2｛１−（ｇ・ｒ）2＋ｈ4（ｇ・
ｒ）4｝ ただし、ｎ0 は軸上屈折率、ｒは光軸からの距離、ｇと
ｈ4は屈折率分布係数である。設計波長１５５０ｎｍに
おいて、 ｎ0：１．６００ レンズ長Ｚ：４．４３０ｍｍ ｇ＝０．３２６（１／ｍｍ） ｈ4＝０．６７ レンズ半径：０．９０ｍｍ 軸上の波面収差 ：ＲＭＳ−ＯＰＤ＝０．００５０λ 焦点距離：１．９３３ｍｍ ＮＡ：０．２０ （有効径φ０．７７４ｍｍ） とした。
ズ」と反射鏡による光学系を設計して、ロッドレンズが
光軸非対称である場合の結合損失を計算した。 （屈折率分布型ロッドレンズの設計値）ロッドレンズの
半径方向の屈折率分布は次式にしたがうとする。 ｎ（ｒ）2 ＝ ｎ0 2｛１−（ｇ・ｒ）2＋ｈ4（ｇ・
ｒ）4｝ ただし、ｎ0 は軸上屈折率、ｒは光軸からの距離、ｇと
ｈ4は屈折率分布係数である。設計波長１５５０ｎｍに
おいて、 ｎ0：１．６００ レンズ長Ｚ：４．４３０ｍｍ ｇ＝０．３２６（１／ｍｍ） ｈ4＝０．６７ レンズ半径：０．９０ｍｍ 軸上の波面収差 ：ＲＭＳ−ＯＰＤ＝０．００５０λ 焦点距離：１．９３３ｍｍ ＮＡ：０．２０ （有効径φ０．７７４ｍｍ） とした。
【００４４】（光軸非対称がある場合の結合効率）図１
３に示すように、上記仕様のレンズ５３と入出射兼用の
光ファイバ１１を配置し、第２のＢＷ位置２６に反射鏡
による反射面８を設置した場合について結合損失を計算
した。最初に、以下の表４に示すＬ値に対して、最適Ｗ
Ｄを求めた。
３に示すように、上記仕様のレンズ５３と入出射兼用の
光ファイバ１１を配置し、第２のＢＷ位置２６に反射鏡
による反射面８を設置した場合について結合損失を計算
した。最初に、以下の表４に示すＬ値に対して、最適Ｗ
Ｄを求めた。
【表４】
【００４５】次に、反射面８と対向するレンズ面を曲率
半径Ｒcの円筒面として軸上の非点収差を発生させ、結
合効率の変化を計算した。波長λ、Ｌ、ＷＤ、レンズ長
ＺRなどは一定とした。計算結果を表５と図１４に示
す。
半径Ｒcの円筒面として軸上の非点収差を発生させ、結
合効率の変化を計算した。波長λ、Ｌ、ＷＤ、レンズ長
ＺRなどは一定とした。計算結果を表５と図１４に示
す。
【００４６】
【表５】
【００４７】Ｒc＝０の近傍では軸上非点収差は小さ
く、Ｌに対する依存性も小さい。しかしＬ／Ｌmaxの値
が０．９未満となると、結合損失が０．０５ｄＢ以下と
なる１／Ｒcの範囲は±０．０１ｍｍ-1程度と狭い。こ
れに対して本発明の構成であるＬ／Ｌmax＝１の場合に
は、結合損失が０．０５ｄＢ以下となるＲcの範囲は±
０．０２ｍｍ-1以上に拡大する。なお、Ｌ／Ｌmaxが１
を超えると、非点収差のない場合でもビームウエストを
反射面上に形成することができないことから結合損失が
発生するので、結合光学系として不適当である。
く、Ｌに対する依存性も小さい。しかしＬ／Ｌmaxの値
が０．９未満となると、結合損失が０．０５ｄＢ以下と
なる１／Ｒcの範囲は±０．０１ｍｍ-1程度と狭い。こ
れに対して本発明の構成であるＬ／Ｌmax＝１の場合に
は、結合損失が０．０５ｄＢ以下となるＲcの範囲は±
０．０２ｍｍ-1以上に拡大する。なお、Ｌ／Ｌmaxが１
を超えると、非点収差のない場合でもビームウエストを
反射面上に形成することができないことから結合損失が
発生するので、結合光学系として不適当である。
【００４８】以上の結果から、本発明の構成とすること
により、レンズに光軸非対称がある場合でも結合損失の
変動は非常に小さく抑えられることが明らかとなった。
光軸非対称を引き起こす上記レンズ外形上の要因以外の
要因（屈折率分布の光軸非対称、芯取り不良、脈理な
ど）に対しても、同様な効果が得られる。
により、レンズに光軸非対称がある場合でも結合損失の
変動は非常に小さく抑えられることが明らかとなった。
光軸非対称を引き起こす上記レンズ外形上の要因以外の
要因（屈折率分布の光軸非対称、芯取り不良、脈理な
ど）に対しても、同様な効果が得られる。
【００４９】上記設計例１〜３では回折レンズ面、平凸
非球面レンズ、半径方向屈折率分布型ロッドレンズにつ
いて説明したが、正の屈折力をもち、結合光学系を構成
できるレンズであれば同様の効果が得られる。上記の
他、球面レンズ、球レンズ、光軸方向屈折率分布型平凸
レンズなどを用いることができる。
非球面レンズ、半径方向屈折率分布型ロッドレンズにつ
いて説明したが、正の屈折力をもち、結合光学系を構成
できるレンズであれば同様の効果が得られる。上記の
他、球面レンズ、球レンズ、光軸方向屈折率分布型平凸
レンズなどを用いることができる。
【００５０】なお、上記では光源、受光手段がともに光
ファイバである場合について説明したが、光源はガウシ
アンビームを発するとみなせるものであれば半導体レー
ザなどであってもよい。また受光手段も受光素子などで
あってもよい。
ファイバである場合について説明したが、光源はガウシ
アンビームを発するとみなせるものであれば半導体レー
ザなどであってもよい。また受光手段も受光素子などで
あってもよい。
【００５１】本発明の結合光学系はつぎのような光学素
子として応用される。図１５に示すように例えば図１１
の結合光学系の２つのレンズの間に光機能素子１００を
挿入する。光機能素子としては光学フィルタ、光アイソ
レータ、光変調素子、光スイッチ素子などを使用でき
る。ほぼ平行な光ビームを入射することによって動作す
る素子であれば、広く適用できる。同一の結合光学系を
複数アレイ状に設け、それぞれに同一機能または異なる
機能をもつ光機能素子を挿入することもできる。
子として応用される。図１５に示すように例えば図１１
の結合光学系の２つのレンズの間に光機能素子１００を
挿入する。光機能素子としては光学フィルタ、光アイソ
レータ、光変調素子、光スイッチ素子などを使用でき
る。ほぼ平行な光ビームを入射することによって動作す
る素子であれば、広く適用できる。同一の結合光学系を
複数アレイ状に設け、それぞれに同一機能または異なる
機能をもつ光機能素子を挿入することもできる。
【００５２】例えば、複数波長が合波された波長多重光
を複数の光源ファイバから出射させ、通過帯域の異なる
帯域フィルタを各結合光学系に挿入すれば、受光ファイ
バにはそれぞれ異なる波長域の光が結合し、分波機能が
得られる。本発明の構成の結合光学系は結合損失が極め
て小さいので、特性のよい光学素子が得られる。
を複数の光源ファイバから出射させ、通過帯域の異なる
帯域フィルタを各結合光学系に挿入すれば、受光ファイ
バにはそれぞれ異なる波長域の光が結合し、分波機能が
得られる。本発明の構成の結合光学系は結合損失が極め
て小さいので、特性のよい光学素子が得られる。
【００５３】また図１６のように例えば図１３の結合光
学系に光機能素子を挿入してもよい。この場合、光は往
復２度、光機能素子を通過することになる。図１６はレ
ンズ５３−１、５３−２、・・・、５３−ｎを複数配列
してアレイ状の結合光学系を構成した例を示している。
上記同様、光機能素子１００−１、１００−２、・・
・、１００−ｎは目的に応じて同一でもよく異なるもの
でもよい。また反射面８は必ずしも複数配列する必要は
なく、図のように１つの反射面８をすべての結合光学系
に共通に使用してもよい。
学系に光機能素子を挿入してもよい。この場合、光は往
復２度、光機能素子を通過することになる。図１６はレ
ンズ５３−１、５３−２、・・・、５３−ｎを複数配列
してアレイ状の結合光学系を構成した例を示している。
上記同様、光機能素子１００−１、１００−２、・・
・、１００−ｎは目的に応じて同一でもよく異なるもの
でもよい。また反射面８は必ずしも複数配列する必要は
なく、図のように１つの反射面８をすべての結合光学系
に共通に使用してもよい。
【００５４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明による２個
のレンズで構成される結合光学系を用いれば、レンズの
本質的な欠点(色収差、歪による複屈折など)と環境の変
化（温度、湿度など）による結合損失の変動をともに小
さく抑えることができる。また、本発明による１個のレ
ンズと反射鏡から構成される結合光学系を用いれば、レ
ンズの欠点（焦点距離のばらつき、光軸非対称による非
点収差）による結合損失の変動を小さく抑えることがで
きる。このため、レンズに本質的な欠点がある程度存在
しても、システムの性能に及ぼす影響が小さいため、製
造上の許容範囲が広がり製品歩留りが向上する。また環
境の変動に対する性能の変動が小さくなり、システムの
信頼性が向上する。
のレンズで構成される結合光学系を用いれば、レンズの
本質的な欠点(色収差、歪による複屈折など)と環境の変
化（温度、湿度など）による結合損失の変動をともに小
さく抑えることができる。また、本発明による１個のレ
ンズと反射鏡から構成される結合光学系を用いれば、レ
ンズの欠点（焦点距離のばらつき、光軸非対称による非
点収差）による結合損失の変動を小さく抑えることがで
きる。このため、レンズに本質的な欠点がある程度存在
しても、システムの性能に及ぼす影響が小さいため、製
造上の許容範囲が広がり製品歩留りが向上する。また環
境の変動に対する性能の変動が小さくなり、システムの
信頼性が向上する。
【図１】コリメータ平行対による光ファイバの結合を幾
何光学的に示した説明図である。
何光学的に示した説明図である。
【図２】コリメータ平行対による光ファイバの結合を模
式的ガウシアンビームにより示した説明図である。
式的ガウシアンビームにより示した説明図である。
【図３】光ファイバとレンズの間隔ＷＤとレンズ間距離
（半値）Ｌの関係を模式的に示した図である。
（半値）Ｌの関係を模式的に示した図である。
【図４】理想レンズのレンズ間距離（半値）Ｌと結合損
失の関係を模式的に示した図である。
失の関係を模式的に示した図である。
【図５】レンズの焦点距離ｆが変化した場合のＷＤとＬ
の関係を模式的に示した図である。
の関係を模式的に示した図である。
【図６】１個のレンズ、１本の光ファイバと反射面を用
いた構成を説明する図である。
いた構成を説明する図である。
【図７】１個のレンズ、２本の光ファイバと反射面を用
いた構成を説明する図である。
いた構成を説明する図である。
【図８】回折レンズの光路図である。
【図９】回折レンズの縦球面収差図である。
【図１０】第１の設計例の結合光学系の構成を示す図で
ある。
ある。
【図１１】第２の設計例の結合光学系の構成を示す図で
ある。
ある。
【図１２】第２の設計例における結合損失の計算結果を
示す図である。
示す図である。
【図１３】第３の設計例の結合光学系の構成を示す図で
ある。
ある。
【図１４】第３の設計例における結合損失の計算結果を
示す図である。
示す図である。
【図１５】第２の設計例の結合光学系を用いた光学素子
の構成を示す図である。
の構成を示す図である。
【図１６】第３の設計例の結合光学系を複数用いた光学
素子の構成を示す図である。
素子の構成を示す図である。
１、２１ 光源ファイバ ２、２２ 受光ファイバ ３、４、１３ 平凸レンズ ５ 光線 ７、３７，４７ ガウシアンビーム ８ 反射面 ９，１９，２９ 石英ガラス １１ 光ファイバ １６，２６，３６ ビームウエスト ２３，２４，２５ 回折レンズ ４３，４４ 非球面平凸レンズ ５３ 屈折率分布型ロッドレンズ
フロントページの続き (72)発明者 中澤 達洋 大阪府大阪市中央区北浜４丁目７番28号 日本板硝子株式会社内 (72)発明者 佐々木 康二 大阪府大阪市中央区北浜４丁目７番28号 日本板硝子株式会社内 (72)発明者 谷山 実 大阪府大阪市中央区北浜４丁目７番28号 日本板硝子株式会社内 Ｆターム(参考） 2H037 AA01 BA03 BA12 BA32 CA21 DA18
Claims (16)
- 【請求項１】光源から出射されるガウシアンビーム状の
光束を正の屈折力を有する第１のレンズにより略平行光
束に変換し、該略平行光束を前記第１のレンズと同一の
レンズであって光入出射面を逆向きに配置した第２のレ
ンズに入射し、該第２のレンズにより収束光に変換され
た光束を受光手段に入射する結合光学系において、両レ
ンズ間の距離２Ｌを、 １．８Ｌmax≦２Ｌ≦２Ｌmax の範囲とすることを特徴とする結合光学系。ただし、両
レンズから等距離の位置にビームウエストを形成するこ
とが可能な最大間隔を２Ｌmaxとする。 - 【請求項２】請求項１に記載の結合光学系における結合
損失が、前記両レンズ間の距離２Ｌが０≦２Ｌ＜１．８
Ｌmaxの範囲にある場合に生じる結合損失と等しいかも
しくは小さいことを特徴とする結合光学系。 - 【請求項３】光源から出射されるガウシアンビーム状の
光束を正の屈折力を有するレンズにより略平行光束に変
換し、前記略平行光束をレンズ後方に配置した反射面に
より反射させて前記レンズに戻し、該レンズにより収束
光に変換された光束を光源の位置もしくはその近傍に配
設した受光手段に入射する結合光学系において、前記レ
ンズと反射面の距離Ｌを ０．９Ｌmax≦Ｌ≦Ｌmax の範囲とすることを特徴とする結合光学系。ただし、レ
ンズによりビームウエストを形成することが可能な最大
距離をＬmaxとする。 - 【請求項４】請求項３に記載の結合光学系における結合
損失が、前記レンズと反射面の間の距離Ｌが０≦Ｌ＜
０．９Ｌmaxの範囲にある場合に生じる結合損失と等し
いかもしくは小さいことを特徴とする結合光学系。 - 【請求項５】請求項２または４に記載の結合光学系にお
ける結合損失が、０．０５ｄＢ以下であることを特徴と
する結合光学系。 - 【請求項６】前記光源および受光手段が互いにモードフ
ィールド径が等しい光ファイバの端面であることを特徴
とする請求項１または３に記載の結合光学系。 - 【請求項７】前記光源および受光手段を１本の光ファイ
バの端面で兼用したことを特徴とする請求項３に記載の
結合光学系。 - 【請求項８】前記正の屈折力を有するレンズが半径方向
に屈折率分布を有するロッドレンズであることを特徴と
する請求項１または３に記載の結合光学系。 - 【請求項９】前記正の屈折力を有するレンズが光軸方向
に屈折率分布を有する平凸レンズであることを特徴とす
る請求項１または３に記載の結合光学系。 - 【請求項１０】前記正の屈折力を有するレンズが均質な
材料からなる平凸レンズであることを特徴とする請求項
１または３に記載の結合光学系。 - 【請求項１１】前記正の屈折力を有するレンズが均質な
材料からなる球レンズであることを特徴とする請求項１
または３に記載の結合光学系。 - 【請求項１２】前記正の屈折力を有するレンズが回折レ
ンズ面を有することを特徴とする請求項１または３に記
載の結合光学系。 - 【請求項１３】請求項１に記載の結合光学系において、
両レンズの中間に光学機能素子を設置したことを特徴と
する光学素子。 - 【請求項１４】前記光学素子において、同一の結合光学
系が１列もしくは複数列のアレイ状に配列されているこ
とを特徴とする請求項１３に記載の光学素子。 - 【請求項１５】請求項２に記載の結合光学系において、
レンズと反射面の中間に光学機能素子を設置したことを
特徴とする光学素子。 - 【請求項１６】前記光学素子において、同一のレンズが
１列もしくは複数列のアレイ状に配列されていることを
特徴とする請求項１５に記載の光学素子。
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