JP2002372604A - コリメータレンズ、ファイバコリメータ、及び光部品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】光ファイバの入出射光等の高強度光に対する光
耐性を著しく向上させ、かつ、小型化、低価格化、低反
射特性を向上させ、さらに、１つのコリメータレンズ
に、複数のファイバ接続を可能とするコリメータレン
ズ、及びこのコリメータレンズを用いたファイバコリメ
ータ及び光部品を提供する。 【解決手段】コリメータレンズの主成分を石英ガラスと
し、その屈折率が、光軸に近いほど大きく、光軸から離
れて外周に近づくほど小さくなるように、漸次変化して
分布しているようにする。このコリメータレンズと光フ
ァイバを直接融着により接合する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はレンズを用いて、光
結合を行う技術に関し、特に、光通信分野で使用される
光機能部品において、光ファイバからの出射光を光機能
素子に入射させたり、光機能素子からの出射光を光ファ
イバに入射させることを目的とした光ファイバコリメー
タに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年の通信容量の大容量化に伴って、波
長多重数の増加や光増幅器の増幅率の増大により、光フ
ァイバ内を伝播する光強度が増加している。このため、
各部品の高強度光に対する耐性が要求されている。たと
えば、数Ｗクラスの高エネルギーの光を光ファイバ中に
伝播させる要求がある。光耐性は、光が光ファイバ中を
伝播しているときは、あまり問題とならない。なぜな
ら、光ファイバの組成が石英系であり、伝播光の波長帯
域に対して光吸収が非常に小さいためである。これに対
して、光ファイバから光が出射する場合、及び光ファイ
バに光が入射する場合の出射先、入射元の素材の光耐性
が問題となる。特に光ファイバからの入出射端は、光ビ
ームが集束しているため、エネルギー密度が高く、損傷
を最も受けやすい。そのため、高い光耐性が要求され
る。

【０００３】この観点からみると、USP4213677に代表さ
れる様な接着剤を用いて光ファイバとレンズを固定して
いる構造では、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が１〜５％程度であり、変質温度は
高くても400℃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。

【０００４】ここで、ファイバとレンズとを、光耐性に
問題のある接着剤を使用せずに接続する方法として、融
着接続させることが考えられる。しかし、レンズと光フ
ァイバとを融着接続することは、実際上困難であった。
すなわち、融着接続するためには、軟化点を超えて、融
着可能な温度まで被着体の双方を加熱する必要がある。
しかし、従来、レンズは多成分系ガラスで作製されてお
り、その軟化点は約５００〜６００℃である。一方、光
ファイバは石英ガラスを主成分としており、その軟化点
は約１７００℃である。このように、両者の軟化温度は
著しく異なっている。そのため、軟化点の高い光ファイ
バを融着可能とする温度では、軟化点の低いレンズ側の
形状が大きく崩れてしまい、低損失で接続することが不
可能であった。また、たとえ、無理に融着しても、両者
の線膨張係数に差があり、冷却時に発生する歪みによっ
て、融着強度が低下してしまうという問題もあった。

【０００５】また、USP5889904で示されているように、
光ファイバの端面とレンズの端面との間に空間を設けて
配置する構造も提案されている。しかし、この場合、各
端面上の異物などにより、光特性が劣化する問題があ
る。また、接着剤等により直接接続しないため、両者の
位置関係を固定するための構造が複雑となり、低コスト
化・小型化が難しい。また、各端面に反射防止膜のコー
ティングが必要になることから、コスト高を招くと共
に、反射防止膜の光耐性も問題となる。

【０００６】また、USP4701011やUSP5384874で開示され
ているように、ＧＩ（Graded-Index）ファイバをコリメ
ータレンズとして用いた構造も提案されている。このＧ
Ｉファイバは、コア部分の屈折率が、放物線状に変化す
るファイバである。ＧＩ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。しか
し、この場合、ＧＩファイバの外径が250μｍ以下と小
さすぎることから、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いものであった。また、ＧＩファ
イバを保護するためにガラス毛細管等の補強用部材が必
要となり、低コスト化が困難であった。

【０００７】また、上記USP5384874には、ＧＩファイバ
を利用した光コリメータが開示されている。しかし、こ
の場合レンズとして用いるＧＩファイバと相手方の光フ
ァイバとは、同心にて接続固定されている。そのため、
光通信用部品で許容される反射減衰量を確保するために
は、レンズ端面を反射防止膜でコーティングする等の低
反射処理が必要となり、低コスト化が難しいといった問
題もあった。

【０００８】また、光コリメータは、誘電体多層膜型光
合分波器等のように、３つ以上の光入出力ポートを有す
る光部品に多く使用されている。３つの入出力ポートを
接続する構造としては、対向するGradient-Index型のロ
ッドレンズを２個使用して、片側に２ポート、もう片側
に１ポートを接続する構造が、USP4213677に示されてい
る。この構造は、低コスト化・小型化が可能となる点で
優れているものである。しかしながら、上記のように、
外径の小さいＧＩファイバを使用した光コリメータで
は、125μｍのファイバを２本接続することは困難であ
り、また、仮に接続できたとしても有効レンズ径が最大
で250μｍであることから、低損失化が難しいといった
欠点も有していた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記事情に
鑑み、光ファイバの入出射光等の高強度光に対する耐性
を著しく向上させ、かつ、小型化、低価格化、低反射特
性を向上させ、さらに、１つのコリメータレンズに、複
数のファイバ接続を可能とするコリメータレンズ、並び
にこのコリメータレンズを用いたファイバコリメータ及
び光部品を提供することを課題としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記課題
を解決するため、石英ガラスを主成分とし、その屈折率
が、光軸に近いほど大きく、光軸から離れて外周に近づ
くほど小さくなるように、漸次変化して分布しているこ
とを特徴とするコリメータレンズを提供する。

【００１１】本発明のコリメータレンズは、石英ガラス
を主成分とするため、石英ガラスを主成分とする光ファ
イバや光導波路等と接続した場合に屈折率の差が小さ
く、接合面における反射減衰量を低下させることができ
る。また、石英ガラスを主成分とする光ファイバや光導
波路等との接続が容易であると共に、接続強度を安定し
て維持しやすい。特に、融着接続をする際に、被接続体
の一方のみが軟化しすぎて、形状が大きく崩れてしまう
という問題が生じない。また、両者の線膨張係数にも差
がないので、冷却時に発生する歪みによって、融着強度
が低下してしまうという問題も生じない。また、ＧＩフ
ァイバのようにクラッド層を設けず、光軸から外周まで
の全体にわたって、屈折率を分布させることとしたの
で、小型化の要請を損なわずに、接続面の面積を充分に
広くすることが可能である。

【００１２】本発明においては、コリメータレンズの外
径は０．３ｍｍ以上とすることが望ましい。これによ
り、光学特性を損なわずに、心線の外径が約１２５μｍ
の通常の光ファイバを２本接続することが可能となる。
また、コリメータレンズの外径は１．９ｍｍ以下とする
ことが望ましい。外径が１．９ｍｍあれば、心線の外径
が０．９ｍｍの光ファイバであっても、光学特性を損な
わずに２本接続することが可能である。また、１．９ｍ
ｍ以下であれば、光部品全体の小型化の要請にも反しな
い。

【００１３】本発明者らは、また、光ファイバと、上記
本発明に係るコリメータレンズとを接合したファイバコ
リメータを提供する。この場合、接合方法は、直接融着
が最も望ましいが、接着剤を使用することも可能であ
る。本発明によれば、コリメータレンズが石英ガラスを
主成分とするため、石英ガラスを主成分とする光ファイ
バと屈折率の差が小さく、接合面における反射減衰量を
低下させることができる。また、コリメータレンズが石
英ガラスを主成分とするため、石英ガラスを主成分とす
る光ファイバとの接続が容易であると共に、接続強度を
安定して維持しやすい。また、コリメータレンズの接続
面の面積を充分に広くすることが可能なため、コリメー
タレンズと光ファイバとを、光学特性を損なわずに接続
することができる。

【００１４】本発明のファイバコリメータにおいては、
光ファイバとコリメータレンズとが、直接融着により接
合されていることが望ましい。この場合、被接続体であ
るコリメータレンズと光ファイバの材質が同じで、軟化
点に差がない。そのため、どちらか一方のみが軟化しす
ぎて、形状が大きく崩れてしまうという問題が生じな
い。また、両者の線膨張係数にも差がないので、冷却時
に発生する歪みによって、融着強度が低下してしまうと
いう問題も生じない。本発明によれば、接着剤を使用し
ないので、高強度光に対する耐性を得ることができる。

【００１５】本発明のファイバコリメータにおいては、
光ファイバの光軸とコリメータレンズの光軸とが、接合
面方向に５μｍ以上離れていることが望ましい。本発明
によれば、光ファイバの光軸をオフセットしてコリメー
タレンズに接続するので、接続端面からの反射光を、光
軸から点対称の位置に収束する。そのため、高い反射減
衰量を得ることが可能である。

【００１６】本発明者らは、また、２つのファイバコリ
メータの各々のコリメータレンズの間に光機能素子が挿
入されてなる光部品であって、前記２つのファイバコリ
メータの少なくとも一方が、本発明に係るファイバコリ
メータであることを特徴とする光部品を提供する。本発
明の光部品は、インライン型と称されるもので、挿入す
る光機能素子は、例えば、誘電体多層膜フィルタ素子、
アイソレータ素子、サーキュレータ素子、アンプ用ゲイ
ンイコライザから選ばれる何れか１つの素子、又はこれ
らの何れか２つ以上を組み合わせた複合素子である。

【００１７】本発明者らは、また、基板型光導波路と本
発明に係るコリメータレンズとを接合したことを特徴と
する光部品を提供する。この場合、接合方法は、直接融
着が最も望ましいが、接着剤を使用することも可能であ
る。本発明によれば、コリメータレンズが石英ガラスを
主成分とするため、石英ガラスを主成分とする基板型光
導波路と屈折率の差が小さく、接合面における反射減衰
量を低下させることができる。また、コリメータレンズ
が石英ガラスを主成分とするため、石英ガラスを主成分
とする基板型光導波路との接続が容易であると共に、接
続強度を安定して維持しやすい。

【００１８】本発明の光部品においては、基板型光導波
路とコリメータレンズとが、直接融着により接合されて
いることが望ましい。この場合、被接続体であるコリメ
ータレンズと基板型光導波路の材質が同じで、軟化点に
差がない。そのため、どちらか一方のみが軟化しすぎ
て、形状が大きく崩れてしまうという問題が生じない。
また、両者の線膨張係数にも差がないので、冷却時に発
生する歪みによって、融着強度が低下してしまうという
問題も生じない。本発明によれば、接着剤を使用しない
ので、高強度光に対する耐性を得ることができる。

【００１９】本発明者らは、また、基板型光導波路と光
ファイバとが、本発明に係るコリメータレンズを介して
接続されていることを特徴とする光部品を提供する。こ
の場合、接合方法は、直接融着が最も望ましいが、接着
剤を使用することも可能である。本発明によれば、コリ
メータレンズが石英ガラスを主成分とするため、石英ガ
ラスを主成分とする基板型光導波路及び光ファイバの双
方と屈折率の差が小さく、各々の接合面における反射減
衰量を低下させることができる。また、コリメータレン
ズが石英ガラスを主成分とするため、石英ガラスを主成
分とする基板型光導波路と光ファイバの双方との接続が
容易であると共に、接続強度を安定して維持しやすい。

【００２０】本発明の光部品においては、基板型光導波
路とコリメータレンズとの間、光ファイバとコリメータ
レンズとの間が、各々直接融着により接合されているこ
とが望ましい。この場合、被接続体であるコリメータレ
ンズと基板型光導波路及び光ファイバの材質が同じで、
軟化点に差がない。そのため、被接続体の一方のみが軟
化しすぎて、形状が大きく崩れてしまうという問題が生
じない。また、両者の線膨張係数にも差がないので、冷
却時に発生する歪みによって、融着強度が低下してしま
うという問題も生じない。本発明によれば、接着剤を使
用しないので、高強度光に対する耐性を得ることができ
る。

【００２１】本発明者らは、また、発光素子と、本発明
に係るファイバコリメータとを備え、前記ファイバコリ
メータのコリメータレンズが、発光素子からの出射光を
受光可能な位置に配置されたことを特徴とする光部品を
提供する。同様に、受光素子と、請求項６から請求項８
に記載の何れかのファイバコリメータとを備え、前記受
光素子が、前記ファイバコリメータのコリメータレンズ
からの出射光を受光可能な位置に配置されたことを特徴
とする光部品を提供する。これらの発明によれば、発光
素子や受光素子と、光ファイバとを、接着剤を使用せず
に接続できるので、高強度光に対する耐性を得ることが
できる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を説明す
るが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではな
い。 ＜コリメータレンズ＞本実施形態のコリメータレンズ
は、石英ガラスを主成分とし、レンズ内に屈折率分布が
形成された分布屈折率タイプのロッドレンズである。こ
のレンズにおける屈折率分布の理想的な状態は式（１）
で表される。

【００２３】 n²(r)＝n₀ ²sech²(gr)＝n₀ ²{1-(gr)²+h₄(gr)⁴＋h₆(gr)⁶＋…｝ …（１）

【００２４】式（１）において、ｎは屈折率、ｎ₀はレ
ンズ中心軸（光軸）上の屈折率、ｒはレンズ中心軸から
の径方向位置、ｇは、屈折率変化の大きさ、ｈは高次項
の係数を意味している。ここで、高次項の合わせ込みが
レンズの特性を向上させるためには重要となる。

【００２５】さらに、付言すると、一般的な分布屈折率
型レンズはフリントガラスにイオン交換法を用いて屈折
率分布を持たせた構造で作製されており、レンズ自体の
損失は、波長1．5μｍ帯において0．02dB/cmである。そ
れに対して、石英系のレンズにすると0．00002dB/cmと
桁違いに小さく、挿入損失の向上が期待できると共に高
強度光が入射した場合の材料の吸収による温度上昇も桁
違いに小さくなることから、高強度光の連続入射による
温度上昇に伴う光学特性の劣化は言うに及はず、長期的
な信頼性においても有利であることは明白である。

【００２６】＜コリメータレンズの製造方法＞屈折率分
布を得る手法としては、一般的に光ファイバの製造に用
いられるＧｅドープによる屈折率制御を用いる。ここ
で、屈折率分布を得るための製法として、ＶＡＤ、ＯＶ
Ｄ（outside vapour deposition）、ＭＣＶＤ、ＰＣＶ
Ｄ等の方法が考えられるが、屈折率制御性が良いＰＣＶ
Ｄ法で製作することが望ましい。以下にＰＣＶＤ法によ
るコリメータレンズの製造方法を詳細に説明する。

【００２７】ＰＣＶＤ法は、石英管を使用して、石英管
内部に所望の屈折率のガラスを堆積させる内付けＣＶＤ
（Chemical Vapor Deposition）法の一種で、そのガラ
スの堆積にガラス管の内側にプラズマを発生させ、これ
により酸素ガスと原料ガスとを酸化反応させることを特
徴としている。具体的な製造手順は以下の通りである。
すなわち、石英管を出発管として用い、その管内に石英
ガラスの原料ガスである四塩化珪素（ＳｉＣｌ₄）と屈
折率を上げるための原料ガスである四塩化ゲルマニウム
（ＧｅＣｌ₄）と酸素（Ｏ₂）を送り込みプラズマを利用
して管の内側に気相酸化反応により所望の屈折率のガラ
ス微粒子を生成堆積させる。この場合の反応式は、式
（２）で示される。

【００２８】 ＳｉＣｌ₄+Ｏ₂ → ＳｉＯ₂+ＳＣｌ₂ ＧｅＣｌ₄+Ｏ₂ → ＧｅＯ₂+2Ｃｌ₂ …（２）

【００２９】このとき、石英管の円周方向にむら無く堆
積させるために石英管を回転させる。さらに石英管の長
手方向にプラズマを移動させることによって、長手方向
へもむらなく堆積を行う。そして、この堆積作業を層毎
に屈折率を変えて繰り返し行うことで、径方向に屈折率
分布を有することが可能となる。具体的には、層毎に、
原料ガス中における四塩化ゲルマニウムの比率を変化さ
せることにより屈折率の異なる層を堆積していくことが
できる。

【００３０】堆積終了後、ガラスが堆積した石英管に20
00℃程度の熱を加えると、石英管の粘度が下がり中心軸
方向につぶれて、棒状のプリフォームが得られる。この
工程をコラップスと呼んでいる。そして、このプリフォ
ームを電気炉で加熱して溶融状態とし、所望の外径とな
るように線引きをする。その後、線引きしたガラス棒を
所定の長さに切断し端面を研磨することにより、本実施
形態のコリメータレンズが完成する。

【００３１】このＰＣＶＤにより優れた屈折率制御性が
得られる。その理由は、以下のとおりである。まず、Ｐ
ＣＶＤ法は、プラズマを利用して、原料ガスに直接熱を
与えて酸化反応を起こさせている。そのため、屈折率を
上げるためにドープするＧｅを、100％に近い状態で安
定して酸化反応させることができる。また、ＰＣＶＤ法
では、一回のガラス堆積での堆積厚さが非常に薄くでき
ることがあげられる。つまり、非常に細かいステップで
屈折率を制御できるので、屈折率分布の形状を理想的形
状に、より近づけることが可能となるものである。な
お、一回のガラス堆積での堆積厚さが薄いのは、熱源と
してプラズマを利用していることから、原料ガス濃度を
ＭＣＶＤのように濃くすることができないためである。
そのため、成膜速度はＭＣＶＤ法より遅くなっている。
このように、屈折率制御性が良いため、屈折率分布形成
後にその修正のための後加工が不必要となることから、
低コスト化が達成できる。

【００３２】なお、ＰＣＶＤ法においては、コラップス
時に、プリフォーム中心部でドーパントが飛散してしま
い、径方向での屈折率分布が中心で落ち込むセンターデ
ィップという現象が生じ、これにより挿入損失が増加す
ることが懸念される。そのため、実際にＰＣＶＤ法で製
作された２つのコリメータレンズ間の挿入損失を、レン
ズ外径φ０．４ｍｍ、ファイバ径φ１２５μｍ（コア径
１０μｍ）の条件において調べた。その結果、図１に示
すように、挿入損失は0.2dB以下といった非常に低い値
で、センターディップの影響による特性劣化は無視でき
る範囲に抑えられていることが明らかとなった。

【００３３】屈折率分布を得る他の手法として、ＭＣＶ
Ｄ法を採用できる。これは、原料ガスの加熱を、ガラス
管の外側からバーナーによる炎で行う点が、ＰＣＶＤ法
と異なっている。ＭＣＶＤ法では、管外からの熱で内部
を加熱し、酸化反応を起こさせることから、熱分布が大
きく酸化反応量がＰＣＶＤほど安定しない。そのため屈
折率の制御性は、ＰＣＶＤ法よりも劣るものである。し
かしながら、ＭＣＶＤ法によれば、原料ガスの濃度を濃
くできるため、製膜を短時間で行うことが可能である。
また、原料ガスの濃度を低く抑えれば、ＰＣＶＤ法に近
い屈折率制御性を得ることも可能である。したがって、
ＭＣＶＤ法によっても、低コストで、光特性の優れたコ
リメータレンズを製造することが可能である。

【００３４】＜コリメータレンズと光ファイバ等との接
続方法＞次に、本実施形態のコリメータレンズと、光フ
ァイバ及び基板型光導波路との接続方法について説明す
る。本実施形態のコリメータレンズは、石英ガラスを主
成分とするため、光ファイバや基板型光導波路との直接
融着接続が可能である。直接融着のための加熱手段とし
ては、放電もしくは、ＣＯ₂レーザ等を使用する。この
場合、局所加熱が可能なため、融着部近傍以外への加熱
が抑えられる。そのため、熱による変形等を最小限に抑
えることができる。直接融着により接続した場合、接着
剤の使用が不要となることから、高強度光に対する耐性
が得られる。

【００３５】＜インライン型光部品＞図２は、本実施形
態に係るインライン型光部品の概略構成図である。本実
施形態の光部品は、図２において、符号１は、本実施形
態のコリメータレンズ、符号２、２は光ファイバで、コ
リメータレンズ１と、これに直接融着によって接続する
光ファイバ２、２とから、一方のファイバコリメータが
構成されている。同様に、符号４は、本実施形態のコリ
メータレンズ、符号５は光ファイバで、コリメータレン
ズ４と、これに直接融着によって接続する光ファイバ５
とから、他方のファイバコリメータが構成されている。
そして、これら２つのファイバコリメータの各々のコリ
メータレンズ１、４の間に、光機能素子７が挿入され、
これら全体がケース８に納められている。

【００３６】ここで挿入する光機能素子７は、例えば、
誘電体多層膜フィルタ素子、アイソレータ素子、サーキ
ュレータ素子、アンプ用ゲインイコライザから選ばれる
何れか１つの素子、又はこれらの何れか２つ以上を組み
合わせた複合素子である。本実施形態のインライン型光
部品は、ファイバコリメータ１、４が石英ガラスを主成
分とし、光ファイバ２、５と直接融着により接続されて
いるため、高強度光に対する耐性を有する。

【００３７】＜コリメータレンズの外径＞次に、本実施
形態のコリメータレンズの外径について検討した結果を
説明する。通常の光ファイバ外径は、約125μｍであ
り、またコア径は約10μｍである。このことから、これ
を２心接続するためには、最低約135μｍの外径のレン
ズであれば、一応は使用可能である。しかし、検討の結
果、１個のコリメータレンズに複数のファイバを接続可
能で、かつ良好な光学特性を維持するために、最低300
μｍ（０．３ｍｍ）以上のレンズ外径が必要であること
が見いだされた。

【００３８】なぜなら、レンズ内を伝播する光がレンズ
の外周部付近まで広がると、屈折率分布の不連続性に起
因する収差の影響を受け、良好な光学特性を維持するこ
とが難しくなるからである。図３は、φ２５０μｍ、φ
３００μｍ、φ４００μｍ径のレンズを使用した場合の
各々について、レンズ中心からの距離と挿入損失との関
係を調べた結果である。図３に示すように、φ２５０μ
ｍ径のコリメータレンズでは、レンズ中心からの距離で
約50μｍから、挿入損失が増加し始めている。そのた
め、挿入損失が小さい領域の幅は、最も広いところでも
１００μｍ以下となってしまう。これに対して、約125
μｍの光ファイバ２本を接続する場合、各々のコアを挿
入するための領域は、最低でも135μｍの幅を占める。
したがって、φ２５０μｍ径のコリメータレンズを用い
た場合、これら２本の光ファイバのコアを、挿入損失の
小さい領域内に接続することができないものである。

【００３９】一方、φ３００μｍのレンズの場合、７５
μｍを超える位置でも損失増加は発生していない。この
場合、挿入損失が小さい領域の幅を、最も広いところで
１５０μｍ確保することができる。また、φ４００μｍ
径のレンズの場合、100μｍを超える位置でも損失増加
は発生していない。この場合、挿入損失が小さい領域の
幅を、最も広いところで２００μｍ以上確保することが
できる。このように、φ３００μｍのレンズの場合に
も、φ４００μｍのレンズの場合にも、約φ125μｍの
光ファイバ２本のコアを、挿入損失の小さい領域内に接
続することが可能である。すなわち、２本のファイバを
１個のレンズに接続させる場合に、良好な光学特性を維
持するためには、最低300μｍ（０．３ｍｍ）以上のレ
ンズ外径が必要であることがわかった。

【００４０】同様に、心線の外径が０．９ｍｍの光ファ
イバを２本接続する場合に、光学特性を損なわずに接続
することが可能な、コリメータレンズの外径について検
討した。この場合、約φ125μｍの光ファイバ２本を、
接続端面において隣接して配置させようとすると、心線
部分の外径は０．９ｍｍなので、ファイバに曲げ損失が
生じてしまう。また、曲げ損失を防ぐために曲げ部の長
さを長くすると、小型化の要請に反してしまう。したが
って、理想的には曲げ部がない構造が望ましい。曲げ部
のない構造とするためには、ファイバ中心のピッチを約
１．０ｍｍとすることが必要である。さらに、心線外径
の公差、レンズ外周部での光学特性の劣化を考慮する
と、心線の外径が０．９ｍｍの光ファイバを２本接続す
る場合には、最低１．２ｍｍ以上のレンズ外径が必要で
あることがわかった

【００４１】コリメータレンズの外径を検討するにあた
っては、このレンズと接続する光ファイバの外径も考慮
しなければならない。なぜなら、非常に小さい外径のコ
リメータレンズを製作したとしても、光部品全体の外径
は、光ファイバ素線および心線の外径にも制約されるか
らである。そのため、コリメータレンズのみを小さくし
たからといって、製品である光部品全体の外径を小型化
することは難しい。また、コリメータレンズの外径を光
ファイバの外径と同等にしておいた方が、光部品の簡易
パッケージが可能となり製作が容易となる。

【００４２】上述の図２の光部品は、外径とコリメータ
レンズの外径とを同等とし、簡易パッケージを施した例
である。ここで、光ファイバ２、２の被覆部２ａの外径
が２５０μｍ、心線の露出部２ｂの外径が１２５μｍの
場合のコリメータレンズ１、４の外径について検討す
る。この場合、ケース８は、被覆部２ａの外径を２本分
合わせた値に、挿入に必要な若干の余裕を加えた大きさ
とするため、最低でも内径を、約５５０〜６００μｍと
する必要がある。また、コリメータレンズ１、４は、ケ
ース８を必要以上に大きくしないために、ケース８の内
径以下の外径とする必要がある。一方、ケース８の内径
とコリメータレンズ１、４の外径を略同一とした方が、
コリメータレンズ１、４をケース８内に安定して保持す
ることができる。したがって、ケース８の内径及びコリ
メータレンズ１、４の外径は、双方とも約５５０〜６０
０μｍとすることが最も望ましい。

【００４３】次に、心線の外径が０．９ｍｍである光フ
ァイバを、２本接続する場合のコリメータレンズの外径
について検討する。この場合、光ファイバの心線が太
く、直接ケースに挿入可能なので、ケースは、心線の外
径を２本分合わせた値に、挿入に必要な若干の余裕を加
えた大きさとし、約１．９ｍｍ以上とする必要がある。
また、コリメータレンズの外径は、上述したようにケー
スの内径と略同一とすることが望ましい。したがって、
この場合、ケースの内径及びコリメータレンズの外径
は、双方とも約１．９ｍｍとすることが最も望ましい。

【００４４】このように、本実施形態のコリメータレン
ズは、光ファイバ素線の外径と合わせることにより、簡
易パッケージが使用可能となり作業性向上及び材料費の
低廉化が可能となる。しかも、光ファイバ素線および心
線の外径に最適化されているため、レンズの大きさによ
るの製品外径の大型化は伴わない。この最適な外径は、
一般に、式（３）によって求められる。

【００４５】(使用する光ファイバの外径)×(１つのレ
ンズに接続する心線数)＋50〜100μｍ…（３）

【００４６】＜コリメータレンズの長さ＞次に、本実施
形態のコリメータレンズの長さについて検討する。コリ
メータレンズの長さも光部品全体の小型化のため一般的
には短い方がよいといえるが、やはり限界がある。すな
わち、レンズ外径がファイバ径と同等レベルで、かつレ
ンズ長が１ｍｍ以下であるようなレンズの場合、組み立
て性が非常に悪い。そのため、作業性を補うために補強
用のガラス毛細管が必要になる等、組み立て後の大きさ
は返って大きくなるといった矛盾を生じてしまう。さら
に、レンズ長が短いと、コリメート光を得るためのレン
ズ長に加工する場合にレンズ長の寸法公差がサブμｍと
非常に精密な加工が必要なことから、生産性が悪く低コ
スト化が難しい。したがって、本実施形態のコリメータ
レンズの長さは１ｍｍ以上とすることが望ましい。

【００４７】＜コリメータレンズと光ファイバの接続位
置＞本実施形態のファイバコリメータは、低反射特性を
簡便に得るために、レンズ光軸から故意にオフセットさ
せた位置に光ファイバを接続させることを特徴とする。
光コリメータ部品の場合、反射点（面）は、２箇所存在
する。一つは、光ファイバとレンズの接合面であり、も
う一つは、レンズの関放面からの反射である。コリメー
タレンズの主成分を石英ガラスとしたことで、光ファイ
バとレンズの屈折率差は小さくなっている。そのため、
光ファイバとレンズの接合面からの反射に関しては反射
量をかなり小さくなる。また、光ファイバ接続位置をレ
ンズ光軸からオフセットさせることにより、その接合位
置における光ファイバとレンズの屈折率差をほぼゼロに
するレンズ設計も可能である。さらに単心の光ファイバ
をレンズに接続させるときに、融着接続させることによ
り、容易に-60dB以下の反射減衰量を達成させることが
可能となる。一方、レンズ開放面からの反射に関して
は、レンズと光ファイバの光軸をオフセットさせて接続
させることから、端面からの反射は、レンズ特性により
入射光ファイバの位置には集束せず、光軸から点対称の
位置のレンズ端面に集束する。これにより、容易に高反
射減衰量を得ることが可能である。

【００４８】式（１）に示したようにGradient−Index
型の場合、レンズのピッチ長を式（４）に示すように、
0.25の奇数倍とすると平行光となる。

【００４９】 ０．２５（１＋２ｎ） ｎ：正の整数 …（４）

【００５０】この時反射光が入射面に集束した点でのピ
ッチ長は、レンズのピッチ長の２倍となる。この時、ト
ータルのピッチ長が0.5の奇数倍の場合は、レンズ光軸
に対して入射点と点対称の位置に集束する。すなわち、
式４に示すように、0.25ピッチの奇数倍の２倍のピッチ
長に集束するため、必ず0.5の奇数倍となり、入射位置
とレンズ光軸に対して点対称の位置に集束することが判
る。

【００５１】 ０．２５（１＋２ｎ）×２＝０．５（１＋２ｎ） ｎ：正の整数 …（５）

【００５２】この時、必要なオフセット量は、光機能部
品に求められている反射減衰量で決まる。現時点では、
最低40dB程度以上の反射減衰量が求められており、この
反射減衰量を確保するには、レンズ開放面が光軸に対し
て直角である最悪のケースを想定した場合、最低約５μ
ｍ光軸をオフセットさせる必要がある。オフセット量と
反射減衰量の関係は、式（６）で示される。

【００５３】

【数１】

【００５４】ここで、Ｗ₁は入射光のモードフィールド
半径、Ｗ₂は光入射断面での反射光のモードフィールド
半径、ｄはオフセット量を示す。一般的なシングルモー
ドファイバを使用したときの、オフセット量と反射減衰
量の関係を示すグラフを図４に示す。

【００５５】さらに、オフセットさせることにより光コ
リメータから出射するコリメート光は、レンズ光軸と平
行でなく、オフセット量に依存したθの角度を持って出
射されることから、光機能素子、及び対向する光コリメ
ータ端面との多重反射による光学特性の劣化も招かな
い。反射減衰量および反射損失を低減させる目的で反射
防止膜のコーティングを行った場合においてもレンズと
光ファイバを同心で接続した場合よりも、より高反射減
衰量が得られることは明白である。

【００５６】＜基板型光導波路部品＞基板型光導波路の
設計にあたっては、ファイバとの接続損失を軽減するた
め、基板導波路のモードフィールド径（ＭＦＤ）を、フ
ァイバのＭＦＤ（約１０μｍ）にマッチングさせること
が、従来の基本的な考え方であった。しかし、近年基板
型光導波路に求められる機能が複雑化（大規模化、高機
能化）したことにより、従来のように、ファイバのＭＦ
Ｄにマッチングさせる設計では、回路全体が大きくなっ
てしまい、小型化の要請に反すると共に製造コストも高
くなってしまう。そこで、最近では、基板型光導波路の
ＭＦＤとファイバのＭＦＤとの差をより大きくして、曲
げ部の最小径を小さくし、回路の小型化、低コスト化を
図っている。その際、両者のＭＦＤの差による接続損失
を解消する１つの手段として、基板型光導波路と光ファ
イバとの間にレンズを挿入することが行われている。本
実施形態のコリメータレンズは、この基板型光導波路と
光ファイバとの間に挿入するレンズとしても好適であ
る。この場合、本実施形態のコリメータレンズは石英ガ
ラスを主成分とするため、基板型光導波路とも、直接融
着により接合することができる。また、このコリメータ
レンズの基板型光導波路と接合した側と反対の側に光フ
ァイバを直接融着により接合できるのはもちろんであ
る。この場合、基板型光導波路と光ファイバとの間を、
接着剤や反射防止膜を用いることなく接続できるので、
高強度光に対する耐性を備えることができる。また、基
板型光導波路と光ファイバとの間に空間をおかずに接続
できるので、各端面上の異物などにより、光特性が劣化
する問題が生じない。また、直接融着しているので、位
置関係を固定するための複雑な構造を必要としない。そ
のため、低コスト化・小型化が可能である。また、コリ
メータレンズ単体が小型であるため、Ｖ溝基板等にアレ
イ状に配列した、高密度（小型）コリメータレンズアレ
イを作成し、基板型光導波路や、光ファイバに接続する
ことも可能である。

【００５７】＜発光素子を用いた光部品＞図５は、発光
素子と光ファイバとを接続する本実施形態の光部品であ
る。図６の光部品は、ファイバコリメータ１０と、発光
素子１３とを備え、ファイバコリメータ１０は、本実施
形態に係るコリメータレンズ１１と光ファイバ１２とを
直接融着により接合して形成されている。このコリメー
タレンズ１１は、発光素子１３からの出射光を受光可能
な位置に配置されている。本実施形態の光部品によれ
ば、発光素子からの入射光に対する光耐性を著しく向上
させることができる。なお、光耐性のみを目的として考
えれば、先球ファイバのように、ファイバ端面を直接レ
ンズ特性を持つ形状に加工する方法もある。しかし、φ
１２５μｍという非常に細いファイバの先端部分を精度
良く加工することは難しい。そのため、結合効率が低く
なってしまうのが一般的であった。本実施形態の光部品
によれば、耐光強度を確保した上で、結合効率を向上さ
せることが可能となる。

【００５８】＜受光素子を用いた光部品＞図７は、受光
素子と光ファイバとを接続する本実施形態の光部品であ
る。図７の光部品は、ファイバコリメータ１０と、受光
素子１４とを備え、ファイバコリメータ１０は、本実施
形態に係るコリメータレンズ１１と光ファイバ１２とを
直接融着により接合して形成されている。この受光素子
１４は、コリメータレンズ１１からの出射光を受光可能
な位置に配置されている。本実施形態の光部品によれ
ば、受光素子へ入射する光に対する光耐性を著しく向上
させることができる。

【００５９】＜空間型光スイッチの光入出力用コリメー
タレンズ部品＞空間型光スイッチは、光を導波路外の空
間でスイッチングするもので、ＭＥＭＳ（Micro Electr
o Mechanical Systems）と称されるシステムが広く用い
られている。本実施形態の光部品は、この空間型光スイ
ッチの光入出力用に、本実施形態のコリメータレンズを
用いたものである。また、このコリメータレンズと光フ
ァイバとは、直接融着により接合されファイバコリメー
タを構成している。本実施形態の光部品によれば、コリ
メータレンズと光ファイバとを直接融着により接合でき
るので、入出射光に対する光耐性を著しく向上させるこ
とができる。

【００６０】

【発明の効果】以上述べたようにこの発明によれば、光
ファイバの入出射光等の高強度光に対する耐性を著しく
向上させ、かつ、小型化、低価格化、低反射特性を向上
させることができる。また、１つのコリメータレンズ
に、複数のファイバを良好な光特性を保って接続するこ
とができる。そのため、高強度光に対する耐性に優れ、
かつ、小型化、低価格化、低反射特性を向上した種々の
光部品を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施形態に係るコリメータレンズの
挿入損失について、光入射位置依存性を調べた結果のグ
ラフである。

【図２】 本発明の実施形態に係るインライン型光部品
の概略構成図である。

【図３】 本発明の実施形態に係るコリメータレンズの
挿入損失について、コリメータレンズの外径を変えて、
光入射位置依存性を調べた結果のグラフである。

【図４】 オフセット量と反射減衰量の関係を示すグラ
フである。

【図５】 本発明の実施形態に係る発光素子を用いた光
部品の概略構成図である。

【図６】 本発明の実施形態に係る受光素子を用いた光
部品の概略構成図である。

【符号の説明】 １・・・コリメータレンズ、２・・・光ファイバ、４・
・・コリメータレンズ、５・・・光ファイバ、７・・・
光機能素子、８・・・ケース

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2H037 AA01 BA03 BA12 BA23 BA32 CA16 DA05 DA16 4G014 AH11

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 石英ガラスを主成分とし、その屈折率
   が、光軸に近いほど大きく、光軸から離れて外周に近づ
   くほど小さくなるように、漸次変化して分布しているこ
   とを特徴とするコリメータレンズ。
2. 【請求項２】 外径が０．３ｍｍ以上であることを特徴
   とする請求項１に記載のコリメータレンズ。
3. 【請求項３】 外径が０．３ｍｍ〜１．９ｍｍであるこ
   とを特徴とする請求項１に記載のコリメータレンズ。
4. 【請求項４】 光ファイバとコリメータレンズとを接合
   したファイバコリメータであって、前記コリメータレン
   ズが請求項１から請求項３の何れかに記載のコリメータ
   レンズであることを特徴とするファイバコリメータ。
5. 【請求項５】 前記光ファイバと前記コリメータレンズ
   とが、直接融着により接合されていることを特徴とする
   請求項４に記載のファイバコリメータ。
6. 【請求項６】 前記光ファイバの光軸と前記コリメータ
   レンズの光軸とが、接合面方向に５μｍ以上離れている
   ことを特徴とする請求項４又は請求項５に記載のファイ
   バコリメータ。
7. 【請求項７】 ２つのファイバコリメータの各々のコリ
   メータレンズの間に光機能素子が挿入されてなる光部品
   であって、前記２つのファイバコリメータの少なくとも
   一方が請求項４から請求項６の何れかに記載のファイバ
   コリメータであることを特徴とする光部品。
8. 【請求項８】 基板型光導波路と請求項１から請求項３
   の何れかに記載のコリメータレンズとを接合したことを
   特徴とする光部品。
9. 【請求項９】 前記基板型光導波路と前記コリメータレ
   ンズとが、直接融着により接合されていることを特徴と
   する請求項８に記載の光部品。
10. 【請求項１０】 基板型光導波路と光ファイバとが、請
    求項１から請求項３の何れかに記載のコリメータレンズ
    を介して接続されていることを特徴とする光部品。
11. 【請求項１１】 発光素子と、請求項４から請求項６に
    記載の何れかのファイバコリメータとを備え、前記ファ
    イバコリメータのコリメータレンズが、発光素子からの
    出射光を受光可能な位置に配置されたことを特徴とする
    光部品。
12. 【請求項１２】 受光素子と、請求項４から請求項６に
    記載の何れかのファイバコリメータとを備え、前記受光
    素子が、前記ファイバコリメータのコリメータレンズか
    らの出射光を受光可能な位置に配置されたことを特徴と
    する光部品。