JP2003215390A - 屈折率分布型ロッドレンズを用いた光ファイバコリメータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 要求される長い対向距離を確保しつつ、信頼
性の向上を図り、斜め研磨を可能にし、かつ取り扱いを
容易にした屈折率分布型ロッドレンズを用いた光ファイ
バコリメータを提供すること。 【解決手段】 光ファイバコリメータ２１はロッドレン
ズ２２と光ファイバ２３を備える。ロッドレンズ２２の
レンズ長は、所定の対向距離を得るのに必要な最小値、
例えば０．１ピッチから０．５ピッチ分長くしてある。
これにより、所定の長い対向距離を確保しつつ、ロッド
レンズ２２の実際の長さが長くなり、倒れにより平行光
が傾いて結合効率が低下するのを防止できる。また、ロ
ッドレンズの実際の長さが長くなるので、斜め研磨が可
能になるとともに、取り扱いが容易になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、屈折率分布型ロッ
ドレンズを用いた光ファイバコリメータに関する。

【０００２】

【従来の技術】図６は、２組の光ファイバコリメータで
構成されるコリメータ光学装置を示している。同光学装
置は、入射側の単一モード光ファイバ（Single ｍode f
iber）１１から出射した光をコリメータレンズＬ１によ
り平行光にし、この平行光をコリメータレンズＬ２によ
り集光して受光側の単一モード光ファイバ１２に結合す
るようになっている。両コリメータレンズＬ１，Ｌ２と
して、半径方向に屈折率分布を持った屈折率分布型ロッ
ドレンズが使用されている。また、同光学装置では、入
射側の光ファイバコリメータが光ファイバ１１とロッド
レンズＬ１とで構成され、受光側の光ファイバコリメー
タが光ファイバ１２とロッドレンズＬ２とで構成されて
いる。

【０００３】このようなコリメータ光学装置は、両ロッ
ドレンズＬ１，Ｌ２間に光機能素子（例えば、光学フィ
ルタ、光アイソレータ、光スイッチ、光変調器等）を挿
入することにより、種々の光通信用デバイスを作ること
ができる（特許文献１の図１及び図３参照）。こうした
光通信用デバイスは、光ファイバ１１を伝搬してきた光
に光機能素子により所定の作用を及ぼしたのち、その光
を再度光ファイバ１２に結合して伝搬させる機能を有す
る。このような作用を及ぼすために長い光路長を要し物
理的な寸法が大きい光機能素子（例えば、大規模マトリ
ックススイッチ等）を使用するためには、両ロッドレン
ズＬ１，Ｌ２間の対向距離（最大コリメート長Ｌｍａ
ｘ）ができるだけ大きくかつ結合効率ができるだけ高い
ものが要求される。

【０００４】図７は、上記コリメータ光学装置に使用さ
れる光ファイバコリメータを示している。この光ファイ
バコリメータは、屈折率分布型ロッドレンズ１３と、単
一モード光ファイバ１４と、同光ファイバ１４を保持す
るキャピラリ１５と、ガラスチューブ１６とを備える。
ロッドレンズ１３の入射側端面と、光ファイバ１４の端
面とはそれぞれ斜めに研磨された傾斜面になっている。
ロッドレンズ１３およびキャピラリ１５は、ロッドレン
ズ１３の入射側端面と光ファイバ１４の端面とがロッド
レンズ１３の焦点距離だけ離間する位置でガラスチュー
ブ１６内に固定されている。

【０００５】このような光ファイバコリメータにおい
て、対向距離を長くするためには、ロッドレンズ１３の
焦点距離を長くし、ビーム径を大きくする必要があるこ
とが判っている。ロッドレンズ１３は、レンズ長を調整
することにより、焦点距離を変えることができる。な
お、ここにいう「レンズ長」とは、ロッドレンズの両端
面間の長さをいう。図７に示すような傾斜面を有するロ
ッドレンズ１３の場合、傾斜面と中心軸の交点から出射
側端面までの距離Ｚが「レンズ長」である（図３参
照）。屈折率分布型ロッドレンズはその屈折率分布で定
まる光線の蛇行周期（ピッチ）を有するので、レンズ長
をピッチを単位として表す場合が多い。

【０００６】例えば、通常用いるレンズ素子径がφ１．
８ｍｍで、レンズ長が０．２５ピッチのロッドレンズの
場合、約７０ｍｍの対向距離しか取れない。これに対し
て、そのロッドレンズのレンズ長を０．１ピッチにする
と、対向距離を約２００ｍｍまで伸ばすことができる。
また、レンズ素子径がφ１．０ｍｍのロッドレンズの場
合には、レンズ長を０．２５ピッチから０．１ピッチに
変更すると、対向距離を約２０ｍｍから約７０ｍｍまで
伸ばすことができる。

【０００７】ここで、屈折率分布型ロッドレンズの屈折
率分布、その焦点距離、及びその蛇行周期（ピッチ）に
ついて説明する。なお、屈折率分布型ロッドレンズの屈
折率分布と焦点距離については、特許文献１の段落(０
０１８)に記載されている。屈折率分布型ロッドレンズ
の屈折率分布ｎ（ｒ）は、その断面の中心から半径方向
の距離をｒとするとき、 ｎ（ｒ）＝ｎ_０{１−Ａｒ^２／２} ・・・１式 で表される。この場合、このロッドレンズの焦点距離ｆ
は ｆ＝１／{ｎ_０√Ａ×ｓｉｎ（√Ａ×Ｚ）} ・・・２式 で表される。ここでｎ_０はロッドレンズの中心の屈折
率、√Ａは屈折率分布定数、Ｚはレンズ長である。上記
２式から明らかなようにレンズ長Ｚに対して焦点距離ｆ
は周期的に変化する。ここでロッドレンズの蛇行周期
（ピッチ）Ｐは Ｐ＝２π／√Ａ ・・・３式 で表され、ｆはＺに対してＰ／２を周期として同じ値を
とる。すなわち、レンズ長をＰ／２（０．５ピッチ）分
増加させてもロッドレンズの焦点距離は変わらないた
め、同様のレンズ特性が得られる。なお、レンズ長をＰ
／２分増加させると上記２(式)でｓｉｎ（√Ａ×Ｚ）の
符号が反転するが、これは像が正立から倒立に或いはそ
の逆に変化することを示している。レンズ長を長くして
も像が反転しない蛇行周期は１Ｐである。なお、最大コ
リメート長Ｌｍａｘは次の４式で表されるので、やはり
焦点距離と同じ周期で変化することになる。 Ｌｍａｘ＝１／{ｎ_０√Ａ×ｔａｎ（√Ａ×Ｚ）} ・・・４式

【０００８】

【特許文献１】特開２００２−１０７５６６

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記従来の
光ファイバコリメータでは、対向距離を長くするために
ロッドレンズ１３のレンズ長Ｚを短くする必要がある。
例えば、ロッドレンズのレンズ素子径がφ１．８ｍｍ
で、レンズ長が０．２３ピッチの場合、レンズの実際の
長さが４．８ｍｍになる。また、ロッドレンズ１３のレ
ンズ素子径がφ１．８ｍｍで、レンズ長が０．１ピッチ
の場合、レンズの実際の長さが２ｍｍになる。また、そ
のレンズ素子径がφ１．０ｍｍで、レンズ長が０．１ピ
ッチの場合、レンズの実際の長さが１．２ｍｍになる。
このようにレンズの実際の長さが短くなると、以下のよ
うな問題が発生する。 （１）図８に示すように、レンズの実際の長さが上記数
値（例えば１．２ｍｍ）で示したように短いロッドレン
ズ１３Ａをガラスチューブ１６に組み付けて光ファイバ
コリメータを組み立てたときに、基準面として用いるロ
ッドレンズ１３Ａの外周面の軸方向長さが短いために、
同レンズ１３Ａに倒れが生じる。これにより、ロッドレ
ンズ１３Ａから出射される平行光（出射光）がその軸方
向に対して傾いてしまい、結合効率が低下する等、信頼
性が低下してしまう。 （２）上記数値で示したようにレンズの実際の長さが短
いと、ロッドレンズ１３Ａを製造する際におけるレンズ
の切断や研磨が困難となる。特に、レンズ端面に施す斜
め研磨が不可能になる場合がある。これは、そのような
切断や研磨加工時にロッドレンズ１３Ａを保持するのが
困難になる等の理由による。 （３）レンズの実際の長さが短いために、取り扱いが困
難である。

【００１０】本発明は、このような従来の問題点に着目
してなされたもので、その目的は、要求される長い対向
距離を確保しつつ、信頼性の向上を図り、斜め研磨を可
能にし、かつ取り扱いを容易にした屈折率分布型ロッド
レンズを用いた光ファイバコリメータを提供することに
ある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項１に係る発明は、屈折率分布型ロッドレンズ
と単一モード光ファイバを備え、同光ファイバからの入
射光を前記ロッドレンズで平行光にする光ファイバコリ
メータにおいて、前記屈折率分布型ロッドレンズのレン
ズ長を、所定の対向距離を得るのに必要な最小値から１
／２蛇行周期分長くすることを要旨とする。この構成に
よれば、ロッドレンズのレンズ長を、所定の対向距離を
得るのに必要な最小値から１／２蛇行周期分（０．５ピ
ッチ分）長くしている。これにより、所定の長い対向距
離が確保され、しかもロッドレンズの実際の長さを長く
することができる。これにより、要求される長い対向距
離を確保できるとともに、上記倒れにより平行光が傾い
て結合効率が低下するのを防止できる。したがって、要
求される長い対向距離を確保しつつ、信頼性の向上を図
れる。また、ロッドレンズの実際の長さを長くすること
ができるので、レンズ切断時や斜め研磨等の研磨加工時
に同レンズの保持が容易になり、同レンズを製造する際
のレンズの切断や研磨が容易になるとともに、レンズ端
面に施す斜め研磨が可能になる。さらに、ロッドレンズ
の実際の長さが長くなるので、同レンズの取り扱いが容
易になる。請求項２に係る発明は、請求項１に記載の屈
折率分布型ロッドレンズを用いた光ファイバコリメータ
において、前記光ファイバを保持するキャピラリと筒状
の保持体とを備え、前記キャピラリおよび前記屈折率分
布型ロッドレンズは、同ロッドレンズの入射側端面と前
記光ファイバの端面とが同ロッドレンズのほぼ焦点距離
だけ離間する位置で前記筒状の保持体内に固定されてい
ることを要旨とする。この構成によれば、ロッドレンズ
を筒状の保持体に組み付けて光ファイバコリメータを組
み立てたときに、基準面として用いるレンズの外周面の
軸方向長さが長くなるため、同レンズの倒れが生じるの
を防止できる。請求項３に係る発明は、請求項１又は２
に記載の屈折率分布型ロッドレンズを用いた光ファイバ
コリメータにおいて、前記光ファイバの端面と、前記屈
折率分布型ロッドレンズの少なくとも入射側端面とは、
同ロッドレンズの中心軸に対して斜めに研磨された傾斜
面であることを要旨とする。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体化した光ファ
イバコリメータの各実施形態を図面に基づいて説明す
る。 [第１実施形態]図１は、第１実施形態に係る屈折率分布
型ロッドレンズを用いた光ファイバコリメータを示して
いる。この光ファイバコリメータ２１は、屈折率分布型
ロッドレンズ２２と、単一モード光ファイバ２３と、同
光ファイバ２３を保持するキャピラリ２４と、ガラスチ
ューブ２５とを備える。屈折率分布型ロッドレンズ（以
下、単に「ロッドレンズ」という。）２２の入射側端面
２２ａと、光ファイバ２３の端面２３ａとはそれぞれ斜
め研磨されて傾斜面になっている。単一モード光ファイ
バ（以下、単に「光ファイバ」という。）２３は、キャ
ピラリ２４のファイバ挿通孔に通して同キャピラリ２４
と接着剤により一体化されている。ロッドレンズ２２お
よびキャピラリ２４は、ロッドレンズ２２の入射側端面
２２ａと光ファイバ２３の端面２３ａとがロッドレンズ
２２の焦点距離だけ離間する位置でガラスチューブ２５
内に接着剤等により固定されている。このロッドレンズ
２２は、図２に示す光ファイバコリメータ２１Ａに用い
た長さの短いロッドレンズ３２のレンズ長を、要求され
る所定の長い対向距離を得るのに必要な最小値（例えば
０．１ピッチ）から１／２蛇行周期分（０．５ピッチ
分）長くしたレンズである。なお、光ファイバコリメー
タ２１Ａのロッドレンズ３２以外の構成は、本実施形態
に係る光ファイバコリメータ２１と同様である。ロッド
レンズ２２は、レンズ素子径がφ１．０ｍｍで、レンズ
長が０．６ピッチのレンズである。また、ロッドレンズ
２２は、約７０ｍｍの対向距離を取ることができ、レン
ズの実際の長さが７．２ｍｍである（図３参照）。一
方、図２に示すロッドレンズ３２は、レンズ素子径がφ
１．０ｍｍで、レンズ長が０．１ピッチのレンズであ
る。このロッドレンズ３２は、約７０ｍｍの対向距離を
取ることができるが、レンズの実際の長さが１．２ｍｍ
と短い。このように本例の光ファイバコリメータ２１に
用いるロッドレンズ２２は、そのレンズ長を０．５ピッ
チ分長くしても、その０．５ピッチ分の長さの両端で像
が反転するだけで、倍率は変わらず、したがって焦点距
離は変わらないという特徴（上記２式、３式、図４参
照）を利用している。すなわち、長さの短いロッドレン
ズ３２と同じレンズ素子径のロッドレンズ２２のレンズ
長を、ロッドレンズ３２よりも０．５ピッチ分長くす
る。これにより、ロッドレンズ３２と同じ対向距離が取
れかつレンズの実際の長さが同レンズ３２よりも６倍程
度長いロッドレンズ２２を作れるようにしている。以上
のように構成された第１実施形態によれば、以下の作用
効果を奏する。

【００１３】（イ）レンズ素子径がφ１．０ｍｍのロッ
ドレンズ２２のレンズ長を、要求される所定の長い対向
距離を得るのに必要な最小値（例えば０．１ピッチ）よ
りも０．５ピッチ分（１／２蛇行周期分）長くしてい
る。これにより、ロッドレンズ３２と同じ対向距離（約
７０ｍｍ）を取ることができるとともに、ロッドレンズ
２２の実際の長さをロッドレンズ３２よりも６倍程度長
い７．２ｍｍにすることができる。これにより、要求さ
れる長い対向距離を確保できるとともに、上記倒れによ
りロッドレンズから出射される平行光（出射光）が同レ
ンズの軸方向に対して傾き結合効率が低下するのを防止
できる。したがって、要求される長い対向距離を確保し
つつ、信頼性の向上を図ることができる。 （ロ）図２に示すロッドレンズ３２のようにレンズの長
さが１．２ｍｍと短いと、同レンズ３２を製造する際に
おけるレンズの切断や研磨が困難であり、特にレンズ端
面に施す斜め研磨が不可能になる場合がある。これに対
して、本例の光ファイバコリメータ２１に用いるロッド
レンズ２２の実際の長さを、ロッドレンズ３２よりも６
倍程度長い７．２ｍｍにすることができる。このため、
ロッドレンズ２２の切断時や斜め研磨等の研磨加工時に
同レンズ２２の保持が容易になり、同レンズ２２を製造
する際の切断や研磨が容易になるとともに、その入射側
端面２２ａに施す斜め研磨が可能になる。 （ハ）ロッドレンズ２２の実際の長さが７．２ｍｍと長
くなるので、同レンズ２２の取り扱いが容易になる。

【００１４】[第２実施形態]本実施形態に係る光ファイ
バコリメータでは、ロッドレンズとして、レンズ素子径
がφ１．８ｍｍで、レンズ長を、約２００ｍｍの対向距
離を得るのに必要な最小値（０．１ピッチ，約２．０ｍ
ｍ）から０．５ピッチ分長くしたレンズを用いている。
このロッドレンズの対向距離は約２００ｍｍで、レンズ
の実際の長さは約１２ｍｍである。以上のように構成さ
れた第２実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。

【００１５】（ニ）レンズ素子径がφ１．８ｍｍで、レ
ンズ長が０．１ピッチのロッドレンズと同じ対向距離
（約２００ｍｍ）で、かつレンズの実際の長さが約１２
ｍｍと長いロッドレンズが得られる。したがって、上記
（イ）〜（ハ）と同様の作用効果が得られる。 [変形例]なお、この発明は以下のように変更して具体化
することもできる。

【００１６】・上記第１実施形態では、光ファイバコリ
メータ２１に用いるロッドレンズ２２として、レンズ素
子径がφ１．０ｍｍで、レンズ長が０．１ピッチのロッ
ドレンズ３２を０．５ピッチ分長くしたロッドレンズを
用いている。本発明はこれに限定されない。すなわち、
本発明は、レンズ素子径がφ１．０ｍｍで、レンズ長が
０．１ピッチ以上のロッドレンズを０．５ピッチ分長く
したロッドレンズにも適用される。 ・上記第２実施形態では、光ファイバコリメータに用い
るロッドレンズとして、レンズ素子径がφ１．８ｍｍ
で、レンズ長が０．１ピッチのロッドレンズを０．５ピ
ッチ分長くしたロッドレンズを用いている。本発明はこ
れに限定されない。すなわち、本発明は、レンズ素子径
がφ１．８ｍｍで、レンズ長が０．１ピッチ以上（例え
ば、０．２３ピッチ）のロッドレンズを０．５ピッチ分
長くしたロッドレンズにも適用される。 ・上記各実施形態では、レンズ素子径がφ１．０ｍｍ或
いはφ１．８ｍｍのロッドレンズに本発明を適用した
が、レンズ素子径がφ１．０ｍｍ或いはφ１．８ｍｍ以
外の値を持ち、レンズの実際の長さが短いロッドレンズ
にも本発明は適用可能である。特に、本発明は、レンズ
の実際の長さがほぼ０．７ｍｍ以上からほぼ２ｍｍ以下
の範囲内にある短いレンズに対して有効に適用可能であ
る。レンズ長Ｚが２ｍｍ以下の場合、ロッドレンズの切
断や端面の研磨等の加工が難しくなり、コリメータを組
み立てる際に同レンズが倒れ易くなり、同レンズの利点
の一つである固定のし易さが失われるからである。一
方、レンズ長Ｚが０．７ｍｍより短いロッドレンズにつ
いては、本発明を適用したとしても上記加工の難しさや
倒れ等の問題が依然解決できないからである。 ・上記各実施形態では、レンズの実際の長さが短いロッ
ドレンズのレンズ長を必要な最小値に対して０．５ピッ
チ分長くしているが、「レンズ長を長くする手段」とし
て次のいずれの方法を採用してもよい。（１）レンズの
長さが短いロッドレンズ、例えば０．１ピッチのロッド
レンズと同じレンズ母材から、ピッチが（０．１＋０．
５）になるようにロッドレンズを切断する方法。（２）
レンズの長さが短いロッドレンズ、例えば０．１ピッチ
のレンズに、同レンズと同じレンズ素子径のもので、レ
ンズ長が０．５ピッチになるようにレンズ母材から切断
したロッドレンズを接合する方法。 ・上記各実施形態では、ロッドレンズ２２の端面及び光
ファイバ２３の端面のいずれにも反射防止対策を施して
いないが、図５に示すように反射防止対策を施した光フ
ァイバコリメータ２１にも本発明は適用可能である。こ
の光ファイバコリメータ２１では、ロッドレンズ２２の
両端面と、光ファイバ２３の端面とにそれぞれ反射防止
膜４１，４２，４３が形成されている。 以下、上記実施形態から把握できる技術思想について説
明する。

【００１７】上記請求項１〜３のいずれか一項に記載の
屈折率分布型ロッドレンズを用いた光ファイバコリメー
タにおいて、レンズの実際の長さがほぼ０．７ｍｍ以上
からほぼ２ｍｍ以下の範囲内にある短いロッドレンズに
適用され、同レンズのレンズ長を、所定の対向距離を得
るのに必要な最小値から１／２蛇行周期分長くすること
を特徴とする。この構成により、レンズの実際の長さが
ほぼ０．７ｍｍ以上からほぼ２ｍｍ以下の範囲内にある
短いロッドレンズに本発明を適用することにより、上記
第１実施形態が奏する上記作用効果（イ）〜（ハ）が有
効に発揮される。

【００１８】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１に係る発
明によれば、要求される長い対向距離を確保しつつ、信
頼性の向上を図ることができ、斜め研磨が可能になり、
かつ取り扱いを容易にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 第１実施形態に係る光ファイバコリメータを
示す断面図。

【図２】 同コリメータに用いるロッドレンズと同じレ
ンズ素子径で長さの短いロッドレンズを用いた光ファイ
バコリメータを示す断面図。

【図３】 図１に示すロッドレンズを示す拡大図。

【図４】 １／２ピッチのロッドレンズの結像状態を示
す説明図。

【図５】 変形例に係る光ファイバコリメータを示す断
面図。

【図６】 従来のコリメータ光学装置を示す概略構成
図。

【図７】 約２０ｍｍの対向距離を取れる従来の光ファ
イバコリメータを示す断面図。

【図８】 約７０ｍｍの対向距離を取れる従来の光ファ
イバコリメータを示す断面図。

【符号の説明】

２１…光ファイバコリメータ、２２…屈折率分布型ロッ
ドレンズ、２３…単一モード光ファイバ、２４…キャピ
ラリ、２５…筒状の保持体としてのガラスチューブ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 屈折率分布型ロッドレンズと単一モード
   光ファイバを備え、同光ファイバからの入射光を前記ロ
   ッドレンズで平行光にする光ファイバコリメータにおい
   て、 前記屈折率分布型ロッドレンズのレンズ長を、所定の対
   向距離を得るのに必要な最小値から１／２蛇行周期分長
   くすることを特徴する屈折率分布型ロッドレンズを用い
   た光ファイバコリメータ。
2. 【請求項２】 前記光ファイバを保持するキャピラリと
   筒状の保持体とを備え、前記キャピラリおよび前記屈折
   率分布型ロッドレンズは、同ロッドレンズの入射側端面
   と前記光ファイバの端面とが同ロッドレンズのほぼ焦点
   距離だけ離間する位置で前記筒状の保持体内に固定され
   ていることを特徴する請求項１に記載の屈折率分布型ロ
   ッドレンズを用いた光ファイバコリメータ。
3. 【請求項３】 前記光ファイバの端面と、前記屈折率分
   布型ロッドレンズの少なくとも入射側端面とは、同ロッ
   ドレンズの中心軸に対して斜めに研磨された傾斜面であ
   ることを特徴とする請求項１又は２に記載の屈折率分布
   型ロッドレンズを用いた光ファイバコリメータ。