【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバコリメータに用いる屈折率分布型ロッドレンズに関し、更に詳しく述べると、レンズ中心でのガラス中のＴｌ２ Ｏ含有量を低く抑えると共にレンズの寸法比率を規定することにより、最大コリメート長を長くできるようにした屈折率分布型ロッドレンズに関するものである。この屈折率分布型ロッドレンズは、特に長い最大コリメート長が必要な光通信用モジュールに組み込む単一モード光ファイバ用の光ファイバコリメータとして有用である。
【０００２】
【従来の技術】
屈折率分布型ロッドレンズは、屈折率が中心軸上で高く周辺に向かって連続的に減少するように中心軸に対称に分布している円柱状の透明体からなる。このロッドレンズの一端面から入射した光は、レンズ内をその屈折率分布により蛇行して進行する。入射光がロッドレンズ内を進行して、入射点での位置及び方向と同じ状態に戻るまでの距離を１ピッチ長と呼ぶ。ロッドレンズを０．２５ピッチ長に加工した場合、点光源をレンズ端面の中心に置くと、他端面からは平行性の良い光ビームが出射する。このことから、０．２５ピッチ長以下の屈折率分布型ロッドレンズが、光通信用モジュールの光ファイバコリメータとして用いられている。
【０００３】
光通信用モジュールでは、例えば図１に示すように、第１及び第２のコリメータレンズ（屈折率分布型ロッドレンズ）１０ａ，１０ｂが対として用いられる。光源に光ファイバ（ＳＭＦ：単一モード光ファイバ）１２を用いると、該光ファイバ１２から出射した光は、第１のコリメータレンズ１０ａで近似的には平行光となって空間伝播し、第２のコリメータレンズ１０ｂで集光され、別の光ファイバ（ＳＭＦ：単一モード光ファイバ）１４に結合する。第１及び第２のコリメータレンズ１０ａ，１０ｂの間に光学フィルタなどの光機能素子１６を組み込むことによって、光通信用モジュールに光信号の選択などの様々な機能を持たせることができる。両コリメータレンズの間隔は、コリメート長Ｌで表される。
【０００４】
単一モード光ファイバを用いる場合には、出射光はガウス分布状の強度分布を持ったビーム（これは「ガウシアンビーム」と呼ばれる）で近似され、光ファイバ出射端面をレンズの焦点位置においたコリメート条件としても、レンズ通過後のビームは平行光にはならず、ビームウエストを持った光ビームとなる。そのため、２個のコリメータレンズを対向配置した場合、それらの間にビームウエストを形成可能な最大レンズ間隔（距離）が存在する。これを最大コリメート長と称する。最大コリメート長を超えると、一方の光ファイバコリメータから他方の光ファイバコリメータに空間伝播される光量は急激に減少（言い換えれば、損失が急激に増加）してしまう。
【０００５】
この最大コリメート長Ｌｍａｘ は、
Ｌｍａｘ ＝ｆ＋２（λ／２π）（ｆ／ω）２ …（１）
で表すことができる。但し、ｆはレンズの焦点距離、λは使用光の波長、ωは光ファイバのモードフィールド径である。また屈折率分布型ロッドレンズの焦点距離ｆは、
ｆ＝１／（ｎ０ √Ａ ｓｉｎ（２πＰ）） …（２）
で表される。ここで、ｎ０ は軸上屈折率、√Ａは屈折率分布定数、Ｐはレンズのピッチ（蛇行周期）である。
【０００６】
ところで光通信分野で使用されている屈折率分布型ロッドレンズは、一般にガラスを母材とし、その母材ガラス中に屈折率分布形成の主要因としてＴｌ（タリウム）を含んだ組成のガラスロッドから製造する。ガラスロッドの半径方向に屈折率分布を形成するには、通常、イオン交換法が用いられている。これは、高屈折率イオン（Ｔｌイオン）を含むガラスロッドを、低屈折率イオンを含む溶融塩中に一定時間浸漬して、各々のイオンを相互拡散させることによって、高屈折率イオン（Ｔｌイオン）の濃度分布にほぼ比例した屈折率分布を形成する方法である。
【０００７】
従来、光通信用モジュールで用いられている屈折率分布型ロッドレンズにおける母材ガラス中のＴｌ２ Ｏの含有量は９〜１２モル％程度である。イオン交換により製造した屈折率分布型ロッドレンズでは、屈折率分布定数√Ａはレンズ直径φに反比例し、√Ａ×φは０．５９程度である。例えば、レンズ直径が１．８ｍｍの場合には、イオン交換後の√Ａは０．３３ｍｍ−１程度である。もし、レンズ直径が１．０ｍｍのように小さくなると、√Ａは０．５９ｍｍ−１程度と大きくなる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前記（２）式から、屈折率分布定数√Ａを小さくすればレンズの焦点距離ｆが長くなり、また（１）式から、レンズの焦点距離ｆを長くすれば最大コリメート長Ｌｍａｘ を長くできることが分かる。屈折率分布定数√Ａは、レンズの母材ガラスあるいはイオン交換条件によって決まるので、母材ガラスそのもの、もしくはイオン交換の条件を変更することによって小さくすることができる。ところがレンズの開口数ＮＡは、
ＮＡ＝ｎ０ √Ａ・φ／２ …（３）
で示され、屈折率分布定数√Ａに比例する。光ファイバの出射光を効率よくレンズに取り込むためには、開口数ＮＡは一定値以上である必要があり、屈折率分布定数√Ａを過度に小さくすることはできない。また、屈折率分布定数√Ａを小さくすると、他のレンズ特性に様々な影響が及ぶので、それを考慮してレンズを製作しなければならない。
【０００９】
これらの事情により、従来の光通信用モジュールにおいては、挿入損失を低く抑えることができる最大コリメート長は、一般的なレンズ直径が１．８ｍｍの場合には７０ｍｍ程度と多少短めであった。もし、レンズ直径が１．０ｍｍのように小さくなると、最大コリメート長は２０ｍｍ程度と非常に小さくなってしまう。そのため、対向配置した屈折率分布型ロッドレンズ間に多数の光機能素子を配置することが困難であり、光通信用モジュールの機能が制限されたり、高精度・高機能の光機能素子を使用せざるを得ないために高価となるなどの問題があった。
【００１０】
本発明の目的は、最大コリメート長の長い光通信用モジュールを実現できる屈折率分布型ロッドレンズを提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、Ｔｌを含有する母材ガラスからなる円柱体のイオン交換によって、Ｔｌ濃度が中心から周辺に向かって半径方向で徐々に減少し、それに応じた屈折率分布を有し、レンズ中心でのガラス中のＴｌ２ Ｏ含有量が１〜６モル％であり、且つレンズ長Ｚとレンズ直径φとの比Ｚ／φが３≦Ｚ／φ≦１２．５（但し、レンズ長Ｚは０．２５ピッチ長以下）であることを特徴とする屈折率分布型ロッドレンズである。
【００１２】
特にレンズ中心でのガラス中のＴｌ２ Ｏ含有量は、２〜３モル％とすることが好ましい。また、レンズの寸法因子であるＺ／φは、４．５≦Ｚ／φ≦６とすることが望ましい。
【００１３】
ガラスの主成分としては、例えば、ＳｉＯ２ を５０〜６５モル％、Ｎａ２ Ｏを５〜１０モル％、Ｋ２ Ｏを５〜１５モル％、ＺｎＯを１０〜１５モル％含む組成とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
上記のように、本発明で用いる母材ガラスは、典型的にはガラスの主成分としてＳｉＯ２ を５０〜６５モル％、Ｎａ２ Ｏを５〜１０モル％、Ｋ２ Ｏを５〜１５モル％、ＺｎＯを１０〜１５モル％含んでおり、更に屈折率分布形成の主要因となるＴｌ２ Ｏを１〜６モル％含有している。
【００１５】
ここでＴｌ２ Ｏを１〜６モル％としているのは、１モル％未満では必要な屈折率分布の形成が困難となるし、逆に６モル％を超えると屈折率分布定数√Ａが大きくなって最大コリメート長を長くするという特性改善効果が不十分となるためである。上記の特性改善効果をより一層高めるためには、Ｔｌ２ Ｏの含有量を２〜３モル％とするのが好ましい。
【００１６】
Ｎａ及びＫはＴｌとイオン交換される成分であり、イオン交換によってＴｌが抜けた後に更に外部から入り込む。Ｎａ２ Ｏを５〜１０モル％としたのは、５モル％未満ではイオン交換速度が低下しガラスの溶融温度が上昇するし、１０モル％を超えると化学的耐久性が低下し失透が起こり易くなるからである。またＫ２ Ｏを５〜１５モル％としたのも同様の理由からである。ＺｎＯは中心屈折率を低下させるために添加している。ＺｎＯを１０〜１５モル％としたのは、１０モル％未満ではその効果が十分ではなく、１５モル％を超えると失透が生じる恐れがあるためである。
【００１７】
本発明に係る屈折率分布型ロッドレンズは、上記のようにＴｌを含有する組成のガラスロッドをイオン交換処理することで製造する。具体的には、母材ガラスを円柱状に加工し、そのガラスロッドを低屈折率イオンを含む溶融塩中に浸漬する。これによって、Ｔｌ濃度が中心から周辺に向かって半径方向で徐々に減少している構造が得られる。このＴｌの濃度分布に応じてレンズとしての性能（半径方向の屈折率分布）が付与されることになる。
【００１８】
図２は、イオン交換処理後のガラスロッド中のＴｌの濃度分布を模式的に表すものであり、Ａは従来例を、Ｂは本発明を示している。なお、破線はＴｌ初期濃度（イオン交換前の母材ガラス中のＴｌ濃度）を示している。このようにＴｌ初期濃度は、従来例では高く、本発明では低い。しかし、いずれにしてもガラスロッドの中心でのＴｌ濃度は高く、周辺に向かうほどイオン交換によってＴｌ濃度が徐々に低くなる。前記のように、ガラス中の屈折率分布の主要因はＴｌであることから、このＴｌの濃度分布が半径方向の屈折率分布に対応していることになる。そして、レンズ中心におけるＴｌ濃度は、Ｔｌの初期濃度（イオン交換前の母材ガラス中のＴｌ濃度）にほぼ等しい。従って、本発明では、ロッドレンズ中心でのガラス中のＴｌ２ Ｏ含有量は１〜６モル％（より好ましくは、２〜３モル％）とする。
【００１９】
本発明では、ロッドレンズ中心でのＴｌ濃度を従来例よりも低くしており、それ故、
（ａ）Ｔｌが高屈折率物質であるため、Ｔｌ濃度を下げたことにより、母材ガラスの屈折率が低下する。従って、軸上屈折率ｎ０ も低下する。
（ｂ）イオン交換の主成分はＴｌであるため、Ｔｌ濃度が下がると中心−最外周の屈折率差Δｎは小さくなる。
という２つの効果が生じる。屈折率分布型ロッドレンズの場合、屈折率分布定数√Ａと屈折率分布との関係が、
√Ａ∝ ｓｉｎ√（２・ｎ０ ・Δｎ） …（４）
であるため、上記の２つの効果により軸上屈折率ｎ０ 及び中心と最外周の屈折率差Δｎが小さくなるので√Ａは小さくなる。
【００２０】
他方、屈折率分布型ロッドレンズのピッチ（蛇行周期）Ｐとレンズ長Ｚとは、Ｚ＝２πＰ／√Ａ …（５）
の関係がある。従って、一定のピッチ長を得るためには、小さな屈折率分布定数√Ａに対してレンズ長Ｚを大きくすればよい。しかし、小さな屈折率分布定数√Ａでは開口数ＮＡが小さくなるので、開口数ＮＡを一定値とするためにはレンズ直径φを大きくする必要がある。そこで、寸法因子としてＺ／φを用いてレンズの設計をすれば、（３）および（５）式から、
Ｚ／φ＝πｎ０ Ｐ／ＮＡ …（６）
となり、小さな屈折率分布定数√Ａに対しても所定のピッチＰと開口数ＮＡをもつ屈折率分布型ロッドレンズが得られることになる。
【００２１】
ここで、できるだけ短いレンズ長とするには、ピッチの最大値はＰ＝０．２５である。また、単一モード光ファイバの開口数ＮＡはおよそ０．１であるので、この光ファイバからの出射光を効率よく取り込むためにはレンズの開口数ＮＡは０．１より大きくする必要がある。従って、（６）式から、
Ｚ／φ≦７．９ｎ０ …（７）
となる。ここでレンズの軸上屈折率をｎ０ ＝１．６とすると、Ｚ／φ≦１２．５となる。レンズ長Ｚの下限は加工可能範囲で定まり２ｍｍ程度である。寸法因子であるＺ／φの下限は、以下に述べる実施例によって決まる。実施例の結果から、３≦Ｚ／φとすること、更には４．５≦Ｚ／φとすることが好ましいことが分かる。
【００２２】
ところで屈折率分布型ロッドレンズの焦点距離ｆは、同一母材ガラス、同一直径であれば、（２）式のように、レンズのピッチ長Ｐに関係する。従って、屈折率分布係数√Ａが低い屈折率分布を得た上で、レンズ長Ｚを０．２５ピッチ以下の範囲でロッドレンズのピッチ長を短くすることで、ロッドレンズの焦点距離を更に長くすることができる。また、レンズ長Ｚを０．２５ピッチ未満とすると、焦点位置はレンズの外側になるので、レンズ、光ファイバ、光機能素子の位置関係の調整がし易くなる。
【００２３】
このような本発明に係る屈折率分布型ロッドレンズは、図１に示すような光通信用モジュールに有用である。第１及び第２のコリメータレンズ（０．２５ピッチ長の屈折率分布型ロッドレンズ）１０ａ，１０ｂを対として、間隔をおいて対向配置する。光源に光ファイバ（ＳＭＦ）１２を用い、該光ファイバ１２から出射した光は、第１のコリメータレンズ１０ａで近似的には平行光となって空間伝播し、第２のコリメータレンズ１０ｂで集光され、異なる光ファイバ（ＳＭＦ）１４に結合する。第１及び第２のコリメータレンズ１０ａ，１０ｂの間に光学フィルタなどの光機能素子１６を組み込むことで、光通信用モジュールに光信号の選択などの様々な機能を持たせる。最大コリメート長は、レンズの焦点距離ｆと正の相関があるので、上記のようにレンズの焦点距離が長くなる本発明の屈折率分布型ロッドレンズを用いることによって、最大コリメート長も更に長くなる。具体的には、例えばレンズ直径１．８ｍｍのロッドレンズを図１に示すような光通信用モジュールに組み込んだとき、最大コリメート長は１００〜３００ｍｍ程度まで長くすることができる。
【００２４】
【実施例】
組成の異なる３種類の母材ガラス（母材Ａ，Ｂ，Ｃ）を調製した。それらの組成を表１に示す。また比較のため、従来例も表１に示す。従来例ではＴｌ２ Ｏの含有量が１０モル％と多かったが、母材ガラスＡでは２モル％、母材ガラスＢでは３モル％、母材ガラスＣでは５モル％というように、はるかに少なくなっている。なお、表１中、母材ガラスＡ〜Ｃで「その他」とあるのは、ＰｂＯ及びＴｉＯ２ である。
【００２５】
【表１】
【００２６】
これらの母材ガラスＡ〜Ｃを、直径１．８ｍｍ及び１．０ｍｍの円柱状に加工し、溶融塩に浸漬してイオン交換することで屈折率分布型ロッドレンズとしての性能を付与し、本発明品Ａ〜Ｃを得た。そして寸法因子としてのＺ／φ、及び使用波長１．５５μｍでの屈折率分布係数√Ａを求めた。その結果を表２に示す。本発明品ではＺ／φが３．３４〜５．８２であり、従来品の２．７１に比べてかなり大きな値となっている。また、直径１．９ｍｍの場合、本発明品では√Ａが０．１５〜０．２６ｍｍ−１であり、従来品の０．３２２ｍｍ−１に比べてかなり低い値が得られた。また直径１．０ｍｍの場合でも、本発明品では√Ａが０．２７〜０．４７ｍｍ−１であり、従来品の０．５８ｍｍ−１に比べて低い値が得られた。
【００２７】
【表２】
【００２８】
次に、図１に示すような光通信用モジュール（但し、光学機能素子は挿入していない）に表２に示すレンズ直径１．８ｍｍの４種のロッドレンズ（反射防止膜無し）の対を使用し、挿入損失とコリメート長（レンズ間隔）の関係を求めた。その結果を表３及び図３に示す。最大コリメート長を、反射防止膜無しの状態で挿入損失が１．３ｄＢ程度を超えない長さと見積もると、最大コリメート長は、従来品では約７０ｍｍであったのが、本発明品Ａでは約３００ｍｍ、本発明品Ｂでは約２５０ｍｍというように、はるかに長くできることが判明した。本発明品Ｃの場合は、従来品の特性に近いが、それでも最大コリメート長を１００ｍｍ以上まで長くできた。
【００２９】
【表３】
【００３０】
同様に、図１に示すような光通信用モジュール（但し、光学機能素子は挿入していない）に表２に示すレンズ直径１．０ｍｍの４種のロッドレンズ（反射防止膜なし）の対を使用し、挿入損失とコリメート長（レンズ間隔）の関係を求めた。その結果を表４及び図４に示す。ここでも最大コリメート長を、反射防止膜無しの状態で挿入損失が１．３ｄＢ程度を超えない長さと見積もると、最大コリメート長は、従来品では約２０ｍｍであったのが、本発明品Ａでは約１３０ｍｍ、本発明品Ｂでは約７０ｍｍ、本発明品Ｂでは約６０ｍｍというように、はるかに長くできることが判明した。
【００３１】
【表４】
【００３２】
これらの実験結果を総合すると、ロッドレンズ中心でのガラス中のＴｌ２ Ｏ含有量を２〜３モル％とすること、言い換えれば母材ガラス中の初期Ｔｌ２ Ｏ濃度を２〜３モル％とすること、及び寸法因子としてのＺ／φを４．５〜６とすること（本発明品Ａ，Ｂ）が、より一層好ましいことが分かる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明は上記のように、レンズ中心でのガラス中のＴｌ２ Ｏ含有量が１〜６モル％であって、３≦Ｚ／φ≦１２．５である屈折率分布型ロッドレンズであるから、焦点距離を長くでき、最大コリメート長を従来品よりもはるかに長くすることができる。そのため、光ビームの伝播距離が長い光通信用モジュールを製作することが可能となる。従って、対向配置された屈折率分布型ロッドレンズの間隔を長くできるために、より多くの光学機能素子を挿入することができ、より細かな波長選択が可能になったり、より多機能のモジュールを構成することが可能になる。
【００３４】
通常、光学フィルタなどの素子の価格は精度が上がるほど著しく高くなる。しかし本発明に係る屈折率分布型ロッドレンズを用いれば、光通信用モジュールにおいて対向配置された屈折率分布型ロッドレンズ間隔を長くできるために、多くの光学フィルタを挿入することができるので、安価な光学フィルタを組み合わせて必要な性能を発揮させる構成も可能となり、光通信用モジュール全体として同性能でありながらより安価な製品が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光通信用モジュールの一例を示す説明図。
【図２】ガラスロッド内におけるＴｌ濃度分布の説明図。
【図３】レンズ直径１．８ｍｍの場合の挿入損失のコリメート長依存性を示すグラフ。
【図４】レンズ直径１．０ｍｍの場合の挿入損失のコリメート長依存性を示すグラフ。
【符号の説明】
１０ａ，１０ｂ コリメータレンズ
１２ 光ファイバ
１４ 光ファイバ
１６ 光学機能素子[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a gradient index rod lens used in an optical fiber collimator. More specifically, the maximum collimation is achieved by suppressing the Tl 2 O content in glass at the center of the lens and defining the dimensional ratio of the lens. The present invention relates to a gradient index rod lens whose length can be increased. This gradient index rod lens is particularly useful as an optical fiber collimator for a single mode optical fiber to be incorporated in an optical communication module requiring a long maximum collimation length.
[0002]
[Prior art]
The gradient index rod lens is formed of a columnar transparent body that is distributed symmetrically with respect to the central axis so that the refractive index is high on the central axis and continuously decreases toward the periphery. Light incident from one end surface of the rod lens travels in the lens meandering due to its refractive index distribution. The distance from the incident light traveling in the rod lens to returning to the same state as the position and direction at the incident point is called one pitch length. When the rod lens is machined to have a pitch of 0.25 and the point light source is placed at the center of the lens end face, a light beam with good parallelism is emitted from the other end face. For this reason, a gradient index rod lens having a pitch length of 0.25 pitch or less is used as an optical fiber collimator of an optical communication module.
[0003]
In the optical communication module, for example, as shown in FIG. 1, first and second collimator lenses (gradient index rod lenses) 10a and 10b are used as a pair. When an optical fiber (SMF: single mode optical fiber) 12 is used as a light source, the light emitted from the optical fiber 12 becomes approximately parallel light by the first collimator lens 10a and propagates in space, and And is coupled to another optical fiber (SMF: single mode optical fiber) 14. By incorporating the optical function element 16 such as an optical filter between the first and second collimator lenses 10a and 10b, the optical communication module can have various functions such as selection of an optical signal. The distance between the two collimator lenses is represented by the collimation length L.
[0004]
When a single-mode optical fiber is used, the output light is approximated by a beam having a Gaussian intensity distribution (this is called a “Gaussian beam”). As a condition, the beam after passing through the lens is not a parallel light but a light beam having a beam waist. Therefore, when two collimator lenses are arranged to face each other, there is a maximum lens interval (distance) between which a beam waist can be formed. This is called the maximum collimation length. When the length exceeds the maximum collimation length, the amount of light spatially propagated from one optical fiber collimator to the other optical fiber collimator sharply decreases (in other words, the loss sharply increases).
[0005]
This maximum collimation length Lmax is
Lmax = f + 2 (λ / 2π) (f / ω) 2 (1)
Can be represented by Here, f is the focal length of the lens, λ is the wavelength of the used light, and ω is the mode field diameter of the optical fiber. The focal length f of the gradient index rod lens is
f = 1 / (n 0 √A sin (2πP)) (2)
Is represented by Here, n 0 is an axial refractive index, ΔA is a refractive index distribution constant, and P is a lens pitch (meandering cycle).
[0006]
By the way, a gradient index rod lens used in the field of optical communication generally uses glass as a base material, and a glass rod having a composition containing Tl (thallium) as a main factor for forming a refractive index distribution in the base glass. To manufacture. In order to form a refractive index distribution in the radial direction of the glass rod, an ion exchange method is usually used. This is because a glass rod containing a high refractive index ion (Tl ion) is immersed in a molten salt containing a low refractive index ion for a certain period of time to cause each ion to interdiffuse, thereby obtaining a high refractive index ion (Tl ion). This is a method of forming a refractive index distribution almost proportional to the concentration distribution of (1).
[0007]
Conventionally, the content of Tl 2 O in the base glass in the gradient index rod lens used in the optical communication module is about 9 to 12 mol%. In a gradient index rod lens manufactured by ion exchange, the refractive index distribution constant ΔA is inversely proportional to the lens diameter φ, and ΔA × φ is about 0.59. For example, when the lens diameter is 1.8 mm, ΔA after ion exchange is about 0.33 mm −1 . If the lens diameter is as small as 1.0 mm, ΔA will be as large as about 0.59 mm −1 .
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
From the above equation (2), it can be seen that the smaller the refractive index distribution constant √A, the longer the focal length f of the lens, and from the equation (1), the longer the focal length f of the lens, the longer the maximum collimating length Lmax. I understand. Since the refractive index distribution constant ΔA is determined by the base glass of the lens or the ion exchange conditions, it can be reduced by changing the base glass itself or the ion exchange conditions. However, the numerical aperture NA of the lens is
NA = n 0 √A · φ / 2 (3)
And is proportional to the refractive index distribution constant ΔA. In order to efficiently take out the light emitted from the optical fiber into the lens, the numerical aperture NA must be equal to or more than a certain value, and the refractive index distribution constant ΔA cannot be excessively reduced. Further, when the refractive index distribution constant √A is reduced, various effects are exerted on other lens characteristics. Therefore, the lens must be manufactured in consideration of the influence.
[0009]
Due to these circumstances, in the conventional optical communication module, the maximum collimation length that can suppress the insertion loss is slightly shorter at about 70 mm when the general lens diameter is 1.8 mm. If the lens diameter is as small as 1.0 mm, the maximum collimation length will be very small, about 20 mm. For this reason, it is difficult to arrange a large number of optical functional elements between the refractive index distribution type rod lenses that are opposed to each other, and the function of the optical communication module is limited, or high-precision and high-functional optical functional elements cannot be used. There was a problem that it had to be expensive because it had to be done.
[0010]
An object of the present invention is to provide a gradient index rod lens that can realize an optical communication module having a long maximum collimation length.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, the Tl concentration gradually decreases in the radial direction from the center to the periphery by ion exchange of the cylindrical body made of the base glass containing Tl, has a refractive index distribution corresponding thereto, and has a refractive index distribution at the lens center. 's Tl 2 O content in the glass is from 1 to 6 mol%, and the ratio of the lens length Z and the lens diameter phi Z / phi is 3 ≦ Z / φ ≦ 12.5 (However, the lens length Z 0 .25 pitch length or less).
[0012]
Particularly Tl 2 O content in the glass at the lens center, preferably 2 to 3 mol%. Further, it is desirable that Z / φ, which is a dimensional factor of the lens, is set to 4.5 ≦ Z / φ ≦ 6.
[0013]
As a main component of glass, for example, a SiO 2 50-65 mol%, 5-10 mol% of Na 2 O, the K 2 O 5 to 15 mol%, a composition containing ZnO 10 to 15 mole%.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
As described above, the base glass used in the present invention is typically a SiO 2 50-65 mole% as the main component of glass, 5-10 mol% of Na 2 O, 5 to 15 moles of K 2 O % Of ZnO, and 10 to 15 mol% of ZnO, and further contains 1 to 6 mol% of Tl 2 O, which is a main factor in forming a refractive index distribution.
[0015]
Here, the reason why Tl 2 O is set to 1 to 6 mol% is that if it is less than 1 mol%, it becomes difficult to form a necessary refractive index distribution, and if it exceeds 6 mol%, the refractive index distribution constant ΔA becomes large. This is because the characteristic improvement effect of increasing the maximum collimation length becomes insufficient. To further enhance the above properties improving effect is preferably 2 to 3 mol% and the content of Tl 2 O.
[0016]
Na and K are components that are ion-exchanged with Tl, and enter from the outside after the Tl has escaped by ion exchange. When Na 2 O is set to 5 to 10 mol%, if it is less than 5 mol%, the ion exchange rate decreases and the melting temperature of the glass increases, and if it exceeds 10 mol%, the chemical durability decreases and devitrification occurs. This is because it easily occurs. Also, K 2 O is set to 5 to 15 mol% for the same reason. ZnO is added to lower the central refractive index. The reason why the content of ZnO is set to 10 to 15 mol% is that if the content is less than 10 mol%, the effect is not sufficient, and if it exceeds 15 mol%, devitrification may occur.
[0017]
The gradient index rod lens according to the present invention is manufactured by subjecting a glass rod having a composition containing Tl to an ion exchange treatment as described above. Specifically, the base glass is processed into a cylindrical shape, and the glass rod is immersed in a molten salt containing low refractive index ions. As a result, a structure is obtained in which the Tl concentration gradually decreases in the radial direction from the center to the periphery. The performance as a lens (refractive index distribution in the radial direction) is given according to the concentration distribution of Tl.
[0018]
FIG. 2 schematically shows the concentration distribution of Tl in the glass rod after the ion exchange treatment, wherein A shows a conventional example and B shows the present invention. The broken line indicates the Tl initial concentration (Tl concentration in the base glass before ion exchange). As described above, the Tl initial concentration is high in the conventional example and low in the present invention. However, in any case, the Tl concentration at the center of the glass rod is high, and the Tl concentration gradually decreases toward the periphery by ion exchange. As described above, since the main factor of the refractive index distribution in the glass is Tl, the concentration distribution of Tl corresponds to the refractive index distribution in the radial direction. The Tl concentration at the center of the lens is substantially equal to the initial concentration of Tl (Tl concentration in the base glass before ion exchange). Accordingly, in the present invention, Tl 2 O content in the glass at the rod lens center 1-6 mol% (more preferably, 2 to 3 mol%) and.
[0019]
In the present invention, the Tl concentration at the center of the rod lens is lower than in the conventional example, and therefore,
(A) Since Tl is a high-refractive-index substance, the refractive index of the base glass is lowered by lowering the Tl concentration. Therefore, the on-axis refractive index n 0 also decreases.
(B) Since the main component of ion exchange is Tl, when the Tl concentration decreases, the refractive index difference Δn between the center and the outermost periphery decreases.
The following two effects occur. In the case of a gradient index rod lens, the relationship between the refractive index distribution constant √A and the refractive index distribution is
{A} sin} (2 · n 0 · Δn) (4)
Therefore, ΔA is reduced because the axial refractive index n 0 and the refractive index difference Δn between the center and the outermost circumference are reduced by the above two effects.
[0020]
On the other hand, the pitch (meandering period) P and the lens length Z of the gradient index rod lens are Z = 2πP / √A (5)
There is a relationship. Therefore, in order to obtain a constant pitch length, it is sufficient to increase the lens length Z for a small refractive index distribution constant ΔA. However, since the numerical aperture NA decreases with a small refractive index distribution constant ΔA, it is necessary to increase the lens diameter φ in order to keep the numerical aperture NA constant. Therefore, if a lens is designed using Z / φ as a dimensional factor, from equations (3) and (5),
Z / φ = πn 0 P / NA (6)
Thus, a gradient index rod lens having a predetermined pitch P and a numerical aperture NA can be obtained even for a small gradient index √A.
[0021]
Here, in order to make the lens length as short as possible, the maximum value of the pitch is P = 0.25. Further, since the numerical aperture NA of the single mode optical fiber is approximately 0.1, the numerical aperture NA of the lens needs to be larger than 0.1 in order to efficiently take in the light emitted from this optical fiber. Therefore, from equation (6),
Z / φ ≦ 7.9 n 0 (7)
It becomes. Here, if the on-axis refractive index of the lens is n 0 = 1.6, Z / φ ≦ 12.5. The lower limit of the lens length Z is determined by the processable range and is about 2 mm. The lower limit of the dimension factor Z / φ is determined by the embodiments described below. It can be seen from the results of the examples that 3 ≦ Z / φ is preferable, and it is more preferable that 4.5 ≦ Z / φ.
[0022]
By the way, the focal length f of the gradient index rod lens is related to the lens pitch length P as shown in equation (2) if the same base glass and the same diameter are used. Accordingly, the focal length of the rod lens is further increased by reducing the pitch length of the rod lens within the range of 0.25 pitch or less after obtaining the refractive index distribution with a low refractive index distribution coefficient √A. can do. If the lens length Z is less than 0.25 pitch, the focal position is outside the lens, so that the positional relationship between the lens, the optical fiber, and the optical functional element can be easily adjusted.
[0023]
Such a gradient index rod lens according to the present invention is useful for an optical communication module as shown in FIG. The first and second collimator lenses (0.25 pitch length refractive index distribution rod lenses) 10a and 10b are paired and arranged to face each other at an interval. An optical fiber (SMF) 12 is used as a light source, and light emitted from the optical fiber 12 becomes approximately parallel light by the first collimator lens 10a, propagates in space, and is condensed by the second collimator lens 10b. And is coupled to a different optical fiber (SMF) 14. By incorporating the optical function element 16 such as an optical filter between the first and second collimator lenses 10a and 10b, the optical communication module has various functions such as selection of an optical signal. Since the maximum collimation length is positively correlated with the focal length f of the lens, the maximum collimation length is further increased by using the gradient index rod lens of the present invention in which the focal length of the lens is increased as described above. . Specifically, for example, when a rod lens having a lens diameter of 1.8 mm is incorporated in an optical communication module as shown in FIG. 1, the maximum collimation length can be increased to about 100 to 300 mm.
[0024]
【Example】
Three types of base glass (base materials A, B, and C) having different compositions were prepared. Table 1 shows their compositions. Table 1 also shows a conventional example for comparison. In the conventional example, the content of Tl 2 O was as large as 10 mol%, but much more, such as 2 mol% in the base glass A, 3 mol% in the base glass B, and 5 mol% in the base glass C. Is running low. In Table 1, in the base glass A~C the term "Others" is PbO and TiO 2.
[0025]
[Table 1]
[0026]
These base glasses A to C are processed into a columnar shape having a diameter of 1.8 mm and 1.0 mm, immersed in a molten salt and ion-exchanged to give a performance as a refractive index distribution type rod lens. Invention products A to C were obtained. Then, Z / φ as a dimension factor and a refractive index distribution coefficient ΔA at a used wavelength of 1.55 μm were obtained. Table 2 shows the results. In the product of the present invention, Z / φ is 3.34 to 5.82, which is considerably larger than 2.71 of the conventional product. Further, if the diameter of 1.9 mm, {square root} A product of the present invention is 0.15～0.26Mm -1, much lower value was obtained as compared to 0.322Mm -1 conventional products. Even if the diameter of 1.0 mm, {square root} A product of the present invention is 0.27~0.47mm -1, lower values as compared to 0.58 mm -1 of conventional products were obtained.
[0027]
[Table 2]
[0028]
Next, a pair of four kinds of rod lenses (without an anti-reflection film) having a lens diameter of 1.8 mm shown in Table 2 was inserted into an optical communication module (with no optical functional element inserted) as shown in FIG. The relationship between the insertion loss and the collimation length (lens interval) was determined. The results are shown in Table 3 and FIG. When the maximum collimation length is estimated to be a length where the insertion loss does not exceed about 1.3 dB without the anti-reflection film, the maximum collimation length was about 70 mm in the conventional product, but was about 300 mm in the product A of the present invention. It was found that the product B of the present invention can be much longer, for example, about 250 mm. In the case of the product C of the present invention, although the characteristics were close to those of the conventional product, the maximum collimation length could be increased to 100 mm or more.
[0029]
[Table 3]
[0030]
Similarly, a pair of four kinds of rod lenses (without an anti-reflection film) having a lens diameter of 1.0 mm shown in Table 2 is attached to an optical communication module (however, an optical function element is not inserted) as shown in FIG. The relationship between the insertion loss and the collimation length (lens interval) was determined. The results are shown in Table 4 and FIG. Again, if the maximum collimation length is estimated to be a length such that the insertion loss does not exceed about 1.3 dB without the anti-reflection film, the maximum collimation length was about 20 mm in the conventional product, but in the product A of the present invention. It was found that the length can be much longer, such as about 130 mm, about 70 mm for the product B of the present invention, and about 60 mm for the product B of the present invention.
[0031]
[Table 4]
[0032]
Summarizing these experimental results, the Tl 2 O content in the glass at the center of the rod lens should be 2-3 mol%, in other words, the initial Tl 2 O concentration in the base glass should be 2-3 mol%. It is found that it is even more preferable that Z / φ as a dimensional factor be 4.5 to 6 (products A and B of the present invention).
[0033]
【The invention's effect】
As described above, the present invention is a gradient index rod lens in which the content of Tl 2 O in the glass at the center of the lens is 1 to 6 mol% and 3 ≦ Z / φ ≦ 12.5. , The focal length can be lengthened, and the maximum collimation length can be made much longer than the conventional product. Therefore, an optical communication module having a long light beam propagation distance can be manufactured. Therefore, since the interval between the refractive index distribution type rod lenses disposed opposite to each other can be increased, more optical function elements can be inserted, and a finer wavelength selection can be performed, or a more multifunctional module can be provided. It becomes possible to configure.
[0034]
Usually, the cost of elements such as optical filters increases significantly with increasing accuracy. However, if the gradient index rod lens according to the present invention is used, the interval between the gradient index rod lenses that are opposed to each other in the optical communication module can be increased, so that many optical filters can be inserted. It is also possible to provide a configuration in which the required performance is exhibited by combining various optical filters, and a less expensive product having the same performance as the entire optical communication module can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing an example of an optical communication module.
FIG. 2 is an explanatory diagram of a Tl concentration distribution in a glass rod.
FIG. 3 is a graph showing the dependence of insertion loss on collimation length when the lens diameter is 1.8 mm.
FIG. 4 is a graph showing the dependence of insertion loss on collimation length when the lens diameter is 1.0 mm.
[Explanation of symbols]
10a, 10b Collimator lens 12 Optical fiber 14 Optical fiber 16 Optical functional element
