JP2004287172A

JP2004287172A - 先球光ファイバ、コリメータ

Info

Publication number: JP2004287172A
Application number: JP2003080248A
Authority: JP
Inventors: Mitsuyasu Furusawa; 光康古澤; Satoshi Makio; 諭牧尾
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2003-03-24
Filing date: 2003-03-24
Publication date: 2004-10-14

Abstract

【課題】先球部根元への屈折率整合剤の塗布が不要で、拡大する光ビームが光ビーム拡大部分内でケラレない構造を有する先球光ファイバを提供する。
【解決手段】光ファイバの端部に球面を有する部材を接続した先球光ファイバであって、前記球面を有した部材は、先球状部分と光ビーム拡大部分で構成され、前記光ビーム拡大部分は、軸対称形状で、その一端が前記光ファイバの端面と接続しており、他端が前記先球状部分と接続しており、前記先球状部分と接続する前記一端の径が前記光ファイバの端面と接続する前記一端の径よりも大きく、前記先球状部分に向かって拡がっていることを特徴とする先球光ファイバを用いる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光通信等において、低反射のコリメータとして用いられる光ファイバに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信システムにおいて光の伝搬路として用いられる光ファイバは、その中心部に光を伝搬させるコアと、コアの周囲に形成されて且つコアよりも屈折率の小さいクラッド層を備える。この光ファイバの端部は発光素子、受光素子やフィルタ素子に対向させて配置される。光ファイバ中を伝搬してきた光が、端部では空気による屈折率差により、反射戻り光が発生して、半導体レーザ等の発光素子に戻るために発振状態が不安定となる問題があった。そのため、光ファイバの端部を斜めに切断すること、端部を球面化すること、あるいは空気との屈折率差を緩和する反射防止膜を端部に設けること等が、反射戻り光を抑制することを目的に行われている。
【０００３】
また、光ファイバ間にミラーなどの素子を挿入するために、光ファイバからの出射光をレンズによりコリメートして再び光ファイバに結合することが行われている。レンズには屈折率分布型のＧＲＩＮレンズなどが用いられている。しかし、ＧＲＩＮレンズは、光ファイバに比べて寸法が大きく、使い勝手が悪いという問題がある。
【０００４】
光が伝搬する第１の光ファイバの端部に、この光ファイバのコア部と屈折率が等価で単一屈折率を持ち同一外径からなる第２の光ファイバを接続し、その第２の光ファイバの先端を球面化し、それら一対の球面化した先球光ファイバを対向させて高結合のコリメータとして使用できることが開示されている（例えば、特許文献１）。図５にその断面模式図を示す。第２の光ファイバは溶融して先球状部分３と光ビーム拡大部分２を形成する。光ビーム拡大部分２では第１の光ファイバ１を伝播してきた光ビーム４が拡がって先球球面に到達して曲げられ、コリメート光（平行光）となり空気中に出射する。このコリメート光を再び先球光ファイバで集光し、光ビーム４を光ファイバ中で伝搬させることができる。それゆえ、先球光ファイバを高結合のコリメータとして使用できる。ここで高結合とは、光ファイバと光素子間、もしくは光ファイバ同士間を高効率で結合し、光の漏れを抑制することをいう。先球光ファイバはＧＲＩＮレンズに比べ小さく、光デバイスの小型化が可能である。また、レンズと光ファイバが一体となった構造であり、サブミクロンの精度が要求される調芯作業が不要となり、光デバイスの組み立て工数を低減することが可能である。
【０００５】
【特許文献１】
特開平４−３１３７１１号公報（第２〜３頁、図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１に開示されている先球光ファイバは、先球状部分３の根元に屈折率整合剤を施して反射減衰量を低減している。しかし、屈折率整合剤の形状は不安定であり、剥がれ落ちてしまう問題があった。また、先球状部分３の根元に所定量の屈折率整合剤を塗布することは、作業上困難であり、量産には不適当であった。
【０００７】
また、特許文献１に開示されている先球光ファイバは先球状部分３の曲率半径Ｒ、および先球部分３先端と第１の光ファイバ１の端面５との距離Ｔ（以下レンズ長と呼ぶ）を適切に設定することにより、先球光ファイバから出射する光ビーム４をコリメート光化（平行光化）させたり、集光させたりできる特徴がある。しかし、プラスティック光ファイバやマルチモード光ファイバを第１の光ファイバ１とした場合、そのＮＡ（開口数）が大きいため、光ビーム拡大部分２で光ビーム４が急激に拡がって光ビーム拡大部分の外径に当たってしまうケラレが生じる。図６にケラレが生じる場合の先球ファイバの断面模式図を示す。この構造の場合、光ビーム４の一部が光ビーム拡大部分２から漏れるため、コリメータとしての結合効率が低下してしまう問題がある。また、第１の光ファイバ１のＮＡが小さい場合でも、レンズ長Ｔが長いと拡がった光ビーム４が光ビーム拡大部分の外径に当たってしまい、同様にコリメータとしての結合効率が低下してしまう問題があった。
【０００８】
本発明はこのような課題を鑑みなされたもので、先球部根元への屈折率整合剤の塗布が不要で、拡大する光ビームが光ビーム拡大部分内でケラレない構造を有する先球光ファイバを提供することをその目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
光ファイバの端部に球面を有する部材を接続した先球光ファイバであって、前記球面を有する部材は、先球状部分と光ビーム拡大部分で構成され、前記光ビーム拡大部分は、軸対称形状で、その一端が前記光ファイバの端面と接続しており、他端が前記先球状部分と接続しており、前記先球状部分と接続する前記他端の径が前記光ファイバの端面と接続する前記一端の径よりも大きく、前記先球状部分に向かって拡がっている形状とする。前記光ファイバの端面と接続する前記光ビーム拡大部分の前記一端の径を前記光ファイバの径よりも大きくする。前記光ファイバの開口数ＮＡ、コア径Ｄ１、前記光ファイバの端面と接続する前記光ビーム拡大部分の前記一端の径Ｄ２、前記光ビーム拡大部分の長さＬとして、前記光ビーム拡大部分の拡がった形状の母線と光ファイバの光軸とのなす角θを規定する。
【００１０】
［１］本発明の先球光ファイバは、光ファイバの端部に球面を有する部材を接続した先球光ファイバであって、前記球面を有する部材は、先球状部分と光ビーム拡大部分で構成され、前記光ビーム拡大部分は、軸対称形状で、その一端が前記光ファイバの端面と接続しており、他端が前記先球状部分と接続しており、前記先球状部分と接続する前記他端の径が前記光ファイバの端面と接続する前記一端の径よりも大きく、前記先球状部分に向かって拡がっていることを特徴とする。
前記光ビーム拡大部分を前記先球状部分に向かって拡がっている形状とすることで、光ビームが前記光ビーム拡大部分内で拡がるときのケラレを防ぐことができる。また先球状部分の根元に屈折率整合剤を塗布しなくても反射減衰量を小さくできる。
【００１１】
［２］上記［１］本発明の先球光ファイバについて、前記光ファイバの端面と接続する前記光ビーム拡大部分の前記一端の径が、前記光ファイバの径よりも大きいことを特徴とする。
このため、両者が同径の場合よりも、前記光ビームが前記光ビーム拡大部分内で拡がるときのケラレが発生しにくく、高ＮＡの光ファイバやレンズ長の長い構造にも対応可能である。
【００１２】
［３］上記［１］又は［２］本発明の先球光ファイバについて、前記光ファイバの開口数ＮＡ、コア径Ｄ１、前記光ファイバの端面と接続する前記光ビーム拡大部分の前記一端の径Ｄ２、前記光ビーム拡大部分の長さＬとして、前記光ビーム拡大部分の拡がった形状の母線と光ファイバの光軸とのなす角θが数１を満たすことを特徴とする。
【００１３】
〔数１〕
θ＞ｔａｎ^−１｛（（Ｄ１−Ｄ２）／２Ｌ）＋ｔａｎ（ｓｉｎ^―１（ＮＡ））｝
【００１４】
数１を満たす構造とすることで、前記光ビームが前記光ビーム拡大部分内で拡がるときのケラレを確実に防ぐことができる。
【００１５】
［４］本発明のコリメータは、上記［１］乃至［３］のいずれかに記載の先球光ファイバを用いることを特徴とする。例えば、一対の前記先球光ファイバを対向させて用いることを特徴とするコリメータである。より詳細には、上記本発明に係る光球光ファイバのいずれかを用いて、前記先球光ファイバ同士で光の出射および入射を行うか、または発光もしくは受光素子と前記先球光ファイバ間で光の伝達を行うことを特徴とする。要は、先球光ファイバにより光の伝達を高結合で行うコリメータを構成する。一方の先球光ファイバからコリメートした光（即ち平行光線化した光）を出射し、その平行光線を他方の先球光ファイバに入射させることにより、高結合のコリメータを構成することができる。ここで、”コリメータ”という用語は、光ファイバのコア端部から出射された光が空気中で任意の向きに拡がらないように光を収束させる部材、光ファイバのコア端部から出射された光を平行光線に変換して空気中を伝播させる部材、光ファイバのコア端部から出射される光が対向する光ファイバの端面もしくはコリメータの受光面に入射される程度に光線を空気中で平行化するための部材等を含む用語として用いる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施例を説明する。ただし、これら実施例により本発明が限定されるものではない。なお、類似の部品については同じ符号で説明する。
（実施例１）
図１は本発明に適用する先球光ファイバの一実施例に係る断面模式図である。この先球光ファイバは光が伝搬するコア６とコアを囲むクラッド７を有する光ファイバ１と、光ファイバ１の端面から出た光ビーム４が拡がる光ビーム拡大部分２と、拡大した光ビーム４が到達し曲げられて空気中に出射する先球状部分３から構成されている。光ファイバ１、光ビーム拡大部分２、および先球状部分３は軸対称の形状であり、対称軸は光ファイバ１の光軸８である。光ビーム拡大部分２は円筒形状ではなく、先球状部分３に向かって拡がった形状となっている。拡がった形状の母線９と光軸８とがなす角をθとする。以後θを光ビーム拡大部分２の拡がり角度と呼ぶ。
【００１７】
光ビーム拡大部分２の中で光ファイバ端面から出射した光ビーム４がケラれない条件について、詳細に説明する。光ファイバの開口数をＮＡ、光ファイバ１のコア直径をＤ１、光ビーム拡大部分２が光ファイバ１と接続する箇所５の径をＤ２、光ビーム拡大部分２の長さをＬとする。光ファイバ端面から出射した光ビーム４が光ビーム拡大部２の中で角度ｓｉｎ^−１（ＮＡ）で拡がっているとすると、光ビーム拡大部分２でケラレないためには、光ビーム拡大部分２の拡がり角度θは数１を満たす必要がある。
【００１８】
数１を満たす光ビーム拡大部分２の拡がり角度の下限値θｍｉｎを計算した結果を図２のグラフに示す。光ファイバ１のコア径Ｄ１と、光ビーム拡大部分２が光ファイバ１と接続する箇所５の径Ｄ２との差で規格化した光ビーム拡大部分２の長さ２Ｌ／（Ｄ２−Ｄ１）を横軸にとり、光ファイバ１の開口数ＮＡをパラメータに計算を行った。光ファイバ１の開口数ＮＡが小さく、光ビーム拡大部分２の長さＬが短い場合、光ビーム拡大部分２の拡がり角度がゼロであっても、拡がる光ビーム４がケラレることはない。すなわちこの場合、光ビーム拡大部分２は円筒形でよい。しかし、光ファイバのＮＡが大きくなると、光ビーム拡大部分２はある角度で先球部分に向かって拡がっている必要がある。また、光ビーム拡大部分２の長さＬが長い場合も同様である。光ファイバ１のＮＡが大きいほど、また光ビーム拡大部分２の長さＬが長いほど、数１を満たす光ビーム拡大部分２の拡がり角度の下限値θｍｉｎは大きくなる。
【００１９】
放電溶融方式によって、光ファイバ先端を先球化できることが知られている。放電溶融方式は、高電圧をかけた電極間に発生する高温の放電プラズマのなかに、光ファイバ先端を挿入して溶融させ、表面張力により先球部を形成させるものである。
【００２０】
本発明の実施の一例として、放電溶融方式によって先球光ファイバを作製した。外径１２５μｍでコア径９．３μｍのシングルモード光ファイバの先端に、外径１２５μｍでコア径５０μｍの光ファイバを接続し、コア径５０μｍ光ファイバを所定の長さで切断した。シングルモード光ファイバとコア径５０μｍ光ファイバの接続は市販の融着接続機を用いて実施することができる。コア径５０μｍ光ファイバを接続したシングルモード光ファイバの先端を、放電プラズマの中に挿入して先球化した。その側面写真を図３に示す。先球状部分３および光ビーム拡大部分２はコア径５０μｍ光ファイバを溶融して形成される。先球状部３の曲率半径Ｒは２５２μｍ、光ビーム拡大部分２の長さＬは２５８μｍであり、光ビーム拡大部分２の拡がり角度θは２５．４°であった。
【００２１】
拡大する光ビーム４はコア径５０μｍ光ファイバのコアでケラレてしまうために、光ビーム拡大部分２が光ファイバ１と接続する箇所５の径Ｄ２を５０μｍとして計算する必要がある。シングルモード光ファイバのＮＡは０．１３であるから、この場合の光ビーム拡大部分２の拡がり角度の下限値θｍｉｎは２．８°となり、拡大する光ビームがケラレることはない。よって高結合のコリメータとして使用することができる。また反射減衰量を小さくすることができた。
【００２２】
光ファイバ１として、シングルモード光ファイバの代わりに高ＮＡのマルチモード光ファイバを用いることができる。図３の同形状の先球状部分３と光ビーム拡大部分２をコア径９．３μｍのマルチモード光ファイバに接続するとすると、そのＮＡは最大０．５８まで許される。
【００２３】
（実施例２）
より高いＮＡのマルチモード光ファイバの先端に、より長い光ビーム拡大部分２を接続するためには、光ビーム拡大部分の拡がり角θを大きくするか、光ビーム拡大部分２が光ファイバ１と接続する箇所５の径Ｄ２を大きくする事が必要である。
【００２４】
光ビーム拡大部分の拡がり角θは放電プラズマの強度によって制御できる。放電プラズマの強度が大きい場合、放電プラズマが大きくなり、光ビーム拡大部分２も加熱されるので、光ビーム拡大部２分の拡がり角θは大きくなる。逆に放電プラズマの強度が小さい場合、放電プラズマが小さくなり、光ファイバの先端だけが局所的に加熱されるので、光ビーム拡大部分２は加熱されず、光ビーム拡大部分２の拡がり角θは小さくなる。
【００２５】
光ビーム拡大部分２が光ファイバ１と接続する箇所５の径Ｄ２を大きくするには、外径とコア径がより大きい光ファイバを用いればよい。コア径の大きい光ファイバにはコアの無い光ファイバも含まれる。コアの無い光ファイバを放電溶融して先球状部分３と光ビーム拡大部分２を形成する場合、光ビーム拡大部分２が光ファイバ１と接続する箇所５の径Ｄ２は、コアの無い光ファイバの外径となる。
【００２６】
外径１２５μｍでコア径９．３μｍのシングルモード光ファイバの先端に、外径２５０μｍでコアの無い光ファイバ接続し、コア径５０μｍ光ファイバを所定の長さで切断した。シングルモード光ファイバと外径２５０μｍでコアの無い光ファイバとの接続は実施例１と同様に市販の融着接続機を用いて実施することができる。コアの無い光ファイバを接続したシングルモード光ファイバの先端を、放電プラズマの中に挿入して先球化した。その側面写真を図４に示す。先球状部分３および光ビーム拡大部分２は外径２５０μｍでコアの無い光ファイバを溶融して形成される。先球状部分３の曲率半径Ｒは２４１μｍ、光ビーム拡大部分２の長さＬは３０６μｍであり、光ビーム拡大部分２の拡がり角度θは２０．５°であった。
【００２７】
光ビーム拡大部分２が光ファイバ１と接続する箇所５の径Ｄ２を２５０μｍとして計算すると、この場合の光ビーム拡大部分２の拡がり角度の下限値θｍｉｎはゼロとなり、拡大する光ビーム４がケラレることはない。よってこの構成でも実施例１と同様に高結合のコリメータとして使用することができる。また反射減衰量も小さく抑えることができた。
【００２８】
光ファイバ１として、シングルモード光ファイバの代わりにコア径が９．３μｍで高ＮＡのマルチモード光ファイバを用いる場合、ＮＡの上限値はなく、どのようなＮＡの光ファイバも用いることができる。この場合も同様に高結合、低反射であった。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、先球光ファイバを構成する、光ファイバの開口数、コア径、光ファイバの端面と接続する光ビーム拡大部分の一端の径、光ビーム拡大部分の長さ、光ビーム拡大部分の拡がった形状の母線と光ファイバの光軸とのなす角を規定することによって、光ビームが光ビーム拡大部分内で拡がるときのケラレを確実に防ぐことができる。その結果、先球光ファイバを高効率・低反射のコリメータとして使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の先球光ファイバの断面模式図である。
【図２】本発明の光ビーム拡大部分の形状に対する条件を説明するグラフである。
【図３】本発明の一実施例の先球光ファイバの側面写真である。
【図４】本発明の一実施例の先球光ファイバの側面写真である。
【図５】従来の先球光ファイバを説明するための断面模式図である。
【図６】従来の先球光ファイバを説明するための断面模式図である。
【符号の説明】
１光ファイバ、
２光ビーム拡大部分、
３先球状部分、
４光ビーム、
５光ビーム拡大部分が光ファイバと接続する箇所、
６コア、
７クラッド、
８光ファイバの光軸、
９光ビーム拡大部分の母線、
１０屈折率整合剤、
１１ケラレ、

Claims

光ファイバの端部に球面を有する部材を接続した先球光ファイバにおいて、前記球面を有する部材は、先球状部分と光ビーム拡大部分で構成され、前記光ビーム拡大部分は、軸対称形状で、その一端が前記光ファイバの端面と接続しており、他端が前記先球状部分と接続しており、前記先球状部分と接続する前記他端の径が前記光ファイバの端面と接続する前記一端の径よりも大きく、前記先球状部分に向かって拡がっていることを特徴とした先球光ファイバ。
前記光ファイバの端面と接続する前記光ビーム拡大部分の前記一端の径が、前記光ファイバの径よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の先球光ファイバ。
前記光ファイバの開口数ＮＡ、コア径Ｄ１、前記光ファイバの端面と接続する前記光ビーム拡大部分の前記一端の径Ｄ２、前記光ビーム拡大部分の長さＬとして、前記光ビーム拡大部分の拡がった形状の母線と光ファイバの光軸とのなす角θが数１を満たすことを特徴とする請求項１または２に記載の先球光ファイバ。
請求項１乃至３のいずれかに記載の先球光ファイバを用いることを特徴とするコリメータ。