JP2004309896A

JP2004309896A - 光ファイバー用コリメータレンズおよび光結合器

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Publication number: JP2004309896A
Application number: JP2003105214A
Authority: JP
Inventors: Ryoichi Yoshizawa; 良一吉沢; Nobuyuki Kobayashi; 伸幸小林
Original assignee: KOSHIN KOGAKU KOGYO KK; Yamaichi Electronics Co Ltd
Current assignee: KOSHIN KOGAKU KOGYO KK; Yamaichi Electronics Co Ltd
Priority date: 2003-04-09
Filing date: 2003-04-09
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2023-04-09
Also published as: JP4275445B2

Abstract

【課題】光通信の８５０ｎｍから１６５０ｎｍの波長帯において同時に高い結合効率を可能にする光ファイバーコリメータレンズおよびレンズを用いた結合器を提供する。
【解決手段】一方の光ファイバー１６から他方の光ファイバー１７まで赤外光を結合する装置は一対のコリメータレンズ３０、３１を備る。これらのコリメータレンズは両凸面の正レンズ４１と凹凸面のメニスカスの負レンズ４２の２枚レンズの組合わせで構成される。ここで波長８５０ｎｍの屈折率をＮ（８５０）、波長１６５０ｎｍの屈折率をＮ（１６５０）とし、赤外領域のアッベ数Ｖを
Ｖ＝［Ｎ（１６５０）−１］／［Ｎ（８５０）−Ｎ（１６５０）］
で表したときに、前記２枚のレンズの第１レンズのアッベ数Ｖ１はＶ１＞５０であり、前記第１レンズと前記第２レンズのアッベ数Ｖ２はＶ１−Ｖ２＞１８の関係にある。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光ファイバー通信用途において光ファイバー同士の光を平行にして結合させる結合器に用いられるコリメータレンズおよびコリメータ光学系に関する発明である。
【０００２】
【従来の技術】
近年光ファイバーを利用した通信において波長多重通信の導入が進んでいる。光ファイバーを用いた波長多重通信の分野においてより伝送情報量の需要の増加に対応すべく８５０ｎｍ帯、１２６０ｎｍから１６５０ｎｍの広い帯域の波長の使用が検討されている。
【０００３】
一方、光伝送システム内において波長の光合分波器、光可変減衰器、アイソレータ、利得等価器などの種々の光機能デバイスを搭載している。
【０００４】
このような光制御を行う場合には１組のレンズを用いてコリメータもしくは光結合器と呼ばれる構成にして光ファイバーの光をほぼ平行光にしてビームを広げレンズ間に光減衰または利得補正を行う多層膜干渉フィルタや光素子を配置するのが一般的である。
【０００５】
しかしながら８５０〜１６５０ｎｍという非常に広帯域の波長領域ではレンズに使用しているガラスの屈折率分散が大きくなるため、波長によりレンズの焦点距離が大きく変動することになり広い波長帯域の全域で同時に挿入損失の小さいコリメータを実現するのは困難であった。
【０００６】
顕微鏡、望遠鏡、撮像等に使用されるレンズにおいては可視光から赤外域まで広い波長帯域で色消しを実現しているレンズは既に存在する（特許文献１参照）。
【０００７】
しかしながら通信用の光ファイバー光のコリメーションに使用される通信用のレンズにおいてこのような広い波長領域での色消しを行うレンズは従来なかった。なぜならば光ファイバ通信用に使用するレンズは撮像系と比べ、一般に、レンズ径、長さも小さく、またレンズのＮＡや焦点距離等において大きな制限を受ける事が多く径大で複雑な構成のレンズ群をそのまま通信用のシングルモードファイバーには使用できないからである。このような事情から一般に、シングルモード光ファイバー光学系においては単レンズを用い、調芯時の簡易さから内径２．５ｍｍφ以下のジルコニアの割スリーブ（鏡胴）を用いてファイバーとレンズを調芯することが多い。またレンズを含むデバイス全体のサイズもより小さいサイズにすることが好まれる。そのため使用するレンズもより小さいサイズであることが要求される。この場合に８５０〜１６５０ｎｍにおいて使用するシングルモード光ファイバーの開口数ＮＡ値は約０．１〜０．１５程度であり、レンズ径を２．５ｍｍφとしたときに有効径が８０％程度と考えるとバックフォーカス距離は約７ｍｍ以下に制限されることになる。
【０００８】
ここで例えばガラスＰＢＨ７１（オハラ社商品名）を用いて焦点距離（ｆ）＝１ｍｍの単レンズを作成すると平行光入射時の近軸色収差はレンズが十分薄いと見なせる場合には焦点距離の波長による変動は公式よりｆ／Ｖ＝０．０２７となる（Ｖは後述する式で定義したアッベ数）。しかしながらこのような単レンズを用いて光ファイバで光結合器を組んだ場合には、シングルモード光ファイバーにおいてはこの程度の焦点ずれでも結合効率が十分低下することになる。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１１ー１７４３３８号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は焦点距離が短くレンズ径が制約されるコリメータレンズにおいて、波長８５０ｎｍから１６５０ｎｍという広範囲の赤外領域で挿入損失の少ない光ファイバー用コリメータレンズおよび光結合器を得るものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１は、両凸面の正の第１レンズと凹凸面の負メニスカスの第２レンズとからなる前記第１レンズの一方の凸面に前記第２レンズの凹面を貼り合わせ面とした組み合わせレンズであって、
波長８５０ｎｍの屈折率をＮ（８５０）、波長１６５０ｎｍの屈折率をＮ（１６５０）とし、
赤外領域のアッベ数Ｖを
Ｖ＝［Ｎ（１６５０）ー１］／［Ｎ（８５０）ーＮ（１６５０）］
で表したときに、
前記第１レンズのアッベ数Ｖ１と前記第２レンズのアッベ数Ｖ２は
Ｖ１＞５０
Ｖ１−Ｖ２＞１８
の関係にあり、前記第１レンズの前方の焦点位置を光ファイバーの光入射又は光出射面に位置させることを特徴とする波長帯域８５０ｎｍから１６５０ｎｍに用いる光ファイバー用コリメータレンズにある。
【００１２】
さらに、前記第１レンズのアッベ数Ｖ１がＶ１＜８５、前記第２レンズのアッベ数Ｖ２がＶ２＞３０であることが好ましい。
【００１３】
さらに、前記コリメータレンズの焦点距離が０．１〜７ｍｍであることが好ましい。
【００１４】
さらに、前記第１レンズの凸面と前記第２レンズの凹面は突き合わされ光路外の周縁部のみが接着剤で接着されていることが好ましい。
【００１５】
このような構成により波長帯域８５０ｎｍから１６５０ｎｍにわたって焦点距離ずれがほぼ解消され、例えばシングルモード光ファイバーにおける挿入損失を抑えることができる。
【００１６】
本発明の第２は、筐体と、前記筐体に導入され筐体内に光出射面を配置した送光側光ファイバーと、前記筐体の他端に導入され筐体内に光入射面を配置した受光側光ファイバーと、前記筐体内の前記送光側光ファイバーと一体化された第１の鏡胴と、前記第１の鏡胴内に保持され焦点距離を前記送光側光ファイバーの光出射面に合わせ平行光を出射する前記構成の第１のコリメータレンズと、前記筐体内の前記受光側光ファイバーと一体化された第２の鏡胴と、前記第２の鏡胴内に保持され焦点距離を前記受光側光ファイバーの光入射面に合わせ前記第１のコリメータレンズの平行光を受けて前記光入射面に入射させる前記構成の第２のコリメータレンズとを具備してなる光結合器にある。
【００１７】
また、前記第１のコリメータレンズと前記第２のコリメータレンズ間に光調整素子を配置する。
【００１８】
さらに、前記構成の第３のコリメータレンズを具備し、前記光調整素子は波長選択反射板で構成され、前記第３のコリメータレンズは前記光調整素子から反射された赤外光を受光し第２の受光側光ファイバーに導入する構成とすることができる。
【００１９】
さらに、前記光結合器において、前記コリメータレンズの一部が前記鏡胴から突出して配置されていることが好ましい。
【００２０】
さらに、第１のコリメータレンズで第２のコリメータレンズを兼ねることもできる。
【００２１】
このような光結合器の構成により、光波長分散機能など光調整素子の機能を多様化して、光結合器の応用を拡大することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
図１に本発明の実施形態１の光結合器を示し、図２に本発明で実施形態に用いるコリメータレンズの構成を示す。光結合器１０は、円筒の管状筐体１１を有し、筐体の両端１２，１３内に光ファイバーを保持するホルダー１４，１５が設けられ、筐体内に導入される光ファイバーを保持する。
【００２３】
ホルダー１４，１５は円筒ででき、筐体１１の内方に筐体軸方向に突設して固定される。第１のホルダー１４は送光側光ファイバー１６を固定するもので、ホルダー中心に設けた透孔１４ａに光ファイバー１６を挿入、固着している。ホルダー１４の突出側の端面１８は送光側光ファイバー端面１６ａと一体の平滑面をなし、この面は軸方向に垂直な面に対して約８度傾いて形成される。この傾斜面により反射光が入力側に戻るのを避けることができる。このホルダー外周に、ジルコニアでできたフェルールと呼ばれる円筒の割りスリーブからなる第１鏡胴２０が嵌合される。
【００２４】
鏡胴２０の一端にダブレットの第１のコリメータレンズ３０が装着される。この鏡胴をレンズの焦点距離が送光側光ファイバー端面１６ａに合致するように調芯してホルダー１４に固定する。また、コリメータレンズの第２レンズが長く形成できるので、レンズを鏡胴から突出させることができ、調芯作業において予め鏡胴にレンズを固定しておき、鏡胴の位置を動かして調芯することもできる。この場合、調芯作業が容易になる。
【００２５】
出力光側も同一構成で対称的に配置される。ダブレットの第２コリメータレンズ３５を一端に配置した割りスリーブからなる第２鏡胴２５を筐体１１の他の端１３に固定された第２ホルダー１５外周に嵌合し、レンズの焦点距離を受光側光ファイバー１７の端面１７ａに合わせるように調芯して固定する。
【００２６】
ホルダー１５中心軸に透孔が設けられ光ファイバー１７が挿入固定され、ファイバーが筐体内に臨む端面１７ａと第２ホルダー１５反面２６とが同一平面をなし、この面が軸方向に垂直な面に対して８度傾斜して形成される。
【００２７】
第１のコリメータレンズ３０と第２のコリメータレンズ４１間には分波器や減衰器などの光調整素子３２が配置される。
【００２８】
送光側光ファイバー１６から出射した赤外光は第１のコリメータレンズ３０で平行光となり、光調整素子３２を経て第２のコリメータレンズ３１に入射する。光はこのコリメータレンズ３５で集束され、焦点距離に位置する受光側光ファイバー１７の端面１７ａに入射し、光ファイバー１７内に伝送される。
【００２９】
図２によりコリメータレンズの構成を説明する。第１のコリメータレンズ３０と第２のコリメータレンズ３５は同構成であるので、平行光ｌｐを集束して集束光ｌｆとする第２のコリメータレンズ３５について説明する。第２のコリメータレンズ３５は両凸の正の第１レンズ４１と凹凸の負メニスカスの第２レンズ４２の組合わせレンズからなるダブレットである。入射光側の第１レンズ４１の面を第１面４３とする。第１レンズの第２面と第２レンズの第１面とが同曲率で形成され突合せて貼り合わる面であり、この面を第２面４４とする。出射光側の第２レンズの凸面を第３面４５とする。第２面４４は第１レンズ４１と第２レンズ４２とが周縁でのみが接着剤で貼り合わされている。これにより接着剤が赤外光を吸収しないようにする。
【００３０】
各レンズの諸元は表１のとおりである。
【００３１】
ここに８５０〜１６５０ｎｍの近赤帯域での広義のアッベ数を以下の通り定義する。
【００３２】
波長８５０ｎｍの屈折率をＮ（８５０）、波長１６５０ｎｍの屈折率をＮ（１６５０）とし、
赤外領域のアッベ数Ｖとすると、
Ｖ＝［Ｎ（１６５０）−１］／［Ｎ（８５０）−Ｎ（１６５０）］・・・・（１）
で表される。
【００３３】
第１レンズ４１および第２レンズ４２の諸元は次の表１のとおりである。
【００３４】
【表１】

第１面から第２面まではガラス材ＦＣＤ１（ホーヤ社商品名）からなる両凸レンズであり、第２面から第３面まではガラス材ＳＦ２（ショット社商品名）からなるメニスカスレンズである。
【００３５】
ここで第１面４３と第２面４４から構成される両凸レンズのバックフォーカス距離は１６５０ｎｍにおいて１．６１２ｍｍであり、８５０ｎｍにおいて１．５８７ｍｍである。また第２面４４と第３面４５からなる凹凸レンズのバックフォーカス距離は１６５０ｎｍで５．９５６ｍｍであり８５０ｎｍで５．７７８ｍｍである。２個の合成されたレンズの焦点距離は８５０ｎｍにおいて０．８３２ｍｍ、１６５０ｎｍにおいて０．８２２ｍｍとなり焦点距離の変動は問題のない量になったことがわかる。
【００３６】
図３は本発明の第１実施例にかかるレンズの８５０ｎｍから１６５０ｎｍの間の収差を示す図である。（ａ）は縦方向（図の紙面）、（ｂ）は横方向の収差を示している。収差は実用上の目安である±０．０１ｍｍよりも十分に小さく問題のない値であることがわかる。
【００３７】
ここで第１レンズのアッベ数をＶ１、第２レンズのアッベ数をＶ２とすると、Ｖ１＞５０かつＶ１−Ｖ２＞１８
であることが必要である。
【００３８】
表２は本発明を検証する過程で行ったシミュレーション結果の一部を示す結合損失比較表である。
【００３９】
【表２】

表２のＮｏ１及びＮｏ２の実験はＶ１＜５０の場合の結合損失を表すデータである。表２のＮｏ３及びＮｏ４はＶ１＞５０かつＶ１−Ｖ２＜１８の場合の結合損失を表すデータである。表２のＮｏ５及びＮｏ６はＶ１＜Ｖ２の場合の結合損失を表すデータである。表２のＮｏ７、Ｎｏ８及びＮｏ９はＶ１＞５０かつＶ１−Ｖ２＞１８の場合の結合損失を表すデータである。一般的に通信用の光ファイバーコリメーションの結合損失は−０．３ｄＢ以上が求められている。結合損失が全ての波長において−０．３ｄＢ以上となる組合せは、Ｖ１≧Ｖ２、Ｖ１≧５０かつＶ１−Ｖ２≧１８となる条件しかないことがこの表の結果より分かる。また前記シミュレーションにおいて確認できるアッベ数の範囲が最大８５、最小３０である。よってＶ１は最大８５であることが望ましい。また、Ｖ２は最小３０であることが望ましい。
【００４０】
また、球面収差を最適化するため、第２レンズは凹凸の負メニスカスの構造が望ましい。
【００４１】
第１コリメータレンズ３０も第２コリメータレンズ３５と全く同様の構造を有している。図１に示すように、第１コリメータレンズ３０は負レンズの第３面４５側を送光側光ファイバーの出射面１６ａにその焦点距離を合わせて、第２レンズの第３面４５で入射光を受けて、第１レンズの第１面４３から平行光にコリメートして出射する。
【００４２】
第１レンズとして、ＦＣＤ−１（ホーヤ社商品名）、Ｎ−ＰＫ５２（ショット社商品名）、Ｓ−ＦＰ（オハラ社商品名）のガラス材の使用が適しており、第２レンズとして、Ｅ−ＦＤ２（ホーヤ社商品名）、ＳＦ−２（ショット社商品名）、Ｓ−ＴＩＭ２２（オハラ社商品名）のガラス材の使用が適している。
【００４３】
なお、鏡胴の材料はジルコニアばかりでなく、他のセラミックスや金属で構成することができ、筐体も金属の他、プラスチックなどの合成樹脂、セラミックスを使用することができる。筐体の形状も円筒ばかりでなく、角筒や箱形のにものなど使用状況に応じて任意のものを用いることができる。
【００４４】
図４は実施形態１の光結合器の挿入損失を測定した実験結果である。図４から挿入損失は８５０ｎｍから１６５０ｎｍにおいて−１ｄＢを超えず問題ない数値であることが示された。
【００４５】
（比較例）
図８は前記結合器と同様な構造でコリメータレンズに従来の１枚のボールレンズ（ＢＫ７（ショット社商品名）、Ｒ＝２．５、Ｖ＝４７．７）を使用した結合器の挿入損失を測定した実験結果である。図から従来のレンズでは８５０ｎｍから１６５０ｎｍでは−５ｄＢ〜−１ｄＢと損失変動が大きいことがわかる。
【００４６】
（実施形態２）
本実施形態を図５で説明する。図示のように一個のコリメータレンズ５０の光入射側に光ファイバー５１を配置し、平行なコリメートされた光側に光調整素子５２が配置されている。このコリメータレンズは図２で説明したものと同構成である。コリメータレンズ５０の第２レンズ側が光ファイバーと対向し、その焦点距離がファイバーの出射面に調芯される。光調整素子５２は特定の赤外光を選択的に反射するもので、例えば８５０ｎｍと１５５０ｎｍの２波長の赤外光が光ファイバーから出射すると、コリメータレンズ５０を経て光調整素子５２に達し、例えば８５０ｎｍの波長のみが反射される。反射光は平行のままコリメータレンズ５０に戻され、第１レンズと第２レンズにより集束されて、再び光ファイバーの出射面に入射して光ファイバー５１に逆方向に伝送される。かくして光結合器は選択フィルタとして機能する。
【００４７】
本実施形態は１個のコリメータレンズが実施形態１の２個のコリメータレンズの作用を兼ねるもので、結合器の構成を簡素にすることができる。
【００４８】
（実施形態３）
本実施形態を図６により説明する。コリメータレンズ６１、６２の構成と配置は実施形態１と同じであるが、光調整素子６３を光選択素子とした点に特徴付けられる。光選択素子６２は透明ガラス基板に多層干渉膜を積層したもので、例えば特定波長の赤外光のみを透過し、その他の波長光を反射するもので、８５０ｎｍから１６５０ｎｍに至る広い帯域の信号光のうちの特定の波長成分を分岐することができる。残りの光成分は送光側光ファイバーに逆伝送される。これによりフィルタ特性の異なる光調整素子を装着することにより、任意の波長の光を結合係数を損なわずに取り出すことが可能になる。
【００４９】
（実施形態４）
本実施形態を図７により説明する。本実施形態は送光側の第１のコリメータレンズ７０と受光側の第２および第３のコリメータレンズ７１，７２で光結合器を構成する。
【００５０】
第１のコリメータレンズ７０と第２のコリメータレンズ７１の配置を実施形態１と同じ構成にし、これらのレンズの軸方向７３に一致して配置する。コリメータレンズ７０，７１間の平行光ｌｐとなるコリメータ領域に実施形態３と同様の多層干渉膜の光調整素子７４を軸方向に垂直な面からやや傾けて配置する。光調整素子７４の傾きにより反射光が偏向される位置に第３のコリメータレンズ７２を配置する。
【００５１】
送光側光ファイバー７５から伝送され出射した光は第１のコリメータレンズ７０で平行光になり、光調整素子７４に至ると、特定の波長の赤外光が透過し、第２のコリメータレンズ７１で受光され集束されて第１の受光側光ファイバー７６に伝送される。一方、光調整素子７４で残りの波長の赤外光は平行光のままで反射されて、第３のコリメータレンズ７２に入射し集束されて第２の受光側光ファイバー７７により伝送される。各コリメータレンズは８５０ｎｍｍから１６５０ｎｍの赤外光に対応しているので、広い帯域での分岐が容易にでき、光結合器としての機能を拡大することが可能である。
【００５２】
【発明の効果】
本発明によれば、波長８５０ｎｍから１６５０ｎｍという広範囲の赤外領域で挿入損失の少ない光ファイバー用コリメータレンズおよび光結合器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる実施形態１の断面図。
【図２】実施形態１のコリメータレンズのレンズ構成を説明する図。
【図３】実施形態１のコリメータレンズの収差図。
【図４】実施形態１の波長対挿入損失の特性図。
【図５】実施形態２を説明する略図。
【図６】実施形態３を説明する略図。
【図７】実施形態４を説明する略図。
【図８】従来装置の波長対挿入損失の特性図。
【符号の説明】
１０：光結合器
１１：筐体
１４，１５：ホルダー
１６：送光側光ファイバー
１７：受光側光ファイバー
２０：第１の銅鏡
２５：第２の銅鏡
３０：第１コリメータレンズ
３１：第２コリメータレンズ
３２：光調整素子
４１：第１レンズ
４２：第２レンズ

Claims

両凸面の正の第１レンズと凹凸面の負メニスカスの第２レンズとからなる前記第１レンズの一方の凸面に前記第２レンズの凹面を貼り合わせ面とした組み合わせレンズであって、
波長８５０ｎｍの屈折率をＮ（８５０）、波長１６５０ｎｍの屈折率をＮ（１６５０）とし、
赤外領域のアッベ数Ｖを
Ｖ＝［Ｎ（１６５０）−１］／［Ｎ（８５０）−Ｎ（１６５０）］
で表したときに、
前記第１レンズのアッベ数Ｖ１は
Ｖ１＞５０
の関係にあり、前記第１レンズのアッベ数Ｖ１と前記第２レンズのアッベ数Ｖ２は
Ｖ１−Ｖ２＞１８
の関係にあり、前記第１レンズの前方の焦点位置を光ファイバーの光入射又は光出射面に位置させることを特徴とする波長帯域８５０ｎｍから１６５０ｎｍに用いる光ファイバー用コリメータレンズ。
前記第１レンズのアッベ数Ｖ１がＶ１＜８５、前記第２レンズのアッベ数Ｖ２＞３０である請求項１記載の光ファイバー用コリメータレンズ。
前記コリメータレンズの焦点距離が０．１〜７ｍｍである請求項１記載の光ファイバー用コリメータレンズ。
前記第１レンズの凸面と前記第２レンズの凹面は突き合わされ光路外の周縁部のみが接着剤で接着されている請求項１記載の光ファイバー用コリメータレンズ。
筐体と、前記筐体の一端に導入され筐体内に光出入面を配置した光ファイバーと、前記筐体内の前記光ファイバーと一体化された鏡胴と、前記鏡胴内に保持され焦点距離を前記光ファイバーの光出入面に合わせ前記光ファイバーから出射された光を平行光にして出射する請求項１のコリメータレンズと、前記コリメータレンズに対向して配置され前記出射された平行光の波長を選択して反射し前記コリメータレンズに再入射させる光調整素子とを具備し、
前記コリメータレンズは前記再入射された光を集束し前記光ファイバーの光入出力面に入射させることを特徴とする光結合器。
筐体と、前記筐体に導入され筐体内に光出射面を配置した送光側光ファイバーと、前記筐体の他端に導入され筐体内に光入射面を配置した受光側光ファイバーと、前記筐体内の前記送光側光ファイバーと一体化された第１の鏡胴と、前記第１の鏡胴内に保持され焦点距離を前記送光側光ファイバーの光出射面に合わせ平行光を出射する請求項１の第１のコリメータレンズと、前記筐体内の前記受光側光ファイバーと一体化された第２の鏡胴と、前記第２の鏡胴内に保持され焦点距離を前記受光側光ファイバーの光入射面に合わせ前記第１のコリメータレンズの平行光を受けて前記光入射面に入射させる請求項１の第２のコリメータレンズとを具備してなる光結合器。
前記第１のコリメータレンズと前記第２のコリメータレンズ間に光調整素子を配置することを特徴とする請求項６記載の光結合器。
請求項１の第３のコリメータレンズを具備し、前記光調整素子は波長選択反射板で構成され、前記第３のコリメータレンズは前記光調整素子から反射された赤外光を受光し第２の受光側光ファイバーに導入することを特徴とする請求項７記載の光結合器。
前記コリメータレンズの一部が前記鏡胴から突出して配置されていることを特徴とする請求項５乃至８のいずれかに記載の光結合器。