JP2005221671A

JP2005221671A - 光コリメータ

Info

Publication number: JP2005221671A
Application number: JP2004028495A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Kanbe; 祥明神戸; Hiroaki Okada; 浩明岡田
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2004-02-04
Filing date: 2004-02-04
Publication date: 2005-08-18

Abstract

【課題】光ファイバとレンズとの調芯作業を無くし、無調整で組み立てるだけで、高精度に光軸を合わせることのできる光コリメータを提供する。
【解決手段】フェルール１０は金属製であって、ファイバ保持孔１１にコア２の先端側を挿入した状態で光ファイバ１を保持し、先端面に形成したレンズ固定穴１３にレンズ２０を一部埋設した状態で固定してある。レンズ２０は前面視の形状が正六角形に形成され、正六角形の隣り合う２つの面（この面をレンズ基準面２１と言う）を基準として光軸Ｘを設定してある。一方、レンズ固定穴１３の前面視の形状は、レンズ２０と一辺の長さが略同じ正六角形に形成され、隣り合う２つの面がファイバ保持孔１１を基準としたフェルール基準面１４に形成されており、レンズ２０はレンズ基準面２１をフェルール基準面１４に当接させた状態でレンズ固定穴１３に固定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光コリメータに関するものである。

光通信に用いられる光ファイバを接続する際に、光ファイバ同士を直接突き合わせて接続する場合、特にシングルモードファイバでは光の通路となるコアの直径が１０μｍ程度と極細のため、光ファイバ同士の許容される偏芯距離が１μｍ程度となり、このような高精度の位置決めを現場の接続作業で得ることは困難であった。

そこで、光ファイバ同士の許容される偏芯距離を大きくとるために、光ファイバの先端部にレンズを光結合し、コア内を通過する光をレンズにより一旦平行光に変換した後に、接続相手の光ファイバに光結合されたレンズでコアに光を収束するようにしたものもあり、このような光コリメータとしては、球レンズやＧｒｉｎレンズに光ファイバを位置決めして接着剤で固定したものが従来より提供されている。

例えば特許文献１、２には球レンズを用いた光コリメータが開示されており、このものでは、光ファイバの先端部に球レンズを光結合して、この球レンズでコア内を伝搬した光を平行光に変換し、接続相手の光ファイバの先端部に光結合された球レンズで平行光をコアに収束させている。

また特許文献３に示されるように、光ファイバの先端面にコアと略同じ径のレンズを形成したものも提供されており、この光コリメータでは、光ファイバの先端面のコア部分に窪みを設け、この窪みにコア部分よりも屈折率の大きな透光性の物質を充填することで、コアと略同じ径のレンズを形成していた。
特開昭５６−３３６１７号公報特開昭５６−９４３１３号公報特開昭５８−５７１０２号公報

上述した光コリメータの内、特許文献１、２に示されるような球レンズを用いた光コリメターでは、球レンズの場合、球の中心を通る直線が全て光軸となってセルフアライメントされるため、光ファイバと球レンズの光軸とを高精度に位置合わせできるが、この接続方式では、光ファイバ相互の光軸の位置決め精度が以下に示す（ａ）〜（ｃ）の部品精度によって決定される。すなわち、（ａ）フェルールに形成された光ファイバの保持孔の孔径精度、（ｂ）フェルールの外周円の中心と保持孔の中心との位置ずれ、（ｃ）球レンズおよびフェルールを保持するスリーブの内径精度と球レンズおよびフェルールそれぞれの外径精度、の３つの部品精度が光軸の位置決め精度に大きく影響することになり、これら３つの要因の中で（ｃ）の要因が組立時に問題となる。つまり球レンズの外径精度を±２μｍ程度（外径が１〜数ｍｍの場合に）、フェルールの外径精度を±０．５μｍとし、スリーブをかなり高精度に加工できたと仮定して、その内径精度を±２μｍとした場合でも、光軸の位置決め精度は２．１μｍ程度になるため、シングルモードファイバ用には不十分であり、コア径が５０μｍのマルチモードファイバ用に適用するのが限界であった。したがって、シングルモードファイバ用に使用する場合にはレンズと光ファイバとを調芯する必要があった。またレンズとして円柱型のＧｒｉｎレンズ（セルフォックスレンズ）を用いた光コリメータも従来より提供されているが、この場合でもＧｒｉｎレンズの光軸と光ファイバの光軸とを調芯して、接着剤で固定しており、やはりレンズと光ファイバとを調芯する作業が必要であった。

また、上述した特許文献３に示される光コリメータでは、光ファイバの先端面のコア部分に窪みを設け、この窪みに透光性の物質を充填してレンズを形成しているが、コア部分の外径は非常に細いため（例えば１２５μｍ程度）、そこに半球状の窪みを形成するのは非常に困難な加工であり、コスト高を招いたり、所望の性能を達成できなくなる可能性があった。

本発明は上記問題点に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、光ファイバとレンズとの調芯作業を無くし、無調整で組み立てるだけで、高精度に光軸を合わせることのできる光コリメータを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、両端が開口したファイバ保持孔を有し該ファイバ保持孔に光ファイバの光ファイバ素線を挿入して保持する金属製のフェルールと、フェルールの先端側の開口に光ファイバ素線の先端面と対向して取り付けられ、光ファイバ素線から出射される光を平行光に変換するとともに、光ファイバ素線に入射する光を光ファイバ素線に収束させるレンズとを備え、レンズは前面視の形状が多角形であって、フェルールの先端側の開口の周りに前面視の形状および寸法がレンズと同等の形状および寸法に形成され、レンズの少なくとも一部を埋設した状態で固定するレンズ固定穴を設け、レンズ固定穴の複数の側面を、ファイバ保持孔を基準としたレンズ位置決め用のフェルール基準面に形成するとともに、レンズは、複数のフェルール基準面にそれぞれ当接する複数の側面をレンズ基準面とし、該レンズ基準面を基準に光軸を形成したことを特徴とする。

請求項２の発明は、両端が開口したファイバ保持孔を有し該ファイバ保持孔に光ファイバの光ファイバ素線を挿入して保持する金属製のフェルールと、フェルールの先端側の開口に光ファイバ素線の先端面と対向して取り付けられ、光ファイバ素線から出射される光を平行光に変換するとともに、光ファイバ素線に入射する光を光ファイバ素線に収束させる球形のレンズとを備え、フェルールの先端側の開口の周りにレンズ固定穴を凹設するとともに、該レンズ固定穴の前面視の形状をレンズの直径よりも小さく且つファイバ保持孔と同心の円形とし、レンズの球面をレンズ固定穴の穴縁に当接させた状態でレンズがフェルールに固定されたことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、レンズ固定穴の複数の側面をファイバ保持孔を基準としたレンズ位置決め用のフェルール基準面に形成するとともに、複数のフェルール基準面にそれぞれ当接するレンズの複数の側面を基準としてレンズの光軸を形成しているので、レンズ基準面をフェルール基準面に当接させた状態でレンズをレンズ固定穴に固定することによって、ファイバ保持孔に挿通された光ファイバの光軸とレンズの光軸とをパッシブアライメントすることができ、光ファイバとレンズとの調芯作業が不要になり、無調整で組み立てるだけで、光ファイバとレンズの光軸を高精度に合わせることができる。しかもフェルールは金属製なので加工性が良く、フェルールの先端面にフェルール基準面を精度良く形成することができる。

請求項２の発明によれば、フェルールの先端側の開口の周りに形成したレンズ固定穴の形状を、球形のレンズの直径よりも直径が小さく、且つ、ファイバ保持孔と同心の円形に形成しているので、レンズ固定穴の穴縁にレンズの球面を当接させた状態でレンズをフェルールに固定すれば、レンズの中心とファイバ保持孔の中心とが正確に一致することになり、ファイバ保持孔に挿通された光ファイバの光軸とレンズの光軸とをパッシブアライメントすることができる。したがって、光ファイバとレンズとの調芯作業が不要になり、無調整で組み立てるだけで、光ファイバとレンズの光軸を高精度に合わせることができる。またフェルールは金属製なので加工性が良く、フェルールの先端面にフェルール基準面を精度良く形成することができる。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

（実施形態１）
本発明の実施形態１を図１〜図７を参照して説明する。本実施形態の光コリメータは、広帯域、長距離の通信に適したシングルモードファイバを保持して、ファイバ同士を接続するために用いられるものであり、光の通路となるコア（光ファイバ素線）２の周りをシリコン樹脂などの外被３で被覆して構成される光ファイバ１を保持するフェルール１０と、フェルール１０の先端面に取り付けられるレンズ２０とを主要な構成として備えている。

フェルール１０は図１（ａ）に示すようにＮｉ、Ｃｏなどの金属により円柱状に形成され、両端が開口するファイバ保持孔１１がフェルール１０の中心を軸方向に貫通して形成されている。フェルール１０の軸方向における一端面には、ファイバ保持孔１１の開口の周りに円錐状に窪んだ収納凹部１２が形成され、この収納凹部１２内に光ファイバ１ａの外被３が挿入される。またフェルール１０の軸方向における他端面（先端面）には、ファイバ保持孔１１の開口の周りにレンズ２０を一部埋設した状態で固定するためのレンズ固定穴１３が凹設されている。このレンズ固定穴１３は前面視の形状および寸法がレンズ２０と同等の形状および寸法に形成されており、本実施形態では前面視の形状がレンズ２０の形状と同じ正六角形であって、正六角形の各辺の長さがレンズ２０と同等の寸法に形成されている。そして、レンズ固定穴１３の軸方向に沿う６つの内側面の内、隣り合う２つの内側面はファイバ保持孔１１を基準としたフェルール基準面１４に形成されている。またレンズ固定穴１３の底面には、ファイバ保持孔１１の外周に接着剤を溜めるための円周溝１３ａが形成されている。

ところで、従来は一般的にフェルール１０の材料としてジルコニアなどのセラミックを用いていたため、フェルール１０の機械加工が難しく、フェルール１０の先端面にレンズ固定穴やフェルール基準面などを後加工で形成するのは困難であったが、本実施形態ではフェルール１０を金属で形成しているので、レンズ固定穴１３やフェルール基準面１４を後加工で容易に形成することができる。

なおフェルール１０は、光ファイバ１のコア径と略同じ径の金属線の周囲に電鋳法を用いて金属をめっきすることで形成される。図７はフェルール１０の製造方法を説明する説明図であり、容器３０に充填されたＮｉ、Ｃｏなどのめっき液３１中に光ファイバ１のコア径と略同じ径の金属線３２を浸漬させ、同じくめっき液３１中に浸漬された電極３３，３３間に電圧を印加することで、金属線３２の周りに金属をめっきし、めっきが進行して所望のフェルール径より大きくなったところで、電鋳を終了する。そして、中心の金属線３２を基準にして外周面を加工することで、外径を所望の径（例えばＪＩＳで規格化されたＳＣ形コネクタでは２．５ｍｍ、ＭＵ形コネクタでは１．２５ｍｍ）に形成するとともに、前面から見た形状が正六角形のレンズ固定穴１３を凹設し、さらに金属線３２（つまりファイバ保持孔１１）を基準にしてレンズ固定穴１３の２つの内側面にフェルール基準面１４を形成した後、金属線３２を離型することでフェルール１０を所望の形状に形成している。なお機械加工の精度としては±０．５μｍ程度の精度が得られる。

一方、レンズ２０はフェルール１０に保持された光ファイバ１と光結合されて、コア２からの光を平行光に変換して接続相手の光ファイバ（図示せず）に入射させるとともに、接続相手の光ファイバから入射した光をコア２に収束させるもので、図２（ａ）（ｂ）に示すように前面視の形状が正六角形に形成された角柱状であって、軸方向に沿う６つの側面の内、上述のフェルール基準面１４に当接する２つの側面をレンズ基準面２１とし、この２つのレンズ基準面２１を基準としてレンズ２０の光軸Ｘを設定している。ここに、２つのレンズ基準面２１に対する光軸Ｘの位置精度は±０．５μｍ程度の精度となっている。

このレンズ２０はＧｒｉｎレンズあるいはＤＯＥレンズからなり、半導体加工技術であるフォトリソグラフィ法やエッチング技術やイオン拡散の技術を用いてガラス板に形成される。本実施形態ではレンズ２０としてＧｒｉｎレンズを用いており、Ｇｒｉｎレンズの製造に当たっては、図４に示すように、容器５０に充填された低屈折率溶液５１中に、表面および裏面にマスク４８が形成されたガラス基板４０を浸漬して、片側のマスク４８の開口４８ａから露出するガラス基板４０の部位にドーパントを拡散させることで、レンズ内部で屈折率が連続的に変化するＧｒｉｎレンズ２０を作成することができる。なお図３（ａ）はＧｒｉｎレンズからなるレンズ２０の断面図であり、図中の点線は屈折率の分布を示している。

なおレンズ２０としてＧｒｉｎレンズに代えてＤＯＥレンズを用いても良く、ＤＯＥレンズを用いる場合の製造方法を図５（ａ）〜（ｇ）を参照して説明する。図５（ａ）に示すようにガラス基板４０の主表面に感光性樹脂の薄膜（レジスト層４１）を形成した後、マスク４２に描かれたマスクパターンを紫外線を用いて転写、現像することでレジストパターン４３を形成し（図５（ｂ）参照）、このレジストパターン４３をマスクとしてガラス基板４０を反応性イオンエッチングすることで、ガラス基板４０の主表面に複数の溝４０ａを形成する（図５（ｃ）参照）。その後、図５（ｄ）に示すようにガラス基板４０の主表面および溝４０ａの底面に感光性樹脂の薄膜（レジスト層４４）を形成して、マスク４５に描かれたマスクパターンを紫外線を用いて転写、現像することでレジストパターン４６を形成し（図５（ｅ）参照）、このレジストパターン４６をマスクとしてガラス基板４０を反応性イオンエッチングすることで、溝４０ａ内の外側部分に内側部分よりも深い溝４０ｂを形成する。（図５（ｆ）参照）。そして、上述の工程を繰り返すことで図５（ｇ）に示すように溝４０ｂ内の外側部分に内側部分よりも深い溝４０ｃを形成し、隣接する溝４０ａの間をブレーズ化することによって図３（ｂ）に示すようにレンズ２０の表面に複数の鋸歯状の断面構造を形成し、複数の回折機能を持たせたレンズ２０を得ることができる。

ここでレンズ２０を形成する際には、図６に示すように１枚のガラス基板４０に複数個のレンズ２０を一定の間隔をおいて複数列に並べて形成してあり、六角柱のレンズ２０の６つの側面の内、レンズ２０の配列方向と平行な１つの側面以外の面を形成するために、ガラス基板４０をエッチングして、ガラス基板４０を厚み方向に貫通する貫通溝４７を貫設した後、ガラス基板４０をレンズ２０の配列方向と略平行な切断面Ｌ１（図中に一点鎖線で示す）で切断することによって、個々のレンズ２０に分離している。つまり図２（ａ）中の２２が切断面となる。なお貫通溝４７はガラス基板４０をＩＣＰエッチングすることで形成されており、ＩＣＰエッチングを用いればガラス基板４０を高速にエッチングすることが可能なので、レンズ２０の側面をガラス基板４０の主表面（レンズ２０の前面）に対して略垂直な面に形成することができる。すなわち半導体加工技術を利用することでレンズ２０の６つの側面の内、少なくとも２つの側面をレンズ基準面２１とし、この２つのレンズ基準面２１を基準としてレンズ２０の光軸Ｘを設定することができる。

次にこの光コリメータの組立手順について図１（ｂ）〜（ｄ）を参照して説明する。上述のようにしてフェルール１０およびレンズ２０を形成した後、同図（ｂ）に示すようにレンズ２０をフェルール１０の先端面に形成したレンズ固定穴１３に前面側から挿入し、レンズ２０の２つのレンズ基準面２１を、レンズ固定穴１３の２つのフェルール基準面１４に押し当てて、レンズ２０をレンズ固定穴１３内に位置決めした状態でフェルール１０に接着固定する。そして、フェルール１０のファイバ保持孔１１に光ファイバ１のコア２を挿通して、光ファイバ１をフェルール１０に保持させると、光ファイバ１のコア２にレンズ２０が光結合される。なおレンズ２０を接着固定する際には余分な接着剤がレンズ固定穴１３の底面に形成された円周溝１３ａに溜まるので、ファイバ保持孔１１に挿入されたコア２に接着剤が付着するのを防止できる。またレンズ２０の固定方法を接着に限定する趣旨のものではなく、圧入などの方法でレンズ２０を固定しても良い。

ここでレンズ２０は、２つのレンズ基準面２１をそれぞれレンズ固定穴１３のフェルール基準面１４に押し当てた状態でレンズ固定穴１３内に固定されており、２つのレンズ基準面２１を基準としてレンズ２０の光軸Ｘが設定されるとともに、２つのフェルール基準面１４はファイバ保持孔１１を基準として形成されているので、ファイバ保持孔１１内に挿入される光ファイバ１のコア２とレンズ２０の光軸Ｘとがパッシブアライメントされるのである。したがって、レンズ２０の光軸Ｘと光ファイバ１との調芯作業が不要になり、無調整で組み立てるだけで、レンズ２０の光軸Ｘとコア２の光軸とを高精度に合わせることができる。

（実施形態２）
本発明の実施形態２を図８〜図１０を参照して説明する。本実施形態では、上述した実施形態１において、ＤＯＥレンズ又はＧｒｉｎレンズからなるレンズ２０の代わりに球形のレンズ２３を用いている。なお光コリメータの基本的な構成は実施形態１と同様であるので、共通する構成要素には同一の符号を付して、その説明は省略する。

フェルール１０は金属製であって、実施形態１と同様に電鋳法を用いて円柱状に形成されており、両端が開口するファイバ保持孔１１がフェルール１０の中心を軸方向に貫通して形成されている（図９および図１０（ａ）参照）。フェルール１０の軸方向における一端面には、ファイバ保持孔１１の開口の周りに円錐状に窪んだ収納凹部１２が形成され、この収納凹部１２内に光ファイバ１の外被３が挿入される。またフェルール１０の軸方向における他端面（先端面）には、ファイバ保持孔１１の開口の周りに円形に窪んだレンズ固定穴１５が凹設されており、レンズ固定穴１５の前面視の形状は、直径がレンズ２３の直径よりも小さく且つファイバ保持孔１１と同心の円形に形成されている。ここで、電鋳法により形成されたフェルール１０に後加工を施すことによって、フェルール１０の先端面にファイバ保持孔１１と同心にレンズ固定穴１５を形成してあり、ファイバ保持孔１１の中心とレンズ固定穴１５の中心との位置合わせの精度は±０．５μｍ以下の精度で形成されている。

この光コリメータを組み立てるに当たっては、図８に示すようにレンズ２３の球面をレンズ固定穴１５の穴縁に押し当てた状態で、レンズ２３を接着剤でフェルール１０に接着固定する。そして、フェルール１０のファイバ保持孔１１に光ファイバ１のコア２を挿通して、光ファイバ１をフェルール１０に保持させると、光ファイバ１のコア２にレンズ２０が光結合される。

ここで、レンズ２３の球面を円形のレンズ固定穴１５の穴縁に押し当てると、レンズ２３の中心とレンズ固定穴１５の中心の位置が正確に一致することになり、レンズ２３の外径の公差は±２〜３μｍに形成されており、さらにレンズ固定穴１５の中心とファイバ保持孔１１の中心との位置ずれは±０．５μｍ以下となっているので、レンズ２３をレンズ固定穴１５に固定するだけで、レンズ２３の中心とファイバ保持孔１１に挿通されるコア２の中心とを正確に一致させることができる。したがって、レンズ２３の光軸と光ファイバ１との調芯作業が不要になり、無調整で組み立てるだけで、レンズ２３の光軸とコア２の光軸とを高精度に合わせることができる。

なお、本実施形態ではレンズ２３の球面をレンズ固定穴１５のエッジに線接触させているが、図１０（ｂ）に示すように、レンズ固定穴１５の穴縁に先端側に行くほど開口部の直径が徐々に大きくなるようなテーパ面１５ａを形成したり、図１０（ｃ）に示すようにレンズ固定穴１５の内周面を、先端側に行くほど開口部の直径が徐々に大きくなるようなテーパ面１５ｂに形成することによって、レンズ２３の球面をレンズ固定穴１５のテーパ面１５ａ，１５ｂと面接触させても良く、レンズ２３の納まりを良くできる。

（ａ）〜（ｄ）は実施形態１の光コリメータの各製造工程の説明図である。同上に用いるレンズを示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は外観斜視図である。同上に用いるレンズを示し、（ａ）はＧｒｉｎレンズからなるレンズの断面図、（ｂ）はＤＯＥレンズからなるレンズの断面図である。Ｇｒｉｎレンズの製造方法を説明する説明図である。（ａ）〜（ｇ）はＤＯＥレンズの各製造工程を説明する断面図である。レンズの一製造工程を説明する説明図である。フェルールの製造方法を説明する説明図である。実施形態２の光コリメータの断面図である。同上に用いるフェルールの外観斜視図である。（ａ）〜（ｃ）は同上に用いるフェルールの断面図である。

符号の説明

１光ファイバ
２コア
１０フェルール
１１ファイバ保持孔
１３レンズ固定穴
１４レンズ基準面
２０レンズ
２１レンズ基準面

Claims

両端が開口したファイバ保持孔を有し該ファイバ保持孔に光ファイバの光ファイバ素線を挿入して保持する金属製のフェルールと、前記フェルールの先端側の開口に光ファイバ素線の先端面と対向して取り付けられ、前記光ファイバ素線から出射される光を平行光に変換するとともに、前記光ファイバ素線に入射する光を光ファイバ素線に収束させるレンズとを備え、前記レンズは前面視の形状が多角形であって、前記フェルールの先端側の開口の周りに前面視の形状および寸法が前記レンズと同等の形状および寸法に形成され、前記レンズの少なくとも一部を埋設した状態で固定するレンズ固定穴を設け、レンズ固定穴の複数の側面を、ファイバ保持孔を基準としたレンズ位置決め用のフェルール基準面に形成するとともに、前記レンズは、複数の前記フェルール基準面にそれぞれ当接する複数の側面をレンズ基準面とし、該レンズ基準面を基準に光軸を形成したことを特徴とする光コリメータ。
両端が開口したファイバ保持孔を有し該ファイバ保持孔に光ファイバの光ファイバ素線を挿入して保持する金属製のフェルールと、前記フェルールの先端側の開口に光ファイバ素線の先端面と対向して取り付けられ、前記光ファイバ素線から出射される光を平行光に変換するとともに、前記光ファイバ素線に入射する光を光ファイバ素線に収束させる球形のレンズとを備え、前記フェルールの先端側の開口の周りにレンズ固定穴を凹設するとともに、該レンズ固定穴の前面視の形状を前記レンズの直径よりも小さく且つ前記ファイバ保持孔と同心の円形とし、前記レンズの球面をレンズ固定穴の穴縁に当接させた状態でレンズが前記フェルールに固定されたことを特徴とする光コリメータ。