JP2005266217A - Fiber collimator - Google Patents

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Kiyoshi Morita
清 森田
Tetsuaki Takano
徹朗 高野
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fiber collimator which is allowed to attain high optical coupling efficiency by using a spherical lens. <P>SOLUTION: One end surface 102a of a coreless fiber 102 made of a material which has nearly the same uniform refractive index as that of a core 101a at a center part is joined with an end surface of an optical fiber 101 having the core 101a and a clad 101b at its outer periphery, and the spherical lens 50 is arranged on the optical axis of the optical fiber on the side of the other end surface 102b of the coreless fiber. The spherical lens has its refractive index and diameter set so that an aberration circle diameter of the spherical lens is less than a mode field diameter of the optical fiber and also has its refractive index and diameter set so that the back focus BF of the spherical lens is larger than the minimum length of the coreless fiber prescribed to secure a necessary reflection loss quantity of the coreless fiber. A correction value which varies with the coreless fiber length is used as the value of the back focus. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、光通信等に用いられる光学部品に係り、特に、コア及びクラッドを有する光ファイバの端面にコアレスファイバの一端面を接合し、コアレスファイバの他端面側に球レンズを配置したファイバコリメータに関するものである。   The present invention relates to an optical component used for optical communication and the like, and in particular, a fiber collimator in which one end face of a coreless fiber is bonded to an end face of an optical fiber having a core and a cladding, and a spherical lens is disposed on the other end face side of the coreless fiber. It is about.

光通信の発達に伴って、利用する光デバイスや光学部品の小型化が望まれている。光ファイバ間で光結合を行う方法のうち、損失が少なく且つその間に様々な光学素子を設置することができるような光結合方法として、ファイバの光束出射端近傍にレンズを設置して、ファイバから出射される光束を平行光束とし、受光側も同様の光学系を組んで、再びファイバに光を結合させるという方法が一般的に利用されている。ファイバから出射された光束を平行光束とする機能を有する素子は一般にファイバコリメータと称せられており、前述したファイバとレンズの組み合わせはファイバコリメータの一つの形式である。   With the development of optical communication, miniaturization of optical devices and optical components to be used is desired. Of the methods of optical coupling between optical fibers, a lens is installed near the light beam exit end of the fiber as a method of optical coupling that can be installed with various optical elements between them with little loss. In general, a method is used in which the emitted light beam is a parallel light beam, and a similar optical system is assembled on the light receiving side to couple the light to the fiber again. An element having a function of converting a light beam emitted from a fiber into a parallel light beam is generally called a fiber collimator, and the above-described combination of a fiber and a lens is one type of fiber collimator.

この形式のファイバコリメータの性能を表す指標として、一般的に光結合損失と反射損失が用いられる。光結合損失は、平行光束の光束品質を反映するものであり、使用するファイバの開口数(以下、NAと略記する)、出射端面形状、出射端面における収差、レンズ性能、等に影響される。   In general, an optical coupling loss and a reflection loss are used as indexes representing the performance of this type of fiber collimator. The optical coupling loss reflects the light flux quality of the parallel light flux, and is affected by the numerical aperture (hereinafter abbreviated as NA) of the fiber used, the exit end face shape, the aberration at the exit end face, the lens performance, and the like.

一方、反射損失を指標として表される反射光は、ファイバ出射端における出射エネルギの損失、あるいは光源の安定動作を損なうという影響をもたらす。これら反射光の影響のうち、特に、光源の安定動作に及ぼす影響が、光通信分野においては重大問題の一つになっている。   On the other hand, the reflected light expressed using the reflection loss as an index has an effect of losing the emission energy at the fiber emission end or impairing the stable operation of the light source. Of these influences of reflected light, particularly the influence on the stable operation of the light source is one of the serious problems in the optical communication field.

近年、光通信分野では、光源として、分布帰還型レーザが一般的に用いられている。この種のレーザ光源は、ファイバ内を逆行し光源まで到達する、所謂戻り光により、レーザ発振が不安定になり易く、結果として、出力パワーの変動が生じ易いという特徴がある。即ち、反射光の増大、言い換えると、反射損失が小さい場合は、戻り光が大きいことを意味し、出力パワーの変動を増大させることになる。   In recent years, in the optical communication field, a distributed feedback laser is generally used as a light source. This type of laser light source is characterized in that laser oscillation tends to become unstable due to so-called return light that travels backward in the fiber and reaches the light source, and as a result, fluctuations in output power tend to occur. That is, when the reflected light increases, in other words, when the reflection loss is small, it means that the return light is large, and the fluctuation of the output power is increased.

一般的に、ファイバコリメータにおいて、前述したレーザ光源の出力変動を無視できる程度の大きさに抑制するためには、次の(1)式に示す端面反射損失として、50dB以上が要求されている。
端面反射損失=−10×log(IR /IO ) ・・・(1)
但し、(1)式において、IR は反射光量、IO は入射光量を示す。
Generally, in a fiber collimator, in order to suppress the output fluctuation of the laser light source described above to a level that can be ignored, 50 dB or more is required as an end face reflection loss shown in the following equation (1).
End face reflection loss = −10 × log (IR / IO) (1)
In equation (1), IR represents the amount of reflected light and IO represents the amount of incident light.

現状で反射損失を得るための方法として、ファイバ端面を光軸に対し斜めにする方法が用いられている。このタイプの光ファイバ端末は、ファイバをガラスキャピラリに挿入して、キャピラリごと端面に4°〜8°程度の角度を付けて平面研磨することで得られる。これにより、端面における反射光は、クラッドモード(clad mode)となって減衰するため、反射損失を大きくとることができ、更に表面のARコーティングと合わせて、反射損失50dB以上を得ることができる。この方法は極めて簡便な方法であるため、これまで主流の方式であった。   As a method for obtaining a reflection loss at present, a method in which the fiber end face is inclined with respect to the optical axis is used. This type of optical fiber terminal can be obtained by inserting a fiber into a glass capillary and polishing the end face of each capillary with an angle of about 4 ° to 8 °. As a result, the reflected light at the end face is attenuated in a clad mode, so that a large reflection loss can be obtained, and a reflection loss of 50 dB or more can be obtained together with the AR coating on the surface. Since this method is extremely simple, it has been the mainstream method so far.

ところで、このような斜端面を持つ光ファイバ端末を用いたコリメータを光部品内で利用する場合には、特に留意しなければならない点がある。この点について図12を参照しながら説明する。   By the way, when using a collimator using an optical fiber terminal having such an oblique end surface in an optical component, there is a particular point to be noted. This point will be described with reference to FIG.

ファイバコリメータのコリメートレンズとしてよく用いられる屈折率分布レンズ(GRIN Lens)は、結像状態がレンズ長(Pitch)に依存するので、0.25Pitch の場合は、(a)のように屈折率分布レンズ(GRIN Lens )1101の端面に光源を置くと、もう一方の端面からコリメート光が出射する。実際には(b)のように屈折率分布レンズ(GRIN Lens)1102のレンズ長を0.23 Pitch程度としており、光源の位置調整に自由度をもたせる配置になっている。   A refractive index distribution lens (GRIN lens) often used as a collimator lens of a fiber collimator has an image formation state that depends on the lens length (Pitch). Therefore, in the case of 0.25 pitch, a refractive index distribution lens as shown in (a). When a light source is placed on the end face of (GRIN Lens) 1101, collimated light is emitted from the other end face. Actually, as shown in (b), the refractive index distribution lens (GRIN Lens) 1102 has a lens length of about 0.23 Pitch, so that the position adjustment of the light source has a degree of freedom.

この構成によるコリメート光を結合させた場合の光路を(c)に示す。前述した斜端面の影響で、光ファイバ端末1103からの出射光は、約3.8°傾いてレンズ1104に入射するので、光ファイバ端末1103の光軸からδ1だけずれる。また、屈折率分布レンズ(GRIN Lens)1104の端面は光ファイバ端末1103の端面と同様に傾いているので、屈折率分布レンズ(GRIN Lens)1104に対して角度をもって入射することから、出射ビームは光ファイバ端末1103からの出射光の光軸に対してある角度(θ)を持つことになる。従って、このコリメータの組み合わせでは、光軸を一致させるためには、元の光軸に対して、δ2だけずらさなければ光結合は行えない。従来のコリメータで光結合を行う場合に位置調整が困難であったのは、この理由による。   An optical path when collimated light with this configuration is combined is shown in FIG. Due to the influence of the oblique end surface described above, the light emitted from the optical fiber terminal 1103 is inclined by about 3.8 ° and enters the lens 1104, so that it is deviated from the optical axis of the optical fiber terminal 1103 by δ1. Since the end surface of the gradient index lens (GRIN Lens) 1104 is inclined in the same manner as the end surface of the optical fiber terminal 1103, the incident beam is incident on the gradient index lens (GRIN Lens) 1104 at an angle. It has an angle (θ) with respect to the optical axis of the light emitted from the optical fiber terminal 1103. Therefore, in this combination of collimators, in order to make the optical axes coincide, optical coupling cannot be performed unless it is shifted by δ2 with respect to the original optical axis. This is the reason why position adjustment is difficult when optical coupling is performed with a conventional collimator.

コリメータレンズとしては、前述した屈折率分布レンズ(GRIN Lens)の他に、球面レンズ、非球面レンズ、球レンズ(全球レンズまたはドラムレンズ)なども利用することができるが、光ファイバ端末の光軸とレンズの光軸とを直線上に配置した場合には、同様なビーム傾きとビーム偏心が生じる。   As the collimator lens, in addition to the above-mentioned gradient index lens (GRIN lens), a spherical lens, an aspherical lens, a spherical lens (global lens or drum lens) can be used, but the optical axis of the optical fiber terminal And the optical axis of the lens are arranged on a straight line, the same beam inclination and beam eccentricity occur.

一般に、部品の組立などを簡素化する場合は、決まった位置に部品を配置するだけで、目的の性能が得られるような、いわゆるパッシブアライメント方式を可能な限り採用するのが良い。光部品の場合では、例えばファイバとコリメータレンズをV溝などの同一直線上に対向して配置するだけで、光結合を行うことがでれば、組立は非常に簡素化され、低価格で安定した品質の製品を製造することが可能となる。   In general, in order to simplify the assembly of components, it is preferable to employ a so-called passive alignment method as much as possible so that the target performance can be obtained by simply arranging the components at a predetermined position. In the case of optical components, for example, if optical coupling can be performed simply by placing the fiber and collimator lens facing each other on the same straight line such as a V-groove, assembly is greatly simplified and stable at a low price. It is possible to produce a product of the same quality.

しかし、現在主流の方式では、前述したビームの傾き及びビーム偏心が発生するので、こうしたパッシブアライメント方式を採用することは原理的に不可能であった。   However, in the current mainstream method, the above-described beam inclination and beam eccentricity occur, and thus it is impossible in principle to adopt such a passive alignment method.

上記のような光路ずれをなくすためには、光ファイバ端末及びレンズ端面を全て光軸に対して垂直にすればよい。しかしこの場合、端面反射は全て戻り光として反映されてしまうことになる。ガラス端面と空気の屈折率差で生じる反射損失は14.7dBであり、これに良好なARコーティング(R<0.2%:27dB)を施したとしても、端面での反射損失は約42dB程度であり、50dB以上という上記の要求仕様は達成できないことになる。   In order to eliminate the optical path deviation as described above, the optical fiber terminal and the lens end face may be all perpendicular to the optical axis. However, in this case, all end face reflections are reflected as return light. The reflection loss caused by the difference in refractive index between the glass end face and air is 14.7 dB. Even if a good AR coating (R <0.2%: 27 dB) is applied to this, the reflection loss at the end face is about 42 dB. Therefore, the required specification of 50 dB or more cannot be achieved.

このような問題を解決する手段として、従来、シングルモードファイバの先端にコアレスファイバを適当な長さだけ融着し、コアレスファイバ内での光束の拡散作用により、必要な反射減衰量を得る構造が知られている(特許文献1参照)。   As a means for solving such a problem, there has conventionally been a structure in which a coreless fiber is fused to an end of a single mode fiber by an appropriate length, and a necessary return loss is obtained by a diffusion action of a light beam in the coreless fiber. It is known (see Patent Document 1).

この場合の基本的な光ファイバ端末の構造を図13に示す。これによれば、光軸ずれが無く、また反射損失50dB以上を両立する光ファイバ端末が容易に作製できる。従って、この光ファイバ端末と非球面レンズ、球面レンズ、球レンズ(ドラムレンズも含む)などのコリメータレンズとを組み合わせることで、パッシブアライメントが可能なファイバコリメータを実現することができる。   The basic structure of the optical fiber terminal in this case is shown in FIG. According to this, it is possible to easily produce an optical fiber terminal that is free from optical axis deviation and has a reflection loss of 50 dB or more. Therefore, a fiber collimator capable of passive alignment can be realized by combining this optical fiber terminal and a collimator lens such as an aspheric lens, a spherical lens, and a spherical lens (including a drum lens).

一般的には、球面収差を補正した非球面レンズは、収差が少なく、結像性能に優れているため、低損失が要求される高級品を中心に、コリメータレンズとして利用されている。非球面レンズは、レンズ面の曲率に場所依存性を持たせたレンズなので、研磨での作製が困難であり、量産現場では金型を用いたプレス成型で作製されている。従って、製造コストが高価であること、また構造上、レンズ外径とレンズ面との間に偏心が数μm以上のレベルで発生してしまい、図13のような光ファイバ端末に組み合わせて使用しても、ビームが傾いてしまうなどの問題があった。   In general, aspherical lenses with corrected spherical aberration have few aberrations and excellent imaging performance, and are used as collimator lenses mainly for high-end products that require low loss. An aspherical lens is a lens in which the curvature of the lens surface is made location-dependent, so that it is difficult to produce by polishing, and is produced by press molding using a mold at the mass production site. Therefore, the manufacturing cost is expensive, and due to the structure, eccentricity occurs between the lens outer diameter and the lens surface at a level of several μm or more, and it is used in combination with an optical fiber terminal as shown in FIG. However, there were problems such as tilting the beam.

そこで、実際的には、コリメータレンズとして、球面レンズ、特にボールレンズ(球レンズ)を利用することが考えられる。レンズ面として球面を持つレンズは、研磨加工により大量生産が可能で、低コストで作製できる利点を持つ。特に球レンズではあらゆる面が等方的であるので、入出射面の光軸に偏心が発生しない。また、最も重要な光学パラメータである焦点距離fを、材料の屈折率nと球半径r(直径R=2r)のみで、次の(2)式のように簡単に定義することができる、等の利点がある。

Figure 2005266217
Therefore, in practice, it is conceivable to use a spherical lens, particularly a ball lens (spherical lens) as the collimator lens. A lens having a spherical surface as a lens surface can be mass-produced by polishing and has the advantage of being manufactured at low cost. In particular, since all surfaces are isotropic in a spherical lens, no eccentricity occurs in the optical axis of the incident / exit surface. In addition, the focal length f, which is the most important optical parameter, can be easily defined as shown in the following equation (2) using only the refractive index n and the spherical radius r (diameter R = 2r) of the material. There are benefits.
Figure 2005266217

従って、球レンズをコリメータレンズとして使用する場合、図14(a)のようにファイバないしはファイバ保持冶具80の径と同一径の球レンズ50であれば、V型のガイド溝(図示略)に乗せるだけで、直線性に優れたコリメートビームを容易に得ることができる。ただし、焦点距離fの値を大きくしなければならない場合、球半径rが大きくなってしまい、サイズがファイバ保持冶具50と合わなくなってしまう。このような場合は、図14(b)に示すように、球レンズの光軸を中心に外周を削り、ドラムレンズ52の形状にすることで、光軸方向について、レンズ半径rの球レンズと全く同じ性能を得ることができるので、このようなドラムレンズで代替することもできる。むしろこの方が、ガイド溝にレンズを固定する際に、安定性があり、有利な場合がある。なお、図14(a)、(b)において、101はコアとクラッドを有するシングルモード光ファイバ(SMF)、102はコアレスファイバ(CLF)である。   Accordingly, when a spherical lens is used as a collimator lens, if the spherical lens 50 has the same diameter as the fiber or the fiber holding jig 80 as shown in FIG. 14A, it is placed in a V-shaped guide groove (not shown). It is possible to easily obtain a collimated beam having excellent linearity. However, when the value of the focal length f has to be increased, the sphere radius r increases and the size does not match the fiber holding jig 50. In such a case, as shown in FIG. 14 (b), the outer periphery of the spherical lens is sharpened to the shape of the drum lens 52, so that the spherical lens having the lens radius r in the optical axis direction can be obtained. Since the same performance can be obtained, such a drum lens can be substituted. Rather, this is more stable and advantageous in fixing the lens in the guide groove. In FIGS. 14A and 14B, 101 is a single mode optical fiber (SMF) having a core and a clad, and 102 is a coreless fiber (CLF).

特開平7−281054号公報Japanese Patent Laid-Open No. 7-281054

ところで、このような球面を有するレンズを用いる場合は、図15に示すような球面収差があり、結像性能は、非球面レンズに比べて明らかに劣る。しかし、光結合器のように、光エネルギの伝達手段に限って考えれば、焦点位置における像の広がり領域を全て捉えれば、収差の有無は無関係となる。この像の広がりは収差円と呼ばれ、その径をδ(収差円径)とすると、ファイバの開口数NAを用いて、次式(3)のように求めることができる。

Figure 2005266217
従って、光結合効率は、上式(3)で示される収差円径δの大きさと、受光する側の光ファイバのモードフィールド径との相対的な大小関係で決定されることになる。 By the way, when a lens having such a spherical surface is used, there is a spherical aberration as shown in FIG. 15, and the imaging performance is clearly inferior to that of an aspherical lens. However, considering only the optical energy transmission means, such as an optical coupler, the presence or absence of aberration is irrelevant if all of the spread area of the image at the focal position is captured. This spread of the image is called an aberration circle. If the diameter is δ (aberration circle diameter), it can be obtained by the following equation (3) using the numerical aperture NA of the fiber.
Figure 2005266217
Therefore, the optical coupling efficiency is determined by the relative magnitude relationship between the magnitude of the aberration circle diameter δ expressed by the above formula (3) and the mode field diameter of the optical fiber on the light receiving side.

本発明は、上記事情を考慮し、球レンズを用いて高光結合効率を達成できるようにしたファイバコリメータを提供することを目的とする。   In consideration of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a fiber collimator that can achieve high optical coupling efficiency using a spherical lens.

請求項1の発明は、中心部のコア及びその外周部のクラッドを有する光ファイバの端面に、前記コアと略同一で均一な屈折率を有する材料よりなるコアレスファイバの一端面を接合し、前記光ファイバの光軸上で前記コアレスファイバの他端面側に球レンズを配置すると共に、前記コアレスファイバを通しての前記球レンズの焦点を、前記光ファイバのコアの端面上に位置させたファイバコリメータであって、前記球レンズの収差円径が光ファイバのモードフィールド径以下となるように、球レンズの屈折率と径が設定され、且つ、前記コアレスファイバの必要反射損失量を確保するために予め規定されるコアレスファイバの最小長よりも前記球レンズのバックフォーカスが大きくなるように、球レンズの屈折率と径が設定されていることを特徴とする。   According to the first aspect of the present invention, one end face of a coreless fiber made of a material having a uniform refractive index is substantially the same as the core is bonded to the end face of an optical fiber having a core at the center and a clad at the outer periphery. A fiber collimator in which a spherical lens is disposed on the other end surface side of the coreless fiber on the optical axis of the optical fiber, and the focal point of the spherical lens passing through the coreless fiber is positioned on the end surface of the core of the optical fiber. The refractive index and the diameter of the spherical lens are set so that the aberration circle diameter of the spherical lens is equal to or smaller than the mode field diameter of the optical fiber, and specified in advance in order to secure the necessary reflection loss amount of the coreless fiber. The refractive index and diameter of the spherical lens are set so that the back focus of the spherical lens is larger than the minimum length of the coreless fiber to be And butterflies.

このように、球レンズの収差円径が光ファイバのモードフィールド径以下となるように、球レンズの屈折率と径を設定することにより、光ファイバと球レンズの間での光結合損失の低減を図ることができ、高光結合効率のファイバコリメータを実現できる。なお、ここで言う「球レンズ」の概念には、いわゆるボールレンズ(全球レンズ)の他に、元の球レンズの球面を光軸と交差する両レンズ面として残しながら、他の光学的に不要な外周を削り取った部分球レンズ、例えば、ドラムレンズ(Dレンズ)も含まれる。   Thus, by setting the refractive index and diameter of the spherical lens so that the aberration circle diameter of the spherical lens is less than or equal to the mode field diameter of the optical fiber, the optical coupling loss between the optical fiber and the spherical lens is reduced. Therefore, a fiber collimator with high optical coupling efficiency can be realized. In addition to the so-called ball lens (global lens), the concept of “spherical lens” here means that the spherical surface of the original spherical lens remains as both lens surfaces intersecting the optical axis, but other optically unnecessary. Also included is a partially spherical lens whose outer periphery has been removed, for example, a drum lens (D lens).

光通信部品では、シングルモードファイバが一般に使用され、そのモードフィールド径は約10μmである。従って、設計上、上式(3)の値δが10μm未満となるように、レンズの屈折率nと半径rを決めれば、高結合効率を実現できるコリメータレンズとなる。   In optical communication components, a single mode fiber is generally used, and its mode field diameter is about 10 μm. Therefore, by design, if the refractive index n and radius r of the lens are determined so that the value δ of the above equation (3) is less than 10 μm, the collimator lens can realize high coupling efficiency.

NA=0.14として、式(2)及び(3)について、δ=10μmとなる屈折率nおよび球径R(R=2r)を計算すると、図3中に実線で示す曲線となる。従って、δ<10μmを満たすのは、この曲線より上方の領域となる。   When NA = 0.14 and the refractive index n and sphere diameter R (R = 2r) at which δ = 10 μm are calculated for the formulas (2) and (3), the curve shown by the solid line in FIG. 3 is obtained. Therefore, it is the region above this curve that satisfies δ <10 μm.

ところで、発明者らが、図14(a)、(b)のように、コアレスファイバ付き光ファイバ端末と球レンズ50ないしはドラムレンズ52との組合せでコリメータの作製を試みたところ、このデザインのコリメータを実現するためには、もう一つ重要な制限が発生することに気がついた。   By the way, as shown in FIGS. 14A and 14B, the inventors tried to produce a collimator by combining an optical fiber terminal with a coreless fiber and a spherical lens 50 or a drum lens 52. I realized that there was another important limitation to achieve this.

コリメート光を得るためには、図2(a)に示すように、球レンズ50の焦点距離fの位置に、光が結合するファイバコア端面(光ファイバ101のコア101aの端面)を置く必要がある。ここで球レンズ50のバックフォーカス長(BF)が、コアレスファイバ102の長さLよりも短い場合は、図2(b)に示すように、焦点位置にファイバコア端面を設置することができなくなってしまい、コリメート光を発生することが不可能になってしまう、という問題が発生する。   In order to obtain collimated light, as shown in FIG. 2A, it is necessary to place a fiber core end face (end face of the core 101a of the optical fiber 101) to which light is coupled at the position of the focal length f of the spherical lens 50. is there. Here, when the back focus length (BF) of the spherical lens 50 is shorter than the length L of the coreless fiber 102, as shown in FIG. 2B, the fiber core end face cannot be installed at the focal position. Therefore, there arises a problem that it becomes impossible to generate collimated light.

これを回避する一つの方策として、図2(c)に示すように、コアレスファイバ長Lをバックフォーカス長BFよりも短くする方法があるが、コアレスファイバ102の長さLは、光ファイバ端末の反射損失量を50dB以上にするために、ある閾値以上に設定する必要があるので、この方法で問題を回避するには限界がある。   As one measure for avoiding this, as shown in FIG. 2C, there is a method of making the coreless fiber length L shorter than the back focus length BF, but the length L of the coreless fiber 102 is the same as that of the optical fiber terminal. In order to increase the reflection loss amount to 50 dB or more, it is necessary to set the reflection loss amount to a certain threshold value or more, so there is a limit in avoiding the problem with this method.

光部品の分野では、図14(a)、(b)のような構成のコリメータは一般的ではなかったために、コリメータレンズに必要なバックフォーカス長から発生する技術的制限についての問題の検討は今まで全くなされていない。   In the field of optical components, the collimator configured as shown in FIGS. 14 (a) and 14 (b) is not common, so the problem of the technical limitation caused by the back focus length required for the collimator lens is now being investigated. Not done at all.

そこで、本発明者は、球レンズの材料屈折率nと球直径Rとについて技術的検討を行った結果、両パラメータをある条件を満たすように選ぶことにより、低損失で直線性に優れたコリメータの作製が可能であることを見い出し、それにより、請求項1の発明のもう1つの特徴を得るに至ったのである。   Therefore, as a result of technical studies on the material refractive index n and the sphere diameter R of the spherical lens, the present inventor has selected both parameters so as to satisfy certain conditions, and thereby has a low loss and excellent linearity. Has been found to be possible, thereby obtaining another feature of the invention of claim 1.

即ち、請求項1の発明のもう1つの特徴は、前述したように、コアレスファイバの必要反射損失量を確保するために予め規定されるコアレスファイバの最小長よりも球レンズのバックフォーカスが大きくなるように、球レンズの屈折率と径を設定する点である。   That is, another feature of the invention of claim 1 is that, as described above, the back focus of the spherical lens is larger than the minimum length of the coreless fiber that is defined in advance in order to ensure the necessary reflection loss amount of the coreless fiber. In this way, the refractive index and diameter of the spherical lens are set.

このような条件で球レンズの屈折率と径を設定することにより、低損失で直線性に優れたコリメータを得ることができる。   By setting the refractive index and diameter of the spherical lens under such conditions, a collimator with low loss and excellent linearity can be obtained.

また、請求項2の発明は、請求項1に記載のファイバコリメータであって、前記球レンズの収差円径と光ファイバのモードフィールド径とが等しくなるときの前記球レンズの屈折率と径の関係曲線を下限曲線とし、前記コアレスファイバの必要反射損失量を確保するために予め規定されるコアレスファイバの最小長以上に設定されたコアレスファイバの長さと、そのコアレスファイバの長さに応じて補正される前記球レンズのバックフォーカスとが等しくなるときの前記球レンズの屈折率と径の関係曲線を上限曲線とし、それら上限曲線と下限曲線の間に挟まれる範囲内で、前記球レンズの屈折率と径が設定されていることを特徴とする。   The invention according to claim 2 is the fiber collimator according to claim 1, wherein the refractive index and the diameter of the spherical lens when the aberration circle diameter of the spherical lens is equal to the mode field diameter of the optical fiber. Using the relationship curve as the lower limit curve, the length of the coreless fiber set to be equal to or greater than the minimum length of the coreless fiber specified in advance to ensure the required amount of reflection loss of the coreless fiber, and the length of the coreless fiber are corrected. The relationship between the refractive index and the diameter of the spherical lens when the back focus of the spherical lens becomes equal is the upper limit curve, and the refraction of the spherical lens is within a range between the upper limit curve and the lower limit curve. The rate and diameter are set.

実際のレンズのバックフォーカス長は、光の進む媒質により変化する。ここでは、球レンズと光ファイバの端面との間にコアレスファイバが存在しており、コアレスファイバの中を光が進むので、空気中で算出したバックフォーカス値を補正するのが望ましく、その補正値はコアレスファイバの長さに応じて変化する。そこで、請求項2の発明では、コアレスファイバの長さに応じて変化する補正値をバックフォーカス値として使用して、球レンズの屈折率と径を設定するようにしている。また、最適な球レンズの屈折率と径を求めるには、各種の条件を勘案しなくてはならないが、上述のように上限曲線と下限曲線との間の範囲で、球レンズの屈折率と径を設定できるようにしている。こうすることにより、簡単に最適な条件を見いだすことができて、レンズ設計の効率化が図れる。   The actual back focus length of the lens varies depending on the light traveling medium. Here, there is a coreless fiber between the spherical lens and the end face of the optical fiber, and light travels through the coreless fiber, so it is desirable to correct the back focus value calculated in the air, and the correction value Varies depending on the length of the coreless fiber. Therefore, in the invention of claim 2, the refractive index and the diameter of the spherical lens are set by using a correction value that changes according to the length of the coreless fiber as the back focus value. In addition, in order to obtain the optimum refractive index and diameter of the spherical lens, various conditions must be taken into consideration, but as described above, the refractive index of the spherical lens is within the range between the upper limit curve and the lower limit curve. The diameter can be set. By doing so, it is possible to easily find the optimum conditions and to improve the efficiency of the lens design.

また、請求項3の発明は、請求項2に記載のファイバコリメータであって、前記コアレスファイバの長さが、200μm以上800μm以下に設定されていることを特徴とする。   The invention of claim 3 is the fiber collimator according to claim 2, characterized in that the length of the coreless fiber is set to 200 μm or more and 800 μm or less.

本発明によれば、光ファイバと球レンズとを最適な関係に設定したので、高光結合効率のファイバコリメータを低コストに提供することができる。特に請求項2、3の発明によれば、反射損失及び結合効率の仕様を十分満たすことのできるファイバコリメータを容易に作製することができる。   According to the present invention, since the optical fiber and the spherical lens are set in an optimum relationship, a fiber collimator with high optical coupling efficiency can be provided at low cost. In particular, according to the second and third aspects of the invention, a fiber collimator that can sufficiently satisfy the specifications of reflection loss and coupling efficiency can be easily manufactured.

以下、本発明の実施形態を説明する。
図1(a)、(b)は実施形態のファイバコリメータの概略構成図である。これらのファイバコリメータは、中心部のコア101a及びその外周部のクラッド101bを有する125μmの標準外径の任意長さのシングルモード光ファイバ(SMF)101の端面に、コア101aと略同一の均一な屈折率を有する材料よりなるコアレスファイバ(CLF)102の一端面102aを融着接合し、そのコアレスファイバ102の長さを1mm未満に設定した上で、コアレスファイバ102の他端面102bを、光ファイバ101の光軸と垂直な面に対して0°に研削・研磨し、そのコアレスファイバの他端面102b側に光ファイバ101の光軸上に位置させて球レンズ(ボールレンズ)50またはドラムレンズ52を配置したものである。ドラムレンズ52は、元の球レンズの球面を光軸と交差する両レンズ面として残しながら、他の光学的に不要な外周を削り取った部分球レンズである。
Embodiments of the present invention will be described below.
1A and 1B are schematic configuration diagrams of the fiber collimator of the embodiment. These fiber collimators are formed on the end face of a single-mode optical fiber (SMF) 101 having a standard outer diameter of 125 μm having a core 101a at the center and a clad 101b at the outer periphery of the core 101a. One end face 102a of a coreless fiber (CLF) 102 made of a material having a refractive index is fusion bonded, and the length of the coreless fiber 102 is set to be less than 1 mm, and the other end face 102b of the coreless fiber 102 is connected to an optical fiber. A spherical lens (ball lens) 50 or a drum lens 52 is ground and polished at 0 ° with respect to a surface perpendicular to the optical axis of 101 and positioned on the optical axis of the optical fiber 101 on the other end surface 102b side of the coreless fiber. Is arranged. The drum lens 52 is a partially spherical lens in which the outer circumference of the original spherical lens is left as both lens surfaces intersecting with the optical axis and the other optically unnecessary outer periphery is removed.

光ファイバ端末の反射損失量は、コアレスファイバ102の長さに依存し、図4のような特性を持つ。現状の反射防止膜(ARコーティング)で保証できる反射損失は0.2%(27dB)であるので、ファイバ端末として反射損失量50dB以上をとるためには、ARコーティングがない状態で23dB以上の反射損失量が必要となることが分かる。従って、光ファイバ端末に融着するコアレスファイバ102の最低限必要な長さは、200μm以上であることが図4から分かる。   The reflection loss amount of the optical fiber terminal depends on the length of the coreless fiber 102 and has the characteristics as shown in FIG. The reflection loss that can be guaranteed with the current antireflection film (AR coating) is 0.2% (27 dB). Therefore, in order to obtain a reflection loss amount of 50 dB or more as a fiber terminal, the reflection of 23 dB or more without the AR coating is required. It turns out that the amount of loss is necessary. Therefore, it can be seen from FIG. 4 that the minimum required length of the coreless fiber 102 fused to the optical fiber terminal is 200 μm or more.

コアレスファイバ102の屈折率は光ファイバ101のコア101aとほぼ同等なので、光ファイバ101と球レンズ50の間にコアレスファイバ102を挿入したときの光路の概略は、正確には図5(b)のようになるが、ここでは第1近似として、図5(a)のように、空気と同じ屈折率を持つと仮定した場合の光路について先に考えてみる。   Since the refractive index of the coreless fiber 102 is substantially the same as that of the core 101a of the optical fiber 101, the outline of the optical path when the coreless fiber 102 is inserted between the optical fiber 101 and the spherical lens 50 is precisely shown in FIG. However, here, as a first approximation, the optical path when assuming that it has the same refractive index as air as shown in FIG. 5A will be considered first.

半径rの球レンズ50のバックフォーカス長(BF)は、次式(4)
BF=f−r ・・・(4)
で求めることができるので、目的のコリメータを構成するためのn、r、BFの関係式は、式(2)及び式(4)から、次の不等式(5)で表されることがわかる。

Figure 2005266217
The back focus length (BF) of the spherical lens 50 of radius r is given by the following formula (4)
BF = fr (4)
Therefore, it can be understood that the relational expression of n, r, and BF for constituting the target collimator is expressed by the following inequality (5) from the expressions (2) and (4).
Figure 2005266217

この式(5)におけるBFは、このデザインを適用することができるコアレスファイバ102の限界長(最大値)を示している。ここでBFとして、コアレスファイバ長Lの最小値である200μmを入れると、上記(5)式を満たす領域は、図6の一点鎖線で示す曲線Bの下側の範囲となる。   BF in the equation (5) indicates a limit length (maximum value) of the coreless fiber 102 to which this design can be applied. Here, when 200 μm, which is the minimum value of the coreless fiber length L, is entered as BF, the region satisfying the above equation (5) is the lower range of the curve B indicated by the one-dot chain line in FIG.

以上のことから、球レンズ50の収差円径δが光ファイバ101のコア101aのモードフィールド径以下となるように、球レンズ50の屈折率nと径R(R=2r)を設定し、なお且つ、コアレスファイバ102の必要反射損失量を確保するために予め規定されるコアレスファイバの最小長200μmよりも球レンズ50のバックフォーカスBFが大きくなるように、球レンズ50の屈折率nと径Rを設定すればよいことが分かる。   From the above, the refractive index n and the diameter R (R = 2r) of the spherical lens 50 are set so that the aberration circle diameter δ of the spherical lens 50 is equal to or smaller than the mode field diameter of the core 101a of the optical fiber 101. In addition, the refractive index n and the diameter R of the spherical lens 50 are set so that the back focus BF of the spherical lens 50 becomes larger than the minimum length 200 μm of the coreless fiber defined in advance in order to ensure the necessary reflection loss amount of the coreless fiber 102. It can be seen that it should be set.

即ち、同じ球径Rであれば、収差円径δで規定される領域は、屈折率nの下限を決め、バックフォーカス長BFによって規定される領域は、屈折率nの上限を決める意味を持っているという言うことができる。言い換えると、収差円径δとバックフォーカス長BFの両条件を満足する球面コリメータレンズ(球レンズ)の屈折率n及び球径R(曲率)は、図6の実線A(収差円径δ=10μmを満たす曲線)と一点鎖線B(BF=200μmを満たす曲線)で挟まれた領域であると言うことができる。   That is, if the spherical diameter R is the same, the region defined by the aberration circle diameter δ has the meaning of determining the lower limit of the refractive index n, and the region defined by the back focus length BF has the meaning of determining the upper limit of the refractive index n. I can say that. In other words, the refractive index n and the spherical diameter R (curvature) of the spherical collimator lens (spherical lens) satisfying both the conditions of the aberration circular diameter δ and the back focus length BF are the solid line A (aberration circular diameter δ = 10 μm) in FIG. It can be said that this is a region sandwiched between a dotted line B (a curve satisfying BF = 200 μm).

次に、コアレスファイバ102がガラス媒質であることを考慮して検討を加える。この時、図5(c)のように、光路長が長くなるので、第1近似で考えた焦点位置よりも、δfだけファイバ端面が遠くなる。つまり、この長さだけコアレスファイバ102の長さを長くとることができることを意味する。幾何学的な考察から、ガラス媒質中で光軸となす角をθ1、空気媒質からの入射角度をθ2とすると、δfは、次式(6)として求められる。

Figure 2005266217
Next, the coreless fiber 102 is examined considering that it is a glass medium. At this time, as shown in FIG. 5C, since the optical path length becomes long, the fiber end face becomes farther by δf than the focal position considered in the first approximation. That is, it means that the length of the coreless fiber 102 can be increased by this length. From geometric considerations, if the angle formed with the optical axis in the glass medium is θ1, and the incident angle from the air medium is θ2, δf is obtained as the following equation (6).
Figure 2005266217

このθ1及びθ2は、図7に示すようなコアレスファイバ長依存性を持つことが、光学シミュレーションにより得られているので、これを元に各々の角度におけるδfをプロットすると、図8に示した相関が得られることがわかった。両者の関係は線形関係を持っており、この直線の傾きから、光ファイバ端末に用いるコアレスファイバ102の長さの32%に相当する距離だけ、コアレスファイバ102を長くとることができることが判明した。従って、必要なコリメータレンズ(球レンズ50)のバックフォーカス長BFは、コアレスファイバ長Lに応じた実効値として、式(4)を変形して、次式(7)として得られる。
BF=f−r+L×0.32 ・・・(7)
この関係から求めた曲線が、図6の点線で示す曲線Cである。
Since it has been obtained by optical simulation that θ1 and θ2 have the coreless fiber length dependence as shown in FIG. 7, when δf at each angle is plotted based on this, the correlation shown in FIG. Was found to be obtained. The relationship between the two has a linear relationship. From the inclination of this straight line, it has been found that the coreless fiber 102 can be made longer by a distance corresponding to 32% of the length of the coreless fiber 102 used in the optical fiber terminal. Therefore, the required back focus length BF of the collimator lens (sphere lens 50) is obtained as the following equation (7) by transforming equation (4) as an effective value corresponding to the coreless fiber length L.
BF = fr−L × 0.32 (7)
A curve obtained from this relationship is a curve C indicated by a dotted line in FIG.

即ち、第1近似の場合に比べて、同じRであればより高い屈折率の材料を、同じ屈折率であればよりRの小さい球径を取ることができるので、領域は広がり、図6の実線Aと点線Cとに挟まれた領域となる。この結果は、ここに示した範囲内に収まるように、球レンズ50の球径(曲率)rと材料屈折率nを選択すれば、目的の性能を有するファイバコリメータを実現できるコリメータレンズとなることを、初めて原理的に示している。   That is, as compared with the case of the first approximation, a material having a higher refractive index can be obtained with the same R, and a sphere having a smaller R can be obtained with the same refractive index. The region is sandwiched between the solid line A and the dotted line C. If the spherical diameter (curvature) r and the material refractive index n of the spherical lens 50 are selected so that the result falls within the range shown here, a collimator lens that can realize a fiber collimator having the desired performance can be obtained. For the first time in principle.

以上のことをまとめると、上述の検討から、球レンズ50の収差円径δと光ファイバ101のコア101aの径とが等しくなるときの球レンズ50の屈折率nと径Rの関係曲線を下限曲線(実線A)とし、コアレスファイバ102の必要反射損失量(50dB)を確保するために予め規定されるコアレスファイバ102の最小長200μm以上に設定されたコアレスファイバ102の長さLと、そのコアレスファイバ102の長さLに応じて補正される球レンズ50のバックフォーカスBFとが等しくなるときの球レンズ50の屈折率nと径Rの関係曲線を上限曲線(点線C)とした場合に、それら上限曲線と下限曲線の間に挟まれる範囲内で、球レンズ50の屈折率nと径Rを設定すればよいことが分かる。   To summarize the above, from the above examination, the relationship curve between the refractive index n and the diameter R of the spherical lens 50 when the aberration circle diameter δ of the spherical lens 50 and the diameter of the core 101a of the optical fiber 101 become equal is the lower limit. A length L of the coreless fiber 102 set to a minimum length of 200 μm or more and a coreless length of the coreless fiber 102 defined in advance in order to secure a necessary reflection loss amount (50 dB) of the coreless fiber 102 as a curved line (solid line A) When the relationship curve between the refractive index n and the diameter R of the spherical lens 50 when the back focus BF of the spherical lens 50 corrected according to the length L of the fiber 102 becomes equal is the upper limit curve (dotted line C), It can be seen that the refractive index n and the diameter R of the spherical lens 50 may be set within a range between the upper limit curve and the lower limit curve.

ちなみにコアレスファイバ長が800μmの場合では、図6の細線Dのように、収差円径の下限曲線Aとの交点が存在しなくなる。これは、コリメータレンズの観点からは、コアレスファイバ長を800μm以上とっても、原理的に意味が無いことを示している。   Incidentally, when the coreless fiber length is 800 μm, the intersection with the lower limit curve A of the aberration circle diameter does not exist as shown by the thin line D in FIG. This indicates that, from the viewpoint of the collimator lens, even if the coreless fiber length is 800 μm or more, there is no meaning in principle.

実用上の問題を考慮した場合、収差円径とバックフォーカス長、即ちコアレスファイバ長には、より強い制限が加わり、適合する領域は狭くなる傾向になる。   When practical problems are taken into consideration, the aberration circle diameter and the back focus length, that is, the coreless fiber length are more strongly limited, and the compatible region tends to be narrowed.

収差円径を考える場合、球面収差だけでなく、ザイデルの5収差に代表される収差が生じており、それを総合した波面収差の影響を考えなければならない。現実には、球面収差によって生じる収差円径よりも大きく、かつ非対称形で焦点ボケが生じている。また単一の波長で最適設計を行っても、波長多重信号を取り扱う場合、材料の屈折率分散に依存した色収差によって、δ値は大きくなってしまう。さらに、同じレンズであれば、長波長になるほどδは大きくなる傾向がある。したがって、δ値を単一の設計波長でモードフィールド径一杯にとってしまうと、結合損失が発生する恐れがあるので、ある程度小さめに設定するべきである。   When considering the diameter of the aberration, not only spherical aberration but also aberrations represented by Seidel's five aberrations occur, and the influence of wavefront aberration that combines them must be considered. Actually, the blurring is asymmetrical and larger than the diameter of the aberration caused by spherical aberration. Even when an optimum design is performed with a single wavelength, when a wavelength multiplexed signal is handled, the δ value becomes large due to chromatic aberration depending on the refractive index dispersion of the material. Furthermore, for the same lens, δ tends to increase as the wavelength increases. Therefore, if the δ value is filled to the full mode field diameter at a single design wavelength, coupling loss may occur, so it should be set somewhat smaller.

またコアレスファイバ長については、ファイバ端面におけるARコーティングの反射率は実力で23dB程度であることから、最短でも350μm程度取る必要があること、また500μm以上では、ファイバ端末からの出射光に損失が発生する場合がある。従って、コアレスファイバの長さとしては350μmから500μm程度が好ましい範囲である。   As for the coreless fiber length, the reflectance of the AR coating on the fiber end face is about 23 dB, so it is necessary to take about 350 μm at the shortest, and when it is 500 μm or more, loss occurs in the light emitted from the fiber end. There is a case. Accordingly, the preferred length of the coreless fiber is about 350 μm to 500 μm.

以上のことに鑑みて、収差円径の上限を8μm、コアレスファイバ長を350μm及び500μmとした場合の、レンズ径R及び屈折率nの適合範囲を図9に示す。このようにパラメータを現実に照らし合わせて考慮すると、適合するレンズのデザインは非常に狭くなる。   In view of the above, FIG. 9 shows the compatible range of the lens diameter R and the refractive index n when the upper limit of the aberration circle diameter is 8 μm and the coreless fiber lengths are 350 μm and 500 μm. In this way, when considering the parameters in reality, the design of the compatible lens becomes very narrow.

ところで、通常の光学設計で最も重要なレンズパラメータはfであるが、fは(2)式に示すように、nとrとの2パラメータによって決まる値なので、設計したnとrが、コリメートレンズとして適当かどうかを判定する場合、本発明の内容は極めて有用である。   By the way, the most important lens parameter in the normal optical design is f. Since f is a value determined by two parameters n and r as shown in the equation (2), the designed n and r are the collimating lenses. The contents of the present invention are extremely useful when it is determined whether or not it is appropriate.

具体的な実施例として、焦点距離fの設計値を2.0mmとした場合の、n及びrの選定手順について述べる。f=2.0mmでは、nとR(=2r)は、式(2)より図10の実線Pで表示された組合せで実現される。しかし高い結合効率を有するコリメータを作製するという目的のもとでは、上述したように、収差円径δ<8μm以下、コアレスファイバ長が350μm以上という制限が加わり、nとRの範囲は強い制限を受ける。何ら指針が無い場合は、どの組合せが適当かを確かめるには、いちいち計算を行うか、あるいは試作して確かめなければならないが、本発明を利用すれば、領域を明確に定義できる。   As a specific example, a procedure for selecting n and r when the design value of the focal length f is 2.0 mm will be described. When f = 2.0 mm, n and R (= 2r) are realized by the combination indicated by the solid line P in FIG. However, for the purpose of producing a collimator having high coupling efficiency, as described above, the limitations of aberration circle diameter δ <8 μm or less and coreless fiber length of 350 μm or more are added, and the range of n and R is strongly limited. receive. When there is no guideline, in order to confirm which combination is appropriate, it is necessary to perform calculation or to make a trial product, but if the present invention is used, the region can be clearly defined.

即ち、図10から、3.17mm<R<3.52mm及び1.65<n<1.79の範囲で、球径と硝材を選択すれば、間違いなく目的の光学特性を有するコリメータレンズ(球レンズ)を作ることができる。   That is, from FIG. 10, if a sphere diameter and a glass material are selected in a range of 3.17 mm <R <3.52 mm and 1.65 <n <1.79, a collimator lens (sphere Lens).

この制限は、コアレスファイバ長が長くなるほど厳しくなり、領域はさらに強い制限を受けるため、硝材の選定は通常困難を極める。しかし、このような場合でも、同様に図10において、コアレスファイバ長500μmの場合に表現されるn−R曲線を利用すれば、極めて簡易的に球径と硝材を選択できる。この場合では、3.17mm<R<3.32mm及び1.65<n<1.71の範囲で選択すれば良い。この範囲に適合するガラス硝種は十数種しかなく、この中から使用目的に適合した分散や、化学的/機械的性質をもつガラス硝種の選択は極めて容易である。   This limitation becomes more severe as the length of the coreless fiber becomes longer, and the region is subjected to stronger limitations, so selection of the glass material is usually extremely difficult. However, even in such a case, the spherical diameter and the glass material can be selected very simply by using the n-R curve expressed in FIG. 10 when the coreless fiber length is 500 μm. In this case, selection may be made within the range of 3.17 mm <R <3.32 mm and 1.65 <n <1.71. There are only a dozen or more glass glass types that meet this range, and it is very easy to select a glass glass type having dispersion and chemical / mechanical properties suitable for the intended use.

このように、本発明で示した使用可能材料領域の定義方法は、レンズ設計を簡便にまた確実に行うことができることから、非常に有用なツールであると言える。   As described above, the method of defining the usable material region shown in the present invention can be said to be a very useful tool because the lens design can be easily and reliably performed.

実際にコアレスファイバ付き光ファイバ端末と、コリメータレンズの組合せで、コリメータ対を作製し、結合損失を測定した。光ファイバ端末は前述した方法に従って作製し、キャピラリ外径としてφ1.80、コアレスファイバ長として300μmから400μmのコアレスファイバ付き光ファイバ端末を準備した。コリメータレンズとして、次表1に示した硝材(HOYA硝材)について、表中に示した外径寸法の球レンズを準備した。用意したレンズは、本発明の内容に従って、全て収差円径δが8μm以下になるように、球レンズ外径と硝材屈折率を設計してある。値は全て波長1550nmの場合を示す。   A collimator pair was actually fabricated by combining an optical fiber terminal with a coreless fiber and a collimator lens, and the coupling loss was measured. The optical fiber terminal was manufactured according to the method described above, and an optical fiber terminal with a coreless fiber having a capillary outer diameter of φ1.80 and a coreless fiber length of 300 μm to 400 μm was prepared. As a collimator lens, a spherical lens having the outer diameter shown in the table was prepared for the glass material (HOYA glass material) shown in Table 1 below. The prepared lenses are designed in accordance with the contents of the present invention so that the outer diameter of the spherical lens and the refractive index of the glass material are all designed so that the aberration circle diameter δ is 8 μm or less. All values are for a wavelength of 1550 nm.

Figure 2005266217
Figure 2005266217

次に図11に示すように、内径φ1.85、長さ7mmのガラス管60の先端に球レンズ50を接着剤(UV接着剤)65で固定し、反対側からファイバ付きキャピラリ67を挿入する。レンズ50の焦点距離から求められる最大伝播距離で、光ファイバと球レンズ50の相対位置を最適化するように、ファイバ付きキャピラリ67の位置調整を行い、接着剤で固定した。   Next, as shown in FIG. 11, a spherical lens 50 is fixed to the tip of a glass tube 60 having an inner diameter φ of 1.85 and a length of 7 mm with an adhesive (UV adhesive) 65, and a capillary 67 with a fiber is inserted from the opposite side. . The position of the capillary 67 with the fiber was adjusted and fixed with an adhesive so as to optimize the relative position between the optical fiber and the spherical lens 50 with the maximum propagation distance obtained from the focal length of the lens 50.

このような方法で、ファイバコリメータを複数作製して、λ=1550nmのLD光源を用いて、コリメータ対の結合損失の距離依存性を測定し、その最小結合損失値を得た。その結果、表1に示すように、何れのレンズでも充分低損失なコリメータができることを実証できた。   A plurality of fiber collimators were manufactured by such a method, and the distance dependence of the coupling loss of the collimator pair was measured using an LD light source of λ = 1550 nm, and the minimum coupling loss value was obtained. As a result, as shown in Table 1, it was proved that a collimator with a sufficiently low loss can be obtained with any lens.

本発明の実施形態の説明図であり、(a)は球レンズとしてボールレンズ(全球レンズ)を用いた場合、(b)は球レンズとしてドラムレンズ(部分球レンズ)を用いた場合を示す図である。It is explanatory drawing of embodiment of this invention, (a) is a case where a ball lens (full ball lens) is used as a spherical lens, (b) is a figure which shows the case where a drum lens (partial ball lens) is used as a spherical lens. It is. 球レンズのバックフォーカス長とコアレスファイバ長の関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship between the back focus length of a spherical lens, and a coreless fiber length. 球レンズの収差円径δ<10μmを満たすn(屈折率)とR(球直径)の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between n (refractive index) and R (spherical diameter) which satisfy | fill the aberration circular diameter (delta) <10micrometer of a spherical lens. コアレスファイバ長と反射損失の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between coreless fiber length and reflection loss. コアレスファイバによるバックフォーカス値の変化についての説明図である。It is explanatory drawing about the change of the back focus value by a coreless fiber. 球レンズの直径と屈折率の関係を各条件ごとに示す図である。It is a figure which shows the relationship between the diameter of a spherical lens, and refractive index for every condition. コアレスファイバ端面における入射角度のファイバ長依存性についての説明図である。It is explanatory drawing about the fiber length dependence of the incident angle in a coreless fiber end surface. 球レンズのバックフォーカスの補正値に関係する値のコアレスファイバ長依存性を示す図である。It is a figure which shows the coreless fiber length dependence of the value related to the correction value of the back focus of a spherical lens. 具体的なコアレスファイバ長が与えられた場合の、球レンズの直径と屈折率のとらえ方を説明するための図である。It is a figure for demonstrating how to grasp the diameter and refractive index of a spherical lens when a specific coreless fiber length is given. 具体的なコアレスファイバ長が与えられた場合の、球レンズの直径と屈折率のとらえ方を説明するための図である。It is a figure for demonstrating how to grasp the diameter and refractive index of a spherical lens when a specific coreless fiber length is given. 本発明の具体的構成例を示す外観図である。It is an external view which shows the specific structural example of this invention. 従来の光結合における問題点の説明図である。It is explanatory drawing of the problem in the conventional optical coupling. 従来のコアレスファイバ付き光ファイバ端末の構成図である。It is a block diagram of the conventional optical fiber terminal with a coreless fiber. 球レンズを使用する場合のファイバコリメータの説明図である。It is explanatory drawing of the fiber collimator in the case of using a spherical lens. 球面レンズの収差円径の説明図である。It is explanatory drawing of the aberrational circle diameter of a spherical lens.

符号の説明Explanation of symbols

101 光ファイバ
101a コア
101b クラッド
102 コアレスファイバ
50 球レンズ
52 ドラムレンズ
101 optical fiber 101a core 101b clad 102 coreless fiber 50 ball lens 52 drum lens

Claims (3)

中心部のコア及びその外周部のクラッドを有する光ファイバの端面に、前記コアと略同一で均一な屈折率を有する材料よりなるコアレスファイバの一端面を接合し、前記光ファイバの光軸上で前記コアレスファイバの他端面側に球レンズを配置すると共に、前記コアレスファイバを通しての前記球レンズの焦点を、前記光ファイバのコアの端面上に位置させたファイバコリメータであって、
前記球レンズの収差円径が光ファイバのモードフィールド径以下となるように、球レンズの屈折率と径が設定され、且つ、前記コアレスファイバの必要反射損失量を確保するために予め規定されるコアレスファイバの最小長よりも前記球レンズのバックフォーカスが大きくなるように、球レンズの屈折率と径が設定されていることを特徴とするファイバコリメータ。
One end face of a coreless fiber made of a material having a uniform refractive index substantially the same as the core is bonded to the end face of the optical fiber having a core at the center and a clad at the outer periphery thereof, on the optical axis of the optical fiber. A fiber collimator in which a spherical lens is disposed on the other end surface side of the coreless fiber, and the focal point of the spherical lens passing through the coreless fiber is positioned on the end surface of the core of the optical fiber,
The refractive index and the diameter of the spherical lens are set so that the aberration circle diameter of the spherical lens is equal to or smaller than the mode field diameter of the optical fiber, and is specified in advance to ensure the necessary reflection loss amount of the coreless fiber. A fiber collimator, wherein a refractive index and a diameter of a spherical lens are set so that a back focus of the spherical lens is larger than a minimum length of a coreless fiber.
請求項1に記載のファイバコリメータであって、
前記球レンズの収差円径と光ファイバのモードフィールド径とが等しくなるときの前記球レンズの屈折率と径の関係曲線を下限曲線とし、
前記コアレスファイバの必要反射損失量を確保するために予め規定されるコアレスファイバの最小長以上に設定されたコアレスファイバの長さと、そのコアレスファイバの長さに応じて補正される前記球レンズのバックフォーカスとが等しくなるときの前記球レンズの屈折率と径の関係曲線を上限曲線とし、
それら上限曲線と下限曲線の間に挟まれる範囲内で、前記球レンズの屈折率と径が設定されていることを特徴とするファイバコリメータ。
The fiber collimator according to claim 1, wherein
The relationship curve between the refractive index and the diameter of the spherical lens when the aberration circle diameter of the spherical lens is equal to the mode field diameter of the optical fiber is a lower limit curve,
The length of the coreless fiber set to be equal to or larger than the minimum length of the coreless fiber defined in advance in order to secure the necessary reflection loss amount of the coreless fiber, and the back of the spherical lens corrected according to the length of the coreless fiber The relationship curve between the refractive index and the diameter of the spherical lens when the focus becomes equal is the upper limit curve,
A fiber collimator characterized in that the refractive index and diameter of the spherical lens are set within a range between the upper limit curve and the lower limit curve.
請求項2に記載のファイバコリメータであって、
前記コアレスファイバの長さが、200μm以上800μm以下に設定されていることを特徴とするファイバコリメータ。
The fiber collimator according to claim 2, wherein
The length of the said coreless fiber is set to 200 micrometers or more and 800 micrometers or less, The fiber collimator characterized by the above-mentioned.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2017026660A (en) * 2015-07-16 2017-02-02 住友金属鉱山株式会社 Optical fiber terminal
CN113820788A (en) * 2021-10-05 2021-12-21 桂林电子科技大学 Shaping method for linear emergent light field at optical fiber end of flow cytometer

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