JP2005300893A - 光ファイバコリメータ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 コリメートレンズと光ファイバとの接続強度を向上でき、低コストにて歩留まりよく製造できる光ファイバコリメータおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】 屈折率分布型コリメートレンズ１の端面２に１本または複数本の光ファイバ７が融着接続された光ファイバコリメータ１０であって、コリメートレンズ１の光軸３を含む平面のうち前記光ファイバ７の外周輪郭の幅が最大となる平面に沿った前記コリメートレンズ１と前記光ファイバ７との接続部９の断面形状の外周の輪郭において、コリメートレンズ１の半径をＲ、コリメートレンズ１の半径Ｒと光ファイバ７の外周輪郭の最大幅Ｗmaxの半分との差をΔとおくとき、接続部９の外周輪郭上において、光軸３からの距離がＷmax／２＋（１／３）Δとなる点Ａと光軸３からの距離がＷmax／２＋（２／３）Δとなる点Ｂとを結ぶ直線Ｃの光軸３に対する傾きθを７０°以下とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光ファイバコリメータ及びその製造方法に関する。

特許文献１に、屈折率分布型コリメートレンズ（ロッドレンズともいう）の端面に光ファイバが直接融着接続された光ファイバコリメータが記載されている。ここで、屈折率分布型コリメートレンズは、レンズの屈折率が、レンズの光軸に近いほど大きく、光軸から離れて外周に近づくほど小さくなるように漸次変化して分布しているグレーデッドインデックス（Graded-Index）型の屈折率分布を有するものである。図９に示すように、コリメートレンズ１と光ファイバ７との融着接続は、放電やＣＯ_２レーザー等の照射１１によりコリメートレンズ１の端面２を局所的に加熱することによって行うことができる。そして、このような手段によりコリメートレンズ１と光ファイバ７との接続部９周辺の熱変形を最小限に抑制するようにしている。
特開２００３−８４１６７号公報

上記特許文献１に記載された発明によれば、融着接続時に生じる熱がレンズの特性に与える影響が少なく、融着前後でレンズの特性の変動が小さいため、安定した特性のコリメータを作製することができる。
しかしながら、レンズは接続部を局所的に加熱されるため、レンズの溶融が表面的なものになってしまい、レンズと光ファイバとの融着接続の機械強度が比較的弱くなるおそれがある。このため、ロッドレンズに融着固定された石英ガラス製キャピラリ（補強部材）内に光ファイバ心線の先端部を収容して機械的強度を高めている。しかし、部品点数が多くなり、製造工数も多くなることから、製造コストが増大するという問題が不可避であった。
さらに、図９に示すように、レンズ１の端面２のみを加熱しようとすると、レーザ光１１のビーム径をレンズ径以下に絞り込まなければならないため、焦点でのビーム径が小さくなり、レンズ１の加熱箇所においてレーザ１１の強度の分布が極端になる。このように、レーザのわずかな光軸ずれによって接続部におけるレーザ光の強度が大きく変動してレンズの溶融具合にも大きな影響を及ぼすことになるので、レーザ光の光軸調整が非常に難しく、生産性が悪くなってしまう。また、レンズと光ファイバの接続状態が融着時の外乱の影響も受けやすくなるので、歩留まりが安定せず、悪くなるおそれがある。
また、レンズと光ファイバとを放電により融着接続する場合は、レーザ光に比べて照射位置のコントロールが難しいため、レンズ端面のみを溶融させることが難しい。従って、製品の特性のばらつきが大きくなり、歩留まりが悪くなったり製造コストが増大するおそれがある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、コリメートレンズと光ファイバとの接続強度を向上でき、低コストにて歩留まりよく製造できる光ファイバコリメータおよびその製造方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、屈折率分布型コリメートレンズの端面に１本または複数本の光ファイバが融着接続された光ファイバコリメータであって、前記コリメートレンズの光軸を含む平面のうち前記光ファイバの外周輪郭の幅が最大となる平面に沿った前記コリメートレンズと前記光ファイバとの接続部の断面形状の外周の輪郭において、前記コリメートレンズの半径をＲ、前記コリメートレンズの半径Ｒと前記光ファイバの外周輪郭の最大幅Ｗmaxの半分との差をΔとおくとき、前記接続部の外周輪郭上において、前記光軸からの距離がＷmax／２＋（１／３）Δとなる点と前記光軸からの距離がＷmax／２＋（２／３）Δとなる点とを結ぶ直線の前記光軸に対する傾きが７０°以下であることを特徴とする光ファイバコリメータを提供する。
この光ファイバコリメータにおいて、前記コリメートレンズの融着接続前の長さをＬ、ピッチの長さをＰとおくとき、比Ｌ／Ｐが、０．２５（２ｎ−１）＋０．０１≦Ｌ／Ｐ≦０．２５（２ｎ−１）＋０．０５（但し、ｎは１以上の整数）で表される範囲内であることが好ましい。
また、本発明は、上述の光ファイバコリメータの製造方法として、コリメートレンズの端面と側面との隅部を含む端部にＣＯ_２レーザまたはアーク放電を照射して加熱し、該コリメートレンズに光ファイバを融着接続することを特徴とする光ファイバコリメータの製造方法を提供する。

本発明の光ファイバコリメータによれば、コリメートレンズと光ファイバとの接続部に充分な接続強度を持たせることができ、かつ良好な光学特性を有する光ファイバコリメータを得ることができる。また、キャピラリなどの補強部材が不要となり、部品点数や製造工数を少なくすることができる。
本発明の光ファイバコリメータの製造方法によれば、レーザのビーム径や放電の照射位置を絞る必要がなく、接続部の溶融具合が外乱の影響を受けにくくなる。このため従来よりも安定した融着接続を行うことができ、製品の光学特性も従来より安定する。したがって、生産性に優れており、歩留まりの向上が期待できる。

以下、最良の形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
図１（ａ）は、本発明の光ファイバコリメータの一形態例を示す正面図である。図１（ｂ）は、本発明の光ファイバコリメータの接続部付近の外側輪郭形状を説明する図面である。図１（ｃ）は、本発明の光ファイバコリメータの接続部付近をコリメートレンズの光軸に沿う方向に見た端面図である。図２は、本発明の光ファイバコリメータの製造方法を説明する図である。図３は、本形態例の光ファイバコリメータの斜視図である。

図１、図３に示すように、本形態例の光ファイバコリメータ１０は、屈折率分布型コリメートレンズ１（以下、単にコリメートレンズという場合がある）の一方の端面２に、１本または複数本の光ファイバ７が融着接続されたものである。ここで、光ファイバ７は、被覆付き光ファイバ８の先端部から樹脂被覆が剥離されることによリ露出された裸光ファイバである。本形態例においては、コリメートレンズ１の端面２には、光軸３に対して対称となるように２本の光ファイバ７が融着接続されている。被覆付き光ファイバ８の外径には特に制限が設けられないが、例えば、外径０．２５〜０．９ｍｍの光ファイバ素線や光ファイバ心線を好適に使用できる。

前記コリメートレンズ１としては、図２に示すように、石英ガラスを主成分とする材料からなるロッド状（円筒状）のロッドレンズが用いられる。このロッドレンズは、石英ガラスを主成分とし、その屈折率が、レンズの光軸に近いほど大きく、光軸から離れて外周に近づくほど小さくなるように、漸次変化して分布していることを特徴とするものである。ロッドレンズ１の両端面２，４は、互いに平行な平面である。コリメートレンズの屈折率分布は、石英系ガラス中に添加されるゲルマニウム等のドーパントの濃度分布により付与することができる。
このようなコリメートレンズ１は、光ファイバ７と同様に、石英ガラスを主成分とするものなので、軟化点、熱膨張係数、および屈折率の差が極めて小さい。従って、融着により容易かつ強固に接続でき、かつコリメートレンズ１と光ファイバ７との接続部９における光の反射が効果的に抑制される。しかも、光ファイバ７とコリメートレンズ１とが直接接続されているので、高強度の光に対する耐性が著しく高いものとなる。

そして、光ファイバコリメータ１０は、コリメートレンズ１と光ファイバ７との接続部９の外周輪郭に下記のような特徴を有する。すなわち、図１（ｂ）に示すように、コリメートレンズ１の光軸３を含む平面のうち光ファイバ７の外周輪郭の幅が最大（Ｗmax）となる平面に沿った接続部９の断面形状の外周の輪郭をとる。光ファイバコリメータ１０の接続部９の外周輪郭は、例えばＣＣＤカメラなどを用いて観察し、撮像することができる。そして、光ファイバコリメータ１０を光軸３の周りに回転させたときに、光ファイバ７の外周輪郭の幅が最大となる向きを決定し、このときの光ファイバ７の外周輪郭の幅をＷmaxとする。
つまり、光ファイバ７の本数が１本であるとき、光ファイバ７の外周輪郭の最大幅Ｗmaxは、光ファイバ７の外径（クラッド径）に等しい。また、光ファイバ７の本数が複数本であるとき、光ファイバ７の外周輪郭の最大幅Ｗmaxは、図１（ｃ）に示すようにコリメートレンズ１の光軸３方向に沿って接続部９側の端面２を正視したとき、光ファイバ７の束を構成する各光ファイバ７の外周を囲む外接円Ｄの直径に等しい。

さらに、図１（ｂ）に示すように、コリメートレンズ１の半径をＲ、コリメートレンズ１の半径Ｒと光ファイバ７の外周輪郭の最大幅Ｗmaxの半分との差をΔとおく（つまり、Δ＝Ｒ−Ｗmax／２）。
ここで、本発明の光ファイバコリメータ１０は、接続部９のコリメートレンズ１側の外周輪郭上において、コリメートレンズ１の光軸３からの距離がＷmax／２＋（１／３）Δとなる点Ａと前記光軸３からの距離がＷmax／２＋（２／３）Δとなる点Ｂとを結ぶ直線Ｃの前記光軸３に対する傾き（傾斜角）θが７０°以下であることを特徴とする。以下の説明では、この傾きθを接続部９の傾きθという場合がある。
接続部９の傾きθを７０°以下とすることにより、後述の実施例等に示す通り、接続部の破断強度が充分に高い光ファイバコリメータ１０を得ることができる。

次に、本発明の光ファイバコリメータ１０の製造方法について説明する。
図２に示すように、コリメートレンズ１と光ファイバ７との融着は、ＣＯ₂レーザやアーク放電等の加熱手段によって行うことができる。ここで、加熱前のコリメートレンズ１は、図２、図８に示すように円筒形であり、光ファイバ７が接続されるべき端面２は、光軸３に垂直な平面である。また、コリメートレンズ１は、接続側の端面２と反対側の端面４（レンズ主面）が、平行な平面になっている。
コリメートレンズ１の端面２と側面５との隅部６を含む端部にＣＯ_２レーザまたはアーク放電の照射１１を当ててコリメートレンズ１の端部全体を加熱し、ガラスを溶融させる。このコリメートレンズ１の端部に光ファイバ７を融着接続する。
コリメートレンズ１に与える熱量は、多いほどレンズ１の溶融量が大きくなるので、コリメートレンズ１の端面２は丸みを帯びた形状またはテーパ状となり、接続部９の傾きθが小さくなる。

図４に、コリメートレンズ１の端部に与える熱量の大きさを５通りに変えたときに得られたそれぞれの光ファイバコリメータ１０について接続部９の外周輪郭形状の概略を示す。図４に示すように、熱量が少ない場合には、光ファイバ７とコリメートレンズ１の外周輪郭が階段状に残り、接続部９の傾きが９０°に近い大きさになっている。これに対し、熱量が多い場合には、光ファイバ７とコリメートレンズ１の外周輪郭が緩やかなテーパ状になり、接続部９の傾きθがより小さくなっていることが分かる。

次に、コリメートレンズ１の寸法について説明する。コリメートレンズ１の寸法には特に制限を設けないが、光ファイバコリメータ１０の小型化を達成するには、コリメートレンズ１の外径は０．３〜１．９ｍｍとするのが好ましい。
コリメートレンズ１の長さＬは、一般的には、図８に示すように、コリメートレンズの外径と屈折率分布とに基づき、ピッチ長が約０．２５またはその奇数倍となるように決定するのが好ましい。ここでコリメートレンズ１のピッチＰとは、図８に示すように、コリメートレンズが十分に長いものと仮定し、その中を光が一定の周期をもって光軸３からの距離を変化させながら伝搬するとき、その周期Ｐをあらわすコリメートレンズの長手方向の長さである。コリメートレンズのピッチ長は、前記ピッチＰを単位としてレンズ長Ｌを表記したものであり、比Ｌ／Ｐに該当する。

本発明においては、コリメートレンズの融着前に平面であった端面に光ファイバが融着接続された光ファイバコリメータにおいて、上述の定義による接続部の傾きθが７０°以下であるため、コリメートレンズ１の端部に大きな熱量が与えられている。このため、コリメートレンズ１の融着接続部付近のドーパントが熱により拡散するなどの影響により、コリメートレンズの接続部付近では光をコリメートする効果が得られないか又は小さくなっていることがある。このため、融着接続する前のコリメートレンズの長さＬは、０．２５ピッチまたはその奇数倍よりも若干長いことが好ましい。具体的には、コリメートレンズのピッチＰに対する長さＬの比Ｌ／Ｐが、０．２５（２ｎ−１）＋０．０１≦Ｌ／Ｐ≦０．２５（２ｎ−１）＋０．０５（但し、ｎは１以上の整数）で表される範囲内であることが好ましい。これにより、融着接続部近辺のレンズ効果が小さくなっていても、その分レンズ長Ｌが長くなっているため、コリメートレンズ１の接続部９側とは反対側の端面４からの出射光が平行光となり、高いコリメート性能を発揮することができる。

本発明の光ファイバコリメータによれば、接続部の傾きθが７０°以下であることにより、コリメートレンズの端部の溶融量が多くなり、光ファイバとの融着接続の強度がより強固になる。従って、コリメートレンズと光ファイバとの接続部に充分な接続強度を持たせることができ、かつ良好な光学特性を有する光ファイバコリメータを得ることができる。また、石英ガラス管などの補強部材が不要となり、部品点数や製造工数を少なくすることができる。

本発明の光ファイバコリメータの製造方法によれば、コリメートレンズの端部をレンズ径よりも広い範囲にわたって加熱するため、レーザのビーム径や放電の照射位置を絞る必要がなく、接続部の溶融具合が外乱の影響を受けにくくなる。このため従来よりも安定した融着接続を行うことができ、製品の光学特性も従来より安定する。したがって、生産性に優れており、歩留まりの向上が期待できる。
光ファイバとの融着接続の際に、コリメートレンズの端部の加熱範囲が広く取れるので、熱源としてアーク放電を利用した場合でも、照射位置のコントロールが容易になり、特性の優れた製品を得ることができる。放電による加熱は、ＣＯ_２レーザよりも安価に利用できるので、製造コストを低減することができる。

以上、本発明を最良の形態に基づいて説明してきたが、本発明は上述の最良の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。
例えば、コリメートレンズ１の接続部９とは反対側の端面４に、反射防止膜や誘電体多層膜フィルタを設けてもよい。
反射防止膜を設けた場合には、コリメータの端面における光の反射を低減することができる。前記反射防止膜としては、特に限定されるものではないが、例えば、Ｔａ_２Ｏ_５とＳｉＯ_２からなる多層膜、またはＴｉＯ_２とＳｉＯ_２からなる多層膜であって、積層数が１０層以下であるものが例示できる。
誘電体多層膜としては、特に限定されるものではないが、例えば、高屈折率物質と低屈折率物質（例えばＴａ_２Ｏ_５とＳｉＯ_２の組み合わせ）を交互に積層して、総膜数を約１００層、膜厚を約３０μｍとしたものを用いることができる。誘電体多層膜の総膜数および各膜の材料は、用途等に応じて種々の条件を設定することができるが、誘電体多層膜をバンドパスフィルタとして利用するためには、その総膜数としては通常５０〜１４０層が必要とされる。

図１に示すような光ファイバコリメータ１０を製造するに際し、前記接続部９の傾きθの大きさによってコリメートレンズ１と光ファイバ７との接続強度がどのように変動するかを確認するため、コリメートレンズ１と光ファイバ７をＣＯ_２レーザで加熱するときのレーザ強度を、光ファイバコリメータ１０ごとに変えることにより、接続部９の傾きθの大きさの異なる光ファイバコリメータ１０を作製した。
光機能部品の信頼性評価としてデファクトスタンダードとなっている米国Telcordia社の規格に基づき、得られた光ファイバコリメータ１０の接続部９が破断するまで光ファイバ７に引張応力を加えることによって接続部９の破断強度を測定し、この破断強度が４５０ｇ以上であるものを合格とした。

図５に、破断試験に供した各光ファイバコリメータ１０の接続部９の傾きθと破断強度の測定結果との関係を示す。図４に示す破線は、破断強度が４５０ｇであることを示す。
図５に示す結果から明らかなように、接続部９の傾きθが７０°以下であると充分な接続強度が得られ、光ファイバを補強するためキャピラリ等の補強部材が必要ないことが分かる。また、接続部９の傾きθが７０°を超えると接続強度が不充分であり、光ファイバを補強するためキャピラリ等の補強部材が必要になることが分かる。

次に、コリメートレンズ１の融着前の長さＬによって光ファイバコリメータ１０の光学特性がどのように変動するかを確認するため、長さＬの異なるコリメートレンズ１を多数用意し、これに光ファイバ７を２本接続して接続部９の傾きθが５０°である光ファイバコリメータ１０を作製した。
得られた光ファイバコリメータ１０について、図６に示すような方法で反射挿入損失を測定した。２本の光ファイバ７のうち、一方の光ファイバ７ＡにはＬＤ光源１２（ＬＤ：レーザダイオード）、他方の光ファイバ７Ｂにはオプティカルパワーメータ１３（ＯＰＭ）を接続し、また、コリメートレンズ１の接続部９とは反対側の端面４（レンズ主面）には反射ミラー１４を隙間なく配置した。図６に示す測定装置において、光源１２から出射された試験光は、光ファイバ７Ａに伝搬され、コリメートレンズ１を通過して反射ミラー１４に反射され、さらにコリメートレンズ１を通過して光ファイバ７Ｂに伝搬されてオプティカルパワーメータ１３に戻る。光源１２から出射された光の強度とオプティカルパワーメータ１３に入射した光の強度の比から、反射挿入損失を求めることができる。

図７に、各光ファイバコリメータ１０のレンズピッチ長（融着接続前のピッチ長）と反射挿入損失の測定結果との関係を示す。図７において、実線で表された曲線は、近似曲線を示す。この結果から明らかなように、ピッチ長が０．２５のものを用いるよりも、０．２５３ピッチ程度のコリメートレンズを使用することにより、反射挿入損失を低く抑制することができる。好適なレンズ長の範囲は、０．２５１ピッチ〜０．２５５ピッチである。図８に示す屈折率分布型レンズの特性から、レンズが０．５ピッチ単位で長くなっても同等のコリメート性能を有することから、０．２５（２ｎ−１）＋０．０１≦Ｌ／Ｐ≦０．２５（２ｎ−１）＋０．０５（但し、ｎは１以上の整数）の場合でも、反射挿入損失が低い光ファイバコリメータを得ることができるものと考えられる。

本発明の光ファイバコリメータは、例えば光結合を行うための光機能部品に使用されるコリメータとして利用することができる。

（ａ）本発明の光ファイバコリメータの一形態例を示す正面図である。（ｂ）本発明の光ファイバコリメータの接続部付近の外側輪郭形状を説明する図面である。（ｃ）本発明の光ファイバコリメータの接続部付近をコリメートレンズの光軸に沿う方向に見た端面図である。 本発明の光ファイバコリメータの製造方法を説明する図である。 本発明の光ファイバコリメータの一形態例を示す斜視図である。 光ファイバコリメータの接続部付近の外側輪郭形状の例を示すグラフである。 光ファイバコリメータの接続部付近の傾きと接続破断強度との関係の一例を示すグラフである。 光ファイバコリメータの反射挿入損失を測定する方法の一例を説明する図面である。 コリメートレンズのピッチ長と光ファイバコリメータの反射挿入損失との関係の一例を示すグラフである。 コリメートレンズのピッチと長さを説明する説明図である。 従来の光ファイバコリメータの製造方法を説明する説明図である。

符号の説明

Ａ…光軸からの距離がＷmax／２＋（１／３）Δとなる点、Ｂ…光軸からの距離がＷmax／２＋（２／３）Δとなる点、Ｃ…点Ａと点Ｂとを結ぶ直線、Ｌ…光ファイバコリメータの長さ、Ｐ…光ファイバコリメータのピッチ、Ｒ…コリメートレンズの半径、Ｗmax…光ファイバの外周輪郭の最大幅、Δ…コリメートレンズの半径と光ファイバの外周輪郭の最大幅の半分との差、θ…傾き、１…屈折率分布型コリメートレンズ（コリメートレンズ）、２…端面、３…コリメートレンズの光軸、５…コリメートレンズの側面、６…コリメートレンズの隅部、７…光ファイバ、９…接続部、１０…光ファイバコリメータ、１１…レーザまたは放電の照射。

Claims (3)

1. 屈折率分布型コリメートレンズの端面に１本または複数本の光ファイバが融着接続された光ファイバコリメータであって、
   前記コリメートレンズの光軸を含む平面のうち前記光ファイバの外周輪郭の幅が最大となる平面に沿った前記コリメートレンズと前記光ファイバとの接続部の断面形状の外周の輪郭において、前記コリメートレンズの半径をＲ、前記コリメートレンズの半径Ｒと前記光ファイバの外周輪郭の最大幅Ｗmaxの半分との差をΔとおくとき、
   前記接続部の外周輪郭上において、前記光軸からの距離がＷmax／２＋（１／３）Δとなる点と前記光軸からの距離がＷmax／２＋（２／３）Δとなる点とを結ぶ直線の前記光軸に対する傾きが７０°以下であることを特徴とする光ファイバコリメータ。
2. 前記コリメートレンズの融着接続前の長さをＬ、ピッチの長さをＰとおくとき、比Ｌ／Ｐが、０．２５（２ｎ−１）＋０．０１≦Ｌ／Ｐ≦０．２５（２ｎ−１）＋０．０５（但し、ｎは１以上の整数）で表される範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバコリメータ。
3. 請求項１または２に記載の光ファイバコリメータの製造方法であって、
   コリメートレンズの端面と側面との隅部を含む端部にＣＯ_２レーザまたはアーク放電を照射して加熱し、該コリメートレンズに光ファイバを融着接続することを特徴とする光ファイバコリメータの製造方法。

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