JP2006227132A

JP2006227132A - コリメータ構造

Info

Publication number: JP2006227132A
Application number: JP2005038581A
Authority: JP
Inventors: Sachiko Kimura; 沙知子木村; Tsutomu Shimomura; 勉下村; 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: 2005-02-16
Filing date: 2005-02-16
Publication date: 2006-08-31

Abstract

【課題】光ファイバ用のコリメータ構造において、簡単な構成により、光ファイバの端面研磨が不要であると共に、容易に光軸を調整できる構造を実現する。
【解決手段】コリメータ構造１０は、球レンズ２、及び中心軸上の貫通孔１１と貫通孔１１の直径よりも大きく、かつ球レンズ２の直径よりも小さい直径を有して端面に貫通孔１１と同軸に形成された円形の凹部１２から成るレンズ受け部とを有する円筒状部品１を備える。光ファイバ３は、円筒状部品１の長手方向における一端側から貫通孔１１に挿入され、球レンズ２は、円筒状部品１の長手方向における他端１ａ側に形成されたレンズ受け部に貫通孔１１の中心軸上に球の中心が位置するように配置され、円筒状部品１と球レンズ２と光ファイバ３とは、光ファイバ３の先端と球レンズ２との間に紫外線硬化型接着剤４を充填し硬化させて一体化されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、光ファイバ用のコリメータ構造に関する。

従来から、光ファイバを他の光ファイバや光機器に接続する場合、光ファイバの末端部を補強し中心軸位置決めをするものとして、いわゆるフェルールが用いられる。光ファイバの末端処理は、例えば、フェルールの中心軸に設けた貫通孔に光ファイバを挿通して両者を固定し、フェルールの端面と光ファイバの端面を同一面と成るように研磨して行われる。なお、端面のこのような研磨作業は、光ファイバ敷設現場における作業としては受け入れ難いものである。また、光ファイバを他の光ファイバや光機器に光接続する場合に光の発散を抑えて光結合を効率良く行うため、光接合部に球レンズなどを備えた、いわゆるコリメータ構造が用いられる。

上述の光ファイバ端面の研磨を不要とすると共にコリメータ構造を実現するものを、図７を参照して説明する。このコリメータ構造では、フェルール９１の端面に貫通孔９１ａと同軸の凹部９１ｂを設け、その凹部９１ｂに球レンズ９２を配置し、この球レンズ９２と光ファイバ９３の端面９３ａをフェルール９１の内部で光透過性の接着剤９４によって光接続している（例えば、特許文献１参照）。
特開平４−３３１９０４号公報

しかしながら、上述した図７や特許文献１に示されるようなコリメータ構造においては、コリメータを構成する球レンズの位置決め精度に問題がある。すなわち、球レンズ９２を凹部９１ｂに嵌入する構造であるので、嵌入のための遊びが必要であり、また、凹部９１ｂと球レンズ９２の双方に光軸調整のための寸法精度が要求される。

本発明は、上記課題を解消するものであって、簡単な構成により、光ファイバの端面研磨が不要であると共に、光軸の調整された構造を容易に実現できる光ファイバ用のコリメータ構造を提供することを目的とする。

上記課題を達成するために、請求項１の発明は、中心軸に貫通孔を有する円筒状部品と球レンズとを備えた光ファイバ用のコリメータ構造であって、前記円筒状部品の長手方向における一端側から前記貫通孔に光ファイバを挿入し、前記円筒状部品の長手方向における他端側に前記貫通孔の中心軸上に球の中心が位置するように球レンズを配置し、前記光ファイバの先端と球レンズとの間に紫外線硬化型接着剤を充填し、硬化させて前記円筒状部品と球レンズと光ファイバとを一体化したものである。

請求項２の発明は、請求項１に記載のコリメータ構造において、前記円筒状部品の他端側に前記貫通孔の直径よりも大きく、かつ前記球レンズの直径よりも小さい直径を有して前記貫通孔と同軸に形成された円形の凹部から成るレンズ受け部を備え、そのレンズ受け部に前記球レンズが嵌め込み配置されて紫外線硬化型接着剤により固定されているものである。

請求項３の発明は、請求項２に記載のコリメータ構造において、前記球レンズと前記光ファイバの先端面との距離をＬ、前記球レンズの半径をＲ、この球レンズが前記凹部と接触する部分の直径をＷ、及び前記凹部の深さをＸとしたとき、Ｘが、Ｘ＝Ｒ＋Ｌ−√｛（Ｒ^２−（Ｗ／２）^２｝であり、前記凹部の底面と前記光ファイバの先端面とが同一平面上に位置しているものである。

請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のコリメータ構造において、前記円筒状部品が、少なくとも紫外線を透過可能な材料から成るものである。

請求項５の発明は、請求項４に記載のコリメータ構造において、前記円筒状部品が、溶着加工が可能な低融点材料から成るものである。

請求項６の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のコリメータ構造において、前記円筒状部品が、金属から成るものである。

請求項７の発明は、請求項４乃至請求項６のいずれかに記載のコリメータ構造において、前記円筒状部品の他端側における前記球レンズに接する前記貫通孔又はレンズ受け部の円形のエッジ部分が、化学研磨により形成されているものである。

請求項８の発明は、請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のコリメータ構造において、前記紫外線硬化型接着剤の屈折率は、前記光ファイバのコアの屈折率よりも大きく、前記球レンズの屈折率よりも小さいものである。

請求項１の発明によれば、中心軸に貫通孔を有する円筒状部品（フェルール）の他端側における貫通孔の中心軸上に球レンズを配置するので、円筒状部品の端面と貫通孔とが形成する円形のエッジ部分によって球レンズの中心位置決めが自動的に行われる。また、円筒状部品、球レンズ、及び光ファイバの相互の接着部に紫外線硬化型接着剤を用いるので、熱硬化接着剤を用いる場合とは異なり、接着前後で位置ずれが生じない。各光学部品の接着部の全てに、同一の紫外線硬化型接着剤を用いることにより、同時接着が実現でき、工程数を減らすことができる。また、光ファイバの先端と球レンズとの間に紫外線硬化型接着剤を充填するので、球レンズと光ファイバ間への異物混入を防止できる。

請求項２の発明によれば、貫通孔の直径よりも大きな直径を有する円形の凹部から成るレンズ受け部を設けたので、この受け部がない場合に比べて、球レンズを中心位置決めする円形のエッジ部分の直径が大きくなって球レンズをより安定して位置決め固定できる。すなわち、紫外線硬化型接着剤による接着面積がより大きく、球レンズを固定する接着力がより増大する。また、光ファイバから出射される光、又は光ファイバに入射される光の広がり角を考慮すると、光ファイバの端面近傍における光の広がりは小さいので、円形の凹部を、凹部の深さ方向に向かって直径が小さくなる台形断面の円形凹部としてもよい。

請求項３の発明によれば、球レンズの焦点距離を考慮したコリメータ構造を容易に実現できる。

請求項４の発明によれば、円筒状部品が紫外線を透過するので、円筒状部品、球レンズ、及び光ファイバを位置決めした状態で容易に、かつ確実に紫外線硬化型接着剤を硬化して各光部品を互いに位置ずれを発生することなく位置精度良く固定できる。

請求項５の発明によれば、コリメータ構造を他部材に固定する際、円筒状部品に局部的に熱を加えることにより他部材に容易に溶着でき、コリメータ構造の位置固定の時間短縮ができる。

請求項６の発明によれば、コリメータ構造を他部品に固定する際、円筒状部品と金属から成る他部材との溶接が可能となり、位置固定の時間短縮、及び固定位置の長期安定性を確保できる。

請求項７の発明によれば、球レンズの中心位置決めを自動的に行うための円筒状部品の端面と貫通孔とが形成する円形のエッジ部分を、機械研磨による加工に比べ、容易かつ高精度に形成できる。

請求項８の発明によれば、光ファイバと球レンズの間の光路における各媒体の境界面前後の屈折率差を小さくでき、光の屈折による光損失、及び出射ビームのずれを抑制できる。

以下、本発明の一実施形態に係る光ファイバ用のコリメータ構造について、図面を参照して説明する。図１（ａ）に示すように、コリメータ構造１０は、光ファイバ３を他の光学部品に光接続するための構造であり、中心軸に貫通孔１１を有する、いわゆるフェルールとなる円筒状部品１と、球レンズ２と、を光ファイバの端部に備えている。被覆３ｂを除去したコア３１とクラッド３２から成る光ファイバ３の芯線は、円筒状部品１の長手方向における一端側から貫通孔１１に挿入され、光ファイバ３の先端面３ａが円筒状部品１の他端１ａ側から突出することなく、球レンズ２と光ファイバの先端面３ａとの距離を光学的に計算して決定した位置に、配置されている。球レンズ２は、円筒状部品１の他端１ａ側に貫通孔１１の中心軸上に球の中心が位置するように配置されている。そして、円筒状部品１と球レンズ２と光ファイバ３とは、光ファイバ３の先端面３ａと球レンズ２との間に紫外線硬化型接着剤４を充填し、硬化させることにより一体化され、これによりコリメータ構造１０が形成されている。充填された紫外線硬化型接着剤４は、効率的な光結合のための導光路を形成する。

また、円筒状部品の一端側の端面には切込１ｂが形成されており、この切込１ｂ部分に光ファイバ３の被覆３ｂの一部が収納され、上述の紫外線硬化型接着剤４によって光ファイバ３とその被覆３ｂが円筒状部品１に固定されている。

このように、光ファイバ３と球レンズ２を円筒状部品１に固定する接着剤、及び光ファイバ先端面３ａと球レンズ２との間に充填する光の導波経路形成材料として、同じ紫外線硬化型接着剤４を用いるので、コリメータ構造１０を形成するための部材の固定と導光路形成のための充填の２つの工程を同時に行うことができ、工程数を減らすことができる。また、光ファイバ３の先端面３ａと球レンズ２との間に樹脂を充填するので先端面３ａを研磨する必要がない。

また、図１（ｂ）に示すように、球レンズ２は、円筒状部品１の他端１ａの面と貫通孔１１とで形成される円形のエッジ部分１３によって位置決めされるので、球レンズ２をその中心が貫通孔１１の中心軸上に位置するように配置すること、すなわち光軸の調整されたコリメータ構造１０を実現することが容易である。紫外線硬化型接着剤４として、光ファイバのコアの屈折率に近い屈折率を有するものが望ましい。

次に、コリメータ構造１０の他の例を図２（ａ）（ｂ）を参照して説明する。このコリメータ構造１０は、円筒状部品１の他端１ａ側に貫通孔１１の直径よりも大きく、かつ球レンズ２の直径よりも小さい直径を有して貫通孔１１と同軸に形成された円形の凹部１２から成るレンズ受け部を備えている。球レンズ２は、レンズ受け部に嵌め込み配置されて、紫外線硬化型接着剤４により固定されている。この構造においては、円形の凹部１２を設けることにより、球レンズ２と円筒状部品１とが接する円形のエッジ部分１３を大きくでき、球レンズ２に対する接着面積を大きくできるので、図１（ａ）（ｂ）に示したコリメータ構造に比べて、球レンズ２を保持する接着力を増強でき、機械的信頼性が向上する。ところで、球レンズの焦点距離は、球レンズの径が大きいほど長くなる。従って、径の大きな球レンズを用いる場合、球レンズ２と光ファイバ３の先端面３ａとの距離が長くなる。そして、光ファイバ３の先端面３ａから出射される光の広がりは、球レンズ２の位置において、焦点距離の長い大きな球レンズほど大きくなる。凹部１２からなるレンズ受け部は、光の広がりが円筒状部品１の貫通孔１１の径よりも大きくなるような球レンズ２を用いる場合に、光ファイバ３から広がりながら球レンズ２に向かう出射光の進行を妨げないという効果を奏する。

次に、図３を参照してコリメータ構造１０のレンズ部受け部の寸法詳細を説明する。上述のような凹部１２によるレンズ受け部を有するコリメータ構造において、図３に示すように、球レンズ２と光ファイバ３の先端面３ａとの距離Ｌ、球レンズ２の半径Ｒ、及び球レンズ２が凹部１２と接触する円形のエッジ部分１３の直径Ｗに対し、凹部１２の深さＸを、Ｘ＝Ｒ＋Ｌ−√｛（Ｒ^２−（Ｗ／２）^２｝とする。また、凹部１２の底面１２ａと光ファイバ３の先端面３ａとを同一平面上に位置させる。これにより、球レンズの焦点距離を考慮した光損失の少ないコリメータ構造を実現できる。

次に、図４（ａ）〜（ｃ）を参照して上述のレンズ受け部の構造を有するコリメータ構造１０の製造手順を説明する。光ファイバ３を円筒状部品１の貫通孔１１に挿入する際に、図４（ａ）に示すように、光ファイバ押さえ治具５を凹部１２の底面１２ａに突き当てておく。そして、光ファイバ３の先端面３ａを光ファイバ押さえ治具５の端面に当接させることにより、凹部１２の底面１２ａと光ファイバ３の先端面３ａとを同一平面上に位置させることができる。この後、図４（ｂ）に示すように、固定治具（図示なし）を用いて円筒状部品１と光ファイバ３との位置関係を保持し、凹部１２と切込１ｂに硬化前の紫外線硬化型接着剤４を付着させる。次に、図４（ｃ）に示すように、治具（図示なし）により球レンズ２をエッジ部分１３に密着配置した状態で、紫外線硬化型接着剤４に紫外線ＵＶを照射して硬化させることにより、コリメータ構造１０が得られる。

上述のように、凹部１２が形成されていることにより、光ファイバ押さえ治具５を用いて、光ファイバ３の挿入位置を物理的に決定できるので、凹部１２の深さを所定の設計深さに構成しておけば、コリメータ作製時の工程を容易化及び簡略化できる。

次に、図５を参照してコリメータ構造１０のレンズ受け部の他の例を説明する。このレンズ受け部において底面１２ａの直径が凹部１２のエッジ部分１３の直径Ｗより小さくなっている点が図３に示すレンズ受け部とは異なり、他の点については同様である。つまり、このレンズ受け部における球レンズ２と光ファイバ３の先端面３ａとの距離Ｌ、球レンズ２の半径Ｒ、及び球レンズ２が凹部１２と接触する円形のエッジ部分１３の直径Ｗに対する、凹部１２の深さＸの関係は、上述の図３に示したレンズ受け部と同じである。このレンズ受け部の構造は、光ファイバ３から出射される光、又は光ファイバ３に入射される光の広がり角を考慮したものである。すなわち、光ファイバ３の先端面３ａ近傍における光の広がりが小さいことから、円形の凹部１２を、凹部１２の深さ方向に向かって直径が小さくなる台形断面の円形凹部にしたとしても、光ファイバ３から広がる出射光（又は入射光）の進行を妨げることがない。このようなレンズ受け部の構造によると、円筒状部品１の他端１ａにおける加工量が少なく、肉厚を厚くできるので、四角形断面の円形凹部の場合と比べて、この部分の機械的強度を向上できる。

次に、図６（ａ）（ｂ）を参照してコリメータ構造１０における光学材料の屈折率特性を説明する。通常、球レンズ２の屈折率ｎａは、高いレンズ効果を得るため光ファイバ３のコア３１の屈折率ｎｃよりも大きく設定される。そこで、レンズ受け部を形成する凹部１２に充填する紫外線硬化型接着剤４の屈折率ｎｂを、光ファイバ３のコア３１の屈折率ｎｃよりも大きく、かつ球レンズ２の屈折率ｎａよりも小さく設定する。すなわち、ｎａ＞ｎｂ＞ｎｃとする。これにより、コリメータ構造１０における、コア３１と紫外線硬化型接着剤４の屈折率差（ｎｂ−ｎｃ）、及び紫外線硬化型接着剤４と球レンズ２の屈折率差（ｎａ−ｎｂ）を小さくできるので、光ファイバ３の端面から紫外線硬化型接着剤４へ出射される光ビームの屈折角を小さく抑えることができ、球レンズ２から出射される光ビームの傾き角を小さくできる。また、光を逆に進行させる場合、つまり球レンズ２に光ビームを入射させて光ファイバ３の端面から光ファイバ３に光を入射させる場合についても同様の効果が得られる。

次に、上述した図１を参照して、円筒状部品１の材質について説明する。円筒状部品１を、少なくとも紫外線を透過可能な材料から成るものとする場合、円筒状部品１が紫外線を透過するので、円筒状部品１、球レンズ２、及び光ファイバ３を位置決めした状態で容易に、かつ確実に紫外線硬化型接着剤４を硬化して各光部品を互いに固定できる。また、円筒状部品１を、溶着加工が可能な低融点材料から成るものとする場合、コリメータ構造１０を他部材に固定する際、円筒状部品１に局部的に熱を加えることによりコリメータ構造１０を他部材に容易に溶着でき、コリメータ構造１０の固定の時間短縮ができる。また、固定位置の長期安定性を確保できる。円筒状部品１の材料として、例えば、低融点ガラスを用いることができる。また、円筒状部品を、金属から成るものとする場合、コリメータ構造１０を他部品に固定する際、円筒状部品１と金属から成る他部材との溶接が可能となり、位置固定の時間短縮、及び固定位置の長期安定性を確保できる。

次に、上述した図１、図２を参照して、円筒状部品１のレンズ受け部の形成方法について説明する。円筒状部品１の他端１ａ側において球レンズ２に接してレンズ受け部を構成する貫通孔１１又は凹部１２の円形のエッジ部分１３は、例えば、化学研磨により形成する。化学研磨を用いてエッジ部分１３を形成することにより、円筒状部品１のエッジ部分１３の形状を、機械研磨による加工に比べ、容易かつ高精度に形成できる。

このエッジ部分１３は、通常、面取りされてＣ面又はＲ面とされる。従来、円筒状部品１（いわゆるフェルール）の先端にレンズを載せるという用途はなく、従って、フェルール先端のエッジ部分の精度、すなわち高い真円度やエッジ部分全周にわたるＣ面又はＲ面形状のばらつきの低減等は要求されてなかったので、加工方法として機械研磨が使われてきた。本発明のコリメータ構造１０では、先端のエッジ部分１３に形状寸法の高い精度が要求される。そこで、機械研磨による加工に比べ、より高精度の加工が可能な化学研磨を用いることにより、このＣ面又はＲ面の形状ばらつきをエッジ部分１３の全周にわたってサブミクロンレベルに抑えることができる。高精度の形状寸法を有するエッジ部分１３により球レンズ２の中心軸と光ファイバ３のコア３１の中心軸とを高精度にセルフアライメントできるので、細かな光軸調整の作業が不要となり、高性能なコリメータ構造１０が得られる。なお、本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。

（ａ）は本発明に係る光ファイバ用のコリメータ構造の断面図、（ｂ）は同コリメータ構造の分解斜視図。（ａ）は同上コリメータ構造の他の例を示す断面図、（ｂ）は同コリメータ構造の分解斜視図。本発明に係るコリメータ構造のレンズ受け部の詳細を説明する断面図。（ａ）（ｂ）（ｃ）は図３のレンズ受け部を有するコリメータ構造を製造する手順を順番に説明する断面図。本発明に係るコリメータ構造のさらに他の例のレンズ受け部の詳細を説明する断面図。（ａ）（ｂ）は本発明に係るコリメータ構造における光学材料の屈折率特性を説明するレンズ受け部周辺の断面図。従来の光ファイバ用のコリメータ構造の断面図。

符号の説明

１円筒状部品
２球レンズ
３光ファイバ
４紫外線硬化型接着剤
１０コリメータ構造
１１貫通孔
１２凹部
１３エッジ部分
１ａ他端
３ａ先端面
３１光ファイバコア
１２ａ底面
ｎａ，ｎｂ，ｎｃ屈折率
Ｌ距離
Ｒ半径
Ｗ直径
Ｘ深さ

Claims

中心軸に貫通孔を有する円筒状部品と球レンズとを備えた光ファイバ用のコリメータ構造であって、
前記円筒状部品の長手方向における一端側から前記貫通孔に光ファイバを挿入し、前記円筒状部品の長手方向における他端側に前記貫通孔の中心軸上に球の中心が位置するように球レンズを配置し、前記光ファイバの先端と球レンズとの間に紫外線硬化型接着剤を充填し、硬化させて前記円筒状部品と球レンズと光ファイバとを一体化したことを特徴とするコリメータ構造。
前記円筒状部品の他端側に前記貫通孔の直径よりも大きく、かつ前記球レンズの直径よりも小さい直径を有して前記貫通孔と同軸に形成された円形の凹部から成るレンズ受け部を備え、そのレンズ受け部に前記球レンズが嵌め込み配置されて紫外線硬化型接着剤により固定されていることを特徴とする請求項１に記載のコリメータ構造。
前記球レンズと前記光ファイバの先端面との距離をＬ、前記球レンズの半径をＲ、この球レンズが前記凹部と接触する部分の直径をＷ、及び前記凹部の深さをＸとしたとき、Ｘが、
Ｘ＝Ｒ＋Ｌ−√｛（Ｒ^２−（Ｗ／２）^２｝
であり、前記凹部の底面と前記光ファイバの先端面とが同一平面上に位置していることを特徴とする請求項２に記載のコリメータ構造。
前記円筒状部品が、少なくとも紫外線を透過可能な材料から成ることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のコリメータ構造。
前記円筒状部品が、溶着加工が可能な低融点材料から成ることを特徴とする請求項４に記載のコリメータ構造。
前記円筒状部品が、金属から成ることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のコリメータ構造。
前記円筒状部品の他端側における前記球レンズに接する前記貫通孔又はレンズ受け部の円形のエッジ部分が、化学研磨により形成されていることを特徴とする請求項４乃至請求項６のいずれかに記載のコリメータ構造。
前記紫外線硬化型接着剤の屈折率は、前記光ファイバのコアの屈折率よりも大きく、前記球レンズの屈折率よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のコリメータ構造。