JP2007155814A - レンズ付き光ファイバ - Google Patents

Abstract

【課題】２つの光ファイバ間の軸合わせを無調整化することで、容易に２つの光ファイバ
間の接合が可能となるレンズ付き光ファイバの提供。
【解決手段】第１の光ファイバと、単一で且つ第１の光ファイバのコア又はクラッドの屈折率と等価な屈折率をもち、端部に球面状又は非球面状に形成されたレンズ部を有する第２の光ファイバとを接続してレンズ付き光ファイバを形成する。第２の光ファイバの他端部に、第１の光ファイバの外径よりも大きい内径と、前記内径よりも大きい外径からなる嵌め込み部を形成すると共に、嵌め込み部を含む第２の光ファイバの外形形状をモールド成形で成型し、嵌め込み部を第１の光ファイバの端部に嵌め込むことによって、第１の光ファイバと第２の光ファイバとを接続してレンズ付き光ファイバを形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光CTや、光受信機，光送信機等の光ファイバ端末に接続されるレンズ付き光ファイバに関するものである。

近年、データ通信の大容量化に伴い、光通信システムの高速化、高密度化が要求され、PDモジュール等においても高速化のために、受光素子キャパシタンスを低下させ、且つ、寄生キャパシタンスを低下させるPDモジュール構造が必要となっている。又、高密度化のために電気回路板面と平行方向に、光ファイバを配置する必要性がある。

これらの要求を満たすPDモジュール構造を実現するために、特許文献１の様なレンズ付き光ファイバが提案されている。前記特許文献１のレンズ付き光ファイバを図７に示す。図７に示すようにレンズ付き光ファイバ100は、シングルモード光ファイバである第１の光ファイバ101と、第２の光ファイバ102とを融着接続することで構成される。第２の光ファイバ102は、第１の光ファイバ101のコア101aと等価で単一な屈折率を有すると共に、同一外径に設定され、光導入拡大を目的として第１の光ファイバ101の端面に融着接続される。更に、第２のファイバ102の他端面には球面状のレンズ部が形成され、そのレンズ部の一部に、光ファイバ101のコア軸に対して45度で傾斜した平面部が形成されると共に、その面状にAl，Cr，Au等からなる金属膜或いは誘電多層膜からなる反射膜を製膜することで反射部103が構成されている。

特開平０７−２７０６４２（第２−３頁、第１図）

レンズ付き光ファイバ100では、第１の光ファイバ101と第２の光ファイバ102とを融着接合により固定しているので、接着方式の結合方式に比べて信頼性に優れている。このようなレンズ付きファイバ100は、以下の工程で製造される。

第一工程として、光ファイバの棒材へのスプライシングを行う。この工程において、第１の光ファイバ101と第２の光ファイバ102のガラス棒材を互いの端部でアライメントし、フィラメント等で端部を加熱しながら、互いに押し付けることで融着接合を行う。

次に第２工程として、第２の光ファイバ102の他端部を熱溶融部中に送り入れて、その送り入れ量と等しい体積を有する球状のレンズ部を形成する。レンズ部の製造方法は特許文献２に教示されており、この製造方法を図８に示す。

特開平０８−５４５３８（第３頁、第１図）

図８(a)に示すように、前記熱溶融部に相当するアーク放電部104に、第２の光ファイバ102を放電部頭上から送り入れて、同図(b)に示すように所望の曲率Rの先球部を形成することでレンズ部105の製造が行われる。第２の光ファイバ102の送り長さの体積が、レンズ部105の所望の体積になるように設定し、更に溶融中における第２の光ファイバ102材（石英ガラス）の飛散量を考慮したファイバ長だけ溶融することにより、所望の曲率Rを有するレンズ部105が得られる。

更に、第３工程として、レンズ部105の一部に研削・研磨を施し、その研磨面に更にAl，Cr，Au等の前記金属膜或いは誘電多層膜からなる反射膜を形成することで、前記反射部103を形成する。

しかしながら、従来のレンズ付き光ファイバ100では、２つの光ファイバ101，102の光軸合わせをサブミクロンの範囲で調整してやらなければならなかった。従って、精緻な調軸のために高性能な調軸用組立装置等が必要となるため、その分の費用がかさみ、その結果、前記レンズ付き光ファイバ100を含む光学システム製品のコスト高を招いていた。

又、特許文献２記載の製造方法では、第２の光ファイバ102の端部のガラスが溶融する時の表面張力を利用してレンズ部105の球形状を成形するため、研磨法等によるレンズ部成形において生ずる研磨キズや加工変質層等の問題は解消される。しかしながら一方で、加熱ゾーンや光ファイバ102の先端位置、加熱時間、加熱温度等のバラツキによりレンズ部105の球形状にバラツキが発生し、レンズ部105形状の均一な製造が困難であった。

更に、前記熱溶融部に非常に均一な熱源が必要となるため、熱源が不均一だとレンズ部105形状にバラツキが生じてしまう。従って、予め２つの光ファイバ101，102の光軸を精緻に軸合わせして接続していても、レンズ部105形状にバラツキが発生してレンズ部105の光軸と光ファイバ101のコア軸とにズレが発生するため、２つの光ファイバ101，102間の調軸作業を改めて行う必要があった。

更に、レンズ部104の成形加工時の溶融熱が第１の光ファイバ101に伝搬するため、その熱によって第２の光ファイバ102との接続箇所の接合強度が劣化し、劣化部分の破損の懸念が極めて高くなるという問題もあった。

本発明は、前記各課題を鑑みて成されたものであり、２つの光ファイバ間の軸合わせを無調整化することで、容易に２つの光ファイバ間の接合が可能となるレンズ付き光ファイバの提供を目的とする。

本発明の請求項１記載の発明は、第１の光ファイバと、単一で且つ前記第１の光ファイバのコア又はクラッドの屈折率と等価な屈折率をもち、端部に球面状又は非球面状に形成されたレンズ部を有する第２の光ファイバとが接続されてなるレンズ付き光ファイバにおいて、前記第２の光ファイバの他端部には、前記第１の光ファイバの外径よりも大きい内径と、前記内径よりも大きい外径からなる嵌め込み部が形成されると共に、前記嵌め込み部を含む前記第２の光ファイバの外形形状がモールド成形により成型され、前記嵌め込み部が前記第１の光ファイバの端部に嵌め込まれることによって、前記第１の光ファイバと前記第２の光ファイバとが接続されることを特徴とするレンズ付き光ファイバである。

更に、請求項２記載の発明は、前記第２の光ファイバの外形形状の少なくとも一部に、型抜きする際の逃げ部となる平面部が設けられることを特徴とする請求項１記載のレンズ付き光ファイバである。

更に、請求項３記載の発明は、前記嵌め込み部の内径及び外径が同心円状に形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載のレンズ付き光ファイバである。

更に、請求項４記載の発明は、前記嵌め込み部の外径が内径に比べて200〜1000μｍ大きく形成されることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のレンズ付き光ファイバである。

更に、請求項５記載の発明は、前記第２の光ファイバが低軟化点ガラスで構成されることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載のレンズ付き光ファイバである

本発明の請求項１記載のレンズ付き光ファイバに依れば、第２の光ファイバ全体の外形形状を、モールド成形により一発成形で製造するので、嵌め込み部の中心軸とレンズ部とが常に一定形状で製造されるので、第２の光ファイバの外形形状のバラツキが解消される。更に、嵌め込み部をレンズ部と一体形成するので、常に嵌め込み部とレンズ部とが正確に位置決めされた第２の光ファイバ３が製造可能となる。従って、第２の光ファイバを第１の光ファイバに嵌め込むだけで、自動的に無調整で第１の光ファイバのコア軸と第２の光ファイバの光軸との調軸作業と、第１の光ファイバのコア軸と第２の光ファイバのレンズ部の光軸との調軸作業を完了させることが可能となる。

更に、レンズ部形成を従来のような熱加工で行わなくても済むと共に、２つの光ファイバ間を嵌合した上で融着接合を行うので、融着作業に伴う溶融熱が２つの光ファイバに伝わっても、接合箇所が嵌合されているためぐらつきが抑止されて接合箇所の劣化を防止することが出来る。

更に、第２の光ファイバの製造を、モールド成形の一工程のみで終了させることが出来
るので、製造工程数の削減化に伴い、レンズ付き光ファイバの低コスト化も達成すること
が可能となる。

又、請求項２記載のレンズ付き光ファイバに依れば、第２の光ファイバの外形に平面部
を設けることにより、モールド成形の型を第２の光ファイバから型抜きする際の逃げ部と
することができ、型抜きの容易化が図れる。

又、請求項３記載のレンズ付き光ファイバに依れば、前記嵌め込み部の内径及び外径を同心円状に形成することにより、内径と外径との偏心を解消して、第１の光ファイバのコア軸と第２の光ファイバの光軸との調軸作業をより容易化，高精度化することが可能となる。

又、請求項４記載のレンズ付き光ファイバに依れば、前記嵌め込み部の外径を、内径に比べて200〜1000μｍ大きく形成することが、嵌め込み部の強度の確保や製造の容易性、及びコストの面からみて望ましい。

又、請求項５記載のレンズ付き光ファイバに依れば、型材料の低コスト化や、型材料の選択のし易さ、及び型の長寿命化が達成される。

以下、本発明のレンズ付き光ファイバの最良の実施形態を、図１，２を参照しながら説
明する。図１は本発明に係るレンズ付き光ファイバの一実施形態を表す三面図であり、同図(a)はレンズ付き光ファイバの側面図，同図(b)は同図(a)を矢印Ａ方向から見たときの正面図，同図(c)は同図(a)を矢印Ｂ方向から見たときの背面図である。又、図２は図１(a)の部分拡大図である。図１(a)〜(c)に示すレンズ付き光ファイバ1は、第１の光ファイバ２と第２の光ファイバ３が接続されて構成される。第１の光ファイバ２は、石英ガラス等から成るコア2aと、コア2aの外周を覆い、コア2aに対し比較的低屈折率なガラス材のクラッド2bとから構成される、一般的な構成のシングルモードファイバ（Single Mode Fiber：SMF）である。一方、第２の光ファイバ３は単一の屈折率を有すると共に、第１の光ファイバ２のコア2a又はクラッド2bのどちらかの屈折率と等価な屈折率を有する光学ガラスで構成される。

第２の光ファイバ３の端部は球面状に成形され、更に端部の一部は第１の光ファイバ２のコア軸に対して傾斜するように平面状に研削，研磨が施されて削除されている。その平面部の傾斜角度は、前記コア軸の軸方向に対して45度に設定することが好ましいが、図示しない結合素子やレンズ付き光ファイバ１の利用分野との兼ね合いから多様な角度に設定することが可能である。更に前記平面部の表面に、Al，Cr，Au，Ag，Niのように光ファイバ材に対し高い密着性を有し、且つ、反射率の高い金属膜或いは誘電多層膜からなる反射膜が形成されることによって、反射部3cが形成される。前記平面部のみでも研削，研磨加工によりミラー面としてある程度の反射作用はあるが、その表面に更に前記反射膜を形成すると反射率が向上するため好ましい。

更に、第２の光ファイバ３の他端部に、円筒状に一部が形成された嵌め込み部3bが、レンズ部3aと一体形成される。嵌め込み部3bは、第１の光ファイバ２の外径d1よりも若干大きい内径D1と、内径D1よりも大きい外径D2とが、同心円状に形成されることによって、均等な厚みt（図２参照）を有する円筒状に形成される。この内径D1内部に第１の光ファイバ２の端部が嵌め込まれ、図２に示す内径D1内部の端面3dと、第１の光ファイバ２の端面2cとが融着されることによって、第１の光ファイバ２と第２の光ファイバ３とが接続される。端面3dと2cの接続には、CO₂レーザ等によるレーザ融着接続法が望ましい。その理由としては、レーザを端面3dと端面2cとに部分的に照射することにより、端面3dと端面2cのみを部分的に溶融して、第１の光ファイバ２と第２の光ファイバ３とを融着接続することが可能だからである。その他にも接続法として、マイクロヒータによる加熱融着や、放電融着等が挙げられるが、これらの接続法では外径D2部分も加熱してしまうため、嵌め込み部3bの変形を招いてしまい、その変形により第１の光ファイバ２のコア軸と，嵌め込み部3bの中心軸とにズレが発生するという懸念がある。従って、レーザ融着接続法が最適である。

厚みtは、0.1〜0.5mmに設定することが嵌め込み部3bの強度確保や製造の容易性、及
びコストの各面からみて望ましい。従って、嵌め込み部3bの外径D2は内径D1に比べて
200〜1000μｍ程大きく形成される。

次に、第２の光ファイバ３の製造方法を図３〜図５を参照して説明する。各図の(a)は、前記製造方法の一実施形態を表す側面図であり，各図(b)は同図(a)を向かって右方向から見たときの正面図である。嵌め込み部3bを含む第２の光ファイバ３の外形形状は、モールド成形により成型製造される。まず、図３に示すように、研削加工機などで所望の形状に加工した型4a〜4cを正確に位置決めし、その間にガラスロッド材又はプリフォーム（以下、ガラス材）６を挟み込む。型4a〜4cの材料には、ガラス状炭素や超硬などを使用する。次に非酸化雰囲気中で、ガラス材６と、型4a〜4cとを、ガラス材６の軟化点近傍まで昇温し、ガラス材６と型4a〜4cがほぼ等しい温度で図４に示すようにガラス材６を型4a〜4cにより加圧し、その後加圧を維持しながら型温度を転移点以下まで降温する。その後、図５に示すように、型4a〜4cから成型されたガラス材を抜き出す。型抜きされたガラス材が、第２の光ファイバ３となる。型形状は、第２の光ファイバ３を第１の光ファイバ２と接続した時に、少なくともレンズ部3aが球面状又は非球面状に成型されるように加工される。更に、嵌め込み部3bを除く第２の光ファイバ３の外形に、幾つかの平面部3e，3f，3gが形成されるように型取り加工を行うことにより、型4a，4bを第２の光ファイバ３から型抜きする際の逃げ部41，42，43として、型抜きの容易化を図る。なお、型4cには、前記内径D1部分の型となる突出部５が一体化形成されている。又、各図(b)中における型4cの図示は省略している。

以上のように、第２の光ファイバ３全体の外形形状を、モールド成形により一発成形で成型製造することにより、嵌め込み部3bの中心軸とレンズ部3aとが常に一定形状で製造されるので、第２の光ファイバ３の外形形状のバラツキが解消される。更に、嵌め込み部3bをレンズ部3aと一体形成するので、常に嵌め込み部3bとレンズ部3aとが正確に位置決めされた第２の光ファイバ３が製造可能となる。従って、第２の光ファイバ３を第１の光ファイバ２に嵌め込むだけで、自動的に無調整で第１の光ファイバ２のコア軸と第２の光ファイバ３の光軸との調軸作業と、第１の光ファイバ２のコア軸とレンズ部3aの光軸との調軸作業を完了させることが可能となる。

更に、嵌め込み部3bの内径D1及び外径D2を同心円状に形成することにより、内径D1と外径D2との偏心を解消し、第１の光ファイバ２のコア軸と第２の光ファイバ３の光軸との調軸作業をより容易化，高精度化することが可能となる。

又、レンズ部形成を従来のような熱加工で行わなくても済むと共に、２つの光ファイバ２，３間を嵌め込んだ上で融着接合を行うので、融着作業に伴う溶融熱が２つの光ファイバに伝わっても、接合箇所が嵌合されているためぐらつきが抑止され、接合箇所の劣化を防止することが出来る。

更に、第２の光ファイバ３の製造を、モールド成形の一工程のみで終了させることが出
来るので、製造工程数の削減化に伴い、レンズ付き光ファイバ１の低コスト化も達成することが可能となる。

なお、第２の光ファイバ３の光学ガラス材は低軟化点ガラスが好適である。その理由としては、高軟化点ガラスを用いると成形温度が高くなって、より高温に耐えうる型材料が必要になりコストがかかるためである。又、型材料の選択のし易さや、型の長寿命化の観点を考慮しても低軟化点ガラスの方が好ましい。

次に、本発明にかかるレンズ付き光ファイバの動作について図１(a)を参照して説明する。
第１の光ファイバ２のコア2a内部を伝搬してきた光は、その端部から第２の光ファイバ３へと出射され、反射部3cで反射されて光路が変換される。反射部3cの角度は前記コア軸に対して45度に形成されているので、光路は90度に変換されて、レンズ部3aへと伝搬されてレンズ効果により集光され、第２の光ファイバ３から出射される。図示しない外部の光学素子（受光素子）との結合や、光CT用等にレンズ付き光ファイバ１を用いる場合には、レンズ付き光ファイバ１からの出射光の断面形状は円形のビームスポット形状が好ましいので、レンズ部3aの形状も各用途に合わせて、球面状若しくは非球面状とする。

なお、本発明はその技術的思想により種々変更可能であり、例えば第１の光ファイバ２はマルチモードファイバやグレーデットインデックス光ファイバ，又は偏波面保存光ファイバ等に変更しても良い。又、反射部3cを曲面形状に成形しても良い。

又、第２の光ファイバ３のファイバ長やレンズ部3aの曲率半径（球面状の場合）などは、出射光のスポットサイズや、焦点距離、受光素子の受光面積により、適宜変更可能である。更に、第２の光ファイバ３の先端形状はレンズ効果を有する形状であれば何でも良く、例えば図６に示す第２の光ファイバ3’ように、光路変換を発生せずに伝搬光を集光、出射する形状に変更しても良い。

本発明のレンズ付き光ファイバは、光CT用、もしくは、光受信機，光送信機等の光ファイバ端末に接続されて光通信に使用する光ファイバと発光源，受光源との光結合などに用いられる。

(a) 本発明に係るレンズ付き光ファイバの側面図。(b) 同図(a)を矢印Ａ方向から見たときの正面図。(c) 同図(a)を矢印Ｂ方向から見たときの背面図。 図１(a)の部分拡大図。 (a) 第２の光ファイバの製造方法において、型の間にガラス材を挟み込む工程を示す側面図。(b) 同図(a)を向かって右方向から見たときの正面図。 (a) 第２の光ファイバの製造方法において、ガラス材を型により加圧する工程を示す側面図。(b) 同図(a)を向かって右方向から見たときの正面図。 (a) 第２の光ファイバの製造方法において、型から成型されたガラス材を抜き出す工程を示す側面図。(b) 同図(a)を向かって右方向から見たときの正面図。 本発明に係るレンズ付き光ファイバの変更例を示す側面図。 従来のレンズ付き光ファイバの側面図。 (a) 図７のレンズ付き光ファイバのレンズ部の製造方法において、アーク放電部に、第２の光ファイバを送り入れる状態を示す説明図。(b) アーク放電により形成されたレンズ部を示す説明図。

符号の説明

１ レンズ付き光ファイバ
２ 第１の光ファイバ
2a コア
2b クラッド
2c 第１の光ファイバの端面
３ 第２の光ファイバ
3a レンズ部
3b 嵌め込み部
3c 反射部
3d 内径内部の端面
3e，3f，3g 平面部
4a，4b，4c 型
41，42，43 逃げ部
５ 突出部
６ ガラス材

Claims (5)

1. 第１の光ファイバと、
   単一で且つ前記第１の光ファイバのコア又はクラッドの屈折率と等価な屈折率をもち、端部に球面状又は非球面状に形成されたレンズ部を有する第２の光ファイバとが接続されてなるレンズ付き光ファイバにおいて、
   前記第２の光ファイバの他端部には、前記第１の光ファイバの外径よりも大きい内径と、前記内径よりも大きい外径からなる嵌め込み部が形成されると共に、
   前記嵌め込み部を含む前記第２の光ファイバの外形形状がモールド成形により成型され、
   前記嵌め込み部が前記第１の光ファイバの端部に嵌め込まれることによって、前記第１の光ファイバと前記第２の光ファイバとが接続されることを特徴とするレンズ付き光ファイバ。
2. 前記第２の光ファイバの外形形状の少なくとも一部に、型抜きする際の逃げ部となる平面部が設けられることを特徴とする請求項１記載のレンズ付き光ファイバ。
3. 前記嵌め込み部の内径及び外径が同心円状に形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載のレンズ付き光ファイバ。
4. 前記嵌め込み部の外径が内径に比べて200〜1000μｍ大きく形成されることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のレンズ付き光ファイバ。
5. 前記第２の光ファイバが低軟化点ガラスで構成されることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載のレンズ付き光ファイバ

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