JP2007178603A - 光部品およびその製造方法 - Google Patents

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繁憲 永野
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Abstract

【課題】 光ファイバコリメータの製造において、光ファイバの位置合わせを精度よく低コストで行う。
【解決手段】 光ファイバ101の斜めカットされた端面101aをコリメータレンズ102の凹部102a内に差し込み、光軸合わせとコリメータレンズ102の焦点への端面101aの位置合わせを行う。その後、放電105によりコリメータレンズ102の凹部102a付近を軟化させ、光ファイバ101とコリメータレンズ102との接合を行う。この工程によれば、位置合わせの後に光ファイバ101とコリメータレンズ102との位置関係を動かさずに済み、光軸のずれや、コリメータレンズ102の焦点の位置からの光ファイバ101の端面101aの位置ずれを防止することができる。また、部品点数を減らし、低コスト化を実現することができる。
【選択図】 図1

Description

本発明は、コリメータレンズと光ファイバとの接合構造に係る技術に関する。
光通信の分野においては、光スイッチ、光アイソレータ、光サーキュレータ、光アッテネータ、光分波器等の様々な光モジュールが必要となる。これらの光モジュールには、所謂光ファイバコリメータが組み合わされて使用される。
光ファイバコリメータは、コリメータレンズに光ファイバが接合された構造を有している。光ファイバコリメータは、光ファイバ端面から出射される光束をコリメータレンズによって平行光束とし、光モジュール内に導く機能、或いは逆に、光モジュール内を通過した平行光束をコリメータレンズによって収束して光ファイバに導く機能を有する。
光ファイバコリメータは、各種の光モジュールに欠かせない重要な構成部品である。一方、光ファイバを用いた通信網は、長距離通信からビル内やオフィス内における通信ネットワークにまで広く利用され、その利用は今後さらに増へてゆく傾向にある。このような背景において、光ファイバコリメータには、大幅な低価格化が望まれている。
光ファイバコリメータを低価格化するには、部品点数を削減するのが有効となる。この部品点数を削減する技術として、光ファイバとコリメータレンズとを直接接合する技術が提案されている。
例えば、非特許文献1には、石英ガラスが主成分である光ファイバと多成分ガラスを主成分とするコリメータレンズとを接合する技術において、まず光軸合わせを行い、次に光ファイバとコリメータレンズとが接触した付近に対して放電を行い、この放電によりコリメータレンズが軟化した瞬間を捉えて、光ファイバをコリメータレンズの軟化した部分に押し込み、それにより両者を直接接合する技術が記載されている。この技術によれば、光ファイバとコリメータレンズとの熱膨張率の違いによって、コリメータレンズが光ファイバを押さえ込む形となり、両者の接合が行われる。
一方、光ファイバコリメータは、光信号の伝送経路に挿入されるので、光ファイバ端面での有害反射光により生じる伝送光信号の乱れを極力小さくすることが要求される。この要求に応える技術として、コリメータレンズと結合される光ファイバの結合部分の端面(端部の端面)を斜めにカットする技術が知られている。この技術は、光ファイバ端部のカット面を光軸に対して完全に垂直にするのではなく、光軸とカット面とのなす角度を82度というような少し斜めにする技術である。この技術によれば、コリメータレンズに結合される側の光ファイバの端面からの反射があっても、その反射光の光束を光ファイバの光軸外に逃がすことで、その影響を排除することができ、伝送する光信号の波形の乱れを抑えることができる。この光ファイバ端面の斜めカットに関しては、例えば特許文献1や特許文献2に記載されている。
特開平09−258059号公報(「0002」段落) 特開2002−196172号公報(「0002」段落) 高原敏明 「超小型ファイバコリメータの実装技術」、第92回微少光学・第6回システムフォトニクス合同研究会、2004
ところで、光ファイバコリメータには、損失を極力低く抑える必要があるので、光ファイバの光軸と、コリメータレンズの光軸とが正確に合っている必要がある。また、コリメータレンズの焦点位置と、光ファイバの端面の位置とが正確に合っている必要がある。しかしながら、上述した光ファイバとコリメータレンズとを直接接合する方法には、以下に述べるような難点があった。
上述したような、コリメータレンズを軟化させ、そこに光ファイバを押し込み固定する方法は、軟化状態にあるコリメータレンズ内に、光ファイバを押し込み移動させる際に、光ファイバが横方向(光軸に対して垂直な方向)にずれ、それにより両者の位置関係が本来得られるべき状態からずれてしまう可能性があった。
これは、垂直に光ファイバを押し込んだつもりであっても、光ファイバが受ける抵抗によって光ファイバが斜めに動いてしまうことがあるからである。また、コリメータレンズの軟化部分の固さが不安定なところに、光ファイバを差し込むことになるので、光ファイバを動かしている最中に、コリメータレンズの軟化部分の固さが急激に変化し、それにより光ファイバの先端が予期せぬ方向に動いてしまうことも原因となる。
特に、上述した斜めカット処理を施した光ファイバを用いた場合、この光軸ずれの発生頻度が高くなる。これは、光ファイバ端面の斜面が、軟化したガラス成分を押し分けて進むことになるので、コリメータレンズ内を進む光ファイバが斜めになり易いからである。
そこで本発明は、先端が斜めカットされた光ファイバとコリメータレンズとを直接接合した場合に、光軸のずれ、およびコリメータレンズの焦点の位置と光ファイバ端面の位置とのずれが発生し難い技術を提供することを目的とする。
第1の発明は、凹部が形成されたコリメータレンズと光ファイバとを接合する方法であって、端面が斜めにカットされた光ファイバの前記端面を前記凹部に差し込む工程と、前記凹部内において、前記コリメータレンズと前記光ファイバとの光軸合わせを行うと共に前記端面を前記コリメータレンズの焦点位置に合わせる工程と、前記コリメータレンズの前記凹部付近を軟化させ、前記光ファイバと前記コリメータレンズとを接合する工程とを備えることを特徴とする。
この製造方法によれば、コリメータレンズの凹部内において光ファイバの位置合わせを行った後に、光ファイバを動かすことなくコリメータレンズのこの凹部付近を軟化させ、光ファイバとコリメータレンズとの接合が行われる。このため、両者の光軸のずれ、およびコリメータレンズの焦点の位置と斜めカットされた光ファイバの端面の位置とのずれを最小限に抑えることができる。
またこの製造方法は、特別手間のかかる困難な工程を必要とせず、また部品点数が増える訳でもない。さらに、コリメータレンズの部分的な軟化による光ファイバとコリメータレンズとの接続は、放電技術を用いた短時間の処理によって行うことができる。従って、製造コストを低く抑えることができる。
この製造方法は、コリメータレンズに光ファイバが接続された光ファイバコリメータの製造に利用することができる他に、コリメータレンズを備えた各種の光モジュールと光ファイバとの接合を行う場合に適用することができる。
第2の発明は、第1の発明に適用するのに好適な光部品に関するものであり、光ファイバが接合される位置に形成された凹部と、この凹部内に焦点の位置が設定されているレンズ系とを備えていることを特徴とする。第2の発明の光部品には、コリメータレンズ、光導波路を利用した光モジュールが含まれる。
第2の発明の光部品を使用することで、コリメータレンズと光ファイバとの接合を特別な部品を必要とせず、また一旦位置合わせを行った光ファイバとコリメータレンズとの位置関係を動かすことなく、両者を接合することができる。このため、光部品の低コスト化を追求しつつ、コリメータレンズと光ファイバとの接合を行う際の光軸のずれ、およびコリメータレンズの焦点の位置に対する光ファイバ端面の位置のずれを抑えることができる。
第3の発明は、リング形状部材を備えたコリメータレンズと光ファイバとを接合する方法であって、端面が斜めにカットされた光ファイバの前記端面を前記リング形状部材内に差し込む工程と、前記リング形状部材内において、前記コリメータレンズと前記光ファイバとの光軸合わせを行うと共に前記端面を前記コリメータレンズの焦点位置に合わせる工程と、前記リング形状部材を軟化させ、前記光ファイバと前記コリメータレンズとを接合する工程とを備えることを特徴とする。
この発明によれば、リング形状部材をガイドとして、その内部に端部を斜めカットした光ファイバを差し込み、(1)光ファイバとコリメータレンズとの光軸合わせ、および(2)光ファイバの前記斜めカットした端面とコリメータレンズの焦点位置との位置合わせを行う。そしてこれら位置合わせが終了した段階で、加熱を行ってリング形状部材を軟化させ、コリメータレンズに光ファイバを接合する。
この発明においても、光ファイバコリメータ(または光ファイバコリメータとして機能する部分)を最小限の部品で構成することができるので、低コスト化を追求することができる。また、位置合わせの後にコリメータレンズと光ファイバとの相対的な位置関係を動かさずに済むので、光軸のずれ、およびコリメータレンズの焦点の位置からの光ファイバ端面のずれを抑えることができ、光通過損失の小さい光部品を提供することができる。
第4の発明は、第3の発明に適用するのに好適な光部品に関するもので、光ファイバが接合される位置に形成されたリング形状部材と、前記リング形状部材内に焦点の位置が設定されているレンズ系とを備えていることを特徴とする。第4の発明によれば、上述した第3の発明における優位性を得ることができる光部品が提供される。第4の発明の光部品には、コリメータレンズ、コリメータレンズを利用した光モジュールが含まれる。
以上説明した発明において、コリメータレンズを構成する材料として、光ファイバを構成する材料より軟化点が低い材料を選択することは好ましい。こうすることで、光ファイバに熱ダメージを与えずにコリメータレンズ側を選択的に軟化させ、光ファイバとコリメータレンズとの接合を行うことができる。通常、光ファイバは、高軟化点の石英を主成分として構成されているので、コリメータレンズとしてより低軟化点の多成分系のガラス材料を用いることで、この条件を満たすことができる。また、コリメータレンズとして比較的低軟化点の多成分系のガラス材料を用いることは、低コストで良好な成形性を確保する上でも好ましい。
本発明によれば、端部を斜めカットした光ファイバとコリメータレンズとを接合する際に、両者の位置関係を合わせた後に両者の相対的な位置関係を動かさずに両者を接合することができる。このため、両者の光軸、およびコリメータレンズの焦点と光ファイバ端面とを正確に合わせることができ、より損失の少ない光ファイバコリメータを提供することができる。また、部品点数を最小限に抑えることができるので、低コスト化を追求することができる。
1.第1の実施形態
図1は、発明を利用した光ファイバコリメータの製造工程を説明する製造工程図である。まず、一端の端面101aが光軸に対して斜めなるように処理された光ファイバ101を用意する。端面101aを斜めにする方法としては、キズを入れた後に折り曲げ切断する方法や、適当な治具を用いて研磨する方法を挙げることができる。
端面101aの角度は、端面と光ファイバ101の光軸に垂直な面との間がなす角度で考えて、1〜10°程度とすればよい。また、この例において、光ファイバ101は、通常の石英を主成成分とする材料により構成されたものを採用する。
また、光ファイバ101が接合される部分に凹部102aを形成したコリメータレンズ102を用意する。図2は、コリメータレンズの一例を示す斜視図である。コリメータレンズ102は、光ファイバ101を構成する材料よりも低軟化点の多成分系ガラスを材料とするもので、モールド成形技術を用いて製造される。コリメータレンズ102は、レンズ部102bを備え、このレンズ部102bの焦点が、凹部102aの内部(好ましくは、凹部102aの底面またはその近傍にファイバを配置した際にファイバ端中心の位置)にくるように光学設計を行ったものを使用する。
凹部102aは、コリメータレンズ102をモールド成形により成形する際に同時に形成されるもので、その正面から見た形状は、円形であり、全体としては、円柱状に窪んだ構造を有している。また、その直径は、光ファイバ101の直径より大きく、位置あわせ時の余裕が確保されている。
凹部102aの正面から見た形状は、円形以外に、楕円形、多角形を採用することができる。なお、凹部102aは、コリメータレンズ103を得た後に切削する等して形成してもよい。
光ファイバ101とコリメータレンズ102を用意したら、図1(A)〜(B)に示すように、コリメータレンズ102の凹部102aに光ファイバ101を差し込み、光軸およびコリメータレンズ102の焦点に端面101aの中心(中心コア部分)を合わせるための位置合わせ(アライメント)作業を行う。
この作業では、図示しない試験装置を使用する。試験装置は、所定の波長および強度に調整された試験光を出力する機能、さらに入力された光の強度を計測する機能を備えた試験用測定器である。
位置合わせを行うには、まず、図示しない試験装置から試験光を出力し、それを光ファイバ101からコリメータレンズ102に射出する。この試験光は、コリメータレンズ102から反射面103に照射され、さらに反射面103で反射されて、逆光路を辿って図示しない試験装置に反射光として戻る。この状態で、コリメータレンズ102の凹部102aの内部に、斜めカットした光ファイバ101の端面101aを垂直に挿入する。
ここで、凹部102aの内部において、光ファイバ101の位置を動かし、前述の試験装置に戻る反射光の強度が最大になるようにする。つまり、光軸と焦点が合うことで、伝送効率が最大になる位置を探す。こうして、光ファイバ101とコリメータレンズ102との光軸合わせおよび焦点合わせ作業が行われる。
位置合わせの作業が終了したら、光ファイバ101とコリメータレンズ102との位置関係を固定し、さらに図1(C)に示すように、コリメータレンズ102の凹部102a付近に針状の電極104aおよび104bを近づけ、両電極間に高電圧を加えて放電105を起こす。この際、より低軟化点であるコリメータレンズ102の凹部102a付近が優先的に軟化する温度条件になるように、放電条件を設定する。
この放電105によって、コリメータレンズ102の凹部102a付近が軟化し、それによりその窪みが埋まり、符号106で示されるように軟化成分による光ファイバ101とコリメータレンズ102との溶着が行われる。こうして、凹部102aの内部において、光ファイバ101とコリメータレンズ102との接合が行われる(図1(D))。
この光ファイバコリメータの製造工程においては、位置合わせが終了した図1(B)の状態から、接合が終了した図1(D)の状態の間において、光ファイバ101とコリメータレンズ102との相対的な位置関係を動かす必要はない。そのため、光軸のずれ、およびコリメータレンズ102の焦点の位置からの端面101aの位置ずれを最小限に抑えることができる。そのため、光信号の伝送損失を最低限に抑えることができる。
また、光ファイバ101とコリメータレンズ102との位置あわせの作業時に、コリメータレンズ102に形成された凹部102aが物理的なガイドとして機能するので、その作業性を高めることができる。
こうして、図1(D)に示す光ファイバコリメータを得ることができる。この光ファイバコリメータは、光ファイバ101からコリメータレンズ102に出射された光束が、レンズ部102bから平行光束として出射される光学機能を有する。また、レンズ部102bに入射した平行光束をレンズ部102bの機能によって収束し、それを光ファイバ101内に導く機能を有する。
2.第2の実施形態
図3は、発明を利用した光ファイバコリメータの製造工程の他の一例を説明する製造工程図である。まず、一端の端面101aが光軸に対して斜めなるように処理された光ファイバ101を用意する。これは、第1の実施形態における光ファイバ101と同じものである。
また、コリメータレンズ202を用意する。図4は、コリメータレンズの一例を示す斜視図である。このコリメータレンズ202は、光ファイバ101が接続される側の端面204に円筒構造のリング形状部材202aが一体成形された構造を有している。このリング形状部材202aは、モールド成形によりコリメータレンズ202の成型時に同時に形成されるもので、端面204aから円筒の構造物が突出した構造を有している。
リング形状部材202aは、薄肉形状であり、その内側は円筒型の窪み(凹部203)となっている。この凹部203の底面は、端面204と一致する面上にある。また、凹部203の内径は、光ファイバ101の外径よりも大きく、凹部203の内部において、光ファイバ101の位置合わせを行うための余裕が確保されている。
また、コリメータレンズ202は、レンズ部202bを備え、このレンズ部202bの焦点が、凹部203の内部に位置するように光学設計がされている。なお、コリメータレンズ202の材料は、第1の実施形態と同じである。
光ファイバ101とコリメータレンズ202とを用意したら、図3(A)〜(B)に示すように、光ファイバ101の斜めカットした端面101aをコリメータレンズ202のリング形状部材202aの凹部内部に差し込む。そして、図3(B)に示す状態において、第1の実施形態において説明したのと同様な方法により、光軸合わせ、およびコリメータレンズ202の焦点への光ファイバ101の端面101aの位置合わせを行う。
位置合わせが終了したら、リング形状部202aに針状の電極104aおよび104bを近づけ、放電105を行う。リング形状部202aは、薄肉形状であり、コリメータレンズ202の端面から突出しているので、熱容量が小さく、またガラス材料の熱の伝導性があまりよくないので、放電105が行われることで、リング形状部材202aが優先的に軟化する。これにより、図3(D)の符号202cで示されるような、軟化したガラス成分による溶着構造を得ることができる。
本実施形態においては、位置合わせが終了した図3(B)の状態から、接合が終了した図3(D)の状態の間において、光ファイバ101とコリメータレンズ202との相対的な位置関係を動かす必要がない。そのため、光軸のずれ、コリメータレンズ102の焦点の位置からの端面101aの位置ずれを最小限に抑えることができる。
リング形状部材202aは、モールド成形によりコリメータレンズ202と一体に構成される以外に、別部材として製造し、それをコリメータレンズの端面に接合する方法を採用することもできる。この場合、リング形状部材を構成する材料をコリメータレンズより低軟化点なものとすることで、放電による接合工程において、リング形状部材を積極的に軟化させ、溶着機能をより高めることができる。
3.第3の実施形態
ここでは、本発明を光モジュールへ適用した場合の一例を説明する。図5は、光モジュールへの光ファイバの接続作業の手順を示す工程図である。図5には、第1の実施形態に示す方法を用いて、光モジュール401に、光ファイバ405および409を接続する手順が示されている。
この例においては、光モジュールとして光アッテネータモジュール401を採用した場合を説明する。光アッテネータモジュール401は、コリメータレンズ402、光減衰素子403、およびコリメータレンズ404を備えている。また、光アッテネータモジュール401は、その製造時に、コリメータレンズ402とコリメータレンズ404との光軸合わせが行われ、全体が樹脂やガラスによってモールドされた構造を有している。
光アッテネータモジュール401は、通過する光を所定の減衰量で減衰させる機能を有し、例えば、光ファイバ経路の中に挿入されて、伝送される光信号のレベル調整を行う場合に利用される。
この例において、光アッテネータモジュール401が備えるコリメータレンズ402および404は、図1および図2に示すコリメータレンズ102と同様な構造を有している。すなわち、コリメータレンズ402の端面に凹部402aが形成されており、コリメータレンズ404の端面に凹部404aが形成されている。
図5(A)に示す光アッテネータモジュール401を用意したら、第1および第2の実施形態において利用したのと同じ、先端を斜めカットした光ファイバケーブルを2本用意する。そして、その内の一本である光ファイバ405の図示しない他端に第1の実施形態で説明した試験装置を接続し、さらにコリメータレンズ404の凹部402a内に光ファイバ405の斜めカットされた端面を差し込む(図5(B))。そして、コリメータレンズ404を反射鏡408に対向させた状態で、図示しない試験装置から光ファイバ405を介して試験光を送り込む。
この試験光は、光ファイバ405→光アッテネータモジュール401→反射鏡408→逆経路を辿って図示しない試験装置に戻りそこで検出される。この際、試験光の反射強度が最大となるように光ファイバ405とコリメータレンズ402との相対的な位置関係を調整する。これにより、光軸合わせと、コリメータレンズ402の焦点への光ファイバ405端面(斜めカットされた端面)の位置合わせと、が行われる(図5(B))。
光ファイバ405とコリメータレンズ402との位置合わせが終了したら、両者の位置関係を固定した状態で、凹部402aに針状の電極407aおよび407bを近づけ、放電を行う(図5(C))。
この放電により、第1の実施形態において説明したのと同様に、光ファイバ405とコリメータレンズ402とが接合される。
次に、コリメータレンズ404の凹部404aにもう一方の光ファイバを近づけ、その位置合わせを行う。この際、この光ファイバの他端に、第2の試験装置を接続し、この状態において、上述した光ファイバ405に接続した第1の試験装置から、光ファイバ405を介して光アッテネータモジュール401に試験光を送り込む。そして、コリメータレンズ404側において、第2の試験装置が検出する試験光の強度が最大となるように、コリメータレンズ404と光ファイバとの位置関係が調整される。こうして、コリメータレンズ404ともう一方の光ファイバ(図4(D)の符号409によって示される光ファイバ)との位置合わせが行われる。
この位置合わせ作業が終了したら、図5(C)に示すのと同様な方法により、両者の接合を行い、図5(D)に示す状態を得る。こうして、コリメータレンズ402に光ファイバ405が接続され、コリメータレンズ404に光ファイバ409が接続された構造を得る。
この光アッテネータモジュール401においては、例えば、光ファイバ405を介して、コリメータレンズ402に入力された光信号が、コリメータレンズ402によって平行光束にされ、それが光減衰素子403を通過する際に所定レベルの減衰を受け、さらにこの減衰された光信号が、コリメータレンズ404により収束され、それが光ファイバ409に導かれ、所定レベルの減衰を受けた光信号が光ファイバ409から出力される。
本実施例において、コリメータレンズ402および404として、図2に例示するようなリング形状部を備えたコリメータレンズを採用することもできる。
本発明は、光ファイバコリメータや各種光モジュールに利用することができる、また、それらの製造技術に利用することができる。
コリメータレンズへの光ファイバの接続作業を示す工程図。 コリメータレンズの概要を示す斜視図。 コリメータレンズへの光ファイバの接続作業を示す工程図。 コリメータレンズの概要を示す斜視図。 光モジュールへの光ファイバの接続作業を示す工程図。
符号の説明
101…光ファイバ、101a…斜めカットされた端面、102…コリメータレンズ、102a…凹部、102b…レンズ部、103…反射鏡、104a…針状の電極、104b…針状の電極、105…放電、106…溶着部分、202…コリメータレンズ、202a…リング形状部、202b…レンズ部、202c…軟化したガラス成分による溶着構造、203…リング形状部内の凹部、204…コリメータレンズの端面、401…光アッテネータモジュール、402…コリメータレンズ、402a…凹部、403…光アッテネータ素子、404…コリメータレンズ、404a…凹部、405…光ファイバ、407a…針状の電極、407b…針状の電極、408…反射鏡、409…光ファイバ。

Claims (4)

  1. 凹部が形成されたコリメータレンズと光ファイバとを接合する方法であって、
    端面が斜めにカットされた光ファイバの前記端面を前記凹部に差し込む工程と、
    前記凹部内において、前記コリメータレンズと前記光ファイバとの光軸合わせを行うと共に前記端面を前記コリメータレンズの焦点位置に合わせる工程と、
    前記コリメータレンズの前記凹部付近を軟化させ、前記光ファイバと前記コリメータレンズとを接合する工程と
    を備えることを特徴とする光部品の製造方法。
  2. 光ファイバが接合される位置に形成された凹部と、
    前記凹部内に焦点の位置が設定されているレンズ系と
    を備えていることを特徴とする光部品。
  3. リング形状部材を備えたコリメータレンズと光ファイバとを接合する方法であって、
    端面が斜めにカットされた光ファイバの前記端面を前記リング形状部材内に差し込む工程と、
    前記リング形状部材内において、前記コリメータレンズと前記光ファイバとの光軸合わせを行うと共に前記端面を前記コリメータレンズの焦点位置に合わせる工程と、
    前記リング形状部材を軟化させ、前記光ファイバと前記コリメータレンズとを接合する工程と
    を備えることを特徴とする光部品の製造方法。
  4. 光ファイバが接合される位置に形成されたリング形状部材と、
    前記リング形状部材内に焦点の位置が設定されているレンズ系と
    を備えていることを特徴とする光部品。
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WO2012162926A1 (zh) * 2011-05-31 2012-12-06 潮州三环(集团)股份有限公司 携带准直透镜的二维光纤阵列
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