JP2008020560A - 光ファイバコリメータ対及び光ファイバコリメータアレイ - Google Patents

Abstract

【課題】十分なワーキングディスタンスを確保でき、結合損失が少なく、ホルダーなどに容易に固定可能な光ファイバコリメータ対、光ファイバコリメータアレイとする。
【解決手段】光ファイバの開口数をＮＡf、前記ＧＲＩＮレンズの開口数をＮＡgとした場合、
０．０９０ ≦ ＮＡg ≦ ０．１７
かつ
ＮＡf ≦ ＮＡg
さらに、前記光ファイバの外径をＤf、前記ＧＲＩＮレンズの外径をＤgとした場合、
Df−３μｍ ≦ Ｄg ≦Df
とすることで、ワーキングディスタンスが十分で、結合損失が少なく、ホルダーなどに容易に固定可能な光ファイバコリメータ対、光ファイバコリメータアレイを得る。
【選択図】 図１

Description

本発明は、特に光通信に用いて好適な光ファイバコリメータ対、及び複数の光ファイバコリメータ対からなる光ファイバコリメータアレイに関する。

光ファイバからの光を、光学的な処理を施してから、高効率で対向する光ファイバに入射させる光ファイバコリメータ対において、光をコリメートさせるためのレンズとしてＧＲＩＮ(屈折率分布型)レンズが利用されている。ＧＲＩＮレンズは断面における半径方向の屈折率が、ほぼ２乗カーブで連続的に変化する棒状レンズで、この屈折率分布によってレンズ作用が行われる。ここで、ＮＡはＧＲＩＮレンズの中心と周辺での屈折率の２乗差の平方根で、開口数Numerical Aperture（以下、「NA」と略す。）と称し、レンズ性能を表わす重要なパラメータである。現在光ファイバコリメータに用いるＧＲＩＮレンズとしては、下記特許文献１に示すようなＧＩ型光ファイバが多く用いられている。特許文献１の光ファイバコリメータ対は、シングルモード型光ファイバに、光ファイバの外径よりも大きな外径を有するＧＩ型光ファイバを接続した光ファイバコリメータを対向して設けたものである。しかし、ＧＩ型光ファイバの径が大きいと、コリメータ先端部が大きくなってしまう、コリメータ先端部を固定するホルダーの構造が複雑になる、コリメータ先端部の軸あわせがやりにくい、という問題がある。

光ファイバコリメータから出射する光を、ワーキングディスタンス内に配置された種々の光デバイス（光アイソレータ、光スイッチなど）で信号処理して再び対向する光ファイバコリメータに導入するコリメータ対においては、種々の光デバイスを設置するため、また組み立て作業を容易にするために十分なワーキングディスタンス（２ｍｍ以上）が要求される。また、２個の光ファイバコリメータを対向して設ける場合、どうしても、光ファイバコリメータ先端のＧＲＩＮレンズどうしにある程度の軸ずれや角度ずれが避けられず、この軸ずれ・角度ずれによって結合損失が生じる。したがって、ある程度の軸ずれや角度ずれがあっても、結合損失の少ない（１ｄＢ以下）光ファイバコリメータ対が要求される。また、光ファイバコリメータ対は、その先端部が適宜のホルダーなどに固定して設けられるが、ホルダーなどに精度良く容易に固定可能なものが要求される。
特許第３２８５１６６号公報

本発明は、種々の光デバイスを設置するため、また組み立て作業を容易にするために十分なワーキングディスタンスを確保でき、対向するＧＲＩＮレンズどうしにある程度の軸ずれや角度ずれがあっても結合損失が少なく、ホルダーなどに容易に固定可能な光ファイバコリメータ対、及び光ファイバコリメータアレイを開発することを目的とするものである。

（請求項１）
本発明は、光ファイバの先端にＧＲＩＮレンズを融着した光ファイバコリメータ２個を、前記ＧＲＩＮレンズ先端面が対向するように設けた光ファイバコリメータ対において、
前記光ファイバの開口数をＮＡf、前記ＧＲＩＮレンズの開口数をＮＡgとした場合、
０．０９０ ≦ ＮＡg ≦ ０．１７
かつ
ＮＡf ≦ ＮＡg
さらに、前記光ファイバの外径をＤf、前記ＧＲＩＮレンズの外径をＤgとした場合、
Df−３μｍ ≦ Ｄg ≦Df
であることを特徴とする光ファイバコリメータ対である。

（請求項２）
また本発明は、複数組の請求項１の光ファイバコリメータ対からなることを特徴とする光ファイバコリメータアレイである。

一般的に、コリメート長さを長くするには、ＧＲＩＮレンズのＮＡを小さくすることが有効である。図１は、低いＮＡのＧＲＩＮレンズ２、又は高いＮＡのＧＲＩＮレンズ２’を光ファイバ３に融着した光ファイバコリメータ１、１’の、ワーキングディスタンスｃ及びビームウェスト距離ｓの違いを説明するもので、上段がＮＡの低いＧＲＩＮレンズ、下段がＮＡの高いＧＲＩＮレンズの場合を示している。ＧＲＩＮレンズの先端面を対向して配置された２個の光ファイバコリメータ１、１’が光ファイバコリメータ対を形成しており、左側の光ファイバコリメータから出た光（矢印で示す）が右側の光ファイバコリメータに入射する。ＮＡの高いＧＲＩＮレンズから出た光は拡散する傾向が大きいので、ＮＡの低い場合に比べてワーキングディスタンスｃ及びビームウェスト距離ｓが共に短くなる。図２は、光ファイバコリメータ対における、ＧＲＩＮレンズのＮＡとビームウェスト距離の関係を示すグラフで、ＮＡが高いほどビームウェスト距離が短くなるのが分かる。ＧＲＩＮレンズのＮＡが０．１７以下のとき最長ビームウェスト距離が１０００μｍ（１ｍｍ）となる。ワーキングディスタンスはビームウェスト距離の２倍であるから、ＧＲＩＮレンズのＮＡが０．１７以下であれば、ワーキングディスタンスが２ｍｍ以上となり、十分なワーキングディスタンスを確保できる。

図３は開口数ＮＡfが０．１の光ファイバに種々のＮＡのＧＲＩＮレンズを融着した光ファイバコリメータ対について、先端のＧＲＩＮレンズに軸ずれと角度ずれが生じた場合の結合損失を調べた結果を表している。通常の注意力をもって、光ファイバコリメータ対先端のＧＲＩＮレンズの位置合わせを行った場合、軸ずれは１０μｍ以内、角度ずれは０．１°以内に収めることができる。最も位置ずれ・角度ずれが大きい場合、すなわち、軸ずれ１０μｍで角度ずれ０．１°の場合、結合損失が１ｄＢ以内となるＧＲＩＮレンズのＮＡの範囲は、図３から、０．０９０〜０．３であることがわかる。したがって、ＧＲＩＮレンズのＮＡ（ＮＡg）がこの範囲内にあれば、光ファイバコリメータ対の結合損失が１ｄＢ以内に収まることになる。

したがって、ＧＲＩＮレンズのＮＡ（ＮＡg）が、
０．０９０ ≦ ＮＡg ≦ ０．１７
であれば、ワーキングディスタンスを２ｍｍ以上確保でき、かつ、結合損失を１ｄＢ以下にすることができる。

なお、ＧＲＩＮレンズのＮＡ（ＮＡg）が光ファイバのＮＡ（ＮＡf）よりも小さくなると、損失が大きくなるので、
ＮＡf ≦ ＮＡ
であることが必要である。

次に、ＧＲＩＮレンズの外径Ｄgが光ファイバの外径Ｄfよりも大きいと、光ファイバコリメータ対先端部の位置合わせが困難となり、組み立て作業に時間を要するばかりでなく、光ファイバコリメータ対先端部を固定するホルダー等の構造が大型かつ複雑となり、コスト高となる。また、ＧＲＩＮレンズの外径Ｄgが光ファイバの外径Ｄfよりも小さすぎても組み立て作業に時間を要するばかりでなく、結合損失が大きくなる。ＤgとＤfが等しいのが理想であるが、ＤgがＤfより小さくても、その違いが３μｍ程度であれば、ホルダーなどの構造はＤgとＤfが等しい場合と同じで良く、また光ファイバコリメータ対先端部の位置合わせも事実上支障ない。したがって、
Df−３μｍ ≦ Ｄg ≦Df
であることが必要である。

本発明の光ファイバコリメータ対及び光ファイバコリメータアレイは、種々の光デバイスを設置するため、また組み立て作業を容易にするために十分な２ｍｍ以上のワーキングディスタンスを確保でき、対向するＧＲＩＮレンズどうしに考えられる程度の軸ずれや角度ずれがあっても結合損失が１ｄＢ以下と少ない。また、光ファイバコリメータをホルダーなどに容易に固定して光ファイバコリメータ対及び光ファイバコリメータアレイを形成することができる。

図４は実施例の光ファイバコリメータ対で、筒状のホルダー４に、両側から光ファイバ３の先端にＧＲＩＮレンズ２を融着した光ファイバコリメータ１を差し込んで接着固定し、中央に光デバイス５（この場合は光アイソレータ）を装着したものである。光ファイバ３は単一モード型で、外径は１２５μｍ、開口数ＮＡf＝０．１である。ＧＲＩＮレンズ２は外径１２５μｍ、開口数ＮＡg＝０．１７である。この光ファイバコリメータ対のビームウェスト距離ｓ＝１ｍｍ（ワーキングディスタンスｃ＝２ｍｍ）、ＧＲＩＮレンズどうしの軸ずれ１０μｍ、角度ずれは０．１°のときの結合損失は０．５５ｄＢであった。ＧＲＩＮレンズ２の外径が光ファイバ３の外径と等しいので、ホルダー４の構造が簡単で、ホルダー４に光ファイバコリメータ１を取り付ける作業も容易に行うことができる。なお、光ファイバコリメータ対において、光ファイバコリメータ１の先端部を固定する手段はこの実施例のホルダーに限るものではない。

図５、６に示す光ファイバコリメータアレイは、先端部が対向する４組の光ファイバコリメータ対からなる。図５に示すように、ホルダー台部６の溝８に、光ファイバ３の先端にＧＲＩＮレンズ２を融着した光ファイバコリメータ１をセットする。ホルダー台部６は、中央部が光デバイスをセットするスペース７となっており、その両側に、光ファイバコリメータ１先端部を対向してセットし、位置決めするための溝８が形成されている。溝８に４組の光ファイバコリメータ対の先端部をセットして位置決めした後、図６に示すように、樹脂層１０及びホルダー蓋部９を設け、光ファイバコリメータ先端部を完全に固定する。光ファイバ３は単一モード型で、外径は１２５μｍ、開口数ＮＡf＝０．１である。ＧＲＩＮレンズ２は外径１２５μｍ、開口数ＮＡg＝０．１３である。この光ファイバコリメータ対のビームウェスト距離ｓ＝１．５ｍｍ（ワーキングディスタンスｃ＝３ｍｍ）、ＧＲＩＮレンズどうしの軸ずれ１０μｍ、角度ずれは０．１°のときの結合損失は０．６ｄＢであった。ＧＲＩＮレンズ２の外径が光ファイバ３の外径と等しいので、ホルダー４の構造が簡単で、ホルダー４に光ファイバコリメータ１を取り付ける作業も容易に行うことができる。なお、光ファイバコリメータアレイにおいて、光ファイバコリメータの先端部を固定する手段はこの実施例のホルダーに限るものではない。

本発明におけるＧＲＩＮレンズは、ゾルゲル法で作製したＴａ₂Ｏ₅又はＴｉＯ₂ドープシリカ系のものが好ましい。これは、クラッドが原理的に存在しないため、通常クラッドの存在するＧＩ型光ファイバより有効断面積が多く得られる。Ｔａ₂Ｏ₅又はＴｉＯ₂ドープシリカ系のＧＲＩＮレンズとは、シリカガラスでなり、屈折率付与物質としてＴａ₂Ｏ₅又はＴｉＯ₂を含むＧＲＩＮレンズであり、製造方法は、例えば特開２００５−１１５０９７号公報に開示されている。

本発明における光ファイバコリメータ対及び光ファイバコリメータアレイは、光通信の分野などで使用することができる。光導波路（対向する光ファイバコリメータの間）には光アイソレータ、光スイッチなどの種々の光デバイスを設けることができる。

ＧＲＩＮレンズのＮＡの違いによる光ファイバコリメータのワーキングディスタンス及びビームウェスト距離の違いの説明図である。 ＧＲＩＮレンズのＮＡとビームウェスト距離の関係の説明図である。 光ファイバコリメータ先端部の軸ずれ及び角度ずれによる光ファイバコリメータ対の結合損失がＧＲＩＮレンズのＮＡによって変化する様子の説明図である。 光ファイバコリメータ対のホルダーの一部を切り欠いて示す側面図である。 光ファイバコリメータアレイのホルダー台部の説明図である。 光ファイバコリメータアレイの断面図である。

符号の説明

１ 光ファイバコリメータ
１’ 光ファイバコリメータ
２ ＧＲＩＮレンズ
２’ ＧＲＩＮレンズ
３ 光ファイバ
４ ホルダー
５ 光デバイス
６ ホルダー台部
７ スペース
８ 溝
９ ホルダー蓋部
１０ 樹脂層

Claims (2)

1. 光ファイバの先端にＧＲＩＮレンズを融着した光ファイバコリメータ２個を、前記ＧＲＩＮレンズ先端面が対向するように設けた光ファイバコリメータ対において、
   前記光ファイバの開口数をＮＡf、前記ＧＲＩＮレンズの開口数をＮＡgとした場合、
   ０．０９０ ≦ ＮＡg ≦ ０．１７
   かつ
   ＮＡf ≦ ＮＡg
   さらに、前記光ファイバの外径をＤf、前記ＧＲＩＮレンズの外径をＤgとした場合、
   Df−３μｍ ≦ Ｄg ≦Df
   であることを特徴とする光ファイバコリメータ対。
2. 複数組の請求項１の光ファイバコリメータ対からなることを特徴とする光ファイバコリメータアレイ。