JP2008299303A - レンズ付き光ファイバとその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レンズから出射される光のビームウエストBWと、レンズ中心からビームウエストBWまでの距離WDとの関係の制限を解消して、ビームウエストBWを極力小さくすることが可能であり、且つ、距離WDを長大化することが可能なレンズ付き光ファイバとその製造方法の提供。
【解決手段】第一の光ファイバ２と第二の光ファイバ３と、溶融部４、及び球レンズ５で構成されたレンズ付き光ファイバであり、第一の光ファイバと第二の光ファイバが接続され、第一の光ファイバが接続されている端部の他端側の第二の光ファイバの端部が溶融されて溶融部が形成され、溶融部にレンズが接合され、更に、溶融部は一部に半径r2の球形を有し、第二の光ファイバのビームウエストωcorelessが特定の計算式で導出され、r2＞ωcorelessとなるように半径r2が設定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、光結合器、光送信器、光スイッチ、光アイソレータ等と云った光ファイバ端末を付属する光学装置に備えられるレンズ付き光ファイバとその製造方法に関するものである。

光通信システムの光伝搬路として、光を伝搬させるコアと、コアの周囲に形成されてコ
アよりも屈折率の低いクラッド層を備えたシングルモード型光ファイバが使用されている。更にその光ファイバの端部には、発光素子、受光素子、又はフィルタ素子等が対向配置される。前記光ファイバ中を伝搬してきた光は、その端部では空気による屈折率差によって反射戻り光が発生して半導体レーザ等の発光素子等に戻ってしまう。従って、発光素子の発振状態が不安定となる問題があった。そのため、光ファイバ端部を球面化することによって、光ファイバの端部における反射戻り光を抑制して、発光素子又は受光素子との光結合を高効率にしたレンズ付き光ファイバが考案されている（特許文献１参照）。

特許２９９２０９３（第２−３頁、第１図）

上記特許文献１に記載のレンズ付き光ファイバを図４に示す。図４に示すように、上記特許文献１では前記レンズ付き光ファイバの一例として、第一の光ファイバ101と第二の光ファイバ102を融着し、融着側と他端側の第二の光ファイバ102端部を、球状のレンズ103形状に成形したレンズ付き光ファイバ100が考案されている。第一の光ファイバ101はシングルモード型光ファイバ（Single Mode Fiber：SMF）である。一方、第二の光ファイバ102は単一屈折率を有する非ドープシリカファイバであり、その屈折率は第一の光ファイバ101のコアと等価に設定されている。更に、第二の光ファイバ102の外径は第一の光ファイバ101と同一径に設定されている。又レンズ103を含む第二の光ファイバ102の長さd0’は、レンズ103の出射端での伝搬光のモードフィールド径（Mode Filed Diameter：MFD）ωd0が少なくとも80μm以上に拡大する長さに設定され、且つレンズ103の半径r1は200μm以上に設定される。

図５にレンズ付き光ファイバ100の製造方法を示す。球状レンズ103を形成する球体積と等価の体積分の光ファイバ長Lを、半径r1を用いて算定し、第一の光ファイバ101に融着後、第二の光ファイバ102が溶融可能な温度を発生する溶融源に光ファイバ102先端からLの距離だけ溶融源に向かって下げる。Lの長さまで第二の光ファイバ102を溶融部104へ降下して球状レンズ103を製作する。第二の光ファイバ102の加熱溶融方式には種々様々な方法があり、例えばイメージ加熱，アーク放電加熱，抵抗加熱などが挙げられる。

しかしながら、レンズ付き光ファイバ100のようにシングルモード型光ファイバと単一屈折率を有する光ファイバとを用いる光ファイバ端末構造で、レンズ103出射端での伝搬光のモードフィールド径ωd0を、レンズ103への光導入部である第二の光ファイバ102の外径以上に拡大ためには、レンズ103を大径化しなければならなかった。

しかしながらレンズ103の半径r1が大きくなるにつれて、レンズ103の表面積に対する相対的な第二の光ファイバ102の接合面積は小さくなるため、第二の光ファイバ102とレンズ103の間の接合強度が不足してしまう。従ってレンズ103の大径化には限度があり、このため伝搬光のビームウエストBWと、レンズ103中心からビームウエストBWまでの距離WDとの関係にも制限が発生するため、レンズ付き光ファイバ100と他の光学素子との光学結合距離の自由度が無かった。

更に、図５に示すように、第二の光ファイバ102端部の溶融中に、レンズ103の光軸と、第一の光ファイバ101のコア中心軸との傾き制御が困難になり、製造上の困難を招いてしまっていた。

本発明は上記各課題に鑑みて成されたものであり、レンズから出射される光のビームウエストBWと、レンズ中心からビームウエストBWまでの距離WDとの関係の制限を解消して、
ビームウエストBWを極力小さくすることが可能であり、且つ、前記距離WDを長大化することが可能なレンズ付き光ファイバとその製造方法の提供を目的とする。

本発明の請求項１に記載のレンズ付き光ファイバは、
第一の光ファイバと、第二の光ファイバと、溶融部、及び球状のレンズを含み、
前記第一の光ファイバはシングルモード型光ファイバであり、
前記第二の光ファイバは単一屈折率構造の光ファイバであり、更に前記第二の光ファイバの屈折率は前記第一の光ファイバのコアの屈折率と等価に設定されており、
前記レンズの屈折率は前記第二の光ファイバの屈折率と等価に設定されており、
前記第二の光ファイバの外径は、前記第一の光ファイバの外径以上に設定されており、
更に、前記第一の光ファイバと前記第二の光ファイバがそれぞれの端部で接続されており、
前記第一の光ファイバが接続されている端部の他端側の前記第二の光ファイバの端部が溶融されることで前記溶融部が形成され、
前記溶融部の屈折率は前記第二の光ファイバの屈折率と等価であり、
前記溶融部に前記レンズが接合又は形成されており、
更に、前記溶融部の形状は、その形状の一部に半径r2の球形状を有するように形成され、
ω0：前記第一の光ファイバのコア半径、λ：前記レンズ付き光ファイバを伝搬する光の波長、n：前記波長λにおける前記第二の光ファイバの屈折率、d0：前記第二の光ファイバ端部から前記レンズの出射端までの伝搬長、r1：前記レンズの半径、φcoreless：前記第二の光ファイバの外径とすると、
前記第二の光ファイバのビームウエストωcorelessが

と導出されると共に、そのビームウエストωcorelessに対してr2＞ωcorelessの関係となるように前記半径r2が設定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、本発明の請求項２に記載のレンズ付き光ファイバは、前記第一の光ファイバと前記第二の光ファイバのそれぞれの外径を、同一とす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。

又、本発明の請求項３に記載の発明は、
前記第一の光ファイバと、
初期長Lが

と設定された前記第二の光ファイバを、それぞれの端部で接続し、
接続後、前記第一の光ファイバが接続されている端部の他端側の前記第二の光ファイバの端部を溶融することで前記半径r2の値に設定された球状の前記溶融部を形成し、
次に、前記レンズと前記第二の光ファイバとを前記溶融部によって接合、又は前記溶融
部を更に溶融することによって前記レンズを形成することで前記レンズ付き光ファイバを製造す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の製造方法である。

更に、本発明の請求項４に記載の発明は、前記第二の光ファイバの端部の溶融を放電により行い、その放電部を第一の光ファイバ側へと移動させることを特徴とする請求項３に記載のレンズ付き光ファイバの製造方法である。

本発明の請求項１に記載のレンズ付き光ファイバに依れば、溶融部を光導入部である第二の光ファイバに形成し、溶融部内部で伝搬光を第二の光ファイバの外径以上に拡大し、更にレンズで拡大するので、レンズ出射端におけるビームウエストωdoを大幅に拡大することが可能となる。これにより、伝搬光のビームウエストBWと、レンズ中心からビームウエストBWまでの距離WDとの関係の制限が解消され、ビームウエストBWの細径化と、レンズ中心からビームウエストBWまでの距離WDの長距離化が可能となった。

又、ビームウエストBWの細径化に伴い、光スイッチ、光アイソレータ等に用いられる光学素子のクリアアパーチャの小径化も可能となる。更に、伝搬光の光路方向におけるトレランスを大きく取れるため、結果的に光学素子の小型化と光学装置の低コスト化も可能となる。

又、第二の光ファイバ端部からレンズ出射端までの伝搬長d0の調整は、溶融部の形成（第二の光ファイバ端部の加熱、溶融）と溶融部の半径r2の調整によって容易に行うことが可能となる。更に、レンズの半径r1と前記伝搬長d0の制御も容易となる。

また、伝搬光の拡大のために、レンズ付き光ファイバ以外の光学部品を必要としないため、部品点数の削減による低コスト化と歩留まりの向上に優れる。

更に、本発明の請求項２に記載のレンズ付き光ファイバに依れば、第二の光ファイバの外径φcorelessと、第一の光ファイバ２外径と同一にすることにより、互いのファイバど
うしの光軸調整が容易となる。又、溶融部内部で伝搬光を第二の光ファイバの外径以上に拡大するので、前記φcorelessを必要以上に大きく設定する必要が解消され、レンズ付き光ファイバとそのレンズ付き光ファイバを搭載する光学装置やデバイスの細径化が可能となる。

更に、本発明の請求項３に記載のレンズ付き光ファイバの製造方法に依れば、レンズ付き光ファイバの伝搬光路に応じて第二の光ファイバ初期長Ｌを調整することで、第二の光ファイバの外径φcorelessに関わらず、溶融部の半径r2を任意の値に設定することが出来る。

又、レンズを溶融部によって第二の光ファイバに接合するので、半径r1が大きいレンズでも、レンズの表面積に対する相対的な溶融部の接合面積が大きく取れるため、第二の光ファイバとレンズの間で十分な接合強度を得ることが出来る。従って従来のレンズ付き光ファイバの構造に比べて、レンズをより大径化することが可能となる。更に、レンズの光軸と、第一の光ファイバのコア中心軸との傾き制御が容易になる。

また、伝搬光の拡大のために、レンズ付き光ファイバの製造以外に伝搬光拡大工程を必要としないため、製造工程、製造時間の短縮による低コスト化に優れる。又、汎用の融着機で前記レンズ付き光ファイバを製作することが可能となるため、異径の融着機を使わなくても良いので設備投資を抑えることが可能となる。

更に、等価な屈折率を有する第二の光ファイバとレンズとを溶融部で直接、一体化することにより、信頼性、耐候性、及び伝搬光の損失特性の点で優れたレンズ付き光ファイバを製造することが出来る。

更に、本発明の請求項４に記載のレンズ付き光ファイバの製造方法に依れば、第二の光ファイバ側を固定し、放電部側を移動させることにより、溶融部の半径r2を所定の寸法に制御することが容易になる。

以下、本発明に係るレンズ付き光ファイバの実施の形態について、図１〜図３を参照して詳細に説明する。図１(a)に示すように、本発明に係るレンズ付き光ファイバ１は、第一の光ファイバであるシングルモード型光ファイバ（Single Mode Fiber：SMF）２と、第二の光ファイバである非ドープシリカファイバ３と、溶融部４、及び非ドープシ
リカから構成される球状のレンズ５から構成される。

第一の光ファイバ２は、光を伝搬させるコアと、コアの周囲に形成されてコアよりも屈折率の低いクラッド層を備えたシングルモード型の光ファイバである。一方、第二の光ファイバ３は、単一屈折率を有するコアレス構造の非ドープシリカ材料から構成されると共に、その屈折率は第一の光ファイバ２のコアの屈折率と等価に設定されている。更にその外径φcoreless（図１(b)参照）は、第一の光ファイバ２の外径以上に設定される。第一の光ファイバ２と第二の光ファイバ３とはそれぞれの端部で融着により接続される。

更に、第一の光ファイバ２が融着されている端部の他端側の第二の光ファイバ３端部には、第二の光ファイバ３の外径φcorelessよりも大きな直径を有する球状のレンズ５が接合又は形成されている。レンズ５の屈折率は、第二の光ファイバ３の屈折率と等価に設定される。従って、第一の光ファイバ２と第二の光ファイバ３及びレンズ５は等価の屈折率を有することになる。第二の光ファイバ３は外径φcorelessが125μｍから200μｍの円筒形シリカガラスで構成される。一方、レンズ５は半径r1が500μｍの球状レンズである。

レンズ５が溶融部４に接合、又は形成されることにより、レンズ５と第二の光ファイバ３とが、第二の光ファイバ３の端部に形成した溶融部４によって一体化されている。
溶融部４は、第一の光ファイバ２が融着されている他端側の第二の光ファイバ３の端部
が溶融されることで形成されている。溶融部４の形状は、その形状の一部に半径r2の球
形状を有するように形成されており、半径r2は、第二の光ファイバのビームウエスト
ωcoreless（＝第一の光ファイバ２のモードフィールド径2ω0）を超える値に設定され
る。更に、溶融部４の屈折率は、第二の光ファイバ３の屈折率と等価である。

第一の光ファイバ２を伝搬し、第一の光ファイバ２から出射した光は、第二の光ファイバ３内部に入射することで広がりながら伝搬し、溶融部４へと入射する。溶融部４へと入射した伝搬光は、前述のr2＞ωcorelessの関係により、溶融部４内部で更に拡大し、第二の光ファイバ３の外径φcoreless以上に拡大される。更にレンズ５内部へと伝搬された光は、レンズ５出射端で収束され、収束光として出射される。

レンズ５の出射端における光のモードフィールド径ωd0は、ω0：第一の光ファイバ２のコア半径、λ：光の波長、n：波長λにおける第二の光ファイバ３の屈折率、d0：第二の光ファイバ端部からレンズ５の出射端までの伝搬長と定義すると、

と求められる。更に、レンズ付き光ファイバ１における第二の光ファイバ長dcorelessは、r1：レンズ５の半径、φcoreless：第二の光ファイバ３の外径と定義すると、

と導出される。以上の数１及び数２から、溶融部４の半径r2は、

と定義されるωcorelessの値を超えて設定する必要性が有る。

以上のように、本発明に係るレンズ付き光ファイバ１に依れば、溶融部４を光導入部である第二の光ファイバ３に形成し、溶融部４内部で伝搬光をφcoreless以上に拡大し、更にレンズ５で拡大するので、レンズ５出射端におけるビームウエストωdoを大幅に拡大することが可能となる。これにより、伝搬光のビームウエストBWと、レンズ５中心からビームウエストBWまでの距離WDとの関係の制限が解消され、ビームウエストBWの細径化と、レンズ５中心からビームウエストBWまでの距離WDの長距離化が可能となった。

又、ビームウエストBWの細径化に伴い、光スイッチ、光アイソレータ等に用いられる光学素子のクリアアパーチャの小径化も可能となる。更に、伝搬光の光路方向におけるトレランスを大きく取れるため、結果的に光学素子の小型化と光学装置の低コスト化も可能となる。

前記の通り、溶融部４の半径r2は、ωcorelessよりも大きければ良いので、前記伝搬長d0の調整は、溶融部４の形成（第二の光ファイバ３端部の加熱、溶融）とその半径r2の調整によって容易に行うことが可能となる。更に、レンズ５の半径r1と伝搬長d0の制御も容易となる。

また、伝搬光の拡大のために、レンズ付き光ファイバ１以外の光学部品を必要としないため、部品点数の削減による低コスト化と歩留まりの向上に優れる。

第二の光ファイバ３の外径φcorelessは、第一の光ファイバ２の外径と同一にすることが互いのファイバどうしの光軸調整の容易化という点で望ましい。又、溶融部４内部で伝搬光を第二の光ファイバ３の外径以上に拡大するので、前記φcorelessを必要以上に大きく設定する必要が解消され、レンズ付き光ファイバ１とそのレンズ付き光ファイバ１を搭載する光学装置やデバイスの細径化も可能となる。

次にレンズ付き光ファイバ１の製造方法について図２を参照して説明する。まず、第二の光ファイバ３と第一の光ファイバ２とを融着接続し、接続後、第一の光ファイバ２が融着された側の他端側の第二の光ファイバ３の端部を、図２(a)に示すようにアーク放電内に挿入する。放電により第二の光ファイバ３端部を溶融し、自動的に溶融部４が形成される。前記数３より、溶融前の第二の光ファイバ初期長Lは、

と求められる。アーク放電の際、溶融部４が所定の半径r2となるように、放電部６を第一の光ファイバ２側へと移動させることで球体形状の溶融部４が作製される。第二の光ファイバ３側を固定し、放電部６側を移動させることにより、溶融部４の半径r2を所定の寸法に制御することが容易になる。前述の通り、溶融部４の半径r2は、第二の光ファイバ３のビームウエストωcorelessの値を超えて形成する。本実施の形態では第二の光ファイバ３の加熱溶融方式としてアーク放電を挙げたが、他にもイメージ加熱，抵抗加熱などを用いても良い。

図２(b)は第二の光ファイバ３端部に球状の溶融部４が形成された状態を示す概念図である。レンズ付き光ファイバ１の伝搬光路に応じて第二の光ファイバ初期長Ｌを調整することで、第二の光ファイバ３の外径φcorelessに関わらず、溶融部４の半径r2を任意の値に設定することが出来る。

次に図２(b)に示すように球状レンズ５の頂部をアーク放電内に挿入して加熱すると共に、図２(c)に示すように更にそのアーク放電内に前記溶融部４の頂部を挿入して溶融部４も加熱する。加熱された球状レンズ５と溶融部４のそれぞれの頂点を、図２(c)に示すように点接触させることにより、頂点同士の１点で球状レンズ５と溶融部４が接合して、図２(d)に示すようにレンズ５と第二の光ファイバ３とが溶融部４によって接合されてレンズ付き光ファイバ１が作製される。溶融部４の体積が球状レンズ５に比べて小さいため、球状レンズ５の半径r1は変わらず、溶融部４のみが溶融されて球状レンズ５と溶融部４が接合される。

又は、球体形状の溶融部４を作製したのち、その溶融部４を更に溶融することによってレンズ５を形成しても良い。

レンズ５を溶融部４によって第二の光ファイバ３に一体化するので、半径r1が大きいレンズ５でも、レンズ５の表面積に対する相対的な溶融部４の接合面積が大きく取れるため、第二の光ファイバ３とレンズ５の間で十分な接合強度を得ることが出来る。従って従来のレンズ付き光ファイバ100の構造に比べて、レンズ５をより大径化することが可能となる。更に、レンズ５の光軸と、第一の光ファイバ２のコア中心軸との傾き制御が容易になる。

また、伝搬光の拡大のために、レンズ付き光ファイバ１の製造以外に伝搬光拡大工程を必要としないため、製造工程、製造時間の短縮による低コスト化に優れる。又、汎用の融着機で前記レンズ付き光ファイバ１を製作することが可能となるため、異径の融着機を使わなくても良いので設備投資を抑えることが可能となる。

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、溶融部４の外形を成形加工により製造し、溶融部４とレンズ５とを光学接着剤により接合するように変更しても良い。光学接着剤の屈折率は第二の光ファイバ３の屈折率とほぼ等価のものを用いる。しかしながら実施形態で説明したように、等価な屈折率を有する第二の光ファイバ３とレンズ５とを溶融部４で直接一体化する方が、信頼性、耐候性、及び伝搬光の損失特性の点で優れる。

本発明のレンズ付き光ファイバは、光結合器、光送信器、光スイッチ、光アイソレータ等と云った光ファイバ端末を付属する光学装置に適用可能である。

本発明に係るレンズ付き光ファイバを表す側面図。 本発明に係る製造方法の一例として、第二の光ファイバの端部に溶融部を形成してレンズ付き光ファイバを製造する工程を示す概念図。 レンズ付き光ファイバ内での伝搬光の透過状態を示す概念図。 従来のレンズ付き光ファイバを表す側面図。 従来のレンズ付き光ファイバの製造方法を示す概念図。

符号の説明

１ レンズ付き光ファイバ
２ 第一の光ファイバ
３ 第二の光ファイバ
４ 溶融部
５ レンズ
６ 放電部

Claims (4)

1. レンズ付き光ファイバは、
   第一の光ファイバと、第二の光ファイバと、溶融部、及び球状のレンズを含み、
   前記第一の光ファイバはシングルモード型光ファイバであり、
   前記第二の光ファイバは単一屈折率構造の光ファイバであり、更に前記第二の光ファイバの屈折率は前記第一の光ファイバのコアの屈折率と等価に設定されており、
   前記レンズの屈折率は前記第二の光ファイバの屈折率と等価に設定されており、
   前記第二の光ファイバの外径は、前記第一の光ファイバの外径以上に設定されており、
   更に、前記第一の光ファイバと前記第二の光ファイバがそれぞれの端部で接続されており、
   前記第一の光ファイバが接続されている端部の他端側の前記第二の光ファイバの端部が溶融されることで前記溶融部が形成され、
   前記溶融部の屈折率は前記第二の光ファイバの屈折率と等価であり、
   前記溶融部に前記レンズが接合又は形成されており、
   更に、前記溶融部の形状は、その形状の一部に半径r2の球形状を有するように形成され、
   ω0：前記第一の光ファイバのコア半径、λ：前記レンズ付き光ファイバを伝搬する光の波長、n：前記波長λにおける前記第二の光ファイバの屈折率、d0：前記第二の光ファイバ端部から前記レンズの出射端までの伝搬長、r1：前記レンズの半径、φcoreless：前記第二の光ファイバの外径とすると、
   前記第二の光ファイバのビームウエストωcorelessが
   

   

   
   と導出されると共に、そのビームウエストωcorelessに対してr2＞ωcorelessの関係となるように前記半径r2が設定されることを特徴とするレンズ付き光ファイバ。
2. 前記第一の光ファイバと前記第二の光ファイバのそれぞれの外径を、同一とす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. 前記第一の光ファイバと、
   初期長Lが
   

   

   
   と設定された前記第二の光ファイバを、それぞれの端部で接続し、
   接続後、前記第一の光ファイバが接続されている端部の他端側の前記第二の光ファイバの端部を溶融することで前記半径r2の値に設定された球状の前記溶融部を形成し、
   次に、前記レンズと前記第二の光ファイバとを前記溶融部によって接合、又は前記溶融
   部を更に溶融することによって前記レンズを形成することで前記レンズ付き光ファイバを製造す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の製造方法。
4. 前記第二の光ファイバの端部の溶融を放電により行い、その放電部を第一の光ファイバ側へと移動させることを特徴とする請求項３に記載のレンズ付き光ファイバの製造方法。

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