JP2013025006A - 光学モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】フェルールと球状レンズの位置調整を不要とし、簡単な組立でコリメート光学系を実現できる光学モジュールを提供する。
【解決手段】光学モジュール１は、光ファイバ４を実装し光ファイバ４の光軸に対して端面が斜めに研磨されたフェルール３と、屈折率が１.５６より大きく２.０より小さい球状レンズ２とを有する。フェルール３の端面と球状レンズ２とを接触させたときに、球状レンズ２の焦点距離ｆと、球状レンズ２の中心から光ファイバ４の端面までの距離ｂとが一致する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信に用いられる光学モジュールに関する。

光ファイバ通信の進展に伴って、様々な光機能部品を光伝送路中に挿入することが行われているが、このような光機能部品の中には、例えば、光アイソレータのように、入出力端に光ファイバを取り付ける構造となる部品がある。このような光機能部品を含む光伝送系では、光ファイバから光が出射されるときの出射面での反射による反射光成分が光ファイバに逆進するのを防止するために、光ファイバの出射端面を斜めにする、すなわち、出射端面の法線方向と光ファイバの光軸方向とが所定の角度をなすように出射端面を斜めに形成することが行われている。

例えば、特許文献１には、円筒状スリーブの一端側に球レンズを固定すると共に、他端側から端面が斜めに研磨されたフェルールを挿入し、これら球レンズとフェルールとの間で位置調整を行った後に固定することで、光ファイバの出射光を平行光に変換する光部品が記載されている。また、特許文献２には、円柱状レンズ、フェルール、及びこれらの部品を収容するスリーブを高精度に加工することで、光ファイバの出射光を平行光に変換するようにした光部品が記載されている。

特許第２５５１８７７号明細書 特開２００３−１０７２７６号公報

しかしながら、上記特許文献１では、平行光を得るために、フェルール（光ファイバ）と球レンズとの位置調整（距離の調整）を行う必要がある。この位置調整をなくすためには各部品の精度を上げる必要がある。また、上記特許文献２では、精密スリーブに、光ファイバの実装されたフェルールと、球状レンズとを高精度に実装し、無調芯で組み立てるようにしているが、フェルール及び球状レンズの外径と、精密スリーブの内径とが誤差なく製造されていることが前提となるため、かなりの精度が要求され、現実的には実現が困難である。

本発明は、上述のような実情に鑑みてなされたもので、フェルールと球状レンズの位置調整を不要とし、簡単な組立でコリメート光学系を実現できる光学モジュールを提供することを目的とする。

本発明による光学モジュールは、光ファイバの出射光をコリメートする光学モジュールであって、光ファイバを実装し光ファイバの光軸に対して端面が斜めに研磨されたフェルールと、屈折率が１.５６より大きく２.０より小さい球状レンズとを有し、フェルールの端面と球状レンズとを接触させたときに、球状レンズの焦点距離と、球状レンズの中心から光ファイバの端面までの距離とが一致する。
また、球状レンズの屈折率をｎ、フェルールの端面の傾斜角をθとすると、
ｃｏｓθ＝２×（１−１／ｎ）
の関係を満たすように、球状レンズの屈折率ｎ、フェルールの端面の傾斜角θが決定されている。

また、フェルールと球状レンズの外径が等しく、フェルール及び球状レンズは、同一の割スリーブに実装されている。また、フェルールと球状レンズの外径が等しく、フェルール及び球状レンズは、その外径より大きい内径を有する同一の精密スリーブに実装されている。

また、フェルールよりも球状レンズの外径が大きく、フェルール及び球状レンズは、フェルールの外径よりも大きく且つ球状レンズの外径よりも小さい内径を有する同一の精密スリーブに実装されている。また、精密スリーブは、球状レンズと接触する内径部を有し、内径部には、球状レンズとの接点から外側に向かって広がるテーパ部が形成されている。

また、球状レンズがスリーブに固定され、フェルールが弾性体により球状レンズ側に押し当てられている。また、フェルールがスリーブに固定され、球状レンズが弾性体によりフェルール側に押し当てられている。

本発明によれば、フェルール端面と球状レンズとを接触させたときに、球状レンズの焦点距離と、球状レンズ中心から光ファイバ端面までの距離とが一致するため、フェルールと球状レンズの位置調整を不要とし、簡単な組立でコリメート光学系を実現することができる。

本発明による光学モジュールの一例を示す図である。 フェルールの端面傾斜角θと球状レンズの屈折率ｎとの関係を示す図である。 本発明による光学モジュールにおいて軸調整を不要とする構造例を示す図である。 本発明による光学モジュールにおいて軸調整を不要とする他の構造例を示す図である。 図４の光学モジュールの変形例を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の光学モジュールに係る好適な実施の形態について説明する。

図１は、本発明による光学モジュールの一例を示す図で、図中、１は光学モジュールを示す。光学モジュール１は、光ファイバ４を実装し光ファイバ４の光軸に対して端面が斜めに研磨されたフェルール３と、屈折率が１.５６より大きく２.０より小さい球状レンズ２とを有している。そして、フェルール３の端面と球状レンズ２とを接触させたときに、球状レンズ２の焦点距離ｆと、球状レンズ２の中心から光ファイバ４の端面までの距離ｂとが一致するように構成されている。なお、図中、Ｏは球状レンズ２の中心を示し、Ｃは球状レンズ２の中心Ｏを通る中心軸を示し、光ファイバ４の光軸と一致する。
球状レンズ主面は、Ｏを通り、Ｃに垂直な面となる。

図１において、球状レンズ２の屈折率をｎ（１.５６＜ｎ＜２.０）、外径（直径）をｒ（ｍｍ）とすると、球状レンズ２の焦点距離ｆ（ｍｍ）は、以下の式で算出される。
ｆ＝ｎ×（ｒ／４）／（ｎ−１） …式（１）
また、フェルール３の端面の傾斜角をθ（以下、θを端面傾斜角という）とすると、球状レンズ２の中心から光ファイバ４の端面までの距離ｂ（ｍｍ）は、以下の式で算出される。
ｂ＝（ｒ／２）／ｃｏｓθ …式（２）

そして、球状レンズ２の焦点距離ｆと、光ファイバ４の端面と球状レンズ２の中心間の距離ｂとが一致する、すなわち、上記式（１）及び（２）において、ｆ＝ｂの関係を満たすとき、以下の関係式が成立する。
ｃｏｓθ＝２×（１−１／ｎ） …式（３）
但し、１.５６＜ｎ＜２.０

この式（３）より、フェルール３の端面傾斜角θは、球状レンズ２の外径ｒによらず、球状レンズ２の屈折率ｎによって決定できることがわかる。なお、球状レンズ２とフェルール３の外径は等しいものとする。フェルール３の端面傾斜角θと球状レンズ２の屈折率ｎとの関係を図２に示す。図２において、球状レンズ２の屈折率ｎを１.５６とした場合、端面傾斜角θは４３.６°となる。一方、ファイバコア屈折率は１.４５であり、この際、端面傾斜角θが４３.６°以上（つまり、屈折率ｎが１.５６以下）になると、全反射となり、実現不可能となるため、球状レンズ２の屈折率ｎは１.５６より大きくする。

また、球状レンズ２の屈折率ｎを２.０とした場合、端面傾斜角θは０°となる。また、屈折率ｎを２.０以上にすると、球状レンズ２のレンズ焦点がレンズ内に位置することになり、やはり実現不可能となるため、球状レンズ２の屈折率ｎは２.０より小さくする。これより、球状レンズ２の屈折率ｎの範囲を、１.５６より大きく２.０より小さくし、この範囲で屈折率ｎ及び端面傾斜角θを決定すればよい。すなわち、球状レンズ２の屈折率ｎを１.５６より大きく２.０より小さい範囲で決定すれば、上記式（３）により、フェルール３の端面傾斜角θが決定される。

ここで、球状レンズを用いたコリメート光学系では、フェルールの端面、すなわち、光ファイバの光出射端を球状レンズの焦点に一致させる必要がある。本発明の場合、フェルール３の端面は、反射光成分が光ファイバ４に逆進するのを防止するため、斜めに研磨されている。このため、フェルール３の端面と球状レンズ２とは、球状レンズ２の中心軸Ｃから少しずれた位置で接触し、光ファイバ４から出射された光は一旦空気中を通り、球状レンズ２に入射される。そして、本発明では、フェルール３の端面と球状レンズ２とを接触させたときに、球状レンズ２の焦点距離ｆと、球状レンズ２の中心から光ファイバ４の端面までの距離ｂとが一致するように、球状レンズ２の屈折率ｎ及びフェルール３の端面の傾斜角θが決定されている。このため、フェルール３の端面と球状レンズ２とを接触させるだけで、互いの位置調整を不要とし、コリメート光学系を実現することができる。

すなわち、本発明によるコリメート光学系では、端面が斜めに研磨されたフェルール３と、屈折率ｎが１.５６より大きく２.０より小さい球状レンズ２とを有し、フェルール３の端面に球状レンズ２を接触させる。この際、光ファイバ４の光出射端と、球状レンズ２との間に空隙が形成され、さらに、球状レンズ２の屈折率ｎ（１.５６＜ｎ＜２.０）によりフェルール３の端面傾斜角θが適切に決定されているため、光ファイバ４の光出射端を球状レンズ２の焦点に一致させることができる。このため、フェルール３と球状レンズ２との位置調整を行うことなく、光ファイバ４からの出射光を球状レンズ２によって平行光に変換することができる。

図３は、本発明による光学モジュールにおいて軸調整を不要とする構造例を示す図で、図中、５はスリーブを示す。このスリーブ５は、割スリーブ５ａあるいは精密スリーブ５ｂで構成される。本例の場合、フェルール３と球状レンズ２の外径が略等しく、フェルール３及び球状レンズ２は、同一の割スリーブ５ａ、あるいは、フェルール３及び球状レンズ２の外径より大きい内径を有する同一の精密スリーブ５ｂに実装されている。

通常、フェルール３と球状レンズ２の軸調整、すなわち、フェルール３に実装された光ファイバ４の光軸と球状レンズ２の中心軸Ｃとを一致させる軸調整を行う必要があるが、このように、割スリーブ５ａあるいは精密スリーブ５ｂに、球状レンズ２及びフェルール３を挿入し、球状レンズ２をフェルール３の端面に接触させ、固定することで、軸調整を不要にすることができる。この際、球状レンズ２及びフェルール３の外径は、ある程度一致させておく必要がある。割スリーブ５ａを用いた場合、スリーブ内径は球状レンズ２及びフェルール３のうちの外径の大きいほうで規定される。このため軸調整の精度は、球状レンズ２及びフェルール３の外径誤差で決まり、スリーブ内径の誤差は無視することができる。但し、割スリーブ５ａを用いる場合、球状レンズ２、フェルール３の接着固定強度に問題が残る。

これに対して、精密スリーブ５ｂを用いた場合、上記の接着固定強度の問題は解決できるが、軸調整の精度は、球状レンズ２及びフェルール３の外径誤差に加え、スリーブ内径の誤差の影響も受けることになる。このように、割スリーブ５ａ及び精密スリーブ５ｂでは、接着固定強度とスリーブ内径誤差とがトレードオフの関係にあるため、使用目的等に応じて、適宜使い分けるようにすればよい。

ここで、球状レンズ２及びフェルール３をスリーブ５に固定した場合、固定強度劣化や、熱膨張のため、長期的に端面が離れてしまう可能性がある。これを回避するために、球状レンズ２のみをスリーブ５に固定し、フェルール３が弾性体（図示せず）により球状レンズ２側に押し当てられるようにすることが望ましい。あるいは、フェルール３のみをスリーブ５に固定し、球状レンズ２が弾性体によりフェルール３側に押し当てられるようにしてもよい。

図４は、本発明による光学モジュールにおいて軸調整を不要とする他の構造例を示す図で、図中、６は球状レンズを示す。本例の場合、フェルール３よりも球状レンズ６の外径が大きく、フェルール３及び球状レンズ６は、フェルール３の外径よりも大きく且つ球状レンズ６の外径よりも小さい内径を有する同一の精密スリーブ５ｂに実装されている。

このように、精密スリーブ５ｂの内径とフェルール３の外径は、フェルール３が精密スリーブ５ｂにガタツキなく挿入できる程度に、精度よく仕上げられており、球状レンズ６の外径は、精密スリーブ５ｂの内径よりも大きくなっている。球状レンズ６を精密スリーブ５ｂの端面に実装した場合、球状レンズ６の中心軸Ｃと精密スリーブ５ｂの軸とが完全に一致する。従って、球状レンズ６とフェルール３の軸調整精度（光ファイバ４の光軸調整精度）は、スリーブ内径とフェルール外径との誤差で決まり、球状レンズ６の外径誤差は無視することができる。

図５は、図４の光学モジュールの変形例を示す図である。本例の場合も、図４の例と同様に、フェルール３よりも球状レンズ６の外径が大きく、フェルール３及び球状レンズ６は、フェルール３の外径よりも大きく且つ球状レンズ６の外径よりも小さい内径を有する同一の精密スリーブ５ｂに実装されるが、精密スリーブ５ｂの構造が図４の例とは異なる。本例の精密スリーブ５ｂは、球状レンズ６と接触する内径部５０を有し、内径部５０には、球状レンズ６との接点５１から外側（外径方向）に向かって広がるテーパ部５２が形成されている。このような加工を行うことで、テーパ部５２と球状レンズ６との間に形成される隙間に接着樹脂を充填することができるため、接着固定強度をより強くすることができる。

図４、図５の例の場合も同様に、球状レンズ６及びフェルール３を精密スリーブ５ｂに固定した場合、固定強度劣化や、熱膨張のため、長期的に端面が離れてしまう可能性がある。これを回避するために、球状レンズ６のみを精密スリーブ５ｂに固定し、フェルール３が弾性体（図示せず）により球状レンズ６側に押し当てられるようにすることが望ましい。あるいは、フェルール３のみを精密スリーブ５ｂに固定し、球状レンズ６が弾性体によりフェルール３側に押し当てられるようにしてもよい。

このように本発明によれば、フェルール端面と球状レンズとを接触させたときに、球状レンズの焦点距離と、球状レンズ中心から光ファイバ端面までの距離とが一致するように構成されているため、フェルールと球状レンズの位置調整を不要とし、簡単な組立でコリメート光学系を実現することができる。

１…光学モジュール、２，６…球状レンズ、３…フェルール、４…光ファイバ、５…スリーブ、５ａ…割スリーブ、５ｂ…精密スリーブ、５０…内径部、５１…接点、５２…テーパ部。

Claims (8)

1. 光ファイバの出射光をコリメートする光学モジュールであって、
   前記光ファイバを実装し該光ファイバの光軸に対して端面が斜めに研磨されたフェルールと、屈折率が１．５６より大きく２．０より小さい球状レンズとを有し、前記フェルールの端面と前記球状レンズとを接触させたときに、前記球状レンズの焦点距離と、前記球状レンズの中心から前記光ファイバの端面までの距離とが一致することを特徴とする光学モジュール。
2. 前記球状レンズの屈折率をｎ、前記フェルールの端面の傾斜角をθとすると、
   ｃｏｓθ＝２×（１−１／ｎ）
   の関係を満たすように、前記球状レンズの屈折率ｎ、前記フェルールの端面の傾斜角θが決定されていることを特徴とする請求項１に記載の光学モジュール。
3. 前記フェルールと前記球状レンズの外径が等しく、前記フェルール及び前記球状レンズは、同一の割スリーブに実装されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学モジュール。
4. 前記フェルールと前記球状レンズの外径が等しく、前記フェルール及び前記球状レンズは、その外径より大きい内径を有する同一の精密スリーブに実装されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学モジュール。
5. 前記フェルールよりも前記球状レンズの外径が大きく、前記フェルール及び前記球状レンズは、該フェルールの外径よりも大きく且つ前記球状レンズの外径よりも小さい内径を有する同一の精密スリーブに実装されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学モジュール。
6. 前記精密スリーブは、前記球状レンズと接触する内径部を有し、該内径部には、前記球状レンズとの接点から外側に向かって広がるテーパ部が形成されていることを特徴とする請求項５に記載の光学モジュール。
7. 前記球状レンズがスリーブに固定され、前記フェルールが弾性体により前記球状レンズ側に押し当てられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光学モジュール。
8. 前記フェルールがスリーブに固定され、前記球状レンズが弾性体により前記フェルール側に押し当てられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光学モジュール。

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