JP2824992B2 - 光結合器 - Google Patents
光結合器Info
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- JP2824992B2 JP2824992B2 JP63319517A JP31951788A JP2824992B2 JP 2824992 B2 JP2824992 B2 JP 2824992B2 JP 63319517 A JP63319517 A JP 63319517A JP 31951788 A JP31951788 A JP 31951788A JP 2824992 B2 JP2824992 B2 JP 2824992B2
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Description
【発明の詳細な説明】 〔概要〕 光通信や光計測等の分野において利用され、半導体レ
ーザ等の発光素子から出力された光を光ファイバに入射
結合させるための光結合器に関し、 レンズ間距離を大きくとっても、レンズ固定精度が厳
しくなく、光結合器を不必要に大型化することなく、結
合効率を低下させることなく、適切な像倍率が得られる
ようにすることを目的とし、 発光素子と光ファイバとの間に順次配置された第１、
第２のレンズからなる光結合器において、前記第１と第
２のレンズの焦点距離の比が、前記発光素子と前記光フ
ァイバのスポットサイズの比の半分以下になるように構
成する。
ーザ等の発光素子から出力された光を光ファイバに入射
結合させるための光結合器に関し、 レンズ間距離を大きくとっても、レンズ固定精度が厳
しくなく、光結合器を不必要に大型化することなく、結
合効率を低下させることなく、適切な像倍率が得られる
ようにすることを目的とし、 発光素子と光ファイバとの間に順次配置された第１、
第２のレンズからなる光結合器において、前記第１と第
２のレンズの焦点距離の比が、前記発光素子と前記光フ
ァイバのスポットサイズの比の半分以下になるように構
成する。
本発明は、光通信や光計測等の分野において利用さ
れ、半導体レーザ等の発光素子から出力された光を光フ
ァイバに入射結合させるための光結合器に関する。
れ、半導体レーザ等の発光素子から出力された光を光フ
ァイバに入射結合させるための光結合器に関する。
従来、この種の光結合器は、半導体レーザと光ファイ
バの間に、以下の式（１）及び（２）の関係を満たすよ
うに２つのレンズ（第１、第２のレンズ）を順次配置し
た構成となっている。
バの間に、以下の式（１）及び（２）の関係を満たすよ
うに２つのレンズ（第１、第２のレンズ）を順次配置し
た構成となっている。
f2/f1ωＦ／ωLD ……（１） ｄf1+f2 ……（２） ここで、f1、f2はそれぞれ第１、第２のレンズの焦点
距離、ωLD、ωＦはそれぞれ半導体レーザの出射端面と
光ファイバの入射端面でのスポットサイズ、ｄはレンズ
間距離である。
距離、ωLD、ωＦはそれぞれ半導体レーザの出射端面と
光ファイバの入射端面でのスポットサイズ、ｄはレンズ
間距離である。
上記従来の光結合器では、上述したようにレンズ間距
離ｄがほぼf1+f2と等しくなるように設定し、しかも、
光結合効率を高めるために、半導体レーザ側に配置され
ている第１のレンズの焦点距離f1を小さく設定する必要
がある。このため、最適結合が得られるようにした場
合、レンズ間距離ｄが非常に小さくなってしまう。たと
えば、第１のレンズとして、TaF3でできた直径0.8mmの
球面レンズを用いた場合、f1＝0.46mm、ωＦ／ωLD＝４
とすると、ｄf1+f2＝（１＋ωＦ／ωLD）f1＝2.3mmと
小さくなる。
離ｄがほぼf1+f2と等しくなるように設定し、しかも、
光結合効率を高めるために、半導体レーザ側に配置され
ている第１のレンズの焦点距離f1を小さく設定する必要
がある。このため、最適結合が得られるようにした場
合、レンズ間距離ｄが非常に小さくなってしまう。たと
えば、第１のレンズとして、TaF3でできた直径0.8mmの
球面レンズを用いた場合、f1＝0.46mm、ωＦ／ωLD＝４
とすると、ｄf1+f2＝（１＋ωＦ／ωLD）f1＝2.3mmと
小さくなる。
また、f1を小さいままで、f2/f2の比（〜４）でｄを
大きくすると第１のレンズの位置ずれによる像倍率の変
化が大きく、高い固定精度が必要になる（第４図参
照）。
大きくすると第１のレンズの位置ずれによる像倍率の変
化が大きく、高い固定精度が必要になる（第４図参
照）。
第４図に示されたレンズ間距離と像倍率との関係から
もわかるように、従来の光結合器では、d1がf1に等しい
値からわずかにずれただけで、すなわちd1＝0.45mm（＝
f1）から±0.01mmずれただけで、像倍率ｍが大きく変動
してしまう。
もわかるように、従来の光結合器では、d1がf1に等しい
値からわずかにずれただけで、すなわちd1＝0.45mm（＝
f1）から±0.01mmずれただけで、像倍率ｍが大きく変動
してしまう。
また、このf2/f1の比（〜４）で、f2,f1を大きくする
と、f1によってf2が決り（f2〜４f1）、第２レンズと光
ファイバとの間隔（〜f2）が大きくなるので、光結合器
が不必要に大きくなる。
と、f1によってf2が決り（f2〜４f1）、第２レンズと光
ファイバとの間隔（〜f2）が大きくなるので、光結合器
が不必要に大きくなる。
一方、高ビットレートの光通信や、コヒーレントの光
通信・光計測では、半導体レーザの安定化のために、光
結合器に光アイソレータを内蔵する必要がある。そし
て、光アイソレータを内蔵する場所としては、ほぼ平行
ビームの得られるレンズ間が望ましい。
通信・光計測では、半導体レーザの安定化のために、光
結合器に光アイソレータを内蔵する必要がある。そし
て、光アイソレータを内蔵する場所としては、ほぼ平行
ビームの得られるレンズ間が望ましい。
ところが、光アイソレータの光路長は、通常、10mm程
度と長いため、このような光アイソレータを従来の光結
合器のレンズ間に挿入しようとすると、そのレンズ間距
離ｄが最適結合の条件から大幅にずれて、レンズの位置
ずれトレランスが狭く、容易に結合効率が低下してしま
うという問題点があった。
度と長いため、このような光アイソレータを従来の光結
合器のレンズ間に挿入しようとすると、そのレンズ間距
離ｄが最適結合の条件から大幅にずれて、レンズの位置
ずれトレランスが狭く、容易に結合効率が低下してしま
うという問題点があった。
本発明は、レンズ間距離を大きくとっても、結合効率
を低下させることなく、更に、光結合器を不必要に大型
化することなく、適切な像倍率を得られるようにするこ
とを目的とする。
を低下させることなく、更に、光結合器を不必要に大型
化することなく、適切な像倍率を得られるようにするこ
とを目的とする。
１）第１図は、本発明の原理構成図である。
同図においては、半導体レーザ等の発光素子１と光フ
ァイバ２との間に、第１、第２のレンズ３、４を順次配
置し、以下の式（３）の条件を満足するように構成す
る。すなわち、第１、第２のレンズ３、４の焦点距離
f1、f2の比（f2/f1）を、発光素子１の出射端面と光フ
ァイバ２の入射端面でのスポットサイズωLD、ωＦの比
（ωＦ／ωLD）の半分以下にする。
ァイバ２との間に、第１、第２のレンズ３、４を順次配
置し、以下の式（３）の条件を満足するように構成す
る。すなわち、第１、第２のレンズ３、４の焦点距離
f1、f2の比（f2/f1）を、発光素子１の出射端面と光フ
ァイバ２の入射端面でのスポットサイズωLD、ωＦの比
（ωＦ／ωLD）の半分以下にする。
f2/f1≦（ωＦ／ωLD）/2 ……（３） ２）また、上記第１のレンズ３として、先端を凸面加工
した屈折率分布レンズを使用し、上記第２のレンズ４と
して球面レンズを使用する。
した屈折率分布レンズを使用し、上記第２のレンズ４と
して球面レンズを使用する。
上記の式（３）の関係を有することにより、前記の目
的が達成されることを、以下に説明する。
的が達成されることを、以下に説明する。
まず、第１図において、発光素子１と第１のレンズ３
との間の距離をd1、第１、第２のレンズ３、４間の距離
をd2、第２のレンズ４と光ファイバ２との間の距離をd3
とし、また、発光素子１からの出射ビームの高さと傾き
をそれぞれxL、xL′、光ファイバ２へ入射する光ビーム
の高さと傾きをそれぞれxF、xF′とすると、以下の関係
が得られる。
との間の距離をd1、第１、第２のレンズ３、４間の距離
をd2、第２のレンズ４と光ファイバ２との間の距離をd3
とし、また、発光素子１からの出射ビームの高さと傾き
をそれぞれxL、xL′、光ファイバ２へ入射する光ビーム
の高さと傾きをそれぞれxF、xF′とすると、以下の関係
が得られる。
この式を、以下のように書き換える。
次に、発光素子１の出射光をガウスビーム近似し、そ
の出射端面でのスポットサイズをω１、２つのレンズ系
を透過した後に集光する所でのスポットサイズをω２と
し、また、それぞれの場所でのビームパラメータをq1、
q2、曲率半径をr1、r2、発光素子１の波長をλとする
と、以下の関係が成り立つ（A.Yariv,“Optical Electr
onics" 2nd edition参照）。
の出射端面でのスポットサイズをω１、２つのレンズ系
を透過した後に集光する所でのスポットサイズをω２と
し、また、それぞれの場所でのビームパラメータをq1、
q2、曲率半径をr1、r2、発光素子１の波長をλとする
と、以下の関係が成り立つ（A.Yariv,“Optical Electr
onics" 2nd edition参照）。
q2=(Aq1+B)/(Cq1+D) ……（６） また、 1/q（ｚ）＝1/R（ｚ）−ｉλ／（πω２（ｚ）） ……（７） を上記の式（６）に代入すると、 ここで、R1、R2→∞（ビームウエスト）でω１、ω２
の関係を求める。上記の式（８）より、 この式（９）を、実部と虚部に分けて比較すると、 式（10）、（11）より、 ω２／ω１ ＝((A2+B2(-AC/BD))/(AD-BC))1/2 ……（12） ここで、AD−BC＝１を利用して、 ω２／ω１＝(A2-ABC/D)1/2 ……（13） となり、 で表されるレンズ系による像倍率ω２／ω１が求まる。
この像倍率をｍとおく。
の関係を求める。上記の式（８）より、 この式（９）を、実部と虚部に分けて比較すると、 式（10）、（11）より、 ω２／ω１ ＝((A2+B2(-AC/BD))/(AD-BC))1/2 ……（12） ここで、AD−BC＝１を利用して、 ω２／ω１＝(A2-ABC/D)1/2 ……（13） となり、 で表されるレンズ系による像倍率ω２／ω１が求まる。
この像倍率をｍとおく。
ｍ＝(A2-ABC/D)1/2 ……（13）′ そこで、上記式（３）の関係を満たすことにより、レ
ンズ間距離d2を或る程度大きくしても、像倍率ｍを適正
な値に保つことができることを、以下に一例をあげて説
明する。
ンズ間距離d2を或る程度大きくしても、像倍率ｍを適正
な値に保つことができることを、以下に一例をあげて説
明する。
例えば、f1＝1.8mm、f2＝2.25mm（f2/f1＝1.25）の場
合において、レンズ間距離d2に対する像倍率ｍ（＝ωＦ
／ωLD）の変化を第２図に示す。この場合、式（３）の
関係を満たすためには、像倍率ｍが2.5（＝1.25×２）
以上の範囲にあることが必要であるが、この範囲内に、
最適な像倍率（例えばｍ＝４）が含まれている。そし
て、この最適な像倍率（ｍ＝４）が得られる時のレンズ
間距離d2を第２図で見てみると、d2＝11.6mmという大き
な値となっているのがわかる。この値は、レンズ間に10
mm程度の光アイソレータを挿入するのに充分な値であ
る。すなわち、上記式（３）の関係を満たすことによ
り、適切な像倍率ｍと、充分に大きなレンズ間距離d2と
を、同時に得ることできる。
合において、レンズ間距離d2に対する像倍率ｍ（＝ωＦ
／ωLD）の変化を第２図に示す。この場合、式（３）の
関係を満たすためには、像倍率ｍが2.5（＝1.25×２）
以上の範囲にあることが必要であるが、この範囲内に、
最適な像倍率（例えばｍ＝４）が含まれている。そし
て、この最適な像倍率（ｍ＝４）が得られる時のレンズ
間距離d2を第２図で見てみると、d2＝11.6mmという大き
な値となっているのがわかる。この値は、レンズ間に10
mm程度の光アイソレータを挿入するのに充分な値であ
る。すなわち、上記式（３）の関係を満たすことによ
り、適切な像倍率ｍと、充分に大きなレンズ間距離d2と
を、同時に得ることできる。
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら
説明する。
説明する。
第３図は、本発明の一実施例に係る光結合器の構成図
である。
である。
同図において、半導体レーザ11と光ファイバ12との間
に、第１、第２のレンズ13、14が順次配置されている。
第１のレンズ13は、その半導体レーザ側の端面を曲率半
径2mm程度に凸面加工した先球屈折率分布レンズであ
り、その焦点距離をf1とする。第２のレンズ14は、その
両端面を曲率半径1.5mm程度に球面加工してなる球面レ
ンズであり、その焦点距離をf2とする。
に、第１、第２のレンズ13、14が順次配置されている。
第１のレンズ13は、その半導体レーザ側の端面を曲率半
径2mm程度に凸面加工した先球屈折率分布レンズであ
り、その焦点距離をf1とする。第２のレンズ14は、その
両端面を曲率半径1.5mm程度に球面加工してなる球面レ
ンズであり、その焦点距離をf2とする。
そして、上記の焦点距離f1、f2は、半導体レーザ11の
出射端面と光ファイバ12の入射端面のそれぞれにおける
レーザビームのスポットサイズをωLD、ωＦとすると、
以下の式（14）（式（３）と同じ）を満足するように設
定する。
出射端面と光ファイバ12の入射端面のそれぞれにおける
レーザビームのスポットサイズをωLD、ωＦとすると、
以下の式（14）（式（３）と同じ）を満足するように設
定する。
f2/f1≦（ωＦ／ωLD）/2 ……（14） すなわち、焦点距離f1、f2の比（f2/f1）が、スポッ
トサイズωLD、ωＦの比（ωＦ／ωLD）の半分以下とな
るように設定する。具体的には、第２図に示した例と同
様に、f1、f2をそれぞれ1.8mm、2.25mmに設定し、レン
ズ間距離d2を11〜12mm程度に設定する。この場合、第２
図から明らかなように、像倍率ｍ（＝ωＦ／ωLD）はそ
の最適値である４倍もしくはその近傍に設定され、上記
式（14）を満たすことがわかる。
トサイズωLD、ωＦの比（ωＦ／ωLD）の半分以下とな
るように設定する。具体的には、第２図に示した例と同
様に、f1、f2をそれぞれ1.8mm、2.25mmに設定し、レン
ズ間距離d2を11〜12mm程度に設定する。この場合、第２
図から明らかなように、像倍率ｍ（＝ωＦ／ωLD）はそ
の最適値である４倍もしくはその近傍に設定され、上記
式（14）を満たすことがわかる。
また、第５図は、本発明の実施例において、f1,f2を
それぞれ1.8mm、2.25mmに設定したときのレンズ間距離d
2と像倍率ｍとの関係を示した図である。第４図に示し
た、従来の光結合器のレンズ間距離d2と像倍率ｍとの関
係に比べ、d1が多少ずれても像倍率ｍが大きく変化しな
いため、レンズの固定精度をあまり高くする必要がな
い。
それぞれ1.8mm、2.25mmに設定したときのレンズ間距離d
2と像倍率ｍとの関係を示した図である。第４図に示し
た、従来の光結合器のレンズ間距離d2と像倍率ｍとの関
係に比べ、d1が多少ずれても像倍率ｍが大きく変化しな
いため、レンズの固定精度をあまり高くする必要がな
い。
従って、本実施例によれば、２つのレンズ13、14の間
に10mm程度の光アイソレータを充分に挿入することがで
きるので、半導体レーザ11の安定化が可能になり、よっ
て、高ビットレートの光通信やコヒーレントの光通信・
光計測等への適用も容易になる。それと共に、最適な像
倍率が得られるので、レンズ間距離を大きくしたにもか
かわらず、非常に高い光結合効率を得ることができる。
に10mm程度の光アイソレータを充分に挿入することがで
きるので、半導体レーザ11の安定化が可能になり、よっ
て、高ビットレートの光通信やコヒーレントの光通信・
光計測等への適用も容易になる。それと共に、最適な像
倍率が得られるので、レンズ間距離を大きくしたにもか
かわらず、非常に高い光結合効率を得ることができる。
また、第１のレンズ13として、球面レンズではなく先
球屈折率分布レンズを用いたことから、光ファイバ２で
の集光状態を良好にし、収差を小さく抑えることができ
る。更に、第２のレンズ14として、端面の平坦な屈折率
分布レンズではなく、球面レンズを用いたことから、そ
の入射端面での反射光が半導体レーザ11へ戻っていくこ
とを防止でき、よって、半導体レーザ11の特性を良好に
維持することができる。
球屈折率分布レンズを用いたことから、光ファイバ２で
の集光状態を良好にし、収差を小さく抑えることができ
る。更に、第２のレンズ14として、端面の平坦な屈折率
分布レンズではなく、球面レンズを用いたことから、そ
の入射端面での反射光が半導体レーザ11へ戻っていくこ
とを防止でき、よって、半導体レーザ11の特性を良好に
維持することができる。
なお、上記実施例では、像倍率ｍの適正な値として４
倍もしくはその近傍を選んだが、この値に限定されるも
のではなく、上記の式（３）の範囲内であれば、各状況
に応じた適切な値を選んでよい。これと同様なことは、
第１、第２のレンズの焦点距離f1、f2や、レンズ間距離
d2についても言える。
倍もしくはその近傍を選んだが、この値に限定されるも
のではなく、上記の式（３）の範囲内であれば、各状況
に応じた適切な値を選んでよい。これと同様なことは、
第１、第２のレンズの焦点距離f1、f2や、レンズ間距離
d2についても言える。
以上説明したように、本発明によれば、位置ずれトレ
ランスの広い第１レンズを用いて、レンズ間に光アイソ
レータを挿入できる程度にレンズ間距離を大きくとって
も、不必要に光結合器を大きくすることなしに結合効率
を低下させることなく、適切な像倍率を得るとができ
る。
ランスの広い第１レンズを用いて、レンズ間に光アイソ
レータを挿入できる程度にレンズ間距離を大きくとって
も、不必要に光結合器を大きくすることなしに結合効率
を低下させることなく、適切な像倍率を得るとができ
る。
更に、第１のレンズを先球屈折率分布レンズとするこ
とにより、集光状態を良好にでき、また、第２のレンズ
を球面レンズとすることにより、光反射による発光素子
の特性劣化を防止できる。
とにより、集光状態を良好にでき、また、第２のレンズ
を球面レンズとすることにより、光反射による発光素子
の特性劣化を防止できる。
第１図は本発明の原理構成図、 第２図はf1＝1.8mm、f2＝2.25mmとした場合におけるレ
ンズ間距離d2に対する像倍率ｍの変化を示す図、 第３図は本発明の一実施例に係る光結合器の構成図、 第４図はf2/f1＝5.0,f1＝0.45mm,f2＝2.25mmで、d1が0.
45±0.01mmのときのd2による像倍率の変化を示す図であ
る。 第５図はf2/f1＝1.25,f1＝1.8mm,f2＝2.25mmで、d1が2.
21±0.01mm及び1.95±0.01mmのときのd2による像倍率の
変化を示す図、 １……発光素子、２……光ファイバ、３……第１のレン
ズ、４……第２のレンズ、11……半導体レーザ、12……
光ファイバ、13……第１のレンズ（先球屈折率分布レン
ズ）、14……第２のレンズ（球面レンズ）、f1……第１
のレンズの焦点距離、f2……第２のレンズの焦点距離、
d2……レンズ間距離、ωLD……発光素子の出射端面での
スポットサイズ、ωＦ……光ファイバの入射端面でのス
ポットサイズ、ｍ……像倍率．
ンズ間距離d2に対する像倍率ｍの変化を示す図、 第３図は本発明の一実施例に係る光結合器の構成図、 第４図はf2/f1＝5.0,f1＝0.45mm,f2＝2.25mmで、d1が0.
45±0.01mmのときのd2による像倍率の変化を示す図であ
る。 第５図はf2/f1＝1.25,f1＝1.8mm,f2＝2.25mmで、d1が2.
21±0.01mm及び1.95±0.01mmのときのd2による像倍率の
変化を示す図、 １……発光素子、２……光ファイバ、３……第１のレン
ズ、４……第２のレンズ、11……半導体レーザ、12……
光ファイバ、13……第１のレンズ（先球屈折率分布レン
ズ）、14……第２のレンズ（球面レンズ）、f1……第１
のレンズの焦点距離、f2……第２のレンズの焦点距離、
d2……レンズ間距離、ωLD……発光素子の出射端面での
スポットサイズ、ωＦ……光ファイバの入射端面でのス
ポットサイズ、ｍ……像倍率．
Claims (2)
- 【請求項１】発光素子（１）と光ファイバ（２）との間
に順次配置された第１、第２のレンズ（３、４）からな
る光結合器において、 前記第１と第２のレンズ焦点距離の比（f2/f1）を、前
記発光素子と前記光ファイバのスポットサイズの比（ω
Ｆ／ωLD）の半分以下にし、前記発光素子と前記第１の
レンズとの間隔を前記第１のレンズの焦点距離よりも大
きくしたことを特徴とする光結合器。 - 【請求項２】前記第１のレンズは先端を凸面加工した屈
折率分布レンズであり、前記第２のレンズは球面レンズ
であることを特徴とする請求項１記載の光結合器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63319517A JP2824992B2 (ja) | 1988-12-20 | 1988-12-20 | 光結合器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63319517A JP2824992B2 (ja) | 1988-12-20 | 1988-12-20 | 光結合器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02165110A JPH02165110A (ja) | 1990-06-26 |
| JP2824992B2 true JP2824992B2 (ja) | 1998-11-18 |
Family
ID=18111112
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63319517A Expired - Fee Related JP2824992B2 (ja) | 1988-12-20 | 1988-12-20 | 光結合器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2824992B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4418345B2 (ja) | 2004-11-01 | 2010-02-17 | 富士通株式会社 | 光ファイバ装置，光モニタ装置および光スイッチ装置 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61255312A (ja) * | 1985-05-08 | 1986-11-13 | Sony Corp | 光要素結合装置 |
| JPS6281614A (ja) * | 1985-10-07 | 1987-04-15 | Oki Electric Ind Co Ltd | 光結合器 |
-
1988
- 1988-12-20 JP JP63319517A patent/JP2824992B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH02165110A (ja) | 1990-06-26 |
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