JP2992093B2 - 微小レンズ付光ファイバ端末 - Google Patents
微小レンズ付光ファイバ端末Info
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- JP2992093B2 JP2992093B2 JP3017022A JP1702291A JP2992093B2 JP 2992093 B2 JP2992093 B2 JP 2992093B2 JP 3017022 A JP3017022 A JP 3017022A JP 1702291 A JP1702291 A JP 1702291A JP 2992093 B2 JP2992093 B2 JP 2992093B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光スイッチ，光合分波
器，光アイソレータ等各種光学部品用及び光コネクタ用
微小レンズ付光ファイバ端末の構造に関するものであ
る。
器，光アイソレータ等各種光学部品用及び光コネクタ用
微小レンズ付光ファイバ端末の構造に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】光通信の発達に伴って利用する光デバイ
ス，光学部品等の小型化が望まれており、光アイソレー
タ，光サーキュレータ，光合分波器等において光ファイ
バとの結合状態で小型化や構造の簡素化が要求されてい
る。また、近年光通信の高速・高密度システムに対して
後方反射に対して敏感ではあるが、極めて狭いスペクト
ル線幅をもつ分布帰還型レーザを用いているため、光フ
ァイバの端部が高反射減衰量をもつことも要求されるよ
うになってきた。
ス，光学部品等の小型化が望まれており、光アイソレー
タ，光サーキュレータ，光合分波器等において光ファイ
バとの結合状態で小型化や構造の簡素化が要求されてい
る。また、近年光通信の高速・高密度システムに対して
後方反射に対して敏感ではあるが、極めて狭いスペクト
ル線幅をもつ分布帰還型レーザを用いているため、光フ
ァイバの端部が高反射減衰量をもつことも要求されるよ
うになってきた。
【０００３】一般に、両端に光ファイバを伴うピッグテ
イル型光アイソレータの場合、図２に示すように光ファ
イバ１から出射された光は球レンズ２もしくは屈折率分
布型レンズ３で平行光として光学デバイス４へ入射さ
せ、出射後に同様にして光ファイバ１へ集光することに
より光学結合を行っている。
イル型光アイソレータの場合、図２に示すように光ファ
イバ１から出射された光は球レンズ２もしくは屈折率分
布型レンズ３で平行光として光学デバイス４へ入射さ
せ、出射後に同様にして光ファイバ１へ集光することに
より光学結合を行っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】図２に示すような従来
の光学結合系では光ファイバとレンズの光軸位置調整が
サブミクロンの範囲で調整しなければならない問題があ
り、組立装置等に費用がかかり、光ファイバコリメータ
製品や光ファイバ結合系を含む光学システム製品として
高価になっていた。また従来方法では、図３に示すよう
に有機物質による屈折率整合剤５を用いて反射防止を行
っているため、耐候性，耐熱性に欠点があった。
の光学結合系では光ファイバとレンズの光軸位置調整が
サブミクロンの範囲で調整しなければならない問題があ
り、組立装置等に費用がかかり、光ファイバコリメータ
製品や光ファイバ結合系を含む光学システム製品として
高価になっていた。また従来方法では、図３に示すよう
に有機物質による屈折率整合剤５を用いて反射防止を行
っているため、耐候性，耐熱性に欠点があった。
【０００５】また、図３における光の入出射面６では反
射防止膜を表面に形成するために光ファイバ線を付着し
た状態で実施しなければならず、したがって光ファイバ
部分の耐熱性やガス発生のため一般に堅固な反射膜を形
成するのに用いられる約300℃に加熱しながら実施され
るハードコートが利用できず、イオンアシスト等により
補強しながら行われる低温蒸着しかできず、耐久性，均
一性，低価格化を妨げる要因になっていた。
射防止膜を表面に形成するために光ファイバ線を付着し
た状態で実施しなければならず、したがって光ファイバ
部分の耐熱性やガス発生のため一般に堅固な反射膜を形
成するのに用いられる約300℃に加熱しながら実施され
るハードコートが利用できず、イオンアシスト等により
補強しながら行われる低温蒸着しかできず、耐久性，均
一性，低価格化を妨げる要因になっていた。
【０００６】加えて、光デバイスの小型化の面から十分
に光束の細い、例えば200μm以下のコリメータ光が必要
とされているが、従来技術では結合損失が大きくなるた
め、細くても300μm程度しか実際的でなかった。さらに
従来の光学結合系では平行端面が必ずあり、反射減衰量
が−27dB程度までしか得られず、実際にはファイバ先端
に角度をつけてレンズ系とカップリングしたり、結合自
体複雑な構造にしなければならなかった。
に光束の細い、例えば200μm以下のコリメータ光が必要
とされているが、従来技術では結合損失が大きくなるた
め、細くても300μm程度しか実際的でなかった。さらに
従来の光学結合系では平行端面が必ずあり、反射減衰量
が−27dB程度までしか得られず、実際にはファイバ先端
に角度をつけてレンズ系とカップリングしたり、結合自
体複雑な構造にしなければならなかった。
【０００７】以上のような従来の光学結合系の欠点を解
決するため、近年微小ファイバコリメータ光を形成する
試みがなされている。Journal of Lightwave Technolog
y Vol. LT-5 No.9(1987)にはWilliam L.Emkey等による
単一モードファイバ（以下ＳＭＦという）に多モード屈
折率分布ファイバ（以下ＧＩＦ）を融着し、およそ40μ
mの平行光線までの微小ファイバコリメータ光の結合を
提案しており、約３mmの空間を0.1〜1.6dBの結合損失で
光学結合が得られることを報告している。
決するため、近年微小ファイバコリメータ光を形成する
試みがなされている。Journal of Lightwave Technolog
y Vol. LT-5 No.9(1987)にはWilliam L.Emkey等による
単一モードファイバ（以下ＳＭＦという）に多モード屈
折率分布ファイバ（以下ＧＩＦ）を融着し、およそ40μ
mの平行光線までの微小ファイバコリメータ光の結合を
提案しており、約３mmの空間を0.1〜1.6dBの結合損失で
光学結合が得られることを報告している。
【０００８】しかしＳＭＦとＧＩＦを用いる構造では、
光束の拡大幅はＧＩＦのコア直径以上には理論的に不可
能であり、50〜62.5μm が最大限界でこれ以上に大きく
とれず、３mm以上の距離では大幅な結合損失劣化を生じ
るため光学結合距離の自由度がなく、また製造工程にお
いてＧＩＦの屈折率分布状態や波長ピッチの調整を個々
に測定しながら製作しなければならず、価格的に高価と
なり量産には不適当である。これに対して、特開昭61-2
64304号公報にはKevin J. WarbrickがＳＭＦと非ドープ
シリカファイバレンズ光学系を提案している。
光束の拡大幅はＧＩＦのコア直径以上には理論的に不可
能であり、50〜62.5μm が最大限界でこれ以上に大きく
とれず、３mm以上の距離では大幅な結合損失劣化を生じ
るため光学結合距離の自由度がなく、また製造工程にお
いてＧＩＦの屈折率分布状態や波長ピッチの調整を個々
に測定しながら製作しなければならず、価格的に高価と
なり量産には不適当である。これに対して、特開昭61-2
64304号公報にはKevin J. WarbrickがＳＭＦと非ドープ
シリカファイバレンズ光学系を提案している。
【０００９】しかしこの場合もレンズ部分の曲率を、回
折損失の理由からレンズ半径を62.5μmに制限している
ため、得られる光束は約60μm程度であり、構造的にシ
リカファイバ直径の高々80％程度が限界であり、光学デ
バイスを挿入するには狭すぎる。すなわち60μm程度の
光束では逆に細すぎてガウシァンビームを結合するのに
適さない。したがって60〜200μmの光線をいかに実現す
るかが実際上の課題となる。
折損失の理由からレンズ半径を62.5μmに制限している
ため、得られる光束は約60μm程度であり、構造的にシ
リカファイバ直径の高々80％程度が限界であり、光学デ
バイスを挿入するには狭すぎる。すなわち60μm程度の
光束では逆に細すぎてガウシァンビームを結合するのに
適さない。したがって60〜200μmの光線をいかに実現す
るかが実際上の課題となる。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は、実質的にはＳ
ＭＦと非ドープシリカファイバ光線拡大部分及び非ドー
プシリカ球レンズから構成される光学結合用光ファイバ
端末を提案するものである。具体的な構造は、第一の光
ファイバとコア部分の屈折率と等価で同一外径からなる
第二の光ファイバを接合することから構成される。第二
の光ファイバは、先端にその外径よりも大きな直径を有
する球レンズが形成されており、球レンズ部分を透過す
る段階で光束を少なくとも光ファイバ直径の半分以上で
ある62.5μm、好ましくは80μm以上に拡大し、また球レ
ンズ曲面部から平行光束もしくは用途に応じた出射角度
をもつ光に変換する作用を示すため、曲率半径が少なく
とも200μmであることから構成する。
ＭＦと非ドープシリカファイバ光線拡大部分及び非ドー
プシリカ球レンズから構成される光学結合用光ファイバ
端末を提案するものである。具体的な構造は、第一の光
ファイバとコア部分の屈折率と等価で同一外径からなる
第二の光ファイバを接合することから構成される。第二
の光ファイバは、先端にその外径よりも大きな直径を有
する球レンズが形成されており、球レンズ部分を透過す
る段階で光束を少なくとも光ファイバ直径の半分以上で
ある62.5μm、好ましくは80μm以上に拡大し、また球レ
ンズ曲面部から平行光束もしくは用途に応じた出射角度
をもつ光に変換する作用を示すため、曲率半径が少なく
とも200μmであることから構成する。
【００１１】
【実施例】図１(a)は本発明の光ファイバ端末先端部の
断面図である。先端の非ドープシリカファイバレンズ導
入部７、ＳＭＦファイバ本線８、先端部保護用フェルー
ル９、先端球レンズ10から構成する。図１(b)は光の透
過状態を示し、ＳＭＦを出射した光のビームウェィスト
点までの距離をｚとすれば、波長λにおけるSiO2の屈折
率をｎとして、ファイバレンズ導入部および球レンズ部
分を伝播することによるガウシアンビームの広がり度合
いは数１で示される。
断面図である。先端の非ドープシリカファイバレンズ導
入部７、ＳＭＦファイバ本線８、先端部保護用フェルー
ル９、先端球レンズ10から構成する。図１(b)は光の透
過状態を示し、ＳＭＦを出射した光のビームウェィスト
点までの距離をｚとすれば、波長λにおけるSiO2の屈折
率をｎとして、ファイバレンズ導入部および球レンズ部
分を伝播することによるガウシアンビームの広がり度合
いは数１で示される。
【数１】
【００１２】すなわち、第二の光ファイバの長さＬを制
御することから光ファイバ直径もしくは球レンズ部分の
広がりも考慮すれば、それ以上の出射光束にまで拡大で
き、結果としてビームウェィスト距離を大きくしても僅
かな結合損失で光学結合が達成できるようになる。図４
は最大結合効率がとれる球レンズの曲率半径Ｒ，Ｌおよ
びビームウェィストまでの距離ｚを算出したものであ
る。この図から分かるように、ｚ＝2.5mm以上（すなわ
ちレンズ間距離：２ｚ＝５mm以上）が実現できるのは、
Ｌ≧1000μmで、球レンズの曲率Ｒも250μm以上の条件
が満たされるときである。このとき、出射光の光束は90
μm以上となり、従来のファイバコリメータより光束が
太くできるので、それだけレンズ間距離が広げられる。
御することから光ファイバ直径もしくは球レンズ部分の
広がりも考慮すれば、それ以上の出射光束にまで拡大で
き、結果としてビームウェィスト距離を大きくしても僅
かな結合損失で光学結合が達成できるようになる。図４
は最大結合効率がとれる球レンズの曲率半径Ｒ，Ｌおよ
びビームウェィストまでの距離ｚを算出したものであ
る。この図から分かるように、ｚ＝2.5mm以上（すなわ
ちレンズ間距離：２ｚ＝５mm以上）が実現できるのは、
Ｌ≧1000μmで、球レンズの曲率Ｒも250μm以上の条件
が満たされるときである。このとき、出射光の光束は90
μm以上となり、従来のファイバコリメータより光束が
太くできるので、それだけレンズ間距離が広げられる。
【００１３】以上から、実質的にはレンズ出射端でガウ
ス分布光の光束の直径が80μm以上であれば本発明の目
的とする高結合効率を得ることが可能となり、その光を
平行光線もしくは有限のビームウェィストをもつように
集束するには、光集束用球レンズの曲率半径が少なくと
も200μmであることが必要である。これは図１(b)にお
いてＳＭＦからビームウェィストまでの光の光線行列か
ら推定でき、数２の関係式から導かれる。
ス分布光の光束の直径が80μm以上であれば本発明の目
的とする高結合効率を得ることが可能となり、その光を
平行光線もしくは有限のビームウェィストをもつように
集束するには、光集束用球レンズの曲率半径が少なくと
も200μmであることが必要である。これは図１(b)にお
いてＳＭＦからビームウェィストまでの光の光線行列か
ら推定でき、数２の関係式から導かれる。
【数２】
【００１４】さらにガウシアンビームの光線式から数３
となり、ビームウェィストまでの距離ｚが算定できる。
となり、ビームウェィストまでの距離ｚが算定できる。
【数３】 ただし、ａ＝λ／πｎｗ0 2である。さらに、数２，数３
およびガウシアンビームの光線式から、
およびガウシアンビームの光線式から、
【数４】 が導入でき、図４の結果が得られる。
【００１５】図５は球レンズ出射後のＺ軸方向のビーム
半径を示す。Ｒ＝165μmでは出射端で60μmであるが、
ビームウェィスト位置の光束（＝２Ｗｚ）は約30μmに
絞られ本発明の主旨からそれるが、Ｒ＝200μｍ以上で
は適度な光束となり、例えばＲ＝265μmでは２Ｗｚ＝92
μm、２ｚ＝5.2mmとなり、さらにＲ＝340μmでは２Ｗｚ
＝118μm、２ｚ＝9.0mmとなり、必要な条件が満たされ
る。
半径を示す。Ｒ＝165μmでは出射端で60μmであるが、
ビームウェィスト位置の光束（＝２Ｗｚ）は約30μmに
絞られ本発明の主旨からそれるが、Ｒ＝200μｍ以上で
は適度な光束となり、例えばＲ＝265μmでは２Ｗｚ＝92
μm、２ｚ＝5.2mmとなり、さらにＲ＝340μmでは２Ｗｚ
＝118μm、２ｚ＝9.0mmとなり、必要な条件が満たされ
る。
【００１６】図６は本発明のＬ＝950μm、Ｒ＝265μm、
２ｚ＝7.0mmの球レンズシリカファイバをコア直径10μm
のＳＭＦに融着した一対の光フアイバ端末を対向させ、
Ｘ軸方向の変位に対する結合損失を実測したものであ
る。互いに反射防止膜を実装しない状態で最小0.4dBで
あり、前後20μm程度の位置ずれは許容できることが確
認できた。反射減衰量は図１(c)のように反射防止膜11
と屈折率整合剤５を施して−45dBが達成でき、従来の無
反射コネクターと同等な数値が得られた。このとき、従
来の無反射コネクターは互いに物理的につき合わせるた
め何度も脱着を繰り返すと性能劣化が生じるが、本発明
のファイバ系では光線を空間伝播させるので物理的な損
傷はまったく生じない。
２ｚ＝7.0mmの球レンズシリカファイバをコア直径10μm
のＳＭＦに融着した一対の光フアイバ端末を対向させ、
Ｘ軸方向の変位に対する結合損失を実測したものであ
る。互いに反射防止膜を実装しない状態で最小0.4dBで
あり、前後20μm程度の位置ずれは許容できることが確
認できた。反射減衰量は図１(c)のように反射防止膜11
と屈折率整合剤５を施して−45dBが達成でき、従来の無
反射コネクターと同等な数値が得られた。このとき、従
来の無反射コネクターは互いに物理的につき合わせるた
め何度も脱着を繰り返すと性能劣化が生じるが、本発明
のファイバ系では光線を空間伝播させるので物理的な損
傷はまったく生じない。
【００１７】また、従来の微小ファイバコリメータは、
高い結合効率で伝播できる距離が３mm以下程度であり、
本発明の３〜10mmの実際的な距離よりも短い上に、図
７，図８に示されるようにレンズ曲率の小さい光束の細
い条件ほど許容位置ずれが狭くなっており、本発明の数
値範囲において光線方向（Ｚ軸方向）のみならず光線と
直角な方向（ＸＹ軸）に対して広い許容領域がとれる効
果と相反する。すなわち、図７はレンズ曲率が大きいほ
どＺ軸方向の結合損失に対する許容位置が緩やかである
ことが前述の計算式から推定できる。
高い結合効率で伝播できる距離が３mm以下程度であり、
本発明の３〜10mmの実際的な距離よりも短い上に、図
７，図８に示されるようにレンズ曲率の小さい光束の細
い条件ほど許容位置ずれが狭くなっており、本発明の数
値範囲において光線方向（Ｚ軸方向）のみならず光線と
直角な方向（ＸＹ軸）に対して広い許容領域がとれる効
果と相反する。すなわち、図７はレンズ曲率が大きいほ
どＺ軸方向の結合損失に対する許容位置が緩やかである
ことが前述の計算式から推定できる。
【００１８】図８は同じく、レンズ曲率とＸ軸方向の位
置ずれに関する許容範囲を表す。明らかに曲率が大きく
なるにつれて許容位置が緩やかとなり、製造が容易にな
る。図９は、上記本発明光学系のＸ軸方向位置ずれに対
する結合損失を実測したもので、計算から推定した場
合と比較して図示したものである。なお同時に市販の
屈折率分布型レンズを用いたコリメータ系の場合も図
示した。本発明の結合系の方が自由度が狭いが、市販の
光学系では光束が700μmもあり、本発明とは主旨がまっ
たく異なるものである。この図で分かることは、本発明
の結合系が市販のコリメータ結合系と比較して結合損失
が同等もしくはそれ以下にもできることである。
置ずれに関する許容範囲を表す。明らかに曲率が大きく
なるにつれて許容位置が緩やかとなり、製造が容易にな
る。図９は、上記本発明光学系のＸ軸方向位置ずれに対
する結合損失を実測したもので、計算から推定した場
合と比較して図示したものである。なお同時に市販の
屈折率分布型レンズを用いたコリメータ系の場合も図
示した。本発明の結合系の方が自由度が狭いが、市販の
光学系では光束が700μmもあり、本発明とは主旨がまっ
たく異なるものである。この図で分かることは、本発明
の結合系が市販のコリメータ結合系と比較して結合損失
が同等もしくはそれ以下にもできることである。
【００１９】
【発明の効果】本発明は、ＳＭＦと同一外径の光導入部
で融着し、反対側端部の球レンズで出射光を集束する一
体構造からなり、接着方式の従来の結合系とは信頼性の
面で優れているほか、光線通路に平行界面がないので反
射減衰量がほとんどない。また、一体構造であるからフ
ァイバ−レンズ間の光軸調整が必要なく、他の光学系へ
結合するのが容易であるため、特に光アイソレータ，光
サーキュレータ，光スイッチ，光合分波器，光コネクタ
等に最適である。さらに、曲率を調整することから光フ
ァィバアレイ結合部にも適用でき、広範な用途に応用で
きる。
で融着し、反対側端部の球レンズで出射光を集束する一
体構造からなり、接着方式の従来の結合系とは信頼性の
面で優れているほか、光線通路に平行界面がないので反
射減衰量がほとんどない。また、一体構造であるからフ
ァイバ−レンズ間の光軸調整が必要なく、他の光学系へ
結合するのが容易であるため、特に光アイソレータ，光
サーキュレータ，光スイッチ，光合分波器，光コネクタ
等に最適である。さらに、曲率を調整することから光フ
ァィバアレイ結合部にも適用でき、広範な用途に応用で
きる。
【図１】本発明の光ファイバ端末を示す断面図。
【図２】光フアイバ光学系の概略図。
【図３】従来の光ファイバコリメータの断面図。
【図４】本発明における最大結合効率がとれる光ファイ
バコリメータの計算値を示す。
バコリメータの計算値を示す。
【図５】本発明の球レンズ出射後のＺ軸方向のビーム半
径を示す。
径を示す。
【図６】本発明の光ファイバコリメータのＸ軸方向の変
位に対する結合損失の実測値を示す。
位に対する結合損失の実測値を示す。
【図７】本発明によるレンズ曲率とＺ軸方向の位置ずれ
に対する結合損失の計算値を示す。
に対する結合損失の計算値を示す。
【図８】本発明によるレンズ曲率とＸ軸方向の位置ずれ
に対する結合損失の計算値を示す。
に対する結合損失の計算値を示す。
【図９】本発明による光学系のＸ軸方向位置ずれに対す
る結合損失の計算値と実測値の比較を示す。
る結合損失の計算値と実測値の比較を示す。
１ 光ファイバ ２ 球レンズ ３ 屈折率分布型レンズ ４ 光学デバイス ５ 屈折率整合剤 ７ SiO2ファイバレンズ ８ ピッグテールファイバ本線 ９ 先端部保護用フェルール 10 先端レンズ 11 反射防止膜
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G02B 6/26 - 6/43 G02B 6/10
Claims (1)
- 【請求項１】 第一の光ファイバと、この光ファイバの
コア部と等価で単一屈折率をもち同一外径からなる光導
入部と光集束用球レンズ部で形成された第二の光ファイ
バが、第一の光ファイバとその光導入側で融着された構
造において、第二の光ファイバの長さが、これを伝播し
てきたガウス分布光の光束が出射端で少なくとも80μm
以上に拡大する長さを有し、かつ光集束用球レンズの曲
率半径が200μm以上であることを特徴とした微小レンズ
付光ファイバ端末。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3017022A JP2992093B2 (ja) | 1991-01-16 | 1991-01-16 | 微小レンズ付光ファイバ端末 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3017022A JP2992093B2 (ja) | 1991-01-16 | 1991-01-16 | 微小レンズ付光ファイバ端末 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04313711A JPH04313711A (ja) | 1992-11-05 |
| JP2992093B2 true JP2992093B2 (ja) | 1999-12-20 |
Family
ID=11932373
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3017022A Expired - Fee Related JP2992093B2 (ja) | 1991-01-16 | 1991-01-16 | 微小レンズ付光ファイバ端末 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2992093B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100822953B1 (ko) * | 2000-03-17 | 2008-04-16 | 코닝 인코포레이티드 | 광 도파관 렌즈 및 그 제조방법 |
| JP2008242012A (ja) * | 2007-03-27 | 2008-10-09 | Mitsubishi Cable Ind Ltd | レーザーガイド用光ファイバ及びそれを備えたレーザーガイド |
| JP6483647B2 (ja) | 2016-09-14 | 2019-03-13 | 株式会社東芝 | レーザ加工装置 |
| CN117849952A (zh) * | 2024-03-08 | 2024-04-09 | 广东工业大学 | 一种蓝宝石光纤到石英光纤的耦合系统 |
-
1991
- 1991-01-16 JP JP3017022A patent/JP2992093B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04313711A (ja) | 1992-11-05 |
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