JP3375213B2 - レンズ付ファイバ - Google Patents

レンズ付ファイバ

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JP3375213B2 JP24863394A JP24863394A JP3375213B2 JP 3375213 B2 JP3375213 B2 JP 3375213B2 JP 24863394 A JP24863394 A JP 24863394A JP 24863394 A JP24863394 A JP 24863394A JP 3375213 B2 JP3375213 B2 JP 3375213B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光通信に使用する発光
源と光ファイバとの光結合に関するものである。
【０００２】
【従来の技術および課題】光通信用の発光源としては、
レーザダイオード（以下ＬＤという），発光ダイオード
等が用いられるが、光伝送路である光ファイバに入光さ
せるためには光ファイバ端を発光面に位置合せして結合
させるのが一般的である。
【０００３】しかしながら、発光面からの光の出射角
は、かなりの広がりがあるため、光ファイバとの結合効
率は良くない。従って、結合効率を向上させるためのレ
ンズ等を挿入して光を集束させ、光ファイバへの入光を
良くする方法がある。
【０００４】ＬＤと光ファイバとの光結合を取るには、
従来、図５(a)〜(d)に示すような多様な組合せが考えら
れてきた。ＬＤから放射される光は、光分布が円状のガ
ウス分布ではなく縦方向と横方向で大きく異なる楕円ビ
ーム状となる。
【０００５】図６にＬＤの出射ビームの広がり角を説明
する図を示すが、このように近端光分布ＮＦＰはｘ軸方
向に横長で、遠端光分布ＦＦＰになるとｙ軸方向に広が
った楕円状の光線分布になるため、高い結合効率が得ら
れなかった。
【０００６】図５(a)に示す結合方法は早くから考案さ
れたもので、円柱レンズ21をＬＤ１と光ファイバ20との
間に配置することにより、結合効率を高くしようとした
例である。
【０００７】図５(c)，(d)に示す結合方法は、それぞれ
楕円性は無視して光の収差を考えた非球面レンズ22を用
いたり、組上りの結合トレランスを少しでも緩やかにす
るために２個のレンズ23，レンズ24を共焦点位置に配置
した場合である。
【０００８】この場合、レンズはファイバ型より高価と
なるが、結合が遜色なく実現できる利点は確保される。
但し、図５(a)，(c)，(d)の例ともレンズとファイバが
分離しているので、その分だけ光軸合わせが難しくな
り、また光路中に界面が生ずるのでその分光損失が生じ
る。また、勿論反射防止膜は施されていても、この場合
３面あるので好ましくない。さらに、部品点数が多いこ
とは、システム全体のコストを高価にする。
【０００９】一方図５(b)の例では、ファイバ20の先端
に光軸であるＺ軸に対称な曲面部25を形成したもので、
前述のような欠点は緩和されるが、ＬＤ１から放射され
る光線が楕円形状の分布をしているにもかかわらず円形
コアに結合させるため、軸合せが極めて狭い範囲でしか
取れなくなり、原理的にも限界がある。
【００１０】特に、今後光増幅等で光励起用ＬＤとして
期待されている歪格子型量子井戸レーザ等では、注入電
流を増大するため、活性層断面を広く取る必要が生じ、
結果として側面に形成される光放射窓部が、厚み方向は
変わらず（0〜2μm程度）横方向に広がった（0〜200μm
程度）形状となり、従来のＬＤに比較して益々扁平度合
が大きくなっており、効率よく光を結合するには、遠端
光分布に合った扁平レンズが必要となっていた。
【００１１】〔目的〕上記問題点に鑑み、本発明は、特
殊な個別レンズを組合せる方式に対して、簡単な構成
で、扁平光線が効率良く取り込め、ＬＤ，ファイバ間の
光結合効率を良くするレンズ付ファイバを提供すること
を目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明は、前記従来技術
の課題を解決する為になされたもので、本発明によるレ
ンズ付ファイバは、光源または出射光に対向する光ファ
イバ端のコア中心を基準にした中心線の両側に斜断面を
設けて楔状とし、この先端に所望の曲率を設け半円筒状
レンズを形成したものである。
【００１３】また、その半円筒状レンズ端の半円筒方向
に、当該半円筒半径より大きな曲率を付与し、先端に曲
率の異なる互いに直交した曲面を形成したものである。
【００１４】
【作用】本発明のレンズ付ファイバにおいては、上記の
とおり構成したので、ファイバレンズを備えていて結合
方法が簡単である。また、扁平光線が取り込めるので、
高い結合効率を得ることが出来る。
【００１５】即ち、出射端が扁平な高出力ＬＤやＬＥＤ
の発生する光線を、漏れなく光ファイバへ結合すること
が可能となる。
【００１６】
【実施例】以下、本発明の実施例について、図面を参照
して説明する。図１は本発明の実施例を示す先円筒のレ
ンズ付ファイバの形状を示す三面図である。図２は本発
明の他の実施例を示す先楕円レンズ付ファイバの形状を
示す三面図である。図３は本発明の実施例のレンズ付フ
ァイバの製法を説明する図である。図４は扁平なビーム
ウェイストの形成を説明する図である。
【００１７】本発明によるレンズ付ファイバは、図３に
示すようにファイバの片面から研摩し、ファイバのセン
タまで研摩したら180゜回転し、反対方向から切削する
ことで、楔形状のファイバを形成し、先端を所望の曲率
にするため、適当な研摩を加える。
【００１８】図１，図２はその形状例である。図１は、
半円柱レンズとなり、扁平性の高いＬＤに適している。
図２は直交方向にも曲率を与えることで、図４中のｙ軸
方向に広がる光線をも集光する効果を有する形状であ
る。
【００１９】次に図４を参照してＬＤから出射された光
ビームが先円筒レンズ付ファイバに効率良く入射する原
理を説明する。
【００２０】ＬＤ１の窓部Ｃにおけるｙ軸方向のビーム
ウェイスト半径をωy，ｘ軸方向のビームウェイスト半
径をωx，シングルモードファイバ（以下ＳＭＦとい
う）２のコア半径をωとする。
【００２１】先円筒レンズ付ファイバのファイバ端Ａか
ら、先円筒レンズ付ファイバ内部のビームウェイスト半
径ω0までの距離ｄ0を求める。
【００２２】ＳＭＦでは、NA＝0.1 で入射される。一
方、ファイバコア３の屈折率ｎをｎ＝1.465, コア径2ω
＝６μmとすると
【数１】
【数２】 よって、数１, 数２よりω0＝2.9024μmとなる。
【００２３】これより逆に
【数３】 例えば、光線の波長λ＝830nmなら、ｎ＝1.465とおい
て、数３に代入すると、ｄ0＝3.12μmとなる。
【００２４】ここで、先円筒レンズ付ファイバのファイ
バ端Ａから、ＬＤの窓部Ｃまでの距離ｄを求めるには、
レンズの曲率をＲとして、
【数４】 と表される光線マトリクスから決定される。
【００２５】即ち、一般的な ビームマトリクス の式か
ら、
【数５】 これより、ωyが求まる。例えば、曲率Ｒ＝10μmのと
き、ωy＝1.32μmとなる。逆にωyが分っていれば最適
な曲率Ｒが求まる。
【００２６】同じように、
【数６】 からｄ＝15.22μmが求まる。このときωxは、レンズ効
果がないから、
【数７】 と表される。例えば、ｄ0＝3.12，ω0＝2.9024とすれ
ば、ωx＝3.4μmとなる。
【００２７】すなわち、半円形レンズファイバを出射し
たビームは、コア径２ω＝６μmのＳＭＦで波長λ＝830
nmならば、曲率Ｒ＝10μmとするとき、レンズ端Ａから
ｄ＝約15μmの位置に、ωx＝約3.4μm，ωy＝約1.3μm
の扁平なビームウェイストを形成することができる。
【００２８】従って、ωyがωxに比して小さい高出力半
導体レーザのとき、（ωy／ωx）＝約1/3〜1/5位の扁平
化した放射窓に適合したファイバレンズが形成でき、高
い結合効率が得られる。
【００２９】
【発明の効果】本発明のレンズ付ファイバにおいては、
上記のとおり構成したので、ファイバレンズを備えてい
て結合方法が簡単である。また、扁平光線が取り込める
ので、高い結合効率を得ることができ、低コストで、扁
平光線が取り込め、半導体レーザと光ファイバ間の光の
結合効率を良くするレンズ付ファイバを提供することが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す先円筒のレンズ付ファイ
バの形状を示す三面図。
【図２】本発明の他の実施例を示す先楕円レンズ付ファ
イバの形状を示す三面図。
【図３】本発明の実施例のレンズ付ファイバの製法を説
明する図である。
【図４】扁平なビームウェイストの形成を説明する図
【図５】従来のＬＤとファイバとの光結合方法を示す
図。
【図６】ＬＤの出射ビームの広がり角を説明する図。
【符号の説明】
１ ＬＤ ２ ＳＭＦ ３ ファイバコア 20 光ファイバー 21 22 23 24 25 レンズ
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−5380（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−153651（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−5865（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−153010（ＪＰ，Ａ) 米国特許3910677（ＵＳ，Ａ) Ｖｉｒｅｎｄｒａ Ｓ．ＳＨＡＨ，ｅ ｔ ａｌ．，Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｐｏ ｗｅｒ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｆｒｏｍ ａ 980−ｎｍ，Ｂｒｏａｄ−Ａｒｅａ Ｌａｓｅｒ ｔｏ ａ Ｓｉｎｇｌｅ −Ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒ Ｕｓｉｎｇ ａ Ｗｅｄｇｅ−Ｓｈａｐｅｄ，Ｊｏｕ ｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，米国，Ｖｏｌ. ８，Ｎｏ．９，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ 1990，ｐ．1313−1318 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02B 6/00 G02B 6/10 G02B 6/16 - 6/34 G02B 6/42 H01S 5/00 - 5/50 ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 光源または出射光に対向する光ファイバ
    端の一部に斜断面を設けて楔状とし、 θ(d0)をファイバ出射開口角／２ [NA=ｎ・sinθ
    (d 0 )]、 d0をファイバ内部におけるビームウェスト距離、 dをファイバ外部におけるビームウェスト距離、 ω0をファイバ内部におけるビームウェスト半径、 λを光線の波長、 ｎをコアの屈折率、ωをファイバのコア半径、 ω ｙ をファイバ外部におけるｙ軸方向のビームウェスト
    半径（ただし、ファイバ光軸方向をｚ軸、前記ファイバ
    楔状稜線と平行な方向をｘ軸、また前記両軸と直交する
    方向をｙ軸としてそれぞれを定める。） とすると、 この先端に数１〜数５で設定されたｄ0を用いて算出し
    た曲率半径Ｒを設けたことを特徴とする先円筒のレンズ
    付ファイバ。 【数１】 【数２】 【数３】 【数４】 【数５】
  2. 【請求項２】 光源または出射光に対向する光ファイバ
    端の一部に斜断面を設けて楔状とし、 θ(d0)をファイバ出射開口角／２ [NA=ｎ・sinθ
    (d 0 )]、 d0をファイバ内部におけるビームウェスト距離、 dをファイバ外部におけるビームウェスト距離、 ω0をファイバ内部におけるビームウェスト半径、 λを光線の波長、 ｎをコアの屈折率、ωをファイバのコア半径、 ω ｙ をファイバ外部におけるｙ軸方向のビームウェスト
    半径 （ただし、ファイバ光軸方向をｚ軸、前記ファイバ
    楔状稜線と平行な方向をｘ軸、また前記両軸と直交する
    方向をｙ軸としてそれぞれを定める。）とすると、 ｙ−ｚ面内に含まれる前記光ファイバ先端断面を、数１
    〜数５で設定されたｄ0を用いて算出した曲率半径をＲ
    として設定し、他方ｘ−ｚ面内に含まれるファイバ先端
    断面を、所望の曲率半径として設けたことを特徴とする
    先楕円のレンズ付ファイバ。 【数１】 【数２】 【数３】 【数４】 【数５】
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