JP3788758B2

JP3788758B2 - コリメータレンズとコリメータレンズ組立体

Info

Publication number: JP3788758B2
Application number: JP2001314665A
Authority: JP
Inventors: 勝鈴木; 浩之長友
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2001-10-12
Filing date: 2001-10-12
Publication date: 2006-06-21
Anticipated expiration: 2021-10-12
Also published as: US6775070B2; EP1306701A3; JP2003121687A; US20030072533A1; EP1306701A2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に光通信分野において光線路の接続等に用いられるコリメータレンズに係るものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、情報通信における技術革新は目覚しく、インターネットの普及による通信速度の高速化および情報量の激増への対応要求により、電気信号による通信から光信号による通信へと移行しつつある。多くの基幹となるケーブルは光ケーブルへと置き換わってきたが、基幹ケーブルとユーザーとの間の通信では光ケーブルはまだ整備されておらず、通信速度は不十分な状況であるため、光による情報通信網の普及への期待は益々高くなってきている。
【０００３】
光による通信網を形成する際には、電気と異なり、光線路の接続や分岐において様々な問題が生ずる。電気の場合、導電体により形成される回路の方向が複雑に変化していても、電気信号の減衰はほとんどなく伝播していく。しかしながら、光の場合には、急激な光路の方向変化や調芯ずれ等があると、光信号が光路から漏洩してしまい、光信号強度が激しく減衰してしまう。
【０００４】
そのため、図１ａ）に示すように光の進行方向を変換する方法として、光をファイバー１等の光路から空間や液体等の媒質中へ一度光を放出し、ミラー３等を介して方向変化を行ない、再びファイバー１’等の光路に戻るという方法がとられる。しかしながら、空間や液体等の光路が規制されていない媒質中を伝播する際には、光は広がりながら進んでいくことになる。光の広がりはそのまま信号の伝播損失になってしまうため、光の広がりは無視することはできない。光の広がりを抑制するために一般的に用いられているのが、コリメータレンズである。図１ｂ）に示すように、コリメータレンズ２は光ファイバー１の先端に取り付けられるが、コリメータレンズの表面曲率やその材質の屈折率を正確に制御することにより、放射された光線が広がることなく進んでいくことが可能になる。さらに、光ファイバー１’中に再び光線を集束させるためにも、光の進行方向は逆になるが、同様の原理にて対向面に同様の構成のコリメータレンズ２’を配して使用される。
【０００５】
【発明の解決しようとする課題】
一般的なコリメータレンズの概略図を図２に示し、光の進行方向に関する軸ずれ方向の概念図を図３に示す。コリメータレンズは主に、光線を集束させるためのレンズ１２、光ファイバー１をチップ１１’に挿入、固定したファイバーチップ１１、およびそれらを保持するためのガラスチューブ１３から成る。これらは全て、製造する上で中心軸が出し易いように、円筒状に形成されている。ファイバーチップ１１の先端面は、光ファイバー１の垂直断面から角度θ１傾けている。言い替えるとファイバーチップおよびレンズの中心軸の直角方向に対し角度θ１傾けているものである。これは、光ファイバー１の先端面からの反射損失を抑えるためである。光ファイバー１の先端がθ１の角度を持つことにより、放射された光線は光ファイバー１の中心軸からずれ、図２の紙面内方向に傾くことになってしまう。さらにその光線は、角度θ２傾いた端面を持つレンズ１２に入射され、外部へと放射される。図３を用いてより詳細に説明すると、放射された光の進行方向は、θ３だけコリメータレンズの中心軸１５からずれることになる。θ１とθ２は、同一であることが望ましいが、厳密には多少の誤差が生じる。さらにレンズ１２の屈折率が光ファイバー１の屈折率と異なることもあって、光線がコリメータレンズ２の中心軸１５上に揃っているとは限らない。また、光線の軸ずれは、θ１とθ２のそれぞれのばらつきだけでなくθ１とθ２との整合、つまりレンズとファイバーチップの対向面の平行度によっても影響を受けるため、個々のコリメータレンズで光線の軸ずれ角度が一定にならないため、個々のコリメータレンズの光学特性に違いを持つことになる。
【０００６】
コリメータレンズ２の中心軸からずれた光線を接続（調芯と称する）するには、それぞれのコリメータレンズ２の向きを図１の紙面に対して面内方向と面に垂直方向とを独立に調整する必要がある。少しでも角度や位置のずれが生じてしまうと伝播損失は非常に大きなものになってしまうため、精密な調整が要求される。特に、図１の紙面と垂直方向における軸ずれは、これらの部品を組み立てる際の高さ方向の寸法変化に影響を及ぼし、また各部品が同一面上に平行に位置するとは限らないため、パッケージや基板、治具に固定する場合の作業性を著しく阻害することになる。コリメータレンズ２が円柱形状をしていることも、軸ずれ方向の識別を難くし、調芯作業を益々困難にしている。また、刻印や印刷等により、コリメータレンズの外縁部に印をつけているものがあるが、それらは光線の軸ずれ方向を示すことを目的としたものではなく、例え光線の軸ずれ方向を示したものであっても、０．１度の精度が要求される調芯作業にとっては、不十分なものである。
【０００７】
そこで、本発明では光線の軸ずれ方向が明確であり調芯作業が容易なコリメータレンズもしくはコリメータレンズ組立体を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のコリメータレンズは、光線を集束させるための円柱状のレンズと、円筒状チップの孔に光ファイバーを固着した円柱状のファイバーチップの中心軸が合わされて、円筒状のガラスチューブで固定されたコリメータレンズであって、レンズとファイバーチップは所定の間隔を持って対向し、各々の対向面は中心軸の直角方向に対し３度以上１０度以下傾いた面を有し、中心軸方向に見た対向面Ａは楕円形状を有し、楕円の長軸方向で中心軸方向に切断したときに得られる面Ｂと、ガラスチューブとレンズ、ファイバーチップに面Ｂと平行な調芯作業の基準となる基準平面を有することが好ましい。
【０００９】
この調芯作業の基準となる基準平面（以降、基準平面と言う）を、パッケージや基板、治具等に押し当ててコリメータレンズを配置することにより、出光側のコリメータレンズから放射された光線の軸ずれ方向は受光側であるコリメータレンズの光線の軸ずれ方向と同一な面に限定されるようになる。そのため、調芯作業は、コリメータレンズの回転方向のみの調整で済むようになり、基準が基準平面であれば、回転調整も容易に行なうことが可能になる。また、コリメータレンズに設けられた調芯作業用の基準平面は既にパッケージや基板、治具に面密着しているため、コリメータレンズの固定を容易に行なえる。尚、回転方向の調整については、光を反射させるミラーの角度によって反射光の角度は変動してしまうため必須の回転方向の調整作業は省くことはできない。
以上
【００１０】
上記基準平面は、コリメータレンズ全長に渡って形成したものであり、パッケージや基板、治具上に配置するにも、問題が生じることはない。また、面Ｂと平行な面は２面あるが、少なくとも１面の基準平面を作製することで良いものである。
【００１１】
本発明のコリメータレンズは、ガラスチューブの円周上に金属もしくはセラミック、樹脂等の外装材を設けることが好ましい。
【００１２】
調芯作業が完了したコリメータレンズは、図１ｂ）に示したように、基板上に固定して使用される。固定するには、一般にはんだ付けを用いることが多いが、ガラス表面ははんだ濡れ性が悪いため、はんだ濡れ性の良い材質のもので被覆する必要がある。また、樹脂等の接着剤で固定する場合もあるが、ガラスチューブの外周面を金属もしくはセラミック、樹脂等の外装材で被服することにより、コリメータレンズを基板に接着することが容易になる。
【００１３】
本発明のコリメータレンズの基準平面は、ファイバーチップとレンズの中心軸から、ファイバーチップとレンズの半径の６０％以上離れたガラスチューブ側に位置することが好ましい。
【００１４】
基準平面の位置は、コリメータレンズの中心軸からの距離がファイバーチップ及びレンズの半径の６０％以上離れ、ガラスチューブ側に位置していることが重要である。６０％未満になるとレンズ中を進行する光線に影響が及び、光線のビーム形状が歪めてしまう危険があるためである。
【００１５】
本発明のコリメータレンズの製造方法としては、円柱状のレンズと円筒状のチップ、円筒状のガラスチューブの中心軸に平行に調芯基準となる基準平面を設ける工程、基準面を設けた円筒状のチップの孔に一方の端面まで光ファイバーを挿入して固着して円柱状のファイバーチップを形成する工程、レンズとファイバーチップの基準平面を治具等に押し当てて固定し、レンズとファイバーチップの対向する端面を中心軸の直角方向に対し３度以上１０度以下傾けて研磨する工程、レンズとファイバーチップの基準平面を組立治具等に押し当てて、レンズとファイバーチップが所定の間隔を持ち中心軸が一致するように位置合わせを行った後、ガラスチューブの基準平面をレンズとファイバーチップの基準平面に合わせて、ガラスチューブを被せ固着する工程を備えることが好ましい。尚、レンズとファイバーチップ先端面に設ける角度は、８度が一般的であるが、レンズとファイバーチップ先端面からの反射を抑えることが目的であり、３度以上１０度以下であれば同様の効果が見込まれる。
【００１６】
本発明のコリメータレンズ組立体は、円柱状のレンズと円柱状のファイバーチップは所定の間隔を持って対向し、各々の対向面は中心軸の直角方向に対し３度以上１０度以下傾いた面を有し、中心軸方向に見た対向面Ａが楕円形状を有するコリメータレンズが、楕円の長軸方向で中心軸方向に切断したときに得られる面Ｂと平行な底面を有するコリメータレンズ台に保持されていることが好ましい。
【００１７】
コリメータレンズは、単体にて調芯作業の基準を持つことが望ましいが、コリメータレンズを台に保持した組立体として基準を持つようなものでも、同様の効果が見込まれる。台の底面が面Ｂと平行であれば、光線の軸ずれ方向が一定な面に限定されるため、コリメータレンズ組立体として調芯作業は容易になる。
【００１８】
本発明の組立体を製造する上でも、コリメータレンズの軸ずれ方向は正確に調整する必要があり、本願発明の基準平面を設けたコリメータレンズを使用することで、より簡易に精度の高いコリメータレンズ組立体を製造することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明によるコリメータレンズの実施形態について、以下、図を用いて詳細に説明を行なう。
【００２０】
図４に、本発明の一つの実施例を示した。図４は、基準平面２１を設けたコリメータレンズであり、コリメータレンズにおいて光が放射される端面側から、観察した形状を示したものである。図中の点線は、ファイバーチップ先端面に形成される楕円面の長軸１６と短軸１７を投影したものを示している。ファイバーチップ及びレンズ１２の直径は１ｍｍ、ガラスチューブ１３の直径は、１．８ｍｍ、コリメータレンズの全長は１０ｍｍとした。さらに、基準平面とコリメータレンズの中心軸との距離、すなわちコリメータレンズの中心軸から基準平面に下ろした垂線の長さは、０．４ｍｍとした。
【００２１】
調芯作業時には、入射側コリメータレンズに設けた基準平面２１が接するように基板上に配置し、基板に垂直に設けられたミラーを介して光線の進行方向を変化させた後、出射側コリメータレンズに光線が入射するように、各部品を配置した。入射側コリメータレンズから放射される光線はコリメータレンズの中心軸１５から軸ずれを生じるが、ファイバーチップ先端面である楕円面の長軸１６とコリメータレンズの中心軸１５とを同一に含む面上を進行するため、光線軸と基板との距離は保たれたままミラーにより反射されることになる。出射側コリメータレンズに光線が入る際にも、光線軸と基板との距離は変化していないので、同様の基準平面を設けた出射側コリメータレンズでは、回転調整を行なうだけで調芯作業は完了するようになった。
【００２２】
図５に、外装材を設けた基準平面を有するコリメータレンズの例として、厚さが０．１５ｍｍであるメタルチューブを使用した例を示した。基準平面２１部分が覆われないように、コリメータレンズをメタルチューブ１８に挿入した。基板に配置した際にも、基準平面は基板に直接接するようにした。基準平面２１をメタルチューブ１８により被ってしまうと、メタルチューブの厚さによって、基板面とコリメータレンズとの中心軸との距離が変化してしまうという問題が生じてしまう。伝播損失の観点からメタルチューブの厚さをサブミクロンの単位にて制御する必要があり、実質的に非常に困難となってしまうことがわかった。図６に、めっきにより外装材を設けた例を示した。膜厚３μｍで膜厚±１０％の精度のめっき膜で外装材を形成しているため、基準平面にも成膜されていても、伝播損失についての問題は生じなかった。
【００２３】
図７に、基準平面を有するコリメータレンズの製造方法のフローについて、その１例を示した。初めに、ガラスチューブ、レンズ、チップに基準平面を設けた。この時、ガラスチューブ内にレンズ及びファイバーチップを挿入し、基準平面を設ける方法と、ガラスチューブ、レンズ、ファイバーチップにそれぞれ基準平面を設ける方法とが存在するが、どちらの場合であっても同様のコリメータレンズが製造できた。次に、チップの孔に光ファイバーを挿入、固着し、チップと光ファイバーが同一面側の先端面を所望の角度に研磨し、同時にレンズのファイバーチップ対向面も、同一の角度に研磨した。先端面を中心軸方向に見た対向面Ａは楕円面となる。楕円の面Ａの長軸方向で中心軸方向に切断したときに得られる面Ｂと、基準平面は平行となる。再度、基準平面を治具等に押し当てて、ガラスチューブに先端面を研磨したレンズとファイバーチップを挿入し、コリメータレンズから放射される光線が平行光になるように調整した後、それぞれの部品を固定してコリメータレンズを得た。こうして製造したコリメータレンズを用いて、ミラーを作製した結果、回転調整のみで問題なく調芯作業が行なえることが確認できた。
【００２４】
本発明における他の発明であるコリメータレンズ組立体の例として、図８に、基準平面を有するコリメータレンズを用いて作製したコリメータレンズ組立体を光線の放射側から示す。コリメータレンズをコリメータレンズ台１９に配置し、接着剤により固定して作製した例である。コリメータレンズ台は、幅３．５ｍｍ、長さ１０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの直方体で、台の底面１９’は、楕円の面Ａの長軸方向で中心軸方向に切断したときに得られる面Ｂと、平行になるように形成した。したがって、この組立体においても、コリメータレンズから放射される光線軸は、コリメータレンズ台の底面と光線軸との距離が一定に保たれることになる。実際に、調芯作業を行なったところ、回転調整のみで出射側コリメータレンズに光線が入射することが確認できた。また、コリメータレンズ台の大きさについては、上記したものより小さいものでも問題はなく、幅１ｍｍ、長さ１０ｍｍ、厚さ０．２ｍｍの台を用いた場合でも調芯作業が容易に行なえることが確認できた。
【００２５】
【発明の効果】
以上に示したように、本発明に係るコリメータレンズを用いることによって、コリメータレンズから放射される光線軸が明確になり、調芯作業の作業性が大幅に改善できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光の進行方向を変化させるためのミラーの例を示した図である。
【図２】一般的なコリメータレンズの構成図である。
【図３】コリメータレンズ内における光の進行方向の概念図である。
【図４】本発明に係る一つの実施例として基準平面を有するコリメータレンズを示した図である。
【図５】本発明に係る一つの実施例として外装材を有するコリメータレンズを示した図である。
【図６】本発明に係る一つの実施例として外装材を有するコリメータレンズを示した図である。
【図７】本発明に係る一つの実施例として製造工程の例を示した図である。
【図８】本発明に係る一つの実施例として基準平面を有するコリメータレンズを使用して作製したコリメータレンズ組立体を示した図である。
【符号の説明】
１，１’ 光ファイバー、２，２’ コリメータレンズ、３反射ミラー、
４基板、１１ファイバーチップ、１１’ チップ、１２レンズ、
１３ガラスチューブ、
１４光の広がり、１５コリメータレンズの中心軸、
１６ファイバーチップ先端面である楕円面の長軸、
１７ファイバーチップ先端面である楕円面の短軸、１８外装材、
１９コリメータレンズ台、１９’コリメータレンズ台の底面、
２１基準平面、
３１コリメータレンズを固定するための接着剤

Claims

光線を集束させるための円柱状のレンズと、円筒状のチップの孔に光ファイバーを固着した円柱状のファイバーチップの中心軸が合わされて、円筒状のガラスチューブで固定されたコリメータレンズであって、レンズとファイバーチップは所定の間隔を持って対向し、各々の対向面は中心軸の直角方向に対し３度以上１０度以下傾いた面を有し、中心軸方向に見た対向面Ａは楕円形状を有し、楕円の長軸方向で中心軸方向に切断したときに得られる面Ｂと、ガラスチューブとレンズ、ファイバーチップに面Ｂと平行な調芯作業の基準となる基準平面を有することを特徴とするコリメータレンズ。
ガラスチューブの円周上に金属もしくはセラミック、樹脂等の外装材を設けたことを特徴とする請求項１に記載のコリメータレンズ。
基準平面は、ファイバーチップとレンズの中心軸から、ファイバーチップとレンズの半径の６０％以上離れ、ガラスチューブ側に位置することを特徴とした請求項１に記載のコリメータレンズ。
請求項１から３に記載のコリメータレンズで、レンズとファイバーチップの中心軸方向に見た対向面Ａが楕円形状で、楕円の長軸方向で中心軸方向に切断したときに得られる面Ｂと平行な底面を有するコリメータレンズ台に保持されていることを特徴とするコリメータレンズ組立体。