JP4025598B2

JP4025598B2 - ファイバーレンズ

Info

Publication number: JP4025598B2
Application number: JP2002220486A
Authority: JP
Inventors: 幹雄京増
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-07-29
Filing date: 2002-07-29
Publication date: 2007-12-19
Anticipated expiration: 2022-07-29
Also published as: JP2004061887A

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、光通信における光ファイバーと受光素子との結合を図り、受光径の小さな受光素子に於いても、十分な結合効率が得られる構造を提供する為のファイバーレンズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光通信分野においては、ファイバーと受光素子の結合を取る手段として、図５に示すように、通常のシングルモードファイバー１（以後、ＳＭＦと称する。）の上面を約４５゜の角度で研磨加工して斜面２を形成することが行われている。このような構造が取られる理由は、受光素子が取り付けられるパッケージ（不図示）とファイバーとが平行になる為、ファイバーと受光面とを垂直にする必要があるからである。
【０００３】
しかし斜面２に加工すると、ＳＭＦ１のコア部１ａを通過した光は反射して光線３となり、ＮＡ０．１の広がり角と斜面２による反射位置の違いによる２つの要素で定まる広がり角により、光線３のように広がって、受光素子４の受光面５に照射されるようになる。
【０００４】
図６にその広がり角度についてＳＭＦ１の断面方向と水平方向の光線３の広がり角度を示している。
【０００５】
このように、単にＳＭＦ１に斜面２を形成したのでは光線３は大きな広がり角を有することになる。このため、大きな受光面５を有する受光素子４に対しては有効な手段ではあるが、近年の様に、通信速度が向上し、要求される受光面５がその高速性を満たす為、５−２０μｍφと小さくなった場合、上記、方法では結合効率の低下を招き、ファイバー構造として許容できないものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この課題を解決する方法として、図７に示すように、ＳＭＦ１の先端を球面加工し、この球面７に斜面２’を形成する方法も提案されている。この方法は、球面７を形成することにより、ＳＭＦ１のコアとクラッドの屈折率差が解消され、この球面７内では、コアレスファイバーと同様の特性となる。したがって、ファイバーの出射点６は仮想的な出射点６’から出射されるのと等価になり、球面７のレンズ効果により焦点を結ぶこととなる。
【０００７】
しかし、図７に示す球面加工した構造に於いては、ファイバー径より小さな球面７を加工で得ることは困難で、そのため、仮想的な出射点６’を長くすることが出来ず、また、焦点も長くなる為、近端に焦点を結ぶのが困難となる。
【０００８】
さらに、これらの製品は、図４に示すように、Ｓｉプラットフォーム１０にＳＭＦ１を搭載し、これに位置合わせした受光素子４をのせて用いる方法が取られる。このような場合、大きな球面７を取ることは、構成上、困難なことである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
シングルモードファイバーの先端に、屈折率分布定数αが１．５〜２．５、比屈折率差が０．０１１以下で、コアの中心の開口数が上記シングルモードファイバーの開口数と実質的に等しく、コアの径が５０μｍ以上で、焦点距離を
ｆ＝（コア径／２）／開口数
とした時、
｛（４ｍ＋１）ｆ＋β｝または｛（４ｍ−１）ｆ＋β｝
（ただし、ｍ＝０、１、２、・・・ β：ファイバーからの光を受光素子に焦点を結ばせる為に設定したＧＩＦの焦点長からの余分の長さ）
に実質的に等しい長さＬを有しているグレーデッドインデックスファイバー（ＧＩＦ）を融着接続し、該ＧＩＦの先端にコアレスファイバーを融着してなり、前記コアレスファイバーの先端部の上面が斜面状となっていることを特徴とする。
【００１１】
上記コアレスファイバーの先端部の下面が平坦面であることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態を図によって説明する。
【００１３】
図１に示すように、ＳＭＦ１の先端には、グレーデッドインデックスファイバー１１（以後、ＧＩＦと称する。）が取り付けられ、その先端部の上面に斜面２が形成されている。ＧＩＦ１１のコア１２は５０μｍ以上の径を有し、ＧＩＦ１１の外径はＳＭＦ１と同一としている。
【００１４】
このような構造を用いると、ＳＭＦ１からの出射光はＮＡ０．１でＧＩＦ１１に入射され、ここで、光線３が広がることになるがＧＩＦ１１の作用により集光され、斜面２で反射する。ここで、不図示の受光面に焦点を結ぶようにＧＩＦ１１の長さＬ（ここで、ＧＩＦ１１の長さは斜面２の中心までの長さとしている。したがって、コアの寸法によりビーム位置によって、長さが変化していることとなるが、この変化分は、焦点の違いとなるが、本応用ではとりあえず無視している。この点の補正は図２の発明で解消している。）を設定すると、出射した光線３は、受光面に焦点を結ぶこととなり、小さな受光面積であっても、高い結合効率が得られることとなる。
【００１５】
ただ、ＳＭＦ１とＧＩＦ１１との組み合わせだけであると、大きな収差を伴う。これは、斜面２で反射された光線３が、ＧＩＦ１１中を通過する際、屈折率の異なるコア１２を通過することが余儀なくされてしまうこと、光線３の反射点におけるＧＩＦ１１の長さが異なることによる収差が発生することで、ＧＩＦ１１の水平方向と断面方向で、異なる焦点を有することに起因している。
【００１６】
この現象に対する対策を行ったものが図２に示す構造で、ＧＩＦ１１の先端にさらにコアレスファイバー１３を接続し、そのコアレスファイバー１３に斜面２を形成することにより、収差の補正を図っている。このような構造をとることにより、焦点のスポット径を小さくし、小さな受光径に対応し、結合効率を向上することが出来る。
【００１７】
この構造の場合、コアレスファイバー１３の形状が円筒形状であることから、レンズ効果を有することになる。この対策を行った例が図３に示す構造で、コアレスファイバー１３の底面１４を研磨により平坦面にしている。
【００１８】
本発明に用いるＧＩＦ１１の特性は以下のようなものである。
【００１９】
ＧＩＦ１１の１つの大きな設計要素は、焦点距離と開口数との関係をどのようにするかである。これらのパラメータは、比屈折率差と、ＧＩＦ１１のコアの外径で決まる。
【００２０】
結合損失を出来る限り小さくするには、ＧＩＦ１１のコアの中心の開口数をＳＭＦ１の開口数と実質的に等しくする必要がある。焦点距離は、比屈折率差を小さくすれば長くなり、大きくすれば短くなる。また、コア径を大きくとれば、比屈折率差は大きくなっても、焦点距離は変わらない。ＳＭＦ１の開口数が一義的に決められているため、長い焦点距離を得るには、コア径を大きくする必要がある。焦点距離を長くする理由は、ＧＩＦ１１の１ピッチ長を長くする事により、加工精度を確保する事である。これは、比屈折率差も大きく取れるため、ＧＩＦ１１の製造技術が容易になるメリットも有している。
【００２１】
上記理由により本発明では、ファイバーの取り付けの容易さを確保するためＧＩＦ１１の外径をＳＭＦ１と同一径としている。また、開口数を一致させるとの条件を加えている事から、焦点距離ｆは、

と求められ、外径と焦点距離が求められると、下記式より、一義的に比屈折率が求められる事となる。
【００２２】
ｆ＝（ｄ／２）・√（１−２ｎ₀２Δ）／ｎ₀√（２Δ）（式２）
ただし、ｄ：コア径
ｎ₀：ＧＩＦ１１の中心の屈折率
Δ：比屈折率差
屈折率分布定数αを２．０としたとき、少なくとも、取り扱いの出来る寸法を０．５ｍｍ〜１０ｍｍとし、開口数０．１、外径寸法を１００μｍとすると、比屈折率差は０．００２３となり、この時、０．２５ピッチ長は０．５０２ｍｍとなる。中心付近は開口数が０．１であるが、距離とともに、開口数は小さくなっていく。
【００２３】
比屈折率差は０．０１１以下としているが、これは外径が小さくなれば、比屈折率差が大きくなること、また、屈折率分布定数αが大きくなると比屈折率差も大きくなるため、それらを考慮して、上記値を設定している。
【００２４】
ちなみに、屈折率分布定数αを１．５とした時、開口数を０．１とすると、その時の比屈折率差は、０．０１１となる。
【００２５】
従来のＧＲＩＮロッドレンズの開口数は０．２〜０．３、外径１．８ｍｍ（ＧＩＦが０．１２５ｍｍであるため、約１５倍）、比屈折率差は、０．００９５〜０．０２０６と本発明のＧＩＦの比屈折率差の４〜８倍となっている。また、その製造方法は、添加物を置換する事によって屈折率分布を作る方法が取られ、したがって、グレーデッドインデックスファイバー（ＧＩＦ）１１のように、低い、比屈折率差を要求される部材では、ＧＩＦの製作技術と同一の方法で作るのが適している。
【００２６】
ＧＩＦ１１の屈折率を変える添加物として、ＴｉＯ₂，Ａｌ₂Ｏ₃、ＧｅＯ₂、Ｐ₂Ｏ₅、Ｂ₂Ｏ₃、Ｆが良く知られている。この内、前者４種類は屈折率が上がる方向に作用し、後者２種類が下がるほうに作用する。また、この中でも、Ｐ₂Ｏ₅は屈折率変化がもっとも少なく、割合、高い添加物濃度で小さな比屈折率差を得るのに適している。小さな比屈折率差を得る他の方法としては、Ｐ₂Ｏ₅、ＧｅＯ₂とＢ₂Ｏ₃の組み合わせにより、互いの屈折率を相殺して得る方法も可能である。ただし、上記他の添加物が全く使えないと言うものではない。
【００２７】
また、これらの添加物の濃度制御は非常に高いレベルが要求される。なぜなら、現在、作られている従来のＧＩＦは５０μｍ径で、開口数は、０．２７５と大きい、これに対し、ここで、作ろうとしているＧＩＦ１１は１００μｍ径で、開口数０．１のものである。したがって、比屈折率として６倍程度異なり、また、距離的な変化量も２倍異なる事になる。したがって、従来に比べ、高い制御性が要求される。
【００２８】
もう１つの課題は、屈折率分布定数αの選択である。この値を１．５〜２．５に変化させても、焦点距離は変化しないが、比屈折率差が変化する。αが大きな程、比屈折率差は小さくなる。このパラメータを決定する要因は、群遅延時間である。
【００２９】
近年、ＤＷＤＭと共に、光の伝送速度自身もさらに高速化され始めている。因みに、現在の実用化レベルは１０Ｇｂｐｓであるが、近い将来、４０Ｇｂｐｓが実現されようとしている。これらの伝送に、このシステムとして影響ない群遅延速度は２．５ｐｓ程度であり、コリメータレンズファイバーとしては、１．２５ｐｓ程度と考えられる。この時、屈折率分布定数αとして１．５〜２．５に設定すると群遅延が最適となる。この観点から、許容できる屈折率分布定数を選ぶ必要がある。
【００３０】
文献「光ファイバー」（大越孝敬著１９８３ｐ１８３秀好堂出版）によれば、１．５５μｍの光に対し、屈折率分布定数αは、ＧｅＯ₂の場合、１．８８、Ｐ₂Ｏ₅の場合、１．８、Ｂ₂Ｏ₃の場合、濃度で変化し、３．５ｍｏｌ％の場合、１．６８、５．２ｍｏｌ％の場合、１．５が得られている。
【００３１】
次に、ＧＩＦ１１の長さＬについて議論する。この議論に当たって、まず、コリメート光に対する条件を求める。
【００３２】
この条件の基本寸法は、ピッチ長で定義される。このピッチ長というのは、ＧＩＦ１１に１周期の定在波が立つのに必要な長さと定義される。したがって、コリメート光においては、１／４ピッチ長が一義的に要求される。
【００３３】
したがって、ＧＩＦ１１の長さを確保するには、上記、ピッチ長を利用することで、前記式１で定められる焦点距離ｆから（４ｍ＋１）ｆまたは、（４ｍ−１）ｆがＧＩＦ１１の長さＬとなる（ただし、ｍ＝０，１，２，．．．）。ＧＩＦのコアの直径が１００μｍの場合、１／４ピッチ長は０．５ｍｍであるため、可能なファイバー１の長さＬは、０．５、１．５、２．５、３．５、４．５．．．ｍｍとなる。
【００３４】
次に、上記コリメート系から単焦点系に議論を進めるには、１／４ピッチ長にβだけ長くする必要がある。このβの長さは、光線をコリメート系から単焦点へと移行させるためのもので、その値により焦点が有限となる。
【００３５】
すなわち、ＧＩＦ１１の長さＬを
Ｌ＝｛（４ｍ＋１）ｆ＋β｝または｛（４ｍ−１）ｆ＋β｝
ただし、ｍ＝０、１、２、３、・・・
０＜β＜ｆ
に設定することにより、目的とする位置にＳＭＦ１からの光が受光素子４の受光面５に焦点を結ぶこととなる。
【００３６】
なお、図１のようにＧＩＦ１１に斜面２を形成した場合、上記長さＬは、ＧＩＦ１１の後端から斜面２の中心までの長さとする。また、図２のようにＧＩＦ１１の先端にコアレスファイバ１３を融着した場合の長さＬはＳＭＦ１の接続部からコアレスファイバ１３の接続部までとする。
【００３７】
本発明は図４に示す構造における応用に適している。Ｓｉプラットフォーム１０に溝を設け、ここに受光素子４を置き、本発明のファイバーレンズ１５をＶ溝に載せ、斜面２で光線の方向を変え、受光面５に光線を集光させると、集光した光線が受光素子４に入射されることになる。この時、ファイバーレンズの径はすべて同一であるため、Ｓｉプラットフォーム１０への取り付けが容易であり、かつファイバーからの光が集光されている為、小さな受光面５が可能となり、高周波動作に対応できる。
【００３８】
【実施例】
本発明実施例として図１に示すコアレスファイバを作成した。ＧＩＦ１１のコア１２の径を１００μｍとした。コアの中心部の屈折率を１．４５６とし、クラッドの屈折率を１．４６１３とした。したがって、比屈折率差は０．００３６である。
【００３９】
上記、ＧＩＦ１１は添加物をＰ₂Ｏ₅とし、添加物濃度を約６ｍｏｌ％の範囲で制御する事により実現した。
【００４０】
また、屈折率分布定数α＝１．８と設定した。この値が群遅延に対する最適な屈折率分布定数を与えるからである。
【００４１】
ＧＩＦ１１の長さは、取り扱いを考慮して、ｍ＝３とし、これに、焦点位置が０．６２５ｍｍとなるようなピッチ長として０．２５ピッチ＋０．１ｍｍを選択し、１ピッチの長さが２ｍｍであるため、その長さＬは８．６ｍｍとした。
【００４２】
まず、ＧＩＦ１１をＳＭＦ１に接続し、次に、８．８ｍｍの長さの所で切断装置を用いて切断し、次に、研磨装置に取り付け、全長が０．２ｍｍ短くなるように４５゜の角度で研磨した。
【００４３】
ＮＡ０．１の焦点は０．５ｍｍであり、上記条件に於いては同倍率であるため、同じ１０μｍのビームウエストが得られることになる。
【００４４】
上記構造のファイバーの出力を測定したところ、ＧＩＦ１１に水平方向については１１μｍ、垂直方向については１３μｍのビームウエストを得ることができた。
【００４５】
水平方向の誤差は、ＧＩＦ１１と空気の屈折率差により、また、垂直方向についてはコア１２の屈折率分布に起因していることがわかる。ただし、これらの結果が、受光径として１５μｍφのものには十分可能な結合効率を得ることが出来る。
【００４６】
これよりさらに小さな受光径については、コアレスファイバ１３の適用、ならびに、焦点距離の短縮で対応が可能である。
【００４７】
【発明の効果】
このように、本発明によれば、ファイバー径が同一でありながら、その出射光は、目的とした位置に焦点を結ぶことが出来、その焦点位置に受光素子を置くことで、高い結合効率が可能となる。本構造の実現により、受光素子とファイバーの安価な接続構造が可能となり、したがって、光通信用受光モジュールの高速化が実現され、その普及が大いに促進されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のファイバーレンズの実施形態を示す断面図である。
【図２】本発明のファイバーレンズの他の実施形態を示す断面図である。
【図３】（ａ），（ｂ）は本発明のファイバーレンズの他の実施形態を示す断面図である。
【図４】ファイバーレンズをＳｉプラットフォームへの搭載した状態を示す斜視図である。
【図５】従来の斜め研磨ファイバーを示す図である。
【図６】（ａ）、（ｂ）は従来の斜め研磨ファイバーの平行方向と垂直方向の光線の模式図である。
【図７】従来の球面加工したファイバーレンズの断面図である。
【符号の説明】
１ＳＭＦ
１ａコア部
２斜面
３光線
４受光素子
５受光面
６出射点
６’ 仮想的出射点
７球面
１０Ｓｉプラットフォーム
１１ＧＩＦ
１２コア
１３コアレスファイバー
１４底面
１５ファイバーレンズ

Claims

シングルモードファイバーの先端に、屈折率分布定数αが１．５〜２．５、比屈折率差が０．０１１以下で、コアの中心の開口数が前記シングルモードファイバーの開口数と実質的に等しく、コアの径が５０μｍ以上で、焦点距離を
ｆ＝（コア径／２）／開口数
とした時、
｛（４ｍ＋１）ｆ＋β｝または｛（４ｍ−１）ｆ＋β｝
（ただし、ｍ＝０、１、２、・・・ β：ファイバーからの光を受光素子に焦点を結ばせる為に設定したＧＩＦの焦点長からの余分の長さ）
に実質的に等しい長さＬを有しているグレーデッドインデックスファイバー（ＧＩＦ）を融着接続し、該ＧＩＦの先端にコアレスファイバーを融着してなり、前記コアレスファイバーの先端部の上面が斜面状となっていることを特徴とするファイバーレンズ。
前記コアレスファイバーの先端部の下面が平坦面であることを特徴とする請求項１記載のファイバーレンズ。