JP4134902B2 - 光コリメータ - Google Patents

Description

本発明は、光通信用の光ファイバを内部に保持した毛細管と球レンズを円筒状に加工した部分球面レンズとこれらを軸合わせするスリーブとを使用した光コリメータに関する。

高速大容量の光ファイバ通信システムを構築する際には多くの光デバイスが使用されており、その中には複数の波長が多重化された光信号から任意波長の光信号を取り出すものや、光信号の位相を合わせるための光学結晶体を用いるもの等があり、光ファイバから出射されて広がった光信号を平行光にする、あるいは平行光を光ファイバへ集光させる多数の光コリメータが用いられる。

従来の部分球面レンズを用いた光コリメータ１は、図６に示すように、スリーブ２内に部分球面レンズ３と、内部に光ファイバ５を保持し、その端面５ａからの反射戻り光を防止するために斜め研磨面４ａを有する毛細管４を挿入し、光コリメータとして正しく作動するように光学的に適切な位置関係になるように調心を行い、接着剤６で固着することにより作製している。

このような光学系に関する従来技術の文献として特許文献１には、部分球面レンズを用いた光コリメータの中心軸に対して入射／出射する平行光の偏心を無くすために、斜研磨光学素子により解決を図る方法が開示されている。特許文献２には、光ファイバ及びコリメータレンズの光軸と、これらを支持するスリーブの外周面の中心軸とを偏心させることにより解決を図る方法が開示されている。また、特許文献３には、端部を斜め研磨したファイバの斜め研磨角度に応じて、光ファイバとレンズの中心軸に並進ズレを持たせ、平行ビーム結合する光コリメータが開示されている。特許文献４には、管状ハウジングの中心が球レンズを経て出る平行な光ビームの中心線として定義された光コネクタが開示されている。さらに、特許文献５には、レンズの中心に対して光ファイバの光軸を偏心させ、レンズの中心とレンズに入射する光ビームの中心がほぼ一致するような光ファイバコリメータが開示されている。特許文献６には、レンズから出射するビームの光軸が光ファイバの光軸と平行であるコリメータが開示されており、特許文献７には円筒状のレンズホルダーに対し、略円柱状のレンズと、ファイバのファイバ端部とを同軸状に収容して構成されたファイバコリメータが開示されている。
特開２００１−５６４１８号公報 特開平９−２５８０５９号公報 特開昭６２−２３５９０９号公報 特開平２−１１１９０４号公報 特開２００２−１９６１８０号公報 特開平５−１５７９９２号公報 特開平９−２７４１６０号公報

上記の図６に示すような従来の構造では、内部に光ファイバ５を保持し、その端面５ａからの反射戻り光を防止するために斜め研磨面４ａを有する毛細管４を用いているので、光ファイバ５の端面５ａから屈折の法則に従って毛細管の光軸Ｙに対して斜め方向に光が出射し、その結果、光コリメータ１から出射される平行光７には、その平行光の光軸Ｚと光コリメータ１の外周面の中心軸Ａとの間に偏心量δの偏心が発生するという問題点がある。

また、図７に示すように、従来の構造の光コリメータ１と光機能素子８ａを用いて光機能部品８を組立てる際、平行光７の光軸Ｚが光コリメータ１の外周面の中心軸Ａに対して偏心しているため、それぞれの光コリメータ１の偏心方向を正確に一致させる必要があるため、作業性が非常に悪くなるという問題点もある。

さらに、図８に示すように、光コリメータ１１の外周面の中心軸Ａから平行光１７が入射／出射するように、光ファイバ１５を内部に保持し、端面１４ａに斜め研磨が施されていない毛細管１４とスリーブ１２を用いて解決を試みた場合、斜め研磨の効果による反射減衰量が得られなくなるので、光ファイバ１５の端面１５ａ、および部分球面レンズ１３の透光球面部１３ｃからの反射戻り光が非常に大きくなり、その表面にそれぞれ反射防止膜を施したとしても、反射戻り光を充分阻止することはできない。この反射戻り光がレーザー光源などに悪影響を及ぼすので、高速大容量の光ファイバ通信システムを構築する際には実用上大きな問題点となる。

また、特許文献１の方法によっても、両端面が平行に斜め研磨された斜研磨光学素子を用いる場合（第５頁、第１図）は、平行光が光コリメータの中心軸に対して入射／出射するように精密な調心作業が必要となり、作業性が非常に悪くなる。また光路中に斜研磨光学素子を挿入するので光コリメータの挿入損失が増大し、高速大容量の光ファイバ通信システムを構築する際には、この増大した挿入損失が問題点となる。

さらに、内径の中心を外径の中心からずらした金属などを切削により作製した軸外し円筒状ホルダーを用いる場合（第７頁、第９図）も、外径と内径の中心を僅かにずらせるという精密な加工を必要とする欠点もある。また、金属製の軸外し円筒状ホルダーと、光ファイバを内部に保持する毛細管、および部分球面レンズとの間には熱膨張係数差があるので、その差が大きい場合には、使用時の温度変化によって個々の構成要素の膨張量あるいは収縮量が異なるため、光学的特性に狂いが生じる恐れがある。特に、このような膨張差が生じることにより部分球面レンズに応力が集中した場合には、屈折率や分散などの光学的特性の狂いに起因するトラブルが増大し、光学系としての安定性に問題点がある。

このため、高温時や低温時等のように室温と大幅に異なる温度条件の下では、スリーブと毛細管および部分球面レンズとの接着部に剥離が生じて本質的な部品特性が阻害されるばかりでなく、部分球面レンズに歪が生じて透過光量が変化したり、偏波特性が変化したり、或いは安定したコリメート光が得られなくなる等の不具合を招く。その結果、この種の光通信用デバイスの使用環境が限られてしまうことになり、特に屋外での使用が大幅に制限されると共に、光デバイスに組込む際には高精度な光学的特性が要求されるため、使用可能な温度範囲が極めて狭小になり、使用時における制限が一層厳格になるという問題を有している。

また、特許文献２では、図９に示すように、偏心スリーブ２２を用いることにより、光ファイバ２５及び部分球面レンズ２３の光軸Ｘと偏心スリーブ２２の外周面の中心軸Ｂとを偏心させ、光コリメータ２１の外周面の中心軸Ａに対して入射／出射する平行光２７の光軸Ｚの偏心を無くす構造のものがある。この場合、部分球面レンズ２３の外周面の中心軸Ｄと入射／出射する平行光２７の光軸Ｚが一致していないので、入射／出射する平行光２７の直径が部分球面レンズ２３の外径より小さな場合でも、両者の中心軸が偏心していることに起因して、入射／出射する平行光２７の直径程度まで部分球面レンズ２３の外径を細径化することができず、部分球面レンズ２３を用いた光コリメータ２１の外周面の中心軸に対して入射／出射する平行光２７の光軸Ｚの偏心を無くすと同時に、光コリメータ２１の細径化を実現する際には大きな問題点となる。

さらに、図１０に示すように、機械式光スイッチなどに用いられる長作動距離を有する光コリメータ３１の場合、長作動距離を実現するために比較的大きな曲率半径の部分球面レンズ３３が用いられるが、曲率半径が大きくなれば部分球面レンズ３３の焦点距離が大きくなり、偏心スリーブ３２を用いるタイプでは、結果的に入射／出射する平行光３７の光軸Ｚと部分球面レンズ３３の外周面の中心軸Ｄとの偏心が大きくなると共に、入射／出射する平行光３７の直径も大きくなるので、ますます部分球面レンズ３３の外径を小さくすることができず、部分球面レンズ３３を用いた光コリメータ３１の中心軸に対して入射／出射する平行光３７の光軸Ｚの偏心を無くすと同時に光コリメータ３１の細径化を実現することは困難となる。なお、入射／出射する平行光３７の直径や光軸Ｚと部分球面レンズ３３の外周面の中心軸Ｄとの偏心を考慮することなく、部分球面レンズ３３を細径化しても、図１０に示すとおり入射／出射する平行光３７に欠損３７ａが生じることで大きな挿入損失が発生するため、実用上大きな問題点となる。

また、特許文献２に開示されているとおり、偏心スリーブを用いて光コリメータの中心軸に対して入射／出射する平行光の偏心を無くす場合、部分球面レンズの外周面の中心軸と入射／出射する平行光の中心軸が一致していないので、入射／出射する平行光の直径が部分球面レンズの外径より小さな時でも、両者の中心軸が偏心している影響で、部分球面レンズの外径を入射／出射する平行光の直径程度まで細径化することができず、結果的に光コリメータの細径化を阻害することとなる。

また、特許文献３に開示されているとおり、端部を斜め研磨した光ファイバの斜め研磨角度に応じて、光ファイバとレンズの中心軸に並進ズレを持たせ、平行ビーム結合する光コリメータの場合（第４頁、第１図）は、出射する平行ビームの光軸が光ファイバの中心軸と一致しないため、光コリメータどうしの調心作業に労力を費やすこととなる。

また、特許文献４に開示されているとおり、光ファイバのコア中心線と光ビームの光軸が一致していない（第６頁、第２図）ので、例えば、光検出器を用いて光ビームの光軸と機械軸を一致させた上で、管状ハウジングを機械加工する（第６項、第３図）必要がある。また、所望の寸法を有する平らな面を有する球レンズを用いる場合（第６頁、第４図）は、組立時に、その平らな面と光ファイバから出射したビームの光軸とのなす角度を厳密に調心しなければならない。

また、特許文献５に開示されているとおり、屈折率分布型ロッドレンズの中心に対して光ファイバの光軸を偏心させ、屈折率分布型ロッドレンズの中心と、そのレンズに入射する光ビームの中心がほぼ一致するように構成されている（第５項、第１図）が、屈折率分布型ロッドレンズの代わりに球レンズを用いた場合、レンズの中心に対して光ファイバの光軸を偏心させているため、出射される光ビームは光ファイバの光軸と一致しない。

また、特許文献６に開示されているとおり、レンズから出射するビームは入力側マウントの軸と平行ではあるが、一致することはなく、入力側マウントの軸とある距離を有する平行ビームにしかならない（第５頁、第３図）ので、マウントの軸を中心に回転させながら、光コリメータどうしの調心を行う必要がある。

また、特許文献７に開示されているとおり、円筒状のレンズホルダーに対し、略円柱状のレンズと、光ファイバの端部とを同軸状に収容して光コリメータを構成している（第１１項、第１図）ため、略円柱状の球面レンズと、光ファイバのファイバ端部とを同軸状に収容した場合、光コリメータから出射される平行光の光軸はファイバコリメータの外径中心軸と一致することはないので、光コリメータどうしを調心する際には、光コリメータの軸を中心に回転させる必要がある。

さらに、従来の光コリメータを用いて光コリメータどうしの調心作業を行う場合、互いの光コリメータを各平行光の光軸がスリーブ外周面の中心軸の半径０．０２ｍｍ以内の範囲で、且つスリーブ外周面の中心軸に対して０．２°以内の角度に設定しただけでは、一方の光ファイバから光を導入した際に、他方の光ファイバから十分な光の応答が得られないので、光軸の自動調心装置などが使用可能となるように、光の十分な応答が得られる状態まで手動で調心作業を行う必要がある。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、光機能部品などの組立を行う際に、従来の光コリメータ１のように、入射／出射する平行光７の偏心方向を一致させるための調心作業を必要とせず、平行光が光コリメータの外周面の中心軸に対して入射／出射する光コリメータを提供することを目的とし、温度条件が多種にわたる使用時におけるスリーブと部分球面レンズ及び毛細管との熱膨張係数差に起因する光学的特性の悪化を可及的に低減させると共に、光コリメータの細径化と同時に部分球面レンズを用いた光コリメータの外周面の中心軸に対して入射／出射する平行光の光軸の偏心を無くすことを技術的課題とする。

本発明に係る光コリメータは、中央に内孔を有する略円筒状のスリーブと、屈折率が略均一なガラスからなり該スリーブの内孔よりも僅かに小さい直径の円柱部の両端に曲率中心が略同一の透光球面を有して該スリーブの内孔に挿入固定した際にスリーブ外周面の中心軸に対して所定の平行度で所定量偏心した位置が光軸となる部分球面レンズと、前記スリーブの内孔よりも僅かに小さい外径を有して前記スリーブの外周面の中心軸に対して所定の平行度で所定の偏心位置に端面が傾斜している光ファイバを保持した毛細管とを備え、前記部分球面レンズの外側の透光球面から出射する平行光の光軸が、前記スリーブ外周面の中心軸を中心とする半径０．０２ｍｍ以内の範囲にあり、且つ前記スリーブ外周面の中心軸に対して０．２°以内の角度であることを特徴とする。

また、本発明の光コリメータは、一対の前記光コリメータを対向配置させ、互いの光コリメータを各平行光の光軸が前記スリーブ外周面の中心軸の半径０．０２ｍｍ以内の範囲で、且つ前記スリーブ外周面の中心軸に対して０．２°以内の角度に設定し、一方の光ファイバから光を導入すると、他方の光ファイバから−３０ｄＢ以上の光の応答が得られるものであることを特徴とする。

図１に示すように、本発明の光コリメータ４１は、図３に示す屈折率が略均一なガラスからなる円柱部４３ａの両端４３ｂに曲率中心が略同一の透光球面４３ｃを有し、且つ図４に示すスリーブ４２の内孔４２ａに挿入固定した際にスリーブ４２の外周面の中心軸Ｂに対して所定量偏心した位置が光軸Ｘとなる部分球面レンズ４３と、図２に示すスリーブ４２の内孔４２ａに挿入固定した際にスリーブ４２の外周面の中心軸Ｂに対して所定量偏心した位置に光ファイバ４５を配置する毛細管４４を、図４に示すスリーブ４２の内孔４２ａに光コリメータとして正しく作動するように光学的に適切な位置に接着剤４６で固定されてなるものである。

本発明の光コリメータ４１を構成する毛細管４４は、図２に示すように、図４に示すスリーブ４２の内孔４２ａに挿入固定した際にスリーブ４２の外周面の中心軸Ｂに対して所定量偏心した位置に光ファイバ４５が固定されている。図３に示す部分球面レンズ４３と図２に示す光ファイバ４５を固定した毛細管４４を、図４に示すスリーブ４２の内孔４２ａに光コリメータとして正しく作動するように光学的に適切な位置に固定すれば、図１に示すように平行光４７が光コリメータ４１の外周面の中心軸Ａから入射／出射する光コリメータ４１が得られる。

また、本発明の光コリメータ４１を構成する部分球面レンズ４３は、図３に示すように、屈折率が略均一なガラスからなる円柱部４３ａの両端４３ｂに曲率中心が略同一の透光球面４３ｃを有し、且つ図４に示すスリーブ４２の内孔４２ａに挿入固定した際にスリーブ４２の外周面の中心軸Ｂに対して所定量偏心した位置が光軸Ｘとなっている。

これに対して、従来の光コリメータでは、先出の図６に示すように、光軸Ｘが外径中心軸Ｄにある部分球面レンズ３と、同じく光軸Ｙが外周面の中心軸Ｅにある、内孔に光ファイバ５を固定した毛細管４を、スリーブ２に挿入し光コリメータ１に組立てると、平行光７が光コリメータ１の外周面の中心軸Ａから入射／出射しない。

また、先出の図１０に示すように、偏心スリーブ３２を用いて光コリメータ３１を組立てると、入射／出射する平行光３７の直径程度まで部分球面レンズ３３を細径化することはできない。無理に入射／出射する平行光３７の直径程度まで部分球面レンズ３３を細径化した場合、入射／出射する平行光３７に欠損３７ａが生じることで大きな挿入損失が発生する。

本発明で使用する部分球面レンズ４３としては、屈折率が略均一な光学ガラス等からなり、真球状に加工することにより高い焦点精度を有する球レンズが作製できる材料であれば使用可能であり、光コリメータ４１の小型化、細径化のため、高い真球度を有する球レンズの周囲を研削して作製した部分球面レンズ４３が適している。部分球面レンズ４３に用いるガラスとしては、光学ガラスのＢＫ７、Ｋ３、ＴａＦ３、ＬａＦ０１、ＬａＳＦ０１５等を用いることが望ましい。

また、本発明で使用するスリーブ及び／または毛細管は、ガラスあるいは結晶化ガラスからなり、ドロー法により高精度に安定して効率よく安価に作製することができる。さらに、ドロー法により作製しているので、スリーブ及び／または毛細管の表面はファイヤーポリッシュされている。

図１に示す光コリメータ４１を構成する光学ガラスＬａＳＦ０１５製の部分球面レンズ４３の熱膨張係数を７４×１０^-7／Ｋ、硼珪酸ガラス製のスリーブ４２の熱膨張係数を５１×１０^-7／Ｋ、および結晶化ガラス製の毛細管４４の熱膨張係数を２７×１０^-7／Ｋとすると、環境温度が６０℃変動した時、相互の熱膨張係数差に起因する光コリメータ４１の外周面の中心軸Ａに対する平行光４７の光軸Ｚの偏心量の変化は、０．０００３ｍｍ（０．３μｍ）以下となる。また、平行光４７の出射偏角（ビーム傾き角）の変化は、０．０１°以下である。

一方、スリーブ４２として、一般的なステンレス鋼であるＳＵＳ３０４（熱膨張係数：１８４×１０^-7／Ｋ）を用いた場合、相互の熱膨張係数差が１００×１０^-7／Ｋ以上となり、これに起因する光コリメータ４１の外周面の中心軸Ａに対する平行光４７の光軸Ｚの偏心量の変化は、０．０００９ｍｍ（０．９μｍ）程度、平行光４７の出射偏角（ビーム傾き角）の変化は、０．０３°程度と、それぞれ硼珪酸ガラス製のスリーブ４２を用いた場合と比較すると３倍程度悪化する。

したがって、相互の熱膨張係数差が５０×１０^-7／Ｋ以内の部材を用いて光コリメータ４１を作製することが、環境温度の変化に対して安定した光学特性を有する光コリメータ４１を作製する上で重要である。

本発明の光コリメータは、屈折率が略均一なガラスからなる円柱部の両端に曲率中心が略同一の透光球面を有し、且つスリーブの内孔に挿入固定した際にスリーブの外周面の中心軸に対して所定量偏心した位置が光軸となる部分球面レンズと、スリーブの内孔に挿入固定した際にスリーブの外周面の中心軸に対して所定量偏心した位置に光ファイバを配置する毛細管を、スリーブの内孔に光コリメータとして正しく作動するように光学的に適切な位置に固定されてなるので、光機能部品などの組立を行う際に、先記した従来の構造の光コリメータのように、入射／出射する平行光の偏心方向を一致させるための調心作業の必要がなく、平行光が光コリメータの外周面の中心軸に対して入射／出射する光コリメータを作製することができると共に、温度条件が多種にわたる使用時におけるスリーブと毛細管および部分球面レンズとの熱膨張係数差に起因する光学特性の悪化を最小限に留めた光コリメータを作製することができる。そのため、高い信頼性を有する光機能部品を作製することが可能となる。

また、本発明の光コリメータは、スリーブの外周面の中心軸に対して所定の平行度で所定量偏心した位置が光軸となる部分球面レンズを用いることで、入射／出射する平行光の光軸と部分球面レンズの外周面の中心軸とが一致し、入射／出射する平行光の直径と同程度まで部分球面レンズの外径を小さくすることが可能となるので、光コリメータの細径化を実現でき、結果的に、先出の図９に示したような、偏心スリーブ２２を用いて光コリメータ２１の外周面の中心軸Ａに対して入射／出射する平行光２７の光軸Ｚの偏心を無くす場合より、光コリメータの外径を細径化できる効果を有する。

本発明の光コリメータは、一対の前記光コリメータを対向配置させ、互いの光コリメータを各平行光の光軸がスリーブの外周面の中心軸の半径０．０２ｍｍ以内の範囲で、且つスリーブの外周面の中心軸に対して０．２°以内の角度に設定し、一方の光ファイバから光を導入すると、他方の光ファイバから−３０ｄＢ以上の光の応答が得られるものであるので、煩わしい手動での調心作業を行う必要がなく、光軸の自動調心装置などを用いて対向配置させた光コリメータ対の光軸調心を簡単に行うことができ、光軸の自動調心装置などを用いて、対向配置させた光コリメータ対の光軸調心を簡単に行うことで、光デバイスの組立を従来にない高い効率で実現可能となる。

本発明の光コリメータは、スリーブが、ガラスまたは結晶化ガラスからなるので、高精度の円筒度をドロー法で達成することができ、且つ、安定して効率よく大量に作製することが可能である。さらに、表面がファイヤーポリッシュされており、表面を研磨する必要が無いので、安価に作製できる効果を有する。

本発明の光コリメータは、毛細管が、ガラスまたは結晶化ガラスからなるので、高精度の円筒度、および偏心量（軸外し量とも称す）をドロー法で達成することが可能であると同時に、表面がファイヤーポリッシュされているので、表面を研磨する必要がなく、安定して効率よく安価に作製できる効果を有する。

本発明の光コリメータは、スリーブ、部分球面レンズ及び毛細管の相互の熱膨張係数差が５０×１０^-7／Ｋ以内であるので、スリーブ、部分球面レンズ及び毛細管の相互の熱膨張係数差に起因する光学的特性の悪化を最小限に留め、環境温度の変化に対して安定した性能を維持可能な光コリメータを実現することができ、実用上優れた効果を奏するものである。

本発明の実施の形態について以下に図を参照して説明する。

図１は、本発明の一例を示す光コリメータ４１の説明図である。図中、４２はスリーブとしてガラス製のチューブを、４３は偏心部分球面レンズを、４６は接着剤を、４４は偏心毛細管を、４５は光ファイバをそれぞれ示している。本例は、スリーブ４２としてガラス製のチューブを用いた場合であるが、相互の熱膨張係数差が５０×１０^-7／Ｋ以内ならば、金属あるいはセラミックス製の割りスリーブを用いてもよい。

図１中の光コリメータ４１を構成する偏心部分球面レンズ４３および偏心毛細管４４を予め偏心させる偏心量δは、
ｎ₁：光ファイバ４５のコア部の屈折率
ｎ₂：大気中の場合は空気の屈折率
ｎ₃：部分球面レンズ４３の屈折率
ｒ：部分球面レンズ４３の曲率半径
θ：光ファイバ４５の端面４５ａの斜め研磨角度
とすると、以下の数１のように表される。

表１に部分球面レンズ４３の硝材として光学ガラスＬａＳＦ０１５を使用した光コリメータ４１の各パラメータの例を示す。

上記の各パラメータを用いて数１により偏心量δを計算すると０．１３ｍｍとなる。したがって、図１に示す構造の光コリメータ４１に用いる偏心部分球面レンズ２３および偏心毛細管４４の偏心量は、表１に示すパラメータの場合、０．１３ｍｍとすればよい。

本発明の光コリメータ４１は、図４に示すように、スリーブ４２の外径が１．４ｍｍで、内径が１．０ｍｍとなる全長が５．０ｍｍのガラス製のチューブと、スリーブ４２の内孔４２ａに固定され屈折率が略均一な光学ガラスＬａＳＦ０１５からなり、円柱部４３ａの両端４３ｂに曲率中心が略同一の透光球面４３ｃを有し、且つスリーブ４２の内孔４２ａに挿入固定した際にスリーブ４２の外周面の中心軸Ｂに対して０．１３ｍｍ偏心した位置が光軸Ｘとなる曲率半径ｒが１．７５ｍｍの部分球面レンズ４３と、スリーブ４２の内孔４２ａに部分球面レンズ４３を接着するエポキシ系樹脂からなる接着剤４６を備えている。部分球面レンズ４３の透光球面４３ｃには光信号の反射を低減するために、図示しない反射防止膜が形成されている。また、スリーブ４２の内孔４２ａに挿入固定した際にスリーブ４２の外周面の中心軸Ｂに対して０．１３ｍｍ偏心した位置に光ファイバ４５が配置する、外径が１．０ｍｍで全長が４．３ｍｍの偏心毛細管４４は、内部に保持した光ファイバ４５の端面４５ａからの反射戻り光を低減するために、光軸Ｙに垂直な平面に対して８°に斜め研磨し、且つ端面４５ａに図示しない反射防止膜が形成されており、スリーブ４２の内孔４２ａに毛細管４４を接着するエポキシ系樹脂からなる接着剤４６を備えている。

本発明の光コリメータ４１は、光ファイバ４５の端面４５ａと部分球面レンズ４３の透光球面４３ｃが、光コリメータとして正しく作動するように光学的に適切な距離０．２５ｍｍとなる位置にエポキシ系樹脂からなる接着剤４６により固定されているものである。

次に、光コリメータ４１の挿入損失、反射減衰量（リターンロスとも称す）、平行光４７の出射偏角（ビーム傾き角とも称す）、及び光コリメータ４１の外周面の中心軸Ａに対する平行光４７の光軸Ｚの偏心量（光軸偏心とも称す）の例を表２に示す。

これらの測定には波長１５５０ｎｍの光を用い、また、挿入損失については、光コリメータ４１を２個用いて作動距離が１７．５ｍｍとなるように対向配置した状態で測定を行う。ここで作動距離とは光コリメータ４１を対向配置した際のそれぞれの部分球面レンズ４３の透光球面４３ｃ間の空間の距離のことである。

表２のように、挿入損失および反射減衰量は従来品と同等あるいはそれ以上の性能を発揮しており、実用上何ら問題はない。

また、出射偏角は０．１°以下と従来品と比較すると非常に良い値となっている。さらに、光コリメータ４１の外周面の中心軸Ａに対する平行光４７の光軸Ｚの偏心量が０．０１５ｍｍ以下となっているので、例えば１本のＶ溝上に光コリメータ４１を対向させて搭載すると、無調心の状態でも光信号の応答が得られるので、光コリメータ４１どうしの調心作業が必要な光機能部品を自動調心装置などを用いて組立てる際、従来品に比べて、作業効率を著しく改善させることが可能となる。

次に、光コリメータ４１の組立方法について説明する。

まず、相似形の母材を加熱・延伸成形すること等により、外径が１．０±０．５μｍで外周面の中心Ｅの偏心量が０．１３ｍｍで内孔が光ファイバ４５の直径よりも僅かに大きい内径を有する長尺の毛細管を作製する。次に、図２に示すように、長尺の毛細管の内孔に光ファイバ４５を挿入・接着した後、外周面に対してシングルモード光ファイバ４５の光軸に垂直な平面に対して８°に傾斜し、反射防止膜が形成された端面４５ａのコア中心Ｙと外周面の中心Ｅの偏心量が０．１３ｍｍで光ファイバ４５を内孔に固定した外径が１．０±０．５μｍで全長が４．３ｍｍの毛細管４４を作製する。毛細管４４は、スリーブ４２の内孔４２ａに挿入固定した際にスリーブ４２の外周面の中心軸Ｂに対して所定量偏心した位置に光ファイバ４５を配置するようになっており、外周面には偏心方向を表示するマーキングまたはオリフラ加工部（図示省略）が施されている。なお、毛細管４４は機械的に偏心させて外周研削を行っても作製可能である。

また、図３の破線で示すような、真球度が高く安価に入手が可能な球レンズを材料として使用し、図示しない研削機で外周面の中心軸Ｄに対して０．１３ｍｍ偏心した位置になるように円柱状に研削する。このようにして直径が１．０ｍｍ未満で屈折率が略均一なガラスからなる円柱部４３ａの両端４３ｂに曲率中心が同一で曲率半径ｒが１．７５ｍｍの透光球面４３ｃを有し、且つ外周面の中心軸Ｄに対して０．１３ｍｍ偏心した位置が光軸Ｘとなる部分球面レンズ４３を作製する。部分球面レンズ４３は、スリーブ４２の内孔４２ａに挿入固定した際にスリーブ４２の外周面の中心軸Ｂに対して所定量偏心した位置に光ファイバ４５を配置するようになっており、外周面には偏心方向を表示するマーキングまたはオリフラ加工部（図示省略）が施されている。

次に、相似形の母材を加熱・延伸成形すること等により、図４に示すような外径１．４ｍｍ、内径１．０ｍｍで透明なガラス製のスリーブ４２を作製する。このスリーブ４２の外周面に、部分球面レンズ４３及び毛細管４４の偏心方向を合わせるマーキングまたはオリフラ加工部（図示省略）が施されていると光コリメータ４１の組立が容易になる。

次いで、スリーブ４２の内孔に部分球面レンズ４３を挿入し、例えば、互いのマーキングを合わせて位置決めを行い、接着剤４６で固着する。接着剤４６が完全に硬化した後に、毛細管４４を挿入し、互いのマーキングを合わせて位置決めを行い、光ファイバ４５の端面４５ａと部分球面レンズ４３の球面４３ｃとが距離が０．２５ｍｍ±２μｍとなる位置に観察・測定しながら位置決めして固定し接着剤４６で固着することにより、図１のようなスリーブ４２の外周面の中心軸Ｂに対して光軸Ｘが０．１３ｍｍ偏心した光コリメータ４１が完成する。

図５は、本発明の他の例を示す長作動距離を有する光コリメータ５１の説明図である。図中５２はスリーブとしてガラス製のチューブを、５３は偏心部分球面レンズを、５６は接着剤を、５４は偏心毛細管を、５５は光ファイバをそれぞれ示している。本例は、スリーブ５２としてガラス製のチューブを用いた場合であるが、相互の熱膨張係数差が５０×１０^-7／Ｋ以内ならば、金属あるいはセラミックス製の割りスリーブを用いてもよい。

図５中の光コリメータ５１を構成する偏心部分球面レンズ５３および偏心毛細管５４を予め偏心させる偏心量δは、
ｎ₁：光ファイバ５５のコア部の屈折率
ｎ₂：大気中の場合は空気の屈折率
ｎ₃：部分球面レンズ５３の屈折率
ｒ：部分球面レンズ５３の曲率半径
θ：光ファイバ５５の端面５５ａの斜め研磨角度
とすると、先出の数１のように表される。

表３に部分球面レンズ５３の硝材として光学ガラスＬａＳＦ０１５を使用した長作動距離を有する光コリメータ５１の各パラメータの例を示す。

上記の各パラメータを用いて数１により偏心量δを計算すると０．２０ｍｍとなる。したがって、図５に示す構造の長作動距離を有する光コリメータ５１に用いる偏心部分球面レンズ５３および偏心毛細管２４の偏心量は、表３に示すパラメータの場合、０．２０ｍｍとすればよい。

本発明の長作動距離を有する光コリメータ５１は、スリーブ５２の外径が１．４ｍｍで、内径が１．０ｍｍとなる全長が８．０ｍｍのガラス製チューブと、スリーブ５２の内孔５２ａに固定され屈折率が略均一な光学ガラスＬａＳＦ０１５からなり、円柱部５３ａの両端に曲率中心が略同一の透光球面５３ｃを有し、且つスリーブ５２の内孔５２ａに挿入固定した際にスリーブ５２の外周面の中心軸Ｂに対して０．２０ｍｍ偏心した位置が光軸Ｘとなる曲率半径ｒが２．７５ｍｍの部分球面レンズ５３と、スリーブ５２の内孔５２ａに部分球面レンズ５３を接着するエポキシ系樹脂からなる接着剤５６を備えている。部分球面レンズ５３の透光球面５３ｃには光信号の反射を低減するために、図示しない反射防止膜が形成されている。また、スリーブ５２の内孔５２ａに挿入固定した際にスリーブ５２の外周面の中心軸Ｂに対して０．２０ｍｍ偏心した位置に光ファイバ５５が配置する、外径が１．０ｍｍで全長が４．３ｍｍの偏心毛細管５４は、内部に保持した光ファイバ５５の端面５５ａからの反射戻り光を低減するために、光軸Ｙに垂直な平面に対して８°に斜め研磨し、且つ端面５５ａに図示しない反射防止膜が形成されており、スリーブ５２の内孔５２ａに毛細管５４を接着するエポキシ系樹脂からなる接着剤５６を備えている。

本発明の長作動距離を有する光コリメータ５１は、光ファイバ５５の端面５５ａと部分球面レンズ５３の透光球面５３ｃが、光コリメータとして正しく作動するように光学的に適切な距離０．４０ｍｍとなる位置にエポキシ系樹脂からなる接着剤５６により固定されているものである。

次に、長作動距離を有する光コリメータ５１の挿入損失、反射減衰量（リターンロスとも称す）、平行光５７の出射偏角（ビーム傾き角とも称す）、及び長作動距離を有する光コリメータ５１の外周面の中心軸Ａに対する平行光５７の光軸Ｚの偏心量（光軸偏心とも称す）の例を表４に示す。

これらの測定には波長１５５０ｎｍの光を用い、また、挿入損失については、長作動距離を有する光コリメータ５１を２個用いて作動距離が１５０ｍｍとなるように対向配置した状態で測定を行う。ここで作動距離とは長作動距離を有する光コリメータ５１を対向配置させた際に、それぞれの部分球面レンズ５３の透光球面５３ｃ間の空間の距離のことである。

表４のように、挿入損失および反射減衰量は従来品と同等あるいはそれ以上の性能を発揮しており、実用上何ら問題は無い。

また、出射偏角は０．１°以下と長作動距離を有する光コリメータの従来品と比較すると非常に良い値となっている。さらに、長作動距離を有する光コリメータ５１の外周面の中心軸Ａに対する平行光５７の光軸Ｚの偏心量が０．０１５ｍｍ以下となっているので、例えば１本のＶ溝上に長作動距離を有する光コリメータ５１を対向させて搭載すると、無調心の状態でも光信号の応答が得られるので、長作動距離を有する光コリメータ５１どうしの調心作業が必要な光機能部品を自動調心装置などを用いて組立てる際、長作動距離を有する光コリメータの従来品に比べて、作業効率が著しく改善する。

さらに、図５に示す本発明の光コリメータ５１は、１５０ｍｍもの長作動距離を有するにもかかわらず、部分球面レンズ５３の外径を１．０ｍｍに細径化することで、外径が１．４ｍｍの光学特性に優れた光コリメータ５１を実現した。一方、先出の図１０に示す偏心スリーブ３２を用いて１５０ｍｍの作動距離を有する光コリメータ３１を作製する場合、部分球面レンズ３３の外径を１．０ｍｍとすると図示したとおり、入射／出射する平行光３７に欠損３７ａが生じることで結果として１．０ｄＢ程度の挿入損失が発生し、実用上大きな問題点となる。この問題点の解決するため、入射／出射する平行光３７に欠損が生じないように部分球面レンズ３３の外径を例えば１．２５ｍｍとしても、部分球面レンズ３３の外周面の中心軸Ｘと入射／出射する平行光３７の光軸Ｚとの偏心量が０．２０ｍｍであるので、外径が１．４ｍｍで内径が１．０ｍｍの偏心スリーブ３２を作製することは物理的に不可能であり、例えば外径が１．８ｍｍの偏心スリーブ３２を用いなければならない。すなわち、１５０ｍｍの作動距離を有する外径が１．８ｍｍの偏心スリーブ３２を用いた光コリメータ３１に対し、本発明の構造を用いることで、光軸方向の断面積が約０．６倍に細径化された光コリメータ５１を実現した。

本発明の光コリメータの説明図であって、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は側面図。 本発明の光コリメータに使用する毛細管の説明図であって、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は側面図。 本発明の光コリメータに使用する部分球面レンズの説明図であって、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は側面図。 本発明の光コリメータに使用するスリーブの説明図であって、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は側面図。 本発明の長作動距離を有する光コリメータの説明図であって、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は側面図。 従来の光コリメータの説明図であって、（Ａ）は光軸に対して平行な方向の断面図、（Ｂ）は光軸に対して垂直な方向の断面図。 従来の光コリメータを用いた光機能部品の断面図。 光ファイバ端面に斜め研磨を施さない場合の光コリメータの説明図であって、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は側面図。 偏心スリーブを用いた光コリメータの説明図であって、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は側面図。 偏心スリーブを用いた長作動距離を有する光コリメータの説明図であって、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は側面図。

符号の説明

４１、５１ 光コリメータ
４２、５２ スリーブ
４３、５３ 部分球面レンズ
４３ｃ、５３ｃ 透光球面
４４、５４ 毛細管
４４ａ、５４ａ 毛細管の斜め研磨面
４５、５５ 光ファイバ
４５ａ、５５ａ 光ファイバの端面
４６、５６ 接着剤
４７、５７ 平行光
４２ａ スリーブの内孔
４３ａ 部分球面レンズの円柱部
４３ｂ 部分球面レンズの両端
４３ｃ、５３ｃ 部分球面レンズの透光球面
Ａ 光コリメータの外周面の中心軸
Ｂ スリーブの外周面の中心軸
Ｃ スリーブの内孔の中心軸
Ｄ 部分球面レンズの外周面の中心軸
Ｅ 毛細管の外周面の中心軸
Ｘ 部分球面レンズの光軸
Ｙ 毛細管の光軸
Ｚ 平行光の光軸
δ 偏心量

Claims (6)

1. 中央に内孔を有する略円筒状のスリーブと、屈折率が略均一なガラスからなり該スリーブの内孔よりも僅かに小さい直径の円柱部の両端に曲率中心が略同一の透光球面を有して該スリーブの内孔に挿入固定した際にスリーブ外周面の中心軸に対して所定の平行度で所定量偏心した位置が光軸となる部分球面レンズと、前記スリーブの内孔よりも僅かに小さい外径を有して前記スリーブの外周面の中心軸に対して所定の平行度で所定の偏心位置に端面が傾斜している光ファイバを保持した毛細管とを備え、
   前記部分球面レンズの外側の透光球面から出射する平行光の光軸が、前記スリーブ外周面の中心軸を中心とする半径０．０２ｍｍ以内の範囲にあり、且つ前記スリーブ外周面の中心軸に対して０．２°以内の角度であることを特徴とする光コリメータ。
2. 一対の前記光コリメータを対向配置させ、互いの光コリメータを各平行光の光軸が前記スリーブ外周面の中心軸の半径０．０２ｍｍ以内の範囲で、且つ前記スリーブ外周面の中心軸に対して０．２°以内の角度に設定し、一方の光ファイバから光を導入すると、他方の光ファイバから−３０ｄＢ以上の光の応答が得られるものであることを特徴とする請求項１に記載の光コリメータ。
3. スリーブが、ガラスまたは結晶化ガラスからなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光コリメータ。
4. スリーブが、割りスリーブであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光コリメータ。
5. 毛細管が、ガラスまたは結晶化ガラスからなることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の光コリメータ。
6. スリーブ、部分球面レンズ、及び毛細管の相互の熱膨張係数差が５０×１０^-7／Ｋ以内であることを特徴とする請求項１から５の何れかに記載の光コリメータ。

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