JPH01200207A - 光結合装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は光ファイバを用いた光通信に用いられる光源
としての半導体レーザと光ファイバーとを光学的に結合
させる光結合装置に関するものである。

〔従来の技術〕

第３図は例えば昭和６０年度電子通信学会半導体・材料
部門全国大会講演論文集Ａ　３５４に示された従来の光
結合装置を示す断面図である。図において、（１）は半
導体レーザ、（２）は片面を凸球面、他面を平面にそれ
ぞれ形成した屈折率分布型レンズ。

（３）はシングルモード光ファイバであり、この入射側
端面と半導体レーザ（１）との間に屈折率分布型レンズ
（２）がその凸球面側を半導体レーザ（１）側に向くよ
うに配置されている。ｌＮ１１は半導体レーザ１１１の
出射光束、ａ２１は半導体レーザの出射光束ｕｐが屈折
率分布型レンズ（２１で集光された光束を示している。

次忙動作について説明する。半導体レーザ（１１の出射
光束値１１は屈折率分布型レンズ（２）にその凸球面か
ら入射して集光され光束（１２１となってシングルモー
ド光ファイバ１３１に入射する。この場合、屈折率分布
型レンズ（２１で集光された半導体レーザ＋１）の出射
光束Ｉのスポット径を、シングルモード光ファイバ（３
）の受光できる光束のスポット径にほぼ一致させると結
合効率が良く、このため、半導体レーザ（１）とシング
ルモード光ファイバ（３１との結合倍率は１通常４〜５
倍である。また、半導体レーザｆｌｌと屈折率分布型レ
ンズ（２）の端面との距離は９組立の容易性を考慮して
通常０．４〜０．８ｕ程度である。

ところで、屈折率分布型レンズの屈折率分布け。

一般に次式で表わすことができる。

ｎ２（ｒ）＝ｎｏ２（１−（ｇｒ）２＋ｈａ（ｇｒ）’
＋ｈ６（ｇｒ）’　＋　・−・−・）　ｆ＋）ここで、
ｒけ屈折率分布型レンズの中心軸から半径方向の距離、
ｎ（ｒ）は半径ｒにおける屈折率。

ｎｏは中心軸上の屈折率、　ｇは屈折率分布定数。

ｈ４＋　ｈ６・・・は屈折率分布の４次項係数、　６次
項係数である。

ｆｉ１式に示されるように、屈折率分布型レンズの屈折
率分布は中心軸上の屈折率ｎＯｒ　　屈折率分布定数ｇ
、　　４次項係数ｈ４．６次項係数ｈ６等により変化す
る。従って、屈折率分布型レンズに入射した光線の軌跡
もこれらの係数により変化する。近軸光線の場合、光線
の軌跡は中心軸上の屈折率ｎＯｓ屈折率分布定数ｇに依
存し、４次項係数ｈ４．６次項係数ｈ６．に依存しない
。　近軸光線以外の光線の場合、光線の軌跡は中心軸上
の屈折率ｎｏ、／Ｂ（折率分布定ａｇ、４次項係数ｈ４
．６次項係数ｈ６に依存する。このため、収差は、４次
項係数ｈ４＋６次項係数ｈ６に依存する。収差に及ぼす
影響は。

４次項係数が最も大きい。収差が４次項係数ｈ４に大き
く依存する一例として、第４図に従来例として示した結
合装置における横収差曲線を示す。

第４（ａ）図は、４次項係数を０．第４（ｂ）図は４次
項係数を１．２とした場合である。なお、屈折率分布型
レンズの凸球面の曲率半径は２ｕであり、屈折率分布型
レンズ（曲品名セルフォックレンズＳＬＨ１ｇ、　　日
本板硝子（株））の長さは、　１周期を１ピツチとする
光線の軌跡の蛇行周期で表わすと０．２ピツチであり、
６次項係数は０である。１だ。

物点（すなわち、半導体レーザ）と像点（すなわち、゛
シングルモード光ファイバ）との結合倍率は５倍とした
。図において、横軸はレンズの光軸上の物点からレンズ
に入射する光線の開口数（Ｎ。

Ａ）であり、縦軸は近軸光線の結像位置での横収差であ
る。この図から収差が４次項係数に依存することがわか
る。

また、第５図は屈折率分布型レンズの長さ、及び、凸球
面の曲率と最小の収差を与える４次項係数の関係を示し
たものである。この図から低収差となる４次項係数の値
は屈折率分布型レンズの長さと凸球面の曲率によって変
化すること、及び。

従来の構成では低収差となる４次項係数の値は約０．６
以上であることがわかる。

しかしながら、屈折率分布型レンズの４次項は。

製造バラツキ等により０〜０．５程度となる場合があり
、この場合、従来の構成では収差を低減することができ
ず、半導体レーザとシングルモード光ファイバの結合効
率が劣化した。

また、半導体レーザ（１）の出射光束αυが屈折率分布
型レンズ（２）の端面で反射し、半導体レーザｆｌ）に
結合する反射戻り光は、半導体レーザｆｉｌの発振特性
を劣化させる。特に９分布帰還型半導体レーザはファブ
リベロー型半導体レーザに比べ反射戻り光に対して弱＜
、　−６ＯｄＢ程度の微弱な反射戻り光でも発振特性が
劣化することがある。もちろん。

この反射戻り光は反射面の形状、及び２位置により変化
する。従来例における半導体レーザ側のレンズ端面から
の反射戻り光のｔＶｉ、反射率１％の無反射コーティン
グがレンズ端面にされている場合、半導体レーザとレン
ズ端面の距離がＱ、５１１１１程度であること、半導体
レーザの出射光束α１１の広がり角が大きいこと、及び
９反射面が凸球面であることから一６５ｄＢ程度である
。シングルモード光ファイバ側のレンズ端面からの反射
戻り光の量は同様の無反射コーティングがされている場
合。

−３５ｄＢ程度である。これは０反射面が平面であるこ
と、及び、シングルモード光ファイバ側に出射した光束
α２の広がり角が小さいためである。

すなわち、光束の広がり角が小さい場合、平面で反射し
た光は、屈折率分布型レンズ内を反射面に入射するのと
ほぼ同様の光路で戻る。このため。

反射戻り光は大きくなる。従って、半導体レーザ側のレ
ンズ端面からの反射戻り光の量が一６５ｄＢ程度、シン
グルモード光ファイバ側からの反射戻り光の量が一３５
ｄＢ程度であることからも明らかなように、従来の構成
では、シングルモード光ファイバ側のレンズ端面からの
反射戻り光により半導体レーザの発振特性が劣化するこ
とがあった。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の光結合装置は以上のように構成されているので、
屈折率分布型レンズの４次項係数の製造バラツキを考慮
すると、収差を十分に低減することができないことがあ
り、半導体レーザとシングルモード光ファイバの結合効
率が低い場合が生じ。

また、シングルモード光ファイバ側のレンズ端面からの
反射戻り光により、半導体レーザの発振特性が劣化する
などの問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、屈折率分布型レンズの４次項係数の製造バラ
ツキの範囲に対応して半導体レーザとシングルモード光
ファイバの結合効率を良くできるとともに、レンズ端面
での反射戻り光により半導体レーザの発振特性を劣化さ
せない光結合装置を得ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係る光結合装置は、結合光学系に片面を凸球
面、他面を平面とした屈折率分布型レンズを用い、この
屈折率分布型レンズをその平面側が半導体レーザに対向
するように配置したものである。

〔作用〕

この発明における結合光学系は、４次項係数が小さい場
合でも収差が低減できるとともに半導体レーザに結合す
る反射戻り光を減少する。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
　図にオイテ、　［ｏ、　＋２）、　＋ａ＋、　ｎ＋＋
、　＋１２は従来の実施例と同じ、もしくは相当部分で
ある、そして、屈折率分布型レンズ（２１は凸球面側が
シングルモード光ファイバ（３）に対向するとともに平
面側が半導体レーザ（１）に対向するよう配置される。

このような構成において、半導体レーザ（１）の放射光
ｆｉｌｌＶｉ屈折率分布型レンズ（２１により集光され
てシングルモード光ファイバ（３）に入射する。

屈折率分布型レンズの４次項係数の製造バラツキに対応
して収差が低減できる一例として、第２図に、４次項係
数が０．２．レンズ長０．１５ピツチの屈折率分布型レ
ンズ（商品名セルフォックレンズ５ＬＨ１８，日本板硝
子＠））であり、　片面を曲率半径２ｆｆｉｌＩＩの凸
球面とした屈折率分布型レンズを用いた場合における横
収差曲線を示す。なお、従来例と同様に６次項係数ば０
とした。この図より。

４次項係数が製造バラツキにより、従来例においては低
収差とならない０．１５となった場合においても、収差
は低減されていることがわかる。低収差となる４次項係
数の値は屈折本分布型レンズの長さ及び、凸球面の曲率
により、第５図に示した従来例の場合と同様に変化する
。このため、屈折率分布型レンズの４次項係数の製造バ
ラツキに対応して低収差となる屈折率分布型レンズの長
さ。

及び、凸球面の曲率を選択することができる。すなわち
、４次項係数の製造バラツキに対応して。

半導体レーザとシングルモード光ファイバを効率良く結
合することができる。

次に、レンズ端面で反射して半導体レーザに結合する反
射戻り光について述べる。半導体レーザ側のレンズ端面
からの反射戻り光は、レンズ端面が平面であっても９反
射率１％の無反射コーティングをし、半導体レーザとレ
ンズ端面の距離が０．４５ｆ１以上とすれば、−６Ｏｄ
Ｂ以下となる。屈折率分布型レンズのピッチが０．１５
．　　凸球面の曲率半径２−禦、半導体レーザとシング
ルモード光ファイバの結合倍率を５倍とした本実施例で
は半導体レーザとレンズ端面の距離が０．５６１１１１
程度となるので１反射戻り光の量は一６２ｄＢ３度と、
従来とほぼ同程度となる。また、シングルモード光ファ
イバ側のレンズ端面からの反射戻り光は、この面が球面
であることから減少する。反射率１チの無反射コーティ
ングをした場合９反射戻シ光の量は一６３ｄＢとなり、
従来例と比べ１０ｄＢ減少する。このため、従来例と比
べ、レンズ端面からの反射戻り光による半導体レーザの
発振特性の劣化を抑圧することができる。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば０片面を凸球面とし、
他面を平面とした屈折率分布型レンズの平面側を半導体
レーザに対向して半導体レーザとシングルモード光ファ
イバを結合する構成としたので、屈折率分布型レンズの
４次項係数の製造バラツキに対応して半導体レーザとシ
ングルモード光ファイバを効率良く結合することができ
、また。

レンズ端面からの反射戻り光による半導体レーザの発振
特性の劣化が小さいものが得られるなどの効果がある。

【図面の簡単な説明】 第１図はこの発明の一実施例による光結合装置を示す構
成図、第２図はこの発明における横収差曲線図、第３図
は従来の光結合装置を示す構成図。 笑４図は従来例における横収差曲線図、第５図は従来例
における最小の収差となる４次項係数と屈折部分右型レ
ンズの長さ及び凸球面の曲率の関係を示す図である。 ｆｉ＋は半導体レーザ、（２）は屈折率分布型レンズ。 （３１はシングルモード光ファイバである。 なお１図中、［司−符号は同一、又は相当部分を示す。 第　　１　　図 目 第２図 第５図 １卆　　１／Ｒ〔し〕 １ｋ・ト／）Ｉｌｋ先乙なる４ン笈ブ東ｉｐ、手続補正
書（自発） ６％６１５ 昭和　　　　　月　　日 １、事件の表示　　　特願昭６３−０２４１４２号３、
補正をする者 事件との関係　特許出願人 住　所　　　　東京都千代田区丸の内二丁目２番３号名
　称　　（６０１）三菱電機株式会社代表者志岐守哉 ４、代理人 住　所　　　　東京都千代田区丸の内二丁目２番３号５
、補正の対象 （１）明細・書の発明の詳細な説明の欄。 ６、補正の内容 （１）明細占中第２頁第１３行目に「レンズ＋２１　＋
ｉその」とあるのを「レンズ（２）の」と訂正する（２
）同第４頁第８行目に「係数を１，２とした」とあるの
を「係数を１．２とした」と訂正する。 以上

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　半導体レーザと、光ファイバと、半導体レーザが出射
   する光を光ファイバに結合させる結合光学系とを備える
   光結合装置において、前記結合光学系に、屈折率が中心
   軸から外周に向つてほぼ半径の２乗に比例して減少しか
   つその片面を凸球面とし他面を平面とした屈折率分布型
   レンズを用い、この屈折率分布型レンズをその平面側が
   前記半導体レーザに対向するように配置したことを特徴
   とする光結合装置。