JPH02167508A - 光ファイバの先端構造 - 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】 概要 光通信等に使用される光−電気変換部の光ファイバの先
端構造に関し、 受光素子との光結合に対して十分の許容度があって、光
結合効率が高い光ファイバの先端構造を提供することを
目的とし、 例えば、中心軸に沿ってコアを有する光ファイバをその
先端部から所定の長さにわたって該先端部の該中心軸に
垂直な断面の直径が所定の寸法になるまでテーパ状に加
工し、該先端部を所定の半径で半球状に加工し、該先端
部の所定の部分から該光ファイバの中心軸と所定の角度
をなし、かつ該コアの全断面が現れる位置まで平面研磨
し、該光ファイバを伝送して該研磨面で反射した光が該
先端部の半球状部分で最大効率で出力するように、該半
球状の半径、及び研磨面の角度を設定して構成する。

産業上の利用分野 本発明は、光通信等に使用される光−電気変換部の光フ
ァイバの先端構造の改良に関する。

近年、光通信等の分野では、Ｉ　Ｇ　ｂ　／　ｓ以上の
伝送速度を有する高速システムの開発が盛んに行われて
おり、これにともない、個々のシステム構成要素におけ
る高速化の要求が高まっている。具体的には、伝送路と
しては波長分散特性の良好なシングルモード光ファイバ
が用いられ、受光素子としては、受光径が小さく　（５
０μｍ以下）、素子容量の小さな（１ｐＦ以下）のもの
が用いられている。このようにより微細化する方向にあ
る光ファイバと受光素子を光学的に結合するには、（イ
）　受信感度を高めるために光学的な結合効率が高いこ
と、 （ロ）　　小型化及び低価格化のために、部品点数が少
なく、簡易な構造であること、 （ハ）　装置をモジュール化するために実装性が良好で
あること、 等が必要となり、これらの要求を満足することができる
光ファイバの先端構造が要望されている。

従来の技術 第９図は従来例の光ファイバの先端構造を用いた光結合
方法を示す図である。

光通信等に使用される光−電気変換部分を含む光電気複
合モジュールは、高速応答特性や雑音特性が良好で小型
なものが必要とされる。

高速化のためには、受光素子の受光面と電気信号の流れ
る方向が同一であること、また、小型化のためには、光
ファイバの光軸の方向と電気信号の流れる方向が同一で
あるように光−電気変換部分を実装することが必要とな
る。

このため、従来は第９図に示すように、光ファイバ１の
先端部を斜め（例えば４５°）に研磨して、その研磨面
に金（Ａｕ）等を蒸着することにより全反射を起こし、
側面に設けた例えばアバランシェ・フォトダイオード（
ＡＰＤ）等の受光素子３と光結合させていた。

この従来技術によれば、必要とされる部品点数が少なく
、構造が簡易であるから、装置の小型化及び低価格化が
可能になり、また、光ファイバ１の光軸と受光素子３の
受光面とを平行に配置することができるので、高密度実
装が可能になる。

発明が解決しようとする課題 しかしながら、上述の光ファイバの先端構造においては
、全反射して光ファイバから出てくる光が拡がってしま
う。その結果、受光面と光ファイバを近接させなければ
ならず相対的な位置関係についての許容度が小さいとい
う問題点、また、小受光面（例えば直径３０μｍ）の場
合大きな光結合率が得られない等という問題点があった
。

従って、本発明の目的は、受光素子との光結合に対して
十分の許容度があって、光結合効率が高い光ファイバの
先端構造を提供することにある。

課題を解決するための手段 上記問題点は第１図に示す光ファイバの先端構造によっ
て解決される。

すなわち、第１図において、中心軸に沿ってコア２００
を有する光ファイバ１００をその先端部から所定の長さ
にわたって該先端部の該中心軸に垂直な断面の直径が所
定の寸法になるまでテーパ状に加工し、該先端部を所定
の半径で半球状に加工し、該先端部の所定の部分から該
光ファイバの中心軸と所定の角度をなし、かつ該コアの
全断面が現れる位置まで平面研磨し、該光ファイバを伝
送して該研磨面で反射した光が該先端部の半球状部分で
最大効率で出力するように、該半球状の半径、及び研磨
面の角度を設定して構成する。

また、中心軸に沿ってコア２００′を有する光ファイバ
１００’をその先端部から所定の長さにわたって該先端
部の該中心軸に垂直な断面の直径が所定の寸法になるま
でテーパ状に加工し、該先端部を所定の半径で半球状に
加工し、該先端部から該光ファイバの中心軸に沿った所
定の位置において該光ファイバを所定の面内で所定の角
度をなすように曲げ、該曲げた部分の広角に対応する部
分から、該光ファイバの中心軸と所定の角度をなし、か
つ曲げた面と垂直をなす面内でコアが所定の断面の寸法
を表すまで平面研磨し、該光ファイバを伝送して該研磨
面で反射した光が該先端部の半球状部分で最大効率で出
力するように、該半球状の半径、及び平面研磨を行った
コアの断面の寸法を設定して構成する。

作　　　用 第１図（その１）において、光ファイバ１００を伝送す
る光信号は、研磨した部分で光路を変え、先端部の半球
状に加工した部分のレンズ効果により出射光は集光され
、受光素子３００の受光面に達する。

また、第■図（その２）において、光信号は曲げの部分
の研磨面で光路を変え、先端部の半球状に加工した部分
のレンズ効果により出射光は集光され、受光素子３００
′の受光面に達する。

この結果、光信号は拡がることなく受光面に達するため
許容度が大きくなり、また、小受光面でも高い光結合効
率が得られる。

実　　施　　例 以下本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第２図は第一の発明の実施例の光ファイバの先端構造を
用いた光結合方法を示す図、第３図は第一の発明の実施
例の光ファイバの先端構造の製作プロセスを示す図であ
る。

企図を通じて同一符号は同一対象物を示す。

第二の発明の実施例の光ファイバの先端構造の製作プロ
セスを示す第３図において、例えば外部直径が１２５μ
ｍ１コア２０の直径が１０μｍの単一モードの光ファイ
バ１０の先＃部がテーパ状（長さ約１５０μｍ）に研磨
された後（この場合先端部の断面の直径は約８０μｍに
する）、先端部分が通常の治具により半球状に研磨され
る（先球加工、球の半径は例えば４０μｍ）。

次に、先端部の一側面を、光ファイバ１０の中心軸と例
えば２５°をなすように平面研磨を行う。

この場合、コア２０の全断面が全て現れるところまで研
磨する。そして、研磨面を反射率の良好な金（Ａｕ）蒸
着等によりコーティングを行う。

そして、第２図に示すように、光ファイバ１０と受光素
子３０とを５０〜６０μｍ離して設定する。この結果、
光信号は反射コーティングを施された部分で光路を変え
、テーパ先球部のレンズ効果により出射光は集光され、
受光素子３０の受光面に達する。

第４図は第２図に示す光ファイバからの出射光の角度拡
がり及び照射ビーム径を求めるためのモデル図である。

ここで、Ｒは先球部分の曲率半径、Ｃは先球部分の中心
点、θは研磨面とファイバ中心軸とがなす角度、△Ｘは
ファイバ中心軸と研磨面とが交わる点までの中心点Ｃか
らの距離である。

また、図中−点鎖線はファイバ中心軸上を伝播してきた
光線の軌跡を示している。そして、以下の説明の便宜上
、ファイバ中心軸と平行なファイバ稜線上にＸ軸を有し
、研磨面と垂直なｘＺ平面を有し、ファイバ稜線の延長
線上すなわちＸ軸上に原点○を有する直交三次元座標系
（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を設定する。上記構造パラメータ（Ｒ，
θ。

△Ｘ）は、使用する受光素子の受光径、光ファイバから
受光素子までの距離等に応じて最適化することができる
。

第５図は、最適化の一例として、第２図に示す光ファイ
バからの出射光の角度拡がり及び照射ビ−ム径を説明す
るための図である。同図（ａ）は、光ファイバ１０から
の出射光が受光素子３０に照射されている状態を模式的
に示した図であり、図中斜線部分は光の照射部分を示し
ている。この例における比屈折率差△ｎは０．３％、コ
アの屈折率は１゜４５２、コア径は１０μｍであり、構
造パラメータはそれぞれＲ−３５μｍ１θ−４０°、△
Ｘ＝１３μｍである。同図（ｂ）は幾何光線追跡法によ
り計算を行い、ｘｚ平面内において光線束が存在する範
囲を斜線にて示した図である。また、同図（Ｃ）は、Ｙ
ｚ平面内において光線束が存在する範囲を同様に示した
図である。ｚ−５０μｍにおける出射ビーム径はＸＺ平
面及びＹＺ平面でほぼ等しく１８μｍであり、したがっ
て、Ｚ＝５０μｍの位置に受光素子径が３０μｍの受光
素子を配置した場合における光結合トレランス（相対的
位置関係についての許容誤差）は、おおむね±６μｍと
なる。

一方、第６図は、第９図に示した従来例における光ファ
イバからの出射光の角度拡がり及び照射ビーム径を説明
するための図である。座標軸及び図の表示方法は第５図
と同一であり、研磨面とファイバ中心軸とがなす角θは
４０°である。この従来例では、出射光ビームに対する
集光作用は光ファイバ１の側面の曲率によるものだけで
あるから、出射光の角度拡がりは大きく、特に、ｘＺ平
面内における出射光の角度拡がりが著しく大きい。

例えば、Ｚ＝５０μｍにおける照射ビーム径は３２．１
μｍ　（ＸＺ平面）、２４．３μｍ　（ＹＺ平面）であ
る。したがって、例えば受光素子径が３０μｍの受光素
子とは高い光結合効率で光結合を行うことが困難になる
。また、従来例では、出射光ビームの照射形状が楕円に
なるとともに、特にＸＺ平面内においてＺ軸に対して傾
斜して光軸が設定されるという欠点がある。

このように、第６図に示す従来例と比較して、第５図に
より説明した実施例によれば、十分な許容度をもって高
い光結合効率を達成するだけでなく、出射光ビームの照
射形状の楕円化を防止することができ、また、出射光軸
をほぼＺ軸と平行に設定することができるようになると
いう効果もある。

第７図は第二の発明の実施例の光ファイバの先端構造を
用いた光結合方法を示す図、第８図は第二の発明の実施
例の光ファイバの先端構造の製作プロセスを示す図であ
る。

第二の発明の実施例の光ファイバの先端構造の製作プロ
セスを示す第８図において、光ファイバ１０’の先端部
がテーパ状（長さ約１５０μｍ）に研磨された後（この
場合先端部の断面の直径は例えば２０〜４０μｍにする
）、先端部分が通常の治具により半球状に研磨される（
球の半径は例えば３０μｍ）。

次に、光ファイバ１０′について先端部分から例えば５
００μｍの部分を溶融等により折れない程度に曲げる。

曲げの角度は、第７図（ａ）に示すように９０°、また
は同図（ｂ）に示すように９０°よりも大きい一定の角
度（例えば１３５°）に設定する。

そして、曲げの広角に対応する部分から、光ファイバ１
０′の中心軸と４５°　（第７図（ａ）の場合）、又は
２２．５°　（第７図（ｂ）の場合）をなすように、コ
ア２０′の円周部の他端まで研磨したとき現れる断面の
寸法の約１／２の寸法まで平面研磨する。そして、第一
の発明の実施例で記述したのと同様に反射のための金（
Ａｕ）蒸着によりコーティングを行う。そして、第２図
に示した場合と同様にして、光ファイバ１０′と受光素
子３０′とを５０〜６０μｍ離して設定する。

この結果、光信号は反射コーティングが施された曲げの
部分の研磨面で光路を変え、テーパ先球部のレンズ効果
により出射光は集光され、受光素子３０′の受光面に達
する。

以上説明した実施例では、テーパ先球部を製作するため
に、光フアイバ先端部の中心軸に垂直な断面の直径が所
定の寸法になるまで外周部分をテーパ状に研磨すること
によってテーパ加工を施し、また、治具を用いた研磨に
より半球状に加工しているが、本発明はこれに限定され
ない。すなわち、光ファイバを加熱しながら延伸するこ
とによって↓　３ テーパ加工を施しても良いし、あるいは、光フアイバ端
部を加熱溶融して溶融部の表面張力を利用して半球状に
加工しても良い。

発明の詳細 な説明したように、本発明によれば、光信号は拡がるこ
となく受光面に達するため、相対的位置関係についての
許容度が大きくなり、小受光面でも高い光結合効率が得
られる。

また、テーパ先球部の半径は数μｍ、研磨の角度は数度
の精度で作成可能なため、光ファイバと受光面の距離、
出射角度等を自由に設定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理図、 第２図は第一の発明の実施例の光ファイバの先端構造を
用いた光結合方法を示す図、 第３図は第一の発明の実施例の光ファイバの先端構造の
製作プロセスを示す図、 第４図は第２図に示す光ファイバからの出射光の角度拡
がり及び照射ビーム径を求めるためのモデル図、 第５図は第２図に示す光ファイバからの出射光の角度拡
がり及び照射ビーム径を説明するための図、 第６図は従来例における光ファイバからの出射光の角度
拡がり及び照射ビーム径を説明するための図、 第７図は第二の発明の実施例の光ファイバの先端構造を
用いた光結合方法を示す図、 第８図は第二の発明の実施例の光ファイバの先端構造の
製作プロセスを示す図、 第９図は従来例の光ファイバの先端構造を用いた光結合
方法を示す図である。 １０．１０’、１００，１００’　・・・光ファイバ、
２０．２０’、２００，２００’　　・・・コア、３０
．３０’、３００，３００’・・・受光素子。 最　鞄 ― ′く　因 ０　マい ′て１賃

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）中心軸に沿ってコア（２００）を有する光ファイ
   バ（１００）をその先端部から所定の長さにわたって該
   先端部の該中心軸に垂直な断面の直径が所定の寸法にな
   るまでテーパ状に加工し、該先端部を所定の半径で半球
   状に加工し、該先端部の所定の部分から該光ファイバの
   中心軸と所定の角度をなし、かつ該コアの全断面が現れ
   る位置まで平面研磨し、該光ファイバを伝送して該研磨
   面で反射した光が該先端部の半球状部分で最大効率で出
   力するように、該半球状の半径、及び研磨面の角度を設
   定したことを特徴とする光ファイバの先端構造。
2. （２）中心軸に沿ってコア（２００′）を有する光ファ
   イバ（１００′）をその先端部から所定の長さにわたっ
   て該先端部の該中心軸に垂直な断面の直径が所定の寸法
   になるまでテーパ状に加工し、該先端部を所定の半径で
   半球状に加工し、該先端部から該光ファイバの中心軸に
   沿った所定の位置において該光ファイバを所定の面内で
   所定の角度をなすように曲げ、該曲げた部分の広角に対
   応する部分から、該光ファイバの中心軸と所定の角度を
   なし、かつ曲げた面と垂直をなす面内でコアが所定の断
   面の寸法を表すまで平面研磨し、該光ファイバを伝送し
   て該研磨面で反射した光が該先端部の半球状部分で最大
   効率で出力するように、該半球状の半径、及び平面研磨
   を行ったコアの断面の寸法を設定したことを特徴とする
   光ファイバの先端構造。