JPH03111804A

JPH03111804A - 低反射コリメート光学装置

Info

Publication number: JPH03111804A
Application number: JP24918689A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Komazawa; 駒沢　浩; Kenichiro Umezaki; 梅嵜　健一郎
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 1989-09-27
Filing date: 1989-09-27
Publication date: 1991-05-13

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］本発明は、光学部品を備えた超高速光通信システム用モ
ジュールに使用して好適な低反射コリメート光学装置に
関するものである。

［従来の技術］従来の光通信用のＬ　Ｄ　（Ｌａ５ｅｒ　Ｄｉｏｄｅ　
）モジュールとして使用される光学結合装置の概略構成
を第９図に示す。

この光学結合装置は、所定波長の光を出射するＬＤ２０
と、ＬＤ２０の光軸上に配置されてＬＤ２０からの光を
集光して出力する集束性ロッドレンズ２１と、ロッドレ
ンズ２１からの光を伝送する入射端面２２ａが斜めに研
磨された光ファイバ２２とを備えて構成されている。そ
して、この装置ではＬＤ２０からビーム光が出射される
と、集束性ロッドレンズ２１により集光され光ファイバ
２２に入射されて伝送される。この際、斜めに研磨され
た光ファイバ２２の入射端面２２ａにおいて出射光が光
ファイバ２２の入射端面２２ａから反射して戻りＬＤ２
０に再結合するのを防止している。

また、光フアイバ同士の結合においても上述した同様の
目的から光ファイバの入射端面を斜めに研磨して使用す
る方法が一般的に利用されている。

第１０図はこうしたコリメート光学装置の光ファイバ２
２の端面２２ａにおける反射戻り光量の理論計算値を示
しており、この値は下記の計算式から算出される。この
結果、反射戻り光による影響を小さくするために光ファ
イバ２２の端面２２ａの傾斜角は６〜８度程度に設定さ
れている。

ζ　（θ）＝ｅｘｐ（−（πω。ｎ／λ　）３１ω。ニ
スポットサイズ（４，７μｓ）ｎ：屈折率（１，４８） λ：波長（１，３μ■）一方、受動部品に使用される従来のコリメート光学装置
の一例を第１１図に示す。

このコリメート光学装置は、所定波長のビーム光を伝送
する一対の光ファイバ３０．３１と、対の光ファイバ３
０．３１間の光軸上に配置されて光ファイバ３０．３１
からのビーム光を平行光に変換して出力する一対の集束
性ロッドレンズ３２．３３とを備えて構成され、光ファ
イバ３０．３１を通じて双方向に光の伝送を行なってお
り、一方の光ファイバ３０よりビーム光が出射されると
、集束性ロッドレンズ３２により平行光に変換され、さ
らに後段の集束性ロッドレンズ３３により他方の光ファ
イバ３１に集光されて伝送される。

なお、このような構成では、集束性ロッドレンズ３２．
３３間に減衰板を配置することで光減衰器を構成し、ま
た、ビームスプリッタを配置すれば光方向性結合器が構
成される。また、図中−点鎖線で囲む部分の何れか一方
を一体化して移動可能な構成とすれば光路切換スイッチ
として機能させることもできる。

ところで、各光ファイバ３０．３１の入射端面３０ａ、
３１ａは前述した装置と同様に斜めに研磨されており、
光ファイバ３０．３１の出射端面３０ａ、３１ａにおけ
る反射戻り光による発光源の発振特性の安定の劣化や雑
音による歪の発生を防止している。

ここで、さらにロッドレンズ３２．３３両端面での反射
光の影響について説明する。

第１２図はロッドレンズ３２．３３の光入射側の端面３
２ａ、３３ａにおける反射光の状態を示す図である。

今、光ファイバ３０．３１からの光の出射角度ψを３．
７度、光ファイバ３０．３１の開口角を５．８度とする
と、図中のθ、は出射角度ψと光ファイバ３０．３１の
開口角を加えた値、θ３は開口角から出射角度を引いた
値となり、それぞれθｔ”９．５度、θｍ＝２．１度と
なる。また、焦点距離βはロッドレンズ３２．３３の入
射端面３２ａ、３３ａからの近端反射を防ぎ、４０ｄＢ
以上の反射減衰量を得るために０．５−１以上必要とな
るため、ピッチ０．５のロッドレンズを使用してβを１
．５ｍｍとした。この結果、θ、、θ３．βからＤ＋＝
０．１ｓ■、　Ｄ、　＝０．Ｓ−園が算出される。

一方、光ファイバ３０．３１のコア径と反射光の大きさ
を面積比で表わすと、第１３図に示すように（＋０．０１／２１　”π／（０，６／２）”π）　ｘ
　１００　＝　０．０２７％となり、この値はロッドレ
ンズ３２．３３端面３２ａ、３３ａから１０％の反射が
戻ってきた場合であり、ロッドレンズ３２．３３の反射
率を最大でガラスと同じ４％とし、この面積比に０．０
４を掛けた値で比較すると、　０．０２７　ｘ　Ｏ，０
４＝　０．００１１％（反射減衰量で５０ｄＢ）となり
、ロッドレンズ３２．３３の入射端面３２ａ、３３ａ側
から光ファイバ３０．３１のコアへ戻ってくる反射光は
０．００１１％と極めて微少であることがわかる。

また、第１４図はロッドレンズ３２．３３の光出射側の
端面３２ｂ、３３ｂにおける反射光の状態を示している
。

図中のｒ、−およびｒａｍは光ファイバ３０．３１から
の出射角度および開口角から計算によりｒ　１１＝　０
．０５３　、　　ｒ　Ｉ＊＝　０．２５２と求まり、ロ
ッドレンズ３２．３３の出射端面３２ｂ、３３ｂでの光
線追跡は下記に示すマトリックスの式からｒ８．＝０．
０９３　、ンｍｒ＝　０．０１．　ｒ　ｍｓ＝　０．４
３４　、　ｒ　＊＊＝　０．０２と求まる。

これより、ロッドレンズ３２．３３の出射端面３２ｂ、
３３ｂでの反射光は、ン、８．ン■の角度と対称の角度
で出射端面３２ｂ、３３ｂより光を入射したと考えれば
、入射端面３２ａ、３３ａでのロッドレンズ３２．３３
の中心位置からの距離ｒｉ＋＋ｒｉｉおよび出射角度ｆ
”ｓ＋＋ｒｉｚは、マトリックスの式を用いてｒ　ｓ＋
”　０．２８９　、　　ｒ　３２＝０．０５．　ンｓ＋
”　　０．１７９　、　ン１２＝０−０２９と求まる。

これより、第１５図に示すように光ファイバ３０．３１
の出射面３０ａ、３１ａにおけるロッドレンズ３２．３
３の出射端面３２ｂ、３３ｂからの反射光の面積が求ま
る。

Ｌ発明が解決しようとする課題］この結果、面積比とロッドレンズ３２．３３の出射端面
３２ｂ、３３ｂの反射率から戻り光量を求めると、２．
７％（反射減衰量で１５．７ｄＢ）となり、入射端面３
２ａ、３３ａに比べてその量が大きく、この出射端面３
２ｂ、３３ｂによる反射光の方が光ファイバ３０．３１
からの出力光に対してより悪影響を及ぼしていることが
わかる。

ところで、上述したロッドレンズ３２．３３の出射端面
３２ｂ、３３ｂにおける反射光が光ファイバ３０．３１
に戻って再結合するのを防止するために、ロッドレンズ
３２．３３の両端面に反射光を低減する光反射膜のコー
ティングされた装置がある。

第１６図はこうした各ロッドレンズの端面にコーティン
グされる光反射膜の反射率特性を示している。

すなわち、使用される光の波長に応じてその波長にあっ
た光反射膜の特性が選択される。例えばＬＤの波長が１
．３μＩの場合には１．３μｍの反射率特性を有する光
反射膜がコーティングされ、また、　１．５５μ糟の場
合には１．５５μＩの反射率特性を有する光反射膜がコ
ーティングされる。この結果、特定波長において４０ｄ
Ｂ以上の反射減衰量を得ることができる。

ところで、この種の光通信分野ではその経済性の観点か
ら例えば１．３μｍと１．５５μＩというように２００
ｎ■以上離れた２波長で使用する用途が切望されている
。

しかしながら、現状の装置に適用される光反射膜のコー
ティング技術では１．３μ−と１．５５μｍの両波長に
おいて反射率０．５％以下を実現することは極めて困難
であり、何れかの波長でしか使用することができなかっ
た。また、実現してもコストが嵩むという問題があった
。

そこで、本発明は上述した問題点に鑑みてなされたもの
であって、その目的は、特にロッドレンズの出射端面に
おける反射光を低減でき、広い波長範囲に渡って低反射
なコリメート光学系を安価に構成することができる低反
射コリメート光学装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］上記目的を達成するため、本発明による低反射コリメー
ト光学装置は、光の出射端面が所定角度斜めに研磨され
た光ファイバと、該光ファイバからの光を平行光に変換
して出力する出射端面が所定角度斜めに研磨されたロッ
ドレンズとを備えたことを特徴としている。

［作用］光フアイバ中を伝送される光は、斜めに研磨された出射
端面よりロッドレンズに供給される。この際、光ファイ
バの出射端面での反射光は、光フアイバ内に反射して再
結合することな（光ファイバの傾斜端面によって防止さ
れる。そして。

ロッドレンズに供給された光は平行光に変換されて出力
される。このとき、ロッドレンズの出射端面での反射光
は傾斜端面により光フアイバ側に戻ることなく防止され
る。この結果、広い波長範囲に渡って低反射で十分な光
量の出力が得られる。

［実施例］第１図は本発明による低反射コリメート光学装置の一実
施例を示す概略構成図である。

この実施例による低反射コリメート光学装置は、減衰器
、光方向性結合器、光路切換スイッチ等を構成して超高
速光通信システム用モジュールに適用されるもので、ア
ルミケース１の両端に対向して位置決め固定された別構
造による一対の集束性ロッドレンズ２．３と光ファイバ
４．５から構成されている。

アルミケース１の両端には各々貫通穴１ａ。

１’ａが形成されており、各貫通穴１ａ、ｌａには集束
性ロッドレンズ２．３を備えたレンズホルダ６．７が挿
通されて十字穴付きネジ８によって固定されている。各
集束性ロッドレンズ２．３はその中心位置が揃った状態
でレンズホルダ６．７の取付穴６ａ、７ａに接着されて
位置決め固定されており、その出射端面２ａ　＊　３　
ａは所定角度θａ、θｂをもって斜めに研磨され、［従
来の技術］の項で説明したように、特に光ファイバ４゜
５からの出力光に対して悪影響を及ぼすロッドレンズ２
．３の端面反射による光が光ファイバ４゜５に再結合す
るのを防止している。

なお、このロッドレンズ２．３の傾斜面２ａ。

３ａにおける効果については後に詳述する。

レンズホルダ６．７におけるロッドレンズ２゜３の入射
端２ｂ、３ｂ側には開口部６ｂ、７ｂが形成されており
、光伝送用の光ファイバ４．５を備えたホルダ９．１０
が挿入されている。ホルダ９．１０は一方９がレンズホ
ルダ６にＵＶ接着により固定された状態で、他方のホル
ダ１０を対向するレンズホルダ７に挿入し、各ロッドレ
ンズ２．３の中心位置と各光ファイバ４．５の中心位置
とが揃うように光軸合わせを行なった後ＵＶ接着により
固定されている。

また、各ホルダ９．１０の取付穴９ａ、ｌｏａに接着固
定された光ファイバ４．５の出射端面４ａ、５ａは、第
８図に示す反射特性に基づいて６〜８度程度の傾斜角を
もって研磨されている。

この結果、相手側の光ファイバ４（５）から光が伝送さ
れた際に、この光を受けた光ファイバ５（４）の端面で
の反射を防止することができる。

以上のように構成された光学装置では、一方の光ファイ
バ４に投光された光は、ロッドレンズ２に集光されて平
行光に変換された後、後段のロッドレンズ３を介して光
ファイバ５に集光されて伝送される。

ここで、光ファイバ４．５を通じて光を伝送し、光路途
中で平行光を形成するとき最も悪影響を及ぼす各ロッド
レンズ２．３の出射端面２ａ。

３ａにおける反射戻り光は、各ロッドレンズ２゜３の出
射端面２ａ　＋　３　ａが斜めに研磨されていることで
低減され、これにより光ファイバ４．５側に反射して再
結合するのを防止することができる。

なお、この実施例による光の出射状態を第２図に示す。

第３図乃至第５図は斜めに研磨されたロッドレンズの傾
斜角に対する各種特性を示している。

第３図は傾斜角度に対する光ファイバ４．５の中心位置
からのずれ量を示しており、傾斜角度が大きくなるに従
って中心からのずれ量が大きくなり光ファイバ４．５へ
の反射戻り光の量が低減して光の再結合が防げる反面、
各光ファイバ４．５とロッドレンズ２．３の中心間の距
離が大きくなり、光軸合わせが困難になるとともに誤差
が増大して結合効率を低下させることになる。

第４図は傾斜角度に対するロッドレンズの出射端面から
の光の出射角度を示している。

なお、出射角度は以下に説明する方法により算出される
。

端面４ａ、５ａが斜研磨された光ファイバ４゜５とロッ
ドレンズ２．３を使用して平行光を作る場合、ロッドレ
ンズ２．３の中心より光の中心がずれ、ロッドレンズ２
．３の中心が屈折率が高（、外周に向かうほど屈折率が
低くなるという特性から、光の中心がロッドレンズ２．
３を通過する位置でのロッドレンズ２，３の屈折率を求
める。

そこで、まずレンズ状媒体の屈折率分布ｎ　（ｒｌを下
記の計算より求める。

ｎ　ｌｒｌ　　＝　ｎｏ　　（１−１／　２　　（ｌＸ
シ　ｒ′））ｎｏ　：軸上屈折率（１，５９）仄：分布定数（０，２９４）ｒ：レンズ中心からの距離（０，１７）その結果、ｎ　
（ｒｌ　＝１．５９１　　（１−１／２　Ｘｏ、２９４
”Ｘ　Ｏ，１７”　）＝　１．５８８となる。

ここで、ビームの中心でのレンズの屈折率が求まる。

第１７図（ａ）、（ｂ）はビームがロッドレンズを通過
し空気中に出射される様子を示しており、スネルの法則
によりレンズ内の光線追跡な行なうと、ｎ　（ｒｌｓｉｎθ　＋　　＝　ｎ　１ｓ１ｎθ２＝０
．０５５　　（度）となる。

これを斜研磨されたロッドレンズ２．３に適用して考λ
ると、θ、は直角、斜めによる違いが生じないことから
、１度研磨した場合を例にとって計算すると、ｎ　（ｒｌｓｉｎθ−＝　ｎ　、ｓｉｎθ友１．５８８
　Ｘ　　ｓｉｎ　（１−０，０５５）　＝　Ｉ　Ｘ　　
ｓｉｎθ２θ、　＝１．５０１ θ２＝０２−ψ ＝　１．５ＱＩ　−１＝　０．５（１１４０，５ｆ度）
　となる。

よって、ロッドレンズ２．３の出射端面２ａ。

３ａが１度研磨されている場合、レンズ２．３からの出
射光は中心軸に対して０．５度の傾きをもって出射する
。

以下同様にして研磨各度２〜８度についての計算がなさ
れている。

この図から傾斜角度が小さいほど出射角度は小さ（、光
ファイバ４．５に対してより多くの光を集光して供給す
ることができることがわかる。

第５図は傾斜角度に対する２波長での挿入損失および反
射減衰量を示しており、ここではこの種の光通信分野に
おいて頻繁に使用される１、３μｌおよび１．５５μ霧
での特性について示している。

この図から、反射減衰量については何れの傾斜角度にお
いても問題はないが、挿入損失については傾斜角度が４
度を越えると損失が大きくなり実用上使用できなくなる
。この結果、傾斜角度を１〜３度に設定すれば、挿入損
失を十分に抑えた状態で４７ｄＢ以上の反射減衰量を１
．′３μｍおよび１．５５μ−の両波長の広い波長範囲
で低反射の装置を実現することができる。

次に、第６図は光学装置の他の実施例による具体的構成
を示している。

なお、上述した装置と同一の構成要素には同一番号が付
しである。

この装置は集束性ロッドレンズ２．３と光ファイバ４．
５とが接着固定により一体化されてアルミケース１両端
の貫通穴１ａ、ｌａに対向して位置決めされたものであ
る。

集束性ロッドレンズ２．３はその出射端面２ａ、３ａが
所定角度θａ、θｂをもって斜めに研磨され、ロッドレ
ンズ２．３の端面反射による光が光ファイバ４，５に再
結合するのを防止しており、一部が突出した状態で割り
スリーブ１１゜１２内に接着固定されている。また、割
りスリーブ１１．１２内でロッドレンズ２，３の焦点位
置線上には、斜めに研磨された光ファイバ４．５の一部
が挿通して接着固定されており、一体の光学モジュール
１３．１４を構成している。

なお、この装置では一方の光学モジュール１３をアルミ
ケース１の貫通穴１ａに取付けた状態で止めネジ１５に
より固定し、他方の光学モジュル１４を貫通穴１ａに取
付けて光軸合わせを行なった後、この光学モジュール１
４をＵｖ接着により固定している。

以上のように構成された光学装置では、前述した光学装
置と同様に一方の光ファイバ４に投光された光は、ロッ
ドレンズ２に集光されて平行光に変換された後、後段の
ロッドレンズ３を介して光ファイバ５に集光されて伝送
される。そして、光伝送中において、各ロッドレンズ２
，３の斜めに研磨された出射端面２ａ、３ａでは、この
出射端面２ａ、３ａにおける反射戻り光が光ファイバ４
．５側に反射して再結合するのを防止している。また、
各光ファイバ４，５の傾斜端面４ａ。

５ａでは、相手側の光ファイバ４（５）から光が伝送さ
れた際に、この光を受けた光ファイバ５（４）の端面５
ａ　（４ａ）での反射を防止している。

なお、この実施例による光の出射状態を第７図に示す。

さらに、第８図は前述した第１図および第５図に示す各
光学装置の組み合わせからなる装置の具体的構成を示し
ている。

なお、この装置において、前述した第１図および第６図
に示す装置と同一の構成要素には同一番号を付しその説
明を省略する。

ところで、上述した各実施例では、対向配置された光フ
ァイバ４．５を通じて双方向に光伝送を行なう装置とし
、各ロッドレンズ２，３および光ファイバ４．５の出射
端面２ａ、３ａ、４ａ。

５ａを斜めに研磨した構成について説明したが、一方向
のみに光伝送を行なう装置では、光が出射される側のロ
ッドレンズのみ斜めに研磨しても反射戻り光による悪影
響を十分に抑制して低反射の装置を実現することができ
る。

［発明の効果１以上説明したように、本発明による低反射コリメート光
学装置は、光ファイバからの光を平行光に変換して出力
するロッドレンズの出射端面が所定角度斜めに研磨され
た構成なので、光ファイバから光が供給された際に、ロ
ッドレンズの出射端面における反射光を傾斜端面におい
て低減でき、低反射なコリメート光学系を安価に構成す
ることができる。また、ロッドレンズの傾斜端面におい
て光ファイバへの反射を防止できることから、従来のよ
うに使用される波長に制限のある光反射膜をレンズの端
面にコーティングする必要がなく、従来よりも広い波長
範囲に渡って低反射な装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による低反射コリメート光学装置の一実
施例を示す概略構成図、第２図は第１図の装置による光
の出射状態を示す図、第３図はロッドレンズにおける端
面の傾斜角度に対する光ファイバの中心位置からのずれ
量を示す図、第４図はロッドレンズにおける端面の傾斜
角度に対するロッドレンズの出射端面からの光の出射角
度を示す図、第５図はロッドレンズの傾斜角度に対する
２波長での挿入損失および反射減衰量を示す図、第６図
は本発明による光学装置の第２実施例による具体的構成
を示す図、第７図は第６図の装置による光の出射状態を
示す図、第８図は本発明による光学装置の第３実施例に
よる具体的構成を示す図、第９図は従来の光学装置の一
例を示す概略構成図、第１Ｏ図は光ファイバの端面にお
ける反射戻り光量の理論計算値を示す図、第１１図は受
動部品に使用される従来の光学装置の一例を示す図、第
１２図はロッドレンズの光入射側の端面における反射光
の状態を示す図、第１３図は光ファイバのコア径とロッ
ドレンズの入射端面倒での反射光の大きさとの面積比を
示す図、第１４図はロッドレンズの光出射側の端面にお
ける反射光の状態を示す図、第１５図は光ファイバのコ
ア径とロッドレンズの出射端面倒での反射光の大きさと
の面積比を示す図、第１６図は従来の光学装置において
ウッドレンズの端面にコーティングされる光反射膜の反
射率特性を示す図、第１７図（ａ）、（ｂ）はロッドレ
ンズから出射される光の出射角度を示す図である。２．３−・・集束性ロッドレンズ、２ａ、３ａ・＝出射
端面、４．５−・・光ファイバ、４ａ、５ａ・・・出射
側り鯵図鯵図第３図第因第図第図５第図第８第図０第１Ｏ図傾斜角θじ）第１６図波長（ｎｍ）第１７図（ａ）ＩＩ　１７因（ｂ）斜め研磨の場合

Claims

【特許請求の範囲】

光の出射端面が所定角度斜めに研磨された光ファイバ（
４）と、該光ファイバからの光を平行光に変換して出力
する出射端面が所定角度斜めに研磨されたロッドレンズ
（２）とを備えたことを特徴とする低反射コリメート光
学装置。