JPH0572564B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は発光ダイオード、半導体レーザ等の発
光素子からの光を光伝送フアイバに効率良く入射
させるための光結合器に関するものである。

〔発明の技術的背景〕

上記のような光源からの拡散光束を光結合器を
介して光伝送フアイバのコア内に効率良く伝送す
るためには、軸上入射光ばかりでなく組み立て誤
差等に起因する軸外入射光も洩れなくフアイバコ
ア内に入射するように結合器を構成するレンズの
軸上収差および軸外収差を十分に補正しておく必
要がある。特に光伝送フアイバが単一モードフア
イバである場合はコアの径が極めて微小であるた
め上記レンズの収差について厳しい性能が要求さ
れる。また結合器は小型軽量であることや安価で
あることが要求される。

従来この種の光結合器としては、両端面が平行
平面の自己集束型レンズを使用したものが知られ
ている。

しかしながら、上記のような両端面が平行平面
の自己集束型レンズの場合、軸上収差を小さくす
るためには、レンズの屈折率分布の制御が非常に
難しく、仮りに軸上収差が小さくなつても軸外収
差、特にコマ収差が大きいために例えば光源がレ
ンズ光軸からずれた時に光源から出射した光線が
１点に集光しなくなつてしまう。

上記要求を一応満足する光学系は屈折率の一様
な通常の球面レンズ３〜４枚で構成することはで
きる。しかしながら、光学系がかなり大型のかさ
ばるものとなり、装置全体の小型軽量化に支障と
なる。

またレンズの枚数が多いため、光学系の組み立
ておよびレンズ面研磨に多大の工数を要し、高価
なものになるという欠点がある。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上述の問題点を解決し、十分
に軸上及び軸外収差が小さく、したがつて光源か
らの拡散光を単一モードフアイバに対しても非常
に高い効率で伝送することができ、しかも研磨加
工、組み立てが容易で安価に量産できる光源、光
フアイバ結合器を提供することにある。

〔発明の概要〕

上記の目的を達成する本発明の結合器は、光軸
からγの距離における屈折率ｎ（γ）が、 n²（ｒ）＝n₀ ²［１−（gr）²＋h₄（gr）⁴＋h₆（gr）⁶＋
…］ で表わされる透明円柱体から成り、 (1) γ₁＝∞ (2) −10.6≦γ₂≦−2.0mm (3) 1.6S−0.3≦γ₀≦2.5mm (4) （29.5−100G）mm≦Ｓ ≦１／16・（61−100・Ｇ）mm ただし、Ｇ＝nogγ_pとする の条件で満足するレンズで構成される。

ただし、γ₁，γ₂は入射端面、出射端面の曲率半
径（符号は曲率半径の中心が前記端面よりも光フ
アイバ側にあるときを正とする）、Ｓは光源側バ
ツクフオーカス、γ₀はレンズの有効半径、n₀は中
心軸上屈折率、ｇ，h₄，h₆は分布定数を表わす。

前記(1)〜(4)の条件のうち、条件(1)(2)はレンズの
入射端面が平面で出射端面が凸の球面であること
を示し、このように本発明の結合器レンズは片面
が平面であるため研磨加工が極めて容易である。
また、条件(3)のγ₀については、γ₀が2.5mmを越え
ると光学系が大きくなつて光フアイバ結合器とし
て実用上不適当になり、またγ₀が1.6S−0.3より
も小さい場合正弦条件を満たそうとすると曲率半
径γ₂の絶対値が小さくなり球面収差が消えなくな
る。このためγ₀は1.6S−0.3≦γ₀≦2.5mmの範囲内
にとる必要がある。

前記条件(4)の上限値はγ₀の最大値（2.5mm）で
決まる。すなわち正弦条件を満たそうとするとγ₂
の絶対値が大きくなりそのときはγ₀が大きくなる
からである。

そして、レンズ両端面の曲率半径、光源側バツ
クフオーカスＳ、レンズ中心軸屈折率no、分布
定数ｇおよびレンズ有効半径γ₀の相互関係を前述
の条件(1)ないし(4)に規定した範囲内に選定するこ
とにより後述の数値実施例に示されるように球面
収差およびコマ収差を十分小さくおさえることが
できる。

図面に示した例について説明すると１が発光ダ
イオード、半導体レーザ等の光源、２が本発明の
結合器レンズ、３が光伝送フアイバ例えば単一モ
ードフアイバである。

レンズは中心軸から外周に向けて前述式に従い
連続的に変化する屈折率分布を有するガラス、合
成樹脂等からなる透明円柱体で光源１側の入射端
面２Ａが光軸に垂直な平面でフアイバ側の出射端
面２Ｂが軸対称の凸球面となつている。

光源１から出た拡散光束は、上記レンズ２で集
束され、光フアイバ３のコア内に入射する。

〔発明の効果〕

本発明に係る光源、光フアイバ結合器は実施例
から明らかなように球面収差、コマ収差が非常に
小さく、したがつて単一モードフアイバのように
極めてコア径の小さいフアイバに対しても光源光
を非常に効率良く集束入射させることができる。
また、収差が小さいが故に、組立て誤差等に起因
して光源がレンズ光軸から多少ずれていても洩光
損失が小さく、軸合せの許容誤差範囲が相対的に
拡大するので、部品の組み立て作業もそれだけ容
易化する。

さらに、本願発明に係るレンズは片端面が平面
であるので多量のレンズをまとめて平面研磨する
ことができ、研磨加工も容易で安価に量産するこ
とができる。しかも単一レンズであるから嵩張ら
ず装置の小型軽量化を図ることができる。

〔実施例〕

実施例 １ 光源側バツクフオーカスＳ＝1.0mm 中心屈折
率no＝1.573 分布定数ｇ＝0.132mm^-1レンズ有効
半径γ₀＝1.591mm Ｇ＝0.330 四次項分布定数h₄
＝2.23 六次項分布定数h₆＝11.42 八次項分布定
数h₈＝187.44 レンズ長Ｚ＝6.489mm 光源側端面
曲率半径γ₁＝∞ フアイバ側端面曲率半径γ₂＝−
2.959mm 光源側開口数NA＝0.3 フアイバ側開
口数NA′＝0.1 フアイバ側バツクフオーカス
S′＝12.882mm 本例レンズの収差図を第２図に示す。

実施例 ２ Ｓ＝1.0mm no＝1.605 ｇ＝0.105mm^-1 γ₀＝
2.364mm Ｇ＝0.396 h₄＝0.13 h₆＝0.29 h₈＝2.87
Ｚ＝10.200mm γ₁＝∞ γ₂＝−5.657mm NA＝
0.39 NA′＝0.108 S′＝20.537mm 本例レンズの収差図を第３図に示す。

実施例 ３ Ｓ＝1.5mm no＝1.593 ｇ＝0.093mm^-1 γ₀＝2.08
mm Ｇ＝0.308 h₄＝0.17 h₆＝０ h₈＝0.91 Ｚ＝
13.497mm γ₁＝∞ γ₂＝−9.437mm NA＝0.3
NA′＝0.1 S′＝20.647mm 本例レンズの収差図を第４図に示す 実施例 ４ Ｓ＝1.5mm no＝1.590 ｇ＝0.091mm^-1 γ₀＝2.35
mm Ｇ＝0.340 h₄＝2.18 h₆＝12.05 h₈＝204.12 Ｚ
＝8.700mm γ₁＝∞ γ₂＝−4.270mm NA＝0.39
NA′＝0.108 S′＝21.565mm 本例レンズの収差図を第５図に示す。

〔比較例〕

比較例として従来使用されている両端面が平行
平面の自己集束型レンズの収差図を第６図に示
す。

条件 Ｓ＝1.0mm no＝1.658 Ｚ＝3.781mm ｇ＝
0.343 S′＝7.09mm γ₁＝∞ γ₂＝∞

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明結合器の例を示す側面図、第２
図ないし第５図は本発明実施例１ないし４の結合
器レンズの各収差図、第６図は従来の両端面平行
平面レンズの収差図である。 １……光源、２……結合器レンズ、３……光伝
送フアイバ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 光軸からｒの距離における屈折率ｎ（ｒ）が n²（ｒ）＝n₀ ²［１−（gr）²＋h₄（gr）⁴＋h₆（gr）⁶＋
   …］ で表される透明円柱体から成るレンズであつて、 以下の条件を備えていることを特徴とする光
   源、光フアイバ結合器。 (1) r₁＝∞ (2) −10.6≦r₂≦−2.0mm (3) 1.6S−0.3≦r₀≦2.5mm (4) （29.5−100・n₀gr₀）mm≦Ｓ ≦１／16・（61−100・n₀gr₀）mm ただし、r₁，r₂は入射端面、出射端面の曲率半
   径（符号は曲率半径の中心が前記端面より光フア
   イバ側にあるときを正とする）、Ｓは光源側バツ
   クフオーカス（単位mm）、r₀はレンズの有効半径、
   n₀，h₄，h₆は分布定数。