JPH06194547A

JPH06194547A - ファイバカプラ

Info

Publication number: JPH06194547A
Application number: JP34449692A
Authority: JP
Inventors: Naotaro Nakada; 直太郎中田
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 1992-12-24
Filing date: 1992-12-24
Publication date: 1994-07-15

Abstract

(57)【要約】【目的】集光レンズに貼付され、切削加工されるフェ
ルールの厚さを厚くし、加工性および耐久性をよくする
と共に、シングルモードファイバとの高い結合効率がえ
られるファイバカプラを提供する。【構成】発光素子からの光を集光する集光レンズ１の
裏面１ｂに、マルチモードファイバ３が嵌入されたフェ
ルール２を貼付し、シングルモードファイバ６と結合さ
せるファイバカプラであって、該マルチモードファイバ
３のコア内を伝播する光束の第２節点を、シングルモー
ドファイバ６との接点とするものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光ファイバ通信の端末
におけるファイバカプラに関する。さらに詳しくは、各
家庭、事務所、工場などの光通信加入者用端末におい
て、発光素子からのビーム光を空間伝播後、集光レンズ
で集光し、光ファイバに効率よく導くファイバカプラに
関する。

【０００２】

【従来の技術】光通信は近年急速に普及し、電話やファ
クシミリなどのパーソナルユースやテレビ情報などのマ
スメディアにも利用されつつある。このばあい、光信号
を伝送する光ファイバ同士を接続したり、各家庭などに
設置される端末器の発光素子または受光素子と光ファイ
バとを結合したりするファイバカプラなどが安価になる
ことが、さらなる普及のための課題となっている。また
光ファイバは計測にも応用され、とくに光ファイバジャ
イロの製品化が期待されている。光ファイバジャイロは
シングルモードファイバの干渉計であり、回転角速度を
機械的可動部分を必要とせずに非常にコンパクトに計測
できるもので、その性能向上のために、光源、ファイ
バ、光結合器、光変調器、および信号処理について、現
在精力的に研究が進められている。

【０００３】その中で、ファイバ同士の結合には、図３
に示すような、コネクタ14とアダプタ15を用いたものが
一般化されており、結合損失を0.5 ｄＢ以下とすること
が可能となっている。このコネクタ14は先端にセラミッ
クフェルール12が突出したもので、このセラミックフェ
ルール12にはファイバ11が鉛筆の芯のように内蔵され、
その先端は、半径Ｒ＝20ｍｍに球面研磨されている。そ
こで、２つのコネクタ14ａ、および14ｂを、アダプタ15
の左右の孔15ａ、15ｂから螺入して、図４に示すよう
に、セラミックフェルール12ａ、および12ｂの心を合わ
せてファイバ11ａ、および11ｂを、結合させるものであ
る。なお、セラミックフェルール12には、アルミナ（Ａ
ｌ₂Ｏ₃）製とジルコニア（ＺｒＯ₂）製があり、ジル
コニア製の方が曲げ強度と破壊じん性に優れている。

【０００４】また発光素子からの光をシングルモードフ
ァイバのコアと結合させるには、シングルモードファイ
バの端部に発光素子をおいて直接結合させるか、発光素
子からの光を集光レンズで集光して、該集光レンズの裏
面に直接シングルモードファイバの光ファイバを突き当
てる方法が用いられている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前述のように、光ファ
イバの利用が急速に増加する一方で、光を光ファイバに
入れるためには精密加工、精密調整を必要とし、とく
に、シングルモードファイバのコア径は９〜10μｍ程度
と細く、細いコア内に発光素子からの光を入れることは
難しいという問題がある。すなわち、発光素子からの光
を受け取るファイバの一端をパッケージに位置決め固定
し、他端をコネクタで外部の光ファイバと結合するカプ
ラでは効率よく光を採り入れることができず、また集光
レンズを介在させるカプラでもパッケージに固定するフ
ァイバの安定した位置決めや集光レンズとファイバとの
芯出しなどの組み立てにコストがかかり過ぎるという問
題がある。

【０００６】また、発光素子からの光を集光レンズで集
光し、集光レンズの裏面に薄片状のセラミックフェルー
ルを貼付して、セラミックフェルールに内包されたマル
チモードファイバと外部のシングルモードファイバとを
結合することも考えられるが、セラミックフェルールは
研磨が難しく、とくに薄片は脆く、耐久性に難点がある
ため、あまり薄いものをつくれない。一方、余り厚くす
ると、マルチモードファイバ内での光束の伝播速度が中
心部を通る光線と周縁部を通る光線とで異なるため、節
点のボケが大きくなり細い光束をえられないという問題
もある。

【０００７】本発明はかかる問題を解消し、集光レンズ
に貼付され、切削加工されるフェルールの厚さを最適化
することにより、発光素子とシングルモードファイバと
の結合率を高め、同時に加工性および耐久性の良いファ
イバカプラを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明のファイバカプラ
は、発光素子からの光を集光する集光レンズの裏面に、
マルチモードファイバを嵌入させたフェルールが貼付さ
れ、該マルチモードファイバのコア内を伝播する光束の
前記集光レンズの焦点のつぎの最初の節点位置で、前記
フェルールの表面が球面状に研磨されてシングルモード
ファイバと結合されてなるものである。

【０００９】ここに節点とは、たとえば図２に示される
ように、コア内を伝播する光束のコアの外周部を通る光
線と中心部を通る光線とが交わる点Ｐ₁、Ｐ₂‥‥‥を
意味する。

【００１０】

【作用】本発明によれば、集光レンズで集光された光が
マルチモードファイバと結合し、マルチモードファイバ
のコア内を伝播する光束の集光レンズの焦点後の最初の
節点の位置で、シングルモードファイバと結合させてい
るため、節点のボケはそれほど大きくなっておらず、１
〜２μｍの偏心があっても充分効率よくシングルモード
ファイバと結合し、結合損失を非常に小さくすることが
できる。しかも、焦点後の１番目の節点で結合させてい
るため、1.27〜1.35μｍの波長の光で集光レンズの裏面
から焦点Ｐまでの距離（図２のＬ）が約35μｍ程度であ
るのに対し、同じく第１節点Ｐ₁までの距離（図２のＬ
₁）は0.7mm 程度となり、フェルールの球面状の研磨な
ど、加工性や耐久性が大幅に向上する。

【００１１】

【実施例】つぎに図面を参照しながら本発明について説
明する。図１は本発明のファイバカプラの要部を示す断
面図で、図２はマルチモードファイバ内を伝播する光束
の状態を説明する図である。

【００１２】図１において、１は集光レンズ、２はフェ
ルール、３はマルチモードファイバで、これらはアダプ
タ５の接続管４に嵌着されており、接続管４にシングル
モードファイバ６を内包するセラミックフェルール７
（外部接続用の光ファイバ）を挿入してマルチモードフ
ァイバ３とシングルモードファイバ６とを結合する。

【００１３】フェルール２はセラミック製の環状体で、
中央の孔にマルチモードファイバ３（ＪＩＳ規格ＳＧＩ
−50／125 ）が挿入され、裏面２ｂは平面研磨されたの
ち、集光レンズ１の底面１ｂに紫外線硬化樹脂などの接
着剤などで固定されている。そして、マルチモードファ
イバの長さＴがマルチモードファイバ３のコア内を伝播
する光束の集光レンズ１の焦点ののちの１番目の節点の
位置になるように、かつ、表面２ａは半径Ｒが約20ｍｍ
になるように球面状に研磨される。マルチモードファイ
バを介在させ、最初の節点位置でシングルモードファイ
バを結合させる理由については後述する。

【００１４】なお、典型的なコア径は、マルチモードフ
ァイバが50μｍ（ＪＩＳ規格ＳＧＩ−50／125 ）、シン
グルモードファイバが10μｍ（ＪＩＳ規格ＳＳＭＡ−10
／125 ）である。

【００１５】このフェルール２は曲げ強度と破壊じん性
に優れているジルコニアフェルールを用いると研磨など
の加工工程が短縮され、低いコストですむ。

【００１６】集光レンズ１は、受光面１ａが球面または
非球面で、裏面１ｂが平面になっている。裏面１ｂには
前述のように、フェルール２が心出しして貼付され、ア
ダプタ５の接続管４に固着されている。集光レンズ１の
受光面１ａの曲率Ｒは入射光の光束が全量マルチモード
ファイバにとり入れられるように、集光レンズ１の裏面
１ｂの前後の位置に焦点を結ぶような球面に形成され、
カップリング効率を上げるためには、球面収差を除去す
るため、非球面レンズとされる。

【００１７】この集光レンズ１に、プレス法で形成した
ガラスレンズを用いると、外径を金型により精度よくあ
げられるので、フェルール２との心出しが楽に行える。

【００１８】また、集光レンズ１として、屈折率が1240
〜1580ｎｍの波長の光で、1.46〜1.50のガラス、たとえ
ばＳＣＨＯＴＴ社（ドイツ国）商品名ＢＫ10（屈折率ｎ
＝1.485 ）を用いると、コア材料（屈折率ｎ＝1.46）と
の屈折率が近く、反射率が小さくなりよい。

【００１９】つぎに、図２を参照しながらマルチモード
ファイバ３を介在させ、マルチモードファイバ３のコア
３ａ内を伝播する光束Ｋの集光レンズの焦点Ｐ後の最初
の節点Ｐ₁の位置にシングルモードファイバを結合させ
る理由について説明する。

【００２０】シングルモードファイバの開口数ＮＡは0.
1 であり、開口数が0.1 より大きい集光レンズで集光し
た光の焦点Ｐの位置に、たとえシングルモードファイバ
を配置しても、開口数の大きいところから入射した光は
全反射しないで、クラッド側に抜けてコアを伝播できな
い。そのため、集光レンズの開口数ＮＡも0.1 と小さく
しなければならない。また、一般に集光レンズで集光し
た光の焦点位置での光のスポットの直径ｄは、光の波長
をλ、集光レンズの開口数をＮＡ、とするとｄ＝1.22λ
／ＮＡで表され、波長λが1.31μｍ、開口数ＮＡが0.1
であるとき、ｄ＝16μｍとなり、シングルモードファイ
バのコア径10μｍより大きくなり、集光レンズとシング
ルモードファイバの心が完全に一致していてもカップリ
ング効率は60％しかえられない。

【００２１】そのため、本発明では、一旦コア径の大き
いマルチモードファイバで集光レンズからの光を全量と
り入れ、その光をマルチモードファイバの屈折率分布に
よりさらに収束してシングルモードファイバに結合する
ようにしたものである。

【００２２】マルチモードファイバ３に入射した光は、
焦点Ｐで絞り込まれ、図２に示すように、さらにコア３
ａ内を節点Ｐ₁、Ｐ₂‥‥‥を形成しながら伝播する
が、光ファイバ断面内の屈折率分布｛近似式、ｎ_r＝ｎ
₁［１−２Δ（ｒ／ａ）²］^1/ ²（ただし、ｎ₁は光フ
ァイバのコア中心の屈折率、Δは比屈折率差でΔ＝（ｎ
₁−ｎ₂）／ｎ₁（ｎ₁はコア中心の屈折率、ｎ₂はコ
アのクラッド側の屈折率）、ｒはコア中心からの径方向
への距離、ａはコアの半径）｝により、中心部と外周部
を伝播する光線の位相がズレないように反射しながら伝
播する。そのため、その光束が最も絞られる節点で、外
部から接続されるシングルモードファイバ６と接するよ
うにすると最も効率よく接合することができる。

【００２３】このように、マルチモードファイバでは屈
折率分布により、光線による位相差をなくすように試み
られているが、現実には中心部と外周部を通る光の位相
にズレが生じ、節点がボケてくる。この傾向は光が伝播
するにつれて顕著となるため、シングルモードファイバ
と結合する位置が集光レンズ１の裏面１ｂに近い方が好
ましい。一方、集光レンズ１の裏面に貼りつけられたマ
ルチモードファイバ３を内包したフェルール２は表面を
約20mmＲの球面状に研磨されるため、加工性、取扱いな
どの点からある程度の厚さが必要である。そのため、集
光レンズ１の焦点Ｐでは35μｍ程度で加工性がわるく、
焦点後の最初の節点Ｐ₁の位置、すなわち集光レンズ１
の裏面１ｂから0.68〜0.72mm程度の厚さに加工されるこ
とが好ましい。

【００２４】この節点はガラスレンズの裏面に近い順に
集光レンズの焦点Ｐ、第１節点Ｐ_１、第２節点Ｐ_２と
すると、波長1.27〜1.35μｍの光で集光レンズ１との接
合面１ｂと焦点Ｐとの距離Ｌは0.035mm 、第１節点Ｐ₁
との距離Ｌ₁は0.7mm 、第２節点Ｐ₂との距離Ｌ₂は1.
26mmとなる。したがって、たとえば、第１節点Ｐ₁がシ
ングルモードファイバ６との接点になるようにすれば、
図１に示されるマルチモードファイバ３の厚さＴは0.7m
m にすれば良く、そのマルチモードファイバ３を内包す
るフェルール２の厚さもそれにあわせて厚くすることが
できるので、セラミック製のフェルールの加工が非常に
楽になる。

【００２５】このフェルールの加工はつぎのように行わ
れる。まず、マルチモードファイバ３を内包したフェル
ール２の一端面２ｂを平面研磨し、集光レンズ１の裏面
１ｂに心出しして貼付する。そして、フェルール２の表
面２ａ側をフェルール２の中心部で集光レンズ１の裏面
１ｂからの距離が光束の集光レンズ１の焦点Ｐのあとの
最初の節点Ｐ₁の位置になるように半径Ｒが約２０mmの
球面状に研磨する。その結果、マルチモードファイバ３
のコア３ａ内を伝播する光束の第１節点Ｐ₁が、外部か
ら接続されるシングルモードファイバ６との接点Ｓにな
り、結合効率の高いフィジカルコンタクトがえられる。

【００２６】前述の図２に示した例では、集光レンズの
焦点Ｐがマルチモードファイバのコア内に入ったところ
にくるように、集光レンズの受光面の曲率と集光レンズ
の長さを設定したが、これはマルチモードファイバのコ
ア径50μｍに入射する光束に絞られた位置でマルチモー
ドファイバに接続し、マルチモードファイバに全光量を
入射させると共に、マルチモードファイバの屈折率分布
を利用して焦点でのスポット径を小さくできるようにし
たためである。しかし、集光レンズの焦点の位置は必ず
しもマルチモードファイバ内でなくても、集光レンズの
裏面１ｂまたは集光レンズ側に焦点を結ばせ、拡がるビ
ームをマルチモードファイバで受光するようにすること
もできる。すなわち、光束のビーム径が50μｍ以下のと
ころでマルチモードファイバに接続できるようにすれば
よい。

【００２７】本発明によれば、マルチモードファイバを
介在させて集光レンズと結合しているため、集光レンズ
の開口数ＮＡを大きくでき、一層結合率を向上させるこ
とができる。すなわち、前述のように、シングルモード
ファイバの開口数は0.1 であるため、集光レンズの開口
数も0.1 以下でなければコア内を伝播できないが、マル
チモードファイバの開口数は0.21と大きく、開口数の大
きい光もマルチモードファイバで受光でき、マルチモー
ドファイバで受光した光はマルチモードファイバ内の屈
折率分布によりさらに収束し、シングルモードファイバ
と結合するため、開口数の大きい集光レンズとも結合で
きる。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、発光素子からの光を集
光レンズで集光し、集光レンズに貼付されたマルチモー
ドファイバのコア内に絞りこまれた光束の焦点でなく、
コア内を伝播する光束の焦点後の最初の節点で、外部か
ら接続されるシングルモードファイバと結合するように
したので、節点のボケが小さく、シングルモードファイ
バに効率よく結合でき、結合損失を非常に小さくするこ
とができると共に、マルチモードファイバを内包するセ
ラミックフェルールの厚さを厚くすることができ、加工
性、耐久性が大幅に向上する。また、集光レンズで集光
するので集光レンズの位置の固定に精密な調整を必要と
せず、簡単な構造とすることができる。さらに、マルチ
モードファイバを介在させているため、集光レンズの開
口数も大きくすることができ、一層カップリング効率が
向上する。また、加工工程が短縮できその結果、コスト
が安く、高特性で信頼性が高いファイバカプラをうるこ
とができる。

【００２９】また、光ファイバジャイロに代表されるフ
ァイバセンサの光導入部に応用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のファイバカプラの断面図である。

【図２】マルチモードファイバのコア内を伝播する光束
の状態を示す図である。

【図３】従来のコネクタの斜視図である。

【図４】従来のコネクタの接合部を示めす断面図であ
る。

【符号の説明】

１集光レンズ２フェルール３マルチモードファイバ６シングルモードファイバ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発光素子からの光を集光する集光レンズ
と、シングルモードファイバとを結合するカプラであっ
て、該集光レンズの裏面に、マルチモードファイバを嵌
入させたフェルールが貼付され、該マルチモードファイ
バのコア内を伝播する光束の前記集光レンズの焦点のつ
ぎの最初の節点位置で、前記フェルールの表面が球面状
に研磨されてシングルモードファイバと結合されてなる
ファイバカプラ。