JPH07311322A

JPH07311322A - 拡大された入射端面をもつ光結合装置

Info

Publication number: JPH07311322A
Application number: JP6128200A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Takahashi; 光雄高橋
Original assignee: Seikoh Giken Co Ltd
Current assignee: Seikoh Giken Co Ltd
Priority date: 1994-05-17
Filing date: 1994-05-17
Publication date: 1995-11-28
Anticipated expiration: 2015-03-15
Also published as: DE69510406D1; EP0683410A1; EP0683410B1; US5530781A; DE69510406T2; JP3020409B2

Abstract

(57)【要約】【目的】光源３０の軸心と光ファイバ１９の光軸のず
れの影響を少なくし、高い結合効率を維持することがで
きるように広範囲に入射する光を受入れ効率良く伝達す
ることができる拡大された入射端面をもつ光ファイバ光
結合装置を提供することにある。【構成】光ファイバ１９の一部分を加熱しながら軸方
向に圧縮応力をかけて光ファイバ直径を拡大変形し，拡
大された部分２０で光軸に交差する面で切断され研磨さ
れて形成された拡大されたコアおよびクラッド面を含む
拡大された光ファイバ入射端面部７，前記拡大された光
ファイバ入射端面部に続く通常の光ファイバ部のコア１
７およびクラッド１８が次第により小径化され次第に回
復する一対のテーパ部分２２，２３を有する結合部分
と、前記結合部の外周面に形成された全反射面２４から
構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光源からの光を光ファ
イバに結合させる光結合装置、さらに詳しくいえば、レ
ーザダイオード、または発光ダイオードなどの発散性の
光源から出力される放射光のように、ある程度の広がり
をもって入射する光源からの光を拡大された入射端面に
受け入れて、光ファイバに結合する拡大された入射端面
をもつ光ファイバ光結合装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、光源とシングルモード形光ファイ
バとの光結合装置として、光源と光ファイバ端面との間
に１枚または複数枚の光学レンズより成るレンズ系を挿
入して、光源から出力される放射光のビームスポット径
と光ファイバコアのモードスポット径とを整合させて光
結合効率の改善を図ったものが無数に提案され、広く実
用化されている。このような従来の光結合装置におい
て、光学レンズのレンズ表面での反射光損失はレンズ１
枚につき約１４％加算される。従来の光結合装置に共通
していえることは、光ファイバのコアに入射した光パワ
ーＰａのみが有効なコア伝搬光となることである。しか
し、特にシングルモード形光ファイバのコア直径は９〜
１０μｍと非常に微細であるので、光源、光学レンズ
系、およびファイバの間の光軸の整列誤差が光結合効率
に大きな影響を及ぼす。この場合、光軸の整列誤差によ
る光結合効率ηは次の第（１）式により計算できる。 η＝ｅｘｐ（−２ｄ²/ω_z ²）（１）ただし、ｄは整列誤差（μｍ）、ωは光ファイバのモー
ドスポット径である。例えば、整列誤差（ｄ）が０μｍ
の場合の光結合効率（η）を１００％とすれば、ｄ＝
２．５μｍ、ω＝５μｍの場合の光結合効率（η）は約
６０％に低下する。

【０００３】光路に光学レンズ系を介在させた場合に
は、光軸の整列誤差の補正精度は低下し易く、さらに前
記光学レンズのレンズ表面での反射光損失が加算される
ので、光結合効率ηは最良の状態で一般に４０％程度の
ものが多かった。したがって、図４のようなレーザダイ
オードあるいは発光ダイオードなどの光源と光ファイバ
端面との間に光学レンズ系を使用しない簡便なタイプの
もの、すなわち直接結合形式の光源とシングルモード形
光ファイバとの間の光結合装置が望ましい。図４は、光
源と光ファイバ端面との間に光学レンズ系を使用しない
簡便なタイプの従来形式の装置の光結合の原理を説明す
るための略図である。図４において、１はレーザダイオ
ードなどの光源、２は光ファイバのコア、３は光ファイ
バのクラッド、４は全放射光、５は光ファイバのコア２
に入射結合する放射光を示す。レーザダイオードによる
光源を使用したときには、レーザダイオード１からの放
射光４の放射角度θｒはガウス分布をしていて、かつ、
コヒーレント光であるので、光の回折現象により、Ｘ
Ｘ’軸方向で４０〜６０度、ＹＹ’軸方向で２０度程度
の広がりをもった楕円形の放射光パターンが形成され
る。この場合、光ファイバのコア２に入射結合する光量
ＰａはＰａ＝Ｉ₀｛１−ｅｘｐ（−２ａ²／ω_z ²）｝（２）で計算できる。ただし、Ｉ₀は光源光強度、ａはシング
ルモード形光ファイバのコア半径で、ａ＝５μｍ、ω_z
は光源からの距離Ｚの位置にある光ファイバ入射端面の
光ビーム半径である。全光束４の平均放射角度をθｒと
してθｒ＝２５度と仮定する。そして、シングルモード
形光ファイバコアの光開口率をＮＡ＝θ₁として、ＮＡ
＝θ₁＝５．３度と仮定する。光ファイバコア２の端面
への入射光量Ｐａは計算上で約８％に過ぎない。残りの
９２％の入射光量Ｐａは光ファイバのクラッド３および
その他の領域に入射して、図示したように光ファイバの
クラッド３の外径面６から外部に放射されて失われ、光
ファイバの伝搬光にはならずに光結合損失になる。次
に、光ファイバの端面７をレーザダイオード光源１に限
りなく接近させる。この場合、光ファイバのコア２への
入射光のうち、光ファイバの開口率ＮＡ＝θ₁≒５．３
度より大きな入射角度をもった光は、光ファイバのコア
２へ入射してもコア伝搬光にはならない。したがって、
図４に示すような簡便な直接光結合方式は簡便である
が、ほとんど使用されていない。

【０００４】しかしながら、上述した直接光結合方式は
光学レンズ系を含まない利点を多々もっている。そのた
めに、上述した直接光結合方式の光結合効率を改善しよ
うとする試みが種々試みられてきた。例えば、図５に示
されている形状のものは前記直接光結合方式の光ファイ
バ光結合装置の改良に係るものである。これは著者クリ
ストファーＡエドワード等（Ｃｈｒｉｓｔｏｐｈｅ
ｒＡ．Ｅｄｗａｒｄｓｅｔａｌ．）によるファイ
バ結合用の理想マイクロレンズ（ＩｄｅａｌＭｉｃｒ
ｏｌｅｎｓｅｓｆｏｒＬａｓｅｒｔｏＦｉｂｅ
ｒＣｏｕｐｌｉｎｇ）と題して米国電子電気学会発行の
光波技術誌（ＩＥＥＥ，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＬｉｇ
ｈｔｗａｖｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）第１１巻，第２
号，２５２頁〜２５７頁、１９９３年２月に発行された
ものに掲載されている。この文献に示されているものは
図５に示すような断面形状をもっている。光ファイバ８
を加熱延伸法により、端面に向かって小径となるように
テーパ部分９を形成し、光ファイバコア１０のモードス
ポット径を拡大するとともに、光ファイバ先端部を加熱
溶融して、表面張力で半球状の一体のマイクロレンズ１
１を形成したものである。図５に示す例では、レーザダ
イオード光源と光ファイバ端面との間の距離（Ｚ）をほ
ぼ８．５μｍ、マイクロレンズ１１の曲率半径（Ｒ）を
５．７μｍとしたとき、光結合効率ηは約５０％になっ
たと報告されている。しかしこの例では、マイクロレン
ズ１１の微小な曲率半径に起因して開口率ＮＡの制約、
および光源と光ファイバとの間の光軸ずれ精度により光
結合効率は制限される。

【０００５】ノラン等（ＮＯＬＡＮｅｔ．）の米国特
許第４７６３９７６号、モードフィルド変換をもちい
たコネクタ（ＣＯＮＮＥＣＴＯＲＥＭＰＬＯＹＩＮＧ
ＦＩＥＬＤＭＯＤＩＦＩＣＡＴＩＯＮ）の発明を図
６を参照して説明する。図６は前記コネクタの断面図で
ある。図６は、光ファイバ１２の外径面１３に、光ファ
イバのクラッド１４の光屈折率ｎ₁よりも小さい光屈折
率ｎ₃をもったガラスチューブ１５を同軸心に一体化し
て、端面部を加熱延伸することにより光入射面を細くし
たものである。この例は、光ファイバのコア１６のモー
ドスポット径をほぼ２倍に拡大させて、光軸誤差により
光結合効率が低下しないよう、光結合効率の改善を図っ
た提案である。この例の場合、テーパ延伸比を４：１に
したとき、光ファイバのコアのモードスポットサイズω
は１０μｍであると記述されているが、この場合、光源
と光ファイバとの間の光軸ずれ（ｄ）を２．５μｍであ
るとすれば、光軸ずれのみによる光結合効率ηは計算
上、８８％となる。しかしながら、図６の形状に光ファ
イバを加工することは技術的に容易ではなく、極めて困
難である。いずれにしても、従来例では光源と光ファイ
バの光軸との間の微細な整列調整の誤差、および光ファ
イバのコアの開口率ＮＡにより入射光の制約を受けるの
で光結合効率ηは一般に５０％以下のものが多い。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の光結合手段にお
いて、光源の放射光をシングルモード光ファイバに高い
結合効率で入射するためには光源の光軸心と光ファイバ
の光軸を高い精度で合わせなければならず、これを解決
する提案はなされていない。本発明の目的は前記光軸心
と光ファイバの光軸のずれの影響を少なくし、しかも高
い結合効率を維持することができるように広範囲に入射
する光を受け入れ、効率良く伝達することができる拡大
された入射端面をもつ光ファイバ光結合装置を提供する
ことにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に本発明による拡大された入射端面をもつ光ファイバ光
結合装置は、光源からの放射光を入射するように光ファ
イバを配列した光源とシングルモード光ファイバの結合
装置において、光ファイバの一部分を加熱しながら軸方
向に圧縮応力をかけて光ファイバ直径を拡大変形し，拡
大された部分で光軸に交差する面で切断され研磨されて
形成された拡大されたコアおよびクラッド面を含む拡大
された光ファイバ入射端面部、前記拡大された光ファイ
バ入射端面部に続く通常の光ファイバ部のコアおよびク
ラッドが次第により小径化され次第に回復する一対のテ
ーパ部分を有する結合部分と、前記結合部の外周面に形
成された反射層とから構成されている。前記全反射層は
高反射率の誘電体ミラーコーティング処理、または金，
銀，銅，アルミニウムなどの高反射率金属被膜処理によ
り形成された反射層とすることができる。前記結合部は
一方の孔が前記拡大された光ファイバ入射端面部を受け
入れるように加工されたフェルールに挿入固定すること
ができる。

【０００８】

【実施例】以下図面等を参照して本発明による拡大され
た入射端面をもつ光ファイバ光結合装置をさらに詳しく
説明する。図１は、本発明による拡大された入射端面を
もつ光ファイバ光結合装置の実施例を示す断面図であ
る。図２は、前記拡大された入射端面をもつ光ファイバ
光結合装置の製造工程の実施例を示す工程図である。図
２（Ａ）は、１本のコア１７およびクラッド１８を同軸
心に構成した断面をもつシングルモード光ファイバ１９
の一部分を加熱して軟化させた状態で光ファイバ軸方向
に圧縮応力を付加して楕円状の膨出部２０を形成し外径
を拡大変形させる第１の工程を示す。図２（Ｂ）は、当
該拡大楕円部２０に近接した部分を加熱延伸により中央
部２１を小径とする両テーパ部２２，２３を加工する第
２の工程を示す。図２（Ｃ）は、入射クラッドモード伝
搬光（Ｐｂ）の外部漏洩防止および開口率ＮＡの拡大手
段として外周に反射層を形成する状態を示している。前
記反射層は光ファイバ外径面に高反射率の誘電体ミラー
コーティング処理、または金，銀，同，アルミニウムな
どの高反射率金属の蒸着被膜処理２４を施すことにより
行われる。この状態で拡大楕円部２０の端面を研磨する
ことにより拡大された入射端面が形成される。図１は前
記図２（Ｃ）の全反射層形成後の光結合部材をフェルー
ルに受け入れる工程を示している。拡大楕円部２０の軸
方向長さの約２分の１だけ挿入できるように円筒形フェ
ルール２５の中心孔２６の一端に設けた面取部２７に当
該光ファイバの拡大楕円部２０を埋設させるように当該
シングルモード光ファイバ１９を挿入接着してフェルー
ル２５の両端部２８、２９を研磨仕上げする。次にＬＤ
またはＬＥＤなどの光源３０と本発明による拡大された
入射端面をもつ光ファイバ光結合装置の光軸を一致させ
て図示しないパッケージ等に組み込んで光源と光ファイ
バ光結合装置を組み合わせる。

【０００９】本発明による光ファイバ用光結合手段１０
０に使用した高反射率の誘電体ミラーコーティング層お
よび金属蒸着被膜層のうち、誘電体ミラーコーティング
層は光入射角度４５度以内において反射率９８％以上の
光学特性をもっている。また、金，銀，銅，などの金属
蒸着被膜層は直角入射時の反射率はやはり９８％以上で
あり、これらの事実に関しては、株式会社ニューポート
の総合カタログ、Ｊ−６２頁（１９９０年）、および丸
善株式会社により出版された機械設計便覧８９頁（１９
７３年）に記載されている。

【００１０】本発明による拡大された入射端面をもつ光
ファイバ光結合装置は、次の特徴を備えている。すなわ
ちＬＤまたはＬＥＤなどの光源３０の放射光Ｉ₀を高い
結合効率ηで受光素子端面２８と結合する。その１は入
射端面２８における受光ファイバコア半径ａを前記の方
法で２倍程度に拡大することによってコア端面受光量Ｐ
ａを増大させるとともに光源３０と光ファイバ間の光軸
のずれｄの光結合効率ηに及ぼす影響を緩和する。その
２は詳しく後述するが、光ファイバをテーパ状に補足延
伸することによってモードスポットサイズωをクラッド
半径ｂと同等に拡大させることである。これにより見か
けの光ファイバコア領域をクラッド半径ｂと同等に拡大
して受光ファイバのクラッド部分に入射した光Ｐｂをテ
ーパ部２２、２３で光ファイバコア伝搬光Ｐａに収束変
換する。その３として通常クラッド面に入射した光Ｐｂ
は直ちにクラッド外部に放射されて失われクラッド内伝
搬光にはなり得ないが、この光放射損失を防止してクラ
ッド層内部の伝搬光とするために本発明の受光素子Ａの
両テーパ部２２，２３外周面に光反射率被膜２４付着処
理を行った。

【００１１】通常、光ファイバコア１７に入射した光Ｐ
ａがコア伝搬光になるためには、シングルモード形光フ
ァイバのコアの開口率ＮＡ（＝半径角度＜ほぼ５．３
度）以下の入射角度であることが必要である。しかし、
本発明の光ファイバ用光結合装置の特徴として、コア面
内に開口率ＮＡ以上の角度で入射した光Ｐａはクラッド
層に出て行くが、前述のようにテーパ部分２２，２３に
おいて再びコア内に収束されるので、開口率ＮＡは無視
できる。同様に、クラッド面の入射光Ｐｂも高反射率の
蒸着被膜層２４によりクラッド外部と光学的に絶縁され
ているので、入射光角度の制約を受けない。理論的に
は、第（３）式に示すブリュスター角θ_bと同等の入射
光角度まで利用可能と考えられる。 θ_b＝ｔａｎ^-1ｎ₁ （３）ただし、ｎ₁は光ファイバ屈折率である。ｎ₁が１．４
７であるとすれば、θ_bはほぼ５５．８度となる。レー
ザダイオードの通常の放射光角度は２５〜３０度である
ので、余裕をもって光ファイバにレーザダイオードの出
射光を入射させることができる。

【００１２】次に、光ファイバコアの半径ａの変化によ
るモードスポットサイズωの変化の関係は、“シングル
モードファイバスプライスの損失解析”と題してマーキ
ューズによりベルシステム技術誌，第５６巻，第５号，
７０３頁に記載され、１９７７年に出版されている（Ｍ
ａｒｃｕｓｅＤ．，“Ｌｏｓｓａｎａｌｙｓｉｓｏ
ｆｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅｆｉｂｅｒｓｐｌｉｃ
ｅ”，ＢｅｌｌＳｙｓｔｅｍＴｅｃｈｎｉｃａｌ
Ｊｏｕｒｎａｌ，５６，５，Ｐ．７０３，１９７
７）。マーキューズによれば、光ファイバコア半径ａの
変化によるモードスポットサイズωは、次の第（４）式
により与えられる。 ω＝ａ（０．６５＋１．６１９／Ｖ^1.5＋２．８７９／Ｖ⁶）（４）ただし、Ｖは規格化周波数であり、第（５）式により与
えられる。すなわち、Ｖ＝（２πａｎ₁／λ）・｛２（ｎ₁−ｎ₂）／ｎ₁｝^1/2 （５）ただし、λは光源の波長（μｍ）、ａは光ファイバコア
半径（μｍ）、ｎ₁は光ファイバコア屈折率、ｎ₂は光
ファイバクラッド屈折率である。光ファイバ延伸テーパ
比とモードスポットサイズω、光ファイバコア半径ａ、
および光ファイバクラッド半径ｂの関係を図３に示す。
図３において、λ＝１．３１μｍ、ａ＝５μｍ、ｎ₁＝
１．４７、ｎ₂＝１．４６、およびｂ＝６２．５μｍと
仮定してある。

【００１３】本発明による拡大された入射端面をもつ光
ファイバ光結合装置では、クラッドモード伝搬光Ｐｂを
光ファイバコア１９内を伝搬するコア伝搬光Ｐａに合流
変換する手段として、前述のように１本の標準型シング
ルモード光ファイバの入射端面の至近部分を加熱延伸す
ることにより光ファイバコア１７の半径ａも同様に両テ
ーパ状に細く延伸される。光ファイバコア１７の直径ａ
が細くなるにつれて図３に示すようにコア１７のモード
スポットサイズωが拡大される。このモードスポットサ
イズωの拡大領域は光学的に光ファイバコア領域と見な
される。本発明の光結合装置はこのような光特性を応用
したものである。したがって光ファイバコア１７に入射
した光源からのコア伝搬光Ｐａの一部は前部テーパ２２
領域においてはエヴァネッセント効果（Ｅｖａｎｅｓｃ
ｅｎｔｅｆｆｅｃｔ）によりモードスポットサイズ領
域ににじみ出て光ファイバクラッド伝搬光Ｐｂと混合さ
れた混合伝搬光Ｐ＝Ｐａ＋Ｐｂとして進み、光ファイバ
の後部テーパ部２３が徐々に復元して太くなるにつれて
モードスポットサイズωが反比例的に小さくなり光ファ
イバコア半径ａに近似収束される。したがって混合伝搬
光Ｐは最終的に光ファイバコア１７の伝搬光に収束変換
されて光ファイバコア１７内を伝搬できるようになる。
図３によれば、延伸データ比約４０％において光ファイ
バクラッド半径ｂとモードスポットサイズωの半径は２
７〜２８μｍと同一になることがわかる。したがって４
０％程度の延伸テーパ比で本発明の目的は達成できる。
本発明による拡大された入射端面をもつ光ファイバ光結
合装置のシングルモード光ファイバのテーパ傾斜角度θ
ｔは厳密に規定する必要はないが一般的に使用光ファイ
バの臨界角度θｃ以下になるように選ぶことが望まし
い。例えば図３のシングルモード光ファイバの場合の臨
界角度θｃは約３．６度である。

【００１４】

【発明の効果】本発明による拡大された入射端面をもつ
光ファイバ光結合装置は、光源からの放射光を入射する
ように光ファイバを配列した光源とシングルモード光フ
ァイバの結合装置において、光ファイバの一部分を加熱
しながら軸方向に圧縮応力をかけて光ファイバ直径を拡
大変形し、拡大された部分で光軸に交差する面で切断さ
れ研磨されて形成された拡大されたコアおよびクラッド
面を含む拡大された光ファイバ入射端面部、前記拡大さ
れた光ファイバ入射端面部に続く通常の光ファイバ部の
コアおよびクラッドが次第により小径化され次第に回復
する一対のテーパ部分を有する結合部分と、前記結合部
の外周面に形成された反射層とから構成されている。

【００１５】したがって、拡大された光ファイバクラッ
ド面を含む端面で受光する光源からの放射光を全て有効
なコア伝搬光に変換することが可能になった。従来のも
のに比較して光源とシングルモード光ファイバの光軸間
の軸心ずれ許容誤差値を大幅に緩和できる。例えば光源
からの光ビーム放射角度θｒ＝２５度、光源と光ファイ
バ入射端面間距離ｚ＝１００μｍにおける光ビーム半径
ωｚは約４７μｍとなる。光源と光ファイバの許容光軸
ずれｄが±５μｍであれば無調整で組み立て可能である
ので、光軸ずれｄ＝５μｍと仮定すれば光軸ずれによる
本発明の光結合装置の光結合損失は２．２％と微小であ
り、従来は不可能であった光軸の無調整組み立てによっ
ても高い光結合効率を容易に得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による拡大された入射端面をもつ光ファ
イバ光結合装置の実施例を示す断面図である。

【図２】前記拡大された入射端面をもつ光ファイバ光結
合装置の製造工程の実施例を示す工程図である。

【図３】光ファイバ延伸テーパ比をモードスポットサイ
ズω、光ファイバコア半径ａ、および光ファイバクラッ
ド半径ｂの関係で示すグラフである。

【図４】光源と光ファイバ端面との間に光学レンズ系を
使用しない簡便なタイプの従来形式の装置の光結合の原
理を説明するための略図である。

【図５】光結合効率の改善を図った従来技術による光結
合装置の断面を示す概略図である。

【図６】光軸誤差により光結合効率が低下しないよう、
光結合効率の改善を図った従来例の断面を示す概略図で
ある。

【符号の説明】

１，３０光源２，１０，１６，１７コア３，１４，１８クラッド４，５放射光７入射端面８，１２，１９光ファイバ９，２２，２３テーパ部２０拡大部１１マイクロレンズ１３光ファイバの外径面１５ガラスチューブ２１光ファイバの中央部（細小径部）２５フエルール２６フエルールの中心孔２８，２９両端面３０光源１００光結合手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源からの放射光を入射するように光フ
ァイバを配列した光源とシングルモード光ファイバの結
合装置において、光ファイバの一部分を加熱しながら軸方向に圧縮応力を
かけて光ファイバ直径を拡大変形し，拡大された部分で
光軸に交差する面で切断され研磨されて形成された拡大
されたコアおよびクラッド面を含む拡大された光ファイ
バ入射端面部、前記拡大された光ファイバ入射端面部に
続く通常の光ファイバ部のコアおよびクラッドが次第に
より小径化され次第に回復する一対のテーパ部分を有す
る結合部分と、前記結合部の外周面に形成された反射層と、から構成し
た拡大された入射端面をもつ光ファイバ光結合装置。
【請求項２】前記全反射層は高反射率の誘電体ミラー
コーティング処理、または金，銀，銅，アルミニウムな
どの高反射率金属被膜処理により形成された反射層であ
る請求項１記載の拡大された入射端面をもつ光ファイバ
光結合装置。
【請求項３】前記結合部は一方の孔が前記拡大された
光ファイバ入射端面部を受け入れるように加工されたフ
ェルールに挿入固定されている拡大された入射端面をも
つ光ファイバ光結合装置。