JPH08292341A - レンズ付きファイバ - Google Patents

レンズ付きファイバ

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JPH08292341A
JPH08292341A JP7044456A JP4445695A JPH08292341A JP H08292341 A JPH08292341 A JP H08292341A JP 7044456 A JP7044456 A JP 7044456A JP 4445695 A JP4445695 A JP 4445695A JP H08292341 A JPH08292341 A JP H08292341A
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JP
Japan
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fiber
square
lens
coreless
length
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JP7044456A
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Kazuo Shiraishi
和男 白石
Kazuhito Matsumura
和仁 松村
Isamu Oishi
勇 大石
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Furukawa Electric Co Ltd
Original Assignee
Furukawa Electric Co Ltd
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24Coupling light guides
    • G02B6/42Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4202Packages, e.g. shape, construction, internal or external details for coupling an active element with fibres without intermediate optical elements, e.g. fibres with plane ends, fibres with shaped ends, bundles
    • G02B6/4203Optical features
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24Coupling light guides
    • G02B6/42Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4204Packages, e.g. shape, construction, internal or external details the coupling comprising intermediate optical elements, e.g. lenses, holograms
    • G02B6/4206Optical features

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
  • Optical Fibers, Optical Fiber Cores, And Optical Fiber Bundles (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 構成部材相互間における結合効率を向上させ
ることが可能なレンズ付きファイバを提供する。 【構成】 レンズ付きファイバ10は、コアとクラッドと
を有するシングルモードファイバ11の一端と、コアのな
い等方性の屈折率を有し、一端が凸曲面に加工されたコ
アレスファイバ12の他端とが、伝送光の蛇行周期の1/
4の長さあるいはその奇数倍の長さの二乗形屈折率分布
を有する二乗形ファイバ13で接続されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、レンズ付きファイバに
関する。
【0002】
【従来の技術】半導体レーザ等の光半導体素子と光ファ
イバとを高い結合効率の下に結合することは、光通信に
おいて最も重要な技術の一つであり、従来、光半導体素
子と光ファイバとの間に球レンズや非球面レンズ等のレ
ンズを配置して結合する方法や、図7に示すように、コ
ア1aと共に先端を球面に成形した先球ファイバ1を用
いて半導体レーザ5と結合する方法が知られている。
【0003】これらの方法のうち、先球ファイバ1を用
いて半導体レーザ5と結合する方法は、レンズを用いな
いことから小型な結合が可能で、半導体レーザアレイと
先球ファイバアレイとの結合も可能である。しかし、こ
の結合方法は、高い結合効率を実現するために、先球フ
ァイバ1の先端と半導体レーザ5の出射端面5aとの光
軸方向の間隔、即ち、作動距離をコア1aの直径程度の
10μm前後にしなければならない。このため、先球フ
ァイバ1と半導体レーザ5との結合系を組み立てる際
に、相互に接触あるいは衝突することによって破損し、
使用不能になることがあるという欠点があった。
【0004】そこで、このような問題を解決する結合手
段として、図8に示すレンズ付きファイバ2が提案され
ている。このファイバ2は、光ファイバ3の先端にコア
がなく等方性の屈折率を有し、先端が球面のコアレスフ
ァイバ4を接続したもので、作動距離Dを大きくするこ
とによって半導体レーザ5との接触あるいは衝突を回避
したものである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構
成のレンズ付きファイバ2は、コアレスファイバ4の先
端が球面であることから、球面収差によって結合効率が
低下するという問題がある。即ち、半導体レーザ5から
出射される光線は、コアレスファイバ4先端の球面に種
々の角度で入射し、球面におけるレンズ効果によって集
束されて、光ファイバ3とコアレスファイバ4との接続
面に入射する。このため、光線によっては、光ファイバ
3とコアレスファイバ4との接続面において光ファイバ
3のコア3aから外れたり、あるいは、コア3aに到達
しても臨界角以上となってコア3a内を伝搬しない場合
があり、構成部材相互間における結合効率が低下すると
いう問題があった。
【0006】本発明は上記の点に鑑みてなされたもの
で、構成部材相互間における結合効率を向上させること
が可能なレンズ付きファイバを提供することを目的とす
る。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明者らは、先ず、レンズ付きファイバ2におい
て、高い結合効率を得るための結合特性を規定する構造
パラメータを幾何光学的手法に基づいてモデル的に解析
した。即ち、レンズ付きファイバ2において、図8に示
すように、光ファイバ3とコアレスファイバ4との接続
面における光線の入射角φ1(degree)と光軸Laから測
定した入射位置h1(μm)との関係を、半導体レーザ5
からの光線の出射角θをパラメータとして1度ごとに変
化させて解析した。このとき、レンズ付きファイバ2
は、コアレスファイバ4の屈折率を1.45、作動距離D
=130,150,170(μm),コアレスファイバ
4の長さL=1(mm)及び曲率半径R=75(μm)と
した。この結果を、図9に示す。
【0008】図9において、●印は出射角θ=0゜の光
軸La上の光線に基づく入射角φ1と入射位置h1 の解析
値で、この点を中心として出射角θの絶対値|θ|が増
大するに従って左右方向に斜め逆N字状の曲線を描いて
入射角φ1と入射位置h1の解析値が変化してゆく。一
方、光ファイバ3のコア3aに入射する光は、一般のシ
ングルモードファイバのサイズを考慮すると、入射角φ
1及び入射位置h1が、図中横長の長方形で示す|φ1
≦4.8゜,|h1|≦4.0μmの範囲内になければなら
ない。
【0009】このため、レンズ付きファイバ2において
は、入射角φ1 の範囲には余裕があるが、光ファイバ3
におけるコア3aの半径が小さいため入射位置h1 の許
容範囲が小さいという特徴がある。この特徴が、半導体
レーザ5から出射したかなりの光線がコア3a外とな
り、結合損失が大きくなる理由であることが分かった。
従って、半導体レーザ5から出射した光線に関し、入射
角φ1と入射位置h1との関係を互いに逆の関係に変換で
きれば、レンズ付きファイバ1における結合効率を向上
させることができると考えられる。
【0010】このとき、レンズは光線の入射角と入射位
置とを変換する機能を有していることから、光ファイバ
3とコアレスファイバ4との間にレンズを配置すること
が考えられる。しかし、レンズは、光ファイバ3やコア
レスファイバ4に比べて形状が大きいうえ、光ファイバ
3やコアレスファイバ4との間で光軸合わせをして結合
するには煩雑になるという問題がある。
【0011】そこで、本発明者らは、入射角と入射位置
とをレンズを使用することなく逆の関係に変換し得るも
のとして、二乗形屈折率分布を有する光ファイバの使用
を思い至り、本発明をなすに至ったのである。即ち、本
発明によれば上記目的を達成するため、レンズ付きファ
イバを、コアとクラッドとを有するシングルモードファ
イバの一端と、コアのない等方性の屈折率を有し、一端
が凸曲面に加工されたコアレスファイバの他端とが、伝
送光の蛇行周期の1/4の長さあるいはその奇数倍の長
さの二乗形屈折率分布を有する二乗形ファイバで接続さ
れた構成としたのである。
【0012】好ましくは、前記シングルモードファイバ
は、前記一端のコア径を拡大処理する。更に好ましく
は、前記凸曲面を球面とする。
【0013】
【作用】二乗形屈折率分布を有する二乗形ファイバは、
コア半径方向に見た場合に屈折率が二次関数、即ち、放
物線状の分布を示す。このとき、二乗形ファイバの長さ
を、伝送光の蛇行周期の1/4の長さあるいはその奇数
倍の長さとすると、入射角と入射位置との関係が相互に
逆の関係に変換される。
【0014】また、シングルモードファイバにおいて一
端のコア径を拡大処理すると、拡大処理していないもの
に比べて、コアレスファイバ中に屈折率のゆらぎが生じ
た場合でも、二乗形ファイバを通って入射する光線の入
射範囲が広がる。更に、コアレスファイバにおいて一端
の凸曲面を球面とすると、マイクロトーチやアーク放電
を用いて加工でき、加工が容易である。
【0015】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図1乃至図6に基
づいて説明する。レンズ付きファイバ10は、図1に示
すように、シングルモードファイバ(以下、「SMF」
という)11とコアレスファイバ12とが二乗形ファイ
バ13で接続され、光半導体素子、例えば、半導体レー
ザ15との間に作動距離Dをおいて対向配置して使用さ
れる。
【0016】SMF11は、コア11aとクラッド11
bとを有する光ファイバで、一端が二乗形ファイバ13
を介してコアレスファイバ12の他端と接続されてい
る。コアレスファイバ12は、コアのない等方性の屈折
率を有し、一端が曲率半径R12の球面に加工された長さ
12のファイバである。二乗形ファイバ13は、伝送光
の蛇行周期の1/4の長さL13あるいはその奇数倍の長
さで、二乗形屈折率分布を有するグレーデッドインデッ
クス形光ファイバである。
【0017】ここにおいて、本発明のレンズ付きファイ
バ10において、二乗形ファイバ13の長さを、伝送光
の蛇行周期の1/4の長さあるいはその奇数倍の長さと
すると、入射角と入射位置との関係が逆の関係に変換さ
れる原理を以下に説明する。一般に、二乗形ファイバ1
3の屈折率nの分布は、二乗形ファイバ13における光
線の集束パラメータをAg 、二乗形ファイバ13の中心
軸からの距離をr、中心軸での屈折率をn0 とすると、
次式で表される。
【0018】
【数1】
【0019】また、半導体レーザ15から出射された光
線のコアレスファイバ12と二乗形ファイバ13との接
続面における光軸Laから測定した入射位置をh2
m)、入射角をφ2(degree)とすると、長さL13の二乗
形ファイバ13中を伝搬してSMF11に入射するとき
のSMF11と二乗形ファイバ13との接続面における
入射位置h1及び入射角φ1(共に図2参照)は、近軸光
線を仮定すると光線行列を用いて次式のように表され
る。
【0020】
【数2】
【0021】但し、γは、光線の蛇行を表す位相量に相
当し、γ=L13/Agとおいた。一方、二乗形ファイバ
13中における光線の蛇行周期は2πAgであるから、
1/4周期は(πAg)/2となり、伝送光の蛇行周期の
1/4の長さL13の奇数倍の長さLodは、次式で与えら
れる。
【0022】
【数3】
【0023】但し、N=0,1,2,………………とな
る自然数である。従って、(2)式は次式のように変形
される。
【0024】
【数4】
【0025】即ち、SMF11とコアレスファイバ12
との間に伝送光の蛇行周期の1/4の長さL13の奇数倍
の長さLod長さを有する二乗形ファイバ13を接続する
と、集束パラメータAg をパラメータとして、光線の入
射角と入射位置との関係が相互に逆の関係に変換される
ことが分かる。ここで、二乗形ファイバ13の比屈折率
差をΔ,コアの半径をaとすれば、伝送光の蛇行周期L
Wは、次式で与えられる。
【0026】
【数5】
【0027】次に、上記した構造の本発明のレンズ付き
ファイバ10に関し、SMF11と二乗形ファイバ13
との接続面における光線の入射角φ1(degree)と光軸
aから測定した入射位置h1(μm)との関係を、半導
体レーザ15からの光線の出射角θをパラメータとして
1度ごとに変化させて幾何光学的手法に基づいて解析し
た。この結果を、図3に示す。
【0028】このとき、レンズ付きファイバ10は、コ
アレスファイバ12の屈折率を1.45、作動距離D=1
30,150,170(μm),コアレスファイバ12
の長さL12=1(mm)及び曲率半径R12=75(μm)
とし、二乗形ファイバ13は長さL13を伝送光(波長1.
3μm)の蛇行周期の1/4の長さとし、集束パラメー
タをAg=250(μm)とした。集束パラメータAg
250(μm)の値は、二乗形ファイバ13において、
例えば、コアの半径a=50(μm),比屈折率差Δ=
0.5%の場合に相当する。図3において、●印は出射角
θ=0゜の光軸La上の光線に基づく入射角φ1と入射位
置h1 の解析値である。
【0029】図3から明らかなように、入射位置h1
び入射角φ1 は、光線の入射位置h1が小さく、即ち、
光軸Laに近いのに対し、入射角φ1は大きく、斜めS字
形状の分布となっている。ここにおいて、図中、横長の
長方形で示した領域が、半導体レーザ15から出射した
光線がSMF11のコア11aに有効に入射し得る入射
位置h1及び入射角φ1の範囲を示しており、半導体レー
ザ15から出射角θで出射した光線の多くがSMF11
に入射し、レンズ付きファイバ10の結合損失が小さい
ことが分かる。
【0030】次に、以上の解析結果を考慮し、図4(a)
〜(f)に示す手順でレンズ付きファイバ10を製造し
た。先ず、図4(a)に示すSMF11の先端に二乗形屈
折率分布を有する二乗形ファイバ13を融着接続し(図
4(b))、二乗形ファイバ13を伝送光の蛇行周期の1
/4の長さL13に切断した(図4(c))。
【0031】次に、切断した二乗形ファイバ13の端部
にコアのない等方性の屈折率を有するコアレスファイバ
12を融着接続し(図4(d))、コアレスファイバ12
を約1mmの長さL12に切断した(図4(e))。次い
で、コアレスファイバ12の切断端をアーク放電により
加熱溶融し、曲率半径R12=75(μm)の半球面に加工
し、図4(f)に示すレンズ付きファイバ10を製造し
た。
【0032】そして、製造したレンズ付きファイバ10
に、半導体レーザ15から波長1.3μmの光線を入射さ
せ、作動距離Dを変化させながら結合損失を測定したと
ころ図5に示す結果が得られた。ここで、結合損失は、
半導体レーザ15からの直接出射光量に対するSMF1
1の他端からの出射光量をdB値で測定して求めた。図
5から明らかなように、作動距離Dが約130μmのと
きに、結合損失が最低値(=5dB)となった。この結
合損失は、レンズ付きファイバ10の実用上問題となら
ない程十分小さな値であり、また、作動距離Dは、図7
に示した従来の先球ファイバの10倍以上も大きく、半
導体レーザ15と干渉する危険性を解消するのに十分満
足すべき値であった。
【0033】尚、レンズ付きファイバは、図6に示すよ
うに、SMF11のコア11aを二乗形ファイバ13側
の端部において外側に向かって拡大するように加工した
いわゆるTEC(Thermal Expanded-Core)ファイバを用
いてもよい。このように加工すると、二乗形ファイバを
通ってSMF11に入射する光線の入射範囲を広げるこ
とができる。
【0034】
【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よれば、構成部材相互間における結合効率を向上させる
ことが可能なレンズ付きファイバを提供することができ
る。また、本発明のレンズ付きファイバは、構成部品が
全てファイバ形状であるので、全体として小型軽量であ
る。しかも、本発明のレンズ付きファイバは、構成部品
が全てファイバ形状であるため、既存のファイバ融着接
続技術を利用して製造できるので、製造が簡単なうえ、
大量生産も可能で安価に提供できる等の優れた効果を奏
する。
【0035】このとき、本発明のレンズ付きファイバ
は、構成単位のシングルモードファイバにおいて一端の
コア径を拡大処理すると、拡大処理していないものに比
べて、二乗形ファイバを通って入射する光線の入射範囲
を広げることができる。また、コアレスファイバにおい
て一端の凸曲面を球面とすると、マイクロトーチやアー
ク放電を用いて容易に加工することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のレンズ付きファイバを示す側面図であ
る。
【図2】図1のレンズ付きファイバにおけるA部の拡大
図である。
【図3】図1のレンズ付きファイバのシングルモードフ
ァイバへの入射角φ1 と入射位置h1 に関する作動距離
依存性に関する解析結果を示す作動距離特性図である。
【図4】図1のレンズ付きファイバの製造手順を示す説
明図である。
【図5】製造したレンズ付きファイバについて実測した
作動距離の変化に対する結合損失の変化をを示す変化特
性図である。
【図6】本発明のレンズ付きファイバの変形例を示す側
面図である。
【図7】光半導体素子との結合に用いた従来の先球ファ
イバの側面図である。
【図8】光半導体素子との結合に用いた従来のレンズ付
きファイバを示す側面図である。
【図9】図8のレンズ付きファイバを用いたときの、シ
ングルモードファイバに入射する光線の入射角φ1 と入
射位置h1 に関する有効集光範囲を示す集光特性図であ
る。
【符号の説明】
10 レンズ付きファイバ 11 シングルモードファイバ 11a コア 11b クラッド 12 コアレスファイバ 13 二乗形ファイバ 15 半導体レーザ D 作動距離 R12 曲率半径(コアレスファイバの) L12 長さ(コアレスファイバの) L13 長さ(二乗形ファイバ13の) La 光軸 h1,h2 入射位置 φ12 入射角
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成8年2月21日
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0025
【補正方法】変更
【補正内容】
【0025】即ち、SMF11とコアレスファイバ12
との間に伝送光の蛇行周期の1/4の長さL13の奇数倍
の長さL od有する二乗形ファイバ13を接続すると、
集束パラメータAg をパラメータとして、光線の入射角
と入射位置との関係が相互に逆の関係に変換されること
が分かる。ここで、二乗形ファイバ13の比屈折率差を
Δ,コアの半径をaとすれば、伝送光の蛇行周期L
Wは、次式で与えられる。
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0028
【補正方法】変更
【補正内容】
【0028】このとき、レンズ付きファイバ10は、コ
アレスファイバ12の屈折率を1.45、作動距離D=1
30,150,170(μm),コアレスファイバ12
の長さL12=1(mm)及び曲率半径R12=75(μm)
とし、二乗形ファイバ13は長さL13を伝送光(波長1.
3μm)の蛇行周期の1/4の長さとし、集束パラメー
タをAg=250(μm)とした。集束パラメータAg
250(μm)の値は、二乗形ファイバ13において、
例えば、コアの半径a=25(μm),比屈折率差Δ=
0.5%の場合に相当する。図3において、●印は出射角
θ=0゜の光軸La上の光線に基づく入射角φ1と入射位
置h1 の解析値である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松村 和仁 栃木県宇都宮市若草2丁目1番12号 若草 第二住宅1−8号 (72)発明者 大石 勇 東京都千代田区丸の内2丁目6番1号 古 河電気工業株式会社内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 コアとクラッドとを有するシングルモー
    ドファイバの一端と、コアのない等方性の屈折率を有
    し、一端が凸曲面に加工されたコアレスファイバの他端
    とが、伝送光の蛇行周期の1/4の長さあるいはその奇
    数倍の長さの二乗形屈折率分布を有する二乗形ファイバ
    で接続されていることを特徴とするレンズ付きファイ
    バ。
  2. 【請求項2】 前記シングルモードファイバは、前記一
    端のコア径が拡大処理されている、請求項1のレンズ付
    きファイバ。
  3. 【請求項3】 前記凸曲面が球面である、請求項1のレ
    ンズ付きファイバ。
JP7044456A 1995-02-23 1995-03-03 レンズ付きファイバ Pending JPH08292341A (ja)

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JP7044456A JPH08292341A (ja) 1995-02-23 1995-03-03 レンズ付きファイバ
EP96903208A EP0759569A4 (en) 1995-02-23 1996-02-22 LENSED FIBER
US08/718,375 US5774607A (en) 1995-02-23 1996-02-22 Lensed-fiber with cascaded graded-index fiber chip configuration
PCT/JP1996/000398 WO1996026459A1 (fr) 1995-02-23 1996-02-22 Fibre equipee de lentille

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