JPS58168026A

JPS58168026A - 分布屈折率球芯型波長分波器

Info

Publication number: JPS58168026A
Application number: JP5034282A
Authority: JP
Inventors: Keisuke Kikuchi; 啓介菊地
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1982-03-29
Filing date: 1982-03-29
Publication date: 1983-10-04
Also published as: JPS6336643B2

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】この発明は、球面収差を補正すると同時に他の光学素子
と密着して一体化することを可能とする構造を備えた埋
め込み型分布屈折率球レンズに関するものである。

光通信、光情報処理、医療の分野ではレーザ光ｌコリメ
ートし、また、集光するための高性能す小型レンズ、い
わゆるマイクロオブテイクス用のレンズが不可欠である
。この要求を満たすべく、先に球対称分布屈折率尊名に
１分布に応じた厚さの球殻状クラッドとロード状クラッ
ドとを被せ、球面収差を補正すると同時に、ロンド部な
介して他の光学素子との密着一体化を可能とする不均質
屈折率レンズを提案したｃ％ｇｌｋｆ３５６〜６６６１
２号＃照：以下先願という）。これは球、ちの屈折率こ
う配のみならず球殻状クラッドの表球面のレンズ作用を
利用しているので、開口数ＮＡが０．４５椙度の大きめ
のものが得られ、光ディスク用ビツクアツプレンズへの
応用などＫも適していた。しかし、開口数ＮＡを大きく
するために、構造的に幾分複雑になり、厚さが一様な球
殻状クラッドを製作することが製作上液も離しいことで
あった。

ところで、光通信用結合レンズ、すなわち、光ファイバ
と他の光学素子などを結合するレンズについて考えて見
ると、光ファイバの開口ｅＮＡは島々０．２程度であり
、必ずしも先−のレンズのような開口数ＮＡの高いもの
を使用する必要はなく、球殻状クラッドを取り除き、代
りにロンド状クラッドを付けた簡易レンズが適用できる
ものである。

また、ロンド状クラッドのみ圧することによって、他の
光学素子との一体化に関しては一層自由度を増したもの
になる。

この発明は、上記の点にかんがみなされたもので、その
目的として、開口数ＮＡｔ’光ファイバの開口数ＮＡよ
り幾分多めの０．３程度とし、球面横収差がシングルモ
ード光ファイバ（以下ＳＭＦという）のコア径内圧収ま
る程度の数μｍで、他の光学素子との密着による一体化
を１先願レンズのものよりも完全に行えるようにし、し
たがって構造的ＫＩＩ固で、媒質の境界反射による損失
を少なくシ、シかも製作を容易にし、光通信、光情報処
理、レーザ医療へ利用される場合、高性能で高信頼性を
有するレンズを量産性よく提供するものである。

さて、この発明のレンズの基本的な構成を第１図（ａ）
Ｋ示す。この図において、１は球対称屈折率分布の縁石
で、均一屈折率の周囲媒質２に壌め込んだ球レンズ３と
したものであり、屈折率の関係を第１図（ｂ）　Ｋ示す
。なお、従来、均−屈折卓球を他の周囲媒質Ｋｌｌめ込
んだＢ　８　Ｌ　（Ｂｕｒｉｅｄ８ｐｈｅｒｅ　　Ｌｅ
ｎｓ）が開発されている。これは、他光学素子との一体
化に関しては非常に優れたレンズであるが、球面収差が
非常に大きい欠点があった。

モこで、この発ｌＩ！においては、屈折率が中心から周
辺に向って距離のはＳ：２乗で減少する縁石１′Ｉｋ堀
め込むことになるが、任意の屈折率を有する周囲媒質２
では未だ球面収差が残り、屈折率分布ｏ　（ｒ）のある
範囲のもので、かつ分布に応じて選ばれた屈折率ｎｄの
周囲媒質２Ｋしてはじめ【μｍオーダーの球面横収差に
することが可能になる。

なお、ｒｏは前記球芯１０半径、ｆは前記縁石１の中心
から焦点までの距離で、こ〜では周囲媒質２の端部に焦
点を位置させている。また％Ｈは入射高、ｒは半径方向
の距離、θは出射角を示す。

第２図は第１図の光学系で、入射する平行光を集光する
場合の入射高Ｈ／ｒ６と（横収差／　ｒ＠　）　ＸＩＯ
”との関係を、縁石１の４次分布係数Ｇ４と周囲の周囲
媒質２の屈折率Ｏｄの組なパラメータ和して示した図で
ある。この図において、４次分布係数Ｇ４＝−０，０１
６，屈折率ｎ４＝１．４５で収差は最小になっている。

なお、−線■はＱ、＝−Ｑ、０３２゜ａ４　＝　１．４
６、曲線■はＧ４　＝Ｏ、ｎ４　”　１．４４の場合で
あり、いずれもＮＡ：０．３．　ｎ（ｏ）＝１．６．　
　Ｇｌ＝−０，１としている。ここで縁石１の屈折率分
布ｎ’（ｒ）として、ｒ１″（ｒ）　ｔ−次の多項式で
表わしている。

ｎ”（ｒ）＝：ｎ重（０１（１＋Ｇ、（工ｒ＋Ｇ、（Ｌ
）’）　−−−−−・（１１ｒ６　　　　　　　　ｒ・このように収差を小さくできる球、１！＋１の各分布係
数Ｇｔ　ｅ　ｏ、の範囲を館３図に示す。この図で、実
線は屈折率ｎ−１一点鎖線は（横収差／　ｒｏ　）　Ｘ
　１０　’　＊点線は　ｆ／　ｒ＠　　であり、ＮＡ＝
　０．３．　ｎ（ｏ）＝　１．６とした。

与えられた各分布係数Ｇ□Ｇ４に対して、それを座標と
する点を通るパラメータ＜、実　ＪＬ）に周囲媒質２の
屈折率ｎ−を選ぶと、同じくこの点を通る等収差線（一
点鎖線）で示される横収差にできることを意味し１いる
。ここで横収差は、出射角θ＝０〜ｓｌａ　＋ｔ　ＮＡ
の間の横収差を第２図のように正負バラシスさせたとき
のピークで示している。また、（横収差／ｒｅ）Ｘｉｏ
”の値で記しているので、ｒ＠：”１１１１ｍのレンズ
として図に記した値がμｍ単位の横収差を与える。

第３図より横収差＜２Ｘ１０−”ｒ、　　のレンズｔＭ
折率差５％（Ｇ、ニー０．１）の縁石１で実現するには
、４次分布係数ｏ４ｔ−−ｏ、ｏ　２５＜Ｇ４＜−０，
００５に制御すればよい。

さて、この制御の難易を知るために、ガラスに屈折率分
布を付けるイオン交換過鴨で予想される分布係数（縦軸
）の時間（規格化拡散時間Ｄｔ、／ｒυに対する変化を
求めたのが１ｇ４図である。なお、初期条件は球１！Ｊ
１の内部屈折率ｎは１．５８．まっ先にイオンが拡散さ
れる球芯１の表面の屈折率ｎは下げられた値１．５とす
る。

縁石１の周囲から内部に屈折４ｃを下げるイオンが拡散
するとし、その屈折率変化はそのイオン濃度に比例する
とした。第４図から４次分布係数０４は時間とともに負
から正へと変っているので、第３図の収差を小さくでき
る領域を横切ることになるので、そこに入ったときにイ
オン交換を停止させればよい。さきの４次分布係数Ｇ４
の範囲に対応する時間は全時間の±５％に相当し、この
制御は難しくはない。

ここまでは、屈折率分布の４次分布係数Ｇ４まで考え６
次分布係数Ｇ、は０としてきたが、第４図から６次分布
係数Ｇ６がさ、き１の望ましい４次分布係数Ｇ４を与え
る時間範囲で正の値でかなり残っていることが分かる。

そこで、６次分布係数Ｇ６まで考慮した解析をし、第３
図のＧ、　−Ｇ、面ＫＧ・軸を加えた三次元図面の０４
−Ｇ、断面を示したのが第５図である。

この場合には、ｎ”（ｒｌ＝ｏ宜（ｏ）（１＋Ｇ２　（’　）”＋Ｇ４
　（”！＞４　＋ｏ、　（ｒ　＞＠　）ｒ　６　　　　
　　ｒ６　　　　　　　ｒ（１と展開される。

収差な少なくできる領域榛（一点鎖線で囲まれゐ）は、
６次分布係数Ｇ６の正の方向に拡がっており、第４図の
６次分布係数Ｇ、と同符号であること１に注目すべきで
ある。すなわち、イオン交換過積の制御が非常に楽にな
るのである。なお、この場合は０．＝−０，１で切った
断面を示し、他は第４図と同じである。

次に、この発明による埋め込み型分布屈折率球レンズの
製作に当たってのトレランスについて説明する。前記の
球レンズの設計の４１１１は、縁石１の分布に応じて周
囲媒質２の屈折率ｎ４を選ぶことにあるから、その屈折
率ｎ−のトレランスをまず調べる。

第６図Ｋ、与えられた分布の一例について、周囲媒質の
屈折率ｎ４と横収差の関係を示した。なお、ＮＡ＝０．
３．　ｎ１ｏｌ＝　１．６．　Ｑｔ＝−０，１，Ｇ４＝
−０，０２゜Ｇ、＝０．０５とした。この場合、ｎ４＝
１４１４で収差は極小になっているが、この値と同じ値
の周囲媒質を探すことは困難なので、レンズの使用目的
に応じてトレランスを知る必要がある。

いま、ＳＭＦのコア直径内（ご８μｍφ）に集光するこ
とを目標においてみると、横収差をその手分の４μｍに
抑えればよく、第６図から縁石１の半径ｒ０＝１１１ｍ
のレンズでは、屈折率ｎｄのトレランスは、±ｏ、ｏｏ
ｓとなる。たＸＬ、この値はＮＡ＝０．３のレンズない
つばいに使うとして得られたもので、実際の光ファイバ
（ＮＡ二０．１〜０．２）への結合では、レンズの一部
分しか使わないので、トレランスはもつと大きくなる。

もう一つ検討を要することは、縁石１の屈折率分布ｎ　
（ｒ）の測定に関するトレランスである。以上では正確
な分布を知ったとしてレンズ設計をしてきたが、Ｍ！ｉ
！には測定誤差があるので収差を大きめに見積って置か
ねばならない。

第７図（ａ）、　（ｂ）は２，４．６次分布係数Ｇ１゜
Ｇ４＃　Ｇ＠の誤差と見積らねばならない収差な示して
いる。いいかえると、収差をある範囲に抑えるためＫｌ
！求される分布係数の測定精度を示している。たＷＬ、
こ〜で大まかな目安な得るためＫ。

（横収差／ｒｅ）　Ｘ１０’＝４　（ｒ＠　＝１ｇとす
ると、横収差＝４μｍＫ相当する）の等収差締のみな示
している。こ工で分布係数の真の値Ｙｎ（ｏ）＝１．６
．　Ｇ宜＝−０，１，Ｇ４＝−０，０２，Ｇ、＝０．０
５として周囲媒質のｎ−を決めているので、収差は第７
図の斜線領域の中心で最も少なく、分布係数がそこから
はずれるにしたがって大きくなる。細長い（斜線）領域
なので、方向性があり、数値的に表わしにくいが、強い
て図のδＧｌ　、　ａ　Ｇ４．δＧ・方向で代表させる
と、ｒ・＝１簡のレンズで、さき０８ＭＦ（コア直径８
μｍφ）の径内に収差を収めるには、２゜４．６次分布
係数Ｇ、、　Ｇ、、　Ｇ・の中心からのはずれは、各々
±ｏ、ｏｏｓ、±０．０１．±０．Ｇ１内にすることが
要求され、それがとりもなおさず要求される測定精度で
ある。

さて、以上はこの発明による球レンズの基本形について
球面収差を少なくするための薄石１．ｊｌ［ｌ囲媒質２
の屈折率ｎｄの関係を述べてきたが、次に当レンズを用
いた光回路の構成例を示す。

第８図（麿Ｌ　（ｂ）、　（ｃ）は、光ファイバ４の間
に他の光学素子を挿入するための球レンズ３ｖ示すもの
で、光ファイバ４と球レンズ３は密着一体化され、２個
の球レンズ３０間隔は挿入する光学素子の長さに応じて
自由に選ぶことができる。光学素子の形状によってはそ
れをも一体化できる。

球レンズ３の開口数ＮＡは０．３程度、ＳＭＦである光
ファイバ４の開口数ＮＡはＯ，ｔ　Ｓ度であるから、球
レンズ３に余裕があり、第８図（ａ）、　（ｂ）のよう
に多数の光ファイバ４が１組の球レンズ３を共用するこ
とができる。第Ｓ図（暑）では多重度は７程度とれ、間
隙での光ビームを互いに平行にできることが長所である
。

第８図（ｂ）では、光ファイバ４からの光ビームが２個
の薄石１をはずれない範囲で光ファイバ４を並べられる
だけの多重度がとれる。例えば、薄石１の半径ｒ、＝＝
ｌＩＩＩ、球芯１間の間ｌｌｌ　二１０　ｒ６゜球レン
ズ３．光ファイバ４の開口数ＮＡ＆’それぞれ０．３お
よび０．１　、光ファイバ４の外径を５０μｍとして、
約３００になる。しかし、間９１部分で互いに交叉ビー
ムになるので、その影譬な受けない、使途に限定される
。なお、第８図（ｂ）では光ファイバ４と球レンズ３と
の密着面は球面にし、中心軸を離れた光ファイバ４から
の光束も間隙で平行ビームになるようＫしている。先願
のレンズの場合と異なり、この球面のレンズ作用は利用
していない。

第８図（Ｃ）は関＊Ｓ分をプリュスタ角で対面させ、空
気層が入っても反射損失ななくそうとしたものである。

第８１Ｅｌ（ｄ）はプリズム５の全反射を利用したもの
で、プリズムＳを矢印方向く出入りさせさるように構成
した光スィッチである。また、第８図（ｅ）は回折格子
６ｖ一体にして多波長を含む光ファイバ４からの各波長
の光を分ける分波器、あるいは逆に多波長の光を一本の
光ファイバ４に合流させる合波器と見ることもできるも
のである。

第８図（ｆ）は球レンズ１に干渉フィルタ７ｍ、７ｂや
反射鏡＠を組み合わせた第８図（ｅ）と同じく分波（合
波）優である。多波長λ８．λ１．λｍｅ’４を含む光
ファイバ４からの光を薄石１で平行ビームとし、反射Ｉ
ｍ！３で反射させた後、波長λ、の光のみ透過させ他の
波長の光を反射させる干渉フィルタ１１に入射させ、透
過した波長λ、の光は薄石１ｍの一部を使って集光され
、光ファイバ４１に注入される。干渉フィルタ１ｍで反
射した波長λ、。

λ１．λ、の光は、反射鏡３で反射させた後、今度は波
長λ宏のみ透過させ波長λ哀、λ４ｖ反射させる干渉フ
ィルタ７ｂＫ入射させ、透過した波長λ鵞の光は薄石１
ｍの前述とは別な部分を通し【集光させ光ファイバ４ｂ
に注入する。以下同様圧して、波長λ３．λ４も分離さ
れる。

上述の分波器は光線方向を逆に見ると合波器になる。１
ｇ８図（ｆ）の実施例はその紙面に垂直な断面が、第８
図（ｇ）に示す裏方状のものや、第８図（ｈ）に示す円
柱状のものが考えられ、第８図（ｈ）では同−尊名列（
紙面と直角方向に複数個配列されている）を共′通に放
射状に用い、多チヤンネル分波（合波）器の構成ができ
る。なお、符号Ｔは干渉フィルタを総称して示している
。

菖８図（１）は１１ｍの縁石１で絡・８図（ｆ）の実施
例と等価な分波（合波）器を構成したものである。紙面
に垂直な断面は第８図（ｊ）または（ｋｌに示すように
構成することができる。各々円柱状２球状のものであり
、後者は第８図（ｈ）と同様に多チャンネルの構成がで
きる。以上いずれも球レンズ（薄石１）の対称性と開口
数ＮＡがＳＭＦ（光ファイバ４）に比べて余裕があるこ
とを利用している。

籐８図＜１＞は２個の薄石１を嵩めたカプセル状媒質を
要素１１として多数個な球状継手１２でつないだフレキ
シブルな光パワー伝送路である。要素１１間の接触型１
１′には透明な潤滑油が塗布されている。第８図−は第
８図（勾の変形で液体状の周囲媒質１３に浸した尊名唱
の列で、球状継手１２で必要な間隔を保ち、かつ、フレ
キシブルにしている。これらの伝送路の先願における対
応する部分との相違は、媒質境界の屈折率段差が小さい
ため反射損が著しく少ないことである。したがってレー
ザメスなどの７レキシプル部とし【高性能が期待できる
。

以上詳細に説明したように、この発明は中心から周辺に
向ってはｙ距離の２乗で屈折率が減少している縁石な、
少なくとも中心屈折率ｎ　（ｏ）と、分布係数の２次、
４次の値Ｇ１５Ｇ４に応じて球面収差を極小にする屈折
率の周囲媒質に塚め込んで構成したので、下記に述べる
利点な有する。

（１１屈折率分布の制御を容易圧して、球面収差の少な
いレンズが得られる。数値例で示すと、開口数ＮＡが０
．３で横収差≦４μ、の球レンズを、縁石の半径ｒ６　
＝　１藺で実現するには、イオン交換時間を全時間の±
ｌθ％で制御し、周囲媒質を屈折率±０．４％の精度で
過ぺばよ〜１゜（１）　　光ファイバをはじめ他の光学素子との密着一
体化を可能にする。

（船　縁石の球対称性と余裕のある開口数を利用して多
重度の高い使用ができる。

Ｏｖ）　　媒質の境界間での屈折率差が小さく、損失が
低減できる。

（Ｖ）　　上記により竪固で高性能、多機能、高信頼性
のマイクロオプテイクス用レンズが提供できる。

【図面の簡単な説明】

［１図（麿）はこの発明の基本的構成を示す図、第１図
（ｂ）は各部の屈折率を示す図、第２図は第１図におけ
る入射高と横収差の関係な示す図、第３図は縁石の２．
４次分布係数が与えられたとき球面収差を極小にするた
めの周囲媒質の屈折率を決め、あわせて残留横収差、焦
点距離を求めるための図、第４図はイオン交換で予想さ
れる縁石の分布係数を規格化拡散時間に対して求めた図
、菖５図は６次分布係数まで考慮して収差な小さくでき
る範囲のＧａ　　Ｇｅ面を示した図、第６図は周囲媒質
の屈折率の選定に対するトレランスを示す図、第７図（
ａ）、　（ｂ）は縁石の分布係数の測定に対するトレラ
ンスを示す図、第８図（１）〜（ｍ）はいずれもこの発
明の実施例なそれぞれ示す図である。図中、１は分布屈折率の縁石、２は周囲媒質、３は球レ
ンズ、４．４ａ〜４ｄは光ファイバｓ　Ｌ。はプリズム、６は回折格子、Ｔ、’Ｔａ〜７ｄは干渉フ
ィルタ、８は反射鏡、１１は要素、１２は球継手、１３
は液体媒質である。１・−１１，゛指定代理人電子技術総合研究所長　等々力　−達ミ１　　・　゛第１図第２図 −４−２０２４（横収１／ｒｂ）算１０３第３図２次分布係数　Ｇ２第４図規格化拡散時間（Ｄｔ／ｒ：　）　− −０，０５００，０５ →　　４　ン欠　　分　　布　　係　　音に、　　　　
Ｇ４第６！！Ｉ第７図ｍｓ″Ｉ勤闘１°“− ４次分布９龜− 第８図第８図第８図（ｉ）　　　　　　（ｊ）第８図（１）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）中心から周辺に向って距離ｒの２乗で屈折率が減
少している尊名な、少なくともその中心屈折率ｎ　（ｏ
）と分布係数の２次、４次の値Ｇ＊ｅ０４に応じて選定
された屈折率の周囲媒質に埋め込んだこと１に％黴とす
る埋め込み型分布屈折率球レンズ。たｙし、前記ｎ（０）ｓ　Ｇａｙ　Ｇ４と屈折率分布ｎ
　（ｒｌの関係は前記尊名の半径なｒ６としてｎ”（ｒ）＝　ｎ”（ｏＪ（１＋０１　（１）”＋ｏａ
（−Ｌ＞’）ｒｌ）　　　　　　　　　ｔ。で表わされるものとする。
（２）　　周囲媒質の表面は平面であること１−ｓ像と
する特許請求の範囲第（１）項記載の埋め込み型分布屈
折率球レンズ。
（３）　　周囲媒質の表面は曲面であることをｌｆ！１
ＩＩｋとする特許請求の範囲＠　（１１項記載の埋め込
み型分布屈折率球レンズ。
（４）尊名は複数個からなることを特徴とする特許請求
の範囲第（１）項記載の埋め込み型分布屈折率球レンズ
。