JPS61138905A - 光結合装置 - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、光結合装置に関するものであり、とりわけ
、光フアイバ通信に使用する送受信器に２いて、発光素
子から放射される近赤外光を光ファイバに入射するため
の光結合装置に関するものである。

〔従来の技術〕

以下、従来技術について述べる。

第７図は、Ｙ、Ｔａｃｈｉｋａｗａらによるｔｏｏｃ、
ｔｔｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　ｃｏｎｆｅｒｅ
ｎｃｅ　ｊＯｃコー／（１９ｇ、）、ｌ、、３０発表）
（以下、文献と呼ぶ）に示された光結合装置であり、（
１）は発光素子であるレーザダイオード（以下ＬＤと略
丁）、（２）はサファイヤでなる球レンズ、（３）はＬ
Ｄ（υＶ）らの光が入射される元ファイバ、（りはＬＤ
（メンを気密封じするとともに丈７アイヤ球レンズ（２
）を保持する千ヤノプである。

第５図は光結合装置の結合効率馨計算する方法を説明す
る図であり、ＬＤ（υの発光中Ｉシ・を頂点とする極Ｆ
Ｓ、標をとり、元軸まわりの回転角をψ、光軸をなす角
をθとするーレンズ（ｒ）および光ファイバ（３ンの大
ぎさに比べて、Ｌ　Ｄ　（１）の発光面積はきわめて小
さいので、Ｌ　Ｄ　（１）は点光源と近似する６ＬＤ（
１）からθ、？方向に放射される単位立体角当たりの電
力密度をＷ（θ、ψ）、その方向に放射された光がレン
ズ（！ンを介して元ファイバＣＪ）に結合される割合を
Ａｃ　（θ、ψ）とすると、ＬＤ・ファイバ間結合効率
ηは次式で与えられろ。

ここで、Ａｃ（θ、ψ）は、ＬＤ（１）から放射光が光
ファイバ（３）端面に入射する位置および方向を光線追
跡法により求め、これらと光ファイバ＜３）の受光条件
を比較することによって求められる。

元ファイバ（３）への入射光の入射点とファイバコア中
心との距離なｒｉｎ、コア半径をｒ。、光ファイバ（３
）の入射角をθ、ｎ、入射点での光ファイバ（３）の受
光角をθＬｏｃａｌ　　とすると、Ａｃ（θ、９）は矢
のように表わされる。

ｒ、＜ｒ　　かつθ、。くθ　　　の場合ｌｎ　　　　
ＣＬｏｃａｌ Ａｃ（θ、ψ）　＝　　／、Ｏ ｒ、Ｚｒ　　またはθ　〉θ　　　の場合ＬｎＣｉｎ　
　　　　Ｌｏｃａｌ Ａｃ　（θ、ψン＝０　　　　　　　　・・・・・・（
−）な２、θＬｏｃａｌは、コア中心での最大受光角θ
、を用いて欠のように表わすことができろ。

一般に回転対称な単レンズ結合系では、次のような有効
角θ　　が結合光学系と光ファイバの組ｆｆ 合わせに固有の値として存在する。

１　θ≦囁、の場合 （り弐を用いて（１）式を曹ざ換え／ｂと、次式を得る
。

（す）式は、Ｌ　Ｄ　（１）から有効角ｏｅｆｆ内に放
射される電力のみが元ファイバＣＪ）に結合されること
を意味する。この有効角θ。、ｆのなす開口を有効ＮＡ
と定義する。ある元ファイバと組合わせたときに。

有効ＮＡが大きな結合光学系はどＬＤφ７アイパ間結合
効率が犬ぎくなることはいうまでもない。

元ファイバを用いた情報伝送において、光ファイバ内電
力を増加させることは、伝送距離、伝送特性の改善の点
で重要な課題となっている。従来、発光素子からの放射
光を光７アイパに導くには、光学ガラス製のレンズを用
いていたが、このレンズでは収差が犬ぎいため、元ファ
イバのコア部に入射する元はきわめて少なかった。

ｊｇ７図に示した例について、前記の文献によると、サ
ファイヤの球レンズ（りの直径は２藷、屈折率は約／、
７　Ａ　、元ファイバ（３）のコア径は弘Ｏμｍである
。

第９図および第７０図は、この結合系が最適に配置され
たときの、ＬＤ（１）の放射光が光ファイバ（，７）へ
入射する状態を示すもので、第９図は、光線追跡図であ
り、図中の座標（０，０）に位置するＬＤ（υから放射
する光線が、サファイヤ球レンズ（２）で屈折され、光
ファイバ（３）に入射する様子を示している。

第１Ｏ図は収差曲線であり、Ｌ　Ｄ　（１）から放射さ
れた光線の放射角θを縦軸に、その光線か光ファイバ（
３）の端面へ入射する入射点と光軸との距離ｒ工。を横
軸にとって各光軸のθとｒ工。の関係を示した。コア径
がＵＯμｍの光ファイバ（Ｊ）に結合される光線はｒ工
。≦コＯμ雇でなげればならず、第７０図より、この条
件を満たす光線はθ＝／　ｉ／’の光線でなければなら
ないことがわかる。（２）式は、有効角θ８０．を決定
する要因は、光ファイバ（幻への入射光の入射点の位置
と入射角がともに元ファイバ（３）への入射条件乞満た
すことであることを示している。第１０図に示した条件
は入射点の位置に関する条件のみであるが、一般Ｋ、第
２図に示すように、ＬＩ）’Ｌ’ンズ間隔に比べてレン
ズ・ファイバ間隔が何倍もある光学系、すなわち、倍率
の大きな光学系では、この位置に関する条件のみで有効
角θ　　が決まる。

ｅｆｆ 〔発明が解決しようとする問題点〕 従来の光結合装置では、以上のように、第７図に示した
結合系での有効角θ　　は／Ａ、１０となｆｆ す、Ｌ　Ｄ　（１）からの放射光のうち／　／１．／’
内に放射される光のみしか光ファイバ（３）に結合され
ないことがわかる。このような結合系では、Ｌ　Ｄ　（
１）からの放射光が有効に元ファイバＣ３）に結合され
ないという問題点があった。

また、結合効率を犬ぎくする方法の１つとして、粘合光
学系の焦点距離乞小さくすることによって収差を低下さ
せる方法が考えられろが、この方法では最適なＬＤ−レ
ンズ間隔が小さくなり、ＬＤへの戻り光が多くなること
、組立て精度が厳しくなること等の問題点があった。

この発明は、かような問題点を解決するためになされた
もので、結合効率を増大することができろ光結合装置を
侮ることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係る光結合装置は、焦点距離を長く保ったま
まで収差を低下させるには、高屈折率材料を用い、緩い
曲率であっても大きな屈折率を得る方法が有効である点
に着目し、篩屈折率材料としてＣ）ａＡｓ、ＣｄＴｅ、
Ｚｎ５ｅ、ＫＲ３ｊ　、ＡＳ２ＳＪｇｌａＳＳ、ＺＩＩ
Ｓ。

ＡｇＣｌのいずれか１つを用いた球面レンズを光結合器
としている。

〔作用〕

元ファイバを用いた通信におい−〔は、波長が、ハλ〜
／、ｊ−μｍの帯域が重要である。この発明に係る光結
合系のレンズの材料として用いられろ０ａＡｓ　。

Ｃ−ｄＴｅ　、Ｚｎ５ｅ　、ＫＲ３ｊ　、Ａｓ、８．ｇ
ｌａｓｓ　、　ＺｎＳ　、ＡｇＣｌは、波長が八〇〜１
０μｍの近赤外光に対して透明である。また、その透過
域に２ける屈折率はＣ）ａＡｓがＪ、、７ＳＣｄＴｅが
ユ、ざ、Ｚｎ５ｅがλ、４ｔり、ＫＲ８ｊがユ４　ｔ、
Ａｓ、ｓ、ｇｉａｓｓがコ、≠！、ＺｎＳがλ、Ｊ、Ａ
ｇＣｌが−，０２で、通常の光学ガラスの屈折率／、、
ｌｔ程腿よりはるかに大きい。

一般に屈折光学系、においては、屈折力が同じであって
も、屈折面の両側の屈折率の比を犬す＜シて屈折面の曲
率を小さクシ（平面に近く）−ｆる方が収差か小さくな
る例が多い。

従って、ＧａＡＳ　、　ＣｄＴｅ　、　Ｚｎ５ｅ　、　
ＫＲ８ｒ　、　Ａｓ、Ｓ、ｇｌａｓｓ　。

ＺｎＳ　、　ＡｇＣｌは近赤外光用低収差屈折光学系用
レンズ材料として適しており、これらの材料による球面
レンズを用いた光結合装置では高い結合効率が期待でざ
る。

〔実施例〕

この発明の実施例として、以下、高屈折率材料としてＧ
ａＡｓを用いた場合について説明する。

第１図はこの発明の第一の実施例を示し、ＬＤ（１）か
ら放射されろ近赤外光（６）は、ＧａＡｓ結晶を球状に
研磨して作られた球レンズ（７）で屈折すれて光ファイ
バ（Ｊ）に入射する。球状の加工物は、ボールベアリン
グのボールと同様にして、工業界ではきわめて安価に高
精度のものを得ＱことがでさΦ。したがって、球レンズ
（７）を用いた光結合器はコストと精度の点で優れてい
る。

第２図は第１図の実施例に２いて具体的な数値をあては
めた例における光線追跡図である。ＬＤ（１）は図中の
座標（ｔＪ、Ｏ）に位置し、球レンズ（７）の直径は！
朋であり、光ファイバ（３）のコア径は１１０μ乳であ
ると仮定して、有効角θ　　が最大とｆｆ なるようにＬＤ・レンズ間隔をダ０μ扉、レンズ・光フ
アイバ間隔を３．２ｒｍｗに選んだ。

第３図は第一図に示した例におけろ収差曲線を表わし、
各光線のＬＤ（１）からの放射角θを縦軸に、その光線
が光ファイバ（３）の端面へ入射する点と光軸との距離
ｒエユを横軸にとった。この図より、コア径がダＯμｍ
の光ファイバ（３）に結合される光線はθ≦２　’ｌ、
ｔ０の光線であることがわかる。

先にも述べたように、ここで考えているような倍率の大
きな結合系では、光ファイバ（３）の入Ｉｔ角に関する
条件は支配的ではないので、この角度が有効角θｅｆｆ
　　となる。すなわち、第二図に示した例では、ＬＤ（
υかもの放射光のうち放射角θが２、ｐ　ｆの光線まで
元ファイバ（Ｊ）に結合することができ、このような構
成で筒い粘合効率の光結合装置が実現できることかわか
る。

第一はＩは第二の実施例を示し、Ｌ　Ｄ　（１）から放
射される近赤外光（幻はｄａＡｓ結晶を半球状に研磨し
て作られた半球レンズＣｇ）で屈折されて光ファイバ（
Ｊ）　Ｉｃ入射する。第一の実施例のように、ＧａＡｓ
結晶製球レンズを光結合器として用いろ場合は、ＧａＡ
ｓの屈折率が太きいため、レンズの直径に比べ、焦点距
離がきわめて短くなる傾向がある。第一の実施例の説明
において具体的な数値をあてはめた例では、球レンズ（
７）の直径が！順もあるの忙対し、ＬＤ・レンズ間隔が
弘θμｍしかｌよいのはこの結果である。ＬＤ・レンズ
間隔が短いと、レンズ表面からのＬＤ（υへの戻り元に
よるＬＤ動作の不安定化、結合光学系の組立ての困難さ
、の点から問題が生ずることがある。ＧａＡｓｔ−晶Ｈ
球ノノズ（７）においてり、Ｄ−ノノズ間隔を太キクす
るには、レンズの直径が極端に犬ぎくなり、結合光学系
の構成上不都合が生じることがあるが、第グ図に示した
実施例は、球レンズのＬＤ側も球の中心まで削り、ＬＤ
（１）側の屈折力を減することにより、直径が小さな半
球レンズ（ざ）で長い焦点距離を得ることができる。

第５図は、上記第二の実施例において具体的な数値をあ
てはめた例における光線追跡図である。

ＬＤ（υは図中の座標（０，ＯＪ　ｌ’ｃ位置し、半球
レンズ（ζ）の直径はコ議翼であり、光ファイバ（３ン
のコア径ｐｏμ乳であると仮定して、有効角θ。、。

が最大となるようにり、Ｄ・レンズ間隔を２ＪＯμｍ、
レンズ・光フアイバ間隔なｉ、ｔｔｓｐ、罵に選んだ。

第６図は、ＷＪｊ図に示した例におけろ収差曲線を表わ
し、各光線のり、Ｄからの放射角θを縦軸に、その光線
が光７アイバ端面へ入射する点と光軸との距離ｒ、Ｑを
横軸にとった。この図より、コア径かり０μｎＬの光フ
ァイバに結合される光線はＯ≦２ざｏｃｋの光線である
ことがわかる。先にも述べたように、ここで考えている
ように、倍率の大きい結合系では元ファイバ＜Ｊ）への
入射角に関ｉ−７５条件は支配的ではないので、この角
度か有効角θ、Ｒとなる。すなわち、第５図に示した例
では、ＬＤ（υかもの放射光のうち、放射角θが２　Ｋ
、００の光線まで光ファイバ（Ｊ）Ｋ結合することがで
き、このような構成でρＪい結合効４の光＃百合装置が
実現できることがわかる。

次に平面端が曲面端の曲率中心を含まないレンズ、すな
わち、平凸レンズについて考える。この平凸レンズは前
記の半球レンズ（Ｉｆ）の平面端に。

平行平板を追加もしくは削り取った形状と考えろことが
でき、その集光特性は半球ノノズの特性と、追加もしく
は削り取った平行平板の特性の重ね合わせを表わすこと
ができろ。一般に平行平板の屈折力は半球レンズのもつ
屈折力に比べてはるかに小さいため、平凸レンズの集光
特性は半球レンズの集光特性とほとんど変らない。した
がって、第二の実施例で半球ノノズ（す）について行っ
たａ明は、一般に平凸レンズについても近似的に適用で
さ、Ｇａｌ＋製平凸Ｖンズノノいた場合と同様の効果が
期待でさる。

先に述べたように、ここで考えている光学系はＬＤ・レ
ンズ間隔に比べて、レンズ・光フアイバ間隔が何倍もあ
る光学系、すなわち倍率の大きな光学系である。「一般
に物体または像のうちレンズより遠いものの側に曲率の
犬ざい面を向けた方が球面収差が少なくなる」　（久保
１）広著二　［応用光字」；合波書店より引用）ことか
ら、半球レンズもしくは平凸レンズを用いて発光素子と
光ファイバを結合させる場合には、曲率の犬ぎい面をレ
ンズから遠いものである光フアイバ側に向けた方が、す
なわち、曲率の小さい側である平面側を発光素子と対向
させた方が球面収差を小さくできろＯ なお、以上に述べた実施例では、高屈折率材料としてＧ
ａＡｓを用いたが、ＣｄＴｅ、Ｚｎ５ｅ、ＫＲ８ｊ。

Ａｇ、Ｓ、ｇｌａｓｓ　、　ＺｎＳ、ＡｇＣｌのいずれ
か１つを用いても、同様の高い結合効率が実現できる。

また、以上はレンズの表面反射については述べｔｘかっ
たが、上述のように高屈折率のレンズを用いる場合、フ
レネル反射を防止するためにレンズ表面に無反射コーテ
ィングを施す必要があることはいうまでもない。

さらに、以上は、発光素子としてレーザダイオードを用
いたが１発光素子として発光グイオー・ド、その他の発
光体を用いても、同様の効果が得られることはいうまで
もない。

〔発明の効果〕

この発明は、以上の説明から明らかのように、高屈折率
の球面レンズを光結合器として用いたこと九より、発光
素子から放射される光を、旨い効率で光ファイバに入射
させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第一の実施例の要部側面図、第一図
、第３図はそれぞれ上記第一の実施例を具体化した場合
においてＬＤの放射光が光ファイバへ入射する態様を示
す線図、第弘図は第二の実施例の要部側面図、第ｊ図、
第６図はそれぞれ上記第二の実施例を具体化した場合に
おいてＬＤの放射光が光ファイバへ入射する態様を示す
線図、第７図は従来の光結合装置の側断面図、第ｇ図は
光結合装置の結合効率を計算する方法を説明するための
側面図、第９図、第７０図はそれぞれ従来の光結合装置
においてＬＤの放射光が光ファイバへ入射する態様を示
す線図である。 ＣＩ）・・レーザダイオード（発光素子）、（３）・・
光ファイバ、（６）・・近赤外光（放射光）、（７）・
・球レンズ（球面レンズ）。 なお、各図中、同一符号は同一または相当部分を示す。 幣３図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）発光素子と光ファイバとの間に設けられ、前記発
   光素子からの放射光を前記光ファイバに結合させる光結
   合器を有する光結合装置において、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ
   、ＺｎＳｅ、ＫＲｓ５、Ａｓ＿２Ｓ＿３ｇｌａｓｓ、Ｚ
   ｎＳ、ＡｇＣｌのいずれか１つを材料とした球面レンズ
   でなる前記［’光結合器を備えてなることを特徴とする
   光結合装置。
2. （２）球面レンズが球レンズである特許請求の範囲第１
   項記載の光結合装置。
3. （３）球面レンズが平凸レンズである特許請求の範囲第
   １項記載の光結合装置。
4. （４）平凸レンズが半球レンズである特許請求の範囲第
   ３項記載の光結合装置。
5. （５）平凸レンズの平面側を発光素子と対向させた特許
   請求の範囲第３項記載の光結合装置。