JPS6338909A - レンズ付光フアイバ - 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） 本発明は、光出射素子もしくは受光素子と光フアイバ間
を効率良く結合させ、しかも小形に構成できるレンズ付
光ファイバに関するものである。

（従来技術と問題点） 小形で高性能な半導体レーザ（ＬＤ）モジュールや受光
ダイオード（ＡＰＤ）モジュール等の光回路部品を実現
するために、ＬＤやＡＰＤ等の光機能素子と光フアイバ
間を効率良く結合させ、しかも小形に構成できる光結合
装置が必要である。

特に、複数の光機能素子を集積化した光集積回路部品で
は、光機能素子の微細化、高集積化に伴って、その光集
積回路部品全体の大きさに対して、光結合装置の大きさ
の占める割合が大きくなるため、光結合装置を小形化す
る事が、光回路部品を小形化する上で必要不可欠になる
。

従来の単一モード光ファイバ（ＳＭＦ）用ＬＤモジュー
ルの光結合装置の例を第７図、第８図に示す。

第７図は、微小レンズ付５ＭＦ２で構成する光結合装置
を用いたＬｌ）モジュールであり、ＬＤｌからの出射光
ビームを５ＭＦ２の先端に形成した微小レンズ３により
５ＭＦ２のコア部４に入射ざせている。この光結合装置
では、部品数が比較的少ないので、小形に構成できる利
点がある。しかし、レンズ部が１μｍ以下の軸ずれを生
じただけで、結合効率が数ｄＢ低下するため、高精度な
組立技術を必要とし、その製作性や信頼性に問題があっ
た。

第８図は、第２レンズ分割形共焦点複合レンズ系の光結
合装置を用いたＬＤモジュールである。

図中のレンズ５（第２−２レンズ）は、５ＭＦ２と一体
化し、固定されており、この一体化部６は擬似ファイバ
と見なすことができる。この装置では、ＬＤｌからの出
射光ビーム７は、第ルンズ８によりほぼ平行光に変換さ
れ、第２−ルンズ９と第２−２レンズ５により５ＭＦ２
のコア部４に結合される。通常用ルンズ８として球レン
ズが、第２−ルンズ９．第２−２レンズ５として集束性
ロッドレンズが使用される。この光結合装置では、第７
図の光結合装置と比較して、各レンズ（第ルンズ、第２
−ルンズ）部および擬似ファイバ６の許容軸ずれ］が大
きいため、ＬＤモジュールの製作性、信頼性が優れてい
る利点を有している。

これら従来の光結合装置で使用されているレンズ付光フ
ァイバの構成例を第２図（Ａｌ（Ｂ）（Ｃ）に示す。第
２図（八）は第７図の光結合装置で使用されるレンズ付
光ファイバの一例の拡大一部所面図であり、１０は５Ｍ
Ｆ２のクラッド部である。５ＭＦ２の端面部３は、化学
エツチング法や放電溶融法等により球面状に加工されて
おり、端面の曲率半径ｒ、端面部３の長さｄは、このレ
ンズ付光ファイバの使用目的に応じて、数μｍから１０
０μｍ程度の範囲内の大きさに形成される。本レンズ付
光ファイバの場合、５ＭＦ２の端面を加工してレンズ部
を形成しているため、レンズ部の外径を光ファイバの外
径より小さくでき、小形に形成できる利点を有している
。

しかし、このレンズ付光ファイバでは長さｄの大きさを
コア部４の半径より大きくすることが困難であり、実現
できるレンズパラメータ（像倍率。

焦点距離）の大きさに制限があった。またエツチング法
や溶融法によりレンズ部を形成していたため、その形状
・大きさを精度良く製作することが困難であり、製作性
、製造歩留まりの点においても問題があった。

第２図（Ｂ）、第２図（Ｃ）は第８図の光結合装置や、
コリメータ等に使用される従来のレンズ付光ファイバの
拡大一部所面図である。第２図（Ｂ）（Ｃ）において、
１１は球レンズ、１２は反射防止板、１３はフェルール
、１４はレンズとファイバ等の一体化ホルダー、１５は
集束性ロンドレンズである。

これらの構成部材は互いに接着剤や半田等により固定さ
れている。

第２図（Ｂ）に示すレンズ付光ファイバの場合、球レン
ズ１１の外径は、５ＭＦ２の外径より大きいため、この
光結合装置の大きさは、球レンズ１１や一体化ホルダ１
４の大きさで１−１限される。さらに光結合ｖｔ置を構
成する部品点数が多く複雑な構成になる欠点を有してい
た。また、反射防止板１２は、５ＭＦ２の端面に光学接
着剤を介して貼り合わせであるが、長期間使用する間に
光学接着剤が劣化し、この貼り合せ部に気泡が発生した
り、反射防止板１２がはがれるなど、信頼性上の問題も
あった。

第２図（Ｃ）に示すものの場合、第２図（Ｂ）の反射防
止板１２のかわりに、レンズ１５と５ＭＦ２のつき合せ
端面部を斜めに構成することにより、この端面部におい
ての反射光対策を施こしている。

この場合も第２図（Ｂ）の例と同様に、構成が複雑であ
り、バルクレンズを用いるため、小形化が困難であった
。

（発明の目的） 本発明の目的は、以上の従来のレンズ付光ファイバの欠
点を解決した小形で高性能なレンズ付光ファイバを提供
することにある。

（問題点を解決するための手段） 本発明は上記目的を達成するため、第１の光ファイバと
、該第１の光ファイバのコア径より大きいコア径のステ
ップインデックス形の第２の光ファイバとを備え、該第
２の光ファイバの片端面もしくは両端面を球面状に形成
してレンズとなし、該第１の光ファイバの光軸と該第２
の光ファイバの光軸が一致するように両光ファイバを対
向配置させた。

（作　用） 本発明によれば、レンズ用ファイバの長さと、その端面
の曲率半径の大きざを適当に組合せることにより、この
レンズの焦点距離や主点の位置を任意に実現できるので
、使用目的に応じた最適なレンズを形成でき、結合効率
が優れた高性能なレンズ付光ファイバを実現できる。ま
た、レンズとしてファイバを用いるので、レンズ部分を
小形に構成できる。さらにレンズをピグテールファイバ
端面に融着することにより高安定で高信頼なレンズ付光
ファイバを実現できる。

（実施例） 第１図は、本発明の一実施例を示す拡大一部所面図であ
り、従来例と同一構成部分は同一符号をもって表わす。

すなわち、１６はステップインデックス形多モード光フ
ァイバであり、その外径はピグテール５ＭＦ２の外径と
同じになっている。

フェルール１３内で５ＭＦ２の端面と接触するように光
ファイバ１６は一体化されている。この光ファイバ１６
は、一方の端面が球面状に形成されており、このコア部
１７の径は５ＭＦ２のコア部４の径より大きく、全体と
してレンズとなる。

第３図は第１図の光ファイバ（レンズ）１６の拡大図で
ある。その長さをｄ、端面の曲率半径をｒ、コア部１７
の屈折率をｎとすると、その焦点距離ｆ、主点Ｈ１・Ｈ
２のレンズ端面からの距離ｈ１　・ｈ２は、 の関係で与えられる（参考文献：　ＡＤＩ）ｔｉｅｄ　
０ｐｔｉｃｓＶｏ１．２４　、Ｎｏ、１９．　Ｐ、３１
３４．１９８５　）　、この関係式より、ｄ、ｒの大き
さを適当に設定することにより、任意のレンズパラメー
タを実現できる。例えば、レンズ１６の端面は、ガスバ
ーナや放電加工法等の溶融法や、化学エツチング法ある
いは研磨法等により球面状に形成される。また、切断法
や研磨法等により、レンズ１６の長さｄは任意の大きさ
に加工される。

次に、第１図のレンズ付光ファイバを第７図に示すよう
な単一モード光ファイバ用ＬＤモジュールの光結合装置
に使用する場合について説明する。

この場合、ＬＤｌからの出射光ビームは、通常ガウスビ
ームとして扱うことができる。ＬＤ出射端面でのビーム
のスポット径をＷＬＤ、５ＭＦ２のコア部４における光
ビームのスポット径をＷＦとすると、レンズ１６により
、ＬＤｌからの出射光ビームをＷＦ／ＷＬＤ倍の大きさ
に像変換させ、しかも、ＬＤ出射端面の光ビーム像を、
５ＭＦ２の端面部に結像させれば良い。ここでＷＦ／Ｗ
ＬＤは像倍率ｍである。したがって、式（１）の各レン
ズパラメータの関係と、幾何光学的結像法則より、レン
ズ１６の長さｄ、端面の曲率半径ｒは、ｄ−ｒ　（ｍ＋
１　）　ｎ／　（ｎ−１）　　　　（２）なる関係の大
きさにすれば良い。通常、ＷＬＤは１μ量程度、Ｗ［は
５μｍ程度であるので、ｍ−５とする。また、レンズ１
６として石英ファイバを用いると、ｎは１．４５程度で
あるので、ｄ＝２０ｒの関係が得られる。レンズの製作
性を考慮して、例えばｒ＝７０μｍとすればｄ＝１．４
ａｍにすれば良い。

以上の実施例の場合、結合効率として一３ｄＢ以上の高
性能な光結合装置を実現できる。しかも、レンズとして
光ファイバを使用しているので、小形に構成できる利点
がある。

第１図のレンズ付光ファイバを第８図の単一モード光フ
ァイバ用ＬＤモジュールの光結合装置に使用する場合は
、以下のようにすれば良い。レンズ付・光ファイバにお
ける光ビームの集束の様子を第４図に示す。ここで、Ｗ
’　Ｆは第８図の光結合装置の第２−ルンズ９から出射
した光ビームの最小スポット径であり、レンズ１６によ
り５ＭＦ２の端面にスポット径ＷＦに変換される（参考
文献：　ＩＥＥＥ　Ｊ、ＬＴ−３，４，７３９，１９８
５）。式（２）と同様に、式（１）と幾何光学的結合法
則より、 ｄ＝ｒ　（ｍ’　−１）　ｎ／　［ｍ’　　（ｎ−１）
　］　（４）の関係にずれば良い。ここでｍ′は像倍率
（＝Ｗ’　Ｆ　／ＷＦ　）である。通常、ｍ′は３程度
であるので、レンズ１６として石英ファイバを用いた場
合、ｄ舘２ｒの関係にすれば良い。例えばｒ＝６００μ
ｍとずれば、ｄ＝１．２１１ＩＩＨにずれば良い。以上
の実施例の場合、結合倍率が一３ｄＢ以上の高性能な光
結合装置を実現できる。

以上の実施例では、レンズパラメータの設定にあたって
幾何光学的結像法則にもとずいた設計方法を示したが、
例えば光ビームをガウス波として扱ツタ結像法則（参考
文献：　Ｂｅ１ｌ　Ｓｙｓ、Ｔｅｃｈ、Ｊ、、Ｖｏｆ　
４４．ｎｏ３．Ｐ、４５５〜４９４．１９６５）にもと
すいて設計ずれば、さらに高性能なレンズを実現できる
。

また、第１図の実施例において、レンズ１６と５ＭＦ２
の突き合せ部１９の各端面を第２図（Ｃ）の例のように
光軸に対して斜めに構成すれば、この突き合せ部に対す
る効果的な反射光対策を施こ１ことができる。

第５図は、本発明の他の実施例を示すもので、レンズ１
６と５ＭＦ２の端部品１９を、ガスバーナや放電加工法
等により融着させたものである。

この場合、レンズ１６と５ＭＦ２が融着されているので
、通常の１本の光ファイバと同様に取扱うことができる
ために、光結合装置の組立時の製作性が良い。また、レ
ンズ１６と５ＭＦ２の突き合せ端部品での光ビームの反
射を抑制できるので、動作安定性・信頼性の優れたレン
ズ付光ファイバを実現できる。

第６図は、レンズ付光ファイバの本発明による他の実施
例におけるレンズ部の形状を示したものであり、光ファ
イバ１６の両端面を球面状に形成したものである。第１
図の実施例と同様に、このレンズ２０を５ＭＦ２とフェ
ルール１３内で一体化することによりレンズ付光ファイ
バを実現できる。

以上の実施例では、単一モード光ファイバ用光結合装置
に用いるレンズ付光ファイバの場合を説明した。多モー
ド光ファイバ用光結合装置に用いるレンズ付光ファイバ
の場合、ピグテール光ファイバが多モード光ファイバに
なるので、レンズとしてコア径の大きざがこのピグテー
ル光ファイバのコア径より大きい光ファイバを用いれば
、同様に本発明の効果を得ることができる。

また、以上の実施例ではレンズとして、その端面を球面
状に形成する場合を説明したが、例えば楕円面や、放物
線状の曲面等レンズ収差が小さい曲面にずれば、さらに
高性能なレンズ付光ファイバを実現できる。

本発明によるレンズ付光ファイバは、以上で説明した光
結合装置以外に、例えばコリメータや、その伯の光結合
装置に適用可能なことは自明である。また、ＬＤモジュ
ール以外に、受光ダイオードモジュールや、その他の光
回路部品の光結合装置にも適用可能である。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明によるレンズ付光ファイバ
では、レンズとして光ファイバを用いているため、極め
て小形に構成できる利点がある。

また、レンズとして光ファイバの端面を球面状に加工し
、その長さを適当な大きさにすることにより、任意のレ
ンズパラメータを実現できることから、結合効率が優れ
たレンズ付光ファイバを実現できる。さらに、レンズと
光ファイバを融着により一体化しているので、安定性・
信頼性の優れたレンズ付光ファイバを実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すレンズ付光ファイバの
拡大一部所面図、第２図（Ａ）　（Ｂ）　（Ｃ）は従来
のレンズ付光ファイバの構成を示す拡大一部所面図、第
３図は本発明によるレンズ付光ファイバのレンズの拡大
図、第４図はレンズ付光ファイバの光ビーム結像原理を
示す図、第５図は伯の実施例を示すレンズ付光ファイバ
の拡大一部所面図、第６図は他の実施例を示すレンズの
拡大図、第７図及び第８図は従来の単一モード光ファイ
バ用ＬＤモジュールの光結合装置の構成図である。 １・・・半導体レーザダイオード（ＬＤ）、２・・・単
一モード光ファイバ（ＳＭＦ）　、４・・・コア部、１
０・・・クラッド部、１３・・・フェルール、１６・・
・光フアイバレンズ、１７・・・コア部、１８・・・ク
ラッド部、１９・・・レンズ−ファイバ突合せ部。 第２図 （Ｂ） （Ｃ） 第３図 第４図 第５図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１の光ファイバと、該第１の光ファイバのコア
   径より大きいコア径のステップインデックス形の第２の
   光ファイバとを備え、該第２の光ファイバの片端面もし
   くは両端面を球面状に形成してレンズとなし、該第１の
   光ファイバの光軸と該第２の光ファイバの光軸が一致す
   るように両光ファイバを対向配置させたことを特徴とす
   るレンズ付光ファイバ。
2. （２）第１の光ファイバの端面と、第２の光ファイバの
   端面とを融着によって一体化させたことを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載のレンズ付光ファイバ。