JPWO2006082625A1

JPWO2006082625A1 - 光ファイバ結合部品及びその製造方法

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Publication number: JPWO2006082625A1
Application number: JP2006519028A
Authority: JP
Inventors: 宏善松村; 鈴木　太郎; 太郎鈴木; 阿知波　徹; 徹阿知波
Original assignee: Toyo Glass Co Ltd
Current assignee: Toyo Glass Co Ltd
Priority date: 2005-02-01
Filing date: 2005-02-01
Publication date: 2008-06-26
Also published as: US20080131052A1; US7603008B2; WO2006082625A8; WO2006082625A1

Abstract

調芯作業の困難さを低減させ、結合損失が少なく、光学特性が劣化しない光ファイバ結合部品を開発する。屈折率調整物質としてSb2O3、Ta2O5、TiO2又はZrO2から選択される１種以上を含有する石英ガラスでなるＧＲＩＮレンズの一端に光ファイバを融着する。接着材を用いないので光学特性の劣化がなく、自己配列効果によってＧＲＩＮレンズと光ファイバの調芯が容易にできる。また、ＧＲＩＮレンズの屈折率分布定数ｇを適宜の範囲とすることで結合損失をきわめて小さくすることができる。

Description

本発明は、光ファイバ結合部品、すなわち光通信において使用される半導体レーザ等の発光源と光ファイバとを高効率で結合するレンズ付き光ファイバ、及びその製造方法に関するものである。

半導体レーザと光ファイバとを高効率で結合する技術は、光通信においては最も重要な技術の一つである。例えば、従来から光ファイバ先端を球面に形成した先球ファイバによる方法（米国特許第３，９１０，６７７号参照）や、球レンズや非球面レンズなどの凸レンズを用いる方法などが用いられている。

先球ファイバによる方法は、小型であるため半導体レーザアレイと光ファイバアレイとの結合にも適用することが可能である。この先球光ファイバは、単一モード光ファイバの先端に半球状のレンズ部を一体形成したものであるが、先球光ファイバを作製するには、従来、ファイバの先端部を丸く研磨していたので、量産性が悪く、手間がかかるという問題点があった。その上、光ファイバの先端が球面であるために、球面収差によって結合効率の低下が生じるという問題がある。即ち、レーザ端面から出射した光線はその出射角により、単一モード光ファイバ端面に異なった位置及び角度で到達する。このため、光線によってはコアから外れたり、あるいはコアに達しても、コアへの入射角が臨界角以上となって単一モード光ファイバを伝搬する光線にならず、結合損失が低下する。例えば、標準的な半導体レーザを用いたときの結合損失は６ｄＢ前後ある。

一方、凸レンズを用いる方法は、結合効率を比較的高くとれる特長がある半面、図１（ａ）（ｂ）にその構成図を示すように、半導体レーザ2，レンズ3,4 ，光ファイバ１相互間の軸合わせが繁雑になり、製造コストが増大するという問題があった。図1（ａ）は、半導体レーザ2からの出射光を非球面凸レンズ3で光ファイバ1に受け入れられる角度の光5に調整して、光ファイバ１のコア1aに集光し、光ファイバ1のコア1aへと導くことにより光結合が行われる説明図である。また図1（ｂ）は、半導体レーザ2からの出射光を凸レンズ３で平行にし、その平行ビーム光5を対向する別のレンズ4で光ファイバ１のコア1aに集光し、ファイバ１のコア1aへと導くことにより光結合が行われる説明図である。図１（ｂ）において、2aは半導体レーザ2の活性層、6は支持台、7はＸＹZθステージ、8はテーブルである。

図１（ａ）の構成は、現在、DFB（分布帰還形）半導体レーザを用いる光通信の場合に一般的に採用されている構造である。特に、DFB半導体レーザを用いる場合には、光ファイバからの反射光が半導体レーザに戻るのを防止するために、非球面レンズ3と光ファイバ1間に光アイソレータ（図示せず）を挿入する必要があり、スペースが小型化できるという観点より一般的に採用されている。しかしながら、半導体レーザ2、非球面凸レンズ３、光ファイバ1に共通する理想的な光軸を符号Ｃで表し、この光軸Ｃと平行な方向をＺ方向、水平方向に直交する方向をＸ方向、垂直方向に直交する方向をＹ方向と規定すると、考えられる光ファイバ１の端面位置における軸ずれとしては、Ｘ方向への変位、Ｘ方向における傾斜角θｘ、また、Ｙ方向への変位及びＹ方向における傾斜角θｙに加え、Z方向への変位が生じる。特に、このような光学系では、半導体レーザの光を非球面レンズ3によって光ファイバ１のコア1a（半径約6μm）の端面に小さく集光させているため、高い結合効率を得るためには、光軸をそれぞれサブミクロンの精度で一致させる必要があり、通常調芯作業に十数分を要し、製造コストを大幅に引き上げていた。

勿論、図1（ｂ）の構成でも光アイソレータは挿入できるが、光軸合わせをしなければならない光部品の点数が増え、現状のままでは調芯作業に膨大な時間が掛かり、製造コスト増大の要因であった。

一般的に、レンズ4はコリメータレンズとよばれるが、もしレンズ４と光ファイバ１がそれぞれの光軸が一致した状態で一体化（融着接合：コリメータレンズ付き光ファイバ）されていれば、考えられる光ファイバ１の端面位置における軸ずれとしては、Ｘ方向への変位、Ｘ方向における傾斜角θｘ、また、Ｙ方向への変位及びＹ方向における傾斜角θｙだけ(Z方向への変位はない)でレンズ４と光ファイバの光軸合わせは不要である。特に、このような光学系では、平行ビーム光5の広がり半径が数十μmと広いため、光軸合わせ精度は、数ミクロンでも十分に高い結合効率が取れ、図1（ａ）の光学系に比べ、生産性が数十倍向上することがわかる。

図1（ｂ）のレンズ4はコリメータレンズとレンズと呼ばれ、通常取り付けの容易性から円柱状の分布屈折率レンズ（Graded Indexレンズ、以下「ＧＲＩＮレンズ」と略す。）が用いられている。このＧＲＩＮレンズは、図２に示すように、その断面方向ｘ、ｙの屈折率ｎを下記（1）式であらわしたとき、円柱状の中心軸の屈折率が最も高く、中心軸から外周方向に離れると連続的に、二次曲線（放物線）状に屈折率が低くなっているレンズで、この屈折率分布によってレンズ作用が行われる。
ｎ＝ｎ₀｛１−g²r²/2｝（1）
ここで、ｇはGRINレンズの集光能力を表わす定数（屈折率分布定数）、ｎ₀はGRINレンズの材料の屈折率（中心部の屈折率）、ｒは半径方向（ｒ^２＝ｘ^２＋ｙ^２）である。
図１に示すように、GRINレンズの半径をa、半径aでの屈折率をｎ_aとすれば、
g＝NA／aｎ₀ ただし、 NA＝（ｎ₀ ²−ｎ_a ² ）^1/2 （２）
と表わされる。ここで、NAはＧＲＩＮレンズの中心と周辺での屈折率の2乗差の平方根で、開口数Numerical Aperture（以下、「NA」と略す。）と称し、レンズ性能を表わす重要なパラメータである。NAの高いレンズは光の集光能力が高い、即ちレンズ特性の良いレンズである。

コリメータレンズとして用いられるＧＲＩＮレンズの長さは、ＧＲＩＮレンズ内を伝搬する伝搬光の蛇行周期の1/4の長さをＬ_1/4とすると、
Ｌ_1/4＝π/(2ｇ) (３)
に設定される。又はその奇数倍の長さに設定してもよい。

従来、ＧＲＩＮレンズは多成分系ガラスで作製されており、その軟化点は約５００〜６００℃で、石英ガラスを主成分とする光ファイバと融着接続することが出来ず、光学接着剤を使用するため、軸合わせが難しいと共に、接着剤の光吸収により高強度光が入射した場合、温度上昇し接着剤が変質することにより光学特性が劣化するという問題があった。このため、凸レンズ４と光ファイバ１がそれぞれの光軸が一致した状態での一体化（コリメータ付き光ファイバ）が不可能であった。

この接続劣化の問題を解決するために、USP4701011やUSP5384874で開示されているように、ＧＩ（Graded-Index）光ファイバをレンズとして用いた構造も提案されている。このＧＩ光ファイバは、コア部分の屈折率が、放物線状に変化する光ファイバである。ＧＩ光ファイバは、光ファイバと同じ石英製のため光ファイバと融着接続することが可能で、高強度光に対する耐性を得ることが期待できる。しかし、通常のＧＩ光ファイバは、気相CVD（Chemical Vapor
Deposition）法で作成される。気相法では、添加物（GeO₂,P₂O₅など）の添加量を増やしていくと、熱膨張係数が大きくなり母材が割れやすくなるなど熱膨張性の整合の点で、また屈折率の制御性の点で、実際にコリメータレンズとして組み立てる際の取扱性が悪いものであった。
米国特許第３９１０６７７号公報米国特許第４７０１０１１号公報米国特許第５３８４８７４号公報

上記のように、従来では、多軸方向にわたる複雑で微妙な調芯作業が必要で、その工程は困難を極めていた。本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、調芯作業の困難さを低減させ、結合損失が少なく、光学特性が劣化しない光ファイバ結合部品並びにその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、屈折率調整物質としてSb₂O₃ 、Ta₂O₅ 、TiO₂ 又はZrO₂から選択される１種以上を含有する石英ガラスでなるＧＲＩＮレンズ（Graded Indexレンズ）の一端に光ファイバを融着したことを特徴とする光ファイバ結合部品である。

また本発明は、シリコンのアルコキシド、アルコール、溶媒としての酸又は塩基、及び屈折率調整物質を混合してウエットゲルを作成するステップと、ウエットゲルの屈折率調整物質の濃度分布を付与するステップと、ウエットゲルを乾燥させてドライゲルを作成するステップと、ドライゲルを焼成してガラス体を作成するステップと、ガラス体を紡糸するステップと、紡糸したものを伝搬する光の蛇行周期の1/4周期長又はその奇数倍の長さに切断してＧＲＩＮレンズとするステップと、ＧＲＩＮレンズの一端に光ファイバを融着するステップとを有することを特徴とする光ファイバ結合部品の製造方法である。

シリコンアルコキシドとしては、テトラメトキシシランSi(OCH₃)₄、テトラエトキシシランSi(OC₂H₅)₄、アルコールとしてはメタノールCH₃OH、エタノールC₂H₅OH、溶媒としての酸としては、塩酸HCl、塩基としてはアンモニア水NH₄OHなどを用いることができる。

本発明の光ファイバ結合部品は、ＧＲＩＮレンズと光ファイバとが接続されたものであるので、半導体レーザと光ファイバとを結合する際の軸合わせがきわめて容易となる。また、ＧＲＩＮレンズと光ファイバを融着するので、融着の際の表面張力による自己配列効果によりＧＲＩＮレンズと光ファイバとの軸が自動的に一致し、製造がきわめて容易であり、大量生産も可能である。また、接着剤を用いないので、高強度光が入射した場合、温度上昇し接着剤が変質することにより光学特性が劣化するという問題もない。また、ＧＲＩＮレンズの屈折率分布定数ｇを適宜の範囲とすることで、半導体レーザモジュールにおける結合損失を低減させることが可能である。

半導体レーザと光ファイバの結合例の説明図である。ＧＲＩＮレンズの屈折率分布の説明図である。光ファイバ結合部品の説明図である。

符号の説明

１光ファイバ
１ａコア
２半導体レーザ
２ａ活性層
３凸レンズ
４レンズ
５光
６支持台
７ＸＹＺθステージ
８テーブル

本発明におけるＧＲＩＮレンズは、低温合成法を基盤としたゾルゲル法によって作成される。ゾルゲル法は、原料としてSi(OR)₄（R:アルキル基）と例えばTiなどの添加元素のアルコキシドに加水分解のためのH₂Oおよび、これら原料と加水分解との相溶性のためのアルコールを加えて混合すると、加水分解が進むと共に形成されたSiO₂の微粒子による乳濁が見られ（ゾル状態）、ついで液の粘度が急激に高くなり流動性が失われてプリン状のゲル状態が出現する。このゲルを乾燥し、表面に吸着等で残留するアルコールやH₂Oを徐々に除いて燒結ガラス化する。このゾルゲル手法を応用したガラス合成には、＜１＞低温燒結による結晶化頻度の低減、＜２＞分子レベルでの均質ガラスの合成、＜３＞高融点材料をも含めた材料の広い選択性、＜４＞高い材料合成の収率性による製造コストの低減の可能性などの特徴がある。このような特徴をもつゾルゲルプロセスを用いれば、高いNAが可能で屈折率の制御性の良い、熱膨張係数が石英ガラスとほぼ同等であるというGRINレンズを安価に形成できる可能性がある。

そこで、二元系シリカガラスの屈折率の予測を行ったところ、ＧＲＩＮレンズの組成の候補としては、SiO₂−Bi₂O₃,−In₂O₃,−Y₂O₃,−La₂O₃,−Ga₃O₂, −Sb₂O₃, −Gd₂O₃,−Nb₂O₅,−SnO₂,−Ta_２O₅,−TiO₂ 及び−ZrO₂系石英ガラスが挙げられた。この中で、Bi,In,Y,Laを含む組成は、添加元素のアルコキシドがいずれも難溶性固体で、ゲルを作製できなかった。また、Gd,Gaを含む組成は、添加物が少ない領域（Siに対する添加量が20mol%以下）でしか得られなかった。また、Nb、Sn添加ガラスは結晶性物質の存在が認められるとともに、熱膨張係数が大きくＧＲＩＮレンズとしては不適であった。以上の検討結果から、SiO₂−Sb₂O₃,
SiO₂−Ta₂O₅,
SiO₂−TiO₂ 及びSiO₂−ZrO₂系石英ガラスが、高いNAが可能で屈折率の制御性がよく、且つ熱膨張係数が石英の熱膨張係数5x10^-7K^-1に対して15x10^-7K^-1以下で石英ガラスとほぼ同等であるというＧＲＩＮレンズを形成できる可能性があることが判明した。但し、Sb添加ガラスは、ゲルの燒結時に添加元素のSbが蒸発するという、またZr添加ガラスは、加水分解反応は比較的早く、ゲル作成の過程で、溶媒であるメタノール中で少量では有るが沈殿が形成されるというプロセス上の不安定性を有していた。以上の検討結果から、SiO₂−Sb₂O₃,
SiO₂−Ta₂O₅,
SiO₂−TiO₂ 及びSiO₂−ZrO₂系石英ガラスが、更に願わくば、プロセスの安定性を考慮し、SiO₂−Ta₂O₅,
SiO₂−TiO₂系石英ガラスでは、熱膨張係数が石英ガラスとほぼ同等で、高いNAが可能で屈折率制御性の高いＧＲＩＮレンズを形成できることが判明した。

本発明のコリメータレンズは、SiO₂−Ta₂O₅, SiO₂−TiO₂系石英ガラスを主成分とするため、光ファイバとの融着接続（コリメータ付き光ファイバ）を可能にするため、ほぼ同じ断面形状を有する光ファイバとＧＲＩＮレンズを酸水素バーナなどの火炎のもとで融着すると表面張力均衡化による自己配列効果により、これまでの懸案であった精密な軸合わせを行うことなく光ファイバとＧＲＩＮレンズの中心軸が一致し、組立て性が大幅に向上するという大きなメリットがある。この融着接続は、生産性向上の必須技術であり、融着接続することにより、光ファイバとレンズの境界面から反射されて半導体レーザに戻る光が軽減されるばかりか、従来のような接着剤を用いた接続のように、接着剤の光吸収により高強度光が入射した場合、温度上昇し接着剤が変質することにより光学特性が劣化するという問題も解消する。

次に、最大の結合効率を提供する条件を検討する。図3は、図1bから、平行ビーム光5、ＧＲＩＮコリメータレンズ４、光ファイバ１を取り出した断面の図である。ここでは、光の進む方向を逆向きに考える。光ファイバ１のコア1aからの出射光を、光ファイバ1に融着接続させたＧＲＩＮレンズ4に入射させたとすると、その中を伝搬する基本波の電界分布は近似的にガウス分布となる。そのガウス分布は、ＧＲＩＮコリメータレンズ４の長さLが式（３）で示した蛇行周期の1/4、すなわちL=Ｌ_1/4の時には、ＧＲＩＮコリメータレンズ４の端面付近での基本波の電界分布のスポットサイズωは
で表わされ、ＧＲＩＮコリメータレンズ４の端面から、光ファイバ１とＧＲＩＮコリメータレンズ４の光軸にほぼ平行なガウス分布を持つ光ビーム５として出射する。ここで、ω₀は単一モード光ファイバの電界分布のスポットサイズで、単一モード光ファイバがそのカットオフ周波数(≒2.4)に近い構造の時には、光ファイバ１のコア1aの半径をa₀とすると、近似的に ω₀≒1.1 a₀で与えられる。また、ｋは波数で、光の波長をλとすると k= 2π/λ で与えられる。

以上より、半導体レーザ２の出射光が凸レンズ３で平行ビーム光５とされたときの平行ビーム光の電界分布は、ほぼガウス分布を持つため、そのガウス分布のスポットサイズが式（４）のωと一致したときに、最大の結合効率が得られことが分かる。すなわち、図１ｂの平行ビーム光の電界分布のスポットサイズをωとすると、コリメータレンズの屈折率分布定数ｇ、あるいは、開口数は次式となる。

形状に関係なく(5)式を満足するＧＲＩＮレンズをコリメータレンズとして光ファイバに融着接続させれば高効率の結合効率を得ることが出来る。ここでコリメータレンズの屈折率分布定数ｇは、式（５）を満足する値であることが好ましいが、コリメータレンズ作製誤差が±5%生じても、コリメータとしての結合損失は０．４ｄB以下と小さく所望の結合効率を達成することが出来る。したがって、屈折率分布定数ｇの範囲は、
０．９５ＮＡ／ｎ_０ａ≦ｇ≦１．０５ＮＡ／ｎ_０ａ
であることが望ましい。

シリコンテトラメトキシド７５．５ｍｌとイソプロパノール１８３．４ｍｌとの混合液に２規定塩酸９．２ｍｌを添加し、３０分間攪拌した後、チタンテトラｎブトキシド３０．８ｍｌを加えた。その後、０．０１規定アンモニア水を添加しウェットゲルを得た。前記ウェットゲルを50℃で2日間熟成した後、そのウェットゲルを６規定塩酸中に２時間浸漬し、ゲル中にチタンの濃度分布を付与した。浸漬後、ゲルをメタノール中に浸漬し、ゲル中の塩酸分の洗浄を行った。その後、上記ゲルを６規定塩酸中に20分間浸漬し、２回目の濃度分布付与を行い、１回目と同様にゲルをメタノール中に浸漬して塩酸の洗浄を行ってから乾燥させた。その後、上記ゲルを６規定塩酸中に８分間浸漬し、3回目の濃度分布付与を行い、１回目と同様にゲルをメタノール中に浸漬して塩酸の洗浄を行ってから乾燥させ直径約１０ｍｍのドライゲルを得た。得られたドライゲルを、室温から３５０℃までは１０℃／ｈｒで昇温し、その後１２００℃まで昇温して焼成し透明なガラス体を得た。この円柱状ガラス体の屈折率分布を測定した結果、中心から周辺に向かってほぼ2乗カーブで減少するNA=0.5のＧＲＩＮレンズの母体が得られた。

この母体をカーボンヒータの電気炉に0.04mm/sで挿入しながら外径158μmの光ファイバに紡糸して、ＧＲＩＮレンズ状光ファイバを作製した。この光ファイバの屈折率分布を再度測定した結果、中心から周辺に向かってほぼ2乗カーブで減少するNA=0.5のＧＲＩＮレンズ状光ファイバで、屈折率分布定数ｇは0.0040（μm^-1）で、ｇ＝0.98ＮＡ／ｎ_０ａであった。

作製したGRINレンズ状光ファイバを開口数0.09の単一モード光ファイバの一端に放電融着接続器を用いて融着接続した。その後、GRINレンズ内を伝搬する光の蛇行周期の1/4周期長389μmで切断加工してコリメータレンズ付き光ファイバを得た。

ピーク発振波長１３３０ｎｍ，動作電流１６ｍＡ，動作電圧1.０Ｖ，水平方向放射半値全角２０°，垂直方向放射半値全角２５の半導体レーザに凸レンズを挿入し46μｍのスポットサイズの平行光を得た後に、この平行光に得られたコリメータレンズ付き光ファイバに挿入したところ、ほとんど無調芯で結合損失が０.4ｄB以下の高い結合効率が得られた。

実施例１と同様に、中心から周辺に向かってほぼ2乗カーブで減少するNA=0.5のＧＲＩＮレンズの母体を得た。この母体をカーボンヒータの電気炉に0.04mm/sで挿入しながら外径166μmの光ファイバに紡糸して、ＧＲＩＮレンズ状光ファイバを作製した。この光ファイバの屈折率分布を再度測定した結果、中心から周辺に向かってほぼ2乗カーブで減少するNA=0.5のＧＲＩＮレンズ状光ファイバで、屈折率分布定数ｇは0.0042（μm^-1）で、ｇ＝1.05ＮＡ／ｎ_０ａであった。

作製したGRINレンズ状光ファイバを開口数0.09の単一モード光ファイバの一端に放電融着接続器を用いて融着接続した。その後、GRINレンズ内を伝搬する光の蛇行周期の1/4周期長370μmで切断加工してコリメータレンズ付き光ファイバを得た。

ピーク発振波長１３３０ｎｍ，動作電流１６ｍＡ，動作電圧1.０Ｖ，水平方向放射半値全角２０°，垂直方向放射半値全角２５の半導体レーザに凸レンズを挿入して46μｍのスポットサイズの平行光を得た後に、この平行光に得られたコリメータレンズ付き光ファイバに挿入したところ、ほとんど無調芯で結合損失が０.9ｄB以下の高い結合効率が得られた。

上記実施例はSiO₂−TiO₂ 系の石英ガラスとする場合であるが、例えば、SiO₂−Ta₂O₅ 系の石英ガラスとするには、チタンテトラｎブトキシドに代えてタンタルエトキシドを、SiO₂−Sb₂O₃ 系の石英ガラスとするにはトリエチルアンチモンを、SiO₂−ZrO₂ 系の石英ガラスとするには、ジルコニウムプロポキシドを用いればよい。

本発明の光ファイバ結合部品は、コリメータ、コリメータアレイなどとして利用することができる。

Claims

屈折率調整物質としてSb₂O₃ 、Ta₂O₅ 、TiO₂ 又はZrO₂から選択される１種以上を含有する石英ガラスでなるＧＲＩＮレンズ（Graded Indexレンズ）の一端に光ファイバを融着したことを特徴とする光ファイバ結合部品。
屈折率調整物質としてTa₂O₅ 又はTiO₂から選択される１種以上を含有する石英ガラスでなるＧＲＩＮレンズの一端に光ファイバを融着したことを特徴とする光ファイバ結合部品。
請求項１又は２の光ファイバ結合部品において、前記ＧＲＩＮレンズがゾルゲル法により製造されたものであることを特徴とする光ファイバ結合部品。
請求項１、２又は３の光ファイバ結合部品において、前記ＧＲＩＮレンズの屈折率分布定数ｇが、ＧＲＩＮレンズの開口数をＮＡ、中心部の屈折率をｎ_０、半径をａとしたときに、
０．９５ＮＡ／ｎ_０ａ≦ｇ≦１．０５ＮＡ／ｎ_０ａ
の範囲にあり、かつ、基本波の電界分布のスポットサイズをωとしたときに、
ａ≧ω
であることを特徴とする光ファイバ結合部品。
シリコンのアルコキシド、アルコール、溶媒としての酸又は塩基、及び屈折率調整物質を混合してウエットゲルを作成するステップと、ウエットゲルの屈折率調整物質の濃度分布を付与するステップと、ウエットゲルを乾燥させてドライゲルを作成するステップと、ドライゲルを焼成してガラス体を作成するステップと、ガラス体を紡糸するステップと、紡糸したものを伝搬する光の蛇行周期の1/4周期長又はその奇数倍の長さに切断してＧＲＩＮレンズとするステップと、ＧＲＩＮレンズの一端に光ファイバを融着するステップとを有することを特徴とする光ファイバ結合部品の製造方法。
請求項５の製造方法において、前記屈折率調整物質がチタン、タンタル、アンチモン又はジルコニウムから選択される１種以上であることを特徴とする光ファイバ結合部品の製造方法。
請求項５の製造方法において、前記屈折率調整物質がチタン又はタンタルから選択される１種以上であることを特徴とする光ファイバ結合部品の製造方法。