(57)【要約】【課題】従来のレンズ付き光ファイバでは、OEICといった電子部品と光部品が融合したハイブリッド光学素子等の光学デバイスに対して十分な結合効率が得られていない。【解決手段】本発明では、シングルモード型の第１の光ファイバ１の端部に、シングルモード型で、且つ、コアに屈折率分布を有する第２の光ファイバ２又はマルチモード型で２乗形屈折率分布を有し固有モードフィールド直径が第１の光ファイバのモードフィールド直径と等しい第２の光ファイバが接続され、第２の光ファイバの先端側には、屈折率分布に応じて形成された凹面部３に、反射防止膜４を介して、高屈折率のレンズ素材が充填され、端面が研磨加工されてレンズ６が構成されたレンズ付き光ファイバを提案するものである。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シングルモード型の第１の光ファイバの端部に、シングルモード型で、且つ、コアに屈折率分布を有する第２の光ファイバが接続され、第２の光ファイバの先端側には、屈折率分布に応じて形成された凹面部に、反射防止膜を介して、高屈折率のレンズ素材が充填され、端面が研磨加工されてレンズが構成されたレンズ付き光ファイバ。
【請求項２】
シングルモード型の第１の光ファイバの端部に、固有モードフィールド直径が第１の光ファイバのモードフィールド直径と等しく２乗形の屈折率分布を有するマルチモード型の第２の光ファイバが接続され、第２の光ファイバの先端側には、屈折率分布に応じて形成された凹面部に、反射防止膜を介して、高屈折率のレンズ素材が充填され、端面が研磨加工されてレンズが構成されたレンズ付き光ファイバ。
【請求項３】
第２の光ファイバの端面は平面に研磨加工されている請求項１又は２に記載のレンズ付き光ファイバ。
【請求項４】
第２の光ファイバの端面は凸面又は凹面に研磨加工されている請求項１又は２に記載のレンズ付き光ファイバ。
【請求項５】
シングルモード型の第１の光ファイバの端部に、シングルモード型で、且つ、コアに屈折率分布を有する第２の光ファイバを融着接続する工程と、屈折率の分布に対応するドーパントの濃度によりエッチング速度の異なるエッチング液を用いた選択的エッチングにより第２の光ファイバの端部に凹面部を形成する工程と、第２の光ファイバの凹面部に反射防止膜を介して高屈折率のレンズ素材を充填し、端面に厚膜を形成する工程と、第２の光ファイバの端面に形成された高屈折率の厚膜を研磨して所望の光学特性のレンズを構成する工程とから成るレンズ付き光ファイバの製造方法。
【請求項６】
シングルモード型の第１の光ファイバの端部に、固有モードフィールド直径が第１の光ファイバのモードフィールド直径と等しく２乗形の屈折率分布を有するマルチモード型の第２の光ファイバを融着接続する工程と、屈折率の分布に対応するドーパントの濃度によりエッチング速度の異なるエッチング液を用いた選択的エッチングにより第２の光ファイバの端部に凹面部を形成する工程と、第２の光ファイバの凹面部に反射防止膜を介して高屈折率のレンズ素材を充填し、端面に厚膜を形成する工程と、第２の光ファイバの端面に形成された高屈折率の厚膜を研磨して所望の光学特性のレンズを構成する工程とから成るレンズ付き光ファイバの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学デバイスと光ファイバを高効率で接続するための、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。
【背景技術】
【０００２】
ガリウム砒素をベースとした半導体導波路や、シリコン基板をベースとしたシリコン細線導波路上に、スイッチや波長変換、位相変調などの機能を有したOEIC（Optical
Electrical Integrated Circuit）といった電子部品と光部品が融合したハイブリッド光学素子などの光学デバイスの研究が進んでいる。
【０００３】
これらの光学デバイスの多くは、導波路コアと基板の屈折率差から、シングルモード条件では、１μｍ以下のコア中を伝搬している場合が多く、そのビームの直径すなわちモードフィールド直径（Mode Field Diameter；ＭＦＤ）（以下、ＭＦＤと記載する。）は１μｍ以下になる。一方、光ファイバの多くは、石英のクラッドに、ゲルマニウム酸化物のドーパントが分散したコアを有し、コア径は１０μｍになり、そのＭＦＤも１０μｍ程度になる。従って、これらを高効率に接続するためには、ビームのスポットサイズを一致させる必要があり、光ファイバと光学デバイスの間に適切なレンズを配置し、調芯の後、固定する必要があった。また、変換する倍率が高いため、屈折率の高い材料で、レンズを構成する必要があった。
【０００４】
このようにレンズを介して光ファイバと光学デバイスを結合する方法では、３体を精密に調芯固定する必要があり、半導体の集積回路上で構成された微小な光学デバイスを大きな筐体を用いて、強固に固定することになり、設計意図を害することとなる上、レンズに用いるガラス材料は、屈折率に制約があり、十分な結合特性も得られないため、現実のデバイスには用いられてこなかった。
【０００５】
これらの課題を解決するために、例えば特許文献１〜特許文献３に示されるように、光ファイバの先端部にレンズを形成したレンズ付き光ファイバが従来から各種提案されているが、従来のレンズ付き光ファイバでは、前述の光学デバイスに対して、十分な結合効率を得ることができなかった。
【０００６】
例えば図６は従来の石英系のレンズ付き光ファイバａと、光学デバイスｂのシリコン細線導波路ｃとの結合を模式的に示すもので、1550ｎｍのビームに対する石英系のレンズ付き光ファイバのスポット径はφ3.3μｍであるのに対して、シリコン細線導波路のＭＦＤは、φ0.5μｍであり、概ね、ビーム全体の３％程度の結合で、15ｄＢの結合損失となっていた。
【０００７】
一方、レンズ付き光ファイバの製造に関し、シングルモード光ファイバを、凸型のレンズに加工する方法では、石英素材の屈折率が制約となって、集光に十分な屈折角が得られにくく、集光特性には限界がある。またシングルモード光ファイバにエッチングにより直接凹面を形成し、凹面に高屈折率の厚膜を形成する方法では、コアの屈折率分布が一定のため、ドーパントの濃度によりエッチング速度の異なるエッチング液を用いることによる選択的エッチングを行っても、集光に適した凹面形状が得られにくく、その調整が必要となり、再現性良く製造することが困難であった。
【０００８】
また、従来のレンズ付き光ファイバに用いられた２乗屈折率分布をもつ光ファイバの利用を考慮した場合、この光ファイバでは、その屈折率分布によって、周期的にビーム径が変化するため、その長さを厳密に加工する必要があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−２９４９５８号公報
【特許文献２】特開２００４−１７７８２６号公報
【特許文献３】特開２００６−２７６１６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明が解決しようとする課題は、従来のレンズ付き光ファイバでは、上述した光学デバイスに対して十分な結合効率が得られない点である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は上述した課題を解決するために、まず、請求項１では、シングルモード型の第１の光ファイバの端部に、シングルモード型で、且つ、コアに屈折率分布を有する第２の光ファイバが接続され、第２の光ファイバの先端側には、屈折率分布に応じて形成された凹面部に、反射防止膜を介して、高屈折率のレンズ素材が充填され、端面が研磨加工されてレンズが構成されたレンズ付き光ファイバを提案する。
【００１２】
また本発明では、次に、シングルモード型の第１の光ファイバの端部に、固有ＭＦＤが第１の光ファイバのＭＦＤと等しく２乗形の屈折率分布を有するマルチモード光ファイバから成る第２の光ファイバが接続され、第２の光ファイバの先端側には、屈折率分布に応じて形成された凹面部に、反射防止膜を介して、高屈折率のレンズ素材が充填され、端面が研磨加工されてレンズが構成されたレンズ付き光ファイバを提案する。ここで、固有ＭＦＤとは２乗形屈折率分布を有する二乗形マルチモード光ファイバ中をビーム径が変化しないで伝搬するＭＦＤを指し、その大きさ2Wは、光ファイバのコアの最大屈折率をn、波長をλ、コア半径をa、 比屈折率差をΔとしたとき、  2{λａ／ｎπ(2Δ)1/2}1/2  の式で表される。言い換えれば、当該式で与えられるＭＦＤをもつ光ビームが入射したときには、入射ビームはその直径が保たれたままで当該二乗形マルチモード光ファイバ中を伝搬することができる。
【００１３】
そして本発明では、上記の構成において、第２の光ファイバの端面は、平面の他、凸面又は凹面に研磨加工されているレンズ付き光ファイバを提案する。
【００１４】
また本発明では、次に、シングルモード型の第１の光ファイバの端部に、シングルモード型で、且つ、コアに屈折率分布を有する第２の光ファイバを融着接続する工程と、屈折率の分布に対応するドーパントの濃度によりエッチング速度の異なるエッチング液を用いた選択的エッチングにより第２の光ファイバの端部に凹面部を形成する工程と、第２の光ファイバの凹面部に反射防止膜を介して高屈折率のレンズ素材を充填し、端面に厚膜を形成する工程と、第２の光ファイバの端面に形成された高屈折率の厚膜を研磨して所望の光学特性のレンズを構成する工程とから成るレンズ付き光ファイバの製造方法を提案する。
【００１５】
また本発明では、次に、シングルモード型の第１の光ファイバの端部に、２乗形屈折率分布をもち、且つ、第１の光ファイバのＭＦＤと同じ固有ＭＦＤをもつ二乗形マルチモードファイバから成る第２の光ファイバを融着接続する工程と、屈折率の分布に対応するドーパントの濃度によりエッチング速度の異なるエッチング液を用いた選択的エッチングにより第２の光ファイバの端部に凹面部を形成する工程と、第２の光ファイバの凹面部に反射防止膜を介して高屈折率のレンズ素材を充填し、端面に厚膜を形成する工程と、第２の光ファイバの端面に形成された高屈折率の厚膜を研磨して所望の光学特性のレンズを構成する工程とから成るレンズ付き光ファイバの製造方法を提案する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のレンズ付き光ファイバにおいて、シングルモード型の第１の光ファイバの端部に融着接続した第２の光ファイバは、コアに屈折率分布を有しているので、ドーパントの濃度によりエッチング速度の異なるエッチング液を用いて選択的エッチングを行うことにより、半球状の凹面部を得ることができる。従って、この凹面部に反射防止膜を介して、高屈折率のレンズ素材を充填し、端面を平面や凸面又は凹面に研磨加工をすることにより、集光に適したレンズを再現性良く製作することができる。
【００１７】
第２の光ファイバは、シングルモード型で、且つ、コアに屈折率分布を有する光ファイバ、またはマルチモードのグレーデッドインデックス型で、その固有ＭＦＤが第1のシングルモード光ファイバのＭＦＤと等しい光ファイバを用いているので、それを伝搬するビームの周期的挙動が解消され、長さの調整が不要であるため、生産性が向上する。さらに第2のファイバとしてシングルモードファイバを用いるよりもコア径を大きくできるので先端部に形成するレンズの直径が大きくできるため、レンズの周辺部分を避けて光ビームを透過させることができる。その結果、集光時の収差を低減できる効果が生じる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明のレンズ付き光ファイバの第１の実施の形態の構成及び製作工程を示す説明図である。
【図２】本発明のレンズ付き光ファイバの第２の実施の形態の構成及び製作工程を示す説明図である。
【図３】本発明のレンズ付き光ファイバにおける第２の光ファイバの端部における光強度分布と位相分布を示す模式図である。
【図４】解析例における集光位置での光の正規化強度（実線）及び相対位相（破線）を示す説明図である。
【図５】本発明のレンズ付き光ファイバと、シリコン細線導波路との結合状態を示す模式図である。
【図６】従来の石英系のレンズ付き光ファイバと、シリコン細線導波路との結合状態を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１、図２は、本発明のレンズ付き光ファイバの第１、第２の実施の形態の構成及び製作工程を示す説明図であり、夫々後述する実施例１、実施例２の光ファイバの寸法に対応させたものである。
これらの図において符号１はシングルモード型の第１の光ファイバであり、符号１ａ，１ｂは、夫々クラッド、コアを示している。図の（ａ）に示すように、第１の光ファイバ１の端部に、屈折率分布、即ち２乗屈折率分布を有する第２の光ファイバ２を融着接続して、適宜長さで切断する。
【００２０】
次いで第２の光ファイバ２の端部に対して、屈折率の分布に対応するドーパントの濃度によりエッチング速度の異なるエッチング液を用いた選択的エッチングを行って、図の（ｂ）に示すように第２の光ファイバ２の端部に凹面部３を形成する。
【００２１】
次いで第２の光ファイバ２の凹面部３に反射防止膜４を形成した後、高屈折率のレンズ素材を充填し、端面に厚膜５を形成する。
【００２２】
次いで第２の光ファイバ２の端面に形成された高屈折率の厚膜を、光学特性を確認しながら研磨加工して、図の（ｃ）に示すように所望の光学特性のレンズ６を、再現性良く構成することができる。レンズとしての動作は、第２の光ファイバの端部における光強度分布と位相分布を示す図３に示すとおりである。
【００２３】
光ファイバ２の端面を平面に研磨加工すれば、いわゆる平凸(プラノコンベックス)型のレンズ６が構成され、図５に示すように光学デバイス７のシリコン細線導波路８とは、例えばレンズ６を構成する素材と程近い屈折率を有する接着剤を用いて容易に調芯固定することができる。尚、光ファイバ２の端面は、場合によっては、端面を凸面や凹面に研磨加工することも可能である。
【００２４】
こうして本発明のレンズ付き光ファイバを用いることにより、光学デバイス７との結合のパッケージを小型化することができ、また調芯に用いる装置も、２体調芯であるから、３体調芯のための装置と比較して、構成を非常に単純化することができ、調芯固定の時間も短縮できることから、生産性の向上も期待できる。
【実施例１】
【００２５】
次に本発明の１実施例を説明する。
１．第１の光ファイバ１としてはコーニング社製のSMF-28（クラッド直径：125μｍ、コア直径：8.4μｍ）を用い、第２の光ファイバ２としては、コア２ｂとクラッド２ａの比屈折率差が、１％で、クラッド直径：125μｍ、コア直径：7.5μｍの２乗屈折率分布を有するシングルモード型の光ファイバを用いた。
２．図１の（ａ）に示されるように第１の光ファイバ１の端部に第２の光ファイバ２を融着接続し、10ｍｍの長さに切断した。その先端部を、エッチング液として、25℃で、９％濃度のフッ化水素酸水溶液に浸し、選択的エッチングを30分実施した。
３．この選択的エッチングによって、（ｂ）に示されるように、周辺部が円錐状で、中心部が曲率半径7μｍの半球状の凹面部３が形成された。
４．次いで高周波スパッタ装置により、シリコンとシリコン酸化膜層により、１/４波長膜を形成し、反射防止膜４とした。
５．続いて、高周波スパッタ装置によって、アモルファスシリコンの厚膜５を約20μｍ形成した。
６．次いで、この端部をフェルールに仮固定し、研磨加工によって光学特性を確認しながら研磨を行った。これによって、1550ｎｍの波長で、0.8μｍのスポット直径を得ることができた。この際の、厚膜５の厚さは、凹面部３の中心から10μｍ程度であった。こうして、このレンズ付き光ファイバに、コア幅0.5μｍ、コア高さ0.5μｍのシリコン細線導波路を接続したところ、約50％の結合効率を得ることができた。
【実施例２】
【００２６】
１．第１の光ファイバ１には、実施例１と同様にコーニング社製のSMF-28を用い、第２の光ファイバ２としては、コアとクラッドの比屈折率差が、１％で、クラッド直径：125μｍ、コア直径：22.7μｍの２乗屈折率分布を有するグレーデッドインデックス型光ファイバを用いた。この第２の光ファイバ２は、1550ｎｍでの基本モードのビーム直径が10.4μｍとなり、基本モードがシングルモードと同じモードフィールド径で伝搬するものである。
２．図２の（ａ）に示されるように第１の光ファイバ１の端部に第２の光ファイバ２を融着接続し、10ｍｍの長さに切断した。その先端部を、エッチング液として、25℃で、９％濃度のフッ化水素酸水溶液に浸し、選択的エッチングを30分実施した。
３．この選択的エッチングによって、（ｂ）に示されるように、周辺部が円錐状で、中心部が曲率半径10μｍの半球状の凹面部３が形成された。
４．次いで高周波スパッタ装置により、シリコンとシリコン酸化膜層により、１/４波長膜を形成し、反射防止膜４とした。
５．続いて、高周波スパッタ装置によって、アモルファスシリコンの厚膜５を約20μｍ形成した。
６．次いで、この端部をフェルールに仮固定し、研磨加工によって光学特性を確認しながら研磨を行った。これによって、1550ｎｍの波長で、0.8μｍのスポット直径を得ることができた。この際の、厚膜５の厚さは、凹面部３の中心から10μｍ程度であった。こうして、このレンズ付き光ファイバに、コア幅0.5μｍ、コア高さ0.5μｍのシリコン細線導波路を接続したところ、約50％の結合効率を得ることができた。
【実施例３】
【００２７】
解析例として、レンズの形状を次式で示される非球面形状と仮定し、２次元時間領域差分（ＦＤＴＤ）法により解析した結果、曲率半径Ｒ＝６μｍ、円錐定数ｋ＝−0.16の時、図４に示されるように集光位置での界分布が求められ、ビーム直径として0.56μｍが得られる。
Ｚ＝(ｒ2／Ｒ) ／ [１＋{１−(１＋ｋ)ｒ2／Ｒ2}1/2]
ここで、Ｚは光ファイバ軸方向距離、ｒは光ファイバ軸からの半径方向距離、Ｒは光ファイバ軸の曲率、ｋは円錐定数である。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明のレンズ付き光ファイバは、発光素子、受光素子や導波路素子、フィルタやスイッチなどの光学デバイスに接続し、光通信や光制御、光記録やセンサーなどに利用可能で、その際、第２の光ファイバの端面に構成された高屈折率平凸レンズ（又は凸レンズ、凸凹レンズ）により、光学デバイスと高効率に結合することができる。
【符号の説明】
【００２９】
１          第１の光ファイバ
１ａ      クラッド
１ｂ      コア
２          第２の光ファイバ
２ａ      クラッド
２ｂ      コア
３          凹面部
４          反射防止膜
５          厚膜
６          レンズ
７          光学デバイス
８          シリコン細線導波路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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