(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
底面が凸レンズ形状に形成された上面開口の穴状の型窪を形成した成形型を予め用意し、その成形型の型窪内に上面開口側から光ファイバ挿入孔用の中子の先端を挿入して凸レンズ形状の底面に対して所定の深さ位置に位置調整して中子を設け、前記型窪内に珪素のアルコキシドを前記中子の挿入先端よりも上位レベル位置まで注入し、その後、加水分解してゲル化して前記型窪に対応した形状のゲル体を生成し、このゲル体を前記成形型から取り出し中子を除去してゲル体の中子を除去した跡を光ファイバ挿入孔として形成し、然る後に前記ゲル体をガラス化して凸レンズを形成した後、前記中子により形成された凸レンズの前記光ファイバ挿入孔に光ファイバを挿入固着してレンズ付光ファイバとすることを特徴とするレンズ付光ファイバの製造方法。
【請求項２】
底面が凸レンズ形状に形成された上面開口の穴状の型窪を形成した成形型を予め用意し、その成形型の型窪内に上面開口側から型窪に光ファイバの先端を挿入して凸レンズ形状の底面に対して所定の深さ位置に位置調整して光ファイバを配置して、前記型窪内に珪素のアルコキシドを前記光ファイバの挿入先端よりも上位レベル位置まで注入し、その後に、加水分解してゲル化して前記型窪に対応した形状のゲル体を生成し、このゲル体を前記成形型から取り出し、然る後に前記ゲル体をガラス化して光ファイバと一体化した凸レンズを形成することを特徴とするレンズ付光ファイバの製造方法。
【請求項３】
凸レンズの形状が球面であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレンズ付光ファイバの製造方法。
【請求項４】
凸レンズの形状が非球面であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレンズ付光ファイバの製造方法。
【請求項５】
光ファイバ光軸延長部分の凸レンズ内に屈折率を調整するドーパントを添加したことを特徴とする請求項１ないし請求項４に記載のレンズ付光ファイバの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレンズと光ファイバが一体化されたレンズ付き光ファイバの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザー等の発光素子と光ファイバとを高い結合効率のもとで光結合することは、光通信において最も重要な技術の一つである。この光結合の技術として、発光素子と光ファイバとの間に球レンズや非球面レンズ等のレンズを配置して結合する方法や、図１０に示すように、光ファイバ３１の先端に、コアが無く等方性の屈折率を有する先球ファイバ３２を融着したレンズ付き光ファイバが知られている。
【０００３】
また、図１０の結合効率を改善するものとして、図１１に示すように光ファイバ３１と先球光ファイバ３２の間に伝送光の蛇行周期の１／４の長さあるいはその奇数倍の長さの二乗形屈折率分布を有する光ファイバ３３が接続されているレンズ付き光ファイバが提案されている。
【０００４】
図１０や図１１に示すレンズ付光ファイバの製造方法は図１２（イ）（ロ）に示すようにそれぞれ光ファイバ３１あるいは二乗形屈折率分布形光ファイバ３３の先端に等方性の屈折率を有する光ファイバ３２ａを所望の長さに接続したのち、その先端部分をマイクロトーチやアーク放電で加熱溶融して球面を形成する。他の方法として、図１３に示すように端面が放物線形状をした凹型の型３４に、光ファイバ３２ａの先端を加熱状態下で圧接して放物線形状を形成する方法もある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記の製造方法のうち図１２に示すマイクロトーチやアーク放電で光ファイバ先端を加熱溶融してレンズを形成する場合は、次のような問題がある。
【０００６】
（１）外径が、例えば１２０μｍφ程度の光ファイバの先端を溶融して、表面張力の作用を利用し、光ファイバ先端を球状にする方法においては、同一形状のものを形成するのが難しく品質の再現性がない。また、トーチや放電では一定の均一な温度の制御が難しく、失敗した場合は、また先端光ファイバ３２ａの接続、切断からやり直す等、手間暇が掛かりコストが高くなる。
【０００７】
（２）空間で成形するため、加熱の仕方によってはレンズと光ファイバの光軸のズレが生じやすい。
【０００８】
（３）品質が個人のスキルに依存しやすく、設備的にも大量生産に向かない。そのためコストは高くなる。
【０００９】
（４）表面張力を利用して成形するために形状に自由度がない。
【００１０】
また、図１３に示す型に圧接する方法では、例えば、外径が１２０μｍφ程度の光ファイバのように極めて細ものに対して、圧接力を制御するのは曲がりが生じ易く難しい。特に先端光ファイバ３２ａが石英の場合は、溶融温度が１５００°Ｃ以上と高く、粘度変化も大きいので、成形型も同時に光ファイバの溶融温度程度に加熱しておかなければならず、技術、設備的にも難しい。
【００１１】
本発明の目的は上記の課題を解決して、光ファイバの先端に任意形状のレンズを固着したレンズ付光ファイバを大量に安価に製造する方法を提供するものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために本発明の請求項１のレンズ付光ファイバの製造方法は、底面が凸レンズ形状に形成された上面開口の穴状の型窪を形成した成形型を予め用意し、その成形型の型窪内に上面開口側から光ファイバ挿入孔用の中子の先端を挿入して凸レンズ形状の底面に対して所定の深さ位置に位置調整して中子を設け、前記型窪内に珪素のアルコキシドを前記中子の挿入先端よりも上位レベル位置まで注入し、その後、加水分解してゲル化して前記型窪に対応した形状のゲル体を生成し、このゲル体を前記成形型から取り出し中子を除去してゲル体の中子を除去した跡を光ファイバ挿入孔として形成し、然る後に前記ゲル体をガラス化して凸レンズを形成した後、前記中子により形成された凸レンズの前記光ファイバ挿入孔に光ファイバを挿入固着してレンズ付光ファイバとすることを特徴とする。
【００１３】
上記の課題を解決するために本発明の請求項２のレンズ付光ファイバの製造方法は、底面が凸レンズ形状に形成された上面開口の穴状の型窪を形成した成形型を予め用意し、その成形型の型窪内に上面開口側から型窪に光ファイバの先端を挿入して凸レンズ形状の底面に対して所定の深さ位置に位置調整して光ファイバを配置して、前記型窪内に珪素のアルコキシドを前記光ファイバの挿入先端よりも上位レベル位置まで注入し、その後に、加水分解してゲル化して前記型窪に対応した形状のゲル体を生成し、このゲル体を前記成形型から取り出し、然る後に前記ゲル体をガラス化して光ファイバと一体化した凸レンズを形成することを特徴とする。
【００１４】
上記の課題を解決するために本発明の請求項３のレンズ付光ファイバの製造方は、凸レンズの形状が球面であることを特徴とする。
【００１５】
上記の課題を解決するために本発明の請求項４のレンズ付光ファイバの製造方は、凸レンズの形状が非球面であることを特徴とする。
【００１６】
上記の課題を解決するために本発明の請求項５のレンズ付光ファイバの製造方法は、光ファイバ光軸延長部分の凸レンズ内にドーパントを添加したことを特徴とする。
【００１７】
本発明の請求項１または請求項２のレンズ付光ファイバの製造方法によれば、光ファイバ先端に固着するレンズをレンズと相似の型を用いてゾルーゲル法によって作製するので、同一形状のものを安価に大量に製作することが可能となる。また、型は合成樹脂や融点の低い金属を用いることによってレンズと相似の型窪を容易に形成することができる。即ち、レンズと相似の型を精密加工で作製して、この相似の型の周囲に合成樹脂や融点の低い金属を流し込むことによって容易に底面がレンズと相似の型窪を形成できる。
【００１８】
さらに、レンズと光ファイバの端面の間隔は光結合に非常に重要な要素であるが、型窪の底面と光ファイバ挿入孔用の中子の先端または光ファイバの先端の位置合わせは光学用の３軸ステージを用いることによって容易に精密な位置合わせが達成できる。
【００１９】
さらにまた、請求項２のレンズ付光ファイバの製造方法によれば、レンズを作製する際に光ファイバ挿入孔用の中子を使用しないで、直接光ファイバを型窪に配置してレンズを作製すると同時に光ファイバを固着するのでより作業能率が向上する。
【００２０】
本発明の請求項３のレンズ付光ファイバの製造方法によれば、レンズの形状は球面であり、球体は精密加工が容易であるので、この球体を成形棒の先端に固着してその成形棒の周囲に合成樹脂や融点の低い金属を流し込むことによって容易に底面が球面の型窪を形成できる。
【００２１】
本発明の請求項４のレンズ付光ファイバの製造方法によれば、レンズの形状は非球面であるので、光ファイバの端面との光結合に最適な任意の形状のレンズ形状、例えば双曲線形状の曲面とすることができる。
【００２２】
本発明の請求項５のレンズ付光ファイバの製造方法は、光ファイバ光軸延長部分の凸レンズ内にドーパントを添加したので、光ファイバとレンズとの屈折率の調整ができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を実施の形態により詳細に説明する。
【００２４】
（実施の形態１）
【００２５】
図１は本発明のレンズ付光ファイバの製造方法の一実施の形態を示す説明図である。図１に示すように、成形型１は型窪２を有している。型窪２の底面３は半球面となっている。４は光ファイバ挿入孔形成用の中子で、中子４の先端４ａは図示していない３軸ステージによって型窪２の底面３から所定の位置に配置される。また、中子４は真直なものであればその材質は特に問題ない。
【００２６】
上記の成形型１の型窪２にガラス原料溶液であるゲル溶液５ａを注入する。ゲル溶液５ａの原料としては、金属アルコキシドとしての例えば珪素のアルコキシドで、主成分はテトラメチルシリケートあるいはテトラエチルシリケートである。この原料には屈折率調整のために、後に接続される光ファイバの光軸延長部分となる領域に例えばＧｅ、Ｔｉ、Ａｌ等の他のドーパントを添加してもよい。
【００２７】
ガラスの原料に、水と触媒（塩酸またはアンモニア）、アルコールを加えて加水分解してゾル溶液５ｂを調整する。このゾル溶液５ｂを成形型１の型窪２に流しこんで成形する。ゾル溶液５ｂを型窪２に流しこんだ後、成形型１を５０〜８０°Ｃに２０時間加温してゲル化する。生成したゲル体７を成形型１から取り出し、中子４を除去すると、図２（イ）に示すような光ファイバ挿入孔６ａを有する水分やアルコールを多量に含んだゲル体７が得られる。
【００２８】
このゲル体７を毎分０．２〜０．５°Ｃの上昇温度で常温から１１００°Ｃまでゆっくりと加熱する。この過程でゲルは脱水─縮合にともなう体積収縮を起こしつつ、最終的には図２（イ）と相似形の一回り小さい図２（ロ）に示すような光ファイバ挿入孔６ｂを有する凸レンズ形状に形成された石英レンズ８になる。光ファイバ挿入孔６ｂに図３に示すように光ファイバ９を挿入して接着剤で固着することによってレンズ付き光ファイバ１０が得られる。
【００２９】
上記成形工程において、ゲル体７から石英レンズ８になる際の体積収縮率は金属アルコキシドの種類、濃度、反応条件によって異なる。一般的には体積収縮率が数分の１程度となるように、アルコキシドの種類を限定し、濃度、反応条件を制御すれば同一形状のものを精度よく造ることが出来る。また、上記のように微小な成形体の製造に対して、スタートとなる成形型１を縮小する分だけ大きく造ることになり加工および精度上、有利に作用することになる。また、加熱温度が１１００°Ｃ程度と石英の軟化点約１６００°Ｃよりかなり低いのでゲル成形体からガラス化に際しての変形は実用上無視できる程度に小さい。
【００３０】
成形型１の型窪２の内面あるいは中子４はゲルの離型性を考慮してフッソ系オイル等の離型剤が極薄く塗られることもある。光ファイバ９は裸光ファイバ本体あるいはメタルやカーボンコート光ファイバでも、また、耐熱性金属あるいはセラミックフェルールに挿入されていてもよい。ゾル溶液５ｂの注入に際しては気泡の生成を防ぐために必要に応じて成形型１に超音波や微振動が加えられることもある。これによる中子４の位置ズレはゾル溶液５ｂを注入後に調整することも可能である。即ち、初期のゾル溶液５ｂの粘性は水と同等なので中子４の移動は可能である。
【００３１】
（実施の形態２）
【００３２】
図４は本発明のレンズ付光ファイバの製造方法の他の実施の形態を示す説明図である。図４に示すように、成形型１は実施の形態１と同様のものである。実施の形態２の特徴は光ファイバ挿入孔形成用の中子を使用しないで直接光ファイバ９を成形型１の型窪２に配置することである。光ファイバ９の挿入位置（先端位置）は形成されるレンズ端面から入射した光が光ファイバ９の端面９ａに結合するように図示していない３軸ステージによって調整されることは実施の形態１の中子の場合と同様である。その他の工程、手順は実施の形態１と同様に付き同様の部材には同様の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００３３】
上記の実施の形態１および実施の形態２に使用される成形型は以下のようにして加工することができる。図５は成形型の型窪形成用の鋳型である。型窪形成用の鋳型２０はストレート部２０ａの一方の端部が球面あるいは非球面の凸レンズ形状部２０ｂとなっていて、他方の端部が鋳型２０の把持部２０ｃとなっている。鋳型２０は超精密加工機を用いて加工し、そのサイズはゲルの収縮率を考慮して決める。端部が球面の場合は球体を用いてもよい。球体の微小な精密加工は比較的容易に達成される。球体を半割りあるいは球体のままストレート部２０ａとなる金属棒に接着剤で固着して形成する。
【００３４】
この型窪形成用の鋳型２０を用いて図６に示すような鋳型２０の凸面に嵌合一致する凹面を有する型窪２１を備えた成形型２２を作製する。成形型２２は合成樹脂や低融点の金属で造られ、型窪２１が多数ある場合は鋳込み孔２３を設けるとよい。鋳込み孔２３があるとガラス原料溶液であるゾル溶液の注入量が均一となる。
【００３５】
以下にレンズ付光ファイバの製造方法の具体例を説明する。
【００３６】
【実施例１】
超精密加工機で黄銅を用いて、図５に示す型窪形成用の鋳型２０と図１に示す中子４を作製した。型窪形成用の鋳型２０は非球面の凸レンズ形状部２０ｂ、スレート部２０ａおよび把持部把持部２０ｃを有する外径１．７５ｍｍφ、長さ１０ｍｍのもの、中子４は外径０．４４ｍｍφ、長さ１２ｍｍのものである。
【００３７】
これらの鋳型２０と中子４には金を蒸着して耐蝕性を付与した。上記の鋳型２０の周囲にアクリル樹脂を流し込み、図６に示す鋳込み用の成形型２２を作製した。鋳込み成形型２２の型窪２１の所定の位置に図７に示すように中子４を配置した後、表１に示す組成で調整したゾル溶液５ｂを鋳込み孔２３から図示しないポンプで型窪２１に注入した。
【００３８】
【表１】
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【００３９】
ゾル溶液５ｂの粘度が高い場合あるいは速く注入する等の場合は一方の鋳込み孔２３から吸気しつつ注入すると良い。または鋳込み成形型２２を図示しない真空容器にいれ、各型窪２１にゾル溶液５ｂを注入しても良い。表１の組成のゲル体７の収縮率を予め調べた結果、収縮率は１／３．５であり、この値から上記成形型２２の型窪２１のサイズを決めた。各型窪２１にゾル溶液５ｂを注入した成形型２２を恒温槽のなかで６０°Ｃ、２０時間加温して加水分解反応を完結させた。
【００４０】
中子４の付いたゲル体７を型窪２１から取り出して中子４をゲル体７から外し、図２（イ）に示すような光ファイバ挿入孔６ａを有するゲル体７を得た。このゲル体７を電気炉に入れ、毎分０、２°Ｃの昇温速度でゆっくりと約９２時間かけて加熱しガラス化した。これによって図２（イ）に示すゲル体７と相似形の一回り小さい図２（ロ）に示すような内径１２５μｍφの光ファイバ挿入孔６ｂを有する外径０．５ｍｍφ、長さ１ｍｍの先端に非球面を有するロッド型の石英レンズ８が作製された。
【００４１】
通常のシングルモード光ファイバ９の先端のナイロン等の被覆層を皮剥きして光ファイバ９を露出させ、これを光ファイバ挿入孔６ｂにいれて、光学用接着剤で固定することによって図３に示すレンズ付き光ファイバ１０を作製した。
【００４２】
【実施例２】
実施例１で使用した鋳込み成形型２２の型窪２１の所定の位置に図８に示すように実施例１と同様に形成した光ファイバ９を直接、所定の位置に配置した後、表２に示す組成で調整したゾル溶液５ｂを鋳込み孔２３から図示しないポンプで型窪２１に注入した。
【００４３】
【表２】
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【００４４】
型窪２１内のゾル溶液５ｂを実施例１に準じてゲル化、ガラス化を行い先端に非球面を有するロッド型の石英レンズ８ａとともに光ファイバ９が一体となった図９に示すようなレンズ付光ファイバ１０ａを作製した。この実施例のゲルの収縮率は１／３．５であり、実施例１と同様であった。本実施例によれば、中子が必要なくまた、石英レンズ８ａと光ファイバ９の接着工程が不要になり製作工程が簡略となった。
【００４５】
【発明の効果】
以上述べたように本発明の請求項１または請求項２のレンズ付光ファイバの製造方法によれば、光ファイバ先端に固着するレンズをレンズと相似の型を用いてゾルーゲル法によって作製するので、品質に再現性がある同一形状のものを安価に大量に製作することが可能となる。また、レンズを型を用いて作製するので、製造者のスキルに依存することなく製造することができる。さらに、型は形状に自由度があるのでテーパ導波路構造等複雑なものもでき、光結合特性が最適の形状に形成でき、光結合特性が向上する。
【００４６】
さらに、レンズと光ファイバの端面の間隔は光結合に非常に重要な要素であるが、型窪の底面と光ファイバ挿入孔用の中子の先端または光ファイバの先端の位置合わせは光学用の３軸ステージを用いることによって容易に精密な位置合わせが達成できるので、光結合特性が向上する。
【００４７】
さらにまた、請求項２のレンズ付光ファイバの製造方法によれば、レンズを作製する際に光ファイバ挿入孔用の中子を使用しないで、直接光ファイバを型窪に配置してレンズを作製すると同時に光ファイバを固着するのでより作業能率が向上する。
【００４８】
本発明の請求項３のレンズ付光ファイバの製造方法によれば、レンズの形状は球面であり、球体は精密加工が容易であるので、この球体を成形棒の先端に固着してその成形棒の周囲に合成樹脂や融点の低い金属を流し込むことによって容易に底面が球面の型窪を形成できる。
【００４９】
本発明の請求項４のレンズ付光ファイバの製造方法によれば、レンズの形状は非球面であるので、光ファイバの端面との光結合に最適な任意の形状のレンズ形状とすることができるので、光結合特性が向上する。
【００５０】
本発明の請求項５のレンズ付光ファイバの製造方法は、光ファイバ光軸延長部分の凸レンズ内にドーパントを添加したので、光ファイバとレンズとの屈折率の調整ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレンズ付光ファイバの製造方法の一実施の形態を示す説明図である。
【図２】（イ）は図１のレンズ付光ファイバの製造方法で作られたゲル体の正面図、（ロ）は図１のレンズ付光ファイバの製造方法で作られた凸レンズ形状に形成された石英レンズの正面図である。
【図３】本発明のレンズ付光ファイバの製造方法の一実施の形態で作製されたレンズ付光ファイバの正面図である。
【図４】本発明のレンズ付光ファイバの製造方法の他の実施の形態を示す説明図である。
【図５】本発明のレンズ付光ファイバの製造方法で使用される成形型を作製する際に使われる型窪形成用の鋳型の正面図である。
【図６】本発明のレンズ付光ファイバの製造方法で使用される成形型の一例を示す斜視図である。
【図７】本発明のレンズ付光ファイバの製造方法の一実施の形態の一工程を示す断面図である。
【図８】本発明のレンズ付光ファイバの製造方法の他の実施の形態の一工程を示す断面図である。
【図９】本発明のレンズ付光ファイバの製造方法の他の実施の形態で作製されたレンズ付光ファイバの正面図である。
【図１０】従来のレンズ付光ファイバの一例を示す正面図である。
【図１１】従来のレンズ付光ファイバの他の例を示す正面図である。
【図１２】（イ）および（ロ）は従来のレンズ付光ファイバの製造工程の一例を示す正面図である。
【図１３】従来のレンズ付光ファイバの他の製造工程の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
１  成形型
２  型窪
３  底面
４  中子
４ａ  中子４の先端
５ａ  ゲル溶液
５ｂ  ゾル溶液
６ａ  光ファイバ挿入孔
７  ゲル体
８  凸レンズ形状に形成された石英レンズ
９  光ファイバ
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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