(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空光ファイバとレンズ部材とを接合する光学装置の製造方法であって、
前記中空光ファイバの接合面側を予め融解して遷移領域を設ける工程と、
前記遷移領域を所定の長さに形成する工程と、
該形成する工程の後に、前記遷移領域の端面及び前記レンズ部材の端面の表面のみを融解して接合する接合工程とを有し、
前記遷移領域の長さは、前記レンズ部材が前記遷移領域を越えて前記中空光ファイバの空孔端部で合焦する長さとなるように形成する
ことを特徴とする光学装置の製造方法。
【請求項２】
前記遷移領域を所定の長さに形成する工程は、所定の長さに形成された前記遷移領域の端面を研磨する工程であることを特徴とする請求項１に記載の光学装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトニック結晶ファイバ（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｆｉｂｅｒ、以下ＰＣＦとも略記する）に代表されるような、ファイバ断面内に単一または周期的な空孔を有する中空光ファイバと、レンズ部材との融着接合に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、電磁気の影響を受けず、極細の信号線で高速信号が長距離に伝送できるため、光ファイバがデジタル通信を中心に多くの通信用途に使用されている。これらの光伝送システムにおいて、各種の光ファイバとレンズなどの光学部品との接合、又は光ファイバ同士の接合についての製造方法や光学装置の提案がなされている。又、新しいタイプの光ファイバとして、コアの周囲のクラッド部に周期的に配列された空孔を有し、コア部と周期的に配列された空孔により光を閉じ込めることで導波するＰＣＦが注目されている。このＰＣＦは広い周波数帯域においてシングルモードで動作すること、曲げに強いことなどの特性を有するため、レンズや光ファイバなど他の光学部品との結合技術の発展と応用開発が期待されている。
【０００３】
このような従来の光学装置の一例として特許文献１を挙げる。特許文献１の（図４）に示す従来技術には第１の光部品１と第２の光部品２を融着接合する製造方法とそれにより得られる光学装置が提案されている。特許文献１の（図４）に示された光学装置の断面図を図８に示す。以下、図８を参照して従来の光学装置の製造方法と光学装置について説明する。なお、理解し易いように発明の主旨を外さない範囲において、図面を一部簡略化し、又、部品名称も本願にそろえている。光学装置１００はレンズ１とシングルモード光ファイバ３（以下、ＳＭＦと略記する）とからなり、ＳＭＦ３はコア４とクラッド５から構成されており、レンズ１の中心にＳＭＦ３の中心がほぼ同軸上に融着接合されている。ＳＭＦ３の軟化点はレンズ１の軟化点よりも高く設定されており、アーク放電による放電プラズマによりレンズ１が融解することでＳＭＦ３と融着する。
【０００４】
レンズ１が融解した状態で、レンズ１方向に押し込んでから引き戻すことで、融着接合面８がレンズ１の融解前の面よりも外側に位置した状態となるようにして冷却し固定させる。レンズ１の焦点位置は予めその外側位置（融着接合面８の近辺）に設定しておくことにより接合面８上で、ＳＭＦ３のコア部４に焦点を結ぶようにする。そのため、融着により生じる光学的な歪にも影響し無い光学装置１００とその製造方法が実現できると記載されている。
【０００５】
又、特許文献２にはＰＣＦが光学素子の両端面に接合され、さらに第１のＰＣＦと第２のＰＣＦのそれぞれの他方の端面にＳＭＦが光学的に接合されている光学装置が記載されている。
【０００６】
特許文献１において、段落００３０に「光ファイバ１２としては、この他に、高融点ガラスによって形成されたものを用いてもよく、マルチモード光ファイバ、偏波面保持ファイバ、フォトニッククリスタルファイバ（ＰＣＦ）の内のいずれを用いても良い。」とあり、レンズ１に対してＰＣＦを融着接続することが可能との内容が記載されている。又、特許文献２において、段落００２１に「なお、第１、第２のＰｈＣファイバ（ＰＣＦ）２ａ、２ｂと第１、第２のＳＭファイバ（ＳＭＦ）３ａ  ，３ｂ間は、鏡面加工した両者の接続端面をバーナやアーク放電などで加熱することにより融着接続することができ」とあり、ＰｈＣファイバとＳＭＦを融着接続することが可能との内容が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第４７２９３９４号公報  （図４）
【特許文献２】特許第３８８８９４２号公報  （図１）
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Low-Loss High-Strength Microstructured Fiber Fusion Splices Using GRIN Fiber Lenses（A. D. Yablon et al.  IEEE Photonics Technology letters 17, p118-120  Jan. 2005）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１に記載された従来の融着接合構造ではレンズ１の軟化温度をＳＭＦ３の軟化温度より低くすることによってレンズ１側を融解させて結合させており、光学部品１及び光学部品２として軟化温度の異なる材質を準備する必要があるため、生産上の制約が有り、又、レンズ１側が融解するだけであるため、ＳＭＦ３との十分な結合力を得られずに接合面での信頼性が不十分になるというに問題がある。又、特許文献２に記載された融着接合構造では融着条件についての詳細な記載はないものの、ＰＣＦとＳＭＦの融着接合においてＰＣＦとＳＭＦの両方が融解して接合されているものと思われるため、接合領域での光学特性の乱れにより導波特性が低下する恐れがある。
【００１０】
ここで、本発明者らはレンズ部材と中空光ファイバとの融着実験を重ねた結果、両者の接続端面をバーナやアーク放電などで加熱する際に、空孔を有する中空光ファイバ側の一定領域には加熱によって空孔が内部で融解し、塞がれてしまう領域（以下、遷移領域と呼ぶ）が出現することを見出した。つまり、この遷移領域は中空部が消滅してガラス化した領域である。このような遷移領域においては、中空光ファイバが光を閉じ込める作用がなくなり、光の導波特性が劣化することが判明した。従って、特許文献２において、本願と同じ中空光ファイバであるＰＣＦを融着接合させようとすると、上記の遷移領域が発生し光の導波特性を劣化させる問題が発生するのは明白である。
【００１１】
（発明の目的）
そこで本発明の目的は、レンズ部材と中空光ファイバを融着接合して光を導波する構成において、融着時に中空光ファイバの空孔部が融解し塞がれてしまう遷移領域があっても、導波特性を劣化させることのない光学装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明における光学装置の製造方法は、以下の通りである。
中空光ファイバとレンズ部材とを接合する光学装置の製造方法であって、中空光ファイバの接合面側を予め融解して遷移領域を設ける工程と、遷移領域を所定の長さに形成する工程と、遷移領域の端面及びレンズ部材の端面の表面のみを融解して接合する接合工程と
を有し、遷移領域の長さは、レンズ部材が遷移領域を越えて中空光ファイバの空孔端部で合焦する長さとなるように形成することを特徴としている。
【００１３】
上記構成によれば、レンズ部材と中空光ファイバの融着時に生じる中空光ファイバ側の遷移領域の長さを考慮して、遷移領域を越えて空孔端部にレンズの焦点位置を合致させることにより、光の導波特性の劣化を抑えることができる。
【００２４】
中空光ファイバとレンズ部材とを接合する光学装置の製造方法であって、中空光ファイバの接合面側を予め融解して遷移領域を設ける工程と、遷移領域を所定の長さに形成する工程と、所定の長さに形成された遷移領域の端面を研磨する工程と、研磨された遷移領域の端面とレンズ部材とを融着する工程とからなり、遷移領域の長さは、レンズ部材が遷移領域を越えて中空光ファイバの空孔端部で合焦するような特性を有する長さとなるように形成することを特徴としている。
【００２５】
上記製造方法によれば、レンズ部材と中空光ファイバを融着する前に、予め中空光ファイバの端面を融解し遷移領域の長さを所定の長さに研磨しカットしておくので、遷移領域の長さがよりに正確になり、高い精度でレンズ焦点位置と空孔端部を合致させることができ、導波特性の安定した光学装置の製造方法を提供することができる。
【発明の効果】
【００２６】
上記の如く、本発明の構成によれば、レンズ部材と中空光ファイバの融着時に生じる中空光ファイバ側の遷移領域の長さを考慮して、遷移領域を越えて空孔端部にレンズ部材の焦点位置を設定することにより、光の導波特性を劣化させることのない光学装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１実施形態における光学装置２０を示す断面図である。
【図２】第１実施形態における光学装置２０を中空光ファイバ（ＰＣＦ）側から見た斜視図である。
【図３】第１実施形態におけるＧＩレンズとＰＣＦを融着する工程を示す断面図である。
【図４】ＰＣＦを融着する時の放電時間に対して遷移領域の長さの傾向をグラフ化した参考図である。
【図５】第２実施形態における光学装置３０を示す断面図である。
【図６】第３実施形態における光学装置４０を示す断面図である。
【図７】第４実施形態における光学装置２１の製造方法を示す断面図である。
【図８】従来の光学装置１００を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の思想を具体化するための光学装置を例示するものであって、本発明は以下の構成に特定しない。特に実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特定的な記載がない限りは本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。又、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は説明を明確にするために誇張していることがある。又、以下の説明において同一部品、同一構成要素には同一の名称、符号を付し詳細説明を適宜省略することがある。
【００２９】
〔第１実施形態〕
以下、本発明の好適な実施形態として第１実施形態について、図１〜図３を参照して説明する。図１は本発明による光学装置２０の断面構成を示し、図２はその斜視Ａを示す。図３はレンズ部材と中空光ファイバの融着接合においてガラス化した遷移領域７ができる工程を示す。
【００３０】
（光学装置２０の構成）
図１において、光学装置２０は、レンズ部材１として本実施形態では屈折率分布型のＧＩレンズ（以下ＧＩレンズ１とする）を使用し、ＧＩレンズ１と中空光ファイバ２（以下、ＰＣＦと略記する）が接合面８で融着接合されている。遷移領域７はＰＣＦ２の接合部側においてそのクラッド部５が、融着時の加熱溶融によって空孔６が塞がれガラス化した領域である。ＧＩレンズ１の焦点位置は予めＧＩレンズ１の外側に設定されており、ＧＩレンズ１に入射した光はＧＩレンズ１によって屈折され、ＰＣＦ２のガラス化した遷移領域７を越えてＰＣＦ２の空孔端部９に焦点が結ばれるように設計されている。次に、図２は図１の光学装置２０の矢視Ａを示す。光学装置２０において、融着接合されたＰＣＦ２は中央部にコア部４を有し、その周囲のクラッド部５には複数の空孔６が周期的に配設されている。この中空構造において、コア部４と配設された空孔６により光を閉じ込めて導波できるようになっている。
【００３１】
（光学装置２０の動作）
以上説明した図１に示す光学装置２０の構成において、ＧＩレンズ１側から入射した光はＧＩレンズ１によって屈折されＰＣＦ２側へ入る。そしてＰＣＦ２において長さが規定値に制御された遷移領域７を越えて空孔端部９に焦点を結ぶため、遷移領域７で拡散されること無くＰＣＦ２へ導波することができる。
【００３２】
（光学装置２０の融着接合工程）
次に、図３は前述のガラス化した遷移領域７が形成される工程を示す。図３（ａ）において、ＧＩレンズ１とＰＣＦ２が融着接合する初期の状態を示す。ＧＩレンズ１とＰＣＦ２のそれぞれの接合端面を製造装置（図示なし）に配設された２つのアーク電極１０の間に所定の間隔をもって配置し、２つの電極１０間にアーク放電を開始することにより、放電プラズマ１１を発生させる。次に、図３（ｂ）において、所定の放電時間を経過したあとＧＩレンズ１とＰＣＦ２を互いに近づける方向に移動させ融着させる。この融着する過程で、ＰＣＦ２は放電プラズマ１１の熱により空孔６が融解して塞がり、ガラス化して遷移領域７が形成される。一方、ＧＩレンズ１側は表面が融解してＰＣＦ２と接合面８で融着接合し、光学装置２０が完成する。
【００３３】
融着接合の際に、ＰＣＦの遷移領域がどのように形成されていくのかを、予備実験を行なって参考データを得た。図４は、ＰＣＦの融着接合において、アーク放電の放電時間とガラス化した遷移領域７の長さの関係をグラフで表わしたものである。横軸はアーク放電の放電時間を示し、縦軸は遷移領域（ガラス変化領域）の長さを示す。融着界面で、ＰＣＦの空孔がつぶれ、遷移領域が形成できていることが見て取れる。さらには、融着時の放電により遷移領域が形成される際、放電時間と遷移領域の長さの関係は、ほぼ比例傾向にあり、放電時間によりその長さを制御できることがわかる。このことは、放電時の強度や放電時間、放電スポットの各条件を制御する工程を加えることで、遷移領域は所定の長さに制御可能であることを意味している。ここでは、ＧＩレンズの代わりにＳＭＦを用いているが、上記の遷移領域の制御は、ＰＣＦとＧＩファイバ等でも可能である。
【００３４】
（第１実施形態の効果）
上記光学装置２０の構成によれば、所定の条件下でアーク放電の放電時間を管理することによりＰＣＦ２に形成される遷移領域７の長さを規定値に制御することが可能となった。これにより、ＧＩレンズ１の焦点位置をＰＣＦ２の遷移領域７を越えてＰＣＦ２の空孔端部９に合致させることが可能になり、導波特性を劣化させることのない光学装置２０を提供できる。
【００３５】
〔第２実施形態〕
次に、図５を参照して第２実施形態について説明する。図５に示す光学装置３０は、図１に示す第１実施形態の光学装置２０に対応しており、同一構成要素には同一番号を付している。図５において、光学装置３０は第１実施形態の光学装置２０に対して、ＧＩレンズを２連のＧＩレンズ１ａとＧＩレンズ１ｂにしたものであり又、別の光ファイバとの接続構成を図示したものである。
【００３６】
（光学装置３０の構成）
図５に示す光学装置３０において、ＰＣＦ２とＧＩレンズ１ａは接合面８で融着接合されている。遷移領域７はＰＣＦ２の接合部側におけるクラッド部５において、融着時の加熱溶融によって空孔６が塞がれガラス化した領域である。次に、レンズ部はＧＩレンズとして第１のＧＩレンズ１ａと第２のＧＩレンズ１ｂを組合せて使用し、総合的なＧＩレンズとしての焦点距離を設定し、その焦点位置は予めＧＩレンズ１ａの外側に設定されている。次に、ＳＭＦ３はＧＩレンズ１ｂと光学結合されており、ＳＭＦ３から入射した光は、総合的なＧＩレンズとしてＧＩレンズ１ｂとＧＩレンズ１ａによって屈折され、ＰＣＦ２のガラス化した遷移領域７を越えてＰＣＦ２の空孔端部９に焦点が結ばれるように設計されている。
【００３７】
尚、ここではＧＩレンズ１ｂのＮＡ（開口数）をＧＩレンズ１ａのＮＡより大きく設定してあり、ＳＭＦ３からの光をＮＡの大きなＧＩレンズ１ｂで取り込みやすくし、次のＮＡの小さなＧＩレンズ１ａではＰＣＦ２の空孔端部９へ焦点を合わせやすくして、ＳＭＦ３とＰＣＦ２の間を接続する構成にしている。第１のＧＩレンズ１ａと第２のＧＩレンズ１ｂとの接続は、アライメント精度をそれほど必要としないので空間結合でも良いし光学的な接着剤やマッチングオイルの塗布などによって接続してもよい。又、ＧＩレンズ１ｂとＳＭＦ３との結合は同様にアライメント精度をそれほど必要としないので空間結合でも良いし光学的な接着剤やマッチングオイルの塗布などによって接続してもよい。これにより、ＳＭＦ３とＰＣＦ２はＧＩレンズ１ａ及びＧＩレンズ１ｂにより接続された構成となり、ＳＭＦ３とＰＣＦ２の間を効率よく導波ができる構成の光学装置３０が完成する。
【００３８】
（光学装置３０の動作）
以上説明した光学装置３０の構成において、ＳＭＦ３側から入射した光はＧＩレンズ１ｂにおいて屈折され、ＧＩレンズ１ａに入射する。次にＧＩレンズ１ａにおいてさらに屈
折され、ＧＩレンズ１ａとＰＣＦ２の接合面８を通過し、ＰＣＦ２のガラス化した遷移領域７を通過し、ＰＣＦ２の空孔端部９に焦点を結ぶ。ＰＣＦ２のガラス化した遷移領域７の長さを考慮してＧＩレンズ１ｂとＧＩレンズ１ａを総合した焦点距離を設計しＰＣＦ２の空孔端部９に焦点を結ぶように設定してあるので、ＳＭＦ３からＰＣＦ２へ効率よく導波することができる。
【００３９】
〔第２実施形態の効果〕
以上説明した第２実施形態によれば、２つのＧＩレンズ（ＧＩレンズ１ａ、ＧＩレンズ１ｂ）を組み合わせることにより、レンズ系の焦点距離やＮＡ（開口数）に関する設計の自由度が増し、異なる種類の光ファイバ間を接続することが容易になり、ＳＭＦ３とＰＣＦ２の間の導波を効率良く行うことができる光学装置３０を提供できる。
【００４０】
尚、本実施形態ではＧＩレンズを２連としたが、３連でもそれ以上の組合せでも良い。又、本実施形態ではＳＭＦ３とＰＣＦ２間の構成について説明したが、ＭＭＦ（マルチモード光ファイバ）とＰＣＦ間の構成でも良いし、異なるＭＦＤ（モードフィールド径）を有する２つのＰＣＦ間の構成でも良い。
【００４１】
〔第３実施形態〕
次に、図６を参照して第３実施形態について説明する。図６は光学装置４０を示し、図１に示す光学装置２０に対応し、同一構成要素には同一番号を付し重複する説明は省略する。第３実施形態の光学装置４０が第１実施形態の光学装置２０と異なるところは、ＰＣＦ２を挟んで両側にＧＩレンズ１が融着接合されている点である。図６においてＰＣＦ２の両側の接合面８近傍には第１実施形態の融着と同様に、ガラス化した遷移領域７が形成されている。第１実施形態の融着と同様にそれぞれの遷移領域７の長さを考慮してあり、それぞれのＧＩレンズ１の焦点位置を外側に設け、接合状態において遷移領域７を越えてそれぞれの空孔端部９に焦点位置を設定した構成になっている。これにより光学装置４０が完成する。
【００４２】
〔第３実施形態の効果〕
以上説明した第３実施形態によれば、ＰＣＦ２を挟んでＧＩレンズ１を融着接合した構成とすることにより、2つのレンズ１の外側端部に光ファイバを配設すれば、両光ファイバ間を結ぶ非接触コネクタとして利用できる光学装置４０を提供できる。
【００４３】
尚、本発明の各実施形態においてはＧＩレンズを用いたが、通常の凸面や凹面を持ったレンズを用いても良く、その他いかなる光学構造体でも良い。又、ＧＩレンズ１とＰＣＦ２の外径については、ほぼ同径のものを使ったが同径である必要はなく、レンズ側が大きい径でも良い。又、アーク放電による放電プラズマ１１を利用しているが、その他にも様々な加熱手段を用いることができる。例えばレーザー光源や、バーナを用いてもよい。
【００４４】
〔第４実施形態〕
次に、図７（ａ）〜（ｄ）を参照して、第４実施形態における光学装置２１の製造方法について説明する。図７に示す光学装置２１の製造方法が第１実施形態の図３に示す光学装置２０の製造方法と異なるところは、ＰＣＦ２の融着する端面を予め融解させて遷移領域７を作り出しておき、遷移領域７の端面を研磨してカットすることで空孔端部９までの距離を規定値にそろえて精度を高めておくことである。
【００４５】
（光学装置２１の製造方法）
図７（ａ）はＰＣＦ２を単独で接合端面を融解させる工程を示す。単独でＰＣＦ２の接合端面を製造装置（図示なし）に配設された２つのアーク電極１０の間に所定の位置に配置する。２つの電極１０間にアーク放電を開始することにより、放電プラズマ１１を発生し
ＰＣＦ２の端部を加熱する。次に図７（ｂ）は遷移領域７の形成工程を示す。この工程において、所定のアーク放電時間が経過するとＰＣＦ２の端部の空孔６が融解し塞がりガラス化して遷移領域７が形成される。このとき、遷移領域７の長さが規定値より少し長くなる様に放電条件を設定する。
【００４６】
次に図７（ｃ）は遷移領域７の端面を研磨する工程を示す。この工程においてはＰＣＦ２が冷却した後、前述の製造装置からＰＣＦ２を研磨装置（図示なし）に移動し固定する。このとき、ＰＣＦ２の遷移領域７において規定値より長い部分７ａを砥石１２で研磨しカットする。これによって、遷移領域７の長さが規定の長さに精度良く加工されたＰＣＦ２ａを得る。次に図７（ｄ）はＧＩレンズ１とＰＣＦ２ａの融着接合工程を示す。この工程において、ＧＩレンズ１とＰＣＦ２ａを製造装置（図示なし）に配置する。この融着接合工程は第１実施形態の図３（ｂ）に示す光学装置２０の融着接合工程と同様の手順で行い詳細な説明は省略する。手順の異なるところはアーク放電の条件である。ＰＣＦ２ａにはすでに遷移領域７が形成されているためＧＩレンズ１とＰＣＦ２はそれぞれの端面の表面のみが融解すればよく、アーク放電を所定の条件に設定し融着接合を行う。これにより光学装置２１が完成する。
【００４７】
（第４実施形態の効果）
以上説明した図７に示す形態の光学装置２１の製造方法によれば、ＰＣＦ２の融着端面を予め融解させて、遷移領域７を作り出しておき、端面を研磨することで空孔端部９までの距離を規定値にそろえることができる。これによりＧＩレンズ１と高い精度の遷移領域７の長さを持つＰＣＦ２ａとを融着した光学装置２１を得て、ＧＩレンズ１の焦点位置を、より正確にＰＣＦ２の空孔端部９に合致させることができる。これにより安定した導波特性を有する光学装置２１の製造方法を提供できる。
【符号の説明】
【００４８】
１                レンズ（部材）
１ａ、１ｂ        ＧＩレンズ
２                ＰＣＦ（中空光ファイバ）
２ａ              先端を研磨したＰＣＦ
３                ＳＭＦ
４                コア（部）
５                クラッド（部）
６                空孔（部）
７                遷移領域（ガラス化）
７ａ              遷移領域の規定値より長い部分
８                接合面
９                空孔端部
１０              アーク電極
１１              放電プラズマ
１２              砥石
２０、２１、３０、４０、１００    光学装置        
【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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