(57)【要約】【課題】  光ファイバと直径の等しいレンズを光ファイバ先端に配置することにより、調整が容易で小型の光結合系が実現できるが、従来この条件を満たすレンズが得られなかった。【解決手段】  本発明のレンズ機能付き光ファイバは、外径１２５μｍの単一モード光ファイバの端面に、該光ファイバの外径と等しい外径を有し、かつレンズ作用を呈する周期長をもつ屈折率分布型光ファイバを接合もしくは当接したもので、屈折率分布型光ファイバの球面収差量は回折限界以下である。この屈折率分布型光ファイバはイオン交換法によって製造することができる。【選択図】  図１
2006154868.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外径１２５μｍの単一モード光ファイバの端面に、該光ファイバの外径と等しい外径を有し、かつ所定のレンズ作用を呈する長さを有する屈折率分布型光ファイバを、接合もしくは当接したレンズ機能付き光ファイバにおいて、
前記屈折率分布型光ファイバは、使用波長域においてその屈折率分布を次式で表す場合、
ｎ（ｒ）2＝ ｎ０2・｛１−（ｇ・ｒ）2＋ｈ４（ｇ・ｒ）4 
＋ｈ６（ｇ・ｒ）6＋ｈ８（ｇ・ｒ）8＋・・・｝
条件、
０．１≦ｎ０・ｇ・ｒ０≦０．５
を満たし、かつその球面収差量が回折限界以下であることを特徴とするレンズ機能付き光ファイバ。
ただし、
ｒ    ：  光軸からの距離（ｍｍ）
ｎ（ｒ） ：  光軸からの距離ｒの位置での屈折率
ｎ０   ：  光軸での屈折率
ｒ０   ：  屈折率分布型光ファイバの半径（ｍｍ）
ｇ    ：  屈折率分布係数（ｍｍ-1）
ｈ４、ｈ６、ｈ８・・・：  高次屈折率分布係数
である。
【請求項２】
前記屈折率分布型光ファイバが、条件、
０．１２≦ｎ０・ｇ・ｒ０≦０．２５
を満たすことを特徴とする請求項１に記載のレンズ機能付き光ファイバ。
【請求項３】
前記屈折率分布型光ファイバの光軸での屈折率ｎ０が、１．４０以上１．８０以下であることを特徴とする請求項１に記載のレンズ機能付き光ファイバ。
【請求項４】
前記屈折率分布型光ファイバの光軸での屈折率ｎ０が、１．５０以上１．７０以下であることを特徴とする請求項３に記載のレンズ機能付き光ファイバ。
【請求項５】
前記屈折率分布型光ファイバの長さが、該光ファイバの周期長をＰとするとき、０．０５Ｐ以上１Ｐ以下であることを特徴とする請求項１に記載のレンズ機能付き光ファイバ。
【請求項６】
前記屈折率分布型光ファイバの長さが、該光ファイバの周期長をＰとするとき、０．０５Ｐ以上０．５Ｐ以下であることを特徴とする請求項５に記載のレンズ機能付き光ファイバ。
【請求項７】
前記単一モード光ファイバと前記屈折率分布型光ファイバとを両光ファイバの外径に概略等しい内径をもつスリーブに挿入し、接合固定したことを特徴とする請求項１に記載のレンズ機能付き光ファイバ。
【請求項８】
前記単一モード光ファイバと前記屈折率分布型光ファイバとを平板状基板に形成した断面がＶ字状の溝内で接合固定したことを特徴とする請求項１に記載のレンズ機能付き光ファイバ。
【請求項９】
均質ガラスロッドを溶融塩に浸漬し、イオン交換することによって屈折率分布を形成したガラスロッドを鉛直に保持し、加熱しつつ延伸して外径１２５μｍの屈折率分布型光ファイバを形成し、該屈折率分布型光ファイバを所定の周期長に相当する長さに切断し、外径１２５μｍの単一モード光ファイバの端面に接合もしくは当接することを特徴とするレンズ機能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、光通信システムに多用されている単一モード光ファイバに関し、とくに光ファイバ間、光ファイバ−光機能素子間などの光結合に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、インターネットの急速な普及により、光ファイバ通信網の容量の増大が強く求められており、その手段として波長多重（ＷＤＭ）光通信の開発が急速に進められている。光通信システムの基本的構成要素としては、光源として半導体レーザ、光検出器としてフォトダイオード、光伝達媒体として光ファイバや光増幅器などが必要とされる。さらにＷＤＭ光通信においては、わずかな波長差の光が個別の情報を伝達することから、波長選択性の良い光分波器、フィルタ、アイソレータといった光機能素子が必要である。
【０００３】
光ファイバ通信網を構築するためには、これらの構成要素が光学的に低損失で結合される必要がある。このため、半導体レーザやフォトダイオードと光ファイバの結合、光ファイバ間に光機能素子（フィルタやアイソレータ）を挿入した場合の結合、光ファイバ同士あるいは光ファイバと光導波路の結合等々、多岐にわたる光結合技術が極めて重要になっている。
【０００４】
従来、このような光結合は、光ファイバ同士をそのまま接合したり、間にレンズを介して行うことが一般的であった。光ファイバ同士の接合の場合は、損失がそれほど大きくならないが、調芯の許容差が非常に厳しく、組立コストを押し上げる原因となっていた。レンズを用いる場合、屈折率分布型ロッドレンズが円筒形状であるため、中空円筒であるスリーブにそのまま挿入したり、Ｖ溝を用いて配列するのに適しているなど光ファイバとの形状的な整合性がよく、種々の用途に用いられている（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
屈折率分布型ロッドレンズの屈折率分布は、
ｎ（ｒ）2＝ ｎ０2・｛１−（ｇ・ｒ）2＋ｈ４（ｇ・ｒ）4 
＋ｈ６（ｇ・ｒ）6＋ｈ８（ｇ・ｒ）8＋・・・｝
の式により表わすことができる。ただし、各記号は、
ｒ    ：  光軸からの距離（ｍｍ）
ｎ（ｒ）：  光軸からの距離ｒの位置での屈折率
ｎ０   ：  光軸での屈折率
ｒ０   ：  ロッドレンズの半径（ｍｍ）
ｇ    ：  屈折率分布係数（ｍｍ-1）
ｈ４、ｈ６、ｈ８・・・：  屈折率分布係数
をそれぞれ意味する。
【０００６】
屈折率分布型ロッドレンズのレンズ作用は、レンズ長Ｚによって異なる。
Ｐ＝２π／ｇ
の式で定義される周期長Ｐを基準にすると、つぎのような基本的な使い方が可能である。
（１）Ｚ＝０．２５Ｐの場合：端面に置いた光源の光を平行光とする。
（２）Ｚ＝０．５０Ｐの場合：端面に置いた光源の光をもう一方の端面に結像させる。
【０００７】
しかしながら、一般的なロッドレンズは１ｍｍ前後の径を持っており、標準的な単一モード光ファイバの外径の１２５μｍとの間にはかなりの直径差が存在するために、両者を保持するための専用ホルダを準備するか、またはロッドレンズと直径の等しいキャピラリを用いて光ファイバ端部を保持するなどの必要があった。このため、部品点数が増加して組立が複雑になり、また、全体として大きな体積を占めるようになり、結果的にコスト上昇の原因となっていた。
【０００８】
これらの問題を解決する手段として、光ファイバと直径の等しいレンズを光ファイバ先端に配置することが試みられている。たとえば、非特許文献１には、単一モード光ファイバ（ＳＭＦ）と同じ直径を持つ石英ガラス製の屈折率分布型光ファイバ（ＧＩＦ）を、ＳＭＦ先端に均質の石英ガラス製スペーサを介して融着する構造が提案されている。このような構造は、Ｖ溝などに並べることも容易で製造コストの大幅な低減が見込まれる。
【特許文献１】特開昭６０−９１３１６号公報
【非特許文献１】P. Chanclou, 外５名、"Collective microoptics on fiber ribbon for optical interconnecting devices", Journal of Lightwave Technology、アメリカ合衆国、IEEE、1999年、17巻、5号、P.924-928
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記の例では既製の通信用石英ガラス製マルチモード光ファイバを用いているため、屈折率分布が十分に制御されておらず、レンズ作用を利用するための十分な性能を引き出すに至っていない。また、通信用ＧＩＦのレンズ作用は光軸周辺のコア部分に集中している。このため屈折力（上記の屈折率分布を表す式での屈折率分布係数ｇの値）が大き過ぎ、コリメート光束が細くなる。
【００１０】
これを太くするためには、両光ファイバの端面間を一定距離離す必要がある。上記の例ではこの距離を規定するため、スペーサを介在させている。このため、両光ファイバの外径を一致させることができるという利点はあるものの、部品点数としてはホルダやキャピラリを用いるのと変わらず、本来の目的が達成できないという問題点があった。
【００１１】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、単一モード光ファイバと同一径を保ち、かつレンズ機能を付与した光ファイバを、特別な部品を付加することなく提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明のレンズ機能付き光ファイバは、外径１２５μｍの単一モード光ファイバの端面に、その外径と等しい外径を有し、かつ所定のレンズ作用を呈する長さを有する屈折率分布型光ファイバが、接合もしくは当接されている。
【００１３】
この屈折率分布型光ファイバは、使用波長域においてその屈折率分布を次式で表すことができる。
ｎ（ｒ）2＝ ｎ０2・｛１−（ｇ・ｒ）2＋ｈ４（ｇ・ｒ）4 
＋ｈ６（ｇ・ｒ）6＋ｈ８（ｇ・ｒ）8＋・・・｝
ただし、
ｒ    ：  光軸からの距離（ｍｍ）
ｎ（ｒ） ：  光軸からの距離ｒの位置での屈折率
ｎ０   ：  光軸での屈折率
ｒ０   ：  屈折率分布型光ファイバの半径（ｍｍ）
ｇ    ：  屈折率分布係数（ｍｍ-1）
ｈ４、ｈ６、ｈ８・・・：  高次屈折率分布係数
である。
【００１４】
このとき、条件、
０．１≦ｎ０・ｇ・ｒ０≦０．５
が満たされ、屈折率分布型光ファイバの球面収差量を回折限界以下とする。
さらに望ましくは、
０．１２≦ｎ０・ｇ・ｒ０≦０．２５
が満たされるのがよい。
【００１５】
このとき、屈折率分布型光ファイバの光軸での屈折率ｎ０が、１．４０以上１．８０以下であることが望ましく、１．５０以上１．７０以下であればさらに好ましい。
【００１６】
また、屈折率分布型光ファイバの長さが、その周期長をＰとするとき、０．０５Ｐ以上１Ｐ以下であることが好ましく、コリメータ用としては０．０５Ｐ以上０．５Ｐ以下であることがさらに望ましい。
【００１７】
単一モード光ファイバと屈折率分布型光ファイバとを両光ファイバの外径に概略等しい内径をもつスリーブに挿入し、接合固定することで本発明のレンズ機能付き光ファイバが実現される。また、単一モード光ファイバと屈折率分布型光ファイバとを平板状基板に形成した断面がＶ字状の溝内で接合固定してもよい。
【００１８】
本発明のレンズ機能付き光ファイバに用いる屈折率分布型光ファイバは、つぎの工程により製造する。はじめに均質ガラスロッドを溶融塩に浸漬し、イオン交換することによって屈折率分布を形成したガラスロッドを得る。このガラスロッドを鉛直に保持し、加熱しつつ延伸して外径１２５μｍの屈折率分布型光ファイバを形成する。この光ファイバを所定の周期長に相当する長さに切断し、外径１２５μｍの単一モード光ファイバの先端に接合もしくは当接することにより、レンズ機能付き光ファイバが製造できる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、外径の等しい情報伝達用光ファイバと屈折率分布型光ファイバを接合もしくは当接することにより、少ない部品点数で、組立が容易であり、かつ小型化が可能なレンズ機能付き光ファイバが実現する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について具体的に説明する。
本発明では、代表的な情報伝達用光ファイバである単一モード光ファイバ（ＳＭＦ）の先端に、屈折率分布型光ファイバ（ＧＩＦ）を接合もしくは当接させる。ＧＩＦの外径は、ＳＭＦの外径（標準的には直径１２５μｍ）に一致させることが望ましい。これにより両ファイバを光学的に結合させるのが容易になり、結合のために要する部品点数を減少させることができる。
【００２１】
従来の技術の項で述べたように、既製のＧＩＦを用いれば、ＳＭＦと同一の外径が実現できる。しかしこのようなＧＩＦはレンズ作用を利用するようには意図されていないため、レンズとして重要な収差等に関しては必ずしも性能が優れていない。またこれらのＧＩＦは標準的には５０μｍ径のコア部とその外側のクラッド部からなるため、外周部まで光を通すように設計されていない。このため、例えばＳＭＦから出射する光をコリメートして利用する場合、ＳＭＦから出射した光はコア部に閉じこめられ、出射される平行ビームの径はこのコア径程度と細くなり、応用上望ましくない。このため、両光ファイバ間に間隔を開ける等の手段が必要とされていた。
【００２２】
一方、従来の屈折率分布型ロッドレンズの製造方法をそのまま用いてこのような細径のＧＩＦを製造することは困難であった。そのためほぼ物理的外径近くまでを光学的に利用でき、かつ外径が１２５μｍのＧＩＦを利用することができなかった。
【００２３】
つぎに本発明の製造方法を説明する。
直径１２５μｍのＧＩＦは、直径１．１ｍｍの屈折率分布型ロッドレンズ（母材ロッド）を紡糸することによって製作した。
母材ロッドは、酸化リチウムを含み直径１．１ｍｍの均質ガラスロッドを溶融塩に浸漬させてイオン交換処理を行ない、リチウム濃度分布に対応した屈折率分布を形成して製作したものである。母材ロッドの光学特性は、以下の通りである。
外径  ：  φ１．１ｍｍ
ｎ０  ：  １．６１０
ｇ    ：  ０．２３２ｍｍ-1（測定波長は６３２．８ｎｍ）
【００２４】
上記母材ロッドを長さ３００ｍｍに切断して、ホルダ−により保持して鉛直に吊り下げ、リング状のヒーターによって加熱しつつ下方に引き出して紡糸を行なった。ヒーターの温度は６８０℃から７３０℃の範囲で行い、紡糸速度は約１ｍ／分に調整して紡糸後の外径を１２５μｍとした。
紡糸後に得られたＧＩＦの特性は以下のとおりである。
外径  ：  φ０．１２５ｍｍ
ｎ０  ：    １．６１０
ｇ    ：   ２．０６ｍｍ-1（測定波長は６３２．８ｎｍ）
屈折率分布は大きく乱れることなく、ファイバの周辺部まで球面収差は充分に小さく、回折限界の結像を得ることができた。
このファイバを適正な長さにそろえ、両端面を研磨し、以下に示す実施例に用いた。
【００２５】
上記の方法で作製した外径１２５μｍのＧＩＦと同一径のＳＭＦを組合せた光路図を図１、図２、図３に示す。
図１は、ＳＭＦ２ａと長さＺ＝０．２５Ｐに切断したＧＩＦ１ａの端面を互いに突き合わせ、ＳＭＦ２ａの出射光を平行光１０として空間に放射し、再びＺ＝０．２５ＰのＧＩＦ１ｂのレンズ作用によってＳＭＦ２ｂに結合したものである。
図２は、長さＺ＝０．５ＰのＧＩＦ１ｃにより２本のＳＭＦ２ａ、２ｂを直接結合した例である。
図３は、ＧＩＦ１ｄの長さＺを、０．２５Ｐ＜Ｚ＜０．５０Ｐの範囲に設定し、ＳＭＦ２ａからの出射光を収束光１２として光機能素子３上に結像させた例である。
【００２６】
ＧＩＦの光軸における屈折率ｎ０の下限は、材料としてガラスやプラスチックを用いる場合、１．４程度となる。また、ロッドレンズの材料としてガラスを用い、中心屈折率ｎ０を１．８よりも大きくするために酸化鉛、酸化ランタン等の高屈折率成分を多くする必要があるが、これらの成分が多い場合、イオン交換の速度が極端に遅くなったり、失透し易くなる、といった問題点が生じる。従って、
１．４０≦ｎ０≦１．８０
が望ましい範囲である。ただしガラス材料の場合、より製作しやすい組成で実現できるｎ０は、
１．５０≦ｎ０≦１．７０
の範囲にあるので、ｎ０はこの範囲にあることがより好ましい。
【００２７】
ＧＩＦの明るさは、光を取り込むことのできる範囲を示す開口角θ＝ｎ０ ・ｇ・ｒ０（ｒａｄ）によって規定される。この開口角θが０．１ｒａｄ未満であると、ＳＭＦ（通常は開口数ＮＡ＝０．１程度、ＮＡ＝ｎ０ｓｉｎθ）から出射されるガウシアンビームの周辺部を取りこむことができなくなるので結合損失が大きくなってしまう。また、θの値が０．５を超えるような光ファイバは製作が困難となる。
【００２８】
ＮＡ＝０．１のＳＭＦから放射される光を充分に取り込み、かつ平行光束径を大きくとるためには、θの範囲として０．１２以上、０．２５未満がより好ましい。
【００２９】
屈折率分布型ロッドレンズ（ここではＧＩＦ）の収差量は、屈折率分布係数ｈ４ 、ｈ６ 、ｈ８ 、・・・によって決定される。ＧＩＦの外径が１２５μｍであれば、ｈ４＝＋０．６７とすると、ＮＡが０．２以下の範囲で球面収差量がほぼ回折限界以下となるので、十分な性能が得られる。収差量をさらに小さくするためには、ｈ６、ｈ８、・・・の値を最適化すればよい。
【００３０】
なお、以上では外径が１２５μｍの石英系ＳＭＦを念頭に説明したが、ＧＩＦの外径は上述のように調整できるので、情報伝達用光ファイバの外径は１２５μｍと異なっていてもよい。例えば、多成分ガラス光ファイバやプラスチック光ファイバなどの外径が太い光ファイバであっても本発明は適用できる。ただし、外径が４００μｍ程度以上であれば、従来のイオン交換法で屈折率分布型ロッドレンズが製造でき、とくに延伸等の細径化のための工程は必要としない。
【００３１】
以下、本発明の具体的な応用例を列挙する。これらについても外径が１２５μｍのＳＭＦを例に説明しているが、光ファイバの外径、材質はとくにこれに限定されない。
【００３２】
（光ファイバの結合）
図１の配置により光ファイバ同士を結合させる場合、両側のＳＭＦとＧＩＦをそれぞれ接着剤等により接合して一体化する。一体化によって光束が太い平行光が得られるので、両側の光ファイバの光軸ズレ、間隔の変動に対して結合損失が小さく抑えられる。したがって、ＳＭＦを結合させる際の調整を簡略化することができ、容易に結合損失の小さいＳＭＦ間結合を実現することができる。図４に示す断面図のように、内径１２５μｍのスリーブ６ａを使用し、このスリーブ６ａの両側から各光ファイバ１ａ、２ａを挿入し、両者を突き合わせることにより、組立が容易に行える。合わせて接合部５が補強され、信頼性を向上することができる。
【００３３】
図２の配置による結合を行なう場合は、図５に示すように、内径１２５μｍのスリーブ６ｂの中間にＺ＝０．５ＰのＧＩＦ１ｃを挿入し、ついで両側からＳＭＦ２ａ、２ｂを差し込み当接させて固定すれば、光軸調整を行なうことなく高い結合効率を容易に得ることができる。両ファイバを単に当接させる代わりに接着したり、隙間を液体で満たせば、反射損失を減らすこともできる。
両光ファイバの接合は、紫外線硬化樹脂、エポキシ接着剤等をもちいれば容易に行なうことができる。またスリーブは金属製あるいはガラス製のものが使用できる。
【００３４】
（光学機能素子の挟みこみ）
図６に示すように、図１の配置によって得られた平行光束部分に多層膜フィルタ、アイソレータ、偏光板などの光学機能素子１３を挟み込むことができる。
あるいは、図７のように光機能素子２３も外径を１２５μｍの円筒形に加工し、スリーブ６ｃ中に挟み込む使い方もできる。各光ファイバ１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂと光機能素子２３の外径が同一なので、光軸調整が不要となり組立が極めて容易になる効果がある。
【００３５】
（光ファイバからの出射光の集光）
図３の配置とすれば、ＳＭＦ２ａからの出射光の焦点を作り、光検出器、光記録用デイスク記録面などを設置することができる。また発散性の光源からの光をＳＭＦへ結合することもできる。
【００３６】
（基板上への実装）
ＳＭＦとロッドレンズから構成される光結合系の配置においては、シリコン基板等を加工したＶ溝が広く用いられている。ＳＭＦとロッドレンズのそれぞれの外径に適合する深さをもつＶ溝を準備し、これに載せたＳＭＦとレンズを結合させていた。本発明によれば、ＳＭＦとＧＩＦの外径が等しいため、図８に示すように、基板２１の一部に一つのＶ溝２２を形成し、これにＳＭＦ２ｄとＧＩＦ１ｅを載せて接合させるだけで、簡単に精度良く配置することができる。したがって同一基板上に半導体レーザ２４、レンズ２５、反射鏡２６などの光機能素子を集積化すれば、非常にコンパクトな光回路が容易に実現できる。
【００３７】
上記の構成例ではＧＩＦの長さが０．２５Ｐから０．５Ｐの範囲の場合について説明した。しかしレンズ機能付き光ファイバは、一般にはＺが０．０５Ｐ以上１Ｐ以下の範囲で各種の機能を発揮する。Ｚ＜０．０５Ｐの場合はＮＡが小さくなるため、光量の損失が大きくなる。またＺが非常に小さくなるので、ＧＩＦの製作およびレンズ機能付き光ファイバへの組立作業が困難になるため使用がし難い。一方、１Ｐ以上の長さのレンズは特性的にはそれ以下の長さのレンズで実現でき、またレンズ長が長く大型化するので通常、使用する意味がない。
【００３８】
なお、通常のコリメータレンズおよび集光レンズとして使用する場合は、Ｚが０．５Ｐ以上で特性は繰り返しとなるので、Ｚ＞０．５ＰのＧＩＦを用いても結像上の意味はない。収差量を小さく抑えるためにもＺは０．０５Ｐ以上０．５Ｐ以下の範囲がもっとも好ましい。ただし、正立結像が必要な場合には、０．５Ｐを越え１．０Ｐまでの範囲も有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】図１は本発明の構成例を示す光路図である。
【図２】図２は本発明の他の構成例を示す光路図である。
【図３】図３は本発明の他の構成例を示す光路図である。
【図４】図４は本発明の実施形態を示す図である。
【図５】図５は本発明の他の実施形態を示す図である。
【図６】図６は本発明の応用形態を示す図である。
【図７】図７は本発明の他の応用形態を示す図である。
【図８】図８は本発明の他の応用形態を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ    屈折率分布型光ファイバ
２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ    単一モード光ファイバ
３、１３、２３    光機能素子
６ａ、６ｂ、６ｃ  スリーブ
２１  基板
２２  Ｖ溝
２４  半導体レーザ
２５  レンズ
２６  反射鏡
【図１】
2006154868.tif 000003
【図２】
2006154868.tif 000004
【図３】
2006154868.tif 000005
【図４】
2006154868.tif 000006
【図５】
2006154868.tif 000007
【図６】
2006154868.tif 000008
【図７】
2006154868.tif 000009
【図８】
2006154868.tif 000010