(57)【要約】【課題】光学部材の１表面から出射する光を光学素子の光入射面に入射する構造を少なくとも備え、この光学部材の光を出射する表面における屈折率と光学素子の光入射面における屈折率とが異なる光学部品においては、互いに屈折率の異なる光学部材の界面での反射を、広い波長帯域にわたって低減し、斜め面の形成など反射戻り光防止対策が不要な光学部品を提供する。【解決手段】光学部材の光を出射する表面とそれに対向する光学素子の光入射面との間に接合部材が挟持する。そしてこの接合部材の光学素子に接する表面における屈折率を光学素子の光入射面における屈折率にほぼ等しく選ぶ。かつ光学部材と接合部材とが接する表面を融合させ、その融合部分の屈折率を光学部材から接合部材に向かって連続的に変化させる。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの光学部材を有し、第１の光学部材の１表面から出射する光を第２の光学部材の１表面に入射させる構造を少なくとも備え、前記第１の光学部材の光を出射する表面における屈折率と第２の光学部材の光を入射する表面における屈折率が異なる光学部品において、前記２つの光学部材の光を入出射する表面が接して融合し、その融合部分の屈折率が第１の光学部材から第２の光学部材に向かって連続的に変化していることを特徴とする光学部品。
【請求項２】
前記融合部分は、２つの光学部材の少なくとも表面部分に流動性を付与して接触させた後、再硬化させて形成したことを特徴とする請求項１に記載の光学部品。
【請求項３】
光学部材の１表面から出射する光を光学素子の光入射面に入射し、または光学素子の光出射面から出射する光を光学部材の１表面に入射させる構造を少なくとも備え、前記光学部材の光を出射する表面における屈折率と前記光学素子の光入射面における屈折率とが、または前記光学素子の光出射面における屈折率と前記光学部材の光を入射する表面における屈折率とが、異なる光学部品において、前記光学部材の光を出入射する表面とそれに対向する前記光学素子の光入出射面との間に接合部材が挟持され、該接合部材の前記光学素子に接する表面における屈折率は前記光入出射面における屈折率にほぼ等しく、かつ前記光学部材と接合部材とが接する表面が融合し、その融合部分の屈折率が光学部材から接合部材に向かって連続的に変化していることを特徴とする光学部品。
【請求項４】
前記光学部材と接合部材とは、ともに一様な屈折率を有する固体部材であり、その融合部分は、前記光学部材と接合部材との少なくとも表面部分に流動性を付与して接触させた後、再硬化させて形成したことを特徴とする請求項３に記載の光学部品。
【請求項５】
前記流動性を付与する手段が加熱による固体部材の融解であることを特徴とする請求項２または４に記載の光学部品。
【請求項６】
前記光学部材および接合部材がガラスであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の光学部品。
【請求項７】
前記光学部材が光ファイバであることを特徴とする請求項６に記載の光学部品。
【請求項８】
前記光学部材が光導波路であることを特徴とする請求項６に記載の光学部品。
【請求項９】
前記光学素子がレンズ、プリズム、光導波路型光機能素子であることを特徴とする請求項４に記載の光学部品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として光通信分野で使用される光学部品に関し、とくに異なる屈折率を有する光学部材、光学素子界面での反射防止手段に関する。
【０００２】
【従来の技術】
屈折率の異なる２つの光学部材を接合すると、その界面で反射が発生する。光通信分野では光路中で発生する反射光が光源側に戻る反射戻り光を一定レベル以下に抑えることが要求される。このような界面での反射を低減するための手段としてもっとも一般的な方法は、屈折率の互いに異なる光学部材の界面を光軸に対して斜めに加工することである。この方法は反射自体を防ぐのではなく、反射光を光路外へ導き光路中を戻らないようにするという考え方に基づいている。例えば、光ファイバと屈折率分布型ロッドレンズを結合する際、光ファイバ端面をその光軸に対して斜めになるように研磨加工する場合が多い（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
これに対して反射光自体を低減しようとする試みもある。屈折率の異なる２つの光学部材を接合する際、２つの光学部材の屈折率の中間の屈折率の部材を介して接合することにより、反射光量は低減される。２つのプリズムを接着剤で接合する際、プリズムの接合部分にプリズムと接着剤の中間の屈折率の部材を挿入する手段が特許文献２に開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１５６５４７号公報
【特許文献２】
特開平２−２７３０１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし界面を斜め面にするためには、そのための加工工程を追加しなければならない。また光学部材の形状や寸法によっては斜め加工が困難な場合もある。また斜め面同士を接合するためには面の方向を一致させる必要があり、組立に手間がかかる。また本質的に反射を防ぐ手段ではないので、反射光は損失となる。
【０００６】
一方、異なる屈折率の部材間に中間の屈折率の部材を挿入する手段では、屈折率差は低減されるため反射光量はある程度低減されるが、要求仕様を満たすのに十分でない場合もある。
【０００７】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたもので、その目的は、互いに屈折率の異なる光学部材の界面での反射を広い波長帯域にわたって低減し、斜め面など反射戻り光防止対策が不要な光学部品を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明が対象とする光学部品は、２つの光学部材を有し、第１の光学部材の１表面から出射する光を第２の光学部材の１表面に入射させる構造を少なくとも備え、第１の光学部材の光を出射する表面における屈折率と第２の光学部材の光を入射する表面における屈折率が異なる光学部品である。この２つの光学部材の光を入出射する表面を接して融合させ、その融合部分の屈折率を第１の光学部材から第２の光学部材に向かって連続的に変化させる。
【０００９】
この融合部分は、２つの光学部材の少なくとも表面部分に流動性を付与して接触させた後、再硬化させて形成するのが望ましい。
以上のような光学部品においては２つの光学部材の界面を斜め面に加工することなく、反射を大幅に低減できる。
【００１０】
また、光学部材の１表面から出射する光を光学素子の光入射面に入射する構造を少なくとも備え、この光学部材の光を出射する表面における屈折率と光学素子の光入射面における屈折率とが異なる光学部品においては、光学部材の光を出射する表面とそれに対向する光学素子の光入射面との間に接合部材が挟持する。そしてこの接合部材の光学素子に接する表面における屈折率を光学素子の光入射面における屈折率にほぼ等しく選ぶ。かつ光学部材と接合部材とが接する表面を融合させ、その融合部分の屈折率を光学部材から接合部材に向かって連続的に変化させる。上記の構成は光学素子から出射する光を光学部材に入射する構造の場合にも同様に適用できる。
【００１１】
上記の光学部材と接合部材とは、ともに一様な屈折率を有する固体部材とし、その融合部分は、光学部材と接合部材との少なくとも表面部分に流動性を付与して接触させた後、再硬化させて形成するのが望ましい。
このような光学部材や接合部材に流動性を付与する手段は、加熱による固体部材の融解であることが望ましい。
【００１２】
このような光学部品においては、光学部材と接合部材の界面を斜め面に加工することなく、また、光学素子に加工を加えることなく、界面での反射を大幅に低減できる。
【００１３】
２つの光学部材および接合部材がガラスであることが望ましく、少なくとも一方を光ファイバ、あるいは光導波路とすることができる。
光学部材および接合部材がガラスであると、融着によって接合することが容易である。例えば、光学部材が石英系光ファイバであり、接合部材が光学ガラスである場合等が例としてあげられる。
【００１４】
さらに、光学素子はレンズ、プリズム、光導波路型光機能素子などから選ぶことができる。
例えば、石英系光ファイバによって伝送された光を光学ガラス製のレンズに結合する場合、レンズと同材料の接合部材を光ファイバと融着接合し、これをレンズと突き合わせることにより、レンズ自体を加工することなく、反射の少ない光学系を構成することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明は、屈折率の異なる２つの媒体間を、屈折率を急激に変化させずに接続するという着想に基づいている。すなわち屈折率が連続的に変化する部材を介在させて２つの屈折率の異なる媒体を光学的に接続する。このような屈折率が連続的に変化する部材を創製するため、本発明においては異なる物質間の相互拡散を利用する。そのため少なくとも一部に流動性を付与した２つの物質を接合し相互拡散を生じさせたのち、固化することが必要となる。
【００１６】
簡単な例として、２つの異種物質を接合し、平面状の界面をｘ＝０の位置に形成した場合に、一方の物質が他方の物質内に拡散する場合を考える。すなわち、時間ｔ＝０で、ｘ＜０の濃度ｃ＝０、ｘ＞０でｃ＝ｃ’であるとする。拡散が開始してから時間ｔが経過したとき、物質の濃度分布ｃ（ｘ，ｔ）は次式（数１）で表される。
【数１】
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ここでＤは拡散定数で、η＝（ｘ−α）／２√（Ｄｔ）である（αは積分変数）。一般にｃ（ｘ，ｔ）は図１に示すように単調減少関数となるが、このような物質の濃度分布が生じると、屈折率も同様な分布形態をとると考えられる。このような屈折率分布がある物質界面に光が入射すると反射は大幅に低減される。
つぎに実際に上記のような屈折率分布を形成する例について説明する。
【００１７】  
［実施例１］
図２に示すように２つの異なる屈折率を有する光ファイバ１１（コア部１４の屈折率ｎ１＝１．４５（波長１５５０ｎｍでの値））と光ファイバ１２（同じくコア部１５の屈折率ｎ２＝１．４８）を融着接続装置を用いて加熱融着した。この融着作業においては、２つの光ファイバ１１、１２の端面付近が加熱により融解され、流動性をもつため、各光ファイバの組成成分は相互拡散する。一定時間経過後、冷却すれば、ガラス組成が滑らかに変化した融合部分１０が得られる。結果として、２つの光ファイバのコア部の屈折率を図２の円内に示すように滑らかに接続することができた。
【００１８】
このように接続した光ファイバの接合界面での反射量の測定は、バックリフレクトメータを使用して行った。なお、光ファイバの終端部は同光ファイバのコア部とほぼ同じ屈折率を有するマッチングオイル内に浸漬し、同終端部からの反射は無視できるようにした。測定の結果、波長１５５０ｎｍにおける反射量は−５８．３ｄＢであった。
【００１９】
上記では光ファイバ同士の接続について説明したが、本発明はこれに限らず適用できる。例えば、平板状ガラス中にイオン交換技術によって高屈折率部分を形成して光導波路とした平板光導波路と光ファイバとを接続する場合、両コアの屈折率が異なると反射が生じる。このような場合に両端面を融着接続することにより、接続界面での反射を低減することができる。
【００２０】
［実施例２］
石英系光ファイバからの出射光を屈折率分布型ロッドレンズを用いて平行光に変換するコリメータを構成した例を示す。屈折率分布型ロッドレンズはロッド状透明体の中心軸から半径方向に屈折率が分布したレンズで、屈折率分布ｎ（ｒ）は理想的には次式で表される。
ｎ（ｒ）＝ｎ０（Ａ／２）ｒ２
ここでｒはロッドの中心軸からの半径方向の距離、ｎ０は中心軸上の屈折率、Ａの平方根√Ａは定数で屈折率分布定数と呼ばれる。本実施例で使用した屈折率分布型ロッドレンズではｎ０＝１．５９であり、石英系光ファイバのコアの屈折率１．４６とはかなり異なる。このため、光ファイバとレンズの界面での反射を防止するため、通常は光ファイバとロッドレンズの端面を光軸に対して斜めに加工する対策がとられている。
【００２１】
そこで実施例１同様に光ファイバとロッドレンズを融着接続することが考えられるが、ロッドレンズ端面を融解してしまうと上式の屈折率分布が乱れてしまうため、この方法は望ましくない。そこで図３に示すように、光ファイバ２１の出射端面とロッドレンズ１５の入射端面との間にロッドレンズ１５の中心屈折率ｎ０とほぼ等しい屈折率を有するガラスを接合部材１３として挿入する。そして光ファイバ２１と接合部材１３のガラスとの接触部分を加熱して融解し接合する。融着部分２０では図３の円内に示すように屈折率が光ファイバのコア２２の１．４６から接合部材の屈折率１．５９まで連続的に分布する。
【００２２】
なお、屈折率分布型ロッドレンズの焦点距離はレンズ長で決まる。上記の屈折率分布定数√Ａで決まるロッドレンズ内の光線の蛇行周期（ピッチ）Ｐに対してレンズ長をＰ／４とした場合、光ファイバとロッドレンズ端面を密着させれば、コレメータが構成でき、ロッドレンズの他端から平行光が得られる。しかし本実施例の場合、一定の厚みを有する接合部材を介在させるため、レンズ長をＰ／４より短く設定する必要がある。ロッドレンズのレンズ長と接合部材の厚みを適切に設計することにより、光ファイバ２１からの出射光１を平行光２に変換することができる。
【００２３】
このように接続した光ファイバとロッドレンズの接合部分での反射量の測定を実施例１と同様に行った。測定の結果、波長１５５０ｎｍにおける反射量は−５９．４ｄＢであった。なお、この接合部材１３とロッドレンズ１５の接触面３０には、空気層が介在して反射が発生するのを防止するため、接合部材と屈折率の等しいマッチングオイル等を塗布しておくことが望ましい。
【００２４】
上記の実施例では１つの接合部材を用いたが、複数の接合部材を連ねてもよい。例えば２つの接合部材を用いる場合、光ファイバのコアの屈折率とロッドレンズの中心屈折率の中間の屈折率をもつ第１の接合部材と、ロッドレンズの中心屈折率にほぼ等しい屈折率をもつ第２の接合部材を用いる。第１の接合部材と第２の接合部材を融着し、ついで光ファイバの端面に第１の接合部材を融着する。第２の接合部材とレッドレンズを突き合わせることにより、上記１つの接合部材を用いた場合と同様の効果を得ることができる。接合部材の数はさらに増やすこともできる。複数の接合部材を用いることは、光学部材と光学素子の屈折率差が大きい場合に有効であるが、融着箇所が増加するので組立作業は煩雑になる。
【００２５】
本実施例は、レンズのようにそれ自身を融解することが望ましくない光学素子と、それとは屈折率の異なる光学部材を光学的に結合させたい他の組み合わせにも適用できる。例えば、レンズは屈折率分布型ロッドレンズに限られず、通常の球面または非球面レンズであってもよい。とくにこれらのレンズが平板状透明部材に作り込まれた平板レンズと光ファイバとの結合には有効である。
【００２６】
また、プリズムへ光ファイバから光を入射させる場合にも、プリズム自体を加工することは望ましくないので、接合部材を介在させることが有効である。また光導波路型機能素子と光ファイバとを接続する際にも有効である。例えば、光導波路中に回折格子が作り込まれた光導波路型回折格子に光ファイバからの光を結合する場合、結合用光導波路が設けられていれば、実施例１の方法で光ファイバと結合用光導波路を融着接続すればよい。しかし回折格子部分が融着時の熱の影響を受けないようにするためには結合用光導波路を十分長くとる必要があり、光回路全体が大型化する。本実施例のように接合部材を介在させれば、結合用光導波路部分はほとんど不要となる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、屈折率の異なる２つの光学部材が接する界面において斜め面を形成することなく発生する反射光を大幅に低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】拡散による濃度分布の一例を示す図である。
【図２】２本の光ファイバを接続した実施例を示す模式図である。
【図３】光ファイバとロッドレンズを接続した実施例を示す模式図である。
【符号の説明】
１０、２０  接合部分
１１、１２、２１  光ファイバ
１３  接合部材
１５  屈折率分布型ロッドレンズ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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