(57)【要約】【課題】屈折率分布における屈折率のゆらぎの少ないα乗屈折率分布を有し、損失の少ない集光特性に優れたロッドレンズおよび光部品を提供する。【解決手段】石英ガラスを主成分とし、これにフッ素または三酸化二ホウ素のどちらか一方と五酸化二リンとが含まれているか、フッ素および三酸化二ホウ素と共に五酸化二リンが含まれているロッドレンズ。ロッドレンズの中心軸から半径方向外方に向かってフッ素および三酸化二ホウ素の濃度が漸増し、ロッドレンズの屈折率分布がその中心軸から半径方向外方に向かって低下していくα乗屈折率分布を示す。石英管を、その軸回りに回転させながらその内側にガラス原料ガスを流通し、原料ガスを加熱してガラスを生成させ、石英管の内壁に堆積させた後、該ガラス微粒子が堆積された石英管を加熱し中実化して、上記ロッドレンズを得る。【選択図】　　　　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
石英ガラスを主成分とし、該石英ガラスにフッ素または三酸化二ホウ素のどちらか一方と、五酸化二リンとが添加されたことを特徴とするロッドレンズ。
【請求項２】
石英ガラスを主成分とし、該石英ガラスにフッ素および三酸化二ホウ素と、五酸化二リンとが添加されたことを特徴とするロッドレンズ。
【請求項３】
請求項１または２記載のロッドレンズにおいて、
該ロッドレンズの中心軸から半径方向外方に向かって、石英ガラスに対するフッ素および三酸化二ホウ素の濃度が漸増し、該ロッドレンズの屈折率分布がその中心軸から半径方向外方に向かって低下していくα乗屈折率分布であることを特徴とするロッドレンズ。
【請求項４】
石英管を、その軸回りに回転させながらその内側にガラス原料ガスを流通し、原料ガスを加熱してガラスを生成させ、石英管の内壁に堆積させた後、該ガラス微粒子が堆積された石英管を加熱し中実化して得られたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のロッドレンズ。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載のロッドレンズを備えたことを特徴とする光部品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロッドレンズおよびこれを用いた光部品に関し、特に屈折率分布における屈折率のゆらぎの少ないα乗屈折率分布を有し、集光特性などのレンズ作用において優れたロッドレンズおよびこれを用いた光部品に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
レンズ機能を有する光学部品としては、凸レンズあるいは凹レンズのような均質媒体からなる曲面レンズの他に、屈折率分布を利用した不均質媒体からなるレンズがある。
後者の代表例である屈折率分布型ロッドレンズは、屈折率がその中心軸から外周面に向かって放物線状に分布している円柱状透明体である。このような屈折率分布型ロッドレンズは、いわゆるα乗屈折率分布を示し、このα乗屈折率分布は下記式（１）のように表され、その屈折率分布は図１のようになる。
【０００３】
【数１】
2004045829.tif 000002
【０００４】
ここで、ｎ１はコア中心部の屈折率、ｎ２はクラッドの屈折率、ａはコア半径、ｒはロッドレンズの半径、Δは比屈折率差で、Δ＝（ｎ１２−ｎ２２）／２ｎ１２である。上記式（１）において、α＝∞の場合はステップ型の屈折率分布に対応し、α＝２の場合は放物線型の屈折率分布に対応している。
【０００５】
α乗屈折率分布を有するロッドレンズの製造方法としては、ＭＣＶＤ法、ＰＣＶＤ法、ＶＡＤ法やイオン交換法などの方法が用いられる。このうち、ＭＣＶＤ法、ＰＣＶＤ法、ＶＡＤ法においては、石英ガラスに酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ２）を添加して屈折率を増加させるため、原料ガスとして、四塩化ゲルマニウム（ＧｅＣｌ４）などのドーパント原材料を使用することが一般的である。
しかしながら、ＧｅＯ２を添加したα乗屈折率分布のロッドレンズでは、図２に示すように、屈折率分布にゆらぎが生じてしまう。このゆらぎは、ロッドレンズの集光特性を劣化させ、ロッドレンズに入射した光の一部を散乱させてしまう。さらに、このゆらぎは、入射光の大きな損失を引き起こすため、厳密なレンズ特性を要求されるような部分には使用できない。
【０００６】
このような屈折率分布における屈折率のゆらぎを抑制することのできるロッドレンズとしては、特開平２−３１１８０１号公報に、中心軸から半径方向外方に向かってフッ素の添加量が段階的に増加し、その屈折率が次第に低下して、かつ屈折率のゆらぎの程度が１μｍ以下である屈折率分布型石英ガラス径円柱レンズが記載されている。
【０００７】
ロッドレンズの製造方法として、ＶＡＤ法を用いた場合、火炎内における原料ガスの反応状態や、スートの流れや温度分布などによって、種々の屈折率分布を有するロッドレンズが形成される。ＶＡＤ法は、周りの環境（大気圧、室温、スート排気口の排気量など）に非常に影響を受け易く、得られるロッドレンズの屈折率分布のばらつきが大きくなる。特に、ロッドレンズの外周付近における屈折率のばらつきが大きく、ロッドレンズの集光性が劣化してしまう。
そこで、火炎内の反応状態や、スートの流れや、温度分布を調整することにより、屈折率分布を良好にしようとする試みがなされた。しかしながら、満足な結果が得られず、ロッドレンズの外周付近における屈折率のばらつきを抑制する方法が要望されていた。特開平９−２７８４５３号公報に記載されているような製造方法は、このようなロッドレンズの外周付近における屈折率のばらつきを解決する手段として知られている。その手段とは、ロッドレンズの外周付近において、α乗屈折率分布を示さず、屈折率のばらついている部分を除去し、除去後にα乗屈折率分布を有するスートあるいはガラスを堆積するものである。これにより、α乗屈折率分布が修正され、良好なロッドレンズが得られる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ロッドレンズに要求される特性は、ますます厳密になっている。特に、光通信部品用ロッドレンズとして使用される場合、要求される特性は、一段と厳密になっており、ロッドレンズの対向損失が０．５ｄＢ以下のものが求められ、さらに望ましくは、対向損失が０．２ｄＢ以下のものが求められている。このような厳しい要求を満たすには、ロッドレンズの屈折率分布がα乗屈折率分布に限りなく一致し、かつその屈折率分布の指数αを精密に制御しなければならない。光通信部品用ロッドレンズの場合、αは２．０±０．０５の範囲内にあることが必要とされる。
しかし、特開平２−３１１８０１号公報記載の製造方法では、屈折率分布における屈折率のゆらぎの幅が１μｍ程度となる。そのため、この技術を用いるのみでは、光通信部品用ロッドレンズに要求される低損失化を実現するのは非常に難しい。また、ロッドレンズの製造方法ごとに屈折率分布の制御性が異なっており、低損失化を図るためには、ロッドレンズの製造方法も非常に重要である。
光通信用光部品に使用されるロッドレンズは、使用用途によってその直径サイズは様々である。例えば、光コリメータに使用されるロッドレンズは、その直径サイズはおよそ１００μｍから数百μｍ程度までとなり、ＭＥＭＳに使用されるロッドレンズは、そのサイズは数ｍｍにもなる。ロッドレンズの屈折率分布のゆらぎ幅は、その直径サイズに比例するので、直径サイズの大きいロッドレンズは当然ゆらぎ幅も大きくなる。ロッドレンズ用母材の段階で屈折率分布のゆらぎが大きい場合、作製された直径サイズの大きいロッドレンズの屈折率分布のゆらぎ幅も大きくなり、レンズ特性が劣悪になってしまう。そのため、直径サイズの大きいロッドレンズの作製が困難である。
【０００９】
また、特開平９−２７８４５３号公報記載の製造方法では、ＶＡＤ法によるロッドレンズ用素材の製造工程に加えて、ロッドレンズを除去する研削工程なども必要となり、ロッドレンズの製造時間が長期化してしまう。さらに、この研削工程では、ロッドレンズ用素材を回転させながら外周部分を除去する際、回転の中心をロッドレンズ用素材の中心と正確に一致させていないと、除去部分に偏りが生じ、屈折率分布が左右非対称になってしまう。このような状態のロッドレンズ用素材に対して、外周部の除去後にα乗屈折率分布を有するスートあるいはガラスを堆積させると、屈折率分布がずれて、損失が増加してしまう。
ロッドレンズの屈折率分布を、α乗屈折率分布の形状に限りなく一致させるためには、ロッドレンズの外周部分の研削工程を、特開平９−２７８４５３号公報記載の製造方法したがって行うだけでなく、ロッドレンズ内部の屈折率分布の精密な制御も必要となる。しかしながら、ＶＡＤ法によるロッドレンズの製造方法では、精密な屈折率分布の制御はできず、満足な結果は得られていない。
【００１０】
本発明は、前記事情に鑑みてなされたもので、屈折率分布における屈折率のゆらぎの少ないα乗屈折率分布を有し、損失の少ない、集光特性に優れたロッドレンズおよびこれを用いた光部品を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記課題は、石英ガラスを主成分とし、該石英ガラスにフッ素または三酸化二ホウ素のどちらか一方と、五酸化二リンとが添加されたロッドレンズによって解決できる。
前記課題は、石英ガラスを主成分とし、該石英ガラスにフッ素および三酸化二ホウ素と、五酸化二リンとが添加されたロッドレンズによって解決できる。
上記ロッドレンズにおいて、該ロッドレンズの中心軸から半径方向外方に向かって、石英ガラスに対するフッ素および三酸化二ホウ素の濃度が漸増し、該ロッドレンズの屈折率分布がその中心軸から半径方向外方に向かって低下していくα乗屈折率分布であることが好ましい。
石英管を、その軸回りに回転させながらその内側にガラス原料ガスを流通し、原料ガスを加熱してガラスを生成させ、石英管の内壁に堆積させた後、該ガラス微粒子が堆積された石英管を加熱し中実化して、上記ロッドレンズを得ることができる。
前記課題は、上記ロッドレンズを備えた光部品によって解決できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳しく説明する。
本発明のロッドレンズは、石英ガラスを主成分とし、この石英ガラスにフッ素（Ｆ）または三酸化二ホウ素（Ｂ２Ｏ３）のどちらか一方と、五酸化二リン（Ｐ２Ｏ５）とが含まれているか、あるいは、フッ素および三酸化二ホウ素と共に、五酸化二リンが含まれている円柱形状のレンズである。
また、このロッドレンズでは、その中心軸から半径方向外方に向かって、石英ガラスに対するフッ素および三酸化二ホウ素の濃度が漸増しており、その屈折率分布が中心軸から半径方向外方に向かって次第に低下していくα乗屈折率分布をなしている。
また、ロッドレンズの外径および長さは、所望の集光特性などに応じて、適宜設定される。
【００１３】
本発明のロッドレンズにおいて、石英ガラスにフッ素、三酸化二ホウ素、五酸化二リンなどの添加物（ドーパント）を添加すると、石英ガラスの軟化温度を下げることができる。特に、石英ガラスに五酸化二リンが添加されると、石英ガラスの軟化温度は大きく低下し、石英ガラス中では、五酸化二リンが添加されていない石英ガラス中に比べて、五酸化二リンと共に添加した他の添加物の拡散速度が速い。したがって、石英管を、その軸回りに回転させながらその内側にガラス原料ガスを流通し、原料ガスを加熱してガラスを生成させ、石英管の内壁に堆積させた後、該ガラス微粒子が堆積された石英管を加熱し中実化して得られたようなロッドレンズは、このロッドレンズ用の母材を得るための中実化工程における加熱によって、ロッドレンズ用の母材の段階で、屈折率分布における屈折率のゆらぎを非常に小さくすることができる。ゆえに、屈折率のゆらぎの幅を小さくするための特別な手段を、線引き工程で行う必要はなく、また、線引きにより所望の外径を有するロッドレンズとした後も、屈折率のゆらぎ幅を小さくするための酸水素炎などによる加熱処理も施す必要がない。余分な作業を行う必要がないので、ロッドレンズ作製時間の延長は強いられない。
【００１４】
特開平２−３１１８０１号公報に開示されている方法では、十分な熱を加えてフッ素を拡散させてゆらぎを低減するために、線引き速度を１ｍ／分以下という極めて遅い速度で線引きしているので、線引き工程の遅延をまねく。一方、本発明では、ロッドレンズ用母材の段階で、既に屈折率分布のゆらぎが非常に小さいので、線引き速度に依存することなく、屈折率分布のゆらぎが非常に小さいロッドレンズを得ることができる。ゆえに、線引き速度の高速化が可能であり、線引き工程時間を短縮することができる。
本発明のロッドレンズは、母材の段階で屈折率分布における屈折率のゆらぎが非常に小さいので、直径サイズの大きいロッドレンズを作製しても、屈折率のゆらぎは比較的小さいままである。そのため、本発明のロッドレンズは、直径サイズの大きいロッドレンズとしても使用できる。さらに言えば、本発明のロッドレンズは、従来の使用用途のあらゆる直径サイズに適応可能であるので、本発明のロッドレンズの母材を線引き工程にてレンズ径を調整するだけで、あらゆる使用用途に適応できる。
【００１５】
また、本発明のロッドレンズにおいて、石英ガラスにフッ素または三酸化二ホウ素を添加すると、ロッドレンズの屈折率を下げる作用がある。一方、石英ガラスに五酸化二リンを添加すると、ロッドレンズの屈折率を上げる作用がある。
ところで、五酸化二リンの添加による石英ガラスの軟化温度を低下させる効果は非常に大きいにもかかわらず、五酸化二リンの添加による石英ガラスの屈折率の上昇量は非常に小さいので、α乗屈折率分布を大きく乱すまでには至らない。したがって、少量のフッ素または三酸化二ホウ素のどちらか一方、あるいは、これら両方の添加量を微調整することによって、五酸化二リンの添加による屈折率の上昇量を補正することが可能である。よって、本発明のロッドレンズは、より理想的なα乗屈折率分布を有する高性能なロッドレンズとなる。
【００１６】
次に、本発明のロッドレンズの製造方法について説明する。
本発明のロッドレンズは、ＭＣＶＤ法またはＰＣＶＤ法を用いて作製する。
ＭＣＶＤ法またはＰＣＶＤ法によるロッドレンズの作製方法は、水平に保持され、その軸回りに回転する石英管内にＳｉＣｌ４、ＧｅＣｌ４、Ｏ２、四フッ化ケイ素（ＳｉＦ４）、三臭化ホウ素（ＢＢｒ３）、オキシ塩化リン（ＰＯＣｌ３）などからなる混合気体を送り込み、石英管の外側に設けた熱源を石英管の長さ方向に沿って往復移動させて石英管内を流通する原料ガスを加熱して、石英管内壁面にシリカおよびドーパントをガラス微粒子として生成し、堆積させ、ガラス化させ、該ガラスが堆積された石英管を加熱して中実化してロッドレンズの母材を得る。
次いで、このようにして作製されたロッドレンズの母材を、その外径が所望の値となるように溶融、線引きする。
次いで、線引きされたロッドレンズの母材を所望の長さに切断して、切断片を形成し、その端面を研磨してロッドレンズを得る。
【００１７】
このロッドレンズの製造方法では、石英管内壁にガラス微粒子を堆積する際に、ドーパントを含む原料ガスの濃度、供給量を調整し、フッ素、三酸化二ホウ素の濃度が石英管の内壁面からロッドレンズの中心軸に向かって漸減するようにする。このようにすれば、得られるロッドレンズは、その中心軸から半径方向外方に向かって、ドーパントの濃度が漸増したものとなる。その結果として、ロッドレンズの屈折率分布は、その中心軸から半径方向外方に向かって低下していくα乗屈折率分布となる。
また、ＭＣＶＤ法またはＰＣＶＤ法を用いたロッドレンズの製造方法では、石英管内で、ガラス微粒子を生成、堆積するから、外乱の影響を受け難い。したがって、ドーパントを含む原料ガスの濃度、供給量の制御し易いから、これらの制御によって、ロッドレンズの屈折率の変化量を制御することができる。また、このようなロッドレンズの製造方法では、再現性よく、屈折率分布の等しいロッドレンズを製造することができる。さらに、ガラス微粒子を生成、堆積する毎に、ドーパントの供給量を制御することで、精密な屈折率分布を有するロッドレンズを製造することが可能となり、光通信部品用ロッドレンズとして使用可能な高性能のロッドレンズを得ることができる。
【００１８】
また、本発明の光部品は、本発明のロッドレンズを備えた光通信用の光部品であり、例えば、光コリメータ、半導体レーザー結合用レンズ、光アイソレータなどが挙げられる。
本発明の光部品は、本発明のロッドレンズを備えているから、屈折率分布における屈折率のゆらぎが少なく、損失の少ない光部品である。
【００１９】
以下、具体的な実施例を示して、本発明の効果を明らかにする。
（実施例１）
ＭＣＶＤ法によりロッドレンズの母材を作製した。
水平に保持され、その軸回りに回転する石英管内にＳｉＣｌ４、ＢＢｒ３、ＰＯＣｌ３と酸化反応に必要な酸素を供給しながら、石英管の外側に設けた酸水素バーナを石英管の長さ方向に沿って往復移動させて石英管を加熱して、石英管内で酸化反応を起し、ＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３、Ｐ２Ｏ５を生成し、石英管内壁に堆積させた。この工程を１００回程繰り返し、石英管内に合成ガラス層を形成し、ロッドレンズの母材を得た。
ＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３、Ｐ２Ｏ５の生成、堆積において、原料ガスの供給量を、ＳｉＣｌ４０．８ｇ／ｍｉｎ、ＢＢｒ３平均０．３ｇ／ｍｉｎ、ＰＯＣｌ３平均０．０１ｇ／ｍｉｎとした。ただし、α乗屈折率分布を得るために、ＢＢｒ３の供給量を最大で０．６ｇ／ｍｉｎ、ＰＯＣｌ３の供給量を最大で０．０２ｇ／ｍｉｎまで変化させた。
次いで、このようにして作製されたロッドレンズの母材を加熱して、中実化し、外径１６ｍｍのロッドレンズの母材を得た。
光ファイバ用プリフォーム屈折率分布測定装置（「Ｍｏｄｅｌ２６００」、Ｐｈｏｔｏｎ　Ｋｉｎｅｔｉｃｓ社製）により、このロッドレンズの母材の屈折率分布を測定し、ゆらぎの幅の観測を試みたが、ゆらぎは観測されなかった。この光ファイバ用プリフォーム屈折率分布測定装置の位置に関する分解能は、５μｍであるので、本発明のロッドレンズの母材のゆらぎ幅は５μｍよりも十分に小さい。
次いで、このロッドレンズの母材を、線引き速度１０ｍ／ｍｉｎで、溶融、線引きし、外径０．３ｍｍのロッドレンズを得た。
【００２０】
得られたロッドレンズのニアフィールドパターンを測定し、屈折率分布における屈折率のゆらぎの幅を観測した。その結果、屈折率分布における屈折率のゆらぎは観測されず、ゆらぎは存在していなことが確認された。
また、この実施例において、ロッドレンズの母材の線引き速度を１０ｍ／ｍｉｎとし、従来のロッドレンズの製造方法における線引き速度１ｍ／ｍｉｎの１０倍の速度で線引きした。このように、線引き速度を増加しても、屈折率分布における屈折率のゆらぎのないロッドレンズを得ることができた。
【００２１】
（実施例２）
ＭＣＶＤ法により、フッ素、リンを添加したロッドレンズ（以下、「ロッドレンズ１」とする。）を作製した。
比較例として、ＶＡＤ法により、フッ素を添加したロッドレンズ（以下、「ロッドレンズ２」とする。）、ゲルマニウムを添加したロッドレンズ（以下、「ロッドレンズ３」とする。）を作製した。
次いで、それぞれのロッドレンズを、０．２５ピッチ（ピッチ：レンズ内を光が蛇行しながら進む一定の周期）の長さに加工し、ロッドレンズの光軸にファイバを接続して光コリメータを作製した。
次いで、同じ種類同士の光コリメータを対向させて調心しながら、対向損失を測定した。この時の対向損失の最低値を記録した。
ロッドレンズ１を用いた実施例の光コリメータでは、対向損失は０．０８ｄＢと最も低くすることができ、光通信部品用ロッドレンズとしての使用に十分満足できるロッドレンズであることが確認できた。
ロッドレンズ２を用いた光コリメータでは、対向損失は１．０ｄＢであった。ロッドレンズ３を用いた光コリメータでは、対向損失は１．５ｄＢであった。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のロッドレンズは、石英ガラスを主成分とし、この石英ガラスにフッ素または三酸化二ホウ素のどちらか一方と、五酸化二リンが含まれているか、あるいは、フッ素および三酸化二ホウ素と共に、五酸化二リンが含まれているから、屈折率分布における屈折率のゆらぎが非常に小さく、理想的なα乗屈折率分布を有する高性能なロッドレンズとなる。また、本発明のロッドレンズにあっては、α乗屈折率分布がレンズ全体に渡って形状が整っているから、ロッドレンズを製造する際に外周除去工程を必要とせず、製造時間を短縮することができる。
また、本発明のロッドレンズは、屈折率分布における屈折率のゆらぎが非常に小さい母材を用いて作製されたものであるから、直径サイズが大きくても、屈折率のゆらぎは比較的小さい。そのため、本発明のロッドレンズは、直径サイズの大きいロッドレンズとしても使用できる。さらに言えば、本発明のロッドレンズは、従来の使用用途のあらゆる直径サイズに適応可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】屈折率分布型ロッドレンズの屈折率分布を示す図である。
【図２】屈折率分布型ロッドレンズの屈折率分布にゆらぎが生じた状態を示す図である。
【図３】図２の円内を拡大した拡大図である。
【図１】
2004045829.tif 000003
【図２】
2004045829.tif 000004
【図３】
2004045829.tif 000005