(57)【要約】【課題】本発明は信号光の損失がほとんどなく、かつ容易に製造できる屈折率分布型レンズ及びその製造方法、並びにそれを用いてなる光部品を提供する。【解決手段】本発明の屈折率分布型レンズは、リップルの幅ｄ、高さＡが、レンズ中心軸上の屈折率ｎ０、使用する信号光の波長λにより表された以下の式（１）を満たす構成とする。【数１】2004085719.tif 000006また本発明の屈折率分布型レンズ用母材の製造方法は、屈折率分布型レンズのリップルの幅ｄ、高さＡが所望の値となるように、層の厚さと比屈折率差を算出して屈折率分布型レンズ用母材を製造し、溶融線引きする構成とする。更に本発明の光部品は、上記した屈折率分布型レンズを用いてなる構成とする。【選択図】　図２
2004085719.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リップルの幅ｄ、高さＡが、レンズ中心軸上の屈折率ｎ０、使用する信号光の波長λにより表された以下の式（１）を満たすことを特徴とする屈折率分布型レンズ。
【数１】
2004085719.tif 000005
【請求項２】
屈折率の異なる層を積層して屈折率分布型レンズ用母材とし、該屈折率分布型レンズ用母材を溶融線引きする屈折率分布型レンズの製造方法であって、
該屈折率分布型レンズのリップルの幅ｄ、高さＡが所望の値となるように、各層の厚さと、比屈折率差を算出し、算出された厚さ、比屈折率差となるように各層を積層して前記屈折率分布型レンズ用母材とすることを特徴とする屈折率分布型レンズの製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載の屈折率分布型レンズを用いてなる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、屈折率分布型レンズ及びその製造方法、光部品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
屈折率分布型レンズは、ＧＲＩＮレンズとも呼ばれ、レンズ媒質内で屈折率が連続的に変化している。光は、屈折率が低い方から高い方へ屈折する性質があるため、入射光をレンズ媒質内で屈折・集光させることができ、レンズの効果が得られる。
【０００３】
従来、この屈折率分布型レンズは、高屈折率が得られる金属イオンを含む円柱状ガラスを溶融塩中に長時間浸漬し、円柱状ガラス中の金属イオンを溶融塩中の別の金属イオンと交換し、それによりガラス中の金属イオン濃度を連続的に変化させて製造されていた。しかし、この方法では、直径０．５ｍｍ程度のレンズを製造する場合、２週間ほど溶融塩中に浸漬する必要があり、製造効率が悪く、また直径の大きいレンズを製造することが困難である問題があった。
【０００４】
また屈折率分布型レンズを製造する方法として、光ファイバの製造方法であるＶＡＤ法等によりレンズ用母材をつくり、溶融紡糸して屈折率分布型レンズとする方法が提案された（特開平２−３１１８０１号）。ＶＡＤ法等のように、段階的に屈折率の異なる層を積層してレンズ用母材とする場合、屈折率が階段状となり、屈折率分布には、屈折率が上下する波形成分ができる。特開平２−３１１８０１号では、極めて遅い線引き速度で紡糸し、紡糸の際の熱によって、屈折率分布の波形成分を１μｍ以下に小さくし、屈折率分布をなめらかに変化するようにすることが提案されている。しかし、この方法では、紡糸に長時間を要し、製造効率が悪い問題があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従って本発明の目的は、上記した事情に鑑みなされたものである。すなわち光学特性に優れ、かつ簡便に製造できる屈折率分布型レンズ及びその製造方法、それを用いた光部品を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するため、屈折率分布型レンズの光学特性と屈折率分布との関係について鋭意検討した結果、屈折率分布を近似して得られた曲線を中心に屈折率が上下する波形成分（以下、リップルと示す）の高さに対して、このリップルの幅を規格化することにより、優れた光学特性が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、請求項１にかかる発明は、リップルの幅ｄ、高さＡが、レンズ中心軸上の屈折率ｎ０、使用する信号光の波長λにより表された以下の式（１）を満たすことを特徴とする屈折率分布型レンズである。
【数２】
2004085719.tif 000003
【０００７】
請求項２にかかる発明は、屈折率の異なる層を積層して屈折率分布型レンズ用母材とし、該屈折率分布型レンズ用母材を溶融線引きする屈折率分布型レンズの製造方法であって、
該屈折率分布型レンズのリップルの幅ｄ、高さＡが所望の値となるように、各層の厚さと、比屈折率差を算出し、算出された厚さ、比屈折率差となるように各層を積層して前記屈折率分布型レンズ用母材とすることを特徴とする屈折率分布型レンズの製造方法である。
【０００８】
請求項３にかかる発明は、請求項１に記載の屈折率分布型レンズを用いてなることを特徴とする光部品である。
【０００９】
【発明の実施形態】
［屈折率分布型レンズ］
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態の屈折率分布型レンズの屈折率分布の概略図を示す。この屈折率分布型レンズは、径方向に屈折率分布を有する円柱状のレンズである。屈折率分布１は、なめらかな曲線で近似でき、レンズの外周部から中心点に向かって屈折率が高くなる形状である。本実施形態の屈折率分布型レンズは、石英ガラスに、外周部から中心部に向かってゲルマニウムが次第に高濃度となるように分布されたものであり、これにより図１に示された屈折率分布１が得られる。
【００１０】
図２は、図１中、破線で囲まれた部分２の屈折率分布の拡大概略図を示す。屈折率分布１には、この屈折率分布１を近似して得られた曲線３を中心として屈折率が上下する波形成分が見られる。この波形成分は一般にリップルと呼ばれる。本実施形態では、このリップルの大きさを、図２に示されたように定義する。リップルの幅ｄは、隣接するリップルのピーク点間の距離であり、リップルの高さＡは、リップルのピーク点での屈折率と、屈折率分布１を近似して得られた曲線３の屈折率の値との差である。なおリップルのピーク点は、リップルの高さＡが極大となる点である。
【００１１】
本実施形態では、リップルの幅ｄと高さＡは、以下の式（１）を満たす。ただし式中、ｎ０はレンズ中心軸上の屈折率、λは使用する信号光の波長をそれぞれ示す。
【００１２】
【数３】
2004085719.tif 000004
【００１３】
図３は、波長が１．５５μｍの信号光を用いたときの屈折率分布型レンズのリップルの幅ｄとリップルの高さＡとの関係を示す。白抜きの三角印は、光の損失が１ｄＢ未満であり、従来のイオン交換法で作製された屈折率分布型レンズと同等以上の優れた光学特性を有する屈折率分布型レンズであることを示す。白抜きの四角印は、光の損失が１ｄＢ以上であり、従来のイオン交換法で作製された屈折率分布型レンズの光学特性に劣る屈折率分布型レンズであることを示す。図３中、斜線部は上記した式（１）を満たすリップルの幅ｄとリップルの高さＡとの範囲を示す。図３に示されたように、リップルの幅ｄとリップルの高さＡが上記した式（１）を満たす屈折率分布型レンズは、光の損失が１ｄＢ未満であり、従来のイオン交換法で作製された屈折率分布型レンズと同等以上の優れた光学特性を実現できる。
【００１４】
図４は、波長が１．２μｍの信号光を用いたときの屈折率分布型レンズのリップルの幅ｄとリップルの高さＡとの関係を示す。また図５は、波長が０．８μｍの信号光を用いたときの屈折率分布型レンズのリップルの幅ｄとリップルの高さＡとの関係を示す。図４、５に示されたように、波長が１．２μｍ、０．８μｍの信号光を用いたときも、上記した式（１）を満たす屈折率分布型レンズは、光の損失が１ｄＢ未満であり、従来のイオン交換法で作製された屈折率分布型レンズと同等以上の優れた光学特性を実現できる。以上のように、使用される信号光の波長において、屈折率分布型レンズのリップルの幅ｄとリップルの高さＡとが、上記した（１）を満たすとき、光の損失が低く、優れた光学特性が得られることが分かる。
【００１５】
［屈折率分布型レンズの製造方法］
次に本実施形態の屈折率分布型レンズの製造方法について説明する。図６は、屈折率分布型レンズ用母材の屈折率分布の拡大概略図を示す。屈折率の異なる層を段階的に積層して形成するため、屈折率分布４は段階的に変化する形状となる。図６中、符号５は、屈折率分布型レンズとしたとき所望の光学特性を有し、かつ段階的な変化の無い屈折率分布型レンズ用母材の屈折率分布曲線であり、なめらかな曲線で表される。図６に示された屈折率分布４の段階的な変化は、積層する各層の厚さＨと、各層の屈折率と段階的な変化の無いなめらかな曲線の屈折率分布曲線５との比屈折率差Δｎによって形成されると考えられる。更に、この屈折率分布型レンズ用母材を溶融線引きし、屈折率分布型レンズとしたとき、屈折率分布型レンズ用母材の屈折率の段階的な変化は、屈折率分布型レンズのリップルとなると考えられる。このため屈折率分布型レンズ用母材とする際、積層する各層の厚さＨと、各層の屈折率と段階的な変化の無いなめらかな曲線の屈折率分布曲線５との比屈折率差Δｎとが、屈折率分布型レンズとしたときのリップルの幅ｄと高さＡとにそれぞれ対応すると考えられる。
【００１６】
本実施形態では、屈折率分布型レンズ用母材を溶融線引きし、屈折率分布型レンズとしたとき、屈折率分布型レンズの屈折率分布のリップルの幅ｄ、高さＡとが上述した式（１）を満たすように、段階的に積層する各層の厚さＨと、各層の屈折率と段階的な変化の無いなめらかな曲線の屈折率分布曲線５との比屈折率差Δｎとを、シミュレーションにより算出する。ここでリップルの幅ｄ、高さＡは、同一層内の屈折率のばらつきによっても左右されるため、各層を積層する際生じる屈折率のばらつきを考慮して、各層の厚さＨと、各層の屈折率と段階的な変化の無いなめらかな曲線の屈折率分布曲線５との比屈折率差Δｎとを算出することが好ましい。このようにしてシミュレーションにより算出された厚さＨ、各層の屈折率と段階的な変化の無いなめらかな曲線の屈折率分布曲線５との比屈折率差Δｎとを有する各層を、以下に示す方法により積層し、屈折率分布型レンズ用母材とする。
【００１７】
図７は、屈折率分布型レンズ用多孔質母材の製造方法を示す概略構成図である。石英ガラス管１０は、ガラス旋盤（図示省略）に固定され、定速で回転されるように構成されている。バーナ１３は、石英ガラス管１０を外部から加熱するものであり、石英ガラス管１０の長手方向に移動できるように構成されている。石英ガラス管１０の一端部には混合ガス供給部１４が設けられ、他端には排出ガス処理装置（図示省略）が設けられる。
【００１８】
混合ガス供給部１４より、原料ガスと酸素ガスとの混合ガス１５が石英ガラス管１０内に導入される。酸素ガスはキャリアガスとして使用される。原料ガスは、ＳｉＣｌ４ガス、ＧｅＣｌ４ガスからなる。ＳｉＣｌ４ガス、ＧｅＣｌ４ガスは、それぞれＳｉＣｌ４ガス発生器１６、ＧｅＣｌ４ガス発生器１７にて高純度ガスとして生成され、配管１８を介して混合ガス供給部１４から石英ガラス管１０内に供給される。
【００１９】
まず、バーナ１３により石英ガラス管１０を加熱する。次にＳｉＣｌ４ガス、ＧｅＣｌ４ガスの各ガス流量を調整し、それぞれのガスを所望の濃度含有した原料ガスとし、キャリアガスである酸素ガスと共に石英ガラス管１０内に供給する。このときバーナ１３の加熱量を所望量に調整する。石英ガラス管１０内に供給された混合ガス１５は、バーナ１３の熱で反応し、これによりガラス微粒子（スート）１１が生成し、石英ガラス管１０の内面に堆積する。このガラス微粒子１１は、バーナ１３の熱により結晶化され、ガラス層１２となる。バーナ１３を石英ガラス管１０の長手方向に定速度で移動させて、長手方向にガラス層１２を形成する。ガス流量、各ガス成分の濃度、バーナの加熱量、移動速度を所望の値とし、シミュレーションにより算出された厚さＨ、段階的な変化の無いなめらかな曲線の屈折率分布曲線５との比屈折率差Δｎを有するガラス層とする。
【００２０】
上記した方法と同様にして、原料ガス１５の各ガスの濃度を適宜調整し、バーナ１３を石英ガラス管１０の長手方向に定速度で繰り返し移動させ、ガラス微粒子１１の生成とガラス層１２の形成を繰り返し行い、シミュレーションにより算出された厚さＨ、各層の屈折率と段階的な変化の無いなめらかな曲線の屈折率分布曲線５との比屈折率差Δｎのガラス層１２を順次積層する。以上により各ガラス層１２を所望の厚さ形成し、石英ガラス管１０を中実化することにより屈折率分布型レンズ用母材となる。
【００２１】
次に、屈折率分布型レンズ用母材を紡糸炉によって加熱し溶融線引きする。線引き速度は、１ｍ／分よりも早い速度で行っても信号光の損失が低く、光学特性に優れた屈折率分布型レンズが製造できる。
【００２２】
本実施形態では、屈折率分布型レンズ用母材は、あらかじめシミュレーションにより屈折率分布型レンズとしたとき、所望の大きさのリップルとなるように各ガラス層を積層して形成しているため、従来のように低速度で長時間溶融線引きしリップルを無くする必要がなく、早い速度で線引きできる。これにより優れた製造効率で屈折率分布型レンズを製造できる。またイオン交換法では実現できなかった直径の大きい屈折率分布型レンズでも容易に製造できる。
【００２３】
［光部品］
図８は、本実施形態の光部品の一例であるファイバコリメータの断面概略図を示す。このファイバコリメータ２１は、上記した本実施形態の屈折率分布型レンズが用いられている。図中符号２２は筐体を示し、また符号２３は屈折率分布型レンズを示し、符号２４は光ファイバ素線をそれぞれ示す。光ファイバ素線２４は、キャピラリ２６により屈折率分布型レンズ２３に接続されている。屈折率分布型レンズ２３は光学接着剤２５により筐体２２に固定されている。この屈折率分布型レンズ２３と光ファイバ素線２４とは、筐体２２内に収容されており、筐体２２は外枠の役割を果たす。
【００２４】
このファイバコリメータ２１では、光ファイバ素線２４を伝搬した光を屈折率分布型レンズ２３に通して集光・屈折させ、コリメート性（平行性）に優れた光ビーム２７として出射することができる。このため光ファイバ伝搬と空間伝播との切り替えを優れた光結合効率で行うことができ、例えば光の分岐、結合、切り替えなどを行う光回路に利用できる。特に本実施形態では、信号光の損失が低く、かつ容易に製造できる本実施形態の屈折率分布型レンズを使用しており、これにより、低損失で、安価なファイバコリメータが実現できる。
【００２５】
なお、光部品として、光分岐器，光分波器，光スイッチなども挙げられる。筐体の中心軸が同一線上となるように、上記した実施形態のファイバコリメータを２個対向させて配置し、一方のファイバコリメータを出射側とし、他方を受光側とする。出射側のファイバコリメータから出射された光が伝播する空間に、フィルタなどの光学部品を配置した構成とすることによって形成される。またこの光が伝播する空間にて、光のチョッピングを行う構成とすることによって、物体の位置や角度，粉塵，電界，磁界などを検出するセンサが形成される。このように光ファイバ素線伝搬から空間伝播への切り替えを必要とする光回路部分を有する光部品が形成される。
【００２６】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、請求項１に係る発明によれば、屈折率分布において、リップルの高さＡに対応してリップルの幅ｄを規格化することによって、信号光の損失が低く優れた光学特性であり、かつ化学気相蒸着法などで容易に製造できる屈折率分布型レンズが実現できる。また請求項２に係る発明によれば、屈折率分布型レンズのリップルの幅ｄ、高さＡが所望の値となるように屈折率分布型レンズ用母材を製造することによって、速い速度で溶融線引きすることができ、これにより容易に、かつ優れた製造効率で製造でき、また直径の大きい屈折率分布型レンズも製造できる。更に請求項３に係る発明によれば、本発明の屈折率分布型レンズを用いることによって、信号光の損失が低く優れた光学特性であり、かつ容易に製造でき安価な光部品が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の屈折率分布型レンズの屈折率分布の一例を示す概略模式図である。
【図２】図１中、破線２で囲まれた範囲を示す概略拡大模式図である。
【図３】波長が１．５５μｍの信号光を用いたときの屈折率分布型レンズのリップルの幅ｄとリップルの高さＡとの関係の一例を示す概略模式図である。
【図４】波長が１．２μｍの信号光を用いたときの屈折率分布型レンズのリップルの幅ｄとリップルの高さＡとの関係の一例を示す概略模式図である。
【図５】波長が０．８μｍの信号光を用いたときの屈折率分布型レンズのリップルの幅ｄとリップルの高さＡとの関係の一例を示す概略模式図である。
【図６】本実施形態の屈折率分布型レンズ用母材の屈折率分布の一例を示す拡大概略模式図である。
【図７】屈折率分布型レンズ用母材の製造方法の一例を示す概略構成図である。
【図８】本実施形態の光部品であるファイバコリメータの一例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
２１・・・ファイバコリメータ，２３・・・屈折率分布型レンズ
【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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