(57)【要約】【課題】最大コリメート長の長い光通信用モジュールを実現できる屈折率分布型ロッドレンズを得る。【解決手段】Ｔｌを含有する組成のガラスロッドのイオン交換によってＴｌ濃度が中心から周辺に向かって半径方向で徐々に減少し、それに応じた屈折率分布を有し、中心でのガラス中のＴｌ２　Ｏ含有量が１〜６モル％であって、且つレンズ長Ｚとレンズ直径φとの比Ｚ／φが、３≦Ｚ／φ≦１２．５である屈折率分布型ロッドレンズである。特に、レンズ中心でのガラス中のＴｌ２　Ｏの含有量を２〜３モル％とし、Ｚ／φを４．５≦Ｚ／φ≦６とすることが好ましい。【選択図】　　　図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｔｌを含有する母材ガラスからなる円柱体のイオン交換によって、Ｔｌ濃度が中心から周辺に向かって半径方向で徐々に減少し、それに応じた屈折率分布を有し、レンズ中心でのガラス中のＴｌ２　Ｏ含有量が１〜６モル％であり、且つレンズ長Ｚとレンズ直径φとの比Ｚ／φが、３≦Ｚ／φ≦１２．５（但し、レンズ長Ｚは０．２５ピッチ長以下）であることを特徴とする屈折率分布型ロッドレンズ。
【請求項２】
レンズ中心でのガラス中のＴｌ２　Ｏの含有量が２〜３モル％である請求項１記載の屈折率分布型ロッドレンズ。
【請求項３】
Ｚ／φが、４．５≦Ｚ／φ≦６である請求項２記載の屈折率分布型ロッドレンズ。
【請求項４】
ガラスの主成分としてＳｉＯ２　を５０〜６５モル％、Ｎａ２　Ｏを５〜１０モル％、Ｋ２　Ｏを５〜１５モル％、ＺｎＯを１０〜１５モル％含んでいる請求項１乃至３のいずれかに記載の屈折率分布型ロッドレンズ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバコリメータに用いる屈折率分布型ロッドレンズに関し、更に詳しく述べると、レンズ中心でのガラス中のＴｌ２　Ｏ含有量を低く抑えると共にレンズの寸法比率を規定することにより、最大コリメート長を長くできるようにした屈折率分布型ロッドレンズに関するものである。この屈折率分布型ロッドレンズは、特に長い最大コリメート長が必要な光通信用モジュールに組み込む単一モード光ファイバ用の光ファイバコリメータとして有用である。
【０００２】
【従来の技術】
屈折率分布型ロッドレンズは、屈折率が中心軸上で高く周辺に向かって連続的に減少するように中心軸に対称に分布している円柱状の透明体からなる。このロッドレンズの一端面から入射した光は、レンズ内をその屈折率分布により蛇行して進行する。入射光がロッドレンズ内を進行して、入射点での位置及び方向と同じ状態に戻るまでの距離を１ピッチ長と呼ぶ。ロッドレンズを０．２５ピッチ長に加工した場合、点光源をレンズ端面の中心に置くと、他端面からは平行性の良い光ビームが出射する。このことから、０．２５ピッチ長以下の屈折率分布型ロッドレンズが、光通信用モジュールの光ファイバコリメータとして用いられている。
【０００３】
光通信用モジュールでは、例えば図１に示すように、第１及び第２のコリメータレンズ（屈折率分布型ロッドレンズ）１０ａ，１０ｂが対として用いられる。光源に光ファイバ（ＳＭＦ：単一モード光ファイバ）１２を用いると、該光ファイバ１２から出射した光は、第１のコリメータレンズ１０ａで近似的には平行光となって空間伝播し、第２のコリメータレンズ１０ｂで集光され、別の光ファイバ（ＳＭＦ：単一モード光ファイバ）１４に結合する。第１及び第２のコリメータレンズ１０ａ，１０ｂの間に光学フィルタなどの光機能素子１６を組み込むことによって、光通信用モジュールに光信号の選択などの様々な機能を持たせることができる。両コリメータレンズの間隔は、コリメート長Ｌで表される。
【０００４】
単一モード光ファイバを用いる場合には、出射光はガウス分布状の強度分布を持ったビーム（これは「ガウシアンビーム」と呼ばれる）で近似され、光ファイバ出射端面をレンズの焦点位置においたコリメート条件としても、レンズ通過後のビームは平行光にはならず、ビームウエストを持った光ビームとなる。そのため、２個のコリメータレンズを対向配置した場合、それらの間にビームウエストを形成可能な最大レンズ間隔（距離）が存在する。これを最大コリメート長と称する。最大コリメート長を超えると、一方の光ファイバコリメータから他方の光ファイバコリメータに空間伝播される光量は急激に減少（言い換えれば、損失が急激に増加）してしまう。
【０００５】
この最大コリメート長Ｌｍａｘ　は、
Ｌｍａｘ　＝ｆ＋２（λ／２π）（ｆ／ω）２　　　…（１）
で表すことができる。但し、ｆはレンズの焦点距離、λは使用光の波長、ωは光ファイバのモードフィールド径である。また屈折率分布型ロッドレンズの焦点距離ｆは、
ｆ＝１／（ｎ０　√Ａ　ｓｉｎ（２πＰ））　　…（２）
で表される。ここで、ｎ０　は軸上屈折率、√Ａは屈折率分布定数、Ｐはレンズのピッチ（蛇行周期）である。
【０００６】
ところで光通信分野で使用されている屈折率分布型ロッドレンズは、一般にガラスを母材とし、その母材ガラス中に屈折率分布形成の主要因としてＴｌ（タリウム）を含んだ組成のガラスロッドから製造する。ガラスロッドの半径方向に屈折率分布を形成するには、通常、イオン交換法が用いられている。これは、高屈折率イオン（Ｔｌイオン）を含むガラスロッドを、低屈折率イオンを含む溶融塩中に一定時間浸漬して、各々のイオンを相互拡散させることによって、高屈折率イオン（Ｔｌイオン）の濃度分布にほぼ比例した屈折率分布を形成する方法である。
【０００７】
従来、光通信用モジュールで用いられている屈折率分布型ロッドレンズにおける母材ガラス中のＴｌ２　Ｏの含有量は９〜１２モル％程度である。イオン交換により製造した屈折率分布型ロッドレンズでは、屈折率分布定数√Ａはレンズ直径φに反比例し、√Ａ×φは０．５９程度である。例えば、レンズ直径が１．８ｍｍの場合には、イオン交換後の√Ａは０．３３ｍｍ−１程度である。もし、レンズ直径が１．０ｍｍのように小さくなると、√Ａは０．５９ｍｍ−１程度と大きくなる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前記（２）式から、屈折率分布定数√Ａを小さくすればレンズの焦点距離ｆが長くなり、また（１）式から、レンズの焦点距離ｆを長くすれば最大コリメート長Ｌｍａｘ　を長くできることが分かる。屈折率分布定数√Ａは、レンズの母材ガラスあるいはイオン交換条件によって決まるので、母材ガラスそのもの、もしくはイオン交換の条件を変更することによって小さくすることができる。ところがレンズの開口数ＮＡは、
ＮＡ＝ｎ０　√Ａ・φ／２　　…（３）
で示され、屈折率分布定数√Ａに比例する。光ファイバの出射光を効率よくレンズに取り込むためには、開口数ＮＡは一定値以上である必要があり、屈折率分布定数√Ａを過度に小さくすることはできない。また、屈折率分布定数√Ａを小さくすると、他のレンズ特性に様々な影響が及ぶので、それを考慮してレンズを製作しなければならない。
【０００９】
これらの事情により、従来の光通信用モジュールにおいては、挿入損失を低く抑えることができる最大コリメート長は、一般的なレンズ直径が１．８ｍｍの場合には７０ｍｍ程度と多少短めであった。もし、レンズ直径が１．０ｍｍのように小さくなると、最大コリメート長は２０ｍｍ程度と非常に小さくなってしまう。そのため、対向配置した屈折率分布型ロッドレンズ間に多数の光機能素子を配置することが困難であり、光通信用モジュールの機能が制限されたり、高精度・高機能の光機能素子を使用せざるを得ないために高価となるなどの問題があった。
【００１０】
本発明の目的は、最大コリメート長の長い光通信用モジュールを実現できる屈折率分布型ロッドレンズを提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、Ｔｌを含有する母材ガラスからなる円柱体のイオン交換によって、Ｔｌ濃度が中心から周辺に向かって半径方向で徐々に減少し、それに応じた屈折率分布を有し、レンズ中心でのガラス中のＴｌ２　Ｏ含有量が１〜６モル％であり、且つレンズ長Ｚとレンズ直径φとの比Ｚ／φが３≦Ｚ／φ≦１２．５（但し、レンズ長Ｚは０．２５ピッチ長以下）であることを特徴とする屈折率分布型ロッドレンズである。
【００１２】
特にレンズ中心でのガラス中のＴｌ２　Ｏ含有量は、２〜３モル％とすることが好ましい。また、レンズの寸法因子であるＺ／φは、４．５≦Ｚ／φ≦６とすることが望ましい。
【００１３】
ガラスの主成分としては、例えば、ＳｉＯ２　を５０〜６５モル％、Ｎａ２　Ｏを５〜１０モル％、Ｋ２　Ｏを５〜１５モル％、ＺｎＯを１０〜１５モル％含む組成とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
上記のように、本発明で用いる母材ガラスは、典型的にはガラスの主成分としてＳｉＯ２　を５０〜６５モル％、Ｎａ２　Ｏを５〜１０モル％、Ｋ２　Ｏを５〜１５モル％、ＺｎＯを１０〜１５モル％含んでおり、更に屈折率分布形成の主要因となるＴｌ２　Ｏを１〜６モル％含有している。
【００１５】
ここでＴｌ２　Ｏを１〜６モル％としているのは、１モル％未満では必要な屈折率分布の形成が困難となるし、逆に６モル％を超えると屈折率分布定数√Ａが大きくなって最大コリメート長を長くするという特性改善効果が不十分となるためである。上記の特性改善効果をより一層高めるためには、Ｔｌ２　Ｏの含有量を２〜３モル％とするのが好ましい。
【００１６】
Ｎａ及びＫはＴｌとイオン交換される成分であり、イオン交換によってＴｌが抜けた後に更に外部から入り込む。Ｎａ２　Ｏを５〜１０モル％としたのは、５モル％未満ではイオン交換速度が低下しガラスの溶融温度が上昇するし、１０モル％を超えると化学的耐久性が低下し失透が起こり易くなるからである。またＫ２　Ｏを５〜１５モル％としたのも同様の理由からである。ＺｎＯは中心屈折率を低下させるために添加している。ＺｎＯを１０〜１５モル％としたのは、１０モル％未満ではその効果が十分ではなく、１５モル％を超えると失透が生じる恐れがあるためである。
【００１７】
本発明に係る屈折率分布型ロッドレンズは、上記のようにＴｌを含有する組成のガラスロッドをイオン交換処理することで製造する。具体的には、母材ガラスを円柱状に加工し、そのガラスロッドを低屈折率イオンを含む溶融塩中に浸漬する。これによって、Ｔｌ濃度が中心から周辺に向かって半径方向で徐々に減少している構造が得られる。このＴｌの濃度分布に応じてレンズとしての性能（半径方向の屈折率分布）が付与されることになる。
【００１８】
図２は、イオン交換処理後のガラスロッド中のＴｌの濃度分布を模式的に表すものであり、Ａは従来例を、Ｂは本発明を示している。なお、破線はＴｌ初期濃度（イオン交換前の母材ガラス中のＴｌ濃度）を示している。このようにＴｌ初期濃度は、従来例では高く、本発明では低い。しかし、いずれにしてもガラスロッドの中心でのＴｌ濃度は高く、周辺に向かうほどイオン交換によってＴｌ濃度が徐々に低くなる。前記のように、ガラス中の屈折率分布の主要因はＴｌであることから、このＴｌの濃度分布が半径方向の屈折率分布に対応していることになる。そして、レンズ中心におけるＴｌ濃度は、Ｔｌの初期濃度（イオン交換前の母材ガラス中のＴｌ濃度）にほぼ等しい。従って、本発明では、ロッドレンズ中心でのガラス中のＴｌ２　Ｏ含有量は１〜６モル％（より好ましくは、２〜３モル％）とする。
【００１９】
本発明では、ロッドレンズ中心でのＴｌ濃度を従来例よりも低くしており、それ故、
（ａ）Ｔｌが高屈折率物質であるため、Ｔｌ濃度を下げたことにより、母材ガラスの屈折率が低下する。従って、軸上屈折率ｎ０　も低下する。
（ｂ）イオン交換の主成分はＴｌであるため、Ｔｌ濃度が下がると中心−最外周の屈折率差Δｎは小さくなる。
という２つの効果が生じる。屈折率分布型ロッドレンズの場合、屈折率分布定数√Ａと屈折率分布との関係が、
√Ａ∝　ｓｉｎ√（２・ｎ０　・Δｎ）　　…（４）
であるため、上記の２つの効果により軸上屈折率ｎ０　及び中心と最外周の屈折率差Δｎが小さくなるので√Ａは小さくなる。
【００２０】
他方、屈折率分布型ロッドレンズのピッチ（蛇行周期）Ｐとレンズ長Ｚとは、Ｚ＝２πＰ／√Ａ　　…（５）
の関係がある。従って、一定のピッチ長を得るためには、小さな屈折率分布定数√Ａに対してレンズ長Ｚを大きくすればよい。しかし、小さな屈折率分布定数√Ａでは開口数ＮＡが小さくなるので、開口数ＮＡを一定値とするためにはレンズ直径φを大きくする必要がある。そこで、寸法因子としてＺ／φを用いてレンズの設計をすれば、（３）および（５）式から、
Ｚ／φ＝πｎ０　Ｐ／ＮＡ　　…（６）
となり、小さな屈折率分布定数√Ａに対しても所定のピッチＰと開口数ＮＡをもつ屈折率分布型ロッドレンズが得られることになる。
【００２１】
ここで、できるだけ短いレンズ長とするには、ピッチの最大値はＰ＝０．２５である。また、単一モード光ファイバの開口数ＮＡはおよそ０．１であるので、この光ファイバからの出射光を効率よく取り込むためにはレンズの開口数ＮＡは０．１より大きくする必要がある。従って、（６）式から、
Ｚ／φ≦７．９ｎ０　　　…（７）
となる。ここでレンズの軸上屈折率をｎ０　＝１．６とすると、Ｚ／φ≦１２．５となる。レンズ長Ｚの下限は加工可能範囲で定まり２ｍｍ程度である。寸法因子であるＺ／φの下限は、以下に述べる実施例によって決まる。実施例の結果から、３≦Ｚ／φとすること、更には４．５≦Ｚ／φとすることが好ましいことが分かる。
【００２２】
ところで屈折率分布型ロッドレンズの焦点距離ｆは、同一母材ガラス、同一直径であれば、（２）式のように、レンズのピッチ長Ｐに関係する。従って、屈折率分布係数√Ａが低い屈折率分布を得た上で、レンズ長Ｚを０．２５ピッチ以下の範囲でロッドレンズのピッチ長を短くすることで、ロッドレンズの焦点距離を更に長くすることができる。また、レンズ長Ｚを０．２５ピッチ未満とすると、焦点位置はレンズの外側になるので、レンズ、光ファイバ、光機能素子の位置関係の調整がし易くなる。
【００２３】
このような本発明に係る屈折率分布型ロッドレンズは、図１に示すような光通信用モジュールに有用である。第１及び第２のコリメータレンズ（０．２５ピッチ長の屈折率分布型ロッドレンズ）１０ａ，１０ｂを対として、間隔をおいて対向配置する。光源に光ファイバ（ＳＭＦ）１２を用い、該光ファイバ１２から出射した光は、第１のコリメータレンズ１０ａで近似的には平行光となって空間伝播し、第２のコリメータレンズ１０ｂで集光され、異なる光ファイバ（ＳＭＦ）１４に結合する。第１及び第２のコリメータレンズ１０ａ，１０ｂの間に光学フィルタなどの光機能素子１６を組み込むことで、光通信用モジュールに光信号の選択などの様々な機能を持たせる。最大コリメート長は、レンズの焦点距離ｆと正の相関があるので、上記のようにレンズの焦点距離が長くなる本発明の屈折率分布型ロッドレンズを用いることによって、最大コリメート長も更に長くなる。具体的には、例えばレンズ直径１．８ｍｍのロッドレンズを図１に示すような光通信用モジュールに組み込んだとき、最大コリメート長は１００〜３００ｍｍ程度まで長くすることができる。
【００２４】
【実施例】
組成の異なる３種類の母材ガラス（母材Ａ，Ｂ，Ｃ）を調製した。それらの組成を表１に示す。また比較のため、従来例も表１に示す。従来例ではＴｌ２　Ｏの含有量が１０モル％と多かったが、母材ガラスＡでは２モル％、母材ガラスＢでは３モル％、母材ガラスＣでは５モル％というように、はるかに少なくなっている。なお、表１中、母材ガラスＡ〜Ｃで「その他」とあるのは、ＰｂＯ及びＴｉＯ２　である。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
これらの母材ガラスＡ〜Ｃを、直径１．８ｍｍ及び１．０ｍｍの円柱状に加工し、溶融塩に浸漬してイオン交換することで屈折率分布型ロッドレンズとしての性能を付与し、本発明品Ａ〜Ｃを得た。そして寸法因子としてのＺ／φ、及び使用波長１．５５μｍでの屈折率分布係数√Ａを求めた。その結果を表２に示す。本発明品ではＺ／φが３．３４〜５．８２であり、従来品の２．７１に比べてかなり大きな値となっている。また、直径１．９ｍｍの場合、本発明品では√Ａが０．１５〜０．２６ｍｍ−１であり、従来品の０．３２２ｍｍ−１に比べてかなり低い値が得られた。また直径１．０ｍｍの場合でも、本発明品では√Ａが０．２７〜０．４７ｍｍ−１であり、従来品の０．５８ｍｍ−１に比べて低い値が得られた。
【００２７】
【表２】
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【００２８】
次に、図１に示すような光通信用モジュール（但し、光学機能素子は挿入していない）に表２に示すレンズ直径１．８ｍｍの４種のロッドレンズ（反射防止膜無し）の対を使用し、挿入損失とコリメート長（レンズ間隔）の関係を求めた。その結果を表３及び図３に示す。最大コリメート長を、反射防止膜無しの状態で挿入損失が１．３ｄＢ程度を超えない長さと見積もると、最大コリメート長は、従来品では約７０ｍｍであったのが、本発明品Ａでは約３００ｍｍ、本発明品Ｂでは約２５０ｍｍというように、はるかに長くできることが判明した。本発明品Ｃの場合は、従来品の特性に近いが、それでも最大コリメート長を１００ｍｍ以上まで長くできた。
【００２９】
【表３】
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【００３０】
同様に、図１に示すような光通信用モジュール（但し、光学機能素子は挿入していない）に表２に示すレンズ直径１．０ｍｍの４種のロッドレンズ（反射防止膜なし）の対を使用し、挿入損失とコリメート長（レンズ間隔）の関係を求めた。その結果を表４及び図４に示す。ここでも最大コリメート長を、反射防止膜無しの状態で挿入損失が１．３ｄＢ程度を超えない長さと見積もると、最大コリメート長は、従来品では約２０ｍｍであったのが、本発明品Ａでは約１３０ｍｍ、本発明品Ｂでは約７０ｍｍ、本発明品Ｂでは約６０ｍｍというように、はるかに長くできることが判明した。
【００３１】
【表４】
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【００３２】
これらの実験結果を総合すると、ロッドレンズ中心でのガラス中のＴｌ２　Ｏ含有量を２〜３モル％とすること、言い換えれば母材ガラス中の初期Ｔｌ２　Ｏ濃度を２〜３モル％とすること、及び寸法因子としてのＺ／φを４．５〜６とすること（本発明品Ａ，Ｂ）が、より一層好ましいことが分かる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明は上記のように、レンズ中心でのガラス中のＴｌ２　Ｏ含有量が１〜６モル％であって、３≦Ｚ／φ≦１２．５である屈折率分布型ロッドレンズであるから、焦点距離を長くでき、最大コリメート長を従来品よりもはるかに長くすることができる。そのため、光ビームの伝播距離が長い光通信用モジュールを製作することが可能となる。従って、対向配置された屈折率分布型ロッドレンズの間隔を長くできるために、より多くの光学機能素子を挿入することができ、より細かな波長選択が可能になったり、より多機能のモジュールを構成することが可能になる。
【００３４】
通常、光学フィルタなどの素子の価格は精度が上がるほど著しく高くなる。しかし本発明に係る屈折率分布型ロッドレンズを用いれば、光通信用モジュールにおいて対向配置された屈折率分布型ロッドレンズ間隔を長くできるために、多くの光学フィルタを挿入することができるので、安価な光学フィルタを組み合わせて必要な性能を発揮させる構成も可能となり、光通信用モジュール全体として同性能でありながらより安価な製品が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光通信用モジュールの一例を示す説明図。
【図２】ガラスロッド内におけるＴｌ濃度分布の説明図。
【図３】レンズ直径１．８ｍｍの場合の挿入損失のコリメート長依存性を示すグラフ。
【図４】レンズ直径１．０ｍｍの場合の挿入損失のコリメート長依存性を示すグラフ。
【符号の説明】
１０ａ，１０ｂ　コリメータレンズ
１２　光ファイバ
１４　光ファイバ
１６　光学機能素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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