(57)【要約】【課題】球レンズを用いて高光結合効率を達成できるようにしたファイバコリメータを提供する。【解決手段】中心部のコア１０１ａ及びその外周部のクラッド１０１ｂを有する光ファイバ１０１の端面に、コアと略同一で均一な屈折率を有する材料よりなるコアレスファイバ１０２の一端面１０２ａを接合し、光ファイバの光軸上でコアレスファイバの他端面１０２ｂ側に球レンズ５０を配置する。球レンズの収差円径が光ファイバのモードフィールド径以下となるように球レンズの屈折率と径を設定し、且つコアレスファイバの必要反射損失量を確保するために予め規定されるコアレスファイバの最小長よりも球レンズのバックフォーカスＢＦが大きくなるように、球レンズの屈折率と径を設定する。バックフォーカスの値として、コアレスファイバ長に応じて変化する補正値を使用する。【選択図】図１
2005266217.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心部のコア及びその外周部のクラッドを有する光ファイバの端面に、前記コアと略同一で均一な屈折率を有する材料よりなるコアレスファイバの一端面を接合し、前記光ファイバの光軸上で前記コアレスファイバの他端面側に球レンズを配置すると共に、前記コアレスファイバを通しての前記球レンズの焦点を、前記光ファイバのコアの端面上に位置させたファイバコリメータであって、
前記球レンズの収差円径が光ファイバのモードフィールド径以下となるように、球レンズの屈折率と径が設定され、且つ、前記コアレスファイバの必要反射損失量を確保するために予め規定されるコアレスファイバの最小長よりも前記球レンズのバックフォーカスが大きくなるように、球レンズの屈折率と径が設定されていることを特徴とするファイバコリメータ。
【請求項２】
請求項１に記載のファイバコリメータであって、
前記球レンズの収差円径と光ファイバのモードフィールド径とが等しくなるときの前記球レンズの屈折率と径の関係曲線を下限曲線とし、
前記コアレスファイバの必要反射損失量を確保するために予め規定されるコアレスファイバの最小長以上に設定されたコアレスファイバの長さと、そのコアレスファイバの長さに応じて補正される前記球レンズのバックフォーカスとが等しくなるときの前記球レンズの屈折率と径の関係曲線を上限曲線とし、
それら上限曲線と下限曲線の間に挟まれる範囲内で、前記球レンズの屈折率と径が設定されていることを特徴とするファイバコリメータ。
【請求項３】
請求項２に記載のファイバコリメータであって、
前記コアレスファイバの長さが、２００μm以上８００μm以下に設定されていることを特徴とするファイバコリメータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信等に用いられる光学部品に係り、特に、コア及びクラッドを有する光ファイバの端面にコアレスファイバの一端面を接合し、コアレスファイバの他端面側に球レンズを配置したファイバコリメータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光通信の発達に伴って、利用する光デバイスや光学部品の小型化が望まれている。光ファイバ間で光結合を行う方法のうち、損失が少なく且つその間に様々な光学素子を設置することができるような光結合方法として、ファイバの光束出射端近傍にレンズを設置して、ファイバから出射される光束を平行光束とし、受光側も同様の光学系を組んで、再びファイバに光を結合させるという方法が一般的に利用されている。ファイバから出射された光束を平行光束とする機能を有する素子は一般にファイバコリメータと称せられており、前述したファイバとレンズの組み合わせはファイバコリメータの一つの形式である。
【０００３】
この形式のファイバコリメータの性能を表す指標として、一般的に光結合損失と反射損失が用いられる。光結合損失は、平行光束の光束品質を反映するものであり、使用するファイバの開口数（以下、ＮＡと略記する）、出射端面形状、出射端面における収差、レンズ性能、等に影響される。
【０００４】
一方、反射損失を指標として表される反射光は、ファイバ出射端における出射エネルギの損失、あるいは光源の安定動作を損なうという影響をもたらす。これら反射光の影響のうち、特に、光源の安定動作に及ぼす影響が、光通信分野においては重大問題の一つになっている。
【０００５】
近年、光通信分野では、光源として、分布帰還型レーザが一般的に用いられている。この種のレーザ光源は、ファイバ内を逆行し光源まで到達する、所謂戻り光により、レーザ発振が不安定になり易く、結果として、出力パワーの変動が生じ易いという特徴がある。即ち、反射光の増大、言い換えると、反射損失が小さい場合は、戻り光が大きいことを意味し、出力パワーの変動を増大させることになる。
【０００６】
一般的に、ファイバコリメータにおいて、前述したレーザ光源の出力変動を無視できる程度の大きさに抑制するためには、次の（１）式に示す端面反射損失として、５０ｄＢ以上が要求されている。
端面反射損失＝−１０×ｌｏｇ（ＩＲ ／ＩＯ ）    ・・・（１）
但し、（１）式において、ＩＲ は反射光量、ＩＯ は入射光量を示す。
【０００７】
現状で反射損失を得るための方法として、ファイバ端面を光軸に対し斜めにする方法が用いられている。このタイプの光ファイバ端末は、ファイバをガラスキャピラリに挿入して、キャピラリごと端面に４°〜８°程度の角度を付けて平面研磨することで得られる。これにより、端面における反射光は、クラッドモード（clad mode）となって減衰するため、反射損失を大きくとることができ、更に表面のＡＲコーティングと合わせて、反射損失５０ｄＢ以上を得ることができる。この方法は極めて簡便な方法であるため、これまで主流の方式であった。
【０００８】
ところで、このような斜端面を持つ光ファイバ端末を用いたコリメータを光部品内で利用する場合には、特に留意しなければならない点がある。この点について図１２を参照しながら説明する。
【０００９】
ファイバコリメータのコリメートレンズとしてよく用いられる屈折率分布レンズ（GRIN Lens)は、結像状態がレンズ長（Pitch）に依存するので、０．２５Pitch の場合は、（ａ）のように屈折率分布レンズ（GRIN Lens )１１０１の端面に光源を置くと、もう一方の端面からコリメート光が出射する。実際には（ｂ）のように屈折率分布レンズ（GRIN Lens)１１０２のレンズ長を０．２３ Pitch程度としており、光源の位置調整に自由度をもたせる配置になっている。
【００１０】
この構成によるコリメート光を結合させた場合の光路を（ｃ）に示す。前述した斜端面の影響で、光ファイバ端末１１０３からの出射光は、約３．８°傾いてレンズ１１０４に入射するので、光ファイバ端末１１０３の光軸からδ１だけずれる。また、屈折率分布レンズ（GRIN Lens)１１０４の端面は光ファイバ端末１１０３の端面と同様に傾いているので、屈折率分布レンズ（GRIN Lens)１１０４に対して角度をもって入射することから、出射ビームは光ファイバ端末１１０３からの出射光の光軸に対してある角度（θ）を持つことになる。従って、このコリメータの組み合わせでは、光軸を一致させるためには、元の光軸に対して、δ２だけずらさなければ光結合は行えない。従来のコリメータで光結合を行う場合に位置調整が困難であったのは、この理由による。
【００１１】
コリメータレンズとしては、前述した屈折率分布レンズ（GRIN Lens)の他に、球面レンズ、非球面レンズ、球レンズ（全球レンズまたはドラムレンズ）なども利用することができるが、光ファイバ端末の光軸とレンズの光軸とを直線上に配置した場合には、同様なビーム傾きとビーム偏心が生じる。
【００１２】
一般に、部品の組立などを簡素化する場合は、決まった位置に部品を配置するだけで、目的の性能が得られるような、いわゆるパッシブアライメント方式を可能な限り採用するのが良い。光部品の場合では、例えばファイバとコリメータレンズをＶ溝などの同一直線上に対向して配置するだけで、光結合を行うことがでれば、組立は非常に簡素化され、低価格で安定した品質の製品を製造することが可能となる。
【００１３】
しかし、現在主流の方式では、前述したビームの傾き及びビーム偏心が発生するので、こうしたパッシブアライメント方式を採用することは原理的に不可能であった。
【００１４】
上記のような光路ずれをなくすためには、光ファイバ端末及びレンズ端面を全て光軸に対して垂直にすればよい。しかしこの場合、端面反射は全て戻り光として反映されてしまうことになる。ガラス端面と空気の屈折率差で生じる反射損失は１４．７ｄＢであり、これに良好なＡＲコーティング（Ｒ＜０．２％：２７ｄＢ）を施したとしても、端面での反射損失は約４２ｄＢ程度であり、５０ｄＢ以上という上記の要求仕様は達成できないことになる。
【００１５】
このような問題を解決する手段として、従来、シングルモードファイバの先端にコアレスファイバを適当な長さだけ融着し、コアレスファイバ内での光束の拡散作用により、必要な反射減衰量を得る構造が知られている（特許文献１参照）。
【００１６】
この場合の基本的な光ファイバ端末の構造を図１３に示す。これによれば、光軸ずれが無く、また反射損失５０ｄＢ以上を両立する光ファイバ端末が容易に作製できる。従って、この光ファイバ端末と非球面レンズ、球面レンズ、球レンズ（ドラムレンズも含む）などのコリメータレンズとを組み合わせることで、パッシブアライメントが可能なファイバコリメータを実現することができる。
【００１７】
一般的には、球面収差を補正した非球面レンズは、収差が少なく、結像性能に優れているため、低損失が要求される高級品を中心に、コリメータレンズとして利用されている。非球面レンズは、レンズ面の曲率に場所依存性を持たせたレンズなので、研磨での作製が困難であり、量産現場では金型を用いたプレス成型で作製されている。従って、製造コストが高価であること、また構造上、レンズ外径とレンズ面との間に偏心が数μｍ以上のレベルで発生してしまい、図１３のような光ファイバ端末に組み合わせて使用しても、ビームが傾いてしまうなどの問題があった。
【００１８】
そこで、実際的には、コリメータレンズとして、球面レンズ、特にボールレンズ（球レンズ）を利用することが考えられる。レンズ面として球面を持つレンズは、研磨加工により大量生産が可能で、低コストで作製できる利点を持つ。特に球レンズではあらゆる面が等方的であるので、入出射面の光軸に偏心が発生しない。また、最も重要な光学パラメータである焦点距離ｆを、材料の屈折率ｎと球半径ｒ（直径Ｒ＝２ｒ）のみで、次の（２）式のように簡単に定義することができる、等の利点がある。
【数１】
2005266217.tif 000003
【００１９】
従って、球レンズをコリメータレンズとして使用する場合、図１４（ａ）のようにファイバないしはファイバ保持冶具８０の径と同一径の球レンズ５０であれば、Ｖ型のガイド溝（図示略）に乗せるだけで、直線性に優れたコリメートビームを容易に得ることができる。ただし、焦点距離ｆの値を大きくしなければならない場合、球半径ｒが大きくなってしまい、サイズがファイバ保持冶具５０と合わなくなってしまう。このような場合は、図１４（ｂ）に示すように、球レンズの光軸を中心に外周を削り、ドラムレンズ５２の形状にすることで、光軸方向について、レンズ半径ｒの球レンズと全く同じ性能を得ることができるので、このようなドラムレンズで代替することもできる。むしろこの方が、ガイド溝にレンズを固定する際に、安定性があり、有利な場合がある。なお、図１４（ａ）、（ｂ）において、１０１はコアとクラッドを有するシングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）、１０２はコアレスファイバ（ＣＬＦ）である。
【００２０】
【特許文献１】特開平７−２８１０５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
ところで、このような球面を有するレンズを用いる場合は、図１５に示すような球面収差があり、結像性能は、非球面レンズに比べて明らかに劣る。しかし、光結合器のように、光エネルギの伝達手段に限って考えれば、焦点位置における像の広がり領域を全て捉えれば、収差の有無は無関係となる。この像の広がりは収差円と呼ばれ、その径をδ（収差円径）とすると、ファイバの開口数ＮＡを用いて、次式（３）のように求めることができる。
【数２】
2005266217.tif 000004
従って、光結合効率は、上式（３）で示される収差円径δの大きさと、受光する側の光ファイバのモードフィールド径との相対的な大小関係で決定されることになる。
【００２２】
本発明は、上記事情を考慮し、球レンズを用いて高光結合効率を達成できるようにしたファイバコリメータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
請求項１の発明は、中心部のコア及びその外周部のクラッドを有する光ファイバの端面に、前記コアと略同一で均一な屈折率を有する材料よりなるコアレスファイバの一端面を接合し、前記光ファイバの光軸上で前記コアレスファイバの他端面側に球レンズを配置すると共に、前記コアレスファイバを通しての前記球レンズの焦点を、前記光ファイバのコアの端面上に位置させたファイバコリメータであって、前記球レンズの収差円径が光ファイバのモードフィールド径以下となるように、球レンズの屈折率と径が設定され、且つ、前記コアレスファイバの必要反射損失量を確保するために予め規定されるコアレスファイバの最小長よりも前記球レンズのバックフォーカスが大きくなるように、球レンズの屈折率と径が設定されていることを特徴とする。
【００２４】
このように、球レンズの収差円径が光ファイバのモードフィールド径以下となるように、球レンズの屈折率と径を設定することにより、光ファイバと球レンズの間での光結合損失の低減を図ることができ、高光結合効率のファイバコリメータを実現できる。なお、ここで言う「球レンズ」の概念には、いわゆるボールレンズ（全球レンズ）の他に、元の球レンズの球面を光軸と交差する両レンズ面として残しながら、他の光学的に不要な外周を削り取った部分球レンズ、例えば、ドラムレンズ（Ｄレンズ）も含まれる。
【００２５】
光通信部品では、シングルモードファイバが一般に使用され、そのモードフィールド径は約１０μｍである。従って、設計上、上式（３）の値δが１０μｍ未満となるように、レンズの屈折率ｎと半径ｒを決めれば、高結合効率を実現できるコリメータレンズとなる。
【００２６】
ＮＡ＝０．１４として、式（２）及び（３）について、δ＝１０μｍとなる屈折率ｎおよび球径Ｒ（Ｒ＝２ｒ）を計算すると、図３中に実線で示す曲線となる。従って、δ＜１０μｍを満たすのは、この曲線より上方の領域となる。
【００２７】
ところで、発明者らが、図１４（ａ）、（ｂ）のように、コアレスファイバ付き光ファイバ端末と球レンズ５０ないしはドラムレンズ５２との組合せでコリメータの作製を試みたところ、このデザインのコリメータを実現するためには、もう一つ重要な制限が発生することに気がついた。
【００２８】
コリメート光を得るためには、図２（ａ）に示すように、球レンズ５０の焦点距離ｆの位置に、光が結合するファイバコア端面（光ファイバ１０１のコア１０１ａの端面）を置く必要がある。ここで球レンズ５０のバックフォーカス長（ＢＦ）が、コアレスファイバ１０２の長さＬよりも短い場合は、図２（ｂ）に示すように、焦点位置にファイバコア端面を設置することができなくなってしまい、コリメート光を発生することが不可能になってしまう、という問題が発生する。
【００２９】
これを回避する一つの方策として、図２（ｃ）に示すように、コアレスファイバ長Ｌをバックフォーカス長ＢＦよりも短くする方法があるが、コアレスファイバ１０２の長さＬは、光ファイバ端末の反射損失量を５０ｄＢ以上にするために、ある閾値以上に設定する必要があるので、この方法で問題を回避するには限界がある。
【００３０】
光部品の分野では、図１４（ａ）、（ｂ）のような構成のコリメータは一般的ではなかったために、コリメータレンズに必要なバックフォーカス長から発生する技術的制限についての問題の検討は今まで全くなされていない。
【００３１】
そこで、本発明者は、球レンズの材料屈折率ｎと球直径Ｒとについて技術的検討を行った結果、両パラメータをある条件を満たすように選ぶことにより、低損失で直線性に優れたコリメータの作製が可能であることを見い出し、それにより、請求項１の発明のもう１つの特徴を得るに至ったのである。
【００３２】
即ち、請求項１の発明のもう１つの特徴は、前述したように、コアレスファイバの必要反射損失量を確保するために予め規定されるコアレスファイバの最小長よりも球レンズのバックフォーカスが大きくなるように、球レンズの屈折率と径を設定する点である。
【００３３】
このような条件で球レンズの屈折率と径を設定することにより、低損失で直線性に優れたコリメータを得ることができる。
【００３４】
また、請求項２の発明は、請求項１に記載のファイバコリメータであって、前記球レンズの収差円径と光ファイバのモードフィールド径とが等しくなるときの前記球レンズの屈折率と径の関係曲線を下限曲線とし、前記コアレスファイバの必要反射損失量を確保するために予め規定されるコアレスファイバの最小長以上に設定されたコアレスファイバの長さと、そのコアレスファイバの長さに応じて補正される前記球レンズのバックフォーカスとが等しくなるときの前記球レンズの屈折率と径の関係曲線を上限曲線とし、それら上限曲線と下限曲線の間に挟まれる範囲内で、前記球レンズの屈折率と径が設定されていることを特徴とする。
【００３５】
実際のレンズのバックフォーカス長は、光の進む媒質により変化する。ここでは、球レンズと光ファイバの端面との間にコアレスファイバが存在しており、コアレスファイバの中を光が進むので、空気中で算出したバックフォーカス値を補正するのが望ましく、その補正値はコアレスファイバの長さに応じて変化する。そこで、請求項２の発明では、コアレスファイバの長さに応じて変化する補正値をバックフォーカス値として使用して、球レンズの屈折率と径を設定するようにしている。また、最適な球レンズの屈折率と径を求めるには、各種の条件を勘案しなくてはならないが、上述のように上限曲線と下限曲線との間の範囲で、球レンズの屈折率と径を設定できるようにしている。こうすることにより、簡単に最適な条件を見いだすことができて、レンズ設計の効率化が図れる。
【００３６】
また、請求項３の発明は、請求項２に記載のファイバコリメータであって、前記コアレスファイバの長さが、２００μm以上８００μm以下に設定されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３７】
本発明によれば、光ファイバと球レンズとを最適な関係に設定したので、高光結合効率のファイバコリメータを低コストに提供することができる。特に請求項２、３の発明によれば、反射損失及び結合効率の仕様を十分満たすことのできるファイバコリメータを容易に作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下、本発明の実施形態を説明する。
図１（ａ）、（ｂ）は実施形態のファイバコリメータの概略構成図である。これらのファイバコリメータは、中心部のコア１０１ａ及びその外周部のクラッド１０１ｂを有する１２５μｍの標準外径の任意長さのシングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）１０１の端面に、コア１０１ａと略同一の均一な屈折率を有する材料よりなるコアレスファイバ（ＣＬＦ）１０２の一端面１０２ａを融着接合し、そのコアレスファイバ１０２の長さを１ｍｍ未満に設定した上で、コアレスファイバ１０２の他端面１０２ｂを、光ファイバ１０１の光軸と垂直な面に対して０°に研削・研磨し、そのコアレスファイバの他端面１０２ｂ側に光ファイバ１０１の光軸上に位置させて球レンズ（ボールレンズ）５０またはドラムレンズ５２を配置したものである。ドラムレンズ５２は、元の球レンズの球面を光軸と交差する両レンズ面として残しながら、他の光学的に不要な外周を削り取った部分球レンズである。
【００３９】
光ファイバ端末の反射損失量は、コアレスファイバ１０２の長さに依存し、図４のような特性を持つ。現状の反射防止膜（ＡＲコーティング）で保証できる反射損失は０．２％（２７ｄＢ）であるので、ファイバ端末として反射損失量５０ｄＢ以上をとるためには、ＡＲコーティングがない状態で２３ｄＢ以上の反射損失量が必要となることが分かる。従って、光ファイバ端末に融着するコアレスファイバ１０２の最低限必要な長さは、２００μｍ以上であることが図４から分かる。
【００４０】
コアレスファイバ１０２の屈折率は光ファイバ１０１のコア１０１ａとほぼ同等なので、光ファイバ１０１と球レンズ５０の間にコアレスファイバ１０２を挿入したときの光路の概略は、正確には図５（ｂ）のようになるが、ここでは第１近似として、図５（ａ）のように、空気と同じ屈折率を持つと仮定した場合の光路について先に考えてみる。
【００４１】
半径ｒの球レンズ５０のバックフォーカス長（ＢＦ）は、次式（４）
ＢＦ＝ｆ−ｒ  ・・・（４）
で求めることができるので、目的のコリメータを構成するためのｎ、ｒ、ＢＦの関係式は、式（２）及び式（４）から、次の不等式（５）で表されることがわかる。
【数３】
2005266217.tif 000005
【００４２】
この式（５）におけるＢＦは、このデザインを適用することができるコアレスファイバ１０２の限界長（最大値）を示している。ここでＢＦとして、コアレスファイバ長Ｌの最小値である２００μｍを入れると、上記（５）式を満たす領域は、図６の一点鎖線で示す曲線Ｂの下側の範囲となる。
【００４３】
以上のことから、球レンズ５０の収差円径δが光ファイバ１０１のコア１０１ａのモードフィールド径以下となるように、球レンズ５０の屈折率ｎと径Ｒ（Ｒ＝２ｒ）を設定し、なお且つ、コアレスファイバ１０２の必要反射損失量を確保するために予め規定されるコアレスファイバの最小長２００μｍよりも球レンズ５０のバックフォーカスＢＦが大きくなるように、球レンズ５０の屈折率ｎと径Ｒを設定すればよいことが分かる。
【００４４】
即ち、同じ球径Ｒであれば、収差円径δで規定される領域は、屈折率ｎの下限を決め、バックフォーカス長ＢＦによって規定される領域は、屈折率ｎの上限を決める意味を持っているという言うことができる。言い換えると、収差円径δとバックフォーカス長ＢＦの両条件を満足する球面コリメータレンズ（球レンズ）の屈折率ｎ及び球径Ｒ（曲率）は、図６の実線Ａ（収差円径δ＝１０μｍを満たす曲線）と一点鎖線Ｂ（ＢＦ＝２００μｍを満たす曲線）で挟まれた領域であると言うことができる。
【００４５】
次に、コアレスファイバ１０２がガラス媒質であることを考慮して検討を加える。この時、図５（ｃ）のように、光路長が長くなるので、第１近似で考えた焦点位置よりも、δｆだけファイバ端面が遠くなる。つまり、この長さだけコアレスファイバ１０２の長さを長くとることができることを意味する。幾何学的な考察から、ガラス媒質中で光軸となす角をθ１、空気媒質からの入射角度をθ２とすると、δｆは、次式（６）として求められる。
【数４】
2005266217.tif 000006
【００４６】
このθ１及びθ２は、図７に示すようなコアレスファイバ長依存性を持つことが、光学シミュレーションにより得られているので、これを元に各々の角度におけるδｆをプロットすると、図８に示した相関が得られることがわかった。両者の関係は線形関係を持っており、この直線の傾きから、光ファイバ端末に用いるコアレスファイバ１０２の長さの３２％に相当する距離だけ、コアレスファイバ１０２を長くとることができることが判明した。従って、必要なコリメータレンズ（球レンズ５０）のバックフォーカス長ＢＦは、コアレスファイバ長Ｌに応じた実効値として、式（４）を変形して、次式（７）として得られる。
ＢＦ＝ｆ−ｒ＋Ｌ×０．３２    ・・・（７）
この関係から求めた曲線が、図６の点線で示す曲線Ｃである。
【００４７】
即ち、第１近似の場合に比べて、同じＲであればより高い屈折率の材料を、同じ屈折率であればよりＲの小さい球径を取ることができるので、領域は広がり、図６の実線Ａと点線Ｃとに挟まれた領域となる。この結果は、ここに示した範囲内に収まるように、球レンズ５０の球径（曲率）ｒと材料屈折率ｎを選択すれば、目的の性能を有するファイバコリメータを実現できるコリメータレンズとなることを、初めて原理的に示している。
【００４８】
以上のことをまとめると、上述の検討から、球レンズ５０の収差円径δと光ファイバ１０１のコア１０１ａの径とが等しくなるときの球レンズ５０の屈折率ｎと径Ｒの関係曲線を下限曲線（実線Ａ）とし、コアレスファイバ１０２の必要反射損失量（５０ｄＢ）を確保するために予め規定されるコアレスファイバ１０２の最小長２００μｍ以上に設定されたコアレスファイバ１０２の長さＬと、そのコアレスファイバ１０２の長さＬに応じて補正される球レンズ５０のバックフォーカスＢＦとが等しくなるときの球レンズ５０の屈折率ｎと径Ｒの関係曲線を上限曲線（点線Ｃ）とした場合に、それら上限曲線と下限曲線の間に挟まれる範囲内で、球レンズ５０の屈折率ｎと径Ｒを設定すればよいことが分かる。
【００４９】
ちなみにコアレスファイバ長が８００μｍの場合では、図６の細線Ｄのように、収差円径の下限曲線Ａとの交点が存在しなくなる。これは、コリメータレンズの観点からは、コアレスファイバ長を８００μｍ以上とっても、原理的に意味が無いことを示している。
【００５０】
実用上の問題を考慮した場合、収差円径とバックフォーカス長、即ちコアレスファイバ長には、より強い制限が加わり、適合する領域は狭くなる傾向になる。
【００５１】
収差円径を考える場合、球面収差だけでなく、ザイデルの５収差に代表される収差が生じており、それを総合した波面収差の影響を考えなければならない。現実には、球面収差によって生じる収差円径よりも大きく、かつ非対称形で焦点ボケが生じている。また単一の波長で最適設計を行っても、波長多重信号を取り扱う場合、材料の屈折率分散に依存した色収差によって、δ値は大きくなってしまう。さらに、同じレンズであれば、長波長になるほどδは大きくなる傾向がある。したがって、δ値を単一の設計波長でモードフィールド径一杯にとってしまうと、結合損失が発生する恐れがあるので、ある程度小さめに設定するべきである。
【００５２】
またコアレスファイバ長については、ファイバ端面におけるＡＲコーティングの反射率は実力で２３ｄＢ程度であることから、最短でも３５０μｍ程度取る必要があること、また５００μｍ以上では、ファイバ端末からの出射光に損失が発生する場合がある。従って、コアレスファイバの長さとしては３５０μｍから５００μｍ程度が好ましい範囲である。
【００５３】
以上のことに鑑みて、収差円径の上限を８μｍ、コアレスファイバ長を３５０μｍ及び５００μｍとした場合の、レンズ径Ｒ及び屈折率ｎの適合範囲を図９に示す。このようにパラメータを現実に照らし合わせて考慮すると、適合するレンズのデザインは非常に狭くなる。
【００５４】
ところで、通常の光学設計で最も重要なレンズパラメータはｆであるが、ｆは（２）式に示すように、ｎとｒとの２パラメータによって決まる値なので、設計したｎとｒが、コリメートレンズとして適当かどうかを判定する場合、本発明の内容は極めて有用である。
【実施例１】
【００５５】
具体的な実施例として、焦点距離ｆの設計値を２．０ｍｍとした場合の、ｎ及びｒの選定手順について述べる。ｆ＝２．０ｍｍでは、ｎとＲ（＝２ｒ）は、式（２）より図１０の実線Ｐで表示された組合せで実現される。しかし高い結合効率を有するコリメータを作製するという目的のもとでは、上述したように、収差円径δ＜８μｍ以下、コアレスファイバ長が３５０μｍ以上という制限が加わり、ｎとＲの範囲は強い制限を受ける。何ら指針が無い場合は、どの組合せが適当かを確かめるには、いちいち計算を行うか、あるいは試作して確かめなければならないが、本発明を利用すれば、領域を明確に定義できる。
【００５６】
即ち、図１０から、３．１７ｍｍ＜Ｒ＜３．５２ｍｍ及び１．６５＜ｎ＜１．７９の範囲で、球径と硝材を選択すれば、間違いなく目的の光学特性を有するコリメータレンズ（球レンズ）を作ることができる。
【００５７】
この制限は、コアレスファイバ長が長くなるほど厳しくなり、領域はさらに強い制限を受けるため、硝材の選定は通常困難を極める。しかし、このような場合でも、同様に図１０において、コアレスファイバ長５００μｍの場合に表現されるｎ−Ｒ曲線を利用すれば、極めて簡易的に球径と硝材を選択できる。この場合では、３．１７ｍｍ＜Ｒ＜３．３２ｍｍ及び１．６５＜ｎ＜１．７１の範囲で選択すれば良い。この範囲に適合するガラス硝種は十数種しかなく、この中から使用目的に適合した分散や、化学的／機械的性質をもつガラス硝種の選択は極めて容易である。
【００５８】
このように、本発明で示した使用可能材料領域の定義方法は、レンズ設計を簡便にまた確実に行うことができることから、非常に有用なツールであると言える。
【００５９】
実際にコアレスファイバ付き光ファイバ端末と、コリメータレンズの組合せで、コリメータ対を作製し、結合損失を測定した。光ファイバ端末は前述した方法に従って作製し、キャピラリ外径としてφ１．８０、コアレスファイバ長として３００μｍから４００μｍのコアレスファイバ付き光ファイバ端末を準備した。コリメータレンズとして、次表１に示した硝材（ＨＯＹＡ硝材）について、表中に示した外径寸法の球レンズを準備した。用意したレンズは、本発明の内容に従って、全て収差円径δが８μｍ以下になるように、球レンズ外径と硝材屈折率を設計してある。値は全て波長１５５０ｎｍの場合を示す。
【００６０】
【表１】
2005266217.tif 000007
【００６１】
次に図１１に示すように、内径φ１．８５、長さ７ｍｍのガラス管６０の先端に球レンズ５０を接着剤（ＵＶ接着剤）６５で固定し、反対側からファイバ付きキャピラリ６７を挿入する。レンズ５０の焦点距離から求められる最大伝播距離で、光ファイバと球レンズ５０の相対位置を最適化するように、ファイバ付きキャピラリ６７の位置調整を行い、接着剤で固定した。
【００６２】
このような方法で、ファイバコリメータを複数作製して、λ＝１５５０ｎｍのＬＤ光源を用いて、コリメータ対の結合損失の距離依存性を測定し、その最小結合損失値を得た。その結果、表１に示すように、何れのレンズでも充分低損失なコリメータができることを実証できた。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の実施形態の説明図であり、（ａ）は球レンズとしてボールレンズ（全球レンズ）を用いた場合、（ｂ）は球レンズとしてドラムレンズ（部分球レンズ）を用いた場合を示す図である。
【図２】球レンズのバックフォーカス長とコアレスファイバ長の関係を示す説明図である。
【図３】球レンズの収差円径δ＜１０μｍを満たすｎ（屈折率）とＲ（球直径）の関係を示す図である。
【図４】コアレスファイバ長と反射損失の関係を示す図である。
【図５】コアレスファイバによるバックフォーカス値の変化についての説明図である。
【図６】球レンズの直径と屈折率の関係を各条件ごとに示す図である。
【図７】コアレスファイバ端面における入射角度のファイバ長依存性についての説明図である。
【図８】球レンズのバックフォーカスの補正値に関係する値のコアレスファイバ長依存性を示す図である。
【図９】具体的なコアレスファイバ長が与えられた場合の、球レンズの直径と屈折率のとらえ方を説明するための図である。
【図１０】具体的なコアレスファイバ長が与えられた場合の、球レンズの直径と屈折率のとらえ方を説明するための図である。
【図１１】本発明の具体的構成例を示す外観図である。
【図１２】従来の光結合における問題点の説明図である。
【図１３】従来のコアレスファイバ付き光ファイバ端末の構成図である。
【図１４】球レンズを使用する場合のファイバコリメータの説明図である。
【図１５】球面レンズの収差円径の説明図である。
【符号の説明】
【００６４】
１０１  光ファイバ
１０１ａ  コア
１０１ｂ  クラッド
１０２  コアレスファイバ
５０  球レンズ
５２  ドラムレンズ
【図１】
2005266217.tif 000008
【図２】
2005266217.tif 000009
【図３】
2005266217.tif 000010
【図４】
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【図５】
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【図６】
2005266217.tif 000013
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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