(57)【要約】【課題】光ファイバ端部に双曲面形状のレンズが形成されたレンズ付き光ファイバにおいて、大小２つの曲率半径がコアのモードフィールド径より小さくても、収差の発生を防止して結合効率の低下を抑制する。【解決手段】直交方向に２つの異なる曲率半径を有する双曲面形状のレンズが端部に形成されたレンズ付き光ファイバであって、光ファイバ外周の断面形状は円形であり、レンズが略円錐面によって光ファイバ外周と連続的に一体形成され、楕円光が略円錐面の面上に光結合された時、楕円光の短軸側の光強度分布から長軸側の光強度分布にかけて光強度分布を急激に収束させ、光ファイバのコア内部の一点に楕円光の短軸側から長軸側にかけての全ての光強度分布が集光するように、光軸方向に対して垂直方向における略円錐面の断面形状を楕円形に形成する。【選択図】  図３
2005134410.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直交方向に２つの異なる曲率半径を有する双曲面形状のレンズが端部に形成されたレンズ付き光ファイバであって、
前記光ファイバの光軸方向に対して垂直方向における前記光ファイバ外周の断面形状が円形であり、前記レンズが略円錐面によって前記光ファイバ外周と連続的に一体形成され、光源からの楕円光が前記略円錐面の面上に光結合された時、前記楕円光の短軸側の光強度分布から長軸側の光強度分布にかけて光強度分布を急激に収束させ、前記光ファイバのコア内部の一点に前記楕円光の短軸側から長軸側にかけての全ての光強度分布が集光するように、前記光軸方向に対して垂直方向における前記略円錐面の断面形状が、楕円形に形成されることを特徴とするレンズ付き光ファイバ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レンズ付き光ファイバに関するものであり、より詳しくは光ファイバの端部に２つの曲率半径を有する双曲面形状のレンズが形成されたレンズ付き光ファイバに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光通信システム用の光源として、レーザダイオード（以下、LDと云う。）等の半導体レーザ素子が用いられている。この様な光源から出射される光を、光伝送路である光ファイバに光結合させる方法として、光ファイバの端部をLDの発光面に位置合わせして、LDからの出射光を光ファイバ端部に光結合させることが一般的に行われている。
【０００３】
しかしながら、図５に示すようにLD100の発光面101から出射される光の出射角はかなりの広がりを有するため、遠視野パターン（FFP）Ｆでは、出射光はその断面が垂直方向（Ｙ軸方向）と水平方向（Ｘ軸方向）とで大きく異なる楕円光となる。近視野パターン（NFP）ＮではＸ軸方向に横長で、遠視野パターンＦになるとＹ軸方向に広がった楕円状の光線分布となる。従って、Ｚ軸に垂直な断面形状が円形の光ファイバの端部に、そのまま楕円光を光結合させようとしても、高い結合効率を得ることは不可能であった。
【０００４】
そこで、前記光源と光ファイバ端部との間にレンズを配置して、光源からの楕円光を効率良く光ファイバ端部に光結合させる方法や、更に、レンズと光ファイバ端部との間の結合効率向上のために、光ファイバ端部をレンズ状に加工したレンズ付き光ファイバ（以下、必要に応じて単に、光ファイバと記す。）が考案されている。
【０００５】
光ファイバの端部に形成されるレンズは、その目的に応じて種々の形状が考案されており、前記楕円光に対する高い結合効率の確保を目的とする場合には、楕円光の水平方向（Ｘ軸方向）と垂直方向(Ｙ軸方向)とで、直交方向に２つの異なる曲率半径を有する双曲面形状に形成されたレンズが、最も理想的とされている。
【０００６】
本出願人は、上記の様な双曲面形状のレンズを端面に形成した光ファイバを考案した（例えば、特許文献１参照）。その光ファイバの端部付近の形状を図６に示すと共に、図６の光ファイバの端面の面上と前記楕円光との光結合の状態を図７に模式的に示す。
【特許文献１】ＷＯ０２／００３１１２号公報
【０００７】
図６及び図７に示すレンズ付き光ファイバ102の形成方法を以下に示す。先ず、光ファイバ102の端部を片面ずつ研磨して、対称な斜面A、A'からなる楔形状に形成する。更にその楔形状の端部を、中央部から所定角度で更に研磨して、対称な新たな斜面a、a'を形成する。このようにして光ファイバ102端部には４つの平面A、A'、a、a'が形成される。最後に、４つの平面A、A'、a、a'が出会う先端を丸め加工することによって、光ファイバ102端部に、水平方向と垂直方向とで異なる曲率を有し、光軸方向（図７のＺ軸方向）に対し垂直な方向の断面が楕円形を有する双曲面形状のレンズ103が形成される。
【０００８】
前記楕円光の比較的出射角が大きいＹ軸方向（長軸側）を、レンズ103の曲率半径の小さい方（光ファイバ102のＹ軸方向と平行な断面に現れる曲率半径。図６(b)参照。）で受光させ、比較的出射角の緩やかなＸ軸方向（短軸側）を曲率半径の大きい方（光ファイバ102のＸ軸方向と平行な断面に現れる曲率半径。図６(c)参照。）で受光させることによって、楕円光を高い結合効率で光ファイバ102に光結合させることが可能となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、前記レンズ103の大小２つの曲率半径が、光ファイバ102のコア104のモードフィールド径（以下、MFD）に比べて小さい場合、光ファイバ102に入射される光は前記斜面A、A'、a、a'が出会って形成される稜部C1〜C4からも光結合されて取り込まれる。この結果、前記楕円光のうち、平らな４つの斜面A、A'、a、a'の面上で光結合される光強度分布と、前記稜部C1〜C4で光結合される光強度分布との間で、図８に示すように収差が発生し（従来図４には、４つの斜面A、A'、a、a'のうちa、a'における光結合状態のみを一例として図示。）、その収差による集光位置のずれｄによって光結合損失が生じていた。図８(a)は、図７の斜視図を斜面a、a'を横断するようにＸ軸に沿って切断した部分断面図であり、図８(b)は、図７の斜視図を稜部C1、C4を横断するように切断した部分断面図である。更にこのずれｄにより、光ファイバ102の出射側で、コア104を伝搬した光の歪み及び損失発生の原因ともなっていた。
【００１０】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、光ファイバ端部に大小２つの曲率半径を有する、断面が楕円形の双曲面形状のレンズが形成されたレンズ付き光ファイバにおいて、大小２つの曲率半径がコアのモードフィールド径より小さくても、収差の発生を防止して結合効率の低下を抑制することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の請求項１記載の発明は、直交方向に２つの異なる曲率半径を有する双曲面形状のレンズが端部に形成されたレンズ付き光ファイバであって、前記光ファイバの光軸方向に対して垂直方向における前記光ファイバ外周の断面形状が円形であり、前記レンズが略円錐面によって前記光ファイバ外周と連続的に一体形成され、光源からの楕円光が前記略円錐面の面上に光結合された時、前記楕円光の短軸側の光強度分布から長軸側の光強度分布にかけて光強度分布を急激に収束させ、前記光ファイバのコア内部の一点に前記楕円光の短軸側から長軸側にかけての全ての光強度分布が集光するように、前記光軸方向に対して垂直方向における前記略円錐面の断面形状が、楕円形に形成されることを特徴とするレンズ付き光ファイバである。
【発明の効果】
【００１２】
以上のように、本発明の光ファイバに依れば、光ファイバ端部に大小２つの曲率半径を有する、断面形状が楕円形の双曲面形状のレンズを形成した光ファイバにおいて、レンズと光ファイバ外周とを略円錐面によって一体的且つ連続的に形成し、略円錐面の断面形状を楕円形に成形した光ファイバとした。このような端部形状とすることにより、大小２つの曲率半径がコアのモードフィールド径より小さくても、稜部と楕円光との光結合時とコア内部への集光時に発生していた収差によるずれが解消されて、一点に楕円光を集光させることが可能となる。よって、収差による集光位置のずれに起因した光結合損失を抑制することが可能になると共に、前記ずれによって光ファイバの出射側で発生していたコア伝搬光の歪みの発生も防止することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、本発明に係るレンズ付き光ファイバの実施形態を、図１〜図４を参照しながら説明する。図１は本発明のレンズ付き光ファイバの端部付近の斜視図であり、図２(a)は図１のレンズ付き光ファイバをＸ軸方向から見たときの側面図であり、同図(b)は図１のレンズ付き光ファイバをＹ軸方向から見たときの側面図であり、図３は図１の光ファイバの端面と図５に示した楕円光との光結合の状態を模式的に示す図であり、図４(a)は、図３の斜視図をＸ軸方向から見たときの光ファイバと楕円光との光結合の状態を模式的に示す側面図であり、同図(b)は、図３の斜視図をＹ軸方向から見たときの光ファイバと楕円光との光結合の状態を模式的に示す側面図である。なお、従来のレンズ付き光ファイバ及びそれに付随する技術要素と同一箇所には同一番号を付し、重複する説明は省略若しくは簡略化して記述する。
【００１４】
図１〜図４に示すレンズ付き光ファイバ１は、その端部に直交方向（Ｘ軸方向とＹ軸方向）に２つの異なる曲率半径を有するように形成された、双曲面形状のレンズ２を有するシングルモード光ファイバであり、そのレンズ２は、コア３とクラッド４とに亘って形成されている。レンズ２は、Ｘ軸方向とＹ軸方向とで異なる曲率半径を有し、図２に示すようにＸ軸方向に対し平行な方向の曲率半径（図２(b））が、Ｘ軸と直交方向であるＹ軸方向と平行な方向の曲率半径（図２(a））よりも大きくなるように設定されている。このようにレンズ２は、大小２つの曲率半径によって形成されているため、光ファイバ１の光軸方向（Ｚ軸方向）に対し垂直な方向の断面形状は楕円形を呈する。一方、前記光軸方向に対して垂直方向における光ファイバ１の外周（クラッド４の外周）の断面形状は円形である。
【００１５】
更に、レンズ２と光ファイバ１外周とは、テーパ状の略円錐面５によって連続的に一体形成されている。レンズ２の断面形状は前記の通り楕円形なので、そのレンズ２に一体形成される略円錐面５は図２(a)、(b)に示すように、Ｘ軸方向から見た時とＹ軸方向から見た時とで異なるテーパ角度に成形される。従って、前記光軸方向に対して垂直方向における略円錐面５の断面形状は、レンズ２の断面形状と同じアスペクト比（長軸と短軸との比）を有する楕円形に形成されている。
【００１６】
次に、光ファイバ１と前記楕円光との光結合の状態を図３と図４を参照して説明する。図３と図４では、前記楕円光のコア３内部における集光状態を示している。レンズ２は前記の通り双曲面形状に成形されており、且つ、遠視野パターンＦにおいて長軸側である楕円光のＹ軸方向に、レンズ２の小さな方の曲率半径（図２(a））を合わせる。一方、遠視野パターンＦにおいて短軸側である楕円光のＸ軸方向には、レンズ２の大きな方の曲率半径（図２(b））を合わせるように、レンズ２をLDの発光面101に位置合わせする（図３参照）。こうすることにより、大きな出射角を有するＹ軸方向の光は小さな曲率半径のレンズで急激に曲げられて集光し、反対に小さな出射角を有するＸ軸方向の光は大きな曲率半径のレンズで緩やかに集光されるため、Ｘ軸方向とＹ軸方向とで異なる大きさを示す楕円光が光ファイバ１端部に入射されても、高い結合効率で光ファイバ１に光結合させることが出来る。
【００１７】
更に、本発明に係るレンズ付き光ファイバ１は、レンズ２から光ファイバ１外周にかけて略円錐面５によって連続的に一体成形されるため、従来のレンズ付き光ファイバ102のような平面状の斜面A、A'、a、a'が形成されず、斜面A、A'、a、a'同士が出会うことで形成される稜部C1〜C4も形成されない。更に、前記の通り光ファイバ１には、Ｘ軸とＹ軸とで大きさが異なる楕円光に対し、高い結合効率を有するように成形されている双曲面形状レンズ２と一体となるように略円錐面５が成形されているため、図２(a)、(b)に示すように、Ｘ軸方向とＹ軸方向とから見た時のテーパ角度は異なっている。そして、Ｘ軸方向とＹ軸方向との間を略円錐面５によって稜部を形成しないように連続的に成形すると共に、レンズ２の断面形状と同じアスペクト比を有する楕円形に成形してある。
【００１８】
以上のような端部形状とすることにより、略円錐面５に入射された楕円光は、略円錐面５の面上に光結合された時、前記楕円光の短軸側（Ｘ軸方向）の光強度分布から長軸側（Ｙ軸方向）の光強度分布に行くに従い、より急激にコア３内部に収束される。従って、前記楕円光のうち長軸側に近い光ほど急激にコア３内部に収束され、逆に、前記楕円光のうち短軸側に近い光ほど緩やかにコア３内部に収束される。
【００１９】
このように、楕円光はその出射角の大きさが次第に大きくなって行き、短軸側から長軸側に近づくほど、コア３内部に急激に収束されるようになる。このような光結合の状態が前記楕円光の短軸側から長軸側までの全ての光強度分布で生ずることにより、略円錐面５に入射された楕円光はコア３内部の一点に収束され、図３及び図４に示すように、１箇所の点ｆにずれを起こすこと無く集光される。なお、図３と図４では図示の簡略化の為、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に平行な方向における収束状態を示すのみに留めるが、楕円光の外周の全ての光強度分布が、略円錐面５の面上との全ての光結合点において点ｆに向かって収束されて行くことは云うまでもない。
【００２０】
以上のように、本発明の光ファイバに依れば、断面形状が楕円形のレンズ２と光ファイバ１外周とを略円錐面５によって一体的且つ連続的に形成し、略円錐面５の断面形状をレンズ２の断面形状と同じアスペクト比を有する楕円形となるように、光ファイバ１端部を成形したので、稜部と楕円光との光結合時と、コア３内部への集光時に発生していた収差によるずれを解消して、一点に楕円光を集光させることが可能となる。よって、収差による集光位置のずれに起因した光結合損失を抑制することが可能になると共に、前記ずれによって光ファイバ１の出射側で発生していた、コア３伝搬光の歪みの発生も防止することが出来る。
【００２１】
＜実施例＞
次に本発明に係るレンズ付き光ファイバと、LDからの楕円光との結合効率について、シュミレーション計算を行った結果を表１及び表２を参照しながら説明する。表１に本発明に係るレンズ付き光ファイバの結合効率計算データを示すと共に、表２に比較例として図６〜８で示した端部形状のレンズ付き光ファイバの結合効率計算データを示す。なお、両データとも光ファイバ条件として、シングルモード光ファイバ、MFD：10.5μｍ、入射光波長：1.55μｍ、コア屈折率：1.4681、クラッド屈折率：1.463、開口数NA：0.13、LD条件として、FFPにおける楕円光の出射角を、長軸（Ｙ軸）側：48度、短軸（Ｘ軸）側：22度、光ファイバ端部のテーパ角度をＸ軸、Ｙ軸で共に90度、としている。
【００２２】
【表１】
2005134410.tif 000003
【００２３】
【表２】
2005134410.tif 000004
【００２４】
表１と表２の比較から分かるように、本発明に係る光ファイバはLD条件22度側において曲率半径：3.0〜4.0μｍの範囲内で、従来の光ファイバよりも結合効率が高いことが判明した。従って、22度側：曲率半径3.0〜4.0μｍ、48度側：曲率半径3.5〜6.5μｍの範囲内におけるLD条件を選択することにより、従来の光ファイバよりも優れた結合効率を実現することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明のレンズ付き光ファイバを、光通信システムに組み込まれLD等の光源から出射される出射光を光ファイバと結合させる半導体レーザモジュールに適用することにより、結合効率の低下の抑制や、光ファイバからの伝搬光の歪み発生を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係るレンズ付き光ファイバの端部付近の斜視図。
【図２】(a)  図１のレンズ付き光ファイバをＸ軸方向から見たときの側面図。      (b)  図１のレンズ付き光ファイバをＹ軸方向から見たときの側面図。
【図３】図１のレンズ付き光ファイバの端面と楕円光との光結合の状態を模式的に示す図。
【図４】(a)  図３の斜視図をＸ軸方向から見たときのレンズ付き光ファイバと楕円光との光結合の状態を模式的に示す側面図。      (b)  図３の斜視図をＹ軸方向から見たときの光ファイバと楕円光との光結合の状態を模式的に示す側面図。
【図５】LDの発光面から出射される楕円光を示す模式図。
【図６】双曲面形状のレンズが端面に形成された従来のレンズ付き光ファイバの端部付近の形状を示す三面図。
【図７】図６のレンズ付き光ファイバの端面の面上と楕円光との光結合の状態を模式的に示す図。
【図８】(a)  図７のレンズ付き光ファイバを斜面a、a'を横断するようにＸ軸に沿って切断した部分断面図。      (b)  図７のレンズ付き光ファイバを稜部C1、C4を横断するように切断した部分断面図。
【符号の説明】
【００２７】
１      レンズ付き光ファイバ
２      レンズ
３      コア
４      クラッド
５      略円錐面
【図１】
2005134410.tif 000005
【図２】
2005134410.tif 000006
【図３】
2005134410.tif 000007
【図４】
2005134410.tif 000008
【図５】
2005134410.tif 000009
【図６】
2005134410.tif 000010
【図７】
2005134410.tif 000011
【図８】
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