(57)【要約】  【課題】光ファイバからの光を集光させ、受光素子内の受光面より小さなビームを与える光ファイバ構造を実現する。  【解決手段】コア１ａとクラッド１ｂからなる光ファイバ１の先端部を光軸２に対して斜めに形成するとともに、少なくとも上記コア１ａの先端面３を曲面状とする。【選択図】図１
2005128449.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアとクラッドからなる光ファイバの先端部を光軸に対して斜めに形成するとともに、少なくとも上記コアの先端部が曲面状であることを特徴とする光ファイバ。
【請求項２】
上記コアの先端がクラッドより突出していることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項３】
上記コアの先端が曲率半径５００μｍ以下の曲面状であることを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバ。
【請求項４】
上記コアの先端に反射膜を形成したことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の光ファイバ。
【請求項５】
請求項１〜４の何れかに記載の光ファイバの加工方法であって、光ファイバの先端を研磨によって斜めに形成した後、上記クラッドを優先的に侵食することによってコアの先端をクラッドより突出させ、放電加工によってコアの先端を曲面状に加工することを特徴とする光ファイバの加工方法。
【請求項６】
請求項１〜４の何れかに記載の光ファイバを用いたことを特徴とする光モジュール。       
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光通信における光ファイバと受光素子との結合の際、その受光径の小さな受光素子においても、十分な結合効率が得られる構造を提供する光ファイバに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光通信分野においては、光ファイバと受光素子の結合を取る手段として、図７に示すように、中心のコア２１ａと、その外周に形成されたクラッド２１ｂからなる光ファイバ２１の先端面を光軸２２に対して約４５゜の角度で研磨加工して斜面２３を形成し、光を図中矢印に示すように光ファイバ２１の先端部側面から出射させ、受光素子２６の受光面２６ａに入射させ、入射した光は電気信号に変換される。
【０００３】
上記光ファイバ２１の先端面を斜面２３に形成するのは、受光素子２６が取り付けられるパッケージ（不図示）と光ファイバ２１とが平行になるため、光ファイバ２１と受光面２６ａとを平行にする必要があるからである。光ファイバ２１のコア２１ａを通過した光は、斜面２３内のコア２１ａ部で反射して、矢印の示すような光線のように広がり、受光素子２６の受光面２６ａに照射されるようになる。
【０００４】
しかし、図１（ｄ）に示すように、単にコア２１ａとクラッド２１ｂを同一面状に斜面２３を形成した光ファイバ２１では、斜面２３で光が反射した後より光が拡がりはじめ、光線は、１３．１μｍ程度の大きなビーム径２４、２５を有することになるため、大きな受光面２６ａを有する受光素子２６に対しては有効な手段ではあるが、近年のように通信速度が向上し、要求される受光面２６ａがその高速性を満たすため小さくなった場合には対応できないという問題を有している。
【０００５】
これは、大きい受光面を有した場合、半導体で構成された受光面の寄生容量が大きくなり、そのためＣＲ時定数が大きくなり、その結果として受光時の信号の遅延時間が長くなり高速通信ができなくなるためである。この高速通信に対応する受光面２６ａの直径が５〜２０μｍと小さくなった場合、上記の光ファイバ２１では結合効率の低下を招き、光ファイバ構造として許容できないものである。
【０００６】
この問題を解決する方法として、図８に示すように、光ファイバ３１の先端を球面加工し、この球面３５の一部に斜面３３を形成する方法が提案されている（特許文献１参照）。
【０００７】
この方法は、斜面３３を有する球面３５を形成することにより、光ファイバ３１のコア３１ａとクラッド３１ｂの屈折率差が解消され、この球面３５内では、コアレスファイバと同様の特性となる。したがって、光ファイバ３１の出射点３２は仮想的な出射点３４から出射されるのと等価になり、傾斜面によって全反射するとともに、球面３５による集光作用によって焦点を結ぶこととなる。
【特許文献１】特開平１−６２６０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、従来の図８に示すような先端に球面３５を有する光ファイバ３１では、ビーム径は小さくできるものの、球面３５は研磨によって加工され、その球面３５を光ファイバの先端に放電等により溶かして付けるため、光ファイバ３１の直径より小さな径を有する球面３５を研磨加工で得ることは困難である。そのため、先端の球面３５の径が光ファイバ３１の直径よりも大きくなると、仮想的な出射点３４を長くすることができず、焦点も長くなるため、近端に焦点を結ぶのが困難となる。
【０００９】
そのため、光ファイバ３１と受光素子を組み込んだ光モジュールを形成した際、球面加工していない光ファイバを有する光モジュールに比べモジュール自体が大型化してしまい、光モジュールの小型化を達成できないという問題を有している。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の光ファイバは、コアとクラッドからなる光ファイバの先端部を光軸に対して斜めに形成するとともに、少なくとも上記コアの先端部が曲面状であることを特徴とする。
【００１１】
また、上記コアの先端がクラッドより突出していることを特徴とする。
【００１２】
さらに、上記コアの先端が曲率半径５００μｍ以下の曲面状であることを特徴とする。
【００１３】
また、上記コアの先端に反射膜を形成したことを特徴とする。
【００１４】
さらに、光ファイバの先端部を研磨することで斜めに形成した後、上記クラッドを優先的に侵食することにより、コアの先端をクラッドより突出させ、放電加工によりコアの先端を曲面状に加工することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の光ファイバによれば、コアとクラッドからなる光ファイバの先端部を光軸に対して斜めに形成するとともに、少なくともコアの先端部が曲面状とすることから、光が一旦集光した後拡がることによって、光ファイバからの出射光のビーム径を小さくすることが可能となり、受光面が小さい受光素子を使用した場合でも、高い結合効率が可能となる。
【００１６】
また、コアの先端が曲率半径５００μｍ以下の曲面状であることから、集光位置で小さなビーム径となり、最も結合効率が高くなるようにるように光ファイバからの出射光のビーム径を小さくすることが可能となる。
【００１７】
さらに、コアの先端に反射膜を形成することにより、光ファイバの先端の傾斜面だけで光が全反射しない場合でも、反射膜によって全ての光を反射させることができ、この反射部における損失を無くすことができ、より結合効率の高いものとすることができる。
【００１８】
またさらに、本発明の光ファイバの加工方法によれば、光ファイバの先端を研磨することで斜めに形成した後、クラッドを優先的に侵食することにより、コアの先端をクラッドより突出させ、放電加工によりコアの先端を曲面状に加工することにより、大量に安価なものを加工することが可能となる。
【００１９】
そして、本発明の光ファイバを用いた光モジュールによれば、受光素子と光ファイバの安価な接続構造が可能となり、光通信用受光モジュールの高速化が実現され、その普及が大いに促進されるものである。                                                   
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態を図によって説明する。
【００２１】
図１（ａ）〜（ｃ）は、本発明の光ファイバの一実施形態を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は先端部分を示す部分断面図、（ｃ）は同図（ｂ）の斜視図である。
【００２２】
本発明の光ファイバ１は、コア１ａと、その外周に形成されたクラッド１ｂからなり、石英、プラスチック等から形成され、例えば、石英からなる場合には、屈折率１．４４９１程度のコア１ａと屈折率１．４４４０程度のクラッド１ｂからなる。
【００２３】
ここで、本発明の光ファイバ１は、図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、その先端を光軸２に対して所定角度を有するように斜めに形成するとともに、少なくとも上記コア１ａの先端面３が曲面状であることを特徴とする。
【００２４】
このような構造を用いることによって、図１（ａ）、（ｂ）に示すように光ファイバ１から光を出射する際、コア１ａに閉じ込められていた光が矢印に示すようにコア１ａの先端面３で反射され、光ファイバ１のクラッド１ｂを通ってクラッド１ｂの外周面に達し、出射され、コア１ａの先端面３が曲面状になっているため、レンズ効果が作用し、コア１ａの先端面３が平面の場合に比べてビーム径４、５を小さくすることができる。
【００２５】
具体的には、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、光ファイバ１のコア１ａを通過し、曲面状の先端面３に達した光は、そのレンズ効果によって一旦反射して集光された後、クラッド１ｂの外周面に達して出射される。このとき、コア１ａの先端面３のレンズ効果により、先端面３とクラッド１ｂの外周面との間で光が集光しビームが小さくなるため、光ファイバ１の外周面からの距離が短い位置において、図１（ａ）に示す円周方向のビーム径４および同図（ｂ）に示す光軸２方向のビーム径５が、図１（ｄ）、（ｅ）に示すようなコア１ａおよびクラッド１ｂが同一面状の斜面２３を有している従来の光ファイバ２１におけるビーム径２４、２５に比較して小さくすることができる。
【００２６】
ただし、光ファイバ１の外周面からの距離が離れた位置では、逆に従来のように先端に斜面２３を有する光ファイバ２１よりもビーム径４、５が大きくなる。そのため、光ファイバ１の材質や通過する光の種類にもよるが、光ファイバ１の外周面からの位置が約６０μｍ以下の範囲に受光素子を有するような場合にはビーム径４、５を小さくすることができ、光モジュールとして用いた場合において十分に小型化を図ることができる。
【００２７】
また、光ファイバ１の外周面からの距離が長い場合には以下の図２に示すような方法を用いることが好ましい。
【００２８】
受光素子が光ファイバ１の近くに配置できない場合は、図２に示すように光ファイバ１と受光素子６との間にレンズ７を設けることによって、光ファイバ１から出射された光をさらにレンズ７により集光することにより、より小さなビーム径８、９を得ることができる。この場合は、図１の場合とは逆で、光ファイバ１の外周面からの距離が短い位置では、従来の光ファイバ２１の方がビーム径２４、２５は小さくなるが、光ファイバ１の外周面からの距離が離れた位置で、従来の光ファイバ２１におけるビーム径２４、２５に比較して小さくなる。したがって、受光素子６を光ファイバ１に近接して設置できない場合に有効となる。
【００２９】
さらに、本発明の光ファイバ１は、上記コア１ａの先端部がクラッド１ｂより突出していることが好ましい。これによって、コア１ａの先端面３をより小さな曲率半径に加工することができる。
【００３０】
そして、上記コア１ａの先端面３を曲率半径５００μｍ以下とするができ、曲率半径の小さな先端面３によって、集光された光はビーム径４、５をより小さくすることができる。
【００３１】
上記曲率半径が５００μｍを越えると、コア１ａの先端面３による集光効果が小さくなり、効果的にビーム径を小さくすることができない。さらに、曲率半径は５０〜１５０μｍとすることがより好ましい。
【００３２】
例えば、コア１ａの先端面３の曲率半径が５００μｍでコア１ａの径が１０μｍの場合は、突出量は５０μｍ程度となる。
【００３３】
なお、コア１ａの先端面３は、図３に示す部分断面図に示すように曲面状であればよく、コア１ａとクラッド１ｂとが同一面状に形成されていてもよい。この場合も、コア１ａをクラッド１ｂより突出させた場合と同様にその曲率半径は５００μｍ以下とすることが好ましい。
【００３４】
また、本発明の光ファイバ１は、図４に示す部分断面図のように、コア１ａの先端に、反射膜１０を形成することが好ましく、光ファイバ１の先端の斜面によって光が全反射しない場合でも全ての光を反射させることができ、この反射部での損失が無くなり、結果として受光素子への結合効率が高くなる。
【００３５】
上記反射膜は、金属ではＡｕ、Ａｇ、Ａｌ等によって、また誘電体ではＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５等からなり、金属膜の場合は厚みが０．０５〜１０μｍ、誘電体膜では、１〜４層程度で反射膜となる膜厚となるようにし、これらを蒸着やスパッタリングによって光ファイバ１のコア１ａおよびクラッド１ｂの先端面の全面に形成する。
【００３６】
さらに、光ファイバ１の先端に形成された傾斜面は、その傾斜面の法線と光軸２のなす角が３５〜４５°であることが好ましい。この角度が４５°を越える場合、光ファイバ１のコア１ａとクラッド１ｂの屈折率にもよるが、傾斜面で光が全反射しない場合が生じてしまい、反射しない光が損失となってしまう。また、３５°未満であると、受光素子の受光面に光が斜めに入射し、この受光面での反射が大きくなり、これによって損失が大きくなる。
【００３７】
ここで、本発明の光ファイバの加工方法を図５に基づいて説明する。
【００３８】
先ず、コア１ａおよびクラッド１ｂを有する光ファイバ１の先端部を回転する研磨シートに対して所定の角度をなすように接触させて研磨し、図５（ａ）のように先端面を３５〜４５°程度となるよう加工する。
【００３９】
次いで、光ファイバ１のクラッド１ｂをフッ化アンモニウム等に斜めに浸すことによりクラッド１ｂを選択的に溶かし、同図（ｂ）のようにコア１ａの先端部を突出させる。
【００４０】
なお、クラッド１ｂの外周部も溶けるため、浸す部分はできるだけ研磨した面のみを浸すようにする。
【００４１】
さらに、その先端部に放電等によって局所的な熱を加えコア１ａの周辺を溶かすことにより、同図（ｃ）に示すようにコア１ａの先端面３を曲面状に加工することができる。
【００４２】
なお、コア１ａの先端面３の曲率半径は、フッ化アンモニウム等に浸す時間を制御することによって調整することができ、突出量が大きくなるとコア１ａの曲率半径は小さくなり、突出量が小さくなると曲率半径は大きくなる。
【００４３】
また、上述の加工方法において、クラッド１ｂを選択的に溶かす工程を行わず、先端部に放電等の局所的な熱を加えることにより、コア１ａとクラッド１ｂの全面を曲面状に加工することも可能である。この方法は、曲率半径が大きい場合に適している。
【００４４】
このようにして得られた光ファイバ１は、図６に示すような受光用の光モジュールとして好適に用いることができ、Ｓｉプラットフォーム１１にＶ溝１２を設け、ここに受光素子６を載置し、上述のような本発明の光ファイバ１をＶ溝１２に載置する。そして、その先端面３で光線の方向を変え、一旦集光させた後、光ファイバ１の外周面から光が出射し受光素子６の受光面６ａに入射される仕組みである。この場合、光ファイバ１からの出射光のビーム径が小さいため、受光素子６を光ファイバ１の近接して載置することができ、特に、高速通信用に用いられる受光面の小さな受光素子を用いる光モジュールに好適に用いることができる。この場合、受光素子６の受光面６ａの直径が２０μｍ以下の場合に特に好適に用いることができる。
【実施例】
【００４５】
（実施例１）      
次いで、本発明の光ファイバの実施例について説明する。
【００４６】
本発明の光ファイバの実施例として、図１に示すような光ファイバ１を作製した。使用した光ファイバの仕様は以下の通りである。
【００４７】
外径（クラッドの外径）：１２５μｍ
クラッドの屈折率：１．４４４０
コアの直径：１０μｍ
コアの屈折率：１．４４９０
光ファイバ内のビーム径：１０μｍ
また、光ファイバの先端は、光軸に対して４５°となるよう斜めに形成し、コア１ａの先端面を楕円体の曲面状とし、その長軸方向の曲率半径を５００μｍ、短軸方向の曲率半径を２５０μｍとした。
【００４８】
また、比較例として、図１（ｄ）、（ｅ）に示すような従来の光ファイバ２１を作製した。光ファイバの仕様は、コアの先端が平面であることを除けば上記と同様である。
【００４９】
そして、この２種類の光ファイバを用いて、端面加工されていない側の光ファイバを波長１．５５μｍの光源に接続し、光ファイバから出射される光のビーム径を測定するための拡大レンズ付きの撮像管を出射光の光軸に合わせて配置し、撮像管の位置を光軸方向に移動してビーム径の測定を行った。なお、ビーム径は１／ｅ２幅で示す。
【００５０】
図９（ａ）に本発明の光ファイバ、比較例である従来の光ファイバの円周方向のビーム
径と軸方向のビーム径をそれぞれ示した。
【００５１】
図９（ａ）より明らかなように、光ファイバの側面からの距離が０〜６０μｍと近い範囲においては、従来の光ファイバより円周方向のビーム径および軸方向のビーム径ともに小さくなっていることが判る。したがって、高速通信用で使用される直径２０μｍ以下の小さい受光面を有するような受光素子に対して、結合効率を高く、損失の小さい光ファイバを得ることがきる。また、受光面の直径２０μｍよりもビーム径が小さくなるような距離に受光面を配置することで結合効率をより高くすることができる。
【００５２】
（実施例２）
次いで、図２に示すように、光ファイバと受光素子との間にレンズを用いた光学系で評価した。
【００５３】
光ファイバの仕様、光の波長は上記実施例１と同様であり、コアの先端を長軸方向の半径が２０８μｍ、短軸方向の半径が１０４μｍの楕円体とした。
【００５４】
また、レンズは、屈折率が１．５０、直径１００μｍのボールレンズを使用した。
【００５５】
さらに、比較例として、実施例１で用いた光ファイバと同様に、図１（ｄ）、（ｅ）に示すような光ファイバを用いた。
【００５６】
そして、実施例１と同様にそれぞれのビーム径を測定した。
【００５７】
図９（ｂ）に先端加工された光ファイバ１から出射されボールレンズ透過後の円周方向のビーム径８と軸方向のビーム径９を示した。
【００５８】
なお、図９（ｂ）の横軸は光ファイバ側面からボールレンズまでの距離を示している。
【００５９】
図９（ｂ）より、円周方向のビーム径については、光ファイバの側面とレンズとの距離が７０μｍ以下では従来の光ファイバの方が小さいが、７０μｍ以上では本発明の光ファイバの方がビーム径が小さくなっていることが判る。
【００６０】
したがって、受光素子を光ファイバに近接して設置できない場合にビーム径が従来のものより小さくなるため受光素子の受光面への損失が少なくなり、結果として高い結合効率が得られることとなる。
【００６１】
以上より、受光素子を光ファイバに近接する場合は図１のように構成し、離す場合は図２の構成を用いることにより、従来の方法より高い結合効率を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は本発明の光ファイバの一実施形態を示し、それぞれ先端部の正面図、部分断面図、部分斜視図であり、（ｄ）、（ｅ）は従来の光ファイバを示し、それぞれ正面図、部分断面図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）は本発明の光ファイバからの出射光をレンズを用いて受光した際のビーム径を説明する図である。
【図３】本発明の光ファイバの他の実施形態を示す部分断面図である。
【図４】本発明の光ファイバの他の実施形態を示す部分断面図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は本発明の光ファイバの製造方法を説明する部分断面図である。
【図６】本発明の光モジュールを示す斜視図である。
【図７】従来の光ファイバの先端部を示す部分断面図である。
【図８】従来の光ファイバの先端部を示す部分断面図である。
【図９】（ａ）、（ｂ）は光ファイバのビーム径の測定結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６３】
１、３１  光ファイバ
１ａ、２１ａ、３１ａ  コア
１ｂ、２１ｂ、３１ｂ  クラッド
２、２２  光軸
３      コアの先端面
４      円周方向のビーム径
５      軸方向のビーム径
６、２６  受光素子
６ａ、２６ａ  受光面
７      レンズ
８      円周方向のビーム径
９      軸方向のビーム径
１０      反射膜
１１      Ｓｉプラットフォーム
１２      Ｖ溝
１４      出射光
２３、３３  斜面
３２      出射点
３４      仮想的な出射点
３５      球面
【図１】
2005128449.tif 000003
【図２】
2005128449.tif 000004
【図３】
2005128449.tif 000005
【図４】
2005128449.tif 000006
【図５】
2005128449.tif 000007
【図６】
2005128449.tif 000008
【図７】
2005128449.tif 000009
【図８】
2005128449.tif 000010
【図９】
2005128449.tif 000011