(57)【要約】【課題】高出力光接続用の光コネクタにおいて、耐熱、耐久性が高く、容易に加工できるコネクタを提供する。【解決手段】相互の光ファイバの端面同士を突き合せて結合させる光ファイバコネクタにおいて、シングルモード光ファイバの先端に、モードフィールド径拡大用のグレイデッドインデックスファイバを接続し、さらにその先端にコアを持たないコアレスファイバを接続し、もう一方のコネクタと該コアレスファイバの端面同士を突き合せ結合させることを特徴とする。【選択図】図１
2005017702.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバの端面同士を突き合せて結合させる光ファイバコネクタにおいて、シングルモードファイバの先端にモードフィールド径拡大用のグレイデッドインデックスファイバを融着接続し、該グレイデッドインデックスファイバの先端にコアを持たないコアレスファイバを融着接続したことを特徴とする光コネクタ。
【請求項２】
上記グレイデッドインデックスファイバの長さＬが該グレイデッドインデックスファイバの光線軌跡のピッチＰに対し、コア半径ｒ、屈折率差△とした時、
Ｌ＝π・Ｐ・ｒ・（２／△）１／２        （  ０．２５＜Ｐ＜０．４）
であることを特徴とする請求項１記載の光コネクタ。
【請求項３】
上記コアレスファイバが純石英であることを特徴とする請求項１記載の光コネクタ。
【請求項４】
請求項１記載の光コネクタ同士の端面を相互に突き合わせて結合したことを特徴とする光コネクタの接続構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、相互の端面を突き合せて接触させ、結合を得る光コネクタであって、特に光増幅器等に用いられる高出力光に好適な光コネクタ及びその接続構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高出力光用のコネクタは、その接触境界にて、完全な接触が得られない為、僅かに生じる散乱、または、空気中のパーティクルの付着による焼付け等が生じ、充分な光結合が得られないばかりか、端面の溶融、破損等があった。特にエルビウム等のイオンをファイバに添加し、光を直接増幅する光ファイバ増幅器の普及で増幅器出力が数百ｍＷに達することは珍しくなくなった。さらに、ファイバラマンアンプの開発により、１Ｗを超えるような出射光パワーのものが登場しようとしている。
【０００３】
一般に光通信の伝送用に用いられるシングルモードファイバは、直径約１０μｍ程度のモードフィールド径を持ち、シングルモードファイバの中心部にほぼそのパワーが集中している。伝送中に光の損失が発生するような場所では、その損失が熱に変換され高温が発生する可能性がある。例えば、ファイバ同士の接続境界面に傷があったり、パーティクル（微細なゴミ）があった場合はそれに相当する。
【０００４】
なお、シングルモードファイバ伝搬中の光分布の拡がりをモードフィールド径、ファイバから出射された後やコアの無いファイバ中での光の拡がりをビーム径と称し、両者を光パワー分布と称するものとする。
【０００５】
これに対し、モードフィールド径を拡大することにより、エネルギー密度を低下させ、焼き付け、溶融を防ぐ試みがある。図４に従来の光コネクタＳ２を示す。
【０００６】
モードフィールドを拡大径することによりエネルギー密度を低下させ、さらに光ファイバ端面６に、耐熱性、熱伝導性に優れた材質による膜（不図示）を形成することにより焼き付け、溶融を防ぐ方法が提案されている（特許文献１参照）。ここでは光ファイバのモードフィールド径を拡げるためにコアのドーパント（ゲルマニウム）を熱拡散させる所謂コア拡大ファイバを用いている。コア拡大ファイバ７はフェルール４Ａ、４Ｂ内に接着保持され、フェルール端面６に向かって徐々にコア７ｂの半径（以下コア半径と称す）が拡大されている。コア半径ｒが最大の部分がコア拡大ファイバ７の端面７ａであり、前記フェルール端面６に相当している。前記フェルール４Ａ、４Ｂはスリーブ５内にて突き合せて光結合している。なお、特許文献１の例では、前記フェルール端面６に熱伝導性の高い薄膜（不図示）が形成され、該フェルール端面６に熱が蓄積されるのを防いでいる。
【０００７】
モードフィールド径が約２．５倍（２５μｍ）になることで、面積は約６倍、エネルギー密度は１／６程度まで下げることが出来る。（特許文献１参照）
また、図５に示すようにグレイデッドインデックスファイバ（以下ＧＩファイバと称す）２を用いて光のビーム径を拡大する光コネクタＳ３の例がある（非特許文献１参照）。シングルモードファイバ１の端面１ａにはＧＩファイバ２が接続されており、フェルール４Ａ，４Ｂ内にそれぞれ接着固定されている。例えば（一般にコネクタは双方向）光はフェルール４Ａ内のシングルモードファイバ１の端面１ａから出て、ＧＩファイバ２のコア２ｂ中を伝搬するにしたがってビーム径が増大していきＧＩファイバ２の端面２ａから出射される。同一構造のフェルール４Ｂ内のＧＩファイバ２により集光されシングルモードファイバ１のコア１ｂを伝搬していく。フェルール４Ａ、４Ｂはスリーブ５によって外周を把持され突き合わされている。なお前記非特許文献１にはコア拡大ファイバについても記載がある。
【０００８】
ＧＩファイバは一般にグレイデッドインデックスレンズ（以下ＧＲＩＮレンズと称す）と類似の構造を持ち、レンズ効果を有する。円筒形の中心軸が最も屈折率が高く、外周にいくにつれ徐々に屈折率が減少していく。また、ＧＲＩＮレンズには、ピッチと呼ばれる量があり（以降Ｐと称する）、ＧＲＩＮレンズの集光の状態を示すパラメータであるが、Ｐ＝０．５の場合は入射端面で点光源であったものが出射端面で再び点に集光されることを示し、Ｐ＝０．２５の場合は入射端面で点光源であれば、出射端面ではコリメート光となり最大ビーム径が得られる。この関係を示すのが図３である。原点ではビーム径ゼロとしている。光は徐々に広がり、Ｐ＝０．２５で最大になり、Ｐ＝０．５で再び点に収束する。ＧＲＩＮレンズはこのように長手方向に出射ビーム径が周期的に変化していく。Ｐを決めるのはＧＲＩＮレンズのコア半径ｒと屈折率差△である。これはＧＩファイバ２も全く同様である。したがって、シングルモードファイバ１にＰを調整した（Ｐ＝０．２５）ＧＩファイバ２を接続し、ビーム径を拡大してエネルギー密度を減少させることが可能なのである。
【０００９】
【特許文献１】
特開１９９７−２６９４３３
【００１０】
【非特許文献１】
Ｈｉｇｈ−Ｐｏｗｅｒ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｏｆ  Ｓｉｎｇｌｅ−ＭｏｄｅＦｉｂｅｒ−Ｏｐｔｉｃ  Ｃｏｎｎｅｃｔｏｒ（ＪＯＵＲＮＡＬ  ＯＦ  ＬＩＧＨＴＷＡＶＥ  ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ、ＶＯＬ２０、ＮＯ５、ＭＡＹ２００２、ｐｐ８７９）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
前述のようにモードフィールド径を拡大する手段はコアのドーパントを熱拡散するコア拡大ファイバ７とＧＩファイバ２があるが、それぞれに以下のような問題点がある。
【００１２】
図４に示すようなコア拡大ファイバ７はドーパントの熱拡散に時間を要し、さらに単純に保持、加熱するだけではコア拡大ファイバ７の外径が細くなってしまうことが知られている。また、コア７ｂが先端に向かって漏斗のように徐々に広がっていくため、コア半径ｒが定め難い。
【００１３】
光コネクタＳ２で結合する為には、相対する光ファイバのモードフィールド径が一致する必要があるが、上記のようなコア拡大ファイバ７の作製方法では、モードフィールド径をどのコア拡大ファイバ７においても一定にするといった制御が難しい。したがって結合効率が低くなる可能性が高いという問題点がある。
【００１４】
また図５に示すようなＧＩファイバ２の場合はＧＩファイバ２のコア２ｂの中心軸が最も屈折率が高く、外周に向かって徐々に屈折率が下がる構造をもつものであり、前記の屈折率構造とコア２ｂが大きいこと（市販品で  コア半径２５μｍ、３１．２５μｍ等）もあいまって、一般にシングルモードファイバ１よりドーパント量が多い。ドーパントの増加によってファイバ自体の融点は下がってしまう。モードフィールド径を拡大することによりエネルギー密度を下げてもファイバ自体の融点が下がる為、溶融に対し充分な効果が得られない。コア拡大ファイバ７も単に熱処理でコア拡大をしているため、ドーパントが増加するわけでは無いが、ドーパントが含まれていること自体は変わりが無いためドーパント無しに比べ融点は低い。
【００１５】
ＧＩファイバ２によるモードフィールド径の拡大は、前述のビーム径とＰの関係によりＧＩファイバ２の長さＬによって制御する。ところが、光コネクタＳ３の作製時は、フェルール４Ａ、４Ｂにシングルモードファイバ１とＧＩファイバ２を接続したものを接着し、端面６を研磨するため長さが変わってしまう。ＧＩファイバ２の端面２ａをコネクタＳ３のフェルール４Ａ、４Ｂの端面６に研磨なしで完全に一致させることは困難で、また、研磨を行えばＧＩファイバ２の長さＬが変化し、相互突合せ時にモードフィールド径の異なる光同士の結合になり損失が大きくなる。
【００１６】
これは特許文献１に示された端面に膜を形成する構造も同様で、膜形成前にコア拡大ファイバのコア半径ｒを正確に制御し、かつ光コネクタＳ３の作製時に長さが変化しないようにしなければならない。膜を形成した光ファイバの端面を研磨すれば膜が削除されてしまうからで、一般のコネクタ作製手順から考えれば端面の研磨が出来ないということは現実性に乏しい。
【００１７】
さらに、特許文献１の構造によれば物理的に接触する面に薄膜を形成することから、その耐久性が問題となる。
【００１８】
【課題を解決する為の手段】
前述の問題に鑑み本発明は、光ファイバの端面同士を突き合せて結合させる光ファイバコネクタにおいて、シングルモードファイバの先端にモードフィールド径拡大用のグレイデッドインデックスファイバを融着接続し、該グレイデッドインデックスファイバの先端にコアを持たないコアレスファイバを融着接続したことを特徴とするものである。
【００１９】
また上記グレイデッドインデックスファイバの長さＬが該グレイデッドインデックスファイバの光線軌跡のピッチＰ、コア半径ｒ、屈折率差△として、
Ｌ＝π・Ｐ・ｒ・（２／△）１／２        （  ０．２５＜Ｐ＜０．４）
であることを特徴とするものである。
【００２０】
さらに上記コアレスファイバが純石英であることを特徴とするものである。
【００２１】
さらにまた、上記光コネクタ同士を相互に突き合わせて結合したことを特徴とするものである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態を図１を用いて説明する。
【００２３】
図１（ａ）に示すように、シングルモードファイバ１の端面１ａにＧＩファイバ２、該ＧＩファイバ２の端面２ａにコアレスファイバ３がそれぞれ融着にて接続されている。これらをフェルール４Ａ内に接着固定し、フェルール端面６とともに研磨したものを光コネクタＳ１とし、スリーブ５内にて突き合せて接続した。
【００２４】
尚、ここで光コネクタとは、上記おのおの融着接続されたファイバをフェルールに接着固定したものに限らず、ファイバ同士の端面を相互に突き合わせできる形状であればよく、その際、突き合わせる手段もスリーブに限らずＶ溝等によってでもよい。
【００２５】
ＧＩファイバ２にコア半径２５μｍ、屈折率差△＝１％のＧＩファイバ２を用いれば、０．５ピッチ長は約５５５μｍ、０．２７ピッチ長でＧＩファイバ長Ｌは３００μｍ、ビーム径１９．５μｍ、となる。
【００２６】
図２（ｂ）にモードフィールド径が拡大される様子を模式的に示す。なお光パワー分布８は縦方向が光ファイバの径方向に対応した広がり、横がパワーの大きさを模式的に示す。光パワー分布８はシングルモードファイバ１のコア１ｂ内では一定の広がりで図中左から右へ伝播し、ＧＩファイバ２のコア２ｂ内で徐々にその分布が拡大され、ＧＩファイバ２の端面２ａで最大になりコアレスファイバ３を通過して端面３ａに達する。
【００２７】
ここでピッチ（Ｐ）とはＧＲＩＮレンズの集光の状態を示すパラメータである。ＧＩファイバとＧＲＩＮレンズの動作は同一なので、ここでは図示はしないが一般的なＧＲＩＮレンズを例に説明する。ピッチ（Ｐ）を決めるのはＧＲＩＮレンズのコア半径ｒと屈折率差△であって、このコア半径ｒと屈折率差△によって１ＰあたりのＧＲＩＮレンズの長が異なる。
【００２８】
コア半径  ｒ（ｍ）、屈折率差△と、ＧＲＩＮレンズ長さをＬ１  （ｍ）、ピッチをＰとすれば
Ｌ１＝π・Ｐ・ｒ・（２／△）１／２  となる。
【００２９】
ＧＲＩＮレンズの集光特性はＧＲＩＮレンズの長さＬ１で変化する。０．５Ｐの場合は入射端面で点光源であったものが出射端面で再び点に集光されることを示し、０．２５Ｐの場合は入射端面で点光源であれば、出射端面ではコリメート光となり最大ビーム径が得られる。Ｐは集光特性を規格化した長さであって、この関係を示すのが図３であり、ＧＲＩＮレンズは長手方向に出射ビーム径が変化していく。簡略の為、ビーム径が最大の場合を１としてビーム径を規格化して表している。この挙動はＧＩファイバ２も全く同様である。
【００３０】
このＧＩファイバ２の端面２ａにコアレスファイバ３が約１００μｍの長さで融着されている。
【００３１】
このようなコネクタＳ１の作り方は図２を参照し、図２（ａ）のように、まずシングルモードファイバ１の端面１ａにＧＩファイバ２を融着した後に、精密にＧＩファイバ長Ｌを制御しカットする。図２（ｂ）のように該ＧＩファイバ２の端面２ａにコアレスファイバ３を融着する。図２（ｃ）のように、その後、フェルール４Ａ内に接着固定するが、コアレスファイバ３の一部をフェルール４Ａのフェルール端面６から飛び出させて固定する。その後、図２（ｄ）のように研磨によりコアレスファイバ３の飛び出しを削り取り、同時にフェルール端面６の形状（主に曲率）を整える。予め、光ファイバの種類がどうあれ、接着により形成する場合は光ファイバの端面がフェルールの端面と寸分の狂い無く一致することは困難であり、研磨される必要がある。
【００３２】
従来は、先端部がコア拡大ファイバ７であっても、ＧＩファイバ２であっても研磨によりファイバの長さが変化しビーム径が変化してしまうが、本発明では集光特性を持たないコアレスファイバ部分を研磨するので、問題は生じない。
【００３３】
【実施例】
以下により具体的な実施例を説明する。
【００３４】
〔例１〕
図１を用いて説明する。モードフィールド径１０μｍのシングルモードファイバ１の端面１ａに、コア半径ｒ＝２５μｍ、屈折率差△＝１％のＧＩファイバ２のＧＩファイバ長Ｌが２７８μｍ（Ｐ＝０．２７）にて融着されている。さらに前記ＧＩファイバ２の端面２ａにコアを持たないコアレスファイバ３が長さＬ２＝２０〜１００μｍで接続されている。光ファイバはジルコニア製のφ２．５ｍｍのフェルール４Ａ、４Ｂ内にそれぞれ固定され、スリーブ５内にて突き当てられコネクタＳ１として機能する。ビーム径は１９．５μｍ（約２倍）に拡大されているためエネルギー密度は１／４になる。ＧＩファイバ２のコア半径ｒは２５μｍであるが、光パワー分布がガウシアン分布に近い状態で半径２５μｍ一杯に広がることはない。
【００３５】
作製方法は図２を用いて説明する。図２（ａ）においてシングルモードファイバ１の端面１ａにＧＩファイバ２を融着した後に、ＧＩファイバ長Ｌを２７８μｍに制御しカットする。図２（ｂ）において前記ＧＩファイバ２の端面２ａに石英製のコアレスファイバ３を融着、数ｍｍ残して切断する。図２（ｃ）において、その後、フェルール４Ａ内に例えばエポキシ系２液性接着剤、エポキシテクノロジー社製エポテック３５３ＮＤにて接着固定するが、コアレスファイバ３の一部をフェルール４Ａのフェルール端面６から飛び出させて固定する。図２（ｄ）において、その後研磨によりコアレスファイバ３の飛び出しを削り取り、同時にフェルール端面６の形状（主に曲率）を整える。なお、図１のようにコネクタ接合する場合は、その接合部同士はほぼ隙間無く接触している必要がある。
【００３６】
〔例２〕
例１と同様であるが、コア半径２５μｍ  屈折率差△＝１％のＧＩファイバ２をＧＩファイバ長Ｌ＝３００μｍ（Ｐ＝０．２７）にて融着し、さらに前記ＧＩファイバ２の端面２ａにコアを持たない石英製のコアレスファイバ３を長さ約１００μｍで接続した。ＧＩファイバ２のピッチＰを０．２７としたのは、幾何光学で言えばＰ＝０．２５でコリメート（平行）光となるが、伝搬光を扱う波動光学の理論で言えば、もともと厳密な平行光は存在せず、さらにまた、モードフィールド径が数十μｍのオーダーでは光は実質的にも平行にはならず、Ｐ＝０．２５では、ＧＩファイバ２を出射した直後から光は広がってしまう。０．２５＜Ｐ＜０．５では出射光はＧＩファイバ２を出た後収束しながら進捗するのでより、結合効率が上がるのである。
【００３７】
例えば、シングルモードファイバ１、ＧＩファイバ２、コアレスファイバ３の構成が同一で、ＧＩファイバ長Ｌが３００μｍ（Ｐ＝０．２７）、２７８μｍ（Ｐ＝０．２５）でコアレスファイバ３を長さ１００μｍにて接続した構造の場合、Ｐ＝０．２５では接続損失０．３４ｄＢ、Ｐ＝０．２７では接続損失０．０６ｄＢとなる。また、Ｐ＜０．２５では幾何光学上でも発散光であって損失が増大するのが明白であるため設計としては通常は使用しないが従来例では研磨によりＧＩファイバが短縮されこの領域に入ってしまう場合がある。Ｐは図３で既に説明したように０．５ピッチ周期で同様の挙動を繰り返す為、０．５＜Ｐ＜０．７５は０＜Ｐ＜０．２５と同一であり発散光である。図６はピッチを変更した場合の光コネクタＳ１の結合損失を示すグラフである。コアレスファイバの長さＬ２は１００μｍで統一した。先に述べたようにＰ＜０．２５では急速に損失が増大する。また、Ｐ＞０．４でも損失が増大していくので好ましくは０．２５＜Ｐ＜０．４の領域となる。
【００３８】
また、コアレスファイバ３は単にコアを持たないファイバであるだけでなく、純石英であった方が良い。全くドーパントを含まないので純石英は融点１６００℃程度あり、他のシングルモードファイバ、ＧＩファイバはドーパントが添加されているため純石英より数十度から数百度融点が下がってしまうため、またドーパントが無い方が硬度も高く耐久性があるためである。
【００３９】
さらにビーム径を広げるためには、ＧＩファイバ２のコア２ｂの径を広げることと、ＧＩファイバ２の屈折率差△を小さくすることが有効であり、例えばコア半径ｒ＝５０μｍ、屈折率差△＝０．００９（０．９％）ではビーム径は４０μｍ以上に広げることが可能となり、エネルギー密度は１／１６まで下げることが可能となる。
【００４０】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の光デバイスによれば、以下の顕著な効果を奏することができる。
【００４１】
・光接続時のビーム径を広げることでパワー密度を下げ、接続端面における焼きつき、溶融を防ぐことが出来る。
【００４２】
・コネクタ形成時に研磨加工される端面はコアレスファイバであって、ＧＩファイバは加工により、長さが変化しないため、光学的に安定している。
【００４３】
・後から再研磨の必要があっても、ＧＩファイバの集光特性が変化せず問題なく再研磨可能である。
【００４４】
・コアレスファイバは薄膜では無いので耐久性に優れる。
【００４５】
・ＧＩファイバのＰは一般に０．２５とされるが、完全な平行光は得られない。Ｐ＞０．２５では、光が集光されるのでコネクタ結合特性が良好になる。このパラメータが正確にできるのも、コネクタ加工の研磨時にＧＩファイバの長さが安定しているためである。
【００４６】
・コアレスファイバが純石英であれば、ドーパントを全く含まないので融点が下がらず（シングルモードシングルモードファイバよりも高い）、モードフィールド径を拡大しながら、融点が下がるといった不具合がない。また、ドーパントを加えたファイバに対して、耐薬品性、硬度等が高いため、耐久性も高くなる。
【００４７】
・また、モードフィールド径が拡大するため、軸ズレに対する接続損失が減少しコネクタの結合効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）（ｂ）は本発明の実施例を示す断面模式図である。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は光コネクタの本発明の組み立て過程を示す模式図である。
【図３】ＧＲＩＮレンズ中の光線軌跡を示すグラフである。
【図４】コア拡大ファイバを用いた従来例を示す断面模式図である。
【図５】ＧＩファイバを用いた従来例を示す断面模式図である。
【図６】はピッチを変更した場合の光コネクタの結合損失を示すグラフである
【符号の説明】
１：シングルモードファイバ
１ａ：端面
１ｂ：コア
２：ＧＩファイバ
２ａ：端面
２ｂ：コア
３：コアレスファイバ
３ａ：端面
４Ａ、４Ｂ：フェルール
５：スリーブ
６：フェルール端面
７：コア拡大ファイバ
７ａ：端面
７ｂ：コア
８：光パワー分布
Ｌ：ＧＩファイバ長
ＧＲＩＮレンズ長Ｌ１
コアレスファイバ長Ｌ２
Ｐ：ピッチ
ｒ：コア半径
△：屈折率差
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３：光コネクタ
【図１】
2005017702.tif 000003
【図２】
2005017702.tif 000004
【図３】
2005017702.tif 000005
【図４】
2005017702.tif 000006
【図５】
2005017702.tif 000007
【図６】
2005017702.tif 000008