(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバコード（２）から出力される光を平行光に変換して出射、又は平行光を前記光ファイバコードへ集光する光学系（１）において、
前記光ファイバコードの端部に設けられ、端面（３ａ）が斜めに研磨された斜研磨フェルール（３）と、
コリメートレンズ（４）と、
両端面（５ａ，５ｂ）が平行に斜め研磨された斜研磨光学素子（５）と、
前記斜研磨フェルールの出射位置（３ａ）が前記コリメートレンズの焦点位置であって、且つ前記斜研磨フェルールの中心軸（Ｌ１）と前記コリメートレンズの光軸が一致するように、前記斜研磨フェルール、前記コリメートレンズ、前記斜研磨光学素子の順にこれらの部品を固定するホルダー（６）とを備えており、
出射又は入射される光の光軸が前記ホルダーの中心軸と一致するように、前記斜研磨光学素子の形状及び材質の屈折率が規定されていることを特徴とする光学系。
【請求項２】
前記斜研磨フェルール、前記コリメートレンズ及び前記斜研磨光学素子はそれぞれ円柱状をなしており、
前記ホルダー（６）は割スリーブからなることを特徴とする請求項１記載の光学系。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバコードから出射される光を平行光に変換し、平行光を光ファイバコードへ集光するコリメート／集光光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光ファイバコードのコア中を伝搬する光のパワーや波長帯域を制限する場合、図７に示すような構成の光学系が一般的に採用されている。
【０００３】
図７に示す光学系２１では、光ファイバコード２２のコア中を伝搬する光をレンズ２３を用いて空気中での平行な光に変換した後、所望の減衰素子２４あるいはフィルタ素子２５を通過させ、その後レンズ２６にて再び光ファイバコード２７へ集光している。
【０００４】
ところで、近年、光ファイバコード２２，２７の先端部に設けられるフェルール２８としては、図８に示すように、端面２８ａが斜めにカットされた斜研磨フェルール２８Ａが使用されつつある。これにより、端面２８ａで反射した光が再び光ファイバコード２２，２７へ入射し、戻り光として光源の安定度に影響を及ぼさないようにしている。
【０００５】
しかしながら、光ファイバコード２２，２７のフェルール２８として斜研磨フェルール２８Ａを用いると、図８に示すように、出射された光の光軸Ｌ１０は、斜研磨フェルール２８Ａの中心軸Ｌ１１と一致しなくなる。通常使用されるフェルール２８の光軸はコアの中心と一致している。
【０００６】
そして、一対のコリメート／集光光学系を組み立てる場合、出射側の光学系を組み立てた後、光学部品を配置し、最後に受け側である集光側の光学系の軸合わせを行っている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した軸合わせ作業には熟練が必要であった。この問題を解決するため、図９（ａ），（ｂ）に示すように、円筒状ホルダー３１と出射光光軸とが一致するように斜研磨フェルール２８Ａとレンズ２３（又は２６）を円筒状ホルダー３１に固定したコリメート／集光光学系が提案されている。
【０００８】
このコリメート／集光光学系では、図９（ａ），（ｂ）に示す如く、円筒状ホルダー３１の外形の中心軸と光軸とが一致するように、円筒状ホルダー３１の内径の中心を外形の中心からずらして切削されている。
【０００９】
そして、上記のような軸外し円筒状ホルダー３１に斜研磨フェルール２８Ａとレンズ２３（又は２６）とが組み込まれたコリメータ／集光光学系を、図１０に示すようなコの字型の保持台３２にドリルを貫通させてあけた２箇所の穴３３に対にして用いると、円柱状ホルダー３１の外形中心と光軸とを一致させることができる。これにより、光軸調整を行わなくても、損失の小さい光学系を製作することができる。
【００１０】
しかしながら、上記のような従来の軸外し円筒状ホルダー３１を用いた光学系では、外形と内径の中心をわずかにずらせるという精密な加工を必要とする欠点があった。
【００１１】
そこで、本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、精密な加工を必要とすることなく製作の簡易化を図って斜研磨フェルールによりずれる出射光又は入射光の光軸を一致させることができる光学系を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、光ファイバコード２から出力される光を平行光に変換して出射、又は平行光を前記光ファイバコードへ集光する光学系１において、
前記光ファイバコードの端部に設けられ、端面３ａが斜めに研磨された斜研磨フェルール３と、
コリメートレンズ４と、
両端面５ａ，５ｂが平行に斜め研磨された斜研磨光学素子５と、
前記斜研磨フェルールの出射位置３ａが前記コリメートレンズの焦点位置であって、且つ前記斜研磨フェルールの中心軸Ｌ１と前記コリメートレンズの光軸が一致するように、前記斜研磨フェルール、前記コリメートレンズ、前記斜研磨光学素子の順にこれらの部品を固定するホルダー６とを備えており、
出射又は入射される光の光軸が前記ホルダーの中心軸と一致するように、前記斜研磨光学素子の形状及び材質の屈折率が規定されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１の光学系において、
前記斜研磨フェルール、前記コリメートレンズ及び前記斜研磨光学素子はそれぞれ円柱状をなしており、
前記ホルダー６は割スリーブからなることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は本発明による光学系の実施の形態を示す図である。
【００１５】
図１に示すように、本例における光学系１は、光ファイバコード２の先端部に設けられる斜研磨フェルール３、レンズ４、斜研磨光学素子５、ホルダー６を備えて構成される。単一のホルダー６内には、斜研磨フェルール３、レンズ４、斜研磨光学素子５の順にこれらの部品３，４，５が所定間隔をおいて固定されている。そして、斜研磨光学素子５は、出射又は入射される光の光軸がホルダー６の中心軸と一致するように、形状及び材質の屈折率が規定されている。
【００１６】
本例における光学系１では、斜研磨フェルール３側から光が入射されると、その光をレンズ４を介して平行光に変換して斜研磨光学素子５から出射している。これに対し、斜研磨光学素子５側から平行光が入射されると、その平行光をレンズ４を介して斜研磨フェルール３のコア中心軸（図中一点鎖線で示すＬ１）上に集光している。
【００１７】
ホルダー６は、部品加工精度を吸収することを目的として、円筒状の割スリーブが用いられる。ホルダーをなす割スリーブ６には、円筒の中心軸と平行で、かつ中心軸に沿って貫通したスリット状の切れ目６ａが形成されている。
【００１８】
円柱状をなす斜研磨フェルール３は、先端面３ａがコア中心軸Ｌ１と直交する面に対し、例えば４°〜８°程度の角度を持って斜めにカットされている。これにより、先端面３ａで反射した光が再び光ファイバコード２へ入射し、戻り光として光源の安定度に影響を及ぼさないようにしている。斜研磨フェルール３は、先端面３ａがレンズ４側に向くように割スリーブ６内に設置して固定されている。
【００１９】
レンズ４は、斜研磨フェルール３側から入射された光を平行光に変換して出力し、斜研磨光学素子５から入射された平行光を斜研磨フェルール３のコア中心軸Ｌ１上に集光している。レンズ４は、例えば図１に示すような両端面が凸状の球面をなす円柱状のドラムレンズの他、セルフォックレンズ等のコリメータレンズで構成することができる。レンズ４は、斜研磨フェルール３と斜研磨光学素子５との間で割スリーブ６内のほぼ中心位置で、かつ先端面３ａからレンズの主点までの距離が焦点距離となる位置に設置して固定されている。
【００２０】
斜研磨光学素子５は、両端面が平行に斜め研磨された円柱状の光学素子で構成される。斜研磨光学素子５は、一方の斜研磨面がレンズ４側に向くように割スリーブ６内に設置して固定されている。斜研磨光学素子５は、光が入出射する二つの面（両端面）５ａ，５ｂが互いに高精度に平行であり、出射又は入射される光の光軸が割スリーブ６の中心軸と一致するように、その形状、材質の屈折率、斜研磨角度、長さ、斜研磨フェルールとの距離、光軸との角度、軸回りの設置角等が規定されている。
【００２１】
ここで、上記斜研磨光学素子５の両端面５ａ，５ｂの平行度は高精度に仕上げられている必要が有り、特に長い距離に亘って平行光を伝搬する場合には、特に重要となる。例えば円柱状の光学素子の両端面を独立して斜研磨した場合には、その平行度は非常に悪く、実用的に用いることが出来ない。
【００２２】
このため、上記円柱状の斜研磨光学素子５は、以下に説明する加工方法の手順によって作製される。
【００２３】
まず、図２（ａ）に示すように、高精度に仕上げられた平面平板１１を四角柱状に切り出す。続いて、図２（ｂ）に示すように、四角柱状に切り出したもの１２を一般的な加工精度で斜め８°に傾いた四角柱状に切り分ける。この時、円柱状に切り出す必要はない。その後、図２（ｃ）に示すように、斜め８°に傾いた四角柱状に切り分けたもの１３を円筒ホルダ１４内に挿入し、回りを接着固定する。これにより、円柱状の斜研磨光学素子５が完成する。
【００２４】
次に、上記斜研磨光学素子５の具体例を図３（ａ）〜（ｃ）に基づいて説明する。
【００２５】
図３（ａ）に示すように、斜研磨フェルール３のコア部分の屈折率をｎ０（＝１．５）、先端面３ａの斜研磨角度をθ０（＝８°）、空気の屈折率をｎ１（＝１）とすると、出射光の回折角θ１は、スネルの法則より、ｎ０・ｓｉｎθ０＝ｎ１・ｓｉｎθ１、θ１＝ｓｉｎ-1（ｎ０／ｎ１・ｓｉｎθ０）≒１２°となる。よって、振れ角ψ（斜研磨フェルール３のコア中心軸Ｌ１と出射光軸Ｌ２とがなす角）は、ψ＝θ１−θ０＝４°となる。
【００２６】
図３（ｂ）に示すように、斜研磨フェルール３の先端面３ａに対するレンズ４の焦点距離をｆ（＝２ｍｍ）とすると、平行光軸のずれ量ｘ（斜研磨フェルール３のコア中心軸Ｌ１−Ｌ１から平行光の光軸Ｌ３−Ｌ３までの距離）は、ｘ＝ｆ・ｔａｎψ≒０．１４ｍｍとなる。
【００２７】
斜研磨光学素子５として、屈折率ｎ３（＝１．５）のＢＫ７（ホウケイ酸クラウンガラス）を、斜研磨角度θ２（＝８°）にて研磨したものを用いる場合の素子の長さＩを以下の手順にて求める。
【００２８】
光軸Ｌ４と入射面５ａとの交点を点Ａ、光軸Ｌ４と出射面５ｂとの交点を点Ｂ、点Ａから斜研磨フェルール３のコア中心軸Ｌ１に下した垂線との交点を点Ｃ、入射面５ａと斜研磨フェルール３のコア中心軸Ｌ１との交点を点Ｄとする。
【００２９】
屈折角θ３は、スネルの法則より、ｎ１・ｓｉｎθ２＝ｎ３・ｓｉｎθ３、θ３＝ｓｉｎ-1（ｎ１／ｎ３・ｓｉｎθ２）≒５．３°となる。
【００３０】
よって、∠ＣＡＢは、∠ＣＡＢ＝９０°−θ２＋θ３≒８７．３°となる。また、辺ＣＢの長さは、ＣＢ＝ｘ・ｔａｎ∠ＣＡＢ≒２．９７ｍｍとなる。さらに、辺ＤＣの長さは、ＤＣ＝ｘ・ｔａｎθ２≒０．０２ｍｍとなる。
【００３１】
よって、斜研磨光学素子５の長さＩは、Ｉ＝ＣＢ＋ＤＣ≒３ｍｍとなる。
【００３２】
ところで、図１０に示すような光学系において、コア径１０μｍで先端面の斜研磨角度が８°に形成された斜研磨フェルール２８Ａと、焦点距離２ｍｍのレンズ２３（又は２６）とを用いた場合、平行光の軸ずれ量と結合効率の関係を計算すると、図４の様な特性を示す。
【００３３】
そして、上記光学系のように、斜研磨光学素子５を用いない場合の軸ずれ量の最悪値は１４０μｍ×２＝２８０μｍとなる。従って、斜研磨光学素子５を用いない光学系では、最悪１０ｄＢ近くの損失を発生することになる。
【００３４】
これに対し、本例では、斜研磨フェルール３及びレンズ４に加えて斜研磨光学素子５を同一の割スリーブ（ホルダー）６に固定して光学系１を構成し、以下に説明するように、損失を抑えて十分実用に耐えられるようになっている。
【００３５】
まず、斜研磨光学素子５の長さＩの加工精度が結合効率に及ぼす影響について説明すると、斜研磨光学素子５の長さＩと軸ずれ量ｘは比例関係にあり、長さＩの変化量ΔＩに対する軸ずれ量ｘの変化量Δｘは、Δｘ／ｘ＝ΔＩ／Ｉと表される。この式に、前記の値ｘ＝１４０μｍ、Ｉ＝３ｍｍ、及び、一般的な加工精度としてΔＩ＝±０．１ｍｍ程度を代入すると、Δｘ≒±４．７μｍとなる。
【００３６】
従って、両コリメート間の軸ずれ量は１０μｍ以下、損失の最悪値は０．０２ｄＢ以下と非常に小さいものであり、十分実用に用いる事が出来る。
【００３７】
次に、斜研磨光学素子５の斜研磨角度θ２の加工精度が結合効率に及ぼす影響について説明すると、斜研磨光学素子５の斜研磨角度θ２の加工精度は±０．５°程度である。この時の屈折角θ３の変化量Δθ３は、θ３を求める式をθ２にて微分することにより求められ、θ３≒±０．３３°である。そして、この時の軸ずれ量ｘの変化量Δｘは、Δｘ≒ＢＣ／ｃｏｓθ３・ｔａｎΔθ３≒±１７μｍとなる。
【００３８】
従って、両コリメート間の軸ずれ量は３５μｍ以下、損失の最悪値は前記平行軸ずれの場合よりは大きくなり０．２ｄＢ以下である。しかしながら、実用に用いる場合でも十分許容できる範囲である。
【００３９】
次に、軸回りの回転トレランスについて説明する。斜研磨フェルール３と斜研磨光学素子５が割スリーブ６の中心軸Ｌ５に対して相対的に回転すると、出射光軸Ｌ６が中心軸Ｌ５と一致しなくなる。図５の破線で示すように、出射光軸Ｌ６は、出射側から光学系１を見ると、一端が中心軸Ｌ５を通り半径１４０μｍの円周上に位置する。相対回転角を微少角αとすると、軸ずれ量ｘの変化量Δｘは、Δｘ≒ｘ・α、但しαはｒａｄなので、加工（調整）精度を±２°とすると、Δｘ≒５μｍとなる。
【００４０】
従って、平行軸ずれの場合と同様に、損失の最悪値は０．０２ｄＢ以下と非常に小さいものであり、十分実用に用いる事が出来る。
【００４１】
ところで、光学系１を設計する場合においては、多重反射の影響を考慮に入れなければならない。
【００４２】
具体的には、図６に示すように、斜研磨フェルール３の端面３ａと斜研磨光学素子５の端面５ａ間の多重反射、斜研磨光学素子５の両端５ａ，５ｂ間の多重反射、それらの複合多重反射、上記以外の面における多重反射等々を考慮する必要がある。
【００４３】
この多重反射の影響は、結合効率の波長依存性の劣化として現れたり、光源へ戻り光として戻る場合には光源の安定性の劣化として現れたりする。
【００４４】
そこで、主光ビームおよび多重反射光のビーム径、多重反射光の軸ずれ量、多重反射光の角度ずれ量、反射面における反射率、透過率等から受光系に対する結合効率（および戻り光の比率）を計算し、系に影響を及ぼさない値となるように、斜研磨光学素子５の材質（屈折率）、斜研磨角度、長さ、減反射コーティング、斜研磨フェルール３との距離等を決定する。
【００４５】
このように、本実施の形態の光学系１では、斜研磨フェルール３及びレンズ４の構成に加え、両端５ａ，５ｂが平行に斜研磨されている斜研磨光学素子５を同一のホルダー（割スリーブ）６に収容固定している。そして、斜研磨光学素子５は、出射又は入射される光の光軸がホルダー６の中心軸Ｌ５と一致するように形状及び材質の屈折率が規定されている。これにより、従来のような精密な加工を必要とすることなく光学系の製作の簡易化が図れ、斜研磨フェルール３によりずれる出射光又は入射光の光軸を一致させることができる。
【００４６】
そして、光ファイバコードを伝搬する光のパワーや波長帯域を制限する場合には、各構成部品（斜研磨フェルール３、レンズ４、斜研磨光学素子５）が対称に配置されるように、図１０の破線で囲む部分（保持台３２の２箇所の穴３３，３３）に本例の光学系１を対にして取り付ければ、特別な光軸調整を行うことなく、損失の小さい平行光学系を構成することができる。
【００４７】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明によれば、従来のような高精度の加工技術を用いなくても、斜研磨フェルールによりずれる出射光又は入射光の光軸を一致させることができ、製作の簡易化が図れるという効果を奏する。
【００４８】
特に、請求項２の光学系によれば、各部品（斜研磨フェルール、コリメートレンズ、斜研磨光学素子）の加工精度を吸収した状態で、従来のような高精度の加工技術を用いることなく、斜研磨フェルールによりずれる出射光又は入射光の光軸を一致させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による光学系の実施の形態を示す側断面図
【図２】（ａ）〜（ｃ）斜研磨光学素子の加工手順を示す図
【図３】（ａ）〜（ｃ）斜研磨光学素子の具体例を説明するための図
【図４】斜研磨光学素子を用いない場合の軸ずれ量に対する損失の特性図
【図５】本発明による光学系を出射側から見た図
【図６】（ａ）斜研磨フェルール端面と斜研磨光学素子端面間の多重反射を示す図
（ｂ）斜研磨光学素子両端面間の多重反射を示す図
【図７】光ファイバコードを伝搬する光のパワーや波長帯域を変換するときに採用される一般的な光学系の構成図
【図８】斜研磨フェルールを有する光ファイバコードの側面図
【図９】（ａ）出射光の光軸合わせに円筒状ホルダーを採用した従来の光学系の側断面図
（ｂ）円筒状ホルダーを出射側から見た断面図
【図１０】図９の円筒状ホルダーを採用した光学系を保持台に取り付けた状態の断面図
【符号の説明】
１…光学系、２…光ファイバコード、３…斜研磨フェルール、３ａ…先端面、４…レンズ、５…斜研磨光学素子、５ａ，５ｂ…入出射面、６…ホルダー（割スリーブ）、６ａ…切れ目。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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