(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
屈折率調整物質としてSb2O3  、Ta2O5  、TiO2  又はZrO2から選択される１種以上を含有する石英ガラスでなるＧＲＩＮレンズ（Graded Indexレンズ）の一端に光ファイバを融着したＧＲＩＮレンズ付き光ファイバ１対を、そのＧＲＩＮレンズ端面を対向させて一体化すると共に、前記ＧＲＩＮレンズ端面間に光学要素を設けた光ファイバコリメータ系の製造法であって、
複数の光ファイバコリメータ系を試作するステップと、
試作した複数の光ファイバコリメータ系の１対のＧＲＩＮレンズの水平方向位置ずれ量と傾斜角度を測定するステップと、
目標歩留まり及び目標結合損失を設定するステップと、
前記水平方向位置ずれ量及び前記傾斜角度を前記目標歩留まりに照らして許容水平方向位置ずれ量及び許容傾斜角度を求めるステップと、
前記許容水平方向位置ずれ量及び許容傾斜角度からＧＲＩＮレンズの開口数を求めるステップと、
前記求めた開口数以上の開口数を有するＧＲＩＮレンズを用いて光ファイバコリメータ系を製造するステップを有することを特徴とする光ファイバコリメータ系の製造方法。
【請求項２】
屈折率調整物質としてTa2O5  又はTiO2から選択される１種以上を含有する石英ガラスでなるＧＲＩＮレンズの一端に光ファイバを融着したＧＲＩＮレンズ付き光ファイバ１対を、そのＧＲＩＮレンズ端面を対向させて一体化すると共に、前記ＧＲＩＮレンズ端面間に光学要素を設けた光ファイバコリメータ系の製造法であって、
複数の光ファイバコリメータ系を試作するステップと、
試作した複数の光ファイバコリメータ系の１対のＧＲＩＮレンズの水平方向位置ずれ量と傾斜角度を測定するステップと、
目標歩留まり及び目標結合損失を設定するステップと、
前記水平方向位置ずれ量及び前記傾斜角度を前記目標歩留まりに照らして許容水平方向位置ずれ量及び許容傾斜角度を求めるステップと、
前記許容水平方向位置ずれ量及び許容傾斜角度からＧＲＩＮレンズの開口数を求めるステップと、
前記求めた開口数以上の開口数を有するＧＲＩＮレンズを用いて光ファイバコリメータ系を製造するステップを有することを特徴とする光ファイバコリメータ系の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２の光ファイバコリメータ系の製造方法において、前記ＧＲＩＮレンズがゾルゲル法により製造されたものであることを特徴とする光ファイバコリメータ系の製造方法。
【請求項４】
屈折率調整物質としてSb2O3  、Ta2O5  、TiO2  又はZrO2から選択される１種以上を含有する石英ガラスでなるＧＲＩＮレンズ（Graded Indexレンズ）の一端に光ファイバを融着したＧＲＩＮレンズ付き光ファイバ複数個を、前記ＧＲＩＮレンズ部分を並列して一体化した光ファイバコリメータアレイ１対を直接又はミラーを介して対向させた光コリメータアレイ系の製造法であって、
複数の光ファイバコリメータアレイ系を試作するステップと、
試作した複数の光ファイバコリメータアレイ系の各対応するＧＲＩＮレンズの水平方向位置ずれ量と傾斜角度を測定するステップと、
目標歩留まり及び目標結合損失を設定するステップと、
前記水平方向位置ずれ量及び前記傾斜角度を前記目標歩留まりに照らして許容水平方向位置ずれ量及び許容傾斜角度を求めるステップと、
前記許容水平方向位置ずれ量及び許容傾斜角度からＧＲＩＮレンズの開口数を求めるステップと、
前記求めた開口数以上の開口数を有するＧＲＩＮレンズを用いて光ファイバコリメータアレイ系を製造するステップを有することを特徴とする光ファイバコリメータアレイ系の製造方法。
【請求項５】
屈折率調整物質としてTa2O5  又はTiO2から選択される１種以上を含有する石英ガラスでなるＧＲＩＮレンズの一端に光ファイバを融着したＧＲＩＮレンズ付き光ファイバ複数個を、前記ＧＲＩＮレンズ部分を並列して一体化した光ファイバコリメータアレイ１対を直接又はミラーを介して対向させた光コリメータアレイ系の製造法であって、
複数の光ファイバコリメータアレイ系を試作するステップと、
試作した複数の光ファイバコリメータアレイ系の各対応するＧＲＩＮレンズの水平方向位置ずれ量と傾斜角度を測定するステップと、
目標歩留まり及び目標結合損失を設定するステップと、
前記水平方向位置ずれ量及び前記傾斜角度を前記目標歩留まりに照らして許容水平方向位置ずれ量及び許容傾斜角度を求めるステップと、
前記許容水平方向位置ずれ量及び許容傾斜角度からＧＲＩＮレンズの開口数を求めるステップと、
前記求めた開口数以上の開口数を有するＧＲＩＮレンズを用いて光ファイバコリメータアレイ系を製造するステップを有することを特徴とする光ファイバコリメータアレイ系の製造方法。
【請求項６】
請求項４又は５の光ファイバコリメータアレイ系の製造方法において、前記ＧＲＩＮレンズがゾルゲル法により製造されたものであることを特徴とする光ファイバコリメータアレイ系の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＧＲＩＮレンズ付き光ファイバを任意の光学要素を挟んで対向配置した光ファイバコリメータ系、ＧＲＩＮレンズ付き光ファイバを複数個並列に位置した光ファイバコリメータアレイ、光ファイバコリメータ系の製造方法、及び光ファイバコリメータアレイを対向配置した光ファイバコリメータアレイ系の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
【従来の技術】
従来より光情報伝達においては、一方の光ファイバからの発散光である出射光をコリメータレンズにより平行光とし、この平行光を伝播させた後、別のコリメータレンズにより集光して他方の光ファイバに入射させることが行われている。このような光学系は「コリメータ系」と称されており、両コリメータレンズ間にフィルタや光アイソレータ用素子、光スイッチ、光変調器等各種の光学要素を挿入することにより、多様な光学モジュールを構築することができる。コリメータレンズとしては、一般的に凸レンズが用いられるが、取り付けの容易性から円柱状の分布屈折率レンズ（Graded Indexレンズ、以下「ＧＲＩＮレンズ」と略す。）が用いられている。このＧＲＩＮレンズは、図１に示すように、その断面方向ｘ、ｙの屈折率ｎを下記（1）式であらわしたとき、円柱状の中心軸の屈折率が最も高く、中心軸から外周方向に離れると連続的に、二次曲線状に屈折率が低くなっているレンズで、この屈折率分布によってレンズ作用が行われる。
0004080517.tif 000002
ここで、ｇはGRINレンズの集光能力を表わす定数、ｎ0はGRINレンズの材料の屈折率、ｒは半径方向の距離（ｒ２＝ｘ２＋ｙ２）である。
図１に示すように、GRINレンズの半径をa、半径aでの屈折率をｎaとすれば、
0004080517.tif 000003
と表わされる。ここで、NAはGRINレンズの中心と周辺での屈折率の2乗差の平方根で、開口数Numerical
Aperture（以下、「NA」と略す。）と称し、レンズ性能を表わす重要なパラメータである。NAの高いレンズは光の集光能力が高い、即ちレンズ特性の良いレンズである。コリメータレンズとして用いられるＧＲＩＮレンズの長さ（Ｌ）は、ＧＲＩＮレンズ内を伝搬する伝搬光の蛇行周期の1/4の長さ、あるいはその奇数倍の長さに設定される。蛇行周期の1/4の長さをＬ1/4とすると、
0004080517.tif 000004
である。ここで、GRINレンズの長さLは対向するコリメータレンズの間隔が短い場合には、（３）式で示す伝搬光の蛇行周期の1/4の長さ、あるいはその奇数倍の長さに設定されるが、間隔が長くなれば結合損失を向上させるためにＬ1/4より若干長く設定されるのが一般的である。ここでは、説明上コリメータレンズの間隔が短い場合について説明する。
【０００３】
図２はＧＲＩＮレンズ１ａ，１ｂを一対、対向配置させた単芯のコリメータ系を示す斜視図である。各ＧＲＩＮレンズ１ａ，１ｂには、その対向面とは反対側の端面に光軸を一致させて光ファイバ２ａ，２ｂが接続されており、一方の光ファイバ2aからの光をそれに接続するＧＲＩＮレンズ１ａで平行光として出射し、他方のＧＲＩＮレンズ１ｂではこの平行光を集光してそれに接続する光ファイバ２ｂへと導くことにより光信号の伝達が行われる。従って、このようなＧＲＩＮレンズ１ａ，１ｂを用いたコリメータ系では、結合損失を少なくするために、対向するＧＲＩＮレンズ１ａ，１ｂどうしの光軸、更にはＧＲＩＮレンズ１ａ，１ｂと光ファイバ２ａ，２ｂとの光軸を精度良く一致させる必要がある。
【０００４】
図３は光ファイバコリメータアレイ１を一対、対向配置させた光ファイバコリメータアレイ系を示す概略斜視説明図である。両光ファイバコリメータアレイ１間には、MEMS（Micro Electro-Mechanical Systems）式の2自由度の光スイッチアレー３が2段挿入されている。各光ファイバコリメータアレイ１の各ＧＲＩＮレンズの対向面とは反対側の端面には、光軸を一致させて光ファイバ２ａ，２ｂが接続され、これらの光ファイバの集団で光ファイバアレイ２を構成している。一方の各光ファイバ２aからの光をそれに接続するＧＲＩＮレンズ１aで平行光として出射し、光スイッチアレイ３の光スイッチ３ａ，３ｂで2回反射し、反射の角度を変えることにより方向を変えた平行光とし、他方の各ＧＲＩＮレンズ１ｂではこの平行光を集光して、それに接続する光ファイバ２ｂへと導くことにより光信号の伝達が行われる。光の光路は、2段のMEMS式光スイッチアレイ３を構成する2自由度のマイクロミラー３ｃの反射角度をそれぞれ適量変えることによって切り替えがなされる。従って、このようなコリメータ系では、結合損失を少なくするために、対向するＧＲＩＮレンズ１ａ，１ｂどうしの光軸、個々のＧＲＩＮレンズ１ａと光ファイバ２aとの光軸をそれぞれ精度良く一致させる必要がある。
【０００５】
ここで、光アイソレータ素子を搭載した単芯のコリメータ系の実用例を図４に示す。1.8mmΦのGRINレンズ１ａと光ファイバ２ａを内蔵した業界標準の0.9mmΦの光ファイバ芯線７は,外径が3mmΦ、内径が1.8mmと0.9mmに制御された同心円の光ファイバレンズホルダ（メタル）8に相互から挿入して接着固定されている。光ファイバ２ａとGRINレンズ１ａとの光軸合わせの精度は、光ファイバレンズホルダ８の同心円の内径加工精度によって左右されるので高度な加工精度が要求される。この光ファイバレンズホルダ８を、外形10mmで内径が3mmに制御されたコリメータホルダ（メタル）９に挿入し、その固定用フランジ１１でコリメータホルダ９にピン止め固定されている。このように対向配置させた単芯のコリメータ系の光軸合わせは、光ファイバレンズホルダ８の外径・内径及びコリメータホルダ９の内径の加工精度によって左右されるので高度な加工精度が要求される。このように対向配置させた単芯のコリメータ系では、光ファイバ２ａから出射した光はＧＲＩＮレンズ１ａで集光されてほぼ平行な光６として出射される。このほぼ平行な光６は他端のＧＲＩＮレンズ１ｂで集光され光ファイバ２ｂに入射し、コリメータ系が機能する。これら一対の対向したコリメータ系の中間には、種々の光学要素１０、例えば本例のような光アイソレータ部品が挿入固定される。
【０００６】
しかしながら、治具の加工精度や生産技術上の合わせ精度（図４の場合には各種ホルダ８，９の加工精度、ＧＲＩＮレンズ１ａ及び光ファイバ芯線の公差精度）の問題で、たとえば図４のようにＧＲＩＮレンズ１ａ，１ｂを対向配置させる際に、種々の方向への軸ずれが発生するのが一般的である。図２に示すようにＧＲＩＮレンズ１ａ，１ｂ及び光ファイバ２ａ，２ｂに共通する理想的な光軸を符号Ｃで表し、この光軸Ｃと平行な方向をＺ方向、水平方向に直交する方向をＸ方向、垂直方向に直交する方向をＹ方向と規定すると、考えられる対向レンズ間の軸ずれとしては、Ｘ方向への変位、Ｘ方向における傾斜角θｘ、また、Ｙ方向への変位及びＹ方向における傾斜角θｙが生じる。
【０００７】
また、図３に示したように、２個の光ファイバコリメータアレイ１，１の間にMEMS（Micro Electro-Mechanical Systems）式の２自由度の光スイッチアレイ３が２段挿入されている光ファイバコリメータアレイ系の場合には、光の光路が２段のMEMS式光スイッチアレイ３を構成する２自由度のマイクロミラー３ｃの反射角度を適量変えることによって切り替えられるが、光スイッチアレイ内の各々のマイクロミラー３ｃのミラー角度が光スイッチアレイ内で全て等しくなく若干異なっているため、例え、光ファイバコリメータアレイ１間の調芯が完全になされたとしても、光スイッチアレイ内のミラー角度のずれによって光軸のずれがそのばらつき分生じることになる。このため、MEMS式の光ファイバコリメータアレイ系の場合には、通常、図２に示したＧＲＩＮレンズ１ａ，１ｂを一対、対向配置させた単芯のコリメータ 系の場合に比べ大きな軸ずれが生じるのが一般的である。
【０００８】
通常、ＧＲＩＮレンズと光ファイバは接着剤を用いて接続されている。USP4213677に代表される様なこの接着剤を用いて光ファイバとＧＲＩＮレンズを固定している構造では、接着剤の光吸収により高強度光が入射した場合、温度上昇し接着剤が変質することにより光学特性が劣化する。一般的に光学接着剤は、光通信で使用される波長域での吸収が１〜５％程度であり、変質温度は高くても400℃程度である。これらの範囲の物性値であると数Ｗクラスの光強度には、耐えることができない。また光ファイバとＧＲＩＮレンズが接着剤を介して接合されているから、この接着剤に空気を巻き込んで生じる気泡や光軸のずれおよび角度ずれ、接続面での反射戻り光の増加など、製品の歩留まりが劣化する要因が多く存在し、高価になるという問題があった。また、各ＧＲＩＮレンズと光ファイバとの光軸を４軸にわたり精度良く一致させる必要があり、実装コストが高価になるという問題があった。
【０００９】
上記の問題を解決するために、USP4701011やUSP5384874で開示されているように、ＧＩ（Graded-Index）光ファイバをコリメータレンズとして用いた構造が提案されている。このＧＩ光ファイバは、コア部分の屈折率が、放物線状に変化する光ファイバである。ＧＩ光ファイバは、光ファイバと同じ石英製のため光ファイバと融着接続することが可能で、高強度光に対する耐性を得ることが期待できる。この場合、通常のＧＩ光ファイバは、気相CVD（Chemical Vapor Deposition）法で作成される。気相法では、0.38のＮＡ（例えば文献；P.B.O’Connorほか：Electron.Lett.,13(1977)170-171）が得られているが、それ以上のＮＡを得るために添加物（GeO2,P2O5など）の添加量を増やしていくと、熱膨張係数が大きくなり母材が割れやすくなるなど熱膨張性の整合の点で、また高いＮＡが得られないなど屈折率の制御性の点で、実際にコリメータレンズとして組み立てる際の取扱性が悪いものであった。
特許文献１：米国特許第４２１３６７７号公報
特許文献２：米国特許第４７０１０１１号公報
特許文献３：米国特許第５３８４８７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記のように、従来では、多軸方向にわたる複雑で微妙な調芯作業が必要で、その工程は困難を極めていた。本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、調芯作業の困難さを低減させ、結合損失が少なく、光学特性が劣化しない光ファイバコリメータ系及び光ファイバコリメータアレイ系を提供する共に、結合損失が少ない光ファイバコリメータ系及び光ファイバコリメータアレイ系を効率よく製造できる製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本願発明は、屈折率調整物質としてSb2O3  、Ta2O5  、TiO2  又はZrO2から選択される１種以上を含有する石英ガラスでなるＧＲＩＮレンズ（Graded Indexレンズ）の一端に光ファイバを融着したＧＲＩＮレンズ付き光ファイバ１対を、そのＧＲＩＮレンズ端面を対向させて一体化すると共に、前記ＧＲＩＮレンズ端面間に光学要素を設けた光ファイバコリメータ系の製造法であって、
複数の光ファイバコリメータ系を試作するステップと、
試作した複数の光ファイバコリメータ系の１対のＧＲＩＮレンズの水平方向位置ずれ量と傾斜角度を測定するステップと、
目標歩留まり及び目標結合損失を設定するステップと、
前記水平方向位置ずれ量及び前記傾斜角度を前記目標歩留まりに照らして許容水平方向位置ずれ量及び許容傾斜角度を求めるステップと、
前記許容水平方向位置ずれ量及び許容傾斜角度からＧＲＩＮレンズの開口数を求めるステップと、
前記求めた開口数以上の開口数を有するＧＲＩＮレンズを用いて光ファイバコリメータ系を製造するステップを有することを特徴とする光ファイバコリメータ系の製造方法である。（請求項１）
【００１２】
また本願発明は、屈折率調整物質としてTa2O5  又はTiO2から選択される１種以上を含有する石英ガラスでなるＧＲＩＮレンズの一端に光ファイバを融着したＧＲＩＮレンズ付き光ファイバ１対を、そのＧＲＩＮレンズ端面を対向させて一体化すると共に、前記ＧＲＩＮレンズ端面間に光学要素を設けた光ファイバコリメータ系の製造法であって、
複数の光ファイバコリメータ系を試作するステップと、
試作した複数の光ファイバコリメータ系の１対のＧＲＩＮレンズの水平方向位置ずれ量と傾斜角度を測定するステップと、
目標歩留まり及び目標結合損失を設定するステップと、
前記水平方向位置ずれ量及び前記傾斜角度を前記目標歩留まりに照らして許容水平方向位置ずれ量及び許容傾斜角度を求めるステップと、
前記許容水平方向位置ずれ量及び許容傾斜角度からＧＲＩＮレンズの開口数を求めるステップと、
前記求めた開口数以上の開口数を有するＧＲＩＮレンズを用いて光ファイバコリメータ系を製造するステップを有することを特徴とする光ファイバコリメータ系の製造方法である。（請求項２）
【００１３】
また本願発明は、請求項１又は２の光ファイバコリメータ系の製造方法において、前記ＧＲＩＮレンズがゾルゲル法により製造されたものであることを特徴とする光ファイバコリメータ系の製造方法である。（請求項３）
【００１４】
また本願発明は、屈折率調整物質としてSb2O3  、Ta2O5  、TiO2  又はZrO2から選択される１種以上を含有する石英ガラスでなるＧＲＩＮレンズ（Graded Indexレンズ）の一端に光ファイバを融着したＧＲＩＮレンズ付き光ファイバ複数個を、前記ＧＲＩＮレンズ部分を並列して一体化した光ファイバコリメータアレイ１対を直接又はミラーを介して対向させた光コリメータアレイ系の製造法であって、
複数の光ファイバコリメータアレイ系を試作するステップと、
試作した複数の光ファイバコリメータアレイ系の各対応するＧＲＩＮレンズの水平方向位置ずれ量と傾斜角度を測定するステップと、
目標歩留まり及び目標結合損失を設定するステップと、
前記水平方向位置ずれ量及び前記傾斜角度を前記目標歩留まりに照らして許容水平方向位置ずれ量及び許容傾斜角度を求めるステップと、
前記許容水平方向位置ずれ量及び許容傾斜角度からＧＲＩＮレンズの開口数を求めるステップと、
前記求めた開口数以上の開口数を有するＧＲＩＮレンズを用いて光ファイバコリメータアレイ系を製造するステップを有することを特徴とする光ファイバコリメータアレイ系の製造方法である。（請求項４）
【００１５】
また本願発明は、屈折率調整物質としてTa2O5  又はTiO2から選択される１種以上を含有する石英ガラスでなるＧＲＩＮレンズの一端に光ファイバを融着したＧＲＩＮレンズ付き光ファイバ複数個を、前記ＧＲＩＮレンズ部分を並列して一体化した光ファイバコリメータアレイ１対を直接又はミラーを介して対向させた光コリメータアレイ系の製造法であって、
複数の光ファイバコリメータアレイ系を試作するステップと、
試作した複数の光ファイバコリメータアレイ系の各対応するＧＲＩＮレンズの水平方向位置ずれ量と傾斜角度を測定するステップと、
目標歩留まり及び目標結合損失を設定するステップと、
前記水平方向位置ずれ量及び前記傾斜角度を前記目標歩留まりに照らして許容水平方向位置ずれ量及び許容傾斜角度を求めるステップと、
前記許容水平方向位置ずれ量及び許容傾斜角度からＧＲＩＮレンズの開口数を求めるステップと、
前記求めた開口数以上の開口数を有するＧＲＩＮレンズを用いて光ファイバコリメータアレイ系を製造するステップを有することを特徴とする光ファイバコリメータアレイ系の製造方法である。（請求項５）
【００１６】
また本願発明は、請求項４又は５の光ファイバコリメータアレイ系の製造方法において、前記ＧＲＩＮレンズがゾルゲル法により製造されたものであることを特徴とする光ファイバコリメータアレイ系の製造方法である。（請求項６）
【発明の効果】
【００１７】
本発明における光ファイバコリメータ系及び光ファイバコリメータアレイ系は、ＧＲＩＮレンズと光ファイバとが既に接続されているものを用いるので、組立に際してレンズと光ファイバとの光軸合わせが不要で、高効率に組み立てることができる。また、ＧＲＩＮレンズと光ファイバとを融着接続するので、融着の際の表面張力による自己配列効果によりＧＲＩＮレンズと光ファイバとの軸が自動的に一致し、製造がきわめて容易であり、大量生産も可能である。また、接着剤を用いないので、高強度光が入射した場合、温度上昇し接着剤が変質することにより光学特性が劣化するという問題もない。
【００１８】
本発明の光ファイバコリメータ系は、複数の試作品から水平方向位置ずれ量と傾斜角度の傾向を調べるので、これに基づいて目標歩留まり及び目標結合損失を達成するための許容水平方向位置ずれ量及び許容傾斜角度を求めることができる。そして、許容水平方向位置ずれ量及び許容傾斜角度からＧＲＩＮレンズに必要な開口数の最低値を求めることができるので、必要以上に大きな開口数のＧＲＩＮレンズを使用することなく、効率よく低コストで目標の歩留まり及び結合損失を達成することができる。
【００１９】
本発明の光ファイバコリメータアレイ系も、前記の光ファイバコリメータ系と同様に、複数の試作品から水平方向位置ずれ量と傾斜角度の傾向を調べるので、これに基づいて目標歩留まり及び目標結合損失を達成するための許容水平方向位置ずれ量及び許容傾斜角度を求めることができる。そして、許容水平方向位置ずれ量及び許容傾斜角度からＧＲＩＮレンズに必要な開口数の最低値を求めることができるので、必要以上に大きな開口数のＧＲＩＮレンズを使用することなく、効率よく低コストで目標の歩留まり及び結合損失を達成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
熱膨張係数が光ファイバの石英ガラスとほぼ同等のＧＲＩＮレンズは低温合成法を基盤としたゾルゲル法で製造することができる。ゾルゲル法は、原料としてSi(OR)4（R:アルキル基）と例えばTiなどの添加元素のアルコキシドに加水分解のためのH2Oおよび、これら原料と加水分解との相溶性のためのアルコールを加えて混合すると、加水分解が進むと共に形成されたSiO2の微粒子による乳濁が見られ（ゾル状態）、ついで液の粘度が急激に高くなり流動性が失われてプリン状のゲル状態が出現する。このゲルを乾燥し、表面に吸着等で残留するアルコールやH2Oを徐々に除いて燒結ガラス化する。このゾルゲル手法を応用したガラス合成には、＜１＞低温燒結による結晶化頻度の低減、＜２＞分子レベルでの均質ガラスの合成、＜３＞高融点材料をも含めた材料の広い選択性、＜４＞高い材料合成の収率性による製造コストの低減の可能性などの特徴がある。このような特徴をもつゾルゲルプロセスを用いれば、高いＮＡを有し屈折率の制御性の良い、熱膨張係数が石英ガラスとほぼ同等であるというGRINレンズを安価に形成できる可能性がある。
【００２１】
そこで、二元系シリカガラスの屈折率の予測を行ったところ、ＧＲＩＮレンズの組成の候補としては、SiO2−Bi2O3,−In2O3,−Y2O3,−La2O3,−Ga3O2, −Sb2O3, −Gd2O3,−Nb2O5,−SnO2,−Ta２O5,−TiO2  及び−ZrO2系石英ガラスが挙げられた。この中で、Bi,In,Y,Laを含む組成は、添加元素のアルコキシドがいずれも難溶性固体で、ゲルを作製できなかった。また、Gd,Gaを含む組成は、添加物が少ない領域（Siに対する添加量が20mol%以下）でしか得られなかった。また、Nb、Sn添加ガラスは結晶性物質の存在が認められるとともに、熱膨張係数が大きくＧＲＩＮレンズとしては不適であった。以上の検討結果から、SiO2−Sb2O3, SiO2−Ta2O5, SiO2−TiO2  及びSiO2−ZrO2系石英ガラスが、高いＮＡで屈折率の制御性がよく、且つ熱膨張係数が石英の熱膨張係数5x10-7K-1に対して15x10-7K-1以下で石英ガラスとほぼ同等であるというＧＲＩＮレンズを形成できる可能性があることが判明した。但し、Sb添加ガラスは、ゲルの燒結時に添加元素のSbが蒸発するという、またZr添加ガラスは、加水分解反応は比較的早く、ゲル作成の過程で、溶媒であるメタノール中で少量では有るが沈殿が形成されるというプロセス上の不安定性を有していた。
以上の検討結果から、SiO2−Sb2O3, SiO2−Ta2O5, SiO2−TiO2  及びSiO2−ZrO2系石英ガラスが、更に願わくば、プロセスの安定性を考慮し、SiO2−Ta2O5, SiO2−TiO2系石英ガラスでは、熱膨張係数が石英ガラスとほぼ同等で、高いＮＡを有し屈折率制御性の高いＧＲＩＮレンズを形成できることが判明した。
【００２２】
本発明におけるＧＲＩＮレンズは、SiO2−Ta2O5, SiO2−TiO2系石英ガラスを主成分とし、熱膨張率が光ファイバとほぼ同等であるため、光ファイバとの融着接続が可能となる。ほぼ同じ断面形状を有する光ファイバとＧＲＩＮレンズを酸水素バーナなどの火炎のもとで融着接続すると、表面張力均衡化による自己配列効果により、これまでの懸案であった精密な軸合わせを行うことなく光ファイバとＧＲＩＮレンズの中心軸が一致し、組立て性が大幅に向上するという大きなメリットがある。この融着接続は、生産性向上の必須技術であり、融着接続することにより、光ファイバとレンズの境界面から反射されて半導体レーザに戻る光が軽減されるばかりか、従来のような接着剤を用いた接続のように、接着剤の光吸収により高強度光が入射した場合、温度上昇し接着剤が変質することにより光学特性が劣化するという問題も解消する。
【００２３】
図５は光ファイバ２ａ，２ｂに融着接合させたＧＲＩＮレンズ１ａ，１ｂを対向配置させた単芯のコリメータ系のＸＺ断面図である。ＧＲＩＮレンズ１ｂをＧＲＩＮレンズ１ａに対向配置させる際に、種々の方向への軸ずれが発生するのが一般的で、図５に示したように理想的な光軸ＺからＧＲＩＮレンズ１ｂの中心軸はＸ方向へ変位D(μm)、Ｘ方向における傾斜角θ（ラジアン）が生じているとする。光ファイバ２ａからの出射光を、光ファイバ２ａに融着接合させたＧＲＩＮレンズ１ａに入射させたときに、その中を伝搬する基本波の電界分布は近似的にガウス分布となる。そのガウス分布は、ＧＲＩＮレンズ１ａの長さLが式（３）で示した蛇行周期の1/4、すなわちL=Ｌ1/4の時には、ＧＲＩＮレンズ１ａの端面付近では(４)式に示されるスポットサイズωを持ち、GRINレンズ１ａの端面から、光ファイバ２ａとＧＲＩＮレンズ１ａの光軸Zにほぼ平行なガウス分布を持つ光ビーム６として出射する。
0004080517.tif 000005
ここで、ω0は単一モード光ファイバの電界分布のスポットサイズで、単一モード光ファイバがカットオフ周波数(=2.4)に近い構造では、光ファイバのコア半径をa0とすると、近似的に  ω0=1.1 a0 で与えられる。  また、ｋは波数で、光の波長をλとすると  k= 2π/λ  で与えられる。
【００２４】
図５に示すように、Ｘ方向（水平方向）の位置ずれＤや傾斜角度θが発生している場合には、平行なガウスビーム６は、完全にGRINレンズ1ｂを伝搬する基本波と一致せず、その結果として一部のエネルギーは光ファイバに取り込まれず、結合損失となる。この結合損失Ｔは、平行なガウスビーム６の電界分布と式（４）で示されるスポットサイズωをもつＧＲＩＮレンズ１ｂの基本波の電界分布との重なり積分を解くことによって求めることができ、デシベル表示すると近似的に式(５)によって表すことができる。
0004080517.tif 000006
【００２５】
図６に、結合損失Ｔを縦軸にＧＲＩＮレンズのスポットサイズωを横軸に取った時の式(5)の定性的な関係を示す。式（５）はωの関数で、そのグラフは  ω=(2D/kn0θ)1/2で最小値を持つ下に凸のカーブである。このため、図６に示すように結合損失をＴ（ｄＢ）より小さくするには、ＧＲＩＮレンズのスポットサイズωは、結合損失Ｔ(dB) と交差するグラフ上の2点のＧＲＩＮレンズのスポットサイズωL、ωHの間にあればよい。すなわち、式（６）を満足するように選択すればよい。
0004080517.tif 000007
【００２６】
式(２)、(４)を式(６)に代入すれば、式（７）に示すように、結合損失をＴ(ｄＢ)より小さくするに必要なＧＲＩＮレンズの開口数NAが求められる。
0004080517.tif 000008
【００２７】
通常の市場で使われている図４に示したコリメータ系の構造では、加工精度を向上させれば位置の変位Dを極力小さく抑えることはできるが、傾斜角度θの調芯手段が乏しく、傾斜角度θを小さく調芯することは不可能に近い。このため、式(７)が示しているように、傾斜角度θが大きくなれば、ＧＲＩＮレンズの開口数ＮＡは大きくなければならず、実際の調芯作業を容易にするのは、式（７）で求めた値よりも大きなＮＡのＧＲＩＮレンズを用いなければならない。
【００２８】
例えば、多数のコリメータ系を試作し、それらの対向する１対のＧＲＩＮレンズレンズの水平方向位置ずれと傾斜角度を測定し、図８、図９に示す結果が出たとする。仮に、全ての組み立てたコリメータ系の９０%以上のものの結合損失を１dB以下に抑えるという目標を立てると、図８及び図９から、水平方向位置ずれ量Dを0.80μmに、傾斜角度θを0.85度（すなわち0.0148ラジアン)にすればよい。これを式（７）に代入すれば、ＧＲＩＮレンズの半径を光ファイバ（コア径a0=6.5μm）と同じ62.5μmとすれば、波長1.5μmにおいてNA=０．４以上のＧＲＩＮレンズを用いればよいということが分かる。
【００２９】
また、例えば多数のコリメータアレイ系を試作し、それらの対向する各対のＧＲＩＮレンズレンズの水平方向位置ずれと傾斜角度を測定し、図１２、図１３に示す結果が出たとする。仮に、全ての組み立てたコリメータ系の９０%以上のものの結合損失を１dB以下に抑えるという目標を立てると、図１２及び図１３から、水平方向位置ずれ量Dを1.0μmに、傾斜角度θを1.0度（すなわち0.0175ラジアン)にすればよい。これを式（７）に代入すれば、ＧＲＩＮレンズの半径を光ファイバ（コア径a0=6.5μm）と同じ62.5μmとすれば、波長1.5μmにおいてNA=０．４８以上のＧＲＩＮレンズを用いればよいことになる。
【実施例１】
【００３０】
図７は実施例１の光ファイバコリメータ系で、筒状のコリメータホルダ９の両側からＧＲＩＮレンズ１ａ，１ｂ付きの光ファイバ２ａ，２ｂを差し込んで接着固定し、中央に光学素子１０（この場合は光アイソレータ）を装着したものである。このコリメータ系を細心の注意を払って約230組を組立て、対向するＧＲＩＮレンズのＸ方向とＹ方向の水平方向への変位（位置ずれ量Ｄ）と傾斜角（角度ずれ量）θｘ、θｙを測定した。それらのＸ方向とＹ方向の水平方向への変位（位置ずれ量）の累積回数を図８に、Ｘ方向とＹ方向における傾斜変位（角度ずれ量）θｘ、θｙの累積回数を図９に示す。これら図８、９より、水平方向の位置ずれ量は、-0.3μmをピークとして約±1μm幅で分布し、傾斜角度のずれ量は、0.65度をピークとして約±0.5度幅で分布していることがわかる。
【００３１】
実施例１のコリメータ系を組み立てるのに際し、組立総数の９０%以上のものの結合損失を１dB以下に抑えるという目標を立てた。この目標を達成するための許容水平方向位置ずれ量及び許容傾斜角を図８、図９から求めたところ、許容水平方向位置ずれ量Dは0.80μm、許容傾斜角度θは0.85度（すなわち0.0148ラジアン)となった。これを式（７）に代入して必要なＮＡを計算した。ＧＲＩＮレンズの半径を光ファイバ（コア径a0=6.5μm）と同じ62.5μmとすれば、波長1.5μmにおいてNA=０．４８となり、これ以上の開口数を有するＧＲＩＮレンズを用いればよいことが分かった。
【００３２】
次にＧＲＩＮレンズ付きの光ファイバを製作した。シリコンテトラメトキシド７５．５ｍｌとイソプロパノール１８３．４ｍｌとの混合液に２規定塩酸９．２ｍｌを添加し、３０分間攪拌した後、チタンテトラｎブトキシド３０．８ｍｌを加えた。その後、０．０１規定アンモニア水を添加しウェットゲルを得た。前記ウェットゲルを５０℃で２日間熟成した後、そのウェットゲルを３規定塩酸中に６時間浸漬し、ゲル中にチタンの濃度分布を付与した。浸漬後、ゲルをメタノール中に浸漬し、ゲル中の塩酸分の洗浄を行ってから乾燥させ直径約１０ｍｍのドライゲルを得た。得られたドライゲルを、室温から３５０℃までは１０℃／ｈｒで昇温し、その後１２００℃まで昇温して焼成し透明なガラス体を得た。この円柱状ガラス体の屈折率分布を測定した結果、中心から周辺に向かってほぼ２乗カーブで減少するＮＡ=０．４２のＧＲＩＮレンズの母体が得られた。このＮＡは前記の式（７）から求めたＮＡ=０．４よりも大きいので、これを使用することが可能であることが分かった。
【００３３】
この母体をカーボンヒータの電気炉に０．０４mm/sで挿入しながら外径１２５μmの光ファイバに紡糸して、GRINレンズ状光ファイバを作製した。作製したGRINレンズ状光ファイバをコア径6.5μmの単一モード光ファイバの一端に放電融着接続器を用いて融着接続した。その後、GRINレンズ内を伝搬する光の蛇行周期の１／４周期長３５０μmで切断加工し、GRINレンズ付き光ファイバを得た。
【００３４】
得られたＧＲＩＮレンズ付き光ファイバを用いて、図７のコリメータ系を９０本作成し、全ての結合損失を測定したところ、ほぼ９５%のコリメータ系において結合損失が１ｄB以下の高い結合効率が得られた。
【実施例２】
【００３５】
図１０、１１は実施例２の光ファイバコリメータアレイに関する。光ファイバ付きＧＲＩＮレンズの先端部分を、SiO2基板12上に化学的エッチングにより形成された周期的なV溝１３に規則正しく8列配列し、更に、それらを規則正しく8段に積層し、フレーム１４内に固定して８×８のＧＲＩＮレンズコリメータアレーを作製した。このコリメータアレイから、細心の注意を払って、図３に示すMEMS式の２自由度の光スイッチアレイ３が２段挿入されている光ファイバコリメータアレイ系１組を組み立てた。対向する各対のＧＲＩＮレンズのＸ方向とＹ方向の水平方向への変位（位置ずれ量Ｄ）と傾斜角（角度ずれ量）θｘ、θｙを測定した。それらのＸ方向とＹ方向の水平方向への変位（位置ずれ量）の累積回数を図１２に、Ｘ方向とＹ方向における傾斜変位（角度ずれ量）θｘ、θｙの累積回数を図１３に示す。水平方向の位置ずれ量は-0.6μmをピークとして非対称に分布し、傾斜角度のずれ量は0.8度をピークとして非対称に分布している事がわかる。
【００３６】
実施例２のコリメータアレイ系を組み立てるのに際し、ＧＲＩＮレンズの対の総数の９０%以上のものの結合損失を１dB以下に抑えるという目標を立てた。この目標を達成するための許容水平方向位置ずれ量及び許容傾斜角を図１２、図１３から求めたところ、許容水平方向位置ずれ量Dは1.0μm、許容傾斜角度θは1.0度（すなわち0.0175ラジアン)となった。これを式（７）に代入して必要なＮＡを計算した。ＧＲＩＮレンズの半径を光ファイバ（コア径a0=6.5μm）と同じ62.5μmとすれば、波長1.5μmにおいてNA=０．４８となり、これ以上の開口数を有するＧＲＩＮレンズを用いればよいことが分かった。
【００３７】
次にＧＲＩＮレンズ付きの光ファイバを製作した。シリコンテトラメトキシド７５．５ｍｌとイソプロパノール１８３．４ｍｌとの混合液に２規定塩酸９．２ｍｌを添加し、３０分間攪拌した後、チタンテトラｎブトキシド３０．８ｍｌを加えた。その後、０．０１規定アンモニア水を添加しウェットゲルを得た。前記ウェットゲルを５０℃で２日間熟成した後、そのウェットゲルを６規定塩酸中に２時間浸漬し、ゲル中にチタンの濃度分布を付与した。浸漬後、ゲルをメタノール中に浸漬し、ゲル中の塩酸分の洗浄を行った。その後、上記ゲルを６規定塩酸中に２０分間浸漬し、２回目の濃度分布付与を行い、１回目と同様にゲルをメタノール中に浸漬して塩酸の洗浄を行ってから乾燥させた。その後、上記ゲルを６規定塩酸中に８分間浸漬し、3回目の濃度分布付与を行い、１回目と同様にゲルをメタノール中に浸漬して塩酸の洗浄を行ってから乾燥させ直径約１０ｍｍのドライゲルを得た。得られたドライゲルを、室温から３５０℃までは１０℃／ｈｒで昇温し、その後１２００℃まで昇温して焼成し透明なガラス体を得た。この円柱状ガラス体の屈折率分布を測定した結果、中心から周辺に向かってほぼ2乗カーブで減少するNA=0.5のＧＲＩＮレンズの母体が得られた。このＮＡは前記の式（７）から求めたＮＡ=０．４８よりも大きいので、これを使用することが可能であることが分かった。
【００３８】
この母体をカーボンヒータの電気炉に０．０４mm/sで挿入しながら外径１２５μmの光ファイバに紡糸して、ＧＲＩＮレンズ状光ファイバを作製した。作製したＧＲＩＮレンズ状光ファイバをコア径６．５μmの単一モード光ファイバの一端に放電融着接続器を用いて融着接続した。その後、ＧＲＩＮレンズ内を伝搬する光の蛇行周期の１／４周期長２９５μmで切断加工し、ＧＲＩＮレンズ付き光ファイバを得た。
【００３９】
得られたＧＲＩＮレンズ付き光ファイバから図１１の光ファイバコリメータアレイを組み立て、更に、図３の光ファイバコリメータアレイ系を作成した。全てのチャネルの結合損失を測定したところ、全てのチャネル（ＧＲＩＮレンズ付き光ファイバの対）において、１dＢ以下の高い結合効率が得られた。
【００４０】
上記実施例はSiO2−TiO2  系の石英ガラスとする場合であるが、例えば、SiO2−Ta2O5  系の石英ガラスとするには、チタンテトラｎブトキシドに代えてタンタルエトキシドを、SiO2−Sb2O3  系の石英ガラスとするにはトリエチルアンチモンを、SiO2−ZrO2  系の石英ガラスとするには、ジルコニウムプロポキシドを用いればよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】ＧＲＩＮレンズの屈折率分布の説明図である。
【図２】コリメータ系の斜視図である。
【図３】コリメータアレイ系の概略斜視説明図である。
【図４】コリメータ系の一部切欠側面図である。
【図５】コリメータ系のＸＺ断面図である。
【図６】ＧＲＩＮレンズのスポットサイズωと結合損失の関係図である。
【図７】コリメータ系の一部切欠側面図である。
【図８】コリメータ系の水平方向位置ずれ量の説明図である。
【図９】コリメータ系の傾斜角度の説明図である。
【図１０】コリメータアレイの斜視説明図である。
【図１１】コリメータアレイの正面図である。
【符号の説明】
【００４２】
１    光ファイバコリメータアレイ
１ａ    ＧＲＩＮレンズ
１ｂ    ＧＲＩＮレンズ
２    光ファイバアレイ
２ａ    光ファイバ
２ｂ    光ファイバ
３    光スイッチアレイ
３ａ    光スイッチ
３ｂ    光スイッチ
３ｃ    マイクロミラー
6    平行なガウスビーム
７    光ファイバ芯線
８    光ファイバレンズホルダ
９    コリメータホルダ
１０    光学要素
１１    固定用フランジ
１２    基板
１３    Ｖ溝
１４    フレーム
【図１】
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【図２】
0004080517.tif 000010
【図４】
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【図５】
0004080517.tif 000012
【図７】
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【図１１】
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【図３】
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【図６】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１２】
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【図１３】
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