(57)【要約】【課題】シングルモード光ファイバーと同径のＧＩ光ファイバーを一つ用いてＷＤの長い、かつ生産性に優れた光ファイバーコリメーターを提供する。【解決手段】第１のシングルモード光ファイバー(100)に、第２のシングルモード光ファイバー(101)を介して、ＧＩ光ファイバー(103)が光学的に接続された光ファイバーコリメーター(1)であり、該光ファイバーコリメーターは、第１のシングルモード光ファイバーの開口数ＮＡと第２のシングルモード光ファイバーの開口数ＮＡが異なるように構成し、さらに第１のシングルモード光ファイバーの開口数ＮＡが、第２のシングルモード光ファイバーの開口数ＮＡよりも小さくすることが好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のシングルモード光ファイバーに、第２のシングルモード光ファイバーを介して、ＧＩ光ファイバーが光学的に接続された光ファイバーコリメーター。
【請求項２】
第１のシングルモード光ファイバーの開口数（ＮＡ）と第２のシングルモード光ファイバーの開口数（ＮＡ）が異なる請求項１記載の光ファイバーコリメーター。
【請求項３】
第１のシングルモード光ファイバーの開口数（ＮＡ）が、第２のシングルモード光ファイバーの開口数（ＮＡ）よりも小さい請求項１又は２記載の光ファイバーコリメーター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光モジュールに使用されるＧＩ光ファイバーを用いた光ファイバーコリメーターに関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバー、レンズ、光学フィルター等の光学素子を組合わせた光モジュールにおいて光ファイバーから出射した光の回折による損失を防ぐため、出射光をコリメート光（平行光）に変換するコリメーターを使用する。コリメーターの作用は回折する光がコリメーターに入射するとコリメーター出射側では平行光に変換して、平行光がコリメーターに入射すると収束する光に変換することである。
【０００３】
このようにして、レンズや光学フィルターのような厚みのある光学素子を光ファイバーで接続する場合、コリメーターを使用することで光ファイバーからの出射光が平行光となり前述の光学素子を透過する際には回折による損失を低く抑えることができ、その透過した平行光はコリメーターによって光ファイバーへ集光され、損失を抑えた光モジュールを提供することが可能である。
【０００４】
コリメーターにはシングルモード光ファイバーの端面から少し離れた箇所に凸レンズを設置する空間系の手法、光ファイバーの端面に直接ロッドレンズを接続する手法、そのロッドレンズに代わってＧＩ光ファイバーを用いる手法がある。中でもＧＩ光ファイバーを用いる手法は市販のＧＩ光ファイバーを用いて簡便にコリメーターの作用を実現することができる利点があり、幾つかの文献が報告されている。
【０００５】
特許文献１は、シングルモード光ファイバーに、シングルモード光ファイバーと同じ外径のＧＩ光ファイバーを接続した構造である。具体的には、図５に示すように、シングルモード光ファイバー１２Ｉにそれと同径のＧＩ光ファーバー１６Ｉが接続されたコリメーターと光学素子３０を挟んでシングルモード光ファイバー１２Ｏにそれと同径のＧＩ光ファイバー１６０が接続されたコリメーターを有した構造である。
【０００６】
特許文献２には、シングルモード光ファイバーにＧＩ光ファイバーを２段接続し、ＧＩ光ファイバーの先端を凸形状にした構造である。具体的には、図６に示すように、コリメーター部分の構造はシングルモード光ファイバー２１、ＧＩ光ファイバー２２、及びＧＩ光ファイバー２２とスポット径が異なるＧＩ光ファイバー２３で構成されている。この構造によってシングルモード光ファイバーとＧＩ光ファイバーを用いて、より長いワーキングディスタンス（以下ＷＤと記述）を得ている。
【０００７】
ＷＤとはＧＩ光ファイバーの端面から出射したコリメート光が焦点を結ぶ位置とＧＩ光ファイバー端面との距離を言う。コリメートに関しては光ファイバーから出射する光は完全平行光、言い換えると無限に出射光のビーム幅が変わらない光を作ることは困難である。通常ＧＩ光ファイバーから出射した光が焦点を結ぶようにＧＩ光ファイバーの長さを決定する。
【０００８】
【特許文献１】米国特許第４７０１０１１号明細書
【特許文献２】特開２００４−３２５６１８号公報
【０００９】
特許文献１ではシングルモード光ファイバーと同径のＧＩ光ファイバーが接続されているため、ＷＤが短いという問題がある。ＷＤを決めるパラメーターはＧＩ光ファイバーのＮＡ（開口数）、コア径及びＧＩ光ファイバーへ入射する光のスポット径である。特許文献１に記述はないがＷＤの算出方法として式（Ｉ）を用いて計算することが知られている。
【００１０】
【数１】
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ｌはＧＩ光ファイバーの長さ、ｎはＧＩ光ファイバーの中心部の屈折率である。
ｇは式（ＩＩ）、Ｐ0は式（ＩＩＩ）で与えられる。
【００１１】
【数２】
2009109989.tif 000004
ｎはＧＩ光ファイバーの中心屈折率（中心部の屈折率）、ａはＧＩ光フィアバーのコア半径である。
ＮＡは式（ＩＶ）で与えられる。
【００１２】
【数３】
2009109989.tif 000005
λは波長、ｗ0はＧＩ光ファイバーへの入射する光のスポット径である。
【００１３】
【数４】
2009109989.tif 000006
ｎはＧＩ光ファイバーのコアの屈折率（中心屈折率）である。
ΔはＧＩ光ファイバーの比屈折率差である。
【００１４】
そしてＷＤを長くするためにはＧＩ光ファイバーのＮＡを小さくするか又はＧＩ光ファイバーのコア径を大きくする必要が考えられるが、シングルモード光ファイバーと同径のＧＩ光ファイバーではコア径を大きくすることに限界があり、それによりＷＤを長くすることは不可能である。
【００１５】
特許文献２ではＧＩ光ファイバーを２段接続した構造によってＷＤを長くしている。ＷＤを長くすることが可能な理由はＧＩ光ファイバーのモードフィールド径を大きくしていることである。図６に示すように、ＧＩ光ファイバー２３は、ＧＩ光ファイバー２２に比べモードフィールドが大きく、これを言い換えるとＧＩ光ファイバー２３はＧＩ光ファイバー２２に比べＮＡが小さいことになる。
【００１６】
しかし、ＧＩ光ファイバーでは、ＧＩ光ファイバーの屈折率分布からその中を伝搬する光のスポット径が変化するため、ＧＩ光ファイバーを、ＮＡとコア径と中心屈折率を用いて算出される周期（式（Ｖ）参照）を基にした所定の長さに切断する必要がある。２つのＧＩ光ファイバーを用いることで、各々所定の長さに切断する工程があり、ＧＩ光ファイバーを一つ使用する場合に比べ工程数が増えることになる。またＧＩ光ファイバー２３は先端が凸形状をしているため、その加工にも手間がかかるという問題もある。
【００１７】
【数５】
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【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は、シングルモード光ファイバーと同径のＧＩ光ファイバーを一つ用いてＷＤの長い、かつ生産性に優れた光ファイバーコリメーターを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、第１のシングルモード光ファイバーに、第２のシングルモード光ファイバーを介して、ＧＩ光ファイバーが光学的に接続された光ファイバーコリメーターに関する。  また、本発明は、第１のシングルモード光ファイバーの開口数（ＮＡ）と第２のシングルモード光ファイバーの開口数（ＮＡ）が異なる上記の光ファイバーコリメーターに関する。
さらに、本発明は、第１のシングルモード光ファイバーの開口数（ＮＡ）が、第２のシンルグモード光ファイバーの開口数（ＮＡ）よりも小さい上記の光ファイバーコリメーターに関する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明による光ファイバーコリメーターは、シングルモード光ファイバーと同径のＧＩ光ファイバーを使用してもＷＤを長くすることができ、かつＧＩ光ファイバーを一つのみ使用することで生産性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明による光ファイバーコリメーターでは、第１のシングルモード光ファイバーは通常の光通信等で使用されるＮＡ０．１の光ファイバーであってもよいし、光フィルターやレンズなどの光学素子が搭載される光学デバイスへ外部から接続するために用いるシングルモード光ファイバーであってもよい。第１のシングルモード光ファイバーは第２のシングルモード光ファイバーと比べＮＡを小さくすればよい。
【００２２】
このことによって第２のシングルモード光ファイバーではスポット径が小さくなって伝搬し、ＧＩ光ファイバーへ入射する時点で第１のシングルモード光ファイバーのスポット径よりも小さい状態となり、結果としてＷＤを長くすることができる。
【００２３】
本発明による光ファイバーコリメーターでは、第１のシングルモード光ファイバーと第２のシングルモード光ファイバーは光学的に接続されており、第２のシングルモード光ファイバーとＧＩ光ファイバーも光学的に接続されている。光学的に接続という定義は入射光の光学中心とそれを受ける光ファイバーの光学中心が一致していることである。
【００２４】
本発明による光ファイバーコリメーターでは、第１のシングルモード光ファイバーと第２のシングルモード光ファイバーとＧＩ光ファイバーは全て同径で構成されるため、本発明による光ファイバーコリメーターを光デバイスに実装する際には光伝搬方向に対して光ファイバー径の不連続点がないため実装が容易である。またＧＩ光ファイバーは一つしか使用しないため２つのＧＩ光ファイバーを使用するのに比べ工程が少なく生産性に優れている。
【００２５】
以下、図面を参照して本発明による光ファイバーコリメーターの実施形態について詳しく説明する。
図１は、本発明による光ファイバーコリメーター概略図である。
光ファイバーコリメーター１は、第１のシングルモード光ファイバー１００と、第２のシングルモード光ファイバー１０２を介して第１のシングルモード光ファイバー１００に光学的に接続されたＧＩ光ファイバー１０３とを有している。
第１のシングルモード光ファイバー１００は、光学素子２００を含む光モジュール３００へ外部から接続したり、逆に外部へ接続するために使用される。第１のシングルモード光ファイバーは情報通信用途の光モジュールの場合、通常、開口数ＮＡが０．１のものが使用される。シングルモード光ファイバーの開口数ＮＡは、式（ＩＶ）において、ｎをシングル光ファイバーのコアの屈折率と置き換えることによって計算される。
【００２６】
本発明において、第１のシングルモード光ファイバーの開口数ＮＡは、０．１〜０．５の範囲が好ましく、光デバイスへの接続や汎用性の観点からＮＡ０．１が最も好ましい。第１のシングルモード光ファイバーの外径は、１００〜５００μｍが好ましく、１２５μｍが最も好ましい。
【００２７】
第２のシングルモード光ファイバーの開口数ＮＡは、０．１〜１．０の範囲が好ましく、第１のシングルモード光ファイバーの開口数ＮＡよりも大きいことが必要である。第２のシングルモード光ファイバー１０１の外径は、１００〜５００μｍが好ましく、１２５μｍが最も好ましい。第２のシングルモード光ファイバー１０１は、第１のシングルモード光ファイバー１００と同じ外径であることが好ましい。第２のシングルモード光ファイバーと第１のシングルモード光ファイバーは光学的に接続されており、接続方法としては光ファイバー端面同志を高温で溶かし融着する方法が好ましい。
【００２８】
他の方法としては接着剤で接続する方法も好ましい。
また、光ファイバー間にある程度の空隙を設けて光ファイバーを固定する方法でも差し支えない。固定方法は接着剤などで固定する。
【００２９】
第２のシングルモード光ファイバーの長さは、所定の長さにする必要はなく任意の長さで差し支えないが、光ファイバーの取り回しや光モジュール寸法の小型化のためには５０〜５０００μｍの範囲が好ましい。
【００３０】
ＧＩ光ファイバー１０３の外径は、１００〜５００μｍが好ましく、１２５μｍが最も好ましい。ＧＩ光ファイバー１０３は、第２のシングルモード光ファイバーと同じ外径であることが好ましい。ＧＩ光ファイバーと第２のシングルモード光ファイバーは光学的に接続されており、接続方法としては光ファイバー端面同志を高温で溶かし融着する方法が好ましい。
【００３１】
他の方法としては接着剤で接続する方法も好ましい。
また、光ファイバー間にある程度の空隙を設けて光ファイバーを固定する方法でも差し支えない。固定方法は接着剤などで固定する。
【００３２】
ＧＩ光ファイバーの長さは所定の長さにする必要があり、その長さは式（ＶＩ）によって決められる。式（ＶＩ）のαは、ＧＩ光ファイバーの周期（式（Ｖ）参照）に加える適当な長さである。α＝０の場合、理論上は完全な平行光、言い換えると無限に平行な光となるが、実際には、光は少しずつ回折して無限に発散する光となってしまう。そのため、実用上、α＝０ではなく、理論上のＧＩ光ファイバーの長さにαを加算することでＧＩ光ファイバーから出射した光は収束点をもつように伝搬させる。
【００３３】
αの範囲は、周期（式（Ｖ）参照）の一周期分の長さの５〜４０％が好ましく、５〜３０％の範囲がより好ましく、１０〜２５％の範囲が最も好ましい。ＧＩ光ファイバーの長さは、前記式（Ｖ）に示すように周期の式（前記式（Ｖ）の奇数倍とαの加算）で決められるため、無数の長さを設定することが可能であるが、光モジュールの寸法や光ファイバーの伝搬損失等を考慮すると５０ｍｍ以下となるようにするのが好ましい。
【００３４】
【数６】
2009109989.tif 000008
ｉは０、１、２、・・・・・の自然数。
【００３５】
光の伝搬の概略を図２に示す。第１のシングルモード光ファイバーではスポット径がｗ１の光が伝搬し、第２のシングルモード光ファイバーではｗ２の光が伝搬するが、ｗ１とｗ２の関係はそれぞれのシングルモード光ファイバーの開口数ＮＡによってｗ１＞ｗ２になる。
【００３６】
ＧＩ光ファイバーに入射する光は、ｗ２のスポット径を持っており、ＧＩ光ファイバー内のスポット径ｗ３は伝搬距離に応じて周期的に大きさを換える。図３にＧＩ光ファイバー内を伝搬する光のスポット径ｗ３の推移を示す。このときのＧＩ光ファイバーのパラメーターは開口数ＮＡ０．２１、中心屈折率１．４５８のマルチモード光ファイバーである。
【００３７】
このようにｗ３は周期的に変化しており、その周期は、前記式（Ｖ）で算出される。前記式（ＶＩ）で算出した長さのＧＩ光ファイバーから出射した光は収束点ｚ０を持つように伝搬し、収束点ｚ０を過ぎてからは再びスポット径が広がりながら伝搬して反対側のＧＩ光ファイバーへ結合される。収束点ｚ０の位置をビームウェスト位置と呼ぶ。また、ＧＩ光ファイバーの端面からビームウェスト位置までの距離が、ＷＤになる。ＷＤが大きいほど、平行光に近くなることを意味する。
【００３８】
次に、光ファイバーコリメーターの作製手順を説明する。工程は大きく、第１のシングルモード光ファイバーと第２のシングルモード光ファイバーを接続する第１の工程と第２のシングルモード光ファイバーとＧＩ光ファイバーを接続する第２の工程とＧＩ光ファイバーを所定の長さに加工する第３の工程に分けることが出来る。光ファイバーの接続や加工は光ファイバーを高温で溶かし融着する融着装置と光ファイバーを劈開して切断するカッターを使用する。
【００３９】
第１の工程では、第１のシングルモード光ファイバーと第２のシングルモード光ファイバーの接続する端面付近の被覆をストリッパーやリムーバーを用いて剥がし、クラッド外径を露出させ、融着装置を用いて両光ファイバーを接続する。その際、第１のシングルモード光ファイバーと第２のシングルモード光ファイバーはＮＡが異なるのでスポット径の不一致による結合損失を防ぐように融着条件を設定するのが好ましい。融着時間は３〜６秒の間で行うのが好ましい。
【００４０】
第２の工程では、第１の工程と同様にして両光ファイバーの被覆を剥がして、融着装置を用いて接続する。その際、ＧＩ光ファイバーと第２のシングルモード光ファイバーの接続面はコア径がステップ状に変化するような形状にすることが好ましい。融着条件では融着時間を０．５〜３秒の間で行うのが好ましい。
【００４１】
第３の工程では、光ファイバーを切断するカッターとマイクロメータを使用してＧＩ光ファイバーを所定の長さに加工する。装置の構成は光ファイバーを固定する箇所にマイクロメータを設置した光ファイバーカッターである。第２の工程で接続したＧＩ光ファイバーと第２のシングルモード光ファイバーの界面を斜光拡散照明の付いた顕微鏡、例えば、実体顕微鏡を用いて確認し、その位置を光ファイバーカッターのブレードが走査する位置に合わせる。
【００４２】
そして、次にマイクロメータを、必要とするＧＩ光ファイバーの長さ分だけ回す。そうすることで、第２のシングルモード光ファイバーとＧＩ光ファイバーの接続界面から所定の長さだけのＧＩ光ファイバーを精度良く切断する位置まで移動させることができる。
【００４３】
次に、光ファイバーを固定してブレードを動かし、ＧＩ光ファイバーを切断する。ＧＩ光ファイバー端面はその端面で反射するリターンロスが気にならない場合、伝搬方向に対して垂直な端面でも差し支えない。端面での反射戻り光を低減する場合にはＧＩ光ファイバーの端面を斜めに加工する光ファイバーカッターを使用すればよい。その角度は伝搬方向に対して垂直な面から４〜１０°の範囲が好ましい。
【００４４】
第１から第３の工程によって所定の長さを持ったＧＩ光ファイバーを備えた本発明の光ファイバーコリメーターを作製することが可能である。
【実施例】
【００４５】
表１に示す第１のシングルモード光ファイバーと第２のシングモード光ファイバー及びＧＩ光ファイバーを用いた場合のＷＤを計算した。波長λは１５５０ｎｍを用いた。
【００４６】
ＧＩ光ファイバーの長さを、表１に記載したパラメーターを用いて決定した。具体的な長さは、式（Ｖ）から算出し、その際の式（ＶＩ）におけるｉはゼロを採用し、αは周期の１０％にあたる２８μｍを採用した。その結果、ＧＩ光ファイバーの長さを３００μｍとして設計した。
【００４７】
【表１】
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【００４８】
図４にＧＩ光ファイバーの端面から出射した光のビーム径の推移を示す。横軸はＧＩ光ファイバーの出射端面からの距離を表し、縦軸はビーム外径の位置を表す。ビーム外径の位置の中心軸はＧＩ光ファイバーのコア中心をゼロとして伝搬方向に垂直方向に正負の符号を使用した。この図に第２のシングモード光ファイバーを使用しない場合（従来の特許文献１の場合）も併せて記載した。
【００４９】
第２のシングルモード光ファイバーを使用しない場合とは、実施例における第２の光ファイバーを完全に除外して第１のシングルモード光ファイバーとＧＩ光ファイバーとを直接光学的に接続した構成であり、パラメーターは表１に示すものと同様である。図４に示されるように本発明による光ファイバーコリメーターは、ＷＤが５８０μｍと長く、その長さの程度は従来の場合にくらべ約６倍も長くなっている。
【００５０】
以上の結果から本発明によってシングルモード光ファイバーと同径のＧＩ光ファイバーであってもＷＤが長い、コリメート性に優れた光ファイバーコリメーターを作製することが可能である。
また、ＧＩ光ファイバーは１段でかつ端面は光ファイバーカッターで加工することが可能なので生産性にも優れている。
【００５１】
本発明は第１のシングルモード光ファイバーと第２のシングルモード光ファイバーとＧＩ光ファイバーのそれぞれのＮＡを考慮すれば実施することが可能である。またＮＡは比屈折率差Δで決まり、Δはコア及びクラッドの屈折率で調整可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の光ファイバーコリメーターの概略図である。
【図２】本発明の光ファイバーコリメーターのスポット径を示す概略図である。
【図３】本発明に用いたＧＩ光ファイバー内のスポット径を示す推移図である。
【図４】本発明の光ファイバーコリメーターと従来の光ファイバーコリメーターのＷＤ比較図である。
【図５】従来の光ファイバーコリメーターの概略図（特許文献１）である。
【図６】従来の光ファイバーコリメーターの概略図（特許文献２）である。
【符号の説明】
【００５３】
１  光ファイバーコリメーター
１００  第１のシングルモード光ファイバー
１０１  第２のシングルモード光ファイバー
１０３  ＧＩ光ファイバー
２００  光学素子
３００  光モジュール
【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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