JP4037346B2

JP4037346B2 - 光ファイバ結合部品

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Publication number: JP4037346B2
Application number: JP2003350075A
Authority: JP
Inventors: 宏善松村; 太郎鈴木
Original assignee: Toyo Glass Co Ltd
Current assignee: Toyo Glass Co Ltd
Priority date: 2003-10-08
Filing date: 2003-10-08
Publication date: 2008-01-23
Anticipated expiration: 2023-10-08
Also published as: WO2005036230A1; EP1677132A4; HK1144966A1; EP2221646A1; US20060045419A1; ATE546754T1; HK1090430A1; JP2005115097A; KR100833820B1; ATE546753T1; US7346237B2; EP1677132A1; EP2221646B1; CN1853125A; CN100414334C; EP1677132B1; KR20060131726A

Description

本発明は、光通信において使用される半導体レーザ等の発光源と光ファイバとを高効率で結合する光ファイバ結合部品に関する。

半導体レーザと光ファイバとを高効率で結合する技術は、光通信においては最も重要な技術の一つである。例えば、従来から球レンズや非球面レンズなどのレンズを用いる方法や、光ファイバ先端を球面に形成した先球ファイバによる方法（特許文献１参照）などが用いられている。レンズを用いる方法は、結合効率を比較的高くとれる特長がある半面、半導体レーザ、レンズ、光ファイバ相互間の軸合わせが繁雑になるうえ、結合系全体が大きくなるとともに製造コストが増大するという問題があった。また、レンズの寸法が大きく配置スペースを取られるために、複数の半導体レーザや複数の光ファイバが短い間隔で並んでいる半導体レーザアレイと光ファイバアレイとの結合には使用することができない。一方、先球ファイバによる方法は、小型であるために半導体レーザアレイと光ファイバアレイとの結合が可能である。この先球光ファイバは、単一モード光ファイバの先端に半球状のレンズ部を一体形成したものであるが、先球光ファイバを作製するには、従来、ファイバの先端部を丸く研磨していたので、量産性が悪く、手間がかかるという問題点があった。その上、光ファイバの先端が球面であるために、球面収差によって結合効率の低下が生じるという問題がある。即ち、レーザ端面から出射した光線はその出射角により、単一モード光ファイバ端面に異なった位置及び角度で到達する。このため、光線によってはコアから外れたり、あるいはコアに達しても、コアへの入射角が臨界角以上となって単一モード光ファイバを伝搬する光線にならず、結合効率が低下する。例えば、標準的な半導体レーザを用いたときの結合損失は６ｄＢ前後ある。

これらの問題を解決するために、軸合わせが容易な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。）などが用いられている。ＧＲＩＮレンズは、屈折率が一様でない（中心に近いほど屈折率が大きい）媒質を用いたレンズで、屈折率が連続的に変化することでレンズ作用をするレンズである。このＧＲＩＮレンズの半径方向の屈折率分布ｎ（ｒ）は
ｎ（ｒ）＝ｎ₀（１−(1/2)(gr)²）
で表される（図１）。ここでｎ（ｒ）は中心からの距離ｒの位置の屈折率、ｎ₀は中心部の屈折率、ｇはＧＲＩＮレンズの集光能力を表わす定数である。このレンズは球面収差は比較的小さいが、従来存在するＧＲＩＮレンズでは、その臨界角が20°以下と小さいため、標準的な放射半値全角θがほぼ25°である光通信用の半導体レーザからの光を充分に取り入れることが出来ず結合損失が大きかった。そのために、ボールレンズとＧＲＩＮレンズとの組合せが使用されることが多いが、軸合わせが難しく、組立てコストが増大する要因になっていた。また、ＧＲＩＮレンズの先端を球状に切削加工して見かけのNAを上げる（集光能力を高める）工夫もなされているが、量産性が悪く、手間がかかり、製造コストが増大するという問題点があった。また、従来、ＧＲＩＮレンズは多成分系ガラスで作製されており、その軟化点は約５００〜６００℃で、石英ガラスを主成分とする光ファイバと融着接合することが出来ず、光学接着剤を使用するため、軸合わせが難しいと共に、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があった。

この接続劣化の問題を解決するために、ＧＩ（Graded-Index）光ファイバをレンズとして用いた構造も提案されている（特許文献２、３参照）。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。しかし、この場合、ＧＩ光ファイバの臨界角が20°以下と小さい（集光能力が小さい）ことから、標準的な放射半値全角がほぼ25°である光通信用の半導体レーザからの光を充分に取り入れることが出来ず結合損失が大きく、また実際に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。
米国特許第３９１０６７７号公報米国特許第４７０１０１１号公報米国特許第５３８４８７４号公報特開平８−２９２３４１号公報

上記の問題を解決するためには、半導体レーザの放射角を十分にカバーしうる光の集光能力の高い（開口数の大きい）ＧＲＩＮレンズの開発が望まれる。特に、標準的な半導体レーザの放射半値全角は25°以上であるため、半導体レーザの光を充分にＧＲＩＮレンズに導くためには少なくとも臨界角が25°以上を有するＧＲＩＮレンズを開発する必要がある。臨界角は、光が光ファイバやＧＲＩＮレンズにその軸線に対して傾いて入射する場合、光が光ファイバやＧＲＩＮレンズ内に進入可能な軸線に対する最大角度である。通常臨界角の正弦関数を開口数Numerical
Aperture（以下、「NA」と略す。）と称する。半導体レーザの放射半値全角が25°の場合、その開口数NAsは０．４３であるので、NAが0.43以上のＧＲＩＮレンズであれば、半導体レーザの光を全てレンズ内に進入させることが可能となるから、このようなＧＲＩＮレンズが要求されている。その上、半導体レーザとＧＲＩＮレンズ、光ファイバの光軸合わせを容易にするためにＧＲＩＮレンズの熱膨張係数は、光ファイバとの融着接続を可能にするために石英の熱膨張係数5×10^-7K^-1に対して15×10^-7K^-1以下が要求される。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。また、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すると自己配列効果（溶けたガラスの表面張力によりにより光ファイバとＧＲＩＮレンズの双方の中心軸が自然に一致する効果）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。

このような光の集光能力の高いＧＲＩＮレンズを用いて半導体レーザの光を効率よく集光するためには、光ファイバの先端にNAの高いＧＲＩＮレンズを直接融着接続する方法としてもよいが、そのときには3-4ｄＢ程度の結合損失を覚悟しなければならない。この理由は、半導体レーザ端面から放射した光は、NAの高いＧＲＩＮレンズの集光効果により単一モード光ファイバの端面に集光するが、放射角度の大きな光の一部は光ファイバの臨界角以上の角度で到達するためである。特に半導体レーザの臨界角（この正弦関数＝開口数をNAsと呼ぶ。）が光ファイバの臨界角（この正弦関数＝開口数をNＡｆと呼ぶ。）よりも大きな場合には、光線の放射角度によっては光ファイバのコアから外れたり、あるいはコアに達しても、コアへの入射角が臨界角以上となって単一モード光ファイバに入射できず、結合効率が低下するという問題があった。

上記の問題を解決するために、コアとクラッドとを有する単一モード光ファイバの一端とコアレス光ファイバの他端とを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の二乗形屈折率分布を有する二乗形光ファイバ（ＧＲＩＮレンズ
に相当する。）で接続したレンズ付き光ファイバ（特許文献４参照）が提案されている。レンズ付き光ファイバは、コアとクラッドとを有する単一モード光ファイバに、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の二乗形屈折率分布を有する二乗形光ファイバ（ＧＲＩＮレンズ
に相当する。）を接続したものである。ここで、二乗形光ファイバ
は、コアとクラッドとを有し、先端が半球状に形成されている。上記の光ファイバを使用すると、半導体レーザと結合したときの結合損失が４ｄＢ前後まで低減されたが、実用上要求される結合損失（３ｄＢ以下）を満足するものではなかった。一般に、半導体レーザと光ファイバとの結合損失は、小さければ小さいほど光通信システムが高性能になり、システムの構築も容易になる。また先端が半球状に形成されているため、製造歩留まりが悪くコスト高になっていた。先端の半球状レンズと半導体レーザとの結合効率を極端に低下させないためには、半球状レンズと半導体レーザの端面との間の距離、即ち、作動距離を１０μm前後にしなければならない。このため、半球状レンズ付き光ファイバを半導体レーザと結合した結合系を組み立てる際に、半導体レーザと半球状レンズとが衝突して、使用不能になる欠点があった。

しかしながら、作動距離を大きく保ちつつ、より低い結合損失を実現し、更に、半導体レーザ、レンズと光ファイバの光軸合わせが簡易であるという要求を同時に満足することは、従来のレンズ付き光ファイバに関する技術では不可能であった。本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、作動距離を大きく保ちつつ結合損失を低減させることが可能で、且つモジュール組立て性の良いＧＲＩＮレンズ付き光ファイバとレーザモジュールを提供することを目的とする。

（構成１）本発明は、開口数NAｆの光通信用光ファイバの一端に開口数NA2の第二のＧＲＩＮレンズを溶融接続し、さらに前記第二のＧＲＩＮレンズの他端にNA2よりも大きく、かつ、０．４３以上の開口数NA1の第一のＧＲＩＮレンズを融着接続した結合部品であって、前記第一のＧＲＩＮレンズの先端面が平面状であることを特徴とする光ファイバ結合部品である。

本発明の光ファイバ結合部品は、第一のＧＲＩＮレンズ側の端部を発光源に対向して配置し、他端に光通信用の光ファイバを接続することで、発光源から放射された光を効率よく光通信用の光ファイバに送り込むものである。発光源から放射された光は順次第一のＧＲＩＮレンズ、第二のＧＲＩＮレンズを経て光ファイバに進入していくが、第一のＧＲＩＮレンズの開口数NA1は第二のＧＲＩＮレンズの開口数NA2よりも大きいので、第一のＧＲＩＮレンズとして開口数の大きな（望ましくは、発光源の開口数NAｓよりも大きな）ものを採用し、発光源から放射された光を効率よく第一のＧＲＩＮレンズ内に進入させることができる。また、第二のＧＲＩＮレンズの開口数NA2がNA1よりも小さいので、開口数の十分小さなものを選択でき、これにより第二のＧＲＩＮレンズから光ファイバに至る光の臨界角を小さくできる（開口数が小さいとＧＲＩＮレンズ内を蛇行して進む光の蛇行周期が長くなり、ＧＲＩＮレンズから出ていく光の臨界角も小さくなる）ので、第二のＧＲＩＮレンズから光ファイバへ光が効率よく進入する。

（構成２）また本発明は、前記構成１の結合部品において、光ファイバの開口数（NAｆ）、第一のＧＲＩＮレンズの開口数（NA1）、第二のＧＲＩＮレンズの開口数（NA2）及び発光源の開口数（NAｓ）が、
NAｆ ≦ NA2 ＜ NAｓ ≦ NA1
を満足するように構成されていることを特徴とする光ファイバ結合部品である。

ＧＲＩＮレンズは、前記のように、屈折率が一様でない（中心に近いほど屈折率が大きい）媒質を用いたレンズで、屈折率が連続的に変化することでレンズ作用をするレンズである。図１はＧＲＩＮレンズの説明図で、左側に半径方向の屈折率分布、右側に斜視図を示す。同図に示されるように、ＧＲＩＮレンズは二乗型屈折率分布となっている。発光源（半導体レーザなど）の開口数NAｓは、放射半値全角（図２のθ）の正弦関数、ＧＲＩＮレンズの開口数NAはＧＲＩＮレンズの臨界角の正弦関数であり、開口数の大きな発光源ほど光が広がって放射され、開口数の大きなＧＲＩＮレンズほど集光能力が高くなる。

NAｓ ≦ NA1であるので、発光源から放射された光が全て第一のＧＲＩＮレンズ内に進入し、光の損失がなくなる。また、NAｆ ≦ NA2 ＜ NAｓであるので、第二のＧＲＩＮレンズから光ファイバに至る光の臨界角が小さくなり、第二のＧＲＩＮレンズから光ファイバへ光が効率よく進入する。したがって、全体として発光源から放射された光が効率よく光ファイバへ進入する。なお、通常はNAｆ＝０．１５、NAｓ＝０．４３である。

また本発明の結合部品は、前記第一のＧＲＩＮレンズの開口数NA1が０．４３以上であることを特徴とする。前記のように、一般的な発光源（半導体レーザ）の開口数は０．４３であるから、第一のＧＲＩＮレンズの開口数を０．４３以上とすることで、一般的な発光源よりも大きな開口数となる。

従来、半導体レーザの開口数NAｓよりも大きな開口数NAを持ち、かつ、光ファイバに融着可能な、両端面が平面状のＧＲＩＮレンズは存在しなかったが、下記に述べる方法及び実施例により製造可能となった。ＧＲＩＮレンズの開口数が発光源の開口数よりも大きいので、発光源から放射された光を全てＧＲＩＮレンズ内に進入させることができ、光の損失を低減できる。

（構成３）また本発明は、前記構成１又は２の結合部品において、前記第一のＧＲＩＮレンズの長さZ1が、中心部のガラスの屈折率をｎ₀、レンズ１の半径をｄ１、発光源との距離をＬとしたときに、
Z1=（ｎ₀*ｄ１/NA1）arctan(d１/(NA1*L))
を満足することを特徴とする光ファイバ結合部品である。

Z1=（ｎ₀*ｄ１/NA1）arctan(d１/(NA1*L)) とすることで第一のＧＲＩＮレンズに進入した光が、その終端において平行光線となり、効率よく第二のＧＲＩＮレンズに入射する。また、第一のＧＲＩＮレンズレンズの開口数が大きいことと相俟って、発光源との距離を長くし、組み立て性を良くすることができる。

（構成４）また本発明は、前記構成３の結合部品において、前記第二のＧＲＩＮレンズの長さZ2が、伝播する光線の蛇行周期の略1/4の長さあるいはその奇数倍の長さであることを特徴とする光ファイバ結合部品である。

前記構成３によって、第二のＧＲＩＮレンズには第一のＧＲＩＮレンズから平行光線が入射する。第二のＧＲＩＮレンズの長さZ2が、伝播する光線の蛇行周期の略1/4の長さあるいはその奇数倍の長さであるので、入射した平行光線は終端において、光ファイバ４の中心軸に集光する。このとき、第二のＧＲＩＮレンズの集光性は第一のＧＲＩＮレンズに比べ小さいので、緩やかな角度で集光することとなり、光が効率よく光ファイバに進入する。

（構成５）また本発明は、前記構成１〜４のいずれかの結合部品において、前記第一及び第二のＧＲＩＮレンズは熱膨張係数が15×10^-7K^-1以下であり、且つ少なくとも第一のＧＲＩＮレンズはゾルゲル法により作成されたことを特徴とする光ファイバ結合部品である。第一、第二のＧＲＩＮレンズは熱膨張係数を15×10^-7K^-1以下とすることで、第一と第二のＧＲＩＮレンズの融着、第二のＧＲＩＮレンズと石英ガラスである光ファイバとの融着を瑕疵なく行うことができるようになり、生産性に優れ（軸合わせ不要、歩留まり向上など）、接続部の変質、光の損失の問題が解消される。このような熱膨張率を有し、開口数の大きな第一のＧＲＩＮレンズはゾルゲル法によって製造可能となる。開口数の小さな第二のＧＲＩＮレンズは従来の公知方法によっても製造できる。

（構成６）また本発明は、前記構成１〜５のいずれかの結合部品において、前記光ファイバが単一モード光ファイバであることを特徴とする光ファイバ結合部品である。本発明の結合部品において、光ファイバとしては最も一般的な単一モード光ファイバを使用できる。単一モード光ファイバは、通常、中心部の屈折率の比較的大きなコアと、その周囲の屈折率の比較的小さなクラッドからなり、コアの直径は１０μｍ程度、クラッドの直径（ファイバの径）は１２５μｍ程度である。

NAが高く、且つ熱膨張係数が石英ガラスとほぼ同等であるという両端面が平面状のGRINレンズを形成するには、従来のようなイオン交換法や気相CVD（Chemical Vapor Deposition）法では非常に難しい。イオン交換法で作られるＧＲＩＮレンズは、アルカリ成分を含む多成分ガラスのため、熱膨張係数が非常に大きくなって耐熱性の問題で信頼性に乏しかった。また、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。これら熱膨張の整合が高NAの課題であった。

この問題を解決できる唯一の方法は低温合成法を基盤としたゾルゲル法である。ゾルゲル法は、シリコンのアルコキシド（Si(OR)₄（R:アルキル基））を主成分とするアルコール溶液に、溶媒として酸または塩基を添加し加水分解することでゾルとし、多成分系のガラスを作製する場合にはさらに金属成分を添加し、このゾルをさらに重縮合反応させることで、架橋反応を進行させウェットゲルを作製している。そして、得られたウェットゲルを乾燥し、ゲル中の溶媒を除去後、焼成することで緻密なガラスを作製している。ゾルゲル法を用いてＧＲＩＮレンズを作製する場合には、金属成分に濃度分布を形成することが必要となる。金属成分の濃度が濃い部分は屈折率が大きくなるから、ＧＲＩＮレンズの中心部の濃度を濃くし、外側ほど濃度が薄くなるようにする。金属成分の原料として金属アルコキシド、金属塩を用いる方法、更には分子スタッフィング法などがある。

本発明のＧＲＩＮレンズに添加する、屈折率を高くするための金属成分を検討するため、二元系シリカガラスの屈折率を、良く知られたLorentz-Lorenzの計算式を用いて予測したところ、ＧＲＩＮレンズの金属添加物成分の候補として、SiO₂−Bi₂O₃、−In₂O₃、−Y₂O₃、−La₂O₃、−Ga₃O₂、 −Sb₃O₂、−Gd₃O₂、−Nb₂O₅、−SnO₂、−Ta_２O₅、−TiO₂ 及び−ZrO₂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、ゲルが作製できないことが分かった。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）では0.3以下の開口数（NA）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。また、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−Ti₂O₃ 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−Ti₂O₃系石英ガラスが好適であり、それぞれTa：10mol%、Ti：12mol%をゾルゲル法で添加すれば、NAが高く、熱膨張係数が石英ガラスに近似したＧＲＩＮレンズを作製できることが判明した。

本発明のＧＲＩＮレンズ付きの光ファイバ結合部品によれば、光ファイバとほぼ変わらない太さとすることができ、結合系全体が小さくて良いので、複数の半導体レーザや複数の光ファイバが短い間隔で並んでいる半導体レーザアレイと光ファイバアレイとの結合が可能である。作動距離（発光源との距離）を大きくできるので結合系の組み立てが容易で、レンズを傷つけるおそれもない。結合損失を著しく低減できることは勿論である。また、本発明のＧＲＩＮレンズ付きの光ファイバ結合部品は、全て光ファイバ形で、既存のファイバ融着接続技術をそのまま利用して作製できるため、作製が簡単で大量生産も可能であるという大きな効果がある。

次に、図２に基づいて本発明の実施形態を説明する。開口数NAsの半導体レーザ３と、NAｓと同じかそれよりもやや大きなNAを持つ第一のＧＲＩＮレンズ１(このＧＲＩＮレンズのNAをNA1と呼ぶ。)との距離をLとすると、半導体レーザ１から開口数NAsに相当する放射半値全角θで放射される光は、第一のＧＲＩＮレンズ１に受け入れられ、第一のＧＲＩＮレンズ１内を伝播することが出来る。このとき、第一のＧＲＩＮレンズ１の中心部の屈折率をｎ₀、その半径をｄ１とし、第一のＧＲＩＮレンズ１内の光線方程式を解くと、第一のＧＲＩＮレンズ１の長さZ1を、
Z1=（ｎ₀*ｄ１/NA1）arctan(d１/(NA1*L)) (1)
に調整することで、Z1の長さを伝播した放射半値全角θ内の全ての光線は光ファイバの光軸に対して平行光線になる。但し、半導体レーザの放射光がＧＲＩＮレンズ１の半径ｄ1の側面に到達し蹴られないためには、
NA1≧NAｓ (2)
のもと、近似的に
ｄ１≧L/（（1/NAs-1/NA1）/NA1）^1/2 (3)
を満足すればよい。式(1)(2)(3)から分かるように、特に、L/d１≪１の時には、Z1〜（ｎ₀*ｄ１/NA1）*(π/2)となり（２）の条件のもと、いかなる半径ｄを設定しても、ＧＲＩＮレンズ１に入射した光は、ＧＲＩＮレンズ１の側壁に蹴られることは無い。

次に、このような平行光線を、NAfの光ファイバ４と同じかそれよりもやや大きなNA
NAｆ≦NA２ (４)
の第二のＧＲＩＮレンズ２(NA2と呼ぶ。)に入射させる。このとき第一のＧＲＩＮレンズ１の総ての平行光が、第二のＧＲＩＮレンズの側壁に蹴られない、あるいは、半径ｄ２で開口数NA２の第二のＧＲＩＮレンズ２に取り込まれるためには、第一のＧＲＩＮレンズと第二のＧＲＩＮレンズ内の光線方程式を解くと
（NAｆ/NA2）*（ｄ２/ｄ１）≧NAｓ（（L/ｄ１）^２NA1＋１/NA1）（5）
を満足するように半径ｄ１、ｄ２を設定すればよい。特に、式（５）から分かるように、特に、L/d１≪１の時には
ｄ２/ｄ１≧（NA２/NAｆ）*（NAｓ/NA1）（6）
を満足するように半径ｄ１、ｄ２を決定すればよい。
第二のＧＲＩＮレンズ２に入射された総ての平行光は、この第二のＧＲＩＮレンズ２の長さZ2を、第二のＧＲＩＮレンズ２の伝播光の蛇行周期の1/4の長さ
Z2＝（ｎ₀*ｄ２/NA２）*(π/2) （７）
あるいはその奇数倍の長さとすると、第一のＧＲＩＮレンズ１の集光性に比べ小さな集光性の第二のＧＲＩＮレンズ２により、緩やかな角度で光ファイバ４の中心軸に集光する。特に顕著なことは、光ファイバ４の中心軸に集光した光の中心軸となす角度は、第二のＧＲＩＮレンズの小さな集光能力によって、光ファイバの臨界角と同じかやや小さくなる。このため、光ファイバ内に殆ど総て受け入れられ、結合効率が飛躍的に向上する。

勿論、第一のＧＲＩＮレンズ１と第二のＧＲＩＮレンズ２、さらには光ファイバ４は融着接合されているため、それぞれの接合面での反射損失はほぼ零となる。
まとめると、特にL/d１≪１の時には、結合効率を飛躍的に向上させるためには、
NAｆ≦NA２＜NAs≦NA1 （８）
ｄ２/ｄ１≧（NA２/NAｆ）*（NAｓ/NA1）（９）
を満足する第一と第二のＧＲＩＮレンズ１，２を光ファイバ３の先端に融着した構成にすることである。

以上の考察より、L/d１≪１の時について説明すると、まず、半導体レーザにＧＲＩＮレンズ付き光ファイバが近づけ易い作動距離Ｌ（例30um）に設定する。次に、半径ｄ２で（８）を満足する開口数NA２の第二のＧＲＩＮレンズ２を選択し、その長さを、第二のＧＲＩＮレンズ２の伝播光の蛇行周期の1/4の長さ（（7）式）あるいはその奇数倍の長さZ2に設定する。次に（9）式を用いて第一のＧＲＩＮレンズ１の半径ｄ１を決める。通常は、ｄ１＝ｄ２に設定する。その値を（１）式に代入して第一のＧＲＩＮレンズ１の長さＺ１を作動距離を用いて設定する。このように。第一のＧＲＩＮレンズと半導体レーザとの距離Lを設定すれば、組み立てる際に互いに接触あるいは衝突することが無い。また、（１）式で分かるように、Ｚ１の長さは逆三角関数の性質上一意的ではなくπの複数倍存在するが、ＧＲＩＮレンズ１の加工の容易性を考慮して決めればよい。通常はπ倍に設定することが望まれる。

なお、これまで光ファイバ４を単一モード光ファイバとして説明してきたが、単一モード光ファイバに限定されることは無く、(８)式が満足されれば多モード光ファイバであっても良い。また、高出力のマルチモードＬＤでは、平行方向の発光領域と垂直方向の発光領域との比率が数十：１から数百：１にも達し、またレーザ光の垂直広がり角θｖと平行広がり角θｐとが極端に異なる（θｖ＞＞θｐ）。そのため、上述のような回転対称光学系では、対称性の良い光入射開口を（たとえば円形）有する光ファイバにＬＤレーザ光を効率良く導入させることは困難である。その対策として、垂直広がり角θｖに相当するNA(NAsと呼ぶ。)と同等かやや大きな開口数NAを持つ平板のＧＲＩＮレンズ（NA1と呼ぶ。）を円筒形の第一のＧＲＩＮレンズ１の替わりに挿入し、垂直広がり角θｖのみを第一の平板のＧＲＩＮレンズで調整すればよい。

また、半導体レーザからの放射光は、通常楕円形状を有しているが、第一のＧＲＩＮレンズ１は円筒形でなくても楕円形状の屈折率分布を持っていてもよい。いずれの場合にも、形状に関係なく(2)式を満足するＧＲＩＮレンズを組み合わせることにより高効率の結合効率を得ることが出来る。

次に、本発明の実施形態の形成方法などを図２、３に基づいて説明する。半導体レーザモジュール（結合系）の構成は、図２に示すように、半導体レーザ３と第一と第二のＧＲＩＮレンズ付き光ファイバとが3０μｍ程度の作動距離をおいて対向配置されている。半導体レーザ３は、例えば、ピーク発振波長１３３０ｎｍ、動作電流１６ｍＡ、動作電圧1.０Ｖ、水平方向放射半値全角２０°、垂直方向放射半値全角２５°とすることができる。ＧＲＩＮレンズ付き光ファイバは、コアとクラッドとを有する開口数NAｆ＝0.１５の単一モードファイバ４の一端に、第二のＧＲＩＮレンズ２と第一のＧＲＩＮレンズ１が当該順に接続されているものとすることができる。第一のＧＲＩＮレンズ１と第二のＧＲＩＮレンズ２の直径は、光ファイバ４の直径と同じかやや大きめに通常は設定される。図２の構成例では、ＧＲＩＮレンズ１、２の直径は、夫々同じで150μm、開口数NA１，２は夫々0.5、0.１６に設定されている。第二のＧＲＩＮレンズ２は、レンズ内を伝搬する光線の蛇行周期の略１／４の長さで、（7）式より略８６０μｍに設定されている。一方、第一のＧＲＩＮレンズの長さは、前記（1）式より求まり、ここではπ倍に取り、長さ略９９０μmに設定されている。

上記のように構成されるＧＲＩＮレンズ付き光ファイバは、以下のようにして製造される。先ず図３（ａ）に示す開口数NAｆ＝0.１５、直径125μmの単一モード光ファイバ４の一端に開口数NA2=0.16の二乗形屈折率分布を有する直径150μmの第二のＧＲＩＮレンズ２を融着接続器を用いて融着接続する。その後、第二のＧＲＩＮレンズ内を伝搬する光の蛇行周期の１／４周期の長さ860μmで切断する（図３（ｂ））。次に、第二のＧＲＩＮレンズと異なる開口数NA1=0.5、直径150μmの二乗形屈折率分布を有する適当な長さの第一のＧＲＩＮレンズ１の素材を第二のＧＲＩＮレンズ２に融着接続する。その後第一のＧＲＩＮレンズ１の長さが990μmになるように切断研削するとＧＲＩＮレンズ付き光ファイバ
が得られる（図３（ｃ））。

上記半導体レーザモジュールを用いて、ピーク発振波長１３３０ｎｍ，動作電流１６ｍＡ，動作電圧1.０Ｖで、水平方向放射半値全角２０°、垂直方向放射半値全角２５°の放射特性をもつ半導体レーザとNA1＝０.５を有するＧＲＩＮレンズ付き光ファイバを3０μmの距離で対向させたところ、結合損失は1ｄＢ以下と極めて高い結合効率が得られ、本発明の優位性が証明された。

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９．８ｍｌを加えた。その後、０．０１規定アンモニア水を添加し攪拌して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、外周部のチタンを溶出させることでゲル中にチタンの濃度分布を付与した。浸漬後、７０℃で乾燥させたて直径約１０ｍｍのドライゲルを得た。得られたドライゲルを、室温から８００℃までは酸素雰囲気中で１５０℃／ｈｒで昇温し、その後１２５０℃までヘリウム雰囲気中で５０℃/ｈｒ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=0.1６の第二のＧＲＩＮレンズの母体が得られた。

次いで、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の第一のＧＲＩＮレンズの母体が得られた。このように、ウエットゲル状態において複数回濃度分布を付与を行うことで、開口数の大きなＧＲＩＮレンズを形成できる。

これら2本の母体を夫々別々にカーボンヒータの電気炉に0.04mm/sで挿入しながら外径1５０μmのＧＲＩＮレンズ状光ファイバに紡糸して、第一のＧＲＩＮレンズ状光ファイバと第二のＧＲＩＮレンズ状光ファイバを作製した。作製した第二のＧＲＩＮレンズ状光ファイバを開口数０．１５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、第二のＧＲＩＮレンズ内を伝搬する光の蛇行周期の１／４周期長９９０μmで切断加工した。次に、第二のＧＲＩＮレンズと異なる開口数０．５の第一のＧＲＩＮレンズ状光ファイバを、前記と同じ放電融着接続器を使って第二のＧＲＩＮレンズに融着接続した。その後、長さ８６０μmになるように切断研磨し、第一、第二のＧＲＩＮレンズが付いた実施例１の付きの光ファイバ結合部品を得た。

得られた光ファイバ結合部品を、ピーク発振波長１３３０ｎｍ，動作電流１６ｍＡ，動作電圧1.０Ｖ，水平方向放射半値全角２０°，垂直方向放射半値全角２５°の半導体レーザに３０μｍの作動距離で対向させたところ、結合損失が０.９ｄB以下の高い結合効率が得られた。

まず、第一に、実施例１と同じプロセスで、開口数NA＝0.16の第二のＧＲＩＮレンズの母体を作成した後、カーボンヒータの電気炉で紡糸し、外径1５０μmの第二のＧＲＩＮレンズ状光ファイバを得た。

続いて、シリコンテトラメトキシド７６．６ｍｌとイソプロパノール１８４．３ｍｌとの混合液に２規定塩酸９．２ｍｌを添加した後、超微粒子シリカ50mlを混合し、１時間攪拌して部分加水分解を行った。この溶液を８等分し、表１に示す濃度のチタンテトラｎブトキシドを添加して、チタン成分の異なる１層から８層までの８種のゾルを時間をおいて作製した。その後、夫々時間をおいて０．０１規定のアンモニア水を添加し、ゾルを調製した。

まず、１層目のゾルを内径５０ｍｍの円筒形ポリプロピレン容器に入れ、１１００回転/分の速度で３０分回転させ、円筒状の容器２１の内壁に円筒状のウエットゲルを作製した。その後、同様なプロセスで、２層から８層のチタン成分の異なるゾル液を順次該容器２１に入れて、容器２１の内壁に同心円状に８層のチタンの添加量の異なるウエットゲル層２２を積層した（図４（ａ））。作製した円筒状のウエットゲルを回転させながら、60℃で1週間乾燥させてドライゲルを得た。ドライゲルは収縮して、外径26mm内径13mmで、楕円率が0.04％以下の円筒であった。得られたドライゲルを室温から８００℃までは酸素雰囲気中で１５０℃／ｈｒで昇温し、その後１２５０℃までヘリウム雰囲気中で５０℃/ｈｒで昇温・焼成し透明なガラス体２３を得た。この円筒状のガラス体23の両端を回転旋盤に固定し、回転しながら約2000℃の酸水素バーナ25で端部より順次加熱していくと、内径が閉じた円柱状のＧＲＩＮレンズ母体24が得られた（図４（ｃ））。

このＧＲＩＮレンズ母体２４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1５０μmのＧＲＩＮレンズ状光ファイバに紡糸して、第一のＧＲＩＮレンズ状光ファイバを作製した。作製した第一のＧＲＩＮレンズ状光ファイバ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屈折率分布を持ち、その開口数はNA=0.5３であった。ここで、1900℃以上の紡糸の時に中心部のチタン成分が若干飛散するため、表１に示すように8層のチタン添加量を多くし、屈折率の低下を防止した。

このようにして作製した、第二のＧＲＩＮレンズ状光ファイバを開口数０．１５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、第二のＧＲＩＮレンズ内を伝搬する光の蛇行周期の１／４周期長９９０μmで切断加工した。次に、第二のＧＲＩＮレンズと異なる開口数０．５３の第一のＧＲＩＮレンズ状光ファイバを、前記と同じ放電融着接続器を使って第二のＧＲＩＮレンズに融着接続した。その後、長さ８40μmになるように切断研磨実施例２の光ファイバ結合部品を得た。

続いて、シリコンテトラメトキシド1.1ｇと表２に示す8種の添加量のタンタルエトキシドを添加混合し、メタノール1.３ｃｃを添加混合して攪拌させた。その後超微粒子シリカ0.3ｇを混合し、１時間攪拌した後、時間をおいて夫々メタノール1.3ｃｃと純水0.3ｃｃを混合して滴下し、ゾルを調製した。

まず、１層目のゾルを内径５０ｍｍの円筒形ポリプロピレン容器に入れ、１０００回転/分の速度で３０分回転させ、容器の内壁に円筒状のゲルを作製した。その後、同様なプロセスで、２層から８層のタンタル成分の異なるゾルを順次該容器に入れて、容器の内壁に同心円状に８層のタンタル濃度の異なるウエットゲルを積層した。作製した円筒状のウエットゲルを回転させながら、60℃で1週間乾燥させてドライゲルを得た。ドライゲルは、外径２５mm内径１４mmで、楕円率が0.04％以下の円筒であった。得られたドライゲルを室温から８００℃までは酸素雰囲気中で１５０℃／ｈｒで昇温し、その後１２５０℃までヘリウム雰囲気中で５０℃/ｈｒで昇温・焼成して透明なガラス体を得た。

この円筒状のガラス体から、前記実施例２と同様に閉じた円筒状のＧＲＩＮレンズ母体を形成し、該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1５０μmのＧＲＩＮレンズ状光ファイバに紡糸して、第一のＧＲＩＮレンズ状光ファイバを作製した。作製した第一のＧＲＩＮレンズ状光ファイバ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屈折率分布を持ち、その開口数はNA=0.5２であった。タンタルの場合には、実施例２で述べられているような、タンタルの飛散は無かった。

このようにして作製した、第二のＧＲＩＮレンズ状光ファイバを開口数０．１５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、第二のＧＲＩＮレンズ内を伝搬する光の蛇行周期の１／４周期長９９０μmで切断加工した。次に、第二のＧＲＩＮレンズと異なる開口数０．５３の第一のＧＲＩＮレンズ状光ファイバを、前記と同じ放電融着接続器を使って第二のＧＲＩＮレンズに融着接続した。その後、長さ８40μmになるように切断研磨して実施例３の光ファイバ結合部品を得た。

次に、シリコンテトラメトキシド、純水、塩酸をモル比で１：5：0.001の割合に混合し、加水分解が完全に終わるまで攪拌してゾル液を得た。その後、超微粒子シリカを、ゾル内のSiO₂との重量比が40%になるように該ゾル液に混合し、十分に攪拌した。その後、0.1規定のアンモニア水を添加しゾルを調整した。このゾルを内径50mmの円筒形ポリプロピレン容器に入れ、１０００回転/分の速度で2時間回転させ、容器の内壁に円筒状のウエットゲルを作製した。このウエットゲルを５０ｇのモレキュラーシーブ３Aを添加したイソプロパノールとアセトンを混合した処理液800ml中に浸漬して24時間攪拌する操作を行った後に、処理液を取り替えて再度同様の操作を行った。その後、円筒形状内に５gのチタンテトラｎブトキシドとエタノール７０ｍｌとを混合した溶液を注入し5時間攪拌して、円筒形状のウエットゲルにチタンの濃度分布を付与した。このゲルをアセトンに浸漬し、チタンをゲルの細孔中に固定した。

この作製したチタンの濃度分布を持つ円筒状のウエットゲルを回転させながら、60℃で1週間乾燥させてドライゲルを得た。ドライゲルは、外径26mm内径13mmで、楕円率が0.04％以下の円筒であった。得られたドライゲルを室温から８００℃までは酸素雰囲気中で１５０℃／ｈｒで昇温し、その後１２５０℃までヘリウム雰囲気中で５０℃/ｈｒで昇温・焼成し透明なガラス体を得た。

この円筒状のガラス体から、前記実施例２、３と同様に閉じた円筒状のＧＲＩＮレンズ母体を形成し、該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1５０μmのＧＲＩＮレンズ状光ファイバに紡糸して、第一のＧＲＩＮレンズ状光ファイバを作製した。作製した第一のＧＲＩＮレンズ状光ファイバ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屈折率分布を持ち、その開口数はNA=0.４８であった。

このようにして作製した、第二のＧＲＩＮレンズ状光ファイバを開口数０．１５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、第二のＧＲＩＮレンズ内を伝搬する光の蛇行周期の１／４周期長９９０μmで切断加工した。次に、第二のＧＲＩＮレンズと異なる開口数０．４８の第一のＧＲＩＮレンズ状光ファイバを、前記と同じ放電融着接続器を使って第二のＧＲＩＮレンズに融着接続した。その後、長さ８９０μmになるように切断研磨して実施例４の光ファイバ結合部品を得た。

前記実施例４と同様に作製したチタンの濃度分布を固定したウエットゲルの外壁のみを６規定塩酸中に５分間浸漬し、ウエットゲルの周辺部分に固定されたチタン添加物を取り去り、急峻なチタンの濃度分布を付与した。得られたウエットゲルをメタノール中に浸漬して塩酸の洗浄を行って乾燥させて、外径26mm内径13mmのドライゲルを得た。得られたドライゲルを管状炉に入れ、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、透明な円筒状のガラス体を得た。得られたガラス体を実施例１と同様に150μｍに紡糸し、屈折率分布を測定したところ、実施例よりもより2乗カーブに近く、開口数が0.55と高いＧＲＩＮレンズであった。このＧＲＩＮレンズを第一のＧＲＩＮレンズとして、前記実施例１〜４と同様に光ファイバ結合部品を形成すれることで、高い結合効率の光ファイバ結合部品を得ることができる。

さらに、実施例４におけるチタンテトラｎブトキシドの替わりにタンタルプロポキシドTa(OC₃H₇)₅を用いて同様にタンタルの濃度分布の固定を行い、乾燥・燒結したが、得られたガラスの屈折率分布はほぼ2乗カーブで減少する屈折率分布で、その開口数はNA=0.５２であった。このＧＲＩＮレンズを第一のＧＲＩＮレンズとして、前記実施例１〜４と同様に光ファイバ結合部品を形成すれることで、高い結合効率の光ファイバ結合部品を得ることができる。

ＧＲＩＮレンズの説明図である。実施例の光ファイバ結合部品の説明図である。実施例の光ファイバ結合部品の形成過程の説明図である。ＧＲＩＮレンズの形成過程の説明図である。

符号の説明

１第一のＧＲＩＮレンズ
２第二のＧＲＩＮレンズ
３半導体レーザ
４光ファイバ
２１容器
２２ウエットゲル層
２３ガラス体
２４ＧＲＩＮレンズ母体

Claims

開口数NAｆの光通信用光ファイバの一端に開口数NA2の第二のＧＲＩＮレンズを溶融接続し、さらに前記第二のＧＲＩＮレンズの他端にNA2よりも大きく、かつ、０．４３以上の開口数NA1の第一のＧＲＩＮレンズを融着接続した結合部品であって、前記第一のＧＲＩＮレンズの先端面が平面状であることを特徴とする光ファイバ結合部品。
請求項１の結合部品において、光ファイバの開口数（NAｆ）、第一のＧＲＩＮレンズの開口数（NA1）、第二のＧＲＩＮレンズの開口数（NA2）及び発光源の開口数（NAｓ）が、
NAｆ ≦ NA2 ＜ NAｓ ≦ NA1
を満足するように構成されていることを特徴とする光ファイバ結合部品。
請求項１又は２の結合部品において、前記第一のＧＲＩＮレンズの長さZ1が、中心部のガラスの屈折率をｎ₀、レンズ１の半径をｄ１、発光源との距離をＬとしたときに、
Z1=（ｎ₀*ｄ１/NA1）arctan(d１/(NA1*L))
を満足することを特徴とする光ファイバ結合部品。
請求項３の結合部品において、前記第二のＧＲＩＮレンズの長さZ2が、伝播する光線の蛇行周期の略1/4の長さあるいはその奇数倍の長さであることを特徴とする光ファイバ結合部品。
請求項１〜４のいずれかの結合部品において、前記第一及び第二のＧＲＩＮレンズは熱膨張係数が15×10^-7K^-1以下であり、且つ少なくとも第一のＧＲＩＮレンズはゾルゲル法により作成されたことを特徴とする光ファイバ結合部品。
請求項１〜５のいずれかの結合部品において、前記光ファイバが単一モード光ファイバであることを特徴とする光ファイバ結合部品。