JP2000304965A - Optical fiber with end lens - Google Patents
Optical fiber with end lensInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、光通信に使用する発光
源と光ファイバとの光結合に使用するレンズ付きファイ
バに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fiber with a lens used for optical coupling between an optical fiber and a light source used for optical communication.
【０００２】[0002]
【従来の技術】半導体レーザ等の光半導体素子と光ファ
イバとを高い結合効率の下に結合することは、光通信に
おいて最も重要な技術の一つであり、従来、光半導体素
子と光ファイバとの間に球レンズや非球面レンズ等のレ
ンズを配置して結合する方法や、図２に示すように、コ
ア１ａと共に先端を球面に成形した先球ファイバ１を用
いて半導体レーザ５と結合する方法が知られている。2. Description of the Related Art Coupling an optical semiconductor device such as a semiconductor laser and an optical fiber with high coupling efficiency is one of the most important technologies in optical communication. A method of arranging a lens such as a spherical lens or an aspherical lens between them and coupling them, or as shown in FIG. 2, coupling with a semiconductor laser 5 using a spherical fiber 1 whose tip is formed into a spherical shape together with a core 1a. Methods are known.
【０００３】これらの方法のうち、先球ファイバ１を用
いて半導体レーザ５と結合する方法は、レンズを用いな
いことから小型な結合が可能で、半導体レーザアレイと
先球ファイバアレイとの結合も可能である。しかし、こ
の結合方法は、高い結合効率を実現するために、先球フ
ァイバ１の先端と半導体レーザ５の出射端面５ａとの光
軸方向の間隔、即ち、作動距離をコア１ａの直径程度の
１０μｍ前後にしなければならない。このため、先球フ
ァイバ１と半導体レーザ５との結合系を組み立てる際
に、相互に接触あるいは衝突することによって破損し、
使用不能になることがあるという欠点があった。[0003] Of these methods, the method of coupling to the semiconductor laser 5 using the spherical fiber 1 enables a small coupling because no lens is used, and the coupling between the semiconductor laser array and the spherical fiber array is also difficult. It is possible. However, in this coupling method, in order to realize high coupling efficiency, the distance in the optical axis direction between the tip of the spherical fiber 1 and the emission end face 5a of the semiconductor laser 5, that is, the working distance is set to 10 μm, which is about the diameter of the core 1a. Must be around. For this reason, when assembling the coupling system between the spherical fiber 1 and the semiconductor laser 5, they are damaged by contact or collision with each other,
There was a disadvantage that it could become unusable.
【０００４】そこで、このような問題を解決する結合手
段として、図３に示すレンズ付きファイバ２が提案され
ている。このファイバ２は、光ファイバ３の先端にコア
がなく等方性の屈折率を有し、先端が球面のコアレスフ
ァイバ４を接続したもので、作動距離Ｄを大きくするこ
とによって半導体レーザ５との接触あるいは衝突を回避
したものである。Therefore, as a coupling means for solving such a problem, a fiber with lens 2 shown in FIG. 3 has been proposed. The fiber 2 has an isotropic refractive index without a core at the tip of the optical fiber 3 and is connected to a coreless fiber 4 having a spherical tip. The working distance D is increased by increasing the working distance D. This avoids contact or collision.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構
成のレンズ付きファイバ２は、コアレスファイバ４の先
端が球面であることから、球面収差によって結合効率が
低下するという問題がある。即ち、半導体レーザ５から
出射される光線は、コアレスファイバ４先端の球面に種
々の角度で入射し、球面におけるレンズ効果によって集
束されて、光ファイバ３とコアレスファイバ４との接続
面に入射する。このため、光線によっては、光ファイバ
３とコアレスファイバ４との接続面において光ファイバ
３のコア３ａから外れたり、あるいは、コア３ａに到達
しても臨界角以上となってコア３ａ内を伝搬しない場合
があり、構成部材相互間における結合効率が低下すると
いう問題があった。However, in the fiber with a lens 2 having the above-described structure, since the tip of the coreless fiber 4 is spherical, there is a problem that the coupling efficiency is reduced by spherical aberration. That is, light beams emitted from the semiconductor laser 5 enter the spherical surface at the tip of the coreless fiber 4 at various angles, are focused by a lens effect on the spherical surface, and enter the connection surface between the optical fiber 3 and the coreless fiber 4. For this reason, depending on the light beam, the light may come off the core 3a of the optical fiber 3 at the connection surface between the optical fiber 3 and the coreless fiber 4, or even if the light reaches the core 3a, the critical angle becomes larger than the critical angle and does not propagate through the core 3a. In some cases, there is a problem that the coupling efficiency between the constituent members is reduced.
【０００６】本発明は上記の点に鑑みてなされたもの
で、構成部材相互間における結合効率を向上させること
が可能なレンズ付きファイバを提供することを目的とす
る。[0006] The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a fiber with a lens capable of improving the coupling efficiency between constituent members.
【０００７】[0007]
【課題を解決するための手段】本発明は、コアとクラッ
ドとを有するマルチモードファイバであって、一端がシ
ングルモードファイバに融着もしくは接着によって接合
され、他端が斜断面を設けて楔状とし、この先端に所望
の曲率を設けた先円筒凸曲面に加工され、そのコア部が
屈折率分布を有することを特徴とした端部レンズ付きフ
ァイバである。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention relates to a multimode fiber having a core and a clad, one end of which is joined to a single mode fiber by fusion or adhesion, and the other end of which is formed in a wedge shape with a slanted cross section. This is a fiber with an end lens, which is processed into a convex cylindrical curved surface having a desired curvature at its tip and whose core has a refractive index distribution.
【０００８】さらに本発明は、ファイバ端の一部に斜断
面を設けて楔状とし、この先端に所望の曲率を直交する
２方向に設けたことを特徴とした先楕円の端部レンズ付
きファイバである。Further, the present invention provides a fiber with an elliptical end lens, wherein a slanted cross section is provided at a part of the fiber end to form a wedge, and a desired curvature is provided at the end in two orthogonal directions. is there.
【０００９】さらに本発明は、マルチモード部のファイ
バ長が、先円筒方向または先楕円長軸方向に拡散伝搬す
る光線成分と、それぞれ直角方向に拡大する光線成分
が、シングルモードファイバ端部で円形状の焦点像を形
成するに必要な長さを有することを特徴とした端部レン
ズ付きファイバである。Further, according to the present invention, the fiber length of the multimode portion is such that a light beam component that diffusely propagates in a pre-cylindrical direction or a pre-elliptical long axis direction and a light beam component that expands in a direction perpendicular to each other are circular at the end of the single mode fiber. An end lensed fiber having a length necessary to form a focused image of a shape.
【００１０】本発明の端部レンズ付ファイバは、図１に
示すように単一モードファイバ６に対して、コア部７が
二乗型屈折率分布をもつ多モードファイバ部分８を融着
もしくは接着によって接続９し、他端の先端部に斜断面
10を設けて外観上は略楔形状とし、さらにその先端11に
所望の曲率を設けた半円柱状先端曲面Ｒを形成したもの
であり、（ａ）はその側面図、（ｂ）はその平面図であ
る。In the fiber with an end lens according to the present invention, as shown in FIG. 1, a multimode fiber portion 8 having a square-type refractive index distribution in a core portion 7 is fused or bonded to a single mode fiber 6. Connect 9 and beveled cross section at the other end
10, a semi-cylindrical tip curved surface R having a desired curvature is formed at the tip 11 thereof, and (a) is a side view thereof, and (b) is a plane thereof. FIG.
【００１１】半導体レーザ３の出射端面での光強度分布
が、その接合面に平行な方向に長軸をもつ楕円の場合に
は、その端面からの出射光は空間を伝搬するに従い、接
合面に平行な方向には緩やかに拡がり、逆に接合面に垂
直な方向には急速に拡がる性質がある。本発明では、前
記半円柱先端多モードファイバの半円柱軸方向が前記半
導体レーザの接合面に対して平行になるように配置す
る。In the case where the light intensity distribution at the emission end face of the semiconductor laser 3 is an ellipse having a major axis in a direction parallel to the joint face, the light emitted from the end face propagates through the space, and It spreads slowly in the direction parallel to it, and rapidly spreads in the direction perpendicular to the joint surface. In the present invention, the semi-cylindrical tip multimode fiber is arranged so that the semi-cylindrical axis direction is parallel to the bonding surface of the semiconductor laser.
【００１２】半導体レーザの接合面に垂直な面内の空間
を伝搬する出射光は、半導体レーザ端面を離れるに従い
急速に拡がりながら伝搬し、半円柱状先端面に達する
と、その曲面による屈折を受けてファイバ軸に概ね平行
な光線に変換される。The outgoing light propagating in a space in a plane perpendicular to the junction surface of the semiconductor laser propagates while spreading rapidly as it leaves the end face of the semiconductor laser. When it reaches the semi-cylindrical tip face, it is refracted by the curved face. And is converted into a light beam substantially parallel to the fiber axis.
【００１３】一方、半導体レーザの接合面に平行な面内
の空間を伝搬する出射光は、半導体レーザ端面を離れて
も殆ど拡がらずに伝搬し、半円柱状先端面に達する。そ
の端面は半導体レーザの接合面に平行な面内すなわち半
円柱軸方向には曲面になっていないため、屈折せずに多
モードファイバ中に入射する。On the other hand, the outgoing light propagating in a space in a plane parallel to the junction surface of the semiconductor laser propagates almost without spreading even after leaving the end face of the semiconductor laser, and reaches the semi-cylindrical tip end face. Since the end face is not curved in a plane parallel to the bonding surface of the semiconductor laser, that is, in a semi-cylindrical axis direction, the light enters the multimode fiber without being refracted.
【００１４】従って、半導体レーザの接合面に垂直およ
び平行な光線ともに、半円柱先端多モードファイバに入
射後は、ファイバ軸にほぼ平行な光線になる。半導体レ
ーザの接合面に垂直な方向での光ビームの拡がりが、半
導体レーザの接合面に平行な方向での光ビームと等しく
なる距離だけ半導体レーザと半円柱先端を離しておけ
ば、半円柱先端に入射した光はその光強度分布が略円形
で、等位相面が略平坦な光ビームとなる。Therefore, both light beams perpendicular and parallel to the bonding surface of the semiconductor laser become light beams substantially parallel to the fiber axis after being incident on the multimode fiber at the tip of the semi-cylinder. If the divergence of the light beam in the direction perpendicular to the bonding surface of the semiconductor laser is equal to the light beam in the direction parallel to the bonding surface of the semiconductor laser, and the semiconductor laser is separated from the semi-cylindrical tip by a distance, Is a light beam having a substantially circular light intensity distribution and a substantially flat equal phase plane.
【００１５】多モードファイバの屈折率分布は二乗形の
ため、そこを光ビームが伝搬するとそのスポットサイズ
は周期的に変化する。半円柱先端に入射した光ビームの
スポットサイズが、単一モード光ファイバのスポットサ
イズと等しくなるように、多モードファイバの比屈折率
差、コア径、および長さを設定しておくことにより高効
率な光結合が得られる。Since the refractive index distribution of a multimode fiber is a square shape, when a light beam propagates therethrough, its spot size changes periodically. The relative refractive index difference, core diameter, and length of the multimode fiber are set so that the spot size of the light beam incident on the tip of the semi-cylinder becomes equal to the spot size of the single mode optical fiber. Efficient optical coupling is obtained.
【００１６】以上のように、本発明はビームの伝搬する
際の性質と半円柱面の屈折の性質を利用することによ
り、１：１００程度の発光強度分布のアスペクト比をも
つ半導体レーザからの出射光を単一モード光ファイバへ
高効率で結合させることができた。As described above, the present invention makes use of the property of propagating a beam and the property of refraction of a semi-cylindrical surface to obtain an output from a semiconductor laser having an emission intensity distribution aspect ratio of about 1: 100. The emitted light could be coupled into the single mode optical fiber with high efficiency.
【００１７】[0017]
【実施例】ガウス形の光強度分布を有する光源からの光
の放射は、そのスポットサイズをｗ、波面の曲率半径を
Ｒとすれば、それぞれ次の式で表される。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Light emission from a light source having a Gaussian light intensity distribution is represented by the following equations, where w is the spot size and R is the radius of curvature of the wavefront.
【数１】 (Equation 1)
【数２】 ここで、ｗ0、Ｄ、λはそれぞれ光源のスポットサイ
ズ、伝搬距離、波長である。(Equation 2) Here, w 0 , D, and λ are the spot size, propagation distance, and wavelength of the light source, respectively.
【００１８】図４は、半導体レーザから出射した光ビー
ムのスポットサイズが、伝搬距離に対してどのように変
化するかを表したものである。ここで、接合面に平行及
び垂直方向の発光面のサイズをそれぞれ0.5、50μmと
し、波長を0.85μmとした。接合面に平行な成分はほと
んど拡がらず、一方垂直方向成分はほぼ直線的に拡が
る。伝搬距離(Ｗ.Ｄ.)が92.4μmに達したところでは、
両成分ともに同じサイズすなわち円形の光強度分布にな
る。FIG. 4 shows how the spot size of the light beam emitted from the semiconductor laser changes with the propagation distance. Here, the size of the light emitting surface in the direction parallel and perpendicular to the bonding surface was 0.5 and 50 μm, respectively, and the wavelength was 0.85 μm. The component parallel to the joint surface hardly spreads, while the vertical component spreads almost linearly. When the propagation distance (WD) reaches 92.4 μm,
Both components have the same size, that is, circular light intensity distribution.
【００１９】図５は、半導体レーザからの出射ビームの
うち、接合面に垂直な方向の成分の波面の曲率半径を伝
搬距離に対して表したものである。伝搬距離に対してほ
ぼ直線的に増加し、強度分布が円形となる距離92.4μm
では伝搬距離と同じ曲率半径値になる。一方、接合面に
平行な方向の成分の波面の曲率半径は0.9ｍとなり平坦
な波面と考えて良い。従って、波面を平坦にするには接
合面に垂直な方向の成分のみについて平坦化すれば良
く、半円柱形の端面があれば良い。その端面の曲率半径
ＲLは、ファイバの屈折率をｎとすれば、近似的に次式
により与えられる。FIG. 5 shows the radius of curvature of the wavefront of the component in the direction perpendicular to the bonding surface in the beam emitted from the semiconductor laser with respect to the propagation distance. Distance that increases almost linearly with the propagation distance and has a circular intensity distribution of 92.4 μm
Then, the radius of curvature becomes the same as the propagation distance. On the other hand, the radius of curvature of the wavefront of the component in the direction parallel to the joining surface is 0.9 m, which may be considered as a flat wavefront. Therefore, in order to flatten the wavefront, it is only necessary to flatten the component in the direction perpendicular to the bonding surface, and it is sufficient if there is a semi-cylindrical end face. The radius of curvature RL of the end face is approximately given by the following equation, where n is the refractive index of the fiber.
【数３】 したがって、図５に示した伝搬距離92.4μmの場合に
は、半導体レーザの接合面に垂直な方向に、屈折率1.45
のファイバを曲率半径42μmの曲面にすれば良い。以上
により、伝搬距離すなわち作動距離が92.4μmにおいて
スポットサイズが50μmの円形かつ波面が平坦な光ビー
ムが得られる。(Equation 3) Therefore, when the propagation distance is 92.4 μm shown in FIG. 5, the refractive index is 1.45 in the direction perpendicular to the junction surface of the semiconductor laser.
May be formed into a curved surface having a radius of curvature of 42 μm. As described above, a circular light beam having a spot size of 50 μm and a flat wavefront can be obtained when the propagation distance, that is, the working distance is 92.4 μm.
【００２０】単一モード光ファイバのスポットサイズは
50μmより小さいために、上記で得られたビーム径を小
さくする必要がある。二乗形屈折率分布のファイバにお
いては、その光線の蛇行周期の１/４長だけ離れた２点
におけるスポットサイズをｗ1、ｗ2とすれば次の関係が
あることが知られている。The spot size of a single mode optical fiber is
Since it is smaller than 50 μm, it is necessary to reduce the beam diameter obtained above. It is known that, in a fiber having a square refractive index distribution, if the spot sizes at two points separated by 長 length of the meandering period of the light beam are w 1 and w 2 , the following relationship is obtained.
【数４】 ここで、Agは比屈折率差をΔ、コア半径をaとすれば、(Equation 4) Here, if Ag is the relative refractive index difference Δ and the core radius is a,
【数５】 で与えられるパラメータである。これより、二乗形屈折
率分布ファイバの比屈折率差を0.3％、コア半径を62μm
とすれば、入射スポットサイズ50μmに対する出射スポ
ットサイズは3μmとなり、単一モード光ファイバのスポ
ットサイズと等しくなる。(Equation 5) Is the parameter given by From this, the relative refractive index difference of the square-shaped gradient index distribution fiber is 0.3%, and the core radius is 62 μm.
Then, the outgoing spot size for the incident spot size of 50 μm is 3 μm, which is equal to the spot size of the single mode optical fiber.
【００２１】これによって、アスペクト比が１：１００
の光強度分布をもつ半導体レーザからの出射光は、空間
を作動距離92.4μm伝搬後、半円柱先端部に入射して円
形ビームになり、その後二乗形屈折率分布ファイバを通
過するに従いそのビーム径が縮小し、単一モード光ファ
イバに高効率で結合する。As a result, the aspect ratio is 1: 100.
The light emitted from a semiconductor laser having a light intensity distribution of 92.4 μm propagates through the space at a working distance of 92.4 μm, and then enters the tip of a semi-cylinder to form a circular beam. Are coupled to the single mode optical fiber with high efficiency.
【００２２】半導体レーザの発光面のアスペクト比がよ
り小さい場合には、接合面に平行な方向に対してもファ
イバ先端に曲率をもたせれば、接合面に垂直な成分に対
するのと同様な効果により、高効率結合が得られる。When the aspect ratio of the light emitting surface of the semiconductor laser is smaller, if the fiber tip has a curvature in the direction parallel to the bonding surface, the same effect as that for the component perpendicular to the bonding surface can be obtained. , High efficiency coupling is obtained.
【００２３】[0023]
【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よればビームの作動距離を利用することにより、スポッ
ト形状を楕円形から略円形にすることができると共に、
先端部の半円柱ファイバ端により、波面を平坦化するこ
とができ、屈折率分布ファイバの傾斜面部分によりスポ
ット径を縮小してシングルモードファイバのコア径とほ
ぼ同一のサイズにすることができた。As is apparent from the above description, according to the present invention, the spot shape can be changed from elliptical to substantially circular by utilizing the working distance of the beam.
The wave front could be flattened by the end of the semi-cylindrical fiber at the tip, and the spot diameter could be reduced to almost the same size as the core diameter of the single mode fiber by the inclined surface of the gradient index fiber. .
【００２４】本発明の集光レンズは、上記のようにアス
ペクト比の高い扁平な光線を軸対称なガウシャンビーム
に変換するための簡便な構成を提供するものであり、線
形光線を円形光線に像変換することが主体である。特に
高出力ＬＤに対して光ファイバへ結合するとき、高い結
合効率が実現でき、光ファイバとの連結も容易に形成で
きるため、今後多方面に適用が見込まれている高出力Ｌ
Ｄ搭載機器に対して市場規模の量産が可能で、長期信頼
性があり、低価格な集光レンズとして広範な分野に活用
することができる。The condenser lens of the present invention provides a simple structure for converting a flat light beam having a high aspect ratio as described above into an axially symmetric Gaussian beam, and converts a linear light beam into a circular light beam. Image conversion is the main subject. In particular, when coupling to a high-power LD to an optical fiber, high coupling efficiency can be realized, and connection with the optical fiber can be easily formed.
It can be mass-produced on the market for D-equipped equipment, has long-term reliability, and can be used in a wide range of fields as a low-cost condensing lens.
【図１】本発明に係る端部レンズ付きファイバの即面図
(ａ)、平面図(ｂ)である。FIG. 1 is a front view of a fiber with an end lens according to the present invention.
(a), It is a top view (b).
【図２】従来の端部レンズ付きファイバの概略図であ
る。FIG. 2 is a schematic view of a conventional fiber with an end lens.
【図３】従来の端部レンズ付きファイバの概略図であ
る。FIG. 3 is a schematic view of a conventional fiber with an end lens.
【図４】本発明に係る端部レンズ付きファイバの伝搬距
離に対するスポットサイズの変化を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing a change in spot size with respect to a propagation distance of the fiber with an end lens according to the present invention.
【図５】本発明に係る端部レンズ付きファイバの伝搬距
離に対するビーム波面の曲率半径の変化を示すグラフで
ある。FIG. 5 is a graph showing a change in a radius of curvature of a beam wavefront with respect to a propagation distance of a fiber with an end lens according to the present invention.
１ 先球ファイバ １ａ コア ２ レンズ付きファイバ ３ 光ファイバ ４ コアレスファイバ ５ 半導体レーザ ６ 単一モードファイバ ７ コア ８ 多モードファイバ ９ 接続部 10 傾斜面 11 ファイバ先端部 REFERENCE SIGNS LIST 1 forward fiber 1a core 2 lensed fiber 3 optical fiber 4 coreless fiber 5 semiconductor laser 6 single mode fiber 7 core 8 multimode fiber 9 connection part 10 inclined surface 11 fiber tip
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 今泉 伸夫 東京都足立区新田３−８−22 並木精密宝 石株式会社内 Ｆターム(参考） 2H037 AA01 BA03 CA04 CA12 CA20 DA05 DA17 2H050 AC03 AC90 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing on the front page (72) Inventor Nobuo Imaizumi 3-8-22 Nitta, Adachi-ku, Tokyo Namiki Precision Treasure Stone Co., Ltd. F-term (reference) 2H037 AA01 BA03 CA04 CA12 CA20 DA05 DA17 2H050 AC03 AC90
Claims (3)
ファイバであって、一端がシングルモードファイバに融
着もしくは接着によって接合され、他端が斜断面を設け
て楔状とし、この先端に所望の曲率を設けた先円筒凸曲
面に加工され、そのコア部が屈折率分布を有することを
特徴とした端部レンズ付きファイバ。1. A multi-mode fiber having a core and a clad, one end of which is joined to a single mode fiber by fusion or adhesion, and the other end of which is provided with a slanted cross section to have a wedge shape, and has a desired curvature at its tip. A fiber with an end lens, wherein the fiber is processed into a convex curved surface having a cylindrical tip and has a core portion having a refractive index distribution.
とし、この先端に所望の曲率を直交する２方向に設けた
ことを特徴とした先楕円の端部レンズ付きファイバ。2. A fiber with an end lens having a tapered ellipse, wherein a slant cross section is provided at a part of a fiber end to form a wedge shape, and a desired curvature is provided at the end in two orthogonal directions.
方向または先楕円長軸方向に拡散伝搬する光線成分と、
それぞれ直角方向に拡大する光線成分が、シングルモー
ドファイバ端部で円形状の焦点像を形成するに必要な長
さを有することを特徴とした端部レンズ付きファイバ。3. A fiber component of a multimode part, wherein a light beam component that diffusely propagates in a pre-cylinder direction or a pre-ellipse long axis direction;
A fiber with an end lens, wherein each of the light components expanding in the perpendicular direction has a length necessary to form a circular focal image at the end of the single mode fiber.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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Applications Claiming Priority (1)
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| JP11111448A JP2000304965A (en) | 1999-04-19 | 1999-04-19 | Optical fiber with end lens |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000304965A true JP2000304965A (en) | 2000-11-02 |
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Country Status (1)
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|---|---|
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