JP2004086002A

JP2004086002A - レンズ付光ファイバ

Info

Publication number: JP2004086002A
Application number: JP2002248709A
Authority: JP
Inventors: Tomohide Tamura; 田邑　智秀; Nobuyoshi Takagi; 高木　伸欣
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-08-28
Filing date: 2002-08-28
Publication date: 2004-03-18

Abstract

【課題】高速ＰＤモジュールに対して現実的な実装構造を提供できるレンズ付きファイバを提供することを目的とする。
【解決手段】光ファイバ先端に形成した先球部の一部に、前記ファイバ光軸に対して傾斜した曲面を設けて反射部を形成したことを特徴とする。また前記傾斜した曲面が球面であることを特徴とする。また前記傾斜した曲面に、金属膜あるいは誘電多層膜からなる反射膜を形成する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信に使用する光ファイバと発光源、受光源との光結合に用いるレンズ付光ファイバに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光通信システムに使用される送信、受信装置に組み込まれるＰＤモジュールは図２のような構造が一般的である。光ファイバ１１の出射光に対して球レンズ２２を前方に配置し、さらにその延長線上にフォトディテクタ１３を置き、その後部から電気配線２４を出して、下方に折り曲げて電気回路板１５と接続している。
【０００３】
近年、データ通信の大容量化に伴い、光通信システムの高速化、高密度化が要求されており、ＰＤモジュール等においても高速化のために、受光素子キャパシタンスを低下させ、かつ寄生キャパシタンスを低下させるＰＤモジュール構造が必要となっている。また高密度化のために電気回路板面と平行方向に光ファイバを配置する等が必要となる。
【０００４】
これらの要求を満たすＰＤモジュール構造を実現するために、図３に示すような第一の光ファイバ１１とこの光ファイバ１１のコア部と等価で単一な屈折率をもつ同一外径の光導入拡大を目的とする第二のファイバ３１を融着接続し、第二のファイバ３１に形成した先球部３２の一部に光ファイバ１１の光軸１７に対して傾斜した平面で削除した反射部３３を形成し、Ａｌ，Ｃｒ，Ａｕからなる金属膜あるいは誘電多層膜からなる反射膜を形成したレンズ付光ファイバ３０が提案されている（特開平７−２７０６４２号公報参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図２に示す従来のＰＤモジュールの構造では、受光素子の受光径が小さいため、球レンズ等のレンズ部品を用いて光ファイバからの出射光を受光面に集光させるが、球レンズ２２を配置するスペースが必要となり高密度実装が難しくなる。
【０００６】
さらに図２に示す従来のＰＤモジュールの構造では電気配線部２４の長さによる寄生キャパシタンスの増大につながり、受信速度が制限される欠点があった。しかし図２に示すような構造のまま電気配線部２４の長さを短くするためには、電気回路板上に直接受光素子を配置する構造となり光ファイバを電気回路板と垂直な方向に配置しなければならず高密度実装が難しくなる。
【０００７】
また図３に示す従来のレンズ付光ファイバ３０を用いたＰＤモジュールでは上記問題は改善されるが、レンズ径３２は光ファイバ径より大きくしなければならず、レンズ径３２に依存する集光距離やビームスポットサイズを自由に設計できない問題があった。
【０００８】
本発明は、上述した従来の球レンズ２２及びレンズ付光ファイバ３０における問題点を解決するためのものであり、ＰＤモジュールに対して容易でかつ現実的な実装構造を提供できるレンズ付光ファイバを提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、光ファイバ先端に形成した先球部の一部に、前記ファイバ光軸に対して傾斜した曲面を設けて反射部を形成したことを特徴とする。
【００１０】
また、前記傾斜した曲面に金属膜あるいは誘電多層膜からなる反射膜を形成したことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明にかかるレンズ付光ファイバの一実施例である。光ファイバ１１の先端には先球部１２が形成されており、この先球部１２において、その一部を研削、研磨して前記ファイバ光軸１７に対する傾斜面を形成した後、熱溶融により傾斜面に傾斜曲面１６を形成する。
【００１２】
受光素子１３との結合では、レンズ付光ファイバ１０からの出射ビーム形状は円形のビームスポット形状が良いため、先球部１２および傾斜曲面１６の形状は球面であることが望ましい。
【００１３】
従来のレンズ付光ファイバ３０では反射部３３が平面のため、レンズ効果がなく、先球部３２によるレンズ効果しかもたない。また先球部３２は構造的に光ファイバ径より小さいレンズ径は作製できない。一般的なシングルモード光ファイバの場合、先球部３２の曲率半径は最小でもＲ６２．５μｍとなる。
【００１４】
本発明におけるレンズ付光ファイバでは傾斜曲面１６で反射された光は傾斜曲面１６によるレンズと先球部１２の球面によるレンズから構成されるレンズ効果をもたらすことができる。従って例えば先球部１２の曲率半径を６２．５μｍ、傾斜曲面１６の曲率半径をＲ１００μｍとした場合、従来のレンズ付光ファイバ３０で実現できないＲ４４μｍ程度の小さいレンズと同等のレンズ効果をもたらすことができる。
【００１５】
先球径の小さいレンズは受光素子１３を小さくできることから受光素子キャパシタンスを低下させることができる。したがって図３に示す従来のレンズ付光ファイバ３０に比べてＰＤモジュールのさらなる高速化が可能となる。また焦点距離も短くできることからモジュールの小型化、高密度化が可能となる。先球部１２の曲率半径、および傾斜曲面１６の曲率半径は、受光素子１３の受光面積に依存した任意の組み合わせが可能である。一般的に４０ＧｂｐｓのＰＤモジュール用の受光素子の受光面積はφ７〜８μｍ程度であるため、先球部１２の曲率半径は６２．５〜２００μｍ、傾斜曲面１６の曲率半径は８０〜２００μｍ程度が望ましい。
【００１６】
傾斜曲面１６と光ファイバ１１の光軸１７のなす角度θは、光ファイバ１１のコア中心における傾斜曲面１６の接平面と光軸１７とのなす角度によって定義する。入射光が傾斜曲面１６において全反射し光ファイバ側面から出射ためには、屈折率ｎ＝１．４５のシングルモード光ファイバの場合、傾斜曲面１６と光ファイバ１１の光軸１７とのなす角度θは約４８°以下で全反射条件となり、角度θを４５°とすることが最適である。なお光ファイバ側面からの出射が可能となる角度θは光ファイバから出射されたビームの出射角度により容易に測定できる。
【００１７】
傾斜曲面１６はミラー面として反射作用があるが、その表面にさらに高い反射率を有する金属膜あるいは誘電多層膜からなる反射膜を形成してもよい。金属膜はＡｌ，Ａｇ，Ｃｒ，Ａｕ，Ｎｉのように光ファイバに高い密着性を有し、かつ反射率の高い材質が望ましく、膜の厚みは０．０５〜１μｍで十分な反射効果が得られる。
【００１８】
誘電多層膜の膜構成は、使用される光の波長、傾斜曲面の角度によって種々の組成、膜厚が選択でき限定されるものではない。例としてＴａ_２Ｏ_５／ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２／ＳｉＯ_２の４層構造の組み合わせにより実現できる。またＳｉ_ａＡｌ_ｂＯ_ｃＮ_ｄは、元素の組成比ａ，ｂ，ｃ，ｄを変更すること所望の屈折率を得られること、ガラスへの密着性も高いことから、反射膜の材質としてきわめて有用である。
角度θ＝４５°、Ｔａ_２Ｏ_５／ＳｉＯ_２の膜構成の場合、Ｔａ_２Ｏ_５の膜厚は約０．４３μｍの整数倍、ＳｉＯ_２の膜厚は約０，７７μｍの整数倍とする必要がある。
【００１９】
傾斜曲面１６に金属膜あるいは誘電多層膜からなる反射膜を形成した場合、先に述べた角度θを約４８°以上としても光ファイバ側面からの出射は可能となる。傾斜面１６と光軸１７とのなす角度θは４５°に規定することが好ましいが、電気回路面との兼ね合いから多様な角度に設定が可能である。
【００２０】
また図３に示すように第一の光ファイバ１１とこの光ファイバ１１のコア部と等価で単一な屈折率をもつ同一外径の光導入拡大を目的とする第二のファイバ３１を融着接続した光ファイバを用いて、本発明によるレンズ付光ファイバを作製することも可能である。
【００２１】
このようなレンズ付光ファイバ１０の作製方法を説明する。先球部１２は、光ファイバ１１の先端を熱溶融法により加工する。光ファイバ先端部を熱溶融部中に送り入れることにより、その先端部に送り入れ量と等しい体積を有する半径の先球部１２を形成する。熱溶融法による先球部１２の作製は、光ファイバ１１の送り入れ量の体積と球の体積がほぼ一致することから送り入れ量を設定することで容易に先球径を制御できる。また表面張力を利用して球を形成するため、同芯度の劣化がなく真球度の高い先球形状が作製可能である。
【００２２】
傾斜曲面と光ファイバ１１の光軸１７との角度θは傾斜面と光軸１７のなす角度とほぼ一致することから、光ファイバ１１の光軸１７と研磨盤が４５°の角度をもつように光ファイバ１１の先端を固定し、先球部１２の一部を研削し傾斜面を形成する。研削量は傾斜面が光軸１７にかかるように制御する。研削材は一般的な光コネクタ端面の研磨に使用されるダイヤモンド等のラッピングフィルムを用いることで加工できる。
【００２３】
その後、光ファイバ１１の先端を熱溶融法により再度加工し、傾斜面に曲率半径を設けて傾斜曲面１６とする。傾斜曲面１６の曲率半径は熱溶融時間、熱量を設定することで制御する。
【００２４】
金属膜もしくは誘電多層膜による反射膜を傾斜曲面１６につける場合は真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法等の薄膜技術により作製できる。出射部分となる光ファイバ側面には膜成分をつけないようレジスト等によりマスキング処理を行う。膜形成を行った後、レジスト除去を行う。レジストの材質はアルコール等有機溶剤への可溶性が高いものが望ましく、アルコール等有機溶剤での洗浄によりレジスト除去が容易にできる。
【００２５】
【実施例】
以下に実施例を示す。図４の実施例に示すようにレンズ付光ファイバを作成した。熱溶融部はアーク放電の熱を用いる。アーク放電部４２に光ファイバ１１を放電部４１の頭上から放電部に約６０μｍほど送り入れ、曲率半径Ｒ８０μｍの先球部１２を形成する。
【００２６】
傾斜面は研磨により光軸１７に対して溶融法により４５゜の角度をもつよう作製した。その後、同様にアーク放電部４２に光ファイバを放電部４１の頭上から送り入れ、傾斜面に曲率半径Ｒ１００μｍの傾斜曲面１６を作製した。
【００２７】
本実施例で作成したレンズ付光ファイバ１０からの９０゜屈折光線のビーム形状をガウシアンビームプロファイラーで測定したところ、ほぼ円形のビーム光強度分布もつガウシアンビームによる集束光を確認した。焦点距離について本発明におけるレンズ付光ファイバは、Ｒ５０μｍのレンズ付光ファイバと同等となっており、図３に示す従来のレンズ付光ファイバ３０において実現できる最も小さいＲ６２．５μｍのものより２０％程度の短い焦点距離になっていることを確認した。以上より図３に示す従来のレンズ付光ファイバでは実現できないＲ６２．５μｍ以下の先球径のレンズ付光ファイバを用いたＰＤモジュール設計が可能となる。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、光ファイバ先端に形成した先球部の一部に、前記光ファイバ光軸に対して傾斜した曲面を設けて反射部を形成したことを特徴とすること、また前記傾斜した曲面に、金属膜あるいは誘電多層膜からなる反射膜を形成したことを特徴とすることにより、二次元的な配置による高実装化、および受光素子キャパシタンスの低下、リード線の寄生キャパシタンスの低下により高速ＰＤモジュールが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるレンズ付光ファイバを示す概略図である。
【図２】従来のレンズ付光ファイバを用いたＰＤモジュールを示す概略図である。
【図３】従来のＰＤモジュールを示す概略図である。
【図４】本発明のレンズ付光ファイバにおける先球部の作製方法の説明図である。
【符号の説明】
１０：レンズ付光ファイバ
１１：光ファイバ
１２：先球部
１３：受光素子
１４：電気配線２４
１５：電気回路
１６：傾斜曲面
１７：光軸

Claims

光ファイバ先端に形成した先球部の一部に、前記ファイバ光軸に対して傾斜した曲面を設けて反射部を形成したことを特徴とするレンズ付光ファイバ。
前記傾斜した曲面が球面であることを特徴とする請求項１記載のレンズ付光ファイバ。
前記傾斜した曲面に、金属膜あるいは誘電多層膜からなる反射膜を形成したことを特徴とする請求項１または２記載のレンズ付光ファイバ。