JP2006195097A - Fiber with lens and method for forming aspheric lens therein - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レンズ付きファイバ及びレンズ付きファイバにおける非球面レンズ形成方法に関するものである。 The present invention relates to a lensed fiber and a method for forming an aspheric lens in a lensed fiber.
ＬＤ（レーザダイオード）やＰＤ（フォトダイオード）等の光半導体素子、あるいはＭＥＭＳ（Micro-electro mechanical systems）やＰＬＣ（Planar Lightwave Circuit）を利用した光スイッチ等の光素子とシングルモードファイバとの光結合を高効率に行うことや、これらの素子と光ファイバとの距離、即ち作動距離を大きくすること等を目的として、各種の構成のレンズ付きファイバが従来から提案されている。 Optical coupling of optical devices such as LDs (laser diodes) and PDs (photodiodes), optical switches such as MEMS (Micro-electro mechanical systems) and PLCs (Planar Lightwave Circuits), and single mode fibers Conventionally, fibers with lenses of various configurations have been proposed for the purpose of performing the above-mentioned at high efficiency and increasing the distance between these elements and the optical fiber, that is, the working distance.
例えば特許文献１には、シングルモードファイバの端部のコアを拡大し、その端部にコアのない等方性の屈折率を有するコアレスファイバを接続すると共に、コアレスファイバの先端を球面に加工して凸曲面を形成したレンズ付きファイバが記載されている。
For example, in
また特許文献２には、シングルモードファイバの端部に、伝送光の蛇行周期の１／４の長さあるいはその奇数倍の長さのグレーデッドインデックスファイバを接続すると共に、このグレーデッドインデックスファイバの端部にコアのない等方性の屈折率を有するコアレスファイバを接続し、コアレスファイバの先端を球面等に加工して凸曲面を形成したレンズ付きファイバが記載されている。
In
また特許文献３には、界分布が高アスペクト比を有する半導体レーザからの出射光を高効率でシングルモードファイバに結合可能なレンズ付きファイバとして、シングルモードファイバの端部に、グレーデッドインデックスファイバを接続し、このグレーデッドインデックスファイバの端部は、楔状に形成すると共に、先端に所望の曲率を有する円筒状凸曲面を形成したレンズ付きファイバが記載されている。
また特許文献４には、シングルモードファイバの端部に、第１と第２のグレーデッドインデックスファイバを順次接続し、第１のグレーデッドインデックスファイバは伝送光の蛇行周期の１／４の長さあるいはその奇数倍の長さとすると共に、第２のグレーデッドインデックスファイバは、第１のグレーデッドインデックスファイバとは蛇行周期を異ならせ、この第２のグレーデッドインデックスファイバの先端に凸曲面を形成するか、または第２のグレーデッドインデックスファイバの端部にコアのない等方性のコアレスファイバを接続して、その先端に凸曲面を形成したレンズ付きファイバが記載されている。
In
そして、これらのレンズ付きファイバにおいて、コアレスファイバ又はグレーデッドインデックスファイバの先端に凸曲面を形成するためのファイバ先端加工法としては、ウエットエッチング法、アーク放電法、研磨法等がある。
以上のような従来のレンズ付きファイバでは以下に示すような課題がある。
まず、上述したように先端側のファイバの端部にレンズ部としての凸曲面を形成するためのファイバ先端加工法としては、ウエットエッチング法、アーク放電法、研磨法等があるが、これらの方法では、先端を球面加工することはできるが、非球面加工するのは困難であり、従って上述したような従来のレンズ付きファイバでは、先端を球面に加工しているため球面収差が避けられず、その影響で結合効率が低かった。
The conventional fiber with a lens as described above has the following problems.
First, as described above, there are a wet etching method, an arc discharge method, a polishing method, and the like as a fiber tip processing method for forming a convex curved surface as a lens portion at the end portion of the fiber on the tip side. Then, although the tip can be processed into a spherical surface, it is difficult to process an aspherical surface. Therefore, in the conventional fiber with a lens as described above, since the tip is processed into a spherical surface, spherical aberration is inevitable. As a result, the coupling efficiency was low.
また特許文献２や特許文献４に示されるような、シングルモードファイバの端部に２種類のファイバを順次接続して形成するものでは、生産性が悪い。
In addition, as shown in
そこで本発明では、まず、先端側のファイバの端部に非球面レンズ部を容易に形成することができるようにし、以てレンズ付きファイバにおける球面収差の問題を解決することを目的とするものである。 In view of the above, an object of the present invention is to make it possible to easily form an aspherical lens portion at the end of a fiber on the tip side, and to solve the problem of spherical aberration in a fiber with a lens. is there.
また本発明では、界分布が高アスペクト比、即ち楕円の界分布を有する光素子の場合において、従来のように先端部を楔形に加工せずに、高効率で光素子とシングルモードファイバとの結合を行えるようにすることを目的とするものである。 Further, in the present invention, in the case of an optical element having a field distribution having a high aspect ratio, that is, an elliptical field distribution, the tip part is not processed into a wedge shape as in the prior art, and the optical element and the single mode fiber are efficiently processed. The purpose is to enable the combination.
以上の課題を解決するために，本発明では、まず、シングルモードファイバの端部にグレーデッドインデックスファイバを接続して成り、グレーデッドインデックスファイバの端部には、テーパ加工部と、その先端に形成した球面加工部とから成る非球面レンズが形成されていることを特徴とするレンズ付きファイバを提案する。 In order to solve the above problems, in the present invention, first, a graded index fiber is connected to an end portion of a single mode fiber, and at the end portion of the graded index fiber, a tapered portion and an end thereof are formed. A fiber with a lens is proposed in which an aspherical lens composed of a formed spherical processed portion is formed.
また本発明では、次に、シングルモードファイバの端部にグレーデッドインデックス楕円コアファイバを接続して成り、グレーデッドインデックス楕円コアファイバの端部には、テーパ加工部と、その先端に形成した球面加工部とから成る非球面レンズが形成されていることを特徴とするレンズ付きファイバを提案する。 In the present invention, the graded index elliptical core fiber is connected to the end of the single mode fiber. The graded index elliptical core fiber has a tapered processed portion and a spherical surface formed at the tip thereof. A fiber with a lens is proposed, in which an aspherical lens composed of a processed portion is formed.
また本発明では、次に、シングルモードファイバの端部にグレーデッドインデックスファイバを接続して構成するレンズ付きファイバにおいて、グレーデッドインデックスファイバの端部は、テーパ加工によりテーパ加工部を形成した後、テーパ加工部の先端を球面加工することにより、グレーデッドインデックスファイバの端部に、テーパ加工部と、その先端の球面加工部とからなる非球面レンズを形成することを特徴とするレンズ付きファイバにおける非球面レンズ形成方法を提案する。 In the present invention, next, in the fiber with a lens configured by connecting the graded index fiber to the end of the single mode fiber, the end of the graded index fiber is formed with a tapered portion by taper processing, In a fiber with a lens, characterized in that an aspherical lens comprising a tapered processed portion and a spherical processed portion at the tip is formed at the end of the graded index fiber by processing the tip of the tapered processed portion into a spherical surface. A method for forming an aspheric lens is proposed.
更に本発明では、シングルモードファイバの端部にグレーデッドインデックス楕円コアファイバを接続して構成するレンズ付きファイバにおいて、グレーデッドインデックス楕円コアファイバの端部は、テーパ加工によりテーパ加工部を形成した後、テーパ加工部の先端を球面加工することにより、グレーデッドインデックス楕円コアファイバの端部に、テーパ加工部と、その先端の球面加工部とからなる非球面レンズを形成することを特徴とするレンズ付きファイバにおける非球面レンズ形成方法を提案する。 Further, in the present invention, in a fiber with a lens formed by connecting a graded index elliptical core fiber to the end of a single mode fiber, the end of the graded index elliptical core fiber is formed after a tapered portion is formed by tapering. The lens is characterized in that an aspherical lens comprising a tapered processed portion and a spherical processed portion at the tip thereof is formed at the end of the graded index elliptical core fiber by processing the tip of the tapered processed portion into a spherical surface. A method for forming an aspherical lens in the attached fiber is proposed.
また本発明では、上記方法において、テーパ加工は、金属マスクの開口を経て矩形状に整えられたレーザ光のビームを、回転させているファイバの先端に照射して行うことを提案する。 According to the present invention, in the above method, it is proposed that the taper processing is performed by irradiating the tip of the rotating fiber with a laser beam arranged in a rectangular shape through the opening of the metal mask.
以上の本発明では、シングルモードファイバの端部に接続したグレーデッドインデックスファイバ又はグレーデッドインデックス楕円コアファイバの端部に、テーパ加工部と、その先端に形成した球面加工部とから非球面レンズを形成することにより、球面収差を低減し、結合効率を向上させることができる。 In the present invention described above, an aspherical lens is formed from a tapered processed part and a spherical processed part formed at the tip of the graded index fiber or graded index elliptical core fiber connected to the end of the single mode fiber. By forming, spherical aberration can be reduced and coupling efficiency can be improved.
この非球面レンズを形成するための加工は、ファイバの端部のテーパ加工と、その後の球面加工であり、例えば前者のテーパ加工は、炭酸ガスレーザ等のレーザ加工を用いて確実に、容易に行うことができると共に、後者の球面加工も上述したような各種の方法を用いて確実に、容易に行うことができ、こうして、確実、容易な複数の加工法を組み合わせることで、ファイバの端部の非球面加工を、確実、容易に行うことができる。 The processing for forming the aspherical lens is taper processing of the end of the fiber and subsequent spherical processing. For example, the former taper processing is reliably and easily performed using laser processing such as a carbon dioxide laser. In addition, the latter spherical processing can be performed reliably and easily using various methods as described above. Thus, by combining a plurality of reliable and easy processing methods, the end of the fiber can be processed. Aspherical surface processing can be performed reliably and easily.
特に、金属マスクの開口を経て矩形状に整えられたレーザ光のビームを、回転させているファイバの先端に照射して行うテーパ加工では、加工されたテーパ加工部は、僅かに凸曲面となるので、理想的な非球面に更に近づけることができる。 In particular, in the taper processing performed by irradiating the end of a rotating fiber with a laser beam arranged in a rectangular shape through an opening of a metal mask, the processed taper processing portion has a slightly convex curved surface. Therefore, it can be brought closer to an ideal aspheric surface.
シングルモードファイバに接続するファイバとして、グレーデッドインデックス楕円コアファイバを用いれば、楔状等の先端加工をせずに楕円の界分布を有する光素子とシングルモードファイバとの結合効率を飛躍的に向上させることができる。 If a graded index elliptical core fiber is used as a fiber connected to a single mode fiber, the coupling efficiency between the optical element having an elliptical field distribution and the single mode fiber is dramatically improved without processing a wedge-shaped tip. be able to.
次に本発明を、実施例を示す図面を参照して詳細に説明する。
まず、図１は本発明におけるレンズ付きファイバの構成と動作を示す模式図である。
図において、符号１はシングルモードファイバであり、このシングルモードファイバ１の端部に、例えば融着等で、設計された長さＬのグレーデッドインデックス楕円コアファイバ２を接続している。即ち、この図１に示す実施例では、楕円の界分布を有する光素子に適用するために、コアを楕円形状に形成したグレーデッドインデックス楕円コアファイバ（ＧＩＯ）を用いている。（以下、このグレーデッドインデックス楕円コアファイバをＧＩＯと称する。）このＧＩＯ２の端部には、テーパ加工部３と、その先端に形成した球面加工部４とから成る非球面レンズ５が形成されている。尚、符号１ａ，２ａはコア、１ｂ，２ｂはクラッドを示すものである。また図１中には座標を示す表示が描かれている。
Next, the present invention will be described in detail with reference to the drawings showing embodiments.
First, FIG. 1 is a schematic view showing the configuration and operation of a fiber with a lens in the present invention.
In the figure,
以上のように形成されたレンズ付きファイバを、作動距離ＷＤを隔てて、レーザダイオード等の光素子６に対向させて配置する。以上の構成要素の下方に描かれている２点鎖線の円又は楕円は、対応する位置における界分布を示すものであり、図示のようにこの実施例の光素子６は高アスペクト比の界分布、即ち長軸が横方向の楕円形状の界分布を有するものである。
The lens-attached fiber formed as described above is arranged to face the
以上の構成において、光素子６から出射した光は広がりながら作動距離ＷＤを隔てたＧＩＯ２の非球面レンズ５に入射し、このＧＩＯ２を蛇行して伝播し、次第に絞られ、円形の界分布に変換されてシングルモードファイバ１のコア１ａに高効率に入射される。
In the above configuration, the light emitted from the
本発明では、ＧＩＯ２の端部に形成したレンズは、従来のように球面レンズではなく、テーパ加工部３と、その先端に形成した球面加工部４とから形成した非球面レンズ５であるため、球面収差を低減することができ、従来のものよりも結合効率を向上させることができる。
In the present invention, the lens formed at the end of
特に、この実施例では、シングルモードファイバ１に接続するファイバとして、ＧＩＯ２を用いているので、楔状等の先端加工をせずに楕円の界分布を有する光素子６とシングルモードファイバ１との結合効率を飛躍的に向上させることができる。
In particular, in this embodiment, since the
光素子が円形の界分布を有する場合には、シングルモードファイバ１に接続するファイバとして、通常のグレーデッドインデックスファイバ（以下、ＧＩＦと称する。）を用いれば良く、この場合にも、上述と同様に、球面収差の低減によって、従来のものよりも結合効率を向上させることができる。
When the optical element has a circular field distribution, a normal graded index fiber (hereinafter referred to as GIF) may be used as the fiber connected to the
次に図２は本発明におけるレンズ付きファイバの製作過程の一例を示す模式図である。
まず、（ａ）に示すようにシングルモードファイバ１の端部に融着等で接続されたＧＩＯ２（又はＧＩＦ）を、製作後に設計された長さＬとなるように、その端部をテーパ加工して、（ｂ）に示すように端部にテーパ加工部３を形成する。このテーパ加工は、例えば図３に模式的に示すような炭酸ガスレーザ等を用いたレーザ加工装置により行うことができる。この方法については後述するが、この方法を用いたテーパ加工では、加工されたテーパは僅かに凸曲面となる。
Next, FIG. 2 is a schematic view showing an example of a manufacturing process of a fiber with a lens in the present invention.
First, as shown in (a), the end of the GIO2 (or GIF) connected to the end of the
次いでＧＩＯ２の端部に形成されたテーパ加工部３の先端を球面加工して、（ｃ）に示すように先端に、設計された曲率の球面加工部４を形成し、この球面加工部４とテーパ加工部３とから非球面レンズ５を形成する。この球面加工は、上述したように、ウエットエッチング法、アーク放電法、研磨法等の方法を用いることができる。
Next, the tip of the tapered
次にＧＩＯ２のテーパ加工の一例を説明する。図３は炭酸ガスレーザ等を用いたレーザ加工によりファイバの端部にテーパ加工部を形成するための装置を、一部デフォルメして模式的に示すもので、この加工装置は例えば特許文献５や特許文献６に記載されている方法である。
Next, an example of taper processing of GIO2 will be described. FIG. 3 schematically shows a part of a device for forming a tapered portion at the end of a fiber by laser processing using a carbon dioxide laser or the like. This is the method described in
即ち、この装置は、炭酸ガスレーザ７から出射して拡がった光を平行光に変換するコリメートレンズ８と、コリメートレンズ８により平行光に変換されたビームを矩形状等の所定形状に整えるために、矩形状の開口９を有する金属マスク１０と、金属マスク１０を経て矩形状に整えられたビームを集光し、像形成面１２に、上記開口９の実像を形成するためのレンズ１１を備えており、この像形成面１２に、ＧＩＯ２等のファイバを、像形成面１２の上記開口９の縦辺と、所定の角度、即ちファイバ角度θFiberを持たせて回転可能に支持し、ファイバを回転させて、その先端の全周にレーザ光の像形成面１２上のビームを照射することにより、ファイバの端部にテーパ加工部３を形成するものである。尚、図３においては、ファイバは便宜的にデフォルメ、即ち拡大して示しており、実際上は像形成面上の開口９の縦辺の部分の実像の長さよりもファイバの先端のテーパ加工部の長さの方が短い。
図４は実際の加工において、上記ファイバ角度θFiberと、テーパ加工後のファイバのテーパ角度θTaperとの関係を実験により測定した結果を示すものである。尚、この実験では、シングルモードファイバに接続したファイバは、ＧＩＦ（50/125…コア径50μｍ、クラッド径125μｍ）である。
FIG. 4 shows a result of experimentally measuring the relationship between the fiber angle θFiber and the taper angle θTaper of the fiber after taper processing in actual processing. In this experiment, the fiber connected to the single mode fiber is GIF (50/125:
図４に示す測定結果から、テーパ角度θTaperとファイバ角度θFiberとの関係は線形であることがわかる。このことから、ファイバ角度θFiberを適宜に設定することにより、ＧＩＯ２やＧＩＦのテーパ角度θTaperを92〜180°の範囲で任意に設定することができる。 From the measurement results shown in FIG. 4, it can be seen that the relationship between the taper angle θTaper and the fiber angle θFiber is linear. From this, the taper angle θTaper of GIO2 or GIF can be arbitrarily set in the range of 92 to 180 ° by appropriately setting the fiber angle θFiber.
上記のテーパ加工により加工したファイバのテーパ加工部３の先端は、通常5〜10μｍ程度の半径の球状となっており、次に、このテーパ加工部３の先端を所望の球面に加工するのであるが、ここでは、テーパ加工部３の先端をアーク放電により溶融する球面加工について、アーク放電時のパラメータ（放電時間・パワー）の影響を実験的に検証した。即ち、上記テーパ加工により、テーパ角度θTaper：95°のテーパ加工部３を形成したファイバをサンプルとして用い、アーク放電の放電パワーを一定とし、放電時間をパラメータとして、アーク放電後のテーパ加工部３の先端形状を測定した。図５は、この測定結果を示すものである。
The tip of the taper processed
図５に示されるように、球面加工部４の半径は放電時間に大きく依存していることがわかる。従って、放電時間を制御することで、球面加工部の半径ＲL＝5〜40μｍ の範囲で任意に球面加工が可能である。尚、実際上は、放電加工時の湿度が大きく影響しており、湿度が安定しない場所では、球面加工部半径にばらつきが生じるため、アーク放電を行う作業場では湿度を管理する必要がある。
As shown in FIG. 5, it can be seen that the radius of the spherical processed
ところで一般に、非球面レンズの設計には、図６の式（１）の非球面（Aspherical
surface）式が用いられており、この式（１）を満たす非球面レンズをＧＩＯ２又はＧＩＦの端部に形成することにより、シングルモードファイバ１との境界の集光位置での波面収差を大幅に低減でき、光学素子６とシングルモードファイバ１との高効率結合が望めるが、図６に示されるような理論的な曲面を、そのままファイバの端部に加工することは非常に困難である。尚、図６に示されるように、コニック係数は−１以下のときは双曲線、−１のときは放物線、−１〜０の間では楕円面、０のとき球面、１以上で扁円面となる。
By the way, in general, the aspherical lens is designed by using the aspherical surface (Aspherical) of the equation (1) in FIG.
surface) equation is used, and by forming an aspheric lens satisfying this equation (1) at the end of GIO2 or GIF, the wavefront aberration at the condensing position at the boundary with the single-
本発明では図６に示されるような理想的な非球面形状を有する非球面レンズをＧＩＯ２又はＧＩＦの端部に形成するのではなく、上述したような加工が容易なテーパ加工部と、その先端に形成した球面加工部とから、上記理想的な非球面形状を近似した非球面レンズを形成するのであるから、その設計には、上記非球面（Aspherical surface）式（１）を利用することができる。 In the present invention, an aspherical lens having an ideal aspherical shape as shown in FIG. 6 is not formed at the end of GIO2 or GIF, but a tapered processing portion as described above, and its tip Since the aspherical lens approximating the ideal aspherical shape is formed from the spherical processed portion formed in the above, the above-mentioned aspherical surface expression (1) can be used for the design. it can.
即ち、本発明では、テーパ加工において、ファイバ角度θFiberを制御することにより、形成するテーパ加工部３のテーパ角度θTaper、従ってコニック係数ｋを制御することができ、そのコニック係数ｋに対応する曲率ｃとするように、上記アーク放電による球面加工における放電時間を制御することにより、上記理想的な非球面形状を近似した非球面レンズを形成することができる。尚、上記テーパ加工により加工可能なテーパ角度θTaperを92〜180°の範囲は、コニック係数ｋに換算すると、ｋ＝−1.8〜−∞となる。
In other words, in the present invention, by controlling the fiber angle θFiber in the taper processing, the taper angle θTaper of the
図７は本発明により形成したレンズ付きファイバの他の設計例を模式的に示すものであり、（ａ）は図１、図２に示すものよりもコニック係数ｋが大きい非球面レンズを形成したもの、（ｂ）は図１、図２にしめすものよりもコニック係数ｋが小さい非球面レンズを形成したものである。この実施例については、図７において、図１、図２の構成要素に相当するものに同一の符号を付して重複する説明は省略する。 FIG. 7 schematically shows another design example of a fiber with a lens formed according to the present invention. FIG. 7A shows an aspheric lens having a larger conic coefficient k than those shown in FIGS. (B) shows an aspherical lens having a smaller conic coefficient k than those shown in FIGS. About this Example, in FIG. 7, the same code | symbol is attached | subjected to what is corresponded to the component of FIG. 1, FIG. 2, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
次に、本発明によるレンズ付きファイバの光学特性を実験的に検証した結果を説明する。
まず図８は本発明のレンズ付きファイバに結合させる光素子として用いた、波長0.98μｍのレーザダイオードのＦＦＰ（Far
Field Pattern）を示すものである。半値全幅はそれぞれ13.5, 5.0[deg.]であり、これよりスポット半径はωｘ＝2.06μｍ, ωy＝0.75μｍ
となる。
一方、非球面レンズを形成するファイバは、コア半径ａx＝27.4μｍ, ａy＝9.3μｍ,
比屈折率差Δ＝1.93%のＧＩＯ２を用いて、波長0.98μｍ用のシングルモードファイバに接続している。
Next, the result of experimental verification of the optical characteristics of the fiber with lens according to the present invention will be described.
First, FIG. 8 shows an FFP (Far) of a laser diode having a wavelength of 0.98 μm, which is used as an optical element coupled to a fiber with a lens of the present invention.
Field Pattern). The full width at half maximum is 13.5 and 5.0 [deg.], Respectively, and the spot radius is ωx = 2.06μm and ωy = 0.75μm.
It becomes.
On the other hand, the fiber forming the aspherical lens has a core radius ax = 27.4 μm, ay = 9.3 μm,
A GIO2 having a relative refractive index difference Δ = 1.93% is connected to a single mode fiber for a wavelength of 0.98 μm.
以上の要素において、光線追跡法によりＧＩＯの先端の最適形状を設計すると共に、その結果をビーム伝搬法（BPM…Beam Propagation Method）によるシミュレーションを行い、ＧＩＯの長さ及び結合損失を算出した。 In the above elements, the optimal shape of the tip of the GIO was designed by the ray tracing method, and the result was simulated by a beam propagation method (BPM ... Beam Propagation Method) to calculate the length of the GIO and the coupling loss.
その結果、光線追跡法により、ＧＩＯの先端形状として、球面加工部半径ＲL＝9.4μｍ、コニック係数ｋ＝−2.1の非球面形状が求められ、この場合の作動距離ＷＤ＝18μｍ、波面収差＝0.0168lλが得られた。このＧＩＯの先端形状を設定して、ビーム伝搬法によるシミュレーションより、ＧＩＯの長さＬをパラメータとして伝搬状態を計算すると、図９に示すようにＧＩＯ２の長さＬ＝325μｍにおいて、最小結合損失η＝0.2ｄＢが得られた。 As a result, an aspherical shape having a spherical processed portion radius RL = 9.4 μm and a conic coefficient k = −2.1 is obtained as the tip shape of the GIO by the ray tracing method. In this case, the working distance WD = 18 μm and the wavefront aberration = 0.168. lλ was obtained. By setting the tip shape of the GIO and calculating the propagation state using the GIO length L as a parameter by simulation using the beam propagation method, the minimum coupling loss η is obtained when the GIO2 length L = 325 μm as shown in FIG. = 0.2 dB was obtained.
次に図１０は以上の設計値に基づいてテーパ加工及び球面加工を行ったＧＩＯの先端形状を画像解析した結果を示すものである。尚、テーパ加工における炭酸ガスレーザの動作条件は、パルス幅0.1msec,繰り返し周波数60Hz, 平均出力50W である。 Next, FIG. 10 shows the result of image analysis of the tip shape of GIO subjected to taper processing and spherical processing based on the above design values. The operating conditions of the carbon dioxide laser in taper machining are a pulse width of 0.1 msec, a repetition frequency of 60 Hz, and an average output of 50 W.
画像解析して求めた先端形状を、上記非球面式（１）により近似すると、非球面の理想形状のパラメータとしてＲL＝10.1μｍ、ｋ＝−1.93が得られ、この理想形状と加工後の実際の形状、即ち製作された形状とは略同一であり、従って、本発明によれば、非球面の理想形状と非常に近い非球面を有する非球面レンズが製作可能であることが分かる。 When the tip shape obtained by image analysis is approximated by the above aspherical expression (1), RL = 10.1 μm and k = −1.93 are obtained as parameters of the ideal shape of the aspheric surface. It can be seen that, according to the present invention, an aspherical lens having an aspherical surface very close to the ideal aspherical shape can be manufactured.
図１１は、表面形状誤差（理想形状から加工後の形状を差し引いた値）をＧＩＯの半径方向に対してプロットしたものであり、本方法における加工誤差は、理想形状又は目標形状に対して±１μｍ以内であることが確認できた。このことからも本発明によって、非球面の理想形状と非常に近い非球面を有する非球面レンズが製作可能であることが分かる。 FIG. 11 is a plot of the surface shape error (value obtained by subtracting the processed shape from the ideal shape) with respect to the radial direction of the GIO. The processing error in this method is ±± with respect to the ideal shape or the target shape. It was confirmed that it was within 1 μm. This also shows that according to the present invention, an aspherical lens having an aspherical surface very close to the ideal shape of the aspherical surface can be produced.
次に上記設計に基づいて製作したレンズ付きファイバのサンプルにつき、波長0.98μｍのレーザダイオードとシングルモードファイバとの結合効率の測定を行った。図１２は作動距離に対する結合損失の変化を示すものである。 Next, the coupling efficiency between a laser diode having a wavelength of 0.98 μm and a single mode fiber was measured for a lensed fiber sample manufactured based on the above design. FIG. 12 shows the change in coupling loss with respect to the working distance.
図１２によれば作動距離ＷＤ＝20μｍにおいて最小の結合損失0.75ｄＢが得られることがわかる。 FIG. 12 shows that the minimum coupling loss of 0.75 dB can be obtained at the working distance WD = 20 μm.
図１３は非球面レンズの球面加工部の半径と、それによる損失増加量との関係を測定した結果である。結合損失の要因としては、レーザダイオードの出射パターンが完全なガウス型になっていないことや、上記非球面レンズの構造パラメータの製作誤差が考えられるが、図１３によれば球面加工部の半径に対する結合損失の影響が大きいことが分かる。測定結果から、結合損失が0.25dB増加に対して、球面加工部の半径ＲLを±2μｍ以内で加工する必要があることがわかる。 FIG. 13 shows the result of measuring the relationship between the radius of the spherical processed portion of the aspherical lens and the loss increase amount thereby. The cause of the coupling loss may be that the emission pattern of the laser diode is not a perfect Gaussian type or the manufacturing error of the structural parameter of the aspherical lens. According to FIG. It can be seen that the effect of coupling loss is large. From the measurement results, it is understood that the radius RL of the spherical processed portion needs to be processed within ± 2 μm for the coupling loss increased by 0.25 dB.
次に、レーザダイオードとレンズ付きファイバとの間において、各軸の不整合が生じた際の損失増加特性の測定を行った結果を、図１４〜図１５に示す。即ち、図１４はｘ，ｙ軸のずれに対しての損失増加特性、図１５はθｘ，θｙ軸の回りの角度ずれに対しての損失増加特性及び図１６はレンズ付きファイバの回転角に対しての損失増加特性を示すものである。 Next, FIGS. 14 to 15 show the results of measurement of loss increase characteristics when misalignment of each axis occurs between the laser diode and the lensed fiber. 14 shows loss increase characteristics with respect to x and y axis deviations, FIG. 15 shows loss increase characteristics with respect to angular deviations around the θx and θy axes, and FIG. 16 shows rotation angles of the fiber with lens. All the loss increase characteristics are shown.
図１７は本発明によるレンズ付きファイバと、従来のレンズ付きファイバとの性能比較を行った結果を示すものである。この性能比較は、各レンズ付きファイバと波長0.98μｍのレーザダイオードとの結合損失を作動距離に対して測定したものである。 FIG. 17 shows the results of a performance comparison between a fiber with a lens according to the present invention and a conventional fiber with a lens. In this performance comparison, the coupling loss between each lens-attached fiber and a laser diode having a wavelength of 0.98 μm was measured with respect to the working distance.
図１７から分かるように、本発明のレンズ付きファイバは、楔型・円錐型のファイバと比較して、作動距離・結合損失ともに性能が良い。このことから、本発明を適用することにより、レーザダイオードモジュール化の際の調芯作業が簡便化できる。 As can be seen from FIG. 17, the lensed fiber of the present invention has better performance in terms of both working distance and coupling loss than the wedge-type and conical type fibers. Therefore, by applying the present invention, the alignment work at the time of forming the laser diode module can be simplified.
本発明は以上の通り、シングルモードファイバの端部に接続したグレーデッドインデックスファイバ又はグレーデッドインデックス楕円コアファイバの端部に、テーパ加工部と、その先端に形成した球面加工部とから非球面レンズを形成することにより、球面収差を低減し、結合効率を向上させることができる。 As described above, according to the present invention, an aspherical lens is formed from a tapered processed portion and a spherical processed portion formed at the tip of the graded index fiber or the graded index elliptical core fiber connected to the end of the single mode fiber. By forming, spherical aberration can be reduced and coupling efficiency can be improved.
そして本発明では、この非球面レンズを形成するための加工は、ファイバの端部のテーパ加工と、その後の球面加工であり、例えば前者のテーパ加工は、炭酸ガスレーザ等のレーザ加工を用いて確実に、容易に行うことができると共に、後者の球面加工も上述したような各種の方法を用いて確実に、容易に行うことができ、こうして、確実、容易な複数の加工法を組み合わせることで、ファイバの端部の非球面加工を、確実、容易に行うことができる。 In the present invention, the process for forming the aspherical lens is a fiber end taper process and a subsequent spherical process. For example, the former taper process is reliably performed using a laser process such as a carbon dioxide laser. In addition, it can be easily performed, and the latter spherical processing can be performed reliably and easily using various methods as described above, and thus, by combining a plurality of reliable and easy processing methods, Aspherical processing of the end of the fiber can be performed reliably and easily.
金属マスクの開口を経て矩形状に整えられたレーザ光のビームを、回転させているファイバの先端に照射して行うテーパ加工では、加工されたテーパは、僅かに凸曲面となるので、理想的な非球面に更に近づけることができる。 In taper processing, which is performed by irradiating the end of a rotating fiber with a laser beam shaped in a rectangular shape through an opening in a metal mask, the processed taper is a slightly convex curved surface, so it is ideal. It can be closer to a non-spherical surface.
シングルモードファイバに接続するファイバとして、グレーデッドインデックス楕円コアファイバを用いれば、楔状等の先端加工をせずに楕円の界分布を有する光素子とシングルモードファイバとの結合効率を飛躍的に向上させることができる。 If a graded index elliptical core fiber is used as a fiber connected to a single mode fiber, the coupling efficiency between the optical element having an elliptical field distribution and the single mode fiber is dramatically improved without processing a wedge-shaped tip. be able to.
また本発明では、非球面係数、即ち理想非球面のコニック係数を自由に選べるため、どのようなビームスポットを持つ半導体レーザにも対応できる。 In the present invention, since the aspheric coefficient, that is, the conic coefficient of the ideal aspheric surface can be freely selected, the present invention can be applied to a semiconductor laser having any beam spot.
シングルモードファイバの端部に単一のグレーデッドインデックスファイバ又はグレーデッドインデックス楕円コアファイバを接続した構成であるので、安価に製作可能である。 Since the single graded index fiber or graded index elliptical core fiber is connected to the end of the single mode fiber, it can be manufactured at low cost.
非球面レンズの球面加工部の半径を、例えば１０μｍ以上とすることにより、作動距離20μm以上を確保できる。 By setting the radius of the spherical processed portion of the aspheric lens to, for example, 10 μm or more, a working distance of 20 μm or more can be secured.
１ シングルモードファイバ
１ａ コア
１ｂ クラッド
２ グレーデッドインデックス楕円コアファイバ（ＧＩＯ）
２ａ コア
２ｂ クラッド
３ テーパ加工部
４ 球面加工部
５ 非球面レンズ
６ 光素子（レーザダイオード等）
７ 炭酸ガスレーザ
８ コリメートレンズ
９ 開口
１０ 金属マスク
１１ レンズ
１２ 像形成面
1
7
Claims (5)
5. The lens-attached fiber according to claim 3, wherein the taper processing is performed by irradiating a tip of a rotating fiber with a laser beam adjusted to a rectangular shape through an opening of a metal mask. For forming aspherical lenses
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