JPH065332B2 - 光結合器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は発光ダイオード、半導体レーザ等の発光素子か
らの光を光伝送ファイバに効率良く入射させるための光
結合器に関する。

〔従来技術〕

上記のような光源からの拡散光束を光結合器を介して光
伝送ファイバのコア内に効率良く伝送するためには、軸
上入射光ばかりでなく、組立て誤差に起因する軸外入射
光も効率良く光伝送ファイバに伝送する必要がある。こ
のために光結合器に使用されるレンズは収差について厳
しい性能が要求される。

従来、光結合器として第５図に示した光学系が使用され
ている。

第５図において、１０は屈折率分布型の単一レンズ、１
１は光源、１２は光伝送ファイバであり、レンズ１０は
屈折率が中心軸上で最大で外周に向けて漸減する分布を
有し、光源１１に対向する端面が凸曲面で、光ファイバ
１２に対向する端面が光軸に垂直な平面である。光源１
１から出た拡散光束はレンズ１０で集束されて光ファイ
バ１２のコア内に入射する。

〔従来技術の問題点〕

しかしながら上記のような光学系では、光結合器を組み
立てる時に一番問題となる光伝送ファイバの光軸に垂直
な方向の組立誤差等に起因する軸ずれに対して充分な性
能が得られない。

例えば、第５図に示した従来の光学系では上記軸ずれを
約１μm以下に抑える必要があるが、実際に１μm以下に
軸ずれ誤差を抑えることは組立工程が複雑になり歩留り
の低下を招くなど実生産上の問題が多い。

〔問題点を解決する手段〕

上記従来の問題を解決する本発明による光結合器は２群
２枚のレンズ構成とし、両レンズ媒質は光軸から半径方
向へｒの距離における屈折率ｎ（ｒ）が、ｎ₀を中心軸
上屈折率、ｇ、ｈ₄、ｈ₆、ｈ₈を分布定数として、 ｎ²（ｒ）＝ｎ² ₀〔1-(gr)²+h₄(gr)⁴+h₆(gr)⁶+h₈(gr)⁸+
…〕 で表わされる半径方向屈折率分布を有し、第１レンズは
一方の面が凸面で他方の面が光軸に垂直な平面であり、
第２レンズは両面が光軸に垂直な平面であって光伝送フ
ァイバの端面と密着して配置される。

さらに本発明は、前記第１レンズの焦点距離をｆ₁、凸
面の曲率半径をＲ、中心軸上での厚みをｄ₁としたと
き、 ０．４≦ｆ₁・ｇ≦０．６ ０．８≦Ｒ／ｆ₁≦１．３ ０．５≦ｄ₁／ｆ₁≦２．３ の範囲内に限定するものであり、これにより、特に良好
な収差が得られ、光軸に垂直方向の組立誤差の許容値も
充分に大きい。

〔作 用〕

本発明による光結合器は、後述の数値実施例に示すよう
に球面収差とコマ収差が充分に小さく、光軸に垂直な方
向の組立誤差の許容値が大きい。

したがって本発明によれば光結合器の組立て製作工程を
簡略化できるとともに、安価な部品を使用できるので、
コストの低減を図ることができる。

〔実施例〕

以下本発明を第１図に示した実施例について詳細に説明
する。

第１図において、１は光源例えば半導体レーザであり、
２は本発明に係る光結合器光学系、３は光伝送ファイバ
であって、光源１から出射した拡散光束４は光結合器２
で集束されて光伝送ファイバ３のコア内に入射する。

光結合器２は第１の屈折率分布型レンズ５と、この第１
レンズ５の端面から一定距離ｄ_２をおいて配置される第
２の屈折率分布型レンズ６の２群２枚構成となってい
る。両レンズ５，６を構成する媒質はいずれも、光軸７
から半径方向へｒの距離における屈折率ｎ(r)が、 ｎ²（ｒ）＝ｎ² ₀〔1-(gr)²+h₄(gr)⁴+h₆(gr)⁶+h₈(gr)⁸＋
……〕 のべき級数で表わされる屈折率勾配を有する透明円柱体
である。

上式においてｎ_０は光軸上の屈折率、g,h₄,h₆,h₈は分布
定数を表わす。そして第１レンズ５は、光源１に対向す
る面５Ａが光軸７上に曲率中心を有する曲率半径r₁の凸
球面で、他方の面5Bが曲率半径r₂＝無限大つまり平面で
ある。

また第２レンズ６は、第１レンズ５の端面からd₂の距離
において配置され、その両面6Aおよび6Bは曲率半径r₃,r
₄がいずれも無限大で光軸７に垂直な平面であり、この
レンズ６の一方の端面6Bに光軸を一致させて光ファイバ
３の端面を密着して接続する。

そして第１レンズ５の焦点距離をf₁、凸面5Aの曲率半径
の大きさをＲ、中心軸上の厚みをd₁とすると光結合器２
が、 ０．４≦ｆ₁・ｇ≦０．６ (1) ０．８≦Ｒ／ｆ₁≦１．３ (2) ０．５≦ｄ₁／ｆ₁≦２．３ (3) の条件を満足しているときに特に良好な収差補正が可能
になる。

条件(1)は第１レンズ５の屈折率分布定数に関するもの
であり、条件(1)の下限値以下では屈折率分布媒質のパ
ワーが小さくなり、パワーを一定に保とうとすると球面
（凸面）でパワーを得る必要があり、そうすると球面で
高次の収差が発生し、結合器光学系の収差を補正できな
くなってしまう。

また条件(1)の上限を越えるとレンズ媒質の中心と周辺
との屈折率差が大きくなり屈折率分布の制御が困難にな
る。

条件(2)はレンズ５の曲率半径の大きさに関するもので
あり、条件(2)の下限値以下では球面で発生するパワー
が大きくなり高次収差が発生しやすくなる。条件(2)の
上限値を越えるとレンズ５の中心と周辺の屈折率差をか
なり大きくする必要があり屈折率分布の制御が困難にな
る。

条件(3)は条件(1)，(2)から自動的に決まるものであ
る。

第１図の実施例では光源１に第１レンズ５の凸面5Aを対
向させているが、第１レンズ５はその平面側が光源１に
対向し、凸面側が第２レンズ６に対向するように配置し
てもよい。

また本発明で使用する第１レンズ５の媒質は四次項分布
定数h₄が−２ないし２の範囲内にあることが望ましく、
この範囲よりも外側では高次収差が出やすくなる。

さらに第１レンズ５の凸面が第２レンズ６と対向するよ
うに配置した場合には、 0.5≦d₁／f₁≦1.3 の範囲にあることが望ましく、第１レンズ５の凸面が光
源側にあるときは 2.0≦d₁／f₁≦2.3 の範囲にあることが望ましい。

以下に本発明の具体的数値例を示し、各実施例の収差曲
線を第２図ないし第４図に示す。収差曲線のたて軸は第
２レンズの出射側開口数NA′である。

実施例１ 第１レンズ：r₁＝無限大、d₁＝1.921、 n₀＝1.607、ｇ＝0.325、 h₄＝0.249、h₆＝1.709、 h₈＝14.489、r₂＝−1.500、 ₁＝0.7、光源側開口数NA＝0.5 ｆ_１・ｇ＝０．５１２８５ Ｒ／ｆ_１＝０．９５０５７ ｄ_１／ｆ_１＝１．２１７３６４ 第２レンズ：r₃＝無限大、d₃＝3.480、 n₀＝1.607、ｇ＝0.325、 h₄＝2.0、h₆＝0.0、h₈＝０．０、 r₄＝無限大 両レンズ間隔 d₂＝１５．７４７ 実施例２ 第１レンズ：r₁＝1.700、d₁＝2.837、 n₀＝1.658、ｇ＝0.392、 h₄＝1.682、h₆＝1.021、 h₈＝9.508、r₂＝無限大、 ₁＝0.7、ＮＡ＝0.5 ｆ_１・ｇ＝０．５１９７９２ Ｒ／ｆ_１＝１．２８２０５１ ｄ_１／ｆ_１＝２．１３９５１７ 第２レンズ：r₃＝無限大、 d₃＝3.480、n₀＝1.607、 ｇ＝0.325、h₄＝2.0、h₆＝0.0、 h₈＝0.0、r₄＝無限大 d₂＝１１．３８２ 実施例３ 第１レンズ：r₁＝無限大、d₁＝1.281、 n₀＝1.658、ｇ＝0.392、 h₄＝0.654、h₆＝2.788、 h₈＝24.710、r₂＝-1.2、 ₁＝0.7、ＮＡ＝0.5 ｆ_１・ｇ＝0.49392 Ｒ／ｆ_１＝0.952381 ｄ_１／ｆ_１＝1.016667 第２レンズ：r₃＝無限大、d₃＝3.480、 n₀＝1.607、ｇ＝0.325、 h₄＝2.0、h₆＝0.0、h₈＝0.0、 r₄＝無限大 d₂＝１１．８３３ 〔発明の効果〕 本発明による光結合器は残留波面収差が極めて小さく、
光軸に垂直方向の軸ずれに対する許容値も大きいので、
結合効率の良い光結合器を簡単な工程で容易に作ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す側面図、第２図ないし
第４図は本発明の実施例１ないし３の収差曲線を示す
図、第５図は従来の光結合器を示す側面図である。 １……光源、２……光結合器光学系 ３……光伝送ファイバ、４……光 束 ５……第１屈折率分布型レンズ ６……第２屈折率分布型レンズ、７……光 軸

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】２群２枚のレンズで構成され両レンズ媒質
   は光軸から半径方向へｒの距離での屈折率ｎ（ｒ）が、
   ｎ₀を中心軸上屈折率、ｇ、ｈ₄、ｈ₆、ｈ₈を分布定数と
   すると、 ｎ²（ｒ）＝ｎ₀ ²［1-(gr)²+h₄(gr)⁴+h₆(gr)⁶+h₈(gr)⁸＋
   ・・・］ で表わされる半径方向屈折率分布を有し、第１のレンズ
   は一方の面が凸面で他方の面が光軸に垂直な平面であ
   り、第２のレンズは両面が光軸に垂直な平面であって光
   伝送ファイバの端面と密着して配置され、かつ前記第１
   のレンズは、 焦点距離をｆ₁、凸面の曲率半径をＲ、中心軸上での厚
   みをｄ₁としたとき、 ０．４０≦ｆ₁・ｇ≦０．６０ ０．８０≦Ｒ／ｆ₁≦１．３ ０．５０≦ｄ₁／ｆ₁≦２．３ の条件を満足していることを特徴とする光結合器。