レンズ付き石英系光ファイバとその製造方法

【目的】半導体レーザとの結合効率が高いレンズ付き石英系光ファイバとその製造方法を提供する。
【構成】この光ファイバは、エッチング溶液によるエッチング速度が相対的に最小である石英系ガラスで形成されているコア１と外側にいくほどエッチング溶液によるエッチング速度が相対的に増大していく石英系ガラスで形成されているクラッド２ａ，２ｂとから成る石英系光ファイバの端面をエッチング溶液に浸漬することにより、前記端面に、突出するコアと外側にいくほど前記コアの突出長よりも短い長さで突出するクラッドを有するレンズ部を形成して製造される。

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、新規構造のレンズ付き石英系光ファイバとその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、光通信システムに組込む発光素子モジュールは、光源である半導体レーザと石英系光ファイバの間にそのレーザ光を石英系光ファイバのコアに集光するレンズを介挿することにより構成されている。このモジュールは、半導体レーザと石英系光ファイバとの間における結合効率を高くすることが必要であるため、両者の結合パワーが最大となるように半導体レーザとレンズと石英系光ファイバのコアとを調心して組立てられる。
【０００３】ところで、最近は、石英系光ファイバの端面に直接レンズ部が形成されたレンズ付き石英系光ファイバが提案されている。この石英系光ファイバは、それ自体の端面がレンズ機能を備えているため、上記モジュールの製造に際しては、部品点数が減少し、しかも調心作業の工数を低減することができ、コスト低減に資するという利点がある。
【０００４】このレンズ付き石英系光ファイバのレンズ部としては、例えば、図１〜図４で示したような構造のものが知られている。これらレンズ部のうち、図４で示した構造のように、光ファイバの端面に曲面形状をなして突出するコア１とクラッド２の間が滑らかな連続曲面を形成しているものは、半導体レーザと結合したときに最も高い結合効率を示すことが知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、現在までのところ、図４で示した構造のレンズ部が最適であることは知られているが、しかしそれを製造する実用的な方法は提案されていない。その理由は、光ファイバの端面中央に突出するコアから外側のクラッドにかけて滑らかな連続曲面を形成することが技術的に困難であったからである。
【０００６】本発明は、上記した問題を解決し、図４で示した構造のレンズ部であっても容易に形成することができ、もって半導体レーザとの結合効率が高いレンズ付き石英系光ファイバとそれを製造する方法の提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明者らは上記した目的を達成するために鋭意研究を重ねる過程で、ゲルマニウムを純粋石英にドープした石英系ガラス（ガラスＡという）と、ゲルマニウムとフッ素を純粋石英に一緒にドープした石英系ガラス（ガラスＢという）と、純粋石英またはそれにフッ素をドープした石英系ガラス（ガラスＣという）との屈折率の大小を比較すると、ガラスＡ〜ガラスＢ＞ガラスＣの順であり、またこれら石英系ガラスのフッ酸溶液によるエッチング速度は、ガラスＡ＜ガラスＢ＜ガラスＣの順で大きくなるという事実に着目した。
【０００８】したがって、コアをガラスＡで構成し、その外側にガラスＢを配置し、更にその外側にガラスＣを配置して光ファイバを製造し、その光ファイバの端面をフッ酸溶液でエッチングすれば、エッチング速度が最も小さいガラスＡのコアが端面中央に最も長く突出し、その外側にはガラスＢ（ガラスＡに対するクラッドとして機能する）がコアの突出長より短い長さで突出するとの着想を抱き、この着想に基づいて本発明を開発するに至った。
【０００９】すなわち、本発明のレンズ付き石英系光ファイバは、突出するコアと外側にいくほど前記コアの突出長より短い長さで突出するクラッドとを有するレンズ部を端面に備えていることを特徴とし、とくに、前記端面が端面に突出するコアと、前記コアの外側に配置され、前記コアの突出長より短い長さで突出する第１クラッド部と、前記第１クラッド部の外側に配置された第２クラッド部から成り、また、前記コアが純粋石英にゲルマニウムをドープして成り、前記第１クラッド部が純粋石英にゲルマニウムとフッ素を一緒にドープして成り、前記第２クラッド部が純粋石英またはそれにフッ素をドープして成り、そして、レンズ部の全体が曲面形状になっているレンズ付き石英系光ファイバである。
【００１０】このレンズ付き石英系光ファイバの製造方法は、エッチング溶液によるエッチング速度が相対的に最小である石英系ガラスで形成されているコアと、外側にいくほどエッチング溶液によるエッチング速度が相対的に増大していく石英系ガラスで形成されているクラッドとから成る石英系光ファイバの端面をエッチング溶液に浸漬することにより、前記端面に、突出するコアと外側にいくほど前記コアの突出長よりも短い長さで突出するクラッドを有するレンズ部を形成することを特徴とする。
【００１１】本発明のレンズ付き石英系光ファイバの製造に際しては、まず、つぎのような光ファイバが用意される。コアは、フッ酸とフッ化アンモニウムの混合溶液によるエッチング速度が後述するクラッドに比べて相対に小さく、かつ、その屈折率は相対的に高い石英系ガラスで構成されている。具体的には、純粋石英にゲルマニウムがドープされている石英系ガラスであることが好ましい。
【００１２】このコアの外周を被覆するクラッドは、前記したコアよりも上記の混合溶液によるエッチング速度が大きく、かつ、屈折率は小さい石英系ガラスで構成されている。この場合、外側に位置するクラッドの部分ほど、その混合溶液によるエッチング速度が小さい石英系ガラスで構成される。例えば、クラッドのうち、ガラスＡのコアを直接被覆するある厚みの部分を純粋石英にゲルマニウムとフッ素を一緒にドープした石英系ガラス（ガラスＢ）で構成して第１クラッド部とし、その層の外側に位置するクラッドの部分を純粋石英またはこれにフッ素をドープした石英系ガラス（ガラスＣ）で構成して第２クラッド部とした２層構造を形成し、混合溶液によるエッチング速度が、光ファイバの断面で段階的（この場合は２段階）に変化するようにすればよい。
【００１３】また、この段階的なクラッドの形成は、上記した２段階に限定されるものではなく、外側にいくほどエッチング速度が大きくなる石英系ガラスを複数種用いることにより、多段階で形成してもよい。また、上記した第１クラッド部の形成時に、純粋石英にドープするゲルマニウムとフッ素の共ドープ量を外側にいくほど多くなるように連続的に変化させると、後述するエッチング時には、これらドーパントの分布に基づいてエッチング速度が径方向で連続的に変化するようになるので、コアとクラッドとの境界部分をある厚みに亘って連続的に滑らかな面にすることができる。
【００１４】このような断面構造を有する光ファイバを切断し、その端面の部分をエッチング溶液に所望の時間浸漬する。端面部分においては、コア，クラッドがエッチングされる。このとき、コアのエッチング速度は最も遅く、端面の外側にいくほどエッチングは早く進む。その結果、端面の中央には最も長い突出長でコアが残留し、外側にいくほど突出長が短くなっていくクラッドが残留する。
【００１５】例えば、前記した第１クラッドと第２クラッドを有する光ファイバの端面は、図５で示したように、最も突出した円錐台形状のコア１、その外側にコアの突出長より短い長さで突出するある厚みの第１クラッド部２ａ、そしてその外側に位置する第２クラッド部２ｂから成り、全体が階段の円錐台形状になる。この端面は、このままの状態でもレンズ部として機能することが可能であるが、更に、例えばこの階段状端面にレーザビームを照射して加熱溶融すれば、図６で示したように、端面全体を曲面形状にすることができる。すなわち、コア１の頂部もエッジがとれて曲面になり、第１クラッド２ａの部分は第２クラッド２ｂに連なる滑らかな曲面になり、図４で示した構造のレンズ部を製造することができる。
【００１６】この端面エッチングに用いる溶液としては、フッ酸とフッ化アンモニウムとの混合水溶液などをあげることができる。このときの混合溶液の濃度は、コアやクラッドの組成などによって適宜に選定されるが、概ね、１０〜５０モル％程度であればよい。
【００１７】
【発明の実施例】次のような石英径光ファイバを用意した。すなわち、コアは、直径が約６μｍであり、純粋石英に比屈折率差で0.２５％相当のゲルマニウムがドープされ、そして、このコアの外周には、単独では比屈折率差がそれぞれ＋0.０５％相当，−0.１５％相当であるゲルマニウムとフッ素を一緒に純粋石英にドープして比屈折率差を純粋石英にドープして比屈折率差を純粋石英と同等にした第１クラッドが厚み約４μｍで形成され、更にその外周には、純粋石英に−0.１０％相当のフッ素がドープされている第２クラッドが厚み約３μｍで形成されている。この石英系光ファイバは、コアとクラッドとの比屈折率差が0.３５％のシングルモード構造のものである。
【００１８】この石英系光ファイバを長手方向と直角に切断し、その端面をフッ酸とフッ化アンモニウムとの混合水溶液（混合体積比、１：４）に１５分間浸漬した。端面は、図５で示したような形状になった。第２クラッド部２ｂの端面を基準にして、コア１の突出長は６μｍ，第１クラッド部２ａの突出長は３μｍであった。これを試料１とする。
【００１９】ついで、この試料１の端面に、炭酸ガスレーザを照射して、図６で示したように端面を曲面形状にした。、これを試料２とする。比較のために、上記した第１クラッド部を形成することなく、上記コア１の外周に上記組成の第２クラッド部２ｂが全体のクラッドになっている石英系光ファイバの端面を上記混合水溶液に浸漬して、図７で示したような構造の端面にした。これを試料３とする。そしてこの試料３の端面に炭酸ガスレーザを照射して、図８で示したように、突出コアを曲面形状にした。これを試料４とする。
【００２０】以上４種類の石英系光ファイバの端面と0.９８μｍ用レーザダイオード（ＦＦＰが水平方向で１５°，垂直方向で３５°，出力３０ｍＷ）との結合効率を、光軸距離約３μｍで測定した。試料１では４０％，試料２では５０％，試料３では２０％，試料４では２５％であった。
【００２１】
【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明方法によれば、半導体レーザとの結合効率が高いレンズ付き石英系光ファイバを容易に製造することができる。これは、エッチング溶液によるエッチング速度が異なる石英系ガラスを適切に組み合わせて石英系光ファイバを製造し、その端面にエッチング処理を施すことがもたらす効果である。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のレンズ付き石英系光ファイバのレンズ部側を示す側面図である。
【図２】従来のレンズ付き石英系光ファイバのレンズ部の他の例を示す側面図である。
【図３】従来のレンズ付き光ファイバのレンズ部の別の例を示す側面図である。
【図４】従来のレンズ付き石英系光ファイバのレンズ部の更に別の例を示す側面図である。
【図５】本発明のレンズ付き光ファイバのレンズ部の例を示す側面図である。
【図６】本発明のレンズ付き光ファイバのレンズ部の他の例を示す側面図である。
【図７】比較例であるレンズ付き光ファイバのレンズ部を示す側面図である。
【図８】別の比較例であるレンズ付き光ファイバのレンズ部を示す側面図である。

【特許請求の範囲】
【請求項１】突出するコアと外側にいくほど前記コアの突出長より短い長さで突出するクラッドとを有するレンズ部を端面に備えていることを特徴とするレンズ付き石英系光ファイバ。
【請求項２】端面に突出するコアと、前記コアの外側に配置され、前記コアの突出長より短い長さで突出する第１クラッド部と、前記第１クラッド部の外側に配置された第２クラッド部から成る請求項１のレンズ付き石英系光ファイバ。
【請求項３】前記コアが純粋石英にゲルマニウムをドープして成り、前記第１クラッド部が純粋石英にゲルマニウムとフッ素を一緒にドープして成り、前記第２クラッド部が純粋石英またはそれにフッ素をドープして成る請求項２のレンズ付き石英系光ファイバ。
【請求項４】前記レンズ部が曲面形状になっている請求項１〜請求項３のレンズ付き石英系光ファイバ。
【請求項５】エッチング溶液によるエッチング速度が相対的に最小である石英系ガラスで形成されているコアと、外側にいくほどエッチング溶液によるエッチング速度が相対的に増大していく石英系ガラスで形成されているクラッドとから成る石英系光ファイバの端面をエッチング溶液に浸漬することにより、前記端面に、突出するコアと外側にいくほど前記コアの突出長よりも短い長さで突出するクラッドを有するレンズ部を形成することを特徴とするレンズ付き石英系光ファイバの製造方法。
【請求項６】前記レンズ部にレーザを照射して曲面形状にする請求項５のレンズ付き石英系光ファイバの製造方法。

【図１】