JP3857876B2 - レンズ付きファイバ、その製造方法、製造装置及び半導体レーザモジュール - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レンズ付きファイバ、その製造方法、製造装置及び半導体レーザモジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザモジュールにおいて、レーザダイオード（ＬＤ）から出射される光を光ファイバに入射させるタイプのものがある。
このような半導体レーザモジュールに用いられるレンズ付きファイバとして、例えば、光ファイバの先端全体を凸レンズ状に加工したものが知られている（米国特許第３，９１０，６７７号参照）。
【０００３】
このようなレンズ付きファイバとＬＤとを光結合させた半導体レーザモジュールは、例えばＥＤＦＡ（erbium doped fiber amplifier)やラマンアンプ用の励起光源として用いられる。
このような励起光源として用いられる半導体レーザモジュールは、通信用光源に比べて非常に高い光出力が求められ、そのニーズは、例えば１００ｍＷ以上、２００ｍＷ以上、３００ｍＷ以上……と、年を重ねるごとに厳しくなっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記した従来のレンズ付きファイバを用いた半導体レーザモジュールでは、ＬＤから出射される光出力全体に占めるレンズ付きファイバへの入射量の割合、すなわちＬＤとレンズ付きファイバとの結合効率が８０％程度止まりで、それ以上の結合効率を達成することは困難であった。そのため、従来のレンズ付きファイバを用いた半導体レーザモジュールでは、高い光出力を得ることが困難となっていた。
【０００５】
本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、レーザダイオードとの結合効率に優れたレンズ付きファイバ、その製造方法及び製造装置、半導体レーザモジュールを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のレンズ付きファイバは、コアとクラッドを有する光ファイバの先端をレンズ加工してなるレンズ部を有するレンズ付きファイバにおいて、
前記レンズ部は、コア端面に形成された実質的な平坦部と、クラッド端面に形成された傾斜面と、前記実質的な平坦部と傾斜面との間に、コアの一部を含んで形成された凸曲面とを有し、前記実質的な平坦部は、前記コアの直径以下の幅又は径を有し、光ファイバのコアの中心軸に略直交する方向に形成され、実質的に加工変質層がなく、且つ鏡面状の平面部を備え、前記凸曲面は、石英に対してメカノケミカル反応を及ぼす研磨により実質的に加工変質層が除去されて形成されることを特徴とする。
【０００７】
一例として、前記レンズ部は、楔状に形成する。
他の例として、前記レンズ部は、頂部が切り欠かれた円錐状に形成する。
平面部は、光ファイバのコアの中心軸に略直交する方向に、切断したままの状態で形成したものであってもよいし、石英に対してメカノケミカル反応を及ぼす研磨砥石によって研磨して形成したものであってもよい。
好ましくは、前記実質的な平坦部の幅もしくは直径をコア直径の０．２〜０．６倍とする。
好ましくは、前記実質的な平坦部の幅もしくは直径を１μｍ以上とする。
【０００８】
好ましくは、前記実質的な平坦部は、前記凸曲面の曲率半径の１０倍以上の平均曲率半径に設定する。
好ましくは、前記実質的な平坦部の中心部分は曲面加工が施されていない平面部で構成する。
好ましくは、前記平面部の幅もしくは直径を、実質的な平坦部の直径もしくは幅の０．５倍以上とする。
【０００９】
また本発明のレンズ付きファイバの製造方法は、光ファイバの先端にコアの中心軸に略直交する平面部を形成する工程Ａ、前記平面部の周囲に傾斜面を形成する工程Ｂ、前記平面部と前記傾斜面との稜の部分に、石英に対してメカノケミカル反応を及ぼす研磨テープを用いて凸曲面加工を施し、コアの一部を含む凸曲面を形成すると共に、前記Ａ工程において形成される平面部を実質的な平坦部に仕上げる工程Ｃを含むことを特徴とする。
【００１０】
好ましくは、前記工程Ａは、光ファイバの先端にコアの中心軸に略直交する平面部を切断により形成する工程とする。
好ましくは、前記工程Ａは、光ファイバの先端に、コアの中心軸に略直交する平面部を、石英に対してメカノケミカル反応を及ぼす研磨砥石によって研磨して形成する工程とする。
好ましくは、前記工程Ｂは、前記平面部におけるコアと前記傾斜面の稜との間の幅δ１，δ２がそれぞれコア直径Ｄcrの１／３〜３倍となるように、前記傾斜面を形成する工程とする。
【００１１】
好ましくは、前記工程Ｂは、前記平面部の両側に２面の傾斜面をそれぞれ形成する工程とする。
好ましくは、前記工程Ｂは、前記光ファイバをコアの中心軸を中心に回転させて研磨する工程とする。
好ましくは、複数本のファイバ孔が１列に形成されたホルダに複数本の光ファイバを挿入して仮止めし、前記工程Ａ、工程Ｂ、工程Ｃの少なくとも１つの工程で前記複数本の光ファイバを一括して加工処理する。
【００１２】
好ましくは、複数本のファイバ孔が１列に形成されたホルダに複数本の光ファイバを挿入して仮止めし、前記工程Ａ及び工程Ｂで一括して加工処理し、その後、前記工程Ｃにおいて前記複数本の光ファイバを１本ずつ加工処理する。
好ましくは、複数本のファイバ孔が１列に形成されたホルダに複数本の光ファイバを挿入して仮止めし、前記工程Ａ、工程Ｂ、工程Ｃの少なくとも１つの工程で前記ホルダと共に前記複数本の光ファイバを研磨加工する。
【００１３】
好ましくは、前記工程Ｂ及び／又は工程Ｃは、研磨テープを走行させながら、該研磨テープを前記光ファイバの所望加工部分に接触させる工程とする。
好ましくは、前記工程Ｃは、凹溝を有するバック部材を裏側から当接させた研磨テープを走行させながら、該研磨テープを前記光ファイバの平面部と傾斜面との稜の部分に接触させて加工する工程とする。
【００１４】
本発明のレンズ付きファイバの製造装置は、光ファイバを保持する保持部と、石英に対してメカノケミカル反応を及ぼす研磨テープと、該研磨テープを走行させる駆動機構と、前記研磨テープの裏面に当接する当接面を有するバック部材とを有することを特徴とする。
好ましくは、前記研磨テープは、前記保持部の両側に配置する。
好ましくは、前記バック部材は、前記当接面に凹溝を設ける。
【００１５】
本発明の半導体レーザモジュールは、レーザダイオードと、該レーザダイオードに光結合される本発明のレンズ付きファイバとを有することを特徴とする。
ＬＤからの出射光は、図１８に示すように、光軸の部分に最も強い光が存在する。
本発明のレンズ付きファイバは、実質的な平坦部が先端に形成されているので、上記最も強い光を効率良く受光できる。また、本発明のレンズ付きファイバは、実質的な平坦部と斜面部との間に凸曲面が形成され、レンズ効果が高められている。
【００１６】
よって、本発明のレンズ付きファイバによれば、ＬＤから出射された光を非常に高い結合効率で受光できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のレンズ付きファイバの一例として楔形光ファイバ、その製造方法及び製造装置に係る第１の実施形態を図１乃至図１１に基づいて詳細に説明する。
楔形光ファイバ１は、図１及び図２に示すように、直径６μｍのコア１ａと、その外側を取り囲むクラッド１ｂとを有する直径１２５μｍの石英ガラスファイバである。
【００１８】
楔形光ファイバ１は、先端にレンズ加工が施されて、楔形のレンズ部Ｌが形成されている。
レンズ部Ｌは、実質的な平坦部１ｃと、傾斜面１ｅと、これら実質的な平坦部１ｃおよび傾斜面１ｅの間に形成される凸曲面１ｄを有している。
実質的な平坦部１ｃは、コア１ａ端面を含むように形成され、コアの中心軸Ｃcrに直交して略平面状に、幅（図２中の左右方向の長さ）１μｍ以上で形成される。
【００１９】
さらに詳しくは、実質的な平坦部１ｃは、図２に示すように、中心部分がファイバカッタで切断して形成された鏡面ＦMで、残部は曲率半径の大きな研磨面で構成されている。これによって実質的な平坦部１ｃは、全体として曲率半径の大きな平面状に形成されている。
また、傾斜面１ｅは、実質的な平坦部１ｃの両側を、コアの中心軸Ｃcrに対して対称に研磨加工して形成されている。傾斜面１ｅは主にクラッド１ｂ先端の露出面であるが、一部コア１ａにまで及んで形成されていてもよい。
【００２０】
凸曲面１ｄは、実質的な平坦部１ｃと傾斜面１ｅとの間に研磨によって形成されたコア１ａ先端面であり、実質的な平坦部１ｃに比べて非常に小さな曲率半径を有している。
一例として、楔形光ファイバ１は、実質的な平坦部１ｃの幅がコア１ａの直径の０．４倍である2.４μｍで形成され、鏡面ＦMの幅は平坦部１ｃの幅の半分である1.２μｍで形成される。実質的な平坦部１ｃの平均曲率半径は鏡面ＦMがあるため、非常に大きい。凸曲面１ｄは曲率半径が５μｍで形成される。２つの傾斜面１ｅがなす角θは８０°である。
【００２１】
楔形光ファイバ１は、実質的な平坦部１ｃにおいて、強度分布において最強部分の光を受光する。実質的な平坦部１ｃの鏡面ＦMは光ファイバの切断面から構成されているため、その表面には研磨面特有の加工変質層が形成されることがない。また、鏡面ＦMの周囲の凸曲面１ｄも、酸化セリウムなど、研磨時に石英に対してメカノケミカル反応を及ぼす研磨テープなどを用いて仕上げ研磨することにより、加工変質層を殆ど除去することが可能である。
【００２２】
加工変質層は、研磨によるダメージによって屈折率が所定の値から変化してしまった層をいい、レンズ部Ｌにおける表面反射によって光の結合効率を低下させる原因となる。
本実施形態における楔形光ファイバ１は、光を受光するレンズ部Ｌの、特に強い光を受光する中心部分を加工変質層のない鏡面ＦMとすることによって、光の結合効率が向上している。
【００２３】
また、楔形光ファイバ１は、凸曲面１ｄを形成することによって、高いレンズ効果が得られ、コア１ａ内に光を十分に引き込み、さらに光の結合効率を向上させることができる。
ここで、楔形光ファイバ１は、実質的な平坦部１ｃの幅に対して鏡面ＦMの幅を０．５倍以上となるように設定することにより、より光の結合効率を向上させることができる。
【００２４】
また、楔形光ファイバ１は、実質的な平坦部１ｃの平均曲率半径を凸曲面１ｄの曲率半径よりも１０倍以上大きくなるように設定することで、実質的な平坦部１ｃを好適な平坦度にすることができ、かつ凸曲面１ｄも好適なレンズ効果を得ることができる。
上記のような特徴を有する楔形光ファイバ１は、ＳiＯ2を主成分とする石英系光ファイバ、ＳiＯ2−Ｎa2Ｏ−ＣaＯ系，ＳiＯ2−Ｂ2Ｏ3−Ｎa2Ｏ系，アルカリを含まないＧa2Ｏ2−ＧeＯ2−Ｐ2Ｏ5系等の多成分系光ファイバあるいはフッ化物系光ファイバ等、あらゆる成分の光ファイバを使用して製造することができる。
【００２５】
このような形状を有する楔形光ファイバ１は、以下に説明する製造装置を用いて製造される。
製造装置１０は、図４及び図５に示すように、保持部となる保持ユニット２０、第１加工ユニット３０及び第２加工ユニット３５を備えている。
保持ユニット２０は、第１支持台１１に設置され、光ファイバＦbを保持し、コアの中心軸Ｃcr（図６参照）に平行な矢印Ｙと、これに直交する矢印Ｘ，Ｚで示す３軸（図４，５参照）方向に移動する。保持ユニット２０は、ファイバチャック２１、第１スライドテーブル２２、Ｙ軸アジャスタ２３、第２スライドテーブル２６、Ｘ軸アジャスタ２７及びＺ軸アジャスタ２８を備えている。ここで、第１支持台１１は、４本の脚１２によって四隅で支持され、保持ユニット２０と対向する位置にはモニタ１８が設置されている。
【００２６】
モニタ１８は、後述する第１加工ユニット３０及び第２加工ユニット３５による光ファイバＦb先端に形成される楔形の部分の幅や形状等の研磨状態を測定し、研磨の良否を判断する顕微鏡としての機能を備えたカメラである。
ファイバチャック２１は、図４及び図６に示すように、２枚の保持板２１ａ，２１ｂ（図６参照）を有し、互いに対向する一方の面の中央には光ファイバＦbを位置決めして保持するＶ溝（図示せず）が形成されている。第１スライドテーブル２２は、Ｙ軸方向にスライドするテーブルで、ファイバチャック２１が止めねじ２２ａで着脱自在に固定される。第１スライドテーブル２２は、Ｙ軸アジャスタ２３によって図中Ｙ軸方向に駆動される。Ｙ軸アジャスタ２３は、マイクロメータを備え、第１スライドテーブル２２のＹ軸方向における位置調節手段で、最も微細な場合には０．１μｍ単位で位置を微調節することができる。Ｘ軸アジャスタ２７及びＺ軸アジャスタ２８も、Ｙ軸アジャスタ２３と同じ位置調節精度を有している。また、Ｙ軸アジャスタ２３は、第１スライドテーブル２２をＹ軸方向へ移動させて、モニタ１８によって光ファイバＦbの先端を観察する際の焦点調節に利用される。
【００２７】
第２スライドテーブル２６は、Ｘ軸方向にスライド自在なスライド部材で、Ｘ軸アジャスタ２７に駆動されてＸ軸方向へ移動する。第３スライドテーブル２９は、Ｚ軸アジャスタ２８に駆動され、第２スライドテーブル２６と共にＺ軸方向へ移動する。
第１及び第２加工ユニット３０，３５は、保持ユニット２０に保持された光ファイバＦbの先端を楔形に加工するユニットで、第２支持台１３に設けられている。第２支持台１３は、図５に示すように、第１支持台１１に設けたそれぞれ４本ずつの支柱１４，１５に支持されている。
【００２８】
第１加工ユニット３０は、図４に示すように、研磨テープＴab、巻取りリール３１、搬送ローラ３２、押圧部材３３及びバック部材３４を備えている。
ここで、第２加工ユニット３５は、研磨テープＴab、巻取りリール３６、搬送ローラ３７、押圧部材３８及びバック部材３９を備え、第１加工ユニット３０と構造及び作用が同一である。従って、第１加工ユニット３０について説明し、第２加工ユニット３５については、以下の説明並びに図４乃至図６において対応する構成要素に対応する符号を用いることで重複した説明を省略する。
【００２９】
巻取りリール３１は、巻出しリール１３ａから巻き出される研磨テープＴabを巻き取るリール３１ａと、リール３１ａを回転させるモータ３１ｂとを有している。モータ３１ｂは、第２支持台１３に設けられ、巻出しリール１３ａは、第２支持台１３に回転自在に支持されている。
ここで、研磨テープＴabは、第１加工ユニット３０においては、巻出しリール１３ａから巻き出された後、ガイドローラ１３ｂ、バック部材３４、ガイドローラ１３ｃ、搬送ローラ３２及び押圧部材３３を経て巻取りリール３１に巻き取られる。一方、第２加工ユニット３５においては、研磨テープＴabは、巻出しリール１３ｄから巻き出された後、ガイドローラ１３ｅ、バック部材３９、ガイドローラ１３ｃ、搬送ローラ３７及び押圧部材３８を経て巻取りリール３６に巻き取られる。
【００３０】
搬送ローラ３２は、ローラ３２ａと、第２支持台１３に設けられ、ローラ３２ａを回転駆動させる駆動モータ３２ｂとを有している。
押圧部材３３は、スイングアーム３３ａ、スイングアーム３３ａの端部に設けられる押圧ローラ３３ｂ及び引きばね３３ｃを有し、一端を第２支持台１３に、他端をスイングアーム３３ａに、それぞれ係止させた引きばね３３ｃによって押圧ローラ３３ｂがローラ３２ａに所定の押圧力で押圧されている。これにより、研磨テープＴabは、搬送ローラ３２と押圧部材３３とによって一定の速度で搬送される。
【００３１】
バック部材３４は、ステンレス鋼等の素材が使用され、研磨テープＴabに裏側から当接し、保持ユニット２０に保持された研磨対象の光ファイバＦbを楔状に研磨する。バック部材３４は、図６に示すように、光ファイバＦbと対向する先端側にテーパ状に形成され、研磨テープＴabの裏側に当接する当接面３４ａを有している。バック部材３４は、図４及び図５に示すように、第２支持台１３の支持ブロック１３ｇに取り付けられている。
【００３２】
製造装置１０は、以上のように構成され、以下に説明する本発明方法によって楔形光ファイバ１が製造される。
（工程Ａ）
先ず、直径６μｍのコアと、その外側を取り囲むクラッドとを有する直径１２５μｍの石英ガラスファイバの先端をファイバカッタを使って、コアの中心軸Ｃcrに略直交する平面部ＰPL（図３Ｃ参照）を形成する。
【００３３】
すなわち、図３Ａに示すように、まず光ファイバＦbをファイバホルダ５１，５２により長手方向に所定間隔離して固定し、丸型刃５３で光ファイバＦbの側面に切り欠き５４を設ける。そして、図３Ｂに示すように、切り欠き５４の反対側から治具５５で光ファイバＦbを押し上げると共に、光ファイバＦbに引っ張り応力を作用させて切断する。このようにして切断すると、光ファイバＦbは、図３Ｃに示すように、先端にコアの中心軸Ｃcrに略直交し、鏡面からなる平面部ＰPLが形成される。
【００３４】
（工程Ｂ）
次に、光ファイバＦbを、平面部ＰPLを突出させて前記Ｖ溝に位置決めし、２枚の保持板２１ａ，２１ｂで保持した状態でファイバチャック２１を止めねじ２２ａで第１スライドテーブル２２に固定する。
次に、保持ユニット２０のＹ軸アジャスタ２３、Ｘ軸アジャスタ２７及びＺ軸アジャスタ２８により、図４に示すように、光ファイバＦbがモニタ１８と対向すると共に、左右のバック部材３４，３９の当接面３４ａ，３９ａと対応する位置に微調節する。この位置が研磨開始の際の保持ユニット２０の初期位置である。
【００３５】
次いで、モータ３１ｂ及び駆動モータ３２ｂを起動させ、研磨テープＴabを巻出しリール１３ａから巻き出して、図４に示すように、ガイドローラ１３ｂ、バック部材３４、ガイドローラ１３ｃ、搬送ローラ３２及び押圧部材３３を経て巻取りリール３１へと一定の速度で搬送しながら光ファイバＦbの研磨を開始する。このとき用いる研磨テープＴabは、ポリエステル等からなる基材に、平均粒径３μｍのアルミナ粉を付着させた幅６０ｍｍのテープである。
【００３６】
そして、光ファイバＦbを楔状に研磨するときは、先ず、Ｘ軸アジャスタ２７により第２スライドテーブル２６をＸ軸に沿って図４の左方に移動させ、モニタ１８でモニタしてから光ファイバＦbの先端をバック部材３４側の研磨テープＴabに当接させ、一定の速度で搬送される研磨テープＴabで、図７Ａに示すように、光ファイバＦbの一方側を研磨して傾斜面Ｆsを形成する。
【００３７】
次に、Ｘ軸アジャスタ２７により第２スライドテーブル２６をＸ軸に沿って図４の右方に移動させ、モニタ１８でモニタしてから光ファイバＦbの先端をバック部材３９側の研磨テープＴabに当接させ、一定の速度で搬送される研磨テープＴabで、図７Ｂに示すように、光ファイバＦbの他方側を研磨して傾斜面Ｆsを形成する。これにより、図８に示すように、光ファイバＦbは、コアの中心軸Ｃcrに直交する幅１０μｍの部分が鏡面ＦMで、２つの傾斜面Ｆsを有する楔状に加工される。このとき、光ファイバＦbは、鏡面ＦMと傾斜面Ｆsとの間に角張った稜Ｒが形成される。
【００３８】
工程Ｂにおいては、バック部材３４は、製造される楔形光ファイバ１において２つの傾斜面１ｅのなす角度θ（図２参照）がθ＝８０度となるように、図６に示すコアの中心軸Ｃcrとテーパ面３４ａとのなす角θ1が４０度のものを使用する。
【００３９】
（工程Ｃ）
次いで、バック部材３４，３９を、図６及び図９に示すように、当接面４１ａ，４２ａに凹溝４１ｂ，４２ｂが形成され、当接面４１ａ，４２ａとコアの中心軸Ｃcrとのなす角θ2（図６参照）が４５度のバック部材４１，４２に取り替える。また、研磨テープＴabも、より細かい平均粒径（ここでは１μｍ以下）のものに変更する。そして、保持ユニット２０を用いて前記と同様の操作により光ファイバＦbの先端、即ち、鏡面ＦMと各傾斜面Ｆsとの稜Ｒの部分を研磨テープＴabで研磨する。
【００４０】
このとき、図９に示すように、バック部材４１は、当接面４１ａに凹溝４１ｂが形成されている。このため、楔状に加工された光ファイバＦbの稜Ｒの部分を凹溝４１ｂに対応する研磨テープＴabの表面に当接させると、研磨テープＴabが凹溝４１ｂの部分で図示のように凹む。この結果、光ファイバＦbは、凹んだ研磨テープＴabによって稜Ｒの部分が凸曲面に加工される。
【００４１】
尚、稜Ｒの曲面加工のために、ここではバック部材４１の当接面４１ａに凹溝４１ｂを形成したが、例えば、バック部材４１の当接面４１ａは平坦面として、この当接面や研磨テープＴabの材質を若干柔らかいものとしたり、研磨テープＴabの厚みを、例えば２５μｍ、５０μｍ、７５μｍと厚くしてゆくことにより、バック部材４１や研磨テープＴabの弾性変形を利用して、稜Ｒに曲面加工を施すことも可能である。
【００４２】
この場合、バック部材４１の当接面４１ａは、材質として、例えばゴム等が利用できる。
従って、本発明の製造装置１０と上記製造方法によって、先端に、コアの中心軸Ｃcrに直交し、一部が鏡面である実質的な平坦部１ｃと、実質的な平坦部１ｃに隣接する凸曲面１ｄを介して傾斜面１ｅとが形成され、先端側が楔状に成形された図１に示す楔形光ファイバ１が製造される。
【００４３】
ここで、直径６μｍのコアと、その外側を取り囲むクラッドとを有する直径１２５μｍの石英ガラスファイバを用い、実質的な平坦部１ｃの幅が、0.５μｍより大きく、3.５μｍよりも小さい種々の幅を有する楔形光ファイバ１を、製造装置１０を用いて本発明方法によって製造し、波長９８０ｎｍ帯のＬＤと光結合させたときの結合効率を測定した。その結果を図１０に示す。
【００４４】
図１０に示す結果から明らかなように、楔形光ファイバ１は、実質的な平坦部１ｃの幅がコア径の0.２〜0.６倍であれば、８０％以上の高い結合効率を得られ、この範囲から外れると、結合効率が急激に低下することが分かった。従って、楔形光ファイバ１は、実質的な平坦部１ｃの幅がコア径の0.２〜0.６倍であることが望ましい。
【００４５】
また、米国特許第３，９１０，６７７号に開示された従来のレンズ付きファイバでは、結合効率が８０％程度であったのに対し、実質的な平坦部１ｃの幅が２．２μｍである、楔形光ファイバ１では８９％と、結合効率が増大した。
ここで、ファイバチャック２１は、Ｚ軸方向に長い２枚の保持板とし、互いに対向する一方の面の中央に光ファイバＦbを位置決めして保持する複数のＶ溝をＺ軸方向に所定間隔をおいて形成したものを使用すると、複数の楔形光ファイバ１を製造することができる。
【００４６】
この場合、工程Ｂでは、上記６０μｍ程度の幅の広い研磨テープＴabを用いて複数本の光ファイバＦbを一括して研磨し、工程Ｃでは、Ｚ軸方向に光ファイバＦbを移動させ、１本ずつの光ファイバＦbに対して順次精密研磨を行う。工程Ｃでは、所定の光ファイバＦbを研磨する際に隣接する光ファイバＦbと干渉しないように、研磨テープＴabを、工程Ｂより幅の狭いもの（例えば幅６ｍｍ程度）とすることが好ましい。
【００４７】
以上のようにして製造された楔形光ファイバ１は、断面楕円形状のモードフィールドを持つ光を受光する場合に好適である。
また、製造装置１０は、１本の光ファイバＦbを保持するファイバチャック２１を備えた保持ユニット２０をＹ軸廻りに回転自在に構成すると、図１１に示すように、コア２ａと、その外側を取り囲むクラッド２ｂとを有し、コアの中心軸Ｃcrに直交し、実質的な平坦部２ｃの一部が鏡面で、実質的な平坦部２ｃに隣接する凸曲面２ｄを介して傾斜面２ｅとが形成され、頂部が切り欠かれた円錐形状に成形されたレンズ付きファイバ２を製造することができる。
【００４８】
このようなレンズ付きファイバ２は、断面真円形のモードフィールドを有する光を受光する場合に好適である。
このように、本発明のレンズ付きファイバは、ＬＤから出射される光のモードフィールド形状に合わせて、適切なレンズ形状とすることができる。
次に、本発明のレンズ付きファイバとその製造方法に係る第２の実施形態を図１２乃至図１６Ｂに基づいて詳細に説明する。
【００４９】
先ず、本実施形態の楔形光ファイバを、図１２に基づいて説明する。
楔形光ファイバ５は、図１２に示すように、コア５ａと、その外側を取り囲むクラッド５ｂとを有する石英ガラスファイバで、先端に形成された実質的な平坦部５ｃの両側に、凸曲面５ｄを介して形成される傾斜面５ｅによって楔状に成形されている。このとき、楔形光ファイバ５は、コア５ａの外周が一部研磨され、平坦部５ｃがコアの中心軸Ｃcrにおいて１μｍ以上の幅を有して直径方向に形成され、凸曲面５ｄを介して傾斜面５ｅへと連なるように楔状に研磨加工されている。
【００５０】
楔形光ファイバ５は、実質的な平坦部５ｃが全て研磨面によって構成されている点で楔形光ファイバ１と異なっている。
このような形状を有する楔形光ファイバ５は、例えば以下に説明する方法によって製造される。
先ず、図１３Ａ，図１３Ｂに示すように、ホルダ７の複数のファイバ孔（図示せず）に複数本の光ファイバＦbを挿入して先端を端面５ａから僅かに突出させ、ワックス接着剤Ａwxで一時的に仮止めする。
【００５１】
複数本の光ファイバＦbとしては、石英ガラスファイバからなる複数本の光ファイバをテープ状に成形したテープファイバＦtpから先端部分の被覆を除去し、個々の光ファイバＦbに分離したものを用いる。また、ホルダ７としては、例えば、複数のファイバ孔が高い精度で１列に形成された多芯コネクタのフェルールを使用する。
【００５２】
（工程Ａ）
次に、ホルダ７に第１の加工を施す。この加工工程においては、複数本の光ファイバＦb及びホルダ７を、光ファイバＦbの軸に直交する端面が平面となるように、例えば、平均粒径１０μｍのダイヤモンド砥石によって平面に粗研磨加工すると共に、端面にはみ出したワックス接着剤Ａwxを除去する。
【００５３】
（工程Ｂ）
次いで、同様にして、ホルダ７を、光ファイバＦbの配列方向と直交する幅方向における形状が、図１４Ａ，図１４Ｂに示すように、先端が光ファイバＦbの光軸（すなわちコアの中心軸Ｃcr）に直交すると共に各光ファイバＦbのコアＣRの端面全てを含む平面Ｆeと、平面Ｆeの両側に形成され、平面Ｆeに対して対称な傾斜面Ｆsとを有する台形状に粗研磨加工する。
【００５４】
このとき、ホルダ７は、光ファイバＦbが、例えば、コア径約６μｍのシングルモードファイバの場合、平面Ｆeの幅Ｗ1及び傾斜面Ｆsを、それぞれＷ1＝８０μｍ程度で、２つの傾斜面Ｆsのなす角度αがα＝５５度程度となるように、両傾斜面Ｆsを光ファイバＦbの光軸に対して対称に研磨する。ホルダ７は、平面Ｆeの幅Ｗ1をＷ1＝８０μｍ程度残すことにより、各光ファイバＦbのコアＣRに及ぶ研磨欠けを防止することができる。
【００５５】
この後、酸化セリウムを含む砥粒（平均粒径１μｍ）から製作された砥石を用い、ホルダ７の平面Ｆeを仕上げ研磨すると共に、２つの傾斜面Ｆsを平面Ｆeが図１５Ｂに示す所定の幅Ｗ2（μｍ）となるように仕上げ研磨する。このとき、ホルダ７は、平面Ｆeが、コアＣRの外側と、平面Ｆeと傾斜面Ｆsとによって形成される稜Ｒとの間に、コア直径の１／３〜３倍の範囲の幅を有するように傾斜面Ｆsを仕上げ研磨する。即ち、ホルダ７は、図１５Ａ，図１５Ｂに示すように、コアＣRの直径をＤcr、コアＣRの外側と、平面Ｆeと傾斜面Ｆsとによって形成される稜Ｒとの間の幅をδ1，δ2（μｍ）としたときに、平面Ｆeの幅Ｗ2が次式で表わされるように、２つの傾斜面Ｆsのなす角度βをβ＝６０度程度となるように、両傾斜面Ｆsを光ファイバＦbの光軸に対して対称に仕上げ研磨する。
Ｗ2＝δ1＋δ2＋Ｄcr
【００５６】
例えば、光ファイバＦbがコア径６μｍの場合、コアＣRの外側と、平面Ｆeと傾斜面Ｆsとによって形成される稜Ｒとの間の幅δ1，δ2は、δ1＝δ2が望ましく、光ファイバＦbの光軸に対して対称に研磨される方がベストである。また、幅δ1，δ2は、下記の範囲に設定する。
２＜δ1，δ2＜１５
【００５７】
このとき、幅δ1，δ2は、２μｍ以下になると、後述する第２の加工工程において滑らかな凸曲面を得ることができず、１５μｍ以上になると、得られる凸曲面の曲率半径が大きくなり過ぎ、製造される楔形光ファイバ５が目的とする特定の方向にレンズ効果を発揮することができなくなる。
【００５８】
従って、このように設定した場合、平面Ｆeの幅Ｗ2（μｍ）は、次式で表される範囲となる。
１０＜Ｗ2＜３６
このように加工することで、ホルダ７は、図１５Ａ，図１５Ｂに示すように、仮止めされた各光ファイバＦbが、クラッドＣLが一部研磨され、コアＣRの外側と稜Ｒとの間が幅δ1，δ2で、全体の幅が幅Ｗ2の平面Ｆeと２つの傾斜面Ｆsとを有する台形に仕上げ研磨され、第１の加工工程が終了する。
【００５９】
この仕上げ研磨においては、前記のように酸化セリウムを含む砥粒から製作された砥石を用いる。このため、ホルダ７は、光ファイバＦbと共に、平面Ｆe及び２つの傾斜面Ｆsがメカノケミカル作用によって平坦度に優れ、前記した加工変質層のない鏡面に加工される。
【００６０】
（工程Ｃ）
次に、ホルダ７に第２の加工を施す。この加工工程においては、前記酸化セリウムを含む砥粒を用い、ホルダ７の平面Ｆeと傾斜面Ｆsとによって形成される稜Ｒの部分を主としてバフ研磨する。このバフ研磨に際し、ホルダ７は、平面Ｆeや傾斜面Ｆsの稜Ｒに沿った近接部分も研磨される。このため、ホルダ７は、複数本の光ファイバＦbのコアＣRの中心に沿った先端に、図１６Ａ，図１６Ｂに示すように、１μｍ以上の幅を有する実質的な平坦部ＦLと、平坦部ＦLの両側に傾斜面Ｆsに連なる凸曲面ＦCBとが形成され、平坦部ＦLの部分では各光ファイバＦbはコアＣRの幅方向外側が僅かに研磨されている（図１６Ｂ参照）。
【００６１】
このとき、第２の加工工程においては、製造される楔形光ファイバ５と光結合するＬＤの特性に応じて、凸曲面ＦCBの曲率半径が３〜６μｍ、より好ましくは、3.５〜5.５μｍとなるようにホルダ７を研磨する。ここで、ホルダ７は、第２の加工を施すことで、先端に実質的な平坦部ＦLが形成されるが、必ずしも平面である必要はない。即ち、平坦部ＦLは、その両側に形成される凸曲面ＦCBの曲率半径の１０倍以上の曲率半径を有していれば、実質的な平坦部ＦLであるとみなすこととする。また、ホルダ７は、加工終了時において、図１６Ａに示すように、２つの傾斜面Ｆsのなす角度γがγ＝７０度程度となるように、凸曲面ＦCBを光ファイバＦbの光軸に対して対称に研磨加工する。
【００６２】
このようにして第２の加工工程が終了したら、ホルダ７を加熱してワックス接着剤Ａwxを溶かし、複数のファイバ孔（図示せず）から複数本の光ファイバＦbを取り出し、付着したワックス接着剤Ａwxを清掃すれば、一度に複数本の楔形光ファイバ５が得られる。
このように、本実施形態の製造方法によれば、ホルダ７を用いることにより、光ファイバを複数本まとめて加工することができる。また、本製造方法は、第１の加工工程では、酸化セリウムを含む砥粒から製作された砥石により平面に仕上げ研磨し、第２の加工工程では、前記酸化セリウムを含む砥粒を用い、ホルダ７の平面Ｆeと傾斜面Ｆsとによって形成される稜Ｒの部分を主としてバフ研磨する。このため、製造される楔形光ファイバ５は、コア端面が凹むことがないうえ、平坦部が鏡面に加工されるので、十分な光伝送性能を有し、反射減衰量を測定したところ、５５ｄＢ以上であった。
【００６３】
また、本発明の楔形光ファイバと従来方法で製造された楔形光ファイバとを、波長９８０ｎｍ帯のＬＤと光結合させたところ、結合距離を従来よりも1.２〜1.５倍大きくすることができ、結合効率の向上も見られた。
次に、上記第１、第２の実施形態のレンズ付きファイバを用いた本発明の半導体レーザモジュールの一例を図１７に基づいて説明する。
【００６４】
図１７に示すように、半導体レーザモジュール１００は、パッケージ１０１の底板１０１ａ上に、放熱を行うペルチェモジュール１０２、ベース１０３、チップキャリア１０４、レーザダイオード１０５が順次配置されている。レンズ付きファイバ１０７は、レーザダイオード１０５の光出射端面にレンズ部Ｌが対向するように配置され、ファイバ固定部材１０６を介してベース１０３上に固定されている。レンズ付きファイバ１０７は、筒状孔部１０８に設けたスリーブ１０９を介してパッケージ１０１の外部に導出されている。
【００６５】
このような半導体レーザモジュール１００において、レーザダイオード１０５の光出射端面から光を出射させ、レンズ部Ｌを介してレンズ付きファイバ１０７内に光を入力させた場合、レンズ付きファイバ１０７は、上記第１、第２の実施形態の楔形光ファイバ１，２，５で説明したように、レンズ部Ｌにおける光の結合効率が非常に高い。しかも、レーザダイオード１０５は、光軸に直交する方向における出射光の相対強度分布を示す図１８から明らかなように、光軸の部分に最も強い光が存在する。このため、半導体レーザモジュール１００は、従来よりも出力が向上する。特に、希土類元素ドープファイバ型の光アンプやラマン用光アンプ等においては、高出力の励起光源となる半導体レーザモジュールが求められるため、光結合効率が高い半導体レーザモジュール１００が好適に利用される。
【００６６】
【発明の効果】
請求項１乃至６の発明によれば、光源となるレーザダイオードとの結合効率に優れたレンズ付きファイバ、その製造方法、製造装置および半導体レーザモジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレンズ付きファイバの第１の実施形態に係る楔形光ファイバを示す斜視図である。
【図２】図１の楔形光ファイバの側面図である。
【図３】光ファイバを切断する工程を示す説明図であり、（ａ）は光ファイバに傷をつける工程、（ｂ）は光ファイバを切断する工程、（ｃ）は切断された後の光ファイバを示す図である。
【図４】図１の楔形光ファイバを製造する製造装置の平面図である。
【図５】図４の製造装置の正面図である。
【図６】図４の製造装置において、保持ユニットに保持される光ファイバのコアの中心軸とバック部材のテーパ面とのなす角を説明する要部拡大図である。
【図７】図４の製造装置における光ファイバの傾斜面の加工工程を示す概略図である。
【図８】図４の製造装置によって傾斜面が加工された光ファイバの側面図である。
【図９】図４の製造装置によって凸曲面を加工する工程を示す要部拡大図である。
【図１０】図４の製造装置によって製造された楔形光ファイバの結合効率と実質的な平坦部の幅との実測結果を示す測定図である。
【図１１】図４の製造装置によって製造される他のレンズ付きファイバの例を示す斜視図である。
【図１２】本発明の第２の実施形態に係る製造方法によって製造される楔形光ファイバの斜視図である。
【図１３】図１２の楔形光ファイバの製造方法を説明するもので、ホルダに複数本の光ファイバを仮止めした状態を示す側面図（ａ）と、平面図（ｂ）である。
【図１４】複数本の光ファイバを仮止めしたホルダを、第１の加工工程で台形に粗研磨加工した状態を示す側面図（ａ）と、平面図（ｂ）である。
【図１５】図１４に示すホルダを、第１の加工工程で更に仕上げ研磨した状態を示す側面図（ａ）と、光ファイバの部分を拡大した平面図（ｂ）である。
【図１６】図１５のホルダの先端両側を、第２の加工工程によって所定曲率半径の曲面に研磨加工した状態を拡大して示す側面図（ａ）と、平坦部並びに光ファイバのコア部分を拡大した平面図（ｂ）である。
【図１７】本発明のレンズ付きファイバを使用した半導体レーザモジュールの断面側面図である。
【図１８】光軸に直交する方向におけるＬＤからの出射光の相対強度分布を示す強度分布図である。
【符号の説明】
１ 楔形光ファイバ
１ａ コア
１ｂ クラッド
１ｃ 平坦部
１ｄ 凸曲面
１ｅ 傾斜面
２ 楔形光ファイバ
２ａ コア
２ｂ クラッド
２ｃ 平坦部
２ｄ 凸曲面
２ｅ 傾斜面
５ 楔形光ファイバ
５ａ コア
５ｂ クラッド
５ｃ 平坦部
５ｄ 凸曲面
５ｅ 傾斜面
７ ホルダ
７ａ 端面
１０ 製造装置
２０ 保持ユニット（保持部）
３０ 第１加工ユニット（加工部）
３５ 第２加工ユニット（加工部）
１００ 半導体レーザモジュール
１０１ パッケージ
１０２ ペルチェモジュール
１０５ レーザダイオード
１０７ レンズ付きファイバ
Ａwx ワックス接着剤
Ｃcr コアの中心軸
ＣL クラッド
ＣR コア
ＤCR コアの直径
Ｆb 光ファイバ
ＦCB 凸曲面
Ｆe 平面
ＦL 平坦部
Ｆs 傾斜面
ＦM 鏡面
Ｒ 稜（平坦部と傾斜面とによって形成される）

Claims (10)

1. コアとクラッドを有する光ファイバの先端をレンズ加工してなるレンズ部を有するレンズ付きファイバにおいて、
   前記レンズ部は、コア端面に形成された実質的な平坦部と、クラッド端面に形成された傾斜面と、前記実質的な平坦部と傾斜面との間に、コアの一部を含んで形成された凸曲面とを有し、
   前記実質的な平坦部は、前記コアの直径以下の幅を有し、光ファイバのコアの中心軸に略直交する方向に切断したままの状態で形成され、実質的に加工変質層がなく、且つ鏡面状の平面部を備え、
   前記凸曲面は、石英に対してメカノケミカル反応を及ぼす研磨により実質的に加工変質層が除去されて形成される
   ことを特徴とするレンズ付きファイバ。
2. コアとクラッドを有する光ファイバの先端をレンズ加工してなるレンズ部を有するレンズ付きファイバにおいて、
   前記レンズ部は、コア端面に形成された実質的な平坦部と、クラッド端面に形成された傾斜面と、前記実質的な平坦部と傾斜面との間に、コアの一部を含んで形成された凸曲面とを有し、
   前記実質的な平坦部は、前記コアの直径以下の幅を有し、光ファイバのコアの中心軸に略直交する方向に、石英に対してメカノケミカル反応を及ぼす研磨砥石によって研磨して形成され、実質的に加工変質層がなく、且つ鏡面状の平面部を備え、
   前記凸曲面は、石英に対してメカノケミカル反応を及ぼす研磨により実質的に加工変質層が除去されて形成される
   ことを特徴とするレンズ付きファイバ。
3. 前記実質的な平坦部は、前記コアの直径の０．２〜０．６倍の幅を有することを特徴とする請求項１または２に記載のレンズ付きファイバ。
4. コアとクラッドを有する光ファイバの先端をレンズ加工してなるレンズ部を有するレンズ付きファイバにおいて、
   前記レンズ部は、コア端面に形成された実質的な平坦部と、クラッド端面に形成され、前記コアのまわりにおいて前記コアの円周方向に形成した傾斜面と、前記実質的な平坦部と傾斜面との間に、コアの一部を含んで形成された凸曲面とを有し、
   前記実質的な平坦部は、前記コアの直径以下の直径を有し、光ファイバのコアの中心軸に略直交する方向に切断したままの状態で形成され、実質的に加工変質層がなく、且つ鏡面状の平面部を備え、
   前記凸曲面は、石英に対してメカノケミカル反応を及ぼす研磨により実質的に加工変質層が除去されて形成される
   ことを特徴とするレンズ付きファイバ。
5. コアとクラッドを有する光ファイバの先端をレンズ加工してなるレンズ部を有するレンズ付きファイバにおいて、
   前記レンズ部は、コア端面に形成された実質的な平坦部と、クラッド端面に形成され、前記コアのまわりにおいて前記コアの円周方向に形成した傾斜面と、前記実質的な平坦部と傾斜面との間に、コアの一部を含んで形成された凸曲面とを有し、
   前記実質的な平坦部は、前記コアの直径以下の直径を有し、光ファイバのコアの中心軸に略直交する方向に、石英に対してメカノケミカル反応を及ぼす研磨砥石によって研磨して形成され、実質的に加工変質層がなく、且つ鏡面状の平面部を備え、
   前記凸曲面は、石英に対してメカノケミカル反応を及ぼす研磨により実質的に加工変質層が除去されて形成される
   ことを特徴とするレンズ付きファイバ。
6. 前記実質的な平坦部は、前記コアの直径の０．２〜０．６倍の直径を有することを特徴とする請求項４または５に記載のレンズ付きファイバ。
7. レーザダイオードと、該レーザダイオードに光結合される請求項１ないし ６のいずれかに記載のレンズ付きファイバとを有することを特徴とする半導体レーザモジュール。
8. 請求項１または４に記載のレンズ付きファイバを製造する方法であって、
   光ファイバの先端にコアの中心軸に略直交する平面部を切断により形成する工程Ａ、
   前記平面部の周囲に傾斜面を形成する工程Ｂ、
   前記平面部と前記傾斜面との稜の部分に、石英に対してメカノケミカル反応を及ぼす研磨テープを用いて凸曲面加工を施し、コアの一部を含む凸曲面を形成すると共に、前記Ａ工程において形成され、切断したままの状態で形成される鏡面状の平面部を実質的な平坦部に仕上げる工程Ｃを含むことを特徴とするレンズ付きファイバの製造方法。
9. 請求項２または５に記載のレンズ付きファイバを製造する方法であって、
   光ファイバの先端に、コアの中心軸に略直交する平面部を、石英に対してメカノケミカル反応を及ぼす研磨砥石によって研磨して形成する工程Ａ、
   前記平面部の周囲に傾斜面を形成する工程Ｂ、
   前記平面部と前記傾斜面との稜の部分に、石英に対してメカノケミカル反応を及ぼす研磨テープを用いて凸曲面加工を施し、コアの一部を含む凸曲面を形成すると共に、前記Ａ工程において形成される平面部を実質的な平坦部に仕上げる工程Ｃを含むことを特徴とするレンズ付きファイバの製造方法。
10. 請求項１ないし６のいずれかに記載のレンズ付きファイバを製造する装置であって、
    光ファイバを保持する保持部と、
    石英に対してメカノケミカル反応を及ぼす研磨テープと、
    該研磨テープを走行させる駆動機構と、
    前記研磨テープの裏面に当接する当接面を有するバック部材と
    を有することを特徴とするレンズ付きファイバの製造装置。

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