JP5735674B2 - 光コネクタおよび内視鏡システム - Google Patents

Description

本発明は光コネクタに関し、詳しくは、光源側の光ファイバと受光側の光ファイバとを光結合させる光コネクタおよびそれを用いた内視鏡システムに関するものである。

従来より、非接触型の光コネクタとして、屈折率分布を持つコア部を有する光ファイバー（略してＧＩ型光ファイバともいう）や屈折率が一定のコア部を有する光ファイバ（略してＳＩ型光ファイバともいう）を用いたものが知られている。ＧＩ型光ファイバを使用した光コネクタであるＧＩコリメータは、後側焦点距離に顕著な波長依存性があり、通す光の波長範囲の拡大によって光伝送効率が大きく低下してしまうため、一般に、単色光を通すために用いられる。

また、このようなＧＩコリメータに対して、単色光よりも広い波長範囲に亘る光、例えば赤外領域における互いに異なる波長を持つ光を通す手法が知られている（特許文献１参照）。

また、半導体レーザ素子から発せられたレーザ光を凸レンズに通して集光させ、そのレーザ光の集光点にテーパ形状をなす光ファイバの太径側の端面を配置して、この太径側から入射したレーザ光をそのテーパ形状の細径側に通してレーザ光を伝搬させる光伝播装置も知られている（特許文献２参照）。

特表２００６−５２４８４５号公報 特開２００６−３０９１４６号公報

しかしながら、上記赤外領域で互いに異なる波長を持つ光を通すＧＩコリメータは、通す光の波長範囲の拡大による光伝送効率の低下を根本的に解消するものではなく、例えば、より広い波長範囲からなる白色光を通すような場合には、特定の波長については光伝送効率が大きく低下してしまう。また、上記テーパ形状をなす光ファイバを受光側に有する光伝播装置については、着脱可能な光コネクタへの適用が可能ではあるが、光伝送効率の波長依存性を解消するためには、色収差の発生を抑えたレンズ等を用いることが必要となるため、装置が大型化するとともに装置コストが増大するという問題がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、装置コストの増大や装置の大型化をまねくことなく、通す光の波長範囲の拡大による光伝送効率の低下を抑制することができる光コネクタおよびそれを用いた内視鏡システムを提供することを目的とするものである。

本発明の光コネクタは、光源側に配されるＳＩ型の光源側光ファイバと、受光側に配されるＳＩ型の受光側光ファイバとを備え、光源側光ファイバの端面と受光側光ファイバの端面とを対向配置させて前記両光ファイバを光結合させる光コネクタであって、光源側光ファイバと受光側光ファイバとが着脱可能なものであり、光源側光ファイバが、この光源側光ファイバの前記端面に近づくほどコア部の径が大きくなるように形成されたテーパ部を有することを特徴とするものである。

なお、ＳＩ型の光ファイバは、ステップ・インデックス型の光ファイバを意味する。すなわち、光源側光ファイバのコア部および受光側光ファイバのコア部の屈折率は一定であり屈折率分布を持つものではない。したがって、各コア部内を伝搬する光は、コア部の外壁面で反射されながら各光ファイバ中を伝播する。

また、着脱可能とは、両光ファイバを対向配置させて光結合させた状態が維持されるように両光ファイバの位置関係を定める装着状態としたり、両光ファイバを離間させて対向配置させない離脱状態としたりすることが可能であることを意味する。

また、「光源側光ファイバの前記端面に近づくほどコア部の径が大きくなるように形成されたテーパ部」とは、このテーパ部を構成するコア部の外壁面（反射面）におけるいずれの領域も、そのコア部内において光軸直交方向に伝播する光を、径が大きくなる側（光を射出する前記端面の側）に反射させるようにこの外壁面（反射面）が形成されたものである。すなわち、このテーパ部は、必ずしも円錐形状をなす場合に限らず、多角錐形状をなすものや、あるいは、自由曲面や多面体等を組み合わせた形状をなすものであってもよい。なお、前記光軸はコア部の断面の重心位置を通る中心軸とすることができる。また、前記コア部の断面は、このコア部の延びる方向に対して直交する平面で切断される断面とすることができる。

前記光源側光ファイバのテーパ部は、コア部の断面の重心位置を通る中心軸が直線となるように形成されたものとすることが望ましい。

前記受光側光ファイバは、この受光側光ファイバの前記端面に近づくほどコア部の径が大きくなるように形成されたテーパ部を有するものとすることができる。

なお、「受光側光ファイバの前記端面に近づくほどコア部の径が大きくなるように形成されたテーパ部」は、このテーパ部を構成するコア部の外壁面（反射面）におけるいずれの領域も、そのコア部内において光軸直交方向に伝播する光を、径が大きくなる側（光を受光する前記端面の側）に反射させるようにこの外壁面（反射面）が形成されたものである。すなわち、このテーパ部は、必ずしも円錐形状をなす場合に限らず、多角錐形状をなすものや、あるいは、自由曲面や多面体等を組み合わせた形状をなすものであってもよい。なお、前記光軸はコア部の断面の重心位置を通る中心軸とすることができる。前記コア部の断面は、このコア部の延びる方向に対して直交する平面で切断される断面である。

前記光源側光ファイバのテーパ部は、コア部の断面の重心位置を通る中心軸が直線となるように形成されたものであることが望ましい。

前記受光側光ファイバは、コア部の断面の形状および大きさが一定となるように形成されたものとすることができる。

前記光コネクタは、両光ファイバが光結合されたときに、光源側光ファイバの端面と受光側光ファイバの端面とが非接触で対向配置されるように構成されたものとすることができる。

前記光コネクタは、互いに異なる２種類以上の波長の光を通すものとすることができる。

前記光コネクタは、白色光を通すものとすることができる。

前記光コネクタは、光源側光ファイバの端面におけるコア部の面積よりも受光側光ファイバの端面におけるコア部の面積の方が大きくなるように構成されたものとすることができる。

前記光コネクタは、両光ファイバが光結合されたときに、受光側光ファイバのコア部の端面と光源側光ファイバのコア部の端面とが互いに過不足なく重なるように対向配置されるように構成されたものとすることができる。

なお、過不足なく重なるとは、完全に過不足なく重なる場合に限らず、互いに９０％以上の領域が重なる場合を意味する。

前記光源側光ファイバは、条件式（１）：０．５≦Ｌ１／ε１を満足するものとすることが望ましく、条件式（１Ａ）：２．６≦Ｌ１／ε１を満足するものとすることがより望ましい。ただし、Ｌ１を光源側光ファイバのテーパ部の長さ（ｍｍ）、ε１を光源側光ファイバのテーパ率とする。ここで、テーパ率ε１は、ε１＝（光源側光ファイバにおけるテーパ部の最大コア径／光源側光ファイバにおけるテーパ部の最小コア径）で示される数式によって求められる値である。

前記受光側光ファイバは、条件式（２）：０．５≦Ｌ２／ε２を満足するものとすることが望ましく、条件式（２Ａ）：２．６≦Ｌ２／ε２を満足するものとすることがより望ましい。ただし、Ｌ２を受光側光ファイバのテーパ部の長さ（ｍｍ）、ε２を受光側光ファイバのテーパ率とする。ここで、テーパ率ε２は、ε２＝（受光側光ファイバにおけるテーパ部の最大コア径／受光側光ファイバにおけるテーパ部の最小コア径）で示される数式によって求められる値である。

本発明の内視鏡システムは、前記光コネクタと、光源と、内視鏡本体とを備え、光源から発せられた光束を光コネクタに通して内視鏡本体へ伝送し、この内視鏡本体から前記光束を射出するように構成されたことを特徴とするものである。

本発明の光コネクタおよびそれを用いた内視鏡システムによれば、光源側光ファイバのコア部の射出側の端面である射出側端面と受光側光ファイバのコア部の入射側の端面である入射側端面とを対向配置させて光結合させる光コネクタにおいて、光源側光ファイバを、射出側端面の側へ向かうほどコア部の径が大きくなるテーパ形状をなすものとしたので、装置コストの増大や装置の大型化、さらに、通す光の波長範囲の拡大による光伝送効率（結合効率）の低下を招くことなく、効率良く光コネクタ中に光を通すことができる。

すなわち、光源側光ファイバのコア部を上記のようなテーパ形状をなすものとしたので、このコア部の延びる方向に対する（すなわち、光軸に対する）上記コア部の外壁面で反射した光線の角度をより小さくすることができ、そのコア部の射出側端面から射出される光束の発散角（拡がり角ともいう）を小さくすることができる。これにより、両光ファイバを光結合させたときの、受光側光ファイバの延びる方向に対する（光軸に対する）この受光側光ファイバヘ入射する光線の角度をより小さくすることができ、受光側光ファイバのコア部以外に入射する光の光量を抑えることができる。したがって、この光コネクタ中に効率良く光を通すことができる。

さらに、光コネクタを通す光をＧＩコリメータのような屈折による作用ではなく反射による作用のみによって伝送させることができるので、光の波長を変えたり、波長の種類を増大させたりして、通す光の波長範囲を拡大しても光伝送効率を低下させないようにすることができる。

また、光源側光ファイバのコア部をテーパ形状をなすものとしてそのコア部の射出側端面の面積を拡大させるようにしたので、このコア部の射出側端面を通る光のエネルギ密度を下げることができる。これにより、この射出側端面における汚染物質の吸着を抑制する効果を得ることができる。なお、この「汚染物質の吸着を抑制する効果」については、特開２００６−３０９１４６号公報を参照することができる。

また、上記光源側光ファイバのテーパ形状をなすコア部の太径側の径（コア部の射出側端面の径）が大きくなっても、このテーパ形状をなすコア部の細径側の径を小さくすることができるので、光伝送部を全体的に細径化できその可撓性をも確保することができる。

なお、光源にレーザ光を用いる場合には、光源から発せられ光源側光ファイバに入射したレーザ光をテーパ形状をなすコア部の射出側端面（太径側の端面）から射出させるが、これにより、視角あたりのレーザ光の光強度を減少させることができる。ここで、機器のレーザクラスを判定するにあたり、射出側端面の視角を大きくすることは有利に働く。すなわち、同じクラスでより大きな光強度を持つレーザ光の使用が可能になる。

本発明の実施の形態による光コネクタが接続され光結合された状態を示す断面図 上記光コネクタを離間させて光結合が解除された状態を示す断面図 受光側光ファイバのテーパ部の勾配を緩くした光コネクタを示す図 受光側光ファイバのテーパ角を０にしてコア部全体の径を大きくした光コネクタを示す図 受光側光ファイバのテーパ部の勾配を緩くしたまま入射側端面の径を大きくした光コネクタを示す図 受光側光ファイバのテーパ部の勾配を急峻にして入射側端面の径を大きくした光コネクタを示す図である。 計算機シミュレーションの対象とする光源側光ファイバのコア部を通る光線の様子を示す図 光源側光ファイバにおけるテーパ率とそのテーパ率を持つテーパ部から射出される光束の拡がり角との関係を示す図である。 テーパ部を有する光ファイバを形成する様子を示す図 ストレート光ファイバとテーパ光ファイバから射出される光束の光強度分布を比較して示す図 光源側光ファイバおよび受光側光ファイバの両方にストレート光ファイバを適用して光結合させたときの様子を示す図 光源側光ファイバおよび受光側光ファイバの両方にテーパ光ファイバを適用して光結合させたときの様子を示す図 光源側光ファイバにテーパ光ファイバを、受光側光ファイバにストレート光ファイバを適用して光結合させたときの様子を示す図 両光ファイバを光結合させたときの離間距離と光伝送効率との関係を示す図 光源側光ファイバのテーパ角のみを変化させたときに射出される光束の光強度分布のシミュレーション結果を示す図 テーパ光ファイバとストレート光ファイバとから射出される光束の光強度分布の実測値を比較して示す図 光源側光ファイバに関し、テーパ部の長さの変化に応じて変動する光束の拡がり角のシミュレーション結果を示す図 光源側光ファイバを通る光線の光路をシミュレーションした結果を示す図 テーパ部の長さを固定して、テーパ率と光伝送効率の関係をシミュレーションした結果を示す図 光結合させた光ファイバを通る光線の光路をシミュレーションした結果を示す図 照明用の光源としてレーザ光源のみを用いる内視鏡システムを示す図 照明用の光源としてレーザ光源とキセノンランプを併用する内視鏡システムを示す図 照明用の光源として蛍光照明用のレーザ光源を含む内視鏡システムを示す図

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。図１Ａ、Ｂは本発明の光コネクタの概略構成を示す断面図である。図１Ａは本発明の光コネクタが接続され光結合された状態を示す断面図である。図１Ｂは本発明の光コネクタを互いに離間させて光結合が解除された状態を示す断面図である。

本発明の実施の形態で説明する全ての光コネクタは、光源側光ファイバおよび受光側光ファイバに対してステップ・インデックス型（ＳＩ型）光ファイバを採用したものである。

図１Ａ、１Ｂに示す本発明の実施の形態による光コネクタ１００は、光源側（図中矢印−Ｚの側）に配される光ファイバである光源側光ファイバ１０と、受光側（図中矢印＋Ｚの側）に配される光ファイバである受光側光ファイバ２０とを備え、光源側光ファイバ１０の端面１１と受光側光ファイバ２０の端面２１とを対向配置させて両光ファイバ１０、２０を光結合させるためのものである。

なお、光源側に配される光源側光ファイバ１０はステップ・インデックス型の光ファイバであり、この光源側光ファイバ１０は光源１から発せられる光に対して光接続されるものである。また、受光側に配される受光側光ファイバ２０もステップ・インデックス型の光ファイバであり、この受光側光ファイバ２０は、照明部５に光接続されるものである。光源側光ファイバ１０と受光側光ファイバ２０とが光結合されたときには、光源１から発せられた光が光コネクタ１００を通して照明部５に伝送される。この光コネクタ１００は、光源１から発せられ光源側光ファイバ１０を通った光が受光側光ファイバ２０に伝搬され照明部５に伝送されるように、光源側光ファイバ１０によって形成される光路と受光側光ファイバ２０によって形成される光路とを光結合させるものである。すなわち光コネクタ１００は、光源側光ファイバ１０から射出された光を受光側光ファイバ２０へ入射させるように、両光ファイバ１０、２０を光結合させるものである。

上記光コネクタ１００は、光源側光ファイバ１０と受光側光ファイバ２０とを着脱可能（光源側光ファイバ１０に対して受光側光ファイバ２０を着脱可能）とするものである。すなわち、光コネクタ１００は、両光ファイバ１０、２０を対向配置させて光結合させた状態（図１Ａ参照）を維持するように両光ファイバ１０、２０の位置関係を固定したり、光源側光ファイバ１０と受光側光ファイバ２０とを離間させて対向配置させない状態（図１Ｂ参照）としたりすることが可能なものである。ここで、光結合させた状態においては、光源側光ファイバ１０の端面１１と受光側光ファイバ２０の端面２１との間には空気層が形成される。

光源側光ファイバ１０は、光源側から上記光結合させる端面１１に向かうほどコア部１２の径が大きくなるように形成されたテーパ部１４を有する。

この光源側光ファイバ１０は、Ｌ１をテーパ部１４の長さ（光軸Ｃ１方向の長さ）、ε１をテーパ率としたときに、条件式（１）：０．５≦Ｌ１／ε１を満足するように構成されている。

なお、テーパ率ε１は、ε１＝φ１ｍａｘ／φ１ｍｉｎの数式によって求められる値である。ここで、φ１ｍａｘはテーパ部１４におけるコア部１２の最大径（最大コア径）、φ１ｍｉｎはテーパ部１４におけるコア部１２の最小径（最小コア径）である。

さらに、この光源側光ファイバ１０は、条件式（１Ａ）：２．６≦Ｌ１／ε１を満足するものとすることが望ましい。

一方、受光側光ファイバ２０は、光結合させる端面２１に近づくほどコア部２２の径が大きくなるテーパ部２４を有するものである。すなわち、この受光側光ファイバ２０は、光結合させる端面２１から受光側（図中矢印＋Ｚの側）へ離れるほど（照明部５の側に向かうほど）コア部２２の径が小さくなるテーパ部２４を有するものである。

この受光側光ファイバ２０も、上記と同様に、Ｌ２をテーパ部２４の光軸Ｃ２方向の長さ、ε２をテーパ率としたときに、条件式（２）：０．５≦Ｌ２／ε２を満足するものであり、さらに、条件式（２Ａ）：２．６≦Ｌ２／ε２を満足するものとすることが望ましい。

図１Ａ、１Ｂ中に示すテーパ角θ１は、コア部１２におけるテーパ部１４の外壁面と光軸Ｃ１とのなす角度であり、テーパ部１４の長さＬ１、最大コア径φ１ｍａｘ、および最小コア径φ１ｍｉｎによって定められる角度である。

また、図１中に示すテーパ角θ２は、コア部２２におけるテーパ部２４の外壁面と光軸Ｃ２とのなす角度であり、テーパ部２４の長さＬ２、最大コア径φ２ｍａｘ、および最小コア径φ２ｍｉｎによって定められる角度である。

なお、光源側光ファイバ１０は、コア部１２の外周にクラッド部１８が配されたものであり、また、受光側光ファイバ２０も、コア部２２の外周にクラッド部２８が配されたものである。そして、互いに屈折率の異なるコア部１２（２２）とクラッド部１８（２８）との境界であるコア部１２（２２）の外壁面で光が反射されるように構成されている。ここで、上記テーパ角θ１、θ２の値が小さくなると、光軸Ｃ１（Ｃ２）に対する上記境界、すなわちコア部１２（２２）の外壁面の勾配が緩やかになる。

また、上記光コネクタ１００は、両光ファイバ１０、２０が光結合されたときに、光源側光ファイバ１０の光軸Ｃ１と受光側光ファイバ２０の光軸Ｃ２とが一致するように構成されている。すなわち、光結合されたときに光源側光ファイバ１０のコア部１２の中心軸Ｇ１と受光側光ファイバ２０のコア部２２の中心軸Ｇ２とが一致するように構成されている。

また、両光ファイバ１０、２０が光結合されたときには、上記のように、光源側光ファイバ１０の端面１１と受光側光ファイバ２０の端面２１とが空気層（離間距離ｄ）を間に介して非接触で対向配置されるように光コネクタ１００が構成されている。

この光コネクタ１００は、光を反射させて伝搬させることにより光結合させる方式を採用しているので、光結合させるときの波長依存性を小さくすることができ、大きな波長範囲を持つ光、例えば白色光等を色劣化させることなく通すことができる。

さらに、上記光コネクタ１００によれば、レンズなどの屈折光学系を使用しないで光源側光ファイバから射出される光束の発散角（拡がり角ともいう）を小さくすることができ、光源側光ファイバに対する受光側光ファイバの光軸直交方方向への位置ずれによる光伝送性能の低下を少なくすることができるので、両光ファイバの着脱による光伝送効率の低下を抑制することができる。

なお、両光ファイバ１０、２０を光結合させたときの、対向配置された光源側光ファイバ１０の端面１１と受光側光ファイバ２０の端面２１との間隔である離間距離ｄは、例えば０．５ｍｍ以上、３ｍｍ以下とすることができる。また、テーパ部の長さであるテーパ長Ｌは、例えば２ｍｍ以上、１０ｍｍ以下とすることができる。

図２Ａ〜２Ｄは、本発明の光コネクタの変形例を示すものであり、光ファイバのクラッド部１８、２８を省略してコア部１２、２２のみを示した図である。なお、図３以降の図中に示す光ファイバについても同様にクラッド部を省略してコア部のみを示す。

図２Ａは受光側光ファイバのテーパ部の勾配を緩くした光コネクタ１００Ａを示す図、図２Ｂは受光側光ファイバにテーパ部を設けないようにしてコア部全体の径を太くし一定にした光コネクタ１００Ｂを示す図、図２Ｃは受光側光ファイバのテーパ部の勾配を緩くしたまま入射側端面の径を大きくした光コネクタ１００Ｃを示す図、図２Ｄは受光側光ファイバのテーパ部の勾配を急峻にして入射側端面の径を大きくした光コネクタ１００Ｄを示す図である。

以下、光コネクタ１００Ａ〜１００Ｄについて個別に説明する。なお、各光コネクタの説明は、受光側光ファイバ１０と光源側のファイバ２０とが両方共にテーパ部を有し形状が同等である場合を基準としている。ここで形状が同等である場合とは、両光ファイバの形状について、最大コア径φ１ｍａｘ＝φ２ｍａｘ、最小コア径φ１ｍｉｎ＝φ２ｍｉｎ、テーパ部の長さであるテーパ長Ｌ１＝Ｌ２、テーパ角θ１＝θ２の場合である。ここで上記基準となる光コネクタを基準光コネクタと称する。

なお、離間間隔ｄ、および光源側光ファイバ１０に関する各寸法（最大コア径φ１ｍａｘ、最小コア径φ１ｍｉｎ、テーパ長Ｌ１、テーパ角θ１）は、各光コネクタ１００Ａ〜１００Ｄについて同等とする。
＜光コネクタ１００Ａについて＞
図２Ａに示す変形例Ａの光コネクタ１００Ａは、基準光コネクタに対して、受光側光ファイバ２０の最大コア径φ２ｍａｘ、および最小コア径φ２ｍｉｎを同等とし、テーパ部２４の長さＬ２をより長く（すなわち、テーパ角θ２をより小さく）したものである。

このように、光源側光ファイバ１０の最大コア径φ１ｍａｘと受光側光ファイバ２０の最大コア径φ２ｍａｘとを同径としつつ（さらに、コア部の端面１１、２１同士が過不足なく重なるようにしつつ）、受光側光ファイバ２０のコア部２２におけるテーパ角θ２を小さくすることにより、光結合させたときのこの光コネクタ１００Ａの光量損失をより小さくすることができる。すなわち、受光側光ファイバを上記のような形状にした方が、受光側と光源側のファイバの形状を同等にした場合よりも光量損失を小さくすることができる。

上記光コネクタ１００Ａの利点は、光結合させたときのモード変換が有利なことである。また、欠点は、受光側光ファイバの太い部分が長くなるので、取り回しが多少悪くなる（可撓性が多少低下する）ことである。
＜光コネクタ１００Ｂについて＞
図２Ｂに示す変形例Ｂの光コネクタ１００Ｂは、基準光コネクタに対して、受光側光ファイバ２０の最大コア径φ２ｍａｘを同等としテーパ部を設けないようにした（テーパ角θ２＝０とした）ものである。

このように、光源側光ファイバ１０の最大コア径φ１ｍａｘと受光側光ファイバ２０の最大コア径φ２ｍａｘとを同径にしつつ（さらに、コア部の端面１１、２１同士が過不足なく重なるようにしつつ）、受光側光ファイバ２０のコア部２２の太さを一定（ストレート光ファイバ）にすることにより、光結合させたときのこの光コネクタ１００Ｂの光量損失を、上記受光側と光源側の光ファイバの形状を同等にした場合よりも光量損失を小さくすることができる。

上記光コネクタ１００Ｂの利点は、受光側光ファイバを通る光の光量減衰を小さくできることである。また、欠点は、受光側光ファイバ全体が太径となるので取り回しが悪くなる（可撓性が低下する）ことである。
＜光コネクタ１００Ｃについて＞
図２Ｃに示す変形例Ｃの光コネクタ１００Ｃは、基準光コネクタに対して、テーパ角θ２および最小コア径φ２ｍｉｎを変更することなくテーパ部２４の長さＬ２を長くして最大コア径φ２ｍａｘを大きくしたものである。

このように、光源側光ファイバ１０の最大コア径φ１ｍａｘに対して受光側光ファイバ２０の最大コア径φ２ｍａｘを大きくすることにより、光結合させたときのこの光コネクタ１００Ｃの光量損失を、より小さくすることができる。すなわち、受光側光ファイバ２０は、光源側光ファイバ１０から射出された光の取りこぼし（漏れ光）を少なくして入射させることができるので光量損失を少なくすることができる。

上記光コネクタ１００Ｃの利点は、光結合させたときの光の取りこぼし（漏れ光）を小さくできることと、光結合させたときのモード変換が有利であることである。また、欠点は、受光側光ファイバの太い部分が長くなるので、取り回しが多少悪くなる（可撓性が多少低下する）ことである。
＜光コネクタ１００Ｄについて＞
図２Ｄに示す変形例Ｄの光コネクタ１００Ｄは、基準光コネクタに対して、テーパ部２４の長さＬ２および最小コア径φ２ｍｉｎを同等にしつつ、最大コア径φ２ｍａｘを大きくした（テーパ角θ２を大きくした）ものである。

このように、光源側光ファイバ１０の最大コア径φ１ｍａｘに対して受光側光ファイバ２０の最大コア径φ２ｍａｘを大きくすることにより、光結合させたときのこの光コネクタ１００Ｃの光量損失をより小さくすることができる（光コネクタ１００Ｃの場合と同様）。一方、テーパ角θ２を大きくしたことにより、テーパ部２４内での光量損失が大きくなる。

上記光コネクタ１００Ｄの利点は、光結合させたときの光の取りこぼし（漏れ光）を小さくできることである。また、欠点は、モード変換のロスが大きくなることである。

次に、本発明に関する実施例等についてさらに説明する。
＜ＢＰＭ法による光源側光ファイバの計算機シミュレーション＞
ＢＰＭ法は、光導波路や光ファイバ中を伝搬する電場の様子を計算機シミュレーションする手法である。

図３は、計算機シミュレーションの対象とする光源側光ファイバのコア部と、そのコア部を通る光線の様子を示す模式図である。また、図４は、横軸にテーパ率ε、縦軸にテーパ部を通して射出される光束の拡がり半角α（全角２α）を定めた座標面上に、光源側光ファイバにおけるテーパ率とそのテーパ率を持つテーパ部から射出される光束の拡がり角との関係を示す図である。

ここでは、テーパ長Ｌ１が１０ｍｍ、および２０ｍｍのときのＦＦＰ（ファーフィールドパターン：遠視野像）について計算した。

図３、図４からわかるように、テーパ長を１０ｍｍとした場合に、テーパ率εが増大して３．８になるまでは、テーパ部１４から射出される光束Ｋｕ１の拡がり半角αが、このテーパ率に反比例する。すなわち、拡がり角の減少効果が見られた。また、テーパ率εが６．５以上になると上記反比例関係が大きく崩れ、拡がり半角αの下限が２°程度で一定になることがわかる。

なお、テーパ長を２０ｍｍにすると、テーパ率εが６．５以上の場合にわずかに拡がり角の下限が改善され、拡がり半角αが１．６°程度で一定となった。

今回の実験はテーパ率εが３．８（φ１ｍｉｎ＝６０μｍ、φ１ｍａｘ＝２３０μｍ）のため、エタンデュ保存の限界に近いことがわかる。

以下にこの計算機シミュレーションを行ったときの条件を示す。

計算機シミュレーションには、ＯＰＴＩＷＡＶＥ社が開発した光導波路シミュレーションプログラムを用いた。

入射光束Ｋｎ１：波長７８０ｎｍでスポット径０．５μｍのガウシアンビーム
ストレート部の長さ：４０ｍｍ（２０ｍｍ）
テーパ長Ｌ１：１０ｍｍ、２０ｍｍ
コア部の屈折率：１．４５
クラッド部の屈折率：１．４３３
媒質屈折率：１．００
テーパ形状：ｅｘｐ^（−１）
括弧内の数値はテーパ率εが６．５以上の場合を示す。

なお、ＮＡ×コア径（コア部の径）は一定で、入射側においてファイバＮＡ以上のクラッドモードは除去され、射出側のテーパ部においてＮＡが減少する。また、コア部１２内を伝播する光線Ｌｅの軌道（光路）を図中に示す。
＜テーパ部を有する光ファイバの製作＞
以下、テーパ部を有する光ファイバの製作について説明する。

図５は太径の光ファイバを加熱延伸して細径の光ファイバに溶着して、テーパ部を有する光ファイバを形成する様子を示す図である。図５中の上段の図は、太径光ファイバを加熱延伸する様子を示している。中段の図は、加熱延伸された太径光ファイバＦと細径光ファイバＨとを融着する様子を示している。下段の図は、上記融着された両光ファイバのテーパ部の太径側を切断しその端面を研磨する様子を示している。

テーパ部を有する光ファイバを製作する際には、太径光ファイバＦと細径光ファイバＨとを用意する。

ここでは、太径光ファイバＦは、ＮＡ：０．２２、コア径：２３０μｍ、クラッド径：２５０μｍ、コア部の形成材料は石英からなるストレート光ファイバである。

細径光ファイバＨは、ＮＡ：０．２２、コア径：６０μｍ、クラッド径：８０μｍ、コア部の形成材料は石英である
はじめに、太径光ファイバＦを約１４００°のセラミックヒータで加熱延伸してテーパ形状をなすテーパ部Ｆｔを形成する。

次に、上記テーパ部Ｆｔの端面におけるコア部と細径光ファイバの端面におけるコア部とを位置合わせする。

つづいて、太径光ファイバにおけるテーパ部の端面と細径光ファイバの端面とを融着し接合する
上記テーパ部の太径側を切断後、細径光ファイバに融着して一体化している上記テーパ部の端面を光学研磨し、ＦＣコネクタヘ固定する。

このようにして、テーパ長Ｌ＝１０ｍｍ、テーパ率ε＝３．８であるテーパ部を有する光ファイバが得られる。

なお、太径光ファイバ、および細径光ファイバのコア径やクラッド径は、上記の場合に限るものではない。

一般的な光ファイバのＦＣコネクタ用フェルールの外周サイズはφ２．５ｍｍなので、最大クラッド径はφ２．５ｍｍ以下とすることが望ましい。

なお、テーパ長Ｌの最適値については後述する。
＜テーパ部から射出される光束の拡がり角の測定＞
次に、テーパ部を有する光源側光ファイバから射出される光束の拡がり角の測定について説明する。

図６は横軸に光軸となす角度、縦軸に光強度を示す座標面上にストレート光ファイバとテーパ光ファイバから射出される光束の光強度分布を比較して示す図である。

ストレート光ファイバは、コア径が６０μｍで一定である。

テーパ光ファイバは、テーパ部中の最も細くなるコア径（最小コア径）が６０μｍで、テーパ部の最も太くなるコア径（最大コア径）が２３０μｍであり、テーパ率εは３．８である（ε＝３．８≒２３０／６０）。

図６からわかるように、光強度分布のピーク値の５％の光強度となる角度を拡がり角としてＮＡを計算すると、テーパ光ファイバのＮＡは０．０５８、ストレート光ファイバのＮＡは０．１６９となり、テーパ光ファイバのＮＡはストレート光ファイバのＮＡに対して１／３に減少している。
＜光伝送効率の測定＞
次に、光ファイバを光結合させたときの光伝送効率の測定について説明する。

図７Ａは、光源側光ファイバおよび受光側光ファイバの両方にストレート光ファイバを適用して光結合させたときの様子を示す図、図７Ｂは、光源側光ファイバおよび受光側光ファイバの両方にテーパ光ファイバを適用して光結合させたときの様子を示す図、図７Ｃは、光源側光ファイバにテーパ光ファイバを、受光側光ファイバにストレート光ファイバを採用して光結合させたときの様子を示す図である。

また、図８は横軸に離間距離ｄ、縦軸に光伝送効率Ｅを表す座標面上に、両光ファイバを光結合させたときの離間距離と光伝送効率との関係を示す図である。

光源側光ファイバとして２種類を用意した。すなわち、テーパ光ファイバ（テーパ部の最小コア径６０μｍ、最大コア径２３０μｍ）、および細径ストレート光ファイバ（コア径６０μｍで一定）を用意した。

受光側光ファイバとして３種類を用意した。すなわち、テーパ光ファイバ（テーパ部の最小コア径６０μｍ、最大コア径２３０μｍ）、細径ストレート光ファイバ（コア径６０μｍで一定）、および太径ストレート光ファイバ（コア径２３０μｍで一定）を用意した。

また、レーザ光の波長として２種類を用意した。すなわち波長４０５ｎｍ、および７８５ｎｍのレーザ光を発するレーザ光源を用意した。

測定のパラメータとする離間距離は、両光ファイバの端面を密着させた状態（離間距離ｄ＝０）から、離間距離が３ｍｍ（ｄ＝３ｍｍ）となる距離まで段階的に多数の離間距離を設定し測定した。

上記各光ファイバを組み合わせて光結合させてなる光コネクタにレーザ光を通し、離間距離を段階的に変更しつつ光伝送効率を測定した。

なお、光伝送効率の測定対象とする光コネクタの態様は、図７Ａ〜７Ｃに示す３種類である。図７Ａは、光源側が細径ストレート光ファイバＳｈ、受光側も細径ストレート光ファイバＳｈからなる光コネクタを示している。図７Ｂは、光源側がテーパ光ファイバＴｅ、受光側もテーパ光ファイバＴｅからなる光コネクタを示している。図７Ｃは、光源側がテーパ光ファイバＴｅ、受光側が太径ストレート光ファイバＳｆからなる光コネクタを示している。

図８から読み取れるように、両光ファイバを細径ストレート光ファイバとしたとき（図７Ａ参照）を基準にすると、光源側をテーパ光ファイバとし受光側を太径ストレート光ファイバとしたとき（図７Ｃ参照）の方が、いずれの離間距離および波長においても光伝送効率が高いことがわかる。

また、上記と同様に両光ファイバを細径ストレート光ファイバとしたときを基準にすると、離間距離が０〜０．５ｍｍの間においては、両光ファイバをテーパ光ファイバとした場合の方が光伝送効率が低いが、離間距離が０．５〜１．０ｍｍまでの間においては、両光ファイバをテーパ光ファイバとした場合の方が光伝送効率が高くなる。
＜最適なテーパ部の長さ＞
以下、光源側光ファイバに設けられたテーパ部の最適な長さについて検討した結果を説明する。

図９は、横軸にテーパ角θ１、縦軸に光強度を表す座標面上に、光源側光ファイバのテーパ部の最小コア径、最大コア径を変化させることなくテーパ角のみを変化させたとき（すなわち、テーパ長のみを変化させたとき）にテーパ部から射出される光束の光強度分布をシミュレーションした結果を示す図である。

図１０は、横軸にテーパ角、縦軸に光強度を表す座標面上に、ストレート光ファイバとテーパ長が１０ｍｍのテーパ光ファイバとから射出される光束の光強度分布の実測値を比較して示す図である。なお、ストレート光ファイバのコア径とテーパ光ファイバのテーパ部の最小コア径とは同径である。

図１１は、横軸にテーパ長、縦軸にテーパ部から射出される光束の拡がり全角２αを表す座標面上にテーパ長の変化に応じて変動する光束の拡がり角のシミュレーション結果を示す図である。

図１２は、光源側光ファイバを通る光線の軌道（光路）をシミュレーションした結果を示す図である。ここで得られたシミュレーション結果は、ＺＥＭＡＸ社が開発した汎用光学設計ツールを用いた光線追跡シミュレーションにより得られたものである。

この計算機シミュレーションや実測においては、テーパ部の最小コア径を６０μｍ、最大コア径を２３０μｍとした。したがって、このテーパ部のテーパ率εは３．８である。

また、この光源側光ファイバへの光束の入射角（全角）は２０°とし、この光ファイバのＮＡを０．２３として計算した。また、図１１に示す光束の拡がり全角２αは、図９に示すプロットにおいて６３％の光強度が含まれる角度として算出した（図１１中の「ビーム拡がり角(1D d63)(deg)」の記載参照）。

上記図９、図１１のシミュレーション結果から読み取れるように、テーパ率εが３．８のときに、テーパ部の長さを少なくとも２ｍｍ以上にすることが望ましく、１０ｍｍ以上とするこのがより望ましい。言い換えると、テーパ長をテーパ率で除算した値（テーパ長／テーパ率の数式によって求まる値）を０．５ｍｍ以上とすることが望ましく、２．６ｍｍ以上とすることがさらに望ましいことがわかる。

また、図９のシミュレーション結果と図１０の実測結果とからわかるように、シミュレーション結果と実測結果とは概略一致している。
＜最適なテーパ率＞
次に、光結合させる光ファイバに設けられるテーパ部の最適なテーパ率について検討した結果を説明する。

図１３は、横軸にテーパ率、縦軸に光伝送効率を表す座標面上に、両光ファイバのテーパ長を１０ｍｍに固定して光結合させたときのテーパ率と光伝送効率の関係をシミュレーションした結果を示す図である。

図１４は、光結合させた光ファイバを通る光線の軌道（光路）をシミュレーションした結果を示す図である。

ここで得られたシミュレーション結果は、ＺＥＭＡＸ社が開発した汎用光学設計ツールを用いた光線追跡シミュレーションにより得られたものである。

この計算機シミュレーションでは、光源側光ファイバおよび受光側光ファイバの両方についてテーパ部の最小コア径φ１ｍｉｎ、φ２ｍｉｎを６０μｍ、テーパ長Ｌ１、Ｌ２を１０ｍｍとし、両光ファイバのテーパ部の最大コア径φ１ｍａｘ、φ２ｍａｘを一致させつつその大きさを変化させたときの光伝送効率の変化を計算で求めた。なお、離間間隔ｄは５００μｍで一定とした。

図１３から読み取れるように、テーパ率が１のときに光伝送効率が0.６７、テーパ率が２．２のときに光伝送効率が0.９１となり、その後、テーパ率が大きくなるほど光伝送効率が低下することがわかる。
＜内視鏡システムへの適用＞
次に、本発明の光コネクタを内視鏡システムに適用する場合について説明する。

図１５は、照明用の光源としてレーザ光源のみを用いる実施例Ａの内視鏡システムを示す図、図１６は、照明用の光源としてレーザ光源とキセノンランプを併用する実施例Ｂの内視鏡システムを示す図、図１７は、照明用の光源としてレーザ光源のみを用いるが蛍光照明用のレーザ光源を含む実施例Ｃの内視鏡システムを示す図である。

図１５に示すように、実施例Ａの内視鏡システムは、互いに異なる波長を発するレーザ光源から射出された各光束を光カプラで合波してなる合波光束を、光結合させた状態の本発明の光コネクタに通して内視鏡本体に伝送し、この内視鏡本体から上記合波光束（レーザ光）を照射するものである。

また、図１６に示すように、実施例Ｂの内視鏡システムは、レーザ光源から射出された光束を本発明の光コネクタに通して内視鏡本体に伝送するとともに、キセノンランプから発せられた光束（白色光）を通常コネクタ（バンドルファイバ）に通して内視鏡本体に伝送し、この内視鏡本体から上記伝送された各光束を個別に照射するものである。

また、図１７に示すように、実施例Ｃの内視鏡システムは、複数のレーザ光源から発せられた光束と、蛍光照明用のレーザ光源から発せられた光束とを光カプラで合波してなる合波光束を、光結合させた状態の本発明の光コネクタに通して内視鏡本体に伝送し、この内視鏡本体から上記合波光束（レーザ光）を照射するものである。

なお、本発明は、上記実施の形態および各実施例に限定されず、発明の要旨を変更しない限りにおいて種々の変形実施が可能である。

１０ 光源側光ファイバ
１１ 光源側光ファイバの端面
１２ 光源側光ファイバのコア部
１４ 光源側光ファイバのテーパ部
２０ 受光側光ファイバ
２１ 受光側光ファイバの端面

Claims (6)

1. 光源側に配されるＳＩ型の光源側光ファイバと、受光側に配されるＳＩ型の受光側光ファイバとを備え、前記光源側光ファイバの端面と前記受光側光ファイバの端面とを対向配置させて前記両光ファイバを光結合させる光コネクタであって、
   前記光源側光ファイバと前記受光側光ファイバとが着脱可能なものであり、
   前記光源側光ファイバが、該光源側光ファイバの前記端面に近づくほどコア部の径が大きくなるように形成されたテーパ部を有するものであり、
   前記受光側光ファイバが、該受光側光ファイバの前記端面に近づくほどコア部の径が大きくなるように形成されたテーパ部を有するものであり、
   前記光源側光ファイバの前記端面におけるコア部の径よりも前記受光側光ファイバの前記端面におけるコア部の径の方が大きくなるように、かつ、前記光源側光ファイバのテーパ部におけるテーパ角と前記受光側光ファイバのテーパ部におけるテーパ角とが等しくなるように、かつ、前記光源側光ファイバの最小コア径と前記受光側光ファイバの最小コア径とが等しくなるように構成されたものであり、
   前記両光ファイバが光結合されたときに、前記光源側光ファイバの端面と前記受光側光ファイバの端面とが非接触で対向配置されるものであることを特徴とする光コネクタ。
2. 前記光コネクタが、互いに異なる２種類以上の波長の光を通すものであることを特徴とする請求項１記載の光コネクタ。
3. 前記光コネクタが、白色光を通すものであることを特徴とする請求項１または２記載の光コネクタ。
4. 前記光源側光ファイバが、以下の条件式（１）を満足するものであることを特徴とする請求項１記載の光コネクタ。
   ０．５≦Ｌ１／ε１ ・・・（１）
   ただし、
   Ｌ１：光源側光ファイバのテーパ部の長さ
   ε１：光源側光ファイバのテーパ率
5. 前記受光側光ファイバが、以下の条件式（２）を満足するものであることを特徴とする請求項１記載の光コネクタ。
   ０．５≦Ｌ２／ε２ ・・・（２）
   Ｌ２：受光側光ファイバのテーパ部の長さ
   ε２：受光側光ファイバのテーパ率
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の光コネクタと、光源と、内視鏡本体とを備え、光源から発せられた光束を前記光コネクタに通して前記内視鏡本体へ伝送し、該内視鏡本体から前記光束が射出されるように構成されたものであることを特徴とする内視鏡システム。