JP2002107566A - 光機能モジュール - Google Patents

光機能モジュール

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JP2002107566A
JP2002107566A JP2000303813A JP2000303813A JP2002107566A JP 2002107566 A JP2002107566 A JP 2002107566A JP 2000303813 A JP2000303813 A JP 2000303813A JP 2000303813 A JP2000303813 A JP 2000303813A JP 2002107566 A JP2002107566 A JP 2002107566A
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fiber
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Gyohon Shu
暁凡 朱
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Nippon Sheet Glass Co Ltd
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  • Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 チャンネルあるいはポート間で自由空間長が
異なる場合に対して、小型、低挿入損失、低挿入損失偏
差の様々な光機能モジュールを得る。 【解決手段】 入力側と出力側とが間に挿入されている
光機能部を介して光結合する光機能モジュールである。
入力側と出力側の少なくとも一方は複数のコリメータを
有し、そのうちの少なくとも１つは、レンズの焦点と光
の出射面もしくは入射面との距離、光の出射面もしくは
入射面における開口率、レンズの実効焦点距離、使用波
長、隣接するコリメータの光軸間距離のいずれか１つ以
上を他のコリメータと異ならせることにより、ビームウ
エストの大きさと位置を入出力でほぼ一致させる。レン
ズ１２と光ファイバ１０を組み合わせたファイバコリメ
ータ１４の場合には、光ファイバの端面が光の出射面あ
るいは入射面となり、光ファイバのモードフィールド径
も特性可変パラメータの１つとなる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、入力側と出力側と
が自由空間を隔てて配置され、間に挿入されている光機
能部を介して光結合する構造の光機能モジュールに関す
るものである。更に詳しく述べると本発明は、入力側と
出力側の少なくとも一方は複数のコリメータを有し、そ
れらのうちの少なくとも１つは、コリメータの特性可変
パラメータの１つ以上を他のファイバコリメータの対応
する特性可変パラメータと異ならせることにより、入出
力間で最適光結合を実現する光機能モジュールに関する
ものである。本発明は、例えばマトリクス光スイッチ、
光合分波器、あるいは光タップなどに有用である。
【０００２】
【従来の技術】周知のように、光技術において、発光素
子や光ファイバの出射面からの光を概ね平行なビームに
拡大したり、逆に、拡大された平行ビームを受光素子や
光ファイバの入射面に集光するために、コリメータが使
用されている。このようなコリメータを２個以上配設
し、拡大されたビームが通過する自由空間に各種の光機
能素子を挿入することによって光機能モジュールを構成
することができる。
【０００３】このような光機能モジュールにおいては、
ビーム径が小さく、しかもチャンネルあるいはポート間
の自由空間長がチャンネル毎に異なる場合が多い。しか
し、従来技術では、このような場合に対してコリメータ
の結合特性が最適化されていない。例えばコリメータア
レイは、単純に同一のコリメータを必要個数だけ等間隔
で（隣接するコリメータの光軸間距離を等しく）並設し
た構造であった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、チャンネルあ
るいはポート間で自由空間長が異なる場合に、同一のコ
リメータを用いて光機能モジュールを構成すると、光の
回折限界内でも低挿入損失、低挿入損失偏差が実現し難
く、小型化が困難となるなどの問題が生じる。これは、
チャンネルあるいはポートに応じた光結合の最適化がで
きないこと、損失の制限が厳しく、小さいビームを使う
場合に更なる光の回折損が許容できないこと、自由空間
の短いチャンネルあるいはポートでも小型のコリメータ
が使えないことなどによる。
【０００５】本発明の目的は、チャンネルあるいはポー
ト間で自由空間長が異なる場合に対して、小型、低挿入
損失、低挿入損失偏差の様々な光機能モジュールを提供
することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、入力側と出力
側とが自由空間を隔てて配設されており、それら入力側
と出力側とが間に挿入されている光機能部を介して光結
合する光機能モジュールを前提とするものである。本発
明においては、入力側と出力側の少なくとも一方は複数
のコリメータを有し、該コリメータのうちの少なくとも
１つは、レンズの焦点と光の出射面もしくは入射面との
距離、光の出射面もしくは入射面における開口率、レン
ズの実効焦点距離、使用波長、隣接するコリメータの光
軸間距離のいずれか１つ以上の特性可変パラメータを他
のコリメータのそれらの特性可変パラメータと異ならせ
ることにより、ビームウエストの大きさと位置を入出力
でほぼ一致させるように構成する。ここで、光の出射面
とは発光素子の発光面や光ファイバの端面などをいい、
光の入射面とは受光素子の受光面や光ファイバ端面など
をいう。
【０００７】入力側と出力側の少なくとも一方に、レン
ズと光ファイバを組み合わせた複数のファイバコリメー
タを用いる場合には、該ファイバコリメータのうちの少
なくとも１つを、レンズの焦点と光ファイバ端面との距
離、光ファイバのモードフィールド径又は開口率、レン
ズの実効焦点距離、使用波長、隣接するファイバコリメ
ータの光軸間距離のいずれか１つ以上の特性可変パラメ
ータを他のファイバコリメータのそれらの特性可変パラ
メータと異ならせることにより、ビームウエストの大き
さと位置を入出力でほぼ一致させるように構成する。
【０００８】従って、複数のファイバコリメータは、入
力側のみに設ける場合、出力側のみに設ける場合、及び
入力側と出力側の両方に設ける場合がある。複数のファ
イバコリメータを入力側のみに設ける場合には出力側を
コリメータレンズと受光素子の組み合わせとする構成、
出力側のみに設ける場合には入力側を発光素子とコリメ
ータレンズの組み合わせとする構成、などが可能であ
る。その他、ファイバコリメータを用いずに、入力側を
発光素子とコリメータレンズの組み合わせとし、出力側
をコリメータレンズと受光素子の組み合わせとする構成
もある。
【０００９】例えば、入力側と出力側の少なくとも一方
の複数のコリメータを、複数の屈折率分布型ロッドレン
ズを配列したレンズアレイとする構成がある。そのよう
な場合には、レンズアレイのいずれか一方又は両方の端
面をアレイ配列方向に対して斜め面とすることにより、
前記の特性可変パラメータを調整することができる。ま
た、入力側と出力側の少なくとも一方に複数のファイバ
コリメータとする場合には、複数の屈折率分布型ロッド
レンズを配列したレンズアレイと複数の光ファイバを配
列したファイバアレイの組み合わせとする構成がある。
そのような場合には、レンズアレイのいずれか一方又は
両方の端面、及び／又はファイバアレイの端面を、アレ
イ配列方向に対して斜め面とすることにより、前記の特
性可変パラメータを調整することができる。更に、自由
空間長が長いチャンネルに対して長波長を割り当てるの
も有効である。
【００１０】具体的には、例えば入力側と出力側がとも
に複数のコリメータからなり、それら入力側と出力側と
を９０度異なる向きで配設し、自由空間内の各チャンネ
ルに対応したそれぞれの位置に可動ミラーを挿入するこ
とにより、マトリクス光スイッチが構成できる。その場
合、入力側と出力側の光軸の交点が正方格子の格子点に
相当する関係にして、各格子点に可動ミラーを配設し、
正方格子の対角線上にビームウエストが形成されるよう
に調整する構成が望ましい。
【００１１】また、入力側と出力側とが自由空間を隔て
て配設されており、それら入力側と出力側とが間に挿入
されている光機能部を介して光結合する構成において、
光機能部としてフィルタもしくは部分反射鏡からなる光
機能素子を用い、該光機能素子にできるだけ等しいビー
ムウエストが形成されるように調整することで光合分波
器もしくは光タップを構成することができる。
【００１２】例えば、片側に２芯ファイバコリメータ、
それに対向して単芯ファイバコリメータを配置し、自由
空間に光機能素子としてフィルタを設け、２芯ファイバ
コリメータの一方の光ファイバを入力側、他方の光ファ
イバを出力側、単芯ファイバコリメータの光ファイバを
入力側もしくは出力側とし、フィルタ面に各ファイバコ
リメータによりできるだけ等しいビームウエストが形成
されるように調整することで、光合波器あるいは光分波
器を構成できる。更に、片側に２芯ファイバコリメー
タ、それに対向して単芯ファイバコリメータを配置し、
自由空間に光機能素子として部分反射鏡を設け、２芯フ
ァイバコリメータの一方の光ファイバを入力側、他方の
光ファイバを出力側、単芯ファイバコリメータの光ファ
イバを出力側とし、部分反射鏡に各ファイバコリメータ
によりできるだけ等しいビームウエストが形成されるよ
うに調整することで、光タップを構成できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】前記のように、各コリメータにお
ける特性可変パラメータとしては、レンズの焦点と光の
出射面もしくは入射面との距離、光の出射面もしくは入
射面における開口率、レンズの実効焦点距離、使用波
長、隣接するコリメータの光軸間距離がある。ファイバ
コリメータの場合には、その特性可変パラメータとして
は、前記のように、レンズの焦点と光ファイバ端面の距
離、光ファイバのモードフィールド径又は開口率、レン
ズの実効焦点距離、使用波長、隣接するファイバコリメ
ータの光軸間距離がある。
【００１４】そこで、以下、入力側及び出力側が共にフ
ァイバコリメータである場合を例にとって、それら特性
可変パラメータの設定方法について説明する。図１に示
すように、光ファイバ１０とレンズ１２とからなるファ
イバコリメータ１４を、２個、対向配置したファイバコ
リメータ結合系に関して、基礎特性を表すスポットサイ
ズ２ｗ→ビームウエスト２Ｗへの伝搬式は、次のように
なる。 Ｄ＝ｆ2 ｄ／（ｄm 2＋ｄ2 ） Ｗ＝ｗｆ／（ｄm 2＋ｄ2 ）1/2 ここで、ｆはレンズの実効焦点距離、ｄm ＝πｗ2 ／
λ、λは波長である。光結合をよくするためには、ファ
イバコリメータ対でビームウエストの位置と大きさを一
致させればよい。従って、光ファイバとレンズ焦点との
距離ｄ、光ファイバのスポットサイズｗ、レンズ焦点距
離ｆ、波長λを変えることにより、結合効率の最適化を
図ることができる。
【００１５】例えばレンズ焦点とビームウエスト位置と
の距離Ｄを大きくするには、次のいずれか１つ以上を選
ぶ。 （１）０＜ｄ＜ｄm の範囲で大きなｄ （２）ｄm ＜ｄの範囲で小さなｄ （３）小さいｗ （４）大きなｆ （５）大きなλ また、波長λが大きいと、実効焦点距離ｆが大きくなる
傾向があるので、距離Ｄ（レンズ焦点とビームウエスト
位置との距離）は更に大きくなる。従って、自由空間の
長いチャンネルあるいはポートには、上記のように距離
Ｄが大きくなるようにパラメータを割り当てる。
【００１６】コリメータで使用するレンズは任意のもの
でよく、均質材料からなる凸レンズや球レンズなどの
他、屈折率分布型ロッドレンズでもよい。前記のよう
に、ファイバコリメータの場合には、少なくとも１チャ
ンネルについて、レンズの焦点と光ファイバ端面の距
離、光ファイバのモードフィールド径又は開口率、実効
焦点距離、寸法（隣接するファイバコリメータの光軸間
距離を含む）のいずれか１つ以上の特性可変パラメータ
を他のチャンネルのそれらと異ならせて調整することに
なる。いずれの場合においても、一部のチャンネルにお
いて同一のコリメータを使用する場合もある。理論上、
各特性可変パラメータを変化させれば、光機能モジュー
ル全体にわたってビームウエストの大きさと位置を完全
に一致させることができる場合もあるが、できない場合
もある。理論的に可能な場合には、部品の公差や組立精
度上、可能な限りビームウエストの大きさと位置を一致
させる。理論的に不可能な組み合わせの場合でも、でき
るだけ理想状態に近づけるということになる。
【００１７】特性可変パラメータを調整する例を図２に
示す。これは、複数の屈折率分布型ロッドレンズを配列
したレンズアレイ２０と複数の光ファイバ２２を配列し
たファイバアレイ２４の組み合わせからなる場合であ
る。（Ａ）はファイバアレイ２４の端面をアレイ配列方
向に対して斜めに研磨した例であり、（Ｂ）はレンズア
レイ２０の一端面（ファイバアレイ対向面）をアレイ配
列方向に対して斜めに研磨した例である。このようにす
ることでレンズの焦点と光ファイバ端面の距離を調整す
ることができる。更に（Ｃ）はレンズアレイ２０の他端
面をアレイ配列方向に対して斜めに研磨した例である。
レンズが屈折率分布型ロッドレンズの場合には、このよ
うにしてもレンズの焦点と光ファイバ端面の距離を調整
することができる。このように斜め面とすることによ
り、光ファイバへの戻り光を低減する効果も生じる。な
お、減衰量を更に大きくしたい場合には、アレイ配列方
向に垂直な方向に対しても斜め面にするとよい。この場
合、傾いた面の光軸に垂直な面に対する角度は、１〜２
０度の範囲内にあることが望ましい。（Ｂ）と（Ｃ）の
ようにレンズアレイの端面を斜め面とする構造は、光フ
ァイバを用いずに発光素子や受光素子と組み合わせる場
合にも利用できる。
【００１８】屈折率分布型ロッドレンズ（長さＬ）の場
合、屈折率の半径方向（距離ｒ）分布は、 ｎ（ｒ）＝ｎ0 （１−Ａｒ2 ／２） で表され、実効焦点距離ｆは、 ｆ＝１／（ sin（ＬＡ1/2 ）ｎ0 Ａ1/2 ） となる。但し、Ａは屈折率分布定数である。従って前記
と同様、図２の（Ｂ）あるいは（Ｃ）に示す構成では、
実効焦点距離ｆも調整することができる。また、レンズ
長を同一としたままでも、少なくとも１チャンネルにつ
いて、ｎ0 あるいはＡ1/2 を異ならせてもよい。
【００１９】ファイバコリメータにおいて、モードフィ
ールド径又は開口率を変えるには、光ファイバの種類を
変えるか、あるいは光ファイバ先端部を加熱変形して拡
大する方法がある。また、各特性可変パラメータを変化
させることにより、使用部品の寸法が変わり、結果とし
て光機能モジュールの寸法が小さくなる副次的効果が生
じる。レンズとして平板マイクロレンズアレイなどを用
いる場合には、レンズを形成するためのマスク又は型の
形状などを変化させることになり、それによって実効焦
点距離あるいは寸法（レンズ配列ピッチを含む）を調整
する。
【００２０】
【実施例】図３は、本発明に係る光機能モジュールの一
実施例を示す説明図であり、４×４マトリクス光スイッ
チに適用した例である。入力側と出力側となる２組のコ
リメータアレイ３０を９０度異なる向きに配設し、自由
空間内の各チャンネルに対応したそれぞれの位置に可動
ミラー３２を挿入した構成である。両方のコリメータア
レイ３０は、ファイバアレイとレンズアレイを一体化し
た構造である。ファイバアレイは４本の光ファイバ３４
を並設したものであり、レンズアレイは４個の屈折率分
布型ロッドレンズ３６を並設したものである。ここで、
各チャンネルにおいて、できるだけ入出力のビームウエ
ストの位置及び大きさを一致させる。最も望ましい例
は、入力側と出力側の光軸の交点が正方格子の格子点に
相当する関係にして、各格子点に可動ミラー３２を配設
し、正方格子の対角線（交差線ａ−ａ）上にビームウエ
ストを形成させるように調整することである。なお、図
３では、多数の可動ミラーのうちの斜線を付したものが
光の反射動作を行っているものを表示している。可動ミ
ラーの動作を制御することで、所望の光路に切り換える
ことができる。
【００２１】本発明に係る光機能モジュールとしては、
光機能部にフィルタを用い、入力側に単一のコリメー
タ、出力側に複数個のコリメータを配置する光分波器モ
ジュール、光機能部にフィルタを用い、入力側に複数個
のコリメータ、出力側に単一のコリメータを配置する光
合波器モジュール、光機能部に部分反射鏡を用いる光タ
ップモジュールなどもある。それらにおいても特性可変
パラメータを調整することにより、各コリメータのビー
ムウエストの位置及び大きさをできるだけ一致させる。
【００２２】図４は、２芯ファイバコリメータと単芯フ
ァイバコリメータで構成した３ポート光機能モジュール
の一例である。１つのキャピラリに固定された平行する
２本の光ファイバのなかの一方の光ファイバ４０から出
た光が第１のレンズ４２で拡大され、平面状の光機能素
子（フィルタ）４４により反射され、第１のレンズ４２
で集光されて他方の光ファイバ４６に入る。光機能素子
４４を透過した光は、第２のレンズ４８で集光されて光
ファイバ５０に入る。光機能素子（フィルタ）４４は第
１のレンズ４２の焦点に設置する。光機能素子（フィル
タ）４４の反射面上に、全てのファイバコリメータによ
りできるだけ等しいビームウエストが形成されるように
する。この場合、２芯ファイバの端面は第１のレンズの
反対側の焦点に位置する。このような構成で光分波器を
実現できる。入出力を入れ替えれば、同一構成で光合波
器を実現できる。
【００２３】また、光機能素子４４として、部分反射鏡
を使用することもでき、その場合には光分波器と同じ入
出力の関係で光タップが構成できる。その場合にも、光
機能素子上に、全てのファイバコリメータによりできる
だけ等しいビームウエストを形成する。
【００２４】上記の各実施例では入出力ともにファイバ
コリメータとしているが、入力側がレーザダイオードな
どの発光素子とコリメータレンズの組み合わせの場合、
あるいは出力側がコリメータレンズとフォトダイオード
などの受光素子の組み合わせの場合などにも本発明は適
用可能である。
【００２５】
【発明の効果】本発明は上記のように、光機能モジュー
ルを構成する少なくとも１つのコリメータの特性可変パ
ラメータの１つ以上を他のコリメータのそれらの特性可
変パラメータと異ならせるようにしたことにより、チャ
ンネルあるいはポート間で自由空間長が異なる場合に対
して、小型、低挿入損失、低挿入損失偏差で最適光結合
の光機能モジュールを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ファイバコリメータ結合系の説明図。
【図２】ファイバアレイとレンズアレイによるコリメー
タアレイの一例を示す説明図。
【図３】本発明に係る光機能モジュールの一例を示す説
明図。
【図４】本発明に係る光機能モジュールの他の例を示す
説明図。
【符号の説明】
１０ 光ファイバ １２ レンズ １４ ファイバコリメータ

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 入力側と出力側とが自由空間を隔てて配
    設されており、それら入力側と出力側とが間に挿入され
    ている光機能部を介して光結合する光機能モジュールに
    おいて、 入力側と出力側の少なくとも一方は複数のコリメータを
    有し、該コリメータのうちの少なくとも１つは、レンズ
    の焦点と光の出射面もしくは入射面との距離、光の出射
    面もしくは入射面における開口率、レンズの実効焦点距
    離、使用波長、隣接するコリメータの光軸間距離のいず
    れか１つ以上の特性可変パラメータを他のコリメータの
    それらの特性可変パラメータと異ならせることにより、
    ビームウエストの大きさと位置を入出力でほぼ一致させ
    ることを特徴とする光機能モジュール。
  2. 【請求項２】 入力側と出力側の少なくとも一方は、レ
    ンズと光ファイバを組み合わせた複数のファイバコリメ
    ータからなり、該ファイバコリメータのうちの少なくと
    も１つは、レンズの焦点と光ファイバ端面との距離、光
    ファイバのモードフィールド径又は開口率、レンズの実
    効焦点距離、使用波長、隣接するファイバコリメータの
    光軸間距離のいずれか１つ以上の特性可変パラメータを
    他のファイバコリメータのそれらの特性可変パラメータ
    と異ならせることにより、ビームウエストの大きさと位
    置を入出力でほぼ一致させる請求項１記載の光機能モジ
    ュール。
  3. 【請求項３】 入力側と出力側の少なくとも一方の複数
    のコリメータは、複数の屈折率分布型ロッドレンズを配
    列したレンズアレイを有し、該レンズアレイのいずれか
    一方又は両方の端面をアレイ配列方向に対して斜め面と
    することにより、特性可変パラメータが調整されている
    請求項１記載の光機能モジュール。
  4. 【請求項４】 入力側と出力側の少なくとも一方の複数
    のファイバコリメータは、複数の屈折率分布型ロッドレ
    ンズを配列したレンズアレイと複数の光ファイバを配列
    したファイバアレイの組み合わせからなり、レンズアレ
    イのいずれか一方又は両方の端面、及び／又はファイバ
    アレイの端面をアレイ配列方向に対して斜め面とするこ
    とにより、特性可変パラメータが調整されている請求項
    ２記載の光機能モジュール。
  5. 【請求項５】 自由空間長が長いチャンネルに対して長
    波長が割り当てられている請求項１乃至４のいずれかに
    記載の光機能モジュール。
  6. 【請求項６】 入力側と出力側とが９０度異なる向きで
    配設され、自由空間内の各チャンネルに対応したそれぞ
    れの位置に可動ミラーが挿入されてマトリクス光スイッ
    チを構成している請求項１乃至４のいずれかに記載の光
    機能モジュール。
  7. 【請求項７】 入力側と出力側の光軸の交点が正方格子
    の格子点に相当する関係にして、各格子点に可動ミラー
    を配設し、正方格子の対角線上にビームウエストが形成
    されるように調整されている請求項６記載の光機能モジ
    ュール。
  8. 【請求項８】 光機能部としてフィルタもしくは部分反
    射鏡からなる光機能素子を用い、該光機能素子にできる
    だけ等しいビームウエストが形成されるように調整する
    ことで光合分波器もしくは光タップを構成している請求
    項１、２又は５記載の光機能モジュール。
  9. 【請求項９】 片側に２芯ファイバコリメータ、それに
    対向して反対側に単芯ファイバコリメータを配置し、そ
    れらの間の自由空間に光機能素子としてフィルタを設
    け、２芯ファイバコリメータの一方の光ファイバを入力
    側、他方の光ファイバを出力側、単芯ファイバコリメー
    タの光ファイバを入力側もしくは出力側とし、フィルタ
    面にできるだけ等しいビームウエストが形成されるよう
    に調整することで光合波器もしくは光分波器を構成して
    いる請求項２記載の光機能モジュール。
  10. 【請求項１０】 片側に２芯ファイバコリメータ、それ
    に対向して反対側に単芯ファイバコリメータを配置し、
    それらの間の自由空間に光機能素子として部分反射鏡を
    設け、２芯ファイバコリメータの一方の光ファイバを入
    力側、他方の光ファイバを出力側、単芯ファイバコリメ
    ータの光ファイバを出力側とし、部分反射鏡にできるだ
    け等しいビームウエストが形成されるように調整するこ
    とで光タップを構成している請求項２記載の光機能モジ
    ュール。
  11. 【請求項１１】 自由空間長が長いチャンネルに対して
    長波長が割り当てられている請求項９又は１０記載の光
    機能モジュール。
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