JP2004061664A

JP2004061664A - Optical device

Info

Publication number: JP2004061664A
Application number: JP2002217138A
Authority: JP
Inventors: Masashi Fukuyama; 福山　暢嗣; Akihiro Ide; 井出　晃啓
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2002-07-25
Filing date: 2002-07-25
Publication date: 2004-02-26

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To sufficiently secure the adhesive strength of a spherical lens to a fixed base plate, to sufficiently secure a light input effective area in the spherical lens and to extend the degree of freedom in design. SOLUTION: In an optical device 10A, a cross groove 20 and array grooves 22A to 22D are formed to cross with each other on the surface of the fixed substrate 12, and spherical lenses 16 are supported at contact points on four ridges formed at the respective intersections 24 of the groove 20 and the grooves 22A to 22D, whereby the lenses 16 are positioned and fixed on the substrate 12. The light L from a light source is made to advance along the grooves 22A to 22D and made incident on the spherical lenses 16. COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光通信システムに用いられる光デバイスに関し、例えば、球状レンズを有するコリメータアレイに用いて好適な光デバイスに関する。ここで、球状レンズとは、外形が球体のものや、一部が欠けた形状、あるいはドラムレンズ等を含む意であり、特に、外形が球体のレンズを球レンズと記す。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電気通信回線のデータ容量が急激に増加している。これに対応するため、既存の光ファイバを利用した波長多重（ＷＤＭ）伝送方式の導入が進められ、前記ＷＤＭ伝送方式の光デバイスとして、光クロスコネクト（ＯＸＣ）スイッチに対するニーズが高まりつつある。
【０００３】
前記ＯＸＣスイッチの中でも、例えば、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ）型の光スイッチは、マイクロマシン技術を用いて作製され、かつ、量産化も容易であると考えられている。そのため、将来的に有望な光デバイスである。
【０００４】
このような光デバイスは、複数の光入力と光出力とを有し、レンズ等の複数の光学素子がアレイ（レンズアレイ）として構成されている多心型の光デバイスである。この場合、空間にビームを飛ばす必要があるため、コリメータアレイが使われる。
【０００５】
コリメータアレイに用いられるレンズとしては、非球面型のレンズ、平板型のマイクロレンズ、ロッドレンズ等がある。しかしながら、これらのレンズは高価であり、特に、単レンズである非球面型のレンズとロッドレンズとは、外形上の中心位置とレンズの光学的中心位置とが一致しない。そのため、非球面型のレンズ又はロッドレンズによってコリメータアレイを構成したときに、高精度のビーム（平行光）を得ることは極めて困難であるという問題があった。
【０００６】
これに対して、外形が球体である球レンズは安価であると共に、外形上の中心位置とレンズの光学的中心位置とが一致しているため、球レンズでコリメータアレイを構成しても、高精度のビーム（平行光）が得られやすいという利点がある。球レンズが球形状に高精度に加工されていればいるほど、上記した利点が得られやすい。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、球レンズを用いた光デバイスの大きな問題点は２つあり、第１は、球レンズの固定の問題であり、第２は、球レンズそのものの性能の制約による問題である。
【０００８】
まず、第１の問題である球レンズの固定の問題について説明する。コリメータアレイを有する光デバイスでは、各レンズと前記各レンズに対向する光ファイバ等の光導波路との結合距離を正確に合わせないと、光デバイスとして機能しないおそれがある。従って、コリメータアレイを構成する際に、各光導波路から各レンズの端面を見たとき、各レンズが２次元の水平方向（Ｘ−Ｙ方向）だけでなく、上下方向（Ｚ方向）に対しても正確に配列されている必要がある。
【０００９】
例えば、ロッドレンズから構成されるコリメータアレイを考えたとき、Ｖ溝にロッドレンズを載置するだけで、該ロッドレンズはＶ溝に入り込み、容易に動かない状態となる。つまり、Ｖ溝に載置されたロッドレンズは、外力が加わらなければ、例えば自重のみにてその載置された位置に固定された状態となる。もちろん、光結合等の調整のために、ロッドレンズを意図的に動かすことはあるが、この場合も容易に動かすことができる。一方、球レンズは、外形が球体であるため、球レンズをＶ溝に載置した場合、例えば自重によって、いとも簡単にＶ溝上で移動する。
【００１０】
これを解決するためには、例えば、Ｖ溝を有する基板の端面に壁を設け、該壁に球レンズを突き当てるようにして水平方向（Ｘ−Ｙ方向）の位置決めを行い、基板のＶ溝と該Ｖ溝に対向して配置された押さえ基板とによって、球レンズを上下方向（Ｚ方向）に位置決め固定することが考えられる。
【００１１】
この場合、球レンズの位置決め固定の作業においては、球レンズに対する水平方向（Ｘ−Ｙ方向）の加重（球レンズによる自重をも含む）と、基板と押さえ基板とを固定又は仮固定するための上下方向（Ｚ方向）の加重とを同時にかける必要がある。
【００１２】
しかし、球レンズは他のレンズと比較して移動しやすいレンズであるため、上述のような作業を行って球レンズの位置決め固定を厳密に行っても、簡単に１０μｍ程度の誤差が発生し、十分な精度を得ることは困難である。
【００１３】
そこで、従来では、表面に複数のＶ溝が交差する固定基板を用い、これらＶ溝が交差する複数の交差部にそれぞれ球レンズを位置決め固定することが提案されている（例えば特開２００２−１１６３６３号公報参照）。
【００１４】
ところで、この従来例に係る光デバイスは、各交差部の底部にそれぞれ孔を設け、光源からの光を孔を通じて球レンズに入射させることで、平行光を得るようにしている。
【００１５】
このような構成において、球レンズを固定基板に固定する場合、交差部の底部に接着剤を充填して球レンズを固定することが考えられるが、接着剤によって前記孔（光が透過する孔）が塞がれるおそれがあるため、例えば球レンズと交差部との接触部分のみに接着剤を塗布するなどの手法が考えられる。しかし、この場合、球レンズの交差部に対する接着強度が低下することから、その後の工程やハンドリング時に容易に外れてしまうおそれがある。接着剤として、光透過性のあるものを使用してもよいが、球レンズとの屈折率との関係や接着能力等、様々なパラメータを考慮する必要があり、自ずから材料が限られてしまい、コスト的に不利になる。
【００１６】
また、上述の従来例に係る光デバイスにおいては、孔を通じて光を透過するようにしているため、光の入射有効エリアは、孔の径に依存することとなり、しかも、孔の径を大きくすると、上述したように、球レンズの固定が不十分になるおそれがあることから、むやみに孔の径を大きくすることもできない。つまり、従来の光デバイスにおける光の入射有効エリアは、基板の影響を大きく受けることになる。なお、光の出射に関する有効エリアは、前記孔の径には左右されないため、前記入射有効エリアよりも大きくとることができる。
【００１７】
このように、従来例に係る光デバイスにおいては、光の入射有効エリアが基板の影響によって狭くなり、所望の平行光を得られず、設計の自由度も狭くなるという問題が生じる。
【００１８】
次に、第２の問題である球レンズそのものの性能の制約について説明する。ここで、球レンズそのものの性能の制約とは、平行光と設計の自由度に関する制約である。
【００１９】
具体的には、まず、平行光については、球レンズは基本的に球面収差を持っているため、理想的な平行光を球レンズから射出させることは極めて難しい。
【００２０】
設計の自由度については、球レンズを用いた光デバイスでは、該光デバイスに光結合されたＭＥＭＳスイッチ等の別の光デバイスの仕様から、複数の球レンズ間のピッチやビームの動作距離等の仕様が決まるが、要求仕様を満たすように球レンズを設計する場合、球レンズの径を変更するしかない。即ち、現実的な設計の自由度は、球レンズの径を変えることだけである。なお、球レンズの材質、即ち、球レンズの屈折率を変更することも所望の仕様を達成するための手段として可能であるが、球レンズに対する信頼性や実績等を考慮すると、球レンズの材質を安易に変えることはできない上に、球レンズを特殊な材質に変更すると、球レンズの本来の利点である高い形状精度が得られないおそれがある。
【００２１】
そして、要求仕様にて決定された配列ピッチが球レンズの径よりも大きい場合、複数の球レンズを並べることが物理的に不可能になる。このような場合、球レンズの性能をある程度犠牲にしてでも、前記配列ピッチ以下の径を有する球レンズを使用せざるを得なかった。
【００２２】
この発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、球状レンズの固定基板に対する接着強度を十分に確保することができ、また、球状レンズにおける光の入力有効エリアを十分に大きくとることができ、更に、設計の自由度を広げることができる光デバイスを提供することを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光デバイスは、固定基板の表面に少なくとも２つのＶ溝が交差して設けられ、前記２つのＶ溝の交差部には４つの稜が形成され、前記各稜の所定の点で球状レンズを支持し、該球状レンズが前記固定基板上に位置決め固定された光デバイスにおいて、前記２つのＶ溝のうち、少なくとも１つのＶ溝に沿って進行する入射光が前記球状レンズに入射されることを特徴とする。
【００２４】
これにより、光の入射有効エリア等が基板の影響を受けるということがなくなり、所望の平行光を得ることができ、設計の自由度も広くなる。また、球状レンズを固定基板に固定する場合、交差部の底部に接着剤を充填して固定することができ、球状レンズの固定基板に対する接着強度を十分に確保することができる。特に、前記球状レンズの形状が球体である場合、即ち、球レンズである場合は、光の入射有効エリアを、前記球体の径で決定される最大エリアの７０％以上とすることができる。また、球状レンズの形状に関わらず、光の入射有効エリアと光の出射有効エリアをほぼ同じにすることができる。これは、上述したように、所望の平行光を得ることができ、設計の自由度も広くなることにつながる。
【００２５】
なお、球体の径で決定される最大エリア全体を光の入射有効エリアとすることは、レンズの形状から不可能である。そのため、入射有効エリアの上限としては、前記最大エリアの１００％未満となるが、接着剤等の不確定要因を考慮して、最大エリアの９０％を確保することができる。
【００２６】
また、前記構成において、前記固定基板の２つのＶ溝に対向して押さえ基板が配置され、前記押さえ基板は、前記固定基板における交差部と共に前記球状レンズを支持し、かつ、該球状レンズを前記固定基板上に位置決め固定するＶ溝を具備するようにしてもよい。
【００２７】
これにより、球状レンズは、固定基板における交差部と押さえ基板におけるＶ溝とで挟み込まれた形態となり、球状レンズを水平方向及び垂直方向に対して高精度に位置決めすることができる。なお、押さえ基板にＶ溝以外に逃げ溝（接着剤が球状レンズの光が透過する面に流れないようにするための溝）を設けるようにすれば、固定基板と押さえ基板とを接着剤にて互いに固定した際に、接着剤が球状レンズにおける光が透過する面に流れ込むということがなくなり、光の入射有効エリアを十分に確保することができる。
【００２８】
また、前記構成において、少なくとも前記固定基板のＶ溝の底部が平坦であってもよい。また、前記球状レンズが固定基板の交差部と接触する点を接触点と定義したとき、少なくとも前記固定基板のＶ溝の底部と前記球状レンズの接触点との間隔を５０μｍ以下にすることが好ましい。
【００２９】
これにより、Ｖ溝の底部と球状レンズの頂部（Ｖ溝の底部と対向する頂部）との間隔を狭くすることができ、Ｖ溝に必要最低限の接着剤を塗布するだけで、球状レンズの固定を行うことができる。
【００３０】
この間隔が広いと、多くの接着剤を塗布する必要が生じ、この多量の接着剤が球状レンズの光透過面に回り込むおそれがある。Ｖ溝の底部のみに接着剤を塗布することは現実的には不可能に近く、Ｖ溝のテーパ部分にも塗布されることとなる。底部から球状レンズの頂部（Ｖ溝の底部と対向する頂部）までが例えば３０μｍであって、接着剤が全体的に４０μｍ存在するものとする。この場合、Ｖ溝の底部と球状レンズ間には接着剤が充填され、該球状レンズはＶ溝に固定されることになる。
【００３１】
ここで、球状レンズの光透過面に接着剤が存在すると、その透過の具合（透過の度合いが低くなるなど）は接着剤の材質等によって決まり、不確定である。つまり、球状レンズの光透過面のうち、接着剤が付着している部分は、光透過の不確定エリアとして定義することができる。そして、上述の例では、球状レンズの不確定エリアは１０μｍである。
【００３２】
一方、Ｖ溝の接触点からも球状レンズの中心に向かって４０μｍは接着剤が存在すると考えるべきであり、この場合、球レンズの周囲４０μｍは接着剤により、光の透過が不確定とされる。ここで、例えば１ｍｍの球レンズであれば、π×（１０００−２×４０）^２／１０００^２＝０．８４６４で、光透過の上で有効なエリアは、球レンズの径で決定される最大エリアの約８５％となる。この場合、光の透過が不確定なエリア（不確定エリア）は全体の１５％存在することになるが、この割合は、交差部により隠れるエリアの割合とほぼ等しく、交差部に球状レンズを載置したことによって特に制限を受けることはない。
【００３３】
このようなことから、Ｖ溝の底部から球状レンズの頂部（Ｖ溝の底部と対向する頂部）までの距離を小さくすることは、前記不確定エリアを広げることにはならず、反対に、接着剤の塗布量を少なくすることができ、接着剤が球状レンズの光透過面に回り込む量を低減できる点で好ましい。また、接着剤の使用量が減ることから、コスト面でも有利である。
【００３４】
そして、実際の製造工程では、先に接着剤を固定基板に薄く（１００μｍ以下等）塗布しておき、固定基板の交差部に球状レンズを置いて硬化する。球状レンズの光透過面に接着剤が流れ込まないように、紫外線硬化型の接着剤で素早く硬化するとより好ましい。
【００３５】
また、前記固定基板に複数の交差部を設け、複数の球状レンズをそれぞれ対応する交差部に位置決め固定してアレイとした場合に、交差部の配列ピッチを、球状レンズの直径よりも小さくしてもよい。この場合、各球状レンズは、少なくとも隣接する球状レンズと対向する部分が削られていることが好ましい。
【００３６】
これにより、要求仕様にて決定された配列ピッチが球状レンズの径よりも大きい場合においても十分に対応させることができ、球状レンズを用いた光デバイスの設計の自由度を広げることができる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る光デバイスの実施の形態例を、図１〜図７Ｂを参照しながら説明する。
【００３８】
まず、第１の実施の形態に係る光デバイス１０Ａは、図１に示すように、固定基板１２と、押さえ基板１４と、これら固定基板１２と押さえ基板１４とで挟持された球レンズ１６とを有する。
【００３９】
固定基板１２は、例えば図２（図１と上下の方向を逆にしてある）に示すように、その一主面に２本のＶ溝２０及び２２がほぼ直交して形成され、これらＶ溝２０及び２２が交差する部分（交差部２４）にて４つの稜２６ａ〜２６ｄが形成されている。そして、この交差部２４に球レンズ１６が載置固定されている。図２では、１つの固定基板１２に１つの交差部２４が形成されたものを示したが、その他、図３に示すように、４つの交差部２４が形成されていてもよいし、それ以上の数の交差部２４が形成されていてもよい。図３においては、固定基板１２に行方向に１つのＶ溝２０を形成し、列方向に４つのＶ溝２２Ａ〜２２Ｄを形成した例を示す。
【００４０】
以下の説明では、Ｖ溝の区別を明確にするために、図２及び図３における一方のＶ溝２０を交差溝２０と記し、他方のＶ溝２２（２２Ａ〜２２Ｄ）を整列溝２２（２２Ａ〜２２Ｄ）と記す。また、複数の整列溝２２Ａ〜２２Ｄを総称して言う場合には、単に整列溝２２として記す。
【００４１】
押さえ基板１４は、図２及び図３に示すように、その一主面（固定基板１２の一主面と対向する面）に、固定基板１２の整列溝２２と対向し、かつ、該整列溝２２と平行なＶ溝２８（２８Ａ〜２８Ｄ）が形成されている。なお、複数のＶ溝２８Ａ〜２８Ｄを総称して言う場合には、単にＶ溝２８として記す。
【００４２】
そして、この光デバイス１０Ａを作製する場合は、固定基板１２における交差部２４の底部に接着剤３０（図１参照）を塗布した後、交差部２４に球レンズ１６を載置する。このとき、球レンズ１６は、図２に示すように、交差部２４における各稜２６ａ〜２６ｄにおいてそれぞれ接触点３２ａ〜３２ｄにて支持される。
【００４３】
ここで、固定基板１２に複数の交差部２４を例えばマトリックス状に配置し、これら交差部２４にそれぞれ球レンズ１６を載置した場合は、各球レンズ１６は、Ｘ方向（行方向）に一直線状に並び、Ｙ方向（列方向）においても一直線状に並ぶことになる。更に、各球レンズ１６の頂部もＺ方向（固定基板１２の一主面から鉛直方向に立ち上がる方向）に対してほぼ揃うことになる。
【００４４】
その後、押さえ基板１４のＶ溝２８の底部に接着剤３４（図１参照）を塗布し、押さえ基板１４のＶ溝２８と固定基板１２の交差部２４とが対向するようにして、交差部２４に固定されている球レンズ１６を押さえ基板１４で押さえ、固定する。
【００４５】
球レンズ１６は、交差部２４に載置しただけで安定に固定されており、その後、押さえ基板１４で加重（一方向の加重）をかけるだけで、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向の３軸の方向が決まるため、組立て後でもサブミクロンの精度を得ることができる。
【００４６】
そして、本実施の形態に係る光デバイス１０Ａでは、例えば図３に示すように、光源からの光Ｌが整列溝２２（２２Ａ〜２２Ｄ）に沿って進行し、球レンズ１６に入射されるようになっている。これにより、光の入射有効エリア等が固定基板１２や押さえ基板１４の影響を受けるということがなくなり、所望の平行光を得ることができ、設計の自由度も広くなる。また、球レンズ１６を固定基板１２に固定する場合、上述したように、交差部２４の底部に接着剤３０を充填して固定することができ、球レンズ１６の固定基板１２に対する接着強度を十分に確保することができる。これは押さえ基板１４についても同様である。
【００４７】
ところで、球レンズ１６のＸ方向とＹ方向の位置決め精度を確保するためにＶ溝を使用することは知られている。しかし、球レンズ１６を交差部２４に載置した場合と、球レンズ１６を直接整列溝２２に載置した場合とでは、それぞれの当接位置が異なることになる。
【００４８】
具体的に、図４Ａ及び図４Ｂを参照しながら説明する。まず、図４Ａに示すように、球レンズ１６を直接整列溝２２に載置すると、球レンズ１６は整列溝２２との２つの接触点３１ａ及び３１ｂにおいて当接することになる。一方、図４Ｂに示すように、球レンズ１６を交差部２４に載置すると、球レンズ１６は４つの稜２６ａ〜２６ｄにそれぞれ接触点３２ａ〜３２ｄにおいて当接することになり、図４Ｂにおいて二点鎖線で示すように、球レンズ１６を直接整列溝２２に載置した際の当接位置３１ａ及び３１ｂとは異なることとなる。
【００４９】
このような場合であっても、交差溝２０（図３参照）がほぼ所望の溝（例えば一定形状の溝）であれば、交差部２４における接触点３２ａ〜３２ｄの位置もほぼ一定となるため、交差溝２０を形成した状態でも、球レンズ１６は、整列溝２２の精度に従って整列されることになり、問題なく精度は確保できる。
【００５０】
しかしながら、球レンズ１６の整列に関し、複数の球レンズ１６（例えば頂部）が一直線に並んでさえいればよいというものでもない。固定基板１２として求められる特性の１つとして、押さえ基板１４で接着固定した際の固定基板１２と押さえ基板１４同士の間隔（＝接着層３６（図１参照）の厚み）等を厳密に管理することは、工業的にも極めて重要な要素である。
【００５１】
この間隔は、図４Ａに示すように、整列溝２２に載置された球レンズ１６のうち、球レンズ１６と整列溝２２との接触点３１ａ及び３１ｂを通る鉛直面にて球レンズ１６及び固定基板１２を切断したとき、球レンズ１６の断面円の中心Ｏａから接触点３１ａ及び３１ｂまでの距離Ｚ０を把握することで管理できる。
【００５２】
つまり、球レンズ１６を直接整列溝２２に載置するのであれば、図４Ａに示すように、球レンズ１６の前記断面円の中心Ｏａを把握しつつ、該中心Ｏａを通り、かつ、整列溝２２の形成方向に延びる線を基準に整列溝２２を加工することで、該整列溝２２を精度よく作製することができる。このとき、前記断面円の径、この場合、距離Ｚ０を、上述のように加工された整列溝２２に当接される球レンズ１６の径として設定することができる。
【００５３】
これに対して、図４Ｂに示すように、固定基板１２の交差部２４に球レンズ１６を載置した場合は、上述したように、直接整列溝２２に球レンズ１６を載置した場合とは当接位置が異なることから、交差部２４に載置された球レンズ１６のうち、球レンズ１６と交差部２４との接触点（例えば３２ｂ及び３２ｃ）を通る鉛直面にて球レンズ１６及び固定基板１２を切断したときの球レンズ１６の前記断面円の中心Ｏｂから接触点３２ｂ及び３２ｃまでの距離をＺ１と定義したとき、該距離Ｚ１は前記距離Ｚ０と異なり、しかも、互いの中心Ｏａ及びＯｂも異なることとなる。
【００５４】
従って、この距離Ｚ１の測定は、最終評価のみでなく、加工中に把握しつつ、中間製品状態の測定値Ｚ１に対して所望の距離となるように、補正値をフィードバックし、最終的に所望値となるようにするため、いちいちずれ量を計算して補正値を出すような作業であると、加工プロセスに大きな影響を与えるおそれがある。
【００５５】
このため、本実施の形態では、図４Ｃに示すように、予め当接位置（例えば３２ａ及び３２ｃ）の理論値を演算し、かつ、実際の整列溝２２の延長線上に接する仮想円１７を設定し、該仮想円１７の径Ｚ１を算出する。そして、算出された径Ｚ１に基づいて載置すべき球レンズ１６の中心Ｏｂを求め、この中心Ｏｂを整列溝２２の測定に使用する。これにより、正確に通常どおりのステップで整列溝２２の加工を行うことができる。つまり、上述のように算出された中心Ｏｂを通り、かつ、整列溝２２の形成方向に延びる線を基準に整列溝２２を加工する。これにより、整列溝２２を精度よく作製することができる。
【００５６】
ところで、図５に示すように、Ｓｉ基板４０に対してエッチングによって溝４２を形成する場合、四角錐形状の溝４２ができる。このとき、球レンズ１６は、通常のＶ溝と同様に、溝４２のテーパ面に当接することになる。テーパ面での当接なので、一見、安定でよい方法に思えるが、得られる有効レンズ径の制約が大きい。
【００５７】
具体的に説明すると、Ｓｉ基板４０に対するエッチングによって形成された溝４２の傾斜角は約７０°であるため、接触点により形成される面と球レンズ１６の中心との距離は、球レンズ１６の半径がｒの場合０．５７ｒとなる。つまり、溝４２の上縁において接触点が来るように深さを調整して溝４２を形成したとしても、球レンズ１６の４３％は溝４２内に隠れるため、その隠れた部分を含むリング状の部分は使用できないエリア（図５の球レンズ１６において白抜きで示したエリア４４）となる。加工精度や溝４２の開口部の状態からマージンをみると、半分程度の径で決まる有効エリア（図５の球レンズ１６において網掛けで示したエリア４６）しか得られない。
【００５８】
上述のように、設計の自由度が径のみである球レンズ１６において、５０％しか有効エリアがないと、さらに自由度を大きく狭めることになり大きな問題となる。
【００５９】
一方、本実施の形態の場合は、円の径ｒと、円の中心から整列溝２２の表面までの距離Ｚ０とのずれ分（ｒ−Ｚ０）は隠れることになる。しかし、その隠れた部分は領域的に小さく、同じ傾斜角７０°で両溝（整列溝２２及びＶ溝２８）を形成する場合、球レンズ１６の径で決定される最大エリアの７０％以上を光の入射有効エリアとして確保することができる。図１の例では、約８０％を確保することができる。
【００６０】
これは実際の使用を考えても、ビーム径が球レンズ１６の径と同じビームを入射させることは結合効率等の観点からもないことから、光の入射有効エリアとして７０％以上確保できれば十分である。
【００６１】
なお、球レンズ１６の径で決定される最大エリア全体を光の入射有効エリアとすることは、球レンズ１６の形状から不可能である。そのため、入射有効エリアの上限としては、前記最大エリアの１００％未満となるが、接着剤等の不確定要因を考慮して、最大エリアの９０％を確保することができる。
【００６２】
また、本実施の形態では、球レンズ１６を正確にＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向について高精度に位置決めすることができるが、これは、あくまで稜２６ａ〜２６ｄの状態によって依存し、稜２６ａ〜２６ｄのいずれかに欠け等があって精度を劣化させる要因が接触点３２ａ〜３２ｄのいずれかに存在してしまう場合も想定される。
【００６３】
特に、Ｘ方向及びＹ方向の要求仕様（位置精度）は、サブミクロンオーダなので、この影響は問題となる。
【００６４】
この問題を解決するために、本実施の形態では、Ｘ方向及びＹ方向は、交差溝２０のない通常のＶ溝、即ち、押さえ基板１４におけるＶ溝２８で位置決めし、Ｚ方向の位置精度の確保のために、交差溝２０が形成された固定基板１２を使うとより好ましい。この場合、稜２６ａ〜２６ｄのいずれかに欠け等があっても、その影響はＺ方向には及ぶが、Ｘ方向及びＹ方向に対しては押さえ基板１４のＶ溝２８で規制されるので影響は小さいものとなり好ましい。
【００６５】
ここで、球レンズ１６の接着を考える。球レンズ１６は、その表面に不純物が付着していると当然特性が変化してしまう。つまり、球レンズ１６を固定基板１２や押さえ基板１４に接着固定するために使用される接着剤３６（図１参照）が、光の透過する面に付着すると、所望の特性を得ることはできない。
【００６６】
このため、接触点３２ａ〜３２ｄの近傍のみの固定であって、球レンズ１６の中心方向にほとんど接着剤３６が回り込まないように、接着固定することが望ましい。
【００６７】
しかし、稜２６ａ〜２６ｄでの接触の場合、接触点３２ａ〜３２ｄから少しでも離れると、整列溝２２や交差溝２０の形状としてテーパ面が上方に向かって広がった形態であるため、接着に寄与する面積が小さい。従って、図６の変形例に係る光デバイス１０Ａａのように、接触点３２ａ〜３２ｄから交差部２４の底部までの間隔ｄを小さくし、接触点３２ａ〜３２ｄのみでなく交差部２４の底部でも球レンズ１６を接着剤３０を介して固定することが好ましい。これにより、十分な接着強度を得ることが可能となる。押さえ基板１４を用いる場合においても、同様に、接触点５０ａ及び５０ｂからＶ溝２８の底部までの間隔ｅを小さくすることがより好ましい。上述の間隔ｄ及びｅとしては、それぞれ５０μｍ以下であると更に好ましい。
【００６８】
これにより、交差部２４の底部と球レンズ１６の頂部（交差部２４の底部と対向する頂部）との間隔、並びにＶ溝２８の底部と球レンズ１６の頂部（Ｖ溝の底部と対向する頂部）との間隔をそれぞれ狭くすることができ、交差部２４並びにＶ溝２８に必要最低限の接着剤を塗布するだけで、球レンズ１６の固定を行うことができる。
【００６９】
また、固定基板１２と押さえ基板１４同士の安定した接着を考えた場合、基板１２及び１４間に確実に接着剤３６を充填・硬化する必要がある。この接着剤３６も球レンズ１６の光が透過する面に回り込むことを防がなくてはいけない。そこで、例えば、押さえ基板１４の一主面にＶ溝２８とは別に押さえ基板１４の側面まで延びる図示しない逃げ溝（接着剤３６が球レンズ１６の光が透過する面に流れないようにするための溝）を形成する。
【００７０】
これにより、固定基板１２と押さえ基板１４の側面から接着剤３６を塗布することで、固定基板１２と押さえ基板１４が接着剤３６にて固定されると共に、球レンズ１６における光が透過する面には接着剤３６が回り込まないため、上述した光の入射有効エリアを十分に確保することができる。
【００７１】
次に、第２の実施の形態に係る光デバイス１０Ｂについて図７Ａ及び図７Ｂを参照しながら説明する。
【００７２】
この第２の実施の形態に係る光デバイス１０Ｂは、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、多心ファイバが一体とされたリボンケーブル６０が挿入固定されるハウジング６２と、該ハウジング６２の先端に固定されるコリメータアレイ６４とを有する。ハウジング６２内には、リボンケーブル６０のチャネル数と同じ本数の光ファイバが配列されたファイバアレイ６６を有する。
【００７３】
コリメータアレイ６４は、ファイバアレイ６６に含まれる光ファイバの本数に応じた数の球状レンズ６８が配列されて構成され、各球状レンズ６８は、それぞれ対応する光ファイバと光学的に結合されている。また、各球状レンズ６８は、上述した第１の実施の形態に係る光デバイス１０Ａと同様の固定基板１２と押さえ基板１４とで挟持固定されている。
【００７４】
ここで、通常の光デバイスにおいて、コリメータアレイの要求仕様によっては、径がチャネルの配列ピッチよりも大きな球レンズを使用せざるを得ない場合があるが、上述したように、このまま使用するのは物理的に不可能である。
【００７５】
従来から、球レンズの円周を削ってレンズ部の半径ｒは変えずに、外径を小さくしてなるドラムレンズが知られている。しかし、このドラムレンズは、外周加工によって、本来の外径中心とレンズ中心の一致という球レンズの利点が損なわれてしまっていた。
【００７６】
そこで、この第２の実施の形態に係る光デバイス１０Ｂのコリメータアレイ６４は、図７Ａに示すように、球レンズ１６（例えば図１参照）の側面部分を削り、幅ｗを狭くしてなる球状レンズ６８を用い、これら球状レンズ６８をそれぞれ交差部２４に固定するようにしている。ここで、球レンズ１６の側面部分とは、隣接する球レンズ１６と対向する部分を指す。なお、第２の実施の形態では、両側に位置する球レンズ１６においても、それぞれ両側面部分を削るようにしている。これは、全てのチャネルにおける特性（光結合特性等）を一定にするためである。
【００７７】
しかも、交差部２４における接触点３２ａ〜３２ｄ（図１参照）には、球状レンズ６８の球面部分が接触することから、球レンズ１６本来の利点を損なうことがない。
【００７８】
つまり、第２の実施の形態に係る光デバイス１０Ｂは、球レンズ１６の利点を損なうことなく、チャネルの狭ピッチ化を図ることができる。例えば、半径０．６ｍｍ（φ１．２ｍｍ）の球レンズを１ｍｍピッチに並べる場合は、球レンズ１６の側面部分を削って幅０．９９ｍｍの球状レンズ６８とし、この球状レンズ６８を１ｍｍピッチの交差部に並べればよい。
【００７９】
上述の第１の実施の形態に係る光デバイス（変形例を含む）では球レンズを用い、第２の実施の形態に係る光デバイスでは球状レンズを用いたが、いずれの場合においても、光の入射有効エリアと光の出射有効エリアをほぼ同じにすることができる。これは、上述したように、所望の平行光を得ることができ、設計の自由度も広くなることにつながる。
【００８０】
【実施例】
次に、第２の実施の形態に係る光デバイス１０Ｂを４チャネル用のコリメータアレイを有する光デバイスに適用した実施例について図７Ａ及び図７Ｂも参照しながら説明する。
【００８１】
この実施例に係る光デバイスは、チャネルの配列ピッチが０．９ｍｍである。この場合、径φ１ｍｍの球レンズ１６が光学的に最適であったため、径φ１ｍｍの球レンズ１６の側面部分を削って幅０．８９ｍｍの球状レンズ６８とした。
【００８２】
使用したファイバアレイ６６は、配列ピッチが０．９ｍｍで、通常のφ１２５μｍのシングルモードファイバを使用した。外形は幅６ｍｍ×長さ１０ｍｍ×厚み３ｍｍとした。端面は、光学設計が行い易い直角としたので、反射防止のためにファイバアレイ６６の端面にＡＲコートを施した。
【００８３】
コリメータアレイ６４としては、下基板に、４つの交差部２４が形成された固定基板１２を用い、上基板に、４つのＶ溝２８が形成された押さえ基板１４を用いた。外形は幅６ｍｍ×長さ２ｍｍ×厚み３ｍｍとした。
【００８４】
まず、固定基板１２の交差部２４の表面並びに押さえ基板１４のＶ溝２８の表面にそれぞれ接着剤を薄く塗布した。次に、固定基板１２の交差部２４に球状レンズ６８を載置した。基本的には、固定基板１２の交差部２４の配列ピッチと、押さえ基板１４のＶ溝の配列ピッチが一致する状態が、一番安定で、かつ、押さえ基板１４のＶ溝２８と固定基板１２の交差溝２０が互いに直交するため、球状レンズ６８を交差部２４に載置して上下方向に加重を掛けるだけでも位置決め精度は確保できる。
【００８５】
しかし、この実施例では、念のため、まず、この組立て状態の画像を撮像し、その画像を見ながら、押さえ基板１４のＶ溝２８と固定基板１２の交差溝２０が互いに直交するように、押さえ基板１４を合わせ設置し、その後、ゆっくりと加重を掛け確実に所望の状態とした。
【００８６】
ファイバアレイ６６における各光ファイバと各球状レンズ６８とが、所望の結合距離になるようにスペーサ７０を配置した。予め固定基板１２の交差溝２０と端面の平行度を精度よく加工しておき、かつ、スペーサ７０も寸法・平行度を確保した上で、端面貼り合わせのみで結合距離、θｘ及びθｙが調整されるべくスペーサ７０をコリメータアレイ６４に貼り合わせた。
【００８７】
なお、スペーサ７０は、光ファイバと球状レンズ６８との間が空気７２となるように、両側の位置に配置した。
【００８８】
光結合の作業は次のように行った。まず、ファイバアレイ６６から直接出射するビームを画像で確認し、ビームの出射位置をコンピュータのメモリに記憶させた。次に、コリメータアレイ６４に貼り合わされているスペーサ７０の端面とファイバアレイ６４の端面とを面合わせし、次に、ｘ方向、ｙ方向及びθｚの調整を行い、記憶したビームの出射位置と各球状レンズ６４から出射されるビームの出射位置が一致するように位置合わせした。最後にスペーサ７０の端面とファイバアレイ６６の端面との間を接着剤で固定した。
【００８９】
球状レンズ６８は幅ｗが０．８９ｍｍとなるまで削ったが、交差部２４の整列溝２２から隠れる部分を除いた光の入射有効エリアは約０．８ｍｍなので、特性上問題はない。また、コリメータアレイ６４の位置精度としては、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向共に１μｍ以下であって高精度であった。
【００９０】
最後に、検査として２つのコリメータアレイ６４を２０ｍｍの距離で対向させて結合効率の測定を行った。最大でも損失が１ｄＢと良好な結果であった。
【００９１】
なお、この発明に係る光デバイスは、上述の実施の形態に限らず、この発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることは勿論である。
【００９２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る光デバイスによれば、球状レンズの固定基板に対する接着強度を十分に確保することができ、また、球状レンズにおける光の入力有効エリアを十分に大きくとることができ、更に、設計の自由度を広げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係る光デバイスの構成を示す断面図である。
【図２】第１の実施の形態に係る光デバイスの構成を示す分解斜視図である。
【図３】第１の実施の形態に係る光デバイスの他の例（複数の交差部を有する例）を示す分解斜視図である。
【図４】図４Ａは球レンズを直接整列溝に載置した状態を示す説明図であり、図４Ｂは球レンズを交差部に載置した状態を示す説明図であり、図４Ｃは第１の実施の形態において、整列溝を作製する場合の基準となる仮想円を示す説明図である。
【図５】Ｓｉ基板にエッチングにて溝を形成した場合の不都合点を示す説明図である。
【図６】変形例に係る光デバイスを示す断面図である。
【図７】図７Ａは第２の実施の形態に係る光デバイスを示す正面図であり、図７Ｂは第２の実施の形態に係る光デバイスを示す上面図である。
【符号の説明】
１０Ａ、１０Ａａ、１０Ｂ…光デバイス　１２…固定基板
１４…押さえ基板　　　　　　　　　　　１６…球レンズ
２０…交差溝　　　　　　　　　　　　　２２、２２Ａ〜２２Ｄ…整列溝
２４…交差部　　　　　　　　　　　　　２６ａ〜２６ｄ…稜
２８、２８Ａ〜２８Ｄ…Ｖ溝　　　　　　３０、３４、３６…接着剤
３２ａ〜３２ｄ…接触点　　　　　　　　６８…球状レンズ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical device used for an optical communication system, for example, an optical device suitable for use in a collimator array having a spherical lens. Here, the spherical lens is intended to include a spherical external part, a partially chipped shape, a drum lens, and the like. In particular, a spherical external lens is described as a spherical lens.
[0002]
[Prior art]
In recent years, the data capacity of telecommunication lines has been rapidly increasing. To cope with this, the introduction of a wavelength division multiplexing (WDM) transmission system using an existing optical fiber is being promoted, and the need for an optical cross-connect (OXC) switch as an optical device of the WDM transmission system is increasing.
[0003]
Among the OXC switches, for example, an MEMS (Micro Electro Mechanical System) type optical switch is manufactured using a micromachine technology, and mass production is considered to be easy. Therefore, it is a promising optical device in the future.
[0004]
Such an optical device is a multi-core optical device having a plurality of light inputs and a plurality of light outputs and a plurality of optical elements such as lenses configured as an array (lens array). In this case, a collimator array is used because it is necessary to direct a beam into space.
[0005]
Lenses used for the collimator array include an aspherical lens, a flat microlens, and a rod lens. However, these lenses are expensive, and in particular, the aspherical lens, which is a single lens, and the rod lens do not match the center position on the outer shape and the optical center position of the lens. Therefore, when a collimator array is constituted by an aspherical lens or a rod lens, there is a problem that it is extremely difficult to obtain a highly accurate beam (parallel light).
[0006]
On the other hand, a spherical lens having a spherical outer shape is inexpensive, and the center position on the outer shape matches the optical center position of the lens. There is an advantage that an accurate beam (parallel light) is easily obtained. The more the spherical lens is processed into a spherical shape with higher precision, the easier it is to obtain the above advantages.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, there are two major problems of the optical device using the spherical lens, the first is the problem of fixing the spherical lens, and the second is the problem due to the limitation of the performance of the spherical lens itself.
[0008]
First, the first problem of fixing a spherical lens will be described. An optical device having a collimator array may not function as an optical device unless the coupling distance between each lens and an optical waveguide such as an optical fiber facing each lens is accurately adjusted. Therefore, when configuring the collimator array, when viewing the end face of each lens from each optical waveguide, each lens is not only in a two-dimensional horizontal direction (X-Y direction) but also in a vertical direction (Z direction). Must also be correctly aligned.
[0009]
For example, when considering a collimator array composed of rod lenses, simply placing the rod lens in the V-groove causes the rod lens to enter the V-groove and not move easily. That is, if no external force is applied to the rod lens mounted on the V-groove, the rod lens is fixed at the mounted position only by its own weight, for example. Of course, the rod lens may be moved intentionally for adjustment of optical coupling or the like, but in this case also, the rod lens can be easily moved. On the other hand, since the spherical lens has a spherical outer shape, when the spherical lens is placed in the V-groove, it moves very easily on the V-groove due to its own weight, for example.
[0010]
In order to solve this, for example, a wall is provided on an end face of a substrate having a V-groove, and a horizontal lens (X-Y direction) is positioned so that a spherical lens is abutted against the wall, and the V-groove of the substrate is formed. It is conceivable that the spherical lens is positioned and fixed in the up-down direction (Z-direction) by the and the pressing substrate arranged opposite to the V-groove.
[0011]
In this case, in the operation of positioning and fixing the spherical lens, a horizontal (X-Y) load on the spherical lens (including its own weight by the spherical lens) and a method for fixing or temporarily fixing the substrate and the holding substrate are used. It is necessary to apply the load in the vertical direction (Z direction) at the same time.
[0012]
However, since the spherical lens is a lens that is easier to move than other lenses, even if the above-described operation is performed and the positioning and fixing of the spherical lens are strictly performed, an error of about 10 μm easily occurs, It is difficult to obtain sufficient accuracy.
[0013]
Therefore, conventionally, it has been proposed to use a fixed substrate in which a plurality of V-grooves intersect on the surface and position and fix spherical lenses at a plurality of intersections where these V-grooves intersect (for example, JP-A-2002-116363). Reference).
[0014]
By the way, in the optical device according to the conventional example, a hole is provided at the bottom of each intersection, and light from a light source is incident on a spherical lens through the hole to obtain parallel light.
[0015]
In such a configuration, when the ball lens is fixed to the fixed substrate, it is conceivable to fill the bottom of the intersection with an adhesive to fix the ball lens, but the adhesive (the hole through which light passes) can be considered. There is a possibility that the adhesive will be blocked, and for example, a method of applying an adhesive only to a contact portion between the ball lens and the intersection may be considered. However, in this case, since the adhesive strength of the ball lens to the intersection portion is reduced, there is a possibility that the ball lens will be easily detached during the subsequent process or handling. As the adhesive, a light transmissive material may be used, but it is necessary to consider various parameters such as a relationship with a refractive index with a spherical lens and an adhesive ability, and the material is naturally limited, It is disadvantageous in terms of cost.
[0016]
Further, in the optical device according to the above-described conventional example, since light is transmitted through the hole, the effective area of light incidence depends on the diameter of the hole, and when the diameter of the hole is increased, As described above, since the fixing of the spherical lens may be insufficient, the diameter of the hole cannot be unnecessarily increased. That is, the effective area of light incidence in the conventional optical device is greatly affected by the substrate. Note that the effective area related to light emission is not affected by the diameter of the hole, and therefore can be larger than the effective incident area.
[0017]
As described above, in the optical device according to the conventional example, a problem arises in that the effective area for light incidence becomes narrow due to the influence of the substrate, a desired parallel light cannot be obtained, and the degree of freedom in design also becomes narrow.
[0018]
Next, the second problem, the restriction on the performance of the spherical lens itself, will be described. Here, the constraint on the performance of the spherical lens itself is a constraint on the parallel light and the degree of freedom in design.
[0019]
Specifically, first, regarding parallel light, since a spherical lens basically has spherical aberration, it is extremely difficult to emit ideal parallel light from the spherical lens.
[0020]
Regarding the degree of freedom of design, in the case of an optical device using a spherical lens, the specifications of another optical device such as a MEMS switch optically coupled to the optical device determine the pitch between a plurality of spherical lenses and the operating distance of a beam. Although the specifications are determined, the only way to design a spherical lens to meet the required specifications is to change the diameter of the spherical lens. That is, the only practical degree of freedom in design is to change the diameter of the spherical lens. It is also possible to change the material of the ball lens, that is, the refractive index of the ball lens as a means for achieving the desired specification. However, in consideration of the reliability and performance of the ball lens, the material of the ball lens is changed. Cannot be easily changed, and if the ball lens is changed to a special material, there is a possibility that high shape accuracy, which is an original advantage of the ball lens, cannot be obtained.
[0021]
If the arrangement pitch determined by the required specifications is larger than the diameter of the spherical lens, it becomes physically impossible to arrange a plurality of spherical lenses. In such a case, even if the performance of the spherical lens is sacrificed to some extent, a spherical lens having a diameter equal to or less than the arrangement pitch has to be used.
[0022]
The present invention has been made in view of such a problem, and it is possible to sufficiently secure the adhesive strength of a spherical lens to a fixed substrate and to have a sufficiently large effective light input area in the spherical lens. It is another object of the present invention to provide an optical device capable of increasing the degree of freedom of design.
[0023]
[Means for Solving the Problems]
In the optical device according to the present invention, at least two V-grooves are provided so as to intersect with each other on the surface of the fixed substrate, and four ridges are formed at the intersection of the two V-grooves. In an optical device supporting a spherical lens and positioning and fixing the spherical lens on the fixed substrate, incident light traveling along at least one of the two V grooves is incident on the spherical lens. It is characterized by that.
[0024]
As a result, the light incident effective area and the like are not affected by the substrate, desired parallel light can be obtained, and the degree of freedom in design is widened. Further, when the spherical lens is fixed to the fixed substrate, the bottom of the intersection can be filled with an adhesive and fixed, and the adhesive strength of the spherical lens to the fixed substrate can be sufficiently ensured. In particular, when the shape of the spherical lens is a sphere, that is, when the lens is a spherical lens, the effective area for light incidence can be 70% or more of the maximum area determined by the diameter of the sphere. Also, regardless of the shape of the spherical lens, the effective light entrance area and the effective light emission area can be made substantially the same. As described above, a desired parallel light can be obtained, and the degree of freedom in design can be increased.
[0025]
Note that it is impossible to make the entire maximum area determined by the diameter of the sphere a light incident effective area due to the shape of the lens. Therefore, the upper limit of the effective incident area is less than 100% of the maximum area, but 90% of the maximum area can be secured in consideration of uncertain factors such as an adhesive.
[0026]
Further, in the above configuration, a pressing substrate is disposed so as to face two V-grooves of the fixed substrate, the pressing substrate supports the spherical lens together with an intersection of the fixed substrate, and A V-groove for positioning and fixing on the fixed substrate may be provided.
[0027]
Accordingly, the spherical lens is sandwiched between the intersection of the fixed substrate and the V-groove of the holding substrate, and the spherical lens can be positioned with high precision in the horizontal and vertical directions. If the holding substrate is provided with an escape groove (a groove for preventing the adhesive from flowing to the light transmitting surface of the spherical lens) in addition to the V-groove, the fixing substrate and the holding substrate are bonded to the adhesive. When they are fixed to each other, the adhesive does not flow into the surface of the spherical lens through which light is transmitted, and a sufficient light incident effective area can be secured.
[0028]
Further, in the above configuration, at least the bottom of the V-groove of the fixed substrate may be flat. When a point at which the spherical lens comes into contact with the intersection of the fixed substrate is defined as a contact point, it is preferable that an interval between at least the bottom of the V-groove of the fixed substrate and the contact point of the spherical lens is 50 μm or less. .
[0029]
Thereby, the distance between the bottom of the V-groove and the top of the spherical lens (the top facing the bottom of the V-groove) can be reduced, and the minimum necessary adhesive is applied to the V-groove to form the spherical lens. Fixation can be performed.
[0030]
If the interval is large, it is necessary to apply a large amount of adhesive, and there is a possibility that a large amount of the adhesive may reach the light transmitting surface of the spherical lens. It is practically impossible to apply the adhesive only to the bottom of the V-groove, and the adhesive is also applied to the tapered portion of the V-groove. It is assumed that the distance from the bottom to the top of the spherical lens (the top facing the bottom of the V-groove) is, for example, 30 μm, and the adhesive is present in an overall thickness of 40 μm. In this case, an adhesive is filled between the bottom of the V-groove and the spherical lens, and the spherical lens is fixed to the V-groove.
[0031]
Here, if an adhesive is present on the light transmitting surface of the spherical lens, the degree of transmission (the degree of transmission is low) is determined by the material of the adhesive and the like, and is uncertain. That is, the portion of the light transmitting surface of the spherical lens to which the adhesive is adhered can be defined as an area where light transmission is uncertain. In the above example, the uncertain area of the spherical lens is 10 μm.
[0032]
On the other hand, from the contact point of the V-groove toward the center of the spherical lens, it should be considered that 40 μm of the adhesive is present. In this case, the light transmission is uncertain at 40 μm around the spherical lens due to the adhesive. . Here, for example, for a 1 mm spherical lens, π × (1000−2 × 40) ² / 1000 ² = 0.8464, the effective area on light transmission is about 85% of the maximum area determined by the diameter of the spherical lens. In this case, the area where the light transmission is uncertain (uncertain area) is 15% of the entire area, but this ratio is almost equal to the ratio of the area hidden by the intersection, and a spherical lens is mounted on the intersection. There is no particular restriction on the placement.
[0033]
For this reason, reducing the distance from the bottom of the V-groove to the top of the spherical lens (the top facing the bottom of the V-groove) does not increase the uncertain area, and conversely, This is preferable in that the amount of the agent applied can be reduced, and the amount of the adhesive flowing around the light transmitting surface of the spherical lens can be reduced. Further, since the amount of the adhesive used is reduced, it is advantageous in terms of cost.
[0034]
In the actual manufacturing process, a thin adhesive (100 μm or less) is first applied to the fixed substrate, and a spherical lens is placed at the intersection of the fixed substrate and cured. It is more preferable to quickly cure with an ultraviolet curable adhesive so that the adhesive does not flow into the light transmitting surface of the spherical lens.
[0035]
Further, when a plurality of intersections are provided on the fixed substrate, and a plurality of spherical lenses are positioned and fixed at the corresponding intersections to form an array, the arrangement pitch of the intersections is made smaller than the diameter of the spherical lens. Is also good. In this case, it is preferable that at least a portion of each spherical lens facing the adjacent spherical lens is cut off.
[0036]
Thereby, even when the arrangement pitch determined by the required specifications is larger than the diameter of the spherical lens, it is possible to sufficiently cope with this, and the degree of freedom in designing an optical device using the spherical lens can be expanded.
[0037]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of an optical device according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 7B.
[0038]
First, as shown in FIG. 1, the optical device 10A according to the first embodiment includes a fixed substrate 12, a holding substrate 14, and a spherical lens 16 held between the fixed substrate 12 and the holding substrate 14. Have.
[0039]
For example, as shown in FIG. 2 (upside down from FIG. 1), two V-grooves 20 and 22 are formed on one main surface of the fixed substrate 12 so as to be substantially orthogonal to each other. Four ridges 26a to 26d are formed at a portion (intersection 24) where 20 and 22 intersect. The ball lens 16 is mounted and fixed to the intersection 24. FIG. 2 shows a case where one intersection 24 is formed on one fixed substrate 12. However, as shown in FIG. 3, four intersections 24 may be formed, or more. May be formed. FIG. 3 shows an example in which one V-groove 20 is formed in the fixed substrate 12 in the row direction and four V-grooves 22A to 22D are formed in the column direction.
[0040]
In the following description, in order to clarify the distinction between the V grooves, one V groove 20 in FIGS. 2 and 3 is referred to as an intersection groove 20, and the other V groove 22 (22A to 22D) is an alignment groove 22 (22A). ２２22D). When the plurality of alignment grooves 22 A to 22 D are collectively referred to, they are simply referred to as the alignment grooves 22.
[0041]
As shown in FIGS. 2 and 3, the holding substrate 14 has, on one main surface thereof (a surface facing the one main surface of the fixed substrate 12), an alignment groove 22 of the fixed substrate 12, and the alignment groove 22. A V-shaped groove 28 (28A to 28D) parallel to 22 is formed. When the plurality of V-grooves 28A to 28D are referred to collectively, they are simply referred to as V-grooves 28.
[0042]
When the optical device 10A is manufactured, the adhesive 30 (see FIG. 1) is applied to the bottom of the intersection 24 of the fixed substrate 12, and then the spherical lens 16 is placed on the intersection 24. At this time, as shown in FIG. 2, the spherical lens 16 is supported at the contact points 32a to 32d at the ridges 26a to 26d at the intersection 24, respectively.
[0043]
Here, when a plurality of intersections 24 are arranged on the fixed substrate 12 in, for example, a matrix, and the ball lenses 16 are mounted on these intersections 24, each of the ball lenses 16 is aligned in the X direction (row direction). In the Y direction (column direction). Further, the apexes of the spherical lenses 16 are also substantially aligned in the Z direction (a direction in which the spherical lenses 16 rise vertically from one main surface of the fixed substrate 12).
[0044]
Thereafter, an adhesive 34 (see FIG. 1) is applied to the bottom of the V-groove 28 of the holding substrate 14, and the V-groove 28 of the holding substrate 14 and the intersection 24 of the fixed substrate 12 face each other. The ball lens 16 fixed to the substrate is pressed and fixed by the pressing substrate 14.
[0045]
The ball lens 16 is stably fixed simply by being placed on the intersection 24, and thereafter, only by applying a load (load in one direction) with the holding substrate 14, the three axes of the X direction, the Y direction, and the Z direction are provided. Is determined, submicron accuracy can be obtained even after assembly.
[0046]
Then, in the optical device 10A according to the present embodiment, as shown in FIG. 3, for example, the light L from the light source travels along the alignment grooves 22 (22A to 22D) and enters the spherical lens 16. Has become. As a result, the effective area of light incidence and the like are not affected by the fixed substrate 12 and the holding substrate 14, and desired parallel light can be obtained, and the degree of freedom in design is widened. Further, when the ball lens 16 is fixed to the fixed substrate 12, as described above, the bottom of the intersection 24 can be filled with the adhesive 30 and fixed, and the adhesive strength of the ball lens 16 to the fixed substrate 12 is sufficient. Can be secured. This is the same for the holding substrate 14.
[0047]
By the way, it is known to use a V-groove to secure the positioning accuracy of the ball lens 16 in the X and Y directions. However, when the ball lens 16 is mounted on the intersection 24 and when the ball lens 16 is mounted directly on the alignment groove 22, the respective contact positions are different.
[0048]
This will be specifically described with reference to FIGS. 4A and 4B. First, as shown in FIG. 4A, when the ball lens 16 is directly placed in the alignment groove 22, the ball lens 16 comes into contact with the alignment groove 22 at two contact points 31a and 31b. On the other hand, as shown in FIG. 4B, when the ball lens 16 is placed on the intersection 24, the ball lens 16 comes into contact with the four ridges 26a to 26d at the contact points 32a to 32d, respectively. As shown by the chain line, the contact positions 31a and 31b when the spherical lens 16 is directly placed in the alignment groove 22 are different.
[0049]
Even in such a case, if the intersection groove 20 (see FIG. 3) is a substantially desired groove (for example, a groove having a constant shape), the positions of the contact points 32a to 32d at the intersection 24 are also substantially constant. Even when the cross grooves 20 are formed, the ball lenses 16 are aligned according to the accuracy of the alignment grooves 22, and the accuracy can be secured without any problem.
[0050]
However, regarding the alignment of the ball lenses 16, it is not necessary that the plurality of ball lenses 16 (for example, the top) be aligned in a straight line. One of the characteristics required for the fixed substrate 12 is to strictly control the distance between the fixed substrate 12 and the pressing substrate 14 (= the thickness of the adhesive layer 36 (see FIG. 1)) and the like when bonded and fixed by the pressing substrate 14. This is an extremely important factor in industry.
[0051]
As shown in FIG. 4A, the distance between the spherical lens 16 and the fixed spherical lens 16 in the vertical plane passing through the contact points 31a and 31b between the spherical lens 16 and the alignment groove 22 among the spherical lenses 16 placed in the alignment groove 22 is as shown in FIG. When the substrate 12 is cut, it can be managed by grasping the distance Z0 from the center Oa of the sectional circle of the spherical lens 16 to the contact points 31a and 31b.
[0052]
That is, if the ball lens 16 is directly placed in the alignment groove 22, as shown in FIG. 4A, while grasping the center Oa of the cross-sectional circle of the ball lens 16, the ball passes through the center Oa and is aligned with the alignment groove. By processing the alignment groove 22 with reference to a line extending in the direction in which the alignment groove 22 is formed, the alignment groove 22 can be manufactured with high accuracy. At this time, the diameter of the cross-section circle, in this case, the distance Z0, can be set as the diameter of the spherical lens 16 that comes into contact with the alignment groove 22 processed as described above.
[0053]
On the other hand, as shown in FIG. 4B, when the ball lens 16 is placed at the intersection 24 of the fixed substrate 12, as described above, the case where the ball lens 16 is placed in the direct alignment groove 22 is Since the contact positions are different, among the spherical lenses 16 placed on the intersection 24, the spherical lens 16 is fixed to the vertical position passing through the contact points (for example, 32b and 32c) between the spherical lens 16 and the intersection 24. When the distance from the center Ob of the cross-sectional circle of the spherical lens 16 when the substrate 12 is cut to the contact points 32b and 32c is defined as Z1, the distance Z1 is different from the distance Z0, and the centers Oa and Ob will also be different.
[0054]
Therefore, the measurement of the distance Z1 is performed not only in the final evaluation, but also while comprehending during processing, by feeding back a correction value such that the measured value Z1 is a desired distance from the measured value Z1 in the intermediate product state. If the operation is to calculate a shift amount and output a correction value in order to obtain a correction value, the processing process may be greatly affected.
[0055]
For this reason, in the present embodiment, as shown in FIG. 4C, the theoretical values of the contact positions (for example, 32a and 32c) are calculated in advance, and the virtual circle 17 that is in contact with the extension line of the actual alignment groove 22 is set. Then, the diameter Z1 of the virtual circle 17 is calculated. Then, the center Ob of the spherical lens 16 to be mounted is determined based on the calculated diameter Z1 and this center Ob is used for measuring the alignment groove 22. Thereby, the processing of the alignment groove 22 can be accurately performed in the usual steps. That is, the alignment groove 22 is processed based on the line that passes through the center Ob calculated as described above and extends in the direction in which the alignment groove 22 is formed. Thereby, the alignment groove 22 can be manufactured with high accuracy.
[0056]
By the way, as shown in FIG. 5, when the groove 42 is formed in the Si substrate 40 by etching, the groove 42 having a quadrangular pyramid shape is formed. At this time, the ball lens 16 comes into contact with the tapered surface of the groove 42 in the same manner as a normal V groove. At first glance, it seems to be a stable and good method because of the abutment on the tapered surface, but the effective lens diameter obtained is greatly restricted.
[0057]
Specifically, since the inclination angle of the groove 42 formed by etching the Si substrate 40 is about 70 °, the distance between the surface formed by the contact points and the center of the spherical lens 16 is When the radius is r, it is 0.57r. That is, even if the groove 42 is formed by adjusting the depth so that the contact point comes at the upper edge of the groove 42, 43% of the spherical lens 16 is hidden in the groove 42, so that the ring shape including the hidden portion Is an unusable area (the area 44 shown in white in the spherical lens 16 in FIG. 5). In view of the margin in view of the processing accuracy and the state of the opening of the groove 42, only an effective area (the area 46 shown by hatching in the spherical lens 16 in FIG. 5) determined by about half the diameter can be obtained.
[0058]
As described above, in the spherical lens 16 in which the degree of freedom of design is only the diameter, if there is only an effective area of 50%, the degree of freedom is further narrowed, which is a serious problem.
[0059]
On the other hand, in the case of the present embodiment, the deviation (r-Z0) between the diameter r of the circle and the distance Z0 from the center of the circle to the surface of the alignment groove 22 is hidden. However, the hidden portion is small in area, and when both grooves (alignment groove 22 and V groove 28) are formed at the same inclination angle of 70 °, 70% or more of the maximum area determined by the diameter of the spherical lens 16 is formed. It can be secured as a light incident effective area. In the example of FIG. 1, about 80% can be secured.
[0060]
Even in consideration of actual use, since it is not possible to make a beam having the same beam diameter as the diameter of the spherical lens 16 incident from the viewpoint of coupling efficiency and the like, it is sufficient if 70% or more can be secured as a light incident effective area. is there.
[0061]
Note that it is impossible to make the entire maximum area determined by the diameter of the spherical lens 16 an effective light incident area due to the shape of the spherical lens 16. Therefore, the upper limit of the effective incident area is less than 100% of the maximum area, but 90% of the maximum area can be secured in consideration of uncertain factors such as an adhesive.
[0062]
Further, in the present embodiment, the spherical lens 16 can be accurately positioned in the X direction, the Y direction, and the Z direction with high accuracy. However, this depends only on the state of the ridges 26a to 26d. It is also conceivable that any of the contact points 32a to 32d may have a factor that degrades accuracy due to lack of any one of 26d.
[0063]
In particular, since the required specifications (position accuracy) in the X direction and the Y direction are on the order of submicrons, this effect is problematic.
[0064]
In order to solve this problem, in the present embodiment, the X direction and the Y direction are positioned by the normal V-groove without the cross groove 20, that is, the V-groove 28 in the holding substrate 14, and the positional accuracy in the Z-direction is improved. For the purpose of securing, it is more preferable to use the fixed substrate 12 in which the intersection groove 20 is formed. In this case, even if any of the ridges 26a to 26d is chipped or the like, the influence is exerted in the Z direction, but is affected by the V groove 28 of the holding substrate 14 in the X and Y directions. Is preferably small.
[0065]
Here, the adhesion of the spherical lens 16 will be considered. The properties of the spherical lens 16 naturally change if impurities adhere to the surface thereof. That is, if the adhesive 36 (see FIG. 1) used for bonding and fixing the ball lens 16 to the fixed substrate 12 and the pressing substrate 14 adheres to the light transmitting surface, desired characteristics cannot be obtained.
[0066]
For this reason, it is desirable to fix only the vicinity of the contact points 32a to 32d, and to fix the adhesive so that the adhesive 36 hardly goes around the center of the spherical lens 16.
[0067]
However, in the case of contact at the ridges 26a to 26d, when the contact points 32a to 32d are slightly away from the contact points 32a to 32d, the shape of the alignment grooves 22 and the cross grooves 20 is such that the tapered surface is widened upward, which contributes to adhesion. The area to do is small. Therefore, as in the optical device 10Aa according to the modification of FIG. 6, the distance d from the contact points 32a to 32d to the bottom of the intersection 24 is reduced, and the sphere is formed not only at the contact points 32a to 32d but also at the bottom of the intersection 24. It is preferable that the lens 16 is fixed via the adhesive 30. Thereby, it becomes possible to obtain sufficient adhesive strength. Also in the case where the holding substrate 14 is used, similarly, it is more preferable to reduce the distance e from the contact points 50a and 50b to the bottom of the V groove 28. More preferably, each of the above-mentioned distances d and e is 50 μm or less.
[0068]
Thereby, the distance between the bottom of the intersection 24 and the top of the ball lens 16 (the top facing the bottom of the intersection 24), and the bottom of the V-groove 28 and the top of the ball lens 16 (the top facing the bottom of the V-groove) ) Can be narrowed, and the ball lens 16 can be fixed only by applying the minimum necessary adhesive to the intersection 24 and the V-groove 28.
[0069]
Further, in consideration of stable adhesion between the fixed substrate 12 and the holding substrate 14, it is necessary to reliably fill and cure the adhesive 36 between the substrates 12 and 14. The adhesive 36 must also prevent the ball lens 16 from wrapping around the light transmitting surface. Therefore, for example, a relief groove (not shown) extending to one side of the holding substrate 14 to the side surface of the holding substrate 14 separately from the V-groove 28 so as to prevent the adhesive 36 from flowing to the surface of the ball lens 16 through which light is transmitted. Is formed.
[0070]
Thereby, by applying the adhesive 36 from the side surfaces of the fixed substrate 12 and the holding substrate 14, the fixed substrate 12 and the holding substrate 14 are fixed by the adhesive 36, and the light on the surface of the spherical lens 16 through which light is transmitted. Since the adhesive 36 does not flow around, it is possible to sufficiently secure the above-mentioned effective area for light incidence.
[0071]
Next, an optical device 10B according to a second embodiment will be described with reference to FIGS. 7A and 7B.
[0072]
As shown in FIGS. 7A and 7B, an optical device 10B according to the second embodiment has a housing 62 in which a ribbon cable 60 in which multi-core fibers are integrated is inserted and fixed, and a distal end of the housing 62. And a fixed collimator array 64. The housing 62 has a fiber array 66 in which the same number of optical fibers as the number of channels of the ribbon cable 60 are arranged.
[0073]
The collimator array 64 is configured by arranging a number of spherical lenses 68 according to the number of optical fibers included in the fiber array 66, and each spherical lens 68 is optically coupled to a corresponding optical fiber. Further, each spherical lens 68 is sandwiched and fixed between the fixed substrate 12 and the holding substrate 14 similar to the optical device 10A according to the above-described first embodiment.
[0074]
Here, in a normal optical device, depending on the required specifications of the collimator array, it may be necessary to use a spherical lens whose diameter is larger than the array pitch of the channels, but as described above, it is not possible to use a spherical lens as it is. Physically impossible.
[0075]
2. Description of the Related Art Conventionally, there has been known a drum lens in which the outer diameter is reduced without changing the radius r of a lens portion by cutting the circumference of a spherical lens. However, in this drum lens, the advantage of the spherical lens that the center of the original outer diameter coincides with the center of the lens has been impaired by the outer peripheral processing.
[0076]
Therefore, as shown in FIG. 7A, the collimator array 64 of the optical device 10B according to the second embodiment has a spherical shape obtained by cutting the side surface of the spherical lens 16 (for example, see FIG. 1) and reducing the width w. The lenses 68 are used to fix the spherical lenses 68 to the intersections 24, respectively. Here, the side surface portion of the spherical lens 16 refers to a portion facing the adjacent spherical lens 16. In the second embodiment, both side portions of the spherical lenses 16 located on both sides are also cut off. This is to make characteristics (optical coupling characteristics and the like) in all channels constant.
[0077]
In addition, since the spherical portions of the spherical lens 68 come into contact with the contact points 32a to 32d (see FIG. 1) at the intersection 24, the inherent advantages of the spherical lens 16 are not impaired.
[0078]
That is, in the optical device 10B according to the second embodiment, the channel pitch can be reduced without impairing the advantages of the spherical lens 16. For example, when arranging spherical lenses having a radius of 0.6 mm (φ1.2 mm) at a pitch of 1 mm, the side surface of the spherical lens 16 is shaved to form a spherical lens 68 having a width of 0.99 mm. It is sufficient to arrange them in the department.
[0079]
Although the optical device according to the above-described first embodiment (including the modifications) uses a spherical lens, and the optical device according to the second embodiment uses a spherical lens, in any case, the The effective incidence area and the effective light emission area can be made substantially the same. As described above, a desired parallel light can be obtained, and the degree of freedom in design can be increased.
[0080]
【Example】
Next, an example in which the optical device 10B according to the second embodiment is applied to an optical device having a collimator array for four channels will be described with reference to FIGS. 7A and 7B.
[0081]
The optical device according to this embodiment has a channel arrangement pitch of 0.9 mm. In this case, since the spherical lens 16 having a diameter of 1 mm was optically optimal, a spherical lens 68 having a width of 0.89 mm was obtained by shaving the side surface of the spherical lens 16 having a diameter of 1 mm.
[0082]
The fiber array 66 used was an ordinary single mode fiber having an arrangement pitch of 0.9 mm and a diameter of 125 μm. The outer shape was 6 mm wide × 10 mm long × 3 mm thick. Since the end face was a right angle for easy optical design, an AR coat was applied to the end face of the fiber array 66 to prevent reflection.
[0083]
As the collimator array 64, the fixed substrate 12 on which the four intersections 24 were formed was used for the lower substrate, and the holding substrate 14 on which the four V grooves 28 were formed was used as the upper substrate. The outer shape was 6 mm wide × 2 mm long × 3 mm thick.
[0084]
First, an adhesive was thinly applied to the surface of the intersection portion 24 of the fixed substrate 12 and the surface of the V-groove 28 of the holding substrate 14, respectively. Next, the spherical lens 68 was placed on the intersection 24 of the fixed substrate 12. Basically, the state in which the arrangement pitch of the intersections 24 of the fixed substrate 12 and the arrangement pitch of the V grooves of the holding substrate 14 are the most stable, and the V groove 28 of the holding substrate 14 and the fixed substrate 12 Since the intersection grooves 20 are orthogonal to each other, the positioning accuracy can be ensured only by placing the spherical lens 68 on the intersection 24 and applying a load in the vertical direction.
[0085]
However, in this embodiment, just in case, an image of the assembled state is first taken, and while watching the image, the V groove 28 of the holding substrate 14 and the cross groove 20 of the fixed substrate 12 are orthogonal to each other. The holding substrate 14 was placed and installed, and thereafter, the weight was slowly applied to ensure the desired state.
[0086]
The spacer 70 is arranged so that each optical fiber and each spherical lens 68 in the fiber array 66 have a desired coupling distance. The parallelism between the intersection groove 20 of the fixed substrate 12 and the end face is accurately processed in advance, and the dimensions and parallelism of the spacer 70 are also ensured, and the bonding distance, θx and θy are adjusted only by bonding the end face. The spacer 70 was bonded to the collimator array 64 as much as possible.
[0087]
The spacers 70 were arranged on both sides so that the space between the optical fiber and the spherical lens 68 was air 72.
[0088]
The work of optical coupling was performed as follows. First, the beam directly emitted from the fiber array 66 was confirmed by an image, and the beam emission position was stored in a computer memory. Next, the end face of the spacer 70 bonded to the collimator array 64 is aligned with the end face of the fiber array 64, and then the x direction, the y direction, and θz are adjusted. The alignment was performed so that the emission positions of the beams emitted from the spherical lens 64 coincided with each other. Finally, the space between the end face of the spacer 70 and the end face of the fiber array 66 was fixed with an adhesive.
[0089]
Although the spherical lens 68 was shaved until the width w became 0.89 mm, there was no problem in characteristics because the effective area of light incidence except for the part hidden by the alignment groove 22 of the intersection 24 was about 0.8 mm. The positional accuracy of the collimator array 64 was 1 μm or less in each of the X, Y, and Z directions, which was high.
[0090]
Finally, as an inspection, the coupling efficiency was measured with the two collimator arrays 64 facing each other at a distance of 20 mm. At best, the loss was as good as 1 dB.
[0091]
In addition, the optical device according to the present invention is not limited to the above-described embodiment, but may adopt various configurations without departing from the gist of the present invention.
[0092]
【The invention's effect】
As described above, according to the optical device of the present invention, it is possible to sufficiently secure the adhesive strength of the spherical lens to the fixed substrate, and to make the light input effective area of the spherical lens sufficiently large. It is possible to further increase the degree of freedom in design.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a configuration of an optical device according to a first embodiment.
FIG. 2 is an exploded perspective view showing a configuration of the optical device according to the first embodiment.
FIG. 3 is an exploded perspective view showing another example (an example having a plurality of intersections) of the optical device according to the first embodiment.
4A is an explanatory view showing a state in which a ball lens is directly placed in an alignment groove, FIG. 4B is an explanatory view showing a state in which a ball lens is placed at an intersection, and FIG. 4C is a first view. It is explanatory drawing which shows the virtual circle used as a reference | standard at the time of producing an alignment groove | channel in embodiment.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing disadvantages when a groove is formed in an Si substrate by etching.
FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating an optical device according to a modification.
FIG. 7A is a front view showing an optical device according to a second embodiment, and FIG. 7B is a top view showing the optical device according to the second embodiment.
[Explanation of symbols]
10A, 10Aa, 10B: Optical device 12: Fixed substrate
14 ... holding substrate 16 ... ball lens
20: Intersecting groove 22, 22A-22D: Aligning groove
24 ... intersection 26a-26d ... ridge
28, 28A to 28D: V-groove 30, 34, 36: adhesive
32a to 32d: contact point 68: spherical lens

Claims

At least two V-grooves are provided so as to intersect with each other on the surface of the fixed substrate. Four ridges are formed at the intersection of the two V-grooves. In an optical device in which a lens is positioned and fixed on the fixed substrate,
An optical device wherein incident light traveling along at least one of the two V-grooves is incident on the spherical lens.

The optical device according to claim 1,
When the shape of the spherical lens is a sphere,
An optical device, wherein an effective area for light incidence is 70% or more of a maximum area determined by a diameter of the sphere.

The optical device according to claim 1 or 2,
An optical device, wherein an effective area for entering light and an effective area for emitting light are substantially the same.

The optical device according to any one of claims 1 to 3,
An optical device, wherein an adhesive for fixing the spherical lens to the fixed substrate is filled in a bottom of the intersection.

The optical device according to any one of claims 1 to 4,
A holding substrate is arranged facing the two V-grooves of the fixed substrate,
The optical device, wherein the holding substrate supports the spherical lens together with the intersection of the fixed substrate, and has a V-groove for positioning and fixing the spherical lens on the fixed substrate.

The optical device according to any one of claims 1 to 5,
An optical device, wherein at least the bottom of the V-groove of the fixed substrate is flat.

The optical device according to any one of claims 1 to 6,
When the point at which the spherical lens contacts the intersection of the fixed substrate is defined as a contact point,
An optical device, wherein at least a distance between a bottom of the V-shaped groove of the fixed substrate and a contact point of the spherical lens is 50 μm or less.

The optical device according to any one of claims 1 to 7,
A plurality of intersections are provided on the fixed substrate,
A plurality of the spherical lenses are positioned and fixed at the corresponding intersections, respectively,
The arrangement pitch of the intersections is smaller than the diameter of the spherical lens.

The optical device according to claim 8,
An optical device, wherein each of the spherical lenses has at least a portion facing an adjacent spherical lens.