JP2004061671A

JP2004061671A - 光デバイス

Info

Publication number: JP2004061671A
Application number: JP2002217328A
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

【課題】球状レンズが有する球面収差を小さくして、光学部品との結合効率を高めるとともに、光学設計の簡略化、コストの低廉化を有効に図る。
【解決手段】球レンズ１２と、該球レンズ１２に光学的に結合される光学部品としての光ファイバ１４とを有し、特に、球レンズ１２と光ファイバ１４との間に屈折率整合部材としての接着剤１６を充填する。接着剤１６は、球レンズ１２の屈折率と光ファイバ１４の屈折率との間の範囲±αの屈折率を有する。例えば光ファイバの屈折率を１．４５、球レンズの屈折率を１．５としたとき、屈折率１．４〜１．５５の接着剤１６を選定する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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、高精度のビームを得ることが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、球レンズは、基本的に球面収差を持っているため、要求仕様によっては、他の光学部品との結合効率等に所望の特性を満たすことができない場合があり、問題となっていた。
【０００８】
また、光学部品の端面等での反射による戻り光の侵入を防ぐために、前記端面を光軸に対して斜めにする方法が考えられるが、この場合、前記端面での屈折で光路が変わるため、光学設計が複雑になるおそれがある。このため、前記端面を斜めではなく光軸に対して直角にし、更に、端面にＡＲコートを施す方法が考えられるが、ファイバアレイとなった状態でＡＲコートを施す必要から、コスト的に高価になる。
【０００９】
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、球状レンズが有する球面収差を小さくすることができ、光学部品との結合効率を高め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。
【００１０】
また、本発明の他の目的は、光学設計の簡略化、コストの低廉化を有効に図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。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
一般に、球レンズは、その材質の屈折率と球面状の屈折率界面で特性が決まる。単純な球面で焦点位置が最適化されていないレンズであるため、収差が大きくなる。この現象は、特に、球レンズに対する光の入射面と出射面の２面で屈折するために大きくなるとも捉えることができる。この考察から、本発明者は、球レンズの一面のみを積極的に使用するという考えに到った。
【００１２】
即ち、本発明に係る光デバイスは、球状レンズと、該球状レンズに光学的に結合される光学部品とを有する光デバイスにおいて、前記球状レンズと前記光学部品との間が屈折率整合され、前記球状レンズのうち、前記光学部品と対向する部分と反対側の部分における光の透過有効エリアが屈折率整合されていないことを特徴とする。
【００１３】
ここで、整合とは、球状レンズと光学部品との間の屈折率を、球状レンズの屈折率と光学部品の屈折率との間の範囲±αにすることを示す。例えば光学部品の屈折率を１．４５、球状レンズの屈折率を１．５としたとき、その間の範囲は１．４５〜１．５であるが、球状レンズと光学部品との間の屈折率は、前記範囲に対してある程度の幅を設定し、１．４〜１．５５にする。
【００１４】
そして、球状レンズ自身は、物理的にガラスの界面を持つが、その面に接する部分の屈折率を、球状レンズの屈折率と整合させることで、光学的には界面がなくなることになる。球状レンズの出射面が空気等の層と接するのであれば、該出射面において屈折率界面を持つため、レンズとして機能することとなる。つまり、本発明は、球状レンズの片面（この場合、例えば出射面）だけをレンズとして使用する。
【００１５】
その結果、球状レンズの収差を小さくすることができ、光学部品との結合効率を高めることができる。
【００１６】
また、本発明は、反射防止にも優れた機能を有する。一般に、ファイバアレイなどの光学部品での反射や球状レンズでの反射が元の光学部品に戻ると、光源に悪影響を与えることはよく知られている。
【００１７】
しかし、本発明の場合、光学部品と球状レンズとの間が屈折率整合されているため、両者の界面では反射が発生しない。これは、光学部品の端面を光軸に対して斜めにしたり、光学部品の端面を光軸に対して直角にして、かつ、該端面にＡＲコートを施すなどの処置をしなくても反射は抑えられることを示しており、その結果、光学設計が簡便になり、コスト等の面でも優れる。
【００１８】
もちろん、光学部品における球状レンズと対向する端面を光軸に対して斜めにしても、直角にしても、反射の問題はないということは、端面の角度の選定について制約がなくなるため、設計の自由度を広げられることにつながる。
【００１９】
そして、前記球状レンズは、前記光学部品と対向する部分に端面を有するようにしてもよい。これにより、光学部品との位置決めを簡単化することが可能となる。
【００２０】
前記球状レンズと前記光学部品との間に屈折率整合部材が介在してもよい。この場合、屈折率整合部材としては、接着剤やバルク材、あるいはバルク材と接着剤との組合せ等がある。特に、球状レンズと光学部品間の距離が長い場合には、前記屈折率整合部材としてバルク材を有するようにすれば、接着剤のみを使用した場合と比して、製造上の面や特性上の面等で有利となる。
【００２１】
球状レンズと屈折率整合部材とは光学的に界面がないことから、前記球状レンズ及び屈折率整合部材の各端面は、光軸に対して直角であってもよい。この場合、面合わせをしながら位置調整を行うことができ、位置決め工程の簡略化を図ることができる。また、端面が斜めの場合に生じていた光路の曲がりという問題はなく、しかも、球状レンズと屈折率整合部材との距離、あるいは球状レンズと光学部品との距離を設計値どおりに確保することができる。
【００２２】
また、屈折率整合部材及び光学部品の各端面は、光軸に対して所定の角度だけ傾斜していてもよい。この場合、反射防止の点で有利であり、前記所定の角度として光路の曲がりが光学設計に影響しない程度の角度を選定することで、端面を斜めにすることによる不都合点を回避することができる。
【００２３】
また、前記構成において、前記球状レンズを固定する基板を有するようにし、前記基板の表面に、少なくとも２つのＶ溝を交差して設け、これら２つのＶ溝の交差部に形成された４つの稜における所定の点で前記球状レンズを支持して、前記基板上に位置決め固定するようにしてもよい。
【００２４】
これにより、球状レンズの固定の問題、即ち、例えば自重によって、簡単に位置決め箇所から別の箇所に移動してしまうという問題を解決することができ、球状レンズを用いた光デバイスの製造工程、特に、位置決め工程を簡単化することができる。
【００２５】
また、本発明に係る光デバイスは、球状レンズと、該球状レンズに光学的に結合される光学部品とを有する光デバイスにおいて、前記球状レンズは、前記光学部品と対向する部分に端面を有するようにしてもよい。これにより、球状レンズと光学部品との位置決めを簡単化することが可能となる。
【００２６】
【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１６を参照しながら説明する。
【００２７】
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、球レンズ１２と、該球レンズ１２に光学的に結合される光学部品としての光ファイバ１４とを有し、特に、球レンズ１２と光ファイバ１４との間に屈折率整合部材としての接着剤１６が充填されている。なお、図１では、外部からの平行光Ｌが、球レンズ１２に入射され、該球レンズ１２において収束されて光ファイバ１４に入射している様子を示す。
【００２８】
ここで、接着剤１６は、球レンズ１２の屈折率と光ファイバ１４の屈折率との間の範囲±αの屈折率を有する。例えば球レンズ１２の構成材料がＢＫ−７であって、光ファイバ１４の構成材料が石英である場合、光ファイバ１４の屈折率は１．４５、球レンズ１２の屈折率は１．５であるため、屈折率が１．４〜１．５５の接着剤１６を選定する。これにより、球レンズ１２と光ファイバ１４との間において屈折率整合がなされることとなる。
【００２９】
このように、第１の実施の形態に係る光デバイス１０Ａにおいては、球レンズ１２と光ファイバ１４との間を接着剤１６にて屈折率整合するようにしたので、球レンズ１２と光ファイバ１４との間には、光学的に界面がなくなることになる。
【００３０】
図１に示すように、外部からの平行光Ｌが球レンズ１２にて収束されて光ファイバ１４に入射する場合は、球レンズ１２の光入射面が空気等の層と接するのであれば、屈折率界面を持つため、レンズとして機能する。反対に、光ファイバ１４から出射した光が、球レンズ１２にて平行光Ｌに変形されて出射する場合は、球レンズ１２の光出射面がレンズとして機能することとなる。つまり、この第１の実施の形態では、球レンズ１２の片面だけをレンズとして使用する。
【００３１】
一般に、球レンズ１２の収差は、球レンズ１２に対する光の入射面と出射面の２面で屈折するために、大きくなるとも捉えることができるが、この第１の実施の形態では、球レンズ１２の片面のみをレンズとして使用しているため、その分、収差が小さくなり、光ファイバ１４との結合効率を高めることができる。
【００３２】
また、この第１の実施の形態に係る光デバイス１０Ａは、反射防止にも優れた機能を有する。一般に、光ファイバ１４での反射や球レンズ１２での反射が元の光ファイバ１４に戻ると、光源に悪影響を与えることはよく知られている。しかし、この第１の実施の形態の場合、光ファイバ１４と球レンズ１２との間が接着剤１６にて屈折率整合されているため、両者の界面では反射が発生しない。
【００３３】
これは、光ファイバ１４における球レンズ１２と対向する端面１４ａを光軸に対して斜めにしたり、前記端面１４ａを光軸に対して直角にして、かつ、該端面１４ａにＡＲコートを施すなどの処置をしなくても反射は抑えられることを示しており、その結果、光学設計が簡便になり、コスト等の面でも優れることになる。
【００３４】
もちろん、光ファイバ１４の前記端面１４ａを光軸に対して斜めにしても、直角にしても、反射の問題はないということは、端面１４ａの角度の選定について制約がなくなるため、設計の自由度を広げられることにつながる。
【００３５】
次に、第２の実施の形態に係る光デバイス１０Ｂについて図２を参照しながら説明する。
【００３６】
この第２の実施の形態に係る光デバイス１０Ｂは、図２に示すように、上述した第１の実施の形態に係る光デバイス１０Ａとほぼ同様の構成を有するが、球レンズ１２と光ファイバ１４との間に、屈折率整合部材としてのスペーサ２０（バルク材によるスペーサ）が介在されている点で異なる。また、球レンズ１２とスペーサ２０との間には屈折率整合部材としての接着剤１６が充填され、スペーサ２０と光ファイバ１４との間にも屈折率整合部材としての接着剤１６が充填されている。
【００３７】
ところで、第１の実施の形態のように、球レンズ１２と光ファイバ１４との間にのみ接着剤１６を充填した場合、例えば光ファイバ１４からの出射光の拡がり（ＮＡ）は、空気の場合より小さくなるため、その分、光ファイバ１４と球レンズ１２の結合距離を大きく取る必要が生じてくる。例えば、結合距離が１ｍｍ程度である場合、１ｍｍもの空間に、均一に屈折率整合された接着剤１６を充填することは容易とはいえない。
【００３８】
そこで、この第２の実施の形態に係る光デバイス１０Ｂのように、球レンズ１２と光ファイバ１４との間にバルク材であるスペーサ２０を挿入し、これらを屈折率整合した接着剤１６で固定するようにすれば、光ファイバ１４と球レンズ１２間の屈折率整合を容易に実現することができる。
【００３９】
但し、光ファイバ１４と球レンズ１２とはそれぞれの屈折率が若干異なるため、微弱とはいえ反射が発生する。特に、光ファイバ１４から出射された光を球レンズ１２に入射させて平行光Ｌを得るコリメータを考えた場合、光ファイバ１４の端面１４ａで反射が発生すると、かなりの効率で元の光ファイバ１４に戻ってしまう。
【００４０】
これに対し、球レンズ１２におけるレンズ面での反射は結合距離の分だけ光ファイバ１４から離れていることを考えると、例え、反射効率が同じであっても、元の光ファイバ１４に戻る効率はかなり小さいといえる。このため、スペーサ２０並びに接着剤１６の各屈折率は、光ファイバ１４の屈折率に合わせる方がより好ましい。
【００４１】
また、接着剤１６のみで屈折率整合する場合、光ファイバ１４と球レンズ１２との結合距離が長い場合、既述のように、かなりの距離を充填することになるため、単純に作製することができないという問題に加え、以下のような問題が生じるおそれがある。
【００４２】
（１）微小な気泡の存在や、均質な硬化が難しいことから、局部的に変質部（屈折率が違う等の部分）等が生じる。この変質部等は接着剤１６の欠陥として存在することから、該欠陥により、反射や損失が発生することとなる。なお、１〜２ｍｍ程度の空間を接着剤１６にて均質に硬化することは非常に困難である。
【００４３】
（２）接着剤１６は樹脂にて構成されているため、硬化後の物性がばらつく場合がある。この硬化後の物性により、特に、偏光依存性や波長依存性という問題が発生するおそれがある。
【００４４】
（３）接着剤１６の透過率がｍｍオーダだとガラス等と比べると低いという問題がある。
【００４５】
（４）硬化後においても柔軟性を有することから、ガラス等と比べると、光ファイバ１４と球レンズ１２間の距離が物理的に変動するという問題や、温度等による物性変動が大きいという問題がある。
【００４６】
（５）接着剤１６の熱膨張係数は、１０^−５程度と大きく、熱変動が大きいことと、石英による光ファイバ１４やＢＫ−７による球レンズ１２の熱膨張率と一致していないという問題がある。
【００４７】
（６）光ファイバ１４あるいは球レンズ１２と屈折率が完全には合わないという問題がある。
【００４８】
（７）硬化収縮があるので、調心後、接着剤１６の硬化中に光ファイバ１４や球レンズ１２が移動するおそれがある。
【００４９】
（８）硬化前後で物性変化があるので、調心した状態での特性と硬化後の特性とに変動が生じるおそれがある。
【００５０】
これに対し、この第２の実施の形態では、光ファイバ１４と球レンズ１２との間にバルク材であるスペーサ２０を設置しており、特に、スペーサ２０に石英を用いた場合、材料的には均質であり、偏光、波長依存、透過率、温度変動等の問題はなく、かつ、光ファイバ１４に対して、熱膨張係数や屈折率が完全に一致している。また、調心した後での変動は当然ない。
【００５１】
このように、第２の実施の形態に係る光デバイス１０Ｂにおいては、球レンズ１２と光ファイバ１４間の結合距離が長くなる場合に、接着剤１６のみを使用した場合と比して、製造上の面や特性上の面等で有利となる。
【００５２】
次に、第３の実施の形態に係る光デバイス１０Ｃについて図３〜図８を参照しながら説明する。
【００５３】
この第３の実施の形態に係る光デバイス１０Ｃは、図３に示すように、複数の光ファイバ１４が配列されてなるファイバアレイ３０と、複数の球レンズ１２が配列されてなるレンズアレイ３２とが屈折率整合部材としてのスペーサ２０を介して結合されて構成されている。
【００５４】
ファイバアレイ３０とレンズアレイ３２とは、ある所望の結合距離（焦点距離等）を確保する必要があるが、θｘやθｙの調整をも簡便にするという観点からスペーサ２０を用いて面合わせすることにより、これらのファクターを簡便に満たすようにすることができる。
【００５５】
レンズアレイ３２における球レンズ１２の固定は、例えば図５及び図６に示す方法によって達成することができる。即ち、固定基板４０と、押さえ基板４２とを用意し、これらの固定基板４０と押さえ基板４２とで球レンズ１２を挟持固定する。以下の説明では、固定基板４０と押さえ基板４２とを合わせたものを組合せ基板４４と記す。
【００５６】
固定基板４０は、例えば図６に示すように、その一主面に４本のＶ溝（以下、整列溝４６Ａ〜４６Ｄと記す）が互いに平行して形成され、１本のＶ溝（以下、交差溝４８と記す）が前記４本の整列溝４６Ａ〜４６Ｄに対してほぼ直交して形成されている。
【００５７】
そして、これら整列溝４６Ａ〜４６Ｄ及び交差溝４８が交差する部分（交差部５０）には球レンズ１２が載置固定されている。なお、複数の整列溝４６Ａ〜４６Ｄを総称して言う場合には、単に整列溝４６として記す。
【００５８】
押さえ基板４２は、図５及び図６に示すように、その一主面（固定基板４０の一主面と対向する面）に、固定基板４０の整列溝４６と対向し、かつ、該整列溝４６と平行なＶ溝５２Ａ〜５２Ｄが形成されている。なお、複数のＶ溝５２Ａ〜５２Ｄを総称して言う場合には、単にＶ溝５２として記す。
【００５９】
そして、レンズアレイ３２を作製する場合は、固定基板４０における交差部５０の底部に接着剤５４（図５参照）を塗布した後、交差部５０に球レンズ１２を載置する。このとき、球レンズ１２は、図７に示すように、交差部５０における各稜５６ａ〜５６ｄにおいてそれぞれ接触点５８ａ〜５８ｄにて支持される。従って、図３及び図４に示すように、各球レンズ１２は、Ｘ方向に一直線状に並び、更に、各球レンズ１２の頂部もＺ方向（固定基板４０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。
【００６０】
その後、押さえ基板４２のＶ溝５２の底部に接着剤６０（図５参照）を塗布し、押さえ基板４２のＶ溝５２と固定基板４０の交差部５０とが対向するようにして、交差部５０に固定されている球レンズ１２を押さえ基板４２で押さえ、固定する。このとき、球レンズは、図８に示すように、押さえ基板４２のＶ溝５２との接触点６２ａ及び６２ｂにて支持される。
【００６１】
球レンズ１２は、交差部５０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４２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。
【００６２】
このようなレンズアレイ３２で第３の実施の形態に係る光デバイス１０Ｃを構成する場合は、組合せ基板４４とスペーサ２０との面合わせによる組立てが、精度的にも、また、位置決めの簡便さからも好ましい。
【００６３】
次に、第４の実施の形態に係る光デバイス１０Ｄについて図９及び図１０を参照しながら説明する。
【００６４】
この第４の実施の形態に係る光デバイス１０Ｄは、図９及び図１０に示すように、上述した第３の実施の形態に係る光デバイス１０Ｃとほぼ同様の構成を有するが、レンズアレイ３２に球レンズ１２ではなく、半球レンズ７０が固定されている点で異なる。
【００６５】
即ち、各半球レンズ７０は、スペーサ２０と対向する部分に端面７０ａを有し、かつ、該端面７０ａは、スペーサ２０の端面２０ａと同様に、光軸に対して直角とされ、更に、各端面７０ａが組合せ基板４４の端面４４ａ（スペーサ２０側の端面）に沿って揃っている。
【００６６】
ところで、上述した第３の実施の形態に係る光デバイス１０Ｃ（図３参照）において、球レンズ１２とファイバアレイ３０の光ファイバ１４間の結合距離は、組合せ基板４４のスペーサ２０側の端面４４ａから球レンズ１２までの距離ｊと、スペーサ２０の幅ｋとの合計の長さとなり、２つのファクターを必要とする。そこで、球レンズ１２をスペーサ２０に当接するようにした場合は、各球レンズ１２の位置がまちまちとなり、面合わせによる利点が損なわれるおそれがある。
【００６７】
これに対して、この第４の実施の形態に係る光デバイス１０Ｄでは、各半球レンズ７０の端面７０ａが組合せ基板４４の端面４４ａに沿って揃っているため、スペーサ２０に対して組合せ基板４４を面合わせするだけで、各半球レンズ７０もスペーサ２０に面合わせされ、半球レンズ７０の高精度な位置決めが簡単に達成される。
【００６８】
上述のように、結合時の調整を考慮すると、半球レンズ７０の端面７０ａのみを基準面としてもよいが、組合せ基板４４の端面４４ａも含めて基準面とすることが好ましい。これらを考慮すると、まず、上述のように、球レンズ１２（例えば図３参照）を組合せ基板４４にて整列させ、その後、組合せ基板４４と一緒に各球レンズ１２がそれぞれ半球レンズ７０となるところまで削ればよい。この手法であれば、図９に示すように、組合せ基板４４の端面４４ａと半球レンズ７０の端面７０ａがそれぞれ一致した一つの面となるので好適である。
【００６９】
この場合、半球レンズ７０の片側は平面なので、レンズ形状の面としては、スペーサ２０とは反対の面（半球側の面）のみとなる。従って、使用形態によっては、収差を改善することができる。このようなことから、この第４の実施の形態に係る光デバイス１０Ｄの変形例１０Ｄａとして、図１１に示すように、スペーサ２０を外した構成のものを実用化することも可能である。
【００７０】
しかし、半球レンズ７０の一部が平面であっても、入射光あるいは出射光は屈折することから、光路が変わり、場合によってはそれほどの改善（収差の改善）が得られないおそれがある。従って、第４の実施の形態に係る光デバイス１０Ｄのように、半球レンズ７０の場合でも、反射等を考慮すると、平面側に屈折率整合部材としてのスペーサ２０を配置して、光ファイバ１４に対して屈折率整合した方が好ましい。なお、スペーサ２０とファイバアレイ３０との間、並びにスペーサ２０とレンズアレイ３２との間にも屈折率整合部材としての接着剤１６を充填してもよい。
【００７１】
次に、第５の実施の形態に係る光デバイス１０Ｅについて図１２及び図１３を参照しながら説明する。
【００７２】
この第５の実施の形態に係る光デバイス１０Ｅは、図１２及び図１３に示すように、上述した第４の実施の形態に係る光デバイス１０Ｄとほぼ同様の構成を有するが、半球レンズ７０の代わりに、球レンズ１２の一部が削られて、半球レンズ７０よりもレンズ部分が多い球状レンズ８０である点と、スペーサ２０のファイバアレイ３０と対向する端面２０ｂとファイバアレイ３０の端面３０ａとが互いに光軸に対して斜めになっている点で異なる。
【００７３】
各球状レンズ８０の削られた部分は端面８０ａとされ、スペーサ２０と対向するように位置決めされている。また、各端面８０ａは、スペーサ２０の端面２０ａと同様に、光軸に対して直角とされ、更に、各端面８０ａが組合せ基板４４の端面４４ａ（スペーサ２０側の端面）に沿って揃っている。
【００７４】
これにより、半球レンズ７０（図９参照）の場合よりも、球状レンズ８０を固定基板４０の交差部５０並びに押さえ基板４２のＶ溝５２に対して安定に固定することができ、製造過程での球状レンズ８０の脱落や位置ずれを回避することができる。これは、製造工程の簡略化につながる。
【００７５】
これについて図７及び図８に基づいて説明する。即ち、固定基板４０と押さえ基板４２との間に球レンズ１２を設置した場合、図７に示すように、交差部５０と球レンズ１２の接触点５８ａ〜５８ｄは、上から見て、球レンズ１２の中心から四方に等間隔で離れた位置となり、図８に示すように、押さえ基板４２のＶ溝５２と球レンズ１２の接触点６２ａ及び６２ｂは、球レンズ１２の中心を通り、Ｖ溝５２の延在方向と直交する線上であって、球レンズ１２の中心から等間隔で離間した位置となるため、球レンズ１２を例えば切断線ｍに沿って正確な半球レンズ７０とすると、半球レンズ７０とＶ溝５２との接触点６２ａ及び６２ｂを削ってしまうおそれがある。半球レンズ７０が交差部５０やＶ溝５２に対して接着剤で固定されたとはいえ、Ｖ溝５２との接触点６２ａ及び６２ｂを削ってしまうことは好ましくない。
【００７６】
従って、正確に半球化するのではなく、球レンズ１２を例えば別の切断線ｎに沿って切断して、Ｖ溝５２との接触点６２ａ及び６２ｂが残る状態、好ましくは、交差部５０との４つの接触点５８ａ〜５８ｄが残る状態で平面化して球状レンズ８０を作製するとよい。これにより、球状レンズ８０を組合せ基板４４内に安定して固定させることができる。
【００７７】
また、この第５の実施の形態では、図１３に示すように、スペーサ２０の端面２０ｂとファイバアレイ３０の端面３０ａとが互いに光軸に対して斜めになっている。その結果、以下のような利点を得ることができる。
【００７８】
即ち、スペーサ２０や接着剤１６にて屈折率整合するといっても、厳密には屈折率がずれてしまうことは否めない。例えば石英製の光ファイバ１４の屈折率１．４５に対し、接着剤１６の屈折率が１．４７とすると、ファイバアレイ３０の端面３０ａが直角の場合、反射が４３ｄＢ程度発生する。場合によっては、５０ｄＢ以上は確保したいので、４３ｄＢだと若干大きいことになる。
【００７９】
そこで、この第５の実施の形態のように、ファイバアレイ３０の端面３０ａ及びスペーサ２０のファイバアレイ３０側の端面２０ｂを斜めにして反射の戻りを抑えることが好ましいが、斜めにすると光路が曲がるため光学系の設計の複雑さが増すという問題がある。しかし、上記条件であれば、光路の曲がりは０．１°程度なので、問題になるレベルではなく、やはり反射防止の観点から、上述の端面３０ａ及び２０ｂは斜めである方がよい。
【００８０】
また、上述のように、斜めにするのはファイバアレイ３０の端面３０ａ及びスペーサ２０のファイバアレイ３０側の端面２０ｂであり、レンズアレイ３２の端面４４ａ及びスペーサ２０のレンズアレイ３２側の端面２０ａは直角でもよい。球状レンズ８０がＢＫ−７とすると、屈折率が１．５０なので、屈折率１．４７の接着剤１６から入射すると、４０ｄＢの反射が発生する。しかし、ファイバアレイ３０の端面３０ａからｍｍオーダ離れているため、４０ｄＢの反射が発生しても、ファイバアレイ３０に戻る成分としては５０ｄＢ以上が確保できる。
【００８１】
ここで、第５の実施の形態に係る光デバイス１０Ｅの作製手順を考える。まず、ファイバアレイ３０にスペーサ２０を貼り付けて固定し、その後に、レンズアレイ３２を調心する。この場合、調心を行うもの同士の端面２０ａ及び４４ａは直角であるため、ファイバアレイ３０の端面３０ａ及びスペーサ２０のファイバアレイ３０側の端面２０ｂが斜めでも、直角による調心の利点を得ることができる。
【００８２】
仮に、調心するもの同士の端面２０ａ及び４４ａが斜めだと、面合わせを行った際に、Ｚ軸方向に加重を掛けた場合、Ｙ及びＺ軸方向に動く力に自由度があり、相対的にずれてしまうおそれがある。つまり、面合わせによる３軸調整ができなくなる。
【００８３】
これに対し、調心するもの同士の端面２０ａ及び４４ａが光軸に対して直角だと、面合わせしながら３軸調整はスペーサ２０で確保し、残り３軸を調心すればよい。
【００８４】
なお、上述のように、スペーサ２０の一方の端面２０ｂを光軸に対して斜めとし、他方の端面２０ａを光軸に対して直角にしてもよいが、台形形状であるため、一方の端面２０ｂが上下方向に斜めとなっている場合、上下方向に位置がずれるとＺ方向の距離（レンズアレイ３２とファイバアレイ３０間の距離）もずれてしまうこととなる。
【００８５】
厳密に光路の曲がりを回避したり、Ｚ軸方向の距離を確保するためには、スペーサ２０の貼り付け位置を正確に配置する必要があるため、図１４に示す第６の実施の形態に係る光デバイス１０Ｆのように、スペーサ２０の両端面２０ａ及び２０ｂは光軸に対して直角であることがより好ましい。
【００８６】
これは、現時点での市場から一般的に購入できる接着剤では若干の屈折率差があるので難しいが、より厳密に屈折率整合した接着剤は、現時点でも高価ではあるが入手は可能であり、将来的には、より一般的になると考えられる。このようなことから、厳密な屈折率整合が実現すれば、スペーサ２０の端面２０ｂは直角とした方が、光路曲がりの問題解決やＺ軸方向の距離の確保が簡便になるのでより好ましい。
【００８７】
【実施例】
次に、第５の実施の形態に係る光デバイス１０Ｅを８チャネルのレンズアレイを有する光デバイスに適用した実施例（以下、実施例に係る光デバイス１０Ｇと記す）について図６、図１２、図１５Ａ〜図１５Ｃ及び図１６も参照しながら説明する。なお、図６及び図１２は、４チャネルのレンズアレイ３２を示しているが、基本構造は８チャネルのレンズアレイと同じである。
【００８８】
この実施例に係る光デバイス１０Ｇにおいて、図１２に示すように、レンズアレイ３２における球状レンズ８０の配列ピッチは１ｍｍとした。また、使用したファイバアレイ３０の外寸は幅１０ｍｍ×長さ１０ｍｍ×厚み３ｍｍである。球状レンズ８０の基となる球レンズ１２はＢＫ−７製であってφ０．８ｍｍのものを用いた。
【００８９】
ここで、レンズアレイ３２について詳しく説明する。球状レンズ８０の整列のために、図１５Ａに示すように、固定基板４０として、配列ピッチが１ｍｍの８本の整列溝４６とこれら整列溝４６に対して直交する１本の交差溝４８が形成されたものを使用し、押さえ基板４２として、配列ピッチが１ｍｍの８本のＶ溝５２が形成されたものを使用した。
【００９０】
これにより、固定基板４０における８つの交差部５０では、それぞれ整列溝４６と交差溝４８の交差によって形成される４つの稜の各接触点に球状レンズ８０（図１５Ａの状態は、まだ端面研削を行っていないため、球レンズ１２の状態である）が接する状態とした。交差部５０における４つの接触点での接触で、理論的には、球状レンズ８０のＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向の位置が決まるが、特に、Ｚ方向の整列が容易となる点が大きな利点である。Ｘ方向及びＹ方向の整列は、基本的に押さえ基板４２側で確保する考え方である。
【００９１】
固定基板４０に対する整列溝４６の加工は、固定基板４０の側面４０ｃ（図６参照）を基準に、該側面４０ｃと平行にマイクログラインダーで行った。次に、図６及び図１５Ａに示すように、固定基板４０の側面４０ｃと直交する端面４０ａ及び４０ｂのうち、スペーサ２０側と反対の端面４０ａを基準に、これと平行に交差溝４８を加工した。これにより、交差溝４８は、前記端面４０ａと高精度に平行であり、かつ整列溝４６に対してもほぼ直角なＶ溝として形成された。従って、固定基板４０の前記端面４０ａは、交差溝４８の基準面となる。
【００９２】
次に、レンズアレイ３２の組立てを行った。即ち、図１５Ａに示すように、固定基板４０の各交差部５０に球レンズ１２を固定し、更に、押さえ基板４２で球レンズ１２を上方から押さえるようにして固定した。この段階で、組合せ基板４４内に８つの球レンズ１２が配列固定された形態となる。このとき、固定基板４０における交差溝４８の基準面４０ａが押さえ基板４２の対応する端面４２ａよりはみ出る形態にしておいた。
【００９３】
その後、球レンズ１２を固定基板４０の交差部５０に設置し、押さえ基板４２を球レンズ１２上に設置した。この際、球レンズ１２が固定基板４０の端面４０ａよりは引っ込み、押さえ基板４２の端面４２ａより一部はみ出る位置になるように押さえ基板４２を配置した。この段階で、固定基板４０と押さえ基板４２との重ね合わせによる組合せ基板４４が構成される。
【００９４】
この状態で、図１５Ｂに示すように、組合せ基板４４のうち、球レンズ１２が出ていない側の端面４０ｂ及び４２ｂから接着剤１６を塗布することで、球レンズ１２の方向に接着剤１６が流れ、押さえ基板４２の端面４２ａから球レンズ１２が一部露出している部分で前記接着剤１６の流れは止まる。つまり、球レンズ１２が露出している部分よりも端面４０ａの方向には接着剤１６が流れ込まず、屈折率整合しない状態が確保できた。この状態で、接着剤１６を紫外線照射により硬化した。なお、この実施例では、固定基板４０側は球レンズ１２が突き出ないようにした。これは交差溝４８により接着剤１６の流れがある程度止まるからである。しかし、接着剤１６の充填を確実にしたい場合には、接着剤１６を充填する際における球レンズ１２の光透過面への接着剤１６の回り込みを防止するために、固定基板４０も押さえ基板４２と同様に、該固定基板４０の端面４０ａから球レンズ１２の一部が突き出るような形態にしてもよい。
【００９５】
その後、図１５Ｃに示すように、球レンズ１２の一部が平面になるように、球レンズ１２を０．３ｍｍだけ削り、長さが０．５ｍｍとなるまで、球レンズ１２の一部を組合せ基板４４ごと平面研削盤で加工した。このとき、球レンズ１２が配置されている交差溝４８と平行に端面４４ａを加工するため、交差溝４８の基準面４０ａを基準に加工を行った。これにより、前記球レンズ１２は、一部に研削面（端面８０ａ）を有する球状レンズ８０となった。
【００９６】
上述の加工により、前記球状レンズ８０の端面８０ａは、交差溝４８に対して、正確に平行に加工することができた。つまり、球状レンズ８０の端面８０ａと球状レンズ８０の整列方向が精度よく平行となった。これは、以降の工程で、結合距離を揃える上で非常に重要な利点となる。平面研削盤を用いたのは、球レンズ１２を基準面４０ａを基準に正確に平面加工が行えるからである。最後に、球状レンズ８０の端面８０ａ並びに組合せ基板４４の研削面（端面４４ａ）を、共にバフ研磨のみで最終仕上げ研磨を施した。
【００９７】
なお、レンズアレイ３２の組合せ基板４４の外寸は幅１０ｍｍ×長さ２ｍｍ×厚み３ｍｍとした。また、組合せ基板４４の材質は、球状レンズ８０に合わせＢＫ−７とした。スペーサ２０は、石英製の光ファイバ１４と屈折率を合わせるために、石英を用いた。外寸は幅１０ｍｍ×長さ１ｍｍ×厚み３ｍｍとした。つまり、球状レンズ８０の中心と光ファイバ１４の結合距離は１．１ｍｍである。その後、ファイバアレイ３０に対してスペーサ２０を石英と屈折率が同じ１．４５の接着剤１６で固定した。
【００９８】
次に、調心・固定方法について説明する。まず、図１６に示すように、スペーサ２０の端面２０ｂに上述と同じ接着剤１６を塗布し、ファイバアレイ３０からスペーサ２０を通じて出射される光を撮像し、該出射光の画像を観察して、出射光の中心位置をコンピュータのメモリに記憶した。その後、スペーサ２０とレンズアレイ３２の研磨面（球状レンズ８０の端面８０ａが露出している面）とを面合わせし、Ｘ方向、Ｙ方向及びθｚを調整し、前記メモリに記憶した中心位置とコリメート光の中心が一致するようにした。その後、紫外線を照射して接着剤１６を硬化し、本実施例に係る光デバイスを完成させた。
【００９９】
作製した２つの実施例に係る光デバイスを距離３０ｍｍ離して結合した結果、全てのチャネルが損失１ｄＢ以下でクロストーク５０ｄＢ以上と、良好な結果を得た。
【０１００】
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もちろんである。
【０１０１】
【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、球状レンズが有する収差を小さくすることができ、光学部品との結合効率を高めることができる。また、光学設計の簡略化、コストの低廉化を有効に図ることができる。
【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を示す構成図である。
【図２】第２の実施の形態に係る光デバイスを示す構成図である。
【図３】第３の実施の形態に係る光デバイスを示し、特に、球レンズを露出させて示す平面図である。
【図４】第３の実施の形態に係る光デバイスを示し、特に、球レンズを露出させて示す側面図である。
【図５】第３の実施の形態に係る光デバイスにおけるレンズアレイを示す断面図である。
【図６】第３の実施の形態に係る光デバイスにおけるレンズアレイを示す分解斜視図である。
【図７】固定基板の交差部に球レンズを載置した状態を示す説明図である。
【図８】押さえ基板のＶ溝と球レンズとの位置関係を示す説明図である。
【図９】第４の実施の形態に係る光デバイスを示し、特に、半球レンズを露出させて示す平面図である。
【図１０】第４の実施の形態に係る光デバイスを示し、特に、半球レンズを露出させて示す側面図である。
【図１１】第４の実施の形態に係る光デバイスの変形例を示し、特に、半球レンズを露出させて示す側面図である。
【図１２】第５の実施の形態に係る光デバイスを示し、特に、球状レンズを露出させて示す平面図である。
【図１３】第５の実施の形態に係る光デバイスを示し、特に、球状レンズを露出させて示す側面図である。
【図１４】第６の実施の形態に係る光デバイスを示し、特に、球状レンズを露出させて示す側面図である。
【図１５】図１５Ａは実施例に係る光デバイスにおいて、固定基板の交差部に球レンズを載置し、更に押さえ基板を重ね合わせて組合せ基板とした状態を示す説明図であり、図１５Ｂは組合せ基板の一方の端面から接着剤を塗布した状態を示す説明図であり、図１５Ｃは組合せ基板の端面を研削加工した状態を示す説明図である。
【図１６】実施例に係る光デバイスを示し、特に、球状レンズを露出させて示す側面図である。
【符号の説明】
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｄａ、１０Ｅ、１０Ｆ、１０Ｇ…光デバイス
１２…球レンズ　　　　　　　　　　　　　１４…光ファイバ
１６…接着剤　　　　　　　　　　　　　　２０…スペーサ
３０…ファイバアレイ　　　　　　　　　　３２…レンズアレイ
４０…固定基板　　　　　　　　　　　　　４２…押さえ基板
４４…組合せ基板　　　　　　　　　　　　４６…整列溝
４８…交差溝　　　　　　　　　　　　　　５０…交差部
５２…Ｖ溝　　　　　　　　　　　　　　　７０…半球レンズ
８０…球状レンズ

Claims

球状レンズと、該球状レンズに光学的に結合される光学部品とを有する光デバイスにおいて、
前記球状レンズと前記光学部品との間が屈折率整合され、
前記球状レンズのうち、前記光学部品と対向する部分と反対側の部分における光の透過有効エリアが屈折率整合されていないことを特徴とする光デバイス。
請求項１記載の光デバイスにおいて、
前記光学部品のうち、前記球状レンズと対向する端面が光軸に対して直角であることを特徴とする光デバイス。
請求項１又は２記載の光デバイスにおいて、
前記球状レンズは、前記光学部品と対向する部分に端面を有することを特徴とする光デバイス。
請求項１記載の光デバイスにおいて、
前記球状レンズと前記光学部品との間に屈折率整合部材が介在されていることを特徴とする光デバイス。
請求項４記載の光デバイスにおいて、
前記屈折率整合部材がバルク材を有することを特徴とする光デバイス。
請求項５記載の光デバイスにおいて、
前記球状レンズにおける前記屈折率整合部材と対向する部分が端面であって、かつ、前記屈折率整合部材における前記球状レンズと対向する部分が端面である場合に、
前記球状レンズ及び屈折率整合部材の各端面は、光軸に対して直角であることを特徴とする光デバイス。
請求項５又は６記載の光デバイスにおいて、
前記屈折率整合部材における前記光学部品と対向する部分が端面であって、かつ、前記光学部品における前記屈折率整合部材と対向する部分が端面である場合に、
前記屈折率整合部材及び光学部品の各端面は、光軸に対して所定の角度だけ傾斜していることを特徴とする光デバイス。
請求項１記載の光デバイスにおいて、
前記球状レンズを固定する基板を有し、
前記基板の表面には、少なくとも２つのＶ溝が交差して設けられ、これら２つのＶ溝の交差部に形成された４つの稜における所定の点で前記球状レンズが支持されて、前記基板上に位置決め固定されていることを特徴とする光デバイス。
球状レンズと、該球状レンズに光学的に結合される光学部品とを有する光デバイスにおいて、
前記球状レンズは、前記光学部品と対向する部分に端面を有することを特徴とする光デバイス。