JP2004070310A

JP2004070310A - 光デバイスユニット、光デバイス及びマイクロレンズアレイ

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Publication number: JP2004070310A
Application number: JP2003167844A
Authority: JP
Inventors: Kenjiro Hamanaka; 浜中　賢二郎; Koichiro Nakamura; 中村　浩一郎; Satoru Wada; 和田　　哲
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 2002-06-14
Filing date: 2003-06-12
Publication date: 2004-03-04

Abstract

【課題】光学要素間の距離の設定の自由度が大きく、高度な調芯技術が不要な光デバイス（ユニット）を提供する。
【解決手段】第１及び第２の光ファイバ１、２の光軸間距離Ｌ１は第１及び第２のレンズ３、４の光軸中心間距離Ｌ２より大きく、且つ第１の光ファイバ１の光出射端と第１のレンズ３の光軸中心と反射型素子５の反射点は一直線状になり、また反射型素子５の反射点と第２のレンズ４の光軸中心と第２の光ファイバ２の入射端も一直線状になっている。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光分波モジュール、光アッド・ドロップモジュール、利得等化器、パワーモニターなどとして用いられる光デバイスユニット、この光デバイスユニットを複数個集合した光デバイス及び光デバイスユニットまたは光デバイスを構成するマイクロレンズアレイに関する。
【０００２】
【従来の技術】
３端子モジュールの例として知られる光分波モジュールは、図１１に示すように分波フィルタ１００の両側に屈折率分布型ロッドレンズ１０１、１０２を配置し、光ファイバ１０３に波長（λ１＋λ２）の光を入射し、この光を屈折率分布型ロッドレンズ１０１を介して分波フィルタ１００に当て、波長（λ１）の光については分波フィルタ１００で反射しロッドレンズ１０１を介して光ファイバ１０４に入射せしめ、波長（λ２）の光については分波フィルタ１００を透過しロッドレンズ１０２を介して光ファイバ１０５に入射せしめるようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
図１２は図１１に示した光学系と等価な光学系を凸レンズを用いて示したものであり、斯かる光学系は、光ファイバ１０３、１０４、１０５とレンズ１０１、１０２との距離、レンズ１０１、１０２と分波フィルタ１００との距離がともにレンズの焦点距離ｆとなるように設定している。
【０００４】
光ファイバは多くの場合、シリコンやガラスで作製された断面がＶ字状の平行な溝（所謂、平行溝）に配列固定される。このように光ファイバ１０３、１０４が平行に配置されたとき、上記の光学系は反射光を最も効率よく光ファイバ１０４で受光するための構成、即ちテレセントリック光学系となっている。
【０００５】
上述した従来の光学系において、光ファイバとレンズとの距離、レンズと分波フィルタ（光機能素子）との距離が焦点距離と異なる場合には、図１３に示すように分波フィルタで反射した光の主光線がレンズの光軸に対して傾斜し、このため受光側の光ファイバをこれにしたがって傾斜させなければならないなどの不具合が生じる。
【０００６】
即ち、反射光の主光線が傾斜するのを避けるためにテレセントリック光学系を構成しようとすると、光ファイバ−レンズ間距離とレンズ−光機能素子間距離をともにレンズの焦点距離にする必要があり、例えば、光機能素子の構造の都合などでレンズ−光機能素子間距離を長くする必要がある場合、長い焦点距離をもつレンズはその直径も大きくなるため、光学系の寸法が大きくなってしまうという難点がある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明に斯かる光デバイスユニットは、第１の光ファイバから出射した光がレンズで集光されて反射型光素子方向に向かい、この反射型光素子で前記第１の光ファイバから出射した光またはその一部が反射され、この反射した光がレンズで集光されて第２の光ファイバに入射する光デバイスユニットであって、前記レンズをそれぞれの光ファイバに対応した第１及び第２のレンズにて構成し、また前記第１及び第２の光ファイバの光軸間距離は前記第１及び第２のレンズの光軸中心間距離より大きく、且つ第１の光ファイバの光出射端と第１のレンズの光軸中心と反射型素子の反射点は一直線状に配置され、また反射型素子の反射点と第２のレンズの光軸中心と第２の光ファイバの入射端は一直線状に配置された構成とした。
【０００８】
このように、従来１個のレンズで構成していた部分を２個のレンズで構成し、これらレンズの光軸中心間距離と光ファイバの光軸間距離を適正に調整することで、従来のテレセントリック光学系の制約条件に制限されることなしに、光ファイバと反射型光学素子との結像倍率を広い範囲で設定できるため、自由度をもった光学設計が可能になる。
【０００９】
本発明に係る光デバイスユニットにおいて、光ファイバとして多モード光ファイバを用いる場合には、第１の光ファイバの光出射端と反射型光素子の反射点、また第２の光ファイバの光入射端と反射型光素子の反射点とがそれぞれ幾何光学的な共役関係にあることが好ましく、また光ファイバとして単一モード光ファイバを用いる場合には、第１の光ファイバの光出射端、反射型光素子の反射点、また第２の光ファイバの光入射端のいずれの位置にもガウシアンビームのビームウェストが形成される構成にすることが好ましい。
【００１０】
また、前記レンズは軸外収差を補正する手段を備えていることが好ましく、軸外収差を補正する手段としては、レンズの直交する２軸の光学的パワーを変化させた形状が考えられる。例えば、いわゆるトーリックレンズや、軸外の非点収差、コマ収差を補正するように設計、作製された回折光学素子（ＤＯＥ）レンズなどが使用できる。
【００１１】
尚、本発明における反射型光素子としては、例えば分波フィルタ、可動鏡または光検出器などが考えられる。
【００１２】
また、本発明に係る光デバイスは上記の光デバイスユニットが１次元または２次元状に複数個連設された構成であり、斯かる光デバイス或いは光デバイスユニットのレンズとしては、マイクロレンズアレイが好適である。
【００１３】
更に、本発明に係るマイクロレンズアレイは、ガラス基板などの透明基板の表面に多数の凸レンズを所定のパターンで形成したものであるが、本発明においては特に２つのレンズが対をなすように、その一部が切断され、切断された部分を突き合わせた形状のレンズ部とするのが好ましい。
尚、本発明に係るマイクロレンズアレイは上記の光デバイスユニット或いは光デバイス以外にも適用できるものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る光デバイスユニットのうち２端子モジュールの構成図であり、（ａ）は多モード光ファイバを用い、（ｂ）が単一モード光ファイバを用いた例である。
光デバイスユニットは、第１の光ファイバ１、第２の光ファイバ２、第１のレンズ３、第２のレンズ４及び反射型光素子５から構成され、第１の光ファイバ１から出射した光が第１のレンズ３で偏向されて反射型光素子５方向に向い、この反射型光素子５で前記第１の光ファイバ１から出射した光の全部またはその一部が反射され、この反射した光が第２のレンズ４で偏向されて第２の光ファイバ２に入射する。
【００１５】
そして、本発明にあっては第１及び第２の光ファイバ１、２の光軸間距離Ｌ１は第１及び第２のレンズ３、４の光軸中心間距離Ｌ２より大きく、且つ第１の光ファイバ１の光出射端と第１のレンズ３の光軸中心と反射型素子５の反射点は一直線状になり、また反射型素子５の反射点と第２のレンズ４の光軸中心と第２の光ファイバ２の入射端も一直線状になっている。
【００１６】
また、多モード光ファイバを用いた場合には、図１（ａ）に示すように、第１の光ファイバ１の光出射端と反射型光素子５の反射点、また第２の光ファイバ２の光入射端と反射型光素子５の反射点とがそれぞれ幾何光学的な共役関係となるように各要素間の距離を設定している。
【００１７】
一方、単一モード光ファイバを用いた場合には、図１（ｂ）に示すように、第１の光ファイバ１の光出射端、反射型光素子５の反射点、及び第２の光ファイバ２の光入射端のいずれの位置にもガウシアンビームのビームウェストが形成されるように各要素間の距離を設定している。
【００１８】
前記反射型光素子５としては、分波フィルタ、可動鏡、光検出器などが考えられる。
分波フィルタを用いた場合には、第１の光ファイバ１から複数の波長を含む光が入射した場合、特定の波長の光のみを第２の光ファイバ２に入射させることができ、微小電気機械式可動鏡（ＭＥＭＳミラー）を用いた場合には、光路に可動鏡を出し入れすることで第２の光ファイバ２への入射光をオン・オフでき、表面反射率の高い光検出器を用いた場合には、低い損失で第１の光ファイバ１から第２の光ファイバ２への光の入射光量を監視することができる。
【００１９】
尚、上記レンズ３、４は軸外収差を補正するために、レンズの直交する２軸の光学パワーを変化させた形状になっている。前述のトーリックレンズやＤＯＥレンズがこれに相当する。
【００２０】
図２は図１に示した光デバイスユニットを要素とする光デバイスの構成図であり、光デバイスは上記した光デバイスユニットを１次元または２次元状に複数個連設した構成となっている。光デバイスユニットは全て同一のものを連設してもよいが、異ならせてもよい。例えば、各光デバイスユニットの反射型光素子５として、異なる分波特性をもつ分波フィルタを配列すれば、入射側の各光ファイバ２…に異なる波長の光を入射させることができる。
【００２１】
図１に示したように、光デバイスユニットを構成する一対のレンズ３、４の近接する部分はレンズとして有効に利用されていない。そこで、図３及び図３のＡ方向矢視図である図４に示すように、マイクロレンズアレイを作製する場合には、近接した部分を除去した形状、具体的には、光軸方向から見て対をなすレンズ３、４の中心を結ぶ線分の垂直２等分線に沿って切除し、この切除された部分を突き合わせた形状にするようにしてもよい。
【００２２】
図３および図４に示した光デバイスを構成するマイクロレンズアレイとしては、図５に示すように、ガラスなどの透明基板１０の表面に高屈折率樹脂からなる第１及び第２のレンズ３、４を突状に形成した構成、或いは図６に示すように、透明基板１０の表面に凹部を形成し、この凹部に高屈折率樹脂を充填して第１及び第２のレンズ３、４とする構成などが考えられる。
【００２３】
図５に示す構造のマイクロレンズアレイを製造するには、例えばガラスなどの透明基板１０の表面に高屈折率樹脂を盛り付け、盛り付けた高屈折率樹脂をガラス型などでプレス成形し、この後、紫外線あるいは熱によって高屈折率樹脂を硬化せしめる。
【００２４】
また、図６に示す構造のマイクロレンズアレイを製造するには、例えばガラスなどの透明基板１０の表面にマスクを介してエッチングを施して凹部を形成し、この凹部に高屈折率樹脂を充填し、この後、紫外線あるいは熱によって高屈折率樹脂を硬化せしめる。
尚、マイクロレンズアレイを製造する方法は上記に限定されず、イオン交換法などでも可能である。
【００２５】
次に、具体的な設計数値例を挙げて本発明に係る光デバイスを説明する。ここで、図７（ａ）は光ファイバ間距離を１２５μｍとした場合の設計値の表、（ｂ）は光ファイバ間距離を２５０μｍとした場合の設計値の表、（ｃ）は設計値の説明に供する図である。図８（ａ）は図７に示した設計値のうち倍率とレンズ径の関係を示すグラフ、（ｂ）は倍率と開口率の関係を示すグラフ、（ｃ）は倍率とレンズ−光機能素子間距離の関係を示すグラフである。また図９（ａ）は従来のテレセントリック光学系によって光ファイバ間距離を１２５μｍとした場合の設計値の表、（ｂ）は同じく光ファイバ間距離を２５０μｍとした場合の設計値の表、（ｃ）は設計値の説明に供する従来のテレセントリック光学系の図である。図１０（ａ）は図９に示した設計値のうちレンズ径と開口率との関係を示すグラフ、（ｂ）はレンズ径とレンズ−光機能素子間距離との関係を示すグラフ、（ｃ）はレンズ径とビームウェスト径との関係を示すグラフである。
【００２６】
図７において、通常光ファイバの径は１２５μｍであるので、光ファイバ間距離を１２５μｍとすることは、２本の光ファイバを密接させた状態（これ以上間隔を小さくすることはできない状態）を意味する。
そして、この場合にレンズ−光機能素子間距離Ｌ／２が与えられると、結像倍率βおよびレンズ径ＰＬが決められる。例えば図８（ｃ）から、Ｌ／２＝１ｍｍの場合、βは約４倍、Ｌ／２＝２．５ｍｍの場合、βは約８．５倍が必要となり、この倍率に対応するレンズ径は、図８（ａ）から、それぞれＰＬ＝１００μｍ、１１２μｍであり、１０％強しか変化しない。換言すれば、本発明の光デバイスによれば、レンズ径をあまり変化させずにレンズ−光機能素子間距離を変化させることができ、光機能素子の都合によってレンズ−光機能素子間距離を長くさせなければならない場合などに有利である。
【００２７】
また、図７において、光ファイバ間距離を２５０μｍとすると、図８（ｃ）に示すように、同じ倍率でレンズ−光機能素子間距離Ｌ／２を約２倍に延ばすことができる。このことも光デバイスの設計における自由度が高くなることにつながる。
【００２８】
一方、図９、図１０に示すように、テレセントリック光学系の場合には、レンズ−光機能素子間距離Ｌ／２−＝ｆ、光ファイバ−レンズ間距離もｆに固定され、設計の自由度が小さくなる。また、光ファイバ間距離１２５μｍの光学系で、Ｌ／２−＝１ｍｍとするとレンズ径は約５００μｍ、Ｌ／２−＝２．５ｍｍではレンズ径は約１ｍｍとなり２倍も大きくする必要があり、装置全体の大型化につながる。
【００２９】
更に、本発明のもう一つの実施の形態として単一モード光ファイバアレイ、レンズアレイ及び反射型光素子からなる図２に示すような光デバイスを構成した。光学系は図１（ｂ）に示すものに該当する。この実施例は反射型光学系に限定する。
【００３０】
レンズアレイのレンズ素子は樹脂を成形して形成した。一対のレンズ素子に対応した凹部が対になって配列されたレンズアレイ用成形型を準備する。この成形型に離型剤を塗布したのち、紫外線硬化型のエポキシ樹脂を流下し、それにガラス基板を押し当てる。その状態で紫外線を照射して樹脂を硬化したのち、離型してレンズアレイを得た。反射型光素子はレンズアレイのガラス基板の裏面にＡｌ膜を蒸着して形成した。
【００３１】
製作したレンズ素子の直径ＰＬは５００μｍであり、一対のレンズ間距離Ｌ２は５００μｍとした。即ち、一対のレンズ素子は互いに接した位置に配置され、図１（ｂ）に示す光学系が形成された。レンズ素子の焦点距離ｆは波長１５５０ｎｍにおいて１．０７５ｍｍであり、開口数ＮＡは０．２３３であった。また、使用した単一モード光ファイバのモードフィールド径は１０．５μｍである。
【００３２】
光デバイスの組立は次の手順で行う。レンズアレイと反射面間距離Ｌ／２をレンズアレイ基板の厚みの調整により設定した後、第１の光ファイバ１から波長１５５０ｎｍの光を入射する。この光が第１のレンズ３を介して反射型光素子５に入射し、反射された光が第２のレンズ４により集光されて第２の光ファイバ２に結合する際、挿入損失が最小になるようにレンズに対する光ファイバの位置（光ファイバの光軸間距離Ｌ１、光ファイバ端面とレンズ間の距離ｄ０）と反射型光素子のあおり角を調整した。
【００３３】
このような光デバイスにおいて、レンズと反射型光素子の距離Ｌ／２を変化させたときの挿入損失の測定を行った。Ｌ／２を４．０、６．０、８．０ｍｍに変化させたときの各部の寸法の計算値もあわせて表１に示す。挿入損失の測定結果は、図１４に示す通りである。Ｌ／２が６〜１０ｍｍの範囲で挿入損失ＩＬが低くなり、Ｌ／２＝９ｍｍのとき、ＩＬの最小値０．６ｄＢが得られた。ただしこのＩＬは、反射面の反射率を１００％として換算した過剰挿入損失である。
【００３４】
【表１】

【００３５】
【発明の効果】
以上に説明したように本発明によれば、結像光学系であるので、光学要素間の距離の設定の自由度が大きく、利用範囲が広い。
また、光学要素間の間隔を等間隔且つ高精度に形成しやすく、高度な調芯技術が不要となる。
【００３６】
特に、対をなすレンズの近接する部分を切除しレンズとして有効に作用する部分のみを集合させたマイクロレンズアレイとすることで、デバイスの小型化を達成することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光デバイスユニットのうち２端子モジュールの構成図であり、（ａ）は多モード光ファイバを用い、（ｂ）が単一モード光ファイバを用いた例である。
【図２】図１に示した光デバイスユニットを要素とする光デバイスの構成図
【図３】光デバイスの別実施例を示す図２と同様の図
【図４】図３のＡ方向矢視図
【図５】図３に示した光デバイスを構成するマイクロレンズアレイの断面図
【図６】マイクロレンズアレイの別実施例を示す断面図
【図７】（ａ）は光ファイバ間距離を１２５μｍとした場合の設計値の表、（ｂ）は光ファイバ間距離を２５０μｍとした場合の設計値の表、（ｃ）は設計値の説明に供する図
【図８】（ａ）は図７に示した設計値のうち倍率とレンズ径の関係を示すグラフ、（ｂ）は倍率と開口率の関係を示すグラフ、（ｃ）は倍率とレンズ−光機能素子間距離の関係を示すグラフ
【図９】（ａ）は従来のテレセントリック光学系によって光ファイバ間距離を１２５μｍとした場合の設計値の表、（ｂ）は同じく光ファイバ間距離を２５０μｍとした場合の設計値の表、（ｃ）は設計値の説明に供する従来のテレセントリック光学系の図
【図１０】（ａ）は図９に示した設計値のうちレンズ径と開口率との関係を示すグラフ、（ｂ）はレンズ径とレンズ−光機能素子間距離との関係を示すグラフ、（ｃ）はレンズ径とビームウェスト径との関係を示すグラフ
【図１１】従来の光分波モジュールの構成図
【図１２】図１１に示した光学系と等価な光学系を凸レンズを用いて示した図
【図１３】従来の光分波モジュールの問題点を説明した図
【図１４】本発明における光デバイスの挿入損失の測定結果
【符号の説明】
１…第１の光ファイバ、　２…第２の光ファイバ、　３…第１のレンズ、　４…第２のレンズ、　５…反射型光素子、　１０…透明基板、　Ｌ１…第１及び第２の光ファイバ１、２の光軸間距離、　Ｌ２…第１及び第２のレンズ３、４の光軸中心間距離。

Claims

第１の光ファイバから出射した光がレンズで集光されて反射型光素子方向に向かい、この反射型光素子で前記第１の光ファイバから出射した光またはその一部が反射され、この反射した光がレンズで集光されて第２の光ファイバに入射する光デバイスユニットにおいて、前記レンズはそれぞれの光ファイバに対応した第１及び第２のレンズからなり、また前記第１及び第２の光ファイバの光軸間距離は前記第１及び第２のレンズの光軸中心間距離より大きく、且つ第１の光ファイバの光出射端と第１のレンズの光軸中心と反射型素子の反射点は一直線状に配置され、また反射型素子の反射点と第２のレンズの光軸中心と第２の光ファイバの入射端は一直線状に配置されていることを特徴とする光デバイスユニット。
請求項１に記載の光デバイスユニットにおいて、前記光ファイバは多モード光ファイバであり、第１の光ファイバの光出射端と反射型光素子の反射点、また第２の光ファイバの光入射端と反射型光素子の反射点とがそれぞれ幾何光学的な共役関係にあることを特徴とする光デバイスユニット。
請求項１に記載の光デバイスユニットにおいて、前記光ファイバは単一モード光ファイバであり、第１の光ファイバの光出射端、反射型光素子の反射点、また第２の光ファイバの光入射端のいずれの位置にもガウシアンビームのビームウェストが形成されることを特徴とする光デバイスユニット。
請求項１に記載の光デバイスユニットにおいて、前記レンズは軸外収差を補正する手段を備えていることを特徴とする光デバイスユニット。
請求項４に記載の光デバイスユニットにおいて、前記軸外収差を補正する手段は、レンズの直交する２軸の光学的パワーを変化させた形状であることを特徴とする光デバイスユニット。
請求項１に記載の光デバイスユニットにおいて、前記反射型光素子は分波フィルタ、可動鏡または光検出器のいずれかであることを特徴とする光デバイスユニット。
請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の光デバイスユニットが１次元または２次元状に複数個連設されていることを特徴とする光デバイス。
透明基板の表面に複数のレンズ部を形成してなるマイクロレンズアレイにおいて、前記レンズ部は２つのレンズが対をなし、この対をなすレンズは、光軸方向から見て各レンズの中心を結ぶ線分の垂直２等分線に沿って切除されるとともにこの切除された部分を突き合わせた形状をなしていることを特徴とするマイクロレンズアレイ。