JP2004102108A

JP2004102108A - コリメータアレイ及び該コリメータアレイを備えた光デバイス

Info

Publication number: JP2004102108A
Application number: JP2002266536A
Authority: JP
Inventors: Tamotsu Akashi; 赤司　保; Takeshi Yamamoto; 山本　毅
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2002-09-12
Filing date: 2002-09-12
Publication date: 2004-04-02

Abstract

【課題】本発明はコリメータアレイ及びそのコリメータアレイを備えた光デバイスに関し、コリメートビームの伝搬可能距離を長くすることが主な課題である。
【解決手段】本発明によるコリメータアレイは、複数の光ファイバ２を互いに平行に配置してなる光ファイバアレイ６と、複数の光ファイバの端面に対向する複数のレンズ８を有するレンズアレイ１０と、光ファイバアレイ及びレンズアレイが予め定められた距離離間するようにこれらを保持する手段１２とを備えている。その特徴とするところは、各光ファイバがその端面の近傍で拡大するコア１４Ａを有していることである。この構成によると、レンズの大きさに制限がある場合でも、レンズとファイバ端面の距離を長くしても損失が増大するおそれはなく、しかも、レンズの焦点距離を長くすることができるので、コリメートビームの伝搬距離を長くすることができる。
【選択図】　　　　図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はコリメータアレイ及びコリメータアレイを備えた光デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、図１に示されるように、複数の光ファイバ２をファイバ整列部材４により互いに平行に配置してなる光ファイバアレイ６と、これらの光ファイバ２の端面に対向する複数のレンズ８を有するレンズアレイ１０と、光ファイバアレイ及びレンズアレイが予め定められた距離離間するようにこれらを保持するスペーサ１２とを備えたコリメータアレイが公知である（例えば特開平７−５３４１号）。
【０００３】
この種のコリメータアレイを例えば２つ対向配置することにより複数の光ビームが得られるので、この光ビームに関連して動作する可動ミラー等の光機能部を設けることによって、自由空間型光スイッチ等の光デバイスを提供することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のコリメータアレイでは、以下に説明するように、一対のコリメータアレイを所定距離離間して対向するように配置して使用するときに、距離を長くすると損失が増大してしまい、伝搬可能距離が実質的に制限されるという問題がある。この問題は、コリメータアレイによって得られる見かけ上の平行光ビームが正確にはビームウエストを有する形状をしており、長い距離の２点間にコリメート系を提供しようとする場合にはファイバ端面とレンズの距離を長くする必要があるというところに本質的に起因している（詳細は後述）。
【０００５】
よって、本発明の目的は、コリメートビームの伝搬可能距離を長くすることができるコリメータアレイ及びそのコリメータアレイを有する光デバイスを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によると、複数の光ファイバを互いに平行に配置してなる光ファイバアレイと、複数の光ファイバの端面に対向する複数のレンズを有するレンズアレイと、光ファイバアレイ及びレンズアレイが予め定められた距離離間するようにこれらを保持する手段とを備えたコリメータアレイが提供される。そして、その特徴とするところは、各光ファイバがその端面の近傍で拡大するコアを有していることである。
【０００７】
この構成によると、ファイバ端面の近傍で拡大するコアを有している光ファイバを採用しているので、レンズの大きさに制限がある場合でも、レンズとファイバ端面の距離を長くしても損失が増大するおそれはなく、しかも、レンズの焦点距離を長くすることができるので、コリメートビームの伝搬距離を長くすることができる。
【０００８】
本発明の他の側面によると、少なくとも一つのコリメータアレイと、コリメータアレイによって提供される複数の光ビームに関連して動作する光機能部とを備えた光デバイスが提供される。コリメータアレイは本発明によるコリメータアレイである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の望ましい実施の形態を詳細に説明する。
【００１０】
図２の（ａ）〜（ｃ）はレンズと光ファイバの位置関係を説明するための図である。コリメートビームの伝搬距離を長くするためには、レンズ８の焦点距離を長くする必要がある。レンズ８の焦点距離ｆは、レンズ８の曲率半径Ｒｃとレンズ８の屈折率ｎを用いて、
ｆ＝Ｒｃ／（ｎ−１）　　…（１）
と表すことができる。焦点距離ｆの増大に伴って、レンズ８と光ファイバ２の距離も長くする必要がある。
【００１１】
即ち、図２の（ａ）に示されるように、レンズ８の焦点距離が比較的に短い場合には、光ファイバ２の端面をレンズ８に近づけることにより、効率良く光結合を行うことができる反面、コリメートビームの伝搬距離を長くすることが困難であるのと対比して、図２の（ｂ）に示されるように、レンズ８の焦点距離が比較的に長い場合には、光ファイバ２の端面をレンズ８から遠ざけることにより、コリメートビームの伝搬距離を長くすることができる反面、レンズ８の直径（有効径）からはみ出す光量が増えるために、開口損失が増大するのである。
【００１２】
この問題を回避するために、レンズ径を大きくすることが提案され得る。いま、図３に示されるように、レンズ半径をｒ、レンズ高さをｓとすると、これらの間には、
ｓ＝Ｒｃ−√（Ｒｃ^２−ｒ^２）　　…（２）
の関係がある。（１）、（２）式からＲｃを消去すると、
ｒ＝√（２ｆ（ｎ−１）ｓ−ｓ^２）　　…（３）
が得られる。
【００１３】
レンズアレイ１０（図１参照）としては、透明基板上に複数のレンズ８がエッチングにより一体に形成されたマイクロレンズアレイが一般的である。マイクロレンズアレイは、通常、エッチングにより製造されるので、その加工限界により、レンズ高さｓは制限される。
【００１４】
即ち、（３）式より焦点距離ｆとレンズ高さｓが決定されるとレンズ半径ｒは一意的に決定されるので、開口損失を低減するためにレンズ径ｒを任意に大きくすることは不可能である。従って、レンズの大口径化による低損失化と焦点距離を長くすることによるコリメートビームの長距離化はトレードオフの関係にあり、従来技術によりこれらを両立させることは困難であったのである。
【００１５】
空間光スイッチ等の光デバイスを構成する場合、チャネル数の増加に伴って光路長を長くする必要があるので、コリメートビームの伝播距離を長くすることができるコリメータアレイが求められている。
【００１６】
そこで、本発明では、ファイバアレイの各光ファイバとして、ファイバ端面近傍で拡大するコアを有する光ファイバを用いることで、レンズの大口径化による低損失化と焦点距離を長くすることによるコリメートビームの長距離化を可能にしている。これを更に具体的に説明する。
【００１７】
図４は本発明によるコリメータアレイの第１実施形態を示す図である。このコリメータアレイは、複数の光ファイバ２をファイバ整列部材４により互いに平行に配置してなる光ファイバアレイ６と、これらの光ファイバ４の端面に対向する複数のレンズ８を有するレンズアレイ１０と、光ファイバアレイ及びレンズアレイが予め定められた距離離間するようにこれらを保持するスペーサ１２とを備えている。スペーサ１２は、光ファイバアレイ６とレンズアレイ１０の間に空間を画成する枠部材である。ここでは、図４の左側部分にファイバ整列部材４をファイバ長手方向に断面にした断面図が示されており、同右側部分にその一部拡大図が示されている。
【００１８】
同拡大図に良く示されるように、光ファイバ２は比較的に屈折率が高いコア１４とコア１４を囲むように設けられた比較的に屈折率が低いクラッド１６とを備えている。特に本発明の実施形態では、光ファイバ２のレンズアレイ１０に対向する端面の近傍に直径が徐々に拡大するコア拡大部１４Ａが形成されている。
コア拡大部１４Ａは、例えば、光ファイバ２の端面近傍の部分を加熱してその部分のコア１４のドーパントを熱拡散させることにより形成することができる。
【００１９】
コア拡大部１４Ａを形成したことによる効果を以下詳細に説明する。
【００２０】
光ファイバ端面から放射された光ビームの半径ω_１は、ファイバ端から距離ｄの位置で、
ω_１＝ω_０√（１＋（λ／πω_０ ^２）^２ｄ^２）　　…（４）
と算出される。ここで、ω_０はファイバ端でのビーム半径、λは波長である。
【００２１】
本発明のようにコアを拡大したファイバでは、ファイバ端でのビーム半径ω_０は、コアを拡大していない通常のファイバのそれよりも大きい。（４）式より、ファイバ出射直後のビーム半径はω０が小さいほど小さいが、ビームの拡がり方はω_０が小さいほど大きくなるので、ある距離以上離れた位置では、ω_０が大きいほどビーム径が小さくなる。この様子を図２の（ｃ）及び図５に示す。
【００２２】
図２の（ｃ）に示されるように、本発明では、コア拡大部１４Ａを設けたことにより、ファイバ端面からのビーム拡がりを小さくすることができ、結果として焦点距離の長いレンズを用いた場合でも開口損失が増大することを防止でき、コリメートビームの伝搬可能距離を大きくすることができる。より特定的には次の通りである。
【００２３】
図５はファイバ端面からの伝搬距離（ｍｍ）の変化に対するビーム径（μｍ）の変化を示すグラフである。同図から明らかなように、コア径（ファイバ端面でのビーム半径ω_０に対応）が小さくなるほど、伝搬距離の増大に対するビーム径の増大が急激であることがわかる。従って、図２の（ｃ）に示されるように、半径の増大に制限があるレンズ８の位置におけるビーム径は、コア拡大部１４Ａを有する光ファイバ２を用いることにより小さくすることができ、レンズ開口損失を低減することができる。
【００２４】
しかし、コア拡大部１４Ａを有する光ファイバ２を用いた場合、通常のファイバを用いる場合と比較してレンズの焦点距離が長くなるので、レンズとファイバ端面間の距離を長くする必要上、ビーム拡がりに起因する開口損失が増大する方向にある。そこで、本発明による効果を定量的に算出してみる。
【００２５】
市販品として入手し得るものを例として、コア半径が５μｍ（通常品）、１０μｍ及び１５μｍ（コア拡大品）、レンズ高さの制限が３０μｍとして、コリメートビームの伝搬可能距離（ｃｍ）に対する損失（ｄＢ）の増大を見積もる。その結果を図６により説明する。
【００２６】
図６は損失とコリメートビームの伝搬距離の関係を示すグラフである。コア拡大部を設けることにより、コリメートビームの伝搬距離を長くした場合に生じる損失を大幅に低減することができるのがわかる。換言すると、損失の許容量が有る場合、コア拡大部を採用することによりコリメートビームの伝搬可能距離を大幅に拡大することができるのである。例えば、損失の上限が１ｄＢである場合、コア径が５μｍの場合にはコリメートビームの伝搬可能距離が約１０ｃｍであるのと対比して、コア径を１５μｍに拡大することにより、コリメートビームの伝搬可能距離を約１００ｃｍまで長くすることができる。
【００２７】
ところで、図４に示される実施形態において、ファイバ整列部材４とレンズアレイ１０とで熱膨張係数（線熱膨張係数）が異なる場合、ファイバ位置とレンズ位置にずれが生じ、得られるコリメートビームが傾くおそれがある。例えば、図７の（ａ）に示されるように、ある温度において、レンズアレイ１０のレンズピッチとファイバアレイ６のファイバピッチが等しくｘであり、コリメートビームが互いに平行に得られているとして、このコリメータアレイに温度変化が与えられたとする。すると、図７の（ｂ）に示されるように、レンズピッチはｘ_１であるのに対して、ファイバピッチはｘ_２（ｘ_２≠ｘ_１）となり、両者のピッチにずれが生じ、得られるコリメートビームが互いに平行でなくなることがある。
【００２８】
この問題に対処するためには、ファイバ整列部材４、レンズアレイ１０及びスペーサ１２の材質として熱膨張係数のほぼ等しいものを用いると良い。例えば、ファイバ整列部材６の材質として熱膨張係数が１．４×１０^−６／℃のインバー合金（６４Ｆｅ＋３６Ｎｉ）を用い、レンズアレイ１０及びスペーサ１２の材質として熱膨張係数が０．５×１０^−６／℃の石英ガラスを用いることにより、これらの熱膨張係数をほぼ等しくすることができる。
【００２９】
このように、本願明細書では、熱膨張係数がほぼ等しいというのは、熱膨張係数が一桁以上違わないという意味で用いられている。
【００３０】
図８は本発明によるコリメータアレイの第２実施形態を示す図である。これまでの実施形態では、スペーサ１２は光ファイバアレイ６とレンズアレイ１０の間に空間を画成する枠部材であった。この場合、空間の屈折率とレンズ８及び光ファイバ２のコアの屈折率との差により反射損失が生じるおそれがある。そこで、この実施形態では、光ファイバアレイ６とレンズアレイ１０の間の空間を満たす透明な板からなるスペーサ１２´を用いて、屈折率整合を図っている。
【００３１】
例えばスペーサ１２´の材質として、前述したレンズアレイ１０及び光ファイバ２の屈折率とほぼ等しい屈折率の石英ガラスを用いると共に、スペーサ１２´の固定に屈折率整合用の光学接着剤を用いることにより、反射損失を大幅に低減することができる。
【００３２】
図９は本発明によるコリメータアレイの第３実施形態を示す図である。ここでは、片面にのみ複数のレンズ８が形成されているレンズアレイに代えて、その反対側にも複数のレンズ８´が付加的に形成されているレンズアレイ１０´が用いられている。
【００３３】
この場合、図８により説明した実施形態のように、透明な板部材からなるスペーサ１２´のみを用いて反射損失を低減することはできない。そこでこの実施形態では、ファイバ整列部材４の側に透明な板部材からなるスペーサ１２´を設けると共に、レンズアレイ１０´の側には枠部材からなるスペーサ１２を設け、スペーサ１２´の表面に、光ファイバ２の端面を覆うように反射防止膜１６を形成している。反射防止膜１６は例えば誘電体多層膜を蒸着等により形成して得ることができる。
【００３４】
この構成によると、両面にレンズ突起があるレンズアレイを用いた場合でも、反射損失を低減することができる。
【００３５】
尚、反射防止膜１６は透明な板部材からなるスペーサ１２´上ではなく直接ファイバ整列部材４で光ファイバ２の端面を覆うように形成されていてもよい。
【００３６】
図１０は本発明によるコリメータアレイの第４実施形態を示す斜視図である。これまでの実施形態では、複数の光ファイバ２の配列は任意であり、特に限定的なのもではない。この実施形態では、光ファイバ２が挿入固定されるファイバ整列部材４の孔はその正面から見て正方格子上に形成されており、それに伴ってレンズアレイ１０の複数のレンズ８は２次元的に配列されている。
【００３７】
このように複数のレンズ８が２次元的に配列されているコリメータアレイを用いることにより、高密度な光デバイスの提供が可能になる。より特定的には次の通りである。
【００３８】
図１１は本発明による光デバイスの実施形態を示す斜視図である。この実施形態では、２つのコリメータアレイＣＡ１及びＣＡ２を用い、これらによって提供される複数の光ビームに関連して動作するように光機能部２６を設けて光デバイスが構成されている。ここでは、コリメータアレイＣＡ１及びＣＡ２の各々として、例えば図１０に示されるものが用いられている。
【００３９】
光機能部２６は２つのＭＥＭＳユニット１８及び２０を含む。ＭＥＭＳユニット１８及び２０は所謂ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ）によって形成され、各々、基板２２と基板２２上で可動的に形成された複数の可動ミラー２４とを備えている。
【００４０】
ＭＥＭＳユニット１８及び２０の各可動ミラーを切換えることによりコリメータアレイＣＡ１の任意の光ファイバ２とコリメータアレイＣＡ２の任意の光ファイバ２との間にコリメートビームによる光路が形成され、それにより、ｎ×ｎ光スイッチが提供される。
【００４１】
この場合、必要な可動スイッチ２４の数は２ｎであるので、２次元型のｎ×ｎ光スイッチで可動スイッチがｎ^２個必要なのと比較して、大幅な構成の簡略化が可能になる。
【００４２】
このような光デバイスにおいて、チャネル数（ｎ）を大きくすると、必然的にコリメートビームの伝搬可能距離は数十ｃｍ以上必要になるので、本発明はこのような場合に特に有用である。
【００４３】
本発明は以下の付記を含むものである。
【００４４】
（付記１）　複数の光ファイバを互いに平行に配置してなる光ファイバアレイと、
前記複数の光ファイバの端面に対向する複数のレンズを有するレンズアレイと、
前記光ファイバアレイ及び前記レンズアレイが予め定められた距離離間するようにこれらを保持する手段とを備え、
各光ファイバはその端面の近傍で拡大するコアを有していることを特徴とするコリメータアレイ。
【００４５】
（付記２）　前記保持する手段は前記光ファイバアレイと前記レンズアレイの間に介在するスペーサである付記１記載のコリメータアレイ。
【００４６】
（付記３）　前記スペーサは前記光ファイバアレイと前記レンズアレイの間の空間を満たす透明な板である付記２記載のコリメータアレイ。
【００４７】
（付記４）　前記光ファイバアレイ及び前記レンズアレイは屈折率整合用の光学接着剤により前記スペーサに固定される付記３記載のコリメータアレイ。
【００４８】
（付記５）　前記スペーサは前記光ファイバアレイと前記レンズアレイの間に空間を画成する枠部材である付記２記載のコリメータアレイ。
【００４９】
（付記６）　前記光ファイバアレイは前記複数の光ファイバが挿入される複数の孔を有するファイバ整列部材を含み、
前記ファイバ整列部材、前記スペーサ及び前記レンズアレイの熱膨張係数がほぼ等しい付記２記載のコリメータアレイ。
【００５０】
（付記７）　前記レンズアレイは透明基板上に前記複数のレンズがエッチングにより一体に形成されたマイクロレンズアレイである付記１記載のコリメータアレイ。
【００５１】
（付記８）　少なくとも一つのコリメータアレイと、
前記コリメータアレイによって提供される複数の光ビームに関連して動作する光機能部とを備え、
前記少なくとも一つのコリメータアレイは付記１乃至７のいずるかに記載のコリメータアレイであることを特徴とする光デバイス。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、コリメートビームの伝搬可能距離を長くすることができるコリメータアレイ及びそのコリメータアレイを有する光デバイスを提供することが可能になるという効果が生じる。本発明の特定の実施形態により得られる効果は以上説明した通りであるので、その説明は省略する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は従来のコリメータアレイを説明するための図である。
【図２】図２はレンズと光ファイバの位置関係を説明するための図である。
【図３】図３はレンズ半径ｒの制限を説明するための図である。
【図４】図４は本発明によるコリメータアレイの第１実施形態を示す図である。
【図５】図５はビーム径と伝搬距離の関係を示すグラフである。
【図６】図６は損失と伝搬距離の関係を示すグラフである。
【図７】図７は温度変化による問題を説明するための図である。
【図８】図８は本発明によるコリメータアレイの第２実施形態を示す図である。
【図９】図９は本発明によるコリメータアレイの第３実施形態を示す図である。
【図１０】図１０は本発明によるコリメータアレイの第４実施形態を示す図である。
【図１１】図１１は本発明による光デバイスの実施形態を示す図である。
【符号の説明】
２　光ファイバ
４　ファイバ整列部材
６　光ファイバアレイ
８　レンズ
１０　レンズアレイ
１２，１２´　スペーサ
１４　コア
１４Ａ　コア拡大部
１６　クラッド

Claims

複数の光ファイバを互いに平行に配置してなる光ファイバアレイと、
前記複数の光ファイバの端面に対向する複数のレンズを有するレンズアレイと、
前記光ファイバアレイ及び前記レンズアレイが予め定められた距離離間するようにこれらを保持する手段とを備え、
各光ファイバはその端面の近傍で拡大するコアを有していることを特徴とするコリメータアレイ。
前記光ファイバアレイは前記複数の光ファイバが挿入される複数の孔を有するファイバ整列部材を含む請求項１記載のコリメータアレイ。
前記複数の孔は格子上に配列され、それに伴い前記複数のレンズは２次元的に配列されている請求項２記載のコリメータアレイ。
前記保持する手段は前記光ファイバアレイと前記レンズアレイの間に介在するスペーサである請求項１記載のコリメータアレイ。
少なくとも一つのコリメータアレイと、
前記コリメータアレイによって提供される複数の光ビームに関連して動作する光機能部とを備え、
前記少なくとも一つのコリメータアレイは請求項１乃至４のいずれかに記載のコリメータアレイであることを特徴とする光デバイス。