JP2004272143A - 光導波路の光結合装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光学部品の固定、特に光導波路−光導波路結合における固定の位置的精度に係る作業負担を軽減し、光結合損失の低減も可能とする光導波路の光結合装置及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】光源又は出射用光導波路から出射する光波を、レンズを用いて入射用光導波路に入射させるための光導波路の光結合装置において、光源又は出射用光導波路１から出射する光波を平行ビームに変換する第１レンズ２と、平行ビームを収束し入射用光導波路に導くための第２レンズと、光源又は出射用光導波路と第１レンズとの間、第１レンズと第２レンズとの間、又は第２レンズと入射用光導波路との間のいずれか少なくとも１ヶ所に挿入された光軸位置を補正するための平行平板１０とを有することを特徴とする。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光導波路の光結合装置及びその製造方法に関し、特に、光源又は出射用光導波路から出射する光波を、レンズを用いて入射用光導波路に入射させるための光導波路の光結合装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光通信、光計測などの光学電子分野においては、半導体レーザなどの光源、ニオブ酸リチウムなどの基板上に光導波路を形成した電気光学素子、及び光ファイバなどを、互いに光学的に結合することが行われている。
各種光学部品を光学的に結合する方法としては、光源又は光導波路から出射した光波をレンズを用いて別の光導波路に入射させる光結合方法（以下、「光導波路−光導波路結合」という）が知られている。
【０００３】
このような光導波路−光導波路結合においては、例えば、図１（ａ）に示すように、出射用光導波路１、レンズ２，３、入射用光導波路４を各々配置し、出射用光導波路１から出射した光波が、第１レンズ２により平行ビームとなり、第２レンズ３により入射用光導波路に収束され入射されるように構成されている。
図１（ａ）のような４つの光学部品を用いた光導波路−光導波路結合においては、光結合に係る損失を低減するために、４つの光学部品を光波が伝播する光軸上に精度良く設置固定することが必要である。
仮に、各光学部品が適正な位置に固定されていない場合、例えば、図１（ｂ）のように、光軸に対して角度θ方向に光波が伝播する場合や、図１（ｃ）のように、光軸に対して距離ｓだけシフトして光波が伝播する場合などが発生する。
【０００４】
しかしながら、レーザ光などの直進性の高い光波を利用する場合や、光ビーム径や収束径が小さい場合などにおいては、これらの光学部品を精度良く配置することは極めて困難であり、特に、最後に配置固定される光学部品ほど、取付精度を高める必要が生じる。
しかも、光変調器や、半導体レーザなどの光学部品では、電気的な配線を必要とするため、これらの配線を行い電気的に駆動させた状態で、素子を動かし位置調整を行う必要が生じる場合が多い。このため、光学部品の調整が制限され、一層、光結合に係る損失を低減させることが困難となっていた。
【０００５】
また、光学部品を固定する方法として、接着剤を利用する方法やレーザ溶接を行う方法などが多用されれているが、光学部品を精度良く位置決めした場合であっても、接着時における接着剤の収縮や、レーザ溶接部の伸縮により、固定後の位置が、位置決め時より変位するという不具合も発生しており、光学部品における、より精度の高い固定が困難となっている。
このため、固定後の数十μｍ程度の移動を予め想定して、光学部品を固定することなどが行われているが、固定時の変位は、固定方法や各光学部品の特性、また製造環境など、多様な条件の影響を受けるため、十分な精度を保つことが難しい。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述した問題を解決し、光学部品の固定、特に光導波路−光導波路結合における固定の位置的精度に係る作業負担を軽減し、光結合損失の低減も可能とする光導波路の光結合装置及びその製造方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明では、光源又は出射用光導波路から出射する光波を、レンズを用いて入射用光導波路に入射させるための光導波路の光結合装置において、光源又は出射用光導波路から出射する光波を平行ビームに変換する第１レンズと、平行ビームを収束し入射用光導波路に導くための第２レンズと、光源又は出射用光導波路と第１レンズとの間、第１レンズと第２レンズとの間、又は第２レンズと入射用光導波路との間のいずれか少なくとも１ヶ所に挿入された光軸位置を補正するための平行平板とを有することを特徴とする。
【０００８】
請求項１に係る発明により、光波が伝播すべき光軸からズレている場合でも、平行平板を用いることにより容易に調整することが可能となる。
しかも、光軸調整部材が平行平板であるため、材料費が安く、かつ、さらに、平行平板であるため、角度変化をともわない移動であれば自由に行うことができる。
【０００９】
また、請求項２に係る発明では、請求項１に係る光導波路の光結合装置において、該平行平板は、該光結合装置内を伝播する光波の光軸に対して所定の角度で、該光結合装置の筐体に固定されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項２に係る発明により、平行平板を光波の光軸に対して所定の角度に合わせて固定するだけで、光軸調整が可能となる。平行平板の動きによる光路の変化は、レンズ、導波路、または光源に比べ非常にゆるやかであるため、光軸調整が容易に行える。
しかも、固定時の接合により、平行平板が光軸方向又は光軸に垂直な方向に変位した場合でも、伝播する光波に対する平行平板の効果は小さいため、光結合損失をより低減させることが可能となる。
【００１１】
また、請求項３に係る発明では、光源又は出射用光導波路から出射する光波を、レンズを用いて入射用光導波路に入射させるための光導波路の光結合装置の製造方法において、該光源又は該出射用光導波路、出射する該光波を平行ビームに変換する第１レンズ、平行ビームを収束し該入射用光導波路に導くための第２レンズ、該入射用光導波路、及び、光源又は出射用光導波路と第１レンズとの間、第１レンズと第２レンズとの間、又は第２レンズと入射用光導波路との間のいずれか少なくとも１ヶ所に挿入され、かつ該光結合装置内を伝播する光波の光軸に対して垂直に配置された平行平板を、各々所定位置に配置し、該平行平板を除く全ての部材を該光結合装置の筐体に固定した後、該平行平板を該光軸に対して所定の角度となるように調整し、該筐体に固定することを特徴とする。
【００１２】
請求項３に係る発明により、平行平板を除く光学部品の固定時においても、該平行平板を光軸上に配置させておき、該光学部品の固定終了後に該平行平板の位置調整（光軸に対する角度調整）を行うことにより、該平行平板の挿入による光軸を伝播する光波の光路長が変化するのを抑制することが可能となる。
このため、平行平板を挿入後、レンズの焦点位置を調整するなど、光学部品の位置を再調整する必要がない。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を好適例を用いて詳細に説明する。
図２は、出射用光導波路１と第１レンズとの間に、平行平板１０を配置したものであり、本発明に係る光結合装置の一部を拡大して示したものである。出射用光導波路１としては、半導体レーザや光変調器などの光波を出射するものが配置される。
平行平板を配置する以前では、出射用光導波路１から出射した光波は、点線１１で示したように、光軸５に対して傾きを有する方向に伝播するが、平行平板１０を出射用光導波路１と第１レンズとの間に配置し、適切な角度に保持することにより、図２の実線のように、光軸５と略平行な方向に光波を伝播させることが可能となる。
【００１４】
また、図２では、出射用光導波路１と第１レンズとの間に平行平板を配置するものを示したが、入射用光導波路４と第２レンズ３との間に平行平板を配置した場合でも同様の効果が期待できる。
つまり、図１（ｂ）に示したように、光結合装置内を伝播する光波の光軸（各光学部品を適正に配置した際に光波が伝播する光路の中心軸）に対して光波の伝播方向が傾斜している場合には、光導波路とレンズとの間に、平行平板を挿入し、該平行平板の角度調整をすることで、適正な光路に補正することが可能となる。
なお、挿入する平行平板の厚みは、レンズの焦点距離又は光導波路とレンズとの距離と想定される光学部品固定時のズレの大きさに応じて、予め適切な厚みのものを選定することが望ましい。
【００１５】
次に、図３では、第１レンズ２と第２レンズ３との間に平行平板２０を配置したものを示す。
２１は、光波の伝播方向が光軸５に対して平行であるが、適正な光軸から外れている場合を示している。平行平板２０がない場合には、点線２１’の方向に伝播するが、平行平板２０により、光波の伝播方向が光軸５に近くなることが理解できる。また、２２のように、光波の伝播方向が光軸に対して傾きを有する場合でも、平行平板２０を用いることにより、光軸５から離れる光波２２’を補正し、該光波の伝播方向をある程度光軸５に近接させることも可能となる。
したがって、特に、図１（ｃ）のように、光波の伝播方向と光軸５とが平行である場合には、２つのレンズ間に平行平板を配置することにより、効果的に光波を光軸に近づけることが可能となる。
【００１６】
本発明の光結合装置においては、図２のように光導波路とレンズとの間に平行平板を挿入する方法と、図３のようにレンズ間に平行平板を挿入する方法とを組合わせて用いる。また、２つの光学部品間に挿入される平行平板の数は一つに限らず、例えば、光軸５に対する２つの直交軸（水平軸と垂直軸）を中心に回転調整可能な２つの平行平板を設け、水平軸に対する回転調整と垂直軸に対する回転調整とを役割分担することも可能である。さらに、同じ、又は異なる厚みの平行平板を複数枚組合わせて用いることにより、多段階に渡り光波の伝播方向を調整することも可能である。
【００１７】
平行平板の厚みについては、任意のものが選択可能であるが、必要とする調整幅が微小である場合には、薄い平行平板を利用する方が、平行平板の固定精度の影響が少なく、好ましい。
また、平行平板の厚みを変える代わりに、異なる屈折率を有する材質で形成された平行平板を利用することも可能である。
【００１８】
本発明の光結合装置の組立方法について説明する。
図１に示す光導波路−光導波路結合を例にすると、まず、２つの光導波路と２つのレンズを所定位置に配置し、次に平行平板を光導波路とレンズとの間、又はレンズ間に必要な数だけ配置する。この際、平行平板は、光結合装置内の光波が適正に伝播する方向（光軸５）に垂直となるように配置する。
次に、光導波路とレンズとを、光結合装置の筐体（筐体自体に限らず、筐体と接合した支持部材であっても良い）に固定する。最後に、平行平板を光結合損失が最小となる位置に調整し、該筐体に固定する。
平行平板の固定の順番については、平行平板の調整が難しく、調整効果が顕著となり易い、光導波路とレンズとの間に挿入した平行平板の位置調整（平行平板の追加・除去・交換も含む）を最初に行ない、次に、レンズ間の平行平板の位置調整を行う。
【００１９】
光導波路やレンズを固定する前に、予め光軸上に平行平板を配置する理由は、平行平板の挿入により、光軸を伝播する光波の光路長が変化するため、光導波路やレンズを固定した後に平行平板を挿入すると、再度、レンズの焦点位置の調整などのように、光学部品の位置を再調整する必要が生じるためである。
特に、平行平板の配置として、レンズ間より、光導波路とレンズとの間の方が、レンズの焦点位置に直接影響を及ぼすため、光導波路とレンズの両方が固定される前に、結合損失を非常に小さくしたい場合には、平行平板を挿入することが必要である。
また、光導波路とレンズとの間に平行平板を挿入すると、レンズの焦点距離は長くなる方向に変化する。このため、光導波路とレンズとの距離が適正な位置関係より近接している場合では、平行平板を挿入しても両者の光学距離は長くなる方向に働くため、調整が困難となる。これを解消するには、光導波路とレンズとの間に平行平板を配置した状態で、光導波路とレンズとを固定し、両者が適正な位置より近接した場合には、挿入している平行平板を、平行平板の厚さがより薄いもの、又は、平行平板の屈折率がより低いものに変更することで、両者の光学距離を短縮することが可能となる。
【００２０】
半導体レーザやニオブ酸リチウム基板を用いた光変調器（ＬＮ変調器）を集積化したモジュールを作成することを想定して、光導波路−光導波路結合を行う際の、本発明の効果を検証する実験を行った。表１はその実験結果である。
実験の手順としては、光導波路が設置されたモジュール基板上に、０．２ｍｍ厚の平行平板（ガラス板）、そしてレンズ１（焦点距離２．５ｍｍ）の順に配置し、レンズ１から出射された光と結合するように、光軸上にレンズ２とシングルモードファイバを配置・調整し、溶接前の結合損失を光パワーメータで測定した。次に、光導波路が設置されたモジュール基板にレンズ１（レンズホルダやレンズ位置調整用台座を含む）をＹＡＧレーザにより溶接固定し、溶接後の光結合損失を測定した。さらに、平行平板の位置調整を行い、調整後の光結合損失の測定及び、平行平板の調整角度の測定を行った。
【００２１】

【００２２】
実施例１〜３においては、溶接時の位置精度にバラツキが生じるように溶接固定を行っている。
表１の結果より、溶接により光学部品の結合損失が大きくなった場合でも、平行平板の角度を調整することにより、溶接前の結合損失レベルまで容易に回復可能であることが理解できる。
【００２３】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明に係る光導波路の光結合装置及びその製造方法により、光学部品の固定、特に光導波路−光導波路結合における固定の位置的精度に係る作業負担を軽減し、光結合損失の低減も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光導波路−光導波路結合の状態を示す図
【図２】本発明に係る平行平板を光導波路とレンズとの間に設けた状態を示す図
【図３】本発明に係る平行平板をレンズ間に設けた状態を示す図
【符号の説明】
１，４ 光導波路
２，３ レンズ
５ 光軸
１０，２０ 平行平板

Claims (3)

1. 光源又は出射用光導波路から出射する光波を、レンズを用いて入射用光導波路に入射させるための光導波路の光結合装置において、
   光源又は出射用光導波路から出射する光波を平行ビームに変換する第１レンズと、
   平行ビームを収束し入射用光導波路に導くための第２レンズと、
   光源又は出射用光導波路と第１レンズとの間、第１レンズと第２レンズとの間、又は第２レンズと入射用光導波路との間のいずれか少なくとも１ヶ所に挿入された光軸位置を補正するための平行平板とを有することを特徴とする光導波路の光結合装置。
2. 請求項１に係る光導波路の光結合装置において、該平行平板は、該光結合装置内を伝播する光波の光軸に対して所定の角度で、該光結合装置の筐体に固定されていることを特徴とする光導波路の光結合装置。
3. 光源又は出射用光導波路から出射する光波を、レンズを用いて入射用光導波路に入射させるための光導波路の光結合装置の製造方法において、
   該光源又は該出射用光導波路、出射する該光波を平行ビームに変換する第１レンズ、平行ビームを収束し該入射用光導波路に導くための第２レンズ、該入射用光導波路、及び、光源又は出射用光導波路と第１レンズとの間、第１レンズと第２レンズとの間、又は第２レンズと入射用光導波路との間のいずれか少なくとも１ヶ所に挿入され、かつ該光結合装置内を伝播する光波の光軸に対して垂直に配置された平行平板を、各々所定位置に配置し、
   該平行平板を除く全ての部材を該光結合装置の筐体に固定した後、該平行平板を該光軸に対して所定の角度となるように調整し、該筐体に固定することを特徴とする光導波路の光結合装置の製造方法。

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