JP2005121695A - 光結合構造 - Google Patents

Abstract

【課題】光学的成膜特性の高精度化を図ることができ、光ファイバ端面の加工が容易となる光結合構造を提供する。
【解決手段】第１の光ファイバ１の傾斜加工された第１の端面１ａと、第２の光ファイバ２の第１の端面と同じ角度に加工された第２の端面２ａの一方または両方に第１または第２の光学的成膜（１ｂ、２ｂ）が形成され、同一光軸上に接して配置され、第１の光ファイバを伝播した光波の一部が透過して第２の光ファイバに光結合し、第１または第２の端面で反射した光波の他の一部が柱状レンズ３の端面に向かうように構成され、柱状レンズは光波が入射して反射できるように光軸に対し角度を持つ第３の端面３ａを持ち、第３の端面には第３の光学的成膜３ｂが形成されており、第３の端面と反対側にある端面において第３の光ファイバ４と直接または空気層または光学的透明媒質を介して光結合される。
【選択図】図１

Description

本発明は、光結合構造に関し、特に光ファイバ端面の加工が容易である光結合構造に関する。

図７に従来例１の光モジュール（特許文献１ 参照）の構成を示す。
光モジュールは、幅方向の断面形状が直角二等辺三角形であるプリズム５１と、幅方向の断面形状が直角二等辺三角形である三角柱形状のプリズム５２と、レンズ効果を有する分布屈折率型ガラスロッド５９，６０と同心的に接続された２本の光ファイバ５７，５８とを備え、プリズム５１の直角をなす縁部に対向する側面（面Ａ）と分布屈折率型ガラスロッド５９，６０の端面が屈折率整合剤を介して接し、プリズム５１の端面の底辺（面Ｂ）の長さとプリズム５２の端面の斜辺の長さ（面Ｃ）を一致させ、両端面は接するように配置されている。
また、プリズム５１の面Ｂには、所定の波長に対し所定の反射率を与える反射膜（波長選択性フィルタ：短波長パスフィルタ６１）が形成されている。
また、光ファイバ５８の中心軸延長線上にプリズム５１，５２を介して球レンズ５３と光源５４が配置されている。
光源５４、球レンズ５３からの１．３μｍの光は、面Ｅに入射され、波長選択性フィルタ６１、面Ａを透過して光ファイバ５８に結合され、一方光ファイバ５８からの１．５５μｍの受信光は、面Ａに入射され、波長選択性フィルタ６１、面Ｄ（反射膜５５）で反射し、面Ａを透過して光ファイバ５７に結合される。

図８に従来例２の光結合構造（特許文献２ 参照）の構成を示す。
光結合構造は、光ファイバ９０と光導波路基板７０，８０から構成され、光ファイバ９０は、光導波路基板８０に接着剤により固定される。光ファイバ９０は、その中心部に配置されたコア９１と、コア９１を取り囲むクラッド層９２とを有する。また、光導波路基板７０（８０）は、その上部に設けられた断面矩形状の光導波路７１（８１）と、光導波路を取り囲むクラッド層７２（８２）とバッファ層７３（８３）とを有する。光導波路基板７０（８０）は、その端部が斜めにカットされ、カット面７５（８５）が形成される。同様に、光ファイバ９０も端面が斜めにカットされカット面９５が形成される。
カット面７５は、光導波路７１の光軸方向を基準にして角度（１８０度−α）でカットされており、ここでは、α＝４５°に設定されている。またカット面７５あるいはカット面８５には、半透過型反射膜７６がスパッタリング等で設けられている。この半透過型反射膜７６は、金属や誘電体の多層膜であり、光波を部分透過／反射する特性を有している。そして、カット面７５は、光導波路８１と光導波路７１とが直線的に配置されるように、半透過型反射膜７６を介して、カット面８５と接着剤により接合される。

次に光波の伝搬について説明する。
光導波路８１を伝搬してきた光波Ｌ１は、カット面８５とカット面７５との間に設けられた半透過型反射膜７６に入射する。次に光波Ｌ１は、半透過型反射膜７６により分岐する。すなわち、光波Ｌ１は、半透過型反射膜７６を透過し、光導波路７１に光結合する光波Ｌ２と、半透過型反射膜７６で反射する光波Ｌ３に分岐する。反射した光波Ｌ３は、クラッド層８２とクラッド層と同じ屈折率を有する接着剤とクラッド層９２とを通過し、カット面９５に入射する。その後、光波Ｌ３は、コア９１のカット面９５で反射し、光ファイバ９０を伝搬していく。従って、光波Ｌ１は、半透過型反射膜７６によって、光導波路７１に光結合する光波Ｌ２と、光ファイバ９０に光結合する光波Ｌ３とに分岐することになる。
また、半透過型反射膜７６の代わりに、波長分離フィルタを設置してもよい。この波長分離フィルタは、高／低屈折率誘電体膜を積層することにより設けられる。ここでは、波長λ１の光波のみ通過させる波長選択性透過膜を波長分離フィルタとして設置する。これによって、前述と同様に、光導波路８１に光波Ｌ１を入射した場合、上記光波Ｌ２は波長λ１のみの光波となり、その他の波長の光波は、波長分離フィルタで全反射し光波Ｌ３に分波する。すなわち、光導波路７１には、波長λ１のみ光波Ｌ２が光結合され、光ファイバ９０には、波長λ１以外の光波Ｌ３が光結合されることになる。
また、光導波路基板７０に代えて、光ファイバあるいは受光素子等も用いることができる。

（従来例３）
従来例１の光モジュールは、（１）プリズムの小型化は、波長選択性フィルタの成膜による応力のため小さくすることはできず、一般に小型のもので１ｍｍ□程度である。また、（２）光ファイバ２本、光源及びプリズムがそれぞれ分離しており、少なくとも３個所のアクティブ光軸調芯が必要であり、コスト高となる。先ず、光源と球レンズ、プリズムの光軸を定め、次に光源５４と光ファイバ５８のＸＹ方向及びあおり調芯が必要となる。次に光ファイバ５８と光ファイバ５７とのＸＹ方向及びあおり調芯が必要となる。
従来例２の光結合構造は、（１）一般に光ファイバと光導波路基板とは材料構成が異なり熱膨張の差が著しく光結合特性の劣化原因となる。また、（２）光波を、クラッド層と同じ屈折率を有する接着剤を介して伝搬させることにより、外部への出射による損失を減少させているが、光波の拡散による損失は考慮されていない。
発明者は先に上記問題点を解決した光結合構造を提案した（特願２００３−２７９７５５ 参照）。

図９，図１０を参照して従来例３の光結合構造を説明する。
光ファイバはＶ溝基板に固定され、光ファイバの端部とＶ溝基板側面は４５度（θ）に研磨される。なお、光ファイバとＶ溝基板は通常接着剤で固定される。このようにして作られた斜め研磨光ファイバＡｓｓｙは、図９（ａ），（ｂ）に示すように、第２の斜め研磨光ファイバＡｓｓｙ１０６と第３の斜め研磨光ファイバＡｓｓｙ１０７は、斜め研磨の斜面がそれぞれ直交方向を向くように取り付けられ、第１の斜め研磨光ファイバＡｓｓｙ１０５の斜め研磨面は、第２の斜め研磨光ファイバＡｓｓｙ１０６の斜め研磨面と接するように取り付けられる。第１の光ファイバ１０１と第２の光ファイバ１０２のコアを一致させる。（厳密には、斜め研磨面に形成してある第１の光学的成膜１１１によりそこを通過する光軸が屈折する。そこで屈折による位置ずれの分、第１の光ファイバ１０１と第２の光ファイバ１０２のコアの位置をずらして固定してやることにより低損失の光結合を可能にする。）

図１０（ａ）に示すタイプ１は、後述する図６に示された宅側のＷＤＭを想定したもので第１の光学的成膜１１１は波長選択フィルタ（ＷＤＭフィルタ）が成膜され、第２の光学的成膜１１２は反射膜が成膜される。この波長選択フィルタは１．５５μｍ（λ2）を透過し、１．４９μｍ（λ1）以下の短波長帯は反射するように特徴付けられている。
光（１０２）（λ1＋λ2）は、局側から送られてきた受信光を示し、第１の光学的成膜１１１によって透過光（λ2）と反射光（λ1）に分岐される。透過光（λ2）は第１の光ファイバ１０１を伝播し、反射光（λ1）は第２の光学的成膜１１２によって反射され、第３の光ファイバ１０３を伝播する送信光となる。波長λ1は１．４９μｍ、波長λ2は１．５５μｍ、λ3は１．３１μｍに相当する。第１の光ファイバ１０１の端面は、４５度に斜めに研磨されているので反射膜がなくても全反射する反射面が形成される。図１０（ｂ）に示すタイプ２は局側のＷＤＭを想定したもので、第１の光学的成膜１１１は波長選択フィルタ（ＷＤＭフィルタ）が成膜され、第２の光学的成膜１１２は反射膜が成膜される。この波長選択フィルタは、宅側のＷＤＭと同じ特性を持つ。
第２の光ファイバ１０２からの光（１０２）（λ3）は第１の光学的成膜１１１によって反射され、その後第２の光学的成膜１１２によって反射され第３の光ファイバ１０３を伝播する。 一方、第３の光ファイバ１０３からの光（１０３）（λ1）は、第２の光学的成膜１１２によって反射され、第１の光学的成膜１１１によって反射され第１の光ファイバ１０１から挿入された透過光（１０１）（λ2）と合波され第２の光ファイバ１０２を伝播する送信光（λ1＋λ2）となる。ここでλ1〜λ3の波長は宅側と同じである。
特開平９−２６５２５号公報（図１、特許請求の範囲） 特開２００２−２３００４（図１２、段落（００９１〜００９８））

先に提案した光結合構造（従来例３）はファイバ端面の研磨角度は４５°で、第２の光学的成膜１１１（ＷＤＭフィルタ）はこの面に成膜されていた。この場合、フィルタ特性の高精度化が困難となる。すなわちフィルタ成膜面に対して斜めに入射すると光のＰ偏波（垂直振動成分）とＳ偏波（水平振動成分）の透過及び反射特性が、図１２に示すようにずれてくる。これはフィルタによる光波長の分離をＰ偏波とＳ偏波の透過及び反射特性のズレ以下にすることはできなくなることを意味する。すなわち、ＣＷＤＭやＤＷＤＭのように波長分割するようなフィルタでは、波長間隔が２０ｎｍ以下と狭く、より垂直に近い研磨面が必要となる。ちなみに数度以内の角度では、Ｐ偏波とＳ偏波の透過及び反射特性のズレはほぼ無視できるが、前記した光結合構造のように端面の角度が４５°では５０ｎｍ以上となり高精度化が困難となる。そこで前記した光結合構造で図１１に示すように第２の光ファイバの端面の傾斜角（θ1）を垂直に近づけると第３の光ファイバの端面の傾斜角（θ2）は、θ2＝９０°−θ1であるので、光ファイバの端面の傾斜角（θ2）は小さくなり、光ファイバの端面はとがった針のようになる（Ａ参照）。ここでθ1を８０°にするとθ2は１０°となり、光ファイバの先端は針のようになり研磨そのものが困難となり仮にできたとしても光ファイバの径１２５μｍを考慮すると、針状の先端部は少しの応力で破損してしまい実用的でなくなる。

本発明は、複数の光ファイバを光結合させる光結合構造において、
柱状レンズと第１の光ファイバと第２の光ファイバと第３の光ファイバから構成され、
前記第１の光ファイバは、光軸に対して任意の角度に傾斜加工された第１の端面を持ち、
前記第１の光ファイバと同一光軸上にある第２の光ファイバは、前記第１の端面と同じ角度に加工された第２の端面を持ち、
前記第１の端面または第２の端面の一方または両方に第１または第２の光学的成膜が形成されると共に直接、あるいは空気層または光学的透明媒質を介して光結合されるように配置され、
柱状レンズと第１の光ファイバと第２の光ファイバは、前記第１の光ファイバを伝播した光波の一部が前記第１の端面と第２の端面を透過して第２の光ファイバに光結合し、前記光波の他の一部が前記第１の端面または第２の端面により反射され、前記柱状レンズの端面に向かうように構成され、
前記柱状レンズは、前記第１の端面または第２の端面で反射した前記光波が入射して反射できるように柱状レンズの光軸に対し角度を持つ第３の端面を持ち、
前記第３の端面には第３の光学的成膜が形成されており、
前記第３の端面と反対側にある端面において前記第３の光ファイバと直接、あるいは空気層または光学的透明媒質を介して光結合されることを特徴とする。

光学的成膜である各種光学フィルタはフィルタ成膜面がより垂直に近いほど波長特性の高精度化が図れる。本発明は、光学的成膜を施す光ファイバと柱状レンズまたはライトガイドの端面を垂直に近い角度まで加工できるので光学的成膜特性の高精度化を図ることができるようになる。また従来の光ファイバのように端面の傾斜角を極端に小さくすることが無いため（むしろ角度が垂直に近くなるように加工する）加工がより容易になると共に端面の先端を破損したりすることが無くなる。

図１〜図５を参照して本発明の光結合構造の実施例を説明する。
（実施例１）
図１に本発明の実施例１の光結合構造を示す。
第１の光ファイバ１の端面１ａは、任意角度で斜めに研磨され、その端面に光学的成膜１ｂが施される。また柱状レンズ３−１の端面３ａにも第１の光ファイバの端面と同じ傾斜角で斜めに研磨される。第１の光ファイバの端面１ａに施された光学的成膜１ｂは、例えば波長λ1は反射し、波長λ2は透過する波長選択フィルタが成膜され、柱状レンズ３−１の端面３ａに施された光学的成膜３ｂは、例えば反射膜が施されている。ここで第１の光ファイバ１に光(1)（λ1＋λ2）が入射されると、波長λ2の光(2)は第１の光ファイバの延長上に接続された第２の光ファイバ２に光結合し、一方、波長λ1の光(3)は、第２の光学的成膜で反射し、柱状レンズ３−１に入射後、斜面に施された反射膜（光学的成膜３ｂ）により反射する。第１の光ファイバ１の第１の端面２ａで反射した光(3)は、第１の光ファイバのコアの閉じ込めから解放され広がりながら放射され柱状レンズ３−１の反射膜により柱状レンズの光軸方向に伝播する。伝播光(3)（λ1）は、柱状レンズ３−１のレンズ効果により柱状レンズに継続的に接続された第３の光ファイバ４のコアに集光し光結合される。ここで柱状レンズ３−１は屈折率分布型のマルチモード光ファイバや屈折率分布型の柱状レンズが利用できる。
実施例１においてはライトガイドを備えていないため、柱状レンズで反射した反射光イ、ロはレンズ内で曲げられるため焦点が光ファイバの光軸上にない。そのため集光性は悪い反面、ライトガイドがないため部品点数が少なくてすむ。

（実施例２）
図２は、本発明の別の実施例で柱状レンズ３−２の前段にライトガイド５が挿入されている。ライトガイド５は、石英柱やステップインデックス型のマルチモード光ファイバなどが利用できる。
実施例２においてライトガイド５を設けたため、第３の光ファイバ４内の焦点の位置が一致し、光ファイバの光軸上に焦点を結ぶため、集光性がよい。実施例２においては、ライトガイドを用いることにより実施例１より部品点数が増える。

（実施例３）
図３は、柱状レンズ３−３と第３の光ファイバ４との間をあけ光ファイバを軸方向に移動させ柱状レンズからの光がちょうど光ファイバのコア部に集光されるよう調整できるようにした実施例である。
図３の光結合構造は、図１の応用例として示したが図２の光結合構造の構成でも同様に応用が可能である。また、図３では、第１の光ファイバ１と柱状レンズ３−３の間に光ファイバや柱状レンズの屈折率にマッチングした接着剤６が塗布され光学的成膜からの反射光が光ファイバ／柱状レンズ／周囲の空気層の境界条件による好まざる屈折や好まざる反射を抑えている。図２の光結合構造についても同様の対策をとることができる。
図４は、光結合構造の実装例を示す。
例えば図１の第１の光ファイバ１及び第２の光ファイバ２は、ベース８に加工された同一のＶ溝９に載せられ固定される。一方、柱状レンズ３−１及び第３の光ファイバ４は、隣のＶ溝９に載せられ固定される。

（実施例４）
図５は、本発明の実施例４の光結合構造を示す。
実施例１〜３の光結合構造において、第２の光ファイバ２に代えて直接発光素子か受光素子などの光素子１０を用いることも可能である。光素子１０は光(2)（λ2）を受光し電気信号に変換して出力する。

図６は、光通信システムにおいて今後主流となるであろう、Ｂ−ＰＯＮ（Broadband Optical Netwark）システムの波長多重合波器（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexer）の使用例を示す。局側である通信センターは、波長１．５５μｍの光に載せられたVideo信号とメディアコンバータ（ＭＣ：Media Converter）から波長１．４９μｍに載せられた光が波長多重合波器（ＷＤＭ）により合波されて送信される。一方、宅側から送信されてきた波長１．３１μｍの光は、ＷＤＭにより分離され、ＭＣに送られそこで電気信号に変換される。局側から宅側に送られた光は、宅側のＷＤＭによって波長１．５５μｍの光と１．４９μｍの光に分離され、波長１．５５μｍの光は、Video装置に、また波長１．４９μｍの光はＭＣに送られそれぞれ処理される。一方、データを載せたＭＣからの波長１．３１μｍの光は、ＷＤＭで合波され局側に送信される。
図１及び図２に示す光結合構造を図６に示す光通信システムに適用した場合、各ポート（１）〜（３）に入出射する光の波長は、下表のとおりとなる。

図１〜図３の光学的成膜は、上記条件を満たすよう特性付けられ成膜される。
光学的成膜は、反射膜であればよいがそこで反射させたい光以外を反射させずに透過するようにし、当該ＷＤＭモジュールのアイソレーションを高めることができる。

本発明の実施例１の光結合構造を示す図。 本発明の実施例２の光結合構造を示す図。 本発明の実施例３の光結合構造を示す図。 本発明の光結合構造の実装例を示す図。 本発明の実施例４の光結合構造を示す図。 本発明の光結合構造の使用例を示す図。 従来例１の光モジュールの構成を示す図。 従来例２の光結合構造を示す図。 従来例３の光結合構造を示す図。 従来例３の光結合構造の光路を説明する図。 本発明が解決しようとする課題を説明する図。 フィルタ成膜面に対して斜めに入射した光のＰ偏波とＳ偏波の透過及び反射特性を示す図。

符号の説明

１・・・第１の光ファイバ、２・・・第２の光ファイバ、３・・・柱状レンズ、４・・・第３の光ファイバ

Claims (3)

1. 複数の光ファイバを光結合させる光結合構造において、
   柱状レンズと第１の光ファイバと第２の光ファイバと第３の光ファイバから構成され、
   前記第１の光ファイバは、光軸に対して任意の角度に傾斜加工された第１の端面を持ち、
   前記第１の光ファイバと同一光軸上にある第２の光ファイバは、前記第１の端面と同じ角度に加工された第２の端面を持ち、
   前記第１の端面または第２の端面の一方または両方に第１または第２の光学的成膜が形成されると共に直接、あるいは空気層または光学的透明媒質を介して光結合されるように配置され、
   柱状レンズと第１の光ファイバと第２の光ファイバは、前記第１の光ファイバを伝播した光波の一部が前記第１の端面と第２の端面を透過して第２の光ファイバに光結合し、前記光波の他の一部が前記第１の端面または第２の端面により反射され、前記柱状レンズの端面に向かうように構成され、
   前記柱状レンズは、前記第１の端面または第２の端面で反射した前記光波が入射して反射できるように柱状レンズの光軸に対し角度を持つ第３の端面を持ち、
   前記第３の端面には第３の光学的成膜が形成されており、
   前記第３の端面と反対側にある端面において前記第３の光ファイバと直接、あるいは空気層または光学的透明媒質を介して光結合されることを特徴とする光結合構造。
2. 請求項１に記載の光結合構造において、
   前記柱状レンズの代わりに、ライトガイドと柱状レンズを用い、
   前記ライトガイドは、前記第１の端面または第２の端面で反射した前記光波が入射して反射できるようにライトガイドの光軸に対し角度を持つ第４の端面を持ち、
   前記第４の端面には前記第４の光学的成膜が形成されており、
   前記光波の他の一部が前記第１の端面または第２の端面で反射した光波は、ライトガイドと第４の端面の反対側にある端面に配置された柱状レンズを介して前記第３の光ファイバに光結合されるように構成することを特徴とする光結合構造。
3. 請求項１または２に記載の光結合構造において、
   前記第２の光ファイバの代わりに光素子を用い、前記第１の端面と第２の端面を透過した前記光波の一部が入射されることを特徴とする光結合構造。
   
   

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