JP2005181455A - 光ファイバコリメータアレイ - Google Patents

Abstract

【課題】 挿入損失のチャンネル間ばらつきが小さく、調芯時のコリメート長と異なるコリメート長で使用しても挿入損失の変化のばらつきが小さい光ファイバコリメータアレイを提供する
【解決手段】 光ファイバコリメータアレイは、第１の単一モード光ファイバ端面から出射する発散光を第１のレンズを用いて平行光とし、この平行光を第２のレンズで集光し、第２の単一モード光ファイバ端面の結合する光ファイバコリメータを複数備えている。本発明の光ファイバコリメータアレイは、第１の単一モード光ファイバのモードフィールド径のばらつきを±２％以内とする。±１％以内とすればより望ましい。
【選択図】 図４

Description

本発明は、光通信分野で、複数の光機能素子を並列的に動作させるために用いられるコリメータアレイに関し、とくにその設計方法に関する。

光通信分野で用いられる光機能素子は、平行光ビームを入射して使用するものが多い。例えば、光スイッチ、光アイソレータ等々がその例である。このため、光源から出射する発散光を収束し平行光とするコリメータが極めて重要な光学要素となっている。

さらに近年の通信容量の増大に伴い、複数の光信号を並列的に処理する必要性が高まり、光ファイバやその他の光機能素子のアレイ化が進んでいる。これに伴ってコリメータも複数並列に配列したコリメータアレイが多用されるようになっている。

実際に、コリメータアレイを製作する場合には、単独のコリメータの製作に比べて特別の注意が必要である。レンズアレイの要素である多数のレンズ素子に対してそれぞれ光ファイバを一本ずつ調芯することは作業が煩雑となるため望ましくない。そこで光ファイバを精度よく配列した光ファイバアレイを製作し、その配列間隔とレンズ素子間隔が一致したレンズアレイを準備し、一括して調芯する方法がとられる。このとき、光ファイバアレイはその配列精度を高くするために、使用する光ファイバの外径ばらつきやコア偏心量などを管理し、それらの値が小さい光ファイバを用いて製作している。

従来コリメータアレイの設計方法としては例えば特許文献１に開示されたものが知られている。光ファイバコリメータは図６に示すように光ファイバ１１１から入射する発散光をレンズ１２１でコリメートしレンズ１２２で集光して光ファイバ１２２に結合するものである。一般に、光ファイバが単一モード光ファイバである場合、それから出射する光ビームはガウシアンビームとみなせるため、光ファイバコリメータでは対向する２つのレンズ間にビームウエスト１３０が形成される。

このコリメータの挿入損失を小さくするためには、このビームウエストの位置が一対のレンズ１２１、１２２の中間位置に一致するように設計される。すなわち、コリメータのコリメート長（コリメータとして使用するときのレンズ間距離）をＬとすると、レンズとビームウエストの距離がＬ／２となるように設計する。コリメータの作製においても、この位置関係を満たすように調芯を行うことにより、挿入損失の小さいコリメータを提供することができる。
特開２００１−３０５３７６号公報

しかしながら、従来のコリメータアレイには次のような問題点があった。
コリメータは、上記のような位置関係になるように調芯すれば、挿入損失を最小にすることができるが、複数のコリメータを一定コリメート長になるように構成するコリメータアレイでは、複数のコリメータ間でビームウエスト位置にばらつきがあると、それによってチャンネル間で挿入損失にばらつきが生じる。また、コリメータは一般に、調芯時のコリメート長と異なるコリメート長で使用すると、挿入損失は増大するが、その増大の割合も同様の理由によってチャンネル間でばらつきが生じる。

このため、コリメータアレイを使用するシステムでは、このばらつきを見込んで挿入損失に大きなマージンをとらなければならないという問題点がある。例えば、コリメータアレイの挿入損失の仕様は、あるコリメート長を条件にして与えられるが、そのコリメート長とは異なる距離で使用される場合がある。この場合、挿入損失のレンズ間距離依存性のチャンネル間ばらつきが大きいと、システム側で挿入損失のマージンを大きく取る必要が生じる。

光ファイバコリメータのビームウエスト位置は光ファイバの光学特性とレンズ特性、および光ファイバとレンズ間の距離によって決まる。通常光ファイバコリメータは、レンズから、所望のコリメート長Ｌの半分の距離L／２に置いたミラーを用い、１組のレンズと光ファイバを調芯して製作する。すなわち、光ファイバから出射した光がレンズでコリメートされた後、ミラーで反射されて再び光ファイバに結合する光学系で、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位置を決め、その後、樹脂などで固定する。

多芯光ファイバアレイとレンズアレイを用いて光ファイバコリメータアレイを構成する場合、個々の光ファイバとレンズの間で調芯することはできず、何らかの基準を設けて一括調芯する。したがって個々のコリメータについては必ずしも最適の位置に調整されることはない。この場合、レンズアレイ内のレンズ素子の焦点距離のばらつきや光ファイバ特性のばらつきは、コリメータ特性のばらつきに直接影響を与える。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたもので、その目的は、挿入損失のチャンネル間ばらつきが小さく、調芯時のコリメート長と異なるコリメート長で使用しても挿入損失の変化のばらつきが小さい光ファイバコリメータアレイを提供することにある。

光ファイバコリメータアレイは、第１の単一モード光ファイバ端面から出射する発散光を第１のレンズを用いて平行光とし、この平行光を第２のレンズで集光し、第２の単一モード光ファイバ端面の結合する光ファイバコリメータを複数備えているが、本発明の光ファイバコリメータアレイは、第１の単一モード光ファイバのモードフィールド径のばらつきを±２％以内とする。±１％以内とすればより望ましい。

ここで、モードフィールド径のばらつきは、光ファイバコリメータアレイに使用した複数の光ファイバのモードフィールド径の平均値に対する、各光ファイバのモードフィールド径の偏差を％で表示したものである。
光ファイバのモードフィールド径のばらつきを小さくすることにより、コリメータを構成したときのビームウエスト位置のばらつきを小さく抑えることができ、これによってコリメータアレイ各素子間での挿入損失のばらつきを小さくすることができる。合わせて調芯時のコリメート長と異なる距離で使用する場合の挿入損失の増加割合のばらつきも小さくすることができる。

上記第１および第２の単一モード光ファイバは、所定本数の光ファイバ端部を、コア端面が一定間隔になるように１次元または２次元に配列固定した光ファイバアレイであることが望ましい。また第１および第２のレンズは焦点距離が互いに等しいレンズ素子が単一モード光ファイバのコア端面の間隔と等しい間隔で平板状基板に配列された平板状レンズアレイであることが望ましい。

光ファイバアレイとレンズアレイを用いることにより、光ファイバのコア間隔とレンズの間隔が一定値に規定されるので、コリメータアレイを一括調芯によって製作できるが、この際、光ファイバのモードフィールド径のばらつきが小さく抑えられていると、コリメータアレイ各素子間での挿入損失のばらつきを小さくでき、かつ調芯時のコリメート長と異なる距離で使用する場合の挿入損失の増加割合のばらつきも小さくできる。

本発明によれば、コリメータアレイ各素子間での挿入損失のばらつきを小さくすることができ、また調芯時のコリメート長と異なる距離で使用する場合の挿入損失の増加割合のばらつきも小さくすることができる。このため、コリメータアレイを使用するシステムにおいて、挿入損失のマージンを減らすことができる。

以下に本発明の実施形態について詳細に説明する。
本発明の光ファイバコリメータアレイの１要素を図１に示す。第１の単一モード光ファイバ（ＳＭＦ）１１から出射した光は第１の凸レンズ２１によりコリメートされ、第２の凸レンズ２２によって第２のＳＭＦ１２に結合される。

ビームウエスト３０の位置と２つのレンズの中間位置を一致させるとコリメータの挿入損失を最小化でき、この位置がずれると挿入損失が増大する。したがって、レンズ間距離、すなわちコリメート長Ｌとビームウエスト位置ｄ₁の関係が重要である。

一般的な、コリメート長と挿入損失の関係を図２に示す。ただし、挿入損失は、第１のＳＭＦ１１から入射された光の強度に対する、第２のＳＭＦ１２から出射される光の強度の減衰量の比（単位：ｄＢ）の絶対値で示す。この図は、ビームウエスト位置ｄ₁が５ｍｍになるように製作されたコリメータの例であるが、コリメート長が１０ｍｍのときに挿入損失が最小値となっている。ここでｄ₁が変化すると挿入損失が最小となるLの値も変化する。

ビームウエスト位置は図１に示されるレンズとビームウエストが形成される位置の間の距離ｄ₁で定義される。このｄ₁は一般的には、以下の式で表される。この式からｄ₁は、構成部品の光学特性であるレンズの焦点距離ｆとＳＭＦのモードフィールド径（ＭＦＤ）２ｗ₀に強く依存することがわかる。両者の値を均一にできれば、ビームウエスト位置ｄ₁のチャンネル間でのばらつきは小さくなる。

ｄ₁＝（（πｗ₀ ²／λ）²／ｆ−ｄ₀（１−ｄ₀／ｆ））／（（πw₀ ²／λ）²／ｆ²
＋（１−ｄ₀／ｆ）²） （１）
ここで、ｄ₀はレンズ・光ファイバ間距離、λは波長である。

ビームウエスト位置のばらつきが小さいと、いずれかの素子で挿入損失が最小になるように調整すれば、コリメータアレイ全体での挿入損失のばらつき低減が可能となる。また挿入損失が最小となるコリメート長のばらつきも小さくなるので、挿入損失の最小となるコリメート長とはやや異なる値のコリメート長を使用する場合も、挿入損失のばらつきは小さくなる。

以下、本発明の実施例を説明する。
コリメート長Lが１０ｍｍのコリメータアレイを設計する場合について説明する。すなわち、図１においてＬ＝１０ｍｍになるように設計を行う。
使用した光ファイバは通常の単一モード光ファイバ（ＳＭＦ）である。レンズアレイの各レンズ素子の焦点距離ｆは波長λ＝１５５０ｎｍにおいて、７００μｍとした。

以上の条件で（１）式を用いてビームウエスト位置ｄ1を計算すると、ｄ₀＝７４１μｍのとき、ｄ₁＝５ｍｍ、すなわちＬ／２に等しくなる。実際には、ＭＦＤに製造ばらつきがあり、一般的にはそのばらつきは±０．５〜１μｍ程度である。上記の条件で、ＭＦＤの値が１０〜１１μｍの間で変化したときのｄ₁の変化を図３に表す。図から、ＭＦＤが１μｍ変動すると、ｄ₁は約１ｍｍ変化することがわかる。

本実施例では、図４に示すような８チャンネルの光ファイバコリメータアレイを作製した。（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。この光ファイバコリメータアレイは８チャンネル光ファイバアレイ１０と８チャンネルレンズアレイ２０の組合せで構成した。光ファイバ、レンズとも１次元配列され、その間隔はともに０．２５ｍｍとした。

光ファイバアレイ１０は８本のＳＭＦ１４を、平板状のガラス基板に断面がＶ字状の溝を平行に上記間隔で形成したＶ溝基板１５と平板状基板１３の間に挟持して接着固定し、端面を光学研磨して形成した。使用した８本のＳＭＦは、８本のなかでのＭＦＤが９．９〜１０．１μｍの範囲（ばらつき±１％以内）となるように選択したのもの（光ファイバアレイＡという）と、９．９〜１０．４μｍの範囲（ばらつき±２．５％以内）のもの（光ファイバアレイＢ）とを使用した。

一方、レンズアレイ２０は平板状のガラス基板２３の表面にイオン交換法で屈折率分布を導入し、上記の焦点距離をもつレンズ素子２４を形成した。

この光ファイバアレイ１０の端面とレンズアレイ２０のレンズ素子２４が形成されていない方の面を平行に対向させ、２組の光ファイバ・レンズ素子間で調芯を行い、両者を樹脂で固定した。いずれも、レンズアレイは同一特性、同一ロットのものを使用し、組立方法も同一条件で行った。

このように作製された光ファイバコリメータアレイのコリメート長と挿入損失の関係を８チャンネルすべてについて測定した結果を図５に示す。各曲線がそれぞれのチャンネルの測定結果に対応する。なお挿入損失は、各チャンネルにおける最小値を０に正規化した相対値で示している。光ファイバアレイＡを用いたコリメータアレイの場合は、挿入損失が最小となるコリメート長の値にずれがほとんどなく、チャンネル間のばらつきも非常に小さいことがわかる（図５（ａ））。一方、光ファイバアレイＢを用いて作製したコリメータアレイでは、挿入損失が最小となるコリメート長の値がチャンネル間でずれているのがわかる（図５（ｂ））。

コリメート長を５ｍｍから１５ｍｍの間で使用する場合、ＭＦＤが±２．５％の範囲でばらついた光ファイバアレイＢを用いたコリメータアレイのチャンネル間の挿入損失のばらつきは０．７ｄB程度あるが、ＭＦＤのばらつきを±１％にした光ファイバアレイＡを用いると０．２ｄB以下にすることができる。すなわち、ＭＦＤは少なくとも±２％以下のばらつきに抑えることが望ましく、±１％以内とするのがより望ましい。

また、挿入損失が最小になるコリメート長の値のチャンネル間ばらつき（ずれ）は光ファイバアレイＢの場合は、３mm程度発生しているが、光ファイバアレイＡでは極めて小さくなる。

上記の実施例では一例としてチャンネル数８、波長１５５０ｎｍ、レンズの焦点距離７００μｍという条件でコリメータアレイを製作した場合について説明したが、チャンネル数、波長、焦点距離はこれらに限定されることはない。また光ファイバの構造あるいは使用波長によってモードフィールド径の絶対値は変化するが、コリメータアレイ内でもばらつきを上記のように制限すれば、本発明の効果は得られる。

本発明の光ファイバコリメータアレイの１要素であるコリメータの構成を示す図である。 光ファイバコリメータのコリメート長と挿入損失の関係を示す図である。 モードフィールド径の変化によるビームウエスト位置の変化を示す図である。 本発明の実施例の８チャンネル光ファイバコリメータアレイの模式図である。 本発明の実施例の８チャンネル光ファイバコリメータアレイの挿入損失のコリメート長依存性の測定結果を示す図である。 従来の光ファイバコリメータの構成を示す図である。

符号の説明

１０ 光ファイバアレイ
１１、１２、１４ 光ファイバ
１３ 平板状基板
１５ Ｖ溝基板
２０ レンズアレイ
２１、２２ 凸レンズ
２３ ガラス基板
２４ レンズ素子

Claims (4)

1. 第１の単一モード光ファイバ端面から出射する発散光を第１のレンズを用いて平行光とし、該平行光を第２のレンズで集光し、第２の単一モード光ファイバ端面の結合する光ファイバコリメータを複数備えた光ファイバコリメータアレイにおいて、前記第１の単一モード光ファイバのモードフィールド径のばらつきが±２％以内であることを特徴とする光ファイバコリメータアレイ。
2. 前記モードフィールド径のばらつきが±１％以内であることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバコリメータアレイ。
3. 前記第１および第２の単一モード光ファイバは、それぞれ所定本数の光ファイバ端部を、コア端面が一定間隔になるように１次元または２次元に配列固定した光ファイバアレイを構成していることを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバコリメータアレイ。
4. 前記第１および第２のレンズは、焦点距離が互いに等しいレンズ素子が前記単一モード光ファイバのコア端面の間隔と等しい間隔で平板状基板に１次元または２次元に配列された平板状レンズアレイのレンズ素子であることを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバコリメータアレイ。
   

Images