JP2005508015A - アレー構造の光ファイバコリメータを製造するシステム及び方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】実用的で、光損失が最小なアレー構造の光ファイバコリメータの構成部品を調整する方法を提供する。
【解決手段】初めに、複数の個別光ファイバ２０１を有する光ファイバアレーブロック２０２を受容及び保持し、次にマイクロレンズ表面に沿って一体化された複数のマイクロレンズとマイクロレンズ表面の反対側の基板面とを有するマイクロレンズアレー基板２０６を受容及び保持し、次にマイクロレンズの少なくとも１つから出力された光ビームを受光するように配置された第１の受光器２１２の少なくとも一部２１０を受容及び保持し、次に少なくとも１つの光ビームを光源２１４から複数の個別光ファイバの少なくとも１つへ出力し、第１の受光器で受光される光パワーが最大になるようにマイクロレンズアレー基板と光ファイバアレーブロックの少なくとも一方の位置を他方に対して調整する。
【解決手段】初めに、複数の個別光ファイバ２０１を有する光ファイバアレーブロック２０２を受容及び保持し、次にマイクロレンズ表面に沿って一体化された複数のマイクロレンズとマイクロレンズ表面の反対側の基板面とを有するマイクロレンズアレー基板２０６を受容及び保持し、次にマイクロレンズの少なくとも１つから出力された光ビームを受光するように配置された第１の受光器２１２の少なくとも一部２１０を受容及び保持し、次に少なくとも１つの光ビームを光源２１４から複数の個別光ファイバの少なくとも１つへ出力し、第１の受光器で受光される光パワーが最大になるようにマイクロレンズアレー基板と光ファイバアレーブロックの少なくとも一方の位置を他方に対して調整する。
Description
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体として、アレー構造の光ファイバコリメータに関し、特に、アレー構造の光ファイバコリメータを製造するシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学装置では、アレー構造の光ファイバコリメータが益々使われている。例えば、アレー構造の光ファイバコリメータは、光アイソレータチップや光サーキュレータチップなどの種々の光学的チップに接続して使用されたり、使用するように提案されている。最近では、高密度の波長分割多重装置（ＤＷＤＭ）に使われる、アレー構造の光テバイスに対する要求が増えたので、低価格化が益々重要になってきている。しかし、グレーデッドインデックス（ＧＲＩＮ）レンズ、非球面レンズ、又はフレネルマイクロレンズを取り込んだ平行化用アレーを使用する光デバイスの有用性は、光ファイバコリメータアレーの構成に大きく左右される。したがって、光損失を低減するようにファイバコリメータアレーを構成することが重要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
そこで、実用的で、光損失が最小なアレー構造の光ファイバコリメータの構成部品を調整するシステムと方法が必要となる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、アレー構造の光ファイバコリメータの構成部品を、確実に調整する装置と方法とに関する。まず、第１の固定具は、光ファイバアレーブロックを受容及び保持するためのものであり、複数の個別の光ファイバを受容及び保持するように設定される。次に、第２の固定具は、マイクロレンズの表面に沿って一体化された複数のマイクロレンズと、このマイクロレンズの表面と反対側の基板面とからなるマイクロレンズアレー基板を受容及び保持するために設定される。そして、第３の固定具は、前記一体化マイクロレンズの少なくとも１つから出る光ビームを受光するように配置された第１の受光器の少なくとも一部を受容及び保持するために設定される。次に、少なくとも１つの光ビームが、光源から複数の個別光ファイバの少なくとも１つへ出力される。マイクロレンズアレー基板と、光ファイバアレーブロックとの少なくとも一方の位置を他方に対して調整して、第１の受光器で受光される光ビームの光パワーを最大にする。最後に、一体化マイクロレンズから出力される光パワーが最大になったら、光ファイバアレーブロックをマイクロレンズアレー基板に固定して、アレー構造の光ファイバコリメータが完成する。
【０００５】
本発明の他の特徴点や利点は、後述の詳細な説明の中で述べる。また、詳細な説明から、当業者には明らかになるか、前述の特許請求の範囲及び添付の図面に記載された本発明を実施すれば分かるであろう。
【０００６】
上述の説明は、本発明の一例に過ぎず、請求の範囲に規定した本発明の性質と特徴とを理解するために全体像がつかめるように意図したものである。添付の図面は、本発明の理解を更に深めるためのものであり、明細書の一部をなす。図面は、本発明の種々の特徴点と実施例とを示すものであり、図面の簡単な説明とともに本発明の原理と動作の説明に資するものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、実用的で、光損失が最小なアレー構造の光ファイバコリメータの構成部品を調整するシステムと方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明を実施するための最良の形態は、後述する実施例１〜３に記載の通りである。
【実施例１】
【０００９】
図１は、第１のアレー構造の光ファイバコリメータ１０２と、第２のアレー構造の光ファイバコリメータ１１２とを有するアレー構造光ファイバデバイス１００を示す。第１のアレー構造の光ファイバコリメータ１０２は、複数の光ファイバ１０１を保持する第１の光ファイバアレーブロック１０４と、マイクロレンズ表面に沿って一体化した複数のマイクロレンズからなる第１のマイクロレンズアレー基板１０６とを有する。第２のアレー構造の光ファイバコリメータ１１２は、複数の光ファイバ１１１を保持する第２の光ファイバアレーブロック１１４と、マイクロレンズ表面に沿って一体化した複数のマイクロレンズからなる第２のマイクロレンズアレー基板１１６とを有する。光チップ（例えば、アイソレータチップ、サーキュレータチップ、フィルタ等）１０８は、基板１２０に形成された溝１１８の内部で保持される。第１のアレー構造の光ファイバコリメータ１０２と第２のアレー構造の光ファイバコリメータ１１４は、基板１２０に結合され（例えば、接着剤を使って）、調整後は、第１のアレー構造の光ファイバコリメータ１０２と第２のアレー構造の光ファイバコリメータ１１４が互いに位置関係を保つとともにチップ１０８に対しても、位置関係を保つ。
【００１０】
そして、図２には、複数の光ファイバ２０１（例えば８本の光ファイバ）を保持する光ファイバアレーブロック２０２を、マイクロアレー基板２０６に対して整列させる方法を示す。ファイバ２０１は光源２１４に結合され、光源２１４はファイバ２０１の各々に光ビームを出力するのが好ましい。あるいは、光源２１４は、光ビームをファイバ２０１の各端部へ出力するだけでもよい。図２（Ａ）に示すように、第１の固定具２０３は、ブロック２０２を受容及び保持するとともに自動調整器（auto-aligner）２２０に結合されて、基板２０６及びＳＭＣ光ファイバ２１０に対して、ブロック２０２を移動しやすくする。基板２０６は、第２の固定具２０５により受容及び保持され、固定具２０５は、基板２０６を自動調整器２２０に装着し、したがって、自動調整器２２０が、基板２０６を移動しやすくする。ＳＭＣ光ファイバ２１０は、受光器２１２に結合されるとともに、固定具２０７により受容及び保持される。受光器２１２からみたとき（ＳＭＣ光ファイバ２１０を介して）、各ファイバ２０１と、各ファイバに対応するマイクロレンズから出射する光パワーが最大になるように、ブロック２０２と基板２０６との相対位置が調整される。ブロック２０２の複数の光ファイバ２０１と基板２０６のマイクロレンズとの間を最適に調整するには、自動調整器２２０により精密な割り出しが必要であることが理解されよう。所望の調整が完了すると、ブロック２０２は基板２０６に張り付けられ（例えば、光学用接着剤を使って）、これにより、図２（Ｂ）に示された調整法といっしょに使用されるアレー構造の光ファイバコリメータ２３０が完成する。
【００１１】
図２（Ｂ）に示すように、コリメータ２３０の複数の光ファイバ２０１は、受光器２１２に結合される。次に、コリメータ２３０は、固定具２０９により受容及び保持され、固定具２０９を介して自動調整器２２０に結合される。次に、光源２１４は、光ファイバアレーブロック２３２に保持された複数の光ファイバ２３１に結合される。光ファイバアレーブロック２３２が固定具２０３を介して自動調整器２２０に結合される。マイクロレンズアレー基板２３６は、次に、固定具２０５を介して、自動調整器２２０に結合される。ブロック２３２と基板２３６は、自動調整器２２０により移動され、それにより、ブロック２３２に保持された光ファイバ２３１と、基板２３６のマイクロレンズとを介して、受光器２１２からコリメータ２３０を通してみたとき、最適な光パワーを伝達し易くする。伝達パワーが最大になったら、ブロック２３２を、基板２３６に固定して（例えば、光学接着剤を使って）、図２（Ｃ）に示すようなもう一つのコリメータ２５０とする。
【００１２】
図２（Ｃ）に示すように、コリメータ２５０は、固定具２０９を使用して、自動調整器２２０に結合されるとともに、複数の光ファイバ２３１を介して、受光器２１２に結合される。光ファイバアレーブロック２６２は、光源２１４に結合された複数の光ファイバ２６１を保持するとともに、固定具２０３により受容及び保持されて固定具２０３を介して自動調整器２２０に結合される。基板２６６は、固定具２０５により受容及び保持されて、固定具２０５を介して自動調整器２２０に結合される。図２（Ｂ）に示す方法と同様だが、ブロック２６２と基板２６６は、相互に整列して、コリメータ２５０を介して受光器２１２からみたとき、基板２６６のマイクロレンズを通過する光パワーを最大にする。以上、１つのコリメータを使って、次段のマイクロレンズアレー基板を次段の光ファイバアレーブロックと整列させて、次段のコリメータを作り出す方法を説明した。
【００１３】
図３は、上述のＳＭＣファイバ法とステッピング法を使ってつくった、一対のコリメータの結合損失を示すグラフである。図３に示すように、ＳＭＣファイバに対して整列させた一対のコリメータの最小結合損失は、一方のコリメータを、同様に整列した他方のコリメータから５乃至６ミリの位置に配置したとき、約1.5dBである。先につくっておいたコリメータを使って、次につくったコリメータと整列させ、つくったコリメータを他のコリメータから５−６ミリに配置したとき、0.6dBの減衰が得られた。しかし、完全なマスタコリメータを使わないと、整列誤差が残ることがあり、最初の２つ又は３つのコリメータは、大抵、捨てなければならない。更に、平行化された光ビームは、通常、広がって、ミクロン又はミクロン以下の精度で整列する（この場合、ビーム径は、代表的には100から140ミクロン）ので、平行化された光ビームを検出して行う調整では、Ｘ，Ｙ及びＺ軸方向の移動に対して特に敏感というわけではない。
【実施例２】
【００１４】
図４は、光ファイバアレーブロック４０２をマイクロレンズアレー基板４０６と整列させる別の装置を示す。光源（例えば、レーザダイオード）４１４は、光サーキュレータ４１６に結合され、この光サーキュレータ４１６が、受光器（例えば、フォトデテクタ）４１８に結合される。サーキュレータ４１６は、また、ブロック４０２中に保持される複数の光ファイバ４０１に結合される。ブロック４０２は、固定具４０３により受容及び保持されて、固定具４０３を介して自動調整器４２０に結合される。基板４０６は、固定具４０５により受容及び保持されて、固定具４０５を介して自動調整器４２０に結合される。ハーフミラー４２２は、固定具４１１により受容及び保持されて、固定具４１１を介して自動調整器４２０に結合される。電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラ４２４は、固定具４１３により受容及び保持されて、固定具４１３を介して自動調整器４２０に結合される。このようにして、自動調整器４２０は、ブロック４０２、基板４０６及びミラー４２２の、カメラ４２４に対する相対位置および三次元（Ｘ，Ｙ及びＺ）における互いに対する相対位置を調整できる。
【００１５】
まず、初めに、自動調整器４２０により、ブロック４０２とミラー４２２とを接触させ、ブロック４０２とミラー４２２をθX及びθY方向に整列させて最大の光パワーが伝達されるようにする。これにより、ブロック４０２とミラー４２２は平行になる。次に、ミラー４２２をＺ方向に移動して、ブロック４０２から離す。それから、基板４０６をブロック４０２とミラー４２２との間に置く。光源４１４が、光ファイバ４０１の少なくとも最初の一本と、最後の一本とに光ビームを出力し、カメラ４２４を使って基板４０６のマイクロレンズを介して、照明位置を目視検査することにより、調整するようになっている。次に、ミラー４２２と基板４０４との間の距離をαに設定する。この距離は、マイクロレンズと、形成されるビームウエストポイント（beam waist point）（wave frontが曲率０であり、ビーム径が最小となるガウスビーム中の点）との間の光路長に対応する。次に、光ビームを、ファイバ４０１とブロック４０２へ入力し、基板４０６のマイクロレンズが、受光器４１８からみたときの反射光パワーを調べることにより調整される。最適調整が完了すると、ブロック４０２と基板４０４とが相互に位置関係をもって固定され（例えば、光学接着剤を使って）、アレー構造の光ファイバコリメータを形成する。
【００１６】
図５は、前述の各方法について、コリメータ間の距離の関数としての結合損失を示す。マイクロレンズの表面に反射防止コーティング（ＡＲ）を施さない場合、鏡法により調整された一対のコリメータの最小結合損失は0.6dBである。したがって、マイクロレンズの表面がＡＲコーティングされていると、結合損失は代表的には0.5dB未満のはずである。調整確度は、Ｘ及びＹ方向で約0.5−1ミクロンから約0.1ミクロンに改善され、またθX,θY及びθZ軸では0.1度から0.01度に改善された点に注目されたい。
【００１７】
図６は、光ファイバアレーブロックとマイクロレンズアレー基板について、１つのチャンネルで調整後の調整ずれを時間の関数としてプロットしたグラフを示す。時間が経つにつれて増加する損失は、主に、自動調整器上にあるホルダとブラケットの熱膨張又は熱収縮と、自動調整器の振動とによるものである。鏡を使う調整方法では、鏡と光ファイバアレーブロックとが平行に調整され、その位置にて、基板とブロックの調整中に、あるところまでは移動するかも知れない時間長にわたって鏡をそのままにする。市販されているいずれのタイプのものも、一般に、自動調整器の不安定さが見られる。
【００１８】
図７に示すように、構成部品の調整に影響を与えるもう１つの要因は、自動調整器の回転の中心が、ブロック４０２とミラー４２２の表面の、最初のチャンネル（CH1）と最後のチャンネル（CH6）の先端からずれることである。代表的な自動調整器では、基板４０６が固定され、ミラー４２２とブロック４０２を移動させて、調整を容易にする。しかし、ブロック４０２とミラー４２２を、例えばθY軸上で動かすと、調整点として使われる第１のチャンネルと最後のチャンネルの先端が、θY軸上だけでなく、Ｘ及びＺ軸上でも動く。ミラー４２２はブロック４０２と同様に動き、ブロック４０２はＸ軸上で自動的に調整できるが、調整誤差はＺ軸に残ることがある。
【実施例３】
【００１９】
本発明のもう１つの実施例によれば、図８に示すように、図４のミラー４２２の代わりに、ダミーブロック（好ましくはSiO2又はガラスのブロック）８２６を使用する。ダミーブロック８２６は基板８０６の表面に取り付ける。図示のとおり、光ファイバアレーブロック８０２はその表面に結合された（例えば、光学接着剤を使って）レンズスペーサ８２８を有し、このブロック８０２とスペーサ８２８が一体化したユニットを構成する。したがって、ブロック８０２とスペーサ８２８は、単独の固定具８０３を使って、自動調整器８０２に取り付けられる。同様に、ダミーブロック８２６は基板８０６に取り付けられている。この基板８０６は、単独の固定具８０５を介して自動調整器８２０に結合されている。ＣＣＤカメラ８２４も、固定具８１３を介して自動調整器８２０に結合されている。光源（例えば、レーザダイオード）８１４は、光アイソレータ８３０を介して、光ビームを光サーキュレータ８１６に出力する。このサーキュレータ８１６は複数の光ファイバ８０１に結合され、この光ファイバ８０１がブロック８０２中に保持されている。好ましくは、光を、複数の光ファイバ８０１の第１の光ファイバと最後の光ファイバとに入力し、基板８０６のマイクロレンズを介して、ＣＣＤカメラ８２４を使って、照明位置を目視で検査することにより、ブロック８０２と基板８０６とを粗調整する。基板８０６のマイクロレンズで形成された平行化光ビームは、ダミーブロック８２６の表面で部分的に反射される。ダミーブロック８２６の厚さは、レンズ表面からビームウエストポイントまでの光路長に対応しているのが好ましい。反射光は、ファイバ中に再入力され、サーキュレータ８２６により、受光器（例えば、フォトデテクタ）８１８に導かれる。ブロック８０２（スペーサ８２８を含む）と基板８０５（ダミーブロック８２６を含む）の調整は、第１のチャンネルと最後のチャンネルの光パワーをチェックすることによりできる。代替案としては、個別にチャンネルを検査してもよい。このようにして、反射光のパワーを検査することで、基板８０６とブロック８０２が６つの全ての軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ，θX，θY，θZ）上で精密に調整される。正確に調整されたら、接着剤（例えば、紫外光（ＵＶ）光学接着剤）がスペーサ８２８の表面と基板８０６の表面との間に注入され、一体化されたコリメータができあがる。前述の方法に優る本方法の第１の利点は、自動調整器上に保持されねばならない部品の数が３個から２個に減り、これにより、更に精密な調整ができることである。
【００２０】
図９は、結合損失を示す複数のカーブを説明するグラフであり、図８のセットアップを使って製作された多数対のコリメータについて、コリメータ間の距離の関数として結合損失を示す。ダミーブロックを使って調整した1対のコリメータの結合損失は、最小0.4dB（フレネル反射損失は、除去されるが、コネクタ損失は含まれている。）であった。調整確度が約10−20ミクロンの範囲から、Ｚ軸上で約1ミクロンに改善し、この方法が６つの軸全てに適用できる点に注目されたい。
【００２１】
上述の方法は種々の構成のコリメータに適用可能である。例えば、図１０は、マイクロレンズアレー基板１００６の傾斜面が、ダミーブロック１０２６の傾斜面に整合しているアレー構造の光ファイバコリメータ１０００を示す。ダミーブロック１０２６の面に傾きを持たせて基板１００６の傾きを補償し、更に精密な調整ができるようになっている。図１１に示すように、凸レンズ又は回折レンズを有するコリメータ１１００は、調整用の空所（例えば、くぼみ）を有するダミーブロック１１２６を含んでもよい。図１２に示すように、平行化された光ビームが、マイクロレンズアレー基板１２０６のマイクロレンズの光軸から数度はずれるようにつくる場合は、傾斜した背面を有するダミーブロック１２２６を使って、もっと精密な調整をするのが有利である。上述のとおり、アレー構造の光ファイバコリメータの損失を、全体として、従来構造のものよりも軽減する多数の方法を述べた。
【００２２】
ここで述べた本発明の好適な実施例に対する種々の変形例が、請求の範囲に定義された本発明の精神及び範囲から逸脱することなく可能であることは当業者には自明である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施例によるアレー構造の光デバイスの斜視図である。
【図２】本発明の一実施例による光ファイバアレーブロックとマイクロレンズアレー基板とを整列させるセットアップを示す図である。
【図３】本発明の各実施例により構成部品がシングルモード平行化（ＳＭＣ）ファイバ法及びステッピング法により調整された、一対のアレー構造の光ファイバコリメータ間の距離の関数である結合損失を示す図である。
【図４】本発明の他の実施例による、光ファイバアレーブロックをマイクロレンズアレー基板と整列させるためのセットアップを示すブロック図である。
【図５】ＳＭＣファイバ法、ステッピング法及び鏡法を用いた場合の、コリメータ間の間隔の関数としての結合損失を示す図である。
【図６】図４に示すセットアップについて、時間の関数としての結合損失の増加を示す図である。
【図７】マイクロレンズアレー基板に対する、図４に示す光ファイバアレーブロックとミラーの動きを示す平面図である。
【図８】本発明の別の実施例によりアレー構造の光ファイバコリメータの構成部品を調整するセットアップを示すブロック図である。
【図９】図８のセットアップを用いてつくった、多数のコリメータ対について、コリメータ間の距離の関数として結合損失を示す図である。
【図１０】傾斜面を有する傾斜ダミーブロックを使ってマイクロレンズアレー基板の傾斜面と組み合わせるアレー構造の光ファイバコリメータを示す図である。
【図１１】凸型マイクロレンズ又は回折マイクロレンズを受容する凹部を有するダミーブロックを採用したアレー構造の光ファイバコリメータを示す側面図である。
【図１２】背面が傾斜したダミーブロックを有し、マイクロレンズの光軸から数度外れた角度で整列させた、平行化光ビームを有するコリメータとともに使用されるアレー構造の光ファイバコリメータを示す側面図である。
【符号の説明】
【００２４】
１００ アレー構造光ファイバデバイス
１０１，１１１ 光ファイバ
１０２，１１２ アレー構造の光ファイバコリメータ
１０４，１１４ 光ファイバアレーブロック
１０６，１１６ マイクロレンズアレー基板
１０８ 光チップ
１１８ 溝
１２０ 基板
２０３，２０５，２０７，２０９ 固定具
２１０ ＳＭＣ光ファイバ
２１２ 受光器
２１４ 光源
２２０ 自動調整器
４１６ 光サーキュレータ
４２２ ハーフミラー
４２４ ＣＣＤカメラ
８２６ ダミーブロック
８２８ レンズスペーサ
８３０ 光アイソレータ
【０００１】
本発明は、全体として、アレー構造の光ファイバコリメータに関し、特に、アレー構造の光ファイバコリメータを製造するシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学装置では、アレー構造の光ファイバコリメータが益々使われている。例えば、アレー構造の光ファイバコリメータは、光アイソレータチップや光サーキュレータチップなどの種々の光学的チップに接続して使用されたり、使用するように提案されている。最近では、高密度の波長分割多重装置（ＤＷＤＭ）に使われる、アレー構造の光テバイスに対する要求が増えたので、低価格化が益々重要になってきている。しかし、グレーデッドインデックス（ＧＲＩＮ）レンズ、非球面レンズ、又はフレネルマイクロレンズを取り込んだ平行化用アレーを使用する光デバイスの有用性は、光ファイバコリメータアレーの構成に大きく左右される。したがって、光損失を低減するようにファイバコリメータアレーを構成することが重要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
そこで、実用的で、光損失が最小なアレー構造の光ファイバコリメータの構成部品を調整するシステムと方法が必要となる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、アレー構造の光ファイバコリメータの構成部品を、確実に調整する装置と方法とに関する。まず、第１の固定具は、光ファイバアレーブロックを受容及び保持するためのものであり、複数の個別の光ファイバを受容及び保持するように設定される。次に、第２の固定具は、マイクロレンズの表面に沿って一体化された複数のマイクロレンズと、このマイクロレンズの表面と反対側の基板面とからなるマイクロレンズアレー基板を受容及び保持するために設定される。そして、第３の固定具は、前記一体化マイクロレンズの少なくとも１つから出る光ビームを受光するように配置された第１の受光器の少なくとも一部を受容及び保持するために設定される。次に、少なくとも１つの光ビームが、光源から複数の個別光ファイバの少なくとも１つへ出力される。マイクロレンズアレー基板と、光ファイバアレーブロックとの少なくとも一方の位置を他方に対して調整して、第１の受光器で受光される光ビームの光パワーを最大にする。最後に、一体化マイクロレンズから出力される光パワーが最大になったら、光ファイバアレーブロックをマイクロレンズアレー基板に固定して、アレー構造の光ファイバコリメータが完成する。
【０００５】
本発明の他の特徴点や利点は、後述の詳細な説明の中で述べる。また、詳細な説明から、当業者には明らかになるか、前述の特許請求の範囲及び添付の図面に記載された本発明を実施すれば分かるであろう。
【０００６】
上述の説明は、本発明の一例に過ぎず、請求の範囲に規定した本発明の性質と特徴とを理解するために全体像がつかめるように意図したものである。添付の図面は、本発明の理解を更に深めるためのものであり、明細書の一部をなす。図面は、本発明の種々の特徴点と実施例とを示すものであり、図面の簡単な説明とともに本発明の原理と動作の説明に資するものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、実用的で、光損失が最小なアレー構造の光ファイバコリメータの構成部品を調整するシステムと方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明を実施するための最良の形態は、後述する実施例１〜３に記載の通りである。
【実施例１】
【０００９】
図１は、第１のアレー構造の光ファイバコリメータ１０２と、第２のアレー構造の光ファイバコリメータ１１２とを有するアレー構造光ファイバデバイス１００を示す。第１のアレー構造の光ファイバコリメータ１０２は、複数の光ファイバ１０１を保持する第１の光ファイバアレーブロック１０４と、マイクロレンズ表面に沿って一体化した複数のマイクロレンズからなる第１のマイクロレンズアレー基板１０６とを有する。第２のアレー構造の光ファイバコリメータ１１２は、複数の光ファイバ１１１を保持する第２の光ファイバアレーブロック１１４と、マイクロレンズ表面に沿って一体化した複数のマイクロレンズからなる第２のマイクロレンズアレー基板１１６とを有する。光チップ（例えば、アイソレータチップ、サーキュレータチップ、フィルタ等）１０８は、基板１２０に形成された溝１１８の内部で保持される。第１のアレー構造の光ファイバコリメータ１０２と第２のアレー構造の光ファイバコリメータ１１４は、基板１２０に結合され（例えば、接着剤を使って）、調整後は、第１のアレー構造の光ファイバコリメータ１０２と第２のアレー構造の光ファイバコリメータ１１４が互いに位置関係を保つとともにチップ１０８に対しても、位置関係を保つ。
【００１０】
そして、図２には、複数の光ファイバ２０１（例えば８本の光ファイバ）を保持する光ファイバアレーブロック２０２を、マイクロアレー基板２０６に対して整列させる方法を示す。ファイバ２０１は光源２１４に結合され、光源２１４はファイバ２０１の各々に光ビームを出力するのが好ましい。あるいは、光源２１４は、光ビームをファイバ２０１の各端部へ出力するだけでもよい。図２（Ａ）に示すように、第１の固定具２０３は、ブロック２０２を受容及び保持するとともに自動調整器（auto-aligner）２２０に結合されて、基板２０６及びＳＭＣ光ファイバ２１０に対して、ブロック２０２を移動しやすくする。基板２０６は、第２の固定具２０５により受容及び保持され、固定具２０５は、基板２０６を自動調整器２２０に装着し、したがって、自動調整器２２０が、基板２０６を移動しやすくする。ＳＭＣ光ファイバ２１０は、受光器２１２に結合されるとともに、固定具２０７により受容及び保持される。受光器２１２からみたとき（ＳＭＣ光ファイバ２１０を介して）、各ファイバ２０１と、各ファイバに対応するマイクロレンズから出射する光パワーが最大になるように、ブロック２０２と基板２０６との相対位置が調整される。ブロック２０２の複数の光ファイバ２０１と基板２０６のマイクロレンズとの間を最適に調整するには、自動調整器２２０により精密な割り出しが必要であることが理解されよう。所望の調整が完了すると、ブロック２０２は基板２０６に張り付けられ（例えば、光学用接着剤を使って）、これにより、図２（Ｂ）に示された調整法といっしょに使用されるアレー構造の光ファイバコリメータ２３０が完成する。
【００１１】
図２（Ｂ）に示すように、コリメータ２３０の複数の光ファイバ２０１は、受光器２１２に結合される。次に、コリメータ２３０は、固定具２０９により受容及び保持され、固定具２０９を介して自動調整器２２０に結合される。次に、光源２１４は、光ファイバアレーブロック２３２に保持された複数の光ファイバ２３１に結合される。光ファイバアレーブロック２３２が固定具２０３を介して自動調整器２２０に結合される。マイクロレンズアレー基板２３６は、次に、固定具２０５を介して、自動調整器２２０に結合される。ブロック２３２と基板２３６は、自動調整器２２０により移動され、それにより、ブロック２３２に保持された光ファイバ２３１と、基板２３６のマイクロレンズとを介して、受光器２１２からコリメータ２３０を通してみたとき、最適な光パワーを伝達し易くする。伝達パワーが最大になったら、ブロック２３２を、基板２３６に固定して（例えば、光学接着剤を使って）、図２（Ｃ）に示すようなもう一つのコリメータ２５０とする。
【００１２】
図２（Ｃ）に示すように、コリメータ２５０は、固定具２０９を使用して、自動調整器２２０に結合されるとともに、複数の光ファイバ２３１を介して、受光器２１２に結合される。光ファイバアレーブロック２６２は、光源２１４に結合された複数の光ファイバ２６１を保持するとともに、固定具２０３により受容及び保持されて固定具２０３を介して自動調整器２２０に結合される。基板２６６は、固定具２０５により受容及び保持されて、固定具２０５を介して自動調整器２２０に結合される。図２（Ｂ）に示す方法と同様だが、ブロック２６２と基板２６６は、相互に整列して、コリメータ２５０を介して受光器２１２からみたとき、基板２６６のマイクロレンズを通過する光パワーを最大にする。以上、１つのコリメータを使って、次段のマイクロレンズアレー基板を次段の光ファイバアレーブロックと整列させて、次段のコリメータを作り出す方法を説明した。
【００１３】
図３は、上述のＳＭＣファイバ法とステッピング法を使ってつくった、一対のコリメータの結合損失を示すグラフである。図３に示すように、ＳＭＣファイバに対して整列させた一対のコリメータの最小結合損失は、一方のコリメータを、同様に整列した他方のコリメータから５乃至６ミリの位置に配置したとき、約1.5dBである。先につくっておいたコリメータを使って、次につくったコリメータと整列させ、つくったコリメータを他のコリメータから５−６ミリに配置したとき、0.6dBの減衰が得られた。しかし、完全なマスタコリメータを使わないと、整列誤差が残ることがあり、最初の２つ又は３つのコリメータは、大抵、捨てなければならない。更に、平行化された光ビームは、通常、広がって、ミクロン又はミクロン以下の精度で整列する（この場合、ビーム径は、代表的には100から140ミクロン）ので、平行化された光ビームを検出して行う調整では、Ｘ，Ｙ及びＺ軸方向の移動に対して特に敏感というわけではない。
【実施例２】
【００１４】
図４は、光ファイバアレーブロック４０２をマイクロレンズアレー基板４０６と整列させる別の装置を示す。光源（例えば、レーザダイオード）４１４は、光サーキュレータ４１６に結合され、この光サーキュレータ４１６が、受光器（例えば、フォトデテクタ）４１８に結合される。サーキュレータ４１６は、また、ブロック４０２中に保持される複数の光ファイバ４０１に結合される。ブロック４０２は、固定具４０３により受容及び保持されて、固定具４０３を介して自動調整器４２０に結合される。基板４０６は、固定具４０５により受容及び保持されて、固定具４０５を介して自動調整器４２０に結合される。ハーフミラー４２２は、固定具４１１により受容及び保持されて、固定具４１１を介して自動調整器４２０に結合される。電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラ４２４は、固定具４１３により受容及び保持されて、固定具４１３を介して自動調整器４２０に結合される。このようにして、自動調整器４２０は、ブロック４０２、基板４０６及びミラー４２２の、カメラ４２４に対する相対位置および三次元（Ｘ，Ｙ及びＺ）における互いに対する相対位置を調整できる。
【００１５】
まず、初めに、自動調整器４２０により、ブロック４０２とミラー４２２とを接触させ、ブロック４０２とミラー４２２をθX及びθY方向に整列させて最大の光パワーが伝達されるようにする。これにより、ブロック４０２とミラー４２２は平行になる。次に、ミラー４２２をＺ方向に移動して、ブロック４０２から離す。それから、基板４０６をブロック４０２とミラー４２２との間に置く。光源４１４が、光ファイバ４０１の少なくとも最初の一本と、最後の一本とに光ビームを出力し、カメラ４２４を使って基板４０６のマイクロレンズを介して、照明位置を目視検査することにより、調整するようになっている。次に、ミラー４２２と基板４０４との間の距離をαに設定する。この距離は、マイクロレンズと、形成されるビームウエストポイント（beam waist point）（wave frontが曲率０であり、ビーム径が最小となるガウスビーム中の点）との間の光路長に対応する。次に、光ビームを、ファイバ４０１とブロック４０２へ入力し、基板４０６のマイクロレンズが、受光器４１８からみたときの反射光パワーを調べることにより調整される。最適調整が完了すると、ブロック４０２と基板４０４とが相互に位置関係をもって固定され（例えば、光学接着剤を使って）、アレー構造の光ファイバコリメータを形成する。
【００１６】
図５は、前述の各方法について、コリメータ間の距離の関数としての結合損失を示す。マイクロレンズの表面に反射防止コーティング（ＡＲ）を施さない場合、鏡法により調整された一対のコリメータの最小結合損失は0.6dBである。したがって、マイクロレンズの表面がＡＲコーティングされていると、結合損失は代表的には0.5dB未満のはずである。調整確度は、Ｘ及びＹ方向で約0.5−1ミクロンから約0.1ミクロンに改善され、またθX,θY及びθZ軸では0.1度から0.01度に改善された点に注目されたい。
【００１７】
図６は、光ファイバアレーブロックとマイクロレンズアレー基板について、１つのチャンネルで調整後の調整ずれを時間の関数としてプロットしたグラフを示す。時間が経つにつれて増加する損失は、主に、自動調整器上にあるホルダとブラケットの熱膨張又は熱収縮と、自動調整器の振動とによるものである。鏡を使う調整方法では、鏡と光ファイバアレーブロックとが平行に調整され、その位置にて、基板とブロックの調整中に、あるところまでは移動するかも知れない時間長にわたって鏡をそのままにする。市販されているいずれのタイプのものも、一般に、自動調整器の不安定さが見られる。
【００１８】
図７に示すように、構成部品の調整に影響を与えるもう１つの要因は、自動調整器の回転の中心が、ブロック４０２とミラー４２２の表面の、最初のチャンネル（CH1）と最後のチャンネル（CH6）の先端からずれることである。代表的な自動調整器では、基板４０６が固定され、ミラー４２２とブロック４０２を移動させて、調整を容易にする。しかし、ブロック４０２とミラー４２２を、例えばθY軸上で動かすと、調整点として使われる第１のチャンネルと最後のチャンネルの先端が、θY軸上だけでなく、Ｘ及びＺ軸上でも動く。ミラー４２２はブロック４０２と同様に動き、ブロック４０２はＸ軸上で自動的に調整できるが、調整誤差はＺ軸に残ることがある。
【実施例３】
【００１９】
本発明のもう１つの実施例によれば、図８に示すように、図４のミラー４２２の代わりに、ダミーブロック（好ましくはSiO2又はガラスのブロック）８２６を使用する。ダミーブロック８２６は基板８０６の表面に取り付ける。図示のとおり、光ファイバアレーブロック８０２はその表面に結合された（例えば、光学接着剤を使って）レンズスペーサ８２８を有し、このブロック８０２とスペーサ８２８が一体化したユニットを構成する。したがって、ブロック８０２とスペーサ８２８は、単独の固定具８０３を使って、自動調整器８０２に取り付けられる。同様に、ダミーブロック８２６は基板８０６に取り付けられている。この基板８０６は、単独の固定具８０５を介して自動調整器８２０に結合されている。ＣＣＤカメラ８２４も、固定具８１３を介して自動調整器８２０に結合されている。光源（例えば、レーザダイオード）８１４は、光アイソレータ８３０を介して、光ビームを光サーキュレータ８１６に出力する。このサーキュレータ８１６は複数の光ファイバ８０１に結合され、この光ファイバ８０１がブロック８０２中に保持されている。好ましくは、光を、複数の光ファイバ８０１の第１の光ファイバと最後の光ファイバとに入力し、基板８０６のマイクロレンズを介して、ＣＣＤカメラ８２４を使って、照明位置を目視で検査することにより、ブロック８０２と基板８０６とを粗調整する。基板８０６のマイクロレンズで形成された平行化光ビームは、ダミーブロック８２６の表面で部分的に反射される。ダミーブロック８２６の厚さは、レンズ表面からビームウエストポイントまでの光路長に対応しているのが好ましい。反射光は、ファイバ中に再入力され、サーキュレータ８２６により、受光器（例えば、フォトデテクタ）８１８に導かれる。ブロック８０２（スペーサ８２８を含む）と基板８０５（ダミーブロック８２６を含む）の調整は、第１のチャンネルと最後のチャンネルの光パワーをチェックすることによりできる。代替案としては、個別にチャンネルを検査してもよい。このようにして、反射光のパワーを検査することで、基板８０６とブロック８０２が６つの全ての軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ，θX，θY，θZ）上で精密に調整される。正確に調整されたら、接着剤（例えば、紫外光（ＵＶ）光学接着剤）がスペーサ８２８の表面と基板８０６の表面との間に注入され、一体化されたコリメータができあがる。前述の方法に優る本方法の第１の利点は、自動調整器上に保持されねばならない部品の数が３個から２個に減り、これにより、更に精密な調整ができることである。
【００２０】
図９は、結合損失を示す複数のカーブを説明するグラフであり、図８のセットアップを使って製作された多数対のコリメータについて、コリメータ間の距離の関数として結合損失を示す。ダミーブロックを使って調整した1対のコリメータの結合損失は、最小0.4dB（フレネル反射損失は、除去されるが、コネクタ損失は含まれている。）であった。調整確度が約10−20ミクロンの範囲から、Ｚ軸上で約1ミクロンに改善し、この方法が６つの軸全てに適用できる点に注目されたい。
【００２１】
上述の方法は種々の構成のコリメータに適用可能である。例えば、図１０は、マイクロレンズアレー基板１００６の傾斜面が、ダミーブロック１０２６の傾斜面に整合しているアレー構造の光ファイバコリメータ１０００を示す。ダミーブロック１０２６の面に傾きを持たせて基板１００６の傾きを補償し、更に精密な調整ができるようになっている。図１１に示すように、凸レンズ又は回折レンズを有するコリメータ１１００は、調整用の空所（例えば、くぼみ）を有するダミーブロック１１２６を含んでもよい。図１２に示すように、平行化された光ビームが、マイクロレンズアレー基板１２０６のマイクロレンズの光軸から数度はずれるようにつくる場合は、傾斜した背面を有するダミーブロック１２２６を使って、もっと精密な調整をするのが有利である。上述のとおり、アレー構造の光ファイバコリメータの損失を、全体として、従来構造のものよりも軽減する多数の方法を述べた。
【００２２】
ここで述べた本発明の好適な実施例に対する種々の変形例が、請求の範囲に定義された本発明の精神及び範囲から逸脱することなく可能であることは当業者には自明である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施例によるアレー構造の光デバイスの斜視図である。
【図２】本発明の一実施例による光ファイバアレーブロックとマイクロレンズアレー基板とを整列させるセットアップを示す図である。
【図３】本発明の各実施例により構成部品がシングルモード平行化（ＳＭＣ）ファイバ法及びステッピング法により調整された、一対のアレー構造の光ファイバコリメータ間の距離の関数である結合損失を示す図である。
【図４】本発明の他の実施例による、光ファイバアレーブロックをマイクロレンズアレー基板と整列させるためのセットアップを示すブロック図である。
【図５】ＳＭＣファイバ法、ステッピング法及び鏡法を用いた場合の、コリメータ間の間隔の関数としての結合損失を示す図である。
【図６】図４に示すセットアップについて、時間の関数としての結合損失の増加を示す図である。
【図７】マイクロレンズアレー基板に対する、図４に示す光ファイバアレーブロックとミラーの動きを示す平面図である。
【図８】本発明の別の実施例によりアレー構造の光ファイバコリメータの構成部品を調整するセットアップを示すブロック図である。
【図９】図８のセットアップを用いてつくった、多数のコリメータ対について、コリメータ間の距離の関数として結合損失を示す図である。
【図１０】傾斜面を有する傾斜ダミーブロックを使ってマイクロレンズアレー基板の傾斜面と組み合わせるアレー構造の光ファイバコリメータを示す図である。
【図１１】凸型マイクロレンズ又は回折マイクロレンズを受容する凹部を有するダミーブロックを採用したアレー構造の光ファイバコリメータを示す側面図である。
【図１２】背面が傾斜したダミーブロックを有し、マイクロレンズの光軸から数度外れた角度で整列させた、平行化光ビームを有するコリメータとともに使用されるアレー構造の光ファイバコリメータを示す側面図である。
【符号の説明】
【００２４】
１００ アレー構造光ファイバデバイス
１０１，１１１ 光ファイバ
１０２，１１２ アレー構造の光ファイバコリメータ
１０４，１１４ 光ファイバアレーブロック
１０６，１１６ マイクロレンズアレー基板
１０８ 光チップ
１１８ 溝
１２０ 基板
２０３，２０５，２０７，２０９ 固定具
２１０ ＳＭＣ光ファイバ
２１２ 受光器
２１４ 光源
２２０ 自動調整器
４１６ 光サーキュレータ
４２２ ハーフミラー
４２４ ＣＣＤカメラ
８２６ ダミーブロック
８２８ レンズスペーサ
８３０ 光アイソレータ
Claims (16)
- アレー構造の光ファイバコリメータの構成部品を確実に調整するシステムであり、
自動調整器と、
複数の個別の光ファイバを受容及び保持する光ファイバアレーブロックを受容、保持し、自動調整器に結合する第１の固定具と、
マイクロレンズ表面に沿って一体化された構造の複数のマイクロレンズと、このマイクロレンズ表面に対向する基板面からなるマイクロレンズアレー基板を受容、保持し、自動調整器に結合する第２の固定具と、
一体化したマイクロレンズの少なくとも１つから出力される光ビームを受光するように位置決めされる第１の受光器の少なくとも一部を受容、保持し、自動調整器に結合する第３の固定具とを有し、
光源から少なくとも１つの光ビームを、複数の個別光ファイバの少なくとも１つへ出力し、
自動調整器が、マイクロレンズアレー基板と光ファイバアレーブロックのうち、少なくとも一方の位置を他方に対して調節して、第１の受光器により受光される光ビームの光パワーを最大にし、
一体化構造のマイクロレンズから出力される光パワーが最大になったとき、光ファイバアレーブロックをマイクロレンズアレー基板に固定し、アレー構造の光ファイバコリメータを構成することを特徴とするシステム。 - 前記第１の受光器は、一端が検出器に結合されたシングルモード平行化ファイバを有するとともに、前記シングルモード平行化ファイバの他端が一体化構造のマイクロレンズの１つからの光ビームを受光するように配置され、検出器へ出力された光パワーが最大になったとき、光ファイバアレーブロックが、マイクロレンズアレー基板に固定されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
- シングルモード平行化ファイバをアレー構造の光ファイバコリメータに置き換え、この光ファイバコリメータを用いて光ビームを受光し検出器へ出力することによって、次段のアレー構造の光ファイバコリメータを調整することを特徴とする請求項２に記載のシステム。
- 光ファイバアレーブロックに平行に整列されるとともに、光ビームが所望の波長であるとき光ビームの一部を反射するハーフミラーを、第１の受光器とマイクロレンズアレー基板との間に位置するように第４の固定具によって受容及び保持して自動調整器に結合し、
光結合器と光サーキュレータのうちの１つを、複数の個別の光ファイバの少なくとも１つに結合するとともに、光源と光ファイバアレーブロックとの間に設け、
光サーキュレータと光結合器のうち、１つの出力ポートに結合される第２の受光器を設け、第２の受光器に出力される光パワーが最大になったら、光ファイバアレーブロックをマイクロレンズアレー基板に固定することを特徴とする請求項１に記載のシステム。 - 第１の受光器が電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラであることを特徴とする請求項４に記載のシステム。
- ハーフミラーが、一体化構造のマイクロレンズの光ビームウエストポイントに位置していることを特徴とする請求項４に記載のシステム。
- 光ビームを部分的に反射するダミーブロックをマイクロレンズアレー基板に装着し、
光結合器と光サーキュレータのうち１つを、光源と光ファイバアレーブロックとの間に結合させるとともに、複数の個別の光ファイバの少なくとも１つに結合し、
光サーキューレータと光結合器のうち一方の出力ポートに結合された第２の受光器を設け、第２の受光器に出力された光パワーが最大のとき、光ファイバアレーブロックをマイクロレンズアレー基板に固定したことを特徴とする請求項１に記載のシステム。 - 第１の受光器は電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラであることを特徴とする請求項７に記載のシステム。
- ダミーブロックが、ＳｉＯ2とガラスのうちの１つで作られていること特徴とする請求項７に記載のシステム。
- 複数の個別光ファイバが最初の光ファイバと最後の光ファイバとを有し、光ビームが最初の光ファイバと最後の光ファイバの双方に出力され、調整をし易くすることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
- 少なくとも１つの光ファイバが、最初の光ファイバと最後の光ファイバとの間に配設されることを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
- ダミーブロックがマイクロレンズアレー基板の基板表面に装着されることを特徴とする請求項７に記載のシステム。
- ダミーブロックがマイクロレンズアレー基板のマイクロレンズ表面に装着されることを特徴とする請求項７に記載のシステム。
- ダミーブロックはマイクロレンズ表面に装着された第１の表面と、第２の表面とを有し、マイクロレンズは、屈折レンズと回折レンズのうちの１つであり、ダミーブロックはマイクロレンズ表面と第１の表面との間に空隙を形成するように構成されていることを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
- ダミーブロックはマイクロレンズ表面に装着された第１の表面と、第２の表面とを有し、マイクロレンズがグレーデッドインデックス（ＧＲＩＮ）レンズであり、ダミーブロックの第２の表面が傾斜していることを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
- マイクロレンズはグレーデッドインデックス（ＧＲＩＮ）レンズと、屈折レンズと、回折レンズのうちの1つであることを特徴とする請求項７に記載のシステム。
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