JP2006163204A - 光ファイバとマイクロレンズとの位置合わせ方法および機構 - Google Patents

Abstract

【課題】 取り扱いが容易で、小型化が可能な、光ファイバとレンズの位置合わせ方法および機構を提供すること。
【解決手段】 本発明の一実施形態によれば、光ファイバ１−ａとマイクロレンズ２−ａとの光軸合わせにおいて、レンズを設けた平板２の位置決めに用いる楔形の切り欠き２−ｂ、２−ｂ’と、光フェルール１の端面に設けた位置決め穴１−ｂ、１−ｂ’とを、高精度な外径を有するマイクロボール３を介して位置合わせすることにより、従来にない小型のマイクロレンズ付き光ファイバ部品を簡易に実現することができる。また、フェルール１として、ＳＣ型に代表される円筒形フェルールを用いることにより、端面にマイクロレンズを搭載した後も、フェルールの外径精度を利用した高精度で取り扱いの容易な光部品を提供することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光ファイバとマイクロレンズとの位置合わせ方法および機構に関する。より詳細には、本発明は、光部品として取り扱いを容易にし、小型化を可能とする光ファイバとマイクロレンズとの位置合わせ方法および機構に関する。

近年の光通信ネットワークの拡大に伴い、光トランシーバや光レシーバ、光合分波器、光スイッチ等の光モジュールの需要が拡大し、安価で小型な部品への要求が高まっている。これらの光モジュールへ外部から光信号を入出力する媒体としては、主に光ファイバが用いられる。光モジュールに光ファイバを実装する際には、一般にＶ溝あるいはフェルールに光ファイバを保持し、必要に応じて信号光を集光、あるいは平行光に変換するためのレンズを光ファイバと組み合わせる。光ファイバとレンズとを組み合わせて使用する場合、それぞれの光軸が一致しなければ光結合損失が発生して光モジュールの特性に影響を及ぼすため、これらの光軸合わせには高い精度が要求される。光ファイバとレンズの光軸合わせを行う方法としては、実際にレーザ光を通しながら（すなわち能動的に）光結合損失が最小となるように調芯する手段がある。しかしながら、能動的な調芯においては、調芯時間と調芯コストの両方が費やされるため、安価な光部品の製造には不向きであった。そこで、近年、能動的な調芯を行わずに、光ファイバとレンズの光軸を合わせて接続する手法が注目されている。

従来、光ファイバの先端に、能動的な調芯を行わずにレンズを接続する方法には、レンズを搭載した平板に位置決め穴を設け、フェルールに取り付けたガイドピンをこの穴に差し込むことによって、フェルールに保持された光ファイバと平板上のレンズとを接続する方法があった（例えば、特許文献１）。

特開２００３−１０７２７７号公報

しかしながら、このような方法では、光ファイバの先端部とマイクロレンズとの位置合わせと、その後のフェルール同士、あるいはフェルールと他の光部品の接続の両方に同一のガイドピンを使用するため、レンズとファイバの調芯後、ガイドピンの取り扱いに慎重を要し、使いづらいという問題があった。

また、マイクロレンズを搭載した平板の位置決め穴のクリアランスは、位置ずれによる結合損失を考慮すると２μｍ以下にする必要があり、直径０．７ｍｍの２本のガイドピンに対して少しでも傾けて取り付けたりすると、スムーズに差し込むことが難しくなる。このため、ガイドピンにマイクロレンズを搭載した平板を通すには、平板自体にある程度の強度を持たせなければならず、平板の厚み、すなわちレンズ中心の厚みに制約が生じるという問題があった。

また、ガイドピンを有するＭＴ型のフェルールは、構造上その端面の寸法が大きく（３×７ｍｍ程度）、例えば少数の光ファイバにレンズを接続したい場合であっても大きな断面積を必要とする。そのため、フェルール自体の小型化に限界があり、延いてはフェルールを組み込む光デバイスや光モジュールの小型化に限界が生じるという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、取り扱いが容易で、小型化が可能な、光ファイバとレンズの位置合わせ方法および機構を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、位置決め穴を有するフェルールに保持された光ファイバと、切り欠きを有する平板に搭載されたレンズとを、ガイド部材を介して、光結合のために位置合わせする方法であって、前記フェルールの端面に設けられた位置決め穴に前記ガイド部材を嵌合することと、前記位置決め穴に嵌合したガイド部材に前記平板の切り欠きを合致させることとによって、前記フェルールに保持された光ファイバと、前記平板に搭載されたレンズとの位置合わせを行うことを特徴とする方法。

この方法によれば、位置決め穴と、ガイド部材と、切り欠きの外径精度を利用して、能動的な調芯を行うことなく、光ファイバとレンズとの精度の高い光軸合わせが可能となる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の方法において、前記フェルールの端面と前記平板を接着剤でさらに固定することを特徴とする。

この方法によれば、調芯後に光ファイバとレンズとを固定することができるので、光部品として、その後の取り扱いが容易になる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の方法において、ボール形状のガイド部材を使用することを特徴とする。

この方法によれば、ボール形状のガイド部材の曲面に沿ってレンズを搭載した平板を移動させ、ボール形状のガイド部材の最大外径と平板の切り欠きの開口が一致する位置に落とし込むことによって容易に光軸を合わせることができ、レンズを搭載した平板に無理な応力をかけることなくフェルール端面に搭載することが可能となる。

請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３に記載の方法において、複数の光ファイバを備えたフェルールと、前記複数の光ファイバに対応する複数のレンズを備えた平板とを使用することを特徴とする。

この方法によれば、複数の光ファイバと複数のレンズを一括して、調芯し、組み立てることが可能となる。

請求項５に記載の発明は、ガイド部材を介して、フェルールに保持された光ファイバと、平板に搭載されたレンズとを光結合のために位置合わせする機構であって、前記フェルールは、その端面に前記ガイド部材を嵌合する位置決め穴を有し、前記平板は、前記位置決め穴に嵌合したガイド部材と合致する切り欠きを有し、前記フェルールの位置決め穴に嵌合した前記ガイド部材に、前記平板の切り欠きを合致させることによって、前記光ファイバと前記レンズとを位置合わせさせることを特徴とする。

この機構によれば、位置決め穴と、ガイド部材と、切り欠きの外径精度を利用して、能動的な調芯を行うことなく、光ファイバとレンズとの精度の高い光軸合わせが可能となる。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の機構において、前記フェルールは複数の光ファイバを備え、前記平板は前記複数の光ファイバに対応して複数のレンズを備えたことを特徴とする。

この機構によれば、複数の光ファイバと複数のレンズを一括して、調芯し、組み立てることが可能となる。

請求項７に記載の発明は、請求項５または６に記載の機構において、前記ガイド部材は、ボール形状であることを特徴とする。

この機構によれば、ボール形状のガイド部材の曲面に沿ってレンズを搭載した平板を移動させ、ボール形状のガイド部材の最大外径と平板の切り欠きの開口が一致する位置に落とし込むことによって容易に光軸を合わせることができ、レンズを搭載した平板に無理な応力をかけることなくフェルール端面に搭載することが可能となる。

請求項８に記載の発明は、請求項５または６に記載の機構において、前記ガイド部材は、直径５０μｍ以上、５００μｍ以下の円筒形であることを特徴とする。

この方法によれば、高い外径精度を有する光ファイバや超精密ピンゲージのような部材をガイド部材として使用することが可能となる。

請求項９に記載の発明は、請求項５ないし８のいずれかに記載の機構において、前記ガイド部材の材質は、ガラスであることを特徴とする。

この方法によれば、光ファイバやマイクロボールレンズなどのガラスの高精度加工技術を用いることが可能となる。

請求項１０に記載の発明は、請求項５ないし９のいずれかに記載の機構を備えた光部品であって、前記フェルールは、円筒形であることを特徴とする。

このような光部品によれば、フェルールの外径精度を利用し、円筒形のフェルールをＶ溝や割りスリーブに搭載することで、ほとんど調芯を必要とすることなく、精度よく（すなわち、低結合損失の）の光モジュールを作製することが可能となる。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。ただし、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
図１に本発明の第1の実施例にかかる光部品の構成を示す。この光部品は、光ファイバ１−ａを保持する円筒形のフェルール１と、光ビームを集光、あるいはコリメートするマイクロレンズ２−ａを搭載した平板２と、フェルールと平板の位置決めを提供するマイクロボール３とを備えている。また、図２にはレンズを取り付けた光部品の上端部の平面図を、図３にはレンズを取り付けた光部品の側面図を示す。

円筒形の単芯フェルール１は、例えば外径が２．４９９±０．００１ｍｍのＳＣ型フェルールとすることができ、その先端にはテーパ１−ｄが付いている。フェルール１は、その中心に光ファイバ１−ａを保持する貫通孔１−ｃを有している。また、フェルール端面には、貫通孔１−ｃを挟んで左右対称に２つの位置決め穴１−ｂ、１−ｂ’が設けられている。

好ましくは、光ファイバ１−ａ、貫通孔１−ｃ、２つの位置決め穴１−ｂ、１−ｂ’は、その中心が直線Ａ−Ａ’上に並ぶように配置され、光ファイバ１−ａおよび貫通孔１−ｃの中心は、単芯フェルール１の外径中心と概ね一致するように設計される。位置決め穴１−ｂ、１−ｂ’の直径は、例えば０．４９９±０．００１ｍｍとし、その中心間隔は１．６ｍｍとすることができる。また、光ファイバは、外径１２５μｍのシングルモードファイバとすることができる。

マイクロレンズを設けた平板２は、フェルール端面よりやや小さく、概ね円形の外形を有している。また、平板の中心にはマイクロレンズ２−ａが設けられ、その両端には楔形の切り欠き２−ｂ、２−ｂ’が設けられている。マイクロレンズ２−ａの中心と、２つの楔形の切り欠き２−ｂ、２−ｂ’の頂点は、直線上Ｂ−Ｂ’上に並ぶように配置されている。

楔形の切り欠き２−ｂ、２−ｂ’は、例えば、楔の角度が９０°で開口が概ね１．０ｍｍとし、２つの楔の頂点間の距離は０．９ｍｍとすることができる。また、平板に設けられたマイクロレンズ２−ａは半球レンズとし、例えばその曲率半径を２００μｍ、レンズ中心厚は、平板の板厚を含めて５００μｍとすることができる。

位置決めガイドに用いるマイクロボール３には、高精度加工が可能なガラス部品を用いることができ、例えば高精度のマイクロボールレンズを利用することができる。マイクロボール３は、フェルール端面の位置決め穴１−ｂ、１−ｂ’よりやや大きく、その一部が位置決め穴に嵌合するサイズとし、例えば直径０．５００±０．００１ｍｍのボールレンズを使用することができる。

続いて、光ファイバとマイクロレンズの位置合わせ方法について説明する。始めに、光ファイバ１−ａを有する円筒形の単芯フェルール１を縦に設置し、この端面に設けられた２つの位置決め穴１−ｂ、１−ｂ’にマイクロボール３をそれぞれ配置する。次に、フェルール端面に紫外線硬化型の光学接着剤を適量塗布する。そして、マイクロボール３に楔形の切り欠き２−ｂ、２−ｂ’が合致するようにマイクロレンズを設けた平板２をフェルールの端面に搭載し、軽く押し付けてマイクロボール３と楔形の切り欠き２−ｂ、２−ｂ’を合致させた後、上面より紫外線を照射して全体を固定する。

フェルールの位置決め穴１−ｂ、１−ｂ’、マイクロレンズを搭載した平板の楔形の切り欠き２−ｂ、２−ｂ’、マイクロボール３がそれぞれ±１μｍ程度の高精度な部品精度を有するため、上記の手順のみで、光ファイバ１−ａとマイクロレンズ２−ａの光軸合わせが可能となる。実際に、位置合わせを行ってレンズを取り付けた光部品について、そのマイクロレンズの焦点位置が一致するように対向させたところ、概ね９０％の光結合効率が得られた。

以上、本発明の第１の実施例について、ＳＣ型の単芯フェルールに保持されたシングルモードファイバと、マイクロレンズとの位置合わせについて説明したが、フェルールの外径、テーパの有無、光ファイバの種類、マイクロボールの外径、楔形の切り欠きの角度、位置決め穴の形状およびサイズなどについては、必要に応じて変更することができる。

例えば、位置決め穴１−ｂ、１−ｂ’は、従来のガイドピンと併用できるように円筒状のものを図示しているが、マイクロボール３が嵌合し、安定する形状であればどのような形状でも良い。また、マイクロレンズを設けた平板の形状として、概ね円形である例を取り上げたが、フェルール端面からはみ出さなければ、楕円形や矩形であってもよい。

また、マイクロレンズの形状として、半球レンズの例を取り上げたが、光ファイバと接する面が平面であれば、その反対側の面は、非球面形状でも良く、また直交する２軸の曲率が異なる非対称レンズでもよい。さらに、楔形の切り欠きを設けることができれば、必ずしも表面に曲率を有するレンズである必要はなく、イオン拡散などによって作製される平板マイクロレンズを用いてもよい。

また、位置決めガイドとしてマイクロボールを例に説明したが、それ以外にも例えば光ファイバを利用することができ、この場合、直径５０μｍから１５０μｍ程度で外径精度±１μｍから±３μｍを実現することができる。あるいは、超精密ピンゲージなどを用いることもでき、この場合、直径１００μｍから１０００μｍ程度で外径精度±１μｍ以下を実現することができる。ただし、位置決めに用いる円筒形のガイド部材の直径があまりに大きいと、フェルール端面に設置できなくなることから、その外径は最大で５００μｍ程度であることが望ましい。

（実施例２）
図４に、本発明の第２の実施例にかかる光部品の構成を示す。この光部品は、複数の光ファイバ４−ａを保持する円筒形の多芯フェルール４と、光ビームを集光、あるいはコリメートする複数のマイクロレンズ５−ａを搭載した平板５と、フェルールと平板の位置決めを提供するマイクロボール６とを備えている。

円筒形の多芯フェルール４は、例えば外径が２．４９９±０．００１ｍｍのＳＣ型フェルールとすることができ、その先端にはテーパ４−ｄが付いている。フェルール４は、その中心部に例えば４本の光ファイバ４−ａを保持する４つの貫通孔４−ｃを有している。また、フェルール端面には、貫通孔４−ｃを挟んで左右対称に２つの位置決め穴４−ｂ、４−ｂ’が設けられている。

好ましくは、光ファイバ４−ａ、貫通孔４−ｃ、２つの位置決め穴４−ｂ、４−ｂ’は、その中心が直線Ｃ−Ｃ’上に並ぶように配置される。位置決め穴４−ｂ、４−ｂ’の直径は、第１の実施例と同様に、例えば０．４９９±０．００１ｍｍとし、その中心間隔は１．６ｍｍとすることができ、光ファイバも、外径１２５μｍのシングルモードファイバとすることができる。この場合、光ファイバを保持する４つの貫通孔は、例えば１２６μｍ間隔で隣接させることができる。

マイクロレンズアレイを設けた平板５は、フェルール端面よりやや小さく、概ね円形の外形を有している。また、平板の中心には、例えば４つのマイクロレンズ（以下、マイクロレンズアレイという）５−ａが設けられ、その両端には楔形の切り欠き５−ｂ、５−ｂ’が設けられている。マイクロレンズアレイ５−ａのそれぞれのレンズの中心と、２つの楔形の切り欠き５−ｂ、５−ｂ’の頂点は、直線上Ｄ−Ｄ’上に並ぶように配置されている。

楔形の切り欠き５−ｂ、５−ｂ’は、例えば、楔の角度が９０°で開口が概ね１．０ｍｍとし、２つの楔の頂点間の距離は０．９ｍｍとすることができる。また、平板に設けられたマイクロレンズアレイ５−ａはレンズが中心間隔１２６μｍで配置され、各レンズは半球レンズとし、例えばその曲率半径を２００μｍ、レンズ中心厚は、平板の板厚を含めて５００μｍとすることができる。

位置決めガイドに用いるマイクロボール６には、高精度加工が可能なガラス部品を用いることができ、例えば高精度のマイクロボールレンズを利用することができる。マイクロボール６は、フェルール端面の位置決め穴４−ｂ、４−ｂ’よりやや大きく、その一部が位置決め穴に嵌合するサイズとし、例えば直径０．５００±０．００１ｍｍのボールレンズを使用することができる。

本発明の光ファイバアレイとマイクロレンズアレイとの位置合わせ方法は、基本的に第１の実施例で説明した方法と同じである。本発明の第２の実施例に従って、実際に、位置合わせを行ってレンズアレイを取り付けた光部品について、レンズアレイの並置方向を一致させ、各マイクロレンズの焦点位置が一致するように対向させたところ、各光ファイバの結合効率は概ね８０％であった。

以上、本発明の第２の実施例について、ＳＣ型の多芯フェルールに保持されたアレイ数４のシングルモード光ファイバアレイと、４つのマイクロレンズアレイとの位置合わせについて説明したが、多芯フェルールの外径、テーパの有無、光ファイバの種類や本数、マイクロボールの外径、楔形の切り欠きの角度、位置決め穴の形状およびサイズなどについては、必要に応じて変更することができる。

例えば、位置決め穴１−ｂ、１−ｂ’は、従来のガイドピンと併用できるように円筒状のものを図示しているが、マイクロボール３が嵌合し、安定する形状であればどのような形状でも良い。また、マイクロレンズアレイを設けた平板の形状として、概ね円形である例を取り上げたが、フェルール端面からはみ出さなければ、楕円形や矩形であってもよい。

また、マイクロレンズの形状として、半球レンズの例を取り上げたが、光ファイバと接する面が平面であれば、その反対側の面は、非球面形状でも良く、また直交する２軸の曲率が異なる非対称レンズでもよい。さらに、楔形の切り欠きを設けることができれば、必ずしも表面に曲率を有するレンズである必要はなく、イオン拡散などによって作製される平板マイクロレンズアレイを用いてもよい。

また、位置決めガイドとしてマイクロボールを例に説明したが、それ以外にも例えば光ファイバを利用することができ、この場合、直径５０μｍから１５０μｍ程度で外形精度±１μｍから±３μｍを実現することができる。あるいは、超精密ピンゲージなどを用いることもでき、この場合、直径１００μｍから１０００μｍ程度で外径精度±１μｍ以下を実現することができる。ただし、位置決めに用いる円筒形のガイド部材の直径があまりに大きいと、フェルール端面に設置できなくなることから、その外径は最大で５００μｍ程度であることが望ましい。

実施例１および実施例２で説明したように、フェルールとして、ＳＣ型に代表される円筒形フェルールを用い、そのフェルール端面上で光ファイバとマイクロレンズとの位置合わせを行うことにより、光ファイバとレンズの光軸を一致させて固定した後に、フェルールの外形精度を利用した光部品としての組み込みが容易となる。例えば、円筒形の光部品をＶ溝や割りスリーブに搭載することで、ほとんど調芯を必要とすることなく、精度よく（すなわち、低結合損失の）コリメータ対向モジュール等の光モジュールを作製することができるようになる。

また、円筒形のフェルールとしてＳＣ型フェルールを用いる場合、その外径は２．５ｍｍであり、ガイドピンの構造により寸法に制約のあるＭＴフェルールと比較して、小型化に適している。更に、その外径精度は±１μｍと高精度であるため、厳密な光軸合わせを要求されるシングルモード系においても、外径精度を利用した受動調芯を適用することができる。なお、ＳＣ型で２芯以上の多芯フェルールの提供も可能であり、光ファイバアレイを保持する部品として、ＭＴフェルールやＶ溝アレイと同等の性能を実現することができる。

さらに、光ファイバを保持したフェルールとマイクロレンズを設けた平板とを位置合わせする際に、フェルールの位置決め穴と平板の楔形の切り欠きとを、マイクロボール等を介して位置合わせすることにより、マイクロレンズを設けた平板に無理な応力をかけることなくフェルール端面に搭載することが可能となる。従って、板厚を薄くしても破損する可能性が低くなり、レンズ設計の自由度を高めることができる。特に、フェルール上にマイクロレンズを設けた平板を搭載する位置決めガイドとして、高精度な外径を有するマイクロボールを使用すれば、最初に設置する位置がずれていても、マイクロボールの曲面に沿って平板を移動させ、マイクロボールの最大外径と切り欠きの開口が一致する位置に平板を落とし込むことによって容易に光軸を合わせることができる。このように、平板をフェルール端面と同等かそれ以下のサイズとし、その板厚を０．５ｍｍ以下としても、位置合わせのための取り扱いが容易となる。

上記のように、本発明は、光ファイバとマイクロレンズとの光軸合わせにおいて、レンズを設けた平板の位置決めに用いる楔形の切り欠きと、光ファイバ端面に設けた位置決め穴とを、高精度な外径を有するマイクロボール等を介して位置合わせすることにより、従来にない小型のマイクロレンズ付き光ファイバ部品を簡易に実現することができる。

また、フェルールとして、ＳＣ型に代表される円筒形フェルールを用いることにより、端面にマイクロレンズを搭載した後も、フェルールの外径精度を利用した高精度で取り扱いの容易な光部品を提供することができる。

本発明の第１の実施例にかかる光部品の構成を示す斜視図である。 本発明の第１の実施例にかかる光部品の上端部を示す平面図である。 本発明の第１の実施例にかかる光部品の側面図である。 本発明の第２の実施例にかかる光部品の構成を示す斜視図である。

符号の説明

１ フェルール
１−ａ 光ファイバ
１−ｂ、１−ｂ’ 位置決め穴
１−ｃ 貫通孔
１−ｄ テーパ
２ 平板
２−ａ マイクロレンズ
２−ｂ、２−ｂ’ 楔形の切り欠き
３ マイクロボール
４ フェルール
４−ａ ４本の光ファイバ
４−ｂ、４−ｂ’ 位置決め穴
４−ｃ ４つの貫通孔
４−ｄ テーパ
５ 平板
５−ａ マイクロレンズアレイ
５−ｂ、５−ｂ’ 楔形の切り欠き
６ マイクロボール

Claims (10)

1. 位置決め穴を有するフェルールに保持された光ファイバと、切り欠きを有する平板に搭載されたレンズとを、ガイド部材を介して、光結合のために位置合わせする方法であって、
   前記フェルールの端面に設けられた位置決め穴に前記ガイド部材を嵌合することと、
   前記位置決め穴に嵌合したガイド部材に前記平板の切り欠きを合致させることによって、
   前記フェルールに保持された光ファイバと、前記平板に搭載されたレンズとの位置合わせを行うことを特徴とする方法。
2. 前記フェルールの端面と前記平板を接着剤でさらに固定することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. ボール形状のガイド部材を使用することを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 複数の光ファイバを備えたフェルールと、前記複数の光ファイバに対応する複数のレンズを備えた平板とを使用することを特徴とする請求項１ないし３に記載の方法。
5. ガイド部材を介して、フェルールに保持された光ファイバと、平板に搭載されたレンズとを光結合のために位置合わせする機構であって、
   前記フェルールは、その端面に前記ガイド部材を嵌合する位置決め穴を有し、
   前記平板は、前記位置決め穴に嵌合したガイド部材と合致する切り欠きを有し、
   前記フェルールの位置決め穴に嵌合した前記ガイド部材に、前記平板の切り欠きを合致させることによって、前記光ファイバと前記レンズとを位置合わせさせることを特徴とする機構。
6. 前記フェルールは複数の光ファイバを備え、前記平板は前記複数の光ファイバに対応して複数のレンズを備えたことを特徴とする請求項５に記載の機構。
7. 前記ガイド部材は、ボール形状であることを特徴とする請求項５または６に記載の機構。
8. 前記ガイド部材は、直径５０μｍ以上、５００μｍ以下の円筒形であることを特徴とする請求項５または６に記載の機構。
9. 前記ガイド部材の材質は、ガラスであることを特徴とする請求項５ないし８のいずれかに記載の機構。
10. 請求項５ないし９のいずれかに記載の機構を備えた光部品であって、
    前記フェルールは、円筒形であることを特徴とする光部品。

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