JP2008242418A - 光ファイバコリメータ、光デバイスおよびこれを用いた光送受信器 - Google Patents

Abstract

【課題】屈折率分布ファイバに生じる非軸対称な側圧を抑制したファイバコリメータを用
い、ＰＤＬおよび光の挿入損失の小さい光ファイバコリメータ、光デバイスおよびこれを
用いた光送受信器を提供する。
【解決手段】基体と、光ファイバと、該光ファイバの一端に接続された屈折率分布ファイ
バと、を備え、前記屈折率分布ファイバは、その両端部が接着剤を介して前記基体の上面
に接触し、前記両端部を除く中央部が前記基体の上面から離れて固定されていることを特徴とする光
ファイバコリメータである。
【選択図】 図１A

Description

本発明は平行光を集光して光ファイバに入射、または光ファイバから出射する光を平行光にする場合に使用する光ファイバコリメータ、および光ファイバコリメータを用いた光デバイスに関するものであり、さらには、この光デバイスを用いた光送受信器に関するものである。

近年、光通信部品の分野においては、高速・大容量の光通信ネットワークの整備が進み、光通信用部品の低コスト化や小型化、高性能化が求められている。なかでも光ファイバコリメータは、光ファイバへ光信号を結合し、または光ファイバから出射した光信号をさらに他の光素子へ導光する際に、光信号を平行光線や集光光線の形状に整形し、結合効率を高め光エネルギーの利用効率を向上する重要な構成部品である。とりわけレンズの小型化が容易でレンズ支持構造を簡略にできる例えば小型のロッド形状のレンズ（ロッドレンズ）やグレーデッドインデックスファイバのような屈折率分散型レンズを用いた光コリメータの高性能化が、光デバイスの低コスト化や小型化を実現するために求められている。

図７は、屈折率分散型レンズ（屈折率分布ファイバ）を用いた従来の光ファイバコリメータを含む従来の光合分波器１００を示す。図７（ａ）は、光合分波器１００の斜視図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）をＺ−Ｚ方向に見た場合の断面図である。従来の光合分波器１００は、図７（ａ）に示すように、Ｖ溝１０７が形成された基体１０３と、Ｖ溝１０７に密着して配置され、先端に屈折率分布型レンズ１１３ａ〜１１３ｃが装着された光導波体１１７ａ〜１１７ｃとにより構成された光ファイバコリメータを含む。さらに光合分波器１００は、Ｖ溝１０７を横断するように基体１０３に形成された溝部１０６と、溝部１０６に設置された光フィルタ１０９とを有する。

この光合分波器１００において、屈折率分布型レンズファイバ１１３ａ〜１１３ｃは、光ファイバ固定板１１６によって覆われるとともに、図７（ｂ）に示すように、接着剤１０５を介して基体１０３と光ファイバ固定板１１６で固定されていた（たとえば、特許文献１参照）。

また、光コリメータを用いる光デバイスとしては、光合分波器以外にも、光アイソレータ、光サーキュレータ、光スイッチなどがある。
特開２００５−１５７３０２号公報

しかしながら、屈折率分布型レンズに非軸対称な力（側圧）が加わると複屈折が生じ、光コリメータを通過する光の損失が大きくなるという問題がある。このような非軸対称な力は、例えば平板状の２つの基体に挟まれ、直交する２軸の一方向にだけ応力が加わる場合や、曲がりにより圧縮応力と引っ張り応力が非対称に生じる場合に生じる。

例えば、光合分波器１００を組み立てる際に接着剤１０５を硬化させると、接着剤１０５に収縮力が働き、光ファイバ固定板１１６を基体１０３側に引き付ける非軸対称な力が生じる。

このような力は、光合分波器１００が使用される環境の温度変化に応じて発生する接着剤１０５の収縮においても生じる。そして、光ファイバ固定板１１６に生じる基体１０３側に向かう力が、直接、各光導波体１１７ａ〜１１７ｃに作用することによって応力が発生し、１１７ａ〜１１７ｃでの光の挿入損失が大きくなっていた。

特に、各光導波体１１７ａ〜１１７ｃの屈折率分布型レンズ１１３ａ〜１１３ｃに上記応力が作用すると、特定の偏波方向における光の損失が大きくなる偏波依存損失（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｌｏｓｓ：以下、ＰＤＬとする）が発生し、その結果、光の損失が著しく大きくなり、信頼性が低下していた。さらに非軸対称な側圧が環境温度の変化にも起因するため、偏波依存損失の温度依存性が大きくなるという実用上の問題があった。また、光合分波器１００では、光フィルタ１０９を固定するフィルタ固定板１１５の下面の一部が光ファイバ固定板１１６を介して各光導波体１１７ａ〜１１７ｃの屈折率分布型レンズ１１３ａ〜１１３ｃを押圧する構造となっているため、光フィルタ１０９を基体１０３に配置する際にも、屈折率分布型レンズ１１３ａ〜１１３ｃに対して過度に力が作用していた。

屈折率分布型ロッドレンズを細径化し光合分波器全体の軽量小型化が可能となる屈折率分布ファイバ（グレーデッドインデックスファイバ）をレンズに用いた場合には更に上述の現象が発現しやすく、複屈折が生じると偏波方向によって収差が大きくなり挿入損失が増大する。

そこで本発明は、屈折率分布ファイバに生じる非軸対称な側圧を抑制したファイバコリメータを用い、ＰＤＬおよび光の挿入損失の小さい光ファイバコリメータ、光デバイスおよびこれを用いた光送受信器の提供を目的とする。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の光ファイバコリメータは、基体と、光ファイバと、該光ファイバの一端に接続された屈折率分布ファイバとを備え、前記屈折率分布ファイバは、その両端部が接着剤を介して前記基体の上面に接触し、前記両端部を除く中央部が前記基体の上面から離れて固定されていることを特徴とする。

本発明の光デバイスは、基体と、光学素子と、それぞれ光ファイバと該光ファイバの一端に接続された屈折率分布ファイバとを有してなり、前記光学素子を介して前記屈折率分布ファイバ間が光学的に接続されるように配置された複数の光導波体とを備え、前記屈折率分布ファイバのうちの少なくとも１つは、その両端部が接着剤を介して前記基体の上面に接触し、その両端部を除く中央部が前記基体の上面から離れて固定されていることを特徴とする
本発明の光送受信器は、前記光デバイスと、該光デバイスに入射する光を送信する発光手段と、該発光手段から送信された光を、前記光デバイスを介して受信する受光手段とを備えたことを特徴とする。

本発明の光ファイバコリメータによれば、屈折率分布ファイバの中央部が基体から離れた状態で屈折率分布ファイバが固定されているので、屈折率分布ファイバに非軸対称な側圧が加わりにくくなり、屈折率分布ファイバに発生する偏波依存損失（ＰＤＬ）が低減される。また、屈折率分布ファイバを両端部で固定したので、屈折率分布ファイバに非軸対称な側圧が加わることにより生じる局所的な曲がりを抑制することができるため、該曲がりによって発生する光の損失を小さくすることができる。

上述のような本発明の光ファイバコリメータを備えた光デバイスおよび光送受信器では、ＰＤＬを低減するとともに、光の挿入損失を小さくすることができる。

１．光コリメータ
以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。図１(ａ)は、本発明の光ファイバコリメータ１０の実施形態を示す斜視図であり、図１（ｂ）は、図１に示す光ファイバコリメータの側面図である。

本実施形態にかかる光ファイバコリメータ１０は、図１（ａ）に示されるように、光導波体１７と、光導波体１７が載置される基体３と、光導波体１７を固定するための光学接着剤５とを含む。光導波体１７は、光ファイバ１１の一端と、屈折率分布型レンズとして機能する屈折率分布ファイバ（グレーデッドインデックスファイバ（ＧＩファイバ））１３の一端とを融着接続して構成されている。さらに屈折率分散ファイバ１３の他端に基体３上に載置され接着剤５で固定されたコアレスファイバ（図示せず）の一端を融着接合してもよい。

光ファイバ１１は、屈折率の高いコア部と該コア部の外周を被覆するクラッド部からなり、コア部とクラッド部との屈折率差による反射を利用することによってコア部内で光を伝送するシングルモードファイバである。光ファイバ１１は、たとえば円柱状の石英等から構成され、クラッド部の外径が１２５μｍ、コア部の外径が１０μｍ程度である。なお、本実施の形態では、シングルモードファイバ（ＳＭファイバ）が用いられているが、本発明はこのようなＳＭファイバに限定されるものではなく、たとえばＳＭファイバよりもコア部の径が大きくかつ、複数のモードの光を伝送可能なマルチモードファイバを用いてもよい。また、光ファイバ１１は、屈折率分布ファイバ１３と融着接合される端末およびその近傍を除く部分については、被覆層２１を有することが好ましい。

屈折率分布ファイバ１３は、たとえば円柱状の石英等からなり、クラッド部の外径が１２５μｍ、コア部の径が１００μｍ程度であり、コア部は、その長手方向の中心軸に対して軸対称の屈折率分布を有し、屈折率分布型レンズとして機能するように所定の長さを有しており、その好ましい長さはシングルモードファイバの開口数と所望の出射ビーム形状によって決定される。つまり、屈折率分布がＧＲＩＮレンズと同ようにレンズ効果をもつため、適当な屈折率分布の屈折率分布ファイバを適切な長さで用いれば結合光学系を構成することができる。この屈折率分布ファイバの特性を示すパラメータとしては、クラッドとコア中心の屈折率差Δ、コア径Ｄ、収束パラメータＡがある。屈折率分布ファイバ１３に入射した光信号は周期を持った蛇行を繰り返し導波するが、その１周期に相当する屈折率分布ファイバ１３の長さを１ピッチとすると、０．２５ピッチや０．７５ピッチでは平行光となり、０．２５ピッチ乃至０．５ピッチでは集光光にすることができる。なお、屈折率分布は、中心軸の屈折率が最も大きく、外周に向かって漸次屈折率が小さくなるように構成されており、レンズとして用いる場合、屈折率分布ファイバ１３のコアとクラッドの屈折率の比は０．５％〜２％程度が好ましい。そのため、屈折率分布ファイバは、例えば、前述したパラメータでいえば、屈折率差Δ＝０．８５％、コア径Ｄ＝１０５μｍ、収束パラメータＡ＝３．３７×１０−６／μｍ２となるものを用い、長さ０．７６ｍｍにすると好適である。このような屈折率分布の作用によって、光ファイバコリメータ１０では、光ファイバ１１に入射した光が、所定の長さの屈折率分布ファイバ１３を通ることにより、平行光や集光光として出射される。この屈折率分布ファイバ１３と光ファイバ１１とは、たとえば放電による熱によって融着接合される。

屈折率分布ファイバ１３へのコアレスファイバ１５の接合は好適である。これは、屈折率分布型ファイバ１３の端面形状を変えることなく、光導波体１７の光学素子の光入射面と対向する端面を光軸に対して傾斜させることができるためである。これにより出射される光のスポット形状が最も好ましい略正円状とすることができ、光の挿入損失を小さくしつつ不要な反射戻り光を低減することができる。コアレスファイバ１５は、略均一な屈折率分布を有する光ファイバであり、その材質はたとえば石英ガラスからなり、その屈折率は１．４５程度、透過損失は０．３５×１０−６ｄＢ／ｍｍ以下であり、透過損失が比較的低いものが好ましい。このコアレスファイバ１５は、外径が光ファイバ１１および屈折率分布ファイバ１３と等しく約１２５μｍであり、屈折率分布ファイバ１３と、たとえば放電による熱によって融着接合される。

光導波体１７は、基体３上に載置されている。基体３の上面には、光導波体１７を載置するための直線状のＶ字溝３１が形成されている。さらに基体３は、屈折率分布ファイバ１３の中央部２５直下に基体凹部３３を有している。この結果、基体凹部３３と対向する屈折率分布ファイバ１３の中央部２５と基体３とは、非接触の状態である。

基体３の材質は、石英ガラス、低熱膨張ガラス、シリコン、または低熱膨張樹脂（たとえばエポキシ系樹脂やアクリル系樹脂）等で構成され、例えば基体３を石英ガラスで構成する場合には、平板の石英ガラスに切削加工によりＶ字溝３１や基体凹部３３を加工し製作される。

本実施形態では、断面が矩形の凹部を形成した例を示したが、凹部の断面形状は矩形に限られるものではなく、例えば円弧形状であってもよい。

一方、屈折率分布ファイバ１３の両端部（端部２３および端部２７）は、図１（ｂ）に示すように基体凹部３３の両側で基体３と接触しており、接着剤５を介して、基体３に固定されている。端部２３、２７はそれぞれ屈折率分布ファイバ１３の全長に対し、１０％〜３５％の長さ、好ましくは１０％〜３０％の長さ、より好ましくは１０％〜２５％の長さを有する。端部２３または２７の長さが、１０％〜３５％であれば、屈折率分布ファイバの曲がりを抑える効果が優れ、接着剤の収縮による側圧が及ぶ長さも短く問題とはならないとともに、さらに長さが１０％〜３０％、とりわけ１０％〜２５％の範囲では、この効果は顕著だからである。

屈折率分布ファイバ１３の端部２３、２７に塗布する接着剤５は、たとえば透光性のあるエポキシ樹脂、アクリル系樹脂、またはシリコン系樹脂のような材質を使用することができる。接着剤５は、端部２３、２７の全体または一部に塗布され、塗布部の長さ（図１（ｂ）の左右方向の長さ、以下同じ）は、端部から１０％〜３５％の長さ、好ましくは１０％〜３０％の長さに亘り塗布される。１０％〜３５％であれば、屈折率分布ファイバの曲がりを抑える効果が優れ、接着剤の収縮による側圧が及ぶ長さも短く問題とはならないと共に、１０％〜３０％、とりわけ１０％〜２５％の範囲では、この効果はさらに顕著だからである。また、接着剤５が端部２３、または端部２７を越えて中央部２５の一部を覆うことは可能であるが、接着剤５同士が相接触するとＰＤＬの劣化が顕著となることから、端部２３と端部２７とにそれぞれ塗布した接着剤５は、相接触しないように塗布される。

上述のような条件を満たす好適な例として、例えば屈折率分布ファイバ１３の長さが０．７６ｍｍの場合、各両端から０．２ｍｍまでの領域をそれぞれ端部２３、２７となるように、基体凹部（離間部）３３の長さを０．３６ｍｍとする。そして、この長さ０．２ｍｍの端部２３、２７それぞれを覆うように接着剤５を塗布する。なお、基体凹部３３には、図１Ｃに示すように、緩衝材１８を配してもよい。緩衝材１８は、接着剤５よりも弾性率が低く、熱膨張係数が小さい材料であることが好ましい。具体的には、接着剤５がエポキシ系樹脂であれば、たとえばゴム系やアクリル系、もしくはウレタン系やシリコン系等の樹脂を用いることができる。このように、緩衝材１８を設ければ、光合分波器に外部から力が加わっても、屈折率分布ファイバ１３が基体凹部の底面や側面に接触する確率を小さくすることができる。

また、光ファイバコリメータ１０では、図１Ｄに示すように、屈折率分布ファイバの１３の両端部を除く外周に、保護部材１９を設けてもよい。このような形態によれば、屈折率分布ファイバ１３の中央部を、その周方向に亘って保護することができるため、外力等によって生じる屈折率分布ファイバ１３の破損を低減することができる。この保護部材１９は、たとえばウレタンアクリレート系のＵＶ硬化樹脂で構成されている。保護部材１９は、ウレタンアクリレート系のＵＶ硬化樹脂で被覆する場合、光ファイバ１１と屈折率分布ファイバ１３を融着接続した後、屈折率分布ファイバ１３に樹脂を塗布し、紫外光を照射して硬化させて形成される
次に、光ファイバコリメータ１０の動作について説明する。光ファイバ１１中を伝送された光は、光ファイバ１１と屈折率分布ファイバ１３との接合部を通り、屈折率分布ファイバ１３に入射し、屈折率分布ファイバ１３の端部２７またはコアレスファイバ１５を有する時はコアレスファイバ１５の端部より、集光もしくはコリメータ光として出射される。

この際、接着剤５は、環境温度の変化に応じて収縮または膨張（以下、「収縮等」という）する。しかし本発明にかかる光ファイバコリメータ１０では、上述したように屈折率分散ファイバ１３の中央部２５は、接着剤５が塗布されていないか、または塗布されていても一部分のみである。従ってＰＤＬの劣化が発生する屈折率分散ファイバ１３、とりわけその中央部２５での接着剤５の収縮等による側圧等の非軸対称力の発生が大幅に抑制される。

また、光ファイバ１１およびコアレスファイバ１５（用いられている場合のみ）に塗布した接着剤５の収縮等により、非軸対称力が生じる。しかし、上述のように屈折率分散ファイバ１３の両端部（端部２３と端部２７）が接着剤５により基体３に固定されている。この結果、生じた軸対称力は、この端部２３、２７までしか到達せず、すなわち、中央部２５すなわち屈折率分散ファイバ１３の相当の部分にはこの非軸対称力は及ばない。

加えて、上述したように屈折率分散ファイバ１３の中央部２５は、直下に基体凹部３３が延在し、基体３から離れている。従って、たとえ、微小な非軸対称力が中央部２５に及んだとしても、中央部２５全体が、緩やかに曲がることにより、この微小な非軸対称力を緩和することができるため、ＰＤＬの劣化の原因となる中央部２５の局部的な曲がりの発生を防止できる。

以上に示す作用により、温度変化による接着剤５の熱膨張・収縮が生じても、屈折率分布ファイバ１３に加わる側圧を大幅に低減でき、従って、ＰＤＬの劣化が抑制され、損失の少ない光ファイバコリメータを提供できる。なお、これら作用については、光ファイバコリメータ１０を使用中のみならず、光ファイバコリメータ１０の作製に伴い接着剤５が硬化する際の収縮においても同様の効果を奏する。

２．光デバイス
以下においては、上述の光ファイバコリメータ１０を用いた本発明の光デバイスについて、図面を参照しつつ説明する。図２は、本発明の光デバイスの一種である光合分波器５０の第１の実施形態を示すものであり、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）をＸ−Ｘ方向に見た場合の断面図である。

光合分波器５０は、図２に示されるように、第１乃至第３の光導波体１７ａ〜１７ｃ、光導波体１７ａ〜１７ｃが載置される基体３’、光学素子の一種である光フィルタ４、および光フィルタ４を固定するための光学接着剤５により構成される。

光導波体１７ａ〜１７ｃは、光ファイバ１１ａ〜１１ｃの一端にそれぞれ屈折率分布ファイバ１３ａ〜１３ｃが接合され、さらに、屈折率分布ファイバ１３ａ〜１３ｃの端部２７ａ〜２７ｃにそれぞれコアレスファイバ１５ａ〜１５ｃが接合されてなる光ファイバで構成されている。

光ファイバ１１ａ〜１１ｃ、屈折率分布ファイバ１３ａ〜１３ｃおよびコアレスファイバ１５ａ〜１５ｃは、それぞれ上述の光ファイバ１１、屈折率分布ファイバ１３およびコアレスファイバ１５と同じものが使用可能である。本実施形態において、光ファイバ１１ａに入射された光が、屈折率分布ファイバ１３ａを通ることにより、平行光で出射され、更に光導波体１７ｂもしくは光導波体１７ｃに入射する際には、集光して入射することになる。

光ファイバ１１ａ〜１１ｃと屈折率分布ファイバ１３ａ〜１３ｃとの間および、屈折率分布ファイバ１３ａ〜１３ｃとアレスファイバ１５ａ〜１５ｃの間は、たとえば放電による熱によって融着接合されている。

コアレスファイバ１５ａ〜１５ｃは、屈折率分布ファイバ１３ａ〜１３ｃと光フィルタ４の間に配置され、レンズとして機能する屈折率分布ファイバ１３ａ〜１３ｃと光フィルタ４との間の距離を調整する機能を担う。この光学距離の調整により、最適の光結合効率が得られるように光フィルタ４を介して光導波体１７ａ〜１７ｃ同士を配置することが可能になり、その結果、光を挿入したときに生じる挿入損失を小さくすることができる。

なお、本実施の形態では、光導波体１７ａ〜１７ｃは光ファイバ１１ａ〜１１ｃ、１３ａ〜１３ｃおよび１５ａ〜１５ｃを備えているが、これらの一部または全部は、光ファイバに限定されるものではなく、たとえば樹脂材料で形成されるような光導波路部材を用いてもよい。

基体３’は、一方の面に一直線上にＶ溝７ａ〜７ｄが形成され、基体３’の略中心部でＶ溝７ａ〜７ｄと交差する様に、一直線上にＶ溝８ａ〜８ｄが形成されている。また、基体３’の略中心部には、光フィルタ４を設置するための溝６が設けられている。そして、図２（ｂ）に示す屈折率分布ファイバ１３ａ〜１３ｃ（１３ｂは図示せず）のそれぞれの中央部２５ａ〜２５ｃ（２５ｂは図示せず）の直下には、基体凹部３３ａ、３３ｂが設けられ離間部を形成している。図２に示す実施の形態では、溝６と基体凹部３３ａ、３３ｂは、それぞれ分離して形成されているが、溝６および基体凹部３３、３３ｂの底面が同一平面になるように一体的に設ければ、これらを同一の加工工程で形成することが可能となるため、製造工程の簡略化という観点から好適である。基体３’の材質は、上述の基体３と同じものを使用することができる。

屈折率分散ファイバ１３ａ〜１３ｃの両端部（端部２３ａ〜２３ｃ（２３ｂは図示せず）と端部２７ａ〜２７ｃ（２７ｂは図示せず））は、基体３’と接触しており、接着剤５を介して基材３’に固定されている。端部２３ａ〜２３ｃ、２７ａ〜２７ｃの長さは、上述した端部２３、２７と同じ範囲の長さを有する。

中央部２５ａ〜２５ｃは好ましくは接着剤５と接触していない。また、接着剤５が端部２３ａ〜２３ｃ、または端部２７ａ〜２７ｃを越えて中央部２５ａ〜ｃの一部を覆ってもよいが、接着剤５同士が相接触するとＰＤＬの劣化が顕著となることから、端部２３ａ〜２３ｃと端部２７ａ〜２７ｃとにそれぞれ塗布した接着剤５は、相接触しないように塗布される。

離間部３３ａ、３３ｂは、図２（ｂ）に示すように空隙であることが好ましいが例えば緩衝材（図示なし）を挿入してもよい。緩衝材は、接着剤５よりも弾性率が高く、熱膨張係数が小さい材料であることが好ましい。具体的には、接着剤５がエポキシ系樹脂であれば、たとえばゴム系やアクリル系、もしくはウレタン系やシリコン系等の樹脂を用いることができる。また、光合分波器５０では、屈折率分布ファイバの１３ａ〜１３ｃの両端部を除く外周に、保護部材（図示なし）を設けてもよい。なお、保護部材は、上述した光ファイバコリメータ１０と同様のものを利用できる。

光フィルタ４は、たとえば透光性部材４ａとフィルタ膜４ｂにより構成されたものである。ここで、透光性部材４ａは、たとえば光学ガラス（硼珪酸ガラスや白板ガラス）や石英ガラスからなり、屈折率は１．４５〜１．５５程度のものを用いることが好ましい。また、その大きさは、光の有効径以上あればよく、たとえば、ハンドリング等を考慮し、０．５ｍｍ程度で、形状は四角柱が好ましい。

フィルタ膜４ｂは、複数の異なる波長領域の光を含む光を波長領域ごとに選択的に分離（分波）する機能を有する膜である。具体的には、フィルタ膜４ｂは例えば、波長λ１の光を透過し、波長λ２の光を反射する機能を担う。すなわち、フィルタ膜４ｂは、所定の波長（波長領域）の光を透過し、それ以外の波長（波長領域）の光を反射することによって波長領域ごとに光を分波する機能を有し、以下のように作製される。

フィルタ膜４ｂは、たとえば二酸化ケイ素と二酸化チタン等の屈折率の異なる２種類以上の誘電体を交互に積層して形成される多層膜により構成される。この誘電体多層膜は、誘電体膜間の繰り返しの反射干渉により波長選択性を示し、各膜の膜厚は、反射させる光の波長の１／４波長分に設定される。このように、誘電体膜の膜厚を１／４波長分とすることにより、各誘電体膜界面における多重反射において、ある特定の波長の光の位相が一致し、干渉して強めあうことで波長選択性を有する膜が得られる。そして、このようなフィルタ膜４ｂの成膜方法としては、たとえば透光性部材４ａの主面に蒸着、スパッタリング等の方法によって容易に作製することができる。

光合分派器５０は、図３に示すように、蓋体９を有してもよい。蓋体９は、第１の光導波体１７ａおよび第２の光導波体１７ｂを覆う蓋体９ａと、第３の光導波体１７ｃを覆う蓋体９ｂよりなる。蓋体９は、各光導波体１７ａ〜１７ｃの上部に配置され、屈折率分布型レンズ１３ａ〜１３ｃの中央部２５ａ〜２５ｃを除く部位で接着剤（図示せず）を介して基体３’と接合すると同時に各光導波体１７ａ〜１７ｃを固定する。この結果、蓋体９は、光導波体１７ａ〜１７ｃを保護するとともに、基体３’のＶ溝７ａ〜７ｄおよびＶ溝８ａ〜８ｄに沿うように光導波体１７ａ〜１７ｃを位置決めする機能を有する。

蓋体９の材質は、たとえば石英ガラス、低熱膨張ガラス、シリコン、または低熱膨張樹脂（たとえばエポキシ系樹脂やアクリル系樹脂）で構成され、例えば、蓋体９を石英ガラスで構成する場合には、平板の石英ガラスに切削加工を施すことで所定の形状にすることが可能である。

光学接着剤５は、光フィルタ４を基体３’に固定するのにも用いられる。この光学接着剤５は、光フィルタ４を構成する透光性部材４ａとコアレスファイバ１５ａ〜１５ｃと略同等の屈折率あるいは両部材の中間の屈折率を有するような材質を用いることが好ましい。このように、光学接着剤５とコアレスファイバ１５ａ〜１５ｃおよび光フィルタ４を構成する透光性部材４ａとの屈折率が整合されていれば、それらの界面で生じる光の反射を抑制することができ、光の挿入損失を小さくできる。

たとえばコアレスファイバ１５ａ〜１５ｃが石英ガラス、透光性部材４ａが光学ガラス（硼珪酸ガラスや白板ガラス）で構成されている場合、光学接着剤５は、たとえば透光性のあるエポキシ樹脂、アクリル系樹脂、またはシリコン系樹脂のような材質を使用することができる。なお、エポキシ樹脂、シリコン樹脂およびアクリル系樹脂は、その添加物によって紫外線硬化または熱硬化するものであり、これらの併用硬化を利用してもよい。

次に、光合分波器５０の動作について説明する。光合分波器５０は、光導波体１７ａから波長λ１、波長λ２の光が入射されると、屈折率分布ファイバ１３ａを介して集光もしくはコリメータ光となり、その集光位置付近又はコリメータ光の中心付近に配置した光フィルタ４に入射される。光フィルタ４は、λ１の光を透過し、それ以外の波長の光、たとえばλ２の光を反射するように構成されている。光フィルタ４を通過した波長λ１の光は、屈折率分布ファイバ１３ｃを介して光ファイバ１１ｃから出力される。一方、光フィルタ４で反射された波長λ２の光は、屈折率分布ファイバ１３ｂを介して光ファイバ１１ｂから出力される。

光合分波器５０は、このように、光導波体１７ａを介して入射された波長λ１、λ２の光を含む光を、波長ごとに分波し、それぞれ光導波体１７ｂ、光導波体１７ｃから出射するという光の分波機能を備えた光デバイスである。一方で、たとえば光導波体１７ｂに波長λ１の光を、光導波体１７ｃに波長λ２の光を入射した場合には、光合分波器５０は光フィルタ４で波長λ１および波長λ２の光を合波して光導波体１７ａから出射するという光の合波機能を備えた光デバイスとなる。

接着剤５は、環境温度の変化に応じて収縮等する。しかし上述したように中央部２５ａ〜２５ｃは、接着剤５が塗布されていないか、または塗布されていても一部分のみである。従ってＰＤＬの劣化が発生する屈折率分散ファイバ１３ａ〜１３ｃ、とりわけ、その中央部２５ａ〜２５ｃでの接着剤５の収縮等による側圧等の非軸対称力の発生を大幅に抑制することが可能となる。

また、光ファイバ１１ａ〜１１ｃおよびコアレスファイバ１５ａ〜１５ｃに塗布した接着剤５の収縮等により、非軸対称力が生じる。しかし、上述のように屈折率分散ファイバ１３ａ〜１３ｃの両端部（端部２３ａ〜２３ｃと端部２７ａ〜２７ｃ）は接着剤５により基体３’に固定されている。この結果、生じた軸対称力は、この端部２３ａ〜２３ｃ、端部２７ａ〜２７ｃまでしか到達せず、すなわち、中央部２５ａ〜２５ｃすなわち屈折率分散ファイバ１３ａ〜１３ｃの相当の部分にはこの非軸対称力は及ばないこととなる。

加えて、上述したように屈折率分散ファイバ１３ａ〜１３ｃの中央部２５ａ〜２５ｃは、直下に基体凹部３３ａ、３３ｂが延在し、基体３’から離れている。これにより、たとえ、微小な非軸対称力が生じたとしても、中央部２５ａ〜２５ｃ全体が、緩やかに曲がることにより、この微小な非軸対称力を緩和することができるため、ＰＤＬの劣化の原因となる中央部２５ａ〜２５ｃの曲がり、特に局部的な曲がりの発生を防止できる。

以上に示す作用により、温度変化による接着剤５の収縮等が生じても、屈折率分布ファイバ１３に加わる側圧等の応力を大幅に低減でき小さくすることができる。なお、これら作用については、光合分波器５０の使用中のみならず、光合分波器５０の作製に伴い接着剤５が硬化する際の収縮においても同様の効果を奏する。

次に光合分波器５０の製造方法の一例について説明する。

＜基体の作製＞
石英ガラスからなる平板状部材の一方の面に、ダイシング等の切削加工を施し、Ｖ溝７ａ〜７ｄを一直線上に形成する。次に、平板状部材の中心部にＶ溝７ａ〜７ｄと交差するＶ溝８ａ〜８ｄを形成する。最後に、屈折率分布ファイバ１３ａ〜１３ｃの直下に相当する部位を、屈折率分布ファイバ１３ａ〜１３ｃを搭載したときに、その中央部２５ａ〜２５ｃが、基体３’と当接しない程度の深さ及び幅になるように切削加工を施し、基体凹部３３ａ、３３ｂを形成し、基体３’を作製する。ここで、基体凹部３３ａ、３３ｂの深さは、たとえば基体３’を平面から見てＶ溝７ａ〜７ｄもしくはＶ溝８ａ〜８ｄが目視で確認できなくなる程度の深さであれば良い。

＜蓋体の作製＞
蓋体９は、部品組み立て時は一体物とし、組み立て後にダイシング等の切削加工によって溝６を形成することで、蓋体９ａと蓋体９ｂに分離するため、まず、蓋体９ａと蓋体９ｂとが一体的に形成された大型の蓋体９を作製する。この大型の蓋体９は、たとえば石英ガラス板をダイシング等により、基体３’の外形と同寸法になるように加工することによって得ることができる。また、この石英ガラス板の表面に板の厚みが薄くなる部位を形成する場合には、同様に、ダイシング等の加工を施してもよい。

＜光導波体の作製＞
光導波体１７ａと光導波体１７ｃは、部品組み立て時は一直線上に繋がったものとして作製し、組み立て後にダイシング等の切削加工によって基体３’に溝６を形成すると同時に光導波体１７ａと光導波体１７ｃに分離するため、まず、光導波体１７ａと光導波体１７ｃとが一体的に形成された光導波体１７ｄを作製する。

次いで、光ファイバ１１ａ、屈折率分布ファイバ１３ａ、コアレスファイバ１５ａ、コアレスファイバ１５ｃ、屈折率分布ファイバ１３ｃ、光ファイバ１１ｃを、一直線上になるように放電による融着等の接合手段を利用して１本の光導波体１７ｄを作製する。一方で、光ファイバ１１ｂ、屈折率分布ファイバ１３ｂ、コアレスファイバ１５ｂを、一直線上になるように放電による融着等の接合手段を利用して１本の光導波体１７ｂを作製する。以上のような工程によって、光導波体が作製される。

屈折率分布ファイバ１３のコア形状は、真円状であることが望ましいが、実際には製造上、楕円状のものも存在する。屈折率分布ファイバ１３ａと屈折率分布ファイバ１３ｃは、互いの屈折率分布ファイバのコア形状が異なる、すなわち、コア形状が楕円状の場合、その長軸と短軸の向きが異なった状態でコアレスファイバ１５ａを介して融着接続すると、接続損失が大きくなる。このようなコア形状の不一致による光の接続損失を低減するためには、１本の屈折率分布ファイバを準備し、２つに切断した後、屈折率分布ファイバが互いに回転しないようにコアレスファイバ１５に融着し、長軸および短軸の方向をあわせることが望ましい。

＜光合分波器の組立＞
まず、基体３’のＶ溝７ａ〜７ｃと８ａ〜８ｃとの交点に光導波体１７ｄのコアレスファイバの中心が来るように位置決めするとともに、屈折率分布ファイバ１３ａ、１３ｃが基体３’の基体凹部３３ａ、３３ｂの直上になるように光導波体１７ｄを基体３’のＶ溝に配置する。次に、光導波体１７ｄの屈折率分布ファイバ１３ａと同位置、すなわち、基体３’の基体凹部３３ａの直上に屈折率分布ファイバ１３ｂが位置するように、光導波体１７ｂを基体３’のＶ溝に位置決めする。その後、たとえばエポキシ樹脂からなる紫外線硬化型樹脂等よりなる接着剤５を各Ｖ溝７ａ〜７ｃ、８ａ〜８ｃに塗布し、大型の蓋体９を載置した後、上方から各光導波体を押さえて接着剤に紫外線を照射することによって固定する。

次いで、Ｖ溝交点の中心を結ぶ線を中心として、ダイシング等の加工により溝６を形成し、光フィルタ４を配置する空間を確保すると同時に、コアレスファイバ１５ｄをコアレスファイバ１５ａ、１５ｃに、また蓋体９をそれぞれ蓋体９ａ、９ｂに分離する。なお、溝６の幅は、光フィルタ４の幅より若干大きくなるようにする。

光学接着剤５を溝６に充填した後に、溝６の所定の位置に光フィルタ４を配置する。そして、この光学接着剤５を硬化させる前に光フィルタ４の光学調整を行う。具体的には、まず、光導波体１７ａから光を入力し、光導波体１７ｂから出力する光が最も多くなる角度と位置に光フィルタ４を調整する。この状態で、光学接着剤５を紫外線照射することによって硬化して位置決め固定する。なお、光フィルタ４と各コアレスファイバ１５ａ〜１５ｃの間には、光学接着剤５が十分充填されるようにする。

本実施の形態では、このようにコアレスファイバ１５ａ〜１５ｃを屈折率分布ファイバ１３ａ〜１３ｃの一端に接続し、光フィルタ４の表面近くまで配置することにより、物理的に位置決めがしやすく、光フィルタ４とコアレスファイバ１５ａ〜１５ｃを接合する光学接着剤５の量を低減することができる。これにより、光学接着剤５の光吸収や、光学接着剤５の熱膨張によるズレや応力の影響を抑制でき、挿入損失を低減することができる。

次に、本発明の第１の実施形態の変形例について図４を参照しつつ説明する。

図４は、本発明にかかる光合分波器の第１の実施形態である光合分波器５０の変形例である光合分波器５０’を示す。光合分波器５０’は、基体３’の基体凹部３３ａ、３３ｂに加えて、蓋体９ａ、９ｂが屈折率分布ファイバ１３ａ〜１３ｃの中央部２５ａ〜２５ｃの直上に蓋体凹部（離間部）９ｃ、９ｄを有している。この結果、蓋体９ａ、９ｂと屈折率分布ファイバ１３ａ〜１３ｃの中央部２５ａ〜２５ｃとが離れている点が光合分波器５０’と異なっている。光合分波器５０’では、中央部２５ａ〜２５ｃが蓋体９および基体３’の両方に接触しない構造であるため、蓋体９と基体３との間に配された接着剤５が収縮したとしても、各屈折率分布ファイバ１３ａ〜１３ｃが、蓋体９と基体３’とから同時に、かつ直接的に押圧されるのを抑制でき、屈折率分布ファイバ１３ａ〜１３ｃに生じる応力を低減させることができる。

なお、図２〜図４に示す光合分波器５０、５０’の基体凹部３３ａ、３３ｂおよび蓋体凹部９ｃ、９ｄは、好ましくは空隙であるが、弾性部材で満たされてもよい。弾性部材は、屈折率分布ファイバ１３ａ〜１３ｃの中央部２５ａ〜２５ｃと基体３’とが、または、中央部２５ａ〜２５ｃと基体３’および蓋体９とが接触しないようにするための緩衝材として作用するものである。この弾性部材は、蓋体９と基体３’とを接着固定する接着剤５よりも弾性率が高く、熱膨張係数が小さい材料であることが好ましい。具体的には、接着剤５がエポキシ系樹脂であれば、たとえばゴム系やアクリル系、もしくはウレタン系やシリコン系等の接着剤を用いることが出来る。このように、光合分波器５０、５０’は、弾性部材を設けることにより、各屈折率分布ファイバ１３ａ〜１３ｃ１を押圧する応力を緩和することができる。

さらに、光合分波器５０、５０’では、全ての光導波体１７ａ〜１７ｃが、屈折率分散ファイバの両端部が基体３’に接着剤５で固定され、屈折率分散ファイバの中央部が基体３’から離れていたが、必要に応じて、一部の光導波体（即ち光導波体１７ａ〜１７ｃの１つまたは２つ）のみについて、両端部を基体３’に接着剤５で固定し、中央部を基体３’から離れてもよい。

３．光送受信装置
以下に、本発明の光デバイスの一種である光合分波器を用いた光送受信装置について、図５を用いて説明する。

図５は、本発明の光送受信装置７０を示す構成図である。光送受信装置７０は、２つの光合分波器５０と、一方の光合分波器５０（以下、第１光合分波器５０とする）に入射する光を送信する発光手段７１ａ、７１ｂと、第１光合分波器５０で合波された光を伝送する伝送ファイバ７２と、該伝送ファイバ７２を伝送する光が入射される他方の光合分波器５０（以下、第２光合分波器５０とする）と、第２光合分波器５０で分波された光を受光する受光手段７３ａ、７３ｂと、を備えている。本発明の光送受信装置では、光合分波器５０を備えることにより、屈折率分布型レンズに発生する応力を緩和し、光の損失を低減することが可能となるため、信頼性を向上させることができる。

次に、光送受信装置７０の機能について説明する。まず、外部から入力される２つの送信信号７４ａ、７４ｂは発光手段７１ａ、７１ｂによって互いに波長の異なる光信号に変換された後、第１光合分波器５０の合波機能により１つに合波される。そして合波された光は、伝送ファイバ７２内を受信手段側に向かって伝送される。次いで、伝送ファイバ７２によって伝送された波長多重信号光（合波光）は、第２光合分波器５０の分波機能によって分離され、分離された光が受光手段７３ａ、７３ｂによりもとの信号７４ａ、７４ｂに変換される。

光送受信装置７０では、１本の伝送ファイバ７２を用い、さらに２つの光合分波器５０を用いることによって大容量の情報を簡単な構成で安価に伝送できる利点がある。また、本発明の光送受信装置７０においては波長多重システムに関して実施例を示したが、本発明における光デバイスを用いた光送受信装置であればこれに限定されるものではなく、各種用途に応じた光デバイス５０を組み込んだ光送受信装置を構成すればよい。なお、上述した実施の形態では、光合分波器にかかる形態を説明したが、本発明は光合分波器に限られるものではなく、光学素子を光アイソレータ、光スイッチ素子、ビームスプリッタ素子、波長板、反射ミラー、回折素子、またはプリズム等に置き換えて、光合分波器とは全く異なる機能を有する光デバイスに適用できる。

本発明の光デバイスの一種である光合分波器について、以下に示す方法で実験を行った。本発明の実施例として図２に示す光合分波器５０と、比較例として、図７に示す従来の光合分波器１００をそれぞれ１０個ずつ作製し、各製品に−４０〜＋８５℃の温度をかけた時に最大となるＰＤＬを測定した。

まず、使用した各部材の材質や、その製作方法について説明する。

基体３’および１０３の材質は、１．０ｍｍ厚の石英を使用し、外形形状、Ｖ溝７ａ〜７ｄ、８ａ〜８ｄ、１０７および基体の凹部３３ａ、３３ｂ、６、１０６は、ダイシングにより形成した。また、蓋体９やフィルタ固定板１１５、さらに光ファイバ固定板１１６は、０．３ｍｍ厚の石英を使用し、ダイシングにより外形形状を形成した。さらに光フィルタ４、１０９は、透光性部材の材質を０．５ｍｍ角の石英とし、その表面に二酸化ケイ素と二酸化チタン等の屈折率の異なる２種類以上の誘電体を交互に蒸着することで、１３１０ｎｍの光を透過し、１５５０ｎｍの光を反射するフィルタ膜を形成した。光導波体１７ａ〜１７ｃ、１１７ａ〜１１７ｃについては、融着により屈折率分布ファイバ１３ａ〜１３ｃおよび１１３ａ〜１１３ｃに、それぞれ光ファイバ１１ａ〜１１ｃおよび１１１ａ〜１１１ｃを接続したものを使用した。なお、Ｖ溝に塗布し、各光導波体や蓋体等を固定する接着剤５、１０５は、ＵＶ硬化型のエポキシ系接着剤を使用した。また、フィルタを固定する接着剤５、１０５は、ＵＶ硬化型のアクリル系接着剤を使用した。

次に、ＰＤＬおよび光の挿入損失の測定方法について説明する。

図６は光合分波器のＰＤＬおよび光の挿入損失の測定方法を説明する模式図である。図に示すように、光源８０からの光を、光スクランブラ８１を介して光導波体の一端に接続することで、不特定の偏波方向の光を光合分波器に入射した。透過側及び反射側の光導波体には、パワーメータ８２を接続して透過及び反射されてきた光の量を測定することで、入力した光と透過及び反射してきた光の量の比によって光の損失を計測した。この時、光の損失の最大値と最小値との差をＰＤＬとし、その平均値を挿入損失とした。以上のサンプルでの評価結果、従来の光合分波器１００では低温時（−４０°）および高温時（２５°）において最大１．５ｄＢのＰＤＬが１３１０ｎｍの波長で計測された。これに対し本発明の光合分波器５０では、低温時（−４０°）および高温時（２５°）において、最大０．０５ｄＢのＰＤＬが得られ、従来品に比べ、ＰＤＬの温度依存性を著しく低減することができた。

本発明にかかる光ファイバコリメータを示す斜視図である。 本発明にかかる光ファイバコリメータを示す側面図である。 本発明にかかる光ファイバコリメータの他の形態を示す側面図である。 本発明にかかる光ファイバコリメータの他の形態示す側面図である。 本発明に係る光デバイスの一種である光合分波器の第１の実施形態を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。 図２に示す光合分波器に蓋体を設けた実施形態を示す断面図である。 本発明にかかる光デバイスの第１の実施形態の変形例を示す断面図である。 本発明にかかる光送受信器を示す構成図である。 光合分波器のＰＤＬおよび光の挿入損失の測定方法を説明する模式図である。 従来の光合分波器を例示する図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は、断面図である。

符号の説明

３，３’ 基体、４ 光フィルタ（光学素子）、４ａ 透光性部材、４ｂ：フィルタ膜、５ 光学接着剤、６ 溝、７ａ〜７ｃ，８ａ〜８ｃ，３１ Ｖ溝、９，９ａ〜９ｂ 蓋体、９ｃ，９ｄ 蓋体凹部、１１，１１ａ〜１１ｃ 光ファイバ、１３，１３ａ〜１３ｃ 屈折率分布ファイバ（屈折率分布レンズ）、１５，１５ａ〜１５ｃ コアレスファイバ、１７，１７ａ〜１７ｄ 光導波体、２１ 被覆層、２３，２７ 屈折率分布ファイバ端部、２５ 屈折率分布ファイバ中央部、３３，３３ａ，３３ｂ 基体凹部、５０，５０’ 光合分波器、７０ 光送受信装置、７１，７１ａ，７１ｂ 発光手段、７２ 伝送ファイバ、７３，７３ａ，７３ｂ 受光手段、７４ａ，７４ｂ 信号、８０ 光源、８１ 光スクランブラ、８２ パワーメータ

Claims (18)

1. 基体と、光ファイバと、該光ファイバの一端に接続された屈折率分布ファイバと、を備え、
   前記屈折率分布ファイバは、その両端部が接着剤を介して前記基体の上面に接触し、前記両端部を除く中央部が前記基体の上面から離れて固定されていることを特徴とする光ファイバコリメータ。
2. 前記屈折率分布ファイバの前記中央部は、空隙を介して前記基体の上面から離れてい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。
3. 前記基体の前記上面は凹部を有し、その凹部によって前記屈折率分布ファイバの前記中央部が前記基体の上面から離れ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。
4. 前記屈折率分布ファイバの前記中央部は、緩衝材を介して前記基体の上面から離れてい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。
5. 下面を有し、該下面が前記屈折率分布ファイバの前記両端部と接触し、かつ前記中央部と離れた蓋体をさらに有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光ファイバコリメータ。
6. 前記蓋体の前記下面は凹部を有し、その凹部によって前記屈折率分布ファイバの前記中央部が前記下面から離れていることを特徴とする請求項５に記載の光ファイバコリメータ。
7. 前記屈折率分布ファイバの一端にコアレスファイバを融着接続し、該融着接続部および前記コアレスファイバを前記基体の上面に固定することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光ファイバコリメータ。
8. 前記屈折率分布ファイバの両端部を除く外周を覆う保護部材をさらに有することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の光ファイバコリメータ。
9. 基体と、
   光学素子と、
   それぞれ光ファイバと該光ファイバの一端に接続された屈折率分布ファイバとを有してなり、前記光学素子を介して前記屈折率分布ファイバ間が光学的に接続されるように配置された複数の光導波体とを備え、
   前記屈折率分布ファイバのうちの少なくとも１つは、その両端部が接着剤を介して前記基体の上面に接触し、その両端部を除く中央部が前記基体の上面から離れて固定されていることを特徴とする光デバイス。
10. 前記少なくとも１つの屈折率分布ファイバの中央部は、空隙を介して前記基体の上面から離れていることを特徴とする請求項９に記載の光デバイス。
11. 前記基体の前記上面は凹部を有し、その凹部によって前記少なくとも１つの屈折率分布ファイバの前記中央部が前記基体の上面から離れていることを特徴とする請求項９または１０に記載の光デバイス。
12. 前記屈折率分布ファイバの前記中央部は、緩衝材を介して前記基体の上面から離れていることを特徴とする請求項９に記載の光デバイス。
13. 下面を有し、該下面が前記少なくとも１つの屈折率分布ファイバの前記両端部と接触しかつ前記中央部と離れた蓋体をさらに有することを特徴とする請求項９〜１２のいずれかに記載の光デバイス。
14. 前記蓋体の前記下面は凹部を有し、その凹部によって前記少なくとも１つの屈折率分布ファイバの前記中央部が前記下面から離れていることを特徴とする請求項１０に記載の光デバイス。
15. 前記屈折率分布ファイバの両端部を除く外周を覆う保護部材をさらに有することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の光ファイバコリメータ。
16. 前記少なくとも１つの屈折率分布ファイバの一端にコアレスファイバを融着接続し、該融着接続部および前記コアレスファイバを前記基体の上面に固定したことを特徴とする請求項９〜１５のいずれかに記載の光デバイス。
17. 少なくとも３つ以上の前記光導波体を有し、前記光学素子が、前記複数の前記光ファイバ体から出射される光を合波して他の前記光ファイバ体に入射する、あるいは前記光ファイバ体から出射される光を分波して他の複数の前記光ファイバ体に入射する光フィルタであることを特徴とする請求項９〜１６のいずれかに記載の光デバイス。
18. 請求項９〜１７のいずれかに記載の光デバイスと、該光デバイスに入射する光を送信する発光手段と、該発光手段から送信された光を前記光デバイスを介して受信する受光手段と、を備えた光送受信器。

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