JP2013130771A - 光学部品の光軸調芯方法 - Google Patents

Abstract

【課題】多芯を有する光学部品同士の光軸調芯方法を提供する。
【解決手段】複数の光軸から２つの光軸を選定し、第１および第２光軸についてＸＹ方向の調芯を行い、第１光軸のＸＹ調芯座標及び第２光軸のＸＹ調芯座標に基づいて、第１および第２光学部品の間の傾斜角を取得し、取得した傾斜角だけ第１及び／又は第２光学部品を相対回転させて回転方向の調芯を行い、第１及び／又は第２光学部品を第１光軸周りに所定のステップ角度だけ相対回転させた後、第２光軸についてＸＹ光軸調芯を行い、受光強度の変化を計測して回転方向の出力分布を取得する。回転方向の出力分布が所定の閾値以上になる回転角を取得し、取得した回転角だけ第１及び／又は第２光学部品を相対回転させて、回転方向の調芯を再度行うとともに第１光軸および第２光軸についてＸＹ方向の調芯を再度行う。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えば、光通信用の光素子モジュールの組み立ての際、光ファイバアレイと受光素子アレイとの調芯、発光素子アレイと光ファイバアレイとの調芯、または発光素子アレイと受光素子アレイとの調芯などに好適である、光学部品の光軸調芯方法に関する。

特許文献１は、８芯の出力ポートＡ１１〜Ａ１８を有する第１光学部品と８芯の入力ポートＢ０１〜Ｂ０８を有する第２光学部品との光軸調芯方法を開示する。最初に、第２光学部品に関して特定の入力ポートＢ０１を選定し、この入力ポートＢ０１と出力ポートＡ１１〜Ａ１８との調芯を行って、出力が最大となるＸＹ座標をそれぞれ求め、得られた８つの座標から第１光学部品の出力ポートＡ１１〜Ａ１８に関する回帰直線ＬＡを算出する。次に、第２光学部品に関しても同様に調芯を行って、出力が最大となるＸＹ座標をそれぞれ求め、入力ポートＢ０１〜Ｂ０８に関する回帰直線ＬＢを算出する。そして、回帰直線ＬＡの傾きθＡと回帰直線の傾きθＢの差θを求め、このθ回転量分だけ第２光学部品をθ回転して、両部品の傾きを一致させる。その後、θ回転方向を固定した状態で、ＸＹ方向のみのピークサーチによりＸＹ調芯を行う。

特許第３０８１８５１号

特許文献１の方法は、光軸芯間距離の製造誤差が考慮されていないため、上記のようにして得られたＸＹ座標より算出されるθは正確な値にならない。そのため光軸芯に対して光学部品をθ方向に高精度に調整することが困難である。

本発明の目的は、多芯を有する光学部品同士の光軸調芯においてθ方向に高精度な光軸調芯が可能である、光学部品の光軸調芯方法を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明は、直線状に配列した複数の光出射部を有する第１光学部品、および直線状に配列した複数の光入射部を有する第２光学部品について、光出射部から出射した光が光入射部に入射する際の受光強度を計測することによって、直交するＸ軸、Ｙ軸からなるＸＹ平面に対して直交する複数の平行な光軸を共有するように調芯を行うための光軸調芯方法であって、
複数の光軸から第１および第２光軸を選定するステップと、
第１光軸についてＸＹ方向の調芯を行うステップと、
第２光軸についてＸＹ方向の調芯を行うステップと、
第１光軸のＸＹ調芯座標および第２光軸のＸＹ調芯座標に基づいて、第１および第２光学部品の間の傾斜角を取得するステップと、
取得した傾斜角だけ第１及び／又は第２光学部品を相対回転させて、回転方向の調芯を行うステップと、
第１及び／又は第２光学部品を、第１光軸周りに所定のステップ角度だけ相対回転させた後、第２光軸についてＸＹ光軸調芯を行い、受光強度の変化を計測して回転方向の出力分布を取得するステップと、
回転方向の出力分布が所定の閾値以上になる回転角を取得するステップと、
取得した回転角だけ第１及び／又は第２光学部品を相対回転させて、回転方向の調芯を再度行うステップと、
第１光軸および第２光軸についてＸＹ方向の調芯を再度行うステップと、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、多芯を有する光学部品同士の光軸調芯においてθ方向に高精度な光軸調芯を達成できる。

本発明に係る光軸調芯方法において使用される調芯装置の一例を示す構成図である。 光学部品の組合せの一例を示す説明図である。 光軸調芯方法におけるＸＹ方向の調芯手順を示す説明図である。 光軸調芯方法におけるＸＹ方向の補正手順を示す説明図である。 光軸調芯方法におけるＸＹ方向の補正手順を示す説明図である。 θ方向の出力分布を示すグラフである。

実施の形態１．
図１は、本発明に係る光軸調芯方法において使用される調芯装置の一例を示す構成図である。ここでは、Ｘ方向に直線状に配列した複数の光出射部を有する第１の光学部品８および、Ｘ方向に直線状に配列した複数の光入射部を有する第２の光学部品９について、直交するＸ軸、Ｙ軸からなるＸＹ平面に対して直交するＺ方向に沿った複数の平行な光軸を共有するように調芯する方法について説明する。

本実施形態では、光学部品８は光を出射する部品として、光学部品９は光が入射する部品として説明しており、本発明は、例えば、光ファイバアレイと受光素子アレイとの調芯、発光素子アレイと光ファイバアレイとの調芯、または発光素子アレイと受光素子アレイとの調芯などに適用できる。受光素子アレイとして、ＰＤ(Photo Diode)素子アレイを含んだＰＤモジュールが例示できる。発光素子アレイとして、ＬＤ(Laser Diode)素子アレイを含んだＬＤモジュールが例示できる。

調芯装置は、ベース４１と、スタンド４２とを備える。スタンド４２の側面には、Ｚ方向の位置制御が可能なＺステージ１が設けられ、その可動部の上にクランプ機構２が設けられる。光学部品８は、このクランプ機構２に固定される。

一方、ベース４１の上面には、Ｙ方向の位置制御が可能なＹステージ５が設けられ、その可動部の上にＸ方向の位置制御が可能なＸステージ４が設けられ、その可動部の上にＺ軸周りのθ回転方向の位置制御が可能なθステージ３が設けられる。

これらのＸステージ４、Ｙステージ５、Ｚステージ１およびθステージ３の位置制御により、光学部品８と光学部品９の間の３次元位置およびθ回転の位置決めが可能になる。なお、θステージ３、Ｘステージ４、Ｙステージ５の設置順序は入れ替わってもよい。また、これらのステージ１，３，４，５は、ベース４１およびスタンド４２のいずれかに設置されていれば足り、例えば、４つステージを全てベース４１に設置してもよく、あるいはＸステージ４とＹステージ５をベース４１に設置し、Ｚステージ１とθステージ３をスタンド４２に設置してもよい。

発光制御部６は、光学部品８の複数の光出射部から放射される光の強度を個別に制御する機能を有し、例えば、光学部品８が光ファイバアレイである場合は、各光ファイバに対応した光源の発光強度を個別に制御し、光学部品８が発光素子アレイである場合は、各発光素子の発光強度を個別に制御する。

受光計測部７は、光学部品９の複数の光入射部に入射する光の強度を個別に計測する機能を有し、例えば、光学部品９が受光素子アレイである場合は、各受光素子の受光強度を個別に計測し、光学部品９が光ファイバアレイである場合は、各光ファイバに対応した受光器での受光強度を個別に計測する。

信号処理部５１は、例えば、パーソナルコンピュータなどで構成され、所定のプログラムに従って、発光制御部６および受光計測部７の各動作を制御するとともに、Ｘステージ４、Ｙステージ５、Ｚステージ１およびθステージ３の位置制御を実行する。

図２は、光学部品８と光学部品９の組合せの一例を示す説明図である。光学部品９として、Ｘ方向に直線状に配列した複数の受光素子を有する受光素子アレイ１０を使用している。光学部品８として、Ｘ方向に直線状に配列した複数の光ファイバ軸芯を有する光ファイバアレイを使用している。

光軸調芯に使用する受光素子および軸芯は、図２に示すように、ＸＹθ方向の最適位置で調芯した際に対になる光軸同士を選ばなければならない。

本実施形態は、固定された光学部品８（例えば多芯ファイバ）に対して、光学部品９に実装された受光素子アレイのうちの２組の光学素子の光軸をθ方向に高精度に調芯する方法を提供するものである。

ここで、光学部品同士を調芯させる自由度は、θ回転の他にＸ軸回りの回転およびＹ軸回りの回転も考えられるが、ここでは光学部品同士の平行度が出ていることを前提としているため、θ回転以外の回転軸に関する調整については説明を割愛する。

まず、光学部品９に実装された受光素子アレイのうち、光軸調芯に使用する受光素子の組を選定する。光軸調芯に使用する受光素子および軸芯は、できる限り長い間隔を確保することが好ましく、それぞれ直線上に並んだ受光素子および軸芯の両端に位置するもの同士を選定することが好ましい。例えば、図２に示すように、複数の受光素子のうち両端に位置する２つの受光素子１１，１２をそれぞれ素子Ａ、素子Ｂとする。さらに素子Ａ，Ｂに対応する２つの光ファイバ軸芯１３，１４をそれぞれ軸芯Ａ、軸芯Ｂとする。

図３は、光軸調芯方法におけるＸＹ方向の調芯手順を示す説明図である。最初に、軸芯Ａ（軸芯１３）からの出射光を素子Ａ（受光素子１１）に入射させ受光強度を計測しながら、軸芯Ａに対する素子Ａの最適位置をＸＹ方向に沿って調芯する。１芯同士のＸＹ方向の光軸調芯方法については、特許文献１にも説明されているように、例えば、ジグザグ法、最急傾斜法、単純最大点法などの公知技術が使用できる。ここで、素子Ａの調芯完了後のＸＹ座標を（ｘ１，ｙ１）とする。

次に、軸芯Ｂ（軸芯１４）からの出射光を素子Ｂ（受光素子１２）に入射させ受光強度を計測しながら、軸芯Ｂと素子Ｂについても同様にＸＹ方向に沿って光軸調芯を行い、調芯完了後のＸＹ座標を（ｘ２，ｙ２）とする。

従って、素子Ａの調芯完了座標（ｘ１，ｙ１）から素子Ｂの調芯完了座標（ｘ２，ｙ２）までのＸＹ方向の移動距離は、それぞれ｜ｘ２−ｘ１｜と｜ｙ２−ｙ１｜となる。これより、軸芯Ａ，Ｂに対して素子Ａ，Ｂをθ方向に一致させるために必要な回転角度θ１は、下記の式（１）を用いて計算することができる。式（１）において、Ｌは、軸芯Ａと軸芯Ｂ間の距離（設計値）を示し、ｎは、軸芯と受光素子間に配置されたレンズの倍率である。レンズが存在しない場合は、ｎ＝１として計算すればよい。

こうして得られた角度θ１だけ素子Ｂの調芯完了座標（ｘ２，ｙ２）の周りに光学部品８及び／又は光学部品９を相対回転させることによって、θ方向の調芯を達成できる。

ここで、上記の回転角度計算に用いられる軸芯Ａ−Ｂ間の距離Ｌは設計値である。実際には、設計値通りの寸法であるとは限らないため、上記方法で算出される回転角度θ１は正確な値ではない。例えば、Ｌ＝１２５μｍ、｜ｘ２−ｘ１｜＝２１．７μｍ、｜ｙ２−ｙ１｜＝１．９μｍ、ｎ＝１の場合、θ１＝ａｒｃｔａｎ｛２１．７／（１２５−１．９）｝＝９．９９７°≒１０．０°となる。ここで、軸芯間距離の製造誤差を＋３μｍとして式（１）を用いて計算すると、θ１＝ａｒｃｔａｎ｛２１．７／（１２８−１．９）｝＝９．７６４°≒９．８°となり、最適な回転角度との差は約０．２°となる。

次に、軸芯間距離Ｌの製造誤差による影響を受けずに、より高精度に軸芯Ａ，Ｂと素子Ａ，Ｂをθ方向の最適位置に調整する手法について説明する。

図４と図５は、光軸調芯方法におけるＸＹ方向の補正手順を示す説明図である。最初に、軸芯Ａ（軸芯１３）からの出射光を素子Ａ（受光素子１１）に入射させ受光強度を計測しながら、素子Ｂの調芯完了座標（ｘ２，ｙ２）を回転中心１９として、あるステップ角度Δθ（図４中の符号２２）だけ光学部品９を回転させ、素子Ａの受光強度の変化を取得する。そして、素子Ａの受光強度が最大となるように、光学部品９のＸＹ方向の変位を補正する。

次に、上記と同様に、回転中心１９の周りに、さらにステップ角度Δθだけ光学部品９を回転させ、素子Ａの受光強度の変化を取得する。そして、素子Ａの受光強度が最大となるように、光学部品９のＸＹ方向の変位を補正する。

こうしてステップ角度Δθの回転動作と光学部品９のＸＹ変位の補正動作を繰り返し行い、素子Ａの出力Ｐを連続して取得することにより、θ方向の出力分布が得られる。

図６は、θ方向の出力分布を示すグラフである。得られた出力分布のうち、最大出力となるθ（図６中の符号３１）に光学部品９の角度を調整する。最後に、素子Ａ，ＢそれぞれについてＸＹ方向の光軸調整を行う。例えば、こうした得られた２つの調芯完了座標の平均値になるようにＸＹ座標を調整したり、あるいは、代表する光学素子の組（素子Ａ，Ｂ）の出力差が所定の閾値以下になるようにＸＹ座標を調整する。その結果、軸芯間距離Ｌの製造誤差による影響を極力排除しながら、２つの光学部品８，９間でθ方向に高精度な光軸調芯を達成できる。

こうした補正手法の数学的根拠について説明する。ここで、上記のようにΔθの回転により生じるＸＹ方向への変位補正量Δｘ，Δｙを求めるために、素子Ａと軸芯Ａのみに着目する。図４に示すように、素子ＡをΔθだけ回転させたとき、素子ＡのＸＹ方向の変位量Δｘ，Δｙは、下記の式（２）となる。

式（２）において、素子Ａ（受光素子１１）と回転中心１９までの距離をｒ（図４中の符号２０）、ＸＹ平面上のＸ軸と素子Ａのなす角をθ（図４中の符号２１）とする。

ここで、Δθ＝θ１とすると、素子Ａをθ１だけ回転させた後、素子ＡはＸＹ方向の変位を伴うため、上記と同様の方法で、再度、素子ＡについてＸＹ方向の光軸調芯を行う。このときの素子Ａの調芯完了座標を（ｘ３，ｙ３）とする。よって、Δｘ＝｜ｘ３−ｘ１｜、Δｙ＝｜ｙ３−ｙ１｜となるので、ｒに関して下記の式（３）が成り立つ。さらに、Δθ，Δｘ，Δｙを式（２）に代入すると、式（４）となる。

この式（４）をｃｏｓθ，ｓｉｎθについて解くと、式（５）と式（６）が得られる。

上記の方法で求めた回転中心座標１９、現在の素子Ａの座標、回転量Δθを用いてΔθだけ回転させた時のＸＹ方向の変位量Δｘ，Δｙを式（２）を用いて計算し、Δθの回転に伴いΔｘ，Δｙだけ素子Ａの位置を移動させることで、Δθの回転によるＸＹ方向の変位を補正できる。

上記の方法によって得られるθ方向の受光素子の出力分布は、図６に示すように、ＸＹ方向の場合と同様に、出力最大値がある範囲で一定となる。上記の方法を用いて軸芯に対する光学素子の最適角度を求めた場合、図６に示すように、受光素子の出力がある閾値（図６中の符号２８）以上となる２点を求め、その中点を最適角度とするため、θ方向の調整精度はステップ角度Δθの１／２となる。

図６では、取得した受光素子の出力値で閾値以上となる点を黒丸●（図６中の符号２９）、閾値未満となる点を白丸○（図６中の符号３０）で示している。例えば、ステップ角度Δθが０．１°の場合、上記方法を用いた時のθ方向の調整精度は、その半分の０．０５°である。従って、上記の例では、式（１）を用いた場合の調整精度０．２°と比べて、４倍の精度でθ方向の調整が可能になることが判る。

１ Ｚステージ、 ２ クランプ機構、 ３ θステージ、 ４ Ｘステージ、
５ Ｙステージ、 ６ 発光制御部、 ７ 受光計測部、
８ 光学部品、 ９ 光学部品、 １０ 受光素子アレイ、
１１ 素子Ａ、 １２ 素子Ｂ、 １３ 軸芯Ａ、 １４ 軸芯Ｂ、
１５ Ｘ方向移動距離、 １６ Ｙ方向移動距離、 １７ 軸芯間距離Ｌ、
１８ 回転角度θ１、 １９ θステージ回転中心、
２０ 回転中心と素子Ａ間の距離ｒ、 ２１ Ｘ軸と素子Ａのなす角θ、
２２ ステップ角度Δθ、 ２３ ＸＹステージ原点、
２４ Ｘ方向変位量Δｘ、 ２５ Ｙ方向変位量Δｙ、 ２６ Ｘ方向補正量、
２７ Ｙ方向補正量、 ２８ 出力閾値、 ２９ 閾値以上の点、
３０ 閾値未満の点、 ３１ 調整完了角度、
４１ ベース、 ４２ スタンド、 ５１ 信号処理部。

Claims (5)

1. 直線状に配列した複数の光出射部を有する第１光学部品、および直線状に配列した複数の光入射部を有する第２光学部品について、光出射部から出射した光が光入射部に入射する際の受光強度を計測することによって、直交するＸ軸、Ｙ軸からなるＸＹ平面に対して直交する複数の平行な光軸を共有するように調芯を行うための光軸調芯方法であって、
   複数の光軸から第１および第２光軸を選定するステップと、
   第１光軸についてＸＹ方向の調芯を行うステップと、
   第２光軸についてＸＹ方向の調芯を行うステップと、
   第１光軸のＸＹ調芯座標および第２光軸のＸＹ調芯座標に基づいて、第１および第２光学部品の間の傾斜角を取得するステップと、
   取得した傾斜角だけ第１及び／又は第２光学部品を相対回転させて、回転方向の調芯を行うステップと、
   第１及び／又は第２光学部品を、第１光軸周りに所定のステップ角度だけ相対回転させた後、第２光軸についてＸＹ光軸調芯を行い、受光強度の変化を計測して回転方向の出力分布を取得するステップと、
   回転方向の出力分布が所定の閾値以上になる回転角を取得するステップと、
   取得した回転角だけ第１及び／又は第２光学部品を相対回転させて、回転方向の調芯を再度行うステップと、
   第１光軸および第２光軸についてＸＹ方向の調芯を再度行うステップと、を含むことを特徴とする光軸調芯方法。
2. ＸＹ方向の調芯を再度行うステップは、第１光軸のＸＹ調芯座標および第２光軸のＸＹ調芯座標の平均値になるようにＸＹ方向の調芯を行うことを特徴とする請求項１記載の光軸調芯方法。
3. ＸＹ方向の調芯を再度行うステップは、第１光軸の受光強度と第２光軸の受光強度との差が所定の閾値以下になるようにＸＹ方向の調芯を行うことを特徴とする請求項１記載の光軸調芯方法。
4. 第１および第２光軸を選定するステップは、複数の光軸のうち両端に位置する２つの光軸を選定することを特徴とする請求項１記載の光軸調芯方法。
5. 第１光学部品と第２光学部品との調芯は、光ファイバアレイと受光素子アレイとの調芯、発光素子アレイと光ファイバアレイとの調芯、または発光素子アレイと受光素子アレイとの調芯であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光軸調芯方法。

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