JP2018036637A - Lens array, fiber ray module and light reception module - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、レンズアレイ、ファイバアレイモジュール及び受光モジュールに関する。 The present disclosure relates to a lens array, a fiber array module, and a light receiving module.
WDM伝送用の受光モジュールが提案されている(例えば、特許文献1参照。)。特許文献1の受光モジュールは、ファイバアレイから出射したビームをレンズアレイでコリメートし、伝送路中の光をモニタするために、ビームの一部をビームスプリッタバーで分岐し、後段に設置されたPDで受光する。ビームスプリッタバーで反射された光は、レンズアレイを介して光ファイバに戻される。
A light receiving module for WDM transmission has been proposed (see, for example, Patent Document 1). The light receiving module of
特許文献1の受光モジュールは、ビームスプリッタバーで反射された光を光ファイバに戻すために、光ファイバとレンズの間隔やレンズアレイとビームスプリッタの間隔を適切に保つ必要である。
In order to return the light reflected by the beam splitter bar to the optical fiber, the light receiving module of
一方で、レンズアレイとの適切な間隔を保つための技術が提案されている(例えば、特許文献2参照。)。特許文献2では、光ファイバとレンズアレイの間隔に適したスペーサ、レンズアレイと光フィルタとの間隔に適した透明部材、光フィルタとフォトダイオードとの間隔に適したスペーサ、透明部材を順に配置し、それらにガイドピンを通し、外部から締め付け機構で固定する。
On the other hand, a technique for maintaining an appropriate distance from the lens array has been proposed (see, for example, Patent Document 2). In
特許文献2の技術は、透明部材とスペーサが必要であるため、部品点数が増える問題がある。また、特許文献2の技術は、スペーサも含めた各構成部品にガイド孔加工が必要である上、全体を締め付け固定する機構が必要であるため、加工工程が増加する問題がある。
The technique of
そこで、本開示は、部品点数及び加工工程を増加させずに、適切な間隔を保つことの可能なレンズアレイの提供を目的とする。 Therefore, an object of the present disclosure is to provide a lens array capable of maintaining an appropriate interval without increasing the number of parts and the processing steps.
本開示のレンズアレイは、
平坦な保持面に保持され、前記保持面と垂直な所定平面内にレンズの中心軸が並列に配置されている複数の非球面レンズと、
平坦な前記保持面上で前記複数の非球面レンズを保持するレンズ保持部と、
前記保持面に配置され、前記保持面からの高さが前記複数の非球面レンズよりも高い位置に凸面を有する複数の凸部と、
を備え、
前記複数の凸部に備わる各凸面は、前記非球面レンズの光軸に垂直な面に対して等しい所定の角度で傾斜している。
The lens array of the present disclosure includes:
A plurality of aspheric lenses that are held by a flat holding surface and in which a central axis of the lens is arranged in parallel in a predetermined plane perpendicular to the holding surface;
A lens holding unit for holding the plurality of aspheric lenses on the flat holding surface;
A plurality of convex portions arranged on the holding surface and having convex surfaces at positions higher than the plurality of aspheric lenses from the holding surface;
With
Each convex surface provided in the plurality of convex portions is inclined at a predetermined angle equal to a surface perpendicular to the optical axis of the aspheric lens.
本開示のレンズアレイは、
平坦な保持面に保持され、前記保持面と垂直な所定平面内にレンズの中心軸が並列に配置されている複数の非球面レンズと、
平坦な前記保持面上で前記複数の非球面レンズを保持するレンズ保持部と、
前記保持面に配置され、前記保持面からの高さが前記複数の非球面レンズよりも高い位置に凸面を有する複数の凸部と、
を備え、
前記複数の凸部に備わる各凸面は、前記非球面レンズの光軸に垂直な面と平行であり、
前記保持部の前記凸面に対向する裏面が、前記非球面レンズの光軸に垂直な面に対して等しい所定の角度で傾斜している。
The lens array of the present disclosure includes:
A plurality of aspheric lenses that are held by a flat holding surface and in which a central axis of the lens is arranged in parallel in a predetermined plane perpendicular to the holding surface;
A lens holding unit for holding the plurality of aspheric lenses on the flat holding surface;
A plurality of convex portions arranged on the holding surface and having convex surfaces at positions higher than the plurality of aspheric lenses from the holding surface;
With
Each convex surface provided in the plurality of convex portions is parallel to a surface perpendicular to the optical axis of the aspheric lens,
A back surface of the holding portion facing the convex surface is inclined at a predetermined angle equal to a surface perpendicular to the optical axis of the aspheric lens.
本開示のファイバアレイモジュールは、
2本の光ファイバごとに1つの前記非球面レンズを有し、各々の前記非球面レンズが前記2本の光ファイバからの光を前記非球面レンズごとに定められた反射面の一点に集光する、本開示の第1のレンズアレイと、
前記第1のレンズアレイに備わる各々の前記非球面レンズに対して2本の光ファイバを有し、各光ファイバの長手方向が前記所定平面内で前記非球面レンズの中心軸と平行に配置されているファイバアレイと、
を備える。
The fiber array module of the present disclosure includes:
Each of the two optical fibers has one aspheric lens, and each of the aspheric lenses condenses light from the two optical fibers on one point of a reflection surface defined for each of the aspheric lenses. A first lens array of the present disclosure;
Each of the aspheric lenses included in the first lens array has two optical fibers, and the longitudinal direction of each optical fiber is arranged in parallel to the central axis of the aspheric lens within the predetermined plane. Fiber array
Is provided.
本開示のファイバアレイモジュールは、
各々の前記非球面レンズの前記反射面を形成し、前記一点に集光された光の一部を透過し、前記一点に集光された光の一部を反射する部分透過膜と、
前記部分透過膜から透過された光を透過する複数の貫通孔を有し、前記部分透過膜から透過された各々の光が異なる前記貫通孔の一端に入射され、前記貫通孔を通過後の光を各貫通孔の他端から出射する光部品と、
前記複数の貫通孔の前記他端から出射された各光を前記貫通孔ごとに定められた点に集光する第2のレンズアレイと、
をさらに備えていてもよい。
ここで、前記貫通孔にGRINレンズを配置し、前記第2レンズアレイを省略してもよい。この場合、前記光部品は、GRINレンズで定められた集光点に集光する。
The fiber array module of the present disclosure includes:
Forming a reflecting surface of each of the aspherical lenses, transmitting a part of the light condensed at the one point, and reflecting a part of the light condensed at the one point;
Light having a plurality of through holes that transmit the light transmitted from the partial transmission film, and each light transmitted from the partial transmission film is incident on one end of the different through holes, and the light after passing through the through holes An optical component that emits from the other end of each through-hole,
A second lens array for condensing each light emitted from the other end of the plurality of through holes at a point determined for each through hole;
May be further provided.
Here, a GRIN lens may be disposed in the through hole, and the second lens array may be omitted. In this case, the optical component condenses at a condensing point determined by the GRIN lens.
本開示の受光モジュールは、本開示に係るファイバアレイモジュールと、受光素子アレイと、を備える。 The light receiving module of the present disclosure includes a fiber array module according to the present disclosure and a light receiving element array.
本開示によれば、部品点数及び加工工程を増加させずに、適切な間隔を保つことの可能なレンズアレイを提供することができる。 According to the present disclosure, it is possible to provide a lens array capable of maintaining an appropriate interval without increasing the number of parts and the processing steps.
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本開示は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本開示は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。 Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the drawings. In addition, this indication is not limited to embodiment shown below. These embodiments are merely examples, and the present disclosure can be implemented in various modifications and improvements based on the knowledge of those skilled in the art. In the present specification and drawings, the same reference numerals denote the same components.
(第1の実施形態)
図1に、本実施形態に係るファイバアレイモジュールの構成例を示す。本実施形態に係るファイバアレイモジュールは、複数の非球面レンズ23−1〜23−4が配列されているレンズアレイ2と、複数の光ファイバ11A及び11Bが配列されているファイバアレイ1と、を備える。ファイバアレイ1及びレンズアレイ2は、4つのファイバ−レンズ光学系が、所定平面PC上に並列に配置されている例を示す。
(First embodiment)
FIG. 1 shows a configuration example of the fiber array module according to the present embodiment. The fiber array module according to this embodiment includes a
レンズアレイ2に備わる各非球面レンズ23は、ファイバ−レンズ光学系を基本単位として備える。各非球面レンズの中心軸である光軸ACは、所定平面PC内に並列に配列されている。ファイバアレイ1は、各々の非球面レンズ23−1〜23−4に対して2本の光ファイバ11A及び11Bを有する。
Each
図2及び図3に、レンズアレイの構成例を示す。本実施形態に係るレンズアレイ2は、複数の非球面レンズ23と、レンズ保持部24と、適切な間隔を保つための複数のスペーサ22と、を備える。図2のレンズアレイ2は2個のスペーサ22−1及び22−2を備え、図3のレンズアレイ2は4個のスペーサ22−1,22−2,22−3,22−4を備える。複数のスペーサ22の面積は、非球面レンズ23のレンズ保持面24への投影面積よりも広いことが好ましい。
2 and 3 show examples of the configuration of the lens array. The
レンズ保持部24は、平坦なレンズ保持面24A上で複数の非球面レンズ23を保持する。非球面レンズ23は、平坦なレンズ保持面24Aに保持され、レンズ保持面24Aと垂直な所定平面PC内に非球面レンズ23の中心軸ACが並列に配置されている。図2の例では、xy面に平行なレンズ保持面24Aに、x軸方向をアレイ方向とする非球面レンズ23が形成されている。
The
複数のスペーサ22は、レンズ保持面24Aのうち、複数の非球面レンズ23の配列方向であるx軸方向の両脇に、非球面レンズ23−1及び23−4に隣接するように配置されている。例えば、図2において、非球面レンズ23−1とスペーサ22−1の間S22,23、非球面レンズ23−4とスペーサ22−2の間S22,23は、図中のy方向に平行な点線で示すように、レンズ保持面24A上にて平坦部が確保されていることが好ましい。これにより、ファイバアレイ1との接続作業のときは、図のy方向から観察すれば、ファイバアレイ1とレンズアレイ2全体の位置関係を確認することができる。
The plurality of
また、複数のスペーサ22は、レンズ保持面24Aのうち、複数の非球面レンズ23の配列方向に直交するy方向における複数の非球面レンズ23の両端よりも外側に配置されている。例えば、図3に示すように、x方向から観た時にも、非球面レンズ23の全体がy軸方向からと同じように見えるように、そのx方向投影部分だけ削り取ったようなスペーサ22の形をしていることが好ましい。これにより、ファイバアレイ1との接続作業の時に、y方向からだけでなく、x方向からも光ファイバと非球面レンズ23との位置関係を確認することができる。
In addition, the plurality of
本実施形態のスペーサ22は、レンズアレイ2と一体に形成されている。このため、部品点数を増やさず、かつ、加工工程の数を増加させずに、ファイバアレイ1とレンズアレイ2との適切な間隔を保つことができる。この場合、レンズアレイ2の凹部加工と同時にスペーサ22が加工されるため、スペーサ22の側壁はレンズアレイ2の凹部加工の曲率半径R22で湾曲している。曲率半径R22は、例えば150μmである。
The
スペーサ22は、レンズ保持面24Aからの高さが複数の非球面レンズ23よりも高い位置に凸面すなわち頂上面22Aを有する。レンズアレイ2の裏面24Bはレンズ保持面24Aと平行になっており、部分透過膜4が付着されている。各頂上面22Aは、非球面レンズ23の光軸ACに垂直な面に対して等しい所定の角度で傾斜している。図2の例では、スペーサ22の頂上面22Aのレンズ光軸アレイで構成された平面(xz面に平行な面)との交線と非球面レンズ23の頂点との距離は図6に示す凸側焦点距離fvになるように設定されており、その状態で、頂上面22Aはファイバアレイ1の端面の傾きに合わせてxy面に対して所定の角度斜めになっている。所定の角度は、略8度であり、例えば7°以上9°以下である。なお、所定の角度は、8度に限定されるものではない。
The
図4に、レンズアレイ2の作製例を示す。本実施形態に係るレンズアレイ2は、ガラスモールド工程を用いて作製することができる。ステンレス鋼(SUS304)等で作られたピストン状の上金型53とレンズ形状とともにスペーサ22の形状の凹部が掘りこまれた下金型54の間に、所望する出来上がり体積の原料ガラス塊55を挟み、真空中、屈伏点以上の高温でプレスする。当然ながら、下金型形状は、レンズアレイ2より、スペーサ22用の凹部のほうが深くなる。
FIG. 4 shows an example of manufacturing the
原料ガラス塊がプレスされた際、スペーサ22用の凹部に原料が流れ込んで下金型形状がガラス隗55に転写されるわけであるが、プレス工程での原料の移動しやすさを確保するため、スペーサ22用の凹部の深さdsはレンズアレイ2の平坦部厚みtbより浅くしておくことが好ましい。プレス工程での原料移動が不十分な場合、見かけ上凹部が隙間なく埋まったとしても、冷却後に大きな形状誤差や、残留応力による割れが発生する可能性がある。スペーサ22用の凹部の深さdsがレンズアレイ2の平坦部の厚みtbより浅くすれば、プレス工程での原料移動が十分に行き渡り、冷却後の形状誤差や割れの発生を防ぐことができる。
When the raw glass lump is pressed, the raw material flows into the recess for the
図5に、本実施形態に係る第1のファイバ−レンズ光学系を示す。以下方向は図中の直交xyz座標軸に倣って説明する。図の左側には、xz平面内において、z軸に平行で、x軸方向に等しいファイバ間隔dfで光ファイバ11A及び11Bの並べられたファイバアレイ1が配置されている。ファイバアレイ1は、x軸に平行でy軸に対して所定の角度をなす平面を端面として、例えば、テンパックスガラス等の筐体によって保持されて構成されている。
FIG. 5 shows a first fiber-lens optical system according to this embodiment. Hereinafter, the directions will be described following the orthogonal xyz coordinate axes in the drawing. The left side of the figure, in the xz plane, is parallel to the z-axis, the
図の右側には、z軸に平行な光軸を有する非球面レンズ23が光軸方向であるz軸に垂直な面を共通平面としてx軸方向にファイバ間隔dfの倍の間隔2dfでアレイ化されて、その凸側をファイバアレイ1に向けて後述する所定の距離の空気層3を挟んで配置されている。レンズ保持面24Aと裏面24Bの厚みは、非球面レンズ23と裏面24Bとの距離が図中に示す凹側焦点距離fcに一致するように設定されている。
On the right side of the figure, an
ファイバアレイ1とレンズアレイ2の相対位置は、x軸方向は、非球面レンズ23の光軸ACがファイバアレイ1の隣接する光ファイバ同士の中心線(この図では、光ファイバ11Aと光ファイバ11Bの中心線)に一致するように、y方向は、非球面レンズ23の光軸ACのアレイで形成された平面がファイバアレイ1に備わる各光ファイバ11A−1〜11A−4及び11B−1〜11B−4の中心線で形成された平面PCと一致するように、およびz方向は、ファイバアレイ1の端面とレンズアレイ2の凸面頂点との距離が非球面レンズ23の凸側焦点距離fvに一致するように設定されている。図5の右端であるレンズアレイ2の裏面24B側の表面には、所定の波長の光を所望の比率で反射/透過する機能を有する部分透過膜4が付着せしめられている。このような構成において、光ファイバ11Aの端面P1から出射した光の経路を光線近似で考察する。
The relative position of the
光ファイバ11Aの端面P1は、凸側焦点面上に位置しているので、光ファイバ11Aの端面を点光源として、そこから出射してレンズアレイ2の対応する非球面レンズ23に入射した光は光軸AC側に屈折して、光軸ACとある角度φをなす平行光線となって非球面レンズ23中を進む。その内で、光ファイバ11Aの端部から光軸であるz軸に平行に出射した光線すなわちレンズ内平行光の中心光線は、レンズに入射した後、凹側焦点を通ることになる。
Since the end face P1 of the
前述したように、非球面レンズ23の厚みがちょうど凹側焦点距離fcに設定されていて、その部位が裏面24Bにおける平坦面となっており、そこに部分透過膜4が施されているので、当該平行光の所定の強度分は後述するように、部分透過膜4を透過して光軸ACに対してψの角度で出射するが、残りの強度分は部分透過膜4で上記した角度φで反射して、光軸に対して対称なx方向位置で再び非球面レンズ23の表面に達する。非球面レンズ23の表面に達した反射光は、凹側焦点を通ってきた平行光であり、光ファイバ11Aから出射され、非球面レンズ23に入射した光路と光軸ACに対して対称な経路をたどり、結局光軸ACに対して光ファイバ11Aの対称な位置にある光ファイバ11Bの端面P2に集光することになる。
As described above, the thickness of the
ここで、もしも非球面レンズ23の厚みが凹側焦点距離fcより薄いとすると反射平行光は、レンズ厚みがfcの場合よりも光軸AC側の表面に達することになり、そこで平行光は収束されず、光ファイバ11Bの端面P2ではより広がってしまう。一方、レンズ厚みがfcより厚い場合は、反射光はより非球面レンズ23の外側表面に達することになり、平行光は収束されすぎて、光ファイバ11Bの端面P2では、結局広がってしまうことになる。いずれの場合でも、反射光線の光軸もファイバアレイ1のそれとはずれてしまう。光ファイバ11A及び11Bの端面P1、P2と非球面レンズ23間の距離は凸側焦点距離fvに設定されており、同時にレンズアレイ2の裏面24Bは凹側焦点面であることが必要である。
Here, if parallel light reflected to the thickness of the
尚、部分透過膜4で透過した光線は、図5に示すように、隣接媒質の屈折率が空気層3の屈折率nvと同じであれば、レンズ屈折率nc、角度φとスネル則に従う角度ψで出射する。また、図には示さないが、隣接媒質の屈折率がレンズアレイ2の屈折率と同じであれば、角度φで出射する。
As shown in FIG. 5, the light beam transmitted through the partially
このような反射光学系で光ファイバ11A及び11B間に低損失な結合を実現しようとした場合、非球面レンズ23に求められる表面形状は、2次以上の高次回転曲面となる。
When attempting to realize low-loss coupling between the
本実施形態の構成を可能にするパラメータの設定例について説明する。まず、図5に示す諸パラメータの名称とその記号を図6左欄に示す。図5において、凸側焦点面に端面を有する光ファイバ11Aから出射して空気層3を通過して非球面レンズ23に入射した光線は、光軸とφの角度をなす平行光となる。従って、それら光線の内、レンズ光軸ACとレンズ表面の交点(すなわち非球面レンズ23の凸頂点)に入射した光線に対しては、非球面レンズ23の表面接平面はちょうど光軸と平行なz軸に垂直なので、光線の非球面レンズ23の中心への入射角ψ、出射角φと屈折率nv、ncの間にはスネル則が成り立つ。
(数1)
nvsinψ=ncsinφ (1)
ただし、nvは空気層3の屈折率、ncはレンズアレイ2の屈折率である。
A parameter setting example that enables the configuration of the present embodiment will be described. First, the names and symbols of the parameters shown in FIG. 5 are shown in the left column of FIG. In FIG. 5, a light beam emitted from an
(Equation 1)
n v sinψ = n c sinφ (1)
However, n v is the refractive index of the
また、ファイバアレイ1はファイバ間隔dfで、レンズアレイ2はその倍の2dfでアレイ化されているため、凸側、凹側それぞれの焦点距離fv、fcは、ファイバ間隔dfとレンズ中心入射角ψ、および出射角度φの値を与えれば、以下の(2)式及び(3)式で決まる。
(数2)
fv=(dfcotψ)/2 (2)
(数3)
fc=(dfcotφ)/2 (3)
Further, in the
(Equation 2)
f v = (d f cot ψ) / 2 (2)
(Equation 3)
f c = (d f cot φ) / 2 (3)
(1)式〜(3)式には近似操作は入っておらず、厳密な式であり、この関係を満たす光軸に対称な回転曲面は、回転双曲面を基本とする高次曲面となる。(2)式と(3)式から非球面レンズ23の凸側凹側2つの焦点距離fv、fcが決まり、すなわち光ファイバ11A及び11Bと非球面レンズ23の距離及び非球面レンズ23のレンズ厚みが決まるわけである。
Expressions (1) to (3) do not include an approximation operation, and are strict expressions. A rotating curved surface symmetric with respect to the optical axis that satisfies this relationship is a higher-order curved surface based on a rotating hyperboloid. . From the expressions (2) and (3), the two focal lengths f v and f c of the convex concave side of the
次に、このような光学系を実現する上での条件について述べる。光ファイバ11Aからの出射光は光ファイバ11AのNAに従って広がるわけであるが、非球面レンズ23への入射時のビーム径BDは、図5から明らかなように、距離fvのところで隣接する非球面レンズにまでは及ばないようにする必要から、下記条件が成立しなければならない。
(数4)
BD≒2NAfv/nv<df (4)
Next, conditions for realizing such an optical system will be described. While light emitted from the
(Equation 4)
BD≈2NAf v / n v <d f (4)
レンズ表面形状についても制限事項がある。レンズアレイ2は、金型を使用したモールド法によって作製されるが、その際、凹面形状研削加工での曲率半径に制限があり、通常150μm以上とされている。レンズ表面形状は非球面となり、その曲率半径は光軸たるレンズ中心にて最小となり、光軸から離れるにつれて漸増する。そこで、モールド金型を作製するときに問題となる最小曲率半径R22であるが、それはレンズ中心で最小となるので、それを球面近似で見積もることにすると以下の(5)式になる。
(数5)
R22≒(nc−nv)fv/nv (5)
There are also restrictions on the lens surface shape. The
(Equation 5)
R 22 ≒ (n c -n v ) f v / n v (5)
さて、ここまでくると、(5)式で得られる球面近似曲率半径R22を用いてレンズ保持面24Aとファイバアレイ1の間の距離であるスペーサ22の厚みtsを見積もることが以下の(6)式でできる。
(数6)
ts≒fv+R22−√(R22 2−df 2) (6)
Now, when coming to here, (5) in the resulting spherical approximation radius of curvature R 22 of the
(Equation 6)
t s ≒ f v + R 22 -√ (
さて、ファイバアレイ1とレンズアレイ2の間にスペーサ22を挟むとすると、(6)式より得られるスペーサ22の厚みtsとなるわけであるが、本実施形態ではこれをガラスモールド工程でレンズ保持面24Aに作り込む。
Now, assuming that the
これら(1)式〜(6)式に値を代入してみて、図5中のレンズ中心入射角ψ以下の値を算出したのが図6の見積例である。ファイバ間隔dfは市中でよく採用されている250μmと127μm、レンズ屈折率ncは耐候性の高いボロシリケート系モールドレンズ用ガラスの屈折率1.501を選んだ。次に反射角φであるが、本実施形態は光ファイバ11Aと光ファイバ11Bから成るファイバペアを主光路とし、90%以上を反射して数%透過するいわゆるタップ膜を部分透過膜4とする光タップモジュールへの適用を考えて、部分透過光に偏波依存性が発生しない角度5度を設定した。
In the estimated example of FIG. 6, the values below the lens center incident angle ψ in FIG. 5 are calculated by substituting values into these equations (1) to (6). Fiber spacing d f chose refractive index 1.501 of 250μm and 127 [mu] m, a lens refractive index n c is glass high borosilicate based molded lens weather resistance that are often employed in commercial. Next, with respect to the reflection angle φ, in this embodiment, a fiber pair consisting of the
凸側焦点距離fvはファイバ間隔dfが250μmと127μmの場合で947.3μm、481.2μmとなるが、このとき、光ファイバ11Aから出射した光の非球面レンズ23の表面でのビーム径BDはそれぞれ227.4μm、115.5μmとなってファイバ間隔dfより小さく、隣接する非球面レンズに当該光が及ぶことはない。ここで、光ファイバ11A及び11BのNAとしては、1.3/1.55μm帯で標準的なモード径9.0/10.0μmのシングルモード光ファイバの値である0.12を選択した。
Convex side focal length f v is 947.3μm if the fiber spacing d f of 250μm and 127 [mu] m, although the 481.2Myuemu, beam diameter at this time, the surface of the optical
また、非球面レンズ23の表面光軸上の球面近似曲率半径は、474.6μmと241.1μmと金型の機械加工限界である150μmを十分上回っており、レンズアレイ2用のモールドレンズの金型加工が可能である。スペーサ22の厚みtsは1018.5μmと517.4μmであり、レンズ厚みfcよりも十分小さいため、モールド工程において、レンズアレイ2の凹部加工と同時にスペーサ22も加工することができる。
Further, the spherical approximate curvature radii on the surface optical axis of the
(第2の実施形態)
図7に、本実施形態に係るファイバアレイモジュールの構成例を示す。本実施形態に係るファイバアレイモジュールは、複数の非球面レンズ23−1〜23−4が配列されているレンズアレイ2と、複数の光ファイバ11A及び11Bが配列されているファイバアレイ1と、を備える。ファイバアレイ1及びレンズアレイ2は、4つのファイバ−レンズ光学系が、所定平面PC上に並列に配置されている例を示す。
(Second Embodiment)
FIG. 7 shows a configuration example of the fiber array module according to the present embodiment. The fiber array module according to this embodiment includes a
レンズアレイ2に備わる各非球面レンズ23は、ファイバ−レンズ光学系を基本単位として備える。各非球面レンズの中心軸である光軸ACは、所定平面PC内に並列に配列されている。ファイバアレイ1は、各々の非球面レンズ23−1〜23−4に対して2本の光ファイバ11A及び11Bを有する。
Each
図8及び図9に、スペーサ付レンズアレイの構成例を示す。本実施形態に係るレンズアレイ2は、複数の非球面レンズ23と、レンズ保持部24と、適切な間隔を保つための複数のスペーサ22と、を備える。図8のレンズアレイ2は2個のスペーサ22−1及び22−2を備え、図9のレンズアレイ2は4個のスペーサ22−1,22−2,22−3,22−4を備える。複数のスペーサ22の面積は、各非球面レンズ23のレンズ保持面24への投影面積よりも広いことが好ましい。
8 and 9 show a configuration example of a lens array with a spacer. The
レンズ保持部24は、平坦なレンズ保持面24A上で複数の非球面レンズ23を保持する。非球面レンズ23は、平坦なレンズ保持面24Aに保持され、レンズ保持面24Aと垂直な所定平面PC内に非球面レンズ23の中心軸ACが並列に配置されている。図8の例では、xy面に平行なレンズ保持面24Aに、x軸方向をアレイ方向とする非球面レンズ23が形成されている。
The
スペーサ22は、レンズ保持面24Aからの高さが複数の非球面レンズ23よりも高い位置に凸面すなわち頂上面22Aを有する。頂上面22Aは、非球面レンズ23の光軸ACに垂直なレンズ保持面24Aと平行になっている。頂上面22Aとレンズ頂点との距離は図11に示す凸側焦点距離fvになるように設定されている。
The
レンズ保持部24の裏面24Bは、非球面レンズ23の光軸ACに垂直な面に対して等しい所定の角度で傾斜している。図8では、x軸に平行で且つレンズ保持面24Aとは所定の角度deg21になっており、ファイバアレイ1との接続に合わせてある。所定の角度deg21は、略8度であり、例えば7°以上9°以下である。なお、所定の角度は、8度に限定されるものではない。
複数のスペーサ22は、第1の実施形態と同様に、レンズ保持面24Aのうち、複数の非球面レンズ23の配列方向であるx軸方向の両脇に、非球面レンズ23−1及び23−4に隣接するように配置されている。また、複数のスペーサ22は、第1の実施形態と同様に、レンズ保持面24Aのうち、複数の非球面レンズ23の配列方向に直交するy方向における複数の非球面レンズ23の両端よりも外側に配置されている。スペーサ22は、第1の実施形態と同様に、レンズアレイ2と一体に形成されている。レンズアレイ2の作製方法は、第1の実施形態と同様である。
As in the first embodiment, the plurality of
図10に、本実施形態に係る第2のファイバ−レンズ光学系を示す。以下方向は図中の直交xyz座標軸に倣って説明する。図の左端には、xz平面内において、z軸に平行で、x軸方向に等しいファイバ間隔dfで光ファイバ11A及び11Bの並べられたファイバアレイ1が配置されている。ファイバアレイ1は、x軸に平行でy軸に対して所定の角度をなす平面を端面として、例えば、テンパックスガラス等の筐体によって保持されて構成されている。
FIG. 10 shows a second fiber-lens optical system according to this embodiment. Hereinafter, the directions will be described following the orthogonal xyz coordinate axes in the drawing. The left end of the figure, in the xz plane, is parallel to the z-axis, the
本実施形態のファイバ−レンズ光学系は、第1の実施形態のファイバ−レンズ光学系とは異なり、ファイバアレイ1の端面には、レンズアレイ2の裏面24B側が直接貼り付けられており、レンズ保持面24Aはその反対側を向いている。レンズアレイ2の光軸ACでつくる平面と裏面24Bとの交線と非球面レンズ23の頂点との距離は、図11に示す凹側焦点距離fcになるように設定されている。
The fiber-lens optical system of the present embodiment is different from the fiber-lens optical system of the first embodiment in that the
ファイバアレイ1とレンズアレイ2の相対位置は、x軸方向は、非球面レンズ23の光軸ACがファイバアレイ1の隣接する光ファイバ同士の中心線(この図では、光ファイバ11Aと光ファイバ11Bの中心線)に一致するように、y方向は、レンズ光軸ACのアレイで形成された平面がファイバアレイ1の中心線で形成された平面と一致するように、および、z方向は、ファイバアレイ1の端面とレンズアレイ2の凸面頂点との距離が非球面レンズ23の凹側焦点距離fcに一致するように設定されている。図10の右側には、凸側焦点距離fvの間隔の空気層3を挟んで、光軸であるz軸に垂直に所定の波長の光を所望の比率で反射/透過する機能を有する部分透過膜4が設置されている。第1の実施形態では、部分透過膜4は、レンズアレイ2の裏面24B側に直接装荷されていたが、第2の実施形態である図10では、別個にレンズアレイ2と同じ屈折率のガラス基板42に装荷されたものとなっている。このような構成において、光ファイバ11Aの端面から出射した光の経路を光線近似で考察する。
The relative position of the
光ファイバ11Aの端面P1は、凹側焦点面上に位置しているので、光ファイバ11Aの端面P1を点光源として、そこから出射してレンズアレイ2の対応するレンズ表面から出射した光線はレンズ光軸AC側に屈折して、レンズ光軸ACとある角度φをなす平行光線となって空気層3中を進む。その内で、光ファイバ11Aの端部から光軸であるz軸に平行に出射した光線すなわち出射平行光の中心光線は、部分透過膜4に到達したとき、凸側焦点を通ることになる。
Since the end surface P1 of the
空気層3の厚みがちょうど凸側焦点距離fvに設定されていて、その部位が平坦面となっており、そこに部分透過膜4が設置されているので、当該平行光の所定の強度分は部分透過膜4を透過してレンズ光軸ACに対してψの角度で出射するが、残りの強度分は部分透過膜4で反射して、レンズ光軸ACに対して対称なx方向位置で再び非球面レンズ23の表面に達する。非球面レンズ23の表面に達した反射光は、凸側焦点を通ってきた平行光であり、光ファイバ11Aから出て非球面レンズ23の表面から出射した光路とレンズ光軸ACに対して対称な経路をたどり、結局レンズ光軸ACに対して光ファイバ11Aの対称な位置にある光ファイバ11Bの端面の位置P2に集光することになる。
And the thickness of the
ここで、もしも空気層3の厚みが凸側焦点距離fvより薄いとすると反射平行光は、空気層3の厚みがfcの場合よりもレンズ光軸AC側の表面に達することになり、そこで平行光は収束されず、光ファイバ11Bの端面ではより広がってしまう。一方、空気層3の厚みがfvより厚い場合は、反射光はより非球面レンズ23の外側表面に達することになり、平行光は収束されすぎて、光ファイバ11Bの端面では、結局広がってしまうことになる。いずれの場合でも、反射光線の光軸もファイバアレイ1のそれとはずれてしまう。従って、光ファイバ11A及び11Bの端面と非球面レンズ23間の距離は凸側焦点距離fvに設定されており、同時に非球面レンズ23の裏面24Bは凹側焦点面であることが必要である。
Here, if parallel light reflected to the thickness of the
尚、部分透過膜4で透過した光線は、図10に示すように、部分透過膜4の付着されているガラス基板42の屈折率がレンズアレイ2の屈折率ncと同じであれば、図には示さないが、角度ψで出射する。また部分透過膜4の付着されているガラス基板42が平行基板であれば、最終的に空気層3に出射するときは、角度φで出射する。
Note that light transmitted by the partially
このような反射光学系で光ファイバ11A及び11B間に低損失な結合を実現しようとした場合、非球面レンズ23に求められる表面形状は、2次以上の高次回転曲面になる。
When attempting to realize low-loss coupling between the
本実施形態の構成を可能にするパラメータの設定例について説明する。まず、図10に示す諸パラメータの名称とその記号を図11左欄に示す。これらは第1の実施形態で説明した図6と同様であるが、ファイバアレイ1に対するレンズアレイ2の向きが逆転していることに伴って、反射角φとレンズ中心入射角ψの大小関係も逆転していることが大きな違いである。
A parameter setting example that enables the configuration of the present embodiment will be described. First, the names and symbols of the parameters shown in FIG. 10 are shown in the left column of FIG. These are the same as those in FIG. 6 described in the first embodiment. However, as the direction of the
図10において、凹側焦点面に端面が直接接着されている光ファイバ11Aから出射し、レンズアレイ2を通って非球面レンズ23の表面から出射した光線は、レンズ光軸ACとφの角度をなす平行光となる。従って、それら光線の内、z軸に平行なレンズ光軸ACと非球面レンズ23の表面の交点に入射した光線に対しては、非球面レンズ23の表面接平面はちょうどレンズ光軸ACと平行であるz軸に垂直であるため、光線の非球面レンズ23の中心入射角ψ、出射角φと屈折率nv、ncの間にはスネル則が成り立つ。
(数7)
ncsinψ=nvsinφ (7)
In FIG. 10, a light beam emitted from the
(Equation 7)
n c sinψ = n v sinφ (7)
また、ファイバアレイ1はファイバ間隔dfで、レンズアレイ2はその倍の2dfでアレイ化されているわけであるから、凸側、凹側それぞれの焦点距離fv、fcは、ファイバ間隔dfとレンズ中心入射角ψ、および出射角度φの値を与えれば、以下の(8)式及び(9)式で決まる。
(数8)
fv=(dfcotφ)/2 (8)
(数9)
fc=(dfcotψ)/2 (9)
Further, in the
(Equation 8)
f v = (d f cot φ) / 2 (8)
(Equation 9)
f c = (d f cot ψ) / 2 (9)
(8)式〜(9)式には近似操作は入っておらず、厳密な式であり、この関係を満たすレンズ光軸ACに対称な回転曲面は、回転楕円面を基本とする高次曲面となる。(8)式及び(9)式から非球面レンズ23の凸凹二つの焦点距離fv、fcが決まり、すなわち光ファイバ11A及び11Bと非球面レンズ23の距離及びレンズ厚みが決まるわけである。また、非球面レンズ23の表面でのビーム径BDに対する条件は次のようになる。
(数10)
BD≒2NAfc/nc<df (10)
(8) - (9) not within the approximate operation in equation a strict equation, symmetric rotation curved surface in the lens optical axis A C satisfying this relationship, higher that the spheroid basic It becomes a curved surface. From the expressions (8) and (9), the two focal distances f v and f c of the
(Equation 10)
BD≈2NAf c / n c <d f (10)
このような光学系の実現条件は、前述した第1の実施形態と同様である。これら(7)式〜(10)式に値を代入してみて、前述した(5)式及び(6)式も使って図10中のレンズ中心入射角ψ以下の値を算出したのが図11の見積例である。ファイバ間隔dfは市中でよく採用されている250μmと127μm、レンズ屈折率ncは耐候性の高いボロシリケート系モールドレンズ用ガラスの屈折率1.501を選んだ。次に反射角φであるが、本実施形態は光ファイバ11Aと11Bから成るファイバペアを主光路とし、90%以上を反射して数%透過するいわゆるタップ膜を部分透過膜4とする光タップモジュールへの適用を考えて、部分透過光に偏波依存性が発生しない角度8度を設定した。
The conditions for realizing such an optical system are the same as those in the first embodiment described above. By substituting values into these equations (7) to (10), the values below the lens center incident angle ψ in FIG. 10 were calculated using the equations (5) and (6) described above. 11 estimation examples. Fiber spacing d f chose refractive index 1.501 of 250μm and 127 [mu] m, a lens refractive index n c is glass high borosilicate based molded lens weather resistance that are often employed in commercial. Next, with respect to the reflection angle φ, in this embodiment, an optical tap in which a fiber pair consisting of
凸側焦点距離fvはファイバ間隔dfが250μmと127μmの場合で889.4μm、451.8μmとなるが、このとき、光ファイバ11Aから出射した光の非球面レンズ23の表面でのビーム径BDはそれぞれ214.6μm、109.0μmとなってファイバ間隔dfより小さく、隣接する非球面レンズに当該光が及ぶことはない。ここで、光ファイバ11A及び11BのNAとしては、1.3/1.55μm帯で標準的なモード径9.0/10.0μmのシングルモード光ファイバの値である0.12を選択した。また、レンズ表面光軸上の球面近似曲率半径も445.6μmと226.4μmと金型の機械加工限界である150μmを十分上回っており、レンズアレイ2用のモールドレンズの金型加工が可能である。また、スペーサ22の厚みtsは966.2μmと490.8μmであり、レンズ厚みfcよりも十分小さいため、モールド工程において、レンズアレイ2の凹部加工と同時にスペーサ22も加工することができる。
Convex side focal length f v is 889.4μm if the fiber spacing d f of 250μm and 127 [mu] m, although the 451.8Myuemu, beam diameter at this time, the surface of the optical
ところで、図2、図3、図8、図9に示す外観についてであるが、チャンネル数が4チャンネルの場合、レンズアレイ2のx方向長さは略4mm、y方向長さは略2mmである。非球面レンズ23の径は、ファイバ間隔dfの2倍であってもよいが、隣接する非球面レンズ23との間は1μmの平坦部が設けられていてもよい。また、スペーサ22の縁部は金型作製の最小曲率半径に応じて湾曲しているが、金型作製の最小曲率半径が通常150μmであるため、外観図では実際の外観に比べて誇張されている。
2, 3, 8, and 9, when the number of channels is 4, the length of the
(第3の実施形態)
図12に、本実施形態に係るファイバアレイモジュールの一例を示す。図12に示すファイバアレイモジュールは、図1に示すファイバアレイモジュールと、部分透過膜4と、光部品として機能する遮光板7と、レンズアレイ9と、を備える。レンズアレイ2は第1レンズアレイとして機能し、レンズアレイ9は第2レンズアレイとして機能する。
(Third embodiment)
FIG. 12 shows an example of the fiber array module according to this embodiment. The fiber array module shown in FIG. 12 includes the fiber array module shown in FIG. 1, a partially
部分透過膜4は、各々の非球面レンズ23に共通する反射面を形成し、個々の非球面レンズ23で平行光となった光の一部を透過し、残りの大部分を反射する。遮光板7は、複数の貫通孔71を有する。部分透過膜4の反射面から透過した各々の平行光が異なる貫通孔71の一端に入射する。そして、貫通孔71を通過後の平行光は、各貫通孔71の他端から出射する。レンズアレイ9は、複数の貫通孔71の他端から出射した各光を貫通孔71ごとに定められた点に集光する。この点に、光機能素子を設置すればよい。
The
図13に、本実施形態に係る受光モジュールの一例を示す。図13に示す受光モジュールは、図12に示すファイバアレイモジュールと、受光素子アレイ8と、を備える。受光素子アレイ8に備わる各受光素子81は、レンズアレイ9で集光された各光を受光する。図13に示す受光モジュールは、4アレイ光タップモニタモジュールとして用いることができる。
FIG. 13 shows an example of the light receiving module according to this embodiment. The light receiving module shown in FIG. 13 includes the fiber array module shown in FIG. 12 and the light receiving
本実施形態の適用領域は、波長1.55μm帯光通信システムである。同モジュールは、図の左側から、ファイバアレイ1、レンズアレイ2、部分透過膜4、遮光板7、レンズアレイ9、および受光素子アレイ8を備える。ファイバ間隔dfをはじめとする諸パラメータには、一例として図6に示した値を用いれば現実に実現できる。
The application area of this embodiment is an optical communication system with a wavelength of 1.55 μm. The module includes a
まずモジュールの動作、機能について説明する。光ファイバ11Aからレンズアレイ2に入射した光線は、その95%が部分反射膜4で反射角φ(5度)で反射して光ファイバ11Bに入射し、入射光強度の5%をタップされて本線に戻る。5%強度のタップ光は、後段は空気層になっており、出射角ψ(7.5度)で出射していくわけであるが、部分透過膜4の後段には、空間を伝わるタップ光同士の混合によるクロストーク低下を防止するため、貫通孔71の空いた遮光板7が設置されている。遮光板7はレンズアレイ2と外形を合わせた寸法になっており、その中央部にタップ光路に合わせて該ビーム径の貫通孔71があいている。遮光板7の後段には、レンズアレイ2と同じものであるレンズアレイ9がレンズアレイ2とは向きを逆にして設置されている。レンズアレイ9は、後段の受光素子アレイ8の受光面に空間を伝搬してきて回折効果で広がったタップ光ビームを受光素子81の受光面に集光させる。
First, the operation and function of the module will be described. 95% of the light rays incident on the
以下に上記の各構成要素について述べる。
ファイバアレイ1:ファイバアレイ1は、波長1.3/1.55μm帯用の8本のシングルモードファイバが250μm間隔でアレイ化されているシングルモードテープファイバを用いた。これをテンパックスガラスで1mm厚の60度V溝板に整列させて1mm厚の上蓋をかぶせ、UV接着剤で固定、端面研磨して接続用ファイバアレイ1を作製した。ファイバ間隔dfは用いたテープファイバと同じ250μmである。ファイバ光軸は図12にてz方向であり、レンズアレイ2との接続端面は、x軸に平行で、端面反射による戻り光を低減させるため、y軸方向とは8度斜めになるように設定されている。なお、光ファイバ光軸に対するコア端面の角度は、8度に限定されるものではない。8度斜め端面表面は波長1.55μmに対するARコートが施されている。x軸方向の全幅は4mmである。
The above components will be described below.
Fiber array 1: The
レンズアレイ2:屈折率は波長1.55μmで1.501のボロシリケート系ガラスから成っており、厚み1428.8μm(z方向)の平板状ガラス上面、4000×2000μm(x×y)の中央部にアレイ間隔500μmで非球面レンズ23が形成されている。隣接する非球面レンズ23との間は1μmの平坦部が設けられており、平坦部からの凸量であるサグ量は、69μmである。
Lens array 2: The refractive index is made of borosilicate glass having a wavelength of 1.55 μm and a wavelength of 1.501, and the upper surface of a flat glass having a thickness of 1428.8 μm (z direction) is 4000 × 2000 μm (xx). Further, an
レンズアレイ2のx方向両端部には、レンズモールド加工時に一体で成形されたスペーサ22が設置されており、スペーサ22の表面はファイバアレイ1の8度斜め端面に合わせた角度となっており、その面積は片側該1×1.5mm(x×y)である。スペーサ22の高さは光軸位置で所定の凸側焦点距離(ここでは947.3μm)になるように設定されていることが好ましい。
ここで、図18を参照しながら、スペーサ22の角度について説明する。光ファイバ11の光軸でもあるz軸に対する光ファイバ11のコア端面の法線Lnの角度をθ1、光ファイバ11のコア端面から空気層3に出射する光の中心光のコア端面法線Lnに対する角度をθ2とした場合、角度θ1と角度θ2は、スネルの法則より、以下の関係を満たす。
(数51)
θ2=sin−1(sin(θ1)nf/nv) (51)
Here, the angle of the
(Equation 51)
θ 2 = sin −1 (sin (θ 1 ) n f / n v ) (51)
ここでnfは光ファイバ11の伝搬光の透過屈折率である。このため、nfが1.445、空気層3の屈折率nvが1であり、角度θ1が8度に設定されている場合、角度θ2は11.6度となる。光ファイバとレンズ系間の光結合が最も高い効率となるのは、光ファイバ11からの出射光がレンズ面と垂直になる場合である。この場合、図18に明らかなように、スペーサ22のレンズ側平坦面22Bとファイバアレイ側の斜め端面22Aの角度、すなわちスペーサ22の傾斜角度もまたθ2に等しく11.6度となる。見方を変えれば、スペーサ22の角度θ2は、光ファイバ11の端面の角度θ1(8度)に加え、空気層3での光ファイバ光軸(z軸)からの屈折角度(3.6度)を合算した角度となる。
Here, n f is the transmission refractive index of the propagation light of the
レンズアレイ2の裏面24Bには、入射角φを5度に設定した部分透過膜4が付着されている。その反射/透過の割合は、95%/5%であることが好ましく、その材質としては、例えば、イオンビームアシスト蒸着法によるSiO2−TiO2多層膜が例示できる。
A
遮光板7:遮光板7は、外形4000×2000×1000μmの方形の赤外線吸収ガラスから成っている。その中央部には、図12及び図13に示すように、タップ光の光路に合わせて、xz面に平行で、z軸方向とレンズ中心入射角ψである7.5度の角度をなす300μm角の貫通孔71があけられている。x方向アレイピッチはレンズアレイ2と同じ500μmである。タップ光のビーム径が図6に示す227.4μmである場合、タップ光は遮光板7の貫通孔71の壁に接触することなく伝搬するが、前段のレンズアレイ2や部分透過膜4での反射透過で発生した構造不整による乱反射成分は、この遮光板7で阻止されて、受光素子アレイ8に達してクロストークになるのを防止する。
Light-shielding plate 7: The light-shielding
レンズアレイ9:ここでは、レンズアレイ9はレンズアレイ2と同じものを使用している。通常、受光素子81の受光面はパッケージ表面から1mm程度離れているため、レンズアレイ9と受光素子アレイ8の間に焦点距離調整樹脂91を挿入して、レンズアレイ2より長焦点化し、受光素子アレイ8中の受光素子81の受光面内に集光されるようにしている。レンズアレイ9とレンズアレイ2の向きが反対であるのは、焦点距離調整樹脂91でレンズアレイ9と受光素子アレイ8の間を満たすためである。レンズアレイ9は、平坦な裏面24B側にのみARコートを施した。
Lens array 9: Here, the
受光素子アレイ8:受光素子81は、例えば、受光径80μm、500μmピッチ4アレイのInGaAsホトダイオードアレイである。ダイオードアレイは封止されており、パケージ表面からダイオード受光部までの距離は略1mmである。図13の側面図から判るように、受光素子アレイ8は、z軸方向である光軸より傾けてレンズアレイ9に接続されている。
Light receiving element array 8: The
図12及び図13の側面図に示すように、ファイバアレイ1から受光素子アレイ8まで接続界面が全て斜めに保たれているため、反射戻り光を防ぐ構造となっている。
As shown in the side views of FIGS. 12 and 13, since the connection interface from the
組み立て工程:工程は3工程を有する。
第1工程は、ファイバアレイ1とレンズアレイ2との接続である。これは、光ファイバ−導波路接続装置にて、ファイバアレイ1の両端である光ファイバ11A−1及び光ファイバ11A−4から調芯光を入射し、光ファイバ11B−1、光ファイバ11B−4からの光をモニタしながら2軸調芯固定するという通常のファイバ−導波路接続と同様の工程で接続した。ここで、従来の接続工程と大きく異なることは、光軸すなわちz軸方向の位置はスペーサ部22の厚みで決まっているので、z軸方向の調芯作業が不要になることである。ここで述べる実施形態では、従来比3/4の時間短縮効果があった。接続箇所はスペーサ22とファイバアレイ1間である。
第2工程は、遮光板7、レンズアレイ9、および受光素子アレイ8の接続である。これらの接続は、顕微鏡下に受光素子アレイ8、レンズアレイ9、遮光板7の順に置き、遮光板7の貫通孔から受光素子アレイ8のホトダイオード受光面が見えるように、ビジュアルアラインメント法で調芯し、接着剤固定するという方法で行った。
第3工程は、光ファイバ11A−1及び光ファイバ11A−4に調芯光を入射させ、受光素子アレイ8の出力をモニタしながら、ファイバアレイ1の付いたレンズアレイ2、受光素子アレイ8、及び、レンズアレイ9の付いた遮光板7を接続し固定する。
Assembly process: The process has three processes.
The first step is connection between the
The second step is connection of the
In the third step, the alignment light is incident on the
特性:作製した4chタップモニタモジュールの波長1.55μmでの特性は、挿入損失0.4〜0.5dB、反射減衰量46dB以上、受光感度50〜60mA/Wであった。隣接クロストークも45dB以上であった。 Characteristics: The characteristics of the manufactured 4ch tap monitor module at a wavelength of 1.55 μm were an insertion loss of 0.4 to 0.5 dB, a return loss of 46 dB or more, and a light receiving sensitivity of 50 to 60 mA / W. Adjacent crosstalk was also 45 dB or more.
図19に、本実施形態に係るファイバアレイモジュールの別形態を示す。図19に示すファイバアレイモジュールは、ファイバアレイ1の端面にAR板101が貼り付けられており、また図12に示す遮光板7及びレンズアレイ9に代えて、GRINレンズアレイ109を備える。ファイバアレイモジュールは、図1に示す第1の実施形態に係るファイバアレイモジュールであってもよい。
FIG. 19 shows another form of the fiber array module according to this embodiment. The fiber array module shown in FIG. 19 has an
AR板101は、光ファイバの等価屈折率にほぼ等しい屈折率の透明薄板の片側にAR膜を付着せしめたものである。ファイバアレイ1の端面に直接AR膜を形成することが困難な場合に、ファイバアレイ1の端面に、AR板101のAR膜の形成されていない面を接着面として両者と屈折率のほぼ等しい透明接着剤で貼り付けて用い、直接的ARコートと同等の効果を得るものである。
The
図20に、本実施形態に係る受光モジュールの別形態を示す。図20に示す受光モジュールは、図19に示すファイバアレイモジュールと、受光素子アレイ8と、を備える。受光素子アレイ8に備わる各受光素子81は、GRINレンズアレイ109で集光された各光を受光する。
FIG. 20 shows another embodiment of the light receiving module according to this embodiment. The light receiving module shown in FIG. 20 includes the fiber array module shown in FIG. 19 and the light receiving
GRINレンズアレイ109は、GRINレンズとして機能する複数のGI(Graded Index)ファイバ174−1〜174−4を有する。GRINレンズアレイ109はレンズアレイ2と外形を合わせた寸法になっており、その中央部にタップ光路に合わせてGIファイバ174−1〜174−4が配置されている。GIファイバ174−1〜174−4は、2枚のV溝板で挟持することによって固定されていることが好ましい。部分透過膜41から透過された各々の平行光が異なるGIファイバ174−1〜174−4の一端に入射される。そして、GIファイバ174−1〜174−4の他端から出射する各光をGIファイバ174−1〜174−4ごとに定められた点P9−1〜9−4に集光する。この点に、受光素子81の受光面が配置される。
The
GIファイバ174−1〜174−4の長さ及び屈折率分布は任意である。例えば、図19及び図20に示すように、部分透過膜4から等しい距離に受光素子81が配置される場合、屈折率分布及び長さの等しいGIファイバ174−1〜174−4を用いる。また、GIファイバ174−1〜174−4の長さによっては、レンズ厚が厚い方が近くに焦点を結び、レンズ厚が薄い方が遠くに焦点を結ぶ。このため、図21に示すようにGIファイバ174−1〜174−4の長さを変えることにより、部分透過膜4から点P9−1〜9−4までの距離を変え、受光素子81のアレイ間隔dpを調整することができる。なお、GIファイバ174−1〜174−4の長さを変えることに代えて、またはこれと組み合わせて、GIファイバ174−1〜174−4の屈折率分布を変えてもよい。
The length and refractive index distribution of the GI fibers 174-1 to 174-4 are arbitrary. For example, as shown in FIGS. 19 and 20, when the
(第4の実施形態)
図14に、本実施形態に係るファイバアレイモジュールの一例を示す。図14に示すファイバアレイモジュールは、図7に示すファイバアレイモジュールと、遮光板7と、レンズアレイ9と、を備える。レンズアレイ2は第1レンズアレイとして機能し、レンズアレイ9は第2レンズアレイとして機能する。
(Fourth embodiment)
FIG. 14 shows an example of the fiber array module according to the present embodiment. The fiber array module shown in FIG. 14 includes the fiber array module shown in FIG. 7, a
部分透過膜4は、各々の非球面レンズ23に共通する反射面を形成し、個々の非球面レンズ23で平行光となった光の一部を透過し、残りの大部分を反射する。遮光板7は、複数の貫通孔71を有する。部分透過膜4の反射面から透過した各々の平行光が異なる貫通孔71の一端に入射する。そして、貫通孔71を通過後の平行光は、各貫通孔71の他端から出射する。レンズアレイ9は、複数の貫通孔71の他端から出射した各光を貫通孔71ごとに定められた点に集光する。この点に、受光素子81の受光面が配置されている。
The
図15に、本実施形態に係る受光モジュールの一例を示す。図15に示す受光モジュールは、図14に示すファイバアレイモジュールと、受光素子アレイ8と、を備える。受光素子アレイ8に備わる各受光素子81は、レンズアレイ9で集光された各光を受光する。図15に示す受光モジュールは、4アレイ光タップモニタモジュールとして用いることができる。
FIG. 15 shows an example of a light receiving module according to this embodiment. The light receiving module shown in FIG. 15 includes the fiber array module shown in FIG. 14 and the light receiving
適用領域は、波長1.55μm帯光通信システムである。同モジュールは、図の左側から、ファイバアレイ1、レンズアレイ2、部分透過膜4、光部品として機能する遮光板7、レンズアレイ9、および受光素子アレイ8から構成されている。ファイバ間隔dfをはじめとする諸パラメータには、一例として図11に示した値を用いれば現実に実現できる。
The application area is an optical communication system with a wavelength of 1.55 μm. The module includes a
まずモジュールの動作、機能について説明する。光ファイバ11Aから空気層を介さず、直接レンズアレイ2の裏面24Bから入射して非球面レンズ23の表面から出射した光線は、その95%が部分透過膜4で反射角φ(8度)で反射して再びレンズアレイ2に戻って光ファイバ11Bに入射し、入射光強度の5%をタップされて本線に戻る。5%強度のタップ光は、後段は部分透過膜4に平行なガラス基板42を経て空気層3になっており、出射角φ(8度)で出射していくわけであるが、ガラス基板42の後段には、空間を伝わるタップ光同士の混合によるクロストーク低下を防止するため、貫通孔71の空いた遮光板7が設置されている。遮光板7はレンズアレイ2と外形を合わせた寸法になっており、その中央部にタップ光路に合わせて300μm角の貫通孔71があいている。遮光板7の後段には、レンズアレイ2と同じものであるレンズアレイ9がレンズアレイ2とは向きを同じにして設置されている。レンズアレイ9は、空間を伝搬してきて回折効果で広がったタップ光ビームを受光素子81の受光面に集光させる。
First, the operation and function of the module will be described. 95% of the light rays that directly enter from the
以下に上記の各構成要素について第3の実施形態に重複しないところを述べる。
ファイバアレイ1:第3の実施形態とは異なり、8度斜め端面表面にARコートは施されていない。なお、光ファイバ光軸に対するコア端面の角度が8度に限定されないのは第3の実施形態と同様である。
In the following, the components that do not overlap with those of the third embodiment will be described.
Fiber array 1: Unlike the third embodiment, the AR coating is not applied to the surface of the end face which is inclined 8 degrees. Note that the angle of the core end face with respect to the optical fiber optical axis is not limited to 8 degrees, as in the third embodiment.
レンズアレイ2:屈折率は波長1.55μmで1.501のボロシリケート系ガラスから成っており、xy面に平行なレンズ保持面24A上の中央部に、アレイ間隔500μmで非球面レンズ23がz軸のプラス方向を向いて形成されている。隣接する非球面レンズ23との間は1μmの平坦部が設けられており、平坦部からの凸量であるサグ量は、75μmである。レンズアレイ2のx方向両端部には、レンズモールド加工時に一体で成形されたスペーサ22が設置されている。スペーサ22の表面はレンズ保持面24Aと平行になっており、その面積は片側該1×1.5mm(x×y)である。その高さは光軸位置で所定の凸側焦点距離(ここでは889.4μm)になるように設定されている。
Lens array 2: The refractive index is made of borosilicate glass having a wavelength of 1.55 μm and a wavelength of 1.501, and the
レンズアレイ2の裏面24Bは、ファイバアレイ1の端面に平行で、y軸に対して斜めとなっており、この斜めの裏面24Bへのレンズ凸面頂点からのz方向距離が凹側焦点距離fcとなるように設定されている。
部分透過膜4及びガラス基板42:本実施形態では、部分透過膜4はガラス基板42に付着されている。ガラス基板42は、レンズアレイ2とは別個の透明基板でありかつ同一屈折率ncを持つものである。両面が平行なガラス基板42上には、入射角φを8度に設定した部分透過膜4が付着されている。その反射/透過の割合は、95%/5%であることが好ましく、その材質としては、例えば、イオンビームアシスト蒸着法によるSiO2−TiO2多層膜が例示できる。
Partially
遮光板7:遮光板7は、外形4000×2000×1000μmの方形の赤外線吸収ガラスから成っている。その中央部には、図14及び図15に示すように、タップ光の光路に合わせて、xz面に平行で、z軸方向と反射角φである8度の角度をなす300μm角の貫通孔があけられている。x方向アレイピッチはレンズアレイ2と同じ500μmである。タップ光のビーム径が図11に示す214.6μmである場合、タップ光は遮光板7の貫通孔71の壁に接触することなく伝搬するが、前段のレンズアレイ2や部分透過膜4での反射透過で発生した構造不整による乱反射成分は、この遮光板7で阻止されて、受光素子アレイ8に達してクロストークになるのを防止する。
Light-shielding plate 7: The light-shielding
図14及び図15の側面図に示すように、ファイバアレイ1から受光素子アレイ8まで接続界面は全て斜めに保たれているため、反射戻り光を防ぐ構造となっている。
As shown in the side views of FIGS. 14 and 15, since the connection interface from the
組み立て工程:第3の実施形態と異なる点は、第1の工程にてまずレンズアレイ2と部分透過膜4を接続しておくことである。これは、部分透過膜4はただの一様な平板であるので調芯作業は不要で、型合わせ作業のみで接続できる。他は前記した第3の実施形態と同様である。
Assembly process: The difference from the third embodiment is that the
特性:作製した4chタップモニタモジュールの波長1.55μmでの特性は、挿入損失0.4〜0.5dB、反射減衰量46dB以上、受光感度50〜60mA/Wであった。隣接クロストークも45dB以上であった。特性は第3の実施形態と同様であった。 Characteristics: The characteristics of the manufactured 4ch tap monitor module at a wavelength of 1.55 μm were an insertion loss of 0.4 to 0.5 dB, a return loss of 46 dB or more, and a light receiving sensitivity of 50 to 60 mA / W. Adjacent crosstalk was also 45 dB or more. The characteristics were the same as in the third embodiment.
(第5の実施形態)
前述の実施形態では1次元配列のアレイであったが、2次元アレイも可能である。その場合、図1又は図7に示すファイバアレイモジュールがy方向に並列に配列される。
(Fifth embodiment)
In the above-described embodiment, the array is a one-dimensional array, but a two-dimensional array is also possible. In that case, the fiber array modules shown in FIG. 1 or FIG. 7 are arranged in parallel in the y direction.
その際に一番問題となるのが、ファイバアレイ1であるが、光ファイバアレイ1は、特許文献3によってできる。そのz方向からみた接続面を図16に示す。図16に示す光ファイバアレイ1は、ファイバアレイ用の60度のV溝14を施したV溝板13−2〜13−5を備える。V溝板13−2〜13−5には、V溝14のアレイの両脇に、位置合わせV溝15−1、15−2が設けられている。そして、このV溝板13−2〜13−5の裏面にも表面側と同じx方向位置に位置合わせ溝15−3、15−4が形成されている。位置合わせ用光ファイバ12は、図に示す光ファイバ11A,11Bと同じものを使用すればよい。
In this case, the most serious problem is the
その場合、V溝14の開口幅をW14、位置合わせ溝15−1,15−2,15−3,15−4の開口幅W15とすると、それらは
(数11)
W14=2(Rf√3−d13/√3) (11)
(数12)
W15=(2Rf−d13)/√3 (12)
と設定すればよい。そうすれば、位置合わせ溝15に丁度位置合わせ用光ファイバ12が勘合したときに、上板によって導波用光ファイバ11が上板で押さえられることになる。ここで、Rfは光ファイバの半径、d13はV溝板13−2〜13−5と上板の距離である。本実施形態では、d13を20μmとしたのでW14=193μm、w15=61μmとした。
In this case, if the opening width of the V-
W 14 = 2 (R f √3-d 13 / √3) (11)
(Equation 12)
W 15 = (2R f −d 13 ) / √3 (12)
Should be set. Then, when the alignment
位置合わせ溝15−1,15−2,15−3,15−4は、V溝板13の表裏でx方向位置が一致している必要があるが、表裏の位置合わせは、スライサーやダイシングソーなどの溝加工装置において、溝形成位置観察鏡筒の上下ピント合わせ軸の加工面に対する垂直度を事前に調整しておけばよい。かようにして、テンパックスガラスで作製した8×4ファイバアレイのx方向ピッチは250μm、y方向ピッチは1mmである。これにより、x方向500μmピッチ、y方向1mmピッチの4×4アレイのファイバアレイモジュール及び受光モジュールを作製することができる。
The alignment grooves 15-1, 15-2, 15-3, and 15-4 need to have the same position in the x direction on the front and back of the V-
ここで、ファイバアレイ1は、図17の側面図に示すように、光ファイバのコア付近だけの部分斜め加工を施すことが好ましい。もし、アレイの端面全面にわたって斜めにすると、レンズアレイ2以下後段のすべての部品の2次元アレイ化が格段に困難になるためである。加工にはデュアルヘッドダイシングソーを用いることができる。これは、ダイシングヘッドを縦列に2機備えているものであり、1回の工程で異なる2種のブレードを用いて連続加工できる装置である。
Here, as shown in the side view of FIG. 17, the
ファイバアレイ1以外のレンズアレイ2,9や遮光板7、および受光素子アレイ8の2Dアレイ化も行い、いずれもx方向500μmピッチ、y方向1mmピッチで4×4アレイである。作製した4×4タップモニタモジュールの側面図を図17に示す。外観は、上面図は図12と全く同様であり、側面図では、y方向に積み重ねられたような形態となっている。
The
(本開示の効果)
以上述べたように、本開示のレンズアレイ2及びこれを用いたモジュールには、以下のような利点がある。
・スペーサ22がレンズアレイ2と一体に形成されているため、スペーサ22を別個に作製する工程と、レンズアレイ2に貼り付ける工程が不要となるため、工程数に起因するコストを低減することができる。
・スペーサ22がレンズアレイ2と一体に形成されているため、事前によく調整された金型を用いたガラスモールドによってレンズアレイ2を作製することで、レンズアレイ2の大量生産を容易にし、かつ、品質を安定させることができる。
・スペーサ22の突き出し量が非球面レンズ23よりも多いため、非球面レンズ23のキズを防ぐことができる。
・光軸方向の調芯に合わせたスペーサ22の突き出し量とすることで、ファイバアレイ1とレンズアレイ2の接続工程における光軸方向の調芯を省略することができる。このため、ファイバアレイ1とレンズアレイ2の接続工程の時間を短縮することができるとともに、調芯時におけるファイバアレイ1又はレンズアレイ2のキズを防ぐことができる。
・総じて不良品の発生が低下し、それだけ排出される廃棄物の量も少なく、環境負荷が少ない。
(Effects of the present disclosure)
As described above, the
Since the
Since the
Since the protruding amount of the
By adjusting the protruding amount of the
-Overall, the number of defective products is reduced, the amount of waste discharged is small, and the environmental impact is low.
本開示は情報通信産業に適用することができる。 The present disclosure can be applied to the information communication industry.
1:ファイバアレイ
11、11A、11A−1、11A−2、11A−3、11A−4、11A−11、11A−12、11A−13、11A−14、11A−21、11A−31、11A−41、11B、11B−1、11B−2、11B−3、11B−4、11B−11、11B−12、11B−13、11B−14、11B−21、11B−31、11B−41:光ファイバ
12−1、12−2:位置合わせ用光ファイバ
13−1、13−2、13−3、13−4、13−5:V溝板
14:V溝
15−1、15−2、15−3、15−4:位置合わせ溝
2、9:レンズアレイ
22:スペーサ部
23:非球面レンズ
24:レンズ保持部
24A:レンズ保持面
24B:裏面
3:空気層
4:部分透過膜
42:ガラス基板
53:上金型
54:下金型
55:原料ガラス塊
7:遮光板
71:貫通孔
8:受光素子アレイ
91:焦点距離調整樹脂
101:AR板
109:GRINレンズアレイ
174:GIファイバ
1:
Claims (10)
平坦な前記保持面上で前記複数の非球面レンズを保持するレンズ保持部と、
前記保持面に配置され、前記保持面からの高さが前記複数の非球面レンズよりも高い位置に凸面を有する複数の凸部と、
を備え、
前記複数の凸部に備わる各凸面は、前記非球面レンズの光軸に垂直な面に対して等しい所定の角度で傾斜している、
レンズアレイ。 A plurality of aspheric lenses that are held by a flat holding surface and in which a central axis of the lens is arranged in parallel in a predetermined plane perpendicular to the holding surface;
A lens holding unit for holding the plurality of aspheric lenses on the flat holding surface;
A plurality of convex portions arranged on the holding surface and having convex surfaces at positions higher than the plurality of aspheric lenses from the holding surface;
With
Each convex surface provided in the plurality of convex portions is inclined at a predetermined angle equal to a surface perpendicular to the optical axis of the aspheric lens,
Lens array.
平坦な前記保持面上で前記複数の非球面レンズを保持するレンズ保持部と、
前記保持面に配置され、前記保持面からの高さが前記複数の非球面レンズよりも高い位置に凸面を有する複数の凸部と、
を備え、
前記複数の凸部に備わる各凸面は、前記非球面レンズの光軸に垂直な面と平行であり、
前記保持部の前記凸面に対向する裏面が、前記非球面レンズの光軸に垂直な面に対して等しい所定の角度で傾斜している、
レンズアレイ。 A plurality of aspheric lenses that are held by a flat holding surface and in which a central axis of the lens is arranged in parallel in a predetermined plane perpendicular to the holding surface;
A lens holding unit for holding the plurality of aspheric lenses on the flat holding surface;
A plurality of convex portions arranged on the holding surface and having convex surfaces at positions higher than the plurality of aspheric lenses from the holding surface;
With
Each convex surface provided in the plurality of convex portions is parallel to a surface perpendicular to the optical axis of the aspheric lens,
The back surface of the holding portion facing the convex surface is inclined at a predetermined angle equal to the surface perpendicular to the optical axis of the aspheric lens;
Lens array.
請求項1又は2に記載のレンズアレイ。 The plurality of convex portions are outside of both ends of the plurality of aspheric lenses in the arrangement direction of the plurality of aspheric lenses in the holding surface and orthogonal to the arrangement direction of the plurality of aspheric lenses. Is disposed outside both ends of the plurality of aspheric lenses in the direction of
The lens array according to claim 1 or 2.
前記複数の凸部は、前記保持面のうち、前記複数の非球面レンズの配列方向における前記複数の非球面レンズの両端に隣接する位置に配置されている、
請求項1から3のいずれかに記載のレンズアレイ。 The area of the plurality of convex surfaces is wider than the projected area of the aspheric lens on the holding surface,
The plurality of convex portions are disposed at positions adjacent to both ends of the plurality of aspheric lenses in the arrangement direction of the plurality of aspheric lenses, in the holding surface.
The lens array according to claim 1.
前記第1のレンズアレイに備わる各々の前記非球面レンズに対して2本の光ファイバを有し、各光ファイバの長手方向が前記所定平面内で前記非球面レンズの中心軸と平行に配置されているファイバアレイと、
を備えるファイバアレイモジュール。 Each of the two optical fibers has one aspheric lens, and each of the aspheric lenses condenses light from the two optical fibers on one point of a reflection surface defined for each of the aspheric lenses. The first lens array according to any one of claims 1 to 4,
Each of the aspheric lenses included in the first lens array has two optical fibers, and the longitudinal direction of each optical fiber is arranged in parallel to the central axis of the aspheric lens within the predetermined plane. Fiber array
A fiber array module comprising:
前記第1のレンズアレイにおける前記所定の角度は、前記光ファイバの端面の角度及び前記光ファイバの出射光の屈折角度に応じて定められる、
請求項5に記載のファイバアレイモジュール。 The angle of the end face of the optical fiber with respect to a plane perpendicular to the optical axis of the optical fiber in the first lens array is approximately 8 degrees,
The predetermined angle in the first lens array is determined according to an angle of an end face of the optical fiber and a refraction angle of outgoing light of the optical fiber.
The fiber array module according to claim 5.
複数のGRINレンズを有し、前記反射面から透過された各々の前記平行光が異なる前記GRINレンズの一端に入射され、前記GRINレンズの他端から出射する各光を前記GRINレンズごとに定められた点に集光するGRINレンズアレイと、
をさらに備える、
請求項5又は6に記載のファイバアレイモジュール。 Forming a reflecting surface of each of the aspherical lenses, transmitting a part of the light condensed at the one point, and reflecting a part of the light condensed at the one point;
Each of the GRIN lenses has a plurality of GRIN lenses, and each of the parallel lights transmitted from the reflecting surface is incident on one end of the different GRIN lens, and each light emitted from the other end of the GRIN lens is determined for each GRIN lens. A GRIN lens array that collects light at a point,
Further comprising
The fiber array module according to claim 5 or 6.
前記GRINレンズアレイで集光された各光を受光する受光素子アレイと、
を備える受光モジュール。 A fiber array module according to claim 7,
A light receiving element array for receiving each light condensed by the GRIN lens array;
A light receiving module comprising:
前記部分透過膜から透過された光を透過する複数の貫通孔を有し、前記部分透過膜から透過された各々の光が異なる前記貫通孔の一端に入射され、前記貫通孔を通過後の光を各貫通孔の他端から出射する光部品と、
前記複数の貫通孔の前記他端から出射された各光を前記貫通孔ごとに定められた点に集光する第2のレンズアレイと、
をさらに備える、
請求項5又は6に記載のファイバアレイモジュール。 Forming a reflecting surface of each of the aspherical lenses, transmitting a part of the light condensed at the one point, and reflecting a part of the light condensed at the one point;
Light having a plurality of through holes that transmit the light transmitted from the partial transmission film, and each light transmitted from the partial transmission film is incident on one end of the different through holes, and the light after passing through the through holes An optical component that emits from the other end of each through-hole,
A second lens array for condensing each light emitted from the other end of the plurality of through holes at a point determined for each through hole;
Further comprising
The fiber array module according to claim 5 or 6.
前記第2のレンズアレイで集光された各光を受光する受光素子アレイと、
を備える受光モジュール。 The fiber array module according to claim 9,
A light receiving element array for receiving each light condensed by the second lens array;
A light receiving module comprising:
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-
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- 2017-08-23 JP JP2017160140A patent/JP2018036637A/en active Pending
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