JP2795295B2 - 球状光学アイソレータ - Google Patents

球状光学アイソレータ

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は多数の構成部品からなる
光学装置に関する。特に、本発明は様々な光学特性を有
する領域を含む、多数の異なる光学作用を果たすことが
できる単一の装置のような、各種の集成装置に関する。
更に、本発明はこのような装置のバッチ製造に関する製
造技術についても開示する。
【０００２】
【従来の技術】多くの光通信系は例えば、レンズ、光ア
イソレータ、ダイクロイックフィルタ、偏光スプリッタ
ーなどのような様々な受動光学部品を必要とする。レン
ズは能動デバイス（例えば、レーザまたはＬＥＤ）と光
ファイバとの間で光を結合するために使用される。球面
レンズおよび円柱グレーデッドインデックスレンズの共
通用途により指示されるように、これらのレンズは多く
の異なる外形を有する。
【０００３】レーザのような能動半導体光学要素に反射
信号が再入することを防止するための光増幅器および高
ビットレート伝送のような用途において光アイソレータ
を使用する。ダイクロイックフィルタはしばしば、様々
な動作波長を分離し、通信系の容量を増大させるため
に、マルチプレクサ／デマルチプレクサ機構において使
用される。偏光ビームスプリッターは、データ復活を行
うために偏光分岐を必要とするコヒーレント光受信機で
使用される。その他の受動光学構成部品についても様々
な要件が存在する。
【０００４】米国特許第４７５３４８９号明細書は、直
線的に偏光された光が通過する偏光面を回転させるため
に特別に開発された球体状受動光学構成部品を開示して
いる。この特許明細書に開示された装置は光伝送方向に
優先的に磁化された磁性結晶材料製のボールレンズから
なる。このボールレンズは２個の磁性ガーネット材料ド
ームと、光学的に透明な非磁性ガーネット材料からなる
ドーム間の球体部材とからなる。磁性ガーネット材料ド
ームの基底面は互いに平行な方向に向いており、かつ、
光伝送方向に対して垂直な方向に向いている。この球体
は回転し、磁性材料の有効厚さを調整することができ
る。従って、この球体中を伝搬する光信号の波長に磁気
光学回転を一致させる能力を付与する。製造する場合、
等しい厚さの磁性ガーネット材料を光学的に透明な非磁
性ガーネット材料からなる基板の主要面にエピタキシャ
ル法により蒸着させる。次いで、被覆された基板から立
方体を切り出し、そして、この立方体を研磨し、球体を
製造する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】米国特許第４７５３４
８９号明細書に開示された方法は幾つかの欠点を有す
る。例えば、エピタキシャル層が等しい厚さになるよう
に、基板の反対側の主要面にエピタキシャル層を成長さ
せることが極めて困難である。更に、エピタキシャル成
長は、成長速度が極めて遅く、また、不整合格子サイズ
により比較的大きな応力が発生するので、形成できる膜
厚に限界がある方法として知られている。従って、殆ど
の光学用途で必要とされる（エピタキシャル成長法を使
用する集積回路に比べて）比較的大きなサイズの球面偏
光旋光器を前記米国特許明細書に開示された方法により
製造できるか甚だ疑問である。更に、製造できる光学装
置のタイプが同様な材料のエピタキシャル蒸着だけを必
要とするものに限定される。
【０００６】また、磁性ドームが均一な厚さにならない
ような方法で所望の回転を行う磁性材料が製造されるの
で、前記米国特許明細書に開示されたような実際の装置
構造は性能が著しく限定される。従って、ドーム厚さが
最大となる中心軸（米国特許明細書の図面で符号９によ
り指示されている）を通過する直線的に偏光された信号
は、平行な通路を伝搬する同様な信号よりも大きな回転
を被り、ドーム厚さが小さな軸９から外れる。最後に、
前記米国特許明細書に開示された装置は、完全な光学的
分離機能を果たすために、追加の分離した外部構成部品
（すなわち、偏光子）を必要とする。
【０００７】多数の別々の光学作用を必要とする光波通
信集成装置における、サイズ、コスト、心合せの困難
性、製造上の問題および様々なその他の制限を軽減する
新規な光学装置の開発が強く求められている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】例えば、アイソレータ、
波長マルチプレクサ／デマルチプレクサ、ノッチフィル
タ、または偏光スプリッターなどのような多数の異なる
光学的作用を含むことができれば、大抵の常用の集成装
置で使用されている多数の個々の構成部品を大幅に減少
することができる。更に、球体を使用すれば、本体の末
端ドーム状領域を一対のレンズとして機能させることが
できる。また、球面は本体と光通信信号路との心合せの
複雑性を軽減する。（すなわち、球体は基板支持光通信
路に形成されたＶ溝内に挿入するだけでよい。）
【０００９】本発明の一実施例では、多構成部品球体
は、第１の光学特性を有する第１の球面セグメント領域
と、第２の（すなわち、異なる）光学特性（または、２
つの異なる屈折率のような特性の大きさ）を有する第２
の球面セグメント領域と、各領域の隣接する底辺により
形成されるほぼ平面状の界面からなる。従って、この球
体を通過する光信号は、２つの光学特性の差の関数とし
て変更される。例えば、第１の領域が第１の屈折率ｎ1
を有する球面ガラスセグメントからなり、第２の領域が
第２の屈折率ｎ2 を有する球面ガラスセグメントからな
り、ｎ1 ＞ｎ2 であることができる。従って、多構成部
品球体の一例は、大きなＮＡを有する第１の素子（例、
レーザ）と比較的小さなＮＡを有する第２の素子（例、
光ファイバ）との間で信号を結合させることができるモ
ード変成器として機能する。
【００１０】本発明の別の実施例では、多構成部品装置
は、第１のレンズ領域、中間光学構成部品領域および第
２のレンズ領域を含む多数の異なる領域からなる。中間
構成部品は第１のレンズ領域と第２のレンズ領域との間
に配置されている。従って、この多構成部品装置に到来
する光信号は、第１のレンズを通過し、光学構成部品に
集束され、そして、信号および光学構成部品の特性に応
じて、第１のレンズまたは第２のレンズの何れかを通過
して出ていく。光信号路から離れたところに配置された
接着剤を用いて各領域を接着させることができる。接着
剤は例えば、一連の分離断片または連続的な環状リング
などのような適当なパターンで配置することができる。
水不透過性接着剤を環状リングのパターンで使用する
と、最終装置構造の気密シールが形成されるという追加
的効果が得られる。
【００１１】本発明の利点は、多数の殆ど同一の球体を
同時に製造できるようなバッチ法を用いて多構成部品装
置を製造できることである。或る一つの製造方法では、
様々な光学領域を製造するのに使用される異なる材料の
比較的大きなシートを別のシートに接着し、ラミネート
構造を形成する。次いで、このラミネートをさいの目に
切り、所望の光学特性を有する極めて多数の立方体を製
造する。次いで、この立方体を丸め（例えば、研削また
は研磨して）、所望の球面形状にする。
【００１２】
【実施例】以下、図面を参照しながら本発明を更に詳細
に説明する。図１は、本発明により製造された比較的簡
単な多構成部品光学球体１０を含む光導波装置の一例の
模式的構成図である。モード変成器として使用すること
のできる球体１０は、屈折率ｎ1 の第１の球面セグメン
ト領域１２と屈折率ｎ2の第２の球面セグメント領域１
４（ここで、ｎ1 ＞ｎ2 である）を含む。領域１２と１
４のそれぞれの底辺１３および１５の交切部に平面状界
面１６が形成される。界面１６には抗反射（ＡＲ）被覆
を施し、反射を軽減することができる。球体１０の外面
１７にもＡＲ被覆を施し、反射を軽減することができ
る。
【００１３】このような構成を有する球体１０を使用
し、レーザ、導波路または大ＮＡ光ファイバのような第
１の構成分品１８と、小ＮＡファイバのような第２の構
成部品２０との間で光信号を集束させることができる。
光信号Ｉは比較的大きなビーム角αで第１の構成部品１
８を出て、ＡＲ被覆第１領域１２に衝突する。信号Ｉは
領域１２を伝搬するにつれて、第１の速度で収斂する。
界面１６はＡＲ被覆されているので、信号は殆ど反射さ
れず、大部分が第２の領域１４に進入する。従って、信
号Ｉは、第２の領域１４を伝搬するにつれて、第２の
（緩慢な）速度で収斂する。球体１０を出るとき、光信
号Ｉは第２の構成部品２０に集束される。第２の構成部
品２０のビーム進入角βは第１の構成部品１８に付随す
る角度αよりも小さい。モード変成器１０を使用する
と、伝送された信号のかなりの部分を第２の構成部品２
０に結合させることができる。領域１２および１４の相
対的サイズおよびそれぞれの屈折率はモード変換の度合
を決定する。
【００１４】球面デザインを単純化すると、残りの光学
構成部品（例えば、ファイバ、導波路、光源）を保持す
る支持基板２４の蝕刻溝（またはピラミッド状開口）２
２内に光学球体（モード変成器）１０を配置することが
できる。第１の構成部品１８と第２の構成部品２０との
間の心ずれは、界面１６が光信号路に対して所定の角度
をとるように球体１０を回転することにより補正され
る。このようなビームステアリングを規定する方法は、
従来の多構成部品ビームステアリング集成装置で必要と
されていたような、球体１０のｘ−ｙ変位を全く必要と
しない。球体１０の回転は、反射信号が信号入路に再入
することを防止するためにも使用できる。これにより、
入路および出路間における分離度が得られる。分離の場
合、構成部品１８および２０を意図的に中心位置からず
らし、球体を出るオフアクシスビームを補正することが
できる。
【００１５】製造する場合、領域１２（シリカガラスか
ら形成されている）を領域１４（二酸化ケイ素から形成
されている）に例えば、金属ハンダ接着剤、陽極接着
剤、熱圧接シールまたはエポキシ樹脂などのような接着
剤で結合する。接着剤は伝送波長において透明ではない
ので、接着剤は光信号路を避けて環状接着層２６を形成
するように付着する。別法として、完全な環を形成する
のではなく、接着剤を局所的部分にのみ付着させること
もできる。
【００１６】多構成部品光学球体３０を用いて製造され
たファブリー・ペロ装置を図２に示す。その分解拡大図
を図３に示す。装置３０は一対のミラー３２，３４とこ
れらの間に配置されたスぺーサ要素３６を含む。図示さ
れているように、スぺーサ３６は中心キャビティ３８を
含み、光信号はこのキャビティを通してミラー３２，３
４間を前後に伝搬する。（キャビティ３８はフィルタの
デザインに応じて省略することもできる。）
【００１７】球状セグメントにより形成された一対のレ
ンズ４０，４２をファブリー・ペロ装置の入力側および
出力側に配置し、素子の入口および出口への光信号の必
要な結合を行わせる。レンズ４０はその底辺４１に沿っ
てミラー３２に接合され、レンズ４２はその底辺４３に
沿ってミラー３４に接合されている。この装置および下
記に述べるその他の装置について、全ての接合面にＡＲ
被覆を施し、反射を軽減することができる。スペーサ３
６の厚さｔはレンズ４２を出る信号の波長を決定するフ
ァクタである。従って、このような集成装置は所定の波
長で共振伝送フィルタ（例えば、ノッチフィルタ）とし
ての機能を果たす。
【００１８】図４は本発明により形成された多構成部品
球状光アイソレータの模式的構成図である。一般的に、
アイソレータ５０は、光源５２からの前方向きの光信号
ＩFをアイソレータ５０を通過させ、そして受信要素５
３に進入させ、一方、要素５３で発生する反射信号ＩR
が光源５２に再入することを防止する機能を果たす。一
対の線形偏光子５６，５８を有するファラデー旋光器５
４が偏光子の側面に配置されている。一連の格子線が旋
光器５４の各主要面上の被膜に蝕刻されるので、偏光子
５６，５８は、ファラデー旋光器５４の一体的部分とし
て形成することができる。
【００１９】別法として、別の一対の偏光シートを使用
することもできる。一対のレンズ６０，６２が偏光子５
６および５８にそれぞれ接合されている。操作する際に
は、アイソレータ５０は永久磁石（図示されていない）
により取り囲まれる。この永久磁石はファラデー旋光器
５４を通過する光信号に対して所定の非逆角度回転を誘
発する。偏光子５６および５８は、信号ＩF が妨げられ
ることなく通過するように配向されている。ファラデー
回転は非逆的なので、反射信号ＩR は偏光子５６により
殆どブロックされ、その結果、構成部品５２への再入も
殆ど防止される。アイソレータ５０の球面デザインによ
り、結合（６０，６２）および分離（５４，５６，５
８）の機能について、単一の比較的小さく、安価で自動
調心性の構成部品に合同させることができる。図１のモ
ード変成球体１０の場合と同様に、アイソレータ５０も
その配置キャビティ（図示されていない）内で回転し、
ビームステアリングを行うことができる。アイソレータ
の製造方法の一例を図７〜図９を参照しながら以下説明
する。
【００２０】本発明の多構成部品球体の構成部品数の減
少および自動調心の利点は図５に示される球状マルチプ
レクサ／デマルチプレクサ７０でも得られる。マルチプ
レクサ／デマルチプレクサ７０は一対のガラスレンズ領
域７４，７６の間に配置されたダイクロイックフィルタ
７２からなる。フィルタ７２は一対の環状接着層７５お
よび７７をそれぞれ使用し、領域７４，７６に接合させ
ることができる。デマルチプレクサとして動作する場
合、第１の導波路７８に沿って到来する光波信号は第１
の波長λ1 と第２の波長λ2 の情報を含む。両方の波長
ともレンズ７４を通過し、ダイクロイックフィルタ７２
に結合される。
【００２１】この特定の実施例では、フィルタ７２は波
長λ1 を反射し、波長λ2 を通過するように指定されて
いる。従って、第１の波長λ1 は第１のレンズ７４の別
の部分により向け直され、第２の導波路８０に結合され
る。波長λ2 の信号はフィルタ７４および第２のレンズ
７６を通過し、続いて、第３の導波路８２に結合され
る。従って、単一の球体である波長マルチプレクサ／デ
マルチプレクサ７０は従来のマルチプレクサ／デマルチ
プレクサ動作で使用されている４個の個別構成部品（３
個のレンズと１個のダイクロイックフィルタ）を代替す
る。更に、単一の球体を使用することにより自動調心集
成装置が得られる。
【００２２】偏光の分離および結合を行うための同様な
集成装置を図６に示す。偏光球体９０は一対のレンズ９
４，９６の間に配置された偏光膜９２からなる。第１の
導波路９８に沿って到来するランダム偏光ＩRDM の信号
は第１のレンズ９４内を伝搬し、そして、偏光膜９２に
衝突する。偏光膜９２は信号ＩRDM をＩ⊥およびＩ‖で
示される公知の直交成分に分離する機能を果たす。偏光
膜９２の傾斜により、第１の成分Ｉ⊥を第１のレンズ９
４を通過し、そして、第２の導波路１００に向け直すこ
とができる。次いで、第２の成分Ｉ‖は第２のレンズ９
６を通過し、そして、第３の導波路１０２内に集束され
る。
【００２３】多構成部品球体集成装置の利点は、バッチ
製造技術を使用することにより、極めて多数の殆ど同一
の球体を同時に製造できることである。光アイソレータ
（図４に示されたようなもの）の製造に伴う、バッチ製
造方法の一例を図７〜図９を参照しながら説明する。以
下の説明は単なる一例であり、本発明の多構成部品装置
を製造することのできる製造方法の変法は多数存在す
る。更に、以下の説明は、単一のバッチから製造される
同様な多数の製品について単純化されている。実際の製
造においては、数百個以上の球体が同時に製造される。
【００２４】図７を参照する。製造方法は、所望の光学
特性を示す材料からなる比較的大きなシート（例えば、
約４インチ平方）を必要な順序でお互い接着することか
ら始まる。図４のアイソレータの場合、ラミネート２０
０は例えば、第１のレンズ６０を製造することのできる
ガラスの第１のシート２６０を含む。次いで、ファラデ
ー旋光器用の材料シート（例えば、ガーネットフィル
ム）２５４を第１のシート２６０に接着する。製造技術
の一例では、シート２５４を最初に加工し、シートの主
要面に多数の適当に離間された格子線２１０，２１２を
形成する。格子線２１０，２１２は、所望の光信号がシ
ートの中を通過できるように配向されている（格子線２
１２は仮想線で図示されている）。格子線２１０，２１
２はシート２５４の前部主要面および背部主要面を完全
にカバーしている。
【００２５】旋光器材料２５４へのレンズシート２６０
の接着は、例えば、多数の環状接着層２２０または適当
なサイズの接着セグメント２２２を使用することにより
完成させることができ、最終装置中に所望信号の無妨害
通路（図４参照）が形成される。接着剤は金属ハンダ、
エポキシ樹脂またはその他の任意の好適な接着剤からな
る。接着を行わせるために、陽極性接着または熱圧接シ
ールも使用できる。少数の接着層しか図示されていな
い、シート２６０とシート２５４を接合させるために、
多数の同様な接着層が使用される。最後に、レンズ６２
を形成するために使用される第２のガラスシート２６２
を、同様な環状接着層または接着セグメントを使用し、
ファラデー旋光器用材料２５４の露出主要面に接着させ
る。
【００２６】環状接着層を使用すると、気密装置を製造
することができる。フィルタの製造に使用される材料
（例えば、スパッターまたは蒸着ガラス）は通常、多孔
質なので、気密性はこのような多層構成部品が有する問
題点である。水不透過性材料からなる環状接着層は、装
置の外辺部の周囲に完全な気密シールを形成する。これ
は、気密性を形成するための比較的簡単で安価な方法で
ある。
【００２７】別の製造方法では、偏光器構成部品は一対
の偏光シート２５６，２５８からなり、旋光器用材料シ
ート２５４の表面上に直接形成されない。図８にこの特
定の実施例の側面図を示す。この方法では、適正に心合
せされた一対の偏光シート２５６，２５８により、前方
方向信号ＩF の殆ど完全な通過と、反対方向信号ＩRの
殆ど完全な遮断が得られる。これらの信号は図８のラミ
ネート２００′の側面図に図示されている。接着材料を
硬化する前に、所望の条件が達成されるまで、一方また
は両方のシート２５６および２５８を物理的に回転する
ことにより、この心合せ条件はこの別法により容易に実
現することができる。光源は単にラミネート２００上に
ＩR 方向に示すだけでよく、シート２５６および／また
は２５８は、光が殆どまたは全く第１のレンズシート２
６０から出なくなるまで、回転される。従って、このタ
イプのバッチ製法によれば、所望の光分離を得るために
接着剤を硬化する前に偏光器を操作出来れば、殆ど全て
の方向の偏光器を実現することができる。
【００２８】接合（および、もし在れば、硬化）に続い
て、ラミネート２００を図７および図８に示された点線
に沿って切断またはダイシングし、多数の個々の立方体
を形成することができる。従って、各立方体は殆ど同一
の光学特性を有する。このような立方体２５０の一例を
図９に示す。その後、この立方体２５０を研削または研
磨することにより、図４に示されるような球状光アイソ
レータ５０を簡単に製造することができる。
【００２９】本発明は、多数の個別的な光学構成部品を
含む比較的小型な光学装置の製造を企図している。大抵
の場合、このような装置は前記で説明し、また、図示さ
れたような球体状の形状を保持している。しかし、特別
な用途では、比較的平坦（すなわち、非球状）な部分を
含む装置の製造が望まれることもある。例えば、本発明
の多構成部品装置を平坦な表面に直接接合させる場合、
このような平坦面を有する装置が好ましいこともある。
比較的平坦な面２７２を含むように更に加工（例えば、
研磨、研削またはのこ引き）された本発明の波長分割マ
ルチプレクサ装置２７０の一例を図１０に示す。装置２
７０は面２７２に沿って、基板２７６の比較的平坦な主
要面２７４に接合させることができる。
【００３０】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の多構成部
品球体によれば、例えば、アイソレータ、波長マルチプ
レクサ／デマルチプレクサ、ノッチフィルタ、または偏
光スプリッターなどのような多数の異なる光学的作用を
含むことができ、大抵の常用の集成装置で使用されてい
る多数の個々の光学構成部品を大幅に減少することがで
きる。更に、球体を使用すれば、本体の末端ドーム状領
域を一対のレンズとして機能させることができる。ま
た、球面は本体と光通信信号路との心合せの複雑性を軽
減する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の概念を説明するモード変成光学球体の
一例の模式図である。
【図２】本発明により製造されたファブリー・ペロ装置
の一例の模式図である。
【図３】図２のファブリー・ペロ装置の拡大分解図であ
る。
【図４】本発明により製造された光アイソレータの一例
の模式図である。
【図５】従来技術に係る波長分割マルチプレクサ／デマ
ルチプレクサの一例の模式図である。
【図６】従来技術に係る偏光スプリッターの一例の模式
図である。
【図７】本発明により形成される球状光アイソレータの
一例のバッチ製造方法の一例の模式図である。
【図８】本発明により形成される球状光アイソレータの
一例のバッチ製造方法の一例の模式図である。
【図９】本発明により形成される球状光アイソレータの
一例のバッチ製造方法の一例の模式図である。
【図１０】非球面部分を含む、本発明の光学装置の別の
実施例の模式図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−73604（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−239112（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−167534（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−150095（ＪＰ，Ａ) 柳井久義編 「光通信ハンドブック」 株式会社朝倉書店 （1990年３月25 日） Ｐ．322−324

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】底辺を有する半球状の第１のレンズ領域
    （６０）と、 底辺を有する半球状の第２のレンズ領域（６２）と、 第１の偏光子（５６）と、 第２の偏光子（５８）と、 対向する第１面と第２面を有するファラデー旋光材料
    （５４）とからなる球状光学アイソレータ（５０）にお
    いて、 前記第１の偏光子（５６）と第２の偏光子（５８）と
    は、それぞれ前記の対向する第１面と第２面に直接形成
    され、 前記第１のレンズ領域（６０）の底辺は、前記第１の偏
    光子（５６）に固着され、 前記第２のレンズ領域（６２）の底辺は、前記第２の偏
    光子（５８）に固着され、 前記第１のレンズ領域（６０）と第１の偏光子（５６）
    とファラデー旋光材料（５４）と第２の偏光子（５８）
    と第２のレンズ領域（６２）とからなる組み合わせ体が
    実質的に単一の球状構成体を構成することを特徴とする
    球状光学アイソレータ。
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