JP3887338B2 - コリメータ間の調芯方法および光ビーム強度分布測定装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信装置で用いられるフリースペース型光スイッチなどの光軸を調整するコリメータ間の調芯方法およびこの調芯方法に用いる光ビーム強度分布測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＡＤＳＬや光アクセス回線に代表される広帯域アクセス網の急激な普及，さらにブロードバンドコンテンツの流通開始に伴い，インターネットを構成する基幹ネットワークのさらなる大容量化が求められている。ネットワークの伝送路部分には、４０Ｇｂ／ｓ級の高速大容量光通信装置や，同一光ファイバ上に波長の異なる光信号を多重化することでさらなる大容量化を実現したＤＷＤＭ（Dens-wavelength division multiplexing）光通信装置の導入が予定されている。
【０００３】
一方、ネットワークのノード部分においては、一旦光信号を電気信号に変換し，超高速ＬＳＩで構成されるスイッチで方路の切り替えを行った後，再び光信号に変換してネットワークに戻す方法を採ることが一般的である。このため、ノード部分においては、電気信号から光信号，または光信号から電気信号に変換する装置のコストや占有体積，および消費電力などが、信号帯域の向上に伴って大幅に増加する状態である。
【０００４】
この問題を解決するため，光信号を光のままスイッチングする光スイッチをノード部に導入することが検討されている。中でも，光ビームを用いた高密度立体配線を用いるフリースペース型光スイッチは，１０００端子を越える大規模光スイッチをコンパクトに構成することができるため，光クロスコネクト装置やルータを構成するスイッチ部への導入が見込まれている（非特許文献１参照）。
【０００５】
以下、フリースペース型光スイッチについて、簡単に説明する。この光スイッチは、図５に示すように、入力側の光ファイバアレイ５０１、入力側のコリメート用マイクロレンズアレイ５０２、入力側のマイクロ可動ミラーアレイ５０３、出力側のマイクロ可動ミラーアレイ５０４、出力側の集光用マイクロレンズアレイ５０５、出力側の光ファイバアレイ５０６から構成されている。
【０００６】
光ファイバアレイ５０１，５０６は、複数の光ファイバが２次元的（マトリクス状）に配列されたものである。また、コリメート用マイクロレンズアレイ５０２，集光用マイクロレンズアレイ５０５は、複数のマイクロレンズが２次元的に配列されたものである。また、マイクロ可動ミラーアレイ５０３，５０４は、複数の微細な可動ミラーが、２次元的に配列されたものである。マイクロ可動ミラーは、マイクロマシン（ＭＥＭＳ）技術を用いて半導体基板の上に形成された能動素子であり，図５に示すＸ軸，およびＹ軸を中心とする回転方向にそれぞれミラー面の傾きを調整できる。
【０００７】
このように構成されたフリースペース型光スイッチでは、例えば、図５中に矢印で示すように、光ビームが進行する。光ファイバアレイ５０１のいずれかの光ファイバを伝搬してきた光信号は、この光ファイバを出射してコリメート用マイクロレンズアレイ５０２の対応するレンズにより光ビームに変換され、マイクロ可動ミラーアレイ５０３の対応する可動ミラーに到達する。
【０００８】
可動ミラーに到達した光ビームは、到達した可動ミラーの傾きに応じて進行方向が変更され、マイクロ可動ミラーアレイ５０４の対応する可動ミラーに到達する。この可動ミラーにおいても、到達した光ビームは可動ミラーの傾きに応じて進行方向が変更され、集光用マイクロレンズアレイ５０５の所定のマイクロレンズに入射し、光ファイバアレイ５０６の所定の光ファイバに導かれる。
【０００９】
例えば、図５においては、光ファイバアレイ５０１，５０６の各光ファイバは、Ｘ軸方向とＹ軸方向とに２次元に配列されているが、まず、Ｙ軸を中心にマイクロ可動ミラーアレイ５０３，５０４の可動ミラーの反射角度を適当に調整することで、Ｘ軸の上に配列されている任意の光ファイバ間を接続することができる。同様に、Ｘ軸を中心にマイクロ可動ミラーアレイ５０３，５０４の可動ミラーの反射角度を適当に調整することで、Ｙ軸の上に配列されている任意の光ファイバ間を接続することができる。このような、図５に示すフリースペース型光スイッチによれば、マイクロ可動ミラーアレイ５０３，５０４の可動ミラーの反射角度を、ＸＹ両軸を中心に調整することにより，二次元配列された任意の入出力光ファイバ間を接続することができる。
【００１０】
引き続き，同構成による光スイッチ内部で生じる接続損失について説明する。一般にフリースペース光学系内部で生じる損失は，光ビームと出力光ファイバのコア部との結合部分におけるスポットサイズ不整合と位置ずれ，および角度ずれに起因する損失が支配的である。他の損失要因としては各屈折率境界面におけるフレネル反射損失や散乱が考えられるが，無反射コートが取り付けられた光学部品の表面反射率は０．５％以下であり，ほぼ無視できる。
また，各光学部品開口によって生じるケラレ損失の影響は、各構成部品に十分な大きさの開口を持たせることで回避できる。
【００１１】
図６に光ファイバ入出力部を持つフリースペース光学系のモデルを示す。図６のモデルでは、入力用光ファイバ６０１より出射された光信号は、マイクロレンズ６０２により光ビーム６１０とされ、マイクロレンズ６０３により集光されて出力用光ファイバ６０４に導かれるものとしている。入力用光ファイバ６０１とマイクロレンズ６０２とで、入力用ファイバコリメータが構成され、出力用光ファイバ６０４とマイクロレンズ６０３とにより出力用ファイバコリメータが構成されている。
【００１２】
ここで、出力用ファイバコリメータ（出力用光ファイバ６０４）の光軸と光ビーム６１０の進行方向（光軸）とのずれ角をθとし、マイクロレンズ６０３により集光された光ビーム６１０のビームウエスト径をωbeamとし、出力用光ファイバ６０４のモードフィールド径をωfiberとする。また、出力用光ファイバ６０４の入射端面の光ビーム６１０の光軸からのずれ量をｄ、ビームウエストが形成される位置と出力用光ファイバ６０４の入射端面との光軸方向のずれ量をｚとする。このとき、出力用光ファイバ６０４の入射端面に到達した光ビームと出力用光ファイバ６０４との光接続損失（Coupling Loss）は、以下に示すガウシアンビーム同士の結合式を用いて求めることができる。なお、式中、λは、光源の波長を示している。
【００１３】
【数１】
【００１４】
以上のことから、光接続損失は、以下に示す３つの条件を同時に満たす場合に最小となる。
１）集光された光ビームのビームウエスト径と光ファイバのモードフィールド径が等しい（ωbeam＝ωfiber）。
２）光ビーム光軸とファイバ光軸との角度ずれ，および光ビームのビームウエスト形成位置と光ファイバ端面におけるコア部中心位置との光軸に対して垂直方向の軸ずれがそれぞれ零（θ＝ｄ＝０）。
３）光ビームのビームウエスト形成位置と光ファイバ端面との光軸方向の距離が零（ｚ＝０）。
【００１５】
【非特許文献１】
山本他，“３−Ｄ ＭＥＭＳ大規模光スイッチ”，信学技報，ＰＳ２００２−５５，２００２
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図６に示す光学系のモデルにおいて，光ファイバ間の位置調整を行う場合には、各構成部品を自動ステージ等に取り付けた後、一方の光ファイバに光信号を入射し、網一方の光ファイバから出射される光信号の強度を測定し、測定される光信号の強度が最大となる各々の位置を探索する方法が、一般に採用されている。しかし、このような方法では、最適な状態の探索に長い時間を必要とし、さらに、前述した光接続損失が最小となる３つの条件をすべて満たしていることを検証することができない。
【００１７】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、フリースペース光学系などを構成する光学系内部を伝搬する光ビームの伝搬特性、特にビームウエストの大きさとこれが形成位置や、光軸傾きを測定することにより、対向配置されるコリメータ間の光接続損失が最小となるように調芯できるようにすることを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るコリメータ間の調芯方法は、対向配置して互いに光結合させる第１コリメータと第２コリメータとの間に設定したアライメント参照軸の上に、光ビームの光強度分布を測定する測定装置を配置し、第１コリメータより出射された第１光ビームの光強度分布を測定装置で測定し、測定される光強度分布のピークの位置が所定の位置となるように第１コリメータの位置を変更し、第１コリメータの光軸とアライメント参照軸とを一致させ、第２コリメータより出射された第２光ビームの光強度分布を測定装置で測定し、測定される光強度分布のピークの位置が所定の位置となるように第２コリメータの位置を変更し、第２コリメータの光軸とアライメント参照軸とを一致させ、測定装置で測定される第１光ビームの光強度分布のピーク幅が最小となる第１光ビームのビームウエストの位置と、測定装置で測定される第２光ビームの光強度分布のピーク幅が最小となる第２光ビームのビームウエストの位置とを一致させるようにしたものである。
この調芯方法では、第１コリメータと第２コリメータとの間に配置された測定装置により、第１コリメータおよび第２コリメータ各々より出射された第１光ビームと第２光ビームの光強度分布を測定することで、第１コリメータの光軸と第２コリメータの光軸とを一致させ、また、第１光ビームのビームウエスト位置と第２光ビームのビームウエスト位置とを一致させることで、光接続損失を最小としている。
【００１９】
本発明に係る光ビーム強度分布測定装置は、対向配置して互いに光結合させる第１コリメータと第２コリメータとの間に設定したアライメント参照軸の上の所定箇所に配置されて第１コリメータより出射された第１光ビームおよび第２コリメータより出射された第２光ビームの光強度分布を測定する光ビーム強度分布測定装置であって、アライメント参照軸を法線とする主表面および裏面を備えた透明な基板と、この基板の主表面に形成され、第１光ビームを受光して光電変換し、かつ、基板を透過した第２光ビームを受光して光電変換する光電変換膜と、この光電変換膜の前面および基板の裏面の前面に各々対向して設けられ、主表面および裏面に平行な方向に移動可能な遮光板とを少なくとも備えるようにしたものである。
この測定装置は、向きを変更することなく、対向配置された第１コリメータと第２コリメータとより出射された第１光ビームと第２光ビームの光強度分布を測定する。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態における光ビーム強度分布測定用の測定装置１２０の構成例を示す構成図である。測定装置１２０は、入力用ファイバコリメータ（第１コリメータ）１００と出力用ファイバコリメータ（第２コリメータ）１１０との間に配置されて用いられる。測定装置１２０は、光ビーム強度の分布を測定する測定器１２１と、測定器１２１が固定される回転ステージ１２４と回転ステージ１２４を光ビームの伝搬方向に移動させる直動ステージ１２５とから構成されている。
【００２１】
回転ステージ１２４が回転することで、測定器１２１は回転し、また、回転ステージ１２４が直動ステージ１２５の上を移動することで、測定器１２１も直動ステージ１２５の上を移動する。従って、測定器１２１は、測定対象の光ビームの伝搬方向（進行方向）に移動可能にされ、また、光ビームの進行方向に対して垂直方向の軸を中心に回転可能とされている。
【００２２】
また、測定器１２１は、光検出器１２２と遮光板１２３とから構成されている。光検出器１２２は、例えば、光通信に用いられる波長１３００〜１６００ｎｍの光に感度をもつＰｂＳなどからなる光電変換素子である。なお、入力用ファイバコリメータ１００は、入力用光ファイバ１０１とマイクロレンズ１０２とから構成され、出力用ファイバコリメータ１１０は、出力用光ファイバ１１１とマイクロレンズ１１２とから構成されている。
また、図中太い破線の矢印は、測定対象の光ビームの進行方向を示し、細い実線の矢印は、遮光板１２３の移動方向を示している。
【００２３】
つぎに、上述した測定装置１２０を用いた本実施の形態における２つのコリメータ間の調芯方法について説明する。
この調芯方法は、まず、図２（ａ）に示すように、基本となる所定の軸（アライメント参照軸）２０２の上の一方のコリメータである入力用ファイバコリメータ１００に近い位置に、測定器１２１を配置する。ここで、測定器１２１の直動ステージ１２５の移動軸が、軸２０２に重なるようにする。
【００２４】
軸２０２は、調芯対象の２つのコリメータの光軸を一致させるための対象であり、２つのコリメータの各々の光軸を軸２０２に一致させることで、２つのコリメータの光軸を一致させることができる。従って、測定器１２１を配置した状態における直動ステージ１２５の移動軸を、軸２０２としても良い。
【００２５】
以上に説明したような測定装置１２０を、軸２０２の上の２つのコリメータの間に配置された状態とし、入力用ファイバコリメータ１００より出射させた光ビーム２０１の強度分布を測定器１２１で測定し、測定された光ビーム２０１の強度分布が、所定の状態となるように入力用ファイバコリメータ１００のＸ軸方向およびＹ軸方向の位置を調整する。
【００２６】
ここで、測定装置１２０の測定器１２１による光ビームの強度分布測定について説明する（参考文献：「ビームアナライザ・スタンドアロンシステム・カタログ」、メレスグリオ社発行）。まず、測定器１２１の受光面は、測定対象の光ビームの進行方向に対してほぼ垂直な状態に配置し、ここでは、光ビーム２０１が上記受光面に入射するように配置する。このようにして光強度を測定する状態で、遮光板１２３を受光面に平行に移動させ、測定器１２１の受光面に入射する光ビームを徐々に遮断する。このような遮光板を移動させた状態における測定器１２１により測定される光強度は、図３の実線で示されるように変化する。
【００２７】
また、実線で示される光強度の変化の変化分は、点線で示されるようになる。この点線で示される光強度の変化の変化分が、光ビームの光強度分布を示すものとなる。この点線で示される光強度分布のピークの出現位置Ｌが、光ビーム２０１による光軸と測定装置１２０が配置されている軸２０２とのずれの状態を示している。遮光板１２３の位置が測定器１２１の受光面の中央部にある状態で、上記ピークが出現すれば、光ビーム２０１による光軸と測定装置１２０が配置されている軸２０２とが一致していることを示している。すなわち、光検出器１２２の受光面が半分遮光される遮光板１２３の位置に、ピークの出現位置Ｌが重なれば、光ビーム２０１による光軸と測定装置１２０が配置されている軸２０２とが一致したことになる。
【００２８】
また、図３に点線で示される光強度分布の半値幅Ｗが、光ビーム２０１のビーム径を示している。例えば、直動ステージ１２５の上で測定器１２１を移動させていくと、上記半値幅Ｗが変化し、測定器１２１が所定の位置になると、半値幅Ｗが最も小さくなる。この位置が、光ビーム２０１のビームウエストの位置を示すことになる。
【００２９】
これらのように、光検出器１２２の受光面の上で、位置を正確に把握した状態で遮光板１２３を移動させて光ビーム２０１の光強度を測定し、図３の点線で示すような光強度の変化分（光強度分布）を求めることで、光ビーム２０１の軸と軸２０２とのずれの状態や、ビームウエストの位置を測定することが可能となる。また、遮光板１２３を移動させる方向を、図中に示すＸ軸方向およびＹ軸方向の両方とすることで、Ｘ−Ｙ面の光強度分布が求められ、光ビームのＸ軸方向とＹ軸方向のずれ量を測定することが可能となる。
【００３０】
以上に説明したようにすることで、入力用ファイバコリメータ１００より出射させた光ビーム２０１の光強度分布を測定し、この測定の結果得られる上記ピークの出現位置Ｌが所定の位置になるように、入力用ファイバコリメータ１００のＸ軸方向およびＹ軸方向の位置を調整する。
【００３１】
つぎに、図２（ｂ）に示すように、測定器１２１を直動ステージ１２５の上で移動させ、測定器１２１を入力用ファイバコリメータ１００から離れた位置に配置する。この状態で、光ビーム２０１の光強度分布を測定し、この測定の結果得られる上記ピークの出現位置Ｌが所定の位置になるように、入力用ファイバコリメータ１００のＸ軸およびＹ軸を中心とする回転方向の位置を調整する。
ここで、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の位置の調整をした後、測定器１２１の位置を変更し、Ｘ軸およびＹ軸を中心とする回転方向の位置を調整すると、最初に調整したＸ軸方向およびＹ軸方向の位置が多少変化する。従って、図２（ａ）に示すＸ軸方向およびＹ軸方向の位置の調整と、図２（ｂ）に示すＸ軸およびＹ軸を中心とする回転方向の位置の調整とを繰り返し、入力用ファイバコリメータ１００の光軸と軸２０２とのずれが、許容する誤差内となるようにする。
【００３２】
以上のようにして、入力用ファイバコリメータ１００の光軸を軸２０２に合わせた後、前述したように、測定器１２１を直動ステージ１２５の上で移動させて光強度分布を測定し、光強度分布の半値幅Ｗが最小となる位置を検出し、検出した位置を光ビーム２０１のビームウエスト位置として記憶しておく（図２（ｃ）。
つぎに、回転ステージ１２４を１８０°回転させ、測定器１２１の受光面を他方のコリメータである出力用ファイバコリメータ１１０が配置される側に向ける。この状態で、出力用ファイバコリメータ１１０を所定位置に配置し、出力用ファイバコリメータ１１０より光ビームを出射させ、この強度分布を測定器１２１で測定し、前述と同様にすることで、出力用ファイバコリメータ１１０の光軸を軸２０２に合わせる（図２（ｄ））。
【００３３】
つぎに、測定器１２１を直動ステージ１２５の上で移動させて光強度分布を測定し、出力用ファイバコリメータ１１０より出射させた光ビームのビームウエスト位置を検出する。最後に、このビームウエストの位置と、記憶されている光ビーム２０１のビームウエスト位置とのずれ量を算出し、算出したずれ量だけ、出力用ファイバコリメータ１１０の位置を修正する。以上のようにして、入力用ファイバコリメータ１００と出力用ファイバコリメータ１１０との位置を調整（調芯）した後、これらの間より測定装置１２０を取り除くことで、２つのコリメータの調芯が終了する。
【００３４】
ところで、上述した調芯方法では、光結合させる２つのコリメータの各々より出射させた光ビームの各々のビームウエスト位置を一致させるようにした。これは、例えば、マイクロレンズ１１２で集光した光ビームのビームウエスト位置と出力用光ファイバ１１１の光入射端の位置とを一致させることと同様である。
従って、上述した本実施の形態における調芯方法によれば、前述した光接続損失を最小にする３つの条件を同時に満たすものとなる。
【００３５】
ところで、上述では、測定器１２１の向きを１８０°回転させ、対向する２つのコリメータより出射させた光ビームの光強度分布を得るようにしたが、以下に示すことにより、これらを同時に得るようにしても良い。
図４は、対向する２つのコリメータより出射された光ビームの強度分布を同時の測定する測定器（光ビーム強度分布測定装置）の構成例を示す概略的な断面図である。
【００３６】
この測定器は、例えば石英などから構成された透明な基板４０３の主面に光電変換膜４０４を設け、基板４０３の両面に近設する２つの遮光板４０１，４０２を設けたものである。基板４０３は、測定対象となる光ビームの波長に対して透過性を持つ材料であればよい。また、光電変換膜４０４は、測定対象となる光の波長に感度をもつ材料から構成すれば良く、例えば、ＰｂＳなどから構成すればよい。
【００３７】
図４に示す測定器によれば、破線の矢印で示す両側から到達した光ビームの光強度分布を測定することが可能となる。この測定器によれば、図１，２に示した測定装置１２０の回転ステージ１２４を用いる必要が無くなる。また、図４に示す測定器によれば、回転させる際の位置ずれによる誤差の影響を回避でき、より高い精度で光強度分布を得ることができるようになる。
【００３８】
なお、上述では、入力用ファイバコリメータ１００と出力用ファイバコリメータ１１０との間の光接続損失を最小とするために、これらの光軸を合わせる場合を例にしたが、これに限るものではない。
本発明は、例えば、半導体レーザから出射された光をマイクロレンズなどによって光ビームとし、この光ビームをファイバコリメータに結合させる場合にも適用できる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、第１コリメータと第２コリメータとの間に配置された測定装置により、第１コリメータおよび第２コリメータ各々より出射された第１光ビームと第２光ビームの光強度分布を測定することで、第１コリメータの光軸と第２コリメータの光軸とを一致させ、また、第１光ビームのビームウエスト位置と第２光ビームのビームウエスト位置とを一致させることで、光接続損失が最小となるように調芯するようにした。
この結果、本発明によれば、より迅速にかつ精度良く、対向配置されるコリメータ間の光接続損失が最小となるように調芯できるようになるという優れた効果が得られる。
【００４０】
また、本発明では、向きを変更することなく、対向配置された第１コリメータと第２コリメータとより出射された第１光ビームと第２光ビームの光強度分布を測定できるので、高い精度で調芯できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態における光ビーム強度分布測定用の測定装置の構成例を示す構成図である。
【図２】 本発明の実施の形態における光ビーム強度分布測定による調芯方法を説明するための概略的な構成図である。
【図３】 測定器１２１により測定される光強度の状態を示す特性図である。
【図４】 本発明の光ビーム強度分布測定装置の一部構成を示す模式的な断面図である。
【図５】 フリースペース型光スイッチの構成を示す斜視図である。
【図６】 光ファイバ入出力部を持つフリースペース光学系のモデルを示す構成図である。
【符号の説明】
１００…入力用ファイバコリメータ（第１コリメータ）、１０１…入力用光ファイバ、１０２…マイクロレンズ、１１０…出力用ファイバコリメータ（第２コリメータ）、１１１…出力用光ファイバ、１１２…マイクロレンズ、１２０…測定装置、１２１…測定器、１２２…光検出器、１２３…遮光板、１２４…回転ステージ、１２５…直動ステージ、２０１…光ビーム、２０２…軸（アライメント参照軸）。
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信装置で用いられるフリースペース型光スイッチなどの光軸を調整するコリメータ間の調芯方法およびこの調芯方法に用いる光ビーム強度分布測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＡＤＳＬや光アクセス回線に代表される広帯域アクセス網の急激な普及，さらにブロードバンドコンテンツの流通開始に伴い，インターネットを構成する基幹ネットワークのさらなる大容量化が求められている。ネットワークの伝送路部分には、４０Ｇｂ／ｓ級の高速大容量光通信装置や，同一光ファイバ上に波長の異なる光信号を多重化することでさらなる大容量化を実現したＤＷＤＭ（Dens-wavelength division multiplexing）光通信装置の導入が予定されている。
【０００３】
一方、ネットワークのノード部分においては、一旦光信号を電気信号に変換し，超高速ＬＳＩで構成されるスイッチで方路の切り替えを行った後，再び光信号に変換してネットワークに戻す方法を採ることが一般的である。このため、ノード部分においては、電気信号から光信号，または光信号から電気信号に変換する装置のコストや占有体積，および消費電力などが、信号帯域の向上に伴って大幅に増加する状態である。
【０００４】
この問題を解決するため，光信号を光のままスイッチングする光スイッチをノード部に導入することが検討されている。中でも，光ビームを用いた高密度立体配線を用いるフリースペース型光スイッチは，１０００端子を越える大規模光スイッチをコンパクトに構成することができるため，光クロスコネクト装置やルータを構成するスイッチ部への導入が見込まれている（非特許文献１参照）。
【０００５】
以下、フリースペース型光スイッチについて、簡単に説明する。この光スイッチは、図５に示すように、入力側の光ファイバアレイ５０１、入力側のコリメート用マイクロレンズアレイ５０２、入力側のマイクロ可動ミラーアレイ５０３、出力側のマイクロ可動ミラーアレイ５０４、出力側の集光用マイクロレンズアレイ５０５、出力側の光ファイバアレイ５０６から構成されている。
【０００６】
光ファイバアレイ５０１，５０６は、複数の光ファイバが２次元的（マトリクス状）に配列されたものである。また、コリメート用マイクロレンズアレイ５０２，集光用マイクロレンズアレイ５０５は、複数のマイクロレンズが２次元的に配列されたものである。また、マイクロ可動ミラーアレイ５０３，５０４は、複数の微細な可動ミラーが、２次元的に配列されたものである。マイクロ可動ミラーは、マイクロマシン（ＭＥＭＳ）技術を用いて半導体基板の上に形成された能動素子であり，図５に示すＸ軸，およびＹ軸を中心とする回転方向にそれぞれミラー面の傾きを調整できる。
【０００７】
このように構成されたフリースペース型光スイッチでは、例えば、図５中に矢印で示すように、光ビームが進行する。光ファイバアレイ５０１のいずれかの光ファイバを伝搬してきた光信号は、この光ファイバを出射してコリメート用マイクロレンズアレイ５０２の対応するレンズにより光ビームに変換され、マイクロ可動ミラーアレイ５０３の対応する可動ミラーに到達する。
【０００８】
可動ミラーに到達した光ビームは、到達した可動ミラーの傾きに応じて進行方向が変更され、マイクロ可動ミラーアレイ５０４の対応する可動ミラーに到達する。この可動ミラーにおいても、到達した光ビームは可動ミラーの傾きに応じて進行方向が変更され、集光用マイクロレンズアレイ５０５の所定のマイクロレンズに入射し、光ファイバアレイ５０６の所定の光ファイバに導かれる。
【０００９】
例えば、図５においては、光ファイバアレイ５０１，５０６の各光ファイバは、Ｘ軸方向とＹ軸方向とに２次元に配列されているが、まず、Ｙ軸を中心にマイクロ可動ミラーアレイ５０３，５０４の可動ミラーの反射角度を適当に調整することで、Ｘ軸の上に配列されている任意の光ファイバ間を接続することができる。同様に、Ｘ軸を中心にマイクロ可動ミラーアレイ５０３，５０４の可動ミラーの反射角度を適当に調整することで、Ｙ軸の上に配列されている任意の光ファイバ間を接続することができる。このような、図５に示すフリースペース型光スイッチによれば、マイクロ可動ミラーアレイ５０３，５０４の可動ミラーの反射角度を、ＸＹ両軸を中心に調整することにより，二次元配列された任意の入出力光ファイバ間を接続することができる。
【００１０】
引き続き，同構成による光スイッチ内部で生じる接続損失について説明する。一般にフリースペース光学系内部で生じる損失は，光ビームと出力光ファイバのコア部との結合部分におけるスポットサイズ不整合と位置ずれ，および角度ずれに起因する損失が支配的である。他の損失要因としては各屈折率境界面におけるフレネル反射損失や散乱が考えられるが，無反射コートが取り付けられた光学部品の表面反射率は０．５％以下であり，ほぼ無視できる。
また，各光学部品開口によって生じるケラレ損失の影響は、各構成部品に十分な大きさの開口を持たせることで回避できる。
【００１１】
図６に光ファイバ入出力部を持つフリースペース光学系のモデルを示す。図６のモデルでは、入力用光ファイバ６０１より出射された光信号は、マイクロレンズ６０２により光ビーム６１０とされ、マイクロレンズ６０３により集光されて出力用光ファイバ６０４に導かれるものとしている。入力用光ファイバ６０１とマイクロレンズ６０２とで、入力用ファイバコリメータが構成され、出力用光ファイバ６０４とマイクロレンズ６０３とにより出力用ファイバコリメータが構成されている。
【００１２】
ここで、出力用ファイバコリメータ（出力用光ファイバ６０４）の光軸と光ビーム６１０の進行方向（光軸）とのずれ角をθとし、マイクロレンズ６０３により集光された光ビーム６１０のビームウエスト径をωbeamとし、出力用光ファイバ６０４のモードフィールド径をωfiberとする。また、出力用光ファイバ６０４の入射端面の光ビーム６１０の光軸からのずれ量をｄ、ビームウエストが形成される位置と出力用光ファイバ６０４の入射端面との光軸方向のずれ量をｚとする。このとき、出力用光ファイバ６０４の入射端面に到達した光ビームと出力用光ファイバ６０４との光接続損失（Coupling Loss）は、以下に示すガウシアンビーム同士の結合式を用いて求めることができる。なお、式中、λは、光源の波長を示している。
【００１３】
【数１】
以上のことから、光接続損失は、以下に示す３つの条件を同時に満たす場合に最小となる。
１）集光された光ビームのビームウエスト径と光ファイバのモードフィールド径が等しい（ωbeam＝ωfiber）。
２）光ビーム光軸とファイバ光軸との角度ずれ，および光ビームのビームウエスト形成位置と光ファイバ端面におけるコア部中心位置との光軸に対して垂直方向の軸ずれがそれぞれ零（θ＝ｄ＝０）。
３）光ビームのビームウエスト形成位置と光ファイバ端面との光軸方向の距離が零（ｚ＝０）。
【００１５】
【非特許文献１】
山本他，“３−Ｄ ＭＥＭＳ大規模光スイッチ”，信学技報，ＰＳ２００２−５５，２００２
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図６に示す光学系のモデルにおいて，光ファイバ間の位置調整を行う場合には、各構成部品を自動ステージ等に取り付けた後、一方の光ファイバに光信号を入射し、網一方の光ファイバから出射される光信号の強度を測定し、測定される光信号の強度が最大となる各々の位置を探索する方法が、一般に採用されている。しかし、このような方法では、最適な状態の探索に長い時間を必要とし、さらに、前述した光接続損失が最小となる３つの条件をすべて満たしていることを検証することができない。
【００１７】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、フリースペース光学系などを構成する光学系内部を伝搬する光ビームの伝搬特性、特にビームウエストの大きさとこれが形成位置や、光軸傾きを測定することにより、対向配置されるコリメータ間の光接続損失が最小となるように調芯できるようにすることを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るコリメータ間の調芯方法は、対向配置して互いに光結合させる第１コリメータと第２コリメータとの間に設定したアライメント参照軸の上に、光ビームの光強度分布を測定する測定装置を配置し、第１コリメータより出射された第１光ビームの光強度分布を測定装置で測定し、測定される光強度分布のピークの位置が所定の位置となるように第１コリメータの位置を変更し、第１コリメータの光軸とアライメント参照軸とを一致させ、第２コリメータより出射された第２光ビームの光強度分布を測定装置で測定し、測定される光強度分布のピークの位置が所定の位置となるように第２コリメータの位置を変更し、第２コリメータの光軸とアライメント参照軸とを一致させ、測定装置で測定される第１光ビームの光強度分布のピーク幅が最小となる第１光ビームのビームウエストの位置と、測定装置で測定される第２光ビームの光強度分布のピーク幅が最小となる第２光ビームのビームウエストの位置とを一致させるようにしたものである。
この調芯方法では、第１コリメータと第２コリメータとの間に配置された測定装置により、第１コリメータおよび第２コリメータ各々より出射された第１光ビームと第２光ビームの光強度分布を測定することで、第１コリメータの光軸と第２コリメータの光軸とを一致させ、また、第１光ビームのビームウエスト位置と第２光ビームのビームウエスト位置とを一致させることで、光接続損失を最小としている。
【００１９】
本発明に係る光ビーム強度分布測定装置は、対向配置して互いに光結合させる第１コリメータと第２コリメータとの間に設定したアライメント参照軸の上の所定箇所に配置されて第１コリメータより出射された第１光ビームおよび第２コリメータより出射された第２光ビームの光強度分布を測定する光ビーム強度分布測定装置であって、アライメント参照軸を法線とする主表面および裏面を備えた透明な基板と、この基板の主表面に形成され、第１光ビームを受光して光電変換し、かつ、基板を透過した第２光ビームを受光して光電変換する光電変換膜と、この光電変換膜の前面および基板の裏面の前面に各々対向して設けられ、主表面および裏面に平行な方向に移動可能な遮光板とを少なくとも備えるようにしたものである。
この測定装置は、向きを変更することなく、対向配置された第１コリメータと第２コリメータとより出射された第１光ビームと第２光ビームの光強度分布を測定する。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態における光ビーム強度分布測定用の測定装置１２０の構成例を示す構成図である。測定装置１２０は、入力用ファイバコリメータ（第１コリメータ）１００と出力用ファイバコリメータ（第２コリメータ）１１０との間に配置されて用いられる。測定装置１２０は、光ビーム強度の分布を測定する測定器１２１と、測定器１２１が固定される回転ステージ１２４と回転ステージ１２４を光ビームの伝搬方向に移動させる直動ステージ１２５とから構成されている。
【００２１】
回転ステージ１２４が回転することで、測定器１２１は回転し、また、回転ステージ１２４が直動ステージ１２５の上を移動することで、測定器１２１も直動ステージ１２５の上を移動する。従って、測定器１２１は、測定対象の光ビームの伝搬方向（進行方向）に移動可能にされ、また、光ビームの進行方向に対して垂直方向の軸を中心に回転可能とされている。
【００２２】
また、測定器１２１は、光検出器１２２と遮光板１２３とから構成されている。光検出器１２２は、例えば、光通信に用いられる波長１３００〜１６００ｎｍの光に感度をもつＰｂＳなどからなる光電変換素子である。なお、入力用ファイバコリメータ１００は、入力用光ファイバ１０１とマイクロレンズ１０２とから構成され、出力用ファイバコリメータ１１０は、出力用光ファイバ１１１とマイクロレンズ１１２とから構成されている。
また、図中太い破線の矢印は、測定対象の光ビームの進行方向を示し、細い実線の矢印は、遮光板１２３の移動方向を示している。
【００２３】
つぎに、上述した測定装置１２０を用いた本実施の形態における２つのコリメータ間の調芯方法について説明する。
この調芯方法は、まず、図２（ａ）に示すように、基本となる所定の軸（アライメント参照軸）２０２の上の一方のコリメータである入力用ファイバコリメータ１００に近い位置に、測定器１２１を配置する。ここで、測定器１２１の直動ステージ１２５の移動軸が、軸２０２に重なるようにする。
【００２４】
軸２０２は、調芯対象の２つのコリメータの光軸を一致させるための対象であり、２つのコリメータの各々の光軸を軸２０２に一致させることで、２つのコリメータの光軸を一致させることができる。従って、測定器１２１を配置した状態における直動ステージ１２５の移動軸を、軸２０２としても良い。
【００２５】
以上に説明したような測定装置１２０を、軸２０２の上の２つのコリメータの間に配置された状態とし、入力用ファイバコリメータ１００より出射させた光ビーム２０１の強度分布を測定器１２１で測定し、測定された光ビーム２０１の強度分布が、所定の状態となるように入力用ファイバコリメータ１００のＸ軸方向およびＹ軸方向の位置を調整する。
【００２６】
ここで、測定装置１２０の測定器１２１による光ビームの強度分布測定について説明する（参考文献：「ビームアナライザ・スタンドアロンシステム・カタログ」、メレスグリオ社発行）。まず、測定器１２１の受光面は、測定対象の光ビームの進行方向に対してほぼ垂直な状態に配置し、ここでは、光ビーム２０１が上記受光面に入射するように配置する。このようにして光強度を測定する状態で、遮光板１２３を受光面に平行に移動させ、測定器１２１の受光面に入射する光ビームを徐々に遮断する。このような遮光板を移動させた状態における測定器１２１により測定される光強度は、図３の実線で示されるように変化する。
【００２７】
また、実線で示される光強度の変化の変化分は、点線で示されるようになる。この点線で示される光強度の変化の変化分が、光ビームの光強度分布を示すものとなる。この点線で示される光強度分布のピークの出現位置Ｌが、光ビーム２０１による光軸と測定装置１２０が配置されている軸２０２とのずれの状態を示している。遮光板１２３の位置が測定器１２１の受光面の中央部にある状態で、上記ピークが出現すれば、光ビーム２０１による光軸と測定装置１２０が配置されている軸２０２とが一致していることを示している。すなわち、光検出器１２２の受光面が半分遮光される遮光板１２３の位置に、ピークの出現位置Ｌが重なれば、光ビーム２０１による光軸と測定装置１２０が配置されている軸２０２とが一致したことになる。
【００２８】
また、図３に点線で示される光強度分布の半値幅Ｗが、光ビーム２０１のビーム径を示している。例えば、直動ステージ１２５の上で測定器１２１を移動させていくと、上記半値幅Ｗが変化し、測定器１２１が所定の位置になると、半値幅Ｗが最も小さくなる。この位置が、光ビーム２０１のビームウエストの位置を示すことになる。
【００２９】
これらのように、光検出器１２２の受光面の上で、位置を正確に把握した状態で遮光板１２３を移動させて光ビーム２０１の光強度を測定し、図３の点線で示すような光強度の変化分（光強度分布）を求めることで、光ビーム２０１の軸と軸２０２とのずれの状態や、ビームウエストの位置を測定することが可能となる。また、遮光板１２３を移動させる方向を、図中に示すＸ軸方向およびＹ軸方向の両方とすることで、Ｘ−Ｙ面の光強度分布が求められ、光ビームのＸ軸方向とＹ軸方向のずれ量を測定することが可能となる。
【００３０】
以上に説明したようにすることで、入力用ファイバコリメータ１００より出射させた光ビーム２０１の光強度分布を測定し、この測定の結果得られる上記ピークの出現位置Ｌが所定の位置になるように、入力用ファイバコリメータ１００のＸ軸方向およびＹ軸方向の位置を調整する。
【００３１】
つぎに、図２（ｂ）に示すように、測定器１２１を直動ステージ１２５の上で移動させ、測定器１２１を入力用ファイバコリメータ１００から離れた位置に配置する。この状態で、光ビーム２０１の光強度分布を測定し、この測定の結果得られる上記ピークの出現位置Ｌが所定の位置になるように、入力用ファイバコリメータ１００のＸ軸およびＹ軸を中心とする回転方向の位置を調整する。
ここで、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の位置の調整をした後、測定器１２１の位置を変更し、Ｘ軸およびＹ軸を中心とする回転方向の位置を調整すると、最初に調整したＸ軸方向およびＹ軸方向の位置が多少変化する。従って、図２（ａ）に示すＸ軸方向およびＹ軸方向の位置の調整と、図２（ｂ）に示すＸ軸およびＹ軸を中心とする回転方向の位置の調整とを繰り返し、入力用ファイバコリメータ１００の光軸と軸２０２とのずれが、許容する誤差内となるようにする。
【００３２】
以上のようにして、入力用ファイバコリメータ１００の光軸を軸２０２に合わせた後、前述したように、測定器１２１を直動ステージ１２５の上で移動させて光強度分布を測定し、光強度分布の半値幅Ｗが最小となる位置を検出し、検出した位置を光ビーム２０１のビームウエスト位置として記憶しておく（図２（ｃ）。
つぎに、回転ステージ１２４を１８０°回転させ、測定器１２１の受光面を他方のコリメータである出力用ファイバコリメータ１１０が配置される側に向ける。この状態で、出力用ファイバコリメータ１１０を所定位置に配置し、出力用ファイバコリメータ１１０より光ビームを出射させ、この強度分布を測定器１２１で測定し、前述と同様にすることで、出力用ファイバコリメータ１１０の光軸を軸２０２に合わせる（図２（ｄ））。
【００３３】
つぎに、測定器１２１を直動ステージ１２５の上で移動させて光強度分布を測定し、出力用ファイバコリメータ１１０より出射させた光ビームのビームウエスト位置を検出する。最後に、このビームウエストの位置と、記憶されている光ビーム２０１のビームウエスト位置とのずれ量を算出し、算出したずれ量だけ、出力用ファイバコリメータ１１０の位置を修正する。以上のようにして、入力用ファイバコリメータ１００と出力用ファイバコリメータ１１０との位置を調整（調芯）した後、これらの間より測定装置１２０を取り除くことで、２つのコリメータの調芯が終了する。
【００３４】
ところで、上述した調芯方法では、光結合させる２つのコリメータの各々より出射させた光ビームの各々のビームウエスト位置を一致させるようにした。これは、例えば、マイクロレンズ１１２で集光した光ビームのビームウエスト位置と出力用光ファイバ１１１の光入射端の位置とを一致させることと同様である。
従って、上述した本実施の形態における調芯方法によれば、前述した光接続損失を最小にする３つの条件を同時に満たすものとなる。
【００３５】
ところで、上述では、測定器１２１の向きを１８０°回転させ、対向する２つのコリメータより出射させた光ビームの光強度分布を得るようにしたが、以下に示すことにより、これらを同時に得るようにしても良い。
図４は、対向する２つのコリメータより出射された光ビームの強度分布を同時の測定する測定器（光ビーム強度分布測定装置）の構成例を示す概略的な断面図である。
【００３６】
この測定器は、例えば石英などから構成された透明な基板４０３の主面に光電変換膜４０４を設け、基板４０３の両面に近設する２つの遮光板４０１，４０２を設けたものである。基板４０３は、測定対象となる光ビームの波長に対して透過性を持つ材料であればよい。また、光電変換膜４０４は、測定対象となる光の波長に感度をもつ材料から構成すれば良く、例えば、ＰｂＳなどから構成すればよい。
【００３７】
図４に示す測定器によれば、破線の矢印で示す両側から到達した光ビームの光強度分布を測定することが可能となる。この測定器によれば、図１，２に示した測定装置１２０の回転ステージ１２４を用いる必要が無くなる。また、図４に示す測定器によれば、回転させる際の位置ずれによる誤差の影響を回避でき、より高い精度で光強度分布を得ることができるようになる。
【００３８】
なお、上述では、入力用ファイバコリメータ１００と出力用ファイバコリメータ１１０との間の光接続損失を最小とするために、これらの光軸を合わせる場合を例にしたが、これに限るものではない。
本発明は、例えば、半導体レーザから出射された光をマイクロレンズなどによって光ビームとし、この光ビームをファイバコリメータに結合させる場合にも適用できる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、第１コリメータと第２コリメータとの間に配置された測定装置により、第１コリメータおよび第２コリメータ各々より出射された第１光ビームと第２光ビームの光強度分布を測定することで、第１コリメータの光軸と第２コリメータの光軸とを一致させ、また、第１光ビームのビームウエスト位置と第２光ビームのビームウエスト位置とを一致させることで、光接続損失が最小となるように調芯するようにした。
この結果、本発明によれば、より迅速にかつ精度良く、対向配置されるコリメータ間の光接続損失が最小となるように調芯できるようになるという優れた効果が得られる。
【００４０】
また、本発明では、向きを変更することなく、対向配置された第１コリメータと第２コリメータとより出射された第１光ビームと第２光ビームの光強度分布を測定できるので、高い精度で調芯できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態における光ビーム強度分布測定用の測定装置の構成例を示す構成図である。
【図２】 本発明の実施の形態における光ビーム強度分布測定による調芯方法を説明するための概略的な構成図である。
【図３】 測定器１２１により測定される光強度の状態を示す特性図である。
【図４】 本発明の光ビーム強度分布測定装置の一部構成を示す模式的な断面図である。
【図５】 フリースペース型光スイッチの構成を示す斜視図である。
【図６】 光ファイバ入出力部を持つフリースペース光学系のモデルを示す構成図である。
【符号の説明】
１００…入力用ファイバコリメータ（第１コリメータ）、１０１…入力用光ファイバ、１０２…マイクロレンズ、１１０…出力用ファイバコリメータ（第２コリメータ）、１１１…出力用光ファイバ、１１２…マイクロレンズ、１２０…測定装置、１２１…測定器、１２２…光検出器、１２３…遮光板、１２４…回転ステージ、１２５…直動ステージ、２０１…光ビーム、２０２…軸（アライメント参照軸）。
Claims (2)
- 対向配置して互いに光結合させる第１コリメータと第２コリメータとの間に設定したアライメント参照軸の上に、光ビームの光強度分布を測定する測定装置を配置する第１ステップと、
前記第１コリメータより出射された第１光ビームの光強度分布を前記測定装置で測定し、測定される光強度分布のピークの位置が所定の位置となるように前記第１コリメータの位置を変更し、前記第１コリメータの光軸と前記アライメント参照軸とを一致させる第２ステップと、
前記第２コリメータより出射された第２光ビームの光強度分布を前記測定装置で測定し、測定される光強度分布のピークの位置が所定の位置となるように前記第２コリメータの位置を変更し、前記第２コリメータの光軸と前記アライメント参照軸とを一致させる第３ステップと、
前記測定装置で測定される前記第１光ビームの光強度分布のピーク幅が最小となる前記第１光ビームのビームウエストの位置と、前記測定装置で測定される前記第２光ビームの光強度分布のピーク幅が最小となる前記第２光ビームのビームウエストの位置とを一致させる第４のステップと
を少なくとも備えたことを特徴とするコリメータ間の調芯方法。 - 対向配置して互いに光結合させる第１コリメータと第２コリメータとの間に設定したアライメント参照軸の上の所定箇所に配置されて前記第１コリメータより出射された第１光ビームおよび前記第２コリメータより出射された第２光ビームの光強度分布を測定する光ビーム強度分布測定装置であって、
前記アライメント参照軸を法線とする主表面および裏面を備えた透明な基板と、
この基板の主表面に形成され、前記第１光ビームを受光して光電変換し、かつ、前記基板を透過した前記第２光ビームを受光して光電変換する光電変換膜と、
この光電変換膜の前面および前記基板の裏面の前面に各々対向して設けられ、前記主表面および裏面に平行な方向に移動可能な遮光板と
を少なくとも備えたことを特徴とする光ビーム強度分布測定装置。
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