JP4369599B2

JP4369599B2 - 光ファイバ体及びそれを備えた光モジュール

Info

Publication number: JP4369599B2
Application number: JP2000195093A
Authority: JP
Inventors: 恭史佐藤
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2000-06-28
Filing date: 2000-06-28
Publication date: 2009-11-25
Anticipated expiration: 2020-06-28
Also published as: JP2002014253A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信機器や光計測用センサ等に好適に使用され、光ファイバと他の光アイソレータや波長フィルタ等の光学素子とを光結合（光接続）させる光ファイバ体及びそれを備えた光モジュールに関する。
【０００２】
【従来技術とその課題】
光技術の発達とともに、光通信や光計測等の分野において、光ファイバを用いた光信号や光エネルギの伝送手段が盛んに利用されている。このようなシステムでは、光源や受光器、フィルタやセンシングのための光学素子、及び光ファイバを光結合させる必要がある。そして、波長フィルタやセンシングのための光学素子を光ファイバの伝送路中に挿入する場合は結合損失を極小にしなければならない。
【０００３】
図５に示すように、これまで伝送用のシングルモードファイバ１、レンズ８、波長フィルタなどの光学素子４、レンズ８、シングルモードファイバ１の順にアライメントして光学系を構成したものが最も多く利用されてきた。なお、９はレンズを保持するためのホルダ、１０はパッケージである。
【０００４】
上記光学系においては、光学素子４、レンズ８等は独立した部品として、それぞれが別々にホルダに固定された後にアライメントされるため、部品点数が多く調整も煩雑で、大型化してしまうといった問題があった。
【０００５】
また、この問題に対応するため、図６に示すように、レンズを使用せずに２つのコア拡大ファイバ１１を用い、これらで光学素子４を挟むようにアライメントするものが提案されている（例えば、特開平９−５４２８３号公報を参照）。
【０００６】
このようなコア拡大ファイバは、焦点ずれ（光軸と並行方向でコア拡大ファイバどうしの距離に相当）のトレランスが大きいため、光ファイバどうしを離して、その間に光学素子を設置しても結合損失が少ない。コア拡大ファイバの軸ずれ（光軸と垂直方向のずれ）の調整が重要であるが、外形上は通常の光ファイバと同じであるため、フェルール内に挿入可能で、通常の光ファイバと接続しても接続部に段差等が生じないため、なのでフェルール内やファイバ搭載用のＶ溝等が形成された基体に実装することにより、コア拡大ファイバの軸合わせは極めて高い精度で保証できる。また、レンズを使用しないので装置全体が小型化できるなどの利点を有する。
【０００７】
このようなコア拡大ファイバは、一般的なシングルモードファイバを局所的に加熱して作られる。シングルモードファイバを加熱し、コアにドープされているＧｅ等のドーパントを拡散させ、ドーパントの拡散領域を広くするとともに比屈折率差を小さくしている。
【０００８】
光ファイバのコアとクラッドの比屈折率差が変らない状態でコア径が大きくなると、シングルモード条件が崩れマルチモードが励振されてしまう。コア拡大ファイバの場合は、熱によるドーパントの拡散のため、コアの拡大と比屈折率差の低下が同時に起こり、自動的にｒ×（Ｄ）^1/2が一定に保たれる。ここで、ｒは光ファイバのコアの半径、Ｄはコアとクラッドの比屈折率差、ｒ×（Ｄ）^1/2は規格化周波数に比例する量であり、これが一定ならばシングルモード条件は保たれる。
【０００９】
図７にコア拡大ファイバを用いた光結合の特性を示す。横軸にコア拡大ファイバの端面間距離（対向間距離）、縦軸に光の結合損失を示し、ｗはそれぞれのモードフィールド径を示す。なお、光の波長は光通信で一般に使われる１．３１μｍとし、溝（光ファイバ間）は空気（屈折率ｎ＝１）で満たされていることとした。モードフィールド径が１０μｍのコアを拡大していない場合は、光ファイバの対向間距離が１２０μｍで３ｄＢ以上の損失があるのに対し、モードフィールド径が４０μｍの場合は、光ファイバの対向間距離が９００μｍでも損失が１ｄＢ以下であり、明らかに結合特性が改善されることがわかる。
【００１０】
ただし、このようなコア拡大ファイバは、前述のように光ファイバを加熱して作製するため以下のような問題がある。コア径を４０μｍに拡大するためには、１０００℃以上の温度で数時間から数十時間の加熱が必要であり、非常に手間を要する。また、コア径が１０μｍの部分と４０μｍに拡大された部分は、コア径が徐々に拡大していくテーパー状でなければならないが、加熱箇所と温度分布の制御が難しい。また、加熱中は光ファイバがたるまないように張力を付与しておく必要があるが、熱と張力で光ファイバがのび、その外径が僅かに小さくなるのでアライメント時の精度が低下する。
【００１１】
また、グレイデッドインデックスファイバ（以下ＧＩファイバ）をレンズとして用いる例が知られている（例えば、電子情報通信学会１９９５年総合大会Ｃ２８３を参照）。
【００１２】
ここで、ＧＩファイバとは、ファイバの中心軸から徐々に屈折率が下がるような軸対称の屈折率分布を持つ光ファイバであり、一般にはマルチモード伝送に用いられる。ほとんどのＧＩファイバはほぼ２乗の屈折率分布をもつ。この屈折率分布はグレイデッドインデックスレンズ（ＧＲＩＮレンズとも呼ばれる）と同様にレンズ効果を持つため、適当な屈折率分布のＧＩファイバを適切な長さで用いれば結合光学系を形成することができる。また、ＧＩ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△、コア径Ｄ、収束パラメータＡがある。
【００１３】
さらに、ＧＩファイバ中の光線は図９に示すようなサインカーブの挙動を示すため、その長さをその光線挙動の周期に対応させてピッチ（Ｐ）で表わす。図９の横軸はピッチを表わし、縦軸はＧＩファイバ内での光線の位置を示し、最も光が広がった箇所を１として相対的に図示したものである。なお、Ｐ＝１は、サインカーブの１周期（２π）に相当する。点光源が平行光になるのはＰ＝０．２５であり、再度、点に収束するのはＰ＝０．５である。
【００１４】
図８にＧＩファイバを用いた光学系の一例を示す。シングルモードファイバ１の先端にＰ＝０．２５（点光源をコリメート光にする条件）の長さのＧＩファイバ２を接合しＧＩファイバコリメータ１２とする。このＧＩファイバコリメータ１２をファイバ整列用Ｖ溝と光学素子設置用溝をもつ基体の上でアライメントする。ここで、ファイバ整列用Ｖ溝の精度が良好であれば光軸と垂直方向のずれはほとんど生じない。即ち、ＧＩファイバはシングルモードファイバと同じ外径を有しているため、光ファイバを固定する部材を工夫すれば（例えば高精度の内径を持つフェルールや前述のＶ溝を有する基体）、光軸に対し垂直方向のずれを抑えることが容易である。
【００１５】
ただし、ＧＩファイバはレンズであるため、焦点方向の調整が必要で手間がかかる。また、焦点方向の位置調節や光学素子搭載のためのクリアランスが必要であり、光がいったん光ファイバから空間に出射した光結合に成らざるを得ない。ＧＩファイバ間に距離が必要になるとさらに調整が面倒になり、ＧＩファイバから光が空間に出射すると光ファイバと空間とでは屈折率が異なるため出射端面で反射が生じてしまう等の問題点があった。
【００１６】
これらの問題点を解決するため、安価なＧＩレンズを用いた簡便な構造で全ての軸のアライメントを不要にし、ＧＩファイバ端面での反射の影響の少ない安定したレンズレスの光ファイバ体を提供することを本発明の目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の光ファイバ体は、コアレスファイバの一端にグレイデッドインデックスファイバの一端を接続し、グレイデッドインデックスファイバの他端に、シングルモードファイバを接続するとともに、前記コアレスファイバの他端に、他のグレイデッドインデックスファイバの一端を接続し、該グレイデッドインデックスファイバの他端に、他のシングルモードファイバの一端を接続していることを特徴とする。
【００１９】
また、コアレスファイバの長さが前記グレイデッドインデックスファイバの光出射端面からビームウエストまでの距離の２倍であることを特徴とする。
【００２０】
さらに、グレイデッドインデックスファイバの長さを規定するピッチＰが、０．２５＜Ｐ＜０．５を満足することを特徴とする。
【００２１】
また、上記光ファイバ体を基体に配設した本発明の光モジュールの製造方法は、コアレスファイバの両端にグレイデッドインデックスファイバとシングルモードファイバとを順次接続して光ファイバ体を作製する工程と、該光ファイバ体を基体に設置する工程と、該基体に前記光ファイバ体の前記コアレスファイバを２つに分断する溝を形成する工程と、該溝内に分断された前記コアレスファイバの間に光学素子を介在させる工程とを有することを特徴とする。
【００２３】
ここで、コアレスファイバの端面と光学素子の間隙に屈折率がコアレスファイバとほぼ等しい物質を充填すると、屈折率差による界面反射がなくなるので、結合損失を極力小さくすることができる。
【００２４】
また、光ファイバ体、光学素子を固定するための基体をフェルール、若しくはＶ溝を有する基板とすると、光ファイバの軸合わせが容易となるのでよい。さらに、波長板やフィルタ等に比べ光アイソレータは厚いので従来の光学系では損失が多かったが本発明によれば損失を低減でき光アイソレータの実装にも適する。
【００２５】
また、ＧＩファイバ端面に点光源があった時のコリメート条件ではＰ＝０．２５だが、実際に結合効率が最も高い場合は、光ファイバ体どうしのビームウエストが一致する場合である。Ｐ＝０．２５ではビームウエストはちょうどＧＩファイバの出射端面に位置することになり、ＧＩファイバの間に光学素子を挟むとビームウエストどうしは離れてしまう。
【００２６】
従って、端面からビームウエストを離れた位置にするためには、ピッチＰは０．２５より大きくする必要がある。これにより、予めコアレスファイバの長さで焦点距離が調整されＧＩファイバ端面間の距離が固定されているため、光学素子をほぼアライメントフリーで実装可能で損失の少ない安定した光ファイバ体が得られる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明に係る実施形態について図面に基づき詳細に説明する。なお、各図において同一部材については、同一符号を付し説明を省略するものとする。
【００２８】
図１に示すように、本発明の光ファイバ体Ｆ１は、モードフィールド径（以下、ＭＦＤ）が例えば約１０μｍの伝送用の第１のシングルモードファイバ１Ａ、Ｐ（ピッチ）＞０．２５の第１のＧＩファイバ２Ａ、ＧＩファイバ２Ａから出射される光のビームウエストとＧＩファイバ２Ａの光出射端面１５の距離をｄとして、長さ２ｄのコアレスファイバ３、第２のＧＩファイバ２Ｂ、伝送用のシングルモードファイバ１Ｂを縦列に接続し光ファイバ体Ｆ１を構成している。
【００２９】
すなわち、シングルモードファイバ１Ａの一端に、ＧＩファイバ２Ａの一端を接続し、ＧＩファイバ２Ａの他端に、焦点距離調節用のコアレスファイバ３の一端を接続している。そして、コアレスファイバ３の他端に、他のＧＩファイバ２Ｂの一端を接続し、このＧＩファイバ２Ｂの他端に、他のシングルモードファイバ１Ｂの一端を接続している。なお、これら光ファイバはいずれも石英ガラスや樹脂等で構成され、光ファイバどうしの接続は融着や透光性の接着材を用いることとする。
【００３０】
ここで、コアレスファイバ３の長さがＧＩファイバ２Ａの光出射端面１５からビームウエストまでの距離ｄの２倍としたのは、光結合が最大となるからである。
【００３１】
また、ＧＩファイバ２Ａ，２Ｂの長さを規定するピッチＰが、０．２５＜Ｐ＜０．５とするのは、ＧＩファイバの外側（コアレスファイバ側）にビームウエストがある条件であるからである。Ｐ＜０．２５ではビームウエストはＧＩファイバ内にあり、出射光は発散光になる。
【００３２】
次に、このような光ファイバ体Ｆ１を備えた光モジュールについて説明する。図２（ａ）に示すように、第１のシングルモードファイバ１Ａの先端に第１のＧＩファイバ２Ａを融着や透光性の接着材により接続する。次に、図２（ｂ）に示すように、ＧＩファイバ２Ａにコアレスファイバ３を同様にして接続し、図２（ｃ）に示すように、第２のＧＩファイバ２Ｂ、第２の伝送用のシングルモードファイバ１Ｂを同様にして接続する。次に、図２（ｄ）に示すように、この光ファイバ体Ｆ１をファイバを固定するためのＶ溝１３を異方性エッチング等で精度良く形成した基板５上に搭載し、接着材により固定する。そして、図２（ｅ）に示すように、コアレスファイバ３の中間部にこれを分断する光学素子実装溝１４をダイシングにより形成し、図２（ｆ），（ｇ）に示すように、波長フィルタや光アイソレータ等の光学素子４を配設し、コアレスファイバ３と光学素子４の間隙１６に屈折率がコアレスファイバとほぼ等しい透光性の接着剤７を充填し固定する。
【００３３】
かくして、光ファイバ体Ｆ１を基体５に配設し、基体５にコアレスファイバ３を２つに分断する溝１４を形成し、溝１４内に分断されたコアレスファイバ３間を光接続させる光学素子４を配設した、損失の少ない非常に優れた光モジュールＭ１が完成する。
【００３５】
【実施例】
以下に、本発明のより具体的な実施例について説明する。
【００３６】
〔例１〕
まず、図２（ａ）に示すように、ＭＦＤが約１０μｍの石英系シングルモードファイバ１Ａの先端に、△＝０．８５％、コア径が１０５μｍ、収束パラメータＡ＝３．３７×１０^-6μｍ^-2、Ｐ＝０．２５８（６５３μｍ）のＧＩファイバ２Ａを放電による融着加工で接続した。
【００３７】
周囲の媒質がｎ＝１．４６（光ファイバの屈折率相当）であれば、ＧＩファイバ２ａの端面１５から、このＧＩファイバで形成される出射光のビームウエストまでの距離は５５０μｍとなる。
【００３８】
図２（ｂ）に示すように、ｎ＝１．４６の屈折率をもつコアレスファイバ３をＧＩファイバ２Ａに放電による融着加工により接続し、１１００μｍの長さでカットした。次いで、図２（ｃ）に示すように、ＧＩファイバ２Ａと同じＧＩファイバ２Ｂ、シングルモードファイバ１Ｂをこの順に融着接続し光ファイバ体Ｆ１を作製した。
【００３９】
次に、図２（ｄ）に示すように、ミラー指数で（１００）面を主面とする単結晶シリコンから成る基板にＫＯＨ水溶液による異方性エッチングを施し、幅１４０μｍでミラー指数で｛１１１｝面を斜面とするファイバ搭載Ｖ溝１３を形成し、この基体５（長さ５ｍｍ、幅３ｍｍ、厚さ１ｍｍ）に光ファイバ体Ｆ１を設置し、エポキシ系樹脂である熱硬化性接着剤でこれを固定した。
【００４０】
次に、図２（ｅ）に示すように、コアレスファイバ３を分断するべく、光学素子搭載用溝１４（幅８００μｍ）をダイサーにより切削加工で形成した。そして、図２（ｆ）に示すように、厚さ７００μｍの光学素子４（光アイソレータ）を光学素子搭載用溝１４に設置し、屈折率ｎ＝１．４６に調整したエポキシ系樹脂である紫外線硬化型屈折率整合接着剤を、光学素子４とコアレスファイバ３の間隙および周辺に隙間なく充填し固定した。このときの挿入損失は光学素子とあわせ０．５１ｄＢであった。
【００４１】
なお、本実施例では光ファイバと基板の固定にエポキシ系樹脂である熱硬化型接着剤を用いたが、より信頼性の高い低融点ガラスやハンダを用いても良い。
【００４２】
〔例２〕
本発明の光ファイバ体Ｆ１を用い、基体にフェルールを用いた実施例を図３に示す。例１と同様に作製した光ファイバ体Ｆ１を、直径φ１．２５ｍｍ、長さ１０ｍｍのジルコニア製フェルール６に挿入し固定した。光ファイバの固定には熱硬化型エポキシ接着剤を用いた。
【００４３】
さらに、コアレスファイバ３を分断する位置でフェルール６に幅８００μｍの光学素子搭載用溝１４をダイサーにより形成した。そして、この光学素子搭載用溝１４に厚さ７００μｍの光学素子４（光アイソレータ）を挿入し、屈折率ｎ＝１．４６の紫外線硬化型接着剤７を充填し固定した。このときの挿入損失は光学素子の損失も含め０．４４ｄＢであった。
【００４４】
また、フェルール６の内径精度はサブミクロンオーダーで保証されており、なおかつファイバの全周方向から保持されるため、同軸度やファイバの光直進性はＶ溝付き基板より優れている。また、一体であったコアレスファイバ３を分断しているため軸ずれは原理的に発生しない。
【００４５】
〔例３〕
例２のフェルール内に組み立てた光学系において、ＧＩファイバコリメータを２つ用い光学素子を挟み込んで固定したものである。
【００４６】
図４に示すように、シングルモードファイバ１Ａの先端に、△＝０．８５％、コア径１０５μｍ、収束パラメータＡ＝３．３７×１０^-6μｍ^-2、Ｐ＝０．２５８（６５３μｍ）のＧＩファイバ２Ａを放電による融着加工で接続した。
【００４７】
周囲の媒質がｎ＝１．４６（光ファイバの屈折率相当）であれば、ＧＩファイバ２Ａの端面１５から、このＧＩファイバで形成される出射光のビームウェストまでの距離は５５０μｍとなる。
【００４８】
厚さ７００μｍの光学素子を実装するので、２００μｍ（５５０−７００／２）の長さでｎ＝１．４６の屈折率をもつコアレスファイバ３Ａを、ＧＩファイバ２Ａに放電による融着加工で接続して、ＧＩファイバコリメータ１２を作製した。
【００４９】
φ１．２５ｍｍ、長さ１０ｍｍのジルコニア製フェルール６に、φ１２０μｍで厚さ７００μｍの円筒状に加工した超小型の光アイソレータ４を挿入し、フェルール６の両端からＧＩファイバコリメータ１２に、屈折率ｎ＝１．４６の熱硬化性エポキシ接着剤を塗布し、これを硬化させて、光アイソレータ４を固定した。
【００５０】
光ファイバの端面は切断時においては劈開によるが、ダイサーによる切削面や研磨面より平滑性が高いため、面散乱による損失が低減できる。また、ＧＩファイバコリメータ１２を光学素子（光アイソレータ４）に突き当てる構造なので隙間を極少にすることができる。
【００５１】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の光ファイバ体によれば、以下の顕著な効果を奏することができる。
【００５２】
・レンズを用いないので簡略な構成で安価に作製が可能である。
【００５３】
・ＧＩファイバの長さ調整のみで光学系が形成できるため、調整軸が少く、光学素子を容易に配設可能である（分断方式は軸合わせ不要）。
【００５４】
・焦点距離が予め調整されたコアレスファイバで固定されているため安定性に優れる。
【００５５】
・まず、光ファイバの長さで光学調整を行い、後から光学素子をアライメントフリーで搭載可能であるので、光学素子自体は耐熱性がなくとも、光ファイバをハンダや低融点ガラス等の高温固定方法で固定可能である。なお、通常は光学素子を設置した後にレンズや光ファイバの調整を行うため、光ファイバの固定に高温プロセスを使用できない。
【００５６】
・コアレスファイバは空気（ｎ＝１）より屈折率が高いので、ビームの広がりが少なく、そのため結合効率とトレランスが大きい。
【００５７】
・光学素子と光ファイバの間に屈折率整合整合剤を充填することにより、光ファイバ端面で光が反射しない。また、間隙が充填されているため、光学素子やファイバの端面での結露や汚れが発生しない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光ファイバ体を模式的に説明する断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｇ）は本発明に係る光ファイバ体の作製工程を模式的に説明する図であり、（ａ）〜（ｆ）は斜視図、（ｇ）は断面図である。
【図３】本発明に係る光ファイバ体の実施形態を模式的に示す断面図である。
【図４】本発明に係る光ファイバ体の実施形態を模式的に示す断面図である。
【図５】従来の光学系を模式的に説明する断面図である。
【図６】従来の光学系を模式的に説明する断面図である。
【図７】コア拡大ファイバの対向間隔と結合損失の関係を示すグラフである。
【図８】従来の光学系を模式的に説明する断面図である。
【図９】ＧＩファイバ内の光線の挙動を説明する模式図である。
【符号の説明】
１Ａ、１Ｂ：シングルモードファイバ
２Ａ、２Ｂ：ＧＩファイバ
３：コアレスファイバ
４：光学素子
５：基体
６：フェルール
７：屈折率整合接着剤
８：レンズ
９：ホルダ
１０：パッケージ
１１：コア拡大ファイバ
１２：ＧＩファイバコリメータ
１３：ファイバ固定用Ｖ溝
１４：光学素子搭載用溝
１５：端面
１６：間隙
Ｆ１：光ファイバ体
Ｍ１：光モジュール

Claims

コアレスファイバの一端にグレイデッドインデックスファイバの一端を接続し、グレイデッドインデックスファイバの他端に、シングルモードファイバを接続するとともに、前記コアレスファイバの他端に、他のグレイデッドインデックスファイバの一端を接続し、該グレイデッドインデックスファイバの他端に、他のシングルモードファイバの一端を接続し、前記グレイデッドインデックスファイバの長さを規定するピッチＰが０．２５＜Ｐ＜０．５を満足するとともに、前記コアレスファイバの長さは前記グレイデッドインデックスファイバの光出射端面からビームウェストまでの距離の２倍であることを特徴とする光ファイバ体。
請求項１記載の光ファイバ体を基体に配設した光モジュールの製造方法であって、コアレスファイバの両端にグレイデッドインデックスファイバとシングルモードファイバとをそれぞれ接続して光ファイバ体を作製する工程と、該光ファイバ体を基体に設置する工程と、該基体に前記光ファイバ体の前記コアレスファイバを２つに分断する溝を形成する工程と、該溝内に分断された前記コアレスファイバ間に光学素子を介在させる工程とを有することを特徴とする光モジュールの製造方法。