JP4665240B2 - 光伝送装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光伝送装置に関し、特に基板上に形成された導波路と、他の光学素子とを光学的に結合させる光伝送装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光通信における伝送帯域が増大の一途を辿り、波長多重化技術の進展とあいまって、高速大容量化が進んでいる。基幹通信ネットワークにおける光ファイバ網のハードウェア基盤（インフラストラクチャ）を構築するために、光信号の行き先を切り換える光スイッチが必要である。
【０００３】
図９（Ａ）に、光スイッチの一例を示す。光スイッチは、複数の光分波器１００、光スイッチモジュール１０１、複数の光合波器１１０、複数の光増幅器１１１を含んで構成される。光分波器１００の各々に、光ファイバ１２０が接続されている。光ファイバ１２０を通って、波長多重された光信号が光分波器１００に入力される。光分波器１００は、波長多重された光信号を複数の光信号に分割する。分割された光信号が後段の光スイッチモジュール１０１に入力される。
【０００４】
光スイッチモジュール１０１は３段構成を有する。各段は、複数の光スイッチ基板により構成される。第１段目においては、光スイッチ基板が光分波器１００毎に設けられ、各光分波器１００内の導波路間でのスイッチングを行う。第２段目は、第１段目の複数の光スイッチ基板に跨ったスイッチングを行う。さらに、第３段目は、第２段目の複数の光スイッチ基板に跨ったスイッチングを行う。
【０００５】
光合波器１１０は、第３段目の光スイッチ基板毎に設けられており、第３段目の光スイッチ基板の各々から出力される光信号を多重化する。多重化された光信号が、光増幅器１１１で増幅される。光分波器１００と光スイッチモジュール１０１の第１段目の光スイッチ基板、光スイッチモジュール１０１の各段の光スイッチ基板とその後段の光スイッチ基板、及び第３段目の光スイッチ基板と光増幅器１１１が、光コネクタ１１５で接続されている。
【０００６】
図９（Ｂ）に、図９（Ａ）に示した光スイッチモジュール１０１の光スイッチ基板の平面図を示す。長方形の基板１２５の表面上に、その縁に平行な方向をＸ軸及びＹ軸とするＸＹ直交座標系を定義する。光をＸ軸方向に伝搬させる複数の入射側の光導波路１３０が、Ｙ軸に平行な１つの縁に沿って配列している。基板１２５の表面上に、入射側光導波路１３０の各々に対応してコリメートレンズ１３１及びビーム偏向素子１３２が配置されている。
【０００７】
スラブ導波路１３３が形成された領域を挟んでビーム偏向素子１３２の各々に対向するように、出射側のビーム偏向素子１３４が配置されている。ビーム偏向素子１３４の各々に対応するように、集光レンズ１３５及び出射側の光導波路１３６が配置されている。
【０００８】
入射側のビーム偏向素子１３２は、光ビームの進行方向を基板面内で変化させる。進行方向の変化した光ビームが、スラブ導波路１３３内を伝搬し、出射側のビーム偏向素子１３４に入射する。ビーム偏向素子１３４は、光ビームの進行方向を変化させて、光ビームを対応する集光レンズ１３５に入射させる。集光レンズ１３５は、対応する出射側の光導波路１３６の入射端に光ビームを集光する。
【０００９】
入射側のビーム偏向素子１３２で、光ビームを所望の方向に偏向させることにより、入射側光導波路１３６に入射した光信号を、所望の出射側の光導波路１３６に到達させることができる。偏向方向を、光信号のタイムスロット毎に制御することにより、スイッチングが行われる。
【００１０】
図９（Ｂ）に示した出射側の光導波路１３６に、例えば図９（Ａ）に示した光合波器１１０の入射側の光導波路を接続する方法が、特開２０００−３０４９６６号公報や特開平５−４０２１４号公報に開示されている。
【００１１】
特開２０００−３０４９６６号公報に記載された発明によると、出射側光導波路と入射側光導波路との間に、出射側光導波路の各々に対応してレンズが配置される。これらのレンズは、対応する出射側光導波路から出射した発散光を、対応する入射側光導波路の入射端に向けて集束させる。出射側光導波路の出射端面が一列に配列しているため、これら複数のレンズは、一体化されたマイクロレンズアレイで構成される。
【００１２】
特開平５−４０２１４号公報に記載された発明によると、出射側光導波路と入射側光導波路との間に、出射側導波路の各々に対応して、コリメートレンズと集光レンズとが配置される。出射側導波路から出射した発散光が、対応するコリメートレンズで平行光線束にされ、この平行光線束が集光レンズにより入射側光導波路の入射端面上に集束される。これら複数のコリメートレンズ及び集光レンズも、マイクロレンズアレイで構成される。コリメートレンズと集光レンズとの間の光ビームは平行光線束であるため、コリメートレンズと集光レンズとの間で切り離す場合に、求められる位置合わせ精度を緩和することができる。また、レンズにより封止構造とされるため、光学系内部を保護することができる。さらに、ゴミ付着の影響を軽減することができる。
【００１３】
特開平５−２６４８７４号公報に、光源から放射された光をレンズで集光し、光ファイバの入射端面に入射させる光学系が開示されている。これら光学素子を取り付ける部品の熱膨張を利用して、温度変化に伴うレンズの焦点距離の変動が補償される。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
出射側光導波路と入射側光導波路との結合効率を高く維持するために、温度変化による光導波路とレンズとの位置ずれを抑制しなければならない。温度変化によるレンズの焦点距離の変動に起因する位置ずれ（光ビームの進行方向と平行な方向に関する位置ずれ）は、上述の特開平５−２６４８７４号公報に開示された取り付け部品の熱膨張を利用する方法で補償することができる。光導波路がシングルモードである場合には、光ビームの進行方向に直交する２方向に関して、１μｍ以下の位置精度が求められる。
【００１５】
レンズをマイクロレンズアレイで構成する場合、レンズを形成する材料の熱膨張によりレンズ同士の間隔が変動する。このため、特定の光導波路とレンズとの位置を高精度に合わせると、他の光導波路とレンズとの位置がずれてしまう。
【００１６】
本発明の目的は、光導波路とレンズとの温度変動による位置ずれを防止し、光結合効率の低下を防止することが可能な光伝送装置を提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によると、
下地表面上に形成され、該下地表面の法線方向に関して光を閉じ込める導波路であって、該下地表面に平行な第１の方向に光を導波させる導波部分、及び前記導波部分から出射して該下地表面に平行な方向に発散する光を集束させるレンズ部分とを含む少なくとも１つの前記導波路と、
前記導波路のレンズ部分を透過して前記下地表面に垂直な方向に発散する光を集束させるレンズと、
前記導波路のレンズ部分と前記レンズとを支持する支持部材と
を有する光伝送装置が提供される。
【００１８】
本発明の他の観点によると、
第１及び第２の光コネクタであって、各々が、導波路、レンズ、及び支持部材を有し、該導波路は、下地表面上に形成され、該下地表面の法線方向に関して光を閉じ込め、さらに該導波路は、該下地表面に平行な第１の方向に光を導波させる導波部分と、該導波部分から出射して該下地表面に平行な方向に発散する光を集束させるレンズ部分とを含み、前記レンズは、前記導波路のレンズ部分を透過して前記下地表面に垂直な方向に発散する光を集束させ、該支持部材は、前記導波路のレンズ部分と前記レンズとを支持する前記第１及び第２の光コネクタと、
前記第１の光コネクタの前記導波部分を伝搬し、前記導波路のレンズ部分及び前記レンズで集束された光ビームが、前記第２の光コネクタの前記レンズ及び前記導波路のレンズ部分で集束され、前記導波部分に集光されるように前記第１の光コネクタと第２の光コネクタとを着脱可能に接続する接続部材とを有する光伝送装置が提供される。
【００１９】
導波路のレンズ部分とレンズとにより、導波路の導波部分から出射して発散する光ビームを集束させることができる。導波路の導波部分とレンズ部分とが同一基板上に形成されているため、両者の位置合わせを容易に行うことができる。また、レンズとして柱面レンズを用いることができる。柱面レンズを用いる場合には、その柱面の母線に平行な方向の位置あわせを厳密に行う必要がないため、レンズと導波路との位置あわせも、容易に行うことができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１及び図２を参照して、本発明の第１の実施例について説明する。図１（Ａ）は、第１の実施例による光伝送装置の平面図を示し、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の一点鎖線Ｂ１−Ｂ１における断面図を示す。図２は、第１の実施例による光伝送装置の主要部の部分破断斜視図を示す。
【００２１】
図１（Ａ）に示すように、第１の実施例による光伝送装置は、送信側の光導波路基板１０、外部柱面レンズ２５、コネクタ２８、及び受信側の光導波路基板３０、柱面レンズ３５、コネクタ３８、及びスリーブ４０を含んで構成される。送信側の光導波路基板１０及び受信側の光導波路基板３０の表面をＸＹ面とし、光信号の伝送方向をＸ軸とし、基板の法線方向をＺ軸とするＸＹＺ直交座標系を考える。
【００２２】
送信側の光導波路基板１０は、シリコンまたはガラス等で形成される。送信側光導波路基板１０の表面上に、複数の光導波路１１が形成されている。図１（Ａ）では、２本の光導波路１１のみを表しているが、通常はより多くの光導波路が配置される。各光導波路１１はＸ軸に平行な方向に光を伝搬させ、それらの出射端は、Ｙ軸に平行に配列している。光導波路１１の各々の出射端に連続するように、基板表面上に内部柱面レンズ１２が形成されている。複数の内部柱面レンズ１２は、すべて同一の形状を有し、一つの内部柱面レンズ１２をＹ軸に平行な方向に並進移動させることにより、他の内部柱面レンズ１２に重ねることができる。
【００２３】
光導波路１１及び内部柱面レンズ１２は、図１（Ｂ）及び図２に示すように、下側クラッド１３、コア１４、及び上側クラッド１５からなる３層構造を含む。コア１４は、上下のクラッド１３及び１５よりも大きな屈折率を有する。この３層構造は、基板１０の表面上にフォトポリマを塗布した後、フォトリソグラフィ技術を用いてパターニングすることにより形成される。光導波路１１の幅及びコア１４の厚さは、５〜１０μｍ程度である。
【００２４】
内部柱面レンズ１２の各々は、Ｚ軸に平行な直線を母線とする柱面を有し、光導波路１１の出射端から出射して発散する光ビーム１６を、ＸＹ面内の方向に関して集束させる。内部柱面レンズ１２の柱面は、透過光がＸＹ面内の方向に関してほぼ平行光線束になるように光学設計されている。このため、内部柱面レンズ１２を透過した光ビーム１７は、ＸＹ面内に関してほぼ平行光線束となる。
【００２５】
内部柱面レンズ１２自体も、光導波路１１と同様の３層構造を有する。このため、光導波路１１の出射端から内部柱面レンズ１２の出射側の面までの間では、光ビームがコア１３内に閉じ込められ、ＺＸ面内の方向に関しては発散しない。内部柱面レンズ１２の出射側の面から出射した光ビーム１７は、図１（Ｂ）に示すようにＺＸ面内の方向に関して発散する。
【００２６】
内部柱面レンズ１２を透過した光ビーム１７が、外部柱面レンズ２５に入射する。外部柱面レンズ２５は、コネクタ２８により光導波路基板１０に対する相対位置が固定されている。外部柱面レンズ２５は、Ｙ軸に平行な直線を母線とする柱面を有し、光ビーム１７をＺＸ面内の方向に関して集束させる。外部柱面レンズ２５の柱面は、透過光がＺＸ面内の方向に関してほぼ平行光線束になるように光学設計されている。このため、外部柱面レンズ２５を透過した光ビーム１８は、ＸＹ面及びＺＸ面のいずれの面内の方向に関しても平行光線束になる。
【００２７】
光ビーム１８のビーム径は、３００〜４００μｍ程度とすることが好ましい。光導波路１１の出射端から出射する光ビームの発散角は、開口数（ＮＡ）で０．１程度であることから、外部柱面レンズ２５の焦点距離は２ｍｍ程度とすることが好ましい。外部柱面レンズ２５の曲率半径Ｒは、焦点距離をｆ、屈折率をｎとすると、
【００２８】
【数１】
Ｒ＝ｆ／（ｎ−１）
であるから、約１ｍｍになる。外部柱面レンズ２５を複数枚のレンズで構成してもよいが、収差補正を行った曲面設計とすることにより１枚のレンズで構成することが好ましい。１枚のレンズにすることにより、構成を単純化し、表面反射の発生箇所を少なくすることができる。
【００２９】
受信側の光導波路基板３０、内部柱面レンズ３２、外部柱面レンズ３５、コネクタ３８の構成は、送信側の導波路基板１０、内部柱面レンズ１２、外部柱面レンズ２５、コネクタ２８の構成と同様である。送信側のコネクタ２８と受信側のコネクタ３８とをスリーブ４０に挿入することにより、送信側の外部柱面レンズ２５と受信側の外部柱面レンズ３５が対向し、両者を挟んで送信側の内部柱面レンズ１２と受信側の内部柱面レンズ３２とが対向する。
【００３０】
受信側の外部柱面レンズ３５は、送信側の外部柱面レンズ２５により平行光線束にされた光ビーム１８を、ＺＸ面内の方向に関して集束させ、内部柱面レンズ３２に入射させる。内部柱面レンズ３２は、光ビームをＸＹ面内の方向に関して集束させ、光導波路３１の入射端に入射させる。
【００３１】
上記第１の実施例によると、送信側の光導波路１１と内部柱面レンズ１２とが、同一基板上に同時に形成される。このため、両者の位置あわせを正確に行うことができるとともに、温度変動にともなう位置ずれを防止することができる。
【００３２】
また、外部柱面レンズ２５の柱面の母線はＹ軸に平行であるため、Ｙ軸方向に関しては、内部柱面レンズ１２と外部柱面レンズ２５との位置あわせを厳密に行う必要がない。また、温度変動によって外部柱面レンズ２５が伸縮したとしても、位置ずれは生じない。
【００３３】
次に、図３を参照して、図１及び図２に示した基板１０と外部柱面レンズ２５との位置決めを行うための位置決め部材の一構成例について説明する。
【００３４】
図３は、基板１０、外部柱面レンズ２５及び位置決め部材４１の断面図を示す。位置決め部材４１に、上部クラッド１５の上面に接する第１の基準面４１ａ、外部柱面レンズ２５の側面に接する第２の基準面４１ｂ、基板１０の縁に接する第３の基準面４１ｃ、及び外部柱面レンズ２５の、内部柱面レンズ１２側の面に接する第４の基準面４１ｄが画定されている。内部柱面レンズ１２と外部柱面レンズ２５との間の領域に、光ビームの通路を確保するための貫通孔４１ｅが設けられている。
【００３５】
上側クラッド１５の上面が第１の基準面４１ａに接し、外部柱面レンズ２５の側面が第２の基準面４１ｂに接することにより、両者のＺ軸方向の相対的な位置決めを行うことができる。基板１０の厚さの精度をサブミクロン以下にすることは困難であるが、上部クラッド１５の厚さの精度をサブミクロン以下とすることは比較的容易である。上部クラッド１５の上面を位置決めの基準として利用することにより、コア１４と外部柱面レンズ２５とのＺ軸方向の位置決め精度を高めることができる。
【００３６】
基板１０の縁が第３の基準面４１ｃに接し、外部柱面レンズ２５が第４の基準面４１ｄに接することにより、内部柱面レンズ１２と外部柱面レンズ２５とのＸ軸方向の位置決めを行うことができる。
【００３７】
次に、図４を参照して、本発明の第２の実施例による光伝送装置ついて説明する。
【００３８】
図４は、第２の実施例による光伝送装置の主要部の部分破断斜視図を示す。図２に示した第１の実施例の場合と同様に、基板１０の上に下側クラッド１３、コア１４、及び上側クラッド１５が積層された光導波路１１と内部柱面レンズ１２とが形成されている。第１の実施例では、内部柱面レンズ１２の出射側の面が露出していたが、第２の実施例では、出射側の面が導波層２０で覆われている。
【００３９】
導波層２０は、基板１０側から順番に下側クラッド２１、コア２２、及び上側クラッド２３が積層された３層構造を有する。下側クラッド２１、コア２２、及び上側クラッド２３は、それぞれ内部柱面レンズ１２の下側クラッド１３、コア１４、及び上側クラッド１５に接続されている。導波層２０の一部を構成するコア２２の屈折率は、内部柱面レンズ１２のコア１４の屈折率よりも小さい。また、導波層２０の上下のクラッド２１及び２３の屈折率は、内部柱面レンズ１２の上下のクラッド１３及び１５の屈折率よりも小さい。導波層２０の、外部柱面レンズ２５側の端面２２Ａは、Ｘ軸に対して垂直である。
【００４０】
図２に示した第１の実施例の場合には、内部柱面レンズ１２を透過した光ビームは、ＺＸ面内の方向に発散する。内部柱面レンズ１２の柱面は、外部柱面レンズ２５に向かって凸の曲面である。このため、ＺＸ面内の方向に発散する光ビームの出射点のＸ座標は同一ではなく、不揃いである。これは、外部柱面レンズ２５でコリメーションを行う際の収差となる。
【００４１】
図４に示した第２の実施例では、内部柱面レンズ１２を透過した光ビームが、導波層２０に入射する。光ビームは、導波層２０のコア２２内に閉じ込められるため、導波層２０内ではＺＸ面内の方向に発散せず、コア２２の、出射側の面２２Ａで発散し始める。出射側の面２２Ａは、Ｘ軸に対して垂直であるため、外部柱面レンズ２５によるコリメーション時の収差を低減することができる。
【００４２】
次に、第２の実施例による光伝送装置の内部柱面レンズ１２及び導波層２０の製造方法について説明する。基板１０の表面上にフォトポリマを塗布し、パターニングすることにより、光導波路１１及び内部柱面レンズ１２の下側クラッド１３を形成する。この上にさらにフォトポリマを塗布し、パターニングすることにより、導波層２０の下側クラッド２１を形成する。通常、下側クラッド１３と２１との接合面近傍に盛り上がりが形成されるため、化学機械研磨（ＣＭＰ）により表面の平坦化を行う。同様の手順を繰り返すことにより、コア１４、２２及び上側クラッド１５、２３を形成することができる。
【００４３】
図４に示した第２の実施例では、導波層２０を３層構造のスラブ導波路としたが、単層にしてもよい。導波層２０を単層にすると、光ビームをコア内に閉じ込めることはできないが、内部柱面レンズ１２から直ちに大気中に出射する場合に比べて、ＺＸ面内の方向の発散を抑制することができる。
【００４４】
上記第２の実施例では、導波層２０の出射側の端面が平面である場合について説明したが、出射側の端面は必ずしも平面である必要はない。導波層２０の出射側の端面から出射して外部柱面レンズ２５に到達するまでの光路長の最大値と最小値との差が、内部柱面レンズ１２から出射して外部柱面レンズ２５に到達するまでの光路長の最大値と最小値との差よりも小さくなるように、導波層２０の出射側の端面の形状を構成してもよい。この場合も、外部柱面レンズ２５によるコリメーション時の収差の低減効果が期待できる。
【００４５】
次に、図５を参照して、本発明の第３の実施例による光伝送装置について説明する。
【００４６】
図５（Ａ）に示すように、基板１０の表面上に、光導波路１１及び内部柱面レンズ１２が形成され、内部柱面レンズ１２を透過した光ビームの経路上に外部柱面レンズ２５が配置されている。これらの構成は、図１及び図２に示した第１の実施例の場合と同様である。基板１０と外部柱面レンズ２５との間に、間隔拘束部材４５が配置されている。間隔拘束部材４５は、熱膨張することによって、両者の間隔を変化させる。内部柱面レンズ１２の出射側の面が、外部柱面レンズ２５の焦点に一致するように、両者の間隔が調節されている。
【００４７】
図５（Ｂ）に示すように、温度が上昇すると、外部柱面レンズ２５の焦点距離ｆが長くなるとともに、間隔拘束部材４５が延び、基板１０と外部柱面レンズ２５との間隔が広がる。焦点距離ｆの延びをΔｆ、内部柱面レンズ１２と外部柱面レンズ２５との間隔の広がり量をΔｇとしたとき、Δｆ−Δｇが０であれば、外部柱面レンズ２５の焦点距離の変動をほぼ完全に補償することができる。また、Δｆ−Δｇの絶対値がΔｆよりも小さい場合に、焦点距離変動の補償効果が期待される。
【００４８】
外部柱面レンズ２５の柱面を、円筒面とした場合について考察する。外部柱面レンズ２５の室温時の屈折率をｎ、柱面の曲率半径をＲとし、１℃あたりの屈折率変化率をΔｎ、線膨張係数をαとすると、温度がΔＴだけ上昇したときの焦点距離の延びΔｆは、
【００４９】
【数２】
Δｆ＝Ｒ（１＋αΔＴ）／（ｎ＋ΔｎΔＴ−１）−Ｒ／（ｎ−１）
と表される。外部柱面レンズ２５が石英で形成されている場合、ｎ＝１．４４５、Δｎ＝１×１０-5／℃、α＝０．４×１０-6／℃である。曲率半径Ｒが２ｍｍ、温度上昇幅ΔＴが１００℃のとき、Δｆは０．０１０ｍｍになる。
【００５０】
この条件の下で、室温時の焦点距離ｆは約４．５ｍｍである。間隔拘束部材４５の材料として、線膨張係数が２．２×１０-5／℃のものを使用すれば、温度が１００℃上昇したときの焦点距離の変動をほぼ完全に補償することができる。このような材料として、例えばアルミニウムが挙げられる。
【００５１】
図６に、第３の実施例の変形例による光伝送装置の概略図を示す。図５に示した第３の実施例では、間隔拘束部材４５が単一の部材で構成されていたが、変形例においては、間隔拘束部材４５が、Ｘ軸方向に並んだ２つの部材４５Ａ及び４５Ｂで構成されている。２つの部材４５Ａ及び４５Ｂは、互いに線膨張係数の異なる材料で形成されている。
【００５２】
第３の実施例で説明した条件の下では、所望の線膨張係数を有する材料が見つかったが、所望の線膨張係数を有する適当な材料が見つからない場合もある。このとき、図６に示したように、２つの部材４５Ａ及び４５Ｂで間隔拘束部材４５を構成することにより、その実効的な線膨張係数を所望の線膨張係数に近づけることができる。部材４５ＡのＸ軸方向の長さをＬA、線膨張係数をαA、部材４５ＢのＸ軸方向の長さをＬB、線膨張係数をαBとすると、間隔拘束部材４５の実効的な線膨張係数は、ＬAαA／（ＬA＋ＬB）＋ＬBαB／（ＬA＋ＬB）で与えられる。
【００５３】
次に、図７を参照して、本発明の第４の実施例による光伝送装置について説明する。
【００５４】
図７は、第４の実施例による光伝送装置の概略図を示す。送信側の光導波路基板１０、外部柱面レンズ２５、受信側の光導波路基板３０、及び外部柱面レンズ３５は、図１に示した第１の実施例による光伝送装置と同様の構成である。送信側においては、基板１０と外部柱面レンズ２５との間隔が間隔拘束部材４６により拘束され、受信側においては、基板３０と外部柱面レンズ３５との間隔が他の間隔拘束部材４７により拘束されている。
【００５５】
温度が上昇したときの外部柱面レンズ２５及び３５の焦点距離の延びをそれぞれΔｆ1、Δｆ2、間隔拘束部材４６及び４７の熱膨張による間隔の延びをそれぞれΔｇ1、Δｇ2とする。Δｆ1−Δｇ1＋Δｆ2−Δｇ2の絶対値がΔｆ1＋Δｆ2の絶対値よりも小さくなるように、間隔拘束部材４６及び４７の材料が選択されている。このとき、外部柱面レンズ２５及び３５の焦点距離の変動による焦点の位置ずれの影響を軽減することができる。
【００５６】
図７では、Δｇ1＞Δｆ1、Δｇ2＜Δｆ2である場合を示している。第３の実施例では、理想的には送信側ではΔｇ1＝Δｆ1、受信側ではΔｇ2＝Δｆ2とする場合を説明したが、第４の実施例では、送信側と受信側とを含めた全体で、温度変動による影響を軽減している。この場合、外部柱面レンズ２５と３５との間で、光ビームが厳密には平行光線束にならないが、平行光線束でないことの影響は少ないであろう。
【００５７】
また、条件Δｇ1＞Δｆ1を満たす光伝送装置のコネクタを雄とし、条件Δｇ2＜Δｆ2を満たす光伝送装置のコネクタを雌とすることにより、間隔拘束部材の線膨張係数を確認することなく、接続することができる。
【００５８】
図８（Ａ）に、送信側のコネクタ２８、受信側のコネクタ３８、及び両者を接続するためのスリーブ４０の斜視図を示す。送信側のコネクタ２８が取り付けられた光導波路基板１０と、受信側のコネクタ３８が取り付けられた光導波路基板３０とが同一平面に沿って配置されている。この接続形態は、図９（Ａ）に示した光スイッチの光分波器１００と光スイッチモジュール１０１の第１段との接続、光スイッチモジュール１０１の第３段と光合波器１１０との接続に用いられる。
【００５９】
図８（Ｂ）に、スリーブの他の構成例を示す。スリーブ５０の一方の面に設けられた挿入口と、他方の面に設けられた挿入口とが相互に直交する。送信側のコネクタ５１が一方の面の挿入口に挿入され、受信側のコネクタ５２が他方の面の挿入口に挿入される。この場合、光の伝送方向に平行な視線で見たとき、送信側の光導波路の出射端の配列方向と、受信側の光導波路の入射端の配列方向とが相互に直交する。この接続形態は、図９（Ａ）に示した光スイッチモジュール１０１の第１段と第２段との接続、及び第２段と第３段との接続に使用される。
【００６０】
上述の第１〜第４の実施例による光伝送装置は、図８（Ａ）及び図８（Ｂ）のいずれの接続形態にも適用可能である。
【００６１】
上述の実施例から、以下の付記に示された発明が導出される。
（付記１） 下地表面上に形成され、該下地表面に平行な第１の方向に光を導波させる導波路、及び該導波路の一端に連続し、該導波路の端部から出射して該下地表面に平行な方向に発散する光を集束させる第１のレンズとを含む少なくとも１つの導波路端部構造と、
前記第１のレンズを透過して前記下地表面に垂直な方向に発散する光を集束させる第２のレンズと、
前記第１のレンズと第２のレンズとを支持する支持部材と
を有する光伝送装置。
（付記２） 前記下地表面に対して垂直な視線で見たとき、前記第１のレンズの、前記第２のレンズ側の面の形状が該第２のレンズに向かって凸であり、
前記導波路端部構造が、さらに、該第１のレンズの、該第２のレンズ側の面に密着した導波層を含み、該導波層は、該第１のレンズから出射する光を導波させ、該第２のレンズに対向する端面を有し、該端面は、該端面から出射して前記第２のレンズに到達するまでの光路長の最大値と最小値との差が、前記第１のレンズから出射して前記第２のレンズに到達するまでの光路長の最大値と最小値との差よりも小さくなるような形状とされている付記１に記載の光伝送装置。
（付記３） 前記導波路及び第１のレンズは、下側クラッド、コア、上側クラッドがこの順番に積層された３層構造を含む付記１または２に記載の光伝送装置。
（付記４） 前記導波層が、下側クラッド、コア、上側クラッドがこの順番に積層された３層構造を含み、該導波層のコアの屈折率は、前記導波路のコアの屈折率よりも小さい付記３に記載の光伝送装置。
（付記５） 前記導波路端部構造が、前記第１の方向と交差する第２の方向に複数個配列し、前記第２のレンズは、該第２の方向に平行な柱面を有する柱面レンズであり、該複数の導波路端部構造と光学的に結合している付記１〜４のいずれかに記載の光伝送装置。
（付記６） 前記導波路端部構造の各々の第１のレンズは、他の導波路端部構造の第２のレンズを該第２の方向に平行移動させて重ねることができる形状を有する付記５に記載の光伝送装置。
（付記７） 前記支持部材が、前記第１のレンズと第２のレンズとの間隔を拘束する間隔拘束部材を含み、該間隔拘束部材は、熱膨張することによって該第１のレンズと第２のレンズとの間隔を変化させ、該間隔拘束部材の熱膨張係数は、第１の温度から第２の温度に変動した時の前記第２のレンズの焦点距離の延びをΔｆ、該第１のレンズと第２のレンズとの間隔の延びをΔｇとしたとき、Δｆ−Δｇの絶対値がΔｆよりも小さくなるように選択されている付記１〜６のいずれかに記載の光伝送装置。
（付記８） 前記間隔拘束部材が、前記第１のレンズと第２のレンズとの間の光の伝搬方向に並び、相互に熱膨張係数の異なる少なくとも２つの部材を含む付記７に記載の光伝送装置。
（付記９） 前記支持部材が、前記導波路端部構造の上面に接する第１の基準面と、前記第２のレンズに接し、該第２のレンズの、前記下地表面に垂直な方向に関する位置を拘束する第２の基準面とを有し、前記導波路端部構造と前記第２のレンズとの、前記下地表面に垂直な方向に関する相対位置を固定する付記１〜８のいずれかに記載の光伝送装置。
（付記１０） 前記支持部材が、前記導波路端部構造の、前記第２のレンズ側の端面に接する第３の基準面と、前記第２のレンズに接し、該第２のレンズの、前記第１の方向に関する位置を拘束する第４の基準面とを有する付記１〜９のいずれかに記載の光伝送装置。
（付記１１） 第１及び第２の光コネクタであって、各々が、導波路端部構造、第２のレンズ、及び支持部材を有し、該導波路端部構造は、下地表面上に形成され、該下地表面に平行な第１の方向に光を導波させる導波路と、該導波路の一端に連続し、該導波路の端部から出射して該下地表面に平行な方向に発散する光を集束させる第１のレンズとを含み、該第２のレンズは、前記第１のレンズを透過して前記下地表面に垂直な方向に発散する光を集束させ、該支持部材は、前記第１のレンズと第２のレンズとを支持する前記第１及び第２の光コネクタと、
前記第１の光コネクタの導波路内を伝搬し、第１のレンズ及び第２のレンズで集束された光ビームが、前記第２の光コネクタの第２のレンズ及び第１のレンズで集束され、導波路の端部に集光されるように前記第１の光コネクタと第２の光コネクタとを着脱可能に接続する接続部材と
を有する光伝送装置。
（付記１２） 前記第１の光コネクタと第２の光コネクタとの各々の支持部材が、前記第１のレンズと第２のレンズとの間隔を拘束する間隔拘束部材を含み、該間隔拘束部材は、熱膨張することによって該第１のレンズと第２のレンズとの間隔を変化させ、該間隔拘束部材の熱膨張係数は、第１の温度から第２の温度に変動した時の前記第１の光コネクタの第２のレンズの焦点距離の延びをΔｆ1、該第１のレンズと第２のレンズとの間隔の延びをΔｇ1、前記第２の光コネクタの第２のレンズの焦点距離の延びをΔｆ2、該第１のレンズと第２のレンズとの間隔の延びをΔｇ2としたとき、Δｆ1−Δｇ1＋Δｆ2−Δｇ2の絶対値がΔｆ1＋Δｆ2の絶対値よりも小さくなるように選択されている付記１１に記載の光伝送装置。
【００６２】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光導波路の出射端または入射端に光結合する内部柱面レンズを、光導波路と同一基板上に形成することにより、容易に両者の位置あわせを行うことができる。さらに、温度変動に伴う両者の位置ずれを防止することができる。内部柱面レンズからある間隔を隔てて外部柱面レンズを配置することにより、光導波路から出射した発散光を平行光線束にすることができる。外部柱面レンズは、その母線方向に関する位置あわせを正確に行う必要がない。このため、光導波路と外部柱面レンズとの位置あわせを容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例による光伝送装置の平面図及び断面図である。
【図２】第１の実施例による光伝送装置の主要部の斜視図である。
【図３】光伝送路と外部柱面レンズとの位置決めを行うための位置決め部材の断面図である。
【図４】第２の実施例による光伝送装置の主要部の斜視図である。
【図５】第３の実施例による光伝送装置の主要部の概略図である。
【図６】第３の実施例の変形例による光伝送装置の主要部の概略図である。
【図７】第４の実施例による光伝送装置の主要部の概略図である。
【図８】コネクタ及びスリーブの斜視図である。
【図９】光スイッチの概略図及び光スイッチ基板の平面図である。
【符号の説明】
１０、３０ 光導波路基板
１１、３１ 光導波路
１２、３２ 内部柱面レンズ
１３、２１ 下側クラッド
１４、２２ コア
１５、２３ 上側クラッド
１６、１７、１８ 光ビーム
２０ 導波層
２５、３５ 外部柱面レンズ
２８、３８、５１、５２ コネクタ
４０、５０ スリーブ
４１ａ〜４１ｄ 基準面
４５、４６、４７ 間隔拘束部材
【発明の属する技術分野】
本発明は、光伝送装置に関し、特に基板上に形成された導波路と、他の光学素子とを光学的に結合させる光伝送装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光通信における伝送帯域が増大の一途を辿り、波長多重化技術の進展とあいまって、高速大容量化が進んでいる。基幹通信ネットワークにおける光ファイバ網のハードウェア基盤（インフラストラクチャ）を構築するために、光信号の行き先を切り換える光スイッチが必要である。
【０００３】
図９（Ａ）に、光スイッチの一例を示す。光スイッチは、複数の光分波器１００、光スイッチモジュール１０１、複数の光合波器１１０、複数の光増幅器１１１を含んで構成される。光分波器１００の各々に、光ファイバ１２０が接続されている。光ファイバ１２０を通って、波長多重された光信号が光分波器１００に入力される。光分波器１００は、波長多重された光信号を複数の光信号に分割する。分割された光信号が後段の光スイッチモジュール１０１に入力される。
【０００４】
光スイッチモジュール１０１は３段構成を有する。各段は、複数の光スイッチ基板により構成される。第１段目においては、光スイッチ基板が光分波器１００毎に設けられ、各光分波器１００内の導波路間でのスイッチングを行う。第２段目は、第１段目の複数の光スイッチ基板に跨ったスイッチングを行う。さらに、第３段目は、第２段目の複数の光スイッチ基板に跨ったスイッチングを行う。
【０００５】
光合波器１１０は、第３段目の光スイッチ基板毎に設けられており、第３段目の光スイッチ基板の各々から出力される光信号を多重化する。多重化された光信号が、光増幅器１１１で増幅される。光分波器１００と光スイッチモジュール１０１の第１段目の光スイッチ基板、光スイッチモジュール１０１の各段の光スイッチ基板とその後段の光スイッチ基板、及び第３段目の光スイッチ基板と光増幅器１１１が、光コネクタ１１５で接続されている。
【０００６】
図９（Ｂ）に、図９（Ａ）に示した光スイッチモジュール１０１の光スイッチ基板の平面図を示す。長方形の基板１２５の表面上に、その縁に平行な方向をＸ軸及びＹ軸とするＸＹ直交座標系を定義する。光をＸ軸方向に伝搬させる複数の入射側の光導波路１３０が、Ｙ軸に平行な１つの縁に沿って配列している。基板１２５の表面上に、入射側光導波路１３０の各々に対応してコリメートレンズ１３１及びビーム偏向素子１３２が配置されている。
【０００７】
スラブ導波路１３３が形成された領域を挟んでビーム偏向素子１３２の各々に対向するように、出射側のビーム偏向素子１３４が配置されている。ビーム偏向素子１３４の各々に対応するように、集光レンズ１３５及び出射側の光導波路１３６が配置されている。
【０００８】
入射側のビーム偏向素子１３２は、光ビームの進行方向を基板面内で変化させる。進行方向の変化した光ビームが、スラブ導波路１３３内を伝搬し、出射側のビーム偏向素子１３４に入射する。ビーム偏向素子１３４は、光ビームの進行方向を変化させて、光ビームを対応する集光レンズ１３５に入射させる。集光レンズ１３５は、対応する出射側の光導波路１３６の入射端に光ビームを集光する。
【０００９】
入射側のビーム偏向素子１３２で、光ビームを所望の方向に偏向させることにより、入射側光導波路１３６に入射した光信号を、所望の出射側の光導波路１３６に到達させることができる。偏向方向を、光信号のタイムスロット毎に制御することにより、スイッチングが行われる。
【００１０】
図９（Ｂ）に示した出射側の光導波路１３６に、例えば図９（Ａ）に示した光合波器１１０の入射側の光導波路を接続する方法が、特開２０００−３０４９６６号公報や特開平５−４０２１４号公報に開示されている。
【００１１】
特開２０００−３０４９６６号公報に記載された発明によると、出射側光導波路と入射側光導波路との間に、出射側光導波路の各々に対応してレンズが配置される。これらのレンズは、対応する出射側光導波路から出射した発散光を、対応する入射側光導波路の入射端に向けて集束させる。出射側光導波路の出射端面が一列に配列しているため、これら複数のレンズは、一体化されたマイクロレンズアレイで構成される。
【００１２】
特開平５−４０２１４号公報に記載された発明によると、出射側光導波路と入射側光導波路との間に、出射側導波路の各々に対応して、コリメートレンズと集光レンズとが配置される。出射側導波路から出射した発散光が、対応するコリメートレンズで平行光線束にされ、この平行光線束が集光レンズにより入射側光導波路の入射端面上に集束される。これら複数のコリメートレンズ及び集光レンズも、マイクロレンズアレイで構成される。コリメートレンズと集光レンズとの間の光ビームは平行光線束であるため、コリメートレンズと集光レンズとの間で切り離す場合に、求められる位置合わせ精度を緩和することができる。また、レンズにより封止構造とされるため、光学系内部を保護することができる。さらに、ゴミ付着の影響を軽減することができる。
【００１３】
特開平５−２６４８７４号公報に、光源から放射された光をレンズで集光し、光ファイバの入射端面に入射させる光学系が開示されている。これら光学素子を取り付ける部品の熱膨張を利用して、温度変化に伴うレンズの焦点距離の変動が補償される。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
出射側光導波路と入射側光導波路との結合効率を高く維持するために、温度変化による光導波路とレンズとの位置ずれを抑制しなければならない。温度変化によるレンズの焦点距離の変動に起因する位置ずれ（光ビームの進行方向と平行な方向に関する位置ずれ）は、上述の特開平５−２６４８７４号公報に開示された取り付け部品の熱膨張を利用する方法で補償することができる。光導波路がシングルモードである場合には、光ビームの進行方向に直交する２方向に関して、１μｍ以下の位置精度が求められる。
【００１５】
レンズをマイクロレンズアレイで構成する場合、レンズを形成する材料の熱膨張によりレンズ同士の間隔が変動する。このため、特定の光導波路とレンズとの位置を高精度に合わせると、他の光導波路とレンズとの位置がずれてしまう。
【００１６】
本発明の目的は、光導波路とレンズとの温度変動による位置ずれを防止し、光結合効率の低下を防止することが可能な光伝送装置を提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によると、
下地表面上に形成され、該下地表面の法線方向に関して光を閉じ込める導波路であって、該下地表面に平行な第１の方向に光を導波させる導波部分、及び前記導波部分から出射して該下地表面に平行な方向に発散する光を集束させるレンズ部分とを含む少なくとも１つの前記導波路と、
前記導波路のレンズ部分を透過して前記下地表面に垂直な方向に発散する光を集束させるレンズと、
前記導波路のレンズ部分と前記レンズとを支持する支持部材と
を有する光伝送装置が提供される。
【００１８】
本発明の他の観点によると、
第１及び第２の光コネクタであって、各々が、導波路、レンズ、及び支持部材を有し、該導波路は、下地表面上に形成され、該下地表面の法線方向に関して光を閉じ込め、さらに該導波路は、該下地表面に平行な第１の方向に光を導波させる導波部分と、該導波部分から出射して該下地表面に平行な方向に発散する光を集束させるレンズ部分とを含み、前記レンズは、前記導波路のレンズ部分を透過して前記下地表面に垂直な方向に発散する光を集束させ、該支持部材は、前記導波路のレンズ部分と前記レンズとを支持する前記第１及び第２の光コネクタと、
前記第１の光コネクタの前記導波部分を伝搬し、前記導波路のレンズ部分及び前記レンズで集束された光ビームが、前記第２の光コネクタの前記レンズ及び前記導波路のレンズ部分で集束され、前記導波部分に集光されるように前記第１の光コネクタと第２の光コネクタとを着脱可能に接続する接続部材とを有する光伝送装置が提供される。
【００１９】
導波路のレンズ部分とレンズとにより、導波路の導波部分から出射して発散する光ビームを集束させることができる。導波路の導波部分とレンズ部分とが同一基板上に形成されているため、両者の位置合わせを容易に行うことができる。また、レンズとして柱面レンズを用いることができる。柱面レンズを用いる場合には、その柱面の母線に平行な方向の位置あわせを厳密に行う必要がないため、レンズと導波路との位置あわせも、容易に行うことができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１及び図２を参照して、本発明の第１の実施例について説明する。図１（Ａ）は、第１の実施例による光伝送装置の平面図を示し、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の一点鎖線Ｂ１−Ｂ１における断面図を示す。図２は、第１の実施例による光伝送装置の主要部の部分破断斜視図を示す。
【００２１】
図１（Ａ）に示すように、第１の実施例による光伝送装置は、送信側の光導波路基板１０、外部柱面レンズ２５、コネクタ２８、及び受信側の光導波路基板３０、柱面レンズ３５、コネクタ３８、及びスリーブ４０を含んで構成される。送信側の光導波路基板１０及び受信側の光導波路基板３０の表面をＸＹ面とし、光信号の伝送方向をＸ軸とし、基板の法線方向をＺ軸とするＸＹＺ直交座標系を考える。
【００２２】
送信側の光導波路基板１０は、シリコンまたはガラス等で形成される。送信側光導波路基板１０の表面上に、複数の光導波路１１が形成されている。図１（Ａ）では、２本の光導波路１１のみを表しているが、通常はより多くの光導波路が配置される。各光導波路１１はＸ軸に平行な方向に光を伝搬させ、それらの出射端は、Ｙ軸に平行に配列している。光導波路１１の各々の出射端に連続するように、基板表面上に内部柱面レンズ１２が形成されている。複数の内部柱面レンズ１２は、すべて同一の形状を有し、一つの内部柱面レンズ１２をＹ軸に平行な方向に並進移動させることにより、他の内部柱面レンズ１２に重ねることができる。
【００２３】
光導波路１１及び内部柱面レンズ１２は、図１（Ｂ）及び図２に示すように、下側クラッド１３、コア１４、及び上側クラッド１５からなる３層構造を含む。コア１４は、上下のクラッド１３及び１５よりも大きな屈折率を有する。この３層構造は、基板１０の表面上にフォトポリマを塗布した後、フォトリソグラフィ技術を用いてパターニングすることにより形成される。光導波路１１の幅及びコア１４の厚さは、５〜１０μｍ程度である。
【００２４】
内部柱面レンズ１２の各々は、Ｚ軸に平行な直線を母線とする柱面を有し、光導波路１１の出射端から出射して発散する光ビーム１６を、ＸＹ面内の方向に関して集束させる。内部柱面レンズ１２の柱面は、透過光がＸＹ面内の方向に関してほぼ平行光線束になるように光学設計されている。このため、内部柱面レンズ１２を透過した光ビーム１７は、ＸＹ面内に関してほぼ平行光線束となる。
【００２５】
内部柱面レンズ１２自体も、光導波路１１と同様の３層構造を有する。このため、光導波路１１の出射端から内部柱面レンズ１２の出射側の面までの間では、光ビームがコア１３内に閉じ込められ、ＺＸ面内の方向に関しては発散しない。内部柱面レンズ１２の出射側の面から出射した光ビーム１７は、図１（Ｂ）に示すようにＺＸ面内の方向に関して発散する。
【００２６】
内部柱面レンズ１２を透過した光ビーム１７が、外部柱面レンズ２５に入射する。外部柱面レンズ２５は、コネクタ２８により光導波路基板１０に対する相対位置が固定されている。外部柱面レンズ２５は、Ｙ軸に平行な直線を母線とする柱面を有し、光ビーム１７をＺＸ面内の方向に関して集束させる。外部柱面レンズ２５の柱面は、透過光がＺＸ面内の方向に関してほぼ平行光線束になるように光学設計されている。このため、外部柱面レンズ２５を透過した光ビーム１８は、ＸＹ面及びＺＸ面のいずれの面内の方向に関しても平行光線束になる。
【００２７】
光ビーム１８のビーム径は、３００〜４００μｍ程度とすることが好ましい。光導波路１１の出射端から出射する光ビームの発散角は、開口数（ＮＡ）で０．１程度であることから、外部柱面レンズ２５の焦点距離は２ｍｍ程度とすることが好ましい。外部柱面レンズ２５の曲率半径Ｒは、焦点距離をｆ、屈折率をｎとすると、
【００２８】
【数１】
Ｒ＝ｆ／（ｎ−１）
であるから、約１ｍｍになる。外部柱面レンズ２５を複数枚のレンズで構成してもよいが、収差補正を行った曲面設計とすることにより１枚のレンズで構成することが好ましい。１枚のレンズにすることにより、構成を単純化し、表面反射の発生箇所を少なくすることができる。
【００２９】
受信側の光導波路基板３０、内部柱面レンズ３２、外部柱面レンズ３５、コネクタ３８の構成は、送信側の導波路基板１０、内部柱面レンズ１２、外部柱面レンズ２５、コネクタ２８の構成と同様である。送信側のコネクタ２８と受信側のコネクタ３８とをスリーブ４０に挿入することにより、送信側の外部柱面レンズ２５と受信側の外部柱面レンズ３５が対向し、両者を挟んで送信側の内部柱面レンズ１２と受信側の内部柱面レンズ３２とが対向する。
【００３０】
受信側の外部柱面レンズ３５は、送信側の外部柱面レンズ２５により平行光線束にされた光ビーム１８を、ＺＸ面内の方向に関して集束させ、内部柱面レンズ３２に入射させる。内部柱面レンズ３２は、光ビームをＸＹ面内の方向に関して集束させ、光導波路３１の入射端に入射させる。
【００３１】
上記第１の実施例によると、送信側の光導波路１１と内部柱面レンズ１２とが、同一基板上に同時に形成される。このため、両者の位置あわせを正確に行うことができるとともに、温度変動にともなう位置ずれを防止することができる。
【００３２】
また、外部柱面レンズ２５の柱面の母線はＹ軸に平行であるため、Ｙ軸方向に関しては、内部柱面レンズ１２と外部柱面レンズ２５との位置あわせを厳密に行う必要がない。また、温度変動によって外部柱面レンズ２５が伸縮したとしても、位置ずれは生じない。
【００３３】
次に、図３を参照して、図１及び図２に示した基板１０と外部柱面レンズ２５との位置決めを行うための位置決め部材の一構成例について説明する。
【００３４】
図３は、基板１０、外部柱面レンズ２５及び位置決め部材４１の断面図を示す。位置決め部材４１に、上部クラッド１５の上面に接する第１の基準面４１ａ、外部柱面レンズ２５の側面に接する第２の基準面４１ｂ、基板１０の縁に接する第３の基準面４１ｃ、及び外部柱面レンズ２５の、内部柱面レンズ１２側の面に接する第４の基準面４１ｄが画定されている。内部柱面レンズ１２と外部柱面レンズ２５との間の領域に、光ビームの通路を確保するための貫通孔４１ｅが設けられている。
【００３５】
上側クラッド１５の上面が第１の基準面４１ａに接し、外部柱面レンズ２５の側面が第２の基準面４１ｂに接することにより、両者のＺ軸方向の相対的な位置決めを行うことができる。基板１０の厚さの精度をサブミクロン以下にすることは困難であるが、上部クラッド１５の厚さの精度をサブミクロン以下とすることは比較的容易である。上部クラッド１５の上面を位置決めの基準として利用することにより、コア１４と外部柱面レンズ２５とのＺ軸方向の位置決め精度を高めることができる。
【００３６】
基板１０の縁が第３の基準面４１ｃに接し、外部柱面レンズ２５が第４の基準面４１ｄに接することにより、内部柱面レンズ１２と外部柱面レンズ２５とのＸ軸方向の位置決めを行うことができる。
【００３７】
次に、図４を参照して、本発明の第２の実施例による光伝送装置ついて説明する。
【００３８】
図４は、第２の実施例による光伝送装置の主要部の部分破断斜視図を示す。図２に示した第１の実施例の場合と同様に、基板１０の上に下側クラッド１３、コア１４、及び上側クラッド１５が積層された光導波路１１と内部柱面レンズ１２とが形成されている。第１の実施例では、内部柱面レンズ１２の出射側の面が露出していたが、第２の実施例では、出射側の面が導波層２０で覆われている。
【００３９】
導波層２０は、基板１０側から順番に下側クラッド２１、コア２２、及び上側クラッド２３が積層された３層構造を有する。下側クラッド２１、コア２２、及び上側クラッド２３は、それぞれ内部柱面レンズ１２の下側クラッド１３、コア１４、及び上側クラッド１５に接続されている。導波層２０の一部を構成するコア２２の屈折率は、内部柱面レンズ１２のコア１４の屈折率よりも小さい。また、導波層２０の上下のクラッド２１及び２３の屈折率は、内部柱面レンズ１２の上下のクラッド１３及び１５の屈折率よりも小さい。導波層２０の、外部柱面レンズ２５側の端面２２Ａは、Ｘ軸に対して垂直である。
【００４０】
図２に示した第１の実施例の場合には、内部柱面レンズ１２を透過した光ビームは、ＺＸ面内の方向に発散する。内部柱面レンズ１２の柱面は、外部柱面レンズ２５に向かって凸の曲面である。このため、ＺＸ面内の方向に発散する光ビームの出射点のＸ座標は同一ではなく、不揃いである。これは、外部柱面レンズ２５でコリメーションを行う際の収差となる。
【００４１】
図４に示した第２の実施例では、内部柱面レンズ１２を透過した光ビームが、導波層２０に入射する。光ビームは、導波層２０のコア２２内に閉じ込められるため、導波層２０内ではＺＸ面内の方向に発散せず、コア２２の、出射側の面２２Ａで発散し始める。出射側の面２２Ａは、Ｘ軸に対して垂直であるため、外部柱面レンズ２５によるコリメーション時の収差を低減することができる。
【００４２】
次に、第２の実施例による光伝送装置の内部柱面レンズ１２及び導波層２０の製造方法について説明する。基板１０の表面上にフォトポリマを塗布し、パターニングすることにより、光導波路１１及び内部柱面レンズ１２の下側クラッド１３を形成する。この上にさらにフォトポリマを塗布し、パターニングすることにより、導波層２０の下側クラッド２１を形成する。通常、下側クラッド１３と２１との接合面近傍に盛り上がりが形成されるため、化学機械研磨（ＣＭＰ）により表面の平坦化を行う。同様の手順を繰り返すことにより、コア１４、２２及び上側クラッド１５、２３を形成することができる。
【００４３】
図４に示した第２の実施例では、導波層２０を３層構造のスラブ導波路としたが、単層にしてもよい。導波層２０を単層にすると、光ビームをコア内に閉じ込めることはできないが、内部柱面レンズ１２から直ちに大気中に出射する場合に比べて、ＺＸ面内の方向の発散を抑制することができる。
【００４４】
上記第２の実施例では、導波層２０の出射側の端面が平面である場合について説明したが、出射側の端面は必ずしも平面である必要はない。導波層２０の出射側の端面から出射して外部柱面レンズ２５に到達するまでの光路長の最大値と最小値との差が、内部柱面レンズ１２から出射して外部柱面レンズ２５に到達するまでの光路長の最大値と最小値との差よりも小さくなるように、導波層２０の出射側の端面の形状を構成してもよい。この場合も、外部柱面レンズ２５によるコリメーション時の収差の低減効果が期待できる。
【００４５】
次に、図５を参照して、本発明の第３の実施例による光伝送装置について説明する。
【００４６】
図５（Ａ）に示すように、基板１０の表面上に、光導波路１１及び内部柱面レンズ１２が形成され、内部柱面レンズ１２を透過した光ビームの経路上に外部柱面レンズ２５が配置されている。これらの構成は、図１及び図２に示した第１の実施例の場合と同様である。基板１０と外部柱面レンズ２５との間に、間隔拘束部材４５が配置されている。間隔拘束部材４５は、熱膨張することによって、両者の間隔を変化させる。内部柱面レンズ１２の出射側の面が、外部柱面レンズ２５の焦点に一致するように、両者の間隔が調節されている。
【００４７】
図５（Ｂ）に示すように、温度が上昇すると、外部柱面レンズ２５の焦点距離ｆが長くなるとともに、間隔拘束部材４５が延び、基板１０と外部柱面レンズ２５との間隔が広がる。焦点距離ｆの延びをΔｆ、内部柱面レンズ１２と外部柱面レンズ２５との間隔の広がり量をΔｇとしたとき、Δｆ−Δｇが０であれば、外部柱面レンズ２５の焦点距離の変動をほぼ完全に補償することができる。また、Δｆ−Δｇの絶対値がΔｆよりも小さい場合に、焦点距離変動の補償効果が期待される。
【００４８】
外部柱面レンズ２５の柱面を、円筒面とした場合について考察する。外部柱面レンズ２５の室温時の屈折率をｎ、柱面の曲率半径をＲとし、１℃あたりの屈折率変化率をΔｎ、線膨張係数をαとすると、温度がΔＴだけ上昇したときの焦点距離の延びΔｆは、
【００４９】
【数２】
Δｆ＝Ｒ（１＋αΔＴ）／（ｎ＋ΔｎΔＴ−１）−Ｒ／（ｎ−１）
と表される。外部柱面レンズ２５が石英で形成されている場合、ｎ＝１．４４５、Δｎ＝１×１０-5／℃、α＝０．４×１０-6／℃である。曲率半径Ｒが２ｍｍ、温度上昇幅ΔＴが１００℃のとき、Δｆは０．０１０ｍｍになる。
【００５０】
この条件の下で、室温時の焦点距離ｆは約４．５ｍｍである。間隔拘束部材４５の材料として、線膨張係数が２．２×１０-5／℃のものを使用すれば、温度が１００℃上昇したときの焦点距離の変動をほぼ完全に補償することができる。このような材料として、例えばアルミニウムが挙げられる。
【００５１】
図６に、第３の実施例の変形例による光伝送装置の概略図を示す。図５に示した第３の実施例では、間隔拘束部材４５が単一の部材で構成されていたが、変形例においては、間隔拘束部材４５が、Ｘ軸方向に並んだ２つの部材４５Ａ及び４５Ｂで構成されている。２つの部材４５Ａ及び４５Ｂは、互いに線膨張係数の異なる材料で形成されている。
【００５２】
第３の実施例で説明した条件の下では、所望の線膨張係数を有する材料が見つかったが、所望の線膨張係数を有する適当な材料が見つからない場合もある。このとき、図６に示したように、２つの部材４５Ａ及び４５Ｂで間隔拘束部材４５を構成することにより、その実効的な線膨張係数を所望の線膨張係数に近づけることができる。部材４５ＡのＸ軸方向の長さをＬA、線膨張係数をαA、部材４５ＢのＸ軸方向の長さをＬB、線膨張係数をαBとすると、間隔拘束部材４５の実効的な線膨張係数は、ＬAαA／（ＬA＋ＬB）＋ＬBαB／（ＬA＋ＬB）で与えられる。
【００５３】
次に、図７を参照して、本発明の第４の実施例による光伝送装置について説明する。
【００５４】
図７は、第４の実施例による光伝送装置の概略図を示す。送信側の光導波路基板１０、外部柱面レンズ２５、受信側の光導波路基板３０、及び外部柱面レンズ３５は、図１に示した第１の実施例による光伝送装置と同様の構成である。送信側においては、基板１０と外部柱面レンズ２５との間隔が間隔拘束部材４６により拘束され、受信側においては、基板３０と外部柱面レンズ３５との間隔が他の間隔拘束部材４７により拘束されている。
【００５５】
温度が上昇したときの外部柱面レンズ２５及び３５の焦点距離の延びをそれぞれΔｆ1、Δｆ2、間隔拘束部材４６及び４７の熱膨張による間隔の延びをそれぞれΔｇ1、Δｇ2とする。Δｆ1−Δｇ1＋Δｆ2−Δｇ2の絶対値がΔｆ1＋Δｆ2の絶対値よりも小さくなるように、間隔拘束部材４６及び４７の材料が選択されている。このとき、外部柱面レンズ２５及び３５の焦点距離の変動による焦点の位置ずれの影響を軽減することができる。
【００５６】
図７では、Δｇ1＞Δｆ1、Δｇ2＜Δｆ2である場合を示している。第３の実施例では、理想的には送信側ではΔｇ1＝Δｆ1、受信側ではΔｇ2＝Δｆ2とする場合を説明したが、第４の実施例では、送信側と受信側とを含めた全体で、温度変動による影響を軽減している。この場合、外部柱面レンズ２５と３５との間で、光ビームが厳密には平行光線束にならないが、平行光線束でないことの影響は少ないであろう。
【００５７】
また、条件Δｇ1＞Δｆ1を満たす光伝送装置のコネクタを雄とし、条件Δｇ2＜Δｆ2を満たす光伝送装置のコネクタを雌とすることにより、間隔拘束部材の線膨張係数を確認することなく、接続することができる。
【００５８】
図８（Ａ）に、送信側のコネクタ２８、受信側のコネクタ３８、及び両者を接続するためのスリーブ４０の斜視図を示す。送信側のコネクタ２８が取り付けられた光導波路基板１０と、受信側のコネクタ３８が取り付けられた光導波路基板３０とが同一平面に沿って配置されている。この接続形態は、図９（Ａ）に示した光スイッチの光分波器１００と光スイッチモジュール１０１の第１段との接続、光スイッチモジュール１０１の第３段と光合波器１１０との接続に用いられる。
【００５９】
図８（Ｂ）に、スリーブの他の構成例を示す。スリーブ５０の一方の面に設けられた挿入口と、他方の面に設けられた挿入口とが相互に直交する。送信側のコネクタ５１が一方の面の挿入口に挿入され、受信側のコネクタ５２が他方の面の挿入口に挿入される。この場合、光の伝送方向に平行な視線で見たとき、送信側の光導波路の出射端の配列方向と、受信側の光導波路の入射端の配列方向とが相互に直交する。この接続形態は、図９（Ａ）に示した光スイッチモジュール１０１の第１段と第２段との接続、及び第２段と第３段との接続に使用される。
【００６０】
上述の第１〜第４の実施例による光伝送装置は、図８（Ａ）及び図８（Ｂ）のいずれの接続形態にも適用可能である。
【００６１】
上述の実施例から、以下の付記に示された発明が導出される。
（付記１） 下地表面上に形成され、該下地表面に平行な第１の方向に光を導波させる導波路、及び該導波路の一端に連続し、該導波路の端部から出射して該下地表面に平行な方向に発散する光を集束させる第１のレンズとを含む少なくとも１つの導波路端部構造と、
前記第１のレンズを透過して前記下地表面に垂直な方向に発散する光を集束させる第２のレンズと、
前記第１のレンズと第２のレンズとを支持する支持部材と
を有する光伝送装置。
（付記２） 前記下地表面に対して垂直な視線で見たとき、前記第１のレンズの、前記第２のレンズ側の面の形状が該第２のレンズに向かって凸であり、
前記導波路端部構造が、さらに、該第１のレンズの、該第２のレンズ側の面に密着した導波層を含み、該導波層は、該第１のレンズから出射する光を導波させ、該第２のレンズに対向する端面を有し、該端面は、該端面から出射して前記第２のレンズに到達するまでの光路長の最大値と最小値との差が、前記第１のレンズから出射して前記第２のレンズに到達するまでの光路長の最大値と最小値との差よりも小さくなるような形状とされている付記１に記載の光伝送装置。
（付記３） 前記導波路及び第１のレンズは、下側クラッド、コア、上側クラッドがこの順番に積層された３層構造を含む付記１または２に記載の光伝送装置。
（付記４） 前記導波層が、下側クラッド、コア、上側クラッドがこの順番に積層された３層構造を含み、該導波層のコアの屈折率は、前記導波路のコアの屈折率よりも小さい付記３に記載の光伝送装置。
（付記５） 前記導波路端部構造が、前記第１の方向と交差する第２の方向に複数個配列し、前記第２のレンズは、該第２の方向に平行な柱面を有する柱面レンズであり、該複数の導波路端部構造と光学的に結合している付記１〜４のいずれかに記載の光伝送装置。
（付記６） 前記導波路端部構造の各々の第１のレンズは、他の導波路端部構造の第２のレンズを該第２の方向に平行移動させて重ねることができる形状を有する付記５に記載の光伝送装置。
（付記７） 前記支持部材が、前記第１のレンズと第２のレンズとの間隔を拘束する間隔拘束部材を含み、該間隔拘束部材は、熱膨張することによって該第１のレンズと第２のレンズとの間隔を変化させ、該間隔拘束部材の熱膨張係数は、第１の温度から第２の温度に変動した時の前記第２のレンズの焦点距離の延びをΔｆ、該第１のレンズと第２のレンズとの間隔の延びをΔｇとしたとき、Δｆ−Δｇの絶対値がΔｆよりも小さくなるように選択されている付記１〜６のいずれかに記載の光伝送装置。
（付記８） 前記間隔拘束部材が、前記第１のレンズと第２のレンズとの間の光の伝搬方向に並び、相互に熱膨張係数の異なる少なくとも２つの部材を含む付記７に記載の光伝送装置。
（付記９） 前記支持部材が、前記導波路端部構造の上面に接する第１の基準面と、前記第２のレンズに接し、該第２のレンズの、前記下地表面に垂直な方向に関する位置を拘束する第２の基準面とを有し、前記導波路端部構造と前記第２のレンズとの、前記下地表面に垂直な方向に関する相対位置を固定する付記１〜８のいずれかに記載の光伝送装置。
（付記１０） 前記支持部材が、前記導波路端部構造の、前記第２のレンズ側の端面に接する第３の基準面と、前記第２のレンズに接し、該第２のレンズの、前記第１の方向に関する位置を拘束する第４の基準面とを有する付記１〜９のいずれかに記載の光伝送装置。
（付記１１） 第１及び第２の光コネクタであって、各々が、導波路端部構造、第２のレンズ、及び支持部材を有し、該導波路端部構造は、下地表面上に形成され、該下地表面に平行な第１の方向に光を導波させる導波路と、該導波路の一端に連続し、該導波路の端部から出射して該下地表面に平行な方向に発散する光を集束させる第１のレンズとを含み、該第２のレンズは、前記第１のレンズを透過して前記下地表面に垂直な方向に発散する光を集束させ、該支持部材は、前記第１のレンズと第２のレンズとを支持する前記第１及び第２の光コネクタと、
前記第１の光コネクタの導波路内を伝搬し、第１のレンズ及び第２のレンズで集束された光ビームが、前記第２の光コネクタの第２のレンズ及び第１のレンズで集束され、導波路の端部に集光されるように前記第１の光コネクタと第２の光コネクタとを着脱可能に接続する接続部材と
を有する光伝送装置。
（付記１２） 前記第１の光コネクタと第２の光コネクタとの各々の支持部材が、前記第１のレンズと第２のレンズとの間隔を拘束する間隔拘束部材を含み、該間隔拘束部材は、熱膨張することによって該第１のレンズと第２のレンズとの間隔を変化させ、該間隔拘束部材の熱膨張係数は、第１の温度から第２の温度に変動した時の前記第１の光コネクタの第２のレンズの焦点距離の延びをΔｆ1、該第１のレンズと第２のレンズとの間隔の延びをΔｇ1、前記第２の光コネクタの第２のレンズの焦点距離の延びをΔｆ2、該第１のレンズと第２のレンズとの間隔の延びをΔｇ2としたとき、Δｆ1−Δｇ1＋Δｆ2−Δｇ2の絶対値がΔｆ1＋Δｆ2の絶対値よりも小さくなるように選択されている付記１１に記載の光伝送装置。
【００６２】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光導波路の出射端または入射端に光結合する内部柱面レンズを、光導波路と同一基板上に形成することにより、容易に両者の位置あわせを行うことができる。さらに、温度変動に伴う両者の位置ずれを防止することができる。内部柱面レンズからある間隔を隔てて外部柱面レンズを配置することにより、光導波路から出射した発散光を平行光線束にすることができる。外部柱面レンズは、その母線方向に関する位置あわせを正確に行う必要がない。このため、光導波路と外部柱面レンズとの位置あわせを容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例による光伝送装置の平面図及び断面図である。
【図２】第１の実施例による光伝送装置の主要部の斜視図である。
【図３】光伝送路と外部柱面レンズとの位置決めを行うための位置決め部材の断面図である。
【図４】第２の実施例による光伝送装置の主要部の斜視図である。
【図５】第３の実施例による光伝送装置の主要部の概略図である。
【図６】第３の実施例の変形例による光伝送装置の主要部の概略図である。
【図７】第４の実施例による光伝送装置の主要部の概略図である。
【図８】コネクタ及びスリーブの斜視図である。
【図９】光スイッチの概略図及び光スイッチ基板の平面図である。
【符号の説明】
１０、３０ 光導波路基板
１１、３１ 光導波路
１２、３２ 内部柱面レンズ
１３、２１ 下側クラッド
１４、２２ コア
１５、２３ 上側クラッド
１６、１７、１８ 光ビーム
２０ 導波層
２５、３５ 外部柱面レンズ
２８、３８、５１、５２ コネクタ
４０、５０ スリーブ
４１ａ〜４１ｄ 基準面
４５、４６、４７ 間隔拘束部材
Claims (10)
- 下地表面上に形成され、該下地表面の法線方向に関して光を閉じ込める導波路であって、該下地表面に平行な第１の方向に光を導波させる導波部分、及び前記導波部分から出射して該下地表面に平行な方向に発散する光を集束させるレンズ部分とを含む少なくとも１つの前記導波路と、
前記導波路のレンズ部分を透過して前記下地表面に垂直な方向に発散する光を集束させるレンズと、
前記導波路のレンズ部分と前記レンズとを支持する支持部材と
を有する光伝送装置。 - 前記下地表面に対して垂直な視線で見たとき、前記導波路のレンズ部分の、前記レンズ側の面の形状が前記レンズに向かって凸であり、
前記導波路が、さらに、該レンズ部分の、前記レンズ側の面に密着した導波層を含み、該導波層は、該レンズ部分から出射する光を導波させ、前記レンズに対向する端面を有し、該端面は、該端面から出射して前記レンズに到達するまでの光路長の最大値と最小値との差が、前記導波路のレンズ部分から出射して前記レンズに到達するまでの光路長の最大値と最小値との差よりも小さくなるような形状とされている請求項１に記載の光伝送装置。 - 前記導波路が、前記第１の方向と交差する第２の方向に複数個配列され、前記レンズは、該第２の方向に平行な柱面を有する柱面レンズであり、該複数の導波路と光学的に結合している請求項１または２に記載の光伝送装置。
- 前記導波路の各々の前記レンズ部分は、他の前記導波路のレンズ部分を該第２の方向に平行移動させて重ねることができる形状を有する請求項３に記載の光伝送装置。
- 前記支持部材が、前記導波路のレンズ部分と前記レンズとの間隔を拘束する間隔拘束部材を含み、該間隔拘束部材は、熱膨張することによって前記導波路のレンズ部分と前記レンズとの間隔を変化させ、該間隔拘束部材の熱膨張係数は、第１の温度から第２の温度に変動した時の前記レンズの焦点距離の延びをΔｆ、前記導波路のレンズ部分と前記レンズとの間隔の延びをΔｇとしたとき、Δｆ−Δｇの絶対値がΔｆよりも小さくなるように選択されている請求項１〜４のいずれかに記載の光伝送装置。
- 前記間隔拘束部材が、前記導波路のレンズ部分と前記レンズとの間の光の伝搬方向に並び、相互に熱膨張係数の異なる少なくとも２つの部材を含む請求項５に記載の光伝送装置。
- 前記支持部材が、前記導波路の上面に接する第１の基準面と、前記レンズに接し、該レンズの、前記下地表面に垂直な方向に関する位置を拘束する第２の基準面とを有し、前記導波路と前記レンズとの、前記下地表面に垂直な方向に関する相対位置を固定する請求項１〜６のいずれかに記載の光伝送装置。
- 前記支持部材が、前記導波路の、前記レンズ側の端面に接する第３の基準面と、前記レンズに接し、該レンズの、前記第１の方向に関する位置を拘束する第４の基準面とを有する請求項１〜７のいずれかに記載の光伝送装置。
- 第１及び第２の光コネクタであって、各々が、導波路、レンズ、及び支持部材を有し、該導波路は、下地表面上に形成され、該下地表面の法線方向に関して光を閉じ込め、さらに該導波路は、該下地表面に平行な第１の方向に光を導波させる導波部分と、該導波部分から出射して該下地表面に平行な方向に発散する光を集束させるレンズ部分とを含み、前記レンズは、前記導波路のレンズ部分を透過して前記下地表面に垂直な方向に発散する光を集束させ、該支持部材は、前記導波路のレンズ部分と前記レンズとを支持する前記第１及び第２の光コネクタと、
前記第１の光コネクタの前記導波部分を伝搬し、前記導波路のレンズ部分及び前記レンズで集束された光ビームが、前記第２の光コネクタの前記レンズ及び前記導波路のレンズ部分で集束され、前記導波部分に集光されるように前記第１の光コネクタと第２の光コネクタとを着脱可能に接続する接続部材とを有する光伝送装置。 - 前記第１の光コネクタと第２の光コネクタとの各々の支持部材が、前記導波路のレンズ部分と前記レンズとの間隔を拘束する間隔拘束部材を含み、該間隔拘束部材は、熱膨張することによって前記導波路のレンズ部分と前記レンズとの間隔を変化させ、該間隔拘束部材の熱膨張係数は、第１の温度から第２の温度に変動した時の前記第１の光コネクタの前記レンズの焦点距離の延びをΔｆ１、前記導波路のレンズ部分と前記レンズとの間隔の延びをΔｇ１、前記第２の光コネクタの前記レンズの焦点距離の延びをΔｆ２、前記導波路のレンズ部分と前記レンズとの間隔の延びをΔｇ２としたとき、Δｆ１−Δｇ１＋Δｆ２−Δｇ２の絶対値がΔｆ１＋Δｆ２の絶対値よりも小さくなるように選択されている請求項９に記載の光伝送装置。
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