JP5603847B2 - マイクロレンズアレイ及び光伝送部品 - Google Patents

Description

本発明は、光通信分野で使用するプレーナ光波回路とホトダイオード等の光半導体素子アレイ相互間を接続するマイクロレンズアレイ及びこれを含む光伝送部品に関するものである。

光通信で用いられる屈折率分布型（以下ＧＩと称する）のマルチモード光ファイバは、屈折率がコア中心を最大屈折率とする２乗屈折率分布を呈し、本来の光伝送路としてのみならずマイクロレンズとして用いた場合にも良好なレンズ機能を示す。そのため、光回路とホトダイオード（以下ＰＤと称する）等の光半導体素子との光結合にも利用されている。

図１は、かような目的に用いられる従来型のマイクロレンズアレイの一例である（例えば、特許文献１を参照。）。図１では、ＧＩファイバで成り、光軸をＺ軸方向とするマイクロレンズ１の２アレイが、Ｘ軸に平行なアレイ軸に沿って配列するようにＶ溝板２と上板３に挟み込まれており、接着剤４で固定されている。マイクロレンズ１のＺ方向長さは、所望の集光位置、集光径で異なるが、通常０．３〜１ｍｍ程度である。

特開２００８−０４００２８号公報

図１に示す２アレイのマイクロレンズアレイを図２に示すように１×２分岐の光回路５の２分岐側に接続することを考える。分岐側導波路間隔はマイクロレンズアレイのアレイ間隔と同じにしてある。ここで光回路５は、基板上にコア及びクラッドから成る光導波路７、及び、両端にファイバやその他の部品を接続し易くするためのヤトイ板から成っている。マイクロレンズアレイの接続固定は、１入力側の光回路端にあらかじめ光ファイバやその他の部品を接続しておいて導波光を通し、マイクロレンズ１からの出力光をモニタＰＤ６でモニタしながら最大受光強度の位置で固定する。ここで以下のような問題があった。

図３は、上記調芯状態をＸ方向から見た図である。調芯固定の際には、集光能力などのレンズ性能を最大限に引き出すため、光導波路７中を伝搬する導波モード界分布の中心とマイクロレンズ１の中心位置を一致させる必要がある。通常、光導波路７の導波モード径が１０μｍ以下であるのに対してマイクロレンズ１の口径は５０μｍ以上と大きいため、導波モード中心からレンズ中心がずれていてもマイクロレンズ１からの出射光は減衰や拡散無くモニタＰＤ６の受光面に到達し、図３（ａ）や図３（ｂ）に示すようにモニタ光量は光軸から半径方向へ変化し難い。すなわち、図３（ｂ）の右端に複式的に示した位置−モニタ光強度曲線が台形状となり、導波路中心と一致するレンズ中心位置が十分な精度で求まらなかった。ここで、導波モード径とは、図３に示す導波モード界分布曲線において、光強度がピークから１／ｅ^２になるところの直径である。

そこでこれを解決するための方法として、図３（ｃ）に示すように、モニタＰＤ６の前に光導波路７の導波モード径と同程度の穴径のスリット８を置いていた。このようにすれば、図３（ｃ）に示すように、位置−モニタ光強度曲線は光導波路７を伝搬する導波モードとマイクロレンズ１の中心が一致したところでピークを持ち、位置合わせが可能となる。

しかし、上記方法は、導波モード中心とマイクロレンズ１の中心が一致したところでマイクロレンズ１からの出射光がスリット８を通過するように、スリット８と光導波路７の位置関係を図のＸＹ面にて一致させるべく、あらかじめ十分な位置精度で設定しておく必要がある。このため、上記方法は、光回路−レンズ接続工程だけの専用装置が必要であるなど、レンズ装着作業が煩雑となり、コストダウンが困難という課題があった。

そこで、係る課題を解決するため、本発明は、導波路等の光回路と位置精度を高く保ち且つ接続作業が容易であるマイクロレンズアレイ、及びこれを備えた光伝送部品を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るマイクロレンズアレイは、アレイ状に配置したマイクロレンズの両端に調芯用光ファイバを配置することを特徴とする。

具体的には、本発明に係るマイクロレンズアレイは、アレイ構造に配置され、光軸方向に同一長である複数のマイクロレンズと、光軸が前記マイクロレンズの光軸に平行になるように前記アレイ構造の両端に配置されており、光軸方向の長さが前記マイクロレンズの長さと同一、且つ導波モード径が前記マイクロレンズの口径より小さい調芯用光ファイバと、を備える。

調芯用ファイバから出射した光の強度は、光軸から半径方向へ変化し易い。このため、導波路の導波モード径と同程度の穴径のスリットを用いなくとも、調芯用ファイバと光回路等の導波路双方の導波モード中心を精度よく一致させることができる。マイクロレンズと接続する光回路に信号用の導波路に並列するように調芯用の導波路を形成しておけば、当該調芯用の導波路と本マイクロレンズアレイの調芯用ファイバとを容易に位置合わせすることができ、マイクロレンズと導波路とを精度よく接続することができる。

従って、本発明は、導波路等の光回路と位置精度を高く保ち且つ接続作業が容易であるマイクロレンズアレイを提供することができる。

本発明に係るマイクロレンズアレイの前記マイクロレンズは、マルチモード屈折率分布型光ファイバであり、前記調芯用光ファイバは、単一モード光ファイバであることを特徴とする。

調芯用光ファイバの導波モード径をマイクロレンズの口径より十分小さくすることができ、位置合わせの精度を向上させることができる。

本発明に係る光伝送部品は、前記マイクロレンズアレイと、前記マイクロレンズに光接続される光導波路、及び前記調芯用光ファイバのコアに光接続される調芯用光導波路を備える光回路と、を有する。

光回路には、信号用の導波路に並列するように調芯用の導波路が形成されている。当該調芯用の導波路とマイクロレンズアレイの調芯用ファイバとを容易に位置合わせすることができるため、マイクロレンズと光回路の導波路とを容易且つ精度よく接続することができる。

従って、本発明は、導波路等の光回路とマイクロレンズアレイとの接続精度が高いにもかかわらず製造が容易である光伝送部品を提供することができる。

本発明によれば、導波路等の光回路と位置精度を高く保ち且つ接続作業が容易であるマイクロレンズアレイ、及びこれを備えた光伝送部品を提供することができる。

従来のマイクロレンズアレイの斜視図である。 従来のマイクロレンズアレイと光回路との接続作業を示す斜視図である。 従来のマイクロレンズアレイと光回路との接続作業を示す断面図である。（ａ）導波路とレンズ光軸がずれたときの図である。（ｂ）導波路とレンズ光軸がずれたときの図である。（ｃ）スリットを使って導波路とレンズ光軸を合わせる作業を説明する図である。 本発明に係るマイクロレンズアレイと光回路との接続作業を示す断面図である。 本発明に係るマイクロレンズアレイの斜視図である。 本発明に係るマイクロレンズアレイと光回路との接続作業を示す斜視図である。 光導波路とマイクロレンズの位置−モニタ光強度曲線の比較グラフである。 光導波路とマイクロレンズの位置−モニタ強度曲線の最適調芯位置付近の拡大比較グラフである。

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。

図３で示した構成において、マイクロレンズ１を光導波路７と同等の導波モード径の単一モード光ファイバである調芯用光ファイバ９に置き換えて図４に示す構成としてみる。するとモニタＰＤ６で受光した位置−モニタ光強度曲線は、図中に模式的に示すように、調芯用光ファイバ９がせいぜい１ｍｍ以下と短いのでバックグラウンド光強度は高くなるが、調芯用光ファイバ９の導波モード中心が光導波路７の導波モード中心と一致した場合に最大となるピーク曲線となる。そこで前記した問題を解決するには以下のようにすればよい。

本実施形態のマイクロレンズアレイは、アレイ構造に配置され、光軸方向に同一長である複数のマイクロレンズ１と、光軸がマイクロレンズ１の光軸に平行になるようにアレイ構造の両端に配置されており、光軸方向の長さがマイクロレンズ１の長さと同一、且つ導波モード径がマイクロレンズ１の口径より小さい調芯用光ファイバ９と、を備える。

また、マイクロレンズ１は、マルチモード屈折率分布型光ファイバであり、調芯用光ファイバ９は、単一モード光ファイバである。

図５は、本実施形態のマイクロレンズアレイの斜視図を示す。マイクロレンズアレイは、ＧＩファイバで成るマイクロレンズ１の２アレイと、それらの両脇にＧＩファイバと同一クラッド径で、且つ光導波路７の導波モード径と同等の導波モード径の単一モード光ファイバで成る調芯用光ファイバ９と、を有する。そして、マイクロレンズアレイは、Ｘ軸に平行な直線をアレイ軸として、これに垂直なＺ軸方向に４本の平行な同一形状のＶ溝が形成されたＶ溝板２と上板３をさらに有しており、Ｖ溝板２と上板３とでマイクロレンズ１と調芯用光ファイバ９とを挟み込み、接着剤４で固定する構造となっている。

マイクロレンズ１の間隔は、接続すべき光回路の導波路間隔と合わせておく。図１に示す従来型と異なるのは、マイクロレンズ１のアレイ構造の両脇に２本の調芯用光ファイバ９が備わっていることである。マイクロレンズ１と調芯用光ファイバ９は同一クラッド径であるので、マイクロレンズ１と調芯用光ファイバ９の中心は自動的に一直線上に並ぶこととなる。

もう一つの異なる点は、このマイクロレンズアレイの適用図である図６に示すように、２本の調芯用光ファイバ９に合わせて、光回路５にも調芯用導波路１０およびそれらに接続された光ファイバ１１を備えた点である。

マイクロレンズアレイの光回路５への調芯固定は調芯用導波路１０からのモニタ光をモニタＰＤ６で受光する。その位置−モニタ光強度曲線は先に示した図４のようにピークをもち、アレイ構造の両端に設置された調芯用導波路１０と調芯用光ファイバ９の調芯作業によって光回路５とマイクロレンズアレイの２軸調芯固定が可能となる。

尚、マイクロレンズ１として用いるＧＩファイバと調芯用光ファイバ９のクラッド径が異なる場合も想定される。その場合には、Ｖ溝板２において、マイクロレンズ１と調芯用光ファイバ９に対応するＶ溝を異なる深さとして、マイクロレンズ１と調芯用光ファイバ９の中心がー直線に並ぶようにすればよい。また、上板３も同様にＶ溝板を設ける他に、凸部又は凹部を設けることにより、マイクロレンズ１と調芯用光ファイバを押さえて固定できるようにすれば良い。

以下に実施例を述べる。実施例では、動作波長は１．５５μｍを想定した。
光回路５として、ＮＡが０．２１、導波モード径７μｍの石英系プレーナ光波回路を用いた。マイクロレンズ１には、ＮＡが０．２８、コア径６２．５μｍ（すなわちレンズ口径６２．５μｍ）、クラッド径１２５μｍのＧＩ型光ファイバを用いた。また、その両脇に配置すベき調芯用光ファイバ９として、ＮＡが０．１４、導波モード径９．２μｍ、クラッド径１２５μｍの単一モード光ファイバを用いた。これらをパイレックス（登録商標）ガラスから成って２５０μｍ間隔で切られた６０度Ｖ溝板２、接着剤４、及びＶ溝板２と同じくパイレックス（登録商標）ガラス平板から成る上板３から成るファイバブロックに構成して、しかる後に長さ０．４１１ｍｍに切り出して２５０μｍ間隔のマイクロレンズアレイとした。

この調芯用光ファイバ付きマイクロレンズアレイの上記光回路５への調芯作業時の位置−モニタ光強度曲線を図７及び図８に示す。ここで用いたモニタＰＤ６の受光径は１０ｍｍφである。これらの図では、比較のために、従来法であるマイクロレンズ１（図中ＧＩＦ）自身で調芯した場合（スリット８使用せず）と、本発明の調芯用光ファイバ９（図中ＳＭＦ）を使用した場合の両方を示してある。図７は光回路５の導波路コアとマイクロレンズ１の中心がほぼ一致する点を中心として±５０μｍのレンジでの位置−モニタ光強度曲線である。±１０μｍ以上のレンジでは、導波路コアと調芯ファイバ９は位置が大きくずれているため、モニタＰＤ６は調芯用光ファイバ９のクラッドを通り抜けてくる光を背景光として受けてバックグラウンド光強度がＧＩレンズの場合より強い。一方、±１０μｍ以下のレンジでは、ＧＩレンズ透過光より鋭いピークを示すことが判る。図８は、±５μｍのレンジの拡大グラフである。図に明らかなように、ＧＩレンズでは、Ｘ方向で±３μｍ、Ｙ方向で±２μｍの領域で位置−モニタ光強度曲線が一定となりこれ以上の精度でピークが判別できない。一方、調芯用光ファイバ９として単一モード光ファイバを用いた調芯では、ピークが明瞭でサブμｍの精度で調芯最適位置が判別できた。

なお、本実施形態において、マイクロレンズのアレイ構造を２アレイとして説明したが、アレイ構造はこれに限ることではない。また、調芯用光ファイバは単一モード光ファイバに限らずマルチモード光ファイバでも良い。いずれの光ファイバの場合も、導波モード径がマイクロレンズの口径より小さいことを条件とする。なお、「小さい」とは調芯用光ファイバの導波モード径が０より大きくマイクロレンズの口径より小さいことを意味する。調芯精度に関しては、光導波路７の導波モード径と調芯用光ファイバ９の導波モード径が一致した場合に最大精度が得られる。それは、この場合に光導波路７と調芯用光ファイバ９の光結合が最大となり、バックグランド光は最低となって最も鋭い調芯ピーク曲線が得られ、Ｓ／Ｎの低いピーク識別ができるからである。

（実施形態の効果）
以上述べたように、本実施形態によれば、以下のような効果が期待できる。
まず、本実施形態では、マイクロレンズ１のアレイの両脇に調芯用光ファイバ９を、また光回路の入力側にも対応した光ファイバ１１を付け加えることになる。しかし、光ファイバ１１は外径精度は±１μｍ以内に保たれている上に単価は安価であること、Ｖ溝を利用したファイバブロック作製技術も多アレイ化技術が進捗しており、技術的困難は無い。

また、光回路５にも調芯用導波路１０を付加する必要があるが、調芯作業に使用するだけであり、導波路そのものの品質を問う必要は無く、設計の段階でホトマスク上に付け加えるだけである。
従って、本構造を採用することのコストアップヘの影響は僅少なものである。

次に、本実施形態のさらなる利点について述べる。
まず第一は、２軸調芯工程は通常の導波路接続と全く同一の工程でよいことである。技術のこなれた光ファイバアレイ作製技術を援用することで、高精度な位置精度を要するスリット８の作用を調芯用光ファイバで代用し、従来の導波路接続装置を何ら高機能化せずそのまま使用できることである。

第二には、電気光学効果や熱光学効果などを利用した高機能な光回路にもそれら回路を動作させること無くマイクロレンズアレイを接続できることである。上記高機能回路では、往々にしてノーマリーオフの設定となっていて、従来ではモニタ光を得るために接続作業時に回路を駆動させる必要があった。本実施形態では、調芯用導波路を使用するので、そのような駆動装置も不要となる。

上記したように、本発明は、光回路に精度よくマイクロレンズアレイを装着できるので、今後の光通信の益々の大容量化にともなって需要が増えると予測される２０ＧＨｚ以上の帯域を目指した２０μｍ以下の狭受光径の超高速ホトダイオード等と光回路間の接続に有効である。

１：マイクロレンズ
２：Ｖ溝板
３：上板
４：接着剤
５：光回路
６：モニタＰＤ
７：光導波路
８：スリット
９：調芯用光ファイバ
１０：調芯用導波路
１１：光ファイバ

Claims (4)

1. アレイ構造に配置され、光軸方向に同一長である複数のマイクロレンズと、
   光軸が前記マイクロレンズの光軸に平行になるように前記アレイ構造の両端に配置されており、光軸方向の長さが前記マイクロレンズの長さと同一、且つ導波モード径が前記マイクロレンズの口径より小さい調芯用光ファイバと、
   を備えるマイクロレンズアレイ。
2. 前記マイクロレンズは、光軸方向の長さが０．３ｍｍ以上、１．０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロレンズアレイ。
3. 前記マイクロレンズは、マルチモード屈折率分布型光ファイバであり、
   前記調芯用光ファイバは、単一モード光ファイバであることを特徴とする請求項２に記載のマイクロレンズアレイ。
4. 請求項１から３のいずれかに記載のマイクロレンズアレイと、
   前記マイクロレンズに光接続される光導波路、及び前記調芯用光ファイバのコアに光接続される調芯用光導波路を備える光回路と、
   を有する光伝送部品。

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