JP6405946B2 - 光デバイス - Google Patents

Description

本発明は、光デバイスに関するものであり、特に、第１の光学部品と第２の光学部品とを同じ光軸上に沿って配置すると共に、前記第１及び第２の光学部品における該光軸に垂直な方向の線膨張係数が互いに異なる光デバイスに関する。

光計測分野や光通信分野においては、様々な光デバイスが用いられており、中でも複数の光学部品が集積された光デバイスは多い。例えばＬｉＮｂＯ_３（以下、ＬＮという）等の電気光学素子を用いた光変調器においても、多機能、大容量化を実現するために様々な集積技術を駆使した開発が行われている。特許文献１では、図１に示すように、ＬＮ基板１０を用いた光導波路素子の入出力部に石英導波路基板（ＰＬＣ）１１，１２を接合することにより、光回路の集積による小型化を実現している。符号２０〜２２は、各基板に形成された導波路であり、３０〜３３は光変調部、４０〜４２は位相シフタを示している。

特許文献２では、図２に示すように、偏波合成手段を備えた光変調器を開示している。ＬＮ基板１３に形成された光導波路２３に沿って不図示の変調電極が配置され、光導波路を伝播する光波の変調を行う。変調された光波の一部は、偏波回転手段５１により偏波回転させられ、その後、偏波合成部５２により他の光波と合成され、光ファイバ５６に入射させられる。この偏波合成部５２では、ＬＮ基板１３の端面に、２穴フェルールのコリメートレンズ５３が貼り付けられた構成となっている。コリメータレンズ５３から出射した２つの光波は、偏波合成素子５４で合成され、１穴フェルールのコリメータレンズ５５に入射し、光ファイバ５６へと合成光Ｌ２が導出される。なお、符号５０は入射用光ファイバであり、Ｌ１は入射光を示している。

特許文献２に示した技術を応用して、非特許文献１に示すように、ＬＮ素子にＱＰＳＫのマッハツェンダ（ＭＺ）構造の導波路を並列に形成したＤＱＰＳＫ変調器において、１００Ｇｂｐｓの大容量化及び伝送波形改善による長距離伝送を実現している。この光変調器は、ＬＮ素子の出力部に集光素子や偏波合成素子などからなる空間光学系を集積することで、偏波多重された多値の変調信号を得ることができる。

特許文献１又は２では、ＬＮ基板等に素材の異なる他の光部品を集積化することで光デバイスの高機能化を実現しているが、線膨張係数が異なる材料を接合して用いる場合には、雰囲気温度が変化すると部品の接合面等に熱応力による歪みや反りが生じる。このため、レンズ等の位置ずれや光路の変化、さらにはビーム径の変化などが生じ、光デバイスの光学特性が劣化する原因となる。特に、光軸に垂直な方向の線膨張係数が異なる場合には、予め設定された光軸と実際の光路とがずれ易くなるため、この傾向が顕著となる。

図３は、光導波路基板１４の端部にコリメータレンズ６０を配置した場合の反りの状況を説明する図である。基板１４とコリメータレンズ６０との線膨張係数の差により、基板等に反りが発生する。これにより、設計上の光軸（一点鎖線）から光路Ｌ３がずれ、コリメータレンズ６１の適正な位置に光波が入射せず、結果として、光ファイバ６２と光波との結合損失が大きくなる。なお、基板１４の端部の上面には、補強板１５が配置され、光導波路基板１４とコリメータレンズ６０との接合性を向上させている。

異なる線膨張係数を持つ部品の接合方法については、特許文献３では、光学部品間に熱硬化型の弾性接着剤を１００μｍ程度充填し、その伸縮を利用して応力を緩和する手段が提案されている。図４は、その概略図であり、光学レンズＯ１と光ファイバＦＢ１とを、両者の端面を互いに接合するとと共に、金属の鏡筒（スリーブ）ＳＬ１で保持している。光学レンズＯ１とスリーブＳＬ１、光ファイバＦＢ１とスリーブＳＬ１との間には、接着材ＡＤ１が設けられている。光学レンズや光ファイバよりもスリーブの線膨張係数が大きいため、熱膨張した際には、光学レンズＯ１と光ファイバＦＢ１には、互いに離れる方向の引っ張り張力Ｔｓ１が発生する。この張力により光学レンズと光ファイバとの接合部分が破断等するのを抑制するため、両者の接合を弾性樹脂の接着剤ＥＬ１で行っている。

特許文献３に示されるような弾性樹脂を用いた接合方法は、光変調器などの光デバイスのように、光学部品同士の位置決め精度が数μｍ以下に制限される光デバイスに適用することは困難である。

特開２００３−１２１８０６号公報 特開２０１０−１５６８４２号公報 特開２００５−４３４４９号公報

宮崎徳一 他，「４０Ｇ／１００Ｇｂｐｓデジタルコヒーレント通信用ＬＮ変調器」，住友大阪セメントテクニカルレポート，住友大阪セメント株式会社発行，第４４ページ，平成２３年１２月２０日

本発明が解決しようとする課題は、上述したような問題を解決し、線膨張係数が異なる材料で構成された光部品を接合した光デバイス、特に、空間光学系を備えた光デバイスにおいて、温度変化の影響により互いの接合面などに発生する応力を緩和させ、光部品間の変位量を抑制し、光学特性や機械的強度を改善した光デバイスを提供することである。

上記課題を解決するため、本発明は以下の特徴を有する。
（１） 第１の光学部品と第２の光学部品とを同じ光波の光軸上に沿って配置すると共に、前記第１及び第２の光学部品における該光軸に垂直な方向の線膨張係数が互いに異なる光デバイスにおいて、前記第１の光学部品と前記第２の光学部品との間に接続部材を配置し、前記第１の光学部品と該接続部材、及び該接続部材と前記第２の光学部品は、各々が面で接合されると共に、該光波は各々接合した面と該接続部材を透過するよう構成され、前記第１及び第２の光学部品と該接続部材の該光軸に垂直な方向の線膨張係数をαＡ，αＢ，αＣとした時、次の式を満たすように、前記第１及び第２の光学部品と前記接続部材の材料が選択されていることを特徴とする。
０．６≧ （αＣ−αＡ）／（αＢ−αＡ） ≧０ ・・・（式）
ただし、αＢ＞αＣ＞αＡとする。

（２） 上記（１）に記載の光デバイスにおいて、前記接続部材の該光軸に平行な方向の厚さは、０．１ｍｍ以上であることを特徴とする。

（３） 上記（１）又は（２）に記載の光デバイスにおいて、該接続部材の線膨張係数αＣは、７×１０^−６／℃以上、１０×１０^−６／℃以下であることを特徴とする。

（４） 上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の光デバイスにおいて、前記第１の光学部品はホウケイ酸ガラスで、前記第２の光学部品はＬｉＮｂＯ_３で、該接続部材はＢＫ７で構成されていることを特徴とする。

本発明は、第１の光学部品と第２の光学部品とを同じ光軸上に沿って配置すると共に、前記第１及び第２の光学部品における該光軸に垂直な方向の線膨張係数が互いに異なる光デバイスにおいて、前記第１の光学部品と前記第２の光学部品との間に接続部材を介して両者を連結すると共に、前記第１及び第２の光学部品と該接続部材の該光軸に垂直な方向の線膨張係数をαＡ，αＢ，αＣとした時、式「０．６≧ （αＣ−αＡ）／（αＢ−αＡ） ≧０ （ただし、αＢ＞αＣ＞αＡとする。）」を満たすように、前記第１及び第２の光学部品と前記接続部材の材料が選択されているため、温度変化の影響により互いの接合面などに発生する応力を緩和することができ、光部品間の変位量を抑制し、光学特性や機械的強度を改善した光デバイスを提供することが可能となる。

特許文献１に示された光デバイスの概略を説明する図である。 特許文献２に示された光デバイスの概略を説明する図である。 光導波路基板の端部にコリメータレンズを配置した場合の反りの状況を説明する図である。 特許文献３に示された光学部品の結合方法を説明する図である。 本発明の光デバイスに係る結合方法を説明する図である。 接続部材の線膨張係数に対応する熱応力の変化を示すグラフである。 接続部材の厚みの影響を評価するグラフである。 ＬＮ変調器に本発明を適用した例を示す図である。 図８の応用例を説明する図である。 ロッドレンズを含む光デバイスに本発明を適用した例を示す図である。 シリンドリカルレンズを含む光デバイスに本発明を適用した例を示す図である。 レンズアレイを含む光デバイスに本発明を適用した例を示す図である。

以下、本発明を好適例を用いて詳細に説明する。
本発明は、図５（ｂ）に示すように、第１の光学部品Ａと第２の光学部品Ｂとを同じ光軸上に沿って配置すると共に、前記第１及び第２の光学部品における該光軸に垂直な方向の線膨張係数が互いに異なる光デバイスにおいて、前記第１の光学部品と前記第２の光学部品との間に接続部材Ｃを介して両者を連結すると共に、前記第１及び第２の光学部品と該接続部材の該光軸に垂直な方向の線膨張係数をαＡ，αＢ，αＣとした時、次の式を満たすように、前記第１及び第２の光学部品と前記接続部材の材料が選択されていることを特徴とする。
０．６≧ （αＣ−αＡ）／（αＢ−αＡ） ≧０ ・・・（式）
ただし、αＢ＞αＣ＞αＡとする。

本発明の特徴は、光軸に垂直な方向の線膨張係数（以下では、単に「線膨張係数」という。）が異なる２つの光学部品間に、両者の間にある線膨張係数を持つ材料を挿入することによって応力を緩和し、機械的ならびに光学的特性を改善するものである。

簡単なモデルを用いて説明する。図５（ａ）は従来技術を示すものであり、光学部品Ａ（線膨張係数：αＡ）と、光学部品Ｂ（線膨張係数：αＢ）とを直接接合したモデルである。ただし、αＢ＞αＡとする。また、図５（ｂ）は、本発明に使用されるモデルであり、光学部品Ａと光学部品Ｂとの間に、線膨張係数αＣがαＢ＞αＣ＞αＡの条件を満足する接続部材Ｃ（線膨張係数：αＣ）を挿入している。

図５（ｂ）のモデルを用いて、接続部材Ｃの線膨張係数を変数として、モデル全体の温度を約６０℃（２５℃→８５℃）の範囲で変化させた際に、光学部品Ａと接続部材Ｃとの接合面に生じる応力値をシミュレーションにより算出した。図６はその計算結果である。図６のグラフの横軸は、Ａ＝（αＣ−αＡ）／（αＢ−αＡ）とした。

温度変化により生じる応力はαＡ＝αＣの場合に最小になり、係数の絶対値が大きくなるとともに応力も増加する。光学部品Ａには硼珪酸ガラス（線膨張係数αＡ＝６×１０^−６／℃）、光学部品ＢにはＬｉＮｂＯ_３（線膨張係数αＢ＝１５×１０^−６／℃）を用いた。例えば、接続部材Ｃに、石英（線膨張係数αＣ＝０．５×１０^−６／℃）を用いた場合には、Ａ＝−０．７となり、約２２ＭＰａの応力を生じることが分かる。

一般的に使用される光学接着剤のせん断強度は約２１ＭＰａであることから、この組み合わせにおいては、生じた応力によって剥離などが起きる可能性がある。

次に、Ａ＞０となる範囲で、接続部材Ｃの厚みを０．２ｍｍ、０．５ｍｍ、１．０ｍｍと変え、同様に計算を行った。図７に計算結果を示す。図７を見ると、接続部材の厚みが薄くなるに従い応力が増加する傾向になり易い。接続部材の光軸に平行な方向の厚さは、０．１ｍｍ以上であることが好ましい。

図７の計算結果において、光学接着剤のせん断強度の８０％の値＝１６．８ＭＰａを許容値上限と定めると、Ａが０〜０．６になる光学部品ＡとＢ及び接続部材Ｃの組み合わせであれば良いことが分かる。接合する光学部品の材料にも依存するが、ＬＮ基板を用いた光デバイスの場合、接続部材の線膨張係数αＣは、７×１０^−６／℃以上、１０×１０^−６／℃以下であることが好ましい。

次に、本発明の光デバイスの具体例について説明する。
図８は、ＬＮ変調器に本発明を適用したものである。図８は、ＬＮ変調器の一部の断面図を示しており、筐体８０の内部には、光導波路を形成したＬＮ基板１４が配置され、ＬＮ基板１４の端部には、接続部材７０を介してコリメータレンズ６０が接合されている。また、筐体８０の外側には光ファイバ用のコリメータレンズ鏡筒６１が配置されている。レンズ鏡筒６１とコリメータレンズ６０とは、筐体８０の一部に形成された開口を通じて、出入射光の受け渡しを行っている。

ＬＮ基板１４の線膨張係数は１５×１０^−６／℃、コリメータレンズ６０の線膨張係数は６×１０^−６／℃であるため、その間に線膨張係数が７×１０^−６／℃のガラス板を挿入することで応力が緩和できる。このようなガラス板で容易に入手可能な物としては、硼珪酸クラウンガラス（ＢＫ−７）等がある。なお、ガラスの線膨張係数は種類によって様々で、光学材料の組み合わせに応じて材料を選択することが可能である。

図９は、図８のＬＮ変調器の応用例であり、特許文献２に示すようなＤＰ−ＱＰＳＫ変調器に適用した例である。特に、ＬＮ基板１４の出射部に複数の光導波路２４を導出し、コリメータレンズ６０を含む空間光学系を用いて、偏波合成等を行っている。ＬＮ基板１４の出射端部付近の光導波路は、図９のように互いに角度を持つように配置しても、互いに平行に配置してもよい。

図１０乃至１２には、各種の光デバイスの例を示している。図１０は、ロッドレンズ６２とＬＮ基板１４とを接続部材７１を用いて接合した例である。符号１５は補強板である。また、図１１は、シリンドリカルレンズ６３をＬＮ基板１４に、接続部材７２を用いて接合した例である。符号６４は他のシリンドリカルレンズを示している。さらに、図１２は、レンズアレイ（複数のレンズ６６を一つの部材に組み込んだもの）６５をＬＮ基板１４に、接続部材７３を用いて接合した例である。

本発明の光デバイスでは、異なる線膨張係数を持つ２つの光学部品間に、特定の線膨張係数を持つ接続部材を配置することで、熱応力が緩和され、それに起因する歪みや反りが減少し、その結果として光学特性等が改善される。

しかも、図８に示すようなＬＮ変調器においては、ファイバコリメータとの結合ロスが改善される。さらに、図９のように出射部の光導波路が複数本となる場合には、光導波路間のロス差や偏波特性なども改善される。

特許文献１に記載の図１のような、ＬＮ基板とＰＬＣとを接合する場合には、直径数μｍの幅の光導波路同士の接合であるため、その間に接続部材としてガラス板のようなバルクの光学部品を挿入すると、両者の結合が保てず、結合損失が増大するため、余り好ましくない。

しかしながら、同じＬＮ変調器でも図２などの空間光学系を使用する場合には、レンズとガラス板を含めた焦点距離が適切であれば、ＬＮ基板側のコリメータと光ファイバ側のコリメータとの結合に影響を及ぼすことはない。しかも、技術やコスト面を考慮しても容易に実施可能である。

また、従来は熱応力を嫌って部品同士を離して配置していたものに対しても、本発明により、応力緩和材料（接続部材）を挟んで接合することで小型化が可能となる。
さらに、ガラス板を挿入することで応力を緩和する効果が得られると同時に、レンズの焦点距離をガラス板で調整することが出来るという効果も得られる。

上記のような構成で光導波路を有する基板と接続部材、及びレンズなどの各部材を接着剤で固定した場合、レンズと接続部材と接着剤の光軸に平行な方向の光路長の総和をレンズの光軸に平行な方向の光路長である焦点距離と等しくすることが好ましい。特に上記構成に加え接続部材の光軸に平行な方向の厚さを、０．１ｍｍ以上とした場合は部品間の変位量の抑制や、光学特性や機械的強度の改善などの面において更に効果的である。

なお、以上の説明では、光導波路を有するＬＮ基板とＢＫ７で構成されたレンズ、及びガラス板などの接続部の組み合わせを例に説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、本発明の効果を奏する範囲であれば各種材料を用いることができる。

また本発明は、光学部品同士の位置決めに数μｍ以下の精度を必要とする、例えば光導波路を有した基板同士の間に接続部材を配置する構成や、光導波路を有した基板とレンズなどの光学部品との間に接続部材を配置する構成において、光部品間の変位量の抑制や、光学特性や機械的強度の改善などの面において高い効果を奏することができる。特に上記構成に加え接続部材の光軸に平行な方向の厚さを、０．１ｍｍ以上とした場合はより高い効果が期待できる。

以上のように、本発明によれば、線膨張係数が異なる材料で構成された光部品を接合した光デバイス、特に、空間光学系を備えた光デバイスにおいて、温度変化の影響により互いの接合面などに発生する応力を緩和させ、光部品間の変位量を抑制し、光学特性や機械的強度を改善した光デバイスを提供することが可能となる。

１４ ＬＮ基板
１５ 補強板
６０，６２，６３，６５ レンズ
７０〜７３ 接続部材

Claims (4)

1. 第１の光学部品と第２の光学部品とを同じ光波の光軸上に沿って配置すると共に、前記第１及び第２の光学部品における該光軸に垂直な方向の線膨張係数が互いに異なる光デバイスにおいて、
   前記第１の光学部品と前記第２の光学部品との間に接続部材を配置し、前記第１の光学部品と該接続部材、及び該接続部材と前記第２の光学部品は、各々が面で接合されると共に、該光波は各々接合した面と該接続部材を透過するよう構成され、
   前記第１及び第２の光学部品と該接続部材の該光軸に垂直な方向の線膨張係数をαＡ，αＢ，αＣとした時、次の式を満たすように、前記第１及び第２の光学部品と前記接続部材の材料が選択されていることを特徴とする光デバイス。
   ０．６≧ （αＣ−αＡ）／（αＢ−αＡ） ≧０ ・・・（式）
   ただし、αＢ＞αＣ＞αＡとする。
2. 請求項１に記載の光デバイスにおいて、前記接続部材の該光軸に平行な方向の厚さは、０．１ｍｍ以上であることを特徴とする光デバイス。
3. 請求項１又は２に記載の光デバイスにおいて、該接続部材の線膨張係数αＣは、７×１０^−６／℃以上、１０×１０^−６／℃以下であることを特徴とする光デバイス。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の光デバイスにおいて、前記第１の光学部品はホウケイ酸ガラスで、前記第２の光学部品はＬｉＮｂＯ_３で、該接続部材はＢＫ７で構成されていることを特徴とする光デバイス。

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