JP6920713B2

JP6920713B2 - 光パワー減衰器

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Publication number: JP6920713B2
Application number: JP2017047276A
Authority: JP
Inventors: 康樹桜井
Original assignee: Santec Corp
Current assignee: Santec Corp
Priority date: 2017-03-13
Filing date: 2017-03-13
Publication date: 2021-08-18
Anticipated expiration: 2037-03-13
Also published as: JP2018151514A; US20180259713A1; US10488592B2

Description

本開示は、ミラーを備えたＭＥＭＳ素子を用いて光を減衰させる光パワー減衰器に関する。

光通信用のネットワークを構成する伝送路や、その伝送路に設けられる光増幅器、或いは、光通信を行う光トランシーバや光トランスポンダ等には、光パワーを調整するために光パワー減衰器が設けられることがある。

また、光パワー減衰器としては、光を反射するミラーの反射角度を印加電圧に応じて制御可能なＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System ）素子を備えた、反射型のものが知られている。

反射型の光パワー減衰器で使用されるＭＥＭＳ素子は、梁を介して揺動可能に支持されたミラーを備え、印加電圧に応じて発生する静電力によってミラーによる光の反射角度を調整できるように構成されている（例えば、特許文献１参照）。

そして、図５に例示するように、従来の光パワー減衰器５には、上記のように構成されたＭＥＭＳ素子１０と、光を入・出力するための２芯光ファイバ２０の一端に設けられるキャピラリ部材２２と、キャピラリ部材２２とＭＥＭＳ素子１０との間に配置されるレンズ３０とが備えられる。

また、レンズ３０は、コリメートレンズにて構成され、２芯光ファイバ２０のうち、ＩＮ側光ファイバ２０ｉからの入射光をコリメート光（平行光）に変換して、ＭＥＭＳ素子１０に入射させ、ＭＥＭＳ素子１０からの反射光を往路とは異なる経路でＯＵＴ側光ファイバ２０ｏに入射させる。

このため、ＩＮ側光ファイバ２０ｉからの入射光は、ＭＥＭＳ素子１０内のミラーによる光の反射角度に応じて減衰されて、ＯＵＴ側光ファイバ２０ｏに入射され、ＯＵＴ側光ファイバ２０ｏを介して他の光デバイスへ伝送されることになる。

特開２００４−８５８６９号公報

ところで、キャピラリ部材２２において、２芯光ファイバ２０に対し光を入・出力する側の端面（換言すればレンズ３０側の端面）は、２芯光ファイバ２０を介して伝送される光の一部が反射して同一の光路を通って戻ることのないよう、２芯光ファイバ２０の光軸に対し所定角度で傾斜するように構成されている。

このため、キャピラリ部材２２からレンズ３０には、２芯光ファイバ２０の光軸に対して斜めに光が出射されることになる。従って、ＭＥＭＳ素子１０及びキャピラリ部材２２を、レンズ３０の中心軸（光軸）Ａと同軸上に配置すると、ＭＥＭＳ素子１０にて、ＩＮ側光ファイバ２０ｉからの入射光を、ＯＵＴ側光ファイバ２０ｏに向けて反射することができなくなる。

そこで、従来の光パワー減衰器５においては、図５に示すように、ＭＥＭＳ素子１０を、レンズ３０の中心軸Ａから偏心した位置に配置している。
しかしながら、ＭＥＭＳ素子１０をこのように配置すると、ＭＥＭＳ素子１０が収納されるＭＥＭＳパッケージ１２全体をレンズ３０の中心軸Ａから偏心した位置に配置する必要があり、このためには、光パワー減衰器５全体の径Ｒを、レンズ３０の径よりも大きくしなければならない。

これに対し、光パワー減衰器が内蔵される光増幅器や光トランシーバ等の光通信用機器の大きさは、ＣＦＰ、ＣＦＰ２、ＣＦＰ４…というように、各種規格によって制限されている。

このため、上述した従来の光パワー減衰器５では、光通信用機器のケース内に収納できるように小型化することが難しく、大きさが制限された所望の光通信用機器に収納することができないことがあった。

本開示の一局面では、入射光を反射することにより減衰させる光パワー減衰器において、光パワーの減衰特性を劣化させることなく、小型化できるようにすることが望ましい。

本開示の一局面の光パワー減衰器は、ミラーによる光の反射角度を制御可能なＭＥＭＳ素子が収納されたＭＥＭＳパッケージと、光を伝送する２芯光ファイバの一端に設けられて、２芯光ファイバに対し光を入・出力するキャピラリ部材と、これらの間に配置されるレンズとを備える。

レンズは、キャピラリ部材を介して２芯光ファイバの一方の光ファイバ（ＩＮ側光ファイバ）から出射される光をＭＥＭＳ素子に入射させ、ＭＥＭＳ素子のミラーで反射された反射光を２芯光ファイバの他方の光ファイバ（ＯＵＴ側光ファイバ）に導くためのものである。

また、キャピラリ部材において、２芯光ファイバに対し光を入・出力する側の端面は、２芯光ファイバの光軸に対し所定角度で傾斜している。これは、上述した従来のものと同様、２芯光ファイバを介して伝送される光の一部がキャピラリ部材のレンズ側の端面で反射して、同一の光路を通って戻ることのないようにするためである。

このため、２芯光ファイバのＩＮ側光ファイバからレンズに向けて出射される光は、ＩＮ側光ファイバの光軸に対し、所定角度で傾斜することになる。
次に、ＩＮ側光ファイバからの光を損失なくＯＵＴ側光ファイバに導くためには、キャピラリ部材の中心（詳しくは２芯光ファイバに対し光を入・出力する部分の中心）を、レンズの中心軸（光軸）と一致させる必要がある。

そこで、本開示の光パワー減衰器では、キャピラリ部材及びＭＥＭＳパッケージの中心が、レンズを挟んで、レンズの中心軸と同軸上となるように配置している。
また、キャピラリ部材、レンズ、及び、ＭＥＭＳパッケージを、単にレンズの中心軸と同軸上に配置すると、ＭＥＭＳパッケージ内のＭＥＭＳ素子のミラーの中心位置が、レンズを介して入射する入射光の光軸からずれてしまい、入射光を良好に反射することができなくなる。

そこで、本開示の光パワー減衰器では、ＭＥＭＳパッケージにおいて、ＭＥＭＳ素子のミラーの中心位置がレンズの中心軸から外れて、レンズからの入射光をレンズに向けて反射可能な位置となるように、ＭＥＭＳ素子が配置されている。

このため、本開示の光パワー減衰器によれば、ＭＥＭＳ素子による光の反射特性（換言すれば光パワーの減衰特性）を劣化させることなく、キャピラリ部材、レンズ、及び、ＭＥＭＳパッケージを、レンズの中心軸と同軸上に配置することができるようになる。

よって、ＭＥＭＳパッケージをレンズの中心軸から偏心させた位置に配置している従来装置に比べ、光パワー減衰器を小型化することが可能となり、延いては、光パワー減衰器を内蔵する光通信用機器を小型化することができるようになる。

ここで、レンズの中心軸上に配置されるＭＥＭＳパッケージにおいて、ＭＥＭＳ素子のミラーの中心位置をレンズの中心軸から偏心した位置に配置するには、ＭＥＭＳパッケージ内でのＭＥＭＳ素子の配置位置を、ＭＥＭＳパッケージの中心位置からずらすようにしてもよく、或いは、ＭＥＭＳ素子内でミラーの位置をＭＥＭＳ素子の中心位置からずらすようにしてもよい。

次に、光パワー減衰器を更に小型化するには、ＭＥＭＳパッケージ自体を小型化するとよく、このためには、ＭＥＭＳパッケージにおいて、ＭＥＭＳ素子の実装空間には、ＭＥＭＳ素子に制御信号を入力する配線部品が含まれないように構成されていてもよい。

また、ＭＥＭＳパッケージには、ＭＥＭＳ素子に対する制御信号を外部から入力するために、従来のように電極ピン等の配線部品を設けるのではなく、所謂表面実装用の電極パターンを備えるようにしてもよい。

そして、このようにすれば、ＭＥＭＳパッケージに設ける配線部品を少なくして、ＭＥＭＳパッケージを小型化することができるようになり、延いては、光パワー減衰器をより小型化することが可能となる。

なお、このように構成されるＭＥＭＳパッケージのサイズは、最大外形が３．５ｍｍ以下であるとよい。つまり、ＭＥＭＳパッケージが円筒形状である場合には、径を３．５ｍｍ以下にするとよく、ＭＥＭＳパッケージが矩形形状である場合には、一辺の長さを３．５ｍｍ以下にするとよい。このようにすれば、ＭＥＭＳパッケージの大きさを、従来、一般的に使用されているものに比べて、小さくすることができる。

また、本開示の光パワー減衰器を光増幅器等の他のデバイスと共に光通信用機器のケース内に収納する場合、２芯光ファイバを構成する光ファイバの径が太く、曲げ半径が大きい場合には、２芯光ファイバを収納するのに必要な空間が大きくなって、光通信用機器を小型化し難くなる。

このため、２芯光ファイバは、曲げ半径１０ｍｍ以下の光ファイバにて構成されているとよい。また、２芯光ファイバは、クラッド径が１００μｍ以下の光ファイバにて構成されていてもよい。

このようにすれば、本開示の光パワー減衰器を光増幅器等の他の光デバイスと共に光通信用機器のケース内に収納する際に、光パワー減衰器から引き出された２芯光ファイバを狭い空間内で容易に配線できるようになり、光通信用機器を小型化できるようになる。

実施形態の光パワー減衰器の構成を表す説明図である。ＭＥＭＳパッケージの構成例を表し、図２Ａは側面図、図２Ｂは平面図である。ＭＥＭＳ素子内のミラーの配置を表し、図３Ａはミラーを中心位置に配置した状態を表す説明図、図３Ｂはミラーを中心位置から偏心した位置に配置した状態を表す説明図である。ＭＥＭＳパッケージの他の構成例を表し、図４Ａは側面図、図４Ｂは底面図である。従来の光パワー減衰器の構成を表す説明図である。

以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１に示すように、本実施形態の光パワー減衰器１には、図５に示した従来のものと同様、ＭＥＭＳ素子１０が収納されたＭＥＭＳパッケージ１２と、２芯光ファイバ２０の一端に設けられるキャピラリ部材２２と、レンズ３０とを備える。

レンズ３０は、コリメートレンズにて構成され、キャピラリ部材２２とＭＥＭＳ素子１０との間に配置されている。このため、２芯光ファイバ２０の内、ＩＮ側光ファイバ２０ｉから出射された光は、レンズ３０にてコリメート光（平行光）に変換されて、ＭＥＭＳ素子１０に入射し、ＭＥＭＳ素子１０からの反射光は、往路とは異なる経路でＯＵＴ側光ファイバ２０ｏに入射することになる。

従って、ＩＮ側光ファイバ２０ｉからの入射光は、ＭＥＭＳ素子１０内のミラーによる光の反射角度に応じて減衰されて、ＯＵＴ側光ファイバ２０ｏに入射され、ＯＵＴ側光ファイバ２０ｏを介して他の光デバイスへ伝送される。

また、本実施形態の光パワー減衰器１においては、ＭＥＭＳパッケージ１２及びキャピラリ部材２２の中心が、レンズ３０の中心軸（光軸）Ａと一致するように、ＭＥＭＳパッケージ１２、レンズ３０及びキャピラリ部材２２が同軸上に配置されている。

これに対し、キャピラリ部材２２のレンズ３０側の端面は、図５に示した従来のものと同様、２芯光ファイバ２０の光軸に対し所定角度で傾斜するように構成されている。
このため、キャピラリ部材２２からは、ＩＮ側光ファイバ２０ｉからの光が、２芯光ファイバ２０の光軸に対して斜めに出射され、ＭＥＭＳパッケージ１２には、その光が、レンズ３０の中心軸Ａから偏心した位置に入射することになる。

そこで、本実施形態では、ＭＥＭＳ素子１０内のミラーにて、レンズ３０からの入射光を所望方向に反射できるように、ＭＥＭＳ素子１０が、ＭＥＭＳパッケージ１２内で、ＭＥＭＳパッケージの中心位置から偏心した位置に配置されている。

この結果、本実施形態の光パワー減衰器１によれば、レンズ３０及びキャピラリ部材２２に対し、ＩＮ側光ファイバ２０ｉからの光がＭＥＭＳ素子１０の中心位置に入射するように、ＭＥＭＳパッケージ１２を中心軸Ａ周りに回動させて位置決めすることで、ＭＥＭＳ素子１０による光の反射角度を適正に設定できるようになる。なお、このＭＥＭＳパッケージ１２の中心軸Ａ周りの位置決めは、光パワー減衰器１の設計時に行えばよい。

そして、ＭＥＭＳパッケージ１２は、レンズ３０の中心軸Ａから偏心した位置に配置する必要がないので、光パワー減衰器１全体の径Ｒを、レンズ３０の径に対応させることができるようになる。

よって、本実施形態の光パワー減衰器１によれば、図５に示した従来の光パワー減衰器５に比べて、小型化することができ、延いては、光パワー減衰器１を内蔵する光通信用機器を容易に小型化できるようになる。

ここで、本実施形態のように、ＭＥＭＳパッケージ１２において、ＭＥＭＳ素子１０を、ＭＥＭＳパッケージ１２の中心位置から偏心した位置に配置するには、例えば、図２に示すように、ＭＥＭＳパッケージ１２内の基板１３に対し、ＭＥＭＳ素子１０を、基板１３の中心点Ｐｏから偏心した位置に配置するようにすればよい。

なお、図２において、ＭＥＭＳ素子１０が実装される基板１３には、ＭＥＭＳ素子１０に反射角度調整用（換言すれば静電力発生用）の電圧を印加するための正負一対の電極ピン１４が設けられている。

そして、ＭＥＭＳ素子１０及び基板１３は、ＴＯヘッダ１５とＴＯキャップ１６とにより構成されるＴＯ−ＣＡＮパッケージに収納されており、電極ピン１４は、ＴＯヘッダ１５から外部に突出されている。

また、光パワー減衰器１を、光トランシーバ等の光通信用機器のケース内に収納する場合、光通信用機器を小型化するには、光パワー減衰器１の筐体サイズだけでなく、使用される光ファイバの取り回しも重要な要素となる。

そこで、本実施形態の光パワー減衰器１においては、２芯光ファイバ２０を構成するＩＮ側光ファイバ２０ｉ及びＯＵＴ側光ファイバ２０ｏに、光通信用機器のケース内で容易に配線できるように、小径で曲げ半径が小さい光ファイバが使用される。

具体的には、光パワー減衰器では、一般に、ＩＮ側光ファイバ２０ｉ及びＯＵＴ側光ファイバ２０ｏとして、曲げ半径Ｒ３０ｍｍ、クラッド径１２５μｍ、素線２５０μｍのものが使われている。

これに対し、本実施形態では、ＩＮ側光ファイバ２０ｉ及びＯＵＴ側光ファイバ２０ｏには、クラッド径が１００μｍ以下、若しくは、曲げ半径１０ｍｍ以下の光ファイバが使用される。この結果、狭い空間内での高密度なファイバ実装が可能となり、光パワー減衰器１を使用する光通信用機器の小型化を実現できることになる。

なお、曲げ半径が１０ｍｍ以下の光ファイバとしては、例えば、Corning社製、ClearCurve、ZBL Optical Fiberを挙げることができ、クラッド径が１００μｍ以下の光ファイバとしては、例えば、Corning社製、RC SMFを挙げることができる。

以上、本開示の一実施形態について説明したが、本開示の光パワー減衰器は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々変形して実施することができる。
例えば、上記実施形態では、ＭＥＭＳパッケージ１２内で、ＭＥＭＳ素子１０を、ＭＥＭＳパッケージ１２の中心位置（換言すればレンズ３０の中心軸Ａ）から偏心した位置に配置することで、ＭＥＭＳパッケージ１２をレンズ３０の中心軸Ａ上に配置しても、所望の反射特性（換言すれば減衰特性）が得られるようにしている。

これに対し、ＭＥＭＳ素子１０は、ＭＥＭＳパッケージ１２の中心位置に配置し、ＭＥＭＳ素子１０において、ミラー１８を、ＭＥＭＳ素子１０の中心位置から偏心した位置に配置するようにしてもよい。

つまり、図３Ａに示すように、ＭＥＭＳ素子１０において、ミラー１８は、通常、梁１９により支持された揺動中心位置がＭＥＭＳ素子１０の中心位置Ｐ１と一致するように配置される。これに対し、図３Ｂに示すように、ミラー１８の揺動中心位置Ｐ２が、ＭＥＭＳ素子１０の中心位置Ｐ１からずれるように、ミラー１８を支持する梁１９の位置を変更するのである。

そして、このようにすれば、ＭＥＭＳパッケージ１２内で、ＭＥＭＳ素子１０を中心位置に配置しても、ミラー１８の中心位置を、ＭＥＭＳパッケージ１２の中心位置からずらすことができる。従って、ＭＥＭＳ素子１０を図３Ｂに示すように構成しても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

一方、上記実施形態では、ＭＥＭＳパッケージ１２を、ＴＯ−ＣＡＮパッケージにて構成し、ＭＥＭＳ素子１０駆動用の電圧は、ＭＥＭＳパッケージ１２のＴＯヘッダ１５から突出された電極ピン１４を介して入力するものとした。

このため、ＭＥＭＳパッケージ１２におけるＭＥＭＳ素子１０の実装空間内に、ＭＥＭＳ素子１０に対し制御信号である電圧を印加するための配線部品を設ける必要がなく、これによって、ＭＥＭＳパッケージ１２を小型化することができる。

しかし、電極ピン１４は、ＭＥＭＳパッケージ１２に制御信号（駆動電圧）を入力する駆動回路に接続するのに用いられ、ＭＥＭＳパッケージ１２を駆動回路が組み付けられた回路基板に実装するのには適しているが、強度を確保するために径を太くする必要がある。

このため、ＭＥＭＳパッケージ１２に電極ピン１４を設けると、電極ピン１４の径によって、ＭＥＭＳパッケージ１２をより小型化することが難しくなる。
そこで、ＭＥＭＳパッケージ１２を更に小型化して、光パワー減衰器１、延いては、光パワー減衰器１を内蔵する光通信用機器を小型化するには、ＭＥＭＳパッケージ１２を、図４に示すように構成するとよい。

つまり、図４に示すＭＥＭＳパッケージ１２Ａにおいては、ＭＥＭＳ素子１０に駆動電圧を印加する電圧印加経路が、基板１３及びヘッダ１５Ａを貫通する一対のスルーホール１４Ｂにて構成されている。そして、ＭＥＭＳパッケージ１２Ａのヘッダ１５Ａ側の外壁（底面）には、各スルーホール１４Ｂに接続された一対の電極パターン１４Ａが設けられている。

このように構成されたＭＥＭＳパッケージ１２Ａによれば、電極ピン１４を設ける必要がないので、図２に示したＭＥＭＳパッケージ１２に比べて小型化することができる。
具体的には、光パワー減衰器において、現在使用されているＴＯ−ＣＡＮパッケージの最外径は３〜５ｍｍ程度であるが、ＭＥＭＳパッケージ１２Ａを図４に示すように構成すれば、最大外径を３．５ｍｍ以下にすることができる。またこの場合、ＭＥＭＳパッケージ１２Ａの形状は、円筒形状にも、図４に示すような矩形形状にもすることができる。

また、図４Ｂに示すように、電極パターン１４Ａに、電極ピン１４Ｃ若しくは電極リードフレーム（図示せず）を接続することで、ＭＥＭＳパッケージ１２Ａを、ＴＯ−ＣＡＮパッケージ等にて構成されたものと同様に使用することができる。

また、上記実施形態における１つの構成要素が有する複数の機能を、複数の構成要素によって実現したり、１つの構成要素が有する１つの機能を、複数の構成要素によって実現したりしてもよい。また、複数の構成要素が有する複数の機能を、１つの構成要素によって実現したり、複数の構成要素によって実現される１つの機能を、１つの構成要素によって実現したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。なお、特許請求の範囲に記載した文言のみによって特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本発明の実施形態である。

１，５…光パワー減衰器、１０…ＭＥＭＳ素子、１２，１２Ａ…ＭＥＭＳパッケージ、１３…基板、１４…電極ピン、１４Ａ…電極パターン、１４Ｂ…スルーホール、１４Ｃ…電極ピン、１５…ＴＯヘッダ、１５Ａ…ヘッダ、１６…ＴＯキャップ、１８…ミラー、１９…梁、２０…２芯光ファイバ、２０ｉ…ＩＮ側光ファイバ、２０ｏ…ＯＵＴ側光ファイバ、２２…キャピラリ部材、３０…レンズ。

Claims

ミラーによる光の反射角度を制御可能なＭＥＭＳ素子が収納されたＭＥＭＳパッケージと、
光を伝送する２芯光ファイバの一端に設けられ、該２芯光ファイバに対し光を入・出力する側の端面が該２芯光ファイバの光軸に対し所定角度で傾斜しているキャピラリ部材と、
前記キャピラリ部材を介して前記２芯光ファイバの一方の光ファイバから出射される光を前記ＭＥＭＳ素子に入射させ、前記ＭＥＭＳ素子の前記ミラーで反射された反射光を前記２芯光ファイバの他方の光ファイバに導くレンズと、
を備え、
前記キャピラリ部材及び前記ＭＥＭＳパッケージは、前記レンズを挟んで、中心が前記レンズの中心軸と一致するように配置され、
前記ＭＥＭＳパッケージにおいて、前記ミラーの中心位置が前記レンズの中心軸から外れて、前記レンズからの入射光を前記レンズに向けて反射可能となるよう、前記ＭＥＭＳ素子が、前記ＭＥＭＳパッケージの中心位置から偏心した位置に配置されている、光パワー減衰器。
前記ＭＥＭＳパッケージは、前記ＭＥＭＳ素子の実装空間に、前記ＭＥＭＳ素子に制御信号を入力する配線部品が含まれないよう構成されている、請求項１に記載の光パワー減衰器。
前記ＭＥＭＳパッケージは、前記ＭＥＭＳ素子に対する制御信号を外部から入力するための電極パターンを備えている、請求項１又は請求項２に記載の光パワー減衰器。
前記ＭＥＭＳパッケージのサイズは、最大外形が３．５ｍｍ以下である、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の光パワー減衰器。
前記２芯光ファイバは、曲げ半径１０ｍｍ以下の光ファイバにて構成されている、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の光パワー減衰器。
前記２芯光ファイバは、クラッド径が１００μｍ以下の光ファイバにて構成されている、請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の光パワー減衰器。