JP7312900B1

JP7312900B1 - 光分岐モジュール

Info

Publication number: JP7312900B1
Application number: JP2022180275A
Authority: JP
Inventors: 悠斗山下; 淳一鈴木
Original assignee: Kitanihon Electric Cable Co Ltd
Current assignee: Kitanihon Electric Cable Co Ltd
Priority date: 2022-11-10
Filing date: 2022-11-10
Publication date: 2023-07-21
Anticipated expiration: 2042-11-10
Also published as: JP2024069956A

Abstract

【課題】本開示は、光部品の高密度化と光学素子の高機能化を両立しつつ、且つ光ファイバ間の結合損失の低損失化を実現することを目的とする。【解決手段】本開示は、多層膜フィルタ４０の成膜されているガラス基板１０と、第１の屈折率分布型レンズ２０と、第２の屈折率分布型レンズ３０と、を備え、前記第１の屈折率分布型レンズ２０のレンズ長が、前記第１の屈折率分布型レンズの周期長ＴＣ１の１／４であり、前記第２の屈折率分布型レンズ３０のレンズ長が、前記第２の屈折率分布型レンズの周期長ＴＣ２の１／４を超える予め定められた範囲の値を有する、光分岐モジュールである。【選択図】図１

Description

本開示は、光分岐モジュールに関する。

多層膜フィルタ等が搭載された一つの光学素子に対して、光ファイバ内の信号光を複数の光ファイバに分岐する場合、各光ファイバ間の結合損失を抑制するため、その入出射部にはコリメートレンズが配置される（例えば、特許文献１参照。）。

コリメートレンズとしては、空間などの間隙を必要とせずに各光部品を一体化してもその機能を損なわない屈折率分布型レンズが用いられ、そのレンズの周期長は、結合損失を最適にするために一般的に（２ｎ＋１）／４ピッチで表される長さ（ｎ＝任意の整数）とすることが好ましいとされている。

各光ファイバ間の結合損失を最小にするためには、多層膜フィルタ等の光学素子を光が伝搬する間、コリメートレンズから射出された光が平行光を維持できていることが好ましいが、光部品の高密度化に伴うレンズの小径化によってビーム径が小さくなるために、平行光を維持できる距離（作動距離）は短くなる傾向にある。

また、光学素子の高機能化が進むと、高機能化を実現するために多層膜の層数が増え、総膜厚が厚くなり、光学素子の基板への膜応力が増えて反りが生じやすい。反りが生じると、各光ファイバ間の光軸を損ない、結合損失増加の原因となる。これを解消するためには、基板厚を厚くする方法がとられることが一般的であるが、基板厚が厚くなると、前述の光学素子内を平行光で伝搬させるために必要な作動距離が長くなる。

つまり、光学部品の高密度化によりレンズの作動距離は短くなる一方、光学素子の高機能化により必要な作動距離は長くなることから、このギャップによって結合損失が大きくなってしまう問題があった。

特開２００５－１７３２１３号公報

本開示は、光部品の高密度化と光学素子の高機能化を両立しつつ、且つ光ファイバ間の結合損失の低損失化を実現することを目的とする。

上記目的を達成するために、本開示の光分岐モジュールは、
ガラス基板に多層膜フィルタが成膜されている光学素子と、
第１の光ファイバからの光を前記光学素子に出射し、前記多層膜フィルタで反射された光を、前記第１の光ファイバとは異なる第２の光ファイバに出射する第１の屈折率分布型レンズと、
前記第１の光ファイバから入射されかつ前記多層膜フィルタで透過された光を、前記第１の光ファイバ及び前記第２の光ファイバとは異なる第３の光ファイバに出射する第２の屈折率分布型レンズと、
を備え、
前記第１の屈折率分布型レンズのレンズ長が、前記第１の屈折率分布型レンズの周期長Ｔ_Ｃ１の１／４であり、
前記第２の屈折率分布型レンズのレンズ長が、前記第２の屈折率分布型レンズの周期長Ｔ_Ｃ２の１／４を超える予め定められた範囲の値を有する。

本開示の光分岐モジュールは、前記第２の屈折率分布型レンズのレンズ長がＴ_Ｃ２／４＋Ｔ_２で表される場合、前記Ｔ_２が、前記ガラス基板の厚みに応じて定められていてもよい。
前記ガラス基板の厚みに応じて前記Ｔ_２を調整することで、前記第１の光ファイバから前記第３の光ファイバへの結合損失を、前記第２の屈折率分布型レンズのレンズ長がＴ_Ｃ２／４のときの前記結合損失に比べて改善することができる。

例えば、前記ガラス基板の厚みが０．０ｍｍ超０．８ｍｍ以下の場合、前記Ｔ_２を０μｍ超２０μｍ未満にする。前記ガラス基板の厚みが０．０ｍｍ超０．４ｍｍ以下であれば、前記結合損失をより改善することができる。

例えば、前記ガラス基板の厚みが０．０ｍｍ超１．０ｍｍ以下の場合、前記Ｔ_２を１０μｍ以上２０μｍ以下にする。前記ガラス基板の厚みが０．０ｍｍ超０．６ｍｍ以下であれば、前記結合損失をより改善することができる。

例えば、前記ガラス基板の厚みが０．７ｍｍ以上０．８ｍｍ以下の場合、前記Ｔ_２を０μｍ超４０μｍ未満にする。前記ガラス基板の厚みが０．７ｍｍ以上０．８ｍｍ以下の場合、前記Ｔ_２を広くとることができる。このため、前記第２の屈折率分布型レンズのばらつきがある場合は、前記ガラス基板の厚みを０．７ｍｍ以上０．８ｍｍ以下にすることで、歩留まりを上げることができる。

本開示では、前記第１の光ファイバから前記第３の光ファイバへの結合損失を、前記第２の屈折率分布型レンズのレンズ長がＴ_Ｃ２／４のときの前記結合損失に比べて改善することができる数値範囲が明らかになった。そのため、前記第２の屈折率分布型レンズのばらつきが大きい場合であっても、前記ガラス基板の厚みを制限し、前記Ｔ_２を調整することで、前記第１の光ファイバから前記第３の光ファイバへの結合損失の低損失化を実現することができる。

なお、上記各開示は、可能な限り組み合わせることができる。

本開示によれば、本開示の光分岐モジュールでは、製品を構成する材料を変えず、加工に要する手間を著しく増やすことなく、従来比で光部品の高密度化による製造コスト等の低減と、光学素子の高機能化を両立しつつ、且つ光ファイバ間の結合損失の低損失化を実現できる。

本開示に係る光分岐モジュールの構成例である。第１の光ファイバから第２の光ファイバへの結合損失の一例を示す。第１の光ファイバから第３の光ファイバへの結合損失の一例を示す。屈折率分布型レンズのレンズ長及びガラス基板の厚みを変化させた場合の結合損失の一例を示す。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本開示は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本開示は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

図１に、本開示の実施形態例を示す。本実施形態の光分岐モジュールは、
光ファイバ５０、６０、７０と、
ガラス基板１０に多層膜フィルタ４０が成膜された光学素子と、
前記光学素子の一端に配置されている屈折率分布型レンズ２０と、
前記光学素子の他端に配置されている屈折率分布型レンズ３０と、
を備え、
屈折率分布型レンズ２０の周期長をＴ_Ｃ１とし、屈折率分布型レンズ３０の周期長をＴ_Ｃ２とすると、
屈折率分布型レンズ２０のレンズ長はＴ_Ｃ１／４であり、
屈折率分布型レンズ３０のレンズ長はＴ_Ｃ２／４を超える予め定められた範囲の値Ｔ_Ｃ２／４＋Ｔ_２であることを特徴とする。

光ファイバ５０は、第１の光ファイバとして機能し、屈折率分布型レンズ２０へ信号光を入力する。
光ファイバ６０は、第２の光ファイバとして機能し、屈折率分布型レンズ２０から信号光を出力する。
光ファイバ７０は、第３の光ファイバとして機能し、屈折率分布型レンズ３０から信号光を出力する。

各光ファイバの外径は、一般的な光通信等に使用されている１２５μｍであり、光ファイバ５０と光ファイバ６０とは略密接して配列されている。また、光ファイバ５１、光ファイバ６１、光ファイバ５２、光ファイバ５３、光ファイバ６３についても全て略密接して配列されている。

ガラス基板１０は、光を透過する任意の光学部品である。
多層膜フィルタ４０は、屈折率分布型レンズ２０とガラス基板１０の一端の間に配置され、光を一定割合で透過、反射する。

屈折率分布型レンズ２０は、中心軸に垂直な面が光学素子に接続され、第１の屈折率分布型レンズとして機能する。具体的には、屈折率分布型レンズ２０は、光ファイバ５０からの光を平行光に変換し、ガラス基板１０に出射する。屈折率分布型レンズ２０は、光ファイバ５０から入射されかつ多層膜フィルタ４０で反射された平行光を、光ファイバ６０の端面に集光する。

屈折率分布型レンズ３０は、中心軸に垂直な面が光学素子に接続され、第２の屈折率分布型レンズとして機能する。具体的には、屈折率分布型レンズ３０は、光ファイバ５０から入射されかつ多層膜フィルタ４０で透過された平行光を、光ファイバ７０の端面に集光する。

屈折率分布型レンズ２０及び３０について説明する。最高密度で光ファイバを配列するために、屈折率分布型レンズの外径が制限される。各屈折率分布型レンズの外径が制限された範囲で、屈折率分布型レンズの最大受光角度（ＮｕｍｅｒｉｃａｌＡｐｅｒｔｕｒｅ：ＮＡ）が以下のように選定される。

ＮＡが外径との対比で小さすぎると、光ビームの屈折率分布型レンズへの閉じ込め効果が低下して、光損失の増加につながる。ＮＡが外径との対比で大きすぎると、光学素子を伝搬する光ビームのビーム径が小さくなり、屈折率分布型レンズ３０に到達する間に光ビームが発散してしまい、光損失の増加につながるうえに、レンズの周期長が短くなるために、加工精度の要求が厳しくなり製造時の難易度が上がる。

従って、性能の高さおよび製造の容易さを考慮すると、屈折率分布型レンズ２０及び３０の外径は各光ファイバ配列を高密度に可能な範囲で十分に大きくすることが望ましく、このように制限された外径に対して、ＮＡは屈折率分布型レンズの中心軸からファイバ半径相当分ずれた位置から入射しても光の閉じ込め効果を有する範囲で、小さくすることが望ましい。

屈折率分布型レンズ２０及び３０の光学特性は任意であるが、光ファイバ５０、６０、７０が一般的な光通信等に使用されている１２５μｍの場合、例えば、外径は２４５μｍであり、レンズ有効径は２００μｍであり、中心屈折率は波長１５５０ｎｍの光に対して１．４７であり、ＮＡは０．２９が例示できる。ガラス基板１０の厚みを多層膜フィルタ４０による膜応力のそりを低減するために０．８～１．０ｍｍと十分に厚くした時、各光ファイバの結合損失を最小にするレンズ長の条件は、屈折率分布型レンズ２０はＴ_Ｃ１／４であり、屈折率分布型レンズ３０はＴ_Ｃ２／４×１．０１５～１．０３０である。

図２に、本実施形態の結合損失の一例を示す。ここでの結合損失は、光ファイバ５０から屈折率分布型レンズ２０に入射された光が多層膜フィルタ４０で反射され、光ファイバ６０に出射される光のパワーＰ_６１の結合損失の一例を示す。縦軸が結合損失［ｄＢ］を示す。横軸は、屈折率分布型レンズ２０の周期長をＴ_Ｃ１として、屈折率分布型レンズ２０のレンズ長がＴ_Ｃ１／４＋Ｔ_１で表される場合のＴ_１の値［μｍ］を示す。

図２に示すとおり、屈折率分布型レンズ２０のレンズ長は、一般的に知られている通り、Ｔ_１＝０すなわちＴ_Ｃ１／４にすることで、光ファイバ５０と光ファイバ６０間の結合損失は最小となる。

図３に、本実施形態の結合損失の一例を示す。ここでの結合損失は、光ファイバ５０から屈折率分布型レンズ２０に入射された光が多層膜フィルタ４０を透過し、屈折率分布型レンズ３０を透過し、光ファイバ７０に出射される光のパワーＰ_７１の結合損失の一例を示す。縦軸が結合損失［ｄＢ］を示す。横軸は、屈折率分布型レンズ３０の周期長をＴ_Ｃ２として、屈折率分布型レンズ３０のレンズ長がＴ_Ｃ２／４＋Ｔ_２で表される場合のＴ_２の値［μｍ］を示す。この例では、ガラス基板１０の厚みを０．８ｍｍにした。

図３に示す通り、屈折率分布型レンズ３０については、レンズ長がＴ_Ｃ２／４のときに光ファイバ５０と光ファイバ７０間の結合損失は最小とはならず、Ｔ_２の増加と共に結合損失が減少し、Ｔ_２＝２０μｍで極小となる。さらにレンズ長をＴ_２＝２０μｍよりも長くしていくと、Ｔ_２＝４０μｍのときにＴ_２＝０μｍと同じになる。このように、図３に示す条件下では、屈折率分布型レンズ３０のレンズ長がＴ_Ｃ２／４を超える予め定められた範囲の値において、光ファイバ５０と光ファイバ７０間の結合損失が抑制される。

また本開示では、屈折率分布型レンズ３０の中心軸付近に、屈折率分布型レンズ３０の中心軸の垂直面に対して斜めに光が入射する。そのため、光ファイバ５０と光ファイバ７０間の結合損失はガラス基板１０の厚みの影響を受ける。そこで、本開示では、図４に示すように、所望の結合損失が得られるように、屈折率分布型レンズ３０のレンズ長をＴ_Ｃ２／４＋Ｔ_２で表したときのＴ_２の値とガラス基板１０の厚みの範囲を調整する。

図４によれば、以下の場合に、光ファイバ５０と光ファイバ７０間の結合損失が０．４ｄＢ以下となった。
（ｉ）ガラス基板１０の厚みが０．０ｍｍ超０．８ｍｍ以下であり、かつＴ_２が０μｍ超２０μｍ未満である。
（ｉｉ）ガラス基板１０の厚みが０．７ｍｍ以上０．８ｍｍ以下であり、かつＴ_２が０μｍ以上４０μｍ以下である。
（ｉｉｉ）ガラス基板１０の厚みが０．８ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であり、かつＴ_２が１０μｍ以上２０μｍ以下である。

図４によれば、さらに以下の場合に、光ファイバ５０と光ファイバ７０間の結合損失が０．２ｄＢ以下となった。
（ｉ）ガラス基板１０の厚みが０．０ｍｍ超０．４ｍｍ以下であり、かつＴ_２が０μｍ超２０μｍ未満である。
（ｉｉ）ガラス基板１０の厚みが０．４ｍｍ以上０．６ｍｍ以下であり、かつＴ_２が１０μｍ以上２０μｍ以下である。
（ｉｉｉ）ガラス基板１０の厚みが０．６ｍｍ以上０．８ｍｍ以下であり、かつＴ_２が１８μｍ以上２０μｍ以下である。

したがって、ガラス基板１０の厚みが０．０ｍｍ超０．８ｍｍ以下の任意の値にする場合は、Ｔ_２を１８μｍ以上２０μｍ以下にすることで、光ファイバ５０と光ファイバ７０間の結合損失を０．２ｄＢ以下にすることができる。

またＴ_２を０μｍ超２０μｍ未満の任意の値にし、ガラス基板１０の厚みを０．０ｍｍ超０．４ｍｍ以下の任意の値にすることで、光ファイバ５０と光ファイバ７０間の結合損失を０．２ｄＢ以下にすることができる。

ガラス基板１０の厚みを０．４ｍｍ以上にする場合、ガラス基板１０の厚みを０．４ｍｍ以上０．８ｍｍ以下の任意の値にし、Ｔ_２を０μｍ超２０μｍ未満の任意の値にすることで、光ファイバ５０と光ファイバ７０間の結合損失を０．４ｄＢ以下にすることができる。

ガラス基板１０の厚みを十分に厚くしたい場合は０．８ｍｍ以上１．０ｍｍ以下にし、Ｔ_２を１０μｍ以上２０μｍ以下にすることで、光ファイバ５０と光ファイバ７０間の結合損失を０．４ｄＢ以下にすることができる。

ガラス基板１０の厚みが０．７ｍｍ以上０．８ｍｍ以下の場合、Ｔ_２が０μｍ超４０μｍ未満のいずれの値であっても、光ファイバ５０と光ファイバ７０間の結合損失を０．４ｄＢ以下にすることができる。このため、屈折率分布型レンズ３０のばらつきが大きい場合、ガラス基板１０の厚みを適切に制御することで、光ファイバ５０と光ファイバ７０間の結合損失を減らすことができる。

以上説明したように、本開示は、ガラス基板１０の厚みとＴ_２を調整することで、屈折率分布型レンズ２０及び３０の高密度配置と光学素子の高機能化を両立しつつ、光ファイバ間の結合損失の低損失化を実現することができるようになる。

なお、上述の実施形態では光ファイバ５０内の信号光を複数の光ファイバ６０及び７０に分岐する例を示したが、本開示は光ファイバ６０及び７０内の信号光を光ファイバ５０に合波することも可能である。

また、上述のような光通信に用いられる光学素子を有した光分岐モジュールの他に、可視光用の光分岐モジュールとして、各光ファイバや屈折率分布型レンズは図１の通りとしたまま、多層膜フィルタ４０をハーフミラーに変更したり、ガラス基板１０の多層膜フィルタ４０と反対面で屈折率分布型レンズ３０と接する面にカットフィルタ－機能を設けたりするなどして、センシング用途向けの光分岐モジュールとして応用することも実現可能である。

光通信用に波長１５５０ｎｍの光でシングルモード動作する各種光ファイバであるため、可視光帯を入射するとマルチモードの動作となるが、その入射条件においても、本開示の特徴である屈折率分布型レンズ２０と屈折率分布型レンズ３０のレンズ長の効果は有効である。

１０：ガラス基板
４０：多層膜フィルタ
５０、５１、５２、５３、６０、６１、６２、６３、７０、７１、７２、７３：光ファイバ
２０、２１、２２、２３、３０、３１、３２、３３：屈折率分布型レンズ

Claims

ガラス基板に多層膜フィルタが成膜されている光学素子と、
第１の光ファイバからの光を前記光学素子に出射し、前記多層膜フィルタで反射された光を、前記第１の光ファイバとは異なる第２の光ファイバに出射する第１の屈折率分布型レンズと、
前記第１の光ファイバから入射されかつ前記多層膜フィルタで透過された光を、前記第１の光ファイバ及び前記第２の光ファイバとは異なる第３の光ファイバに出射する第２の屈折率分布型レンズと、
を備え、
前記光学素子は、前記第１の屈折率分布型レンズ側に前記多層膜フィルタが配置され、
前記第１の屈折率分布型レンズのレンズ長が、前記第１の屈折率分布型レンズの周期長Ｔ_Ｃ１の１／４であり、
前記第２の屈折率分布型レンズのレンズ長が、前記第２の屈折率分布型レンズの周期長Ｔ _Ｃ２に対し、Ｔ_Ｃ２／４＋Ｔ_２で表される場合、
前記ガラス基板の厚みが０．８ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であり、かつ前記第２の屈折率分布型レンズのレンズ長がＴ_Ｃ２／４×１．０１５以上１．０３０以下であるか、或いは、
前記ガラス基板の厚み及び前記Ｔ_２が以下のいずれかの値を有する、
（ｉ）前記ガラス基板の厚みが０．４ｍｍ以上０．６ｍｍ以下であり、かつ前記Ｔ_２が１０μｍ以上２０μｍ以下であるか、或いは
（ｉｉ）前記ガラス基板の厚みが０．６ｍｍ以上０．８ｍｍ以下であり、かつ前記Ｔ_２が１８μｍ以上２０μｍ以下であるか、或いは
（ｉｉｉ）前記ガラス基板の厚みが０．８ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であり、かつ前記Ｔ_２が１０μｍ超２０μｍ未満である、
光分岐モジュール。