WO2022138587A1 - 光接続構造 - Google Patents

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哲也 中西
肇 荒生
雄一 水戸瀬
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Definitions

  • Patent Document 1 discloses a collimation array in which an optical fiber array and a lens array are arranged at intervals.
  • the optical connection structure of the present disclosure includes a plurality of optical fibers, an optical functional component, a holding member, and a strain suppressing member.
  • the plurality of optical fibers are arranged so that the end faces of the plurality of optical fibers are aligned in at least the first direction, and each extends along a second direction intersecting the first direction.
  • the optical functional component has a first surface facing the end faces of the plurality of optical fibers, and is optically coupled to the end faces of the plurality of optical fibers on the first surface.
  • the holding member is a second surface facing the first surface and directly or indirectly fixed to the first surface, a third surface facing opposite to the second surface, and a third surface to the third surface.
  • the strain suppressing member has a fourth surface that faces the third surface and is directly or indirectly fixed to the third surface. In the second direction, the holding member is sandwiched between the optical functional component and the strain suppressing member.
  • the coefficient of thermal expansion of the optical functional component and the strain suppressing member is larger than the coefficient of thermal expansion of the holding member.
  • the coefficient of thermal expansion of the optical functional component and the strain suppressing member is smaller than the coefficient of thermal expansion of the holding member.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of an optical connection structure according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a perspective view of the optical connection structure.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a configuration when the optical functional component includes only a lens array.
  • FIG. 4 is a perspective view of the optical connection structure shown in FIG.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing the configuration of the optical connection structure 1 when the optical functional component includes a lens array and an optical element.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing the configuration of an optical connection structure when the optical functional component includes a lens array, an optical element, and a lens array.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of an optical connection structure according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a perspective view of the optical connection structure.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a configuration when the optical functional component includes only a lens array.
  • FIG. 4 is a perspective view of the optical connection
  • FIG. 7 is a schematic view showing an optical functional component and a holding member when a strain suppressing member is not provided as a comparative example.
  • FIG. 8 is a diagram showing how the holding member is distorted in the comparative example.
  • FIG. 9 is a schematic view showing an optical functional component, a holding member, and a strain suppressing member according to an embodiment.
  • FIG. 10 is a graph showing the results of simulating the degree of distortion of the holding member when the ambient temperature of the optical connection structure shown in FIG. 5 is raised from 25 ° C. to 110 ° C.
  • FIG. 11 is a graph showing a simulation result when the strain suppressing member is not provided in the optical connection structure shown in FIG. 5 as a comparative example.
  • FIG. 10 is a graph showing the results of simulating the degree of distortion of the holding member when the ambient temperature of the optical connection structure shown in FIG. 5 is raised from 25 ° C. to 110 ° C.
  • FIG. 11 is a graph showing a simulation result when the strain suppressing
  • FIG. 12 is a perspective view showing a model used in another simulation, and shows a model in the case where the strain suppressing member is not provided.
  • FIG. 13 is a perspective view showing a model used in another simulation, showing a model in which a strain suppressing member is provided.
  • FIG. 14 shows Young's modulus, coefficient of thermal expansion, and Poisson's ratio of the optical element (rotator), lens array, holding member, strain suppressing member, and adhesive of the model used in the simulation.
  • FIG. 15 is a graph showing the relationship between the thickness of the strain suppressing member and the amount of warpage (maximum strain amount) as a result of the simulation.
  • the holding member holding the end of the optical fiber in the optical fiber array and the optical functional component are adhered to each other. It is conceivable that they will be fixed to each other.
  • the holding member has, for example, a plurality of holes each accommodating a plurality of optical fibers.
  • the coefficient of thermal expansion of the holding member may be significantly different from the coefficient of thermal expansion of the optical functional component. In that case, bending strain occurs in the holding member due to the change in ambient temperature, and the direction of the optical axis of the plurality of optical fibers fluctuates.
  • the optical coupling efficiency between the optical functional component fixed to the plurality of optical fibers and the plurality of optical fibers, or the optical coupling efficiency between the optical functional components coupled to the plurality of optical fibers via the space and the plurality of optical fibers Decreases.
  • the optical connection structure includes a plurality of optical fibers, optical functional components, a holding member, and a strain suppressing member.
  • the plurality of optical fibers are arranged so that the end faces of the plurality of optical fibers are aligned in at least the first direction, and each extends along a second direction intersecting the first direction.
  • the optical functional component has a first surface facing the end faces of the plurality of optical fibers, and is optically coupled to the end faces of the plurality of optical fibers on the first surface.
  • the holding member is a second surface facing the first surface and directly or indirectly fixed to the first surface, a third surface facing away from the second surface, and a third surface to the third surface. It has a plurality of fiber holding holes extending toward the second surface and accommodating a plurality of optical fibers, respectively.
  • the strain suppressing member has a fourth surface that faces the third surface and is directly or indirectly fixed to the third surface. In the second direction, the holding member is sandwiched between the optical functional component and the strain suppressing member.
  • the coefficient of thermal expansion of the optical functional component and the strain suppressing member is larger than the coefficient of thermal expansion of the holding member.
  • the coefficient of thermal expansion of the optical functional component and the strain suppressing member is smaller than the coefficient of thermal expansion of the holding member.
  • the strain suppressing member may hold a plurality of optical fibers. In this case, a plurality of optical fibers can be held more firmly.
  • the strain suppressing member 30 is a substantially rectangular parallelepiped member for canceling the bending stress applied to the holding member 20.
  • the strain suppressing member 30 of the present embodiment further has a function of holding N optical fiber ribbons 40 and N ⁇ M optical fibers 41.
  • the holding member 20 is sandwiched between the optical functional component 10 and the strain suppressing member 30 in the direction D3.
  • the strain suppressing member 30 has a surface 31 extending along the direction D1 and the direction D2 and intersecting the direction D3, and a surface 32 facing in the direction D3 opposite to the surface 31. In one example, the surface 31 is flat.
  • the thickness of the strain suppressing member 30 in the direction D3, that is, the distance between the surfaces 31 and 32 is in the range of, for example, 1 mm to 5 mm.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing the configuration of the optical connection structure 1 when the optical functional component 10 includes the lens array 12 and the optical element 14.
  • the lens array 12 is sandwiched between the holding member 20 and the optical element 14 in the direction D3.
  • the optical element 14 is directly or indirectly fixed to the lens array 12.
  • the optical element 14 has a surface 15 facing the surface 13 of the lens array 12 and a surface 16 facing the opposite surface 15.
  • the surface 15 extends along directions D1 and D2 and intersects direction D3.
  • the surface 15 is flat.
  • the normal direction of the surface 15 may coincide with the direction D3 or may be slightly inclined with respect to the direction D3.
  • FIG. 12 and 13 are perspective views showing a model used in another simulation.
  • FIG. 12 shows a model when the strain suppressing member 30 is not provided
  • FIG. 13 shows a model when the strain suppressing member 30 is provided.
  • each cross section of the lens array 12, the optical element 14 (rotator), the holding member 20, and the strain suppressing member 30 of the optical connection structure 1 shown in FIG. 5 is formed into a 6 mm ⁇ 6 mm square in the direction D3. did.
  • the thickness Z of the lens array 12, the optical element 14 (rotator), and the holding member 20 in the direction D3 is set to 1 mm, 6 mm, and 1 mm, respectively.
  • the thickness of the strain suppressing member 30 in the direction D3 was changed within the range of 0.0 mm to 5.0 mm.
  • the optical functional component 10 is indirectly fixed to the holding member 20 via the adhesive 51. Not limited to this form, the optical functional component 10 may be directly fixed to the holding member 20. Examples of the method of direct fixing include laser welding. Similarly, in the above embodiment, the holding member 20 is indirectly fixed to the strain suppressing member 30 via the adhesive 52. Not limited to this form, the holding member 20 may be directly fixed to the strain suppressing member 30. Examples of the method of direct fixing include laser welding.
  • Optical connection structure 10 ... Optical functional component 11 ... First surface 12 ... Lens array 13, 15, 16, 18, 19, 31, 32 ... Surface 14 ... Optical element 17 ... Lens array 20 ... Holding member 21 ... First 2nd surface 22 ... 3rd surface 23, 33 ... Fiber holding hole 30 ... Strain suppressing member 34 ... Ribbon holding hole 35 ... Recess 40 ... Optical fiber ribbon 41 ... Optical fiber 42 ... End faces 51, 52, 53, 54 ... Adhesion Agents 131, 181 ... Lenses A1 to A5 ... Lines B1 to B6 ... Region D1 ... First direction D2 ... Direction D3 ... Second direction L ... Light

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Abstract

温度変化による光結合効率の低下度合いを低減できる光接続構造を提供する。光接続構造は、端面が少なくとも第1の方向に並ぶように配置された複数の光ファイバと、複数の光ファイバの端面と対向する第1の面を有し、第1の面において複数の光ファイバの端面と光学的に結合される光機能部品と、第1の面と対向し第1の面と直接又は間接的に固着する第2の面、第2の面とは反対を向く第3の面、及び、第3の面から第2の面に向けて延在し複数の光ファイバをそれぞれ収容する複数のファイバ保持孔を有する保持部材と、第3の面と対向し第3の面と直接又は間接的に固着する第4の面を有し、光機能部品との間に保持部材を挟む歪抑制部材とを備える。光機能部品及び歪抑制部材の熱膨張係数は保持部材の熱膨張係数よりも大きい。又は、光機能部品及び歪抑制部材の熱膨張係数は保持部材の熱膨張係数よりも小さい。

Description

光接続構造
 本開示は、光接続構造に関する。本出願は、2020年12月22日出願の日本出願第2020-212291号に基づく優先権を主張し、前記日本出願に記載された全ての記載内容を援用する。
 特許文献1には、光ファイバアレイと、レンズアレイとを間隔をあけて配置したコリメーションアレイが開示されている。
特開2004-102108号公報
 本開示の光接続構造は、複数の光ファイバと、光機能部品と、保持部材と、歪抑制部材と、を備える。複数の光ファイバは、複数の光ファイバの端面が少なくとも第1の方向に並ぶように配置され、第1の方向と交差する第2の方向に沿ってそれぞれ延びる。光機能部品は、複数の光ファイバの端面と対向する第1の面を有し、第1の面において複数の光ファイバの端面と光学的に結合される。保持部材は、第1の面と対向し第1の面と直接又は間接的に固着する第2の面、第2の面とは反対を向く第3の面、及び、第3の面から第2の面に向けて延在し複数の光ファイバをそれぞれ収容する複数のファイバ保持孔を有する。歪抑制部材は、第3の面と対向し第3の面と直接又は間接的に固着する第4の面を有する。第2の方向において、保持部材は光機能部品と歪抑制部材との間に挟まれる。光機能部品及び歪抑制部材の熱膨張係数は、保持部材の熱膨張係数よりも大きい。又は、光機能部品及び歪抑制部材の熱膨張係数は、保持部材の熱膨張係数よりも小さい。
図1は、本開示の一実施形態に係る光接続構造の断面図である。 図2は、光接続構造の斜視図である。 図3は、光機能部品がレンズアレイのみを含む場合の構成を示す断面図である。 図4は、図3に示す光接続構造の斜視図である。 図5は、光機能部品がレンズアレイ及び光学素子を含む場合の光接続構造1の構成を示す断面図である。 図6は、光機能部品がレンズアレイ、光学素子及びレンズアレイを含む場合の光接続構造の構成を示す断面図である。 図7は、比較例として、歪抑制部材が設けられない場合の光機能部品及び保持部材を示す模式図である。 図8は、比較例において保持部材が歪む様子を示す図である。 図9は、一実施形態の光機能部品、保持部材、及び歪抑制部材を示す模式図である。 図10は、図5に示す光接続構造の周囲温度を25℃から110℃に昇温したときの保持部材の歪み具合をシミュレーションした結果を示すグラフである。 図11は、比較例として、図5に示す光接続構造において歪抑制部材を設けない場合のシミュレーション結果を示すグラフである。 図12は、別のシミュレーションに用いられたモデルを示す斜視図であって、歪抑制部材が設けられない場合のモデルを示す。 図13は、別のシミュレーションに用いられたモデルを示す斜視図であって、歪抑制部材が設けられる場合のモデルを示す。 図14は、シミュレーションに用いたモデルの光学素子(ローテータ)、レンズアレイ、保持部材、歪抑制部材、及び接着剤の、ヤング率、熱膨張係数およびポアソン比を示す。 図15は、シミュレーションの結果として、歪抑制部材の厚さと反り量(最大歪み量)との関係を示すグラフである。 図16は、図15に示されたシミュレーション結果に基づいて、光学素子(ローテータ)のヤング率と歪抑制部材のヤング率から算出した実効的なヤング率と、歪抑制部材の厚さと、反り量との関係を示すグラフである。
[本開示が解決しようとする課題]
 複数の光ファイバを含む光ファイバアレイとレンズアレイ等の光機能部品とを光学的に結合する際には、光ファイバアレイにおいて光ファイバの端部を保持する保持部材と光機能部品とを、接着により相互に固着させることが考えられる。保持部材は、例えば、複数の光ファイバをそれぞれ収容する複数の孔を有する。しかしながら、保持部材の熱膨張係数が光機能部品の熱膨張係数と大きく異なる場合がある。その場合、周囲温度の変化によって保持部材に曲げ歪が生じ、複数の光ファイバの光軸の方向に変動が生じる。これにより、複数の光ファイバと固着した光機能部品と複数の光ファイバとの光結合効率、または、複数の光ファイバと空間を介して結合する光機能部品と複数の光ファイバとの光結合効率が低下する。
[本開示の効果]
 本開示の光接続構造によれば、温度変化による光ファイバと光機能部品との光結合効率の低下度合いを低減することができる。
[本開示の実施形態の説明]
 最初に、本開示の実施形態を列記して説明する。一実施形態に係る光接続構造は、複数の光ファイバと、光機能部品と、保持部材と、歪抑制部材と、を備える。複数の光ファイバは、複数の光ファイバの端面が少なくとも第1の方向に並ぶように配置され、第1の方向と交差する第2の方向に沿ってそれぞれ延びる。光機能部品は、複数の光ファイバの端面と対向する第1の面を有し、第1の面において複数の光ファイバの端面と光学的に結合される。保持部材は、第1の面と対向し第1の面と直接又は間接的に固着する第2の面、第2の面とは反対を向く第3の面、及び、第3の面から第2の面に向けて延在し複数の光ファイバをそれぞれ収容する複数のファイバ保持孔を有する。歪抑制部材は、第3の面と対向し第3の面と直接又は間接的に固着する第4の面を有する。第2の方向において、保持部材は光機能部品と歪抑制部材との間に挟まれる。光機能部品及び歪抑制部材の熱膨張係数は、保持部材の熱膨張係数よりも大きい。又は、光機能部品及び歪抑制部材の熱膨張係数は、保持部材の熱膨張係数よりも小さい。
 この光接続構造では、光機能部品と保持部材とが互いに直接又は間接的に固着している。したがって、歪抑制部材が設けられない場合、光機能部品と保持部材との熱膨張係数差に起因して、保持部材に曲げ歪が生じ、複数の光ファイバの光軸の方向に変動が生じる。一方、一実施形態の光接続構造の場合、温度変化に起因して、保持部材には光機能部品による応力に加えて、歪抑制部材による逆向きの応力が生じる。そして、これらの応力は保持部材の内部において互いに打ち消し合う。したがって、上記の光接続構造によれば、温度変化による複数の光ファイバの光軸の方向の変動を低減し、光ファイバと光機能部品との光結合効率の低下度合いを低減することができる。
 上記の光接続構造において、第2の方向における歪抑制部材の厚さは1mm以上であってもよい。本発明者のシミュレーションによれば、歪抑制部材の厚さが1mm未満である場合は、歪抑制部材が厚いほど保持部材の曲げが抑制される。これに対し、歪抑制部材の厚さが1mm以上である場合は、歪抑制部材の厚さと保持部材の曲げとの相関は小さい。したがって、歪抑制部材の厚さが少なくとも1mmあれば、上述した効果を十分に奏することができる。
 上記の光接続構造において、歪抑制部材のヤング率Ebと光機能部品のヤング率Eaとの比(Eb/Ea)は0.192以上であってもよい。本発明者のシミュレーションによれば、比(Eb/Ea)がこの条件を満たす場合、上述した効果を十分に奏することができる。
 上記の光接続構造において、歪抑制部材は複数の光ファイバを保持してもよい。この場合、複数の光ファイバをより強固に保持することができる。
 上記の光接続構造は、複数の光ファイバが樹脂被覆により一括して保護されて成る光ファイバリボンを備えてもよい。歪抑制部材は、複数の光ファイバをそれぞれ収容する複数のファイバ保持孔と、光ファイバリボンを収容するリボン保持孔とを有してもよい。この場合、光ファイバリボンを介して複数の光ファイバをより強固に保持することができる。
 上記の光接続構造において、歪抑制部材は、第2の方向において第4の面とは反対を向く第5の面を更に有してもよい。リボン保持孔は、第5の面に形成された凹部の底面から第2の方向に沿って第4の面に向けて延びてもよい。複数のファイバ保持孔は、リボン保持孔から第2の方向に沿って延在し、第4の面に達してもよい。この場合、形成容易な簡易な構造によって光ファイバリボン及び複数の光ファイバを保持することができる。
 上記の光接続構造において、光機能部品はレンズアレイを含み、レンズアレイは第1の面を含んでもよい。この場合、複数の光ファイバからなる光ファイバアレイとレンズアレイとが光学的に結合され、温度変化による光ファイバアレイとレンズアレイとの光結合効率の低下が小さい光接続構造を提供することができる。
 上記の光接続構造において、レンズアレイはシリコンを主な構成材料とし、保持部材はガラスを主な構成材料とし、歪抑制部材は樹脂を主な構成材料としてもよい。この場合、レンズアレイ及び歪抑制部材の熱膨張係数の双方は、保持部材の熱膨張係数よりも大きい。したがって、上記の効果を奏することができる。
 上記の光接続構造において、光機能部品はレンズアレイとは別の光学素子を更に含みレンズアレイは、第2の方向において保持部材と光学素子との間に挟まれ、光学素子はレンズアレイと直接又は間接的に固着してもよい。この場合、各光ファイバに入射する光、または各光ファイバから出射する光に対して種々の操作を行う光接続構造を提供することができる。この場合、光学素子は、ローテータ、光学フィルタ、光アイソレータ、及び光路変換部品のうち少なくとも1つであってもよい。
 上記の光接続構造において、第2の面は、接着剤によって第1の面に接着されてもよい。この場合、第2の面を第1の面に間接的に固着することができる。
 上記の光接続構造において、第4の面は、接着剤によって第3の面に接着されてもよい。この場合、第4の面を第3の面に間接的に固着することができる。
[本開示の実施形態の詳細]
 本開示の光接続構造の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。以下の説明では、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。下記の説明において光透過性とは、厚さ1mmにおいて対象波長の光を95%以上透過する性質を指す。下記の実施形態において、対象波長は例えば1260nm以上1360nm以下である。
 図1は、本開示の一実施形態に係る光接続構造1の断面図である。図2は、光接続構造1の斜視図である。図1及び図2に示されるように、光接続構造1は、光機能部品10(図2では省略)と、保持部材20と、歪抑制部材30と、N枚の光ファイバリボン(テープ芯線)40とを備える。Nは1以上の整数である。図ではN=6を例示する。各光ファイバリボン40は、各光ファイバリボン40の幅方向である方向D1(第1の方向)に並ぶM本の光ファイバ41が、樹脂被覆により一括して保護されて成る。Mは2以上の整数である。各光ファイバリボン40を構成するM本の光ファイバ41の端面42は、互いに面一とされ、方向D1に並んでいる。N枚の光ファイバリボン40は、方向D1と交差する方向D2に並んでいる。方向D2は、例えば方向D1と直交する。各光ファイバリボン40を構成する光ファイバ41の端面42は、他の光ファイバリボン40を構成する光ファイバ41の端面42と面一とされ、これら端面42は方向D2に並んでいる。各光ファイバ41は、例えばシングルモード光ファイバである。各光ファイバ41は、方向D1及び方向D2の双方と交差する方向D3(第2の方向)に沿って延在している。言い換えると、各光ファイバ41の中心軸は方向D3に沿っている。方向D3は、例えば方向D1及び方向D2の双方と直交する。各光ファイバ41の先端部における一定の長さの領域は、光ファイバリボン40の樹脂被覆から露出している。
 光機能部品10は、光透過性を有するブロック状の光受動部品である。光機能部品10は、方向D1及び方向D2に沿って延在し方向D3と交差する面11(第1の面)を有する。面11は、N枚の光ファイバリボン40の光ファイバ41の各端面42と対向する。一例では、面11は平坦である。面11の法線方向は、方向D3と一致してもよく、方向D3に対して僅かに傾斜してもよい。光機能部品10は、面11においてN枚の光ファイバリボン40の光ファイバ41の各端面42と光学的に結合されている。
 保持部材20は、光ファイバリボン40の樹脂被覆から露出した光ファイバ41の部分のうち、端面42を含む少なくとも一部を保持する。保持部材20は、平板状または直方体状の部材である。保持部材20は、方向D1及び方向D2に沿って延在し方向D3と交差する面21(第2の面)と、面21とは反対を向き、方向D1及び方向D2に沿って延在し方向D3と交差する面22(第3の面)とを有する。一例では、面21及び22は平坦である。一例では、面21及び22は互いに平行である。方向D3における保持部材20の厚さ、すなわち面21と面22の間隔は、例えば0.5mmから3.0mmの範囲内である。面21の法線方向は、方向D3と一致してもよく、方向D3に対して僅かに傾斜してもよい。
 面21は、光機能部品10の面11と対向し、面11と直接又は間接的に固着している。一例では、面21は、接着剤51によって面11に接着されている。言い換えると、面21と面11との間に接着剤51が介在している。接着剤51は、光透過性を有する。接着剤51は、例えば樹脂接着剤である。光機能部品10及び光ファイバ41の構成材料との間の屈折率の差がゼロか又はごく僅かである接着剤51が選択される。接着剤51の例としては、エポキシ樹脂系、アクリル樹脂系、シリコーン樹脂系が挙げられる。方向D3における接着剤51の厚さは、例えば0.01mmから0.1mmの範囲内である。
 保持部材20は、複数すなわちM×N個のファイバ保持孔23を有する。各ファイバ保持孔23は、面22から面21に向けて延在し、一例では面22と面21との間を貫通している。M×N個のファイバ保持孔23は、M×N本の光ファイバ41と一対一で対応している。各ファイバ保持孔23は、対応する光ファイバ41の樹脂被覆からの露出部分の少なくとも一部を収容して保持する。
 保持部材20は、光機能部品10よりも熱膨張係数が小さい材料、または光機能部品10よりも熱膨張係数が大きい材料によって構成されている。保持部材20は、光透過性を有してもよく、光透過性を有しなくてもよい。保持部材20は、ガラスを主な構成材料とし、一例ではガラスのみからなる。ガラスは、例えばパイレックスガラスである(パイレックスは登録商標)。なお、パイレックスガラスの熱膨張係数は3×10-6-1から4×10-6-1の範囲内であり、パイレックスガラスのヤング率は65500MPaである。保持部材20の形状は、例えば、切削またはエッチングといった方法により形成され得る。
 歪抑制部材30は、保持部材20にかかる曲げ応力を相殺するための略直方体状の部材である。本実施形態の歪抑制部材30は、N枚の光ファイバリボン40及びN×M本の光ファイバ41を保持する機能を更に有する。保持部材20は、方向D3において光機能部品10と歪抑制部材30との間に挟まれている。歪抑制部材30は、方向D1及び方向D2に沿って延在し方向D3と交差する面31と、方向D3において面31とは反対を向く面32とを有する。一例では、面31は平坦である。方向D3における歪抑制部材30の厚さ、すなわち面31と面32との間隔は、例えば1mmから5mmの範囲内である。面31は、保持部材20の面22と対向し、面22と直接又は間接的に固着している。一例では、面31は、接着剤52によって面22に接着されている。言い換えると、面31と面22との間に接着剤52が介在している。接着剤52は、光透過性を有してもよく、光透過性を有しなくてもよい。接着剤52は、例えば樹脂製であり、一例ではエポキシ樹脂系、アクリル樹脂系、シリコーン樹脂系である。方向D3における接着剤52の厚さは、例えば0.01mmから0.1mmの範囲内である。
 歪抑制部材30は、N×M本の光ファイバ41をそれぞれ収容するN×M個のファイバ保持孔33と、N枚の光ファイバリボン40をそれぞれ収容するN個のリボン保持孔34とを有する。各リボン保持孔34は、面32に形成された凹部35の底面から方向D3に沿って面31に向けて延びている。各ファイバ保持孔33は、対応するリボン保持孔34から、方向D3に沿って延在し、面31に達する。
 光機能部品10の熱膨張係数が保持部材20の熱膨張係数よりも大きい場合、歪抑制部材30の熱膨張係数もまた、保持部材20の熱膨張係数より大きい。光機能部品10の熱膨張係数が保持部材20の熱膨張係数よりも小さい場合、歪抑制部材30の熱膨張係数もまた、保持部材20の熱膨張係数より小さい。歪抑制部材30の熱膨張係数は、光機能部品10の熱膨張係数より大きくてもよく、小さくてもよい。歪抑制部材30のヤング率は、光機能部品10及び保持部材20それぞれのヤング率よりも小さい。
 歪抑制部材30は、光透過性を有してもよく、光透過性を有しなくてもよい。本実施形態の歪抑制部材30は樹脂によって主に構成され、一例では樹脂から成る。歪抑制部材30を構成する樹脂としては、例えば液晶ポリマー(LCP),ポリフェニレンサルファイド(PPS)等が挙げられる。LCPの熱膨張係数は10×10-6-1から20×10-6-1の範囲内であり、LCPのヤング率は20500MPaである。歪抑制部材30は、例えば、ファイバ保持孔33及びリボン保持孔34を形成するための複数本のピンを有する金型を用いてモールド成型されることにより形成され得る。
 図1及び図2に示された光接続構造1では、各光ファイバ41の端面42から出射された光Lが、光機能部品10へ入射する。光Lには、光機能部品10の内部において所定の作用が付与される。その後、光Lは光機能部品10の面11とは反対側の面から出射する。或いは、光機能部品10の面11とは反対側の面に入射した光Lに対し、光機能部品10の内部において所定の作用が付与される。その後、光Lは各光ファイバ41の端面42に入射する。
 図3は、光機能部品10がレンズアレイ12のみを含む場合の構成を示す断面図である。図4は、図3に示す光接続構造1の斜視図である。図4では、歪抑制部材30を仮想線にて示す。レンズアレイ12は、前述した面11と、面11とは反対を向く面13とを有し、平板状または直方体状を呈する。面13は、方向D1及び方向D2に沿って延在し、方向D3と交差する。一例では、面13は面11と平行である。方向D3におけるレンズアレイ12の厚さ、すなわち面11と面13との間隔は、例えば0.5mmから3.0mmの範囲内である。
 面13には、M×N本の光ファイバ41にそれぞれ対応するM×N個のレンズ131が形成されている。各レンズ131は、面13から突出する凸レンズであり、対応する光ファイバ41と光学的に結合されている。すなわち、M×N個のレンズ131は、方向D1を行方向、方向D2を列方向として、M行及びN列にわたって二次元状に並んでいる。一例では、レンズアレイ12は例えばシリコン(Si)によって主に構成され、一実施例ではシリコンから成る。シリコンの熱膨張係数は3×10-6-1であり、シリコンのヤング率は131000MPaである。
 図3及び図4に示された光接続構造1では、各光ファイバ41の端面42から出射された光Lが、レンズアレイ12へ入射する。光Lは、レンズアレイ12の各レンズ131によって平行化(コリメート)されつつ、面13から出射する。或いは、レンズアレイ12の面13に入射した平行光である光Lは、各レンズ131によって集光されつつ各光ファイバ41の端面42に入射する。
 図5は、光機能部品10がレンズアレイ12及び光学素子14を含む場合の光接続構造1の構成を示す断面図である。レンズアレイ12は、方向D3において保持部材20と光学素子14との間に挟まれている。光学素子14は、レンズアレイ12と直接又は間接的に固着している。具体的には、光学素子14は、レンズアレイ12の面13と対向する面15と、面15とは反対を向く面16とを有する。面15は、方向D1及び方向D2に沿って延在し、方向D3と交差する。一例では、面15は平坦である。面15の法線方向は、方向D3と一致してもよく、方向D3に対して僅かに傾斜してもよい。方向D3における光学素子14の厚さ、すなわち面15と面16との間隔は、例えば0.5mmから10mmの範囲内である。光学素子14は、例えば、ローテータ、光学フィルタ、光アイソレータ、及び光路変換部品のうち少なくとも1つである。
 面15は、レンズアレイ12の面13と対向し、面13と直接又は間接的に固着している。一例では、面15は、接着剤53によって面13に接着されている。言い換えると、面15と面13との間に接着剤53が介在している。接着剤53は、光透過性を有する。接着剤53は、例えば樹脂接着剤である。接着剤53としては、光学素子14の構成材料との間の屈折率の差がゼロか又はごく僅かであるものが選択される。接着剤53の例としては、エポキシ樹脂系、アクリル樹脂系、シリコーン樹脂系が挙げられる。方向D3における接着剤53の厚さは、例えば0.01mmから0.1mmの範囲内である。
 図5に示された光接続構造1では、各光ファイバ41の端面42から出射された光Lが、レンズアレイ12へ入射する。光Lは、レンズアレイ12の各レンズ131によって平行化(コリメート)されつつ、面13から出射する。その後、光Lは、光学素子14に入射し、光学素子14の内部において所定の作用を受けた後、面16から出射する。或いは、光学素子14の面16に入射した平行光である光Lは、光学素子14の内部において所定の作用を受けた後、レンズアレイ12の各レンズ131によって集光されつつ各光ファイバ41の端面42に入射する。
 図6は、光機能部品10がレンズアレイ12、光学素子14及びレンズアレイ17を含む場合の光接続構造1の構成を示す断面図である。レンズアレイ17は、面18と、面18とは反対を向く面19とを有し、平板状または直方体状を呈する。面18及び19は、方向D1及び方向D2に沿って延在し、方向D3と交差する。一例では、面19は面18と平行である。方向D3におけるレンズアレイ17の厚さ、すなわち面18と面19との間隔は、例えば0.5mmから3.0mmの範囲内である。
 面18は、光学素子14の面16と対向し、面16と直接又は間接的に固着している。一例では、面18は、接着剤54によって面16に接着されている。言い換えると、面18と面16との間に接着剤54が介在している。接着剤54としては、上述した接着剤53と同様のものが用いられ得る。
 面18には、M×N本の光ファイバ41にそれぞれ対応するM×N個のレンズ181が形成されている。各レンズ181は、面18から突出する凸レンズであり、レンズ131を介して、対応する光ファイバ41と光学的に結合されている。すなわち、M×N個のレンズ181は、方向D1を行方向、方向D2を列方向として、M行及びN列にわたって二次元状に並んでいる。一例では、レンズアレイ17は例えばシリコン(Si)によって主に構成され、一実施例ではシリコンから成る。
 図6に示された光接続構造1では、各光ファイバ41の端面42から出射された光Lが、レンズアレイ12へ入射する。光Lは、レンズアレイ12の各レンズ131によって平行化(コリメート)されつつ、面13から出射する。その後、光Lは、光学素子14に入射し、光学素子14の内部において所定の作用を受けた後、レンズアレイ17の各レンズ181によって集光されつつ、面19から出射する。或いは、レンズアレイ17の面19に入射した発散光である光Lは、レンズアレイ17の各レンズ181によって平行化(コリメート)され、光学素子14の内部において所定の作用を受けた後、レンズアレイ12の各レンズ131によって集光されつつ各光ファイバ41の端面42に入射する。
 以上の構成を備える本実施形態の光接続構造1によって得られる効果について説明する。図7は、比較例として、歪抑制部材30が設けられない場合の光機能部品10及び保持部材20を示す模式図である。このように、光機能部品10及び保持部材20が互いに固着していると、光機能部品10と保持部材20との熱膨張係数差に起因して、図8に示されるように保持部材20の面21が歪んでしまう。これにより、各光ファイバ41の光軸の方向が変動し、各光ファイバ41と光機能部品10、特にレンズアレイ12との光結合効率が低下してしまう。
 図9は、本実施形態の光機能部品10、保持部材20、及び歪抑制部材30を示す模式図である。上記の問題に対し、本実施形態の光接続構造1では、保持部材20が光機能部品10と歪抑制部材30との間に挟まれている。そして、光機能部品10及び歪抑制部材30の熱膨張係数が保持部材20の熱膨張係数よりも大きいか又は小さい。この場合、温度変化に起因して、保持部材20には、光機能部品10による上記の応力に加え、歪抑制部材30による上記と同じ向きの応力が生じる。その結果、保持部材20の面21に生じる歪みが低減される。したがって、本実施形態の光接続構造1によれば、温度変化による各光ファイバ41の光軸の方向の変動を低減し、各光ファイバ41と光機能部品10、特にレンズアレイ12との光結合効率の低下度合いを低減することができる。
 本実施形態のように、方向D3における歪抑制部材30の厚さは1mm以上であってもよい。後述する実施例にて示されるように、本発明者のシミュレーションによれば、歪抑制部材30の厚さが1mm未満である場合は、歪抑制部材30のヤング率にかかわらず、歪抑制部材30が厚いほど保持部材20の曲げが抑制される。これに対し、歪抑制部材30の厚さが1mm以上である場合は、歪抑制部材30のヤング率にかかわらず、歪抑制部材30の厚さと保持部材20の曲げとの相関は小さい。したがって、歪抑制部材30の厚さが少なくとも1mmあれば、上述した効果を十分に奏することができる。
 本実施形態のように、歪抑制部材30は複数の光ファイバ41を保持してもよい。この場合、歪抑制部材30と保持部材20とが協働して、複数の光ファイバ41をより強固に保持することができる。
 本実施形態のように、光機能部品10はレンズアレイ12を含み、レンズアレイ12は面11を含んでもよい。この場合、複数の光ファイバ41とレンズアレイ12とが光学的に結合され、温度変化による各光ファイバ41とレンズアレイ12との光結合効率の低下が小さい光接続構造1を提供することができる。
 本実施形態のように、レンズアレイ12はシリコン(Si)を主な構成材料とし、保持部材20はガラスを主な構成材料とし、歪抑制部材30は樹脂を主な構成材料としてもよい。この場合、レンズアレイ12及び歪抑制部材30の熱膨張係数の双方は、保持部材20の熱膨張係数よりも大きい。したがって、上記の効果を奏することができる。
 本実施形態のように、光機能部品10はレンズアレイ12とは別の光学素子14を更に含んでもよい。レンズアレイ12は、方向D3において保持部材20と光学素子14との間に挟まれ、光学素子14はレンズアレイ12と直接又は間接的に固着してもよい。この場合、各光ファイバ41に入射する光L、または各光ファイバ41から出射する光Lに対して種々の操作を行う光接続構造1を提供することができる。
 本実施形態のように、光接続構造1は、複数の光ファイバ41が樹脂被覆により一括して保護されて成る光ファイバリボン40を備えてもよい。歪抑制部材30は、複数の光ファイバ41をそれぞれ収容する複数のファイバ保持孔33と、光ファイバリボン40を収容するリボン保持孔34とを有してもよい。この場合、光ファイバリボン40を介して複数の光ファイバ41をより強固に保持することができる。
 本実施形態のように、歪抑制部材30は、方向D3において面31とは反対を向く面32を更に有してもよい。リボン保持孔34は、面32に形成された凹部35の底面から方向D3に沿って面31に向けて延びてもよい。複数のファイバ保持孔33は、リボン保持孔34から方向D3に沿って延在し、面31に達してもよい。この場合、形成容易な簡易な構造によって光ファイバリボン40及び複数の光ファイバ41を保持することができる。
 本実施形態のように、面21は、接着剤51によって面11に接着されてもよい。この場合、面21を面11に間接的に固着することができる。
 本実施形態のように、面31は、接着剤52によって面22に接着されてもよい。この場合、面31を面22に間接的に固着することができる。
[実施例]
 ここで、上記実施形態に係る光接続構造1のシミュレーション及びその結果について説明する。
 図10は、図5に示す光接続構造1の周囲温度を25℃から110℃に昇温したときの保持部材20の面21の歪み具合をシミュレーションした結果を示すグラフである。図11は、比較例として、図5に示す光接続構造1において歪抑制部材30を設けない場合の結果を示す。これらの図において、縦軸は面21の高さ、すなわち面21の各部分の方向D3における位置(単位:μm)を表し、横軸は幅方向位置、すなわち面21の各部分の方向D1における位置(単位:μm)を示す。本シミュレーションにおいては、光学素子14をローテータとし、方向D3におけるローテータの厚さを6mmとした。ローテータの材質はイットリウム・鉄・ガーネットである。方向D3における保持部材20の厚さを1mmとし、方向D3における歪抑制部材30の厚さを3mmとした。保持部材20の材質はホウ珪酸ガラスである。歪抑制部材30の材質は液晶ポリマー(LCP)である。
 図11に示されるように、歪抑制部材30を設けない場合、保持部材20の面21の反り量すなわち最大歪み量は0.99μmであった。これに対し、図10に示されるように、歪抑制部材30を設けた場合、面21の反り量すなわち最大歪み量は0.26μmであった。このように、上記実施形態の光接続構造1によれば、歪抑制部材30を設けることによって、保持部材20の面21の曲げを低減することができる。
 図12及び図13は、別のシミュレーションに用いられたモデルを示す斜視図である。図12は歪抑制部材30が設けられない場合のモデルを示し、図13は歪抑制部材30が設けられる場合のモデルを示す。このシミュレーションでは、図5に示す光接続構造1のレンズアレイ12、光学素子14(ローテータ)、保持部材20、及び歪抑制部材30の、方向D3に垂直な各断面を、6mm×6mmの正方形とした。更に、方向D3におけるレンズアレイ12、光学素子14(ローテータ)、及び保持部材20の厚さZを、それぞれ1mm、6mm、及び1mmとした。方向D3における歪抑制部材30の厚さを、0.0mm~5.0mmの範囲内で変化させた。接着剤51,52,53の厚さをそれぞれ30μmとした。図14は、このシミュレーションに用いたモデルの光学素子14(ローテータ)、レンズアレイ12、保持部材20、歪抑制部材30、及び接着剤51,52,53の、ヤング率、熱膨張係数およびポアソン比を示す。
 図15は、このシミュレーションの結果として、歪抑制部材30の厚さと面21の反り量すなわち最大歪み量との関係を示すグラフである。横軸は歪抑制部材30の厚さ(単位:mm)を表し、縦軸は反り量すなわち最大歪み量(単位:μm)を表す。図中の線A1~A5は、歪抑制部材30のヤング率がそれぞれ5000MPa、10000MPa、20500MPa、40000MPa、及び80000MPaである場合を示している。同図を参照すると、歪抑制部材30が無い場合(厚さ0mm)と比較して、歪抑制部材30が有る場合には面21の反りが低減することがわかる。また、歪抑制部材30のヤング率が大きいほど、面21の反りが低減することがわかる。
 加えて、図15を参照すると、歪抑制部材30の厚さが1mm未満である場合は、歪抑制部材30が厚いほど面21の反りが抑制される。これに対し、歪抑制部材30の厚さが1mm以上である場合は、歪抑制部材30の厚さと面21の反り量との相関は小さい。したがって、歪抑制部材30の厚さが少なくとも1mmあれば、上記実施形態の効果を十分に奏し得ることがわかる。
 図16は、図15に示されたシミュレーション結果に基づいて、光学素子14(ローテータ)のヤング率Ea及び歪抑制部材30のヤング率Ebから算出した実効的なヤング率Ecと、歪抑制部材30の厚さと、面21の反り量との関係を示すグラフである。同図においては、横軸が歪抑制部材30の厚さ(単位:mm)を示し、縦軸が比(Eb/Ec)を示し、面21の反り量に応じて区分された複数の領域が示されている。図中の領域B1~B6は、面21の反り量がそれぞれ0.0μm~0.1μmである領域、0.1μm~0.2μmである領域、0.2μm~0.3μmである領域、0.3μm~0.4μmである領域、0.4μm~0.5μmである領域、及び0.5μm~0.6μmである領域を示す。
 図16を参照すると、歪抑制部材30の厚さが1mm以上である範囲において、比(Eb/Ec)が0.192以上であれば、面21の反り量が0.0~0.2の範囲内に収まり、面21の反り量を効果的に低減できることがわかる。図16の縦軸は、光学素子14(ローテータ)のヤング率Ea及び歪抑制部材30のヤング率Ebを用いて、複合材料の複合則から算出することが可能である。
 本開示による光接続構造は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では光機能部品10と保持部材20とが接着剤51のみを介して固着している。この形態に限られず、光機能部品10と保持部材20との間に別の部材を挟み、光機能部品10と保持部材20とが該別の部材を介して間接的に固着してもよい。同様に、上記実施形態では保持部材20と歪抑制部材30とが接着剤52のみを介して固着している。この形態に限られず、保持部材20と歪抑制部材30との間に別の部材を挟み、保持部材20と歪抑制部材30とが該別の部材を介して間接的に固着してもよい。
 上記実施形態では複数の光ファイバ41を保持する機能を歪抑制部材30が有している。この形態に限られず、歪抑制部材は、複数の光ファイバ41を保持する機能を有していなくてもよい。例えば、歪抑制部材は、ファイバ保持孔33及びリボン保持孔34に代えて、N枚の光ファイバリボン40及びN×M本の光ファイバ41を一括して挿通する貫通孔を有してもよい。
 上記実施形態では光機能部品10が接着剤51を介して保持部材20と間接的に固着している。この形態に限られず、光機能部品10は保持部材20と直接固着してもよい。直接固着する方式としては、例えばレーザー溶着が挙げられる。同様に、上記実施形態では保持部材20が接着剤52を介して歪抑制部材30と間接的に固着している。この形態に限られず、保持部材20は歪抑制部材30と直接固着してもよい。直接固着する方式としては、例えばレーザー溶着が挙げられる。
1…光接続構造
10…光機能部品
11…第1の面
12…レンズアレイ
13,15,16,18,19,31,32…面
14…光学素子
17…レンズアレイ
20…保持部材
21…第2の面
22…第3の面
23,33…ファイバ保持孔
30…歪抑制部材
34…リボン保持孔
35…凹部
40…光ファイバリボン
41…光ファイバ
42…端面
51,52,53,54…接着剤
131,181…レンズ
A1~A5…線
B1~B6…領域
D1…第1の方向
D2…方向
D3…第2の方向
L…光

Claims (12)

  1.  端面が少なくとも第1の方向に並ぶように配置され、前記第1の方向と交差する第2の方向に沿ってそれぞれ延びる複数の光ファイバと、
     前記複数の光ファイバの端面と対向する第1の面を有し、前記第1の面において前記複数の光ファイバの端面と光学的に結合される光機能部品と、
     前記第1の面と対向し前記第1の面と直接又は間接的に固着する第2の面、前記第2の面とは反対を向く第3の面、及び、前記第3の面から前記第2の面に向けて延在し前記複数の光ファイバをそれぞれ収容する複数のファイバ保持孔を有する保持部材と、
     前記第3の面と対向し前記第3の面と直接又は間接的に固着する第4の面を有し、前記第2の方向において前記光機能部品との間に前記保持部材を挟む歪抑制部材と、
     を備え、
     前記光機能部品及び前記歪抑制部材の熱膨張係数が前記保持部材の熱膨張係数よりも大きいか、又は、前記光機能部品及び前記歪抑制部材の熱膨張係数が前記保持部材の熱膨張係数よりも小さい、光接続構造。
  2.  前記第2の方向における前記歪抑制部材の厚さは1mm以上である、請求項1に記載の光接続構造。
  3.  前記歪抑制部材のヤング率Ebと前記光機能部品のヤング率Eaとの比(Eb/Ea)は0.192以上である、請求項2に記載の光接続構造。
  4.  前記歪抑制部材は前記複数の光ファイバを保持する、請求項1に記載の光接続構造。
  5.  前記複数の光ファイバが樹脂被覆により一括して保護されて成る光ファイバリボンを備え、
     前記歪抑制部材は、前記複数の光ファイバをそれぞれ収容する複数のファイバ保持孔と、前記光ファイバリボンを収容するリボン保持孔とを有する、請求項4に記載の光接続構造。
  6.  前記歪抑制部材は、前記第2の方向において前記第4の面とは反対を向く第5の面を更に有し、
     前記リボン保持孔は、前記第5の面に形成された凹部の底面から前記第2の方向に沿って前記第4の面に向けて延びており、
     前記複数のファイバ保持孔は、前記リボン保持孔から前記第2の方向に沿って延在し、前記第4の面に達する、請求項5に記載の光接続構造。
  7.  前記光機能部品はレンズアレイを含み、前記レンズアレイは前記第1の面を含む、請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の光接続構造。
  8.  前記レンズアレイはシリコンを主な構成材料とし、前記保持部材はガラスを主な構成材料とし、前記歪抑制部材は樹脂を主な構成材料とする、請求項7に記載の光接続構造。
  9.  前記光機能部品は前記レンズアレイとは別の光学素子を更に含み、
     前記レンズアレイは、前記第2の方向において前記保持部材と前記光学素子との間に挟まれ、前記光学素子は前記レンズアレイと直接又は間接的に固着する、
    請求項7または請求項8に記載の光接続構造。
  10.  前記光学素子は、ローテータ、光学フィルタ、光アイソレータ、及び光路変換部品のうち少なくとも1つである、請求項9に記載の光接続構造。
  11.  前記第2の面は、接着剤によって前記第1の面に接着されている、請求項1から請求項10のいずれか1項に記載の光接続構造。
  12.  前記第4の面は、接着剤によって前記第3の面に接着されている、請求項1から請求項11のいずれか1項に記載の光接続構造。
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