JP2004213008A

JP2004213008A - 光結合素子の製作方法、光結合素子、光結合素子組み立て体及び光結合素子を利用したレンズ結合型光ファイバ

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Publication number: JP2004213008A
Application number: JP2003435259A
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Inventors: Sergey Potapov; ポタポフ・セルゲイ; Ja-Nam Ku; 滋南具; Seitetsu Kin; 聖哲金; Il-Jong Song; 壹鍾宋; Dong-Hoon Chang; 東勲張; Seong-Mo Hwang; 聖模黄; Oritsu In; 應律尹
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Filing date: 2003-12-26
Publication date: 2004-07-29
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Abstract

【課題】光導波路素子の内部に光を結合させるための光結合素子を提供する。
【解決手段】本発明による光導波路素子２４０のコア２４２に光を結合させるための光結合素子２１０は、第２端部２１４（第１の端部）が光導波路素子のコアと結合され、第２端部２１４（第１の端部）と対向する第１端部２１２（第２の端部）が凸形状を有し、光結合素子２１０は、光伝送のために第２端部２１４及び第１端部２１２を連結する光導波路２２０と、光導波路を取り囲むクラッド２３０を含む。
【選択図】図６

Description

本発明は、光素子（optical device）に関し、特に光導波路素子（optical waveguide device）の内部に光を結合させるための光結合素子（optical coupling device）に関する。

最近の技術動向は、光通信システムのための安価の光モジュールを製作することに集中されている。また、光結合方法は、システム安定性、大量生産及び費用節減のために最も重要な役割をする。次世代光ネットワークのためには、小型であり、かつ整列が容易な光素子が開発されるべきである。現在、最も効果的な光結合特性を有する光素子のうち一つは、レンズ結合型光ファイバである。

レーザーダイオード（laser diode:ＬＤ）と光ファイバ間の効果的な光結合は、光通信システムにおいて非常に重要である。突合せ接続（butt coupling）、またはバルク光学系（bulk optics）を利用した結合構造とレンズ結合型光ファイバ（lensed fiber）を利用した結合構造を比較すると、レンズ結合型光ファイバが多くの利点を有する。このような場合、結合の効率は、より高く、特定の場合にはほぼ１００％に達することができる。レンズ結合型光ファイバの面積が非常に小さいので、小型光モジュールまたは結合されたレーザーダイオードアレイ（array）を製作することができる。また、結合のための追加的な素子を使用しないので、熱機械学的安定性も高い。

レンズ結合型光ファイバを製作するためには、多様なアプローチの仕方がある。マイクロレンズ（micro lens）、研磨された端部またはレーザー微細加工された端部（laser micro-machined end）を有する光ファイバは、ほぼ１００％の結合効率を有する。このような場合、レーザーダイオードから放出された光は、直接、光ファイバコアに結合される。従って、作動距離（working distance）は、コア直径ほどに非常に小さい。このような制限は、このような種類のレンズ結合型光ファイバを利用する光モジュールの集積工程に多くの問題点をもたらす。テーパ加工された半球形端部光ファイバ（tapered hemispherical-end fiber）を利用することにより作動距離は、約２０μｍまで増加させることができる。屈折率分布型多重モード光ファイバ端部（graded index multimode fiber end）は、作動距離を４５μｍまで増加させることができる。このような場合に損失は、４ｄＢになる。非球面形端面（aspherical end face）を有するシリカファイバを利用することにより作動距離を１５３μｍまで増加させることができる。

上述した全ての場合において、縦方向及び横方向誤差（axial and lateral misalignment）は、相対的に小さくなければならず、このような誤差の可能性は、光モジュールの大量生産及び再生産能力に大きく影響を与える。拡大されたコア光ファイバ（expanded-core fiber）と半球形端部コアレス光ファイバ（hemi-spherically-ended coreless fiber）を利用したレンズ結合型光ファイバは、長い作動距離を有するが、約４ｄＢの低い結合効率及び約１．５μｍの小さい横方向誤差許容度（tolerance）を有する。半球形端部を有する一対の屈折率分布型光ファイバを利用する他の結合構造は、相対的に約５０μｍの長い作動距離と１．５ｄＢの大きな結合効率を有することができるが、位置誤差許容度は、前述の場合に比べて非常に小さいので、アクティブ・アライメント（active alignment）のみが許される。上述した全ての場合において、レンズ結合型光ファイバの製作技術は複雑であり、再生産性は低い。

図１は、従来技術によるレンズ結合型光ファイバ（レンズドファイバ）の構成を示す図であり、図２乃至図５は、前記レンズ結合型光ファイバの特性を説明するための図である。図１には、前記レンズ結合型光ファイバ１１０の光結合機能を説明するために、前記レンズ結合型光ファイバ１１０と光軸１５０に関して整列されたレーザーダイオード１４０が示されている。前記レンズ結合型光ファイバ１１０は、単一モード光ファイバ（single mode fiber）１２０と、前記単一モード光ファイバ１２０と結合される半球形端部コアレスチップ（hemi-spherically ended coreless tip）１３０とから構成される。図２乃至図４に示したように、入射高（ｈ）と入射角（φ）に関する厳しい制限のため、前記チップ１３０が、入射された全ての光パワーを前記単一モード光ファイバ１２０に伝達することは不可能である。その中、最も重要な変数は入射高（ｈ）である。

図２は、前記チップ１３０の端部が有する曲率半径（Ｒ）が７５μｍであり、前記チップ１３０の長さ（Ｌ）が１０００μｍである場合に、多様な作動距離（Ｄ）に対する入射角（φ）別入射高（ｈ）曲線１６１、１６２、１６３を示している。第１曲線１６１は、作動距離（Ｄ）が１３０μｍである場合、第２曲線１６２は、作動距離（Ｄ）が１５０μｍである場合、第３曲線１６３は、作動距離（Ｄ）が１７０μｍである場合をそれぞれ示す。

図３は、Ｄ＝１５０μｍ、Ｌ＝１０００μｍである場合に、多様な曲率半径（Ｒ）に対する入射角（φ）別入射高（ｈ）曲線１７１、１７２、１７３を示している。第１曲線１７１は、曲率半径（Ｒ）が８５μｍである場合、第２曲線１７２は、曲率半径（Ｒ）が７５μｍである場合、第３曲線１７３は、曲率半径（Ｒ）が６５μｍである場合をそれぞれ示す。

図４は、Ｒ＝７５μｍ、Ｄ＝１５０μｍである場合に、多様な長さ（Ｌ）に対する入射角（φ）別入射高（ｈ）曲線１８１、１８２、１８３を示している。第１曲線１８１は、長さ（Ｌ）が８００μｍである場合、第２曲線１８２は、長さ（Ｌ）が１０００μｍである場合、第３曲線１８３は、長さ（Ｌ）が１２００μｍである場合をそれぞれ示す。

結合能力を向上させるために、前記単一モード光ファイバ１２０は、その一端部が熱膨脹されたコア１２５を有する。このような種類の単一モード光ファイバ１２０は、その規格化周波数（normalized frequency）が製作過程中に維持される特性を有する。そこで、前記コア１２５の端部の熱膨脹中に、最大入射高（ｈ）及び入射角（φ）の積は、定数を維持する。前記単一モード光ファイバ１２０の他の変数であるモードフィールド直径（modal field diameter）は、増加する。これにより、前記コア１２５の端部の直径が増加し、相対屈折率差（relative refraction index difference）が減少する。

図５は、熱膨脹されたコア１２５の入射角（φ）別入射高（ｈ）曲線１９１と、熱膨脹されないコア（図示せず）の入射角（φ）別入射高（ｈ）曲線１９２を示している。図示したように前述した条件下では、多くの量の光パワーを前記膨脹されたコア１２５に結合させることができる。前記熱膨脹されたコア１２５の端部は、多くの点でテーパされた光導波路と類似している。その中一つは、熱膨脹中に相対屈折率差が急激に減少するということである。例えば、前記コア１２５の端部に対するＺ軸に垂直断面の半径が４μｍから１６．８μｍに増加すると、相対屈折率差は、０．３５６％から０．０２％に減少する。

要約すると、従来技術によるレンズ結合型光ファイバは、高い結合効率、小型、及び高い安定性などの良好な特徴を有している。しかし、前記レンズ結合型光ファイバは、製作工程が複雑であり、再生産性が低いという問題点がある。また、前記レンズ結合型光ファイバは、比較的短い作動距離と、横方向移動に対する許容誤差が小さいという問題点がある。さらに、前記レンズ結合型光ファイバは、高い結合効率を得るためにＶ溝（V-groove）のような精密かつコスト高である道具を必要とする問題点がある。

従って、前述の問題点を解決するための本発明の目的は、安価であり、長い作動距離ならびに高い結合効率を有し、横方向移動に対する誤差許容度が大きな光結合素子の製作方法、光結合素子、光結合素子組み立て体（光結合素子アセンブリ）及び光結合素子を利用したレンズ結合型光ファイバを提供することにある。

このような目的を達成するために本発明は、光導波路素子のコアに光を結合させるための光結合素子において、前記光結合素子は、第１の端部が前記光導波路素子のコアと結合され、前記第１の端部と対向する第２の端部が凸形状を有し、前記光結合素子は、前記第１の端部及び第２の端部を連結し入射された光の伝送経路になる光導波路と、前記光導波路を取り囲むクラッドとを含むことを特徴とする。

また、このような目的を達成するために本発明は、光導波路素子のコアに光を結合させるための光結合素子アセンブリにおいて、上端が開放され下端に穴が形成されており、前記穴に前記光導波路素子が挿入されるハウジングと、前記ハウジングの内壁と接合されていて第１の端部が前記光導波路素子のコアと結合されるとともに前記第１の端部と対向する第２の端部が凸形状を有しかつ光伝送のために前記第１の端部及び第２の端部を連結するファンネル形光導波路ならびに前記光導波路を取り囲むクラッドを含む光結合素子と、を含むことを特徴とする。

また、このような目的を達成するために本発明は、レンズ結合型光ファイバにおいて、コアと前記コアを取り囲むクラッドが設けられた光ファイバと、第１の端部が前記光ファイバのコアと結合されるとともに前記第１の端部と対向する第２の端部が凸形状を有しかつ光伝送のために前記第１の端部及び第２の端部を連結するコニクル形光導波路ならびに前記光導波路を取り囲むクラッドを含む光結合素子と、を含むことを特徴とする。

また、このような目的を達成するために本発明は、光導波路素子のコアに光を結合させるための光結合素子の製作方法において、ハウジング下端に形成された穴に前記光導波路素子を挿入し、前記ハウジング内部に紫外線硬化性混合溶液を満たす準備工程と、前記混合溶液の表面に紫外線を照射することにより前記混合溶液内にコニクル形状のテーパ部を形成する第１硬化工程と、前記テーパ部の幅が狭い端部と前記コアの対向された端部を通じて紫外線を放出することにより、前記テーパ部と前記コアを連結する連結部を成長させる第２硬化工程と、前記第１及び第２硬化工程を経てもなお硬化されない混合溶液に紫外線を照射することによりクラッドを形成する第３硬化工程と、を含むことを特徴とする。

本発明による光結合素子、光結合素子組み立て体及び光結合素子を利用したレンズ結合型光ファイバは、光導波路素子と結合されスポットサイズ縮小器及びアライメント誤差補償器として機能するファンネル形導波路を利用することにより、安価、長い作動距離、高い結合効率及び横方向移動に対する大きな誤差許容度を有することができるという利点がある。

また、本発明による光結合素子の製作方法は、光はんだ接合効果を利用してファンネル形導波路を形成することにより、アライメント誤差許容度を向上させることができるという利点がある。

以下、本発明による好適な一実施形態について添付図を参照しつつ詳細に説明する。下記の説明において、本発明の要旨のみを明瞭にする目的で、関連した公知機能又は構成に関する具体的な説明は省略する。

図６は、本発明による光結合素子の構成を概略的に示す図である。図６には、光結合素子２１０と、光結合素子２１０の機能を説明するためのレーザーダイオード２５０及び光導波路素子２４０が示されている。

前記レーザーダイオード２５０は、予め設定された波長の光２５２を生成し、前記光２５２は、レーザーダイオード２５０から所定の発散角で放出される。

前記光導波路素子２４０は、前記レーザーダイオード２５０から予め設定された距離（Ｄ＋Ｌ）だけ離隔されており、前記光導波路素子２４０は、光伝送経路であるコア２４２と、前記コア２４２を取り囲むクラッド２４４とを含む。前記光導波路素子２４０は、光伝送経路であるコアを含む任意の素子を示し、例えば光ファイバ母材（optical fiber preform）から線引きされた単一モード光ファイバ、または半導体基板上に多数の層を積層して形成される平面光波回路（planar lightwave circuit:ＰＬＣ）、レーザーダイオード、フォトダイオードなどとすることができる。

光結合素子２１０は、レーザーダイオード２５０から予め設定された距離（Ｄ）だけ離隔されており、前記レーザーダイオード２５０と対向された第１端部２１２が少なくとも中心部で予め設定された曲率半径（Ｒ）を有する凸形状を有し、前記第１端部２１２の反対側に位置する第２端部２１４は、前記光導波路素子２４０のコアと結合される。光結合素子２１０は、第１端部２１２及び第２端部２１４を連結するコニクル形（円錐状）またはファンネル形（漏斗状）光導波路（conicle or funnel-shaped waveguide）２２０と、光導波路２２０を取り囲むクラッド２３０とから構成される。光導波路２２０は、クラッド２３０より高い屈折率を有する。前記凸形状の第１端部２１２がレンズ作用を果たすことにより、前記第１端部２１２に入射された光２５２は、屈折され収斂（集束）される。前記光導波路２２０は、予め設定された内角（interior angle、θ）を有する氷柱形状（つらら形状）のテーパ部（icicle-shaped tapering part）２２２と、前記テーパ部２２２と前記光導波路素子２４０のコア２４２を連結する連結部（connecting part）２２４に区分される。前記テーパ部２２２は、第１端部２１２から第２端部２１４に進行するほどＺ軸に垂直である断面が小さくなる。前記テーパ部２２２は、前記第１端部２１２に入射された光２５２の焦点が予め設定された地点（即ち、前記テーパ部２２２の収斂点２２３）と一致しなくても、前記テーパ部２２２とクラッド２３０の境界での光２５２の反射を利用して前記光２５２が前記収斂点２２３に集まるようにする。前記連結部２２４は、前記テーパ部２２３により収斂された光２５２を前記光導波路素子２４０のコア２４２に結合させる。

図７は、本発明の望ましい実施形態による光結合素子の製作方法を示す流れ図であり、図８乃至図１４は、図７に開示された製作方法を説明するための図である。前記製作方法は、準備工程３１０と、整列工程３５０と、硬化工程３６０とを含む。

前記準備工程３１０は、ハウジングの下端に形成された穴（hole）に光導波路素子を挿入し、前記ハウジング内部に混合溶液を満たす工程である。前記準備工程３１０を経た結果物は、図８に示している。前記準備工程３１０の細部的なサブ工程３２０、３３０、３４０は、下記の通りである。

第１サブ工程３２０で、コア５１２とクラッド５１４を設ける光導波路素子５１０をホルダー（holder）５２０の中心に形成された穴に挿入して固定する。この時、前記光導波路素子５１０は、前記ホルダー５２０の端部から少なくとも１００μｍ以上（Ｌ_１に図示）突出されるように挿入することが望ましい。前記光導波路素子５１０は、光ファイバ、平面光波回路とすることができ、前記ホルダー５２０としてＺ軸に垂直である円形断面または、四角断面を有するフェルール（ferrule）を使用することができる。前記光導波路素子５１０と前記ホルダー５２０は、前記ホルダー５２０内に前記光導波路素子５１０を挿入した状態で、前記ホルダー５２０の内壁と前記光導波路素子５１０の外周面間に接着剤を注入した後、前記接着剤を硬化させることにより固定させることができる。また、前記ホルダー５２０は、金属材質であり、他の例としてプラスチック材質を使用することもできる。

第２サブ工程３３０で、上端が開放され下端に穴が形成されたハウジング（housing）５３０を準備し、前記ハウジング５３０の下端に形成された穴に前記ホルダー５２０を挿入して固定する。前記ハウジング５３０は、金属材質であり、他の例として紫外線に透明な溶融石英（fused silica）材質を使用することもできる。前記ハウジング５３０及びホルダー５２０は、レーザー溶接（laser welding）により固定される。前記ハウジング５３０及びホルダー５２０の組み合わせに対する他の例として、射出成形、鋳造などにより製作される同一の材質を有する一体形成型物を使用することもできる。前記ハウジング５３０は、望ましくはＺ軸に垂直である円形断面を有し、選択的にＺ軸に垂直である四角断面などを有することもできる。また、前記ハウジング５３０の下端に形成された穴の形状は、前記穴に挿入される前記光導波路素子５１０の断面形状と同一の形状に形成される。

前記第１及び第２サブ工程３２０、３３０では、前記光導波路素子５１０を前記ホルダー５２０に挿入及び固定し、前記ホルダー５２０を前記ハウジング５３０に挿入及び固定したが、選択的に、前記ホルダー５２０を前記ハウジング５３０に挿入及び固定し、前記光導波路素子５１０を前記ホルダー５２０に挿入及び固定することもできる。この時にも、前記光導波路素子５１０は、前記ホルダー５２０の端部から予め設定された長さ（Ｌ_１）だけ、望ましくは少なくとも１００μｍ以上突出されるように挿入することが望ましい。

第３サブ工程３４０で、前記ハウジング５３０の内部に紫外線感応性混合溶液（ＵＶsensitive mixture）５４０を満たす。前記混合溶液５４０は、相異なる種類の成分を所定比率に混合した溶液であり、少なくともいずれか一つの成分は、紫外線感応性を有する。望ましくは、アクリル樹脂（acrylic resin）と紫外線感応性エポキシ樹脂（ＵＶ sensitive epoxy resin）が５０対５０の比率に混合された溶液を使用することが望ましい。前記ハウジング５３０に満たされた混合溶液５４０の表面５４２は、少なくともその中心部で予め設定された曲率半径（Ｒ_１）を有するほぼ半球の凸形態を有するようになるが、このような曲率は、前記混合溶液５４０の表面張力（surface tension）に起因する。また、前記混合溶液５４０の組成及び温度と、前記混合溶液５４０と前記ハウジング５３０内壁間の接着力（即ち、前記ハウジング５３０の表面条件）と、前記ハウジング５３０のＺ軸に垂直である断面形状及び直径などを調節することにより、前記混合溶液５４０の表面５４２曲率半径（Ｒ_１）を調節することができる。

図９Ａ乃至図９Ｂは、円筒形ハウジングの直径変化による混合溶液の表面曲率変化を説明するための図である。図９Ａには、相対的に小さい直径（即ち、Ｚ軸に垂直である断面の直径）を有する第１ハウジング４３０が示されており、図９Ｂには、相対的に大きな直径を有する第２ハウジング４３０′が示されている。第１ハウジング４３０に満たされた混合溶液４４０の表面４４２曲率半径（Ｒ_２）は、第２ハウジング４３０′に満たされた混合溶液４４０′の表面４４２′曲率半径（Ｒ_３）より小さいことがわかる。前記混合溶液４４０、４４０′の体積は、前記混合溶液４４０、４４０′の表面４４２、４４２′と光導波路素子４１０、４１０′端部との距離に影響を与えるので、予め設定された前記ハウジング４３０、４３０′の幾何学的構造に対する前記混合溶液４４０、４４０′の体積を精密に調節すべきである。前記ハウジング４３０、４３０′の直径は、前記混合溶液４４０、４４０′の表面４４２、４４２′曲率半径（Ｒ_２、Ｒ_３）に影響を与え、結果的に入射された光の焦点にも影響を与えるようになる。また、前記曲率半径（Ｒ_２、Ｒ_３）は、空気と前記混合溶液４４０、４４０′間の界面張力（interfacial tension）、前記ハウジング４３０、４３０′の濡れ性（wetting properties）、前記混合溶液４４０、４４０′の組成及び濃度、温度などにより影響を受ける。

図７及び図１０を参照すると、前記整列工程３５０は、前記ハウジング５３０をセンタ（centering）する工程で、前記硬化工程３６０のための準備工程である。前記硬化工程３６０では、第１光学系５５０及び前記混合溶液５４０の表面５４２を利用して紫外線を収斂させるようにするが、このための予備工程として前記ハウジング５３０と前記第１光学系５５０を光軸５５１に関して整列させる。しかし、このような整列工程３５０は、例えば全体製作工程が自動化された場合などに省略できる工程であり、そうでない場合には、精密な製作を助ける効果があることに注意すべきである。

図１０に示したように、前記第１光学系５５０は、第１凸レンズ５５４及び第１多波長光源（multiwavelength light source）５５２を含む。前記第１多波長光源５５２は、前記混合溶液５４０を硬化させないように非紫外線光５５３を放出するようにセッティングされ、望ましくは緑色光を出力する。前記第１多波長光源５５２としては、水銀ランプ（mercury lamp）を使用することができ、前記水銀ランプから放出される光で緑色光のみを選択放出するために緑色フィルタ（green filter）を使用することができる。前記第１多波長光源５５２から放出された光５５３は、前記第１凸レンズ５５４に入射され、前記光５５３は、前記第１凸レンズ５５４により屈折され所定位置に収斂する。前記収斂した光は、発散し、前記混合溶液５４０の表面に入射される。前記混合溶液５４０の凸表面５４２は、入射された光５５３を収斂させる。このように、非紫外線光５５３を照射した状態で前記ハウジング５３０を移動させながら、前記凸表面５４２により収斂された光５５３が前記光導波路素子５１０に効率的に結合され得る位置を探す。即ち、図１０に示したように前記凸表面５４２により収斂された光５５３は、再び発散しながら前記光導波路素子５３０の一端部に達するようになる。前記光導波路素子５１０の他端部から出射された光のパワーを測定し、前記出射光のパワーが他の位置に比べて相対的に大きく示される前記ハウジング５３０の最適位置を決定する。このような最適位置追跡（optimal position tracing）は、先ず前記第１光学系５５０と前記ハウジング５３０を光軸５５１整列するためのものであり、このようにして次に、前記第１光学系５５０を使用する前記硬化工程３６０での紫外線焦点を決定するためのものである。前記第１光学系５５０は、多様に構成されることができ、主としてレンズ系（lens system）と第１多波長光源５５２で構成することができる。前記第１多波長光源５５２は、上述したように水銀ランプを使用するか、可視光線及び紫外線を出力することができる波長可変性レーザー（wavelength tunable laser）などを使用することができる。前記レンズ系は、前記混合溶液５４０の表面５４２と共に前記多波長光源５５２から放出された光５５３の焦点５３０を決定する。図１０では、簡単な構成を示す例として前記レンズ系が一つの第１凸レンズ５５４で構成される例を示しているが、例えば二つの凸レンズを使用することもできる。このような場合に、第１凸レンズは、前記多波長光源５５２から放出された光５５３をコリメート（collimating）し、第２凸レンズは、前記コリメートされた光を集める。また、前記第２凸レンズを前記第１凸レンズに対して相対的に移動させることにより、前記第２凸レンズによる光の収斂位置を変更し、これによって前記混合溶液５４０の表面５４２による光５５３の焦点が調節される。また、前記レンズ系は、レンズ機能を遂行するホログラフィック光素子（holographic optical element:ＨＯＥ）を利用して構成できる。また、上述した整列工程では、前記ハウジング５３０を移動させる方法を採択したが、前記第１光学系５５０（または一部）を移動させる方法も採択可能である。

図７を参照すると、前記硬化工程３６０は、前記混合溶液５４０を硬化させる工程で、下記のように第１乃至第３硬化工程３７０、３８０、３９０に細分される。

図１１を参照すると、前記第１硬化工程３７０は、前記混合溶液５４０の一部を硬化させることにより、コニクルまたは、氷柱形状のテーパ部（conicle or icicle-shaped tapering part）５６２を形成する工程である。前記第１硬化工程３７０では、前記整列工程３５０で整列された第１光学系５５０を使用して分光された紫外線（dispersed ＵＶ light）５５５を生成し、生成された紫外線５５５を前記混合溶液５４０の表面５４２に照射する。前記混合溶液５４０の表面５４２により屈折された紫外線５５５は、前記混合溶液５４０内に収斂される。この時、前記紫外線５５５の焦点（前記テーパ部５６２の収斂点５６３と同一）は、前記光導波路素子５１０の端部から離隔されるように、望ましくは、１００μｍ程度離隔されるように設定される。言い換えれば、図６に示したようなファンネル形光導波路を製作するためには、前記紫外線５５５の焦点が前記光導波路素子５１０の端部から予め設定された距離（Ｄ_２）だけ離隔される必要がある。前記整列工程３５０で前記ハウジング５３０の最適位置は、このような前記紫外線５５５の焦点条件を満足できるように、非紫外線光と前記紫外線５５５の波長差に応じた焦点移動などを考慮して設定される。前記混合溶液５４０が紫外線感応性を有するので、前記混合溶液５４０の一部は、照射された紫外線５５５により硬化されながら予め設定された内角（θ_１）を有する氷柱形状のテーパ部５６２を形成するようになる。前記光軸５５１に沿って１０００μｍの長さを有するテーパ部５６２を形成するには、約１分の時間がかかることが観測されている。前記混合溶液５４０として、アクリル樹脂と紫外線硬化性エポキシ樹脂が５０対５０の比率に混合された溶液を使用した場合に、前記テーパ部５６２は、アクリル樹脂が成長するのと同じように成長する。従って、前記テーパ部５６２の成分は、大部分アクリル樹脂であることがわかる。このような現象は、前述したように前記混合溶液５４０が相異なる種類の成分を所定比率に混合した溶液であり、少なくとも一つの成分が紫外線感応性を有する場合に発生する。また、このような現象は、前記混合溶液５６２内の成分の拡散（diffusion）に起因する。前記混合溶液５４０の代わりに紫外線感応性を有する単一成分の溶液を使用すると、このような部分硬化は可能であるが、硬化された部分とその周辺の屈折率差が保障されないので、光導波路としての機能を果たすことができなくなる。

図７及び図１２を参照すると、前記第２硬化工程３８０は、前記光導波路素子５１０の、前記テーパ部５６２に対向する端部を通して紫外線を放出することにより、前記テーパ部５６２と前記光導波路素子５１０を連結する連結部５６４を成長させる工程である。前記第２硬化工程３８０は、後述される光はんだ接合効果（optical solder effect）によって説明することができる。このような光はんだ接合効果に対して例を挙げて説明すると、下記の通りである。紫外線感応性溶液内に予め設定された距離に離隔され、互いに対向された二つの光ファイバ端部を浸し、前記光ファイバ端部を通じて交代に紫外線を放出する。前記溶液の硬化が進行されるにつれて、前記光ファイバ端部から光導波路の一部が徐々に延長され、所定時間が経過した後には、前記光ファイバ端部を連結する完全な光導波路が形成される。前記第２硬化工程３８０は、このような光はんだ接合効果を利用して、前記テーパ部５６２と前記光導波路素子５１０の対向された端部を連結する連結部５６４を形成する。このような光はんだ接合効果は、前記テーパ部５６２と前記光導波路素子５１０の整列状態にあまり依存しないので、それまでの工程で前記テーパ部５６２と前記光導波路素子５１０を精密に整列する必要がない。また、前述した整列工程３５０の場合と同様に、例えば全体製作工程が自動化された場合、前記連結部５６４を使用しなくても前記テーパ部５６２と前記光導波路素子５１０のコア５１２が有効に結合され得る場合に、前記第２硬化工程３８０を省略できることに注意すべきである。即ち、本発明に対する応用例として、前記混合溶液５４０の一部を硬化させることにより、前記混合溶液５４０の表面５４２から前記光導波路素子５１０のコア５１２まで延在する氷柱形状の光導波路を形成することを考慮することができる。

図１２を参照すると、前記第１硬化工程３７０で使用された第１光学系５５０に加えて前記光導波路素子５１０と光軸５７１整列された第２光学系５７０がさらに設けられる。前記第２光学系５７０は、第２多波長光源５７２と、前記第２多波長光源５７２から放出された紫外線５７３を前記光導波路素子５１０のコア５１２に結合させるための第２凸レンズ５７４とから構成される。前記第２硬化工程３８０は、前記テーパ部５６２と前記コア５１２を連結する連結部５６４が形成されるまで、下記の第１サブ工程と、第２サブ工程を交代に繰り返す工程である。

前記第１サブ工程は、前記第１硬化工程３７０で使用された第１光学系５５０を利用して前記テーパ部５６２の収斂点５６３から延長される連結部５６４の一部を成長させる工程である。前記第１硬化工程３７０で使用された第１光学系５５０を使用して前記混合溶液５４０の表面５４２に紫外線５５５を照射させると、前記紫外線５５５が前記テーパ部５６２により収斂されながら、前記テーパ部５６２の収斂点５６３を通じて放出される。前記混合溶液５４０が前記テーパ部５６２の収斂点５６３を通じて放出された紫外線５５５により硬化されると、前記連結部５６４の一部が成長する。

前記第２サブ工程は、前記第２光学系５７０を利用して前記光導波路素子５１０のコア５１２から延長される前記連結部５６４の一部を成長させる工程である。前記第２光学系５７０を使用して前記光導波路素子５１０のコア５１２に紫外線５７３を結合させると、前記紫外線５７３が前記コア５１２に沿って進行した後、前記コア５１２の端部を通じて放出される。前記混合溶液５４０が前記コア５１２の端部を通じて放出された紫外線５７３により硬化されるにつれて、前記連結部５６４の一部が成長する。

前記第２硬化工程３８０を経て生成された光導波路５６０部分のみを示した図１３を参照すると、このような光はんだ接合効果を利用した第２硬化工程３８０は、前記テーパ部５６２と前記光導波路素子５１０の整列状態にあまり依存しない。前記テーパ部５６２のＺ軸方向の長さ（Ｌ_２）は、１０００μｍであり、前記テーパ部５６２での光損失（optical loss）は、１．５ｄＢ未満である。また、前記連結部５６４のＺ軸方向の長さ（Ｌ_３は図１１のＤ_２と同一）は、１５０μｍであり、前記連結部５６４と前記コア５１２に対するＹ軸方向のアライメント誤差（Ｄ_３）は、５μｍを超えず、前記連結部５６４での光損失（optical loss）は、０．５ｄＢ未満である。このようなアライメント誤差（Ｄ_３）は、前記整列工程３５０での前記ハウジング５３０の整列状態と、前記テーパ部５６２の成長状態に依存する。前記第２硬化工程３８０まで経ることにより、氷柱形状のテーパ部５６２と、前記テーパ部５６２と前記光導波路素子５１０のコア５１２を結合する連結部５６４とを備える光導波路５６０が形成される。

図７及び図１４を参照すると、前記第３硬化工程３９０は、前記光導波路５６０を取り囲んでいる混合溶液５４０を硬化させることにより、クラッドを形成させる工程である。前記第３硬化工程３９０で前記混合溶液５４０を硬化させるために紫外線を照射する方法には、下記の二つの方法がある。
一、前記混合溶液５４０の表面５４２に紫外線５５５を照射する方法がある。この場合には、以前工程で使用された第１光学系５５０′をあまり位置変更しなくても使用できるという利点がある。ただ、前記第１または第２硬化工程３７０、３８０では、前記混合溶液５４０の表面５４２中心部に紫外線５５５を照射したが、前記第３硬化工程３９０では、前記混合溶液５４０の表面５４０全体にかけて紫外線５５５を照射すべきであるので、前記第１光学系５５０′において第１凸レンズが除去されている。
二、前記ハウジング５３０の側面に紫外線を照射する方法がある。この場合には、相対的に前記混合溶液５４０をより均一かつ迅速に硬化させることができるという利点がある。ただ、前記ハウジング５３０は、紫外線に対して透明な材質であるべきであり、溶融石英材質とすることができる。例えば、前の工程で使用された前記第１多波長光源５５２及び第２多波長光源を前記ハウジング５３０の側面に対向させるように位置させ紫外線を照射するか、異なる二つの多波長光源を前記ハウジング５３０の側面に対向させるように位置させ紫外線を照射することができる。

図１４を参照すると、前記第１多波長光源５５２から放出される紫外線５５５を前記混合溶液５４０の表面５４２全体にかけて照射する。前記紫外線５５５により前記混合溶液５４０が硬化されることにより、前記光導波路５６０と所定屈折率差を有するクラッドが形成される。

図１５は、本発明の第１実施形態によるレンズ結合型光ファイバの構成を示す図である。図１５には、前記レンズ結合型光ファイバ６００と、前記レンズ結合型光ファイバ６００の機能を説明するためのレーザーダイオード６８０が示されている。

前記レーザーダイオード６８０は、予め設定された波長の光６８２を出力し、前記光６８２は、前記レーザーダイオード６８０から所定発散角に放出される。

前記レンズ結合型光ファイバ６００は、単一モード光ファイバ６１０と光結合素子アセンブリ６２０とを含み、前記光結合素子アセンブリ６２０は、ハウジング６４０、ホルダー６３０及び光結合素子６５０を含む。

前記単一モード光ファイバ６１０は、コア６１２と、前記コア６１２を取り囲むクラッド６１４と、前記クラッド６１４を取り囲むコーティング６１６（coating）と、を含む。

前記ホルダー６３０は、上下端が開放された円筒構造を有し、その内部に前記単一モード光ファイバ６１０が挿入され固定される。この時、前記単一モード光ファイバ６１０は、前記ホルダー６３０の端部から突出されるように挿入されている。前記ホルダー６３０及び単一モード光ファイバ６１０の固定方法は、様々な方法とすることができ、例えば前記ホルダー６３０の内周面及び単一モード光ファイバ６１０間に充填される接着剤を利用して固定することができる。

前記ハウジング６４０は、上端が開放され下端中心に穴が形成された円筒構造を有し、前記穴に前記ホルダー６３０が挿入され固定される。前記ハウジング６４０及びホルダー６３０は、金属材質とすることができ、前記ハウジング６４０及びホルダー６３０は、溶接により接合できる。また、前記ハウジング６４０及びホルダー６３０は、射出成形、鋳造などにより製作される同一の材質を有する一体形成型物とすることができる。

前記光結合素子６５０は、前記ハウジング６４０に実装され、前記ハウジング６４０の内壁に付着されており、前記突出された単一モード光ファイバ６１０の一部が前記光結合素子６５０の下端に結合されている。前記光結合素子６５０は、凸表面６５２を有し、前記表面６５２と前記単一モード光ファイバ６１０のコア６１２を連結するファンネル形（漏斗状）光導波路６６０と、前記光導波路６６０を取り囲むクラッド６７０と、を含む。前記光導波路６６０は、前記表面６５２から遠くなるほど徐々にその断面が小さくなり、予め設定された内角（θ_２）を有するテーパ部６６２と、前記テーパ部６６２と前記コア６１２を連結する連結部６６４に区分される。少なくとも前記表面６５２の中心部は、予め設定された曲率半径（Ｒ_４）を有し、前記光導波路６６０及びクラッド６７０は、予め設定された屈折率差を有する。

前記レーザーダイオード６８０の最適位置は、前記レンズ結合型光ファイバ６００の光軸６０１上に位置し、前記レーザーダイオード６８０から放出された光６８２の焦点が前記テーパ部６６２の収斂点６６３と一致する位置に存在する。このような最適位置では、前記テーパ部６６２の境界に到達した光６８２が全反射されることにより、反射による損失が最小化される。前記連結部６６４は、前記テーパ部６６２により収斂された光６８２を前記コア６１２に結合させる。

図１６乃至図１８は、図１５に示したレーザーダイオード６８０が最適位置から離れた場合を説明するための図である。図１６及び図１７では、前記レーザーダイオード６８０が光軸６０１に沿って前記最適位置から離れた場合、図１８は、前記レーザーダイオード６８０が前記光軸６０１と垂直方向に最適位置から離れた場合を示している。上述した全ての場合において、前記光結合素子６５０の凸表面６５２は、前記レーザーダイオード６８０から入射された光を収斂させるスポットサイズ縮小器（spot size reducer）として機能し、前記テーパ部６６２の傾斜している境界は、アライメント誤差により前記テーパ部６６２の収斂点６６３から遠くなる光６０１の経路を補正するアライメント誤差補償器（angular and position misalignment compensator）として機能する。前記テーパ部６６２により入射された光６８２は、前記テーパ部６６２の収斂点６６３に集められ、集められた光６８２は、前記連結部６６４によりガイドされることにより前記単一モード光ファイバ６１０のコア６１２に結合される。

図１９は、本発明の第２実施形態によるレンズ結合型光ファイバの構成を示す図である。前記レンズ結合型光ファイバ７００の構成は、図１５に示した構成と類似であり、ハウジング７４０及びホルダー７３０の材質と固定方法において若干の差異点がある。以下、このような差異点のみに対して詳細に説明する。

前記レンズ結合型光ファイバ７００は、単一モード光ファイバ７１０と、光結合素子アセンブリ７２０とを含み、前記光結合素子アセンブリ７２０は、ハウジング７４０、ホルダー７３０及び光結合素子７５０を含む。

前記ホルダー７３０は、金属材質であり、上下端が開放された円筒構造を有し、その内部に前記単一モード光ファイバ７１０が挿入され固定される。この時、前記単一モード光ファイバ７１０は、前記ホルダー７３０の端部から突出されるように挿入されている。前記ホルダー７３０及び単一モード光ファイバ７１０の固定方法は、様々な方法とすることができ、例えば前記ホルダー７３０の内周面及び単一モード光ファイバ７１０間に充填される接着剤を利用して固定することができる。

前記ハウジング７４０は、溶融石英材質であり、上端が開放され下端中心に穴が形成された円筒構造を有する。前記ハウジング７４０の穴に前記ホルダー７３０が挿入された後、前記ハウジング７４０の穴の縁を覆うように十分にエポキシ７８０で覆う。図示したように、前記ハウジング７４０の下端と前記ホルダー７３０の側面一部を十分にエポキシ７８０で覆うことにより、前記ハウジング７４０とホルダー７３０を強固に固定することができる。

上述したように、本発明によるレンズ結合型光ファイバは、従来に比べて向上した特徴を有する。
一、従来の熱膨脹された端部を有するコアを利用する場合には、相対屈折率差が減少されるといった問題点があったが、本発明によるレンズ結合型光ファイバは、紫外線硬化により形成されるファンネル形光導波路を利用することにより相対屈折率差を約１％に維持することができる。これによって、モードフィールド直径が向上し、レーザーダイオードに対するアライメント誤差許容度が大きくなる。
二、スポットサイズ縮小器として機能するレンズの凸表面と、アライメント誤差補償器として機能する氷柱形状のテーパ部と、集められた光を単一モード光ファイバまでガイドする連結部とを利用することにより、結合効率及びアライメント誤差許容度が大幅に向上する。前記レンズ結合型光ファイバは、２ｄＢ以下の光損失を示し、約１００μｍの作動距離を有することができる。即ち、前記レンズ結合型光ファイバは、製作工程の自動化及び大量生産化に非常に効果的である。

従来のレンズ結合型光ファイバの構成を示す図である。図１に示したレンズ結合型光ファイバの多様な入射角別入射高特性を説明するための図である。図１に示したレンズ結合型光ファイバの多様な入射角別入射高特性を説明するための図である。図１に示したレンズ結合型光ファイバの多様な入射角別入射高特性を説明するための図である。図１に示したレンズ結合型光ファイバの多様な入射角別入射高特性を説明するための図である。本発明による光結合素子の構成を示す図である。本発明の望ましい実施形態による光結合素子の製作方法を示す流れ図である。図７に示された製作方法を説明するための図である。図７に示された製作方法を説明するための図である。図７に示された製作方法を説明するための図である。図７に示された製作方法を説明するための図である。図７に示された製作方法を説明するための図である。図７に示された製作方法を説明するための図である。図７に示された製作方法を説明するための図である。図７に示された製作方法を説明するための図である。本発明の第１実施形態によるレンズ結合型光ファイバの構成を示す図である。図１５に示したレーザーダイオードが最適位置から離れた場合を説明するための図である。図１５に示したレーザーダイオードが最適位置から離れた場合を説明するための図である。図１５に示したレーザーダイオードが最適位置から離れた場合を説明するための図である。本発明の第２実施形態によるレンズ結合型光ファイバの構成を示す図である。

符号の説明

２１０，６５０，７５０・・・光結合素子
２１２・・・第１端部（第１の端部と対向する第２の端部）
２１４・・・第２端部（光導波路素子のコアと結合される第１の端部）
２２０，６６０，７６０・・・第１端部と第２端部の間の伝送経路になる光導波路
２２２，６６２，７６２・・・テーパ部
２２４，６６４，７６４・・・連結部
２３０，６７０，７７０・・・光導波路２２０を取り囲むクラッド
２４０・・・光導波路素子
２４２，６１２，７１２・・・コア
２４４，６１４，７１４・・・コアを取り囲むクラッド
２５０，６８０・・・レーザーダイオード
３１０・・・準備工程
３５０・・・整列工程
３６０・・・硬化工程
３７０・・・第１硬化工程
３８０・・・第２硬化工程
３９０・・・第３硬化工程
６００，７００・・・レンズ結合型光ファイバ
６１０，７１０・・・単一モード光ファイバ（光導波路素子）
６２０，７２０・・・光結合素子アセンブリ
６３０，７３０・・・ホルダー
６４０，７４０・・・ハウジング
６５２，７５２・・・凸表面（第１端部）
７８０・・・エポキシ

Claims

光導波路素子のコアに光を結合させるための光結合素子において、
前記光結合素子は、第１の端部（２１４）が前記光導波路素子のコアと結合され、前記第１の端部と対向する第２の端部（２１２）が凸形状を有し、前記光結合素子は、
前記第１の端部及び第２の端部を連結して入射された光の伝送経路になる光導波路と、
前記光導波路を取り囲むクラッドとを含むことを特徴とする光結合素子。
前記光導波路は、
入射された光を収斂させるコニクル形状のテーパ部と、
前記テーパ部の幅が狭い端部と前記コアを連結することにより、前記収斂された光を前記コアに結合させる連結部と、を含む請求項１記載の光結合素子。
光導波路素子のコアに光を結合させるための光結合素子アセンブリにおいて、
上端が開放され下端に穴が形成されており、前記穴に前記光導波路素子が挿入されるハウジングと、
前記ハウジングの内壁と接合されており、第１の端部（２１４）が前記光導波路素子のコアと結合され、前記第１の端部と対向する第２の端部（２１２）が凸形状を有し、光伝送のために前記第１の端部及び第２の端部を連結するファンネル形光導波路と前記光導波路を取り囲むクラッドを含む光結合素子と、を含むことを特徴とする光結合素子アセンブリ。
前記光導波路は、
入射された光を収斂させるコニクル形状のテーパ部と、
前記テーパ部の幅が狭い端部と前記コアを連結することにより、前記第２の端部により収斂された光を前記コアに結合させる連結部と、を含む請求項３記載の光結合素子アセンブリ。
前記光導波路素子を実装するときに前記光導波路素子を支持し、前記光導波路素子を前記ハウジングの穴に固定するためのホルダーをさらに含む請求項３記載の光結合素子アセンブリ。
レンズ結合型光ファイバにおいて、
コアと前記コアを取り囲むクラッドが設けられた光ファイバと、
第１の端部（２１４）が前記光ファイバのコアと結合され、前記第１の端部と対向する第２の端部（２１２）が凸形状を有し、光伝送のために前記第１の端部及び第２の端部を連結するコニクル形光導波路と前記光導波路を取り囲むクラッドを含む光結合素子と、を含むことを特徴とするレンズ結合型光ファイバ。
前記光導波路は、
入射された光を収斂させるコニクル形状のテーパ部と、
前記テーパ部の幅が狭い端部と前記コアを連結することにより前記収斂された光を前記コアに結合させる連結部と、を含む請求項６記載のレンズ結合型光ファイバ。
前記光ファイバを固定するためのホルダーと、
上端が開放され下端に穴が形成されており、前記穴に前記ホルダーが挿入されるハウジングと、をさらに含む請求項６記載のレンズ結合型光ファイバ。
光導波路素子のコアに光を結合させるための光結合素子の製作方法において、
ハウジング下端に形成された穴に前記光導波路素子を挿入し、前記ハウジング内部に紫外線硬化性混合溶液を満たす準備工程と、
前記混合溶液の表面に紫外線を照射することにより前記混合溶液内にコニクル形状のテーパ部を形成する第１硬化工程と、
前記テーパ部の幅が狭い端部と前記コアの対向された端部を通じて紫外線を放出することにより、前記テーパ部と前記コアを連結する連結部を成長させる第２硬化工程と、
前記第１及び第２硬化工程によって硬化されない混合溶液に紫外線を照射することによりクラッドを形成する第３硬化工程と、を含むことを特徴とする光結合素子の製作方法。
前記第２硬化工程中に前記テーパ部の幅が狭い端部と前記コアを完全に連結するまで前記テーパ部と前記コアの対向された端部を通じて交互に紫外線を放出する請求項９記載の光結合素子の製作方法。