JP2005043786A - 光結合構造 - Google Patents

Abstract

【課題】光軸の調芯が容易であり、温度変化による性能低下が少ない、結合損失を低減した光結合構造を提供する。
【解決手段】端面が光ファイバの光軸に対して４５度に加工された第１、第２の光ファイバ６，７と、２つの光ファイバの端面に光学反射膜または光学フィルタが形成された第１の光学的成膜１２と第２の光学的成膜１３を有し、第１の光ファイバ６と第２の光ファイバ７との相互の位置関係は、第１の光ファイバを伝搬して第１の光学的成膜で反射された光波（光１６）の少なくとも一部が第２の光学的成膜と交差し、かつ、第２の光ファイバ内を伝搬して第２の光学的成膜で反射された光波（光１５）の少なくとも一部が第１の光学的成膜と交差するような位置関係に調整されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、光結合構造に関し、特に結合損失を低減させた光結合構造に関する。

図７に従来例１の光モジュール（特許文献１ 参照）の構成を示す。
光モジュールは、幅方向の断面形状が直角二等辺三角形であるプリズム４１と、幅方向の断面形状が直角二等辺三角形である三角柱形状のプリズム４２と、レンズ効果を有する分布屈折率型ガラスロッド４９，５０と同心的に接続された２本の光ファイバ４７，４８とを備え、プリズム４１の直角をなす縁部に対向する側面（面Ａ）と分布屈折率型ガラスロッド４９，５０の端面が屈折率整合剤を介して接し、プリズム４１の端面の底辺（面Ｂ）の長さとプリズム４２の端面の斜辺の長さ（面Ｃ）を一致させ、両端面は接するように配置されている。
また、プリズム４１の面Ｂには、所定の波長に対し所定の反射率を与える反射膜（波長選択性フィルタ：短波長パスフィルタ５１）が形成されている。
また、光ファイバ４８の中心軸延長線上にプリズム４１、４２を介して球レンズ４３と光源４４が配置されている。
光源４４、球レンズ４３からの１．３μｍの光は、面Ｅに入射され、波長選択性フィルタ５１、面Ａを透過して光ファイバ４８に結合され、一方光ファイバ４８からの１．５５μｍの受信光は、面Ａに入射され、波長選択性フィルタ５１、面Ｄで反射し、面Ａを透過して光ファイバ４７に結合される。

図８に従来例２の光結合構造（特許文献２ 参照）の構成を示す。
光結合構造は、光ファイバ８０と光導波路基板６０、７０から構成され、光ファイバ８０は、光導波路基板７０に接着剤９１により固定される。光ファイバ８０は、その中心部に配置されたコア８１と、コア８１を取り囲むクラッド層８３とを有する。また、光導波路基板６０（７０）は、その上部に設けられた断面矩形状の光導波路６１（７１）と、光導波路を取り囲むクラッド層６２（７２）とバッファ層６３（７３）とを有する。光導波路基板６０（７０）は、その端部が斜めにカットされ、カット面６５（７５）が形成される。同様に、光ファイバ８０も端面が斜めにカットされカット面８５が形成される。
カット面６５は、光導波路６１の光軸方向を基準にして角度（１８０度−α）でカットされており、ここでは、α＝４５°に設定されている。またカット面６５あるいはカット面７５には、半透過型反射膜９０がスパッタリング等で設けられている。この半透過型反射膜９０は、金属や誘電体の多層膜であり、光波を部分透過／反射する特性を有している。そして、カット面６５は、光導波路７１と光導波路６１とが直線的に配置されるように、半透過型反射膜９０を介して、カット面７５と接着剤により接合される。

次に光波の伝搬について説明する。
光導波路７１を伝搬してきた光波Ｌ１は、カット面７５とカット面６５との間に設けられた、半透過型反射膜９０に入射する。次に光波Ｌ１は、半透過型反射膜９０により分岐する。すなわち、光波Ｌ１は、半透過型反射膜９０を透過し、光導波路６１に伝搬する光波Ｌ２と、半透過型反射膜９０で反射する光波Ｌ３に分岐する。反射した光波Ｌ３は、クラッド層７２とクラッド層と同じ屈折率を有する接着剤９１とクラッド層８３とを通過し、カット面８５に入射する、その後、光波Ｌ３は、コア８１のカット面８５で反射し、光ファイバ８０を伝搬していく。従って、光波Ｌ１は、半透過型反射膜９０によって、光導波路６１に伝搬する光波Ｌ２と、光ファイバ８０に伝搬する光波Ｌ３とに分岐することになる。

また、半透過型反射膜９０の代わりに、波長分離フィルタを設置してもよい。この波長分離フィルタは、高／低屈折率誘電体膜を積層することにより設けられる。ここでは、波長λ１の光波のみ通過させる波長選択性透過膜を波長分離フィルタとして設置する。これによって、前述と同様に、光導波路７１に光波Ｌ１を入射した場合、上記光波Ｌ２は波長λ１のみの光波となり、その他の波長の光波は、波長分離フィルタで全反射し光波Ｌ３に分波する。すなわち、光導波路６１には、波長λ１のみ光波Ｌ２が伝搬され、光ファイバ８０には、波長λ１以外の光波Ｌ３が伝搬されることになる。
また、光導波路基板６０に代えて、光ファイバあるいは受光素子等も用いることができる。
特開平９−２６５２５号公報（図１、特許請求の範囲） 特開２００２−２３００４（図１２、段落００９１〜００９８）

従来例１の光モジュールは、（１）プリズムの小型化は、波長選択性フィルタの成膜による応力のため小さくすることはできず、一般に小型のもので１ｍｍ□程度である。また、（２）光ファイバ２本、光源及びプリズムがそれぞれ分離しており、少なくとも３個所のアクティブ光軸調芯が必要であり、コスト高となる。先ず、光源と球レンズ、プリズムの光軸を定め、次に光源と光ファイバ４８のＸＹ方向及びあおり調芯が必要となる。次に光ファイバ４８と光ファイバ４７とのＸＹ方向及びあおり調芯が必要となる。、
従来例２の光結合構造は、（１）一般に光ファイバと光導波路基板とは材料構成が異なり熱膨張の差が著しく光結合特性の劣化原因となる。また、（２）光波を、クラッド層と同じ屈折率を有する接着剤を介して伝搬させることにより、外部への出射による損失を減少させているが、光波の拡散による損失は考慮されていない。

本発明は、上記課題を解決するために、
２つの光ファイバ同士を光結合させるための構造であって、
端面が光ファイバの光軸に対して４５度に加工された２つの光ファイバと、
前記２つの光ファイバの端面に光学反射膜または光学フィルタが形成された第１の反射面と第２の反射面を有し、
第１の光ファイバと第２の光ファイバとの相互の位置関係は、
前記第１の光ファイバを伝搬して前記第１の反射面で反射された光波の少なくとも一部が前記第２の反射面と交差し、
かつ、前記第２の光ファイバ内を伝搬して前記第２の反射面で反射された光波の少なくとも一部が前記第１の反射面と交差するような位置関係に調整されていることを特徴とする。

本発明は、光ファイバの被覆径を２５０μｍとすると間隔は、２５０μｍとなり、例えば３２チャンネルであるとファイバの端から端までの幅は８ｍｍとなる。一方従来例１ではプリズムの長さを１ｍｍとすると総合の幅は３２ｍｍとなり４倍サイズが大きくなる。 また、本発明は、図１に示すように、光ファイバと波長選択性フィルタを成膜した４５°斜面は、一体構造であり位置関係が精度良く固定されている。第１の斜め研磨光ファイバＡｓｓｙ９と第２の斜め研磨光ファイバＡｓｓｙ１０の位置合わせは、精度の良いＶ溝（±１μｍ）を使用していることから僅かなストロークでのＸＹ方向の光軸調芯ですむ。したがって、調芯時間を要するあおり方向はＶ溝の精度から不要となる。第２の斜め研磨光ファイバＡｓｓｙ１０と第３の斜め研磨光ファイバＡｓｓｙ１１との位置合わせは、精度の良いＶ溝を合わせるだけでよいので無調芯ですみ光軸の調芯費用を大幅に削減できる。

また、本発明は端面を斜めに研磨した２本の光ファイバを背中合わせに組み合わせた構造によりレンズ効果を持たせることができ光の拡散を防止して低損失化を図ることができる。
すなわち、本発明は、一方の光ファイバのコアの光軸に対して４５度に加工された反射面で反射した光波はクラッド層の円形外表面から一旦、空気中の出射され、その後、他方の光ファイバのクラッド層の円形外表面を透過してコアの光軸に対して４５度に加工された反射面で反射した光波はコアを伝搬する。従って、クラッド層の円形外表面及びクラッド層と空気の屈折率の違いによるレンズ効果により、空気中に出射された光は内側に曲げられる（収束させる）ため拡散を防止することができこれにより結合効率を向上させることができ低損失化を図ることが可能となる。
従来例２の光ファイバと導波路は、一般に材料構成が異なることから温度変化による熱膨張の差が著しく性能劣化の原因となるが、本発明は光ファイバ同士の結合であり熱膨張の影響を受けることはなく性能の低下を防止することができる。さらに、アレー化が容易であり、かつ小型化が図れる構造を備えている。

図１に本発明の光結合構造の構成例を示す。図２に図１の光結合構造の斜視図を示す。
図１（ａ）に示すように光ファイバ１はＶ溝基板４に固定され、光ファイバ１の端部とＶ溝基板４側面は４５度（θ）に研磨される。このようにして作られた斜め研磨光ファイバＡｓｓｙは、図１（ｂ）、図２に示すように、第１の斜め研磨光ファイバＡｓｓｙ９と第２の斜め研磨光ファイバＡｓｓｙ１０は、斜め研磨の斜面がそれぞれ直交方向を向くように取り付けられ第３の斜め研磨光ファイバＡｓｓｙ１１の斜め研磨面は、第２の斜め研磨光ファイバＡｓｓｙ１０の斜め研磨面と接するように取り付けられる。
なお、光ファイバとＶ溝基板は通常接着剤で固定される。
図１（ｂ）において第２の光ファイバ７と第３の光ファイバ８のコアを一致させるよう図示してあるが、厳密には、図１（ｃ）に示すように、斜め研磨面に形成してある第２の光学的成膜１３によりそこを通過する光軸が屈折する。そこで屈折による位置ずれの分、第２の光ファイバ７と第３の光ファイバ８のコアの位置をずらして固定してやることにより低損失の光結合を可能にする。第２の光学的成膜１３は、光ファイバの屈折率より一般に高いのでスネルの法則よりθ１（＝θ３）＞θ２となり光３２は、光３１よりｈだけ下方向にシフトする。

図３は、光通信システムにおいて今後の主流となるであろうＢ−ＰＯＮ(Broadband-Passive Optical Netwark)システムの波長多重合波器（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexer）の使用例を示す。
局側である通信センタは、波長１．５５μｍの光に載せられたVideo信号とメディアコンバータ（ＭＣ）から波長１．４９μｍに載せられた光が波長多重合波器（ＷＤＭ）３１により合波されて送信される。一方宅側から送信されてきた波長１．３１μｍの光は、ＷＤＭ３１により分離されてＭＣ３３に送られそこで電気信号に変換される。
局側から宅側に送られた光は、宅側のＷＤＭ２６によって波長１．５５μｍの光と波長１．４９μｍの光に分離され、波長１．５５μｍの光はVideo装置２７にまた波長１．４９μｍの光はＭＣ２８に送られそれぞれ処置される。一方、データを載せたＭＣ２８からの波長１．３１μｍの光は、ＷＤＭ２６で合波され局側に送信される。

ここで例えば図３に示したＷＤＭ２６及びＷＤＭ３１を達成するために図４に示すように光ファイバの４５度の斜め研磨面に光学的成膜を施す。（ａ）に示すタイプ１は、宅側のＷＤＭを想定したもので第１の光学的成膜１２は反射膜が成膜され、第２の光学的成膜１３は、波長選択フィルタ（ＷＤＭフィルタ）が成膜される。この波長選択フィルタは１．５５μｍを透過し、１．４９μｍ以下の短波長帯は反射するように特性付けられている。光１５は、局側から送られてきた受信光を示し、第２の光学的成膜１３によって透過光１８と反射光（光１７）に分波される。反射光は、第１の光学的成膜１２によって反射され第１の光ファイバ６を伝播する光１７となる。一方、第１の光ファイバ６からの光１６は、第１の光学的成膜１２によって反射され第２の光学的成膜１３によって反射され第２の光ファイバ７を伝播する送信光となる。ここで図３に示したＷＤＭ２６の実施例では波長λ１は１．４９μｍ、波長λ２は１．５５μｍ、λ３は１．３１μｍに相当する。第１の光ファイバ６の端面は４５度に斜め研磨されているので反射膜がなくても全反射する反射面が形成される。（ｂ）に示すタイプ２は、局側のＷＤＭを想定したもので第１の光学的成膜１２は反射膜が成膜され、第２の光学的成膜１３は、波長選択フィルタ（ＷＤＭフィルタ）が成膜される。この波長選択フィルタは、宅側のＷＤＭと同じ特性を持つ。第２の光ファイバ７からの光２０は、宅側から送られてきた受信光を示し、第２の光学的成膜１３によって反射され、その後第１の光学的成膜１２によって反射され第１の光ファイバ６を伝播する。

一方、第１の光ファイバ１からの光２１は、第１の光学的成膜１２によって反射され第２の光学的成膜１３によって反射され第３の光ファイバ８から挿入された透過光２２と合波され第２の光ファイバ７を伝播する送信光１９となる。ここでλ１〜λ３の波長は宅側と同じである。
ここでタイプ１の波長λ１とλ２とのアイソレーションを高めるため第１の光学的成膜１２を単なる反射膜からλ２成分（実施例では、λ２＝１．５５μｍ）をより除去するため波長選択フィルタを使っても良い。また、タイプ１及びタイプ２のＷＤＭにおいて、第２の光学的成膜１３のアイソレーションを高めるため第３の光ファイバの斜め研磨面に波長選択フィルタを施しても良い。
なお、図４（ｃ）は、第１（第２）の光ファイバ６（７）の斜め研磨面に形成された第１（第２）の光学的成膜１２（１３）で反射された光が第２（第１）の光ファイバ７（６）に入射する様子を示している。第１の光ファイバ６から出射した光は、広がりながら一旦、空気中に出て、その後第２の光ファイバ７に入射するため、光ファイバの断面円形の形状と光ファイバの屈折率ｎｃと空気の屈折率ｎａの差（ｎｃ＞ｎａ）によるレンズ効果により光は内側に曲げられ（収束され）、これにより結合効率を高めることができ、低損失化を図ることができる。
図５は、光結合構造を並べて多チャンネル光結合構造としたもので局側に利用できる。
このように本発明の光結合構造を並べることによりアレー化及び小型化を図ることができる。

図６は、第１の斜め研磨光ファイバＡｓｓｙ９または第２の斜め研磨光ファイバＡｓｓｙ１０の斜め研磨面からの反射光を相手方の斜め研磨光ファイバＡｓｓｙのコアに効率よく光を結合するために柱状レンズまたは屈折率分布型の光ファイバを挟みこんでいる。第１の斜め研磨光ファイバＡｓｓｙ９及び第２の斜め研磨光ファイバＡｓｓｙ１０に切り込みを設けて屈折率分布型の光ファイバを挟み易くしているのと第１の斜め研磨光ファイバＡｓｓｙ９と第２の斜め研磨光ファイバＡｓｓｙ１０間の光路をより短くし結合損失の低減を図っている。切り込みを入れる入れないの判断は、損失とコストとの関係である。

本発明の光結合構造の構成例を示す図。 図１の光結合構造の斜視図。 本発明の光結合構造の使用例を説明する図。 本発明の光結合構造の光路を説明する図。 本発明の多チャンネル光結合構造の構成例を示す図。 本発明の他の光結合構造の構成例を示す図。 従来例１の光モジュールの構成を示す図。 従来例２の光結合構造の構成を示す図。

符号の説明

６・・・第１の光ファイバ、７・・・第２の光ファイバ、８・・・第３の光ファイバ、９・・・第１の斜め研磨光ファイバＡｓｓｙ、１０・・・第２の斜め研磨光ファイバＡｓｓｙ、１１・・・第３の斜め研磨光ファイバＡｓｓｙ、１２・・・第１の光学的成膜、１３・・・第２の光学的成膜

Claims (3)

1. ２つの光ファイバ同士を光結合させるための構造であって、
   端面が光ファイバの光軸に対して４５度に加工された２つの光ファイバと、
   前記２つの光ファイバの端面に光学反射膜または光学フィルタが形成された第１の反射面と第２の反射面を有し、
   第１の光ファイバと第２の光ファイバとの相互の位置関係は、
   前記第１の光ファイバを伝搬して前記第１の反射面で反射された光波の少なくとも一部が前記第２の反射面と交差し、
   かつ、前記第２の光ファイバ内を伝搬して前記第２の反射面で反射された光波の少なくとも一部が前記第１の反射面と交差するような位置関係に調整されていることを特徴とする、光結合構造。
2. 請求項１に記載の光結合構造において、
   前記第２の光ファイバは第３の光ファイバに接合されており、
   前記第２の光ファイバと前記第３の光ファイバとの相互の位置関係は、
   前記第２の反射面を透過した光が第３の光ファイバに光結合されていることを特徴とする、光結合構造。
3. 請求項１または２に記載の光結合構造において、
   前記第１の光ファイバの端面に形成された光学反射膜は、光学フィルタを形成せずに反射面としたことを特徴とする光結合構造。
   

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