JP2007094350A

JP2007094350A - 光ファイバを利用した波長選別式光集束装置及びそれを利用した光モジュール

Info

Publication number: JP2007094350A
Application number: JP2005379578A
Authority: JP
Inventors: Shin Young Yoon; ユン、シン、ヨン; Sei Hyoung Lee; リー、セイ、ヒョン; Hyun Seo Kang; カン、ヒュン、セオ
Original assignee: Electronics and Telecommunications Research Institute ETRI
Current assignee: Electronics and Telecommunications Research Institute ETRI
Priority date: 2005-09-28
Filing date: 2005-12-28
Publication date: 2007-04-12
Also published as: US20070071389A1; US7412133B2

Abstract

【課題】光ファイバを利用して製作再現性が優れながらも老朽化現象を防止することができる光集束装置及びそれを利用した光モジュールを提供する。
【解決手段】本発明に係る光ファイバを利用した波長選別式光集束装置は、光信号が伝達されるコアと、上記コアを取り囲み、外周面に一定の割合で変化する形態を有する多数の溝が形成されたクラッディングと、を備え、上記コアに導波される一定の波長を有する光信号が、上記溝によって上記クラッディング外部に集束されることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、光集束装置に関するものであり、さらに詳細には、光ファイバのクラッディング・エッチング（蝕刻）を利用した波長選別式（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｓｅｌｅｃｔｉｖｅ）光集束装置及びこれを利用した光モジュールに関するものである。

光ファイバコアを通して進行する光信号を検出するためには、コアを通して伝達される光信号に対するコアモードの経路を変更させなければならない。しかし、一般的に光ファイバコアは相対的に厚いクラッディングに取り囲まれているため、外部から影響を受けてもコアモードには大きく影響を及ぼさない。このような理由から、光ファイバにおいて光信号が検出されるためには光ファイバ自体に物理的な変形を与えるべきである。光信号が検出できるように光ファイバに物理的な変形を与える方法は多様に提示されており、その中で最も手軽で、光ファイバ特性をそのまま利用できる方法としては、光ファイバコアに光ファイバ格子（ＦｉｂｅｒＢｒａｇｇＧｒａｔｉｎｇ：ＦＢＧ）を生成する方法がある。

米国特許第５、０４２、８９７号‘ＯＰＴＩＣＡＬＷＡＶＥＧＵＩＤＥＥＭＢＥＤＤＥＤＬＩＧＨＴＲＥＤＩＲＥＣＴＩＮＧＢＲＡＧＧＧＲＡＴＩＮＧＡＲＲＡＮＧＥＭＥＮＴ’（特許文献１）には、概して、光ファイバブラッグ格子を利用してインライン（ｉｎ−ｌｉｎｅ）型の光信号を検出することができる光ファイバが開示されており、これを図１に示す。図１を参照すると、上記光ファイバ１０には、導波光信号をコアの外へ取り出すために傾斜した光ファイバブラッグ格子１１がコア１２内に生成される。このような構造は、追加的な装置が必要なく、コアを進行する光信号を簡単に光ファイバ外部へ放射（ｒａｄｉａｔｅ）させることができるという長所がある。しかし、この構造は、コア１２内の光信号を取り出すのに效率が低すぎて、光信号監視用には使用が可能であるが、高結合率を有する光信号検出には適してないという短所がある。また、上記光ファイバ１０の外部に放射された光を再び集束するためにはレンズのような追加的な装置が必要となる。

また、大韓民国公開特許公報第２００５−８２８０号‘光導波路格子レンズ及びその製造方法’（特許文献２）には、光カップリング效率（ｃｏｕｐｌｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）を向上させることが可能な光導波であって格子カプラ（Ｆｏｃｕｓｉｎｇｗａｖｅｇｉｄｅｇｒａｔｉｎｇｃｏｕｐｌｅｒ：ＦＷＧＣ）が開示されており、これは図２に示す。図２を参照すると、上記光導波路格子カプラ２０は、基板クラッディング２１とコア層２２とからなる平面導波路上に上部クラッディング２３が形成され、上記コア層２２には傾斜した格子（ｓｌａｎｔｅｄｇｒａｔｉｎｇ）２８が形成され、上記上部クラッディング２３には、フレネル格子レンズ２４が形成される。このような構造において、平面導波路に沿ってコアモード２７が進行してから、傾斜した格子２８と接しつつ回折され、傾斜した出力ビーム２５を形成するようになる。そうすると、このような傾斜した出力ビーム２５は、上記フレネル格子レンズ２４に接しつつ回折されて焦点２６に集まるようになる。しかし、このような平面導波では、製作過程が非常に複雑で、導波損失を最小にするために光ファイバとのモードマッチングを正確に行わなければならない問題がある。また、図２のような上記光導波路格子カプラは、一般的に紫外線（ＵＶ）に敏感な光ファイバ材料を選択した後、位相マスクを通して紫外線を入射させて屈折率の変化を誘導することによりコア層２２に光ファイバ格子（ＦＢＧ）を形成するようになる。しかし、このように紫外線を利用して形成された光ファイバ格子（ＦＢＧ）は、第一に、製作再現性が著しく劣る、第二に、時間が経つことによって屈折率変化などの深刻な老朽化（ａｇｉｎｇ）現象を示すようになる、第三に、最大光カップリング效率が５０％を超え難い、という短所がある。
米国特許第５、０４２、８９７号公報大韓民国公開特許公報第２００５−８２８０号

従って、本発明は、上記問題点を解決するために光ファイバを利用して製作再現性が優れながらも老朽化現象を防止することができる光集束装置及びそれを利用した光モジュールを提供することにその目的がある。

上記目的を達成するための本発明に係る光ファイバを利用した波長選別式光集束装置は、光信号が伝達されるコアと、上記コアを取り囲み、外周面に一定の割合で変化する形態を有する多数の溝が形成されたクラッディングとを備え、上記コアに導波される一定の波長を有する光信号が、上記溝によって上記クラッディング外部に集束されることを特徴とする。

また、上記目的を達成するための本発明に係る光モジュールは、サブマウントと、上記サブマウント上に実装され、光信号が伝達されるコアと、上記コアを取り囲み、外周面に一定の割合で変化する形態を有する多数の溝が形成されたクラッディングとを備え、上記コアに導波される一定の波長を有する光信号が、上記溝によって上記クラッディング外部へ集束される光集束装置と、上記サブマウント上で上記光集束装置によって光信号が集束される部分に配列され、上記光信号を受信又は送信する光素子を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、焦点レンズのような別途の装置を使用しなくても、光ファイバクラッディング部分エッチング（蝕刻）によって光ファイバ自体に波長選択性のみならず、光集束機能を付与することができる。従って、本発明に係る光集束装置を利用すると、平面導波路と比較して製作工程が簡便かつ低コストで光送信機、光受信機、光センサ及び様々な光通信モジュールを形成することができる利点がある。

さらに、本発明によれば、光ファイバクラッディングにフォトリソグラフィ（ＰＲ）法を利用して微細溝パターンを形成することにより、従来の紫外線（ＵＶ）を利用した光ファイバ格子形成方法と比較して、製作再現性が著しく向上し、時間が経つにつれ発生する老朽化（ａｇｉｎｇ）現象を防止することができる利点がある。

以下、本発明の好適な実施の形態について、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。図中において、同一の構成要素に対しては、たとえ異なる図上に表示されていても、できるだけ同一の参照番号及び符合により示していることに留意するべきである。以下の本発明の説明において、関連公知機能又は構成に対する具体的な説明が本発明の要旨を無用に不明確にしてしまいかねないと判断される場合には、その詳細な説明を省略する。

図３は、本発明の実施の形態に係る光ファイバを利用した波長選別式光集束装置の構成図である。

図３（ａ）は、本発明に係る光ファイバを利用した上記波長選別式光集束装置４０の斜視図であり、図３（ｂ）は、上記光集束装置４０の側断面図である。

本発明に係る光集束装置４０は、光信号４１が伝達されるコア４２と、多数の溝からなる光ファイバ格子４３が形成されたクラッディング４４とを備えている。

上記光集束装置４０は、光信号が伝達されるコア４２と、上記コア４２を取り囲むクラッディング４４からなる光ファイバとを利用して製作される。

上記コア４２には、所定の情報が含まれた光信号４１が導波される。また、上記コア４２に導波される光信号４１をコアモードとし、上記図３において放物線模様のパターン４５により表されている。

上記クラッディング４４の外周面に部分エッチング（（ｅｔｃｈｉｎｇ）蝕刻）によって一定の割合で変化する形態を有する多数の溝からなる光ファイバ格子（ｆｉｂｅｒｇｒａｔｉｎｇ）４３が形成される。本発明では、フォトリソグラフィ（ＰＲ）法によるドライエッチング（乾式蝕刻）又はウェットエッチング（湿式蝕刻）法を通じて上記クラッディング４４の外周面にマイクロ溝を形成することにより、上記光ファイバ格子４３を形成する。

上記光ファイバ格子４３に形成された多数の溝は、上記光ファイバの長さ方向に進行する光信号４１の進行方向を基準に徐々に増加又は減少する間隔を有するように形成され得る。上記図３に示すように、上記光ファイバ格子４３の溝は、光信号４１の進行方向を基準に徐々に増加する間隔を有するように形成され得る。また、図４に示すように、上記光ファイバ格子４３の溝は、光信号４１の進行方向を基準に徐々に減少する間隔を有するように形成され得る。このように一定の割合で間隔が徐々に増加又は減少する形態を有する溝の列（ａｒｒａｙｓ）をチャープ（ｃｈｉｒｐ）といい、このような格子をチャープ格子（ｃｈｉｒｐｇｒａｔｉｎｇ）という。上記多数の溝は、光ファイバの被覆を露出させた後、クラッディング４４の外周面を凹凸模様に微細エッチング（蝕刻）してパターンを形成することにより製造され得る。

上記エッチング（蝕刻）パターン、即ち、上記溝の幅（ｗ）は、使用する波長（λ_０）毎に異なるが、１５５０ｎｍの波長に該当する光信号４１を仮定すると、１μｍ程度又はそれ以下の大きさで形成され得る。この際、上記溝の深さ（ｄ）は、コア４２に導波されるコアモード４５がクラッディング４４に影響を及ぼしている距離（ｌ）として光ファイバコア４２に最も近接した距離まで形成するのが好ましい。即ち、上記溝は、上記光ファイバの横方向を基準に上記コア４２の外部に形成される。

そして、上記各々の溝は、ポリマー物質、又は、上記クラッディング４４物質と屈折率を同一にするか若しくは異なるようにすることのできる屈折率マッチング（ｉｎｄｅｘｍａｔｃｈｉｎｇ）物質により埋め込むことが可能である。

このような構造において、上記光集束装置４０のコア４２に導波される光信号４１の波長がλ_０とすると、上記光信号４１が光ファイバクラッディング部分エッチング（蝕刻）によって形成された格子（ｃｌａｄｄｉｎｇ-ｅｔｃｈｅｄ-ｃｈｉｒｐｇｒａｔｉｎｇ）、即ち、上記光ファイバ格子４３に接することになることを上記図３に示すように、光ファイバ外部へ取り出される（ｒａｄｉａｔｅｄ）ばかりでなく、一定の一点４６に集束する（ｆｏｃｕｓｅｄ）ようになる。さらに詳しく説明すると、上記コア４２に導波される光信号４１は、上記図３に示すようにコアモード４５の近傍部分の一部が上記クラッディング４４に伝播していくようになり、上記チャープ光ファイバ格子４３に接するようになると、各溝の位置（ｐｏｉｎｔ）において運動量保存法則（ｍｏｍｅｎｔｕｍｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎｌａｗ）を満足させるために各々の散乱角を形成するようになる。そして、このような散乱角は、巨視的に見たとき、一点４６に集束され（ｆｏｃｕｓｉｎｇ）、焦点が形成される。この際、光ファイバ横方向がシリンダ形態を帯びていて空間的なレンズの役目を果たしているので、多数の溝からなる光ファイバ格子４３の長さと上記溝の間隔又は幅の変化率（ｃｈｉｒｐｒａｔｅ）に対する適切な調節が必要である。例えば、上記光ファイバ格子４３は、光ファイバに熱や電圧等の外部影響を加えることにより格子の長さを変化させることが可能であり、またこれを利用して光焦点位置４６を調節することが可能である。

上記図３及び図４には、上記光ファイバ格子４３の溝が同一の幅（ｗ）を有しながら、各溝間の間隔が増加又は減少する構造を有している。また、本発明では、図５に示すように、上記光ファイバ格子４３に形成された多数の溝は、各溝中心間の間隔（ｔ）が一定になるように配列され、各溝の幅（ｗ）が光信号４１の進行方向を基準に徐々に増加又は減少するように構成されることも可能である。図５（ａ）は、上記光ファイバ格子４３の溝が、各溝中心間の間隔（ｔ）が一定になるように維持しながら光信号４１の進行方向に沿って増加する構造を示している。そして、図５（ｂ）は、上記光ファイバ格子４３の溝が、各溝中心間の間隔（ｔ）が一定になるように維持しながら光信号４１の進行方向に沿って減少する構造を示している。

また、上記図３乃至図５には、上記光ファイバ格子４３の溝の深さ（ｄ）が同一になるように形成された場合を示している。さらに、本発明では、図６に示すように、上記光ファイバ格子４３に形成された多数の溝は、光信号４１の進行方向を基準にその深さ（ｄ）が増加又は減少するように構成され得る。図６（ａ）は、上記光ファイバ格子４３の溝の深さ（ｄ）が光信号４１の進行方向を基準に徐々に減少する構造を示している。そして、図６（ｂ）は、上記光ファイバ格子４３の溝の深さ（ｄ）が光信号４１の進行方向を基準に徐々に増加する構造を示している。

このように、本発明に係る光集束装置４０は、光ファイバクラッディング部分エッチング（蝕刻）によって形成された格子（ｃｌａｄｄｉｎｇ-ｅｔｃｈｅｄ-ｃｈｉｒｐｇｒａｔｉｎｇ）を利用することにより、クラッディング・エッチング（蝕刻）（ｃｌａｄｄｉｎｇ-ｅｔｃｈｉｎｇ）の影響によって光信号４１を光ファイバ外部へ放射（ｒａｄｉａｔｉｎｇ）できるばかりでなく、チャープ格子（ｃｈｉｒｐ-ｇｒａｔｉｎｇ）の機能によって外部へ放射された光信号を一定部分４６に集束させる機能を有する。

従って、本発明に係る光集束装置４０は、光ファイバの長さ方向に対して垂直部方向の光カップリングを可能にすることにより、光素子の製作が容易になる。

図７は、本発明の実施の形態に係る光集束装置を利用した光モジュールの構造を示す図面である。

図７を参照すると、本発明に係る光モジュール８０は、サブマウント（ｓｕｂｍｏｕｎｔ）８１上に、本発明において提案する光ファイバクラッディング部分によって形成された格子を有する光集束装置４０を搭載する。そして、上記サブマウント（ｓｕｂｍｏｕｎｔ）８１上において上記光集束装置４０によって光信号が集束される部分に光信号を受信又は送信することのできる光素子（８２、８３）を配列する。ここで、上記サブマウント８１は、ＳｉＯＢ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｐｔｉｃａｌＢｅｎｃｈ）等からなるものとすることができる。例えば、図７（ａ）に示すように、上記サブマウント８１上において上記光集束装置４０によって光信号が集束される部分にフォトダイオード（ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）のような光信号を感知することのできる光素子８２を配列して光受信機を形成することにより、光信号の強さを感知することができる。また、図７（ｂ）に示すように、上記サブマウント（ｓｕｂｍｏｕｎｔ）８１上において上記光集束装置４０によって光信号が集束される部分に、例えば、レーザダイオード（ｌａｓｅｒｄｉｏｄｅ）のような光源（ｌｉｇｈｔｓｏｕｒｃｅ）８３を配置すると、やはり光ファイバに垂直カップリングが可能なので、光送信機を形成することも可能である。上記本発明に係る光モジュール８０は、例えば、ＷＤＭ−ＰＯＮシステムにおいて光トランシーバに利用され得る。ＢｉＤｉ又はＤｕｐｌｅｘ光送受信機は１．５５μｍ波長のダウンストリーム（ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ）及び１．３１μｍのアップストリーム（ｕｐｓｔｒｅａｍ）構造を有するが、上記本発明に係る光モジュール８０のようにサブマウント８１上にフォトダイオード又はレーザダイオードをフリップチップ方法により集積化させることにより、パッケージング作業を単純化させることが可能である。また、このような光モジュール８０は、今後の部品市場において求められる必須要素としての高性能化、高集積化、小型化及び低価格化傾向に応じて広く活用することができる。

本発明の詳細な説明においては、具体的な実施の形態に関して説明したが、本発明の範囲から逸脱しない範囲内において様々な変形が可能であることはいうまでもない。従って、本発明の範囲は、説明された実施の形態に限られるものではなく、また、添付の特許請求の範囲だけでなく特許請求の範囲と均等なものにより定められるべきである。

従来の技術によって光ファイバブラッグ格子を利用してインライン（ｉｎ−ｌｉｎｅ）形態の光信号を検出することのできる光ファイバの構成図である。従来の技術による光導波路格子カプラの構成図である。本発明の実施の形態に係る光ファイバを利用した波長選別式光集束装置の構成図である。本発明の実施の形態に係る、溝の間隔が減少する形態の光ファイバ格子を有する光集束装置の断面図である。本発明の実施の形態に係る、溝の幅が変わる形態の光ファイバ格子を有する光集束装置の断面図である。本発明の実施の形態に係る、深さが変わる形態の光ファイバ格子を有する光集束装置の断面図である。本発明の実施の形態に係る光集束装置を利用した光モジュールの構造を示す図面である。

符号の説明

１０光ファイバ
１１ブラッグ格子
１２コア
２０光導波路格子カプラ
２１基板クラッディング
２２コア層
２３上部クラッディング
２４格子レンズ
２５傾斜した出力ビーム
２６焦点
２７コアモード
２８傾斜した格子
４０光集束装置
４１光信号
４２コア
４３チャープ格子
４４クラッディング
４５コアモード
４６焦点
８０光モジュール
８１サブマウント
８２フォトダイオード
８３レーザダイオード

Claims

光信号が伝達されるコアと、
上記コアを取り囲み、外周面に一定の割合で変化する形態を有する多数の溝が形成されたクラッディングと、
を備え、
上記コアに導波される一定の波長を有する光信号が、上記溝によって上記クラッディング外部へ集束されることを特徴とする、光ファイバを利用した波長選別式光集束装置。
上記多数の溝は、徐々に増加又は減少する間隔を有するように形成されることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバを利用した波長選別式光集束装置。
上記多数の溝は、各溝の中心間の間隔が一定になるように配列され、各溝の広さが徐々に増加又は減少することを特徴とする請求項１に記載の光ファイバを利用した波長選別式光集束装置。
上記各々の溝は、同一の深さで形成されることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバを利用した波長選別式光集束装置。
上記各々の溝の深さは、徐々に増加又は減少することを特徴とする請求項１に記載の光ファイバを利用した波長選別式光集束装置。
上記各々の溝は、上記コアの上部に形成されることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバを利用した波長選別式光集束装置。
上記各々の溝は、ポリマー物質により埋め込まれることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバを利用した波長選別式光集束装置。
上記各々の溝は、上記クラッディング物質と屈折率を同一にするか若しくは異なるようにすることのできる屈折率マッチング（ｉｎｄｅｘｍａｔｃｈｉｎｇ）物質により埋め込まれることを特徴とする請求項１に記載の光纎維を利用した波長選別式光集束装置。
上記各々の溝は、フォトリソグラフィ（ＰＲ）法によって上記クラッディングの外周面を一定の深さで部分エッチング（蝕刻）することにより形成されることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバを利用した波長選別式光集束装置。
サブマウントと、
上記サブマウント上に実装され、光信号が伝達されるコア及び上記コアを取り囲み外周面に一定の割合で変化する形態を有する多数の溝が形成されたクラッディングを備え、上記コアに導波される一定の波長を有する光信号が上記溝によって上記クラッディング外部へ集束される光集束装置と、
上記サブマウント上において上記光集束装置によって光信号が集束される部分に配列されて、上記光信号を受信又は送信する光素子と、
を備えていることを特徴とする光モジュール。
上記光素子は、フォトダイオード又はレーザダイオードであることを特徴とする請求項１０に記載の光モジュール。