JP2016018028A - 光軸調整装置および光軸調整方法 - Google Patents

光軸調整装置および光軸調整方法 Download PDF

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Abstract

【課題】位置信号と光強度信号との間の同期ずれを抑制でき、高精度の光軸調整を高速に達成できる光軸調整装置および光軸調整方法を提供する。【解決手段】光軸調整装置は、LDモジュール1と光ファイバ2との間の相対位置を制御するXYステージ3と、該相対位置に対応したアナログ位置信号を出力する位置センサ5と、LDモジュール1から光ファイバ2に入射する光の強度に対応したアナログ光強度信号を出力する光検出器7と、アナログ位置信号およびアナログ光強度信号を相互に同期してそれぞれ対応するデジタル値に変換するA/D変換器8と、A/D変換器8からのデジタル値を保存する記憶部9bと、記憶部9bに保存されたデジタル値に基づいて、光軸調整に最適な相対位置を探索する演算部9aなどを備える。【選択図】図1

Description

本発明は、光素子モジュールと光ファイバとの光軸調整を行うための光軸調整装置および光軸調整方法に関する。
近年、光通信の通信速度はますます増大しており、高い通信速度を有し、より小型で低消費電力である光通信モジュールが要望されている。そのため、1つの光通信モジュール内に波長の異なる複数のレーザダイオード素子(以下、LD素子)を実装し、それらのLD素子から出力される光を合波し、単一の光ファイバに光結合させることで、小型で高い通信速度を有する集積型光通信モジュール(以下、集積モジュール)が開発されている。
従来、1つの光通信モジュールに1つのLD素子が組み込まれており、このLD素子に対して光ファイバとの光軸調整を行い、光ファイバを通して測定される光強度が最適となる位置で光通信モジュールおよび光ファイバを固定していた。
しかしながら、上記の集積モジュール内には波長の異なる複数のLD素子が実装されているため、それぞれのLD素子に対して光ファイバの光軸調整を行い、それぞれのLD素子に応じた光軸調整座標から集積モジュールに対する光ファイバの最適位置を決定する必要がある。そのため、集積モジュール内に実装されているLD素子の数だけ光軸調整の実行回数が増加することになり、その結果、光軸調整に要する時間も増加する。
下記特許文献1では、光軸調整装置の光強度測定に伴うステージ移動、停止時間を短縮し、さらにステージ位置に同期した光強度測定を行うことによって、光軸調整時間を削減することが提案されている。具体的には、光通信モジュールと光ファイバの相対位置を調整するステージには、ロータリーエンコーダを備えた駆動モータが取り付けられており、ロータリーエンコーダの出力信号は同期信号出力回路に供給されている。光ファイバで伝送された光の強度は、光パワー検出部によって測定され、A/D変換器に入力される。A/D変換器は、同期信号出力回路からの外部同期信号に同期してA/D変換を開始し、変換されたデジタル値はバッファメモリに蓄積している。これにより光強度を測定するためのステージ停止時間を削減し、光軸調整時間を削減している。
ここで、ロータリーエンコーダの出力信号は、同期信号出力回路を介してA/D変換器に入力されている。そのため、ロータリーエンコーダの出力信号と、A/D変換器に入力される同期信号との間の出力タイミングは、同期信号出力回路の介在によって時間遅延が生じ、その時間遅延分だけ、測定した光強度との同期にずれが生じてしまう。
また、特許文献1には明示されていないが、ロータリーエンコーダの出力信号をカウントし、ステージの座標位置と移動方向を検出するカウンタも必要となることから、ステージの位置データと光強度データの同期のずれがよりいっそう増加してしまう。
また、特許文献1では、集積モジュールのようにモジュール内に複数のLD素子を実装している場合、光軸調整回数が増加してしまう。
特開2003−185495号公報 特開平9−311250号公報
特許文献1では、上述のように、光通信モジュールと光ファイバとの光軸調整において、両者の相対位置を調整するステージの位置データと光ファイバにより測定されるLD素子の光強度を同期して測定する場合、ステージ位置と光強度の同期にずれが生じてしまう。さらに、上記の同期ずれは、ステージを高速に駆動させるほど顕著になるため、光軸調整を高速化すると調整精度が悪くなる。
また、1つの光通信モジュール内に波長の異なる複数のLD素子を実装している集積型光通信モジュールにおいては、複数のLD素子毎に光ファイバとの光軸調整を行う必要があるため、光軸調整回数が増加し、光ファイバの調整組立時間が長くなってしまう。
本発明の目的は、位置信号と光強度信号との間の同期ずれを抑制でき、高精度の光軸調整を高速に達成できる光軸調整装置および光軸調整方法を提供することである。
上記目的を達成するために、本発明は、光素子モジュールと光ファイバとの光軸調整を行うための光軸調整装置であって、
前記光素子モジュールと前記光ファイバとの間の相対位置を制御する移動機構と、
該相対位置に対応したアナログ位置信号を出力する位置センサと、
前記光素子モジュールから前記光ファイバに入射する光の強度に対応したアナログ光強度信号を出力する光検出器と、
アナログ位置信号およびアナログ光強度信号を相互に同期してそれぞれ対応するデジタル値に変換するアナログデジタル変換器と、
該アナログデジタル変換器からのデジタル値を保存する記憶部と、
該記憶部に保存されたデジタル値に基づいて、光軸調整に最適な相対位置を探索する演算部と、を備えることを特徴とする。
また本発明は、光素子モジュールと光ファイバとの光軸調整を行うための光軸調整方法であって、
前記光素子モジュールと前記光ファイバとの間の相対位置を予め定めた走査範囲内で連続的に走査しながら、前記光素子モジュールから前記光ファイバに入射する光の強度に対応したアナログ光強度信号および前記相対位置に対応したアナログ位置信号を相互に同期してそれぞれ対応するデジタル値に変換し、記憶部に保存する連続走査ステップと、
該記憶部に保存されたデジタル値に基づいて、光軸調整に最適な相対位置を探索する探索ステップと、を含むことを特徴とする。
本発明によれば、光素子モジュールと光ファイバとの間の相対位置に対応したアナログ位置信号および、光ファイバに入射する光の強度に対応したアナログ光強度信号の両方を相互に同期してそれぞれ対応するデジタル値に変換することによって、位置信号と光強度信号との間の同期ずれを抑制できるため、高精度の光軸調整を高速に達成できる。
本発明の実施の形態1に係る光軸調整装置を示す構成図である。 比較例として従来の光軸調整方法を示すフロー図である。 本発明に係る光軸調整方法の一例を示すフロー図である。 LDモジュールに複数のLD素子が実装された場合、走査位置と光強度の関係の一例を示すグラフである。 図5(a)は渦巻きスキャンの一例を示す説明図であり、図5(b)はラスタースキャン一例を示す説明図である。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係る光軸調整装置を示す構成図である。光軸調整装置は、LDモジュール1と、光ファイバ2と、XYステージ3と、Zステージ4と、位置センサ5と、分波器6と、光検出器7と、A/D変換器8と、コンピュータ9などを備える。ここで理解容易のため、LDモジュール1からの光が進む方向をZ方向、Z方向に対して垂直かつ紙面と垂直な方向をY方向、Z方向に対して垂直かつ紙面と平行な方向をX方向とする。
LDモジュール1は、単一または複数のLD素子およびレンズを内蔵しており、XYステージ3の可動部に装着される。LD素子は、給電冶具(不図示)を経由してLD電源(不図示)から所望のタイミングで給電される。波長分割多重通信(WDM)の場合、LDモジュール1には発光波長の異なる複数のLD素子が実装され、各LD素子の光軸はほぼ共軸となるように位置決めされる。
XYステージ3は、固定部と、該固定部に対してX方向およびY方向に変位する可動部と、可動部を駆動するXモータおよびYモータなどを備える。各モータには、コンピュータ9からの命令に従って動作する駆動回路(不図示)が接続される。XYステージ3には、可動部のX方向およびY方向の相対位置に対応したアナログ位置信号を出力する2つの位置センサ5が設けられる。
光ファイバ2は、LDモジュール1から出射される光を受光して伝送する機能を有しており、Zステージ4の可動部に装着される。
Zステージ4は、固定部と、該固定部に対してZ方向に変位する可動部と、可動部を駆動するZモータなどを備える。Zモータには、コンピュータ9からの命令に従って動作する駆動回路(不図示)が接続される。Zステージ4には、可動部のZ方向の相対位置に対応したアナログ位置信号を出力する1つの位置センサ5が設けられる。
光ファイバ2の後端には、LDモジュール1から光ファイバ2に入射する光の強度に対応したアナログ光強度信号を出力する光検出器7が設けられる。波長分割多重通信(WDM)の場合、光ファイバ2の後端に、光ファイバ2で伝送される光を波長別に分波する分波器6が介在し、分波器6の後段には、分波された光のアナログ光強度信号を出力する複数の光検出器7が波長毎に設けられる。光検出器7は、出力インターフェースとしてアナログ電圧出力を備えたタイプのO/Eコンバータ、パワーメータなどが使用できる。
A/D変換器8は、位置センサ5からのアナログ位置信号および光検出器7からのアナログ光強度信号の両方を相互に同期して、それぞれ対応するデジタル値に変換する機能を有する。A/D変換器8には、好ましくはバッファメモリ8aが搭載されており、予め設定された周期毎に変換されるデジタル値が一時的に保存され、さらに所望のタイミングでコンピュータ9の記憶部9bに転送、保存される。
A/D変換器8が、入力されるアナログ信号をデジタル値に変換するタイミングとして、外部からトリガ信号を与える方法と、入力信号の電圧値自体をトリガとする方法があるが、本発明においてはいずれのトリガ方法も使用できる。外部トリガ信号を用いる場合は、装置にトリガ信号発生器を設ける必要がある。また、アナログ信号の変換を停止する場合においても、いずれのトリガ方法も使用できる。
コンピュータ9は、マイクロプロセッサなどの演算部9aと、ROM、RAM、磁気ディスク装置などの記憶部9bと、各種インタフェースなどを備えたパーソナルコンピュータなどで構成され、装置全体の動作を制御するとともに、記憶部9bに保存されたデジタル値に基づいて、光軸調整に最適な相対位置、例えば、最大光強度が得られる相対位置を探索する機能を有する。こうした機能は、一般にソフトウェアで実現できる。
本実施形態では、LDモジュール1と光ファイバ2との間の相対位置を制御する移動機構として、XYステージ3をLDモジュール1側に、Zステージ4を光ファイバ2側に設置した場合を例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、XYステージ3を光ファイバ2側に、Zステージ4をLDモジュール1側に設置してもよく、あるいは、LDモジュール1および光ファイバ2のいずれか一方を固定した状態で、他方の側にXYZ方向に変位するXYZステージを設けてもよい。
さらに、図1には図示していないが、LDモジュール1および光ファイバ2のいずれか一方の側に、X軸周りおよびY軸周りの回転方向(θx、θy)に調整し面合わせを行う機構(例えば、ゴニオステージ等)、及び/又はZ軸周りの回転方向(θz)に調整する機構(例えば、回転ステージ等)を追加して設けてもよい。
また本実施形態では、XYステージ3およびZステージ4に、X方向、Y方向およびZ方向の相対位置に対応したアナログ位置信号を出力する位置センサ5を設けている。位置センサ5の出力は、ステージ位置の変化に対して線形的に変化することが好ましいが、単調増加曲線または単調減少曲線など、両者の値が一意に決まる関係式であれば足りる。
また、XYステージ3およびZステージ4を駆動するモータとして、ステッピングモータ、サーボモータなどが使用でき、さらにステージ内に位置センサ5を内蔵したピエゾステージを用いてもよい。なお、ピエゾステージは、高い分解能を有するが、その駆動範囲は、前述のステッピングモータ、サーボモータより小さいことから、これらを組み合わせて使用することが好ましい。
次に、光軸調整方法について説明する。図2は、比較例として従来の光軸調整方法を示すフロー図である。ここでは、XY平面上での光軸調整手順を示す。
まず始めに、XYステージ3の可動部をいずれか1軸、例えばX方向に定量分だけ移動させ(ステップa1)、そして一旦停止した状態で、光検出器7を用いて光強度を測定する(ステップa2)。次に、測定した光強度が規格を満足するかを判定する(ステップa3)。規格を満足しない場合は、ステップa1に戻って再度XYステージ3の可動部を同じ方向に定量分だけ移動させ、光強度を測定し(ステップa2)、光強度が規格を満足するまで、繰り返し実行する。一方、ステップa3において規格を満足する場合は、X方向のステージ移動は終了し、X方向の光軸調整は完了となる。
次に、残りの座標軸について光軸調整を行う。XYステージ3の可動部をY方向に定量分だけ移動させ(ステップa4)、そして一旦停止した状態で、光検出器7を用いて光強度を測定する(ステップa5)。次に、測定した光強度が規格を満足するかを判定する(ステップa6)。規格を満足しない場合は、ステップa4に戻って再度XYステージ3の可動部を同じ方向に定量分だけ移動させ、光強度を測定し(ステップa5)、光強度が規格を満足するまで、繰り返し実行する。一方、ステップa6において規格を満足する場合は、Y方向のステージ移動は終了し、Y方向の光軸調整は完了となる。こうしてX方向およびY方向の光軸調整が完了する。
ここで、ステップa1,a4におけるXYステージの移動量は、LDモジュール1と光ファイバ2の相対位置変化に対する光強度の変化量から決定する。例えば、移動量を1μm程度とした場合、XY方向の光軸調整範囲が100μmとすると、最大で10000(=100×100)点のデータを取得することなる。そのためステップ移動毎に停止していることから、光軸調整時間が長くなってしまう。そこで、一般的には、最初に10μm程度の移動量としておき、ある程度光強度が得られるよう光軸調整し(粗調整)、最終的には調整範囲を絞った状態で1μmの刻み幅で光軸調整(精調整)するといったように、移動量を段階に分けて調整している。また、ステージ走査方法としては、渦巻きスキャン、ラスタースキャンなどが一般に用いられる。
図3は、本発明に係る光軸調整方法の一例を示すフロー図である。ここでは、XY平面上で4つの座標(X,Y),(X,Y),(X,Y),(X,Y)で囲まれた矩形状の走査範囲内での光軸調整手順を示す。以下、この走査範囲を外周から内周に向けて渦巻きスキャンを行う場合を例示する。
[ステップb1]
まず始めに、XYステージ3の可動部をX方向に座標(X,Y)から(X,Y)まで、停止することなく連続的に一定の速度で走査する。即ち、X方向走査と同時に光強度のアナログ測定を行いながら、A/D変換器8のバッファメモリ8aへのデータ蓄積を行う。このとき可動部のX方向の位置変化を測定している位置センサ5は、可動部の移動量に応じて連続的にアナログ電圧を出力しており、光強度測定データと同期してA/D変換器8のバッファメモリ8aに蓄積される。ここで、波長分割多重通信(WDM)の場合、光ファイバ2を通して伝送される光は分波器6により波長毎に分波されており、波長別の光強度測定データが同時にバッファメモリ8aに蓄積される。
図4は、LDモジュール1に複数のLD素子が実装された場合、走査位置と光強度の関係の一例を示すグラフである。ここでは、4つのLD素子が実装された例を示す。XYステージ3の可動部をX方向に開始位置Xから終了位置Xまで走査した場合、4つのLD素子に対応した光強度測定データD1〜D4が得られる。これらのデータD1〜D4は、LD素子の実装位置の変動に起因して、ピーク位置X1〜X4およびピーク高さが変動していることが判る。
[ステップb2]
XYステージ3の可動部が開始位置Xから終了位置Xに到達すると、XYステージ3の動作を停止させる。
[ステップb3]
今度は、XYステージ3の可動部をY方向に座標(X,Y)から(X,Y)まで、停止することなく連続的に一定の速度で走査する。ステップb1と同様に、Y方向走査と同時に光強度のアナログ測定を行いながら、A/D変換器8のバッファメモリ8aへのデータ蓄積を行う。このとき可動部のY方向の位置変化を測定している位置センサ5は、可動部の移動量に応じて連続的にアナログ電圧を出力しており、光強度測定データと同期してA/D変換器8のバッファメモリ8aに蓄積される。LDモジュール1に複数のLD素子が実装された場合は、素子の個数分の光強度測定データが得られる。
[ステップb4]
XYステージ3の可動部が開始位置Yから終了位置Yに到達すると、XYステージ3の動作を停止させる。
[ステップb5]
上記の走査範囲に渡って、XY座標位置およびこれに対応する光強度測定データが網羅的に取得できるまで、ステップb1〜b4を繰り返す。従って、渦巻きスキャンの場合は、図5(a)に示すように、続いて座標(X,Y)→(X,Y)→(X,YS+1)→(XE−1,YS+1)→(XE−1,YE−1)→(XS+1,YE−1)→(XS+1,YS+2)→(XS+2,YE−2)→…のようにして走査を行う。なお、代替としてラスタースキャンを行う場合は、図5(b)に示すように、座標(X,Y)→(X,Y)→(X,YS+1)→(X,YS+1)→(X,YS+2)→(X,YS+2)→(X,YS+3)→(X,YS+3)→…のようにして走査を行う。
ここで、XYステージ3においてピエゾステージを使用する場合は、光軸調整範囲がモータステージよりも小さいため、別途モータステージを設けてもよい。ピエゾステージの駆動範囲内において、光強度の規定量を満足しない場合、モータステージをピエゾステージの駆動範囲分だけ駆動させ、再度ステップ1aから光軸調整を行うことで、より広い範囲で光軸調整が可能となる。
[ステップb6]
所定範囲の走査が完了すると、コンピュータ9の演算部9aは、記憶部9bに保存されたXY座標位置およびこれに対応する光強度測定データを参照して、光軸調整に最適な座標位置、例えば、最大光強度が得られる座標位置を探索する。
[ステップb7]
ステップb6で得られた最適な座標位置になるように、XYステージ3の可動部を位置決めする。
ここで、波長分割多重通信(WDM)の場合、分波器6によって分波された光は、A/D変換器8に対してそれぞれ別のチャンネルとして入力されている。そのため、図4に示すように、4つのLD素子に対応した光強度測定データD1〜D4ごとに光強度が最大となるステージ位置X1〜X4を求めることが可能である。なお、Y方向走査についても同様に、4つのLD素子ごとに光強度が最大となるステージ位置Y1〜Y4を求めることが可能である。
この場合、光軸調整に最適な座標位置を決定する手法として、a)位置X1〜X4の平均値および位置Y1〜Y4の平均値、b)各LD素子の光強度が均一となるXY位置、などが考えられる。
上記の説明では、1つのZ平面(Z=Za)において光軸調整を行い、LDモジュール1と光ファイバ2の相対位置が最適となるように、XYステージ3の位置決めを行った。
続いて、光ファイバ2側に設けたZステージ4を駆動して、別のZ平面(Z=Zb)に変化させた状態でXY方向に前述の光軸調整を行うことによって、Zステージ4の最適位置を決定できる。
最終的に、LDモジュール1と光ファイバ2の間の最適な相対位置がX座標、Y座標およびZ座標について決定されると、最適な相対位置に位置決めした状態でLDモジュール1および光ファイバ2を共通ハウジング(不図示)に固定する。その固定方法は、一般にYAGレーザ溶接、接着などが用いられる。
以上のように、従来の手法では、光強度測定の度に駆動ステージを停止させていたため、光軸調整時間が長くなってしまう。一方、本発明では、XYステージ3を停止させることなく走査しながら、光強度信号およびステージ位置信号を相互に同期して測定することによって、光軸調整時間を大幅に短縮することが可能である。
また、光ファイバ2を通して伝送させる光を分波器6により分波し、A/D変換器8のそれぞれ別のチャンネルに入力することによって、1つのモジュール内に複数のLD素子を実装している集積型光通信モジュールにおいても、1回の光軸調整で全てのLD素子に対して最適な光軸調整位置を求めることができ、光軸調整回数を削減できる。
1 LDモジュール、 2 光ファイバ、 3 XYステージ、 4 Zステージ、
5 位置センサ、 6 分波器、 7 光検出器、 8 A/D変換器、
8a バッファメモリ、 9 コンピュータ、 9a 演算部、 9b 記憶部。

Claims (5)

  1. 光素子モジュールと光ファイバとの光軸調整を行うための光軸調整装置であって、
    前記光素子モジュールと前記光ファイバとの間の相対位置を制御する移動機構と、
    該相対位置に対応したアナログ位置信号を出力する位置センサと、
    前記光素子モジュールから前記光ファイバに入射する光の強度に対応したアナログ光強度信号を出力する光検出器と、
    アナログ位置信号およびアナログ光強度信号を相互に同期してそれぞれ対応するデジタル値に変換するアナログデジタル変換器と、
    該アナログデジタル変換器からのデジタル値を保存する記憶部と、
    該記憶部に保存されたデジタル値に基づいて、光軸調整に最適な相対位置を探索する演算部と、を備えることを特徴とする光軸調整装置。
  2. 前記光素子モジュールには、発光波長の異なる複数の発光素子が実装されており、
    前記光ファイバで伝送される光を波長別に分波し、波長毎に設けられた前記光検出器に供給する分波器をさらに備えることを特徴とする請求項1記載の光軸調整装置。
  3. 光素子モジュールと光ファイバとの光軸調整を行うための光軸調整方法であって、
    前記光素子モジュールと前記光ファイバとの間の相対位置を予め定めた走査範囲内で連続的に走査しながら、前記光素子モジュールから前記光ファイバに入射する光の強度に対応したアナログ光強度信号および前記相対位置に対応したアナログ位置信号を相互に同期してそれぞれ対応するデジタル値に変換し、記憶部に保存する連続走査ステップと、
    該記憶部に保存されたデジタル値に基づいて、光軸調整に最適な相対位置を探索する探索ステップと、を含むことを特徴とする光軸調整方法。
  4. 前記光素子モジュールには、発光波長の異なる複数の発光素子が実装されており、
    前記探索ステップでは、分波器を用いて前記光ファイバで伝送される光を波長別に分波し、最大光強度が得られる相対位置を波長別に探索することを特徴とする請求項3記載の光軸調整方法。
  5. 前記光素子モジュールと前記光ファイバとの間の相対位置が、波長別の最大光強度位置の平均値になるように位置決めを行うステップをさらに含むことを特徴とする請求項4記載の光軸調整方法。
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