JP2018120049A - 光結合装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】V溝基板を用いることなく、光回路の端面と光ファイバとの間での高効率な光結合を可能にする光結合装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】光ファイバ11と、高NA光導波路12と、高NA光導波路12の他端よりも大きいモードフィールド径を有するモードフィールド変換部PSと、高NA光導波路12及びモードフィールド変換部PSを保持する貫通孔を有するキャピラリ13と、を備え、貫通孔の端部に高NA光導波路12の他端が配置されている、光結合装置である。【選択図】図1
Description
本開示は、光結合装置及びその製造方法に関する。
光素子アレイと光ファイバとを接続するための光結合装置が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。特許文献1の光結合装置は、光回路の端面と光ファイバとの間に高効率な光結合が出来るよう、短尺ファイバが介在されている。
特許文献1の光結合装置は、光ファイバと短尺ファイバとのコア間を隙間なく面接触させるフィジカルコンタクト接続を行う。このときの光ファイバ及び短尺ファイバの光軸を一致させるため、特許文献1の光結合装置は、V溝基板上にマイクロキャピラリを固定している。
光モジュールの小型化や部品点数削減の観点からは、V溝基板を省略することが望ましい。一方で、光回路の端面と光ファイバとの間に高効率な光結合が求められている。
そこで、本開示は、V溝基板を用いることなく、光回路の端面と光ファイバとの間での高効率な光結合を可能にすることを目的とする。
本開示に係る光結合装置は、
光ファイバと、
前記光ファイバよりも開口数の高い高NA光導波路と、
前記高NA光導波路の他端よりも大きいモードフィールド径を有し、前記光ファイバと前記高NA光導波路を結合させるモードフィールド変換部と、
前記高NA光導波路及び前記モードフィールド変換部を保持する貫通孔を有し、前記貫通孔の端部に前記高NA光導波路の他端が配置されているキャピラリと、
を備える。
光ファイバと、
前記光ファイバよりも開口数の高い高NA光導波路と、
前記高NA光導波路の他端よりも大きいモードフィールド径を有し、前記光ファイバと前記高NA光導波路を結合させるモードフィールド変換部と、
前記高NA光導波路及び前記モードフィールド変換部を保持する貫通孔を有し、前記貫通孔の端部に前記高NA光導波路の他端が配置されているキャピラリと、
を備える。
本開示に係る光結合装置の製造方法は、
光ファイバ及び前記光ファイバよりも開口数の高い高NA光導波路の接続部分を加熱して融着した後に、前記光ファイバ及び前記高NA光導波路を引き離す方向にけん引する、融着接続工程と、
キャピラリの貫通孔を構成する2つの開口のうちの内径の大きな開口から前記高NA光導波路の他端を挿入し、前記接続部分が前記貫通孔内に配置されかつ前記貫通孔の端部に前記高NA光導波路の他端が配置されるように、前記高NA光導波路及び前記接続部分を前記貫通孔内に配置する、配置工程と、
接着剤を用いて、前記接続部分を前記貫通孔内に固定する、固定工程と、
を順に有する。
光ファイバ及び前記光ファイバよりも開口数の高い高NA光導波路の接続部分を加熱して融着した後に、前記光ファイバ及び前記高NA光導波路を引き離す方向にけん引する、融着接続工程と、
キャピラリの貫通孔を構成する2つの開口のうちの内径の大きな開口から前記高NA光導波路の他端を挿入し、前記接続部分が前記貫通孔内に配置されかつ前記貫通孔の端部に前記高NA光導波路の他端が配置されるように、前記高NA光導波路及び前記接続部分を前記貫通孔内に配置する、配置工程と、
接着剤を用いて、前記接続部分を前記貫通孔内に固定する、固定工程と、
を順に有する。
本開示によれば、V溝基板を用いることなく、光回路と光ファイバとの間での高効率な光結合を可能にすることができる。
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本開示は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本開示は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
(実施形態1)
図1に、開示に係る光結合装置の構成例を示す。開示に係る光結合装置は、光ファイバ11と、高NA光導波路として機能する高NAファイバ12と、モードフィールド変換部PSと、キャピラリ13と、を備える。本実施形態では、光ファイバ11及び高NAファイバ12の素材が石英ガラスである場合について説明する。
図1に、開示に係る光結合装置の構成例を示す。開示に係る光結合装置は、光ファイバ11と、高NA光導波路として機能する高NAファイバ12と、モードフィールド変換部PSと、キャピラリ13と、を備える。本実施形態では、光ファイバ11及び高NAファイバ12の素材が石英ガラスである場合について説明する。
高NAファイバ12は、光ファイバ11よりも開口数(NA:Numerical Aperture)の高い光ファイバである。高NAファイバ12の他端である端部123は、光回路(後述する図5に示す符号15)と接続される。光ファイバ11と光回路の間に高NAファイバ12を介在させることで、光ファイバ11からの光を光回路に低損失で結合させることができる。高NAファイバ12の端部123は、端部123での反射を避けるため、8°研磨や反射防止膜を施されていることが好ましい。
高NAファイバ12のドーパントは屈折率を高める少なくとも1種類の物質を含み、そのような物質としては、例えば、Ta、Ge、Ti及びZrが例示できる。Ta、Ti、Zrは少量添加で屈折率が高くなるため、Ta、Ti又はZrの少なくともいずれかを添加することで、端部123での高NAファイバ12のモードフィールド径をさらに小さくすることができる。また、高NAファイバ12は、添加物質による熱膨張係数の増大により歪みが増加することを抑えるために、負の熱膨張係数を有する少なくとも1種類の物質を含んでいてもよく、そのような物質としては、例えば、Sn及びHfが例示できる。
光ファイバ11と高NAファイバ12の組み合わせは、任意であるが、高NAファイバ12のモードフィールド径は、光回路15のモードフィールド径と略一致していることが望ましい。例えば、モードフィールド径が10μmのシングルモードファイバであり、光回路(後述する図5に示す符号15)のモードフィールド径が3.2μmの場合、高NAファイバ12として、モードフィールド径が3.2μmの高NAシングルモードファイバを用いることができる。
光ファイバ11及び高NAファイバ12のNAは限定されるものではなく、例えば、光ファイバ11のNAが0.13の場合、高NAファイバ12のNAは0.41〜0.72の任意の値である。なお、光ファイバ11及び高NAファイバ12は、シングルモードファイバであってもよいし、マルチモードファイバであってもよい。また光ファイバ11及び高NAファイバ12のクラッド径は、同一であってもよいが、異なってもよい。
モードフィールド変換部PSは、高NAファイバ12の一端と光ファイバ11とが接続された部分であり、高NAファイバ12の他端より大きいモードフィールド径を有する。モードフィールド変換部PSのモードフィールド径は、接続部分における光ファイバ11と高NAファイバ12のモードフィールド径が等しいことが好ましく、そのモードフィールド径は、光ファイバ11と高NAファイバ12の他端との中間のモードフィールド径であってもよいが、光ファイバ11のモードフィールド径と等しいか、或いは、光ファイバ11のモードフィールド径よりも大きいことが好ましい。
モードフィールド変換部PSは、光ファイバ11とモードフィールド径の均一な高NAファイバ12を融着接続することによって形成されていることが好ましい。融着接続を行うと、局所加熱によってコアに添加されているドーパントが拡散し、釣鐘状分布でコアが拡大する。このため、モードフィールド変換部PSのモードフィールド径が高NAファイバ12の他端より大きいモードフィールド径になり、異種ファイバである光ファイバ11と高NAファイバ12を低損失で接続することができるとともに、軸ずれの許容範囲を広げることができる。
キャピラリ13は、貫通孔を有し、貫通孔内にモードフィールド変換部PSが配置されている。キャピラリ13は、高NAファイバ12の全体を保持することが好ましい。この場合、高NAファイバ12の端部123とキャピラリ13の端部133とが同一面上に配置されていることが好ましい。これにより、開示に係る光結合装置を光回路に接続する際のアライメントが容易になる。
高NAファイバ12の端部123付近の内径W133は高NAファイバ12のクラッド径にほぼ等しいことが好ましい。例えば、高NAファイバ12のクラッド径が125μmの場合、内径W133は126≦W133≦127μmであることが好ましい。
モードフィールド変換部PSの内径W134は、高NAファイバ12の端部123付近の内径W133よりも大きいことが好ましい。融着接続を行った部分のクラッド径が大きくなっても収容できるようにするためである。例えば、高NAファイバ12の長さがL12であり、高NAファイバ12のクラッド径が125μmである場合、端部134からL134の距離における内径W134は127μm<W134≦152μmであることが好ましい。
貫通孔の内壁面と光ファイバ11及び高NAファイバ12との間の隙間には接着剤が充填されている。これにより、キャピラリ13を用いてモードフィールド変換部PSを保護することができる。この場合、端部134側の内径が端部133側の内径よりも大きいことが好ましい。特に、図1には明示されていないが、モードフィールド変換部PSから端部134側にかけて、貫通孔の内径が徐々に大きくなっていることが好ましい。これにより、キャピラリ13の貫通孔の内壁面と光ファイバ11及び高NAファイバ12との間の隙間への接着剤の充填が容易になる。例えば、図3に示すような凹みの部分に充填された接着剤に気泡が形成された場合でも、気泡の除去を容易に行うことができる。また、光ファイバ11及び高NAファイバ12の延伸径にばらつきが出ても、モードフィールド変換部PSを貫通孔内に配置することができる。
内径W133及び内径W134を有する貫通孔は、内径W133の貫通孔の内径を広げる加工を行うことで、形成することができる。例えば、ドリルを用いた貫通孔内の掘削や、フッ酸を用いたエッチングによる貫通孔の内壁の溶融が例示できる。ドリルを用いることで、貫通孔の内径を一定にすることができる。エッチングを用いることで、端部134に近くなるに従って貫通孔の内径を広げることができる。
光結合装置の製造方法について説明する。本開示に係る光結合装置の製造方法は、接続工程と、配置工程と、固定工程と、を順に有する。
接続工程では、光ファイバ11と高NAファイバ12を融着接続する。ここで、通常、融着接続を行うと、図2に示すように、モードフィールド変換部PSの径が太くなる。そこで、本開示の接続工程では、モードフィールド変換部PSにおける光ファイバ11及び高NAファイバ12を加熱し、光ファイバ11及び高NAファイバ12が融着された後に、図2に示すように、光ファイバ11及び高NAファイバ12を引き離す方向にけん引することが好ましい。これにより、モードフィールド変換部PSの径が太くなるのを防ぐことができる。この場合、図3に示すように、モードフィールド変換部PSにおけるクラッド112及び122に凹みができる。
配置工程では、キャピラリ13の貫通孔を構成する2つの開口のうちの端部134側の開口に高NAファイバ12の開放された端部123を挿入し、モードフィールド変換部PSを貫通孔内に配置する。
固定工程では、接着剤を用いて、モードフィールド変換部PSを貫通孔内に固定する。例えば、図1に示す隙間131に端部134側から紫外線硬化性樹脂を注入し、キャピラリ13の側面135から紫外線を照射する。これにより、モードフィールド変換部PSを貫通孔内に固定することができる。
固定工程の後、高NAファイバ12の端部123の長さをキャピラリ13の端部133の位置に合わせ、高NAファイバ12の端部123を研磨する。このとき、端部123に8°研磨や反射防止膜を施すことが好ましい。
図4に、開示に係る光結合装置の別形態を示す。開示に係る光結合装置は、光ファイバ11の被覆113がキャピラリ13内に配置されている。キャピラリ13は、貫通孔内に、被覆113を配置するためのテーパを有する。
光結合装置の別形態の場合、接続工程では、被覆113からモードフィールド変換部PSまでの光ファイバ11の長さを、端部134からモードフィールド変換部PSまでの距離L134より短くする。
図5に、開示に係る光結合装置の光回路への接続例を示す。キャピラリ13の端部133が光回路15に接続される。モードフィールド径の小さな高NAファイバ12がキャピラリ13の端部133に配置されているため、光ファイバ11からの光をガラス素材の光導波路に容易に結合させることができる。これにより、本開示に係る光結合装置は、V溝基板を用いることなく、ガラス素材の光導波路と光ファイバ11との間での高効率な光結合を容易に行うことができる。
光回路15は、例えば、石英ガラス(SiO2)を用いたPLC(Planar Lightwave Circuit)チップである。本開示は、キャピラリ13の端部133におけるモードフィールド径が小さいため、比屈折率差が0.3%でありかつモードフィールド径が10μmの光導波路を有するPLCチップや、比屈折率差が1.2%でありかつモードフィールド径が2〜5μmの光導波路を有する小型のPLCチップを、光回路15に適用することができる。
光回路15は、石英ガラス(SiO2)を用いたPLCチップに限らず、ケイ素(Si)を基板に用いたPLCチップであってもよい。さらに、光回路15は、PLCチップに限らず、光ファイバや任意の光学素子であってもよい。例えば、光回路15に代えて、半導体レーザなどの発光素子や、PD(PhotoDiode)などの受光素子への結合用にも用いることができる。
また、高NAファイバ12が端部123に配置された状態で光ファイバ11がキャピラリ13内に保持されており、筐体14とキャピラリ13の隙間141を気密封止することで筐体14内の気密封止を行うことができる。このため、マイクロICR(Integrated Coherent)やマイクロITLA(Integrable Tunable Laser Assembly)の気密封止にも用いることができる。
なお、光ファイバ11及び高NAファイバ12の素材は、プラスチックであってもよい。高NAファイバ12がプラスチック光ファイバの場合、端部123のモードフィールド径よりもモードフィールド変換部PSのモードフィールド径が大きい高NAファイバ12を用いる。また、接続工程において、融着接続ではなく、任意の接着剤を用いて接着する。
(実施形態2)
図6に、本開示に係る光結合装置の構成例を示す。開示に係る光結合装置は、光ファイバ11と、高NA光導波路として機能するPLC22と、キャピラリ23と、を備える。
図6に、本開示に係る光結合装置の構成例を示す。開示に係る光結合装置は、光ファイバ11と、高NA光導波路として機能するPLC22と、キャピラリ23と、を備える。
PLC22のNAは、光ファイバ11よりも高い。PLC22の端部223は、図5に示す高NAファイバ12と同様に、光回路15と接続される。光ファイバ11と光回路の間にPLC22を介在させることで、光ファイバ11からの光を光回路15に低損失で結合させることができる。PLC22の端部223は、端部223での反射を避けるため、8°研磨や反射防止膜を施されていることが好ましい。以下、実施形態1と異なる点について説明する。
モードフィールド変換部PSは、PLC22の一端と光ファイバ11とが接続された部分であり、PLC22の他端より大きいモードフィールド径を有する。モードフィールド変換部PSのモードフィールド径は、接続部分における光ファイバ11とPLC22のモードフィールド径が等しいことが好ましく、そのモードフィールド径は、光ファイバ11とPLC22の他端との中間のモードフィールド径であってもよいが、光ファイバ11のモードフィールド径と等しいか、或いは、光ファイバ11のモードフィールド径よりも大きいことが好ましい。なお、PLC22のモードフィールド径は正方形や長方形などコアの形状に依存するため、PLC22は、モードフィールド変換部PSにおけるモードフィールド径が所望の値になるような屈折率やコア形状を有することが好ましい。
光ファイバ11及びPLC22の素材は、石英ガラスであってもよいし、プラスチックであってもよい。光ファイバ11及びPLC22の素材が石英ガラスである場合、PLC22のドーパントとして、実施形態1と同様のものを用いることができる。また、PLC22は、ケイ素(Si)の基板上に石英ガラスが積層されたものであってもよい。
光ファイバ11及びPLC22の素材が石英ガラスである場合、実施形態1と同様に、モードフィールド変換部PSは、光ファイバ11とモードフィールド径の均一なPLC22を融着接続することによって形成してもよい。
図7に、光ファイバ11及びPLC22の形状の一例を示す。図7(A)に示すように、光ファイバ11の直径W11とPLC22の対角線の長さが等しくてもよい。また、図7(B)及び図7(C)に示すように、光ファイバ11の直径W11とPLC22の高さW22Lが等しくてもよい。図7(B)に示すように、光ファイバ11の直径W11とPLC22の幅さW22Hが等しくてもよい。図7(C)に示すように、PLC22の幅さW22Hは、光ファイバ11の直径W11よりも大きくてもよい。また、PLC22の高さW22Lは光ファイバ11の直径W11より大きくてもよい。PLC22の高さW22Lの中心、あるいは、幅W22Hの中心は光ファイバ11の中心と一致しなくてもよい。
なお、前述の各実施形態において、高NAファイバ12又はPLC22の光回路15側の端部は、偏波保持光ファイバに接続されていてもよい。これにより、光ファイバ11と偏波保持光ファイバとを接続する際の消光比を改善することができる。
また、本開示においては、理解が容易になるよう、光ファイバ11が1本の場合についてのみ説明したが、2本以上の光ファイバ11が配列されている多チャネルであってもよい。この場合、光ファイバ11及び高NAファイバ12又はPLC22は、1次元に配列されていてもよいし、2次元に配列されていてもよい。
また、キャピラリ13又は23の外形は円形又は方形に限定されず、任意の形状であってもよい。例えば、高NAファイバ12又はPLC22と他の光部品との接続が容易になるよう、キャピラリ13又は23の外側にフェルールが設けられていてもよい。
本開示は情報通信産業に適用することができる。
11:光ファイバ
111:コア
112:クラッド
113:被覆
12:高NAファイバ
22:PLC
121、221:コア
122、222:クラッド
123:高NAファイバの端部
13:キャピラリ
131、231:隙間
133、134、233、234:端部
135、235:側面
14:筐体
141:隙間
15:光回路
111:コア
112:クラッド
113:被覆
12:高NAファイバ
22:PLC
121、221:コア
122、222:クラッド
123:高NAファイバの端部
13:キャピラリ
131、231:隙間
133、134、233、234:端部
135、235:側面
14:筐体
141:隙間
15:光回路
Claims (8)
- 光ファイバと、
前記光ファイバよりも開口数の高い高NA光導波路と、
前記高NA光導波路の他端よりも大きいモードフィールド径を有し、前記光ファイバと前記高NA光導波路を結合させるモードフィールド変換部と、
前記高NA光導波路及び前記モードフィールド変換部を保持する貫通孔を有し、前記貫通孔の端部に前記高NA光導波路の他端が配置されているキャピラリと、
を備える光結合装置。 - 前記高NA光導波路は、石英ガラスを用いた光ファイバ又はPLC(Planar Lightwave Circuit)であり、
前記高NA光導波路のコアは、Ta、Ge、Ti及びZrの少なくとも1種の元素を含む、
請求項1に記載の光結合装置。 - 前記高NA光導波路の前記一端と前記光ファイバとが融着接続されており、
前記高NA光導波路の前記一端が前記モードフィールド変換部として機能する、
請求項2に記載の光結合装置。 - 前記モードフィールド変換部は、前記高NA光導波路のクラッドに凹みを有する、
請求項3に記載の光結合装置。 - 前記高NA光導波路のコアは、Sn及びHfの少なくとも1種の元素を含む、
請求項3又は4に記載の光結合装置。 - 前記高NA光導波路は、前記他端よりも前記一端のモードフィールド径が大きい光ファイバ又はPLC(Planar Lightwave Circuit)であり、
前記高NA光導波路の前記一端と前記光ファイバとが接着されており、
前記高NA光導波路の前記一端が前記モードフィールド変換部として機能する、
請求項1又は2に記載の光結合装置。 - 前記モードフィールド変換部の配置されている前記貫通孔の内径が、前記高NA光導波路の前記他端の配置されている前記貫通孔の内径よりも大きい、
請求項1から6のいずれかに記載の光結合装置。 - 光ファイバ及び前記光ファイバよりも開口数の高い高NA光導波路の接続部分を加熱して融着した後に、前記光ファイバ及び前記高NA光導波路を引き離す方向にけん引する、融着接続工程と、
キャピラリの貫通孔を構成する2つの開口のうちの内径の大きな開口から前記高NA光導波路の他端を挿入し、前記接続部分が前記貫通孔内に配置されかつ前記貫通孔の端部に前記高NA光導波路の他端が配置されるように、前記高NA光導波路及び前記接続部分を前記貫通孔内に配置する、配置工程と、
接着剤を用いて、前記接続部分を前記貫通孔内に固定する、固定工程と、
を順に有する光結合装置の製造方法。
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