JP3798408B2 - 光モニタ用モジュール - Google Patents

Description

この発明は光ファイバから出射される光を分岐し、この分岐光をモニタ部で受光することにより、他の光ファイバに入射される分岐光以外の光を監視する光モニタ用モジュールに関する。

従来の光モニタモジュールは光ファイバより出射された光を、光分岐回路が形成された光導波路基板の光導波路に入射し、その光分岐器により分岐された光を光導波路基板から出射させてモニタ部に入射させていた。この従来の技術は、例えば特許文献１、特許文献２などに示されている。
このように従来の光モニタモジュールは光導波路基板に形成されている光導波路の分岐回路により光を分岐してモニタする構成であるため、光導波路で伝搬損失が生じるため、モニタのために比較的大きなパワーの光を分岐させる必要があった。また光分岐路の構成がＹ分岐状とされ、２本の光導波路がほぼ直角な関係で配置され、光導波路基板の占有面積が比較的大きなものとなる欠点があった。光導波路の分岐回路を用いることなく、光ファイバから出射される光を空間を通じてビームスプリッタに入射し、そのビームスプリッタの透過光又は反射光をモニタ部へ伝搬させる光ファイバに入射させる構成も考えられる。この場合は光導波路の伝搬に伴う光損失はないが、光ファイバとビームスプリッタとの間隔が比較的大きいため、光ビームが発散し（ビーム径が大になり）、結局光損失が大きくなり、また２本の光ファイバが互いにほぼ直角に配置され、占有空間も大きくなる。
特開２００１−３５８３６２号公報 特開平６−３４７６６５号公報

この発明の目的は光損失が少なく、かつ、空間占有率が小さい光モニタ用モジュールを提供することにある。

この発明によれば基板の一面に、これに形成された位置決め構造により第１及び第２光ファイバが互いに平行に、上記面と垂直な方向及び上記光ファイバの配列方向の位置が決められて取付けられる。これら第１及び第２光ファイバはその同一側の端部に、これと一体に形成されたレンズ部を備え、第１及び第２光ファイバのレンズ部側の延長線の中間部に、ビームスプリッタ又は光学フィルタが上記基板に取付けられる。上記第１及び第２光ファイバのレンズ部と上記ビームスプリッタ又は光学フィルタとの各間は空間とされ、第１光ファイバから出射した光が空間を伝搬して上記ビームスプリッタ又は光学フィルタに入射され、その光の一部は透過し、一部は反射し、その反射した光は空間を伝搬して第２光ファイバに入射されるように、第１光ファイバのレンズ部の光出射方向、第２光ファイバのレンズ部の光入射方向が選定されている。

第１及び第２光ファイバとビームスプリッタ又は光学フィルタとの間は空間であるため光損失がなく、かつ各光ファイバ端部のレンズ部に基づく集光作用により光ビームの発散が生じない。また第１及び第２光ファイバは平行に配置され、２次元の占有空間が比較的小さい。

図１を参照してこの発明の実施例を説明する。基板１１の一面１１ａにファイバ取付け部１２と部品取付け部１３とが間隔をおいて設けられ、ファイバ取付け部１２に複数の光ファイバを、互いに平行に、かつ延長方向がファイバ取付け部１２及び部品取付け部１３の配列方向となるように位置決めする位置決め構造１４が形成されている。位置決め構造１４は取付けられた光ファイバの基板１１の面１１ａと垂直な方向及び光ファイバの配列方向における各位置を決めるものである。光ファイバ２１及び２２の一端部がファイバ取付け部１２に位置決め構造１４により位置決めされて取付けられる。光ファイバ２１及び２２の延長線２３及び２４の中間において部品取付け部１３にビームスプリッタ又は光学フィルタ３１が取付けられる。以下、ビームスプリッタ又は光学フィルタ３１と記述する代りに便宜上単にビームスプリッタ３１に記述する。

光ファイバ２１及び２２のビームスプリッタ３１側の端部には光ファイバの径と同一径のレンズ部２１ａ及び２２ａが一体に形成され、レンズ部２１ａ，２２ｂの軸心に対し、光が斜めに入出射する構成とされている。光ファイバ２１を伝搬してきた光はその光ファイバ軸心に対し、斜めに出射し、空間を伝搬してビームスプリッタ３１に集光入射し、ビームスプリッタ３１で一部の光が反射し、その反射光は空間を通じて光ファイバ２２のレンズ部２２ａに入射する。
以下に各部をより具体的に説明する。基板１１として例えば単結晶シリコンの長方形基板が用いられ、その一半部がファイバ取付け部１２、他端部が部品取付け部１３とされ、ファイバ取付け部１２に、結晶の異方性を利用したエッチングにより、同一深さの２本のＶ溝１４_１及び１４_２が、ファイバ取付け部１２及び部品取付け部１３の配列方向に延長して互いに平行に形成される。この例ではファイバ取付け部１２と部品取付け部１３との間の部分も同時にエッチングして凹部１５を形成している。Ｖ溝１４_１及び１４_２の部品取付け部１３と反対側の端は外部に開放され、取付けられた光ファイバ２１及び２２が基板１１の外に曲げられることなく導出される構造とされている。

光ファイバ２１及び２２の端部がＶ溝１４_１及び１４_２に配されて、例えば接着剤により接着固定される。この時、光ファイバ２１及び２２の各コアの、基板１１の面１１ａに対する高さＨ１が決まり、つまり、面１１ａと垂直方向における光ファイバの位置が決められ、また光ファイバのコアの間隔Ｐが決まり、かつ両取付け部１２及び１３の配列方向と直角方向における面１１ａ上の位置が決められ、更に光ファイバ２１及び２２は互いに平行となる。
光ファイバ２１及び２２のレンズ部２１ａ及び２２ａは、例えば米国特許第６,０１４,４８３号（２０００年１月１１日発行）明細書に記載されたシリカ部分３１とグレーテッド−インデックスマルチモードファイバ部分により構成される。図１に示す例ではレンズ部２１ａ及び２２ａの各端面に対しアングルド加工され、その端面がレンズ部の軸心と垂直な面からわずかずらされている。このアングルド加工は例えば光ファイバから出射した光が反射して再入射するのを防止するために光ファイバの端面を研磨加工して斜面とする技術により行うことができる。このようにレンズ部２１ａ及び２２ａの各端面を斜面とすることにより、レンズ部２１ａ及び２２ａの各入射光が、光ファイバ軸心に対し斜めとされている。この例ではレンズ部２１ａ及び２２ａの軸心に対する傾斜角度θ′は同一値とされている。

この例では光ファイバ２１及び２２の延長線２３及び２４の中心線２５上にビームスプリッタ３１がその光入出射面を中心線２５と垂直になるように位置される。例えば部品取付け部１３に中心線２５を挟んで等距離に一対のマーカ１６を中心線２５と直角方向に配列形成しておき、マーカ１６上にビームスプリッタ３１を取付けてビームスプリッタ３１の面１１ａ上の位置が決められ、かつ面１１ａと垂直方向における位置も決められる。なおこの場合レンズ部２１ａ及び２２ａからビームスプリッタ３１までの中心線２５に沿う距離ｘ、中心線２５の延長方向における位置の精度は高い方がよいが、その他の方向における位置精度はそれ程高くする必要はない。マーカ１６の形成は、Ｖ溝１４_１及び１４_２をフォトリソグラフィ及びその後のエッチング技術により形成する際に、フォトリソグラフィ及びエッチング技術により例えば金属膜で形成して、高い位置精度のものが容易に得られる。ビームスプリッタ３１の部品取付け部１３への取付けは、例えば、フリップチップボンディング技術で行われているように、顕微鏡を利用して両マーカ１６とビームスプリッタ３１の底面両端部とを位置合せした後に、互いに接触させ、半田により固定すればよい。この例ではビームスプリッタ３１の光ファイバ２１及び２２と反対側に光部品３２としてフォトダイオードのような受光素子が部品取付け部１３上に取付けられている。

光ファイバ２１及び２２のレンズ部２１ａ及び２２ａの各光入出射方向がビームスプリッタ３１の位置で交差するように、光ファイバ２１及び２２のレンズ部２１ａ及び２２ａとビームスプリッタ３１との中心線２５に沿う距離ｘは次のように設定されている。つまり、面１１ａと平行な面内において次の関係が得られるようにする。レンズ部２１ａ，２２ａの屈折率をｎ′、レンズ部２１ａ，２２ａとビームスプリッタ３１との間の光路媒質の屈折率をｎ、レンズ部２１ａ及び２２ａの端面の軸心と垂直な面に対する角度をθ′とそれぞれすると、レンズ部２１ａ，２２ａの光入出射方向のその端面と垂直な方向に対する角度θは
θ＝sin^-1（ｎ′sinθ′／ｎ） （１）
となる。両レンズ部２１ａ，２２ａの光入出射方向が中心線２５で交差するとすると中心線２５とレンズ部２１ａ，２２ａの光入出射方向との各交差角度は（θ−θ′）となるから、光ファイバ２１及び２２の軸心間の距離をＰとすると、ｘは
ｘ＝Ｐ／（２tan（θ−θ′）） （２）
となる。Ｐ＝２５０μｍ、θ′＝６°、ｎ′＝１．５とすると、レンズ部２１ａ及び２２ａとビームスプリッタ３１との間の光路は空間（空気）に形成されるから、ｎ＝１であるから、θ＝９°となり、ｘ≒２．４ｍｍとなる。このように計算されたｘになるように、ビームスプリッタ３１に対し、計りながら光ファイバ２１及び２２のＶ溝１４_１，１４_２内の位置を決める。またレンズ部２１ａ，２２ａの端面の傾斜状態を画像で確認してレンズ部２１ａ，２２ａの軸心回りの角度位置を合せ、又はレンズ部２１ａ，２２ａの先端部外周にマーカを付けておき、そのマーカが、面１１ａと垂直方向から見て真上になり、かつレンズ部２１ａと２２ａとの端面の中心軸２５に対する傾斜が互いに逆向きになるように光ファイバ２１及び２２の軸心回りの角度位置を決める。望ましくは更に、例えば光ファイバ２１より光を入射し、光ファイバ２２からの出射光が最大になるようにレンズ部の端面の各光ファイバ２１，２２の長さ方向における位置及びファイバのその軸心回りの角度位置を決定して固定する。またビームスプリッタ３１の面１１ａと垂直方向における中間部の位置が、光ファイバ２１及び２２の軸心の面１１ａに対する高さＨ１とほぼ同一とされ、かつビームスプリッタ３１の光ファイバ２１，２２の配列方向における中間部が中心線２５上にあるようにされている。

以上述べた構成によれば、光ファイバ２１を伝搬して来た光はレンズ部２１ａから屈折出射し、空間を伝搬してビームスプリッタ３１に集光入射する。ビームスプリッタ３１に入射した光は透過光と反射光に分岐され、その透過光は光部品、この例では受光素子３２に入射され、電気信号に変換される。またビームスプリッタ３１よりの反射光は空間を通過し、レンズ部２２ａに入射し、光ファイバ２２内を伝搬し外部へ送られる。このとき受光素子３２の出力電気信号を監視して光ファイバ２２の伝搬光をモニタすることができる。

光ファイバ２１及び２２の軸心が面１１ａと平行な同一面にあり、かつ、光ファイバ２１のレンズ部２１ａよりの出射する際の屈折、光ファイバ２２のレンズ部２２ａへの入射する際の屈折はそれぞれ前記同一面内で行われ、かつ前記式（１）及び（２）の条件を満すようにレンズ部２１ａ，２２ａの軸心方向の位置と軸心回りの角度位置が関係付けられているため、レンズ部２１ａから出射し、ビームスプリッタ３１での反射した光はレンズ部２１ｂの端面の中心に正しく入射し、これらレンズ部２１ａ及び２２ａとビームスプリ
ッタ３１間の光路は空間（空気）であるため損失が光導波路と比較して無視でき、かつレンズ部２１ａ及び２２ａの各集光作用により光の発散が防止され、全体としての光損失が著しく小さい。また光の伝搬路が空間であるため、光導波路での光伝搬に伴う偏波特性の劣化もなく、それら光モニタ用モジュールとしての光学特性が改善される。更に光導波路のための導波路基板を必要とせず、部品点数が少ない利点もある。

光ファイバ２１のレンズ部２１ａから出射した光はビームスプリッタ３１の位置で光ビーム径が最も絞ぼられ、細くなるようにすることが好ましい。そのようになるレンズ部２１ａとビームスプリッタ３１との間の光路長を、式（１）及び式（２）中の間隔Ｐ、レンズ部２１ａの端面傾斜角θ′を選定するとよい。レンズ部２２ａとビームスプリッタ３１との関係も同様にする。
先に述べたようにビームスプリッタ３１は入射光の全波長の一部を透過し、一部を反射させる、波長選択性のない狭義のビームスプリッタでもよく、また光学フィルタ、つまり入射光中の特定の波長（又はこれを含む帯域）の成分を透過させ又は反射させ、残りの波長成分を反射させ、又は透過させる、波長選択性のあるものでもよい。ビームスプリッタ３１の透過光をモニタ部へ伝搬させて光ファイバ２１の伝搬光をモニタしてもよい。この場合、光部品３２として光ファイバを用いて、ビームスプリッタ３１の透過光をモニタ部へ送ってもよい。

図２にこの発明の他の実施例の平面図を示す。この例では基板１１の面１１ａ上に互いに平行な３本以上、図２では６本の同一深さのＶ溝１４_１，１４_２，…，１４_６が平行に配列形成されている。
要求される光モニタ用モジュールによっては光ファイバ２１，２２とビームスプリッタ３１との距離を長くさせたり、短かくさせたい場合、あるいはビームスプリッタ３１の、光ファイバ２１，２２の配列方向における位置をずらせたい場合があり、そのような場合はその要求に合致するように２本のＶ溝、図２で１４_２と１４_５を選択して光ファイバ２１及び２２を取付ける。あるいはビームスプリッタ３１によって好ましい入射角、反射角があり、その角度に、光ファイバのレンズ部２１ａ及び２２ａの光入出射方向が一致し、かつその光入出射方向が光ファイバ２１及び２２間の中心線上で交差するように、用いる２本のＶ溝を選択する。この場合は、この選択と共に各レンズ部２１ａ，２２ａの光入出射方向が所望の方向になるように、レンズ部２１ａ及び２２ａの各傾斜角θ′も変更する必要がある。このように３本以上のＶ溝を形成しておくことにより基板１１を各種の要求に対し、共通に利用することができる。

図２は、光部品として光ファイバ３３を用いた例を示している。この光ファイバ３３もＶ溝１４_１，…，１４_６の形成と同時に同一深さでかつ、これらと平行に基板１１の部品取付け部１３に形成され、光ファイバ３３の面１１ａと垂直方向及び光ファイバ２１及び２２の配列方向における各位置が決められる。またこの例では光ファイバ３３の端部はレンズ部３３ａが一体に形成され、このレンズ部３３ａの端面の傾斜角θ′は光ファイバ２１及び２２の各レンズ部端面の傾斜角θ′と同一とされ、かつレンズ部３３ａの端面はレンズ部２１ａの端面と平行になるように光ファイバ軸心回りの角度位置が設定される。光ファイバ３３としてはレンズ部３３ａを備えないものでもよい。ただし、ビームスプリッタ３１から光ファイバ３３への入射屈折角が、レンズ部２１ａの出射屈折角と一致するように、光ファイバ３３のビームスプリッタ側の端面を傾斜面とする。光ファイバ３３に入射されてきた光を図に示していない受光素子で電気信号に変換して光ファイバ２２の伝搬光をモニタすることもできる。

光ファイバ２１及び２２に対する位置決め構造１４としてはＶ溝に限らず方形溝でもよい。例えば図３に示すように基板１１の面１１ａに例えば反応性イオンのドライエッチングにより断面が方形の溝１４_１及び１４_２が互いに平行にかつ同一溝幅で形成される。光
ファイバ２１及び２２をそれぞれ方形溝１４_１及び１４_２に配置する。光ファイバ２１及び２２の直径が方形溝１４_１及び１４_２の溝幅より大きく、従って図３Ｂに示すように光ファイバ２１及び２２はその一部が溝１４_１及び１４_２に挿入され、かつ各溝１４_１及び１４_２の底面１４ａと接触しない。光ファイバ２１及び２２の軸心は基板１１の面１１ａに対する高さが共に同一値Ｈ１となり、面１１ａと垂直な方向における光ファイバ２１及び２２の位置決めが行われ、また光ファイバ２１及び２２は互いに平行に配され、その軸心の間隔Ｐが所定値になり、また光ファイバ２１及び２２の配列方向における面１１ａ上の位置が決まる。従って、図１に示した実施例と同様の作用効果が得られる光モニタ用モジュールとなることは容易に理解されよう。

上述においては光ファイバ２１及び２２の各レンズ部２１ａ及び２２ａの各端面の傾斜角θ′を同一としたが、これらを互いに異ならしてもよい。基板１１の材料としてはガリウム砒素（ＧａＡｓ）の単結晶、水晶、ガラス、合成樹脂などを用いてもよい。前２者については結晶異方性を利用したウエットエッチグによりＶ溝を形成することができる。方形溝としてもよい。ガラスに対しては反応性イオンによるドライエッチング、合成樹脂に対しては成形加工により作製すればよい。レンズ部２１ａ及び２２ａの光入出射方向を軸心に対して斜めにするには、端面を傾斜させる場合に限らず、端面は軸心と垂直とし、例えばレンズ部２１ａ及び２２ａとして前記米国特許に記載されたものにおいて、グレーテッド−インデックスマルチモードファイバ部分の分布の中心を光ファイバ２１及び２２の各コアに対しわずかずらせばよい。前述した実施例ではレンズ部２１ａ及び２２ａとビームスプリッタ３１との間の光路は基板１１の面１１ａに対し外側に位置しているが、前記光路が基板１１の面１１ａと可成り接近し、光路における一部で光ビームが面１１ａと接するおそれがあるので、凹部１５を形成したが、そのようなおそれがない場合は例えば図１Ｃ中に２点鎖線で示すように凹部１５を形成しないでもよい。図３に示したように方形溝を用いる場合はその底面と両側壁とにより光ファイバ２１及び２２を位置決めしてもよい。溝１４_１及び１４_２がＶ溝、方形溝のいずれであっても、レンズ部２１ａ及び２２ａの光入出射点が基板１１の面１１ａよりも基板内側に位置していてもよい。その場合は凹部１５を設け、かつ、基板１１の面１１ａにおけるビームスプリッタ３１の取付け位置部分も基板内側になるように、例えば図３Ａ中に２点破線で示すように、基板１１に浅い窪み１７を形成する。

Ａはこの発明の実施例を示す平面図、Ｂは図１Ａの左側面図、Ｃは図１Ａの正面図である。 この発明の他の実施例を示す平面図。 Ａはこの発明の更に他の実施例を示す平面図、Ｂは図３Ａの左側面図である。

Claims (8)

1. 一面に、複数の光ファイバを、互いに平行に、その光ファイバ配列方向及び上記一面と垂直な方向における位置を決める位置決め構造が形成された基板と、
   上記基板上に、上記位置決め構造により互いに平行に取付けられ、同一側に、レンズ部が一体に形成された第１及び第２光ファイバと、
   上記第１及び第２光ファイバの各レンズ部側の延長線の中間において、上記基板に取付けられ、上記第１光ファイバのレンズ部より出射され、入射される光の一部を透過させ、他の一部を反射させて上記第２光ファイバのレンズ部に入射させるビームスプリッタ又は光学フィルタとを備え、
   上記第１及び第２光ファイバのレンズ部と上記ビームスプリッタ又は光学フィルタとの各間の光路は空間であり、
   上記第１光ファイバのレンズ部端面の光出射方向が上記ビームスプリッタ又は光学フィルタの方向に選定され、上記第２光ファイバのレンズ部端面の光入射方向が上記ビームスプリッタ又は上記光学フィルタの方向に選定されていることを特徴とする光モニタ用モジュール。
2. 請求項１記載の光モニタ用モジュールにおいて、
   上記第１及び第２光ファイバの各レンズ部の端面は上記第１及び第２光ファイバ間の中心軸に対し、互いに外向きの傾斜面とされていることを特徴とする光モニタ用モジュール。
3. 請求項１又は２記載の光モニタ用モジュールにおいて、
   上記位置決め構造は互いに平行して配列形成された同一形状同一深さの第１及び第２溝であり、これら第１及び第２溝に上記第１及び第２光ファイバが配されて上記位置決めがされていることを特徴とする光モニタ用モジュール。
4. 請求項３記載の光モニタ用モジュールにおいて、
   上記第１及び第２溝はそれぞれＶ溝であることを特徴とする光モニタ用モジュール。
5. 請求項３記載の光モニタ用モジュールにおいて、
   上記基板には同一形状同一深さの３本以上の溝が平行に配列形成され、これら溝中の２本の溝が上記第１及び第２溝とされていることを特徴とする光モニタ用モジュール。
6. 請求項１〜５いずれかに記載の光モニタ用モジュールにおいて、
   上記第１及び第２光ファイバの中間において、これら光ファイバと平行かつ上記基板の上記一面と平行な直線の近傍において、上記第１光ファイバのレンズ部端面の光の入出射方向と上記第２光ファイバのレンズ部端面の光の入出射方向とが交差し、その交差点の近傍に上記ビームスプリッタ又は光学フィルタが位置していることを特徴とする光モニタ用モジュール。
7. 請求項６記載の光モニタ用モジュールにおいて、
   上記直線は上記第１及び第２光ファイバ間の中心線であることを特徴とする光モニタ用モジュール。
8. 請求項１〜７いずれかに記載の光モニタ用モジュールにおいて、
   上記ビームスプリッタ又は光学フィルタを透過した光が入射される光部品が上記基板に取付けられていることを特徴とする光モニタ用モジュール。

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