JP3889247B2

JP3889247B2 - 光モジュールおよびその組立て方法

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Publication number: JP3889247B2
Application number: JP2001182894A
Authority: JP
Inventors: 健一仲間; 奈緒子引地; 幸成関口; 史敏小林
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 2001-03-15
Filing date: 2001-06-18
Publication date: 2007-03-07
Anticipated expiration: 2021-06-18
Also published as: US6766076B2; US20020131700A1; GB0205063D0; JP2002341177A; GB2373871A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光モジュールに関し、特に、マイクロレンズアレイを用いた小型高密度に空間分割多重化された光モジュールおよびその組立て方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の従来の空間分割型の光モジュールは、特開平２−１２３３０１号公報に開示されており、図６に示すように、表面が平坦な透明基板にマイクロレンズ６１を配列形成した平板マイクロレンズアレイ６０自体のレンズ形成面とは反対側の面に、レンズと光学的に結合されるべき素子、すなわち光ファイバ６３に嵌合するための凹部６５を各レンズの中心位置に対応させて設け、その凹部に向けて光ファイバの先端をガイド挿入するためのガイド穴６４を有するポリイミド等の樹脂層６２を、平板マイクロレンズアレイ６０に接合固定していた。一方、光ファイバの方は、先端コア部を選択エッチングにより凸状に加工して微小嵌合凸部６６を形成し、これを嵌合凹部６５に挿入固定することで、アクティブな調心（実際に光を導入し結合光強度が最大になるように調心する方法）を行うことなく、位置調整のみによって調心固定することを可能にしていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来の光モジュールは、特に他の面型光学素子と組み合わせて用いる場合、次のような問題を生じる。すなわち、他の面型光学素子と組み合わせる場合、例えば、面型光学素子が液晶光スイッチのような面型の透過型光素子応用モジュールなどでは、それに組み合わせるマイクロレンズ光学系は、無限の共役比をもつコリメート光学系で構成する必要があるのに対して、レーザアレイのような発光素子と光ファイバとを結合する光モジュールなどでは、それと組み合わせるマイクロレンズ光学系は、有限の共役比をもつ縮小結像光学系で構成する必要がある。
【０００４】
また、光ファイバに対して結合するような光モジュールなどでは、マイクロレンズ光学系は、等倍結像光学系で構成する必要があり、また、フォトディテクタアレイなどの光ファイバのモードフィールド直径よりも大きな受光面積をもつ面型の光素子と結合する光モジュールなどでは、マイクロレンズ光学系は、拡大結像光学系で構成する必要がある。
【０００５】
このような必要性に答えるためには、従来の光モジュールでは、各々の応用に最適な共役比になるように、マイクロレンズ自体の焦点距離がそれぞれ異なるマイクロレンズアレイを別個に用意するか、マイクロレンズアレイの基板厚さをそれぞれ個別に調整する必要があり、平板マイクロレンズアレイ自体の品種を増やさざるを得ない。また、実験的に光学特性を調整していくときなど、平板マイクロレンズアレイ自体を作り直す必要があり、効率的な開発と早期の製品化が妨げられるという問題が生じる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような従来の光モジュールに存在する問題に着目してなされたものであり、その目的とするところは、面内の配列に対しては、一列からマトリクス状の配列まで対応可能で、かつ、平板マイクロレンズアレイの光軸方向に対しても、任意の共役比が簡単に実現でき、かつ、パッシブ調心（機械的寸法精度等により調心する方法）により調心時間を短縮し、小型高密度で任意の光学設計に対して自由度の大きい、低コストの光モジュールを実現するものである。
【０００７】
このため、本発明の第１の態様である光モジュールは、
少なくとも片面に複数のマイクロレンズが配列形成された平板マイクロレンズアレイと、
前記平板マイクロレンズアレイの面に一方の面が接合固定され、他方の面に前記複数のマイクロレンズの各々の中心位置に対応して複数の微小嵌合凹部が配列形成され、厚さにより共役比を調整する平板状の共役比調整用透明基板と、
前記共役比調整用透明基板の他方の面に接合固定され、前記複数の微小嵌合凹部の各々の中央位置に対応して、貫通する複数の微小ガイド穴が配列形成された光ファイバガイド基板と、
を備えている。
【０００８】
この光モジュールは、前記嵌合凹部に嵌合するように、先端コア部が凸状に露出した微小嵌合凸部を有する光ファイバをさらに備えることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の第２の態様である光モジュールの組立て方法は、
少なくとも片面に複数のマイクロレンズが配列形成された平板マイクロレンズアレイを準備し、
一方の面に前記複数のマイクロレンズの各々の中心位置に対応して複数の微小嵌合凹部が配列形成され、厚さにより共役比を調整する平板状の共役比調整用透明基板を、前記平板マイクロレンズアレイの面に、他方の面が接するようにし、かつ、前記マイクロレンズの中心位置が前記微小嵌合凹部の中央位置に一致するようにして接合固定し、
前記複数の微小嵌合凹部の各々の中央位置に対応して、貫通する複数の微小ガイド穴が配列形成された光ファイバガイド基板を、前記微小嵌合凹部の中央位置に前記微小ガイド穴の中心位置が一致するようにして、前記共役比調整用透明基板の前記一方の面に接合固定する、
ことを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明による光モジュールの第１の実施例を図１に示す。本実施例は、表面が平坦な透明基板の一方の面に複数の円形マイクロレンズ１１を配列形成した平板マイクロレンズアレイ１と、表面が平坦な透明基板の一方の面に複数の微小嵌合凹部２１を配列形成した共役比調整用透明基板２と、表面が平坦な基板に貫通する複数の微小ガイド穴３１を配列形成した光ファイバガイド基板３と、光ファイバの先端コア部を凸状に露出させて微小嵌合凸部４１とした複数の光ファイバ４とから構成されている。
【００１１】
平板マイクロレンズアレイ１の基板と、共役比調整用透明基板２と、光ファイバガイド基板３とは、平面の形状寸法（以下、外形寸法という）が同一になるように形成されている。
【００１２】
平板マイクロレンズアレイ１として、屈折率ｎ_L ＝１．５４の透明基板に、イオン交換法で円形のマイクロレンズ１１を作製した平板マイクロレンズアレイを用いた。なおレンズの焦点距離ｆ_L は、６５０μｍであった。
【００１３】
また、共役比調整用透明基板２は、Ａｇで表面をイオン交換した屈折率ｎ_h ＝１．５１のアルミノシリケートガラスにＮｄ：ＹＡＧレーザの３倍波を用い、加工用の平板マイクロレンズアレイでレーザ光束を所望の間隔に分割して集光し、その集光スポットを用いてほぼ円錐形の嵌合用凹部２１を作製した。嵌合用凹部の開口径と深さは、それぞれ光ファイバ４の先端部の嵌合用凸部４１に合わせて、約８μｍおよび約４μｍとした。
【００１４】
このような作製方法により、嵌合用凹部間の位置関係は高精度に決められ、かつ、共役比調整用透明基板２に形成された嵌合用凹部の中央位置は、マイクロレンズアレイ１のマイクロレンズ１１の中心位置に高精度に対応している。
【００１５】
また、光ファイバガイド基板３は、同様にＡｇで表面をイオン交換した厚さ３００μｍのアルミノシリケートガラスに対して、ＫｒＦエキシマレーザを光源とした縮小結像光学系により、所望の形状，パターンを有するフォトマスクパターンを縮小結像することにより作製し、このフォトマスクパターンを用いて、入口側が大径で出口側が小径となるテーパ状の微小ガイド穴３１を形成した。微小ガイド穴の形状は、エキシマレーザの加工能力、および、光ファイバの加工性との関係から、出口径を７５μｍ，テーパ角度を６゜とした。
【００１６】
なお、光ファイバガイド基板３の微小ガイド穴３１は、各微小ガイド穴間の位置関係が高精度に、かつ、その中心位置が共役比調整用透明基板２の嵌合用凹部２１の中央位置に高精度に対応するように作製される。
【００１７】
また、先端コア部を凸状に露出させた光ファイバは、光ファイバのクラッドガラスに対するエッチング速度が、コアのそれよりも大きなエッチャント、すなわちフッ酸とフッ化アンモニウムの混合液中に浸漬することで作製した。嵌合用凸部４１の外形形状は、エッチング条件で制御可能であるが、ここでは、ファイバ先端のクラッド径７５μｍ，基部径８．５μｍ，高さ３μｍの円錐形とした。
【００１８】
また、本実施例では共役比調整用透明基板２の厚さをマイクロレンズ焦点距離ｆ_L のｎ_h （基板２の屈折率）倍、すなわち、ｆ_L ×ｎ_h としたものを用いた。
【００１９】
次に、第１実施例の光モジュールの組立て方法について説明する。
【００２０】
本実施例の平板マイクロレンズ１１、共役比調整用透明基板２の微小嵌合凹部２１、光ファイバガイド基板３の微小ガイド穴３１はそれぞれ上述した方法で加工し製作されるので、各基板上のマイクロレンズ１１，嵌合用凹部２１，微小ガイド穴３１の位置関係は設計された通りに高精度に形成できる。したがって光モジュールの組立は、実際に使用する光を光学系に入射して調芯する、いわゆるアクティブ調芯の必要がなく、位置調整のみによるパッシブ調芯によって組立てられる。
【００２１】
すなわち、平板マイクロレンズアレイ１の基板と微小嵌合凹部２１を形成した共役比調整用透明基板２の外形寸法は同一であるので、マイクロレンズアレイ１の基板と共役比調整用透明基板２の周辺を一致させるように重ね合わせるだけで、各マイクロレンズ１１と微小嵌合凹部２１の位置はほぼ一致する。さらに両基板の表面上方から顕微鏡により観察して、円形のマイクロレンズ１１の中心位置に、ほぼ円形の微小嵌合凹部２１の中央位置がくるように２枚の基板の重ね合わせを最終調整する。上述のように各マイクロレンズ間、各微小嵌合凹部間の位置関係はそれぞれ精度よく形成されているので、少なくとも数素子で重ね合わせ位置を確認すれば充分である。なお、両基板の接触する側の表面には屈折率整合のとられた接着剤を予め塗布しておき、両基板を接着固定する。
【００２２】
次に、共役比調整用透明基板２の微小嵌合凹部２１側の表面に、やはり上記両基板と外形寸法を同一にした光ファイバガイド基板３を重ね合わせると、微小嵌合凹部２１の中央位置と微小ガイド穴３１の中心位置はほぼ一致する。さらに微小ガイド穴側から顕微鏡観察を行い、断面が円形の微小ガイド穴３１の中心位置と微小嵌合凹部２１の中央位置が一致するように最終調整の後、両基板を屈折率分布のとられた接着剤で接着固定する。
【００２３】
以上のように構成された光モジュールでは、光ファイバ４の先端コア部には、嵌合用凹部２１と凹凸嵌合させるため、嵌合用凸部４１が形成されているため、光ファイバを微小ガイド穴３１の入り口から挿入し、凸部４１を凹部２１に嵌合させるだけで、光ファイバのコア部を容易に各平板マイクロレンズ１１の光軸上に誘導配置することができる。誘導配置した後、光ファイバ４は、屈折率整合のとられた接着剤５で、光ファイバガイド基板３に接着固定される。この場合、接着剤５は、凹部２１と凸部４１との間の隙間、および光ファイバ４とガイド穴３１との間の隙間を充てんする。
【００２４】
このように配置した光モジュールの光ファイバ４に半導体レーザ光源を接続し、平板マイクロレンズアレイからの出射光を赤外ＣＣＤカメラで観察したところ、出射光１００としてコリメート光が出ていることを確認した。
【００２５】
本発明による第２の実施例を図２に示す。本実施例では、共役比調整用透明基板２の厚さを、所望の共役比が得られるように複数用意しておき、用途に応じて交換することにより、第１の実施例と同じ平板マイクロレンズアレイ１，光ファイバガイド基板３，光ファイバ４を用いて所望の光モジュールを実現した例を示す。
【００２６】
例えば、共役比調整用透明基板２の厚さをｔ_h としたとき、共役比調整用透明基板２として、２×ｆ_L ×ｎ_h ＞ｔ_h ＞ｆ_L ×ｎ_h を満足するものを用いた。この共役比調整用透明基板２を選択した場合の光線状態は図２のようになる。マイクロレンズアレイ１からの出射光１００は、拡大の位置に焦点を結んでいる。すなわち、光ファイバのコア部は拡大結像される。
【００２７】
組み合わせる光学素子が光検出器などであって、有効受光面積がファイバコア部より大きい場合は、このケースに相当する共役比調整用透明基板を選択するのが好適である。
【００２８】
また、例えば、厚さｔ_h ＝２×ｆ_L ×ｎ_h の共役比調整用透明基板を選択した場合の光線状態は図３のようになり、出射光１００は、等倍の位置に焦点を結び、等倍結像になる。すなわち、光ファイバのコア部は同じ大きさで像面に結像される。
【００２９】
組み合わせる光学素子が光ファイバなどであって、等しい拡大倍率とすることにより、結合効率が最適な値になる場合は、このケースに相当する共役比調整用透明基板を選択するのが好適である。
【００３０】
また例えば、共役比調整用透明基板２として、ｔ_h ＞２×ｆ_L ×ｎ_h を満足する共役比調整用透明基板を選択した場合の光線状態は図４のようになり、出射光１００はレンズ形成面とは反対側の面に焦点を結び、縮小結像になる。
【００３１】
組み合わせる光学素子が光検出器などであって、有効面積が光ファイバのコア部よりも小さい場合に、このケースに相当する共役比調整用透明基板を選択するのが好適である。
【００３２】
また特別な場合として、ｎ_L ：平板マイクロレンズ基板の屈折率、ｔ_L ：平板マイクロレンズアレイの厚さ、ｔ_h ：共役比調整用透明基板の厚さとした場合、（１／（ｎ_L ・ｔ_L ）＋１／（ｎ_h ・ｔ_h ））＝（１／ｆ_L ）が成り立つような厚さの共役比調整用透明基板を用いると、ファイバコア部と平板マイクロレンズ基板のレンズ形成面位置を共役にすることができるため、レンズ端面に集光することが可能になる。
【００３３】
以上の各実施例では、平板マイクロレンズアレイは、レンズ形成面が共役比調整用透明基板に接着されているが、レンズ形成面とは反対側の面を、共役比調整用透明基板に接着することもできる。図５に、このような場合の光モジュールを第３の実施例として示す。この場合、共役比調整用透明基板２の厚さは、平板マイクロレンズアレイ１の厚さを考慮して決定する必要がある。
【００３４】
また本発明は、両面にマイクロレンズが形成された平板マイクロレンズアレイに対しても適用することができる。さらには、平板マイクロレンズアレイは、１枚に限るものではなく、複数枚の平板マイクロレンズアレイを用いたものにも、本発明を適用することができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、複数のマイクロレンズの光軸と光ファイバを一括してパッシブ調心固定できるとともに、複数のマイクロレンズの共役比も一括して調整できるようになるため、同一の平板マイクロレンズアレイを用いて、多くのマイクロオプティクス型の光設計に対して短時間かつ安価に対応することが可能になる。また、各構成要素間はすべて貫通穴を利用した高精度なパッシブ調心により簡単にアライメントすることが可能であるため、光モジュールの開発を効率的にすすめることが可能になる。また、これらにより、小型高密度で任意の光学設計に対して自由度の大きい、低コストの光モジュールを実現することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例による光モジュールの例を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施例による光モジュールの例を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施例による光モジュールの例を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施例による光モジュールの例を示す図である。
【図５】本発明の第３の実施例による光モジュールの例を示す図である。
【図６】従来の光モジュールの構成例を示す図である。
【符号の説明】
１平板マイクロレンズアレイ
１１マイクロレンズ
２共役比調整用透明基板
２１嵌合用凹部
３光ファイバガイド基板
３１微小貫通穴
４光ファイバ
４１光ファイバ嵌合用凸部
５屈折率整合接着剤
１００出射光

Claims

少なくとも片面に複数のマイクロレンズが配列形成された平板マイクロレンズアレイと、
前記平板マイクロレンズアレイの面に一方の面が接合固定され、他方の面に前記複数のマイクロレンズの各々の中心位置に対応して複数の微小嵌合凹部が配列形成され、厚さにより共役比を調整する平板状の共役比調整用透明基板と、
前記共役比調整用透明基板の他方の面に接合固定され、前記複数の微小嵌合凹部の各々の中央位置に対応して、貫通する複数の微小ガイド穴が配列形成された光ファイバガイド基板と、
を備えることを特徴とする光モジュール。
前記嵌合凹部に嵌合するように、先端コア部が凸状に露出した微小嵌合凸部を有する光ファイバをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
少なくとも片面に複数のマイクロレンズが配列形成された平板マイクロレンズアレイを準備し、
一方の面に前記複数のマイクロレンズの各々の中心位置に対応して複数の微小嵌合凹部が配列形成され、厚さにより共役比を調整する平板状の共役比調整用透明基板を、前記平板マイクロレンズアレイの面に、他方の面が接するようにし、かつ、前記マイクロレンズの中心位置が前記微小嵌合凹部の中央位置に一致するようにして接合固定し、
前記複数の微小嵌合凹部の各々の中央位置に対応して、貫通する複数の微小ガイド穴が配列形成された光ファイバガイド基板を、前記微小嵌合凹部の中央位置に前記微小ガイド穴の中心位置が一致するようにして、前記共役比調整用透明基板の前記一方の面に接合固定する、ことを特徴とする光モジュールの組立て方法。
先端コア部が凸状に露出した微小嵌合凸部を有する光ファイバを、前記微小ガイド穴に挿入し、前記微小嵌合凸部を前記微小嵌合凹部に嵌合させた後、前記光ファイバを、前記微小嵌合凹部および微小ガイド穴に接着固定する、ことを特徴とする請求項３に記載の光モジュールの組立て方法。