JP2004061664A

JP2004061664A - 光デバイス

Info

Publication number: JP2004061664A
Application number: JP2002217138A
Authority: JP
Inventors: Masashi Fukuyama; 福山　暢嗣; Akihiro Ide; 井出　晃啓
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2002-07-25
Filing date: 2002-07-25
Publication date: 2004-02-26

Abstract

【課題】球状レンズの固定基板に対する接着強度の十分なる確保、球状レンズにおける光の入力有効エリアの十分なる確保、設計の自由度の拡大を図る。
【解決手段】固定基板１２の表面に交差溝２０と整列溝２２Ａ〜２２Ｄを互いに交差させて形成し、これら交差溝２０並びに整列溝２２Ａ〜２２Ｄの各交差部２４に形成された４つの稜における接触点にて球レンズ１６を支持することによって、該球レンズ１６が固定基板１２上に位置決め固定された光デバイス１０Ａにおいて、光源からの光Ｌを整列溝２２Ａ〜２２Ｄに沿って進行させ、球レンズ１６に入射させるようにする。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光通信システムに用いられる光デバイスに関し、例えば、球状レンズを有するコリメータアレイに用いて好適な光デバイスに関する。ここで、球状レンズとは、外形が球体のものや、一部が欠けた形状、あるいはドラムレンズ等を含む意であり、特に、外形が球体のレンズを球レンズと記す。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電気通信回線のデータ容量が急激に増加している。これに対応するため、既存の光ファイバを利用した波長多重（ＷＤＭ）伝送方式の導入が進められ、前記ＷＤＭ伝送方式の光デバイスとして、光クロスコネクト（ＯＸＣ）スイッチに対するニーズが高まりつつある。
【０００３】
前記ＯＸＣスイッチの中でも、例えば、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ）型の光スイッチは、マイクロマシン技術を用いて作製され、かつ、量産化も容易であると考えられている。そのため、将来的に有望な光デバイスである。
【０００４】
このような光デバイスは、複数の光入力と光出力とを有し、レンズ等の複数の光学素子がアレイ（レンズアレイ）として構成されている多心型の光デバイスである。この場合、空間にビームを飛ばす必要があるため、コリメータアレイが使われる。
【０００５】
コリメータアレイに用いられるレンズとしては、非球面型のレンズ、平板型のマイクロレンズ、ロッドレンズ等がある。しかしながら、これらのレンズは高価であり、特に、単レンズである非球面型のレンズとロッドレンズとは、外形上の中心位置とレンズの光学的中心位置とが一致しない。そのため、非球面型のレンズ又はロッドレンズによってコリメータアレイを構成したときに、高精度のビーム（平行光）を得ることは極めて困難であるという問題があった。
【０００６】
これに対して、外形が球体である球レンズは安価であると共に、外形上の中心位置とレンズの光学的中心位置とが一致しているため、球レンズでコリメータアレイを構成しても、高精度のビーム（平行光）が得られやすいという利点がある。球レンズが球形状に高精度に加工されていればいるほど、上記した利点が得られやすい。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、球レンズを用いた光デバイスの大きな問題点は２つあり、第１は、球レンズの固定の問題であり、第２は、球レンズそのものの性能の制約による問題である。
【０００８】
まず、第１の問題である球レンズの固定の問題について説明する。コリメータアレイを有する光デバイスでは、各レンズと前記各レンズに対向する光ファイバ等の光導波路との結合距離を正確に合わせないと、光デバイスとして機能しないおそれがある。従って、コリメータアレイを構成する際に、各光導波路から各レンズの端面を見たとき、各レンズが２次元の水平方向（Ｘ−Ｙ方向）だけでなく、上下方向（Ｚ方向）に対しても正確に配列されている必要がある。
【０００９】
例えば、ロッドレンズから構成されるコリメータアレイを考えたとき、Ｖ溝にロッドレンズを載置するだけで、該ロッドレンズはＶ溝に入り込み、容易に動かない状態となる。つまり、Ｖ溝に載置されたロッドレンズは、外力が加わらなければ、例えば自重のみにてその載置された位置に固定された状態となる。もちろん、光結合等の調整のために、ロッドレンズを意図的に動かすことはあるが、この場合も容易に動かすことができる。一方、球レンズは、外形が球体であるため、球レンズをＶ溝に載置した場合、例えば自重によって、いとも簡単にＶ溝上で移動する。
【００１０】
これを解決するためには、例えば、Ｖ溝を有する基板の端面に壁を設け、該壁に球レンズを突き当てるようにして水平方向（Ｘ−Ｙ方向）の位置決めを行い、基板のＶ溝と該Ｖ溝に対向して配置された押さえ基板とによって、球レンズを上下方向（Ｚ方向）に位置決め固定することが考えられる。
【００１１】
この場合、球レンズの位置決め固定の作業においては、球レンズに対する水平方向（Ｘ−Ｙ方向）の加重（球レンズによる自重をも含む）と、基板と押さえ基板とを固定又は仮固定するための上下方向（Ｚ方向）の加重とを同時にかける必要がある。
【００１２】
しかし、球レンズは他のレンズと比較して移動しやすいレンズであるため、上述のような作業を行って球レンズの位置決め固定を厳密に行っても、簡単に１０μｍ程度の誤差が発生し、十分な精度を得ることは困難である。
【００１３】
そこで、従来では、表面に複数のＶ溝が交差する固定基板を用い、これらＶ溝が交差する複数の交差部にそれぞれ球レンズを位置決め固定することが提案されている（例えば特開２００２−１１６３６３号公報参照）。
【００１４】
ところで、この従来例に係る光デバイスは、各交差部の底部にそれぞれ孔を設け、光源からの光を孔を通じて球レンズに入射させることで、平行光を得るようにしている。
【００１５】
このような構成において、球レンズを固定基板に固定する場合、交差部の底部に接着剤を充填して球レンズを固定することが考えられるが、接着剤によって前記孔（光が透過する孔）が塞がれるおそれがあるため、例えば球レンズと交差部との接触部分のみに接着剤を塗布するなどの手法が考えられる。しかし、この場合、球レンズの交差部に対する接着強度が低下することから、その後の工程やハンドリング時に容易に外れてしまうおそれがある。接着剤として、光透過性のあるものを使用してもよいが、球レンズとの屈折率との関係や接着能力等、様々なパラメータを考慮する必要があり、自ずから材料が限られてしまい、コスト的に不利になる。
【００１６】
また、上述の従来例に係る光デバイスにおいては、孔を通じて光を透過するようにしているため、光の入射有効エリアは、孔の径に依存することとなり、しかも、孔の径を大きくすると、上述したように、球レンズの固定が不十分になるおそれがあることから、むやみに孔の径を大きくすることもできない。つまり、従来の光デバイスにおける光の入射有効エリアは、基板の影響を大きく受けることになる。なお、光の出射に関する有効エリアは、前記孔の径には左右されないため、前記入射有効エリアよりも大きくとることができる。
【００１７】
このように、従来例に係る光デバイスにおいては、光の入射有効エリアが基板の影響によって狭くなり、所望の平行光を得られず、設計の自由度も狭くなるという問題が生じる。
【００１８】
次に、第２の問題である球レンズそのものの性能の制約について説明する。ここで、球レンズそのものの性能の制約とは、平行光と設計の自由度に関する制約である。
【００１９】
具体的には、まず、平行光については、球レンズは基本的に球面収差を持っているため、理想的な平行光を球レンズから射出させることは極めて難しい。
【００２０】
設計の自由度については、球レンズを用いた光デバイスでは、該光デバイスに光結合されたＭＥＭＳスイッチ等の別の光デバイスの仕様から、複数の球レンズ間のピッチやビームの動作距離等の仕様が決まるが、要求仕様を満たすように球レンズを設計する場合、球レンズの径を変更するしかない。即ち、現実的な設計の自由度は、球レンズの径を変えることだけである。なお、球レンズの材質、即ち、球レンズの屈折率を変更することも所望の仕様を達成するための手段として可能であるが、球レンズに対する信頼性や実績等を考慮すると、球レンズの材質を安易に変えることはできない上に、球レンズを特殊な材質に変更すると、球レンズの本来の利点である高い形状精度が得られないおそれがある。
【００２１】
そして、要求仕様にて決定された配列ピッチが球レンズの径よりも大きい場合、複数の球レンズを並べることが物理的に不可能になる。このような場合、球レンズの性能をある程度犠牲にしてでも、前記配列ピッチ以下の径を有する球レンズを使用せざるを得なかった。
【００２２】
この発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、球状レンズの固定基板に対する接着強度を十分に確保することができ、また、球状レンズにおける光の入力有効エリアを十分に大きくとることができ、更に、設計の自由度を広げることができる光デバイスを提供することを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光デバイスは、固定基板の表面に少なくとも２つのＶ溝が交差して設けられ、前記２つのＶ溝の交差部には４つの稜が形成され、前記各稜の所定の点で球状レンズを支持し、該球状レンズが前記固定基板上に位置決め固定された光デバイスにおいて、前記２つのＶ溝のうち、少なくとも１つのＶ溝に沿って進行する入射光が前記球状レンズに入射されることを特徴とする。
【００２４】
これにより、光の入射有効エリア等が基板の影響を受けるということがなくなり、所望の平行光を得ることができ、設計の自由度も広くなる。また、球状レンズを固定基板に固定する場合、交差部の底部に接着剤を充填して固定することができ、球状レンズの固定基板に対する接着強度を十分に確保することができる。特に、前記球状レンズの形状が球体である場合、即ち、球レンズである場合は、光の入射有効エリアを、前記球体の径で決定される最大エリアの７０％以上とすることができる。また、球状レンズの形状に関わらず、光の入射有効エリアと光の出射有効エリアをほぼ同じにすることができる。これは、上述したように、所望の平行光を得ることができ、設計の自由度も広くなることにつながる。
【００２５】
なお、球体の径で決定される最大エリア全体を光の入射有効エリアとすることは、レンズの形状から不可能である。そのため、入射有効エリアの上限としては、前記最大エリアの１００％未満となるが、接着剤等の不確定要因を考慮して、最大エリアの９０％を確保することができる。
【００２６】
また、前記構成において、前記固定基板の２つのＶ溝に対向して押さえ基板が配置され、前記押さえ基板は、前記固定基板における交差部と共に前記球状レンズを支持し、かつ、該球状レンズを前記固定基板上に位置決め固定するＶ溝を具備するようにしてもよい。
【００２７】
これにより、球状レンズは、固定基板における交差部と押さえ基板におけるＶ溝とで挟み込まれた形態となり、球状レンズを水平方向及び垂直方向に対して高精度に位置決めすることができる。なお、押さえ基板にＶ溝以外に逃げ溝（接着剤が球状レンズの光が透過する面に流れないようにするための溝）を設けるようにすれば、固定基板と押さえ基板とを接着剤にて互いに固定した際に、接着剤が球状レンズにおける光が透過する面に流れ込むということがなくなり、光の入射有効エリアを十分に確保することができる。
【００２８】
また、前記構成において、少なくとも前記固定基板のＶ溝の底部が平坦であってもよい。また、前記球状レンズが固定基板の交差部と接触する点を接触点と定義したとき、少なくとも前記固定基板のＶ溝の底部と前記球状レンズの接触点との間隔を５０μｍ以下にすることが好ましい。
【００２９】
これにより、Ｖ溝の底部と球状レンズの頂部（Ｖ溝の底部と対向する頂部）との間隔を狭くすることができ、Ｖ溝に必要最低限の接着剤を塗布するだけで、球状レンズの固定を行うことができる。
【００３０】
この間隔が広いと、多くの接着剤を塗布する必要が生じ、この多量の接着剤が球状レンズの光透過面に回り込むおそれがある。Ｖ溝の底部のみに接着剤を塗布することは現実的には不可能に近く、Ｖ溝のテーパ部分にも塗布されることとなる。底部から球状レンズの頂部（Ｖ溝の底部と対向する頂部）までが例えば３０μｍであって、接着剤が全体的に４０μｍ存在するものとする。この場合、Ｖ溝の底部と球状レンズ間には接着剤が充填され、該球状レンズはＶ溝に固定されることになる。
【００３１】
ここで、球状レンズの光透過面に接着剤が存在すると、その透過の具合（透過の度合いが低くなるなど）は接着剤の材質等によって決まり、不確定である。つまり、球状レンズの光透過面のうち、接着剤が付着している部分は、光透過の不確定エリアとして定義することができる。そして、上述の例では、球状レンズの不確定エリアは１０μｍである。
【００３２】
一方、Ｖ溝の接触点からも球状レンズの中心に向かって４０μｍは接着剤が存在すると考えるべきであり、この場合、球レンズの周囲４０μｍは接着剤により、光の透過が不確定とされる。ここで、例えば１ｍｍの球レンズであれば、π×（１０００−２×４０）^２／１０００^２＝０．８４６４で、光透過の上で有効なエリアは、球レンズの径で決定される最大エリアの約８５％となる。この場合、光の透過が不確定なエリア（不確定エリア）は全体の１５％存在することになるが、この割合は、交差部により隠れるエリアの割合とほぼ等しく、交差部に球状レンズを載置したことによって特に制限を受けることはない。
【００３３】
このようなことから、Ｖ溝の底部から球状レンズの頂部（Ｖ溝の底部と対向する頂部）までの距離を小さくすることは、前記不確定エリアを広げることにはならず、反対に、接着剤の塗布量を少なくすることができ、接着剤が球状レンズの光透過面に回り込む量を低減できる点で好ましい。また、接着剤の使用量が減ることから、コスト面でも有利である。
【００３４】
そして、実際の製造工程では、先に接着剤を固定基板に薄く（１００μｍ以下等）塗布しておき、固定基板の交差部に球状レンズを置いて硬化する。球状レンズの光透過面に接着剤が流れ込まないように、紫外線硬化型の接着剤で素早く硬化するとより好ましい。
【００３５】
また、前記固定基板に複数の交差部を設け、複数の球状レンズをそれぞれ対応する交差部に位置決め固定してアレイとした場合に、交差部の配列ピッチを、球状レンズの直径よりも小さくしてもよい。この場合、各球状レンズは、少なくとも隣接する球状レンズと対向する部分が削られていることが好ましい。
【００３６】
これにより、要求仕様にて決定された配列ピッチが球状レンズの径よりも大きい場合においても十分に対応させることができ、球状レンズを用いた光デバイスの設計の自由度を広げることができる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る光デバイスの実施の形態例を、図１〜図７Ｂを参照しながら説明する。
【００３８】
まず、第１の実施の形態に係る光デバイス１０Ａは、図１に示すように、固定基板１２と、押さえ基板１４と、これら固定基板１２と押さえ基板１４とで挟持された球レンズ１６とを有する。
【００３９】
固定基板１２は、例えば図２（図１と上下の方向を逆にしてある）に示すように、その一主面に２本のＶ溝２０及び２２がほぼ直交して形成され、これらＶ溝２０及び２２が交差する部分（交差部２４）にて４つの稜２６ａ〜２６ｄが形成されている。そして、この交差部２４に球レンズ１６が載置固定されている。図２では、１つの固定基板１２に１つの交差部２４が形成されたものを示したが、その他、図３に示すように、４つの交差部２４が形成されていてもよいし、それ以上の数の交差部２４が形成されていてもよい。図３においては、固定基板１２に行方向に１つのＶ溝２０を形成し、列方向に４つのＶ溝２２Ａ〜２２Ｄを形成した例を示す。
【００４０】
以下の説明では、Ｖ溝の区別を明確にするために、図２及び図３における一方のＶ溝２０を交差溝２０と記し、他方のＶ溝２２（２２Ａ〜２２Ｄ）を整列溝２２（２２Ａ〜２２Ｄ）と記す。また、複数の整列溝２２Ａ〜２２Ｄを総称して言う場合には、単に整列溝２２として記す。
【００４１】
押さえ基板１４は、図２及び図３に示すように、その一主面（固定基板１２の一主面と対向する面）に、固定基板１２の整列溝２２と対向し、かつ、該整列溝２２と平行なＶ溝２８（２８Ａ〜２８Ｄ）が形成されている。なお、複数のＶ溝２８Ａ〜２８Ｄを総称して言う場合には、単にＶ溝２８として記す。
【００４２】
そして、この光デバイス１０Ａを作製する場合は、固定基板１２における交差部２４の底部に接着剤３０（図１参照）を塗布した後、交差部２４に球レンズ１６を載置する。このとき、球レンズ１６は、図２に示すように、交差部２４における各稜２６ａ〜２６ｄにおいてそれぞれ接触点３２ａ〜３２ｄにて支持される。
【００４３】
ここで、固定基板１２に複数の交差部２４を例えばマトリックス状に配置し、これら交差部２４にそれぞれ球レンズ１６を載置した場合は、各球レンズ１６は、Ｘ方向（行方向）に一直線状に並び、Ｙ方向（列方向）においても一直線状に並ぶことになる。更に、各球レンズ１６の頂部もＺ方向（固定基板１２の一主面から鉛直方向に立ち上がる方向）に対してほぼ揃うことになる。
【００４４】
その後、押さえ基板１４のＶ溝２８の底部に接着剤３４（図１参照）を塗布し、押さえ基板１４のＶ溝２８と固定基板１２の交差部２４とが対向するようにして、交差部２４に固定されている球レンズ１６を押さえ基板１４で押さえ、固定する。
【００４５】
球レンズ１６は、交差部２４に載置しただけで安定に固定されており、その後、押さえ基板１４で加重（一方向の加重）をかけるだけで、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向の３軸の方向が決まるため、組立て後でもサブミクロンの精度を得ることができる。
【００４６】
そして、本実施の形態に係る光デバイス１０Ａでは、例えば図３に示すように、光源からの光Ｌが整列溝２２（２２Ａ〜２２Ｄ）に沿って進行し、球レンズ１６に入射されるようになっている。これにより、光の入射有効エリア等が固定基板１２や押さえ基板１４の影響を受けるということがなくなり、所望の平行光を得ることができ、設計の自由度も広くなる。また、球レンズ１６を固定基板１２に固定する場合、上述したように、交差部２４の底部に接着剤３０を充填して固定することができ、球レンズ１６の固定基板１２に対する接着強度を十分に確保することができる。これは押さえ基板１４についても同様である。
【００４７】
ところで、球レンズ１６のＸ方向とＹ方向の位置決め精度を確保するためにＶ溝を使用することは知られている。しかし、球レンズ１６を交差部２４に載置した場合と、球レンズ１６を直接整列溝２２に載置した場合とでは、それぞれの当接位置が異なることになる。
【００４８】
具体的に、図４Ａ及び図４Ｂを参照しながら説明する。まず、図４Ａに示すように、球レンズ１６を直接整列溝２２に載置すると、球レンズ１６は整列溝２２との２つの接触点３１ａ及び３１ｂにおいて当接することになる。一方、図４Ｂに示すように、球レンズ１６を交差部２４に載置すると、球レンズ１６は４つの稜２６ａ〜２６ｄにそれぞれ接触点３２ａ〜３２ｄにおいて当接することになり、図４Ｂにおいて二点鎖線で示すように、球レンズ１６を直接整列溝２２に載置した際の当接位置３１ａ及び３１ｂとは異なることとなる。
【００４９】
このような場合であっても、交差溝２０（図３参照）がほぼ所望の溝（例えば一定形状の溝）であれば、交差部２４における接触点３２ａ〜３２ｄの位置もほぼ一定となるため、交差溝２０を形成した状態でも、球レンズ１６は、整列溝２２の精度に従って整列されることになり、問題なく精度は確保できる。
【００５０】
しかしながら、球レンズ１６の整列に関し、複数の球レンズ１６（例えば頂部）が一直線に並んでさえいればよいというものでもない。固定基板１２として求められる特性の１つとして、押さえ基板１４で接着固定した際の固定基板１２と押さえ基板１４同士の間隔（＝接着層３６（図１参照）の厚み）等を厳密に管理することは、工業的にも極めて重要な要素である。
【００５１】
この間隔は、図４Ａに示すように、整列溝２２に載置された球レンズ１６のうち、球レンズ１６と整列溝２２との接触点３１ａ及び３１ｂを通る鉛直面にて球レンズ１６及び固定基板１２を切断したとき、球レンズ１６の断面円の中心Ｏａから接触点３１ａ及び３１ｂまでの距離Ｚ０を把握することで管理できる。
【００５２】
つまり、球レンズ１６を直接整列溝２２に載置するのであれば、図４Ａに示すように、球レンズ１６の前記断面円の中心Ｏａを把握しつつ、該中心Ｏａを通り、かつ、整列溝２２の形成方向に延びる線を基準に整列溝２２を加工することで、該整列溝２２を精度よく作製することができる。このとき、前記断面円の径、この場合、距離Ｚ０を、上述のように加工された整列溝２２に当接される球レンズ１６の径として設定することができる。
【００５３】
これに対して、図４Ｂに示すように、固定基板１２の交差部２４に球レンズ１６を載置した場合は、上述したように、直接整列溝２２に球レンズ１６を載置した場合とは当接位置が異なることから、交差部２４に載置された球レンズ１６のうち、球レンズ１６と交差部２４との接触点（例えば３２ｂ及び３２ｃ）を通る鉛直面にて球レンズ１６及び固定基板１２を切断したときの球レンズ１６の前記断面円の中心Ｏｂから接触点３２ｂ及び３２ｃまでの距離をＺ１と定義したとき、該距離Ｚ１は前記距離Ｚ０と異なり、しかも、互いの中心Ｏａ及びＯｂも異なることとなる。
【００５４】
従って、この距離Ｚ１の測定は、最終評価のみでなく、加工中に把握しつつ、中間製品状態の測定値Ｚ１に対して所望の距離となるように、補正値をフィードバックし、最終的に所望値となるようにするため、いちいちずれ量を計算して補正値を出すような作業であると、加工プロセスに大きな影響を与えるおそれがある。
【００５５】
このため、本実施の形態では、図４Ｃに示すように、予め当接位置（例えば３２ａ及び３２ｃ）の理論値を演算し、かつ、実際の整列溝２２の延長線上に接する仮想円１７を設定し、該仮想円１７の径Ｚ１を算出する。そして、算出された径Ｚ１に基づいて載置すべき球レンズ１６の中心Ｏｂを求め、この中心Ｏｂを整列溝２２の測定に使用する。これにより、正確に通常どおりのステップで整列溝２２の加工を行うことができる。つまり、上述のように算出された中心Ｏｂを通り、かつ、整列溝２２の形成方向に延びる線を基準に整列溝２２を加工する。これにより、整列溝２２を精度よく作製することができる。
【００５６】
ところで、図５に示すように、Ｓｉ基板４０に対してエッチングによって溝４２を形成する場合、四角錐形状の溝４２ができる。このとき、球レンズ１６は、通常のＶ溝と同様に、溝４２のテーパ面に当接することになる。テーパ面での当接なので、一見、安定でよい方法に思えるが、得られる有効レンズ径の制約が大きい。
【００５７】
具体的に説明すると、Ｓｉ基板４０に対するエッチングによって形成された溝４２の傾斜角は約７０°であるため、接触点により形成される面と球レンズ１６の中心との距離は、球レンズ１６の半径がｒの場合０．５７ｒとなる。つまり、溝４２の上縁において接触点が来るように深さを調整して溝４２を形成したとしても、球レンズ１６の４３％は溝４２内に隠れるため、その隠れた部分を含むリング状の部分は使用できないエリア（図５の球レンズ１６において白抜きで示したエリア４４）となる。加工精度や溝４２の開口部の状態からマージンをみると、半分程度の径で決まる有効エリア（図５の球レンズ１６において網掛けで示したエリア４６）しか得られない。
【００５８】
上述のように、設計の自由度が径のみである球レンズ１６において、５０％しか有効エリアがないと、さらに自由度を大きく狭めることになり大きな問題となる。
【００５９】
一方、本実施の形態の場合は、円の径ｒと、円の中心から整列溝２２の表面までの距離Ｚ０とのずれ分（ｒ−Ｚ０）は隠れることになる。しかし、その隠れた部分は領域的に小さく、同じ傾斜角７０°で両溝（整列溝２２及びＶ溝２８）を形成する場合、球レンズ１６の径で決定される最大エリアの７０％以上を光の入射有効エリアとして確保することができる。図１の例では、約８０％を確保することができる。
【００６０】
これは実際の使用を考えても、ビーム径が球レンズ１６の径と同じビームを入射させることは結合効率等の観点からもないことから、光の入射有効エリアとして７０％以上確保できれば十分である。
【００６１】
なお、球レンズ１６の径で決定される最大エリア全体を光の入射有効エリアとすることは、球レンズ１６の形状から不可能である。そのため、入射有効エリアの上限としては、前記最大エリアの１００％未満となるが、接着剤等の不確定要因を考慮して、最大エリアの９０％を確保することができる。
【００６２】
また、本実施の形態では、球レンズ１６を正確にＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向について高精度に位置決めすることができるが、これは、あくまで稜２６ａ〜２６ｄの状態によって依存し、稜２６ａ〜２６ｄのいずれかに欠け等があって精度を劣化させる要因が接触点３２ａ〜３２ｄのいずれかに存在してしまう場合も想定される。
【００６３】
特に、Ｘ方向及びＹ方向の要求仕様（位置精度）は、サブミクロンオーダなので、この影響は問題となる。
【００６４】
この問題を解決するために、本実施の形態では、Ｘ方向及びＹ方向は、交差溝２０のない通常のＶ溝、即ち、押さえ基板１４におけるＶ溝２８で位置決めし、Ｚ方向の位置精度の確保のために、交差溝２０が形成された固定基板１２を使うとより好ましい。この場合、稜２６ａ〜２６ｄのいずれかに欠け等があっても、その影響はＺ方向には及ぶが、Ｘ方向及びＹ方向に対しては押さえ基板１４のＶ溝２８で規制されるので影響は小さいものとなり好ましい。
【００６５】
ここで、球レンズ１６の接着を考える。球レンズ１６は、その表面に不純物が付着していると当然特性が変化してしまう。つまり、球レンズ１６を固定基板１２や押さえ基板１４に接着固定するために使用される接着剤３６（図１参照）が、光の透過する面に付着すると、所望の特性を得ることはできない。
【００６６】
このため、接触点３２ａ〜３２ｄの近傍のみの固定であって、球レンズ１６の中心方向にほとんど接着剤３６が回り込まないように、接着固定することが望ましい。
【００６７】
しかし、稜２６ａ〜２６ｄでの接触の場合、接触点３２ａ〜３２ｄから少しでも離れると、整列溝２２や交差溝２０の形状としてテーパ面が上方に向かって広がった形態であるため、接着に寄与する面積が小さい。従って、図６の変形例に係る光デバイス１０Ａａのように、接触点３２ａ〜３２ｄから交差部２４の底部までの間隔ｄを小さくし、接触点３２ａ〜３２ｄのみでなく交差部２４の底部でも球レンズ１６を接着剤３０を介して固定することが好ましい。これにより、十分な接着強度を得ることが可能となる。押さえ基板１４を用いる場合においても、同様に、接触点５０ａ及び５０ｂからＶ溝２８の底部までの間隔ｅを小さくすることがより好ましい。上述の間隔ｄ及びｅとしては、それぞれ５０μｍ以下であると更に好ましい。
【００６８】
これにより、交差部２４の底部と球レンズ１６の頂部（交差部２４の底部と対向する頂部）との間隔、並びにＶ溝２８の底部と球レンズ１６の頂部（Ｖ溝の底部と対向する頂部）との間隔をそれぞれ狭くすることができ、交差部２４並びにＶ溝２８に必要最低限の接着剤を塗布するだけで、球レンズ１６の固定を行うことができる。
【００６９】
また、固定基板１２と押さえ基板１４同士の安定した接着を考えた場合、基板１２及び１４間に確実に接着剤３６を充填・硬化する必要がある。この接着剤３６も球レンズ１６の光が透過する面に回り込むことを防がなくてはいけない。そこで、例えば、押さえ基板１４の一主面にＶ溝２８とは別に押さえ基板１４の側面まで延びる図示しない逃げ溝（接着剤３６が球レンズ１６の光が透過する面に流れないようにするための溝）を形成する。
【００７０】
これにより、固定基板１２と押さえ基板１４の側面から接着剤３６を塗布することで、固定基板１２と押さえ基板１４が接着剤３６にて固定されると共に、球レンズ１６における光が透過する面には接着剤３６が回り込まないため、上述した光の入射有効エリアを十分に確保することができる。
【００７１】
次に、第２の実施の形態に係る光デバイス１０Ｂについて図７Ａ及び図７Ｂを参照しながら説明する。
【００７２】
この第２の実施の形態に係る光デバイス１０Ｂは、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、多心ファイバが一体とされたリボンケーブル６０が挿入固定されるハウジング６２と、該ハウジング６２の先端に固定されるコリメータアレイ６４とを有する。ハウジング６２内には、リボンケーブル６０のチャネル数と同じ本数の光ファイバが配列されたファイバアレイ６６を有する。
【００７３】
コリメータアレイ６４は、ファイバアレイ６６に含まれる光ファイバの本数に応じた数の球状レンズ６８が配列されて構成され、各球状レンズ６８は、それぞれ対応する光ファイバと光学的に結合されている。また、各球状レンズ６８は、上述した第１の実施の形態に係る光デバイス１０Ａと同様の固定基板１２と押さえ基板１４とで挟持固定されている。
【００７４】
ここで、通常の光デバイスにおいて、コリメータアレイの要求仕様によっては、径がチャネルの配列ピッチよりも大きな球レンズを使用せざるを得ない場合があるが、上述したように、このまま使用するのは物理的に不可能である。
【００７５】
従来から、球レンズの円周を削ってレンズ部の半径ｒは変えずに、外径を小さくしてなるドラムレンズが知られている。しかし、このドラムレンズは、外周加工によって、本来の外径中心とレンズ中心の一致という球レンズの利点が損なわれてしまっていた。
【００７６】
そこで、この第２の実施の形態に係る光デバイス１０Ｂのコリメータアレイ６４は、図７Ａに示すように、球レンズ１６（例えば図１参照）の側面部分を削り、幅ｗを狭くしてなる球状レンズ６８を用い、これら球状レンズ６８をそれぞれ交差部２４に固定するようにしている。ここで、球レンズ１６の側面部分とは、隣接する球レンズ１６と対向する部分を指す。なお、第２の実施の形態では、両側に位置する球レンズ１６においても、それぞれ両側面部分を削るようにしている。これは、全てのチャネルにおける特性（光結合特性等）を一定にするためである。
【００７７】
しかも、交差部２４における接触点３２ａ〜３２ｄ（図１参照）には、球状レンズ６８の球面部分が接触することから、球レンズ１６本来の利点を損なうことがない。
【００７８】
つまり、第２の実施の形態に係る光デバイス１０Ｂは、球レンズ１６の利点を損なうことなく、チャネルの狭ピッチ化を図ることができる。例えば、半径０．６ｍｍ（φ１．２ｍｍ）の球レンズを１ｍｍピッチに並べる場合は、球レンズ１６の側面部分を削って幅０．９９ｍｍの球状レンズ６８とし、この球状レンズ６８を１ｍｍピッチの交差部に並べればよい。
【００７９】
上述の第１の実施の形態に係る光デバイス（変形例を含む）では球レンズを用い、第２の実施の形態に係る光デバイスでは球状レンズを用いたが、いずれの場合においても、光の入射有効エリアと光の出射有効エリアをほぼ同じにすることができる。これは、上述したように、所望の平行光を得ることができ、設計の自由度も広くなることにつながる。
【００８０】
【実施例】
次に、第２の実施の形態に係る光デバイス１０Ｂを４チャネル用のコリメータアレイを有する光デバイスに適用した実施例について図７Ａ及び図７Ｂも参照しながら説明する。
【００８１】
この実施例に係る光デバイスは、チャネルの配列ピッチが０．９ｍｍである。この場合、径φ１ｍｍの球レンズ１６が光学的に最適であったため、径φ１ｍｍの球レンズ１６の側面部分を削って幅０．８９ｍｍの球状レンズ６８とした。
【００８２】
使用したファイバアレイ６６は、配列ピッチが０．９ｍｍで、通常のφ１２５μｍのシングルモードファイバを使用した。外形は幅６ｍｍ×長さ１０ｍｍ×厚み３ｍｍとした。端面は、光学設計が行い易い直角としたので、反射防止のためにファイバアレイ６６の端面にＡＲコートを施した。
【００８３】
コリメータアレイ６４としては、下基板に、４つの交差部２４が形成された固定基板１２を用い、上基板に、４つのＶ溝２８が形成された押さえ基板１４を用いた。外形は幅６ｍｍ×長さ２ｍｍ×厚み３ｍｍとした。
【００８４】
まず、固定基板１２の交差部２４の表面並びに押さえ基板１４のＶ溝２８の表面にそれぞれ接着剤を薄く塗布した。次に、固定基板１２の交差部２４に球状レンズ６８を載置した。基本的には、固定基板１２の交差部２４の配列ピッチと、押さえ基板１４のＶ溝の配列ピッチが一致する状態が、一番安定で、かつ、押さえ基板１４のＶ溝２８と固定基板１２の交差溝２０が互いに直交するため、球状レンズ６８を交差部２４に載置して上下方向に加重を掛けるだけでも位置決め精度は確保できる。
【００８５】
しかし、この実施例では、念のため、まず、この組立て状態の画像を撮像し、その画像を見ながら、押さえ基板１４のＶ溝２８と固定基板１２の交差溝２０が互いに直交するように、押さえ基板１４を合わせ設置し、その後、ゆっくりと加重を掛け確実に所望の状態とした。
【００８６】
ファイバアレイ６６における各光ファイバと各球状レンズ６８とが、所望の結合距離になるようにスペーサ７０を配置した。予め固定基板１２の交差溝２０と端面の平行度を精度よく加工しておき、かつ、スペーサ７０も寸法・平行度を確保した上で、端面貼り合わせのみで結合距離、θｘ及びθｙが調整されるべくスペーサ７０をコリメータアレイ６４に貼り合わせた。
【００８７】
なお、スペーサ７０は、光ファイバと球状レンズ６８との間が空気７２となるように、両側の位置に配置した。
【００８８】
光結合の作業は次のように行った。まず、ファイバアレイ６６から直接出射するビームを画像で確認し、ビームの出射位置をコンピュータのメモリに記憶させた。次に、コリメータアレイ６４に貼り合わされているスペーサ７０の端面とファイバアレイ６４の端面とを面合わせし、次に、ｘ方向、ｙ方向及びθｚの調整を行い、記憶したビームの出射位置と各球状レンズ６４から出射されるビームの出射位置が一致するように位置合わせした。最後にスペーサ７０の端面とファイバアレイ６６の端面との間を接着剤で固定した。
【００８９】
球状レンズ６８は幅ｗが０．８９ｍｍとなるまで削ったが、交差部２４の整列溝２２から隠れる部分を除いた光の入射有効エリアは約０．８ｍｍなので、特性上問題はない。また、コリメータアレイ６４の位置精度としては、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向共に１μｍ以下であって高精度であった。
【００９０】
最後に、検査として２つのコリメータアレイ６４を２０ｍｍの距離で対向させて結合効率の測定を行った。最大でも損失が１ｄＢと良好な結果であった。
【００９１】
なお、この発明に係る光デバイスは、上述の実施の形態に限らず、この発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることは勿論である。
【００９２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る光デバイスによれば、球状レンズの固定基板に対する接着強度を十分に確保することができ、また、球状レンズにおける光の入力有効エリアを十分に大きくとることができ、更に、設計の自由度を広げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係る光デバイスの構成を示す断面図である。
【図２】第１の実施の形態に係る光デバイスの構成を示す分解斜視図である。
【図３】第１の実施の形態に係る光デバイスの他の例（複数の交差部を有する例）を示す分解斜視図である。
【図４】図４Ａは球レンズを直接整列溝に載置した状態を示す説明図であり、図４Ｂは球レンズを交差部に載置した状態を示す説明図であり、図４Ｃは第１の実施の形態において、整列溝を作製する場合の基準となる仮想円を示す説明図である。
【図５】Ｓｉ基板にエッチングにて溝を形成した場合の不都合点を示す説明図である。
【図６】変形例に係る光デバイスを示す断面図である。
【図７】図７Ａは第２の実施の形態に係る光デバイスを示す正面図であり、図７Ｂは第２の実施の形態に係る光デバイスを示す上面図である。
【符号の説明】
１０Ａ、１０Ａａ、１０Ｂ…光デバイス　１２…固定基板
１４…押さえ基板　　　　　　　　　　　１６…球レンズ
２０…交差溝　　　　　　　　　　　　　２２、２２Ａ〜２２Ｄ…整列溝
２４…交差部　　　　　　　　　　　　　２６ａ〜２６ｄ…稜
２８、２８Ａ〜２８Ｄ…Ｖ溝　　　　　　３０、３４、３６…接着剤
３２ａ〜３２ｄ…接触点　　　　　　　　６８…球状レンズ

Claims

固定基板の表面に少なくとも２つのＶ溝が交差して設けられ、前記２つのＶ溝の交差部には４つの稜が形成され、前記各稜の所定の点で球状レンズを支持し、該球状レンズが前記固定基板上に位置決め固定された光デバイスにおいて、
前記２つのＶ溝のうち、少なくとも１つのＶ溝に沿って進行する入射光が前記球状レンズに入射されることを特徴とする光デバイス。
請求項１記載の光デバイスにおいて、
前記球状レンズの形状が球体である場合に、
光の入射有効エリアが、前記球体の径で決定される最大エリアの７０％以上であることを特徴とする光デバイス。
請求項１又は２記載の光デバイスにおいて、
光の入射有効エリアと光の出射有効エリアが、ほぼ同じであることを特徴とする光デバイス。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の光デバイスにおいて、
前記交差部の底部に、前記球状レンズを前記固定基板に対して固定させる接着剤が充填されていることを特徴とする光デバイス。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の光デバイスにおいて、
前記固定基板の２つのＶ溝に対向して押さえ基板が配置され、
前記押さえ基板は、前記固定基板における交差部と共に前記球状レンズを支持し、かつ、該球状レンズを前記固定基板上に位置決め固定するＶ溝を具備していることを特徴とする光デバイス。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の光デバイスにおいて、
少なくとも前記固定基板のＶ溝の底部が平坦であることを特徴とする光デバイス。
請求項１〜６のいずれか１項に記載の光デバイスにおいて、
前記球状レンズが固定基板の交差部と接触する点を接触点と定義したとき、
少なくとも前記固定基板のＶ溝の底部と前記球状レンズの接触点との間隔が５０μｍ以下であることを特徴とする光デバイス。
請求項１〜７のいずれか１項に記載の光デバイスにおいて、
前記固定基板に複数の交差部が設けられ、
複数の前記球状レンズがそれぞれ対応する交差部に位置決め固定され、
前記交差部の配列ピッチは、前記球状レンズの直径よりも小さいことを特徴とする光デバイス。
請求項８記載の光デバイスにおいて、
前記各球状レンズは、少なくとも隣接する球状レンズと対向する部分が削られていることを特徴とする光デバイス。