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JP2018120049A - 光結合装置及びその製造方法 - Google Patents

光結合装置及びその製造方法 Download PDF

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基博 中原
哲雄 宮
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哲雄 宮
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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。
特開２０００−１２１８７１号公報
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。
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。
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。
実施形態１に係る光結合装置の構成例を示す。 配置工程の説明図である。 実施形態１に係るモードフィールド変換部の拡大図を示す。 実施形態１に係る光結合装置の別形態を示す。 光回路への接続例を示す。 実施形態２に係る光結合装置の構成例を示す。 実施形態２に係る光結合装置の構成例を示す。
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。
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。
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

Claims (8)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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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