JP6006681B2 - 光デバイスの光軸調整装置および光軸調整方法 - Google Patents

Description

本発明は、光デバイスの光軸調整装置および光軸調整方法に関し、詳細には、種々の光デバイス間相互の接続、例えば光ファイバ同士、あるいは光ファイバと光導波路との接続において、接続部を透過する伝送光強度をモニタすることによって精密光軸調整を行う前工程として、その接続部を透過する伝送光強度が検出可能となるように粗調整を自動的に行う、光デバイスの光軸調整装置および光軸調整方法に関する。

光通信、光計測などに用いられる装置、システムの光伝送路では、光ファイバ、光導波路、半導体レーザなどの光部品が数多く接続され、それらはミクロンオーダで位置決めされ、接続される必要がある。このため光部品間相互の接続作業の高速化、高効率化、省力化が重要課題となっている。

光ファイバ同士の接続・組立や光ファイバと光導波路の接続・組立など、複数の光デバイスを組み立てて、光モジュールを構成する光デバイス実装・組立工程においては、最終的な光学特性を確保するために、コア部を伝搬する光が最大値をとるように調整する光軸調整工程が必要である。このような光軸調整を行うには、伝送光強度の情報が不可欠となり、光軸調整を開始するには検出可能なレベルの伝送光強度が得られるように、あらかじめ接続する光部品の光軸を１０μｍ程度の精度で仮調整しておかなければならない。この仮調整は、光軸に平行な軸（以下、Ｚ軸という）とそれに直交する２軸（以下、Ｘ軸、Ｙ軸という）の計３軸方向に対して実施される必要がある。このとき、光軸に平行な軸に関しては、光デバイス同士の接合面接触位置を正確に把握するために、光ファイバ同士あるいは光ファイバと光導波路の端面間の距離測定が必要不可欠な工程の一つとなっている。

このような光軸の仮調整に関する従来の方法について、図１を用いて説明する。顕微鏡を用いて光導波路端の出射光を観察する方法を示したものであり、Ｘ軸及びＹ軸に関する仮調整を行うものである。（１）半導体レーザ光源１からの光を光ファイバ２を通して固定ステージ７上の光導波路３の一方の端面に当てた状態で、光ファイバ２を６軸微動ステージ６を用いて走査する。（２）光導波路３を伝搬して光導波路３の他方の端面から出射する光を顕微鏡４とＣＣＤカメラ５を用いて観察する。この手順により接続点９での光軸位置の調整をコントローラ８を介して行う。

図２はコア径の大きなマルチモードファイバ１３を一時的に使って仮調整を行う方法である。例えば、シングルモードファイバの５倍程度の大きさのコア径であるコア径５０μｍ程度のマルチモードファイバ１３を受光ファイバとして用いれば、受光側での高精度位置決めを必要としなくなるので、そこでの位置決めが容易になる。なお、図２では、光パワーメータ１４においてマルチモードファイバ１３の端面から出射する光を観察し、６軸微動ステージ１５でマルチモードファイバ１３の位置を調整する。

また、Ｚ軸方向仮調整に関しては、従来はファイバアレイブロックなどの比較的大きな光デバイスが光導波路へ接触した際に反発力が生じるのをばねの伸びなどで検知し、ばねの伸びにより距離を推定して、間隔調整する方法（接触型の方法）などが採用されてきた（特許文献１参照）。

また、非接触でＺ軸方向の微小間隔距離を測定する手段としては、一般的に光ヘテロダイン干渉計による測定方法があるが、位相差を検出する手段が必要なことや、偏波面制御をする必要があること、測定対象への入射光がコリメートされる必要があること、変調光を使う必要があるなど、特別な測定系を用意する必要があった（特許文献２参照）。

特許第４１１１３６２号公報 特許第２１２６７６２号公報

しかしながら、前述した顕微鏡を用いて光導波路端の出射光を観察するＸＹ軸に関する従来の仮調整方法では、接続部を透過する光を測定観察する方式が採られているために、例えば光ファイバ、光導波路、光ファイバの３部品を接続しようとする際に、入力側、出力側の接続部で逐次調整を行う必要のあることや、さらに、片側の光軸調整が終了した後、マルチモードファイバや顕微鏡を接続すべき光部品と入れ替えるときに、微動ステージの位置決め誤差が必ず発生するので、その誤差を解消するための余分な調整工程がさらに必要となる等のために、全工程数が多くなって、作業時間が多大となる等の問題点が存在している。

さらに、Ｚ軸の仮調整方法に関しては、上述の接触型の方法では、反発力がある程度大きくないと検知できない。よって、光ファイバアレイブロックの場合のように、光デバイス周辺を構造部材で保護したような部品の場合は適用可能であったが、単芯のファイバに適用する場合には、力が一点に集中してしまい、ファイバまたは導波路がダメージを受けることが問題となる。したがって、接触型の方法は適用対象が限定されることになっていた。

一方、非接触測定である、光ヘテロダイン干渉計による測定方法では、位相差を検出する手段が必要なことや、偏波面制御をする必要があること、測定対象への入射光がコリメートされる必要があること、変調光を使う必要がある。よって、測定用装置自体が大掛かりなものとなり、光軸調整装置に組み込むには光軸調整装置が大型化してしまうことや、非常にコスト高となるという課題があった。

本発明は前述の問題点を解決するために為されたものであり、その目的は、複数接続部の仮調整の並列処理による光軸の仮調整作業の高効率化と、安価かつ高信頼な光軸調整装置を実現することにある。

上記の課題を解決するために、一実施形態に記載された発明は、光源からの入射光の一部を反射し、一部を出射する端面を有する第１の光デバイスと、前記第１の光デバイスから出射された光の一部を前記第１の光デバイスに反射する端面を有する第２の光デバイスと、前記第２の光デバイスと前記第１の光デバイスとの相対位置を変化させるように移動させる微動ステージと、前記第１の光デバイスの入射光方向への戻り光の光強度を測定する反射光受光器と、前記反射光受光器における戻り光の強度変動と前記微動ステージの移動量とを対応させる反射光信号処理部と、前記強度変動と移動量との対応関係に基づいて目標位置となるために必要な前記微動ステージの移動量を算出する光軸調整制御部と、前記目標位置になるために必要な移動量として設定した移動量で前記微動ステージを移動させる微動ステージ制御部とを備えたことを特徴とする光デバイスの光軸調整装置である。

他の実施形態に記載された発明は、光源からの入射光の一部を反射し、一部を出射する端面を有する第１の光デバイスと、前記第１の光デバイスから出射された光の一部を前記第１の光デバイスに反射する端面を有する第２の光デバイスと、前記第２の光デバイスと前記第１の光デバイスとの相対位置を変化させるように移動させる微動ステージと、前記第１の光デバイスの入射光方向への戻り光の光強度を測定する反射光受光器と、前記反射光受光器における戻り光の強度変動と前記微動ステージの移動量とを対応させる反射光信号処理部と、前記強度変動と移動量との対応関係に基づいて目標位置となるために必要な前記微動ステージの移動量を算出する光軸調整制御部と、前記目標位置になるために必要な移動量として設定した移動量で前記微動ステージを移動させる微動ステージ制御部とを備えた光軸調整装置における光軸調整方法であって、前記第１の光デバイスに入射光を入射しながら前記微動ステージを移動させるステップと、前記微動ステージの移動量と前記戻り光の光強度を記憶するステップと、前記記憶された移動量と光強度とに基づいて、目標位置となるために必要な前記微動ステージの移動量を算出するステップと、前記微動ステージ制御部により前記微動ステージを前記算出された移動量だけ移動させるステップと、を含むことを特徴とする光軸調整方法である。

本発明は、接続部（光調整を行う箇所）が複数になっても、それらを同時に光軸調整することができ、調整時間を軽減することが可能となる。

従来の光軸粗調整装置の一例を示す図である。 従来の光軸粗調整装置の他の一例を示す図である。 第１の実施形態における光軸調整装置を示す図である。 第１の実施形態における光軸調整工程フローを示す図である。 第１の実施形態における光軸仮調整原理を説明する図である。 第２の実施形態における光軸調整装置を示す図である。 第２の実施形態における光軸調整工程フローを示す図である。 第２の実施形態における光軸仮調整原理を説明する図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

（第１の実施形態）
図３は、第１の実施形態の光軸調整装置を示す図である。なお、本明細書においては、光学部品同士が接近する方向を光軸方向とし、それをＺ軸方向と称することにする。この実施形態では、Ｚ軸方向に垂直であるＸＹ方向に関する光軸仮調整を行う。光軸調整装置は、光源２０と、光ファイバ２１と、光ファイバ２２と、微動ステージ２３と、微動ステージ２４と、反射光受光器２５と、反射光信号処理部２６と、微動ステージ制御部２７と、光軸調整制御部２８と、１×２カプラ２９とを備えて構成される。

図４は、光軸仮調整フローを示す図である。光軸仮調整開始後、光源２０から光ファイバ２１に入射された光は、光ファイバ２１の一方の端面側から空気中に光が出射される（Ｓ１）。空気中に出射された光は、光ファイバ２２の端面で反射され、再度光ファイバ２１の端面からコア部を通って、反射光受光器２５に入射される。微動ステージ制御部２７を用いて、設定範囲内においてＸＹ方向に設定ステップ量ごとに、光ファイバ２１を微動ステージ２３で移動させる（Ｓ２）。そのときに微動ステージ２３を移動した設定量と反射光受光器２５で得られる光強度の関係を、反射光信号処理部２６は、記憶部（図示せず）に記録しておく（Ｓ３）。この記録した移動量と光強度との関係に基づいて、後述する光軸仮調整方法が実装された光軸調整制御部２８は、コア位置を特定し、目標位置となるために必要な移動量を算出する（Ｓ４）。微動ステージ制御部２７により微動ステージ２３を算出した移動量に設定して目標位置に移動させる（Ｓ５）。このようにして、ＸＹ軸方向の光軸仮調整が完了する（Ｓ６）。

図５は、光ファイバ同士の接続におけるＸＹ軸方向の光軸仮調整の原理を示す図である。光ファイバＡ３０のコア部３１とクラッド部３２、及び光ファイバＢ３３のコア部３４とクラッド部分３５はその材質の屈折率が異なるために光がコア部を導波する。屈折率の異なる材料では、その反射率も屈折率に依存して異なる。空気中を伝搬した光が材料に入射するとき、空気の屈折率を１、材料の屈折率をｎとすると、その部分の反射率Ｒは下記式（１）で表される。
Ｒ＝｛（１−ｎ）／（１＋ｎ）｝^２ ・・・・式（１）

ここで一般的な光ファイバの値を入れて計算する。光ファイバＢ３３端面を反射面としたとき光ファイバＢ３３のコア部３４の屈折率をｎ１＝１．４７０、クラッド部分３５の屈折率をｎ２＝１．４５８とするとコア部３４の反射率Ｒ１＝０．０３６、クラッド部分３５の反射率Ｒ２＝０．０３３となる。したがって、この反射率差による光信号強度差を検出することにより、コア部３４とクラッド部３５の位置の特定が出来る。光軸調整制御部２８は、記憶部に記憶された、微動ステージの移動量と光信号強度差とに基づいてコア位置を特定することができる。

光源からの入力光強度を０．１ｍＷとすると、この場合コア部３４での反射光強度は、反射面が２つあることを考慮すると７．２μＷであり、またクラッド部３５での反射光強度は６．６μｍである。反射光受光部に戻ってくる光は１×２カプラで半分になるとすると、０．３μＷの差分を検出すればよいこととなり、市販の光パワーメータで十分識別可能な値である。

図４に示した光軸仮調整工程フローでは、上記原理により、Ｓ４において光軸調整制御部２８により、コア位置を特定し、Ｓ５において微動ステージ制御部２７により、コア部での反射戻り光強度に対応した微動ステージ設定位置に微動ステージ２３、２４を移動させればよいこととなる。

本実施例では、光ファイバ２部品の光軸仮調整の例を示したが、光ファイバ３部品間の２接続点の光軸仮調整も、反射戻り光の情報のみ使用しており、透過光情報を必要としないので、独立に実行可能となる。

本実施例では、一般的な光ファイバの例により、光軸仮調整を説明したが、同様に石英光導波路、有機光導波路のようにコア部とクラッド部の屈折率が異なる光デバイスであれば、適用可能である。さらに、屈折率差がより大きい光デバイスであれば、反射戻り光の強度差が大きいため、検出がより容易となる。また、光ファイバ２１を微動ステージ２３で移動させる例を示したが、光ファイバ２１が固定で、光ファイバ２２、微動ステージ２４を移動させるようにしてもよい。

（第２の実施形態）
図６は、第２の実施形態にかかる光軸調整装置の構成を示す図である。この実施形態では、光軸に平行なＺ軸方向に関する光軸仮調整を行う。光軸調整装置は、光源４０と、光ファイバ４１と、光ファイバ４２と、微動ステージ４３と、微動ステージ４４と、反射光受光器４５と、反射光信号処理部４６と、微動ステージ制御部４７と、光軸調整制御部４８と、１×２カプラ４９とを備えて構成される。

図７は、光軸に平行なＺ軸方向に関する光軸仮調整フローを示す図である。光軸仮調整開始後、光源４０からの入射光は、光ファイバ４１の一方の端面側から入射し、光ファイバ４１の他方の端面から空気中に光が出射される（Ｓ１１）。空気中に出射された光は、光ファイバ４２の端面で反射され、再度光ファイバ４１の端面からコア部を通って、反射光受光器４５に入射される。微動ステージ制御部４７を用いて、Ｚ軸方向において光ファイバ２１に近づく方向に微動ステージ４４で光ファイバ４２を移動させる（Ｓ２）。このときに微動ステージ４４を移動した移動量と反射光受光部で得られる光強度の関係を、反射光信号処理部２６は、記憶部（記載せず）に記録しておく（Ｓ１３）。この記録した移動量と光強度とに基づいて、後述する光軸仮調整方法が実装された光軸調整制御部４８により目標とする端面間距離となるために必要な移動量を算出する（Ｓ１４）。微動ステージ制御部４７により微動ステージ４４を目標とする端面間距離となる設定位置に移動させる（Ｓ１５）。このようにして、Ｚ軸方向の光軸仮調整が完了する（Ｓ１６）。

図８に第２の実施形態におけるＺ軸方向の光軸仮調整原理を示す。光ファイバ５０、光ファイバ５１を用いた例である。光ファイバ５０を光ファイバ５１に接続させるために接近しているときは、その距離は入射する光の可干渉距離より近い場合が通常であるので、光ファイバの端面と光導波路端面はいわゆるファブリペローエタロンを構成することになる。ファブリペロー干渉は、反射端面間の距離が半波長の整数倍のときに光強度振幅が最大となる。例えば、波長λの場合は、ｈ＝ｍλ／２（ｍは整数）が条件となる。ここでｈは端面間の距離である。この現象を利用して、光ファイバ端面間の光軸仮調整を行う。

光源の波長を１．５５μｍとした場合、半波長０．７２５μｍの整数倍の間隔の時に振幅が最大となる。光ファイバ５０と光ファイバ５１との間隔を５０μｍ程度の間隔になるように、微動ステージの機械原点をもとにＺ軸間隔を仮設定しておき、この距離から光ファイバ５１を光ファイバ５０に微動ステージを近づけていき、光軸調整制御部４８でその際の光強度振幅が最大となるところの数を５５回カウントすることより、Ｚ軸間隔がほぼ１０μｍ程度のところに仮調整することができる。

なお、本実施形態では、光ファイバ２部品の光軸仮調整の例を示したが、光ファイバ３部品間の２接続点の光軸仮調整も反射戻り光の情報のみ使用しており、透過光情報を必要としないので、独立に実行可能となる。

また、本実施形態では、光ファイバ同士の光軸仮調整を例として説明したが、一方が光導波路の場合でも同様に適用可能である。さらに、光ファイバ４２を微動ステージ４４で移動させる例を示したが、光ファイバ４２が固定で、光ファイバ４１と、微動ステージ４３とを移動させるようにしてもよい。

本実施形態の光軸調整装置によれば、複数接続部における光軸の仮調整を並列に実行することが出来るので、例えば光ファイバ、光導波路、光ファイバの３部品の接続においては調整時間が従来に比較して半分になること、また接続部が多数になっても、同時に調整が可能であるため、調整時間を軽減出来る等の格段の効果が得られる。

さらに光デバイス同士のＺ軸方向の光軸仮調整に関して、実装・組立を行う際において、非接触でその端面間距離を測定することが可能となったため、光デバイスの破損を防ぎ、測定を効率化するとともに、製作時の歩留りを向上して低コスト化をすることができる。

第２の実施形態の微動ステージ４３、４４として、Ｚ軸方向のみならずＸＹ軸方向にも移動可能な微動ステージを用いることによって、３軸方向の調整が可能である。

２０ 光源
２１ 光ファイバ
２２ 光ファイバ
２３ 微動ステージ
２４ 微動ステージ
２５ 反射光受光器
２６ 反射光信号処理部
２７ 微動ステージ制御部
２８ 光軸調整制御部
２９ １×２カプラ
４０ 光源
４１ 光ファイバ
４２ 光ファイバ
４３ 微動ステージ
４４ 微動ステージ
４５ 反射光受光器
４６ 反射光信号処理部
４７ 微動ステージ制御部
４８ 光軸調整制御部
４９ １×２カプラ

Claims (2)

1. 光源からの入射光の一部を反射し、一部を出射する出射端面を有する第１の光デバイスと、
   前記第１の光デバイスから出射された光の一部を前記第１の光デバイスに反射する反射端面を有する第２の光デバイスと、
   前記第２の光デバイスと前記第１の光デバイスとの相対位置を光軸に平行な軸方向に沿って変化させるように移動する微動ステージと、
   前記第１の光デバイスの入射光方向への戻り光の光強度を測定する反射光受光器と、
   前記反射光受光器における前記戻り光の光強度と前記微動ステージの移動量とを対応付けて記憶する反射光信号処理部と、
   前記戻り光の強度変動と移動量との対応関係に基づいて目標位置となるために必要な前記微動ステージの移動量を算出する光軸調整制御部と、
   前記目標位置になるために必要な移動量として設定した移動量で前記微動ステージを移動させる微動ステージ制御部とを備え、
   前記光源が、前記第１の光デバイスに入射光を入射し、
   前記微動ステージが、前記第１の光デバイスの前記出射端面と前記第２の光デバイスの前記反射端面との間隔を変化させ、
   前記光軸調整制御部が、前記反射光信号処理部に記憶された前記光強度と前記移動量とに基づいて、前記第１の光デバイスの前記出射端面と前記第２の光デバイスの前記反射端面とで構成されたファブリーペローエタロンの干渉によって生じる前記戻り光の強度変動において前記光強度が最大となる回数と前記入射光の波長とから前記第１の光デバイスの前記出射端面と前記第２の光デバイスの前記反射端面との間の距離を特定して、前記目標位置となるために必要な前記微動ステージの移動量を算出することを特徴とする光デバイスの光軸調整装置。
2. 光源からの入射光の一部を反射し、一部を出射する出射端面を有する第１の光デバイスと、前記第１の光デバイスから出射された光の一部を前記第１の光デバイスに反射する反射端面を有する第２の光デバイスと、前記第２の光デバイスと前記第１の光デバイスとの相対位置を光軸に平行な軸方向に沿って変化させるように移動する微動ステージと、前記第１の光デバイスの入射光方向への戻り光の光強度を測定する反射光受光器と、前記反射光受光器における前記戻り光の光強度と前記微動ステージの移動量とを対応付けて記憶する反射光信号処理部と、前記戻り光の強度変動と移動量との対応関係に基づいて目標位置となるために必要な前記微動ステージの移動量を算出する光軸調整制御部と、前記目標位置になるために必要な移動量として設定した移動量で前記微動ステージを移動させる微動ステージ制御部とを備えた光軸調整装置における光軸調整方法であって、
   前記光源が、前記第１の光デバイスに入射光を入射するステップと、
   前記微動ステージが、前記第１の光デバイスの前記出射端面と前記第２の光デバイスの前記反射端面との間隔を変化させるステップと、
   前記光軸調整制御部が、前記反射光信号処理部に記憶された前記光強度と前記移動量とに基づいて、前記第１の光デバイスの前記出射端面と前記第２の光デバイスの前記反射端面とで構成されたファブリーペローエタロンの干渉によって生じる前記戻り光の強度変動において前記光強度が最大となる回数と前記入射光の波長とから前記第１の光デバイスの前記出射端面と前記第２の光デバイスの前記反射端面との間の距離を特定して、前記目標位置となるために必要な前記微動ステージの移動量を算出するステップと、
   を含むことを特徴とする光軸調整方法。

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