(57)【要約】【課題】光学要素間の距離の設定の自由度が大きく、高度な調芯技術が不要な光デバイス（ユニット）を提供する。【解決手段】半透過型光素子１を中心として左右両側にレンズ手段２、３が配置され、レンズ手段２の外側には出射用光ファイバ４と入射用光ファイバ５が対をなして配置され、レンズ手段３の外側には出射用光ファイバ６と入射用光ファイバ７が対をなして配置され、レンズ手段２、３はそれぞれに対応する光ファイバに合わせて一対のレンズ２ａ，２ｂ及び３ａ，３ｂから構成され、また、前記対をなす出射用及び入射用の光ファイバ４、５または６、７の光軸間距離Ｌ１は前記一対のレンズ２ａ，２ｂまたは３ａ，３ｂの光軸中心間距離Ｌ２より大きく、且つ各光ファイバの光出射端または入射端と各光ファイバに対応するレンズの光軸中心と半透過型光素子の透過点または反射点は一直線状に配置されている。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半透過型光素子を中心として左右両側の少なくとも一方の側に出射用光ファイバと入射用光ファイバが対をなして配置され、左右一方の側の出射用光ファイバから出射した光をレンズ手段で集光せしめ、この集光した光を半透過型光素子を透過させ又は同素子で反射させて左右の入射用光ファイバに選択的に入射せしめるようにした光デバイスユニットにおいて、前記レンズ手段は対をなす出射用及び入射用の光ファイバに対応した一対のレンズからなり、また前記対をなす出射用及び入射用の光ファイバの光軸間距離は前記一対のレンズの光軸中心間距離より大きく、且つ各光ファイバの光出射端または入射端と各光ファイバに対応するレンズの光軸中心と半透過型光素子の透過点または反射点は一直線状に配置されていることを特徴とする光デバイスユニット。
【請求項２】
請求項１に記載の光デバイスユニットにおいて、前記光ファイバは多モード光ファイバであり、出射用ファイバの光出射端と半透過型光素子の透過点または反射点、また入射用光ファイバの光入射端と半透過型光素子の透過点または反射点とがそれぞれ幾何光学的な共役関係にあることを特徴とする光デバイスユニット。
【請求項３】
請求項１に記載の光デバイスユニットにおいて、前記光ファイバは単一モード光ファイバであり、出射用光ファイバの光出射端、半透過型光素子の透過点または反射点、また入射用光ファイバの光入射端のいずれの位置にもガウシアンビームのビームウェストが形成されることを特徴とする光デバイスユニット。
【請求項４】
請求項１に記載の光デバイスユニットにおいて、前記レンズは軸外収差を補正する手段を備えていることを特徴とする光デバイスユニット。
【請求項５】
請求項４に記載の光デバイスユニットにおいて、前記軸外収差を補正する手段は、レンズの直交する２軸の光学的パワーを変化させた形状であることを特徴とする光デバイスユニット。
【請求項６】
請求項１に記載の光デバイスユニットにおいて、前記半透過型光素子は分波フィルタまたは液晶シャッタなどの反射／透過切替素子であることを特徴とする光デバイスユニット。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の光デバイスユニットが１次元または２次元状に複数個連設されていることを特徴とする光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光分波モジュール、光アッド・ドロップモジュール、利得等化器、パワーモニターなどとして用いられる光デバイスユニット、及びこの光デバイスユニットを複数個集合した光デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
４端子モジュールの例として知られる光分波モジュールは、図１５に示すように分波フィルタ１００の両側に屈折率分布型ロッドレンズ１０１，１０２を配置し、更に屈折率分布型ロッドレンズ１０１，１０２の外側にそれぞれ対をなす出射用光ファイバ１０３，１０５と入射用光ファイバ１０４，１０６を配置している。
【０００３】
そして、出射用光ファイバ１０３から出射した波長（λ１＋λ２）の光を屈折率分布型ロッドレンズ１０１を介して分波フィルタ１００に当て、波長（λ１）の光については分波フィルタ１００で反射しロッドレンズ１０１を介して入射用光ファイバ１０４に入射せしめ、波長（λ２）の光については分波フィルタ１００を透過しロッドレンズ１０２を介して光ファイバ１０６に入射せしめ、同様に出射用光ファイバ１０５から出射した波長（λ３＋λ４）の光を屈折率分布型ロッドレンズ１０２を介して分波フィルタ１００に当て、波長（λ４）の光については分波フィルタ１００で反射しロッドレンズ１０２を介して入射用光ファイバ１０６に入射せしめ、波長（λ３）の光については分波フィルタ１００を透過しロッドレンズ１０１を介して光ファイバ１０４に入射せしめる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図１６は図１５に示した光学系と等価な光学系を凸レンズを用いて示したものであり、斯かる光学系は、光ファイバ１０３、１０４、１０５、１０６とレンズ１０１、１０２との距離、レンズ１０１、１０２と分波フィルタ１００との距離がともにレンズの焦点距離ｆとなるように設定している。
光ファイバは多くの場合、シリコンやガラスで作製された断面がＶ字状の平行な溝（所謂、平行溝）に配列固定される。このように光ファイバ１０３、１０４が平行に配置されたとき、上記の光学系は反射光を最も効率よく光ファイバ１０４で受光するための構成、即ちテレセントリック光学系となっている。
【０００５】
上述した従来の光学系において、光ファイバとレンズとの距離、レンズと分波フィルタ（光機能素子）との距離が焦点距離と異なる場合には、図１７に示すように分波フィルタで反射した光の主光線がレンズの光軸に対して傾斜し、このため受光側の光ファイバをこれにしたがって傾斜させなければならないなどの不具合が生じる。
【０００６】
即ち、反射光の主光線が傾斜するのを避けるためにテレセントリック光学系を構成しようとすると、光ファイバ−レンズ間距離とレンズ−光機能素子間距離をともにレンズの焦点距離にする必要があり、例えば、光機能素子の構造の都合などでレンズ−光機能素子間距離を長くする必要がある場合、長い焦点距離をもつレンズはその直径も大きくなるため、光学系の寸法が大きくなってしまうという難点がある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明に係る光デバイスユニットは、半透過型光素子を中心として左右両側に出射用光ファイバと入射用光ファイバが対をなして配置され、左右一方の側の出射用光ファイバから出射した光をレンズ手段で集光せしめ、この集光した光を半透過型光素子を透過させ、また同素子で反射させて左右の入射用光ファイバに選択的に入射せしめるようにした光デバイスユニットであって、前記レンズ手段は対をなす出射用及び入射用の光ファイバに対応した一対のレンズからなり、また前記対をなす出射用及び入射用の光ファイバの光軸間距離は前記一対のレンズの光軸中心間距離より大きく、且つ各光ファイバの光出射端または入射端と各光ファイバに対応するレンズの光軸中心と半透過型光素子の透過点または反射点は一直線状に配置された構成とした。
【０００８】
このように、従来１個のレンズで構成していた部分を２個のレンズで構成し、これらレンズの光軸中心間距離と光ファイバの光軸間距離を適正に調整することで、自由度をもった光学設計が可能になる。
【０００９】
また、本発明に係る光デバイスユニットにおいて、光ファイバとして多モード光ファイバを用いる場合には、第１の光ファイバの光出射端と反射型光素子の反射点、また第２の光ファイバの光入射端と反射型光素子の反射点とがそれぞれ幾何光学的な共役関係にあることが好ましく、また光ファイバとして単一モード光ファイバを用いる場合には、第１の光ファイバの光出射端、反射型光素子の反射点、また第２の光ファイバの光入射端のいずれの位置にもガウシアンビームのビームウェストが形成される構成にすることが好ましい。
【００１０】
また、前記レンズは軸外収差を補正する手段を備えていることが好ましく、軸外収差を補正する手段としては、レンズの直交する２軸の光学的パワーを変化させた形状が考えられる。例えば、いわゆるトーリックレンズや、軸外の非点収差、コマ収差を補正するように設計、作製された回折光学素子（ＤＯＥ）レンズなどが使用できる。
【００１１】
尚、本発明における半透過型光素子としては、例えば分波フィルタまたは液晶シャッタなどの反射／透過切替素子などが考えられる。
【００１２】
また、本発明に係る光デバイスは上記の光デバイスユニットが１次元または２次元状に複数個連設された構成であり、斯かる光デバイス或いは光デバイスユニットのレンズとしては、マイクロレンズアレイが好適である。マイクロレンズアレイは、ガラス基板などの透明基板の表面に多数の凸レンズを所定のパターンで形成したものであるが、本発明においては特に２つのレンズが対をなすように、その一部が切断され、切断された部分を突き合わせた形状のレンズ部とするのがより好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る光デバイスユニットのうち４端子モジュールの構成図であり、光デバイスユニットは、半透過型光素子１を中心として左右両側にレンズ手段２、３が配置され、レンズ手段２の外側には出射用光ファイバ４と入射用光ファイバ５が対をなして配置され、レンズ手段３の外側には出射用光ファイバ６と入射用光ファイバ７が対をなして配置されている。
【００１４】
特に本発明にあっては、レンズ手段２、３はそれぞれに対応する光ファイバに合わせて一対のレンズ２ａ、２ｂ及び３ａ、３ｂから構成され、また、前記対をなす出射用及び入射用の光ファイバ４、５または６、７の光軸間距離Ｌ１は前記一対のレンズ２ａ、２ｂまたは３ａ、３ｂの光軸中心間距離Ｌ２より大きく、且つ各光ファイバの光出射端または入射端と各光ファイバに対応するレンズの光軸中心と半透過型光素子の透過点または反射点は一直線状に配置されている。
つまり、各光ファイバ４、５、６、７の光出射端または光入射端と半透過型光素子５の透過点または反射点とがそれぞれ幾何光学的な共役関係となる。
【００１５】
前記半透過型光素子１として、分波フィルタを用いた場合の作用を図２に基づいて説明すると、（ａ）に示すように、出射用光ファイバ（多モード光ファイバ）４から複数波長（λ１＋λ２）を含む光が分波フィルタに入射すると、特定の波長（λ１）の光のみが透過し、入射用光ファイバ７に入射する。そして、分波フィルタが特定の波長（λ２）を反射するように設計されている場合には、同時に反射光（λ２）が入射用光ファイバ５に入射する。
また、（ｂ）に示すように、出射用光ファイバ６から複数波長（λ３＋λ４）を含む光が分波フィルタに入射すると、特定の波長（λ３）の光のみが透過し、入射用光ファイバ７に入射する。そして、分波フィルタが特定の波長（λ４）を反射するように設計されている場合には、同時に反射光（λ４）が入射用光ファイバ７に入射する。
【００１６】
一方、単一モード光ファイバを用いる場合には、図３に示すように、各光ファイバ４、５、６、７の光出射端または光入射端、半透過型光素子１の透過点または反射点のいずれの位置にもガウシアンビームのビームウェストが形成されるように各要素間の距離を設定する。
【００１７】
前記反射型光素子１としては、分波フィルタの他に液晶シャッタなどの反射／透過切替素子を用いてもよい。反射／透過切替素子を用いると、電気信号入力によって光ファイバ４から出射した光を、光ファイバ５または光ファイバ７のいずれかに入射せしめる切替動作を行うことができる。
【００１８】
尚、前記レンズ手段２、３は軸外収差を補正するために、レンズの直交する２軸の光学パワーを変化させた形状になっている。前述のトーリックレンズやＤＯＥレンズがこれに相当する。
【００１９】
図４は図１に示した光デバイスユニットを要素とする光デバイスの構成図であり、光デバイスは上記した光デバイスユニットを１次元または２次元状に複数個連設した構成となっている。光デバイスユニットは全て同一のものを連設してもよいが、異ならせてもよい。例えば、各光デバイスユニットの半透過型光素子１として、異なる分波特性をもつ分波フィルタを配列すれば、入射側の各光ファイバ４、５、６、７に異なる波長の光を入射させることができる。
【００２０】
図５は本発明に係る光デバイスユニットのうち３端子モジュールの構成図であり、光デバイスユニットは、第１の光ファイバ４、第２の光ファイバ５、第１のレンズ２ａ、第２のレンズ２ｂ、半透過型光素子１及び第４の光ファイバ７から構成され、第１の光ファイバ４から出射した光が第１のレンズ２ａで集光されて半透過型光素子１方向に向い、この半透過型光素子１で前記第１の光ファイバ４から出射した光の一部（波長λ１）が反射され、この反射した光は第２のレンズ２ｂで集光されて第２の光ファイバ５に入射し、また半透過型光素子１を透過した光（波長λ２）は第４の光ファイバ７に入射する。
【００２１】
この実施例にあっても、第１及び第２の光ファイバ４、５の光軸間距離Ｌ１は第１及び第２のレンズ２ａ、２ｂの光軸中心間距離Ｌ２より大きく、且つ第１の光ファイバ４の光出射端と第１のレンズ２ａの光軸中心と半透過型光素子１の反射点（透過点）は一直線状になり、また半透過型光素子１の反射点（透過点）と第２のレンズ２ｂの光軸中心と第２の光ファイバ５の入射端も一直線状になっている。そして、第３の光ファイバ６、第４の光ファイバ７の光入射端は半透過型光素子１を中心として第１の光ファイバ４、第２の光ファイバ５と対称位置にある。
【００２２】
また、光ファイバとして多モード光ファイバを用いた場合、単一モード光ファイバを用いた場合の各要素間の距離の設定は、前記した実施例と同じであり、反射型光素子５の具合例も前記実施例と同一である。
【００２３】
図１に示したように、光デバイスユニットを構成する一対のレンズ２ａ、２ｂの近接する部分はレンズとして有効に利用されていない。そこで、図６（４端子）、図７（３端子）及び図６のＡ方向矢視図である図８に示すように、マイクロレンズアレイを作製する場合には、近接した部分を除去した形状、具体的には、光軸方向から見て対をなすレンズ２ａ、２ｂの中心を結ぶ線分の垂直２等分線に沿って切除し、この切除された部分を突き合わせた形状にするようにしてもよい。
【００２４】
上記の光デバイスを構成するマイクロレンズアレイとしては、図９に示すように、ガラスなどの透明基板１０の表面に高屈折率樹脂からなる一対のレンズ２ａ、２ｂ（３ａ、３ｂ）を突状に形成した構成、或いは図７に示すように、透明基板１０の表面に凹部を形成し、この凹部に高屈折率樹脂を充填して一対のレンズ２ａ、２ｂ（３ａ、３ｂ）とする構成が考えられる。
【００２５】
図９に示す構造のマイクロレンズアレイを製造するには、例えばガラスなどの透明基板１０の表面に高屈折率樹脂を盛り付け、盛り付けた高屈折率樹脂をガラス型などでプレス成形し、この後、紫外線あるいは熱によって高屈折率樹脂を硬化せしめる。
【００２６】
また、図１０に示す構造のマイクロレンズアレイを製造するには、例えばガラスなどの透明基板１０の表面にマスクを介してエッチングを施して凹部を形成し、この凹部に高屈折率樹脂を充填し、この後、紫外線あるいは熱によって高屈折率樹脂を硬化せしめる。
尚、マイクロレンズアレイを製造する方法は上記に限定されず、イオン交換法などでも可能である。
【００２７】
次に、具体的な設計数値例を挙げて本発明に係る光デバイスを説明する。ここで、図１１（ａ）は光ファイバ間距離を１２５μｍとした場合の設計値の表、（ｂ）は光ファイバ間距離を２５０μｍとした場合の設計値の表、（ｃ）は設計値の説明に供する図である。図１２（ａ）は図１１に示した設計値のうち倍率とレンズ径の関係を示すグラフ、（ｂ）は倍率と開口率の関係を示すグラフ、（ｃ）は倍率とレンズ−光機能素子間距離の関係を示すグラフである。また図１３（ａ）は従来のテレセントリック光学系によって光ファイバ間距離を１２５μｍとした場合の設計値の表、（ｂ）は同じく光ファイバ間距離を２５０μｍとした場合の設計値の表、（ｃ）は設計値の説明に供する従来のテレセントリック光学系の図である。図１４（ａ）は図１３に示した設計値のうちレンズ径と開口率との関係を示すグラフ、（ｂ）はレンズ径とレンズ−光機能素子間距離との関係を示すグラフ、（ｃ）はレンズ径とビームウェスト径との関係を示すグラフである。
【００２８】
図１１において、通常光ファイバの径は１２５μｍであるので、光ファイバ間距離を１２５μｍとすることは、２本の光ファイバを密接させた状態（これ以上間隔を小さくすることはできない状態）を意味する。
そして、この場合にレンズ−光機能素子間距離Ｌ／２が与えられると、結像倍率βおよびレンズ径ＰＬが決められる。例えば図１２（ｃ）から、Ｌ／２＝１ｍｍの場合、βは約４倍、Ｌ／２＝２．５ｍｍの場合、βは約８．５倍が必要となり、この倍率に対応するレンズ径は、図１２（ａ）から、それぞれＰＬ＝１００μｍ、１１２μｍであり、１０％強しか変化しない。換言すれば、本発明の光デバイスによれば、レンズ径をあまり変化させずにレンズ−光機能素子間距離を変化させることができ、光機能素子の都合によってレンズ−光機能素子間距離を長くさせなければならない場合などに有利である。
【００２９】
また、図１１において、光ファイバ間距離を２５０μｍとすると、図１２（ｃ）に示すように、同じ倍率でレンズ−光機能素子間距離Ｌ／２を約２倍に延ばすことができる。このことも光デバイスの設計における自由度が高くなることにつながる。
【００３０】
一方、図１３、図１４に示すように、テレセントリック光学系の場合には、レンズ−光機能素子間距離Ｌ／２−＝ｆ、光ファイバ−レンズ間距離もｆに固定され、設計の自由度が小さくなり、また、光ファイバ間距離１２５μｍの光学系で、Ｌ／２−＝１ｍｍとするとレンズ径は約５００μｍ、Ｌ／２−＝２．５ｍｍではレンズ径は約１ｍｍとなり２倍も大きくする必要があり、装置全体の大型化につながる。
【００３１】
更に、本発明のもう一つの実施の形態として単一モード光ファイバアレイ、レンズアレイ及び半透過型光素子からなる図４に示すような光デバイスを構成した。光学系は図３に示すものに該当する。この実施例は透過型光学系に限定する。
【００３２】
レンズアレイのレンズ素子は樹脂を成形して形成した。一対のレンズ素子に対応した凹部が対になって配列されたレンズアレイ用成形型を準備する。この成形型に離型剤を塗布したのち、紫外線硬化型のエポキシ樹脂を流下し、それにガラス基板を押し当てる。その状態で紫外線を照射して樹脂を硬化したのち、離型してレンズアレイを得た。半透過型光素子は波長１５５０ｎｍにおいて９０％を反射し、１０％を透過する部分反射鏡であり、一方のレンズアレイのガラス基板の裏面にＡｕ膜を蒸着して形成した。
【００３３】
製作したレンズ素子の直径ＰＬは５００μｍであり、一対のレンズ間距離Ｌ２は５００μｍとした。即ち、一対のレンズ素子は互いに接した位置に配置され、図３に示す光学系が形成された。レンズ素子の焦点距離ｆは波長１５５０ｎｍにおいて１．０７５ｍｍであり、開口数ＮＡは０．２３３であった。また、使用した単一モード光ファイバのモードフィールド径は１０．５μｍである。
【００３４】
光デバイスの組立は次の手順で行う。二つレンズアレイと半透過面間距離Ｌ／２をレンズアレイ基板の厚み（２つのレンズアレイで等しく設定する）の調整により設定した後、光ファイバ４から波長１５５０ｎｍの光を入射する。この光がレンズ２ａを介して半透過型光素子１に入射し、反射された光がレンズ２ｂにより集光されて光ファイバ５に結合する際、挿入損失が最小になるようにレンズに対する光ファイバの位置（光ファイバの光軸間距離Ｌ１、光ファイバ端面とレンズ間の距離ｄ０）と半透過型光素子のあおり角を調整した。つぎに半透過型光素子１を透過した光がレンズ３ｂに入射し、光ファイバ７に結合し、挿入損失が最小となるように光ファイバの位置を調整した。
【００３５】
このような光デバイスにおいて、レンズと半透過型光素子の距離Ｌ／２を変化させたときの透過側挿入損失の測定を行った。Ｌ／２を４．０、６．０、８．０ｍｍに変化させたときの各部の寸法の計算値もあわせて表１に示す。挿入損失の測定結果は、図１８に示す通りである。Ｌ／２が６〜１０ｍｍの範囲で挿入損失ＩＬが低くなり、Ｌ／２＝９ｍｍのとき、ＩＬの最小値０．６ｄＢが得られた。ただしこのＩＬは、半透過面の反射による減衰量分を除いた過剰挿入損失である。なお、透過側についても同様な特性が得られた。
【００３６】
【表１】
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【００３７】
【発明の効果】
以上に説明したように本発明によれば、結像光学系であるので、光学要素間の距離の設定の自由度が大きく、利用範囲が広い。
また、光学要素間の間隔を等間隔且つ高精度に形成しやすく、高度な調芯技術が不要となる。
【００３８】
特に、対をなすレンズの近接する部分を切除しレンズとして有効に作用する部分のみを集合させたマイクロレンズアレイとすることで、デバイスの小型化を達成することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光デバイスユニットのうち４端子モジュールの構成図
【図２】（ａ）及び（ｂ）は図１に示した光デバイスユニットの作用を説明した図
【図３】単一モードの光ファイバを用いた場合の作用を説明した図
【図４】図１に示した光デバイスユニットを要素とする光デバイスの構成図
【図５】別実施例に係る光デバイスユニットの作用を説明した図
【図６】別実施例に係る光デバイスの構成図
【図７】別実施例に係る光デバイスの構成図
【図８】図６のＡ方向矢視図
【図９】図６に示した光デバイスを構成するマイクロレンズアレイの断面図
【図１０】マイクロレンズアレイの別実施例を示す断面図
【図１１】（ａ）は光ファイバ間距離を１２５μｍとした場合の設計値の表、（ｂ）は光ファイバ間距離を２５０μｍとした場合の設計値の表、（ｃ）は設計値の説明に供する図
【図１２】（ａ）は図１１に示した設計値のうち倍率とレンズ径の関係を示すグラフ、（ｂ）は倍率と開口率の関係を示すグラフ、（ｃ）は倍率とレンズ−光機能素子間距離の関係を示すグラフ
【図１３】（ａ）は従来のテレセントリック光学系によって光ファイバ間距離を１２５μｍとした場合の設計値の表、（ｂ）は同じく光ファイバ間距離を２５０μｍとした場合の設計値の表、（ｃ）は設計値の説明に供する従来のテレセントリック光学系の図
【図１４】（ａ）は図１３に示した設計値のうちレンズ径と開口率との関係を示すグラフ、（ｂ）はレンズ径とレンズ−光機能素子間距離との関係を示すグラフ、（ｃ）はレンズ径とビームウェスト径との関係を示すグラフ
【図１５】従来の光分波モジュールの構成図
【図１６】図１５に示した光学系と等価な光学系を凸レンズを用いて示した図
【図１７】従来の光分波モジュールの問題点を説明した図
【図１８】本発明における光デバイスの挿入損失の測定結果
【符号の説明】
１…半透過型光素子、　２、３…レンズ手段、　２ａ，２ｂ、３ａ，３ｂ…レンズ、　４、６…出射用光ファイバ、　５、７…入射用光ファイバ、　１０…透明基板、　Ｌ１…対をなす光ファイバ４、５（６、７）の光軸間距離、　Ｌ２…対をなすレンズ２ａ，２ｂ（３ａ，３ｂ）の光軸中心間距離。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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