(57)【要約】【課題】個々の光学要素の特性のバラツキが小さく、チャネル間のクロストークが小さいアレイ型光学素子を提供する。【解決手段】複数の光学要素がアレイ状に配置されたアレイ型光学素子において、一辺に複数のＶ溝が形成され第１基板と、前記Ｖ溝の形成された辺に対向して接合された第２基板と、前記Ｖ溝の２辺と前記第２基板の１辺とに接して固定され、個々のチャネルの光軸が相互に平行となる光学要素とを備え、前記第１基板および前記第２基板は、遮光性を有する材料からなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のチャネルの光学要素がアレイ状に配置されたアレイ型光学素子において、
一辺に複数のＶ溝が形成され第１基板と、
前記Ｖ溝の形成された辺に対向して接合された第２基板と、
前記Ｖ溝の２辺と前記第２基板の１辺とに接して固定され、個々のチャネルの光軸が相互に平行となる光学要素とを備え、
前記第１基板および前記第２基板は、遮光性を有する材料からなることを特徴とするアレイ型光学素子。
【請求項２】
前記第１基板および前記第２基板は、（１）カーボン含有ガラス、（２）カーボン、シリコン、酸化チタンのいずれかを含有する樹脂、（３）セラミックのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載のアレイ型光学素子。
【請求項３】
前記光学要素は、カーボン含有の熱硬化型エポキシ樹脂により固定されていることを特徴とする請求項２に記載のアレイ型光学素子。
【請求項４】
前記第１基板および前記第２基板は、金属であることを特徴とする請求項１に記載のアレイ型光学素子。
【請求項５】
前記光学要素は、半田により固定されていることを特徴とする請求項４に記載のアレイ型光学素子。
【請求項６】
前記光学要素は、屈折率が半径方向に変化する屈折率プロファイルを有するグレーデッドインデックス型光ファイバであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のアレイ型光学素子。
【請求項７】
前記光学要素は、ステップインデックス型光ファイバであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のアレイ型光学素子。
【請求項８】
前記光軸と交差する、前記第１基板および前記第２基板の側面および前記光学要素の端面が、前記光軸と９０度±１０度以内の角度を有することを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載のアレイ型光学素子。
【請求項９】
複数の光学要素がアレイ状に配置されたアレイ型光学素子の製造方法において、
第１基板の一面に、複数の平行するＶ溝を形成する工程と、
前記Ｖ溝を形成した面に接着剤を塗布し、光学要素を前記Ｖ溝に配設する工程と、
前記第１基板の前記Ｖ溝を形成した面と、第２基板とを接合して、接着剤を硬化させる工程と、
前記光学要素の光軸と垂直な面において、所望の幅で切断する工程とを備え、
前記第１基板および前記第２基板は、遮光性を有する材料からなることを特徴とするアレイ型光学素子の製造方法。
【請求項１０】
前記光学要素は、同一の光ファイバ心線を分割したものであることを特徴とする請求項９に記載のアレイ型光学素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アレイ型光学素子に関し、より詳細には、レンズ、フィルタ、アパーチャ等の光学的な機能素子が集積されたアレイ型光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光ファイバ伝送の普及に伴い、多数の光素子を高密度に集積する技術が求められている。特に、波長多重分割伝送方式においては、複数の波長の光信号を一括して取り扱うことから、同じ機能の光学素子を、波長の数だけ集積する必要が有る。例えば、複数の発光素子または受光素子を、１つのパッケージに収容した光モジュールが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、シリコン基板または石英基板上に、光導波路、光導波路からなる光素子を集積した平面光波回路（以下、ＰＬＣ：Planar Lightwave Circuitという）が知られている。ＰＬＣには、例えば、合分波器、分岐・結合器、光変調器などの光機能素子が形成され、複数のチャネルの光機能素子を集積することができる。特許文献１には、上記光モジュールとＰＬＣモジュールとを接続して、伝送端局における光送受信器を構成することが開示されている。これら光モジュールとＰＬＣモジュールとは、生産性、信頼性が高く、集積化、高機能化の点で優れている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１２８５１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した光モジュールとＰＬＣとの接続、光ファイバと、光モジュールまたはＰＬＣモジュールとの接続は、複数の光信号を一括して、しかも高い結合効率で結合することが求められている。そこで、例えば、光ファイバから出射された光信号を、コリメートしたり、集光して、光モジュールに結合させるためのマイクロアレイレンズ等の光学要素が用いられている。マイクロアレイレンズは、例えば、ガラス基板の一部に屈折率の異なる部分を形成してレンズ効果を与えたり、ガラス基板上に微小な半球構造を、エッチングにより形成することにより作製される。
【０００６】
しかしながら、これらマイクロアレイレンズは、製造誤差のために、個々のレンズの特性のバラツキが大きいという問題があった。また、光モジュールとＰＬＣとの接続の場合、複数のチャネルを近接して配置することから、隣接するチャネル間でのクロストークが小さい方が望ましい。上述したレンズの特性のバラツキが大きいために、クロストークが劣化する場合がある。加えて、光モジュールの蓋で反射した光、光素子で反射された光等がＰＬＣに入射したり、ＰＬＣの光導波路以外の部分から漏洩した光が光素子に入射することにより、クロストークが劣化するという問題もあった。
【０００７】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、個々の光学要素の特性のバラツキが小さく、チャネル間のクロストークが小さいアレイ型光学素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、複数の光学要素がアレイ状に配置されたアレイ型光学素子において、一辺に複数のＶ溝が形成され第１基板と、前記Ｖ溝の形成された辺に対向して接合された第２基板と、前記Ｖ溝の２辺と前記第２基板の１辺とに接して固定され、個々のチャネルの光軸が相互に平行となる光学要素とを備え、前記第１基板および前記第２基板は、遮光性を有する材料からなることを特徴とする。
【０００９】
前記第１基板および前記第２基板は、（１）カーボン含有ガラス、（２）カーボン、シリコン、酸化チタンのいずれかを含有する樹脂、（３）セラミックのいずれかが好適であり、前記光学要素は、カーボン含有の熱硬化型エポキシ樹脂により固定される。
【００１０】
また、前記第１基板および前記第２基板は、金属とすることもでき、前記光学要素は、半田により固定される。
【００１１】
前記光学要素として、グレーデッドインデックス型光ファイバまたはステップインデックス型光ファイバを用いることができる。
【００１２】
請求項９に記載の発明は、複数の光学要素がアレイ状に配置されたアレイ型光学素子の製造方法において、第１基板の一面に、複数の平行するＶ溝を形成する工程と、前記Ｖ溝を形成した面に接着剤を塗布し、光学要素を前記Ｖ溝に配設する工程と、前記第１基板の前記Ｖ溝を形成した面と、第２基板とを接合して、接着剤を硬化させる工程と、前記光学要素の光軸と垂直な面において、所望の幅で切断する工程とを備え、前記第１基板および前記第２基板は、遮光性を有する材料からなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように、本発明によれば、第１基板、光学要素および第２基板から構成されるアレイ型光学素子のうち、第１基板および第２基板を遮光性を有する材料とすることにより、個々の光学要素の特性のバラツキを小さく、チャネル間のクロストークを小さくすることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本実施形態では、アレイ型光学素子の一例として、４チャネルのマイクロアレイレンズ、光フィルタおよびアパーチャについて説明する。
【００１５】
図１に、本発明の一実施形態にかかるマイクロアレイレンズの構造を示す。図１は、マイクロアレイレンズの光軸と垂直な一方の面を表している。マイクロアレイレンズ１０は、一辺に複数（４つ）のＶ溝が形成された第１基板１１と、Ｖ溝の形成された辺に対向して接合された第２基板１２と、Ｖ溝の２辺と第２基板１２の１辺とに接して固定され、個々のチャネルのマイクロレンズとなる光学要素１３とから構成されている。なお、Ｖ溝と光学要素１３との隙間には、接着剤１４が充填されている。
【００１６】
光学要素１３は、屈折率が半径方向に変化する屈折率プロファイルを有し、ＧＲＩＮレンズ、グレーデッドインデックス（ＧＩ）型光ファイバ等を適用することができる。接着剤１４として、ＵＶ硬化型または熱硬化型エポキシ樹脂等を用いることができる。
【００１７】
マイクロアレイレンズ１０は、例えば、直径１２５μｍのＧＩ型光ファイバを光学要素１３として使用し、２５０μｍ間隔でＶ溝が形成された第１基板１１を用いる。ＧＩ型光ファイバは、同一の光ファイバ心線を４つに分割して使用する。マイクロアレイレンズとなる光学要素の特性が、チャネル間でバラツキが小さくなるようにするためである。
【００１８】
図２に、本発明の一実施形態にかかるマイクロアレイレンズの製造方法を示す。最初に、第１基板１１の一面に、複数の平行するＶ溝を形成する（図２（ａ））。従って、個々のチャネルの光学要素の光軸が相互に平行になる。次に、Ｖ溝を形成した面に接着剤１４を塗布し、光学要素１３としてＧＩ型光ファイバ１５を、Ｖ溝に配設する（図２（ｂ））。上述したように、ＧＩ型光ファイバは、同一の光ファイバ心線を４つに分割して使用する。第１基板１１のＶ溝を形成した面と、第２基板１２とを接合して、接着剤１４を硬化させる（図２（ｃ））。最後に、ダイシングソーを用いて、ＧＩ型光ファイバ１５の光軸と垂直な面において、所望の幅で切断し、マイクロアレイレンズ１０ａ，１０ｂを切り出していく（図２（ｄ））。
【００１９】
光学要素１３の屈折率プロファイル、レンズ長（切断する基板の幅に等しい）により、焦点やＮＡ等の光学特性を調整することができる。
【００２０】
図３に、マイクロアレイレンズが接続される光モジュールの構成を示す。光モジュール３０は、一例として、発光面または受光面（以下、受発光面）３４を有する４つの発光素子または受光素子（以下、光素子という）３５を備えている。光素子３５は、箱型の筐体３２と、受発光面３４への光信号の入出力を可能にするサファイアガラスからなる蓋３３とにより封止されている（例えば、特許文献１参照）。筐体３２と蓋３３とは、金属半田により接合され、高い気密性を有していることから、外部環境から保護され、光素子３５の信頼性を確保している。光素子３５は、受発光面３４を蓋３３に対向させ、筐体３２に金属半田等により固定され、ボンディングワイヤ３６により、筐体３２の金属配線３７に接続されている。金属配線３７は、筐体３２を貫通して、筐体３２の裏面および側面にまで延長されている。筐体３２の裏面の金属配線３７には、リードピン３８が溶接（ろう付け等）により固定されている。
【００２１】
図４に、ＰＬＣモジュールとマイクロアレイレンズと光モジュールとの間の接続方法を示す。マイクロアレイレンズ１０を、受光素子が集積された光モジュール３０とＰＬＣモジュール４０との間に挿入する。光モジュール３０は、実装ボード５１の実装面と、光モジュール３０の光素子３５の光軸とが平行になるように固定される。光モジュール３０の金属配線３７と実装ボード５１上に形成された電極５２とを、リードピン３８を介して金属半田等で固定するので、光モジュール３０を実装ボード５１上に強固に固定することができる。
【００２２】
光モジュール３０の光素子３５は、その受発光面３４が、マイクロアレイレンズ１０の光学要素１３を介して、ＰＬＣモジュール４０の光導波路４３と光学的に結合する。マイクロアレイレンズ１０は、光学要素１３の光軸と垂直な一方の面において、光モジュール３０の蓋３３に、接着剤等を用いて接合される。
【００２３】
ＰＬＣモジュール４０は、基板４１上にＰＬＣ４２が接合され、ＰＬＣ４２に光導波路４３と光機能素子が形成されている。ＰＬＣ４２の光導波路端面を含む面において、補強板としてのやとい４４がＰＬＣ４２上に接合されている。ＰＬＣ４０モジュールは、光導波路４３の端面を含む面において、光学要素１３の光軸と垂直な他方の面に、接着剤等を用いて接合される。
【実施例１】
【００２４】
図５に、マイクロアレイレンズと光素子との光学的結合の様子を示す。一例として、ＰＬＣ４０の光導波路４３から出射された光信号を、光モジュール３０の受光素子である光素子３５に入射させる場合を説明する。光導波路４３から出射された光信号は、マイクロアレイレンズ１０の光学要素１３で集光されて、蓋３３を透過する。さらに、光モジュール３０の内部空間を伝搬して、光素子３５の受発光面３４に入射される。光学要素１３は、光導波路４３の出射モード径、蓋３３と内部空間との間の屈折、受発光面３４の入射モード径等を考慮して、焦点やＮＡ等の光学特性が決定される。
【００２５】
図１に示したマイクロアレイレンズ１０において、第１基板１１および第２基板１２とは、カーボン含有ガラスを用いて、遮光性を有する基板とする。また、接着剤１４も、カーボン含有の熱硬化型エポキシ樹脂を用いて、遮光性を有する接着剤とする。このような構成により、光学要素１３の開口部を除いて、光が透過しないようにする。これにより、蓋３３で反射した光、光素子３５で反射された光等が、ＰＬＣ４２に入射されるのを防ぐことができる。また、ＰＬＣ４２の光導波路４３以外の部分から漏洩した光が、光素子３５に入射されるのを防ぐことができる。
【００２６】
第１基板１１および第２基板１２としてカーボン含有ガラスを用い、光学要素１３として石英ガラス光ファイバを用いた場合、第１基板１１および第２基板１２と光学要素１３との熱膨張率差が小さいので、熱歪を防止することができる。なお、第１基板１１および第２基板１２は、カーボン含有ガラスのみならず、カーボン、シリコン、酸化チタンを含有するアクリルまたはエポキシに代表される樹脂を用いることもできる。また、第１基板１１および第２基板１２として、アルミナ等に代表されるセラミックを用いてもよい。第１基板１１および第２基板１２として樹脂を用い、光学要素１３としてプラスチック光ファイバを用いた場合、第１基板１１および第２基板１２と光学要素１３との熱膨張率差が小さいので、熱歪を防止することができる。
【実施例２】
【００２７】
図１に示したマイクロアレイレンズ１０において、第１基板１１および第２基板１２として、Ｆｅ−Ｎｉ合金を用いる。また、接着剤１４として、ＡｕＳｎ半田を用いる。このような構成により、光学要素１３の開口部を除いて、光が透過しないようにする。これにより、図５に示したように、蓋３３で反射した光、光素子３５で反射された光等が、ＰＬＣ４２に入射されるのを防ぐことができる。また、ＰＬＣ４２の光導波路４３以外の部分から漏洩した光が、光素子３５に入射されるのを防ぐことができる。第１基板１１および第２基板１２としてＦｅ−Ｎｉ合金を用い、光学要素１３として石英ガラス光ファイバを用いた場合、第１基板１１および第２基板１２と光学要素１３との熱膨張率差が小さいので、熱歪を防止することができる。
【００２８】
第１基板１１および第２基板１２は、Ｆｅ−Ｎｉ合金のみならず、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、ＣｕＷ、ＣｕＭｏなどのＣｕ合金を用いてもよい。また、半田は、ＡｕＳｎのみならず、ＳｎＰｂ、ＳｎＡｇＣｕ、ＡｇＣｕ等を用いることもできる。
【実施例３】
【００２９】
図１に示したマイクロアレイレンズ１０において、第１基板１１および第２基板１２として、カーボン含有ガラスを用いる。光学要素１３として、ステップインデックス（ＳＩ）型光ファイバを用い、接着剤１４としてカーボン含有の熱硬化型エポキシ樹脂を用いる。光学要素１３は、ＰＬＣ４２の光導波路４３と同じ光導波路として働き、光学要素１３の開口部を除いて光が透過しない。従って、マイクロアレイレンズ１０は、レンズとしての機能は有さず、アパーチャまたは遮光板として機能する。
【実施例４】
【００３０】
図６に、マイクロアレイレンズと光機能素子との間の接続方法を示す。実施例４では、マイクロアレイレンズ１０ａ，１０ｂを、ＰＬＣモジュール４０ａ，４０ｂのそれぞれに接合され、光機能素子６０を介して接続する。光機能素子６０は、各チャネルごとに光の透過をオン／オフかることができる光スイッチなどの能動素子、光減衰器、光フィルタなどの受動素子とすることができる。
【００３１】
マイクロアレイレンズ１０ａ，１０ｂの光学要素１３は、光導波路４３の入射または出射モード径、光機能素子６０との入射または出射モード径等を考慮して、焦点やＮＡ等の光学特性が決定される。マイクロアレイレンズ１０ａ，１０ｂにより、光学要素１３の開口部を除いて光が透過しないので、ＰＬＣモジュールの一方の光導波路４３以外の部分から漏洩した光が、ＰＬＣモジュールの他方の光導波路４３に入射されるのを防ぐことができる。
【実施例５】
【００３２】
実施例５では、図１の構成において、光学要素１３を配設せず、第１基板１１および第２基板１２を接着剤１４で接合する。第１基板１１および第２基板１２として、カーボン含有ガラスを用いる。また、接着剤１４として、カーボン含有の熱硬化型エポキシ樹脂を用いる。
【００３３】
このような構成により、Ｖ溝部分のみ透光性を有するアパーチャを構成することができる。接着剤１４の屈折率は、１．５であり、光ファイバ、ＰＬＣとの屈折率差が、空気より小さいことから、挿入損失を小さくすることができる。
【００３４】
例えば、図４に示した構成において、ＰＬＣ４２が波長１．５５μｍ帯シングルモード光ファイバと同等のＮＡを有する光導波路４３を有し、光素子３５として直径０．１ｍｍのフォトダイオードを用いるとする。マイクロアレイレンズ１０の厚さを０．３ｍｍ、マイクロアレイレンズ１０の出射端から光素子３５の受光面３４までの距離０．３ｍｍとする。アパーチャが空気（屈折率１．０）のとき、光素子３５の受光感度は１．０Ａ／Ｗである。実施例５のようにアパーチャが接着剤（屈折率１．５）のとき、光素子３５の受光感度は１．１Ａ／Ｗとなり、従来と比較して、挿入損失を約０．４ｄＢ改善することができる。
【実施例６】
【００３５】
図７に、マイクロアレイレンズと光モジュールとの間の接続方法を示す。図１に示したマイクロアレイレンズ１０においては、第１基板１１および第２基板１２を平行平板として作製した。実施例６においては、光軸と垂直な面に８度の角度を有し、光モジュール３０の蓋３３も光軸と垂直な面に角度を有する。マイクロアレイレンズ１０を蓋３３に接合することにより、光素子３５の受発光面３４を、マイクロアレイレンズ１０の光学要素１３を介して、ＰＬＣモジュール４０の光導波路４３と光学的に結合させる。
【００３６】
このような構成により、マイクロアレイレンズ１０と蓋３３との間の境界面で生ずる反射光が、光導波路４３または受発光面３４に再結合することを防ぐことができる。例えば、マイクロアレイレンズ１０の光学要素１３の屈折率をｎ0、光モジュール３０の蓋３３の屈折率をｎ1とする。図４に示した構成において、光導波路４３から入射する光がマイクロアレイレンズ１０と蓋３３との境界で反射を生じるときの反射率Ｒは、
Ｒ＝（ｎ0−ｎ1）2／（ｎ0＋ｎ1）2
と表すことができる。ここで、マイクロアレイレンズ１０を石英ガラス（屈折率１．４７）とし、蓋３３をサファイアガラス（屈折率１．７４）とすると、約０．７％の反射（−２１．５ｄＢ）を生じる。実施例６において、図７に示した構成にすることにより、この反射成分が光導波路４３に再結合することを防ぐことができる。
【００３７】
光軸と垂直な面の角度は、第１基板１１および第２基板１２の側面および光学要素１３の端面が、マイクロアレイレンズ１０の光軸と９０度±１０度、より好ましくは９０度±８度の角度を有するのが好適である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の一実施形態にかかるマイクロアレイレンズの構造を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかるマイクロアレイレンズの製造方法を示す図である。
【図３】光モジュールの構成を示す図である。
【図４】ＰＬＣモジュールとマイクロアレイレンズと光モジュールとの間の接続方法を示す図である。
【図５】マイクロアレイレンズと光素子との光学的結合の様子を示す図である。
【図６】マイクロアレイレンズと光機能素子との間の接続方法を示す図である。
【図７】マイクロアレイレンズと光モジュールとの間の接続方法を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０  マイクロアレイレンズ
１１  第１基板
１２  第２基板
１３  光学要素
１４  接着剤
【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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