JP2011027900A - 光ファイバモジュール、光ファイバモジュールの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、斜めに切断された光ファイバを調芯して光学部品に融着接続するときに、融着接続前と融着接続後の出力光の観測値の変化を小さくする技術を提供することである。
【解決手段】本発明の光ファイバモジュールは、光ファイバ、ガラスロッド、光学部品を備える。光ファイバは、法線方向が、光軸とあらかじめ定められた角度だけ異なる端面を有する。ガラスロッドは、光ファイバに融着された第１端面と、光軸と法線方向が一致する第２端面とを有する。光学部品は、ガラスロッドの第２端面に融着されたガラス端面を有する。そして、ガラスロッドと光学部品のガラス端面との屈折率の差があらかじめ定められた範囲である。
【選択図】図６

Description

本発明は、光を入出力するために光ファイバを融着接続した光ファイバモジュールおよび、その光ファイバモジュールの製造方法に関する。

モジュールへの光の入出力方法として、光ファイバをそのモジュールに融着し、光ファイバを介して光を入出力する方法がある。本明細書では、このように光ファイバを介して光を入力または出力するモジュールを、光ファイバモジュールと呼ぶ。光ファイバモジュールには、レンズに光ファイバを融着接続した光ファイバコリメータや、２つの光ファイバコリメータと光学フィルタを組み合わせた光機能モジュールなどがある。

光ファイバモジュールの具体例としては、特許文献１に記載された発明がある。図１は、特許文献１に記載された光ファイバモジュールを示している。光ファイバモジュール９００は、光学部品（ガラス製のレンズ）９１０と光ファイバ９２０とで構成されている。光ファイバは、斜めに切断された端面（法線方向が光ファイバの光軸とは異なる端面）９２１を有している。また、光学部品９１０は光ファイバ９２０を融着接続するためのガラス端面９１１を有している。このように、端面９２１を斜めに切断すれば、光ファイバ９２０と光学部品９１０との境界で生じた反射光を、光ファイバモジュールの外部に放射でき、光ファイバ９２０内を逆方向に伝搬することを防ぐことができる。

一般的に光学部品９１０に適した材質（レンズなどの場合には屈折率が高いことが求められる）と光ファイバに適した材質（最も普及したシングルモード光ファイバの材質は石英）が異なるため、境界面では屈折率の違いによるフレネル反射が生じる。したがって、光ファイバ９２０の端面９２１は、斜めに切断される。図２は、光学部品９１０の材質をＢＫ−７（屈折率１．５１６）、光ファイバ９２０の材質を石英（屈折率１．４５）とした場合の、切断角度（端面の法線方向と光ファイバの光軸のなす角）と反射減衰量の関係を示す図である。-４５ｄＢの反射減衰量が必要な場合には、切断角度は約５度になる。また、-６０ｄＢの反射減衰量が必要な場合には、切断角度は約７．５度になる。

図３は、光ファイバモジュールの別の例として、光機能モジュールの例を示している。光機能モジュール８００は、２つの光ファイバコリメータ９０１、９０２、光学フィルタなどの光機能デバイス８３０、光学ベース（支持体）８４０で構成されている。２つの光ファイバコリメータ９０１、９０２と光学フィルタなどの光機能デバイス８３０は、光学ベース８４０の上に固定されている。一方の光ファイバコリメータ９０２に入射された入力光は、光ファイバコリメータ９０２で平行光にされた上で、光機能デバイス８３０を透過し、他方の光ファイバコリメータ９０１を介して出力される。このような光ファイバモジュールでは、光ファイバを光学部品に融着接続する前に、出力光を監視しながら光ファイバの調芯を行うのが一般的である。

図４に、従来の光学部品９１０と光ファイバ９２０との融着方法を示す。光ファイバ９２０の位置をまず調節（調芯）し、光学部品９１０のガラス端面９１１近傍に、または接触するように配置する。調芯後の様子を図４（Ａ）に示す。その後、光学部品９１０のガラス端面９１１と光ファイバ９２０の端面９２１とを融着接続する。この融着接続では、ガラス端面９１１が加熱により融着し、光ファイバ９２０と接合する。融着接続後の様子を図４（Ｂ）に示す。

特開２００７−４１５１２号公報

従来の融着の方法であるガラス端面９１１の膨張を利用する方法は、出力光を観測しながら光ファイバ９２０の位置を決め、融着を行っている。この膨張を利用する方法では、融着前に出力光を観測しながら光ファイバ９２０を調芯したときの出力光の観測値と、融着後の出力光の観測値が異なり、光ファイバと光学部品の結合損失が大きいなど、精度の高い調芯ができないという問題が生じていた。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、斜めに切断された光ファイバを調芯しながら(または調芯した上で）光学部品に融着接続するときに、融着接続前（調芯後）と融着接続後の出力光の観測値の変化を小さくする、ひいては結合損失を低減できる技術を提供することを目的とする。

本発明の光ファイバモジュールは、少なくとも光ファイバ、ガラスロッド、光学部品を備える。光ファイバは、法線方向が、光軸とあらかじめ定められた角度だけ異なる端面を有する。なお、光軸とは、光ファイバを伝わる光の方向（一般的には光ファイバの中心線）である。あらかじめ定められた角度は、光ファイバとガラスロッドの屈折率と、光ファイバモジュールに求められる反射減衰量の要求条件から適宜設計した角度である。ガラスロッドは、光ファイバに融着された第１端面と、光軸と法線方向が一致する第２端面とを有する。光学部品は、ガラスロッドの第２端面に融着されたガラス端面を有する。光学部品とは、レンズのような全体がガラスの部品でもよいし、一部に金属や誘電体多層膜を蒸着した部品でもよく、少なくともガラスロッドの第２端面と融着できるガラス端面を有していればよい。そして、ガラスロッドと光学部品のガラス端面との屈折率の差があらかじめ定められた範囲である。あらかじめ定められた範囲とは、ガラスロッドと光学部品のガラス端面との境界で生じるフレネル反射と、光ファイバモジュールに求められる反射減衰量の要求条件から適宜設計した屈折率の差の範囲である。なお、最も好ましいのは、ガラスロッドと光学部品のガラス端面とに同じ材質を用いる（同じ屈折率にする）ことである。

本発明の光ファイバモジュールの製造方法は、第１切断工程、第１融着工程、第２切断工程、調芯工程、第２融着工程を有する。この製造方法の第１切断工程では、光ファイバおよびガラスロッドを、それぞれの端面の法線があらかじめ定めた角度だけ光軸と異なるように切断することで、光ファイバの端面とガラスロッドの第１端面とを形成する。第１融着工程では、光ファイバの端面とガラスロッドの第１端面とが一致するように、光ファイバとガラスロッドとを融着する。第２切断工程では、ガラスロッドを切断することで、ガラスロッドの第２端面を形成する。調芯工程では、ガラスロッドの第２端面の位置を決める。第２融着工程では、ガラスロッドの第２端面を光学部品のガラス端面に融着する。

本発明の別の光ファイバモジュールの製造方法は、第１切断工程、第１融着工程、調芯工程、第２融着工程を有する。この製造方法では、第１端面と第２端面とを有するガラスロッドを用意しておく。そして、第１切断工程では、光ファイバを、端面の法線があらかじめ定めた角度だけ光軸と異なるように切断することで、光ファイバの端面を形成する。第１融着工程では、光ファイバの端面とガラスロッドの第１端面とが一致するように、光ファイバとガラスロッドとを融着する。調芯工程では、ガラスロッドの第２端面の位置を決める。第２融着工程では、ガラスロッドの第２端面を光学部品のガラス端面に融着する。

本発明の光ファイバモジュールによれば、斜めに切断された光ファイバと光学部品との間に、光学部品と屈折率が近い材質のガラスロッドを有する。そして、ガラスロッドの第２端面は、法線方向が光軸と一致する（光学部品のガラス端面の法線方向とも一致する）。したがって、ガラスロッドを融着した光ファイバを調芯しながら(または調芯した上で）、ガラスロッドの第２端面を光学部品に融着接続したとしても、融着接続前と融着接続後の出力光の方向はほとんど変化しない。つまり、融着接続前（調芯後）と融着接続後の出力光の観測値の変化を小さくできる。

従来の光ファイバモジュールの構造を示す図。 光学部品９１０の材質をＢＫ−７（屈折率１．５１６）、光ファイバ９２０の材質を石英（屈折率１．４５）とした場合の、切断角度（端面の法線方向と光ファイバの光軸のなす角）と反射減衰量の関係を示す図。 別の光ファイバモジュールの構造を示す図。 従来の光学部品９１０と光ファイバ９２０との融着方法を示す図。 従来の光学部品９１０と光ファイバ９２０との融着方法の問題点を説明するための図。 実施例１の光ファイバモジュールの構成例を示す図。 実施例１の光ファイバモジュールの製造方法のフローの例を示す図。 製造方法の工程での光ファイバモジュール１００の様子を示す図。 調芯工程（Ｓ４０）が終了した状態と、第２融着工程（Ｓ５０）が終了した状態を示す図。 実施例１の別の光ファイバモジュールの構成例を示す図。 実施例２の光ファイバモジュールに対応する従来の光ファイバモジュールの構成を示す。 実施例２の光ファイバモジュールに求められる光透過率の波長特性を示す図。 実施例２の光ファイバモジュールに求められる光反射率の波長特性を示す図。 実施例２の光ファイバモジュールを組み立てる時の手順の例を示す図。 光ファイバを垂直に切断した場合の調芯する際と融着接続後の光の伝搬方向の様子を示す図。 斜めに切断した光ファイバを直接光学部品に融着接続する場合の、調芯する際と融着接続後の光の伝搬方向の違いを説明する図。 実施例２の光ファイバモジュールの構成例を示す図。 光ファイバモジュール３００の光機能デバイス３４０が波長λ_１の光は透過し、波長λ_２の光は反射する特性を有している場合の光の伝搬の様子を示す図。 実施例２の光ファイバモジュールの場合の、調芯する際と融着する際の光の伝搬方向の違いを説明する図。 斜め切断した光ファイバを直接光学部品に融着接続する場合の光伝搬経路を詳細に示す図。 ガラスロッドを用いる場合（実施例２の場合）の光伝搬経路を詳細に示す図。 モードフィールド径が１０．５μｍの光ファイバの場合の位置ずれと結合損失との関係を示す図。

以下に具体的な光ファイバモジュールを用いて、融着前に出力光を観測しながら光ファイバを調芯したときの出力光の観測値と、融着後の出力光の観測値が異なるという問題の原因を分析した上で、本発明について説明する。

［分析］
膨張を利用する方法を用いても、融着前に出力光を観測しながら光ファイバ９２０を調芯したときの出力光の観測値と、融着後の出力光の観測値が異なるという問題の原因を分析する。原因としては、次の２つが考えられる。１つ目は、位置ずれの問題が完全に解決されたわけではないことである。２つ目は、光の進む方向が変わることである。

まず、１つ目の問題点を説明する。最も一般的な光ファイバの直径は１２５μｍである。切断角度が５度のとき、光学部品９１０とガラス端面９１１と光ファイバ９２０の端面９２１との最も広い隙間は、１０．９μｍ（１２５μｍ×ｓｉｎ５°）程度となる。また、切断角度が７．５度のときは、１６．５μｍ程度となる。一方、レンズ硝材の熱膨張係数は１０ｐｐｍ／℃程度である。例えば、ＢＫ−７の場合、８．５ｐｐｍ／℃である。仮に、ガラス端面９１１の溶融深さを５００μｍとすると、１０．９μｍの膨張を得るには２１８０℃まで、１６．５μｍの膨張を得るには３３００℃まで温度を上昇させなければならない。この温度は、レンズ硝材の屈伏点（一般的には５００℃〜７００℃、ＢＫ−７は６３０℃）をはるかに越えている。したがって、レンズ硝材の劣化を引き起こす可能性がある。また、加熱により膨張したガラスの厚みは光ファイバ９２０の端面９２１との隙間に依存するため、固化するときの収縮量が不均一となり、光ファイバの位置ずれの要因となり得る。

図５は、２つ目の問題点を説明するための図である。図５（Ａ）は融着接続前の光の進む方向を示しており、図５（Ｂ）は融着接続後の光の進む方向を示している。光ファイバ９２０のコアの屈折率をｎ_１、光学部品９１０の屈折率をｎ_２、空気の屈折率をｎ_０とする。通常は、ｎ_０＜ｎ_１＜ｎ_２である。また、ｎ_１とｎ_２の差は、ｎ_０とｎ_１の差よりもかなり小さい。例えば、ｎ_０＝１、ｎ_１＝１．４５（石英）、ｎ_２=１．５１６（ＢＫ-７）である。

融着接続前（図５（Ａ））の光の進む方向をスネルの法則を用いて表すと、
ｎ_１・ｓｉｎθ_１＝ｎ_０・ｓｉｎ（θ_０＋θ_１）
ｎ_０・ｓｉｎθ_０＝ｎ_２・ｓｉｎθ_ｘ
となる。ただし、θ_０は光学部品９１０のガラス端面９１１への光の入射角、θ_１は光ファイバ９２０の端面９２１への光の入射角（切断角度）、θ_ｘは光学部品９１０内部の光の方向と光ファイバ９２０内の光の方向（光軸）とのなす角である。光ファイバ９２０内を図５（Ａ）中の左側から進んできた光は、ｎ_０＜ｎ_１なので、光ファイバ９２０の端面９２１で、図中の下方に曲げられる。また、ｎ_０＜ｎ_２なので、光学部品９１０のガラス端面９１１で、図中の上方に曲げられる。しかし、光学部品９１０内の光の方向は、光ファイバ９２０内の光の方向（光軸）よりは、図中の下方である。

融着接続後（図５（Ｂ））の光の進む方向をスネルの法則を用いて表すと、
ｎ_１・ｓｉｎθ_１＝ｎ_２・ｓｉｎθ_２
となる。そして、ｎ_１＜ｎ_２なので、θ_１＞θ_２である。また、光学部品９１０内部の光の方向と光ファイバ９２０内の光の方向（光軸）とのなす角θ_ｙは、θ_１−θ_２である。したがって、光学部品９１０内の光の方向は、光ファイバ９２０内の光の方向（光軸）よりは、図中の上方である。このように、融着接続前と融着接続後では光の進む方向が異なる。したがって、融着接続前に出力光を観測しながら光ファイバ９２０を調芯しても、融着接続によって光の向きが変わってしまい、出力光の観測値が変化してしまう（結合損失が大きくなってしまう）。

つまり、端面が斜めに切断された光ファイバ９２０と光学部品９１０のガラス端面９１１でできた隙間を光学部品９１０の膨張で埋める方法では融着接続部分に不均一な力が加わり、光ファイバの位置が変化する恐れがあることや、融着接続の前後で光の方向が変化することが原因で光の結合損失が増加すると考えられる。

［具体例］
図６に本発明の光ファイバモジュールの構成例を示す。光ファイバモジュール１００は、少なくとも光ファイバ９２０、ガラスロッド１５０、光学部品９１０を備える。光ファイバ９２０は、法線方向が、光軸とあらかじめ定められた角度だけ異なる端面９２１を有する。なお、光軸とは、光ファイバ９２０を伝わる光の方向（一般的には光ファイバ９２０の中心線）である。あらかじめ定められた角度は、光ファイバ９２０とガラスロッド１５０の屈折率と、光ファイバモジュール１００に求められる反射減衰量の要求条件から適宜設計した角度である。ガラスロッド１５０は、光ファイバ９２０に融着された第１端面１５１と、光軸と法線方向が一致する第２端面１５２とを有する。光学部品９１０は、ガラスロッド１５０の第２端面１５２に融着されたガラス端面９１１を有する。光学部品９１０とは、レンズのような全体がガラスの部品でもよいし、一部に金属や誘電体多層膜を蒸着した部品（例えば、ビームスプリッタやフィルタ）でもよく、少なくともガラスロッド１５０の第２端面１５２と融着できるガラス端面９１１を有していればよい。そして、ガラスロッド１５０と光学部品９１０のガラス端面９１１との屈折率の差があらかじめ定められた範囲である。あらかじめ定められた範囲とは、ガラスロッド１５０と光学部品９１０のガラス端面９１１との境界で生じるフレネル反射と、光ファイバモジュール１００に求められる反射減衰量の要求条件から適宜設計した屈折率の差の範囲である。ガラスロッド１５０の第２端面１５２の法線方向と光学部品９１０のガラス端面９１１の法線方向とは、光軸と一致するため、フレネル反射によって生じた反射光は光ファイバモジュール１００の反射減衰量の要求条件に大きく影響する。したがって、最も好ましいのは、ガラスロッド１５０と光学部品９１０のガラス端面９１１とに同じ材質を用いることである。

図７に光ファイバモジュールの製造方法のフロー例を、図８に製造方法の工程での光ファイバモジュール１００の様子を示す。光ファイバモジュール１００の製造方法は、第１切断工程（Ｓ１０）、第１融着工程（Ｓ２０）、第２切断工程（Ｓ３０）、調芯工程（Ｓ４０）、第２融着工程（Ｓ５０）を有する。第１切断工程（Ｓ１０）では、光ファイバ９２０およびガラスロッド１５０を、それぞれの端面の法線があらかじめ定めた角度だけ光軸と異なるように切断することで、光ファイバ９２０の端面９２１とガラスロッド１５０の第１端面１５１とを形成する（図８（Ａ））。第１融着工程（Ｓ２０）では、光ファイバ９２０の端面９２１とガラスロッド１５０の第１端面１５１とが一致するように、光ファイバ９２０とガラスロッド１５０とを融着する（図８（Ｂ））。第２切断工程（Ｓ３０）では、ガラスロッド１５０を切断することで、ガラスロッド１５０の第２端面１５２を形成する（図８（Ｃ））。調芯工程（Ｓ４０）では、ガラスロッドの第２端面の位置を決める。第２融着工程（Ｓ５０）では、ガラスロッドの第２端面を光学部品のガラス端面に融着する（図８（Ｄ））。

図９は、調芯工程（Ｓ４０）が終了した状態（図９（Ａ））と、第２融着工程（Ｓ５０）が終了した状態（図９（Ｂ））を示す図である。調芯工程（Ｓ４０）が終了した状態では、ガラスロッド１５０の第２端面１５２と光学部品９１０のガラス端面９１１とが平行な状態（第２端面１５２の法線方向とガラス端面９１１の法線方向が一致する状態）であることが分かる。したがって、第２融着工程（Ｓ５０）でのガラス端面９１１の膨張は、融着接続部分全体で均一となる。したがって、融着接続部分に不均一な力が加わることを防ぐことができる。

次に融着接続前（図９（Ａ））の光の進む方向をスネルの法則を用いて表すと、
ｎ_１・ｓｉｎθ_１＝ｎ_２・ｓｉｎθ_２
θ_ｘ＝θ_１−θ_２
である。また、融着接続後（図９（Ｂ））の光の進む方向をスネルの法則を用いて表しても、
ｎ_１・ｓｉｎθ_１＝ｎ_２・ｓｉｎθ_２
θ_ｙ＝θ_１−θ_２
である。したがって、
θ_ｘ＝θ_ｙ
となる。つまり、融着接続前と融着接続後の光が進む方向は一致する。

このように、本発明の光ファイバモジュールとその製造方法によれば、ガラスロッドを融着した光ファイバを調芯しながら(または調芯した上で）、ガラスロッドの第２端面を光学部品に融着接続したとしても、融着接続前と融着接続後の出力光の方向は理論的には変化しない。つまり、融着接続前と融着接続後の出力光の観測値の変化を小さくでき、結合損失も小さくできる。

［変形例１］
実施例１の製造方法では、長いガラスロッドを用いたが、あらかじめ第１端面と第２端面とを有するガラスロッドを用意しておいてもよい。この場合は、第１切断工程（Ｓ１０’）では、光ファイバを、端面の法線があらかじめ定めた角度だけ光軸と異なるように切断することで、光ファイバの端面を形成すればよい。また、第２切断工程は不要である。その他の工程は実施例１（図７）と同じである。この製造方法でも、実施例１と同じ効果が得られる。

［変形例２］
図１０に、別の光ファイバモジュールの構成例を示す。光ファイバモジュール２００は、光ファイバ９２０よりも太く、光学部品９１０よりは細いガラスロッド２５０を用いている。ガラスロッド２５０の太さに関係なく、光ファイバに融着された第１端面２５１と、光軸と法線方向が一致する第２端面２５２とを有すること、および、ガラスロッドと光学部品のガラス端面との屈折率の差があらかじめ定められた範囲であることを満たせば、実施例１と同じ効果が得られる。

［従来技術の分析］
実施例１では、融着前に出力光を観測しながら光ファイバ９２０を調芯したときの出力光の観測値と、融着後の出力光の観測値が異なるという問題の原因として、２つの原因を示した。ここでは、２つ目の原因（光の進む方向が変わること）の別の分析について説明する。

図１１に、分析の対象とする光ファイバモジュールの構成を示す。光ファイバモジュール７００は、光ファイバ９２０_１、９２０_２が融着接続された光学部品（本実施例の場合はレンズ）９１０_１と光ファイバ９２０_３が融着接続された光学部品（本実施例の場合はレンズ）９１０_２とが、光バンドパスフィルタ７４０を挟んで対向した構造である。光バンドパスフィルタ７４０は波長λ_１の光は透過し、波長λ_２の光は反射する特性を有している。光ファイバ９２０_１から波長λ_１と波長λ_２の両方またはどちらか一方の光が入射された場合、波長λ_１の光は光ファイバ９２０_３側に出力され、波長λ_２の光は光ファイバ９２０_２側に出力される。図１２は、光ファイバモジュール７００の光バンドパスフィルタ７４０に求められる光ファイバ９２０_１から光ファイバ９２０_３への光透過率の波長特性を示す図である。図１３は、光ファイバモジュール７００の光バンドパスフィルタ７４０に求められる光ファイバ９２０_１から光ファイバ９２０_２への光反射率の波長特性を示す図である。

光学部品の材料として光ファイバの屈折率に近いものを選定した場合で考えると、例えば、光ファイバ９２０_１、９２０_２、９２０_３の屈折率を１．４５（石英の屈折率）、光学部品９１０_１、９１０_２の屈折率を１．４７５（石英に比較的屈折率の近いガラスの屈折率）とすることができる。このように光学部品の材料を選定しても、光ファイバの端面を斜めに切断しなければ（垂直に切断すると）、理論的に約−４２ｄＢの反射減衰量となる。４度斜めに切断すれば反射減衰量の理論値を約−５１．６ｄＢに、８度斜めに切断すれば反射減衰量の理論値を約−８０ｄＢにできる。光通信用の部品に求められる条件を−４５ｄＢとすれば、４度以上の角度にすればよい。

光ファイバモジュール７００を組み立てる時の手順の例を図１４に示す。まず、波長λ_２の光を光ファイバ９２０_１から入射し、光ファイバ９２０_２からの出力を観察しながら、光ファイバ９２０_１と光ファイバ９２０_２の調芯を行う（Ｓ７１０）。なお、通常は光ファイバ９２０_１と光ファイバ９２０_２とは一体化された状態（間隔を一定に保った状態）で動かされる。なぜならば、光ファイバ９２０_１と光ファイバ９２０_２を別々に動かすと、調芯固定装置の駆動ステージの必要数が増加し、装置の構成が複雑化すること、および調芯時間も増加することから製造コスト増となるためである。光ファイバ９２０_１と光ファイバ９２０_２の位置が決まったら（調芯が終了したら）、光ファイバ９２０_１と光ファイバ９２０_２とを光学部品９１０_１に融着接続する（Ｓ７２０）。その後、波長λ_１の光を光ファイバ９２０_１から入射し、光ファイバ９２０_３からの出力を観察しながら、光ファイバ９２０_３の調芯を行う（Ｓ７３０）。光ファイバ９２０_３の位置が決まったら（調芯が終了したら）、光ファイバ９２０_３を光学部品９１０_２に融着接続する（Ｓ７４０）。

本分析では、工程Ｓ７１０での問題点を説明する。斜めに切断することにより光の進む方向が変わる問題についてより分かりやすく説明するために、まず光ファイバを光軸に対して垂直に切断（または研磨）した場合を説明する。そして、斜めに切断した場合について説明する。図１５は、光ファイバを垂直に切断した場合の調芯する際と融着後の光の伝搬方向の様子を示す図である。図１５（Ａ）は調芯する際の様子を示す図であり、図１５（Ｂ）は融着接続後の様子を示す図である。図１１の光ファイバモジュール７００とは、光ファイバ９３０_１と光ファイバ９３０_２が垂直に切断されている点が異なる。調芯を行う際には、光学部品９１０_１と接触しないように光ファイバ９３０_１、９３０_２を移動させるため、融着する際よりも光ファイバ９３０_１、９３０_２を光学部品９１０_１から少し（ΔＬ）離している。また、光ファイバ９３０_１と光ファイバ９３０_２とは間隔Ｗで把持されている。調芯が完了した状態では、光ファイバ９３０_１より出力された光は光学部品９１０_１によって光路を曲げられる。そして、光バンドパスフィルタ７４０で反射された光は、ふたたび光学部品９１０_１で曲げられ、光ファイバ９３０_２に垂直に入射する。この状態から、光学部品９１０_１および光ファイバ９３０_１、９３０_２を加熱しながら、光ファイバ９３０_１、９３０_２を光ファイバ９３０_１、９３０_２の光軸方向に動かして光ファイバ９３０_１と光ファイバ９３０_２とを光学部品９１０_１に融着接続する。光ファイバ９３０_１の端面が光軸に対して垂直なので、光ファイバ９３０_１から出力した光の出射方向は光軸と一致する。つまり、調芯終了時から融着接続終了時までの間に、光ファイバ９３０_１から出射される光の出射位置と方向に変化はない。また、光ファイバ９３０_２に入射される光の入射位置と方向も変化はない。したがって、この構成では調芯時に存在する空気層が融着によってなくなっても位置ずれ、角度ずれを原因とする損失は発生しない（光の進む方向が変わる問題は発生しない）。しかし、この構成では、光ファイバ９３０_１と光学部品９１０_１との融着界面におけるフレネル反射による戻り光の伝搬方向が、光ファイバ９３０_１の光軸と完全に一致するため、戻り光が光ファイバ９３０_１にほぼ１００％結合し、リターンロスの絶対値が小さくなる。

この構成でリターンロスの絶対値を大きくするためには、光ファイバ９３０_１、９３０_２と光学部品９１０_１の屈折率を高精度で一致させる必要がある。そのためには、光ファイバと同じ材質（石英ガラス）で光学部品（例えばレンズ）を作る必要があるが、石英ガラスの軟化点が１０００度を超える高温であるため、モールド金型の劣化や安定した高い温度の維持が困難なことなどから、モールドによる光学部品製造が困難である。また、屈折率が石英ガラスにほぼ等しく、かつ軟化点の低いガラス材料を用いると、屈折率が限定されるので光学部品設計の自由度がなくなってしまう。あるいは、材料が限定されるのでコスト設計の自由度がなくなってしまう。

このようなリターンロスの問題を解決するために、端面が斜めに切断（または研磨）された光ファイバを光学部品に接続する方法（図１１）があった。次に、光ファイバを光軸に対して斜めに切断した場合の、光の進む方向が変わる問題について説明する。図１６は、斜めに切断した光ファイバを直接光学部品に融着接続する場合の調芯する際と融着する際の光の伝搬方向の違いを説明する図である。図１６（Ａ）は調芯する際の様子を示す図であり、図１６（Ｂ）は融着接続後の様子を示す図である。この場合も、調芯を行う際には光ファイバ９２０_１、９２０_２を移動させるため、融着する際よりも光ファイバ９２０_１、９２０_２を光学部品９１０_１から少し（ΔＬ_１）離している。また、光ファイバ９２０_１と光ファイバ９２０_２とは間隔Ｗで把持されている。図１６中の２点鎖線は、光軸と垂直に切断された光ファイバを間隔Ｗで把持した場合（つまり図１５の場合）の光の伝搬経路を示している。図１６（Ａ）から分かるように、斜めに切断された光ファイバ９２０_１を用いると、光ファイバ９２０_１からの出射光が光ファイバ９２０_１の光軸（中心線）に対して角度を持つ。したがって、調芯されたとき（Ｓ７１０終了時）の位置は、垂直に切断された光ファイバを用いた場合の調芯後の位置に対してΔＤ_１だけずれることになる。

この状態からアーク放電により加熱しながら、光ファイバ９２０_１、９２０_２を光学部品９１０_１に押し込み、融着を完了させると（Ｓ７２０）、図１６（Ｂ）の状態となる。この図では、光ファイバ９２０_１、９２０_２の中心が光学部品９１０_１の端面の位置と一致しているが、押し込み量は適宜決めればよく、押し込む量を多くしてもよいし、押し込む量を少なくしてもよい。例えば、押し込む量を多くすれば、融着した部分の強度を高めることができる。一方、押し込む量を少なくすれば、加熱時間を短くできるので、加熱による光学部品の特性の劣化の問題が生じにくくなる。図１６（Ｂ）の実線で示す光の伝搬経路から分かるように、光学部品９１０_１への光の入力点は、隙間ΔＬ_１が無くなったことによりΔＤ_１だけ図の下方にずれる。また、光ファイバ９２０_１よりも高い屈折率を有する光学部品９１０_１に入射された光は、図中の下方に屈折して伝搬する。したがって、光ファイバ９２０_２の端面の中心と光学部品９１０_１からの光の出射位置とは、大きくずれることになる。例えば、光ファイバ９２０_２の端面が焦点距離の位置に配置されている場合には、光ファイバ９２０_２の端面の中心と光学部品９１０_１からの光の出射位置とは、２ΔＤ_１ずれる。したがって、光ファイバ９２０_２からの出力光を観測しながら調芯したとしても、融着後の特性が変化してしまう。つまり、調芯後（融着接続前）と融着接続後の出力光の観測値の変化が大きくなってしまう。

［具体例］
図１７に、実施例２の光ファイバモジュールの構成例を示す。光ファイバモジュール３００は、光ファイバ９２０_１、９２０_２、９２０_３、ガラスロッド１５０_１、１５０_２、１５０_３、光学部品（本実施例の場合はレンズ）９１０_１、９１０_２、光機能デバイス（本実施例の場合は光バンドパスフィルタ）３４０を備える。光ファイバ９２０_１、９２０_２、９２０_３は、それぞれ、法線方向が光軸とあらかじめ定められた角度だけ異なる端面９２１_１、９２１_２、９２１_３を有する。ガラスロッド１５０_１、１５０_２、１５０_３は、それぞれ、光ファイバ９２０_１、９２０_２、９２０_３に融着された第１端面１５１_１、１５１_２、１５１_３と、光軸と法線方向が一致する第２端面１５２_１、１５２_２、１５２_３とを有する。光学部品９１０_１は、ガラスロッド１５０_１、１５０_２の第２端面１５２_１、１５２_２に融着されたガラス端面９１１_１を有する。光学部品９１０_２は、ガラスロッド１５０_３の第２端面１５２_３に融着されたガラス端面９１１_２を有する。光学部品９１０_１と光学部品９１０_２とは、光機能デバイス３４０を挟んで対向した位置に配置されている。また、ガラスロッド１５０_１、１５０_２、１５０_３とガラス端面９１１_１、９１１_２とは同じ材質または屈折率が近似する材質である。

図１８は、光ファイバモジュール３００の光機能デバイス３４０が波長λ_１の光は透過し、波長λ_２の光は反射する特性を有している場合の光の伝搬の様子を示す図である。光ファイバ９２０_１から波長λ_１と波長λ_２の両方またはどちらか一方の光が入射された場合、波長λ_１の光は光ファイバ９２０_３側に出力され、波長λ_２の光は光ファイバ９２０_２側に出力される。光機能デバイス３４０に求められる光ファイバ９２０_１から光ファイバ９２０_３への光透過率の波長特性は、図１２と同じである。光機能デバイス３４０に求められる光ファイバ９２０_１から光ファイバ９２０_２への光反射率の波長特性は、図１３と同じである。

図１９は、光ファイバモジュール３００の場合の、調芯する際と融着接続後の光の伝搬経路の違いを説明する図である。図１９（Ａ）は調芯する際の様子を示す図であり、図１９（Ｂ）は融着接続後の様子を示す図である。従来と同じように調芯する際には、光ファイバ９２０_１と光ファイバ９２０_２とは間隔Ｗで把持されており、融着接続後よりもガラスロッド１５０_１、１５０_２を光学部品９１０_１から少し（ΔＬ_２）離れた状態にする。図１９中の２点鎖線は、光軸と垂直に切断された光ファイバを間隔Ｗで把持した場合（つまり図１５の場合）の光の伝搬経路を示している。図１９（Ａ）から分かるように、光ファイバ９２０_１よりも高い屈折率を有するガラスロッド１５０_１に入射された光は、図中の下方に屈折して伝搬する。ガラスロッド１５０_１からの出射光は光ファイバ９２０_１の光軸よりずれるため、調芯後の光の伝搬経路の位置は、垂直に切断された光ファイバを用いた場合の調芯後の位置に対してΔＤ_２だけずれることになる。

この状態からアーク放電により加熱しながら、ガラスロッド１５０_１、１５０_２を光学部品９１０_１と融着接続すると（Ｓ７２０）、図１９（Ｂ）の状態となる。なお、この図では、ガラスロッド１５０_１、１５０_２の第２端面１５２_１、１５２_２は光学部品９１０_１の端面の位置と一致しているが、ガラスロッド１５０_１、１５０_２を光学部品９１０_１の内部に押し込んでもよい。図１９（Ｂ）の実線で示す光の伝搬経路から分かるように、光学部品９１０_１への光の入力点は、隙間ΔＬ_２が無くなったことによりΔＤ_２だけ図の上方にずれる。また、ガラスロッド１５０_１から光学部品９１０_１に入射された光は、図中の下方に屈折して伝搬する。したがって、光ファイバ９２０_２の端面の中心と光学部品９１０_１からの光の出射位置とは、ずれることになる。例えば、ガラスロッド１５０_２の第２端面１５２_２が光学部品（レンズ）９１０_１の焦点距離の位置に配置されている場合には、光ファイバ９２０_２のコアと結合できるガラスロッド１５０_２の第２端面１５２_２への入射位置と、光学部品９１０_１からの光の出射位置とは、２ΔＤ_２ずれる。

［効果の分析］
次に、ずれΔＤ_１とΔＤ_２を比較する。図２０は、斜め切断した光ファイバを直接光学部品に融着接続する場合（図１６の場合）の光伝搬経路を詳細に示す図である。空気の屈折率をｎ_０、光ファイバの屈折率をｎ_１、光学部品の屈折率をｎ_２とする。また、光ファイバと空気との界面での光ファイバを伝搬してきた光の入射角をθ_１１、光ファイバと空気との界面での屈折角をθ_０１、空気と光学部品との界面での屈折角をθ_２１とすると、
ｎ_１・ｓｉｎθ_１１＝ｎ_０・ｓｉｎθ_０１
ｎ_０・ｓｉｎ（θ_０１−θ_１１）＝ｎ_２・ｓｉｎθ_２１
が成り立つ。ここで、θ_１１は光ファイバを切断した角度θ_１（光軸と垂直の場合を０度としたときの切断角度）と一致する。ずれΔＤ_１を、隙間ΔＬ_１を用いて求めると、
ΔＤ_１＝ΔＬ_１・ｔａｎ（θ_０１−θ_１）
ただし、

となる。

図２１は、ガラスロッドを用いる場合（図１９の場合）の光伝搬経路を詳細に示す図である。空気の屈折率をｎ_０、光ファイバの屈折率をｎ_１、光学部品の屈折率をｎ_２、ガラスロッドの屈折率をｎ_２’とする。また、光ファイバとガラスロッドとの界面での光ファイバを伝搬してきた光の入射角をθ_１２、光ファイバとガラスロッドとの界面での屈折角をθ_２’２、ガラスロッドと空気との界面での屈折角をθ_０２、空気と光学部品との界面での屈折角をθ_２２とすると、
ｎ_１・ｓｉｎθ_１２＝ｎ_２’・ｓｉｎθ_２’２
ｎ_２’・ｓｉｎ（θ_１２−θ_２’２）＝ｎ_０・ｓｉｎθ_０２
ｎ_０・ｓｉｎθ_０２＝ｎ_２’・ｓｉｎθ_２２
が成り立つ。ここで、θ_１２は光ファイバを切断した角度θ_１（光軸と垂直の場合を０度としたときの切断角度）と一致する。ずれΔＤ_２を、隙間ΔＬ_２を用いて求めると、
ΔＤ_２＝ΔＬ_２・ｔａｎθ_０２
ただし、

となる。

図２２にモードフィールド径が１０．５μｍの光ファイバの場合の位置ずれと結合損失との関係を示す。具体例として、光ファイバの直径を１２５μｍ、屈折率を１．４５、斜め切断の角度を８度とし、光ファイバの先端（最も光学部品に近い部分）と光学部品との隙間を１μｍ確保する場合を考えてみる。斜め切断した光ファイバを直接光学部品に融着接続する場合（図１６の場合）、隙間ΔＬ_１は９．７８μｍとなる。この場合、θ_０１＝１１．６４度、ΔＤ_１＝０．６２μｍ、２ΔＤ_１＝１．２５μｍとなる。したがって、位置ずれにより−０．２５ｄＢ程度の損失が発生する。一方、ガラスロッドを用いる場合（図１９の場合）、隙間ΔＬ_２は１μｍとなる。ガラスロッドの屈折率が１．５１６の場合には、θ_２’２＝７．６５度、θ_０２＝０．５３度、ΔＤ_２＝０．００９３μｍ、２ΔＤ_２＝０．０１８５μｍとなり、位置ずれによる損失は−５．５×１０^−５ｄＢ程度となる。また、ガラスロッドの屈折率が１．４７５の場合には、θ_２’２＝７．８６度、θ_０２＝０．２０度、ΔＤ_２＝０．００３５μｍ、２ΔＤ_２＝０．００７０μｍとなり、位置ずれによる損失は−７．９×１０^−６ｄＢ程度となる。このように、ガラスロッドを用いる場合（図１９）、調芯したときの出力光の観測値と、融着後の出力光の観測値の変化を小さくでき、結合損失を小さくできる。

なお、本発明の構成は、リターンロス対策としても有効である。８度程度の斜め切断（研磨）の光ファイバを屈折率１．５１６のＢＫ−７ガラスに接続すると、接続界面からの反射光によるリターンロスは−６４ｄＢとなる。接続という工程そのものにより光ファイバと光学部品との間に介在した空気層がなくなってしまっても、それによって発生する光学部品の端面での光の入射位置のずれは非常に小さいので、損失の増加は少ない。つまり、第２実施例によれば、端面からの反射戻り光が非常に小さい（リターンロスの絶対値の大きい）低損失な３ポートモジュールを実現できる。

１００、２００、３００、７００、９００ 光ファイバモジュール
１５０、２５０ ガラスロッド
１５１、２５１ 第１端面 １５２、２５２ 第２端面
３４０ 光機能デバイス ７４０ 光バンドパスフィルタ
８００ 光機能モジュール ８３０ 光機能デバイス
８４０ 光学ベース ９０１、９０２ 光ファイバコリメータ
９１０ 光学部品 ９１１ ガラス端面
９２０ 光ファイバ ９２１ 端面

Claims (6)

1. 法線方向が光軸とあらかじめ定められた角度だけ異なる端面を有する光ファイバと、
   前記光ファイバに融着された第１端面と、前記光軸と法線方向が一致する第２端面とを有するガラスロッドと、
   前記ガラスロッドの前記第２端面に融着されたガラス端面を有する光学部品と
   を備え、
   前記ガラスロッドと前記ガラス端面との屈折率の差があらかじめ定められた範囲内である光ファイバモジュール。
2. 法線方向が光軸とあらかじめ定められた角度だけ異なる端面を有する光ファイバと、
   前記光ファイバに融着された第１端面と、前記光軸と法線方向が一致する第２端面とを有するガラスロッドと、
   前記ガラスロッドの前記第２端面に融着されたガラス端面を有する光学部品と
   を備え、
   前記ガラスロッドと前記ガラス端面とが同じ材質である光ファイバモジュール。
3. 法線方向が光軸とあらかじめ定められた角度だけ異なる端面を有する３本の光ファイバと、
   前記光ファイバごとに融着された第１端面と、前記光軸と法線方向が一致する第２端面とを有する３個のガラスロッドと、
   ２つの前記ガラスロッドの前記第２端面に融着されたガラス端面を有する第１の光学部品と、
   他の１つの前記ガラスロッドの前記第２端面に融着されたガラス端面を有する第２の光学部品と、
   ２つの前記光学部品の間に配置された光機能デバイスと
   を備え、
   前記ガラスロッドと前記ガラス端面との屈折率の差があらかじめ定められた範囲内である光ファイバモジュール。
4. 法線方向が光軸とあらかじめ定められた角度だけ異なる端面を有する３本の光ファイバと、
   前記光ファイバごとに融着された第１端面と、前記光軸と法線方向が一致する第２端面とを有する３個のガラスロッドと、
   ２つの前記ガラスロッドの前記第２端面に融着されたガラス端面を有する第１の光学部品と、
   他の１つの前記ガラスロッドの前記第２端面に融着されたガラス端面を有する第２の光学部品と、
   ２つの前記光学部品の間に配置された光機能デバイスと
   を備え、
   前記ガラスロッドと前記ガラス端面とが同じ材質である光ファイバモジュール。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の光ファイバモジュールを製造するための光ファイバモジュールの製造方法であって、
   前記光ファイバおよび前記ガラスロッドを、それぞれの端面の法線が前記あらかじめ定めた角度だけ光軸と異なるように切断することで、前記光ファイバの端面と前記ガラスロッドの第１端面とを形成する第１切断工程と、
   前記光ファイバの端面と前記ガラスロッドの第１端面とが一致するように、前記光ファイバと前記ガラスロッドとを融着する第１融着工程と、
   前記ガラスロッドを切断することで、前記ガラスロッドの第２端面を形成する第２切断工程と、
   前記ガラスロッドの第２端面の位置を決める調芯工程と、
   前記ガラスロッドの第２端面を前記光学部品の前記ガラス端面に融着する第２融着工程
   を有する光ファイバモジュールの製造方法。
6. 請求項１から４のいずれかに記載の光ファイバモジュールを製造するための光ファイバモジュールの製造方法であって、
   あらかじめ前記第１端面と前記第２端面とを有するガラスロッドを用意しておき、
   前記光ファイバを、端面の法線が前記あらかじめ定めた角度だけ光軸と異なるように切断することで、前記光ファイバの端面を形成する第１切断工程と、
   前記光ファイバの端面と前記ガラスロッドの第１端面とが一致するように、前記光ファイバと前記ガラスロッドとを融着する第１融着工程と、
   前記ガラスロッドの第２端面の位置を決める調芯工程と、
   前記ガラスロッドの第２端面を前記光学部品の前記ガラス端面に融着する第２融着工程
   を有する光ファイバモジュールの製造方法。
   

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