非対称の小型レンズアレイ

【課題】安価な光学投入配置を提供する。
【解決手段】光学投入配置は、光ファイバのアレイを固定するためのファイバアセンブリを含む。光学投入配置はまた、光ファイバのアレイで各々の光ファイバと位置決めされる一対の連結レンズ２１０を有する第１の表面２２０と、連結レンズ２１０の各々の対と位置決めされるコリメーティングレンズ２１４を有する第２の表面２３０とを有する非対称の小型レンズアレイ２００を含む。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の記載）
本出願は、２０１１年８月２４日に出願された出願米国仮特許出願番号第６１／５２６，７９１号（発明の名称「非対称の小型レンズアレイ」）の便益を主張するものであり、そのすべての開示はここで全体として引用したものとする。
【背景技術】
【０００２】
多くの光学的組織は、同じ光学通路に沿って出入光学ビームを導く。このような光学的組織は、光スイッチ、波長ブロッカ及び光減衰器を含んでもよい。図１は、例えばＤＭＤ（デジタルマイクロミラー装置）のような、ＭＥＭＳ（微小電気機械システム）ミラーアレイに基づく波長ブロッカの簡略化された例を示す。１×１波長ブロッカにおいて、ファイバアレイは、入出力ポートとして役立つ単一のファイバである。多くの場合、循環機（図示せず）又は他の手段が出入ビームを分離するために用いられる。ファイバアレイがＮ本のファイバを含む場合、各々のファイバは入出力ポートとして役立つ。そのような装置は、一般的な光学的組織を用いてＮ個の１×１波長ブロッカを提供し、波長ブロッカアレイと呼ばれる。そのような装置において、投入される光学系は、各々のＮ個の入射ビーム及びＮ個の出射ビームを分離するため、一般にファイバアレイ及び一連の循環機等を必要とする。
【０００３】
上記の波長ブロッカアレイのような光学的組織の用途において複雑でなく安価な投入光学配置を提供することが、望ましい。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の一態様によれば、光ファイバのアレイを固定するためのファイバアセンブリを含む光学投入配置が提供される。光学投入配置はまた、光ファイバのアレイの各々の光学ファイバと位置決めされる一対の連結レンズを有する第１の表面と、連結レンズの各々の対と位置決めされるコリメーティングレンズを有する第２の表面とを有する非対称の小型レンズアレイを含む。
【０００５】
本発明の別の態様によると、光学スイッチは、光ファイバのアレイを固定するためのファイバアセンブリ、及び、光ファイバのアレイの各々の光学ファイバと位置決めされる一対の連結レンズを有する第１の表面と、連結レンズの各々の対と位置決めされる結合レンズを有する第２の表面とを有する非対称の小型レンズアレイを含む。光学スイッチはまた、ＭＥＭＳミラーアレイも含む。各々のＭＥＭＳミラーは、結合レンズの一つから光学ビームを受容するために配置される。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１は、ＤＭＤのようなＭＥＭＳミラーアレイに基づく波長ブロッカの簡略化された例を示す。
【図２】図２は、ファイバアレイが固定されるＶ溝アレイ又はアセンブリの様々な斜視図を示す。
【図３Ａ】図３Ａは、ファイバアレイが固定されるＶ溝アレイ又はアセンブリの様々な斜視図を示す。
【図３Ｂ】図３Ｂは、ファイバアレイが固定されるＶ溝アレイ又はアセンブリの様々な斜視図を示す。
【図４】図４は、非対称の小型レンズアレイの一例の平面図を示す。
【図５】図５は、投入光学配置を形成する非対称の小型レンズアレイと結合したＶ溝アレイの側面図を示す。
【図６】図６はそれぞれ、投入光学配置を形成する非対称の小型レンズアレイと結合したＶ溝アレイの斜視図を示す。
【図７】図７は、図５及び６に示されるタイプの投入光学配置を用いる波長ブロッカアレイの他の例を示す。
【図８】図８は、補正プリズム、ウインドウ及びＤＭＤを示す図７の波長ブロックアレイの詳細を示す。
【図９】図９は、マイクロレンズアレイ結合要素（すなわち非対称の小型レンズアレイ）を使用するファイバアレイスイッチの例を示す。
【図１０】図１０は、虚像面に位置する連結ミラーを用いてファイバアレイに、マイクロレンズアレイを整列配置する方法を示す。
【図１１ａ】図１１ａは、図５及び図６に示すような投入光学配置を使用する１×Ｎの波長ブロッカアレイの一例の上面図をそれぞれ示す。
【図１１ｂ】図１１ｂは、図５及び図６に示すような投入光学配置を使用する×Ｎの波長ブロッカアレイの一例の側面図をそれぞれ示す。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
ファイバアレイはＶ溝アレイ又はアセンブリに通常固定され、その一例が図２、３Ａ及び３Ｂの様々な斜視図に示される。Ｖ溝アレイ２５０は、シリコン基板１０１上の光導波路ユニット１００Ｂと、光導波路ユニット１００Ｂに隣接した光ファイバ整列ユニット１００Ａとを含む。光導波路ユニット１００Ｂは、シリコン基板１０１上に形成されたクラッディング１０２及び導波路コア１０３とを含む。導波路コア１０３の出力２６０は、図３Ａに示される。光ファイバ整列ユニット１００Ａは光ファイバを固定するためにＶ溝１０４を有し、各々のＶ溝１０４は導波路コア１０３と整列配置される。光ファイバ１０５はＶ溝１０４に配置され、ガラス圧力板１０６で上から光ファイバ１０５を固定し、コア１０３に光ファイバ１０５と接続する。
【０００８】
従来の配置では、Ｖ溝アレイの出力で提供された平行ビームは、入力面上に一連の連結レンズと出力表面上に対応する一連のコリメーティングレンズとを有する小型レンズアレイに導かれてもよい。各々の連結レンズはコリメーティングレンズの一つと位置決めされ、各々の連結レンズはＶ溝アレイの導波路出力の一つと整列配置される。小型レンズアレイがＶ溝アレイにより提供された平行ビームは互いにすべて平行であることを確実にする一方で、入射及び出射ビームを分離することができる投入光学配置として使われる場合に循環機等の必要性は避けられない。
【０００９】
同数の連結及びコリメーティングレンズであるという意味において対称形である上記のタイプの対称形の小型レンズアレイを使用する代わりに、Ｖ溝アレイ２５０は、コンパクトで、かつ、作成するのに比較的安価であり、循環機又は他の光学要素を必要としない投入光学配置を形成するため、非対称の小型レンズアレイと結合され得る。非対称の小型レンズアレイにおいて、連結レンズの数は、コリメーティングレンズの数とは異なる。
【００１０】
図４は、非対称の小型レンズアレイ２００の一例の平面図を示し、図５−６はそれぞれ、小型レンズアレイ２００と結合したＶ溝アレイ２５０の側面図及び斜視図を示す。最も容易に図４に示されるように、小型レンズアレイ２００は内側及び外側の対向する表面２２０及び２３０を含み、シリカ又は他の最適な光学的透過材料から形成される。一連の連結レンズ対２１０_１、２１０_２、２１０_３は、アレイ２００の内側の表面２２０に配置される。同様に、一連のコリメーティングレンズ２１４_１、２１４_２、２１４_３は、小型レンズアレイ２００の外側の表面２３０に形成される。連結レンズ２１２の各々の対２１０は、コリメーティングレンズ２１４の一つと位置決めされる。例えば、図４において、連結レンズの対２１０_１はコリメーティングレンズ２１４_１と位置決めされ、連結レンズの対２１０_２はコリメーティングレンズ２１４_２と位置決めされる。したがって、連結レンズ２１２の二倍多くのコリメーティングレンズ２１４が存在する。例えばレンズは、一連の凹状又は凸状の表面が小型レンズアレイ２００の内側及び外側の表面上でエッチングされるフォトリソグラフィーによって形成される。
【００１１】
連結レンズ２１２のピッチは、Ｖ溝アレイにおいて形成される導波路のピッチと同じである。したがって、図５−６に示すように、Ｖ溝及び小型レンズアレイは、小型レンズアレイ２００の連結レンズ２１２がＶ溝アレイ２５０の導波路出力２６０の一つと位置決めされるように、配置され得る。特定のいくつかの実施態様において、連結レンズ２１２とコリメーティングレンズ２１４との間の分離は、それらの個々の焦点距離の合計とほとんど等しい。
【００１２】
Ｖ溝アレイ２５０及び小型レンズアレイ２００は、共通の基板２８０に載置されてもよい。最も容易に図５に示されるように、非対称のアレイ小型レンズ２００の内側の表面２２０は、後方反射を最小化するために出力表面から角度を有してオフセットされてもよい。つまり、二つの表面は互いに並列でない。同様に、反射防止膜が小型レンズアレイの表面に施されてもよい。
【００１３】
作動中、各々のファイバからの光ビームは、Ｖ溝アレイ２５０の導波路コア１０３の一つに出入りする。各々の導波路からのビームは、連結レンズ２１２の一つにより小型レンズアレイ２００に伝達され、コリメーティングレンズ２１４の一つに到達する前に拡散する。二つの重なり合うビームはしたがって、各々のコリメーティングレンズ２１４に投影される。すなわち、所定の連結レンズ対２１０の各々のレンズ２１２からのビームは、位置決めされるコリメーティングレンズ２１４に導かれる。このように、Ｖ溝アレイ２５０に固定されるファイバアレイの二つのファイバは、わずかに異なる角度でコリメーティングレンズ２１４の一つに入射する二つの重なり合うビームを効果的に導く。
【００１４】
投入光学配置は、上記の波長ブロッカアレイのような光学的組織の入出力として使われてもよい。配置は、虚焦点（例えば図１の焦点１１８）で合焦された、空間的に重ねられ、角度を有して多重化されたビームを生成する。光学的組織からの戻りビームが光学的組織に導かれる入射ビームからわずかに異なる角度で戻るので、連結レンズの対の連結レンズの一つと連絡するファイバの一つが入力ファイバとして使われ、同じ連結レンズの対のもう一方の連結レンズと連絡するファイバが出力ファイバとして使われ得る。
【００１５】
最も単純な場合において、ここで示される投入光学配置は、二つのファイバを収容することができるＶ溝アレイと、単一のコリメーティングレンズと位置決めされる連結レンズの単一の対を有する非対称の小型レンズアレイとを含む。ファイバに入射される二つのビームは投入光学配置に入り、虚焦点で多重化された出力ビームを提供する。
【００１６】
非対称の小型レンズアレイの連結レンズ２１２は、同じように構成される又は構成されなくてもよい。例えば、いくつかの実施態様において、個々の連結レンズ２１２の湾曲は、例えば、像面湾曲のようなものを修正するように光学系の様々な特徴を最適化するため、空間に依存してもよい。加えて、連結レンズ２１２は、非対称のビームを手直しするため、レンズの異なる軸において異なる屈折強度を提供してもよい。
【００１７】
他の変形例において、非対称の小型レンズアレイのいくつかの実施態様の連結レンズ２１２の位置は、Ｖ溝アレイの導波路出力２６０と整列配置されなくてもよい。むしろ、非対称の小型レンズアレイを出ると、ビームの空間的並進を実行するため、互いに関してオフセットされてもよい。
【００１８】
ファイバアレイのファイバ、Ｖ溝２５０の導波路１０３及び非対称の小型レンズアレイのレンズの適当な整列は、多くの異なる方法で達成され得る。小型レンズアレイのレンズの焦点距離の公差がある用途ではあまりに大きいので、このプロセスは特に重要である。一実施態様において、ミラーは虚焦点に配置され、光学ビームは連結レンズの対の一つの連結レンズに発射されて、それが連結レンズの対のもう一方の連結レンズを出ると検出される。様々な構成要素（すなわちＶ溝アレイ２５０、非対称の小型レンズアレイ２００及び基板２８０）はそれから、連結レンズの対の入出力連結レンズ間の連結効率を最大にするために適切に調整されてもよい。このプロセスは、連結レンズのすべて又は選択された数で実行されてもよい。例えば、非対称の小型レンズアレイの中央及び各々の端部で連結レンズの対の連結効率を最大にし、一方で位置的調整が行われることは、都合がよい。構成要素が適切に配列され次第、それらは例えばＵＶエポキシによって接着されてもよい。この実行中の整列プロセスに関する追加の詳細は図１０と関連して後述される。
【００１９】
上記したタイプの投入光学配置を使用する波長ブロッカアレイの他の例は、図７に示される。この特定の例において、１５個の１ｘ１波長ブロッカが、単一のＤＭＤを用いて形成される。投入光学配置はしたがって、Ｖ溝アレイにおいて固定される３０の入出力ファイバ（又は導波路）と、一対の連結レンズと各々位置決めされる、３０個の連結レンズ及び１５個のコリメーティングレンズを有する非対称の小型レンズアレイとを含む。示されるように、波長ブロッカアレイはまた、投入光学３１０（上記の通り）、回転ミラー３１２及び３１４、コリメーティングレンズの対３１６及び３１８、拡大プリズム３２０、回折格子３２２及び３２６、回転プリズム３２４、四分の一波長板３２８、回転ミラー３３０、３３６及び３３８、集光レンズダブレット３３２及び３３４、及び、回転プリズム３４０を含む。回転プリズム３２４が、図８の補正プリズム４１０、ウインドウ４２０及びＤＭＤ４３０に光学ビームを導くことに留意のこと。波長ブロッカアレイに関する追加の詳細は、図１１と関連して後述される。
【００２０】
上記した投入光学配置はまた、各々の連結レンズの対に最高一つのミラーで、虚焦点に一以上のミラーを配置することによって単純なスイッチとして使われてもよい。一実施態様において、ミラーは、ＤＭＤの形で提供されてもよい。個々のミラーを作用させることによって、入出力間の光学連絡通路のオンオフを切替えることができる。ファイバアレイスイッチ装置としてのこの配置の使用に関する追加の詳細は、図９と関連して後述される。
【００２１】
図９は、マイクロレンズアレイ連結要素５１０（上記で非対称の小型レンズアレイと呼ばれる）を用いるファイバアレイスイッチ５００の一例を示す。本３０装置は、ファイバアレイ５２０、両面マイクロレンズアレイ５１０、及び、ＭＥＭＳミラーアレイ５３０から構成される。ファイバアレイ５２０は概して、ファイバを二つのＶ溝ブロック間に挟むことによって構成される。ファイバは、通常のピッチで間隔を置かれる。一般的なピッチは、１２５又は２５０μｍである。この設計のマイクロレンズアレイは、両面アレイである。連結レンズ５４０の線形のアレイが、ファイバアレイに面している側に存在する。連結レンズ５４０は等間隔に設置され、ファイバアレイ５２０のファイバと同じピッチを有する。ＭＥＭＳミラーに面している側は、結合レンズ５５０の線形のアレイから構成されている。結合レンズ５５０のピッチは、ファイバアレイのファイバのピッチの二倍である。最後の要素は、ＭＥＭＳミラー５３０の線形のアレイである。
【００２２】
スイッチ５００の機能は、一つのファイバからその隣のファイバへ光を連結することである。ファイバ１を出た光は、マイクロレンズアレイ５１０の側面５６０で連結レンズ５４０によって視準される。このビームはマイクロレンズアレイ５１０を通って通過し、ＭＥＭＳミラーアレイ５３０のＭＥＭＳミラーの一つへ側面５７０上で結合レンズ５５０によって合焦される。ＭＥＭＳミラーが垂直に向きを定められる場合、ビームは、再視準されるところにＭＥＭＳミラーから結合レンズ５５０へ戻るように反射し、隣接した連結レンズ上にマイクロレンズアレイを通して通過する。この連結レンズはそれから、ファイバ２上へビームを戻すように合焦する。このようにして、アレイのすべてのファイバは、対において連結される。ＭＥＭＳミラーが垂直から離れて傾けられる場合、ビームは廃棄され、接続は作成されない。
【００２３】
１×２スイッチのアレイは、コンバイナが三つの隣接したファイバを連結するマイクロレンズアレイによって作成することができる。
【００２４】
図３ｂは、マイクロレンズアレイ（上記で非対称の小型レンズアレイと呼ばれる）がファイバアレイ上の取付け表面に接着される、二つの構成要素アセンブリを示す。ファイバアレイ−マイクロレンズアレイアセンブリの適切な動作は、二つの構成要素の正確な整列によって決まる。図１０は、虚像面に位置する連結ミラー５８０を用いて、ファイバアレイ５２０にマイクロレンズアレイ５１０を整列配置する方法を示す。適切に配列された場合、この構成は、効率的にすべてのファイバアレイ５２０全体においてファイバを対で連結する。ファイバ１に照射される光は、アレイ全体においてファイバ２及びその他から効率的に連結される。アセンブリを整列配置するため、アレイ全体の連結を単にモニタし、一方でファイバアレイ５２０へのマイクロレンズアレイ５１０の整列を調整する。良好な連結がファイバアレイ５２０全体で達成される場合、マイクロレンズアレイ５１０は、ファイバアレイに接着される。
【００２５】
図１１ａ及び１１ｂはそれぞれ、上記ようにファイバアレイ−マイクロレンズアレイ投入光学配置を用いる１×Ｎ波長ブロッカアレイの一例の上面図及び側面図を示す。この設計は、両面のマイクロレンズアレイ（ＭＬ）（すなわち、上述の非対称の小型レンズアセンブリ）が続く線形のファイバアレイ（ＦＡ）から構成される。ファイバアレイは、Ｖ溝プレート間に挟まれる２Ｎ個のファイバから構成される。Ｖ溝プレート出口面は、後方反射を防ぐ角度で多くの場合研磨される。アレイのファイバは、等間隔に設置される。典型的なファイバ間隔（ピッチ）は、１２５又は２５０ミクロンである。マイクロレンズアレイは、各々の側にレンズの線形のアレイを有する。ファイバアレイに面している側は、一つが各々のファイバのための２Ｎ個のコリメーティングレンズを有する。これらのレンズは、ファイバアレイと同じピッチを有して等間隔に設置される。ＤＭＤに面している側は、ファイバピッチの二倍のピッチを有するＮ個の連結レンズの線形のアレイを有する。この両面のマイクロレンズアレイは、投入面（ＬＰ）で、それらの画像を重ねることによって隣接したファイバから光を連結するように設計される。マイクロレンズアレイには、コリメーティングレンズ（ＣＬ）、回折格子（Ｇ）、スキャンレンズ（ＳＬ）、補正プリズム（Ｐ）、及び、最後にここで「ＤＭＤ」と呼ばれるＭＥＭＳマイクロミラーアレイが続く。
【００２６】
装置の動作を理解するためには、上面図及び側面図の光線を別々に考えることが役立つ。上面図の光線は、装置の波長フィルタリング動作を示す。検討中のファイバを出ている光は、マイクロレンズアレイの前方側のコリメーティングレンズによって視準される。平行ビームはマイクロレンズアレイを通して通過し、それから「投入面」上へ連結レンズによって合焦される。コリメーティングレンズは、このビームを再視準する。回折格子（Ｇ）はそれから、回折格子の式により平行ビームを回析する。スキャンレンズ（ＳＬ）は、スペクトル的に分散したビームをＤＭＤミラー表面上へ合焦する。ＤＭＤが所定の波長を通過するように設定される場合、このビームはＤＭＤミラーに反射し、隣接した出口ファイバに光学系を通じて戻る。
【００２７】
図１１ｂに示される側面図は、この連結がどのように達成されるかについて示す。この図は、ファイバの連結された対からの主光線を示す。ファイバ「Ａ」を出る光線は光学系を通過し、ＤＭＤ上に合焦される。ＤＭＤが傾けられるので、ＤＭＤミラーが対の状態に切替えない限り、このビームは光学系から反射される（破線ビーム）。連結された状態において、ＤＭＤミラーは、ビームがそれ自体（すなわち、リトロー状態に近い）にほとんど戻るよう反射するまで傾けられる。このビームはそれから、光学系を通してマイクロレンズアレイに戻る。しかしながら、ＤＭＤで生成される軽微な角度の分離のために、連結レンズは、隣接したファイバ「Ｂ」にビームを合焦し、このファイバ上で光学系を出る、隣接したコリメーティングレンズにビームを中継する。
【００２８】
側面図が一つの連結されたファイバの対（ポート）のみの動作を示すが、上記した連結はすべてのファイバの対で生じる。しかしながら、ＤＭＤが傾けられるので、スキャンレンズからＤＭＤへの距離がポート毎に変化する点に留意のこと。補正プリズム（Ｐ）の機能は、すべてのポートがＤＭＤ上で合焦するように、正確にこのビーム経路距離差を修正することである。
【００２９】
詳細な記載及び添付の図面で発明の原理を図と共に説明したが、様々な実施態様は、そのような原理から逸脱することなく配置及び詳細において修正することができると認識される。ここで記載されるプログラム、プロセス又は方法は、別途示されない限り、特定のタイプのコンピュータ環境に関連しない又は制限されないと理解されるべきである。様々な形の汎用又は専門のコンピュータ環境が使用される、又は、ここで記載される教示によって動作を実行してもよい。ソフトウェアで示された実施態様の要素はハードウェアで実行されてもよく、その逆も同じである。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバのアレイを固定するためのファイバアセンブリと；前記光ファイバのアレイで各々の光ファイバと位置決めされる一対の連結レンズを有する第１の表面と、前記連結レンズの各々の対と位置決めされるコリメーティングレンズを有する第２の表面とを有する非対称の小型レンズアレイと；を含む、光学投入配置。
【請求項２】
前記ファイバアセンブリが、前記光ファイバを固定するためのＶ溝アセンブリと、前記光ファイバのアレイの各々の光ファイバのための導波路を有する導波路ユニットとを含み、前記Ｖ溝アセンブリの各々のＶ溝が、前記導波路ユニットにおける前記導波路の一つのコアと整列配置される、請求項１の光学投入配置。
【請求項３】
前記導波路のピッチが前記連結レンズのピッチと等しい、請求項２の光学投入配置。
【請求項４】
前記ファイバアセンブリ及び前記非対称の小型レンズアレイが取り付けられる基板をさらに含む、請求項１の光学投入配置。
【請求項５】
前記非対称の小型レンズアレイの前記第２の表面が、前記導波路ユニットの出力表面から角度を有してオフセットされる、請求項４の光学投入配置。
【請求項６】
前記非対称の小型レンズアレイの前記第１及び第２の表面の少なくとも一つで形成された反射防止膜をさらに含む、請求項５の光学投入配置。
【請求項７】
各々のコリメーティングレンズとそれとともに位置決めされる前記連結レンズとの間の距離が、前記それぞれのコリメーティングレンズの焦点距離と、前記連結レンズの一つの焦点距離との合計にほとんど等しい、請求項１の光学投入配置。
【請求項８】
前記非対称の小型レンズアレイの前記第１及び第２の表面が位置する光学的透過アセンブリをさらに含む、請求項１の光学投入配置。
【請求項９】
前記連結レンズの各々の対が同じであるように構成される、請求項１の光学投入配置。
【請求項１０】
前記連結レンズが異なる構成を有する、請求項１の光学投入配置。

【図１】