技術

集積型GRINレンズ(Integrated GRIN Lenses)

3-1.GRINレンズとは

Fig.18 Ray trace of GRIN lens

GRINレンズとはGRaded INdex レンズの略称で、中心軸から周辺部に向かって放物線状に屈折率が低くなっている円筒形のガラスです。両端面が平面ですがレンズ作用があり平行光ビーム形成、レーザダイオードのビームシェイパー、内視鏡、光学スキャナーなど様々な分野に応用されています。

GRINレンズの原理そのものの歴史は古く、1964年に西澤潤一氏と佐々木市右衛門氏によって発明され、その後光ファイバ通信ではマルチモードのGraded Indexファイバとして高速な光通信に使用されました。

GRINレンズの材料は多成分系ガラスにLiイオン、Agイオンなどを拡散して屈折率分布を形成したものと、石英ガラスにGeやTiなどをドープしてGraded Indexにしたものがあります。

3-2.集積型GRIN (Integrated GRIN Lenses)レンズとは

Fig.19 Photo of 4-channel Integrated GRIN lens

(株)中原光電子研究所では、石英ガラス製のGRINレンズを複数個整列させその外側を純粋な石英ガラスで覆った構造の集積型GRINレンズを実現しました。外側の石英ガラスとGRINレンズは溶着(melt and attach)されています。また、従来のGRINレンズアレイのように1本1本GRINレンズを整列させるアセンブル工程が無いため小型高集積化に適しています。またこの集積型GRINレンズは非常に精度が高く、各GRINレンズの間隔(Pitch)誤差は±1μ以下になっています。

さらに1次元に整列させたGRINレンズのみでなく2次元に整列させたGRINレンズもアセンブル工程なしで製造可能です。このように(株)中原光電子研究所の集積型GRINレンズは非常に小型、高精度、高信頼で経済的な特徴を持っています。

3-3-1.コリメート光形成集積型GRINレンズ

Fig.20 Ray trace of collimated light

Fig.21 4-channel collimated beams

集積型GRINレンズの応用例として4チャネルのコリメート光の発生デバイスの紹介をします。GRINレンズの光線軌跡は屈折率分布係数、g値によって表されます。

前掲した光線軌跡の図19からわかるように、GRIN}レンズの光軸中心から点光源として入射した光はGRINレンズの長さが0.25ピッチの箇所で平行になり、0.5ピッチの箇所で焦点を結ぶことになります。

従って、4チャネルのキャピラリー型ファイバアレイと4チャネルの集積型GRINレンズを、ファイバコア中心とGRINレンズの光軸中心が一致するように接続すれば、GRINレンズの別の端面から4本の平行なコリメート光が出ていく事になります。ファイバアレイと集積型GRINレンズの接続は融着接続(Fusion splice)か接着剤固定でも可能です。キャピラリー型ファイバアレイの直径と集積型GRINレンズの外側の直径はいずれも例えば1.5mm程度と非常に小さくすることが可能です。

ここでは4チャネルの場合を示しましたが、8、12、16、チャネルなさらに3x3、4x4、8x8、12x12などの二次元集積化したものも開発中です。

3-3-2.シリコンフォトニクス用垂直結合部品への応用

(Fiber Arrays for Vertical Coupling of Silicon Waveguide)

Fig.22 Straight-type Low Profile Couplers for Si-dies

近年シリコン導波路を使用したシリコンフォトニクスが特にデータセンタにおいて盛んに用いられるようになっています。シリコンの導波路は光のスポットサイズが1-3μと非常に小さいため、10μのスポットサイズを持つ通常の単一モードファイバ(single mode fiber)と接続することが困難です。このため導波路上にグレーティング(Grating)を形成し光を導波路の上方に出射させてスポットサイズを広げ単一モードファイバとの接続を容易にする方法が解決策の一つとして注目されています。

しかし、通常の光ファイバアレイを用いた場合光ファイバは導波路の上方に伸びますから部品の厚さが厚くなり実装上問題となります。このため光ファイバを曲げてファイバアレイを作製する方法なども実施されていますが、光ファイバは曲げに弱いため信頼性や損失増加、コストアップなどの問題が新たに発生しています。

(株)中原光電子研究所の集積型GRINレンズを使用すれば、光ファイバを曲げることなく光を垂直方向で導波路に結合させることができます。その場合の部品の高さもわずか3.0mm以内にすることが可能です(開発中)。
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