JP2016533527A

JP2016533527A - 光結合およびアセンブリ

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Publication number: JP2016533527A
Application number: JP2016524447A
Authority: JP
Inventors: ケースタイルズラッセル; クーマンズロジャー; ダブリュホイットニーデビット
Original assignee: Molex LLC
Current assignee: Molex LLC
Priority date: 2013-10-14
Filing date: 2014-10-14
Publication date: 2016-10-27
Also published as: CN105814468A; US20160231518A1; EP3058404A4; EP3058404A1; WO2015057669A1

Abstract

【解決手段】光相互接続アセンブリは、ポリマー材料で形成された本体を有する光結合部品を含む。本体は、第１の焦点および第２の焦点を画定する反射面と、第１の焦点と略整合する第１の焦点面と、第２の焦点と略整合する第２の焦点面とを有する。第１の焦点面および第２の焦点面は、互いに離間配置され、かつ互いに対してある角度をなし、光路が本体を通って第１の焦点から反射面および第２の焦点へと延びる。光信号を伝送する光源が第１の焦点面に隣接して位置し、光信号を受信する光標的は第２の焦点面に隣接して位置する。【選択図】図１

Description

関連出願
本開示は、米国特許商標庁に２０１３年１０月１４日に出願された「ファイバ結合のための無熱光学幾何学（ＡｔｈｅｒｍａｌＯｐｔｉｃａｌＧｅｏｍｅｔｒｙＦｏｒＦｉｂｅｒＣｏｕｐｌｉｎｇ）」と題する、先に出願された米国特許仮出願第６１／８９０，５４１号の優先権を主張する。上述の特許出願の内容は、その全体が本明細書に組み込まれる。

本開示は一般に光アセンブリに関し、より詳細には、温度変化が動作上の影響を低減する光結合部品およびアセンブリに関する。

ポリマー光学素子を使用する際の重大な問題点は、温度に対する光学系の性能である。例えば、ポリマーから作製された光部品は、材料固有の基本的な特性、例えば、屈折率の温度変化（ｄＮ／ｄＴ）および熱膨張率（ＣＴＥ）を有し、これらは通常光部品が取り付けられるガラスまたは電子基板およびガラス充填ポリマーより１０倍超大きい。これらの基本的な特性は、多くの光ファイバ接続用途においてポリマー光部品の使用を限定する。

一部の用途において、ｄＮ／ｄＴおよびＣＴＥ特性が大きいことにより、焦光位置の変化が生じ、温度に対する光接続の性能の低下が起こる場合がある。この性能の低下は、多くの光ファイバ用途におけるポリマー光部品の使用を限定し、時には妨げる。場合によっては、単一モードの光ファイバ用途は、温度変化の影響による性能の低下を特に受けやすくなり得る。

上述の背景技術の考察は、単に読者を補助することを意図したものである。本明細書に記載の技術革新を限定するものではなく、また述べられた従来技術を限定または拡大することも意図していない。よって、上述の考察は、従来のシステムのいかなる特定要素も本明細書に記載の技術革新とともに使用するには不適切であることを示すと解釈されるべきではなく、また本明細書に記載の技術革新を実施する上でいかなる要素も必須であることを示す意図もない。本明細書に記載の技術革新の実施および応用は、添付の特許請求の範囲によって定められる。

一態様において、光相互接続アセンブリは、ポリマー材料で形成された本体を有する光結合部品を含む。本体は、第１の焦点および第２の焦点を画定する楕円体の反射面と、第１の焦点と略整合する第１の焦点面と、第２の焦点と略整合する第２の焦点面とを有する。第１の焦点面および第２の焦点面は、互いに離間配置され、かつ互いに対してある角度をなし、光路が本体を通って第１の焦点から反射面および第２の焦点へと延びる。光信号を伝送する光源が第１の焦点面に隣接して位置し、光信号を受信する光標的は第２の焦点面に隣接して位置する。

別の態様において、第１の光部品を第２の光部品に光学的に結合させるための光結合部品は、ポリマー材料で形成された本体を含む。本体は、第１の焦点および第２の焦点を画定する楕円体の反射面と、第１の焦点と整合する第１の焦点面と、第２の焦点と整合する第２の焦点面とを有する。第１の焦点面および第２の焦点面は、互いに離間配置され、かつ互いに対してある角度をなし、光路が本体を通って第１の焦点から反射面および第２の焦点へと延びる。

さらに別の態様において、光相互接続アセンブリは、ポリマー材料で形成された本体を有する光結合部品を含む。本体は、第１の焦点および第２の焦点を画定する反射面と、第１の焦点と略整合する第１の焦点面と、第２の焦点と略整合する第２の焦点面とを有する。第１の焦点面および第２の焦点面は、互いに離間配置され、かつ互いに対してある角度をなし、光路が本体を通って第１の焦点から反射面および第２の焦点へと延びる。光源が第１の焦点面に隣接して位置し、光標的は第２の焦点面に隣接して位置する。

本開示の構造および動作の構成および方法は、そのさらなる目的および利点とともに、同様の符号が同様の要素を特定する添付図面と併せて考慮される以下の発明を実施するための形態を参照することで最良に理解することができる。

本開示による光結合システムの模式図である。本開示による光結合システムの斜視図である。図２と同様であるが、異なる視点からの斜視図である。図２の線４−４に概ね沿った光結合システムの断面図である。光ファイバが結合部品に結合した光結合システムの代替的実施形態の斜視図である。エミッタおよび検出器が結合部品に結合した光結合システムの別の代替的実施形態の斜視図である。光結合システムの結合部品の代替的実施形態の模式図である。

本開示は、様々な形態の実施形態を許容し得るが、本開示が、本開示の原理の例示と見なされるべきであり、本開示を例証されるものに限定する意図はないことを理解の上で、特定の実施形態を図に示し、本明細書において詳細に記載する。

したがって、特徴または態様に対する言及は、本開示の例の特徴または態様を説明することを意図し、そのすべての実施形態が説明された特徴または態様を有する必要があることを意味するものではない。さらに、説明がいくつかの特徴を例証することに留意するべきである。潜在的なシステム設計を例証するためにある特徴がともに組み合わされている一方で、明確に開示されない他の組み合わせにおいて、それらの特徴を使用することもできる。よって、示す組み合わせは、別段の記載のない限り、限定することを意図したものではない。

図に例証される実施形態において、上、下、左、右、前後、前方、および後方などの方向表現は、本開示の種々の要素の構造および動きを説明するために使用され、絶対的ではなく相対的なものである。これらの表現は、図で示される位置に要素がある場合に適切である。しかしながら、要素の位置の説明が変わるのならば、これらの表現はそれに応じて変えられるべきである。

図１〜４は、２つの部品をともに光学的に結合させるための光結合システム１０を示す。示すように、第１の光部品または光源１１と第２の光部品または光標的１２とが、透明な光結合部品２０によって光学的に結合されている。より具体的には、結合部品２０は、第１の光部品１１から第２の光部品１２へと光の形態で光信号を誘導する。一実施形態において、第１の光部品１１は、光信号を伝送する、半導体エミッタもしくはトランスミッタまたは光ファイバなどの任意の光源であってもよい。第２の光部品１２は、光信号が誘導される、半導体検出器もしくはレシーバまたは光ファイバなどの任意の光標的であってもよい。

結合部品２０は、一体型ポリマーまたは樹脂部材であってもよく、反射面２１とともに、反射面から離間し、かつ反射面と対向する第１の焦点面３０および同様に反射面から離間し、かつ反射面と対向する第２の焦点面３５を含む。第１の焦点面３０は、第２の焦点面３５から離間し、かつ第２の焦点面３５に対してある角度をなす。第１の焦点面３０と第２の焦点面３５との角度は、以下に記載するような光部品２０の他の特性を満たすならば、任意の所望の角度であってもよい。一部の用途において、第１の焦点面３０と第２の焦点面との角度は、およそ７０〜１１０度であってもよい。他の用途において、角度はおよそ９０度であってもよい。

反射面２１は、楕円体の形状または表面（図２〜３）を有し、一対の光焦点または焦点３１、３６を形成または画定することができる。反射面２１の一部を画定する楕円は、明確にするために破線３８で示す。第１の焦点３１は、第１の焦点面３０上に位置するまたは第１の焦点面３０と整合することができ、第２の焦点３６は、第２の焦点面３０上に位置するまたは第２の焦点面３０と整合することができる。三次元（ｘ、ｙ、およびｚ）において、第１の焦点３１と第１の光部品１１とを整合し、かつ三次元において、第２の焦点３６と第２の光部品１２とを整合することによって、第１の光部品と第２の光部品との間の光結合内の損失を最小化することができる。

場合によっては、焦点面とそれぞれの焦点とを略整合するだけで望ましい場合があることに留意すべきである。例えば、このことは、特定の点ではなく特定の直径で集束するように伝送される光ビームにとって望ましい場合、または正確なアライメントがシステム性能にとって必要とされない場合に起こり得る。このような場合、光は点ではなく焦点面で結合部品２０に出入りする。

図１に示すように、楕円３８の長軸３９（すなわち、焦点を通る線）は、第１の焦点面３０と第２の焦点面３５との双方に対してある角度をなしている。焦点面に対する長軸３９の角度は、焦点面に対する反射面の角度と一致する。

図１に示すように、第１の焦点面３０は第１の光部品１１と整合するソース位置として構成され、第２の焦点面３１は第２の光部品１２と整合する標的位置として構成される。したがって、光信号は、光ビームの形態で第１の焦点面に対して略垂直な角度で第１の焦点面３０に入り、反射面２１に反射して、第２の焦点面に対して略垂直な角度で第２の焦点面３５から出ることができる。しかしながら、第１の光部品１１および第２の光部品１２は、同等の有効性で動作する結合部品２０とともに反対にすることができる。

言い換えれば、光が第１の焦点面３０から第２の焦点面３５へと伝送されているかどうか、または光が第２の焦点面から第１の焦点面へと伝送されているかどうかにかかわらず、結合部品２０は同等に有効な様式で動作する。例として、第１の光部品１１は光ファイバ１３として、また第２の光部品１２は検出器１４として図１に示される。図５において、第１の光部品１１および第２の光部品はともに光ファイバ１３として示される。図６において、第１の光部品１１はエミッタ１５として示され、第２の光部品は検出器１４として示される。

光部品２０は、射出成形、アディティブ法（例えば、３Ｄプリント）の一部として、または別の方法で形成することができる光学グレードポリマー、例えばポリカーボネート、環状オレフィン、もしくはＵｌｔｅｍ（登録商標）で形成することができる。反射面２１が空気と接触するように光部品２０を位置決めすることによって、光部品と空気との屈折率の差が光を反射面に効率的に反射させる。すなわち、ブルースター角より大きい角度で光が反射面に入るのであれば、楕円体形状の反射面２１は、第１の焦点３１で光部品２０に入る光を効率的に反射し、第２の焦点３６で光を集束する全反射ミラーとして動作する。その結果、第１の光部品１１から光部品２０に入る光は反射面２１に反射し、第２の光部品１２へと光を誘導する。

図１〜６に示すように、結合部品２０を通して伝送された光信号は、ビームまたは光線束５０として示すことができる。ビームの第１の成分は、ソース位置３０で第１の焦点面３０に対して略垂直な第１の角度で光部品２０に入る５１で示され、光が第２の焦点３６に反射するように、位置２２にて第１の反射角５２で反射面２１に反射する。さらに、ビームの一方の外側の垂直境界を表すビームの第２の成分は、ソース位置３０で表面３１に対して第２の入射角５４で光部品２０に入る５３で示され、光が第２の焦点３６に反射するように、位置２３にて第２の反射角５５で反射面２１に反射する。またさらに、ビームの反対側の外側の垂直境界を表すビームの第３の成分は、ソース位置３０で表面３０に対して第３の入射角５７で光部品２０に入る５６で示され、光が第２の焦点３６に反射するように、位置２４にて第３の反射角５８で反射面２１に反射する。このように、第１の光部品１１からの光が光部品２０に入るにつれて拡大するときには、すべての光が第２の焦点３６に反射する。

図２〜３および図５〜６を参照すると、光ビーム５０は三次元で拡大して相対的な円錐形状を形成し、反射面の楕円体形状が第２の焦点３６に光を反射させることを理解すべきである。例えば、光は、相対的に小さい光の並行ビーム５９として、第１の焦点面３０で結合部品２０に入る。ビームは反射面２１に到達するまで、結合部品２０を通して伝わるにつれて三次元で拡大する。光ビームは、６０（図２）で示す略楕円形状の反射面２１に接触して、反射面に反射する。

光ビームは、第２の焦点３６に到達するまで６１で示されるようにテーパー状になるまたは集束する。５３および５６（図１に示す）で示されるビームの外側の垂直境界と同様に、横方向または水平に拡大された光ビームも楕円体の反射面２１によって第２の焦点３６にリダイレクトされる。光ビーム５０が拡大するときの光ビーム５０の一方の横方向外側の境界線は、図２〜３において６２で示され、光ビームが収縮するまたは集束するときの横方向外側の境界線は６３で示される。

理想的な動作条件下において、表面の形状および光結合部品２０（光学グレードポリマー）と反射面を取り囲む雰囲気（空気）との屈折率の差により、反射面２１は全反射ミラーとして動作する。しかしながら、汚染物質または異物（例えば、水、ほこり、塵、接着剤）が反射面２１の外面２５に接触している場合、このような望ましくない材料は、汚染物質の位置において光部品２０と空気との屈折率の差を変化させるので、汚染物質にて反射面の光学特性が変化する。

反射面２１の反射特性におけるこのような変化および結合部品２０の性能における相当する変化のリスクを低減するために、反射面２１に沿った光部品２０の外面２５に反射コーティングまたはめっき４０（図７）を追加するまたは付与することが望ましい場合がある。コーティング４０は、任意の汚染物質または異物が反射面の外面に接触するまたは付着する場合、付加的な反射率を提供する。反射コーティング４０は、任意の高反射性材料、例えば金、銀、または任意の他の望ましい材料であってもよい。コーティング４０は、任意の所望の方法で外面２５に付与することができる。コーティング４０を反射面２１全体に沿って延ばして示しているが、コーティングは大部分の光ビームが反射する反射面の一部にのみ付与するように、選択的に付与してもよい。

光結合システム１０をアセンブルすると、第１の光部品１１と結合部品２０の第１の焦点面３０との間の第１の間隙１６（図１）および第２の光部品１２と光部品の第２の焦点面３５との間の第２の間隙１７を満たすために屈折率が整合した媒体４１を使用してもよい。図１は、説明のために縮尺通りでないことを留意すべきである。間隙１６、１７は、任意の所望の距離であってもよい。一例として、間隙１６、１７は、２５〜５０ミクロンであってもよい。

媒体４１の屈折率は、第１の光部品１１、第２の光部品１２、および結合部品２０の屈折率に厳密に一致し得る。媒体４１は、エポキシなどの屈折率が整合した接着剤であってもよく、このような接着剤は、第１の光部品１１と第２の光部品１２と結合部品２０との間の光を効率的な方法で伝送するだけでなく、第１の光部品１１および第２の光部品１２を結合部品２０に固定するための機能もする。

代替的実施形態において、第１の光部品１１および第２の光部品１２は接着剤以外のいくつかの構造または機構を用いて結合部品２０に固定してもよく、媒体４１は接着性を有しない屈折率が整合したゲル、流体、または他の材料であってもよい。

媒体４１の屈折率は、任意の所望値であってもよい。一例として、石英光ファイバの屈折率はおよそ１．４８であり、ポリマー結合部品２０の屈折率はおよそ１．５６である。このような場合、媒体４１の屈折率は、光ファイバの屈折率と結合部品２０の屈折率との中間点（すなわち、およそ１．５２）に近似させるために、整合してもよい。別の例において、媒体４１の屈折率は、光ファイバまたは結合部品２０のいずれかの屈折率とほぼ等しくなるように設定してもよい。さらに別の例において、媒体４１の屈折率は、光ファイバの屈折率と結合部品２０の屈折率との間の任意の値に設定してもよい。媒体にかかわらず、屈折率が整合した媒体の使用は通常、システム１０内の光学特性の向上をもたらす。

結合部品２０は、信号を空気により伝送することなく、第１の光部品１１から第２の光部品へと光信号をリダイレクトして集束することの利点を提供し、これにより信号伝送での温度変化の影響を低減する。より具体的には、信号が結合部品（すなわち、第１の焦点３１から反射面２０までおよび反射面から第２の焦点３６まで）を通して伝わるとき、信号は常にポリマー材料を通して伝わっているために、その経路全体に沿って一定の屈折率の影響を受ける。またさらに、システム１０（すなわち、第１の光部品１１、第２の光部品１２、および媒体４１）の光路を形成する結合部品２０以外の部品は極めて類似の屈折率を有するので、温度変化は相対的に小さい影響となる。第１の光部品１１、第２の光部品１２、結合部品２０、および媒体４１の屈折率を厳密に整合させ、信号を空気により伝送することを回避することによって、温度変化による屈折率の変化の影響および生じる光信号の低下を最小化することができる。

屈折率に対する温度変化の影響を低減することによって、光ビームまたは光信号は、標的位置に一貫して集束される。このことは、ほとんどの用途において望ましくあり得るが、単一モードの光ファイバのコア径がマルチモードの光ファイバのコア径と比較して相対的に小さいために、第１の光部品１１および第２の光部品１２の一方または両方が単一モードの光ファイバである場合に特に重要になり得る。

また、結合部品２０の形状は、温度変化とともに伸縮するために、結合部品の物理的構造の変化に対してある程度補正する利点をもたらすこともできる。より具体的には、反射面２１が楕円形状であるために、結合部品２０のサイズが温度変化とともに変化するにつれて、通常、第１の焦点３１および第２の焦点３６の位置は、第１の光部品１１および第２の光部品１２の位置にそれぞれ追従する。

本開示の好ましい実施形態を示し説明するが、当業者は、上述の説明および添付の特許請求の範囲の趣旨および範囲から逸脱することなく種々の修正を考案できることが想定される。

Claims

光相互接続アセンブリであって、
ポリマー材料で形成された本体を有する光結合部品であって、前記本体が、第１の焦点および第２の焦点を画定する楕円体の反射面と、前記第１の焦点と略整合する第１の焦点面と、前記第２の焦点と略整合する第２の焦点面であって、前記第１の焦点面および前記第２の焦点面が互いに離間配置され、かつ互いに対してある角度をなす、第２の焦点面と、前記本体を通って前記第１の焦点から前記反射面および前記第２の焦点へと延びる光路とを有する、光結合部品と、
光信号を伝送する光源であって、前記第１の焦点面に隣接して位置する、光源と、
前記光信号を受信する光標的であって、前記第２の焦点面に隣接して位置する、光標的と、を備える、光相互接続アセンブリ。
前記第２の焦点面に対する前記第１の焦点面の前記角度がおよそ７０〜１１０度である、請求項１に記載の光相互接続アセンブリ。
前記第２の焦点面に対する前記第１の焦点面の前記角度がおよそ９０度である、請求項１に記載の光相互接続アセンブリ。
光信号が、前記第１の焦点面に対して略垂直に、前記第１の焦点面において前記光結合部品に入るように、前記光源が前記第１の焦点面に対して位置し、光信号が、前記第２の焦点面に対して略垂直に、前記第２の焦点面において前記光結合部品を出るように、前記光標的が前記第２の焦点面に対して位置する、請求項１に記載の光相互接続アセンブリ。
前記光源および前記光標的のうちの少なくとも１つが単一モード光ファイバである、請求項１に記載の光相互接続アセンブリ。
前記光源がエミッタである、請求項１に記載の光相互接続アセンブリ。
前記光標的が検出器である、請求項１に記載の光相互接続アセンブリ。
第１の間隙が前記光源と前記第１の焦点面との間に存在し、第２の間隙が前記光標的と前記第２の焦点面との間に存在し、屈折率が整合した媒体が各間隙内に位置する、請求項１に記載の光相互接続アセンブリ。
前記光結合部品が約１．５６の屈折率を有し、該屈折率が整合した媒体が約１．５２の屈折率を有する、請求項８に記載の光相互接続アセンブリ。
前記屈折率が整合した媒体が各間隙を満たす、請求項８に記載の光相互接続アセンブリ。
前記光路全体が前記ポリマー材料を通る、請求項１に記載の光相互接続アセンブリ。
前記反射面に隣接する前記本体の外面がその上に反射コーティングを有する、請求項１に記載の光相互接続アセンブリ。
前記反射コーティングが金、銀、および金合金のうちの１つから選択される、請求項１２に記載の光相互接続アセンブリ。
前記第１の焦点面が前記第１の焦点と交わり、前記第２の焦点面が前記第２の焦点と交わる、請求項１に記載の光相互接続アセンブリ。
第１の光部品を第２の光部品に光学的に結合するための光結合部品であって、
ポリマー材料で形成された本体を備え、前記本体が、
第１の焦点および第２の焦点を画定する楕円体の反射面と、
前記第１の焦点と整合する第１の焦点面と、
前記第２の焦点と整合する第２の焦点面であって、前記第１の焦点面および前記第２の焦点面が互いに離間配置され、かつ互いに対してある角度をなす、第２の焦点面と、
前記本体を通って前記第１の焦点から前記反射面および前記第２の焦点へと延びる光路と、を有する、光結合部品。
前記光路全体が前記ポリマー材料を通る、請求項１５に記載の光結合部品。
前記反射面に隣接する前記本体の外面がその上に反射コーティングを有する、請求項１５に記載の光結合部品。
前記反射コーティングが金、銀、および金合金のうちの１つから選択される、請求項１７に記載の光結合部品。
前記第１の焦点面が前記第１の焦点と交わり、前記第２の焦点面が前記第２の焦点と交わる、請求項１５に記載の光結合部品。
光相互接続アセンブリであって、
ポリマー材料で形成された本体を有する光結合部品であって、前記本体が第１の焦点および第２の焦点を画定する反射面と、前記第１の焦点と略整合する第１の焦点面と、前記第２の焦点と略整合する第２の焦点面であって、前記第１の焦点面および前記第２の焦点面が互いに離間配置され、かつ互いに対してある角度をなす、第２の焦点面と、前記本体を通って前記第１の焦点から前記反射面および前記第２の焦点へと延びる光路とを有する、光結合部品と、
前記第１の焦点面に隣接して位置する、光源と、
前記第２の焦点面に隣接して位置する、光標的と、を備える、光相互接続アセンブリ。