JP2004258407A - 光学デバイス及び光学デバイスのアライメント方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光ファイバと光部品とのアライメントを高精度にかつ容易に行うことができる光学デバイス及び光学デバイスのアライメント方法を提供する。
【解決手段】光学デバイス１はガラス基板５を有し、このガラス基板５の上部にはシリコン基板１１が配置されている。シリコン基板１１の下面には、複数本の片持ち梁１２がガラス基板５上の各電極と対向するように固定されている。各片持ち梁１２の先端部には、ＭＴ光コネクタ３Ａ，３Ｂの各光ファイバ２７からの光を所定方向に反射させる可動ミラー１３が固定されている。また、シリコン基板１１の表面部における複数本の片持ち梁１２の両側には、ガラス基板５と協働してアライメント穴を形成する２枚の壁部１５がそれぞれ固定されている。アライメント穴には、ＭＴ光コネクタ３Ａ，３Ｂのガイドピン２８がレンズアレイ４Ａ，４Ｂを介して挿入されている。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信等で用いられる光学デバイス及び光学デバイスのアライメント方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光通信等で用いられる光学デバイスとしては、例えば特許文献１に記載されているような光スイッチが知られている。この光スイッチは、シリコン基板上に配置された可動電極板にミラーを立設し、このミラーを上下動させて光ファイバからの光を反射または通過させることにより、光路の切り換えを行うものである。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−２５８７０２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような光スイッチでは、光損失を抑えるためには、光ファイバとミラーとの光学的なアライメント（光軸合わせ）を正確に行う必要がある。しかし、反射光の強度を測定して光ファイバの位置を調整するアライメント方法では、かなりの手間がかかり、コストも高くなる。
【０００５】
本発明の目的は、光ファイバと光部品とのアライメントを高精度にかつ容易に行うことができる光学デバイス及び光学デバイスのアライメント方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の光学デバイスは、基板と、基板に設けられた光部品と、光部品に対向して配置された光ファイバを有する接続部材とを備え、接続部材は、光ファイバを光部品に対してアライメントするためのアライメントピンを更に有し、基板は、アライメントピンが挿入されるアライメント穴を有することを特徴とするものである。
【０００７】
このように構成した本発明においては、接続部材のアライメントピンを基板のアライメント穴に差し込むことにより、接続部材の光ファイバが基板に設けられた光部品に対して光学的にアライメントされると共に、接続部材が基板に組み付けられる。このため、光部品とアライメント穴の位置精度、接続部材の光ファイバとアライメントピンの位置精度が共に高い場合には、光ファイバと光部品とのアライメントが高精度に行われ、光損失を低減することができる。また、アライメントピンを基板のアライメント穴に差し込むだけで良いので、光ファイバと光部品とのアライメントが容易にかつ低コストで行える。さらに、基板に光ファイバ位置決め溝を形成し、この光ファイバ位置決め溝を光部品に対してアライメントした後、光ファイバ位置決め溝内に光ファイバを配置するという従来の光学デバイスの製作とは異なり、直接光ファイバを光部品に対してアライメントするので、光学デバイスの製作工程の簡素化を図ることができる。
【０００８】
好ましくは、光部品は、光ファイバから出射した光を所定の方向に反射させる可動ミラーである。この場合には、可動ミラーを駆動して、光ファイバからの光を通過させる位置と光ファイバからの光を反射させる位置とを切り換えることによって、光学デバイスを光スイッチとして使用できる。このような光スイッチでは、例えばリソグラフィ及びめっきを用いて、可動ミラーとアライメント穴を形成する壁部とを同時に形成することで、可動ミラーとアライメント穴の位置精度を高くすることが可能となる。
【０００９】
このとき、可動ミラーとアライメント穴を形成する壁部は、Ｘ線リソグラフィ及びめっきにより一括形成されたものであるのが好ましい。Ｘ線リソグラフィを用いると、アライメント穴を形成する壁部を数百μｍ程度の高さまで精度良く加工することが可能となる。従って、数百μｍ程度の径を有する比較的大きなアライメントピンを保持するのに十分なアライメント穴を基板に容易に形成することができる。
【００１０】
また、好ましくは、接続部材は、光ファイバの両側に配置された１対のガイドピンを有する光コネクタであり、ガイドピンでアライメントピンを構成する。このように既存の光コネクタを使用することにより、光ファイバ及びアライメントピンを有する接続部材をいちいち製作しなくて済み、一層のコストダウン化が図れる。
【００１１】
さらに、好ましくは、光部品と光ファイバとの間に配置され光ファイバから出射した光をコリメートするレンズを保持したレンズ保持部材を更に備え、レンズ保持部材には、アライメントピンを貫通させるための貫通孔が設けられている。このようにコリメートレンズを設けることにより、光ファイバからの光が効率良く伝搬されるため、光損失をより低減することができる。また、接続部材のアライメントピンをレンズ保持部材の貫通孔に通した状態で基板のアライメント穴に差し込むので、光ファイバとレンズと光部品とを高精度にかつ容易にアライメントすることができる。
【００１２】
このとき、好ましくは、アライメントピンには、レンズ保持部材を接続部材に対して光ファイバの軸芯方向に位置決めするための段部が設けられている。この場合には、光ファイバとレンズとを有する光学系において、光の焦点位置が光ファイバの先端に合うようにレンズ保持部材を接続部材に対して位置決めすることで、光損失を更に低減することができる。
【００１３】
また、本発明は、光学デバイスの基板に設けられた光部品に対して光ファイバをアライメントする光学デバイスのアライメント方法において、光ファイバと当該光ファイバの両側に配置された１対のガイドピンとを有する光コネクタを用意し、基板に形成されたアライメント穴にガイドピンを挿入することにより、光コネクタの光ファイバを光部品に対してアライメントすることを特徴とするものである。これにより、光ファイバと光部品とのアライメントを高精度にかつ容易に行うことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る光学デバイス及びそのアライメント方法の好適な実施形態について図面を参照して説明する。
【００１５】
図１は、本発明に係る光学デバイスの一実施形態の構成を示す水平方向断面図であり、図２は、その光学デバイスの垂直方向断面図であり、図３は図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【００１６】
各図において、本実施形態の光学デバイス１は、複数チャネル（ここでは７ｃｈ）の通常用光路と１つの予備用光路とを有する光スイッチである。光スイッチ１は、スイッチ本体部２と、２つの多心（ここでは８心）ＭＴ光コネクタ３Ａ，３Ｂと、２つのレンズアレイ４Ａ，４Ｂとで構成されている。
【００１７】
スイッチ本体部２はガラス基板５を有し、このガラス基板５には、光を空間伝搬させるための複数の光伝搬溝６と、各光伝搬溝６とつながる凹部７とが形成されている。ガラス基板５の上面には、光伝搬溝６の延在方向に対して平行に延びる細長状の複数枚（ここでは８枚）の電極８が設けられている。この電極８は、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｕ等の金属で形成されている。各電極８上には、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、フォトレジスト等の樹脂等からなる絶縁層９が設けられている。
【００１８】
絶縁層９の上部には、アクチュエータ構造体１０が設けられている。アクチュエータ構造体１０はシリコン基板１１を有し、このシリコン基板１１の表面（下面）には、ＮｉやＮｉ合金等からなる複数本（ここでは８本）の片持ち梁１２が固定されている。各片持ち梁１２は、各電極８と対向するようにガラス基板５の凹部７まで延びている。
【００１９】
各片持ち梁１２の先端部には、ガラス基板５の光伝搬溝６内を空間伝搬した光を光伝搬溝６の延在方向に対して垂直な方向（スイッチ本体部２の幅方向）に反射させる可動ミラー１３が固定されている。この可動ミラー１３は、片持ち梁１２と同じ金属で形成されている。片持ち梁１２の先端側部分を上方に曲げるべく、シリコン基板１１には凹部１１ａが設けられており、これにより可動ミラー１３が上下動可能となる。
【００２０】
シリコン基板１１の表面部における複数本の片持ち梁１２の両側には、ガラス基板５と協働してアライメント穴１４を形成する２枚の壁部１５がそれぞれ固定されている。ガラス基板５における複数の光伝搬溝６の両側には、光伝搬溝６に対して平行に延びる１対の溝部１６が形成されており、壁部１５はその溝部１６内に入り込んでいる。壁部１５は、ＬＩＧＡ（Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｉｃ Ｇａｌｖａｎｏｆｏｒｍｕｎｇ Ａｂｆｏｒｍｕｎｇ）技術を用いて、可動ミラー１３と同時に形成されたものである。なお、アライメント穴１４には、ＭＴ光コネクタ３Ａ，３Ｂのガイドピン２８（後述）が挿入される。
【００２１】
各片持ち梁１２と各電極８とは、電圧源１７及び電気スイッチ１８を介してそれぞれ接続されている。そして、電圧源１７により片持ち梁１２と電極８との間に所定の電圧を印加することで、片持ち梁１２と電極８との間に静電気力を発生させ、可動ミラー１３をガラス基板５の凹部７の底面に向けて下方に移動させる（図２の一点鎖線参照）。
【００２２】
このようなスイッチ本体部２の製作プロセスの一例を図４及び図５に示す。なお、図４は、上から見たときの製作プロセスの概略を示したものであり、図５は、横から見たときの製作プロセスの概略を示したものである。
【００２３】
各図において、まずシリコン基板１９（上記のシリコン基板１１に相当）を用意し、シリコン基板１９の表面にＴｉ等の導電層２０を形成する。続いて、例えばリソグラフィ及びＮｉめっきによって、一部が上記の片持ち梁１２となる片持ち梁層２１を導電層２０上に形成する。続いて、導電層２０上及び片持ち梁層２１上に、Ｘ線用レジストを塗布してレジスト層２２を形成する。そして、マスクを通してシンクロトロンＸ線等をレジスト層２２に照射し、現像を行うことにより、レジスト層２２をパターンニングする（図４（ａ）、図５（ａ）参照）。
【００２４】
続いて、例えばＮｉめっきによって、上記の可動ミラー１３となるミラー層２３と上記の壁部１５となる壁部層２４とを片持ち梁層２１上に同時に形成する（図４（ｂ）、図５（ｂ）参照）。そして、導電層２０上及び片持ち梁層２１上のレジスト層２２を剥離する（図４（ｃ）、図５（ｃ）参照）。
【００２５】
続いて、シリコン基板１９におけるミラー層２３の下側部分をエッチングし、上記の凹部１１ａとなる部分を形成する（図４（ｄ）、図５（ｄ）参照）。最後に、別途製作されたガラス基板２５（上記のガラス基板５に相当）をシリコン基板１９の表面部に固定することにより、上記のスイッチ本体部２が得られる（図４（ｅ）、図５（ｅ）参照）。
【００２６】
このようにＸ線を用いたＸ線リソグラフィとめっきによって、可動ミラー１３とアライメント穴１４を形成する壁部１５とを一括形成することにより、別々のプロセスで作る場合のような加工精度が付加されることは無いため、各可動ミラー１３間の位置精度及び可動ミラー１３と壁部１５との間の位置精度が高くなる。また、Ｘ線リソグラフィを用いることで、可動ミラー１３及び壁部１５が数百μｍ程度の高さまで垂直度良く加工される。このため、ＭＴ光コネクタ３Ａ，３Ｂのガイドピン２８（後述）を保持するのに十分な大きさ（幅、高さが０．７ｍｍ程度）を有するアライメント穴１４を精度良くかつ容易に作ることができる。さらに、可動ミラー１３の表面が滑らかになり光反射率が高くなるので、可動ミラー１３での反射による光の損失を抑えることもできる。
【００２７】
以上のようなスイッチ本体部２と接続されるＭＴ光コネクタ３Ａ，３Ｂは、図６に示すようにＭＴフェルール２６を有している。ＭＴフェルール２６に形成された複数のファイバ穴には、光ファイバテープ心線（図示せず）の各光ファイバ２７がそれぞれ挿入されている。各光ファイバ２７の配列ピッチは、スイッチ本体部２の各可動ミラー１３（各光伝搬溝６）の配列ピッチと同等である。なお、ＭＴ光コネクタ３Ａにおける最外心の光ファイバ２７の一つは未使用ファイバであり、ＭＴ光コネクタ３Ｂにおいて、ＭＴ光コネクタ３Ａの未使用ファイバに対応する光ファイバ２７は予備系ファイバ２７ａである（図１参照）。
【００２８】
また、ＭＴフェルール２６における複数のファイバ穴の両側に形成された１対のガイド穴には、各々ガイドピン２８がＭＴフェルール２６の先端面から所定長だけ突き出るように挿入されている。ガイドピン２８は、通常はＭＴ光コネクタ同士を接続する際のガイドとして使用するものであるが、ここでは各光ファイバ２７をスイッチ本体部２の各可動ミラー１３に対して光学的にアライメントするためのアライメントピンとして構成されている。光ファイバ２７とガイドピン２８との配列ピッチは、スイッチ本体部２の可動ミラー１３（光伝搬溝６）とアライメント穴１４との配列ピッチと同等である。
【００２９】
ガイドピン２８の突出基部には、レンズアレイ４Ａ，４ＢをＭＴ光コネクタ３Ａ，３Ｂに対して光ファイバ２７の軸芯方向に位置決めするための段部２９が設けられている。このとき、チューブ状等のスペーサをガイドピン２８に嵌め込むことで段部２９を構成しても良いし、ガイドピン２８自体に段加工を施すことで段部２９を構成しても良い。スペーサを使用する場合は、段部２９を容易に形成することができ、ガイドピン２８を段加工する場合は、別部品を用意しなくて済む。
【００３０】
レンズアレイ４Ａ，４Ｂは、スイッチ本体部２とＭＴ光コネクタ３Ａ，３ＢのＭＴフェルール２６との間に配置されている。レンズアレイ４Ａ，４Ｂは、ＭＴ光コネクタ３Ａ，３Ｂの各光ファイバ２７から出射した光をコリメートする複数のコリメートレンズ３０を有し、これらのコリメートレンズ３０はレンズ保持部材３１に保持・固定されている。各コリメートレンズ３０の配列ピッチは、スイッチ本体部２の各可動ミラー１３の配列ピッチと同等である。
【００３１】
また、図７に示すように、レンズ保持部材３１における複数のコリメートレンズ３０の両側には、ＭＴ光コネクタ３Ａ，３Ｂの１対のガイドピン２８を貫通させるための貫通孔３２がそれぞれ形成されている。コリメートレンズ３０と貫通孔３２との配列ピッチは、スイッチ本体部２の可動ミラー１３とアライメント穴１４との配列ピッチと同等である。
【００３２】
以上のような光スイッチ１を組み立てるときは、まずＭＴ光コネクタ３Ａ，３Ｂの各ガイドピン２８をレンズアレイ４Ａ，４Ｂの各貫通孔３２に通し、レンズ保持部材３１をガイドピン２８の段部２９に突き当てる。これにより、レンズアレイ４Ａ，４Ｂの各コリメートレンズ３０は、ＭＴ光コネクタ３Ａ，３Ｂの各光ファイバ２７に対して光学的にアライメントされることになる。また、各コリメートレンズ３０が各光ファイバ２７に対して光ファイバ２７の軸芯方向に位置決めされる。このとき、コリメートレンズ３０による光の焦点位置が光ファイバ２７の先端に一致するように段部２９の長さを設定することで、光損失の低減が可能となる。
【００３３】
その状態で、ＭＴ光コネクタ３Ａ，３Ｂの各ガイドピン２８をスイッチ本体部２の各アライメント穴１４に差し込む。これにより、スイッチ本体部２の各可動ミラー１３がＭＴ光コネクタ３Ａ，３Ｂの各光ファイバ２７に対して光学的にアライメントされ、それと同時に光スイッチ１が完成する。
【００３４】
以上のように構成した光スイッチ１において、通常は、図２に示すように電気スイッチ１８はオフ状態であり、全ての片持ち梁１２の先端側部分は上方に反っている。この状態では、ＭＴ光コネクタ３Ａの光ファイバ２７から出射された光は、レンズアレイ４Ａのコリメートレンズ３０でコリメートされて、スイッチ本体部２の光伝搬溝６内を空間伝搬する。そして、その光はそのまま直進し、レンズアレイ４Ｂのコリメートレンズ３０で集光されて、ＭＴ光コネクタ３Ｂの光ファイバ２７に入射される。
【００３５】
一方、いずれかのチャネルの光ファイバ２７及び予備系光ファイバ２７ａに対応する電気スイッチ１８をオンにすると、電圧源１７によって対応する片持ち梁１２と電極８との間に所定の電圧が印加され、両者間に生じる静電気力によって片持ち梁１２が電極８に引き寄せられ、図２の一点鎖線に示すように可動ミラー１３が下降する。
【００３６】
この状態では、ＭＴ光コネクタ３Ａの光ファイバ２７から出射された光は、レンズアレイ４Ａのコリメートレンズ３０を介してスイッチ本体部２の光伝搬溝６内を空間伝搬した後、可動ミラー１３でスイッチ本体部２の幅方向に反射される。そして、その反射光は、スイッチ本体部２の凹部７を空間伝搬し、ＭＴ光コネクタ３Ｂの予備系光ファイバ２７ａに対応する可動ミラー１３で光ファイバ２７の軸芯方向に反射され、レンズアレイ４Ｂのコリメートレンズ３０を介して予備系光ファイバ２７ａに入射される。
【００３７】
以上のように本実施形態にあっては、Ｘ線リソグラフィー及びめっきを用いて、スイッチ本体部２の可動ミラー１３とアライメント穴１４とを同時に形成するので、可動ミラー１３とアライメント穴１４を形成する壁部１５とが高い位置精度で加工される。そして、ＭＴ光コネクタ３Ａ，３Ｂの各ガイドピン２８を、レンズアレイ４Ａ，４Ｂを介して各アライメント穴１４に差し込むようにしたので、ＭＴ光コネクタ３Ａ，３Ｂの各光ファイバ２７とレンズアレイ４Ａ，４Ｂの各コリメートレンズ３０とスイッチ本体部２の各可動ミラー１３とのアライメントを高精度に行うことができる。これにより、光損失の増大を抑えることが可能となる。また、ガイドピン２８をアライメント穴１４に差し込むだけで良いので、反射光の強度を測定しながら光ファイバの位置を調整してアライメントを行う場合に比べて、アライメントに要する手間が大幅に省けると共に、製作コストを削減することができる。
【００３８】
また、既存のＭＴ光コネクタをそのまま使用するので、アライメント穴１４に挿入すべきアライメントピンを設けるために光ファイバに対して追加工を施したり、オプティカルベンチ等の高価なアライメントデバイスを用意しなくて済む。
【００３９】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、Ｘ線リソグラフィーとめっきを用いて、スイッチ本体部２の可動ミラー１３とアライメント穴１４とを一括形成するものとしたが、Ｘ線リソグラフィの代わりにＵＶ光リソグラフィ等を用いてもよい。
【００４０】
また、上記実施形態では、光ファイバを有する接続部材としてＭＴ光コネクタを用い、このＭＴ光コネクタのガイドピンをアライメントピンとして利用する構成としたが、これ以外にも、例えばファイバアレイにアライメントピンを設ける構成としてもよい。
【００４１】
さらに、上記実施形態は、複数チャネルの通常用光路及び予備用光路を有する光スイッチであるが、本発明の光学デバイスは、他の形態のｍ×ｎ光スイッチやＯＮ／ＯＦＦ光スイッチ等にも適用できることは言うまでもない。
【００４２】
また、本発明の光学デバイスは、そのような光スイッチに限らず、光ファイバに対してアライメントすべき光部品として発光素子を有する光送信器等にも適用可能である。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、接続部材の光ファイバを光部品に対してアライメントするためのアライメントピンを接続部材に設け、そのアライメントピンが挿入されるアライメント穴を基板に形成したので、光ファイバと光部品との高精度なアライメントを容易に且つ安価に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光学デバイスの一実施形態として光スイッチの構成を示す水平方向断面図である。
【図２】図１に示す光スイッチの垂直方向断面図である。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図４】図１〜図３に示すスイッチ本体部の製作プロセスの一例を示す図であり、上から見たときの製作プロセスの概略を示したものである。
【図５】図１〜図３に示すスイッチ本体部の製作プロセスの一例を示す図であり、横から見たときの製作プロセスの概略を示したものである。
【図６】図１及び図２に示すＭＴ光コネクタの斜視図である。
【図７】図１及び図２に示すレンズアレイの正面図である。
【符号の説明】
１…光スイッチ（光学デバイス）、２…スイッチ本体部、３Ａ，３Ｂ…ＭＴ光コネクタ（接続部材）、４Ａ，４Ｂ…レンズアレイ、５…ガラス基板、１１…シリコン基板、１２…片持ち梁、１３…可動ミラー（光部品）、１４…アライメント穴、１５…壁部、２７…光ファイバ、２８…ガイドピン（アライメントピン）、２９…段部、３０…コリメートレンズ、３１…レンズ保持部材、３２…貫通孔。

Claims (7)

1. 基板と、
   前記基板に設けられた光部品と、
   前記光部品に対向して配置された光ファイバを有する接続部材とを備え、
   前記接続部材は、前記光ファイバを前記光部品に対してアライメントするためのアライメントピンを更に有し、
   前記基板は、前記アライメントピンが挿入されるアライメント穴を有することを特徴とする光学デバイス。
2. 前記光部品は、前記光ファイバから出射した光を所定の方向に反射させる可動ミラーであることを特徴とする請求項１記載の光学デバイス。
3. 前記可動ミラーと前記アライメント穴を形成する壁部は、Ｘ線リソグラフィ及びめっきにより一括形成されたものであることを特徴とする請求項２記載の光学デバイス。
4. 前記接続部材は、前記光ファイバの両側に配置された１対のガイドピンを有する光コネクタであり、
   前記ガイドピンで前記アライメントピンを構成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の光学デバイス。
5. 前記光部品と前記光ファイバとの間に配置され前記光ファイバから出射した光をコリメートするレンズを保持したレンズ保持部材を更に備え、
   前記レンズ保持部材には、前記アライメントピンを貫通させるための貫通孔が設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の光学デバイス。
6. 前記アライメントピンには、前記レンズ保持部材を前記接続部材に対して前記光ファイバの軸芯方向に位置決めするための段部が設けられていることを特徴とする請求項５記載の光学デバイス。
7. 光学デバイスの基板に設けられた光部品に対して光ファイバをアライメントする光学デバイスのアライメント方法において、
   光ファイバと当該光ファイバの両側に配置された１対のガイドピンとを有する光コネクタを用意し、前記基板に形成されたアライメント穴に前記ガイドピンを挿入することにより、前記光コネクタの光ファイバを前記光部品に対してアライメントすることを特徴とする光学デバイスのアライメント方法。

Images