JP2014029386A

JP2014029386A - シングルモードのポリマー導波路アレイアセンブリを形成する方法

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Publication number: JP2014029386A
Application number: JP2012169657A
Authority: JP
Inventors: Hidetoshi Numata; 英俊沼田; Yoichi Taira; 洋一平
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2012-07-31
Filing date: 2012-07-31
Publication date: 2014-02-13
Also published as: US20150273732A1; US9393718B2; US9387603B2; US20140037777A1; US20150266248A1; US20140035175A1; US9061473B2; US9085112B2

Abstract

【課題】シングルモードのポリマー導波路アレイアセンブリを形成するにあたり、複数のこのアセンブリの端部にあるフェルール同士の接続において、ポリマー導波路アレイを構成している複数のコア同士が、絶対基準位置（フェルールのガイドピン穴など）に対して高精度に位置決めできるようにすること。
【解決手段】シングルモードのポリマー導波路アレイアセンブリを形成する方法を、プロセス全体について根本から見直している。本発明に従うことで、ポリマー導波路アレイを構成している複数のコア同士が高精度に位置決めできるようになる。本発明に特有の方法における複数のプロセスにおいて用いられる、複数のプロセス金型の組合せ（初期プロセス金型、中間プロセス金型）も提供される。
【選択図】図８

Description

本発明は、シングルモードのポリマー導波路アレイアセンブリを形成する方法に関するものであり、より具体的には、このアセンブリの端部にあるフェルール同士の接続において、ポリマー導波路アレイを構成しているところの複数のコア同士が高精度に位置決めできるようにすることを目的としている、特徴的な形成方法に関する。

光通信システムの構築において、ポリマー導波路が注目されている。複数のファイバをアレイ状に並べて固定していく方向の試みと比較すると、ポリマー導波路ではポリマー材料を利用するプロセスに沿ってポリマー導波路アレイを一括作成することができるため、安価に信頼性の高いアセンブリを形成することができる。

図１は、シングルモードのポリマー導波路アレイアセンブリの構成を説明するための斜視図である。

この導波路アレイアセンブリは、導波路アレイとその両端に取付けられた複数のフェルールとから成る。フェルールとは、コネクタの一種としての機能を果たすものであり、通常は、形状やサイズ等についての規格があるため、その規格に従ったものになる。ここでは説明の簡単化のために、模式的に示しているにすぎない。

この導波路アレイは、複数のコアとそれを取り囲むクラッドとから成り、複数のコアの各々は一方のフェルールから入ってくるシングルモードの光を他方のフェルールへとそれぞれ別個に導くことができる。

図２は、２つのシングルモードのポリマー導波路アレイアセンブリ同士が接続される状態を説明するための斜視図である。

２つのシングルモードのポリマー導波路アレイアセンブリは、互いにその両端に取り付けられたフェルールを通じて接続される。フェルールは、このような接続される状態でコネクタの一種としての機能を果たすものである。

このように接続されながら、複数のシングルモードのポリマー導波路アレイアセンブリが連結されていくことで、光通信システムの構築または拡張にあたり、導波路を連続的に延長していくことが可能となる。

典型的な例では、図２の（Ａ）に図示しているように、２つのフェルールに各々設けられているガイドピン穴を貫いてガイドピンが通されることによって、接続される状態が固定される。

典型的なこの例では、ガイドピン穴の中心は、２つのフェルール同士の接続において、絶対基準位置となってくる。もっとも、固定方法はかかる態様に限定されるものではない。絶対基準位置は、機械的な接続様式の違いがあればその違いに沿って異なってくるため、この例に限られることなく、異なった箇所であってもよい。

シングルモードの光は、複数のコアを通じて各々導かれる。従って、２つのフェルール同士が接続されている状態において、導波路としての連続性を維持しようとすると、複数のコア同士の位置決め精度が重要となってくる。

具体的には、図２の（Ｂ）の複数のフェルールの接続面（２次元平面）において、絶対基準位置からコア中心までの平面的な位置決め（ｘ、ｙ）のずれ、すなわち、δｘの誤差およびδｙの誤差を、許容可能な範囲内に収めることが重要となってくる（なお単層の導波路アレイの場合、通常はｙ＝０である）。

図３は、マルチモード光のポリマー導波路の場合における、絶対基準位置からの位置決めのずれと接続損失との関係を示すグラフである。

マルチモード光のポリマー導波路のコア（径）のスケールは、シングルモード光のポリマー導波路のコアの大きさに比較してずっと大きいことが知られている。これは、シングルモードの光のみを導く機能は、導かれる光の波長との関係で理論的に、コア（径）に直接関係してくるためである。

ここで、マルチモード光を例に引用しているのは、定性的な説明のためにすぎない。しかし、位置決めのずれ（グラフ横軸のＯｆｆｓｅｔで、単位はμｍ（ミクロン））が大きくなると、接続損失（グラフ縦軸のＣｏｕｐｌｉｎｇｌｏｓｓで、単位はｄＢ（デシベル））が大きくなってしまうという傾向が現れることが知られている。

このグラフから接続損失を読み取る方法について説明する。プロットが別の記号になっているように、接続損失は、複数のフェルールの接続面同士に生じてしまうギャップ（図２（Ｂ）のフェルール接続面（２次元平面）に対しての、奥行き方向）の大きさ（０μｍ〜５０μｍ）にも依存してしまう。

もっとも、ギャップの大きさを０μｍあたりまで抑える理想的な状態として、フェルール接続面（２次元平面）の位置決めの誤差を５μｍより小さくすることができれば、接続損失を０．５ｄＢより小さくすることができる、と読み取ることができる。

しかし、シングルモード光を扱う場合には、さらに一層厳しい位置決め精度が求められることが知られている。理論的には、図２に示しているところの、δｘ＜０．５μｍ〜１．０μｍ、δｙ＜０．５μｍ〜１．０μｍ、という位置決め誤差に収まるようにするという、非常に高度なレベルでの位置決めが必要となってくる。さもなければ、位置決めの誤差がそのまま直接的に、接続損失を招いてしまう。

さらには、フェルールによる接続が繰返されて延長されていくと、接続損失が累積されてしまう。

特許文献１には、樹脂埋込型光導波路素子の製造方法が開示されている。

特許文献２には、導波路用金型および導波路の製造方法が開示されている。

特許文献３には、光の伝送経路が２つ以上あり、それらの伝送経路のうちある伝送経路が他の伝送経路を横切る場合であっても、クロストークの増加を抑えることが可能な積層導波路およびその作製方法が開示されている。

特許文献４には、光導波路間の挟ピッチ化による高密度集積化を可能にする光導波路アレイの製造方法が開示されている。

特許文献５には、レンズと光導波路を簡単な構成で高精度に位置合わせできる光結合器が開示されている。

特許文献６には、多心光ファイバと光素子アレイとを、高密度に、低損失に、かつ容易に接続する光導波路部品が開示されている。

しかし、特許文献１〜６のいずれもが、シングルモード光を扱う光導波路アレイアセンブリに求められる極めて高い精度での接続という、本発明が扱っている課題に着目しているものではない。そもそも、シングルモードの光を扱うことができる光導波路アレイアセンブリ自体が、未だ実現されていないようである。

特開平８−１１０４３３号公報特開２００４−１３３３００号公報特開２００８−８３２０５号公報特開２００５−２０１９３７号公報特開２００８−８９８７９号公報特開２０００−７５１６６号公報

本発明の目的は、シングルモードのポリマー導波路アレイアセンブリを形成するにあたり、複数のこのアセンブリの端部にあるフェルール同士の接続において、ポリマー導波路アレイを構成している複数のコア同士が高精度に位置決めできるようにすることにある。

コア同士が高精度に位置決めできるようにするという課題を解決するために、シングルモードのポリマー導波路アレイアセンブリを形成する方法を、プロセス全体について根本から見直している。具体的には、請求項１以降に具体的に記載された構成によって実現されるものである。

本発明に従うことで、複数のアセンブリの端部にあるフェルール同士の接続において、ポリマー導波路アレイを構成している複数のコア同士が高精度に位置決めできる、シングルモードのポリマー導波路アレイアセンブリを得ることができる。

本発明に特有の方法における複数のプロセスにおいて用いられる、複数のプロセス金型の組合せ（初期プロセス金型、中間プロセス金型）も提供される。

図１は、シングルモードのポリマー導波路アレイアセンブリの構成を説明するための斜視図である。図２は、２つのシングルモードのポリマー導波路アレイアセンブリ同士が接続される状態を説明するための斜視図である。図３は、マルチモード光のポリマー導波路の場合における、絶対基準位置からの位置決めのずれと接続損失との関係を示すグラフである。図４は、本発明であるところの、シングルモードのポリマー導波路アレイアセンブリを形成するための複数のプロセスにおいて用いられる複数のプロセス金型の組合せを説明するための斜視図である。図５は、初期プロセス金型を用いた本発明のプロセスの一部を説明する模式図である。この図５は、図４に示している（人間の眼の方向から）側面方向から眺めたものに相当している。図６は、積み重ねられたカバーフィルム（ＣＦ）と硬化されたアンダークラッド材料とを一緒にしたままで、初期プロセス金型から取り外すところを説明するための斜視図である。図７は、中間プロセス金型を提供して、中間プロセス金型の両端に位置するように、複数のフェルールを提供して、取り外されたところの、積み重ねられたカバーフィルム（ＣＦ）と硬化されたアンダークラッド材料とを、前記中間プロセス金型およびその両端に提供されている複数のフェルールにわたって橋渡しするところを説明するための斜視図である。図８は、複数のフェルール（一方のフェルールおよび他方のフェルール）と中間プロセス金型を用いた本発明のプロセスの一部を説明する模式図である。この図８は、図４に示している（人間の眼の方向から）側面方向から眺めたものに相当している。図９は、形成された導波路アレイから中間プロセス金型を取り外すところを説明するための斜視図である。

図４は、本発明であるところの、シングルモードのポリマー導波路アレイアセンブリを形成するための複数のプロセスにおいて用いられる複数のプロセス金型の組合せを説明するための斜視図である。

本発明の形成方法に従って形成されるシングルモードのポリマー導波路アレイアセンブリは、導波路アレイとその両端に取付けられた複数のフェルールとから成る。

まず最初の前半プロセスでは、導波路アレイの複数のコアの各々に対応する複数の隆起部（凸部）が各々内面に用意されている、初期プロセス金型が提供される。

次の後半（中間）プロセスでは、中間プロセス金型が提供され、中間プロセス金型の両端に位置するように、複数のフェルール（一方のフェルール、他方のフェルール）が提供される。

これらの金型は、本発明の特徴的な形成方法のプロセスにおいて、重要な役割を担っている。

図５は、初期プロセス金型を用いた本発明のプロセスの一部を説明する模式図である。この図５は、図４に示している（人間の眼の方向から）側面方向から眺めたものに相当している。

図５の（Ａ）において、前記導波路アレイの複数のコアの各々に対応する複数の隆起部（凸部）が各々、内面に用意されている、初期プロセス金型を提供する。この金型は、図４に示している人間の眼の方向からみた側面において、その両端の高い土手（２箇所）の内側に、上方に向かって開く向きにテーパー角がつけられており、後の取り外しが容易になるように設計されている。

この際、初期プロセス金型を提供するステップの後に、さらに、初期プロセス金型の内面に対して（後の取り外しが容易になるように）離型剤（ルブリカント）を塗布するようにしてもよい。

図５の（Ｂ）において、初期プロセス金型の内面に対して、複数の隆起部（凸部）が覆われるように、アンダークラッド材料を適用する。

図５の（Ｃ）において、適用されたアンダークラッド材料をスピンコーティングする。このスピンコーティングによって、その材料の高さを制御して、その材料の上面を平坦にする。図２のδｙ誤差を調整するために（精度出しのために）重要なプロセスになるが、その観点からも、スピンコーティングは効果的な処理方法である。

図５の（Ｄ）において、アンダークラッド材料に対してＵＶ光をあてることによって、アンダークラッド材料をＵＶ硬化させる。このプロセスは、その後のプロセスにおいて十分なレベルまで、または、その後のプロセスにおいて都合のよい硬さになるレベル（半硬化）で止める。すなわち、図５（Ｅ）にてカバーフィルム（ＣＦ）を積み重ねる際に、その重みによってアンダークラッド層の膜厚が変化することなく、かつ、図５（Ｆ）のＵＶ光照射によってカバーフィルム（ＣＦ）とアンダークラッド層が相互に接着する程度に、アンダークラッドの硬化レベルを留める。従って、扱う材料の特性によっては、このプロセス自体を省略してもよい。

図５の（Ｅ）において、平坦にされたアンダークラッド材料の上面に、ＵＶ透過であるカバーフィルム（ＣＦ）を積み重ねる。ＵＶ透過であるカバーフィルム（ＣＦ）は、均一な厚さで市販されているものを利用することができる。

図５の（Ｆ）において、積み重ねられたカバーフィルム（ＣＦ）を通して、アンダークラッド材料に対してＵＶ光をあてることによって、アンダークラッド材料をＵＶ硬化させる。アンダークラッド材料の完全な硬化によって、初期プロセス金型の内面に用意されているところの複数の隆起部（凸部）が正確に型取られる（写し取られる）。またカバーフィルム（ＣＦ）とアンダークラッド層が互いに接着される。

図６は、積み重ねられたカバーフィルム（ＣＦ）と硬化されたアンダークラッド材料とを一緒にしたままで、初期プロセス金型から取り外すところを説明するための斜視図である。

図７は、中間プロセス金型を提供して、中間プロセス金型の両端に位置するように、複数のフェルールを提供して、取り外されたところの、積み重ねられたカバーフィルム（ＣＦ）と硬化されたアンダークラッド材料とを、前記中間プロセス金型およびその両端に提供されている複数のフェルールにわたって橋渡しするところを説明するための斜視図である。

中間プロセス金型を提供して、中間プロセス金型の両端に位置するように、複数のフェルールを提供することについては、中間プロセス金型が、両端に位置する複数のフェルールの間に（両端の複数のフェルールの内面を基準にして）前もって橋渡しされるようにすることで、中間プロセス金型の方を後で挿入するようにしてもよい。

この橋渡しにあたっては、積み重ねられたカバーフィルム（ＣＦ）の側を下向きにして、かつ、複数のフェルールの複数の内面へ向かって挿入する。中間プロセス金型は、支持体としての役割を果たすこともできる。

この状態で、積み重ねられたカバーフィルム（ＣＦ）と一方のフェルールとを接着してもよい。積み重ねられたカバーフィルム（ＣＦ）と他方のフェルールとを接着してもよい。接着に際し、中間プロセス金型が仲介することで、接着すべき箇所を決める治具として精度も出しやすくなる。既に説明したところの、ギャップを小さくするために、接着すべき箇所の精度を出したい場合にも、中間プロセス金型は重要な役割を果たすことができる。

図８は、中間プロセス金型を用いた本発明のプロセスの一部を説明する模式図である。この図８は、図４に示している（人間の眼の方向から）側面方向から眺めたものに相当している。

図８の（Ａ）で示すように、複数のトレンチ部（凹部）は複数の隆起部（凸部）の型に従って（型取られて）形成されたものである。

図８の（Ｂ）において、硬化されたアンダークラッド材料の複数のトレンチ部（凹部）に対してコア材料を充填する。図示のように、余分な量を充填してしまってもよい。

コアとクラッドとの間に空隙（ボイド）が生じることのないように、複数のトレンチ部（凹部）にコア材料がしっかり行き渡るように注意して行うことが望ましい。

図８の（Ｃ）において、充填されたコア材料をスピンコーティングする。このスピンコーティングによって、そのコア材料の高さを制御して、その材料の上面を平坦化し、複数のトレンチ部（凹部）の上端までコア材料が充填された状態にする。余分に充填されたコア材料は、この段階で除去される。

導波路の機能としてコアとクラッドとの境界における反射によって光は伝播されていくので、コアの境界を画定させるプロセスとして、図２のコアとクラッドとのｙ方向位置を調整するために（精度出しのために）重要なプロセスになるが、その点、スピンコーティングは効果的な処理方法であると言える。

図８の（Ｄ）において、コア材料にＵＶ光をあてることによって、コア材料を硬化させる。

図８の（Ｅ）において、硬化されたコア材料上および硬化されたアンダークラッド材料上に、オーバークラッド材料を適用する。オーバークラッド材料には、アンダークラッド材料と同じものか、同じような屈折率（光学的特性）をもった材料を選ぶことが好ましく、さらには、硬化後のアンダークラッド材料との馴染みがよいものが好ましい。

図８の（Ｆ）において、適用されたオーバークラッド材料を硬化させる。

図９は、形成された導波路アレイから中間プロセス金型を取り外すところを説明するための斜視図である。

図８の（Ｆ）までのプロセスが完了してから、積み重ねられたカバーフィルム（ＣＦ）と、一方のフェルールや他方のフェルールとを接着してもよい。

このような本発明の特有のプロセスに従って、シングルモードのポリマー導波路アレイアセンブリが形成される。

石英ファイバＭＴの規格（IEC 1754-5 1996やJIS C05981 1998）では、コア数は２、４、８、１０、１２（、１６）、ポリマー導波路ＭＴの規格（JPCA PE03-01-07S 2006）では、コア数は８、１２が定義されている。

一方、図１、図２（ｂ）、図９におけるコアの数、図４、図５における初期金型の凸部、図６、図７、図８における凹部において、その数は１１または１２で説明している。しかし、本発明の技術的思想を適用するにあたっては、その数は複数でありさえすれば広く適用することができるのであって、限定・特定して解釈されるべきものではない。

Claims

シングルモードのポリマー導波路アレイアセンブリを形成する方法であって、この導波路アレイアセンブリは導波路アレイとその両端に取付けられた複数のフェルールとから成り、この導波路アレイは複数のコアとそれを取り囲むクラッドとから成り、複数のコアの各々は一方のフェルールから入ってくるシングルモードの光を他方のフェルールへとそれぞれ別個に導くことができる、前記方法であって、
前記導波路アレイの複数のコアの各々に対応する複数の隆起部（凸部）が各々、内面に用意されている、初期プロセス金型を提供するステップと、
初期プロセス金型の内面に対して、複数の隆起部（凸部）が覆われるように、アンダークラッド材料を適用するステップと、
適用されたアンダークラッド材料をスピンコーティングするステップであって、その材料の高さを制御して、その材料の上面を平坦にする、前記スピンコーティングするステップと、
平坦にされたアンダークラッド材料の上面に、ＵＶ透過であるカバーフィルム（ＣＦ）を積み重ねるステップと、
積み重ねられたカバーフィルム（ＣＦ）を通して、アンダークラッド材料に対してＵＶ光をあてることによって、アンダークラッド材料をＵＶ硬化させ、かつ、カバーフィルム（ＣＦ）とアンダークラッド材料とを互いに接着させるステップと、
積み重ねられたカバーフィルム（ＣＦ）と硬化されたアンダークラッド材料とを一緒にしたままで、初期プロセス金型から取り外すステップと、
中間プロセス金型を提供するステップと、
中間プロセス金型の両端に位置するように、複数のフェルールを提供するステップと、
取り外されたところの、積み重ねられたカバーフィルム（ＣＦ）と硬化されたアンダークラッド材料とを、前記中間プロセス金型およびその両端に提供されている複数のフェルールにわたって橋渡しするステップであって、積み重ねられたカバーフィルム（ＣＦ）の側を下向きにして、かつ、複数のフェルールの複数の内面へ向かって挿入する、前記橋渡しするステップと、
硬化されたアンダークラッド材料の複数のトレンチ部（凹部）に対してコア材料を充填するステップであって、複数のトレンチ部（凹部）は複数の隆起部（凸部）の型に従って形成されたものである、前記充填するステップと、
コア材料にＵＶ光をあてることによって、コア材料を硬化させるステップと、
充填されたコア材料をスピンコーティングするステップであって、その材料の高さを制御して、その材料の上面を平坦にする、前記スピンコーティングするステップと、

コア材料にＵＶ光をあてることによって、コア材料を硬化させるステップと、
硬化されたコア材料上および硬化されたアンダークラッド材料上に、オーバークラッド材料を適用するステップと、
適用されたオーバークラッド材料を硬化させるステップと、
形成された導波路アレイから中間プロセス金型を取り外すステップとを有する、
シングルモードのポリマー導波路アレイアセンブリを形成する方法。
初期プロセス金型の内面に予めテーパー角を施して、後の取り外しが容易になるように設計された初期プロセス金型を提供するステップと、初期プロセス金型を提供するステップ初期プロセス金型の内面に予めテーパー角を施して、後の取り外しが容易になるように設計されており、
初期プロセス金型を提供するステップのの後に、さらに、
初期プロセス金型の内面に対して（後の取り外しが容易になるように）離型剤（ルブリカント）を塗布するステップと、を有する、
請求項１に記載の方法。
両端のフェルールのガイドピン中心（絶対基準位置）からの、中間金型における複数のコア（中心）の高さと、両端のフェルールの各々における複数のコア（中心）の高さとが、同一の高さ（０．５μｍ〜１μｍ程度以下の精度）に設置されていることを特徴とする、
請求項１に記載の方法。
中間プロセス金型を提供するステップと、
中間プロセス金型の両端に位置するように、複数のフェルールを提供するステップとが、
中間プロセス金型が、両端に位置する複数のフェルールの間に（両端の複数のフェルールの内面を基準にして）前もって橋渡しされるようにされていることを特徴とする、
請求項１に記載の方法。
シングルモードのポリマー導波路アレイアセンブリを形成するための複数のプロセスにおいて用いられる、複数のプロセス金型の組合せであって、この導波路アレイアセンブリは導波路アレイとその両端に取付けられた複数のフェルールとから成り、この導波路アレイは複数のコアとそれを取り囲むクラッドとから成り、複数のコアの各々は一方のフェルールから入ってくるシングルモードの光を他方のフェルールへとそれぞれ別個に導くことができる、前記複数のプロセス金型の組合せは、
前記導波路アレイの複数のコアの各々に対応する複数の隆起部（凸部）が各々、内面に用意されていて、その内面に対して、複数の隆起部（凸部）が覆われるように、アンダークラッド材料が適用されて、平坦にされたアンダークラッド材料の上面に、ＵＶ透過であるカバーフィルム（ＣＦ）を積み重ねられた状態のままで、これらを一緒にそこから取り外すことができるように構成された、初期プロセス金型と、
初期プロセス金型を用いるプロセスの、後のプロセスにおいて、その両端に提供される複数のフェルールにわたって橋渡しされることで、積み重ねられたカバーフィルム（ＣＦ）の側を下向きにして、かつ、複数のフェルールの複数の内面へ向かって挿入される際に用いられ、その後も、導波路アレイが形成されるまで用いられ、複数のフェルールの間に橋渡しされて導波路アレイが形成されるに至った後においては、そこから取り外すことができるように構成された、中間プロセス金型とから成る、
複数のプロセス金型の組合せ。