JP2791401B2

JP2791401B2 - 光ファイバ固定溝付光導波路および光導波路・光ファイバの接続方法

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Publication number: JP2791401B2
Application number: JP63231661A
Authority: JP
Inventors: 泰文山田; 保治大森; 博照井
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1988-09-16
Filing date: 1988-09-16
Publication date: 1998-08-27
Anticipated expiration: 2013-08-27
Also published as: JPH0279805A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、光導波回路の実現に不可欠な、信頼性の高
い光ファイバ固定溝付光導波路およびこの光導波路と光
ファイバとの接続方法に関するものである。

〔従来の技術・発明が解決しようとする課題〕

光導波路と光ファイバの接続技術は、（１）端面処理
技術、（２）光軸調整技術、（３）固定技術、の３つの
要素技術より成り立っている。この３要素のうちで、技
術的に最も困難なものは固定技術である。すなわち従
来、一般的に用いられている端面接続法においては、フ
ァイバ・導波路間の光軸調整後に、接着剤等の固定剤に
よりファイバを固定する際に、軸ずれが生じ易いという
問題がある。

第９図は、従来の端面接続でのファイバ固定法の例を
示したものである。同図において、１は光回路基板、２
は光導波路、2aはコア層、４は光ファイバ、５は接着剤
である。この方法では、光ファイバと光回路との光軸調
整を直接行なうことができるので、光軸調整は極めて高
い精度で実現でき、したがって、光ファイバにおける伝
般光のフィールド分布と、光導波路のフィールド分布と
で決定される最小接続損失が実現できる。しかしなが
ら、この方法においては、ファイバの固定にあたり接着
剤をファイバ・導波路接続界面付近に直接塗布する必要
がある。この際、接着剤の滴下量ならびに分布を制御す
るのが困難である。一般に第９図（ｂ）に示すように接
着剤によるファイバ固定を行なう際には、接着剤に大き
な分布の不均一性があると、接着剤が硬化する時に、光
ファイバに非対称応力が働き、光ファイバが動き易くな
る。しかも、非対称応力の大きさは、接着剤の量が多い
程、大きくなる。この結果、第９図に示す方法では、フ
ァイバ固定時に軸ずれが発生する確率が極めて高くな
る。この点を解決する目的で、第10図に示すように、光
ファイバ４の端部に、ファイバ保持部６を設けることも
検討されている。しかし、この方法には多数のファイバ
をアレイ状に接続する際、光ファイバの間隔はファイバ
保持部６の寸法で決まり、したがって、ファイバ間隔を
狭くできないという問題が生じる。以上述べた第９図、
第10図の方法では、上述の問題点に加えて、これらの端
面固定において、固定剤が光ファイバと光導波路との接
続界面にも入り込むために、導波光が接着剤を通過す
る。したがって、接続損失を増大させないためには、使
用できる接着剤が制限され、導波路を伝搬する光の波長
で吸収のない接着剤しか使用できない。

ファイバ保持部を有すると同等の機能をもち、かつ多
数本のファイバ接続を可能とするために、ファイバ・ア
レイの接続が行なわれている。しかしこの方法では、各
ファイバと導波路との位置合せ精度は、アレイの製作精
度で決定される。したがってファイバ直接接続で実現で
きる最小接続損失を、アレイ内のすべてのファイバで実
現することは困難である。

上記の従来のファイバ接続法の問題点を解決する方法
（すなわち、ファイバ・導波路を直接光軸調整すること
が可能であり、かつ接着剤固定に伴う軸ずれが生じない
方法であり、さらに加えて、多数本のファイバであって
も狭い間隔で並べることが可能な方法）として、第11図
の方法がある（大森他、特願昭62−332444）。この方法
の特長は、ガイドブロック30にファイバ４の外径より大
きい幅とファイバ半径より大きい深さとを有する固定溝
３を設け、この固定溝３により、接着剤５の滴下量と分
布とを制御することにある。すなわち、実装基板10の上
に光回路基板１とガイドブロック30とを概ね位置合せを
して搭載する。次いで、ファイバ４を固定溝３の中に入
れて、光導波路２との光軸調整を行なう。この際上述の
ように、固定溝３の寸法は、ファイバ４の寸法より大き
いので、溝中でファイバを自由に動かすことができる。
光軸調整の後、固定溝３のファイバ端面より遠い側に接
着剤を滴下する。すると接着剤は、ファイバ及び固定溝
との間の界面張力により流動を開始し、固定溝中にいき
わたる。この際、接続端近傍での接着剤量と分布は、第
11図（ｂ）に示すように固定溝３の寸法で決定される。
したがって、この固定溝を用いることにより、接着剤の
量と分布とを容易に制御することが可能となり、その結
果、接着剤塗布及び硬化に伴う光ファイバの軸ずれを防
止することができる。

しかしながら、上述の方法を用いた場合であっても、
固定溝３の深さが光ファイバ寸法と比べて著しく深い場
合には、接着剤分布が不均一となり、光ファイバに非対
称応力が強く働き、固定に伴う軸ずれが発生した。これ
を防止するためには固定溝深さの最適条件を見い出し、
この寸法で固定溝を形成する必要がある。しかしなが
ら、従来は、この最適条件が明らかではなく、しかも、
仮に明らかになったとしても、従来の方法では固定溝と
光導波路とを、各々、別の基板に形成し、これを組み合
せていたので、溝深さを、上述の最適条件に合わせるの
はむずかしかった。

さらに、従来の固定ブロック上に形成した固定溝を用
いる接続法においては、実装基板上に、光回路基板と固
定ブロックとを組み合せて搭載する必要があるので、フ
ァイバ接続における部品点数が増えること、及び、組み
立て工程数が増えることのために、経済性及び信頼性の
点に限界がある。また、これに加えて、従来の固定溝法
においては、上記と同様の理由から、光回路へ光ファイ
バを接続できる位置は、光回路基板端部に限定される。
このため、光回路設計の自由度が制限されるという問題
点を有している。

本発明の目的は、従来の固定溝利用接続法において、
溝深さの制御性が悪く、溝の固定機能が必ずしも十分に
発揮できなかったという問題を解決し、安定に固定機能
が発揮できるようにした光ファイバ固定溝付光導波路お
よび光導波路・光ファイバの接続方法を提供することに
ある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、光導波回路基板上の光導波路端部近傍に、
幅が光ファイバ外径より大きくされているとともにその
幅方向中心が光導波路コア層中心と合致し、かつ、光導
波路コア層中心より計測した溝底部の深さが、光ファイ
バ半径より大きい寸法を有する固定溝を形成し、上記固
定溝中において、光ファイバと光導波路との光軸調整を
行った後、固定剤を光ファイバ端面より手前の溝部分に
滴下し、所定位置に流動させて、これを硬化させること
を特徴としている。

本発明は、固定溝の深さの制御性を高め、溝の固定機
能が確実に発揮されるようにするために、固定溝を光導
波路基板中に形成したことを最も大きな特徴としてい
る。

特に、本発明においては、溝深さの最適条件を見い出
し、この条件で固定溝を形成することにより、固定機能
を十分に発揮できるようにした。すなわち上記、固定溝
底部の深さｄμｍは、Ｒ＜ｄ≦Ｒ＋50μｍ、（R:ファイバ半径（μｍ））の
関係を満足させるもんである。

従来の固定溝による方法は、固定溝が固定ブロックに
形成されており、これと光回路基板とを実装基板上で組
み立てていた点が本発明と大きく異なる。また、従来の
方法は、溝深さの最適設計の概念がなく、この点でも、
溝深さの最適設計の概念を導入した本発明と大きく異な
る。

〔実施例〕

実施例１第１図は、本発明の実施例である光回路基板上に形成
した固定溝を用いた光導波路・光ファイバ接続方法を手
順を追って示したものである。図中、１はSi基板、２は
石英系光導波路、2aはコア層、３は固定溝、４は光ファ
イバ、4aはコア層、５は接着剤である。本実施例では、
固定溝３はエッチングにより形成した。第１図（ａ）
は、光導波路２の端部付近に、固定溝３をエッチングに
より形成する工程を示している。この例では、石英系光
導波路２をフロン系ガスを用いた反応性イオンエッチン
グ（RIE）でエッチングした後、ひき続きSi基板をエッ
チングをすることにより形成した。第２図は、形成した
固定溝とファイバとの寸法を比較したものである。光フ
ァイバは外径125μｍのものを使用してある。したがっ
て、同図でＲ（ファイバ半径）＝62.5μｍである。これ
に対して、固定溝幅Ｗ＝200μｍであり、光導波路コア
層中心に対して片側W/2＝100μｍとなるように設定して
ある。つまり、固定溝はその幅方向の中心がコア層中心
と合致するように形成されている。固定溝深さｄはｄ＝
90μｍと設定した。この実施例の固定溝は、上述のよう
に、RIEにより形成したので、精度よく上記の寸法で製
作することができた。

第１図（ｂ）は、形成した固定溝３にファイバ４を挿
入し光軸調整を行なう工程である。固定溝寸法は上述の
ようにＷ＞2Rかつｄ＞Ｒの条件で製作したので固定溝３
の中でファイバ４を自由に動かすことができる。したが
って、精密な光軸調整が実現できた。光軸調整後、光フ
ァイバは所定の圧力で光導波路端に押し付けた。

第一図（ｃ）は固定溝の光ファイバ端面より遠い側の
端部付近に接着剤５を滴下し、固定する工程である。本
実施例では、紫外線硬化接着剤を用いた。固定溝端部付
近に滴下された接着剤５は、光ファイバ４と固定溝３と
の界面張力により溝中を、ファイバ導波路接続部に向っ
て流動する。所望の位置まで流動した時点で、紫外線照
射を行ない、接着剤を硬化することにより、光ファイバ
の固定が完了する。この時、接着剤が流動した場所での
断面図が第３図である。同図で示したように接着剤の量
は、固定溝の寸法及び接着剤の界面張力で決定される。
本発明の固定溝は寸法が精度良く決定できるので、接着
剤の量の制御も高い精度で実現できる。この結果、接着
剤硬化に伴って光ファイバに加わる応力を制御すること
ができ、固定に伴う光ファイバの軸ずれを防止すること
ができる。第３図によって応力のかかり方を説明すれ
ば、以下のようになる。光ファイバの側方に存在する接
着剤からはF₁とF₂の互いに向きの異なる応力が働く。し
かし固定溝の２つの側壁は、光導波路コア中心から、等
距離（W/2）にある。このためファイバ・側壁間の接着
剤の量は両側壁側でほぼ等しく、したがって｜F₁｜≒｜
F₂｜の関係が成り立つ。この結果、側方から光ファイバ
に働く応力は、互いに打ち消し合うことになる。一方、
光ファイバ下方に存在する接着剤からは、光ファイバを
下方に引っ張る応力F₃が働く。このF₃が所定の値より小
さく抑えられれば固定に伴うファイバの軸ずれは生じな
い。この境界値は、第４図に示すF₀と考えられる。ここ
に、同図は、導波路・ファイバの接続部近傍を長手方向
に沿って切った断面図である。20はファイバ・導波路の
接続端面である。上述F₀とは、ファイバ・導波路の接触
面で発生する摩擦力である。したがって、応力F₃が摩擦
力F₀より小さければ良いことになる。本実施例において
は、固定溝深さｄを90μｍ（ファイバ半径より約30μｍ
大）と設定した結果、F₀＞F₃の条件が成立し、固定に伴
うファイバの軸ずれを防止することができたのである。

第５図は、ファイバ下方の応力の影響を防止するため
の条件を明らかにするための実験結果を示したものであ
る。実験では、幅200μｍの固定溝を用いて、溝深さを
変えた時の接着剤硬化に伴う接続損失増加量を測定し
た。横軸のＣはファイバ半径Ｒと溝深さｄの差、つまり
Ｃ＝ｄ−Ｒである。これよりＣ＝50μｍまでは接着剤硬
化に伴う損失増加がほとんどないことが明らかになっ
た。したがって、固定溝深さの上限値はｄ≦Ｒ＋50μｍと考えられる。

次に、固定溝深さの下限を検討した。Ｃ＝０μｍの場
合、原理的には、ファイバを固定溝中に挿入するだけで
高さ方向の位置が一致し、しかも、この位置は機械的に
決まるので、固定に伴う位置ずれは生じないと考えられ
る。しかしながら、このように寸法を設定したところ、
溝中で横方向にファイバを動かし、光軸調整を行なうこ
とが困難となった。これは、常に、光ファイバと固定溝
底とが接触状態となり、両者の間の摩擦のために、光フ
ァイバが動きにくくなるためである。このことから、溝
中で光軸調整を行うためには、固定溝はファイバ半径よ
り深く設定する必要があることがわかった。

以上の検討の結果、固定溝深さの最適条件はＲ＜ｄ≦Ｒ＋50μｍであることがわかった。

なお、本発明の固定溝の幅は、深さとは異なり、接着
剤固定に伴うファイバ位置に対して、本質的な影響を及
ぼすことはなく、したがって、原理的には任意に設定し
てよい。ただし、実用上は、経済性、作業性を考慮して
溝幅に対する一応の目安が決まる。すなわち、溝幅があ
まりに広い場合には接着剤を溝中にいきわたらせるため
に多量の接着剤が必要となり、経済的ではない。また、
複数本のファイバを同一等波路端面に接続する場合、幅
が広い溝を用いるファイバを密度高く接続することがで
きない。

本実施例においては、固定に用いる接着剤の滴下量を
適量に設定することを考慮して、幅を500μｍ以下にし
た。

実施例２第６図は本発明の第２の実施例を示す図であり、固定
剤として半田51を用いた例である。半田を用いた場合で
も、基本的には実施例１と異なるところはない。ただ
し、本実施例においては同図（ａ）のように、固定溝３
の側壁及び底に金属膜31を形成してある点が、この実施
例２の特徴である。また、同図（ｂ）においても、光フ
ァイバ４として、金属膜41をコートしたメタルコート・
ファイバを用いている。そして、半田51を固定溝中に流
動するには、試料を半田溶点以上に過熱して、所望の場
所まで流動した時点で、試料を冷却すればよい。

実施例３実施例１及び２では光導波路として、埋め込み構造石
英系光導波路を用い、また固定溝としてSi基板までエッ
チングした構造の溝を用いているが、本発明は、もちろ
ん、これらに限定されるものではない。第７図には、上
述の構造以外の例を示したものである。

第７図（ａ）は、リッジ形光導波路20aを用いた例で
ある。なお、この例では、基板１にもエッチングしてあ
る。第７図（ｂ）は、埋め込み導波路を用いているが、
溝は光導波路部のみに形成し、基板まではエッチングし
なかった例である。光導波路のバッファ層が十分に厚い
場合は、この構造が可能となる。

実施例４第８図は、本発明の接続法を、複数本ファイバ接続に
適用するために、複数の固定溝を基板上に形成した例を
示す。同図（ａ）は、多数本の導波路アレイに適用する
場合である。この例では、導波路間隔を狭くするため
に、固定溝３の幅140μｍ、固定溝間の壁35の厚さを20
μｍに設定した。この結果、光導波炉２を中心線間隔16
0μｍで配置できた。同図（ｂ）は、複数本導波路につ
いて、基板上の任意の位置でのファイバ接続を実現した
例であり、方向性結合を複数組合せて、多段の干渉系を
構成したものである。本発明によれば固定溝３を光導波
路基板上の任意の位置に設けることができるので、同図
のように複雑な光干渉系を、光導波路を用いて形成した
場合であっても必要に応じて、信号のモニタ・ポートを
設置することが可能となる。

最後に、本発明を説明した上記実施例においては、固
定溝形成には、エッチング技術を用いているが、固定溝
形成の手段が、これに限定されないことは、言うまでも
ない、本発明の固定溝の必須条件は光回路基板上に精度
良く形成されていることである。したがって、例えば、
CO₂レーザー加工、機械的研削加工等の技術を溝形成に
適用することも、十分可能である。

［発明の効果］以上説明したように、本発明によれば、光ファイバ外
径より大きい寸法の溝を有する固定溝を用いる光ファイ
バ接続法において、固定溝を光回路基板上に直接的に形
成するようにしたから、その固定溝を所望の寸法、位置
に精度良く形成すること、すなわち固定溝の幅方向中心
を光導波路コア層の中心に精度良く合致させた状態で形
成することが可能であり、その結果、光ファイバと光導
波路との光軸調整を高精度で行い得ることはもとより、
ファイバ固定時の固定剤の量、したがってファイバに働
く応力を制御することが可能となった。また、本発明に
よれば、固定溝を光導波回路基板上に作り込んでいるの
で、光導波路を実装する際の部品点数及び組み立て工程
が減らせる。したがって、部品の信頼性向上及び経済化
の点で大きな利点がある。

さらに、本発明によれば、光導波路と光ファイバとの
接続を光導波回路基板上の任意の位置で実現できるの
で、光導波回路の設計自由度が大幅に向上するという利
点がある。

また、本発明では固定溝の深さｄの最適値を、Ｒ＜ｄ
≦Ｒ＋50（R:ファイバ半径（μｍ））の関係を満足する
ように規定したことにより、固定溝内部における光ファ
イバの光軸調整を支障なく行い得ることはもとより、固
定剤の硬化収縮に伴って光ファイバを溝底部側へ引っ張
るように発生する応力を十分に抑制することができ、し
たがってそのような応力に起因する光ファイバの軸ずれ
を防止でき、その結果、固定剤硬化に伴う損失増加を防
止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）（ｃ）〜第８図（ａ）、（ｂ）は
本発明の実施例を説明する図であって、第１図は本発明
の第１の実施例の工程図、第２図は光ファイバと固定溝
の寸法との関係を示す説明図、第３図は固定溝中におけ
る接着剤分布と応力とを説明するための説明図、第４図
はファイバへの応力を説明するための説明図、第５図は
溝深さと固定に伴う損失増との関係の測定結果を示す
図、第６図（ａ），（ｂ）は本発明の第２の実施例の工
程図、第７図（ａ）、（ｂ）は固定溝構造の別の例を示
す斜視図、第８図（ａ），（ｂ）は本発明を複数本のフ
ァイバ接続に適用した例の平面図である。第９図
（ａ），（ｂ）は従来の端面接続法の説明図、第10図は
従来のファイバ・ブロツクを用いた端面接続法の説明
図、第11図（ａ），（ｂ）は従来の固定溝を用いた接続
法の説明図である。１……Si基板、２……光導波路、2a.20a……コア層、３
……固定溝、４……光ファイバ、4a……コア層、5,51…
…固定剤、６……ファイバ保持部、30……ガイドブロッ
ク、31……金属膜、41……金属膜。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G02B 6/30

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光導波回路基板上の光導波路端部近傍に、
幅が光ファイバ外径より大きくされているとともにその
幅方向中心が光導波路コア層中心と合致し、かつ光導波
路コア層中心より計測した溝底部の深さｄ（μｍ）が、Ｒ＜ｄ≦Ｒ＋50μｍ（R:ファイバ半径（μｍ））の関係を満足している固定溝を形成し、上記固定溝中に
おいて、光ファイバと光導波路との光軸調整を行なった
後、固定剤を光ファイバ端面より手前の溝部分に滴下
し、所定位置に流動させて、これを硬化させることを特
徴とする光導波路・光ファイバの接続方法。
【請求項２】光導波回路基板上の光導波路端部近傍に、
幅が光ファイバ外径より大きくされているとともにその
幅方向中心が光導波路コア層中心と合致し、かつ光導波
路コア層中心より計測した溝底部の深さｄ（μｍ）が、Ｒ＜ｄ≦Ｒ＋50μｍ（R:ファイバ半径（μｍ））の関係を満足する光ファイバ固定溝を設けたことを特徴
とする光ファイバ固定溝付光導波路。