JP3853866B2 - 光ファイバー固定用基板 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、光ファイバーを収容し、固定するための固定用溝を備えた光ファイバー固定用基板およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば１２５μｍ程度の直径を有する光ファイバーを固定するための基板としては、種々のものが知られている。いずれのタイプの基板においても、基板に固定した光ファイバーの軸が所定位置からずれると、光ファイバーと他の光伝送手段との間での伝送損失が大きくなるので、光ファイバー固定用基板における固定用溝の加工精度としては、例えば０．５μｍ以下といった、きわめて高い加工精度が要求されている。図１（ａ）は、こうした光ファイバー固定用基板の一例を示す斜視図である。この光ファイバー固定用基板３４の基板本体２は、ガラスやセラミックスからなっている。この基板本体２の上側面には、いわゆるＶ溝１２が、基板本体２の一方の端面から他方の端面へと向かって延びており、各Ｖ溝１２は、それぞれ互いに平行に形成されている。Ｖ溝１２においては、Ｖ溝の山部４３と谷部１１との間で、Ｖ溝を構成する傾斜面７がほぼ直線的に延びている。従って、Ｖ溝１２の横断面はＶ字形状をなしている。各Ｖ溝１２は、例えば深さ百数十μｍ程度の微細なものである。
【０００３】
こうした光ファイバー固定用基板を製造する際には、シリコン材料をエッチングすることによってＶ溝を形成する方法がある。しかし、この方法によっては、加工精度に限界があり、ある程度以上高精度のＶ溝を形成することが困難であった。そこで、上記のような高い加工精度を達成するために、アルミナ、メノウ、ジルコニア等のセラミックス材料を研削加工して、各Ｖ溝を形成する方法が使用されるようになってきている。この場合には、例えば、セラミックスの成形体を焼結させて焼結体を製造し、この焼結体を平面研削加工して平坦面を形成し、次いでこの平坦面をダイヤモンド砥石で研削加工することによって各Ｖ溝１２を形成する。この際、ダイヤモンド砥石によって研削加工するときには、この研削の方向が一定方向となるので、図１（ａ）に示すように、各Ｖ溝１２はそれぞれ基板本体２の一方の端面から他方の端面へと向かって直線的に伸びることになり、かつ各Ｖ溝１２は互いに平行に形成されることになる。
【０００４】
この光ファイバー固定用基板３４の各Ｖ溝１２内に各光ファイバー９を収容、固定した後は、他の光伝送手段と光学的に結合する必要がある。即ち、他の光伝送手段として光ファイバーを使用するときには、別に光ファイバーを準備し、各Ｖ溝１２内に固定された光ファイバーの端面に対して、別体の光ファイバーの端面を接触させ、この接触部分の周辺を加熱し、両者を融着接続することができる。この後は、各光ファイバーを各固定用溝から取り外す。
【０００５】
また、別の態様として、他の光伝送手段として光導波路を使用する場合には、光導波路を形成した光導波路基板を準備する。そして、例えば図１（ｂ）に示すように、各Ｖ溝１２内に光ファイバー９をそれぞれ固定した後、各光ファイバー９の周囲に接着剤層８を形成することによって各光ファイバーを強固に接合する。また、光ファイバー固定用基板３４の上に蓋３２を接合し、組み立て品を作製する。この後、光ファイバー固定用基板３４の端面３３を研磨加工すると共に、光導波路基板の端面を研磨加工し、両者の端面の精度を高くし、両者の端面を接着し、各光導波路の端面を、これに対応する各光ファイバーの端面に対して、光学結合する。
【０００６】
また、１９９５年 電子情報通信学会通信ソサイエテイ大会Ｂ−６５１「光ファイバ移動型心線選択装置の検討」中西 功等に記載されているような芯線選択装置に適用することができる。この場合には、一本のＶ溝の途中までは光ファイバーが固定されており、その光ファイバーの端面には光学研磨が施されている。マスターファイバーをＶ溝中に収容し、マスターファイバーを、既に固定されている光ファイバーの光学研磨された端面に対して対向させる。この状態でマスターファイバーから各光ファイバーに対して光を導通させることができる。これによって、光芯線の故障の検出等の試験を行うことができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、本発明者は、こうした光ファイバー固定用基板の形態について研究を進める過程で、次の問題点があることを見いだした。即ち、図１（ａ）に示す光ファイバー固定用基板３４の各Ｖ溝１２内に各光ファイバー９を収容してから、光ファイバー固定用基板の表面を走査型電子顕微鏡で周到に観察してみると、Ｖ溝１２の山部４３の頂部１０または１０Ａの表面の一部に、図１（ａ）に誇張して示したように、微小な欠けないし切り欠き３０が生じている場合があった。光ファイバー９を各Ｖ溝１２内に収容するときに、こうした欠け３０が発生する可能性がある。このような欠け３０が発生すると、光ファイバーに対して悪影響を与える可能性も否定できないので、こうした光ファイバー固定用基板は不良品として処分する必要があるが、これによって製造コストが高くなるので問題である。
【０００８】
また、特に光ファイバーを光導波路と結合する際には、前述したように、図１（ｂ）に示す組み立て品の光ファイバー固定用基板３４の端面３３を研磨加工する必要がある。しかし、この後にこの研磨面を観察してみると、山部１０または１０Ａの先端部分に微小な欠け３１が発生していることがあった。光導波路基板と光ファイバー固定用基板との各端面を結合する際に、この欠けによって生ずる破片３５によって結合部分の精度が低下したり、またこの結合品を厳しい環境条件下で長期間使用するときに、この欠けの部分から劣化が進行するという事態も想定することができるので、やはりこうした欠けが生じないようにする必要がある。
【０００９】
更に、前記した光ファイバ移動型心線選択装置においては、マスターファイバーを各Ｖ溝の入口ないし開口部から挿入し、各Ｖ溝中でマスターファイバーを各光ファイバーの方へと向かって移動させるが、各Ｖ溝の開口部の近辺で各頂部に対して各マスターファイバーが衝突し、マスターファイバーに傷が付く可能性があった。このようにマスターファイバーに損傷が発生すると、検査を行えなくなるために問題である。
【００１０】
本発明の課題は、光ファイバー固定用基板の固定用溝に光ファイバーを収容するときや、光ファイバー固定用基板の端面を研磨するときに、その固定用溝の山部に欠けないし切り欠きが発生しないようにすることであり、また光ファイバーの方にも欠けないし切り欠き等の損傷が発生しにくいようにすることである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
第一の発明は、光ファイバーを収容し、位置決めするための固定用溝が形成されている光ファイバー固定用基板であって、固定用溝の山部をこの固定用溝の横断面方向に切ってみたときの曲率半径が前記山部の全体にわたって５μｍ以上であることを特徴とする、光ファイバー固定用基板に係るものである。
【００１２】
本発明者は、前述の問題を解決するために研究を重ね、固定用溝の山部の形態を走査型電子顕微鏡によって観察し、検討してきた。この結果、固定用溝の山部が先鋭に尖っており、このために、山部に対して衝撃が加わったときに山部の先端部分およびその周辺において、欠けが発生し易く、このために前述したような欠けや破片の生成が生じていたことを見いだした。
【００１３】
更に、本発明者は、このように山部の頂部付近が先鋭に尖っている理由について検討したが、これが、従来見過ごされていた固定用溝の形成方法に必然的に起因することも見いだした。この点については、更に図面を参照しつつ、後述する。
【００１４】
この知見に立って、本発明者は、固定用溝の山部をこの固定用溝の横断面方向に切ってみたときの曲率半径を、この山部の全体にわたって５μｍ以上とすることによって、前述した山部の欠けや切り欠き、更には微細な破片の生成といった現象を防止できることを見いだし、本発明に到達するに至った。
【００１５】
更に、固定用溝の谷部をこの固定用溝の横断面方向に切ってみたときの曲率半径を５μｍ以下とすることが好ましい。即ち、谷部の方に関しては、先鋭である方が好ましい。なぜなら、光ファイバーの寸法が固定用溝の寸法に比べて、比較的に小さい場合には、谷部に上記のようなアールが形成されていると、谷部に塵等の障害物が存在する場合に、この障害物に対して光ファイバーが接触し易くなる。この結果、光ファイバーの光軸が所定位置から外れて、他の光伝送手段との間での挿入損失が大きくなってくる。
【００１６】
更に、第一の発明においては、光ファイバー固定用基板をセラミックスまたはガラスによって形成することが好ましい。しかも、このとき、光ファイバー固定用基板の固定用溝をプレス成形法によって形成することが好ましい。この理由については、後述する。
【００１７】
以下、必要に応じて図面を参照しつつ、本発明を更に詳細に説明する。図２（ａ）は、本発明の実施例に係る光ファイバー固定用基板１の平面図であり、図２（ｂ）は、光ファイバー固定用基板１の横断面を示す断面図であり、図２（ｃ）は、各固定用溝３内に光ファイバーを収容し、接合した状態を示す断面図である。基板本体２には、固定用溝３が所定列（例えば図２においては６列）形成されている。また、各固定用溝３は、基板本体２の一方の端面２ａから、他方の端面２ｂまで延びている。各固定用溝３としては、本実施例においては、いわゆるＶ溝を使用しているが、Ｕ溝に対して本発明を適用することも可能である。
【００１８】
各Ｖ溝３には、それぞれ一対の傾斜面７が形成されており、相対向する傾斜面７の間に、先鋭な谷部５が形成されている。この谷部５の横断面（図２（ｂ）に示す断面）の曲率半径は５μｍ以下とする。また加工上は、この曲率半径を１μｍ未満とすることは困難なので、加工上の観点からは、１μｍ以上とすることが好ましい。
【００１９】
各固定用溝３の間にそれぞれ山部４４が形成されており、また両端の固定用溝３の外側にそれぞれ山部４４Ａが形成されている。各山部４４、４４Ａの横断面の曲率半径を、各山部４４、４４Ａの全体にわたって５μｍ以上とし、即ち、各山部に微細な丸みを付ける。ここで、本実施例では、各山部４４、４４Ａの頂部４、４Ａの横断面の曲率半径を５μｍ以上とする必要がある。各山部４４、４４Ａの各頂部４、４Ａ以外の部分の横断面は直線状であり、即ちその曲率半径は無限大だからである。
【００２０】
各固定用溝３内に光ファイバーを収容した後には、例えば他の光ファイバーを準備し、その端面を、図２（ｂ）に示す各固定用溝３内に収容された各光ファイバー９の端面に対して対向させ、両者の端面を融着接合させることができる。または、図２（ｃ）に示すように、各光ファイバー９を各固定用溝３内に収容し、各光ファイバー９を傾斜面７に対して接触させることで各光ファイバーの位置決めを行い、次いで各光ファイバー９と固定用溝との間隙に接着剤を充填して接着剤層８を形成し、光ファイバーを固定する。この後、光導波路に対して各光ファイバー９の端面を光学結合する。むろん、前記したようにマスターファイバーを各固定用溝３内に挿入し、収容することもできる。
【００２１】
図２に示したように、各光ファイバーの山部４４、４４Ａの各頂部４、４Ａに微細な丸みを付けることによって、各山部の微細な破損や欠けといった問題を解決することができた。ただし、この作用効果を達成するためには、少なくとも、各山部の全体にわたって５μｍ以上の曲率半径を備えていることが必要であった。
【００２２】
ただし、各山部の頂部については、頂部の曲率半径を大きくしすぎると、固定用溝３の傾斜面７が光ファイバーへの接触点を越え、光ファイバーの位置決めを行えないことが考えられる。標準的な直径１２５μｍの光ファイバーをピッチ２５０μｍで配列する場合、理論的にはこの曲率半径は９０μｍまで許容される。ただし、誤差を考慮した実際的な観点からは、各頂部４、４Ａの曲率半径を８０μｍ以下とすることが好ましい。
【００２３】
本発明者は、前述したように、従来の光ファイバー固定用基板の微視的形態について検討してきたが、図３に、この形態を模式的に示す。各Ｖ溝１２には、それぞれ一対の傾斜面７が形成されており、相対向する傾斜面７の間に、丸みを帯びた谷部１１が形成されている。各固定用溝３の間にそれぞれ山部４３が形成されており、また両端の固定用溝１１の外側にそれぞれ山部４３Ａが形成されている。
【００２４】
ここで、本発明者がこの山部４３、４３Ａと谷部との形状を走査型電子顕微鏡で観察してみると、山部４３、４３Ａはきわめて先鋭であり、各山部の頂部１０、１０Ａの横断面の曲率半径は１μｍ程度であった。これに対して、各谷部１１には微細な丸みが付いており、この横断面の曲率半径は１０μｍ程度であった。本発明者は、このような形状が生成した理由について検討した。
【００２５】
従来の製法では、ダイヤモンドによって基板本体２の表面を研削加工し、溝を形成していたが、この砥石の根本の方では比較的に先鋭な研削が可能であり、この結果各山部１０、１０Ａが先鋭となったものであろう。これに対して、各砥石の刃先によって各谷部１１を研削加工することになるが、刃先の部分は先鋭な研削は困難であるため、谷部１１に丸みがついたものと考えられる。
【００２６】
また、本発明者は、シリコンウエハーをエッチングして各Ｖ溝を形成した。しかし、この場合にも、やはり各山部にエッジが形成されてしまうことが判明した。
【００２７】
これに対して、本発明者は、次の製造方法によれば、図２に示すような形状の山部および谷部を量産できることを見いだした。即ち、まず例えば図２（ａ）に示すような所望の平面的形状を有する金型を準備する。むろん各光ファイバー固定用基板における各固定用溝の平面的形状は、金型の平面的デザインを変更することによって、種々変更することができる。
【００２８】
この際、金型には、図４に示すように、各固定用溝３の形状に対応する山４２を形成する。そして、この金型３７を、他の土台となる金型と組み合わせ、この間でセラミックスやガラスをプレス成形し、図２に示す光ファイバー固定用基板１を製造する。この際、各溝３８の形状が光ファイバー固定用基板の各山に転写され、各山４２の形状が固定用基板１の各Ｖ溝３に転写され、各傾斜面４１の形状が、各傾斜面７に転写される。
【００２９】
ここで、この金型３７の各溝３８も、研削加工によって形成する必要がある。しかし、この研削加工の際には、やはり山部３９が先鋭となり、谷部４０、４０Ａは丸みを帯びた形状となる。この金型を使用して成形体を作製すると、得られた成形体においては、図２（ｂ）に示すように、先鋭な山部３９が谷部５に転写され、丸みを帯びた谷部４０、４０Ａが頂部４、４Ａに転写されることになる。
【００３０】
この後、得られた成形体がセラミックス粉末からなる場合には、この成形体を脱脂し、脱脂体を焼成して、光ファイバー固定用基板を得ることができる。また、得られた成形体がガラスからなる場合には、この成形体を徐冷して光ファイバー固定用基板を製造することができるし、またはこの成形体を熱処理してガラスを結晶化させ、この結晶化ガラスからなる成形体を徐冷して光ファイバー固定用基板を製造することもできる。
【００３１】
なお、図３に示すような先鋭な山部４３を形成した後、この山部４３を研磨加工することによって、研磨加工後の各山部の曲率半径を山部の全体にわたって５μｍ以上とすることも可能である。
【００３２】
また、図５に示すように、光ファイバー固定用基板１２の各固定用溝１３について、その各谷部１４に平坦面を形成することもできる。
【００３３】
また、図６に示すような形態の光ファイバー固定用基板４５を作製することができる。この光ファイバー固定用基板４５においては、谷部５の曲率半径は５μｍ以下であり、各山部４６の各傾斜面７の間に谷部が形成されており、この中に接着剤層８を介して光ファイバーが保持されている。各山部４６の頂部にはそれぞれ平坦面４７が形成されており、各平坦面４７の末端と各傾斜面７の上端部との間にエッジ４８が形成されている。各エッジ４８の曲率半径は５μｍ以上である。
【００３４】
また、前記した各谷部に丸みを付けることも考えられる。しかし、本発明においては、この谷部を先鋭にする方が好ましく、具体的には谷部の横断面の曲率半径を５μｍ以下とすることが好ましい。図７を参照しつつ、この理由を説明する。
【００３５】
図７（ａ）には、各固定用溝３の谷部５が先鋭である場合を示す。光ファイバー９Ａが固定用溝３の寸法に比較して小さい場合には、光ファイバー９Ａを各傾斜面７に接触させて所定位置に保持する際に、まだ光ファイバー９Ａの下側に隙間がある。１９は一対の接触部分である。このため、微細な塵や破片１６がこの固定用溝３内に落下したときには、この塵等が光ファイバー９Ａの下側の隙間に侵入するが、この塵等１６が光ファイバー９Ａに対して接触しにくい。
【００３６】
図７（ｂ）には、各固定用溝１７の谷部１８が丸みを帯びている場合を示す。光ファイバー９Ａを傾斜面７に接触させて所定位置に保持する際に、光ファイバー９Ａの下側の隙間は、その底面からの間隔が小さくなる。このため、微細な塵等１６がこの固定用溝１７内に落下したときには、この塵等１６が光ファイバー９Ａの下側の隙間に侵入するが、この塵等１６が光ファイバー９Ａに対して接触し易い。この結果、光ファイバー９Ａが一方の傾斜面７に接触不良になり、２０の部分で浮きが発生しうる。
【００３７】
次に、上記のようにしてプレス成形法によって光ファイバー固定用基板を形成した場合には、研削加工によって固定用溝を形成する場合とは異なり、各固定用溝の平面的形状を自由に変更することができる。例えば、従来は形成することが困難であった、平面的に見て湾曲した固定用溝や、平面的に見て曲折した固定用溝を形成することができる。こうした形成方法を応用した各光ファイバー固定用基板について、順次に説明する。
【００３８】
第二の発明は、光ファイバーを収容し、位置決めするための固定用溝が形成されている、プレス成形法によって作製された光ファイバー固定用基板であって、セラミックスまたはガラスからなり、固定用溝が平面的に見て湾曲した湾曲部分を備えていることを特徴とする、光ファイバー固定用基板を提供するものである。
【００３９】
ここで、この湾曲部分は基板中に一か所存在していても良く、２箇所以上存在していても良い。図８（ａ）は、この発明の実施例に係る光ファイバー固定用基板２２を示す平面図であり、図８（ｂ）はこの固定用溝の一例を示す断面図である。基板本体２１上には、弧状に湾曲した固定用溝２３が形成されている。固定用溝２３の山部および谷部５の形態については、図２のものと同様である。こうした固定用基板によれば、そのＶ溝中に光ファイバーを収容することによって、光ファイバーの位置決めを正確に行うことができる。
【００４０】
本発明者は、このような平面的形態の光ファイバー固定用基板を、従来公知の方法によって作製することも試みたが、これでは光ファイバーを十分に正確に位置決めできるような基板を作製することはできなかった。まず、例えば図９（ａ）に示すように、研削加工法によって光ファイバー固定用基板４９の基材２１を加工する際に、固定用溝５０の端部５０ａと端部５０ｂとの間で研削砥石の進行方向が直角方向に曲がっているものとする。この場合には、研削砥石を横に移動させる必要があり、この過程で固定用溝５０の幅が広くなるために、，端部５０ｂの方が端部５０ａの方よりも溝の幅が大きくなる。このために光ファイバーを所定位置に固定することができなくなる。
【００４１】
一方、シリコン基板のエッチングによって光ファイバー固定用基板を製造する場合には、例えば図９（ｂ）に示すように、シリコン基板２１の平面上でｘ方向とｙ方向との間では、結晶方位に異方性があり、このために固定用溝５２の方向が徐々に変化していく過程で、段差５３、５４が発生する。この結果、固定用溝５２内の光ファイバーが所定位置に位置決めされにくく、信頼性が低くなる。
【００４２】
これに対して、プレス成形法による場合には、所定の平面的形状を有する金型を放電加工法によって容易に作製できる。
【００４３】
なお、第二の発明においては、山部および谷部の形態は、前記した図２〜図６に示した山部および谷部には限定されない。
【００４４】
第二の本発明においては、固定用溝に、固定用溝と同じ平面的形状を有する光ファイバーを、固定用溝の壁面からの応力が加わらない状態で収容および固定することができる。このためには、各固定用溝の平面的形態とほぼ同じ平面的形態を有する光ファイバーを、予め別途に製造しておき、この光ファイバーを固定用溝中に収容する。
【００４５】
また、第二の発明の他の態様は、複数の光ファイバーからなる第一の光ファイバー群における各光ファイバーの間隔と、複数の光ファイバーからなる第二の光ファイバー群における各光ファイバーの間隔とが異なっている際に、第一の光ファイバー群に属する各光ファイバーを、第二の光ファイバー群に属する対応する光ファイバーとを結合するための結合デバイスであって、前記の湾曲部分を有する光ファイバー固定用基板を備えており、第一の光ファイバー群内の光ファイバーおよび第二の光ファイバー群内の光ファイバーにそれぞれ対応する固定用溝が光ファイバー固定用基板に形成されており、各固定用溝の一方の端部が、第一の光ファイバー群の各光ファイバーに対応する位置に形成されており、各固定用溝の他方の端部が、第二の各光ファイバー群に属する各光ファイバーに対応する位置にそれぞれ形成されており、この固定用溝中に第一の光ファイバー群内の光ファイバーと第二の光ファイバー群内の光ファイバーとが収容および固定されており、かつ第一の光ファイバー群内の光ファイバーと第二の光ファイバー群内の前記光ファイバーとが互いに光の導通が可能なように接続されていることを特徴とする、光デバイスを提供するものである。
【００４６】
また、この方法は、複数の光ファイバーからなる光ファイバー群における各光ファイバーの間隔と、複数の光導波路を備えている光導波路基板における各光導波路の間隔とが異なっている際に、光ファイバー群に属する各光ファイバーと、各光導波路とを結合するための結合デバイスに対して、適用することができる。
【００４７】
図１０（ａ）は、本態様の実施例に係る光デバイスを示す平面図であり、図１０（ｂ）は、本態様の他の実施例に係る光デバイスを示す平面図であり、図１０（ｃ）は、図１０（ｂ）の光デバイスを示す側面図である。図１０（ａ）において、基板５７の左側の端面５７ａに対向するように位置する第一の光ファイバー群における各光ファイバー５９Ａ、５９Ｂは、単一の被覆５５内に収容されており、各光ファイバーの間隔ｄ₁ は相対的に小さい。これに対して、右側の端面５７ｂに対向するように位置する第二の光ファイバー群における各光ファイバー５９Ｃは、それぞれ被覆５６内に収容されており、各光ファイバー５９Ｃの間隔ｄ₂ は、相対的に大きい。光ファイバー固定用基板５７の左側部分には２列の固定用溝５８Ａと２列の固定用溝５８Ｂとが形成されており、右側部分には固定用溝６０が形成されている。各固定用溝５８Ａ、５８Ｂと６０とはそれぞれ連続している。固定用溝５８Ａ、５８Ｂは、それぞれ直線部分５８ａ、外側へと向かう湾曲部分５８ｂ、短い直線部分５８ｃ、内側へと向かう湾曲部分５８ｄおよび直線部分５８ｅを備えており、直線部分５８ｅが連結線６１で固定用溝６０に連続している。
【００４８】
湾曲部分５８Ａ中には、外側の光ファイバー５９Ａが収容されていおり、湾曲部分５９Ｂの中には、内側の光ファイバー５９Ｂが収容されている。また、各固定用溝６０内に各光ファイバー５９Ｃが収容されている。各光ファイバー５９Ａ、５９Ｂと各光ファイバー５９Ｃとが、互いに結合されている。この結合は、好ましくはメカニカルスプライス法によって行うことができ、これは「ＮＴＴ研究実用化報告第３３巻第３号」１９８４年、第５８８頁等に記載されている。
【００４９】
また、図１０（ｂ）、（ｃ）に示す固定用基板においては、基板５７と光ファイバーの保持基板６２とが、一体のものとして成形されており、これによって一層光結合デバイスの集積化を進めることができる。保持基板６２の上面側には、各光ファイバーの各被覆５６を収容するための溝６２ｃが形成されている。基板５７の左側の端面５７ａに対して、光導波路基板１１６の端面１１６ａが接合されている。光導波路基板１１６には、複数列の光導波路１１７Ａ、１１７Ｂが形成されている。本実施例においては、光導波路の間隔はｄ₁ である。各光ファイバー１１０Ａ、１１０Ｂは、それぞれ被覆５６内に収容されており、各光ファイバー１１０Ａ、１１０Ｂの間隔ｄ₂ は、ｄ₁ に比べて相対的に大きい。
【００５０】
固定用溝５８Ａおよび６０の中には、外側の光ファイバー１１０Ａが収容されており、固定用溝５８Ｂおよび６０の中には、内側の光ファイバー１１０Ｂが収容されている。そして、各光ファイバーを接着剤によって固定用溝の中に固定し、固定用基板５７の端面５７ａを光学研磨し、研磨された端面を各光導波路に対して光学的に結合する。この際には、外側の光ファイバー１１０Ａは、対応する光導波路１１７Ａに対して光学的に結合され、内側の光ファイバー１１０Ｂは、対応する光導波路１１７Ｂに対して光学的に結合される。なお、図面中、１１８は光導波路群である。
【００５１】
図１０（ａ）、（ｂ）においては、各光ファイバーを、湾曲する固定用溝の中に収容するためには、好ましくは真っ直ぐな光ファイバーを湾曲した固定用溝の中に、固定用溝の壁面に対して光ファイバーを沿わせながら、光ファイバーを折り曲げながら順次に収容していく。この場合、固定用溝５８Ａ、５８Ｂが滑らかに湾曲しているので、固定用溝中の光ファイバーの一部分に応力が集中して断線するおそれがない。
【００５２】
図１０（ａ）、（ｂ）の実施例において、更に光ファイバーの被覆５６の直径を通常は０．９ｍｍとすることができ、この場合には固定用溝６０の間隔を０．９ｍｍとする。また、テープファイバー５９Ａ、５９Ｂの間隔、または光導波路の間隔は、例えば０．２５ｍｍであるので、この場合には固定用溝５８ａの間隔を０．２５ｍｍとする。
【００５３】
また、第三の発明は、光ファイバーを収容し、位置決めするための固定用溝が形成されている、プレス成形法によって作製された光ファイバー固定用基板であって、固定用溝の少なくとも一方の端部が平面的に見て光ファイバー固定用基板内に形成されており、この端部に光ファイバー固定用基板の主面に対して垂直な端面が形成されていることを特徴とする、光ファイバー固定用基板に係るものである。
【００５４】
図１１（ａ）は、本発明の実施例に係る光ファイバー固定用基板４０を示す平面図であり、図１１（ｂ）はその側面図である。固定用溝３の山部４４、４４Ａ、頂部４、４Ａおよび谷部５については、図２のものと同様である。ただし、各固定用溝３は、基板本体２の一方の端面２ａから端面２ｂへと向かうように、互いにほぼ平行に形成されているが、基板本体２のほぼ中央部で、各固定用溝３は終了している。
【００５５】
この固定用溝３の基板内の端面６は、図１２（ａ）に示すように、基板の主面に対してほぼ垂直な平面をなしている。この端面６と基板の主面との角度は、前記したようなプレス成形法によって固定用溝を形成した場合には、９０度±０．２度とすることができた。この結果、光ファイバー６５の端面６５ａを垂直面とした場合に、この光ファイバー６５の端面６５ａを端面６に対して接触させ、位置決めすることができる。
【００５６】
本発明においては、特にこの固定用溝の端面６に対して連続するように光導波路６３を形成することができる。これによって、固定用溝に収容された光ファイバーの幾何学的中心と光導波路６３のコアとをｘ、ｙ方向に位置決めすることによって、光ファイバー６５の端面６５ａを端面６に対して接触させれば、光ファイバー６５を自動的に光導波路６３に対して光学的に結合することが可能になる。例えば、基板６４をイオン交換ガラスによって形成し、イオン交換法によって光導波路６３を形成することによって、このような光導波路を作製することができる。
【００５７】
研削加工法によって固定用溝を形成した場合には、図１２（ｂ）に示すように、固定用溝の端面６８は湾曲した形状となり、この横断面の曲率半径は、研削用砥石の直径に依存するが，通常は２０ｍｍ以上となる。このため、前記したように固定用溝の端面に対して光ファイバーの端面を接触させたり、光ファイバーの端面を位置決めすることはできない。
【００５８】
また、シリコン基板のエッチング法によって固定用溝を形成した場合には、図１２（ｃ）に示すように、固定用溝の端面に傾斜面７１が生成する。これは、シリコン基板６９のエッチングが異方性エッチングによって行われているからであり、通常は基板の主面に対して５４．７３°の角度を有する傾斜面７１が形成される。この結果、光ファイバー固定用基板６５の端面６５ａと固定用溝の端面７１との間には必然的に隙間が生成する。この隙間をなくするためには、図１２（ｃ）に示すように、光ファイバー固定用基板６５の端面６５ｂにも前記と同じ角度の傾斜を付け、この傾斜面６５ｂと７１とを互いに隙間無く接触させることが必要であった。これによって光ファイバー６５と光導波路７０とを隙間無く接触させることができる。
【００５９】
しかし、この光学的接続方法を採用すると、光ファイバー６５を固定用溝中に挿入して光導波路との光学的接続を行う際に、光ファイバー６５の端面６５ｂと固定用溝の端面７１との間で、光ファイバーの中心軸の回りの回転方向を正確に調節する必要があるが、このような３６０°に回転可能な光ファイバー６５の回転軸方向の位置決めは困難であり、やはりコスト上昇の原因となる。
【００６０】
また、図１３（ａ）に示す光デバイス７２においては、デバイス７２の端面７２ａにある例えば４列の光ファイバー７６を、それぞれ前記の固定用溝内に収容し、各光ファイバー７６の垂直な端面を、それぞれ各固定用溝の基板の主面に対して垂直な端面６に対して接触させ、位置決めしている。デバイス７２の他方の端面７２ｂにある例えば１列の光ファイバー７６を、前記の固定用溝内に収容し、光ファイバー７６の垂直な端面を、固定用溝の基板の主面に対して垂直な端面６に対して接触させ、位置決めしている。各光ファイバー７６の端面は、図１２（ａ）に示すようにして、基板内の光導波路７３の分岐部分７３ａまたは直線部分７３ｃに対して光学的に接続されている。分岐部分７３ａと直線部分７３ｃとは、分岐点７３ｂにおいて結合されている。
【００６１】
イオン交換光導波路を形成する場合には、通常は、ガラス基板の表面をイオン交換し、厚さ１０μｍ程度の光導波路を作成する。従って、光導波路の中心は、表面から５μｍ程度の深さに位置している。このため、固定用溝中に収容した光ファイバーの中心が光導波路の中心と一致するように、固定用溝の寸法および形状を設計する。このように固定用溝を設計することによって、基板の深さ方向の調芯が機械的に可能になる。
【００６２】
また、このように光ファイバーと光導波路とを結合るす場合には、固定用溝の端面を鏡面とすることによって、光が効率よく端面を透過するようにしなければならない。本発明においては、プレス用金型のうちこの端面に対応す面を鏡面に加工することによって、固定用溝の端面を鏡面とすることができる。特に好ましくは固定用溝の端面の平均表面粗さＲａを１０ｎｍ以下とすることが可能である。
【００６３】
なお、ガラス基板の表面に火炎堆積法によって光導波路を形成することも可能である。
【００６４】
また、第三の発明の更に他の態様においては、固定用溝中の光ファイバーを光素子に対して結合することができる。この態様によれば、前記した固定用溝は光ファイバー固定用基板中で平面的に見て任意の場所に形成することができる。つまり、固定用溝の一方の端部を基板の所望箇所に設定することができ、固定用溝の他方の端面を光素子に対向する位置に形成できる。この固定用溝中に光ファイバーを収容し、保持させることによって、光ファイバーを調芯することなく、光ファイバーを基板上の光素子に対して光学的に結合することができる。
【００６５】
このような光素子としては、発光素子、受光素子が特に有用である。図１３（ｂ）は、このような光デバイスに対して本発明を適用した実施例を示す斜視図である。光テバイス７４の一方の端面７４ａに面するように固定用溝が形成されている。この固定用溝の形態は、前記した図２に示すものと同じである。固定用溝中に収容された光ファイバー７７の端面が固定用溝の端面６に対して接触している。この端面６に対向する位置に、発光ダイオード７９の発光界面が位置決めされている。ただし、この発光界面と光ファイバーの端面とが直接に接触すると、発光ダイオードが劣化する可能性があるので、発光ダイオードの発光界面と光ファイバーの端面（即ち固定用溝の端面）との間には所定の間隙部８０を形成する。なお、７８は発光ダイオード７９の制御用電極である。
【００６６】
発光ダイオードは、例えば発光ダイオードの底面（基板の表面）から見て高さ１０μｍの位置で発光する。従って、この場合には、固定用溝中に収容した光ファイバーの中心が発光ダイオードにおける発光位置と一致するように、固定用溝の寸法および形状を設計する。
【００６７】
本発明は、例えば、「信学技報」ＥＤＭ９４−２９、ＣＰＭ９４−４３、ＯＰＥ９４−３８（１９９４−０８）「Ｓｉ基板を用いた半導体レーザアレイモジュールのハイブリッド集積実装」佐々木 誠美等：「ＬＡＳＥＲ ＦＯＣＵＳ ＷＯＲＬＤ」１９９１年５月号、第２１７頁、「Hybrid-technique couples laser array to fibers」、「石英系プレーナ光波回路を用いたハイブリッド光集積技術」NTT 光エレクトロニクス研究所 山田 泰文（第３回フォトニクス情報処理研究会資料）に記載されているような光集積素子に対して適用できる。
【００６８】
なお、本発明においては、光ファイバー固定用基板の中の固定用溝の両側の端部に、前記した基板の主面に対して垂直な端面６を形成することができる。このようなアセンブリ自体には、現段階では用途はないが、このアセンブリを切断することによって、固定用溝の一方の端部が開放されており、他方の端部に端面６が形成されている基板を生産することができる。
【００６９】
また、第四の発明は、光ファイバーを収容し、位置決めするための固定用溝が形成されている、プレス成形法によって作製された光ファイバー固定用基板であって、固定用溝が、少なくとも、固定用溝の横断面の寸法が相対的に大きい第一の部分と横断面の寸法が相対的に小さい第二の部分とを備えており、この第一の部分と第二の部分との間で、第一の部分の端面が光ファイバー固定用基板の主面に対して垂直なように形成されていることを特徴とする、光ファイバー固定用基板を提供する。
【００７０】
即ち、例えば図１４に示すように、光ファイバー固定用基板８３の一方の端面８３ａ側には、固定用溝の横断面の寸法が相対的に大きい第一の部分８４が形成されており、他方の端面８３ｂ側には、横断面の寸法が相対的に小さい第二の部分８５が形成されている。第一の部分８４と第二の部分８５との間で、第一の部分８４の端面８６が、光ファイバー固定用基板８３の主面に対して垂直なように形成されている。第一の部分８４中には、相対的に直径が大きな受動的な光伝送部材８７が収容および固定されており、第二の部分８５中には、相対的に直径が小さい光ファイバー６５が収容および固定されている。第一の部分中の光伝送部材８７の端面８７ａは、端面８６に接触し、これによって位置決めされている。この結果、光伝送部材８７の端面８７ａに対して光ファイバー６５の端面６５ａが隙間なく接触する。この状態で、特に好ましくはメカニカルスプライスによって光伝送部材と光ファイバーとを結合することができる。
【００７１】
光伝送部材８７としては、特に直径が相対的に大きい光ファイバー、レンズ（ＧＲＩＮレンズ、ボールレンズ等）を例示できる。従来は、このような相対的に直径が大きい受動型の光伝送部材と、相対的に直径の小さい光ファイバーとを結合するためには、両者をそれぞれアレイに固定した後に各アレイを結合する方法があった。しかし、光伝送部材のアレイと光ファイバーのアレイとを結合する際に、各光伝送部材と光ファイバーとを互いに光学的に調芯し、アライメントする工程が煩雑であり、コストが高かった。
【００７２】
また、第五の発明は、光伝送部材を収容し、位置決めするための固定用溝が形成されている、プレス成形法によって作製された固定用基板を備えた光デバイスであって、第一の固定用溝が形成されている第一の突出部と、第二の固定用溝が形成されている第二の突出部と、第一の突出部と第二の突出部とを連結している連結部とを備えており、連結部の表面から見たときの第一の固定用溝の高さが、第二の固定用溝の高さよりも大きく、かつ第一の固定用溝中に収容および固定されている光伝送部材と、第二の固定用溝中に収容および固定されている光伝送部材とが光学的に結合されていることを特徴とする、光デバイスを提供する。
【００７３】
第五の発明の一つの態様においては、更に、連結部に光素子を固定し、連結部の表面から見たときに光素子中での光の入射位置の高さと出射位置の高さとが異なっており、第一の固定用溝中に収容および固定されている光伝送部材と、第二の固定用溝中に収容および固定されている光伝送部材とを光素子を介して光学的に結合することができる。こうした光素子としては、光の入射位置の高さと出射位置の高さとが異なる、あらゆる光素子を使用することができるが、特に光アイソレーターが好ましい。
【００７４】
従来、光ファイバー固定用基板のＶ溝で光ファイバーを対向させ、対向する光ファイバー固定用基板の間に波長フィルターや光アイソレーターを配置することが知られている（「Ｏ ｐｌｕｓ Ｅ．」１９９１年１月号、第１２４〜１２５頁：１９９２年電子情報通信学会秋季大会、Ｃ−２２９「光ファイバ集積型偏波無依存アイソレータ」中善寺 知広等）。しかし、これらは未だ損失が大きく、アイソレーション特性も十分ではない。このため、市販の光アイソレーターにおいて採用されている方式では、２つのコリメータを対向させ、これらのコリメータの間に光アイソレータ素子を配置している（１９９３年電子情報通信学会秋季大会、Ｃ−２１６「小型オールレジンフリー偏波無依存型光アイソレータ」野内 知彦等：１９９２年電子情報通信学会秋季大会、Ｃ−２３０「偏波面無依存型光アイソレータの諸特性」平井 茂等）。コリメータは、通常ＦＣコネクターに使用されているものであり、フェルールに光ファイバーを組み合わせて組み立てた光学系に対して、レンズを予め組み込んで作製した素子である。
【００７５】
しかし、こうした方式の光アイソレータにおいては、コリメータの位置合わせを行う際に、Ｘ軸、Ｙ軸の２つの軸に加えて、θＸとθＹとの回転方向の調整が必要であるために、このアライメントに非常に時間と手間とがかかる。
【００７６】
本発明は、光が内部でシフトするために光軸が変化するような光素子（特に光アイソレーター）において、光ファイバー固定用基板に保持された光ファイバーによって直接に光軸を合わせる方法を提供するものである。これによって、従来問題であったＸ軸、Ｙ軸、θＸ軸およびθＹ軸の調整を行う必要がなくなる。
【００７７】
図１５（ａ）は、本発明の実施例において使用する光ファイバー固定用基板２４を示す斜視図であり、図１５（ｂ）は固定用基板２４を示す平面図である。この基板２４は、相対的に高い位置にある第一の突出部２５、連結部２７の表面から見たときに突出部２５よりも低い位置にある第二の突出部２６、および突出部２５と２６とを接続している連結部２７を備えている。各突出部２５、２６には、第一の固定用溝３Ａ、第二の固定用溝３Ｂが形成されており、各固定用溝の形状自体は、図２に示したものと同じである。ただし、本発明は、こうした形態の固定用溝を有する基板に限定されるものではなく、他の形態の固定用溝を備えた光ファイバー固定用基板に対しても適用することができる。突出部２５上の固定用溝３Ａと突出部２６上の固定用溝３Ｂとは、共に直線状に延びており、かつ固定用溝３Ａと３Ｂとは、平面的に見ると同一直線上に存在している。
【００７８】
プレス成形法によれば、このように相対的に高さの違う突出部２５、２６、連結部２７を、１つのプレス工程で同時に成形することができる。研削方法やエッチング法によっては、こうした加工は困難である。
【００７９】
突出部２５、２６上の各固定用溝３Ａ、３Ｂ内に、それぞれ光ファイバーを収容し、位置決めする。この際、連結部２７の上に、複屈折板ないし光アイソレーター等の入射位置と出射位置とが異なる光素子を配置すると、固定用溝３Ａ内の光ファイバーの光軸と固定用溝３Ｂ内の光ファイバーの光軸とがずれる。このずれを考慮して、固定用溝３Ａと３Ｂとの間における光軸の間隔ないし段差を調整する。また、光ファイバーの端面を傾斜させた場合にも、これと同様に固定用溝３Ａと３Ｂとの間で、各光ファイバーの光軸がずれるので、固定用溝３Ａと３Ｂとの間における光軸の間隔ないし段差を調整する。
【００８０】
この実施例を図示すると、例えば、図１６（ａ）に示すように、第一の突出部２５の固定用溝３Ａ内に光ファイバー６５Ａを収容および固定し、第二の突出部２６の固定用溝３Ｂ内に光ファイバー６５Ｂを収容および固定し、位置決めする。突出部２５の端面２５ａと突出部２６の端面２６ａとの間で、連結部２７の表面９１の上に光アイソレーター９０を配置し、光アイソレーター９０の両側にレンズ９２Ａ、９２Ｂを設置する。この状態で、光アイソレーター９０の両側の光軸９３と９４とはずれているが、固定用溝３Ａと３Ｂとの間における段差を調整することによって、これらの光軸９３と９４との段差を調整する。
【００８１】
また、光ファイバーの端面を傾斜させた場合にも、前記したと同様にして、固定用溝３Ａ中の光ファイバーの光軸と固定用溝３Ｂ内の光ファイバーの光軸とがずれる。例えば、図１６（ｂ）に図示するように、光ファイバー固定用基板９５は、相対的に高い位置にある第一の突出部２５Ａ、連結部２７の表面から見たときに突出部２５Ａよりも低い位置にある第二の突出部２６Ａ、および突出部２５Ａと２６Ａとを接続している連結部２７を備えている。突出部２５Ａの内側の連結部側の端面９７は垂直面に対して傾斜しており、突出部２６Ａの内側の連結部側の端面９８も垂直面に対して傾斜している。これと同時に、各光ファイバー６５Ａ、６５Ｂの各端面９９も、同様に垂直面から傾斜している。これらの各光ファイバーの端面の傾斜は、反射光の光ファイバー中への再吸収を防止するために形成されたものである。突出部２５Ａの固定用溝３Ａと突出部２６Ａ上の固定用溝３Ｂとは、共に直線状に延びており、かつ固定用溝３Ａと３Ｂとは、平面的に見ると同一直線上に存在している。
【００８２】
固定用溝３Ａ、３Ｂ内に光ファイバー６５Ａ、６５Ｂを収容および固定し、位置決めする。この状態で、固定用溝３Ａ内の光ファイバー６５Ａと、固定用溝３Ｂ内の光ファイバー６５Ｂとを結ぶ光軸１００は水平面に対して傾斜しているが、固定用溝３Ａと３Ｂとの間における段差を調整することによって、光ファイバー６５Ａの端面からの出射光が光ファイバー６５Ｂ内に入射可能なようにする。
【００８３】
更に、前記した光デバイスに対して、光ファイバーの被覆を保持する機能を付与することができる。これによって、光ファイバーの光デバイスへの取り付けが一層容易になる。また、連結部の表面の収容孔に光素子を設置し、位置決めできるようにすることによって、光素子の各光ファイバーに対する相対的位置（特に光素子と光ファイバーとの距離、光素子の角度）を容易に正確に決定できる。
【００８４】
例えば、図１６（ｃ）に示す光デバイスにおいては、基板１１２は、相対的に高い位置にある第一の突出部１０２Ａ、連結部２７の表面から見たときに突出部１０２Ａよりも低い位置にある第二の突出部１０２Ｂ、および突出部１０２Ａと１０２Ｂとを接続している連結部２７を備えている。各突出部１０２Ａ、１０２Ｂには、第一の固定用溝３Ａ、第二の固定用溝３Ｂが形成されている。光素子９０は、連結部２７に設けられた収容孔１０４に挿入され、固定されている。この収容孔１０４の平面的位置および深さを調節することによって、固定用溝３Ａ内の光ファイバーと固定用溝３Ｂ内の光ファイバーとが自動的に光学的に結合されるようにする。
【００８５】
第一の突出部１０２Ａの末端に設けられた位置決め用のＶ溝１０１Ａに光ファイバーの被覆５６が収容および固定されている。第二の突出部１０２Ｂの末端に設けられた位置決め用のＶ溝１０１Ｂに光ファイバーの被覆５６が収容および固定されている。
【００８６】
前記したような光軸のズレ量、即ち第一の突出部に保持された光ファイバーと第二の突出部に保持された光ファイバーとの光軸のズレ量は、特に制限はないが、通常は５０〜１５０μｍ程度である。
【００８７】
図１７に示す光デバイスにおいては、基板１１５は、相対的に高い位置にある第一の突出部１０２Ｃ、連結部２７の表面から見たときに突出部１０２Ｃよりも低い位置にある第二の突出部１０２Ｄ、および突出部１０２Ｃと１０２Ｄとを接続している連結部２７を備えている。
【００８８】
突出部１０２Ｃ、１０２Ｄには、固定用溝の横断面の寸法が相対的に大きい第一の部分８４Ａ、８４Ｂと、横断面の寸法が相対的に小さい第二の部分８５Ａ、８５Ｂとが形成されている。第一の部分８４Ａ、８４Ｂと第二の部分８５Ａ、８５Ｂとの間で、第一の部分８４Ａ、８４Ｂの端面８６Ａ、８６Ｂが、基板１１５の主面に対して垂直なように形成されている。第一の部分８４Ａ、８４Ｂ中には、相対的に直径が大きな受動的な光伝送部材８７Ａ、８７Ｂが収容および固定されている。第二の部分８５Ａ、８５Ｂ中には、相対的に直径が小さい光ファイバー６５Ａ、６５Ｂが収容および固定されている。光伝送部材８７Ａ、８７Ｂの端面８７ａは、端面８６Ａ、８６Ｂに接触し、これによって位置決めされている。この結果、光伝送部材８７Ａ、８７Ｂの端面８７ａに対して光ファイバー６５Ａ、６５Ｂの端面６５ａが隙間なく接触する。
【００８９】
光伝送部材８７Ａ、８７Ｂとしては、特に直径が相対的に大きい光ファイバー、レンズ（ＧＲＩＮレンズ、ボールレンズ等）を例示できる。
【００９０】
第一の突出部１０２Ｃの末端に設けられた位置決め用のＶ溝１０１Ａに、光ファイバーの被覆５６が収容および固定されている。第二の突出部１０２Ｄの末端に設けられた位置決め用のＶ溝１０１Ｂに、光ファイバーの被覆５６が収容および固定されている。
【００９１】
図１７の例において、光ファイバーの固定用溝８５Ａ、８５Ｂの横断面の直径は例えば０．１２５ｍｍとし、レンズの固定用溝８４Ａ、８４Ｂの横断面の直径は例えば１ｍｍとする。
【００９２】
図１８（ａ）は、光ファイバー固定用基板１０５を示す側面図であり、図１８（ｂ）は、光ファイバー固定用基板１０５を一方の端部側から見た正面図であり、図１８（ｃ）は、光ファイバー固定用基板１０５を図１８（ｂ）とは反対側の端部側から見た正面図である。
【００９３】
基板１０６の一対の端面の間に、光ファイバーの固定用溝１０９が形成されている。固定用溝１０９は、本実施例ではＶ溝である。固定用溝１０９の横断面の寸法は、端部１０７側では小さくなり、端部１０８側では大きくなっており、端部１０７と１０８との間では、固定用溝１０９の横断面の断面積が徐々に大きくなっている。固定用溝１０９の底部に沿って光ファイバー６５が収容および固定されている。
【００９４】
次に、本発明は、光ファイバー固定用基板を構成する材質に関するものである。
本発明者は、プレス成形法によって種々の形態の光ファイバー固定用基板を製造する過程で、次の材質を使用すると、極めて高い精度（特には１．０μｍ以下の精度）で光ファイバー固定用基板を製造できることを見いだした。
【００９５】
即ち、第六の発明においては、ガラスセラミックスを構成する結晶粒子の平均粒径が１．０μｍ以下であり、かつ主結晶層が、ニケイ酸リチウム（Ｌｉ₂ Ｏ・２ＳｉＯ₂ ）相と、β−スポジュウメン（Ｌｉ₂ Ｏ・Ａｌ₂ Ｏ₃ ・４ＳｉＯ₂ ）相またはβ−スポジュウメン固溶体相によって占められており、さらにＳｉＯ₂ 組成を有する結晶相の占める割合が２重量％以下である材質を使用することが好ましい。
【００９６】
ここで、「ＳｉＯ₂ 組成の結晶」には石英、クリストバライトおよびその他の構造の結晶が含まれるが、本明細書では、「ＳｉＯ₂ 組成の結晶」のうち、結晶構造が石英とクリストバライト以外のものを、「ＳｉＯ₂ 結晶相」と略称することにする。
【００９７】
本発明者は、まず、種々のガラスセラミックスについて検討を重ねた結果、この原料割合を限定し、かつ後述するような温度条件下で結晶化を実施することによって、Ｌｉ₂ Ｏ−ＳｉＯ₂ 相と、ＳｉＯ₂ 組成の結晶相とをほとんど消失させて、Ｌｉ₂ Ｏ・２ＳｉＯ₂ 相とβ−スポジュウメン（Ｌｉ₂ Ｏ・Ａｌ₂ Ｏ₃ ・４ＳｉＯ₂ ）相またはβ−スポジュウメン固溶体相に変換させることに成功した。このガラスセラミックスは、主結晶相がニケイ酸リチウム相と、β−スポジュウメン相またはβ−スポジュウメン固溶体相によって占められており、かつＳｉＯ₂ 組成の結晶相の占める割合が２重量％以下である。
【００９８】
このようなガラスセラミックスを使用することによって、前記したような光ファイバー固定用基板の欠けや損傷といった問題が有効に防止される。特に、実願平４−１７７５２号に記載されているコネクターは、脱着機能を備えているが、このような場合には、通常のガラスセラミックスでは欠け等の問題が発生するので、前記のような特定のガラスセラミックスによって形成された光ファイバー固定用基板が特に好ましい。また、極めて高い精度の光ファイバー固定用基板をプレス成形によって作製することができた。
【００９９】
更にガラスセラミックスの組成および製造方法について説明する。ガラスセラミックスについて、ＳｉＯ₂ 組成の結晶相の重量比率を２重量％以下とする必要があり、かつニケイ酸リチウム相と、β−スポジュウメン相またはβ−スポジュウメン固溶体相との割合を上記の一定割合とする必要がある。
【０１００】
具体的には、光ファイバー固定用基板を製造するのに際して、ＳｉＯ₂ ：６５〜８５重量％、Ｌｉ₂ Ｏ：８〜１５重量％、Ａｌ₂ Ｏ₃ ：５〜８重量％、Ｐ₂ Ｏ₅ ：１〜５重量％をより好ましくは、ＳｉＯ₂ ：７５〜８０ｗｔ％，Ｌｉ₂ Ｏ：９〜１４ｗｔ％，Ａｌ₂ Ｏ₃ ：５〜８ｗｔ％，Ｐ₂ Ｏ₅ ：１〜３ｗｔ％を含有する組成の原ガラスを８２０〜９５０℃の熱処理温度まで加熱して、ガラスセラミックスを製造する。
【０１０１】
ここでＡｌ₂ Ｏ₃ は、β−スポジュウメンおよびβ−スポジュウメン固溶体を形成するために必要な成分であり、またガラスセラミックスの結晶相の安定性を向上させるために必要である。これが５重量％未満であると、結晶相にβスポジュウメンが生成しなくなると共に、ＳｉＯ₂ 組成の結晶相の量が２％を越えるようになる。
【０１０２】
ＳｉＯ₂ は、ニケイ酸リチウム相等の結晶相を得るために必要不可欠な基本的成分であるが、この量が６５重量％未満であると、所望の結晶相の析出が困難となり、８５％を越えると、ガラスの溶融が困難になる。
【０１０３】
そして、本発明者は、上記したような原ガラスを熱処理してみた結果、その結晶化温度として８２０℃〜９５０℃を採用する必要があることを発見した。即ち、従来は、Ｌｉ₂ Ｏ−ＳｉＯ₂ −Ａｌ₂ Ｏ₃ 系のガラスを７００℃〜９５０℃の広範囲で結晶化させることは知られていた。しかし、本発明では、上記組成の原ガラスを結晶化させることによって、好ましくは３０〜６０重量％のニケイ酸リチウム相と、１〜２５重量％のβ−スポジュウメンおよびβ−スポジュウメン固溶体相とを生成させ、かつその比率を１．０以上とする必要がある。こうした特定組成のガラスセラミックスからなる基板を生成させるためには、原ガラスの結晶化温度として８２０℃〜９５０℃を採用する必要があった。
【０１０４】
更に、ガラスセラミックスの強度を最も高い状態とするには、結晶化温度を８２０℃〜９２０℃の範囲とすることが特に好ましく、８２０℃〜９００℃とすることが一層好ましいことを発見した。
【０１０５】
更に説明すると、原ガラスを熱処理する際に、この熱処理温度、即ち、結晶化温度が７００℃〜７５０℃程度であると、Ｌｉ₂ Ｏ・ＳｉＯ₂ 相、Ｌｉ₂ Ｏ・２ＳｉＯ₂ 相が３０〜５０％生じ、ＳｉＯ₂ 組成の結晶相も若干生ずる。このとき、温度が高くなるほど、Ｌｉ₂ Ｏ・ＳｉＯ₂ 相と、Ｌｉ₂ Ｏ・２ＳｉＯ₂ 相が共に増加していく。この段階では基板の強度が低く、使用できない。
【０１０６】
これが８００℃程度にまで上昇すると、Ｌｉ₂ Ｏ・ＳｉＯ₂ 相は急激に消滅し、Ｌｉ₂ Ｏ・２ＳｉＯ₂ 相やＳｉＯ₂ 組成の結晶相が急激に増加していく。
【０１０７】
ところが、８２０℃になると、ＳｉＯ₂ 組成の結晶相が消滅した。これと共に、Ｌｉ₂ Ｏ・２ＳｉＯ₂ 相が増大していた。さらにこれと同時にβ−スポジュウメン相が急激に生成することが分かった。即ち、この温度領域で、初めてＡｌ₂ Ｏ₃ 成分の結晶化が進行し、β−スポジュウメン相（Ｌｉ₂ Ｏ・Ａｌ₂ Ｏ₃ ・４ＳｉＯ₂ ）またはβ−スポジュウメン固溶体が生成したことを意味している。なお、前記の（Ｌｉ₂ Ｏ・Ａｌ₂ Ｏ₃ ・４ＳｉＯ₂ ）の組成に至る前の段階では、結晶構造は類似しているが、結晶相内のＬｉ₂ Ｏ，Ａｌ₂ Ｏ₃ ，ＳｉＯ₂ の比率が正確にはこの割合に至ってはいないので、これをβ−スポジュウメン固溶体と称している。
【０１０８】
そして、８２０℃〜９２０℃の範囲内においては、二ケイ酸リチウム相、β−スポジュウメン相またはβ−スポジュウメン固溶体共に徐々に増加していく。また、この範囲内においては平均結晶粒径が１．０μｍ以下であり、基板の強度を極めて高く保持することができた。これが９５０℃を越えると、結晶相には大きな変化はないが、ガラスセラミックス中の平均結晶粒径が１．０μｍを越えて増加してくるために、基板の強度に低下傾向が見られはじめた。
【０１０９】
また、本発明の基板においては、β−スポジュウメン相が、もとのニケイ酸リチウム相と比較して増加しすぎると、問題があることが判明した。即ち、ニケイ酸リチウム相／（β−スポジュウメン相およびβ−スポジュウメン固溶体：合計値）の重量比が１．０未満となるまで、β−スポジュウメン粒子の生成が進行すると、機械的強度が減少した。
【０１１０】
この意味から、上記の重量比率を１．０以上とすることが好ましいことも分かった。さらに上記の重量比率を１．３以上とすることが、機械的強度の点でより好ましいことがわかった。
【０１１１】
また、原ガラスにおけるＡｌ₂ Ｏ₃ 成分が８重量％を越えると、このようにβ−スポジュウメン粒子の生成量が過多になり、基板の強度が低下した。従って、Ａｌ₂ Ｏ₃ の量は８重量％以下とすることが必要である。
【０１１２】
また、上記の製造方法において原ガラスを加熱する際には、少なくとも５００℃以上の温度領域での温度上昇速度を５０〜３００℃／時間に制御することによって結晶核の生成を進行させることが好ましい。また、少なくとも５００℃〜５８０℃の温度領域内で１〜４時間保持することによって結晶核の生成を進行させることが好ましい。
【０１１３】
なお、本発明で基板として使用するガラスセラミックス中には、他の成分を含有させることができる。まず、Ｐ₂ Ｏ₅ 以外の核形成剤として、ＴｉＯ₂ 、ＺｒＯ₂ 、ＳｎＯ₂ 等の金属酸化物または白金等の金属、フッ化物を、単独で、または２種以上混合して、含有することができる。
【０１１４】
また、Ｋ₂ Ｏを０〜７重量％含有させることができる。これは、ガラスの溶融、成形温度を低下させるのと共に、成形時のガラスの失透を抑制する効果がある。この作用を発揮させるには、この含有量を２重量％以上とすることが更に好ましい。また、この含有量が７重量％を越えると、ガラスセラミックスの強度が低下する傾向がある。
【０１１５】
Ａｓ₂ Ｏ₃ とＳｂ₂ Ｏ₃ との一方または双方を、合計で０〜２重量％含有させることもできる。これらは、ガラス溶融の際の清澄剤である。
【０１１６】
その他、Ｂ₂ Ｏ₃ 成分を０〜３重量％、ＣａＯ成分を０〜３重量％、ＳｒＯを０〜３重量％、ＢａＯを０〜３重量％含有させることができる。ＭｇＯ成分は、実質的に含有しないことが好ましい。
【０１１７】
原ガラスを製造する際には、上記の各金属原子を含有する各原料を、上記の重量比率に該当するように混合し、この混合物を溶融させる。この原料としては、各金属原子の酸化物、炭酸塩、硝酸塩、リン酸塩、水酸化物を例示することができる。また、原ガラスを熱処理して結晶化させる際の雰囲気としては、大気雰囲気、不活性雰囲気等を選択することができる。
【０１１８】
なお、この材質からなる光ファイバー固定用基板は、前記した図２〜図６を参照しつつ説明した光ファイバー固定用基板とは異なる形態の光ファイバー固定用基板に対しても、同様に適用することができる。
【０１１９】
また、光ファイバーを構成する材質としては、次のものが特に優れていることを見いだした。
【０１２０】
（１）ＢＫ−７：光学ガラス
これは、紫外線透過性が高く、熱膨張係数が７０×１０^{- 7} 程度であるので、ＬｉＮｂＯ₃ からなる基板上の光導波路との熱膨張差を小さくすることができる。また、ボールレンズ等のＢＫ−７製品との固定に用いる場合に、これと同じ材質であるので、最適である。また光ファイバー固定用基板を光素子と光学的に結合した後に、両者を紫外線樹脂接着剤によって接着する場合には、光ファイバー固定用基板の材質には高い紫外線透過性が求められる。ＢＫ−７ガラスは、λ＝３６０ｎｍで透過率９０％以上であるので、極めて適している。
【０１２１】
また、Ｘ−カット ＬｉＮｂＯ₃ 導波路に対して光ファイバー固定用基板を結合する場合には、Ｘ−カット ＬｉＮｂＯ₃ 導波路を有する基板の熱膨張係数は、一つの方向では１５０×１０^{- 7} ／℃であり、別の方向の熱膨張係数は４０×１０^{- 7} ／℃である。このため、双方の方向での熱膨張係数のマッチングを考慮すると、光ファイバー固定用基板を構成する材質の熱膨張係数は８５×１０^{- 7} 程度であることが好ましい。ＢＫ−７ガラスはこのレベルの熱膨張係数を有している。
【０１２２】
また、通常、ボールレンズ等の材質としてはＢＫ−７ガラスが使用されているが、光ファイバー固定用基板の材質としてＢＫ−７ガラスを使用すると、ボールレンズ等と光ファイバー固定用基板との間で熱膨張差がなくなる。
【０１２３】
（２）ホウケイ酸ガラス
ホウケイ酸ガラスは、α＝３２×１０^{- 7} ／℃と、低い熱膨張係数を有している。通常市販されているガラスの中では非常に熱膨張係数が低い。結晶化等の処理を行うことなく、低膨張の光ファイバー固定用基板を製造することができる。また、紫外線透過率が高いので、前記のように、紫外線硬化型樹脂を使用することができる。
【０１２４】
（３）ソーダ石灰ガラス
ソーダ石灰ガラスは、４８０℃のＫＮＯ₃ 液中に浸漬させることによって、Ｎａ⁺ とＫ⁺ との交換が表面より３０μｍ程度の範囲で生じ、強度の向上が達成される。
【０１２５】
（４）イオン交換ガラス
この材質を用いた光ファイバー固定用基板を使用した場合には、この光ファイバー固定用基板上に直接に光導波路を形成することができるようになり、この光導波路と前記の光ファイバーとを直接に結合することが可能になる。
【０１２６】
以下、更に具体的な実験結果について述べる。前述した方法に従って、プレス成形法によって、図２に示す光ファイバー固定用基板１および図６に示す光ファイバー固定用基板４５を製造した。ただし、原料として純度９９．８％のアルミナ粉末を使用し、バインダーとしてポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を３％とポリエチレングリコール（ＰＥＧ）を１％とを添加して、スプレードライヤーで造粒して成形原料を得た。
【０１２７】
一方、図４に示すような形状を有する金型３７を準備した。この際、金型３７を超硬合金によって形成し、ダイヤモンド砥石を使用してこの表面を研削加工し、各溝３８を形成した。上記の成形用原料を、金型３７と下側の平板形状の金型との間に充填し、２０００ｋｇ／ｃｍ² の圧力でプレス成形した。こうして得られた成形体を、酸化雰囲気中で１６００℃で焼成し、光ファイバー固定用基板を製造した。この固定用基板の各固定用溝内に光ファイバーを収容し、この時光ファイバーを固定用溝の山部に対して強く接触させた。この後、固定用溝の周辺を観察した。
【０１２８】
図１９は、図６に示す光ファイバー固定用基板４５について、固定用溝３の周辺を示す走査型顕微鏡写真である。明らかに、固定用溝の山部には丸みがあり、谷部はきわめて先鋭である。また、固定用溝の間にある各突起を見ても、特に切り欠きや破損箇所は存在していなかった。図２の光ファイバー固定用基板１についても同様の結果が得られた。
【０１２９】
一方、上記の成形用原料を成形して平板形状の成形体を得、この成形体を酸化雰囲気中で１６００℃で焼成し、平板形状の基板本体を製造した。この基板本体の表面を、ダイヤモンド砥石によって研削加工し、図３に示すような光ファイバー固定用基板８を製造した。この固定用基板８の各固定用溝１２内に光ファイバーを収容し、この時光ファイバーを固定用溝の山部に対して強く接触させた。この後、固定用溝の周辺を観察した。
【０１３０】
この結果、一部の光ファイバー固定用基板には、図２０に示すような破損箇所が観察された。なお、この固定用溝の山部はきわめて先鋭であり、谷部には丸みが形成されていることがわかる。そして、この山部の頂点から谷部の方へと向かって延びるように、破損箇所が形成されていることが注目される。これは、山部の頂点付近から破損ないし亀裂が開始されていることを示しているものと思われる。
【０１３１】
なお、ＬｉＯ₂ −Ａｌ₂ Ｏ₃ −ＳｉＯ₂ 系のガラスを、上記の金型を使用してプレス成形し、この成形体を熱処理して結晶化させることによって、図２、６に示すような形状の光ファイバー固定用基板１、４５を製造した。そして、この光ファイバー固定用基板についても上記と同様の観察を実施したが、上記と同様の結果を得た。
【０１３２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、光ファイバー固定用基板の固定用溝に光ファイバーを収容するときや、光ファイバー固定用基板の端面を研磨するときなどに、この固定用溝の山部に欠けないし切り欠きが発生しないようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、従来の光ファイバー固定用基板３４を示す斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）の光ファイバー固定用基板３４上に蓋３２を接合して得た組み立て体を示す正面図である。
【図２】（ａ）は、第一の発明の実施例に係る光ファイバー固定用基板１を示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）の光ファイバー固定用基板１の横断面を示す断面図であり、（ｃ）は、基板１の各固定用溝３内に光ファイバー９を収容した状態を示す断面図である。
【図３】従来の光ファイバー固定用基板８の横断面を示す断面図である。
【図４】図２の光ファイバー固定用基板１を製造するための金型３７を示す断面図である。
【図５】第一の発明の他の実施例に係る光ファイバー固定用基板１２を示す断面図である。
【図６】第一の発明の更に他の実施例に係る光ファイバー固定用基板４５を示す断面図である。
【図７】（ａ）は、谷部５が先鋭な固定用溝３内に光ファイバー９Ａおよび塵１６が収容されている状態を示す断面図であり、（ｂ）は、谷部１８に丸みがある固定用溝１７内に、光ファイバー９Ａおよび塵１６が収容されている状態を示す断面図である。
【図８】（ａ）は、第二の発明に係る光ファイバー固定用基板２２を示す平面図であり、（ｂ）は、この固定用溝２３の周辺を拡大して示す断面図である。
【図９】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ各種の方法で作製した固定用溝の平面的形態を示すための模式的平面図である。
【図１０】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ第二の発明の他の態様の実施例に係る光デバイスを示す平面図であり、（ｃ）は、（ｂ）の光デバイスの側面図である。
【図１１】（ａ）は、第三の発明の実施例に係る光ファイバー固定用基板４０を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）の光ファイバー固定用基板４０の側面図である。
【図１２】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、各製造方法によって作製された固定用溝の端面と光導波路の端面との結合部分の周辺を拡大して示す断面図である。
【図１３】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ第三の発明の他の実施例に係る光デバイスを示す斜視図である。
【図１４】第四の発明の実施例に係る光デバイスを示す側面図である。
【図１５】（ａ）は、第五の発明の実施例に係る光ファイバー固定用基板２４を示す斜視図であり、（ｂ）は、光ファイバー固定用基板２４を示す平面図である。
【図１６】（ａ）、（ｃ）は、図１５の光ファイバー固定用基板２４に光アイソレーターを配置した状態を模式的に示す側面図であり、（ｂ）は、光ファイバー固定用基板２４において光ファイバーの端面を垂直面に対して傾斜させた場合の光デバイスを模式的に示す側面図である。
【図１７】第五の発明の実施例に係る光ファイバー固定用基板１１５を用いた光デバイスの一例を概略的に示す側面図である。
【図１８】（ａ）は、更に他の発明に係る光ファイバー固定用基板１０５を模式的に示す側面図であり、（ｂ）は、（ａ）の光ファイバー固定用基板１０５を一方の端面側から見た正面図であり、（ｃ）は、光ファイバー固定用基板１０５を他方の端面側から見た正面図である。
【図１９】図６に示す光ファイバー固定用基板４５の固定用溝の周辺を示す走査型電子顕微鏡写真である。
【図２０】図３に示す光ファイバー固定用基板の固定用溝の周辺を示す走査型電子顕微鏡写真である。
【符号の説明】
１、８、１２、２２、２４、３４、４０、４５、４９、５１ 光ファイバー固定用基板 ２ 基板本体 ３、３Ａ、３Ｂ、１２、１３、１７、２３、５０、５２、５８Ａ、５８Ｂ、６０ 固定用溝 ５ 先鋭な谷部 ７ Ｖ溝の傾斜面 ８ 接着剤 ９、９Ａ、５９Ａ、５９Ｂ、５９Ｃ 光ファイバー １０、１０Ａ 先鋭な山部 １１、１８ 丸みの付いた谷部 １４ 平坦な谷部 ４４、４４Ａ、４６ 曲率半径が山部の全体にわたって５μｍ以上の山部 ４７ 山部４６の平坦面 ４８ 山部４６の平坦面４７と傾斜面７との間のエッジ ５５、５６ 光ファイバーの被覆 ６３、７０、７３ 光導波路 ６５ａ 光ファイバーの垂直な端面 ６５ｂ 光ファイバーの傾斜した端面

Claims (3)

1. 光ファイバーを収容し、位置決めするための固定用溝が形成されている光ファイバー固定用基板であって、
   前記固定用溝と基板平面との間に形成される山部、および、固定用溝が複数ある場合には溝同士の間に形成される山部を含む前記固定用溝の山部をこの固定用溝の横断面方向に切ってみたときの曲率半径が、５μｍ以上であり、
   前記固定用溝の谷部をこの固定用溝の横断面方向に切ってみたときの曲率半径が５μｍ以下である、
   ことを特徴とする、光ファイバー固定用基板。
2. 前記光ファイバー固定用基板がセラミックスまたはガラスからなることを特徴とする、請求項１記載の光ファイバー固定用基板。
3. 前記光ファイバー固定用基板の前記固定用溝がプレス成形法によって形成されていることを特徴とする、請求項２記載の光ファイバー固定用基板。

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