JP3974891B2

JP3974891B2 - 光ファイバガイド、光素子モジュール

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Publication number: JP3974891B2
Application number: JP2003402626A
Authority: JP
Inventors: 理伊巻
Original assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Current assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Priority date: 2003-12-02
Filing date: 2003-12-02
Publication date: 2007-09-12
Anticipated expiration: 2023-12-02
Also published as: JP2005164886A

Description

本発明は、基板上に光ファイバ端部を固定し、光ファイバ端部を光スイッチ、可変光減衰器などの可動部を有する光デバイスに対して、端面を介して入出射する光束の光軸を位置決めし、固定する光ファイバガイドに関する。

光ファイバ端部を位置決め固定して空中へ光束を出射させ、光ファイバを固定し又は入射させる装置において、従来、光ファイバ端面を壁面に突き当ててパッシブに位置決めする構成を有するものとしては、例えば特許文献１、２に記載されるように光ファイバ端面が垂直端面対応のモジュールが存在した。
しかし光ファイバ光学系において空中伝搬との結合部位が存する場合には、一般にファイバ端面での反射戻り光伝送路への再結合を防ぐために、端面を斜めに切断などすることが望ましい。
一方、光ファイバの端面を斜めにするとそこから出射または入射する光束の光軸は光ファイバの軸から端面の傾斜の向きに従って偏向するため、これを装置に組込んで他の光部品と正確な結合をはかるためには、軸回りの方位に関する角度合わせをする必要が生じる。

このため基本的には、例えば特許文献３記載のように光ファイバフェルールにマーキング等を施した上で軸周りの回転に関しては角度合わせをする実装を行う。
斜めに傾斜した端面を有する光ファイバを上記の様な角度合わせする工程なしにパッシブに位置決めできるようにする発明としては、特許文献４ないし９記載のような各発明が存在する。
特許文献４記載の発明は、透光性樹脂で光ファイバ端面と結合相手となる光部品との間の空隙を充填する構成によるので、本発明が主に適用対象となるような光スイッチ等の空中伝搬光路中に可動部を有する光デバイスを配置する装置には適用することができない。
つぎに特許文献５記載の発明は、特定の角度に傾斜した溝を基板上に形成することの困難性とともに、傾斜が基板表面に対して深さ方向に設けられているため、光ファイバを固定する際に押え板を用いることができず、さらに光ファイバを軸方向に押しつけて端面を傾斜した壁面に突き当てる際に光ファイバ端部が斜面に従って基板表面上部へ飛び出す方向に力が作用し、垂直方向に位置ずれを生じるという問題があった。

更に特許文献６、７記載の発明は空中伝搬光路ではなく光導波路との結合を果たす装置であるが、仮にその構成の一部を空中出射用に応用するとしても、傾斜の面が基板面に対し深さ方向に形成されているため上記特許文献５記載の発明に係わると同様に垂直方向に端部の位置ずれを起こしやすいという課題を有している。
特許文献８、９には傾斜を基板内方向に設ける構成の発明が記載されているが、これらはいずれも光ファイバと光導波路との結合をはかる装置であり、空中伝搬光路との結合、特に可動部を有するような光デバイスへの適用は不可能である。
特許第２８１７７７８号明細書特開平１０−２５３８５６号公報特開２０００−３３８３６３号公報特開２００１−２１７７５号公報特開平３−９３２８５号公報特開平１−２６１６０４号公報特開平５−１８８２３４号公報特開平５−２２４０４号公報特開平８−１２２５６１号公報

戻り光対策として斜め端面とした光ファイバから出射した光を、他の光ファイバに結合させる場合、傾斜面の向を一定条件に揃える必要がある。このために特に軸周りの角度合せ工程を要し、光ファイバの端面を固定する作業は困難な作業となる。
この発明の目的は戻り光対策として必要な斜め端面を有する光ファイバ端部を、軸周りの角度合わせの工程を要することなく、空中伝搬光路に対して正確に位置決めし、固定することができる光ファイバガイド及びこの光ファイバガイドを用いて構成した光素子モジュールを提供しようとするものである。

基板上に軸に対して端面が斜めとされた光ファイバ端部を位置決め固定して空中伝搬光束の入出射をはかる光ファイバガイドであって、
基板の一方の面に形成され、断面が矩形の光ファイバ載置用溝と、この光ファイバ載置用溝の端部に設けられ、光ファイバの端面に形成した斜め端面の軸に対する角度と同一の角度で溝の軸に対して斜めとされ、且つその斜め面の法線が基板の面に平行とされた端面つき当て用壁面と、その端面突き当て用壁面の溝の溝幅の中央に形成された空中伝搬光束入出射用スリットとを具備した光ファイバガイドを提案する。

この発明ではさらに上記の光ファイバガイドに端面突き当て用壁面が向い合せる姿勢で複数の光ファイバ載置用溝が形成され、これら複数の光ファイバ載置用溝のそれぞれに端面が斜めとされた光ファイバの各端面が各光ファイバ載置用溝に形成された端面突き当て用壁面に接して押え板で押えられて載置され、押え板と基板との間を接着して各光ファイバ載置用溝の内部に光ファイバが固定され、向い合せの姿勢で配置された端面突き当て用壁面の相互の間に、スリットを通じて光ファイバの一方から他方へ光を伝搬させる光の空中伝搬路を形成するための空間を具備し、この中間に光デバイスを配置している光素子モジュールを提案する。

この発明の光ファイバガイドによれば基板に形成した光ファイバ載置用溝の一方の端部に光ファイバの斜め端面と同一角度の端面突き当て用壁面を設けた構造としたから、光ファイバの端面をこの端面突き当て用壁面の面にほぼ平行する姿勢で面同士を少し離した状態で光ファイバ載置用溝に挿入し、挿入後に光ファイバを上部から押え板で押えた状態で光ファイバを端面突き当て用壁面に向って移動させ、光ファイバの端面を端面突き当て用壁面に突き当てることにより、光ファイバの先端面は端面突き当て用壁面の面の向に倣らされて所定の向に実装される。

従って、この発明では特に軸周り方向の角度合わせ工程を行うことなく所定の条件つまり、光ファイバの端面に付した傾斜面の向を所定の向に揃った状態で光ファイバの端部を固定することができ、この結果として基板上に向い合わせた姿勢で固定した光ファイバ相互を簡単に且つ確実に光結合した状態に配置することができる。この向い合わせた姿勢で光結合した光ファイバの相互の間に可動ミラー或はフィルタ等の光デバイスを配置することにより、光スイッチ或は光量調節等を行なう光素子モジュールを構成することができ、光素子モジュールの製造を簡単に行うことができる利点が得られる。

図１及び図２を用いてこの発明の光ファイバガイドに用いる基板の構造を説明する。基板１０は例えばシリコン基板が用いられ、後で説明する製造方法により基板１０の一方の面に複数の光ファイバ載置用溝１１Ａ〜１１Ｄが形成される。各光ファイバ載置用溝１１Ａ〜１１Ｄは断面がほぼ矩形とされ、溝の深さは載置するファイバの直径の約７０〜８０％程度に浅く形成する。各光ファイバ載置用溝１１Ａ〜１１Ｄの各一端は基板１０の周縁に開口されるが、他端は基板１０の内部で終端とされ、その終端部分に端面突き当て用壁面とスリット１３とが形成される。図１に示す実施例ではほぼ正方形の基板１０の面に十字状に断面がほぼ矩形状の四本の光ファイバ載置用溝１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄを形成した場合を示す。これら四本の光ファイバ載置用溝１１Ａ〜１１Ｄの終端が向い合せの関係にある溝、図１に示す例では１１Ａと１１Ｃ及び１１Ｂと１１Ｄは各溝の軸線は互いに平行するが、溝の軸方向にわずかにずらされて形成される。この軸線のずれは上述した理由により光ファイバの端面に傾斜を付したことによる影響である。軸線のずれ量は光ファイバの端面い付す斜面の角度によって決定される。光ファイバの端面に付される斜面の角度（光ファイバの光軸と直行する向の線とのなす角度）は一般に２°〜１０°程度の範囲に選定される。極く一般的には６°程度がよく用いられる。

各光ファイバ載置用溝１１Ａ〜１１Ｄの終端に形成される端面突き当て用壁面１２の壁面も各光ファイバ載置用溝１１Ａ〜１１Ｄの軸線に対して傾斜して形成される。この傾斜角は光ファイバ２０の端面に付す傾斜角と同一の角度とされる。互いに向い合わせの関係にある端面つき当て用壁１２はその壁面が互に平行して形成され、この平行する端面突き当て用壁面１２の形成によって、互に向い合わせる端面突き当て壁面１２の各両端に形成される鋭角の屈曲部分と鈍角の屈曲部分は互に対角線上に配置される。
光ファイバの端面に付す斜面の角度を決定すると、光ファイバ載置用溝１１Ａ〜１１Ｄの軸線のずれ量は計算で算出することができる。従って、この計算で求められた光ファイバ載置用溝１１Ａ〜１１Ｄの位置（主に軸線のずれ量）を忠実に基板１０上に再現し、再現された光ファイバ載置用溝１１Ａ〜１１Ｄに光ファイバを実装すれば、各光ファイバは互に光軸が合致した状態にガイドされて配置され、無調整で光素子モジュールを製造することができる点がこの発明の特徴である。
光ファイバの端面に付す斜面の角度から各光ファイバ載置用溝１１Ａ〜１１Ｄの位置を算出する方法に関しては、この発明の本質ではないから、ここでは説明を省略するが、その計算方法は公知である。

以下に図３乃至図８を用いてこの発明の特徴となる光ファイバの実装時に光ファイバの端面が基板１０に形成した端面突き当て用壁面１２の斜面に倣って正確に位置決めされる点について説明する。
図３乃至図８はこの発明による光ファイバガイドに光ファイバを実装する工程を示す。各図のＡは光ファイバガイドの平面図、Ｂは側面図を示す。ここでは図１に示した光ファイバ載置用溝１１Ａ〜１１Ｄの中の１本を光ファイバ載置用溝１１として代表して示し、光ファイバ２０の実装方法を説明する。

ステップ１
光ファイバ２０（先端は融着接続された短尺のグレーデッド・インデクス・ファイバ部であってもよい）を基板１０の上空において冶具（特に図示していない）で把持し、上方から端面の傾斜を画像認識して端面が基板表面に対して略垂直になるように軸周り回転角度を粗調し、光ファイバ載置用溝１１の上方で光ファイバ２０の先端と端面突き当て用壁面１２との距離を若干空けて保持する（図４参照）。
ステップ２
図４の状態で光ファイバ２０を上から例えばガラス板で構成される押え板３０で押圧し、光ファイバ２０を光ファイバ載置用溝１１の内部に押し込める（図５参照）。

ステップ３
押え板３０で光ファイバ２０に押圧力を印加した状態で、光ファイバ載置用溝１１内に閉じこめた光ファイバ２０を軸方向に押し、その先端面を端面突き当て用壁面１２に向って前進させ、端面を端面突き当て用壁面１２に押しつける（図６参照）。
このステップ３において、ステップ１における光ファイバの軸周りの角度合わせの粗調の残余としての角度エラーが、光ファイバ２０自身の若干のねじれによって吸収補償され、光ファイバ２０の端面は端面突き当て用壁面１２の面に倣らって完全に一致するに至る。

この角度エラーの自動調整作用は、光ファイバ載置用溝１１と押え板３０とによって、光ファイバ２０の運動が軸に垂直な面内の全方向で束縛されていることによって生じる。特に、光ファイバ２０の径を溝１１の深さよりも大きく選定するので、ステップ１と２の工程の結果斜め端面が比較的下向きに傾く方位にエラーを持って粗調された場合、斜めとされた光ファイバ端部の鋭角的な先端部分が溝の深さと同一の高さを有する端面突き当て用壁面の上辺よりもさらに上に位置することになる。ここで仮に押え板３０による押圧無しで光ファイバ２０を軸方向に前進させると、光ファイバ２０は突き当て用壁面の上方に乗り上げる運動を起こし、軸周りの回転を誘起して自動的に角度合わせを達成する運動を起こし得ない。そこで光ファイバ載置用溝１１の、特にその端面突き当て用壁面と鋭角をなす側の側壁面と、上方からの押え板３０とにより、光ファイバ２０の運動を束縛する作用が、発明の目的のために必須である。
そしてかかる光ファイバ２０の自然のねじれを利用して、従来のアクティブな角度合わせでは困難であった高精度な角度アラインメントが容易に実現することは、本発明固有の効果である。

ステップ４
押え板３０と基板との隙間（約３０μｍほど）にUV硬化型接着剤３１を流し込む（図７参照）。紫外線を照射して接着剤３１を図８に示す接着層３２に硬化させ、位置決め固定を完了して押え板３０への押圧を解放する。なお液相の接着剤は上述のステップ２の後に適用し、ステップ３における溝１１内での光ファイバ２０の運動の潤滑材として作用させたあと、位置決め後に紫外線を照射して硬化させてもよい。
以上によりこの発明の特徴とする光ファイバ２０の先端の位置決め状態について理解できよう。以下では基板１０への光ファイバ載置用溝１１と、端面突き当て用壁面１２及びスリット１３の形成方法とこの発明の実用例について説明する。

図９乃至図１２を用いて基板１０に光ファイバ載置用溝１１と端面突き当て用壁面１２とスリット１３の形成方法を説明する。各図のＡは平面図、Ｂは断面図である。
基板１０は２層構造の例えばシリコン基板を用いることができる。１層目のシリコン層１０Ａは光ファイバ載置用溝１１の深さに対応する厚みに選定され、その表面に第１の絶縁層１０Ｃが形成され、下面に第２の絶縁層１０Ｄが形成される。第２の絶縁層１０Ｄの下面側に第２のシリコン層１０Ｂが形成される。この第２のシリコン層１０Ｂが光ファイバ載置用溝１１の形成部分の強度を持ったことになる。

工程１
絶縁層１０Ｃと１０Ｄはシリコン酸化膜とされ、絶縁層１０Ｃの上面に例えば光硬化性樹脂で構成されるレジスト層１４を被着し、このレジスト層１４に光ファイバ載置用溝１１の形状と、端面突き当て用壁面１２の形状及びスリット１３の形状をフォトリソによってパターニングを行ない、エッチング除去すべき部分のレジスト層１４を除去する（図９参照）。
工程２
ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置を用いてドライエッチングを施し、レジスト層１４から露出されている絶縁層１０Ｃを除去する（図１０参照）。

工程３
露出している絶縁層１０Ｃをエッチングにより除去した後、レジスト層１４を除去する（図１１参照）。
工程４
酸化膜１０ＣをマスクとしてＩＣＰ（誘導結合プラズマ）エッチング装置を用いてディープＲＩＥエッチングによりシリコン層１０Ａに必要の深さの垂直の壁面を持つ光ファイバ載置用溝１１と端面突き当て用壁面１２及びスリット１３を形成する。ディープエッチングは基板の温度条件や、プラズマの条件によっては従来型のＲＩＥ技術によっても可能であるが、ＩＣＰ装置を利用するのが便利である（図１２参照）。

尚、シリコン基板への光ファイバ位置決めに多用される異方性エッチングを用いたＶ溝加工方法では、この発明の課題を解決するための垂直の壁面を持つ光ファイバ載置用溝１１と端面突き当て用壁面１２とスリット１３を形成することはできない。
図１３に光ファイバ載置用溝１１の寸法数値例を示す。光ファイバ載置用溝１１の幅Ｗは光ファイバ２０の直径が１２５μｍの場合、Ｗ＝１２６μｍとされ、更に深さＤは光ファイバ２０の直径より浅い１００μｍ程度に設定される。端面突き当て用壁面１２の角度θはここではθ＝６°とした場合を示す。

図１４及び図１５に基板１０に光ファイバを実装した光素子モジュールの実施例１を示す。この実施例では十字状に配置した４本の光ファイバ２０Ａ〜２０Ｄの中心に可動ミラー４０を配置し、この可動ミラー４０を可動させて光学通路を切替える光スイッチを構成した例を示す。
尚、光スイッチを構成する場合、空中伝搬光路長が比較的長くなることから光ファイバ２０の先端にコリメータを付設して集光性能を持たせ、平行光束を入出射するように構成することが望ましい。その具体的な構造としては、伝送用の光ファイバと同径のグレーテッド・インデクス光ファイバを伝送用の光ファイバの先端に融着して接続した後に、設計される焦点距離に相応する長さ分だけ残して切断し、その切断端面を斜めとすることで実現することができる。グレーテッド・インデクス型の光ファイバはそのまま円柱レンズとして用いることができ、コリメータとして作用する。ここではコリメータ付の光ファイバを用いるものとするが、以下では単に光ファイバと称して説明する。

可動ミラー４０は基板１０の板の厚み方向に上昇、下降自在に配置され、上昇位置で光ファイバ２０Ａ〜２０Ｄの各相互間に形成される光の空中伝搬路に存在し、下降位置で光の空中伝搬路から排除される。図１４は可動ミラー４０が上昇位置に存在する状態を示す。この状態では例えば光ファイバ２０Ａから出射した光は可動ミラー４０で反射し、光ファイバ２０Ｂに入射し、光ファイバ２０Ａから光ファイバ２０Ｂに光信号が伝送される。またこのとき光ファイバ２０Ｄから出射した光は可動ミラー４０で反射し、光ファイバ２０Ｃに入射し、光ファイバ２０Ｄから光ファイバ２０Ｃに光信号が伝送される。

図１５では可動ミラー４０が降下位置に存在する状態を示す。この場合には可動ミラー４０が光の空中伝搬路上に存在しないから、光ファイバ２０Ａから出射した光は光ファイバ２０Ｃに入射し、光ファイバ２０Ａから光ファイバ２０Ｃに光信号が伝送される。また、光ファイバ２０Ｄから出射した光は光ファイバ２０Ｂに入射し、光ファイバ２０Ｄから光ファイバ２０Ｂに光信号が伝送される。
このように、図１４及び図１５に示した光素子モジュールによれば光信号の系路を切替る光スイッチを構成することができ、この発明によればこのような光スイッチを簡単に製造することができる。特にエッチングで光ファイバ載置用溝１１Ａ〜１１Ｄと端面突き当て用壁面１２及びスリット１３を形成するから、これらの各要素は寸法が精度よく均一に製造できるため、光ファイバを基板１０に実装すれば、その状態で各光ファイバ相互の光結合が最良の状態に組みたてられ、均一な特性の光素子モジュールを多量に製造できることになる。

図１６に第２の実施例を示す。この実施例では光ファイバの相互の間に光量調整用の光学フィルタ５０を介挿した光素子モジュールを構成した場合を示す。このような光素子モジュールを製造する場合でも光ファイバ２０を基板１０に形成した光ファイバ載置用溝１１に挿入し、光ファイバ２０の先端を端面突き当て用壁面１２に突き当てるだけで光ファイバ２０の光軸が相手の光ファイバの光軸と合致して固定されるから、製造が容易である。

上に説明したこの発明による光ファイバガイド及び光素子モジュールは光通信関連分野で実用される。

この発明の光ファイバガイドに用いる基板の構造を説明するための平面図。図１に示した基板の側面図。図１に示した基板に光ファイバを実装するステップを説明するためのＡは平面図、Ｂは側面図。図３に示したステップの次のステップを説明するためのＡは平面図、Ｂは側面図。図４に示したステップの次のステップを説明するためのＡは平面図、Ｂは側面図。図５に示したステップの次のステップを説明するためのＡは平面図、Ｂは側面図。図６に示したステップの次のステップを説明するためのＡは平面図、Ｂは側面図。図７に示したステップの次のステップを説明するためのＡは平面図、Ｂは側面図。図１に示した基板の製造方法の工程を説明するためのＡは平面図、Ｂは断面図。図９に示した工程の次の工程を説明するためのＡは平面図、Ｂは断面図。図１０に示した工程の次の工程を説明するためのＡは平面図、Ｂは断面図。図１１に示した工程の次の工程を説明するためのＡは平面図、Ｂは断面図。図１に示した基板に形成した各部の要素の寸法の数値例を示すＡは平面図、Ｂは断面図。図１に示した基板に光ファイバを実装し、光素子モジュールを構築した実施例を説明するための平面図。図１４に示した実施例の動作を説明するための平面図。光素子モジュールの他の実施例を説明するための平面図。

符号の説明

１０基板
１１，１１Ａ〜１１Ｄ光ファイバ載置用溝
１２端面突き当て用壁面
１３スリット
１４レジスト層
２０，２０Ａ〜２０Ｄ光ファイバ
３０押え板
４０可動ミラー

Claims

基板上に、軸に対して端面が斜めとされた光ファイバ端部を位置決め固定し、空中伝搬光束の入出射をはかる光ファイバガイドであって、
基板の板面に断面が矩形状に形成された光ファイバ載置用溝と、
この溝の端部に設けられ、前記光ファイバの斜め端面の軸に対する角度と同一の角度で溝の軸に対して斜めとされ、且つその斜めの面の法線が前記基板の面に対して平行とされた端面突き当て用壁面と、
この端面突き当て用壁面の中央に形成された空中伝搬光束入出射用のスリットと、
前記溝に載置された光ファイバを下方へ押圧する押え板とからなることを特徴とする光ファイバガイド。
請求項１記載の光ファイバガイドには前記端面突き当て用壁面が向い合せる姿勢で複数の光ファイバ載置用溝が形成され、これら複数の光ファイバ載置用溝のそれぞれに端面が斜めとされた光ファイバの各端面が各光ファイバ載置用溝に形成された端面突き当て用壁面に接して前記押え板で押えられて載置され、押え板と前記基板との間を接着して、各光ファイバ載置用溝の内部に光ファイバが固定され、前記向い合せの姿勢で配置された端面突き当て用壁面の相互の間に、前記スリットを通じて光ファイバの一方から他方への光を伝搬させる光の空中伝搬路を形成するための空間を具備し、この空間に光デバイスを配置していることを特徴とする光素子モジュール。