JP4035616B2

JP4035616B2 - 光結合構造の作製方法および作製装置

Info

Publication number: JP4035616B2
Application number: JP2003388580A
Authority: JP
Inventors: 眞市轟
Original assignee: National Institute for Materials Science
Current assignee: National Institute for Materials Science
Priority date: 2003-11-18
Filing date: 2003-11-18
Publication date: 2008-01-23
Anticipated expiration: 2023-11-18
Also published as: JP2005148576A

Description

本発明は、光ファイバに接続された光部品を作製する方法および作製装置に関するものである。

２本の光ファイバの先端を向かい合わせに配置し、その端面間に挟まれた空間をガラスあるいは高分子で満たしたデバイスが提案されている（たとえば、特許文献１，２）。特許文献１には、２本の光ファイバを基板の上に並べ、端面間に挟まれた空間に樹脂を満たす構造による光リミッタが開示されている。特許文献２には、基板を用いずにこの構造を作製する方法および装置が開示されている。すなわち、図４に示すように、小型加熱器２の上に配置された融液４の液滴に対し、側面から固定器８A、8Bで保持した２本の光ファイバ１A、１Bを挿入し、先端部分に微少量の融液４を絡め取った後、光ファイバ１A,１Bを所定の位置に固定して絡め取った融液を冷却固化する方法およびそれを制御部１０によって実現する装置である。

この方法および装置の欠点は、絡めとる融液の量よりもはるかに多い量の液滴を保持する必要があることから、加熱器が占有する空間が大きく、また加熱器から放射される熱が光ファイバ固定器を熱し、熱膨張による位置ずれを引き起こすことである。これにより、取り扱う融液の量および熱を最小限にすることが求められている。また、液滴を保持するために、小型の加熱器を常に水平に保持しなければならない。

一方、基板上に光回線を集積した光導波路における光入出射端と、光ファイバとの接続に関しても、両者の間に樹脂または液体を挿入することが行なわれている。光入出射端と光ファイバの端面の間に空気層が存在すると、フレネル反射による損失が生じることから、その空間をより屈折率の高い媒質で埋める必要があるからである。しかし、樹脂や液体は耐熱性に乏しかったり、流動性が問題を起こしたりする場合がある。樹脂や液体に代えて、より耐熱性に優れたガラスを用いようとすれば、高温のガラス融液を保持する手段が必要となり、先に述べた熱の問題が同様に発生する事になる。

このように、２本の光ファイバの先端に挟まれた空間、あるいは光ファイバ端面と光導波路の光入出射端の空間に高温の融液を満たし、冷却固化して光部品を作成する際には、融液状態を保つための空間的制約や熱による悪影響が避けられないという問題点があった。
米国特許第6415075号明細書(Photothermal optical signal limiter) 特開2003-57482号公報(ガラス複合体作製方法およびガラス複合体作製装置)

本発明の課題は、２つの光導波路が媒質を挟んで接合されている構成の光部品を作製する際、媒質を融液状態に保つための空間的制約や熱による悪影響を抑制して作製する方法および装置を提供することにある。なお、この明細書においては、「光導波路」を光ファイバや平面光導波路を指す一般名詞として用いる。また、本課題においては、２つの光導波路のうち少なくとも一方は光ファイバとする。

本課題は２本の光ファイバの先端を加熱し、その熱で媒質の原料である固体の一部を融解して光ファイバ先端に絡め取り、それら２本の光ファイバを媒質を挟んで向かい合わせに配置し、媒質を冷却する手順により解決される。また、本課題は、光ファイバの先端を加熱し、その熱で媒質の原料である固体の一部を融解して光ファイバの先端に絡め取り、それを別の光導波路の入出射端に付着させる様に配置し、媒質を冷却する手順により解決される。また、本課題は、2つの光導波路の入出射端を向かい合わせに配置し両者の相対位置を変化させることのできる一対の固定器と、2つの光導波路の内の少なくとも一方が光ファイバであって、その先端を温める加熱器と、２つの入出射端に挟まれた空間に固体原料を出し入れする搬送器と、これらの構成物の動作を管理する制御部を備え、その制御部は、加熱した光ファイバの先端を固体原料に接触させ、その熱により固体原料の一部を融解分離して光ファイバの先端に絡めとることを特徴とする、２つの光導波路が固体原料の一部から供給された媒質を挟んで接合されている光結合構造の製造装置により解決される。

本発明の光ファイバに接続された光部品を作製する方法および装置は、加熱する領域を制限して放熱による悪影響を制限する効果、および融解状態の媒質が不純物で汚染される機会を制限する効果がある。

まず、方法の発明について図１を用いて説明する。図１（ａ）に示す様に、光ファイバ１の先端近傍を加熱する。加熱方法は図１（ａ），（ｂ）に示した様な、電熱ヒータ２の他に、アーク放電やレーザ照射によっても良い。続いて、光ファイバ１の軸方向の延長線上に、媒質の原料である固体原料の塊３を搬送する。この時、必要に応じて加熱を中断したり、加熱器２を光ファイバ１から離したりしてもよい。

次に、光ファイバ１を移動させて、図１の工程(ｂ) に示すようにその先端を固体原料の塊３に接触させ、塊の一部(以下、「媒質４」と記す) が融解分離して光ファイバ１の先端に媒質４として絡め取られて残る様にする(図１の工程(ｃ))。その一部を絡め取られた塊３はその後の作業の邪魔にならないように、図１の工程(ｃ) に示す様に光ファイバから離れた場所に移動させる。

次に、光導波路５の入出射端と光ファイバ１とを向かい合わせに配置し、光導波路５の入出射端を媒質４と接触させる(図１の工程(ｄ))。この時、光導波路５の入出射端付近をあらかじめ加熱しておいても良い。光ファイバ１と光導波路５の入出射端を媒質４を挟んで配置させる時に、必要に応じて光ファイバ１と光導波路５との光学的結合の効率が最大になるよう、即ち挿入損失が最小になるように両者の相対的な位置関係を調整しても良い。この作業は、光ファイバ１と光導波路５をそれぞれ固定している、図示されていない固定装置によって行なわれ、媒質４が冷却固化される前に行なう必要がある。

媒質４の冷却固化は、光ファイバが蓄えている熱が自然に放出されることで進行する。媒質４は空気に囲まれているため、熱は急速に逃げ急冷される。媒質４の冷却固化を遅らせるために、媒質４を加熱し、必要になった時点で加熱を止めても良い。

なお、光導波路５を光ファイバとする場合には、図１の工程(ａ)、(ｂ)、(ｃ) の代わりに、図２に示すように、工程(ａ’)、(ｂ’)、(ｃ’)を採用し、ここに示されている様に２本の光ファイバの先端をそれぞれ加熱し、それぞれに媒質をその先端に採取してもよい。

以上の手順により、２つの光導波路が媒質を挟んで接合されている構成の光部品を製造することができる。加熱される部分は光ファイバの先端あるいは光導波路の一部だけであり、加熱手段を用いる時間および場所も限定されているので、放熱による悪影響を最小限に抑制することができる。また、必要な融液の体積は必要最小限で済み、また、それは光ファイバの先端に付着するので、装置を水平に保つ等のような特別の配慮をする必要がな
くなる。さらに、従来の方法では融液が加熱器に接触しており、不純物の混入が避けられなかったが、本方法で融液が接触するのは光導波路のみであり、汚染の機会を最小限に抑えられる。

ここで、固体原料の塊３は、加熱された光ファイバが有する熱で容易に融解する物質である必要がある。また、光ファイバの加熱は、光ファイバが軟化変形することの無い温度にする必要がある。シリカガラス製の光ファイバを用いる場合には、その軟化温度は1600℃程度であるので、この温度よりも融点の低い物質である必要がある。さらに、媒質４が冷却固化された時に、結晶が析出せずにアモルファス状態を保つ物質である必要がある。このような物質の例としては、低軟化点ガラス、樹脂、ポリエチレンなどの高分子固体などをフイルム状に加工したものや、このような物質の粉体を圧力をかけて固めたものが挙げられる。

なお、媒質４の冷却固化後、接合部分を補強するために媒質の側面を別の媒質７で覆っても良い。そのために、図１の工程(ｅ) に示す様に、光導波路の結合部分、すなわち媒質４の側面に別の媒質７を塗布するための供給器６を配置しても良い。媒質７として接着性を有する物質を選び、光ファイバ１と光導波路５の一部を覆うように配置すると、その目的を達成できる。

また、媒質７として媒質４を通過する光を吸収して発熱する物質を選ぶと、以下の仕組みにより光ヒューズを構成することができる。媒質４を通過する光の強度が増大すると、媒質４に接している媒質７に達する光の量も増え、媒質７の発熱量が増加する。この発熱により媒質４の温度が上昇する。媒質４の軟化温度に達すると、媒質４の表面張力が働いて、より表面積の小さい形状に変化しようとしたり、重力の影響を受けて落下しようとしたりし、光ファイバ１と光導波路５との間を光学的に結んでいた構造が変形し、光学的結合が解消されるに至る。これにより、媒質４を通過する光の量が大きくなると、光が遮断される光ヒューズが構成される。

また、媒質７による被覆の後、この構造を外側の容器に固定するために固定器８で光ファイバ１を固定する際、媒質４と光ファイバ１の界面から固定器８までの区間の光ファイバ１を曲げて固定しても良い。これは、先に述べた光ヒューズにおける光を遮断する効果を、以下に述べる仕組みにより高める様に働く。光ファイバを曲げたことによって、光ファイバの弾性により媒質４に応力が加えられた状態になる。この状態で、光ヒューズが働いて、媒質４の変形が始まると、先の応力は媒質４の変形を促進する役割を担う。その結果、光ファイバ１は曲がりを解消する様に移動し、光ファイバ１と光導波路５との間に形成されていた光学的結合が解消される。

次に、装置の発明について図３を用いて説明する。２本の光ファイバ１Ａ，１Ｂの端面を向かい合わせに配置し、両者の相対位置を変化させることが可能な一対の固定器８Ａ，８Ｂを配置する。これらの光ファイバ１Ａ，１Ｂの先端近傍を局所的に加熱する加熱器２Ａ、２Ｂを配置する。加熱器２Ａ、２Ｂは電熱線やアーク放電電極、レーザ集光装置などが利用でき、必要に応じて加熱を中止したり、加熱部分を光ファイバ１Ａ，１Ｂから遠ざける仕組みを搭載したりしても良い。

また、光ファイバの先端が移動可能な範囲に、媒質となる固体原料の塊（図示せず）を搬送する搬送器１１を配置する。これらの、固定器８Ａ、８Ｂ、加熱器２Ａ、２Ｂ、搬送器１１の動作を管理する制御部１０を設ける。

以上の構成の装置を用いれば、先に述べた手順に従って２つの光導波路が媒質を挟んで接合されている構成の光部品の作製が可能になる。なお、片方の光ファイバを平面光導波
路に置換することができる。この場合、平面光導波路側の加熱器は必ずしも必要ではない。

以上の構成の装置を用いると、加熱される部分は光ファイバの先端あるいは光導波路の一部だけであり、加熱手段を用いる時間および場所も限定されているので、放熱による悪影響を最小限に抑制することができる。また、必要な融液の体積は必要最小限で済み、また、それは光ファイバの先端に付着するので、装置を水平に保つ等のような特別の配慮をする必要がなくなる。さらに、従来の装置では融液が加熱器に接触しており、不純物の混入が避けられなかったが、本装置で融液が接触するのは光導波路のみであり、汚染の機会を最小限に抑えられる。

この装置のもう一つの利点は、加熱器と搬送器によって運ばれる原料は、必要な位置に移動させることができるので、光導波路の移動を最小限にすることができる点にある。例えば、光ファイバの軸方向のみに片方の光ファイバを移動させる動作の途中で、先端を加熱し媒質を絡めとり向う側の光導波路に接着させることが可能となる。光導波路の移動が最小限に抑えられれば、２つの光導波路を光学的に結合させるための調整動作が単純になる。

図１（ｅ）に示す様に、光導波路の結合部分、すなわち媒質の側面に別の媒質を塗布すると、先にも述べた様に接合部分を補強や光ヒューズの作製に利用できる。

図３には示していないが、光ファイバに付着した媒質の形状を撮影するカメラを配置し、カメラと制御部を信号回線で結んでも良い。媒質の形状が望ましい形になるように、制御部が装置の各部分の動作を制御することが可能となる。

図３には示してないが、片方の光導波路から２つの入出射端に挟まれた空間に満たされた媒質を通って別の光導波路に入光した光の強度、またはそれに比例する信号を測定する測定器を配置し、測定器と制御部を信号回線で結んでも良い。媒質から別の光導波路に入光する光が望ましい強度になるように、制御部が装置の各部分の動作を制御することが可能となる。

図３には示していないが、光ファイバに付着した媒質を加熱する加熱器を配置しても良い。この加熱器は、既に述べた光ファイバの先端を加熱する加熱器と兼ねさせても良い。媒質が冷却固化するまでの時間を調整することが可能になり、媒質を望みの形状になるように、あるいは、この構造の挿入損失を最小に、または適当な挿入損失を持たせるように、２つの光導波路の相対位置の調整を行なう時間を確保することができる。

２本の光ファイバを、それぞれの端面が向かい合わせになるように光ファイバホルダに固定した。一方の光ファイバの反対側の端面に光源を接続し、もう一方の光ファイバの反対側の端面に光検出器を接続して、片方の光ファイバからもう片方の光ファイバに伝わる光の強度を測定できるようにした。

２つの電熱ヒータで光ファイバの先端をそれぞれ加熱した。光ファイバの両端面に挟まれた空間に、媒質となるTeO₂粉体を押し固めて厚さ１mmにしたものを配置し、加熱されていた２本の光ファイバの先端をこの粉体に押しあて、加熱した光ファイバ先端の熱により粉体を融解して絡めとり、両端面の間にTeO₂融液を挟み取った。光ファイバの先端を加熱していた電熱ヒータを取り去り、残ったTeO₂粉体を除去すると同時に、微小電熱ヒータをTeO₂融液付近に保持した。２つの光ファイバホルダの位置を変化させることにより２本の光ファイバの相対位置を調整して、光検出器が示す光の強度が最大になる様に配置した。その後、微小電熱ヒータを撤去することでTeO₂融液を急冷しガラス化させた。これにより
２本の光ファイバが媒質により結合された光結合構造が作製できた。

実施例１で作製される光結合構造において、TeO₂ガラスの中央部がくびれた形状を持つものを作製した。この形状をつくるには、TeO₂融液を急冷する前に、２つの光ファイバの距離をわずかに大きくして、間に挟まれているTeO₂ 融液を引っ張ればよい。次に、黒色の塗料色の塗料を、TeO₂ガラスの側面を覆う様に塗布し、乾燥させて固化した。これにより２本の光ファイバが媒質により結合された、光ヒューズとして利用できる光結合構造が作製できた。

本発明の方法および装置は、加熱する領域を制限して放熱による悪影響を制限する効果、および融解状態の媒質が不純物で汚染される機会を制限する効果があるので、光ファイバに接続された光部品の作製に有用である。

本発明の方法を説明する工程図である。図１に示す工程の代わりの工程図である。本発明の装置を説明する構成図である。従来の装置を説明する構成図である。

符号の説明

１光ファイバ
２電熱ヒータ
３固体原料の塊
４媒質
５導波路
６供給器
７媒質
８固定器

Claims

２本の光ファイバの先端を加熱する工程と、媒質となる固体原料に加熱された前記光ファイバ先端を接触させ、固体原料の一部を融解して光ファイバ先端に媒質を絡め取る工程と、融解した媒質を挟んで２本の光ファイバを向かい合わせに配置する工程と、媒質を冷却固化する工程からなる、２つの光導波路が媒質を挟んで接合されている光結合構造の作製方法。
光ファイバの先端を加熱する工程と、媒質となる固体原料に加熱された先端を接触させ、
固体原料の一部を融解して光ファイバ先端に媒質を絡め取る工程と、光ファイバ先端に付
着している融解した媒質を光導波路の入出射端に接触させる工程と、媒質を冷却固化する
工程からなる、光結合構造の作製方法。
媒質を冷却固化する工程の後に、媒質の側面を別の媒質で覆うことを特徴とする、請求項
１または２に記載の光結合構造の作製方法。
媒質の側面を別の媒質で覆った後に、媒質に接した光ファイバを曲げて固定することを特徴とする、請求項３に記載の光結合構造の作製方法。
２つの光導波路の入出射端を向かい合わせに配置し両者の相対位置を変化させることのできる一対の固定器と、２つの光導波路のうちの少なくとも一方が光ファイバであって、その先端を温める加熱器と、２つの入出射端に挟まれた空間に固体原料を出し入れする搬送器と、これらの構成物の動作を管理する制御部を備え、その制御部は、加熱した光ファイバの先端を固体原料に接触させ、その熱により固体原料の一部を融解分離して光ファイバの先端に絡めとることを特徴とする、２つの光導波路が固体原料の一部から供給された媒質を挟んで接合されている光結合構造の作製装置。
２つの入出射端に挟まれた空間に満たされた媒質の側面を覆うための別の媒質を供給する供給器を備えることを特徴とする、請求項５に記載の光結合構造の作製装置。
２つの入出射端に挟まれた空間に満たされた媒質の形状を撮影するカメラと、カメラと制御部が信号回線で結合されていることを特徴とする、請求項５又は６記載の光結合構造の作製装置。
２つの入出射端に挟まれた空間に満たされた媒質を通ってもう片方の入出射端に入射した光の強度またはそれに比例する信号を測定する測定器と、測定器と制御部が信号回線で結ばれていることを特徴とする、請求項５ないし請求項７のいずれかに記載の光結合構造の作製装置。
２つの入出射端に挟まれた空間に満たされた媒質を加熱する加熱器を備えることを特徴とする請求項５ないし８のいずれかに記載の光結合構造の作製装置。