JP4303096B2 - 平面光回路部品 - Google Patents

Description

本発明は、光通信などの分野に適用される平面光回路部品に関し、特に基板上に形成された光導波路からなる平面光回路同士の接続構造に関する。

平面基板上に高い屈折率を有するコアとそれを取り囲む低い屈折率を有するクラッドからなる光導波路は、低損失な光回路を実現でき、また設計の自由度も大きいため、これまでに光スプリッタ、光波長合分波器、光スイッチなどの様々な平面光回路が実用化されている。更に、このような平面光回路同士の端面を突き合わせ、光導波路間の光軸を一致させることで、複数の平面光回路を組み合わせて接続することができるため、より複雑な光回路を実現することができる。

例えば、図４に従来例として特許文献１の実施例を示す。この平面光回路部品は、光導波回路基板３１の両端部に、入力用モードフィールド変換光導波路アレイ１１を有する第２光導波回路基板と、出力用モードフィールド変換光導波路アレイ１２を有する第３光導波回路基板とを、それぞれ密着固定して作製される。光導波回路基板３１は光導波路回路素子部３２と、この光導波路回路素子部３２に対して光信号を入力するための入力用光導波路アレイ３３と、光信号を出力するための出力用導波路アレイ３４とを有する。各入出力モードフィールド変換光導波路アレイ１１，１２は、各入出力光ファイバアレイ３５，３６が接続される方の端部に、コア径が拡大されたコア拡大領域１１ａ，１２ａを有しており、これにより低損失なファイバ接続が可能となっている。

特許第３，１３９，５８８号公報（図１）

しかしながら、図４に示す従来構成では、光導波路が基板１１，１２上に配置されて、この基板１１，１２に光導波回路基板３１が接続されているので、それらの接続端面からの反射の影響を低減するために、それら接続端面をそれぞれ斜めに加工することを考えた場合、隣接する平面光回路の接続端面は、図５に示すように、一方が基板に対して光導波路が飛び出す方向で、他方が基板に対して光導波路が凹む方向になるように、異なる方向に加工することになる。すなわち、入力用モードフィールド変換光導波路アレイ１１は側面から見ると台形となるように、それ以外の光導波路基板３１と出力用モードフィールド変換光導波路アレイ３６は側面から見るとそれぞれ平行四辺形となるように加工する必要がある。このように平行四辺形に加工する場合、平面光回路の加工の方向を誤る可能性があり、その工程管理が煩雑であった。

また、平面光回路は基板の熱膨張係数と光導波路を形成する材料の熱膨張係数の差によって作製時に反りが生じることがあるが、従来技術では、複数の平面光回路の端面を接続して形成される平面光回路部品において、基板の反りの向きが異なる平面光回路を、お互いの基板が対向するように接続した場合、光軸ズレによって接続損失が増加するので、基板に対する反りの向きが異なる基板同士を接続することができないという解決すべき点があった。

更に、平面光回路同士の接続には、紫外線硬化型接着剤を使用することがあるが、シリコン基板などに形成された平面光回路同士を紫外線硬化型接着剤で接続する場合、シリコン基板同士が接している部分は紫外線が照射されないため、未硬化となり、機械的強度を含めて信頼性に問題が生じるという解決すべき点があった。

本発明は、従来技術における上述のような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、平面光回路の端面の加工方向の管理を容易にし、また反りの向きが基板に対して反対である平面光回路同士も接続可能とし、また紫外線硬化型接着剤で接続しても信頼性の問題が生じない平面光回路部品を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、平面基板上に形成された比較的高い屈折率を有するコアと該コアを囲むように形成された比較的低い屈折率を有するクラッドから成る光導波路で構成される平面光回路を少なくとも２つ以上組み合わせて形成され、隣接する平面光回路がその接続端面で両者に形成されている前記光導波路の光軸を一致させるように接続されている平面光回路部品において、第１の平面光回路の一部に第２の平面光回路の全部を搭載することなしに、前記平面光回路の基板の熱膨張係数と前記光導波路を形成する材料の熱膨張係数の差によって作製時に生じる該基板の反りの向きが互いに異なる前記第１と第２の平面回路を隣接させ、前記隣接する前記第１と第２の平面光回路の基板の位置が、前記光導波路を形成された光導波路平面に対して上下逆向きであり、かつ前記隣接する前記第１と第２の平面光回路の前記接続端面が、隣接する前記光導波路の光軸または前記平面基板に垂直な平面に対して、該光導波路の材質に応じて、４度から１０度の傾きを有していることを特徴とする。

ここで、石英系の光導波路同士の接続においては、接続端面での反射の影響を抑制し、かつ端面の加工の容易さを考慮すると端面は４度から１０度の傾きを設けることが望ましい。また、隣接する光導波路の材料（屈折率）が異なる場合には、接続端面での屈折率を考慮して、端面の角度を決めることによって、低損失な接続が可能となる。

また、前記平面光回路部品を構成する複数の前記平面光回路で、互いに接続する前記接続端面の傾きの方向が前記平面基板に対して同一であることを特徴とすることができる。接続端面の傾きが同一であるため、端面の加工工程の管理が簡単となる。

また、前記平面光回路間の接続部分に接続強度を補強するための接続補強部材が設置されていることを特徴とすることができる。平面光回路の接続端面の構造が同一であるため、接続補強部材の材料および構造を共通化して、作製コストを低減できる。ただし、隣接する平面光回路の接続端面で十分な接続強度が得られる場合には、片側の平面光回路のみに接着補強部材を固定しても良い。

また、前記隣接する前記平面光回路の接続部分に紫外線を透過する接続補強部材が固定されており、該隣接する前記平面光回路の前記平面基板同士が紫外線硬化型接着剤で接続固定されていることを特徴とすることができる。この構成によって、平面光回路の基板がシリコンなどの紫外線を透過しない材料で構成されていても接続補強部材を通して接続面に紫外線が照射されるため、平面光回路同士を安定に接続することが可能である。ただし、隣接する平面光回路の基板の片方が紫外線を透過する材料（石英基板、ニオブ酸リチウム、樹脂材料（ＰＭＭＡ）など）の場合、対応する他方の平面光回路に使用された接続補強部材は紫外線を透過しない材料を使用する必要はない。

また、前記接続補強部材には、前記隣接する前記平面光回路の前記光導波路の光軸同士を一致させられるようにガイド溝が形成されており、該隣接する前記平面光回路を該ガイド溝に沿って双方から挿入することによって調心していることを特徴とすることができる。この構成により、平面光回路の光導波路の光軸を容易に正確に一致させることができ、的確にかつ容易に調心することができる。

本発明によれば、上記のように、基板上に形成された光導波路からなる２つの平面光回路同士を接続する際に、隣接する平面光回路の基板を対向しないように、その２つの平面光回路の接続端面を基板に対して同じ傾斜に形成し、基板の位置を上下逆にして、各光導波路の光軸を合わせて接続固定する構造にしたので、
（１）接続端面の加工が容易となる、
（２）基板に対する反りの向きが異なる平面光回路同士の接続が可能となる、
（３）シリコンなどの紫外線を透過しない基板からなる平面光回路同士を接続するような場合でも基板同士を接続する部分が無くなるために紫外線硬化型接着剤による硬化が確実に行える、
という特有な効果を奏する。
更に、本発明によれば、
（４）平面光回路の端面の加工方向を隣接する平面光回路で同一にすることができるため、製造工程の管理が簡単となる、
（５）使用する平面光回路の端面が同一の方向で加工できるため、様々な平面光回路同士を任意に組み合わせることができるように構造を規格化することができる、
（６）平面光部品の加工工程および接続補強部材を共通にすることが可能となる、
（７）これらの結果として低コストで光デバイスを製造できる
という効果も奏する。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施形態は一つの例示であって、特許請求の範囲に記載の発明の趣旨の範囲内で、形状、個数、数値等についての種々の変更、あるいは材質等の置換、防塵カバー等の周知技術の追加による設計変更的改良等を行い得ることは言うまでもない。

（第１の実施形態）
図１は、本発明に沿う平面光回路部品の第１の実施形態の構成を概略的に示す。同図に示すように、本実施形態の平面光回路部品は、第１の平面光回路１１０、第２の平面光回路１２０、およびファイバアレイ部品１４１から構成される。また、１４１はファイバアレイ部品、１４２はファイバ（光ファイバ）、および１４３はファイバ固定接着剤である。それぞれの平面光回路１１０，１２０は１ｍｍ厚のシリコン基板１１１，１２１上に形成された石英系光導波路１１２，１２２を有する。各石英系導波路１１２，１２２の厚さは４０μｍである。

第１の平面光回路１１０と第２の平面光回路１２０の接続部には、１．５ｍｍ厚のパイレックス（登録商標）ガラスから成る接続補強部材１３１が接着固定されている。接続補強部材１３１は、成形または切削によって作製される。また、接続端面からの反射の影響を抑制するために、第１の平面光回路１１０および第２の平面光回路１２０の接続端面は、端面からの反射の影響を抑制するために、各々のシリコン基板１１１、１２１に垂直な面に対して斜め８度に同じ方向で研磨されている。

隣接する第１の平面光回路１１０と第２の平面光回路１２０は、互いの基板１１１，１２０を対向しないように、基板１１１，１２０の位置を互いに上下逆向きにして、お互いの光導波路１１２，１２２の光軸を一致させるように調心した後、紫外線硬化型接着剤（図示しない）で接着固定されている。

ここで、シリコン基板１１１，１２１は紫外線を透過しないが、隣接する平面光回路１１０，１２０の接続面では、シリコン基板１１１，１２１同士が対向する部分が無く、紫外線はパイレックス（登録商標）ガラス製の接続補強部材１３１または石英系光導波路１１２，１２２を透過して接続面を照射することができるため、確実に紫外線硬化型接着剤を硬化させることが可能となっている。従って、作製される平面光回路部品は接着不良が生ぜず、高い信頼性を有する。

（第１実施形態の変形例）
上述のように、平面光回路の基板がシリコンなどの紫外線を透過しない材料で構成されていても接続補強部材を通して接続面に紫外線が照射されるため、平面光回路同士を安定に接続することが可能である。ただし、隣接する平面光回路の基板の片方が紫外線を透過する材料（石英基板、ニオブ酸リチウム、樹脂材料（ＰＭＭＡ）など）の場合、対応する他方の平面光回路に使用された接続補強部材は紫外線を透過しない材料を使用する必要はない。

また、第１の平面光回路１１０と第２の平面光回路１２０は、上述のようにそれらの接続端面の構造が同一であるため、側面から見て同じ台形に形成され、製造工程の管理が簡単となり、構造を規格化することができ、平面光部品１１０，１２０の加工工程および接続補強部材１３１の材料および構造を共通化でき、作製コストを低減できる。ただし、隣接する平面光回路の接続端面で十分な接続強度が得られる場合には、片側の平面光回路のみに接着補強部材を固定しても良い。

また、石英系の光導波路同士の接続においては、接続端面での反射の影響を抑制し、かつ端面の加工の容易さを考慮すると端面は４度から１０度の傾きを設けることが望ましい（第１の実施形態では、典型例として８度とした）。また、隣接する光導波路の材料（屈折率）が異なる場合には、接続端面での屈折を考慮して、端面の角度を適宜決めることによって、低損失な接続が可能となる。

（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態における平面光回路部品の端面を概略的に示す。図２において、図１中の要素と同一要素の参照番号は下２桁を同一としてある。図２に示すように、本実施形態の平面光回路部品は、第１の平面光回路２１０、第２の平面光回路２２０、およびファイバアレイ部品２４１から構成される。また、２３１は第１の実施形態と同様の接続補強部材、２４１はファイバアレイ部品、２４２はファイバ（光ファイバ）、および２４３はファイバ固定接着剤である。第１の平面光回路２１０は１ｍｍ厚のシリコン基板２１１上に形成された石英系光導波路２１２を有し、第２の平面光回路２２０は１ｍｍ厚の石英基板２２１上に形成された石英系光導波路２２２を有する。

第１の平面光回路２１０と第２の平面光回路２２０では、石英系光導波路２１２，２２２の熱膨張係数と基板２１１，２２１の熱膨張係数の大小関係が異なるため、両基板２１１，２２１の反りの向きが図２のＡ、およびＢに示すように異なる。ここで、Ａはシリコン基板２１１に形成された平面光回路の端面を拡大して示し、Ｂは石英基板２２１に形成された平面光回路の端面を拡大して示す。２１３，２２３は光導波路のコア、２１４，２２４は光導波路のクラッドである。

このように、両基板２１１，２２１の材質が互いに異なる場合、両基板２１１，２２１の反りの向きが互いに異なるので、従来の接続方法のように基板を向かい合わせに揃えて接続した場合、大きな光軸ずれによる接続損失（以下、軸ずれ損失と称する。）が生じていた。そこで、本発明では、図２に示すように、隣接する平面光回路２１０，２２０の基板２１１，２２１の向きを光導波路２１２，２２２の面に対して上下逆向きに接続することによって、基板２１１，２２１の反りによる軸ずれ損失の影響を小さくしている。

本実施形態では、従来の接続方法では、１ｄＢ以上あった軸ずれ損失を０．２ｄＢ以下まで低減している。第１の平面光回路２１０と第２の平面光回路２２０の接続端面は端面からの反射の影響を抑制するために、各々の基板に垂直な面に対して斜め８度に研磨されている。

（第３の実施形態）
図３は、発明の第３の実施形態における平面光回路部品の構成を概略的に示す。図３において、図１中の要素と同一要素の参照番号は下２桁を同一としてある。図３に示すように、本実施形態の平面光回路部品は、第１の平面光回路３１０、第２の平面光回路３２０、第１の平面光回路と第２の平面光回路とを接続する接続補強部材３３０、およびファイバアレイ部品３４１から構成される。また、３３１は第１、第２の実施形態と同様の接続補強部材、３４１はファイバアレイ部品、３４２はファイバ（光ファイバ）、および３４３はファイバ固定接着剤である。それぞれの平面光回路３１０，３２０は１ｍｍ厚のシリコン基板３１１，３２１上に形成された石英系光導波路３１２，３２２を有する。石英系導波路３１２，３２２の厚さは４０μｍである。

第１の平面光回路３１０および第２の平面光回路３２０の接続端面は、反射の影響を抑制するために、シリコン基板３１１，３２１に垂直な面に対して斜め８度に研磨されている。

パイレックス（登録商標）ガラスで作製された接続補強部材３３０には、第１の平面光回路３１０の光導波路２１２の光軸と、第２の平面光回路３２０の光導波路３２２の光軸とを容易に正確に一致させられるように、段違い構造のガイド溝３３２が孔設されており、両平面光回路３１０，３２０をそのガイド溝３３２に沿って双方から挿入することによって、的確にかつ容易に調心することが可能となる。第１の平面光回路３１０および第２の平面光回路３２０を接続補強部材３３０に挿入した後、紫外線硬化型接着剤（図示しない）で接着固定することによって平面光回路部品が作製される。

なお、段違い構造のガイド溝３３２は、図３において一部切り欠きで示すように、２つの割型を組み合わせるようにすれば、成形または切削によって容易に作製できる。また、本実施形態では、３２１はシリコン基板としたが、それが石英基板であっても同様に実施可能である。

本発明の第１の実施形態における平面光回路部品の概略構成を示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態における平面光回路部品の概略構成とその平面光回路の端面を示す斜視図である。 本発明の第３の実施形態における平面光回路部品の概略構成を一部切り欠きで示す斜視図である。 従来技術を用いた平面光回路部品の概略構成を示す平面図である。 従来技術を用いて接続した場合の平面光回路部品の概略構成を示す斜視図である。

符号の説明

１１０ 第１の平面光回路
１１１ 第１の平面光回路の基板
１１２ 第１の平面光回路の光導波路
１２０ 第２の平面光回路
１２１ 第２の平面光回路の基板
１２２ 第２の平面光回路の光導波路
１３１ 接続補強部材
１４１ ファイバアレイ部品
１４２ ファイバ
１４３ ファイバ固定接着剤
２１０ 第１の平面光回路
２１１ 第１の平面光回路のシリコン基板
２１２ 第１の平面光回路の光導波路
２１３ コア
２１４ クラッド
２２０ 第２の平面光回路
２２１ 第２の平面光回路の石英基板
２２２ 第２の平面光回路の光導波路
２２３ コア
２２４ クラッド
２３１ 接続補強部材
２４１ ファイバアレイ部品
２４２ ファイバ
２４３ ファイバ固定接着剤
３１０ 第１の平面光回路
３１１ 第１の平面光回路のシリコン基板
３１２ 第１の平面光回路の光導波路
３２０ 第２の平面光回路
３２１ 第２の平面光回路のシリコン基板
３２２ 第２の平面光回路の光導波路
３３０ 第１の平面光回路と第２の平面光回路を接続する接続補強部材
３３１ ファイバを接続する接続補強部材
３３２ ガイド溝
３４１ ファイバアレイ部品
３４２ ファイバ
３４３ ファイバ固定接着剤

Claims (5)

1. 平面基板上に形成された比較的高い屈折率を有するコアと該コアを囲むように形成された比較的低い屈折率を有するクラッドから成る光導波路で構成される平面光回路を少なくとも２つ以上組み合わせて形成され、隣接する平面光回路がその接続端面で両者に形成されている前記光導波路の光軸を一致させるように接続されている平面光回路部品において、
   第１の平面光回路の一部に第２の平面光回路の全部を搭載することなしに、前記平面光回路の基板の熱膨張係数と前記光導波路を形成する材料の熱膨張係数の差によって作製時に生じる該基板の反りの向きが互いに異なる前記第１と第２の平面回路を隣接させ、
   前記隣接する前記第１と第２の平面光回路の基板の位置が、前記光導波路を形成された光導波路平面に対して上下逆向きであり、かつ
   前記隣接する前記第１と第２の平面光回路の前記接続端面が、隣接する前記光導波路の光軸または前記平面基板に垂直な平面に対して、該光導波路の材質に応じて、４度から１０度の傾きを有していることを特徴とする平面光回路部品。
2. 前記平面光回路部品を構成する複数の前記平面光回路で、互いに接続する前記接続端面の傾きの方向が前記平面基板に対して同一であることを特徴とする請求項１に記載の平面光回路部品。
3. 前記平面光回路間の接続部分に接続強度を補強するための接続補強部材が設置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の平面光回路部品。
4. 前記隣接する前記平面光回路の接続部分に紫外線を透過する接続補強部材が固定されており、該隣接する前記平面光回路の前記平面基板同士が紫外線硬化型接着剤で接続固定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の平面光回路部品。
5. 前記接続補強部材には、前記隣接する前記平面光回路の前記光導波路の光軸同士を一致させられるようにガイド溝が形成されており、該隣接する前記平面光回路を該ガイド溝に沿って双方から挿入することによって調心していることを特徴とする請求項４に記載の平面光回路部品。

Images