JP5337931B2 - 光ファイバアレイ - Google Patents

Description

本発明は、光素子と光ファイバとを直接、且つ、低損失で光学的に結合することが可能な光ファイバアレイに関するものである。

近年、インターネットが爆発的に普及している中、これに伴い通信回線のトラフィック量が激増している。このトラフィック量を激増させている膨大なデータを処理する高速大容量通信方式として、１本の光ファイバに波長の異なる複数の光を伝送する波長分割多重（Wavelength Division Multiplex : WDM）通信システムが実用化されており、現在でも通信システムの低コスト化・高信頼化に向けて、世界中で研究開発が行われている。更に、将来的には光信号の増減を感知し、複数ある信号経路を瞬間的に切り替えるための全光スイッチ等も精力的に研究されている。

そのような通信システムに使用される光モジュールには、アレイ状の送信素子や受信素子（以下、送信アレイ又は受信アレイと云う。）が搭載されており、この送信アレイとして発光ダイオードアレイを用いた光素子が、また受信アレイにはPINフォトダイオードアレイを用いた光素子がそれぞれ開発されている。

最も一般的な光ファイバは、クラッド径が125μｍ、被覆径が250μｍであり、これらの光ファイバを一列に配列させる場合には、被覆径に合わせて250μｍ以上のピッチで配列する。また、テープ型光ファイバ（複数の光ファイバがコアの軸を互いに平行にして一列に配列された状態で一体的に被覆されたアレイ状の光ファイバ）が用いられることもある。このテープ型光ファイバは、通常、各光ファイバの被覆径に合わせて配列されており、各光ファイバが250μｍ以上のピッチで配列される。

ところで、前述した従来の光モジュールには小型化および高密度化が求められているため、アレイ状の光ファイバの配列ピッチに対して、送信アレイや受信アレイといった光素子の配列ピッチをより小さく設計する必要がある。このような場合、光ファイバを送信アレイや受信アレイに結合するために、複数の光ファイバを250μｍよりも小さいピッチで配列することが要求される。複数の光ファイバの被覆部ではピッチが一定であっても、送信アレイや受信アレイと結合させる光ファイバの端部では、被覆部とは異なるピッチで配列する必要がある。従って、図１２に示すような、一端側の溝ピッチをテープ型光ファイバ101のピッチに合致させ、端部側の溝ピッチを送信アレイのピッチに合致させたピッチ変換可能な光ファイバ103を、一対の基板104，104間に挟持した光ファイバアレイ100が考案されている（例えば、特許文献１、２、３を参照）。

特開平０５−１８８２３６号公報（第２−３頁、第１図） 特開平１０−７８５１４号公報（第３−４頁、第１図） 特開２００５−１４８６１６号公報（第６−13頁、第１図）

しかしながら、ピッチ変換を行った光ファイバアレイで、図６又は図７に示すように、光ファイバの端部付近（図中のＥ部分）で互いの光ファイバ2fが交差するため、前記端部を所望の配列位置でアレイ状に配列するためには、手作業で１本１本配列し直さなければならなかった。このため各光ファイバ2fの端部を、光素子４の配列ピッチに変換して配列することは非常に手間取る工程であった。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、その目的は光ファイバに加わる応力によって光ファイバの端部の位置精度が低下することを防止して、前記端部を光素子の配列ピッチに変換して各光ファイバを配列することが容易な、ピッチ変換可能な光ファイバアレイを提供することを目的とする。

本発明の請求項１記載の光ファイバアレイは
一定のピッチP1で配列されるｍ本（ｍ：０を含まない自然数）の光ファイバと、
面上にｍ本以上の溝が、前記ピッチP1より狭いピッチP2で平行に形成された溝付き基板と、
カバーを備え、
前記光ファイバは、その端部に向かうにつれて前記ピッチP1が漸次狭められ、前記光ファイバの端部では前記ピッチP1より狭い前記ピッチP2で一列状に配列され、
前記ピッチP2で一列状に配列された前記光ファイバの端部が、前記溝付き基板の各々の前記溝内に配列されて、前記溝付き基板と前記カバーによって挟持され、
更に、前記溝付き基板と対向する前記カバーの面に、前記光ファイバの端部を一括して収納する凹部が形成されると共に、前記凹部の両端が、前記溝付き基板の前記溝に向かうに従い漸次拡大するように形成されることを特徴とする光ファイバアレイに関するものである。

又、本発明の請求項２記載の発明は、前記光ファイバが、
コアと、
前記コアの屈折率よりも低い屈折率を有してコアの周りを包囲するクラッドを備え、
前記光ファイバが、前記コアの径はそのままでクラッドの径のみが、前記コアの軸と平行方向にテーパ状に細径化され、
更に、細径化されたｍ本の前記光ファイバが、各々の前記溝内に配列されることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバアレイに関するものである。

本発明の請求項１に記載の光ファイバアレイに依れば、カバーを溝付き基板上に設置することで、交差して広がった各光ファイバを、互いの外周面で内接させて、光素子の配列ピッチに変換して配列することが容易に可能となる。

更に、請求項２に記載の光ファイバアレイに依れば、請求項１記載の光ファイバアレイが有する効果に加えて、細径化を施したエッチド光ファイバを使用することにより、特性の均一な光ファイバアレイを実現することが出来る。

本発明に係る光ファイバアレイを示す平面図。 説明のためリングとカバーを除いた図１の光ファイバアレイの平面図。 図１及び図２の光ファイバアレイの構成部品の一つであるガイド基板を示 す平面図。 光ファイバアレイに使用される光ファイバの部分拡大図。 図１のＡ−Ａ拡大部分断面図。 光ファイバの端部を模式的に表す光ファイバアレイの部分平面図。 図６のＢ−Ｂ拡大部分断面図。 配列工程中の光ファイバの端部の状態を模式的に表す、光ファイバアレイ の端部側の部分断面図。 図２のLDアレイチップと集束部との結合部の部分拡大図。 図２の光ファイバアレイを、パッケージ化した状態を模式的に示す平面 図。 図１０からLDアレイチップと光ファイバのみ抜粋した平面図。 従来の光ファイバアレイを示す平面図。

符号の説明

１ 光ファイバアレイ
２ テープ型光ファイバ
３ ガイド基板
４ LDアレイチップ
５ パッケージ
６ ベース基板
７ リング
８ 溝付き基板
９ 溝
10 カバー
11 ホルダー
12 テーパ面
13 ビーズ
14 接着剤

以下、本発明に係る光ファイバアレイを、図１〜図１１を参照しながら説明する。図１及び図２に示すように、本実施の形態の光ファイバアレイ１は、多芯光伝搬用のテープ型光ファイバ２と、ガイドを設けた基板３（以下、ガイド基板３と記す）と、面上に複数の溝が形成された溝付き基板８と、溝付き基板８を覆うカバー10、及び前記ガイド基板３を保持するホルダー11を備えて構成される。更に光ファイバアレイ１は、送信アレイの光素子の一例であるレーザダイオード（Laser Diode：LD）アレイチップ４と、光学的に結合される。

テープ型光ファイバ２は、コア2e（図５参照）の周りを、コア2eの屈折率よりも低い屈折率を有するクラッド2aが包囲する、一般的な型式の単一モード光ファイバからなる。テープ型光ファイバ２の始端側（図１及び図２の矢印s側）から端部（図１及び図２の矢印t側）に向かって、所定寸法分だけ被覆2bを剥ぎ取り、更に、被覆2bを取り除いたクラッド2a部分の端部付近を、図４に示すように、そのコアの軸cと平行方向に端部に向かってテーパ状に細径化する。細径化手段としてはエッチング等が挙げられ、コア2eを非エッチング箇所とすることでコア径はそのままに維持しながら、クラッド径のみエッチングして細径化を行う。

細径化された光ファイバ部分2cのクラッド径は50μｍ以下に細径化することが望ましく、細径化に伴う伝搬損失の許容範囲を考慮すると、30μｍまで最小径化することが最も好ましい。従って、本実施の形態では光ファイバ部分2cのクラッド径を30μｍとして説明を続ける。テープ型光ファイバ２の光ファイバ2fの本数ｍは、０を含まない自然数の４本、８本、12本、16本・・・など４の倍数で設定されるのが一般的であり、本実施の形態ではｍ＝８とした。各光ファイバ2fの非エッチング箇所（被覆2b部分を含む）のコア間隔は250μｍなので、始端側における各光ファイバ2fはピッチP1＝250μｍで一定に配列される。

ガイド基板３はシリコン（Si）やプラスチック又は感光性ガラスから成り、その面上には図３に示すように、テープ型光ファイバ２の本数ｍと同数の溝3aと、後述する溝3cとから構成されるガイド3bが形成される。各溝3aは、ガイド基板３の一端側（矢印s側）では一定のピッチP1で平行に形成され、前記一端側と反対方向である端部側（矢印t側）に進むにつれて、ピッチP1は漸次狭められるように形成されていく。そして、前記端部側で、８つの溝3aは１つの溝3cへと統一形成される。

ガイド基板３の各々の溝3a及び溝3cに、図２に示すように各光ファイバ2fを挿入し、その状態でガイド基板３の上から、図１に示すように、リング７，７を被せて各光ファイバ2fを堅固に保持する。次に、接着剤を流し込んで固定することにより、８本の光ファイバ2fから構成されるアレイ状の光ファイバが形成される。前述の通り、各溝3aはガイド基板３の端部側（矢印t側）に進むにつれてピッチP1が漸次、狭まるように形成されている。従って、その溝3aに挿入された各光ファイバ2fも、前記一端側（矢印s側）ではピッチP1で配列され、光ファイバ2fの端部（矢印ｔ側）に向かうに従い、ピッチP1が漸次狭められていく。よって、ガイド3bに挿入されることにより、端部側での光ファイバ部分2cの各端部におけるコアの軸間距離（ピッチ）は、LDアレイチップ４に近づくにつれて徐々にピッチP1よりも狭められることになる。そして、図９に示すように、各光ファイバ2fの端部は、ピッチP1よりも狭いピッチP2で一列状に集束、配列されて、集束部2dを形成する。

ガイド3bが漸次、狭められるように形成されているため、溝3a内で各光ファイバ2fは彎曲する。従って、ガイド3bの彎曲形状は、光ファイバ2fの曲げに伴って発生する伝搬損失を考慮して決定される。本実施の形態では各光ファイバ2fの伝搬損失が、それぞれ1.3dB未満となるようにガイド3bの彎曲形状を決定する。

次に、図１と図２より、光ファイバ2fの端部の集束部2dを、上下から挟み込むように溝付き基板８及び溝付き基板用のカバー10を設置する。図１のＡ−Ａ線で示す断面の拡大図を図５に示す。溝付き基板８の面上には光ファイバ2fの本数ｍ以上の溝９が、前記ピッチP1より狭いピッチP2で平行に形成され、各光ファイバ2fは１本ずつ、１つの溝９とカバー10の表面によって上下から押さえ込まれるように、各々の溝９内に配列される（図５参照）。これにより、細径化されたｍ本の光ファイバ部分2cが、各々の溝９内に配列される。溝付き基板８と対向する前記カバー10の面には凹部10aが形成され、カバー10を溝付き基板８の面上に配置したとき、光ファイバ2fの端部である集束部2dを、一括して収納する。各溝９の断面形状は図５に示すようにＶ形に形成されているので、集束部2dの各光ファイバ2fは、溝付き基板８とカバー10とで挟持されることにより、各溝９と凹面10aとの３つの接触点H1〜H3によって３点支持される。

光ファイバ2fを収納する溝９を覆うようにカバー10が取り付けられ、このカバー10と溝付き基板８とで集束部2dを挟持する。前記凹部10aの両端10b，10bは、前記溝付き基板８の前記溝９に向かうに従い漸次拡大するようにテーパ状に形成されている。

次に、接着剤（図５の引き出し線14部分）を溝９と光ファイバ2fとの間隙及び溝付き基板８とカバー10との間の空間に充填することによって、集束部2dと溝付き基板８及びカバー10とを固定する。更に、光ファイバ2fの端部を溝付き基板８、及びカバー10ごと研磨して、各光ファイバ2fの端部の長さを一様に揃える。或いは、光ファイバ2fの端部のみを平坦に研磨して、ｍ本の光ファイバ2fの各端部の長さを一様に揃えても良い。更にテーパ面12を設けて溝付き基板８とカバー10の端部の幅を小さくすることにより、研磨部分を小さくして研磨工程を簡略化することが出来る。

接着剤14には、球状のビーズ13が添加物として含有されている。ビーズ13を噛ませることで溝付き基板８とカバー10との間隔を一定に保ってカバー10の傾きを防止すると共に、添加物の含有分だけ接着剤の使用量を減少させる。使用量の減少に伴い、溝付き基板８やカバー10及び光ファイバ2f等と比べて硬度が小さく柔らかい接着剤14の、研磨時における過度な摩耗が防止される。

ビーズ13は光ファイバ2fの直径より小さい大きさを持つものである。このような径寸法に限定することにより、溝付き基板８とカバー10との間隔を極小化して、そのぶん接着剤14の使用量を減少させることができ、研磨時の過度な摩耗を防止することが可能となる。ビーズ13の好ましい材料は、透明なガラス質材料又はセラミックス質材料である。透明な材料を使用することにより、接着剤14に光硬化型接着剤を使用した場合に、接着剤14の光硬化性能を低下することがなく硬化、接合することが可能となる。なおビーズ13に代えて、カーボンファイバかガラスファイバと云った、棒状または楕円形状のフィラー（充填材）を用いても良い。

LDアレイチップ４は、図９に示すようにテープ型光ファイバ２の本数ｍと同一個数のｍ個の活性層4aを有するチップであり、各活性層4aは前記ピッチP1よりも狭いピッチP2で配列されている。具体的なピッチP2の数値は30μｍである。更に、各溝９のピッチP2を前記ピッチP2と等しい30μｍに設定し、その各溝９に光ファイバ2fを配列することによって、図５及び図９に示すように、各光ファイバ2fの端部はピッチP2＝30μｍで一列状に配列される。

ガイド基板３の各々の溝3a及び溝3cに挿入された各光ファイバ2fは、溝3cよりも先端ではガイド3bから開放されるため、光ファイバ2fの端部は図６及び図７に示すように広がったり、一部の光ファイバどうしが交差するため、このままでは前記端部をアレイ状に配列できない。

しかしながら、前記の通り凹部10aの両端10bはテーパ状に成形されているため、図８に示すように、カバー10を溝付き基板８に押し当てるに従い、光ファイバ2fの端部が両端10bのテーパ面に沿ってスライドすることで凹部10aの中央へと移動し、内側に配列している光ファイバ2fを押し出す。押し出された光ファイバ2fは隣の溝９へと移動する。このようにして全ての光ファイバ2fが、各々の外周で内接しながら、アレイ状に溝９内へと配列される。

従って、カバー10を溝付き基板８に被せるだけで、交差または広がっていた各光ファイバ2fの端部を、互いの外周面で内接させて、溝９内に配列することが可能となる。これにより、光ファイバ2fの端部をLDアレイチップ４の配列ピッチに変換して各光ファイバ2fを配列することが容易になる。

次に図１０に示すように、ガイド基板３と溝付き基板８とを、LDアレイチップ４を収納するパッケージ５内部に設けた前記ホルダー11上にマウントし、集束部2dがLDアレイチップ４の活性層4aに臨むように位置合わせを行って位置決めをした上で、ホルダー11をベース基板６に半田又は接着剤で固定する。パッケージ５外部にはテープ型光ファイバ２が延ばされている。更に、図示しない保護用樹脂をパッケージ５の枠内に充填して封止する。又、図１０は説明の都合上、リング７とカバー10の図示を省略したが、実際に光ファイバアレイ１をパッケージ５内部に収納するときは設ける。

各活性層4aから出射された光は、集束部2dの各光ファイバ2fに光学的に結合され、始端側へと伝搬されていく。図１１は、図１０に図示の構成から、LDアレイチップ４と光ファイバ2fのみを取り出して図示した平面図である。その図１１より、LDアレイチップ４からの出射光を光ファイバ2fに直接結合させ、更に、その光ファイバ2fのピッチを、ピッチP2からピッチP1へと漸次変化させていくことにより、本発明では、LDアレイチップ４からテープ型光ファイバ２へのピッチ変換を光ファイバ2fそのもので行っている。

テープ型光ファイバ２からLDアレイチップ４へと至る空間において、光ファイバ2fを彎曲させて、LDアレイチップ４の活性層4aのピッチP2と同一のピッチP2で集束部2dを形成し、その集束部2dをLDアレイチップ４に対峙させることで、互いにピッチの異なるLDアレイチップ４とテープ型光ファイバ２とが光学的に直接結合可能になる。光ファイバ2fの端部付近を30μｍまで細径化しているので、集束部2dのピッチを、ピッチP2と同一の30μｍまで高密度に配列して小型化することが出来る。従って、パッケージ５内部における光ファイバアレイ１の占有空間を減少させる。更に、各光ファイバ2fを各溝９内に配列することにより、光ファイバ2fの端部の遊びを減少させられる。

LDアレイチップ４と光学的に結合させる側の光ファイバアレイ１のピッチを、ピッチP2まで小型化することにより、LDアレイチップ４をP2=30μｍで配列することが可能となる。これにより、１個当たりのLDアレイチップ４の面積が低減されて、1枚の半導体ウェハから多数個生産が可能となる。更にLDアレイチップ４の歩留りも向上するため、大幅なコストダウンが図られる。またLDアレイチップ４の単位面積が小さくなるためLD同士の距離が近くなり、LDの特性が揃いやすくなるため高効率化が達成される。

更に、量産技術の確立したエッチド光ファイバを使用することにより、特性の均一な光ファイバアレイ１を実現することが出来る。

なお、本実施の形態はその技術的思想により種々変更可能であり、例えば集束部2dのピッチP2を30μｍとして説明したが、ピッチP2はこの寸法に限定されることはなく、使用するLDアレイチップの変更に伴うピッチP2の変更や、クロストークの抑制という観点から、最適のP2を決定すれば良い。

又、溝９の断面形状は、光ファイバ2fを堅固に支持可能な形状であればＶ形に限定されることはなく、例えば凹形に変更しても良い。

又、本実施の形態では光素子としてLDアレイチップを例に取り説明したが、光素子はLDアレイチップに限らず、受光素子・発光素子・又はAWG等の光素子も含むものとする。AWGを用いた場合は、その導波路部に集束部2dが臨むように、集束部2dの位置合わせをすれば良い。前記のように光ファイバアレイ１の結合部のサイズを小型化することが可能となるので、AWGの小型化も可能になる。

又、ピッチP1は様々な物が有り、本発明は勿論それにも適用できる。

本発明の光ファイバアレイを、光通信システムの配線部や、チップパッケージ内部に用いることにより、伝搬データ量の増大や結合損失の低減、光結合部の小型化を図ることが出来る。

Claims (2)

1. 光ファイバアレイは
   一定のピッチP1で配列されるｍ本（ｍ：０を含まない自然数）の光ファイバと、
   面上にｍ本以上の溝が、前記ピッチP1より狭いピッチP2で平行に形成された溝付き基板と、
   カバーを備え、
   前記光ファイバは、その端部に向かうにつれて前記ピッチP1が漸次狭められ、前記光ファイバの端部では前記ピッチP1より狭い前記ピッチP2で一列状に配列され、
   前記ピッチP2で一列状に配列された前記光ファイバの端部が、前記溝付き基板の各々の前記溝内に配列されて、前記溝付き基板と前記カバーによって挟持され、
   更に、前記溝付き基板と対向する前記カバーの面に、前記光ファイバの端部を一括して収納する凹部が形成されると共に、前記凹部の両端が、前記溝付き基板の前記溝に向かうに従い漸次拡大するように形成されることを特徴とする光ファイバアレイ。
2. 前記光ファイバは、
   コアと、
   前記コアの屈折率よりも低い屈折率を有してコアの周りを包囲するクラッドを備え、
   前記光ファイバが、前記コアの径はそのままでクラッドの径のみが、前記コアの軸と平行方向にテーパ状に細径化され、
   更に、細径化されたｍ本の前記光ファイバが、各々の前記溝内に配列されることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバアレイ。

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