JP6427072B2

JP6427072B2 - 光ファイバブロック

Info

Publication number: JP6427072B2
Application number: JP2015120639A
Authority: JP
Inventors: 渡邉　啓; 啓渡邉; 里美片寄; 優生倉田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2015-04-15
Filing date: 2015-06-15
Publication date: 2018-11-21
Anticipated expiration: 2035-06-15
Also published as: JP2016206628A

Description

本発明は、光通信に用いる平面光波回路に接続する光ファイバブロックに関し、さらに詳細にはアイソレータを内包した光ファイバブロックに関する。

データセンタ用のアプリケーションとして、大きなビットレートを扱う高速光トランシーバーが注目されている。これらのアプリケーションでは、高速というニーズの他に限りあるスペースの中で如何に高速通信を実現するかという小型化が強く求められている。
１００Ｇｂ／ｓを超えるＣＦＰ２やＣＦＰ４の小型フォームでの送受信機モジュールがＣＦＰＭｕｌｔｉ−Ｓｏｕｒｃｅ−Ａｇｒｅｅｍｅｎｔ（ＭＳＡ）（非特許文献１参照）で議論されており小型が求められている。１００Ｇｂ／ｓで１０ｋｍの距離に対応した１００ＧＢＡＳＥ−ＬＲ４アプリケーションは、ＩＥＥＥの標準化がなされて、８００ＧＨｚ間隔の波長での波長多重（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ−ｄｉｖｉｓｉｏｎｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ（ＷＤＭ））が用いられている（ＬＡＮ−ＷＤＭ，４×２５Ｇｂ／ｓ）。

ＷＤＭを実現するのに、２０−ｎｍの波長間隔等、疎（Ｃｏａｒｓｅ）である波長間隔の多重（ＣｏａｒｓｅＷＤＭ（ＣＷＤＭ方式））であれば、薄膜フィルタ（Ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍｆｉｌｔｅｒｓ（ＴＦＦ））が用いられるが、これらは、逆に狭い範囲の透過版を正確に作製し、実装することが難しい。

さらに、将来４００Ｇｂ／ｓやさらに高速なビットレートが求められると、多くの波長を利用するため、より高密度な波長間隔グリットが必要となる。

そのため、ＴＦＦの代替に、情報通信産業で広く用いられている平面光波回路（ｐｌａｎａｒｌｉｇｈｔｗａｖｅｃｉｒｃｕｉｔ（ＰＬＣ））をフィルタとして用いることが候補として考えられている。
より波長グリットの狭い高性能なフィルタを作製することが可能となるためである。

ＰＬＣをＬＡＮ−ＷＤＭの４×２５Ｇｂ／ｓに、例えば適応した場合、受信機の構成は、すでに示されており、非特許文献２に示されるように、ＰＬＣの端面にレンズを付け受光ＰＤに集光することで実現する構成が示されている。また、送信側についても同様の構成が考えられ、ＰＬＣ複合機能集積ハイブリッド技術を用いて、ＰＬＣ上に設けられた搭載箇所にＬＤ（ｌａｓｅｒｄｉｏｄｅ）を搭載することで構成される形態が考えられ、基本的にはＲＯＳＡの構成と類似でＰＤの箇所に、レーザのＬＤを配置することで実現する構成が示されている。ボーレート（ｂａｕｄｒａｔｅ）は異なるが、非特許文献３に同様の構成が見られる。

ＰＬＣハイブリット技術を用いた送信機（例えば変調はないが、非特許文献４）等があげられ、長く研究されていきているが、実用化の障壁となっているのは、ＰＬＣに接続可能なアイソレータがないことである。アイソレータは、戻り光によるレーザの損傷、不安定化、干渉によるノイズ防止などのために必要であるが、ＰＬＣの外にファイバインライン型のアイソレータを設置することを前提としているものが多数である。多くの研究発表等、本特許の発明者が知る限り、ＰＬＣ用に特化したアイソレータの学術的報告はない。

特許として、特許文献１がＰＬＣ上に搭載することが可能な光アイソレータユニットが示されている。この基本的な構成は、平面基板上に形成されたＶ溝や、フェルールに設けられた貫通孔等といったファイバが直線上に整列する機構を有する基板（母材）にＧＩファイバ（グレーティッドインデックスマルチモードファイバ）を融着したＳＭファイバ（シングルモードファイバ）を対向させるように配置することでコリメート状態の中に光部品を配置することで、無調芯でかつ高精度に位置決めされた光学部品を製造することにより実現している。このような構成は、ＧＩファイバを融着したＳＭＦをＶ溝基板上に並べアレイ化することも容易であり、アクティブなアライメントを実施せず整列できるメリットがえられことも可能である。

上記の記載のようにＧＩファイバを所定の長さで切断することで、コリメートレンズとして働くこと、またＧＩファイバがＳＭＦと外形寸法が同じであることを活かして、直線上に整列する機構を用いて、無調芯でかつ高精度に位置決めされた光学部品を製造し、ＰＬＣに適用することが知られている（非特許文献５参照）。

特開２０１１−０９００２１号公報

http://www.cfp-msa.org/ Compact and high-sensitivity 100-Gb/s (4 × 25Gb/s) APD-ROSA with a LAN-WDM PLC demultiplexer Toshihide Yoshimatsu, Masahiro Nada, Manabu Oguma, Haruki Yokoyama,Tetsuichiro Ohno, Yoshiyuki Doi, Ikuo Ogawa, Hiroshi Takahashi, and Eiji Yoshida 10 December 2012 / Vol. 20, No. 26 / OPTICS EXPRESS B393 次世代ネットワークを拓く複合機能集積PLC技術（NTT技術ジャーナル 2005.5 ｐ.20 金子他） "1.55μm帯4波長PLCハイブリッド型集積レーザ"電子情報通信学会技術研究報告. LQE, レーザ・量子エレクトロニクス 101(262), 13-18, 2001-08-17 2003年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会 C-3-103 GIファイバ型レンズコリメータアレイの作製 MEMSテクノロジ 2007、2006年11月発行、p.247等の文献 Y. Yamada, A. Takagi, I. Ogawa, M. Kawachi, and M. Kobayashi, "Silica-based optical waveguide on terraced silicon substrate as hybrid integration platform," Electron. Lett., 29, 444-445 (1993). Localized hermetic seal for planar lightwave circuits US 20030219192 A1

しかしながら、これらの光学部品を平面光波回路（ＰＬＣ）に、接続するためには以下の問題がある。特許文献１には、ダイシングソーを用いてＧＩファイバを所定の長さにカットすることが記載されている。ダイシングソーにて加工した端面は、光学研磨を実施した平面程平坦性がないため、加工端面での凹凸により発生する光の散乱によりＧＩファイバ端での反射減衰量が十分に得られない。つまり、アイソレータの主要箇所（ポラライザ、ファラデー回転子、アナライザ）で例え十分な性能が得られていても、ＧＩファイバ端で反射を発生させていては効果が十分に得られないという問題があった。凹凸による散乱を削減するために、研磨することが考えられるが以下の問題が新たに発生する。

ＰＬＣにファイバを固定するファイバブロックなどは、上記の凹凸の散乱を除外するために、研磨されている部材の代表的なものと言える。通常のＳＭファイバだけを用いたファイバブロックの研磨工程においては、研磨量の誤差はかなりゆるく許されており、１００μｍ程研磨しすぎても問題ない。なぜなら、どこで研磨を終えても、伝搬する光のフィールドが変化しないためである。しかしながら、ＧＩファイバをコリメートレンズとして用いる場合は、研磨終了位置の違いにより、出射時のフィールドの大きさが異なるため研磨終了を正確に行い、ＧＩファイバを所定の長さにする必要がある。これは非常に技術的に困難である。まず、どれ程研磨すればよいかの目安がないこと。さらには、所望の長さを目標として研磨できたとしても、研磨完了した時点で、研磨面にキズ等があるとこれらを再度研磨して除去する必要性が出ると、キズが無くなるまで、さらに研磨を追加するしかなく、ＧＩファイバの長さを所定の長さにすることは難しい。

さらには、特許文献１に示される構成でＰＬＣからなる導波路の途中に光アイソレータユニットを調芯する構成では、光アイソレータユニットの長さ分に溝を形成するため、光アイソレータユニットを挿入するまで、光回路の特性を事前に知ることができないという課題がある。先に述べたデータセンタ向けのＴＯＳＡ（ＴｒａｎｓｍｉｔｔｅｒＯｐｔｉｃａｌＳｕｂＡｓｓｅｍｂｌｙ）の場合、ＡＷＧの出力に溝を形成し、そこに光アイソレータユニットを挿入することになるが、ＡＷＧの特性を事前に知ることができないため、ＡＷＧの特性がスペックに入らない場合は、光アイソレータユニットならびにＡＷＧを破棄することになってしまい、コストが上昇するという問題があった。

本発明は上記従来の問題に鑑みなされたものであって、本発明の課題は、ＰＬＣに接続が可能であり、調芯箇所を増やすことなく高いアイソレーションを実現できる光アイソレータを内包した光ファイバブロックを提供することにある。

上記の課題を解決するために、一実施形態の光ファイバブロックは、ＬＤを搭載した外部基板に対して戻り光とのアイソレーションを行うアイソレータを内包した光ファイバブロックであって、前記ＬＤからの光が入力され、コリメート光に変換して出力するＧＩファイバと、ＧＩファイバを直線状に固定するための溝が形成された基板と、前記溝に固定されたＧＩファイバを前記基板に対して押さえて固定するリッドと、前記基板上に設けられた前記リッドと前記ＧＩファイバとが除去された凹部に前記ＧＩファイバと光接続されるように配置された前記アイソレータとを備え、前記基板には、前記ＧＩファイバの光の伝播方向について位置基準を与える目盛が前記溝に沿って形成されており、前記リッドは、該目盛を読み取り可能なように透明に形成されていることを特徴とする。

他の実施形態の光ファイバブロックは、ＬＤを搭載した外部基板に対して戻り光とのアイソレーションを行うアイソレータを内包した光ファイバブロックであって、前記ＬＤからの光が入力され、コリメート光に変換して出力するＧＩファイバと、ＧＩファイバを直線状に固定するための溝が形成された基板と、前記溝に固定されたＧＩファイバを前記基板に対して押さえて固定するリッドと、前記基板上に設けられた前記リッドと前記ＧＩファイバとが除去された凹部に前記ＧＩファイバと光接続されるように配置された前記アイソレータとを備え、前記リッドには、前記ＧＩファイバの光の伝播方向について位置基準を与える目盛が前記溝に沿って形成されており、かつ該目盛を読み取り可能なように透明に形成されていることを特徴とする。

これまでのＰＬＣとファイバとの接続構成と比較して、調芯箇所を増やすことなく高いアイソレーションを実現できる。また、ＰＬＣ上へ光アイソレータを搭載する形態に比べて、事前にＰＬＣの特性を検査することも可能とする。

本発明に係る光ファイバブロックを備えたＴＯＳＡを示す図である。本発明に係る光ファイバブロックの構成例を示す図である。第１の実施形態の光ファイバブロックの作製工程について説明する図である。第１の実施形態の光ファイバブロックの作製工程について説明する図である。第１の実施形態の光ファイバブロックの作製工程について説明する図である。第１の実施形態の光ファイバブロックの作製工程について説明する図である。第１の実施形態の光ファイバブロックの作製工程について説明する図である。第１の実施形態の光ファイバブロックの作製工程について説明する図である。第１の実施形態の光ファイバブロックの作製工程について説明する図である。第１の実施形態の光ファイバブロックの作製工程について説明する図である。第１の実施形態の光ファイバブロックの評価測定の結果を示す図である。第２の実施形態にかかる光ファイバブロックの作製工程について説明する図である。第２の実施形態にかかる光ファイバブロックの作製工程について説明する図である。第２の実施形態にかかる光ファイバブロックの作製工程について説明する図である。第２の実施形態にかかる光ファイバブロックの作製工程について説明する図である。第２の実施形態にかかる光ファイバブロックの作製工程について説明する図である。第２の実施形態にかかる光ファイバブロックの作製工程について説明する図である。第２の実施形態にかかる光ファイバブロックの作製工程について説明する図である。第２の実施形態の光ファイバブロックの評価測定の結果を示す図である。第３の実施形態の光ファイバブロックの平面図である。ＧＩファイバが配置された状態の第３の実施形態の光ファイバブロックの平面図である。ＧＩファイバが配置された状態の第３の実施形態の光ファイバブロックの側面図である。第４の実施形態のＰＬＣを備えた送信機（ＴＯＳＡ）を示す図である。ＰＬＣ上にスポットサイズ変換器を設けた場合のモードフィールドの変化を示す図である。光ファイバブロックがスポットサイズ変換器として機能する場合のモードフィールドの変化を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明に係る光ファイバブロックを備えたＴＯＳＡを示す図である。図２は、本発明に係る光ファイバブロックの構成例を示す図である。図１に示すように、本発明の光ファイバブロック１００は、ＴＯＳＡ１０１の構成部品として用いることができる。光ファイバブロック１００は、ＬＤ１０４を搭載したＰＬＣ１０３に接続され、内包した光アイソレータ２０により、ＬＤ１０４を搭載したＰＬＣ１０３を光ファイバ１０２からの戻り光とアイソレーションする。

光ファイバブロック１００は、平板状のガラスウェハ（基板）１０の載置面（図示上側の面）上に、一端が被覆２で覆われたＳＭファイバ１と、ＧＩファイバ３と、光アイソレータ２０と、ＧＩファイバ３を基板１０に押さえるためのリッド１３とが載置された構成を備えている。基板１０には、部品が載置される載置面の長手方向の一部には厚みが小さくされた部分である座繰りが形成されており、座繰り以外の載置面には長手方向にＶ溝が形成されている。Ｖ溝には、被覆が除去されたＳＭファイバ１およびＧＩファイバ３を載置される。ＳＭファイバ１の被覆２部分は座繰りの上に配置される。本発明の光ファイバブロック１００は、基板１０の載置面に、ＧＩファイバ３の光の伝播方向について位置基準を与える目盛１１がＶ溝と平行して形成されており、ＳＭファイバ１およびＧＩファイバ３は透明なリッド１３により覆われて固定されている。かかる光ファイバブロック１００では、予めＶ溝と平行に目盛１１が形成された基板１０により、ＧＩファイバ３の長さを確認しながら製造することができるので、簡便に製造することができる。

本発明に係る光ファイバブロックの作製工程について説明する。図３から図１０は、第１の実施形態の光ファイバブロックの作製工程について説明する図である。

まず、図３に示すように、ＰＬＣに用いている基板、ここではシリコン基板と同程度の厚さ１ｍｍのガラスウエハを用いて、レジストを塗布した後、標準的なフォトリソグラフィ技術とエッチング技術を用いて、目盛１１を基板１０上の部品を載置する載置面に作製する。目盛１１は、例えば、幅５μｍ、ライン長さ５０μｍのラインを１０μｍピッチに並べて基板１０の長手方向に２．０ｍｍの長さまで作製することができる。目盛の長さは、アイソレータの大きさやＧＩファイバ３の１／４ピッチ長等を考慮して十分に長い長さに設定することができる。エッチングは、ウエットエッチングにて作製したが、リアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）等を用いてもよい。

目盛１１は、顕微鏡等を用いて目視で目盛が確認できれば、その構成は問わず、金属等の膜をパターン化して作製してもよいし、感光性樹脂などを、フォトリソグラフィを用いて作製するだけでもよい。

次に、図４に示すように、機械加工により、第１の基板の上にグレーティッドインデックスマルチモードファイバ（ＧＩファイバ）やシングルモードファイバ（ＳＭファイバ）を固着するための固定用溝としてのＶ溝１２、挿入したファイバの被覆を固定するための座繰りを形成する。基板１０上のファイバ固定用の溝１２としては、ここでは断面形状がＶ形状の溝として説明しているが、ファイバを直線上に位置決め固定できるのであればその形状は特に限定されず、例えば矩形溝、Ｕ字型の溝であってもよい。

また、一端にすでにＳＣコネクタが接続されたＳＭファイバ１の他端と、ＧＩファイバ３の先端をそれぞれ５ｍｍ程度、被覆２を除去し、クリーブした後に、融着器を用いて融着接続する。近年の融着器は発達しており、ほぼ全自動でクラッド外径を画像認識し、位置合わせを行い融着できるため、異種のファイバであってもクラッド外径が同じであれば簡便に融着することができる。融着後、図５に示すように、ＧＩファイバ３の被覆を除去した部分を残しクリーブする。ＧＩファイバ３は、ＮＡが０．２７５、コア径が６２．５μｍのものを利用することができる。

図６（ａ）に示すように、形成したＶ溝１２に、作製したＧＩファイバ融着済みのファイバを挿入し、上面よりさらに厚さ１ｍｍのＶ溝を形成したガラスウェハと同じガラス製等の透明なリッド１３を配置し接着剤を用いて固定する。この時、ファイバ融着点Ａが、Ｖ溝基板の反対側からおよそ１．９ｍｍの位置にくるように固定した。この長さは、後に説明するＧＩファイバがコリメート光を出力する長さの２倍と挿入するアイソレータの光が伝搬する方向の長さ１．２ｍｍの和に対して、トレランスを含む長さである。

ここでは、接着剤としてＵＶ硬化樹脂を用い、リッド１３を配置後、治具にて抑えながらＵＶ光を照射し固定を行った。接着剤は、屈折率の整合したものが用いられる。挿入時は、融着箇所Ａが座繰りに近く、目盛が横にあるところにくるように固定した。この位置はおおよそでもよい。

本実施形態ではＧＩファイバ３とＳＭファイバ１とを融着してからＶ溝に滑らせて固定を行っているが、図７に示すように、Ｖ溝上へ双方よりすべらせ、それぞれを突き合わせてから、リッド１３で抑えて屈折率の整合した接着剤を用いて固定しても良く、同じ形態ものが作製することが可能である。

これまでの工程では、目盛１１を形成する以外は、通常のＰＬＣに接続するためのファイバブロックの製造方法とほぼ同じである。その後、作製したブロックのＧＩファイバ３側の接続端面Ｂに飛び出た、ＧＩファイバ３のファイバ予長をニッパーにて切断し、ファイバが凸をある程度ヤスリで平坦化した後に、接続端面Ｂの研磨を行った。本実施形態では、ファイバに対して垂直に研磨を実施し、端面からおよそ５０μｍ研磨を行い、鏡面となるようにした。

光学顕微鏡にて、接続端面Ｂを検査し、ＧＩファイバコアに研磨跡等がなきことを確認し、研磨を終了した。研磨跡が見られる場合は、さらに研磨を追加し研磨跡がなくなるまで研磨を行えばよい。

その後、上面から研磨終了時点の接続端面Ｂの基板表面の目盛位置を読み取る。図６（ｂ）に示すように、端面の目盛を読むとおよそ４５μｍであった。したがって、この接続端面Ｂ＝４５μｍの位置を基準として、ＧＩファイバ３がコリメート光を出力する長さ２７０μｍ（通常ＧＩファイバの１／４ピッチ長と呼ばれる）を残すように、ダイシングソーを用いて例えば深さ１．５ｍｍの第１の溝を形成する。再研磨を行うことによって接続端面Ｂの位置が最終的に変化しても、その位置を基準にＧＩファイバ３の長さを１／４ピッチ長に加工することができる。

続いて同様に、ＳＭＦを融着した側と反対方向に、ＧＩファイバ３、ＳＭファイバ１を融着点Ａを起点として１／４ピッチ長のＧＩファイバ３を残すように第２の溝を形成する。その後、先に築いた第１の溝と第２の溝の間を機械加工にて底面が平らになるように加工を行うことによって、図８（ａ）に示すように、アイソレータ挿入用の凹部Ｃが形成される。結果的には、図８（ｂ）に示すように、基板１０の長手方向に２７０μｍの長さのリッド１３に挟まれた１２５５μｍの長さのリッドが除去された凹部Ｃが形成される。

凹部Ｃに、アイソレータ２０を配置しＵＶ硬化接着剤を用いて接着固定を行うことによって図２に示す光ファイバブロックが作製できる。ＧＩファイバ３から出力される光はこりメート光なので、凹部Ｃに固定されたアイソレータ２０とＧＩファイバ３との間の間隔は厳密さを求められないため、接続端面Ｂの位置が変化しても、その分の変動を凹部Ｃの光伝播方向の間隔で調整できる。

本実施形態では、端面を垂直に研磨したが、より反射を発生させないために、斜めに研磨しＰＬＣとの接続端面Ｂおける反射をより低減することが可能となる。

また研磨だけでなく、ダイシングにより加工を行ったが、ダイシングソーによってブレードを傾けて加工することができる機種もあるため、凹部Ｃを形成するための溝形成時にブレードを傾けて加工を行ってもよい。図９に示すように、基板１０の厚さ方向（ｙｚ面）において傾斜した凹部Ｃが形成される。凹部Ｃに面したＧＩファイバ端面が斜めになるため厳密に言うと伝搬する光が斜めに出射されるために、対向するＧＩファイバとの結合効率が若干劣化するが、アイソレータとの間には屈折率が整合している接着剤が存在するためその程度は非常に小さく大きな損失とはならないため、問題とはならず、数度（１〜３°）傾けておくだけで反射を十分に低減することが可能である。

また、基板１０の厚さ方向に傾けるのではなく、図１０に示すように、光伝播方向（ｘｚ平面上）に若干角度（１°〜３°）で傾けてダイシングすることによっても反射を削減させる効果が得られる。

本実施形態では、ＧＩファイバ３の長さは１／４ピッチ長である場合を例に挙げて説明したが、ＧＩファイバ３の長さはコリメート光を出力できる長さＰ＝Ｐ_1/4（１＋２×ｎ（ｎは０以上の整数））であればこれに限定されない。1/4ピッチ長とは、ＧＩファイバを伝搬する光は、周期的にモードフィールドが変化し伝搬するが、その周期を１ピッチといい、ある波長での１／４ピッチは、伝搬ビームのフィールド径が最も小さい位置（ビームウエスト）から、径が最大となりコリメートされる状態までの長さのことをいう。

本実施形態では、目盛１１は、基板１０側に作製しているが、後にファイバを押さえるリッド１３側に作製しても相対的な位置を知ることは可能であるので同様の効果が得られる。

上述の通り作製した光ファイバブロックの性能を確認する検査方法について説明する。検査は調芯機上に、図２に示すファイバブロックを固定し、研磨した面より、ＸＹＺ方向に可動するステージに固定されたクリーブ端面をもつＳＭＦを固定する。ステージ上に固定されたＳＭＦ側からＴＥ光（ブロック基板上面に対して、水平方向に電界が振幅する偏光）をもつ波長可変レーザ光入力し、ブロック側の出力をパワーメーターに入れることで透過スペクトルを得る。この測定の後、波長可変レーザの入力方向とパワーメーターの出力を入れ替え逆方向の挿入損失を測定し、アイソレーション評価を行う。

図１１は測定の結果を示す図である。測定の結果、波長１．２８μｍから１．３２μｍの間で、挿入損失１ｄＢ以下であり、また入力を逆側から入れた場合の逆方向挿入損失は３２ｄＢ以上となり、測定範囲全域で、３０ｄＢ以上のアイソレーションを得られている。

２つの溝の間を機械加工にて底面が平らになるように加工して作製した凹部Ｃには、ＧＩファイバのレンズ効果でコリメートされた光が伝搬するため、光伝播方向のｚ方向軸に対する光結合効率は、ほとんど変化なく低損失に接続することが可能である。このように作製することで、ＧＩファイバを融着したＳＭＦを挿入する際にある程度適当に配置し、また研磨量が一定でなく、また検査の結果、再研磨を実施したりしても最終的な製造ばらつきは、このコリメート伝搬する区間の長さの違いに集約することができる。したがって、無調芯でありながら、目盛があるがゆえに簡便にＧＩファイバを所望の長さとすることが可能となる。

（第２の実施形態）
図１２から図１８は、第２の実施形態にかかる光ファイバブロックの作製工程について説明する図である。本実施形態の光ファイバブロックは、アイソレータの入出力面が、ＧＩファイバの長手方向に垂直な面に対して厚さ方向の角度一定のままθ傾いた面を有するように配置した点で第１の実施形態の光ファイバブロックとは異なる。さらに、本実施形態の光ファイバブロックでは、アイソレータのθ傾いた面に接続するために、入力側のＧＩファイバと出力側のＧＩファイバがｘ方向にΔｘずらして配置されている。

本実施形態の光ファイバブロックの作製工程を説明する。＜１００＞方位をもつ１ｍｍ厚のＳｉ基板に、ＳｉＯ₂を５００ｎｍ熱酸化により形成する。ＳｉＯ₂は、エッチングのマスクとなる層である。標準的なフォトリソグラフィならびにドライエッチングにより、図１２に示すように、Ｓｉ基板１０上のＳｉＯ₂１４について、後にエッチングしたい部分であるＶ溝、凹部、座繰りを形成する領域を除去するパターニングを行う。このとき、（１１０）方向に平行または垂直方向にＶ溝を形成するようにパターン化する。本実施形態では、図１２に示すように、ＧＩファイバを設置するためのＶ溝を形成する部分の位置がｘ方向にΔｘずれていることが特徴である。

その後、８０度に熱したＫＯＨ溶液に、該基板を付けてＳｉの異方性エッチングを実施する。Ｓｉの異方性から１１１面のエッチングレートが遅いことから、Ｖ溝が形成される（非特許文献６参照）。その後、マスクとして利用したＳｉＯ２膜を、ＨＦ溶液等を利用して除去し、図１３に示すようなＶ溝が形成された基板１０を作製する。

Ｓｉの異方性エッチングはＶ溝が形成された状況で、エッチングがストップするので、目盛もこの工程で一度に形成することができる。第１の実施形態と同じく、目盛に関しては、金属等の膜をパターン化して作製してもいし、感光性樹脂などを、フォトリソグラフィを用いて別途作製するだけでもよい。

この状態で、図１４に示すように、第１の実施形態と同じく、ＧＩファイバを融着固定したＳＭＦをＶ溝に先端が、中央に設けた第一の凹部Ｄにかかる位置にくるように整列させ、逆側より、ＧＩファイバをＶ溝に整列させた状態で、Ｓｉと熱膨張が同等であるガラスからなるリッドで押さえたのちに、ＵＶ硬化型の接着剤を間にできた隙間に浸透させ、ＵＶ光を照射し固定した。

その後は、第１の実施形態と同じく、作製したブロックのＧＩファイバ側の端面に飛び出た、ＧＩファイバ予長をニッパーにて切断し、ファイバが凸をある程度ヤスリで平坦化した後に、研磨を行った。本実施形態では、ファイバに対して垂直に研磨を実施し、端面からおよそ５０μｍ研磨を行い、鏡面となるようにしにした。

図１５に示すように、目盛を読んで、所定の長さにダイシングソーを用いて第一のＧＩファイバ、ならびに、第二のＧＩファイバを所定の長さになるよう溝を形成し、第一、第二の溝の間を機械加工により凹部Ｃを形成する。

最後に、図１６に示すように、整形した中央の凹部に、アイソレータを挿入してＵＶ硬化接着剤にて固定を行った。ここで用いたアイソレータ２０は、入射光に対してθ＝４度傾けて面を形成しているものを用いた。両側に配置しているマグネットに対して、４度傾けて形成済みのアイソレータを用いていたが、ｚｘ平面上で、斜めに偏光子ならびにガーネッの少なくとも一部がＧＩファイバの光の進行方向に対して、傾いて配置されればよく、マグネットに対して垂直に配置したものを傾けて搭載配置しても同じである。

ここで、図１７に示すように、第一のＧＩファイバと第二のＧＩファイバを設置するＶ溝位置がｘ方向にΔｘずれているがこのΔｘについて説明する。

アイソレータ２０は、ファラデー回転子となるガーネット単結晶，それに印加するための磁石，そして４５°の相対角度で配置される２枚の偏光子からなる。偏光子として、ラミポールと呼ばれるシリコン酸化物とアルミニウムの交互多層膜が用いられる。それぞれ、ガーネット単結晶とラミポールを接着する界面ならびに、接着材とラミポールの界面には通常、反射を抑制するために反射防止膜が形成されているが、より高い反射減衰量を得るためには、斜め方向より入射し、界面で発生した反射光を元の光路に戻さないようにすることが実施される。

第１の実施形態の光ファイバブロックの構成では、簡便で、反射防止膜の性能で３０ｄＢ程度のアイソレーションを得ることが可能であるが、用途によっては、より高いアイソレーションが求められる場合がある。例えば、波長精度が求められるような用途では戻り光がレーザの発振波長に及ぼす影響が大きいためより高いアイソレーション５０ｄＢ以上が求められる。そのため、光路に対して斜めにアイソレータを斜めに入射されるように挿入すると、対向したＧＩファイバの結合位置がずれてしまう。

このずれ量は、図１８に示されている。凹部Ｃに配置された接着剤の屈折率をｎ１、偏光子（ラミポール）２３、２１の屈折率をｎ２、厚さをＬ２、ファラデー回転子（ガーネット結晶等）２２の屈折率をｎ３、厚さをＬ３、接着剤から偏光子へのコリメートされた平面波の入射角度をθ１、偏光子からファラデー回転子への入射角をθ２、ファラデー回転子内の出射角度を各面の法線方向を基準に定めると、スネルの法則よりｎ₁ｓｉｎθ₁＝ｎ₂ｓｉｎθ₂＝ｎ₃ｓｉｎθ₃が成り立つ。

入力側のＧＩファイバからのコリメートされたビームを幾何学的に、θ１傾いた素子に対して、初段の偏光子を通過した時点でのｘ方向の光線のｘ方向ずれ量をΔｘ₂、ファラデー回転子を通過した時点でのそれをΔｘ₃とすると

となり、後段の偏光子も、偏光方向が違うだけで同じものを利用したとすると通過後のｘ方向ずれ総量は、Δｘ＝２Δｘ₂＋Δｘ₃となる。なお、対称な層構造である場合は、出力と入力の角度は同じで、ｘ方向のシフトだけを考慮すればよい。

このように概ねのΔｘの値は計算により求められるが、最適化するには実際Δｘを少しずつ変化させたものを一度作製し、最適値を求めればよく、Δｘシフトする量は、ここに記載したものに限るものではない。

入力側のＧＩファイバと出力側のＧＩファイバを設置するＶ溝位置がｘ方向にΔｘずれていることにより、基板の長手方向（ｚｘ平面）に対してアイソレータ２０の入出力面が傾いた状態となるよう配置して光の出力がずれた分を補正することが可能となる。そうすることで、アイソレーションを大きく確保しつつも、損失増加を抑えることが可能となる。

第２の実施形態に示した方法で作製したデバイスを評価すると、図１９に示すように、アイソレータ２０を斜めに置いた効果もあり、挿入損失１ｄＢ、逆方向挿入損失は５０ｄＢ以上とれ、アイソレーションが十分に得られることが確認できる。

（第３の実施形態）
図２０は第３の実施形態の光ファイバブロックの平面図であり、図２１はＧＩファイバが配置された状態の第３の実施形態の光ファイバブロックの平面図であり、図２２は、図２１の側面図である。第２の実施形態ではアイソレータの入出力面が、ＧＩファイバの長手方向に垂直な面に対して厚さ方向の角度一定のままθ傾いた面を有するように配置する構成を示したが、本実施形態ではアイソレータの入出力面が、ＧＩファイバの長手方向に垂直な面に対して基板の厚さ方向にθ傾いた面を有するように配置する点で第１の実施形態とは異なる。さらに本実施形態の光ファイバブロックでは、入力側のＧＩファイバを固定するＶ溝の幅Ｗ１と、出力側のＧＩファイバを固定するためにＶ溝の幅Ｗ２とを変えることで対向するＧＩファイバにおいて厚さ方向にずれを発生させることができる。第２の実施形態と同様に異方性エッチングを採用することにより、エッチング方向は一定となるので、Ｖ溝の幅が大きくなるとＶ溝の深さは深くなる。

図２２に示すように、基板の厚さ方向で傾いたアイソレータ２０を挿入し、挿入損失が最少となるように対向するＧＩファイバ３が基板１０の厚さ方向（図示ｙ軸方向）にずれるように、Ｖ溝の幅を調整すれば、第２の実施形態と同様に、アイソレーションを大きく確保しつつも、損失増加を抑えることができる。

図２２に示す例では入力側のＧＩファイバ３のコアが出力側のＧＩファイバのコアよりＶ溝基板厚さ方向に対して低い位置にくる例を示しているが無論逆でもよい。挿入するアイソレータの角度に合わせて設定すればよい。

ずらす量Δｙについても、第２の実施形態と同様に幾何学的におおよそ求めることができ、最終的には実デバイスを作り、最適化すればよい。

（第４の実施形態）
本実施形態では、ＰＬＣアレイ導波路格子型光合分波器を用いたハイブリット集積型、ＬＡＮ−ＷＤＭの４×２５Ｇｂ／ｓ送信機（ＴＯＳＡ）の構成を示す。図２３は本実施形態のＰＬＣを備えた送信機（ＴＯＳＡ）を示す図である。図２３に示す送信機では、ＰＬＣとして、調心用導波路付きＬＡＮ−ＷＤＭ信号分波用アレイ導波路格子型光フィルタの導波路を採用している。

ＰＬＣ１０３に用いた導波路は、石英ガラスにゲルマニウムを添加した埋め込み導波路で、比屈折率差を２％とし、標準の導波路のコアの高さを４μｍ、コアの幅を４μｍとした。

用いた導波路の材質と導波路パラメータは、合光する４波の波長を１２９５．５６ｎｍ、１３００．０５ｎｍ、１３０４．５８ｎｍ、１３０９．１４ｎｍとし、透過損失のチャネル間格差を考慮しＦＳＲを７８３０ＧＨｚとした。結果、隣接するＳ字状アレイ導波路間に付与する導波路長差は、２５．７９μｍとした。また、合分波特性の透過域での平坦性を出現させるため、入力導波路と出力導波路との導波路幅を違う値にした。具体的には第１のスラブ導波路１０７に接続される出力導波路の幅を８．０μｍとし、第２のスラブ導波路１０５に接続される４本の入力導波路１０５の幅を１５μｍとした。
作製したＰＬＣ部分を評価した結果、過剰損失１．５ｄＢのフラットトップ特性が得られ、ほぼ狙った波長（周波数）で合波特性が得られていることが確認された。

また、出力導波路１０８は、ＳＭＦとの結合損失を低減するためスポットサイズ変換器を設けており、モードフィールドはＳＭＦのそれとほぼ一致するようにフィールドを拡大して作製している。別途このＳＳＣ部分の評価を実施したところ、０．３ｄＢ／接続でＳＭＦと接続できることが確認された。つまり、ＳＦＭとほぼ同じモードフィールドを実現できている。かかるＰＬＣ１０３は、標準的なＰＬＣの製造工程を用いて作製し、レーザ搭載部のガラスは除去した後に、電極の形成を行っている。

ウエハで形成されたＰＬＣをダイシングで切り出し、必要な出力側の面の研磨を実施した後、発振波長が１２９５．５６ｎｍ、１３００．０５ｎｍ、１３０４．５８ｎｍ、１３０９．１４ｎｍの４つのＬＤを赤外透過によるマーク認識による位置合わせを高精度フリップチップにより実施し、各レーザをリフロー工程により固定した。ＬＤ搭載工程は、例えば非特許文献７に示すような公知の手法を採用することができる。

これらに対し、第１の実施形態で説明したアイソレータファイバブロックをＬＤの一つをプロバで電流を供給し発振させて、アクティブ調芯し、ＵＶ硬化接着剤を用いて最適な位置で固定を行った。

従来は、このようなデバイスは、別途ＰＬＣの端面にレンズを取り付け、コリメートしてだし、アイソレータを通過させた後に、再度レンズを有するレセプタクルを調心してファイバへの結合が得られるように調芯をしていたため、実装のための調芯回数が多く、また、部材が大きく小型化が困難であったが、本実施形態のようにアイソレータを内包したファイバブロックを用いることで、小型化が可能であり、調芯回数を削減できるというメリットが得られる。

また、ＰＬＣそのものは石英系材料からできており、高い信頼性が得られる。このため、ＰＬＣそのものは、封止が不要である。よって、ＬＤを別途、非特許文献８に示されているような公知の局所封止技術を用いてＬＤ周辺を封止すれば、通常用いられる金属とセラミックからなる気密が取れられたケースそのものも不要となり大幅なコスト削減が可能となる。

局所封止が出来ているにも関わらず、従来のように大きなバルクレンズ２枚を対向させその間にアイソレータを設置すると、コストを抑えて作製することができなかったが、以上の実施形態のアイソレータを内包したファイバブロックとＰＬＣを用いれば、大幅なコスト削減と小型化が可能なＴＯＳＡを提供できる。

（第５の実施形態）
以上の実施形態では、図２４に示すように、ＰＬＣ上に図示しないスポットサイズ変換器を設けて、ＰＬＣから出力されるモードフィールドがＳＭＦのモードフィールドとほぼ一致するように拡大１０９してから、ＧＩファイバに入力し、同じ長さの対向するＧＩファイバで再度集光してＳＭＦの端面に同じ像を形成することで、低損失な接続を実現していた。

本実施形態では、入力側のＧＩファイバを出力側のＧＩファイバの開口数（ＮＡ）より高いＮＡを持つＧＩファイバによって構成することにより、図２５に示すように、モードフィールドの変換もアイソレータを内包したファイバブロックを用いて実現することが可能である。ビーム・スポット径は光源の波長に比例し，レンズの開口数（ＮＡ：ｎｕｍｅｒｉｃａｌａｐｅｒｔｕｒｅ）に反比例することは良く知られている。本実施形態では、レンズの開口数ＮＡを調整することにより、モードフィールドを変換している。また、本実施形態では、入力側のＧＩファイバを出力側のＧＩのＮＡより高いＮＡを持つＧＩファイバによって構成する態様を例に挙げて説明しているが、逆に、入力側のＧＩファイバを出力側のＧＩのＮＡより低いＮＡを持つＧＩファイバによって構成しても同様にモードフィールドの変換を行うことができる。図２４に示すように、ＰＬＣ上にスポットサイズ変換器を設ける場合は、例えばＳＳＣの長さに１．５ｍｍが必要となり、チップサイズもそれなりの長さが必要であった。本実施形態の光ファイバブロックによれば、この長さ分チップサイズを小さくすることができ、１枚のウエハからの個取り数が大きく取れる。先に述べたようＧＩファイバの１／４ピッチがＰＬＣ上に設けられたＳＳＣの長さよりも短い場合は、デバイスそのもののサイズを小さくでき、より小型化が可能である。

本実施形態の光ファイバブロックの効果を例証した。具体的には、入力側のＧＩファイバをＮＡが０．４６、コア直径６２．５μｍ、ファイバ直径が１２５μｍのＧＩファイバを用いて、１／４ピッチとなるような長さとなるようにし、第１の実施形態と同様の構造にてアイソレータファイバブロックを作製した。作製方法は上記のように入力側のＧＩファイバのＮＡと長さが異なること以外は同じである。

出力端のモードフィールドを実測したところ、第１の実施形態の構成で、１０．３μｍであったＭＦＤ（Ｍｏｄｅ−ｆｉｅｌｄｄｉａｍｅｔｅｒ：モードフィールド径）が、４．６μｍとほぼ半分まで削減されていることを確認することができた。

本実施形態のように、ＮＡの異なるＧＩファイバを対向させることにより、ＮＡ変換の機能（スポットサイズ変換器の機能）をアイソレータを内包した光ファイバブロックに付加することができ、本来ＰＬＣ上に必要としていた機能であるＮＡ変換部（スポットサイズ変換）をＰＬＣからなくすことが可能である。アイソレータを内包した光ファイバブロック自体の作製工程はほとんど変化させることなく、ＰＬＣの占有面積が小さくなり、デバイスサイズの削減ならびに、１枚のウエハからの個取り数の増加が可能で、コスト削減の効果が得られる。

１ＳＭファイバ
２被覆
３ＧＩファイバ
１０基板
２０光アイソレータ
１２Ｖ溝
１３リッド
１００光ファイバブロック
１０１ＴＯＳＡ
１０２光ファイバ
１０３ＰＬＣ
１０４ＬＤ
Ａ融着点
Ｂ接続端面
Ｃ凹部
Ｄ第１の凹部

Claims

レーザーダイオード（ＬＤ）を搭載した外部基板に対して戻り光とのアイソレーションを行うアイソレータを内包した光ファイバブロックであって、
前記ＬＤからの光が入力され、コリメート光に変換して出力するグレーティッドインデックスマルチモード（ＧＩ）ファイバと、
ＧＩファイバを直線状に固定するための溝が形成された基板と、
前記溝に固定されたＧＩファイバを前記基板に対して押さえて固定するリッドと、
前記基板上に設けられた前記リッドと前記ＧＩファイバとが除去された凹部に前記ＧＩファイバと光接続されるように配置された前記アイソレータとを備え、
前記ＧＩファイバの一端にはシングルモードファイバが接続されており、前記シングルモードファイバの一部は、前記溝と前記リッドにより固定されており、前記基板には、前記ＧＩファイバの光の伝播方向について位置基準を与える目盛が前記溝に沿って形成されており、前記リッドは、該目盛を読み取り可能なように透明に形成されていることを特徴とする光ファイバブロック。
ＬＤを搭載した外部基板に対して戻り光とのアイソレーションを行うアイソレータを内包した光ファイバブロックであって、
前記ＬＤからの光が入力され、コリメート光に変換して出力するＧＩファイバと、
ＧＩファイバを直線状に固定するための溝が形成された基板と、
前記溝に固定されたＧＩファイバを前記基板に対して押さえて固定するリッドと、
前記基板上に設けられた前記リッドと前記ＧＩファイバとが除去された凹部に前記ＧＩファイバと光接続されるように配置された前記アイソレータとを備え、
前記ＧＩファイバの一端にはシングルモードファイバが接続されており、前記シングルモードファイバの一部は、前記溝と前記リッドにより固定されており、前記リッドには、前記ＧＩファイバの光の伝播方向について位置基準を与える目盛が前記溝に沿って形成されており、かつ前記リッドは、該目盛を読み取り可能なように透明に形成されていることを特徴とする光ファイバブロック。
前記外部基板と接続される、前記光ファイバブロックの接続端面は鏡面研磨されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバブロック。
前記ＧＩファイバは、前記アイソレータの上流側に配置された入力側ＧＩファイバと、前記アイソレータの下流側に配置された出力側ＧＩファイバとを含み、該入力側ＧＩファイバおよび該出力側ＧＩファイバはそれぞれ、１／４ピッチ長に１／２ピッチ長のｎ倍（ｎは０以上の整数）を加えた長さであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光ファイバブロック。
前記アイソレータの光の入力面および出力面が、前記ＧＩファイバの長手方向と垂直な面に対して傾きθを有するように配置され、
前記入力側ＧＩファイバと前記出力側ＧＩファイバとは、前記傾きθに応じて前記ＧＩファイバの長手方向と垂直な方向にずらして配置されていることを特徴とする請求項４に記載の光ファイバブロック。
前記溝は前記入力側ＧＩファイバが固定される溝と前記出力側ＧＩファイバが固定される溝とで幅が異なり、前記入力側ＧＩファイバと前記出力側ＧＩファイバとは、前記基板の深さ方向に軸ずれして配置されていることを特徴とする請求項４または５に記載の光ファイバブロック。
前記入力側ＧＩファイバの開口数（ＮＡ）と、前記出力側ＧＩファイバのＮＡとは互いに異なることを特徴とする請求項４から６のいずれかに記載の光ファイバブロック。