JP7244788B2 - 光ファイバ接続構造 - Google Patents

Description

本発明は、複数本の光ファイバのコア端面を所定のコアピッチで整列配置する光ファイバアレイに関する。

光通信装置の装置あたりの通信容量を増大させるため、より小型・高機能な光モジュールの研究開発が盛んに進められている。そのための有望な技術として、シリコンフォトニクス（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ：ＳｉＰ）技術がある。

ＳｉＰ技術はコア材料としてシリコン（Ｓｉ）、クラッド材料として石英ガラス（ＳｉＯ_２）を用いた光回路の技術である。以降、光回路の光導波路について言うときはＳｉ導波路、光回路チップ全体をいうときはＳｉＰ回路と称することとする。Ｓｉ導波路はコア－クラッド間の比屈折率差が大きいため、導波路の断面積、最小曲げ半径を他材料による光回路より格段に小さくでき、高密度集積した光回路が可能となる。

ＳｉＰ回路を実際にモジュール化して使用可能にするためには、複数本の入出力用の光ファイバを光ファイバアレイとして纏めて、ＳｉＰ回路の光導波路端面に接続固定する必要がある。図１に、ＳｉＰ回路と従来の光ファイバアレイを接続した光ファイバ接続構造の模式図を示す。

図１でファイバアレイ１０１は、基板表面に所定のコア間隔で断面がＶ字型のＶ溝１０３が複数平行に形成されたＶ溝基板１０２の上に、複数の光ファイバ１０４をＶ溝で整列させ、押さえ板１０５で上から押さえて接着剤１０６などで固定することで作製される。

ＳｉＰ回路１０７は、ファイバアレイ１０１と光結合して接続される光回路であり、各光ファイバ１０４と対応して光信号を送受するための入出力導波路として、Ｓｉ導波路１０８を回路基板表面近傍に複数有する。

ＳｉＰ回路１０７は、通信波長帯の光の透過率が高い光学接着剤などでファイバアレイ１０１と接着され、各々のＳｉ導波路１０８のコア端面が、ファイバアレイ１０１の各々の光ファイバ１０４のコア端面に位置を合わせて配置されて、光結合されている。

ＳｉＰ回路１０７とファイバアレイ１０１の接続部における光軸位置合わせに要求される精度は、接続部における光のモードフィールド径（ＭＦＤ：光ビームの断面における光電力分布の広がりを表す指標）に依存する。ＭＦＤが小さいほど、同じ光軸位置ずれに対する接続損失の劣化が大きくなるため、要求精度は厳しくなる。

図２は、Ｓｉ導波路１０８と光ファイバ１０４のコア間光軸ずれ量に対する接続損失変動の一例を示したグラフである。図２の横軸が光軸ずれ量（μｍ）であり、縦軸が光軸ずれ量に対応した接続損失変動（ｄＢ）である。図２から、接続損失変動を０．１ｄＢ以内に抑えるためには、位置ずれ量を０．２８μｍ以下にしなければならないことが分かる。

特開２００１－２２８３４５号公報

しかし、本発明者は、たとえ光ファイバコアとＳｉ導波路との間の位置合わせを高精度に行えたとしても、次に述べる問題点があることを見出した。

図３（ａ）、（ｂ）は、この問題点を説明する従来のファイバアレイにおける、ファイバアレイ１０１とＳｉＰ回路１０７との接続部をＳｉＰ回路１０７側から光軸方向に見た断面図である。

図３では簡単のため光ファイバ１０４の１本のみを描いており、手前側にＳｉＰ回路１０７の基板断面を、奥にファイバアレイ１０１の端面を、透視図として重ねて描いている。図３で、ファイバアレイ１０１の抑え板１０５とＶ溝基板１０２および光ファイバ１０４を接着する接着剤１０６は、光ファイバ１０４の下側のＶ溝１０３との間の空間まで充填していることに注意されたい。

二点鎖線３０１は、ＳｉＰ回路１０７の基板断面においてＳｉ導波路１０８のコアがある深さの位置を示しており、これは図３（ａ）の位置ずれがない状態で、光ファイバ１０４のコアの位置を通過している。図３に図示のないＳｉ導波路１０８のコアは、図３（ａ）の位置ずれがない状態では光ファイバ１０４のコアの位置と一致している。

ＳｉＰ回路１０７においては、Ｓｉ導波路１０８はＳｉＰ回路１０７の回路基板表面から多くとも１０μｍ以内、一般的には４μｍ程度と、ＳｉＰ回路１０７の回路基板表面に非常に近い位置にあるため、回路表面はファイバ断面の上端に届くことはない。

したがって、ファイバアレイ１０１とＳｉＰ回路１０７が光学接着剤３０２により接着されるとき、光学接着剤３０２が行きわたる領域は、図３の一点鎖線で示された領域３０２の内部になる。光学接着剤３０２がはみ出して形成されるフィレット部を考慮しても、ＳｉＰ回路１０７はほぼＶ溝基板１０２に対して固定され、押さえ板１０５には固定されないと考えてよい。

ここで図３（ｂ）に、接続部の温度が変化した場合の、ファイバアレイ１０１内の接着剤１０６の熱膨張の影響について説明する。ＳｉＰ回路１０７はＶ溝基板１０２に対して光学接着剤３０２により接着されており、両者の相対位置関係は変化しない。このため、Ｖ溝基板１０２のＶ溝１０３と光ファイバ１０４の間に閉じ込められた部分の接着剤１０６が膨張することによって、光ファイバ１０４がＶ溝基板１０２から浮きあがり、光ファイバ１０４のコアとＳｉ導波路１０８のコアとの間で位置ずれが引き起こされる。これによって、接続損失が増加するという問題が生じる。

図３（ｂ）において例えば、Ｖ溝１０３の開き角度が６０度、光ファイバ１０４の外径が１２５μｍであるとすると、光ファイバ下端からＶ溝下端までの距離はちょうど光ファイバの半径と等しく、６２．５μｍとなる。接着剤１０６としてエポキシ系接着剤を用いるとし、その線膨張率を８×１０^－５ ［Ｋ^－１］と仮定すると、一般的な動作温度範囲である－５～８５℃、すなわち９０℃の温度変化に対しては０．４５μｍのコア位置変動となり、これは図２より０．２６ｄＢと、無視できない接続損失変動を引き起こす。

引用特許文献１には、石英系ガラスを主成分とする光回路である石英ＰＬＣ（Ｐｌａｎａｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ）の上に、研磨補強用としての板張りガラスを接着する構造が示されている。これは今日、石英ＰＬＣに対しては一般的に用いられている構造であり、この構造は研磨時の補強に役立つのみならず、押さえ板を含めたファイバアレイ全面と光回路とが接着されるため、光軸ずれの抑制にも寄与していると考えられる。

しかしながら、ＳｉＰ回路１０７の場合は、回路サイズが数ミリ角と石英ＰＬＣに比べて小さく、ファイバアレイ１０１との接続部だけに、このような補強用ガラス板を接着することが困難である。また、ＳｉＰ回路１０７は変調器等の回路素子を駆動するための電極が表面にて露出している必要があるため、チップ表面を補強用ガラス板で覆ってしまうこともできない。このような事情から、この構造はＳｉＰ回路１０７に対しては適用困難である。

すなわち、ＳｉＰ回路１０７は、接続損失が位置ずれに敏感であることに加え、Ｖ溝基板１０２だけが接着固定されるという特有の事情があるために、Ｖ溝内の接着剤の熱膨張により接続損失が増大悪化するという問題が発生するのである。

本発明はこの課題を鑑みてなされたものであり、ＳｉＰ回路に光結合する光ファイバアレイにおいて、温度が変動した際の導波路と光ファイバコアとの位置ずれを抑制し、接続損失の温度依存性を低減できる光ファイバアレイを提供すること目的とする。

本発明の実施形態の一例は、このような目的を達成するために、以下のような構成を備えることを特徴とする。
（構成１）
光ファイバ整列用のＶ溝が形成されているＶ溝基板と、Ｖ溝基板に積層接着された押さえ板と、Ｖ溝基板のＶ溝内に接着固定されている光ファイバを含む光ファイバアレイと、Ｖ溝基板と光学接着剤により接着されているＳｉＰ回路であって、押さえ板には接着されていないＳｉＰ回路とにより構成されている光ファイバ接続構造であって、
光ファイバアレイの光ファイバの下端からＶ溝の底までの間の距離ｄが２０μｍ未満である
ことを特徴とする光ファイバ接続構造。
（構成２）
構成１に記載の光ファイバ接続構造であって、
Ｖ溝の開き角度の半角θが、光ファイバの半径をｒ[μｍ]として、
θ＞Ｓｉｎ－１（ｒ／（ｒ＋２０））
を満たす
ことを特徴とする光ファイバ接続構造。
（構成３）
構成１に記載の光ファイバ接続構造であって、
Ｖ溝断面の底形状が、略円弧状であり、その曲率半径ｒ２[μｍ]が、光ファイバの半径をｒ１[μｍ]、Ｖ溝の開き角度の半角をθとして、
ｒ１－２０ｓｉｎθ／（１－ｓｉｎθ）＜ｒ２≦ｒ１
を満たすことを特徴とする光ファイバ接続構造。
（構成４）
構成１に記載の光ファイバ接続構造であって、
Ｖ溝断面の底形状が、基板に水平な直線状であって、その長さｗが、光ファイバの半径をｒ[μｍ]、Ｖ溝の開き角度の半角をθとして、
ｗ＞２ｔａｎθ｛ｒ（１／ｓｉｎθ－１）－２０｝
を満たすことを特徴とする光ファイバ接続構造。

以上記載した本発明の光ファイバアレイによれば、ＳｉＰ回路に光結合する光ファイバアレイにおいて、温度が変動した際の導波路と光ファイバコアとの位置ずれを抑制し、接続損失の温度依存性を低減できる光ファイバアレイを提供することが可能となる。

従来のファイバアレイとＳｉＰ回路の光ファイバ接続構造の模式図である。 コア間光軸ずれ量に対する接続損失変動を示すグラフである。 従来のファイバアレイとＳｉＰ回路の接続部の断面図（ａ），（ｂ）である。 実施形態１のファイバアレイとＳｉＰ回路との接続部の断面図である。 実施形態２のファイバアレイとＳｉＰ回路との接続部の断面図である。 実施形態３のファイバアレイとＳｉＰ回路との接続部の断面図である。 実施形態３におけるプレス形成によるＶ溝作製工程を説明する図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

まず、光ファイバとＶ溝の間の接着剤の膨張によってＳｉ導波路と光ファイバとの光軸位置ずれが引き起こされるのであるから、当該部位の接着剤の厚みを減じることが必要となる。

以下の実施形態１～３では、図４から６に示すように、光ファイバ下端からＶ溝の底までの間の距離をｄとし、等価的なＶ溝の開き角の半角をθとする。図４から６において、Ｖ溝の断面形状以外は基本的に同様な構造である。

考慮すべき動作温度範囲を－５℃から８５℃までであるとする。また、光ファイバアレイを組み立てる際に用いられる接着剤の線膨張係数は、大きくても１０^－４［Ｋ^－１］程度であるので、ｄは２０μｍ未満になるようにするのが望ましい。

このようにすれば、接着剤の膨張分、すなわちファイバが押し上げられる変位は高々０．１８μｍ未満に抑えられ、図２から接続損変動分は０．０４ｄＢ未満となり、ＳｉＰ回路に光を入力および出力する２回分の接続を考慮しても、接続損変動分は０．０８ｄＢ未満と十分に低く抑えられる。
（実施形態１）
図４は、本発明の実施形態１のファイバアレイ４０１と、ＳｉＰ回路１０７との接続部の接続断面図である。図４の実施形態１では、Ｖ溝４０３の開き角θが通常のＶ溝より広くなっており、それにより距離ｄが従来例より狭くなっている。

図４に示すようにＶ溝４０３の開き角の半角をθ、ファイバの半径をｒ［μｍ］とすると、Ｖ溝底部の曲率半径を無視すれば、簡単な幾何計算から、次の式が成り立つ。

ｄ＝ｒ（１／ｓｉｎθ－１）
ｄ＜２０μｍの条件から、
θ＞Ｓｉｎ^－１（ｒ／（ｒ＋２０）） ・・・式（１）
となる。これがＶ溝４０３の開き角の条件を与える。

ｒ＝６２．５μｍのファイバの場合は、θ＞４９．２５°、すなわち開き角は９８．５°より大きいことが必要となる。

このようにすれば、光ファイバ１０４の下側のＶ溝４０３との間にある接着剤１０６の部分の距離ｄを２０μｍ未満にでき、ＳｉＰ回路に対して接続損の温度変動が十分に小さいファイバアレイを実現できる。
（実施形態２）
図５は、本発明の実施形態２のファイバアレイ５０１と、ＳｉＰ回路１０７との接続部の接続断面図である。

図５の実施形態２では、Ｖ溝５０３の断面形状の先端（底）を略円弧状に丸めて、先端の曲率半径を大きくすることにより、光ファイバ下端とＶ溝５０３の底との間の距離ｄが狭くなっている。これはＶ溝を形成するときに、先端曲率半径の大きな刃形状を持つブレードで研削することで製造可能である。

同様にＶ溝５０３の開き角の半分をθとし、光ファイバの半径がｒ_１［μｍ］、Ｖ溝先端の曲率半径がｒ_２［μｍ］であるとき、ｄは次の式で表される。

ｄ＝（ｒ_１－ｒ_２）（１／ｓｉｎθ－１） ・・・式（２）
０μｍ＜ｄ＜２０μｍから、ｒ_２の条件として
ｒ_１－２０ｓｉｎθ／（１－ｓｉｎθ）＜ｒ_２≦ｒ_１ ・・・式（３）
を得る。

ｒ_１＝６２．５μｍ、θ＝３０°の場合であれば、４２．５μｍ＜ｒ_２≦６２．５μｍが導かれる。この条件を満たすＶ溝形状であれば、ＳｉＰ回路に対して接続損の温度変動が十分に小さいファイバアレイを実現できる。

特にＶ溝先端の曲率半径を光ファイバ１０４の半径と等しく（ｒ_２＝ｒ_１）すれば、膨張により光ファイバ１０４を浮き上がらせる接着剤１０６の厚みｄを最小とすることができる。
（実施形態３）
図６は、本発明の実施形態３のファイバアレイ６０１とＳｉＰ回路１０７との接続部の断面図である。

図６の実施形態３では、Ｖ溝６０３の底は平面（平底）であり、その幅をｗとする。すなわち、実施形態３ではＶ溝断面の底形状が、基板に水平な直線状であって、その長さ（幅）をｗとする。Ｖ溝６０３の開き角の半分をθとし、光ファイバの半径がｒ［μｍ］とする。

このとき、次の式が成り立つ。

ｄ＝ｒ（１／ｓｉｎθ－１）－ｗ／２ｔａｎθ ・・・式（４）

ｄ＜２０μｍから、ｗの条件として
ｗ＞２ｔａｎθ｛ｒ（１／ｓｉｎθ－１）－２０｝ ・・・式（５）
を得る。

ｒ＝６２．５μｍ、θ＝３０°の場合であれば、ｗ＞４９．１μｍと求まる。

この条件を満たすＶ溝断面形状であれば、ＳｉＰ回路に対して接続損の温度変動が十分に小さいファイバアレイを実現できる。
（実施形態３のＶ溝作製工程）
実施形態３のＶ溝６０３の形状は、直接基板をブレードで研削してＶ溝を形成するのではなく、プレス形成によってＶ溝基板を作製する際に適する。

すなわち、図７の実施形態３のＶ溝作製工程に示すように、まずＶ溝の断面形状に対応する断面形状の凸部７０１を有する金型７００を準備する。金型７００の凸部７０１の形状がＶ溝７０３の形状に一致することになるため、Ｖ溝底面に相当する凸部７０１の上面の幅ｗを、前述のｗ＞４９．１μｍを満たすように凸部７０１の高さｈを調整しておく。これは、金型表面を研磨することによって簡便かつ精度よく調整することができる。

そしてこの金型７００を用いて、モールド成型を行う。あらかじめ金型に離型膜を施しておき、ガラスプリフォーム７０２を加熱した状態で金型７００で圧力を加えて、モールド成型する。成型後、加圧力を弱めながら冷却し、Ｖ溝７０３の形成された完成したＶ溝基板を型から取り出す。

以上のように、本発明の光ファイバアレイによれば、ＳｉＰ回路において、温度が変動した際の導波路と光ファイバコアとの位置ずれを抑制し、接続損失の温度依存性を低減することができる光ファイバアレイを提供することが可能となった。

Claims (4)

1. 光ファイバ整列用のＶ溝が形成されているＶ溝基板と、前記Ｖ溝基板に積層接着された押さえ板と、前記Ｖ溝基板の前記Ｖ溝内に接着固定されている光ファイバを含む光ファイバアレイと、前記Ｖ溝基板と光学接着剤により接着されているＳｉＰ回路であって、前記押さえ板には接着されていないＳｉＰ回路とにより構成されている光ファイバ接続構造であって、
   前記光ファイバアレイの前記光ファイバの下端から前記Ｖ溝の底までの間の距離ｄが２０μｍ未満である
   ことを特徴とする光ファイバ接続構造。
2. 請求項１に記載の光ファイバ接続構造であって、
   前記Ｖ溝の開き角度の半角θが、前記光ファイバの半径をｒ[μｍ]として、
   θ＞Ｓｉｎ^-1（ｒ／（ｒ＋２０））
   を満たす
   ことを特徴とする光ファイバ接続構造。
3. 請求項１に記載の光ファイバ接続構造であって、
   Ｖ溝断面の底形状が、略円弧状であり、その曲率半径ｒ₂[μｍ]が、前記光ファイバの半径をｒ₁[μｍ]、前記Ｖ溝の開き角度の半角をθとして、
   ｒ₁－２０ｓｉｎθ／（１－ｓｉｎθ）＜ｒ₂≦ｒ₁
   を満たすことを特徴とする光ファイバ接続構造。
4. 請求項１に記載の光ファイバ接続構造であって、
   Ｖ溝断面の底形状が、基板に水平な直線状であって、その長さｗが、前記光ファイバの半径をｒ[μｍ]、前記Ｖ溝の開き角度の半角をθとして、
   ｗ＞２ｔａｎθ｛ｒ（１／ｓｉｎθ－１）－２０｝
   を満たすことを特徴とする光ファイバ接続構造。

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