JPH0293505A - 光フアイバガイド - Google Patents

光フアイバガイド

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JPH0293505A
JPH0293505A JP24416288A JP24416288A JPH0293505A JP H0293505 A JPH0293505 A JP H0293505A JP 24416288 A JP24416288 A JP 24416288A JP 24416288 A JP24416288 A JP 24416288A JP H0293505 A JPH0293505 A JP H0293505A
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JP
Japan
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optical fiber
optical
guide
fiber
hole
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JP24416288A
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English (en)
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Takeshi Kato
猛 加藤
Fumio Yuki
文夫 結城
Katsuaki Chiba
千葉 勝昭
Kenichi Mizuishi
賢一 水石
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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  • Optical Couplings Of Light Guides (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、シリコン単結晶に形成された貫通口に光ファ
イバを挿入して位置決めする光ファイバガイドに係り、
特に堅固且つ安定にガイドするのに好適な光ファイバガ
イドに関する。
〔従来の技術〕
従来の光ファイバガイドは、例えば特公昭62−143
26号、特開昭62−192710号や昭和62年電子
情報通信学会半導体・材料部門全国大会401に記載の
ものが知られている。
特公昭60−14326号では、シリコン単結晶の結晶
面(111)から成る四角錐状のガイド穴を貫通したフ
ァイバが穴の先端において点接触している。
特開昭62−192710号では、ファイバがファイバ
外径より小さい貫通口の傾斜面(結晶面(111))に
直接点接触して位置決めされている。
昭和62年電子情報通信学会半導体・材料部門全国大会
401では、テーパー型先球ファイバが貫通口に嵌合し
ており、貫通口の先端で点接触している。
〔発明が解決しようとする課題〕
上記従来技術は、ファイバをガイドに挿入した際、ファ
イバと貫通口の接触点において発生するシリコン単結晶
のチッピングについて配慮していない、すなわち、硬脆
材であるシリコン単結晶は接触点へ集中する応力によっ
て破壊される。したがって、ガイドの機械的な信頼性に
欠ける上、ファイバの位置が所定の位置からずれるとい
う問題があった。
本発明の目的は、上記チッピングを防止し、ファイバを
堅固且つ安定にガイドすることにある。
〔課題を解決するための手段〕
上記目的は、ファイバとガイドの接触箇所に可塑材の被
覆を施すことにより達成される。さらに上記目的は、上
記方法によるファイバガイドを使用し、光導波路と光フ
ァイバを光学的結合した光デバイスを提供することにあ
る。
〔作用〕
上記被覆にファイバが接触すると、応力によって被覆が
塑性変形する。この変形により、被覆とファイバの接触
面積が増すので、シリコンにかかる単位面積当たりの応
力が減少する。したがって。
応力はシリコンの破壊強度以下に抑えられ、チッピング
が防止される。
〔実施例〕
以下1本発明の実施例を図面と共に説明する。
第1図に1本発明の第1実施例の光ファイバガイドの断
面図を示す。
第1図において、1は結晶面(100)のシリコン単結
晶ウェハ、2は結晶面(111)から成四角錐状の貫通
口、3はウェハ1の上面に施した蒸着膜、4はウェハ1
の全面に施した被覆である。
貫通口2は、一般によく知られている結晶異方性エツチ
ングによって加工した0貫通口2のテーパー角度はシリ
コンの結晶方位によって決まり、70.5℃である0貫
通口2の最小口径は50.0X50.0μmである。正
方形にバターニングされた5ins膜をエツチングマス
クとしてウェハ1をKOH水溶液中でエツチングすると
、エツチング速度が最も遅い結晶面(111)が残り貫
通口2が形成される。加工精度はマスク精度で決まるの
で、μmオーダーの高い精度を得ることができた。
貫通ロ2加工後、5ins膜を取り除いたウェハl上面
にT i / N iから成る膜3を蒸着した。
膜厚はTiが1500人、Niが1000人である。
被覆4は、簡便な電解鍍金法により付けたNi膜である
。Niは可塑性を有する。膜厚は4μmであり、膜の付
着性は充分良かった。蒸着膜3を電極とすることにより
、ウェハ1の面積が大きい場合や貫通口2を複数加工す
る場合であってもウェハ1内で均一な膜厚分布が得られ
た。ウェハ1は半導体なので、膜3の表面と共にウェハ
1下面にも鍍金される。
第2図は、第1実施例に示した光ファイバガイドに光フ
ァイバ5を挿入・嵌合させたところを示す断面図である
第2図において、5はシングルモード石英ファイバ(外
径125μm、スポットサイズ半径5μm)である。そ
の先端にはテーパー(細径化)加工が施され、先球レン
ズ6が形成されている。
テーパー角度が60°、先球レンズ半径が15μmのも
のを用いた。7はガイドとファイバの接触箇所(4箇所
)である。
ファイバ5を貫通口2に挿入・嵌合する際、接触箇所7
には荷重(応力)がかかる、可塑材である被覆4は、こ
の荷重によりファイバ形状に応じて塑性変形する。被覆
を施さないウェハ1にそのままファイバ5を挿入した場
合(第3図)は点接触(図中の8)であるのと比べ、本
第1実施例は上記変形により接触箇所7が面接触となる
(接触面積が増す)、シたがってウェハ1にかかる応力
が分散され、チッピングを起こすことがなくなる。
第4図は本第1実施例の貫通口2を示す図、第5図は第
3図の被覆なしの貫通口2を示す図である。第4,5図
のAはウェハ1を表側から観察した正面図、Bはウェハ
1を裏側(ファイバ挿入側)から観察した裏面図である
。第4,5図ともファイバ挿入時に等しい荷重を加え比
較した。第5図の貫通口2には接触点への応力集中によ
って貝殻状破面のチッピング41が生じているが、第4
図の貫通口2には本発明の効果によりチッピングが生じ
ていない。これは、第4図Bの被覆4の変形部分40に
おいて、ファイバとガイドが面接触し応力が分散される
からである。
上記応力分散効果は、第8図に示す実験結果からも明ら
かである0図中、横軸はファイバのテーパー角度、縦軸
はガイドの破壊強度(チッピングが発生する荷重)の相
対値(第3図の無被覆ガイドのファイバテーパー角度6
0°における破壊強度を基準にとった。)白丸のプロッ
トは本第1実施例のガイド、黒丸は第3図のガイド、三
角と四角はそれぞれ第6図と第7図のガイドを示す、第
6.7図のガイドは、本発明と比較するために、ウェハ
1の片側にのみ第1実施例と同様の蒸着膜(10,21
)と電解鍍金膜(11,22)を被覆したものである。
貫通口2の周辺では若干被覆が回り込んでいる。電気絶
縁膜(12,20)は、ウェハ1のもう片側に電解鍍金
膜が付くのを防ぐために施した。
ガイドの種類によって破壊強度が異なるのは、ファイバ
挿入時の同じ荷重に対してガイド毎に応力が異なること
を意味する。応力の違いは、変形した被覆とファイバと
の接触面積の違いに起因する。接触面積は本第1実施例
〉第7図〉第6図〉第3図(点接触)の順に大きく、こ
れと同じ順に破壊強度が大きい。ファイバテーパー角1
60’のところで比較すると、本第1実施例のガイドは
、被覆がない第3図のガイドの約14倍の強度を有する
。第6図と第7図の大小には、先程述べた貫通口2周辺
の被覆の回り込み量も若干影響している。また、ファイ
バのテーパー角度が大きいほど接触面積も大きくなるの
で、これに伴って破壊強度も増加していく。
以上の結果から、被覆を施すことによりファイバ挿入時
の荷重に対して応力を減少させることができるので、す
なわちチッピングを防止することが可能になる。このよ
うに本第1実施例の光ファイバガイドによれば、ファイ
バは堅固且つ安定に支持される。なお上記変形は4つの
接触箇所7で均等に起こるので、ファイバ5の位置決め
精度が損なわれることはなく、ファイバ5は貫通口の加
工精度を反映して高精度に位置決めされた。
第1実施例では1本のファイバをガイドする場合を示し
たが、複数のファイバを高精度に配列しガイドする(フ
ァイバ配列位置に対応する貫通口をウェハ上に複数高精
度加工する)場合であっても本発明の効果が発揮される
ことは言うまでもない、また、第9図や第10図に示す
ように、垂直端面のファイバ31を貫通口30に挿入す
る場合やファイバ35を貫通口34に貫通させる場合に
も、ファイバとガイドの接触箇所(32,36)に可塑
材の被覆(33,37)を設けておくことで本発明を実
施し得る。
第11図は、本発明の1応用例を示す第2実施例の部分
拡大斜視図である0本発明の効果を確認するため、実際
に第1実施例と同様の光ファイバガイドを用い光導波路
アレイと光ファイバアレイの光結合を試みた。
第11図において、100が本発明による光ファイバガ
イド、101はシリコン結晶面(111)から成る四角
錐状の貫通口、102はガイドlOO全面に施した可塑
材の被覆である。103は4本の光ファイバから成る光
ファイバアレイ、104はその先端に形成されたテーパ
ー先球レンズである。105と107は、それぞれ光フ
ァイバアレイ103用のサブマウントとマウントである
。サブマウント105の表面にはV溝106が形成され
ている。108は光導波路109がアレイ状に形成され
た基板である。110は基板108のマウントである。
ガイド100は、@1実施例と同様の方法によって作成
した。4つの貫通口101は光導波路109のアレイ間
隔と等しい間隔(160,0μm)で加工されている。
この間隔や貫通口径の加工精度はエツチングマスクやバ
ターニング精度で決まるので、μmオーダーの高精度加
工が行なえた。
4つの貫通口の最小口径は等しく 50.OX50.0
μmである。被覆102はNi電解鍍金によって施し、
膜厚は3μmとした。
光ファイバアレイ103の各々のファイバは、外径12
5μmのシングルモード石英ファイバである。テーパー
先球レンズ104のテーパー角度は60@ レンズ半径
は15μmである。
ファイバ103が設置されるサブマウント105はシリ
コン製である。4本のV溝106は回転刃よる研削によ
って加工した。刃の送りピッチすなわちV溝106のア
レイ間隔は160.0μmとした。サブマウント105
が積載されるマウント107は熱膨張係数が小さいコバ
ール合金から成る。
基板108はInP半導体製である。基板108上にI
nGaAsP から成るリッジ型光導波路109が形成
されている。4本の光導波路109端部のアレイ間隔は
160.0μm、それぞれの導波スポットサイズは縦1
μm×横2.5μmである。
基板108が積載されるマウント110は、マウント1
07と同じコバール合金製である。
本第2実施例の光デバイスは、以下のようにして組み立
てた。まず、マウント107にガイド100とサブマウ
ント105を、マウント110に基板108を、それぞ
れ所定の位置に接着した。
接着はPb5n製半田(融点183℃)で行なつた。半
田の接着性を高めるため、接着面に予めメタライズを施
しておいた。次に、ファイバアレイ103をV溝105
に添わせながら貫通口101に挿入・嵌合させ、ファイ
バアレイ103を位置決めする。ここまで組み上がった
ら、マウント107と110の相対的な位置を微動装置
(図示せず)によって動かし、ファイバアレイ103と
導波路アレイ109の光軸合わせを行なう、最後に、光
軸が合ったのちガイド100とマウント110をPb5
nIn半田(融点162℃)によって接着固定した。こ
の接着面にも予めメタライズが施されている。
上記の方法によって組み立てた第2実施例の光軸合わせ
精度をファイバと導波路の光結合損失によって評価した
結果、±1μmの高い精度が得られていることがわかっ
た。また、ガイド100ヘファイバアレイ103の着脱
を繰り返しその都度光結合損失を測定したところ1着脱
回数によらず光結合損失は殆ど変化しなかった。すなわ
ち、高いファイバ位置決め精度が維持されていることが
わかった。
以上の結果から、ファイバアレイ103の嵌合や着脱に
対してガイド100がチッピングを全く起こさなかった
ことが確認された。これは、被覆102の変形によりガ
イド100にかかる応力が分散したからであり、本発明
の効果は明らかである。尚1着脱を行なう必要がない場
合は、ファイバアレイ203をガイド100あるいはV
溝105に接着剤で固定すれば良い。
本発明は第2実施例に示した光デバイスのみならず、フ
ァイバの高精度位置決めを必要とする種々の光デバイス
に適用可能である1例えば、面発光・受光素子の2次元
アレイと光ファイバ2次元アレイとの結合、複数の光フ
ァイバ同士をつなぐ多心コネクタ、光スィッチ等の光I
A!I!回路の入出力端にファイバを結合させた光モジ
ュール、など多くの光デバイスに使用し得る。
第12図は、本発明の光ファイバガイドを光ファイバ多
心コネクタに応用した第3実施例を示し、一部所面の全
体斜視図である。200は5本の単−モード石英系光フ
ァイバ(外径152μm、スポット径5μm)であり、
テープ型5心光ファイバ208の樹脂被覆を剥いだもの
である。201゜202は嵌合用の金属ビン(外径70
0μm)、204は結晶面(111)から成る貫通口(
口径126μm)が5個開けられ本発明の被覆が施され
たシリコン製光ファイバガイド、203はガイド204
表面に設けた所定厚の保護材、205は貫通口206(
口径140μm)が5個開けられた樹脂製ガイド、20
7は樹脂製フェルールである。
本光ファイバ多心コネクタは以下のようにして組み立て
た。まず、ガイド205の貫通口206に5本の光ファ
イバ200を挿入し、更に光ファイバガイド204に光
ファイバ200を挿入した。
光ファイバ200の位置はガイド204によって正確に
決まる0次に、貫通口206やガイド204の貫通口、
ガイド204とガイド205の間に接着剤を充填し、そ
の後接着剤を固化させてガイド204とガイド205と
5本の光ファイバ200を一体化した。最後に、ガイド
204表面に保護材203を貼り、これらをフェルール
207で覆い、光ファイバ200の端面を研磨して光フ
ァイバ多心コネクタを完成させた。尚1本第12図はコ
ネクタの雄型を示し、嵌合ビン201,202を抜けば
雌型となる。
本第3実施例によれば、ガイド204に被覆と保護材2
03が設けられているので、ガイド204に光ファイバ
200を挿入した時や、光ファイバ200の端面研磨を
行なう時に、光ファイバガイド204が破壊されること
がない、また、コネクタの雄型と雌型の接続を繰り返し
ても、保護材203の表面は壊れることがないので、光
ファイバ多心コネクタ自身の機械寿命が延びる効果があ
る。更に、保護材203の研磨強度が光ファイバ200
(石英製)よりも僅かに小さいものを用いれば、端面研
磨後保護材203の表面から光ファイバ200の端面が
僅かに突き出て、しかも光ファイバ200の端面形状は
コア部が突き出た大きい曲率をもった形状となる。した
がって、コネクタ接続時に光ファイバのコア部同士を密
着させることが可能と成るので、非常に小さい接続損失
が得られる6本第3実施例では、5本の光ファイバ全て
について0.3 d B 以下の接続損失を実現するこ
とができた。尚1本実施例では、光ファイバが横に1列
に並んだ5心の場合を示したが、この心線数をより増や
すことや、光ファイバを縦横2次元状に配列することも
勿論可能である。
第13図は、本発明の光ファイバ位置決めガイドを光集
積回路モジュールに応用した第4実施例を示し、一部所
面の全体斜視図である。本第4実施例では、光集積回路
として、光スィッチを採り上げた。光スィッチ210は
InGaAsP系4×4完全格子型光スイツチであり、
その上面では4本と4本の単一モード光導波路211同
士がX字型に交差している。16個ある交差部212に
電流を流すと、その部分の屈折率が変化して全反射が起
こり、光の進路が切り換わる。光導波路211端部の7
レイ間隔は160μm、スポットサイズは1.IX2.
5.umである。222,228はそれぞれ4本の単一
モード光ファイバ(外径125μm、スポットサイズ5
μm)であり、その先端にはテーパ型先球レンズ(レン
ズ半径13μm)が形成され光スィッチ210と光結合
している。
本発明の光ファイバガイド215,223は、それぞれ
4個の貫通口(口径50μm)が開けられて被覆216
,224が施されている。ガイド215.223の片面
が穴217のように掘り下げられているのは、ガイド2
16,223周辺の厚みを厚くして取扱作業性を改善す
るためである。
218.225はそれぞれ4個の貫通口219(口径1
30μm)が開けられたセラミックス製ガイドである。
213,220,226は低熱膨張金属製ブロック、2
14,221,227は半田、229は基体である。
本第4実施例は、以下のようにして組み立てた。
まず、光スィッチ210とブロック213、ガイド21
5とガイド218とブロック220、ガイド223とガ
イド225とブロック226をそれぞれ一体化しておく
0次に、ブロック213゜220.226を基体229
に対して半田214゜221,227により仮固定する
。その後、光ファイバ222,228をそれぞれガイド
218゜225と光ファイバガイド215,223の貫
通口に挿入し嵌合させる。最後に、マニピュレータ(図
示せず)によってブロック213,220゜226を個
別に保持し、半田214,221゜227に溶融させて
、光スィッチ210と光ファイバ222,228の光軸
合わせを行ない、所定の光結合損失が得られたら半田2
14,221゜227を固化させる。
本第4実施例によれば、光ファイバ222゜228は光
ファイバガイド215,223の貫通口に対して嵌合し
ているだけなので、光ファイバ222.228の着脱が
可能である。勿論1着脱を繰り返しても、再現性良く高
精度な位置決めが行なわれた、第4実施例をパッケージ
内に納める場合は、第13図に示したものから光ファイ
バ222.218を1度引き抜き、これ全体をパッケー
ジの中に固定して、再び外部から光ファイバ222.2
28を貫通口に挿入・嵌合する。しかる後、光ファイバ
222,228をパッケージに対して固定する。こうす
れば、狭いパッケージ内部では、煩雑な光軸調整を行な
う必要がないので、実質的に“無調整”で光スイツチモ
ジュールの組立を行なえる。すなわち、本第13実施例
によれば実装作業が向上する効果がある。尚、このよう
なモジュール組立方法によって、個々の光結合部分につ
いて1dB以内の結合損失に抑えることができた。とこ
ろで、本第4実施例では、光集積回路の1例として光ス
ィッチを採り上げたが、他の光集積回路1例えば発光・
受光素子、光変調素子。
光論理素子を組み合せた光集積デバイスにも本発明は充
分適用できることは言うまでもない。
第14図は、本発明の光ファイバガイドを光デバイスで
ある光インタコネクションに応用した第5実施例を示し
、一部断面の全体斜視図である。
光インタコネクションとは、大規模電子集積回路(以下
LSIと略す)間の信号接続を光によって行なうもので
あり、電気配線容量による信号遅延かない、信号間の相
互干渉がない等の利点がある。
第14図において、LSI230と外部とは、238に
代表される光ファイバによって信号接続される。LSI
230には発光・受光素子231が複数形成されており
、光ファイバ238からの光信号の授受を行なう、光フ
ァイバ238の先端には先球レンズ239が形成されて
いる。光ファイバ238は、ガイド236の貫通口23
7に挿入されたあと、本発明の被覆235が施された光
ファイバガイド233の貫通口234によって位置決め
されている。光ファイバガイド233とガイド236は
一体化しており、これらは半田バンプ232によってL
S I 230に固定されている。
本第5実施例によれば、LSI上の任意の位置と外部と
を立体的に光配線でつなぐことができるので、LSIを
高速化できる。また、外部につながる電気配線を省略で
きるのでLSIを高密度化でき、LSI設計の自由度が
増す効果がある。更に、光ファイバの着脱が可能である
ことから、プログラマブルな光配線網の構築を行なえる
。ところで、光ファイバガイド233と発光・受光素子
231との位置合わせは、半田バンプ232のセルフア
ラインメント作用(溶融半田の表面張力)によって自動
的に行われるので、複数の光ファイバの位置合わせを号
々に行なう必要はなく、無調整で一括して光結合が行わ
れる。尚、本実施例では、光コンピュータにおける光信
号処理系・光信号伝達系等の光配線部にも応用できるこ
とは言うまでもない。
以上、第1から第5実施例に示した光ファイバガイドで
は、シリコン単結晶(100)ウェハに形成させた結晶
面(111)から成る四角錐状の貫通口を例として挙げ
た。しかし、この他にも(110)ウニに形成させた(
111)面から成る四角柱状の貫通口や(111)面か
ら成る■溝を2つ向い合わせて祷成した貫通口、その他
に結晶異方性エツチング以外の加工方法1例えば研削に
よって加工した貫通口など、シリコンに形成した貫通口
を利用する様々な光ファイバガイドに本発明は実施でき
る。
さらに本発明は光ファイバのガイドとしてばかりでなく
1貫通口径の若干の設計変更によりロンドレンズや球レ
ンズ、金属ピン(例えば第12図の201,202)等
の高精度位置決め用ガイドとして応用できることは言う
までもない。
〔発明の効果〕
本発明によれば、可塑材から成る被覆の塑性変形により
光ファイバガイドにかかる応力を分散させることができ
るので、光ファイバガイドのチッピングを防止できる効
果がある。したがって、光ファイバを機械的に堅固且つ
安定に位置決めすることが可能になり、高い信頼性が得
られる。すなわち、本発明は極めて実用的な光ファイバ
ガイドを提供するものである。
なお、本発明の要件は可塑材の被覆を施したことにある
のであって1例えば可塑材として「実施例」に示したも
の以外の金属や樹脂等を用いても良い。また、被覆方法
は接触箇所において均一な膜厚が得られる方法であれば
良く、蒸着法や塗布法等を用いることも可能である。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の第1実施例の光ファイバガイドを示す
断面図、第2図は第1実施例に光ファイバを挿入したと
ころを示す図、第3図は従来の光ファイバガイドに光フ
ァイバを挿入したところを示す図、第4図A、Bは本発
明の第1実施例図、第5図A、Bは第3図の光ファイバ
ガイド、第6図、第7図は第1実施例と比較するために
作成した光ファイバガイドを示す断面図、第8図は第1
実施例と第3図、第6図、第7図の光ファイバガイドの
破壊強度試験結果を示す図である。 第9図、第10図は本発明の他の実施例を示す図である
。 第11図は本発明を光ファイバアレイと光導波路アレイ
の光結合に応用した例を説明する図、第12図は、本発
明を光ファイバ多心コネクタに応用した例を示す図、第
13図は光スイツチモジュールに応用した例を示す図、
第14図は光インタコネクションに応用した例を示す図
である。 1・・・ウェハ、2・・・貫通口、4・・・被覆、7・
・・接触箇所・

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、シリコン単結晶に形成された貫通口に光ファイバを
    挿入して光ファイバの位置決めを行なう光ファイバガイ
    ドにおいて、上記貫通口に可塑材の被覆を施したことを
    特徴とする光ファイバガイド。 2、シリコン単結晶に形成された貫通口に鍍金被覆を施
    したことを特徴とする光ファイバガイド。 3、特許請求の範囲第1項乃至第2項記載の被覆を上記
    貫通口と上記光ファイバの接触箇所に施したことを特徴
    とする光ファイバガイド。 4、特許請求の範囲第1項乃至第3項記載の貫通口がシ
    リコン単結晶の結晶面(111)から構成されることを
    特徴とする光ファイバガイド。 5、特許請求の範囲第4項記載のシリコン単結晶の結晶
    面(111)の4面から成る四角錐状の貫通口の先端に
    被覆を施したことを特徴とする光ファイバガイド。 6、特許請求の範囲第1項乃至第5項記載のシリコン単
    結晶に形成した複数の貫通口により、複数の光ファイバ
    の位置決めを行なつたことを特徴とする光ファイバガイ
    ド。 7、特許請求の範囲第1項乃至第6項記載の貫通口の最
    小口径が光ファイバの最大外径より小さく、該貫通口に
    細径化加工した光ファイバ先端を嵌合させることにより
    位置決めを行なつたことを特徴とする光ファイバガイド
    。 8、特許請求の範囲第1項乃至第7項記載の光ファイバ
    ガイドにより光導波路と光ファイバの光学的結合を行な
    つたことを特徴とする光デバイス。
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