JPH05257042A - 光結合構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】光ファイバアレイのガイド安定性に優れ、高効
率光結合が可能な光結合構造を提供する。 【構成】光素子アレイ１０１はサブマウント１０２に固
定され、サブマウント１０２がマウント１０３に固定さ
れている。光ファイバアレイ１０４は光素子アレイ１０
１と光結合しており、ガイド１０５とＶ溝ガイド１０６
により支持されている。光ファイバアレイ１０４はＶ溝
ガイド１０６に配列固定され、光ファイバアレイ１０４
の先端部分は先球レンズ加工されており、ガイド１０５
に設けたテーパ状の貫通孔に嵌合されている。マウント
１０３とガイド１０５，マウント１０３とパッケージ１
０７，Ｖ溝ガイド１０６とパッケージ１０７はそれぞれ
固定材１０８，１０９，１１０により固定されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光ファイバと光素子を
安定性良く光結合するためのガイド構造に係り、特に、
光ファイバアレイのガイド構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の光結合構造は、例えば、特開昭63
−226607号公報に記載のように、光ファイバを位置決め
するガイドにファイバ外径より最小口径が小さいテーパ
状の貫通孔を設け、先端がテーパ状に尖った先球レンズ
付き光ファイバを貫通孔に嵌合させて光結合させてい
た。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】光素子の高集積化に伴
って、光ファイバをアレイ化する必要がある。光ファイ
バアレイは通常、樹脂の被覆によってテープ状に成形さ
れ供給される。このようなテープ状光ファイバアレイで
は、外径１２５μｍの光ファイバ心線が２５０μｍピッ
チで並んでいるので、到底研削などの機械的加工方法で
はテーパ状にできない。したがって、従来技術のよう
に、テーパ状光ファイバによる光結合構造では、テープ
状光ファイバアレイに対応できない。

【０００４】ところで光素子と光ファイバの光結合効率
を高めるには、光ファイバアレイの先端部分に半径数十
μｍ以下のレンズを形成する必要がある。光ファイバア
レイの先端部分のレンズ加工には、加工制御性・生産性
の面から、光ファイバアレイの先端を、まず、エッチン
グにより円筒形状のまま細径化加工し、次に、その先端
を加熱溶融して先球レンズ加工する方法が考えられる。
ただし加工した光ファイバアレイの先端は、従来構造と
違い、細い円柱形状の先端に微小レンズが付いている構
造となっている。

【０００５】光ファイバアレイの位置決めに用いるガイ
ドは、加工精度や生産性の観点から通常Ｓｉが用いられ
る。先端をレンズ加工した光ファイバアレイをガイドに
挿入嵌合する際、光ファイバアレイのレンズ部がガイド
のテーパ部分に接するようになる。

【０００６】上記従来構造では、先端をレンズ加工した
光ファイバアレイとガイドの機械強度，寸法制限，結合
効率についての考慮が足りなかった。つまり、ガイドの
最小口径の寸法に制限があり、最小口径が２Ｒ・cosθ
より大き過ぎると充分な保持部がないため光ファイバア
レイを安定に保持できない。また、光ファイバのコアよ
り最小口径が小さ過ぎると光が遮断され光結合効率が低
下する。また、光軸方向の光結合効率は発光素子と光フ
ァイバアレイの距離に依存しており、小さすぎても大き
すぎても効率は低下する。さらに発光素子と光ファイバ
の距離は、光ファイバを嵌合するガイドが光軸に対して
垂直に固定されるため発光素子の固定位置によって決定
する。つまり、この固定位置が光ファイバからＤ／(２
・tanφ）以上離れている時光ファイバを近づけられず
効率が低下するため、所定の距離以下で固定する必要が
ある。さらに、ガイドの光ファイバアレイの接触部は点
接触になり応力が集中しガイドの破壊を招く。光ファイ
バの細径化された端部と通常の直径の周辺部との段差部
に応力が集中しガイドに嵌合した時の荷重で光ファイバ
の先端が折れる。

【０００７】本発明の目的は、光ファイバアレイのガイ
ド安定性に優れ且つ高効率光結合が可能な光結合構造を
提供することにある。

【０００８】本発明の他の目的は、光ファイバアレイの
レンズ加工部及びガイドの光ファイバ接触部における機
械強度の安定性に優れた光結合構造を提供することにあ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、光ファイバの端部を円柱形状に細径化し、この円柱
の先端を半径Ｒの半球面形状に加工し、ガイドに開口角
度θのテーパ形状の貫通孔を加工し、この貫通孔の最小
口径Ｄが２Ｒ・cosθ より小さく、この貫通孔と前記円
柱の先端が接するように貫通孔に光ファイバを嵌合させ
たものである。望ましくは、光ファイバのコア直径より
Ｄを大きくしたものである。さらに望ましくは、出射ビ
ームの半値半角φの発光素子とガイドの距離ＬをＤ／
(２・tanφ)より小さくしたものである。

【００１０】上記他の目的を達成するために、貫通孔の
内面を延性材によってコーティングしたものである。ま
た、光ファイバの細径化した端部と通常の直径の周辺部
との段差部の近傍に支持体を設けたものである。

【００１１】

【作用】レンズ加工した光ファイバを最小口径Ｄを２Ｒ
・cosθ より小さく加工した貫通孔に嵌合させることに
より、ガイドのテーパ部分に光ファイバのレンズ面が接
するため、貫通孔を光ファイバが突き抜けることなく安
定にガイドすることができる。

【００１２】光ファイバのコア直径より貫通孔の最小口
径Ｄを大きくすることにより、光ファイバに光素子から
の入射または出射してくる光を遮断することなく効率よ
く光結合させることができる。

【００１３】出射ビームの半値半角φの発光素子とガイ
ドの距離ＬをＤ／(２・tanφ）より小さくすることによ
り、発光素子とガイドの距離の離れ過ぎによる結合効率
の低下を防止でき、光軸方向の結合効率の向上を実現で
きる。

【００１４】貫通孔の内面を延性材によってコーティン
グすることにより、光ファイバとの接触を点接触から面
接触にすることができ、応力の分散効果からガイドの破
壊を防止でき機械的に安定なガイドを得ることができ
る。

【００１５】光ファイバの細径化した端部と通常の直径
の周辺部との段差部の近傍に支持体を設けることによ
り、光ファイバの段差部に加わる応力を緩和することが
できガイドに嵌合したときの荷重で光ファイバの先端が
折れることがなくなり機械的に安定な光ファイバを得る
ことができる。

【００１６】

【実施例】図１は本発明の第１実施例の説明図で、基本
的な光素子アレイと光ファイバアレイの光結合構造の断
面図である。

【００１７】図１において、光素子アレイ１０１はサブ
マウント１０２に固定され、サブマウント１０２がマウ
ント１０３に固定されている。光ファイバアレイ１０４
は光素子アレイ１０１と光結合しており、ガイド１０５
とＶ溝ガイド１０６により支持されている。光ファイバ
アレイ１０４はＶ溝ガイド１０６に配列固定され、光フ
ァイバアレイ１０４の先端部分は先球レンズ加工されて
おり、ガイド１０５に設けたテーパ状の貫通孔に嵌合さ
れている。マウント１０３とガイド１０５，マウント１
０３とパッケージ１０７，Ｖ溝ガイド１０６とパッケー
ジ１０７はそれぞれ固定材１０８，１０９，１１０によ
り固定されている。光素子アレイ１０１は発振波長１.
３μｍ のＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ半導体レーザアレイ
である。光素子の電極やリード線は省略し図示していな
い。

【００１８】光ファイバアレイ１０４は外径１２５μｍ
の単一モード光ファイバアレイである。その先端部分に
は先球レンズ１１１が形成してある。緩衝フッ酸液の中
に先端部分を浸して等方性エッチングにより円柱形状の
まま細径化加工し、その後、加熱溶融させて半径Ｒ＝２
０μｍの微小レンズを形成させた。本実施例の先球レン
ズ半径では、光素子アレイ１０１と先球レンズ１１１と
の間隔が約２４μｍで最適の光結合が行われる。光軸方
向の許容位置ずれ誤差は±５μｍ、光軸に垂直な方向の
それは±１μｍである。先端部分以外の光ファイバアレ
イ１０４の表面には半田固定のためにＡｕ／Ｎｉのメタ
ライズを施した。また、光ファイバの細径化した端部と
通常の直径の周辺部との段差部の近傍に樹脂１１２を塗
布し補強した。ここでは、樹脂を用いたがＳｉのＶ溝で
もよい。

【００１９】ガイド１０５の材質はＳｉであり、ガイド
１０５に設けた貫通孔はＳｉ（100)面のＫＯＨ水溶液に
よる異方性エッチングを利用して加工した。四角錐状の
貫通孔のテーパ角度は７０.６° である。ここで、光フ
ァイバ先端の半径Ｒ，貫通孔の開口角度θとした時、貫
通孔の最小口径は２３μｍであり、光ファイバのコア直
径１０μｍよりも大きく、２Ｒ・cosθ よりも小さい。
ガイド１０５のテーパ面上に厚さ４μｍのＮｉメッキを
施した。また、ガイド１０５がマウント１０３と半田固
定される部分だけにＡｕ／Ｎｉ／Ｔｉを蒸着により被着
した。固定材１０８には半田を用いた。

【００２０】Ｖ溝ガイド１０６の材質はＳｉであり、ガ
イド１０５に設けたＶ溝はＳｉ（１００）面のＫＯＨ水
溶液による異方性エッチングを利用して加工した。Ｖ溝
のテーパ角度は７０.６° である。Ｖ溝はガイド１０５
の貫通孔と同ピッチで加工した。光ファイバアレイ１０
４はこのＶ溝に配列され、その上面に同じＶ溝ガイド１
０６を光ファイバアレイ１０４を覆うように配置し半田
で固定した。Ｖ溝ガイド１０６の表面，裏面ともに半田
固定するためＡｕ／Ｎｉ／Ｔｉを蒸着により被着した。

【００２１】なお、マウント１０３とパッケージ１０７
の材料は熱膨張係数の小さいコバール合金を選び、それ
らの表面には半田固定のためにＡｕ／Ｎｉメッキを施し
た。また、サブマウント１０２の材料は光素子アレイ１
０１と熱膨張係数が近いSiCを選び、その裏面には半田
固定のためにＡｕ／Ｎｉメッキを施し、表面には光素子
アレイ１０１が接続する部分だけにＡｕ／Ｎｉメッキを
施した。固定材１１３には半田を用いた。

【００２２】次に図２は本発明の第１実施例の基本的な
光素子アレイと光ファイバアレイの光結合プロセス図で
ある。各プロセスを図２に従って述べる。図２にはプロ
セスの流れ図と各プロセスにおける構造の断面図を示し
た。

【００２３】（１）光素子マウント工程 光素子アレイ１０１はサブマウント１０２に、サブマウ
ント１０２はマウント１０３にそれぞれ固定する。光素
子アレイ１０１が固定されているサブマウント１０２の
固定位置は、光軸方向のマウント１０３エッヂ部分から
の距離を測定し前後にずらして調節する。なお、発光素
子の出射ビームの半値半角φ、ガイド１０５の最小口径
Ｄとした時、その時の距離はＤ／(２・tanφ）より小さ
くする。

【００２４】（２）光軸調整用ファイバ挿入工程 光素子アレイ１０１を固定したマウント１０３とガイド
１０５をそれぞれ保持し、そのガイド１０５の貫通孔に
光軸調整用の光ファイバアレイ１０４を挿入する。その
時の挿入荷重は実験結果から３５ｇｆ以下となる。挿入
した光ファイバアレイ１０４はガイド１０５と同様に保
持する。

【００２５】（３）光軸調整・固定工程 貫通孔の光素子アレイ１０１に対する光軸調整を行い、
調整後ガイド１０５をマウント１０３に固定材１０８に
よって固定する。光軸調整は貫通孔に挿入した光ファイ
バアレイ１０４と光素子アレイ１０１を実際に光結合さ
せて行う。その際、半田は溶融状態のまま調整を行う。

【００２６】（４）光素子マウント固定工程 光軸調整用光ファイバアレイ１０４を一担ガイド１０５
の貫通孔からはずし、光素子アレイ１０１とガイド１０
５が固定されているマウント１０３をパッケージ１０７
に固定材１０９によって固定する。

【００２７】（５）ファイバ再挿入固定工程 予めパッケージ１０７に固定されているガイド１０５の
貫通孔に再び光ファイバアレイ１０４を挿入し、パッケ
ージ１０７に固定材１１０によって固定する。

【００２８】本実施例によれば、貫通孔の最小口径を２
３μｍと２Ｒ・cosθの２３.１μｍより小さくすること
で貫通孔のテーパ部と光ファイバのレンズ部が接点で接
しており、保持領域が充分なことから安定にガイドされ
ている。このことから、先端をレンズ加工した光ファイ
バアレイ１０４を最小口径Ｄが２Ｒ・cosθ より小さい
貫通孔に嵌合させたことはガイド安定性に優れた効果が
ある。

【００２９】貫通孔の最小口径が２３μｍで光ファイバ
のコア直径１０μｍより充分大きくすることで光素子か
らの入出射光を遮断することなく光ファイバのコア部に
取り入れることができるため結合効率が低下しなかっ
た。このことから、光ファイバのコア直径よりガイド１
０５の最小口径Ｄを大きくしたことは高効率光結合を可
能にする効果がある。

【００３０】出射ビームの半値半角φの発光素子とガイ
ド１０５の距離ＬをＤ／(２・tanφ)より小さくしたこと
は結合効率の向上に効果がある。

【００３１】ガイド１０５のテーパ面上に厚さ４μｍの
Ｎｉメッキを施すことにより光ファイバとの接触面積が
約２桁増加し、点接触による応力集中を面接触により応
力を緩和でき機械強度が２桁増加した。このことによ
り、貫通孔の内面を延性材によってコーティングしたこ
とはガイド１０５のファイバとの接触部分の機械強度を
向上させる効果がある。

【００３２】光ファイバの細径化した端部と通常の直径
の周辺部との段差部の近傍に樹脂を塗布したことにより
段差部の応力集中を緩和でき、ガイド１０５に嵌合して
も挿入荷重３５ｇｆに充分耐えきれなかった。このこと
により、光ファイバの細径化した端部と通常の直径の周
辺部との段差部の近傍に支持体１１２を設けたことは応
力が集中する段差部の機械強度を向上させる上で効果が
ある。

【００３３】光素子アレイ１０１とガイド１０５の貫通
孔に嵌合した光ファイバアレイ104の光軸調整・固定プ
ロセスにおいて、マウント１０３とガイド１０５が半田
108により固定されるが、その際に発生する熱収縮によ
る光軸のずれが、光軸方向にしか発生しないため結合効
率の低下を防ぐことができる。また、光ファイバアレイ
１０４をＶ溝ガイド１０６により配列・固定しているの
で、貫通孔へ挿入する際、先端が不揃いになることがな
いので一括して挿入できる。したがって生産性の向上に
効果がある。

【００３４】図３は本発明の第２実施例の説明図で、光
導波路アレイと光ファイバアレイとの光結合構造の平面
図である。図３において、光導波路アレイ３０１が光フ
ァイバアレイ１０４と光結合している。光導波路アレイ
３０１はマウント３０３上に固定されている。光ファイ
バアレイ１０４はＶ溝ガイド１０６により配列されてお
り、光ファイバアレイ104の先端部分はガイド１０５の
貫通孔に嵌合している。ガイド１０５とマウント３０
３，マウント３０３とパッケージ３０４，Ｖ溝ガイド１
０６とパッケージ３０４はそれぞれ固定材により固定さ
れている。

【００３５】光導波路アレイ３０１は、光スイッチ３０
２の入出力端部分である。光スイッチ３０２上の４本の
光導波路アレイ３０１のアレイ間隔が２５０μｍで形成
されている。光スイッチ３０２はＩｎＰからなる。光導
波路アレイ３０１は、導波路幅４μｍ厚さ２μｍのリッ
ジ形ＩｎＧａＡｓＰ光導波路であり、波長１.１５μmの
光を単一モード伝搬する。光導波路の作成には半導体プ
ロセス技術を利用した。

【００３６】光ファイバアレイ１０４は外径１２５μｍ
の単一モード光ファイバアレイである。その先端部分に
は先球レンズ１１１が形成してある。緩衝フッ酸液の中
に先端部分を浸して等方性エッチングにより円柱形状の
まま細径化加工し、その後、加熱溶融させて半径Ｒ＝２
０μｍの微小レンズを形成する。光軸方向の許容位置ず
れ誤差は±５μｍ、光軸に垂直な方向のそれは±１μｍ
である。光ファイバアレイ１０４のアレイ間隔は２５０
μｍである。

【００３７】ガイド１０５とＶ溝ガイド１０６の材質は
Ｓｉであり、ガイド１０５とＶ溝ガイド１０６に設けた
四つの貫通孔はＳｉ(１００)面のＫＯＨ水溶液による異
方性エッチングを利用して加工した。四角錐状の貫通孔
とＶ溝のテーパ角度は70.6°である。このとき貫通孔と
Ｖ溝形成用のエッチングマスクのパターン間隔を、光導
波路アレイ３０１作成用のエッチングマスクのパターン
間隔に等しくしておけば、貫通孔とＶ溝のアレイ間隔は
光導波路アレイ３０１のアレイ間隔２５０μｍと正確に
サブミクロン以下の精度で等しくなる。また、異方性エ
ッチング加工によると、貫通孔とＶ溝の形状の精度も非
常によい。以上から、貫通孔とＶ溝の加工精度は、十分
光ファイバアレイ１０４の許容位置ずれ誤差範囲内にあ
る。

【００３８】マウント３０３とパッケージ３０４の材料
は熱膨張係数の小さいコバール合金を選び、それらの表
面には半田固定のためにＡｕ／Ｎｉメッキを施してあ
る。

【００３９】光導波路アレイ３０１とマウント３０３，
マウント３０３とガイド１０５，マウント３０３とパッ
ケージ３０４，Ｖ溝ガイド１０６とパッケージ３０４の
間はすべて半田１０８，１０９，１１０で固定してあ
る。光導波路アレイ３０１，ガイド１０５，Ｖ溝ガイド
１０６の半田固定面には、予めＡｕ／Ｎｉ／Ｔｉをメタ
ライズしておいた。

【００４０】次に第３の実施例の光結合プロセスの概略
を説明する。基本的には第２の実施例の光結合プロセス
と同様である。まず、光導波路アレイ３０１はマウント
３０３に固定する。光導波路アレイ３０１の固定位置
は、光軸方向のマウント３０３エッヂ部分からの距離を
測定し前後にずらして調節する。次に、光導波路アレイ
３０１を固定したマウント303とガイド１０５をそれぞ
れ保持し、そのガイド１０５の貫通孔に光軸調整用の光
ファイバアレイ１０４を挿入する。挿入した光ファイバ
アレイ１０４はガイド１０５と同様に保持する。その時
の光ファイバアレイ１０４はＶ溝ガイド１０６により貫
通孔の配列ピッチと同様のピッチで配列されている。そ
して、貫通孔の光導波路アレイ３０１に対する光軸調整
を行い、調整後ガイド１０５をマウント３０３に固定材
１０８によって固定する。

【００４１】光軸調整は貫通孔に挿入した光ファイバア
レイ１０４と光導波路アレイ３０１を実際に光結合させ
て行う。その際、半田は溶融状態のまま調整を行う。そ
の後、光軸調整用光ファイバアレイ１０４を、一旦、ガ
イド１０５の貫通孔からはずし、光導波路アレイ３０１
とガイド１０５が固定されているマウント３０３をパッ
ケージ３０４に固定材１０９によって固定する。最後
に、予めパッケージ304に固定されているガイド１０５
の貫通孔に、再び、光ファイバアレイ１０４を挿入し、
パッケージ３０４に固定材１１０によって固定する。

【００４２】本実施例によれば、第１実施例と同様に貫
通孔のガイド安定性に優れ、結合効率を向上させ、ガイ
ド１０５の光ファイバ接触部及び光ファイバの段差部の
機械強度を向上させる効果がある。

【００４３】さらに、光導波路アレイ３０１を固定して
いるマウント３０３及び光ファイバアレイ１０４を配列
・固定しているＶ溝ガイド１０６を、直接、パッケージ
304に固定しているので、特に高さ方向の大きさを従来
よりも３mm程度小さくできパッケージ３０４の大きさを
４０mm×１５mm×５mmにすることができた。また、光フ
ァイバアレイ１０４を再挿入・固定する工程において、
従来、貫通孔の数の光ファイバを一本一本貫通孔に挿入
し全部挿入してから固定していたが、光ファイバアレイ
１０４をＶ溝ガイド１０６により配列・固定することで
一括して貫通孔に挿入することができるようになった。

【００４４】

【発明の効果】本発明によれば、先端をレンズ加工した
光ファイバアレイを最小口径Ｄが２Ｒ・cosθ より小さ
い貫通孔に嵌合させたためガイド安定性に優れた効果が
ある。

【００４５】光ファイバのコア直径よりガイドの最小口
径Ｄを大きくしたので高効率光結合を可能にする。

【００４６】出射ビームの半値半角φの発光素子とガイ
ドの距離ＬをＤ／(２・tanφ）より小さくしたため結合
効率が向上する。

【００４７】貫通孔の内面を延性材によってコーティン
グしたためガイドのファイバとの接触部分の機械強度が
向上する。

【００４８】また、光ファイバの細径化した端部と通常
の直径の周辺部との段差部の近傍に支持体を設けたので
応力が集中する段差部の機械強度を向上させる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による第１実施例を示す光結合構造の断
面図。

【図２】本発明の第１実施例の光結合プロセス工程の説
明図。

【図３】本発明の第３実施例を示す光導波路アレイと光
ファイバアレイ光結合の断面図。

【符号の説明】

１０１…光素子アレイ、１０２…サブマウント、１０３
…マウント、１０４…光ファイバアレイ、１０５…ガイ
ド、１０６…Ｖ溝ガイド、１０７…パッケージ、１０
８，１０９，１１０，１１３…固定材、１１１…先球レ
ンズ、１１２…支持体。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光素子と光ファイバと前記光ファイバを位
   置決めするガイドから成る光結合構造において、前記光
   ファイバの端部が円柱形状に細径化され、前記円柱の先
   端が半径Ｒの半球面形状に加工され、ガイドに開口角度
   θのテーパ形状の貫通孔が加工され、前記貫通孔の最小
   口径Ｄが２Ｒ・cosθ より小さく、前記貫通孔と前記円
   柱の先端が接するように前記貫通孔に光ファイバが嵌合
   されていることを特徴とする光結合構造。
2. 【請求項２】請求項１において、前記光ファイバのコア
   直径よりＤが大きい光結合構造。
3. 【請求項３】請求項１において、出射ビームの半値半角
   φの発光素子を有し、前記発光素子と前記ガイドの距離
   ＬがＤ／(２・tanφ）より小さい光結合構造。
4. 【請求項４】請求項１において、前記貫通孔の内面が延
   性材によってコーティングされている光結合構造。
5. 【請求項５】請求項１において、前記光ファイバの細径
   化された端部と通常の直径の周辺部との段差部の近傍に
   支持体を有する光結合構造。