JPH05313039A

JPH05313039A - 接続用光導波路およびその製造方法

Info

Publication number: JPH05313039A
Application number: JP4114799A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Nakagome; 弘中込; Saburo Imamura; 三郎今村; Tatsuo Izawa; 達夫伊澤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1992-05-07
Filing date: 1992-05-07
Publication date: 1993-11-26

Abstract

(57)【要約】【目的】光部品・光ファイバを容易、かつ低損失で接
続でき、簡易な工法により製造することのできる接続用
光導波路を提供する。【構成】光導波路のコアと穿孔治具とを互いに調芯
し、光導波路の端面に前記治具により、光ファイバまた
は光部品を接続するための結合穴を穿設した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、簡易な工法により光部
品と光ファイバとを低損失で接続することのできる接続
用光導波路およびその製造方法に関するものであり、光
情報処理や光通信等に有用な光導波路の実用性の向上に
寄与するものである。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、種々の基板材料の上に形
成される平板型の光導波路は、光波の分岐、分波、結
合、変調、スイッチなどの光制御の要素となるもので、
盛んに開発が行われているのが現状である。このような
光導波路の構成材料にはガラス、結晶、半導体およびプ
ラスチック等があり、各材料が有する機能性や作製プロ
セスなどに応じた適用が考えられている。特にプラスチ
ックを用いた光導波路は、作製プロセスが容易で量産性
に優れ、他の材料に比べて格段にコストが下がるものと
考えられている。

【０００３】今村らの特開昭６３−２４３９８７号公報
「ポリメタクリレートおよび光学材料」および特願平１
−２４９１８０号「平板型プラスチック光導波路」に開
示されたポリマー光導波路は、光通信用の波長域で損失
が低く、屈折率の制御範囲が広いので利用しやすく、プ
ラスチック基板上に形成可能なため、加工性にも優れて
いる。さらに、このポリマー光導波路は、耐熱性にも優
れた特性を有するために、従来に比べて適用範囲がおお
いに拡大されている。

【０００４】このように有用な光導波路を実際に用いる
場合に重要なのが、他の光部品や光ファイバとの接続時
に生じる結合損失である。接続箇所での光結合損失は、
システム全体に与える影響が強いので、結合損失は可能
な限り低減されることが望ましい。さらに、媒体のコス
トが低下することが予想されるため、接続作業にかかる
コストも重要な要素となる。

【０００５】したがって、光導波路が用いられるために
は、他の光部品や光ファイバとの接続が高精度でかつ容
易な作業で達成できることが、一つの条件であると言え
る。従来の光導波路と光部品や光ファイバとの接続には
種々の方法がある。一般に、光ファイバもしくは光部品
を光導波路に接続する方法として、最もよく用いられる
のは、両者の結合面を平滑に研磨した後、光導波路の端
面に光ファイバの端面を近接して、互いに導波する光量
が最大となるように調芯した後、接着して固定するもの
である。

【０００６】この方法は、もっとも簡便な利点がある
が、平面での結合であるため、固着時に位置ずれを生じ
たり、接着部の面積が小さいので接着強度が弱く、その
ため補強用の管が必要になる場合が多い。さらに、この
方法では、光導波路のコアと光部品やファイバのコアと
の調芯を、両者の端面を対向させて、実際に最大結合効
率になるように、精度の高い微動台を用いて、調芯しな
ければならない。したがって、光源の光強度の時間変動
の影響を受けた状態で、精度を上げるために、時間がか
かる問題があり、さらに、複数ある光導波路のコアに対
して一つ一つファイバを接続するために、作業効率が低
い、という問題がある。実際には多数のコアを含む光導
波路では、コアの感覚が小さくなり、位置合わせのため
にファイバを保持することが困難になるので、コアの間
隔と同じ間隔で作られた高精度のファイバ保持用治具を
別途製作してから接続しなければならない。保持用治具
は、一般にシリコンのエッチング技術を用いて製作さ
れ、Ｖ溝やピンホール等の形状のものが用いられるが、
位置合わせ精度に直接関係するため、製作はむずかし
く、そのためにコスト高になる欠点がある。

【０００７】さらに、接着剤を用いる接続方法では、不
十分な接着強度や接着剤の経年変化に対する信頼性を確
保するために、接続部分を加熱融着して固定する方法が
行われる。しかし、この方法は、上記の工程と同様に調
芯後、炭酸ガスレーザを用いて溶融固定する方法である
ために、溶融時の不均一な熱分布が軸ずれを誘引してし
まい、上記方法と同じ欠点を有することになる。

【０００８】また、これらの結合方法では、材料が同種
のガラス同士の必要があるので、他の材料で実現できな
い欠点がある。

【０００９】これに対し、あらかじめコアに位置合わせ
された結合用の溝や、穴を形成すると、前記した問題が
解決されるが、一般に位置合わせ精度はミクロンオーダ
ーが必要なことから困難であった。

【００１０】山田らの「Ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅｏｐ
ｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｔｏ
ｈｉｇｈ−ｓｉｌｉｃａｗａｖｅｇｕｉｄｅｗｉ
ｔｈｆｉｂｅｒｇｕｉｄｉｎｇｇｒｏｏｖｅ」ＩＥ
ＥＥＪ．ｏｆＬ．Ｔ．（ＬＴ−５）Ｎｏ．１２，８
７−１２では、石英系光導波路の端部を加工して結合用
の溝を作製している。また、大槻らの特開平２−１６１
４０４号公報「チャンネル型光導波路と光ファイバの結
合方法」では、シリコンブロックを加工して光導波路と
光ファイバを保持するグローブを作製している。これら
のいずれも、結合用の溝を用いるため、光ファイバの固
定が安定に行える特徴がある。これらの結合用の溝やグ
ローブを形成するのは、フォトリソグラフ加工を用いて
いる。

【００１１】しかし、これらの結合方法では、フォトリ
ソグラフ加工を用いると、パターン変換誤差が数マイク
ロメータ生じること、任意の光導波路に結合用の溝を形
成するには、埋め込まれた光導波路のコアの位置を直接
検出するのが技術的に難しいこと、深さ方向に対しては
エッチングの精度に依存すること、などのために、総合
的に精度をあげることが難しい欠点がある。さらに、フ
ォトリソグラフ加工は、工程が多く複雑なため、一般に
コストが高くなる欠点がある。

【００１２】また、他の結合方法としては、例えば、光
導波路のコア部にレーザーで穴を開ける方法が提案され
ている。井上らの特開平２−３３１０５号公報「光導波
路および光導波路の製造方法」には、炭酸ガスレーザー
を用いて光導波路の端部を穴加工した光導波路が開示さ
れている。この方法では、コアを導波する光を用いて位
置合わせを行うことで、フォトリソグラフ加工よりも位
置合わせ精度の向上が期待される。

【００１３】しかし、この方法では、加工時の炭酸ガス
レーザー光を直接観測することは困難なため、モニタ光
を加工用の光と重畳して位置合わせを行っている。した
がって、モニタ光の出射光が最大になるように調芯する
操作が必要となり、そのために時間がかかる上、二つの
光路間に位置ずれが生じる可能性がある。特に、温度や
時間変化によって生じる光学系の狂いなどが精度に影響
する欠点がある。さらに、一般にレーザーによる穴の加
工は、深さ方向の形状が一様でないという欠点があるば
かりでなく、プラスチック系や結晶系等の種々の光導波
路材料に最適な加工条件を設定するのが困難なため実用
的でないという欠点がある。そして、多数のコアが含ま
れる光導波路を加工対象にした場合には、連続加工によ
る基板自体の温度上昇で加工条件が変動する問題が考え
られ、作業効率が低下する恐れがある。

【００１４】このように、あらかじめコアに位置合わせ
された結合用の溝や、穴を形成するには、位置合わせ
と、加工方法の問題が生じる。

【００１５】特願平３−１５９３４５号「光導波路の結
合穴の形成方法および装置」によれば、加工治具と導波
路のコアとの位置合わせを容易に行うことができる。こ
の方法は、光導波路のコアから出射する導波光を用いて
加工用の治具に反射させ、この反射光を左右上下にバラ
ンスさせることによって、位置合わせを行うものであ
る。したがって、このような位置合わせに適する加工治
具を用いて、光導波路を構成する材料に対して適切な加
工が行えるか、が重要な問題である。

【００１６】以上述べたように、従来の光導波路では、
光導波路のコアと光部品や光ファイバとの接続を行う場
合に、位置合わせの作用効率が低く、光学系の安定性に
依存してしまう、などの欠点がある。また、接続する際
の固定に関しても安定性に乏しく、再現性が低い欠点が
ある。接続用の結合穴の形成に関しても、従来の方法で
は、結合穴の形状が不均一になりやすく、しかも、主に
ガラス材料を目的にしており、プラスチック等の種々の
材料に対する加工性に乏しいので、実用性がない、など
の欠点がある。また、作業効率が低いなどのため、総合
的に接続技術としてコストが高い問題がある。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、前記従来の
光導波路が持つ接続における問題点を克服するため、加
工条件の選択が容易な機械加工によって、均一な形状の
結合穴を端面に形成した光導波路を提供し、正確な位置
合わせ技術との併用で、特に光ファイバとの低損失な接
続を達成することを課題とするものである。

【００１８】

【課題を解決するための手段および作用】本発明では、
光導波路の端面に機械加工による結合穴の形成を行う。
加工用の治具には光部品・光ファイバの大きさと同程度
の径のマイクロツールを用い、高精度なスピンドルに取
り付けて加工する。導波路材料および所用の穴形状によ
り小径のドリル、電着砥石、エンドミルなどの適正なマ
イクロツールを選ぶ。結合穴の径は、これらのマイクロ
ツールの径と加工条件で決まる。加工位置は、加工すべ
きコアから出射する導波光を用い、この出射光にマイク
ロツールの先端を位置合わせする方法、コアを直接観察
してマイクロツールの先端を位置合わせする方法、など
により高精度な位置決めを行う。

【００１９】このような加工により形成される結合穴を
光導波路が有することで、特に光ファイバとの接続が容
易になる。加工の深さにより、接続時の接着強度も大き
くできる効果を有する。

【００２０】以下、本発明をさらに詳しく説明する。

【００２１】本発明の構成を図１に示す。図中、１は光
導波路を示すものであり、この光導波路１は、コア２、
クラッド３および基板４から構成されている。また、５
は光導波路の端面であり、この端面５にはマイクロツー
ルを用いた機械加工によって結合穴６が形成されてい
る。

【００２２】また、図２に、光導波路１の端面５に形成
した各種の結合穴６の断面形状と、それらの加工に用い
るマイクロツール７の外形を示す。図２の（Ｉ）は加工
にマイクロドリル７ａを用いた場合であり、その結合穴
６ａの形状は穴の穿削先端部で円錐状になる。この先端
部の円錐の頂角は、ドリル先端角で決まり、穴６ａの円
筒部の径は、マイクロドリル７ａの径と回転ブレなどの
加工条件で決まる。このような形状の結合穴６ａは、接
続するファイバの径よりわずかに大きな径とすること
で、容易に高精度な接続を行うことができる。この結合
穴６ａに光ファイバを接続した状態の断面構成を図３
（Ｉ）に示した。接続する光ファイバ８は、結合穴６ａ
に挿入する。結合穴６ａと光ファイバ８の間隙には、コ
ア２と屈折率を合わせた接着剤９を入れて固定する。こ
のように結合穴６ａが深穴で構成される光導波路１で
は、光ファイバ８を挿入するだけで接続が行えるので、
多数の光ファイバの接続を容易に行え、さらに、結合穴
６ａの内面で強固に固定されるため、接着強度が強くな
る効果がある。一方、この結合穴６ａの先端の円錐部
は、光ファイバ８のコアと導波路のコア２とを密着でき
ないために、接続損失を増加させる要因となる。したが
って、接続のためには、この頂角が大きい方がよいの
で、加工性が損なわれない範囲でマイクロドリルの先端
角度を大きく選ぶことが好ましい。

【００２３】次に、図２（ＩＩ）は、図２（Ｉ）と同様
に加工にマイクロドリル７ａを用いた場合を示すもので
あるが、接続する光ファイバ８の径よりも大きな径のマ
イクロドリルを用いて浅い結合穴６ａ’を形成したもの
である。結合穴６ａ’の先端部が頂角の大きな円錐状に
なるため、光ファイバ８の先端との接触面が多くなり、
接続する光ファイバ８が接着時にずれることがない効果
がある。この場合の接続断面を図３（ＩＩ）に示した。
光ファイバ８を、その導波光が最大になるようにモニタ
ーしながら、調芯し、光ファイバ８を結合穴６ａ’に軽
く押しつけ、接着を行う。この結果、接着剤９の固化時
に横方向へストレスが生じても、光ファイバ８は調芯位
置をずれることなく、最大の結合効率で接続を行える効
果がある。この場合、最大結合効率を得るには、Ｈｅ−
Ｎｅレーザーを光ファイバ８の他端より導入して、挿入
時の散乱光を観察しながら、光ファイバ８を結合穴６
ａ’の先端に押しつけ、散乱光が見えなくなるところで
止めることによっても、得られる。したがって、このよ
うに、結合穴が浅穴で構成される光導波路の場合でも、
光ファイバを位置合わせしやすく、位置合わせした時点
で接着することにより、多数の光ファイバを短時間で接
続することができる。

【００２４】次に、図２の（ＩＩＩ）は、加工治具とし
て小径の電着砥石７ｂもしくはマイクロエンドミル７ｃ
を用いた場合を示すものであり、結合穴６ｂの形状は円
筒形である。また、この結合穴６ｂの径はこれらのマイ
クロツール７ｂ、７ｃの径と回転ブレなどの加工条件で
決まる。したがって、穴６ｂ径を光ファイバ８よりもわ
ずかに大きめとすることで、接続が容易である上、結合
穴６ｂの先端部が平坦なため、光導波路１のコア２と光
ファイバの端面とが密着できるので、低損失な接続が行
える利点が得られる。この場合の接続断面を図３の（Ｉ
ＩＩ）に示した。光ファイバ８は、結合穴６ｂに挿入す
る。結合穴６ｂと光ファイバ８との間隙には、コア２と
屈折率を合わせた接着剤９を入れて固定する。このよう
に、結合用穴が円筒形状で構成される光導波路は、光フ
ァイバを挿入するだけで、低損失な接続が行えるので、
多数の光ファイバの接続を容易に行え、さらに、結合穴
の内面で強固に固定されるため、接着強度を強くする効
果がある。

【００２５】次に、図２の（ＩＶ）は、加工に段付きの
マイクロツール７ｄを用いた場合を示すものであり、結
合穴６ｄの形状は２段の円筒状となっている。この結合
穴６ｄの円筒部の径はマイクロツール７ｄの小径部と大
径部の径および回転ブレなどの加工条件で決まる。この
ような形状の結合穴６ｄは入り口が大きいので、挿入が
容易で、かつ小径部を光ファイバ８とほぼ同じ径とする
ことで、低損失な接続を行なうことができる。この場合
の接続断面を図３（ＩＶ）に示した。光ファイバ８は結
合穴６ｄに挿入する。結合穴６ｄと光ファイバ８との間
隙にはコア２と屈折率を合わせた接着剤９を入れて固定
する。このように、結合用穴が２段の円筒状で構成され
る光導波路は、光ファイバを挿入するだけで、低損失な
接続が行えるので、多数の光ファイバの接続を容易に行
え、さらに、結合穴の内面で強固に固定されるため、接
着強度を強くする効果がある。

【００２６】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。

【００２７】（実施例１）本発明の第１の実施例を説明
するための光導波路の斜視図を図４に示す。この光導波
路１には、今村らにより開示された特開昭６３−２４３
９８７号公報「ポリメタクリレートおよび光学材料」に
より作製されたものを用いた。コア２の大きさは断面が
８×８マイクロメーターの矩形で、１．３マイクロメー
ターの波長で単一モードの導波が可能な光導波路であっ
た。基板４には１ミリメータ厚のアクリル板を用いた。
また、コア２上のクラッド３の厚さは加工を容易にする
ため重ね塗りを行い、０．１５ミリメータと厚くした。
この光導波路１の端面５にマイクロツールを用いて結合
穴６を形成した。

【００２８】この結合穴６の形成は以下の方法によっ
た。

【００２９】光導波路１は、コア２の光軸に対して直角
になるように、ダイシングソーを用いて切断し、端面５
を形成した。この光導波路１を載物台上に保持した。そ
して、光導波路１のコア２に、結合穴６を形成する端面
５の反対側から、ＬＥＤ光を入射した。加工には直径
０．１３ミリメーター超硬性のマイクロドリルを用い
た。マイクロドリルは高精度スピンドルに取り付け、高
速での回転が可能なものであった。次に、このマイクロ
ドリルからコア２からの出射光によって反射光が生じる
ように載物台を調整した。さらに、この反射光が周囲に
バランスするように調整して位置合わせを行なった。次
に、マイクロドリルを端面５に接触させて加工を開始し
た。光導波路１のコア２の光学軸とマイクロドリルの回
転軸とを平行としたので、コア２を中心とした部分に深
さ０．３ミリメートルの結合穴６を開けることができ
た。

【００３０】さらに、同一寸法のコアに対して、位置合
わせと加工とを２００回繰り返し行ったが、結合穴の形
状や径はほとんど変わらなかった。

【００３１】結合穴の径は、直径が０．１３ミリメート
ルのマイクロドリルを用いた場合には、０．１３５ミリ
メートル±１μｍ、直径が０．１２ミリメートルのマイ
クロドリルを用いた場合には、０．１２６ミリメートル
±１μｍであった。また、穴の真円度は１μｍ以下であ
った。さらに、穴の中心と導波路のコア位置とのずれ
は、０．５μｍ以下であった。

【００３２】次に、図５に示すように、この結合穴６を
用いて、外径が１２５μｍ、コア径が１０μｍの１．３
μｍで単一モードの光ファイバ８の接続を行った。ホル
ダに固定した光ファイバ８の先端にわずかな量の紫外線
硬化型接着剤を塗布してから、結合穴６に挿入した。Ｈ
ｅ−Ｎｅレーザーを光ファイバ８に導入して挿入時の散
乱光を観察しながら、光ファイバ８を結合穴６の先端に
押しつけ、ほとんど散乱光が見えなくなるところで止
め、そこで接着部に紫外光を照射して固定した。接続後
の損失測定の結果、結合損失は０．５ｄＢであった。

【００３３】（実施例２）本発明の第２の実施例は、シ
リコンを基板にした石英導波路の端面に結合穴を形成し
たものである。この石英導波路はコアの断面が８×８マ
イクロメーターの矩形で、１．３マイクロメーターの波
長で単一モードの導波が可能な光導波路であった。この
光導波路の端面に結合穴を加工するのに、小径の電着砥
石を用いた。

【００３４】この導波路のコアと電着砥石との位置合わ
せは、前記実施例１の方法と同様であった。

【００３５】結合穴の深さは、０．３ミリメートル、穴
径は、直径が０．１２ミリメートルの電着砥石を用いた
場合は、０．１３ミリメートル±２μｍであり、また結
合穴の中心と導波路のコア位置とのずれは約１μｍであ
った。

【００３６】次に、この結合穴を用いて、外径が１２５
μｍ、コア径が１０μｍの１．３μｍで単一モードの光
ファイバの接続を行った。ホルダに固定した光ファイバ
の先端にわずかな量の紫外線硬化型接着剤を塗布してか
ら、結合穴に挿入した。Ｈｅ−Ｎｅレーザーを光ファイ
バに導入して挿入時の散乱光を観察しながら、光ファイ
バを結合穴の先端に押しつけ、ほとんど散乱光が見えな
くなるところで止め、そこで接着部に紫外光を照射して
固定した。

【００３７】接続後の損失測定の結果、結合損失は０．
８ｄＢであった。

【００３８】この他、プラスチック導波路の加工性が良
好なことを利用して、段付きのマイクロツールにより、
光ファイバの挿入が容易な結合穴を設けた光導波路が可
能なことはいうまでもない。このような結合穴の光導波
路は、低損失で迅速な接続が可能である。

【００３９】また、その他、マイクロエンドミルや他の
マイクロツールを用いた加工により、結合穴の形状を変
えたり、穴の深さ等を変えたりすることは、材料や必要
に応じて適応が可能である。

【００４０】以上述べたように、本発明によれば、加工
条件の選択が容易な機械加工によって、種々の材料の光
導波路に均一な形状の結合穴を端面に形成した光導波路
を提供することができる。正確な位置合わせ技術との併
用で、本発明の光導波路は、特に光ファイバとの低損失
な接続を容易に達成することができるものである。ま
た、この光導波路は光ファイバを挿入するだけで接続が
行えるので、多数の光ファイバの接続を容易に行え、さ
らに結合穴の内面で強固に固定されるため、接着強度を
強くする効果がある。その結果、本発明は、従来の接続
技術の欠点であった接着時の軸ずれを防止し、調芯のた
めの繁雑なプロセスを簡略化できるので、その工業的な
効果は多大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の接続用光導波路の斜視図である。

【図２】本発明の光導波路の端面に形成した各種の結合
穴の断面形状と加工に用いるマイクロツールの外形を示
す横断面図である。

【図３】光ファイバを接続した本発明の光導波路の横断
面図である。

【図４】本発明にかかる光導波路の一実施例の斜視図で
ある。

【図５】本発明の実施例を説明するための図で、本発明
の光導波路に光ファイバが接続された状態の斜視図であ
る。

【符号の説明】

１光導波路２コア３クラッド４基板５光導波路の端面６結合穴６ａ結合穴６ａ’ 結合穴６ｂ結合穴６ｄ結合穴７マイクロツール７ａマイクロドリル７ｂ電着砥石７ｃマイクロエンドミル７ｄ段付きマイクロツール８光ファイバ９接着剤

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】コアとクラッドを有し、光ファイバや光
部品を接続するための接続用光導波路であって、前記コアの中心軸と一致した中心軸を有する前記光ファ
イバまたは光部品接続用の機械加工結合穴が、その端面
に穿設されていることを特徴とする接続用光導波路。
【請求項２】コアとクラッドを有し、光ファイバまた
は光部品を接続するための接続用光導波路の製造方法で
あって、光導波路のコアに入射したビーム光を用いて、前記光導
波路のコアと穿孔治具とを互いに調芯し、該光導波路の
端面に前記治具により、前記光ファイバまたは光部品を
接続するための結合穴を穿設することを特徴とする接続
用光導波路の製造方法。