JPH0618741A - 複数の光導波路間の光結合形成装置 - Google Patents

複数の光導波路間の光結合形成装置

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JPH0618741A
JPH0618741A JP5109823A JP10982393A JPH0618741A JP H0618741 A JPH0618741 A JP H0618741A JP 5109823 A JP5109823 A JP 5109823A JP 10982393 A JP10982393 A JP 10982393A JP H0618741 A JPH0618741 A JP H0618741A
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recess
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optical
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JP5109823A
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Franz Auracher
アウラツヒアー フランツ
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Siemens AG
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    • G02B6/00Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 第1のスポット直径の光波を導く複数の第1
の光導波路と第2のスポット直径の光波を導く複数の第
2の光導波路との間の光結合を高い位置精度及び良好な
結合効率で形成する装置を提供する。 【構成】 支持体が、第1及び第2の導波路1、2の向
かい合う端面11と12の間に配置され第1の導波路1
に向かう板面41及び第2の導波路2に向かう板面42
を備える板4から成り、レンズ3の保持のための凹所4
0が板4の少なくとも一方の板面41、42上に形成さ
れて、板4の一方の板面41、42から他方の板面42
又は41の方向へ円錐形に直径が細くなる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、請求項1又は2の前
文に記載の複数の第1の光導波路と複数の第2の光導波
路との間の光結合形成装置に関する。
【0002】
【従来の技術】光集積回路又はプレーナ光導波路回路又
はハイブリッド形光回路においては、多くの場合軸線の
間に等しい間隔で複数の導波路をガラスファイバ又は別
の光導波路回路に結合するという課題がしばしば生じ
る。しかしこの課題の達成は、用いられた導波路中を導
かれる光波のスポット直径が非常に小さく、また結合す
べきガラスファイバ又は第2の光導波路回路中を導かれ
る光波のスポット直径に適合しないときには、特に困難
である。
【0003】1.3〜1.5μmの波長のための単一モ
ードガラスファイバ中を導かれる光波の典型的なスポッ
ト直径は約10μmである。これに対して特にIII/V材
料系(GaAlAs、InGaAsP )での光集積回路の導波路は一
般に2μmのスポット直径を有する。良好な結合効率を
達成するためには、スポット直径を例えば光学レンズ又
はファイバのテーパ部により相互に適合させ、かつスポ
ットの位置を相互に非常に正確に調節しなければならな
い。例えば前記スポット直径に対しては、光集積回路の
導波路の軸線の横方向調節はレンズ又はテーパ部により
縮小されたファイバスポットに関して約±0.5μmの
精度が要求され、他方では軸線方向に対しては約2μm
の精度で十分である。
【0004】光集積回路の複数の導波路と複数のガラス
ファイバとの間の光結合形成のために用いられる請求項
1の前文に記載の装置が知られている。この装置におい
てはファイバが支持体の表面上に形成されたV字形溝中
に配置されて保持されている。その際ファイバは表面の
稜縁の前で終わり、その結果ファイバの端面がこの稜縁
から間隔を置いて配置されるように保持されている。稜
縁とファイバの端面との間には表面上に端面から間隔を
置いて、球レンズを収容かつ保持する凹所が形成されて
いる。これらの各凹所は方形の断面を有し、表面に対し
直角な方向へ支持体の内部へ向かって角錐形に最大直径
からゼロより大きい最小直径へ細くなっている。ファイ
バの各端面とこの端面の前に形成された円錐形の凹所と
の間には結合溝が支持体の表面上に形成され、この結合
溝がこの凹所中に保持された球レンズとこの端面との間
の光波の妨げられない伝搬を保証している。
【0005】光集積回路の導波路は導波路が集積されて
いる基板の表面の稜縁で終わるので、これらの導波路の
端面はこれらの稜縁上に存在する。光集積回路の稜縁
は、光集積回路の導波路の各端面がファイバの端面と向
かい合い、その際相互に向かい合う端面の各対の間に球
レンズが設けられるように、ファイバの支持体の稜縁と
向かい合わせに配置される。
【0006】この公知の装置におけるファイバの支持体
はシリコンから成り、このシリコン中にV字形溝、結合
溝及び円錐形の凹所が異方性エッチングにより作られ
る。エッチングされたパターンの幅及び深さは一般に約
1μmの精度に保持することができる。この精度はレン
ズに関するファイバの位置決めに対しては十分である。
しかし光集積回路の軸線に関するレンズの位置精度に関
しては約0.5μmの精度が要求される。またエッチン
グパターンの加工のために用いられるマスクのアンダカ
ット、又はシリコンから成る支持体の表面にわたる不均
一なエッチング速度が、球レンズの中心点の目標位置か
らの著しく大きい偏差を招く。そのためにこの方法は、
課せられた極度の公差要求を満たすのに適していない。
更に導波路の詰め込み密度が250μm以下の直径を有
する比較的大きい球レンズにより制限されるという欠点
がある。
【0007】光集積回路の複数の導波路と複数のガラス
ファイバとの間の光結合形成装置も既に提案されてお
り、この装置では光集積回路の導波路の各端面に端面へ
向かってテーパ形に細くなるファイバ端部の端面が、向
かい合っている。
【0008】この装置においては、ファイバのテーパ形
の端部が支持体の表面の稜縁を越えて自由に突出するよ
うに、ファイバが支持体の表面上のV字形溝の中に配置
されかつ保持されている。テーパ形の端部の端面の位置
は孔付きマスクにより規定される。この孔付きマスク
は、光集積回路の導波路とファイバとの間に配置され導
波路に向かう板面及びファイバに向かう板面を備える板
から成り、その際この板上には一方の板面から他方の板
面へ貫通する孔が形成され、これらの孔はファイバに向
かう板面から光集積回路の導波路に向かう板面の方向
へ、ファイバの直径より大きい最大直径からテーパ形端
部の端面の直径以下である最小直径へ円錐形に細くな
る。
【0009】板は貫通する円錐形の孔が異方性エッチン
グにより作られたシリコンダイスから成る。この装置の
長所は孔中心をプレーナ技術により非常に正確に規定で
きるということにある。目標位置からの孔中心の横方向
偏差は、角錐形の孔の側面が異なる速さでエッチングさ
れる(孔の位置は光集積回路の導波路と反対側のシリコ
ンダイス板面上で規定される)か、又は用いられたエッ
チングマスクが非対称にアンダカットされることにより
生じるおそれがある。またテーパ形の端部の端面又は先
端の位置の最大誤差は、少なくとも1μmの小さいくぼ
みがテーパ形の端部と板との接触個所の孔の中に存在す
るか、又はテーパ形端部自体が非対称性を有するときに
生じるおそれがあり、これは特に問題となる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】この発明の課題は、第
1のスポット直径を有する各一つの光波を導く第1の光
導波路と第1のスポット直径とは異なる第2のスポット
直径を有する各一つの光波を導く第2の光導波路との間
の光結合を、高い位置精度及び良好な結合効率で可能に
するような、複数の第1の導波路と複数の第2の導波路
との間の光結合形成装置を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】この課題はこの発明に基
づき、支持体が、第1及び第2の導波路の向かい合う端
面の間に配置され第1の導波路に向かう板面及び第2の
導波路に向かう板面を備える板から成り、レンズの保持
のための凹所が板の少なくとも一つの板面上に形成され
て、板の一方の板面から他方の板面の方向へ円錐形に直
径が細くなるか、又は支持体が、第1及び第2の導波路
の向かい合う端面の間に配置され第1の導波路に向かう
板面及び第2の導波路に向かう板面を備え第1及び第2
の導波路中を導かれる光波の波長に対して透明な材料の
板から成り、各光学レンズが板の少なくとも一つの板面
上に配置又は形成された平面レンズから成ることにより
解決される。
【0012】この発明に基づく装置は、導波路中を導か
れる光波のスポット直径が等しいような、複数の第1の
光導波路と複数の第2の光導波路との間の光結合形成の
ためにも用いることができるので有利である。
【0013】
【実施例】次にこの発明に基づく光結合形成装置の複数
の実施例を示す図面により、この発明を詳細に説明す
る。
【0014】各図は実際の寸法に比例していない。すべ
ての図において例として、第1の導波路は光集積回路の
導波路であり第2の導波路は光ファイバ又は(別の光集
積回路の)別の導波路回路の導波路であるということが
前提となっている。同様にファイバを第1の導波路とし
光集積回路の導波路を第2の導波路とすることもでき
る。またすべての図において例として、第1の導波路が
この発明に基づき支持体として作用する板の左側に配置
され第2の導波路が右側に配置されているということが
前提となっている。同様に第1の導波路をこの板の右側
に配置し第2の導波路を左側に配置することもできる。
なお図によっては導波路が適宜省略されている。
【0015】図1に示す第1の実施例の場合には、板4
の第1の導波路に向かう板面41が、この板面41から
第2の導波路2に向かう他方の板面42の方向へ円錐形
に最大直径D1 からゼロより大きい最小直径D2 へ直径
が細くなる複数の凹所40を有する。他方の板面42は
凹所を有しない。
【0016】板4はシリコン又は異方性エッチング可能
な別の材料から成るのが有利である。異方性エッチング
により板面41上に掘り込まれた凹所40は角錐台形で
あり、第6図に示すように平面図では正方形である。
【0017】各凹所40中には、凹所40の最大直径D
1 より小さい直径D3 を有する球レンズが配置されてい
る。
【0018】ファイバにより形成された第2の導波路2
の端面12は、板4の他方の板面42に突き合わせ接続
される。
【0019】第1及び第2の導波路1、2の向かい合う
端面11と12の間隔D、並びにこれらの端面11と1
2の間に配置された球レンズ3の直径D3 及び位置は、
導波路1中を導かれる光波のスポット直径d1 がレンズ
3により第2の導波路2中を導かれる光波のスポット直
径d2 に適合させられるように寸法を選択されている。
その際板4の材料は板4がこの光波の波長に対して透明
であるように選択すべきである。球レンズ3は例えば2
50〜500μmの直径D3 を有する。また球レンズは
ファイバテーパ部よりも著しく高い再現度をもって製造
可能であるという長所を有する。
【0020】図2に示す第2の実施例は、凹所40が一
方の板面から他方の板面へ貫通する孔により規定され、
この貫通孔は板4の板面41から他方の板面42の方向
へ最初は最大直径D1 から最小直径D2 へ円錐形に細く
なり、この個所から再び他方の板面42上の最大直径D
1 へ広がることで、図1に示す実施例と異なっている。
板4の他方の板面42上の最大直径D1 はファイバの形
の第2の導波路2の直径より大きく選ばれ、その結果こ
の導波路2が貫通する孔中へ突入しそれにより比較的良
好に心出しできるので合目的的である。この第2の実施
例の場合には、板4が第1及び第2の導波路1、2中を
導かれる光波の波長に対し透明であることは必要でな
い。最小直径D2 はその際、当該導波路から出射される
光波がこの直径中を妨げられずに伝搬できるように寸法
を選択すべきである。
【0021】図3に示す第3の実施例は、一方の板面4
1上ばかりでなく他方の板面42上にも凹所40が形成
され、これらの凹所は対を成して向かい合い板4の材料
から成る壁43により相互に隔離されていることによ
り、第1図に示す第1の実施例と異なっている。更に板
4の一方の板面41上の凹所40中ばかりでなく他方の
板面42上の凹所中にもそれぞれ球レンズ3が配置され
ている。対を成して向かい合う凹所40中に配置された
各対の球レンズ3は、第1及び第2の導波路1、2の向
かい合う端面11、12のための2レンズ結像系を形成
し、これらの端面の間にこの対の球レンズ3が配置され
ている。この種の系の寸法選択に際しては大きい自由度
が存在する。
【0022】図3に示す実施例では、板4の他方の板面
42上の球レンズが一方の板面41上の球レンズ3より
大きく形成されている。なぜならばファイバの形の第2
の導波路2中を導かれる光波のスポット直径が第1の導
波路1中を導かれる光波のスポット直径より大きいから
である。それに応じて板4の他方の板面42上の凹所4
0の最大直径D1 も一方の板面41上の凹所40の最大
直径D1 より大きく選ぶべきである。
【0023】図3に示す実施例では、他方の板面42上
のすべての凹所40の最小直径D2も一方の板面41上
のすべての凹所40の最小直径D2 より大きい。
【0024】図4に示す第4の実施例は、図3に示す第
3の実施例の板4の代わりに図2に示す第2の実施例に
よる板4が選ばれていることだけにより、図3に示す第
3の実施例と異なっている。図3に示す第3の実施例の
場合には板4の材料が導波路1、2中を導かれる光波に
対して透明でなければならないが、このことは図4に示
す第4の実施例の板4の材料に対しては必要でない。図
2に示す第2の実施例の場合には板4の他方の板面42
からファイバが凹所40中へ突入するが、図4に示す第
4の実施例の場合には他方の板面42上に球レンズ3が
二重円錐形の貫通孔の形の凹所40中に配置されてい
る。
【0025】図1ないし図4に示す実施例は、凹所40
により与えられる格子寸法をまさに正確に維持できると
いう長所を有する。角錐台形にエッチングされた凹所4
0中の球レンズ3と板4との接触点はこの板4の内部に
存在するので、板4の板面41又は42のくぼみはレン
ズ3の心出しに影響を有しない。更に球レンズはファイ
バテーパ部より著しく良好に再現可能に製造できる。
【0026】図5及び図6に示す第5の実施例の場合に
は、板5の第1の導波路1に向かう一方の板面51では
なく第2の導波路2に向かう板面52が複数の凹所40
を有し、これらの凹所のうちただ一つの凹所が図示され
ている。一方の板面51上にはこの凹所40に向かっ
て、厳密に言えばこの凹所40の最小直径D2 の底面4
4に向かって、平面レンズ3例えばフレネルレンズ又は
ホログラムが配置され、この平面レンズは直接一方の板
面51上に取り付けることができる。最も簡単な場合に
はフレネルゾーンプレートを用いることができる。この
方法は、レンズ中心の位置を光集積回路の第1の導波路
1の精度と同じ0.1〜0.2μmの精度に維持できる
ことを保証する。板5の第2の導波路2に向かう板面5
2上の凹所40をこの第2の導波路2の精密位置決めの
ために用いることができる。このために各凹所40の最
大直径D1 を第2の導波路2の外径D4 より大きくしな
ければならない。最小直径D2 はこの外径D4 以下とす
るのが合目的的である。精密位置決めのために第2の導
波路2の端面12が凹所40の斜めの側面と接触するま
で当該凹所中に導入される。平面レンズ3と第2の導波
路2の端面12との間に残っている板5の壁が結像誤差
を引き起こさないために、凹所40の底面44は極めて
平滑でありかつ第1の導波路1に向かう板面51に完全
に面平行でなければならない。このことは図1及び図3
に示す装置に対しても成り立つ。このことを保証しかつ
同時にエッチング深さを正確に守るために、板は凹所4
0の底面44の深さまでホウ素をドープされるか又はp
n接合を作り込まれる。そして適当なエッチング液によ
り、エッチングがドーパントの所定の濃度で終了するこ
とが達成される。平面レンズ3は円錐形の凹所40の底
面44上に取り付けることもできる。
【0027】図7に示す第6の実施例の場合には、板5
の第2の導波路2に向かう板面52上の凹所40による
第2の導波路2の精密位置決めが省略されている。この
実施例の場合には板5の第1及び第2の導波路1、2に
向かう板面51、52が全く凹所を有しない。第2の導
波路2の端面12が突き合わせにより板5の第2の導波
路2に向かう板面52に当接するにすぎない。この装置
は図4に示す装置を除く他のすべての装置と同様に、異
なるスポット直径を備える第2の導波路回路(光集積回
路)を結合するのに適している。
【0028】ファイバの形の第2の導波路2の格子間隔
を維持するために、第2の導波路2をすべての実施例に
おいて図8に示す固定兼支持体7の表面上に、例えばシ
リコンから成る固定兼支持体7のエッチングされたV字
形溝中に固定するのが合目的的である。特に図8に示さ
れていないレンズ3の格子状配置に対する第2の導波路
2の自動調節を可能にする補助的な措置を講じると有利
である。このことは例えば、板4又は5の第2の導波路
2に向かう板面42又は52上に、小さい球47を収容
する錐形例えば角錐形の凹所46がエッチングされ、球
47が固定兼支持体7の適当にエッチングされた溝71
に適合し、板4又は5と固定兼支持体7とを寄せ合わせ
た際に球47と溝71が噛み合うようにすることにより
達成できる。
【0029】板4又は5あるいは第2の導波路のための
固定兼支持体7の製造のために、特にLIGA技術並び
にプレーナ技術で作られた原版による復刻法又は転写法
を含めて、要求される精度を可能にするような前記の方
法以外の方法を用いることもできる。シリコンの代わり
に適当な異方性エッチング処理を利用できる別の単結晶
材料例えばGaAsを用いることもできる。光路中に存
在する面は反射防止加工すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明に基づく光結合形成装置の第1の実施
例の要部断面図である。
【図2】第2の実施例の要部断面図である。
【図3】第3の実施例の要部断面図である。
【図4】第4の実施例の要部断面図である。
【図5】第5の実施例の要部断面図である。
【図6】図5に示す要部の平面図である。
【図7】第6の実施例の要部断面図である。
【図8】第7の実施例の要部断面図である。
【符号の説明】
1、2 光導波路 3 光学レンズ 4、5 支持板 7 固定兼支持体 11、12 端面 40 凹所 41、42、51、52 板面 43 壁

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 複数の第1の光導波路(1)と複数の第
    2の光導波路(2)との間の光結合形成装置であって、
    第1及び第2の導波路(1、2)が対を成して向かい合
    いかつ相互に間隔(D)を置いて配置された端面(1
    1、12)を有し、第1及び第2の導波路(1、2)の
    相互に向かい合う各対の端面(11、12)の間に光学
    レンズ(3)が配置され、この光学レンズが、支持体
    (4)の表面(41、42)上に形成され表面(41、
    42)から支持体(4)の内部の方向へ円錐形に最大直
    径(D1 )からゼロより大きい最小直径(D2 )へ直径
    が細くなる凹所(40)の領域内で、支持体(4)上に
    保持されているものにおいて、支持体(4)が、第1及
    び第2の導波路(1、2)の相互に向かい合う端面(1
    1、12)の間に配置され第1の導波路(1)に向かう
    板面(41)及び第2の導波路(2)に向かう板面(4
    2)を備える板から成り、レンズ(3)の保持のための
    凹所(40)が板(4)の少なくとも一方の板面(4
    1、42)上に形成されて、板(4)の一方の板面(4
    1、42)から他方の板面(42又は41)の方向へ円
    錐形に直径が細くなることを特徴とする複数の光導波路
    間の光結合形成装置。
  2. 【請求項2】 複数の第1の光導波路(1)と複数の第
    2の光導波路(2)との間の光結合形成装置であって、
    第1及び第2の導波路(1、2)が対を成して向かい合
    いかつ相互に間隔(D)を置いて配置された端面(1
    1、12)を有し、第1及び第2の導波路(1、2)の
    相互に向かい合う各対の端面(11、12)の間に光学
    レンズ(3)が配置され、この光学レンズが支持体
    (5)上に保持されているものにおいて、支持体(5)
    が、第1及び第2の導波路(1、2)の相互に向かい合
    う端面(11、12)の間に配置され第1の導波路
    (1)に向かう板面(51)及び第2の導波路(2)に
    向かう板面(52)を備え第1及び第2の導波路(1、
    2)中を導かれる光波の波長に対して透明な材料の板
    (5)から成り、各光学レンズ(3)が板(5)の少な
    くとも一方の板面(51、52)上に取り付けられた平
    面レンズから成ることを特徴とする複数の光導波路間の
    光結合形成装置。
  3. 【請求項3】 板(4)が第1及び第2の導波路(1、
    2)中を導かれる光波の波長に対し透明な材料から成る
    ことを特徴とする請求項1記載の装置。
  4. 【請求項4】 凹所(40)の最小直径(D2 )が板
    (4)の各板面(41、42)からゼロでない距離に設
    けられることを特徴とする請求項1又は3記載の装置。
  5. 【請求項5】 板(4)の両板面(41、42)上に、
    相互に向かい合い板(4)の材料から成る壁(43)に
    より相互に隔離され円錐形に最大直径(D1)からゼロ
    より大きい最小直径(D2 )へ細くなる凹所(40)が
    形成されていることを特徴とする請求項3又は4記載の
    装置。
  6. 【請求項6】 凹所(40)が板(4)の一方の板面
    (41、42)から他方の板面(42又は41)の方向
    へ貫通する孔により形成され、この孔が一方の板面(4
    1、42)から他方の板面(42又は41)の方向へ円
    錐形に最大直径(D1 )から最小直径(D2 )へ細くな
    り、そして最小直径(D2 )から他方の板面(42又は
    41)の方向へ円錐形に最大直径(D1 )へ広がること
    を特徴とする請求項4記載の装置。
  7. 【請求項7】 板(4)の一方の板面(41、42)上
    に設けられた凹所(40)の最大直径(D1 )が、他方
    の板面(42又は41)上に設けられた凹所(40)の
    最大直径(D1 )と異なることを特徴とする請求項5又
    は6記載の装置。
  8. 【請求項8】 板(4)の一方の板面(41、42)上
    に設けられた凹所(40)の最小直径(D2 )が、他方
    の板面(42又は41)上に設けられた凹所(40)の
    最小直径(D2 )と異なることを特徴とする請求項5な
    いし7の一つに記載の装置。
  9. 【請求項9】 板(4)の一方の板面(41、42)上
    に設けられた凹所(40)中に球レンズ(3)が配置さ
    れて保持されていることを特徴とする請求項1又は3な
    いし8の一つに記載の装置。
  10. 【請求項10】 板(4)の一方の板面(41、42)
    上に設けられた凹所(40)中ばかりでなく他方の板面
    (42又は41)上に設けられた凹所(40)中にも、
    球レンズ(3)が配置されて保持されていることを特徴
    とする請求項5ないし9の一つに記載の装置。
  11. 【請求項11】 異なる最大直径及び/又は最小直径
    (D1 、D2 )の凹所(40)中に配置されて保持され
    ている球レンズ(3)が異なる直径(D3 )を有するこ
    とを特徴とする請求項10記載の装置。
  12. 【請求項12】 板(5)の両板面(51、52)が凹
    所を有しないことを特徴とする請求項2記載の装置。
  13. 【請求項13】 板(5)の一方の板面(51、52)
    上に配置された平面レンズ(3)の向かい側に、凹所
    (40)が板(5)の他方の板面(52又は51)上に
    形成され、その際凹所(40)が他方の板面(52又は
    51)から一方の板面(51又は52)の方向へ円錐形
    に最大直径(D1 )から最小直径(D2)へ細くなるこ
    とを特徴とする請求項2記載の装置。
  14. 【請求項14】 凹所(40)の最大直径(D1 )が第
    1又は第2の導波路(1、2)を形成する光ファイバの
    外径(D4 )より大きく、この凹所(40)の最小直径
    (D2 )が光ファイバの外径(D4 )以下であることを
    特徴とする請求項12又は13記載の装置。
  15. 【請求項15】 凹所(40)中に球レンズが配置又は
    保持されていることを特徴とする請求項12又は13記
    載の装置。
  16. 【請求項16】 第1及び第2の導波路(1、2)の端
    面(11、12)を凹所(40)及び/又は光学レンズ
    (3)に対して自動調節する調節装置を備えることを特
    徴とする請求項1ないし15の一つに記載の装置。
  17. 【請求項17】 調節装置が第1又は第2の導波路
    (1、2)を光学レンズ(3)と同一の配置に取り付け
    た固定兼支持体(7)を有し、板(4、5)及び固定兼
    支持体(7)上に板(4、5)及び固定兼支持体(7)
    の寄せ合わせの際に噛み合う調節突起(47)及び調節
    凹所(71)が形成されていることを特徴とする請求項
    16記載の装置。
  18. 【請求項18】 光ファイバ(2)を収容しかつ固定す
    る凹所(40)及び/又は溝が、プレーナ技術及び異方
    性エッチングにより異方性にエッチング可能な材料中に
    作られた凹所又は溝であることを特徴とする請求項1又
    は3ないし11又は13ないし17の一つに記載の装
    置。
  19. 【請求項19】 異方性にエッチング可能な材料がシリ
    コンから成ることを特徴とする請求項18記載の装置。
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