JPH0836117A - 光導波路モジュール並びに光導波路及び光ファイバの結合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光ファイバを精密に配列する光ファイバアレ
イを用いる必要がなく、低コスト化を図ることが可能な
光導波路モジュール、並びにこの光導波路モジュールを
製造するための光導波路及び光ファイバの結合方法を提
供することを目的とする。 【構成】 光導波路２が形成された光導波路基板１と、
光ファイバ配列部材４に形成された複数のＶ溝６に挿入
されて配列され、先端付近の被覆が除去された複数の光
ファイバ３と、光ファイバ３が光導波路２のコア部に対
して調心された状態で、光ファイバ３の先端部を光導波
路基板１に固定する紫外線硬化型接着剤１２と、光導波
路基板１と光ファイバ３の被覆された部分７とを互いに
固定する固定用基板９とを備えている。光ファイバ配列
部材４は、光ファイバ３の接着固定後、取り外され再利
用される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光通信システムにおい
て使用される光導波路モジュール、並びにこの光導波路
モジュールを製造する際に使用される光導波路及び光フ
ァイバの結合方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年の光通信技術の発展にともない、光
の分岐素子や合分波素子に対する需要が高まってきてい
る。また、これらの光部品の高密度化の要求を満たすた
めに、石英ガラス系の光平面導波回路が用いられてきて
いる。この光平面導波回路は、低い導波損失のものであ
り、また光ファイバとの低損失な接続を可能にする。

【０００３】例えば、特開昭５８−１０５１１１号公報
には、火炎堆積法（ＦＨＤ法）などによりガラス膜を成
膜した後、回路パターンを半導体技術を応用した反応性
イオンエッチング法（ＲＩＥ法）で形成し、クラッド部
を成膜する手法によって製造される埋め込み型の石英導
波路が開示されている。

【０００４】このような光導波路を光素子として用いる
場合、光導波路に入出力用の光ファイバを接続する構成
が一般的である。光ファイバの接続には、例えばＩＥＥ
ＥPhotonic Technology Letters, vol.4, No.8, (199
2), pp906-908 に示されているように、光ファイバを精
密加工したフェルールに配列固定した光ファイバアレイ
を光導波路に紫外線硬化型接着剤を用いて接着固定する
方法が一般に用いられている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】光ファイバを光導波路
に接続する際に最も重要なことは、接続部の位置ずれに
よる損失が大きくなってはならないことである。光導波
路のコア径は１０μｍ以下であり、このような光導波路
の接続の損失を０．３ｄＢ未満にするためには、接続部
の位置ずれの量は１μｍ以内にしなければならない。図
７にコアの位置ずれ量と損失値の関係を示す。

【０００６】上記従来技術における光ファイバの接続方
法においては、紫外線を透過する材料、例えば石英ガラ
スによって光ファイバアレイを構成しなければならな
い。ところが、ガラスのような加工が困難な材料を１μ
ｍ以内という高精度で加工する必要があるため、光ファ
イバアレイの価格が非常に高価になり、光導波路モジュ
ールの低コスト化の妨げになっていた。さらに、光導波
路ないしは光ファイバアレイが光透過性の材料でなけれ
ば適用できないため、ＦＨＤ法に代表されるような基板
にＳｉを用いる光導波路の場合には、光ファイバアレイ
には光透過性材料（例えば石英ガラス）しか用いること
ができなかった。また、石英ガラスの精密加工は機械研
削加工によらなければならず、加工精度の点で問題があ
った。さらに、石英ガラスが硬い材料であるため、加工
コストが高くなるという問題もあった。

【０００７】上記の問題を解決する方法として、例えば
特開平３−５０５７７５号公報に記載されているように
基板に微細加工を施すことによって精密溝を形成する方
法も考えられるが、すべての部品に精密加工を施すの
は、ファイバアレイによる方法と同様に困難である。

【０００８】また、例えば特開昭６３−５２７７５号公
報に記載されているように、光ファイバをマイクロマニ
ピュレータで位置決めする方法もあるが、光ファイバを
整列固定するのは、光ファイバが多芯であるため、やは
り困難である。

【０００９】そこで、本発明の目的は、光ファイバを精
密に配列する光ファイバアレイを用いる必要がなく、低
コスト化を図ることが可能な光導波路モジュール、並び
にこの光導波路モジュールを製造するための光導波路及
び光ファイバの結合方法を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に係る発明は、光導波路が形成された光導
波路基板と、光ファイバ配列部材に形成された複数のＶ
溝に挿入されて配列され、先端付近の被覆が除去された
複数の光ファイバと、光ファイバが光導波路のコア部に
対して調心された状態で、光ファイバの先端部を光導波
路基板に固定する固定手段と、光導波路基板と光ファイ
バの被覆された部分とを互いに固定する固定用基板とを
備えている。

【００１１】また、請求項２に係る発明は、光導波路基
板に形成された光導波路と光入出力用の光ファイバとを
結合する方法であって、光ファイバ配列部材に形成され
たＶ溝に光ファイバを挿入して配列する工程と、光ファ
イバを光導波路のコア部に対して調心した後、光ファイ
バの先端部を光導波路基板に固定する工程と、光ファイ
バ配列部材から光ファイバを取り外す工程と、光導波路
基板と光ファイバの被覆された部分とを固定用基板を介
して互いに固定する工程とを備えている。

【００１２】また、光導波路基板の熱膨張係数と固定用
基板の熱膨張係数との差は、５×１０^-6／℃未満である
ことが望ましい。これは、使用環境の変化（例えば温度
変化）による光導波路モジュールの特性変化を抑制する
ためである。

【００１３】また、光ファイバの先端部は光ファイバ配
列部材の端面から突出しており、その突出した長さは
０．５ｍｍ以上４．０ｍｍ以下であることが望ましい。
これは、光導波路モジュールを作製する際の光ファイバ
の位置ずれを低減させる等のためである。

【００１４】また、光ファイバの被覆された部分を支持
する支持部が光ファイバ配列部材に設けられており、光
ファイバのうちＶ溝によって支持された部分の光軸方向
と光ファイバのうち支持部によって支持された部分の光
軸方向とのなす角度は、０．５度以上５度以下であるこ
とが望ましい。これは、光ファイバにたわみ力を生じさ
せてＶ溝に深く挿入させることにより、光ファイバをう
まく配列するためである。

【００１５】また、固定用基板には溝が形成されてお
り、固定用基板が光ファイバ配列部材及び固定手段に接
触しないようにされていることが望ましい。これは、固
定用基板を接着する際に、固定用基板が光ファイバ配列
部材等に接触しないようにするためである。

【００１６】また、光導波路の端面の法線と光導波路の
光軸方向とのなす角度は、４度以上１０度未満であるこ
とが望ましい。これは、光導波路端面での反射減衰量を
低減させるためである。

【００１７】また、光ファイバの先端部は予め放電加熱
によって清浄にしておくことが望ましい。これは、接着
強度を向上させるためである。

【００１８】さらに、光ファイバの先端部を放電加熱に
よって溶融することにより、先端部の形状が曲率半径１
ｍｍ以下の球面にほぼ一致するように予め加工しておく
ことが望ましい。これは、光ファイバ先端での反射減衰
量を低減させるためである。

【００１９】

【作用】本発明においては、光ファイバ配列部材に形成
されたＶ溝に光ファイバを挿入して配列し、光ファイバ
を光導波路のコア部に対して調心した後、光ファイバの
先端部を光導波路基板に固定し、光ファイバ配列部材か
ら光ファイバを取り外し、光導波路基板と光ファイバの
被覆された部分とを固定用基板を介して互いに固定す
る。このように、光ファイバと光導波路との接続は、光
ファイバを配列するための光ファイバアレイを用いるこ
となく行われる。従って、光導波路モジュールの低コス
ト化を図ることができ、低コスト化が可能な光導波路及
び光ファイバの結合方法が提供される。

【００２０】

【実施例】以下、添付図面に沿って本発明の実施例につ
いて説明する。なお、図面において同一又は相当部分に
は同一符号を用いるものとする。

【００２１】図１〜図３は、本発明に従って構成された
光導波路モジュールの製造方法を示す図である。まず、
図１( ａ) に示すように、複数の光ファイバ３を光ファ
イバ配列部材４によって配列して支持する。すなわち、
各光ファイバ３の被覆を除去された部分５は光ファイバ
配列部材４のＶ溝６にそれぞれ挿入されて配列され、光
ファイバ３の被覆された部分７は光ファイバ配列部材４
の支持部８によって支持されている。また、Ｖ溝６に対
向してクランプ部材１４が設けられ、光ファイバ３の被
覆を除去した部分５をＶ溝６に固定しており、支持部８
に対向してクランプ部材１６が設けられ、光ファイバ３
の被覆された部分７を支持部８に固定している。

【００２２】続いて、光パワーモニター（図示せず）に
よりコアの軸を調心した後、光ファイバ３の先端部にエ
ポキシ系光硬化接着剤を塗布し、紫外光（高圧水銀ラン
プ、３６５ｎｍ）を１０ｍＷ／ｃｍ² の強度で２０秒照
射することにより、光ファイバ３と光導波路２とを接着
固定する。光導波路基板１に形成された光導波路２は、
図１( ａ) の紙面に垂直な方向に配列された複数の光フ
ァイバ３と結合されることになる。硬化後のエポキシ系
光硬化接着剤１２は固定手段を構成する。また、図４は
エポキシ系光硬化接着剤１２やその周辺の構成を示す断
面図である。

【００２３】図１( ｂ) は図１( ａ) の線Ａ−Ａについ
ての断面の拡大図であり、光ファイバ３の被覆を除去さ
れた部分５がＶ溝６によってうまく配列されている状態
を示している。

【００２４】このように、光ファイバ３の先端部を固定
した後、光ファイバ３をＶ溝６に固定していたクランプ
部材１４、１６を取り外す（図２参照）。そして、図３
に示すように、光導波路基板１と光ファイバ３の被覆さ
れた部分７との間を、固定用基板９を介して接着剤１
８、２０によって接着固定する。固定用基板９は、シリ
コンと熱膨張係数を一致させたガラス（例えばＨＯＹＡ
株式会社製、商品名ＳＤ２、熱膨張係数２．４×１０⁶
／℃）からを製作されている。

【００２５】固定用基板９を接着した後、光ファイバ
３、光導波路基板１及び固定用基板９から光ファイバ配
列部材４を取り外した。光ファイバ配列部材４は、別の
光導波路モジュールを作製する際にふたたび使用するこ
とができる。

【００２６】このように製作された光導波路モジュール
のファイバ接続部を含む損失は０．４５ｄＢであり、反
射減衰率は−４５ｄＢであった。また、この光導波路モ
ジュールに−４０℃〜７５℃の温度サイクルを与えた後
に損失変動を測定したところ、損失が最大であったもの
と最小であったものとの損失の差は０．１２ｄＢと良好
であった。温度サイクル付与後の反射減衰量は−４４ｄ
Ｂであったため、接着部の固定に問題はなかった。

【００２７】次に、光導波路基板１の作製方法について
説明する。ここでは、接続部の特性にのみ着目するた
め、平面導波路に特に機能は付加されていない。火炎堆
積法（ＦＨＤ法）によってシリコン基板上にコア・クラ
ッド構造をもつガラス層を形成した後、反応性イオンエ
ッチング法（ＲＩＥ法）によってコア径８μｍ、比屈折
率差０．３％の埋め込み型直線状導波路を作製する。

【００２８】次に、比較のための実験をおこなった。先
の実施例と同様の手法で光導波路に光ファイバを接続し
た後、熱膨張係数が１０×１０⁶ ／℃のガラス材からな
る部材を固定用基板として、光導波路基板と光ファイバ
の被覆された部分とを接着固定した。この場合の光導波
路基板と固定用基板との熱膨張係数の差は７．６×１０
⁶ ／℃であり、ファイバ接続部を含む損失は０．４２ｄ
Ｂ、反射減衰量は−４５ｄＢであった。そして、前と同
様に−４０℃〜７５℃の温度サイクルを与えた後に損失
変動を測定したところ、損失が最大であったものと最小
であったものとの損失の差は１．４ｄＢと大きくなっ
た。また、温度サイクル付与後の反射減衰量は−１５ｄ
Ｂであり、接着部が剥離した場合の特性となった。

【００２９】この比較例より、光導波路基板と固定用基
板との熱膨張係数の差は７．６×１０⁶ ／℃未満、望ま
しくは５×１０⁶ ／℃未満であるのがよいと判断され
る。

【００３０】なお、光ファイバアレイを用いる方法との
比較も行った。火炎堆積法（ＦＨＤ法）によってシリコ
ン基板上にコア・クラッド構造をもつガラス層を形成
し、反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ法）によってコ
ア径８μｍ、比屈折率差０．３％の埋め込み型直線状導
波路を作製した。このように光導波路が形成された光導
波路基板に光ファイバアレイを当接し、当接部にエポキ
シ系光硬化接着剤を塗布して紫外光（高圧水銀ランプ、
３６５ｎｍ）を１０ｍＷ／ｃｍ² の強度で２００秒照射
することにより光導波路基板と光ファイバアレイとを接
続した。この場合のファイバ接続部を含む損失は０．３
１ｄＢであり、反射減衰率は−４５ｄＢであった。ま
た、この光導波路モジュールに−４０℃〜７５℃の温度
サイクルを与えた後に損失変動を測定したところ、損失
が最大であったものと最小であったものとの損失の差は
０．０８ｄＢと良好であった。このように特性は良好で
あるものの、「発明が解決しようとする課題」のところ
で述べたように、加工工程数が多く、またコストが高い
ものとなった。

【００３１】次に、本実施例の各部の詳細について説明
する。光ファイバ３のＶ溝６内における挙動は、光ファ
イバ３の位置ずれに対してシビアに効いてくるものであ
り、光ファイバのＶ溝６内での不揃いや光ファイバ３が
光ファイバ配列部材４から突出する部分の曲りは極力少
なくする必要がある。Ｖ溝６から出た後の光ファイバ３
の曲りなどに起因する不揃いは、主に、Ｖ溝６から出る
量すなわち光ファイバ３が光ファイバ配列部材４から突
出する部分の長さＬ（図４参照）が過剰になるために、
外乱による光ファイバ３の配列乱れが生じることによ
る。石英ガラスのヤング率は７．２×１０¹⁰ｋｇ／ｍｍ
² であり、この値を用いて光ファイバ３の突出部の長さ
（ファイバ長）Ｌと光ファイバ３を曲げようとする荷重
との関係を求めると図５に示すようになる。この図よ
り、光ファイバ３の突出部の長さＬが３ｍｍで１ミクロ
ン（１μｍ）の変位を生じさせるのに必要な荷重は０．
０４ｇとなることがわかる。同じ大きさのずれ（変位）
を起こさせる荷重は突出部の長さＬの３乗に反比例する
ので、突出部の長さＬの最大値は４ｍｍ以下、望ましく
は３ｍｍ以下とすべきである。もちろん、同じ荷重で生
じる位置ずれは光ファイバ３の外径の２乗に反比例する
ので、光ファイバ３の外径が異なる場合には異なった条
件となる。しかし、標準的に用いられている光ファイバ
の外径は１２５μｍであり、この場合の突出部の長さＬ
の最大値は３ｍｍ程度が望ましい。

【００３２】一方、突出部の長さＬの最小値は、光ファ
イバ３に接着剤を塗布した場合に、これがＶ溝６まで流
れ込まないようにする条件から定まる。従って、この最
小値は接着剤の粘度や表面張力によって変化するが、接
着剤の粘度が１００ｃｐｓの場合には０．５ｍｍ程度と
なる。より低い粘度の場合にはより流れやすくなるた
め、それに応じて突出部の長さＬを調整する必要があ
る。

【００３３】また、光ファイバ３をＶ溝６に挿入する場
合、ある程度角度を付けて挿入すれば光ファイバ３のた
わみによって荷重がかけられた状態でＶ溝６内に設置さ
れる。図１に示すように、光ファイバ配列部材４の支持
部８に角度θ₁ が付けられていれば、光ファイバ３が元
の真っ直ぐな形状に戻ろうとする結果、光ファイバ３の
被覆を除去した部分５はＶ溝６内に押し付けられること
になる。一方、この角度θ₁ が大きすぎると光ファイバ
３の破損が生じやすいので、適切な角度をとる必要があ
る。すなわち、Ｖ溝６内への保持のためには０．５度以
上必要であり、５度以上の角度を付けた場合には光ファ
イバ３の曲げ半径が１０ｍｍ程度にまで小さくなり、光
ファイバ３の破断ないし曲げによる損失増加が問題とな
る。従って、この角度、すなわち光ファイバ３のうちＶ
溝６によって支持された部分の光軸方向と、光ファイバ
３のうち支持部８によって支持された部分の光軸方向と
のなす角度は、０．５度以上５度以下の範囲にあること
が望ましい。

【００３４】さらに、固定用基板９と光ファイバ３との
固定位置が不適切であると、外部からの衝撃などを光フ
ァイバ３と光導波路２との接続部がもろに受けて、接続
部の離脱が生じる。これを防ぐには、固定部分に衝撃の
緩衝部を設けるのが望ましい。従って、固定用基板９
は、光ファイバ３のうち被覆された部分７に固定されて
いることが望ましい。ただし、衝撃を吸収しうる材料が
あれば、それを用いて光ファイバ３の露出した部分５と
固定用基板９とを接続してもよい。

【００３５】また、固定用基板９には溝１１が形成され
ており、固定用基板９が光ファイバ配列部材４及びエポ
キシ系光硬化型接着剤１２に接触しないようにされてい
る。

【００３６】次に、光導波路モジュールにおける反射減
衰量の低減効果について検討する。光ファイバ３につい
ては、その先端に放電加工が施され、先端部は半径０．
２ｍｍの球面に加工されている。光導波路基板１につい
ては、その端面の角度θ₂ （図４参照）が９８ｄｅｇと
なるように研磨加工が施されている。この場合、光導波
路基板１の端面の法線と光導波路２の光軸方向とのなす
角度は８度となる。このように作製された光導波路モジ
ュールにおけるファイバ接続部を含む損失は０．３９ｄ
Ｂであり、反射減衰量は−５５ｄＢ以下であった。この
ように、光ファイバ３及び光導波路２の双方を加工する
ことによって反射減衰量が向上するのは、反射端面のい
ずれかが垂直になっていた場合には屈折率不整合による
反射光が戻っていって光源等に悪影響を及ぼすようにな
ることから容易に理解される。なお、角度θ₂ が９０度
からあまり大きく離れると接着強度が低下するため、光
導波路２の端面の法線と光導波路２の光軸方向とのなす
角度は、４度以上１０度未満であるのが望ましい。

【００３７】また、光ファイバ３の先端部を予め放電加
工によって処理することにより、表面の清浄化がなさ
れ、接着強度を向上させることができる。この清浄化の
際には、先に述べたような球面にまでの加工は必要では
ない。放電処理条件は用いる光ファイバの材質によって
も変化し、放電電圧、放電時間を適切に制御することが
必要である。清浄化のための放電処理条件は、放電電圧
をファイバ融着の場合の１／４とし、処理時間を半分と
すればよい。

【００３８】さらに、この光導波路モジュールが高湿環
境下に置かれるときには、図６に示したように、光導波
路モジュールを密封ケース３０に封入して光ファイバ３
だけを密封ケースの壁面から出すようにすれば、外部か
らの高湿の空気の侵入を防ぐことができる。

【００３９】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、光ファ
イバを配列するための光ファイバアレイを用いることな
く、複数の光ファイバと光導波路とを接続する。従っ
て、光導波路モジュールの低コスト化を図ることがで
き、低コスト化が可能な光導波路及び光ファイバの結合
方法を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光導波路モジュールの製造工程を
示す図である。

【図２】本発明による光導波路モジュールの製造工程を
示す図である。

【図３】本発明に従って構成された光導波路モジュール
を示す図である。

【図４】本発明に従って構成された光導波路モジュール
の一部の拡大図である。

【図５】光ファイバが端面から突出した長さと１μｍの
変位を生じさせる荷重との関係を示す図である。

【図６】光導波路モジュールを密封した実施例を示す断
面図である。

【図７】光ファイバ及び光導波路の位置ずれ量と損失と
の関係を示す図である。

【符号の説明】

１…光導波路基板、２…光導波路、３…光ファイバ、４
…光ファイバ配列部材、６…Ｖ溝、８…支持部、９…固
定用基板、１１…溝、１２…紫外線硬化型接着剤。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光導波路が形成された光導波路基板と、 光ファイバ配列部材に形成された複数のＶ溝に挿入され
   て配列され、先端付近の被覆が除去された複数の光ファ
   イバと、 前記光ファイバが前記光導波路のコア部に対して調心さ
   れた状態で、前記光ファイバの先端部を前記光導波路基
   板に固定する固定手段と、 前記光導波路基板と前記光ファイバの被覆された部分と
   を互いに固定する固定用基板と、を備えた光導波路モジ
   ュール。
2. 【請求項２】 光導波路基板に形成された光導波路と光
   入出力用の光ファイバとを結合する方法であって、 光ファイバ配列部材に形成されたＶ溝に前記光ファイバ
   を挿入して配列する工程と、 前記光ファイバを前記光導波路のコア部に対して調心し
   た後、前記光ファイバの先端部を前記光導波路基板に固
   定する工程と、 前記光ファイバ配列部材から前記光ファイバを取り外す
   工程と、 前記光導波路基板と前記光ファイバの被覆された部分と
   を固定用基板を介して互いに固定する工程と、を備えた
   光導波路及び光ファイバの結合方法。
3. 【請求項３】 前記光導波路基板の熱膨張係数と前記固
   定用基板の熱膨張係数との差が５×１０^-6／℃未満であ
   ることを特徴とする請求項１に記載の光導波路モジュー
   ル。
4. 【請求項４】 前記光ファイバの先端部が前記光ファイ
   バ配列部材の端面から突出しており、その突出した長さ
   が０．５ｍｍ以上４．０ｍｍ以下であることを特徴とす
   る請求項２に記載の光導波路及び光ファイバの結合方
   法。
5. 【請求項５】 前記光ファイバの被覆された部分を支持
   する支持部が前記光ファイバ配列部材に設けられ、前記
   光ファイバのうち前記Ｖ溝によって支持された部分の光
   軸方向と前記光ファイバのうち前記支持部によって支持
   された部分の光軸方向とのなす角度が、０．５度以上５
   度以下であることを特徴とする請求項２に記載の光導波
   路及び光ファイバの結合方法。
6. 【請求項６】 前記固定用基板に溝が形成されており、
   前記固定用基板が前記光ファイバ配列部材及び前記固定
   手段に接触しないようにされていることを特徴とする請
   求項１に記載の光導波路モジュール。
7. 【請求項７】 前記光導波路の端面の法線と前記光導波
   路の光軸方向とのなす角度が、４度以上１０度未満であ
   ることを特徴とする請求項１に記載の光導波路モジュー
   ル。
8. 【請求項８】 前記光ファイバの先端部を予め放電加熱
   によって清浄にしておくことを特徴とする請求項２に記
   載の光導波路及び光ファイバの結合方法。
9. 【請求項９】 前記光ファイバの先端部を放電加熱によ
   って溶融することにより、前記先端部の形状が曲率半径
   １ｍｍ以下の球面にほぼ一致するように予め加工してお
   くことを特徴とする請求項２に記載の光導波路及び光フ
   ァイバの結合方法。