WO1989009420A1 - Method of connecting optical waveguide with optical fiber - Google Patents

Description

明 細 書 光導波路と光フ ァ ィ バの接続方法 技術分野

本発明は光導波路と光 フ ァ ィ バの接続方法に関 する。 背景技術

光通信又は光伝送の分野においては、 送信装置 受信装置及び光伝送路の他に、 光ス ィ ツ チ及び光 力 プ ラ 等の種々 の光デノ ィ ス が使用 さ れてい る。 光デバィ ス の形態の一つ と して、 光導波路型の も のを挙げる こ と ができ る。 導波路型光デバイ ス は 導波路基板上にそれよ り も屈折率の高い光導波路 を形成 し、 こ の光導波路内に光ビ ー ムを閉 込め た状態で制御す る よ う に構成さ れてお り 、 構造上 小型化が ¾^ 、 L ^ I の製造に使用する プ レ ー ナ ー技術等を用いて量産する こ と ができ る と い う 利点の他、 電界や磁界を効果的に印加する こ と が でき、 消費電力を飛躍的に低減する こ と が可能で あ る と い う 利点を有 してい る。 こ のよ う な導波路 型光デバィ ス を実用す る に際 して、 光導波路 と光 フ 了 ィ バの接続方法の最適化が模索 さ れてい る。

光導波路 と光フ ア イ バの従来の接続方法は、 例 えば第 1 図に示すよ う に構成さ れてい る。 すなわ ち、 基板 1 上にスぺーサ 2 を介 して導波路型光デ バイ ス 3 を載置固定 し、 その光導波路 4 を光フ ァ イ ノ 5 と接続 した も のであ る。· 光フ ァ イ バ 5 は、 その根本部を ジ ャ ケ ッ ト （被覆部） 6 を介 してフ ア イ バホルダ 7 によ り 保持さ れてお り 、 このフ ァ イ ノ ホルダ 7 は基板 1 に固定されてい る。 光フ ァ ィ バ 5 の接続端部は リ ング 8 に揷入固定さ れてお り 、 接着剤によ り こ の リ ング 8 を導波路型光デバ イ ス 3 に接着する こ とで、 光導波路 4 と光フ ア イ バ 5 との光学的及び機械的な接'続をはかっ てい る， 9 は導波路型光デバイ ス 3 の縁部に設け られた補 強板であ る。

上述 した従来の接続方法であ る と、 リ ング 8 を 用いて接着面積を増大させてい るか ら比較的強固 な接続が可能にな るが、 光フ ァ イ バの保持等に比 較的大きなス ペースを要し、 接続装置全体が大型 化する とい う 問題があ る。 ま た、 通常金属か ら形 成さ れる基板 1 の熱膨張係数と光フ ァ ィ バの熱膨 張係数と が異な る ため に、 使用環境の温度変化に よ り 接続部に引 っ 張り 応力が作用 して接続部が剝 離するおそれがあ り 、 信頼性の面で問題があ っ た -さ らに、 光フ ア イ バがジ ャ ケ ッ ト 部か ら露出 して い る ために、 こ の露出部に何 らかの衝撃が加わつ たと き に、 光フ ァ イ バが折れた り 接続部が剝離す る と い う おそれがあ り 、 こ れ も信頼性の面で問題 でめ っ た 0

したがっ て本発明の 目的は、 上述 した従来の接 続方法の欠点を克服 し、 温度特性、 耐衝擊性等を 向上 した信頼性が高い光導波路と光フ ァ ィ バの接 続方法を提供する こ と であ る。 発明の開示

本発明によ る と、 導波路基板に形成さ れた光導 波路の端部が露出する よ う に該導波路基板に第 1 の溝を形成 し、 該第 1 の溝に対 して概略直角方向 に目 IJ記光導波路の延長線上に第 2 の溝を形成 し、 光フ ア イ バをその端面力 前記光導波路の前記端部 に密着する よ う に前記第 2 の溝に装着 し、 少な く と も前記第 2 の溝を接着剤で充填 して前記光 フ ァ ィ バを固定 し、 HU sci光フ ア イ バと 前記光導波路の 面を光学接着剤で接着する こ と を特徴 とする 光導波路と光 フ ア イ ノ の接続方法が提供 さ れる。

本発明の接 fee 法によ る と 、 光フ ァ ィ バを導波 路基板に直接装着する こ と ができ る ので、 従来例 に比較 して接続部の小型化が達成 さ れる o 7 、 第 2 の溝を接着剤で充塡す る こ と によ り 光フ ア イ パ'の固定をは力、 つ てお り 、 光フ ァ イ ノ s-は狭小な第.

1 の溝においてのみ露出 してい る ので、 接続部近 傍で光フ ア イ バが折れた り す る おそれが少な く な る。 さ ち に、 光フ ァ イ バは導波路基板に形成さ れ た第 2の溝で固定さ れてい る ので、 導波路基板の 熱膨張率と光フ ァ ィ バの熱膨張率とをほぼ一致さ せる こ とができ、 温度変化によ る接続部の剝離を 防止する こ とができ る。

導波路基板と しては例えば S i 基板、 又は L i N b 0₃ 基板等が採用可能であ り 、 S i 基板の場 合に は シ リ コ ンの酸化膜 S i 0₂ を光導波路と し - L ί N b 03 の場合にはチ タ ン （ T i ) を熱拡散 する こ とによ り 光導波路を形成する。

L i N b 03 基板に光導波路を形成 した場合に -は、 光フ ァ イ バと光導波路の屈折率に差が生 じ、 接続部での反射が大き く な る と い う 問題があ る。 こ の接続部での反射も防止するため、 本発明の望 ま しい実施態様では、 光導波路端面に反射防止膜 ^形成 し、 こ の反射防止膜を介 して光導波路と光 フ ァ イ バを光学接着剤で接着する よ う にする。 こ の反射防止膜は、 導波路端面に Τ ΐ 02 と S i 0 2 を交互に 4層に積層 し、 入射光の波長 λの 1 Z 4を 1 と し、 それぞれの層の屈折率を η、 厚さ を d と した と き、 光導波路端面側か ら数えて第 1 層 第 2 層、 第 3層及び第 4層の n x dの値を、 それ ぞれ 0 . 2 4 〜 0 · 6 、 0 . 6 8〜 1 . 2、 0. 6 4 〜 ： L . 2 6及び 0. 3〜 0 . 4 8 と なる よ う に設定する のが望ま しい。 面の簡単な説明

第 1 図は従来の光導波路と光フ ァ ィ バの接続方 法を示す概略図、

第 2 図は本発明の接続方法の原理を示す斜視図 第 3 図は本発明の接続方法を適用 して構成さ れ る導波路型位相変調器の斜視図、

第 4 図は反射防止膜を介在 さ せた接続方法を示 す拡大断面図、

第 5 図は本発明 に採用可能な反射防止膜の構成 説明図

第 6 図は第 3 図に示 した実施例に使用する のに 適 した反射防止膜の構成説明図、

第 7 図は第 6 図に示 した反射防止膜の透過率を 示すグ ラ フ であ る 発明を実施する ための最良の態様

以下本発明を図面を参照 して詳細に説明する。 第 2 図は本発明の原理を示す斜視図であ る。 導 波路基板 1 1 に光導波路 1 2 が形成 さ れてい る。 導波路基板 1 1 と して S i 基板を採用 した場合に は、 基板上に S i 〇 ₂ の酸化膜を形成 し、 光導波 路にな るベき部分 と溝を形成す る部分を残 し他を エ ツ チ ン グで除去 して突出形の S i 0 2 の光導波 路 1 2 を形成する。 ま た、 導波路基板 1 1 と して L i N b 0 3 を採用 した場合に は、 T i 層を ス パ ッ タ ングまたは蒸着によ り基板上に形成し、 導 波路となるべき部分以外の T i をエ ッ チ ン グで除 去してから T i を基板に熱拡散し、 その後 i 部 分を再びエ ッ チ ン グで除去して導波路基板 1 1 中 に T i を熱拡散した埋め込み形の光導波路 1 2 を 形成する。

本発明の接続方法による と、 導波路基板 1 1 に 形成 れた光導波路 1 2 の端部を直交面と して露 出するよ う に導波路基板 1 1 に第 1 の溝 1 3 を形 成し、 この第 1 の溝 1 3 の延長線上に概略直交方 向に光導波路 1 2 に対向 して第 2 の溝 1 4 を形成 する。 そ して、 光フ ァ イ バ 1 5 をその端面が光導 波路 1 2 の端部に密着するよ う に第 2 の溝 1 4 に 装着し、 次いでこ の第 2 の溝 1 4 に図示しない接 着剤を充塡して光フ ァ イ バ 1 5 を固定する。 さ ら に、 光フ ァ イ バ 1 5 と光導波路 1 2 の密着面 （接 続面） 1 6 を図示しない光学接着剤で接着する。 接続面を光学接着剤で接着しているのは、 光フ ァ ィ バと光導波路とを密着させたままである と、 接 続面に空気層が介在し、 光フ ァ イ バの屈折率が約 1 . 5 であるのに対し空気層の屈折率が 1 である ので、 この接続面での光の反射が大き く なるから である。 光学接着剤の屈折率は約 1 . 5 で光フ ァ ィ バの屈折率と概略同一であるため、 接続部での 反射を減少させる こ とができ る。 ま た、 導波路基板と して L i N b O 3 基板を採 用 した場合に は、 光導波路 1 2 部分の屈折率が約 .2 . 3 と な る ので、 接続部での反射を防止する た め光導波路 1 2 端面に反射防止膜を形成 し、 この 反射防止膜を介 して光フ ァ イ バ 1 5 と光導波路 1 2 を光学接着剤で接着する のが望ま しい。 一方、 導波路基板と して S i 基板を採用 した場合に は、 光導波路部分の屈折率が約 1 . 5 であ る ので、 光 導波路端面に反射防止膜を形成する必要はない。

次に第 3 図を参照する と、 本発明の接続方法を 適用 して構成 さ れる導波路型位相変調器の斜視図 が示さ れてい る。 2 1 は L i N b 0 3 か らな る導 波路基板であ り 、 こ の導波路基板 2 1 上に は T i を熱拡散 して光導波路 2 2 が形成さ れてい る。 2 3 ， 2 4 は光導波路 2 2 に電界を印加する ための 電極であ り 、 導波路基板 2 1 の表面に金属を蒸着 する こ と によ り 形成さ れてい る。 2 5 は電極 2 3 , 2 4 の入力端部に接続さ れる変調信号発生装置、 2 6 は電極 2 3 ， 2 4 の出力端部に接続 さ れる終 端抵抗であ る。 2 7 , 2 8 はそれぞれ光導波路 2 2 の光信号入力側及び出力側に接続 さ れる光フ ァ イ ノ であ り 、 これ らの光フ ァ イ ノ、、 2 7 ， 2 8 はそ れぞれ光コ ネ ク タ 2 9 , 3 0 に接続 さ れてい る。

光導波路 2 2 と光フ ァ イ バ 2 7 , 2 8 と の接続 部は光信号入力側と 出力側で同様であ る か ら、 出 力側に—ついてのみ説明する。 3 1 は直線状の光導 波路 2 2 に对 して概略直角方向に形成さ れた第 1 の溝であ り 、 光導波路 2 2 の端面はこの第 1 の溝 3 1 を形成する壁面に露出 してい る。 第 1 の溝 3 1 は、 例えばダイ シ ングソ ゥ によ り 形成する こ と ができ、 その幅は数 1 0 0 mであ る。 3 2 は光 フ ァ イ バ 2 8 を装着する ための第 2 の溝であ り 、 この第 2 の溝 3 2 は第 1 の溝 3 1 に対 して概略直 角方向で光導波路 2 2 の延長線上に形成さ れてい る。 第 2 の溝 3 2 は第 1 の溝 3 1 に開放 してい る 必要があ るか ら湿式又は乾式のェ ッ チ ン グによ り 形成する こ とが望ま しい。 第 2 の溝 3 2 の幅は、 光フ ァ イ バ 2 8 (例えば直径が 1 2 5 £ m ) が嵌 合する程度の ものであ る。

光フ ァ イ バ 2 8 は、 光信号入射端面が光導波路

2 2 の光信号出射端面に密着する よ う に第 2 の溝

3 2 に装着さ れてお り 、 この状態で第 2 の溝 3 2 に図示 しない接着剤が充塡さ れ、 接着固定さ れる さ ら に、 光導波路 2 2 と光フ ァ イ バ 2 8 の接続部 は屈折率 1 . 5 4 の光学接着剤で接着さ れる。 し たがつ て、 光導波路 2 2 と光フ ァ イ バ 2 8 の光学 的及び機械的な接続は安定に維持さ れ、 接続部に 剝離が生 じるおそれがない。 この場合、 第 2 の溝 3 2 か ら接着剤がはみ出 して第 1 の溝 3 1 中に入 る こ とがあ る が、 はみ出 した接着剤は光フ ァ イ バ 2 8 の固定に さ ら に寄与する も のであ る か ら問題 はない。 ま た、 導波路基板 2 1 の熱膨張係数と光 フ ァ イ バ 2 8 の熱膨張係数と は同程度の も のであ る か ら、 こ の位相変調器を温度変動の大き な環境 で使用 した と して も、 接続部にお ける光結合効率 が低下するおそれがない。

光導波路 2 2 と光フ ァ イ バ 2 8 の密着面を屈折 率 1 . 5 4 の光学接着剤で接着 してい る のは、 密 着面におけ る空気層の介在を防止 して反射損失を 低減する ためであ る。 すなわち空気層が介在する と、 空気の屈折率は 1 であ る ため屈折率約 1 . 5 の光フ ァ イ バ 2 8 と の屈折率の差が大き く な り 、 反射損失が増大する。 屈折率 1 . 5 4 の光学接着 剤で光フ ァ イ バ 2 8 と 光導波路 2 2 の密着面を接 着す る こ と によ り 、 こ の反射損失をあ る程度低減 する こ と ができ る。 しか し、 光導波路 2 2 は L i N b 0 3 に T i を熱拡散 して形成さ れてい る ため その屈折率は約 2 . 3 であ る。 こ のため光学接着 剤と光導波路 2 2 の端面と の間での反射損失が生 じ る。 これを防止する ため に は、 光 フ ァ イ バ端面 と光導波路端面と の間に反射防止膜を介在 さ せ、 光学接着剤で接続部分を接着する のが望ま しい。 こ の実施態様について以下に説明する。

第 4 図は反射防止膜を介在 さ せた実施例の拡大 断面図であ り 、 光導波路 2 2 と 出力側光 フ ァ イ バ 2 8 との接続部を示しており、 第 3図に示した構 成部分と同一構成部分については同一符号を付し てある。 入力側光フ ァ イ バ 2 7 と光導波路 2 2 と の接続部についても同様な構成がと られる。 光導 波路 2 2 の端面には反射防止膜 3 3が形成され、 光フ ア イ ノ 2 8端面と この反射防止膜 3 3が、 屈 折率 1 ， 5 4 の光学接着剤 3 4で接着されてい る 反射防止膜 3 3 は第 5図に示されるよ う に、 光導 波路 2 2端面上に T i 02 及び S i ◦ ₂ を乂互 4層積層して構成される。 入射光の波長 ス の 1 / 4を 1 と し、 それぞれの層の屈折率を _n、 厚さを d と したとき、 光導波路側から数えて第 1 層、 第 2 層、 第 3層及び第 4層の光学的厚さすなわち n x dの値をそれぞれ 0. 2 4 0. 6 0. 6 8 〜 ： I . 2、 0 . 6 4〜 ： L . 2 6 0. 3〜 0. 4

8 となるよ う に設定する。 このよう な構成の反射 防止膜 3 3を介在させる こ とにより 、 反射損失を 大幅に低減するこ とができ る。

第 6 図は本発明に適用するのに望ま しい反射防 止膜の実施例を示している。 すなわち、 光導波路 2 2端面上に T i 02 及び S i 0₂ を交互に 4層 積層 し、 各層の屈折率 n と各層の厚さ d との積 n X dがそれぞれ、 0. 3 X ( λ Z 4 ) 、 1 . 0 X ( λ / 4 ) . 0 . 8 x ( λ Ζ 4 ) 及び 0 . 3 8 x ( ス Ζ 4 ) となるよ う に設定している。 入射光の 波長 ； I は 8 0 O n mであ る。 ま た光学的層厚は ス Z 4 = l と した と きの n x d で示す。 表 1 に第 6 図に示 した反射防止膜の光学的層厚と屈折率を示 す。 表 1

( = 8 (TO n m ) 第 7 図に L i N b O 3 基板 3 5 の光導波路の屈 折率を 2 . 3 0 、 光学接着剤の屈折率を 1 . 5 4 と した場合の、 第 6 図の反射防止膜によ り 得 られ る入射光の透過率の特 f生を示す。 第 7 図か ら透過 率は 1 2 0 0 〜 1 8 0 0 n mの波長帯域にわた つ て 9 9 . 9 8 %以上であ る こ と が理解 さ れる。 一 方、 光導波路 2 2 と接着剤を直接接 した場合の境 界にお け る フ レ ネ ル反射は計算に よ り 約 3 . 3 % と 求め られ、 反射防止膜 3 3 を設けた こ と によ り 反射が 1 Z 1 0 0 以下 と な っ てい る こ と が理解 さ れる 産業上の利用可能性

本発明方法によれば、 光フ ァ イ バを接着剤によ り直接導波路基板に装着して光導波路に接続する よ う に しているので、 接続部分の小型化を達成で き るとと も に接続部の温度特性、 耐衝撃性等が改 善する。 また接続部の光導波路端面に反射防止膜 を形成する と、 接続部での反射損失が顕著に改善 される。

Claims

1 . 導波路基板 （11)に形成 さ れた光導波路 （ 1 、2)の端部が露出する よ う に該導波路基板 （11)に第 1 の溝 （13)を形成 し ；

該第 1 の溝 （13)に対 して概略直角方向に前記光 請

導波路 （12) 延長線上に第 2 の溝 (14)を形成 し ； 光フ ァ イ バ （15)をその端面が前記光導波路 （12) の前記端部に密着する よ う に前記第 2 の溝 （14)に 装着 し ；

少な く と も前記第 2 の溝 （ 14)を接着剤で充塡 し て前記光フ ァ イ バ （15)を固定 し ； 囲 前記光フ ァ イ バ （15)と 前記光導波路 （12)の密着 面を光学接着剤で接着する こ と を特徵とする光導 波路と光フ ァ イ バの接続方法。

2 . 前記第 2 の溝 （14)をエ ッ チ ン グに よ り 形成 する請求の範囲第 1 項記載の光導波路と光フ ア イ バの接続方法。

3 . 前記導波路基板 （11)が S i か ら形成さ れ、 前記光導波路 （12)が S i 0 ₂ か ら形成 さ れてい る 請求の範囲第 1 項記載の光導波路と 光フ ァ イ ノ、'の 接続方法。

4 . 前記導波路基 ·板 （11)が L i N b 0 3 か ら 形成さ れ、 前記光導波路 （12)が L i N b 0 3 基板 に T i を熱拡散 して形成さ れてい る請求の範囲第 1 項記載の光導波路と光フ ァ ィ バの接続方法。

5. 前記光導波路（12, 22) 端部に反射防止膜 (33)を形成し、 該反射防止膜（33)に前 ^光フ ァ ィ バ（15, 28) 端面を光学接着剤（34)で接着する請求 の範囲第 1 項記載の光導波路と光フ ァ イ バの接続 方法。

6 . 前記反射防止膜（33)は T 0₂ と S 〇 を交互に 4層.積層 し、

入射光の波長- λ の 1 Ζ 4を 1 と し、 それぞれの 層の屈折率を _η、 厚さを d と したとき、 光導波路

(12, 22) 側から数えて第 1 層、 第 2 層、 第 3 層及 び第 4層の n X dの値を、 それぞ,れ 0 . 2 4 ~ 0 .

6 、 0 . 6 8 〜丄 2 0 。 6 4 〜 ： L . 2 6 及び 0 . 3 〜 0 . 4 8 となるよ う.に設定した請求の範 囲第 5 項記載の光導波路と光フ ァ ィ バの接続方法。