(57)【要約】   【課題】  単一モード光導波路と単一モード光ファイバのパッシブ調芯を可能とする位置決め方法を提供し、低コストで大量生産が可能なＦＴＴＨ用光学モジュールを提供する。  【解決手段】  本発明の光学モジュールは平板状基板表面に設けたクラッド層内にコアを有する平板光導波路１０と光ファイバ３０、３２、３４とを、平板状位置決め基板２０上に固定したものである。この平板状位置決め基板上の所定位置に所定の幅と深さを有する直線状凹部と所定形状の開口を有し平板光導波路のクラッド層厚より深い２次元形状凹部とを設ける。この直線状凹部の側面と底面とによって光ファイバを支持固定する。またクラッド層のコアが存在しない部分の一部を２次元形状凹部に嵌合可能な部分を残して除去した光導波路素子を、２次元形状凹部に嵌合固定する。以上によって平板光導波路のコアを伝搬する光と光ファイバのコアを伝搬する光とを結合する光学モジュールを構成する。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板状基板表面に設けたクラッド層内にコアを有する平板光導波路と、光ファイバとを平板状位置決め基板上に固定した光学モジュールであって、
前記平板状位置決め基板上の所定位置に所定の幅と深さを有する直線状凹部と所定形状の開口を有し前記平板光導波路のクラッド層厚より深い２次元形状凹部とを設け、前記光ファイバを前記直線状凹部の側面と底面とによって支持固定し、かつ前記クラッド層のコアが存在しない部分の一部を前記２次元形状凹部に嵌合可能な部分を残して除去した前記光導波路素子を、前記２次元形状凹部に嵌合固定することによって、前記平板光導波路のコアを伝搬する光と前記光ファイバのコアを伝搬する光とを結合したことを特徴とする光学モジュール。
【請求項２】
前記光ファイバのクラッド径をＤ、前記直線状凹部の深さをＨとし、前記クラッド層を除去した部分の表面を含む平面と前記平板光導波路のコアの中心位置までの距離をＨ−Ｄ／２としたことを特徴とする請求項１に記載の光学モジュール。
【請求項３】
前記平板状位置決め基板に設けた凹部は、平板状基板表面に厚みＨの固体層を形成し、この層の所定部分を除去したものであることを特徴とする請求項２に記載の光学モジュール。
【請求項４】
前記平板状位置決め基板の線膨張係数が１５０ｐｐｍ／℃以下であることを特徴とする請求項１、２または３に記載の光学モジュール。
【請求項５】
前記固体層は樹脂材料あるいは有機無機ハイブリッド材料であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光通信分野で使用される光学モジュールに関し、とくに光導波路と光ファイバの結合を用いる光学モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信分野において光導波路を用いた光機能素子が広く用いられている。通常、この光導波路へ外部から光を結合させるには光ファイバが用いられるが、効率的な光結合を得るためには、光導波路と光ファイバの光軸合わせ、すなわち調芯を行う必要がある。この調芯を行う方法としては、実際に光を光ファイバから光導波路に導入して最適位置を求める、いわゆるアクティブ調芯が一般的である。調芯作業の手順は、基本的には一方の光ファイバから光信号を光導波路素子の１端面に入射し、他方の端面から出射される光強度が最大になるように、または一定レベルを越えるように、光ファイバと光導波路素子の位置を調整する。
【０００３】
近年、処理すべき情報量の増大に伴い、複数の光ファイバと複数の光導波路を並列的に結合させる必要性も生じている。このような場合には、光ファイバの間隔を精度良く保って配列した光ファイバアレイチップを用いるのが望ましい。光ファイバアレイチップとしては、（１）断面がＶ字状の溝を設けた基板（以下、Ｖ溝基板という）、（２）石英ガラスの精密成形によるもの、（３）樹脂の精密射出成形によるもの（例えばＭＴコネクタとして規格化されている）などがあるが、いずれも高価である。
【０００４】
また、アクティブ調芯は基本的には１素子ごとに光を結合して調整を行う必要があり、このような複数の要素を同時に調芯するのは組立工程が極めて煩雑で、作業に長時間を要する。また調芯装置も複雑で高価となる。
【０００５】
そこで光信号を用いずに光学要素の寸法精度により、突き合わせ、嵌合等の機械的な基準のみにより位置合わせを行うパッシブ調芯方法も開発されてきた。とくに近年、光ファイバを一般家庭にまで敷設するいわゆるファイバ・ツー・ザ・ホーム（ＦＴＴＨ）用の光部品においては、大量生産、低価格化が要求されるため、パッシブ調芯の重要性が増大している（例えば、特許文献１、非特許文献１、参照）。
【０００６】
図７、図８は１×２分岐光導波路１１０と光ファイバ３０、３２、３４をパッシブ調芯によって接続する構造の従来例を示している。図７は光路上の断面図で、（ａ）は平板状基板１２２に平行な断面図である。（ｂ）は同じく垂直な断面図であるが、導波路が２分岐している部分はその一方の光路に沿った面の断面図である。また図８は図７中に示したＡ−Ａ’、Ｄ−Ｄ’、Ｂ−Ｂ’の各位置における光軸に垂直な断面図を（ａ）、（ｂ）、（ｃ）にそれぞれ示している。
【０００７】
３本の光ファイバ３０，３２、３４は平板状基板１２２にＶ溝１２３を形成して固定する。このＶ溝１２３を加工した基板上にクラッド層１１４が直接形成され、基板表面から一定距離にコア１１６が形成される。このコア位置に合うようにＶ溝は予め形成しておく。またＶ溝の深さも光ファイバのコア位置が光導波路のコア位置に合うように予め設定しておく。これによって光ファイバをＶ溝に押さえ板１５０で押し当てて接着剤１６０により固定することによって、光ファイバと光導波路が結合できる。
【特許文献１】特開２００３−２４１００９号公報
【非特許文献１】増田、「ポリマ光導波路設計技術」、日立化成テクニカルレポート、日立化成工業株式会社、２００２年７月、３９号、ｐ．３７−４０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、単一モード光ファイバ（ＳＭＦ）と単一モード光導波路を調芯する場合には、これらのコア径が数μｍ程度であるため、１μｍ以下の調芯精度が必要である。Ｖ溝基板を使った上記従来のパッシブ調芯の例では、Ｖ溝の基板面内方向の位置と深さを上記の精度で加工しなければならない。このため、調芯自体のコストは低減されるものの、高精度加工を必要とするＶ溝基板自体が高価であるため、全体として低価格化には限界がある。
【０００９】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、単一モード光導波路と単一モード光ファイバのパッシブ調芯を可能とする位置決め方法を提供し、低コストで大量生産が可能なＦＴＴＨ用光学モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の光学モジュールは、平板状基板表面に設けたクラッド層内にコアを有する平板光導波路と光ファイバとを、平板状位置決め基板上に固定したものである。この平板状位置決め基板上の所定位置に所定の幅と深さを有する直線状凹部と所定形状の開口を有し平板光導波路のクラッド層厚より深い２次元形状凹部とを設ける。この直線状凹部の側面と底面とによって光ファイバを支持固定する。またクラッド層のコアが存在しない部分の一部を２次元形状凹部に嵌合可能な部分を残して除去した光導波路素子を、２次元形状凹部に嵌合固定する。以上によって平板光導波路のコアを伝搬する光と光ファイバのコアを伝搬する光とを結合する光学モジュールを構成する。
【００１１】
上記のような平板状位置決め基板を用いることにより、単一モード光ファイバと単一モード光導波路であっても機械的な嵌合だけで効率よく位置決めが可能となるため、光学モジュールの組立が極めて容易となる。したがってＦＴＴＨ用光学モジュールを低コストで大量に提供できる。
【００１２】
上記の構成において、光ファイバのクラッド径をＤ、直線状凹部の深さをＨとすると、クラッド層を除去した部分の表面を含む平面と平板光導波路のコアの中心位置までの距離をＨ−Ｄ／２とすることが望ましい。
このように距離を設定することにより、機械的な嵌合による基板表面に垂直な方向における位置決めが可能となる。なお上記の距離は通常の成膜による膜厚の誤差、光ファイバのクラッド径の誤差等に起因する偏差を含むものとする。
【００１３】
上記の平板状位置決め基板に設けた凹部は、平板状基板表面に厚みＨの固体層を形成し、この層の所定部分に除去したものであることが望ましい。この方法によれば厚みＨを高精度で得ることができる。
【００１４】
また平板状位置決め基板の線膨張係数が１５０ｐｐｍ／℃以下であることが望ましい。線膨張係数を低く抑えることにより温度変動による位置ずれを提言することができる。
【００１５】
さらに上記の固体層は樹脂材料あるいは有機無機ハイブリッド材料であることが望ましい。感光性材料を用いればフォトリソグラフィによる高精度加工が可能であり、またこれらの材料は成形による高精度加工も可能である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、単一モード光ファイバと単一モード光導波路であっても機械的な嵌合だけで効率よく位置決めが可能となるため、光学モジュールの組立が極めて容易となる。したがってＦＴＴＨ用光学モジュールを低コストで大量に提供できる。
本発明の平板状位置決め基板は成膜とフォトリソグラフィまたは成形によって作製が可能なため、高い寸法精度が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に本発明の実施形態を図を用いて詳細に説明する。
本実施形態は、１×２光分岐導波路素子の各ポートに光ファイバを接続した光学モジュールについて説明する。図１（ａ）はこの光導波路素子１０の斜視図である。ここで、以後の説明を容易にするため、互いに直交するｘｙｚ軸をつぎのようにとる。ｚ軸は光導波路の直線部分の方向にとる。ｙ軸は基板の表面に垂直な方向に、ｘ軸は基板の表面に平行な方向にとる。以下説明する光学モジュールにおいてもこの座標軸を基準に方向を定義する。
【００１８】
光導波路素子１０は、平板状基板１２の表面にクラッド層１４が形成され、コア１６が埋め込まれた構造を有している。クラッド層の一部は基板が露出するように除去されているが、このクラッド層除去部分１８については後に説明する。なお、この光導波路素子のパターンは図１（ｂ）の平面図に示すようにＹ字型の２分岐構造を有している。しかしこのパターンは一例であって、どのようなパターンであってもよく、本発明はこれに限定されるものではない。
【００１９】
本光学モジュールにおいては上述の光導波路素子とこれに接続する光ファイバはすべて図２に示すような平板状位置決め基板２０上に固定される。この位置決め基板２０の中心部には基準となる上記光導波路素子の位置を決めるための位置決め構造が設けられている。この位置決め構造は上記の光導波路素子のクラッド層除去部分１８が嵌合するように凸部２８が設けられている。言い方を変えれば、残留しているクラッド層１４の部分が嵌合するような凹部と言うこともできる。
【００２０】
図３は本光学モジュールの組立図である。位置決め基板２０の上方から光分岐導波路素子１０を光導波路面を下にして挿入する。すなわち、光導波路素子１０のクラッド層除去部分１８と位置決め基板２０の凸部は正確に嵌合するように予め形成しておく。ここで、凸部２８の側壁はｘ方向に沿った面２８ｘとｚ方向に沿った面２８ｚからなっている。これによって、光導波路素子は嵌合によってｘ、ｚ方向とも精度良く位置決めされる。
【００２１】
なお、光導波路素子のクラッド層除去部と位置決め基板の凸部の形状は正確に嵌合するように形成されていれば形状はこれに限定されない。ただし、ｘ、ｚの２方向を規定するため、２方向以上の側壁面をもっている必要がある。円筒状など曲面であってもよく、２次元形状であればよい。
【００２２】
ｙ方向は凸部２８の上面に光導波路の基板１２の表面が押し付けられることにより精度良く決まる。すなわち基板表面からコア中心までの距離ｈは予め定められているので、位置決め基板の凸部上面から下方にｈの距離に光導波路のコアの中心が位置することになる。
【００２３】
以上より、上記位置決め基板上の凹凸パターンと光導波路のクラッド層除去部分の嵌合の精度を高めれば、ｘ、ｚ方向の位置決め精度が向上し、位置決め基板凸部の高さＨおよび光導波路基板からコアまでの距離ｈの精度を上げればｙ方向の位置決め精度が向上する。
【００２４】
位置決め基板２０の両側には、光ファイバのｘ、ｙ方向の位置決めを行うための凸部２４、２５、２６が設けられている。なお、図では説明の都合上、各凸部２４、２５、２６、２８を個々に分離して示しているが、凸部２４と２８、２６と２８はそれぞれ一体に形成する方が作製上は望ましい。
【００２５】
この凸部間の溝部に図３に示すように光ファイバを押し当てて固定する。ｘ方向は各凸部の溝と光ファイバの嵌合により位置決めされ、ｙ方向は平坦な基板に光ファイバを一定力で押し付けることにより位置決めされる。光ファイバを被覆を除去した状態で使用するとして、クラッド径をＤとすると、ｈ＝Ｈ−Ｄ／２の関係が成り立つようにｈ、Ｈ、Ｄの関係を定める必要がある。一般に、光ファイバのコアの偏芯量は±０．５μｍ以下であるため、これがほぼ光ファイバの位置決め精度になる。
【００２６】
図４（ａ）は組立を完了した光学モジュールの光路に沿った基板に平行な断面図、図４（ｂ）は同じく基板に垂直な断面図である。ただし導波路が２分岐している部分はその一方の光路に沿った面の断面を示した。また図５及び図６はそれぞれＡ−Ａ’、Ｄ−Ｄ’とＢ−Ｂ’、Ｃ−Ｃ’における光軸に垂直な断面図である。
【００２７】
光ファイバ３０は凸部２６間に、光ファイバ３２、３４は凸部２４、２５の間に押し板５０によって押し当て、接着剤６０によって固定する。また光導波路素子１０は上述のように凹凸嵌合し、光導波路の基板１２を位置決め基板２０の凸部２８の上面に押し当てて固定する。光導波路のクラッド層１４の上面と位置決め基板２０の露出した基板２２の表面の間に空間ができるので、接着剤６２を充填して接着固定する。
【００２８】
なお、凸部２８のｘ方向の側面が対向する部分は、図２では他の部分同様に基板２２を露出させるように作製されているが、図６（ｂ）に示すようにこの空間を埋めるように凸部を形成する材料を一部残した部分２９を設けてもよい。これによりクラッド層１４の上面とこの部分２９が密着して固定できる。ただし、光導波路素子のｙ方向の位置決めは凸部２８と基板１２表面の密着により行うことができるので、部分２９は必ずしも必要でない。
【００２９】
精度のよい凹凸構造の加工方法としては、フォトリソグラフィ、あるいは成形法が選択可能である。
【００３０】
例えば、フォトリソグラフィを用いる場合にはつぎのような工程が考えられる。基板上にフォトレジストのような感光性の樹脂を均一に塗布する。これを凹凸部分のパターンが形成されたマスクを介して露光し、露光部分または非露光部分を溶剤によって溶解して除去すれば容易に凹凸部分が形成できる。感光性樹脂以外の樹脂等で凹凸構造を形成する場合は、その樹脂を基板上に塗布してもよい。その表面にフォトレジストを塗布し、これをマスクを介して露光し、パターニングしたレジストをマスクにして樹脂層を液相または気相エッチングすることにより、凹凸構造が形成される。この場合、パターンの精度は±０．１μｍ以下にすることが可能である。
【００３１】
また、成形法の場合は、樹脂または有機無機複合材料を基板上に塗布し、これが硬化しない状態のうちに反転した凹凸構造を形成した成形型（スタンパ）を押し当てる。この状態で樹脂等を加熱硬化させたのち、離型すれば、所望の凹凸構造が形成できる。一般的に、有機材料あるいは有機無機ハイブリッド材料を用いた場合、成膜方法は膜厚の制御性に優れるスピンコータが用いられるが、２枚のスピンコータ膜を組み合わせても±０．５〜１．０μｍ程度の位置決め精度が確保できる。
これ以外に平板状基板そのものに凹部をエッチング等で形成する方法も可能である。
【００３２】
以上から、光ファイバと光導波路コアとのｘ方向およびｙ方向の位置決め精度は±０．５〜１．０μｍ程度および±１．０〜１．５μｍ程度に制御することが可能であり、このズレによる結合損失は、コア径８μmの導波路を用いた場合、０．３ｄＢ／面以内にすることが可能である。なお、光ファイバと光導波路との隙間は０〜１０μｍ程度であれば結合損失はほとんど変化しない。したがって、ｙ方向から顕微鏡で覗きながら導波路端面に突き当てた後、上方から押し下げて溝に完全に挿入するのがよい。
【００３３】
ｙ方向の導波路加圧力の調整により数μｍ程度の調芯が可能であるため、本構造を用いたアクティブ調芯を実施すれば、ｙ方向の位置決め精度が格段に良くなるため、ｘ方向の位置決め精度が支配的となり、８μｍの導波路を用いた場合の結合損失は０．１５ｄＢ／面以内にすることが可能である。また、この場合の調芯は１軸のみであるため、組立に要する工程時間の増大はそれほど大きくなく、また高価な調芯装置も不要であるため、パッシブ調芯とそれほど変わらないコストで調芯が可能になる。
【００３４】
光導波路基板と位置決め基板の線膨張係数を一致させれば、温度変化によるｘ方向の位置変化は起こらない。ｙ方向の位置変化のほとんどは位置決め構造体と光ファイバの線膨張係数差により引き起こされるが、線膨張係数が１５０ｐｐｍ／℃以下の材料を用いれば、±５０℃の温度変化により±０．５μｍ以下の位置変化になるため、温度依存損失（Temperature dependence loss、ＴＤＬ)は０．２ｄＢ以下になる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
上述のように、本発明の光導波路素子は１×２の分岐のみでなく、１×４、１×８のように多分岐光導波路にも適用できる。また、導波路型方向性結合器や交叉導波路などを基本とする光スイッチ、その他の機能素子等、光通信分野における多くの光導波路型光学素子と光ファイバを結合した光学モジュールに広く適用できる。
【００３６】
さらに、光ファイバの固定部分のみ取り出し、複数の光ファイバに適用すれば、光ファイバアレイチップを構成することも可能である。Ｖ溝を用いたものに比較して、安価な光ファイバアレイチップを提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】図１は本発明の平板光導波路の一例を示す（ａ）斜視模式図および（ｂ）平面模式図である。
【図２】図２は本発明の平板状位置決め基板の一例を示す斜視模式図である。
【図３】図３は本発明の平板状位置決め基板への光ファイバと平板光導波路の固定を説明する図である。
【図４】図４は本発明の光学モジュールの一例を示す図である。
【図５】図５は本発明の光学モジュールへの光ファイバの組み込みを示す図である。
【図６】図６は本発明の光学モジュールへの平板光導波路の組み込みを示す図である。
【図７】図７は従来の光学モジュールを示す図である。
【図８】図８は従来の光学モジュールへの光ファイバの組み込みを示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０  光導波路素子
１２、２２  平板状基板
１４  クラッド層
１６  コア
２０  平板状位置決め基板
３０、３２、３４  光ファイバ
５０  押し板
６０、６２  接着剤
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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