(57)【要約】【課題】従来の光ファイバアレイでは、位置合わせ用部品のピッチ精度や孔径精度を高くしても、光ファイバの外径基準により位置合わせする限り、高い位置精度を確保することはできない。本発明は、多数本の光ファイバを高精度で位置決め固定する方法を提供し、高精度なコア間隔を有する光ファイバアレイを低コストで実現することを課題とする。【解決手段】本発明の複数光ファイバの位置決め固定方法では、複数の凹状の窪み孔３２を所定の配列で設けた平板状基板と複数の貫通孔４２を上記の窪み孔と同配列で設けた光ファイバ固定用部材とを各窪み孔の中心と各貫通孔の中心とが一致するように重ね合わせる。一方、複数の光ファイバ２０の先端コア部は凸状に加工し、光ファイバ固定用部材の貫通孔を通して窪み孔に嵌合させる。この状態で光ファイバと光ファイバ固定用部材とを接着固定する。【選択図】　図６
2004145118.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の凹状の窪み孔を所定の配列で設けた平板状基板と複数の貫通孔を前記窪み孔と同配列で設けた光ファイバ固定用部材とを前記各窪み孔の中心と前記各貫通孔の中心とが一致するように重ね合わせ、凸状に加工した複数の光ファイバの先端コア部を前記貫通孔を通して前記窪み孔に嵌合させた後、前記光ファイバと光ファイバ固定用部材とを接着固定することを特徴とする複数光ファイバの位置決め固定方法。
【請求項２】
前記凸状に加工した光ファイバの先端コア部の底部の直径が光ファイバのコア径と一致し、先端コア部の高さを前記コア径の５〜５０％の範囲としたことを特徴とする請求項１に記載の複数光ファイバの位置決め固定方法。
【請求項３】
前記窪み孔の基板表面における直径が、前記光ファイバのコア径の０．３〜１．３倍の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の複数光ファイバの位置決め固定方法。
【請求項４】
前記窪み孔の深さが光ファイバの先端コア部高さの０．８倍以上であることを特徴とする請求項３に記載の複数光ファイバの位置決め固定方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の複数光ファイバの位置決め固定方法によって光ファイバを固定した後、前記窪み孔を設けた平板状基板を除去し、光ファイバ端面を研磨仕上げすることによって形成したことを特徴とする光ファイバアレイ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に光通信分野で使用される光ファイバアレイに関し、とくに複数の光ファイバの位置決め方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信においては多数の光信号を並列的に処理することが必要とされる。このような場合、多数の光素子間を光ファイバで接続するために光ファイバアレイが用いられる。光ファイバの本数が増加すると、それぞれを個別に他の光素子と調芯、結合したのでは、作業が極めて煩雑になる。そこで、各光ファイバ先端を互いに高い位置精度で固定し、他の光素子との結合を容易にする光ファイバアレイは極めて有用である。
【０００３】
１次元配列の光ファイバアレイは、図８（ａ）に示すように、断面形状がＶ字状の溝（いわゆるＶ溝）５０を平板状基板５２に複数形成し、そこに光ファイバ２０を配列することによって形成される場合が多い（例えば、特許文献１参照）。各光ファイバ２０はＶ溝５０を形成した基板５２の上面に押え板５４を密着させることによって固定する。なお、各光ファイバの端面２０ａは通常、基板表面５２ａと面一になるよう研磨加工される。
【０００４】
さらに、複数本の光ファイバを縦方向および横方向に整列した２次元配列の光ファイバアレイは、図８（ｂ）に示すように上記のＶ溝５０を形成した基板５２を複数積層し、これに光ファイバ２０を並べることによって形成できる（特許文献２参照）。ただし下段の基板については、その直上の基板の底面を利用して光ファイバを固定することにより、押え板５４を省くことができる。
【０００５】
また、図９に示すように、平板状基板５８に円形断面の貫通孔６２を２次元配列し、これによって光ファイバ２０の先端を位置決めする光ファイバアレイも知られている（例えば、特許文献３参照）。貫通孔は、レーザ加工、ドリル等による機械加工、あるいはエッチング等の加工方法により形成される。
【０００６】
【特許文献１】
特開平５−２２４０９７号公報
【特許文献２】
特開平１０−２０１４１号公報
【特許文献３】
特開平１０−２６８１４５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが上記従来の光ファイバアレイでは、どの構造においても光ファイバの外径を基準として位置合わせをおこなっているため、光ファイバコアの位置精度を保証することは困難であった。
【０００８】
日本工業規格（ＪＩＳ−Ｃ６８３５）において単一モード光ファイバの外形精度は、クラッド径：１２５μｍ±３μｍ、クラッド非円率２％以下、コアの偏心量１μｍ以下と示されている。
その結果、Ｖ溝基板や貫通孔アレイ基板等の位置合わせ用部品のピッチ精度や孔径精度を高くしても、光ファイバの外径基準により位置合わせする限り、上記の光ファイバの外形精度の規格より高い位置精度を確保することはできない。
【０００９】
しかし、光ファイバアレイ同士や光ファイバアレイとレンズアレイとの結合において光ファイバアレイのコア間隔の精度は、十分な結合効率を得るために±１μｍ程度必要である。
【００１０】
現状の光ファイバの外径を基準とした組立方法では、前記ピッチ精度を保証することが困難であるため、組立前に光ファイバの外径を選別するか、組立後にコア間隔を全数検査することが必要となっている。
【００１１】
本発明は、このような従来技術に存在する問題に着目してなされたものである。その目的とするところは、多数本の光ファイバを高精度で位置決め固定する方法を提供し、高精度なコア間隔を有する光ファイバアレイを低コストで実現することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の複数光ファイバの位置決め固定方法では、複数の凹状の窪み孔を所定の配列で設けた平板状基板と複数の貫通孔を上記の窪み孔と同配列で設けた光ファイバ固定用部材とを各窪み孔の中心と各貫通孔の中心とが一致するように重ね合わせる。一方、複数の光ファイバの先端コア部は凸状に加工し、光ファイバ固定用部材の貫通孔を通して窪み孔に嵌合させる。この状態で光ファイバと光ファイバ固定用部材とを接着固定する。
【００１３】
以上の方法により光ファイバのコア部を、光ファイバの外径には影響されずに窪み孔の位置にしたがって固定することができる。
【００１４】
凸状に加工した光ファイバの先端コア部は、その底部の直径が光ファイバのコア径と一致し、先端コア部の高さはコア径の５〜５０％の範囲とすることが望ましい。さらに１７〜４５％の範囲であればより好ましい。
上記のように光ファイバの先端部を加工することにより、高い精度で光ファイバの位置決めができる。
【００１５】
また、窪み孔の基板表面における直径が、光ファイバのコア径の０．３〜１．３倍の範囲であることが望ましい。さらに窪み孔の深さが光ファイバのコア高さの０．８倍以上であることが望ましい。
このような条件に合致した窪み孔を用いれば、光ファイバ先端の凸部と嵌合することにより、高い精度で光ファイバの位置決めができる。
【００１６】
上記の複数光ファイバの位置決め固定方法によって光ファイバを固定した後、窪み孔を設けた平板状基板を除去し、光ファイバ端面を研磨仕上げすることによって光ファイバアレイを形成する。この光ファイバアレイはそのコア間隔の精度が高く、光ファイバアレイ同士あるいはレンズアレイ等との結合を高い結合効率によって行うことができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態として、光ファイバアレイの製作方法を図に従って説明する。図１は光ファイバの先端部の加工方法を示す図、図２は加工した光ファイバ先端の形状を示す図、図３は窪み孔の形状を示す模式図、図４は貫通孔アレイ基板の断面を示す模式図である。
本実施形態においては、単一モード光ファイバを使用し、光ファイバの間隔が２５０μｍの４×４＝１６チャンネル光ファイバアレイを製作した。
構成要素別に製作方法を以下に示す。
【００１８】
［光ファイバ］
エッチング液には弗酸と弗化アンモニウムの混合液を使用し、４．５重量％の弗酸と５５重量％の弗化アンモニウム溶液を１：１の割合で混合した組成の液を準備した。
【００１９】
複数の光ファイバ２０を先端から所定の長さのところで保持具３によって保持する。エッチング液容器２に一定量のエッチング液５を入れ、保持具３をこの容器上部で保持することにより、光ファイバ２０の先端部分をエッチング液５に浸漬する。エッチング液容器２は水槽１内に置き、エッチング液５の温度を水槽１の水６の温度を制御することによって５０℃に保った。２時間のエッチングにより、図２に示すような光ファイバ２０の端面２２から突出した円錐状の凸形状部２４が得られた。
【００２０】
この円錐状凸部２４は光ファイバ２０のコア部２６の組成を有し、その底部の径、すなわち光ファイバの端面上における径Ｄは、光ファイバのコア径Ｄｏと等しい９μｍであり、凸部（突出部）の高さｈは３．５μｍであった。なお、クラッド部２８の外径Ｄｃは当初の１２５μｍからエッチングによって減少し、９５μｍとなっている。
【００２１】
この凸部の高さは最大でｈ＝４．５μｍ程度（コア径の約５０％、０．５Ｄｏ）まで可能で、ｈ＝４μｍ程度（コア径の約４５％、０．４５Ｄｏ）までは安定に加工できる。
【００２２】
［嵌合孔基板］
石英ガラス基板にＣｒ膜を蒸着し、その上にフォトレジストを塗布し通常のフォトリソグラフィー技術によってパターニングを施す。本実施例では、Ｃｒ膜に直径２μｍの開口部を２５０μｍ間隔で４×４＝１６個形成した。このパターニングを施したＣｒ膜をマスクとして、石英ガラス基板を０．８％弗酸で１時間エッチングすることで、図３に示すような断面形状をもつ窪み孔３２を製作した。この窪み孔３２の基板３４表面３４ａでの直径Ｄｄは９μｍで、光ファイバのコア径Ｄｏに等しい。また窪み孔３０の深さｈｄは３．５μｍであり、光ファイバ先端凸部の高さｈと等しい。
【００２３】
本実施例においては液相エッチングにより窪み孔基板３０を製作したが、ドライエッチングやレーザ加工あるいは機械加工等の他の加工法により製作することが可能である。また、基板材質も石英ガラスに限られない。
【００２４】
［貫通孔基板（光ファイバ固定用部材）］
基板としては０．３ｍｍ厚のガラス基板をイオン交換により改質したものを使用した。イオン交換の方法としては、特開平１０−３３８５３９号公報に記載されている方法を用いた。この基板に対して、ＹＡＧレーザの第３高調波（λ＝３５５ｎｍ）を照射して貫通孔加工をおこなった。レーザ光のスポット径を１５０μｍとして前記ガラス基板４４に貫通孔加工をおこなった結果、図４に示すように断面形状がテーパ状の貫通孔４２を加工することができた。
【００２５】
レーザビーム入り口側表面４４ａの直径Ｄｈ１が１５０μｍ、出口側表面４４ｂの直径Ｄｈ２が１０３μｍであった。本実施例ではガラス基板４４を載せたステージを移動させることで、２５０μｍ間隔で４×４＝１６個の貫通孔アレイ基板４０を製作した。
【００２６】
本実施例においては、ＹＡＧレーザの第３高調波を使用したが、エキシマレーザ等の他のレーザを使用することも可能である。また、マシナブルセラミックス等の基板にマイクロドリル等による機械加工を施すことにより貫通孔基板を製作することも可能である。
【００２７】
上記のように製作した構成要素を使用した光ファイバアレイの組立工程を図５にしたがって説明する。
（１）貫通孔基板と窪み孔基板の貼り合わせ
図５（ａ）に示す貫通孔基板４０と窪み孔基板３０を拡大光学系により観察しながら、すべての貫通孔４２と窪み孔３２の中心を一致させるように位置合わせし、低温ワックスにより接着固定する（図５（ｂ））。
【００２８】
（２）ファイバ挿入、接着
貼り合わせた基板４５に先端コア部を円錐状に加工した光ファイバ２０を挿入する。光ファイバ２０は図５（ｃ）に示すように貫通孔４２のテーパ部４６でガイドされ、窪み孔３２との凹凸嵌合により位置決めされる。貫通孔４２の口径は１５０μｍであるために、その範囲に光ファイバ２０を導くことができれば光ファイバ２０のコア位置を±０．５μｍの範囲で位置決めすることが可能になる。
【００２９】
調芯される様子を図６に示す。図６（ａ）に示すように、貫通孔４２の口径は光ファイバ２０の外径より十分大きいため、各光ファイバ２０は容易に各貫通孔４２内に導入できる。図６（ｂ）のように光ファイバ先端凸部２４が窪み孔基板３０表面に達するときに光ファイバ２０の位置を調整し、すべての光ファイバ２０の先端凸部２４を窪み孔３２と嵌合させる（図６（ｃ））。
【００３０】
上記のように窪み孔３２の基板３４表面３４ａでの直径Ｄｄと光ファイバ先端凸部の底部の直径Ｄはともに光ファイバのコア径Ｄｏに等しく、また光ファイバ先端凸部２４の高さｈと窪み孔の深さｈｄが等しく形成されているため、図６（ｄ）に示すように、光ファイバ端面２２が窪み孔基板３０の表面３４ａに接する状態で嵌合できる。光ファイバ先端部に予め紫外線硬化接着剤４８を塗布しておき、この嵌合状態を保持した状態で紫外光を照射して接着剤４８を硬化させ、光ファイバ２０と貫通孔４２内壁のテーパ部４６とを接着した。
【００３１】
（３）窪み孔基板除去
上記接着固定した光ファイバアレイを加熱してワックスを溶かし、窪み孔基板３４を除去する。使用したワックスは融点が７０℃程度の低温溶融タイプであるため、接着剤に影響を及ぼすことはない。
【００３２】
（４）端面研磨
上記光ファイバアレイ１００を図示しない筐体にパッケージングした後に、光ファイバ端面の凸部２４を研磨により除去した。
【００３３】
本実施例においては、窪み孔基板３０をワックスにより貫通孔基板４０に貼り付けたが、接着剤等で貼り付け、最終段階にて窪み孔基板３０をラップ工程により除去し、研磨仕上げして光ファイバアレイを製作することも可能である。
【００３４】
本実施例では光ファイバ２０の凸部２４と窪み孔３２とを嵌合させることで光ファイバ２０の位置決めをおこなったが、図７に示すように、嵌合用基板３６に設ける嵌合用孔３８は貫通孔であってもよい。
【００３５】
上記実施形態においては光ファイバ先端凸部の高さはｈ＝３．５μｍのものを用いたが、例えばエッチング時間などのエッチング条件の調整により変化させることができる。本発明者らの実験では最大でｈ＝４．５μｍ程度（コア径の約５０％、０．５Ｄｏ）まで可能で、ｈ＝４μｍ程度（コア径の約４５％、０．４５Ｄｏ）までは安定に加工できた。
【００３６】
一方、凸部の高さが低い場合、ｈ＝１．５μｍ程度（先端角度約１４０°、０．１７Ｄｏ）であれば、本発明の方法、すなわち光ファイバの位置決めを行うのに十分である。さらにｈ＝０．５μｍ弱（先端角度約１７０°、０．０５Ｄｏ）までは位置決めを行う機能をもっている。
【００３７】
以上の実施形態の単一モード光ファイバはコア径が９μｍであったが、とくに規格的な制限はなく、±１μｍ程度の誤差はありうる。また上記実施形態では単一モード光ファイバを対象にしたが、本発明の方法は多モード光ファイバに対しても適用できる。このようなコア径の異なる光ファイバに対しても上記の関係は維持される。すなわち、光ファイバ先端凸部の高さｈがコア径Ｄｏの５〜５０％であれば加工上、機能上、本発明の目的を達成でき、１７〜４５％であればより好ましい。
【００３８】
上記実施形態においては窪み孔の基板表面での直径Ｄｄを光ファイバのコア径に等しくなるように加工した。また窪み孔の深さｈｄは光ファイバ先端凸部の高さｈと等しくなるように加工した。しかしこれらの窪み孔の大きさは加工による誤差を含む。本発明では光ファイバの位置精度を±１μｍ以内に抑えることを目標にしているため、光ファイバのコア径Ｄｏ＝９μｍの場合にＤｄは最大で１１μｍ（１．２２Ｄｏ）まで許容される。
【００３９】
一方、貫通項の孔径Ｄｈ２は±１μｍ程度のばらつきをもち、また光ファイバのクラッド径Ｄｃは±０．５μｍ程度のばらつきをもつため、両者のばらつきを考慮すると、窪み孔の直径Ｄｄは少なくとも３μｍ程度（０．３Ｄｏ）は必要である。ただしＤｄを小さくしても機能上の改善はそれほどなく、Ｄｄは７μｍ程度（０．８Ｄｏ）以上であることが望ましい。
【００４０】
この窪み孔の基板表面における直径Ｄｄについても、光ファイバのコア径Ｄｏとの関係は、Ｄｏが変化しても同様である。すなわちＤｄは０．３Ｄｏ〜１．３Ｄｏの範囲であることが望ましく、より望ましくは０．８Ｄｏ〜１．０Ｄｏである。
【００４１】
一方、窪み孔の深さｈｄと光ファイバ先端凸部の高さｈについても望ましい条件が存在する。上記の例では、ｈｄ＝ｈとなるように加工されているが、窪み孔の深さｈｄは光ファイバ先端凸部の高さｈよりも大きいことが望ましい。
【００４２】
窪み孔の直径Ｄｄが光ファイバのコア径Ｄｏより以下（Ｄｄ≦Ｄｏ）場合には、円錐状の光ファイバ先端部の側面が基板表面で窪み孔の縁に接触して固定される。しかし、ｈｄ＜ｈの場合には、光ファイバ先端部が窪み孔の底に突き当たることにより、ファイバ先端部の側面が基板表面で窪み孔の縁に接触できなくなるために位置ずれが生じる。そのため、光ファイバの位置精度を±１μｍに抑えるためには、ｈｄ≧０．８ｈである必要がある。
【００４３】
一方、窪み孔の直径Ｄｄが光ファイバのコア径Ｄｏ以上（Ｄｄ≧Ｄｏ）の場合には、上記の差（Ｄｄ−Ｄｏ）が光ファイバの位置精度を±１μｍに相当するため、基板表面と光ファイバのクラッド部端面が接触して固定される必要がある。そのため、ｈｄ≧ｈでなければならない。
【００４４】
以上より、窪み孔の深さｈｄは光ファイバ先端凸部の高さｈよりも大きいことが望ましいが、少なくとも光ファイバ先端凸部の高さｈの０．８倍以上であることが嵌合による位置決めの精度を維持するために必要である。
【００４５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、光ファイバに存在する一定の寸法誤差に関係なく、部材の機械的精度のみによって位置決めを行うことができる。このため、光ファイバの間隔精度が高い光ファイバアレイを容易に製造することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光ファイバの加工用エッチング槽の概要を示す図である。
【図２】本発明で使用する光ファイバ先端部の拡大写真（ａ）と概略図（ｂ）である。
【図３】本発明で使用する窪み孔アレイ基板の断面模式図である。
【図４】本発明で使用する貫通孔アレイ基板の断面模式図である。
【図５】本発明の位置決め固定方法を用いた光ファイバアレイの製造工程を示す図である。
【図６】本発明の位置決め固定方法の手順を説明する図である。
【図７】貫通孔アレイ基板を用いた位置決め固定方法を示す図である。
【図８】従来のＶ溝を用いた光ファイバアレイの斜視図である。
【図９】従来の貫通孔を用いた２次元光ファイバアレイの斜視図である。
【符号の説明】
１　　水槽
２　　エッチング液容器
５　　エッチング液
２０　光ファイバ
２２　光ファイバの端面
２４　凸形状部
２６　コア部
２８　クラッド部
３０　窪み孔アレイ基板
３２　窪み孔
３４、４４　基板
４０　貫通孔アレイ基板
４２　貫通孔
４６　テーパ部
４８　接着剤
１００　光ファイバアレイ
【図１】
2004145118.tif 000003
【図２】
2004145118.tif 000004
【図３】
2004145118.tif 000005
【図４】
2004145118.tif 000006
【図５】
2004145118.tif 000007
【図６】
2004145118.tif 000008
【図７】
2004145118.tif 000009
【図８】
2004145118.tif 000010
【図９】
2004145118.tif 000011