(57)【要約】【課題】通常の光ファイバはその外径寸法に一定の公差を有するため、複数の光ファイバを配列する際、光軸間距離にばらつきを生じる。本発明では、多本数の光ファイバを１次元または２次元に高精度かつ高密度で配列した光ファイバアレイを提供し、また簡単な組立工程により光学素子と光ファイバの高効率結合を実現できる光モジュールを提供する。【解決手段】本発明の光ファイバアレイは、複数本の光ファイバを、所定の配列で複数個の貫通孔を設けた平板状部材に挿入することによって位置決めし、また複数本の光ファイバの端面が平板状部材の一方の表面と面一になるように１次元もしくは２次元に配列したものである。この光ファイバアレイにおいて、各光ファイバの少なくとも貫通孔に挿入された部分の外径を、液相エッチングのよりその他の部分の外径に比べて小さく加工する。【選択図】　図３
2004101990.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数本の光ファイバを、所定の配列で複数個の貫通孔を設けた平板状部材に挿入することによって位置決めし、前記複数本の光ファイバの端面が前記平板状部材の一方の表面と面一になるように１次元もしくは２次元に配列した光ファイバアレイにおいて、前記各光ファイバの少なくとも貫通孔に挿入された部分の外径が、その他の部分の外径に比べて小さくなるように加工されていることを特徴とする光ファイバアレイ。
【請求項２】
前記光ファイバの加工されていない部分の外径が１２２μｍ以上１２８μｍ以下であり、前記光ファイバの少なくとも貫通孔に挿入された部分の外径は５０μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバアレイ。
【請求項３】
前記配列した光ファイバの軸間隔が６０μｍ以上２５０μｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の光ファイバアレイ。
【請求項４】
前記光ファイバの少なくとも貫通孔に挿入された部分は、その他の部分の外径に比べて外径が小さくなるように液相化学エッチングによって加工されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバアレイ。
【請求項５】
光学素子と、該光学素子の光軸に位置合わせされた貫通孔もしくは止まり孔を具備し、該貫通孔もしくは止まり孔に挿入、固定された光ファイバと前記光学素子とが光学的に結合した光モジュールにおいて、前記光ファイバは前記貫通孔もしくは止まり孔に挿入された部分の外径がその他の部分の外径に比べて小さく加工されていることを特徴とする光モジュール。
【請求項６】
前記光モジュールに使用する光ファイバの加工されていない部分の外径が１２２μｍ以上１２８μｍ以下であり、前記光ファイバの少なくとも貫通孔に挿入された部分の外径が５０μｍ以上であることを特徴とする請求項５に記載の光モジュール。
【請求項７】
前記光モジュールは複数の光学素子および光ファイバで構成されており、各光ファイバの軸間隔が６０μｍ以上２５０μｍ以下であることを特徴とする請求項６に記載の光モジュール。
【請求項８】
前記光ファイバの少なくとも貫通孔に挿入された部分は、その他の部分の外径に比べて外径が小さくなるように液相化学エッチングによって加工されていることを特徴とする請求項５または６に記載の光モジュール。
【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、および光学素子と光ファイバとを結合した光モジュールに関する。
【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６（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６（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７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】
ところが貫通孔アレイ基板を用いて光ファイバを位置決めする上記従来の２次元光ファイバアレイでは、図８に示すように、貫通孔の径と光ファイバの外径との差が生じ、これが光ファイバアレイの配列間隔の精度を悪化させる大きな要因となっていた。
【０００８】
前記両者の直径の差は、光ファイバを貫通孔に通すために必要なクリアランスを含むが、これをなるべく小さくするように貫通孔径を正確に制御して加工する必要がある。貫通孔の径としては光ファイバ径＋１μｍ程度が望ましい。
【０００９】
貫通孔の加工方法としてはドリル等による機械加工やレーザによる加工が用いられているが、両加工方法とも、孔径を上記のような精度で制御することは困難である。なぜなら、ドリル加工の場合はドリル径ばらつきとスピンドルの振れ、ドリルの摩耗によって孔径が変化し、またレーザ加工の場合はレーザ照射条件の他に被加工物の板厚等により孔径が変化するからである。このため、ファイバ径＋１μｍを目標に貫通孔を加工した場合は歩留まりが悪くなるという問題点がある。
【００１０】
一方、単一モード光ファイバの外径は日本工業規格（ＪＩＳ−Ｃ６８３５）にφ１２５±３μｍと定めてある。実際にはこの規格を十分満たす高精度のものが販売されているが、光ファイバの製造ロットが異なるとファイバ径が変動することがある。そのため、使用する光ファイバ径に合わせて貫通孔の径を調整する必要があった。
【００１１】
また、半導体発光素子などの光学素子と光ファイバの光結合においても、その結合効率を改善するため、より精密な光軸合わせが求められている。しかし、上述のように光ファイバの径は一定の公差を有しているため、煩雑な調芯作業が必要となるという問題が生じてしまう。
【００１２】
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、その第１の目的は多本数の光ファイバを１次元または２次元に高精度かつ高密度で配列した光ファイバアレイを提供することにある。また第２の目的は簡単な組立工程により光学素子と光ファイバの高効率結合を実現できる光モジュールを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の態様である光ファイバアレイは、複数本の光ファイバを、所定の配列で複数個の貫通孔を設けた平板状部材に挿入することによって位置決めし、また複数本の光ファイバの端面が平板状部材の一方の表面と面一になるように１次元もしくは２次元に配列したものである。上記目的を達成するため、この光ファイバアレイにおいて、各光ファイバの少なくとも貫通孔に挿入された部分の外径を、その他の部分の外径に比べて小さく加工する。
【００１４】
光ファイバを細径化してその直径を精度よく調整することにより、位置決め用の貫通孔とのクリアランスを最適化できるため、光ファイバアレイの光ファイバ配列精度を向上させることが可能になる。さらに、位置決め用の貫通孔径の絶対値を正確に制御する必要が無くなり、孔径および孔間隔のばらつきにのみに着目すればよくなるために、貫通孔アレイ基板の製作が容易になり、コストを大幅に低減することが可能になる。
【００１５】
上記光ファイバの外径が１２２μｍ以上１２８μｍ以下である場合、この光ファイバの少なくとも貫通孔に挿入された部分の外径は５０μｍ以上で、上記光ファイバの外径より小さいことが望ましい。上記のように加工した光ファイバを用いた光ファイバアレイの光軸間隔は６０μｍ以上２５０μｍ以下であることが望ましい。
【００１６】
光ファイバ径の調整のための加工は少なくとも当初の外径のばらつきを吸収する程度以上行えば、光ファイバの光軸間隔の高精度化が可能になる。また光ファイバの細径化に伴って貫通孔の孔間隔を小さくすれば、光ファイバの光軸間隔が小さくできるため、光ファイバアレイを小型化する効果を生じる。
上記光ファイバの少なくとも貫通孔に挿入された部分は、その他の部分の外径に比べて外径が小さくなるように液相化学エッチングによって加工する。液相化学エッチングによれば、光ファイバの外径を精密に制御した加工が可能である。
【００１７】
本発明の第２の態様である光モジュールは、光ファイバを貫通孔、もしくは止まり孔に挿入することによって光ファイバの位置決めを行い、光学素子と光学的に結合させたものである。この光モジュールにおいて、光ファイバは貫通孔もしくは止まり孔に挿入された部分の外径をその他の部分の外径に比べて小さく加工する。
【００１８】
外径を調整した光ファイバを用いることで、位置決め用の貫通孔とのクリアランスを最適化できるため、光モジュールにおける光ファイバ位置精度を向上させることが可能になる。これにより、簡単な組立工程により、光学素子と光ファイバの光学的結合を高効率で行うことが可能となる。
【００１９】
さらに複数の光学素子を用いるアレイの場合には、位置決め用の貫通孔径の絶対値を正確に制御する必要が無くなり、孔径のばらつきのみに着目すればよくなるために、貫通孔アレイ基板の製作が容易になり、光モジュールのコストを大幅に低減することが可能になる。
【００２０】
この光モジュールに使用する光ファイバの外径が１２２μｍ以上１２８μｍ以下である場合、この光ファイバの少なくとも貫通孔もしくは止まり孔に挿入された部分の外径は５０μｍ以上で、上記光ファイバの外径より小さいことが望ましい。複数の光学素子と光ファイバとを結合する光モジュールにあっては、配列した光ファイバの軸間隔は６０μｍ以上２５０μｍ以下であることが望ましい。
【００２１】
この場合も光ファイバ径の調整のための加工は、少なくとも当初の外径のばらつきを吸収する程度以上行えば、光ファイバの光軸の位置精度を向上させることができる。さらに複数の光学素子と光ファイバとを結合する光モジュールでは、光ファイバの細径化に伴って貫通孔の孔間隔を小さくすれば、光ファイバの光軸間隔が小さくできるため、光モジュールを小型化する効果を生じる。
【００２２】
上記光ファイバの少なくとも貫通孔に挿入された部分は、その他の部分の外径に比べて外径が小さくなるように液相化学エッチングによって加工する。液相化学エッチングによれば、光ファイバの外径を精密に制御した加工が可能である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
（光ファイバの加工方法）
本発明の重要な点は、光ファイバの外径を調整することにある。はじめに光ファイバの加工方法の例を以下に示す。
【００２４】
被加工光ファイバとしては、古河電気工業製の単一モード光ファイバを用いた。この光ファイバの先端部の被覆を除去し、エッチング液に浸漬する液相化学エッチングを行った。エッチング槽の概要を図１に示す。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、先端から一定の長さだけ光ファイバ２０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一定に保つ。
【００２５】
本実施形態においては、フッ酸４．５重量％とフッ化アンモニウム６０重量％を１：３の重量比で混合したエッチング液を用い、液温を３８℃に保ってエッチングを行った。その場合の光ファイバ径は図２に示すようにエッチング時間とともに線形に減少し、その傾きから求められるエッチング速度は７．２μｍ／ｈであった。この光ファイバ径の変化の直線性がよいため、光ファイバの外径はエッチング時間により管理することが可能である。得られる光ファイバ径は、目標とする光ファイバ径に対して±０．５μｍ以下の精度で制御することが可能である。
【００２６】
さらに、予めモニタ用の光ファイバを同時にエッチング槽に入れておき、エッチング中に取り出してその外径を測定する。その結果に基づいてその後のエッチング時間を調整することにより、光ファイバの外径精度をさらに向上させることが可能である。このように光ファイバ径を監視し、エッチング時間を調整した場合の光ファイバ径のばらつきは±０．３μｍ以下であった。
【００２７】
光ファイバが有する外径の公差を吸収するためには少なくとも外径を１２２μｍ以下、実際的には１２０μｍ以下とすればよい。なお、図２に示した光ファイバ径の最小値は約８０μｍであるが、エッチング時間をさらに長くすることにより、光ファイバ径はほぼ上記のエッチング速度を保ったままさらに細く加工できる。しかし強度上、５０μｍよりも細くなると取り扱いが困難になる。
【００２８】
（実施例１）
本発明の第１の実施例として、貫通孔アレイにより光ファイバの位置決めを行った光ファイバアレイについて説明する。この実施例では、貫通孔アレイの孔径に合わせて光ファイバを上記の液相エッチングにより小径化し、それによって光ファイバの配列精度を向上させた。本光ファイバアレイの光軸に平行な方向の断面図を図３に、光軸に垂直な方向から見た正面図を図４に示す。いずれも模式図であり、拡大倍率等、寸法は正確でない。
【００２９】
貫通孔アレイを形成する基板１０としては、表面をＡｇでイオン交換した０．３ｍｍ厚のアルミノシリケートガラスを用いた。このガラス基板１０にレーザ光を照射して貫通孔１２を加工した。光源としてＫｒＦエキシマレーザを用い、縮小結像光学系により、所望の形状、パターンを有するフォトマスクのパターンを縮小結像し、貫通孔を加工する。
【００３０】
上記加工方法を適用して貫通孔アレイ基板を製作する場合、マスクパターンの設計と縮小倍率の選定により、貫通孔の孔径と間隔は自由に設定することができ、かつこれらの寸法ばらつきは小さく抑えることができる。ただし、貫通孔の間隔が狭くなると加工時に発生する熱の影響で基板が破損するため、貫通孔の縁間の最小距離には限界がある。
【００３１】
本実施例においては、上記の方法で孔径Ｄと中心間距離Ｐの目標値をそれぞれ８５μｍおよび１２５μｍ（最近接縁間距離Ｌ＝４０μｍ）として４×４貫通孔アレイ基板３０を作製した。作製した貫通孔アレイの孔径Ｄのばらつきは目標値に対して±０．３μｍ以内であった。
【００３２】
光ファイバ２０の先端部２０ｂは、上記のように径を監視しながら液相エッチングすることにより、外径ｄを８４．５±０．３μｍに加工した。この光ファイバ先端部２０ｂを上記貫通孔１２に挿入することにより、光ファイバ間隔１２５±１μｍの光ファイバアレイを得た。未加工の公称外径が１２５μｍの光ファイバを直接束ねた場合に比べて、各光ファイバの外径ばらつきに影響されない位置精度が高い光ファイバアレイが製作できる。
【００３３】
光ファイバアレイの形態は上記の例に限られない。光ファイバの本数、間隔は必要に応じて変更できる。また配列も２次元に限らず１次元配列であってもよい。
【００３４】
（実施例２）
第２の実施例として、マシナブルセラミックス基板をマイクロドリルにより加工した貫通孔アレイ基板を使用して、２次元配列の光ファイバアレイについて説明する。
【００３５】
住金セラミックス製の０．５ｍｍ厚ホトベール基板に、φ１００μｍのマイクロドリルにより２５０μｍ間隔で４×４の２次元配列の孔加工を行った。加工された貫通孔１２の孔径Ｄを測定した結果、その直径およびそのばらつきは１０２μｍ±０．３μｍであった。
【００３６】
この貫通孔に挿入するための光ファイバの外径ｄとしては１０１μｍが適当であるため、上述の手法により１６本の光ファイバを同時に加工して、先端部分の外径およびそのばらつきが１０１±０．３μｍ以内の光ファイバを得た。
【００３７】
この光ファイバ２０の加工部分２０ｂを上記の貫通孔アレイ基板３０に挿入して、２次元配列の光ファイバアレイを製作した結果、光ファイバの間隔精度は±１μｍ以下となった。
【００３８】
従来の方法では、通常の光ファイバの外径である１２５μｍに合わせて貫通孔を加工する必要があったが、ドリル径のばらつきやドリルのチャッキングの状態、加工装置のスピンドルの振れ等、孔径に影響する要因が多数あるため、所望の孔径の貫通孔アレイ基板を製作することは困難であった。そのため、余裕を見て大きめの孔径を目標値として設定したため、組み立てた光ファイバアレイの光ファイバ間隔の精度を１μｍ以下にすることは困難であった。本発明によれば、作製した貫通孔の直径に合わせて光ファイバ径を調整することによりこの限界を越えることが可能である。
【００３９】
また、製造ロットが異なる光ファイバをそのまま使用する場合、その外径のばらつきが大きい場合があるが、従来の方法では、使用する光ファイバ径に合わせて貫通孔を加工する必要がある。これは貫通孔アレイ基板の製造を煩雑にし、製作コストが上昇する原因となっていた。本発明においては、貫通孔の孔径を光ファイバ径より小さく設定し、これに合わせて光ファイバの外径を調整するため、光ファイバが有する外径ばらつきの影響を受けずに光ファイバ間隔を高精度化できる。
【００４０】
（実施例３）
光ファイバ位置決め用の貫通孔もしくは止まり孔を持つ光モジュールに対しても、本発明の手法を用いて位置決め孔径に対して最適な外径を持つ光ファイバを製作することができる。図５は面発光型の半導体レーザアレイからの出射光を光ファイバに結合する光モジュールの一例の断面図である。
【００４１】
この光モジュールは、面発光レーザアレイ、平板状マイクロレンズアレイ、貫通孔アレイ、先端から所定の長さだけ外径を細く加工した光ファイバからなる。面発光レーザアレイは縦横等間隔で４×４＝１６素子の面発光型半導体レーザ８２が配列されたものである。発光領域は円形で、隣り合う素子の発光領域の中心間距離は６０μｍである。平板状マイクロレンズアレイはガラス基板に面発光レーザアレイと同一の配列のレンズ素子７２が４×４＝１６個形成されている。貫通孔アレイは平板状ガラス基板に直径５０±０．３μｍの貫通孔１２を実施例１と同様な方法で、マイクロレンズアレイと同一配列で形成したもので、隣合う孔の中心間距離は６０μｍとする。したがってもっとも短い貫通孔の縁間距離は約１０μｍとなる。
【００４２】
マイクロレンズアレイ基板７０のレンズ形成面７０ａと反対側の面７０ｂと貫通孔アレイ基板３０とを各レンズ７２の光軸と貫通孔１２の中心軸が一致するように貼り合わせる。φ１２５μｍの標準の光ファイバ２０の先端部２０ｂに上記と同様に液相化学エッチングを施し、その外径を４９．５±０．３μｍ以内になるように調整する。加工した光ファイバ２０を貫通孔１２にマイクロレンズアレイ基板７０に突き当たるまで挿入し、接着固定する。
【００４３】
この光ファイバ付きマイクロレンズアレイを枠体９０内に固定する。次いで面発光レーザアレイ基板８０をマイクロレンズアレイ基板７０に対向して枠体内に接触させて配置する。
【００４４】
つぎに面発光レーザ８２を動作させ、その出射光８４が光ファイバ２０にもっともよく入射するように面発光レーザアレイとマイクロレンズアレイの相対位置をレンズの光軸と垂直方向に調整し、面発光レーザアレイの基板を枠体に固定する。
【００４５】
以上によって高密度で組立が容易な面発光レーザモジュールを形成することができる。ここでは光素子として面発光レーザアレイを用いた例について説明したが、光素子は発光ダイオードなど他の発光素子、フォトダイオードなどの受光素子、その他の光機能素子のアレイであってもよい。
【００４６】
上記のように貫通孔または止まり孔に高精度で外径を加工した光ファイバを挿入すれば、光ファイバを高い位置精度で固定できるため、光学素子との光結合が容易に行える。この特徴は素子数には関係なく活かすことができ、単一素子の場合にも効果を有する。もちろんアレイの場合は、１次元配列であっても２次元配列であってもよい。
【００４７】
以上の実施例から本発明はつぎの効果を有することがわかる。
光ファイバの外径は液相エッチングにより±０．３μｍ以内に制御して調整できる。通常の単一モード光ファイバの外径は規格上、１２５±３μｍ、すなわち１２２〜１２８μｍの範囲で変動する恐れがあり、このばらつきを吸収するためには少なくとも外径１２２μｍ以下にエッチング加工する必要がある。また、取り扱い上、５０μｍ程度が外径の最小限度である。
【００４８】
このような光ファイバとその外径より約１μｍ、孔径の大きい貫通孔または止まり孔を使用することにより、光軸間隔が１２５μｍより小さい光ファイバアレイもしくは光モジュールが作製できる。光軸間隔の最小値は６０μｍ程度まで作製可能である。一方、１２５μｍ以上の光軸間隔についても従来より高い位置精度で作製できる。光ファイバ素線を束ねた光軸間隔約２５０μｍの光ファイバ束と互換性を有し、かつ光軸間隔の精度が±１μｍ以内である光ファイバアレイも容易に実現できる。
【００４９】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、光ファイバの外径を正確に制御できるために光ファイバアレイ製作の際に光ファイバの間隔精度を大幅に向上させることが可能になるとともに、光ファイバ位置決め用の貫通孔アレイ基板の製作コストを下げることが可能になる。また、光ファイバを小径化することにより、光ファイバの間隔を小さくし配列を高密度化することが可能になる。このような効果は光学素子と光ファイバを結合する光モジュールにおいても同様に生じる。
【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】エッチング時間に対する光ファイバの外径の変化を示す図である。
【図３】本発明の光ファイバアレイの光軸方向の断面模式図である。
【図４】本発明の光ファイバアレイの正面模式図である。
【図５】本発明の光モジュールの一例を示す断面模式図である。
【図６】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７】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。
【図８】従来の貫通孔と光ファイバの外径の関係を示す模式図である。
【符号の説明】
１　　水槽
２　　エッチング液容器
５　　エッチング液
１０　ガラス基板
１２　貫通孔
２０　光ファイバ
２０ａ　光ファイバ端面
２０ｂ　光ファイバ先端部
３０　貫通孔アレイ基板
７０　平板レンズアレイ基板
７２　レンズ素子
８０　面発光レーザ基板
８２　面発光半導体レーザ
【図１】
2004101990.tif 000003
【図２】
2004101990.tif 000004
【図３】
2004101990.tif 000005
【図４】
2004101990.tif 000006
【図５】
2004101990.tif 000007
【図６】
2004101990.tif 000008
【図７】
2004101990.tif 000009
【図８】
2004101990.tif 000010