(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバーと光導波路とを結合させた光素子結合構造体であって、
光軸に沿って延びる光ファイバーコアを有し、光ファイバー端面まで光軸方向に延びる光ファイバーと、
光ファイバーコアと光軸方向に整列した光導波路コアと、前記光ファイバー端面に面する光導波路端面と、を有する光導波路と、
前記光ファイバー及び前記光導波路に沿って光軸方向に延び、前記光ファイバーが支持され且つ固着される支持面を有し、前記光導波路と一体に構成された基板と、を有し、
前記支持面は、それに前記光ファイバーを当接させたときに前記光ファイバーと前記光導波路とが光軸方向に整列するように形成され、
前記光導波路コアの屈折率は、前記光ファイバーコアの屈折率と異なり、
前記光ファイバー端面は、前記光軸に対してほぼ垂直に形成され、前記光導波路端面は、前記基板に向かうに従い前記光ファイバーに近づく方向に前記光軸と垂直な面に対して傾斜して形成され、前記光ファイバー端面と前記光導波路端面との間に隙間が設けられ、
前記隙間に、前記光ファイバーコアの屈折率とほぼ同じ屈折率を有する充填剤が充填されることを特徴とする光素子結合構造体。
【請求項２】
前記光ファイバーコアが石英からなり、前記充填剤の屈折率は、温度が−４０℃〜＋８５℃の間で変化したときに１．４２８〜１．４８６の範囲内にあることを特徴とする、請求項１に記載の光素子結合構造体。
【請求項３】
前記充填剤の屈折率は、温度が−４０℃〜＋８５℃の間で変化したときに１．４４１〜１．４７３の範囲内にあることを特徴とする、請求項２に記載の光素子結合構造体。
【請求項４】
前記充填剤の屈折率は、温度が−４０℃〜＋８５℃の間で変化したときに１．４４８〜１．４６６の範囲内にあることを特徴とする、請求項３に記載の光素子結合構造体。
【請求項５】
前記光ファイバーは、それと前記光導波路との整列のずれを防止するのに十分な弾性率を有する接着剤によって前記基板の支持面に固着される、請求項２〜４の何れか１項に記載の光素子結合構造体。
【請求項６】
前記充填剤は、＋２５℃における屈折率が１．４６５以下であることを特徴とする、請求項２〜５の何れか１項に記載の光素子結合構造体。
【請求項７】
前記光ファイバーコアが石英からなり、前記充填剤は、線膨張係数が８０ｐｐｍ／℃以下であり、＋２５℃における屈折率が１．４５２〜１．４６１の範囲内にあることを特徴とする、請求項１に記載の光素子結合構造体。
【請求項８】
前記光ファイバーコアが石英からなり、前記充填剤は、線膨張係数が６０ｐｐｍ／℃以下であり、＋２５℃における屈折率が１．４５０〜１．４６３の範囲内にあることを特徴とする、請求項１に記載の光素子結合構造体。
【請求項９】
前記光ファイバーコアが石英からなり、前記充填剤は、線膨張係数が４０ｐｐｍ／℃以下であり、＋２５℃における屈折率が１．４４９〜１．４６６の範囲内にあることを特徴とする、請求項１に記載の光素子結合構造体。
【請求項１０】
前記光ファイバーは、それと前記光導波路との整列のずれを防止するのに十分な弾性率を有する接着剤によって前記基板の支持面に固着される、請求項７〜９の何れか１項に記載の光素子結合構造体。
【請求項１１】
前記光導波路は、更に、前記光導波路コアの周りに配置された光導波路クラッドを有し、前記光軸と垂直な面に対する前記光導波路端面の傾斜角度は、前記光導波路コア及び前記光導波路クラッドに対する全反射角の１／２以上であることを特徴とする請求項１〜１０の何れか１項に記載の光素子結合構造体。
【請求項１２】
前記光軸と垂直な面に対する前記光導波路端面の傾斜角度が４〜１６度であることを特徴とする請求項１〜１０の何れか１項に記載の光素子結合構造体。
【請求項１３】
１つの前記光導波路と、その光軸方向両側に配置された２つの前記光ファイバーを有し、一方の前記光ファイバーから前記光導波路を通って他方の前記光ファイバーに進む光の反射減衰率は、−４０ｄＢ以下であることを特徴とする請求項１〜１０の何れか１項に記載の光素子結合構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、光素子結合構造体に関し、更に詳細には、光ファイバーと光導波路とを結合させた光素子結合構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】  従来から、１本又は複数本の光ファイバーの先端部を基板に固定して光ファイバーアレイとし、光ファイバーアレイと光導波路とを結合させた光素子結合構造体が知られている（例えば、特許文献１及び２参照）。特許文献１及び２に開示された方式の光素子結合構造体では、互いに対向している光ファイバーアレイの端面、即ち、光ファイバーの端面と光導波路の端面とが、光軸に対してほぼ垂直である。この方式の場合、伝送される光が光ファイバーの端面及び光導波路の端面で反射して入射方向に向かって逆方向に戻る戻り光が生じ、例えば、共振発光するレーザ光源に悪影響を及ぼすという問題がある。この問題を解決するため、互いに対向する光ファイバーの端面及び光導波路の端面を光軸に対して傾斜させることにより、戻り光を軽減させる方式の光素子結合構造体が知られている。後者の方式の光素子結合構造体は、現在、多くの光素子結合構造体に採用されている方式である。【０００３】  後者の方式の光素子結合構造体の一例を、図８を参照して説明する。図８は、光素子結合構造体の断面図である。図８に示すように、光素子結合構造体５０は、光軸５０ａに沿って光ファイバー端面５６まで延びる光ファイバーアレイ５２と、光ファイバー５２と光軸５０ａ方向に整列し、光ファイバー端面５６に面する光導波路端面５８を有する光導波路５４とを有している。光ファイバー端面５６及び前記光導波路端面５８は、光軸５０ａに対して傾斜して形成され且つ対向している。光ファイバー端面５６と光導波路端面５８との間に透明樹脂６０が充填され、光ファイバーアレイ５２と光導波路５４とが結合されている。透明樹脂６０は、光ファイバーアレイ５２と光導波路５４との間の光軸のずれを防止するために、変形しにくい材料、即ち、比較的高い弾性率を有する材料で形成されている。
例えば、光ファイバーアレイ５２側から光導波路５４に伝送される光は、光軸５０ａに対して傾斜した光ファイバー端面５６で反射するが、この反射光は、光軸５０ａに対して斜め方向に差し向けられるので、光軸５０ａを逆方向に戻る戻り光になりにくい。その結果、光ファイバー端面５６における戻り光が軽減される。同様に、光導波路端面５８において、伝送される光は光軸５０ａに対して斜め方向に差し向けられ、その結果、光導波路端面５８における戻り光が軽減される。【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１０７５６４号公報（第１図）
【特許文献２】特開２００１−２８１４７９号公報（段落００１７及び図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  上述のように、光ファイバー端面５６と光導波路端面５８が両方とも光軸５０ａに対して傾斜した光素子結合構造体５０は、これらの端面５６、５８における戻り光を軽減することができるという利点を有しているが、かかる光素子結合構造体５０を製造するコストが高くなるという問題がある。
詳細には、光導波路５４の製造コストと、光ファイバーアレイ５２の製造コストは、ほぼ同じであるので、１つの光導波路５４とその入口及び出口に結合された２つの光ファイバーアレイ５２とからなる一般的な光素子結合構造体５０の場合、その製造コストは、光導波路５４の製造コストの約３倍になる。
更に、光ファイバー又は光ファイバーアレイ５２の端面を所定の角度で斜めに加工又は切断すること、及び、端面を斜めに加工した光ファイバー又は光ファイバーアレイ５２と端面を斜めに形成した光導波路５４とをサブミクロンの精度で位置合わせすることは、時間と労力を著しく消費するので、実際問題として、現在、光ファイバー又は光ファイバーアレイ５２及び光導波路５４の端面の斜め加工及び整列を行う専用機が必要である。この専用機の価格は、光導波路５４の製造コストの２０００〜１００００倍以上であり、専用機の価格相当分が光素子結合構造体５０の製造コストに上乗せされる。【０００６】  また、光ファイバーと光導波路とを接続した光素子結合構造体は、しばしば、屋外に配置される光インターネット回線網の光結合器又は光スプリッタとして使用されるので、周囲温度、すなわち、光素子結合構造体の温度が変化しても、戻り光を十分に軽減できることが望まれる。【０００７】  そこで、本発明は、光ファイバー端面と光導波路端面における戻り光を軽減しつつ、低コストで製造することができる、光ファイバーと光導波路とを結合させた光素子結合構造体を提供することを目的とする。
また、本発明は、温度が変化しても光ファイバー端面と光導波路端面における戻り光の軽減を確保することができ、しかも、低コストで製造することができる、光ファイバーと光導波路とを結合させた光素子結合構造体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】
【０００８】  上記目的を達成するために、本発明による光素子結合構造体は、光ファイバーと光導波路とを結合させた光素子結合構造体であって、光軸に沿って延びる光ファイバーコアを有し、光ファイバー端面まで光軸方向に延びる光ファイバーと、光ファイバーコアと光軸方向に整列した光導波路コアと、光ファイバー端面に面する光導波路端面とを有する光導波路と、光ファイバー及び光導波路に沿って光軸方向に延び、光ファイバーが支持され且つ固着される支持面を有し、光導波路と一体に構成された基板と、を有し、支持面は、それに光ファイバーを当接させたときに光ファイバーと光導波路とが光軸方向に整列するように形成され、光導波路コアの屈折率は、光ファイバーコアの屈折率と異なり、光ファイバー端面は、光軸に対してほぼ垂直に形成され、光導波路端面は、光軸と垂直な面に対して傾斜して形成され、光ファイバー端面と光導波路端面との間に隙間が設けられ、この隙間に、光ファイバーコアの屈折率とほぼ同じ屈折率を有する屈折率調整剤、即ち、充填剤が充填されることを特徴としている。
このように構成された光素子結合構造体では、例えば、光が、光ファイバーから充填剤を通って光導波路に伝送される。光ファイバーのコアの屈折率と充填剤の屈折率とがほぼ同じであるので、光ファイバー端面において、伝送される光は反射せず、そのまま透過する。従って、光ファイバー端面において戻り光は生じない。また、光導波路端面が光軸と垂直な面に対して傾斜しているので、光導波路端面において反射した光は光軸に対して斜め方向に差し向けられ、光軸を逆方向に戻る戻り光になりにくい。その結果、光導波路端面における戻り光を軽減することができる。光が光導波路から充填剤を通って光導波路に伝送される場合も同様である。
本発明の光素子結合構造体では、光ファイバーの先端を汎用の光ファイバー用カッタによって加工又は切断することによって、光軸に対してほぼ垂直な光ファイバー端面を形成することができる。更に、かかる光ファイバー端面を有する光ファイバーを基板の支持面で支持すれば、自動的に光ファイバーと光導波路とが位置合わせされる。従って、従来の方式の光素子結合構造体と比較して、光ファイバーアレイの製造コスト及び上述した専用機のコストが削減される。また、光ファイバー端面を光軸に対して垂直にすることによる反射減衰率への悪影響を、光ファイバーコアの屈折率とほぼ同じ屈折率を有する充填剤を採用することにより軽減する。その結果、光ファイバー端面及び光導波路端面における戻り光を軽減しつつ、光素子結合構造体を低コストで製造することができる。【０００９】  本発明の実施形態において、好ましくは、光ファイバーコアが石英からなり、充填剤の屈折率は、温度が−４０℃〜＋８５℃の間で変化したときに１．４２８〜１．４８６の範囲内にある。
このように構成された光素子結合構造体では、温度が−４０℃〜＋８５℃の間で変化しても、その全域にわたって、光ファイバー端面における反射減衰率を−４０ｄＢ以下の値に維持することができる。その結果、温度が変化しても光ファイバー端面と光導波路端面における戻り光の軽減を確保することができ、しかも、光素子結合構造体を低コストで製造することができる。
なお、充填剤の屈折率の値は、充填剤を硬化させた後の値である。【００１０】  また、本発明の実施形態において、更に好ましくは、充填剤の屈折率は、温度が−４０℃〜＋８５℃の間で変化したときに１．４４１〜１．４７３の範囲内にあり、更にいっそう好ましくは、１．４４８〜１．４６６の範囲内にある。
充填剤の屈折率が１．４４１〜１．４７３の範囲内にある実施形態では、温度が−４０℃〜＋８５℃の間で変化しても、その全域にわたって、光ファイバー端面における反射減衰率を−４５ｄＢ以下に維持することができる。また、充填剤の屈折率が１．４４１〜１．４７３の範囲内にある実施形態では、温度が−４０℃〜＋８５℃の間で変化しても、その全域にわたって、光ファイバー端面における反射減衰率を−５０ｄＢ以下に維持することができる。【００１１】  また、本発明の実施形態において、好ましくは、光ファイバーは、それと光導波路との整列のずれを防止するのに十分な弾性率を有する接着剤によって基板の支持面に固着されている。
このように構成された実施形態では、光ファイバーと光導波路の整列のずれが接着剤によって防止されているので、充填剤を選択する際、任意の樹脂、例えば、単独で用いた場合に光ファイバーと光導波路との間の整列のずれを生じさせ得る樹脂や光ファイバー及び／又は光導波路からの剥離が生じることがある樹脂を使用して、光ファイバー端面における反射減衰率を軽減することが可能になる。【００１２】  また、本発明の実施形態において、好ましくは、充填剤は、＋２５℃における屈折率が１．４６５以下である。【００１３】  また、本発明の実施形態において、光ファイバーコアが石英からなり、充填剤は、線膨張係数が８０ｐｐｍ／℃以下であり、＋２５℃における屈折率が１．４５２〜１．４６１の範囲内にある。また、本発明の更に別の実施形態において、好ましくは、光ファイバーコアが石英からなり、充填剤は、線膨張係数が６０ｐｐｍ／℃以下であり、＋２５℃における屈折率が１．４５０〜１．４６３の範囲内にある。本発明の更に別の実施形態において、好ましくは、光ファイバーコアが石英からなり、充填剤は、線膨張係数が４０ｐｐｍ／℃以下であり、＋２５℃における屈折率が１．４４９〜１．４６６の範囲内にある。
これら３つの実施形態のいずれの場合でも、温度が−４０℃〜＋８５℃の間で変化しても、光ファイバー端面における反射減衰率をほぼ−４７ｄＢ以下に維持することができる。
なお、充填剤の線膨張係数の値は、充填剤を硬化させた後の値である。【００１４】  また、上述の３つの実施形態において、好ましくは、光ファイバーは、それと光導波路との整列のずれを防止するのに十分な弾性率を有する接着剤によって基板の支持面に固着されている。
このように構成された実施形態では、光ファイバーと光導波路の整列のずれが接着剤によって防止されているので、充填剤を選択する際、任意の樹脂、例えば、単独で用いた場合に光ファイバーと光導波路との間の整列のずれを生じさせ得る樹脂や光ファイバー及び／又は光導波路からの剥離が生じることがある樹脂を使用して、光ファイバー端面における反射減衰率を軽減することが可能になる。【００１５】  本発明の実施形態において、好ましくは、光導波路は、更に、光導波路コアの周りに配置された光導波路クラッドを有し、光軸と垂直な面に対する光導波路端面の傾斜角度は、前記光導波路コア及び前記光導波路クラッドに対する全反射角の１／２以上である。
このように構成された光素子結合構造体では、導波路端面において、例えば、光ファイバー側から導波路に光が入るとき、光が光導波路端面で反射して光ファイバー側に伝搬しない。それにより、光導波路端面における戻り光を確実に軽減させることができる。このことは、導波路から光ファイバー側に光が進むときも同様である。【００１６】  本発明の実施形態において、好ましくは、光軸と垂直な面に対する光導波路端面の傾斜角度は、４〜１６度である。
このように構成された光素子結合構造体では、光導波路端面における反射減衰率をほぼ−４０ｄＢよりも小さくすることができる。【００１７】  本発明の実施形態において、好ましくは、１つの光導波路と、その光軸方向両側に配置された２つの光ファイバーを有し、一方の光ファイバーから光導波路を通って他方の光ファイバーに進む光の反射減衰率は、−４０ｄＢ以下である。
このように構成された光素子結合構造体では、光スプリッタ又は光結合器等の光素子結合構造体の戻り光を軽減しつつ、それらを低コストで製造することができる。
【発明の効果】
【００１８】  以上説明した通り、本発明により、光ファイバー端面と光導波路端面における戻り光を軽減しつつ、低コストで製造することができる、光ファイバーと光導波路とを結合させた光素子結合構造体を提供することができる。
また、本発明により、温度が変化しても光ファイバー端面と光導波路端面における戻り光の軽減を確保することができ、しかも、低コストで製造することができる、光ファイバーと光導波路とを結合させた光素子結合構造体を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】  以下、図面を参照して、本発明による光素子結合構造体の実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態である光ファイバー及び光導波路の光素子結合構造体の、部分的に断面にした正面図であり、図２は、図１の線２−２における断面図である。また、図３は、光ファイバー端面及び光導波路端面と光軸との関係を示す図である。
なお、本明細書に示す接着剤又は充填剤の屈折率、線膨張係数、及び弾性率はすべて、接着剤又は充填剤を硬化した後の値である。【００２０】  図１及び図２に示すように、光素子結合構造体１は、光軸１ａ方向に光ファイバー端面まで延びる光ファイバー２と、この光ファイバー２と光軸方向に整列した光導波路４と、光ファイバー２及び光導波路４に沿って光軸１ａ方向に延びる基板６とを有している。
光ファイバー２は、光導波路４の上流側、即ち、入口側に配置された入口側光ファイバー２ａと、光導波路４の下流側、即ち、出口側に配置された出口側光ファイバー２ｂとを有している。入口側光ファイバー２ａ、出口側光ファイバー２ｂ及び光導波路４は、入口側光ファイバー２ａの中を伝わってきた光が光導波路４を通って出口側光ファイバー２ｂに伝わるように配置されている。入口側光ファイバー２ａ及び出口側光ファイバー２ｂは、１本でもあっても良いし、横方向に複数設けられていても良い。例えば、入口側光ファイバー２ａが１本であり、出口側光ファイバー２ｂが複数であれば、光素子結合構造体１は光スプリッタとして機能し、入口側光ファイバー２ａが複数であり出口側光ファイバー２ｂが１本であれば、光素子結合構造体１は光結合器として機能する。光素子結合構造体１の入口側の構造と出口側の構造とは同様であるので、以下、入口側の構造のみについて説明し、出口側の構造の説明は省略する。【００２１】  光ファイバー２ａは、光軸１ａに沿って延びる光ファイバーコア８と、その周りに配置された光ファイバークラッド１０と、光導波路４側の端面、即ち、光ファイバー端面１２とを有している。光ファイバー端面１２は、光軸１ａに対してほぼ垂直に形成されている。具体的には、図３に示すように、光軸１ａを含む上下方向平面において、光軸１ａと光ファイバー端面１２の交点を中心としたときの光軸１ａから光ファイバー端面１２までの角度αは、好ましくは、８５〜９５度であり、更に好ましくは、８５〜９２度であり、更に好ましくは、８８〜９２度である。光ファイバー２ａの径は、例えば、１２５μｍである。光ファイバーコア８は、例えば、石英で形成されている。【００２２】  光導波路４は、光ファイバーコア８と光軸１ａ方向に整列した光導波路コア１４と、この光導波路コア１４の周りに配置された光導波路クラッド１６と、光ファイバー端面１２に面する端面、即ち、光導波路端面１８とを有している。光導波路コア１４の屈折率は、光ファイバーコア８の屈折率と異なっていることが好ましいが、同じであっても良い。光導波路端面１８は、後で詳細に説明するように、光軸１ａに対して傾斜して形成されている。光導波路端面１８は、下方に向かうに従い光ファイバー２ａに近づく方向に傾斜している。【００２３】  基板６は、光軸方向に延びるベース部２０と、ベース部２０から光導波路４に向かって上方に延び且つ上面に光導波路４が一体に形成された導波路部２２と、光ファイバー２を支持するためにベース部２０から光ファイバー２に向って上方に延び且つ導波路部２２と間隔をおいたファイバー部２４とを有する。導波路部２２は、導波路端面１８と接続し且つファイバー部２４に面する導波路側壁面２２ａを有し、ファイバー部２４は、導波路部２２に面するファイバー側壁面２４ａを有している。導波路側壁面２２ａと、ファイバー側壁面２４ａと、それらの間のベース部２０の上面２０ａと、によって、凹部２６が構成されている。本実施形態では、導波路側壁面２２ａは、導波路端面１８の傾斜角度に合わせてそれから下方に延び、上面２０ａは、導波路側壁面２２ａと垂直に形成され、ファイバー側壁面２４ａは、導波路側壁面２２ａ��平行に形成されているが、凹部の形状は任意である。例えば、導波路側壁面２２ａ又はファイバー側壁面２４ａが光軸１ａに対して垂直に延びていても良いし、上面２０ａが光軸１ａと同方向に延びていても良い。【００２４】  ファイバー部２４は、光ファイバー２が支持され且つ固着される支持面２４ｂを有している。支持面２４ｂは、それに光ファイバー２を当接させたときに光ファイバー２と光導波路４とが光軸１ａ方向に整列するように形成されている。本実施形態では、ファイバー部２４の上面２４ｃに、光軸１ａ方向に延び且つ上向きに開放したＶ字形断面の溝２８が形成されている。この溝２８は、既知の外径の光ファイバー２が２つの溝面、即ち、支持面２４ｂに当接したときに光ファイバー２と光導波路４とがサブミクロンの精度で位置合わせされるように形成されている。しかしながら、支持面２４ｂの形状は、これに限らず、任意である。
光ファイバー２は、光ファイバー端面１２が凹部２６に突出するように支持面２４ｂの上に配置され、接着剤等によって固着されている。それにより、光ファイバー２と光導波路４とが整列している。光軸１ａに対して垂直な光ファイバー端面１２と光軸に対して傾斜した光導波路端面１８との間には、隙間３０が形成されている。光ファイバー端面２と光導波路端面１８とは、できるだけ近接していることが好ましいが、実際には、光ファイバー２の自動組立てを容易にするために、光ファイバー端面１２の最も光導波路端面１８に近い部分と光導波路端面１８との間には、約１０〜２０μｍの隙間が生じている。
光ファイバー２を支持面２４ｂに固着させるための接着剤は、光ファイバー２と光導波路４との間の整列のずれを防止するのに十分に大きい弾性率を有するものが好ましいが、弾性率が大きすぎる接着剤は、応力により接着剤が光ファイバー２及び／又は光導波路４から剥離しやすくなるので好ましくない。具体的には、接着剤の弾性率は、２．０〜３．０ＧＰａであることが好ましい。接着剤は、例えば、協立化学製紫外線硬化型エポキシ系樹脂「ＷＲ８７７４」（弾性率：２．５ＧＰａ）である。【００２５】  凹部２６及び隙間３０には、充填剤３２が充填されている。充填剤３２は、光ファイバー２から光導波路４へ伝送される光が通過するため、光に対して透明であることが必要である。また、充填剤３２の屈折率は、光ファイバーコア８の屈折率とほぼ同じ屈折率を有することが好ましい。
図４及び表１を参照して、充填剤３２の好ましい屈折率を説明する。図４及び表１はそれぞれ、光ファイバーコア８が石英（屈折率１．４５７）である場合における、充填剤３２の屈折率と反射減衰率との関係を示す図と表である。反射減衰率は、光ファイバー２からそれと隣接した充填剤３２に光が入ってきたとき、又は、充填剤３２から光ファイバー２に光が入ってきたとき、光ファイバー２と充填剤３２との間の境界面、即ち、光ファイバー端面１２で反射した光のパワー（Ｐｒ）の、入力光のパワー（Ｐｉ）に対する割合をデシベル単位で表したもの（１０ｌｏｇ１０（Ｐｒ／Ｐｉ））である。反射減衰率の値が小さい、即ち、マイナス方向にあるほど、光ファイバー端面１２における戻り光が軽減されることを意味する。【００２６】
0004324167.tif 000002
【００２７】  戻り光を軽減するためには、反射減衰率は、一般的な要求である−４０ｄＢ以下であることが好ましく、更に、小さければ小さいほど好ましく、更に厳しい要求である反射減衰率が−５０ｄＢ以下であることが更に好ましい。表１及び図４に示すように、充填剤３２の屈折率は、例えば、反射減衰率−４０ｄＢ以下をほぼ満たすためには、１．４２８〜１．４８６であることが好ましく、更に厳しい要求である反射減衰率−５０ｄＢ以下をほぼ満たすためには、１．４４８〜１．４６６であることが更に好ましい。石英の屈折率１．４５７に対する充填剤３２の屈折率の比で換算すれば、この比は、反射減衰率−４０ｄＢ以下をほぼ満たすためには、０．９８〜１．０２であることが好ましく、更に厳しい要求である反射減衰率−５０ｄＢ以下をほぼ満たすためには、０．９９４〜１．００６であることが好ましい。更に、温度が−４０℃〜＋８５℃の間で変化しても、充填剤３２の屈折率が、所望の反射減衰率に対応する表１の屈折率の範囲内にあることが好ましい。所望の反射減衰率は小さければ小さいほど好ましい。例えば、反射減衰率−５０ｄＢ以下をほぼ満たすために、温度が−４０℃〜＋８５℃の間で変化しても、充填剤３２の屈折率が１．４４８〜１．４６６の範囲内にあることが好ましい。【００２８】  また、図５は、光ファイバーコア８が石英（屈折率１．４５７）である場合における、温度が＋２５℃のときの充填剤３２の屈折率と、温度が−４０℃〜＋８５℃にわたって変化したときの充填剤３２の反射減衰率の最高値（最もプラス方向になる値、即ち、戻り光が最も軽減されないときの反射減衰率）との関係を、充填剤３２の線膨張係数ごとに示した図である。図５から分かるように、温度が＋２５℃のときの屈折率が同じ充填剤であっても、その線膨張係数が大きくなると、温度が−４０℃〜＋８５℃にわたって変化したときの反射減衰率の最高値がプラス方向に変化する。
なお、図４は、以下の式（１）及び式（２）を用いて求められる。
0004324167.tif 000003
ここで、ｎ：所定温度における充填剤の屈折率、ｎ２５：＋２５℃における充填剤の屈折率、ａ：充填剤の線膨張係数、Ｒ：反射減衰率、ｔ：温度である。
図５の太線Ａで囲まれた範囲に示すように、充填剤３２は、線膨張係数が８０ｐｐｍ／℃以下であり、＋２５℃における屈折率が１．４５２〜１．４６１の範囲内にあることが好ましい。又は、図５の太線Ｂで囲まれた範囲に示すように、充填剤３２は、線膨張係数が６０ｐｐｍ／℃以下であり、２５℃における屈折率が１．４５０〜１．４６３の範囲内にあることが好ましい。又は、図５の太線Ｃで囲まれた範囲に示すように、充填剤３２は、線膨張係数が４０ｐｐｍ／℃以下であり、２５℃における屈折率が１．４４９〜１．４６６の範囲内にあることが好ましい。
また、＋２５℃における屈折率が１．４６５以下であることが好ましい。【００２９】  充填剤３２は、光硬化型、熱硬化型、室温硬化型、又はカチオン硬化型の、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂又はシリコーン系樹脂等であることが好ましい。これらの樹脂の具体例としては、「オプトエレクトロニクス材料の開発と応用技術」（２００１年２月９日株式会社技術情報協会発行）９０頁の表１に記載されたフッ素化エポキシ化合物、同９１頁の表２に記載されたフッ素化エポキシアクリレート化合物、特開２００４−１９６９７７記載のカチオン硬化型シリコーン樹脂等が挙げられる。
さらに具体的には、エポキシ系樹脂としては、
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で表されるフッ素化エポキシ化合物を主成分とするものが好ましく、特にＲｆが
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または
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であり、ｎが０．１〜１．０であるものが好ましい。
アクリル系樹脂としては、
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で表されるフッ素化エポキシアクリレートを主成分とするものが好ましく、特にＲｆが上記式（３）であり、ｎが０．１〜１．０であるものが好ましい。【００３０】  充填剤３２の市販品の具体例としては、上記式（４）でＲｆが上記式（３）で表されるフッ素化エポキシアクリレートを主成分とするダイキン製紫外線硬化型アクリル系樹脂「ＵＶ２０００」（弾性率：１．１ＧＰａ、＋２５℃における波長１．５５μｍの屈折率：１．４６２、線膨張係数：３１ｐｐｍ／℃、粘度：３６０ｍＰａ・ｓ）が挙げられる。この「ＵＶ２０００」は、光ファイバー２と光導波路４との間に単独で配置されると光ファイバー２と光導波路４との間の整列にずれを生じさせることがあるため、従来、この用途では使用されていなかった樹脂である。図４に示すように、「ＵＶ２０００」は、温度が−４０℃〜＋８５℃にわたって変化しても、−５０ｄＢよりも小さい反射減衰率の値を維持することができる。
充填剤３２の他の市販品の具体例として、上記式（１）でＲｆが上記式（３）で表されるフッ素化エポキシ化合物を主成分とするダイキン製紫外線硬化型エポキシ系樹脂「ＵＶ２１００」（弾性率：２．４ＧＰａ、＋２５℃における波長１．５５μｍの屈折率：１．４６６、線膨張係数：１０７ｐｐｍ／℃、粘度：２５０ｍＰａ・ｓ）、上記式（１）でＲｆが上記式（２）で表されるフッ素化エポキシ化合物を主成分とするＮＴＴ−ＡＴ製紫外線硬化型エポキシ系樹脂「ＧＡ７００Ｌ」（弾性率：０．４ＧＰａ、＋２５℃における波長１．５５μｍの屈折率：１．４４６、線膨張係数：１４０ｐｐｍ／℃、粘度：２５０ｍＰａ・ｓ）、上記式（１）でＲｆが上記式（２）で表されるフッ素化エポキシ化合物を主成分とするＮＴＴ−ＡＴ製紫外線硬化型エポキシ系樹脂「ＧＡ７００Ｈ」（弾性率：１．０ＧＰａ、＋２５℃における波長１．５５μｍの屈折率：１．４４５、線膨張係数：９０ｐｐｍ／℃、粘度：２５２ｍＰａ・ｓ）、及び協立化学製カチオン硬化型シリコーン樹脂「ＷＲ８９６２Ｈ」（弾性率：５．０ＧＰａ、＋２５℃における波長１．５５μｍの屈折率：１．４５５、線膨張係数：３００ｐｐｍ／℃、粘度：２８００ｍＰａ・ｓ）が挙げられる。「ＧＡ７００Ｌ」及び「ＧＡ７００Ｈ」は、光ファイバー２と光導波路４との間に単独で配置されると光ファイバー２と光導波路４との間の整列にずれを生じさせることがあるため、従来、この用途では使用されていなかった樹脂である。また、「ＷＲ８９６２Ｈ」は、光ファイバー２と光導波路４との間に単独で配置されると応力により剥離することがあるため、従来、この用途では使用されていなかった樹脂である。図３に示すように、これら４つの充填剤の＋２５℃における反射減衰率は、いずれも−４８ｄＢ以下である。また、図４から分かるように、これら４つの充填剤は、温度が−４０℃〜＋８５℃にわたって変化した場合、−５０ｄＢ以下の反射減衰率を維持することはできないが、「ＵＶ２１００」の場合−４４ｄＢ以下の反射減衰率、「ＧＡ７００Ｌ」の場合−４１ｄＢ以下の反射減衰率、「ＧＡ７００Ｈ」の場合−４３ｄＢ以下の反射減衰率、「ＷＲ８９６２Ｈ」の場合−４０ｄＢ以下の反射減衰率を維持することができる。【００３１】  次に、図３を参照して、光導波路端面１８の傾斜角度について詳細に説明する。光導波路端面１８の傾斜角度βは、図３に示すように、光軸１ａを含む上下方向平面において、光軸１ａと光導波路端面１８の交点を中心としたときの、光軸１ａと垂直な面Ｐから光導波路端面１２までの角度である。例えば、光ファイバー２側から導波路４に光が入るときに光が光導波路端面１８で反射して光ファイバー２側に伝搬しないようにするために、光導波路端面１８の傾斜角度βは、光導波路コア１４（屈折率ｎ１）及び光導波路クラッド１６（屈折率ｎ２）に対する全反射角（ｃｏｓ−１（ｎ２／ｎ１））の１／２以上であることが好ましい。例えば、コア１４の屈折率が１．５３であり、クラッド１６の屈折率が１．５０のとき、傾斜角度βは、５．７度以上であることが好ましい。このことは、導波路４から光ファイバー２側に光が進むときにも当てはまる。
また、図６は、光導波路端面１８の傾斜角度βと反射減衰率との関係を示す図である。反射減衰率は、光ファイバー２側から導波路４に光が入るとき、又は、導波路４から光ファイバー２側に光が進むとき、導波路端面１８で反射した光（Ｐｒ）の、入力光（Ｐｉ）に対する割合をデシベル単位で表したもの（１０ｌｏｇ１０（Ｐｒ／Ｐｉ））である。反射減衰率の値が小さいほど、導波路端面１８における戻り光が軽減されることを意味する。図６に示すように、光導波路端面１８の傾斜角度βは、一般的に要求されている反射減衰率−４０ｄＢ以下を満たすためには、４〜１６度であることが好ましく、更に厳しい要求である反射減衰率−５０ｄＢ以下を満たすためには、６〜１６度であることが好ましい。また、光ファイバー端面１２と光導波路端面１８との間の距離が短い方が良いことを考慮すれば、光導波路端面１８の傾斜角度βは、６〜１０度であることが更に好ましい。【００３２】  上述したように、光素子結合構造体１は、１つの光導波路４と、その光軸方向両側に配置された２つの光ファイバー２ａ、２ｂを有しており、例えば、光導波路型光スプリッタまたは光結合器である。一方の光ファイバー２ａから光導波路４を通って他方の光ファイバー２ｂに進む光の、光素子結合構造体１全体における反射減衰率は、好ましくは、−４０ｄＢよりも小さく、更に好ましくは、−５０ｄＢよりも小さい。【００３３】  次に、本発明の実施形態による光素子結合構造体の作用を説明する。入口側光ファイバー２ａの中を伝搬してきた光は、光ファイバーコア８の屈折率と充填剤３２の屈折率とがほぼ同じなので、入口側光ファイバー２ａの光ファイバー端面１２で反射せずに、そのまま透過し、その結果、光ファイバー端面１２において戻り光は生じない。次いで、充填剤３２の中を伝搬した光は、光導波路端面１８で反射される。光導波路端面１８が光軸１ａと垂直な面に対して傾斜しているので、光は光軸１ａに対して斜めに反射される。この反射光は、光軸１ａに対して斜め方向に差し向けられるので、光軸１ａを逆方向に戻る戻り光になりにくい。その結果、光導波路端面１８における戻り光が著しく軽減される。次いで、光導波路４の中を伝搬した光は、出口側光ファイバー２ｂの光導波路端面１８で反射される。この反射光も、光軸１ａと垂直な面に対して斜め方向に差し向けられるので、光軸１ａを逆方向に戻る戻り光になりにくい。その結果、光ファイバー端面１８における戻り光が著しく軽減される。次いで、出口側光ファイバー２ｂ側の充填剤３２の中を伝搬した光は、出口側光ファイバー２ｂの光ファイバーコア８の屈折率と充填剤３２の屈折率とがほぼ同じなので、出口側光ファイバー２ｂの光ファイバー端面１２で反射せずに、そのまま透過し、その結果、光ファイバー端面１２において戻り光は生じない。【００３４】  次に、本発明の実施形態による光素子結合構造体１の製造方法の一例を説明する。シリコン、高分子材料等で作られた基板６を準備し、Ｖ字形断面の溝２８を、フォトリソグラフィにより作成したレジストパターンに従って異方性エッチングを施すことによって形成する。次いで、Ｖ字形断面の溝２８を形成した基板６に光導波路４を形成する。詳細に説明すると、光導波路４を高分子材料で形成する場合には、スピン塗布や鋳型などによりクラッド層１６及びその上のコア層を形成した後、フォトリソグラフィ、反応性イオンエッチングなどのプロセス加工や、型押し等の機械加工を施してコア層から矩形断面の光導波路コア１４を形成し、更に、上記と同様の方法により光導波路コア１４を覆うようにクラッド層１６を形成して、光導波路４を形成する。また、光導波路４を石英で形成する場合には、火炎堆積法やＣＶＤ法などにより基板６の上に石英層を形成し、ドライエッチングなどのプロセス加工により矩形の石英コア１４にした後、コア１４を覆うようにクラッド層１６を形成して、光導波路４を形成する。Ｖ字形断面の溝２８の形成工程及び光導波路４の形成工程は、光ファイバー２を溝２８の支持面２４ｂに載せたときに光ファイバー２と光導波路４とがサブミクロンの精度で位置合わせされるような支持面２４ｂと光導波路４との位置関係が得られるように行われる。次いで、ダイシング加工等により、光導波路端面１８及び凹部２６を形成する。本実施形態のような凹部２６の構成にすれば、光導波路端面１８及び凹部２６を一度に加工することができる。光ファイバー端面１２が凹部２６に突出するように光ファイバー２を支持面２４ｂに配置し、接着剤等により光ファイバー２を支持面に接着させる。それにより、光ファイバー２と光導波路４とが整列する。次いで、充填剤３２を、光ファイバー端面１２光導波路４端面１８との間の隙間３０及び凹部２６に充填し、それにより、光ファイバー２と光導波路４とを結合させる。【００３５】  次に、充填剤及び接着剤の屈折率、線膨張係数、弾性率の測定方法を説明する。
最初に、充填剤等の屈折率の測定方法を説明する。屈折率については、メトリコン社製の測定装置「モデル２０１０プリズムカプラ」を用いて、シリコンウエハ上の膜状の充填剤等の屈折率を測定した。具体的には、所定の膜厚の充填剤等をスピンコート法等によってシリコンウエハ上に形成した後、それを紫外線で硬化させた。所定の膜厚は、硬化後の充填剤等の膜厚が０．５〜１５μｍになるようにし、実際の膜厚は、１〜５μｍであった。紫外線は、波長３６５ｎｍ、強度１００ｍＷのものを使用した。照射量は、ダイキン製紫外線硬化型エポキシ系樹脂「ＵＶ２１００」、ダイキン製紫外線硬化型アクリル系樹脂「ＵＶ２００」及びＮＴＴ−ＡＴ製紫外線硬化型エポキシ系樹脂「ＧＡ７００Ｈ」の測定では、２０Ｊ／ｃｍ２とし、ＮＴＴ−ＡＴ製紫外線硬化型エポキシ系樹脂「ＧＡ７００Ｌ」及び協立化学製カチオン硬化型シリコーン樹脂「ＷＲ８９６２Ｈ」の測定では、５Ｊ／ｃｍ２とした。次いで、硬化した膜状の充填剤の屈折率を上記測定装置によって測定した。この測定装置は、光屈折率を持ったプリズムを薄い空気層をはさんで充填剤等の膜に接近させ、プリズムに入射する光ビームの角度を調整することにより、光ビームを膜内で励振させることを利用して、屈折率を測定する装置である。【００３６】  次に、充填剤等の線膨張係数の測定方法を説明する。線膨張係数は、ＴＭＡ（熱機械分析）法を用いて測定した。測定条件は、５℃／分の引張りモードである。温度を２０℃から１００℃まで変化させ、２５℃のときの測定値を記載した。【００３７】  次に、充填剤等の弾性率の測定方法を説明する。弾性率は、ＪＩＳ−Ｋ７１２７「プラスチックフィルム及びシートの引張試験方法」に従って測定した。【００３８】  上述した実施形態についての実施例を以下に説明する。基板６は、単結晶であり異方性エッチングが容易なシリコンを使用した。基板６にフッ素化ポリイミド（日立化成製ＯＰＩ）で光導波路４を形成した。光導波路コア１４の屈折率は、１．５３であり、光導波路クラッド１６の屈折率は、１．５２であった。従って、光導波路の全反射角の１／２は、３．２８度である。また、ダイシング加工による加工精度を±２度と見込んで、光導波路端面１８の傾斜角度γをダイシング加工によって６度に加工した。光ファイバーは、石英製とした。従って、１．３１μｍ波長の屈折率は、１．４６８である。充填剤３２として、ダイキン製紫外線硬化型アクリル系樹脂「ＵＶ２０００」、ダイキン製紫外線硬化型エポキシ系樹脂「ＵＶ２１００」、ＮＴＴ−ＡＴ製紫外線硬化型エポキシ系樹脂「ＧＡ７００Ｌ」、ＮＴＴ−ＡＴ製紫外線硬化型エポキシ系樹脂「ＧＡ７００Ｈ」、及び協立化学製カチオン硬化型シリコーン樹脂「ＷＲ８９６２Ｈ」について実験を行った。表２は、これらの充填剤３２の−４０℃、−１５℃、＋２５℃、＋５５℃及び＋８５℃における反射減衰率の実験値である。また、図７は、温度を−４０℃〜＋８５℃まで変化させたときの、これらの充填剤の反射減衰率の実験値と式（１）及び式（２）を用いて計算した計算値を示す図である。反射減衰率の測定には、安藤電気株式会社製ＡＱ２１４０−ＡＱ７３１０を使用した。【００３９】
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【００４０】  以上、本発明による実施形態である光ファイバー及び光導波路の光素子結合構造体を説明したけれども、本発明は、この実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内での種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されることは言うまでもない。
本実施形態で使用されている材料は、例示であり、本発明の要件を満たす限り、任意の材料を使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】［図１］本発明の実施形態である光素子結合構造体の、部分的に断面にした正面図である。
［図２］図１の線２−２における断面図である。
［図３］光ファイバー端面及び光導波路端面と光軸との関係を示す図である。
［図４］光ファイバーコアが石英である場合における、充填剤の屈折率と反射減衰率との関係を示す図である。
［図５］光ファイバーコアが石英である場合における、温度が２５℃のときの充填剤の屈折率と、温度が−４０℃〜＋８５℃にわたって変化したときの充填剤３２の反射減衰率の最高値との関係を、充填剤の線膨張係数ごとに示す図である。
［図６］光導波路端面の傾斜角度と反射減衰率との関係を示す図である。
［図７］温度を−４０℃〜＋８５℃まで変化させたときの、充填剤の反射減衰率の実験値と計算値を示す図である
［図８］従来技術の光素子結合構造体の正面断面図である。
【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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