(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
石英系光導波路素子と光ファイバとを加圧チャンバ内に設置し、前記加圧チャンバ内の気圧を大気圧よりも高くするように上昇させ、前記石英系光導波路素子をヒータによって加熱し、前記石英系光導波路素子と前記光ファイバを突き合わせた部分にレーザ光を照射することにより融着することを特徴とする石英系光導波路素子と光ファイバとの融着接続方法。
【請求項２】
前記石英系光導波路素子の上部クラッドを、ＳiＯ2にＢ2Ｏ3、Ｐ2Ｏ5を添加してなる多成分系ガラスで形成し、かつ、前記Ｂ2Ｏ3、Ｐ2Ｏ5の成分比をそれぞれ前記多成分系ガラス全体に対して８％〜１０％とした請求項１に記載の石英系光導波路素子と光ファイバとの融着接続方法。
【請求項３】
石英系光導波路素子と光ファイバとを気密に収容する加圧チャンバと、前記加圧チャンバ内の気圧を少なくとも大気圧よりも高い気圧に上昇させるための加圧手段と、前記石英系光導波路素子を加熱するために前記加圧チャンバ内に設けられたヒータと、前記石英系光導波路素子と前記光ファイバとを融着接続するためにレーザ光を照射するレーザ光照射手段と、前記加圧チャンバに設けられ前記レーザ光を前記加圧チャンバ外から導入するための窓と、を備えたことを特徴とする融着接続装置。
【請求項４】
前記ヒータは前記石英系光導波路素子と前記光ファイバとを固定する治具に設けられていることを特徴とする請求項３記載の融着接続装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガラス導波路素子と光ファイバとの融着接続方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図２は、一般的な石英系光導波路素子の断面構造を示す図である。
【０００３】
図２に示すように、一般に石英系光導波路素子６は、石英基板からなる下部クラッド３と、石英系のガラスにＴi、Ｇeなどの不純物を添加して屈折率を高くしてあるコア１ａ，１ｂと、ＳiＯ2を主成分とするガラスにＢ2Ｏ3、Ｐ2Ｏ5を添加してなる多成分系ガラスからなる上部クラッド２とで構成されている。
【０００４】
上部クラッド２は、火炎堆積法を用いて成膜されている。
【０００５】
火炎堆積法とは、ＳiＣl4、ＢＣl4、ＰＣl4からなる原料ガスを酸水素炎中で加熱し、加水分解することで生成されるガラス微粒子（ＳiＯ2を主成分としＢ2Ｏ3、Ｐ2Ｏ5を含有する）を石英基板上に堆積し、１３００℃以上の高温において焼結し透明ガラス化する方法である。
【０００６】
一般に火炎堆積法で成膜する多成分系ガラスは、不純物濃度が高くなると軟化温度が下がり、焼結温度における粘度が低下する。
【０００７】
この性質を利用して例えばコア１ａ，１ｂのようにコア間隙が狭い光回路パターンを有する光導波路素子６を製作するとき、コア間隙を完全に埋め込むために上部クラッド２となる多成分系ガラスの不純物濃度を高く設定することがある。
【０００８】
ただし、多成分系ガラスの不純物濃度を高くしすぎると、石英基板と多成分系ガラスとの熱膨張率の差から焼結後の石英基板に大きな反りが発生し、基板の割れ、ガラス膜の剥離等の原因となることがあり、多成分系ガラスに添加する不純物濃度には上限がある。
【０００９】
一方、石英系光導波路素子６を光通信システムに利用する場合には光ファイバとの接続が必要となる。この接続方法の一つに石英系光導波路素子６と光ファイバとを溶融一体化して永久接続する融着接続法がある。融着接続法は、接続部での反射戻り光がほとんど発生しないことや、温度変化による結合効率の変動がほとんどないことが特徴であり、高い信頼性が求められる用途への利用が進められている。
【００１０】
図３は一般的な石英系光導波路素子６と光ファイバ９との融着接続方法を示した図である。石英系光導波路素子６に形成された光回路と、光ファイバ９とを融着接続する場合、石英系光導波路素子６端面と光ファイバ９とを突き合わせ、その突き合わせ部分１１にレーザ光１０を照射し、突き合わせ部分１１を加熱融解することにより融着接続を行っている。
【００１１】
この場合、レーザ光１０の出力、照射時間、照射間隔等の条件のほかに融着の対象となる石英系光導波路素子６の上部クラッド２の不純物濃度条件は予め決められている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、石英系光導波路素子６の上部クラッド２となる多成分系ガラスは一般に不純物濃度が高くなると軟化温度が下がると共に、膜中に溶解するＯ2、Ｈe等のガス成分が増加するため、レーザ照射によって石英系光導波路素子６端面と光ファイバ９との突き合わせ部分１１を溶解したときに石英系光導波路素子６のクラッド２に溶解しきれなくなったガス成分が気泡となって発生し易くなる。
【００１３】
気泡が発生すると、融着部に気泡が残留し、融着部の接続強度が低下し、さらに接続損失が増加してしまう問題があった。
【００１４】
このため、不純物濃度を高くして軟化温度を下げた多成分系ガラスに対しては融着接続を適用できないという課題があった。
【００１５】
そこで、本発明の目的は上記課題を解決し、クラッドに不純物濃度の高い多成分系ガラスをもつ石英系光導波路素子と光ファイバとを気泡を発生させることなく融着接続できる融着接続方法とその装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、石英系光導波路素子と光ファイバとを加圧チャンバ内に設置し、前記加圧チャンバ内の気圧を大気圧よりも高くするように上昇させ、前記石英系光導波路素子をヒータによって加熱し、前記石英系光導波路素子と前記光ファイバを突き合わせた部分にレーザ光を照射することにより融着するものである。
【００１７】
また、上記石英系光導波路素子の上部クラッドを、ＳiＯ2にＢ2Ｏ3、Ｐ2Ｏ5を添加してなる多成分系ガラスで形成し、かつ、上記Ｂ2Ｏ3、Ｐ2Ｏ5の成分比をそれぞれ多成分系ガラス全体に対して８％〜１０％とするとよい。
【００１８】
融着接続装置は、石英系光導波路素子と光ファイバとを気密に収容する加圧チャンバと、前記加圧チャンバ内の気圧を少なくとも大気圧よりも高い気圧に上昇させるための加圧手段と、前記石英系光導波路素子を加熱するために前記加圧チャンバ内に設けられたヒータと、前記石英系光導波路素子と前記光ファイバとを融着接続するためにレーザ光を照射するレーザ光照射手段と、前記加圧チャンバに設けられ前記レーザ光を前記加圧チャンバ外から導入するための窓とを備えて構成した。前記ヒータは前記石英系光導波路素子と前記光ファイバとを固定する治具に設けられてもよい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の好適実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２０】
図１は、融着接続装置１２の側断面図を示すものである。
【００２１】
図１に示すように、融着接続装置１２は、石英系光導波路素子６と光ファイバ９とを気密に収容する加圧チャンバ４と、加圧チャンバ４内の気圧を少なくとも大気圧よりも高い気圧に上昇させるための加圧手段１３とからなる。
【００２２】
加圧チャンバ４は、円筒の両端を気密に塞いだ形状に形成されており、加圧チャンバ４の周面にはＺn-Ｓeで形成された窓５が設けられている。
【００２３】
窓５は、石英系光導波路素子６と光ファイバ９とを融着接続するためのレーザ光１０を加圧チャンバ４外から導入するためのものであり、具体的には加圧チャンバ４の上端に気密に設けられている。
【００２４】
レーザ光１０は、加圧チャンバ４外の図示しない光源から照射されるようになっており、具体的にはＣＯ2レーザからなる。
【００２５】
また、加圧チャンバ４内には、石英系光導波路素子６と光ファイバ９とを突き合わせた状態で留めるための固定治具８が着脱自在に設けられている。
【００２６】
固定治具８は、レーザ光１０の照射に支障がないように窓５に臨む位置、すなわち、窓５に直径線上で向かい合う位置（直下位置）に装着されるようになっており、石英系光導波路素子６に加熱するための予備加熱用のヒータ７を有する。
【００２７】
ヒータ７は、具体的にはセラミックスヒータ７からなり、光導波路素子６の裏側に密着するようになっている。そして、石英系光導波路素子６及び光ファイバ９の溶融温度が高くなる高圧下において、レーザ光１０だけでは不足する熱量を補うようになっている。
【００２８】
加圧手段１３は、圧縮機１５からなる。圧縮機１５は、エア配管１６を介して加圧チャンバ４に接続されており、加圧チャンバ４内に圧気を送り込めるようになっている。
【００２９】
次に作用を述べる。
【００３０】
不純物濃度の高い多成分系ガラスを用いて形成された石英系光導波路素子６の端面と光ファイバ９とを突き合わせ、固定治具８に設置する。固定治具８は、石英系光導波路素子６の端面と光ファイバ９とを互いに突き合わせた状態で留める。
【００３１】
この後、固定治具８を加圧チャンバ４内の所定の位置に装着し、加圧チャンバ４を気密に閉じる。
【００３２】
圧縮機１５を作動させ、加圧チャンバ４内の気圧が大気圧よりも高い所定の気圧になったら、セラミックスヒータ７に通電して石英系光導波路素子６に熱を加えつつ、石英系光導波路素子６と光ファイバ９との突き合わせ部分１１にレーザ光１０を照射する。レーザ光１０の照射は、加圧チャンバ４の外から窓５を通じて行う。
【００３３】
このとき、加圧チャンバ４内の気圧は高いため、石英系光導波路素子６と光ファイバ９は大気圧下での溶融温度より高い温度でなければ溶融しないようになっているが、セラミックスヒータ７からも加熱されているため容易に溶融される。
【００３４】
また、気圧が高い環境下では多成分系ガラスに溶解しているＯ2、Ｈe等のガス成分もほとんど気化せず、融着接続される突き合わせ部分１１に気泡が発生することもない。
【００３５】
石英系光導波路素子６と光ファイバ９とが融着されたら、レーザ光１０の照射を止めると共に、セラミックスヒータ７への通電を止める。
【００３６】
加圧チャンバ４内の内圧を高圧に維持したまま石英系光導波路素子６と光ファイバ９とを自然に冷ますことで、石英系光導波路素子６と光ファイバ９とは気泡のない状態で融着接続される。
【００３７】
このように、石英系光導波路素子６と光ファイバ９とを加圧チャンバ４内に設置し、加圧チャンバ４内の気圧を大気圧よりも高くするように上昇させ、石英系光導波路素子６をヒータ７によって加熱し、石英系光導波路素子６と光ファイバ９とを突き合わせた部分にレーザ光を照射することにより融着するようにしたため、不純物濃度の高い多成分系ガラスを用いて形成された石英系光導波路素子６と光ファイバ９とを気泡を発生させることなく良好に融着接続することができる。
【００３８】
また、融着接続装置１２を、石英系光導波路素子６と光ファイバ９とを気密に収容する加圧チャンバ４と、加圧チャンバ４内の気圧を少なくとも大気圧よりも高い気圧に上昇させるための加圧手段１３と、石英系光導波路素子６を加熱するために加圧チャンバ４内に設けられたヒータ７と、石英系光導波路素子６と光ファイバ９とを融着接続するためにレーザ光１０を照射する光源と、加圧チャンバ４に設けられレーザ光１０を加圧チャンバ４外から導入するための窓５とを備えて構成したため、不純物濃度の高い多成分系ガラスを用いて形成された石英系光導波路素子６と光ファイバ９とを容易に融着接続することができる。
【００３９】
本発明の効果を検証すべく実験を行ったので、実験結果について述べる。
【００４０】
実験に用いる石英系光導波路素子６は、図２に示すように、石英基板からなる下部クラッド３上に導波路コア１ａ，１ｂとなるガラス膜をＥＢ蒸着法を用いて厚さ８μｍに成膜し、この下部クラッド３上にフォトリソグラフィ技術を用いて光回路パターンを形成し、この光回路パターンの上に火炎堆積法を用いて上部クラッド２となる多成分系ガラスを成膜することで形成した。
【００４１】
このとき成膜した多成分系ガラスは、ＳiＯ2を主成分とするＢ2Ｏ3、Ｐ2Ｏ5を添加したもので、それぞれの成分比は多成分系ガラス全体に対し８％、８％とした。
【００４２】
多成分系ガラスの不純物濃度は石英基板と多成分系ガラスの熱膨張率差による反り発生の問題のために上限があり、上限は一般にＳiＯ2を主成分とするＢ2Ｏ3、Ｐ2Ｏ5を添加した多成分系ガラスの場合、多成分系ガラス全体に対しＢ2Ｏ3、Ｐ2Ｏ5をそれぞれ１０％づつ程度である。
【００４３】
実験は図１に示す融着接続装置１２を用いて行った。
【００４４】
まず、前記の方法により製作した石英系光導波路素子６の端面と光ファイバ９とを突き合わせ、両者を固定した後、加圧チャンバ４内に設置した。
【００４５】
加圧チャンバ４内の圧力を１２０００ｈＰａ（大気圧の約１２倍）とした後、セラミックスヒータ７を約５００℃に通電加熱し、レーザ光（ＣＯ2レーザ）１０を出力８Ｗで光導波路素子６と光ファイバ９との突き合わせ部１１に照射した。
【００４６】
このようにして融着接続が完了した後、加圧チャンバ４内圧力を保持したまま、予備加熱用のセラミックスヒータ７を切り、１時間の冷却を行った。
【００４７】
この結果、融着接続部分に気泡は残らず、接続損失は０．３ｄＢ、平均引張強度は１０００ｇであり、良好に融着接続されていることが確認できた。
【００４８】
そして、上部クラッド２を、ＳiＯ2にＢ2Ｏ3、Ｐ2Ｏ5を添加してなる多成分系ガラスで形成し、かつ、上記Ｂ2Ｏ3、Ｐ2Ｏ5の成分比をそれぞれ多成分系ガラス全体に対して８％〜１０％とした石英系光導波路素子６に対しては、光ファイバ９を極めて有効に融着接続できることが認められた。
【００４９】
一方、加圧チャンバ４内の圧力を大気圧（１０１３ｈＰａ）とした以外は同様の方法、同様の条件で融着接続を行ってみた。
【００５０】
その結果、融着接続部分に気泡が発生し、接続損失は０．５ｄＢから１．０ｄＢで大きくばらつき、平均引張強度は４００ｇであった。
【００５１】
これにより、石英系光導波路素子６と光ファイバ９との融着接続は少なくとも大気圧よりも高い圧力中で行うことが必要であることが確認された。
【００５２】
なお、窓５はＺn-Ｓeで形成するものとしたがこれに限るものではない、加圧チャンバ内の高圧に耐え、レーザ光１０を良好に透過するものであれば他の材質であってもよい。
【００５３】
また、加圧手段１３は、圧縮機１５に限るものではない。加圧チャンバ４内を所定の圧力に高められるものであれば、ガスボンベ等他のものであってもよい。
【００５４】
この場合、ガスは特に低い発火点で燃焼するなど融着を妨げるものでなければ窒素、空気、二酸化炭素、酸素等どのようなものであってもよい。
【００５５】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、次のような優れた効果を奏する。
（１）クラッドに不純物濃度の高い多成分系ガラスをもつ石英系光導波路素子と光ファイバとを気泡を発生させることなく融着接続できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適実施の形態を示す加圧チャンバの側断面図である。
【図２】一般的な石英系光導波路素子の断面構造を示す概略説明図である。
【図３】一般的な融着接続方法を示す概略説明図である。
【符号の説明】
２  上部クラッド
４  加圧チャンバ
５  窓
６  石英系光導波路素子
９  光ファイバ
１０  レーザ光
１２  融着接続装置
１３  加圧手段
【図１】
0003823812.tif 000002
【図２】
0003823812.tif 000003
【図３】
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