JPH03233412A - 光接続方法及びレーザエッチング加工方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、光接続方法及びレーザエツチング加工方法に
関し、さらに詳しくはニオブ酸リチウム結晶をはじめと
する基板に形成された光導波路と光ファイバーの光接続
方法と、基板に光ファイバーの案内溝等を形成するレー
ザエツチング加工方法に関する。

（従来の技術） 光通信技術の発展に伴って、大容量や多機能を持つ高度
のシステムが求められており、より高度の光信号の発生
や光伝送路の切り替え、交換などの新たな機能の付加が
必要とされている。例えば、光伝送路の切り替えやネッ
トワークの交換機能を得るためには、高機能な光スィッ
チ等の光制御デバイスが必要となる。

現在実用されている光制御デバイスは主として、プリズ
ム、レンズ、ミラー　ファイバーなどを使ったバルク形
のものであり、低速であること、信頼性が不十分、形状
が大きくマトリクス化に不適当の欠点がある。これを解
決する手段として開発が進めらているものは光導波路を
用いた導波形の光制御デバイスであり、高速、多素子の
集積化が可能、高信頼等の特長がある。特にニオブ酸リ
チウム（ＬｉＮｂＯａ）結晶等の強誘電体材料を用いた
ものは、光吸収が小さく低損失であること、大きな電気
光学効果を有しているため高効率である等の特長があり
、従来からも方向性結合器型光変調器や光スィッチ、全
反射型光スイッチまたはマツハツエンダ型光変調器等の
種々の方式の光制御デバイスが報告されている。

このような導波形の光制御デバイスを実際の光通信シス
テムに適用する場合、各デバイスの人出力部にあたる先
導波路の接続端面を光ファイバーを介して相互に接続す
ることが実用上不可欠である。接続部において光学的な
結合を低損失に達成するためには、基板上に形成された
光導波路の接続端面を欠けのない高精度な面に加工し、
がっ光導波路と光ファイバーの光透過方向の中心軸を高
精度に合致させて接続する必要がある。

一般に光導波路は、ニオブ酸リチウム結晶基板の−ｚ（
０００１）に形成され、基板の±ｘ面（２１１０）及び
（２１１０）が光導波路の接続端面となる。従来、接続
端面は砥石を用いて機械的に切断加工した後に、遊離砥
粒を用いて切断端面の研磨を行い高精度に加工している
。また光導波路と光ファイバーの接続は、アレイ化した
光ファイバーの接続端面を光導波路の接続端面と同様に
高精度に加工した後、光透過方向の中心軸が合致するよ
うに位置調整を行い、接着剤等で固着する方法がとられ
ている。

（発明が解決しよってする課題） 光導波路と光ファイバーを接続する場合、光導波路や光
ファイバーの光フィールド分布の広がりは１０ｐｍ以下
であることが多い。このため、低損失な光接続を達成す
るには、両者の光透過方向の中心軸は１１１ｍ以下程度
の精度で一致するように位置調整を行う必要がある。従
来の技術によれば、上述のように高精度な光接続を達成
するには、多くの調整工数を長い調整時間を要するとい
う課題があった。また位置調整の後、光導波路と光ファ
イバーが完全に固着するまでの間に中心軸の位置ずれが
生じやすく、接続損失の増加が発生しやすいという課題
があった。

また、ニオブ酸リチウム結晶基板は硬脆材料であり、欠
けやクラックが発生しやすい材料である。このため、砥
石で先導波路の接続端面である±ｘ面機械的に切断加工
すると、第２図（ｂ）に示すように切断面の端部、すな
わち光導波路の接続端面２４に大規模な欠け１８が頻ば
んに発生する。この大規模な欠け１８によって、光ファ
イバーとの接続損失は大幅に増加する。このため、従来
は切断加工の後の研磨加工によって、発生した大規模欠
け１８を取り除くのに長時間を要していた。

さらに従来、ニオブ酸リチウム結晶などの基板に微細な
溝加工や穴加工を行うためのレーザエツチング加工方法
として、ニオブ酸リチウム結晶基板に対して熱反応性を
有するエツチング液にニオブ酸リチウム結晶基板を浸し
、アルゴンレーザやＹＡＧレーザ等のレーザビーム光を
照射するレーザエツチング加工方法が知られている（例
えば、特開昭６０−２７８３６２号公報）。しかしなが
ら、ニオブ酸リチウム結晶基板はアルゴンレーザビーム
光やＹＡＧレーザビームを透過するため、まずレーザビ
ーム光を吸収する物質を含んだエツチング液をレーザビ
ーム光で加熱し、発生した熱によってエツチング加工を
進行させることになる。このようにニオブ酸リチウム結
晶基板のレーザエツチング加工では、レーザビーム光に
よって発生する熱を間接的に利用したエツチング加工で
あるため、−船釣に加工速度が小さく生産性に課題があ
った。

本発明の目的は、上述の従来の光接続方法の課題を解決
し、ニオブ酸リチウム結晶をはじめとする基板に形成さ
れた光導波路とファイバの光接続を容易に、また短時間
で行なえるようにし、接続損失が低酸できるような光接
続方法を提供することにある。さらに本発明は、従来の
技術に比べ、光導波路が形成された基板に、光ファイバ
ーの案内溝を短時間で形成できるレーザエツチング加工
方法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） 第１の発明は、基板上に形成された先導波路と光ファイ
バーを光学的に結合する光接続方法において、前記基板
上に前記光導波路の光透過方向の中心軸と一致した光フ
ァイバー案内溝をレーザエツチング加工によって形成し
、がっ前記基板に前記光導波路と垂直な光接続端面を機
械的な研削溝入れ加工によって形成した後、前記案内溝
に光ファイバーを挿入、固着することを特徴とする。

第２の発明は、ニオブ酸リチウム結晶基板上に形成され
た光導波路と光ファイバーを光学的に接合する光接続方
法において、前記ニオブ酸リチウム結晶基板の光接続端
面となる±ｘ面（２１１０）及び（２１１０）は、光導
波路が形成された−ｚ面（０００〒）を上面とし、ダウ
ンカット研削法によって結晶軸の−ｙ方向から＋ｙ力方
向研削溝入れ加工して形成することを特徴とすることを
特徴とする。

第３の発明は、基板に微細な溝や穴を形成するレーザエ
ツチング加工方法において、前記基板を該基板に対して
熱反応性を有するエツチング液に浸し、該エツチング液
あるいは前記基板に超音波振動を加えなからレーザビー
ムを照射することを特徴とする。

（作用） まず第１の発明の作用について、第１図（ａ）、　（ｂ
）及び（ｃ）を参照して説明する。本発明の光接続方法
では、第１図（ｃ）に示すように、光導波路１２及び１
３が形成されたニオブ酸リチウム結晶基板１１と同一基
板上に、光導波路１２及び１３の光透過方向と中心軸の
一致した案内溝１４が形成されている。このため、光フ
ァイバー１７を案内溝１４に挿入して、光ファイバーの
接続端面２５が光導波路の接続端面２４に接続するまで
光ファイバー１７をスライドさせることで、容易に光フ
ァイバーの位置調整が行える。さらに案内溝１４は光フ
ァイバー１７の位置を拘束するため、接着剤等により案
内溝１４と光ファイバー１７の固着が完全になるまでの
間に、位置ずれによる接続損失の増加が生じることはな
い。

ここで案内溝１４は、ニオブ酸リチウム結晶基板１１が
アルゴンレーザビーム光１５を透過するため、レーザビ
ーム光１５を直接ニオブ酸リチウム基板１１に照射して
形成することは困難である。イオンビームエツチングや
反応性プラズマエツチング等のドライエツチングでは、
所望する深さの案内溝を得るためには１０時間以上にお
よぶ長時間を必要とし、生産性の点で課題が残る。また
案内溝１４は、砥石による機械的研削加工を用いた場合
、短時間での加工が期待できるが、案内溝の端面２９を
加工する際、砥石の外周部が光導波路の接続端面２４も
除去してしまう恐れがあるため、現実的ではない。すな
わち、案内溝１４は第１図（ａ）に示すように、エツチ
ング液２２をレーザビーム光１５で加熱し、この熱によ
ってエツチング加工を進行させるレーザエツチング加工
法によって、効率よく形成することが可能となる。

次に第２の発明の作用について、第２図（ａ）及び（ｂ
）を参照して説明する。ニオブ酸リチウム結晶基板１１
に形成された光導波路１２及び１３の接続端面２４を砥
石１９を用いた機械的な研削加工によって形成する際、
従来の技術によると、光導波路の接続端面２４に頻ぽん
に大規模な欠け１８が発生する。このため、発生した欠
け１８を取り除くために研磨加工を必要とし、光導波路
１２及び１３と光ファイバー１７の光接続に長時間を要
している。ニオブ酸リチウム結晶基板１１は、２軸（Ｃ
軸）に３回対称のへき開面（１１０２Ｘ１０１２Ｘ０１
１２）を持ち、研削断面加工や溝入れ加工の際、光導波
路の接続端面２４に発生する欠け１８は、へき開面に沿
って成長する。ところが本発明者の実験では、光導波路
の接続端面２４を光導波路１２及び１３が形成された−
ｚ面を上面にして、ダウンカット研削法による溝入れに
よって加工する際、−ｙ方向から＋ｙ力方向切断する場
合と、＋ｙ力方向ら−ｙ方向に切断する場合で、先導波
路の接続端面２４に発生ずる欠け１８の大きさ、形状に
変化が生じることが明らかになった。

すなわち、第２図（ａ）に示すように−ｙ方向がら＋ｙ
方向に切断する場合、及び第２図（ｂ）に示すように＋
ｙ方向から−ｙ力方向切断する場合では、それぞれ発生
する欠け１８が成長する際に沿うへき開面が（１１０２
）及び（１０１２）と異なるため、−ｙ方向がら＋ｙ方
向に切断することで大規模な欠け１８が防止できること
を実験的に確認した。このように、光導波路の接続端面
２４を−ｙ力方向ら＋ｙ方向に研削溝入れ加工して形成
することで、従来の技術にくらべて、大規模な欠け１８
を除去する研磨工程が省略できるため、光導波路１２及
び１３と光ファイバー１７の光接続に要する時間は、大
幅に短縮できる。

次に第３の発明の作用について第３図（ａ）及び（ｂ）
を参照して説明する。従来のレーザエツチング加工方法
では、エツチング液２２をレーザビーム光１５で加熱し
、この熱によってエツチング加工を進行させる間接的加
工であるため加工速度が小さく、生産性に課題があった
。本発明者がレーザエツチング加工点付近２７を詳細に
親察したところ、従来の技術ではレーザビーム光１５の
、照射によるエツチング液２２の沸騰でエツチング液２
２の気泡２６が発生し、この気泡２６がニオブ酸リチウ
ム結晶基板１１の表面近傍に付着して、エツチング液２
２の供給が不十分になること、さらにエツチング加工で
生じた加工屑を含んだエツチング液２２がレーザエツチ
ング加工点２７の周囲に停滞し、エツチング加工の進行
が鈍化することが加工速度を低くする主な原因であるこ
とが明らかになった。

そこで、本発明のレーザエツチング加工方法では、第３
図（ａ）に示すように、ニオブ酸リチウム基板１１に超
音波振動を加える構成とした。こうすることで、レーザ
エツチング加工点２７においてエツチング液２２とニオ
ブ酸リチウム結晶基板１１のエツチング反応速度を向上
し、発生した気泡２６によるレーザビーム光１５の散乱
を抑制できる効果を得ている。

すなわち、第３図（ｂ）に示すように、超音波振動のか
くはん効果によって、ニオブ酸リチウム結晶基板ｌｌへ
の気泡２６の付着は防止できる。よってレーザビーム光
１５を繰り返し照射する場合のレーザビーム光１５の散
乱が防止でき、レーザエツチング加工点２７へのエツチ
ング液２２の供給が十分に行われる。またエツチング液
２２に微細な振動が加わることでエツチング反応の進行
速度が増加するため、加工速度は向上する。この結果、
第３の発明のレーザエツチング方法によって、加工速度
が低く生産性に課題があった従来の技術に比べて、加工
速度は２倍以上に向上することを実験的に確認した。

（実施例） 以下、本発明の実施例について、図面を参照して詳細に
説明する。

第１図（ａ）、　（ｂ）及び（ｅ）は、本発明による光
接続方法の一実施例を示す図であり、（ａ）及び（ｂ）
はそれぞれ、光ファイバー１７の案内溝１４の加工方法
を示す断面図、及び光導波路の接続端面２４の加工方法
を示す斜視図を、（ｃ）は案内溝１４に光ファイバー１
７を挿入した状態の斜視図を示す。第２図（ａ）、　（
ｂ）はそれぞれ、ニオブ酸リチウム結晶基板１１のＸ面
を、結晶軸の−ｙから＋ｙ方向に研削溝入れ加工した斜
視図、及び＋ｙから−ｙ方向に研削溝入れ加工した斜視
図を示す。また第３図（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、本
発明のレーザエツチング加工方法の一実施例を示す正面
図及び加工部拡大断面図である。

第１図において、ニオブ酸リチウム結晶基板１１の−ｚ
面上にチタン拡散による光導波路１２及び１３が形成さ
れている。光導波路の幅及び深さは、共に６から９ｐｍ
程であり、光導波路１２及び１３の上面には機械的な研
削加工によって発生する大規模な欠け１８が光導波路の
接続端面２４を損傷することを抑制するため、第２図（
ａ）及び（ｂ）に示すように、予めｌｐｍ厚程のＳｉＯ
２蒸着膜２１による保護膜が設けられている。保護膜は
ＳｉＯ２蒸着膜２１のほかにスパッタ膜やＡｌ２Ｏ３の
蒸着膜、スパッタ膜でも同様の効果が得られる。なお保
護膜の膜厚は、欠け１８の防止の点からは厚いほうが望
ましい。しかし膜厚が厚くなる程、長い成膜時間が必要
となり成膜コストが高くなるため、本実施例ではＩｐｍ
厚とした。

まず光ファイバー１７の案内溝１４を第１図（ａ）に示
すようにレーザエツチング加工によって形成した。レー
ザエツチング加工方法は、第３図（ａ）に示すようにレ
ーザビーム光１５に出力１．５Ｗのアルゴンレーザを使
用し、集光レンズ１６によってビーム径を５ｐｍに集光
して、ニオブ酸リチウム結晶基板１１の裏面側から照射
した。エツチング液２２には、ニオブ酸リチウム結晶基
板１１と熱反応性を有する水酸化カリウム水溶性液（重
量濃度４０％）に、レーザビーム光１５の吸収体として
作用する炭素粉末（重量濃度１％）を混入し、ニオブ酸
リチウム結晶基板１１と回転運動をするガラス円盤２３
の隙間に供給した。

アルゴンレーザによるレーザビーム光１５は、ニオブ酸
リチウム結晶基板１１を透過するが、炭素粉末を含んだ
エツチング液２２には吸収されるため、エツチング液２
２が加熱され、エツチング加工が進行する。ここでガラ
ス円盤２３は、新鮮なエツチング液２２を適切な流速で
エツチング加工点２７の周囲に供給する効果がある。レ
ーザエツチング加工点２７でのガラス円盤２３の周速度
は１ｍｍ／ｓとした。またニオブ酸リチウム結晶基板１
１には、ランジュバン型超音波振動子２８及び高周波電
源３１によって周波数５０ＫＨｚ、振動パワー７Ｗの超
音波振動を印加した。振動パワーは、キャビテーション
による大量の気泡発生を防止するため、キャビテーショ
ンが起こらない程度の大きさにした。なお、ニオブ酸リ
チウム結晶基板１１とガラス円盤２３の隙間ｄは、２．
５ｍｍとし、ニオブ酸リチウム結晶基板１１は送りテー
ブル２０によって３ｍｍ／ｍｉｎ以上の送り速度で走査
しながら、レーザビーム光１５を照射を繰り返し行った
。

以上の実施例によって、ニオブ酸リチウム結晶基板１１
に、深さ６５ｐｍ、幅１３０ｐｍ、長さ４ｍｍ程の案内
溝１４を２本形成した。加工に要した時間は１０分程度
であり、同一の案内溝を従来の技術で形成した場合に比
べて、加工時間は１／２以下に向上した。なお本実施例
では、超音波振動をニオブ酸リチウム結晶基板１１に直
接印加したが、エツチング容器３０に超音波振動子２８
を取り付け、エツチング液２２に振動を印加しても同様
な効果が得られた。

次に、光導波路１２及び１３の接続端面２４となるＸ面
を、第１図（ｂ）において示すように、砥石１９を用い
た研削溝入れ加工によって形成した。加工は、ダイヤモ
ンド砥粒径約３１１ｍ、外径７６ｍｍ、幅０．５ｍｍの
砥石を用いて行った。切込み約１ｍｍ、送り速度は６ｍ
ｍ／ｍｉｎとし、光導波路１２及び１３が形成された−
ｚ面を上面としてダウンカット研削法でニオブ酸リチウ
ム結晶基板１１の結晶軸の−ｙから＋ｙ方向に溝入れし
た。第２図（ａ）に示すように、光導波路の接続端面２
４には大規模な欠け１８は発生せず、発生した欠け１８
の大部分も予め形成したｌｐｍ厚のＳｉＯ２蒸着膜２１
に発生し、光導波路の接続端面２４を高精度に形成でき
た。

この結果、接続損失は所望する２ｄＢ未満が遠戚され、
従来の技術で必要であった研磨工程が省略でき、加工時
間を大幅に低減できた。なお、比較のため第２図（ｂ）
を示すように、±ｘ面を＋ｙから−ｙ方向に研削溝入れ
加工したところ、光導波路の接続端面２４には大幅な欠
け１８が多数発生してＳｉＯ□蒸着膜２１を突き抜け、
光導波路の接続端面２４を頻ばんに損傷した。なお、本
実施例では、案内溝１４を形成した後に、光導波路の接
続端面２４を形成したが、この順序を逆にしてもよい。

次に、第１図（Ｃ）に示すように、案内溝１４の中に直
径１２５ｐｍ、コア径１０１１ｍ以下の光ファイバー１
７を挿入し、光ファイバーの接続端面２５が光導波路の
接続端面２４に接するまでスライドさせて、接着剤で固
着した。案内溝１４は、光ファイバー１７と光導波路１
２及び１３の光透過方向の中心軸がほぼ一致するように
設定されている。このため従来の技術では必要であった
光ファイバー１７の位置調整が大幅に省略可能となり、
光導波路１２及び１３との接続に要する時間を大幅に低
減できた。また、光ファイバー１７を接着剤で固着する
際、従来の技術ではたびたび発生していた光ファイバー
１７の位置ずれを防止でき、位置ずれによって発生する
接続損失も低減できた。

以上の実施例においては、光導波路が形成された基板と
してニオブ酸リチウム結晶を用いたが、ガラス基板や半
導体基板などの他の基板を使用しても本発明を適用でき
ることを確証した。

次に第３の発明のレーザエツチング加工方法の第２の実
施例について、第４図（ａ）及び（ｂ）を参照して説明
する。本実施例では、磁気ヘッドのスライダとして多用
されるアルミナチタンカーバイド（Ａ１２０３−ＴｉＣ
）基板３２に、縦Ｌ１＝０．５ｍｍ、横Ｌ２＝０．５ｍ
ｍ、深さ４０ｐｍ程の矩形状の溝３３を加工した。

ここでアルミナチタンカーバイド基板３２はアルゴンレ
ーザビーム光１５を吸収するので、エツチング液２２に
レーザビーム光１５を吸収する炭素粉末を混入する必要
はなく、第４図（ａ）に示すようにガラス円盤２３の上
方からレーザビーム光１５を照射した。

アルゴンレーザの出力を１．５Ｗ、　　ビーム径を５ｐ
ｍ。

超音波振動のパワーを７Ｗ、ガラス円盤２３の周速を１
ｍｍ／ｍｉｎ、アルミナチタンカーバイド基板３２とガ
ラス円盤２３の隙間ｄを２．５ｍｍとして、送りテーブ
ル２０の送り速度３ｍｍ／ｍｉｎ以上で、レーザビーム
光１５を繰り返し照射、走査した。

その結果、第４図（ｂ）に示した溝３３の加工に要した
時間は、やはり従来の技術に比べて１７２以下に低減で
きた。

（発明の効果） 以上述べたように、本発明の光接続方法では、ニオブ酸
リチウム結晶をはじめとする基板に形成された光導波路
と光ファイバの光接続が従来より容易に短時間で行なえ
、接続損失を低減できる。

また本発明のレーザエツチング加工方法では、従来のレ
ーザエツチング加工方法に比べ、基板に光ファイバーの
案内溝等を短時間で形成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）及び（Ｃ）は、本発明による光接
続方法の一実施例を示す図であり、（ａ）及び（ｂ）は
それぞれ、案内溝加工方法を示す断面図、及び光接続端
面の加工方法を示す斜視図であり、（Ｃ）は案内溝に光
ファイバーを挿入した斜視図を示す。第２図（ａ）及び
（ｂ）はそれぞれ、ニオブ酸リチウム結晶基板のＸ面を
、結晶軸の−ｙから＋ｙ方向、及び＋ｙから−ｙ方向に
研削溝入れ加工した斜視図を示す。また第３図（ａ）及
び（ｂ）はそれぞれ、本発明のレーザエツチング加工方
法の第一の実施例を示す正面図及び加工部拡大断面図で
あり、第４図（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ本発明のレー
ザエツチング加工方法の第二の実施例を示す正面図及び
形成した溝の形状を示す斜視図である。 図において、１１・・・ニオブ酸リチウム結晶基板、１
２、１３・・・光導波路、１４・・・案内溝、１５・・
・レーザビーム光、１６・・・集光レンズ、１７・・・
光ファイバー、１８・・・欠け、１９・・・砥石、２０
・・・送りテーブル、２１・・・ＳｉＯ２蒸着膜、２２
・・・エツチング液、２３・・・ガラス円盤、２４・・
・光導波路の接続端面、２５・・・光ファイバーの接続
端面、２６・・・気泡、２７・・ルーザエッチング加工
点、２８・・・超音波振動子、２９・・・案内溝の端面
、３０・・・エツチング液容器、３１・・・高周波電源
、３２・・・アルミナチタンカーバイド基板、３３・・
・溝をそれぞれ示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）基板上に形成された光導波路と光ファイバーを光学
   的に結合する光接続方法において、前記基板上に前記光
   導波路の光透過方向の中心軸と一致した光ファイバー案
   内溝をレーザエッチング加工によって形成し、かつ前記
   基板に前記光導波路と垂直な光接続端面を機械的な研削
   溝入れ加工によって形成した後、前記案内溝に光ファイ
   バーを挿入、固着することを特徴とする光接続方法。 ２）ニオブ酸リチウム結晶基板の光接続端面となる±ｘ
   面（２＠１１＠０）及び（＠２＠１１０）は、光導波路
   が形成された−ｚ面（０００＠１＠）を上面とし、ダウ
   ンカット研削法によって結晶軸の−ｙ方向から＋ｙ方向
   に研削溝入れ加工して形成することを特徴とする請求項
   １記載の光接続方法。 ３）基板に微細な溝や穴を形成するレーザエッチング加
   工方法において、前記基板を該基板に対して熱反応性を
   有するエッチング液に浸し、該エッチング液あるいは前
   記基板に超音波振動を加えながらレーザビームを照射す
   ることを特徴とするレーザエッチング加工方法。