JPH08313756A - 光ファイバ固定溝付き平面光回路部品およびその作製方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 平面光回路部品における安価で信頼性の高い
光ファイバ接続を可能にすること。 【構成】 Ｓｉ平面基板１面内の光ファイバ固定用Ｖ溝
４の精度を均一にするために、溝形成に精度の出やすい
Ｓｉ（シリコン）の異方性エッチング（ウェットエッチ
ング）を用い、Ｓｉ平面基板１のウェットエッチングの
後に、光ファイバ整列部Ａを適当な形状の板で覆って、
同部Ａにガラス膜を形成しないようにして、クラッド膜
とコア膜を形成して光導波路部Ｂを作製し、その後覆っ
ていた板を除去する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光ファイバ固定溝付き
平面光回路部品およびその作製方法に関し、安価で簡易
な、しかも信頼性の高い光ファイバとの接続を可能にす
るものである。

【０００２】

【従来の技術】最近、平面基板上にコアとクラッドより
なる光導波路を形成して各種の光回路（ＰＬＣ）部品を
構成しようとする研究開発が盛んに進められており、光
通信や光ネットワークに応用されようとしている。

【０００３】上記の平面基板上に作製された光回路部品
を実際のシステムで使用する場合、光信号の入出力用
に、光ファイバを接続する必要がある。

【０００４】従来より、光回路部品と光ファイバの接続
法の一つとして、平面基板に高精度の溝を加工し、この
溝に光ファイバを固定することにより無調芯で光ファイ
バと光回路部品を接続する方法が試みられてきた。図８
に、従来の光ファイバ接続法の概念を表わす接続構造を
示す。図８中の各符号で、１０１はＳｉ（シリコン）平
面基板、１０２はクラッド、１０３はコア、１０４はＶ
溝、１０５は単一モード光ファイバを示している。コア
１０３とクラッド１０２より光導波路が構成されてい
る。

【０００５】従来、図８に接続構造を実際に作製するに
は、 （１）クラッド１０２及びコア１０３よりなる光導波路
を基板１０１上に作製した後、Ｖ溝１０４を加工してい
た。 （２）また、接続精度を出すためには溝の深さ方向だけ
ではなく横方向にも加工精度が必要であることから、通
常は、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いてＶ溝
１０４を作製していた。

【０００６】しかし、石英系光回路部品では基板１０１
上のクラッド厚さがコア上下の全体で４０〜５０μｍも
あり、このような厚いガラス膜を反応性イオンエッチン
グで加工してＶ溝１０４を作製するには多大な時間がか
かるという欠点があった。

【０００７】更に、光ファイバ１０５の径を考慮する
と、基板１０１も加工する必要があるため、基板用と光
導波路用に２種類の反応性イオンエッチングを用いなく
てはいけないという欠点があった。

【０００８】また、複数の光ファイバ１０５を整列させ
て複数の光導波路と接続するには基板１０１の面内にお
ける加工精度の均一性を確保する必要があるが、そのた
めには反応性イオンエッチングの条件を長時間一定に保
つことが必要であり、これはプロセス上厳しい制限とな
っていた。

【０００９】更に、反応性イオンエッチングを用いてＶ
溝１０４を作製する方法では、光導波路に斜め端面を形
成することが困難であった。斜め端面を用いた光接続
は、反射減衰量を低減化でき且つ信頼性が向上するとい
う点で、光ファイバと光回路部品との接続に必須なもの
である。

【００１０】このような実情から、安価で簡易な、しか
も信頼性の高い光ファイバ無調芯接続法が求められてい
た。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、上記
従来技術の欠点を解決し、以下の項目〜を達成する
ことである。 溝作製におけるプロセス負担の軽減 面内精度の向上 無調芯接続の精度向上 反射防止のための斜め端面接続の実現

【００１２】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
本発明の光ファイバ固定溝付き平面光回路部品は、平面
基板上に作製された光導波路部と該光導波路部に接した
光ファイバ整列部より構成され、前記光導波路部は、少
なくともコアと該コアよりも屈折率の低いクラッドより
なる光導波路よりなり、前記光ファイバ整列部は前記平
面基板上に作製され、且つ前記コアと連続する光ファイ
バ固定用溝よりなる光ファイバ固定溝付き平面光回路部
品において：前記光ファイバ整列部の前記光ファイバ固
定用溝近傍は前記平面基板が露出していることを特徴と
するものである。

【００１３】また、本発明の光ファイバ固定溝付き平面
光回路部品の作製方法は、平面基板上にコア及び該コア
よりも屈折率の低いクラッドよりなる光導波路部を作製
する光導波路部作製工程と、前記平面基板上の前記光導
波路部以外の領域に光ファイバ固定用溝を形成する光フ
ァイバ整列部作製工程よりなり、前記光導波路部作製工
程のうち、前記光ファイバ整列部作製工程よりも後に行
われる工程では、前記光ファイバ整列部をカバーで覆う
こと、前記光導波路作製工程の終了後に前記カバーを除
去する工程を有することを特徴とし、あるいは、前記カ
バーを除去する工程の後、光導波路端面を研磨する工程
を有することを特徴とする。

【００１４】

【作用】本発明の光ファイバ固定溝付き平面光回路部品
では、光ファイバ固定用溝の近傍では平面基板が露出し
ているため、溝形成には従来のような光導波路部（ガラ
ス膜）のエッチングが不要である。従って、プロセスが
簡単化し、コストが下がる。また、溝形成にガラス膜の
エッチングが不要であることから、ウェットエッチング
等により光ファイバ固定用溝を形成することができ、面
内精度の向上、無調芯接続の精度向上が可能である。更
に、光ファイバ固定用溝の近傍では平面基板が露出して
いて、光導波路部が無いため、機械加工等による斜め端
面の加工が容易に可能となる。また、特別な材料を必要
としないため、材料費及び加工費が安価になる。

【００１５】

【実施例】以下、図面を参照して本発明をその実施例と
ともに説明する。

【００１６】＜基本的実施例＞図１は本発明の基本的実
施例における光ファイバ固定溝付き平面光回路部品と光
ファイバとの接続構造を概念的に示している。図１に示
す平面光回路部品はＳｉ平面基板（以下、Ｓｉ基板と呼
ぶ）１上の光導波路部Ｂと、これに接した光ファイバ整
列部Ａより構成されている。光導波路部Ｂは、コア３と
これよりも屈折率の低いクラッド２よりなる光導波路よ
り構成されている。光ファイバ整列部Ａはコア３に連続
する光ファイバ固定用Ｖ溝４がＳｉ基板１上に作製され
たものであり、Ｖ溝４の近傍ではＳｉ基板１が露出して
いる。光ファイバ５はＶ溝４に入れ、その上からガラス
製押え板６で固定して光導波路と接続される。符号７は
機械加工溝を示す。

【００１７】本実施例では、作製手順は後の具体的実施
例で述べるが、Ｓｉ基板１面内の光ファイバ固定用Ｖ溝
４の精度を均一にするために、溝形成に精度の出やすい
Ｓｉ（シリコン）の異方性エッチング（ウェットエッチ
ング）を用いている。また、Ｓｉ基板１のウェットエッ
チングの後に、クラッド膜とコア膜を形成して光導波路
部Ｂを作製している。更に、この膜堆積では、プロセス
負担の軽減のために、光ファイバ整列部Ａを適当な形状
の板で覆って、同部Ａにガラス膜を形成しないようにし
ている。即ち、部分堆積法を採用している。但し、部分
堆積法では境界領域が生じるので、光ファイバ接続用端
面を光導波路部Ｂに形成するために機械加工で境界領域
を除去している。この境界領域の機械加工ではＶ溝４の
形成のような精密な精度が不要なので、コスト低減につ
ながる。機械加工溝７は境界領域の除去加工でできた溝
である。機械加工では、加工用ブレードを斜めにした
り、あるいはテーパ形状のブレードを使用することによ
り、光導波路の端面を任意の角度に設定することが可能
となる。

【００１８】次に、図２を参照してＶ溝精度について説
明する。図２には本発明における接続での光ファイバ５
のコア５Ａと、光導波路部Ｂのコア３との位置関係を示
している。図２中、１はＳｉ基板、２Ａは下部クラッ
ド、２Ｂは上部クラッド、３は光導波路のコア、４はＶ
溝、５は光ファイバ、５Ａは光ファイバのコアである。

【００１９】図２において、下部クラッド２Ａの厚さを
ｄ、コア３の寸法をａ、光ファイバ５の半径をｒ、Ｖ溝
４の角度を２θとすると、Ｖ溝４の深さＸと幅Ｗが次式
（１）、式（２）で与えられる値である場合に、光ファ
イバ５と光導波路部Ｂで光軸が無調芯で一致する。

【数１】 Ｘ＝（ｒ／sin θ）−（ｄ＋ａ／２） …式（１）

【数２】 Ｗ＝２Ｘ tanθ ＝２｛（ｒ／sin θ）−（ｄ＋ａ／２）｝tan θ …式（２）

【００２０】ここで、Ｖ溝４の深さＸと幅Ｗは作製上ウ
ェットエッチングにより正確に制御することができる。
従って、光接続損失は式（１），式（２）より、下部ク
ラッド２Ａの厚さｄの作製精度に依存することになる。
クラッド厚の作製方法には各種あるが、例えば厚膜堆積
に優れたＦＨＤ（火炎堆積法）を適用すればクラッド厚
ｄの作製精度は通常±１μｍになり、充分低い接続損失
が得られる。

【００２１】接続対象の光ファイバ５の端面は、光導波
路端面が直角である場合には、通常のファイバカッタに
よる切断面で良い。光導波路端面が斜めに加工されてい
る場合は、光ファイバ５の端面も斜めに研磨する。な
お、斜め端面接続における両者の角度のずれは、接続間
隔のずれ（Ｚ軸）になるが、これは接続損失にはそれほ
ど影響を与えない。

【００２２】＜具体的実施例１＞次に、図３〜図６を参
照して本発明の具体的実施例１を説明する。図３と図４
は本具体的実施例１における光ファイバ固定溝付き平面
光回路部品の断面図と側面図、図５は本具体的実施例１
における作製工程図、図６は接続損失の評価結果を示す
図である。

【００２３】図３〜図５における符号で、１はＳｉ基
板、２はクラッド、２Ａは下部クラッド、２Ｂは上部ク
ラッド、３はコア、４はＶ溝、５は８芯テープ光ファイ
バ、６はガラス製押え板、７は機械加工溝、８は被覆、
９はＳｉ基板のざぐり部、１０は光ファイバ押え用ＵＶ
（紫外線硬化型）接着剤、１１と１５はガラスカバー、
１２と１６はＦＨＤ法で堆積したガラス微粒子膜、１３
と１７は透明化したガラス膜、１４はコアパターンをそ
れぞれ示している。

【００２４】まず、作製方法を説明すると、以下の手順
（１）〜（１４）で光ファイバ溝付き平面光回路部品を
作製した。

【００２５】手順（１）：４インチのＳｉ基板１に熱酸
化膜を０．５μｍ厚に形成した。

【００２６】手順（２）：レジストでＳｉ基板１上にＶ
溝作製用パターンを形成し、反応性イオンエッチングで
熱酸化膜をエッチングした。

【００２７】手順（３）：Ｓｉのウェットエッチング
で、図５（Ａ）に示すように、Ｓｉ基板１上にＶ溝４を
形成した。

【００２８】手順（４）：コア位置合わせ用マーカも、
Ｖ溝形成と同時に形成した。

【００２９】手順（５）：図５（Ｂ）に示すように、Ｖ
溝４とその近傍をガラスカバー１１で覆った。

【００３０】手順（６）：図５（Ｃ）に示すように、Ｆ
ＨＤ法で、下部クラッド及びコア膜となるガラス微粒子
膜１２を堆積した。

【００３１】手順（７）：図５（Ｄ）に示すように、ガ
ラスカバーを外してガラス微粒子膜を透明化し、ガラス
膜１３とした。

【００３２】手順（８）：下部クラッド膜（１５μｍ）
とコア膜（７μｍ）の屈折率差Δを約４．５％に調製し
た。

【００３３】手順（９）：図５（Ｅ）に示すように、コ
アパターン１４をフォトリソグラフィと反応性イオンエ
ッチングで形成した。

【００３４】手順（10）：図５（Ｆ）に示すように、Ｖ
溝４とその近傍を再度ガラスカバー１５で覆った。

【００３５】手順（11）：同じく図５（Ｆ）に示すよう
に、ＦＨＤ法で上部クラッド膜となるガラス微粒子膜１
６を堆積した。

【００３６】手順（12）：図５（Ｇ）に示すように、ガ
ラスカバーを外してガラス微粒子膜を透明化し、ガラス
膜１７とした。

【００３７】手順（13）：図５（Ｈ）に示すように、幅
２ｍｍと深さ０．３ｍｍの溝７を機械加工により形成
し、光導波路部の境界領域を除去した。但し、端面は垂
直とした。

【００３８】手順（14）：個々のチップに切断した。

【００３９】本実施例における接続損失を評価するた
め、８本の直線の光導波路のパターンの両端に図３、図
４に示すように、１組の８芯テープ光ファイバ５を接続
した。この接続では、８芯テーパ光ファイバ５をファイ
バカッタで端面を揃えて切断し、Ｖ溝４の上に乗せた。
この切断方法は非常に簡便であり、接続コストの著しい
低減につながる。また、光ファイバ５と光導波路の接続
端面には、図示はしないが、屈折率が石英ガラスと同じ
紫外線硬化型接着剤を注入し、反射を低減した。更に、
図３、図４に示すように光ファイバ５の上部にガラス製
押え板６を載せ、同じく図示しない紫外線硬化型接着剤
で固定した。また、折れ曲りによる光ファイバ５の切断
を防止するため、Ｓｉ基板１の端部にざぐり部９を形成
し、光ファイバ５の被覆８部分をＵＶ接着剤１０で同ざ
ぐり部９を固定した。

【００４０】上述した接続構造についてカットバック法
で測定した各ポートの接続損失（両端を含む）は図６に
示す通りであり、ほぼ均一な損失になり、接続損失の平
均として片端で０．２ｄＢ／点が得られた。この結果よ
り、本発明の有効性が確認された。

【００４１】＜具体的実施例２＞次に、図７を参照して
本発明の具体的実施例２を説明する。図７中の符号で、
１はＳｉ基板、２Ａは下部クラッド、２Ｂは上部クラッ
ド、３はコア、４はＶ溝、５は光ファイバ、６はガラス
製押え板、７は機械加工溝、８は被覆、９はＳｉ基板ざ
ぐり部、１０は光ファイバ押え用紫外線硬化型接着剤を
示している。

【００４２】図７に示した平面光回路部品及びその作製
方法は、先に説明した具体的実施例１ほぼ同じである。
但し、本具体的実施例２では、下部クラッド２Ａの堆積
とコア３の堆積とを別々に行い、下部クラッド２Ａを厚
めに堆積した。そして、接続精度を良くするために、下
部クラッド２Ａのバックエッチングを行って、下部クラ
ッド厚を１５μｍになるようにした。クラッド２Ａ，２
Ｂとコア３との屈折率差Δは０．４５％とした。また、
図７に示すように、光導波路部の境界領域を除去する機
械加工では、側面が８°に傾いた加工用ブレードを用い
て溝７を加工することにより、光導波路側の端面を斜め
に形成した。

【００４３】一方、斜め端面の接続のために、８芯テー
プ光ファイバ５を図示しないガラス基板に形成したＶ溝
に入れ、ガラス板で押えてエレクトロンワックスで固定
し、この状態で光ファイバ端面を８°に研磨した後、加
熱してガラス基板から外し、洗浄した。ここで用いた光
ファイバ５は通常の単一モード光ファイバである。

【００４４】このような８芯テーパ光ファイバ５を、そ
の研磨面と光導波路の機械加工端面とが一致する向きで
平面光回路部品のＶ溝４に入れ、光ファイバ端面を光導
波路端面に押し付けた状態で、具体的実施例１と同じ
く、端面間、ガラス製押え板６、被覆８において紫外線
硬化型接着剤１０で光ファイバ５を固定した。

【００４５】上述した接続構造についてカットバック法
で各ポートの接続損失（両端を含む）を測定したとこ
ろ、ほぼ均一な損失になり、接続損失の平均として片端
で０．２ｄＢ／点が得られた。また、接続界面における
反射減衰量を干渉型反射測定器で評価したところ、反射
減衰量は−６０ｄＢ以上であった。以上の結果より、本
発明の有効性が確認された。

【００４６】＜具体的実施例３＞本具体的実施例３で
は、図示はしないがＳｉ基板を用い、Ｖ溝形成は下部ク
ラッドの作製後に行った。そして、下部クラッド作製時
には、Ｖ溝作製予定部分をガラス板で覆っておき、この
部分にガラス膜が形成されないようにした。その他の作
製方法及び作製条件は、先の具体的実施例２とほぼ同じ
であり、光導波路端面を８°に機械加工した。従って平
面光回路部品の構造としては、図７と同じである。

【００４７】また、本具体的実施例３では、幅の異なる
Ｖ溝作製用のマスクを数種類用意しておき、下部クラッ
ドの厚さを測定して厚さに応じて用いるＶ溝作製用マス
クを変えた。具体的には、下部クラッド厚の平均値が１
４．０μｍであったので、Ｖ溝の幅が１２６μｍとなる
ようなマスクを選んで用いた。これにより、更に正確な
無調芯光ファイバ接続が実現できた。

【００４８】上記各実施例ではガラス膜の形成にＦＨＤ
法を用いたが、ＣＶＤ法（化学堆積法）、ＥＣＲ（エレ
クトロ・サイクロトロン・レゾナンス）法、スパッタ法
などを用いても良い。また、Ｖ溝作製は具体的実施例
１，２のように最初でも、あるいは具体的実施例３のよ
うに下部クラッド堆積後でも、更にはコア堆積後、また
は上部クラッド堆積後いずれも良い。

【００４９】

【発明の効果】本発明によれば、光ファイバ固定用溝の
近傍では平面基板が露出しているため、溝形成には従来
のような光導波路部（ガラス膜）のエッチングが不要で
ある。従って、プロセスが簡単化し、コストが下がる。
また、溝形成にガラス膜のエッチングが不要であること
から、ウェットエッチング等により光固定用溝を形成す
ることができ、面内精度の向上、無調芯接続の精度向上
が可能である。更に、光ファイバ固定用溝の近傍では平
面基板が露出していて、光導波路部が無いため、機械加
工等による斜め端面の加工が容易に可能となる。また、
特別な材料を必要としないため、材料費及び加工費が安
価になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における光ファイル固定溝付き平面光回
路部品の基本的構造を示す斜視図。

【図２】光ファイバと光導波路の位置関係を示す図。

【図３】本発明における具体的実施例１の光ファイバ固
定溝付き平面光回路部品の断面図。

【図４】同具体的実施例１の光ファイバ固定溝付き平面
光回路部品の側面図。

【図５】同具体的実施例１の光ファイバ固定溝付き平面
光回路部品の作製工程を示す図。

【図６】同具体的実施例１の光ファイバ固定用溝付き平
面光回路部品の接続損失を示す図。

【図７】本発明における具体的実施例２の光ファイバ固
定溝付き平面光回路部品の側面図。

【図８】従来例を示す図。

【符号の説明】

Ａ 光ファイバ整列部 Ｂ 光導波路部 １ Ｓｉ平面基板 ２ クラッド ２Ａ 下部クラッド ２Ｂ 上部クラッド ３ コア ４ 光ファイバ固定用Ｖ溝 ５ 光ファイバ ５Ａ コア ６ ガラス製押え板 ７ 機械加工溝 ８ 被覆 ９ ざぐり部 １０ 紫外線硬化型接着剤 １１，１５ ガラスカバー １２，１６ ガラス微粒子膜 １３，１７ 透明化したガラス膜 １４ コアパターン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 柳沢 雅弘 東京都千代田区内幸町一丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 平面基板上に作製された光導波路部と該
   光導波路部に接した光ファイバ整列部より構成され、前
   記光導波路部は、少なくともコアと該コアよりも屈折率
   の低いクラッドよりなる光導波路よりなり、前記光ファ
   イバ整列部は前記平面基板上に作製され、且つ前記コア
   と連続する光ファイバ固定用溝よりなる光ファイバ固定
   溝付き平面光回路部品において：前記光ファイバ整列部
   の前記光ファイバ固定用溝近傍は前記平面基板が露出し
   ていることを特徴とする光ファイバ固定溝付き平面光回
   路部品。
2. 【請求項２】 平面基板上にコア及び該コアよりも屈折
   率の低いクラッドよりなる光導波路部を作製する光導波
   路部作製工程と、前記平面基板上の前記光導波路部以外
   の領域に光ファイバ固定用溝を形成する光ファイバ整列
   部作製工程よりなり、 前記光導波路部作製工程のうち、前記光ファイバ整列部
   作製工程よりも後に行われる工程では、前記光ファイバ
   整列部をカバーで覆うこと、 前記光導波路作製工程の終了後に前記カバーを除去する
   工程を有すること、を特徴とする光ファイバ固定溝付き
   平面光回路部品の作製方法。
3. 【請求項３】 前記カバーを除去する工程の後、光導波
   路端面を研磨する工程を有すること、を特徴とする請求
   項２記載の光ファイバ固定溝付き平面光回路部品の作製
   方法。