JPH11258455A

JPH11258455A - 光導波路部品及びこれを用いた光導波路モジュール

Info

Publication number: JPH11258455A
Application number: JP5947198A
Authority: JP
Inventors: Akira Morinaka; 彰森中; Norio Takato; 範夫高戸; Masahiro Yanagisawa; 雅弘柳澤; Shuichiro Asakawa; 修一郎浅川; Yasubumi Yamada; 泰文山田; Toshikazu Hashimoto; 俊和橋本; Kuniharu Kato; 邦治加藤; Michiyuki Amano; 道之天野
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1998-03-11
Filing date: 1998-03-11
Publication date: 1999-09-24

Abstract

(57)【要約】【課題】光通信あるいは光情報処理などの分野で用い
られる平面光導波路モジュールを提供することを課題と
する。【解決手段】平面基板上に形成された光導波路とファ
イバ挿通孔が空けられたファイバ接続用部材を前記光導
波路の端部に備えた光導波路部品であって、光導波路の
所定位置に設けられた嵌合凹部１９と該嵌合凹部に嵌合
するファイバ接続部材の所定位置に設けられた嵌合突起
部２２との嵌合によって光導波路とファイバ挿通孔を通
る光ファイバとの光軸が調整されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光通信あるいは光情
報処理などの分野で用いられる平面光導波路モジュール
の構成と製作に関するものである。具体的には、平面光
導波路への光ファイバ接続を高精度に保ったまま、光コ
ネクタ部分を介して、簡易にかつ着脱可能にする光コネ
クタ付光導波路モジュールに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】平面光導波路（Planar Lightwave Cuirc
uits；ＰＬＣ回路）は、光ファイバを用いた情報通信の
時代において、小面積で、光の合分波、分岐が可能であ
るため、その応用が期待されている。近年、平面光導波
回路（ＰＬＣ）を組み込んだ光通信システムが開発さ
れ、実際に用いられる様になってきた。光線路試験シス
テムにおいて、試験光と通信光を分波し、信号光を遮断
することなしに光線路の試験を自動的に行うＡＵＲＯＬ
Ａシステム等がその一例である。（N.Tomita et al."Ad
vanced optical fiberline testing system" NOC'pp.9
6,30-37,1966 を参照）。また平面光導波回路は、波長
多重光送受信モジュールなどにＡＷＧ（アレイ導波路回
折格子）が波長多重のマルチ・デマルチプレクサとして
積極的に利用されるようになってきた。

【０００３】このような利用形態に於いて最も問題とな
るのが光ファイバとＰＬＣ回路の接続である。ＰＬＣ回
路は石英やシリコンの平面基板上に光導波路を集積形成
しているため、基本的に光入出力端は平面基板の端面で
あり、光ファイバの円筒形端面と本質的に整合しない。
これらを避けて、光ファイバとの接続をスムースかつ容
易にするために様々な構成が検討・報告されてきた。現
在、実用的に用いられているのは、接続すべき光ファイ
バ群をＰＬＣ端面の平面と整合するように１次元或いは
２次元に配列させた光ファイバブロックとし、ＵＶ接着
剤等で、それをＰＬＣ端面に固定する方法である。これ
は、接続される光ファイバの本数が多くなるに従ってフ
ァイバブロックの光ファイバ配列精度がより厳しく要求
されるが、現行の技術範囲で３２芯までは良好に接続可
能である結果が報告されている。

【０００４】もう一つの方法は、ＰＬＣ基板側に光ファ
イバとの接続用に光コネクタを設ける形態である。これ
は、光ファイバとＰＬＣ回路との接続が着脱可能である
点において、光回路モジュールの実装に非常に有利な方
式である。しかし、これまでの例では、光コネクタの形
状・大きさと位置精度が技術的制約となり、あまり効率
の良い構成は実現が不可能であった。

【０００５】図６，図７に、これまでのＰＬＣ基板と光
ファイバの接続例を示す。図６はＰＬＣ回路とファイバ
ブロックの永久接続の一例であり、図６中、符号０１は
補強板、０２は導波路端面、０３は導波路基板、０４は
ファイバブロック補強板、０５は光ファイバブロックの
光ファイバ配列部、０６はファイバブロック基板、０７
は多心光ファイバテープを各々図示する。導波路端面０
２とファイバブロック０６とはＸＹＺの方向に微動して
光の結合が最大になった時点で固定接続される。これを
調芯型接続或いはアクティブアライメントと呼ぶ。この
ような接続形態は、低接続損失で接続信頼性には優れて
いるがファイバブロック０６の精密作製、調芯作業等に
コストと作業時間がかかることが難点である。また、モ
ジュールとして作製後ボード実装するなどの後行程作業
が行われる際には、実装された光ファイバの余長の扱い
が困難である。

【０００６】図７は図６等に示されるＰＬＣ回路の光フ
ァイバの永久接続の欠点を改良するために提案されたＰ
ＬＣ回路モジュールの光コネクタ付の構成の一例である
（特開平１−２３２３０７号公報参照）。図７中、符号
０１１はピン固定用接着剤孔、０１２はコネクタ構成
体、０１３は光導波回路、０１４は接続ピン、０１５は
ピン受け孔、０１６は光ファイバ接続ブロック、０１７
は光ファイバテープを各々図示する。図７に示すような
例では、ＰＬＣ回路モジュールに取り付けられた接続ピ
ン０１４で導波路回路０１３の端面と光ファイバ接続ブ
ロック０１６端面との位置合わせが行われる。接続ピン
付ＰＬＣ回路モジュールが作製された後は、接続光ファ
イバ接続ブロック０１６を外して、後工程が行えるので
モジュールの取り扱い性は非常に優れている。但し、図
７に示すような接続では、接続ピン０１４のみでファイ
バコア部と導波路コア部を位置合わせするためサブμｍ
レベルの突き合わせ精度が要求され、ＰＬＣ回路モジュ
ールの作製時のピンの穴内での位置合わせ及び固定が非
常に困難で歩留りが低下するという、難点がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】平面光導波路（ＰＬ
Ｃ）光送受信モジュールにおいて、問題となる要因は大
きく２点に分類される。一つは、平面導波路と外部入出
力を行う光ファイバとの接続である。一般に光導波路の
機能の多くは導波路内の光モードに依存しているため、
導波モードはシングルモード（ＳＭ）が基本となり、外
付けする光ＳＭファイバもコア径が約１０ミクロンの微
小点接続となる。従って導波路の光入出力端面と接続フ
ァイバとの位置合わせ精度が大きく接続損失に影響し、
望ましくは１ミクロン以下の精度が望まれる。この精度
を確保するために、高精度の位置合わせ装置を利用して
個別に調芯或いはアクティブアライメントでモジュール
接続しているのが現状である。

【０００８】もう一点の問題は、接続された光ファイバ
の余長処理である。光導波路モジュールが単独で独立し
た機能を有する場合、例えば光合分波回路のカプラ、ス
プリッタ等の場合作製された光モジュールが１つの機能
部品としてパッケージされるため、作製される途中工程
での光ファイバテープ類の扱いはそれほど問題となって
来ない。ところが、電気的な光素子、発光レーザダイオ
ード、受光フォトダイオード等がＰＬＣ基板に搭載され
たハイブリッド型光導波路モジュールにおいては、作製
されたモジュールが、更に規模の大きなボードに実装さ
れる工程が通常である。また、一般の電気プリント基板
の様な他の半導体素子、ＬＳＩ、ＩＣ抵抗、キャパシタ
等との混載が必要となり、モジュールの取り扱い性が重
要になってくる。つまり、光導波路ハイブリッドモジュ
ールでは、外部との光入出力を行う光ファイバが固定接
続でなく、最終出荷段階で、或いは接続されるユーザ利
用環境で簡便に接続できることが望まれていた。

【０００９】従来も、この点に付いては、数多くの検討
が行われて来たが、前述の接続位置精度を保って、かつ
光ファイバとの接続がコネクタ的に取り外し可能なもの
は、ほとんど皆無であった。

【００１０】図８に従来型のピンガイド付き光導波路コ
ネクタの端面部を示す。図８中、符号０２１はピン押さ
えキャップ、０２２はピンガイドＶ溝、０２３はガイド
ピン、０２４は光導波路、０２５はピン間距離、０２６
はＶ溝深さ、０２７は光導波路基板を各々図示する。図
８に示されるピンガイドＶ溝０２２は通常、光導波路基
板０２７がシリコンであれば、フォトリソグラフィー工
程でピンガイドＶ溝０２２の幅をフォトレジスト除去
し、Ｓｉ結晶の異方性エッチングで作られる。この場合
Ｖ溝の先端角αは７１．４度となり、ガイドピン０２３
の直径を７５０μｍとするとＶ溝深さ０２６は約５２
７．６μｍとなり、Ｓｉ基板のエッチング工程としては
かなり深くなり、精度的にサブμｍを保つことは困難と
なる。

【００１１】図９にＳｉ基板の異方性エッチング後の溝
側面、及び直線部の拡大イメージ図を示す。図９に示す
ように、導波路基板（Ｓｉ基板）０３１の面内方向のＶ
溝０３２の直線性も前述した３０〜４０ｍｍの加工では
エッチング深さが大きいので、そのＶ溝エッチング面０
３３は階段状となり深さ面同様にμｍ以下の精度・直線
性を保つことが困難であった。

【００１２】また、ピンガイド用Ｖ溝をダイシングソー
等の機械加工で行う例も検討されている。この場合、通
常のＶ溝は６０度の刃先角で研削され、ガイドピン直径
を７５０μｍとすると、やはり溝深さは６４９．５μｍ
となり導波路基板の機械的強度にも影響を及ぼす。また
基板の厚みムラや反りによって溝の深さ方向の精度を保
つことが非常に困難であった。

【００１３】図１０に前記の厚みムラ及び基板の反りの
影響のモデル図を示す。図１０中、符号０４１は加工平
面光導波路基板、０４２は加工基準線、０４３はダイシ
ングソー回転刃、０４４はダイシング移動ライン、０４
５は平面光導波路形成による基板反り量を各々図示す
る。実際には基板０４１はウェハホルダに真空吸着され
平面補正が行われるが、Ｓｉウェハ研磨時の平行面のず
れ等で長い距離の溝加工は極めて困難なことがわかる。

【００１４】本発明は、前記問題に鑑み、平面基板上に
形成された光導波路上に入出力光が着脱可能なコネクタ
を介して結合するよう配置された平面光導波路で構成さ
れる光コネクタ付光導波路モジュールにおいて光ファイ
バとの接続を精度よくかつ簡便に行える様にした光導波
路モジュールであり、その目的は高精度かつ安価な光導
波路部品を提供することを課題とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、請求項１に記載の本発明は、平面基板上に形成され
た光導波路とファイバ挿通孔が空けられたファイバ接続
用部材を前記光導波路の端部に備えた光導波路部品であ
って、光導波路の所定位置に設けられた嵌合凹部と該嵌
合凹部に嵌合するファイバ接続部材の所定位置に設けら
れた嵌合突起部との嵌合によって光導波路とファイバ挿
通孔を通る光ファイバとの光軸が調整されていることを
特徴とする。

【００１６】請求項２に記載の本発明は、請求項１にお
いて、前記光導波路の嵌合凹部は、光導波路端面に臨
み、光導波路の除去して現れる前記基板面と光導波路側
面を有していることを特徴とする。

【００１７】請求項３に記載の本発明は、請求項１又は
請求項２において、前記ファイバ接続部材の嵌合突起部
は前記ファイバ接続部材に一体的に形成されていること
を特徴とする。

【００１８】請求項４に記載の本発明は、請求項１乃至
３において、前記ファイバ接続部材が樹脂成形品である
ことを特徴とする。

【００１９】請求項５に記載の本発明は、請求項１乃至
４の光導波路にファイバが接続された光導波路モジュー
ルであって、前記ファイバ挿通孔にファイバが挿入され
るとともにファイバが座屈して生じる応力によってファ
イバと導波路間の物理的接触が保たれたことを特徴とす
る。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。

【００２１】図１乃至図３に本発明による光コネクタ付
き光導波路モジュールの構成部品であるチップ部分を示
す。ここでは、チップとして受発光素子を搭載するため
のチップ形状例を示している。図１，２中、符号１０は
チップ本体、１１は平面導波路基板、１２は嵌合凹部、
１３は波長フィルタ挿入溝、１４は波長フィルタ、１５
は導波路、１６はダイボンド用テラス、１７は受発光素
子用テラス、１８は受発光素子、１９は嵌合テラス面、
ｄは嵌合凹部有効幅、Ｄはチップ幅、Ｌはチップ長を各
々図示する。図１に示すように、嵌合凹部１２の嵌合テ
ラス面１９は、基板ウェハのフォトリソグラフィ工程で
サブミクロン精度の精密なマスク位置合わせに基づいて
受発光素子用テラス１７やダイボンド用テラス１６の作
製と同時に加工される。なお、本実施の形態では、嵌合
凹部１２をＶ字形としたが本発明はこれに限定されるも
のではない。

【００２２】次に、ＰＬＣチップの作製法について簡単
に説明する。まず平坦なＳｉ基板１１をパターン化し
て、ＬＤ／ＰＤ等の受発光素子１８の搭載部以外の部分
を約３０μｍの深さエッチングする。この上に下部クラ
ッド層となるガラス層を火炎堆積法で形成する。この
後、ＬＤ／ＰＤ搭載部のＳｉが表面に露出するまで平坦
化研磨を行う。この面がＬＤ／ＰＤを実装する場合の導
波路に対する高さ基準面になる。続いて高さ調整層とな
る第２下部クラッド層、そしてコア層を約７μｍ堆積す
る。コア層を導波路パターンにエッチング加工した後、
上部クラッド層を堆積する。引き続き、ＬＤ／ＰＤ搭載
部のＳｉが再度露出するまでＬＤ／ＰＤ搭載部のみエッ
チングする。最後にＬＤ／ＰＤの電極配線および搭載用
半田を堆積する。

【００２３】ＬＤ／ＰＤ等の受発光素子１８の実装は、
その搭載部に半田リフローにより接着固定する。その手
法に関しては以下の文献を参照。［T.Hashimoto et a
l.,"Hybrid integration of spot-size converted lase
r diode on planar lightwavecircuitplatform by pass
ive alignment technique," IEEE Photon.Technol.Let
t.,8, No.11,pp.1504-1506,1996., 井上他；ＮＴＴＲ
＆ＤジャーナルVol.46,No.5,P.473-486(1997) ］。

【００２４】次に、位置精度として特に重要な嵌合凹部
有効幅ｄとチップ幅Ｄとの関係を説明する。図１及び図
２で示したチップは通常基板ウェハ上に多数加工作製さ
れ、最終工程で基板切断によって、図の様なチップ（薄
型直方体）に成型される。本実施の形態では、チップ本
体１０の寸法は、チップ長さＬ：３０〜４０ｍｍ、チッ
プ幅Ｄ：１０ｍｍ程度が普通である。一方、嵌合凹部有
効幅ｄは導波路端面の導波路端を挟さむように導波路端
に近い位置で加工される。通常接続ファイバのピッチは
２５０〜５００μｍであるので、嵌合凹部１２は１ｍｍ
内外で導波路間隔にかなり近い位置で形成できる。寸法
精度については単純にチップの幅に比例する。例えば、
マスク合わせ精度が±０．２μｍ／ｃｍあれば、基板平
面上でのＸＹ平面位置精度は嵌合凹部１２が１０ｍｍ離
れていれば誤差±０．２μｍ、従ってマーカが１ｍｍ間
隔であればその１／１０に低減できる。また、Ｚ方向は
嵌合凹部１２の嵌合テラス面１９で規定される。導波路
チップの厚みのバラツキはチップのウェハ作製工程で決
定されるが、図に示したような光送受素子を搭載するハ
イブリッド構成では、素子搭載をチップの基準としてテ
ラスを形成するため導波路のコア部との位置精度（高
さ；Ｚ軸）はサブμｍの精度となり、本発明のテラスも
同一プロセスで作製されるため同一精度となる。

【００２５】図３には本発明の光導波路モジュールのコ
ネクタ部分の例を示す。図３に示すコネクタモジュール
２１は、前記嵌合凹部１２に嵌合する嵌合突起２２を内
部に形成しており、嵌合凹部１２と嵌合突起２２とが嵌
合することでチップに位置合わせされる。前述のように
嵌合凹部間距離、導波路接続面との距離が小さいためチ
ップ本体１０の位置精度が保たれたままコネクタモジュ
ール２１が該チップ本体１０の端面に装着され光導波路
モジュールが構成される。

【００２６】図４には、本発明による光コネクタ付き光
導波路モジュールの断面図を示した。チップ本体１０の
嵌合凹部１２を設けた端面側に、内部に前記嵌合凹部１
２に対応する嵌合突起２２を有するコネクタモジュール
（雌部）２１を接続し、さらに、コネクタモジュール２
１の一方の端部に内部に光ファイバ３１を備えたコネク
タプラグ部（雄部）３２を接続してなる状態を示してい
る。本発明では、前記ファイバ挿通孔２３にファイバ３
１が挿入されるとともに座屈部３３において生じる応力
によってファイバと導波路間の物理的接触（Physical-c
ontact）を用いている。このタイプの接続の利点は従来
のピン接続型モジュールと比較してチップ本体１０の導
波路端面が第１コネクタモジュール２１で覆われている
ことである。このために唯一、光ファイバ３１を挿入さ
せるモジュール孔２３のみが位置精度を規定され、他の
外形部は成型加工等で寸法精度が落ちても問題を生じな
い。

【００２７】

【実施例】以下、本発明の実施例について具体的に説明
するが、本発明はこれに限定されるものではない。

【００２８】（実施例１）図１の構成の光コネクタ付き
光導波路モジュールチップを以下の方法で作成した。チ
ップ幅Ｄ：５ｍｍ、チップ長Ｌ：１５ｍｍで２芯の導波
路１５端面の間隔は５００μｍとした。５００μｍ間隔
の導波路端面を挟んで１．５ｍｍ間隔でくさび状の嵌合
凹部１２を５００μｍの正三角形状凹部をチップテラス
面に形成して嵌合テラス面１９とした。チップのオーバ
ークラッドからテラス面までの深さは５０μｍであっ
た。

【００２９】コネクタモジュール２１のコネクタ部分は
熱硬化性樹脂に石英フィラーを混合したペレットを用
い、トランスファー成型で金型成型した。チップ本体１
０を挿入する部分の外形は幅寸法＋２０μｍ、厚み寸法
は挿入部プラス５０μｍ先端部プラス０、マイナス２μ
ｍの公差として図５に示すようにチップ挿入方向に対し
てややテーパを持たせた。此の結果、チップ本体１０の
ばらつきに対してチップ先端部とコネクタモジュールは
挿入圧力２ｋｇｆ程度でコネクタモジュール２１の樹脂
の変形を含めて嵌合凹部１２に嵌合突起２２が完全に密
着嵌合した。ファイバ挿入孔２３の径は１２７μｍプラ
ス１、マイナス０μｍとした。此の孔径の寸法公差は、
同様の樹脂成型を行うＭＴ型光コネクタと同等の条件を
用いた。この状態で、光コネクタ部の後部にＵＶ硬化樹
脂を塗布し、嵌合凹部１２に嵌合突起１９が密着した状
態のまま、紫外線を５分間照射しチップ本体１０とコネ
クタモジュール２１とを固定した。次に、カーボンコー
トファイバが５００μｍ間隔で２本配列され、その先端
部分が３０ｍｍ突き出すように保持された物理接触型光
コネクタプラグ部（雄部）３２を治具で平行に押しつ
け、モジュール孔２３内に光ファイバ３２を挿入し、光
導波路モジュールを作製した。導波路の内部回路での損
失はあらかじめ測定して置き、減算する形で測定損失を
求めた。光損失を測定したところ接続損失は、平均で
０．２７ｄＢ、９０％以上の歩留まりで反射減衰量は４
０ｄＢ以上の特性を示した。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明による光コ
ネクタ付光導波路モジュールは、従来の光導波路モジュ
ールと比べて嵌合型セルフアライメント技術、フイジカ
ルコンタクト型光コネクタ技術を用いたために以下の利
点を有している。（１）コネクタ部接続部にアクティブアライメント行わ
ないために作製時間、作製コストが大幅に低減できる。（２）接続ファイバの着脱が自由である。（３）モジュールのコネクタ接続部分は簡便な樹脂成型
で作製できるため、量産性、価格コスト的に優れてい
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるチップ本体の平面図である。

【図２】本発明によるチップ本体の斜視図である。

【図３】本発明によるチップ本体とコネクタモジュール
との嵌合状態を示す平面図である。

【図４】本発明による光コネクタ付き光導波路モジュー
ルの接続時の断面図である。

【図５】本発明の実施例による光コネクタ付き光導波路
モジュールの接続時の断面図である。

【図６】従来の光導波路モジュールの接続例を示す図で
ある。

【図７】従来の光導波路モジュールの接続例を示す図で
ある。

【図８】従来のピン付き光導波路コネクタの導波路断面
を示す図である。

【図９】Ｓｉ基板異方性（選択）エッチング面の拡大イ
メージ図を示す図である。

【図１０】基板ダイシング工程での基板反りによる溝の
深さムラの発生イメージ図を示す図である。

【符号の説明】

１１平面導波路基板１２嵌合凹部１３波長フィルタ挿入溝１４波長フィルタ１５導波路１６ダイボンド用テラス１７受発光素子用テラス１８受発光素子１９嵌合テラス面２１コネクタモジュール（雌部）２２嵌合用突起部２３接続ファイバ挿入孔３１光ファイバ３２光コネクタプラグ部（雄部）３３座屈部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者浅川修一郎東京都新宿区西新宿三丁目19番２号日本電信電話株式会社内 (72)発明者山田泰文東京都新宿区西新宿三丁目19番２号日本電信電話株式会社内 (72)発明者橋本俊和東京都新宿区西新宿三丁目19番２号日本電信電話株式会社内 (72)発明者加藤邦治東京都新宿区西新宿三丁目19番２号日本電信電話株式会社内 (72)発明者天野道之東京都新宿区西新宿三丁目19番２号日本電信電話株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】平面基板上に形成された光導波路とファ
イバ挿通孔が空けられたファイバ接続用部材を前記光導
波路の端部に備えた光導波路部品であって、光導波路の所定位置に設けられた嵌合凹部と該嵌合凹部
に嵌合するファイバ接続部材の所定位置に設けられた嵌
合突起部との嵌合によって光導波路とファイバ挿通孔を
通る光ファイバとの光軸が調整されていることを特徴と
する光導波路部品。
【請求項２】請求項１において、前記光導波路の嵌合凹部は、光導波路端面に臨み、光導
波路を除去して現れる前記基板面と光導波路側面を有し
ていることを特徴とする光導波路部品。
【請求項３】請求項１又は請求項２において、前記ファイバ接続部材の嵌合突起部は前記ファイバ接続
部材に一体的に形成されていることを特徴とする光導波
路部品。
【請求項４】請求項１乃至３において、前記ファイバ接続部材が樹脂成形品であることを特徴と
する光導波路部品。
【請求項５】請求項１乃至４の光導波路にファイバが
接続された光導波路モジュールであって、前記ファイバ挿通孔にファイバが挿入されるとともにフ
ァイバが座屈して生じる応力によってファイバと導波路
間の物理的接触が保たれたことを特徴とする光導波路モ
ジュール。