JPS63226607A - 光結合構造 - 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、光素子と光ファイバの高効率光結合を簡便に
実現するのに好適な光結合構造に関する。

〔従来の技術〕

従来の光結合構造は、例えば特開昭５７−２８３９２号
に記載のように、光フアイバ支持体に光ファイバの外径
よりも大きい等径の貫通口を設け、この貫通口に光ファ
イバを挿入し固定して、光素子との光結合を行なわせて
いた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来構造では１貫通口の口径が光ファイバの外径よ
りも大きいので１貫通口に光ファイバを挿入しただけで
は正確に光ファイバの位置決めを行なうことができない
、従って１組立工程では。

まず光ファイバを支持体に設けた貫通口に挿入し。

次に光ファイバを支持体に固着させてから、支持体を微
動装置により保持し、光素子と光ファイバの光軸合わせ
作業を行ない、支持体を光素子の入ったケースに固着さ
れていた。

さて、将来光素子が集積アレイ化された場合に、従来構
造では光素子と光ファイバの一組ごとに煩雑な微動光軸
合わせ作業を行なわなければならない、その上、光ファ
イバ一本ごとに支持体や作業のためのスペースが必要な
ので、光結合構造の小型・集積化が不可能であった。ま
た、従来構造を光集積モジュールに組み込んだ場合、狭
いモジュール内部での光軸合わせ作業は困難極まりない
。

本発明の目的は、光素子の集積化にも対応できる上、組
立工程が簡易であり、しかも必要に応じて光ファイバの
着脱も可能な、量産性にすぐれた光結合構造を提供する
ことにある。。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、支持体に光ファイバの外径よりも小さい貫
通口を設け、光ファイバの先端部分に細径化加工を施し
く例えば、先端をテーパ状に加工する）、該先端部分を
前記貫通口に嵌合させ、光素子と光ファイバを光結合さ
せることにより達成される。

〔作用〕

前記光ファイバの先端部分を前記貫通口に嵌合させれば
、先端部分と貫通口とが点、線または面で接触し、先端
部分の位置が機械的に一義的に決まる。従って、貫通口
に予め光素子に対する光軸合わせを施しておけば、あと
は先端部分を貫通口に嵌合させるだけで、容易に光素子
と光ファイバの高効率光結合が実現できる。

本構造によると光素子が集積アレイ化された場合でも、
一つの支持体に貫通口のアレイを高精度に加工しておけ
ば、光素子アレイと貫通ロアレイとの光軸合わせ作業は
一括して一度だけで済み、あとは光フアイバアレイを貫
通ロアレイに挿入・嵌合させるだけで良い、すなわち組
立工程が非常に簡易になる。また、支持体が一つになり
小型化できる上、アレイ間の作業スペースが不要になる
ので、光結合構造の集積化が可能になる。

ところで、貫通口から光ファイバを着脱させても光結合
効率の再現性は充分良いので、取えて光ファイバを支持
体に固定しなくてもよい、従って。

支持体と光ファイバを分離してコネクタ接続することも
可能である。

本構造を光集積モジュールに組み込む場合には、モジュ
ールの外部で貫通口の光軸合わせ作業を行なっておきモ
ジュールの内部では唯光ファイバを貫通口に嵌合させる
だけで良い、つまり、狭いモジュール内部で光軸合わせ
作業をする必要がなくなる。

〔実施例〕

以下１本発明の実施例を図面により説明する。

第１図は本発明の第１実施例を説明する図で、基本的な
一組の光素子と光ファイバの光結合構造の断面図である
。第２図は第１実施例の主要部拡大図である。

第１図及び第２図において、光素子１はマウント２上に
固定されている。光ファイバ３と光素子１と光結合して
おり、ガイド５とレセプタクル７により支持されている
。光ファイバ３はレセプタクル７の貫通口８に挿入さ九
、光ファイバ３の先端部分４はテーパ状に細径化加工さ
れており、ガイド５に設けたテーパ状の貫通口６に嵌合
されている。マウント２とガイド５、ガイド５とレセプ
タクル７はそれぞれ固定材１０．１１により接着されて
いる。光ファイバ３はレセプタクル７の開口９において
固定材１２により固定されている。

光素子１は発振波長１．３ｐｍのＩ　ｎＧａＡｓ５Ｐ／
　Ｉ　ｎ　Ｐ半導体レーザである。光素子１のマウント
２への固定は半田（図示していない）で行なった。光素
子１の電極やリード線は省略し図示していない。

゛ン光ファイバ３は外径１２５μｍの単一モード光ファ
イバである。その先端部分４にはテーパ先球レンズが形
成されている。精密研削によりテーパ状（テーパ角度θ
＝２５°）に細径化加工した後、加熱溶融させて半径Ｒ
＝１７．５μｍの微小先球レンズを形成させた０本実施
例の先球レンズ半径では、光素子１と先球レンズとの間
隔が約２０μｍで最適の光結合が行なわれる。光軸方向
の許容位置ずれ誤差は±５μｍ、光軸に垂直な方向のそ
れは±１μｍである。先端部分４以外の光ファイバ３の
表面には半田固定のためにＡ　ｕ　／　Ｎ　ｉのメタラ
イズを施した。

ガイド５に設けた貫通口６は精密マイクロドリル加工に
よりテーパ状に加工されている。テーパ角度は２５＠で
ある０貫通口６の最小口径は５０μｍであり、光ファイ
バ３の外径１２５μｍよりも小さい。

レセプタクル７の貫通口８の外径は１４０μｍである。

開口９は光ファイバ３を貫通口８に挿入しやすいように
設けた。

の材料は熱膨張係数の小さいコバール合金を選び。

それらの表面には半田固定のためにＡ　ｕ　／　Ｎ　ｉ
メッキを施した。固定材１０，１１．１２には半田を用
いた。

次に本第１実施例の組立工程を第３図に従って述べる。

第３図には、組立工程の流れ図と各工程における構造の
断面図を示した。

（１）光素子マウント工程 光素子１をマウント２に半田（図示せず）によって固定
する０貫通口６の加工精度によっては光ファイバ３の先
端部分４が貫通口６から突き出る量が変化するので、光
素子１の固定位置を光軸方向に前後にずらして調整する
こともできる。

（２）貫通口心出し工程 ガイド５の貫通口６とレセプタクル７の貫通口８の心出
しをした後、固定材１１によってガイド５とレセプタク
ル７を相互に固定する。

（３）貫通ロ光軸調整工程 貫通口６の光素子１に対する光軸調整を行ない。

調整後ガイド５をマウント２に固定材１０によって固定
する。光軸調整は次の２通りの方法で行なった。一つは
標準の光ファイバを貫通口６，８に挿入して実際に光素
子１と光結合させて光軸合わせを行い、その後標準の光
ファイバを取りはずす方法、もう一つは、貫通口６，８
を抜けて出てくる光素子１の出射光強度が最大となる様
にガイド５の位置を調整する方法である。

（４）光フアイバ挿入工程 光ファイバ３を貫通口８に挿入し、光ファイバ３の先端
部分４を貫通口６に嵌合させ、光素子１と光ファイバ３
とを光結合させる。

（５）光フアイバ固定工程 光ファイバ３を永久固定する場合には、固定材１２によ
りレセプタクル７の開口９において固定する。しかし、
光ファイバの着脱が必要な場合には固定する必要はない
。

さて、本実施例によれば、光ファイバ３のテーパ状の先
端部分４とテーパ状の貫通口６とが面接触してうまく嵌
合し、先端部分４の位置が正確に決まる。第３図の工程
３まで組立てておけば、あとは工程４の筒車な作業で先
端部分４が適切な位置に導かれ、容易に高い光結合効率
を得ることができる。すなわち、組立作業が容易になる
効果がある。また、工程４の状態で光ファイバ３の着脱
を繰り返しても、光結合効率の再現性は充分良かった（
第４図）、２０回の光ファイバ３の着脱に対し４０±１
％という安定かつ高い光結合効率を得ている。これは±
０．５μｍ以内のファイバ先端位置精度に見積もること
ができ１本発明の位置決め性能が優れることを示してい
る。

本実施例を光集積モジュールに組み込む場合は、モジュ
ールの外部で工程３までを行なっておき、モジュールの
内部で工程４以降を行なった。こうすれば、従来のよう
に狭いモジュール内部で困難な光軸合わせ作業を行なう
必要がない１本光集積モジュールは特に光通信に用いら
れ、長期安定動作している。

なお、本発明の効果は、光フアイバ先端部分の位置が貫
通口との点、線または面接触によって機械的に一義的に
決まることにより発揮されるのであって、光結合構造の
構成材料や加工方法などに因るものではない。

本実施例では、光素子として半導体レーザを選んだが、
光ファイバと光結合する他の光素子、例えば発光・受光
素子、光機能素子、先導波路などでも勿論差し支えない
。

また、光フアイバ先端部分にはテーパ状の細径化加工を
施したが、別様形状の細径化加工でも良い０貫通口はそ
の最小口径が光ファイバの外径よりも小さいことが肝要
なのであって、必ずしもテーパ状である必要はなく、等
径形状のものでも良い、但し、光フアイバ先端部分や貫
通口の形状が変わると１本実施例の様な面接触ではなく
、複数の点接触または線接触によって先端部分の位置決
めが行なわれることもある。

今回は光フアイバ先端部分や貫通口を精密機械加工によ
り作成したが、他の微細加工方法、例えば化学エツチン
グやドライエツチングなどを利用することも可能である
０石英光ファイバを弗酸系溶液に浸しておくと細径化さ
れる。Ｓｉの（１０Ｇ）面をＫＯＨ水溶液中で異方性エ
ツチングすると、（１１１）面によりテーパ内約７０．
６’　　の四角錐状の貫通口が得られる。また、Ｓｉや
５ｉｎｓなどを弗素系ガスによりドライエツチングして
も貫通口を作成できる。エツチング加工を利用した場合
、貫通口の加工精度はエツチングマスクのパターン形状
精度で決まり、サブミクロンの充分な精度が得られる。

その上、一括処理により再現性の良い加工が行なえ、量
産性が向上する効果がある。

本実施例では、光結合構造の基本構成要素として一組の
光素子と光ファイバの場合を示したが、勤 本発明の連果は光素子と光ファイバが集積アレイ化した
場合にさらに顕著である。光スィッチや光並列演算コン
ピュータにも当然応用される。その代表応用例を第２実
施例と第３実施例に示す。

第５図は本発明の第２実施例を説明する図で、光導波路
アレイと光フアイバアレイとの光結合構造の平面展開図
である。

第５図において、光導波路アレイ１３が光フアイバアレ
イ１６と光結合している。光導波路アレイ１３はマウン
ト２５上に固定されている。光フアイバアレイ１６を構
成する光ファイバ１７は、それぞれ支持体１９のＶ溝２
０により支持されており、光ファイバ１７の先端部分１
８は支持体２１に設けた貫通口２２に嵌合している。支
持体１９．２１とマウント２４とは相互に固定されてい
る。支持体２１と光導波路アレイ１３の間にはスペーサ
２３がはさまれている。

光導波路アレイ１３は、光スィッチなどの多端子光デバ
イスの入出力端部分である。基板１５上に４本の光導波
路１５がアレイ間隔１６０μｍで形成されている。基板
１５はＩｎＰから成る。光導波路１５は、導波路幅４μ
ｍ厚さ２μｍのリッジ形ＩｎＧａＡｓＰ光導波路であり
、波長１．１５μｍの光を単一モード伝搬する。先導波
路１５の作成には半導体プロセス技術を利用した。

光フアイバアレイ１６は、４本の光ファイバ１７より構
成され、そのアレイ間隔は１６０μｍである。光ファイ
バ１７は外径１２５μｍの単一モード光ファイバである
。その先端部分１８には。

テーパ状（テーパ角度３０°）の細径化加工が施され、
微小先球レンズが形成されている。先球レンズ半径は１
５μｍである。先端部分１８と光導波路１５との間隔は
２０μｍとした。この間隔はスペーサ２３の厚みによっ
て調節できる。先端部分１８の光軸方向の許容位置ずれ
誤差は±５μｍ、光軸と垂直な方向のそれは±１μｍで
ある。

支持体１９．２１の材料はＳｉである。支持体１９の４
つのＶ溝２０と支持体２１の４つの貫通口２２は、全て
５ｉ（１００）面のＫｏＨ水溶液による異方性エツチン
グを利用して加工した。■溝２０の角度と四角錐状の貫
通口２２のテーパ角度は、どちらも７０．６°　である
、このとき、■溝２０や貫通ロ２２加工用のエツチング
マスクのパターン間隙を、光導波路アレイ１３作成用の
エツチングマスクのパターン間隔に等しくすれば。

■溝２０のアレイ間隔と貫通口２２のアレイ間隔は、と
もに光導波路アレイ１３のアレイ間隔１６０膚 μｍと正態にサブミクロン以下の精度で等しくなる。ま
た、異方性エツチング加工によると、■溝２０や貫通口
２２の形状の精度も非常に良い０以上から、Ｖ溝２０や
貫通口２２の加工精度は、充分光ファイバ１５の許容位
置ずれ誤差範囲内にある。従って、光結合効率のばらつ
きは非常に小さいことが予想される。なお、支持体１９
と２１とは相互に接合され一体となっている。まず接着
される一方の面にガラス膜を蒸着し、位置を調節したの
ち支持体１９と２１の間に高電圧をかけて、Ｓｉ−ガラ
ス−Ｓｉ接合を行なわせ一体化させた。

マウント２４．２５の材料はコバール合金である０表面
にはＡ　ｕ　／　Ｎ　ｉメッキを施しである。

光導波路アレイ１３とマウント２５．一体化した支持体
１９．２１とマウント２４、マウント２４とマウント２
５の間は全て半田によって接着固定した。光導波路アレ
イ１３と支持体１９゜２１の接着面側には予めＡ　ｕ　
／　Ｎ　ｉ　／　Ｔ　ｉをメタライズしておいた。スペ
ーサ２３は間隔調節用なので、固定してもしなくても良
いが、固定する場合には半田を用いる。

次に、第２の実施例の組立工程の概略を説明する。基本
的には第１実施例の組立工程と同様である。まず、光導
波路アレイ１３をマウント２５に固定する０次に、一体
化した支持体１９．２１をマウント２４に固定する。こ
のとき、固定位置をスペーサ２３により調節する。マウ
ント２４を微動装置により保持し、貫通口２２のアレイ
と光導波路アレイ１３との光軸合わせを行なう、マウン
ト２４と２５を固定する。光フアイバアレイ１６を貫通
口２２のアレイに挿入・嵌合させる。先端部分１８は４
点で貫通口２２と接触し高精度に位置決めされ、光源波
路アレイ１３と光フアイバアレイ１６との高効率光結合
が行なわれる。

さて、本実施例によれば、従来−組の光導波路１５と光
ファイバ１７ごとに行なっていた煩雑な微動光軸合わせ
作業を、たった一度のアレイ同士の一括光軸合わせ作業
で済ませることができる。

すなわち１組立工程が非常に簡易になる効果がある。ま
た、先導波路１５がより一層集積アレイ化された場合で
も、それに応じて支持体１９．２１を小型化でき、光結
合構造の集積化が可能である。

さらに、第１実施例の場合と同様に、光フアイバアレイ
１３の着脱も可能であるから、光集積モジュール組立の
場合も作業は簡単である。なお１本実施例で、単一モー
ド光結合にも関らず、４組の光導波路−光フアイバ間の
光結合効率のばらつきは±２％と非常に小さかった。従
って、本実施例の信頼性は高い。

ところで、従来の光結合構造にはＳｉのＶ溝を利用した
ものも知られている。それは丁度１本第２実施例から支
持体２１を除いたような構造である。この構造では■溝
により光ファイバの外周を支持することになるので、光
フアイバ外径の寸法精度やコアの偏心度が、直接光ファ
イバ先端部分の位置ずれに影響する。従って、各光ファ
イバの光軸方向の位置が決まらない、これに比べて本発
明では、光ファイバを光軸に近い箇所で支持しているの
で、外径寸法精度やコア偏心度の影響は部分と緩和され
、光結合効率のばらつきは極小に抑えられる。その上、
光軸方向の位置も嵌合により安定して決まる。

以上、本実施例の効果を述べてきたが、この効果は構成
部品や加工方法に限定されるものではない、光導波路は
本実施例の様な半導体光導波路でなくとも、ＬｉＮｂＯ
５などの誘電体光導波路であっても構わない、光導波路
アレイの代わりに、他の光機能素子アレイであっても本
実施例を応用できることは言うまでもない、またアレイ
数を４から８、さらに１６へと増やし多端子光デバイス
の性能を向上させることも勿論可能である１例えば、本
実施例を光スイツチ交換機に利用すれば、小型の装置で
多数光配線の交換が可能になり、性能向上が著しい、な
お、本実施例は一次元アレイの場合であるが、これを二
次元アレイに拡張しても何ら支障はない、この二次元ア
レイの一例として、次に第３実施例を示す。

第６図は本発明の第３実施例を説明する図で。

二次元マイクロレンズアレイと二次元ファイバアレイと
の光結合構造の鍋視図（（ａ））と、一部拡大図（（ｂ
））である。

第６図により大略を説明する。二次元マイクロレンズア
レイ２６が二次元光フアイバアレイ２７と光結合してい
る。光ファイバ２８はそれぞれ支持体３４の貫通口３５
に挿入され、その先端部分２９は支持体３２の貫通口３
３に嵌合している。

二次元マイクロレンズアレイ２６は、ガラス基板に溶融
塩中で電界イオン交換を行なって作成した。レンズ径１
．３閣、焦点距離１．５＋ｍ、レンズのピッチ２閣であ
る。

光ファイバ２８は石英系単一モード光ファイバで、コア
３０とクラッド３１より成る。先端部分２９にはテーパ
状の細径化加工が施され、コア３０の先端は垂直に研磨
されている。

支持体３２はＳｉから成り、貫通口３３は異方性エツチ
ングにより加工した０貫通口３３の間隔は２閣である。

その間隔の精度は、エツチングマスクのパターン精度で
制御できる。

支持体３４は金属であり、支持体３２と３４とは接着面
をメタライズしたあと半田により固定した０本実施例の
組立工程′は°−第１及び第２実施例と同様に行なった
。

さて、本実施例によれば、二次元光フアイバアレイの一
括光結合が行える。しかも嵌合させるだけで容易に高い
光結合効率が得られる上、光結合効率のばらつきは問題
にならない程小さい０本実施例とさらに全光学形光双安
定デバイスなどの二次元光素子アレイを組み合わせれば
、光並列演算処理が行える。また当然のことながら、二
次元アレイ配列数を４×４から８Ｘ８，１６Ｘ１６へと
増やし並列演算処理能力を向上させることも可能である
０本実施例は、光コンピュータの重要な構成要素となり
得る。

第７図は１本発明の第４実施例を説明する図で。

積層光回路の光結合構造の斜視図（（ａ））と。

一部拡大図（（ｂ））　である。

図において、積層された二次元光論理素子アレレ イ（４３，４５，４７）と二次元ファイバシ管とが結合
し、全体で積層光回路を構成している。各各の光ファイ
バ３７は支持体３９の貫通口４０に挿入され、光ファイ
バ３７の先端部分３８は支持体４１の貫通口３８に嵌合
している。光ファイバ３７と二次元光論理素子アレイ４
３，４５，４７の光論理素子４４，４６，４８はそれぞ
れ光結合しており、光ファイバ３７を通じて光論理演算
の入出力が行なわれる。

光ファイバ３７は単一モード光ファイバである。

二次元アレイの集積化を行なうために、その外径は通常
よりも細いものを用いた。先端部分３８には結合効率を
高めるためテーパ先球レンズ（第１実施例参照）が形成
されている。

光論理素子４４，４６，４８は、光双安定特性を示す半
導体素子である。これにより入出力光のスイッチングが
行なえる。

支持体３９．４１や本構造の組立工程に関しては、第３
実施例と同様である。

本実施例の積層光回路によれば、並列処理で論理演算が
行なえるので、演算速度が高速化する効果がある６本実
施例ではアレイ数を４×４としたが、この数を増やした
場合でも光ファイバと光論理素子間の結合効率は充分良
かったので、本発明による光結合構造の位置決め性能が
高いことがわかる。

なお１本実施例では、光論理素子に半導体素子を用いた
が、他の誘電体素子例えば電気光学制御素子や磁気光学
制御素子を利用しても良い、またここでは論理演算（デ
ジタル演算）を行なったが、論理素子の代わりにホログ
ラムなどを用い゛て、アナログ演算を行なうことも可能
である。光ファイバが嵌合する貫通口の加工には、ウェ
ットエツチングの他に微細加工性の良いドライエツチン
グ（反応性イオンエツチング、イオンビームエツチング
など）を利用することも有り得る。光回路の積層数はさ
らに増やすことができる。

第８図は１本発明の第５の実施例を説明する図で、光結
合構造を光インターコネクションに応用した例の斜視図
である。

図において、大規模電子集積回路（ＬＳＩ）４７とその
外部とが光ファイバ５５を用いた光配線によって接続様
れている。ＬＳＩ４７上には発光。

受光素子４８が複数形成されている。この発・受光素子
４８によりＬＳＩ４７の電気信号と光信号との相互変換
が行なわれる１発・受光素子４８は光ファイバ５５と結
合している。光ファイバ５５は、ＬＳＩ４７と外部との
間を光信号によってっなぐ。光ファイバ５５は、支持体
５３の貫通口５４に挿入され、その先端部分５６は支持
体５１の貫通口５２に嵌合している。スペーサ４９には
貫通口５０があけられていて、これにより光ファイバ５
５と発・受光素子４Ｂの間の距離が最適に保たれる。先
端部分５６には、発・受光素子４８との光結合効率を高
めるため、先球レンズが形成されている。

本実施例によれば、ＬＳＩ上の任意の位置と外部とを立
体的に光配線でつなぐことができる。したがって、電気
配線の容量による信号遅延の問題が解決されて、ＬＳＩ
の信号処理速度が高速化する。また、光配線では電気配
線のような信号の相互干渉が起きない、さらに電気配線
が省略できる分だけ、ＬＳＩ設計の自由度が増す上、高
密度集積化が可能になる０本光結合構造では光ファイバ
の着脱が可能であるから、プログラマブルな光配ｍＩＲ
が形成できる利点がある１以上から１本実施例は、ＬＳ
Ｉの高速化、高集積化、高機能化に対して画期的な効果
をもつ。

〔発明の効果〕

本発明によれば、光結合構造の組立工程が簡易になり量
産性が向上する上１、小型化・集積アレイ化が可能にな
るので、光ファイバによる光情報並列伝送能力が格段と
高まる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示す図、第２図は第１実
施例の主要部拡大図、第３図は第１実施例の組立工程図
、第４図は第１実施例の効果を説明する図、第５図は第
２実施例を示す図、第６図は第３実施例を示す図、第７
図は第４実施例を示■　１　図 第　３　図 第　４　月 光フ了４八゛着脱回菫先 第乙図 （０Ｌ） （ｂ） Ｚ６　ニー大兄マイク’ｒＪＬＱス′γＬ４　３０　　
コア２７二次元各イバアＬイ　　　　３／　　　７りγ
ド゛２３光ｈイバ　　　　　３２，３４　　支Ｊ争不艮
２９　先辺勢ＩＦ今　　　ｓｓ、ａｓｉｉ口冨　７　　
図 （ｂ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光素子と光ファイバと支持体より成る光結合構造に
   おいて、 前記支持体に前記光ファイバの外径よりも小さい貫通口
   を設け、前記光ファイバの先端部分に細径化加工を施し
   、該先端部分を前記貫通口に嵌合させ、光素子と光ファ
   イバを光結合させたことを特徴とする光結合構造。 ２、上記光ファイバの先端部分にテーパ状の細径化加工
   を施したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   光結合構造。 ３、上記貫通口がテーパ状を成し、該貫通口の最小口径
   が前記光ファイバの外径よりも小さいことを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の光結合構造。 ４、上記貫通口がエッチングにより加工されたことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の光結合構造。 ５、上記の光素子と光ファイバと貫通口がアレイを形成
   していることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   光結合構造。