JP2006301610A - 光結合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光ファイバーから伝達された外部からの光信号を基板に設けられた光導波路に簡単かつ高精度に取り込むことができる光結合装置を提供する。
【解決手段】 本光結合装置は、光ファイバー１を位置決め固定するフェルール２と、光導波路３を有する基板４とを備える。光ファイバー１は、フェルール２に形成されたＶ溝５に配置される。フェルール２の光ファイバー１との対向面には９０度光路変換ミラー（４５度傾斜ミラー）６が形成される。Ｖ溝５および４５度傾斜ミラー６は、例えばＳｉ異方性エッチングで一体で作製することができる。一方、基板４に設けられた光導波路３は、途中に９０度光路変換ミラー（４５度傾斜ミラー）１０を備える。また、フェルール２に代えて、４５度傾斜ミラー９２を有する光路変換導波路９３を備えたレセプタクル９１と光ファイバー１を保持するプラグ９５との組合わせを用いることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光ファイバーから伝達された外部からの光信号を基板に設けられた光導波路に取り込むための光結合装置に関するものである。

従来から、信号伝送の高速化にともない、電気的信号伝送方式から光を伝送媒体とする信号伝送方式が種々の分野で提案されている。例えば、光導波路を搭載したプリント配線基板（ＰＷＢＡ）は、光電融合技術の進展のためにその重要性が増している。ＰＷＢＡ内に設けられた光導波路の端部は、光ファイバー（外部）から光を取り込む部分或いは内部から光を取り出す部分として用いられる（以下簡便の為に、光を外部から基板に取り込む場合を例示するが、取り出す場合も同様である）。

例えば、下記特許文献１や特許文献２には、光電融合技術として、基板（ボード）内の光配線に外部からの光信号を取り込む技術が提案されている。これらの技術は、外部からの光ファイバーの信号を光導波路を搭載した基板の側部から突合せで取り込むものである。また、下記非特許文献１には、基板側からの光をレセプタクルで受け、このレセプタクルに対してＭＴフェルールで合せる技術が記載されている。また、下記特許文献３には、ファイバーと光導波路を含む光機能部品との接続には、特別な部品が必要なことが記載されている。
特開平９―９０１５４号公報 特許第２７６５１１２号公報 特開平１１―２８７９２６号公報 ＡＳＥＴ資料、松井輝仁、「光電子実装技術研究開発全体概要」、第５回電子Ｓｉ研究報告会、ｐ．７７−８９，２００４．２．２６）

しかしながら、例えば、上記特許文献１や特許文献２の記載は概念的なものであり、具体的な光の取り込みをコネクタレベルで詳述しているものではない。また、非特許文献１の記載のものでは、レセプタクルを基板に取り付ける際に、高い精度で基板に垂直な光導波路（口）に併せる必要があるが、その具体的記述はなく、どのように構成するかは不明である。実際に外部から光を取り込むための光部品を光導波路を含むＰＷＢＡに実装しようとすると、光部品をＰＷＢＡから容易に取り外すことができない、両者の合せに時間がかかる、大掛かりな治具が必要である、あるいは高い精度でレセプタクル（光部品）をボード上に取り付ける必要があるなどの問題がある。更に、特許文献３のものでは、ファイバーと光導波路を含む光機能部品との接続に実用上多くの工数が必要になるという問題があった。

従って本発明の目的は、上記問題点を解決し、光ファイバーから伝達された外部からの光信号を基板に設けられた光導波路に簡単かつ高精度に取り込むことができる光結合装置を提供することにある。

上記目的は、光導波路を有する基板と、前記基板上に配置され前記光導波路と光学的に結合可能とされる結合部（結合器）とを備えた光結合装置であって、前記結合部が光ファイバーを固定するための溝および前記光ファイバーに対向して設けられた９０度光路変換ミラーを有する光結合装置により、達成される。

ここで、前記光導波路は、前記結合部からの光の向きを変える９０度光路変換ミラーを有することができる。また、前記結合部の光ファイバーを固定するための前記溝はＶ溝とすることができる。前記結合部の９０度光路変換ミラーおよび前記溝は一体で形成することができる。前記結合部の９０度光路変換ミラーおよび前記溝は、Ｓｉの異方性エッチングで形成することができ、またプラスチック等の成型技術を利用して形成することができる。上記９０度光路変換ミラーは４５度傾斜ミラーで実現することができる。

本発明に係る光結合装置は、位置合せマークを有する光導波路搭載基板と、前記基板の位置合せマークに整合する位置合わせマークにより前記基板上に位置合わせされた結合部とを備え、前記結合部が光ファイバーを固定するための溝および前記光ファイバーに対向して設けられた９０度光路変換ミラーを有するものである。前記基板および結合部の位置合せマークは、それぞれ３個以上あることが好ましい。前記基板の位置合せマークは、例えば球面状の突起であり、前記結合部の位置合せマークは例えば四角錐状の凹部とすることができる。前記結合部の９０度光路変換ミラー、前記溝および前記結合部の位置合せマークは、Ｓｉの異方性エッチングで形成することができる。
本発明に係る結合器は、光導波路を有する基板と光学的に結合可能とされるものであって、光ファイバーを固定するための溝および前記光ファイバーに対向して設けられた９０度光路変換ミラーを備えたものである。前記溝および前記９０度光路変換ミラーは、Ｓｉの異方性エッチングまたは成型技術を利用して形成することができる。

また、本発明に係る光結合装置は、光導波路を有する基板と、前記基板上に配置され前記光導波路と光学的に結合可能とされる結合部とを備えた光結合装置であって、前記結合部が、前記光導波路と光学的に結合される光路を９０度変換する９０度光路変換ミラーを有する光路変換導波路を備える。ここで、前記基板上に配置された第１の位置合せマークと、前記第１の位置合せマークに整合する前記結合部下面に配置された第２の位置合わせマークとを備えることができる。前記第１の位置合せマークは突起とし、前記第２の位置合わせマークは凹部とすることができる。前記第１および第２の位置合せマークは、それぞれ３個以上形成することが好ましい。前記基板に垂直方向に設けられた第１の穴と前記第１の穴に対応して前記結合部に垂直方向に設けられた第２の穴とを連結して前記基板に前記結合部を固定する固定ピンを備えることができる。前記結合部は、前記光路変換導波路と光学的に結合される光ファイバーを保持する光ファイバ保持部を受け入れる窪み部を有することができる。前記結合部は、前記光路変換導波路の前記光ファイバーと光学的に結合される側にレンズを備えることができる。

本発明によれば、光ファイバーから伝達された外部からの光信号を基板に設けられた光導波路に簡単かつ高精度に取り込むことができる光結合装置を得ることができる。本発明では、コネクタ部分（結合部）がワンタッチで取り外しが出来て、かつマルチモードの結合（導波路径が、約５０〜１００ミクロン程度）には十分な合せ精度を得ることが出来る。本発明では、光電融合基板（光導波路搭載基板）上には、光の出射・入射のパターンと同時に形成された位置決め用マークとその上への突起形成（通常は、バンプの形成）の処理を行う。一方、９０度光路変換結合部（結合器）にも上記基板のマークと対応する位置決め用マークを付ける。これにより、ファイバー固定用の溝を形成した９０度光路変換結合部を基板上部から押さえつけ、あるいは基板上方へ持ち上げることで、結合部と基板とがワンタッチで取り外し可能な光結合装置を得ることができるのである。

図１は、本発明に係る光結合装置の一実施例を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。この平面図は内部構造を示すために部材を適宜省略あるいは透かして示す。以下同様である。本実施例は、光ファイバー１を位置決め固定するフェルール２と、光導波路３を有する光導波路搭載基板４とを備える。フェルール２は光導波路３と光学的に結合可能とされる結合部または結合器として用いられる。本実施例では、光ファイバー１は４本（４チャンネル）であるが、これに限定されない。各光ファイバー１は、フェルール２に形成されたそれぞれのＶ溝５に配置される。フェルール２の光ファイバー１との対向面は、図示のように、それぞれ９０度光路変換ミラー（以下、「４５度傾斜ミラー」という）６が形成されている。本実施例では、４５度傾斜ミラー６は１チャンネルずつ別々に形成されるが、４チャンネルまとめて形成することもできる。ここで、Ｖ溝５および４５度傾斜ミラー６は、例えばＳｉの異方性エッチングで一体で作製することができる。これについては後述する。

一方、基板４に設けられた光導波路３は、光を導波するコア７と、それを挟むクラッド８、９とを備える。各部の厚さは、例えば、コア７は５０〜１００μｍ、上側クラッド８は１０〜３０μｍ、下側クラッド９は約１００μｍであるが、これに限定されない。図示のように、光導波路３は、途中に９０度光路変換ミラー（以下、「４５度傾斜ミラー」という）１０を備える。これにより、光ファイバー１から入射した光は、フェルール２の４５度傾斜ミラー６で９０度光路が変換されて基板４の光導波路３に進み、光導波路３の４５度傾斜ミラー１０で再び９０度光路が変換されて基板４に平行に伝達される。この光は、当然ながら、上記経路と逆の経路をたどって光導波路３から光ファイバー１に進むことができる。図１においては、クラッド８は４５度傾斜ミラー６と４５度傾斜ミラー１０との間に開口を形成しているが、クラッド材８を光透過性の高い部材で形成している場合には、開口を形成することなく構成することも可能である。この場合には、開口を形成するための工程を省くことができる。

図２は、本発明に用いるフェルールの他の実施例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。本実施例は、光ファイバーに対向して形成される４５度傾斜ミラー６’を、４チャンネルまとめて形成するものである。その他については、図１の実施例と同様である。この４５度傾斜ミラー６’は、先の実施例とは異なり異方性エッチングではなく、例えば、先にＶ溝５’を作ったフェルール２’に、Ｖ溝５’に対して直交した方向にダイサーで全面４５度傾斜ミラー６’を形成し、その後Ｖ溝５’と４５度傾斜ミラー６’の境界部をダイサーで除去して凹部１１とする。これにより、４チャンネルが同一のミラー６’を有するフェルール２’を作製する。

このように本発明では、導波路搭載の光電融合基板上には、基板上への光ＩＯ付ＬＳＩへの光入出力と同様に、光を導出する為に４５度傾斜ミラーを埋め込み、光を基板面に垂直に入力するようにする。この出射口に対し、光ファイバーから来た光をそこに垂直上部から光結合するようにフェルールを基板に取り付ける。基板とフェルール間の位置決めは、基板上に写真触刻で光ガイド用の竪穴と同時に形成した突起部と、フェルールに形成されたＳｉ異方性エッチングパターン或いは高分子材料で型を起こした一体成形部品を用いてそれを合わせる形で行うことができる。これにより、ファイバー用フェルールと導波路を含むＰＷＢＡ基板とを写真触刻という高い精度で結合可能としている。

フェルールと導波路を形成したＰＷＢＡ基板は、導波路の出射光出口と同時に形成した基板上の突起と、ファイバーを搭載したフェルールの位置合わせ用の凹部を合せる形で行う。また、基板に垂直な方向は、フェルールの上記凹部（例えば四角錘）の深さ（例えば異方性エッチングで形成）と上記基板の突起部の結合により規定する。この状態で基板上に形成されたクリップとフェルール（ファイバー付モジュール）をワンタッチで固定する事によって合せ精度を確保する。また、このクリップを解放することで、フェルールは基板から容易に取り外しが可能となる。本発明では、フェルールの凹部と基板上の突起が結合するので、一旦結合させると２つの部品は十分な強度で結合を成立させ、それをクリップで維持できるのである。

上記のとおり、本発明における位置合わせは、従来のように水平方向ではなく、垂直方向になされる。位置合わせを垂直方向にすることで、フェルール２と光導波路３の位置合わせが簡単かつ高精度でき、これにより光ファイバーと光導波路の光学的結合を容易に行うことができる。この位置合わせについては後で詳述する。

図１の実施例では、ファイバー用のＶ溝および４５度傾斜ミラーの形成をＳｉ異方性エッチングにより作製したが、これに限定されることなく、例えば、高精度モールド部品で形成しても良い。４５度のミラー面には、ＡｌやＣｒなどの金属をコートして、良好な鏡面を得る事も可能である。また、Ｓｉ異方性エッチング基板を用いる場合、多数ファイバー用のミラーを形成するには、図１の実施例のように１本ずつＳｉの異方性エッチングで形成する方法もあるが、図２の実施例のように、ダイサーなどの物理的手段でミラーを形成する方法もある。異方性エッチングと物理的加工の併用により高精度かつ低コストで光結合装置を作製することができる。

図３（ａ）、（ｂ）は、本発明における光導波路を有する基板の作製方法の一例を示す図である。まず、図３（ａ）に示すように、基板４上に約１００μｍの下側クラッド９を積層する。次に、Ｓｉ異方性エッチングで作った型を用いて、エンボス加工で下側クラッドに４５度ミラー用の突起を形成する。その後ミラー用に金属（ＣｒやＡｌ等）をその突起状にコートする。その後、下側クラッド９上に５０〜１００μｍのコア７を積層する。この際、その厚みはちょうどミラーの上端をカバーする程度である。その後、所望の導波路パターン（コア）をＵＶ照射やフォトリソグラフィーで加工する。このようにして作製した導波路パターン（コア７）の上に１０〜３０μｍの上側クラッド８を積層する。そして、上側クラッド８の４５度傾斜ミラー１０に対応する位置に５０〜１００μｍ角の開口（光導波路）をエッチングで形成する。ここで、上部クラッドをこのように加工しても良いし、また多少の伝送損はでるが、ビア加工のプロセスを省略する事もできる。なお、ビア加工した後、コア７は空洞でもよいし、樹脂等を充填してもよい。本実施例では、エンボス加工によるミラー形成の例を説明したが、下部クラッド／コアを形成して、その後ダイサーやレーザーなどでミラーを切削加工して形成する方法もある。その後、上部電極パターンをスクリーン印刷などで形成する。その際、位置合わせのためのパッド３１を形成しておく。その後、図３（ｂ）に示すように、パッド３１上に半田ボール３２を形成し、これをＰＷＢＡ基板上の突起状合わせマーク３２とする。すなわち、このマークは球面状の突起となる。このとき、パッド３１の面積と半田ボール３２の半田量をきちんと制御することで、半田ボール３２の高さは高精度に制御することができる。また、ここでははんだボールを用いたが、はんだの代わりに樹脂コアのＢＧＡボールなども使用する事ができる。なお、上記図１では、簡略のため、この基板上の突起状合わせマークについての図示は省略している。

図４は、本発明におけるフェルールの作製方法の一例を示す図である。フェルール４０は、（１００）Ｓｉ基板を用いて、（１１０）に対して４５度傾けたパターン（Ｖ溝４１および４５度傾斜ミラー４２）と、先に作った基板上の突起（半田ボール３２）に対応して、（１１０）に沿った５４度の四角錐状の凹部（合わせマーク）４３を３箇所に形成するように、フォトリソグラフィーなどの写真触刻技術を利用してパターンを形成する。この四角錐状の凹部４３の精度は数μｍの精度で制御することができる。このようにして形成したパターンに対し、約２０％のＫＯＨに２００ｍｌ／ＬのＩＰＡ（イソプロピルアルコール）を加えたエッチャントで３０〜６０分のウェットエッチングを行う。

図５（ａ）、（ｂ）は、上記プロセスで用いるＫＯＨに対するＩＰＡ濃度依存性を示す図である。図５（ａ）の縦軸はＥ／Ｒ（ＩＰＡ濃度依存性）（μｍ／ｍｉｎ）、横軸はＩＰＡ濃度である。図５（ｂ）は、ＩＰＡ濃度に対するエッチング断面形状を示すもので、１５０ｍｌ／Ｌ以上のＩＰＡ濃度で４５度面が形成できることを示している。また、（１１０）の並行なパターンでは、通常のＳｉ異方性エッチングで形成される５４度面が出る。ここで用いられるエッチング液はＫＯＨにＩＰＡを加えたもので、そのＩＰＡ濃度は、１５０ｍｌ／Ｌ以上である。

図４に戻って、以上のエッチングプロセスにより、フェルール４０において、光ファイバー４４用のＶ溝４１および４５度傾斜ミラー４２（これらは４５度面を有する）、並びに上記導波路基板に対する合わせマーク４３（５４度面を有する）を同時に一体で形成することができる。本例は、２チャンネル光ファイバー用であるが、同様にしてそれ以上またはそれ以下のチャンネルのフェルールを作製することができる。なお、上記図１および図２では、簡略のため、このフェルールの四角錐状の凹部（合わせマーク）についての図示は省略している。

図６は、Ｓｉ異方性エッチングのパターン形状を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ’断面図である。図示のように、フェルール４０には、４５度面を有するＶ溝４１および４５度傾斜ミラー４２が形成されるが、使用時には、図６（ａ）、（ｃ）に示すように、一方の４５度傾斜ミラー側の端部６１の部分をカットし、図６（ｂ）に示すように、光ファイバー４４がＶ溝４１に配置できるようにする。

図７は、Ｓｉ異方性エッチングの時間依存性を示す図である。本例では、（１００）Ｓｉ基板に、図示のようなマスク７１を配置してエッチングを行う。この場合、（１１０）に対して４５度傾いた線で４５度面が形成される。また、それと９０度回転した面でも４５度斜面が形成される。図７において、一点鎖線と実線はエッチング時間の差を示すもので、一点鎖線を時間１とし実線を時間２としたとき、時間１＜時間２の関係がある。エッチングの時間は、適切なところでストップさせる必要がある。この時間は、ファイバー径によって決まるものであり、これは設計パラメータと言える。尚、この４５度の異方性エッチングについては、例えば、Ｙ．Ｂａｃｋｌｕｎｄ ａｎｄ Ｌ．Ｒｏｓｅｎｇｒｅｎ，“Ｎｅｗ ｓｈａｐｅｓ ｉｎ （１００） Ｓｉ ｕｓｉｎｇ ＫＯＨ ａｎｄ ＥＤＰ ｅｔｃｈｅｓ” Ｊ．Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ．Ｍｉｃｒｏｅｎｇ．２，（１９９２），７５−７９、に詳しい説明がある。

このように形成した４５度面は、表面が多少波打つ、つまり表面の凹凸が残るが後処理をうまく行うことで、そのままで十分ファイバーから来た光を反射するミラーに使用可能である。この後、上述のとおり、ファイバーを挿入できるように４５ミラー面を一部カットし、ファイバー用フェルールを完成させる。この完成したファイバー用フェルールにファイバーを載せて、接着剤を塗布するか、上からカバー材で押えるかして、ファイバーをフェルールに固定する。以上のようにして作製したファイバー用フェルールを、上記導波路基板に位置合わせして結合する。

図８は、導波路基板とファイバー用フェルールを位置合わせして結合した例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＡ−Ａ’断面図である。本例では、基板側のマーク（突起）３２とフェルール側のマーク（凹部）４３とを合わせる。すなわち、図示のように、基板４上に形成した位置合わせ用突起３２に、フェルール２を上から重ねて、半田ボール（突起）３２と四角錐（凹部）４３を自己整合的に合わせる。このとき、高さ方向の寸法は、上述のとおり半田ボールの高さで決まる。この合せを確実に取るために、ミラーをビーム径よりも大きくなるように設計しておくことが望ましい。両マークの平面内の位置は、印刷或いは写真触刻の技術精度で形成されている。この際、合わせマークは上述の例のように３個以上用意しておくと精度を高めた位置合わせに好適である。そして、この状態で上下２つの部品を図示しないクリップなどで挟むことで固定を行う。

このように、上記方法での位置合わせは、従来のように水平方向ではなく、垂直方向になっていることが分かる。垂直方向で位置合わせすることにより、印刷や写真触刻の精度でファイバーと導波路の位置合わせが可能となる。この場合は、発熱部位も無いので最初の合わせ精度が十分維持されるので、その後の合せずれを特に考慮しておく必要も無い。

上記実施例では、ファイバー用フェルールの形成にＳｉ異方性エッチングを用いたが、別の方法を用いることもできる。例えば、プラスチック等の成型技術を利用することができる。すなわち、Ｖ溝と４５度傾斜ミラー面を有する一体成型形のフェルールを作製することができる。この場合、位置合わせマークも一緒に一体成型してフェルールを作製できる。このような部品を用いる場合は、ミラー部に対しは金属などのコートを行い鏡面仕上げが必要となるが、コストの観点からは有利である。その後のフェルールと導波路基板との整合は上記実施例と同じであるが、合わせマークの精度と印刷・写真触刻の精度の違いは、マルチモードである数１０μの合わせ精度であれば、特に問題は無い。

図９は、本発明に係る光結合装置の他の実施例を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。本実施例は、光導波路３を有する基板４と、基板４上に配置され光導波路３と光学的に結合可能とされる結合部としてのレセプタクル９１とを備える。光導波路３は、コア７、上側クラッド８、下側クラッド９および９０度光路変換ミラー（４５度傾斜ミラー）１０を備える。また、レセプタクル９１は、光導波路３と光学的に結合される光路を９０度変換する９０度光路変換ミラー（４５度傾斜ミラー）９２を有する光路変換導波路（９０度光路変換導波路）９３を備える。レセプタクル９１は、光路変換導波路９３と光学的に結合される光ファイバー１を保持する光ファイバ保持部としてのプラグ９５を受け入れる窪み部９６を有する。また、光路変換導波路９３の光ファイバー１と結合される側には、レンズ９４を備えることができる。この場合、市販のレンズ付きの光路変換導波路を用いることもできる。このように本実施例は、前述の実施例におけるフェルール２に代えて、４５度傾斜ミラー９２を有する光路変換導波路９３を備えたレセプタクル９１と光ファイバー１を保持するプラグ９５との組合わせを用いたものである。

光導波路３を有する基板４上にはパッド３１を介して配置された位置合せマーク（突起）３２が設けられる。また、レセプタクル９１の下面には位置合せマークに整合する位置合わせマーク（凹部）４３が設けられる。この位置合せマーク３２，４３は、それぞれ３個以上形成されることが好ましい。さらに、光導波路３を有する基板４に垂直方向に設けられた穴８１とこの穴に対応してレセプタクル９１に垂直方向に設けられた穴８２とを連結して基板４にレセプタクル９１を固定するための固定ピン８３が設けられる。固定ピン８３は複数箇所に設けることが好ましい。レセプタクル９１上面では穴８２と固定ピン８３とが接着剤８４で固定される。これにより、レセプタクル９１は基板４にしっかりと固定されるので、レセプタクル９１に対しプラグ９５を抜き差ししてもレセプタクル９１に位置ずれを生ずることはない。本実施例では、固定ピンは基板側に形成しているが、レセプタクル９１側に形成しておく事も勿論可能である。

このように、本実施例によれば、基板端部において基板に水平方向で光ファイバー保持部（プラグ）をレセプタクルに抜き差しできるコネクタを得ることができる。レセプタクル／プラグの取り合い点は基板に水平方向に行うようにする。基板の伸び縮みによる水平面内の変化は光線の軸方向のずれに対応しており、軸に垂直方向の変化よりも影響を受けにくい構造となる。本実施例では、簡便に精度良くレセプタクルを基板に搭載し、またレセプタクルの中に精度良く９０度光路変換導波路を導入する。従来、高温高湿環境下における各部の熱膨張係数などの違いで合わせずれが生じることがあり、プラグは固定ボールによる合せにより基本的には基板の変化に追従するような構造にしていたが、基板端部のような、ずれの大きなところでマージンを十分取ることは難しかった。本実施例では、特に基板端部において作業性や基板の伸び縮みの影響を受けにくい、光ファイバー導波路接続を可能とするプラガブルなコネクタ構造とした。

本実施例のレセプタクル９１には、その内部に９０度光路変換導波路９３が精度良く圧入されている。図１０は、レセプタクルへの９０度光路変換導波路の挿入方法の一例を示す概念図である。本図では簡略のためプラグを受け入れるレセプタクルの窪み部等を省略している。図示のように、一体成形した９０度光路変換導波路９３に溝１０１を形成し、この溝１０１に対応する突起１０２を設けたレセプタクル９１の開口部１０３に９０度光路変換導波路９３を矢印方向に押し込む。これとは逆に、光路変換導波路側に突起を形成し、レセプタクル側に溝を形成してもよい。この溝と突起の組み合わせでレセプタクルと９０度光路変換導波路との高精度な合わせ精度を獲得することができる。つまり３次元的に精度良く２つの部品を組み立てることが可能となる。ここでは、溝や突起をコネクタの両端に形成しているが、周囲であればどこでも良いし、その形状も入り口が広くて、奥に行くと狭くなるような形状で良い事もその精度向上の観点からは有効である。尚、複数チャンネルの一体成形型９０度光路変換導波路は市場から購入できる。

次に、このようなレセプタクル９１を、光導波路３を有する基板４上に精度良く固定する方法を説明する。まず、光導波路３を介して基板４に上がって来た光スポットおよび写真触刻の精度で形成した複数の位置合せマーク３２，４３を用いてレセプタクル９１を基板４に仮止めし、引き続くＳＭＴ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｍｏｕｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）ではんだ接続を行なう。位置合せマーク（はんだボール）３２はパッド３１上に形成される。はんだボール（突起）３２は、基板側のパターンにしたがって自己整合的に形成される。一方、レセプタクル側には、基板側のパターン精度に応じた複数の位置合せマーク（凹部）４３が形成される。位置合せマークは、それぞれ少なくとも三点有れば、３次元的な位置が規定される。その形状は、例えば円錐状あるいは角錐状のようなものが望ましい。固定ピン８３を用いる場合、これを位置決めはんだボールよりも高い温度で仮固定する。固定ピン８３とレセプタクル９１はラフな整合レベルでよい。その後、実際の電子部品を導波路一体型基板上にマウントし、そのままＳＭＴではんだを溶融し、レセプタクル９１を光導波路３を有する基板４に固定する。この後、レセプタクルをＭＴフェルールのような良く知られたプラグ側部品と合せ或いはワンタッチ式の爪やクリップを利用して固定する一般的な方式でコネクタを完成させる。レセプタクル側の凹部は一体成形の精度でレセプタクル側とのアライメントをとった形で形成することができる。

このようなレセプタクルを光導波路を有する基板に搭載し、プラグをレセプタクルに十分なマージンを持てプラガブルにワンタッチで装着することにより、光ファイバー経由の外部からの光信号を基板内の光導波路に良好に結合させることができる。また、その装着に対しても従来標準化されてきたＭＴフェルールなどを利用することができる。

図１１（ａ）〜（ｇ）は、図９に示す実施例に係る光結合装置の作製方法の一例を示す図である。まず、レセプタクル側では、図１１（ａ）に示すような一体成形で作成した９０度光路変換導波路９３を、例えば図１１（ｂ）に示すような熱伝導性プラスチックで作製したレセプタクル９１に圧入して、図１１（ｃ）に示すようなレセプタクル９１を作製する。この際、上記図１０で説明したような溝と突起（凹凸）を形成し、はめあいのアライメントを向上させるような工夫をすることが望ましい。また、以下のプロセスで必要となる固定ピン８３の挿入用の穴（図示していない）や位置合せマーク（凹部）４３を形成しておく。位置合せ用の凹部４３の形状は、例えば逆ピラミッド状のものとすることができるが、これに限定されるものではなく、はんだボール（突起）との適合精度を向上するように選択することができる。

一方、基板側は、図１１（ｄ）に示すような通常のＰＷＢＡ基板（ＦＲ−４）４に、図１１（ｅ）に示すような光導波路３と９０度光路変換ミラー（４５度傾斜ミラー）１０を形成する。マルチモード（ＭＭ）用の導波路であれば光は約数１０μ程度の直径で基板４から上方へ放射される。４５度傾斜ミラー（マイクロミラー）１０との整合を取り、基板４上に例えばＣｕ製のメタルパターン３１を形成する。その後、図１１（ｆ）に示すように、はんだ或いは所定のサイズのビーズ或いはメタルボール（はんだボール）３２をメタルパターン３１上に作成する。メタルパターン３１およびはんだボール３２の高さや形状あるいはサイズは、位置決め上有効なように選択される。この場合、はんだボール３２の位置と分離高さ（基板とレセプタクル間の距離）を精度良く形成することが必要である。通常は位置合わせマーク３２は３つ以上形成することが望ましい。本例では、マイクロミラーは写真印刷技術でパターンを形成するので、その層に合わせるようにメタルパターンを形成する。つまり写真触刻（フォトリソグラフィー）の精度で２つのパターンの位置決めができる。

このようにして作製したレセプタクル９１を、図１１（ｇ）に示すように、光導波路３を有する基板４上に搭載する。この際、図示しない固定ピン８３で両者をラフに合せ、次にレセプタクル９１の凹部４３と基板４上のはんだボール３２とで両者を精度良く位置決めし、さらに図示しない固定ピン８３を利用して固定する。

その後、レセプタクル９１に合うように光ファイバー１を組み込んだプラグ９５で、無調芯で両者の結合を行ない、その状態でスプリング９７等で両者を固定する。図中には記載していないが、合せ用のピンで位置決めしてスプリング９７で固定するのは、基本的にはＭＴフェルールの方式と同様である。図１２は、光導波路を有する基板上に搭載されたレセプタクルにプラグを結合した光結合装置の一例を示す図である。本実施例における光路１２１は、図示のように、光ファイバー１−レンズ９４−光路変換導波路９３（４５度傾斜ミラー９２）−基板４の光導波路３の経路に形成される。プラグとレセプタクルの固定方法には色々な方法がある。その固定の仕方はそれぞれの標準やそれに準じる方法でワンタッチに固定できれば良い。このような方法で光ファイバーと光導波路とを、ＭＭの場合は調芯することなく、その結合損を十分小さくする光結合装置を得ることができる。

本発明は、光ファイバーから伝達された外部からの光信号を基板に設けられた導波路に取り込むための光結合装置に関するものであり、産業上の利用可能性がある。

本発明に係る光結合装置の一実施例を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。 本発明に用いるフェルールの他の実施例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。 （ａ）、（ｂ）は本発明における光導波路を有する基板の作製方法の一例を示す図である。 本発明におけるフェルールの作製方法の一例を示す図である。 （ａ）、（ｂ）はエッチングプロセスで用いるＫＯＨに対するＩＰＡ濃度依存性を示す図である。 Ｓｉ異方性エッチングのパターン形状を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ’断面図である。 Ｓｉ異方性エッチングの時間依存性を示す図である。 導波路基板とファイバー用フェルールを位置合わせして結合した例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＡ−Ａ’断面図である。 本発明に係る光結合装置の他の実施例を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。 レセプタクルへの９０度光路変換導波路の挿入方法の一例を示す概念図である。 （ａ）〜（ｇ）は図９に示す実施例に係る光結合装置の作製方法の一例を示す図である。 光導波路を有する基板上に搭載されたレセプタクルにプラグを結合した光結合装置の一例を示す図である。

符号の説明

１ 光ファイバー
２ フェルール
３ 光導波路
４ 基板（ＰＷＢＡ）
５ Ｖ溝
６ フェルールの９０度光路変換ミラー（４５度傾斜ミラー）
７ コア
８ 上側クラッド
９ 下側クラッド
１０ 光導波路の９０度光路変換ミラー（４５度傾斜ミラー）
９１ レセプタクル
９２ 光路変換導波路の９０度光路変換ミラー（４５度傾斜ミラー）
９３ 光路変換導波路
９４ レンズ
９５ プラグ
９６ 窪み部

Claims (20)

1. 光導波路を有する基板と、前記基板上に配置され前記光導波路と光学的に結合可能とされる結合部とを備えた光結合装置であって、前記結合部が光ファイバーを固定するための溝および前記光ファイバーに対向して設けられた９０度光路変換ミラーを有することを特徴とする光結合装置。
2. 前記光導波路が、前記結合部からの光の向きを変える９０度光路変換ミラーを有することを特徴とする請求項１記載の光結合装置。
3. 前記結合部の光ファイバーを固定するための前記溝がＶ溝であることを特徴とする請求項１または２記載の光結合装置。
4. 前記結合部の９０度光路変換ミラーおよび前記溝が一体で形成されたものであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の光結合装置。
5. 前記結合部の９０度光路変換ミラーおよび前記溝が、Ｓｉの異方性エッチングで形成されたものであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の光結合装置。
6. 前記結合部の９０度光路変換ミラーおよび前記溝が、成型技術を利用して形成されたものであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の光結合装置。
7. 位置合せマークを有する光導波路搭載基板と、前記基板の位置合せマークに整合する位置合わせマークにより前記基板上に位置合わせされた結合部とを備え、前記結合部が光ファイバーを固定するための溝および前記光ファイバーに対向して設けられた９０度光路変換ミラーを有することを特徴とする光結合装置。
8. 前記基板および結合部の位置合せマークが、それぞれ３個以上あることを特徴とする請求項７記載の光結合装置。
9. 前記基板の位置合せマークが球面状の突起であり、前記結合部の位置合せマークが四角錐状の凹部であることを特徴とする請求項７または８記載の光結合装置。
10. 前記結合部の９０度光路変換ミラー、前記溝および前記結合部の位置合せマークが、Ｓｉの異方性エッチングで形成されたものであることを特徴とする請求項７ないし９のいずれかに記載の光結合装置。
11. 光導波路を有する基板と光学的に結合可能とされる結合器であって、光ファイバーを固定するための溝および前記光ファイバーに対向して設けられた９０度光路変換ミラーを備えたことを特徴とする結合器。
12. 前記溝および前記９０度光路変換ミラーが、Ｓｉの異方性エッチングで形成されたものであることを特徴とする請求項１１記載の結合器。
13. 前記溝および前記９０度光路変換ミラーが、成型技術を利用して形成されたものであることを特徴とする請求項１１記載の結合器。
14. 光導波路を有する基板と、前記基板上に配置され前記光導波路と光学的に結合可能とされる結合部とを備えた光結合装置であって、前記結合部が、前記光導波路と光学的に結合される光路を９０度変換する９０度光路変換ミラーを有する光路変換導波路を備えたことを特徴とする光結合装置。
15. 前記基板上に配置された第１の位置合せマークと、前記第１の位置合せマークに整合する前記結合部下面に配置された第２の位置合わせマークとを備えたことを特徴とする請求項１４記載の光結合装置。
16. 前記第１の位置合せマークが突起であり、前記第２の位置合わせマークが凹部であることを特徴とする請求項１５記載の光結合装置。
17. 前記第１および第２の位置合せマークが、それぞれ３個以上形成されたことを特徴とする請求項１５または１６記載の光結合装置。
18. 前記基板に垂直方向に設けられた第１の穴と前記第１の穴に対応して前記結合部に垂直方向に設けられた第２の穴とを連結して前記基板に前記結合部を固定する固定ピンを備えたことを特徴とする請求項１４〜１７のいずれかに記載の光結合装置。
19. 前記結合部が、前記光路変換導波路と光学的に結合される光ファイバーを保持する光ファイバ保持部を受け入れる窪み部を有することを特徴とする請求項１４〜１８のいずれかに記載の光結合装置。
20. 前記結合部が、前記光路変換導波路の前記光ファイバーと光学的に結合される側にレンズを備えることを特徴とする請求項１９記載の光結合装置。

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