光波導路與光纖之間的連接方法
2023-10-07 06:00:19 1
專利名稱：光波導路與光纖之間的連接方法
技術領域：
本發明涉及光通信系統中的光波導路與光纖之間的連接方法。
通常，在光通信系統的構成中，使用光波導路元件作為光零件。作為光波導路元件，大致區分為例如在Si基片上澱積具有不同折射率的石英玻璃而形成光波導路;及在由GaAs、LiN等構成的特殊半導體基片上層疊各種組成的半導體薄膜而形成光波導路。
為了在光通信系統中使這些石英類的光波導路和半導體類的光波導路執行作為光零件的功能，在這種情況下，為了實現光的輸入和輸出，就必須把這些光波導路與光纖進行連接。即，必須把光波導路的模型與光纖相互進行調心而連接。
對該連接方法，例如，是下述那樣的方法，用連接石英類光波導路的1×8分離器片和光纖的情況來說明該方法。
如
圖1(A)所示，在矽基片10上形成了構成輸入輸出光波導路11的1×8分離器片12，如圖1(B)所示，通過將其粘接到水槽形的金屬制殼13內而進行固定，經退火而形成光波導路零件。接著，如圖1(C)所示，該光波導路零件片12同殼13一側端面13a一起與內插著1條光纖14的，能夠以6個自由度轉動的輸入側光纖連接器15進行對接。然後，如圖1(D)所示，適當移動該輸入側光纖連接器15，使從光纖14入射光線並且在來自片12的各輸出波導路11的輸出光強變為最大的位置上，用YAG雷射和粘接劑來把輸入光波導路11與光纖14的芯進行軸調心並連接起來。
而後，如圖1(E)所示，以與片12的輸出光波導路11間的間距相同的間距，平行地固定8條光纖14的輸出側光纖連接器16，同殼13的另一端面13b對接。最後，如圖1(F)所示，按6個自由度適當地移動該輸出側光纖連接器16，由光纖14入射光線，在來自8條光纖的輸出光強度變到最大的位置上，使用YAG雷射和粘接劑等來將輸出光波導路11和光纖14的芯進行軸調心並連接起來。由此，進行光波導路同光纖的連接。
但是，在上述的連接方法情況下，沒有用於對在光波導路元件中形成的光波導路與內插在光纖連接器中的光纖之間進行相互軸調心的基準，僅在光纖中導入光，只是以此時的輸出光強度的大小來判斷有無軸芯偏移的狀態，則連接的可靠性較低。
而且，在上述連接方法的情況下，為了進行殼端面與光纖連接器的位置確定並將兩者連接起來，對於一次連接，由於至少要有一小時的作業時間，則對於大量生產就是不可能的。而且必須要有極昂貴的位置決定固定裝置。
本發明的目的是提供光波導路與光纖之間的連接方法，不必用昂貴的位置決定固定裝置，就能在短時間內非常簡單地進行光波導路與光纖的調心和連接。
該目的是通過下述的光波導路與光纖的連接方法而實現的，當用光刻法對光波導路進行布圖時，在光波導路基片上同時形成光波導路和標和標識，在該標識以外的區域形成包層將光波導路填埋，把標識作為位置基準而形成配合銷用溝，使用該配合銷用溝來連接光波導路模件和光纖連接器。
圖1(A)～(F)是表示現有光波導路與光纖連接過程的示意圖;
圖2(A)～(E)是表示本發明方法中使用的光波導路片的製造過程示意圖;
圖3(A)是在本發明的方法中使用的光纖用型芯平面圖，(B)是(A)所示光纖用型芯的正視圖，(C)是(A)所示光纖用型芯的側視圖;
圖4(A)，(C)，(E)是為了說明本發明連接方法的連接部平面圖，圖4(B)、(D)、(F)是圖4(A)、(C)、(E)所示連接部的側視圖;
圖5是本發明的1×8樹枝形分離器光波導路片的示意平面圖;
圖6是沿圖5的A-A線的斷面圖;
圖7是本發明的施加了V溝加工的1×8樹枝形分離器光波導路片的平面圖;
圖8是圖7所示的光波導路片發射端一側的側面圖;
圖9是本發明的光波導路模件的下部的示意斜視圖;
圖10是本發明的光波導路模件出射端一側的側視圖;
圖11是本發明的光纖連接器的斜視圖;
圖12是用本發明的方法進行連接的狀態的平面圖及側視圖;
圖13是在本發明第1實施例的光波導路模件的製造過程中，波導路芯和標識形成後的光波導路基片的上面圖;
圖14是圖13的光波導路基片的剖面圖;
圖15是顯示光波導路基片的填埋區域的光波導路基片上面圖;
圖16是V溝形成後的光波導路基片的剖面圖;
圖17是光波導路模件的裝配狀態剖面圖;
圖18是光波導路模件與光纖的連接狀態的剖面圖;以及圖19是本發明的通過塑性成形而製成的光纖連接器的斜視圖。
下面對照附圖對本發明的實施例進行詳細說明。
實施例1首先，按下述那樣製造光波導路。
如圖2(A)所示，在矽基片20上用火焰澱積法形成作為下部包層的SiO2層21。如圖2(B)所示，在SiO2層21上用火焰澱積法覆著作為光波導路材料的SiO2+TiO2從而形成光波導路層22。作為基片材料，除了矽之外，也可以使用陶瓷，半導體材料，玻璃等。
採用通常的光刻法形成該光波導路層22的布圖，如圖2(C)所示，形成光波導路線路(平面光波線路)23和標識24。即，在光波導路層22上形成抗蝕層(未圖示)，利用與光波導路線路23和標識24對應的掩膜而進行蝕刻，之後除去抗蝕層。
然後，如圖2(D)所示，在含有標識24的區域上方布置掩膜25，在形成了光波導路線路23和標識24的SiO2層上用火焰澱積法來澱積SiO2從而形成上部包層，這樣來製造圖2(E)所示的光波導路片1。
然後製造作為光纖單元的光纖用型芯。
把對單晶矽板狀體的表面和底面進行高精度加工使之成為平行的面作為基片，如圖3(A)～(C)所示，在該基片30上形成8條光纖用V溝31和標識用V溝32。此時，各光纖用V溝31如下述那樣形成可以把在該溝31中布置的光纖33芯部34與光波導路片的光波導路線路23進行位置對合，即芯部34之間的間隔Y1與光波導路線路23的中心之間的間隔成為相同。而且，標識用V溝32這樣形成光波導路片的標識24能進行位置對合，即芯部34與標識用V溝32的中央部的間隔Y2和波導路線路23的中心與標識24的中心的間隔成為相同。
在形成了光纖用V溝31和標識用V溝32的基片30上的各個光纖用V溝31中布置光纖33，在含有光纖用V溝31的區域上設置光纖壓板35從而製成光纖用型芯2。
而後，如圖4(A)和(B)所示，對於光波導路片1和光纖用型芯2的連接的一個例子進行說明。首先，在其表面經過平面加工的支承板40上設置光波導路片1和光纖用型芯2。此時，最好用粘接材料把光波導路片1或光纖用型芯2固定在支承板40上。
接著，如圖4(C)和D所示，把光波導路片1的連接端面與光纖用型芯(單元)2的連接端面進行對接，沿圖4(D)中的箭頭方向加壓力，而且，一邊把光波導路片1和光纖用型芯2壓裝到支承板40上一邊沿圖4(C)中的箭頭方向移動光纖用型芯2。進行該操作直到光波導路片1的標識24的中心與光纖用型芯2的標識用V溝32的中心位置重合為止。這樣，在把光波導路片1的光波導路線路23與安置在光纖用型芯2中的光纖33的芯部34進行位置重合結束之後，如圖4(E)和(F)所示，用粘接材料等把光波導路片1和光纖用型芯2固定到支承板40上。最好在把光波導路片1和光纖用型芯2進行連接和固定之後除去支承板40。儘管在本實施例中，使用SiO2+TiO2作為光波導路材料，用火焰澱積法作為形成方法來形成光波導路層，但使用上述的其他光波導路材料或使用其他的形成方法也可以得到本發明的效果。
實施例2如圖6所示，例如，在厚度為1mm的3英寸矽基片50的表面上，用火焰澱積法形成由石英玻璃構成的下部包層51。通過採用光刻和幹蝕刻的半導體精細加工技術來形成圖5所示的立體波導路結構。通過該加工，在矽基片50上，同時形成8條光波導路線路52和2組V溝用標識53。V溝用標識53作為以後加工V溝時的位置和高度的基準。
接著，用火焰澱積法，僅填埋光波導路線路52，形成上部包層55。此時，V溝用標識53為了作為V溝加工時的基準就不進行填埋。由此，作為對特定部分不進行填埋的方法，例如，使用用矽板等的掩膜蓋住該特定部分而進行火焰澱積的方法。並且，圖中54表示以後所進行切削加工的V溝中心。
如圖7所示，組合Y形分叉，光波導路線路52具有把1條輸入光波導路56分叉成為8條輸出光波導路57的1×8樹枝形分離器結構。以此在矽基片50上接連形成8條。在射出部分中的8條輸出光波導路57以250μm的間隔相互平行地排列那樣形成。如圖6所示，光波導路線路的結構是芯58的外周尺寸是8μm的四方形，折射率係數差為0.3%，單模式纖維和兼容的。
如圖6所示，V溝用標識53，例如，是寬10μm長30mm的2條線53a和53b以及寬3mm長20mm的線53c以10μm的間隔平行地並列而構成，如圖5所示，該組標識在8條光波導路線路52的兩側形成。
此後，用真空卡盤將矽基片50固定，在其上用切片機進行切削加工而形成大致為V字形的溝(以下簡稱為V溝)。由此，進行V溝59和光波導路56，57的位置組合，把預先設置在矽基片50上的V溝用標識53作為基準，例如，通過由CCD照像機的圖像處理確定基片平面上的位置，而且用靜電電容式位移計確定芯58上面的高度。通過切削加工而形成的V溝59的形狀是V部的角度(底部角度)約為60°，深度約為700μm。該V溝59這樣設定在嵌入直徑為0.7mm的配合銷61時，如圖8所示，芯58的中心與配合銷61的中心具有相同的高度。形成2個間距為4.6mm的V溝59夾住光波導路56、57。
最後，由切割鋸床把矽基片50切開分成8條片，製成形成了V溝59和光波導路56、57的下部基片60。該片的形狀為寬6.4mm長50mm。
而且，用切片機對陶瓷基片進行切削加工，為了壓到配合銷61的上面而形成2個大致為梯形的溝63，由切割鋸床而切開分成各片，由此得到預定個數的壓蓋62。該片的形狀為寬6.4mm長50mm。
此後，如圖9所示，把下部基片60通過粘接固定到固定臺66上，然後，把長8mm直徑為0.7mm的4條基片固定用銷64布置到下部基片60的各個V溝59中。此時，基片固定用銷64的長度方向的中心布置到位於分別離矽基片兩端面60a、60b12mm處。然後，如圖10所示，在下部基片60上放置壓蓋62，用夾板彈簧65夾住下部基片60和壓蓋62並通過粘接而固定，從而製成光波導路模件4。
象下述那樣來製造光纖連接器。
首先，如圖11所示，在由陶瓷構成的下部基片70上由切片機進行切削加工，形成容納光纖的光纖用V溝71和位於光纖用V漢71兩側用於配合銷61插入的用溝72。此時，光纖用V溝71和配合銷用V溝72的中心位置設定成分別對應於下部基片60的端面60b中的芯58和V溝59的中心位置。通過切削加工而形成的光纖用溝71的形狀是V部角度為60°，寬為210μm。而且，光纖用V溝71的間距為250μm。配合銷用V溝72的形狀是V部角度約為60°，深度約為700μm。該V溝72設定為當嵌入直徑為0.7mm的配合銷61時，後述的各光纖73芯的中心與配合銷61的中心為相同高度。形成2個相距4.6mm的配合銷用V溝72以夾住各光纖用V溝。
由下述過程製造光纖連接器用壓蓋74對陶瓷基片進行與壓蓋62相同的切削加工，為了能壓到配合銷61上面而形成2個大致為梯形的溝75。
接著，在下部基片70的光纖用V溝71上布置纖維外徑125μm、間距250μm的帶狀8心單模式纖維73，把壓蓋74放置並壓到下部基片70上，用環氧類粘結劑進行固定。此後，通過研磨對端面70a進行鏡面加工，從而製成光纖連接器5。而且，通過本實施例，可用相同的方法製造與光波導路模件4的出射端面60b進行連接的單心光纖連接器。
之後，如圖12所示，在光波導路模件4的2條V溝59中分別插入4條配合銷61並進行連接，一邊在多心和單心光纖連接器5的配合銷用V溝72中進行把配合銷61嵌入的位置確定，一邊把各光纖連接器5同光波導路模件4的兩端面進行對接。此時，在對接界面上，塗覆裝配油或裝配潤滑脂，就不會產生由菲涅爾反射而造成的損失。然後把壓簧76插入固定臺66，在對接面上附加適當的負荷。
因此，通過本實施例，由於通過分別插入配合銷來對光波導路模件和光纖連接器進行位置確定，因而就可以使在下部基片上形成的光波導路及導向溝的位置關係同光纖連接器中的光纖及導向溝或導向孔的位置關係正確地保持一致。因此，可以在短時間內非常簡單地進行光波導路模件與光纖連接器之間的連接。通過本實施例，光波導路元件和光纖連接器相互間可以裝卸，由此，就可以把不同模式的光波導路所形成的各光波導路模件在不調心的條件下同光纖連接器互換並連接。
進行由本實施例製造的光波導路元件和光纖連接器的連接試驗並對連接損失進行檢查，則連接損失平均為0.5dB，最大為1dB。光波導路和光纖的軸偏移被抑制到很小程度，可以認為是以低損失而進行兩者的連接。
實施例3首先，通過在矽基片80上用火焰澱積法形成下部包層81和芯層，製成板式波導路。然後如圖13(A)和圖14所示，由光刻和幹蝕刻對芯層進行布圖，形成波導路芯82和標識83。在基片上形成4組波導路芯82，在波導路芯82的兩側形成2條標識83，共計形成8條。而且，如圖13(B)所示，在標識兩側形成寬2.5mm、長50mm的帶狀標識。在光刻中使用的照相掩膜上描繪波導路芯圖形和標識圖形兩者。
然後，在圖15(A)和(B)所示的波導路芯82上的填埋區域中，層疊上部包層84，填埋波導路芯82。而且，對於標識83，為了利用以後V形溝形成時的位置合併，在其一部分不層疊上部包層84。其可以這樣實現例如，在用矽板等覆蓋著標識83一部分的狀態下通過火焰澱積法層疊上部包層。
此後，如圖16所示那樣，對矽基片80用切片機進行切削加工，形成V溝85。在這種情況下，V溝85的中心位置與各標識的中心位置重合，把V溝85的深度調整為標識83的中心同V溝85中所插入的配合銷86的中心相一致。然後在最後，用切割鋸床把各光波導路切斷分開，得到多個光波導路元件6。
把這樣得到的光波導路元件6同用與上述相同的切削加工形成溝的矽基片87，象圖17所示那樣，在配合銷86嵌入到兩者的溝的狀態下，用彈簧88進行固定，或者，通過用粘接劑粘緊，從而製成嵌入用光波導路模件7。把圖18(A)所示嵌入用光波導路模件7和圖18(B)所示光纖連接器8按圖18(C)那樣進行連接試驗，兩者能夠以0.3～1.0dB程度的連接損失得到連接。
實施例4在用與實施例2相同的方法製成下部基片60之後，研磨兩端面60a、60b、通過粘結固定到固定臺66上。然後4條配合銷61的中心高度位於上述端面中的光波導路56、57的中心高度處，如此布置到V溝59中，一邊加壓使上述V溝59的2面與配合銷61緊貼，一邊用粘接劑把上述配合銷61固定到下部基片60上，從而製成光波導路模件4。
把光纖連接器5與配合銷61進行嵌入從而確定位置，同時與光波導路模件4的兩端面進行對接，而且在對接界面上塗覆粘結劑，在對光波導路模件4和光纖連接器5進行加壓的同時，通過加熱使粘結劑固化從而將兩者連接起來。
通過與本實施例有關的光波導路模件和光纖連接器的連接試驗來對連接損失進行檢查，損失平均為0.5dB，最大為1dB，由此確認兩者可以連接。
然後，使用在350～450nm的波長範圍中透過20%以上光線的結晶化玻璃作為其材料來製造光纖連接器及光波導路用壓蓋。而且，在對接界面上塗覆的粘結劑，是紫外線固化型，而且為了使對接界面處的菲涅耳反射較小則應使其折射率接近於石英玻璃為1.456的東西，通過從對接上部照射紫外線來進行固化。
對於該方法，得到與上述連接試驗相同的結果。而且，與使用熱固型粘結劑的情況相比，作業時間可以大幅度縮短。
實施例5使用矽代替陶瓷作為光纖連接器的材料，用切片機進行切削加工在其上形成V溝71，72，按實施例2那樣對該光纖連接器進行裝配，檢查連接損失，初期特性與實施例2相同，平均損失為0.5dB，最大損失1dB，得出兩者能夠連接的結果。
而且，進行熱循環試驗，在-10℃～60℃之間的試驗中，損失變化為±0.2dB以下。因而，與使用陶瓷製的光纖連接器時的損失變化達0.5dB以上相對而言，可以認為得到了大幅度的改善。
通常，由於矽的線膨脹係數約為2×10-6/℃，而陶瓷的線膨脹係數約為10×10-6/℃，則在光波導路模件中使用矽而光纖連接器中使用陶瓷的情況下，由於熱膨脹係數不同而在高溫和低溫時標識用V溝的間距在連接端面處產生約1μm的偏移。為了對其進行補償，就要在光波導路模件或光纖連接器中產生彎曲，由此就帶來了因軸偏移而產生的損失。因此，損失變化變小是因為光波導路模件的材料與光纖連接器的材料相同。
即，向本實施例所示那樣，通過使用具有同一線膨脹係數的材料來製造光波導路模件及光纖連接器，就不會產生那樣的間距偏移，可以認為減小了因熱循環而產生的損失變化。
實施例6在本實施例中，為了證實由上述實施例5所說明的線膨脹係數不同對損失變化產生的影響，使用具有從1×10-6/℃到10×10-6/℃的每個相差1×10-6/℃線膨脹係數的10種結晶化玻璃陶瓷，分別製造光纖連接器，在上述溫度下進行熱循環試驗。其結果證明了在使用具有7×10-6/℃以下線膨脹係數的結晶化玻璃陶瓷的情況下，損失變化為±0.2dB以下。
由該結果，可以認為損失變化主要取決於光波導路模件和光纖連接器的材料的線膨脹係數差。因此，在V溝72的間距為4.6mm程度的情況下，如果光波導路模件和光纖連接器的線膨脹係數差為7×10-6/℃，高溫和低溫時的損失變化被抑制到較低。
實施例7在本實施例中，用圖19所示的通過塑性成形製成的光纖連接器來代替實施例2所述的陶瓷製光纖連接器，該光纖連接器，通常是用做多芯纖維連接器的那類器件，與使用上述切片機進行切削加工而形成溝相比較，能以低成本進行批量生產。在本實施例情況下，可以證實連接損失在每個點是平均0.5dB，最大1dB的損失，能進行兩者的連接。
實施例8在本實施例中，用與實施例2中所述的光波導路模件相同的材料構成光波導路模件。但是，用環氧類粘結劑把配合銷與光波導路模件和光纖連接器兩者進行固定。由此因光波導路模件和光纖連接器的拆卸成為不可能，則可以使因振動等外部原因造成的光輸出變化被大大抑制到0.02dB以下。
而且可以證明在用粘結劑僅固定光波導路模件或光纖連接器中任一個的情況下，因振動等外部因素造成的光輸出變化同樣比沒有固定的情況要小。
通過以上說明，用本發明的方法，不填埋標識，把該標識作為位置基準而進行調心，即，正確地使光波導路元件上形成的光波導路同導溝的位置關係，及光纖連接器中光纖同導向溝或導向孔的位置關係保持相一致來進行加工。光波導路和光纖可以不調心而進行高精度連接。為此，組裝時間大幅度縮短了，由於不填埋標識，可以進行目視，能很容易作為位置基準。
因而，光波導路和光纖的軸偏移能抑制到較小，從而能進行低損失的光連接。由於通過分別插入配合銷就能進行容納光波導元件的光波導路部件和光纖連接器的位置確定，則上述光波導路部件同光纖連接器互相能進行裝卸，由此，能夠把光波導部件本身作為可裝卸的一種連接器使用。因而，本發明的方法，與現有的，用粘結劑等把光波導路模件同光纖連接器半永久地固定及通過熔接等對從光波導路部件伸出的豬尾巴狀的光纖同其他部件的光纖進行連接的方法相比，能夠減小連接損失並削減連接部的多餘長度容納空間。
在本發明的方法中，通過把光波導路模件和光纖連接器材料的線膨脹係數差保持在一定值以下，就能把高溫及低溫時的換失變化抑制在較小。
權利要求
1.光波導路與光纖的連接方法，其特徵在於，在形成於基片上的下部包層上覆著光波導路材料，通過用光刻法對該光波導路材料進行布圖，形成具有預定間隔並排設置的多條光波導路及與該光波導路保持預定距離而定位的標識，在除該標識以外的區域上形成上部包層從而製成光波線路，為了把該標識作為安置配合銷的基準而形成斷面大致為V字形的配合銷用溝，以製成光波導路模件，在基體上形成用於固定光纖的多個光纖用溝和用於與前述標識進行位置對合的配合銷用溝或孔，把光纖固定到光纖用溝或孔中，從而製成光纖連接器，把配合銷插入到上述光波導路的配合銷用溝和上述光纖連接器的配合銷用溝中，並進行位置對合，由此把各光纖與光波線路進行連接。
2.根據權利要求1所述的光波導路與光纖的連接方法，其特徵在於，配合銷用溝這樣形成光波線路芯的中心與配合銷中心為同一高度。
3.根據權利要求1所述的光波導路與光纖的連接方法，其特徵在於把壓蓋安裝到基片和基體中的至少一個上。
4.根據權利要求1所述的光波導路與光纖的連接方法，其特徵在於對光纖連接器的端面進行鏡面加工。
5.根據權利要求1所述的光波導路與光纖的連接方法，其特徵在於在光纖與光波線路的連接面上置入裝配劑。
6.根據權利要求1所述的光波導路與光纖的連接方法，其特徵在於光波導路模件材料的線膨脹係數同光纖連接器材料的線膨脹係數大致相等。
7.根據權利要求1所述的光波導路與光纖的連接方法，其特徵在於，光纖連接器通過塑性成形製成。
8.光波導路與光纖的連結方法，其特徵在於在形成於基片上的下部包層上覆著光波導路材料，通過用光刻法對該光波導路材料進行布圖，形成與具有預定間隔並排設置的多個光纖相對應的光波線路及與該光波線路保持預定距離並進行定位的標識，在除該標識以外的區域上形成上部包層並製造光波導路，在基體上形成用於安裝光纖的斷面大致呈V字形的多個光纖用溝和用於與上述標識進行位置對合的斷面略呈V字形的標識用溝，並在基體光纖用溝中放置光纖從而製成光纖單元，通過使上述光波導路的標識與上述光纖單元的標識用溝位置對合，把各光纖與光波線路進行連接。
全文摘要
一種將光濾導路與光纖進行連接的方法，在用光刻法對光波導路進行布圖時，在光波導路基片上同時形成光波導路和標識，在該標識以外的區域形成包層並將光波導路填埋，把標識作為位置基準而形成配合銷用溝，通過使用該配合銷用溝來連接光波導路模件和光纖連接器。由此，不必使用昂貴的確定位置的固定裝置，能在短時間內非常簡單地對光波導路同光纖進行調心連接。
文檔編號G02B6/30GK1070049SQ92104890
公開日1993年3月17日 申請日期1992年5月20日 優先權日1991年5月20日
發明者中村史朗, 清水健男, 柳川久治, 太田壽彥, 繁松孝, 落合俊宏, 小林孝市 申請人:古河電氣工業株式會社