JP5966915B2

JP5966915B2 - 光接合装置及び光部品接続方法

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Publication number: JP5966915B2
Application number: JP2012282582A
Authority: JP
Inventors: 幸宏陽奥; 和範丸山; 西山　陽二; 陽二西山; 遠藤　康浩; 康浩遠藤
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2012-12-26
Filing date: 2012-12-26
Publication date: 2016-08-10
Anticipated expiration: 2032-12-26
Also published as: JP2014126664A

Description

本発明は、光接合装置及び光部品接続方法に関する。

光通信装置間のデータ伝送において電気伝送を光伝送に置き換え、複数の系統に光を送信する必要から、光信号を並列に伝送できる光導波路を備えたデバイスが要求されている。光通信装置は、電気通信を光に変換する光半導体装置や光導波路などを備えている。光導波路の光入出力端部では、他の光部品との相互間で光信号を送受信するために光ファイバに接続されることがある。この場合、光導波路と光ファイバを互いに調心して接続するが、信号の高密度化に伴い、次のような要求がある。

例えば、光ファイバのコアは細線化のために数μｍレベルの径のものが使用される場合、光導波路との間で互いの光軸のズレによる接続損失を抑える必要がある。このため、光導波路と光ファイバの接続にはサブミクロンレベルの高い位置合わせ精度が要求される。また、光通信で使用される通信波長帯域の増大により通信ラインの多重化が進んでおり、高いスループットで光導波路と光ファイバを接合することが求められている。

光導波路を備えた光導波路チップと光ファイバが取り付けられた光ファイバアレイの接続方法として、双方に位置決め用のピン溝を形成し、互いのピン溝にガイドピンを挿入することにより位置決めしながら光導波路と光ファイバを接合する方法がある。ピン溝の加工方法には、スライサなどを使用する機械加工方法や、半導体プロセスを用いたエッチング方法があるが、機械加工方法では高い精度が得られない。

半導体プロセスを用いる方法においては、まずシリコン基板の（１００）面を主面とし、その上に開口部を有するマスクを形成し、シリコン基板の主面を露出させる。その後に、開口部を通してシリコン基板をエッチングすると、結晶異方性により、ガイドピンが載置されるＶ溝が形成される。

特開平５−２６４８６４号公報特開平５−２６４８５９号公報特開平６−１６７６３５号公報

しかしながら、結晶異方性のエッチングによりＶ溝を形成する場合、主面に対するＶ溝の斜面の角度は結晶異方性により約５４．７度となり、Ｖ溝の幅、即ちマスクの幅によりＶ溝の深さが一義的に決定する。このため、マスクの開口部の大きさにズレがあったり、或いはエッチング時に基板の向きにずれがあったりすると、Ｖ溝の幅が本来想定している大きさと相違する。これにより、Ｖ溝の深さにもズレが生じ、Ｖ溝に挿入するガイドピンの中心と光導波路の中心の配置に高さ方向のズレが発生し、光接続損失が大きくなってしまう。

本発明の目的は、光部品に形成されるピン溝に取り付けられるガイドピンの高さ方向のズレを抑制し、光部品同士を良好に光接続することができる光接合装置及び光部品接続方法を提供することにある。

本実施形態の１つの観点によれば、ファイバ用Ｖ溝と、前記ファイバ用Ｖ溝の側方で前記ファイバ用Ｖ溝の長手方向に沿って配置される第１ピン用Ｖ溝が形成された固定チップと、前記ファイバ用Ｖ溝に嵌められる光ファイバと、前記第１ピン用Ｖ溝に一端が外方に突出して嵌められるガイドピンと、を含む光ファイバ部品と、端部から内部に向けて段階的に幅が狭く変化する連続した複数の段を有し、前記複数の段のいずれかに前記ガイドピンの前記一端が嵌められる第２ピン用Ｖ溝が形成された基板と、前記基板のうち前記第２ピン用Ｖ溝の側方に形成され、前記光ファイバの端部に光接続される光導波路と、を含む光導波路部品と、を有する光接続装置が提供される。
発明の目的および利点は、請求の範囲に具体的に記載された構成要素および組み合わせによって実現され達成される。前述の一般的な説明および以下の詳細な説明は、典型例および説明のためのものであって、本発明を限定するためのものではない、と理解されるものである。

本実施形態によれば、光部品に形成されるピン溝に取り付けられるガイドピンの高さ方向のズレを抑制し、光部品同士を良好に光接続することができる。

図１は、実施形態に係る光接続装置における光部品を接続する方法を示す斜視図である。図２（ａ）は実施形態に係る光接続装置に使用される光導波路チップと光ファイバアレイの接続方法を示す平面図、図２（ｂ）は、実施形態に係る光接続装置に使用される光導波路の断面図、図２（ｃ）は実施形態に係る光接続装置に使用される光ファイバアレイの断面図である。図３は、実施形態に係る光接続装置における光導波路チップに形成されるＶ溝の一例を示す端面図である。図４は、実施形態に係る光接続装置における光導波路チップに形成されるＶ溝の幅の大きさとＶ溝上のガイドピンの中心位置の関係を示す図である。図５（ａ）〜（ｄ）は、実施形態に係る光接続装置における光導波路チップの形成工程の一例を示す断面図である。図６（ａ）〜（ｄ）は、実施形態に係る光接続装置における光導波路チップの形成工程の一例を示す断面図である。図７は、実施形態に係る光接続装置における光導波路チップの形成工程において形成されるマスクの一例を示す平面図である。図８（ａ）〜（ｄ）は、実施形態に係る光接続装置における光ファイバフェルールの形成工程の一例を示す断面図である。図９（ａ）〜（ｃ）は、実施形態に係る光接続装置における光導波路チップに形成されるＶ溝とその上に嵌められる光ファイバの位置関係を示す端面図である。図１０（ａ）、（ｂ）は、実施形態に係る光接続装置における光ファイバフェルールに形成されるＶ溝の製造誤差とＶ溝上に嵌められる光ファイバ、ガイドピンの位置関係を示す端面図である。

以下に、図面を参照して実施形態を説明する。図面において、同様の構成要素には同じ参照番号が付されている。
図１は、実施形態に係る光接続装置における光部品を接続する前の状態を示す斜視図である。図２（ａ）は、実施形態に係る光接続装置における光部品を接続する前の状態を示す平面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＩ−Ｉ線断面図、図２（ｃ）は図２（ａ）のII−II線断面図である。
図１、図２において、光接続する光部品として光ファイバフェルール１１と光導波路チップ２１を使用する。

光ファイバフェルール１１は、立方体形状の固定チップ１２、複数の光ファイバ１６ａ〜１６ｄ、円柱状の一対のガイドピン１７、１８及びクランプ１９を有している。固定チップ１２の主面には、幅方向（図中ｘ方向）に等間隔で複数のファイバ用Ｖ溝１３ａ〜１３ｄが平行に形成されている。ファイバ用Ｖ溝１３ａ〜１３ｄが形成される領域の両側には間隔をおいて一対のピン用Ｖ溝１４、１５が形成されている。ファイバ用Ｖ溝１３ａ〜１３ｄとピン用Ｖ溝１４、１５は、長手方向（図中ｚ方向）に直線状に形成され、それらの幅、深さは例えば同じになるように形成されることが好ましい。しかし、使用されるガイドピンの直径が光ファイバの直径よりも大きい場合には、ピン用Ｖ溝１４、１５はファイバ用Ｖ溝１３ａ〜１３ｄより大きく形成される。

複数のファイバ用Ｖ溝１３ａ〜１３ｄのそれぞれには光ファイバ１６ａ〜１６ｄの先端部が接着剤により接着され、それらの先端面は固定チップ１２の先端面に揃うように位置合わせされている。また、一対のピン用Ｖ溝１４、１５には、ガイドピン１７、１８がそれぞれ長手方向に移動可能に嵌め込まれ、ガイドピン１７、１８の先端部及び後端部は固定チップ１２から前後の外方に突出する状態で取り付けら、その先端の突出量は揃えられる。ガイドピン１７、１８の後端には、図２（ａ）に示すように、直径の大きなフランジ部１７ａ、１８ａが形成されてもよい。

固定チップ１２に取り付けられたガイドピン１７、１８は、固定チップ１２を上下から挟むクランプ１９の内側の平坦な底面により固定チップ１２に向けて押圧、仮固定され、上下方向（ｙ方向）、側方（ｘ方向）への移動が規制される。

クランプ１９は、弾性材から形成され、その前後端が開放され、その内側の上面と底面により固定チップ１２上のガイドピン１７、１８、光ファイバ１６ａ〜１６ｄをバネ性により挟み込む構造を有している。クランプ１９の上部には、両側を分断するスリット１９ａが形成され、固定チップ１２とガイドピン１７、１８の位置に応じて開き量が変化する構造になっている。

光導波路チップ２１は、基板２２とその上に載置される天板２９を有している。基板２２の主面には、複数の直線状の光導波路２３ａ〜２３ｄが幅方向（ｘ方向）に等間隔で平行に形成され、それらの端面が光ファイバ１６ａ〜１６ｄのコアＣに光結合する間隔で配置される。また、その主面のうち光導波路２３ａ〜２３ｄが形成される領域の両側方には、一対のピン用Ｖ溝２７、２８が基板２２の端面に対して垂直方向に長く形成されている。

天板２９は、一対のピン用Ｖ溝２７、２８のそれぞれに嵌め込まれるガイドピン１７、１８の端部を基板２２に向けて押圧する下面を有し、その両側端には基板２２上に接着される脚部２９ａ、２９ｂを有している。ここで、一対のガイドピン１７、１８の半径をＲとし、光導波路２３ａ〜２３ｄの基板２２主面からの垂直向の中心の高さをＨ_０とすると、天板２９の下面のうち基板２２の主面からの高さは（Ｒ＋Ｈ_０）〜（Ｒ＋Ｈ_０±０．５μｍ）の範囲になるように設定することが望ましい。

光導波路チップ２１における一対のピン用Ｖ溝２７、２８は、光ファイバフェルール１１から突出するガイドピン１７、１８の先端部を基板２２内部に向けて案内する大きさと深さを有している。一対のピン用Ｖ溝２７、２８の幅と深さは、ガイドピン１７、１８の挿入端から内部に向けて段階的に小さくなるように複数の階段状に変化する形状を有している。一対のピン用Ｖ溝２７、２８の長さ方向で、幅のｎ段（２＜ｎ：自然数）のそれぞれの片側での変化量を例えば０．５μｍとする。なお、ピン用Ｖ溝２７、２８の幅は、基板２２主面における幅を示す。

ここで、図３に例示するように、ガイドピン１７、１８の半径をＲとし、基板２２の主面に対するガイドピン１７、１８の中心の高さをＨ_０とし、ピン用Ｖ溝２７、２８の幅をＷとし、それらの斜面の主面に対する溝内側の角度をθ度とする。この場合、Ｈ_０は、基板２２の主面から垂直方向の光導波路２３ａ〜２３ｄの中心までの高さに設定されることが好ましい。また、基板２２の主面の垂直方向において、ピン用Ｖ溝２７、２８の底部からその上のガイドピン１７、１８の中心までの距離をＨ_１とし、ピン用Ｖ溝１７、１８の底部から基板２２の主面までの距離をＨ_２とする。

これにより、Ｈ_１＝Ｒ／ｃｏｓθ、Ｈ_２＝Ｈ_１−Ｈ_０、Ｗ／２＝Ｈ_２／ｔａｎθの関係が成立し、ピン用Ｖ溝２７、２８の幅Ｗは次の式により求められる。

Ｗ＝２×Ｈ_２／ｔａｎθ＝２×（Ｒ／ｃｏｓθ−Ｈ_０）／ｔａｎθ

従って、ピン用Ｖ溝２７、２８の斜面の角度θを５４．７度、ガイドピン１７、１８の直径２Ｒを１２５μｍとし、基板２２の主面に対するガイドピン１７、１８の中心の高さＨ_０を１５μｍとすると、ピン用Ｖ溝２７、２８の上端の幅Ｗは約１３１．９μｍとなる。また、基板２２の主面に対する光導波路２３ａ〜２３ｄの中心の高さＨ_０とピン用Ｖ溝２７、２８の幅Ｗの関係は次式のようになり、図４のグラフで示される。

Ｈ_０＝１０８．１−０．７０６Ｗ

ピン用Ｖ溝２７、２８の長手方向に対して幅Ｗを変化させる段数を図２（ａ）に示すように例えば「３」とすると、ガイドピン１７、１８の挿入端から第２段目２７ｂ、２８ｂの幅Ｗをそれぞれ１３１．９μｍとなるように設計する。この場合、第２段目２７ｂ、２８ｂの上に嵌め込まれる直径１２５ｍのガイドピン１７、１８の中心の高さＨ_０は１５μｍとなる。

これに対し、実際に作製されたピン用Ｖ溝２７、２８の幅Ｗが加工誤差で片側０．５μｍ拡大する場合には、第２段２７ｂ、２８ｂの幅Ｗは１３２．９μｍとなり、その上に載置したガイドピン１７、１８の中心の高さＨ_０は１４．２７μｍとなり、目標値１５μｍより低くなる。これに対し、ピン用Ｖ溝２７、２８の長手方向の奥の第３段２７ｃ、２８ｃの幅Ｗは、第２段２７ｂ、２８ｂの幅Ｗに比べて片側で０．５μｍ狭くなるように設計されたので、実際にできあがったその幅Ｗは１３１．９μｍとなるので、ガイドピンを第３段２７ｃ、２８ｃに嵌めることにより、ガイドピン１７、１８の中心の高さＨ_０を１５μｍにすることができる。

また、実際に加工されたピン用Ｖ溝２７ａ、２８ａの幅Ｗが加工誤差により片側で０．５μｍ縮小する場合には、第２段２７ｂ、２８ｂの幅Ｗは１３０．９μｍとなり、その上に嵌めるガイドピン１７、１８の中心の高さＨ_０が１５．６８μｍとなり、目標値１５μｍより高くなる。これに対し、ピン用Ｖ溝２７、２８の長手方向の第１段２７ａ、２８ａの幅Ｗは、第２段２７ｂ、２８ｂに比べて片側で０．５μｍ広くなるように設計されたので、実際にできあがったその幅Ｗは１３１．９μｍとなる。これにより、ガイドピン１７、１８を第１段２７ａ、２８ａに嵌めることにより、ガイドピン１７、１８の中心の高さＨ_０を目標値の１５μｍにすることができる。

また、実際に作製されたピン用Ｖ溝２７、２８の幅Ｗが加工誤差により片側で０．３μｍ拡大する場合には、第２段２７ｂ、２８ｂの幅Ｗは１３２．５μｍとなり、その上に嵌め込むガイドピン１７、１８の中心の高さＨ_０が約１４．５６μｍと目標値より低くなる。これに対し、ピン用Ｖ溝２７、２８の第３段２７ｃ、２８ｃの幅は、第２段２８ｂ、２８ｂに比べて片側では０．５μｍ小さくなるように設計されたので、実際にできあがったその幅Ｗは１３１．５μｍとなる。これにより、第３段２７ｃ、２８ｃに嵌め込むガイドピン１７、１８の高さＨ_０は１５．２６μｍと目標値よりも高くなる。さらに、ピン用Ｖ溝２７、２８の第１段２７ａ、２８ａの幅Ｗは、第２段２７ｂ、２８ｂに比べて片側では０．５μｍ広くなるように設計されたので、実際にできあがったその幅は１３３．５μｍとなり、その上に嵌め込むガイドピン１７、１８の中心の高さＨ_０は１３．８５μｍと目標値より低くなる。

このような状態で、ガイドピン１７、１８の中心が目標高さに近いのは第３段２７ｃ、２８ｃとなるのでガイドピン１７、１８をピン用Ｖ溝２７、２８の第３段２８ｃ、２８ｃに嵌め込む。なお、天板２９と基板２２との間隔に生じる誤差により、ガイドピン１７、１８が第３段２７ｃ、２８ｃ上に挿入できない場合には、第２段２７ｂ、２８ｂに嵌め込まれることになる。なお、ピン用Ｖ溝２７、２８の階段状の幅の段差の値は、高さ方向についてガイドピン１７、１８の中心と光導波路２３ａ〜２３ｄの中心の誤差の許容範囲に基づいて決定されてもよい。

以上のように、ガイドピン１７、１８が嵌め込まれる位置が決まった状態で、ガイドピン１７、１８の先端をピン用Ｖ溝２７、２８の段の端部に突き当てる。その後に、ガイドピン１７，１８の表面に沿って光ファイバフェルール１１の固定チップ１２とクランプ１９を滑らせながら移動し、光ファイバフェルール１１の先端面を光導波路チップ２１のピン挿入端面に接触させる。その後に、光導波路チップ２１と光ファイバフェルール１１の対向端面同士を接着剤により接着する。

このように、光導波路チップ２１のピン用Ｖ溝２７、２８の幅及び深さを長手方向に複数段に分け、端から内部へと遠ざかるにつれて幅と深さを段階的に順次小さくなるように変化させている。これにより、ピン用Ｖ溝２７、２８の幅と深さについて加工上の誤差が発生しても、ピン用Ｖ溝２７、２８には最適又は誤差範囲の大きさの領域が存在することになり、ガイドピン１７、１８の中心の高さを目標値に調整することが可能になる。

これにより、ガイドピン１７、１８の中心の高さに合わせて調整された光ファイバ１３ａ〜１３ｄが、光導波路２３ａ〜２３ｄに対してサブミクロンレベルで位置合わせできる。また、光ファイバ１３ａ〜１３ｄと光導波路２３ａ〜２３ｄを光接続する際に、光計測によるアライメントが不要になり、高いスループットでの光接合が可能になる。

なお、上記の説明では、光導波路チップ２１のピン用Ｖ溝２８、２９の幅、深さを変化させる段数を３段として説明したが、その段数は３つに限るものではなく、基板２２のガイドピン挿入端から内部方向に向けて２段又は４以上の段数を有する構造であってもよい。例えば４段の場合に段差を片側で０．５μｍとすると、ピン用Ｖ溝２８、２９の加工誤差による２μｍの位置決めのズレを０．５μｍ以内に調整することができる。また、それらの段差は幅の片側で０．５μｍに限るものではなく、光ファイバ１３ａ〜１３ｄと光導波路２３ａ〜２３ｄの互いの中心の高さ方向のズレの許容範囲に基づいて設定される。

次に、光導波路チップ２１における基板２２に光導波路２３ａ〜２３ｄとピン用Ｖ溝２７、２８を形成する工程の一例を図５、図６を参照して説明する。

光導波路チップ２１が作製される基板２２として、図５（ａ）の断面に示すようなＳＯＩ基板２０を用意する。ＳＯＩ基板２０は、上記の基板２２として適用されるシリコン基板２０ａと、その上に順に形成される酸化シリコン層２０ｂ、シリコン層２０ｃとを有している。ＳＯＩ基板２０は略円形状のウエーハであるが、以下の説明では１つの光導波路チップが形成される領域を抽出して説明する。ウエーハは最終的に光導波路チップ毎に分割される。

まず、シリコンコン層２０ｃの主面となる（１００）面の上にフォトレジストを塗布し、これを露光、現像等を施すことにより、互いに平行な複数の光導波路形状のレジストパターン３１ａ〜３１ｄを形成する。この場合、導波路形状のレジストパターン３１ａ〜３１ｄの長手方向は（１１０）面に垂直な方向に配置する。また、導波路形状のレジストパターン３１ａ〜３１ｄの端面の幅の中心は、図１、図２に示した光ファイバフェルール１１内の複数の光ファイバ１３ａ〜１３ｄのコアＣと同じ間隔に配置される。

この後に、レジストパターン３１ａ〜３１ｄをマスクに使用し、シリコン層２０ｃをエッチングする。これによりレジストパターン３１の下に残されたシリコン層２０ｃを光導波路２３ａ〜２３ｄとして使用する。その後に、図５（ｂ）に示すように、レジストパターン３１ａ〜３１ｄを除去する。

続いて、図５（ｃ）に示すように、光導波路２３ａ〜２３ｄ及び酸化シリコン膜２０ｂの上に絶縁膜２６として例えば酸化シリコン膜を形成する。その後に、絶縁膜２６の上にフォトレジストを塗布し、これを露光、現像等を施すことにより、光導波路２３ａ〜２３ｂが形成される領域を覆うレジストパターン３２を形成する。その後に、レジストパターン３２をマスクに使用し、絶縁膜２６をエッチングし、続いてレジストパターン３２を除去する。これにより、図５（ｄ）に示すように、光導波路２３ａ〜２３ｄは絶縁膜２６に覆われ、その他の領域で酸化シリコン膜２３ｃが露出する。

次に、図６（ａ）に示すように、絶縁膜２６及び酸化シリコン膜２０ｂの上にフォトレジストを塗布し、これを露光、現像等をすることによりＶ溝形成用レジストパターン３３を形成する。Ｖ溝形成用レジストパターン３３は、図７の平面図に例示するように、光ファイバが挿入される側の端部から内部に向けて複数段階で幅が狭く変化する溝形成用開口部３３ａ、３３ｂを絶縁膜２６の両側方に有している。溝形成用開口部３３ａ、３３ｂの長手方向はシリコン基板２０ａの（１１０）面に垂直な方向となっている。図７では、図１、図２と異なる５段を示し、その３断目の幅は目標値になるように設計される。また、各段毎の幅の変化量は、片側で例えば０．５μｍとし、各段の長さを例えば数ｍｍとする。なお、段数は５に限られるものではない。

次に、図６（ｂ）に示すように、Ｖ溝形成用レジストパターン３３の開口部３３ａ、３３ｂを通して酸化シリコン膜２０ｂをエッチングし、開口部３４ａ、３４ｂを形成する。エッチングはドライでもウエットでもよく、ドライエッチング、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）による場合にはフッ素含有ガスを使用し、ウエットエッチングによる場合には希釈フッ酸を使用する。

続いて、図６（ｃ）に示すようにＶ溝形成用レジストパターン３３を除去した後に、絶縁膜２６と酸化シリコン膜２０ｂをマスクに使用し、開口部３４ａ、３４ｂを通してシリコン基板２０ａをウエットエッチングする。ウエットエッチングには、例えば水酸化カリウム（ＫＯＨ）液を使用するがこれに限るものではなく、その他のアルカリエッチング液、例えば水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＨＡ）液を使用してもよい。

（１００）面を主面にしているシリコン基板２０ａのエッチングには結晶異方性があるために、図６（ｄ）に示すように、エッチングにより形成される溝はＶ字状になり、斜面が（１１１）面のピン用Ｖ溝２７、２８が形成され、シリコン基板２０ａの主面に対するピン用Ｖ溝２７、２８の斜面の角度θは５４．７度となる。このため、ピン用Ｖ溝２７、２８はＶ溝形成用レジストパターン３３の開口部３３ａ、３３ｂの幅に合わせてその深さも変化し、その長手方向には開口部３３ａ、３３ｂ（３４ａ、３４ｂ）の形状が転写されて幅と深さの異なる複数段で形成される。

次に、図１、図２に示した光ファイバフェルール１１の形成方法を図８を参照して説明する。

まず、図８（ａ）に示すように、主面である（１００）面の上に酸化シリコン膜４２が形成されたシリコン基板４１を使用する。そして、主面の上に、フォトレジストを塗布し、これを露光、現像等をすることにより、複数の光ファイバ１３ａ〜１３ｄと第１、第２のガイドピン１７、１８が配置される領域に複数のＶ溝形成用開口部４３ａ〜４３ｆを有するレジストパターン４３を形成する。Ｖ溝形成用開口部４３ａ〜４３ｆの長手方向は、シリコン基板４１の（１１０）面に垂直方向に合わせる。また、Ｖ溝形成用開口部４３ａ〜４３ｆの幅の中心は、図６（ｄ）に示した光導波路２３ａ〜２３ｄとＶ溝２７、２８の中心に合わせて配置される。

ガイドピン１７、１８の中心と光ファイバ１３ａ〜１３ｄの中心のずれを防止するためにそれらの直径を同じにする場合には、全てのＶ溝形成用開口部４３ａ〜４３ｆを同じ幅に形成する。例えば、直径が１２５μｍの光ファイバ１３ａ〜１３ｄとガイドピン１７、１８を使用する場合には、上記のようにＶ溝形成用開口部４３ａ〜４３ｆの幅を例えば１３１．９μｍとする。

この後に、図８（ｂ）に示すように、レジストパターン４３をマスクに使用してＶ溝形成用開口部４３ａ〜４３ｆを通して酸化シリコン膜４２をエッチングする。これにより、レジストパターン４３の複数のＶ溝形成用開口部４３ａ〜４３ｆを酸化シリコン膜４２に転写して、複数のＶ溝形成用開口部４２ａ〜４２ｆを形成する。この後に、図８（ｃ）に示すように、レジストパターン４３を除去する。

次に、図８（ｃ）に示すように、酸化シリコン膜４２をマスクに使用し、Ｖ溝形成用開口部４２ａ〜４２ｆを通してシリコン基板４１をウエットエッチングし、ファイバ用Ｖ溝１３ａ〜１３ｄとピン用Ｖ溝１４、１５を形成する。ウエットエッチングには、例えばＫＯＨ液を使用するがこれに限るものではなく、その他のアルカリエッチング液を使用してもよい。

これにより、図８（ｄ）に示すように、主面が（１００）面のシリコン基板４１のエッチングには結晶異方性があるため、エッチングにより形成される溝はＶ字状になり、斜面が（１１１）面のＶ溝が形成され、その斜面はシリコン基板２０の主面に対する角度は５４．７度となる。これらのＶ溝のうち最も外側の２つはピン用Ｖ溝１４、１５として使用され、それらの間のＶ溝はファイバ用Ｖ溝１３ａ〜１３ｄとして使用される。ピン用Ｖ溝１４、１５、ファイバ用Ｖ溝１３ａ〜１３ｄが形成されたシリコン基板４１は、チップ状に切断され、図１、図２に示した光ファイバフェルール１１の固定チップ１２として使用される。

ファイバ用Ｖ溝１３ａ〜１３ｄには光ファイバ１６ａ〜１６ｄの先端面を固定チップ１２の一面に揃えた状態で接着剤により接着する。ガイドピン１７、１８は、ピン用Ｖ溝１４、１５に嵌められ、接着剤により固定されず、図１、図２に示したクランプ１９により固定チップ１２に押し付けられ、ピン用Ｖ溝１４、１５に沿って移動可能なように仮固定されている。ガイドピン１７、１８は、金属、例えば、炭化タンタルとコバルトなどを結合した超硬合金、或いは、炭素鋼をベースにタングステン・モリブデン・クロムなどを結合したハイス系合金から形成してもよいし、短く切断した光ファイバを使用してもよい。

次に、光導波路２３ａ〜２３ｄと光ファイバ１３ａ〜１３ｄの接続方法を説明する。
まず、図２（ａ）に示すように、光ファイバフェルール１１においてクランプ１９とピン用Ｖ溝１４、１５間に挟まれたガイドピン１４、１５を、光ファイバフェルール２１の基板２２と天板２９の間のピン用Ｖ溝２７、２８の間に挿入する。この場合、天板２９の下面に摺動しながら挿入することが好ましい。

ピン用Ｖ溝２７、２８の幅と深さは前述の通り、加工誤差などにより誤差が生じることがある。例えば、ピン用Ｖ溝２７、２８の加工を誤差なく形成できた場合、図９（ａ）に示すように、ガイドピン１７、１８を天板２９の内部上面に当てながらピン用Ｖ溝に挿入すると、設計通りに、階段状に変化するピン用Ｖ溝２７、２８の中央の段にガイドピン１７、１８が載置され、その奥の段との壁に突き当たりそれ以上進まなくなる。

これに対し、例えば、ピン用Ｖ溝２７、２８の幅、深さが加工の誤差により当初の予定よりも大きく形成された場合、図９（ｂ）に示すように、階段状のピン用Ｖ溝２７、２８の中央の段よりも奥の段、即ち挿入端面よりも奥に離れた段でガイドピン２７、２８が突き当たる。

また、ピン用Ｖ溝２７、２８の幅、深さが加工の誤差により当初の予定よりも小さく形成された場合は、図９（ｃ）に示すように、階段状のピン用Ｖ溝２７、２８の中央の段よりも手前の段、即ち挿入端面に近い段でガイドピン２７、２８が突き当たる。

それらのように、ピン用Ｖ溝２７、２８のうち突き当たりの位置まで到達した後は、ガイドピン２７、２８に沿って光ファイバフェルール１１をその端面が光導波路チップ２１の挿入端面と接する位置まで移動し、光導波路チップ２１と光ファイバフェルール１１の端面同士を接着する。接着の方法としては、光硬化性樹脂による接着、陽極接合などがあるが特に限定されるものではない。

上記のように複数段に形成されたガイドピン用溝２７、２８内でガイドピン１７、１８が突き当たる位置が変わることによって、ピン用Ｖ溝２７、２８の幅、深さに加工誤差が生じたとしてもガイドピン１７、１８は好適なサイズのピン用Ｖ溝２７、２８の段に嵌ることになる。これにより、光導波路２３ａ〜２３ｄとガイドピン１７、１８の中心の高さが精度よく一致する。

また、図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、光ファイバフェルール１１側のファイバ用Ｖ溝１３ａ〜１３ｄ、ピン用Ｖ溝１４、１５を同時に加工することにより、それらのＶ溝１３ａ〜１３ｄ、１４、１５の幅、深さに加工誤差が発生しても、それぞれのＶ溝の相対位置が変化しないため、固定チップ１２の主面に対するガイドピン１７、１８と光ファイバ１６ａ〜１６ｄの高さが精度よく一致する。なお、図１０（ａ）、（ｂ）において破線は理想状態で形成されるファイバ用Ｖ溝１３ａ〜１３ｄ、ピン用Ｖ溝１４、１５を示している。従って、Ｖ溝１３ａ〜１３ｄ、１４、１５、２７、２８の加工誤差が発生しても光導波路２３ａ〜２３ｂと光ファイバ１６ａ〜１６ｄの高さが精度よく一致する。

以上、説明したように本発明により、ガイドピン１７、１８による位置決めにおいて、ピン用Ｖ溝２７、２８の加工時に溝幅、深さの誤差が発生しても、光導波路２３ａ〜２３ｄと光ファイバ１６ａ〜１６ｄをサブミクロンレベルで位置合わせすることができる。また、以上のような構造の光接合装置によれば、光計測によるアライメントが不要であり、高いスループットでの光部品の光接合が可能となる。

上記した説明では、光導波路１３ａ〜１３ｄを直線状として説明したが、長手方向に互いの間隔が変化する形状であってもよい。また、光導波路チップには半導体レーザ、フォトダイオード等が搭載されていてもよい。さらに、光ファイバフェルールにも部品が搭載されていてもよい。

ここで挙げた全ての例および条件的表現は、発明者が技術促進に貢献した発明および概念を読者が理解するのを助けるためのものであり、ここで具体的に挙げたそのような例および条件に限定することなく解釈され、また、明細書におけるそのような例の編成は本発明の優劣を示すこととは関係ない。本発明の実施形態を詳細に説明したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、それに対して種々の変更、置換および変形を施すことができると理解される。

次に、本発明の実施形態について付記する。
（付記１）ファイバ用Ｖ溝と、前記ファイバ用Ｖ溝の側方で前記ファイバ用Ｖ溝の長手方向に沿って配置される第１ピン用Ｖ溝が形成された固定チップと、前記ファイバ用Ｖ溝に嵌められる光ファイバと、前記第１ピン用Ｖ溝に一端が外方に突出して嵌められるガイドピンと、を含む光ファイバ用部品と、端部から内部に向けて段階的に幅が狭く変化する連続した複数の段を有し、前記複数の段のいずれかに前記ガイドピンの前記一端が嵌められる第２ピン用Ｖ溝が形成された基板と、前記基板のうち前記第２ピン用Ｖ溝の側方に形成され、前記光ファイバの端部に光接続される光導波路と、を含む光導波路部品と、を有する光接続装置。
（付記２）前記固定チップはシリコン基板から形成され、前記ファイバ用Ｖ溝、前記第１ピン用Ｖ溝は前記シリコン基板の（１００）面に形成され、前記ファイバ用Ｖ溝の長手方向は前記シリコン基板の（１１０）面の垂直方向に配置されることを特徴とする付記１に記載の光接続装置。
（付記３）前記基板はシリコン基板であり、前記第２ピン用Ｖ溝と前記光導波路は前記シリコン基板の（１００）面に形成され、前記第２ピン用Ｖ溝の長手方向は前記シリコン基板の（１１０）面に対して垂直方向に配置されることを特徴とする付記１又は付記２に記載の光接続装置。
（付記４）前記光導波路部品において、前記ガイドピンは前記第２ピン用Ｖ溝と天板により挟まれることを特徴とする付記１乃至付記３のいずれか１つに記載の光接続装置。
（付記５）前記第２ピン用Ｖ溝の前記複数の段において、隣接する前記段同士の幅の段差は等しく形成されていることを特徴とする付記１乃至付記４のいずれか１つに記載の光接続装置。
（付記６）前記ガイドピンと前記光ファイバの直径が等しいことを特徴とする付記１乃至付記５のいずれか１つに記載の光接続装置。
（付記７）前記第２ピン用Ｖ溝の前記複数の段のいずれかに嵌められた前記ガイドピンの中心と前記光導波路の高さ方向の中心は、前記基板の主面に対して同じ高さか許容範囲内の誤差を有することを特徴とする付記１乃至付記６のいずれか１つに記載の光接続装置。
（付記８）ファイバ用Ｖ溝と、前記ファイバ用Ｖ溝の側方で前記ファイバ用Ｖ溝の長手方向に沿って配置される第１ピン用Ｖ溝が形成された固定チップと、前記ファイバ用Ｖ溝に嵌められる光ファイバと、前記第１ピン用Ｖ溝に一端が突出して嵌められるガイドピンと、を含む光ファイバ部品と、端部から内部に向けて段階的に幅が狭く変化する連続した複数の段を有する第２ピン用Ｖ溝が形成された基板と、前記基板のうち前記第２ピン用Ｖ溝の側方に形成され、前記光ファイバの端部に光接続される光導波路と、前記第２ピン用Ｖ溝の上に間隔をおいて取り付けられる天板と、を含む光導波路部品と、を用意し、前記光ファイバ部品の前記ガイドピンを前記光導波路部品の前記第２ピン用Ｖ溝と前記天板の間に挿入しながら前記第２ピン用Ｖ溝の前記複数の段のいずれかに突き当たる位置まで差し込む工程を有する光部品接続方法。
（付記９）前記光ファイバ部品において、少なくとも前記ガイドピンはクランプにより前記第１ピン用Ｖ溝に押圧され、仮固定されることを特徴とする付記８に記載の光部品接続方法。
（付記１０）前記第２ピン用Ｖ溝の前記複数の段において、隣接する前記段同士の幅の段差は等しく形成されていることを特徴とする付記８又は付記９に記載の光部品接続方法。
（付記１１）前記ガイドピンと前記光ファイバの直径が等しいことを特徴とする付記８乃至付記１０のいずれか１つに記載の光部品接続方法。
（付記１２）
前記第２ピン用Ｖ溝の前記複数の段のいずれかに嵌められた前記ガイドピンの中心と前記光導波路の高さ方向の中心は、前記基板の主面に対して同じ高さか許容範囲内の誤差をもって合わせられることを特徴とする付記８乃至付記１１のいずれか１つに記載の光部品接続方法。

１１光ファイバフェルール
１２固定チップ
１３ａ〜１３ｄファイバ用Ｖ溝
１４、１５ピン用Ｖ溝
１６ａ〜１６ｄ光ファイバ
１７、１８ガイドピン
１９クランプ
２１光導波路チップ
２２基板
２３ａ〜２３ｄ光導波路
２７、２８ピン用Ｖ溝
２７ａ〜２７ｃ、２８ａ〜２８ｃ段
２９天板

Claims

ファイバ用Ｖ溝と、前記ファイバ用Ｖ溝の側方で前記ファイバ用Ｖ溝の長手方向に沿って配置される第１ピン用Ｖ溝が形成された固定チップと、前記ファイバ用Ｖ溝に嵌められる光ファイバと、前記第１ピン用Ｖ溝に一端が外方に突出して嵌められるガイドピンと、を含む光ファイバ部品と、
端部から内部に向けて段階的に幅が狭く変化する連続した複数の段を有し、前記複数の段のいずれかに前記ガイドピンの前記一端が嵌められる第２ピン用Ｖ溝が形成された基板と、前記基板のうち前記第２ピン用Ｖ溝の側方に形成され、前記光ファイバの端部に光接続される光導波路と、を含む光導波路部品と、
を有する光接続装置。
前記固定チップはシリコン基板から形成され、前記ファイバ用Ｖ溝、前記第１ピン用Ｖ溝は前記シリコン基板の（１００）面に形成され、前記ファイバ用Ｖ溝の長手方向は前記シリコン基板の（１１０）面の垂直方向に配置されることを特徴とする請求項１に記載の光接続装置。
前記基板はシリコン基板であり、前記第２ピン用Ｖ溝と前記光導波路は前記シリコン基板の（１００）面に形成され、前記第２ピン用Ｖ溝の長手方向は前記シリコン基板の（１１０）面に対して垂直方向に配置されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光接続装置。
前記ガイドピンと前記光ファイバの直径が等しいことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の光接続装置。
ファイバ用Ｖ溝と、前記ファイバ用Ｖ溝の側方で前記ファイバ用Ｖ溝の長手方向に沿って配置される第１ピン用Ｖ溝が形成された固定チップと、前記ファイバ用Ｖ溝に嵌められる光ファイバと、前記第１ピン用Ｖ溝に一端が突出して嵌められるガイドピンと、を含む光ファイバ部品と、
端部から内部に向けて段階的に幅が狭く変化する連続した複数の段を有する第２ピン用Ｖ溝が形成された基板と、前記基板のうち前記第２ピン用Ｖ溝の側方に形成され、前記光ファイバの端部に光接続される光導波路と、前記第２ピン用Ｖ溝の上に間隔をおいて取り付けられる天板と、を含む光導波路部品と、
を用意し、
前記光ファイバ部品の前記ガイドピンを前記光導波路部品の前記第２ピン用Ｖ溝と前記天板の間に挿入しながら前記第２ピン用Ｖ溝の前記複数の段のいずれかに突き当たる位置まで差し込む工程
を有する光部品接続方法。