CN103052901B - 光学部件 - Google Patents

Abstract

在将不同热膨胀系数的波导式光学元件进行对接连接的光学元件芯片固定于底座上的光学部件中，能抑制由于热应力而导致的可靠性下降。光学部件（300）包括光学元件芯片（310）、底座（320）和光纤（330），所述光学元件芯片（310）具有LN波导（311）、第一PLC波导（312）、第二PLC波导（313）和光纤排列部件（314）。第一PLC波导和光纤排列部件之间的连接面为倾斜结构，LN波导与第一及第二PLC波导之间的连接面为直角的直角结构。在直角结构中，利用杨氏模量比倾斜结构的连接面更低的粘合剂进行连接。

Description

光学部件

技术领域

本发明涉及一种光学部件（optical component），更为详细地涉及一种包括波导式光学元件的光学部件。

背景技术

随着光学通信系统的高度发展，对高功能光学模块（光学部件）的需求日益增加。波导式光学元件（waveguide type optical device）能够通过在基板上形成光波导来实现各种光波回路，并被用作光学模块的组成部件。为了使光学模块更加高功能化，已实现了一种集成了具有不同功能的波导式光学元件的混合光学模块。作为具体的光学模块的示例，可以列举出RZ-DQPSK（Return to ZeroDifferential Quadrature Phase Shift Keying（归零差分正交相移键控））模块等。

RZ-DQPSK模块例如具有如下结构：将利用石英系玻璃在Si基板或石英基板上形成光波导的PLC波导（Planar Lightwave Circuit（平面光波导））、与利用钛（Ti）扩散在LN（铌酸锂）基板上形成光波导的LN波导，以能够进行光耦合（optical couple）的方式进行对接连接（buttjoint），并且LN波导被固定于底座上（参照图1A及图1B）。在图1A及图1B（对应于非专利文献1的图6）中，底座起到对PLC波导、LN波导和光纤排列部件进行收纳的封装作用。光纤被排列在光纤排列部件上，并以能够进行光耦合的方式与PLC波导进行对接连接。光纤排列部件和PLC波导之间的连接部、以及PLC波导和LN波导之间的连接部，通过粘合剂进行固定。此外，光纤在贯通了底座之处，通过焊料等而被固定在底座上。在这种结构中，当光学模块周围的温度发生变动时，在光纤排列部件和PLC波导之间的连接部以及PLC波导和LN波导之间的连接部上，由于各材料的热膨胀之差而发生热变形,并容易发生粘合剂的剥离。进一步会发生PLC波导及LN波导与底座之间的热膨胀之差，并对光纤施加拉伸应力。若拉伸应力增大，会产生光纤的断裂。即使将例如SUS303的不锈钢作为底座（封装）材料，从而减少与LN之间的热膨胀系数之差，在PLC或光纤等与封装材料之间也会存在较大的热膨胀系数之差。在表1中，表示热膨胀系数的值。为了应对这种问题，在光纤排列部件和PLC波导之间的连接部以及PLC波导和LN波导之间的连接部上，使用了用于缓冲热应力的柔性粘合剂，从而防止剥离。此外，如图1B所示，可采用一种使光纤屈曲以缓冲对光纤施加的热应力的方法。

[表1]

部件名称	热膨胀系数（×10-6/K）
		SUS303	17.3
LN	15.4
		PLC	2.5
光纤	0.75

现有技术文献

非专利文献1：山田贵、石井元速，“采用PLC－LN连接的高速调制模块（PLC－LN接続を用いた高速変調モジュ一ル）”，电子信息通信学会技术研究报告，2005年5月20日，Vol.105，No.71，pp.1-6，OPE2005-8

发明内容

然而，上述结构仍然存在问题。一般来说，PLC波导和光纤排列部件之间的连接部，采用的是使端面倾斜从而防止反射的结构。因此，会产生光纤的屈曲应力（buckling stress），并产生与使用柔性粘合剂的PLC波导和光纤排列部件之间的连接面平行的成分，从而成为导致光轴偏移（optical axis shift）的原因（参照图2）。尤其在图2中，Pb是光纤对光纤排列部件施加的屈曲应力，并由公式（1）表示。

[公式1]

$P_b=\frac{{4\mathrm{\π}}^2\mathrm{EI}}{L^2},$ $I=\frac{{\mathrm{\πd}}^4}{64}---\left(1\right)$

其中，L为光纤长度，E为杨氏模量，I为截面惯性矩（表示物体对抗弯曲力矩的不易变形程度的量），d为直径。

以上以RZ-DQPSK模块为例进行了说明，所述RZ-DQPSK模块是将由PLC波导和LN波导构成的PLC-LN芯片安装在底座上而得到的，但在对具有不同热膨胀系数的多个波导式光学元件进行对接连接而得到的光学元件芯片中，也会出现同样的问题。

本发明是鉴于这种问题而完成的，其目的是在将光学元件芯片和光纤固定于底座的光学部件中，抑制由于热应力而导致的可靠性下降，所述光学元件芯片是对具有不同热膨胀系数的多个波导式光学元件进行对接连接而形成。

为了达到这种目的，本发明的第一方式是一种包括光学元件芯片、底座和光纤的光学部件，所述光学元件芯片具有：第一波导式光学元件；以能够进行光耦合的方式与所述第一波导式光学元件的一端进行对接连接、且热膨胀系数与第一波导式光学元件不同的第二波导式光学元件；以及以能够进行光耦合的方式与所述第二波导式光学元件进行对接连接的光纤排列部件，所述底座安装有所述光学元件芯片，所述光纤被排列在所述光纤排列部件上并以屈曲的状态进行固定，所述光学部件的特征在于，所述第二波导式光学元件和所述光纤排列部件之间的连接面为倾斜结构，所述第一波导式光学元件和所述第二波导式光学元件之间的连接面为直角结构，在所述倾斜结构的连接面上使用的粘合剂的杨氏模量，高于在所述直角结构的连接面上使用的粘合剂的杨氏模量，在所述倾斜结构的连接面上使用的粘合剂，能抑制由于所述光纤的屈曲应力而导致在所述倾斜结构的连接面上的光轴偏移，在所述直角结构的连接面上使用的粘合剂，能抑制由于热变形而导致的所述第一波导式光学元件和所述第二波导式光学元件之间的粘合面的剥离。

此外，本发明的第二方式的特征在于，在第一方式中，在所述倾斜结构的连接面上使用的粘合剂的杨氏模量为1×10⁷Pa以上，在所述直角结构的连接面上使用的粘合剂的杨氏模量小于1×10⁷Pa。

此外，本发明的第三方式的特征在于，在第二方式中，所述第二波导式光学元件和所述光纤排列部件之间的热膨胀系数之差，小于所述第一波导式光学元件和所述第二波导式光学元件之间的热膨胀系数之差。

此外，本发明的第四方式的特征在于，在第二或第三方式中，所述第一波导式光学元件的基板为铌酸锂、磷化铟或KTN，所述第二波导式光学元件的基板为石英或硅。

根据本发明，光学部件包括多个波导式光学元件、和使用光纤排列部件而以屈曲状态进行固定的光纤，波导式光学元件和光纤排列部件之间的连接面为倾斜结构，各波导式光学元件之间的连接面为直角结构，并且在倾斜结构的连接面上使用的粘合剂的杨氏模量，高于在直角结构的连接面上使用的粘合剂的杨氏模量，从而能够抑制由于热应力而导致的可靠性的下降。

附图说明

图1A是以往的光学部件的俯视图。

图1B是沿以往的光学部件的IB-IB线的剖面图。

图2是用于说明光纤的屈曲载荷的图。

图3是表示根据本发明的实施方式的光学部件的图。

图4是用于说明在LN波导和PLC波导之间的连接面上的光波导角度的图。

具体实施方式

下面参照附图，详细说明本发明的实施方式。

图3表示本发明的实施方式的光学部件。光学部件300的大多数部分与图1的光学部件100相同，但PLC波导和LN波导之间的连接面以及PLC波导和光纤排列部件之间的连接面均不同。光学部件300包括光学元件芯片310、底座320和光纤330，所述光学元件芯片310具有：LN波导311（对应于“第一波导式光学元件”）；以能够进行光耦合的方式与LN波导311的一端进行对接连接的第一PLC波导312（对应于“第二波导式光学元件”）；以能够进行光耦合的方式与LN波导311的另一端进行对接连接的第二PLC波导313；以及以能够进行光耦合的方式与第一PLC波导312进行对接连接的光纤排列部件314，所述底座320安装有光学元件芯片310，所述光纤330被排列在光纤排列部件314上。在图3中，在底座320上固定了LN波导311，但也可以固定第一、第二PLC波导312、313或光纤排列部件314。

与图1B的情况相同，由于光纤330的屈曲而产生屈曲载荷Pb，在与第一PLC波导312和光纤排列部件314之间的连接面平行的方向、即在光学部件300的光轴发生偏移的方向上，存在载荷成分。在本实施方式的光学部件300中，通过用高杨氏模量E的粘合剂（例如1×10⁷Pa以上）进行连接，从而抑制光轴偏移。光纤排列部件314优选为，选择与第一PLC波导312的热膨胀系数相符合的材料，以使得在两者的连接面的两侧不存在热膨胀系数之差。例如，当第一PLC波导312的基板为Si时，只要光纤排列部件314使用派热克斯（pyrex（注册商标））玻璃即可。

此外，在LN波导311与第一及第二PLC波导312、313之间的连接面中，将连接面作成与光轴方向成直角的直角结构（right-angled structure）。由于第一PLC波导312和光纤排列部件314之间的连接面为倾斜结构（tilted structure），因此产生了与连接面平行的载荷成分，但通过作成直角结构，该载荷成分就不再存在。在这种情况下，优选利用杨氏模量E比第一PLC波导312和光纤排列部件314之间的连接面更低的粘合剂（例如小于1×10⁷Pa）进行连接。这是由于LN波导311与第一及第二PLC波导312、313之间的热膨胀系数不同，若使用高杨氏模量E的粘合剂，则粘合面有可能因热变形而剥离。换言之，在连接面的两侧存在热膨胀系数之差时，优选为，随着该热膨胀系数之差的增大而使用低杨氏模量的粘合剂。

一般来说，为了防止反射，有时将PLC波导和LN波导之间的连接面作成倾斜结构，但即使如本发明那样将连接面作成直角结构，也能够防止反射。只要将LN波导311与第一及第二PLC波导312、313之间的光波导设为，在该端面上具有规定的角度即可。参照图4，着重说明第一PLC波导312和LN波导311之间的界面。（1）首先规定第一角度θ1，以使得用公式（2）表示的菲涅耳反射R作为返回光（returning light）不会与第一PLC波导312的光波导进行耦合。第一角度θ1是第一PLC波导312所具有的光波导相对于连接面法线的角度，一般是4°到12°。

[公式2]

$R={\left(\frac{n_1-n_2}{n_1+n_2}\right)}^2---\left(2\right)$

（2）其次，当第一PLC波导312和LN波导311的折射率不同时，以满足用公式（3）表示的斯涅耳定律的方式来规定第二角度θ2。在此，n1及n2分别是第一PLC波导312及LN波导311的折射率。

[公式3]

$\frac{{\sin \mathrm{\θ}}_1}{{\sin \mathrm{\θ}}_2}=\frac{n_2}{n_1}---\left(3\right)$

通过按以上的顺序来规定光波导的角度θ1、θ2，由此，即使端面为直角也能够防止反射。

另外，可以将石英或硅用作第一及第二PLC波导312、313的基板。而且，也可以使用在磷化铟基板或KTN基板上形成的波导式光学元件，来代替LN波导311。

Claims (5)

1.一种光学部件，包括光学元件芯片、底座和光纤，所述光学元件芯片具有：第一波导式光学元件；以能够进行光耦合的方式与所述第一波导式光学元件的一端进行对接连接、且热膨胀系数与所述第一波导式光学元件不同的第二波导式光学元件；以及以能够进行光耦合的方式与所述第二波导式光学元件进行对接连接的光纤排列部件，所述底座安装有所述光学元件芯片，所述光纤被排列在所述光纤排列部件上并以屈曲的状态进行固定，所述光学部件的特征在于，

所述第二波导式光学元件和所述光纤排列部件之间的连接面为倾斜结构，所述第一波导式光学元件和所述第二波导式光学元件之间的连接面为直角结构，

在所述倾斜结构的连接面上使用的粘合剂的杨氏模量，高于在所述直角结构的连接面上使用的粘合剂的杨氏模量，

在所述倾斜结构的连接面上使用的粘合剂，能抑制由于所述光纤的屈曲应力而导致在所述倾斜结构的连接面上的光轴偏移，

在所述直角结构的连接面上使用的粘合剂，能抑制由于热变形而导致的所述第一波导式光学元件和所述第二波导式光学元件之间的粘合面的剥离。

2.根据权利要求1所述的光学部件，其特征在于，

在所述倾斜结构的连接面上使用的粘合剂的杨氏模量为1×10⁷Pa以上，

在所述直角结构的连接面上使用的粘合剂的杨氏模量小于1×10⁷Pa。

3.根据权利要求2所述的光学部件，其特征在于，

所述第二波导式光学元件和所述光纤排列部件之间的热膨胀系数之差，小于所述第一波导式光学元件和所述第二波导式光学元件之间的热膨胀系数之差。

4.根据权利要求2所述的光学部件，其特征在于，

所述第一波导式光学元件的基板为铌酸锂、磷化铟或KTN，所述第二波导式光学元件的基板为石英或硅。

5.根据权利要求3所述的光学部件，其特征在于，

所述第一波导式光学元件的基板为铌酸锂、磷化铟或KTN，

所述第二波导式光学元件的基板为石英或硅。