JP2004157541A - シリコン・ガラス陽極接合技術を利用した光ファイバブロックの製造方法 - Google Patents

シリコン・ガラス陽極接合技術を利用した光ファイバブロックの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 光素子に関し、特に、光結合器(optical connector)として使用される光ファイバブロックに関する。
【解決手段】 本発明は、表面に１つ以上の溝が形成されたシリコン材質の基板上にガラス材質のカバーを接合して光ファイバブロックを製造する方法において、カバーを所定の温度まで加熱する加熱過程と、加熱されたカバーが基板の表面に安着した状態で、カバー及び基板の界面で静電気引力が発生するように電場を印加する接合過程と、を含む。
【選択図】 図３

Description

本発明は 光素子に関し、特に、光結合器(optical connector)として使用される光ファイバブロックに関する。
光ファイバブロックは、平面光波回路(Planar Lightwave Circuit；ＰＬＣ)の入力端または出力端に光ファイバまたは光ファイバアレイ(optical fiber array)を整列して連結するとき主な部品として使用されるのみならず、マイクロ光素子(micro-optic device)などの入力端子または出力端子(output terminal)としても利用される光素子のうちの１つである。
図１は、従来技術による光ファイバブロックの構成を示す断面図である。光ファイバブロックは、シリコン材質の基板(substrate)１１０及びガラス材質のカバー(cover)１２０を含んで構成される。
基板１１０は、その表面に複数のＶ-溝(V-groove)１１５を備え、それぞれのＶ-溝１１５には光ファイバ１３０が安着する。この後、光ファイバ１３０の固定のために基板１１０及び光ファイバ１３０の上にポリマー接着剤(polymer adhesive)１４０が塗布される。熱硬化性接着剤(thermosetting adhesive)及び紫外線硬化性接着剤(UV curable adhesive)などが、ポリマー接着剤１４０として使用されることができ、このポリマー接着剤１４０は、熱処理のような後工程を通じてその接着力を安定化することができる。
カバー１２０は、ポリマー接着剤１４０が塗布された基板１１０及び光ファイバ１３０の上に安着することにより、光ファイバ１３０を固定して外部環境から保護する。
しかし、従来の光ファイバブロックの製造方法においては、シリコン基板とガラスカバーを接合するポリマー接着剤が劣化しやすい特性をもつことや、また接着剤の熱膨張係数が接着物に比べて高いため、接着強度などに問題があることなどが、信頼性のテストにより判明している。また、作業効率性の側面で硬化工程及び硬化後の熱処理工程による多くの時間消耗は生産性を低下させる。
従って、本発明の目的は、ポリマー接着剤を使用せず、シリコン基板とガラスカバーとの接合のとき、接合物の接合強度の増進及び信頼性の向上を具現することができる光ファイバブロックの製造方法を提供することにある。
上述したような目的を達成するために、本発明によれば、表面に１つ以上の溝が形成されたシリコン材質の基板上にガラス材質のカバーを接合して光ファイバブロックを製造する方法において、カバーを所定の温度まで加熱する加熱過程と、加熱されたカバーが基板の表面に安着した状態で、カバー及び基板の界面で静電気引力が発生するように電場を印加する接合過程と、を含むことを特徴とする。
加熱過程は、基板の溝に光ファイバを安着させ、基板の表面をカバーで覆う状態で遂行されることもできる。
接合過程は、基板及びカバーが均一に密着するように所定の荷重を加えた状態で遂行されても良い。
接合過程は、真空雰囲気で遂行されても良い。
カバーは、パイレックス(Pyrex)（登録商標）ガラス材質であっても良い。
本発明による光ファイバブロックの製造方法は、信頼性に悪影響を及ぼすポリマー接着剤を使用せず、シリコン・ガラス陽極接合技術を利用することにより、従来に比べて、接合強度の増進、作業の容易性及び信頼性の向上を図ることができる。
以下、本発明の好適な実施形態について添付図を参照しつつ詳細に説明する。下記説明において、本発明の要旨のみを明瞭するために公知の機能又は構成に対する詳細な説明は省略する。
図２は、本発明による光ファイバブロックの製造方法を示すフローチャートであり、図３は、本発明による光ファイバブロックの製造装置を示す概略図である。
光ファイバブロックの製造方法は、整列過程２１０、加熱過程２２０、及び接合過程２３０を含む。
整列過程２１０は、表面に１つ以上の溝３１５が形成されたシリコン材質の基板３１０を準備し、溝３１５の中に光ファイバ３３０を埋没・安着させ、基板３１０の表面をガラス材質のカバー３２０で覆い、カバー３２０の表面と平板形態のヒーター(heater)３４０を密着させる過程である。このとき、カバー３２０と基板３１０との間隔は１μｍを超過しないことが望ましく、ヒーター３４０の位置、形態、及び構成などは必要に応じて多様に具現されることができる。
加熱過程２２０は、ヒーター３４０を利用してカバー３２０を所定の温度まで加熱することにより、ガラス材質のカバー３２０に含まれる不純物が、電場が加えられた際に、容易に流動可能になるようにする過程である。カバー３２０がパイレックス(Pyrex)（登録商標）ガラス(コーニングガラス７７４０)材質で形成された場合、ナトリウム(Ｎａ)、カリウム(Ｋ)などの不純物が所定量含まれることになり、このようなカバー３２０を２００℃以上の温度まで加熱すると、これらの不純物は電荷を帯び、電場が加えられた際に容易に流動することができる状態になる。
接合過程２３０は、カバー３２０が所定の温度(ガラスタイプによるが通常は３００〜５００℃)まで加熱された状態で、カバー３２０内のアルカリ金属イオン(alkali-metal ions)が流動可能になり、カバー３２０及び基板３１０の界面で静電気引力が発生するように電場を加える過程である。まず電場を生成するために直流電圧源３５０をヒーター３４０の表面及び基板３１０の裏面に連結し、６００Ｖ以上の直流電圧を加える。
その結果、アルカリ金属陽イオン(例えば、Ｎａ＋イオン)がシリコン・ガラス界面から移動することによって高い電場の強度を有する空乏層(depletion layer)が形成されるようになる。結果として生まれる静電気引力は、カバー３２０及び基板３１０を密着させる。また、カバー３２０から基板３１０への酸素陰イオン(Ｏ−)の電流流れは、界面での陽極反応を起し、結果的にカバー３２０は、永久的な化学結合により基板に接合される。このようなシリコン・ガラス陽極接合技術による接合強度は相当に強く、接合にかかる時間は接着物のサイズによるが数秒から数分程度である。また、接合過程２３０を真空中で遂行すると、不純物が含まれず接合強度が高いシリコン・ガラス接合を達成することができる。ここでは金属材質のヒーター３４０と、基板３１０の裏面にコーティングされた金属膜を利用して電圧を印加する方式を取っているが、電圧印加方式は多様に具現されることができる。例えば、金属材質のヒーター３４０と基板３１０の裏面に密着した金属平板を利用して電圧を印加するか、またはヒーター３４０を除去してカバー３２０の表面に密着した第１金属平板と基板３１０の裏面に密着した第２金属平板とを利用して電圧を印加することもできる。また、接合過程２３０は、基板３１０及びカバー３２０を均一の間隔で整列させるか、または密着させるために、所定の荷重を加えた状態で行うこともできる。そのために、ヒーター３４０の表面と密着して所定の荷重を印加する１つ以上のローディングブロック(loading block)を使用することもできる。
前述の如く、本発明の詳細な説明では、具体的な実施形態について説明してきたが、本発明の範囲を逸脱しない限り、各種の変形が可能なのは明らかである。従って、本発明の範囲は、実施形態に限るものでなく、特許請求の範囲のみならず、その範囲と均等なものにより定められるべきである。
従来技術による光ファイバブロックの構成を示す断面図。 本発明による光ファイバブロックの製造方法を示すフローチャート。 本発明による光ファイバブロックの製造装置を示す概略図。
符号の説明
１１０、３１０ 基盤
１１５ Ｖ-溝
１２０、３２０ カバー
１３０、３３０ 光ファイバ
１４０ ポリマー接着剤
２１０ 整列過程
２２０ 加熱過程
２３０ 接合過程
３１５ 溝（V溝）
３４０ ヒーター
３５０ 直流電圧源

Claims (5)

  1. 表面に１つ以上の溝が形成されたシリコン材質の基板上にガラス材質のカバーを接合して光ファイバブロックを製造する方法において、
    前記カバーを所定の温度まで加熱する加熱過程と、
    加熱されたカバーが前記基板の表面に安着した状態で、該カバー及び基板の界面で静電気引力が発生するように電場を印加する接合過程と、を含むことを特徴とするシリコン・ガラス陽極接合技術を利用した光ファイバブロックの製造方法。
  2. 加熱過程は、基板の溝内に光ファイバを安着させ、該基板の表面をカバーで覆う状態で遂行される請求項１記載のシリコン・ガラス陽極接合技術を利用した光ファイバブロックの製造方法。
  3. 接合過程は、基板及びカバーが均一に密着するように所定の荷重を加えた状態で遂行される請求項１記載のシリコン・ガラス陽極接合技術を利用した光ファイバブロックの製造方法。
  4. 接合過程は、真空雰囲気で行われる請求項１記載のシリコン・ガラス陽極接合技術を利用した光ファイバブロックの製造方法。
  5. カバーは、パイレックス(Pyrex)（登録商標）ガラス材質である請求項１記載のシリコン・ガラス陽極接合技術を利用した光ファイバブロックの製造方法。

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