JP2005024697A - Optical module, stress relaxation method for optical module and method for manufacturing optical module - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば光学部品が実装された光学モジュール等に関し、より詳しくは、光通信に用いられる光学モジュール等に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、光通信技術の進展に伴い、例えば光ファイバを用いたデータ通信では大量の情報を高速に送受信することが可能となっている。特に、光多重通信等の新たな技術も登場して、さらなる高速化と大容量化が推し進められている。このような状況の中で、光通信に用いられる種々の光学部品、例えば光ファイバ、レンズ、レーザダイオード等を適宜組み合わせた光学モジュールのニーズはますます増加傾向にあり、活発な研究開発が行われている。
【0003】
このような光学モジュールの従来技術として、例えば、Si基板上に溝を設け、その溝に球状のレンズを位置決めして固定し、また、Si基板上に所定の配線が形成される光素子モジュールが開示されている(例えば、特許文献1参照)。かかる光学モジュールには幾つかの形態が存在するが、その中でも、3次元加工技術であるマイクロマシニング(MEMS)によりSiウェハに対して溝を形成し、これに光ファイバやレンズ等の光学部品を埋め込み固定する方式が、実装精度および量産性に優れた方法として注目されている。このMEMSにより形成された光学モジュール用の基板は、シリコンオプティカルベンチ(SiOB)と呼ばれ、一つのキーデバイスとなって実用化されている。
【0004】
ここで、SiOBを用いた従来の光学モジュールの具体例として、WDM(Wavelength Division Multiplexing)用3端子フィルタモジュールの構成について述べる。図6はWDM用3端子フィルタモジュール(以下、フィルタモジュールという。)の構成を説明する平面図である。図6に示したように、フィルタモジュール30では、異方性エッチングにより単結晶シリコン基板(Si基板)11の表面中央部に台形型溝12と、台形型溝12を挟んで一方の側には2本の平行なV字型溝13a、13bと、他方の側にはV字型溝13cとが形成されたシリコンオプティカルベンチ(SiOB)10を台座として用いている。そして、SiOB10の台形型溝12には、2本のV字型溝13a、13bが形成された側から順に第1コリメートレンズ21、薄膜フィルタ22、第2コリメートレンズ23が所定の間隔を持って搭載されている。また、V字型溝13aには入射光用光ファイバ24、V字型溝13bには反射光用光ファイバ25、さらにV字型溝13cには透過光用光ファイバ26が搭載されている。
【0005】
このようなフィルタモジュール30等の光学モジュールでは、SiOB10に形成された台形型溝12やV字型溝13a、13b、13cの位置および深さは異方性エッチングにより高い精度を持って形成でき、またレンズ21、23や光ファイバ24、25、26等の光学部品はこの台形型溝12やV字型溝13a、13b、13cの中に搭載されて収まることにより自動的にアライメントされるため実装効率も高いという利点を有している。
【0006】
【特許文献1】
特開2002−162542号公報(第3〜4頁、図7)
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図6に示したような従来の光学モジュールでは、SiOB10に形成された台形型溝12に第1コリメートレンズ21、薄膜フィルタ22、第2コリメートレンズ23等の光学部品を搭載する際には、光学部品の光軸を調整・整合した後、この状態を高い精度で維持しつつその光学的性質を長期に亘って保持するため、樹脂接着剤やハンダ等の金属のように硬度が高く接着力の強い材料を用いて堅固に固定する必要がある。図7は図6に示したフィルタモジュール30のAA’断面図であるが、光学部品とSiOB10とを堅固に固定するために、図7に示したように、例えば第1コリメートレンズ21とSiOB10との接合部では、第1コリメートレンズ21と台形型溝12との間に樹脂接着剤やハンダ等を全面的に充填した接着剤層15によって接着固定する方法を採用していた。
【0008】
しかしながら、光学部品と台形型溝12との間に樹脂接着剤やハンダ等を全面的に充填して固定する方法では、光学部品を構成する材料(例えば、光学ガラス)とSiOB10を構成するシリコン(Si)の熱膨張係数がそれぞれ異なるため、高温または低温環境下におかれると、光学部品とSiOB10との膨張量・収縮量に差が生じて、両者の接合部において応力が発生することとなる。そのため、光弾性効果により光学部品の屈折率や複屈折率に変化が生じる等、光学部品の光学的性質に影響が生じ、光学モジュールの性能を低下させるという問題が生じていた。また、光学部品とSiOB10との接合部に生じる応力は、SiOB10にクラックを発生させて、光学モジュールの破損を引き起こすという問題もあった。
【0009】
さらに、温度の上昇と下降とが繰り返されるいわゆるヒートサイクルによって光学モジュール内に応力が残留し、温度が室温に戻った状態においても光学モジュールの光学特性が元に戻らないといった不都合もあった。
また、SiOB10の台形型溝12に第1コリメートレンズ21等の光学部品を樹脂接着剤やハンダ等で固定する際に、接着面の面積が大きいと接着剤やハンダ等が凝固する際に発生する収縮により、光学部品の光学的性質の変化や設置位置のずれ、さらにはSiOB10にクラックが発生する等の問題もあった。
【0010】
なお、従来より、上記した問題を回避するために、光学部品とSiOB10等の基板といった、接着させる部材同士の熱膨張係数が可能な限り近くなるようにそれぞれの材質を選択するなど、温度変化時に発生する応力を緩和する措置が講じられてきたが、特に光学部品はその光学的な性質から材料の物性を特定する必要があるため、その材質の選択には限度があり、光学部品と基板との間に生じる応力を緩和することは困難であった。
【0011】
本発明は、以上のような技術的課題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、使用環境の温度の変化による光学モジュールの性能低下を抑制して信頼性を維持するとともに、光学モジュールの破損を回避して耐久性の向上を図ることにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
かかる目的のもと、本発明の光学モジュールでは、基板に搭載される光学部品は、基板とは少なくとも1ヶ所で固定されるとともに、少なくとも1ヶ所で基板に対し移動自由度をもって担持されたことを特徴としている。これによって、光学部品と基板との間に生じる応力を緩和して、光学モジュールの性能を維持するとともに、光学モジュールの破損を回避することができる。ここで、光学部品は、基板とは少なくとも1ヶ所で接着剤によって固定されたことや、ハンダによって固定されたことを特徴とすることもできる。この構成により、光学部品を基板に担持するとともに両者の相対位置を維持することができる。また、光学部品は、基板とは少なくとも1ヶ所で載置されただけの状態で当接していることや、変形可能な接合部材で接合されていることを特徴とすることもできる。この構成において、使用環境の温度が変化した際の光学部品と基板との間の膨張・収縮を自由に生じさせることができ、両者の間に生じる応力の緩和が実現できる。
【0013】
また、本発明の光学モジュールは、凹部が形成された基板と、凹部において複数の当接部で担持されて基板に搭載される光学部品とを備え、複数の当接部は、少なくとも1が基板と光学部品とを固定し、少なくとも1が基板と光学部品とを固定しないことを特徴としている。これによって、光学部品と基板との間に生じる応力を緩和することができる。ここで、凹部は断面形状が台形またはV字形の溝であることを特徴とすれば、光学部品はこの溝に搭載されて収まることで自動的に設置位置が決定できる点から優れている。さらに、当接部は、少なくとも凹部の両側部に形成されたことを特徴とすれば、特に応力の緩和効果が大きい。
【0014】
一方、本発明を光学モジュールの応力緩和方法として捉えれば、凹部が形成された基板の凹部に光学部品を載置し、光学部品と凹部との当接部を、少なくとも1ヶ所は固定するとともに、少なくとも他の1ヶ所は固定しないことで、光学部品および基板に生じる応力を緩和することを特徴としている。これにより、光学モジュールの性能を維持するとともに、光学モジュールの破損を回避することが可能となる。 ここで、少なくとも凹部の一方の側部で光学部品を基板に固定することを特徴とすれば、光学部品の設置位置の決定や、基板と光学部品とを固定することが容易となる点で好ましい。また、少なくとも凹部の一方の側部で光学部品を基板に固定しないことを特徴とすれば、光学部品の設置位置の決定や、光学部品および基板に生じる応力の緩和を効率的に行える点に優れている。
【0015】
一方、本発明を光学モジュール製造方法として捉えれば、異方性エッチングにより単結晶シリコン基板に溝を形成する溝形成工程と、溝形成工程により形成された溝に光学部品を載置する光学部品載置工程と、光学部品載置工程によって載置された光学部品と溝形成工程によって形成された溝との少なくとも1の当接部を固定し、少なくとも1の当接部を光学部品と基板とが移動可能となるように形成する光学部品接合工程とを含む。ここで、光学部品接合工程は、固定する当接部に紫外線硬化型樹脂を塗布し、紫外線硬化型樹脂に紫外線を照射することを特徴とすれば、例えば容易にかつ強固に光学部品と基板とを固定できる点で好ましい。また、光学部品接合工程は、固定する当接部にハンダボールを載置し、ハンダボールにレーザ光を照射することを特徴とすれば、光学部品へはハンダの凝固による収縮応力が発生し難いためモジュールとしての光学的精度を高めることができる点から特に優れている。
また、光学部品接合工程は、光学部品と基板とが移動可能となるように形成された当接部を、基板に光学部品を載置しただけで形成することを特徴とすることもできる。これによって、光学部品と基板との間に生じる応力を容易に緩和することができる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいて、本発明を詳細に説明する。
[実施の形態1]
図1および図2は、本実施の形態が適用される光学モジュールとしてWDM(Wavelength Division Multiplexing)用3端子フィルタモジュール1の構成を示した図である。WDM用3端子フィルタモジュール(以下、フィルタモジュールという。)は波長多重伝送方式の光通信に用いられるモジュールの一つであり、ある特定の波長のみを選択的に取り出すモジュールである。図1はこのフィルタモジュール1の平面図であり、図2はこのフィルタモジュール1のXX’断面図である。
本実施の形態が適用されるフィルタモジュール1は、シリコンウェハであるSi基板11の表面中央部に台形型溝12と、台形型溝12を挟んで一方の側には2本の平行なV字型溝13a、13bと、他方の側にはV字型溝13cとが形成されたシリコンオプティカルベンチ(SiOB)10、SiOB10の台形型溝12に配設され、2本のV字型溝13a、13bが形成された側から順に所定の間隔を持って搭載された第1コリメートレンズ21、薄膜フィルタ22、および第2コリメートレンズ23、V字型溝13aに搭載された入射光用光ファイバ24、V字型溝13bに搭載された反射光用光ファイバ25、さらにV字型溝13cに搭載された透過光用光ファイバ26を備えている。
【0017】
そして、図2に示したように、本実施の形態が適用されるフィルタモジュール1は、SiOB10において第1コリメートレンズ21および第2コリメートレンズ23と台形型溝12とは各々2ヶ所の接触部P、Qで当接するが、本実施の形態では、第1コリメートレンズ21および第2コリメートレンズ23と台形型溝12との接合は、第1コリメートレンズ21および第2コリメートレンズ23と台形型溝12との2ヶ所の接触部P、Qのうち、一方の接触部Pにおいて両者を固定し、他方の接触部Qにおいて第1コリメートレンズ21および第2コリメートレンズ23と台形型溝12との相対位置にずれが生じることが可能なように移動自由度をもって担持されている点に特徴がある。
【0018】
SiOB10は、第1コリメートレンズ21、薄膜フィルタ22、第2コリメートレンズ23が搭載される台形型溝12と、入射光用光ファイバ24が搭載されるV字型溝13a、反射光用光ファイバ25が搭載されるV字型溝13bと、透過光用光ファイバ26が搭載されるV字型溝13cとが形成された構成を有している。
ここで、SiOB10の製造方法について説明する。SiOB10においては、まず結晶面が(100)面であるSi基板11の表面に酸化層を形成する。酸化層の厚さは台形型溝やV字型溝の深さの設計値により決定される。典型値としては2μmである。
次にSi基板11の上にフォトレジストを塗布する。ここで、フォトレジストとしては、例えば東京応化製OEPR−800であって粘度50cpのものを用い、Si基板11を回転速度1500rpmで回転させながら塗布する。塗布厚は典型値として6μmとする。
【0019】
Si基板11にフォトレジストを塗布した後に、110℃で2分間のプリベークを行い、フォトレジストを硬化させる。そしてクロム(Cr)製のフォトマスクを使って密着露光する。ここで、露光光としては波長350〜400nmの紫外線を用いる。
次に、現像液により、露光済みのSi基板11を現像する。現像液としては、例えば東京応化製NMD−3のアルカリ溶液が用いられる。この現像工程では、上記のフォトレジストとしてポジレジストが用いられているため、露光部のフォトレジストが除去される。そしてさらに、120℃で5分間のポストべークを行う。
【0020】
その後、フッ素系のガスでドライエッチングを行い、フォトレジストで覆われていない領域のSi酸化膜を除去する。さらに、アセトンでフォトレジストを溶解し、除去する。
そして水酸化カリウム(KOH)水溶液(30〜35wt%、60〜70℃)により、エッチングを行なう。純粋なSiのエッチングレートはSi酸化膜のエッチングレートよりも約2桁速い。このため、エッチング領域では、Siの結晶面のうちの(111)面が表面に現われて、傾斜角が54.7°のV字型ないし台形型の溝が形成される。なお、エッチング液としてはTMAH(テトラメチル水酸化アンモニウム液)を用いてもよい。
このようにして、台形型溝12およびV字型溝13a、13b、13cが形成されたSiOB10が製造される。ここで、台形型溝12では、薄膜フィルタ22が配置される部分において薄膜フィルタ22を配設できるように幅広に形成されている。
なお、上記のようなプロセスは異方性エッチングと呼ばれ、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)を実現する上で重要な技術となっている。
【0021】
かかるSiOB10を用いたフィルタモジュール1では、SiOB10のV字型溝13aに搭載される入射光用光ファイバ24は、複数の異なる波長が多重化された光を伝送し、第1コリメートレンズ21に出射する。
第1コリメートレンズ21は、レンズ面の曲率が中心部と周辺部とで異なる非球面相面レンズであり、光学ガラスBK−7を材料として金型でプレス成型されて製造されたものである。そして、入射光用光ファイバ24から入射された光を平行光に変換して、薄膜フィルタ22に出射する、
薄膜フィルタ22は、ガラス基板の上に誘電体の薄膜をスパッタ法や真空蒸着法等のプロセスで多層に積層した薄膜フィルタ素子であり、所定の波長λmの光のみを透過して、その波長λm以外の光を反射する機能を有する。そして、薄膜フィルタ22は、波長λmの光を透過して第2コリメートレンズ23に出射し、波長λm以外の光を反射して第1コリメートレンズ21に出射する。
【0022】
第2コリメートレンズ23は、第1コリメートレンズ21と同様に構成されている。そして、薄膜フィルタ22を透過した波長λmの光を透過光用光ファイバ26の端面に集光させて透過光用光ファイバ26に波長λmの光を導く。
一方、薄膜フィルタ22によって反射された波長λm以外の光は第1コリメートレンズ21によって反射光用光ファイバ25の端面に集光させて反射光用光ファイバ25に波長λm以外の光を導く。
【0023】
次に、本実施の形態のフィルタモジュール1の特徴である、第1コリメートレンズ21および第2コリメートレンズ23とSiOB10との接合について説明する。
上記したように異方性エッチングによりSi基板11に溝を形成すると、形成された溝の斜面にはSiの結晶面のうちの(111)面が現われて、傾斜角が54.7°の台形型溝12およびV字型溝13a、13b、13cが形成される。したがって、台形型溝12に第1コリメートレンズ21および第2コリメートレンズ23のような断面形状が円形の光学部品を載置すると、図2に示したように、第1コリメートレンズ21および第2コリメートレンズ23と台形型溝12とは台形型溝12の斜面12b、12cの2ヶ所の接触部P、Qで当接する。なお、例えば井戸型をも含めた台形型溝12および光学部品の大きさ、形状によっては、底面12aとの接触も含めた3ヶ所以上で当接する場合もある。
この第1コリメートレンズ21および第2コリメートレンズ23とSiOB10との接触部P、Qは、第1コリメートレンズ21および第2コリメートレンズ23の光軸と平行な線となる。そして、この2ヶ所の接触部P、Qにより、第1コリメートレンズ21および第2コリメートレンズ23の設置位置が決定される。
【0024】
本実施の形態では、2ヶ所の接触部P、Qのうち、一方の接触部Pにおいて第1コリメートレンズ21および第2コリメートレンズ23とSiOB10とを接着剤層14で固定し、他方の接触部Qにおいて第1コリメートレンズ21および第2コリメートレンズ23とSiOB10との相対位置にずれを生じることが可能なように移動自由度をもって担持している。すなわち、一方の接触部Pでは両者は固着されそれぞれ相対位置にずれが生じることはないが、他方の接触部Qでは両者はそれぞれが相対位置にずれを生じることができるように担持されている。
【0025】
接触部Pにおける第1コリメートレンズ21および第2コリメートレンズ23とSiOB10との固定は接着剤層14によって行われるが、接着剤層14は、第1コリメートレンズ21および第2コリメートレンズ23の回転や並進により光軸調整等を行って設置位置を決定した後に、例えばマイクロディスペンサを用いて紫外線硬化型樹脂が塗布され、紫外線を集光照射して硬化させることで形成される。この接着剤層14によって、第1コリメートレンズ21および第2コリメートレンズ23とSiOB10とは、互いに一体的に固着される。なお、紫外線硬化型樹脂は粘度が低いので塗布し易く、また硬化に際し熱を必要としないため作業性が良いという利点を有している。
ここで、紫外線硬化型樹脂としては、エポキシ変性アクリレート系、ポリウレタン系、ポリエステル系等を用いることができるが、紫外線硬化型樹脂のほか、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂等の熱硬化性樹脂を用いることもできる。
【0026】
一方、接触部Qでは、接着剤層を形成せず、第1コリメートレンズ21および第2コリメートレンズ23とSiOB10とは固定されずに接触しただけの状態で担持されている。
なお、接触部Qにおいても接合部材によって接合させた構成とすることもできるが、その場合に接合部材に使用される材質は、所定の弾性を持った状態で安定するものが用いられる。ここで、所定の弾性とは、第1コリメートレンズ21および第2コリメートレンズ23とSiOB10とが、使用環境の温度変化等により膨張・収縮量に差を生じた際にその差に応じて自由に移動できる程度に変形可能であることをいう。
このように接触部Qを構成することで、接触部Qでは第1コリメートレンズ21および第2コリメートレンズ23とSiOB10とは固定されず、それぞれが相対位置にずれを生じることが可能なように移動自由度をもって担持される。
【0027】
このように、一方の接触部Pでは第1コリメートレンズ21および第2コリメートレンズ23とSiOB10とを接着剤層14によって固定させ、他方の接触部Qでは移動自由度をもって担持することによって、接触部Pは第1コリメートレンズ21および第2コリメートレンズ23をSiOB10に担持するとともに両者の相対位置を維持する一方で、接触部Qは使用環境の温度が変化した際の両者の膨張・収縮によるずれを自由に生じさせることができる。
【0028】
すなわち、第1コリメートレンズ21および第2コリメートレンズ23を構成する光学ガラスBK−7の熱膨張係数は7.1×10−6/degであり、SiOB10のSi基板11を構成するシリコン(Si)の熱膨張係数は2.5×10−6/degであって、両者は異なる熱膨張係数を有する。そのため、第1コリメートレンズ21および第2コリメートレンズ23とSiOB10とが接触部P、Qの双方において接着剤層により固定されると、温度の変動により第1コリメートレンズ21および第2コリメートレンズ23とSi基板11との膨張量・収縮量とに差異が生じる。例えば、使用環境温度が常温(20℃)から70℃に変化すると、両者にはサブミクロン単位の膨張量差が生じることとなる。
【0029】
その結果、固定されている両者にその体積変動差による大きな力が加わり、第1コリメートレンズ21および第2コリメートレンズ23には内部応力が発生し、光弾性効果により屈折率や複屈折率に変化が生じる等、光学的性質に影響が生じて、フィルタモジュール1の性能を低下させる。またSiOB10においては溝12の底部16は薄く形成され、しかも台形型溝12の両側の壁面部からの力を受けると応力が集中し易い構造となっている。そのため、台形型溝12の底部16には歪みが生じ易く、その歪みが繰り返し発生するとクラックが生じて、フィルタモジュール1の破損の原因となる。
【0030】
これに対し、本実施の形態のフィルタモジュール1では、一方の接触部Qにおいては使用環境の温度が変化した際にも第1コリメートレンズ21および第2コリメートレンズ23とSiOB10とは膨張・収縮を自由に生じさせることができるように構成されているので、温度の変動により両者に異なる膨張量・収縮量が生じても、それぞれが自由に膨張・収縮することで、両者に応力が加わることを抑制することができる。つまり、接触部Qでは、図2に示したように、第1コリメートレンズ21および第2コリメートレンズ23は膨張・収縮に応じて概ね矢印Sの方向に移動することができ、またSiOB10は概ね矢印Tの方向に移動することができる。そのため、両者に体積変動差が生じてもそれぞれの移動により応力が開放され、第1コリメートレンズ21および第2コリメートレンズ23やSi基板11に加わる力は極めて小さいものとなる。また、接触部Qに生じるそれぞれの位置のずれは、使用環境温度が常温に戻った際には、元の位置に戻ることができる。
特に、接触部Pと接触部Qとは、台形型溝12の対向する両側部に位置するため、接触部Pで固定した場合には最も離れた接触部Qでの膨張量・収縮量が大きくなるため、接触部Qが移動自由度をもって担持されることによる応力の緩和効果は大きい。
【0031】
その結果、第1コリメートレンズ21および第2コリメートレンズ23に内部応力が発生することを抑制できるので、光学的性質に影響を与えず、フィルタモジュール1の性能を維持できる。さらに、SiOB10では台形型溝12の両側からの力を受けると応力が集中し易い台形型溝12の底部16においてもクラックの発生が抑えられ、フィルタモジュール1の耐久性の向上を図ることが可能となる。
【0032】
[実施の形態2]
実施の形態1では、第1コリメートレンズ21および第2コリメートレンズ23とSiOB10とを2ヶ所の接触部P、Qのうち、一方の接触部Pにおいて接着剤を用いて固定したフィルタモジュール1を例に挙げて説明した。しかしながら、第1コリメートレンズ21および第2コリメートレンズ23とSiOB10とはハンダを用いて固定することも可能である。この実施の形態2では、第1コリメートレンズ21および第2コリメートレンズ23とSiOB10とを、2ヶ所の接触部P、Qのうち、一方の接触部Pにおいてハンダを用いて固定する場合について説明する。なお、実施の形態1と同様の構成については、同様の符号を用い、ここではその詳細な説明を省略する。
【0033】
図3および図4は、本実施の形態が適用されるフィルタモジュール2の構成を説明する図であり、図3はこのフィルタモジュール2の平面図、図4はこのフィルタモジュール2のYY’断面図である。本実施の形態が適用されるフィルタモジュール2では、実施の形態1と同様に、シリコンウェハであるSi基板11の表面中央部に台形型溝12と、台形型溝12を挟んで一方の側には2本の平行なV字型溝13a、13bと、他方の側にV字型溝13cとが形成されたシリコンオプティカルベンチ(SiOB)10と、SiOB10の台形型溝12に配設され、2本のV字型溝13a、13bが形成された側から順に所定の間隔を持って搭載された第1コリメートレンズ21、薄膜フィルタ22、第2コリメートレンズ23、V字型溝13aに搭載された入射光用光ファイバ24、V字型溝13bに搭載された反射光用光ファイバ25、さらにV字型溝13cに搭載された透過光用光ファイバ26を備えている。そして、SiOB10の表面であって第1コリメートレンズ21および第2コリメートレンズ23を搭載する領域に金属膜(メタライズ膜)17が形成され、また、第1コリメートレンズ21および第2コリメートレンズ23の側面21a、23aにも金属膜が形成されている。
【0034】
金属膜17を形成する金属としては、金(Au)、銀(Ag)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)等を用いることができる。なお、金属膜17の形成に際しては、SiOB10の表面に形成された台形型溝12の隅々まで均一にメッキできることから、無電解メッキを施すことが好ましい。
また、第1コリメートレンズ21および第2コリメートレンズ23については、SiOB10と当接する側面のみを無電解メッキによって金属膜被覆を行っている。
【0035】
次に、本実施の形態のフィルタモジュール2の特徴である、第1コリメートレンズ21および第2コリメートレンズ23とSiOB10との接合について説明する。本実施の形態では、図4に示すように、SiOB10の台形型溝12における2ヶ所の接触部P、Qのうち、一方の接触部Pにおいて第1コリメートレンズ21および第2コリメートレンズ23とSiOB10とをハンダで固定し、他方の接触部Qにおいて第1コリメートレンズ21および第2コリメートレンズ23とSiOB10との相対位置にずれを生じることが可能なように移動自由度をもって担持している。
【0036】
接触部Pにおいて第1コリメートレンズ21および第2コリメートレンズ23とSiOB10との固定はハンダ層18によって行われるが、ハンダ層18は、第1コリメートレンズ21および第2コリメートレンズ23の回転や並進により光軸調整等を行って設置位置を決定した後に、接触部Pの近傍にハンダボールを載置し、その状態でハンダボールに炭酸ガスレーザをパルス的に集光照射して、ハンダボールを瞬時に溶融し、冷却することで形成される。
このようなハンダ層18の形成方法を採用することにより、ハンダの凝固による収縮応力が発生し難いためモジュールとしての光学的精度を高めることができる利点がある。
【0037】
一方、接触部Qでは、実施の形態1と同様に、接着剤層やハンダ層を形成せず、第1コリメートレンズ21および第2コリメートレンズ23とSiOB10とは固定されず接触しただけの状態で担持されている。
なお、接触部Qにおいて所定の弾性を持った接合部材を用いて接合させた構成とすることもできる。ここで、所定の弾性とは、第1コリメートレンズ21および第2コリメートレンズ23とSiOB10とが、使用環境の温度変化等により膨張・収縮量に差を生じた際にその差に応じて自由に移動できる程度に変形可能であることをいう。
このように移動自由度をもつ接触部に充填する接合部材としては、所定の弾性を有する材料、例えばシリコーン系接着剤や合成ゴム系接着剤を用いることができる。また、前述した紫外線硬化型樹脂や熱可塑性樹脂、或いは各種エポキシ系、アクリレート系接着剤においても、その材料組成の調整や他の材料の混融等の手段により、所定の柔軟性をもたせた材料があり、それらを接触部Qに充填することができる。或いは、各接着剤において硬化温度や紫外線照射強度・時間等の硬化条件を調整することにより、所定の弾性を付与することも可能である。
このような接触部Qを構成することで、接触部Qでは第1コリメートレンズ21および第2コリメートレンズ23とSiOB10とは固定されず、それぞれが相対位置にずれを生じることが可能なように移動自由度をもって担持されるとともに、移動自由度を持つ接触部Qへの異物等の侵入を防ぎ、モジュール性能を安定に保つことができる。
【0038】
このように、一方の接触部Pでは第1コリメートレンズ21および第2コリメートレンズ23とSiOB10とをハンダ層18によって固定させ、他方の接触部Qでは移動自由度をもって担持することによって、接触部Pは第1コリメートレンズ21および第2コリメートレンズ23をSiOB10に担持するとともに両者の相対位置を維持する一方で、接触部Qは使用環境の温度が変化した際の両者の膨張・収縮によるずれを自由に生じさせることができる。これによって、第1コリメートレンズ21および第2コリメートレンズ23に内部応力が発生することを抑制できるので、光学的性質に影響を与えず、フィルタモジュール2の性能を維持できるとともに、SiOB10では台形型溝12の両側の壁面部からの力を受けると応力が集中し易い台形型溝12の底部16においてもクラックの発生が抑えられ、フィルタモジュール2の耐久性の向上を図ることが可能となる。
【0039】
ここで、一方の接触部Pは第1コリメートレンズ21および第2コリメートレンズ23とSiOB10とを接着剤層14やハンダ層18によって固定させ、他方の接触部Qは移動自由度をもって担持する本発明のフィルタモジュール1、2と、第1コリメートレンズ21および第2コリメートレンズ23とSiOB10とを台形型溝12の間に接着剤やハンダ等を全面的に充填した接着剤層15によって接着固定する従来のフィルタモジュール30(図6、7参照)とを比較する試験を行った。
この試験では、本発明のフィルタモジュール1、2と従来のフィルタモジュール30にヒートショック試験を施して耐久性を比較した。試験条件は、−20℃と90℃の環境下に、ぞれぞれ交互に放置するヒートショックサイクルを繰り返し行うものである。
【0040】
その結果を図5に示す。図5に示すように、従来のフィルタモジュール30では、20回のヒートショックサイクルでSiOB10にクラックが発生して破損が生じたのに対し、本発明のフィルタモジュール1、2では、いずれも100回のヒートショックサイクルにおいてもSiOB10にクラックは発生せず、使用環境温度の変化によってモジュール内に生じる応力がかなり緩和され、フィルタモジュール1、2の耐久性が向上していることが確認された。
【0041】
以上、詳述したように、本実施の形態のフィルタモジュール1、2によれば、第1コリメートレンズ21および第2コリメートレンズ23とSiOB10との2ヶ所の接触部P、Qのうち、一方の接触部Pでは接着剤層14またはハンダ層18によって固定させ、他方の接触部Qでは移動自由度をもって担持することにより、接触部Pは第1コリメートレンズ21および第2コリメートレンズ23をSiOB10に担持するとともに両者の相対位置を維持する一方で、接触部Qは使用環境の温度が変化した際の両者の膨張・収縮によるずれを自由に生じさせることができる。これによって、第1コリメートレンズ21および第2コリメートレンズ23に内部応力が発生することを抑制できるので、光学的性質に影響を与えず、フィルタモジュール1、2の性能を維持できるとともに、SiOB10では台形型溝12の両側の壁面部からの力を受けると応力が集中し易い台形型溝12の底部16においてもクラックの発生が抑えられて、フィルタモジュール1、2の耐久性の向上を図ることが可能となる。
【0042】
なお、上記した実施の形態1、2では、第1コリメートレンズ21および第2コリメートレンズ23等の光学部品とSiOB10との接触部が2ヶ所の場合を例に説明したが、接触部が3ヶ所以上の場合においても同様であって、少なくとも1ヶ所において固定され、少なくとも1ヶ所において移動自由度をもって担持された構成であれば、同様の効果を得ることができる。
また、SiOB10を用いたWDM用3端子フィルタモジュールを例に取り上げて説明したが、本発明は材質の異なる基板と部品とが接合されて構成される全てのモジュールに適合でき、特に使用環境の温度変化に対する信頼性を向上させることができる点において優れたものである。
さらに、接着方法として接着剤とハンダとを例に説明したが、これに限定されないことはいうまでもない。
【0043】
【発明の効果】
このように、本発明によれば、使用環境の温度の変化による光学モジュールの性能低下を抑制して信頼性を維持するとともに、光学モジュールの破損を回避して耐久性の向上を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のフィルタモジュールの構成を示した平面図である。
【図2】本発明のフィルタモジュールのXX’断面図である。
【図3】本発明のフィルタモジュールの構成を示した平面図である。
【図4】本発明のフィルタモジュールのYY’断面図である。
【図5】比較試験の結果を示した図である。
【図6】従来のフィルタモジュールの構成を示した平面図である。
【図7】従来のフィルタモジュールのAA’断面図である。
【符号の説明】
1,2,30…フィルタモジュール、10…シリコンオプティカルベンチ(SiOB)、11…Si基板、12…台形型溝、13a,13b,13c…V字型溝、14,15…接着剤層、16…底部、17…金属膜(メタライズ膜)、18…ハンダ層、21…第1コリメートレンズ、21a…第1コリメートレンズ側面、22…薄膜フィルタ、23…第2コリメートレンズ、23a…第2コリメートレンズ側面、24…入射光用光ファイバ、25…反射光用光ファイバ、26…透過光用光ファイバ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to, for example, an optical module on which an optical component is mounted, and more particularly to an optical module used for optical communication.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with the progress of optical communication technology, for example, data communication using an optical fiber can transmit and receive a large amount of information at high speed. In particular, new technologies such as optical multiplex communication have been introduced, and further increases in speed and capacity are being promoted. Under these circumstances, the need for optical modules that appropriately combine various optical components used in optical communications, such as optical fibers, lenses, laser diodes, etc., has been increasing, and active research and development has been conducted. ing.
[0003]
As a prior art of such an optical module, for example, there is an optical element module in which a groove is provided on a Si substrate, a spherical lens is positioned and fixed in the groove, and a predetermined wiring is formed on the Si substrate. It is disclosed (for example, see Patent Document 1). There are several types of such optical modules. Among them, a groove is formed on a Si wafer by micromachining (MEMS), which is a three-dimensional processing technique, and optical components such as optical fibers and lenses are formed on the grooves. A method of embedding and fixing is drawing attention as a method excellent in mounting accuracy and mass productivity. The substrate for the optical module formed by the MEMS is called a silicon optical bench (SiOB) and is put into practical use as one key device.
[0004]
Here, a configuration of a three-terminal filter module for WDM (Wavelength Division Multiplexing) will be described as a specific example of a conventional optical module using SiOB. FIG. 6 is a plan view illustrating a configuration of a WDM three-terminal filter module (hereinafter referred to as a filter module). As shown in FIG. 6, in the
[0005]
In such an optical module such as the
[0006]
[Patent Document 1]
JP 2002-162542 A (3rd to 4th pages, FIG. 7)
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the conventional optical module as shown in FIG. 6, when mounting optical components such as the first
[0008]
However, in the method of filling and fixing a resin adhesive, solder, or the like entirely between the optical component and the
[0009]
Further, there is a problem that stress remains in the optical module due to a so-called heat cycle in which the temperature is repeatedly raised and lowered, and the optical characteristics of the optical module are not restored even when the temperature returns to room temperature.
In addition, when an optical component such as the first
[0010]
Conventionally, in order to avoid the above-described problems, each material is selected so that the thermal expansion coefficient between members to be bonded, such as an optical component and a substrate such as SiOB10, is as close as possible. Measures have been taken to relieve the stress generated, but optical components, in particular, need to specify the physical properties of the materials based on their optical properties, so there are limits to the choice of materials. It was difficult to relieve the stress generated during
[0011]
The present invention has been made in order to solve the technical problems as described above, and the object of the present invention is to maintain the reliability by suppressing the performance degradation of the optical module due to the temperature change of the use environment. In addition, the durability of the optical module is improved by avoiding damage to the optical module.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
For this purpose, in the optical module of the present invention, the optical component mounted on the substrate is fixed at least at one location with respect to the substrate and is supported at least at one location with a degree of freedom of movement. It is a feature. As a result, the stress generated between the optical component and the substrate can be relieved to maintain the performance of the optical module and to prevent the optical module from being damaged. Here, the optical component may be characterized in that it is fixed with an adhesive at least at one place with respect to the substrate or fixed with solder. With this configuration, it is possible to carry the optical component on the substrate and maintain the relative position between the two. In addition, the optical component may be in contact with the substrate in a state where it is placed at least at one place, or may be bonded by a deformable bonding member. In this configuration, it is possible to freely cause expansion / contraction between the optical component and the substrate when the temperature of the use environment changes, and it is possible to realize relaxation of stress generated between the two.
[0013]
The optical module of the present invention includes a substrate having a recess and an optical component that is supported by the plurality of contact portions and mounted on the substrate in the recess, and at least one of the plurality of contact portions is a substrate. And at least 1 does not fix the substrate and the optical component. Thereby, the stress generated between the optical component and the substrate can be relaxed. Here, if the concave portion is a groove having a trapezoidal or V-shaped cross section, the optical component is excellent in that the installation position can be automatically determined by being mounted in the groove. Furthermore, if the contact part is formed at least on both sides of the recess, the stress relaxation effect is particularly great.
[0014]
On the other hand, if the present invention is regarded as a stress relaxation method for an optical module, an optical component is placed in the recess of the substrate on which the recess is formed, and at least one contact portion between the optical component and the recess is fixed. It is characterized by relieving the stress generated in the optical component and the substrate by not fixing at least one other place. Thereby, while maintaining the performance of an optical module, it becomes possible to avoid the damage of an optical module. Here, if the optical component is fixed to the substrate at least on one side of the recess, it is preferable in that it is easy to determine the installation position of the optical component and to fix the substrate and the optical component. . Further, if the optical component is not fixed to the substrate at least on one side of the recess, it is excellent in that the installation position of the optical component can be determined and the stress generated in the optical component and the substrate can be efficiently relaxed. ing.
[0015]
On the other hand, if the present invention is regarded as an optical module manufacturing method, a groove forming step for forming a groove in a single crystal silicon substrate by anisotropic etching, and an optical component mounting for mounting an optical component in the groove formed by the groove forming step. And fixing at least one contact portion between the optical component placed by the placing step and the optical component placing step and the groove formed by the groove forming step, and the optical component and the substrate are fixed to at least one contact portion. And an optical component bonding step that is formed so as to be movable. Here, if the optical component bonding step is characterized in that an ultraviolet curable resin is applied to the fixed contact portion and the ultraviolet curable resin is irradiated with ultraviolet rays, for example, the optical component and the substrate can be easily and firmly bonded. Is preferable in that it can be fixed. In addition, if the optical component joining step is characterized in that a solder ball is placed on the fixed contact portion and the solder ball is irradiated with laser light, the optical component is unlikely to generate shrinkage stress due to solidification of the solder. Therefore, it is particularly excellent in that the optical accuracy as a module can be increased.
Further, the optical component joining step may be characterized in that the contact portion formed so that the optical component and the substrate can move is formed only by placing the optical component on the substrate. Thereby, the stress generated between the optical component and the substrate can be easily relaxed.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments shown in the accompanying drawings.
[Embodiment 1]
1 and 2 are diagrams showing a configuration of a three-terminal filter module 1 for WDM (Wavelength Division Multiplexing) as an optical module to which the present embodiment is applied. A WDM three-terminal filter module (hereinafter referred to as a filter module) is one of the modules used for wavelength division multiplexing optical communication, and is a module that selectively extracts only a specific wavelength. FIG. 1 is a plan view of the filter module 1, and FIG. 2 is a cross-sectional view of the filter module 1 XX ′.
The filter module 1 to which the present embodiment is applied includes a
[0017]
As shown in FIG. 2, the filter module 1 to which the present embodiment is applied includes the
[0018]
The
Here, the manufacturing method of SiOB10 is demonstrated. In the
Next, a photoresist is applied on the
[0019]
After applying a photoresist to the
Next, the exposed
[0020]
Thereafter, dry etching is performed with a fluorine-based gas to remove the Si oxide film in a region not covered with the photoresist. Further, the photoresist is dissolved and removed with acetone.
Etching is then performed with an aqueous potassium hydroxide (KOH) solution (30 to 35 wt%, 60 to 70 ° C.). The etching rate of pure Si is about two orders of magnitude faster than the etching rate of Si oxide film. For this reason, in the etching region, the (111) plane of the Si crystal plane appears on the surface, and a V-shaped or trapezoidal groove having an inclination angle of 54.7 ° is formed. Note that TMAH (tetramethyl ammonium hydroxide solution) may be used as the etching solution.
In this way, the
The process as described above is called anisotropic etching, and is an important technique for realizing MEMS (Micro Electro Mechanical Systems).
[0021]
In the filter module 1 using the
The
The thin film filter 22 is a thin film filter element in which a dielectric thin film is laminated in a multilayer on a glass substrate by a process such as sputtering or vacuum deposition, and has a predetermined wavelength λ. m The wavelength λ m It has a function of reflecting other light. The thin film filter 22 has a wavelength λ. m Is transmitted to the second collimating lens 23, and the wavelength λ m Light other than those is reflected and emitted to the
[0022]
The second collimating lens 23 is configured in the same manner as the
On the other hand, the wavelength λ reflected by the thin film filter 22 m The other light is condensed on the end face of the reflected light optical fiber 25 by the
[0023]
Next, the joining of the
As described above, when a groove is formed in the
The contact portions P and Q between the
[0024]
In the present embodiment, the
[0025]
The
Here, as the ultraviolet curable resin, epoxy-modified acrylate type, polyurethane type, polyester type, etc. can be used. In addition to the ultraviolet curable resin, thermosetting resins such as epoxy resin, phenol resin, melamine resin, etc. It can also be used.
[0026]
On the other hand, in the contact portion Q, the adhesive layer is not formed, and the
In addition, although it can also be set as the structure joined by the joining member also in the contact part Q, the material used for a joining member in that case is a thing stable in the state which has predetermined | prescribed elasticity. Here, the predetermined elasticity means that the
By configuring the contact portion Q in this way, the
[0027]
In this way, the
[0028]
That is, the thermal expansion coefficient of the optical glass BK-7 constituting the
[0029]
As a result, a large force due to the volume variation difference is applied to both the fixed members, internal stress is generated in the
[0030]
On the other hand, in the filter module 1 of the present embodiment, the
In particular, since the contact portion P and the contact portion Q are located on opposite sides of the
[0031]
As a result, since it is possible to suppress the occurrence of internal stress in the
[0032]
[Embodiment 2]
In the first embodiment, the filter module 1 in which the
[0033]
3 and 4 are diagrams for explaining the configuration of the filter module 2 to which the present embodiment is applied. FIG. 3 is a plan view of the filter module 2. FIG. 4 is a YY ′ sectional view of the filter module 2. It is. In the filter module 2 to which the present embodiment is applied, as in the first embodiment, a
[0034]
Gold (Au), silver (Ag), nickel (Ni), copper (Cu), or the like can be used as a metal for forming the
Moreover, about the
[0035]
Next, the joining of the
[0036]
The
By adopting such a method for forming the
[0037]
On the other hand, in the contact portion Q, as in the first embodiment, the adhesive layer and the solder layer are not formed, and the
In addition, it can also be set as the structure joined using the joining member with predetermined | prescribed elasticity in the contact part Q. Here, the predetermined elasticity means that the
Thus, as a joining member filled in the contact portion having the degree of freedom of movement, a material having a predetermined elasticity, for example, a silicone-based adhesive or a synthetic rubber-based adhesive can be used. In addition, in the above-described ultraviolet curable resin, thermoplastic resin, or various epoxy-based and acrylate-based adhesives, a material having a predetermined flexibility by adjusting the material composition or mixing other materials. They can be filled in the contact portion Q. Or it is also possible to give predetermined | prescribed elasticity by adjusting hardening conditions, such as hardening temperature, ultraviolet irradiation intensity | strength, and time, in each adhesive agent.
By configuring such a contact portion Q, the
[0038]
As described above, the
[0039]
Here, the first contact portion P fixes the
In this test, a heat shock test was performed on the filter modules 1 and 2 of the present invention and the
[0040]
The result is shown in FIG. As shown in FIG. 5, in the
[0041]
As described above in detail, according to the filter modules 1 and 2 of the present embodiment, one of the two contact portions P and Q of the
[0042]
In the first and second embodiments, the case where there are two contact portions between the optical components such as the
In addition, although a description has been given by taking a WDM three-terminal filter module using SiOB10 as an example, the present invention can be applied to all modules configured by bonding substrates and components made of different materials, and in particular the temperature of the usage environment. This is excellent in that the reliability against changes can be improved.
Furthermore, the adhesive method and the solder have been described as examples of the bonding method, but it goes without saying that the present invention is not limited to this.
[0043]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to maintain the reliability by suppressing the performance deterioration of the optical module due to the temperature change of the use environment, and to improve the durability by avoiding the damage of the optical module. It becomes.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view showing a configuration of a filter module of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of the filter module of the present invention, taken along the line XX ′.
FIG. 3 is a plan view showing a configuration of a filter module of the present invention.
FIG. 4 is a YY ′ sectional view of the filter module of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing the results of a comparative test.
FIG. 6 is a plan view showing a configuration of a conventional filter module.
FIG. 7 is a cross-sectional view of a conventional filter module taken along line AA ′.
[Explanation of symbols]
1, 2, 30 ... Filter module, 10 ... Silicon optical bench (SiOB), 11 ... Si substrate, 12 ... Trapezoidal groove, 13a, 13b, 13c ... V-shaped groove, 14, 15 ... Adhesive layer, 16 ... Bottom: 17 ... Metal film (metallized film), 18 ... Solder layer, 21 ... First collimating lens, 21a ... First collimating lens side, 22 ... Thin film filter, 23 ... Second collimating lens, 23a ... Second collimating lens side , 24 ... Optical fiber for incident light, 25 ... Optical fiber for reflected light, 26 ... Optical fiber for transmitted light
Claims (15)
前記基板に搭載される光学部品とを含み、
前記光学部品は、前記基板とは少なくとも1ヶ所で固定されるとともに、少なくとも1ヶ所で当該基板に対し移動自由度をもって担持されたことを特徴とする光学モジュール。A substrate,
An optical component mounted on the substrate,
The optical module, wherein the optical component is fixed at least at one place with respect to the substrate, and is supported with at least one place on the substrate with a degree of freedom of movement.
前記凹部において複数の当接部で担持されて前記基板に搭載される光学部品とを備え、
前記複数の当接部は、少なくとも1が前記基板と前記光学部品とを固定し、少なくとも1が当該基板と当該光学部品とを固定しないことを特徴とする光学モジュール。A substrate having a recess formed thereon;
An optical component carried by the plurality of contact portions in the recess and mounted on the substrate,
At least one of the plurality of contact parts fixes the substrate and the optical component, and at least one does not fix the substrate and the optical component.
前記溝形成工程により形成された前記溝に光学部品を載置する光学部品載置工程と、
前記光学部品載置工程によって載置された光学部品と前記溝形成工程によって形成された前記溝との少なくとも1の当接部を固定し、少なくとも1の当接部を当該光学部品と当該基板とが移動可能となるように形成する光学部品接合工程と
を含むことを特徴とする光学モジュール製造方法。A groove forming step of forming grooves in the single crystal silicon substrate by anisotropic etching;
An optical component placing step of placing an optical component in the groove formed by the groove forming step;
At least one contact portion between the optical component placed by the optical component placing step and the groove formed by the groove forming step is fixed, and at least one contact portion is fixed to the optical component and the substrate. And an optical component joining step for forming the optical module so as to be movable.
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---|---|---|---|---|
JP2010515939A (en) * | 2007-01-09 | 2010-05-13 | フラウンホッファー−ゲゼルシャフト・ツァー・フォデラング・デル・アンゲワンテン・フォーシュング・エー.ファウ. | Method for combining aligned separate optical elements |
-
2003
- 2003-06-30 JP JP2003187752A patent/JP2005024697A/en active Pending
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JP2010515939A (en) * | 2007-01-09 | 2010-05-13 | フラウンホッファー−ゲゼルシャフト・ツァー・フォデラング・デル・アンゲワンテン・フォーシュング・エー.ファウ. | Method for combining aligned separate optical elements |
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