JP2006010959A - 光学部品搭載モジュールの製造方法及び光学部品搭載モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 光軸ずれが生じ難い光学部品搭載モジュールの製造方法及び光学部品搭載モジュールを提供する。
【解決手段】 シリコンオプティカルベンチ１１に形成された台形状の溝部１２の底部１２ａに、第１の接着剤１６を滴下する。その後、光学ガラス製の結合レンズ１５を搭載し、結合レンズ１５の底面中央部１５ａを第１の接着剤１６に接触させる。紫外線（ＵＶ）を照射すると第１の接着剤１６が硬化し、結合レンズ１５を位置決め固定できる。次に、結合レンズ１５と溝部１２との間の空間において第１の接着剤１６が充填されていない部分に第２の接着剤１７を注入し、紫外線を照射して硬化させる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、例えば光通信に用いる光学部品搭載モジュールの製造方法及び光学部品搭載モジュールに関するものである。

インターネットのブロードバンド化の本格的普及に伴い、ネットワークは一層の大容量化が求められ、また、音楽、動画像又はコンピュータデータなどをより高速に送受信したいという要望もある。例えば光ファイバを用いたデータの送受信では転送速度が家庭用で１００Ｍｂｐｓ（Mega bit per second）以上であり、光ファイバによれば、一般家庭に普及している電話回線を用いたモデムやＩＳＤＮ（Integrated Services Digital Network）に比べ、約３桁程度高速にデータを送受信できる。さらに、基幹系では１０〜４０Ｇｂｐｓ（Giga bit per second）に達している。また、近年、光多重通信という新しい技術が登場したことから、さらなる高速化と大容量化が可能となっている。

このような状況において、光通信部品の需要はますます増加傾向にあり、そのコスト低減と信頼性向上が部品供給メーカーの課題となっている。シリコンウェハに異方性エッチングを施して作製されるシリコンオプティカルベンチ（ＳｉＯＢ）の溝部に、少なくとも一つの光学部品を搭載した光学部品搭載モジュールは、光通信関連部品のなかでその中枢となるものであり、基幹系光通信関連部品と同程度の信頼性が求められている。

光学部品搭載モジュールにおいては、半導体レーザ等の光素子が固定されているオプティカルベンチにレンズ等の光学部品を、光素子との光学結合が最適となるように位置決めする必要があり、また、その最適状態を維持する必要がある。

オプティカルベンチに光学部品を接合する方法として、従来から種々の方法が提案されている（例えば特許文献１又は非特許文献１参照）。
特許文献１では、基板と光学部品をＡｕ（金）あるいはＰｔ（プラチナ）の金属被膜で覆った後に互いに接触させることで、両金属被膜の金属原子同士が相互に拡散することで接合させる方法を提案している。
しかしながら、この方法では、スパッタ法やメッキ処理等により金属被膜を基板と光学部品の両方に施さなければならず、また接合のために加熱した状態で押圧しなければならないなどの煩雑なプロセスを要し、製造コストの削減を実行し難い。

また、非特許文献１では、図４に示すように、シリコンオプティカルベンチ２１の溝部２２に接着剤２３を滴下した後に光学部品の光ファイバ２４を搭載し、接着剤２３を硬化させて固定して光学部品搭載モジュール２０を製造する方法を提案している。

特開平９−６１６７４号公報(第６頁、図６〜８) IEEE Trans. CHMT, vol.13,No.4,1990

しかしながら、非特許文献１による方法では、接着剤２３に均一に圧力をかけることは困難なため、図５に示すように、接着剤２３がシリコンオプティカルベンチ２１の溝部２２の内面と光ファイバ２４の表面との隙間に入り込んだりはみ出たりして接着剤２３を硬化させた時に厚みのばらつきが生じる。このような厚みのばらつきにより、光ファイバ２４の固着位置精度が低下してしまう。その結果として、半導体レーザ等の光素子と光ファイバ２４との間で光軸のずれが生じ、光結合効率が低下するという問題があった。

また、光学部品搭載モジュール２０において熱ストレス（熱応力）が、接着剤２３による接着部分に生じると、故障の原因となり易い。熱ストレスを緩和するには、ヤング率の低い接着剤２３を用いてその影響を吸収することが望ましい。ところが、ヤング率の低い接着剤自体は比較的容易に変形することから、光学部品搭載モジュール２０に振動などの外部刺激が作用すると、光素子と光ファイバ２４との間で光軸のずれが生じやすくなり、光結合効率が低下するという問題を十分に解消することができない。

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り、その目的とするところは、光学部品の固着位置精度を高めて光軸ずれが生じ難くすることにある。また、他の目的は、光学部品の接着部分に対する熱ストレスの影響を低減させて光軸ずれが生じ難くすることにある。

かかる目的のもと、本発明が適用される光学部品搭載モジュールの製造方法は、オプティカルベンチの溝部に位置決めされた光学部品を接着剤で固定した光学部品搭載モジュールの製造方法において、光学部品を位置決めする溝部の位置決め部から離れた光学部品の部分を、溝部に設けた接着剤にて固定する第１のステップと、溝部の位置決め部の近傍まで溝部に接着剤を注入して光学部品をさらに固定する第２のステップとを含む。
第１のステップにおける位置決め部から離れた光学部品の部分は、オプティカルベンチの溝部の底部であることを特徴とすることができる。また、第１のステップにおける位置決め部から離れた光学部品の部分は、オプティカルベンチの溝部の底部に対向する光学部品の領域における中央部であり、第２のステップでは、中央部の周辺部に接着剤が設けられることを特徴とすることができる。
第１のステップに用いる接着剤と第２のステップに用いる接着剤とは互いに物性が異なるものであることを特徴とすることができる。例えば、第１のステップに用いる接着剤の硬化収縮率は、第２のステップに用いる接着剤の硬化収縮率よりも大きいことを特徴とすることができる。好ましくは、第１のステップに用いる接着剤の硬化収縮率は７％以上であり、第２のステップに用いる接着剤の硬化収縮率は４％以下である。

他の観点から捉えると、本発明が適用される光学部品搭載モジュールは、溝部を有するオプティカルベンチと、オプティカルベンチの溝部に配置した光学部品と、オプティカルベンチの溝部に位置し、溝部に配置した光学部品をオプティカルベンチに接合している第１の硬化性樹脂と、硬化した状態のヤング率が第１の硬化性樹脂と異なり、オプティカルベンチの溝部に位置し、溝部に配置した光学部品をオプティカルベンチに接合している第２の硬化性樹脂とを含む。
第１の硬化性樹脂は、オプティカルベンチの溝部の底部に対向する光学部品の領域における中央部と接合し、第２の硬化性樹脂は中央部の周辺部と接合していることを特徴とすることができる。また、第１の硬化性樹脂のヤング率が第２の硬化性樹脂のヤング率よりも大きいことを特徴とすることができる。

本発明によれば、オプティカルベンチの溝部に固着した光学部品の光軸ずれの発生を抑えることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本実施の形態に係る光学部品搭載モジュールを示す概略斜視図であり、図２は、図１の線II−IIによる断面図であり、図３は、図１の線III−IIIによる断面図である。
図１〜図３に示すように、光学部品搭載モジュール１０は、台形状の溝部１２がエッチングで形成されたシリコンオプティカルベンチ１１と、シリコンオプティカルベンチ１１の溝部１２に近接してシリコンオプティカルベンチ１１に設けられた図示しない電極と、シリコンオプティカルベンチ１１の電極の位置にはんだ１３で位置精度よく固定された半導体レーザチップ１４と、シリコンオプティカルベンチ１１の溝部１２に固定された結合レンズ１５とを備えている。半導体レーザチップ１４は、結合レンズ１５の光軸に向けてレーザを発する。
なお、本実施の形態では、結合レンズ１５を固定する場合を示しているが、その他に、図示しない光ファイバを固定する場合にも適用することができる。また、図２に示すように、本実施の形態では、比較的大型部品のためにシリコンオプティカルベンチ１１に台形状の溝部１２が形成されているが、比較的小型部品の場合には、図示しないＶ溝形状の溝部が形成されたものを用いることができる。シリコンオプティカルベンチ１１の溝部１２は、半導体レーザチップ１４に対して高精度に位置決めされている。

（実施例）
シリコンオプティカルベンチ１１は厚さ１．０ｍｍであり、台形状の溝部１２は、（100）面のシリコンウェハにＫＯＨ（水酸化カリウム）による異方性エッチングを適用して形成されていて、表面部幅１．７５ｍｍ、深さ０．８４ｍｍ、長さ１．７１ｍｍである。
このように形成した溝部１２の底部１２ａに、第１の接着剤１６としてのＮＴＴアドバンステクノロジ株式会社製のＧＡ８００Ａを０．１ｍｇ滴下した後に、外径１．５ｍｍで長さ１．２ｍｍの光学ガラス製の結合レンズ１５を溝部１２に配置し、結合レンズ１５の底面中央部１５ａを第１の接着剤１６に接触させる。溝部１２に配置した結合レンズ１５は、溝部１２の縁部（位置決め部）１２ｂに当接し、これにより結合レンズ１５は、位置決めされる。そして、紫外線（ＵＶ）を照射して第１の接着剤１６を硬化させると、結合レンズ１５を、溝部１２により位置決めされた状態でシリコンオプティカルベンチ１１に対して固定される。なお、結合レンズ１５の底面中央部１５ａは、シリコンオプティカルベンチ１１の溝部１２の底部１２ａに対向する領域における中央部と言うことができ、また、シリコンオプティカルベンチ１１の溝部１２の縁部１２ｂから離れた結合レンズ１５の部分とも言うことができる。
次に、結合レンズ１５と溝部１２の底部１２ａとに挟まれた空間において第１の接着剤１６が充填されていない部分に、第２の接着剤１７としてのＮＴＴアドバンステクノロジ株式会社製のＧＡ７００Ｌを０．２ｍｇ注入し、紫外線を照射して硬化させる。これにより、結合レンズ１５の底面中央部１５ａの周辺部１５ｂがシリコンオプティカルベンチ１１に対して固定される。
なお、第１の接着剤１６については粘度を調整している。具体的には、第１の接着剤１６の粘度１００Ｐａ・ｓ、硬化収縮率が８％、ヤング率が２ＧＰａである。また、第２の接着剤１７は、粘度が０．２５Ｐａ・ｓ、硬化収縮率が４％、ヤング率は０．４ＧＰａである。

（比較例１）
シリコンオプティカルベンチ１１を作製し、半導体レーザチップ１４を搭載するところまでは実施例と同様である。その後、台形状の溝部１２の底部１２ａに接着剤を０．３ｍｇ滴下し、外径１．５ｍｍの光学ガラス製の結合レンズ１５を搭載した。結合レンズ１５をシリコンオプティカルベンチ１１の溝部１２に押圧しながら、紫外線を照射して接着剤を硬化させる。ここで用いた接着剤は、ＮＴＴアドバンステクノロジ株式会社製のＡＴ３９２５Ｍの粘度を調整したもので、粘度は２０Ｐａ・ｓ、硬化収縮率は４％、ヤング率は１ＧＰａである。

（比較例２）
シリコンオプティカルベンチ１１を作製し、半導体レーザチップ１４を搭載するところまでは実施例と同様である。その後、台形状の溝部１２の底部１２ａに第１の接着剤を０．１ｍｇ滴下し、次に第１の接着剤の周辺に第２の接着剤を０．２ｍｇ滴下する。そして、外径１．５ｍｍの光学ガラス製の結合レンズ１５をシリコンオプティカルベンチ１１の溝部１２に搭載させる。結合レンズ１５をシリコンオプティカルベンチ１１の溝部１２に押圧しながら、紫外線を照射して接着剤を硬化させる。第１の接着剤および第２の接着剤は、実施例の場合と同じものを用いている。

（比較例３）
第１の接着剤としてＮＴＴアドバンステクノロジ株式会社製のＡＴ３９２５Ｍを粘度調整したものを用いた。その粘度は１００Ｐａ・ｓ、硬化収縮率は４％、ヤング率は１ＧＰａである。それ以外は、実施例と同様に実験を行った。
（比較例４）
第２の接着剤としてＮＴＴアドバンステクノロジ株式会社製のＡＴ８２２４を用いた。その粘度は０．１８Ｐａ・ｓ、硬化収縮率が９％、ヤング率は０．０５ＧＰａである。それ以外は、実施例と同様に実験を行った。

以上の実施例及び比較例１〜４の実験結果を比較してまとめると、次のようになった。

従来技術と同じく１種類の接着剤を用いただけの比較例１では、位置固定精度が悪く、しかも熱ストレスによる接着剤の破壊も確認された。また、２種類の接着剤を同時に硬化させた比較例２では、熱ストレスによる接着部の破壊が確認できなかったが、位置固定精度が悪かった。
また、２種類の接着剤の硬化収縮率をそれぞれ変えて実験した比較例３〜４ではいずれも、実施例のような位置固定精度の確保と熱ストレスによる接着部の破壊防止との両立を実現することができなかった。

以上、説明したように、シリコンオプティカルベンチ１１の溝部１２に結合レンズ１５が接着剤で固定される光学部品搭載モジュール１０において、ヤング率が大きく硬化収縮率が５％以上の第１の接着剤１６で結合レンズ１５の底面中央部１５ａ付近と溝部１２の底部１２ａとを接着固定し、その後、ヤング率が小さく硬化収縮率が４％以下の第２の接着剤１７で結合レンズ１５の周辺部１５ｂと溝部１２の底部１２ａとを接着固定することにより、シリコンオプティカルベンチ１１に結合レンズ１５が固着位置精度良く搭載され、さらに熱ストレスによる接着部の破壊が生じにくい光学部品搭載モジュールとその製造方法を得ることができる。
このように、第１の接着剤１６の硬化収縮率が５％以上で第２の接着剤１７の硬化収縮率が４％以下の場合が良いが、第１の接着剤１６の硬化収縮率が７％以上で第２の接着剤１７の硬化収縮率が４％以下の場合が好ましい。この場合において、第１の接着剤１６の硬化収縮率が１２％以下であるのがより好ましい。また、第１の接着剤１６の硬化収縮率が９％以上で第２の接着剤１７の硬化収縮率が２％以下の場合が最適である。

次に、第１の接着剤１６及び第２の接着剤１７の作用について、硬化収縮率とヤング率に関連して説明する。まず、硬化収縮率に関連した説明を行う。
上述したように、第１の接着剤１６は硬化収縮率が高いものを用いているので、第１の接着剤１６の硬化時には、結合レンズ１５をシリコンオプティカルベンチ１１の溝部１２の底部１２ａ側に引っ張るように作用する。すなわち、シリコンオプティカルベンチ１１の溝部１２の縁部１２ｂに結合レンズ１５が押し当てられる。このため、シリコンオプティカルベンチ１１の溝部１２の縁部１２ｂと結合レンズ１５の周面との間の隙間が減少または無くなるようになり、高い位置決め精度を確保することができる。

第１の接着剤１６の硬化収縮率があまり低いと、結合レンズ１５が溝部１２の縁部１２ｂに十分な強さで押し当てられない。その一方で、第１の接着剤１６の硬化収縮率があまり高すぎると、押し当てる力が強すぎてシリコンオプティカルベンチ１１に歪が生じる可能性がある。そこで、第１の接着剤１６として硬化収縮率が７%以上１２%以下の接着剤を用いるのがより好ましい。
なお、一般的には、結合レンズ１５の接着には硬化収縮率が小さい高価な接着剤を用いるが、実施例のように、硬化収縮率が大きい安価な接着剤（第１の接着剤１６）を用いることで、コストの低減を実現することができる。

また、第２の接着剤１７の硬化収縮率が大きくなるにつれて、第２の接着剤１７が硬化した後の応力も大きくなり、熱ストレスによる接着部分の破壊の頻度が大きくなることが予想される。そこで、第２の接着剤１７として硬化収縮率が４％以下という硬化収縮率が小さい接着剤を用いることにより、応力を小さく押えることができるようになる。

次に、ヤング率に関連して第１の接着剤１６及び第２の接着剤１７の作用について説明する。
上述したように、結合レンズ１５の底面中央部１５ａ付近とシリコンオプティカルベンチ１１の溝部１２の底部１２ａに、ヤング率の高い第１の接着剤を塗布し、紫外線により硬化させて両者を接着固定すると、第１の接着剤としてヤング率の高い接着剤を用いるので、両者を強固に固着でき、位置固定精度を良く保つことが出来る。
また、第１の接着剤１６だけでは接着強度が十分に得られないため、結合レンズ１５の底面中央部１５ａの周辺部１５ｂとシリコンオプティカルベンチ１１の溝部１２の底部１２ａに、ヤング率の低い第２の接着剤１７を塗布し、紫外線で硬化させてシリコンオプティカルベンチ１１に結合レンズ１５を接着固定する。
結合レンズ１５の底面中央部１５ａの周辺部１５ｂは、応力が集中する部分であるが、第２の接着剤１７のヤング率が低いものを用いることにより、熱ストレスを緩和して接着部分の破壊を生じにくくすることができる。

ここで、２種類の接着剤は、ヤング率と硬化収縮率という物性値に着目して選択しているが、粘度に着目して選択することも考えられる。すなわち、第１の接着剤１６として粘度の高いものを用いると、シリコンオプティカルベンチ１１の溝部１２の縁部１２ｂと結合レンズ１５との間の隙間に入り込むことを防止することが期待できる。そして、第２の接着剤１７として粘度の低いものを用いると、シリコンオプティカルベンチ１１の溝部１２に注入し易くなり、作業性を向上させることができる。

また、１種類の接着剤を２段階に分けて硬化することも考えられる。すなわち、まず、接着剤をシリコンオプティカルベンチ１１の溝部１２の底部１２ａの中心部付近に少量を注入するとともに、シリコンオプティカルベンチ１１の溝部１２に結合レンズ１５を入れて、紫外線を照射して接着剤を硬化する（第１のステップ）。接着剤は、シリコンオプティカルベンチ１１の溝部１２の底部１２ａの中心部付近と結合レンズ１５の底面中央部１５ａ付近とを接合することになるので、シリコンオプティカルベンチ１１の溝部１２で結合レンズ１５を精度良く位置決めすることができる。
その後に、同じ接着剤をシリコンオプティカルベンチ１１の溝部１２の残された隙間に注入してから、紫外線を照射して接着剤を硬化する（第２のステップ）。２回目の接着剤硬化により、接着面積を大きくすることができ、固着強度をあげることができる。

本実施の形態では、接着剤を用いているが、本発明はこれに限られるものではなく、２つの部材を接合することが可能な硬化性樹脂を用いることができる。

本実施の形態に係る光学部品搭載モジュールを示す概略斜視図である。 図１の線II−IIによる断面図である。 図１の線III−IIIによる断面図である。 従来における光学部品搭載モジュールを示す概略斜視図である。 図４の線V−Vによる断面図である。

符号の説明

１０…光学部品搭載モジュール、１１…シリコンオプティカルベンチ、１２…溝部、１２ａ…底部、１２ｂ…縁部、１３…はんだ、１４…半導体レーザチップ、１５…結合レンズ、１５ａ…底面中央部、１５ｂ…周辺部、１６…第１の接着剤、１７…第２の接着剤

Claims (9)

1. オプティカルベンチの溝部に位置決めされた光学部品を接着剤で固定した光学部品搭載モジュールの製造方法において、
   前記光学部品を位置決めする前記溝部の位置決め部から離れた当該光学部品の部分を、当該溝部に設けた接着剤にて固定する第１のステップと、
   前記溝部の前記位置決め部の近傍まで当該溝部に接着剤を注入して前記光学部品をさらに固定する第２のステップと
   を含む光学部品搭載モジュールの製造方法。
2. 前記第１のステップにおける前記位置決め部から離れた前記光学部品の部分は、前記オプティカルベンチの前記溝部の底部であることを特徴とする請求項１に記載の光学部品搭載モジュールの製造方法。
3. 前記第１のステップにおける前記位置決め部から離れた前記光学部品の部分は、前記オプティカルベンチの前記溝部の底部に対向する前記光学部品の領域における中央部であり、
   前記第２のステップでは、前記中央部の周辺部に前記接着剤が設けられることを特徴とする請求項１に記載の光学部品搭載モジュールの製造方法。
4. 前記第１のステップに用いる接着剤と前記第２のステップに用いる接着剤とは互いに物性が異なるものであることを特徴とする請求項１に記載の光学部品搭載モジュールの製造方法。
5. 前記第１のステップに用いる接着剤の硬化収縮率は、前記第２のステップに用いる接着剤の硬化収縮率よりも大きいことを特徴とする請求項４に記載の光学部品搭載モジュールの製造方法。
6. 前記第１のステップに用いる接着剤の硬化収縮率は７％以上であり、前記第２のステップに用いる接着剤の硬化収縮率は４％以下であることを特徴とする請求項５に記載の光学部品搭載モジュールの製造方法。
7. 溝部を有するオプティカルベンチと、
   前記オプティカルベンチの溝部に配置した光学部品と、
   前記オプティカルベンチの溝部に位置し、当該溝部に配置した前記光学部品を当該オプティカルベンチに接合している第１の硬化性樹脂と、
   硬化した状態のヤング率が前記第１の硬化性樹脂と異なり、前記オプティカルベンチの溝部に位置し、当該溝部に配置した前記光学部品を当該オプティカルベンチに接合している第２の硬化性樹脂と
   を含む光学部品搭載モジュール。
8. 前記第１の硬化性樹脂は、前記オプティカルベンチの前記溝部の底部に対向する前記光学部品の領域における中央部と接合し、前記第２の硬化性樹脂は当該中央部の周辺部と接合していることを特徴とする請求項７に記載の光学部品搭載モジュール。
9. 前記第１の硬化性樹脂のヤング率が前記第２の硬化性樹脂のヤング率よりも大きいことを特徴とする請求項８に記載の光学部品搭載モジュール。

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