JP2006049512A

JP2006049512A - 光デバイス

Info

Publication number: JP2006049512A
Application number: JP2004227121A
Authority: JP
Inventors: Yasunori Iwasaki; 康範岩崎; Masashi Fukuyama; 暢嗣福山; Akihiro Ide; 晃啓井出
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2004-08-03
Filing date: 2004-08-03
Publication date: 2006-02-16

Abstract

【課題】フォトダイオード（ＰＤ）又はＰＤアレイが組み込まれた光デバイスの耐湿性やクロストーク特性等を向上させる。
【解決手段】光デバイス１０は、第１電極対５６が設けられたＰＤアレイ２６と、第２電極対５８が設けられたサブマウント２８と、光ファイバ１６を固定するＶ溝１２が設けられたガラス基板１４とを有する。このうち、ＰＤアレイ２６とサブマウント２８とは、導電性粒子６６が分散されるとともに黒色に設定された水分浸入防止用樹脂６４を介して接合されている。所定間隔で互いに離間した前記第１電極対５６及び前記第２電極対５８は、この水分浸入防止用樹脂６４に囲繞されて保護されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも１個のフォトダイオードと、前記フォトダイオードから離間して配設された基体とを有する光デバイスに関する。

光通信技術、特に、波長多重通信技術の分野においては、通信品質を確保するべく、光出力を監視することが重要視される。近年、このような光監視技術に対しては小型化、高性能化、低コスト化が希求されており、その観点から、光ファイバや光導波路にスリット構造を直接設けて信号光の一部を取り出して検出し、これにより信号光の品質の監視を行う、いわゆるＴＡＰ（入力信号モニタ用分岐カプラ）方式が着目されている。

ＴＡＰ方式では、フォトダイオードが組み込まれた光デバイスが使用される。そして、光ファイバや光導波路から一定の光量を取り出し、この取り出した光をフォトダイオードに入射して出力を監視する。

この種の光デバイスは、例えば、特許文献１に記載されるように構成される。すなわち、ガラス基板のＶ溝内に光ファイバを配置し、その後、光ファイバの光軸に対して斜めに横切るような平行溝をガラス基板に形成する。そして、この平行溝内に光分岐部材を挿入し、その隙間に紫外線硬化樹脂（接着剤）を充填するようにしている。

これにより、光ファイバを伝搬する信号光のうち、光分岐部材で分岐した光成分（分岐光）がクラッド外に取り出されることになる。従って、この分岐光を例えば受光素子にて検知することで、信号光のモニタが可能となる。

特開２００１−２６４５９４号公報

本発明は上記した技術に関連してなされたもので、フォトダイオードに設けられたアノード及びカソードや、この電極対に電気的に接続される別の電極対が腐食することを回避することができるとともに、迷光を発生することを回避することもでき、しかも、クロストーク特性を向上させることができる光デバイスを提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、第１電極対を有する少なくとも１個のフォトダイオードと、前記フォトダイオードから離間して配設され、且つ該フォトダイオードの前記第１電極対に臨む側の端面に、該第１電極対と電気的に接続される第２電極対が設けられた基体とを有する光デバイスであって、前記フォトダイオードと前記基体との間に、水分が浸入することを防止する水分浸入防止用樹脂が介在されていることを特徴とする。

水分浸入防止用樹脂で水分が浸入することが阻止されるので、第１電極対と第２電極対の近傍に水分が到達することはない。必然的に、第１電極対と第２電極対の近傍に水分を源とするイオンが発生することはなく、このため、アノード電極とカソード電極間の抵抗の減少を回避することができ、暗電流の増加やＳ／Ｎ比の低下を防ぐことができる。

また、水素イオンが発生しないので、ＰＨ₄等の腐食性のガスが発生することもない。従って、アノード電極又はカソード電極が腐食して短絡が起こることもない。

ここで、水分浸入防止用樹脂は、前記フォトダイオードの側面から光が入射して迷光が発生することを回避可能な屈折率を有するものであることが好ましい。これにより、必要な信号光のみを確実に受光することが可能となる。同時に、フォトダイオードの側面で反射が起こることを回避することができるので、クロストーク特性が向上する。

この効果は、水分浸入防止用樹脂のメニスカス形状の端部が、少なくとも、フォトダイオードの前記第１電極対が設けられた側の端面まで到達している際にさらに顕著となる。特に、水分浸入防止用樹脂のメニスカス形状の端部が、フォトダイオードの側面を被覆していることが好ましい。

前記構成において、前記フォトダイオードを臨む側の端面に光ファイバを固定する溝部が設けられたガラス基板を有する場合においては、ガラス基板の前記端面と反対側の他端面に、迷光が発生することを回避可能な屈折率を有する樹脂を被覆することが好ましい。これにより、クロストーク特性を一層向上させることができる。

本発明によれば、フォトダイオードの第１電極対と、基体の第２電極とを水分浸入防止用樹脂で囲繞して水分から保護するようにしている。このため、水分浸入による電極間の抵抗減少を回避することができ、暗電流の増加やＳ／Ｎ比の低下、並びに電極対の腐食による短絡の発生を防止することができる。

この水分浸入防止用樹脂の屈折率を調整することにより、迷光が生じることを回避することができるとともに、クロストーク特性を向上させることもできる。

以下、本発明に係る光デバイスにつき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

本実施の形態に係る光デバイスの正面断面図を図１に示すとともに、側面断面図を図２に示す。この光デバイス１０は、複数のＶ溝１２が設けられたガラス基板１４と、該Ｖ溝１２の各々に固定された複数の光ファイバ１６からなる光ファイバアレイ１８と、各光ファイバ１６の各上面からガラス基板１４にかけて設けられたスリット２０（図２参照）と、該スリット２０内に挿入されたフィルタ部材２２（図２参照）と、受光領域２４が複数配列されたフォトダイオードアレイ（ＰＤアレイ）２６と、該ＰＤアレイ２６を光ファイバアレイ１８側に向けて固定するための基体であるサブマウント２８と、ガラス基板１４とサブマウント２８との間に介装されたスペーサ３０とを有する。

このうち、スリット２０は、各光ファイバ１６を透過する信号光３２のうち、少なくともフィルタ部材２２等にて反射された光（分岐光）３４を検出する。また、スリット２０及びフィルタ部材２２の表面及び裏面は、光ファイバ１６を透過する信号光３２の一部を分岐する分岐部３６（図２参照）として機能する。

なお、光ファイバ１６は、図３に示すように、コア３８とクラッド４０とを有する。

ガラス基板１４に形成されるＶ溝１２の角度は、後にスリット２０を加工する際に光ファイバアレイ１８の各光ファイバ１６に加わる負荷を考慮すると４５°以上が好ましく、十分な接着剤量、換言すれば、十分な接着強度を確保するべく９５°以下が好ましい。具体的には、例えば、７０°に設定すればよい。

光ファイバアレイ１８のガラス基板１４への固定は、先ず、光ファイバアレイ１８をＶ溝１２に載置収容し、この状態で固定用接着剤（紫外線硬化型接着剤）４２（図１参照）を塗布し、光ファイバアレイ１８の裏面並びに上方から紫外線を照射して、前記固定用接着剤４２を硬化させることにより行う。

スリット２０の傾斜角度α（図２参照）、すなわち、鉛直面とのなす角は、１５°〜２５°であることが好ましい。傾斜角度αが小さすぎると、フィルタ部材２２からの分岐光３４の広がりが大きくなりすぎてしまい、多チャネルに適用した場合に、クロストーク特性の悪化を招くことが懸念される。一方、傾斜角度αが大きすぎると、フィルタ部材２２からの分岐光３４の偏光依存性が大きくなり、特性の劣化を招くことが懸念される。

フィルタ部材２２は、図３に示すように、石英基板４４と、該石英基板４４の主面に形成された分岐用の多層膜４６とを有する。フィルタ部材２２の材質は、該フィルタ部材２２のハンドリング等を考慮すれば、ポリイミド等のプラスチック材や高分子材であってもよいが、スリット２０の傾斜角度αが１５°〜２５°と大きいことから、屈折により透過側の光軸がずれることを抑えるべく、光ファイバ１６（石英）と同じ屈折率の材料が好ましい。

また、スリット２０内における該スリット２０とフィルタ部材２２との隙間には、紫外線硬化樹脂（接着剤）４８が充填されている。該紫外線硬化樹脂４８としては、その屈折率が、光ファイバ１６のコア３８の屈折率やフィルタ部材２２の石英基板４４の屈折率と略同等であるシリコーン系樹脂が好適である。

図２から諒解されるように、この場合、ＰＤアレイ２６は、いわゆる裏面入射型である。すなわち、このＰＤアレイ２６は、光透過性基体５０と、該光透過性基体５０の表面に形成され、チャネルの個数に応じた複数個の前記受光領域２４とを有する。

ＰＤアレイ２６は、光ファイバ１６との接触によって該光ファイバ１６に物理的な欠陥が生じることを回避するべく、光ファイバ１６との間に１０μｍ程度のクリアランスが形成されるようにして配置されている。なお、このクリアランスには、屈折率整合樹脂５２が充填されている。

光透過性基体５０の図１及び図２における上端面には、Ａｕバンプ５４が受光領域２４上に積層されない位置に設けられている。２個のＡｕバンプ５４が、各チャネルのアノード電極及びカソード電極に相当する第１電極対５６となる。また、第１電極対５６は、サブマウント２８に設けられ、且つ第１電極対５６から所定の間隔で互いに離間した第２電極対５８と電気的に接続されている。

すなわち、サブマウント２８におけるＰＤアレイ２６を臨む側の端面には、全チャネルに共通のカソード電極６０（図２参照）と、各チャネルのアノード電極に相当するＡｕ電極パターン６２が設けられている。前記第２電極対５８は、これらカソード電極及びアノード電極から構成される。

ここで、第１電極対５６や第２電極対５８まで水分が浸入すると、以下のような不具合を招く。すなわち、先ず、ＰＤアレイ２６には逆バイアスの電圧が印加されるのが通例であるが、第１電極対５６を構成するＡｕバンプ５４、５４同士の間に水分が浸入した場合、逆バイアス印加に基づいてこの水分からイオンが発生する。このことに起因して、Ａｕバンプ５４、５４同士の間の抵抗が小さくなり、その結果、電極間におけるリーク電流が増加して、暗電流が増加するとともにＳ／Ｎ比が低下する。

さらに、前記のようにして発生した水素イオンが、ＰＤアレイ２６を構成する個々のフォトダイオードの基板であるＩｎＰと反応した場合、ＰＨ₄等の腐食性のガスが発生する。このような事態が生じると、アノード電極又はカソード電極が腐食し、アノード電極とカソード電極とが短絡を起こす原因となる。

そこで、本実施の形態においては、図１に示すように、ＰＤアレイ２６の側面からサブマウント２８の下端面にかけて、水分が浸入することを防止する水分浸入防止用樹脂６４を被覆するようにしている。この場合、水分浸入防止用樹脂６４は、ＰＤアレイ２６の側面を覆い、且つサブマウント２８側に接近するにつれて幅広になるように設けられている。換言すれば、水分浸入防止用樹脂６４は、サブマウント２８側になるにつれて盛り上がるメニスカス形状をなす。

なお、水分浸入防止用樹脂６４の下端部は、ＰＤアレイ２６の光入射面である図１及び図２における下端面よりも高い位置に配設される。換言すれば、水分浸入防止用樹脂６４は、光入射面まで到達していない。

この水分浸入防止用樹脂６４は異方性導電ペースト（ＡＣＰ）と呼称され、導電性粒子６６が分散されている。この導電性粒子６６が第１電極対５６及び第２電極対５８のアノード電極同士の間と、カソード電極同士の間に介在することによって、これらアノード電極同士、カソード電極同士が電気的に接続される。

導電性粒子６６の好適な例としては、厚み数十μｍの導電性膜でコーティングされたポリマー、カーボン、銀等の金属粒子が挙げられる。

水分浸入防止用樹脂６４は、第１電極対５６や第２電極対５８まで水分が到達することを阻止できる耐湿性を有する樹脂からなる。このような樹脂は、特に限定されるものではないが、エポキシ樹脂、アクリル樹脂等を好適な例として挙げることができる。

そして、この場合、水分浸入防止用樹脂６４は、色素が混合されることによって黒色に設定されている。すなわち、本実施の形態において、水分浸入防止用樹脂６４の屈折率は、ＰＤアレイ２６の側面から光が入射することを阻止可能な程度に高く設定される。

なお、ＰＤアレイ２６と第２電極対５８との間の導通をＡＣＰによって確保した後、該ＡＣＰ上に、ＡＣＰ以外の樹脂であって耐湿性に優れる樹脂を塗布し、これにより水分浸入防止用樹脂６４を形成するようにしてもよい。勿論、この場合においても、水分浸入防止用樹脂６４に上記したようなメニスカス形状を設けることが好ましい。

受光領域２４の直径は、４０〜８０μｍであることが好ましく、例えば、６０μｍに設定することができる。直径が４０μｍ未満の場合、受光効率の低下が懸念される。また、８０μｍよりも大きいと、迷光が生じた場合にはこの迷光を受光し易くなるので、クロストーク特性が悪化することが懸念される。

なお、サブマウント２８は、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃から構成することができる。

そして、ガラス基板１４とサブマウント２８との間に介在され、光ファイバアレイ１８とＰＤアレイ２６とのギャップを決定するためのスペーサ３０は、例えば、紫外線硬化型接着剤によってサブマウント２８の図１及び図２における下端面、すなわち、第２電極対５８が設けられた側の端面に固着されている。

このように構成された光デバイス１０が動作される際には、光ファイバアレイ１８に信号光３２が入射される。この信号光３２の一部がフィルタ部材２２等によって反射されて生じた分岐光３４は、スリット２０によって検出される。

その一方で、第１電極対５６と第２電極対５８に通電がなされる。そして、第１電極対５６と第２電極対５８の間では、前記導電性粒子６６を介して電流が流れる。

このようにして光デバイス１０が動作する間、第１電極対５６と第２電極対５８が水分浸入防止用樹脂６４で囲繞されているので、これら第１電極対５６と第２電極対５８の近傍に水分が到達することはない。従って、アノード電極とカソード電極間の抵抗の減少を回避することができる。その結果、第１電極対５６と第２電極対５８との間のリーク電流が大きくなることがなく、暗電流が増加してＳ／Ｎ比が低下することもない。

また、水分を源として水素イオンが発生することがないので、ＩｎＰと水素イオンとが反応してＰＨ₄等の腐食性のガスが発生することもない。このため、アノード電極とカソード電極とが短絡を起こすこともない。

しかも、本実施の形態においては、水分浸入防止用樹脂６４がＰＤアレイ２６の側面を被覆する。その上、水分浸入防止用樹脂６４が黒色に設定されていることによって、その屈折率が高く設定されている。このため、ＰＤアレイ２６の側面から光が入射することを確実に回避することができるので、迷光が生じることを回避することもできる。同時に、ＰＤアレイ２６の側面で反射が起こることを回避することができるので、クロストーク特性を向上させることもできる。

そして、この場合、第１電極対５６と第２電極対５８を設けることで確実な導通を図ることができる他、第１電極対５６と第２電極対５８を所定間隔で離間することができるため、この部分の反射・散乱による迷光を小さくすることができるという利点がある。

ところで、ガラス基板１４には、フィルタ部材２２から反射が起こること等に起因して迷光が進入することがある。このような事態が生じると、迷光は、ガラス基板１４におけるＶ溝１２が設けられていない側の他端面（裏面）で反射した後、ＰＤアレイ２６の受光領域２４に入射することがあり、この場合、クロストーク特性が低下することが懸念される。

この現象を回避するべく、図４に示すように、前記裏面に屈折率を高くした樹脂６８をコーティングすることが好ましい。これによりガラス基板１４の裏面での反射を防ぐ事ができ、クロストーク特性が一層向上する。

なお、上記したように、水分浸入防止用樹脂６４の下端部は、受光領域２４よりも高い。このため、受光領域２４における受光が水分浸入防止用樹脂６４によって遮られることはない。

水分浸入防止用樹脂６４を介してのＰＤアレイ２６のサブマウント２８への結合は、例えば、先ず、第２電極対５８が上側に露呈されたサブマウント２８の上方に、第１電極対５６を第２電極対５８に臨むようにした状態でＰＤアレイ２６を所定間隔で離間させ、次に、水分浸入防止用樹脂６４を塗布する。ここで、水分浸入防止用樹脂６４は、図５及び図６に示すように、盛り上がったメニスカスがＰＤアレイ２６の側面に到達するまで塗布される。換言すれば、水分浸入防止用樹脂６４が、図５及び図６におけるＰＤアレイ２６の上端面（図１及び図２においては下端面）にまで塗布されることはない。これにより、該ＰＤアレイ２６の光入射面が水分浸入防止用樹脂６４で被覆されることが回避され、受光領域２４における受光が遮られることが回避される。

なお、水分浸入防止用樹脂６４に分散した導電性粒子６６のうち、突出した第１電極対５６と第２電極対５８に挟まれたものが電気的接続に寄与する。一方、第１電極対５６及び第２電極対５８が存在しない部位に挟まれた導電性粒子６６は、第１電極対５６及び第２電極対５８に接触しないため、電気的接続には寄与しない。

塗布の終了後、水分浸入防止用樹脂６４を加熱して硬化させる。次に、紫外線硬化型接着剤を介してサブマウント２８をスペーサ３０に接合するとともに、屈折率整合樹脂５２を介してＰＤアレイ２６をガラス基板１４に接合し、これら紫外線硬化型接着剤及び屈折率整合樹脂５２を加熱して硬化させれば、光デバイス１０（図１及び図２参照）が得られるに至る。

このようにして作製された光デバイス１０のクロストーク特性を、一般的な光デバイスのクロストーク特性と併せて図７に示す。この図７から、本実施の形態によって、クロストーク特性が向上することが明らかである。

なお、上記した実施の形態においては、導電性粒子６６が分散された水分浸入防止用樹脂６４で第１電極対５６及び第２電極対５８を被覆するようにしているが、図８及び図９に示すように、先ず、はんだ７０を介して第１電極対５６と第２電極対５８とを接合し、次に、図１０及び図１１に示すように、導電性粒子６６が分散されていない水分浸入防止用樹脂６４で第１電極対５６と第２電極対５８を被覆するようにしてもよい。この場合、はんだ７０によって第１電極対５６と第２電極対５８とが互いに電気的に接続される。

また、ＰＤアレイ２６として、表面入射型のＰＤアレイを使用してもよいことはいうまでもない。

さらに、本発明に係る光デバイスは、複数個のフォトダイオードからなるＰＤアレイが組み込まれたものに限定されるものではなく、１個のフォトダイオードが組み込まれたものであってもよい。

本実施の形態に係る光デバイスの正面断面図である。図１の光デバイスの側面断面図である。図１の光デバイスの分岐部を示す側面断面の要部拡大図である。図１の光デバイスにおけるガラス基板の裏面が樹脂で被覆された状態を示す正面断面図である。図１の光デバイスを作製する際に、水分浸入防止用樹脂を介してＰＤアレイとサブマウント（基体）とを接合した状態を示す要部拡大正面断面図である。図５の側面断面図である。本実施の形態に係る光デバイスと従来技術に係る光デバイスのクロストーク特性を示すグラフである。別の実施の形態に係る光デバイスを作製する際に、はんだを介してＰＤアレイの第１電極対とサブマウントの第２電極対とを接合した状態を示す要部拡大正面断面図である。図８の側面断面図である。図６に続いてＰＤアレイとサブマウントの一部を水分浸入防止用樹脂で囲繞した状態を示す要部拡大正面断面図である。図１０の側面断面図である。

符号の説明

１０…光デバイス１２…Ｖ溝
１４…ガラス基板１６…光ファイバ
１８…光ファイバアレイ２６…フォトダイオードアレイ
２８…サブマウント５０…光透過性基体
５２…屈折率整合樹脂５４…Ａｕバンプ
５６…第１電極対５８…第２電極対
６０…カソード電極６４…水分浸入防止用樹脂
６６…導電性粒子６８…樹脂
７０…はんだ

Claims

第１電極対を有する少なくとも１個のフォトダイオードと、前記フォトダイオードから離間して配設され、且つ該フォトダイオードの前記第１電極対に臨む側の端面に、該第１電極対と電気的に接続される第２電極対が設けられた基体とを有する光デバイスであって、
前記フォトダイオードと前記基体との間に、水分が浸入することを防止する水分浸入防止用樹脂が介在されていることを特徴とする光デバイス。
請求項１記載の光デバイスにおいて、
前記水分浸入防止用樹脂が、前記フォトダイオードの側面から光が入射して迷光が発生することを回避可能な屈折率を有するものであることを特徴とする光デバイス。
請求項１又は２記載の光デバイスにおいて、
前記水分浸入防止用樹脂のメニスカス形状の端部が、少なくとも、前記フォトダイオードの前記第１電極対が設けられた側の端面まで到達していることを特徴とする光デバイス。
請求項３記載の光デバイスにおいて、
前記水分浸入防止用樹脂のメニスカス形状の端部が、前記フォトダイオードの側面を被覆していることを特徴とする光デバイス。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の光デバイスにおいて、
さらに、前記フォトダイオードを臨む側の端面に光ファイバを固定する溝部が設けられたガラス基板を有し、
前記ガラス基板の前記端面と反対側の他端面に、迷光が発生することを回避可能な屈折率を有する樹脂が被覆されていることを特徴とする光デバイス。