JP2007271899A - 光モジュールの結合構造及びその組み立て方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ワーキングディスタンスを持つ光ファイバや、劈開面を持つ半導体光導波路を用いることが可能な光モジュールの結合構造を提供する。
【解決手段】光導波路支持基板１上に光導波路基板２が接着固定された光導波路支持基板１の両端部に、それぞれ対向し、且つ、光導波路基板２よりも互いに外側に突出して光導波路支持基板１上に接着固定されるファイバ調芯用支持体３ａ，３ｂの、それぞれ外側の面に入力側，出力側ファイバ支持体５，８が接着される。
【選択図】図１

Description

この発明は、光導波路が形成された光モジュールと光ファイバとの結合構造と、その結合構造の組み立て方法に関する。

従来の光モジュールの光導波路と光ファイバの結合構造としては、例えば特許文献１や特許文献２に開示されたようなものが知られている。図４に特許文献１に開示された１×４スプリッタモジュールの例を示す。導波路素子４１の上に高弾性・耐熱型ＵＶ接着剤で石英製ダミー板４２が接着されて導波路ブロック４９が形成されている。その導波路ブロック４９の一端と他端は、入射側光ファイバアレイ５０と出射側光ファイバアレイ５１とで挟まれている。入射側の単芯光ファイバ４３が、単芯型Ｖ溝ブロック４４のＶ溝上に配置され、その上から押さえ板４５が接着されて入射側光ファイバアレイ５０を形成している。出射側の４芯テープファイバ４６が、４芯型Ｖ溝ブロック４７の上に配置され、その上から出射側押さえ板４８が接着されて出射側光ファイバアレイ５１を形成している。導波路ブロック４９の両端面と、その面と接する入射側，出射側光ファイバアレイ５０，５１の両端面とは、鏡面研磨等で鏡面仕上げした後に精密微動する調芯装置によって、光軸合わせ（調芯）が行なわれる。光軸合わせは、単芯光ファイバ４３から光を入射し、出射側の４芯テープファイバ４６からの出射光のパワーをモニターしながら行なわれる。光軸合わせ終了後に、例えば光ファイバのコアの屈折率とほぼ等しいエポキシ系ＵＶ接着剤によって導波路ブロック４９と入射側，出射側の光ファイバアレイ５０，５１の端面とが接着固定されて１×４スプリッタモジュールを構成する。
特開平８−８６９３３号公報（図１） 特開２００５−１７６４８号公報

しかしながら、上記したような導波路と光ファイバの結合構造では、導波路と入射側，出射側の光ファイバアレイとの端面を突き合わせて調芯固定するので、光ファイバのワーキングディスタンスがゼロの場合のみ高効率の光結合を可能にするものであり、先球ファイバなどのレンズ機構を備えたワーキングディスタンスを持つ光ファイバでは使用することが出来なかった。また、導波路ブロック４９と、その面と接する入射側，出射側光ファイバアレイ５０，５１の両端面は、共に鏡面仕上げされている必要性が在ることから、劈開面（cleavage planes）を持つ半導体光導波路を用いることが出来なかった。

この発明による光モジュールの結合構造は、光導波路支持基板上に接着固定され、光導波路が形成された光導波路基板両端部に、それぞれ対向し、且つ、光導波路支持基板よりも互いに外側に突出して光導波路支持基板上に接着固定されるファイバ調芯用支持体と、そのファイバ調芯用支持体の互いの外側の面にそれぞれ外縁部が接着固定される入射側ファイバ支持体と出力側ファイバ支持体とを具備する。
その光モジュールの結合構造の組み立て方法は、光導波路基板に対して調芯された入力側，出力側ファイバ支持体の端面に対して、ファイバ調芯用支持体の互いに外側の面を突き合わせて、ファイバ調芯用支持体の位置を確定する工程と、そのファイバ調芯用支持体の互いの外側の面に、入力側，出力側ファイバ支持体のそれぞれの端面の外縁部を接着固定する工程とを有する。

以上のようにこの発明の光モジュールの結合構造によれば、光導波路基板が接着固定される光導波路支持基板上に、光ファイバと光導波路基板とを調芯するファイバ調芯用支持体が光導波路基板よりも互いに外側に突出して接着固定され、そのファイバ調芯用支持体の互いの外側の面に入力側，出力側ファイバ支持体の外縁部が接着固定されるので、光導波路基板と入力側，出力側ファイバ支持体の端面全面が接触しない構成である。したがって、ワーキングディスタンスを持つ光ファイバを用いることが出来ると共に、劈開面を持つ半導体光導波路を光導波路基板として用いることが可能な光モジュールの結合構造を提供することができる。

以下、この発明の実施の形態を図面を参照して説明する。各図面間において対応する部分には同じ参照符号を付し、重複した説明は行わない。

図１にこの発明による光モジュールの結合構造の実施例を示す。図１（ａ）は、実施例の斜視図、図１（ｂ）は正面図、図１（ｃ）は平面図である。この実施例は、１×２の光スイッチの例を示している。例えば、石英ガラス若しくはパイレックス（登録商標）ガラスが材料である光導波路支持基板１の上に、光導波路基板２が両端部を光導波路支持基板１より突出させて接着固定されている。光導波路基板２は、例えばInGaAsPなどの化合物半導体から成る。その光導波路基板２の両端部とそれぞれ対向して、ファイバ調芯用支持体３ａ、３ｂが、光導波路基板２よりも互いに外側に突出して光導波路支持基板１上に接着固定されている。この例では、ファイバ調芯用支持体３ａ，３ｂの、光導波路基板２の光導波方向と直交する断面形状が凹形状であり、ファイバ調芯用支持体３ａ，３ｂは光導波路基板２の両端部をそれぞれ跨ぐように光導波路支持基板１に固定される。入力側光ファイバ４の端部は、光ファイバを位置決めするＶ溝が形成された固定ブロック５ａと５ｂとによって挟まれて、入力側ファイバ支持体５を形成している。例えば、ファイバ先端４ａにレンズが設けられたワーキングディスタンスを持つ入力側光ファイバ４の場合、ファイバ先端４ａは固定ブロック５ｂの端面よりも突出して固定される。固定ブロック５ｂは、固定ブロック５ａよりも、ファイバ先端４ａ側に突出している。また固定ブロック５ｂの厚みと幅は、ファイバ調芯用支持体３ａの外側端面と接着された際に十分な強度が得られる程度とされている。ファイバ調芯用支持体３ａの凹形状断面と固定ブロック５ｂのファイバ先端突出側外縁部分とが接着固定されている。

光導波路基板２には、入力側光ファイバ４側から光信号が入射される光導波路６と、その入力された光信号を二股に分岐して光導波路基板２の他端に伝達する２本の光導波路６ａ，６ｂが形成されている。その二股に分岐した光導波路６ａ，６ｂの表面には、それぞれ薄膜ヒーター電極７ａと７ｂが設けられている。薄膜ヒーター電極７ａ，７ｂに電流を流すことで光導波路６ａ，６ｂを加熱し、光導波路の屈折率を変化させることで光信号の位相を変えることが出来る。つまり、薄膜ヒーター電極７ａを加熱すると光導波路６ａの光を位相変調することができる。光導波路６ａ，６ｂから出力される光信号は、入力側ファイバ支持体５と同様に構成された出力側ファイバ支持体８によって支持された２本の出力側光ファイバ９ａ，９ｂに伝達される。つまり、出力側光ファイバ９ａ，９ｂの端部は、光ファイバを位置決めするＶ溝が形成された固定ブロック８ａと８ｂとによって挟まれて接着固定され、出力側ファイバ支持体８を構成している。固定ブロック８ｂは、固定ブロック８ａよりも光導波路支持基板１側に突出し、またその厚みと幅は、ファイバ調芯用支持体３ｂと対接接着した際に十分な強度が得られる程度とされている。出力側光ファイバ９ａ，９ｂの端部先端は、固定ブロック８ｂの端面よりも突出していている。ファイバ調芯用支持体３ｂの凹形状断面と、固定ブロック８ｂの外縁部分とが接着固定されている。

以上述べたように、ファイバ調芯用支持体３ａ，３ｂが光導波路基板２よりも互いに外側に突出して光導波路支持基板１上に接着固定され、且つこれらファイバ調芯用支持体３ａ，３ｂとそれぞれ対向する入力側，出力側ファイバ支持体５，８の外縁部とが接着固定されるので、光導波路基板２の端面と入力側，出力側ファイバ支持体５，８の端面とが直接接触しない構造である。したがって、ファイバ先端４ａと光導波路６との間に間隔を持たせ、いわゆるワーキングディスタンスを持たせることもでき、また、劈開面を持つ半導体光導波路を光導波路基板として用いることも出来る。

図２に図１（ｃ）に示すＩＩ−ＩＩ切断線で切った断面を示す。光導波路支持基板１と光導波路基板２とは、例えば両者が対接する面に金属膜を蒸着して、その面を半田付けで接着するか、若しくはシリコーン系の熱硬化型接着剤による接着層２０によって接着固定される。光導波路支持基板１に接着固定されるファイバ調芯用支持体３ａは、光導波路基板２の光導波路６と入力側ファイバ支持体５で支持された入力側光ファイバ４との光軸を合わせる調芯用の部品であるので、調芯時に短時間で硬化する例えばエポキシ系のＵＶ接着剤２１で接着される。

なお、光導波路基板２の両端部を、光導波路支持基板１より突出させて接着固定される例を説明したが、これはその逆の関係で光導波路基板２が固定されるより好ましいからである。つまり、光導波路基板２の両端部が光導波路支持基板１の端部よりも内側に位置していると、ワーキングディスタンスがゼロの場合の接続が出来ない。上記したように、ワーキングディスタンスも持つ光ファイバの場合は、ファイバ先端４ａが固定ブロック５ｂの端面よりも突出して接着固定されるので、光導波路基板２の両端部が光導波路支持基板１の端部よりも内側に位置していても理論的には接続が可能である。しかし、ワーキングディスタンスがゼロの場合、入力側，出力側ファイバ支持体５，８の光導波路基板２と接する面は、共に鏡面仕上げされ、誤差１μｍ以下で密着接続される。つまりワーキングディスタンスが在る場合と異なり、入力側，出力側ファイバ支持体５，８と光導波路基板２との両端面同士を密着固定する必要がある。したがって、光導波路基板２の両端部が光導波路支持基板１の端部よりも内側に位置していると接続不能になる。

ワーキングディスタンスが在る場合、理論的には接続できると説明したが、ファイバ先端４ａの突出量は、固定ブロック５ａと５ｂとを接着する際の接着剤が、ファイバ先端４ａに回り込むのを防止するのが主な目的であり、その突出量をあまり大きくすることは出来ない。その突出量は入力側光ファイバ４の直径の２倍程度が好ましく、例えば、光ファイバケーブルの直径が１２５μｍの場合、その突出量は２５０μｍ程度に設定される。このファイバ先端４ａの突出量をこれ以上に設定することも構造上は可能であるが、あまり長くすると光ファイバの偏心によって、接続部の信頼性が悪化する問題が発生してしまう。また、組み立て中にファイバ先端を他の部品と接触させ、ファイバ先端を損傷させてしまう危険性も高まる。このように光ファイバの突出量には限界があるため、ワーキングディスタンスが在る場合でも、光導波路基板２の両端部が光導波路支持基板１の端部からワーキングディスタンスよりも大きく内側に位置していると好ましくない。ただ、光導波路基板２の両端部を、光導波路支持基板１より突出させて接着固定する必要はなく、光導波路基板２の両端部の位置を、光導波路支持基板１の端面と同一面を形成する位置にしてもよい。もちろん、例えば光導波路基板２を光導波路支持基板１に接着させる際の接着層２０の光導波路基板２の端面への回り込みを嫌って、光導波路基板２の両端部の位置を、光導波路支持基板１の端面より突出させてもよい。なお、光導波路基板２の光導波路６ａ，６ｂの出力側のファイバ調芯用支持体３ｂと出力側ファイバ支持体８、及び出力側光ファイバ９ａ，９ｂの相互関係も入力側の対応する関係と同様である。

また、入力側，出力側ファイバ支持体５，８を構成する固定ブロック５ｂ，８ｂを一方の固定ブロック５ａ，８ａよりもファイバ延長方向の長さが大きく、また厚みもあつい例で示したが、この発明の光モジュールの結合構造はこの実施例に限定されない。ファイバ調芯用支持体３ａ，３ｂそれぞれに対して１個の部品の端面が接着される構成であればよい。例えば、固定ブロック５ｂ，８ｂと固定ブロック５ａ，８ａとの各接触面の延長線がファイバ調芯用支持体３ａ，３ｂ内を通らないようにすれば、固定ブロック５ｂ，８ｂを固定ブロック５ａ，８ａより突出させなくてもよい。何故なら、固定ブロック５ａ，８ａのファイバ調芯用支持体３ａ，３ｂ側の端面が、ファイバ支持体とファイバ調芯用支持体の面接着に影響を与えないからである。

また、ファイバ調芯用支持体３ａ，３ｂの光導波方向と直交する方向の断面形状を凹形状とし、光導波路基板２に対して間隔を空けて光導波路支持基板１の上に接着固定される例を示した。この例では、光導波路基板２にファイバ調芯用支持体３ａ，３ｂが直接接触しないので、光導波路基板２の熱容量を大きくすることがない。上記したように、光の導波制御を薄膜ヒーター電極７ａ，７ｂによる加熱で行う場合には、光導波路基板２の熱容量が小さい方が制御速度を高める上で好ましい。しかし、図示しないが光導波制御を電界で行う方式の場合には、熱容量が問題にならないので、光導波路基板２にファイバ調芯用支持体３ａ，３ｂが直接接触するか否かについても問題に成らなくなる。
〔光モジュール結合構造の組立工程例〕
次に図１に示した光モジュールの結合構造の組立工程について説明する。図３に実施例の組立工程の一例を示して説明する。図３（ａ）は、光導波路支持基板１の上に光導波路基板２の両端部が接着剤２０ａと２０ｂによって接着された状態の正面図である。図３（ｂ）以降の組立工程は、図示していない調芯装置を用いて行われる。光導波路基板２が固定された光導波路支持基板１の両端表面にエポキシ系のＵＶ接着剤２１ａと２１ｂが塗布され、その上にファイバ調芯用支持体３ａと３ｂが仮止めされる。この状態で、光導波路基板２が固定された面と反対側の光導波路支持基板１の面が、図示しない調芯装置の中央支持台の上に固定される。図３（ｃ）の工程で入力側，出力側ファイバ支持体５，８と光導波路基板２との間の調芯がおこなわれる。入力側，出力側ファイバ支持体５，８のそれぞれが図示しない調芯ユニット台に固定支持され、入力側光ファイバ４から光信号を入力し、出力側光ファイバ９ａ，９ｂに出力される光信号のパワーを観測しながらコンピュータ制御で調芯ユニット上の入力側，出力側ファイバ支持体５，８を精密微動させて出力パワーが最大になるように調芯を行う。調芯ユニット台は、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の３軸とそれぞれの回転方向θＸ，θＹ，θＺの合計６軸の自由度を持ち、サブミクロンの分解能で微動する。この図３（ｃ）の工程では３軸の調芯が行なわれ、この工程が終了すると光ファイバのワーキングディスタンスに合わせたファイバ延長方向の位置が確定する。

図３（ｄ）の工程で、ファイバ延長方向の位置が確定した入力側，出力側ファイバ支持体５，８に対するファイバ調芯用支持体３ａ，３ｂの位置を光導波路支持基板１に固定する。それぞれが調芯ユニット上に固定され、Ｚ軸方向の位置が確定された入力側，出力側ファイバ支持体５，８の固定ブロック５ｂ，８ｂの端面に対して、ファイバ調芯用支持体３ａ，３ｂのそれぞれの互いの外面を突き合わせる。固定ブロック５ｂ，８ｂの端面に突き合わせられて位置が確定されたファイバ調芯用支持体３ａ，３ｂを、仮止めしているＵＶ接着剤２１ａと２１ｂに、図示しないＵＶ照射ユニットから紫外線３０を照射して硬化させ、光導波路支持基板１上に固定する。ファイバ調芯用支持体３ａ，３ｂを入力側，出力側ファイバ支持体５，８に突き合わせる方法は、原始的には人間の指で行われる。又は、ファイバ調芯用支持体３ａ，３ｂをそれぞれ、コンピュータ制御されたマニピュレータ（manipulator）によって入力側，出力側ファイバ支持体５，８に突き合わせて位置を確定させてもよい。この工程で、Ｚ軸方向の調芯が終了する。レンズ付き光ファイバとしては、先球ファイバ、光ファイバの先端に分布屈折率型レンズを溶着したレンズドファイバ、ＧＩ(graded index)型マルチモードファイバを溶着したレンズドファイバ等が在るが、これらのワーキングディスタンスがここで設定される。つまりこの工程で、ファイバ先端４ａと光導波路基板２の光導波路６との間隔が、５μｍ〜２０μｍ程度のワーキングディスタンスの間隔に設定される。ワーキングディスタンスがゼロの場合は、光導波路基板２の端面と入力側，出力側ファイバ支持体５，８の端面とが密着固定される。

図３（ｅ）の工程では、ファイバ延長方向の調芯が行われたファイバ調芯用支持体３ａと３ｂの互いの外側の面に、ＵＶ接着剤３１ａと３１ｂが塗布される。
図３（ｆ）の工程では、ファイバ調芯用支持体３ａと３ｂの外側の面に塗布されたＵＶ接着剤３１ａと３１ｂに、入力側，出力側ファイバ支持体５，８を当接させた状態で図３（ｃ）と同じようにして調芯を行う。この工程では、ファイバ延長方向の調芯は図３（ｃ）で済んでいるので、Ｘ軸，Ｙ軸の２軸の面の位置調整が行われる。面内の調整が終わった段階で、図３（ｇ）に示すようにＵＶ照射ユニットから紫外線３０を接着剤３１ａと３１ｂに照射して光モジュールの結合構造を完成させる。

図３（ｃ）で使われる入力側，出力側ファイバ支持体５，８と、図３（ｆ）の工程で光モジュールの結合構造を完成させる入力側，出力側ファイバ支持体は、高精度に光軸合わせを行う上で同じ物である方が好ましい。しかし、例えば標準的な入力側，出力側ファイバ支持体を一対用意し、図３（ｅ）に示した光導波路支持基板１にファイバ調芯用支持体３ａ，３ｂを固定する状態までの部品を作り貯めて置き、その部品に対して任意の入力側，出力側ファイバ支持体を一体化させて光モジュールの結合構造を完成させてもよい。
完成させた光モジュールの結合構造は、全体が例えば缶で封止されて光モジュール部品の製品となる。なお実施例は、１×２の光スイッチの例を示して説明を行ったが、この発明の光モジュールの結合構造を例えばｎ×ｎの光スイッチや、光モジュレータや光トランシーバ等に適用することも可能で在ることは言うまでもないことである。

この発明による光モジュールの結合構造の実施例を示す図、図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）は正面図、図１（ｃ）は平面図である。 図１（ｃ）のＩＩ−ＩＩ切断線で切った断面図。 実施例の光モジュールの結合構造の組立工程例を示す図、図３（ａ）は光導波路支持基板１の上に光導波路基板２が接着された状態の正面図、図３（ｂ）は光導波路支持基板１の両端表面にエポキシ系のＵＶ接着剤２１ａと２１ｂが塗布されファイバ調芯用支持体３ａ，３ｂが仮止めされた状態の正面図、図３（ｃ）は入力側，出力側ファイバ支持体５，８と光導波路基板２との間の調芯工程を示す図、図３（ｄ）はファイバ調芯用支持体３ａ，３ｂを光導波路支持基板１に固定する工程を示す図、図３（ｅ）はファイバ調芯用支持体３ａと３ｂの互いの外側の面にＵＶ接着剤が塗布された状態を示す図、図３（ｆ）は入力側，出力側ファイバ支持体５，８の調芯工程を示す図、図３（ｇ）は入力側，出力側ファイバ支持体５，８が接着固定され光ファイバの結合構造として完成した状態を示す図である。 特許文献１に開示された従来の光モジュールの光導波路と光ファイバの結合構造を示す図。

Claims (6)

1. 光導波路支持基板と、
   上記光導波路支持基板上に接着固定され、光導波路が形成された光導波路基板と、
   上記光導波路基板の両端部とそれぞれ対向し、かつ上記光導波路支持基板よりも互いに外側に突出して上記光導波路支持基板上に接着固定されたファイバ調芯用支持体と、
   光ファイバの端部を固定支持し、上記それぞれのファイバ調芯用支持体の互いに外側の面にそれぞれ外縁部が接着固定される入力側ファイバ支持体と出力側ファイバ支持体と、
   を具備する光モジュールの結合構造。
2. 請求項１に記載の光モジュールの結合構造において、
   上記ファイバ調芯用支持体の上記光導波路の光導波方向と直交する方向の断面形状が凹形状であり、ファイバ調芯用支持体は、上記光導波路基板と離れて上記光導波路支持基板上に接着固定されることを特徴とする光モジュールの結合構造。
3. 請求項１又は２に記載の光モジュールの結合構造において、
   上記光導波路基板と上記ファイバ調芯用支持体が、上記光導波路支持基板に対して上記光導波方向に突出して接着固定されていることを特徴とする光モジュールの結合構造。
4. 請求項２又は３に記載の光モジュールの結合構造において、
   上記ファイバ調芯用支持体に接着される上記入力側，出力側ファイバ支持体の端面よりも上記光ファイバの端部が突出していることを特徴とする光モジュールの結合構造。
5. 請求項１乃至４の何れかに記載の光モジュールの結合構造において、
   上記入力側，出力側ファイバ支持体は、光ファイバの端部を２つの固定ブロックによって挟持する構造であり、上記２つの固定ブロックの一方の端面が上記ファイバ調芯用支持体の外側の面に接着固定されることを特徴とする光モジュールの結合構造。
6. 表面に光導波路基板が接着された光導波路支持基板の光導波方向両端部と対向して調芯された入力側ファイバ支持体と出力側ファイバ支持体のそれぞれの端面に対して、上記光導波路支持基板の光導波方向の端面よりも外側に突出した位置で、上記入力側，出力側ファイバ支持体の端面に対して上記ファイバ調芯用支持体の互いに外側の面を突き合わせて上記入力側と出力側のファイバ調芯用支持体の位置を確定する工程と、そのファイバ調芯用支持体の互いの外側の面に、上記入力側，出力側ファイバ支持体のそれぞれの端面の外縁部を接着固定する工程と、を有する光モジュールの結合構造の組み立て方法。

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