JP2015105978A - 光ファイバ、及び光ファイバの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光モジュールの放熱性を向上することである。【解決手段】光ファイバ１０は、コア１１とクラッド１２と熱伝導性部材１３とを有する。コア１１は、光の導波路となる。クラッド１２は、コア１１の周囲に形成される。熱伝導性部材１３は、クラッド１２の周囲に形成され、かつ、コア１１及びクラッド１２よりも熱伝導率が高い。これにより、光モジュール２０の発光素子２１から生じる熱は、熱伝導性部材１３を介して、光ファイバ１０から大気中に放出される。【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバ、及び光ファイバの製造方法に関する。

近年、通信の高速化に伴い、半導体素子（例えば、ＣＰＵ：Central Processing Unit）間を、従来の金属配線よりも高速かつ高性能な光ファイバで接続する光インターコネクトが普及しつつある。光インターコネクトでは、半導体素子から出力された電気信号を、光モジュールにより一旦光信号に変換した後、光ファイバに出力するが、高速通信に対応するため、半導体素子と光モジュールとの間に許容される距離は、例えば１０ｃｍ程度と短くなっている。このため、光モジュールは、基板上において、発熱体である半導体素子の近傍あるいは半導体素子上に配置されることとなる。また、光モジュール自体も、発光に伴う熱を発することから、光モジュールの放熱性は高いことが望ましい。

特開２０１３−０５０４８４号公報

しかしながら、光モジュールを基板上に設置すると、設置面とは反対の面に光ファイバが接続されることとなる。半導体素子は、光モジュールと異なり、素子上部にヒートシンクを搭載することで放熱可能であるが、光モジュールでは、上記光ファイバにより、ヒートシンクの搭載が妨げられる。従って、光モジュールの放熱性を向上することは困難である。特に、光モジュールの発光素子がＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER）等の場合、ＤＦＢ（Distributed Feed Back）レーザ等の場合と異なり、光モジュールは、厚さ方向に共振器を形成する構造のため、鉛直方向（水平面と垂直を為す方向）へ光を出射する。このため、光ファイバは、光モジュールの側面ではなく上面側に接続されることとなり、ヒートシンクの搭載による放熱は困難となる。

また、光モジュールの発光素子としてのＶＣＳＥＬは、ＧａＡｓの結晶により構成されるが、上記共振器を形成するため、発光部（活性層）の上下に、ＧａＡｓと他の元素との混合により屈折率を変化させた多層膜を有する。該多層膜の熱伝導率は、活性層の熱伝導率よりも低いため、発光部において発生した熱は、基板等の外部に逃げ難く、発光部に局在することとなる。更に、光ファイバは、光導波路（コア、クラッド）がＳｉＯ_２により形成され、被覆が樹脂により形成されるため、熱伝導率が低い。このため、発光部に局在した熱は、該発光部を有する発光素子の直上に配置された光ファイバからも放熱されることはない。上記発光部の高温化は、発光素子ひいては光モジュールの特性や信頼性を損なう要因となる。

開示の技術は、上記に鑑みてなされたものであって、光モジュールの放熱性を向上することのできる光ファイバ、及び光ファイバの製造方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本願の開示する光ファイバは、一つの態様において、コアとクラッドと熱伝導性部材とを有する。前記コアは、光の導波路となる。前記クラッドは、前記コアの周囲に形成される。前記熱伝導性部材は、前記クラッドの周囲に形成され、かつ、前記コア及び前記クラッドよりも熱伝導率が高い。

本願の開示する光ファイバの一つの態様によれば、光モジュールの放熱性を向上することができる。

図１は、本実施例に係る光ファイバの長手方向の断面図である。 図２は、本実施例に係る光ファイバの径方向の断面図である。 図３は、変形例１に係る光ファイバと光モジュールとの接続部分を示す図である。 図４は、変形例２に係る光ファイバと光モジュールとの接続部分を示す図である。 図５は、本実施例に係る光ファイバの製造方法を説明するための図である。 図６は、本実施例に係る光ファイバの製造方法の内、スパッタ工程を説明するための図である。

以下に、本願の開示する光ファイバ、及び光ファイバの製造方法の実施例を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の実施例により本願の開示する光ファイバ、及び光ファイバの製造方法が限定されるものではない。

まず、本願の開示する一実施例に係る光ファイバの構成を説明する。図１は、本実施例に係る光ファイバ１０の長手方向の断面図である。図１に示す様に、光ファイバ１０は、コア１１を介して、ＰＣＢ（Printed Circuit Board）等の基板３０にボンディングされた光モジュール２０との間で、光信号を送受信する。また、図２は、本実施例に係る光ファイバ１０の径方向の断面図である。図２に示す様に、光ファイバ１０は、中心から外側に向かって、コア１１とクラッド１２と熱伝導性部材１３と被覆部材１４とを有する。光ファイバ１０の外径は、例えば６００μｍであり、この場合、コア１１の外径は５０μｍ程度、クラッド１２の外径は１００μｍ程度、熱伝導性部材１３の外径は３００μｍ程度である。更に、熱伝導性部材１３の周囲を被覆部材１４が覆う。

光モジュール２０は、ＥＯ（Electrical-to-Optical）／ＯＥ（Optical-to-Electrical）変換機能を有する。すなわち、光モジュール２０は、光モジュール２０の接続する半導体素子から、対向する他の半導体素子へ信号を送信する際、電気信号を光信号に変換すると共に、他の半導体素子からの信号を受信する際、光信号を電気信号に変換する。

図１に戻り、ＶＣＳＥＬ等の発光素子２１の中心近傍に位置する発光部２１ａの熱は、矢印Ｙ１に示す様に空気中を伝搬し、熱伝導性部材１３に伝わる。空気は、有機物等と比較して熱伝導率が低いが、光ファイバ１０の構成部材の内、熱伝導性部材１３は、他の部材と比較して熱伝導率が高い。このため、光ファイバ１０の底面と発光素子２１の上面との間の隙間が小さい（例えば、１〜５μｍ）場合には、発光部２１ａの熱は、空気を介して、効率良く熱伝導性部材１３に吸収される。熱伝導性部材１３に達した熱は、上方に延伸する熱伝導性部材１３及び被覆部材１４を経由して、矢印Ｙ２に示す様に、大気中に放出される。これにより、光ファイバ１０では、熱伝導性部材１３を有さない従来の光ファイバと比較して、１．３倍程度の放熱効果が得られる。

なお、光ファイバ１０と発光素子２１とは、接触時の素子の応力等による光ファイバ１０の破損を避けるため、非接触であることが望ましいが、必ずしも非接触である必要はない。

光ファイバ１０は、コア１１とクラッド１２との屈折率の差により、コア１１内に光を閉じ込め、その外側に、熱伝導率の高い媒質である熱伝導性部材１３を配置する。熱伝導性部材１３は、コア１１及びクラッド１２の１０倍程度の熱伝導率を有する。また、熱伝導性部材１３は、クラッド１２に接触するため、光ファイバ１０の光伝送特性に影響を与えない物質（例えば、透明の物質）により実現される。具体的には、熱伝導性部材１３は、例えば、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、その他の有機物等により実現される。また、被覆部材１４は、例えば、紫外線硬化樹脂等により実現され、光ファイバ１０の機械的強度を向上する。

光モジュール２０において、発光部２１ａ（ＶＣＳＥＬ活性層）の発する熱は、通常、熱伝導率の低い媒質に覆われているため、発光素子２１内に滞留する。しかしながら、発光部２１ａの近傍には、熱伝導率の高い熱伝導性部材１３が存在するため、光モジュール２０は、熱伝導性部材１３から発光部２１ａの熱を逃がすことができる。熱伝導性部材１３が発光部２１ａから吸収した熱は、図１に示した様に、光ファイバ１０の長手方向に伝導し、被覆部材１４を通じて徐々に大気中に拡散する。これにより、効率的な排熱が実現され、発光素子２１ひいては光モジュール２０の信頼性が向上する。

以上説明した様に、光ファイバ１０は、コア１１とクラッド１２と熱伝導性部材１３とを有する。コア１１は、光ファイバ１０の長手方向に延在し、光の導波路となる。クラッド１２は、コア１１の周囲に形成される。熱伝導性部材１３は、クラッド１２の周囲に形成され、かつ、コア１１及びクラッド１２よりも熱伝導率が高い。従って、光ファイバ１０は、光ファイバ１０の接続する光モジュール２０の発光素子２１から生じる熱を、熱伝導性部材１３を介して、光ファイバ１０から大気中に放出することができる。その結果、光モジュール２０の発光素子２１の放熱性が向上する。

次に、図３、図４を参照し、上記実施例の変形例について説明する。

（変形例１）
次に、変形例１について説明する。図３は、変形例１に係る光ファイバ１０と光モジュール２０との接続部分を示す図である。図３に示す様に、変形例１に係る構成は、光ファイバ１０と光モジュール２０との間に樹脂が充填される点を除き、図１及び図２に示した実施例に係る構成と同様である。従って、変形例１では、実施例と共通する構成要素には、同一の参照符号を用いると共に、その図示及び詳細な説明は省略する。

変形例１が実施例と異なる点は、光ファイバ１０、光モジュール２０間の接続部分である。具体的には、上記実施例では、光ファイバ１０と光モジュール２０との間には、数μｍ程度の隙間が存在し、発光部２１ａの熱が該隙間を伝搬して、熱伝導性部材１３に達するものとした。これに対し、変形例１では、光ファイバ１０と光モジュール２０とが、紫外線硬化樹脂４０等の光学用接着剤により固定される。すなわち、光ファイバ１０と発光素子２１との間には、紫外線硬化樹脂４０が充填される。

上述した様に、変形例１に係る光ファイバ１０の熱伝導性部材１３は、コア１１に光を送信する発光素子２１を有する光モジュール２０と、紫外線硬化樹脂４０を介して接続される。これにより、発光素子２１の発光部２１ａの熱は、熱伝導性部材１３に加えて、矢印Ｙ３に示す様に、紫外線硬化樹脂４０経由でも大気中に放出されることとなる。従って、発光素子２１の放熱効率は更に向上する。また、表面積の観点からも、変形例１に係る構成では、紫外線硬化樹脂４０が充填された分、上記実施例に係る構成よりも、放熱に使用される表面積が増加する。その結果、放熱効率が更に向上する。

また、紫外線硬化樹脂４０の熱伝導率は、空気の対流や輻射による熱伝導率よりも高い。このため、変形例１に係る構成では、上記実施例に係る構成と比較して、発光部２１ａの熱が、紫外線硬化樹脂４０を介して、光ファイバ１０の熱伝導性部材１３に伝導し易くなる。これによっても、高い放熱効果が得られる。

（変形例２）
次に、変形例２について説明する。図４は、変形例２に係る光ファイバ１０と光モジュール２０との接続部分を示す図である。図４に示す様に、変形例２に係る構成は、光ファイバ１０と光モジュール２０との間に補助部材が介在する点を除き、図１及び図２に示した実施例に係る構成と同様である。従って、変形例２では、実施例と共通する構成要素には、同一の参照符号を用いると共に、その図示及び詳細な説明は省略する。

変形例２が実施例と異なる点は、光ファイバ１０、光モジュール２０間の接続部分である。具体的には、上記実施例では、光ファイバ１０と光モジュール２０との間には、数μｍ程度の隙間が存在し、発光部２１ａの熱が該隙間を伝搬して、熱伝導性部材１３に達するものとした。これに対し、変形例２では、光ファイバ１０と光モジュール２０とが、空気に加えて、補助部材５０により接続される。

上述した様に、変形例２に係る光ファイバ１０の熱伝導性部材１３は、コア１１に光を送信する発光素子２１を有する光モジュール２０と、発光素子２１の側方に設けられた補助部材５０を介して接続される。これにより、発光素子２１の発光部２１ａの熱は、空気伝搬に加えて、矢印Ｙ４に示す様に、補助部材５０経由でも熱伝導性部材１３に伝搬することとなる。従って、発光素子２１の放熱効率は更に向上する。

補助部材５０は、発光素子２１の高速信号配線に影響を与えない様に、例えば、アルミナセラミック、ＳｉＣ、ＩＴＯ、ＺｎＯ、その他の有機物、あるいは、紫外線硬化樹脂等により構成される。補助部材５０の熱伝導率は、空気の熱伝導率よりも高いため、変形例２に係る構成では、上記実施例に係る構成と比較して、発光部２１ａの熱が、補助部材５０を介して、光ファイバ１０の熱伝導性部材１３に伝導し易くなる。換言すれば、変形例２に係る光ファイバ１０は、光モジュール２０の発光部２１ａから、光ファイバ１０の熱伝導性の高い部位まで、効率良く、熱を伝導させることができる。その結果、高い放熱効果が得られる。

なお、補助部材５０は、例えば、円筒状の形状を有し、発光素子２１の周囲を囲む様に、発光素子２１の外縁に沿って設けられる。あるいは、補助部材５０は、例えば、円柱状や四角柱状の形状を有し、発光素子２１の周辺に、複数（例えば、２〜８本）に分けて設けられる。但し、補助部材５０は、発光素子２１の発する光に影響（例えば、遮蔽、屈折反射等）を与えない様に、発光素子２１の上方ではなく、発光素子２１の側方に設けられることが望ましい。

また、変形例１の構造（樹脂充填）と変形例２の構造（補助部材）とは、必ずしも排他的に適用されなくてもよく、１対の光ファイバ１０及び光モジュール２０が、双方の構造を併有するものとしてもよい。

（光ファイバの製造方法）
次に、上記実施例に係る光ファイバ１０の製造方法を説明する。図５は、本実施例に係る光ファイバ１０の製造方法を説明するための図である。図５に示す様に、まず、光ファイバ１０の母材であるプリフォームの端部がバーナで加熱される（Ｓ１）。次に、加熱により溶融した部分が引っ張られ、糸状に成型された後、捻じりながらスクリーニング（強度試験）が行われる（Ｓ２）。

Ｓ３では、ＩＴＯ、ＺｎＯ、その他の有機物等を、スパッタや真空蒸着により、光ファイバ１０の表面に堆積することで、クラッド１２の外側に熱伝導性部材１３が形成される。このとき、熱伝導性部材１３の母材を、光ファイバ１０の同軸方向に均一に堆積させるため、光ファイバ１０を捻じりながら堆積させることが望ましい。Ｓ４では、熱伝導性部材１３の更に外側に樹脂が塗布され、紫外線の照射により、被覆部材１４が形成される。これにより、光ファイバ１０の光伝送特性に影響を与えることなく、熱伝導性を向上した光ファイバ１０が得られる。

光ファイバ１０は、図１に示した様に、発光素子２１の直上に配置され、発光素子２１の発光部２１ａが発した光が、光ファイバ１０のコア１１に結合する様に調整される。例えば、光ファイバ１０のコア径を５０μｍ、発光素子２１の開口径を３０μｍ、開口数を０．０５とすると、発光素子２１と光ファイバ１０間の距離は、例えば１０〜５０μｍ以下であればよい。但し、熱伝導性を考慮すると、発光素子２１と光ファイバ１０間の距離は、上述した様に、例えば１〜５μｍ程度であることが望ましい。なお、開口数は、発光部２１ａの発した光の広がり度合を示し、垂直の場合は、広がりが無いため“０”となる。これにより、光モジュール２０は、発光部２１ａの近傍に、放熱性の高い媒質を配置することができ、光ファイバ１０をヒートシンクに代用して排熱可能となる。

以下、スパッタ工程について説明する。スパッタ工程は、例えば、半導体製造装置、記録媒体、投影装置等の製造に使用されているため、詳細な説明は省略するが、低圧のアルゴン雰囲気中で、プラズマ放電、アーク放電等の電離作用により、アルゴンをイオン化させる工程である。スパッタ工程では、堆積させる物質（例えば、ＩＴＯ、ＺｎＯ等）に電圧をかけて発生した電界または磁石等の磁界により、アルゴンイオンを加速させて、ターゲットである上記物質に衝突させる。この衝突により上記物質の微粒子が発生するため、上記物質の近傍に、コア１１及びクラッド１２を配置することで、クラッド１２の表面上には、上記物質の微粒子（スパッタ原子）が堆積する。その結果、光ファイバ１０は、上記物質、すなわち熱伝導性部材１３により覆われる。

なお、熱伝導性部材１３を構成する上記物質は、コア１１及びクラッド１２を構成するガラスと比較して融点が高いため、完全に液体にはならない。そこで、上記物質の堆積に際しては、上述した様に、加熱ではなく、粒子で飛ばす方法（スパッタ工程）を採る。

以下、図６を参照し、スパッタ工程について、より詳細に説明する。図６は、本実施例に係る光ファイバ１０の製造方法の内、スパッタ工程を説明するための図である。図６に示す様に、真空チャンバ６０のファイバ導入部６１から、熱伝導性部材１３を有さない光ファイバ１０が気密状態のまま導入される。なお、ファイバ導入部６１では、ゴム等の弾性体のオーリングに光ファイバ１０が導通されるため、ファイバ導入部６１に光ファイバ１０が密着し、真空チャンバ６０内の気密状態（真空）が確保される。ファイバ導入部６１から真空チャンバ６０に導入された光ファイバ１０は、回転機構６２により挟まれる。回転機構６２は、光ファイバ１０と鉛直方向（矢印Ｙ５の方向）に往復動作するため、この動作に伴い、光ファイバ１０は、軸方向に回転する。

ガス導入部６３から導入されたアルゴンイオンＡｒは、イオン加速部６４により加速された後、熱伝導性部材１３の母材となるターゲットの熱伝導性物質１３ａ（例えば、ＩＴＯ、ＺｎＯ、その他の有機物等）に高速で衝突する。この衝突により、熱伝導性物質１３ａは、光ファイバ１０の方向に飛散する。光ファイバ１０は軸方向に回転しているため、光ファイバ１０の表面（クラッド１２の外側）には、熱伝導性物質１３ａが均一に堆積される。その結果、光ファイバ１０は、スパッタ工程において、熱伝導性部材１３により被覆される。

上述した様に、光ファイバ１０の製造方法は、光の導波路となるコア１１を形成する工程と、コア１１の周囲にクラッド１２を形成する工程とを含む。更に、光ファイバ１０の製造方法は、クラッド１２の周囲に、コア１１及びクラッド１２よりも熱伝導率の高い物質１３ａを堆積させて、熱伝導性部材１３を形成する工程を含む。これにより、熱伝導性部材１３を介して、光モジュール２０の発光素子２１から生じる熱を大気中に放出可能な光ファイバ１０の製造が可能となる。

なお、上記実施例及び各変形例では、光ファイバ１０の適用先として光インターコネクトを想定して説明したが、光ファイバ１０は、必ずしも半導体素子間を接続するものでなくてもよい。例えば、光ファイバ１０は、光伝送装置間の伝送路であってもよい。

また、光ファイバ１０と熱的に接続する光モジュール２０は、必ずしも基板３０上に直接搭載されなくてもよい。光モジュール２０は、例えば、ＣＰＵ、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）等のプロセッサ上に搭載されるものとしてもよい。

更に、上記実施例及び各変形例では、光ファイバ１０は、被覆部材１４を有するものとしたが、被覆部材１４は無くてもよい。例えば、光ファイバ１０は、被覆部材１４に代えて、熱伝導性部材１３を更に厚く（例えば、１００〜６００μｍ）形成してもよい。あるいは、光ファイバ１０は、コア１１及びクラッド１２からの光漏れを防ぐため、金属部材を被覆してもよい。金属部材は、光ファイバ１０の光伝送特性を維持する観点から、クラッド１２に接触しない位置に被覆されるのが望ましい。すなわち、金属部材は、熱伝導性部材１３と被覆部材１４との間、あるいは、被覆部材１４の外側に被覆されるのが望ましい。

また、熱が局在する発光部２１ａは発光素子２１の中心にあるため、熱伝導性部材１３は、光ファイバ１０の中心軸（コア１１とクラッド１２の位置）にあることが、放熱性向上の観点からは最適である。しかしながら、光ファイバ１０のコア１１及びクラッド１２は、光の屈折率を高精度に制御可能とするため、通常、熱伝導性部材１３よりも熱伝導率の低いガラスにより構成される。そこで、熱伝導性部材１３は、光ファイバ１０の中心軸近傍に設けられるのが、放熱性向上の観点から効果的である。しかしながら、光ファイバ１０の中心軸にはコア１１及びクラッド１２が存在するため、本実施例では、熱伝導性部材１３は、クラッド１２の外側に接触して設けられる。但し、熱伝導性部材１３は、必ずしもクラッド１２に接触して設けられなくてもよく、クラッド１２と熱伝導性部材１３との間に、被覆部材１４や金属部材が介在するものとしてもよい。

更に、熱伝導性部材１３は、必ずしも光ファイバ１０の長手方向の全長に渡って被覆されなくてもよい。例えば、光ファイバ１０の全長が３００ｍである場合、必ずしも３００ｍに渡りコア１１及びクラッド１２が、熱伝導性部材１３により覆われる必要は無い。すなわち、光ファイバ１０のコア１１及びクラッド１２の内、光モジュール２０に近い部分（例えば、１０〜１００ｍ程度）のみが、熱伝導性部材１３に覆われるものとしてもよい。これにより、光ファイバ１０は、放熱性の向上を阻害しない範囲で、熱伝導性部材１３の使用量や使用に伴うコストを節減することができる。

また、上記実施例及び各変形例に係る光ファイバ１０は、ヒートシンクの搭載による放熱の困難な、鉛直方向へ光を出射する光モジュール（例えば、ＶＣＳＥＬ等の発光素子を有する光モジュール）への適用が好適である。しかしながら、光ファイバ１０は、必ずしも、かかる構造の光モジュールに適用されなくてもよく、例えば、ＤＦＢレーザ等の様に、水平方向へ光を出射する光モジュールからの発光熱を、熱伝導性部材１３を介して大気中に放出するものとしてもよい。

更に、上記実施例及び各変形例では、基板３０上に搭載される光モジュール２０は１つとしたが、複数でもよい。また、光モジュール２０の有する発光素子２１についても、１つに限らず、複数（例えば、単位光モジュール当たり４０個）有ってもよい。この場合、光モジュール２０の有する複数の発光素子２１の各々に、光ファイバ１０が接続されることとなるが、接続形態は、必ずしも統一されていなくてもよい。すなわち、各光モジュール２０の発光素子２１と、対応する光ファイバ１０との接続に際し、上記実施例及び上記各変形例が組み合わせられてもよい。実施例、変形例毎の組合せについても、２つに限らず、３つ以上の組合せが可能である。

１０ 光ファイバ
１１ コア
１２ クラッド
１３ 熱伝導性部材
１３ａ 熱伝導性物質
１４ 被覆部材
２０ 光モジュール
２１ 発光素子
２１ａ 発光部
３０ 基板
４０ 紫外線硬化樹脂
５０ 補助部材
６０ 真空チャンバ
６１ ファイバ導入部
６２ 回転機構
６３ ガス導入部
６４ イオン加速部
６５ 真空ポンプ
Ａｒ アルゴンイオン
Ｙ１ 発光部から熱伝導性部材への熱の流れ
Ｙ２ 熱伝導性部材から大気への熱の流れ
Ｙ３ 発光部から樹脂経由での大気への熱の流れ
Ｙ４ 発光部から補助部材経由での熱伝導性部材への熱の流れ
Ｙ５ 回転機構の動作方向

Claims (4)

1. 光の導波路となるコアと、
   前記コアの周囲に形成されたクラッドと、
   前記クラッドの周囲に形成され、かつ、前記コア及び前記クラッドよりも熱伝導率の高い熱伝導性部材と
   を有することを特徴とする光ファイバ。
2. 前記熱伝導性部材は、前記コアに光を送信する発光素子を有する光モジュールと、樹脂を介して接続されることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ。
3. 前記熱伝導性部材は、前記コアに光を送信する発光素子を有する光モジュールと、前記発光素子の側方に設けられた補助部材を介して接続されることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ。
4. 光の導波路となるコアを形成する工程と、
   前記コアの周囲にクラッドを形成する工程と、
   前記クラッドの周囲に、前記コア及び前記クラッドよりも熱伝導率の高い物質を堆積させて、熱伝導性部材を形成する工程と
   を含むことを特徴とする、光ファイバの製造方法。

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