JP2017044761A

JP2017044761A - 光モジュール及びその作製方法

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Publication number: JP2017044761A
Application number: JP2015165277A
Authority: JP
Inventors: 啓渡邉; Hiroshi Watanabe; 里美片寄; Satomi Katayose; 克彦平林; Katsuhiko Hirabayashi
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2015-08-24
Filing date: 2015-08-24
Publication date: 2017-03-02

Abstract

【課題】高い温度環境下でも特性を維持するように平面光波回路と光ファイバとが接続された耐熱性が高い光モジュール及びその作製方法を提供する。【解決手段】平面光波回路と少なくとも１芯以上の光ファイバとが光学的に結合された光モジュールであって、基板上に光導波路を有する平面光波回路１０１と、少なくとも１芯以上の光ファイバ１０２と、少なくとも１芯以上の光ファイバを平面光波回路に接続するための光ファイバ接続部品１０３と、光ファイバ接続部品における平面光波回路側の接続端面の少なくとも光の伝搬する部位を除く部位に設けられ、レーザ照射により融解後、硬化するレーザフリットガラス１０４と、を備え、平面光波回路及び光ファイバ接続部品は、硬化したレーザフリットガラスを介して接続され、それにより平面光波回路及び少なくとも１芯以上の光ファイバが光学的に結合している。【選択図】図１

Description

本発明は、光通信や光を用いたセンシングに用いられる、平面光波回路と光ファイバとが接続された光モジュール及びその作製方法に関する。特に、耐熱温度を高めた高耐熱性光モジュール及びその作製方法に関する。

石英系材料、シリコン、半導体からなる平面的な光導波路を有する平面型光導波型光部品は、単体で利用されるよりも、ほとんどの場合、光の入出力端として光ファイバを接続して利用される。平面型光導波型光部品と光ファイバとを接続する光ファイバ接続用光部品としては、Ｖ溝をガラス基板上に形成し、Ｖ溝の所望の位置に光ファイバを接着剤で整列配置固定した光ファイバブロックが広く用いられている。

これらの接続の工程手順は、一例として、以下の通りである。まず、平面型光導波型光部品を固定台に配置し、光ファイバブロックを微動台に固定する。ここで、光ファイバブロックの一端側には光源に接続された光ファイバが設けられており、光ファイバブロックの他端側にはフォトダイオード（ＰＤ）が設置されている。

光ファイバブロックを平面型光導波型光部品の一端側に近接させた状態で、ＵＶ硬化接着剤を該部品間の隙間に塗布した後に、ＰＤの受光強度が最大になるように光ファイバブロックを設置した微動台を動かす。ＰＤにおいて最大受光強度が得られた時点で、紫外線を照射し、ＵＶ硬化接着剤を硬化させて接着層を固定する。

必要に応じて、平面型光導波型光部品の他端にも、光ファイバブロックを同様の工程で組み立てることができる。この際、平面型光導波型光部品の端にＰＤを配置するのではなく、既に接続されている光ファイバからの出力をＰＤに入射すればよい。

このように、光ファイバブロックの固定は、低コスト、低損失化、硬化時間の短縮化等の理由から、ほとんどの場合、紫外線によって硬化するＵＶ硬化接着剤を用いてなされている。

特開平７−２５３５２０号公報特開２０１４−２４７３０号公報

平面型光導波型光部品の多くは、大容量光通信を支える部品として利用されているが、他方では光センサとしても広く用いられる。光センサとして用いる場合、光通信の場合以上に過酷な温度条件下、例えば車のエンジンルーム内(300℃)や、鉱山における地熱高温下（300℃）での利用等も想定される。

しかしながら、ＵＶ硬化接着材の耐熱温度は１００℃程度であるため、ＵＶ硬化接着材の耐熱温度が、組み上げた光モジュールの耐熱温度を決定してしまう。そのため、光センサとして用いる場合における、ＵＶ硬化接着材の耐熱温度を越えるような高温環境下では、光モジュールの特性を維持することができないという問題があった。

例えば、石英系平面導波路の場合、導波路が石英系材料で構成されている一方で、平面光波回路も石英系材料で構成されているため、５００℃を超える温度でも特性を維持できるとも考えられる。しかしながら、上述のように、ＵＶ硬化接着材を使って光ファイバブロックを固定した場合には、組み上げた光モジュールの耐熱温度は、ＵＶ硬化接着材の耐熱温度で制限される。一般的に、光モジュールの耐熱温度を超えると、ＵＶ硬化接着材が軟化するため、位置合わせしていた光軸がずれることから、光モジュールの光損失増大につながる。より高温になると、ＵＶ硬化接着材の炭化により接着層がもろくなり、接着していた光ファイバブロックが平面型光導波型光部品からはずれることにつながる（例えば、特許文献１参照）。従って、従来のＵＶ硬化接着材を用いた石英系平面導波路の場合、ＵＶ硬化接着材の耐熱温度以上である５００℃を超える温度では特性を維持できない。

光ファイバを固定する他の技術として、光ファイバと平面型光導波型光部品ではなく光ファイバ同士を接続する融着接続技術がある。これは、石英光ファイバの永久接続技術として最も一般的な接続方法であり、ガラス同士を直接接合するため、高い温度領域においても利用することが可能である。この方法を平面型光導波型光部品に適応して、光ファイバと平面型光導波型光部品とを直接融着接続することも研究開発されている。

しかし、基板の熱容量と光ファイバの熱容量との差が大きいため、光ファイバの融解温度では、平面型光導波型光部品を構成するガラスが融解せず、平面型光導波型光部品を構成するガラスを融解するように加熱温度を上げると、光ファイバそのものが破損してしまう場合があるため、融着による接続は困難であった。また、石英系の平面型光導波型光部品の場合は融着という手法がとれなくもないが、そもそも、シリコン、半導体からなる平面型光導波型光部品をこの融着技術を用いて、光ファイバブロックに固定することが出来ない。

そこで、本発明では、高い温度環境下でも特性を維持するように平面光波回路と光ファイバとが接続された耐熱性が高い光モジュール及びその作製方法を提供する。

上記課題を解決するために、本発明の一実施形態に係る光モジュールは、平面光波回路と少なくとも１芯以上の光ファイバとが光学的に結合された光モジュールであって、基板上に光導波路を有する平面光波回路と、少なくとも１芯以上の光ファイバと、前記少なくとも１芯以上の光ファイバを前記平面光波回路に接続するための光ファイバ接続部品と、前記光ファイバ接続部品における前記平面光波回路側の接続端面の少なくとも光の伝搬する部位を除く部位に設けられ、レーザ照射により融解後、硬化するレーザフリットガラスと、を備え、前記平面光波回路及び前記光ファイバ接続部品は、硬化した前記レーザフリットガラスを介して接続され、それにより前記平面光波回路及び前記少なくとも１芯以上の光ファイバが光学的に結合していることを特徴とする。

本発明の他の実施形態に係る光モジュールでは、前記光ファイバ接続部品における前記接続端面の前記光の伝搬する部位と前記少なくとも１芯以上の光ファイバとの隙間に充填された樹脂をさらに含むことを特徴とする。

本発明のさらに他の実施形態に係る光モジュールでは、前記レーザフリットガラスは、前記光ファイバ接続部品における前記接続端面の前記光の伝搬する部位と前記少なくとも１芯以上の光ファイバとの隙間に樹脂を充填するための少なくとも２つのスリットを有することを特徴とする。

本発明のさらに他の実施形態に係る光モジュールでは、前記基板は、シリコン基板であり、前記シリコン基板には、前記レーザフリットガラスと接着するように前記平面光波回路における前記光ファイバ接続部品側の接続端面の少なくとも光の伝搬する部位を除く部位に設けられた接着膜をさらに含むことを特徴とする。

本発明のさらに他の実施形態に係る光モジュールでは、前記基板は、シリコン基板であり、前記シリコン基板には、前記平面光波回路における前記光ファイバ接続部品側の接続端面の少なくとも光の伝搬する部位を除く部位に設けられた金属膜と、前記レーザフリットガラスと接着するように前記金属膜上に設けられた接着膜と、をさらに含むことを特徴とする。

本発明の一実施形態に係る光モジュールの製造方法は、基板上に光導波路を有する平面光波回路と少なくとも１芯以上の光ファイバとが光学的に結合された光モジュールの製造方法であって、前記少なくとも１芯以上の光ファイバが設けられた光ファイバ接続部品における前記平面光波回路側の接続端面の少なくとも光の伝搬する部位を除く部位に、レーザ照射により硬化するレーザフリットガラスをパターニングするステップと、前記レーザフリットガラスを熱処理して融解するステップと、前記光ファイバと前記平面光波回路との光接続が可能となるように前記光ファイバと前記平面光波回路とを調芯した後、前記レーザフリットガラスと前記平面光波回路とを接触させるステップと、前記レーザフリットガラスと前記平面光波回路との接続点にレーザ照射を行うステップと、を含むことを特徴とする。

本発明の他の実施形態に係る光モジュールの製造方法では、前記レーザフリットガラスは、前記光ファイバ接続部品における前記接続端面の前記光の伝搬する部位と前記少なくとも１芯以上の光ファイバとの隙間に樹脂を充填するための少なくとも２つのスリットを有し、前記製造方法は、前記レーザ照射を行うステップの後に、前記スリットのうちの１つから前記樹脂を流し込んで前記隙間に前記樹脂を充填するステップをさらに含むことを特徴とする。

本発明によれば、高い温度環境下でも特性を維持するように平面光波回路と光ファイバとが接続された耐熱性が高い光モジュールを提供することが可能となる。

本発明に係る光モジュールを例示する図である。本発明の実施例１に係る光モジュールを例示する図である。本発明に係るレーザフリットガラスのパターン例を示す図である。本発明の実施例２に係る光モジュールを例示する図である。本発明の実施例３に係る光モジュールを例示する図である。本発明の実施例４に係る光モジュールを例示する図である。

図１は、本発明に係る光モジュールを例示する。図１には、基板上に光導波路を有する平面光波回路１０１と、少なくとも１芯以上の光ファイバ１０２と、少なくとも１芯以上の光ファイバ１０２を平面光波回路１０１に接続するための光ファイバ接続部品１０３と、光ファイバ接続部品１０３における平面光波回路１０１側の接続端面に設けられたレーザフリットガラス１０４と、を備えた光モジュールが示されている。

平面光波回路１０１は、石英系材料またはシリコンで構成されている。光ファイバ接続部品１０３は、平面光波回路１０１側の接続端面における少なくとも光の伝搬する部位を除く部位に、レーザ照射により融解して熱硬化するレーザフリットガラス１０４が設けられている。

本発明に係る光モジュールでは、レーザフリットガラス１０４を介して平面光波回路１０１と光ファイバ接続部品１０３とが接合されており、それにより平面光波回路１０１と光ファイバ１０２とを光学的に結合している。

ここで、「レーザフリットガラス」とは、単なる低温で融解するフリットガラスではなく、特許文献２等に開示されているような、レーザ照射により局所短時間熱処理を行うことにより融解させることができる材料を使用したガラスをいう。レーザフリットガラスの融点は５００℃程度である。これらのガラスは、液晶ディスプレイや太陽電池の長寿命化のためのシーリング材料として広く用いられている。

炉等を用いて加熱処理するレーザフリットガラスを用いた場合、少なくとも融解に数分以上の熱処理が必要となる。そのため、接続しようとしている２つ以上の部材全体が加熱されることになり、２つの部材、それを保持する部材の熱膨張係数の差により、相対位置がずれることになる。そのため、炉等の長時間の熱処理が必要な方法を用いてレーザフリットガラスを加熱処理した場合には光ファイバ接続部品と平面型光導波型光部品とを低損失に接続することはできなかった。

本発明者らは、このレーザフリットガラスはレーザ照射を用いて加熱処理した場合には局所的に短時間に加熱・融解されるため、レーザ照射を用いて加熱処理したレーザフリットガラスを用いた場合、位置合わせした光ファイバ接続部品と平面型光導波型光部品との相対位置をほとんど変化させることなく接合することが可能であることを見出した。そして、本発明者らは、レーザフリットガラスがシーリング材料だけではなく、光部品の接合材料としても適していることを見出した。

本発明によると、レーザフリットガラスを光部品の接合材料として使用することにより、高い温度環境下でも特性を維持するように平面光波回路と光ファイバとが接続された耐熱性が高い光モジュールを提供することが可能となる。以下、本発明に係る各実施例を説明する。

＜実施例１＞
図２は、本発明の実施例１に係る光モジュールを例示する。図２には、基板が石英系材料で構成された平面光波回路２０１と、光ファイバ２０２と、光ファイバ２０２を挿入・固定して平面光波回路２０１に接続するためのガラスキャピラリ２０３と、ガラスキャピラリ２０３における平面光波回路２０１側の接続端面に設けられたレーザフリットガラス２０４と、ガラスキャピラリ２０３における平面光波回路２０１側の接続端面における光の伝搬する部位と光ファイバ２０２との隙間に充填された樹脂２０５と、平面光波回路２０１におけるガラスキャピラリ２０３との接続側の上面に設けられたヤトイ板２０６と、光ファイバ２０２及びガラスキャピラリ２０３を固定するための樹脂２０７と、を備えた光モジュールが示されている。本実施例では、平面光波回路２０１の基板材料として石英系材料を用い、平面光波回路２０１と光ファイバ２０２が固定されたガラスキャピラリ２０３とをレーザフリットガラス２０４を介して接合して平面光波回路２０１と光ファイバ２０２とを接続することにより光モジュールを作製した。

本実施例で用いた石英系材料で構成された平面光波回路２０１は、一般的には、石英（ガラス）やシリコンの平面基板上に屈折率の高い導波路を形成し、スプリッタあるいはアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）などの光回路を形成したものである。本実施例では、石英基板上に下部クラッド層及びコア層を順に形成し、コア層について光導波路となる部位を残してエッチングを行い、ＳｉＯ₂を主成分とする上部クラッド層を堆積する方法で平面光波回路２０１を作製している。

ガラスキャピラリ２０３は、一般的に市場より調達可能なものを使用することができ、その多くは光ファイバの製造技術と同様に、ガラス母材を線引きし、精度よい寸法の穴を作製したものである。この他に、射出成型や、機械加工により作製される場合が考えられる。本実施例では、ガラスキャピラリ２０３として、直径２ｍｍ、長さ３ｍｍの透明なガラスからなるガラスキャピラリを用い、耐熱温度が５５０℃であり、半導体シリコンとの熱膨張係数がほぼ一致するガラスを用いたが、この限りではない。

ガラスキャピラリ２０３が有する穴には光ファイバ２０２が挿入されており、ガラスキャピラリ２０３における平面光波回路２０１側の接続端面にはレーザフリットガラス２０４がパターニングされている。ガラスキャピラリ２０３は、平面光波回路２０１側の接続端面が研磨され、平坦になっている。また、ガラスキャピラリ２０３は、平面光波回路２０１との接続端面の反対側に座繰りが設けられており、最終的に光ファイバ２０２を挿入した際に、光ファイバ２０２の被覆の先端が収まるようになっている。光ファイバ２０２が素線（ガラスがむき出し）の場合は折れやすいため、被覆の一部もガラスキャピラリ２０３の挿入穴の中に収めるためである。また、光ファイバ２０２を挿入する際に座繰りがない場合、細い光ファイバをほぼ同径の穴に挿入する作業が非常に困難であるが、座繰りがあれば挿入そのものがやりやすいためでもある。

ガラスキャピラリ２０３の研磨面が水平になるよう保持可能な治具に１又は複数のガラスキャピラリ２０３を保持し、ガラスキャピラリ２０３における平面光波回路２０１側の接続端面に、スクリーン印刷にて、一度にレーザフリットガラス２０４のパターニングを行った。レーザフリットガラス２０４は、ガラスキャピラリ２０３の研磨面の外周及び中央の半径５０μｍの穴を除き、かつ、縦方向に１００μｍのスリットをあけるようなパターンとした。レーザフリットガラス２０４の塗布厚は３０μｍとした。ここで、レーザフリットガラス２０４の中央の穴は、この他の数値に設計しても無論かまわず、十分な接着強度を得るために、光を遮らないよう半径をより小さくする方が好ましい。しかし、レーザフリットガラス２０４の中央の穴の半径があまりに小さいと、スクリーン印刷する際の高い位置合わせ精度が必要となるため、少なくとも半径１０μｍ以上が好ましい。

その後、ガラスキャピラリ２０３及びレーザフリットガラス２０４について４５０℃の温度で熱処理を行い、初期のレーザフリットガラス２０４に含有されている有機バインダを除去し、レーザフリットガラス２０４を融解する。薄膜化した後のレーザフリットガラス２０４のガラス膜厚は６μｍであった。

その後、メカニカルな金属で構成されたバネ機構を用いてガラスキャピラリ２０３をＬ字型治具上に固定した後、光ファイバ２０２をガラスキャピラリ２０３に挿入し、Ｌ字型治具の鉛直面に光ファイバ２０２及びガラスキャピラリ２０３の突き当てを実施した。突き当てを実施することで、レーザフリットガラス２０４の表面と光ファイバ２０２の表面の面位置を一致させることができる。光の伝搬方向に対してはトレランスが非常に広いため、本実施例では、突き当てることにより両表面の面位置が一致した状態から光ファイバ２０２を意図的に５μｍ引き下げた。これは、後に平面光波回路２０１との接続を行った際に、平面光波回路２０１と光ファイバ２０２との間に若干の空壁を意図的に設けるためである。光ファイバ２０２を引き下げて逃げを作っておくことで、外気温度が変化した際など部品の温度変化に対して、体積膨張による光学的な変動が少なく済む。光の伝搬方向に逃げがないと、平面光波回路２０１と光ファイバ２０２が衝突し、場合によっては光ファイバ２０２が平面光波回路２０１の基板法線方向等に動くことがあり、光接続損失の増加、変動の要因になる。無論引き下げずに、平面光波回路２０１との突き合わせを行うことにより接続しても良い。

ガラスキャピラリ２０３と光ファイバ２０２とを固定するために、光ファイバ２０２に樹脂２０７を滴下してガラスキャピラリ２０３と光ファイバ２０２との接続端面間の隙間に樹脂２０７を充填し、その状態を保持したままオーブンにより３５０℃で１時間加熱を行った。ここで、光ファイバ２０２としては、被覆がポリイミドで形成され、耐熱温度が３００℃（瞬時４００℃）の光ファイバを用いた。樹脂２０７としては、３００℃以上の熱を加えると硬化するＢＣＢ（benzocyclobutene）を用いたが、これに限ったものではなく、３００℃で軟化しないような耐熱性の得られるものであれば良いし、また樹脂２０７を用いる代わりに、ガラスキャピラリ２０３内部及び光ファイバ２０２をメタライズして固定する等の方法でも良い。

続いて、平面光波回路２０１をステージ上に固定し、作製した光ファイバ２０２付のガラスキャピラリ２０３を６軸位置決めステージに保持し、平面光波回路２０１と光ファイバ２０２の光接続が可能となるように位置合わせを行った。ここでの調芯方法は、従来のＵＶ硬化接着材で固定された光ファイバブロックの調芯方法と同様である。調芯を行う際は、一度、平行度の調整を行いながら、平面光波回路２０１の端面とガラスキャピラリ２０３の端面にパターニングされたレーザフリットガラス２０４とを接触させ、５μｍの隙間を設け、移動が可能な状態で調芯を行い、光が最も通る状態になってから、光の伝搬方向に移動させて再度両者を接触させた。

その後、波長８０３ｎｍのレーザ光を直径が３ｍｍ程度、出力強度１７Ｗのビームとして、平面光波回路２０１とレーザフリットガラス２０４との接続点に８０ｍｓｅｃの照射を行うことによりレーザフリットガラス２０４を瞬間的に局所加熱・硬化し、平面光波回路２０１と光ファイバ２０２付のガラスキャピラリ２０３とを固定した。この時点で平面光波回路２０１とガラスキャピラリ２０３は十分な強度で固定されているため、平面光波回路２０１とガラスキャピラリ２０３とを固定したものを持ち運びが可能な状態になっていた。

その後、レーザフリットガラス２０４のパターン化時にガラスキャピラリ２０３の端面に設けたスリットの片方から耐熱性の樹脂２０５を流し込み、補強的に固定強度を増すと共に、光ファイバ２０２と平面光波回路２０１との接続端面間にある空気の層を樹脂２０５で充填する。樹脂２０５を充填することで、接続強度が増すだけでなく、接続損失の低減及び反射の削減が可能である。充填後、熱処理にて樹脂２０５の硬化を行う。

ここで、レーザフリットガラスに形成した、ガラスキャピラリにおける平面光波回路側の接続端面における光の伝搬する部位と光ファイバの隙間に樹脂を充填するためのスリットの効果について説明する。図３は、本発明に係るレーザフリットガラスのパターン例を示す。レーザフリットガラスには、図３（ａ）及び（ｂ）に示されるように、スリットを設けることが好ましい。図３（ｃ）に示されるようにレーザフリットガラスにスリットがなければ、光ファイバ２０２と平面光波回路２０１との接続端面間に隙間が発生している場合には、その分の損失が増加し、また反射も大きくなり、例えば反射光が戻れば、レーザの特性を劣化させる等、問題となることがある。光ファイバ２０２と平面光波回路２０１との接続端面同士が確実にフィジカルコンタクトし、光結合ができるのであれば、このスリットは必ずしも必要ではないが、多くの場合フィジカルコンタクトが難しく若干の隙間が発生する。そこで、スリットを通して樹脂２０５を注入して隙間を充填することで、接続端面間の隙間の問題を解決する。

樹脂２０５を注入するスリットの他に、内部の空気を逃がすためのスリットが中央に向かって少なくとも２か所以上あることが好ましい。スリットが１箇所しかない場合は、レーザフリットガラス２０４と平面光波回路２０１が強固に接続されることから、空気の逃げ道がなく、光が通過する箇所に樹脂２０５が充填されない場合が多々発生し、内部に気泡が残り、歩留まりを大きく下げることになる。レーザフリットガラス２０４にスリットが２か所以上あり、少なくとも１箇所が空気の逃げ道として働いていれば空気が逃げるため、内部に気泡が残ることはない。また、反射を減らすために、スリットに注入する耐熱性の樹脂２０５は、光に対して透明で、かつ屈折率が光ファイバのコア、または、光導波路のコアの屈折率に近い方が好ましい。もちろん、図３（ｃ）に示されるようにスリットを設けないようにレーザフリットガラスを構成してもよい。

レーザフリットガラス２０４を用いた平面光波回路と光ファイバとを接続した本発明の構成によると、平面光波回路２０１と光ファイバ２０２と接続する際に、耐熱温度が１００℃程度であるＵＶ硬化接着剤を用いる必要がなく、全ての材料が３００℃以上の耐熱性を有しているため、従来方法に比べて組み上げた光モジュールの耐熱性を大きく向上させることができる。無論、高価な金属ケースやレンズ実装等を経て作った耐熱性の光モジュールに比べても小型でかつ、低価格な提供が可能である。

また、一般的には、照射レーザは掃引されてレーザ光が加熱箇所に当てられる。用いるレーザフリットガラス２０４によるが、照射レーザは１５ｍｍ／秒〜３０ｍｍ/秒の速度で掃引されることが多い。一方で、本実施例では、２ｍｍの幅のレーザフリットガラス２０４を固定するのであれば終了するまでの時間はわずかに０．１秒もかからず、照射レーザの掃引自体が必要なく、そのためその分の光学系が簡単にすることができる。そして、ガラスキャピラリ２０３自体は透明であるため、レーザ光を照射してもガラスキャピラリ２０３は加熱されない。平面光波回路２０１も透明な材料である場合は、レーザ光に対して加熱されることはない。そのため、レーザフリットガラス２０４だけが局所的に瞬間的に加熱されて融解されるため、２つの光接続部材の相対的な位置を変化させることなく固定することが可能である。

さらに、位置合わせを行うための装置は、６軸のステージに加えて、光源や透過強度測定器なども含むことから高価であるため、固定のために時間がかかっていてはコストがかかることになる。例えば、熱硬化では位置ずれが起こるが、たとえ位置ずれがなく止められたとしても、熱を加えている間、接続する光部品は動かすことができず、次の部材を組立てられないため、固定のために時間がかかる場合にはスループットが著しく劣化する。従来の手法では、光部品を動かせるようになる仮固定まで５秒程度要していたが、本発明に係る手法によると、調芯後、８０ｍｓｅｃのレーザ照射により短時間で光部品を固定することが可能であるため、スループットの向上が可能である。

さらに、本実施例では、端面が垂直研磨されたガラスキャピラリ２０３を、同じく端面を垂直研磨した平面光波回路２０１に接続したが、より反射を減らしたい場合は、それぞれを数度（８°程度）傾けて研磨すれば、より反射減衰量を低減することが可能である。

＜実施例２＞
図４を用いて、本発明の実施例２に係る光モジュールを説明する。図４（ａ）には、平面光波回路３０１と、ファイバ固定樹脂で固定された複数の光ファイバ３０２と、Ｖ溝基板３０３と、光ファイバ３０２をＶ溝基板３０３に押さえ付けるためのリッド３０５と、Ｖ溝基板３０３及びリッド３０５における平面光波回路３０１との接続面にそれぞれ設けられたレーザフリットガラス３０４と、Ｖ溝基板３０３及びリッド３０５の間に設けられた樹脂３０６と、を備えた光モジュールが示されている。複数の光ファイバ３０２と、Ｖ溝基板３０３と、レーザフリットガラス３０４と、リッド３０５と、樹脂３０６とによって光ファイバブロック３１０が構成される。なお、図４（ａ）では、構成の明確化のため、平面光波回路３０１と光ファイバブロック３１０とが分離されて示されているが、実際には両者は接合されている。

実施例１では、１芯のガラスキャピラリをレーザフリットガラスを介して平面光波回路に接続した例を示したが、本実施例２では、多芯の光ファイバブロックをレーザフリットガラスを介して平面光波回路に接続した。

Ｖ溝基板３０３は、厚さ１ｍｍ、幅３ｍｍ、長さ８ｍｍのガラス基板に機械加工を用いてＶ溝を形成後、先端から４ｍｍの部分に光ファイバ３０２の被覆を収める箇所の座繰りを機械加工により形成することによって作製される。光ファイバ３０２は、被覆がポリイミドで形成された耐熱性のある光ファイバであって、具体的には耐熱温度が３００℃（瞬時４００℃）のものを用いた。リッド３０５は、幅３ｍｍ、長さ４ｍｍのＶ溝基板３０３と同様のガラス基板で構成される。

本実施例２では機械加工を用いてＶ溝基板３０３を作製したが、Ｖ溝基板３０３は従来の通信で用いられるものと何ら変わらないものであるため、プレス加工等を用いて用意してもよい。また、本実施例２に係るＶ溝基板３０３では、複数のＶ溝を整列させているが、実施例１と同じく１芯の光ファイバを接続するために１つのＶ溝を設けてもよい。Ｖ溝基板３０３及びリッド３０５では、耐熱温度が５５０℃であり、半導体シリコンとの熱膨張係数がほぼ一致するガラス基板を用いたが、この限りではない。

Ｖ溝基板３０３及びリッド３０５についてそれぞれ、最終的に光接続が行われる面に対して研磨を実施し、その研磨面に、有機バインダを含んだレーザフリットガラス３０４を塗布する。研磨面が水平になるよう保持可能な治具に、仮組した光ファイバブロックを保持し、スクリーン印刷にて、リッド３０５の研磨面には研磨面の外周５０μｍを除いた全面に、Ｖ溝基板３０３の研磨面には後に光ファイバ３０２が挿入されるＶ溝付近及び５０μｍの外周を除いた部分に対してレーザフリットガラス３０４を塗布した。レーザフリットガラス３０４の塗布厚は３０μｍとした。その後、Ｖ溝基板３０３及びリッド３０５にそれぞれ塗布されたレーザフリットガラスについて４５０℃の温度で熱処理を行い、レーザフリットガラス３０４に含まれる有機バインダを除去してレーザフリットガラス３０４を融解し、薄膜化する。薄膜化後のレーザフリットガラス３０４の膜厚は６μｍであった。

形成したＶ溝基板３０３を加熱ができる真空穴が形成されたステージ上に配置し、先端被覆を剥いてクリーブした光ファイバ３０２を、図４（ｂ）に示されるようにＶ溝基板３０３のＶ溝に挿入した後、リッド３０５により光ファイバ３０２を押さえ付ける。光ファイバ３０２のクリーブ面と、Ｖ溝基板３０３及びリッド３０５におけるレーザフリットガラス３０４が塗布された面とを任意の基準面に押し付けた状態で機械的に保持し、その後、Ｖ溝基板３０３、光ファイバ３０２及びリッド３０５の隙間を、組みあげたＶ溝基板３０３及びリッド３０５の側面の片側のスリットから樹脂３０６を挿入して充填し、２５０℃まで加熱し、その後６０分放置し、これらの部材の固定を行った。

ここで、Ｖ溝基板３０３及びリッド３０５の端面において、外周５０μｍの淵部分にはレーザフリットガラス３０４が塗布されておらず、組みあげた際にこの淵部分がスリットとなる。片方のスリットから樹脂３０６を挿入すると他方のスリットから空気が押し出され、隙間なく樹脂３０６で充填することが可能である。充填する樹脂３０６は、耐熱性が２００℃以上の熱を加えると硬化する樹脂を用いた。

ついで、光ファイバ３０２の被覆を収めるＶ溝基板３０３の座繰り箇所にて、耐熱性樹脂を用いて光ファイバ３０２を被覆ごと固定することにより、実施例２に係る光ファイバブロック３１０を作製した。

作成した光ファイバブロック３１０と、石英基板上に多芯の入出力導波路を設けた平面光波回路３０１とを、実施例１と同じ方法で、調芯後、レーザ照射を行うことによりレーザフリットガラス３０４を瞬間的に局所加熱し、固定した。レーザ照射の際は、２０Ｗ出力のビームを外径３ｍｍのビームとして水平方向（光ファイバの並んでいる方向）に掃引した。掃引のスピードは、２０ｍｍ/ｓｅｃに設定した。これらの掃引スピード及び照射ビーム径、照射パワーについては、個々に最適化が必要であるため、この限りではない。

本実施例２のように、多芯の光ファイバが挿入された光ファイバブロックを用いた場合であっても、本発明に係るレーザフリットガラスを用いて耐熱性を大きく向上させた光モジュールを提供することが可能である。

上記実施例１及び２では、光ファイバブロック又はガラスキャピラリ側にレーザガラスをパターニング塗布しているが、逆に平面光波回路側にレーザフリットガラスをパターニング塗布し、位置合わせしてから固定しても同じであることは言うまでもない。

＜実施例３＞
図５を用いて、本発明の実施例３に係る光モジュールを説明する。図５には、シリコン基板で構成された平面光波回路４０１と、光ファイバ４０２と、光ファイバ４０２を挿入・固定して平面光波回路４０１に接続するためのガラスキャピラリ４０３と、ガラスキャピラリ４０３における平面光波回路４０１側の接続端面に設けられたレーザフリットガラス４０４と、レーザフリットガラス４０４の周囲に塗布・硬化された樹脂４０５と、平面光波回路４０１におけるガラスキャピラリ４０３との接続側の上面に設けられたヤトイ板４０６と、光ファイバ４０２及びガラスキャピラリ４０３を固定するための樹脂４０７と、レーザフリットガラス４０４と接着するように平面光波回路４０１におけるガラスキャピラリ４０３側の接続端面に設けられた接着膜４０８と、を備えた光モジュールが示されている。実施例３に係る光モジュールでは、平面光波回路４０１の基板材料としてシリコンを用い、平面光波回路４０１と光ファイバ４０２が固定されたガラスキャピラリ２０３とを、レーザフリットガラス４０４と接着膜４０８とを接着することにより接合して平面光波回路４０１と光ファイバ４０２とを接続した。

本実施例３に係る光モジュールは、実施例１と同様にガラスキャピラリを用い、平面光波回路の基板としてＳｉ基板を用いた光モジュールである。レーザフリットガラスをパターニング塗布したガラスキャピラリについては上記実施例１と同様に用意した。

ここで、そもそもレーザフリットガラスがレーザ照射により局所加熱され融解し、ガラス、石英等を接着させることができるのかについて説明する。レーザフリットガラスは、照射する光を吸収するような材料が含有されているだけでなく、吸収により発生した熱により瞬時に融解するように、ガラスの軟化点を下げるために各種のドーパントが含有されている（例えば特許文献２参照）。温度が上昇して接着したいガラス内へこれらのドーパントが拡散移動することにより、強固な接合が行われるのが接合の原理となる。しかしながら、平面光波回路の基板にシリコンを用いた場合、シリコンが単結晶であるが故、ガラスに比べてドーパントの移動量が少ないため、接合強度が劣化する問題がある。

そこで、本発明では、平面光波回路の基板材料としてシリコンを用いた場合に起こる接合強度不足を解消するために、平面光波回路４０１におけるシリコンで構成された接続端面に対して、レーザフリットガラス４０４との接合性の良い接着膜４０８を成膜することで、接着膜４０８を介して平面光波回路４０１のシリコン基板との接合を実現する。

具体的には、平面光波回路４０１の研磨した接続端面に対して、接着膜４０８の成膜を行う。本実施例では、真空蒸着装置を用いて、平面光波回路４０１の接続端面に対して、ＳｉＯ₂からなる接着膜４０８を３００ｎｍ成膜した。ここでは、平面光波回路４０１の接続端面におけるコア部分、つまり光を通す部分に接着膜４０８が形成されないようにメタルプレートでマスキングを行った後に、当該接続端面に対して接着膜４０８の成膜を行った。成膜方法はこの他に、スパッタリング装置等で行ってもよい。接着膜４０８の厚さは、ドーパントが拡散する長さよりも厚く堆積していればよく、厚さはこの限りではない。

平面光波回路４０１のシリコン部分がレーザフリットガラス４０４と接触しないように接着膜４０８を成膜することで、接合後の構造は、平面光波回路４０１側から、シリコン、ＳｉＯ₂からなる接着膜４０８、レーザフリットガラス４０４、ガラスキャピラリ４０３となる。上記実施例と同様に、レーザを照射してレーザフリットガラス４０４を瞬間的に局所加熱し、固定することにより、十分な接着強度を得ることができる。実際に作製した試料では、石英基板で作った回路との接続の場合に比べて、引っ張り試験強度ではほぼ同じ値を示しており、強度的に十分であることが確認できた。

本実施例では、接着膜４０８としてＳｉＯ₂を用いたが、主成分であるＳｉＯ₂にドーパントが含まれていても同じ効果は無論得られる。また、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＯ_X等、レーザフリットガラス４０４との接合が得られる材料であれば、ＳｉＯ₂に限らず同じ効果が発現する。また、本実施例では、ガラスキャピラリを用いたが、実施例２のような光ファイバブロックであっても同様に適用可能である。さらに、本実施例では、基板材料としてシリコンを用いた平面光波回路について述べているが、ＩｎＰなどの他の基板であっても同じであり、端面への接着膜の成膜により接着強度を上げることは無論可能である。

＜実施例４＞
図６を用いて、本発明の実施例４に係る光モジュールを説明する。図６には、シリコン基板で構成された平面光波回路５０１と、光ファイバ５０２と、光ファイバ５０２を挿入・固定して平面光波回路５０１に接続するためのガラスキャピラリ５０３と、ガラスキャピラリ５０３における平面光波回路５０１側の接続端面に設けられたレーザフリットガラス５０４と、レーザフリットガラス５０４の周囲に塗布・硬化された樹脂５０５と、平面光波回路５０１におけるガラスキャピラリ５０３との接続側の上面に設けられたヤトイ板５０６と、光ファイバ５０２及びガラスキャピラリ５０３を固定するための樹脂５０７と、平面光波回路５０１におけるガラスキャピラリ５０３側の接続端面に設けられた金属膜５０９と、金属膜５０９上にレーザフリットガラス５０４と接着するように設けられた接着膜５０８と、を備えた光モジュールが示されている。

シリコン基板を有する平面光波回路との接続において、平面光波回路におけるシリコンで構成された接続端面において、シリコンが照射レーザ光に対して透明ではないため、吸収が起こる。吸収されたエネルギーは熱に変換されて、接合箇所周辺の平面光波回路の温度を短時間であるが上昇させる。この温度上昇により基板を含めた平面光波回路の体積膨張が起こるために、平面光波回路において、位置合わせしていた光ファイバとの光軸がずれることが考えらえる。平面光波回路との接続点におけるモードフィールドが大きい場合は多少のズレ（＜１μｍ）は問題とはならないが、モードフィールドが小さい場合などは瞬時の温度上昇と言うことができ、問題となることがある。

そこで、本実施例では、シリコン基板を用いた平面光波回路であっても温度上昇を抑え、光の吸収を防止する構成について作製を行った。具体的には、平面光波回路５０１の研磨した接続端面に対して、金属膜５０９として、Ｃｒ１５ｎｍ、金１００ｎｍ、Ｃｒ１５ｎｍ、ＳｉＯ₂３００ｎｍを順に成膜した。

本実施例では、平面光波回路５０１の接続端面におけるコア部分、つまり光を通す部分に金属膜５０９が形成されないようにメタルプレートでマスキングを行った後に、真空蒸着装置にセットし、当該接続端面に対して接着膜５０８及び金属膜５０９の成膜を行った。成膜方法はこの他に、スパッタリング装置等で行ってもよい。本実施例では、金属膜５０９として金を蒸着したが、金の代わりにアルミや他の金属であっても少なくとも効果は得られる。

金属膜５０９の効果について述べる。レーザフリットガラスを用いてガラスキャピラリや光ファイバブロックを固定するため、レーザ照射を行う際、レーザフリットガラスでほとんどのレーザ光が吸収されるが、レーザフリットガラスを透過したレーザ光については、平面光波回路のシリコン基板に到達する。レーザ光がシリコン基板に到達すると、レーザ光がシリコンに吸収されて熱となり、膨張を引き起こす。結果、レーザフリットガラスの温度が低下し、硬化するまでの時間の間のズレが光損失の増加につながる。

しかしながら、本実施例４のように、平面光波回路５０１の接続端面に金属膜５０９を設けていた場合、金属膜５０９が反射ミラーとして働き、レーザフリットガラス５０４に照射されるレーザ光が平面光波回路５０１のシリコン基板に吸収される割合を大きく減らすことができ、位置ずれを大幅に削減できる。また、反射した光は、再度レーザフリットガラス５０４に向かって照射されるため、より短時間のレーザ照射で硬化ができ、さらに位置ずれを抑制することができる。

平面光波回路１０１、２０１、３０１、４０１、５０１
光ファイバ１０２、２０２、３０２、４０２、５０２
光ファイバ接続部品１０３
レーザフリットガラス１０４、２０４、３０４、４０４、５０４
ガラスキャピラリ２０３、４０３、５０３
樹脂２０５、２０７、３０６、４０５、４０７、５０５、５０７
ヤトイ板２０６、４０６、５０６
Ｖ溝基板３０３
リッド３０５
光ファイバブロック３１０
接着膜４０８、５０８
金属膜５０９

Claims

平面光波回路と少なくとも１芯以上の光ファイバとが光学的に結合された光モジュールであって、
基板上に光導波路を有する平面光波回路と、
少なくとも１芯以上の光ファイバと、
前記少なくとも１芯以上の光ファイバを前記平面光波回路に接続するための光ファイバ接続部品と、
前記光ファイバ接続部品における前記平面光波回路側の接続端面の少なくとも光の伝搬する部位を除く部位に設けられ、レーザ照射により融解後、硬化するレーザフリットガラスと、
を備え、
前記平面光波回路及び前記光ファイバ接続部品は、硬化した前記レーザフリットガラスを介して接続され、それにより前記平面光波回路及び前記少なくとも１芯以上の光ファイバが光学的に結合していることを特徴とする光モジュール。
前記光ファイバ接続部品における前記接続端面の前記光の伝搬する部位と前記少なくとも１芯以上の光ファイバとの隙間に充填された樹脂をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
前記レーザフリットガラスは、前記光ファイバ接続部品における前記接続端面の前記光の伝搬する部位と前記少なくとも１芯以上の光ファイバとの隙間に樹脂を充填するための少なくとも２つのスリットを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の光モジュール。
前記基板は、シリコン基板であり、
前記シリコン基板には、前記レーザフリットガラスと接着するように前記平面光波回路における前記光ファイバ接続部品側の接続端面の少なくとも光の伝搬する部位を除く部位に設けられた接着膜をさらに含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の光モジュール。
前記基板は、シリコン基板であり、
前記シリコン基板には、前記平面光波回路における前記光ファイバ接続部品側の接続端面の少なくとも光の伝搬する部位を除く部位に設けられた金属膜と、
前記レーザフリットガラスと接着するように前記金属膜上に設けられた接着膜と、
をさらに含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の光モジュール。
基板上に光導波路を有する平面光波回路と少なくとも１芯以上の光ファイバとが光学的に結合された光モジュールの製造方法であって、
前記少なくとも１芯以上の光ファイバが設けられた光ファイバ接続部品における前記平面光波回路側の接続端面の少なくとも光の伝搬する部位を除く部位に、レーザ照射により硬化するレーザフリットガラスをパターニングするステップと、
前記レーザフリットガラスを熱処理して融解するステップと、
前記光ファイバと前記平面光波回路との光接続が可能となるように前記光ファイバと前記平面光波回路とを調芯した後、前記レーザフリットガラスと前記平面光波回路とを接触させるステップと、
前記レーザフリットガラスと前記平面光波回路との接続点にレーザ照射を行うステップと、
を含むことを特徴とする製造方法。
前記レーザフリットガラスは、前記光ファイバ接続部品における前記接続端面の前記光の伝搬する部位と前記少なくとも１芯以上の光ファイバとの隙間に樹脂を充填するための少なくとも２つのスリットを有し、
前記製造方法は、前記レーザ照射を行うステップの後に、前記スリットのうちの１つから前記樹脂を流し込んで前記隙間に前記樹脂を充填するステップをさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の製造方法。