JP2019008115A - 光モジュール、及び、その製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光ファイバの調心精度が高い光モジュールを実現する。
【解決手段】光モジュール（１）は、基板型光導波路（１１）と、基板型光導波路（１１）に光結合した光ファイバ（１２）と、基板型光導波路（１１）の端面（１１ａ）又は光ファイバ（１２）の端面（１２ａ）の何れか一方に接着された樹脂体（１４）とを備えている。樹脂体（１４）は、これらの端面の間に弾性収縮した状態で挟み込まれている。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板型光導波路と光ファイバとを備えた光モジュールに関する。また、そのような光モジュールの製造方法に関する。

シリコン導波路などの基板型光導波路とシリカガラスファイバなどの光ファイバとを備えた光モジュールが広く用いられている。基板型光導波路のコアと光ファイバのコアとでは、断面形状及びモードフィールド径が異なる。このため、基板型光導波路と光ファイバとを効率よく光結合させるための工夫が重要となる。

特許文献１には、基板型光導波路と光ファイバとの間にボールレンズを配置することによって、基板型光導波路と光ファイバとを効率よく光結合させる技術が開示されている。また、特許文献２には、補強部材と接着材（エポキシ層）を介して基板型光導波路と光ファイバとを接合することによって、基板型光導波路と光ファイバとを効率よく光結合させる技術が開示されている。

特開２００６−２０１３１３号公報（２００６年８月３日公開） 特開２０１３−１８６２００号公報（２０１３年９月１９日公開）

基板型光導波路と光ファイバとを備えた光モジュールの製造に際しては、光ファイバを調心した後、光ファイバを基板型光導波路に固定することが一般的である。このため、光ファイバの調心を完了してから光ファイバの固定を完了するまでの間に光ファイバの位置が変化すると、調心精度が低下するという問題があった。このような光ファイバの位置の変化は、例えば、光ファイバを基板型光導波路に固定するための接着剤の硬化収縮によって生じる。このような調心精度の低下は、基板型光導波路と光ファイバとの光結合の効率を低下させる要因になるため、避けるべき事態である。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、光ファイバの調心精度が高い光モジュールを実現することにある。

上記の目的を達成するために、本発明に係る光モジュールは、基板型光導波路と、上記基板型光導波路に光結合した光ファイバと、上記基板型光導波路の端面又は上記光ファイバの端面の何れか一方に接着され、これらの端面の間に弾性収縮した状態で挟み込まれた樹脂体と、を備えている、ことを特徴とする。

上記の構成によれば、上記光ファイバの調心精度の高い光モジュールを実現することができる。

本発明に係る光モジュールにおいて、上記樹脂体は、硬度がショアＡ３０以上９０以下の樹脂により構成されている、ことが好ましい。

上記の構成によれば、より一層、上記光ファイバの調心精度が高い光モジュールを実現することができる。

本発明に係る光モジュールにおいて、上記樹脂体の厚みは、３μｍ以下である、ことが好ましい。

上記の構成によれば、上記樹脂体に吸収される光の量、及び、上記基板型光導波路と上記光ファイバとの隙間において漏出する光の量を小さく抑えることができる。これにより、上記基板型光導波路と上記光ファイバとの結合効率の低下を抑制することができる。

本発明に係る光モジュールにおいて、上記樹脂体は、屈折率が１．４以上１．６以下の樹脂により構成されている、ことが好ましい。

上記の構成によれば、上記基板型光導波路のコアと上記樹脂体との界面、及び、上記光ファイバのコアと上記樹脂体との界面におけるフレネル反射に起因する、上記基板型光導波路と上記光ファイバとの結合効率の低下を抑制することができる。

本発明に係る光モジュールにおいて、上記基板型光導波路には、モードフィールド径を３μｍ以上に拡大する変換部が形成されている、ことが好ましい。

上記の構成によれば、上記基板型光導波路と上記光ファイバとのモードフィールド径の不整合に起因する、上記基板型光導波路と上記光ファイバとの結合効率の低下を抑制することができる。

本発明に係る光モジュールにおいて、上記光ファイバは、石英系光ファイバであり、上記光ファイバのコアの直径は、モードフィールド径が５μｍ以下になるように設定されている、ことが好ましい。

上記の構成によれば、上記基板型光導波路と上記光ファイバとのモードフィールド径の不整合に起因する、上記基板型光導波路と上記光ファイバとの結合効率の低下を抑制することができる。

本発明に係る光モジュールの製造方法は、基板型光導波路と上記基板型光導波路に光結合した光ファイバとを備えた光モジュールの製造方法であって、上記基板型光導波路の端面又は上記光ファイバの端面の何れか一方に接着された樹脂体を形成する工程と、上記光ファイバの上記端面を上記基板型光導波路の上記端面に向けて押し付け、これらの端面の間に挟み込まれた上記樹脂体を弾性収縮させる工程と、上記光ファイバの上記端面が上記基板型光導波路の上記端面に向けて押し付けられた状態を維持したまま、上記光ファイバを上記基板型光導波路に固定する工程と、を含んでいる、ことを特徴とする。

上記の構成によれば、上記光ファイバの調心精度の高い光モジュールを製造することができる。

本発明によれば、光ファイバの調心精度が高い光モジュールを実現することができる。

本発明の一実施形態に係る光モジュールを示す。（ａ）は、その光モジュールの上面図であり、（ｂ）は、その光モジュールの断面図である。 （ａ）は、図１に示す光モジュールの部分側面図であり、（ｂ）は、変形例に係る光モジュールの部分側面図である。 図１に示す光モジュールの製造方法を示すフローチャートである。 （ａ）〜（ｅ）は、図３に示す製造方法に含まれる各工程を実施することにより得られる、光モジュール又はその中間生成物の断面図である。

〔光モジュールの構成〕
本発明の一実施形態に係る光モジュール１の構成について、図１を参照して説明する。図１において、（ａ）は、光モジュール１の平面図であり、（ｂ）は、光モジュール１の断面図である。なお、図１の（ｂ）に示す断面は、図１の（ａ）に示すＡＡ’線を通る断面である。

光モジュール１は、図１に示すように、（１）基板型光導波路１１と、（２）基板型光導波路１１と光結合した光ファイバ１２と、（３）光ファイバ１２を基板型光導波路１１に固定するための樹脂体１３と、（４）基板型光導波路１１の端面１１ａと光ファイバ１２の端面１２ａとに弾性収縮した状態で挟み込まれた樹脂体１４と、を備えている。この樹脂体１４のことを、以下、「弾性樹脂体」と記載する。

基板型光導波路１１は、（１）基板１１１と、（２）基板１１１上に積層された下部クラッド層１１２と、（３）下部クラッド層１１２上に形成された、断面が長方形状のコア１１３と、（４）コア１１３を埋設するように下部クラッド層１１２上に形成された上部クラッド層１１４と、を備えている。下部クラッド層１１２及び上部クラッド層１１４の屈折率は、コア１１３の屈折率よりも低く設定されている。このため、基板型光導波路１１においては、コア１１３が光導波路として機能する。なお、本実施形態において、基板１１１及びコア１１３は、シリコンにより構成されており、下部クラッド層１１２及び上部クラッド層１１４は、シリカにより構成されている。すなわち、本実施形態に係る基板型光導波路１１は、シリコン導波路である。また、本実施形態に係る基板型光導波路１１には、コア１１３を導波される導波モード（基本モード）のモードフィールド径を端面１１ａにおいて３μｍ以上（具体的には４μｍ）に拡大する変換部（不図示）が形成されている。

光ファイバ１２は、（１）断面が円形状のコア１２１と、（２）コア１２１の側面を覆う、断面が円環形状のクラッド１２２と、を備えている。クラッド１２２の屈折率は、コア１２１の屈折率よりも低く設定されている。このため、光ファイバ１２においては、コア１２１が光導波路として機能する。なお、本実施形態において、コア１２１及びクラッド１２２は、石英系ガラスを主体として構成されている。すなわち、本実施形態に係る光ファイバ１２は、石英系光ファイバである。また、本実施形態において、コア１２１の直径は、コア１２１を導波される導波モード（基本モード）のモードフィールド径が５μｍ以下（具体的には４μｍ）になるように設定されており、クラッド１２２の直径（外径）は、８０μｍ又は１２５μｍに設定されている。なお、光ファイバ１２は、クラッド１２２の側面を覆う樹脂製の被覆を更に備えていてもよい。ただし、端面１２ａの近傍は、図１に示したように、被覆が除去された被覆除去区間となっている。

基板型光導波路１１には、凹部１１ｂが形成されている。凹部１１ｂは、上方（図１の（ｂ）における紙面上方）及び後方（図１の（ｂ）における紙面右方）が開放され、下方（図１の（ｂ）における紙面下方）、前方（図１の（ｂ）における紙面左方）、右方（図１の（ａ）における紙面上方）、及び左方（図１の（ａ）における紙面下方）が基板型光導波路１１の端面により囲まれた直方体状の空間であり、基板型光導波路１１の上面と後側面とが交わる角に形成されている。基板型光導波路１１の端面のうち、凹部１１ｂの前方に位置する端面を、端面１１ａと記載する。

光ファイバ１２は、光ファイバ１２の端面１２ａと基板型光導波路１１の端面１１ａとが対向するように基板型光導波路１１の凹部１１ｂの内部に配置される。ここで、光ファイバ１２の端面１２ａは、光ファイバ１２のコア１２１の中心軸に直交する端面であり、基板型光導波路１１の端面１１ａは、基板型光導波路１１のコア１１３の中心軸に直交する端面である。そして、光ファイバ１２は、光ファイバ１２のコア１２１の中心軸と基板型光導波路１１のコア１１３の中心軸とが一致するように位置を決められた後、凹部１１ｂに注入された接着剤によって基板型光導波路１１に固定される。この接着剤が硬化したものが、図１における樹脂体１３である。これにより、基板型光導波路１１と光ファイバ１２との安定的な光結合が実現される。

光モジュール１において特徴的な点は、基板型光導波路１１の端面１１ａと光ファイバ１２の端面１２ａとの間に弾性収縮した弾性樹脂体１４が挟み込まれている点である。この弾性樹脂体１４は、図２の（ａ）に示すように、光ファイバ１２の端面１２ａに接着され、基板型光導波路１１の端面１１ａに接触する（押し付けられる）構成であってもよいし、図２の（ｂ）に示すように、基板型光導波路１１の端面１１ａに接着され、光ファイバ１２の端面１２ａに接触する（押し付けられる）構成であってもよい。本実施形態においては、前者の構成を採用している。前者及び後者の何れの構成を採用した場合であっても、光ファイバ１２の調心精度の高い光モジュール１を実現することができるという効果を奏する。このような効果を奏する理由については、参照する図面を代えて後述する。

なお、弾性樹脂体１４は、硬化後の硬度がショアＡ３０以上９０以下であり、硬化後の屈折率が１．４以上１．６以下となる樹脂により構成されていることが好ましい。硬化後の硬度がショアＡ３０以上９０以下である樹脂を用いることによって、上記の効果がより顕著になる。また、硬化後の屈折率が１．４以上１．６以下である樹脂を用いることによって、基板型光導波路１１のコア１１３（シリコン）の屈折率と弾性樹脂体１４の屈折率とを整合させると共に、光ファイバ１２のコア１２１（シリカガラス）の屈折率と弾性樹脂体１４の屈折率とを整合させることができる。その結果、基板型光導波路１１のコア１１３と弾性樹脂体１４との界面、及び、光ファイバ１２のコア１２１と弾性樹脂体１４との界面において生じ得るフレネル反射を小さく抑えるという効果が得られる。このような条件を満たす樹脂としては、例えば、エポキシ系樹脂やアクリル系樹脂などの紫外線硬化型樹脂が挙げられる。

また、弾性樹脂体１４の厚みは、３μｍ以下であることが好ましく、１μｍ以下であることが更に好ましい。弾性樹脂体１４の厚みを３μｍ以下とすることによって、弾性樹脂体１４に吸収される光の量、及び、基板型光導波路１１と光ファイバ１２との隙間において漏出する光の量を小さく抑えることができる。これにより、基板型光導波路１１と光ファイバ１２との結合効率の低下を抑制することができるという効果を奏する。弾性樹脂体１４の厚みを１μｍ以下とすることによって、これらの効果がより顕著になる。

なお、本実施形態においては、光ファイバ１２を基板型光導波路１１に固定するために樹脂（樹脂体１３）を用いているが、本発明は、これに限定されない。すなわち、光ファイバ１２を基板型光導波路１１に固定するために、樹脂以外の材料（例えば、半田）を用いてもよい。また、本実施形態においては、基板型光導波路１１に光ファイバ１２を固定しているが、本発明は、これに限定されない。例えば、基板型光導波路１１が基材（不図示）に固定されている場合、樹脂又は樹脂以外の材料（例えば、半田）を用いて、この基材に光ファイバ１２を固定してもよい。

また、本実施形態においては、光ファイバ１２の端面１２ａに接着された弾性樹脂体１４のみを、基板型光導波路１１の端面１１ａと光ファイバ１２の端面１２ａとの間に挟み込む構成を採用しているが、本発明は、これに限定されない。すなわち、光ファイバ１２の端面１２ａに接着された弾性樹脂体１４に加えて、基板型光導波路１１の端面１１ａに接着された他の弾性樹脂体を、基板型光導波路１１の端面１１ａと光ファイバ１２の端面１２ａとの間に挟み込む構成を採用してもよい。この場合、他の弾性樹脂体は、できるだけ表面が平坦になるように、基板型光導波路１１の端面１１ａに塗り広げることが好ましい。また、基板型光導波路１１の端面１１ａに接着された弾性樹脂体１４に加えて、光ファイバ１２の端面１２ａに接着された他の弾性樹脂体を、基板型光導波路１１の端面１１ａと光ファイバ１２の端面１２ａとの間に挟み込む構成を採用してもよい。この場合、他の弾性樹脂体は、できるだけ表面が平坦になるように、光ファイバ１２の端面１２ａに塗り広げることが好ましい。

〔光モジュールの製造方法〕
次に、光モジュール１の製造方法Ｓ１について、図３及び図４を参照して説明する。図３は、製造方法Ｓ１の流れを示すフローチャートである。図４の（ａ）〜（ｅ）は、製造方法Ｓ１に含まれる各工程を実施することにより得られる光モジュール１又はその中間生成物の断面図である。

製造方法Ｓ１は、図３に示すように、第１の工程Ｓ１１〜第７の工程Ｓ１７を含んでいる。各工程の内容は、以下のとおりである。

第１の工程Ｓ１１は、光ファイバ１２の端面１２ａに弾性樹脂体１４を形成する工程である。弾性樹脂体１４の形成は、例えば、（１）弾性樹脂体１４の母材となる紫外線硬化樹脂を、少なくともコア１２１を覆うように、光ファイバ１２の端面１２ａに塗布する塗布工程と、（２）塗布した紫外線硬化樹脂に紫外線を照射することによって、塗布した紫外線硬化樹脂を硬化させる硬化工程と、により実現される。この場合、塗布工程は、例えば、スタンピング法を用いて実施される。第１の工程Ｓ１１を実施することにより得られる中間生成物を例示すれば、図４の（ａ）のようになる。

なお、塗布工程及び硬化工程は、乾燥雰囲気下又は低酸素雰囲気下（例えば、窒素雰囲気下）で実施することが好ましい。これにより、空気中の水分又は酸素により生じ得る紫外線硬化樹脂の硬化阻害を抑制することができる。また、塗布工程及び硬化工程は、清浄雰囲気下（例えば、クリーンルーム）で実施することが好ましい。これにより、弾性樹脂体１４に混入した異物により生じ得る結合損失の増大を抑制することができる。また、光ファイバ１２の端面１２ａを基板型光導波路１１の端面１１ａに向けて押し付ける際に、光ファイバ１２の移動が異物により妨げられる可能性を低減できる。また、第１の工程Ｓ１１にて形成される弾性樹脂体１４の形状は、中心の厚みが厚く、周辺の厚みが薄い、光ファイバ１２の中心軸に対して軸対称な形状であることが好ましい。これにより、光ファイバ１２の端面１２ａを基板型光導波路１１の端面１１ａに向けて押し付ける際に、光ファイバ１２の端面１２ａが光ファイバ１２の中心軸に直交する方向に動く可能性を低減できる。

第２の工程Ｓ１２は、光ファイバ１２を基板型光導波路１１の凹部１１ｂに配置し、樹脂体１３の母材となる接着剤を凹部１１ｂ内に注入する工程である。この段階では、樹脂体１３の母材となる接着材が未硬化状態である点に留意されたい。第２の工程Ｓ１２を実施することにより得られる中間生成物を例示すれば、図４の（ｂ）のようになる。

第３の工程Ｓ１３は、基板型光導波路１１の凹部１１ｂにおいて光ファイバ１２を前進させ、光ファイバ１２の端面１２ａを基板型光導波路１１の端面１１ａに向けて押し付ける工程である。換言すれば、光ファイバ１２の端面１２ａに接着された弾性樹脂体１４を基板型光導波路１１の端面１１ａに押し付ける工程である。これにより、弾性樹脂体１４が弾性収縮した状態で光ファイバ１２の端面１２ａと基板型光導波路１１の端面１１ａとの間に挟み込まれる。第３の工程Ｓ１３を実施することにより得られる中間生成物を例示すれば、図４の（ｃ）のようになる。

第４の工程Ｓ１４は、光ファイバ１２の調心が完了したか否かを判定する工程である。ここで、光ファイバ１２の調心とは、光ファイバ１２のコア１２１の中心軸が基板型光導波路１１のコア１１３の中心軸に一致するように、光ファイバ１２の位置を決めることを指す。光ファイバ１２の調心が完了したか否かの判定は、例えば、（１）基板型光導波路１１に予め定められたパワーの光を入力しながら、光ファイバ１２から出力される光のパワーを測定する測定工程と、（２）測定されたパワーから基板型光導波路１１と光ファイバ１２との結合効率を算出する算出工程と、（３）算出された結合効率が予め定められた閾値を超えているかを判定する判定工程と、により実現される。この場合、結合効率が閾値を超えていることが「調心完了」を意味し、結合効率が閾値を超えていないことが「調心未完了」を意味する。

第４の工程Ｓ１４において「調心未完了」と判定された場合、第５の工程Ｓ１５及び第６の工程Ｓ１６が実施される第５の工程Ｓ１５は、基板型光導波路１１の凹部１１ｂにおいて光ファイバ１２を後退させ、光ファイバ１２の端面１２ａを基板型光導波路１１の端面１１ａから引き離す工程であり、第６の工程Ｓ１６は、基板型光導波路１１の凹部１１ｂにおいて光ファイバ１２を光ファイバ１２の光軸と直交する方向（上方、下方、右方、又は左方）に移動する工程である。第６の工程を実施中の中間生成物を例示すれば、図４の（ｄ）のようになる。第５の工程Ｓ１５及び第６の工程Ｓ１６を完了すると、上述した第３の工程Ｓ１３及び第４の工程Ｓ１４が再び実施される。

第４の工程Ｓ１４において「調心完了」と判定された場合、第７の工程Ｓ１７が実施される。第７の工程Ｓ１７は、第２の工程Ｓ１２において基板型光導波路１１の凹部１１ｂに注入された、樹脂体１３の母材となる接着剤を硬化させる工程である。この接着剤が紫外線硬化樹脂により構成されている場合、接着剤の硬化は、接着剤に紫外線を照射することによって実現される。また、この接着剤が熱硬化型樹脂により構成されている場合、接着剤の硬化は、接着剤を加熱することによって実施される。第７の工程Ｓ１７を実施することにより得られる光モジュール１を例示すれば、図４の（ｅ）のようになる。

以上のように、製造方法Ｓ１においては、光ファイバ１２の端面１２ａを基板型光導波路１１の端面１１ａに向けて押し付ける第３の工程Ｓ１３、光ファイバ１２の端面１２ａを基板型光導波路１１の端面１１ａから引き離す第５の工程Ｓ１５、及び、光ファイバ１２を光ファイバ１２の中心軸と直交する方向に移動する第６の工程Ｓ１６を、光ファイバ１２の調心が完了するまで繰り返す。そして、光ファイバ１２の調心が完了した後、光ファイバ１２の端面１２ａを基板型光導波路１１の端面１１ａに向けて押し付けた状態を維持したまま、樹脂体１３を用いて光ファイバ１２を基板型光導波路１１に固定する。このため、光ファイバ１２の調心が完了してから、光ファイバ１２の固定が完了するまでの間、光ファイバ１２の端面１２ａに接着された弾性樹脂体１４と基板型光導波路１１の端面１１ａとの間に働く摩擦力により、光ファイバ１２の端面１２ａの位置を維持することができる。例えば、樹脂体１３の硬化収縮が生じた場合でも、光ファイバ１２の端面１２ａの位置を維持することができる。これにより、光ファイバ１２の調心精度の高い光モジュール１を製造することができる。また、製造後の光モジュール１においても、弾性樹脂体１４と基板型光導波路１１の端面１１ａとの間に働く摩擦力により、光ファイバ１２の調心精度を維持することができる。

〔付記事項〕
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

１ 光モジュール
１１ 基板型光導波路
１１１ 基板
１１２ 下部クラッド層
１１３ コア
１１４ 上部クラッド層
１１ａ 端面
１１ｂ 凹部
１２ 光ファイバ
１２１ コア
１２２ クラッド
１２ａ 端面
１３ 樹脂体
１４ 弾性樹脂体

Claims (7)

1. 基板型光導波路と、
   上記基板型光導波路に光結合した光ファイバと、
   上記基板型光導波路の端面又は上記光ファイバの端面の何れか一方に接着され、これらの端面の間に弾性収縮した状態で挟み込まれた樹脂体と、を備えている、
   ことを特徴とする光モジュール。
2. 上記樹脂体は、硬度がショアＡ３０以上９０以下の樹脂により構成されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
3. 上記樹脂体の厚みは、３μｍ以下である
   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。
4. 上記樹脂体は、屈折率が１．４以上１．６以下の樹脂により構成されている、
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の光モジュール。
5. 上記基板型光導波路には、モードフィールド径を３μｍ以上に拡大する変換部が形成されている、
   ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の光モジュール。
6. 上記光ファイバは、石英系光ファイバであり、
   上記光ファイバのコアの直径は、モードフィールド径が５μｍ以下になるように設定されている、
   ことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の光モジュール。
7. 基板型光導波路と上記基板型光導波路に光結合した光ファイバとを備えた光モジュールの製造方法であって、
   上記基板型光導波路の端面又は上記光ファイバの端面の何れか一方に接着された樹脂体を形成する工程と、
   上記光ファイバの上記端面を上記基板型光導波路の上記端面に向けて押し付け、これらの端面の間に挟み込まれた上記樹脂体を弾性収縮させる工程と、
   上記光ファイバの上記端面が上記基板型光導波路の上記端面に向けて押し付けられた状態を維持したまま、上記光ファイバを上記基板型光導波路に固定する工程と、を含んでいる、
   ことを特徴とする光モジュールの製造方法。

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