JP3210367B2 - 光導波回路モジュ―ル - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光通信分野で用いられ
る光導波路と入出力用光ファイバとを基本構成要素とす
る信頼性の高い光導波回路モジュ−ルに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】光通信分野の進展に伴い、従来の光源、
光ファイバ、受光器に加えて、光分岐素子や光スイッ
チ、光合分波器等の光導波回路が要求されている。この
種の光導波回路は、光導波路端面に光入出力用の光ファ
イバを接続した形態で構成することが一般的である。

【０００３】図２は従来の光導波回路モジュ−ルの一例
を示すもので、図２の(a) は全体斜視図を、同図の(b)
は(a) におけるＡ−Ａ線矢視方向の拡大断面図をそれぞ
れ示している。ここでは、光導波路チップの一端面に接
続すべき光ファイバが１〜２本程度と少ない場合に採用
されることの多い形態を示す。

【０００４】図２において、１はシリコン基板上に形成
した石英系の１×２スプリッタ構成の光導波路チップで
あり、その端面には光入出力用の光ファイバ２，３，４
の端面がその光軸が一致する如く屈折率整合層５を介し
て突き合わされ、光ファイバ２，３，４の端面近傍が接
着剤６によりファイバ保持部７ａに固定されており、さ
らにこれら全体がファイバ保持部７ａが一体化されたア
ルミニウム等の金属からなる実装用パッケ−ジ７に収納
されている。なお、屈折率整合層５を構成する屈折率整
合剤の屈折率は、光ファイバ及び光導波路の屈折率を考
慮して、接続部での反射率が最小となる値に設定され
る。

【０００５】このように、光導波路チップに直接光ファ
イバを接続する形態の光導波回路モジュ−ルでは、光導
波路チップ自体及び光ファイバとの接続部の機械的強度
及び耐候性を確保するため、実装用パッケ−ジ７に収納
される。

【０００６】また、図３は従来の光導波回路モジュ−ル
の他の例を示すもので、図３の(a)は全体斜視図を、同
図の(b) は(a) におけるＢ−Ｂ線矢視方向の拡大断面図
をそれぞれ示している。ここでは、光導波路チップの一
端面に比較的多数の光ファイバ、例えば４芯または８芯
テ−プファイバを接続すべき場合に採用されることの多
い形態を示す。

【０００７】この光導波回路モジュ−ルは、シリコン基
板上に形成した石英系の光導波路チップ８を光導波路チ
ップ用筐体９に保持・固定し、また、光入出力用の光フ
ァイバ、ここでは４芯テ−プファイバ１０及び１１の端
部をそれぞれ光ファイバ端部用筐体１２及び１３に保持
・固定した後、光導波路チップ８の端面に４芯テ−プフ
ァイバ１０及び１１の光軸が一致するように、両者の接
続界面に屈折率整合層１４を設けて位置合わせした後、
光導波路チップ用筐体９と光ファイバ端部用筐体１２及
び１３とをＹＡＧレ−ザ等を照射することにより溶接・
固定され、さらにこれら全体が金属よりなる実装用パッ
ケ−ジ１５に収納されている。

【０００８】なお、上記の各筐体９，１２及び１３は、
各筐体９，１２及び１３は、コバ−ル等の金属で形成し
てある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前者の
光導波回路モジュ−ルでは、環境温度が変動、例えば環
境温度が上昇すると光導波回路を構成している各部材は
熱膨張を起こす。この結果、実装用パッケ−ジ７の長さ
も変動し、光ファイバと光導波路との接続界面を引き剥
がそうとする応力が働く。パッケ−ジ７の膨張が大きい
と、図４に示すように、光ファイバと光導波路との接続
界面が剥離し、この結果、主として外部から接続界面に
空気等の気泡が取り込まれる。このような界面への異物
の侵入は、散乱等の原因となり、接続損失の著しい増加
及び反射減衰量の大幅な劣化をもたらす。

【００１０】また、別の問題として、高温多湿度雰囲気
中では、この種の光導波回路の界面には空気ばかりでな
く、水蒸気等も取り込まれることとなり、それが信頼性
に著しい悪影響を与えるという問題があった。

【００１１】また、後者の光導波回路モジュ−ルでは、
低温や高温の環境下に保持した場合、光導波路基板と筐
体との線膨張係数及び光ファイバと筐体との線膨張係数
の不整合により、光導波路チップ８や光ファイバが伸縮
し、このために光導波路チップ８と光ファイバの界面が
伸縮する。上記したように、光導波路としてシリコン基
板上に形成した石英系光導波回路、筐体としてコバ−ル
を用いた場合を例にとると、シリコン及びコバ−ルの線
膨張係数はそれぞれ２８×１０-7、４６×１０-7である
ので、長さ５０mmの光導波路チップを用いた場合、−４
０℃〜８０℃の温度範囲で２０℃を基準にした変動は±
５．４μｍと算出される。

【００１２】このような光導波回路においては、前者の
場合と同様に、上記した各部材の線膨張係数の不整合に
起因して生じる界面の伸縮により、屈折率整合層と光フ
ァイバまたは光導波路界面とが剥離し、この結果、主と
して外部から接続界面の空気等の気泡や水蒸気等が取り
込まれ、接続損失の著しい増加及び反射減衰量の大幅な
劣化をもたらす。

【００１３】本発明は、かかる事情に鑑みてなされたも
のであり、その目的は、光導波回路構成部材間の線膨張
係数の不整合に起因する特性劣化を防止した信頼性の高
い光導波回路モジュ−ルを提供することにある。

【００１４】上記目的を達成するため、本発明では、光
入出力用の光ファイバと光導波路チップとを備え、光軸
が一致するように、前記光導波路チップと前記光ファイ
バとを屈折率整合層を介して接続した光導波回路モジュ
ールにおいて、前記屈折率整合層の屈折率とほぼ同等の
屈折率を持ち且つ粘性を有する光学的に透明な第1の充
填材を、前記光導波路チップと前記光ファイバとの接続
部の周りに塗布し、吸水性の第2の充填材を充填した実
装用パッケージ内部に、前記光導波路チップを、前記第
1の充填材を塗布した接続部も含めて収納したことを特
徴とするここで、前記屈折率整合層は接着剤とし、これ
によって前記光導波路チップと前記光ファイバとを固定
しても良い。

【００１５】

【作用】本発明によれば、光導波回路モジュ−ルを低温
や高温の環境下に保持した場合、光導波路基板と筐体と
の線膨張係数及び光ファイバと筐体との線膨張係数の不
整合により、光導波路チップや光ファイバが伸縮し、こ
のために光導波路チップと光ファイバの界面が伸縮す
る。これにより、光導波路チップと光ファイバとの接続
界面の間隔が広がり、光ファイバ端面と光導波路チップ
との間に間隙が生じ、この間隙内に充填材が侵入する。
充填材の間隙への侵入に伴い、充填材は屈折率整合層の
屈折率とほぼ同様の屈折率を有するので、接続界面剥離
前の光導波回路の特性と同様の特性が保持される。

【００１６】

【実施例】図１は、本発明に係る光導波回路モジュ−ル
の第１の参考例を示すもので、図中、従来例を示す図２
と同一構成部分は同一符号をもって表す。即ち、１は光
導波路チップ、２，３，４は光ファイバ、５は例えばシ
リコ−ン系ジェリ−状樹脂からなる屈折率整合層、６は
接着剤、７はアルニウム等の金属からなる実装用パッケ
−ジ、７ａは実装用パッケ−ジ７と一体に形成されたフ
ァイバ保持部、２１は実装用パッケ−ジ７内に充填され
た、例えばシリコ−ン系グリ−ス状樹脂からなる充填材
である。ここで用いた屈折率整合層５と充填材２１とは
ほぼ同様の屈折率を有する。

【００１７】本参考例においては、光ファイバ２，３，
４は、パッケ−ジ７に設けたファイバ保持部７ａに接着
剤６により固定されている。ここで光導波回路モジュ−
ルの環境温度が変動し、例えば環境温度が上昇すると光
導波回路を構成している各部材は熱膨張を起こす。この
結果、パッケ−ジ７の長さも変動し、光ファイバ２，
３，４と光導波路チップ１との接続界面を引き剥がそう
とする応力が働く。これにより、光ファイバと光導波路
チップとの接続界面の間隔が広がり、光ファイバ端面と
光導波路チップとの間に間隙が生じる。

【００１８】このように、光ファイバ端面と光導波路チ
ップとの間に間隙が生じると、図５に示すように、充填
材２１がこの間隙内に侵入する。充填材２１の間隙への
侵入に伴い、充填材２１は、屈折率整合層５を構成する
シリコ−ン系ジェリ−状樹脂の屈折率とほぼ同様の屈折
率を有するので、接続界面剥離前の光導波回路の特性と
同様の特性が保持される。

【００１９】以上のように、本参考例によれば、パッケ
−ジ７の熱膨張に起因した光導波回路の特性劣化を防止
することができる。加えて、本参考例においては、充填
材２１として用いたシリコ−ン系グリ−ス状樹脂は耐湿
性に優れているので、耐湿特性を向上できる。

【００２０】図６は、上記効果を確認するために、−４
０℃〜８０℃の温度範囲でヒ−トササイクル試験を実施
した結果を示す図である。同図の(a) はパッケ−ジ７内
に充填材を充填していない従来構成に対する試験結果を
示し、同図の(b) は充填材を充填した本参考例（図１）
の構成に対する試験結果を示している。また、図中、実
線で示す曲線は損失増加量を、一点鎖線で示す曲線は温
度を示している。

【００２１】図６からわかるように、従来構成の場合、
高温側において接続界面の剥離に起因した大きな損失増
加量が観測されたが、本参考例の構成の場合には、ヒ−
トサイクルに伴う損失変動は０．２ｄＢ以内と全温度範
囲に亘って安定であった。

【００２２】また、図７は、湿度に対する信頼性を評価
するために、７０℃、９０％の環境での放置試験を実施
した結果を示す図である。図中、実線で示す曲線は本参
考例の構成に対する試験結果を、破線で示す曲線は従来
構成に対する試験結果を示している。図７に示すよう
に、従来構成の場合には、３００時間後から損失増加が
観測されたが、本参考例の場合には１０００時間を経過
しても損失増加は０．２ｄＢ以下であった。

【００２３】以上の図６及び図７の試験結果から明らか
なように、本参考例により温度安定性並びに耐湿特性と
もに優れた光導波回路モジュ−ルを実現できる。

【００２４】なお、本参考例では、光導波路チップ１と
光ファイバ２，３，４との接続界面には、屈折率整合層
５として接着機能を持たないグリ−ス状樹脂を用いた
が、この代わりに、屈折率整合性のとれた透明な接着
剤、例えば紫外線硬化型接着剤を用いることも可能であ
る。この場合にも、充填材２１として上記接着剤とほぼ
同様の屈折率を有し、かつ、透明なグリ−ス状樹脂また
はジェリ−状樹脂を用いることにより、上記した効果と
同様の効果を得ることができる。また、屈折率整合層５
として用いる接着剤としては、例えばエポキシ系接着
剤、シリコ−ン系接着剤、アクリル系接着剤等が適用可
能である。

【００２５】図８は、本発明に係る光導波回路モジュ−
ルの第２の参考例を示すもので、図中、従来例を示す図
３と同一構成部分は同一符号をもって表す。即ち、８は
石英系光導波路チップ、９は光導波路チップ用筐体、１
０，１１は４芯テ−プファイバ、１２，１３は光ファイ
バ端部用筐体、１４は光導波路チップ８の端面と４芯テ
−プファイバ１０及び１１の端面との接続界面に設けた
オレフィン系ジェリ−状樹脂からなる屈折率整合層、１
５は実装用パッケ−ジ、２２は例えばシリコ−ン系ジェ
リ−状樹脂からなる充填材である。なお、屈折率整合層
１４と充填材２２の屈折率は、石英系光導波路の屈折率
と同様に１．４６に設定してある。

【００２６】この光導波回路モジュ−ルを、低温や高温
の環境下に保持した場合、光導波路基板と筐体との線膨
張係数及び光ファイバと筐体との線膨張係数の不整合に
より、光導波路チップ８や光ファイバが伸縮し、このた
めに光導波路チップ８と光ファイバの界面が伸縮する。
これにより、光ファイバと光導波路チップ８との接続界
面の間隔が広がり、光ファイバ端面と光導波路チップ８
との間に間隙が生じ、この間隙内に充填材２２が侵入す
る。充填材２２の間隙への侵入に伴い、充填材２２は、
屈折率整合層１４の屈折率と同様の屈折率を有するの
で、第１の参考例の場合と同様に、接続界面剥離前の光
導波回路の特性と同様の特性が保持される。

【００２７】従って、光導波回路モジュ−ルが高温ない
しは低温環境中に放置されたとしても、各部材の伸縮に
伴う損失並びに反射減衰量の劣化を防止することができ
る。本参考例の光導波回路モジュ−ルの効果を検証する
ために、−４０℃〜８０℃の温度範囲でのヒ−トサイク
ル試験を実施した結果、ヒ−トサイクルに伴う損失変動
は０．２ｄＢ以内、また反射減衰量も−４５ｄＢ以下と
安定であることが明らかとなった。

【００２８】また、７０℃、９０％の高温高湿環境下で
の放置試験の結果、放置後１０００時間経過した後も損
失増加は０．２ｄＢ以下、また、反射減衰量も−４５ｄ
Ｂ以下であり、耐湿性にも優れていることが確認され
た。

【００２９】なお、本参考例では、光導波路と光ファイ
バとの接続にあたっては、光導波路チップ用筐体９と光
ファイバ端部用筐体１２，１３とをコバ−ルのような金
属材料で構成し、両者をＹＡＧレ−ザ照射により溶接固
定したが、図８と同様の構成で接着剤により固定した光
導波回路を用いることも可能である。

【００３０】この場合は、例えば図８における光導波路
チップ用筐体９及び光ファイバ端部用筐体１２，１３と
もに、パイレックスガラスのようなガラス材料で構成
し、光導波路と光ファイバとの接続界面に用いる屈折率
整合層として、接着作用も有する光学接着剤、例えば紫
外線硬化型エポキシ系接着剤等を用いればよい。

【００３１】このような構成においても、上記したと同
様の効果を得ることができる。

【００３２】図９は、本発明に係る光導波回路モジュ−
ルの第３の参考例を示すものである。本第３の参考例が
前記第２の参考例と異なる点は、充填材２２をパッケ−
ジ１５内全体に充填する代わりに、光導波路と光ファイ
バとの接続界面近傍のみに塗布したことにある。

【００３３】このように、接続界面近傍のみに充填材２
２を塗布する構成においても、光学特性の劣化防止の観
点からは、上記した第２の参考例の効果と同様の効果を
得ることができる。

【００３４】図１０は、本発明に係る光導波回路モジュ
−ルの第１の実施例を示すものである。本第１の実施例
が前記第３の参考例と異なる点は、光導波路と光ファイ
バとの接続界面近傍には、屈折率整合性のとれたグリ−
ス状樹脂からなる充填材２２を塗布し、さらにパッケ−
ジ１５内のその他の部分に吸水性に優れた充填材２３を
充填したことにある。

【００３５】このような構成にすることにより、光学特
性に優れることはもとより、吸水性に優れた充填材２３
を用いたので耐湿特性にも優れた光導波回路モジュ−ル
を実現できる。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
各構成部材が環境温度変動により伸縮し光導波路と光フ
ァイバとの接続界面に間隙が生じたとしても、この間隙
に充填材が侵入するので、光導波回路の光学特性の劣化
を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光導波回路モジュ−ルの第１の参考例
を示す図

【図２】従来の光導波回路モジュ−ルの一例を示す図

【図３】従来の光導波回路モジュ−ルの他の例を示す図

【図４】図２の光導波回路モジュ−ルの課題説明図

【図５】図１の光導波回路モジュ−ルの動作説明図

【図６】図１の光導波回路モジュ−ルの温度変動に対す
るヒ−トサイクル試験の試験結果を示す図

【図７】図１の光導波回路モジュ−ルの耐湿特性の試験
結果を示す図

【図８】本発明の光導波回路モジュ−ルの第２の参考例
を示す図

【図９】本発明の光導波回路モジュ−ルの第３の参考例
を示す図

【図１０】本発明の光導波回路モジュ−ルの第１の実施
例を示す図

【符号の説明】

１，８…光導波路チップ、２，３，４…光ファイバ、
５，１４…屈折率整合層、７，１５…実装用パッケ−
ジ、２１，２２，２３…充填材。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−77704（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−40805（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−73207（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−14206（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−37444（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−88714（ＪＰ，Ａ) 実開 昭59−161122（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭63−19804（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 6/00 - 6/54

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光入出力用の光ファイバと光導波路チッ
   プとを備え、 光軸が一致するように、前記光導波路チップと前記光フ
   ァイバとを屈折率整合層を介して接続した光導波回路モ
   ジュールにおいて、 前記屈折率整合層の屈折率とほぼ同等の屈折率を持ち且
   つ粘性を有する光学的に透明な第1の充填材を、前記光
   導波路チップと前記光ファイバとの接続部の周りに塗布
   し、 吸水性の第2の充填材を充填した実装用パッケージ内部
   に、前記光導波路チップを、前記第1の充填材を塗布し
   た接続部も含めて収納したことを特徴とする光導波回路
   モジュール。
2. 【請求項２】前記屈折率整合層は接着剤であり、これに
   よって前記光導波路チップと前記光ファイバとが固定さ
   れていることを特徴とする請求項１記載の光導波回路モ
   ジュール。