JP4048564B2 - 光素子結合構造体及び光ファイバー構造体 - Google Patents
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Description
図7は、特許文献1に開示されている光素子結合構造体である。光素子結合構造体70は、光ファイバー72と、光ファイバー72と整列させるべき光導波路74が形成された基板76とを有している。基板76は、光ファイバー72を載せたときに光ファイバー72と光導波路74とが整列するように形成されたV字形断面の溝78と、この溝78の光導波路74側に形成された凹部80とを有している。
光ファイバー72を、その先端部が凹部80に突出するようにV字形断面の溝78に配置し、更に、光ファイバー72の先端を光導波路74の入口に当接させる。それにより、光ファイバー72と光導波路74とが整列し、即ち、心出しされる。次いで、光ファイバー72とV字形断面の溝78とを接着剤によって固着する。それにより、光ファイバー72と光導波路74との間の整列状態を維持することができる。
光ファイバー91と光導波路92とを心出しした状態で、それらの間に滴下された紫外線硬化型接着剤96を硬化させることにより、光ファイバー91と光導波路とを確実に接着する。次いで、固定用接着剤97を硬化させることにより、光ファイバー91と基板93とを接着する。端面接続用接着剤96と固定用接着剤97とが接着剤分離溝95によって分離されているので、固定用接着剤97が硬化するときに収縮しても、端面接続用接着剤96が固定用接着剤に引っ張られることが防止され、その結果、光ファイバー91と光導波路92との間の心ずれを防止することができる。光素子結合構造体90の室温約25度における結合損失は0.5dB以下に押えられている。
図26は、V字形断面の溝と光導波路とが一体に形成され、V字形断面の溝に配置した光ファイバーと光導波路とを結合させた光素子結合構造体(光モジュール)の一例を部分的に断面にした正面図である。また、図27は、図26の線XXVII−XXVIIにおける断面図である。光素子結合構造体200は、端面202aを有し且つ長手方向に延びる上流側光ファイバー202と、この上流側光ファイバー202の端面202aと対向する向きに配置された端面204aを有し且つ長手方向に延びる下流側光ファイバー204と、上流側光ファイバー202から下流側光ファイバー204に光が伝達されるようにそれらの間に設けられた光導波路206とを有している。光素子結合構造体200は、更に、上流側光ファイバー202及び下流側光ファイバー204を受入れて位置決めするためのV字形断面の溝208が設けられた基板210と、上流側光ファイバー202及び下流側光ファイバー204をそれぞれ、それらの上から覆い且つこれらの光ファイバー202、204を基板210に向かって押え付ける押えブロック212、214と、基板210、光ファイバー202、204及び押えブロック212、214を互いに固定するためにそれらの間の空間に充填された接着剤216とを有している。押えブロック212,214は、上流側光ファイバー202及び下流側光ファイバー204と接触する接触面218を有している。
この光素子結合構造体200では、上流側光ファイバー202を伝播してきた光は、光導波路206を通って下流側光ファイバー204に伝達される。
図28及び図29から分かるように、接着剤216の粘度が比較的低い場合には、+25℃における光素子結合構造体200の結合損失は比較的小さいが(図28参照)、温度が−40℃〜+85℃にわたって変化したとき、結合損失の変動は比較的大きい(図29参照)。結果として、+25℃における光素子結合構造体200の結合損失が小さくても、−40℃又は+85℃における光素子結合構造体200の結合損失がかなり大きくなる。
また、接着剤216の粘度が比較的高い場合には、+25℃における光素子結合構造体200の結合損失は比較的大きいが(図28参照)、温度が−40℃〜+85℃にわたって変化したときの結合損失の変動は比較的小さい(図29参照)。結果として、温度が+25℃、−40℃又は+85℃における光素子結合構造体200の結合損失は比較的大きいまま、あまり変動しない。
なお、図30は接着剤の弾性率と粘度の関係を示す図である。図30から分かるように、接着剤の粘度と弾性率との間には比例関係があり、接着剤の粘度が高くなると、弾性率も高くなる。従って、結合損失は、接着剤の粘度及び周囲温度の変化に応じて変動するだけでなく、接着剤の弾性率に応じて変動する。
また、本発明は、温度が−40℃〜+85℃にわたって変化したときの結合損失を所定のレベル以下にすることができる光ファイバー構造体を提供することを第3の目的としている。
このように構成された本発明による光素子結合構造体によれば、光ファイバーを、その先端部が凹部に突出するようにV字形断面の溝に配置し、更に、光ファイバーの先端を光導波路に当接させる。それにより、光ファイバーと光導波路とが整列し、即ち、心出しされる。実際には、光ファイバーと光導波路との間には、わずかな隙間がある。次いで、光ファイバーとV字形断面の溝とを光ファイバー用接着剤によって固着させる。更に、光ファイバーの先端部と光導波路の間及び凹部に光ファイバー用結合剤を充填し、光ファイバーの先端部と光導波路とを結合させる。それにより、光ファイバーと光導波路との間の整列状態を維持することができる。
詳細には、周囲環境の温度変化により、光ファイバーとV字形断面の溝との間に充填された光ファイバー用接着剤が膨張したり収縮したりする。このとき、従来技術の光素子結合構造体では、光ファイバーの先端部と光導波路との間の相対移動が生じ、両者の心がずれ、光の伝送損失即ち結合損失を増大させる。これに対して本発明による光素子結合構造体では、光ファイバーの先端部と光導波路とを光ファイバー用結合剤で結合しているので、光ファイバーの先端部と光導波路との間の相対移動が規制される。それにより、光素子結合構造体の結合損失を軽減させることができる。
また、凹部がV字形断面の溝の光導波路側に形成され、光ファイバーの先端部が凹部に突出するように配置されているという構成により、後述する実施形態の説明で明らかになるように、互いに異なる光ファイバー接着剤と光ファイバー結合剤とが接触していても光素子結合構造体の結合損失を軽減させることができる。この凹部は、V字形断面の溝を異方性エッチングによって形成した時に生じた溝の斜面をダイシング加工等によって除去する工程と同時に形成可能であり、特許文献3に開示されている接着剤分離溝95をわざわざ設ける必要もないし、凹部だけを形成する工程を単独で追加する必要もない。また、ダイシング加工時の砥粒条件を適当に選択すれば、導波路端面の鏡面化が可能である。それにより、端面反射減衰量を減少させ、光素子結合構造体の結合損失を更に低減させることができる。
このように構成された光素子結合構造体では、光ファイバーは、それとV字形断面の溝との間に充填された光ファイバー用接着剤及び光ファイバーと押え部材の幅広の溝との間に充填された光ファイバー用接着剤とによって基板に固着されている。即ち、光ファイバーは、概略的には、その下方部分1箇所、即ち、光ファイバーとV字形断面の溝との間に充填された光ファイバー用接着剤と、その上方部分2箇所、即ち、光ファイバーの両側と幅広の溝との間に充填された光ファイバー用接着剤の合計3箇所で支持される。それにより、周囲温度が変化して光ファイバー用接着剤の膨張又は収縮したとき、V字形断面の溝に対する光ファイバーの相対移動が規制され、それに伴い、光導波路に対する光ファイバーの先端部の相対移動も規制される。その結果、光素子結合構造体の結合損失を更に軽減することができる。
上記第1の側面による実施形態の光素子結合構造体において、好ましくは、光ファイバー用接着剤と光ファイバー用結合剤とは同じ接着剤である。光ファイバー用接着剤と光ファイバー用結合剤とが同じ接着剤である場合には、接着又は結合に使用する組成物が1種類で済むため、製造工程の簡素化を図ることができる。
このように構成された光素子結合構造体では、光ファイバーの先端部と光導波路との間に充填された光ファイバー用結合剤が周囲温度の変化によって膨張又は収縮し、ひずみが発生する。しかしながら、封止材が光ファイバー用結合剤よりも大きい弾性率を有しているので、光ファイバー用結合剤のひずみを封止材によって規制することができる。それにより、光ファイバーの先端部と光導波路との間の相対移動を規制し、その結果、光の結合損失変動を軽減することができる。更に、封止材は、光ファイバー用結合剤と異なり、透明性の低い樹脂を使用することが可能になる。また、封止材に透湿度の小さい樹脂等を使用することが有利である。
このように構成された光素子結合構造体では、光ファイバー用接着剤と光ファイバー用結合剤が異なる組成物であるため、両者が同じ接着剤である場合よりも、光ファイバーの先端部と光導波路との間の相対移動を規制することができる。詳細には、周囲環境の温度が変化した場合、光ファイバー用接着剤も光ファイバー用結合剤も膨張又は収縮する。もし両者が同じ接着剤であれば、両者は同じ割合で膨張又は収縮する。これに対して、光ファイバー用結合剤の弾性率が光ファイバー用接着剤よりも低い弾性率であれば、同じ温度変化に対して、光ファイバー用結合剤の膨張又は収縮の割合を光ファイバー用接着剤の膨張又は収縮の割合よりも小さくすることができる。それにより、光ファイバーとV字形断面の溝との間に相対移動が生じたとしても、光ファイバーと光導波路との間の相対移動を規制し、その結果、光素子結合構造体の結合損失変動を軽減することができる。また、光ファイバー用接着剤は、光ファイバーをV字形断面の溝に固着させるためだけに用いられるため、透明性や屈折率整合性が不要になり、かかる性質を有しない接着剤を選択することが可能になる。また、耐湿接着性の高い接着剤等を使用することが有利である。
このように構成された光素子結合構造体では、光ファイバー用結合剤が、光ファイバーと光導波路の間にだけ充填されている場合よりも、周囲環境の温度変化による光ファイバー用結合剤の膨張及び収縮が規制される。それにより、光ファイバーと光導波路との間の相対移動を規制し、その結果、光素子結合構造体の結合損失変動を更に軽減することができる。
これに対し、従来技術の光ファイバー構造体では、光ファイバーを押え部材によって基板に押し付けることにより、光ファイバーと溝との間の距離が接近したとき、光ファイバーと基板のV字形断面の溝との間の余分な接着剤は、押えブロックの長手方向の全長にわたって、光ファイバーと溝との間の隙間から流出しにくくなる。特に接着剤の粘度が比較的高い場合、光ファイバーと溝との間の隙間に接着剤が残留してしまう。それにより、光ファイバーは、設計上の位置と異なる位置に位置決めされ、結合損失が大きくなる。
このように構成された光ファイバー構造体では、光ファイバーと溝との間の隙間から光ファイバーと光ファイバーとの間の空間に流出した余分な接着剤が更に、押え部材の中間部分と光ファイバーとの間の空間を通って光ファイバーの上を越え、長手方向に対して横方向に流れる。それにより、押えブロックの第1の部分及び第2の部分に対応する光ファイバーの部分を溝により近づけるように、余分な接着剤が流れる。その結果、複数の光ファイバーの各々に対する結合損失を改善することができる。
このことは、特に、互いに整列するV字形断面の溝と光導波路コアとが一体に形成される光ファイバー構造体に有用である。また、隣接した光ファイバーのピッチをより均一にすることができるので、光ファイバーアレイを有する光ファイバー構造体にも有用である。
これに対し、従来技術の光ファイバー構造体では、押えブロックがその長手方向の全長にわたって光ファイバーと接触しているので、光ファイバーと光ファイバーとの間の空間に流出した余分な接着剤は、光ファイバーの上を越えて流れることはできない。従って、光ファイバーと溝との間の隙間に接着剤が残留しやすくなる。
このように構成された光ファイバー構造体では、押えブロックと基板とを確実に固定することができると共に、光ファイバー構造体の温度変化に対する結合損失の変動をより少なくすることができる。即ち、対抗面と基板との間の距離が大きくなりすぎると、押えブロックと基板との間の接着力が低下し、対向面と基板との間の距離が小さくなりすぎると、温度が変化したときに接着剤が光ファイバーに及ぼす応力が増大し、光ファイバー構造体の結合損失を悪化させる。
また、対向面が長手方向を中心に接触面の両側、即ち、横方向に設けられているので、押えブロック及び基板が光ファイバーに対してほぼ対称に配置される。それにより、温度が変化したときに接着剤が光ファイバーに及ぼす応力が相殺され、光ファイバー構造体の結合損失の低下を防止することができる。
このように構成された光ファイバー構造体では、温度変化に対する光ファイバーの結合損失の変動が比較的小さくなる。従って、例えば、温度が−40℃〜+85℃にわたって変化したときの結合損失を所定のレベル以下にすることができ、本発明の第3の目的が達成される。所定のレベルは、好ましくは、0.5dB、更に好ましくは、0.4dBである。
このように構成された光ファイバー構造体では、押え部材の第1の接触部分により光ファイバーを確実に基板の溝に近づけ、光ファイバーの結合損失を改善することができる。即ち、第1の接触部分の長手方向長さが短すぎると、光ファイバーを基板に押付ける力が不足しやすくなり、第1の接触部分の長手方向長さが長すぎると、従来技術の光ファイバー構造体の構造に近づくことになる。
このように構成された光ファイバー構造体では、比較的容易な加工により、光ファイバー構造体の結合損失を改善することが可能である。
また、本発明の光ファイバー構造体は、温度が−40℃〜+85℃にわたって変化したときの結合損失を所定のレベル以下にすることができる。
更に、光ファイバー2の先端部18と光導波路4とは、それらの間及び凹部10に充填された光ファイバー用結合剤24によって結合されている。光ファイバー用結合剤24は、光ファイバー2から光導波路4へ伝送される光が通過するため、光に対して透明であり(透明性)且つ適当な屈折率を有する(屈折率整合性)ことが必要であり、屈折率調整剤として使用されているものであることが好ましい。光ファイバー用結合剤24は、紫外線硬化樹脂又は可視光硬化樹脂等の光硬化型接着剤であっても良いし、それに熱硬化触媒が予め添加された光熱併用硬化型接着剤であっても良いし、ゲル状の組成物であってもよいし、充填剤であってもよい。光硬化型接着剤は、例えば、ダイキン製紫外線硬化型エポキシ系樹脂「UV2100」である。また、光熱併用硬化型接着剤は、紫外線硬化型エポキシ系樹脂又は紫外線硬化型アクリル系樹脂等であり、例えば、EMI製紫外線熱硬化型エポキシ系樹脂「3553HM」である。
光ファイバー用接着剤22は、光ファイバー用結合剤24と同様の組成物であることが好ましい。更に、光ファイバー用接着剤22と光ファイバー用結合剤24とは、同じ接着剤であることが好ましいが、異なる組成物であっても良い。図1では、光ファイバー用接着剤22と光ファイバー用結合剤24とが同じ接着剤である場合を示している。
本発明の第1の側面による第2の実施形態である光ファイバー及び光導波路の光素子結合構造体は、後述する押え部材を追加したこと以外、上述した第1の側面による第1の実施形態である光素子結合構造体と同様である。従って、第1の側面による第1の実施形態と共通する部分には同じ参照番号を付してその説明を省略し、以下、異なる部分のみ説明する。
本実施形態の光ファイバー用接着剤22及び光ファイバー用結合剤24は、第1の側面による第1の実施形態の光ファイバー用接着剤22及び光ファイバー用結合剤24と同様のものである。更に、光ファイバー用接着剤22と光ファイバー用結合剤24とは、同じ接着剤であることが好ましいが、異なる組成物であっても良い。図3では、図1と同様、光ファイバー用接着剤22と光ファイバー用結合剤24とが同じ接着剤である場合を示している。
本発明の第1の側面による第3の実施形態である光素子結合構造体は、後述する封止材を追加したこと以外、上述した第1の側面による第2の実施形態である光素子結合構造体と同様である。従って、第1の側面による第2の実施形態と共通する部分には同じ参照番号を付してその説明を省略し、以下、異なる部分のみを説明する。なお、第1の側面による第3の実施形態である光素子結合構造体の断面図は、第1の側面による第2の実施形態である光素子結合構造体の断面図である図4と同様であるため、それを省略する。
本発明の第1の側面による第3の実施形態の光ファイバー用接着剤22及び光ファイバー用結合剤24は、第1の側面による第1の実施形態の光ファイバー用接着剤22及び光ファイバー用結合剤24と同様のものである。光ファイバー用接着剤22及び光ファイバー用結合剤24とは、同じ接着剤であっても良いし、異なる組成物であっても良いが、以下、両者が同じ接着剤であるものとして説明する。図5では、光ファイバー用接着剤22と光ファイバー用結合剤24とが同じ接着剤44である場合を示している。接着剤44は、例えば、EMI製紫外線硬化型エポキシ系樹脂「3553HM」である。
封止材42は、接着剤44と異なる組成物である。更に、光ファイバー用接着剤22及び光ファイバー用結合剤24の弾性率が封止材42の弾性率よりも小さいことが好ましい。封止材42は、光ファイバー用結合剤24と異なり、透明性のない接着剤であっても良い。また、封止材42は、エポキシ系の樹脂であっても良いし、無溶剤型の液状封止材(例えば、日立化成工業製無溶剤型液状封止材「CEL−C−1900」)であっても良い。エポキシ系の樹脂を使用する場合、高湿環境での長寿命化を達成するために透湿度の小さいものを使用することが好ましい。
本発明の第1の側面による第4の実施形態である光素子結合構造体50は、光ファイバー用接着剤と光ファイバー用結合剤の組合わせが異なること及び光ファイバー用結合剤の塗布範囲が異なること以外、上述した第1の側面による第2の実施形態である光素子結合構造体30と類似する。従って、第1の側面による第2の実施形態と共通する部分には同じ参照番号を付してその説明を省略し、以下、異なる部分のみ説明する。なお、第1の側面による第4の実施形態である光素子結合構造体の断面図は、第1の側面による第2の実施形態である光素子結合構造体の断面図である図4と同様であるため、それを省略する。
また、光ファイバー用結合剤52は、第1の側面による第2の実施形態の光ファイバー用結合剤24が充填されている領域に加えて、光ファイバーの先端部を覆って光ファイバーと光導波路を封止するように塗布されている。光ファイバー用結合剤52は、更に、押え部材32と結合され、基板6の導波路部16の上に延び、出口側の光ファイバー用結合剤と連結している。しかしながら、光ファイバー用結合剤52が、第1の側面による第2の実施形態の光ファイバー用結合剤24と同様、光ファイバー2の先端部18と光導波路4との間及び凹部10の領域に充填されているだけであっても良い。
上述した本発明の第1の側面による各実施形態についての実験例を以下に説明する。各実験例に共通に用いた条件は、次の通りである。光ファイバー2は、外径125μmのものを使用した。また、基板6は、単結晶であり異方性エッチングが容易なシリコンを使用した。押え部材32は、光ファイバー用接着剤22の紫外線硬化を可能にするために透明であり、しかも、基板6の材料であるシリコンと同じ線膨張係数(3.2ppm/℃)を有するパイレックス(登録商標)ガラスを使用した。
第1の側面による第1の実施形態の実験例1においては、光ファイバー用接着剤22及び光ファイバー用結合剤24として、弾性率が2.4GPaで、線膨張係数が107ppm/℃で、粘度が250mPa・sで、ガラス転移温度Tgが129℃であり、化学式が
で、Rfが
で表されるフッ素化エポキシ化合物を主成分とする紫外線硬化型エポキシ系樹脂(例えば、ダイキン製「UV2100」)を使用した(「オプトエレクトロニクス材料の開発と応用技術」(2001年2月9日株式会社技術情報協会発行)90頁の表1に記載されたフッ素化エポキシ化合物参照)。周囲環境の温度が65℃変化したときの光ファイバー2と光導波路4との間の相対移動量は0.8μmであり、光導波路4への光の結合損失変動は0.8dBであった。
第1の側面による第2の実施形態の実験例2Bにおいては、光ファイバー用接着剤22及び光ファイバー用結合剤24として、弾性率が0.05GPaで、線膨張係数が200ppm/℃で、粘度が180mPa・sで、ガラス転移温度Tgが111℃であり、化学式が
で表されるフッ素化エポキシアクリレート化合物を主成分とする紫外線硬化型アクリル系樹脂(例えば、NTT−AT製「AT8224」))使用した(「オプトエレクトロニクス材料の開発と応用技術」(2001年2月9日株式会社技術情報協会発行)91頁の表2に記載されたフッ素化エポキシアクリレート化合物参照)。周囲環境の温度が65℃変化したときの光ファイバー2と光導波路4との間の相対移動量は0.2μmであり、光導波路4への光の結合損失変動は0.2dBであった。
また、上述した第1の側面による第4の実施形態の実験例4において、光ファイバー用接着剤22として、上述した紫外線硬化型エポキシ系樹脂の代わりに、弾性率2.5GPaで、線膨張係数が88ppm/℃で、粘度が7000mPa・sで、ガラス転移温度が145℃である紫外線硬化型エポキシ系樹脂(例えば、協立化学製「WR8775」)を使用した場合、周囲環境の温度が65℃変化したときの光ファイバー2と光導波路4との間の相対移動量は0.1μmであり、光導波路4への光の結合損失変動は0.2dBであった。
弾性率の測定は、JIS−K7127「プラスチックフィルム及びシートの引張試験方法」に従って測定した。
線膨張係数の測定は、TMA(熱機械分析)法を用いて測定した。測定条件は、5℃/分の引張りモードである。温度を20℃から100℃まで変化させ、25℃のときの測定値を記載した。
ガラス転移温度の測定は、DMA(動的粘弾性率測定)法を用いて測定した。具体的には、レオメトリック・サイエンティフィック製の動的粘弾性率測定装置(溶融粘弾性測定用型式ARES)を使用し、試料を引張モードで振動させながら、温度を20℃から300℃まで昇温速度3℃/分で変化させ、装置によって演算されたガラス転移温度を採用した。
粘度の測定は、JIS−Z8803「粘度測定方法」の円すい−平板形回転粘度計による粘度測定方法に従って測定した。具体的には東京計器製のE形粘度計(型式VPU−3B)を使用し、25℃の環境条件で測定値を記載した。
先ず、図9〜図13を参照して、本発明の第2の側面による光ファイバー構造体の第1の実施形態を説明する。図9は、本発明の第2の側面による第1の実施形態である、V字形断面の溝と光導波路とが一体に形成された光素子結合構造体を部分的に断面にした正面図である。また、図10〜図13はそれぞれ、図1の線X−X、線XI−XI、線XII−XII及び線XIII−XIIIにおける断面図である。
上流部110aには、上流側光ファイバー102が上流側凹部118に突出するように配置され、下流部110bには、下流側光ファイバー104が下流側凹部120に突出するように配置されている。上流側光ファイバー102の端面102a及び下流側光ファイバー104の端面104aは、光導波路106にできるだけ近接していることが好ましいが、実際には、光ファイバー102、104の自動組立てを容易にするために、光ファイバー102、104の端面102a、104aと光導波路106との間には、約10〜20μmの隙間が設けられている。
図10に示すように、接触部分130aは、長手方向に上流側光ファイバー102と接触して上流側光ファイバー102を基板110に向かって押し付けるための接触面134と、上流側光ファイバー102を中心に接触面134の両側に設けられ且つ基板110の上面122と対向する対向面136とを有している。本実施形態では、接触面134は、対向面136に対する凹み部を構成し、上流側光ファイバー102を囲むように湾曲している。凹み部の両側に位置する対向面136と基板110の上面122との間には、隙間が設けられている。対向面136と基板110の上面122との間の距離は、好ましくは、20μm〜40μmであり、更に好ましくは、20μm〜30μmである。
接触部分130bは、接触部分130aと同様の構造を有しているので、その説明を省略する。
接触部分130a、130bの長手方向長さは、好ましくは、上流側光ファイバー102の直径の0.5〜5倍、更に好ましくは、2〜3倍であることが好ましい。また、中間部分132aの長手方向長さは、好ましくは、上流側光ファイバー102の直径の1〜8倍、更に好ましくは、5〜7倍であることが好ましい。従って、上流側光ファイバー102の直径が125μmである場合、接触部分130a、130bの長手方向長さは、好ましくは、60〜625μm、更に好ましくは、250〜375μmである。また、中間部分132aの長手方向長さは、好ましくは、125〜1000μm、更に好ましくは、625〜875μmである。
また、上流側凹部118及び下流側凹部120には、接着剤116と異なる種類の結合剤144が充填されている。結合剤144は、光ファイバーから光導波路へ伝送される光が通過するため、光に対して透明であることが必要である。また、結合剤144の屈折率は、光ファイバーコア102b、104bの屈折率とほぼ同じ屈折率を有することが好ましい。結合剤144は、接着剤であってもよいし、ゲル状の組成物であってもよいし、充填剤であってもよい。結合剤144は、例えば、協立化学製カチオン硬化型シリコーン樹脂「WR8962H」である。
詳細には、接触部分130a、130bの断面における光ファイバー102、104と溝108との間の空間128内にある接着剤116は、接触部分130a、130bの断面における光ファイバー102、104と溝面124との間の隙間126から流出しないで(図10及び図12参照)、中間部分132aの断面における光ファイバー102、104と溝108との間の空間128内に移動する(図11及び図13参照)。次いで、中間部分132aの断面における光ファイバー102、104と溝面124との間の隙間126から流出し、押えブロック112、114の下面138と基板110の上面122との間の空間に移動する(図11及び図13参照)。また、上流側押えブロック112の接触部分130a、130bの断面において、2本の光ファイバー102の間の空間内にある接着剤116(図10参照)は、中間部分132aの断面における2本の光ファイバー102の間の空間内に移動する(図11参照)。次いで、接着剤116は、光ファイバー102の上を越えて移動する。それにより、接着部分130a、130bにおいて、光ファイバー102、104がV字形断面の溝108の溝面に124にしっかりと押し付けられる。
その後、接着剤116を、例えば紫外線照射により硬化させ、基板110、光ファイバー102、104及び押え部材112、114を互いに固定する。次に、結合剤144を上流側凹部118及び下流側凹部120に塗布し、例えば紫外線照射により硬化させる。
本発明の第2の側面による第2の実施形態である光素子結合構造体150は、上述した第2の側面による第1の実施形態である光素子結合構造体101の上流側押えブロック112及び下流側押えブロック114の代わりにそれぞれ上流側押えブロック152及び下流側押えブロック154が設けられていること以外、光素子結合構造体101と同様の構造を有している。従って、以下、第2の側面による第1の実施形態と共通する構成要素に同様の番号を付してその説明を省略し、異なる部分のみを説明する。
光素子結合構造体150は、上流側光ファイバー102をその上から覆い且つ上流側光ファイバー102を基板110に向かって押え付ける上流側押えブロック152と、下流側光ファイバー104をその上から覆い且つ下流側光ファイバー104を基板110に向かって押え付ける下流側押えブロック154とを有している。
接触部分156a〜156eの各々は、第2の側面による第1の実施形態である光素子結合構造体101の接触部分130aと同様の構成要素を有している(図10参照)。また、中間部分158a〜158dの各々は、第2の側面による第1の実施形態である光素子結合構造体1の中間部分132aと同様の構成要素を有している(図11参照)。従って、第2の側面による第1の実施形態と同様の構成要素については、同じ参照符号を付し、接触部分156a〜156e及び中間部分158a〜158dの構成要素の説明を省略する。
本発明の第2の側面による第3実施形態である光素子結合構造体170は、上述した第2の側面による第1の実施形態である光素子結合構造体101の基板110の上流部110a及び下流部110cそれぞれの代わりに上流部110d及び下流部110eが設けられ、押えブロック112、114それぞれの代わりに押えブロック172、174が設けられていること以外、光素子結合構造体101と同様の構造を有している。従って、以下、第2の側面による第1の実施形態と異なる構成要素だけを説明し、第2の側面による第1の実施形態と共通する構成要素には第2の側面による第1の実施形態と同じ参照符号を付し、それらの説明を省略する。
図16に示すように、溝付き部分178aは、第2の側面による第1の実施形態である光素子結合構造体101の上流部110dと同様の構造を有している。また、溝付き部分178bは、溝付き部分178aと同様の構造を有している。従って、光素子結合構造体101と同様の構成要素には同じ参照符号を付し、その説明を省略する。
図17に示すように、中間部分180aは、上流側光ファイバー102を上流側押えブロック172によって基板110に向かって押え付けたとき、接着剤116を介して上流側光ファイバー102と間隔をおいている。また、中間部分180aは、上流側押えブロック172と対向し且つ上流側光ファイバー102aを横断する平らな上面182を有している。本実施形態では、上面182は、溝付き部分178aの上面122とほぼ平行な平面である。上面182には、溝付き部分178a、178bの溝108の一部分が連続して設けられるが、それらが設けられていなくても良い。中間部分180aの上面182と上流側押えブロック172の対向面136との間の距離は、溝付き部分178a、178bの上面122と上流側押えブロック172の対向面136との間の距離よりも大きくなっている。
溝付き部分178a、178bの長手方向長さは、上流側光ファイバー102の直径の2〜3倍であることが好ましい。また、中間部分180aの長手方向長さは、上流側光ファイバー102の直径の5倍よりも大きいことが好ましい。従って、上流側光ファイバー102の直径が125μmである場合、溝付き部分178a、178bの長手方向長さは、約250〜375μmであることが好ましく、中間部分180aの長手方向長さは、625μmよりも大きいことが好ましい。
光素子結合構造体101では、第1の接触部分130aの長手方向長さが300μm(光ファイバーの直径の2.4倍)であり、中間部分132aの長手方向長さが750μm(光ファイバーの直径の6倍)であった。
光素子結合構造体150では、第1の接触部分130aの長手方向長さが110μm(光ファイバーの直径の0.89倍)であり、中間部分132aの長手方向長さが200μm(光ファイバーの直径の1.6倍)であった。
光素子結合構造体200では、全長1350μmが第1の接触部分に相当し、中間部分は存在しない。
また、図29に示したように、協立化学製紫外線硬化型エポキシ系樹脂「WR8774」(粘度30,000mPa・s)を使用した場合、温度が−40℃〜+85℃にわたって変化したときの結合損失の変動は、0.26dBである。従って、温度が−40℃〜+85℃にわたって変化したときの結合損失は、+25℃における結合損失を中心に変動するので、光素子結合構造体101が0.13〜0.17dB、光素子結合構造体150が0.26〜0.60dB、光素子結合構造体200が0.90〜1.18になる。このように、本発明による光素子結合構造体では、温度が−40℃〜+85℃にわたって変化したときの結合損失を0.6dB以下、又は、0.4dB以下にすることができる。
図20及び図21から分かるように、本発明による光素子結合構造体101では、光ファイバー102と溝108との間の隙間がほぼ0μmであり、光ファイバー102と溝108とが実質的に接触し、それらの間の隙間に接着剤116が存在していなかった。これに対し、従来技術の光素子結合構造体200では、光ファイバー202と溝208との間の0.5〜1.0μmの隙間に接着剤216が残留していた。なお、押えブロック112の中間部分132aにおいて長手方向に対する横方向に切断した本発明による光素子結合構造体101の実施例の断面を金属顕微鏡で見たとき、光ファイバー102と溝108との間の0.5〜1.0μmの隙間に接着剤が残留していた。
図23は、図22と同じ実施例において、温度を−40℃〜+85℃にわたって変化させたときの接着剤厚みと結合損失変動との関係を示す図である。図23から分かるように、接着剤厚みが10〜30μmのとき、結合損失変動を0.3dB以下にすることができた。接着剤厚みがそれよりも大きいとき、光ファイバーの接着力が低下し、それに応じて結合損失変動も増大した。
図25は、図22と同じ実施例において接着剤厚みを20μmとして、85℃/85%RHの高温高湿試験を行ったときの結合損失変動を示す図である。図24から分かるように、結合損失変動は、5000時間にわたって±0.2dBの範囲内に入った。なお、図25は高温高湿試験後に結合損失が増大した場合を負として縦軸を規定している。
上述した本発明の第2の側面による実施形態では、本発明による光ファイバー構造体を、V字形断面の溝と光導波路とが一体に形成された光素子結合構造体101、150,170として説明したけれども、光ファイバー構造体は、光ファイバーアレイであっても良いし、光ファイバーアレイと光導波路とが接着剤で連結された光素子結合構造体等であっても良い。
また、上述の本発明の第2の側面による実施形態では、光素子結合構造体101、150,170を、2本の上流側光ファイバー102及び1本の下流側光ファイバー104を有する光結合器として説明したけれども、上流側光ファイバー102の本数及び下流側光ファイバー104の本数は任意である。例えば、上流側光ファイバー102の本数を1本とし、下流側光ファイバー104の本数を複数本とし、光導波路106をそれに対応した構造にすることにより、光ファイバー構造体を光スプリッタとして形成してもよい。
また、上述した本発明の第2の側面による第1及び第2の実施形態では、押えブロック112、114、152,154の中間部分132a〜132dの下面138を平面としたけれども、光ファイバー102、104と間隔をおいていれば、下面138の形状は任意である。例えば、光ファイバー102、104を包囲するように湾曲していても良いし、下面138の横方向両端部が隣接した接触部分130a〜130eの対向面136と連続していても良い。
また、上述した本発明の第2の側面による第3の実施形態では、基板110の中間部分180aの上面182を平面としたけれども、光ファイバー102、104と間隔をおいていれば、上面182の形状は任意である。例えば、光ファイバー102、104を包囲するように湾曲していても良いし、上面182の横方向両端部が隣接した溝付き部分180a、180bの上面122と連続していても良い。
また、本発明の第2の側面による第1及び第2の実施形態の光ファイバー102、104の端面102a,104aの最も近くに設けられた接触部分130aは、光ファイバー102、104の端面102a、104aに近い方が好ましい。しかしながら、上述した第2の側面による実施形態のように、所定の結合損失を満たせば、光ファイバー102、104の端面102a、104aから離れた位置に接触部分130aを設けても良い。
また、上述した第2の側面による第1及び第2の実施形態の接触部分130a〜130eの変形形態は、第2の側面による第3の実施形態の溝付き部分180a、180bについても同様に当てはまる。
[図2]図1の線II−IIにおける断面図である。
[図3]本発明の第1の側面による第2の実施形態である光素子結合構造体の、部分的に断面にした正面図である。
[図4]図3の線IV−IVにおける断面図である。
[図5]本発明の第1の側面による第3の実施形態である光素子結合構造体の、部分的に断面にした正面図である。
[図6]本発明の第1の側面による第4の実施形態である光素子結合構造体の、部分的に断面にした正面図である。
[図7]従来技術の光素子結合構造体の正面図である。
[図8]従来技術の光素子結合構造体の正面断面図である。
[図9]本発明の第2の側面による第1の実施形態である光素子結合構造体を部分的に断面にした正面図である。
[図10]図9の線X−Xにおける断面図である。
[図11]図9の線XI−XIにおける断面図である。
[図12]図9の線XII−XIIにおける断面図である。
[図13]図9の線XIII−XIIIにおける断面図である。
[図14]本発明の第2の側面による第2の実施形態である光素子結合構造体を部分的に断面にした正面図である。
[図15]本発明の第2の側面による第3の実施形態である光素子結合構造体を部分的に断面にした正面図である。
[図16]図15の線XVI−XVIにおける断面図である。
[図17]図15の線XVII−XVIIにおける断面図である。
[図18]図15の線XVIII−XVIIIにおける断面図である。
[図19]図15の線XIX−XIXにおける断面図である。
[図20]押えブロックの接触部分において横方向に切断した、本発明の第2の側面による第1の実施形態である光素子結合構造体の実施例の断面を顕微鏡で見たときの概略図である。
[図21]押えブロックにおいて横方向に切断した、従来技術の光素子結合構造体の比較例の断面を顕微鏡で見たときの概略図である。
[図22]接着剤厚みと結合損失との関係の実験例を示す図である。
[図23]接着剤厚みと結合損失変動との関係の実験例を示す図である。
[図24]プレッシャクッカーテストを行ったときの接着剤厚みと結合損失変動との関係の実験例を示す図である。
[図25]高温高湿試験を行ったときの結合損失変動の実験例を示す図である。
[図26]従来技術の光素子結合構造体を部分的に断面にした正面図である。
[図27]図26の線XXVII−XXVIIにおける断面図である。
[図28]周囲温度+25℃における、接着剤の粘度と結合損失の測定値との関係を示す図である。
[図29]周囲温度が−40℃〜+85℃にわたって変化したときにおける、接着剤の粘度と結合損失の測定値の変動との関係を示す図である。
[図30]接着剤の弾性率と粘度の関係を示す図である。
Claims (11)
- 端面を有し且つ長手方向に延びる光ファイバーと、前記光ファイバーを受入れて位置決めするためのV字形断面の溝が設けられた基板と、前記光ファイバーをその上から覆い且つ前記光ファイバーを前記基板に向かって押え付ける押え部材と、前記基板、前記光ファイバー及び前記押え部材を互いに固定するためにそれらの間の空間に充填された接着剤とを、有する光ファイバー構造体であって、
前記押え部材は、前記光ファイバーの端面側から長手方向に順番に隣接して設けられた第1の接触部分、中間部分及び第2の接触部分を有し、前記光ファイバーを前記押え部材によって前記基板に向かって押え付けたとき、前記押え部材の第1の接触部分及び第2の接触部分が、前記光ファイバーに接触して前記光ファイバーを前記基板に向かって押え付け、前記押え部材の中間部分は、前記接着剤を介して前記光ファイバーと間隔をおいていることを特徴とする光ファイバー構造体。 - 前記光ファイバーは、互いに平行に設けられた複数の光ファイバーから構成され、前記複数の光ファイバーに対応する前記V字形断面の溝が前記基板に設けられることを特徴とする請求項1に記載の光ファイバー構造体。
- 前記押え部材の第1の接触部分は、前記光ファイバーと接触して前記光ファイバーを基板に向かって押し付けるための接触面と、前記光ファイバーを中心に前記接触面の両側に設けられ且つ前記基板と対向する対向面と、を有し、前記接触面は、前記対向面に対する凹み部を構成し、この凹み部の両側に位置する前記対向面と前記基板との間の距離は、20〜40μmであることを特徴とする請求項1又は2に記載の光ファイバー構造体。
- 前記接着剤の粘度は10,000〜50,000mPa・sであることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の光ファイバー構造体。
- 前記接着剤の弾性率は、0.01〜3.0GPaであり、その線膨張係数は20〜100ppm/℃であることを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の光ファイバー構造体。
- 前記第1の接触部分の長手方向長さは、前記光ファイバーの直径の0.5〜3倍であることを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載の光ファイバー構造体。
- 前記基板は、前記V字形断面の溝が設けられた上面を有し、前記中間部分は、前記基板の上面と対向し且つ前記光ファイバーを横断する平らな下面を有することを特徴とする請求項1〜6の何れか1項に記載の光ファイバー構造体。
- 端面を有し且つ長手方向に延びる光ファイバーと、前記光ファイバーを受入れて位置決めするためのV字形断面の溝が設けられた基板と、前記光ファイバーをその上から覆い且つ前記光ファイバーを前記基板に向かって押え付ける押え部材と、前記基板、前記光ファイバー及び前記押え部材を互いに固定するためにそれらの間の空間に充填された接着剤とを、有する光ファイバー構造体であって、
前記基板は、前記光ファイバーの端面側から長手方向に順番に隣接して設けられた第1の溝付き部分、中間部分及び第2の溝付き部分を有し、前記基板の第1の溝付き部分及び第2の溝付き部分に、前記V字形断面の溝が設けられ、前記基板の中間部分は、前記接着剤を介して前記光ファイバーと間隔をおいていることを特徴とする光ファイバー構造体。 - 前記光ファイバー構造体は、光ファイバーアレイであることを特徴とする請求項1〜8の何れか1項に記載の光ファイバー構造体。
- 前記光ファイバー構造体は、前記V字形断面の溝と光導波路とが一体に結合され、V字形断面の溝に配置した光ファイバーと光導波路とを結合させた光素子結合構造体であることを特徴とする請求項1〜8の何れか1項に記載の光ファイバー構造体。
- 前記光ファイバー構造体は、光ファイバーアレイと光導波路とを結合させた光素子結合構造体であることを特徴とする請求項1〜8の何れか1項に記載の光ファイバー構造体。
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