JP4450965B2 - 光学部品の接着構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザーダイオードおよび光導波路基板のような複数の光学部品の各光軸を、サブミクロンオーダーで光軸合わせしつつ、マウントへと接着した構造およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、光ピックアップ等に用いられる青色レーザー用光源として、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウム単結晶に周期的な分極反転構造を形成した光導波路を使用した疑似位相整合（Quasi-Phase-Matched ：ＱＰＭ）方式の第二高調波発生（Second-Harmonic-Generation:SHG）デバイスが期待されている。こうしたデバイスは、光ディスクメモリー用、医学用、光化学用、各種光計測用等の幅広い応用が可能である。
【０００３】
こうしたデバイスを作製するためには、分極反転構造が形成された光導波路基板を作製し、この光導波路基板とレーザーダイオードとをマウントへと固定し、光導波路基板の光導波路の光軸とレーザーダイオードの光軸とをサブミクロンオーダーで光軸合わせする必要がある。
【０００４】
この組み立て方法としては、いわゆるアクティブアライメント方式があるが、組み立てに必要な時間が長いことから大量生産には向いていない。一方、パッシブアライメント方式、セミパッシブアライメント方式においては、シリコンや炭化珪素からなる一体型基板の表面（実装面）にマーカーを付けておき、マーカーを基準として各光学部品の位置合わせを行う。この場合の固定方法としては、樹脂硬化、ハンダ固定、ＹＡＧ溶接などが使用されている。こうした方式の一例は、特開平６−３３８６５０号公報がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
半導体レーザーダイオードと光導波路基板とを一体型基板の実装面にマーカーを基準としてアライメントし、接着し、固定する場合には、基板の水平（幅）方向のアライメント、半導体レーザーダイオードと光導波路基板とのギャップの調整、およびダイオードと光導波路基板との高さの調整が必要である。このうち、特にダイオードの活性層の光軸の実装面からの高さと、光導波路の光軸の実装面からの高さとを高精度で合わせることは難しい。この精度は例えば０．２μｍ以下が要求されている。しかし、実際には、一体型基板の実装面上にダイオードと光導波路基板とを樹脂固定した場合に、樹脂の厚さのバラツキを０．２μｍ以下に制御することは困難であった。
【０００６】
なぜなら、光学接着剤をマウントの接着面上に塗布する際には、光学接着剤の粘性や、マウントへの濡れ性の影響によって、接着面の全面にわたって必要量を正確に塗布することは難しく、何らかの形でムラが生じ易い。また、特に各光学部品をアライメントした後に樹脂を塗布し、硬化させると、各光学部品をアライメントした後の状態では樹脂を塗布するスペースが小さく、作業しにくいので、樹脂を均一に塗布することは極めて難しい。
【０００７】
光学接着剤の硬化収縮に伴って、光学部品の光軸合わせの精度が低下する原因は幾つかある。例えば、図２（ａ）の例では、一体型基板３の実装面３ａ上に、光学接着剤５Ａを介して光導波路基板１０が設置されている。なお、１０ａは基板１０の上面であり、１０ｂは接着面であり、１０ｃは側面である。光学接着剤５Ａの一部は、１２で示すように、基板１０の側面１０ｃから外へと溢れており、メニスカス１２を形成している。光学接着剤が硬化収縮する際に、各メニスカス１２が不均等に収縮すると、基板１０が矢印Ａのように引っ張られ、傾斜し、光軸合わせの精度を劣化させる。
【０００８】
図２（ｂ）の例では、光学接着剤５Ｂが厚く、このため矢印Ｂ方向の収縮量が大きくなり、光軸合わせの精度にバラツキが生ずる。図２（ｃ）の例では、光学接着剤５Ｃの左側が厚くなっており、右側が薄くなっているために、硬化収縮後に基板１０に傾斜が残る。
【０００９】
こうした硬化収縮に伴って生ずる光軸合わせの精度の低下を防止するためには、光学接着剤の厚さを小さくし、かつ硬化収縮を小さくすることが必要である。光学接着剤の粘性が高い場合には、光学接着剤の厚さが大きくなり易い。一方、粘性の低い光学接着剤は、塗布厚さを小さくし易いが、硬化収縮割合が大きいことが多い。これらの諸原因から、光学部品を量産するのに際して、光学接着剤が硬化収縮した後の時点で、各光学部品の各光軸を二次元的にサブミクロンオーダーの精度で光軸合わせし、歩留りを向上させることは困難である。
【００１０】
本発明の課題は、第一の光学部品、第二の光学部品、および第一の光学部品と第二の光学部品とを実装する実装面を有する一体型基板を備えており、少なくとも第一の光学部品が基板に対して接着されている光学部品の接着構造であって、光学接着剤の硬化収縮に伴う光軸合わせの精度の低下を防止することであり、更に温度サイクル印加時の光量変動を低減することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、第一の光学部品、第二の光学部品、および前記第一の光学部品と前記第二の光学部品とを実装する実装面を有する一体型基板を備えており、少なくとも前記第一の光学部品が前記一体型基板に対して接着されている光学部品の接着構造であって、
前記第一の光学部品の光軸と前記第二の光学部品の光軸とが互いに１μｍ以下の精度で光軸合わせされている状態で、前記第一の光学部品の接着面と前記一体型基板の実装面とが、硬化収縮した光学接着剤によって接着されており、前記一体型基板の前記実装面のうち前記第一の光学部品との接着領域に前記接着剤のみを受け入れ、かつ、前記第一の光学部品および前記第二の光学部品は受け入れないように設計した溝が形成されており、前記光学接着剤の少なくとも一部が前記溝中に充填されており、
前記溝の深さが５−２００μｍ、該幅が０．１−５ｍｍとされていると共に、前記第一の光学部品の前記接着面と前記一体型基板の前記実装面との間に、前記光学接着剤からなる接着剤層が前記溝以外に介在しており、この接着剤層の厚さが１−３μｍであり、
さらに、前記実装面のうち前記溝が形成されていない部分は平坦とされていることを特徴とする。
【００１２】
本発明者は、一体型基板の接着面に適当な深さの溝を設け、溝の中に光学接着剤の少なくとも一部を充填することによって、過剰な光学接着剤が横溢したり、一体型基板と導波路チップ間の光学接着剤の厚さが過大になったりするのを防止し、光学接着剤の硬化収縮による光軸合わせの精度の低下を防止することに成功した。
【００１３】
更に、溝の深さを調整することによって、基板の接着面と第一の光学部品の接着面との間に残る光学接着剤の量を調節し、これによって接着剤層の厚さを最適にし、光学部品と基板との接着強度を最大化できる。これによって、特に接着構造が幅広い温度範囲にさらされるような場合に、温度サイクルが加わっても光量変動を低減できるようになった。
【００１４】
特に、樹脂を溝を介して実装面へと塗布することで、樹脂が溝を通じて、毛細管現象によって、溝がない平坦部分にも均一に広がり、平坦部分における樹脂の厚さが通常は３μｍ以下となり、樹脂の厚さのバラツキも例えば０．２μｍ以下にできることが分かった。
【００１５】
第一の光学部品としては、光導波路基板（ＳＨＧ素子を含む）の他、光ファイバアレイを例示できる。第二の光学部品としては、レーザーダイオードの他、発光ダイオード、光ファイバアレイを例示できる。
【００１６】
本発明においては、第二の光学部品と実装面を接着することもでき、この場合に実装面のうち第二の光学部品との接着領域に前記と同様の溝を設けることができる。
【００１７】
光導波路基板の材質としては、ＬｉＮｂＯ₃ 、ＬｉＴａＯ₃ 、ＬｉＮｂＯ₃ −ＬｉＴａＯ₃ 固溶体、ニオブ酸リチウムカリウム、ニオブ酸リチウムカリウム−タンタル酸リチウムカリウム固溶体、ＫＴｉＯＰＯ₄ 等を例示できる。
【００１８】
一体型基板とは、基本的に均質の材料によって一体物として成形された基板を指している。例えば２つの基板を接着して得られた接着物は除かれる。一体型基板が少なくとも平坦な実装面を備えている限り、その外形は制限されない。一体型基板の材質は特に限定されないが、シリコン、窒化アルミニウム、炭化珪素およびダイヤモンドからなる群より選ばれた材質が好ましい。
【００１９】
光学接着剤は特に限定されないが、紫外線硬化型樹脂、可視光硬化型樹脂、瞬間接着樹脂および嫌気性硬化型樹脂からなる群より選択することが好ましい。紫外線硬化型樹脂としてはエポキシ系、変性アクリレート系等があり、瞬間接着性樹脂としてはシアノアクリレート系樹脂等があり、嫌気性樹脂としてはアクリル系樹脂等がある。
【００２０】
前記溝の深さは５−２００μｍであることが好ましい。溝の深さを５μｍ以上とすることによって、平坦部分における樹脂の厚さのバラツキが著しく減少し、温度サイクルを加えたときの光量損失が著しく減少する。この観点から、および樹脂塗布の作業性の観点から、溝の深さを２５μｍ以上とすることが一層好ましい。
【００２１】
また、溝の深さを２００μｍ以下とすることによって、温度サイクルを加えた場合に、基板の反りに起因する光量変動も抑制される。また、溝の深さが２００μｍを超えると、溝を形成するための加工（機械加工、レーザー加工、エッチング等）の際に基板に反りが発生し易くなり、この基板の反りの影響によって、基板面内の平面度が悪化する。このため、組み立て直後の光量損失も増加する傾向がある。この観点からは、溝の深さを１５０μｍ以下とすることが一層好ましい。
【００２２】
また、温度サイクル印加時の光量変動を抑制するという観点からは、溝の幅を０．１−５ｍｍとすることが特に好ましい。
【００２３】
溝以外の領域における接着剤層の厚さは、温度サイクル印加時の光量変動を抑制するという観点からは、１−３μｍであることが好ましい。
【００２４】
第一の光学部品の光軸と第二の光学部品との光軸との位置合わせの精度は１μｍ以下であるが、０．５μｍ以下の場合、特には０．２μｍ以下の場合に本発明は特に好適である。
【００２５】
図１は、本発明の接着構造の一例を模式的に示す断面図である。一体型基板３は、本例では平板形状をしている。基板３は底面３ｂと実装面３ａとを備えている。
【００２６】
実装面３ａ上には、光導波路基板２と半導体レーザーダイオードチップ７とが実装されている。一般的な実装手順を述べる。まず基板３の底面３ｂを所定箇所に設置する。次いで、チップ７を接合剤８を介して基板３の実装面３ａに固定する。この接合剤は、ハンダ、溶接層、前記の光学接着剤であってよいが、ハンダまたは光学接着剤が好ましい。この際、チップ７の位置をアライメントする。なお、チップ７の活性層６は下向きに設けられている。
【００２７】
実装面３ａには、所定数と寸法の溝２０が形成されている。この溝は、実装面３ａの接着領域３ｃ内に存在する。実装面３ａの接着領域３ｃ上に基板１０の主面１０ｂを接着する。上面１０ａは光導波路を設けず、主面１０ｂ側に光導波路４を設けてある。
【００２８】
好ましくは、基板１０の横方向（図１において紙面に垂直な方向）の位置をアライメントするのと共に、基板１０の端面１０ｄとチップ７の端面とのギャップＬを調節する。この状態では、活性層６の光軸と光導波路４の光軸とは、一次元的（紙面に垂直な方向）には、１μｍ以下の精度でアライメントされているが、図１において縦方向には厳密には調節されていない。
【００２９】
次いで、紫外線硬化型樹脂を実装面の接着領域３ｃ、主として溝２０内に塗布する。この時点で、樹脂塗布液は通常毛細管現象によって基板１０の接着面１０ｂと基板３の実装面３ａとの間にほぼ均一な厚さで拡散する。次いで樹脂に紫外線を照射して硬化させる。この結果、光学接着剤の硬化物１５Ｂが各溝２０に充填され、かつ硬化物１５Ａが実装面３ａと基板１０の接着面１０ｂとの間に介在し、接着剤層１５Ａを形成するに至る。なお、接着剤層１５Ａが存在することが温度サイクルに対する安定性の観点から好ましいが、必須ではない。
【００３０】
光学接着剤の硬化収縮が終了した段階において、活性層６の光軸と、光導波路４の光軸とが、図１において縦方向に見て１μｍ以下の精度でアライメントされるようにする。
【００３１】
このように、本発明においては、第一の光学部品の光軸と、第二の光学部品の光軸とが、これら光軸に垂直な平面内で見たときに、二次元的に、それぞれ１μｍ以下の精度でアライメントすることが望ましい。
【００３２】
以下、具体的な実験結果について述べる。
前述した方法に従って、図１に示す接着構造１を作製した。ただし、基板３の材質をシリコンとした。基板３の寸法を、１５．０ｍｍ×１５．０ｍｍ×厚さＴ２．０ｍｍとした。またＳＨＧ素子１０を準備した。素子１０の材質はマグネシウムドープニオブ酸リチウム単結晶であり、寸法は１０ｍｍ×３ｍｍ×０．５ｍｍであった。光学接着剤としては紫外線硬化型接着剤を使用し、ディスペンサーによって溝中に接着剤を充填した．チップ７はハンダ付けした。各光軸のアライメントの精度は０．２μｍ以下とした。ギャップＬは３μｍとした。
【００３３】
基板３の実装面３ａには２列の溝２０を設けた。各溝は、実装面３ａを横方向に横断するように設けた。溝２０の幅は３ｍｍとし、深さＤは、表１に示すように変更した。
【００３４】
接着構造を製造した後、波長８４０ｎｍのレーザー光を半導体レーザーダイオードチップ７から発光させ、光導波路４からの第二高調波（出射光）の強度Ｐ０を測定した。次いで、−４０−と＋８５℃との間で１０００サイクルの温度サイクルを加え、このサイクル後の出射光の強度Ｐ１を測定した。光量変動値（Ｐ０−Ｐ１）を算出した。
【００３５】
【表１】

【００３６】
表１から分かるように、溝２０を介して接着剤を塗布し、溝を通して接着剤を塗布することによって、溝の深さが０ｍｍの場合（溝のない場合）に比べて、温度サイクル後の光量変動値を低減可能であった。
【００３７】
特に溝の深さを５−２００μｍとすることによって、光量変動値を０．３ｄＢ以下とすることができ、２５−１５０μｍとすることによって光量変動値を０．２ｄＢ以下とすることができた。
【００３８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、第一の光学部品、第二の光学部品、および第一の光学部品と第二の光学部品とを実装する実装面を有する一体型基板を備えており、少なくとも第一の光学部品が基板に対して接着されている光学部品の接着構造であって、光学接着剤の硬化収縮に伴う光軸合わせの精度の低下を防止でき、温度サイクル印加時の光量変動を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る接着構造を模式的に示す断面図であり、光導波路基板１０および半導体レーザーダイオードチップ７が一体型基板３上に実装されている。
【図２】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、一体型基板３と光導波路基板１０との接着状態の一例を説明するための模式的断面図である。
【符号の説明】
１ 接着構造 ３ 一体型基板 ３ａ 実装面
３ｂ 底面 ３ｃ 接着領域 ４ 光導波路 ６ 活性層 ７ 半導体レーザーダイオードチップ（第二の光学部品） ８接合層 １０ 光導波路基板（第一の光学部品） １０ｂ 接着面 １５Ａ 硬化収縮した後の光学接着剤（接着層） １５Ｂ溝中に充填され、硬化収縮した後の光学接着剤 ２０ 溝 Ｄ 溝の深さ Ｌ ギャップ

Claims (8)

1. 第一の光学部品、第二の光学部品、および前記第一の光学部品と前記第二の光学部品とを実装する実装面を有する一体型基板を備えており、少なくとも前記第一の光学部品が前記一体型基板に対して接着されている光学部品の接着構造であって、
   前記第一の光学部品の光軸と前記第二の光学部品の光軸とが互いに１μｍ以下の精度で光軸合わせされている状態で、前記第一の光学部品の接着面と前記一体型基板の実装面とが、硬化収縮した光学接着剤によって接着されており、前記一体型基板の前記実装面のうち前記第一の光学部品との接着領域に前記接着剤のみを受け入れ、かつ、前記第一の光学部品および前記第二の光学部品は受け入れないように設計した溝が形成されており、前記光学接着剤の少なくとも一部が前記溝中に充填されており、
   前記溝の深さが５−２００μｍ、該幅が０．１−５ｍｍとされていると共に、前記第一の光学部品の前記接着面と前記一体型基板の前記実装面との間に、前記光学接着剤からなる接着剤層が前記溝以外に介在しており、この接着剤層の厚さが１−３μｍであり、
   さらに、前記実装面のうち前記溝が形成されていない部分は平坦とされていることを特徴とする、光学部品の接着構造。
2. 前記溝の深さが１５０μｍ以下であることを特徴とする、請求項１記載の接着構造。
3. 前記溝の深さが２５μｍ以上であることを特徴とする、請求項２記載の接着構造。
4. 前記第一の光学部品が光導波路を備える光導波路基板であり、前記第二の光学部品がレーザーダイオードであり、前記レーザーダイオードの光軸と前記光導波路の光軸とが互いに１μｍ以下の精度で光軸合わせされていることを特徴とする、請求項１−３のいずれか一つの請求項に記載の接着構造。
5. 前記レーザーダイオードが前記一体型基板の前記実装面に対して硬化収縮した光学接着剤によって接着されており、前記実装面のうち前記レーザーダイオードの接着領域に溝が形成されており、この溝中に前記光学接着剤の一部が存在していることを特徴とする、請求項４記載の接着構造。
6. 前記光学接着剤が、紫外線硬化型樹脂、可視光硬化型樹脂、瞬間接着樹脂および嫌気性硬化型樹脂からなる群より選ばれた樹脂であることを特徴とする、請求項１−５のいずれか一つの請求項に記載の接着構造。
7. 前記レーザーダイオードの接着面に金膜が形成されており、かつ前記光学接着剤がアクリル系紫外線硬化型樹脂であることを特徴とする、請求項６記載の接着構造。
8. 前記一体型基板が、シリコン、窒化アルミニウム、炭化珪素およびダイヤモンドからなる群より選ばれた材質からなることを特徴とする、請求項１−７のいずれか一つの請求項に記載の接着構造。

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