JP4487643B2

JP4487643B2 - 光モジュール及びその製造方法

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Publication number: JP4487643B2
Application number: JP2004164084A
Authority: JP
Inventors: 幸利伊縫; 和宏寺田; 稔駒田; 隆前野
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2004-06-02
Filing date: 2004-06-02
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2024-06-02
Also published as: JP2005347441A

Description

本発明は、光硬化性樹脂溶液と光を用いて作製されるコアを有する光モジュール及びその製造方法に関する。本発明は、光ファイバ通信における安価で低損失な光送受信器、光インタ−コネクション、光分波器あるいは合波器等の光モジュールに適用できる。

本発明者らは、共同発明者らとともに、いわゆる自己形成型のコアを有する光導波路を開発し、出願している。自己形成型のコアとは、未硬化の液状の光硬化性樹脂に、例えば光ファイバから硬化波長の光をビーム状に照射することで、当該ビーム状に照射した光路部分の樹脂のみを硬化させて軸状の硬化物（コア）を形成し、その後例えばより屈折率の低い樹脂で周囲を取り囲み、光導波路を形成するものである（特許文献１参照）。また、屈折率と硬化波長の異なる２つの光硬化性樹脂を用いることで、高屈折率側の樹脂のみを時間をかけて硬化させる場合（特許文献２参照）や、低屈折率側の樹脂のみを短時間に硬化させる場合（特許文献３参照）においては、その後未硬化の残余の樹脂溶液を硬化させることで、特異な屈折率分布を有する２種類の光導波路をそれぞれ形成できることを示した。
特開２００２−３６５４５９特開２００２−１６９０３８特開２００４−１４９５７９

特許文献１に記載された技術を、図４を用いて説明する。図４は、特許文献１に記載された、受光素子と発光素子を１つずつ有する光モジュールの製造工程を示す工程図である。

図４．Ａのように、上面の無い、透明樹脂から成る筐体９１を用意し、光ファイバ９２のコアの端面９２１を当該筐体９１の内部に導入して固着部材９３にて固定する。次に筐体９１にハーフミラー又はダイクロイックミラー（波長選択性ミラー）９４を固定する。ハーフミラー又はダイクロイックミラー（波長選択性ミラー）９４は、筐体９１の底面に対して４５度傾いた状態で固定される。この後、コア部材を形成するため、高屈折率の未硬化の光硬化性樹脂液９５を筐体９１の内部に充填する。

次に、光ファイバ９２により、硬化波長の光を端面９２１から筐体９１に充填された光硬化性樹脂液９５に照射すると、当該光の光路に沿って硬化物９５ｃが軸状に形成される（図４．Ｂ）。今回はハーフミラー又はダイクロイックミラー（波長選択性ミラー）９４を用いたので、硬化物９５ｃは分岐を有することとなる。この後、未硬化の光硬化性樹脂液９５を除去する（図４．Ｃ）。次に、クラッドとなるべき低屈折率の未硬化の硬化性樹脂液９６を筐体９１の内部に充填する。硬化性樹脂液９６の硬化方法は光硬化、熱硬化、その他任意である。こうして筐体９１の内部に充填した硬化性樹脂液９６は全て硬化して硬化物９６ｃとなり、高屈折率の硬化物９５ｃをコア、低屈折率の硬化物９６ｃをクラッドとする光導波路が形成される（図４．Ｄ）。

この後、コアである硬化物９５ｃと透明樹脂から成る筐体９１との接合部分付近に、例えば発光素子９７と受光素子９８を装着して、単線双方向光通信が可能な光モジュール９００を完成させることができる（図４．Ｅ）。

図４．Ｅの光モジュール９００においては、発光素子９７と受光素子９８とは透明樹脂から成る筐体９１を介してコアである硬化物９５ｃと面している。この構造では、いわゆる加速試験によりモジュールとしての寿命及び特性劣化を評価したところ次のような問題が生じることが判明した。即ち、８５℃常湿、或いは７５℃相対湿度９５％といった負荷を掛けた状態では、数時間でコアである９５ｃと光素子９７、９８との結合が悪化し、光の伝送損失が４０％程度失われることが判明した。これは、硬化樹脂の筐体からの剥離が主な原因である。

そこで本発明者らは、図４のような構成とは異なる形で自己形成形のコアを有する光モジュールを鋭意検討し、本発明を完成させるに至った。即ち、本発明の目的は、硬化樹脂から成るコアと光素子との結合が容易には劣化しない光モジュールを提供することである。

上記の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、コアを形成する光を放射するための光導波路と、１又は複数個の光素子と、前記光導波路と前記光素子との間の光路に設けられた任意個数のミラー、ハーフミラー、又は、波長選択性ミラーから成る光学部品を、光硬化性樹脂を用いて形成したコアで接続した光モジュールの製造方法において、前記光導波路と、前記光素子と、前記光学部品とを着脱可能に保持し、且つ未硬化の前記光硬化性樹脂を必要な位置に保持可能な固定部材を用いてこれらを保持する部品固定工程と、前記光導波路の先端から、前記光硬化性樹脂を硬化させる波長の光を未硬化の前記光硬化性樹脂に出射して、前記前記光硬化性樹脂を軸状に硬化させて、前記光導波路の光出射面に連続して接合され、前記光学部品に接続され、前記光学部品を経由して、前記光素子に接合される軸状のコアを形成するコア形成工程と、前記光導波路と、前記光学部品と、前記１又は複数個の光素子と、それらを一体的に接続するように形成した軸状のコアを、前記固定部材から取り外す取外工程と、前記取外工程の後に、前記コアの表面から未硬化の前記光硬化性樹脂を除く未硬化樹脂除去工程と、前記未硬化樹脂除去工程の後に、前記光導波路の先端部、前記光部品、前記コアの露出した表面及び前記光素子とをクラッド材にて覆うクラッド形成工程とを有することを特徴とする光モジュールの製造方法である。
また、請求項２の発明は、コアを形成する光を放射するための光導波路と、１又は複数個の光素子と、前記光導波路と前記光素子との間の光路に設けられた任意個数のミラー、ハーフミラー、又は、波長選択性ミラーから成る光学部品を、光硬化性樹脂を用いて形成したコアで接続した光モジュールの製造方法において、前記光導波路と、前記光素子と、前記光学部品とを着脱可能に保持し、且つ未硬化の前記光硬化性樹脂を必要な位置に保持可能な固定部材を用いてこれらを保持する部品固定工程と、前記光導波路の先端から、前記光硬化性樹脂を硬化させる波長の光を未硬化の前記光硬化性樹脂に出射して、前記前記光硬化性樹脂を軸状に硬化させて、前記光導波路の光出射面に連続して接合され、前記光学部品に接続され、前記光学部品を経由して、前記光素子に接合される軸状のコアを形成するコア形成工程と、前記固定部材及び前記コアの表面から未硬化の前記光硬化性樹脂を除く未硬化樹脂除去工程と、前記固定部材に、光硬化性又は熱硬化性樹脂を充填し、未硬化の当該光硬化性又は熱硬化性樹脂により前記コアの露出した表面を覆ったのち、当該樹脂を硬化させて、前記光導波路の先端部、前記光部品、前記コアの露出した表面及び前記光素子とをクラッド材にて覆うクラッド形成工程と、前記光導波路と、前記光学部品と、前記１又は複数個の光素子と、それらを一体的に接続するように形成した軸状のコア及び前記クラッド材を、前記固定部材から取り外す取外工程と、を有することを特徴とする光モジュールの製造方法である。
ここで、予め形成した光導波路は任意の方法で製造されたものを用いて良い。また、光素子が複数個である場合は、当該光素子の個数よりも１つ少ない分岐がコアに必要なことが導かれる。また、ミラーを用いることで任意個数の屈曲部を形成することもできる。光素子とは発光素子、受光素子、光変調素子、カプラその他の素子を言う。

また、請求項３に記載の手段によれば、請求項１に記載の光モジュールの製造方法において、前記クラッド材は光硬化性又は熱硬化性樹脂であり、未硬化の当該光硬化性又は熱硬化性樹脂により前記コアの露出した表面を覆ったのち、当該樹脂を硬化させることを特徴とする。また、請求項４に記載の手段によれば、請求項１に記載の光モジュールの製造方法において、前記光学部品と、前記１又は複数個の光素子とについてはその主たる部分を前記クラッド材により覆い、前記予め形成した光導波路の出射端近傍も前記クラッド材により覆うことで、それらを固定させることを特徴とする。ここで光学部品と光素子の主たる部分をクラッド材で覆うとは、それらを固定するに十分な程度にクラッド材で覆うことを言い、完全に覆いきるものに限定されない。

また、光導波路と、該光導波路の先端から光を出射して光硬化による自己形成により形成されたコアと、該コアの他端に接合された光素子と、前記光導波路の先端部、前記コア及び前記光素子を一体的に覆って固化又は硬化させた樹脂からなるクラッドとを有する光モジュールとすることができる。また、コアとクラッドは、加熱により重合が進み、その収縮率がクラッドの方が大きいことが望ましい。

本発明により、自己形成形型のコアを用い、当該コアと光素子とが容易には剥離しない光モジュールを提供することが可能となった。本発明によれば光素子は予め位置決めしておけるので、工程を簡略化し、コストを低減することができる。また、筐体を介さずに直接光素子にコアを結合させるので結合効率が向上し、素子寿命を長くでき、且つ特性劣化を抑制させることができる（請求項１、２）。

着脱可能な固定部材は任意の工程で取り外して良いが、未硬化樹脂除去工程の前に取り外せば、未硬化樹脂を適切に除去することができる（請求項１）。クラッド材として光硬化性又は熱硬化性樹脂、特に液状のものを用いると、コアを完全に覆うことが可能であり、コア表面からの光の漏れを抑制することができる（請求項２、３）。クラッド材によってミラー、ハーフミラーその他の光学部品、光素子の主たる部分と予め形成した光導波路の出射端近傍も覆ってしまうことで、破壊しにくい、頑強な光モジュールとすることが可能となる（請求項２、４）。

また、本発明の製法による光モジュールは、筐体を介さずに直接光素子にコアを結合させるので結合効率が向上し、素子寿命を長くでき、且つ特性劣化を抑制させることができる。

本発明を実施するための光学部品等は任意のものを使用することができる。予め形成された光導波路としては、光ファイバ（ＰＯＦ、ＧＯＦ）を好適に用いることができる。しかし、いわゆるファイバ形状のものでなくても、後述する通りの、ビーム状に光を出射可能な光導波路であればその形状は問わない。このうち、ＰＯＦのようにクラッド部分の加工が容易なものを用いると、後述する通り、自己形成型光導波路のクラッド材で当該加工されたＰＯＦのクラッド部分を覆うことで、ＰＯＦが光モジュールから抜けにくくすることが容易である。

コアを形成するための光硬化性樹脂は入手可能な任意のものを用いることができる。例えば特許文献２、３には、２液の混合液として用いる例として、ラジカル重合系、カチオン重合系の光硬化性樹脂及び重合開始剤を列挙しているが、本願のコアを形成するための光硬化性樹脂としては、それら特許文献２、３に記載された光硬化性樹脂の任意の１種類を単独で用いることが可能である。光ファイバのコア端面や光素子の素子面との接着を補強するため、特許文献１のようにシランカップリング材を光硬化性樹脂液に溶解又は分散させて用いても良い。クラッド材についても同様に、特許文献２、３に記載された光硬化性樹脂及び重合開始剤の任意の１種類を単独で用いることが可能であり、その他熱硬化性樹脂を用いても良い。

図１は本発明の製造方法を概念的に示す工程図である。まず、プラスチック製光ファイバ（ＰＯＦ）１、緑色ＰＤ（受光素子）２、赤色ＬＥＤ（発光素子）３及び波長選択性ミラー４を用意する。波長選択性ミラー４は赤色光を反射し、緑色光を透過するものを用いた。ＰＯＦ１のコア端面１１、受光素子２の受光面、発光素子３の発光面、波長選択性ミラー４の反射面を固定し、それ光学部品を着脱可能な固定部材５に各部品を配置する。固定部材５には、ＰＯＦ１のコア端面１１と波長選択性ミラー４の左下面との間、波長選択性ミラー４の右上面と受光素子２の受光面との間、波長選択性ミラー４の左下面と発光素子３の発光面との間に、コアとなる光硬化性樹脂液６を配置することが可能となっている。これらを概念的に図１．Ａのように示す。固定部材５全体の形状とその光硬化性樹脂液６を配置する部分の形状については、図２以降で一例を説明することとし、図１においては概念的に点線で示すに留める。

ＰＯＦ１としてはコア径980μm、NAが0.30のものを用いた。光硬化性樹脂液６として、アクリル樹脂である東亞合成社製「ＵＶＸ−４０３７」を用い、波長４５８ｎｍのレーザ光をＰＯＦ１から光硬化性樹脂液６中に照射すると、波長選択性ミラー４の前後で分岐を有する軸状の硬化物６ｃが形成される。軸状の硬化物６ｃは、ＰＯＦ１のコア端面１１と波長選択性ミラー４の左下面との間、波長選択性ミラー４の右上面と受光素子２の受光面との間、波長選択性ミラー４の左下面と発光素子３の発光面との間をそれぞれ連結するように形成される（図１．Ｂ）。軸状に硬化する要因は、光硬化性樹脂液６が硬化により屈折率が上昇することである。実際、「ＵＶＸ−４０３７」は硬化前屈折率は1.471、硬化後屈折率は1.491である。

この後、固定部材５を取り外し、未硬化の光硬化性樹脂液６を除去する（図１．Ｃ）。この後、例えば別の型等に形成したモジュール主要部を入れ、クラッド材７で周囲を覆って硬化させれば単線双方向光通信可能な光モジュール１００を容易に形成することができる。なお、クラッド材７としては、光硬化性フッ素化アクリル樹脂である大日本インキ化学工業社製「ＯＰ−３８ＺＴ」を用いた。硬化後の屈折率は1.380である。

固定部材５としては、図２．Ａのような、上下２つの型枠Ｍ１及びＭ２の組み合わせを採用した。型枠Ｍ１及びＭ２を組み合わせると、ＰＯＦ１を固定する部分１ｍ、受光素子２を固定する部分２ｍ、発光素子３を固定する部分３ｍ及び波長選択性ミラー４を固定する部分４ｍと、光硬化性樹脂液６を充填する部分６ｍが連続した空洞として形成されるものである。なお、例えば軸状のコア６ｃが直径1μmで形成可能であるので、光硬化性樹脂液６を充填する部分６ｍは、直径2μm程度の大きさとした。本発明はいわゆる射出形成タイプのものではないので、光硬化性樹脂液６を充填する部分６ｍの直径は、軸状のコア６ｃの設計された直径よりも大きくする必要があるからである。

図２．Ａのような固定部材５を用いて、図１の工程図に従ってコア６ｃを形成すると、図２．Ｂのような光モジュール主要部が形成されることとなる。図２．Ｂの構成が図１．Ｃの構成と同一であることは明らかである。なお、図２．Ａにおいては、ＰＯＦ１の抜けを防止するためＰＯＦ１のクラッド部分に２段の鍔状の加工を施している。この加工は、図２．Ａのような固定部材５にＰＯＦ１を固定する場合も、図１．Ｄで示したクラッド材でモジュール全体を覆う場合にも有効に働き、ＰＯＦ１の抜けを防止することができる。

上記のように形成した本発明の光モジュール１００と、比較例として、図４の工程により、同一の光学部品をＰＯＦ９１、赤色ＬＥＤ（発光素子）９７、緑色ＰＤ（受光素子）９８及び波長選択性ミラー９４とし、コアに「ＵＶＸ−４０３７」、クラッドに「ＯＰ−３８ＺＴ」を用いて光モジュール９００を形成して、加速試験を行い、光特性の変化を評価した。結果を図３に示す。なお、図３の縦軸については、加速試験前の状態を０とし、光損失が生じた場合を正、ゲインが生じた場合を負とした。

図３．Ａのように、赤色ＬＥＤ（発光素子）３、９７からＰＯＦ１、９２への赤色光については、本発明の光モジュール１００については、８５℃常湿では光特性の変化がほとんど無い。一方従来の光モジュール９００については、８５℃常湿では光特性が２ｄＢ以上劣化（光量で４０％減少）した。また、本発明の光モジュール１００については、７５℃相対湿度９５％ではゲインが生じた。これは加熱によりコア６ｃ及びクラッド７のいずれについても重合が進み、赤色ＬＥＤ（発光素子）３との結合が向上したためと思われる。また、図３．Ｂのように、緑色ＰＤ（受光素子）２についても、光特性変化は赤色ＬＥＤ（発光素子）３と同様であった。このように、本発明によれば加熱によってはコアと光素子の剥離が生じず、特性劣化が生じない光モジュールを簡便に提供することができる。

尚、７５℃相対湿度９５％でゲインが生じている理由は様々考えられるが、例えば次のような可能性がある。まず、コア６ｃは自己形成的に硬化形成される際には若干の未重合物を包摂した状態である。次にクラッド材７を光硬化させる際、コア６ｃは未重合物が重合する。一方、クラッド材７は光硬化のみではやはり未重合物を包摂した状態である。すると、このような状態の光モジュール１００を加熱状態に置くと、クラッド材７の硬化が進み、コア６ｃの残余の未重合物の重合による体積収縮よりも、クラッド材７の未重合物の重合による体積収縮が大きくなり、コアと光素子の間に圧縮応力が生じる可能性が高い。

上記実施例においては、上下２つの型枠Ｍ１及びＭ２の組み合わせを固定部材５とし、当該固定部材５は未硬化樹脂除去工程において取り外されるものを示したが、本発明の固定部材はこれに限定されるものではない。容易に着想できるように組み合わせによる固定部材は様々に変形でき、例えばクラッド材を硬化させる際に、コア６ｃを硬化させるのに用いた型枠を用いるようにすることも可能である。上記実施例においてはコアを形成する光硬化性樹脂の消費量を抑えるため、光硬化性樹脂液６を充填する部分６ｍの容量を小さいものとしたが、図１．Ａの概念図に示すが如く、当該部分は大きくても構わない。

上記実施例においては固定部材５において各光学部品の位置合わせをしない例を示したが、光学治具を用いて各光学部品の位置合わせをするように構成しても良い。上記実施例においては波長選択性フィルタを１個、発光素子及び受光素子を各々１個としたが、波長選択性フィルタを複数個用いることで、任意個数の発光素子からの光を集約してＰＯＦ等に導く光モジュールとすることも、ＰＯＦ等から任意個数の受光素子に波長を選択し又は選択しないで入射光を分岐させる構成としても良い。

本発明の製造方法を概念的に示す工程図。２．Ａは２つの型枠で構成される固定部材を示す透視図的斜視図、２．Ｂは硬化した光硬化性樹脂から成るコア６ｃにより光学部品が連結された光モジュール主要部を示す斜視図。３．Ａは発光素子との結合についての加速試験による光特性変化を示すグラフ図、３．Ｂは受光素子との結合についての加速試験による光特性変化を示すグラフ図。特許文献１に記載された光モジュールの製造工程を示す工程図。

１：ＰＯＦ
２：受光素子
３：発光素子
４：波長選択性フィルタ
５：固定部材
６：光硬化性樹脂液
６ｃ：硬化した光硬化性樹脂から成るコア
７：クラッド材

Claims

コアを形成する光を放射するための光導波路と、１又は複数個の光素子と、前記光導波路と前記光素子との間の光路に設けられた任意個数のミラー、ハーフミラー、又は、波長選択性ミラーから成る光学部品を、光硬化性樹脂を用いて形成したコアで接続した光モジュールの製造方法において、
前記光導波路と、前記光素子と、前記光学部品とを着脱可能に保持し、且つ未硬化の前記光硬化性樹脂を必要な位置に保持可能な固定部材を用いてこれらを保持する部品固定工程と、
前記光導波路の先端から、前記光硬化性樹脂を硬化させる波長の光を未硬化の前記光硬化性樹脂に出射して、前記前記光硬化性樹脂を軸状に硬化させて、前記光導波路の光出射面に連続して接合され、前記光学部品に接続され、前記光学部品を経由して、前記光素子に接合される軸状のコアを形成するコア形成工程と、
前記光導波路と、前記光学部品と、前記１又は複数個の光素子と、それらを一体的に接続するように形成した軸状のコアを、前記固定部材から取り外す取外工程と、
前記取外工程の後に、前記コアの表面から未硬化の前記光硬化性樹脂を除く未硬化樹脂除去工程と、
前記未硬化樹脂除去工程の後に、前記光導波路の先端部、前記光部品、前記コアの露出した表面及び前記光素子とをクラッド材にて覆うクラッド形成工程と
を有することを特徴とする光モジュールの製造方法。
コアを形成する光を放射するための光導波路と、１又は複数個の光素子と、前記光導波路と前記光素子との間の光路に設けられた任意個数のミラー、ハーフミラー、又は、波長選択性ミラーから成る光学部品を、光硬化性樹脂を用いて形成したコアで接続した光モジュールの製造方法において、
前記光導波路と、前記光素子と、前記光学部品とを着脱可能に保持し、且つ未硬化の前記光硬化性樹脂を必要な位置に保持可能な固定部材を用いてこれらを保持する部品固定工程と、
前記光導波路の先端から、前記光硬化性樹脂を硬化させる波長の光を未硬化の前記光硬化性樹脂に出射して、前記前記光硬化性樹脂を軸状に硬化させて、前記光導波路の光出射面に連続して接合され、前記光学部品に接続され、前記光学部品を経由して、前記光素子に接合される軸状のコアを形成するコア形成工程と、
前記固定部材及び前記コアの表面から未硬化の前記光硬化性樹脂を除く未硬化樹脂除去工程と、
前記固定部材に、光硬化性又は熱硬化性樹脂を充填し、未硬化の当該光硬化性又は熱硬化性樹脂により前記コアの露出した表面を覆ったのち、当該樹脂を硬化させて、前記光導波路の先端部、前記光部品、前記コアの露出した表面及び前記光素子とをクラッド材にて覆うクラッド形成工程と、
前記光導波路と、前記光学部品と、前記１又は複数個の光素子と、それらを一体的に接続するように形成した軸状のコア及び前記クラッド材を、前記固定部材から取り外す取外工程と、
を有することを特徴とする光モジュールの製造方法。
前記クラッド材は光硬化性又は熱硬化性樹脂であり、未硬化の当該光硬化性又は熱硬化性樹脂により前記コアの露出した表面を覆ったのち、当該樹脂を硬化させることを特徴とする請求項１に記載の光モジュールの製造方法。
前記光学部品と、前記１又は複数個の光素子とについてはその主たる部分を前記クラッド材により覆い、前記光導波路の出射端近傍も前記クラッド材により覆うことで、それらを固定させることを特徴とする請求項１に記載の光モジュールの製造方法。