JP4504435B2 - 平面光回路部品及びその作製方法 - Google Patents

Description

本発明は、平面光回路部品及びその作製方法に関し、より詳細には、光通信などの分野に適用され、光導波回路基板や基板付光部品を保持基板に接着固定してなる平面光回路部品及びその作製方法に関する。

平面基板上に高い屈折率を有するコアと、このコアを取り囲む低い屈折率を有するクラッドとからなる光導波路、または基板上に固定された受光素子・発光素子などの基板付光部品は、光ファイバと接続させたり、あるいは光部品間で結合させたりすることによって、実用的で高機能な光デバイスを実現することが可能である。このような実用的で高機能な光デバイスとして、低損失かつ機械的強度に優れ、高い信頼性を有する光デバイスを作製するためには、光部品を安定的に把持する固定構造が必要となる。

従来、光導波路の固定方法として、光導波路を保持基板（ホルダー）に接着固定する方法が用いられている。

図９は、従来の光導波路の固定方法を説明するための図で、図中符号４０１は光導波回路基板、４１４は接着剤、４５０は桶状の下部ホルダー、４５０ａはスペーサ部、４５１は上部ホルダーを示している。

この従来の光導波路の固定方法は、所定の機能を有する光回路部と光入出力導波路部とを備えた光導波回路基板４０１を、下部ホルダー４５０及び上部ホルダー４５１に固定するに際し、光回路部を下部ホルダー４５０及び上部ホルダー４５１に対して非接触状態に置くとともに、光入出力導波路部の一部を接着剤４１４により下部ホルダー４５０及び上部ホルダー４５１に固定している。このような従来の光導波路の固定方法では、光回路部に応力を掛けること無く光導波回路基板４０１を固定できるため、低損失で高い機械強度を有する光回路部品を実現することが可能である（例えば、特許文献１参照）。

特開平６−６７０４１号公報

しかしながら、上述した従来の光導波路の固定方法では、光導波回路基板と保持基板とを固定する固定剤（接着剤）の厚さが不均一であり、光導波回路基板が傾いたり、あるいは光導波回路基板と保持基板との間に固定剤がほとんど介在しない部分が存在し、温度サイクルなどの信頼性試験において、両者が剥離するなどの問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、光導波回路基板や、受光素子又は発光素子などを備えた基板付光部品を、接着剤を介して保持基板に固定することによって、光導波回路基板や基板付光部品を精度良く保持基板に固定して高い信頼性を有する平面光回路部品及びその作製方法を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、平面基板上に、高い屈折率を有するコアと、該コアを囲むように形成された低い屈折率を有するクラッドとを備えた光導波回路基板と、該光導波回路基板を固定する保持基板とから構成される平面光回路部品において、前記光導波回路基板は、前記平面基板と前記コア及び前記クラッドとの熱膨張係数の差によって反りを有し、前記保持基板は、前記光導波回路基板との接触面となる基準面と、少なくとも２段以上の深さの異なる段差によって区切られた複数の段差面である接着面とを備え、前記基準面は、前記保持基板上の三角形の頂点となる３箇所に配置され、前記基準面に対して深さの浅い段差面と前記光導波回路基板との間隙に設けられた接着剤により、前記光導波回路基板と前記保持基板とが接着固定され、前記光導波回路基板の前記コアに対向した位置に配置される受光素子又は発光素子と、該受光素子又は発光素子を保持する固定基板とを有する基板付光部品を、前記保持基板上に設け、前記基板付光部品を搭載する部分の前記保持基板が、前記基板付光部品との接触面となる基準面と、少なくとも２段以上の深さの異なる段差によって区切られた複数の段差面である接着面とを備え、前記基準面に対して深さの浅い段差面と前記基板付光部品との間隙に設けられた接着剤により、前記基板付光部品と前記保持基板とが接着固定されていることを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記保持基板の深い段差面に設けられた台座上に、熱伝導材料が設けられていることを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記保持基板の側壁に、前記基準面及び前記接着面を設けたことを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の発明において、前記前記基準面に対して深さの深い段差面を構成する凹部を、前記接着剤の逃げ溝としたことを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、平面基板上に、高い屈折率を有するコアと、該コアを囲むように形成された低い屈折率を有するクラッドとを備えた光導波回路基板と、該光導波回路基板を固定する保持基板とから構成される平面光回路部品の作製方法において、前記光導波回路基板は、前記平面基板と前記コア及び前記クラッドとの熱膨張係数の差によって反りを有し、前記保持基板上の三角形の頂点となる３箇所に、前記光導波回路基板との接触面となる基準面を形成するとともに、少なくとも２段以上の深さの異なる段差によって区切られた複数の段差面である接着面を有する段差部を形成し、前記基準面に対して深さの浅い段差面と前記光導波回路基板との間隙に接着剤を充填して、前記光導波回路基板と前記保持基板とを接着固定し、前記該光導波回路基板の前記コアに対向した位置に配置される受光素子又は発光素子と、該受光素子又は発光素子を保持する固定基板とを有する基板付光部品を、前記保持基板上に形成し、前記基板付光部品を搭載する前記保持基板に、前記基板付光部品との接触面となる基準面を形成するとともに、少なくとも２段以上の深さの異なる段差によって区切られた複数の段差面である接着面を形成し、前記基準面に対して深さの浅い段差面と前記基板付光部品との間隙に接着剤を充填して、前記基板付光部品と前記保持基板を接着固定することを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、前記保持基板の深い段差面に台座を形成し、該台座上に熱伝導材料を設けることを特徴とする。

また、請求項７に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、前記保持基板の側壁に、前記基準面及び前記接着面を形成することを特徴とする。

また、請求項８に記載の発明は、請求項５乃至７のいずれかに記載の発明において、前記基準面に対して深さの深い段差面を構成する凹部を、前記接着剤の逃げ溝とすることを特徴とする。

このような構成により、光導波回路基板や基板付光部品を保持基板に設けられた複数の深さの異なる段差面である接着面の内、最上面を基準面として接するように固定することによって、光導波回路基板や基板付光部品を精度良く固定することが可能となる。さらに、基準面と接着面との段差が接着剤の厚さとして確保されるので、接着剤の硬化時の収縮率と硬化後の硬性を考慮して所望の段差に設定することによって、高い信頼性を有する平面光回路部品を提供することができる。

以上説明したように本発明によれば、保持基板は、光導波回路基板との接触面を有する基準面と、少なくとも２段以上の深さの異なる段差によって区切られた複数の段差面である接着面とを備え、基準部に対して深さの浅い段差面と光導波回路基板との間隙に設けられ接着剤により、光導波回路基板と保持基板とを接着固定したので、保持基板が深さの異なる段差によって区切られて複数の基準面、接着面および逃げ溝を有することによって、光導波回路基板を精度良く保持し、かつ高い信頼性を有するという効果がある。

また、光導波回路基板のコアに対向した位置に配置される受光素子又は発光素子と、受光素子又は発光素子を保持する固定基板とを有する基板付光部品を、光導波回路基板と同様な固定手段で保持基板に設けたので、光導波回路基板のコアの光軸と、基板付光部品の受光素子の中心を２０μｍ以下の精度で合わせることが可能となった。

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
図１乃至図３は、本発明に係る平面光回路部品の実施例１を説明するための構成図で、図１は各要素部品の固定前の構成図、図２は各要素部品の固定後の構成図、図３がその断面図である。図中符号１０１は光導波回路基板、１０２はコア、１０３はクラッド、１０４は平面基板、１１４は接着剤、１２０は保持基板、１２１は基準面、１２２は接着面、１２３は接着剤の逃げ溝を示している。

本発明の平面光回路部品は、石英系の光導波回路基板１０１と保持基板１２０とから構成されていて、光導波回路基板１０１は、平面基板１０４上に、高い屈折率を有するコア１０２と、このコア１０２の周りを囲むように形成された低い屈折率を有するクラッド１０３とを備えている。

また、保持基板１２０は、複数の深さの異なる段差によって区切られた複数の段差面である接着面１２２を有するとともに、両端部に、接着面１２２より一段高く、光導波回路基板１０１との接触面となる基準面１２１が設けられている。

光導波回路基板１０１は、保持基板１２０の基準面１２１となる最上面に密着するようにして固定されている。この固定方法は、まず、保持基板１２０の基準面１２１から見て比較的浅い位置にある段差面である接着面１２２に適量の接着剤１１４を塗布しておき、次に、光導波回路基板１０１と基準面１２１が密着するように位置決めし、接着剤を硬化させることによって、光導波回路基板１０１と保持基板１２０とを固定している。

本実施例１では、粘性が高い弾性接着剤などを充填した場合であっても、光導波回路基板１０１を保持基板１２０に密着する際の抑える位置、抑える圧力によって、接着剤層の厚みが変化することなく、光導波回路基板１０１を安定に固定するため、深い段差面を構成する凹部分を余分な接着剤が逃げる逃げ溝１２３としている。

また、光導波回路基板１０１を保持基板１２０の基準面１２１に接するように抑え込むことによって、塗布された接着剤１１４は、光導波回路基板１０１と保持基板１２０との接着面１２２との間に所望の接着層を形成する。ここで、基準面１２１の面積（幅）を比較的小さくすることによって、基準面１２１上に残る接着剤１１４をできるだけ少なくし、光導波回路基板１０１を安定的に保持基板１２０上に固定することができる。

本実施例１では、基準面１２１の幅ｄ１を１ｍｍとしたが、１０ｍｍ以下であれば、本実施例１と同様の効果があることを確認している。また、接着剤１１４の逃げ溝１２３を複数形成することによって、接着層をセグメント化できるため、小さな抑え圧力で光導波回路基板１０１を保持基板１２０の基準面１２１に密着することが可能となり、かつ接着剤１１４の硬化時の接着層の変化が小さいため、光導波回路基板１０１を所望の高さに固定することが可能である。

光導波回路基板１０１を保持基板１２０に固定する接着層の厚みは、薄すぎると十分な接着力が得られず、また厚すぎると硬化時の収縮幅が大きくなり、光導波回路基板１０１に応力を与えることになるため、適切な接着層厚に制御する必要がある。ここで、接着剤１１４の収縮率を考慮して、接着層を制御することによって、接着剤１１４が収縮した際に、光導波回路基板１０１と保持基板１２０を密着させる効果がある。

本実施例１では、収縮率が数％の接着剤を使用したため、基準面１２１と接着面１２２の段差ｄ２は、図３に示すように、０．０３ｍｍに設定した。また、逃げ溝１２３の段差ｄ３は、０．５ｍｍとした。一般的に、接着剤の収縮率は数％程度であるため、基準面１２１と接着面１２２の段差を０．１ｍｍ以下に設定することが望ましい。

本実施例１において、保持基板１２０は、アルミニウム板を機械加工によって切削して作製し、弾性接着剤で固定することによって、光導波回路基板１０１を保持基板１２０に対して０．０１ｍｍ以下の高さ精度で固定できることが確認できた。さらに、温度サイクル（−４０℃〜７５℃で、１００サイクル）試験後も剥離などの劣化は無いことを確認した。

本実施例１では、保持基板１２０の材料として、アルミニウムを用いたが、他の金属またはプラスチック，セラミックなどの非金属であっても同様の効果を奏する。また、段差を有する面を形成する手段として、機械加工を用いたが、成形加工によっても精度良く作製することが可能である。

［実施例２］
図４及び図５は、本発明に係る平面光回路部品の実施例２を説明するための構成図で、図４は各要素部品の固定前の構成図、図５は各要素部品の固定後の平面光回路部品を温調装置に取付けた図である。図中符号２０１は光導波回路基板、２０２はコア、２０３はクラッド、２０４は平面基板（シリコン基板）、２０５はスラブ導波路、２０６はアレイ導波路、２１３は熱伝導性剤、２１４は接着剤、２２０は保持基板、２２１は基準面、２２２は接着面、２２３は接着剤の逃げ溝、２２４は台座、２３１は放熱板、２３２はペルチェ素子を示している。

本実施例２の平面光回路部品は、光導波回路基板２０１と保持基板２２０とから構成されていて、光導波回路基板２０１は、平面基板２０４上に、高い屈折率を有する石英系ガラスから成るコア２０２と、このコア２０２の周りを囲むように形成された低い屈折率を有するクラッド２０３とを備えている。

一般的にこのような複合材料から成る光導波回路基板２０１は、シリコン基板２０４と光導波路を形成するガラスとの熱膨張係数の差によって、僅かな曲率の反りを有する。光導波回路基板２０１の反りは基板全体で一定の曲率を有しておらず、場所によって曲率が異なっている。そのため、大きな1つの面あるいは４点で光導波回路基板２０１を支持した場合、ガタついて、安定的に固定することが困難である。そこで、本実施例２の保持基板２２０は、基準面２２１として３つの突起状の基準面を設け、光導波回路基板２０１を安定的に支持できるように構成されている。

光導波回路基板２０１には、機能回路として、２つのスラブ導波路２０５とその間をつなぐ複数のアレイ導波路２０６とから成るアレイ導波路格子が形成されている。このアレイ導波路格子は、このアレイ導波路２０５を伝搬する光の光路差を高精度に制御することによって、入射した光を波長毎に分波したり、あるいは合波したりすることが可能な機能回路である。従って、アレイ導波路格子は、環境温度の変化によって分波波長特性が変化しないようにペルチェ素子２３２などを用いて温調する必要がある。

また、光導波回路基板２０１を保持基板２２０に固定する際に応力が掛からないように固定する必要がある。従って、光導波回路基板２０１を保持基板２２０上に固定する際に、アレイ導波路２０６の直下に台座２２４を設け、つまり、深い段差面に台座２２４を設け、その台座２２４に熱伝導性剤２１３を塗布することによって、保持基板２２０と光導波回路基板２０１の熱的な接続を実現した。

台座２２４の高さは、保持基板２２０の基準面２２１および光導波回路基板２０１の反り量を考慮して、光導波回路基板２０１と台座２２４の間隙が０．１ｍｍとなるように作製した。また、この台座２２４は、塗布した熱伝導性剤２１３の量が多い場合に、余分な熱伝導性剤２１３が逃げ溝２２３に流れるように、逃げ溝２２３で囲むように一段高くしている。この逃げ溝２２３は、接着剤または熱伝導性剤で完全に充填されないため、光導波回路基板２０１全面を接着剤または熱伝導性剤で固定したものと比べると基板への応力を小さくする効果がある。

光導波回路基板２０１と保持基板２２０は、台座２２４および接着面２２２にそれぞれ熱伝導性剤および接着剤を塗布した後、光導波回路基板２０１と保持基板２２０に設けられた３つの突起状の基準面とが密着するように固定した。本実施例２の平面光回路部品の有効性を確認するため、放熱板２３１上に固定されたペルチェ素子２３２上に作製した保持基板２２０の裏面が接するように固定して、環境温度に対する分波波長特性を評価した。

その結果、環境温度２０〜６０度において、ペルチェ素子２３２を駆動することによって、光導波回路基板２０１の温度変化は、０．１度以下に保持できることを確認した。また、光導波回路基板２０１を保持基板２２０へ接着固定した際の特性劣化も無いことを確認している。なお、本実施例２で用いた突起状の基準面のサイズは、幅１ｍｍ，長さ２ｍｍ，高さ０．０３ｍｍとした。

［実施例３］
図６乃至図８は、本発明に係る平面光回路部品の実施例３を説明するための構造図で、図６は各要素部品の固定前の構造図、図７は各要素部品の固定後の上面図、図８は各要素部品の固定後の側面図である。

図中符号３０１は光導波回路基板、３０２はコア、３０３はクラッド、３０４は平面基板、３１４は接着剤、３２０は保持基板、３２１は第１の基準面、３２２は第１の接着面、３２３は第１の接着剤の逃げ溝、３２４は第２の基準面、３２５は第２の接着面、３２６は第２の接着剤の逃げ溝、３３０は基板付光部品、３３１は受光素子、３３２は受光素子の固定基板、３４１は第３の基準面、３４２は第３の接着面、３４３は第３の接着剤の逃げ溝、３４４は第４の基準面、３４５は第４の接着面、３４６は第４の接着剤の逃げ溝、３４７は第５の基準面、３４８は第５の接着面、３４９は第５の接着剤の逃げ溝を示している。

本実施例３に係る平面光回路部品は、石英系の光導波回路基板３０１と、固定基板３３２に固定された受光素子３３１から成る基板付光部品３３０と、保持基板３２０とから構成されている。光導波回路基板３０１は、平面基板３０４上に、高い屈折率を有するコア３０２と、このコア３０２の周りを囲むように形成された低い屈折率を有するクラッド３０３とを備えている。

保持基板３２０は、光導波回路基板３０１または基板付光部品３３０の底面および側面と接する部分に複数の深さの異なる段差によって区切られた複数の段差面である接着面を有している。第１と第２の基準面３２１，３２４および第３と第４の基準面３４１，３４４は、光導波回路基板３０１のコア３０２の光軸が、基板付光部品３３０の受光素子３３１の中心に一致するように、それぞれのｙ，ｚ方向の相対高さを高精度に制御して作製した。

光導波回路基板３０１のｘ方向の位置は、第２の基準面３２４を形成する段差の側面を基準にし、基板付光部品３３０は、第５の基準面３４７を用いて支持している。光導波回路基板３０１および基板付光部品３３０と保持基板３２０は、それぞれの接着面３２２，３２４，３４２，３４４，３４８に塗布した接着剤３１４を介して固定している。余分に塗布された接着剤３１４は、逃げ溝３２３，３２６，３４３，３４６に流れ込むことによって、光導波回路基板３０１および基板付光部品３３０を所望の位置で固定することが可能となった。

本実施例３の平面光回路部品によって、光導波回路基板３０１のコア３０２の光軸と、基板付光部品３３０の受光素子３３１の中心を２０μｍ以下の精度で合わせることが可能となった。また、各基準面と接着面との段差を０．０３ｍｍとして接着層の厚さを制御した。作製した平面光回路部品は、温度サイクル試験においても特性劣化が無いことを確認した。

本発明に係る平面光回路部品の実施例１を説明するための構成図である。 各要素部品の固定後の構成図である。 各要素部品の固定後の断面図である。 本発明に係る平面光回路部品の実施例２を説明するための構成図である。 各要素部品の固定後の平面光回路部品を温調装置に取付けた図である。 本発明に係る平面光回路部品の実施例３を説明するための構造図である。 各要素部品の固定後の上面図である。 各要素部品の固定後の側面図である。 従来の光導波路の固定方法を説明するための図である。

符号の説明

１０１，２０１，３０１ 光導波回路基板
１０２，２０２，３０２ コア
１０３，２０３，３０３ クラッド
１０４，２０４，３０４ 平面基板
１１４，２１４，３１４ 接着剤
１２０，２２０，３２０ 保持基板
１２１，２２１ 基準面
１２２，２２２ 接着面
１２３，２２３ 接着剤の逃げ溝
２０５ スラブ導波路
２０６ アレイ導波路
２１３ 熱伝導性剤
２２４ 台座
２３１ 放熱板
２３２ ペルチェ素子
３２１ 第１の基準面
３２２ 第１の接着面
３２３ 第１の接着剤の逃げ溝
３２４ 第２の基準面
３２５ 第２の接着面
３２６ 第２の接着剤の逃げ溝
３３０ 基板付光部品
３３１ 受光素子
３３２ 受光素子の固定基板
３４１ 第３の基準面
３４２ 第３の接着面
３４３ 第３の接着剤の逃げ溝
３４４ 第４の基準面
３４５ 第４の接着面
３４６ 第４の接着剤の逃げ溝
３４７ 第５の基準面
３４８ 第５の接着面
３４９ 第５の接着剤の逃げ溝
４０１ 光導波回路基板
４１４ 接着剤
４５０ 桶状の下部ホルダー
４５０ａ スペーサ部
４５１ 上部ホルダー

Claims (8)

1. 平面基板上に、高い屈折率を有するコアと、該コアを囲むように形成された低い屈折率を有するクラッドとを備えた光導波回路基板と、該光導波回路基板を固定する保持基板とから構成される平面光回路部品において、
   前記光導波回路基板は、前記平面基板と前記コア及び前記クラッドとの熱膨張係数の差によって反りを有し、
   前記保持基板は、前記光導波回路基板との接触面となる基準面と、少なくとも２段以上の深さの異なる段差によって区切られた複数の段差面である接着面とを備え、
   前記基準面は、前記保持基板上の三角形の頂点となる３箇所に配置され、
   前記基準面に対して深さの浅い段差面と前記光導波回路基板との間隙に設けられた接着剤により、前記光導波回路基板と前記保持基板とが接着固定され、
   前記光導波回路基板の前記コアに対向した位置に配置される受光素子又は発光素子と、該受光素子又は発光素子を保持する固定基板とを有する基板付光部品を、前記保持基板上に設け、
   前記基板付光部品を搭載する部分の前記保持基板が、
   前記基板付光部品との接触面となる基準面と、少なくとも２段以上の深さの異なる段差によって区切られた複数の段差面である接着面とを備え、
   前記基準面に対して深さの浅い段差面と前記基板付光部品との間隙に設けられた接着剤により、前記基板付光部品と前記保持基板とが接着固定されていることを特徴とする平面光回路部品。
2. 前記保持基板の深い段差面に設けられた台座上に、熱伝導材料が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の平面光回路部品。
3. 前記保持基板の側壁に、前記基準面及び前記接着面を設けたことを特徴とする請求項１に記載の平面光回路部品。
4. 前記前記基準面に対して深さの深い段差面を構成する凹部を、前記接着剤の逃げ溝としたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の平面光回路部品。
5. 平面基板上に、高い屈折率を有するコアと、該コアを囲むように形成された低い屈折率を有するクラッドとを備えた光導波回路基板と、該光導波回路基板を固定する保持基板とから構成される平面光回路部品の作製方法において、
   前記光導波回路基板は、前記平面基板と前記コア及び前記クラッドとの熱膨張係数の差によって反りを有し、
   前記保持基板上の三角形の頂点となる３箇所に、前記光導波回路基板との接触面となる基準面を形成するとともに、少なくとも２段以上の深さの異なる段差によって区切られた複数の段差面である接着面を有する段差部を形成し、
   前記基準面に対して深さの浅い段差面と前記光導波回路基板との間隙に接着剤を充填して、前記光導波回路基板と前記保持基板とを接着固定し、
   前記該光導波回路基板の前記コアに対向した位置に配置される受光素子又は発光素子と、該受光素子又は発光素子を保持する固定基板とを有する基板付光部品を、前記保持基板上に形成し、
   前記基板付光部品を搭載する前記保持基板に、前記基板付光部品との接触面となる基準面を形成するとともに、少なくとも２段以上の深さの異なる段差によって区切られた複数の段差面である接着面を形成し、
   前記基準面に対して深さの浅い段差面と前記基板付光部品との間隙に接着剤を充填して、前記基板付光部品と前記保持基板を接着固定することを特徴とする平面光回路部品の作製方法。
6. 前記保持基板の深い段差面に台座を形成し、該台座上に熱伝導材料を設けることを特徴とする請求項５に記載の平面光回路部品の作製方法。
7. 前記保持基板の側壁に、前記基準面及び前記接着面を形成することを特徴とする請求項５に記載の平面光回路部品の作製方法。
8. 前記基準面に対して深さの深い段差面を構成する凹部を、前記接着剤の逃げ溝とすることを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載の平面光回路部品の作製方法。

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