JP4544210B2

JP4544210B2 - 光モジュール及びその製造方法

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Publication number: JP4544210B2
Application number: JP2006171087A
Authority: JP
Inventors: 明子村松; 幸利伊縫; 和宏寺田; 隆前野
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2006-06-21
Filing date: 2006-06-21
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2026-06-21
Also published as: JP2008003197A

Description

本発明は、液状の光硬化性樹脂を自己集光的に硬化させて軸状のコアを形成することにより得られる、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。

また、特許文献４のように、コア形成用の第１の型枠（固定部材）を用い、コアを自己集光的に硬化させて形成した後に、コアで互いに接続された光ファイバ、フィルタ（波長選択性ミラー）、受発光素子を第１の型枠（固定部材）から取り出して、第２の型枠にはめて、全体を光重合性のクラッド材で包むようにして光モジュールを作成することも提案している。以下、特許文献４の技術を説明する。

図２は、特許文献４による光モジュール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、並びに、赤色光を反射し緑色光を透過する波長選択性ミラー４を用意する。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、それら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２．Ａのように示した。

光硬化性樹脂液６として、アクリル樹脂を用い、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２．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、自己集光的に硬化光が収斂するからである。

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２．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９００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を用いることができる（図２．Ｄ）。
特開２００２−３６５４５９特開２００２−１６９０３８特開２００４−１４９５７９特開２００５−３４７４４１

特許文献４の技術で形成された光モジュール９００は、波長選択性ミラー４としてガラス基板に誘電体多層膜を積層した光学フィルタ部材を用いている。即ち、波長選択性ミラー４（光学フィルタ部材）はそのほとんどがガラスでできており、その周囲の樹脂から成るクラッド材７とは熱膨張係数が大きく異なる。実際、ガラスの線膨張係数は１０×１０^-6／Ｋ以下、クラッド材７の樹脂は〜８０×１０^-6／Ｋ程度である。すると例えば８０℃以上に加熱すると、クラッド材７の膨張が、波長選択性ミラー４（光学フィルタ部材）の膨張より大きいことから、波長選択性ミラー４（光学フィルタ部材）表面においてクラッド材７がコア６ｃと共に剥離し、コア６ｃと波長選択性ミラー４（光学フィルタ部材）との接合面が乖離するので、使用時に大きな光損失が生じる問題があった。

そこで本発明は、自己形成光導波路を用いた光モジュールであって、加熱、更には低温及び高温での熱履歴に対し、コアと、波長選択性ミラーその他の光学フィルタ部材等との接合面が乖離しない光モジュールを提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、外部と接続可能な光ファイバと、１個以上の受発光素子と、光学フィルタ部材とを有し、光ファイバのコア端面と光学フィルタ部材の面とに接合し、光学フィルタ部材の面と受発光素子の受発光面とに接合する光硬化性樹脂を自己集光的に硬化させた軸状のコアとを有する光モジュールにおいて、コアを形成する時に光ファイバと受発光素子と光学フィルタ部材とを支えるための固定部材とは異なる別体の中空部を有する枠状又は殻状の保持部材と、コアと光ファイバ及び受発光素子及び光学フィルタ部材との接合面以外のコアの表面を覆うクラッド膜と、を有し、保持部材は、光ファイバのクラッド部及びコア端面と、受発光素子とを内部に保持し、光学フィルタ部材は、保持部材と接合されず、保持部材によっては保持されることなく、中空部に光学フィルタ部材が軸状のコアにより保持されていることを特徴とする光モジュールである。尚、受発光素子とは、受光素子及び／又は発光素子を意味する。また、光学フィルタ部材とは、特定波長光を透過し、又は透過せず、或いは反射するような光学素子を言うものである。尚、使用される全波長光を透過し、或いは全波長光を反射するものも含まれるものとする。

請求項２に係る発明は、中空部に保持されている光学フィルタ部材の主たる構成材料の熱膨張係数は、保持部材の熱膨張係数と２倍以上異なることを特徴とする。請求項３に係る発明は、光学フィルタ部材は、透明基板に誘電体多層膜を形成したものであって、特定波長の光の透過率が９０％以上であり、他の特定波長の光の反射率が９０％以上であることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、外部と接続可能な光ファイバと、１個以上の受発光素子と、光学フィルタ部材とを有し、光ファイバのコア端面と光学フィルタ部材の面とに接合し、光学フィルタ部材の面と受発光素子の受発光面とに接合する光硬化性樹脂を自己集光的に硬化させた軸状のコアとを有する光モジュールの製造方法において、光ファイバと、受発光素子と、光学フィルタ部材とを固定部材により着脱可能に保持する部品固定工程と、固定部材に、未硬化の光硬化性樹脂を充填する樹脂充填工程と、光ファイバのコア端面から、光硬化性樹脂を硬化させる波長の光を未硬化の光硬化性樹脂に出射して、光硬化性樹脂を軸状に硬化させて、光ファイバのコア端面と光学フィルタ部材の面とに接合し、光学フィルタ部材の面と受発光素子の受発光面とに接合するコアにて接続する軸状のコアを形成するコア形成工程と、固定部材から、コアにより連結された光ファイバ、光学フィルタ部材、受発光素子を取り外す取外工程と、取外工程で取り外されたコアの表面から未硬化の光硬化性樹脂を除く未硬化樹脂除去工程と、コアの露出した表面に光硬化性樹脂を滴下して、コアの表面をクラッド膜にて覆うクラッド膜形成工程と、光学フィルタ部材を中空部に位置させて、保持することなく、クラッド膜にて覆われたコアにより接合された、光ファイバ及び受発光素子を、保持部材形成用型枠により、保持する型枠保持工程と、保持部材形成用型枠に樹脂を充填させて、光学フィルタ部材とは接触しない、枠状又は殻状の保持部材を形成する保持部材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。

本発明によれば、光学フィルタ部材は保持部材と直接接合してないので、クラッド膜に覆われたコアと光学フィルタ部材との接合面も保持部材とは接触しない。すると、保持部材の熱膨張係数と光学フィルタ部材の主たる構成材料の熱膨張係数が大きく異なっても、保持部材がもともと光学フィルタ部材に接していないので、保持部材と光学フィルタ部材とが剥離する現象は生じない。すると、従来のような、保持部材（クラッド材を兼ねる場合を含む）が光学フィルタ部材と接触しているために、保持部材と光学フィルタ部材とが剥離する際に保持部材共々コアが光学フィルタ部材から剥離することも無い。このような保持部材は、中空部を有してその中空部に光学フィルタ部材がクラッド膜を有するコアで保持されるように配置すれば良い。尚、クラッド膜は適宜省略可能である（以上、請求項１乃至３）。また、コアで各構成物品を接続した後に、保持部材を、光学フィルタ部材と接触しないように他の構成物品を保持するように形成すれば良い（請求項４）。尚、光学フィルタ部材は、特定波長光をほとんど反射し、他の特定波長光をほとんど透過するようにすれば、上記各特許文献に記載されたような分岐を有する光モジュールを作成できる（請求項３）。尚、コア形成の際の硬化波長光を、例えば半反射且つ半透過するように、光学フィルタ部材を設計することは困難ではない。

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。予め形成された挿入光導波路としては、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。尚、フェルール等の、ファイバの保持部品を適宜用いても良く、そのような場合も本願発明に当然包含される。

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。クラッド膜、保持部材についても同様に、特許文献２、３に記載されたクラッド材のための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は本発明による光モジュールの製造方法を概念的に示す工程図である。尚、図１．Ａから図１．Ｃ迄は、特許文献４の内容を示した図２．Ａ乃至図２．Ｃと同様であって、特許文献４の技術がそのまま使用できる。まず、プラスチック製光ファイバ（ＰＯＦ、挿入光導波路）１、緑色ＰＤ（受光素子）２、赤色ＬＥＤ（発光素子）３、並びに、赤色光を反射し緑色光を透過する波長選択性ミラー（光学フィルタ部材）４を用意する。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、それら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のように示した。尚、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。

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）。この際、少なくともコアである軸状の硬化物６ｃ表面を適当な溶剤等により洗浄した上、当該溶剤等を乾燥により除去し、且つＵＶ光によりコアである軸状の硬化物６ｃ内部の未硬化物を完全に硬化させた。次に、コアである軸状の硬化物６ｃ表面をクラッド材で覆ってＵＶ光により硬化させ、コアである軸状の硬化物６ｃ表面がクラッド膜７ｓで被覆された。これは液状のクラッド材に浸漬し、或いはクラッド材を滴下させることで可能である。なお、クラッド材としては、光硬化性フッ素化アクリル樹脂である東亞合成社製のＵＶＸ−４７５１を用いた（図１．Ｄ）。

次に、図示しない第２の固定部材（保持部材形成用型枠）に、クラッド膜７ｓで被覆されたコアである軸状の硬化物６ｃにより接続されたＰＯＦ１（そのコア端面１１）、波長選択性ミラー４、受光素子２及び発光素子３を固定し、液状の保持部材を硬化させて、枠状にＰＯＦ１（そのコア端面１１）、受光素子２及び発光素子３を保持するように保持部材８を形成した。この際、第２の固定部材（保持部材用形成用型枠）を好適に設計することで、少なくとも波長選択性ミラー４には液状の保持部材が接触せず、且つ硬化後の保持部材８も波長選択性ミラー４には直接接触することはなかった。尚、保持部材８は、クラッド材と同様に光硬化性フッ素化アクリル樹脂である東亞合成社製のＵＶＸ−４７５１を用いた。

こうして、矩形の輪環状の保持部材８の中空部Ｖに、クラッド膜７ｓで被覆されたコアである軸状の硬化物６ｃにより保持されて波長選択性ミラー４が配置された、光モジュール１００を形成した（図１．Ｅ）。

〔比較例〕
比較のため、実施例１の光モジュール１００と同じ構成物品及び光硬化性樹脂を用いて、図２に示した特許文献４の技術による光モジュール９００を構成した。これら光モジュール１００と光モジュール９００は、コアである軸状の硬化物６ｃの形状及び大きさはほぼ同一であり、光モジュールとしての機能はほぼ等しかった。

〔熱履歴前後での光損失の変化〕
実施例１の光モジュール１００と、比較例の光モジュール９００とを、次の条件で熱履歴を加えて、熱履歴を加える前後での光損失の変化を測定した。熱履歴は、−４０℃で４０分保持と８５℃で４０分保持を、昇降温時間を含めて１サイクルを１．５時間で１００サイクル繰り返すものとした。このような熱履歴を加えたところ、実施例１の光モジュール１００の光損失の増加は０．３８ｄＢに留まったが、比較例に係る光モジュール９００の光損失の増加は２．３０ｄＢと大きかった。

これは上記熱履歴により、比較例ではクラッド材７と光学フィルタ部材４間での熱膨張係数差に基づく剥離が生じ、クラッド７が光学フィルタ部材４から剥離する際に、コア６ｃ共々剥離したからと考えられる。即ち、比較例の光モジュール９００は、コア６ｃと光学フィルタ部材４との間で接合が途切れていることとなる。一方本願実施例は、そのような剥離が生じ得ないので、光出力の低下はわずかであったものと考えられる。

本発明の光モジュールの製造方法を概念的に示す工程図。特許文献４における光モジュールの製造方法を概念的に示す工程図。

１００：光モジュール
１：ＰＯＦ
２：受光素子
３：発光素子
４：波長選択性ミラー（光学フィルタ部材）
５：固定部材
６：未硬化の光硬化性樹脂液
６ｃ：硬化した光硬化性樹脂から成るコア
７：クラッド材
７ｓ：コア６ｃを覆うクラッド膜
８：矩形の輪環状の保持部材
Ｖ：保持部材８内側の中空部

Claims

外部と接続可能な光ファイバと、１個以上の受発光素子と、光学フィルタ部材とを有し、前記光ファイバのコア端面と光学フィルタ部材の面とに接合し、光学フィルタ部材の面と前記受発光素子の受発光面とに接合する光硬化性樹脂を自己集光的に硬化させた軸状のコアとを有する光モジュールにおいて、
前記コアを形成する時に前記光ファイバと前記受発光素子と前記光学フィルタ部材とを支えるための固定部材とは異なる別体の中空部を有する枠状又は殻状の保持部材と、
前記コアと前記光ファイバ及び前記受発光素子及び前記光学フィルタ部材との接合面以外の前記コアの表面を覆うクラッド膜と、
を有し、
前記保持部材は、前記光ファイバのクラッド部及びコア端面と、前記受発光素子とを内部に保持し、
前記光学フィルタ部材は、前記保持部材と接合されず、前記保持部材によっては保持されることなく、前記中空部に前記光学フィルタ部材が前記軸状のコアにより保持されていることを特徴とする光モジュール。
前記中空部に保持されている前記光学フィルタ部材の主たる構成材料の熱膨張係数は、前記保持部材の熱膨張係数と２倍以上異なることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
前記光学フィルタ部材は、透明基板に誘電体多層膜を形成したものであって、
特定波長の光の透過率が９０％以上であり、他の特定波長の光の反射率が９０％以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光モジュール。
外部と接続可能な光ファイバと、１個以上の受発光素子と、光学フィルタ部材とを有し、前記光ファイバのコア端面と光学フィルタ部材の面とに接合し、光学フィルタ部材の面と前記受発光素子の受発光面とに接合する光硬化性樹脂を自己集光的に硬化させた軸状のコアとを有する光モジュールの製造方法において、
前記光ファイバと、前記受発光素子と、前記光学フィルタ部材とを固定部材により着脱可能に保持する部品固定工程と、
前記固定部材に、未硬化の光硬化性樹脂を充填する樹脂充填工程と、
前記光ファイバのコア端面から、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、前記光硬化性樹脂を軸状に硬化させて、前記光ファイバのコア端面と光学フィルタ部材の面とに接合し、光学フィルタ部材の面と前記受発光素子の受発光面とに接合するコアにて接続する軸状のコアを形成するコア形成工程と、
前記固定部材から、前記コアにより連結された前記光ファイバ、前記光学フィルタ部材、前記受発光素子を取り外す取外工程と、
前記取外工程で取り外された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、
前記コアの露出した表面に光硬化性樹脂を滴下して、前記コアの表面をクラッド膜にて覆うクラッド膜形成工程と、
前記光学フィルタ部材を中空部に位置させて、保持することなく、前記クラッド膜にて覆われた前記コアにより接合された、前記光ファイバ及び前記受発光素子を、保持部材形成用型枠により、保持する型枠保持工程と、
前記保持部材形成用型枠に樹脂を充填させて、前記光学フィルタ部材とは接触しない、枠状又は殻状の保持部材を形成する保持部材形成工程と
を有することを特徴とする光モジュールの製造方法。