JP4867048B2 - 光素子付き光伝送媒体およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバからの光信号を受光して電気信号に変換する、または電気信号を光信号に変換して光ファイバに出射する光素子を端面に取り付けた光素子付き光伝送媒体とその製造方法に関するものである。

光ファイバを用いた光素子付き光伝送媒体としては、たとえば特許文献１〜４に記載のものが知られており、これによれば、光ファイバと垂直共振器表面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：いわゆる面発光レーザ）、フォトダイオード（ＰＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）などといった光素子とを、別体の光コネクタやガイド基板などを用いることなく実質的に直接接合させることができ、光通信に必要とされる光／電気変換デバイスとも呼べる光モジュールの小型化が可能になる。

ところで、この光ファイバと光素子との間にて光信号の誤りのない伝播を実現させるには、両者の光軸を一致させることが重要であり、またその光軸合わせ処理の簡易化も、製造コストの観点から必須である。

この点に関し、上記特許文献１〜４では、アライメントに関する具体的な手法が開示されていなかったり、開示されていてもいわゆるアクティブアライメントであったりしていた。製造コストを考慮すると、光素子を駆動させずに位置合わせを行うことのできるパッシブアライメントがより好ましい。

これに対し、本発明者らは、新しいアライメント手法を用いた光素子付き光伝送媒体を提案した（特許文献５参照）。この光素子付き光伝送媒体は、光ファイバ等の光伝送媒体の端面に接着剤を付着させ、これに光素子を付着させることにより、セルフアライメント効果、すなわち光素子の自重と接着剤の表面張力によって、光素子が自ら移動して光伝送媒体の中心位置と一致し、これにより高精度な光軸の位置合わせを容易に実現したものである。
特開２００４−１９１３８９号公報 特開２００４−３４２６７５号公報 特開２００２−２８６９７７号公報 特開平４−１５９５０４号公報 特開２００７−１７８０８号公報

特許文献５に記載されたセルフアライメント手法により、光素子と光ファイバ等の光伝送媒体との高精度の位置合わせが実現された。本発明者らは、このセルフアライメント手法に関し、より確実にかつより容易にセルフアライメントを行え、しかも光学的な結合効率をより高めることができないか、さらに検討を重ねた。

本発明は、このような事情のもと、より確実にかつより容易にセルフアライメントによる位置合わせがなされた光素子付き光伝送媒体およびその製造方法を提供することを課題とする。

また、本発明は、光学的な結合効率をより高めた光素子付き光伝送媒体およびその製造方法を提供することをも課題とする。

本発明は、上記の課題を解決するために、以下のことを特徴としている。

第１に、本発明の光素子付き光伝送媒体は、光ファイバと、前記光ファイバの端部に取り付けられ、端部外周にテーパ部が形成されたフェルールと、前記光ファイバと前記フェルールの端面に接着剤によって取り付けられた光素子と、を備える光素子付き光伝送媒体であって、前記フェルールの前記端部外周に形成された前記テーパ部のテーパ角度が２０〜６０度であり、前記テーパ部以外の前記フェルールの端部外径が０．５〜４ｍｍであり、前記テーパ部以外の前記フェルールの端部外径に対する前記フェルールの前記端部の平坦面の外径の比が０．３〜０．９であり、前記光ファイバと前記フェルールの端面において前記光素子の中心が前記光ファイバの中心と一致していることを特徴としている。

第２に、上記第１の光素子付き光伝送媒体において、前記光素子が前記接着剤の中に埋め込まれていることを特徴とする。

第３に、上記第１または第２の光素子付き光伝送媒体において、硬化前の前記接着剤の粘度が１ｍＰａ・ｓ〜１０Ｐａ・ｓであることを特徴とする。

また、第４に、本発明による光素子付き伝送媒体の製造方法は、光ファイバと、前記光ファイバの端部に取り付けられ、端部外周にテーパ部が形成されたフェルールと、前記光ファイバと前記フェルールの端面に、接着剤によって取り付けられた光素子と、を備える光素子付き光伝送媒体の製造方法であって、前記フェルールの前記端部外周に形成された前記テーパ部のテーパ角度を２０〜６０度とし、前記テーパ部以外の前記フェルールの端部外径を０．５〜４ｍｍとし、前記テーパ部以外の前記フェルールの端部外径に対する前記フェルールの前記端部の平坦面の外径の比を０．３〜０．９とし、前記光ファイバと前記フェルールの端面において前記光素子の重さおよび前記接着剤の表面張力によって前記光素子の中心を前記光ファイバの中心に一致させることを特徴としている。

第５に、上記第４の光素子付き光伝送媒体の製造方法において、前記光ファイバと前記フェルールとの端面の前記接着剤に前記光素子が付着された際に前記接着剤の表面張力によって前記光素子が安定した状態で前記光ファイバのコアと一致するように、予め前記光素子と前記コアの位置を設計しておくことを特徴とする。
請求項４に記載の光素子付き光伝送媒体の製造方法。

第６に、上記第４または第５のいずれかの光素子付き光伝送媒体の製造方法において、前記光素子が前記接着剤の中に埋め込まれるように前記光素子を前記接着剤に付着させることを特徴とする。

第７に、上記第４ないし第５のいずれかの光素子付き光伝送媒体の製造方法において、前記接着剤として、硬化前の接着剤の粘度が１ｍＰａ・ｓ〜１０Ｐａ・ｓであるものを用いることを特徴とする。

上記第１および第４の発明によれば、光ファイバの端部に、端部外周にテーパ部が形成
されたフェルールを取り付けたことにより、光ファイバとフェルールの端面に接着剤が付
着する部分を制御することができるため、光素子を接着剤に付着させる際に光素子の重さ
と接着剤の表面張力によって、光素子が自ら移動して光ファイバの中心位置と一致するセ
ルフアライメント効果を促進させ、精度の高い光軸合わせされた光素子付き光伝送媒体が
実現できる。
また、フェルールのテーパ角度、端部外径、端部外径に対する平坦面の外径の比をそれぞれ特定したことにより、より一層セルフアライメント効果が働きやすいものとすることができ、より一層精度の高い光軸合わせされた光素子付き光伝送媒体が実現できる。

上記第５の発明によれば、上記第４の発明の効果に加え、光ファイバとフェルールの端面の接着剤に光素子が付着された際に接着剤の表面張力によって光素子が安定した状態で光ファイバのコアと一致するように、予め光素子とコアの位置を設計したことから、光ファイバとフェルールの端面への取り付けを行うアセンブリ工程では、何ら位置調整を行うことなく、表面張力のセルフアライメント効果のみで良好な位置合わせが実現される。

上記第２および第６の発明によれば、光素子の側面に接着剤が付着し、光素子が接着
剤に埋め込まれた形態になるようにしたので、上記の効果に加え、光素子の受発光点が光
ファイバの端面に自動的に近接し、光学的な結合効率をより高めることができる利点があ
る。

上記第３および第７の発明によれば、硬化前の接着剤の粘度を特定したことから、上
記と同様、接着剤の観点からより一層セルフアライメント効果が働きやすいものとすることができ、より一層精度の高い光軸合わせされた光素子付き光伝送媒体が実現できる。

以下、本発明の実施形態に係る光素子付き光伝送媒体について説明する。

図１は、本実施形態の光素子付き光伝送媒体の要部を示す概略図、図２は、同光素子付き光伝送媒体の製造工程を模式的に示す図である。

本実施形態の光素子付き光伝送媒体１は、光伝送媒体として光ファイバ２を用いる。光ファイバ２はガラス製であっても樹脂製であってもよい。光ファイバ２の端部にはフェルール３が取り付けられる。このフェルール３は端部外周にテーパ部４が形成されている。光ファイバ２とフェルール３の端面５には、図示の如く、接着剤６により光素子７が取り付けられている。

本実施形態では、上記特許文献５と同様、セルフアライメント効果を用いて、光素子７と光ファイバ２の中心との位置合わせを行う。すなわち、光ファイバ２とフェルール３の端面５に接着剤６を付着させ、これに光素子７を付着させることにより、光素子７とが付着され、光素子７の自重と接着剤の表面張力によって、光素子７が自ら移動した光ファイバ２の中心位置と一致し、これにより光軸の位置合わせが精度良くなされたものである。ここで、フェルール３の端部外周にはテーパ部４が形成されていることから、接着剤６の付着部分を制御することができるため、光素子７を付着させる際には端面５に付着した接着剤６の形状は表面張力がセルフアライメント効果を発揮させるために非常に良好な状態となるため、極めて制度の高い光軸の位置合わせを行われたものとすることができる。

フェルール３のテーパ部４のテーパ角度は、セルフアライメント効果が十分働くようにする観点から、２０〜６０度が好ましく、３０〜５０度がより好ましい。なお、本明細書において「テーパ角度」とは、フェルール３の中心軸とテーパ部４の母線とがなす角度をいう。また、テーパ部形成前のフェルール３の外径は、液体接着剤の量と場所をコントロールし、好適な曲面を形成する事が必要であることから、０．５〜４ｍｍが好ましく、１〜３ｍｍがより好ましい。さらに、テーパ部形成前のフェルール３の端部外径に対するフェルール３の端部の平坦面５の外径の比は、液体接着剤の量をコントロールし、好適な曲面を形成する事が必要であることから、０．３〜０．９が好ましく、０．４〜０．８がより好ましい。

本実施形態では、光素子７として、垂直共振器表面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：いわゆる面発光レーザ）、フォトダイオード（ＰＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）などの各種面受光素子、面発光素子を用いることができる。

また、本実施形態では、接着剤６として、セルフアライメント効果がより十分に発揮できるように、硬化前にニュートン流体またはそれに近い流体となり、粘度が１ｍＰａ・ｓ〜１０Ｐａ・ｓのものが好ましく、１０ｍＰａ・ｓ〜１Ｐａ・ｓのものがより好ましい。このような接着剤としては、公知ないし市販の親水性接着剤、疎水性接着剤、熱硬化性接着剤、光硬化性接着の中から上記性質を有するものを選定することができる。

光ファイバ２およびフェルール３の端面５に略半球面状に接着剤を付着させ、これに光素子７を付着、固定する方法としては、ディップコート、インクジェットによる吹き付け等の方法を用いることができ、その接着剤の性質により加熱や光照射等を行えばよい。

さらに、本実施形態では、図１に示すように、光素子７はその側面に接着剤６が付着し、光素子７が接着剤６に埋め込まれた形態になるようにすることが好ましく、このような形態にすると、光素子７の受発光点が図１に示すように（Ｌ１−Ｌ２）だけ光ファイバ２側に近接するため、光学的な結合効率を高めることができる。このような形態とするためには、光素子７と接着剤６の関係が接触角が０〜９０度となる必要がある。

ここで、図２を参照しながら、本実施形態の光素子付き光伝送媒体１の製造方法の一例を述べる。

たとえば、ガラス基板８上に接着剤６として紫外線硬化型接着剤を載せておき、光ファイバ２の端部にフェルール３が取り付けられた構造体を下降させ、その端面５に接着剤６を付着させる（図２（ａ）〜図２（ｂ））。端面５に接着剤６を付着させると、上記構造体を上昇させる。このとき、フェルール３の端部外周にはテーパ部４が形成されているため、接着剤６の付着する部分が制御され、セルフアライメント効果を適切に発揮できる量の接着剤６が端面５に付着する（図２（ｃ））。次に、別の基板９上に載置された光素子７に対して接着剤６が付着されている構造体を硬化させ、光素子７を接着剤６に付着させる（図２（ｄ））。すると、光素子７の自重と適量の接着剤６の表面張力により、光素子７は自ら移動して光ファイバ２の中心と位置合わせを行い、かつ接着剤６内にその側面が付着し、埋め込まれた状態となる（図２（ｅ））。そして、紫外線を照射することにより接着剤６を効果させ、光素子付き光伝送媒体１が作製される。

以上により、何等外部から力を加えることなく、また光素子７を駆動させることもなく、セルフアライメント効果により光ファイバ２と光素子７との光軸合わせが実現する。

また、ＶＣＳＥＬ等の通常の光素子７は小さくて軽いので、重力の影響が接着剤６の表面張力より十分に小さい場合には、図２に例示したように端面５に接着剤６および光素子７をぶら下げて製作するのではなく、端面５を上向きにしてそれに接着剤６および光素子７を順に載せるようにしても作製できる。

また、上述したようにセルフアライメントでは、表面張力によって一番安定となる場所に、つまり接着剤６の表面積が最小となるように光素子７が落ち着くので、本発明においても、光素子７と光ファイバ２は、予め、接着剤６に付着された際に光素子７が一番安定して落ち着いた状態で光ファイバ２の中心と一致する位置、言い換えると、光素子７が接着剤６に付着された際に接着剤６の表面積が最小となる状態で光素子７と光ファイバ２の中心が一致する位置となるように設計する。この位置は具体的には、たとえば、光素子７、光ファイバ２ともに各々の重心点である。

次の本発明の実施例を述べるが、もちろん本発明はこの実施例に限定されるものではない。

クラッド外径が１２５μｍ、コア径が５０μｍの石英製光ファイバの先端外周に、直径２．５ｍｍのジルコニアセラミックス製フェルールを取り付けた。フェルールの端部外周には平坦面直径が２ｍｍとなるようにテーパ部が形成されている（テーパ角度３０度、フェルール平坦面直径と外径の比０．８）。光素子としては縦２５０μｍ、パッド間距離３００μｍのＶＣＳＥＬを用いた。接着剤としては紫外線硬化型樹脂（商品名：ＡＫ−ＳＭＰ−ＳＳ−ＮＯ２；シチズン時計社製）を用い、図２の方法により光素子付き光伝送媒体を作製した。端面から３００μｍのところに光素子が受発光面を光ファイバに向けて光軸の位置合わせがされ、かつ接着剤に埋め込まれた状態となっていた。

この光素子付き光伝送媒体を用い、セルフアライメントを実証した。図３に全光出力とセルフアライメントによる実施例の光出力と電流の関係を示す。図中実線が全光出力、破線が実施例の光出力である。また、図４に実施例の結合効率と電流の関係を示す。光素子と光ファイバの光結合が３０〜４３％程度で可能になっていることが確認された。

本実施形態の光素子付き光伝送媒体の要部を示す概略図である。 同光素子付き光伝送媒体の製造工程を模式的に示す図である。 全光出力とセルフアライメントによる実施例の光出力と電流の関係を示す。 実施例の結合効率と電流の関係を示す。

符号の説明

１ 光素子付き光伝送媒体
２ 光ファイバ
３ フェルール
４ テーパ部
５ 端面
６ 接着剤
７ 光素子

Claims (7)

1. 光ファイバと、
   前記光ファイバの端部に取り付けられ、端部外周にテーパ部が形成されたフェルールと、
   前記光ファイバと前記フェルールの端面に接着剤によって取り付けられた光素子と、を備える光素子付き光伝送媒体であって、
   前記フェルールの前記端部外周に形成された前記テーパ部のテーパ角度が２０〜６０度であり、
   前記テーパ部以外の前記フェルールの端部外径が０．５〜４ｍｍであり、
   前記テーパ部以外の前記フェルールの端部外径に対する前記フェルールの前記端部の平坦面の外径の比が０．３〜０．９であり、
   前記光ファイバと前記フェルールの端面において前記光素子の中心が前記光ファイバの中心と一致していることを特徴とする光素子付き光伝送媒体。
2. 前記光素子が前記接着剤の中に埋め込まれていることを特徴とする請求項１に記載の光素子付き光伝送媒体。
3. 硬化前の前記接着剤の粘度が１ｍＰａ・ｓ〜１０Ｐａ・ｓであることを特徴とする請求項１または２に記載の光素子付き光伝送媒体。
4. 光ファイバと、
   前記光ファイバの端部に取り付けられ、端部外周にテーパ部が形成されたフェルールと、
   前記光ファイバと前記フェルールの端面に、接着剤によって取り付けられた光素子と、を備える光素子付き光伝送媒体の製造方法であって、
   前記フェルールの前記端部外周に形成された前記テーパ部のテーパ角度を２０〜６０度とし、
   前記テーパ部以外の前記フェルールの端部外径を０．５〜４ｍｍとし、
   前記テーパ部以外の前記フェルールの端部外径に対する前記フェルールの前記端部の平坦面の外径の比を０．３〜０．９とし、
   前記光ファイバと前記フェルールの端面において前記光素子の重さおよび前記接着剤の表面張力によって前記光素子の中心を前記光ファイバの中心に一致させることを特徴とする光素子付き光伝送媒体の製造方法。
5. 前記光ファイバと前記フェルールとの端面の前記接着剤に前記光素子が付着された際に前記接着剤の表面張力によって前記光素子が安定した状態で前記光ファイバのコアと一致するように、予め前記光素子と前記コアの位置を設計しておくことを特徴とする請求項４に記載の光素子付き光伝送媒体の製造方法。
6. 前記光素子が前記接着剤の中に埋め込まれるように前記光素子を前記接着剤に付着させることを特徴とする請求項４または５に記載の光素子付き光伝送媒体の製造方法。
7. 前記接着剤として、硬化前の接着剤の粘度が１ｍＰａ・ｓ〜１０Ｐａ・ｓであるものを用いることを特徴とする請求項４ないし６のいずれか一項に記載の光素子付き光伝送媒体の製造方法。

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