JP4979649B2 - 光モジュールの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は発光素子及び／又は受光素子を合計２個以上有し、光ファイバに接続可能な光モジュールの製造方法に関する。本明細書では、発光素子と受光素子を包括的に受発光素子と称する。

本発明者らは、自己形成光導波路を多数開発し、出願している（特許文献１乃至４他）。ここで自己形成光導波路とは、液状の光硬化性樹脂に例えば光ファイバから当該樹脂を硬化させうる波長の光を照射することで、当該樹脂が自己集光的に硬化することを利用した、軸状のコアを用いた光導波路である。
その他、本願発明の技術分野の公報として、特許文献５乃至１０を挙げる。
特許第３４４４３５２号 特許第３８４１６５６号 特開２００４−１４９５７９号公報 特開２００７−２６４２８６号公報 特開平６−２０８０３５号公報 特開２００４−２４０３１５号公報 特開２００２−６２４５８号公報 特開２００５−２３４４５５号公報 特開２００６−３０６０５号公報 特開２００１−３２４６３１号公報

例えば本発明者らは、特許文献４の技術を開発した。この技術は、光硬化性樹脂を硬化させてクラッドを形成する際、言わば型を用いて、クラッド表面に、のちに装着する受発光素子の位置合わせのためのガイドピンを形成するものである。しかし樹脂の収縮率から、若干の問題がある。一般に光硬化性樹脂は硬化の際に数％程度の収縮を伴うことから、異なる樹脂毎に異なるサイズのガイドピン形状が生まれやすい。
特許文献５及び６の技術は、受発光素子と光導波路の間を光硬化性樹脂を用いて簡易に光導波路で接続する技術である。この技術においては光導波路作製の位置精度の問題が挙げられる。一般にフォトマスクなどを用いて位置あわせを行うにはコストのかかる位置決め機構が必要となる。
他に特許文献７乃至１０は、光導波路等の光回路と受発光素子等の光学素子間の位置決めを簡易に行う方法を開示している。しかし、いずれも作製済みの光導波路と光学素子間の簡易接続を目的するものであり、光導波路の作製自体を主題とするものではない。

本発明者らは、光学フィルタを介して分岐を有する光モジュールのコアを形成する方法として、全ての分岐の方向から光学フィルタに向けて樹脂の硬化光を照射することを着想し、そののち所望の受発光素子に置換するための技術を開発した。この際、透明容器を用いず、受発光素子と光導波路のコアを直接接触させることに成功した。

請求項１に係る発明は、筐体と、異なる２つの波長帯域の、一方の波長帯域に対しては高透過性、一方の波長帯域に対しては高反射性である光学フィルタと、光硬化性樹脂の硬化物から成り、分岐を形成する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、筐体は、水平方向に向かい合う２つの光ファイバコネクタ挿入口と、分岐用の光ファイバコネクタ挿入口とを有し、光学フィルタを水平方向に向かい合う２つの光ファイバコネクタ挿入口の間に保持可能であり、且つ３つの光ファイバコネクタ挿入口に全て光ファイバコネクタを挿入した場合には、液状の光硬化性樹脂を保持可能となる液体保持領域を有するものであり、それぞれの光ファイバコネクタの形状は、それぞれの光ファイバコネクタが挿入される光ファイバコネクタ挿入口の形状と同一であり、筐体に、光学フィルタと、３つの光ファイバの装着された３つのコネクタを３つの光ファイバコネクタ挿入口に挿入し、液体保持領域に液状の光硬化性樹脂を満たし、３つの光ファイバから光硬化性樹脂を硬化させうる波長の光を液体保持領域に満たされた液状の光硬化性樹脂に導入して、自己形成的に軸状のコアを形成して、３つの光ファイバの各々の端面から光学フィルタとをコアで接続したのち、３つの光ファイバの装着されたコネクタのうち少なくとも２つの光ファイバの装着されたコネクタを抜き出し、当該光ファイバの装着されたコネクタを抜き出された光ファイバコネクタ挿入口に、光ファイバコネクタ挿入口の形状と同一形状を有した、光学フィルタの特性と対応させた波長帯域の発光素子又は受光素子を、それらの素子の中心軸が形成されたコアの中心軸に一致するように取り付けることを特徴とする光モジュールの製造方法である。
ここで高反射性であるとは、当該フィルタに入射した光の５０％以上が反射する、即ち反射光の減衰量が３ｄＢ以下であるものを言うものとする。また高透過性であるとは、当該フィルタに入射した光の５０％以上が透過する、即ち透過光の減衰量が３ｄＢ以下であるものを言うものとする。さらには、７５％以上が反射又は透過する（減衰量が１．２５ｄＢ以下）ものが好ましく、８５％以上が反射又は透過する（減衰量が０．７ｄＢ以下）ものがより好ましい。
また、光学フィルタの特性と対応させた波長帯域の発光素子又は受光素子とは、光学フィルタと発光素子又は受光素子の位置関係により、光学フィルタで反射するか透過するかが決まる。これにより、光学フィルタで反射した光に対応すべき位置にある発光素子又は受光素子は、光学フィルタで反射される波長帯域に対応するものが必要である。同様に、光学フィルタで透過した光に対応すべき位置にある発光素子又は受光素子は、光学フィルタで透過される波長帯域に対応するものが必要である。

請求項２に係る発明は、軸状のコアを形成したのち、当該コアを覆い、当該コアの屈折率よりも低い屈折率を有するクラッドを形成することを特徴とする。
請求項３に係る発明は、液体保持領域は、軸状のコアの形状に沿って、軸状のコアよりも太い溝状であることを特徴とする。
請求項４に係る発明は、液体保持領域の底部に未硬化の液状の光硬化性樹脂を抜き出すための孔を有し、コアの形成時には当該孔も塞いだ上で液体保持領域を形成することを特徴とする。
請求項５に係る発明は、抜き出す予定の光ファイバの装着されたコネクタには、液状の光硬化性樹脂との接触面に予め剥離剤又は離型剤を塗布した上で光ファイバコネクタ挿入口に挿入することを特徴とする。

光ファイバコネクタ挿入口の形状及びそこに挿入すべき光ファイバコネクタの形状を、のちに用いる受発光素子と同様にしておく。例えば受発光素子と光ファイバコネクタがいずれも円筒形状であればその径を等しくし、例えば受発光素子の高さを筐体の光ファイバコネクタ挿入口の深さと一致させておく。これにより、コア形成時の光ファイバを固定するためのコネクタの挿入口を、そのまま受発光素子の装着口として用いることが可能となる。また、光軸合わせも容易となり、光ファイバから硬化光を照射した位置、即ち形成されたコアの中心軸に、のちに装着する受発光素子の中心軸を合わせることが容易となる。
本発明により、受発光素子の光モジュールのコアに対するパッシブ実装が可能となる。受発光素子は光モジュール内部のコアに近接するので、光損失も低減できる。
また、本発明の製造方法においては、のちに受発光素子を挿入すべき位置に、コア形成時に挿入する光ファイバコネクタを、何度でも使用できるので、大量生産に適している。

コアを覆うようにクラッドを形成すると、コアの強度を補うことができる。
また、未硬化の液状の光硬化性樹脂は排出し、例えば破棄されるので、液体保持領域をできるだけ小さくすることは、コスト面から好ましい。この点で、コアを形成する領域は、コアの形状に沿った、コアよりも太い溝状に形成しておくと良い。なお、光学フィルタ付近で光ハンダ効果により言わば瘤状の硬化物を形成する恐れがあるので、溝の径はコア径の設計値よりも大きいことが望ましい。
液体保持領域に１個又は複数個の孔を形成しておくと、液状の光硬化性樹脂の充填／排出を迅速に行うことができる。洗浄の必要がある場合、有機溶剤等の洗浄液も排出が容易となる。
いわゆる剥離剤又は離型剤と呼ばれる、他の樹脂等表面との親和性が強力でないものをコネクタ表面に塗布しておくと、樹脂硬化物がコネクタ表面や光ファイバ端面に強固に接着しない。よってコネクタの抜き出しが容易となり、また、コアの破壊を防ぐことができる。

本発明に係る筐体の材料は、如何なる材料を用いても良い。透明性は要求されないからである。好適には、エンジニアリングプラスチックを用いることができる。
光学フィルタは、任意に設計、製造して良い。ガラス基板等の透明基板の一方の面に、例えば誘電体多層膜から成る波長選択性反射膜を形成すると良い。
本発明に係る自己形成光導波路の作製方法は、特許文献１乃至４に記載の任意の技術を用いて良く、公知の如何なる技術をも排除するものではない。また、光硬化性樹脂としては特許文献３に記載の任意の材料を用いて良く、公知の如何なる材料をも排除するものではない。特許文献３に記載された光硬化性樹脂は次のものである。

構造単位中にフェニル基等の芳香族環を一つ以上含んだものが高屈折率、脂肪族系のみからなる場合は低屈折率となる。屈折率を下げるために構造単位中の水素の一部をフッ素に置換したものであっても良い。
脂肪族系としてはエチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール、プロピレングリコール、ジプロピレングリコール、トリプロピレングリコール、テトラプロピレングリコール、ネオペンチルグリコール、1,3-プロパンジオール、1,4-ブタンジオール、1,5-ペンタンジオール、1,6-ヘキサンジオール、トリメチロールプロパン、ペンタエリスリトール、ジペンタエリスリトール等の多価アルコール。
芳香族系としてはビスフェノールＡ、ビスフェノールＳ、ビスフェノールＺ、ビスフェノールＦ、ノボラック、o-クレゾールノボラック、p-クレゾールノボラック、p-アルキルフェノールノボラック等の各種フェノール化合物等。
これら、あるいはこれらから任意に１種乃至複数種選択された多価アルコールのオリゴマー（ポリエーテル）の構造を有する比較的低分子（分子量３０００程度以下）骨格に、反応基として次の官能基等を導入したもの。
〔ラジカル重合性材料〕
ラジカル重合可能なアクリロイル基等のエチレン性不飽和反応性基を構造単位中に１個以上、好ましくは２個以上有する光重合性モノマー及び／又はオリゴマー。エチレン性不飽和反応性基を有するものの例としては、（メタ）アクリル酸エステル、イタコン酸エステル、マレイン酸エステル等の共役酸エステルを挙げることができる。
〔カチオン重合性材料〕
カチオン重合可能なオキシラン環（エポキシド）、オキセタン環等の反応性エーテル構造を構造単位中に１個以上、好ましくは２個以上有する、光重合性のモノマー及び／又はオリゴマー。オキシラン環（エポキシド）としては、オキシラニル基の他、3,4-エポキシシクロヘキシル基なども含まれる。またオキセタン環とは、４員環構造のエーテルである。

〔ラジカル重合開始剤〕
ラジカル重合性モノマー及び／又はオリゴマーから成るラジカル重合性材料の重合反応を光によって活性化する化合物である。具体例としては、ベンゾイン、ベンゾインメチルエーテル及びベンゾインプロピルエーテル等のベンゾイン類、アセトフェノン、2,2-ジメトキシ-2-フェニルアセトフェノン、2,2-ジエトキシ-2-フェニルアセトフェノン、1,1-ジクロロアセトフェノン、1-ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、2-メチル-1-(4-(メチルチオ)フェニル)-2-モルホリノプロパン-1-オン及びN,N-ジメチルアミノアセトフェノン等のアセトフェノン類、2-メチルアントラキノン、1-クロロアントラキノン及び2-アミルアントラキノン等のアントラキノン類、2,4-ジメチルチオキサントン、2,4-ジエチルチオキサントン、2-クロロチオキサントン及び2,4-ジイソプロピルチオキサントン等のチオキサントン類、アセトフェノンジメチルケタール及びベンジルジメチルケタール等のケタール類、ベンゾフェノン、メチルベンゾフェノン、4,4'-ジクロロベンゾフェノン、4,4'-ビスジエチルアミノベンゾフェノン、ミヒラーズケトン及び4-ベンゾイル-4'-メチルジフェニルサルファイド等のベンゾフェノン類、並びに2,4,6-トリメチルベンゾイルジフェニルホスフィンオキシド等が挙げられる。尚、ラジカル重合開始剤は単独で使用しても、２種以上を併用しても良く、また、これらに限定されることはない。
〔カチオン重合開始剤〕
カチオン重合性モノマー及び／又はオリゴマーから成るカチオン重合性材料の重合反応を光によって活性化する化合物である。具体例としては、ジアゾニウム塩、ヨードニウム塩、スルホニウム塩、セレニウム塩、ピリジニウム塩、フェロセニウム塩、ホスホニウム塩、チオピリニウム塩が挙げられるが、熱的に比較的安定であるジフェニルヨードニウム、ジトリルヨードニウム、フェニル(p-アニシル)ヨードニウム、ビス(p-t-ブチルフェニル)ヨードニウム、ビス(p-クロロフェニル)ヨードニウムなどの芳香族ヨードニウム塩、ジフェニルスルホニウム、ジトリルスルホニウム、フェニル(p-アニシル)スルホニウム、ビス(p-t-ブチルフェニル)スルホニウム、ビス(p-クロロフェニル)スルホニウムなどの芳香族スルホニウム塩等のオニウム塩光重合開始剤が好ましい。芳香族ヨードニウム塩および芳香族スルホニウム塩等のオニウム塩光重合開始剤を使用する場合、アニオンとしてはBF₄ ^-、AsF₆ ^-、SbF₆ ^-、PF₆ ^-、B(C₆F₅)₄ ^-などが挙げられる。尚、カチオン重合開始剤は単独で使用しても、２種以上を併用しても良く、また、これらに限定されることはない。

なお、コネクタと接触する光硬化性樹脂面に対し、コネクタの形状を転写することが可能である。例えばクラッド端面に光学機能を付与できる。例えばクラッド部分にグレーティング構造を転写することにより余分な光がモジュール内に入射することを防ぐことが可能となる。実際、コネクタの材質としてアルミニウムを用い、コネクタ加工時のフライス溝が転写されていることを確認している。
剥離剤又は離型剤は、光硬化性樹脂とコネクタ及び光ファイバとの関係を考慮して適切なものを選択すると良い。例えばフッ素系樹脂（ペルフルオロアルキル基を有するもの等）から成るコーティング剤、特にテフロン（登録商標）系のような全フッ素化ポリマーを塗布すると良い。これにより、受発光素子と相対する、コア及びクラッドの端面の荒れによる散乱が少なくなる。

図１は本発明の具体的な一実施例に係る光モジュール１００の製造方法を示す工程図（断面図、一部平面図）である。
まず、図１．Ａのように、水平方向に向かい合う２つの光ファイバコネクタ挿入口１３ａ及び１３ｃと、分岐用の光ファイバコネクタ挿入口１３ｂとを有し、光学フィルタを水平方向に向かい合う２つの光ファイバコネクタ挿入口１３ａ及び１３ｃの間に保持可能であり、３つの光ファイバコネクタ挿入口１３ａ、１３ｂ及び１３ｃに全て光ファイバコネクタを挿入した場合には、液状の光硬化性樹脂を保持可能となる液体保持領域１４を有する筐体１０を用意する。
次に、図１．Ｂに示すように、異なる２つの波長帯域の、一方の波長帯域に対しては高透過性、一方の波長帯域に対しては高反射性である光学フィルタ２０と、通信用の光ファイバ３０ａを挿入する。光ファイバ３０ａは、コネクタ３１ａを用いることにより、光ファイバコネクタ挿入口１３ａを完全に塞ぐものである。光ファイバ３０ａのコア端面３０ａ−ｃｆは、筐体１０の液体保持領域１４内で露出し、光学フィルタ２０と相対する。

次に、光ファイバ３０ｂ及び３０ｃを、コネクタ３１ｂ及び３１ｃを用いて、光ファイバコネクタ挿入口１３ｂ及び１３ｃに装着する（図１．Ｃ）。光ファイバ３０ｂ及び３０ｃは、コネクタ３１ｂ及び３１ｃを用いることにより、光ファイバコネクタ挿入口１３ｂ及び１３ｃを完全に塞ぐものである。
光ファイバ３０ａと３０ｂは、少なくともその液体保持領域１４に面した部分においてて、それらの光軸が光学フィルタ２０の反射面上で互いに入射反射の位置関係となるように配置される。また、光ファイバ３０ａと３０ｃは、少なくともその液体保持領域１４に面した部分において、それらの光軸が光学フィルタ２０を介して一致する位置関係となるように配置される。

次に、筐体１０の液体保持領域１４に液状の光硬化性樹脂４０を充填する（図１．Ｄ）。なお、液状の光硬化性樹脂４０の充填量は、コア形成のために必要な高さまで液体保持領域１４を満たせば良く、液体保持領域１４を完全に満たす必要は無い。図１の各図では省略したが、図２で写真図として示す通り、コア形成部に沿ってコア径よりも太い溝を形成した場合、当該溝を液状の光硬化性樹脂４０で満たせば十分である。

次に、上述の自己形成光導波路の製造技術により、３つの光ファイバ３０ａ、３０ｂ及び３０ｃを介して、硬化光を筐体１０の液体保持領域１４に充填した液状の光硬化性樹脂４０に照射すると、自己集光的に硬化物が形成され、軸状のコア４１ａ、４１ｂ及び４１ｃが形成される（図１．Ｅ）。軸状のコア４１ａ、４１ｂ及び４１ｃは、例えば図１．Ｅで、軸状のコア４１ａを左方向から右方向に伝送される光が光学フィルタ２０で反射される場合は軸状のコア４１ｂに、光学フィルタ２０を透過する場合は軸状のコア４１ｃに伝送されるように形成される。こののち、未硬化の液状の光硬化性樹脂を排出する。この際、図１では示さなかったが、図２．Ａの写真図で示すような排出口（孔）を筐体１０に設けておくと、未硬化の液状の光硬化性樹脂や洗浄液の排出が容易となる。
こののち、軸状のコア４１ａ、４１ｂ及び４１ｃを少なくとも被覆するように、コア４１ａ、４１ｂ及び４１ｃの屈折率よりも低い屈折率を有する材料から成るクラッド４５が形成される。こののち、光ファイバ３０ｂ及び３０ｃを、コネクタ３１ｂ及び３１ｃ共々、光ファイバコネクタ挿入口１３ｂ及び１３ｃから取り外す。なお、図１．Ｆではクラッド４５が液体保持領域１４を満たすように示されている。

光ファイバコネクタ挿入口１３ｂ及び１３ｃに受発光素子５０ｂ及び５０ｃを装着する（図１．Ｇ）と、光モジュール１００が完成する（図１．Ｈ）。光ファイバコネクタ挿入口１３ｂに装着された受発光素子５０ｂは光学フィルタ２０に対して高反射性である波長帯域に対応する受発光素子である。例えば発光ダイオード又はレーザダイオードとする。光ファイバコネクタ挿入口１３ｃに装着された受発光素子５０ｃは光学フィルタ２０に対して高透過性である波長帯域に対応する受発光素子である。例えばフォトダイオード又はフォトトランジスタとする。

図２は光モジュール１００を実際に作製した際の、３つの工程における写真図である。
図２．Ａは光ファイバ３０ａ〜３０ｃ、光学素子５０ｂ、５０ｃを組み付ける前の筐体１０の写真であり、図１の工程図の中で図１．Ａの状態に相当する。図２．Ａにおいては、筐体１０が、光ファイバ３０ａの挿入口１３ａ、光ファイバ３０ｂの挿入口１３ｂ、液体保持領域１４、及びその溝１４ａ、排出口１４ｈ、光学フィルタ２０の固定部１２を有していることが示されている。
図２．Ｂは光ファイバ３０ａ〜３０ｃを筐体１０に装着して光導波路を作製中の写真であり、図１の工程図の中で図１．Ｅにあたる。図２．Ｂのように、筐体１０を固定する基台を用いて作業を行っている。
図２．Ｃは受発光素子５０ｂ及び５０ｃを組み付けた完成品、光モジュール１００の写真である。これは図１の工程図の中で図１．Ｈに相当する。

本発明の具体的な一実施例に係る光モジュール１００の製造方法を示す工程図（断面図） 光モジュール１００の製造方法の、３つの工程における写真図。

１００：光モジュール
１０：筐体
１２：光学フィルタの固定部
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ：光ファイバコネクタ挿入口
１４：液体保持領域
１４ａ：溝
１４ｈ：排出口（孔）
２０：光学フィルタ
３０ａ、３０ｂ、３０ｃ：光ファイバ
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ：コネクタ
４０：未硬化の液状の光硬化性樹脂
４１ａ、４１ｂ、４１ｃ：光硬化性樹脂の硬化物から成る軸状のコア
５０ｂ、５０ｃ：受発光素子

Claims (5)

1. 筐体と、異なる２つの波長帯域の、一方の波長帯域に対しては高透過性、一方の波長帯域に対しては高反射性である光学フィルタと、光硬化性樹脂の硬化物から成り、分岐を形成する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、
   前記筐体は、
   水平方向に向かい合う２つの光ファイバコネクタ挿入口と、分岐用の光ファイバコネクタ挿入口とを有し、
   前記光学フィルタを前記水平方向に向かい合う２つの光ファイバコネクタ挿入口の間に保持可能であり、
   且つ３つの前記光ファイバコネクタ挿入口に全て光ファイバコネクタを挿入した場合には、液状の光硬化性樹脂を保持可能となる液体保持領域を有するものであり、
   それぞれの前記光ファイバコネクタの形状は、それぞれの前記光ファイバコネクタが挿入される光ファイバコネクタ挿入口の形状と同一であり、
   前記筐体に、前記光学フィルタと、３つの光ファイバの装着された３つのコネクタを３つの前記光ファイバコネクタ挿入口に挿入し、
   前記液体保持領域に液状の光硬化性樹脂を満たし、
   前記３つの光ファイバから前記光硬化性樹脂を硬化させうる波長の光を前記液体保持領域に満たされた前記液状の光硬化性樹脂に導入して、自己形成的に軸状のコアを形成して、前記３つの光ファイバの各々の端面から前記光学フィルタとをコアで接続したのち、
   前記３つの光ファイバの装着されたコネクタのうち少なくとも２つの前記光ファイバの装着されたコネクタを抜き出し、
   当該光ファイバの装着されたコネクタを抜き出された前記光ファイバコネクタ挿入口に、前記光ファイバコネクタ挿入口の形状と同一形状を有した、前記光学フィルタの特性と対応させた波長帯域の発光素子又は受光素子を、それらの素子の中心軸が形成されたコアの中心軸に一致するように取り付けることを特徴とする光モジュールの製造方法。
2. 前記軸状のコアを形成したのち、当該コアを覆い、当該コアの屈折率よりも低い屈折率を有するクラッドを形成す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。
3. 前記液体保持領域は、前記軸状のコアの形状に沿って、前記軸状のコアよりも太い溝状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の製造方法。
4. 前記液体保持領域の底部に未硬化の前記液状の光硬化性樹脂を抜き出すための孔を有し、前記コアの形成時には当該孔も塞いだ上で前記液体保持領域を形成することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の光モジュールの製造方法。
5. 前記光ファイバの装着されたコネクタには、前記液状の光硬化性樹脂との接触面に予め剥離剤又は離型剤を塗布した上で前記光ファイバコネクタ挿入口に挿入することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の光モジュールの製造方法。