JP5319624B2

JP5319624B2 - 光部品

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Publication number: JP5319624B2
Application number: JP2010177979A
Authority: JP
Inventors: 元速石井; 貴山田; 芳行土居; 隆志才田; 健都築; 隆司郷; 裕史山崎; 真司美野; 高雄福満; 敦志村澤; 文博海老澤; 博照井; 智世柴崎; 祐一菊地
Original assignee: NTT Electronics Corp; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Electronics Corp; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2010-08-06
Filing date: 2010-08-06
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2030-08-06
Also published as: WO2012017644A1; US8721191B2; JP2012037731A; US20130136393A1; CN103052901B; CA2807122A1; CN103052901A; CA2807122C

Description

本発明は、光部品に関し、より詳細には、導波路型光素子を備える光部品に関する。

光通信システムの高度化に伴い、高機能な光モジュール（光部品）の需要が高まっている。導波路型光素子は、基板上に光導波路を形成することによって様々な光波回路を実現することができ、光モジュールの構成部品として用いられている。光モジュールの更なる高機能化のために、異なる機能を有する導波路型光素子を集積化したハイブリッド光モジュールが実現されている。具体的な光モジュールの例としては、ＲＺ−ＤＱＰＳＫ（ＲｅｔｕｒｎｔｏＺｅｒｏＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌＱｕａｄｒａｔｕｒｅＰｈａｓｅＳｈｉｆｔＫｅｙｉｎｇ）モジュール等が挙げられる。

ＲＺ−ＤＱＰＳＫモジュールは、たとえば、Ｓｉ基板または石英基板上に石英系ガラスで光導波路を形成したＰＬＣ（ＰｌａｎａｒＬｉｇｈｔｗａｖｅＣｉｒｃｕｉｔ）導波路とＬＮ（ニオブ酸リチウム）基板にチタン（Ｔｉ）拡散を用いて光導波路を形成したＬＮ導波路とが光結合するように突き合わせ接続（バットジョイント）され、ＬＮ導波路がマウントに固定された構造を有する（図１参照）。図１（非特許文献１の図６に対応）ではマウントがＰＬＣ導波路、ＬＮ導波路、ファイバ整列部材を収納するパッケージの役割を果たしている。光ファイバはファイバ整列部材に整列され、ＰＬＣ導波路と光結合するように突き合わせ接続されている。ファイバ整列部材とＰＬＣ導波路との接続部、及びＰＬＣ導波路とＬＮ導波路との接続部は接着剤によって固定されている。また、光ファイバはマウントを貫通するところでマウントに半田などで固定されている。こうした構造において、光モジュールの周囲の温度が変動すると、ファイバ整列部材とＰＬＣ導波路との接続部、及びＰＬＣ導波路とＬＮ導波路との接続部において、それぞれの材料の熱膨張の差によって熱歪みが発生し、接着剤の剥離が発生しやすくなる。更に、ＰＬＣ導波路およびＬＮ導波路とマウントとの間の熱膨張の差が発生し、光ファイバに対して引っ張り応力がかかる。引っ張り応力が大きくなると光ファイバの破断が生じてしまう。マウント（パッケージ）の材料をステンレス、例えばＳＵＳ３０３としてＬＮとの熱膨張係数の差を小さくしても、ＰＬＣや光ファイバ等とパッケージ材料との間に大きな熱膨張係数の差が存在する。表１に熱膨張係数の値を示す。このような問題に対処するため、ファイバ整列部材とＰＬＣ導波路との接続部、及びＰＬＣ導波路とＬＮ導波路との接続部には、熱応力を緩和するために柔らかい接着剤を使用して剥離を防止している。また、図１に示されるように、光ファイバを座屈させて光ファイバに加わる熱応力を緩和する方法が採られている。

山田貴、石井元速、「ＰＬＣ−ＬＮ接続を用いた高速変調モジュール」、電子情報通信学会技術研究報告、2005年5月20日、Vol. 105、No. 71、pp. 1-6、OPE2005-8

しかしながら、上記の構造には依然として問題がある。一般にＰＬＣ導波路とファイバ整列部材との接続部は端面を斜めにして反射を防止する構造を取られる。そのため、ファイバの座屈応力が発生し、柔らかい接着剤を使用しているＰＬＣ導波路とファイバ整列部材との接続面に平行な成分が生じてしまい、光軸ずれの原因となっている（図２参照）。特に、図２において、Ｐ_bがファイバからファイバ整列部材に対してかかる座屈応力であり、式（１）で表される。

ここで、Ｌはファイバ長さ、Ｅはヤング率、Ｉは断面二次モーメント（曲げモーメントに対する物体の変形のしにくさを表した量）、ｄは直径である。

以上ではＰＬＣ導波路およびＬＮ導波路で構成されたＰＬＣ−ＬＮチップがマウントに取り付けられたＲＺ−ＤＱＰＳＫモジュールを例に説明したが、異なる熱膨張係数を有する複数の導波路型光素子を突き合わせ接続した光素子チップに関しても同様の問題が生じる。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、異なる熱膨張係数を有する複数の導波路型光素子を突き合わせ接続した光素子チップと光ファイバをマウントに固定した光部品において、熱応力による信頼性の低下を抑制することにある。

このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、第１の導波路型光素子、前記第１の導波路型光素子の一端に光結合するように突き合わせ接続された、第１の導波路型光素子と熱膨張係数の異なる第２の導波路型光素子、及び前記第２の導波路型光素子に光結合するように突き合わせ接続されたファイバ整列部材を有する光素子チップと、前記光素子チップが取り付けられたマウントと、前記ファイバ整列部材に整列され、座屈された状態で固定された光ファイバとを備える光部品であって、前記第２の導波路型光素子と前記ファイバ整列部材との接続面を斜め構造、前記第１の導波路型光素子と前記第２の導波路型光素子との接続面を直角構造とし、前記斜め構造の接続面に用いる接着剤は、前記光ファイバの座屈応力による前記斜め構造の接続面における光軸ずれを抑制するようなヤング率を有し、前記直角構造の接続面に用いる接着剤は、熱歪みによる前記第１の導波路型光素子と前記第２の導波路型光素子との接着面の剥離を抑制するようなヤング率を有し、前記斜め構造の接続面に用いる接着剤のヤング率を、前記直角構造の接続面に用いる接着剤のヤング率よりも高くすることを特徴とする。

また、本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記斜め構造の接続面に用いる接着剤のヤング率を１×１０⁷Ｐａ以上、前記直角構造の接続面に用いる接着剤のヤング率を１×１０⁷Ｐａ未満とすることを特徴とする。

また、本発明の第３の態様は、第２の態様において、前記第２の導波路型光素子と前記ファイバ整列部材との間の熱膨張係数の差が、前記第１の導波路型光素子と前記第２の導波路型光素子との間の熱膨張係数の差よりも小さいことを特徴とする。

また、本発明の第４の態様は、第２又は第３の態様において、前記第１の導波路型光素子の基板が、ニオブ酸リチウム、インジウムリン又はＫＴＮであり、前記第２の導波路型光素子の基板が、石英またはシリコンであることを特徴とする。

本発明によれば、複数の導波路型光素子と、ファイバ整列部材を用いて座屈された状態で固定された光ファイバとを備える光部品において、導波路型光素子とファイバ整列部材との接続面を斜め構造、導波路型光素子同士の接続面を直角構造とし、斜め構造の接続面に用いる接着剤のヤング率を、直角構造の接続面に用いる接着剤のヤング率よりも高くすることにより、熱応力による信頼性の低下を抑制することができる。

従来の光部品を示す図である。光ファイバの座屈加重を説明するための図である。本発明の実施形態による光部品を示す図である。ＬＮ導波路とＰＬＣ導波路との接続面における光導波路の角度を説明するための図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

図３に、本発明の実施形態に係る光部品を示す。光部品３００は、図１の光部品１００と同様の部分も多いが、ＰＬＣ導波路とＬＮ導波路との接続面、及びＰＬＣ導波路とファイバ整列部材との接続面が異なる。光部品３００は、ＬＮ導波路３１１、ＬＮ導波路３１１の一端に光結合するように突き合わせ接続された第１のＰＬＣ導波路３１２、ＬＮ導波路３１１の他端に光結合するように突き合わせ接続された第２のＰＬＣ導波路３１３、及び第１のＰＬＣ導波路３１２に光結合するように突き合わせ接続されたファイバ整列部材３１４を有する光素子チップ３１０と、光素子チップ３１０が取り付けられたマウント３２０と、ファイバ整列部材３１４に整列された光ファイバ３３０とを備える。図３では、ＬＮ導波路３１１がマウント３２０に固定されているが、第１、第２のＰＬＣ導波路３１２、３１３やファイバ整列部材３１４を固定してもよい。

図１の場合と同様に、光ファイバ３３０の座屈により座屈加重Ｐｂが発生し、第１のＰＬＣ導波路３１２とファイバ整列部材３１４との接続面に平行な方向、すなわち光部品３００に光軸ずれを生じさせる方向の加重成分が存在する。本実施形態の光部品３００では、ヤング率Ｅの高い接着剤(例えば、１×１０⁷Ｐａ以上）で接続することにより、光軸ずれを抑制している。ファイバ整列部材３１４は、第１のＰＬＣ導波路３１２の熱膨張係数に合わせた材料を選び、両者の接続面の両側で熱膨張係数の差が存在しないようにするのが好ましい。たとえば、第１のＰＬＣ導波路３１２の基板がＳｉの場合、ファイバ整列部材３１４にパイレックスガラスを使用すればよい。

また、ＬＮ導波路３１１と第１及び第２のＰＬＣ導波路３１２、３１３との接続面では、接続面を光軸方向に対して直角な直角構造とする。第１のＰＬＣ導波路３１２とファイバ整列部材３１４との接続面は斜め構造であるため、接続面に平行な加重成分が生じたが、直角構造とすることにより、当該加重成分がなくなる。この場合、第１のＰＬＣ導波路３１２とファイバ整列部材３１４との接続面よりもヤング率Ｅの低い接着剤（例えば、１×１０⁷Ｐａ未満）で接続するのが好ましい。ＬＮ導波路３１１と第１及び第２のＰＬＣ導波路３１２、３１３の熱膨張係数が異なるため、ヤング率Ｅの高い接着剤を使用すると、熱歪みによって接着面が剥離する可能性があるためである。言い換えると、熱膨張係数の差が接続面の両側で存在するとき、その差が大きくなるにつれてヤング率の低い接着剤を用いるのが好ましい。

一般的に、反射防止のために、ＰＬＣ導波路とＬＮ導波路との接続面を斜めにする場合もあるが、接続面を本発明のように直角構造としても反射防止が可能である。ＬＮ導波路３１１と第１及び第２のＰＬＣ導波路３１２、３１３の光導波路が、当該端面において所定の角度を有するように設計すればよい。第１のＰＬＣ導波路３１２とＬＮ導波路３１１との界面に着目し、図４を参照して説明する。（１）まず、式（２）で表されるフレネルの反射Ｒが、戻り光として第１のＰＬＣ導波路３１２の光導波路に結合しないように第１の角度θ１を決める。第１の角度θ１は、第１のＰＬＣ導波路３１２が有する光導波路の、接続面の法線に対する角度であり、一般には、４度から１２度である。

（２）次に、第１のＰＬＣ導波路３１２とＬＮ導波路３１１の屈折率が異なる場合は、式（３）で表されるスネルの法則を満足するように第２の角度θ２を決める。ここで、ｎ１及びｎ２は、それぞれ第１のＰＬＣ導波路３１２及びＬＮ導波路３１１の屈折率である。

以上の手順で光導波路の角度θ１、θ２を決めることによって、端面が直角であっても反射を防止することができる。

なお、第１及び第２のＰＬＣ導波路３１２、３１３の基板としては、石英またはシリコンを用いることができる。また、ＬＮ導波路３１１の代わりに、インジュウムリン基板またはＫＴＮ基板上に形成された導波路型光素子を用いてもよい。

３００光部品
３１１ＬＮ導波路（「第１の導波路型光素子」に対応）
３１２第１のＰＬＣ導波路（「第２の導波路型光素子」に対応）
３１３第２のＰＬＣ導波路
３１４ファイバ整列部材
３２０マウント
３３０光ファイバ

Claims

第１の導波路型光素子、前記第１の導波路型光素子の一端に光結合するように突き合わせ接続された、前記第１の導波路型光素子と熱膨張係数の異なる第２の導波路型光素子、及び前記第２の導波路型光素子に光結合するように突き合わせ接続されたファイバ整列部材を有する光素子チップと、
前記光素子チップが取り付けられたマウントと、
前記ファイバ整列部材に整列され、座屈された状態で固定された光ファイバと
を備える光部品であって、
前記第２の導波路型光素子と前記ファイバ整列部材との接続面を斜め構造、前記第１の導波路型光素子と前記第２の導波路型光素子との接続面を直角構造とし、
前記斜め構造の接続面に用いる接着剤は、前記光ファイバの座屈応力による前記斜め構造の接続面における光軸ずれを抑制するようなヤング率を有し、
前記直角構造の接続面に用いる接着剤は、熱歪みによる前記第１の導波路型光素子と前記第２の導波路型光素子との接着面の剥離を抑制するようなヤング率を有し、
前記斜め構造の接続面に用いる接着剤のヤング率を、前記直角構造の接続面に用いる接着剤のヤング率よりも高くすることを特徴とする光部品。
前記斜め構造の接続面に用いる接着剤のヤング率を１×１０⁷Ｐａ以上、前記直角構造の接続面に用いる接着剤のヤング率を１×１０⁷Ｐａ未満とすることを特徴とする請求項１に記載の光部品。
前記第２の導波路型光素子と前記ファイバ整列部材との間の熱膨張係数の差が、前記第１の導波路型光素子と前記第２の導波路型光素子との間の熱膨張係数の差よりも小さいことを特徴とする請求項２に記載の光部品。
前記第１の導波路型光素子の基板が、ニオブ酸リチウム、インジウムリン又はＫＴＮであり、
前記第２の導波路型光素子の基板が、石英またはシリコンであることを特徴とする請求項２又は３に記載の光部品。