JP5498175B2 - 光結合装置 - Google Patents

Description

本発明は、光導波路や光ファイバなどの光導波路同士を高い信頼性で結合させる光結合装置に関するものである。

（従来技術）
リチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ_３、あるいはＬＮ）基板に形成した光導波路と石英光導波路、及び石英光導波路と光ファイバとを光結合するための光結合装置が知られている。図６に、リチウムナイオベート基板に形成した光導波路と光ファイバとを光結合するための光結合装置の概略斜視図を示す。

１はパッケージの筺体の一部でありここでは台座と呼ぶ。２はＬＮなどからなる第１の基板、３ａ、３ｂ、３ｃはＴｉを１１００℃で１２時間かけて拡散して形成した光導波路、４はＳｉＯ_２バッファ層である。５はＬＮなどからなる第１のヤトイ、６はガラスブロックなどからなる第２の基板、７ａ、７ｂ、７ｃはＶ溝、８ａ´、８ｂ´、８ｃ´は光ファイバ、８ａ、８ｂ、８ｃは光ファイバ８ａ´、８ｂ´、８ｃ´のコア、９ａ、９ｂ、９ｃは光ファイバ８ａ´、８ｂ´、８ｃ´のクラッド、１０はガラスブロックなどからなる第２のヤトイである。光ファイバ８ａ´、８ｂ´、８ｃ´は接着剤によりＶ溝７ａ、７ｂ、７ｃに固定されている。

なお、第１のヤトイ５は第１の基板２に向かい合う面で接着されており、第２のヤトイ１０は第１の基板６に向かい合う面で接着されている（なお、後述する図７ではその接着剤の図示を省略している）。１１は第１の基板２と第２の基板６とを、また第１のヤトイ５と第２のヤトイ１０とをそれらの端面で接着している接着剤であり、通常光学接着剤が用いられる。なお、この光学接着剤としては紫外線硬化接着剤（ＵＶ接着剤）が好適である。

図６のＡ−Ａ´における断面図を図７に示す。図７からわかるように、第１の基板２の下面２´と第２の基板６の下面６´は同じ水平面状にはなく、それらの間には段差Ｈが存在する。そのため、図６や図７に示すような、対向する基板間からはみ出た光学接着剤溜まり部１２が形成される。つまり、第１の基板２の下面２´の方が第２の基板６の下面６´よりも段差Ｈだけ高い。

一般に、図６や図７の光導波路３ａ、３ｂ、３ｃは高速光変調器の光導波路として使用される。特許文献１に記載があるように、この高速光変調器ではＬＮ基板２の厚みが厚いと基板の共振が発生し易い。つまり、１５ＧＨｚあるいはそれ以上の高周波において光変調特性にディップが生じる。そしてこのことは４０ＧＨｚなどの超高周波帯域において特に深刻になる。この基板共振の発生を避けるにはＬＮ基板を薄くすることが有効である。例えば、ガラスブロック６が１〜２ｍｍ程度の厚みの場合、ＬＮ基板２は０．３ｍｍ程度と、ガラスブロック６に比べてその厚みを大変薄くする必要がある。なお、これらのことはガラスブロック６が石英光導波路の場合でも同様である。

次に、図７のＢ−Ｂ´における断面図を図８に示す。光学接着剤溜まり部１２は表面張力のために図８に示すように第２の基板６の中央付近に厚く溜まり易い。

従来技術の光結合装置を−４０〜８０℃のヒートサイクル試験にかけると、光学接着剤溜まり部１２は熱膨張と熱収縮を繰り返し、図８の１３の矢印で示したような応力が発生し、第２の基板６を上方向（第２のヤトイ１０が在る方向）に引っ張る力が働く。なお、応力１３の矢印の向きは応力の方向を、また長さは応力の大きさを表している。

図７からわかるように、第１のヤトイ５と第２のヤトイ１０、第１の基板２と第２の基板６とを接着固定している光学接着剤１１の面積（各ヤトイ同士間と各基板同士間が対向している部分の面積）と光学接着剤溜まり部１２の面積（第２の基板６に接している面積）を比較すると、前者の方が大変広い。このことは、光学接着剤１１の方が大きな接着力を有していることを意味している。

しかしながら、ヒートサイクル試験の際には、第１のヤトイ５と第２のヤトイ１０、第１の基板２と第２の基板６とを接着している光学接着剤１１の固定する力の方向（各ヤトイと各基板の対向する面における法線方向）に対してせん断方向（基板厚さ方向）に光学接着剤溜まり部１２が収縮と膨張による応力１３を加えることになる。そして、このせん断方向（基板厚さ方向）であることが事態を深刻にしている。

つまり、例え光学接着剤１１が対向面法線方向に強固に接着する力を発揮していても、その力に垂直な方向に光学接着剤溜まり部１２が応力１３を生じるために、ヒートサイクル試験時には光ファイバのコア８ａ、８ｂ、８ｃと光導波路３ａ、３ｂ、３ｃとの上下方向（基板厚さ方向）における相対位置を確実に徐々にずらしてしまう。その結果、光ファイバのコア８ａ、８ｂ、８ｃから光導波路３ａ、３ｂ、３ｃへ透過する光の挿入損失が次第に増加する。

図８に矢印で示した応力１３の矢印の長さから推測されるように、この上下方向における軸ずれは光ファイバのコア８ｂと光導波路３ｂにおいて最も大きくなる。つまり、光ファイバのコア８ａと光導波路３ａ、コア８ｂと光導波路３ｂ、及びコア８ｃと光導波路３ｃの組み合わせの中では、コア８ｂと光導波路３ｂの上下方向の軸ずれが最も大きくなる。

ヒートサイクル試験時における光ファイバのコア８ｂから光導波路３ｂへ透過する光の挿入損失の増加を図９に示す。図９からわかるように、ヒートサイクルの回数が多くなると、光の挿入損失が著しく増加し、信頼性上の深刻な問題が生じていた。

なお、ヒートサイクル試験時に光学接着剤溜まり部１２の収縮と膨張が応力１３を発生させ、その結果第１の基板２と第２の基板６が互いに接着された端面において上下に軸ずれし、光の挿入損失を増加させるということは公知の事実ではなく、筆者らが考察を進めた結果初めて得た知見である。

なお、図６、図７に示す構成とは異なるが、特許文献２には基板同士をそれら各基板の端部および各基板上部に設けたヤトイを用いて結合させる構成が開示されている。

特開２００７−３３４１２４号公報 特開２００９−１７５３６４号公報

以上のように、第１の基板と第２の基板の端部同士、及び各基板上に設けられた第１のヤトイと第２のヤトイの端面同士を光学接着剤で貼り付ける光結合装置において、従来技術では、特にヒートサイクルのような信頼性試験において、第１の基板の下面と第２の基板の下面との間に段差が形成された光学接着剤溜まり部が収縮や膨張するため、第１の基板と第２の基板が保有する光導波路や光ファイバのコアとが互いに上下方向（基板厚さ方向）に軸ずれを生じていた。その結果、試験時間の経過とともに、第１の基板と第２の基板が保有する光導波路や光ファイバのコアとの間における光の挿入損失が大きくなるという問題が生じていた。そのため、高い信頼性を有する光結合装置の開発が急務であった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、ヒートサイクルなどの信頼性試験に対して耐力のある光結合装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の光結合装置は、第１の基板と第２の基板とが、対向する各基板の端、各基板の上面の端に設けられた第１のヤトイ及び第２のヤトイ、並びに前記第１の基板の下面の端に設けられた第３のヤトイで接着剤によって接着され、各基板上に設けられた光導波路が光結合される光結合装置において、前記第１の基板の厚みが前記第２の基板よりも薄く形成され、前記第１のヤトイの厚みが前記第２のヤトイよりも薄く形成されており、前記第１のヤトイと前記第１の基板と前記第３のヤトイの厚みの和が、前記第２のヤトイと前記第２の基板の厚みの和よりも小さく成っており、当該厚みの和の相違によって前記第１のヤトイの上面と前記第２のヤトイの端との間にできる段差部に、第１の接着剤溜まり部を当該接着剤が前記第１のヤトイの上面にまではみ出した状態で形成させるとともに、当該厚みの和の相違によって前記第３のヤトイの下面と前記第２の基板の端との間にできる段差部に、第２の接着剤溜まり部を当該接着剤が前記第３のヤトイの下面にまではみ出した状態で形成させることにより、前記第１の接着剤溜まり部で発生する基板厚み方向の応力と前記第２の接着剤溜まり部で発生する基板厚み方向の応力とが互いに打ち消し合うことを特徴としている。

上記課題を解決するために、本発明の請求項２に記載の光結合装置は、請求項１に記載の光結合装置において、前記第１の接着剤溜まり部の接着剤の量と前記第２の接着剤溜まり部の接着剤の量とが、略等しいことを特徴としている。

上記課題を解決するために、本発明の請求項３に記載の光結合装置は、請求項１または請求項２に記載の光結合装置において、前記第１及び第２の接着剤溜まり部が、光学接着剤からなることを特徴としている。

上記課題を解決するために、本発明の請求項４に記載の光結合装置は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の光結合装置において、前記第１の基板と前記第２の基板の少なくとも一方についての幅と厚みの比が１よりも大きいことを特徴としている。

本発明では、第１のヤトイと第２のヤトイの上面に段差を設け、そこに接着剤の溜まり部を形成することにより、例えば第１の基板の下面と第２の基板の下面との段差がある箇所に形成された光学接着剤溜まり部が熱収縮・熱膨張することにより生じる応力を打ち消す。これにより、ヒートサイクルなどの信頼性試験に対して耐力のある光結合装置を実現できるという優れた効果がある。

本発明の光結合装置に係る第１の実施形態の概略構成を示す斜視図 図１のＡ−Ａ´における概略断面図 図２のＢ−Ｂ´における概略断面図 第１の実施形態の効果を説明する図 本発明の光結合装置に係る第２の実施形態の概略断面図 従来技術の光結合装置についての概略構成を示す斜視図 図６のＡ−Ａ´における断面図 図７のＢ−Ｂ´における断面図 従来技術の問題点を説明する図

以下、本発明の実施形態について説明するが、図６から図９に示した従来技術と同一の符号は同一機能部に対応しているため、ここでは同一の符号を持つ機能部の説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１に本発明の概略斜視図を示す。また、Ａ−Ａ´における断面図を図２に示す。本実施形態では第１のヤトイ５の上面５´と第２のヤトイ１０の上面１０´との間に段差Ｈ´を設け、ここに接着剤溜まり部１４を形成している。

ここでは、簡単のために１４は光学接着剤１１と同じＵＶ接着剤としたが、通常の接着剤としてもよい。通常の接着剤を適用する場合には、光学接着剤１１と光学接着剤溜まり部１２とで両基板および両ヤトイを接着した後、接着剤溜まり部１４で第１のヤトイ５の上面５´と第２のヤトイ１０の側面とを接着する。接着剤溜まり部１４は光路に入らないので問題は発生しない。

図３には図２のＢ−Ｂ´における断面図を示す。ここで１５は本実施形態をヒートサイクル試験にかけた際に発生する応力であり、第１のヤトイ５に対して第２のヤトイ１０を下方向（基板方向）に引き下げる働きをする。１３もまたヒートサイクル試験にかけた際に発生する応力であり、第１の基板２に対して第２の基板６を上方向に引っ張る力が働く（図８に示した従来技術における応力１３と同じである）。

図３からわかるように、本実施形態では接着剤溜まり部１４により発生する応力１５と光学接着剤溜まり部１２により発生する応力１３とは向きが反対であり、互いに打ち消し合うことになる。

図４にはこの第１の実施形態を−４０〜８０℃のヒートサイクル試験にかけた際に光ファイバのコア８ｂから光導波路３ｂへ透過する光の挿入損失の増加を示す。この図から、本実施形態を用いることにより、上下方向の軸ずれが事実上なくなり、極めて高い信頼性を有する光結合系を実現できることがわかる。

なお、第１のヤトイ５と第２のヤトイ１０、及び第１の基板２と第２の基板６とを固定している光学接着剤１１の接着力はかなり強いので、図３の応力１５と応力１３は完全には打ち消し合わなくても、本発明としての効果を充分に発揮できることを確認している。従って、図２において２つの段差ＨとＨ´は互いに等しくなくても良いし、光学接着剤溜まり部１２と接着剤溜まり部１４の量も完全には等しくなくても良いことを実験的に確認している。

（第２の実施形態）
図５は本発明における第２の実施形態の断面図を示す。本実施形態では、第１の基板２の下面に例えばＬＮ基板などからなる第３のヤトイ１６を接着しており、第２の基板６との接着面積を大きくしている。第３のヤトイの下面１６´と第２の基板６の端面に渡って光学接着剤溜まり部１２が形成されている。第１の実施形態と同様に、この光学接着剤溜まり部１２により発生する上下方向（基板厚さ方向）の応力を接着剤溜まり部１４が打ち消している。なお、前述のようにこの接着剤溜まり部１４は通常の接着剤でもよいことはいうまでもない。

（各実施形態）
本明細書において説明した実施形態では、アレー型の光導波路とアレー型の光ファイバの結合構造として説明したが、本発明はアレー型の光導波路同士の接続にも適している。また光導波路としてＬＮ基板を用いる、いわゆるＬＮ光導波路として説明したが、石英光導波路などその他の光導波路にも適用可能であることはいうまでもない。

本発明は接着断面が四角の基板やヤトイを用いる光結合装置に特に有効である。接着端面における基板の幅と厚みのアスペクト比（基板の幅／基板の厚み）が１よりも大きくなると、基板の下面における光学接着剤溜まり部の量が必然的に多くなるので、光学接着剤溜まり部による上下方向の応力が強くなってしまう。従って、本発明はこのアスペクト比が１よりも大きな光結合装置に極めて効果的である。

１：台座
２：第１の基板
２´：第１の基板の下面
３ａ、３ｂ、３ｃ：光導波路
４：ＳｉＯ_２バッファ層
５：第１のヤトイ
５´：第１のヤトイの上面
６：第２の基板
６´：第２の基板の下面
７ａ、７ｂ、７ｃ：Ｖ溝
８ａ、８ｂ、８ｃ：光ファイバ８ａ´、８ｂ´、８ｃ´のコア
８ａ´、８ｂ´、８ｃ´：光ファイバ
９ａ、９ｂ、９ｃ：光ファイバ８ａ´、８ｂ´、８ｃ´のクラッド
１０：第２のヤトイ
１０´：第２のヤトイの上面
１１：光学接着剤
１２：光学接着剤溜まり部
１４：接着剤溜まり部
１３、１５：応力
１６：第３のヤトイ
１６´：第３のヤトイの下面

Claims (4)

1. 第１の基板と第２の基板とが、対向する各基板の端、各基板の上面の端に設けられた第１のヤトイ及び第２のヤトイ、並びに前記第１の基板の下面の端に設けられた第３のヤトイで接着剤によって接着され、各基板上に設けられた光導波路が光結合される光結合装置において、
   前記第１の基板の厚みが前記第２の基板よりも薄く形成され、前記第１のヤトイの厚みが前記第２のヤトイよりも薄く形成されており、
   前記第１のヤトイと前記第１の基板と前記第３のヤトイの厚みの和が、前記第２のヤトイと前記第２の基板の厚みの和よりも小さく成っており、
   当該厚みの和の相違によって前記第１のヤトイの上面と前記第２のヤトイの端との間にできる段差部に、第１の接着剤溜まり部を当該接着剤が前記第１のヤトイの上面にまではみ出した状態で形成させるとともに、当該厚みの和の相違によって前記第３のヤトイの下面と前記第２の基板の端との間にできる段差部に、第２の接着剤溜まり部を当該接着剤が前記第３のヤトイの下面にまではみ出した状態で形成させることにより、
   前記第１の接着剤溜まり部で発生する基板厚み方向の応力と前記第２の接着剤溜まり部で発生する基板厚み方向の応力とが互いに打ち消し合うことを特徴とする光結合装置。
2. 前記第１の接着剤溜まり部の接着剤の量と前記第２の接着剤溜まり部の接着剤の量とが、略等しいことを特徴とする請求項１に記載の光結合装置。
3. 前記第１及び第２の接着剤溜まり部が、光学接着剤からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光結合装置。
4. 前記第１の基板と前記第２の基板の少なくとも一方についての幅と厚みの比が１よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の光結合装置。

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