JP6449429B2

JP6449429B2 - 光合波器の製造方法

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Publication number: JP6449429B2
Application number: JP2017503662A
Authority: JP
Inventors: 秀和小寺; 真也下野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-03-05
Filing date: 2016-03-01
Publication date: 2019-01-09
Anticipated expiration: 2036-03-01
Also published as: US10884216B2; JPWO2016140220A1; US20180039034A1; CN107250866A; CN110308564B; CN107250866B; CN110308564A; JP2019061273A; WO2016140220A1; JP6647375B2

Description

本発明は、例えば、集積型光モジュール等で用いられる光合波器の製造方法および製造装置に関する。

近年、光ネットワークの通信トラフィック量は増大しており、高い通信容量を持ち、より小型で、低消費電力である光モジュールが求められている。小型化および低消費電力化を実現するために、光モジュールの集積化が進められている。例えば、下記特許文献１には、１つのパッケージ内に、４つの波長の異なる光素子と光合波器とをレンズを用いて光学的に結合した光集積モジュールが開示されている。この光集積モジュールでは、４つの光素子からの発光を光合波器に、各光素子間での光損失バラツキが小さくなるよう、実装する必要がある。

その対策として、下記特許文献２では、レンズと光合波器の間に、非線形光学素子等の光線方向変化部を配置し、外部から操作用の電気信号を送ることによって、通過する信号光の光線方向を波長毎に変化させ、各光素子間の光損失ばらつきを小さくする方法が提案されている。しかし、この方法では、非線形光学素子を必要とするため、コストが高くなり、また、小型化が難しくなる。また、外部から電気信号を送る必要があり、モジュールとしての消費電力も大きくなってしまうという問題点が残る。

光集積モジュールにおいては、光合波機能を担う光合波器を高精度に組み立てて、複数の光素子からの発光光が一点に集光するように設定する必要がある。

その対策として、下記特許文献３では、透明ブロックにフィルタ層を作り込んでいる。しかし、異なる特性を有する複数のフィルタ層を設ける場合、製造コストが高くなるという問題がある。

米国特許出願公開第２０１１／００１３８６９号明細書（図１）特開２０１０−１７５８７５号公報（図１）特開２００２−４０２８３号公報（図６）

本発明の目的は、光合波機能を担う光合波器を高精度に組み立てることができる光合波器の製造方法および製造装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明は、互いに平行な第１主面および第２主面を有する基材と、
第１主面に設置されたミラーと、
第２主面に設置された光フィルタと、を備える光合波器の製造方法であって、
基材の第１主面にミラーを戴置し、オートコリメータを用いて該基材と該ミラーとの間の角度調整を行った後、該ミラーを該基材に対して固定するステップと、
基材の第２主面に光フィルタを戴置し、オートコリメータを用いて該基材と該光フィルタとの間の角度調整を行った後、該光フィルタを該基材に対して固定するステップと、を含むことを特徴とする。

また本発明は、互いに平行な第１主面および第２主面を有する基材と、
第１主面に設置されたミラーと、
第２主面に設置された光フィルタと、を備える光合波器の製造方法であって、
ワーク設置部の基準面に、基材を戴置するステップと、
該基準面に向けて光ビームを照射し、該基準面で反射した光ビームの反射方向を計測して、該基準面の角度θａを測定するステップと、
前記基材の第１主面に、ミラーを戴置するステップと、
該ミラーに向けて光ビームを照射し、該ミラーで反射した光ビームの反射方向を計測して、該ミラーの角度θｂを測定するステップと、
角度θｂが角度θａと一致するように、前記ミラーの角度を調整した後、前記ミラーを前記基材に対して固定するステップと、
前記基材を反転した状態で、ワーク設置部の基準面に戴置するステップと、
前記基材の第２主面に、光フィルタを戴置するステップと、
前記基材の第２主面に向けて光ビームを照射し、該第２主面で反射した光ビームの反射方向を計測して、該第２主面の角度θｃを測定するステップと、
前記光フィルタに向けて光ビームを照射し、前記光フィルタで反射した光ビームの反射方向を計測して、前記光フィルタの角度θｄを測定するステップと、
角度θｃが角度θｄと一致するように、前記光フィルタの角度を調整した後、前記光フィルタを前記基材に対して固定するステップと、を含むことを特徴とする。

また本発明は、互いに平行な第１主面および第２主面を有する基材と、
第１主面に設置されたミラーと、
第２主面に設置された光フィルタと、を備える光合波器の製造装置であって、
光合波器の組立作業を行うためのワーク設置部と、
前記ワーク設置部の基準面、前記基材、前記ミラーおよび前記光フィルタの間の相対角度をそれぞれ測定する光ビーム照射式角度測定部と、
前記基材に対して前記ミラーおよび前記光フィルタの角度を調整する角度調整部と、
前記基材に対して前記ミラーおよび前記光フィルタを固定する部品固定部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、基材に対してミラーおよび光フィルタを正確な角度に固定できるため、高精度の光合波器が得られる。その結果、得られた光合波器を光集積モジュールに組み込む場合、光軸調芯作業の簡略化が図られ、しかも光損失バラツキの小さい小型の光集積モジュールを実現できる。

本発明が適用可能な光集積モジュールの光学系の一例を示す構成図である。光合波器の一例を示す構成図であり、図２（ａ）は光フィルタ側から見た正面図、図２（ｂ）は上から見た平面図、図２（ｃ）はミラー側から見た背面図である。光集積モジュール光学系の組立手順の一例を示す説明図である。本発明の実施の形態１に係る光合波器の製造装置の一例を示す斜視図である。本発明の実施の形態１に係る光合波器の製造装置の一例を示す正面図である。本発明の実施の形態１に係る光合波器の製造方法の一例を示すフローチャートである。本発明の実施の形態１に係る光合波器の製造方法の一例を示す説明図である。光合波器の組立精度を観測する手法の一例を示す説明図である。光合波器の組立精度を観測する手法の一例を示す説明図である。光合波器の組立精度を観測する手法の他の例を示す説明図である。本発明の実施の形態２に係る光合波器の製造装置の一例を示す正面図である。本発明の実施の形態２に係る試験光を用いた光フィルタの角度測定を示す説明図である。

実施の形態１．
図１は、本発明が適用可能な光集積モジュールの光学系の一例を示す構成図である。光集積モジュールは、波長分割多重方式など、光信号を複数の通信チャンネルで同時に送信できる機能を備える。ここでは、４本の通信チャネルについて例示するが、２〜３本または５本以上の通信チャネルについても同様に構成できる。

光集積モジュールは、４つの光素子１と、４つのレンズ２と、各光素子１からの光を光学的に合成する光合波器３と、基板４などで構成される。

光素子１は、半導体レーザ、固体レーザなどで構成され、波長分割多重方式の場合、互いに異なる中心波長（１３００ｎｍ〜１５００ｎｍ）を有する光を発生する。光素子１は、サブマウント（不図示）上に半田、接着剤などで接合されており、サブマウントは、基板４上に半田、接着剤などで固定される。光素子１には、駆動回路、変調回路等が接続され、外部からのデジタル信号に基づいて高速変調された光パルスを発生する。

レンズ２は、各光素子１から出力されるレーザ光を平行光に変換する。平行光にされた各レーザ光は、光合波器３に入射する。

光合波器３は、互いに平行な第１主面および第２主面を有する基材３１と、第１主面に設置されたミラー３３と、第２主面に設置された光フィルタ３２とを備え、ミラー３３および光フィルタ３２は光学接着剤を用いて基材３１に接合されている。光フィルタ３２は、対応する光素子１が出力するレーザ光の中心波長と一致する波長の光のみを通過し、それ以外の波長の光を反射するバンドパスフィルタとして構成される。

光合波器３の機能に関して、図１の最上段に位置する１番目の光素子１が出力するレーザ光は、レンズ２を通過し、ミラー３３→光フィルタ３２→ミラー３３→光フィルタ３２→ミラー３３→光フィルタ３２の順で反射して、後段の光ファイバ（不図示）に入射する。上から２番目の光素子１が出力するレーザ光は、レンズ２を通過し、光フィルタ３２を通過した後、ミラー３３→光フィルタ３２→ミラー３３→光フィルタ３２の順で反射して、後段の光ファイバに入射する。上から３番目の光素子１が出力するレーザ光は、レンズ２を通過し、光フィルタ３２を通過した後、ミラー３３→光フィルタ３２の順で反射して、後段の光ファイバに入射する。上から４番目の光素子１が出力するレーザ光は、レンズ２を通過し、光フィルタ３２を通過した後、後段の光ファイバに入射する。こうして各光素子１が出力するレーザ光は、１つの光軸に合波され、単一の光ファイバで伝送することが可能になる。

図２は、光合波器３の一例を示す構成図であり、図２（ａ）は光フィルタ３２側から見た正面図、図２（ｂ）は上から見た平面図、図２（ｃ）はミラー３３側から見た背面図である。基材３１は、中空の平行六面体として形成され、その正面および背面には長円状の窓３８がそれぞれ設けられる。光フィルタ３２およびミラー３３は、この窓３８を跨ぐように設置され、接着剤３４を用いて基材３１に接合される。こうしたブリッジ接合により、レーザ光が光合波器３を通過する際、基材３１との干渉を防止できる。

図３は、光集積モジュール光学系の組立手順の一例を示す説明図である。まず図３（ａ）に示すように、光素子１が接合された基板４を用意する。次に図３（ｂ）に示すように、基板４上に、各光素子１に対応したレンズ２をそれぞれ設置し、各光素子１が出力する光ビームがコリメート光になるようにレンズ２の位置調整を行う。その際、望遠レンズ６および撮像カメラ７を用いて、４つの光ビームの集光位置を確認する。次に図３（ｃ）に示すように、位置調整の終了後、半田、接着剤、溶接等の手段によりレンズ２を基板４に固定する。

次に図３（ｄ）に示すように、図１に示すような光合波器３をレンズ２と望遠レンズ６との間に挿入し、４本の光ビームが１本の光ビームに合波されるように光合波器３の位置調整を行う。このとき光合波器３の組立精度が良好であれば、光合波器３全体の位置調整だけで足りる。

一方、光合波器３の組立精度が不十分である場合、即ち、光合波器を構成する複数の光フィルタ３２およびミラー３３が平行でない場合、特に、光フィルタ３２の角度がずれている場合、個々の光ビーム位置がずれるため、光合波器３全体の位置調整だけでは不十分となる。そのため先に固定したレンズ２の位置を再調整することが不可欠になり、余分な作業が必要になる。従って、光集積モジュールを組み立てる場合、高精度の光合波器３を事前に用意することが重要になる。

図４は、本発明の実施の形態１に係る光合波器の製造装置の一例を示す斜視図であり、図５は、その正面図である。光合波器の製造装置は、光合波器の組立作業を行うためのワーク設置部５０と、ワーク設置部５０の基準面ならびに光合波器の基材３１、ミラー３３および光フィルタ３２の間の相対角度をそれぞれ測定する光ビーム照射式角度測定部６０と、基材３１に対してミラー３３および光フィルタ３２の向きを調整する角度調整部７０と、基材３１に対してミラー３３および光フィルタ３２を固定する部品固定部などを備える。

ワーク設置部５０は、水平な基準面を有する作業ステージと、作業ステージを支持する各種移動ステージ、例えば、ＸＹ軸ステージ５２、Ｚ軸周りの回動ステージ５３、Ｘ軸周りおよびＹ軸周りに傾斜する２軸ゴニオステージ５４などを備える。

光ビーム照射式角度測定部６０は、オートコリメータ６１と、オートコリメータ６１を支持する各種移動ステージ、例えば、Ｙ軸周りの回動ステージ６２、Ｚ軸（鉛直方向）ステージ６３などを備える。

角度調整部７０は、ミラー３３、光フィルタ３２などの光学部品を把持するための把持ハンド７２を有する部品把持機構７１と、部品把持機構７１を支持する各種移動ステージ、例えば、Ｚ軸（鉛直方向）ステージ７３、Ｙ軸周りの回動ステージ７４、Ｘ軸周りおよびＹ軸周りに傾斜する２軸ゴニオステージ７５などを備える。

部品固定部は、ＵＶ硬化樹脂などの接着剤を塗布する、例えばディスペンサなどの接着塗布機構（不図示）と、塗布した接着剤に向けてＵＶ光を照射するためのライトガイド９０などを備える。

光合波器の製造装置はまた、好ましくは、完成した光合波器に試験用光ビームを入射し、光合波器から出射した光ビームの位置を測定する光ビーム位置測定部を備える。この光ビーム位置測定部は、光合波器に向けて試験用光ビームを発生する基準光源５１と、光合波器から出射した光ビームを反射するミラー９１と、ミラー９１で反射した光ビームを撮像する撮像カメラ部８０などを備える。撮像カメラ部８０は、撮像カメラ８１と、撮像レンズ８２と、撮像カメラ８１を支持する各種移動ステージ、例えば、ＸＹ軸ステージ８３、Ｚ軸ステージ８４などを備える（図７参照）。なお、ミラー９１には、オートコリメータ６１の使用時には光路から退避する機構が設けられる。

このように該製造装置は、少なくとも２つの機能を有し、第１の機能は、オートコリメータ６１を有する光ビーム照射式角度測定部６０を用いた角度測定に基づいて、ミラー３３および光フィルタ３２を高精度に組み立てる機能であり、第２の機能は、基準光源５１からの光ビームを光合波器に入射させて、撮像カメラ８１を用いて光合波器の組立精度を観測する機能である。

図６は、本発明の実施の形態１に係る光合波器の製造方法の一例を示すフローチャートであり、図７は、その説明図である。まずステップｓ１において、図７（ａ）に示すように、ワーク設置部５０の基準面に基材３１を戴置する。次に、オートコリメータ６１を用いて、この基準面に向けて光ビームを照射し、基準面で反射した光ビームの反射方向を計測して、基準面の角度θａを測定する。その際、基準面で反射した光ビームがオートコリメータ６１の基準点を通過するように、２軸ゴニオステージ５４を駆動して基準面の角度を調整することが可能である。

次に、基材３１の第１主面にミラー３３を戴置する。次に、オートコリメータ６１を用いて、ミラー３３に向けて光ビームを照射し、ミラー３３で反射した光ビームの反射方向を計測して、ミラー３３の角度θｂを測定する。次に、角度θｂが角度θａと一致するように、把持ハンド７２を用いてミラー３３の角度を調整する。その際、オートコリメータ６１を用いた角度計測と把持ハンド７２を用いた角度調整とを反復して行うことが可能である。その後、部品固定部による接着剤塗布およびＵＶ光照射を行って、ミラー３３を基材３１に対して固定する。

次にステップｓ２において、図７（ｂ）に示すように、基材３１を上下反転した状態で、ワーク設置部５０の基準面に戴置する。その際、ワーク設置部５０には、固定したミラー３３と接触しないように逃げ空間が形成される。次に、基材３１の第２主面に、光フィルタ３２を戴置する。次に、オートコリメータ６１を用いて、基材３１の第２主面に向けて光ビームを照射し、第２主面で反射した光ビームの反射方向を計測して、第２主面の角度θｃを測定する。その際、第２主面で反射した光ビームがオートコリメータ６１の基準点を通過するように、２軸ゴニオステージ５４を駆動して第２主面の角度を調整することが可能である。

次に、オートコリメータ６１を用いて、光フィルタ３２に向けて光ビームを照射し、光フィルタ３２で反射した光ビームの反射方向を計測して、光フィルタ３２の角度θｄを測定する。次に、図７（ｃ）に示すように、角度θｃが角度θｄと一致するように、把持ハンド７２を用いて光フィルタ３２の角度を調整する。その際、オートコリメータ６１を用いた角度計測と把持ハンド７２を用いた角度調整とを反復して行うことが可能である。その後、部品固定部による接着剤塗布およびＵＶ光照射を行って、光フィルタ３２を基材３１に対して固定する。

次にステップｓ３において、完成した光合波器に試験用光ビームを入射し、光合波器の組立精度を観測する。

図８と図９は、光合波器の組立精度を観測する手法の一例を示す説明図である。上述のように完成した光合波器に向けて基準光源５１からの試験用光ビームを入射し、撮像カメラ８１を用いて、光合波器から出射した光ビームの位置を測定する。撮像カメラ８１で撮像した光ビーム像は、モニタ８５の画面に表示され、ビーム位置が所定の許容範囲から外れているか否かで、光合波器の組立精度を確認することが可能である。

図１０は、光合波器の組立精度を観測する手法の他の例を示す説明図である。この例では、基準光源５１の代わりに、４つの光素子１および４つのレンズ２が実装された光集積モジュールの基準品を使用している。こうした基準品を用いて４つの試験用光ビームを光合波器３に入射させることによって、角度ズレが生じている光フィルタ３２およびミラー３３を個別に特定することが可能になり、その結果、角度ズレが生じている光学部品のみを補修すれば足り、作業時間の短縮化が図られる。

以上説明したように、光合波器３を高精度に組み立てて、かつ完成品の精度も容易に検査できるため、光損失バラツキの小さい、小型な光集積モジュールを得ることができる。特に、光合波器を搭載した後、光合波器の位置に応じてレンズ位置を再調整する作業を削減できるため、光集積モジュールの製造効率の向上、製造コストの削減が図られる。

実施の形態２．
図１１は、本発明の実施の形態２に係る光合波器の製造装置の一例を示す正面図である。図１１中、図５と同一符合は、同一または相当箇所を示す。図１１の製造装置では、ワーク設置部５０の下方に波長可変光源５５が設けられ、波長可変光源５５から出た光は基材３１等を透過し、ワーク設置部５０の上方に設けられたパワーメータ５６に入り、強度が測定される。他の構造は、図５の製造装置と同一である。

次に、本実施の形態２に係る光合波器の製造方法の一例について、図６に示す実施の形態１に係る光合波器の製造方法の一例を示すフローチャートを参照しながら、特に、実施の形態１に係る測定方法とは異なる点について説明する。

まず、ステップｓ１では、実施の形態１と同様の方法で、例えば図５に示す製造装置を用いて、ワーク設置部５０の基準面の角度θａと、ミラー３３の角度θｂとが一致した状態で基材３１に対してミラー３３を固定する。

次に、ステップｓ２で、光フィルタ３２の角度調整を行う工程で、実施の形態１では、図５に示すようなオートコリメータ等の光ビーム照射式角度測定部６０からの光、または図８に示すような基準光源５１からの光を、撮像カメラ８１で受光し、コリメート光の角度を観測したが、本実施の形態２では、図１１に示すように、波長可変光源５５およびパワーメータ５６を用いて、光フィルタ３２の角度調整を行う。

ここで、光フィルタ３２は、特定のレーザ波長のみを透過する特性を有する。また、特定波長のレーザについて、光フィルタ３２に対するレーザ光の入射角度によって透過率が変化する特性を有する。このような光フィルタ３２の特性を利用して、本実施の形態２では、波長可変光源５５から出射する光の波長を、それぞれの光素子１の発光波長に合わせて変更する。そして、それぞれの光フィルタ３２で、対応する光素子１の発光波長の光の透過する強度が最大となるように光フィルタ３２の角度を調整し、基材３１に対して光フィルタ３２を固定する。

図１２は、ステップｓ２において、光フィルタ３２ｂの角度を調整する工程を示す。ここでは、光フィルタ３２ａは、既に角度が調整されて基材３１に固定されている。

この工程では、試験光５７の波長は、光フィルタ３２ａでは反射し、光フィルタ３２ｂは透過する波長に、波長可変光源５５によって設定されている。光フィルタ３２ｂを透過した試験光５７は、パワーメータ５６により光強度が測定される。この時、光フィルタ３２ｂの角度を調整して、光フィルタ３２ｂへの試験光５７の入射角を変えることで、光フィルタ３２ｂを透過してパワーメータ５６で測定される試験光５７の光強度が変化する。ここでは、光フィルタ３２ｂの角度を、パワーメータ５６が検出する光強度が最大となるように調整し、この状態で基材３１に固定する。

更に隣の光フィルタの角度を調整する工程では、光フィルタ３２ａ、３２ｂでは反射され、隣の光フィルタのみ透過するような波長に、試験光５７の波長が設定され、同様の工程で隣の光フィルタの角度を調整して固定する。

次の、ステップｓ３では、実施の形態１と同様の方法で、光合波器に試験用光ビームを入射して、光合波器の組立精度が観察され、光合波器が完成する。

このように、本実施の形態２では、光合波器３の組立工程において、それぞれの光素子１の発光波長の光が最も透過するように、それぞれの光素子１に対応する光フィルタ３２の角度を調整し、基材３１に固定するため、光損失の少ない光合波器３を製作することができる。

１光素子、２レンズ、３光合波器、４基板、６望遠レンズ、７撮像カメラ、３１基材、３２光フィルタ、３３ミラー、３４接着剤、３８窓、５０ワーク設置部、５１基準光源、５２ＸＹ軸ステージ、５３回動ステージ、５４２軸ゴニオステージ、５５波長可変光源、５６パワーメータ、５７試験光、６０光ビーム照射式角度測定部、６１オートコリメータ、
６２回動ステージ、６３Ｚ軸ステージ、７０角度調整部、７１部品把持機構、７２把持ハンド、７３Ｚ軸ステージ、７４回動ステージ、７５２軸ゴニオステージ、８０撮像カメラ部、８１撮像カメラ、８２撮像レンズ、８３ＸＹ軸ステージ、８４Ｚ軸ステージ、９０ライトガイド、９１ミラー。

Claims

互いに平行な第１主面および第２主面を有する基材と、
第１主面に設置されたミラーと、
第２主面に設置された光フィルタと、を備える光合波器の製造方法であって、
ワーク設置部の基準面に、基材を戴置するステップと、
該基準面に向けて光ビームを照射し、該基準面で反射した光ビームの反射方向を計測して、該基準面の角度θａを測定するステップと、
前記基材の第１主面に、ミラーを戴置するステップと、
該ミラーに向けて光ビームを照射し、該ミラーで反射した光ビームの反射方向を計測して、該ミラーの角度θｂを測定するステップと、
角度θｂが角度θａと一致するように、前記ミラーの角度を調整した後、前記ミラーを前記基材に対して固定するステップと、
前記基材を反転した状態で、ワーク設置部の基準面に戴置するステップと、
前記基材の第２主面に、光フィルタを戴置するステップと、
前記基材の第２主面に向けて光ビームを照射し、該第２主面で反射した光ビームの反射方向を計測して、該第２主面の角度θｃを測定するステップと、
前記光フィルタに向けて光ビームを照射し、前記光フィルタで反射した光ビームの反射方向を計測して、前記光フィルタの角度θｄを測定するステップと、
角度θｃが角度θｄと一致するように、前記光フィルタの角度を調整した後、前記光フィルタを前記基材に対して固定するステップと、を含むことを特徴とする光合波器の製造方法。
得られた光合波器に試験用光ビームを入射し、該光合波器から出射した光ビームの位置を測定するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の光合波器の製造方法。