JP6836470B2 - 充填樹脂、接続構造、及び導波路溝充填構造 - Google Patents

Description

本発明は、光通信の分野に属し、特に、１００ｍＷ以上のハイパワーをファイバ、導波路に伝送する際の導波路、ファイバ間、導波路溝に充填する樹脂に関する。

光通信の分野においては、ファイバ同士を接続する場合にはコネクタを用い、ファイバと導波路、導波路同士を接続する場合には接着剤を用い、導波路に掘った溝に波長板やアサーマル樹脂を充填する場合は樹脂を充填する。

しかし、入力するパワーが１００ｍＷ〜数Ｗのハイパワーとなると、接着剤、樹脂の吸収により温度が上昇して、劣化が見られ、吸収係数の増大が見られる。

例えば、ＭＴ（Mechanical Transferable）コネクタでファイバ同士を接続する場合には、マッチングゲルを充填するが、数Ｗのパワーを入れると樹脂が燃えるという欠点がある。

また、導波路とファイバを接続するには、ファイバを固定したファイバブロックと導波路を接続するが、その間にはエポキシあるいはアクリルの接着剤を使用する。しかし数Ｗのハイパワーを入れると接着剤が燃えてしまい、吸収係数が非常に大きくなるという問題がある。

まだ導波路に掘った溝に波長板を挿入したり、アサーマルＡＷＧのアサーマル用の溝に樹脂を充填し、数Ｗの光を入力すると樹脂の吸収により、屈折率が変化してしまって、ＡＷＧの特性が劣化するという問題があった。

従来のアクリル接着剤の吸収係数の波長依存性を図１に示す。１２００ｎｍおよび１４００ｎｍに大きな吸収による吸収係数の増大があり、１．５５μm帯Ｃバンド（１５３５ｎｍ〜１５６５ｎｍ）において吸収係数は１．５ｄＢ／ｃｍの吸収係数がある。ＥＤＦＡの最もハイパワーが得られる帯域はＣバンドであり、この帯域に数Ｗの光を入れることができるが、数Ｗの光を入れるとアクリルの接着剤が燃えてしまい、最悪ファイバがファイバフューズを起こす。

従来のアサーマルのＡＷＧは樹脂の屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴとガラスの屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴの極性が逆であることを利用して、波長の温度依存性を相殺するため、溝に樹脂を充填する。特許文献１に、その例を示す。

樹脂はｄｎ／ｄＴの大きなシリコーン樹脂を充填する。アサーマル溝に充填するジメチルシリコーンの吸収係数のスペクトルを図２に示す。Ｃバンドにおける吸収係数は１．８ｄＢ/cmである。１０ｍＷ以下の光を伝送する場合には、この程度の吸収係数は問題がないが、１００ｍＷ以上のハイパワーを伝送する際には、この程度の吸収係数でも樹脂部分の温度上昇により、温度補償がうまく作用しなくなり、さらにハイパワーを入れると接着剤、樹脂が劣化する。

このように通信波長帯において、ファイバ、導波路間に充填するための吸収係数の小さな樹脂の開発が望まれていた。

通信波長帯における樹脂の吸収係数は、非特許文献１に詳しく開示されている。

この中でフッ素化ポリイミド、重水素化シリコーン、ＵＶアクリレートが１５５０ｎｍにおいて吸収係数が少ない材料としてあげられている。フッ素化ポリイミドが１．５５μｍにおいて、０．４ｄＢ／ｃｍ、重水素化シリコーンが０．４２ｄＢ/ｃｍ、UVアクリレートが０．２４ｄＢ/ｃｍである。しかしこれらの材料はファイバ、導波路の接続に使うには問題が多い。即ちポリイミドは３００℃程度で加熱してイミド化する必要があり、加熱によってファイバ、導波路が劣化してしまう。シリコーンの重水素化は非常にコストがかかり、重水素化シリコーンの市販はされていない。

導波路に溝を掘って種々の吸収係数を持った樹脂を充填し、光入力のパワーを変えた場合の温度を簡単な計算でシミュレーションした。その結果を図３に示す。溝の幅は３７μｍ、導波路コア幅は１３μｍ，コア厚は６μｍとした。例えばシリコーンゲル１．８ｄＢ／ｃｍの場合１Ｗ入力すると温度は８０℃にもなり、温度無依存化を達成できない。また２Ｗ入力すると温度は１４０℃なり、樹脂の劣化が生じる。樹脂の劣化が生じないためには、１Ｗ入力で５０℃以下にする必要がある。

従って充填する樹脂の吸収係数を０．７ｄＢ/ｃｍ以下とすればよい。

特許第３４３６９７号公報

丸野「ポリマー光導波路の形成とそのデバイス特性」光学３１巻２号（２００２）８１(１１)〜８７(１７）

従来の導波路間又はファイバ間用の充填樹脂では、光の吸収を少なくして、温度上昇、劣化を抑え、ハイパワー光の伝送においても伝送ロスの増加を抑えるという課題があった。

本発明は、以上の問題を鑑みてなされたものであり、光の吸収を少なくして、温度上昇、劣化を抑え、ハイパワー光の伝送においても伝送ロスの増加を抑えることを目的としている。

本発明は、通信波長帯においてハイパワーを入れた場合でも、樹脂が劣化しないために、必要な樹脂の吸収係数を明らかにし、それを満足する樹脂を発見したことにある。従来のエポキシ接着剤、アクリル接着剤、シリコーン樹脂よりも、小さな吸収係数を持つ樹脂に代えることにより、光の吸収を少なくして、温度上昇、劣化を抑え、ハイパワー入力時でも、吸収係数の増加がない。

温度上昇を抑えるには、通信波長帯における吸収係数の低い樹脂を充填すればよい。樹脂の通信波長帯の吸収係数を測定した報告は少なく、光通信用のポリマー導波路用材料としての報告が数件しかない。そこで約１００種類の材料の透過スペクトルを測定し、１５３５ｎｍ〜１５６５ｎｍでの吸収係数の少ない材料を探した。

水素をフッ素化、あるいは重水素化した材料の吸収スペクトルを測定した。図４にその結果を示す。重水素化シリコーンは、Ｃ−Ｄの吸収が１５００ｎｍ辺りにくるのでかえって、重水素化前よりも吸収係数が大きくなる。シロキサン結合を基本とするシリコーンの水素をＦに置き換えたフロロシリコーンはＣ−ＨがＣ−Ｆに代わることにより、上記の１２００ｎｍ、１４００ｎｍ、１５３５ｎｍの吸収が少なくなり、１５３５ｎｍ〜１５６５ｎｍにおいては、０．７ｄＢ／ｃｍの吸収を達成し、本発明の課題であるハイパワー耐性を持つ。

さらにフッ素化を進め、シリコーンの主鎖にパーフルオロポリエーテルを持ち、下記の式で書かれる通称「フッ素ゲル」はＣ−Ｈの吸収である１２００ｎｍ、１４００ｎｍ、１５３５ｎｍの吸収を殆ど持たず、通信波長帯１５３５ｎｍ〜１５６５ｎｍにおいては、０．１ｄＢ／ｃｍという驚異的な低吸収係数を示した。

これらの材料の吸収係数をまとめて表１に示す。この中で吸収係数が0.７ｄＢ／ｃｍ以下のものは、酸素と炭素と水素の他にシリコンとフッ素の両方を含むフッ素ゲルとフロロシリコーンのみであることがわかった。

フッ素を含む樹脂はフッ素ゴムやテフロンがあるが、フッ素を含むだけでは、吸収係数は低くならない。またシリコンを含む樹脂は、シリコーンを代表として、種々あるが、シリコンを含むだけでは吸収係数は低くならない。シリコーンとフッ素を両方含み、なおかつその量が１モル％以上の場合において、吸収係数の低減が見られた。

シリコーンの主鎖にパーフルオロポリエーテルを含む樹脂（通称フッ素ゲル）を溝に充填した場合の温度上昇を見積もった。シミュレーションの結果を示す図３から、２Ｗのハイパワーを入力してもシリコーンからフッ素ゲルに代えることにより、温度が１３０℃→２８℃に抑えられる。ハイパワーを入力しても吸収係数の増大もなく、劣化もないことがわかる。

本発明は、上記の目的を達成するために、以下のような構成を備えることを特徴とする。

本発明の充填樹脂の一様態は、１５３５から１５６５ｎｍの通信波長帯域の１００ｍＷ以上のハイパワー光を通過させる対向する導波路間用の充填樹脂において、
１５３５から１５６５ｎｍの通信波長帯域において吸収係数が０．７ｄＢ／ｃｍ以下であり、かつ、
酸素、炭素、水素の他に、シリコン及びフッ素を１モル％以上含むフロロシリコーン又はフッ素ゲルであることを特徴とする。

前記充填樹脂は、前記フッ素ゲルの主鎖がパーフルオロポリエーテルの部位を含み、構造が以下の化学式で表されることを特徴とする。

前記接続構造は、１５３５から１５６５ｎｍの通信波長帯域の１００ｍＷ以上のハイパワー光を通過させる対向する導波路間の接続機構において、
１５３５から１５６５ｎｍの通信波長帯域において吸収係数が０．７ｄＢ／ｃｍ以下であり、かつ、酸素、炭素、水素の他に、シリコン及びフッ素を１モル％以上含むフロロシリコーン又はフッ素ゲルである樹脂が前記対向する導波路間に充填された状態で導波路を対向して固定することを特徴とする。

前記接続構造は、前記対向する導波路は光ファイバと基板上に形成された導波路であり、
前記接続構造は、前記光ファイバが固定され、接着剤により前記基板に接合されるファイバブロックであり、前記対向する導波路間の前記樹脂が充填された領域に前記接着剤が流入するのを防止する溝を有するファイバブロックである、または、
前記対向する導波路は光ファイバと光ファイバであり、
前記接続構造は前記光ファイバを対向して固定するコネクタである
ことを特徴とする。

前記接続構造は、前記対向する導波路は基板上に形成され導波路であり、
前記接続構造は、前記基板上に形成され導波路を切断するように設けられた溝であり、前記樹脂が充填された溝である
ことを特徴とする。

前記対向する導波路の端面に、ＭｇＦ、ＣａＦ、又はＬｉＦの膜を下記の条件で備えたことを特徴とする。

ｎ₀は導波路コアの屈折率、ｎ₁はＭｇＦ, ＣａＦ,又はＬｉＦの屈折率、ｎ₂は導波路間、ファイバ間充填樹脂の屈折率である。

本発明によれば、従来のシロキサンを架橋させたシリコーン、アクリル接着剤、エポキシ接着剤に代えて、シリコーンのＨをフッ素化したもの、あるいはさらにフッ素化を進めたシリコーンの主鎖をパーフルオロエーテルに置き換えたものが、１１００ｎｍ〜１６００ｎｍの波長領域において、吸収係数が低く（０．７ｄＢ／ｃｍ〜０．１ｄＢ／ｃｍ）、１００ｍＷ以上のハイパワーの光を入力した場合にアサーマルＡＷＧの樹脂の温度上昇を抑える効果がある。

従来のアクリル接着剤の吸収係数の波長依存性を示す図である。 ジメチルシリコーンの吸収係数のスペクトルを示す図である。 導波路溝に樹脂を充填して、ハイパワーの光を入力した場合の温度（シミュレーション）を示す図である。 重水素化シリコーン、フッ素化シリコーン、フッ素ゲルの吸収係数の波長依存性を示す図である。 （a）本発明の実施例１の導波路溝充填構造を示す上面図である。（ｂ）本発明の実施例１の導波路溝充填構造を示す立体図である。 本発明の実施例２のＭＴコネクタを示す図である。 （a）樹脂を充填する導波路溝を示す上面図である。（ｂ）樹脂を充填する導波路溝を示す立体図である。 樹脂を充填する溝を備えたマッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）を備えたアサーマルＡＷＧを示す図である。 本発明の実施例４の温度無依存アレイ導波路回折格子を示す図である。

以下、本発明の充填樹脂、光波長合分波回路、温度無依存アレイ導波路回折格子、接続構造、及び導波路溝充填構造の形態について、図を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下に示す実施例の記載内容に限定されず、本明細書等において開示する発明の趣旨から逸脱することなく形態および詳細を様々に変更し得ることは当業者にとって自明である。また、異なる実施例に係る構成は、適宜組み合わせて実施することが可能である。なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を用い、その繰り返しの説明は省略する。

［実施例１］
本実施例では、フッ素ゲルを導波路とファイバの接続に用いた場合、溝付きファイバブロックを用い、コア部にフッ素ゲル、接着部にアクリル接着剤を用いた例を示す。

ファイバと導波路を接続する実施例１の構造を図５に示す。図５（a）は、導波路溝充填構造を示す上面図である。図５（ｂ）は、導波路溝充填構造を示す立体図である。この構造は、導波路５０１、導波路５０１内に設けられた導波路コア５０２、ファイバを固定するファイバブロック５０３、アクリル系接着剤５０４、ファイバブロック５０３内を通るファイバ５０５、ファイバブロック５０３に設けられた接着剤流入防止用溝５０６、及びシリコーンの主鎖にパーフルオロポリエーテルを含む樹脂５０７（通称フッ素ゲル）からなる。導波路５０１とファイバブロック５０３は、アクリル系接着剤５０４及びシリコーンの主鎖にパーフルオロポリエーテルを含む樹脂５０７を介して接合している。

通常はファイバ５０５と導波路５０１はアクリル系接着剤で全面を接着するが、１Ｗ以上のハイパワーの光を入れると燃えてしまうという欠点があった。そこでシリコーンの主鎖にパーフルオロポリエーテルを含む樹脂（フッ素ゲル）をファイバと導波路の間に充填する。フッ素ゲルは接着強度が不足しているため、接着剤として使えない。そこで接着剤流入防止溝５０６をファイバブロック５０３に設けて、両脇に接着剤であるアクリル系接着剤５０４、中央部にフッ素ゲル５０７を充填した。このようにすることにより、１５３５ｎｍで１Ｗ以上のハイパワーの光を入れても樹脂５０７は劣化することなく、接続することが可能となった。１１００ｎｍ〜１６００ｎｍの光を入れても温度上昇が少なく、樹脂５０７が劣化せず、吸収係数が増大することはなかった。

［実施例２］
ＭＴコネクタの接着部にパーフルオロポリエーテルを主鎖に持つ樹脂フッ素ゲルを用い、フッ素ゲルを充填した例を示す。

多芯のファイバを接続する場合には、図６に示すＭＴコネクタを使用する。図６に示すように、ＭＴコネクタは、樹脂により一体成形されたフェルール６０４に多心の光ファイバを固定し、２本のガイドピン６０３で整列する構造を有する。フェルール６０４は、シングルモード光ファイバの接続に使用できる性能を有している。さらに、ＭＴコネクタは、ブーツ６０２、リボンファイバ６０５、クリップ６０６を有する。多芯の場合ファイバのコア同士をフィジカルコンタクトすることが難しいため、ファイバ間にシリコーンを主材とするマッチングジェル６０１を端面に塗る必要がある。しかしこのマッチングジェルは１Ｗ以上のハイパワーを入れると燃えてしまうという欠点があった。そこでマッチングジェルの代わりフッ素ゲルを塗った。シリコーンマッチングジェルをフッ素ゲルに代えることにより、１Ｗ以上のハイパワーを入れても吸収係数の増大が見られなかった。

［実施例３］
導波路溝にフッ素ゲルを充填した場合、及びパーフルオロポリエーテルを主鎖に持つ樹脂（フッ素ゲル）をＡ−ＡＷＧ（アレイ導波路回折格子）に充填した場合を示す。

導波路溝は図７に示すように導波路を切断するように掘られている。導波路は、樹脂を充填する溝７０１、表面に溝７０１を有する導波路７０２、導波路内を通る導波路コア７０３、及び充填した樹脂７０４からなる。この溝に従来はジメチルシリコーン樹脂が充填されてきた。しかし先に述べたようにジメチルシリコーンは吸収係数が１．８ｄＢ／ｃｍあり、数１００ｍＷを入れると温度が上昇して、アサーマルの条件を満足できなくなる。このためフッ素ゲルに代えた。

図８に示すＭＺ干渉計を前段に備えたアサーマルＡＷＧ（特許文献３：特開２０１０−４４３４９）のアサーマル溝に通称フッ素ゲルとよぶパーフルオロエーテルを主鎖に持つ樹脂を充填した。アサーマルＡＷＧは、第一のスラブ導波路８０１、アレイ導波路８０２、第二のスラブ導波路８０３、第二の入出力導波路８０４、分割三角溝（樹脂挿入）８０５、第一の入出力導波路８０６、温度依存型位相差生成カプラ８０７、第一のアーム導波路８０８、第二のアーム導波路８０９、方向性結合器８１０、温度補償材料充填溝８１１、及び温度補償材料充填溝８１２からなる。なお、分割三角溝（樹脂挿入）８０５、温度補償材料充填溝８１１、及び温度補償材料充填溝８１２がアサーマル溝に相当する。

比較のために通常のジメチルシリコーンを充填したサンプルも準備した。入力パワーを１ｍＷと２００ｍＷとして、透過スペクトルと透過波長の温度依存性を測定した。その結果を従来のシリコーンを充填したものは、２００ｍＷのハイパワーを入れるとスペクトル形状がフラットトップとならず、なおかつ波長の温度依存性は１ｍＷ入力時の温度依存性よりも３００ｐｍ程度短くなる。このため温度依存性を解消しようとしても入力パワーによって大きく波長が変化してしまう。

これに対して、フッ素ゲルを充填したものは、２００ｍＷのハイパワーを入力してもスペクトルの形状は崩れず、波長の温度依存性も殆ど変化しなかった。

同様に通常のジメチルシリコーンのＨをＦに置き換えたフロロシリコーンを充填した場合にも、ほぼ同様の効果が見られた。

このように従来のシリコーンの主鎖部をパーフルオロポリエーテルで置き代えたものを充填することにより、ハイパワーの光を入力した場合にも、アサーマルＡＷＧの温度上昇を抑えることができ、透過スペクトルの形状、透過波長の温度依存性にも変化をもたらさないという効果がある。上記に示した構造式のみでなく、シロキサンを架橋したシリコーンのＨをフッ素に置き換えたものでも効果があった。

厳密に構造式を記載することはできないが、酸素、炭素、水素の他に、Ｓｉの含有量且つＦの含有量が1モル％以上の樹脂は、上記の効果が見られた。

［実施例４］
実施例１で充填したフッ素ゲル、フロロシリコーンは屈折率が１．３１〜１．３３とガラスの屈折率１４．５と比べると低い。このため溝の壁面部で屈折率ミスマッチによる吸収係数が生じるという欠点がある。この欠点を解決するために、壁面にＡＲコートを形成するのが有効である。

屈折率ｎ₁とｎ₂の材料界面の、反射率は下記の式で与えられ、

例えば、フッ素ゲルと石英ガラスの間では０．３３％の反射がある。溝は通常５〜１０個程度設けられるので、０．３３×２×（５〜１０）＝３〜６％の反射ロスが生じることになる。これを押さえるためには、温度無依存アレイ導波路回折格子の溝壁面にＡＲコートを付けることが有効である。

フッ素ゲル、フロロシリコーンは１．３〜１．３３の屈折率ｎ₂を持ち、１．４６の屈折率ｎ₀のガラス材料の間にＡＲを付ける場合の材料は、下記の式を満足する屈折率ｎ₁を持つ材料を選択する必要があり、

であり、１．３８〜１．３９の屈折率を持つ材料、即ちＣａＦ, ＭｇＦ, 又はＬｉＦが適している。

これらの材料を

の条件の膜厚ｄで形成すればよい。１．５５μｍの場合、ＣａＦ, ＭｇＦ, 又は ＬｉＦを２８０ｎｍ程度形成すればよい。

通常ＡＲコートは反射面に対して、垂直に形成するが、溝壁面に付ける場合には、スパッタリング法が有効である。図９のように、スパッタターゲット９０６、プラズマ９０７を用いたスパッタリングにより、壁面全体にＡＲコートを付けた。温度無依存アレイ導波路回折格子は、Ｓｉ基板９０１、導波路クラッド（石英ガラス）９０２、ＡＲコート膜９０３、フッ素ゲルあるいはフロロシリコーン９０４、導波路コア９０５からなる。

ＡＲを壁面に付着することにより、吸収係数を０．３ｄＢ低減することができた。

本実施例では、導波路溝の壁面にＡＲコートを形成したが、ファイバあるいは導波路の端面にＡＲコートを形成してもよい。

５０１ 導波路
５０２ 導波路コア
５０３ ファイバを固定するファイバブロック
５０４ アクリル系接着剤
５０５ ファイバ
５０６ 接着剤流入防止用溝
５０７ シリコーンの主鎖にパーフルオロポリエーテルを含む樹脂
６０１ マッチングジェル
６０２ ブーツ
６０３ ガイドビン
６０４ フェルール
６０５ リボンファイバ
６０６ クリップ
７０１ 樹脂を充填する溝
７０２ 導波路
７０３ 導波路コア
７０４ 充填した樹脂
８０１ 第一のスラブ導波路
８０２ アレイ導波路
８０３ 第二のスラブ導波路
８０４ 第二の入出力導波路
８０５ 分割三角溝（樹脂挿入）
８０６ 第一の入出力導波路
８０７ 温度依存型位相差生成カプラ
８０８ 第一のアーム導波路
８０９ 第二のアーム導波路
８１０ 方向性結合器
８１１, ８１２ 温度補償材料充填溝
９０１ Ｓｉ基板
９０２ 導波路クラッド（石英ガラス）
９０３ ARコート膜
９０４ フッ素ゲルあるいはフロロシリコーン
９０５ 導波路コア
９０６ スパッタターゲット
９０７ プラズマ

Claims (6)

1. １５３５から１５６５ｎｍの通信波長帯域の１００ｍＷ以上のハイパワー光を通過させる対向する導波路間用の充填樹脂において、
   １５３５から１５６５ｎｍの通信波長帯域において吸収係数が０．７ｄＢ／ｃｍ以下であり、かつ、
   酸素、炭素、水素の他に、シリコン及びフッ素を１モル％以上含むフロロシリコーン又はフッ素ゲルであることを特徴とする充填樹脂。
2. 前記フッ素ゲルの主鎖がパーフルオロポリエーテルの部位を含み、構造が以下の化学式で表されることを特徴とする請求項１に記載の充填樹脂。
   
3. １５３５から１５６５ｎｍの通信波長帯域の１００ｍＷ以上のハイパワー光を通過させる対向する導波路間の接続機構において、
   １５３５から１５６５ｎｍの通信波長帯域において吸収係数が０．７ｄＢ／ｃｍ以下であり、かつ、酸素、炭素、水素の他に、シリコン及びフッ素を１モル％以上含むフロロシリコーン又はフッ素ゲルである樹脂が前記対向する導波路間に充填された状態で導波路を対向して固定することを特徴とする接続構造。
4. 前記対向する導波路は光ファイバと基板上に形成された導波路であり、
   前記接続構造は、前記光ファイバが固定され、接着剤により前記基板に接合されるファイバブロックであり、前記対向する導波路間の前記樹脂が充填された領域に前記接着剤が流入するのを防止する溝を有するファイバブロックである、または、
   前記対向する導波路は光ファイバと光ファイバであり、
   前記接続構造は前記光ファイバを対向して固定するコネクタである
   ことを特徴とする請求項３に記載の接続構造。
5. 前記対向する導波路は基板上に形成され導波路であり、
   前記接続構造は、前記基板上に形成され導波路を切断するように設けられた溝であり、前記樹脂が充填された溝である
   ことを特徴とする請求項３に記載の接続構造。
6. 前記対向する導波路の端面に、ＭｇＦ、ＣａＦ、又はＬｉＦの膜を下記の条件で備えたことを特徴とする請求項３乃至５のいずれか一項に記載の接続構造。
   ｎ₀は導波路コアの屈折率、ｎ₁はＭｇＦ, ＣａＦ,又はＬｉＦの屈折率、ｎ₂は導波路間、ファイバ間充填樹脂の屈折率である。