JP7348550B2 - 光回路モジュール - Google Patents

Description

本発明は、複数本の光ファイバを整列配置する光ファイバアレイと、入出力導波路が形成された光回路チップ（シリコンフォトニクス（ＳｉＰ）回路チップ）とを接続して、光ファイバ固定構造を構成する光回路モジュールに関する。

光通信装置の装置あたりの通信容量を増大させるため、より小型・高機能な光モジュールの研究開発が盛んに進められている。そのための有望な技術として、シリコンフォトニクス（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ：ＳｉＰ）技術がある。

ＳｉＰ技術はコア材料としてシリコン（Ｓｉ）、クラッド材料として石英ガラス（ＳｉＯ_２）を用いた光回路の技術である。以降、光回路の光導波路について言うときはＳｉ導波路、光回路チップ全体をいうときはＳｉＰ回路と称することとする。Ｓｉ導波路はコア－クラッド間の比屈折率差が大きいため、導波路の断面積、最小曲げ半径を他材料による光回路より格段に小さくでき、高密度集積した光回路が可能となる。

ＳｉＰ回路を実際にモジュール化して使用可能にするためには、複数本の入出力用の光ファイバを光ファイバアレイとして纏めて、ＳｉＰ回路の光導波路端面に接続固定する必要がある。図１に、ＳｉＰ回路と光ファイバアレイを接続した従来の光回路モジュールの光ファイバ固定構造の模式図を示す。

図１でファイバアレイ１０１は、基板表面に所定のコア間隔で断面が例えば概略Ｖ字型の溝１０３が複数平行に形成された溝基板１０２の上に、複数の光ファイバ１０４を溝で整列させ、押さえ板１０５で上から押さえて接着剤１０６などで固定することで作製される。

ＳｉＰ回路１０７は、ファイバアレイ１０１と光結合して接続される光回路であり、各光ファイバ１０４と対応して光信号を送受するための入出力導波路として、Ｓｉ導波路１０８を回路基板表面近傍に複数有する。

ＳｉＰ回路１０７は、通信波長帯の光の透過率が高い光学接着剤などでファイバアレイ１０１と接着され、各々のＳｉ導波路１０８のコア端面が、ファイバアレイ１０１の各々の光ファイバ１０４のコア端面に光軸位置を合わせて配置されて、光結合されている。

ＳｉＰ回路１０７とファイバアレイ１０１の接続部における光軸位置合わせに要求される精度は、接続部における光のモードフィールド径（ＭＦＤ：光ビームの断面における光電力分布の広がりを表す指標）に依存する。ＭＦＤが小さいほど、同じ光軸位置ずれに対する接続損失の劣化が大きくなるため、要求精度は厳しくなる。

図２は、Ｓｉ導波路１０８と光ファイバ１０４のコア間光軸ずれ量に対する接続損失変動の一例を示したグラフである。図２の横軸が光軸ずれ量（μｍ）であり、縦軸が光軸ずれ量に対応した接続損失変動（ｄＢ）である。図２から、接続損失変動を０．１ｄＢ以内に抑えるためには位置ずれ量は０．２８μｍ以下にしなければならないことが分かる。

特開２００１－２２８３４５号公報

しかし、本発明者は、たとえ光ファイバコアとＳｉ導波路との間の位置合わせを高精度に行えたとしても、次に述べる問題点があることを見出した。

図３（ａ）、（ｂ）は、この問題点を説明する従来の光回路モジュール構造における、ファイバアレイ１０１とＳｉＰ回路１０７との接続部をＳｉＰ回路１０７側から光軸方向に見た光ファイバ固定構造の断面図である。

図３では簡単のため光ファイバ１０４の１本のみを描いており、手前側にＳｉＰ回路１０７の基板断面を、奥にファイバアレイ１０１の端面を、透視図として重ねて描いている。図３で、ファイバアレイ１０１の抑え板１０５と溝基板１０２および光ファイバ１０４を接着する接着剤１０６は、光ファイバ１０４の下側の溝１０３との間の空間まで充填していることに注意されたい。

二点鎖線３０１は、ＳｉＰ回路１０７の基板断面においてＳｉ導波路１０８のコアがある深さの位置を示しており、これは図３（ａ）の位置ずれがない状態で、光ファイバ１０４のコアの位置を通過している。図３に図示のないＳｉ導波路１０８のコアは、図３（ａ）の位置ずれがない状態では光ファイバ１０４のコアの位置と一致している。

ＳｉＰ回路１０７においては、Ｓｉ導波路１０８はＳｉＰ回路１０７の回路基板表面から多くとも１０μｍ以内、一般的には４μｍ程度と、ＳｉＰ回路１０７の回路基板表面に非常に近い位置にあるため、回路表面は光ファイバ断面の上端に届くことはない。

したがって、ファイバアレイ１０１とＳｉＰ回路１０７が光学接着剤３０２により接着されるとき、光学接着剤３０２が行きわたる領域は、図３の一点鎖線で示された領域３０２の内部になる。光学接着剤３０２がはみ出して形成されるフィレット部を考慮しても、ＳｉＰ回路１０７はほぼ溝基板１０２に対して固定され、押さえ板１０５には固定されないと考えてよい。

ここで図３（ｂ）に、接続部の温度が変化した場合の、ファイバアレイ１０１内の接着剤１０６の熱膨張の影響について説明する。ＳｉＰ回路１０７は溝基板１０２に対して光学接着剤３０２により接着されており、両者の相対位置関係は変化しない。このため、溝基板１０２の溝１０３と光ファイバ１０４の間に閉じ込められた部分の接着剤１０６が膨張することによって、光ファイバ１０４が溝基板１０２から浮きあがり、光ファイバ１０４のコアとＳｉ導波路１０８のコアとの間で位置ずれが引き起こされる。これによって、接続損失が増加するという問題が生じる。

図３（ｂ）において例えば、溝１０３の開き角度が６０度、光ファイバ１０４の外径（直径）が１２５μｍであるとすると、光ファイバ下端から溝下端までの距離はちょうど光ファイバの半径と等しく、６２．５μｍとなる。接着剤１０６としてエポキシ系接着剤を用いるとし、その線膨張率を８×１０^－５［Ｋ^－１］と仮定すると、一般的な動作温度範囲である－５～８５℃、すなわち９０℃の温度変化に対しては０．４５μｍのコア位置変動となり、これは図２より０．２６ｄＢと、無視できない接続損失変動を引き起こす。

引用特許文献１には、石英系ガラスを主成分とする光回路である石英ＰＬＣ（Ｐｌａｎａｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ）の上に、研磨補強用としての板張りガラスを接着する構造が示されている。これは今日、石英ＰＬＣに対しては一般的に用いられている構造であり、この構造は研磨時の補強に役立つのみならず、押さえ板を含めたファイバアレイ全面と光回路とが接着されるため、光軸ずれの抑制にも寄与していると考えられる。

しかしながら、ＳｉＰ回路１０７の場合は、回路サイズが数ミリ角と石英ＰＬＣに比べて小さく、ファイバアレイ１０１との接続部だけに、このような補強用ガラス板を接着することが困難である。また、ＳｉＰ回路１０７は変調器等の回路素子を駆動するための電極が表面にて露出している必要があるため、チップ表面を補強用ガラス板で覆ってしまうこともできない。このような事情から、この構造はＳｉＰ回路１０７に対しては適用困難である。

すなわち、ＳｉＰ回路１０７は、接続損失が位置ずれに敏感であることに加え、溝基板１０２だけが接着固定されるという特有の事情があるために、溝内の接着剤の熱膨張により接続損失が増大悪化するという問題が発生するのである。

本発明はこの課題を鑑みてなされたものであり、光ファイバアレイと光導波路を有するＳｉＰ回路を接続する光回路モジュール構造において、温度が変動した際の光導波路と光ファイバコアとの位置ずれを抑制し、接続損失の温度依存性を低減できる光回路モジュールを提供すること目的とする。

本発明の実施形態の一例は、このような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。
（構成１）
光ファイバ整列用の溝が形成されている溝基板と、前記溝基板に積層接着された押さえ板と、前記溝基板の溝内に接着固定されている光ファイバを含む光ファイバアレイと、
入出力導波路が形成された光回路基板とが接続された光ファイバ固定構造の光回路モジュールであって、
その接続面において、
前記光回路基板と前記溝基板との光軸方向に見た断面の共通部分の面積より、前記光回路基板と前記押さえ板との光軸方向に見た断面の共通部分の面積の方が大きく、
前記光回路基板と前記溝基板との前記共通部分の面積が０である、
ことを特徴とする光回路モジュール。
（構成２）
構成１に記載の光回路モジュールであって、
前記光ファイバアレイの前記押さえ板が前記光回路基板の導波路層より下側の基板端面側に来るように配置されており、かつ前記溝基板が前記押さえ板の上に、溝の開口部を前記抑さえ板の側に向けて配置され、前記光ファイバを挟んで接着剤で接着されており、
前記光回路基板の端面は前記光ファイバアレイの押さえ板と光学接着剤で接着されている
ことを特徴とする光回路モジュール。
（構成３）
構成１に記載の光回路モジュールであって、
前記溝基板の溝幅が、前記光ファイバのコアが溝から露出する程度に狭くなっている
ことを特徴とする光回路モジュール。
（構成４）
構成１乃至３のいずれか１項に記載の光回路モジュールであって、
前記入出力導波路のコア材料がシリコンである
ことを特徴とする光回路モジュール。
（構成５）
構成１乃至４のいずれか１項に記載の光回路モジュールであって、
前記光回路基板の表面から前記入出力導波路までの深さが１０μｍ未満である
ことを特徴とする光回路モジュール。

以上記載した本発明によれば、光ファイバアレイと光導波路を有するＳｉＰ回路を接続する光回路モジュールにおいて、温度が変動した際の光導波路と光ファイバコアとの位置ずれを抑制し、接続損失の温度依存性を低減できる光回路モジュールを提供することが可能となる。

ＳｉＰ回路とファイバアレイを接続する従来の光回路モジュール構造の模式図である。 コア間光軸ずれ量に対する接続損失変動を示すグラフである。 従来の光回路モジュール構造の接続部の断面図（ａ），（ｂ）である。 本発明の実施形態１の光回路モジュールの接続部の断面図である。 本発明と従来構造の光回路モジュールにおける、温度に対する接続損失変動を対比して示すグラフである。 本発明の実施形態２の光回路モジュールの接続部の断面図である。

以下、本発明の実施形態を図を用いて説明する。なお、外径の異なる光ファイバを使用したり、基板材質を変更したり、接着剤の種類を変更したりすることは通常の設計変更の範囲内であり、本発明を制限するものではない。

（実施形態１）
図４は、本発明の実施形態１の光回路モジュールの接続部の光ファイバ固定構造を示す断面図である。

図４（ａ）に示すように本発明の光回路モジュールでは、ファイバアレイ１０１が従来例（図３）とは上下逆に配置されている。すなわちＳｉＰ回路１０７側から光軸方向に見て、ファイバアレイ１０１の押さえ板１０５がＳｉＰ回路１０７の導波路層３０１より下側の基板端面側に来るように配置されており、かつ溝基板１０２が押さえ板１０５の上に、溝１０３の開口部を抑え板１０５側（下）に向けて配置され、光ファイバ１０４を挟んで接着剤１０６で接着されている。

ファイバアレイ１０１とＳｉＰ回路１０７とは、従来と同じく、光学接着剤３０２で接着されており、光ファイバ１０４のコアは、ＳｉＰ回路１０７の導波路層３０１のコアと、光軸を位置を合わせて配置され接着されて、光結合を構成している。ただし本願発明ではＳｉＰ回路１０７の端面は、光学接着剤３０２により主にファイバアレイ１０１の押さえ板１０５と接着されている点で従来と異なる。

このようにすると、図４（ａ）から明らかなように、ＳｉＰ回路１０７と溝基板１０２が接着される接着面積に比べ、ＳｉＰ回路１０７と押さえ板１０５が接着される接着面積の方が断然大きくなる。

すなわち、光ファイバ整列用の溝が形成されている溝基板と、溝基板に積層接着された押さえ板と、溝基板の溝内に接着固定されている光ファイバを含む光ファイバアレイと、光回路基板とが接続された光ファイバ固定構造の光回路モジュールの接続面において、光回路基板と溝基板との共通部分（光軸方向に見た断面の重なり部分）の面積より、光回路基板と押さえ板との共通部分の面積の方が大きい構造となっている。

このような光ファイバ固定構造において、光回路モジュールの接続部の温度が変化し、ファイバアレイ１０１内の接着剤１０６が熱膨張した場合、図４（ｂ）に示すように、ＳｉＰ基板１０７との接着面積が大きい押さえ板１０５は、ＳｉＰ回路１０７に対してほとんど動かず、接着面積の小さな溝基板１０２の方が図の上方向へ浮き上がる形で膨張する。

図４（ａ）に示すように光ファイバ１０４には、上側の溝１０３との間の接着剤１０６の膨張が下向きに力Ｆ_１を及ぼす。他方、光ファイバ１０４と押さえ板１０５との間の接着剤１０６の膨張も光ファイバ１０４に力Ｆ_２を及ぼすが、これは大部分が両脇からかかる力の合力としてキャンセルされるものが主であり、光ファイバ１０４直下の接着層の厚さも薄いため膨張量も少なく、合力の上向き成分Ｆ_２はＦ_１に比べて断然小さい。したがって、光ファイバ１０４は押さえ板１０５に押し付けられ、光ファイバ１０４とＳｉＰ回路１０７の間の相対位置変化は極めて小さくなる。

その結果、接着剤１０６が膨張した際のＳｉ導波路１０８と光ファイバ１０４とのコアの相対位置変化も極めて小さい状態となり、接続損失の変動が大幅に抑えられる。

（接続損失の温度特性）
図５は、図３に示した従来の光回路モジュールの接続構造と、図４に示す本発明の光回路モジュールの接続構造のそれぞれにおいて、接続損失の温度特性を測定したグラフである。横軸の－５℃から８５℃まで温度を変化させたときの接続損失変動（縦軸ｄＢ）は、従来構造で０．３２ｄＢもあるのに対し、本発明の構造ではわずか０．０６ｄＢであり、本発明が接続損失の温度依存性を大幅に低減させることが確認された。

（実施形態２）
図６は、本発明の実施形態２の光回路モジュールの接続部の断面図である。

実施形態１では、ＳｉＰ回路１０７は光学接着剤３０２によりファイバアレイの溝基板１０２ともわずかに接着されていたが、押さえ板１０５とＳｉＰ回路１０７との相対位置変化を生じさせないためには、溝基板１０２とＳｉＰ回路１０７は全く接着されないことが望ましい。これを実現するのが実施形態２の構造である。

図６の実施形態２の光回路モジュールでは、溝基板１０２の溝１０３の幅が、光ファイバ１０４のコアが溝から露出する程度に狭くなっている点が実施形態１と異なる。このような溝基板１０２を用いることで、ファイバアレイ６０１をＳｉＰ回路１０７に接続する際、溝基板１０２とＳｉＰ回路１０７との共通部分（光軸方向に見た断面の重なり部分）を無くす（共通部分の面積を０とする）ことができる。

このようにすると、光学接着剤３０２によってＳｉＰ回路１０７と溝基板１０２が接着されないようにでき、ファイバアレイ６０１側の接着剤１０６が熱膨張しても押さえ板１０５とＳｉＰ回路１０７の相対位置は全く変化せず、実施形態１よりもさらに接続損失の温度依存性を抑えることが可能になる。

以上のように、本発明の光回路モジュールによれば、温度が変動した際のＳｉＰ回路の光導波路と光ファイバコアとの位置ずれを抑制し、接続損失の温度依存性を低減することができる光回路モジュールを提供することが可能となった。

Claims (5)

1. 光ファイバ整列用の溝が形成されている溝基板と、前記溝基板に積層接着された押さえ板と、前記溝基板の溝内に接着固定されている光ファイバを含む光ファイバアレイと、
   入出力導波路が形成された光回路基板とが接続された光ファイバ固定構造の光回路モジュールであって、
   その接続面において、
   前記光回路基板と前記溝基板との光軸方向に見た断面の共通部分の面積より、前記光回路基板と前記押さえ板との光軸方向に見た断面の共通部分の面積の方が大きく、
   前記光回路基板と前記溝基板との前記共通部分の面積が０である、
   ことを特徴とする光回路モジュール。
2. 請求項１に記載の光回路モジュールであって、
   前記光ファイバアレイの前記押さえ板が前記光回路基板の導波路層より下側の基板端面側に来るように配置されており、かつ前記溝基板が前記押さえ板の上に、溝の開口部を前記押さえ板の側に向けて配置され、前記光ファイバを挟んで接着剤で接着されており、
   前記光回路基板の端面は前記光ファイバアレイの押さえ板と光学接着剤で接着されている
   ことを特徴とする光回路モジュール。
3. 請求項１に記載の光回路モジュールであって、
   前記溝基板の溝幅が、前記光ファイバのコアが溝から露出する程度に狭くなっている
   ことを特徴とする光回路モジュール。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光回路モジュールであって、
   前記入出力導波路のコア材料がシリコンである
   ことを特徴とする光回路モジュール。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光回路モジュールであって、
   前記光回路基板の表面から前記入出力導波路までの深さが１０μｍ未満である
   ことを特徴とする光回路モジュール。

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