JPH1054925A - 光結合装置とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 基板に実装された光部品と光導波路との光結
合効率を高めるべく高精度の位置調整を可能とた光結合
装置とその製造方法を得る。 【解決手段】 基板１に光部品４を実装し、この光部品
と対向するように端部を位置した光導波路３を前記基板
１に実装し、これら光導波路３の端部３ａと基板との間
の空隙に硬化性の接着剤７を充填し、その上で光導波路
に設けられた上部電極６と、この上部電極に対向して基
板側に設けられた下部電極５との間に所要の電圧を印加
して静電気力により光導波路３の端部３ａを変位させ、
この変位された状態を保持した上で接着剤７を硬化させ
て光導波路３を基板１に対して固定させることにより光
部品４と光導波路３との最適な光結合が実現される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は基板上に実装された
光部品と光導波路とを光結合するための光結合装置に関
し、特に両者間の光結合効率を高めた光結合装置とその
製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバ通信システムの光加入者系へ
の応用、及び光交換技術の進展、及び波長多重光通信シ
ステムの実用に向けて、これらのシステムに不可欠な光
合分波器、波長フィルタ、リング共振器、光スイッチ等
を低光損失で集積でき、光ファイバと同等の材料で構成
するために光ファイバとの光結合効率が高い石英系光導
波路は重要であり、内外で研究開発が行われている。一
方、石英系光導波路には前述の光受動部品として極めて
有用な機能が備わっているが、光通信システムを構成す
るのに不可欠な発光、受光、光変調、光増幅等の能動的
な機能がない。そのため、これらの能動的な機能を持つ
光部品を石英系光導波路へチップ実装する光部品のハイ
ブリッド実装技術は、能動的機能を持った小型、多機能
なモジュールを実現することができるため重要である。
このような光部品としては、 III−Ｖ族、II−ＶI 族等
の半導体を用いたレーザダイオード、光変調器、光ゲー
ト、光アンプ等の光部品、あるいはリチウムナイオベー
ト型位相シフタ、光変調器、光スイッチ、フィルタ等の
導波路型、あるいはバルク型の光部品がある。

【０００３】この種の光装置では、前記した石英系光導
波路と光部品とを最適に光結合することが必要となる。
そのため、１９９３年電子情報通信学会秋期大会予稿集
Ｃ−１８６では、光ファイバとＬＤをマーカを用いたパ
ッシブアライメント実装技術が報告されている。その
他、位置決め用パターンの他に無調整実装を行うために
半田を流し込むためのパターンを作製し、半田バンプ等
をリフローさせる際に生じる表面張力を利用したセルフ
アライメント実装技術も提案されている。しかしなが
ら、この技術をそのまま前記した石英系光導波路と光部
品との光結合装置に適用した場合には、光導波路及び実
際の光の入出力部の位置が位置決めに用いるパターンと
ずれたり、接合するための接着剤の量、あるいは半田の
精度が十分でない場合、あるいはプロセス上に生じるば
らつきにより、石英系光導波路のコアの位置と光部品の
光入力部あるいは出力部の位置がずれる可能性があり、
光結合が劣化し、光特性の劣化、あるいは歩留まりの低
下を引き起こすことになる。

【０００４】これを改善するものとして、例えば、１９
９４年電子情報通信学会秋期大会予稿集Ｃ−１８６で
は、基板に実装する光部品と石英系光導波路の入出力部
の高さを予め同じ高さにしておき、光部品を接着する前
に予め光導波路から信号光を入射しておき、受光量が最
大となるように光部品を面内方向に調整し、接着すると
いう技術が報告されている。この実装法を用いると、両
者間での光結合の最適な位置を容易に設定することが可
能となる。しかしながら、この技術では数百ミクロン角
の光部品をサブミクロン程度の精度で調整する必要があ
り、作業工数が多くなり、かつ微細な精度で位置調整す
るためには熟練した技術が要求されるという問題があ
る。

【０００５】一方、光ファイバと石英系光導波路との結
合に関しては、１９９２年電気情報通信学会春季大会予
稿集Ｃ−２４４の報告例のように、シリコン基板上に作
製した石英系光導波路の製造プロセスにより生じる応力
によりシリコン基板が湾曲し、シリコン基板上に形成し
た光ファイバ固定用Ｖ溝上に実装した光ファイバと石英
系光導波路との間に角度ずれが生じる問題を解決するた
めに、Ｖ溝上に金属コートファイバを実装した後に、予
めＶ溝の近傍に作られていた電極に電圧を印加すること
により静電気力を発生させ、光ファイバと光導波路との
角度を微調することにより、光結合効率を上げるという
技術がある。しかしながら、この技術は、基板に対して
光ファイバを固定する際の調整であるため、基板上に光
部品と石英系光導波路とを実装し、かつその上で両者間
の光結合効率を最適に調整するような光結合装置にはそ
のまま適用することはできない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来の技
術は、基板上に光部品と光導波路とをそれぞれ実装した
上で、両者の光結合効率を最適にすべく位置調整を行っ
て組み立てを完了する方式の光結合装置に対して、光部
品と光導波路との位置調整を高精度に行うことが困難で
あり、したがって両者間での光結合効率にばらつきが生
じ、光特性の劣化、歩留まりを改善することが難しいと
いう問題が生じている。

【０００７】本発明の目的は、基板に実装された光部品
と光導波路との光結合効率を高めるべく高精度の位置調
整を可能とし、これにより光特性の改善、歩留まりの向
上を実現することが可能な光結合装置とその製造方法を
提供するものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の光結合装置は、
基板上に実装されて光部品に光結合される光導波路は、
光部品に対向される端部が光伝搬方向と直交する方向に
移動可能とされ、かつこの光導波路の下面には上部電極
が一体に形成され、また基板の上面にはこの上部電極に
対向する下部電極が形成され、上部電極と下部電極との
間には任意の電圧が印加可能であり、かつ光導波路は硬
化性の接着剤により前記基板に固定された構成であるこ
とを特徴とする。ここで、下部電極は光導波路を挟んだ
基板の上面の位置にそれぞれ分割形成されてもよい。ま
た、上部電極は光導波路の下面および左右両側面に形成
され、これら左右側面の上部電極に対向するように、光
導波路の左右位置にそれぞれ側部電極が形成された構成
としてもよい。

【０００９】また、本発明の製造方法は、基板上に光部
品を実装する工程と、この光部品と対向するように端部
を位置した光導波路を前記基板上に実装する工程と、前
記光導波路の端部と基板との間の空隙に硬化性の接着剤
を充填する工程と、前記光導波路に設けられた上部電極
と、この上部電極に対向して前記基板側に設けられた下
部電極や側部電極との間に所要の電圧を印加して静電気
力により光導波路の前記端部を変位させる工程と、前記
光導波路の端部を変位させた状態を保持した上で前記接
着剤を硬化させる工程とを含むことを特徴とする。

【００１０】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態を図面を
参照して説明する。図１は本発明の第１の実施形態の組
立前の状態の斜視図であり、図２はその組立後の断面図
である。これらの図において、基板１上に支持板２が固
定され、この支持板２からその先端部が張り出すように
石英系光導波路３が支持板２に固定支持されている。ま
た、この石英系光導波路３の先端部に対向する基板１上
には、光軸を一致させるべく光部品４が実装されてい
る。そして、前記石英系光導波路６の直下位置の基板１
上に下部電極５が形成され、またこの下部電極５の直上
位置の前記石英系光導波路３の下面に上部電極６が一体
に形成されている。なお、前記下部電極５と上部電極６
にはそれぞれ図外の電線が接続され、これらの電線を介
して前記各電極５，６間に所要の電圧を印加可能に構成
される。また、これらの電線はその後において各電極か
ら離脱することができるように構成される。

【００１１】前記基板１の材料として、シリコン、ガラ
ス基板、セラミック基板等のような基板が用いられる
が、低コストで容易に異方性エッチングによるファイバ
ガイドが形成でき、電気回路のハイブリッド化に適して
いるシリコン基板を用いることが好ましい。また、前記
石英系光導波路３は、リン、ゲルマニウム、チタン、ボ
ロン、フッ素等を石英中に添加した材料を用い、光の透
過するコアをその周囲のクラッドよりも高い屈折率に制
御して形成される。その製造方法としては、常圧ＣＶＤ
法、火炎堆積法、スパッタ法、スピンコート法、電子ビ
ーム蒸着法等の手法が利用される。前記下部電極５、上
部電極６の材料としては、スパッタや電子ビーム蒸着法
等を用いて成膜されるクロム、チタン、金等の金属、タ
ングステンシリサイド等の金属が用いられる。なお、前
記石英系光導波路３の製造方法により製造時の温度が異
なるため、前記下部電極５、上部電極６の材料が石英系
光導波路３の製造時の温度に耐えられる材料を選択す
る。例えば、常圧ＣＶＤ法では成膜時の温度が８００℃
になるため、タングステンシリサイド等の高融点の材料
により下部電極５、上部電極６を形成することになる。

【００１２】また、光部品４としては、 III−Ｖ族、II
−ＶI 族等の半導体を用いたレーザダイオード、光変調
器、光ゲート、光アンプ等の光部品、あるいはリチウム
ナイオベート型位相シフタ、光変調器、光スイッチ、フ
ィルタ等の導波路型、あるいはバルク型の光部品が用い
られる。この光部品４を基板に固定する手法としては、
半田による接合、接着剤による接合等が用いられる。半
田バンプを用いたセルフアライン実装法を利用すること
も可能である。

【００１３】このように、光部品４を種々の物理的な手
法により実装しているが、その実装精度はミクロンオー
ダとなり、石英系光導波路３との間の光結合効率にばら
つきが生じる。そこで、この実施形態では、光部品４の
出射端４ａよりモニタ光を入力させ、その反対面４ｂか
ら出射される光を石英系光導波路３の出射端３ａに入力
させ、かつこの石英系光導波路３の入射端３ｂから出射
される光を図外の光電変換装置等によってモニタする。
あるいは、この逆の光路となるようにする。その上で、
下部電極５と上部電極６との間に電圧を印加し、この印
加電圧によって発生される静電気力によって石英系光導
波路３の出射端３ａ側の部位を上下方向に駆動させる。
このとき、印加電圧を制御することで、上下方向の変位
量を変化させ、その際のモニタ出力を監視し、モニタ出
力が最大となるように調整を行うことで、石英系光導波
路３の出射端３ａを光部品に対して最適な結合位置に調
整することが可能となる。

【００１４】図３はその際の印加電圧と、光部品４と石
英系光導波路３との光結合効率の関係を示す図であり、
印加電圧を変化させることによって光結合効率が変化さ
れることが判る。したがって、この光結合効率が最大と
なる電圧を下部電極５と上部電極６との間に印加するこ
とで、両者の結合を最適に設定することが可能となる。

【００１５】そして、この際には、図２に示すように、
前記石英系光導波路３と基板１の上面との間の空隙に予
め硬化性の接着剤７を充填しておき、前記した最適な光
結合位置の調整を行ない、かつその位置を保持した状態
で、その接着剤７を硬化させることで、石英系光導波路
３の出射端３ａを最適な結合位置に固定することができ
る。この接着剤としては、例えば、紫外線硬化接着剤を
用い、電圧を印加した後に紫外線を照射して接着剤を硬
化させる方法が採用できる。

【００１６】したがって、この光結合装置では、静電気
力を利用して光結合位置の調整を行う点では、前記した
報告の技術と共通しているものの、基板１に光部品４と
石英系光導波路３を実装した後で、最終的に組み立てを
完了する直前に光結合位置を調整することができる点
で、この実施形態のものは、光部品と石英系光導波路と
の光結合位置を高精度に制御できる上で極めて有利なも
のとなる。

【００１７】図４は本発明の第２の実施形態の斜視図で
ある。この実施形態では、石英系光導波路３をその光伝
搬方向に対して直交する左右方向に挟む基板１上の２箇
所にそれぞれ下部電極５Ａ，５Ｂを分離形成している。
したがって、上部電極６に対する下部電極５Ａ，５Ｂの
電圧を適宜に変化させることで、第１の実施形態と同様
に石英系光導波路３の出射端３ａを上下方向に変位させ
ると同時に、左右方向向にも変位させることが可能とな
り、光結合位置の調整をさらに効果的に行うことが可能
となる。

【００１８】図５は本発明の第３の実施形態の斜視図で
ある。この実施形態では、上部電極６は石英系光導波路
３の左右側面部６Ａ，６Ｂにまで延長して形成されてお
り、また下部電極５は第１の実施形態と同様に石英系光
導波路３の直下の基板１上に形成されている。そして、
前記石英系光導波路３の左右両側位置にはそれぞれ空隙
を介して一対の側部電極８Ａ，８Ｂが形成されている。
したがって、この実施形態では、上部電極６と下部電極
５との間の印加電圧を制御することによって石英系光導
波路３の出射端３ａを上下に変位させることができ、上
下方向の光結合効率を最適に設定することができる。ま
た、上部電極６（６Ａ，６Ｂ）と各側部電極８Ａ，８Ｂ
との間の印加電圧を制御することによって、石英系光導
波路３の出射端３ａを左右に変位させることができ、左
右方向の光結合効率を最適に設定することができる。な
お、上下、左右の各方向の位置調整は前記第２の実施形
態でも可能であったが、この第３の実施形態では、下部
電極５と側部電極８Ａ，８Ｂの各印加電圧を独立して制
御することで、上下方向と左右方向の各光結合を独立し
て制御することが可能となり、より自由度の高い結合位
置の調整が可能となる。

【００１９】ここで、前記各実施形態では、光導波路が
石英系導波路の例を示しているが、自身にある程度の剛
性を有する一方で、静電気力によって光伝搬方向に対し
て変位可能な材料の光導波路であれば、本発明を同様に
適用することが可能である。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、基板上に
実装した光部品に対向される光導波路に上部電極が設け
られ、これと対向する基板側に下部電極や側部電極が設
けられ、かつ光導波路の端部と基板との間の空隙に硬化
性の接着剤を充填した上で、上部電極と下部電極や側部
電極との間に所要の電圧を印加して静電気力により光導
波路の端部を変位させ、この変位させた状態を保持した
上で接着剤を硬化させて光導波路の位置調整を行うこと
により、光部品と光導波路とを高精度に位置調整して両
者の光結合効率を高めることができ、これにより光特性
の改善、歩留まりの向上を実現でき、しかも低コストに
構成することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態の組立前の状態の斜視
図である。

【図２】本発明の第１の実施形態の組立状態の断面図で
ある。

【図３】印加電圧と光結合効率の関係を示す図である。

【図４】本発明の第２の実施形態の組立前の状態の斜視
図である。

【図５】本発明の第３の実施形態の組立前の状態の斜視
図である。

【符号の説明】

１ 基板 ３ 石英系光導波路 ４ 光部品 ５，５Ａ，５Ｂ 下部電極 ６，６Ａ，６Ｂ 上部電極 ７ 接着剤 ８Ａ，８Ｂ 側部電極

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に実装された光部品と、前記基板
   上に実装されて前記光部品に光結合される光導波路とで
   構成される光結合装置において、前記光導波路は前記光
   部品に対向される端部が光伝搬方向と直交する方向に移
   動可能とされ、かつこの端部には上部電極が一体に形成
   され、前記基板には前記上部電極に対向する下部電極が
   形成され、前記上部電極と下部電極との間には任意の電
   圧が印加可能であり、かつ前記光導波路は硬化性の接着
   剤により前記基板に固定されてなることを特徴とする光
   結合装置。
2. 【請求項２】 上部電極は光導波路の下面に形成され、
   下部電極は前記光導波路を挟んだ基板の上面の位置にそ
   れぞれ分割形成されてなる請求項１の光結合装置。
3. 【請求項３】 上部電極は光導波路の下面および左右両
   側面に形成され、これら左右側面の上部電極に対向する
   ように、光導波路の左右位置にそれぞれ側部電極が形成
   されてなる請求項１の光結合装置。
4. 【請求項４】 光導波路が石英系光導波路である請求項
   １ないし３のいずれかの光結合装置。
5. 【請求項５】 基板上に光部品を実装する工程と、この
   光部品と対向するように端部を位置した光導波路を前記
   基板上に実装する工程と、前記光導波路の端部と基板と
   の間の空隙に硬化性の接着剤を充填する工程と、前記光
   導波路に設けられた上部電極と、この上部電極に対向し
   て前記基板に設けられた下部電極や側部電極との間に所
   要の電圧を印加して静電気力により光導波路の前記端部
   を変位させる工程と、前記光導波路の端部を変位させた
   状態を保持した上で前記接着剤を硬化させる工程とを含
   むことを特徴とする光結合装置の製造方法。