(57)【要約】【課題】ヒートサイクル試験による光学部品の破損を生じ難く且つ挿入損失の温度変動を抑制し得る光学装置を提供すること。【解決手段】本発明の光通信用光学装置１は、支持体２と、前記支持体２に支持された光学部品４，５と、前記支持体２と前記光学部品４，５との間に介在して前記光学部品４，５を前記支持体２に固定した接着剤硬化物層６とを具備し、前記接着剤硬化物層６はエポキシ樹脂と有機弾性粒子と無機充填材とを含有したことを特徴とする。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持体と、前記支持体に支持された光学部品と、前記支持体と前記光学部品との間に介在して前記光学部品を前記支持体に固定した接着剤硬化物層とを具備し、前記接着剤硬化物層はエポキシ樹脂と有機弾性粒子と無機充填材とを含有したことを特徴とする光通信用光学装置。
【請求項２】
前記有機弾性粒子は最大粒径が１５μｍ以下であり、前記有機弾性粒子の前記エポキシ樹脂に対する濃度は２０重量％以下であることを特徴とする請求項１に記載の光通信用光学装置。
【請求項３】
前記有機弾性粒子は、メタクリレート−ブタジエン−スチレン共重合体、スチレン−ブタジエン共重合体、アクリロニトリル−ブタジエン共重合体、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体、シリコーンゴム、及びブタジエンゴムからなる群より選択される少なくとも１種を材料としていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光通信用光学装置。
【請求項４】
前記光通信用光学装置は偏波合成モジュールであることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の光通信用光学装置。
【請求項５】
前記支持体は金属材料製であり且つ前記光学部品はガラス製であることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の光通信用光学装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信用光学装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信に用いられる光学装置としては、波長が異なる光信号を合波／分波する光合分波器、波長が等しい光信号を分岐結合するカプラ、光の進行方向に応じて通過特性が異なり、遠端からの反射光防止等に使用されているアイソレータやサーキュレータなどが知られている。
【０００３】
これら光通信用光学装置では、多くの場合、フィルタ，光ファイバ，ガラス部品，無機物結晶などの光路を構成する部品を固定するのに接着剤を利用している。そのような接着剤としては、熱硬化型接着剤、紫外線硬化型接着剤、又は熱硬化／紫外線硬化を併用したもの等が使用されている。紫外線硬化型接着剤は短時間で容易に接着できる特徴があり、また、熱硬化型接着剤は光の届かない部分の接着が可能であることや熱安定性が高いという利点があり、それぞれの用途に応じて使い分けられている。
光学装置の１つである偏波合成モジュールは、光学系を構成するプリズムや複屈折性結晶などの光学部品を金属基板に接着剤で接着固定した構造を有しており、偏波面が互いに直行する二つの光アンプの励起光を合成するものである。この偏波合成モジュールの製造過程では、光学部品を金属基板に接着固定したのち、例えば、（−４０℃／＋８５℃×５サイクル）＋（−５℃／＋７５℃×１サイクル）のヒートサイクル試験を行い、その後、コリメータを取り付け、再度、上記と同様のヒートサイクル試験を行っている。なお、このような試験は、偏波合成モジュールのみならず、他の光学装置の製造過程でも同様に行っている。
【０００４】
しかしながら、従来技術では、ヒートサイクル試験中に光学部品の破損を生じ易く、また、コリメータを取り付けた後のヒートサイクル試験において挿入損失の温度変化に応じた変動（以下、「挿入損失の温度変動」という）が大きいなどの問題があった。かかる問題は、接着面積を小さくするなどの工夫によりある程度は改善することが可能であるが、必ずしも十分に改善されている訳ではない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、ヒートサイクル試験による光学部品の破損を生じ難く且つ挿入損失の温度変動を抑制し得る光学装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、支持体と、前記支持体に支持された光学部品と、前記支持体と前記光学部品との間に介在して前記光学部品を前記支持体に固定した接着剤硬化物層とを具備し、前記接着剤硬化物層はエポキシ樹脂と有機弾性粒子と無機充填材とを含有したことを特徴とする光通信用光学装置を提供する。
【０００７】
本発明において、有機弾性粒子は最大粒径が１５μｍ以下であってもよい。また、有機弾性粒子はそれぞれ球状の形状を有していてもよい。さらに、有機弾性粒子の液状エポキシ樹脂に対する濃度は２０重量％以下であってもよい。加えて、有機弾性粒子は、メタクリレート−ブタジエン−スチレン共重合体、スチレン−ブタジエン共重合体、アクリロニトリル−ブタジエン共重合体、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体、シリコーンゴム、及びブタジエンゴムからなる群より選択される少なくとも１種を材料としていてもよい。
【０００８】
本発明は、光合分波器、カプラ、アイソレータ、サーキュレータなどのように光通信で利用される様々な光学装置に適用可能である。例えば、本発明に係る光通信用光学装置は偏波合成モジュールであってもよい。
【０００９】
本発明において、支持体は金属材料製であってもよい。また、本発明において、光学部品はガラス製であってもよい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る光通信用光学装置を概略的に示す斜視図である。図１に示す光通信用光学装置１は偏波合成モジュールであり、このモジュール１は筐体２を備えている。本実施形態において、筐体２を、光学部品を支持するための支持体として用いる。
【００１１】
筐体２には、その左端面から筐体２の内部空間に至る２つの孔と、右端面から筐体２の内部空間に至る孔とが設けられている。筐体２の内部空間に対して左側に設けられた２つの孔には、それぞれ、入力用光ファイバとしてパンダファイバ３ａ，３ｂが挿入されている。他方、筐体２の内部空間に対して右側に設けられた孔には、出力用光ファイバとしてシングルモードファイバ３ｃが挿入されている。
【００１２】
筐体２の内部には、光学部品としてプリズム４と一軸性複屈折結晶５とが配置されている。これらプリズム４及び複屈折結晶５は、それらと筐体２との間，例えば、筐体２の内側底面とそれに対向したプリズム４や複屈折結晶５の表面との間，に介在した接着剤硬化物層６によって筐体２に固定されている。
【００１３】
図１に示す偏波合成モジュール１では、このような構成により、偏波面が互いに垂直な一対の偏波の一方を光ファイバ３ａから複屈折結晶５に直接的に導くとともに他方の偏波を光ファイバ３ｂからプリズム４を介して複屈折結晶５に導いてそれらを合成し、その合成波を光ファイバ３ｃへと出力可能としている。なお、このモジュール１において、プリズム４及び複屈折結晶５は、入力用光ファイバ３ａ，３ｂからの偏波を合成して出力用ファイバ３ｃへと出力する光学系を構成している。
【００１４】
さて、本実施形態では、接着剤硬化物層６を形成するに際し、エポキシ樹脂と有機弾性粒子と無機充填材とを含有した接着剤を使用する。これにより、本実施形態では、以下に説明するように、ヒートサイクル試験によるプリズム４や一軸性複屈折結晶５の破損を抑制可能とするとともに、挿入損失の温度変動をも抑制可能とする。
【００１５】
一般に、支持体２の材料としては金属などを使用することが多く、それゆえ、支持体２とプリズム４や一軸性複屈折結晶５などの光学部品とでは線膨張係数の差が大きい。これは、環境温度の変化により生じる膨張収縮の程度が、支持体２と光学部品との間で大きく異なることを意味している。
【００１６】
従来から、支持体２とプリズム４や一軸性複屈折結晶５とを接着する接着剤としては、エポキシ系接着剤が多用されている。しかしながら、そのようなエポキシ系接着剤の多くは、硬化後に過剰に硬質になる。そのため、熱膨張や熱収縮に起因した支持体２と光学部品との間の寸法変化の差は、支持体２から接着剤硬化物層６を介して光学部品に加わる応力をもたらし、その結果、光学部品に歪みを生じさせる。この応力は熱膨張や熱収縮に起因しているので温度に応じて変化し、したがって、光学部品の歪みも温度に応じて変化する。
【００１７】
本発明者らは、このような理由から、温度変化に応じて挿入損失が変動し、歪みが大きくなると光学部品の光学部品が破損すると推定した。本発明者らは、接着剤硬化物層６に適切なものを使用すれば、支持体２から光学部品に加わる応力を接着剤硬化物層６で緩和することができ、それにより、光学部品の歪みを抑制可能となると考えた。
【００１８】
ところで、接着剤は、光学分野のみならず、半導体の分野でも異種材料同士を固定するのに使用している。半導体の分野では、環境温度の変化により発生する歪みに起因して上記異種材料同士が接着界面で剥離することが問題視されており、この問題を解決すべく接着剤には様々な工夫を施している。したがって、そのような接着剤を支持体２と光学部品との接着に使用すれば、挿入損失の温度変動などを抑制できるという期待を持つかも知れない。
【００１９】
しかしながら、上記の剥離を生じない程度の歪みを生じただけでも、挿入損失は大きく変動する。このため、光学分野では、半導体の分野に比べ、歪みを抑制することへの要求が桁違いに厳しい。それゆえ、挿入損失の温度変動を抑制する目的で、半導体の分野で使用されている接着剤を、支持体２と光学部品との接着に使用することは不可能である。
【００２０】
これに対し、本実施形態では、上記の通り、エポキシ樹脂と有機弾性粒子と無機充填材とを含有した接着剤を用いて接着剤硬化物層６を形成する。エポキシ樹脂は接着剤や接着剤硬化物層６に接着力を付与し、有機弾性粒子は接着剤硬化物層６に弾性を付与して光学部品に応力が加わるのを抑制する。また、有機弾性粒子を添加すると、接着剤硬化物層６の線膨張係数が増加して挿入損失の温度変動が大きくなることがあるが、無機充填材は、接着剤硬化物層６の線膨張係数を低下させるため、そのような接着剤硬化物層６の線膨張係数の増加に起因した挿入損失の温度変動の増大を抑制し得る。したがって、これら三成分の含量などを適宜設定することにより、ヒートサイクル試験による光学部品の破損や挿入損失の温度変動を抑制することが可能となる。
【００２１】
本実施形態において、上記接着剤に含まれるエポキシ樹脂としては、常温で液状である液状エポキシ樹脂を使用することが望ましい。液状エポキシ樹脂としては、１分子中に２個以上のエポキシ基を有しているものを使用することができ、例えば、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、シクロペンタンジエン型エポキシ樹脂などを挙げることができる。これらの中でも、ビスフェノールＡ型やビスフェノールＦ型エポキシ樹脂が好適であり、シリコーン等で変性させることなどにより柔軟性を付与したエポキシ樹脂が特に好適である。また、柔軟成分を付与したエポキシ樹脂を適量配合してもよい。
【００２２】
本実施形態において、上記接着剤には硬化剤を添加することができる。そのような硬化剤としては、例えば、アミン系硬化剤、酸無水物硬化剤、イミダゾール系硬化剤などを挙げることができる。また、硬化剤の添加量は他の成分の組成や含量などに応じて適宜設定する。
【００２３】
本実施形態では、上記の通り、有機弾性粒子を添加した接着剤を使用する。　エポキシ樹脂及び硬化剤のみを含有した接着剤で形成した接着剤硬化物層６は、そのガラス転移温度以上の温度領域では、ゴム状態であり柔軟なため、部材の膨張収縮を吸収することができる。しかしながら、そのような接着剤硬化物層６は、ガラス転移温度未満とすると、硬質なガラス状態になるため膨張収縮を吸収できなくなる。これに対し、本実施形態では、有機弾性粒子を添加した接着剤で接着剤硬化物層６を形成するため、極めて広い温度範囲にわたり、部材の膨張収縮を接着剤硬化物層６に吸収させることができる。
【００２４】
有機弾性粒子としては、接着剤硬化物層６に含まれるエポキシ樹脂に比べ、そのガラス転移温度未満の温度範囲内で、弾性率がより低いものを使用することができる。一般に、ガラス状態のエポキシ樹脂の弾性率は３×１０３ＭＰａ以上であるので、有機弾性粒子の弾性率は２×１０３ＭＰａ以下であることが好ましく、１×１０３ＭＰａよりも小さいことがより好ましい。
【００２５】
有機弾性粒子の材料としては、例えば、メタアクリレート−ブタジエン−スチレン共重合体、スチレン−ブタジエン共重合体、アクリロニトリル−ブタジエン共重合体、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体（ＡＢＳ樹脂）、シリコーンゴム、及びブタジエンゴムなどを挙げることができる。これらの中でも、ＡＢＳ樹脂は耐熱性や耐衝撃性に優れており好適である。
【００２６】
有機弾性粒子表面は、エポキシ樹脂と反応する官能基を有していてもよい。この場合、有機弾性粒子とエポキシ樹脂との親和性が向上する。
【００２７】
有機弾性粒子の形状に特に制限はないが、概略球状であることが好ましい。有機弾性粒子を球状にすると、応力の吸収が均一になり、応力吸収の効果を増大させることができる。
【００２８】
接着剤または接着剤硬化物層６において、エポキシ樹脂に対する有機弾性粒子の濃度は５重量％以上であることが好ましい。有機弾性粒子の濃度が低すぎると、応力吸収の効果が顕著に現われないことがある。また、接着剤または接着剤硬化物層６において、エポキシ樹脂に対する有機弾性粒子の濃度は２０重量％以下であることが好ましい。有機弾性粒子の濃度が高すぎると、接着成分であるエポキシ樹脂の含量が低下し、十分な接着力が得られないことがある。
【００２９】
本実施形態において、上記接着剤に含まれる無機充填材の材料としては、例えば、炭酸カルシウム、結晶シリカ、溶融シリカ、アルミナ、マグネシア、クレー、タルク、セラミック、及びガラスなどを挙げることができる。線膨張係数を考慮すると、これらの中でも溶融シリカを使用することが望ましい。
【００３０】
無機充填材には、エポキシ樹脂との親和性を高めるために種々のカップリング剤で表面処理を施しておくことが好ましい。
【００３１】
無機充填材の形状に特に制限はなく、例えば、粉末状であってもよく或いは繊維状であってもよいが、概略球状であることが好ましい。球状の無機充填材を使用することによって、無機充填材を添加することに起因して接着剤の粘度が上昇するのを抑制することができる。
【００３２】
接着剤または接着剤硬化物層６において、エポキシ樹脂に対する無機充填材の濃度は４０重量％以上であることが好ましい。無機充填材の濃度が低すぎると、接着剤硬化物層６の線膨張係数を低下させる効果が顕著に現われないことがある。また、接着剤または接着剤硬化物層６において、エポキシ樹脂に対する無機充填材の濃度は８０重量％以下であることが好ましい。無機充填材の濃度が高すぎると、接着剤の粘度が高くなり、作業性が低下することがある。
【００３３】
なお、接着剤に無機充填材を添加すると、エポキシ樹脂の濃度が低下するためエポキシ樹脂に由来した接着力は低下する。しかしながら、無機充填材には、接着剤硬化物層６の強度を高めるとともにその接着力をも高める効果がある。したがって、無機充填材は有機粒子よりも高い濃度で添加することができる。
【００３４】
本実施形態において、接着剤硬化物層６は薄いことが好ましい。接着剤硬化物層６が過剰に厚いと、支持体２の支持面に対して光学部品が傾いて接着され、光路軸がずれて損失が大きくなる可能性がある。また、接着剤硬化物層６が過剰に厚いと十分な接着強度が得られないことがある。これらは、通常、接着剤硬化物層６の厚さを２０μｍ以下とすれば十分に抑制することができる。
【００３５】
このように、多くの場合、接着剤硬化物層６の厚さを２０μｍ以下とする。したがって、有機弾性粒子や無機充填材の最大粒径は、２０μｍ以下とすることが好ましく、１５μｍ以下とすることが好ましく、５μｍ以下とすることがより好ましい。
【００３６】
本実施形態では、プリズム４及び複屈折結晶５の何れか一方を支持体２へ固定するのに上記の接着剤を使用すればよい。但し、それらの双方を支持体２へ固定するのに上記の接着剤を使用することが望ましい。
【００３７】
上記の実施形態では、入力用光ファイバ３ａ，３ｂからの偏波を合成して出力用ファイバ３ｃへと出力する光学系をプリズム４と複屈折結晶５とで構成したが、光学系に他の構造を採用した場合においても上述したのと同様の効果を得ることができる。
【００３８】
また、上記の実施形態では、光学部品を支持する支持体として筐体２を利用したが、他の部材を支持体として利用することもできる。例えば、板状体を支持体として利用し、この板状体を筐体２に取り付けてもよい。
【００３９】
さらに、上記の実施形態では、本発明を偏波合成モジュールに適用した場合について説明したが、本発明は、他の光通信用光学装置にも適用可能である。その場合にも、上述したのと同様の効果を得ることができる。
【００４０】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００４１】
図１に示す偏波合成モジュール１として、使用した接着剤の組成が互いに異なるサンプル［１］乃至［１６］を作製した。なお、ここで使用したプリズム４の材質はＢＫ７である。また、ここでは、支持体２としてはＳＵＳ基板を使用し、複屈折結晶５としてはルチル結晶を使用した。
【００４２】
次に、それらサンプル［１］乃至［１６］に対して（−４０℃／＋８５℃×５サイクル）＋（−５℃／＋７５℃×１サイクル）のヒートサイクル試験を行い、光路を構成する光学部品の破損を調べた。また、上記の（−５℃／＋７５℃×１サイクル）のヒートサイクル試験において生じた挿入損失の温度変動を調べた。それら結果とサンプル［１］乃至［１６］の作製に使用した接着剤の組成とを以下の表に纏める。
【００４３】
【表１】
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【００４４】
なお、上記表において、「３５３ＮＤ」はエポキシテクノロジー社製のエポキシ接着剤であり、その硬化物のガラス転移温度は１２０℃、ヤング率は３．５×１０３ＭＰａである。また、「３０１−２ＦＬ」はエポキシテクノロジー社製のエポキシ接着剤であり、その硬化物のガラス転移温度は５４℃、ヤング率は３．１×１０３ＭＰａである。さらに、上記表において、有機粒子や無機充填材の濃度は、エポキシ接着剤に含まれる液体エポキシ樹脂に対する値である。加えて、上記表に示す有機粒子や無機充填材は何れも球状である。
【００４５】
上記表に示すように、有機粒子や無機充填材を含まないエポキシ接着剤を使用したサンプル［１１］や、無機充填材のみを添加したエポキシ接着剤を使用したサンプル［１３］では、プリズム割れを発生した。また、サンプル［１２］及び［１４］乃至［１６］では、プリズム割れは発生しなかったものの、挿入損失の温度変動が大きかった。
【００４６】
これに対し、サンプル［１］乃至［１０］では、プリズム割れは全く発生せず、しかも、挿入損失の温度変動も十分に抑制されていた。特に、サンプル［１］乃至［１０］では、挿入損失の温度変動がきわめて小さく、非常に良好な結果が得られた。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、光学部品の支持体への固定に、エポキシ樹脂と有機弾性粒子と無機充填材とを含有した接着剤を使用する。これにより、支持体から光学部品に加わる応力を接着剤硬化物層で十分に緩和することができ、したがって、光学部品の歪みを抑制可能となる。
すなわち、本発明によると、ヒートサイクル試験による光学部品の破損を生じ難く且つ挿入損失の温度変動を抑制し得る光学装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る光学装置を概略的に示す斜視図。
【符号の説明】
１…偏波合成モジュール
２…支持体（筐体）
３ａ乃至３ｃ…光ファイバ
４…プリズム
５…一軸性複屈折結晶
６…接着剤硬化物層
【図１】
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