(57)【要約】【課題】使用環境の温度の変化による光学モジュールの性能低下を抑制して信頼性を維持するとともに、光学モジュールの破損を回避して耐久性の向上を図ることを目的とする。【解決手段】Ｓｉ基板１１と、Ｓｉ基板１１に搭載される第１コリメートレンズ２１および第２コリメートレンズ２３等の光学部品とを備えており、Ｓｉ基板１１には、一方の面に光学部品を担持する台形型溝１２等の凹部と、他方の面に光学部品と基板とに生じる応力を解放するＶ字型溝３１ａ、３１ｂや台形型溝３２ａ、３２ｂ等の凹部とが形成されている。【選択図】      図１
2005037444.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板に搭載される光学部品とを備え、
前記基板は、一方の面に前記光学部品を担持する凹部と、他方の面に当該光学部品と当該基板とに生じる応力を解放する凹部とが形成されたことを特徴とする光学モジュール。
【請求項２】
前記光学部品と前記基板とに生じる応力を解放する凹部は、前記光学部品を担持する凹部の側部に形成されたことを特徴とする請求項１記載の光学モジュール。
【請求項３】
両面に凹部が形成された基板と、
前記基板に形成された凹部に担持される光学部品とを備え、
前記光学部品が担持される第１の凹部は、異なる面に形成された第２の凹部との間に側壁を形成することを特徴とする光学モジュール。
【請求項４】
前記基板は、前記側壁が、斜面壁であることを特徴とする請求項３記載の光学モジュール。
【請求項５】
前記基板は、前記光学部品を担持する凹部を構成する内部壁が略均一な厚みを有することを特徴とする請求項３記載の光学モジュール。
【請求項６】
前記基板は、前記凹部が台形またはＶ字形の溝であることを特徴とする請求項３記載の光学モジュール。
【請求項７】
前記基板は、前記側壁が互いに異なる面に形成された隣接する前記凹部によって形成されたことを特徴とする請求項３記載の光学モジュール。
【請求項８】
前記基板は、前記光学部品が担持される第１の凹部が、厚みｄ’の側壁と厚みｄの底面壁とで形成され、当該側壁の厚みｄ’と当該底面壁の厚みｄとは、
０．５×ｄ≦ｄ’≦２．５×ｄ
なる関係を満たすことを特徴とする請求項３記載の光学モジュール。
【請求項９】
前記基板は、前記側壁が当該側壁と略同一の厚みの支持壁で支持されていることを特徴とする請求項３記載の光学モジュール。
【請求項１０】
両面に凹部が形成された基板の一方の面の凹部に光学部品を担持し、当該光学部品が担持される面とは反対の面に凹部を形成することで、当該光学部品および当該基板に生じる熱応力を解放することを特徴とする光学モジュールの熱応力解放方法。
【請求項１１】
前記光学部品を担持する凹部を形成する側壁は、当該光学部品が担持される面とは反対の面に形成された前記凹部によって略均一な厚みで構成されることを特徴とする請求項１０記載の光学モジュールの熱応力解放方法。
【請求項１２】
光学部品を載置する基板であって、
一方の面に前記光学部品を担持する凹部と、
他方の面に前記光学部品と前記基板とに生じる応力を解放する凹部と
を有することを特徴とする光学モジュール用光学基板。
【請求項１３】
前記凹部は、台形またはＶ字形の溝であることを特徴とする請求項１２記載の光学モジュール用光学基板。
【請求項１４】
前記光学部品を担持する前記凹部を形成する側壁は、応力を解放する前記凹部によって略均一な厚みで構成されることを特徴とする請求項１２記載の光学モジュール用光学基板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば光学部品が実装された光学モジュール等に関し、より詳しくは、光通信に用いられる光学モジュール等に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光通信技術の進展に伴い、例えば光ファイバを用いたデータ通信では大量の情報を高速に送受信することが可能となっている。特に、光多重通信等の新たな技術も登場して、さらなる高速化と大容量化が推し進められている。このような状況の中で、光通信に用いられる種々の光学部品、例えば光ファイバ、レンズ、レーザダイオード等を適宜組み合わせた光学モジュールのニーズはますます増加傾向にあり、活発な研究開発が行われている。
【０００３】
このような光学モジュールの従来技術として、例えば、Ｓｉ基板上に溝を設け、その溝に球状のレンズを位置決めして固定し、また、Ｓｉ基板上に所定の配線が形成される光素子モジュールが開示されている（例えば、特許文献１参照）。かかる光学モジュールには幾つかの形態が存在するが、その中でも、３次元加工技術であるマイクロマシニング（ＭＥＭＳ）によりＳｉウェハに対して溝を形成し、これに光ファイバやレンズ等の光学部品を埋め込み固定する方式が、実装精度および量産性に優れた方法として注目されている。このＭＥＭＳにより形成された光学モジュール用の基板は、シリコンオプティカルベンチ（ＳｉＯＢ）と呼ばれ、一つのキーデバイスとなって実用化されている。
【０００４】
ここで、ＳｉＯＢを用いた従来の光学モジュールの具体例として、ＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）用３端子フィルタモジュールの構成について述べる。図７はＷＤＭ用３端子フィルタモジュール（以下、フィルタモジュールという。）の構成を説明する平面図である。図７に示したように、フィルタモジュール５０では、単結晶シリコン基板（Ｓｉ基板）１１の一方の面において、異方性エッチングを用いて、表面中央部に台形型溝１２と、台形型溝１２を挟んで一方の側には２本の平行なＶ字型溝１３ａ、１３ｂと、他方の側にはＶ字型溝１３ｃとが形成されたシリコンオプティカルベンチ（ＳｉＯＢ）１０を台座として用いている。そして、ＳｉＯＢ１０の台形型溝１２には、２本のＶ字型溝１３ａ、１３ｂが形成された側から順に第１コリメートレンズ２１、薄膜フィルタ２２、第２コリメートレンズ２３が所定の間隔を持って搭載されている。また、Ｖ字型溝１３ａには入射光用光ファイバ２４、Ｖ字型溝１３ｂには反射光用光ファイバ２５、さらにＶ字型溝１３ｃには透過光用光ファイバ２６が搭載されている。
【０００５】
このようなフィルタモジュール５０等の光学モジュールでは、ＳｉＯＢ１０に形成された台形型溝１２やＶ字型溝１３ａ、１３ｂ、１３ｃの位置および深さは異方性エッチングによりミクロン単位の高い精度を持って形成でき、またコリメートレンズ２１、２３や光ファイバ２４、２５、２６等の光学部品はこの台形型溝１２やＶ字型溝１３ａ、１３ｂ、１３ｃの中に搭載されて収まることにより自動的にアライメントされるため実装効率も高いという利点を有している。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−１６２５４２号公報（第３〜４頁、図７）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図７に示したような従来の光学モジュールでは、ＳｉＯＢ１０に形成された台形型溝１２に第１コリメートレンズ２１、薄膜フィルタ２２、第２コリメートレンズ２３等の光学部品を搭載する際には、光学部品の光軸を調整・整合した後、この状態を高い精度で維持しつつその光学的性質を長期に亘って保持するため、樹脂接着剤やハンダ等の金属のように硬度が高く接着力の強い材料を用いて堅固に固定する必要がある。図８は図７に示したフィルタモジュール５０のＡＡ’断面図であるが、光学部品とＳｉＯＢ１０とを堅固に固定するために、図８に示したように、例えば第１コリメートレンズ２１とＳｉＯＢ１０との接合は、第１コリメートレンズ２１と台形型溝１２とが当接する２ヶ所の接触部Ｐ、Ｑにおいて、樹脂接着剤やハンダ等で形成された接着剤層１５により接着固定する方法を採用していた。
【０００８】
しかしながら、光学部品とＳｉＯＢ１０とを２ヶ所以上で固定する従来の方法では、光学部品を構成する材料（例えば、光学ガラス）とＳｉＯＢ１０を構成するシリコン（Ｓｉ）の熱膨張係数がそれぞれ異なるため、高温または低温環境下におかれると、光学部品とＳｉＯＢ１０との膨張量・収縮量に差が生じて、両者の接合部において応力が発生することとなる。そのため、光弾性効果により光学部品の屈折率や複屈折率に変化が生じる等、光学部品の光学的性質に影響が生じ、光学モジュールの性能を低下させるという問題が生じていた。
また、光学部品とＳｉＯＢ１０との接合部に生じる応力は、ＳｉＯＢ１０にクラックを発生させて、光学モジュールの破損を引き起こすという問題もあった。
さらに、温度の上昇と下降とが繰り返されるいわゆるヒートサイクルによって光学モジュール内に応力が残留し、温度が室温に戻った状態においても光学モジュールの光学特性が元に戻らないといった不都合もあった。
【０００９】
なお、従来より、上記した問題を回避するために、光学部品とＳｉＯＢ１０等の基板といった、接着させる部材同士の熱膨張係数が可能な限り近くなるようにそれぞれの材質を選択するなど、温度変化時に発生する応力を緩和する措置が講じられてきたが、特に光学部品はその光学的な性質から材料の物性を特定する必要があるため、その材質の選択には限度があり、光学部品と基板との間に生じる応力を緩和することは困難であった。
【００１０】
本発明は、以上のような技術的課題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、使用環境の温度の変化による光学モジュールの性能低下を抑制して信頼性を維持するとともに、光学モジュールの破損を回避して耐久性の向上を図ることにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
かかる目的のもと、本発明の光学モジュールでは、基板と、基板に搭載される光学部品とを備えており、基板には、一方の面に光学部品を担持する凹部と、他方の面に光学部品と基板とに生じる応力を解放する凹部とが形成されたことを特徴としている。これによって、基板と基板に搭載される光学部品との間に生じる熱応力を、凹部を設けることによって解放することができる。ここで、光学部品と基板とに生じる応力を解放する凹部は、光学部品を担持する凹部の側部に形成された構成とすることもできる。このように基板面から見て光学部品が担持される凹部の側部であって、光学部品が担持される凹部が形成された面とは反対の面に凹部を形成することによって、光学部品と基板とに生じる応力を開放する構成が実現できる。
【００１２】
また、本発明の光学モジュールは、両面に凹部が形成された基板と、基板に形成された凹部に担持される光学部品とを備えており、光学部品が担持される第１の凹部は、異なる面に形成された第２の凹部との間に側壁を形成することを特徴としている。これによって、基板と基板に搭載される光学部品との間に生じる熱応力を、光学部品を担持する凹部を構成する側壁によって吸収することができる。ここで、基板は、側壁が、斜面壁であることを特徴とすることができる。また、基板は、光学部品を担持する凹部を構成する内部壁が略均一な厚みを有することを特徴とすれば、基板と基板に搭載される光学部品との間に生じる熱応力を、内部壁によって均一に吸収することができる。また、基板は、凹部が台形またはＶ字形の溝であることを特徴とすれば、略均一な厚みを有する内部壁が形成されて熱応力を均一に吸収することができる。さらに、基板は、側壁が互いに異なる面に形成された隣接する凹部によって形成されたことを特徴とすれば、側壁の厚みを略均一に形成できる。
【００１３】
さらに、光学部品が担持される第１の凹部が、厚みｄ’の側壁と厚みｄの底面壁とで形成され、側壁の厚みｄ’と底面壁の厚みｄとは、
０．５×ｄ≦ｄ’≦２．５×ｄ
なる関係を満たすことを特徴とすれば、応力解放の観点から優れた構成を実現できる。加えて、基板は、側壁が側壁と略同一の厚みの支持壁で支持されていることを特徴とすれば、応力解放の観点から特に優れた構成とすることができる。
【００１４】
一方、本発明を光学モジュールの応力解放方法として捉えれば、両面に凹部が形成された基板の一方の面の凹部に光学部品を担持し、光学部品が担持される面とは反対の面に凹部を形成することで、光学部品および基板に生じる熱応力を解放することを特徴としている。ここで、光学部品を担持する凹部を形成する側壁は、光学部品が担持される面とは反対の面に形成された凹部によって略均一な厚みで構成されることを特徴とすれば、基板と光学部品との間に生じる熱応力を側壁によって均一に解放することができる。
【００１５】
一方、本発明を光学モジュール用光学基板として捉えれば、当該光学基板は光学部品を載置する基板であって、一方の面に光学部品を担持する凹部と、他方の面に光学部品と基板とに生じる応力を解放する凹部とを含む。ここで、凹部は、台形またはＶ字形の溝であることを特徴とすれば、光学部品の実装効率を高めるとともに、光学部品と基板とに生じる応力を開放する構成が実現できる点で好ましい。また、光学部品を担持する凹部を形成する側壁は、応力を解放する凹部によって略均一な厚みで構成されることを特徴とすれば、基板と光学部品との間に生じる熱応力を側壁によって均一に解放することができる点から優れている。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいて、本発明を詳細に説明する。
［実施の形態１］
図１および図２は、本実施の形態が適用される光学モジュールとしてＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）用３端子フィルタモジュール１の構成を示した図である。ＷＤＭ用３端子フィルタモジュール（以下、フィルタモジュールという。）は波長多重伝送方式の光通信に用いられるモジュールの一つであり、ある特定の波長のみを選択的に取り出すモジュールである。図１はこのフィルタモジュール１の平面図であり、図２はこのフィルタモジュール１のＸＸ’断面図である。
本実施の形態が適用されるフィルタモジュール１は、シリコンウェハである単結晶シリコン基板（Ｓｉ基板）１１の一方の面の表面中央部に台形型溝１２と、台形型溝１２を挟んで一方の側には２本の平行なＶ字型溝１３ａ、１３ｂと、他方の側にはＶ字型溝１３ｃとが形成されたシリコンオプティカルベンチ（ＳｉＯＢ）１０、ＳｉＯＢ１０の台形型溝１２に配設され、２本のＶ字型溝１３ａ、１３ｂが形成された側から順に所定の間隔を持って搭載された第１コリメートレンズ２１、薄膜フィルタ２２、および第２コリメートレンズ２３、Ｖ字型溝１３ａに搭載された入射光用光ファイバ２４、Ｖ字型溝１３ｂに搭載された反射光用光ファイバ２５、さらにＶ字型溝１３ｃに搭載された透過光用光ファイバ２６を備えている。
【００１７】
そして、図１および図２に示したように、本実施の形態が適用されるフィルタモジュール１は、ＳｉＯＢ１０において第１コリメートレンズ２１および第２コリメートレンズ２３や薄膜フィルタ２２が搭載される台形型溝１２等が形成された第１面とは反対の第２面に、２本の凹部が形成されている点に特徴がある。この凹部はＶ字型溝３１ａ、３１ｂとして形成され、台形型溝１２の両側部裏側であって少なくとも第１コリメートレンズ２１および第２コリメートレンズ２３等の光学部品が搭載される位置を含む領域に、台形型溝１２の配置方向（長手方向）に沿って形成されている。
【００１８】
すなわち、ＳｉＯＢ１０は、第１面には、第１コリメートレンズ２１、薄膜フィルタ２２、第２コリメートレンズ２３が搭載される台形型溝１２と、入射光用光ファイバ２４が搭載されるＶ字型溝１３ａと、反射光用光ファイバ２５が搭載されるＶ字型溝１３ｂと、透過光用光ファイバ２６とが搭載されるＶ字型溝１３ｃとが形成され、第２面には、２本のＶ字型溝３１ａ、３１ｂが形成された構成を特徴としている。
【００１９】
まず、ＳｉＯＢ１０の製造方法について説明する。ＳｉＯＢ１０においては、最初に結晶面が（１００）面であるＳｉ基板１１の表面に酸化層を形成する。酸化層の厚みは台形型溝やＶ字型溝の深さの設計値により決定される。典型値としては２μｍである。
次にＳｉ基板１１の上にフォトレジストを塗布する。ここで、フォトレジストとしては、例えば東京応化製ＯＥＰＲ−８００であって粘度５０ｃｐのものを用い、Ｓｉ基板１１を回転速度１５００ｒｐｍで回転させながら塗布する。塗布厚は典型値として６μｍとする。
【００２０】
Ｓｉ基板１１にフォトレジストを塗布した後に、１１０℃で２分間のプリベークを行い、フォトレジストを硬化させる。そしてクロム（Ｃｒ）製のフォトマスクを使って、Ｓｉ基板１１の第１面、続いて第２面を順に密着露光する。この露光工程では、露光光としては波長３５０〜４００ｎｍの紫外線を用いる。
次に、現像液により、露光済みのＳｉ基板１１を現像する。現像液としては、例えば東京応化製ＮＭＤ−３のアルカリ溶液が用いられる。この現像工程では、上記のフォトレジストとしてポジレジストが用いられているため、露光部のフォトレジストが除去される。そしてさらに、１２０℃で５分間のポストべークを行う。
【００２１】
その後、フッ素系のガスでドライエッチングを行い、フォトレジストで覆われていない領域のＳｉ酸化膜を除去する。さらに、アセトンでフォトレジストを溶解し、除去する。
そして水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液（３０〜３５ｗｔ％、６０〜７０℃）により、エッチングを行なう。純粋なＳｉのエッチングレートはＳｉ酸化膜のエッチングレートよりも約２桁速い。このため、エッチング領域では、Ｓｉの結晶面のうちの（１１１）面が表面に現われて、傾斜角が５４．７°のＶ字型ないし台形型の溝が形成される。なお、エッチング液としてはＴＭＡＨ（テトラメチル水酸化アンモニウム液）を用いてもよい。
このようにして、第１面には台形型溝１２およびＶ字型溝１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、また第２面にはＶ字型溝３１ａ、３１ｂが同時に形成されたＳｉＯＢ１０が製造される。ここで、台形型溝１２では、薄膜フィルタ２２が配置される部分において薄膜フィルタ２２を配設できるように幅広に形成されている。
なお、上記のようなプロセスは異方性エッチングと呼ばれ、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）を実現する上で重要な技術となっている。
【００２２】
かかるＳｉＯＢ１０を用いたフィルタモジュール１では、ＳｉＯＢ１０のＶ字型溝１３ａに搭載される入射光用光ファイバ２４は、複数の異なる波長が多重化された光を伝送し、第１コリメートレンズ２１に出射する。
第１コリメートレンズ２１は、レンズ面の曲率が中心部と周辺部とで異なる非球面相面レンズであり、光学ガラスＢＫ−７を材料として金型でプレス成型されて製造されたものである。そして、入射光用光ファイバ２４から入射された光を平行光に変換して、薄膜フィルタ２２に出射する。
薄膜フィルタ２２は、ガラス基板の上に誘電体の薄膜をスパッタ法や真空蒸着法等のプロセスで多層に積層した薄膜フィルタ素子であり、所定の波長λｍの光のみを透過して、その波長λｍ以外の光を反射する機能を有する。そして、薄膜フィルタ２２は、波長λｍの光を透過して第２コリメートレンズ２３に出射し、波長λｍ以外の光を反射して第１コリメートレンズ２１に出射する。
【００２３】
第２コリメートレンズ２３は、第１コリメートレンズ２１と同様に構成されている。そして、薄膜フィルタ２２を透過した波長λｍの光を透過光用光ファイバ２６の端面に集光させて透過光用光ファイバ２６に波長λｍの光を導く。
一方、薄膜フィルタ２２によって反射された波長λｍ以外の光は第１コリメートレンズ２１によって反射光用光ファイバ２５の端面に集光させて反射光用光ファイバ２５に波長λｍ以外の光を導く。
【００２４】
次に、本実施の形態のフィルタモジュール１の特徴である、ＳｉＯＢ１０の第２面に形成された２本のＶ字型溝３１ａ、３１ｂについて説明する。
上記した異方性エッチングにより、ＳｉＯＢ１０には第１面の台形型溝１２およびＶ字型溝１３ａ、１３ｂ、１３ｃと同時に、第２面にはＶ字型溝３１ａ、３１ｂが形成されている。第２面のＶ字型溝３１ａ、３１ｂは、第１面の台形型溝１２の両側部裏側であって少なくとも第１コリメートレンズ２１および第２コリメートレンズ２３等の光学部品が搭載される位置を含む領域に、台形型溝１２の配置方向（長手方向）に沿って形成されている。
【００２５】
異方性エッチングでは、上記したように、エッチング領域においてＳｉの結晶面のうちの（１１１）面が表面に現われて、Ｖ字型溝および台形型溝の傾斜角が全て５４．７°に形成される。このため、第２面に形成されるＶ字型溝３１ａ、３１ｂの斜面と第１面に形成される台形型溝１２の斜面とは、互いに隣接する側の斜面が平行となって形成される。したがって、Ｖ字型溝３１ａ、３１ｂの斜面と台形型溝１２の斜面とで形成される台形型溝１２の側壁１２ａ、１２ｂの厚みｄ’は均一に形成することができる。
そこで、この特性を利用して、異方性エッチングの露光工程において、フォトマスクに形成する露光パターンの形状と配置位置とを調整することにより、Ｖ字型溝３１ａ、３１ｂの開口幅を台形型溝１２の開口幅の１／２以下としてＶ字型溝３１ａ、３１ｂの深さを制御し、さらに台形型溝１２の側壁１２ａ、１２ｂの厚みｄ’を台形型溝１２の底面壁１６の厚みｄと略同様となるようにＶ字型溝３１ａ、３１ｂを位置させることによって、上記した位置に配置された第２面のＶ字型溝３１ａ、３１ｂは、第１コリメートレンズ２１および第２コリメートレンズ２３が略均一な厚みの側壁１２ａと底面壁１６と側壁１２ｂとからなる内部壁で担持するような構成を形成している。
【００２６】
ところで、第１コリメートレンズ２１および第２コリメートレンズ２３とＳｉＯＢ１０とが当接する台形型溝１２の接触部Ｐ、Ｑでは、光軸がずれる等してフィルタモジュール１の光学特性が低下するのを防ぐため、接着剤層１４により両者を強固に固定している。この接着剤層１４は、第１コリメートレンズ２１および第２コリメートレンズ２３の回転や並進により光軸調整等を行って設置位置を決定した後に、例えばマイクロディスペンサを用いて紫外線硬化型樹脂が塗布され、紫外線を集光照射して硬化させることで形成される。ここで、接着剤としての紫外線硬化型樹脂は、粘度が低いので塗布し易く、また硬化に際し熱を必要としないため作業性が良く、さらに強固に固定できるという利点を有している。
なお、紫外線硬化型樹脂としては、エポキシ変性アクリレート系、ポリウレタン系、ポリエステル系等を用いることができるが、紫外線硬化型樹脂のほか、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂等の熱硬化性樹脂を用いることもできる。
【００２７】
このように、接触部Ｐ、Ｑにおいて第１コリメートレンズ２１および第２コリメートレンズ２３を接着剤層１４によりＳｉＯＢ１０に固定させた状態では、環境温度の変化により、両者に膨張・収縮が生じて、第１コリメートレンズ２１および第２コリメートレンズ２３やＳｉＯＢ１０の内部に応力が発生し易い。
【００２８】
すなわち、第１コリメートレンズ２１および第２コリメートレンズ２３を構成する光学ガラスＢＫ−７の熱膨張係数は７．１×１０−６／ｄｅｇであり、ＳｉＯＢ１０のＳｉ基板１１を構成するシリコン（Ｓｉ）の熱膨張係数は２．５×１０−６／ｄｅｇであって、両者は異なる熱膨張係数を有する。そのため、第１コリメートレンズ２１および第２コリメートレンズ２３とＳｉＯＢ１０とが接触部Ｐ、Ｑの双方において接着剤層１４により固定されると、温度の変動により第１コリメートレンズ２１および第２コリメートレンズ２３は大きく膨張・収縮し、Ｓｉ基板１１は第１コリメートレンズ２１および第２コリメートレンズ２３ほど膨張・収縮せず、両者の膨張量・収縮量とに差異が生じる。例えば、使用環境温度が常温（２０℃）から７０℃に変化すると、両者にはサブミクロン単位の膨張量差が生じることとなる。
【００２９】
その結果、特にＳｉＯＢ１０の台形型溝１２には、第１コリメートレンズ２１および第２コリメートレンズ２３の膨張・収縮により図２中矢印Ｔに示したように両斜面に対し略直交する方向の力が働くこととなる。台形型溝１２の底面壁１６は薄く形成され、しかも台形型溝１２の両斜面に力を受けると底面壁１６には応力が集中し易い構造となっていることから、底面壁１６には歪みが生じ易く、その歪みが繰り返し発生するとクラックが生じて、フィルタモジュール１の破損の原因となる。
一方、第１コリメートレンズ２１および第２コリメートレンズ２３には内部応力が発生し、光弾性効果により屈折率や複屈折率に変化が生じる等、光学的性質に影響が生じて、フィルタモジュール１の性能を低下させることとなる。
【００３０】
これに対して、本実施の形態のフィルタモジュール１では、台形型溝１２の両側部において、台形型溝１２が形成された第１面とは反対の第２面にＶ字型溝３１ａ、３１ｂを形成することで、台形型溝１２に搭載された第１コリメートレンズ２１および第２コリメートレンズ２３は略均一な厚みの側壁１２ａと底面壁１６と側壁１２ｂとからなる内部壁で担持するように構成されている。これによって、使用環境の温度が変化した際に第１コリメートレンズ２１および第２コリメートレンズ２３がＳｉＯＢ１０に対して大きく膨張・収縮しても、側壁１２ａ、１２ｂおよび底面壁１６の全体が変形することができる。そのため、第１コリメートレンズ２１および第２コリメートレンズ２３とＳｉＯＢ１０との間の異なる膨張量・収縮量に対して、台形型溝１２の側壁１２ａ、１２ｂおよび底面壁１６が膨張・収縮を吸収して、両者への応力の蓄積を抑制することができる。つまり、接触部Ｐ、Ｑでは、図２に示したように、側壁１２ａ、１２ｂは受けた力の方向（矢印Ｔ）に変形することができるため、両者に体積変動差が生じても側壁１２ａ、１２ｂと底面壁１６を加えた内部壁全体の変形により応力が解放され、第１コリメートレンズ２１および第２コリメートレンズ２３やＳｉＯＢ１０に加わる力は極めて小さいものとなる。
その結果、第１コリメートレンズ２１および第２コリメートレンズ２３の光学的性質に影響を与えず、またＳｉＯＢ１０においてもクラックの発生が抑えられる。
【００３１】
特に、第１コリメートレンズ２１および第２コリメートレンズ２３を取り囲む側壁１２ａと底面壁１６と側壁１２ｂとは厚みが均一に構成されていることから、第１コリメートレンズ２１および第２コリメートレンズ２３が膨張・収縮して側壁１２ａ、１２ｂに力が加わっても、１ヶ所に応力が集中することなく、側壁１２ａと底面壁１６と側壁１２ｂとが均等に変形して、全体に力を分散させることが可能となる。
ここで、側壁１２ａ、１２ｂの厚みｄ’と台形型溝１２の底面壁１６の厚みｄとは、略同様の厚みとするのが応力解放の観点から優れているが、実験により、
０．５×ｄ≦ｄ’≦２．５×ｄ
の関係を満たす範囲においては、フィルタモジュール１の使用環境温度の変化範囲が−４０〜８０℃の領域においても、ＳｉＯＢ１０にクラックが生じることなく、フィルタモジュール１が破損しないという知見が得られている。
さらに、側壁１２ａ、１２ｂおよび底面壁１６の変形は、使用環境温度が常温に戻った際には元の位置に戻ることができるので、フィルタモジュール１の光学特性に殆ど影響することもない。
【００３２】
以上のとおり、本実施の形態のフィルタモジュール１によれば、台形型溝１２が形成された第１面とは反対の第２面に凹部であるＶ字型溝３１ａ、３１ｂを形成して、台形型溝１２に搭載された第１コリメートレンズ２１および第２コリメートレンズ２３が略均一な厚みの側壁１２ａと底面壁１６と側壁１２ｂとからなる内部壁で担持されるように構成することにより、第１コリメートレンズ２１および第２コリメートレンズ２３の内部に熱応力が発生することを抑制できるので、光学的性質に影響を与えず、フィルタモジュール１の性能を維持できる。さらに、ＳｉＯＢ１０では台形型溝１２の両側からの力を受けると応力が集中し易い台形型溝１２の底面壁１６においてもクラックの発生が抑えられ、フィルタモジュール１の耐久性の向上を図ることが可能となる。
【００３３】
なお、第１コリメートレンズ２１および第２コリメートレンズ２３は、略均一な厚みの側壁１２ａと底面壁１６と側壁１２ｂとで取り囲まれるようにしてＳｉＯＢ１０に担持されることで、第１コリメートレンズ２１および第２コリメートレンズ２３とＳｉＯＢ１０との間の異なる膨張量・収縮量に対して、側壁１２ａ、１２ｂおよび底面壁１６の全体が変形することができる。第１コリメートレンズ２１および第２コリメートレンズ２３のような種々の光学部材が搭載されるＳｉＯＢ１０において、光学部品を略均一な厚みの内部壁で担持する構成を実現するためには、Ｖ字型溝３１ａ、３１ｂのような凹部は台形型溝１２が形成された第１面とは反対の第２面に形成されることが必要となる。ただし、厚みのある基板を用いる場合には、基板の側面に応力解放用の凹部を形成して、光学部品を略均一な厚みの内部壁で担持する構成を形成することも可能である。
【００３４】
［実施の形態２］
実施の形態１では、ＳｉＯＢ１０の第２面に凹部としてＶ字型溝３１ａ、３１ｂを形成したフィルタモジュール１を例に挙げて説明した。しかしながら、第２面に形成する凹部としては台形型溝で形成することも可能である。この実施の形態２では、ＳｉＯＢ１０の第２面に凹部として台形型溝を形成する場合について説明する。なお、実施の形態１と同様の構成については、同様の符号を用い、ここではその詳細な説明を省略する。
【００３５】
図３および図４は、本実施の形態が適用されるフィルタモジュール２の構成を説明する図であり、図３はこのフィルタモジュール２の平面図、図４はこのフィルタモジュール２のＹＹ’断面図である。本実施の形態が適用されるフィルタモジュール２では、実施の形態１と同様に、Ｓｉ基板１１の一方の面の表面中央部に台形型溝１２と、台形型溝１２を挟んで一方の側には２本の平行なＶ字型溝１３ａ、１３ｂと、他方の側にはＶ字型溝１３ｃとが形成されたシリコンオプティカルベンチ（ＳｉＯＢ）１０、ＳｉＯＢ１０の台形型溝１２に配設され、２本のＶ字型溝１３ａ、１３ｂが形成された側から順に所定の間隔を持って搭載された第１コリメートレンズ２１、薄膜フィルタ２２、および第２コリメートレンズ２３、Ｖ字型溝１３ａに搭載された入射光用光ファイバ２４、Ｖ字型溝１３ｂに搭載された反射光用光ファイバ２５、さらにＶ字型溝１３ｃに搭載された透過光用光ファイバ２６を備えている。
【００３６】
そして、後段で述べるハンダ層１８を形成するため、ＳｉＯＢ１０の表面であって第１コリメートレンズ２１および第２コリメートレンズ２３を搭載する領域に金属膜（メタライズ膜）１７が形成され、また、第１コリメートレンズ２１および第２コリメートレンズ２３の側面２１ａ、２３ａにも金属膜が形成されている。ここで、金属膜を形成する金属としては、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）等を用いることができる。なお、金属膜の形成に際しては、ＳｉＯＢ１０の表面に形成された台形型溝１２の隅々まで均一にメッキできることから、無電解メッキを施すことが好ましい。
また、第１コリメートレンズ２１および第２コリメートレンズ２３については、ＳｉＯＢ１０と当接する側面のみを無電解メッキによって金属膜被覆を行っている。
【００３７】
そして、図３および図４に示したように、本実施の形態が適用されるフィルタモジュール２では、ＳｉＯＢ１０において第１コリメートレンズ２１および第２コリメートレンズ２３や薄膜フィルタ２２が搭載される台形型溝１２等が形成された第１面とは反対の第２面に、２本の凹部として台形型溝３２ａ、３２ｂが形成されている点に特徴がある。この台形型溝３２ａ、３２ｂは、台形型溝１２の両側部裏側であって少なくとも第１コリメートレンズ２１および第２コリメートレンズ２３等の光学部品が搭載される位置を含む領域に、台形型溝１２の配置方向（長手方向）に沿って形成されている。
【００３８】
このように、第２面に形成された台形型溝３２ａ、３２ｂにより、実施の形態１の場合と同様に、台形型溝１２に搭載された第１コリメートレンズ２１および第２コリメートレンズ２３は略均一な厚みの側壁１２ａと底面壁１６と側壁１２ｂとからなる内部壁で担持されるように構成されるので、使用環境の温度が変化した際に第１コリメートレンズ２１および第２コリメートレンズ２３がＳｉＯＢ１０に対して大きく膨張・収縮しても、側壁１２ａ、１２ｂおよび底面壁１６の全体が変形することができる。そのため、第１コリメートレンズ２１および第２コリメートレンズ２３とＳｉＯＢ１０との間の異なる膨張量・収縮量に対しても、台形型溝１２の側壁１２ａ、１２ｂおよび底面壁１６が膨張・収縮を吸収して、両者への応力の蓄積を抑制することができる。
【００３９】
さらに、本実施の形態のフィルタモジュール２では、第２面に形成される凹部として台形型溝３２ａ、３２ｂを形成したことにより、台形型溝３２ａ、３２ｂの底面壁１９ａ、１９ｂが台形型溝１２の側壁１２ａ、１２ｂおよび底面壁１６を支持する支持壁となる。この底面壁１９ａ、１９ｂによる弾性によって台形型溝１２の側壁１２ａ、１２ｂおよび底面壁１６が吸収する膨張・収縮による応力をさらに吸収することができる。したがって、第１コリメートレンズ２１および第２コリメートレンズ２３とＳｉＯＢ１０とが当接する台形型溝１２の接触部Ｐ、Ｑにおいて両者を強固に固定しても、第１コリメートレンズ２１および第２コリメートレンズ２３とＳｉＯＢ１０といった異なる部材の間に生じる異なる膨張量・収縮量を、台形型溝１２の側壁１２ａ、１２ｂおよび底面壁１６と、これらに加えて台形型溝３２ａ、３２ｂの底面壁１９ａ、１９ｂとが柔軟に変形して吸収し、それぞれの部材の内部に生じる熱応力を解放することができる。そのため、接触部Ｐ、Ｑにおいて、接着部の強度を上げてもフィルタモジュール２の光学特性の低下や破損を招くことがないので、ハンダのような強固な材料で固定することも可能となる。
【００４０】
ここで、第２面に形成される台形型溝３２ａ、３２ｂは、異方性エッチングにより上記したＶ字型溝３１ａ、３１ｂと同様に形成されるが、特に台形型溝３２ａ、３２ｂでは、異方性エッチングの露光工程において、フォトマスクに形成する露光パターンの形状と配置位置とを調整することにより、台形型溝３２ａ、３２ｂの開口幅を台形型溝１２の開口幅と同じに形成して台形型溝３２ａ、３２ｂの深さを制御して、台形型溝３２ａ、３２ｂの底面壁１９ａ、１９ｂの厚みｄ’’を台形型溝１２の底面壁１６の厚みｄと略同様となるように形成した。これによって、底面壁１９ａ、１９ｂは側壁１２ａ、底面壁１６、側壁１２ｂと略同様の厚みで構成される。
【００４１】
底面壁１９ａ、１９ｂと、側壁１２ａ、底面壁１６、側壁１２ｂとが略同様の厚みで構成されることにより、第１コリメートレンズ２１および第２コリメートレンズ２３が膨張・収縮して側壁１２ａ、１２ｂに力が加わっても、１ヶ所に応力が集中することなく、側壁１２ａ、底面壁１６、側壁１２ｂに底面壁１９ａ、１９ｂを含めた内部壁全体が均等に変形するので、さらに大きな力に対しても力を分散して吸収することが可能となる。
【００４２】
上記したように、接触部Ｐ、Ｑにおいて第１コリメートレンズ２１および第２コリメートレンズ２３とＳｉＯＢ１０との固定はハンダ層１８によって行うことが可能となる。ハンダ層１８の固定プロセスの例としては、第１コリメートレンズ２１および第２コリメートレンズ２３の回転や並進により光軸調整等を行って設置位置を決定した後に、図５に示したように、接触部Ｐ、Ｑの上部にハンダボール１８ａ、１８ｂを載置し、その状態でハンダボール１８ａ、１８ｂに炭酸ガスレーザをパルス的に集光照射して、ハンダボール１８ａ、１８ｂを瞬時に溶融し、冷却することで形成される。
このようなハンダ層１８の形成方法を採用することにより、ハンダの凝固による収縮応力が発生し難いため、モジュールとしての光学的精度を高めることができる利点がある。
【００４３】
次に、ＳｉＯＢ１０において第１コリメートレンズ２１および第２コリメートレンズ２３や薄膜フィルタ２２が搭載される台形型溝１２等が形成された第１面とは反対の第２面に、２本の凹部としてＶ字型溝３１ａ、３１ｂや台形型溝３２ａ、３２ｂが形成された本発明のフィルタモジュール１、２と、第２面には凹部が形成されない従来のフィルタモジュール５０（図７、８参照）とを比較する試験を行った。
この試験では、本発明のフィルタモジュール１、２と従来のフィルタモジュール５０にヒートショック試験を施して耐久性を比較した。試験条件は、−４０℃と８０℃の環境下に、ぞれぞれ交互に放置するヒートショックサイクルを繰り返し行うものである。
【００４４】
その結果を図６に示す。図６に示すように、従来のフィルタモジュール５０では、２０回のヒートショックサイクルでＳｉＯＢ１０にクラックが発生して破損が生じたのに対し、本発明のフィルタモジュール１、２では、いずれも１００回のヒートショックサイクルにおいてもＳｉＯＢ１０にクラックは発生せず、使用環境温度の変化によってモジュール内に生じる応力がかなり緩和され、フィルタモジュール１、２の耐久性が向上していることが確認された。
また、フィルタモジュール１、２の光学特性も試験前と試験後とで殆ど変化しないことも確認できた。
【００４５】
以上、詳述したように、本実施の形態のフィルタモジュール１、２のような光学モジュールによれば、台形型溝１２が形成された第１面とは反対の第２面にＶ字型溝３１ａ、３１ｂや台形型溝３２ａ、３２ｂ等の凹部が形成されることで、台形型溝１２に搭載された第１コリメートレンズ２１および第２コリメートレンズ２３は略均一な厚みの側壁１２ａと底面壁１６と側壁１２ｂとからなる内部壁で担持される。これによって、使用環境の温度が変化した際に第１コリメートレンズ２１および第２コリメートレンズ２３がＳｉＯＢ１０に対して大きく膨張・収縮しても、側壁１２ａ、１２ｂおよび底面壁１６、さらには底面壁１９ａ、１９ｂの全体が変形することができるので、第１コリメートレンズ２１および第２コリメートレンズ２３とＳｉＯＢ１０との間の異なる膨張量・収縮量に対しても、台形型溝１２の側壁１２ａ、１２ｂおよび底面壁１６、さらには底面壁１９ａ、１９ｂが膨張・収縮を吸収して、両者への応力の蓄積を抑制することができる。そのため、第１コリメートレンズ２１および第２コリメートレンズ２３の内部に熱応力が発生することを抑制できるので、光学的性質に影響を与えず、フィルタモジュール１、２の性能を維持できる。さらに、ＳｉＯＢ１０では台形型溝１２の両側からの力を受けると応力が集中し易い台形型溝１２の底面壁１６においてもクラックの発生が抑えられて、フィルタモジュール１、２の耐久性の向上を図ることが可能となる。
【００４６】
なお、上記した実施の形態１、２では、基板としてシリコンで構成されるＳｉＯＢ１０を用いた場合を例に説明したが、本発明は光学部品が異なる材質の基板に接合された構成であれば如何なるものでも適用可能であり、基板としてはシリコンのほか、例えばセラミック、ガラス、プラスチック等の硬質材料を用いた構成でも、同様の効果を得ることができる。
また、ＳｉＯＢ１０を用いたＷＤＭ用３端子フィルタモジュールを例に取り上げて説明したが、本発明は材質の異なる基板と部品とが接合されて構成される全てのモジュールに適合でき、特に使用環境の温度変化に対する信頼性を向上させることができる点において優れたものである。
【００４７】
また、台形型溝１２の両側にＶ字型溝３１ａ、３１ｂまたは台形型溝３２ａ、３２ｂを形成したが、台形型溝１２の片側のみにＶ字型溝または台形型溝を形成した構成においても、一定の応力解放効果を得ることができる。ここで、光学部品を担持する凹部として台形型溝１２を例に挙げたが、Ｖ字型溝やその他の形状の溝であってもよい。
さらに、光学部品の担持方法として樹脂接着剤やハンダを用いて接着固定する方法を例に説明したが、これに限定されず、例えば凹部と凸部とを嵌合させて固定する方法等を用いることもできる。
【００４８】
【発明の効果】
このように、本発明によれば、使用環境の温度の変化による光学モジュールの性能低下を抑制して信頼性を維持するとともに、光学モジュールの破損を回避して耐久性の向上を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のフィルタモジュールの構成を示した平面図である。
【図２】本発明のフィルタモジュールのＸＸ’断面図である。
【図３】本発明のフィルタモジュールの構成を示した平面図である。
【図４】本発明のフィルタモジュールのＹＹ’断面図である。
【図５】本発明のフィルタモジュールでのハンダ層の形成を説明する図である。
【図６】比較試験の結果を示した図である。
【図７】従来のフィルタモジュールの構成を示した平面図である。
【図８】従来のフィルタモジュールのＡＡ’断面図である。
【符号の説明】
１，２，５０…フィルタモジュール、１０…シリコンオプティカルベンチ（ＳｉＯＢ）、１１…Ｓｉ基板、１２…台形型溝、１２ａ，１２ｂ…側壁、１３ａ，１３ｂ，１３ｃ…Ｖ字型溝、１４，１５…接着剤層、１６，１９ａ，１９ｂ…底面壁、１７…金属膜（メタライズ膜）、１８…ハンダ層、２１…第１コリメートレンズ、２１ａ…第１コリメートレンズ側面、２２…薄膜フィルタ、２３…第２コリメートレンズ、２３ａ…第２コリメートレンズ側面、２４…入射光用光ファイバ、２５…反射光用光ファイバ、２６…透過光用光ファイバ、３１ａ，３１ｂ…Ｖ字型溝（凹部）、３２ａ，３２ｂ…台形型溝（凹部）
【図１】
2005037444.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005037444.tif 000009
【図８】
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