(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光学要素がアレイ状に配置されたアレイ型光学素子を光モジュールに接合するためのアレイ型光学素子の接続方法において、
第１基板の一面に複数の平行するＶ溝を形成し、光学要素を前記Ｖ溝に配設して、前記第１基板の前記Ｖ溝を形成した面と第２基板とを接合したブロックを、前記光学要素の光軸と垂直な面において、所望の幅で切断したアレイ型光学素子を、前記ブロックに仮止めする工程であって、前記光学要素の光軸と垂直な面を囲む４辺を整合することにより、前記アレイ型光学素子の光学要素の光軸と前記ブロックの光学要素の光軸とを一致させて仮止めする第１の工程と、
前記アレイ型光学素子の端面と複数のチャネルの光素子が収容された光モジュールの蓋の少なくとも一方に、接着剤を塗布する第２の工程と、
前記光素子の光軸と前記アレイ型光学素子の光学要素の光軸とを一致させ、前記接着剤を硬化させる第３の工程と、
仮止めされていた前記アレイ型光学素子と前記ブロックとを分離する第４の工程と
を備えたことを特徴とするアレイ型光学素子の接続方法。
【請求項２】
前記第３の工程は、前記光モジュールに収容された光素子が発光素子の場合は、前記ブロックに固定されている光学要素に光モニターを接続し、前記発光素子を動作させ、前記光モニターの出力が最大の時、接着剤を固化させ、または
前記光モジュールに収容された光素子が受光素子の場合は、前記ブロックに固定されている光学要素に光源を接続し、前記受光素子を動作させ、前記受光素子に接続された光モニターの出力が最大の時、接着剤を固化させることを特徴とする請求項１に記載のアレイ型光学素子の接続方法。
【請求項３】
複数の光学要素がアレイ状に配置されたアレイ型光学素子をＰＬＣモジュールに接合するためのアレイ型光学素子の接続方法において、
第１基板の一面に複数の平行するＶ溝を形成し、光学要素を前記Ｖ溝に配設して、前記第１基板の前記Ｖ溝を形成した面と第２基板とを接合したブロックを、前記光学要素の光軸と垂直な面において、所望の幅で切断したアレイ型光学素子を、前記ブロックに仮止めする工程であって、前記光学要素の光軸と垂直な面を囲む４辺を整合することにより、前記アレイ型光学素子の光学要素の光軸と前記ブロックの光学要素の光軸とを一致させて仮止めする第１の工程と、
前記アレイ型光学素子の端面と複数のチャネルの光導波路が形成されたＰＬＣモジュールの端面の少なくとも一方に、接着剤を塗布する第２の工程と、
前記光導波路の光軸と前記アレイ型光学素子の光学要素の光軸とを一致させ、前記接着剤を硬化させる第３の工程と、
仮止めされていた前記アレイ型光学素子と前記ブロックとを分離する第４の工程と
を備えたことを特徴とするアレイ型光学素子の接続方法。
【請求項４】
前記第３の工程は、前記ＰＬＣモジュールに形成された光導波路に光信号を入力し、前記ブロックに固定されている光学要素に光モニターを接続し、前記光モニターの出力が最大の時、接着剤を固化させることを特徴とする請求項３に記載のアレイ型光学素子の接続方法。
【請求項５】
前記第１の工程は、前記アレイ型光学素子と前記ブロックの外縁の一部を、接着剤により接合して仮止めすることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のアレイ型光学素子の接続方法。
【請求項６】
前記第１基板および前記第２基板は、（１）カーボン含有ガラス、（２）カーボン、シリコン、酸化チタンのいずれかを含有する樹脂、（３）セラミックのいずれかであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のアレイ型光学素子の接続方法。
【請求項７】
前記光学要素は、カーボン含有の熱硬化型エポキシ樹脂により固定されていることを特徴とする請求項６に記載のアレイ型光学素子の接続方法。
【請求項８】
前記第１基板および前記第２基板は、金属であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のアレイ型光学素子の接続方法。
【請求項９】
前記光学要素は、半田により固定されていることを特徴とする請求項８に記載のアレイ型光学素子の接続方法。
【請求項１０】
前記光学要素は、屈折率が半径方向に変化する屈折率プロファイルを有するグレーデッドインデックス型光ファイバと、ステップインデックス型光ファイバのいずれかであることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載のアレイ型光学素子の接続方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アレイ型光学素子の接続方法に関し、より詳細には、レンズ、フィルタ、アパーチャ等の光学的な機能素子が集積されたアレイ型光学素子を、複数の発光素子または受光素子が集積された光モジュールまたは複数の光素子を集積した平面光波回路に接続する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光ファイバ伝送の普及に伴い、多数の光素子を高密度に集積する技術が求められている。特に、波長多重分割伝送方式においては、複数の波長の光信号を一括して取り扱うことから、同じ機能の光学素子を、波長の数だけ集積する必要が有る。例えば、複数の発光素子または受光素子を、１つのパッケージに収容した光モジュールが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、シリコン基板または石英基板上に、光導波路、光導波路からなる光素子を集積した平面光波回路（以下、ＰＬＣ：Planar Lightwave Circuitという）が知られている。ＰＬＣには、例えば、合分波器、分岐・結合器、光変調器などの光機能素子が形成され、複数のチャネルの光機能素子を集積することができる。特許文献１には、上記光モジュールとＰＬＣモジュールとを接続して、伝送端局における光送受信器を構成することが開示されている。これら光モジュールとＰＬＣモジュールとは、生産性、信頼性が高く、集積化、高機能化の点で優れている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１２８５１４号公報
【特許文献２】特開２００５−７００７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した光モジュールとＰＬＣとの接続、光ファイバと、光モジュールまたはＰＬＣモジュールとの接続は、複数の光信号を一括して、しかも高い結合効率で結合することが求められている。そこで、例えば、光ファイバから出射された光信号を、コリメートしたり、集光して、光モジュールに結合させるためのマイクロアレイレンズ等の光学素子が用いられている。マイクロアレイレンズは、例えば、ガラス基板の一部に屈折率の異なる部分を形成してレンズ効果を与えたり（例えば、特許文献２参照）、ガラス基板上に微小な半球構造を、エッチングにより形成することにより作製される。
【０００６】
これらマイクロアレイレンズと光モジュールとの結合は、個々のレンズの光軸を、複数の発光素子または受光素子の各々の光軸とを合わせる（以下、アライメントという）必要がある。しかしながら、ガラス基板に作製されたマイクロアレイレンズは、目視で光軸を確認することができないので、マイクロアレイレンズと光モジュールのそれぞれに予め位置合わせ用のマーカを形成しておく必要があった。また、光モジュールに電源を供給し、光源または光モニターを用いて位置合わせを行う方法（以下、アクティブ・アライメントという）は、マイクロアレイレンズと光源または光モニターとの光学的結合が難しく、生産性に劣るという問題があった。
【０００７】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、個々の光学要素と、個々の発光素子または受光素子とのアライメントが容易なアレイ型光学素子の接続方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、複数の光学要素がアレイ状に配置されたアレイ型光学素子を光モジュールに接合するためのアレイ型光学素子の接続方法において、第１基板の一面に複数の平行するＶ溝を形成し、光学要素を前記Ｖ溝に配設して、前記第１基板の前記Ｖ溝を形成した面と第２基板とを接合したブロックを、前記光学要素の光軸と垂直な面において、所望の幅で切断したアレイ型光学素子を、前記ブロックに仮止めする工程であって、前記光学要素の光軸と垂直な面を囲む４辺を整合することにより、前記アレイ型光学素子の光学要素の光軸と前記ブロックの光学要素の光軸とを一致させて仮止めする第１の工程と、前記アレイ型光学素子の端面と複数のチャネルの光素子が収容された光モジュールの蓋の少なくとも一方に、接着剤を塗布する第２の工程と、前記光素子の光軸と前記アレイ型光学素子の光学要素の光軸とを一致させ、前記接着剤を硬化させる第３の工程と、仮止めされていた前記アレイ型光学素子と前記ブロックとを分離する第４の工程とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
前記第１の工程は、前記アレイ型光学素子と前記ブロックの外縁の一部を、接着剤により接合して仮止めすることができる。前記第３の工程は、前記光モジュールに収容された光素子が発光素子の場合は、前記ブロックに固定されている光学要素に光モニターを接続し、前記発光素子を動作させ、前記光モニターの出力が最大の時、接着剤を固化させ、または前記光モジュールに収容された光素子が受光素子の場合は、前記ブロックに固定されている光学要素に光源を接続し、前記受光素子を動作させ、前記受光素子に接続された光モニターの出力が最大の時、接着剤を固化させることもできる。
【００１０】
前記第１基板および前記第２基板は、（１）カーボン含有ガラス、（２）カーボン、シリコン、酸化チタンのいずれかを含有する樹脂、（３）セラミックのいずれかが好適であり、前記光学要素は、カーボン含有の熱硬化型エポキシ樹脂により固定される。
【００１１】
また、前記第１基板および前記第２基板は、金属とすることもでき、前記光学要素は、半田により固定される。
【００１２】
前記光学要素として、グレーデッドインデックス型光ファイバまたはステップインデックス型光ファイバを用いることができる。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように、本発明によれば、個々の光学要素と、個々の発光素子または受光素子とのアライメントを容易に行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本実施形態では、アレイ型光学素子の一例として、４チャネルのマイクロアレイレンズについて説明する。例えば、他の光学素子として、光フィルタおよびアパーチャ等があるが、アライメントの方法は共通して適用することができる。
【００１５】
図１に、本発明の一実施形態にかかるマイクロアレイレンズの構造を示す。図１は、マイクロアレイレンズの光軸と垂直な一方の面を表している。マイクロアレイレンズ１０は、一辺に複数（４つ）のＶ溝が形成された第１基板１１と、Ｖ溝の形成された辺に対向して接合された第２基板１２と、Ｖ溝の２辺と第２基板１２の１辺とに接して固定され、個々のチャネルのマイクロレンズとなる光学要素１３とから構成されている。なお、Ｖ溝と光学要素１３との隙間には、接着剤１４が充填されている。
【００１６】
光学要素１３は、屈折率が半径方向に変化する屈折率プロファイルを有し、ＧＲＩＮレンズ、グレーデッドインデックス（ＧＩ）型光ファイバ、ステップインデックス（ＳＩ）型光ファイバ等を適用することができる。接着剤１４として、ＵＶ硬化型または熱硬化型エポキシ樹脂等を用いることができる。
【００１７】
マイクロアレイレンズ１０は、例えば、直径１２５μｍのＧＩ型光ファイバを光学要素１３として使用し、２５０μｍ間隔でＶ溝が形成された第１基板１１を用いる。ＧＩ型光ファイバは、同一の光ファイバ心線を４つに分割して使用する。マイクロアレイレンズとなる光学要素の特性が、チャネル間でバラツキが小さくなるようにするためである。
【００１８】
図２に、本発明の一実施形態にかかるマイクロアレイレンズの製造方法を示す。最初に、第１基板１１の一面に、複数の平行するＶ溝を形成する（図２（ａ））。従って、個々のチャネルの光学要素の光軸が相互に平行になる。次に、Ｖ溝を形成した面に接着剤１４を塗布し、光学要素１３としてＧＩ型光ファイバ１５を、Ｖ溝に配設する（図２（ｂ））。上述したように、ＧＩ型光ファイバは、同一の光ファイバ心線を４つに分割して使用する。第１基板１１のＶ溝を形成した面と、第２基板１２とを接合して、接着剤１４を硬化させる（図２（ｃ））。最後に、ダイシングソーを用いて、ＧＩ型光ファイバ１５の光軸と垂直な面において、所望の幅で切断し、マイクロアレイレンズ１０ａ，１０ｂを切り出していく（図２（ｄ））。マイクロアレイレンズ１０ａ，１０ｂを切り出した後のブロックを、以下ファイバブロック２１という。
【００１９】
光学要素１３の屈折率プロファイル、レンズ長（切断する基板の幅に等しい）により、焦点やＮＡ等の光学特性を調整することができる。
【００２０】
図３に、光モジュールの構成を示す。光モジュール３０は、一例として、発光面または受光面（以下、受発光面）３４を有する４つの発光素子または受光素子（以下、光素子という）３５を備えている。光素子３５は、箱型の筐体３２と、受発光面３４への光信号の入出力を可能にするサファイアガラスからなる蓋３３とにより封止されている（例えば、特許文献１参照）。筐体３２と蓋３３とは、金属半田により接合され、高い気密性を有していることから、外部環境から保護され、光素子３５の信頼性を確保している。光素子３５は、受発光面３４を蓋３３に対向させ、筐体３２に金属半田等により固定され、ボンディングワイヤ３６により、筐体３２の金属配線３７に接続されている。金属配線３７は、筐体３２を貫通して、筐体３２の裏面および側面にまで延長されている。筐体３２の裏面の金属配線３７には、リードピン３８が溶接（ろう付け等）により固定されている。
【実施例１】
【００２１】
図４に、マイクロアレイレンズを介して光モジュールとＰＬＣモジュールとを接続する方法を示す。光モジュール３０は、実装ボード５１の実装面と、光モジュール３０の光素子３５の光軸とが平行になるように固定される。光モジュール３０の金属配線３７と実装ボード５１上に形成された電極５２とを、リードピン３８を介して金属半田等で固定するので、光モジュール３０を実装ボード５１上に強固に固定することができる。
【００２２】
光モジュール３０の光素子３５は、その受発光面３４が、マイクロアレイレンズ１０の光学要素１３を介して、ＰＬＣモジュール４０の光導波路４３と光学的に結合する。マイクロアレイレンズ１０は、光学要素１３の光軸と垂直な一方の面において、光モジュール３０の蓋３３に、接着剤等を用いて接合される。
【００２３】
ＰＬＣモジュール４０は、基板４１上にＰＬＣ４２が接合され、ＰＬＣ４２に光導波路４３と光機能素子が形成されている。ＰＬＣ４２の光導波路端面を含む面において、補強板としてのやとい４４がＰＬＣ４２上に接合されている。ＰＬＣ４０モジュールは、光導波路４３の端面を含む面において、光学要素１３の光軸と垂直な他方の面に、接着剤等を用いて接合される。
【００２４】
ここで、マイクロアレイレンズを光モジュールに接合する方法を説明する。ファイバブロック２１は、図２（ｄ）においてマイクロアレイレンズ１０ａ，１０ｂを切り出した後のブロックである。最初に、マイクロアレイレンズ１０とファイバブロック２１とを、光軸を合わせて仮止めする。マイクロアレイレンズ１０は、ファイバブロック２１から切り出したものであるから、光軸合わせは、光学要素１３の光軸と垂直な一方の面を囲む４辺を整合することにより、容易に行うことができる（以下、フィジカル・アライメントという）。
【００２５】
図５に、マイクロアレイレンズと光モジュールとの間のアライメントの方法を示す。図２では、光学要素１３の光軸と垂直な面は方形であるが、四隅のいずれか１つの角を光軸方向に切り欠きを入れてもよい（図５（ａ））。また、四辺のいずれか１つに、光軸方向に溝１６を形成しておけば、フィジカル・アライメントが容易になる（図５（ｂ））。さらに、基板１２（または１１）の光軸方向に貫通孔１７ａ，１７ｂを形成しておき、ガイドピンを貫通孔１７ａ，１７ｂに挿入することにより、フィジカル・アライメントを行ってもよい（図５（ｃ））。
【００２６】
図６に、マイクロアレイレンズと光モジュールとの間の仮止めの方法を示す。仮止めは、マイクロアレイレンズ１０とファイバブロック２１の外縁の一部を、接着剤６１ａ，６１ｂにより接合しておく（図６（ａ））。また、マイクロアレイレンズ１０を固定するクランプ６２ａ，６２ｂを、ファイバブロック２１に取り付けておいてもよい（図６（ｂ））。クランプ６２の板バネの弾性により、マイクロアレイレンズ１０とファイバブロック２１とを密着させる。
【００２７】
さらに、図５（ｃ）に示した貫通孔１７ａ，１７ｂに、ガイドピン１８ａ，１８ｂ圧入して、マイクロアレイレンズ１０とファイバブロック２１とを固定する（図６（ｃ））。ファイバブロック２１においてマイクロアレイレンズ１０を仮止めする面の反対側の貫通孔１７ａ，１７ｂに、真空吸引器を接続しておく。マイクロアレイレンズ１０の貫通孔を、エポキシ樹脂等で埋めておき、真空吸引により、マイクロアレイレンズ１０とファイバブロック２１とを固定してもよい。
【００２８】
図７に、実施例１におけるマイクロアレイレンズと光モジュールとの間の接続方法を示す。実装ボード５１上に固定された光モジュール３０に、マイクロアレイレンズ１０を接続する。最初に、マイクロアレイレンズ１０の他方の端面、または光モジュール３０の蓋３３には、接着剤を塗布しておく。接着剤は、紫外線硬化型または熱硬化型の接着剤を用いる。次に、マイクロアレイレンズ１０が仮止めされたファイバブロック２１と、光モジュール３０とを、突き合わせる（図７（ａ））。
【００２９】
このとき、アクティブ・アライメントにより位置合わせを行うため、光モジュール３０の実装ボード５１に電源を供給し、内蔵する光素子を動作させる。一方、ファイバブロック２１に固定されている光ファイバに光源または光モニターを接続する。発光素子の出力を光ファイバに接続された光モニターで観測し、または光源の出力を受光素子に接続された光モニターで観測しながら、位置合わせを行う。光モニターの出力が最大の時、接着剤を硬化させる。
【００３０】
接着剤が固化した後に、仮止めの接着剤６１ａ，６１ｂを剥離し、またはクランプを解除することにより、マイクロアレイレンズ１０とファイバブロック２１とを切り離す（図７（ｂ））。このようにして、マイクロアレイレンズ１０の個々の光学要素と、個々の発光素子または受光素子とのアライメントを容易に行うことができる。
【００３１】
マイクロアレイレンズ１０が接合された光モジュール３０と、ＰＬＣモジュール４０との接続は、同様に、光モジュール３０に内蔵された光素子を動作させ、ＰＬＣモジュール４０に光源または光モニターを接続して行う。マイクロアレイレンズ１０の一方の端面、またはＰＬＣモジュール４０端面に接着剤を塗布しておき、光モニターで観測しながら、位置合わせを行う。光モニターの出力が最大の時、接着剤を硬化させる。このようにして、図４に示した接続を行うことができる。
【００３２】
図１に示したマイクロアレイレンズ１０において、第１基板１１および第２基板１２とは、カーボン含有ガラスを用いて、遮光性を有する基板とする。接着剤１４も、カーボン含有の熱硬化型エポキシ樹脂を用いて、遮光性を有する接着剤とする。また、第１基板１１および第２基板１２として、Ｆｅ−Ｎｉ合金を用い、接着剤１４として、ＡｕＳｎ半田を用いる。このような構成により、光学要素１３の開口部を除いて、光が透過しないようにする。これにより、蓋３３で反射した光、光素子３５で反射された光等が、ＰＬＣ４２に入射されるのを防ぐことができる。また、ＰＬＣ４２の光導波路４３以外の部分から漏洩した光が、光素子３５に入射されるのを防ぐことができる。
【００３３】
第１基板１１および第２基板１２としてカーボン含有ガラスを用い、光学要素１３として石英ガラス光ファイバを用いた場合、第１基板１１および第２基板１２と光学要素１３との熱膨張率差が小さいので、熱歪を防止することができる。なお、第１基板１１および第２基板１２は、カーボン含有ガラスのみならず、カーボン、シリコン、酸化チタンを含有するアクリルまたはエポキシに代表される樹脂を用いることもできる。
【００３４】
また、第１基板１１および第２基板１２として、アルミナ等に代表されるセラミックを用いてもよい。第１基板１１および第２基板１２として樹脂を用い、光学要素１３としてプラスチック光ファイバを用いた場合、第１基板１１および第２基板１２と光学要素１３との熱膨張率差が小さいので、熱歪を防止することができる。
【００３５】
第１基板１１および第２基板１２としてＦｅ−Ｎｉ合金を用い、光学要素１３として石英ガラス光ファイバを用いた場合、第１基板１１および第２基板１２と光学要素１３との熱膨張率差が小さいので、熱歪を防止することができる。第１基板１１および第２基板１２は、Ｆｅ−Ｎｉ合金のみならず、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、ＣｕＷ、ＣｕＭｏなどのＣｕ合金を用いてもよい。また、半田は、ＡｕＳｎのみならず、ＳｎＰｂ、ＳｎＡｇＣｕ、ＡｇＣｕ等を用いることもできる。
【実施例２】
【００３６】
図８に、実施例２におけるマイクロアレイレンズとＰＬＣモジュールとの間の接続方法を示す。最初に、マイクロアレイレンズ１０の他方の端面、またはＰＬＣモジュール４０のやとい４４を含む端面には、接着剤を塗布しておく。接着剤は、紫外線硬化型または熱硬化型の接着剤を用いる。次に、マイクロアレイレンズ１０が仮止めされたファイバブロック２１と、ＰＬＣモジュール４０とを、突き合わせる（図８（ａ））。
【００３７】
このとき、アクティブ・アライメントにより位置合わせを行うため、ＰＬＣモジュール４０の光導波路４３に光信号を入力し、内蔵する光機能素子を動作させる。一方、ファイバブロック２１に固定されている光ファイバに光モニターを接続する。ＰＬＣモジュール４０からの出力を光ファイバに接続された光モニターで観測しながら、位置合わせを行う。光モニターの出力が最大の時、接着剤を硬化させる。
【００３８】
接着剤が固化した後に、仮止めの接着剤６１を剥離し、またはクランプを解除することにより、マイクロアレイレンズ１０とファイバブロック２１とを切り離す（図８（ｂ））。このようにして、マイクロアレイレンズ１０の個々の光学要素と、個々の光導波路とのアライメントを容易に行うことができる。
【００３９】
マイクロアレイレンズ１０が接合されたＰＬＣモジュール４０と、光モジュール３０との接続は、同様に、光モジュール３０に内蔵された光素子を動作させ、ＰＬＣモジュール４０に光源または光モニターを接続して行う。マイクロアレイレンズ１０の一方の端面、または光モジュール３０の蓋３３に接着剤を塗布しておき、光モニターで観測しながら、位置合わせを行う。光モニターの出力が最大の時、接着剤を硬化させる。このようにして、図４に示した接続を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の一実施形態にかかるマイクロアレイレンズの構造を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかるマイクロアレイレンズの製造方法を示す図である。
【図３】光モジュールの構成を示す図である。
【図４】マイクロアレイレンズを介して光モジュールとＰＬＣモジュールとを接続する方法を示す図である。
【図５】マイクロアレイレンズと光モジュールとの間のアライメントの方法を示す図である。
【図６】マイクロアレイレンズと光モジュールとの間の仮止めの方法を示す図である。
【図７】実施例１におけるマイクロアレイレンズと光モジュールとの間の接続方法を示す図である。
【図８】実施例２におけるマイクロアレイレンズとＰＬＣモジュールとの間の接続方法を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０  マイクロアレイレンズ
１１  第１基板
１２  第２基板
１３  光学要素
１４  接着剤
１５  光ファイバ
１６  溝
１７  貫通孔
１８  ガイドピン
２１  ファイバブロック
６１  接着剤
６２  クランプ
【図１】
0004599569.tif 000002
【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】
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【図８】
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