JP6977267B2

JP6977267B2 - 光デバイス及び光デバイスの製造方法

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Publication number: JP6977267B2
Application number: JP2017017944A
Authority: JP
Inventors: 康平柴田
Original assignee: Fujitsu Optical Components Ltd
Current assignee: Fujitsu Optical Components Ltd
Priority date: 2017-02-02
Filing date: 2017-02-02
Publication date: 2021-12-08
Anticipated expiration: 2037-02-02
Also published as: US20180217342A1; JP2018124488A; US10976509B2; CN108387975A; CN108387975B

Description

本発明は、光デバイス及び光デバイスの製造方法に関する。

近年、光伝送分野においては、光導波路を有する複数の部品を１つの基板に実装するハイブリッド実装方式が注目されている。このようなハイブリッド実装方式を採用する光デバイスでは、半田の表面張力を利用して光導波路間を光結合するセルフアライン方式と呼ばれる方式が用いられることがある。

すなわち、セルフアライン方式では、光導波路を有する第１の光導波路部品が実装された基板と、光導波路を有する第２の光導波路部品とを用意し、基板の電極パターンと第２の光導波路部品の電極パターンとを対向させ、対向する電極パターンを半田で接続する。対向する電極パターンの間の半田が溶融されると、対向する電極パターンの間の半田から第２の光導波路部品の電極パターンへ半田の表面張力に基づく力が付与され、電極パターンに付与される力に応じて第２の光導波路部品が基板上を移動する。その結果、第２の光導波路部品の光導波路の端面が第１の光導波路部品の光導波路の端面に接近し、第２の光導波路部品の光導波路が第１の光導波路部品の光導波路に光結合される。

このようなセルフアライン方式では、光導波路間の相対的な位置がずれていると、光結合の精度が低下し、結合損が大きくなるので、半田接続時に基板上を移動する部品（つまり、第２の光導波路部品）を正確に位置決めすることが望ましい。そこで、半田接続に伴って２つの光導波路が光結合される際に、第２の光導波路部品に設けた突起の側面を基板に設けた突起の側面に当接させ、第２の光導波路部品を基板上の適切な位置に合わせることが検討されている。

米国特許出願公開第２００２／００４４７４５号明細書

しかしながら、単に突起の側面どうしを当接させる場合、突起の作製精度によっては、突起のサイズに個体差が生じるため、第２の光導波路部品が適切な位置からずれてしまうことがある。第２の光導波路部品が適切な位置からずれると、第２の光導波路部品の光導波路と第１の光導波路部品の光導波路との相対的な位置がずれてしまい、結果として、光結合の精度が低下してしまう恐れがある。

開示の技術は、上記に鑑みてなされたものであって、高精度な光結合を実現することができる光デバイス及び光デバイスの製造方法を提供することを目的とする。

本願の開示する光デバイスは、一つの態様において、第１の光導波路を有する第１の光導波路部品と、側面間の間隔が前記第１の光導波路の光軸に沿った方向に変化する一対の第１の突起と、第１のパターンとを有する基板と、第２の光導波路と、少なくとも一対の第２の突起と、第２のパターンとを有し、前記第２のパターンと前記第１のパターンとが半田接続され、前記少なくとも一対の第２の突起の側面が前記一対の第１の突起の側面にそれぞれ当接する第２の光導波路部品とを有する。

本願の開示する光デバイスの一つの態様によれば、高精度な光結合を実現することができるという効果を奏する。

図１Ａは、本実施例に係る光デバイスの構成を示す斜視図である。図１Ｂは、本実施例に係る光デバイスの分解斜視図である。図２は、本実施例における二対の突起の側面と一対の突起の側面との当接態様を示す図である。図３は、突起の作製精度に応じた光導波路部品の位置ずれの影響を説明するための図である。図４Ａは、電極パターンの設置位置を説明するための図である。図４Ｂは、電極パターンの設置位置を説明するための図である。図５は、本実施例に係る光デバイスの製造方法を説明するための図である。図６は、変形例に係る二対の突起と一対の突起とを示す図である。図７は、適用例に係る光デバイスの構成を示す図である。

以下に、本願の開示する光デバイス及び光デバイスの製造方法の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例により開示技術が限定されるものではない。

まず、本実施例に係る光デバイスの構成を説明する。図１Ａは、本実施例に係る光デバイス１の構成を示す斜視図である。図１Ｂは、本実施例に係る光デバイス１の分解斜視図である。図１Ａ及び図１Ｂに示すように、光デバイス１は、基板１０と、光導波路部品３０とを有する。なお、図１Ｂでは、光導波路部品３０を基板１０から分離した状態が示されている。

基板１０は、光導波路部品１１と、一対の突起１２，１３と、電極パターン１４とを有する。光導波路部品１１は、光導波路２１を有する。光導波路２１の一端面は、光導波路部品３０に対向し、光導波路部品３０から信号光の入力を受ける入力側端面となる。また、光導波路２１の他端面は、図示しない他の光学部品に接続され、他の光学部品に信号光を出力する出力側端面となる。

一対の突起１２，１３は、半田接続に伴って基板１０上を移動する光導波路部品３０を所定の位置に合わせるための位置合わせ用の突起であり、基板１０の表面に沿って延在する様に基板１０上に形成される。一対の突起１２，１３の側面間の間隔は、光導波路２１の光軸に沿った方向に変化する。

電極パターン１４は、光導波路部品３０との半田接続用に島状に形成されたパターンである。電極パターン１４の数は、任意であるが、図１Ａ及び図１Ｂでは、一例として、２つの電極パターン１４が設けられている。

光導波路部品３０は、電気信号に応じた信号光を光導波路から出力する発光素子であり、セルフアライン方式によって基板１０上に実装される。光導波路部品３０は、光導波路３１と、二対の突起３２，３３と、電極パターン３４とを有する。光導波路３１の一端面は、光導波路部品１１に対向し、光導波路部品１１に信号光を出力する出力側端面となる。光導波路３１は、出力側端面における光の反射を抑制するために、出力側端面に対して傾斜している。

二対の突起３２，３３は、半田接続に伴って基板１０上を移動する光導波路部品３０を所定の位置に合わせるための位置合わせ用の突起である。突起３２，３３の対の数は、２つに限らず任意であり、少なくとも一対の突起３２，３３が光導波路部品３０に設けられれば良い。

電極パターン３４は、基板１０との半田接続用に島状に形成されたパターンである。電極パターン３４の数は、任意であるが、図１Ａ及び図１Ｂでは、一例として、２つの電極パターン１４に対応して２つの電極パターン３４が設けられている。電極パターン３４は、基板１０の電極パターン１４と半田Ｓ１により接続される。

図１Ａ及び図１Ｂに示した形態では、電極パターン３４と、電極パターン１４とが半田Ｓ１により接続される際に、対向する電極パターン１４，３４の間の半田Ｓ１が溶融されると、半田Ｓ１から電極パターン３４へ半田Ｓ１の表面張力に基づく力が付与される。そして、電極パターン３４に付与される力に応じて光導波路部品３０が基板１０上を移動する。その結果、光導波路部品３０の光導波路３１の出力側端面が光導波路部品１１の光導波路２１の入力側端面に接近し、光導波路３１が光導波路２１に光結合される。しかしながら、電極パターン３４と、電極パターン１４との半田接続に伴って光導波路３１の出力側端面が光導波路２１の入力側端面に接近する際に、光導波路３１と光導波路２１との相対的な位置がずれると、光結合の精度が低下する。そこで、半田接続時に基板１０上を移動する光導波路部品３０を正確に位置決めすることが重要となる。

本実施例に係る光デバイス１は、半田接続により光導波路３１と光導波路２１を光結合する際に、二対の突起３２，３３の側面を一対の突起１２，１３の側面にそれぞれ当接させて、光導波路部品３０を基板１０上の適切な位置に合わせ、光結合の精度を向上する。

図２は、本実施例における二対の突起３２，３３の側面と一対の突起１２，１３の側面との当接態様を示す図である。図２に示すように、一対の突起１２，１３の内側面１２ａ，１３ａ間の間隔は、間隔ｇ１から徐々に間隔ｇ２となる様に、光導波路２１の光軸２１ａに沿った方向において、光導波路部品１１に近づくほど、連続的に狭くなる。二対の突起３２，３３の側面は、一対の突起１２，１３の内側面１２ａ，１３ａにそれぞれ当接する。これにより、光導波路部品３０が基板１０上の適切な位置に整合される。その結果、突起（つまり、二対の突起３２，３３及び一対の突起１２，１３）の作製精度によらず、光導波路部品３０の光導波路３１と、基板１０上の光導波路部品１１の光導波路２１との相対的な位置ずれが抑制され、光結合の精度が向上する。

また、一対の突起１２，１３は、基板１０において、光導波路２１の光軸２１ａに対して対称な位置に設けられる。これにより、二対の突起３２，３３の側面が、一対の突起１２，１３の内側面１２ａ，１３ａにそれぞれ当接する際に、光導波路部品３０が光導波路２１の光軸２１ａに沿った方向に適切に誘導される。その結果、突起（つまり、二対の突起３２，３３及び一対の突起１２，１３）の作製精度によらず、光導波路部品３０の光導波路３１と、基板１０上の光導波路部品１１の光導波路２１との相対的な位置ずれがより一層抑制され、光結合の精度が更に向上する。

図３は、突起の作製精度に応じた光導波路部品３０の位置ずれの影響を説明するための図である。図３の左側には、二対の突起３２，３３及び一対の突起１２，１３が相対的に大きいサイズで作製された場合に、二対の突起３２，３３の側面が一対の突起１２，１３の側面にそれぞれ当接した様子が示される。図３の右側には、二対の突起３２，３３及び一対の突起１２，１３が相対的に小さいサイズで作製された場合に、二対の突起３２，３３の側面が一対の突起１２，１３の側面にそれぞれ当接した様子が示される。図３において、破線は、二対の突起３２，３３及び一対の突起１２，１３が相対的に大きいサイズで作製された場合の各突起の輪郭を示し、実線は、二対の突起３２，３３及び一対の突起１２，１３が相対的に小さいサイズで作製された場合の各突起の輪郭を示す。また、図３において、光導波路２１の光軸２１ａに沿った方向にｙ軸が定義され、光導波路２１の光軸２１ａに直交する方向にｘ軸が定義される。

図３に示すように、二対の突起３２，３３の側面が一対の突起１２，１３の側面に当接する位置は、突起のサイズが小さいほど、光導波路２１の光軸２１ａに沿った方向（つまり、ｙ軸方向）にΔｙずれる。これにより、光導波路部品３０は、突起のサイズが小さいほど、光導波路２１の光軸２１ａに沿った方向（つまり、ｙ軸方向）にΔｙずれる。一方で、一対の突起１２，１３の内側面１２ａ，１３ａの間隔は、ｙ軸方向において、光導波路部品１１に近づくほど、狭くなり、かつ、二対の突起３２，３３の側面は、一対の突起１２，１３の内側面１２ａ，１３ａにそれぞれ当接する。これにより、光導波路部品３０が半田接続に伴って基板１０上を移動する際に、光導波路２１の光軸２１ａに直交する方向（つまり、ｘ軸方向）の動きが規制され、ｘ軸方向における光導波路部品３０の位置ずれが最小化される。

図４Ａ及び図４Ｂは、電極パターン３４の設置位置を説明するための図である。図４Ａは、二対の突起３２，３３の側面が一対の突起１２，１３の側面に当接する前の電極パターン３４と電極パターン１４との位置関係を示している。これに対し、図４Ｂは、二対の突起３２，３３の側面が一対の突起１２，１３の側面に当接した後の電極パターン３４と電極パターン１４との位置関係を示している。

上述したように、電極パターン３４と電極パターン１４との半田接続に伴って電極パターン３４と電極パターン１４との間の半田Ｓ１から電極パターン３４へ半田Ｓ１の表面張力に基づく力が付与される。半田Ｓ１から電極パターン３４へ付与される力は、図４Ａに示すように、光導波路２１の光軸２１ａに垂直な方向（つまり、ｘ軸方向）に付与される力Ｔ１と、光導波路２１の光軸２１ａに平行な方向（つまり、ｙ軸方向）に付与される力Ｔ２とを含む。電極パターン３４は、図４Ｂに示すように、光導波路部品３０において、ｙ軸方向に付与される力Ｔ２が、二対の突起３２，３３の側面が一対の突起１２，１３の側面に当接した状態で、残存する位置に設けられる。例えば、電極パターン３４は、電極パターン３４の縁部と電極パターン１４の縁部とが、二対の突起３２，３３の側面が一対の突起１２，１３の側面に当接した状態で、ｙ軸方向に互いにオフセットする位置に設けられる。これにより、二対の突起３２，３３の側面が一対の突起１２，１３の側面に当接した状態で、力Ｔ２に応じて光導波路部品３０がｙ軸方向に沿って光導波路部品１１に引き寄せられる。このため、光導波路部品３０が基板１０上の適切な位置に整合され、光導波路部品３０の光導波路３１と、基板１０上の光導波路部品１１の光導波路２１との相対的な位置ずれが抑制される。結果として、光結合の精度がより向上する。

次に、本実施例に係る光デバイス１の製造方法について説明する。図５は、本実施例に係る光デバイス１の製造方法を説明するための図である。製造方法は、基板１０の一対の突起１２，１３に光導波路部品３０を載置することによって、基板１０の電極パターン１４と、光導波路部品３０の電極パターン３４とを対向させる（ステップＳ１１）。

続いて、製造方法は、電極パターン３４と電極パターン１４との間の半田Ｓ１を溶融することによって、光導波路３１の出力側端面を光導波路２１の入力側端面に接近させる（ステップＳ１２）。

続いて、製造方法は、二対の突起３２，３３の側面が一対の突起１２，１３の側面に当接するまで待機する（ステップＳ１３）。これにより、図１Ａに示した光デバイス１が得られる。

以上説明したように、光デバイス１は、基板１０と光導波路部品３０とを有する。基板１０は、光導波路２１を有する光導波路部品１１と、側面間の間隔が光導波路２１の光軸２１ａに沿った方向に変化する一対の突起１２，１３と、電極パターン１４とを有する。光導波路部品３０は、光導波路３１と、二対の突起３２，３３と、電極パターン３４とを有する。光導波路部品３０において、二対の突起３２，３３の側面は、電極パターン３４と電極パターン１４とが半田接続され、かつ、前記光導波路３１の出力側端面が光導波路２１の入力側端面に接近した状態で、一対の突起１２，１３の側面にそれぞれ当接する。すなわち、光導波路部品３０は、電極パターン３４と電極パターン１４との半田接続に伴って光導波路３１の出力側端面が光導波路２１の入力側端面に接近する際に、二対の突起３２，３３の側面が一対の突起１２，１３の側面にそれぞれ当接する様に形成される。

この光デバイス１の構成により、光導波路部品３０が基板１０上の適切な位置に整合される。その結果、突起（つまり、二対の突起３２，３３及び一対の突起１２，１３）の作製精度によらず、光導波路部品３０の光導波路３１と、基板１０上の光導波路部品１１の光導波路２１との相対的な位置ずれが抑制され、高精度な光結合が実現される。

（変形例）
なお、上記実施例では、一対の突起１２，１３の側面（例えば、内側面１２ａ，１３ａ）間の間隔が、テーパ状に変化する例を示したが、変化の仕方はこれに限定されない。変化の仕方は、例えば、曲線状等、光結合を実現可能な範囲内で任意である。

また、上記実施例では、二対の突起３２，３３の側面が、互いに対向する一対の突起１２，１３の内側面１２ａ，１３ａにそれぞれ当接する例を示したが、開示技術はこれに限定されない。例えば、二対の突起３２，３３の側面は、図６に示すように、互いに対向しない一対の突起１２，１３の外側面１２ｂ，１３ｂにそれぞれ当接するものとしても良い。この場合、一対の突起１２，１３の外側面１２ｂ，１３ｂ間の間隔は、間隔ｇ３から徐々に間隔ｇ４となる様に、光導波路２１の光軸２１ａに沿った方向において、光導波路部品１１に近づくほど、連続的に広くなる。なお、図６は、変形例に係る二対の突起３２，３３と一対の突起１２，１３とを示す図である。

（適用例）
上述した光デバイス１は、高精度な光結合を実現し得ることから、例えば、波長可変光源等の光デバイスへの適用が有効である。図７は、適用例に係る光デバイス１０１の構成を示す図である。図７に示す光デバイス１０１は、波長可変光源であり、外部共振器１１１が形成された基板１１０と、基板１１０上に実装された半導体光増幅器（ＳＯＡ）１３０とを有する。外部共振器１１１は、光導波路１２１を有する。ＳＯＡ１３０は、図示しない光導波路を有する。図７において、基板１１０は、図１Ａに示した基板１０に対応する。また、外部共振器１１１は、図１Ａに示した光導波路部品１１に対応する。また、ＳＯＡ１３０は、図１Ａに示した光導波路部品３０に対応する。

１光デバイス
１０基板
１１光導波路部品
１２，１３突起
１２ａ，１３ａ内側面
１２ｂ，１３ｂ外側面
１４電極パターン
２１光導波路
２１ａ光軸
３０光導波路部品
３１光導波路
３２，３３突起
３４電極パターン

Claims

第１の光導波路を有する第１の光導波路部品と、側面間の間隔が前記第１の光導波路の光軸に沿った方向に変化する一対の第１の突起と、第１のパターンとを有する基板と、
第２の光導波路と、少なくとも二対の第２の突起と、第２のパターンとを有し、前記第２のパターンと前記第１のパターンとが半田接続され、前記少なくとも二対の第２の突起の側面が前記一対の第１の突起の側面にそれぞれ当接する第２の光導波路部品と
を有し、
前記第２のパターンは、前記少なくとも二対の第２の突起の側面が前記一対の第１の突起の側面に当接した状態で前記第２のパターンの縁部と前記第１のパターンの縁部とが前記第１の光導波路の光軸に沿った方向に互いにオフセットする位置に設けられ、
前記少なくとも二対の第２の突起は、前記第２の光導波路を挟む位置に配置され、前記少なくとも二対の第２の突起の各々の軸方向に直交する方向の断面が実質的に円形状であることを特徴とする光デバイス。
前記一対の第１の突起の内側面間の間隔は、前記第１の光導波路の光軸に沿った方向において、前記第１の光導波路部品に近づくほど、狭くなり、
前記少なくとも二対の第２の突起の側面は、前記一対の第１の突起の内側面にそれぞれ当接することを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
前記一対の第１の突起の外側面間の間隔は、前記第１の光導波路の光軸に沿った方向において、前記第１の光導波路部品に近づくほど、広くなり、
前記少なくとも二対の第２の突起の側面は、前記一対の第１の突起の外側面にそれぞれ当接することを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
前記一対の第１の突起は、前記基板において、前記第１の光導波路の光軸に対して対称な位置に設けられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の光デバイス。
前記第２のパターンと前記第１のパターンとの半田接続に伴って前記第２のパターンと前記第１のパターンとの間の半田から前記第２のパターンへ前記半田の表面張力に基づく力が付与され、
前記第２のパターンは、前記第２の光導波路部品において、前記第１の光導波路の光軸に平行な方向に付与される前記力が、前記少なくとも二対の第２の突起の側面が前記一対の第１の突起の側面にそれぞれ当接した状態で、残存する位置に設けられることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の光デバイス。
第１の光導波路を有する第１の光導波路部品と、側面間の間隔が前記第１の光導波路の光軸に沿って変化する一対の第１の突起と、第１のパターンとを有する基板と、
第２の光導波路と、少なくとも二対の第２の突起と、第２のパターンとを有し、前記第２のパターンと前記第１のパターンとの半田接続に伴って前記第２の光導波路の端面が前記第１の光導波路の端面に接近する際に、前記少なくとも二対の第２の突起の側面が前記一対の第１の突起の側面にそれぞれ当接する様に形成された第２の光導波路部品と
を有する光デバイスの製造方法であって、
前記第２のパターンは、前記少なくとも二対の第２の突起の側面が前記一対の第１の突起の側面に当接した状態で前記第２のパターンの縁部と前記第１のパターンの縁部とが前記第１の光導波路の光軸に沿った方向に互いにオフセットする位置に設けられ、
前記少なくとも二対の第２の突起は、前記第２の光導波路を挟む位置に配置され、前記少なくとも二対の第２の突起の各々の軸方向に直交する方向の断面が実質的に円形状であり、
前記基板の前記一対の第１の突起に前記第２の光導波路部品を載置することによって、前記基板の前記第１のパターンと、前記第２の光導波路部品の前記第２のパターンとを対向させ、
前記第２のパターンと前記第１のパターンとの間の半田を溶融することによって、前記第２の光導波路の端面を前記第１の光導波路の端面に接近させ、
前記少なくとも二対の第２の突起の側面が前記一対の第１の突起の側面にそれぞれ当接するまで待機する
ことを特徴とする光デバイスの製造方法。