| 【発明の名称】 |
多チャンネル光素子モジュールの光整列補正方法 |
| 【発明者】 |
【氏名】姜 承 求
【氏名】宋 敏 圭
【氏名】李 煕 泰
|
| 【要約】 |
【課題】レーザ熔接を利用して多チャンネル光素子モジュール製作時に発生する整列のずれを補正する多チャンネル光素子モジュールの光整列補正方法を提供する。
【解決手段】光ファイバアレイを固定するための光ファイバの支持台を具備する多チャンネル光素子モジュールの変位によって生成される変位を補正する方法において、多チャンネル光素子モジュールをレーザー熔接を利用して組立てる段階と、熔接部位の収縮効果を利用して上記変位を復元するために変位に相応する上記光ファイバ支持台の所定位置に少なくとも一つの熔接部を形成する段階とを含む変位補正方法。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 光ファイバアレイを固定するための光ファイバの支持台を具備する多チャンネル光素子モジュールの変位によって生成される変位を補正する方法において、多チャンネル光素子モジュールをレーザー熔接を利用して組立てる段階と、熔接部位の収縮効果を利用して上記変位を復元するために変位に相応する上記光ファイバ支持台の所定位置に少なくとも一つの熔接部を形成する段階とを含む変位補正方法。
【請求項２】 上記組立段階は、熔接部位を通じて光ファイバフェルールを支持するための立設板を具備して300〜400マイクロメーター程度の厚さを持つ光ファイバ支持台上に光ファイバアレイを付着した光ファイバフェルールをレーザー熔接する段階を含む請求項１に記載の変位補正方法。
【請求項３】 上記所定位置は水平(x-)、垂直(y-)、軸(z-)方向及び各軸に対する回転方向Rx,Ry,Rz軸のあらゆる変位によって決定される請求項１に記載の変位補正方法。
【請求項４】 上記形成段階は、上記光ファイバ支持台の上記所定位置の周辺に付加的な熔接部位を追加して形成する段階を含む請求項３に記載の変位補正方法。
【請求項５】 上記形成段階は、光ファイバアレイの前部を若干下向させるために、上記光ファイバ立設板の全端部位の中心部に位置した熔接部位を形成する段階と、光ファイバアレイの前部分を若干上向させるために上記光ファイバ立設板の後端部位の中心部に位置した熔接部位を形成する段階とを含む請求項２に記載の変位補正方法。
【請求項６】 上記形成段階は、Ｚ軸に沿ってRz回転変位を補正するため光ファイバ立設板の全端及び後端部の中心部に位置された二つの熔接部位を形成する段階を含む請求項２に記載の変位補正方法。
|
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光素子モジュール製作時に発生する整列のずれを補正する光素子モジュールの光整列補正方法に関するもので、より具体的には、レーザ熔接を利用して多チャンネルの光信号の入／出力端を有するモジュールを製作する時に発生する整列のずれを補正して各チャンネルの信号が初期の整列状態を最大限に維持するようにする多チャンネル光素子モジュールの光整列補正方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】一般的に多チャンネル光素子と光ファイバーとの間の整列のためには、集積度を考慮しレンズを使用することができないので、それぞれの被覆直径が２５０マイクロメーターであるテーパード光ファイバーをアレイとして製作し使用して光結合効率を増加させることができる構造設計が要求され、この場合、素子と多チャンネル光ファイバー間の許容誤差は光軸方向(ｚ)で数ミクロン程度でも、光軸に垂直な方向(ｘ，ｙ)では１マイクロメーターだけずれても最適整列光結合効率に比べて５０％以下に落ちてしまうので非常に精巧で安定した光整列及び部品固定技術が要求される。特に多チャンネル光素子整列のためには光ファイバーアレイを水平(ｘ)、垂直(ｙ)、軸(ｚ)方向のみならず各軸に対する回転(Ｒｘ，Ｒｙ，Ｒｚ)方向に動かして、あらゆる方向に対する光整列を行わなければならない。
【０００３】光素子モジュールの基本構造は、光素子とＶ溝基板上に組立された光ファイバーアレイで構成される副モジュール(submodule)と完成された副モジュールを内蔵するモジュールケースで構成されているが、副モジュール内の光素子と光ファイバーアレイは最大の光結合効率を有するように整列された後、レーザ熔接法を使用して部品が組立てられ固定されて、レーザ熔接時に起きた変位によって失われた光信号を最大限に取り戻すように補正された後、モジュールケース内に固定される。
【０００４】図５は、これにかかる従来の単一チャンネル光モジュール内部の光ファイバー固定部位に対する拡大斜視図である。単一チャンネル光モジュール構造は、大きく副モジュール(submodule)とパッケージケースに区分される。副モジュールの構成としては、図５に示されたように、レーザダイオード(ＬＤ)等の光素子(１１２)がセラミック基板(１５０)上にダイボンディング及びワイヤボンディングで固定され副モジュール基板(１４０)の上に位置しており、光ファイバーフェルール(１１０)が光ファイバー支持台(１２０)を介して副モジュール基板(１４０)上にレーザ熔接(１６１、１６２)で固定されている。
【０００５】副モジュール基板(１４０)のうちセラミック基板(１５０)が置かれる部位は、上向きの突出部(１４１)とされ光ファイバー(１０１)との整列が容易なように設計されており、レーザ熔接にはステンレス３０４ＬやＫＯＶＡＲがもっとも良い材質として知られており、このような材質で熔接用部品が加工されている。
【０００６】従来の技術を利用して単一チャンネル光モジュールを製作する時の光素子と光ファイバーとを整列する方法及び固定方法を説明すれば次の通りである。
【０００７】光ファイバー(１０１)は、レーザ熔接が可能なステンレス３０４ＬやＫＯＶＡＲ材質で加工された光ファイバーフェルール(１１０)に挿入されている。光ファイバーフェルール(１１０)を副モジュール基板(１４０)上に強固に固定するために光ファイバー支持台(１２０)の間に上げておき、光素子(１１２)と水平(ｘ)、垂直(ｙ)、軸(ｚ)方向に対して能動整列を行う。整列を完了した後、垂直(ｙ)方向を優先的に固定させるために光ファイバーフェルール(１１０)と光ファイバー支持台(１２０)との間にレーザ熔接(１６１)を施した後、これをまた水平(ｘ)とＺ軸方向に能動整列をした後、光ファイバー支持台(１２０)と副モジュール基板(１４０)との間をまたもう一度レーザ熔接(１６２)で固定して副モジュールを完成する。しかし、レーザ熔接時には溶接部位が溶け、そして固まりつつ、必然的に変位(post weld shift)が発生して光結合効率が低下するが、既存の通常的な方法ではレンチ等で光ファイバーフェルール(１１０)に力を加えて光結合効率が良くなるように変位を補正している。
【０００８】このように変位が補正され、副モジュールはパッケージケース内部にＴＥＣ(Thermo-Electric Cooler)をはじめとして各種周辺部品と共に組立られる。パッケージケース内部組立が終わると、ケース蓋を被せ蓋の縁を密封(seam sealing)してパッケージ内部を外部の環境から保護して光モジュールを完成する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】上記した過程うちで、光整列補正方法として従来より用いられている、レンチなどのツールを使って機械的な力を加えて補正する方法は、サブミクロンの整列度が要求される光モジュール製作方法を満足させ難いばかりだけでなく、補正時に溶接部上に機械的な応力が残存するために、完成されたモジュールを実際に使用するようになった時にもモジュールの使用環境に応じて残留応力が作用して、補正しておいた光結合効率がだんだんと変わってしまうので、モジュールに対する信頼性がなくなってしまう。さらに既存の構造体を使用する場合、多チャンネル光素子モジュール製作に必須的に必要としたＺ軸を中心とする回転方向(Ｒｚ)には補正が不可能であるという致命的な問題点があった。
【００１０】上記した問題点を解消するために案出された本発明は、多チャンネル光素子モジュール製作過程のうち、光ファイバーを整列して固定する補正方法において、副モジュールを製作した後に外部から機械的な力を加えるのではなく、レーザービームを利用するレーザ補正工程を通じてレーザ熔接時に部品がｘ，ｙ，ｚの直線方向だけでなく、これら軸に対する回転方向(Ｒｘ，Ｒｙ，Ｒｚ)を含む全ての方向の変位でも補正できるようにして初期の光結合効率を容易に得ることができる精巧で信頼性ある多チャンネル光素子モジュールの光整列補正方法を提供することにその目的がある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する本発明は、光ファイバアレイを固定するための光ファイバの支持台を具備する多チャンネル光素子モジュールの変位によって生成される変位を補正する方法において、多チャンネル光素子モジュールをレーザー熔接を利用して組立てる段階と、熔接部位の収縮効果を利用して上記変位を復元するために変位に相応する上記光ファイバ支持台の所定位置に少なくとも一つの熔接部を形成する段階とを含む。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の多チャンネル光素子モジュールの光整列補正方法にかかる実施例を図面を参照して、より詳細に説明する。
【００１３】図１は本発明の一実施例に係る多チャンネル光素子モジュールの光ファイバー整列部位の要部斜視図であり、図２は本発明が適用された光素子モジュールの光ファイバー整列部位の正面図で、光ファイバーアレイ蓋(１４)を無視したものであり、図３は本発明の一実施例に係る平面図、図４は本発明の一実施例に係る側面図である。
【００１４】図１ないし図４に示されたように、本発明の実施例に係る多チャンネル光素子モジュールは、多チャンネル光素子(１２)と多チャンネル用Ｖ溝基板(１３)上に組立られたテーパード光ファイバーアレイ(１)で構成される副モジュールと、完成された副モジュールを内蔵するモジュールケースとで構成されている。上記副モジュールの構成は、レーザダイオードなどの光素子(１２)がセラミック基板(５０)上にダイボンディング及びワイヤボンディングで固定され副モジュール基板(４０)上に位置しており、副モジュール基板にはベースプレート(３０)がレーザ熔接(６１)により固定され、上記ベースプレート(３０)上に光ファイバーフェルール(１０)が光ファイバー支持台(２０)を介してテーパード光ファイバーアレイ(１)が最大の光結合効率を持つように整列された後、レーザ熔接(６２、６３)を使用して組立固定される。
【００１５】この時、既に最適に整列された上記部品が熔接後の変位により光整列がずれて光信号が損失しているので、損失した光信号を最大限に回復するように変位を補正した後、モジュールケース内に固定される。
【００１６】本発明は、上記した多チャンネル光素子モジュールの製作過程中、レーザ熔接時に損失した光信号を回復するように変位を補正する方法において、上記光ファイバーアレイを水平(ｘ)、垂直(ｙ)、軸(ｚ)方向のみならず各軸に対する回転(Ｒｘ，Ｒｙ，Ｒｚ)方向に動かし、上記あらゆる方向に対する光整列を補正するために、溶接部位の収縮効果を利用して変位を補正するようにするレーザ補正(laser hammering)方法である。
【００１７】このようなレーザ補正を效果的に施すために、上記光ファイバー支持台(２０)は底板(２２)に光ファイバーフェルールを支持するための所定間隔を置いて両側に立てられた立設板(２１)を具備しているが、この立設板(２１)の厚さ(２１ａ)が３００〜４００マイクロメーター程度に薄く形成されており、レーザービームの照射によって容易に収縮して変位を調整することができるようになっている。
【００１８】本発明が適用された多チャンネル光素子モジュールを製作する過程を図３及び図４を参照して詳細に説明する。
【００１９】工程１；セラミック基板(５０)を副モジュール基板(４０)の突出部(４１)の上面にソルダリング(soldering)した後、その上に半導体多チャンネル光素子(１２)をダイボンディング及びワイヤボンディングで固定させる。
【００２０】工程２；レーザ溶接機の下部ホルダーを使用して副モジュール基板(４０)を押さえて、副モジュール基板(４０)上にベースプレート(３０)を載せた後、ビーム当たり約５〜７ＪｏｕｌｅとなるＹＡＧレーザを使用して６ヶ所(６１)を熔接する。この時ベースプレート(３０)を使用する理由は、光素子で発生する熱を外部に放出し易くするために副モジュール基板(４０)を熱伝導度が良いＣｕＷ材質で製作しているが、このＣｕＷがレーザ熔接し難い材質であるため、その上にレーザ熔接し易いＳＵＳ３０４Ｌ材質で製作されたベースプレート(３０)を重ね、テーパード光ファイバーアレイ(１)が付着されたＳＵＳ３０４Ｌの光ファイバーフェルール(１０)及び光ファイバー支持台(２０)を熔接し易くしているのである。
【００２１】工程３；熔接(６１)が終わったベースプレート(３０)上に、光ファイバー支持台(２０)を載せて、光ファイバーアレイ(１)がＶ溝基板(１３)上に組み立てられたあと固定されているステンレス３０４Ｌ材質の光ファイバーフェルール(１０)を水平(ｘ)、垂直(ｙ)、軸(ｚ)方向及び各軸に対する回転(Ｒｘ，Ｒｙ，Ｒｚ)方向に動かすことができるホルダーで支えた後、全ての方向に対する光整列を行う。
【００２２】工程４；整列が終わった光ファイバーアレイ(１)を垂直(ｙ)方向に優先的に固定させるために光ファイバーフェルール(１０)と光ファイバー支持台(２０)間をビーム当たり約３〜５Ｊｏｕｌｅとなるエネルギーで４ヶ所(６２)を同時に１次レーザ熔接して固定させた後、これをまた水平(ｘ)及びＺ軸方向に微細な能動整列をして補正した後、光ファイバー支持台(２０)とベースプレート(３０)間４所(６３)を同時に２次レーザ熔接して副モジュールを構成する全ての部品の整列及び固定工程を終える。
【００２３】しかし、上記レーザ熔接時、溶接部位がいったん溶けてから固まりながら収縮するために、必然的に溶接部品間の整列が初期整列状態から全ての方向で数マイクロメーター程度ずれてしまうので、部品間の光結合効率が非常に低下してしまう。したがってこのような変位に対する補正方法として、本発明ではレーザービームが照射された部位に部分的に物質の相が変化しながら収縮される性質を利用したレーザ補正工程(laser hammering)を通じて変位を補正する。
【００２４】このようなレーザ補正工程に対する実施例に従う変位補正方法を詳細に説明する。
【００２５】１) 水平(ｘ)方向の変位に対する補正方法；水平(ｘ)方向は変位を補正するのにもっとも容易な方向である。図３におけるように、光ファイバー支持台の底板(２２)の“７１、７２”部上に追加のレーザ熔接を施すと、この部分が溶けて固まりながら材質の相変化により体積が収縮しつつ大きな力で部品を引っ張るようになるので、水平(ｘ)方向への補正が可能になる。この時、充分な補正がなされない場合は、すぐ隣の部位に追加で熔接を施せば、所望分の補正が可能である。またレーザの強さを上げると、溶けて収縮する部位が大きくなるので補正効果をより一層増加させることができ、最終的に微細な補正をする場合にはレーザの強さを弱めることも行い得る。ただし水平(ｘ)方向で平行に部品を動かそうとするなら、部品の前部(７２)と後部(７１)を同時にレーザ補正(laser hammering)しなければならず、前部か後部のうちいずれか１ケ所だけを補正した場合には垂直(ｙ)軸に対する回転(Ｒｙ)効果を発生させることになる。したがってレーザ熔接後に光素子(１２)の全面と光ファイバーアレイ(１)の全面が平行でない場合には、上記前部(７２)、あるいは後部(７１)の２ケ所のうちいずれか１ケ所だけをレーザ補正してＲｙ方向の補正を遂行すれば平行をとりもどすことができる。
【００２６】２) 軸(ｚ)方向の変位に対する補正方法；水平(ｘ)方向の変位を補正する方法と同一である。すなわちＺ軸の変位に対して前方向(光素子側)で光ファイバーを動かそうとするなら、図３におけるように、光ファイバー支持台の底板(２２)の両側の前端(７３、７４)の２ケ所にレーザ補正を施せばよく、反対方向に動かそうとするなら後端(７５、７６)の２ケ所にレーザ補正を施せばよい。
【００２７】この場合、特に注意しなければならないのは、テーパード光ファイバーアレイ(１)を使用してモジュールを製作する場合、光素子(１２)と光ファイバー間の間隔が約１０〜１５マイクロメーター程度にしかならないので、レーザの強さを弱く(約３Ｊｏｕｌｅ／ｂｅａｍ)して、光ファイバーアレイ(１)が過度に引っ張られて光素子(１２)に触れてしまう状況を防止しなければならない。この場合にも水平(ｘ)方向の補正と同様に、光ファイバー支持台の底板の両側前端(７３、７４)のうちいずれか１ケ所だけ補正した場合には、ｙ軸に対する回転(Ｒｙ)効果を発生させるようになる。
【００２８】３) 垂直(ｙ)方向の変位に対する補正方法；図４に示されたように、非常に難しい補正方向である。光ファイバー支持台(２０)の構造上、(ｘ)や(ｚ)方向と同じ平行移動式補正(hammering)が不可能である。図４の点線部分は、レーザ熔接後の変位によって光素子(１２)より光ファイバーアレイ(１)が上方向に位置するようになった場合を示している。したがって実線で表示した通り、光ファイバーの前部分を下に下げて光素子(１２)と高さを一致させようとする場合には、光ファイバー支持台(２０)立設板(２１)の前端の中心部位(８１)に補正(hammering)を施す。この場合の効果を考察してみると、図２に示されたように、薄く形成された立設板(２１)の一点(９１)にレーザを出射させると、レーザビームが与えられた部位が溶けて収縮しながら物質の部分的な相変化によって、初期には図２の点線部分のように持ち上がっていたのが、立設板(２１)の上記一点(９１)に補正(hammering)をした後には実線のように板が折れ曲がるために収縮の効果を生じさせる。
【００２９】このような収縮の効果を考えると、図４におけるように、光ファイバー支持台立設板(２１)の前端の中心部位(８１)に施した補正(hammering)によって光ファイバーの前部が下がるようになる。もちろん補正(hammering)するレーザービームの強さを調節すれば収縮する程度を調節できるため、精巧には０．１〜０．２マイクロメーター程度の微細な補正が可能で、高さ調節が充分でなかった場合には隣接部位(８２)に追加の補正(hammering)を施せばよい。反対に、光ファイバーアレイ(１)の前部を上に上げるように補正しようとする場合には、光ファイバー支持台(２０)立設板(２１)後端の中間部位(８３)を補正(hammering)して後部分を収縮させて相対的に前部が上に上がるように補正する。
【００３０】この時必ず注意しなければならない点は、高さ調節のための補正(hammering)時、図４の光ファイバー支持台立設板(２１)の前端中心部位(８１)の一点だけを補正するのではなく、必ず反対側の側面にも同じ位置に同時に補正(hammering)を施してこそ後述するＺ軸方向の回転効果なしに単に高さだけを調節できるという点である。この場合に、前部を上にあるいは下に補正するため、水平(ｘ)軸に対する回転(Ｒｘ)効果が発生するので光ファイバーアレイが光素子と一直線(平行)に位置しなくなり得るが、これによる光結合効率の変化はきわめて微小なため全く問題にならない。
【００３１】４) Ｚ軸に対する回転(Ｒｚ)方向への補正方法；多チャンネル光ファイバー製作時にもっとも難しく、重要な工程である。通常、光ファイバー(１)固定のために光ファイバー支持台(２０)をレーザ熔接した場合には、図２の点線模様のように、必然的にＺ軸に対する回転方向(Ｒｚ)への変位が生じるようになる。多チャンネル光素子モジュールの場合には、各チャンネルごとに類似していて均一な光結合効率を維持しなければならないのだが、Ｒｚ方向に対する変位のために光素子と光ファイバー対が平行状態から逸脱するので、全てのチャンネルが最適の整列状態を維持することができなくなる。
【００３２】このようなＲｚ方向の変位は非常に精密な補正を必要とするので既存の機械的な補正方法では不可能であった。したがって今までは根本的にレーザ熔接による多チャンネル光モジュール製作に限界を誘発する要因となっていた。図１及び図２におけるように、Ｒｚ方向に対する補正のために光ファイバー支持台(２０)の立設板(２１)中間部位を“９１”及び“９２”の２ケ所にて同時に補正(hammering)を施す。この場合にも前述の３)項で説明したように、“９１”及び“９２”を同時に補正(hammering)してこそ光ファイバー終端面に対する高さ変化がなく純粋なＲｚ方向の回転効果を出すことができる。回転が不充分な場合には隣接した所(“９３”及び“９４”)に追加の補正(hammering)を施し得る。適切な回転がなされた後、追加的に上記１)項及び３)項におけるようなｘ，ｙ軸に対する補正を行えば全ての方向に対する補正が施された副モジュールが完成する。
【００３３】
【発明の効果】以上にて詳細に説明したように、本発明は、多チャンネル光素子モジュールの光整列のために、光ファイバーアレイを水平(ｘ)、垂直(ｙ)、軸(ｚ)方向のみならず各軸に対する回転(Ｒｘ，Ｒｙ，Ｒｚ)方向に動かし全ての方向に対する光整列を施すことができるようにするだけでなく、いままでの先行技術では不可能だった多チャンネル光素子モジュールに対するレーザ熔接後の変位をあらゆる方向にわたって完壁に補正できるようになる。
【００３４】特に、従来の方法のように、機械的な力を加えて補正する場合は、溶接部上に機械的な応力が残存するため、完成されたモジュールを実際に使用するようになった時にモジュールの使用環境に応じて残留応力が作用するので、補正した光結合効率に対する信頼性が低下し、さらに既存の構造体を使用する場合、ｘ，ｙ，ｚ方向で機械的な補正は行い得るが、Ｚ軸を中心にした回転方向(Ｒｚ)には補正が不可能であるという致命的な問題点があるのに反し、本発明では多チャンネル光素子副モジュールを製作した後、外部から機械的な力を加えることなく、もっぱらレーザービームを利用するレーザ補正(laser hammering)工程を通じて全ての方向の変位に対しても補正することができ、初期の光結合効率を維持することができるという精巧で信頼性ある多チャンネル光素子モジュールを提供可能である。
【００３５】したがって、これまでのレーザ熔接技術では具現が難しかった多チャンネル光モジュールを均一な良質の製品として製作できるだけでなく、レーザ補正を通じて多チャンネル光素子光モジュールの不良率を最小化することのできる経済的で有用な技術である。
|
| 【出願人】 |
【識別番号】５９６１８００７６
【氏名又は名称】韓國電子通信研究院
|
| 【出願日】 |
平成１０年１０月２９日（１９９８．１０．２９） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００７３８７４
【弁理士】
【氏名又は名称】萩野 平 （外３名）
|
| 【公開番号】 |
特開２０００−１９３６３（Ｐ２０００−１９３６３Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年１月２１日（２０００．１．２１） |
| 【出願番号】 |
特願平１０−３０８８９５ |
|