JP2005165200A - 光デバイスとその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 光デバイスのケース内部への熱的影響を低減しつつ、湿気の進入を防止するように気密性高くケースを封止する。
【解決手段】 光ファイバ３が、ケース１の側面の孔部１ｂから外方に突出する筒状部４を貫通し、一端部が光学素子５と光軸合わせされた状態でケース１内に固定されている。筒状部４内が低融点はんだ１０によって封止されている。ケース１の開口部１ａには、筒状部４が封止された後にＹＡＧレーザー溶接で蓋部材２が接合されている。筒状部４は、溶接による接合部（開口部１ａの外縁）から、レーザー溶接により熱エネルギーが伝わる範囲外まで離れた位置にあるため、筒状部４の存在がレーザー溶接に影響を与えることはない。また、低融点はんだ１０による封止のための加熱はケース１の外側の筒状部４において行われ、レーザー溶接時の熱は局所的に作用するため、ケース１内の接着剤９等への影響は小さい。
【選択図】 図１

Description

本発明は光デバイスとその製造方法に関し、特にそのパッケージ封止構造に関する。

従来、例えば光通信分野等において、光ファイバを用いた光デバイスが多用されており、情報伝送路である光路を切り替えるための光スイッチや、ビームを減衰させるための光アッテネータ等の様々な光デバイスが用いられている。このような光デバイスにおいて、特に光ファイバに光学的に接続される光学素子は、湿気による機能低下や不良を生じる可能性がある。従って、光学素子を筐体内に収容したパッケージ構造が広く用いられている。このようなパッケージ構造をできるだけ気密に封止することによって、外部の湿気から光学素子を保護し、結露を防止して、光デバイスの特性の安定性および信頼性を高めている。

従来の光デバイスのパッケージ構造の気密封止方法として、例えば特許文献１の図５には、ケースの、蓋部材との接合部に光ファイバ導入用の凹部が設けられており、メタライズした光ファイバをこの凹部内に配置してケースと蓋部材をはんだ付けする方法が記載されている。また、特許文献１の図６には、図５と同様な構成ではんだの代わりに低融点ガラスを用いて気密封止する方法が、特許文献１の図７には、図５と同様な構成ではんだの代わりに樹脂を用いて気密封止する方法が記載されている。

パッケージ構造を有する光デバイスは、光ファイバの端部と光学素子が光軸を一致させられた状態で接着剤等によってケース内に固定され、その後、ケースと蓋部材が固着されて封止される。特許文献１の図５，６に示されている方法では、はんだや低融点ガラスで蓋部材を封止する際にパッケージ全体の温度を上昇させてしまう。例えば、低融点はんだによる封止を行うためには百数十度、低融点ガラスによる封止を行うためには約４５０度まで加熱する必要がある。この時に、パッケージ内部において光学素子を固定している接着剤が溶融したり破損したりして、光ファイバと光学素子の相対位置ずれを生じるおそれがある。例えば、エポキシ系接着剤や紫外線硬化型接着剤は、１００℃近くまで温度が上昇すると破損するおそれがある。これによって、光ファイバと光学素子の光軸がずれてしまうと、光学デバイスとしての機能を果たせなくなってしまう。通常、ケースと蓋部材を固着した後に光ファイバと光学デバイスの相対位置を修正することは不可能なので、この光学デバイスは、分解して作り直さない限り使用できない不良品になる。

特許文献１の図７に示されている方法では、樹脂による封止時にそれほど高温にする必要がないので、接着剤の溶融や破損に伴う光ファイバと光学素子の光軸のずれを生じる可能性は低い。しかし、樹脂の気密封止レベルは金属やガラスに比べると低いため、高温高湿等の厳しい環境条件下に長時間さらされた場合には、樹脂を介してパッケージ内に少しずつ湿気が入り込み、その後低温になったときに光学素子に結露を生じて、光デバイスとしての特性の悪化や寿命の低下を招くおそれがある。

これに対して、特許文献２には、筐体（ケース）の側壁から外部に突出する筒状部が設けられており、光ファイバは、この筒状部を貫通してケースの内部から外部に突出する構成が開示されている。この構成では、光ファイバの導入部である筒状部の封止と、ケースと蓋部材の接合は別々に行われる。そして、メタライズした光ファイバを筒状部内にてはんだ付けすることができる。この場合、はんだの加熱はケース内部から離れた筒状部で行われるため、その熱はケース内の中央部に位置する光学素子を固着する接着剤にはあまり伝わらない。このように特許文献２では、筒状部内での光ファイバの封止の、ケース内部への熱的影響が低減される。しかし、特許文献２にはケースと蓋部材の接合方法については具体的に記載されておらず、パッケージ全体を完全に封止する構造は開示されていない。ケースと蓋部材を機密性高く封止できるかどうかという点や、ケースと蓋部材の接合時にケース内部に熱的影響を及ぼす可能性については、特許文献２では考慮されていない。

一方、特許文献３には、蓋部材の封止方法として、ケースと蓋部材をシーム溶接等の抵抗溶接によって接合して封止する方法が開示されている。
特許第２９４３７６０号明細書（図５〜７） 特開平７−２８１０６１号公報（図２） 特許第２６１６６６８号明細書（図１〜４） 「ＹＡＧレーザー溶接におけるクラック防止に関する一考察」横山純，渋谷隆，大川原一秀，小田切雄一（日本電気株式会社 光ケーブル通信開発本部） 1991年電子情報通信学会春季全国大会講演論文集 第４分冊第２８４頁、論文Ｎｏ．Ｃ−２６７ 社団法人 電子情報通信学会発行

光デバイスのケースと蓋部材を接合するための抵抗溶接の例としては、主にＩＣや水晶振動子等の気密封止に利用される、いわゆるキャンシール溶接が挙げられる。キャンシール溶接は、図９に模式的に示すように、素子１０１を内蔵したパッケージを構成するキャップ１０２とステム１０３を接合するために、キャップ１０２の外形を覆うような電極１０４と、ステム１０３の下方の電極１０５によって接合部を挟み込んで、電極１０４，１０５に電圧を印加して溶接する方法である。このキャンシール溶接を光デバイスのケースと蓋部材の接合に用いる場合、ケースの外形に合わせた電極が必要である。従って、少量多品種生産が行われる光デバイスでは、１種類の光デバイスごとにその都度電極を設計して製造する必要があるため、製造コスト上昇の要因となる。また、光デバイスは、一般的にＩＣや水晶振動子等と比較して寸法が大きいので、電極に対する１回の通電によって比較的長い距離を溶接することになる。そのため、溶接結果の安定性に欠け、気密不良が起こりやすいという問題がある。

また抵抗溶接の他の例として、いわゆるパラレルシーム溶接が挙げられる。パラレルシーム溶接の場合、図１０に模式的に示すように、１対のローラー電極１０６が、ケース１０７に接合すべき蓋部材１０８の外縁に沿って回転しながら移動して溶接を行う。しかし、光デバイスのパッケージ形状が複雑である場合、特に、クリップ状の締結部材によってフェルール等を係止するための凹部がパッケージ表面に設けられているような場合には、光デバイスのパッケージを構成する蓋部材１０８の外縁に沿ってローラー電極１０６を転がすことが困難であり、ローラー電極１０６が蓋部材１０８の表面に接して転がり移動できない部分では、十分な接合が行われない可能性がある。

そこで本発明の目的は、光ファイバの導入部の封止とケースと蓋部材の接合とを別々に行い、光ファイバの導入部の封止をケース内部から離れた位置で行って、ケース内部への熱的影響を低減するとともに、パッケージ形状が複雑であっても強固に封止でき、ケース内への湿気の進入を防止できる光デバイスとその製造方法を提供することにある。

本発明の光デバイスは、少なくとも一つの開口部を有している中空のケースと、ケースの側面に設けられた孔部から外部に突出する筒状部と、筒状部および孔部を貫通してケースの内部から外部へ延びており、筒状部を封止する低融点はんだによって筒状部内に固定されている光ファイバと、レーザー溶接によって、ケースに開口部を塞ぐように接合されている蓋部材とを有することを特徴とする。

この構成では、筒状部の封止とケースと蓋部材の接合とを別々に行って、ケース内部への熱的影響が抑えられているため、内部に固定されている光学素子や光ファイバの端部の位置ずれや光軸のずれ等が生じない。また、ケースと蓋部材から構成されるパッケージは良好に封止されている。

筒状部は、ケースの開口部の外縁から、少なくとも蓋部材をケースに接合するためのレーザー溶接時に熱エネルギーが伝わる範囲外まで離れていることが好ましい。また、筒状部は、ケースの開口部の外縁から、少なくとも蓋部材をケースに接合するためのレーザー溶接時のレーザーの溶け込み深さよりも長い距離だけ離れていることが好ましい。このような構成によると、レーザー溶接時に、筒状部の周辺でもそれ以外の部分でも実質的に同等な条件で均等な溶接ができ、封止の信頼性および安定性が高い。

レーザー溶接はＹＡＧ（Yttrium-Aluminum-Garnet）レーザー溶接であると、簡便に行うことができ良好な溶接が行える。

さらに本発明の光デバイスは、光ファイバと光軸が一致するようにケース内に配置されている光学素子を有している。

蓋部材と筒状部は、コバールまたは４２ニッケル−鉄からなることが好ましい。また、ケースは、コバールと４２ニッケル−鉄とセラミック材料のうちのいずれかからなることが好ましい。コバールと４２ニッケル−鉄は熱膨張率が小さいため、温度変化時の熱膨張や収縮によって光ファイバや光学素子の固定部分に応力が加わって光軸がずれたり破損したりするおそれが小さい。

光ファイバの、低融点はんだによって封止されている部分が、被覆が除去された状態でニッケルおよび金によるメタライズ処理が施されていると、低融点はんだによる固定が良好に行える。光ファイバのメタライズ処理によるニッケル層の厚さは１μｍ以下であり、金層の厚さは０．２μｍ以下であると、メタライズ層が厚すぎることによる引っ張り強度の低下を抑えられる。光ファイバの、被覆が除去された状態でメタライズ処理が施されている部分の長さは２ｍｍ〜５ｍｍであると、光ファイバの配列が乱れる可能性が低く、かつ低融点はんだによって十分な封止効果が得られる。

なお、光ファイバの、被覆が除去された部分のうちの一部にのみメタライズ処理が施されており、被覆が除去されてメタライズ処理が施されていない部分のうち、メタライズ処理が施された部分よりも先端側の一部が保護部材によって覆われている構成にすることも可能である。

ケースと筒状部に厚さ１μｍ〜５μｍのニッケルメッキ層が形成されていると、耐腐食性が向上する。さらに、筒状部の少なくとも内面に厚さ０．０５μｍ〜１μｍの金メッキ層が形成されていると、はんだ濡れ性が向上して低融点はんだによる封止効果が向上する。

本発明の光デバイスの製造方法は、少なくとも一つの開口部と、側面に設けられている孔部と、孔部から外部に突出する筒状部とを有している中空のケースに、光ファイバを、筒状部および孔部を貫通してケースの内部から外部へ延びるように配置する工程と、筒状部を低融点はんだによって封止して光ファイバを筒状部内に固定する工程と、筒状部を封止した後に、レーザー溶接によって、ケースに開口部を塞ぐように蓋部材を接合する工程とを含むことを特徴とする。

仮に、蓋部材がケースに接合された後に筒状部を封止すると、筒状部の加熱時や冷却時にケース内の空気が膨張や収縮することによって、溶融状態の低融点はんだに通気穴が形成されてそのまま固化してしまったり、溶融状態の低融点はんだがケースの中心部側まで引き込まれてしまうおそれがある。しかし、前記した本発明の方法によると、蓋部材をケースに接合する前に筒状部を低融点はんだで封止しているため、このような不具合が防止される。

低融点はんだによる封止は、ケースから外方に突出した筒状部を局所的に加熱することによって行われ、また、レーザー溶接によるケースと蓋部材の接合は、接合すべき部分を局所的に加熱して溶融させることによって行われるので、ケース全体が過度に温度上昇することはなく、ケース内で光学素子や光ファイバを固定している接着剤が熱によって破損して光軸ずれをおこすことはない。

光ファイバを配置する工程の前に、筒状部をケースの側面に取り付ける工程を含んでいてもよい。筒状部をろう付けによってケースの側面に取り付けてもよい。

ケース内に光学素子を配置する工程と、光学素子と光ファイバの端部の光軸合わせを行い、両者を相対的に固定する工程とをさらに含んでいてもよい。光学素子と光ファイバの端部の光軸合わせは、ケース内で行ってもケース外で行ってもよい。

光ファイバの、低融点はんだによって封止される部分に、予め被覆を除去してからニッケルおよび金によるメタライズ処理を施する工程をさらに含むことが好ましい。光ファイバにメタライズ処理を施す工程にて、厚さが１μｍ以下のニッケル層と、厚さが０．２μｍ以下の金層を形成することが好ましい。光ファイバにメタライズ処理を施す工程にて、長さが２ｍｍ〜５ｍｍの範囲にメタライズ処理を施すことが好ましい。また、光ファイバにメタライズ処理を施す工程にて、被覆が除去された部分のうちの一部にのみメタライズ処理を施し、被覆が除去されてメタライズ処理が施されていない部分のうちの、メタライズ処理が施されている部分よりも先端側の一部を保護部材によって覆う工程を含むようにすることも可能である。

ケースと筒状部に、厚さ１μｍ〜５μｍのニッケルメッキ層を形成するニッケルメッキ工程をさらに含むことが好ましい。筒状部の少なくとも内面に、厚さ０．０５μｍ〜１μｍの金メッキ層を形成する金メッキ工程をさらに含むことが好ましい。

本発明によると、主にケースと蓋部材から構成されるパッケージが、光ファイバが貫通している筒状部が低融点はんだで封止され、ケースと蓋部材がレーザー溶接により接合されてることにより封止されており、高い気密レベルが確保され、内部結露が生じて特性が悪化したり寿命が短くなることがない。

光ファイバが貫通している筒状部の封止は、ケースから外方に突出した筒状部内の低融点はんだのみを加熱することによって行われ、ケースと蓋部材の接合は、接合部のみを局所的に加熱するレーザー溶接によって行われる。従って、ケース内の光学素子やそれを固定している接着剤に伝わる熱は小さく、位置ずれや破損を生じるおそれがない。

蓋部材とケースの接合は、レーザーの照射位置と、接合すべきケースおよび蓋部材とを相対的に移動させてレーザー溶接を行うことによって行える。従って、ケースおよび蓋部材の形状が複雑であっても容易に接合でき、また大きさに関係なく一定の封止が行える。それによって、少量多品種の光デバイスの製造を行う場合にも、１品種ごとに装置の設計や構成を変える必要がなく、生産コストが低く抑えられる。

特に、蓋部材をケースに接合するよりも先に筒状部を低融点はんだで封止する場合には、筒状部の加熱および冷却時にケース内の空気が膨張や収縮して溶融状態の低融点はんだに通気穴が空くなどの損傷を生じるおそれがない。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１に示す本発明の光デバイスは、主にケース１と蓋部材２とからなるパッケージ構造を有している。ケース１は中空の筐体であり１つの面（図１（ｂ）では上方の面）が開口部１ａになっている。また、側面には孔部１ｂが設けられ、さらに光ファイバ３の導入部である筒状部４が設けられている。この筒状部４は、側面の中間付近、少なくとも開口部１ａの外縁から十分離れた位置に設けられて、外部に向かって突出している。筒状部４はゴムフード６によって覆われている。そして、ケースの開口部１ａを塞ぐように蓋部材２がＹＡＧレーザー溶接により接合されている。蓋部材２は金属材料からなり、ケース１は主に金属材料またはセラミック材料からなる。

ただし、ケース１は主にセラミック材料からなる場合であっても、筒状部４は金属材料からなり、蓋部材２との接合面、すなわち開口部１ａの外縁には金属材料からなるシールフレーム（図示せず）がろう付けされている。筒状部４は、ケース１にろう付けによって気密に接合されている。なお、金属材料は、周囲温度が変化したときのパッケージの熱膨張や収縮によって、光ファイバ３や光学素子５の固定部分に応力が加わって光軸がずれたり光ファイバ３が破断したりすることを防ぐため、熱膨張率の低いコバールや４２ニッケル−鉄であることが好ましい。

主にケース１と蓋部材２により構成されたパッケージ内に、例えば発光素子や受光素子やレンズやミラー等の光学素子５が配置され、この光学素子５と光ファイバ３の一端部が光軸を一致させた状態で接着剤９等により固定されている。光学素子５は支持部材７上に搭載されており、支持部材７に固定されている駆動ユニット８によって駆動される。光ファイバ３は、前記した通り一端部がケース１内で光学素子５と位置合わせされて固定され、他端部側は筒状部４を貫通してケース１の外部に延びており、図示しない他の光デバイス等に接続可能になっている。

筒状部４には、はんだ注入口４ａと接着剤注入口４ｂが設けられている。そして、筒状部４内は、はんだ注入口４ａから注入された低融点はんだ１０（例えばスズ−ビスマス合金はんだやスズ−インジウム合金はんだ）で封止され、接着剤注入口４ｂから注入された接着剤１１（例えばエポキシ系接着剤やシリコン系接着剤など）で光ファイバ３は筒状部４内に固定されている。

光ファイバ３の、筒状部４内で低融点はんだ１０により封止される部分３ａ、すなわちはんだ注入口４ａの周辺の部分は、被覆除去されて芯線（裸光ファイバ）が露出させられニッケルおよび金によるメタライズ処理が施されている。図示しないが、光ファイバ３のメタライズ層が厚すぎると光ファイバ３の引っ張り強度が弱くなる傾向があることが実験によって判っているので、ニッケル層は１μｍ以下、金層は０．２μｍ以下の厚さにすることが望ましい。

前記したように、光ファイバ３は部分的に被覆除去され、少なくとも筒状部４のはんだ注入口４ａに対向する部分は、被覆除去された上にメタライズ処理されている。この被覆除去されてメタライズされた部分３ａよりもケース１内部側では、被覆が除去されずに残っている部分が存在する。これは、溶融した低融点はんだ１０が光ファイバ３を伝わって光学素子５の付近まで流れ込むことを防ぐためである。また、光ファイバ３が多芯光ファイバである場合には、被覆除去されていると光ファイバ３を整列させるのが難しく図２（ａ）に示すように筒状部４内で配列が乱れ、低融点はんだ１０を常に安定して充填できず未充填部１６が生じるおそれがある。そこで、メタライズされた部分３ａよりも端部側（ケース１の内部側）に被覆部を残しておき、図２（ｂ）に示すように筒状部４内でも光ファイバ３の配列が乱れることなく低融点はんだ１０で封止できるようになっている。ただし、ケース１内で光学素子５と接続される端部は、被覆除去されている。多芯光ファイバの場合を考慮すると、被覆除去されメタライズが施されている部分３ａは短い方が光ファイバ３の配列が乱れにくいが、この部分３ａを低融点はんだ１０で封止して十分な封止効果を得るためには２〜５ｍｍ程度の長さであることが望ましい。

このように光ファイバ３の被覆部と被覆除去部とを交互に設けるのではなく、図３，４に示すように、光ファイバ３の、はんだ注入口４ａに対応する部分からケース１内に位置する端部まで被覆を除去し、その後２〜５ｍｍ程度のはんだ封止部３ａを残して、Ｖ溝１７ａが形成された基板１７やフェルール１８などの保護部材によって覆う構成にすることもできる。

筒状部４内が低融点はんだ１０によって封止されるのみならず、接着剤１１によっても固定されるのは、２〜５ｍｍ程度の長さの光ファイバ３のメタライズ部をはんだ付けによって固定するだけでは、引っ張り等に対する十分な強度が得られない可能性があるので、接着剤１１を用いて光ファイバ３の固定強度をさらに高めるためである。

以上説明したように、光ファイバ３の導入部である筒状部４内が低融点はんだ１０によって封止されている一方、ケース１の開口部１ａが蓋部材２によって塞がれている。このケース１と蓋部材２の接合は、ＹＡＧレーザー溶接によって行われている。

ろう付け接合されているケース１と筒状部４には、図示しないが、耐腐食性を向上するために全体的に１〜５μｍ程度のニッケルメッキが施されているのが好ましい。さらに、少なくとも筒状部４の内面には、ニッケルメッキの酸化を防止しはんだ濡れ性を良くするために、ニッケルメッキ後に０．０５〜１μｍ程度の金メッキが施されているのが好ましい。ただし、筒状部４の内面に金メッキを施す際に、ケース１、特に蓋部材２と接合される開口部１ａの外縁周辺が同時に金メッキされることは好ましくない。その理由は以下の通りである。金の融点は１，０６０℃であり、ケース１や蓋部材２のベースとなる材料であるコバールや４２ニッケル−鉄の融点はいずれも１，４５０℃であり、両者の融点温度は大きく異なる。それが、ＹＡＧレーザー溶接を行う際のクラック発生の原因となりやすい。このことは、非特許文献１に開示されており、融点の低い金が熱によって収縮して体積が変動することがクラックの１つの要因である。溶接部の周囲に金が含まれていると、クラックが生じて気密不良となるおそれがある。従って、筒状部４を除くケース１は、耐腐食性向上のための１〜５μｍのニッケルメッキ層のみが形成されている。なお、ニッケルの融点は１，４５５℃であり、クラックの要因とはならない。蓋部材２にはメッキされていないか、または耐腐食性向上のための１〜５μｍのニッケルメッキ層のみが形成されている。また、筒状部４の金メッキ層は、溶接工程簡略化のためマスキング等をすることなくケース全体に金メッキを施し、仮にケース１の溶接部の周囲に金が混ざるとしてもその量をできるだけ少量にすることが望ましいため、前記した通り１μｍ以下に形成される。

光ファイバ導入部である筒状部４の、ケース１の側面への固定位置は、ケース１と蓋部材２の接合部から十分離れている。この点について以下に説明する。

ＹＡＧレーザー等を用いたレーザー溶接は、ごく狭い範囲に局所的に熱エネルギーを付与して溶融させて溶接するものである。しかし、レーザー溶接すべきケース１の開口部１ａの外縁と筒状部４とが近接していると、開口部１ａの外縁に加わる熱エネルギーが筒状部４に逃げて、筒状部４の近辺ではそれ以外の部分と比べてレーザー溶接の条件に違いが生じる。すなわち、レーザー溶接のための熱エネルギーが筒状部４に逃げてしまう部分では、熱容量の変化が大きく、溶接時の溶融具合が変わる。それが、接合不良や気密不良を招くおそれがある。従って、レーザー溶接のためのレーザーの熱エネルギーが筒状部４に直接伝わらないように、筒状部４は溶接による接合部（開口部１ａの外縁）から十分に離れて位置していることが好ましい。具体的には、筒状部４から開口部１ａの外縁までの距離Ｄ（図１（ｂ）参照）が例えば０．５ｍｍ以上であることが望ましい。言い換えると、筒状部４から開口部１ａの外縁までの距離Ｄが、本実施形態のレーザー溶接により熱エネルギーが伝わる距離よりも長く、また、本実施形態のレーザー溶接時のレーザーの溶け込み深さよりも長いことが好ましい。

次に、本実施形態の光デバイスの具体的な製造方法について説明する。また、製造方法をフローチャートにして図５に示す。

まず、筒状部４をケース１の側面にろう付けにより固定する（ステップＳ１）。詳しくは、ケース１の側面の所定の位置（開口部１ａの外縁から十分に離れた位置）に孔部１ｂが設けられており、その孔部に対向するように筒状部４が取り付けられる。なお、ケース１は金属またはセラミックからなり、セラミックからなる場合には開口部１ａの外縁に金属製のシールフレーム（図示せず）がろう付けされている。筒状部４は金属からなる。なお、ケース１や筒状部４を構成する金属材料としては、コバールや４２ニッケル−鉄が用いられる。

その後、ケース１および筒状部４にニッケルメッキを施す（ステップＳ２）。さらに、筒状部４の少なくとも内面に金メッキを施す（ステップＳ３）。筒状部４に金メッキする際には、ケース１に金が付着しないようにマスキングを行う。

光ファイバ３の一部、少なくとも完成時にはんだ注入口４ａに対応する部分と、光学素子５と接続される先端部の被覆を除去する（ステップＳ４）。さらに、光ファイバ３の、完成時にはんだ注入口４ａに対応する芯線が露出した部分（裸光ファイバ）３ａに、ニッケルおよび金によるメタライズ処理を行う（ステップＳ５）。

次に、光ファイバ３の一端部と光学素子５をケース１内に固定する（ステップＳ６）。その一例としては、まず、ケース１の外部で光ファイバ３の一端部を、駆動ユニット８ともに支持部材７に固定されている光学素子５と光軸合わせして接着剤９によって支持部材７に固定してから、この支持部材７をケース１内に固定する。そして光ファイバ３の他端部側を、ケース１内から孔部１ｂおよび筒状部４を貫通させて外部に突出させる。また、他の方法としては、まず、光ファイバ３の一端部を、ケース１の外部から筒状部４を貫通させてケース１内に進入させる。そして、この光ファイバ３の一端部を、ケース１内に固定されている支持部材７上の光学素子５と位置合わせして接着剤９によって支持部材７上に固定する。なお、製造すべき光デバイスの種類に応じて、例えば発光素子や受光素子やレンズやミラーなどの様々な光学素子５が用いられ、それに応じた駆動ユニット８が用いられる。ただし、支持部材７および駆動ユニット８が存在せず、光学素子５がケース１の内面に直接固定される構成であってもよい。

次に、光ファイバ導入部である筒状部４を低融点はんだ１０によって封止する（ステップＳ７）。すなわち、光ファイバ３が挿通されている筒状部４のはんだ注入口４ａから低融点はんだ１０を注入して固化させる。この時、筒状部４を局所的に過熱して低融点はんだ１０の融点（例えばスズ−ビスマス共晶はんだの場合には１３９℃、スズ−インジウム共晶はんだの場合には１１８℃）以上に加熱した状態で、はんだ注入口４ａから溶融した低融点はんだ１０を注入してもよいし、また、ペースト状の低融点はんだ１０をはんだ注入口４ａから注入して、筒状部４内部で加熱して溶融させてもよい。その後に低融点はんだ１０を固化することによって、筒状部４が封止される。はんだ注入口４ａは、固化した低融点はんだ１０によって塞がれる。

低融点はんだ１０によって筒状部４を封止するステップＳ７において、主に低融点はんだ１０の溶融のために筒状部４が加熱されるが、ケース１の内部、特に光学素子５や光ファイバ３の固定部分や接着剤９が過度に加熱されることはない。例えば、図１に示すようにコバールからなるケース１の幅が１３ｍｍ、奥行きが２１ｍｍ、高さが８ｍｍで、筒状部４の直径が３ｍｍで長さが９ｍｍ、低融点はんだ１０による封止範囲がケース１の側面から５ｍｍの範囲内である場合に、低融点はんだ１０としてスズ−ビスマス共晶はんだを筒状部４に注入し１５０℃に加熱して溶融させても、ケース１内に固定されている光学素子５の温度は１００℃未満に保たれる。従って、接着剤９や光ファイバ３の破損や位置ずれは生じない。

また、低融点はんだ１０による封止の後に、接着剤注入口４ｂから接着剤１１を注入して固化させ、筒状部４内を接着剤１１によっても固定する（ステップＳ８）。接着剤１１としては、シリコン系接着剤やエポキシ系接着剤が用いられる。接着剤注入口４ｂは、固化した接着剤１１によって塞がれる。

次に、ケース１の開口部１ａ上に蓋部材２を置いて、ＹＡＧレーザー溶接によって接合する（ステップＳ９）。本実施形態で用いられるＹＡＧレーザー溶接装置は、例えば、図６に示すように、ＹＡＧレーザー発信器１２から光ファイバコード１３を介して、集光レンズ１４ａを内蔵したレーザー出射ユニット１４が接続されている出射側機器と、被加工物、すなわち光デバイスを搭載し移動可能なＸＹテーブル１５とからなる。このレーザー出射ユニット１４から、ケース１の開口部１ａの外縁と蓋部材２の接合部に向けてレーザー１９をパルス状に照射して溶接する。一例としては、図７に示すように、レーザービーム１９のスポットサイズが０．４５ｍｍ程度で、１パルス当たりのエネルギーは０．５〜１Ｊで、その中のピーク出力が０．５〜１ｋＷである。そして、隣接する溶融スポット同士が６０〜８５％重なるように、ケース１および蓋部材２をＸＹテーブル１５によって移動させながら、レーザー１９をパルス状に照射することによって、気密性を確保した強固な接合が行われる。レーザー溶接時には、窒素雰囲気中で行うか、または低湿度環境でレーザー照射部に部分的に窒素を噴きつけながら行うのが好ましい。その理由は、酸化を防止して溶融状態を良好にするためと、封止後のパッケージ内部を低湿度状態に保ち結露を防止するためである。

本実施形態によると、光デバイスのパッケージ形状が複雑であったり、形状を変更した場合でも、レーザー出射ユニット１４または光デバイスを動作させるＸＹテーブル１５等の動きを制御することによって、容易に対応できる。

本実施形態のＹＡＧレーザー溶接装置の光ファイバコード１３は、ＧＩ（グレーテッドインデックス）ファイバと、ＳＩ（ステップインデックス）ファイバのいずれかが選択的に用いられる。ＳＩファイバは断面内でのエネルギー伝達分布がほぼ均一であるため、溶融部が浅く均一になる特徴がある。したがって、蓋部材２の溶接部の厚さを０．２ｍｍ以下にする場合にはＳＩファイバを用いる方がよい。また、レーザー出射ユニット１４内の集光レンズ１４ａは、必要なワークディスタンスＷ（図６参照）に応じて焦点距離を設定すればよい。

なお、レーザー溶接装置および方法は前記した例に限定されるものではない。例えば、被加工物である光デバイスを移動させるのではなく、レーザー出射ユニット１４を移動させながらレーザー出射を行って溶接してもよい。レーザー出射ユニット１４と光デバイスが相対的に移動することが重要である。また、レーザー出射ユニット１４と光デバイスの相対的な移動は、連続的な移動であってもよく、また間欠的な移動であってもよい。間欠的に移動する場合には、パルス状のレーザー照射と、レーザー出射ユニット１４と光デバイスの相対的な移動が交互に行われるとよい。いずれにしても、レーザー１９の１パルス当たりのエネルギーおよび照射時間と、レーザー出射ユニット１４と光デバイスの相対移動の速度とを考慮して設定される。ただし、非常に複雑な形状の光デバイスである場合には、常に一定の速度で相対移動させることが困難である可能性もあり、そのような場合には間欠的な移動が好ましいと考えられる。また、パルス状ではなく連続的にレーザー１９を照射しながらレーザー出射ユニット１４と光デバイスを相対的に移動させる構成にしてもよい。

次に、本発明の第２の実施形態について図面を参照して説明する。なお、第１の実施形態と同様の部分については、同一の符号を付与し説明を省略する。

本実施形態では、図８に示すように、光ファイバ３として多芯光ファイバを有し、筒状部４のはんだ注入口４ａおよび接着剤注入口４ｂが、ファイバ整列面の上方ではなく水平な位置に設けられている。この構成によると、ファイバ整列面の上下に低融点はんだが回り込みやすく、より強固で確実な固定が行える。なお、図８は、見易くするために、低融点はんだ１０および接着剤１１を省略して示している。

（ａ）は本発明の第１の実施形態の光デバイスの、蓋部材の一部を切り欠いた平面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ線断面図である。 （ａ）は光ファイバの配列が乱れた状態を示す、図１のＢ−Ｂ線断面図、（ｂ）は光ファイバの配列が乱れていない状態を示す、図１のＢ−Ｂ線断面図である。 （ａ）は図１に示す光デバイスの他の例を示す要部拡大平面図、（ｂ）はそのＥ−Ｅ線断面図である。 （ａ）は図１に示す光デバイスのさらに他の例を示す要部拡大平面図、（ｂ）はそのＦ−Ｆ線断面図である。 本発明の第１の実施形態の光デバイスの製造方法を示すフローチャートである。 本発明の第１の実施形態の光デバイスの製造方法で用いられるＹＡＧレーザー照射装置を概略的に示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態の光デバイスの製造方法において照射されたレーザーパルスを概略的に示す平面図である。 （ａ）は本発明の第２の実施形態の光デバイスの、蓋部材の一部を切り欠いた平面図、（ｂ）はその側面図である。 従来のキャンシール溶接工程を示す説明図である。 従来のパラレルシーム溶接工程を示す説明図である。

符号の説明

１ ケース
１ａ 開口部
１ｂ 孔部
２ 蓋部材
３ 光ファイバ
３ａ メタライズ処理されている部分
４ 筒状部
４ａ はんだ注入口
４ｂ 接着剤注入口
５ 光学素子
６ ゴムフード
７ 支持部材
８ 駆動ユニット
９ 接着剤
１０ 低融点はんだ
１１ 接着剤
１２ ＹＡＧレーザー発信器
１３ 光ファイバコード
１４ａ 集光レンズ
１４ レーザー出射ユニット
１５ ＸＹテーブル
１６ 未充填部
１７ 基板
１７ａ Ｖ溝
１８ フェルール
１９ レーザー
Ｄ 筒状部から開口部の外縁までの距離
Ｗ ワークディスタンス
１０１ 素子
１０２ キャップ
１０３ ステム
１０４，１０５ 電極
１０６ ローラー電極
１０７ ケース
１０８ 蓋部材

Claims (27)

1. 少なくとも一つの開口部を有している中空のケースと、
   前記ケースの側面に設けられた孔部から外部に突出する筒状部と、
   前記筒状部および前記孔部を貫通して前記ケースの内部から外部へ延びており、前記筒状部を封止する低融点はんだによって該筒状部内に固定されている光ファイバと、
   レーザー溶接によって、前記ケースに前記開口部を塞ぐように接合されている蓋部材とを有する光デバイス。
2. 前記筒状部は、前記ケースの前記開口部の外縁から、少なくとも前記蓋部材を前記ケースに接合するためのレーザー溶接時に熱エネルギーが伝わる範囲外まで離れている、請求項１に記載の光デバイス。
3. 前記筒状部は、前記ケースの前記開口部の外縁から、少なくとも前記蓋部材を前記ケースに接合するためのレーザー溶接時のレーザーの溶け込み深さよりも長い距離だけ離れている、請求項１に記載の光デバイス。
4. 前記レーザー溶接はＹＡＧ（Yttrium-Aluminum-Garnet）レーザー溶接である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光デバイス。
5. 前記光ファイバと光軸が一致するように前記ケース内に配置されている光学素子を有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の光デバイス。
6. 前記蓋部材と前記筒状部は、コバールまたは４２ニッケル−鉄からなる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の光デバイス。
7. 前記ケースは、コバールと４２ニッケル−鉄とセラミック材料のうちのいずれかからなる、請求項１〜６のいずれか１項に記載の光デバイス。
8. 前記光ファイバの、前記低融点はんだによって封止されている部分は、被覆が除去された状態でニッケルおよび金によるメタライズ処理が施されている、請求項１〜７のいずれか１項に記載の光デバイス。
9. 前記光ファイバのメタライズ処理によるニッケル層の厚さは１μｍ以下であり、金層の厚さは０．２μｍ以下である、請求項８に記載の光デバイス。
10. 前記光ファイバの、被覆が除去された状態で前記メタライズ処理が施されている部分の長さは２ｍｍ〜５ｍｍである、請求項８または９に記載の光デバイス。
11. 前記光ファイバの、被覆が除去された部分のうちの一部にのみ前記メタライズ処理が施されており、被覆が除去されて前記メタライズ処理が施されていない部分のうち、前記メタライズ処理が施された部分よりも先端側の一部が保護部材によって覆われている、請求項８〜１０のいずれか１項に記載の光デバイス。
12. 前記ケースと前記筒状部には厚さ１μｍ〜５μｍのニッケルメッキ層が形成されている、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の光デバイス。
13. 前記筒状部の少なくとも内面には厚さ０．０５μｍ〜１μｍの金メッキ層が形成されている、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の光デバイス。
14. 少なくとも一つの開口部と、側面に設けられた孔部と、前記孔部から外部に突出する筒状部とを有している中空のケースに、光ファイバを、前記筒状部および前記孔部を貫通して前記ケースの内部から外部へ延びるように配置する工程と、
    前記筒状部を低融点はんだによって封止して前記光ファイバを前記筒状部内に固定する工程と、
    前記筒状部を封止した後に、レーザー溶接によって、前記ケースに前記開口部を塞ぐように蓋部材を接合する工程とを含む光デバイスの製造方法。
15. 前記光ファイバを配置する工程の前に、前記筒状部を前記ケースの側面に取り付ける工程を含む、請求項１４に記載の光デバイスの製造方法。
16. 前記ケース内に光学素子を配置する工程と、
    前記光学素子と前記光ファイバの端部の光軸合わせを行い、両者を相対的に固定する工程とをさらに含む、請求項１４または１５に記載の光デバイスの製造方法。
17. 前記筒状部を、前記ケースの前記開口部の外縁から、少なくとも前記蓋部材を前記ケースに接合する工程のレーザー溶接によって熱エネルギーが伝わる範囲外まで離れた位置に設ける、請求項１４〜１６のいずれか１項に記載の光デバイスの製造方法。
18. 前記筒状部を、前記ケースの前記開口部の外縁から、少なくとも前記蓋部材を前記ケースに接合する工程のレーザー溶接によるレーザーの溶け込み深さよりも長い距離だけ離れた位置に設ける、請求項１４〜１６のいずれか１項に記載の光デバイスの製造方法。
19. 前記レーザー溶接はＹＡＧ（Yttrium-Aluminum-Garnet）レーザー溶接である、請求項１４〜１８のいずれか１項に記載の光デバイスの製造方法。
20. 前記蓋部材と前記筒状部は、コバールまたは４２ニッケル−鉄からなる、請求項１４〜１９のいずれか１項に記載の光デバイスの製造方法。
21. 前記ケースは、コバールと４２ニッケル−鉄とセラミック材料のうちのいずれかからなる、請求項１４〜２０のいずれか１項に記載の光デバイスの製造方法。
22. 前記光ファイバの、前記低融点はんだによって封止される部分に、予め被覆を除去してからニッケルおよび金によるメタライズ処理を施する工程をさらに含む、請求項１４〜２１のいずれか１項に記載の光デバイスの製造方法。
23. 前記光ファイバにメタライズ処理を施す工程にて、厚さが１μｍ以下のニッケル層と、厚さが０．２μｍ以下の金層を形成する、請求項２２に記載の光デバイスの製造方法。
24. 前記光ファイバにメタライズ処理を施す工程にて、長さが２ｍｍ〜５ｍｍの範囲にメタライズ処理を施す、請求項２２または２３に記載の光デバイスの製造方法。
25. 前記光ファイバにメタライズ処理を施す工程にて、被覆が除去された部分のうちの一部にのみメタライズ処理を施し、
    被覆が除去されて前記メタライズ処理が施されていない部分のうち、前記メタライズ処理が施された部分よりも先端側の一部を保護部材によって覆う工程を含む、請求項２２〜２４のいずれか１項に記載の光デバイスの製造方法。
26. 前記ケースと前記筒状部に、厚さ１μｍ〜５μｍのニッケルメッキ層を形成するニッケルメッキ工程をさらに含む、請求項１４〜２５のいずれか１項に記載の光デバイスの製造方法。
27. 前記筒状部の少なくとも内面に、厚さ０．０５μｍ〜１μｍの金メッキ層を形成する金メッキ工程をさらに含む、請求項１４〜２６のいずれか１項に記載の光デバイスの製造方法。

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