JP2011215209A - 光ファイバ固定用フェルール及びそれを用いた光ファイバ固定具 - Google Patents

Abstract

【課題】鉛フリーはんだを用い、光ファイバとフェルールとの接合の信頼性が高い光ファイバ固定用フェルールおよび光ファイバ固定具を提供する。
【解決手段】光ファイバ固定用フェルールは、中央部に光ファイバ５を挿通するための貫通孔１ａを有し、貫通孔１ａの一端部に貫通孔１ａを拡径させた凹部１ｂを有するフェルール１と、凹部１ｂの内壁面に形成された金属層２と、金属層２に接合されたはんだ層３とを備え、はんだ層３は、凹部１ｂの内壁面側に配置され、錫と金属層２の金属成分との合金相を主成分とする第１はんだ層３ａと、ビスマス相を主成分とし、錫−ビスマス合金相を含んだ第１はんだ層３ａよりも融点が低い第２はんだ層３ｂとから成る。錫−ビスマス合金の錫が金属層２の金属成分と反応し、成分を変化させることによって接合後の錫−ビスマス合金の融点を高くできる。
【選択図】 図２

Description

本発明は光通信等に使用される光ファイバ固定用フェルール及びそれを用いた光ファイバ固定具に関するものである。

光ファイバ固定具が光通信用のレーザーダイオードモジュールに用いられることがある。例えば、光ファイバ固定具は、レーザーダイオード（以下、ＬＤとも称す）から出射された光がロッドレンズにより集光され、光ファイバ固定具内の光ファイバに効率よく入射されるように光軸調整され、光パッケージ内に固定されて使用される。ＬＤは、出力安定性および劣化防止のために光パッケージ内に気密に封止する必要がある。このため、光ファイバをフェルールに気密封止した光ファイバ固定具を、光パッケージに更に気密封止して用いることがある。

このような光ファイバ固定具において、光ファイバとフェルールとの接合には、気密封止性に優れるはんだが用いられている。この場合、光ファイバとフェルールとの接合に用いる１次はんだの融点が、光ファイバ固定具と光パッケージとの接合に用いる２次はんだの融点よりも高いものである必要がある。１次はんだの融点が２次はんだの融点より低いと、光ファイバ固定具を光パッケージに接合する際の加熱によって１次はんだが溶融し、気密封止の信頼性が低下する可能性がある。また、光軸調整した光ファイバに位置ずれが生じる可能性がある。

したがって、１次はんだとしては、従来、金−錫系、鉛−錫系、鉛―金系、錫−銀系等の、融点が約２７０℃〜３００℃程度のいわゆる高温はんだが用いられ、２次はんだとしては、融点が約１８４℃の錫−鉛はんだ（いわゆる共晶はんだ）が用いられていた（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。

実開平５−２７７０７号公報 特開２００２−２１４４７８号公報

しかしながら、近年、欧州におけるＲｏＨＳ（Restriction on Hazardous Substances
）指令等、環境に対する悪影響を防ぐために、鉛を使用しないようにすること（いわゆる鉛フリー化）が求められるようになってきている。そのため、従来の鉛系の高温はんだに代わるはんだを用いた光ファイバ固定用フェルールおよび光ファイバ固定具の提供が求められている。

そこで、２次はんだとして従来の錫−鉛はんだに代わって、錫−銀系はんだや錫−銀−銅系はんだ等の鉛フリーはんだが多用されるようになってきている。このような鉛フリーはんだは、従来の錫−鉛はんだに比べて、融点が約220℃以上と比較的高い。そのため、
１次はんだについても、従来よりも融点の高いものが必要とされている。

このようなはんだとして、金−錫系、鉛―金系、錫−銀系の金や銀を含有したはんだは高価である。さらに、封着後の残留応力が大きいために１次はんだで接合後に光ファイバがフェルール内部で破断するという問題を生じる場合がある。

本発明はこのような従来の問題点に鑑み案出されたものであり、その目的は、鉛フリーはんだを用い、光ファイバとフェルールとの接合の信頼性が高い光ファイバ固定用フェルールおよび光ファイバ固定具を提供することにある。

本発明の一実施形態に係る光ファイバ固定用フェルールは、中央部に光ファイバを挿通するための貫通孔を有し、この貫通孔の一端部に前記貫通孔を拡径させた凹部を有するフェルールと、前記凹部の内壁面に形成された金属層と、この金属層にこの金属層の少なくとも一部を覆うように接合されたはんだ層とを備え、前記はんだ層は、前記凹部の内壁面側に配置され、錫と前記金属層の金属成分との合金相を主成分とする第１はんだ層と、ビスマス相を主成分とし、錫−ビスマス合金相を含んだ前記第１はんだ層よりも融点が低い第２はんだ層とから成ることを特徴とする。

上記光ファイバ固定用フェルールにおいて、前記金属層が、ニッケル，コバルト，金または銅を含むのが好ましい。

また、本発明の一実施形態に係る光ファイバ固定具は、上記光ファイバ固定用フェルールと、先端外周面に第２金属層が形成され、前記貫通孔に挿通されるとともに、前記第２金属層と前記第２はんだ層とが接合されて気密封止された光ファイバとを具備し、前記はんだ層に、錫と前記第２金属層の金属成分との合金相を主成分とし、前記第２はんだ層よりも融点が高い第３はんだ層が形成されていることを特徴とする。

上記光ファイバ固定具において、前記第２金属層の金属成分が、ニッケル，コバルト，金または銅を含むのが好ましい。

本発明の一実施形態に係る光ファイバ固定用フェルールによれば、中央部に光ファイバを挿通するための貫通孔を有し、この貫通孔の一端部に貫通孔を拡径させた凹部を有するフェルールと、凹部の内壁面に形成された金属層と、この金属層にこの金属層の少なくとも一部を覆うように接合されたはんだ層とを備え、はんだ層は、凹部の内壁面側に配置され、錫と金属層の金属成分との合金相を主成分とする第１はんだ層と、ビスマス相を主成分とし、錫−ビスマス合金相を含んだ第１はんだ層よりも融点が低い第２はんだ層とから成ることにより、鉛フリーで、光ファイバとフェルールとの接合の気密封止の信頼性が高い光ファイバ固定用フェルールを提供することができる。

すなわち、第１はんだ層は、融点が３２０℃を超える錫と金属層の金属成分との合金相を主成分としたものとなり、光ファイバを接合する際の第２はんだ層の再溶融温度で第１はんだ層が再溶融されない。一方、第２はんだ層は、錫−ビスマス合金相を含んだ融点の低いはんだ層なので、融点より若干高い280℃〜300℃程度で再溶融して光ファイバを接合することができる。

また、上記光ファイバ固定用フェルールにおいて、フェルールの凹部内壁面に形成された金属層が、ニッケル，コバルト，金または銅を含む場合には、はんだ層内の錫と合金を形成し、融点が320℃を超える第１はんだ層を形成させることができる。

本発明の一実施形態に係る光ファイバ固定具は、上記光ファイバ固定用フェルールと、先端外周面に第２金属層が形成され、貫通孔に挿通されるとともに、第２金属層と第２はんだ層とが接合されて気密封止された光ファイバとを具備し、前記はんだ層に、錫と第２金属層の金属成分との合金相を主成分とし、第２はんだ層よりも融点が高い第３はんだ層
が形成されていることにより、この光ファイバ固定具を鉛フリーの２次はんだを用いて光パッケージに接合する場合に、第３はんだ層は錫と第２金属層の金属成分との高融点合金相となっており、また第１はんだ層は錫と金属層の金属成分との高融点合金相となっており、残部はんだ層は融点が271℃のビスマス層を主成分とするので、封着温度が250℃程度の２次はんだの際にはんだ層が溶融することがない。したがって、光ファイバとフェルールとの気密信頼性を維持することが可能となる。

また、上記光ファイバ固定具において、光ファイバの先端外周面に形成された第２金属層の金属材料の金属成分が、ニッケル，コバルト，金および銅を含む場合には、はんだ層内の錫と合金を形成し、融点が320℃を超える第３はんだ層を形成させることができる。

本発明の光ファイバ固定用フェルールの実施の形態の一例を示す断面図である。 本発明の光ファイバ固定具の実施の形態の一例を示す断面図である。

本発明の光ファイバ固定用フェルールおよび光ファイバ固定具の実施の形態の一例について、添付の図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る光ファイバ固定用フェルール４を示す断面図である。図１において、フェルール１は、中心軸位置に光ファイバを挿通するための貫通孔１ａを備えた円筒形状を有している。貫通孔１ａの一端部（図１においては左側）には、貫通孔１ａを太く拡径させ、フェルール１の一端面に開かれた凹部１ｂが形成されている。凹部１ｂの内壁面には金属層２が形成されている。さらに、凹部１ｂの内側に金属層２を覆うようにはんだ層３が接合されている。なお、図１に示す例においては、貫通孔１ａの他端側（図１においては右側）は、光ファイバの被覆部を保持するために内径を太くした光ファイバ被覆保持部１ｃが形成されている。

また、図２は、本発明の一実施形態に係る光ファイバ固定具１０の断面図である。図２に示す光ファイバ固定具１０は、図１の光ファイバ固定用フェルール４に、光ファイバ５が気密封止されたものである。光ファイバ５は、その先端外周面に第２金属層６が形成されている。そして、貫通孔１ａおよびはんだ層７を挿通させて、先端面がフェルール１の一端面に露出されている。この光ファイバ５は、はんだ層３の第２はんだ層３ｂを再溶融して凹部１ｂ内に挿入した後に冷却して固化されたはんだ層７によって、光ファイバ固定用フェルール４に気密封止されたものである。なお、図２において、フェルール１の一端は斜め研磨加工が施されている例を示している。はんだ層７の表面も、これに合わせてフェルール１の軸方向に直交する面に対して斜めに傾斜している。

図２において、はんだ層７は、凹部１ｂの内壁面側に位置し、フェルール１の金属層２に接合される際に形成された第１はんだ層３ａ、中心軸側または光ファイバ５の先端外周面側に位置し、第２はんだ層３ｂと光ファイバ５の第２金属層６とが接合される際に形成された第３はんだ層７ａ、および第１はんだ層３ａと第３はんだ層７ａとの間に位置し、第３はんだ層７ａが形成される際に第２はんだ層３ｂの成分が変化して形成された残部のはんだ層（以下、第４はんだ層７ｂと称する）とで構成されている。

フェルール１は、貫通孔１ａを有した円筒形状である。貫通孔１ａの一端部に凹部１ｂを有し、また他端側には光ファイバ被覆保持部１ｃを有する。フェルール１は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体，窒化アルミニウム質焼結体，または酸化ジルコニウム質焼結体等のセラミックス、鉄−ニッケル−コバルト合金，鉄−ニッケル合金，銅，アルミニウ
ム等の金属材料、または樹脂やガラス材料等から成る。

なお、フェルール１の貫通孔１ａは、上記のように光ファイバ５を通すため、少なくとも光ファイバ５の先端部の第２金属層の外径寸法より大きな内径で形成されている。また、図１および図２において、凹部１ｂは円筒形状の穴で示されているが、フェルール１の一端面に向けて次第に径が大きくなる曲面または直線状の錐体形状でもよい。

例えば、フェルール１が酸化アルミニウム質焼結体からなる場合であれば、酸化アルミニウムおよび無機添加剤を樹脂バインダおよび溶剤と混合してペースト状にしたものを所定形状に成形し、このフェルール１となる未焼成の成形体を焼成して形成される。なお、成形体の凹部１ｂの内壁面には、タングステン，モリブデン，またはモリブデン−マンガン等の金属粉末を有機溶剤，バインダとともに混練した金属ペーストを塗布しておき、フェルール１と同時焼成することによって、メタライズ層（図示せず）を被着させる。

このメタライズ層は、はんだの濡れ性が低いため、その表面にニッケル，コバルト，銅，または金等の金属をめっき等によって被着させるのがよい。このめっき層が金属層２となる。図１および図２において、凹部１ｂの底面（凹部１ｂの開口に対向する面）には金属層２が形成されていない。これは、メタライズ層を形成する際に、金属ペーストが貫通孔１ａの内側に垂れ込んで、光ファイバ５を挿入できなくなる可能性を少なくするためである。したがって、メタライズ層が貫通孔１ａをふさがないようにして金属層２を凹部１ｂの底面に形成しても良いし、凹部１ｂの底面外周側に金属層２を形成し、貫通孔１ａ開口付近の中心側に形成しないこともできる。なお、金属層２は、メタライズ層を形成せずに、例えば金属蒸着法等で直接セラミック表面に形成しても良い。

また、例えば、フェルール１が、鉄−ニッケル−コバルト合金等からなる場合であれば、この合金材料に旋盤加工等の加工を施して所定の形状および寸法に加工することにより製作することができる。なお、フェルール１が金属材料で形成されている場合でも、その表面の全面等にニッケルや金，銅等のめっき層を被着させて、フェルール１の酸化を抑制するようにするのがよい。

次に、金属層２の表面にはんだ層３が以下の方法で形成される。すなわち、凹部１ｂのニッケル，コバルト，金または銅等の金属層２の表面に、錫を６〜１０質量％含む鉛フリーのビスマス−錫はんだペースト（図示せず）を塗布する。そして、このペーストを２８０〜３００℃で１〜２分程度加熱する。すると、ビスマス−錫はんだの錫成分と、金属層２の金属成分とが互いに接合界面部分で合金相を形成し、第１はんだ層３ａが析出する。また、はんだ層３の残りの部分は、一部の錫成分が第１はんだ層３ａに拡散することによって、錫成分を２〜５質量％程度含む合金層、すなわち第２はんだ層３ｂとなる。

なお、はんだ層３は、フェルール１の一端面より盛り上がるように若干多めに用いてもよい。光ファイバ５を固定後に先端を斜めに研磨して、フェルール１の一端面と光ファイバ５の先端面とを面一状態に鏡面仕上げする場合にはこのような形状のほうが望ましい。

また、金属層２の厚さは、５〜２０μｍとするのが望ましい。５μｍ以下でははんだ層３によるはんだ食われが生じ、気密性を確保できなくなる傾向がある。２０μｍ以上では金属層２の金属量が多くなり、はんだ層３中の錫成分の多くが金属層２との合金層である第１はんだ層３ａとなってしまい、第２はんだ層３ｂの融点が約270℃と高融点になって
しまう傾向がある。

第１はんだ層３ａは、錫と金属層２の金属成分との合金相を主成分としたものであり、融点が従来の鉛系高温はんだの融点275℃よりも高い320℃を超えたものとなる。なお、第
１はんだ層３ａの全部が錫−金属成分の合金相からなるものであってもよく、ビスマス相やビスマスと金属層２の金属成分との合金相を含むものであってもよい。

また、第２はんだ層３ｂが、錫成分を約２〜５質量％含みビスマス−錫相を構成する組成において、錫成分は、一部が錫相や錫と金属材料との合金相として含まれていてもよい。また、上記組成のビスマス−錫はんだから成る第２はんだ層３ｂに、ビスマスと金属層２の金属成分との合金相を含んでいてもよい。ここで第２はんだ層３ｂはビスマスを含んでいるので、融点が271℃となり融点が320℃を超える第１はんだ層３ａよりも低融点となる。

次に、本発明の光ファイバ固定具１０は、凹部１ｂに光ファイバ５がはんだ層７を介して接合されたものである。光ファイバ５には、先端外周面にニッケル，コバルト，金，または銅等を蒸着して下地処理を行った後、その表面に更にニッケル，コバルト，金，銅等のめっき加工を行なった所定厚みの第２金属層６を形成する。そして、上記光ファイバ用フェルール４の第２はんだ層３ｂを加熱して溶融し、光ファイバ５をフェルール１の他端部から挿入して光ファイバ５の第２金属層６と第２はんだ層３ｂとを接合することによって作製される。

ビスマス相を主成分とする第４はんだ層７ｂは、ビスマスの融点271℃に近い融点とな
る。例えば、融点が223℃の錫―銀―銅はんだを２次はんだに用いた場合の封着温度240℃〜250℃で溶融することは無く、フェルール１と光ファイバ５とを接合することができる
。この光ファイバ固定具１０を、封着温度が250℃の錫−銀系等の鉛フリーの２次はんだ
を用いて光パッケージに実装する場合でも第４はんだ層７ｂが溶融することはない。

また、はんだ層７の第１はんだ層３ａは、光ファイバ固定用フェルール４を作製する際に形成されたものである。第１はんだ層３ａおよび第３はんだ層７ａは、融点が320℃を
超えて高いので、２次はんだを用いて光パッケージに実装するときに溶融することはない。そのため、はんだ層７の気密封止の信頼性の高い光ファイバ固定具１０を提供することができる。

また、第３はんだ層７ａは、錫と第２金属層６の金属成分との合金相を主成分とするものであり、その全部が錫−金属成分の合金相からなるものであってもよく、数質量％程度のビスマス相やビスマスと上記金属成分との合金相を含むものであってもよい。

第４はんだ層７ｂは、第２はんだ層３ｂの錫成分が第３はんだ層７ａに移動して形成されたものである。すなわち、ビスマス相を主成分とし、融点がビスマスの融点程度の高融点金属に変化したものである。これによって、２次はんだを行なっても気密封止の信頼性が維持される光ファイバ固定具１０とできる。第４ハンダ層７ｂは、その全部がビスマス相で形成されていてもよく、金属層２の金属成分や第２金属層６の金属成分とビスマスとの合金相を含むものであってもよい。

なお、ここで、光ファイバ固定用フェルール４の第２はんだ層３ｂの構成が、例えば、錫成分を約２〜５質量％含有するものであれば、加熱炉中での加熱条件を280〜300℃で１〜２分程度に設定すればよい。第２はんだ層３ｂの錫成分が第２金属層６の金属成分と反応して合金相を形成し、接合後の第４はんだ層７ｂを上記のようなビスマス相を主成分とする組成とすることができる。

この場合、第２はんだ層３ｂには錫−ビスマス合金相や錫相が存在することによって、比較的低い加熱温度から接合が開始され、第２はんだ層３ｂの第２金属層６に対する濡れ性が高まる。その後固化させると、第２はんだ層３ｂよりも高融点の第４はんだ層７ｂに
なる。金属層２の金属成分および第２金属層６の金属成分が、ニッケル，コバルト，金および銅の少なくとも１種である場合には、第１はんだ層３ａおよび第３はんだ層７ａの融点が高くなり、光ファイバ固定具１０の気密封止に対する信頼性をより高くすることが可能となる。また、実用性も良好な光ファイバ固定具１０を提供することができる。

ここで、第２金属層６の厚さは、５〜１０μｍとするのが望ましい。５μｍ以下でははんだ層によるはんだ食われが生じ、気密性を確保できなくなる傾向がある。１０μｍ以上にすると、光ファイバ５の外周に均一に第２金属層６を形成しにくくなる傾向があり、貫通孔１ａの中心に光ファイバ５の中心を配置することが困難になる。

また、本発明の一実施形態に係る光ファイバ固定具１０によれば、光ファイバ５とフェルール１との間に、第４はんだ層７ｂが配置されるので、第４はんだ層７ｂが緩衝層となり、はんだ接合の際に光ファイバ５に加わる内部応力による破断の可能性を少なくできる。

以上より、本発明の一実施形態に係る光ファイバ固定用フェルール４および光ファイバ固定具１０を用いることにより、従来の封止用鉛はんだに代えて、鉛フリーはんだによる封止が可能となり、はんだ接合時の光ファイバ５の破断の可能性が少ない、気密封止の信頼性の高い光ファイバ固定具１０の提供が可能になる。

酸化アルミニウム質焼結体の先端に直径1.5ｍｍの凹部１ｂを有する円筒形状のフェル
ール１を作製し、凹部１ｂの内周面にモリブデンーマンガンを含む金属ペーストを塗布して同時焼成した後、メタライズ層表面に厚さ10μｍのニッケルめっきを施したものを準備した。この凹部１ｂに、錫を６質量％含有するビスマス−錫はんだペーストを塗布し290
℃で１分間加熱してフェルール１にはんだ層３を接合させた。

はんだ層３の第１はんだ層３ａは、錫−ニッケルの合金相を主成分とし、第２はんだ層３ｂは、ＷＤＳ解析によれば、ビスマス相の他に3.8質量％の錫を含有したビスマスの合
金相を含むものであった。ＳＥＭ画像で確認すると、第１はんだ層３ａおよび第２はんだ層３ｂは異なる濃淡で観察され、その境界を明確に確認できた。

また、コア径10μｍ、クラッド径125μｍの石英ガラス性のシングルモード光ファイバ
５を用意し、先端外周部に厚さ0.1μｍの銅を蒸着した上に厚さ0.8μｍのニッケルを蒸着し、その表面に厚さ８μｍのニッケルめっきを施した第２金属層６を形成した。そして、上記準備した光ファイバ固定用フェルール４を290℃に加熱し、第２はんだ層３ｂを再溶
融して、フェルール1の後端部から光ファイバ５を挿入し、１分間維持した後、15分間か
けて25℃まで自然冷却させた。

この後、フェルール１の先端部に斜め研磨を行うとともに鏡面仕上げを行ない、光ファイバ固定具１０を100個作製した。

この光ファイバ固定具１０に２次はんだとして錫−銀−銅はんだを用い、250℃−１分
で光パッケージに気密封止したものを、ヘリウムリーク試験によって封止性の確認をした。また、光ファイバ５が破断していないかを確認のために、４００倍の金属顕微鏡にて光ファイバ５の先端面から覗いて内部に傷がないことを確認した。

なお、比較例として、融点183℃の鉛−錫はんだを用いて光ファイバ５とフェルール１
とを接合した光ファイバ固定具を１０個準備し、上記実施例と同様に鉛を90％含有した鉛−錫高融点はんだで気密封止したものの封止性の信頼性を確認した。

その結果、試験した100個の光ファイバ固定具１０において、リーク不良は発生せず、
気密封止の信頼性が高いことが確認された。また、光ファイバ５の破断は検知できなかった。なお、比較例の光ファイバ固定具は、同様にリーク不良は発生しなかったものの、光ファイバの破断が２０個中５個発生していた。

なお、本発明は上述の実施の形態および実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内であれば種々の変更は可能である。

１・・・フェルール
１ａ・・貫通孔
１ｂ・・凹部
１ｃ・・光ファイバ被覆保持部
２・・・金属層
３・・・はんだ層
３ａ・・第１はんだ層
３ｂ・・第２はんだ層
４・・・光ファイバ固定用フェルール
５・・・光ファイバ
６・・・第２金属層
７・・・はんだ層
７ａ・・第３はんだ層
７ｂ・・第４はんだ層
１０・・光ファイバ固定具

Claims (4)

1. 中央部に光ファイバを挿通するための貫通孔を有し、該貫通孔の一端部に前記貫通孔を拡径させた凹部を有するフェルールと、前記凹部の内壁面に形成された金属層と、該金属層に該金属層の少なくとも一部を覆うように接合されたはんだ層とを備え、前記はんだ層は、前記凹部の内壁面側に配置され、錫と前記金属層の金属成分との合金相を主成分とする第１はんだ層と、ビスマス相を主成分とし、錫−ビスマス合金相を含んだ前記第１はんだ層よりも融点が低い第２はんだ層とから成ることを特徴とする光ファイバ固定用フェルール。
2. 前記金属層が、ニッケル，コバルト，金，または銅を含むことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ固定用フェルール。
3. 請求項１または２記載の光ファイバ固定用フェルールと、先端外周面に第２金属層が形成され、前記貫通孔に挿通されるとともに、前記第２金属層と前記第２はんだ層とが接合されて気密封止された光ファイバとを具備し、前記はんだ層に、錫と前記第２金属層の金属成分との合金相を主成分とし、前記第２はんだ層よりも融点が高い第３はんだ層が形成されていることを特徴とする光ファイバ固定具。
4. 前記第２金属層の金属成分が、ニッケル，コバルト，金または，または銅を含むことを特徴とする請求項３記載の光ファイバ固定具。
   
   
   
   

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