JP2018173601A

JP2018173601A - 光学素子モジュール

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Publication number: JP2018173601A
Application number: JP2017072934A
Authority: JP
Inventors: 利夫片岡; Toshio Kataoka; 徳一宮崎; Tokuichi Miyazaki; 加藤　圭; Kei Kato; 圭加藤
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2017-03-31
Filing date: 2017-03-31
Publication date: 2018-11-08
Anticipated expiration: 2037-03-31
Also published as: CN108693612B; JP6540745B2; CN108693612A; US20180284371A1

Abstract

【課題】半田の充填不良を抑制し、気密性に対する信頼性の高い光学素子モジュールを提供する。【解決手段】光学素子を収納する筐体を備え、光学素子は、筐体内に導入された光ファイバと光学的に結合しており、光ファイバは、筐体に設けられたファイバ固定部により保持されている光学素子モジュールにおいて、ファイバ固定部は、ファイバ固定部の長手方向に沿って、第１の管状部（Ｒ３）と、筐体の側壁に設けられた貫通孔に接続し、貫通孔の内径と略等しい内径であって、第１の管状部の内径よりも小さい内径を有する第２の管状部（Ｒ１）と、第１の管状部と第２の管状部とを連続的に接続するテーパー部（Ｒ２）とを備え、さらに、ファイバ固定部のスリットは、スリットの他端が、テーパー部（Ｒ２）又は第２の管状部（Ｒ１）に達している。【選択図】図３

Description

本発明は、光学素子モジュールに関するものであり、特に、光学素子を筐体内に収容し、該筐体の内部に導入した光ファイバと該光学素子とを光学的に結合した光学素子モジュールに関する。

光通信分野や光計測分野において、光変調器などの光学素子モジュールが多用されている。主に光変調機能を有する光学素子は、金属の筐体内に収容され使用される。光学素子モジュールでは、筐体の側壁に設けた貫通穴を通じて光ファイバを導入し、筐体内部にある光学素子と該光ファイバとを光学的に結合すると共に、該貫通穴を封止するよう構成されている。

光ファイバの固定方法としては、特許文献１乃至３に開示されているように、ファイバ固定部材を筐体の側面を貫通して配置する方法や、特許文献４に開示されているように、ファイバ固定部を筐体と共に削り出し、一体加工で形成する方法がある。

特に、ファイバ固定部を筐体と一体加工で形成する方法は、筐体とファイバ固定部とが連続的に形成されているため気密性が高く、ファイバ固定部の外径も小さく構成することができるため、封止固定に使用される半田等の金属材料に、容易に熱を伝えることも可能となる。

図１は、特許文献４に記載された光学素子モジュールの概略を示す断面図である。筐体内に光導波路を備えた光学素子が配置されている。該光導波路には、筐体外部から光ファイバが導入されて、光学的に結合されている。光ファイバは、光ファイバの芯線となるベアファイバ部と、その周りを覆うファイバ被覆、さらに、該ファイバ被覆を覆う保護部材から構成される。

光ファイバを固定するためのファイバ固定部は、筐体の側壁から外部に突出しており、内部に光ファイバを挿通する空洞が形成されている。空洞には、筐体側壁を貫通する貫通穴とファイバ固定部の内部に形成されたテーパー部が設けられている。ファイバ固定部の外部から光ファイバを挿入すると、光ファイバのファイバ保護部材やファイバ被覆の部分は、該テーパー部により先に進入できないが、ベアファイバ部分のみ貫通穴を通り、光学素子まで到達する。

図２は、筐体の側壁に設けられた貫通穴とファイバ固定部との接合付近の断面を示す概略図である。光ファイバが貫通穴の所定の位置に配置されると、ファイバ固定部の付け根付近（筐体の側壁側）を加熱手段で加熱しながら、ファイバ固定部に設けられたスリットから半田を貫通穴側に供給する。溶解した半田は、毛細管現象により、図２の網掛け部分のように、貫通穴の中まで浸入し、貫通穴を気密封止する。
光ファイバの半田固定される部分には、ベアファイバ部の表面に金属層がコーティングされている。また、光ファイバの封止が完了した後に、光ファイバの保護部材は、ファイバ固定部補助部材によりファイバ固定部の入口で、別途、固定される。

光ファイバの封止作業に際しては、過剰な熱を筐体に印加すると、製品不良に繋がる恐れがある。また、低融点半田を用いる場合には、条件によって充填不良が発生し、製品自体の気密不良も発生する。
具体的には、完全な封止のため、例えば、６００℃以上の過剰な加熱を行なった場合には、金属層が被覆された光ファイバに熱が伝わり、光変調素子などの光学素子と光ファイバとの接続に使用される樹脂の劣化し、また、該樹脂の軟化による固定ずれが生じるなどの不具合が発生する。一方、４００℃以下の加熱が足りない場合には、半田に含まれるフラックスがガスを巻き込み気泡が発生し、特に、筐体の側壁の領域で気密不良となる。

特開平７−１９９００３号公報特開２００４−１４５２５３号公報特開２００９−１２８６７７号公報特開２０１５−０６９１３０号公報

本発明が解決しようとする課題は、上述したような問題を解決し、半田の充填不良を抑制し、気密性に対する信頼性の高い光学素子モジュールを提供することである。

上記課題を解決するため、本発明の光学素子モジュールは、以下のような技術的特徴を有する。
（１）光学素子を収納する筐体を備え、該光学素子は、該筐体の側壁に設けられた貫通穴を通じて該筐体内に導入された光ファイバと光学的に結合しており、該筐体の外部では、該貫通穴から導出された光ファイバを保護する保護部材が該光ファイバの一部に配置されると共に、該筐体に設けられたファイバ固定部により、該保護部材を介して該光ファイバを保持する光学素子モジュールにおいて、該ファイバ固定部は、ファイバ固定部の長手方向に沿って、該保護部材の外径よりも大きい内径を有する第１の管状部と、該筐体の側壁に設けられた該貫通孔に接続し、該貫通孔の内径と略等しい内径であって、前記第１の管状部の内径よりも小さい内径を有する第２の管状部と、前記第１の管状部と前記第２の管状部とを連続的に接続するテーパー部とを備え、さらに、該ファイバ固定部は、ファイバ固定部の長手方向に沿って形成され、かつ、その一端が開放した形状のスリットを備え、該スリットの他端が、該テーパー部又は該第２の管状部に達しており、前記第２の管状部の内部では、該光ファイバの被覆が除去されたベアファイバ部と、前記第２の管状部の内壁との間が金属材料で封止固定されていることを特徴とする。

（２）上記（１）に記載の光学素子モジュールにおいて、該テーパー部のテーパー角度は、６０°〜１３０°の範囲に設定されていることを特徴とする。

（３）上記（１）又は（２）に記載の光学素子モジュールにおいて、該筐体の側壁から該テーパー部までの前記第２の管状部の長さＬは、前記第２の管状部の内径Ｄに対し、Ｌ≧Ｄとなるように設定されていることを特徴とする。

（４）上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の光学素子モジュールにおいて、該筐体と該ファイバ固定部とは、一体加工で形成されていることを特徴とする。

本発明により、ファイバ固定部は、ファイバ固定部の長手方向に沿って、光ファイバの保護部材の外径よりも大きい内径を有する第１の管状部と、筐体の側壁に設けられた貫通孔に接続し、貫通孔の内径と略等しい内径であって、前記第１の管状部の内径よりも小さい内径を有する第２の管状部と、前記第１の管状部と前記第２の管状部とを連続的に接続するテーパー部とを備え、さらに、該ファイバ固定部は、ファイバ固定部の長手方向に沿って形成され、かつ、その一端が開放した形状のスリットを備え、該スリットの他端が、該テーパー部又は該第２の管状部に達しているため、前記第２の管状部の入口付近を該スリットを通して露出させることができ、封止用の金属材料である半田を前記第２の管状部に確実に供給することができると共に、前記第２の管状部の入口付近の半田の様子を該スリットを介して視認することができる。これにより、半田の充填不良を抑制でき、気密性に対する信頼性の高い光学素子モジュールを提供することが可能となる。

光学素子モジュールの一部を示す断面図である。従来のファイバ固定部の構造を説明する断面図である。本発明の光学素子モジュールに使用されるファイバ固定部の構造の一例を説明する断面図である。本発明の光学素子モジュールに使用されるファイバ固定部の構造の他の例を説明する断面図である。

以下、本発明を好適例を用いて詳細に説明する。
本発明は、光学素子を収納する筐体を備え、該光学素子は、該筐体の側壁に設けられた貫通穴を通じて該筐体内に導入された光ファイバと光学的に結合しており、該筐体の外部では、該貫通穴から導出された光ファイバを保護する保護部材が該光ファイバの一部に配置されると共に、該筐体に設けられたファイバ固定部により、該保護部材を介して該光ファイバを保持する光学素子モジュールにおいて、該ファイバ固定部は、ファイバ固定部の長手方向に沿って、該保護部材の外径よりも大きい内径を有する第１の管状部（Ｒ３）と、該筐体の側壁に設けられた該貫通孔に接続し、該貫通孔の内径と略等しい内径であって、前記第１の管状部の内径よりも小さい内径を有する第２の管状部（Ｒ１）と、前記第１の管状部と前記第２の管状部とを連続的に接続するテーパー部（Ｒ２）とを備え、さらに、該ファイバ固定部は、ファイバ固定部の長手方向に沿って形成され、かつ、その一端が開放した形状のスリットを備え、該スリットの他端（Ａ）が、該テーパー部（Ｒ２）又は該第２の管状部（Ｒ１）に達しており、前記第２の管状部の内部では、該光ファイバの被覆が除去されたベアファイバ部と、前記第２の管状部の内壁との間が金属材料で封止固定されていることを特徴とする。

本発明の光学素子モジュールの全体構成は、図１で説明した光学素子モジュールとほぼ同じであるため、ここでは説明を省略する。なお、以下では、筐体とファイバ固定部とが一体加工された例を中心に説明するが、特許文献１乃至３に記載されているように固定用パイプにおいて、本発明の貫通穴を含むファイバ固定部の構成を採用できることは言うまでも無い。また、一体加工で形成する方が、加工費用は増加するが、筐体の気密性を高くでき、製造工程も一部簡略化できる。

本発明における「ベアファイバ部」とは、コアとクラッドのみからなる光ファイバを意味し、該ベアファイバ部にＵＶコーティング等の薄い保護膜（一次被覆）を施した「光ファイバ素線」、さらに該光ファイバを覆う被覆層（二次被覆）にナイロン等の樹脂製保護膜を使用した「光ファイバ芯線」とは区別される。筺体の封止部以外の光ファイバの被覆状態については、メタライズ処理や封止処理に大きな影響を及ぼさない限りにおいて被覆があってもよい。ただし、該筺体の内部に挿入される部分の光ファイバの被覆状態に関しては、該筺体側壁の貫通穴の大きさにも依存するが、少なくとも二次被覆が除かれていることが作業効率上好ましい。また、光ファイバと半田との密着性を確保するため、貫通穴に配置されるベアファイバ部の表面には金属層がコーティング（被覆）されている。

また、本発明における「光ファイバの被覆（ファイバ被覆）」とは、主に上記「一次被覆」を意味する。さらに、本発明における「保護部材」には、上記「二次被覆」や「ルースチューブ」などが該当する。

図３は、本発明の光学素子モジュールに使用されるファイバ固定部の構造の一例を説明する断面図である。図３に示すように、筐体の側壁からファイバ固定部が突出している。ファイバ固定部の光ファイバを挿入する方向に垂直な断面は、通常、外形が円形状であり、内部の空洞の形状も円形状である。それ以外の形状も可能であるが、ファイバ固定部を切り出しで製造する場合は、円形状の断面の方が製造が容易に行なわれる。

ファイバ固定部の内部は、ファイバ固定部の長手方向（図３の左右方向）に沿って、３つの部分で構成されている。右側から、光ファイバを被覆する保護部材の外径よりも大きい内径を有する第１の管状部（Ｒ３）と、前記第１の管状部と後述する第２の管状部とを連続的に接続するテーパー部（Ｒ２）と、筐体の側壁に設けられた貫通孔に接続し、貫通孔の内径と略等しい内径であって、前記第１の管状部の内径よりも小さい内径を有する第２の管状部（Ｒ１）とから構成される。

ここで「略等しい内径」とは、筐体とファイバ固定部とが一体加工される場合は、等しい内径となる場合が多いが、貫通穴の内径の方が、第２の管状部（Ｒ１）の内径よりも広い場合も許容できるという意味である。これらの場合には、図３の右側から光ファイバを挿入した際に、先端が貫通穴と第２の管状部との接続部分で引っ掛かりが生じず、組立作業を円滑に行なうことができる。

第１の管状部（Ｒ３）と第２の管状部（Ｒ１）とを接続するテーパー部（Ｒ２）は、テーパー角度θは、６０°〜１３０°の範囲に設定されていることが好ましい。この角度範囲に設定することで、光ファイバの挿入時における、テーパー部での光ファイバの先端の引っ掛かりを防止することができる。

また、テーパー角度を６０°未満に設定するには、加工に際して特殊な工具が必要となる。例えば、エンドミル等のフライス加工具の先端角度を鋭角にする必要がある。ただし、この場合には、先端部の刃にダメージが多く発生し、高精度な切削が難しく、しかも、テーパー部の加工表面が荒くなる原因となる。一方、テーパー角度を１３０°より大きくすると、半田の濡れ性（表面張力）の効果が弱くなるため、半田の充填効率が悪くなり易い。

次に、ファイバ固定部（特にＲ１、Ｒ２の部分）の均熱性を向上させるために、第２の管状部（Ｒ１）の長さＬを、第２の管状部の内径Ｄに対し、Ｌ≧Ｄとなるように設定することが好ましい。半田の溶融に際しては、半田こてがファイバ固定部の付け根付近（筐体の側壁側）に配置される。第２の管状部（Ｒ１）の長さＬが内径Ｄに対して短い場合には、半田こての熱が筐体の側壁に逃げ易く、第２の管状部全体を均一に加熱することが難しくなる。
また、第１の管状部（Ｒ３）の内径より、第２の管状部（Ｒ１）の内径を小さくした場合には、第２の管状部（Ｒ１）の管壁の厚みを肉厚にすることができ、第１の管状部（Ｒ３）に半田こてを配置し加熱した場合でも、熱が第２の管状部（Ｒ１）に伝わり易く、第２の管状部を均一に加熱することが可能となる。

さらに、ファイバ固定部には、ファイバ固定部の長手方向に沿って形成され、かつ、その一端が開放した形状のスリットが設けられている。スリットの幅は、第２の管状部（Ｒ１）の内径よりも大きく、第１の管状部（Ｒ３）の内径より小さい範囲で設定することが好ましい。これは、第１の管状部の入口付近をできるだけ露出すると共に、ファイバ固定部の機械的強度を低下させないためである。

本発明の主な特徴は、スリットの他端（Ａ）が、図３に示すように、テーパー部（Ｒ２）に達していること、または図４に示すように、第２の管状部（Ｒ１）に達していることである。これにより、第２の管状部（Ｒ１）の入口付近をスリットを通して露出させることができる。スリットは、グラインダの刃を図面に垂直の方向からファイバ固定部に押し当て、図の左右方向に移動させることで形成することができる。この際に、グラインダの刃の回転により、スリットの端部形状は半円状となる。スリットの幅よりも径の小さい刃を使用する場合は、スリットの端部形状は半円に限定されない。

上述した構成により、半田を第２の管状部の近傍に、又は第２の管状部に直接、供給することができる。しかも、第２の管状部の入口付近の半田の様子をスリットを介して直接視認することもできるため、作業性も良く、半田の充填不良が発生するのを抑制することも可能となる。
また、スリットの他端（Ａ）を第２の管状部（Ｒ１）やテーパー部（Ｒ２）まで伸ばすことにより、封止部分となる筐体側壁の貫通孔のより近くに、半田を置くことができる。これにより、半田は、半田と金メッキファイバの濡れ性（表面張力）や、貫通穴への毛細管現象により、封止部分へ充填されるので、少なくともテーパー部（Ｒ２）に半田を置くことがより好ましい。

第２の管状部から供給された半田等の金属材料は、溶解し毛細管現象により、第２の管状部（Ｒ１）や、筐体の側壁に設けられた貫通穴の内部に浸入する。第２の管状部等の内部では、光ファイバの被覆が除去されたベアファイバ部と、第２の管状部等の内壁との間が半田等の金属材料で封止され、固定される。

封止固定される範囲ではファイバ被覆は除去され、封止性を保つため、光ファイバのガラス部分に蒸着やメッキで金属膜（金属層）、例えばＡｕなどがＣｒ等の下地金属を介して成膜されている（メタライズ処理）。また、金属膜のほかにガラス用の特殊金属半田等で予半田しておいても良い。該筺体の封止部以外の光ファイバの被覆状態については、メタライズ処理や封止処理に大きな影響を及ぼさない限りにおいて被覆があってもよい。ただし、該筺体の内部に挿入される部分の光ファイバの被覆状態に関しては、該筺体側壁の貫通穴の大きさにも依存するが、少なくとも二次被覆が除かれていることが作業効率上好ましい。

メタライズ処理されたベアファイバの構成は、例えば、ファイバの線径が０．１２５ｍｍの場合、金属被覆はメッキ膜厚が０．１〜０．５μｍ程度となる。メッキ膜厚が０．１μｍ未満では機械的な強度不足によりメッキが剥がれ易くなる。また、メッキには、一例として、下地に無電解ニッケル（Ｎｉ）をメッキ処理し、その後、電解Ｎｉ、無電解Ａｕ、電解Ａｕの各メッキ処理が施される。無電解Ａｕや電解Ａｕの膜厚を厚くすることで、下地のニッケル起因の酸化膜が形成し難くなる。仮に、金属被覆に酸化膜が形成されると濡れ性が悪くなり、半田の充填性が悪化する。

ファイバ固定部に設けたスリットから半田ペースト等を注入し、ファイバ固定部の第２の管状部（Ｒ１）やテーパー部に半田ごてなどを当接し局部加熱したり、あるいは誘導加熱手段などで、半田ペースト等を溶融し、Ａｕなどの金属がメッキされた筐体（貫通穴内壁）と光ファイバとの間で気密封止される。本発明では、半田等の金属材料を封止を形成する位置の近傍から直接供給することができるため、ファイバ固定部の広い範囲を過熱する必要が無く、また、半田ごてと半田の供給位置が近いため、特許文献２や特許文献４で示すような凹部（ファイバ固定部の筐体壁面に近い位置に形成された凹部）を設ける必要も無い。このため、光学素子や光ファイバへの熱的ダメージを軽減できると共に、ファイバ固定部の機械的強度を高く保持することも可能となる。

ファイバ被覆が除去されたベアファイバ部の直径はシングルモードファイバであれば、０．１２５ｍｍ程度のため、貫通穴の内径を０．２ｍｍ〜０．９ｍｍ程度とすることで、半田溶融時に毛細管現象で、均一に効率良く筐体側壁内部に半田固定することができる。
また、ファイバ固定部の外径は、２〜３ｍｍ程度に設定される。

ファイバ固定部の均熱性について評価するため、ファイバ固定部の内部形状の変化による温度分布をシミュレーションで調べた。
シミュレーションの前提として、ファイバ固定部の外径を２．５ｍｍとし、第１の管状部の内径１．５ｍｍ、第２の管状部（貫通孔）の内径Ｄを０．８ｍｍとした。
試験体として、第２の管状部の長さＬが、内径Ｄの０．５倍（比較例）、１倍（試験体１）、１．５倍（試験体２）のものを用意した。

また、加熱時に半田こてをファイバ固定部に当接させる状態を再現するため、温度４００℃の恒温の加熱手段を、筐体側壁から１ｍｍ〜３ｍｍの範囲のファイバ固定部に当接させた場合を想定した。
そして、当接後１秒後の温度分布を、シミュレーションし、（ａ）筐体側壁、（ｂ）第２の管状部、（ｃ）テーパー部における各中央位置の温度と、（ｄ）第１の管状部の筐体側壁から３ｍｍ離れた位置における温度の結果を比較した。

シミュレーションの結果、（ａ）筐体側壁と（ｄ）第１の管状部においては、試験体１及び２と比較例との間には、有為な差は認められなかった。しかし、（ｂ）第２の管状部と（ｃ）テーパー部については、試験体１及び２は、比較例に対し、約１〜２割の温度上昇が見られ、半田封止に必要な第２の管状部やテーパー部が効率よく加熱されていることが確認された。

以上のように、本発明に係る光学素子モジュールによれば、半田の充填不良を抑制し、気密性に対する信頼性の高い光学素子モジュールを提供することが可能となる。

Claims

光学素子を収納する筐体を備え、
該光学素子は、該筐体の側壁に設けられた貫通穴を通じて該筐体内に導入された光ファイバと光学的に結合しており、
該筐体の外部では、該貫通穴から導出された光ファイバを保護する保護部材が該光ファイバの一部に配置されると共に、該筐体に設けられたファイバ固定部により、該保護部材を介して該光ファイバを保持する光学素子モジュールにおいて、
該ファイバ固定部は、ファイバ固定部の長手方向に沿って、該保護部材の外径よりも大きい内径を有する第１の管状部と、該筐体の側壁に設けられた該貫通孔に接続し、該貫通孔の内径と略等しい内径であって、前記第１の管状部の内径よりも小さい内径を有する第２の管状部と、前記第１の管状部と前記第２の管状部とを連続的に接続するテーパー部とを備え、
さらに、該ファイバ固定部は、ファイバ固定部の長手方向に沿って形成され、かつ、その一端が開放した形状のスリットを備え、該スリットの他端が、該テーパー部又は該第２の管状部に達しており、
前記第２の管状部の内部では、該光ファイバの被覆が除去されたベアファイバ部と、前記第２の管状部の内壁との間が金属材料で封止固定されていることを特徴とする光学素子モジュール。
請求項１に記載の光学素子モジュールにおいて、該テーパー部のテーパー角度は、６０°〜１３０°の範囲に設定されていることを特徴とする光学素子モジュール。
請求項１又は２に記載の光学素子モジュールにおいて、該筐体の側壁から該テーパー部までの前記第２の管状部の長さＬは、前記第２の管状部の内径Ｄに対し、Ｌ≧Ｄとなるように設定されていることを特徴とする光学素子モジュール。
請求項１乃至３のいずれかに記載の光学素子モジュールにおいて、該筐体と該ファイバ固定部とは、一体加工で形成されていることを特徴とする光学素子モジュール。