JP3863597B2 - Optical component and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば偏光子、検光子及びファラデー回転子を互いに固定してなるアイソレータのような、2枚以上の光学素子を固定してなる光学部品とその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の光学素子固定方法として、特開平3−171029に記述されているように有機接着剤を用いて構成素子をホルダーに固定する方法と、特開平3−35213に記載されているようにSn63重量%−Pb37重量%の共晶合金半田を使用したり、或いは特開平6−230314に記述されているようにAu80重量%−Sn20重量%の半田を使用して各構成素子をホルダーに固定するメタル接合方法と、接着剤による素子の固定と半田によるホルダーへの固定とを併用する方法がある。
上記の特開平3−171029は偏光子、検光子及びファラデー回転子を有機接着剤で貼り合わせた光アイソレータを開示している。有機接着剤を使用する固定方法は、大面積の偏光子、検光子及びファラデー回転子を貼り合わせた後切断して多数の素子を得ることができるので、生産性が格段に向上する利点を有するが、接着剤の経年変化を生じ固定強度劣化による信頼性に問題がある。
【0003】
一方、特開平3−35213は偏光子、ファラデー回転子及び永久磁石をSn−Pb系半田の融着で固定した光アイソレータを開示している。この固定方法では有機接着剤を用いる固定に比べて長期信頼性に優れていると言われているが、半田粒成長に起因されると言われる疲労特性及び、クリープ特性とも低く、光学素子固定に充分な強度信頼性を得ることは難しい。
更に、特開平6−230314は各素子をAu−Sn系半田によりホルダーに固定した光アイソレータを記載している。この技術では、同様に素子間の接着強度が向上し光学部品の信頼性が格段に向上する他に、光アイソレータのヒートサイクル試験後に挿入損失劣化を防止するのに有効であるが、Au−Sn半田は非常に高価であるうえ、素子と接合ホルダー材質の熱膨脹係数のマッチング及び接合方法がN2 不活性ガス雰囲気及び、N2 +H2 混合ガス雰囲気により半田加熱を行う方法である為、設備、及びランニングコストとも高価になる問題がある。
【0004】
特開平5−232418は、2枚の複屈折素子を接着剤で固定したものを、次に半田によりホルダーに固定した光アイソレータを開示している。この方法では接着剤の使用により作業性及び生産性が上がる一方、使用する半田によって光学素子間の接着剤劣化及び半田接合強度の信頼性に問題がある。本発明はこの方式の改良に係る。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
今後、さらに拡大が予想される光産業に於いて、各種光学部品の低価格化への開発が必要であり、部品構造、及び製造工程の簡素化が重要な課題である。
そこで本発明は、(1)大面積の各光学素子同士の結晶方位の相対位置合わせを行った後、有機接着剤でこれらの光学素子を貼り合わせ、切断して個々の光学部品にすることよりなる多数個取りのプロセスを導入することにより品質を安定させ、また製造コストを低減すると共に、(2)有機接着剤で接着された複数の光学素子を、半田融着を用いることによりホルダーとの接合作業、及び接合位置合わせの制御を容易にする方法を採用する。
この場合に、上記(1)、(2)の工程により光学部品を製造する場合には、工程(2)の半田工程で使用する熱が工程(1)で用いた有機接着剤を劣化しない程度の加熱作業により接合を行う必要がある。
【0006】
しかしながら、従来光学部品の接合に多く用いられるAu80重量%−Sn20重量%の半田では、融点が280℃であるため、300〜320℃程度の作業温度が必要である。しかし、この作業温度下では有機接着剤が劣化するので光学素子の接合に有機接着剤を使用するのは困難である。
一般の電子部品等に使用されているSn−Pb共晶半田を代表とする半田は、融点が低く、有機接着剤が劣化しない範囲の作業温度で接合が可能である。しかし、この種の低融点の半田は光学素子の固定に用いるには固定強度の長期信頼性に劣り、また材料が軟質なために外力により変形することがあり、光学部品の光結合系において光軸ずれにより特性の劣化等の問題が発生するおそれがある。
本発明の目的は、各光学素子を接着する有機接着剤の耐熱温度以下の温度で接着(融着)でき、しかもホルダーと光学素子間の固定強度及び光学特性の長期信頼性に優れた方法でホルダーと光学素子を一体化した光学部品を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の光学部品は、ホルダーに複数の光学素子が固定されてなる光学部品において、前記複数の光学素子を有機接着剤で互いに固定し、且つ前記複数の光学素子を前記ホルダーに対してSn−Ag系半田(代表的には96.5重量%の錫と3.5重量%の銀よりなる合金及び以下に述べる合金)で好ましくは3〜40μmの半田厚さで固定したことを特徴とする。
また、本発明の光部品の製造方法は、複数の光学素子を有機接着剤により互いに固定した後に、所定の寸法に切断したものを、ホルダーにSn−Ag系半田で好ましくは3〜40μmの半田厚さで融着することを特徴とする。
【0008】
ホルダーは、半田融着に耐えられる耐熱性を有するもので構成されていれば特に限定されるものではないが、発錆が少なく且つ耐熱性を有するオーステナイト系ステンレス鋼(SUS304系によって代表されるもので非磁性)、フェライト系ステンレス鋼(SUS430系によって代表されるもので強磁性)、コバール、インバー、パーマロイ等が好ましい。
【0009】
光学素子とは、磁性ガーネット(酸化物)よりなるファラデー回転子、ルチル板、又は偏光ガラス(酸化物)よりなる偏光子や検光子、光学ガラスよりなるレンズ等のことであるが、必ずしも光アイソレータを構成する光学素子の組み合わせに限定されるものではない。
【0010】
有機接着剤には、通常耐熱性、接着強度が高い熱硬化性エポキシ樹脂系のものが用いられる。しかし、耐熱性、接着強度がこれと同等以上のものであればこれに限定されるものではない。
【0011】
光学素子とホルダーの接着には、Sn−Ag系半田を用いる。共晶組成物である96.5重量%Snと3.5重量%Agの合金は融点が低く、入手が容易であることから、これを用いることが好ましい。また共晶組成から±3%程度の範囲内でずれた組成でも使用することができる。さらに、半田の機械的強度が大きくなる添加物たとえばBi、Cu、Sb、In等(好ましくはCu又はCu−In)を含むことができる。添加物を含有すると熱衝撃サイクルに対する安定性が増し、初期の固定位置及び角度が安定に維持される。これらの添加物は半田融点を上昇させない程度の約3%以下の割合で含有させることが好ましい。なお、不純物として極く少量の他の元素を含有しても良い。
また、半田の厚さは接合部の応力を緩和するには厚い方が良いが、接着強度と挿入損失の変動を考慮して3〜40μmの範囲に設定することが好ましい。この範囲よりも薄いと結合強度が低下し、この範囲よりも厚いと半田付けされた光学素子相互間の角度の変動に起因すると思われる挿入損失の変動が大きくなる。
【0012】
Sn−Ag系の半田を用いて固定を行う場合には、光学素子とホルダーの半田融着される部分に予め半田のぬれ性を良くするためにメタライズ膜を蒸着法又はスパッタ法等で付着しておくことが好ましい。
例えば、ホルダーに接する側の光学素子の一枚を半田付けを可能とする為に所定パターンでメタライズ処理を行っておき、他の光学素子を有機接着剤を用いてメタライズ処理をした反対面に接着固定して一つの機能光学素子にし、接着済み素子をメタライズパターンに沿って、仕様の大きさに切断を行う。以上の素子を用いて、メタライズ処理を施した面をホルダーにSn−Ag系の半田を用いて融着する。
【0013】
【作用】
エポキシ系樹脂を用いて素子同士を貼り合わせた場合、300℃以上に加熱すると、接着層のシミ等が発生するようになるので、半田接合作業温度等を考慮してこれより50℃程度以上低い融点の半田を用いることが必要である。本発明では融点が221℃で且つ耐クリープ特性に優れたSn−Ag系の半田を用いて光学素子をホルダーに融着する。この場合、半田融着で一時的に光学素子に半田融点よりも約40℃程度高い温度が加えられるが、この温度は有機接着剤の耐熱温度より低いので、光学素子同士の接着剤が劣化することがない。従って、一つの光学部品を作製する場合に、有機接着剤で複数の光学素子を貼り合わせた後に半田融着で光学素子をホルダーに固定した場合に、ホルダー光学素子間の固定強度の長期信頼性に優れ、光軸ずれによる特性劣化の少ない光学部品を得ることができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
本発明の方法を図9を参照して説明する。図9は本発明によりホルダーに光学素子を固定してなる光学部品を示す。
まず、機能光学素子(例えばアイソレータ)を構成すべき光学素子1、2、3(例えば1は検光子、2はファラデー回転子用の磁性ガーネット板、3は偏光子)のうち、ホルダー9に接合すべき最外部の光学素子3の外面に実施例で挙げるような金属の蒸着によりメタライズしてメタライズ層6を形成する。
次に光学素子1、2、3をエポキシ樹脂等の熱硬化性で耐熱性の有機接着剤4、5により積層して互いに結合する。
更に、積層体の最外層の光学素子3のメタライズ層6を本発明のSn−Ag系半田7を使用して光路部分を構成する光路部分10を形成する開口部を有するステンレス鋼製ホルダー9の面にリフロー半田法により半田付けする。なお、ホルダー9にもメタライズ層8を設けておくことが好ましい。
【0015】
【実施例】
以下に本発明の具体的な実施例を説明する。
実施例1
10mm×10mm×1.0mmのルチル板を用い、光が通る部分にマスクをして、半田融着する部分にだけ半田がぬれ易いように、下から順にCr、Ni、及びAu膜を蒸着してメタライズ膜を形成した。
10mm×10mm×1.0mmのこのメタライズ済のルチル板(偏光子)の他に、10mm×10mm×0.4mmの磁性ガーネット(ファラデー回転子)と、10mm×10mm×1.0mmのルチル板(検光子)を準備し、ルチル板の結晶方位の相対角度を所定の角度に合わせた後、この順に貼り合わせ面全体にエポキシ樹脂を塗って貼り合わせた。
この時、エポキシ樹脂接着剤の熱硬化条件は100℃で4時間保持であった。熱硬化後、室温まで冷却した後、この貼り合わさった光学素子を1.0×1.3mmに切断して、光学素子チップを得た。
次に、前記光学素子チップを固定するホルダーを構成するSUS304ステンレス鋼(オーステナイト系ステンレス鋼の一種)に光が通る開口部を形成したものに、半田がぬれ易いように下から順にCr、Ni、及びAu膜を蒸着してメタライズ膜を形成した。
前記ホルダーと前記光学素子チップの半田融着する部分に96.5重量%のSnと3.5重量%のAgとよりなるSn−Ag共晶半田の箔を差し挟み、これを大気中で、最高加熱温度が260度になるように設定されたリフロー炉に入れて半田融着した。
これを冷却して磁石を固定することにより、光学部品の一つである光アイソレータが完成した。この時、半田層の厚さは30〜40μmであった。
【0016】
次に長期信頼性を評価するための加速試験として、熱サイクル試験を行って、ホルダーと光学素子融着界面の固定強度を調べた。
試験条件はn=20個で、−40℃から85℃までの温度差の熱衝撃(1サイクル1時間)を500、1000、1500、2000回行い、試験前の値と比較した。結果を図1に示す。
この結果、2000サイクル後でも実用上問題のない1kgf/mm2 の接着強度が得られることが分かる。
【0017】
同様の方法で、光学素子とホルダーの接合部の半田層の厚さだけを10μmから100μmの範囲で変化させた光アイソレータを作製後、両端に光ファイバーを結合させ、−40℃と85℃の温度差の熱衝撃(1サイクル1時間)の試験槽に投入して挿入損失を調べた。結果を図5〜図8に示す。比較のため光学素子のない場合の両端光ファイバ結合系の挿入損失を図4に示す。
以上の結果より、半田層の厚さが40μmを超えると熱サイクル試験後の挿入損失の変動が大きくなり、3μm未満では半田付け面が不均一になり接着強度が低下することから、半田層の厚さは3〜40μmの範囲が好ましい。
【0018】
比較例1
実施例1のSn−Ag共晶半田を用いる代わりに、63重量%Snと37重量%のPbよりなるSn−Pb半田を用い、リフロー炉の最高加熱温度が230℃になるように設定した以外は、実施例1と同様にして光アイソレータを作製し、実施例1と同様の熱サイクル試験を行った。結果を図2に示す。
この結果、500サイクル後にすでに半田固定強度が約0kgf/mm2 のものが生じるようになる。原因は半田粒成長及び疲労に起因するものと考えられる。
【0019】
比較例2
実施例1のSn−Ag共晶半田を用いる代わりに、60重量%Snと3重量%Biと37重量%PbよりなるSn−Bi−Pb半田(Biの添加は半田粒成長に起因する強度劣化を防止することが知られている)を用い、リフロー炉の最高加熱温度が230℃になるように設定した以外は、実施例1と同様にして光アイソレータを作製し、実施例1と同様の熱サイクル試験を行った。結果を図3に示す。
この結果、2000サイクル後にすでに半田固定強度が約0kgf/mm2 のものが生じ、実用に供することができない。
【0020】
実施例2
半田の経時変化による挿入損失のバラツキを以下に詳しく調べてみた。
モジュール化した素子の挿入損失のバラツキは、半田固定した素子の角度ズレ(素子が動いてしまう)によるものと考えられるので、素子固定角度変化の温度サイクル試験を、オートコリメータを用いて実施した。
使用素子は実施例1と同様ルチル板(偏光子)、磁性ガーネット、ルチル板(検光子)を接着後切断した素子であった。
使用半田に1)Sn96.5重量%及びAg3.5重量%、2)Sn95.75重量%、Ag3.5重量%及びCu0.75重量%、3)Sn93重量%、Ag4重量%、Cu1.5重量%及びIn1.5重量%の3種の半田を用いた。半田厚はいずれも約15μmであった。
素子接合ホルダー部材材質は、SUS304Seステンレス鋼(熱膨脹係数180×10-7/℃)及びSUS430Fステンレス鋼(フェライト系ステンレス鋼の一種で熱膨脹係数104×10-7/℃)を用いた。
試験結果は図10に示す。この図より、光学素子の半田接着面の材質がルチルの場合には使用半田Sn95.75/Ag3.5/Cu0.75及びSUS430Fステンレス鋼の組合わせが最適であることがわかる。
【0021】
なお、実施例では偏光子、磁気光学素子(磁性ガーネット)、検光子の順に有機接着剤で固定してなる光アイソレータについて説明したが、その他の光学部品(例えば偏光子、電気光学素子、検光子の順に有機接着剤で固定してなる光変調器等)でも同様の効果が得られることは自明である。
【0022】
【発明の効果】
以上から明らかなように、本発明によれば、有機接着剤を使用して複数の光学素子を貼り合わせた後に、この結合した光学素子を半田融着でホルダーに固定した光学部品において、経時変化による光学素子−ホルダー間の強度劣化を防止できる。
従って、この光学部品は、製造時に大面積の複数の光学素子を光学軸を合わせたのち、有機接着剤で貼り合わせ、所定の大きさに切断することにより、一度に光学特性の揃った多数の光学チップを得る従来の方法を採用し、同時にホルダーへの固定に際してSn−Ag系の半田を利用するので、従来よりも機械的にもまた挿入損失の面でも信頼性の高い光学部品を得ることができる。
更に本発明は光学素子をホルダーへ接合するための半田の厚さを小さい範囲に抑制することにより、経時変化による挿入損失のばらつきを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による光学部品における光学素子とホルダーの半田固定強度を示すグラフである。
【図2】比較例による光学部品における光学素子とホルダーの半田固定強度を示すグラフである。
【図3】比較例による光学部品における光学素子とホルダーの半田固定強度を示すグラフである。
【図4】無素子の場合の熱衝撃サイクル回数と挿入損失の関係を示すグラフである。
【図5】本発明の構造を有する光学部品において半田厚さが80〜100μmの場合の熱衝撃サイクル回数と挿入損失の関係を示すグラフである。
【図6】本発明の構造を有する光学部品において半田厚さが50〜60μmの場合の熱衝撃サイクル回数と挿入損失の関係を示すグラフである。
【図7】本発明の構造を有する光学部品において半田厚さが30〜40μmの場合の熱衝撃サイクル回数と挿入損失の関係を示すグラフである。
【図8】本発明の構造を有する光学部品において半田厚さが10〜20μmの場合の熱衝撃サイクル回数と挿入損失の関係を示すグラフである。
【図9】本発明の光学部品の構造を示す該略図である。
【図10】実施例2の光学素子の固定角度の温度サイクルに対する変化を示すグラフである。
【符号の説明】
1、2、3 光学素子
4、5 有機接着剤
6、8 メタライズ層
7 Sn−Ag半田層
9 ホルダー
10 光路部分
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical component in which two or more optical elements are fixed, such as an isolator in which a polarizer, an analyzer, and a Faraday rotator are fixed to each other, and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
As a conventional optical element fixing method, a method of fixing a constituent element to a holder using an organic adhesive as described in JP-A-3-171029, and a Sn63 weight as described in JP-A-3-35213. Metal for fixing each component to the holder using eutectic alloy solder of% -Pb 37% by weight, or using solder of Au 80% by weight-Sn 20% by weight as described in JP-A-6-230314 There is a bonding method and a method of using both fixing of an element with an adhesive and fixing to a holder with solder.
JP-A-3-171029 discloses an optical isolator in which a polarizer, an analyzer, and a Faraday rotator are bonded with an organic adhesive. The fixing method using an organic adhesive has an advantage that productivity is remarkably improved because a large number of elements can be obtained by bonding a large-area polarizer, analyzer and Faraday rotator. However, there is a problem in reliability due to deterioration of fixing strength due to aging of the adhesive.
[0003]
On the other hand, Japanese Patent Laid-Open No. 3-35213 discloses an optical isolator in which a polarizer, a Faraday rotator, and a permanent magnet are fixed by fusion of Sn—Pb solder. This fixing method is said to be superior in long-term reliability compared to fixing using an organic adhesive, but it has low fatigue characteristics and creep characteristics, which are said to be caused by solder grain growth, and can be used for fixing optical elements. It is difficult to obtain sufficient strength reliability.
Further, JP-A-6-230314 describes an optical isolator in which each element is fixed to a holder with Au—Sn solder. Similarly, this technique is effective in preventing the deterioration of insertion loss after the heat cycle test of the optical isolator, in addition to the improvement in the adhesive strength between the elements and the reliability of the optical component. Since the solder is very expensive, the matching of the thermal expansion coefficient between the element and the bonding holder material and the bonding method is a method of heating the solder in an N 2 inert gas atmosphere and an N 2 + H 2 mixed gas atmosphere. In addition, there is a problem that the running cost is expensive.
[0004]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-232418 discloses an optical isolator in which two birefringent elements are fixed with an adhesive and then fixed to a holder with solder. In this method, workability and productivity are improved by using an adhesive, but there are problems with deterioration of the adhesive between optical elements and reliability of solder joint strength depending on the solder used. The present invention relates to an improvement of this scheme.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In the optical industry, which is expected to expand further in the future, it is necessary to develop various optical components at low prices, and simplification of the component structure and manufacturing process is an important issue.
Therefore, the present invention is based on (1) after performing relative alignment of crystal orientations of each optical element having a large area, and then bonding these optical elements with an organic adhesive and cutting them into individual optical components. Introducing a multi-cavity process that stabilizes quality and reduces manufacturing costs, and (2) a plurality of optical elements bonded with an organic adhesive are bonded to a holder by using solder fusion. A method for facilitating the control of the joining operation and the joining position is adopted.
In this case, when an optical component is manufactured by the steps (1) and (2), the heat used in the soldering step (2) does not deteriorate the organic adhesive used in the step (1). It is necessary to perform joining by heating work.
[0006]
However, the solder of Au 80 wt% -Sn 20 wt%, which is often used for joining optical components in the past, requires a working temperature of about 300 to 320 ° C. because the melting point is 280 ° C. However, since the organic adhesive deteriorates at this working temperature, it is difficult to use the organic adhesive for joining optical elements.
Solder typified by Sn—Pb eutectic solder used for general electronic parts and the like has a low melting point and can be bonded at an operating temperature in a range where the organic adhesive does not deteriorate. However, this type of low-melting-point solder is inferior in long-term reliability of fixing strength when used for fixing optical elements, and may be deformed by external force due to the softness of the material. There is a possibility that problems such as deterioration of characteristics may occur due to the shaft misalignment.
The object of the present invention is to adhere (fuse) at a temperature lower than the heat-resistant temperature of the organic adhesive for adhering each optical element, and to fix the fixing strength between the holder and the optical element and to improve the long-term reliability of the optical characteristics. To provide an optical component in which a holder and an optical element are integrated.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The optical component of the present invention is an optical component in which a plurality of optical elements are fixed to a holder, the plurality of optical elements are fixed to each other with an organic adhesive, and the plurality of optical elements are Sn--to the holder. It is preferably fixed at a solder thickness of 3 to 40 μm with an Ag-based solder (typically an alloy composed of 96.5 wt% tin and 3.5 wt% silver and an alloy described below). .
In the method of manufacturing an optical component according to the present invention, a plurality of optical elements are fixed to each other with an organic adhesive and then cut to a predetermined size, and a holder is made of Sn-Ag solder, preferably 3 to 40 μm solder. It is characterized by being fused by thickness.
[0008]
The holder is not particularly limited as long as it is made of a material having heat resistance that can withstand solder fusion, but it has little rusting and has heat resistance, austenitic stainless steel (represented by SUS304 type). And non-magnetic), ferritic stainless steel (represented by SUS430 and ferromagnetic), Kovar, Invar, Permalloy and the like are preferable.
[0009]
The optical element is a Faraday rotator made of magnetic garnet (oxide), a rutile plate, a polarizer or analyzer made of polarizing glass (oxide), a lens made of optical glass, etc., but is not necessarily an optical isolator. It is not limited to the combination of the optical elements which comprise.
[0010]
As the organic adhesive, a thermosetting epoxy resin having a high heat resistance and high adhesive strength is usually used. However, the present invention is not limited to this as long as the heat resistance and adhesive strength are equal to or higher than these.
[0011]
Sn-Ag solder is used for bonding the optical element and the holder. The alloy of 96.5 wt% Sn and 3.5 wt% Ag, which is an eutectic composition, is preferably used because it has a low melting point and is easily available. A composition shifted from the eutectic composition within a range of about ± 3% can also be used. Furthermore, an additive that increases the mechanical strength of the solder, such as Bi, Cu, Sb, In or the like (preferably Cu or Cu-In) can be included. When the additive is contained, the stability against the thermal shock cycle is increased, and the initial fixing position and angle are stably maintained. These additives are preferably contained at a ratio of about 3% or less so as not to raise the solder melting point. In addition, you may contain a very small amount of another element as an impurity.
Further, the thickness of the solder is preferably thick in order to relieve the stress at the joint, but is preferably set in the range of 3 to 40 μm in consideration of fluctuations in adhesive strength and insertion loss. If the thickness is smaller than this range, the coupling strength is lowered, and if it is thicker than this range, the variation in insertion loss, which is considered to be caused by the variation in the angle between the soldered optical elements, becomes large.
[0012]
When fixing using Sn-Ag solder, a metallized film is deposited in advance on the part of the optical element and the holder where the solder is fused by vapor deposition or sputtering in order to improve the wettability of the solder. It is preferable to keep it.
For example, in order to enable soldering of one optical element on the side in contact with the holder, a metallization process is performed in a predetermined pattern, and the other optical element is bonded to the opposite surface subjected to the metallization process using an organic adhesive. It is fixed to one functional optical element, and the bonded element is cut to a specified size along the metallized pattern. Using the above elements, the metallized surface is fused to the holder using Sn-Ag solder.
[0013]
[Action]
When the elements are bonded to each other using an epoxy-based resin, when heated to 300 ° C. or higher, spots of the adhesive layer and the like are generated. It is necessary to use melting point solder. In the present invention, the optical element is fused to the holder using Sn—Ag solder having a melting point of 221 ° C. and excellent creep resistance. In this case, a temperature higher by about 40 ° C. than the solder melting point is temporarily applied to the optical element by solder fusion, but since this temperature is lower than the heat resistant temperature of the organic adhesive, the adhesive between the optical elements deteriorates. There is nothing. Therefore, when manufacturing one optical component, long-term reliability of the fixing strength between the holder optical elements when the optical elements are fixed to the holder by soldering after bonding a plurality of optical elements with an organic adhesive. It is possible to obtain an optical component that is excellent in characteristics and has little characteristic deterioration due to optical axis deviation.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The method of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 9 shows an optical component formed by fixing an optical element to a holder according to the present invention.
First, optical elements 1, 2, and 3 (for example, 1 is an analyzer, 2 is a magnetic garnet plate for a Faraday rotator, and 3 is a polarizer) to be configured as a functional optical element (for example, an isolator) are bonded to a holder 9 A metallized layer 6 is formed on the outer surface of the outermost optical element 3 to be metallized by vapor deposition of a metal as described in the embodiment.
Next, the optical elements 1, 2, and 3 are laminated by thermosetting and heat-resistant organic adhesives 4 and 5 such as epoxy resin and bonded together.
Further, the metallized layer 6 of the optical element 3 of the outermost layer of the laminated body is formed of a stainless steel holder 9 having an opening for forming an optical path portion 10 constituting the optical path portion using the Sn-Ag solder 7 of the present invention. Solder to the surface by reflow soldering. The holder 9 is preferably provided with a metallized layer 8.
[0015]
【Example】
Specific examples of the present invention will be described below.
Example 1
Using a 10mm x 10mm x 1.0mm rutile plate, masking the part where light passes, and depositing Cr, Ni, and Au films in order from the bottom so that the solder is easily wet only in the part where the solder is fused. Thus, a metallized film was formed.
In addition to this metallized rutile plate (polarizer) of 10 mm × 10 mm × 1.0 mm, a 10 mm × 10 mm × 0.4 mm magnetic garnet (Faraday rotator) and a 10 mm × 10 mm × 1.0 mm rutile plate ( (Analyzer) was prepared, the relative angle of the crystal orientation of the rutile plate was adjusted to a predetermined angle, and then the epoxy resin was applied to the entire bonding surface in this order and bonded together.
At this time, the thermosetting condition of the epoxy resin adhesive was maintained at 100 ° C. for 4 hours. After thermosetting, after cooling to room temperature, the bonded optical element was cut into 1.0 × 1.3 mm to obtain an optical element chip.
Next, SUS304 stainless steel (a kind of austenitic stainless steel) constituting the holder for fixing the optical element chip is formed with an opening through which light passes, and Cr, Ni, Then, an Au film was deposited to form a metallized film.
A Sn-Ag eutectic solder foil composed of 96.5% by weight of Sn and 3.5% by weight of Ag is sandwiched between the holder and the portion of the optical element chip where the solder is fused. It put into the reflow furnace set so that the maximum heating temperature might be 260 degree | times, and soldered it.
By cooling this and fixing the magnet, an optical isolator, one of the optical components, was completed. At this time, the thickness of the solder layer was 30 to 40 μm.
[0016]
Next, as an accelerated test for evaluating long-term reliability, a thermal cycle test was conducted to examine the fixing strength between the holder and the optical element fusion interface.
The test conditions were n = 20, and thermal shock (1 cycle 1 hour) with a temperature difference from −40 ° C. to 85 ° C. was performed 500, 1000, 1500, 2000 times and compared with the value before the test. The results are shown in FIG.
As a result, it can be seen that an adhesive strength of 1 kgf / mm 2 having no practical problem can be obtained even after 2000 cycles.
[0017]
In the same way, after producing an optical isolator in which only the thickness of the solder layer at the joint between the optical element and the holder is changed in the range of 10 μm to 100 μm, optical fibers are coupled to both ends, and temperatures of −40 ° C. and 85 ° C. The insertion loss was investigated by putting it in a test tank of the difference thermal shock (1 cycle 1 hour). The results are shown in FIGS. For comparison, FIG. 4 shows the insertion loss of the both-end optical fiber coupling system without an optical element.
From the above results, if the thickness of the solder layer exceeds 40 μm, the variation in insertion loss after the thermal cycle test becomes large, and if it is less than 3 μm, the soldering surface becomes non-uniform and the adhesive strength decreases. The thickness is preferably in the range of 3 to 40 μm.
[0018]
Comparative Example 1
Instead of using the Sn—Ag eutectic solder of Example 1, Sn—Pb solder composed of 63 wt% Sn and 37 wt% Pb was used, and the maximum heating temperature of the reflow furnace was set to 230 ° C. Produced an optical isolator in the same manner as in Example 1, and conducted the same thermal cycle test as in Example 1. The results are shown in FIG.
As a result, a solder fixing strength of about 0 kgf / mm 2 already occurs after 500 cycles. The cause is thought to be due to solder grain growth and fatigue.
[0019]
Comparative Example 2
Instead of using the Sn—Ag eutectic solder of Example 1, Sn—Bi—Pb solder composed of 60 wt% Sn, 3 wt% Bi and 37 wt% Pb (addition of Bi is a strength deterioration caused by solder grain growth) The optical isolator is manufactured in the same manner as in Example 1 except that the maximum heating temperature of the reflow furnace is set to 230 ° C. A thermal cycle test was conducted. The results are shown in FIG.
As a result, a solder fixing strength of about 0 kgf / mm 2 already occurs after 2000 cycles and cannot be put to practical use.
[0020]
Example 2
The variation in insertion loss due to changes in solder over time was examined in detail below.
The variation in the insertion loss of the modularized element is considered to be due to the angle shift of the element fixed by soldering (the element moves), so a temperature cycle test of the element fixing angle change was performed using an autocollimator.
The element used was an element cut after bonding a rutile plate (polarizer), magnetic garnet, and rutile plate (analyzer) as in Example 1.
Solder used is 1) Sn 96.5 wt% and Ag 3.5 wt%, 2) Sn 95.75 wt%, Ag 3.5 wt% and Cu 0.75 wt%, 3) Sn 93 wt%, Ag 4 wt%, Cu 1.5 Three kinds of solders of wt% and In 1.5 wt% were used. The solder thickness was about 15 μm.
SUS304Se stainless steel (thermal expansion coefficient 180 × 10 −7 / ° C.) and SUS430F stainless steel (a kind of ferritic stainless steel, thermal expansion coefficient 104 × 10 −7 / ° C.) were used as the material for the element bonding holder member.
The test results are shown in FIG. From this figure, it can be seen that when the material of the solder bonding surface of the optical element is rutile, the combination of used solder Sn95.75 / Ag3.5 / Cu0.75 and SUS430F stainless steel is optimal.
[0021]
In addition, although the Example demonstrated the optical isolator fixed with an organic adhesive in order of a polarizer, a magneto-optical element (magnetic garnet), and an analyzer, other optical components (for example, a polarizer, an electro-optical element, an analyzer) It is obvious that the same effect can be obtained with a light modulator or the like that is fixed with an organic adhesive in this order.
[0022]
【The invention's effect】
As is clear from the above, according to the present invention, in an optical component in which a plurality of optical elements are bonded together using an organic adhesive, and the combined optical elements are fixed to the holder by soldering, the change over time The strength deterioration between the optical element and the holder due to can be prevented.
Therefore, this optical component has a large number of optical elements aligned at a time by aligning the optical axes of a plurality of optical elements at the time of manufacture, bonding them with an organic adhesive, and cutting them to a predetermined size. The conventional method of obtaining the optical chip is adopted, and at the same time, Sn-Ag solder is used for fixing to the holder, so that an optical component having higher reliability in terms of mechanical loss and insertion loss than before is obtained. Can do.
Furthermore, according to the present invention, variation in insertion loss due to changes over time can be reduced by suppressing the thickness of the solder for joining the optical element to the holder within a small range.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a graph showing solder fixing strength between an optical element and a holder in an optical component according to the present invention.
FIG. 2 is a graph showing solder fixing strength of an optical element and a holder in an optical component according to a comparative example.
FIG. 3 is a graph showing solder fixing strength between an optical element and a holder in an optical component according to a comparative example.
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the number of thermal shock cycles and insertion loss in the case of no element.
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the number of thermal shock cycles and the insertion loss when the solder thickness is 80 to 100 μm in the optical component having the structure of the present invention.
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the number of thermal shock cycles and the insertion loss when the solder thickness is 50 to 60 μm in the optical component having the structure of the present invention.
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the number of thermal shock cycles and the insertion loss when the solder thickness is 30 to 40 μm in the optical component having the structure of the present invention.
FIG. 8 is a graph showing the relationship between the number of thermal shock cycles and the insertion loss when the solder thickness is 10 to 20 μm in the optical component having the structure of the present invention.
FIG. 9 is a schematic view showing the structure of the optical component of the present invention.
10 is a graph showing a change of a fixed angle of the optical element of Example 2 with respect to a temperature cycle. FIG.
[Explanation of symbols]
1, 2, 3 Optical element 4, 5 Organic adhesive 6, 8 Metallized layer 7 Sn-Ag solder layer 9 Holder 10 Optical path portion

Claims (10)

ホルダーに複数の光学素子が固定されてなる光学部品において、前記複数の光学素子は有機接着剤で互いに固定されており、且つ前記複数の光学素子は前記ホルダーに対してSn−Ag系半田で固定されていることを特徴とする光学部品。In an optical component in which a plurality of optical elements are fixed to a holder, the plurality of optical elements are fixed to each other with an organic adhesive, and the plurality of optical elements are fixed to the holder with Sn-Ag solder. Optical component characterized by being made. Sn−Ag系半田はSn−Ag合金、又はSn−Ag合金にCu又はCu−Inを添加したものである請求項1の光学部品。The optical component according to claim 1, wherein the Sn—Ag solder is an Sn—Ag alloy or an Sn—Ag alloy to which Cu or Cu—In is added. 前記半田は、96.5重量%の錫と3.5重量%の銀よりなる合金である請求項1又は2の光学部品。3. The optical component according to claim 1, wherein the solder is an alloy made of 96.5 wt% tin and 3.5 wt% silver. 前記半田の膜厚は、3〜40μmである請求項1〜3のいずれかの光学部品。The optical component according to claim 1, wherein the solder has a thickness of 3 to 40 μm. 前記ホルダーの半田固定された面の材質は、フェライト系ステンレスであり、且つ前記光学素子の半田固定された面の材質はルチルである請求項1〜4のいずれかの光学部品。5. The optical component according to claim 1, wherein the solder-fixed surface of the holder is made of ferritic stainless steel, and the optical-fixed surface of the optical element is rutile. ホルダーに複数の光学素子が固定されてなる光学部品において、前記複数の光学素子を有機接着剤により互いに固定した後に、所定の寸法に切断したものを、前記ホルダーにSn−Ag系半田で固定することを特徴とする光学部品の製造方法。In an optical component in which a plurality of optical elements are fixed to a holder, the plurality of optical elements are fixed to each other with an organic adhesive, and then cut to a predetermined size and fixed to the holder with Sn-Ag solder. An optical component manufacturing method characterized by the above. Sn−Ag系半田はSn−Ag合金、Sn−Ag合金にCu又はCu−Inを添加した合金である請求項6の製造方法。The manufacturing method according to claim 6, wherein the Sn-Ag solder is an Sn-Ag alloy or an alloy obtained by adding Cu or Cu-In to an Sn-Ag alloy. 前記半田は、96.5重量%の錫と3.5重量%の銀よりなる請求項6〜7のいずれかの光学部品の製造方法。The method of manufacturing an optical component according to claim 6, wherein the solder is made of 96.5 wt% tin and 3.5 wt% silver. 前記半田の膜厚は、3〜40μmである請求項6〜8のいずれかの光学部品の製造方法。The method for manufacturing an optical component according to claim 6, wherein the solder has a thickness of 3 to 40 μm. 前記ホルダーの半田固定される面の材質は、フェライト系ステンレスであり、且つ前記光学素子の半田固定される面の材質はルチルである請求項6〜9のいずれかの光学部品の製造方法。The method of manufacturing an optical component according to claim 6, wherein a material of the surface of the holder to which the solder is fixed is ferritic stainless steel, and a material of the surface of the optical element to which the solder is fixed is rutile.
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