JP3877280B2 - 金属コート光ファイバ、保護樹脂付き金属コート光ファイバ、スリーブ付き金属コート光ファイバ、および光半導体モジュールの製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属コート光ファイバ、スリーブ付き光ファイバ、および光半導体モジュールの製造方法に関する。更に詳しくは、光ファイバの裸ファイバ部に金属被覆が施された金属コート光ファイバ、光ファイバの斜め劈開面に保護樹脂が設けられた保護樹脂付き金属コート光ファイバ、スリーブ付き金属コート光ファイバ、および光半導体モジュールの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光半導体モジュールとしては、レーザーダイオード(以下、LDと略記する)と光ファイバを光学的に結合させる光ファイバ付きピグテールタイプLDモジュール(以下、LDモジュールと略記する)がある。前記LDモジュールは、LDと光ファイバの光学的結合をレンズとアイソレータを介して行うものであり、光ファイバ通信の信号光源や光増幅器光源などに用いられている。また、前記LDモジュールに組み込まれる光ファイバの構造に関わる技術としては、特開平12-121886号公報記載の構造がある。即ち、００１７段には「フェルール１２は、光ファイバ１０素線を内設し固定しているジルコニア部材（図示せず）と、光ファイバ被覆１１を固定している金属部材とから構成されている。」とあり、また００１８段には「フェルール１２の先端に露出した光ファイバ１０先端は、〜斜めに加工（図示せず）されている。」とある。
【０００３】
図１３に従来のLDモジュールの構造例を示す。
LDモジュール５０は、LDチップ４１と第１レンズであるコリメートレンズ４２を一つのペルチェ素子付き基板４３に搭載し、LDチップ４１とコリメートレンズ４２の光軸調整によりコリメート光とし、またコリメートレンズ４２でLDのケース４４を封止し、不活性ガス注入により気密封止した後、LDケース４４にアイソレータ４５と焦光レンズ４６を光軸に配置し、焦光レンズ４６の焦光点へ、光ファイバ付きフェルール４７の端面を光軸方向の前後の移動と回転により光学的結合効率が最大の位置でケース４８のアダプタ４９へYAGレーザ溶接等により固定して製造していた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術には以下の問題点がある。
すなわち、前記LDモジュールにおいて、LDを安定駆動させるためには、不活性ガスなどによる気密封止により、LDの出射端面とレンズ面の変質を防止すると同時に、光ファイバ端面、レンズ面や光ファイバ線路からの反射戻り光を低減し、戻り光のLDでの増幅によるS/N比の劣化を極力小さくする必要があった。また上記従来技術では組立調芯工数が多く、光ファイバ付ピグテールタイプLD相互間の光ファイバからの出射パワーのばらつきを小さくし、安定させるため光ファイバ付きフェルールの寸法精度の向上が求められ、価格向上の原因となっていた。特に、フェルールの外径精度とフェルール外径に対するファイバコアの偏芯は、いずれもサブミクロンの精度が要求され、更にファイバへの入射効率を向上させるため、フェルール端面の鏡面研磨を行い、フェルール外周に対してファイバの中心位置を2μm以内に調芯しておく必要があった。またフェルールとファイバは、高分子樹脂接着剤で接着固定しており、組立調芯後アダプタとフェルールをYAG溶接しようとすると、溶接熱による温度上昇の影響によりファイバが移動しやすく、LDからの入射パワーのばらつきが増大する原因となり、歩留が悪くコストアップの要因となっていた。そこでLDモジュール相互間のばらつきが少なく、長期安定性のある製品を低コストで提供するためには、構成部品の精度の向上、調芯作業しやすい部品構造、ファイバ固定や封止等の工程中に発生する熱によるファイバの移動を防ぐ構造や製造方法にする必要があった。
【０００５】
本発明は、上記従来技術が有する各種問題点を解決するためになされたものであり、LDチップと光ファイバとの調芯作業工数の削減等、組立工数の削減および歩留改善ができ、光ファイバ付きフェルールに代わる安価で高精度の部品の提供ができ、YAG溶接熱によるファイバの移動を防ぐことができ、LDモジュール相互間のばらつきが縮小でき、結合効率の向上、高信頼性および低価格化が可能な金属コート光ファイバ、保護樹脂付き金属コート光ファイバ、スリーブ付き金属コート光ファイバ、および光半導体モジュールの製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
第１の観点として本発明は、レーザーダイオードと光ファイバを光学的に結合させる光半導体モジュールに用いられる金属コート光ファイバの製造方法であって、レーザーダイオード出射光軸面と対向する側の光ファイバ表面の保護被覆層を剥離して裸ファイバを露出させる保護被覆層剥離工程；と、露出した裸ファイバの端部を光軸に対して3°〜10°斜めに劈開により切断して斜め劈開面を設ける斜め切断工程；と、前記露出した裸ファイバの外周に第一層として、第三層のはんだ付け可能低融点金属層より融点の高いクロムまたはチタンの酸化物からなる高融点金属酸化物層を形成する高融点金属酸化物層形成工程；と、前記高融点金属酸化物層の外周に第二層として、第三層のはんだ付け可能低融点金属層より融点の高いクロムまたはチタンからなる高融点金属層を形成する高融点金属層形成工程；と、前記高融点金属層の外周に第三層として、ニッケル、金、ニッケル−金合金、または金系合金からなるはんだ付け可能低融点金属層を形成する；と、により金属コート光ファイバを製造することを特徴とする金属コート光ファイバの製造方法にある。
上記第１観点の金属コート光ファイバの製造方法によれば、上記各種の工程を用いることにより特性のよい金属コート光ファイバを効率良く製造することができる。また本発明により得られた金属コート光ファイバにおいては、第一層の高融点金属酸化物層は、無機物光ファイバとの密着強度向上に寄与し、光ファイバ（石英ガラス）との良好な密着性を得ることができる。また第一層の高融点金属酸化物層および第二層の高融点金属層は、はんだ防蝕層として寄与する。さらに第三層は低温ではんだ付け可能とするための層で、第三層の低融点金属は、第一層および第二層の高融点金属より低融点であるので、低温ではんだ付けが可能となる。このため、金属コート光ファイバと封止用金属スリーブの接着固定、および気密封止や金属コート光ファイバと光ファイバ付きピグテールタイプLDの実装基板に固定する際に使用するはんだとなじみが良く好ましい。また、前記した各層の金属層を設けることで光ファイバ自身の強度にも効果を及ぼす。光ファイバは、その保護被覆を剥離し裸ファイバを露出させると強度が極端に低下するが、金属薄膜層を形成させることにより光ファイバ素線の強度を高めることができる。
また、LD出射光軸面と対向する金属コート光ファイバを光軸に対して3°〜10°斜めに劈開により切断しているので、反射減衰量25dB以上を確保できる。
従って、本観点の製造方法により得られた金属コート光ファイバは、光ファイバ通信の光源に用いられ、LDと光ファイバがレンズおよび光アイソレータ等を介して光学的に空間上で結合される光ファイバ付きピグテールタイプLD用モジュールに搭載する光ファイバとして好適となる。
【０００７】
第２の観点として本発明は、前記斜め切断工程；に続いて、前記斜め劈開面を火炎、電子ビームまたは高パワーレーザにより熱研磨して残留傷を除去する熱研磨工程；を付加したことを特徴とする金属コート光ファイバの製造方法にある。
上記第２観点の製造方法では、火炎、電子ビーム等による熱研磨工程；を付加したことにより斜め劈開面の残留傷を除去することができ、光ファイバの劈開によるカット面の残留傷の成長によるクラック発生を防止することができる。
【０００８】
第３の観点として本発明は、前記高融点金属酸化物層形成工程；に続いて、前記第一層の高融点金属酸化物層と第二層の高融点金属層の境界に、これら高融点金属酸化物と高融点金属の混在層を形成させる混在層形成工程；を付加したことを特徴とする金属コート光ファイバの製造方法にある。
上記第３観点の製造方法では、第一層の高融点金属酸化物層と第二層の高融点金属層の境界に、高融点金属酸化物と高融点金属の混在層を形成させることにより、第一層と第二層の層間の密着強度を高めたはんだ防蝕層が得られる。
【０００９】
第４の観点として本発明は、前記高融点金属層形成工程；に続いて、前記第二層の高融点金属層と第三層の低融点金属層の境界に、これら高融点金属と低融点金属の合金層を形成させる合金層形成工程；を付加した金属コート光ファイバの製造方法にある。
上記第４観点の金属コート光ファイバの製造方法では、第二層の高融点金属層と第三層の低融点金属層の境界に、これら二層の合金層を形成するので、低融点金属層のはんだくわれに起因する高融点金属層のはんだとの密着不良を防止できる。また、第三層低融点金属がはんだにくわれても、合金層とはんだ層間の結合力が強いため、ファイバの鞘抜けは発生せず、ファイバ先端の位置の移動を防止でき、金属コート光ファイバのケースへのYAG溶接後の特性劣化がなくなり歩留改善が可能となる。
【００１０】
第５の観点として本発明は、前記第1〜４の観点の金属コート光ファイバの製造方法の斜め切断工程；または熱研磨工程；に続いて、前記斜め劈開面または熱研磨後の斜め劈開面に紫外線硬化樹脂を塗布・硬化して保護樹脂を形成する保護樹脂形成工程；を付加したことを特徴とする保護樹脂付き金属コート光ファイバの製造方法にある。
上記第５観点の製造方法を用いることにより、必要時まで斜め劈開面を保護樹脂により保護することができる。
【００１１】
第６の観点として本発明は、第５観点の製造方法によって得られた保護樹脂付きの金属コート光ファイバから保護樹脂を除去する保護樹脂除去工程を設けたことを特徴とする金属コート光ファイバの製造方法にある。
上記第６観点のスリーブ付き金属コート光ファイバの製造方法では、保護樹脂除去工程を設けたことにより、保護樹脂を除去して金属コート光ファイバとすることができる。
【００１２】
第７の観点として本発明は、第１、２、３、４、５または６観点の製造方法によって得られた金属コート光ファイバまたは保護樹脂付き金属コート光ファイバを封止用金属スリーブに挿入し、該スリーブと金属コート光ファイバを、はんだによって気密封止することを特徴とするスリーブ付き金属コート光ファイバの製造方法にある。
上記第７観点のスリーブ付き金属コート光ファイバの製造方法では、封止用金属スリーブと金属コート光ファイバを、はんだによって気密封止するので、得られたスリーブ付き金属コート光ファイバは光半導体モジュール用の部品として好ましく用いることができる。前記はんだとしては、通常のはんだでも良いが、高温はんだが好ましい。
【００１３】
第８の観点として本発明は、光ファイバ通信の光源に用いられ、レーザーダイオードと光ファイバがレンズおよび光アイソレータ等を介して光学的に空間上で結合される光半導体モジュールの製造方法であって、
上記第７観点の製造方法によって得られたスリーブ付き金属コート光ファイバの金属コート光ファイバ部を基板にはんだによって直接固定し、また金属コート光ファイバを内設した封止用金属スリーブをケースの一端と高温はんだまたはYAGレーザ溶接によって直接固定し、また保護樹脂付き金属コート光ファイバを使用した場合は、この保護樹脂を最終的に除去することを特徴とする光半導体モジュールの製造方法にある。
上記第８観点の光半導体モジュールの製造方法では、光半導体モジュールの製造に上記スリーブ付き金属コート光ファイバを用い、また、光ファイバ端面側のペルチェ素子付き基板への固定点から離れたLDケース側面の位置に封止用金属スリーブを直接固定することができるので特性の良い光半導体モジュールが得られる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の内容を、図に示す実施の形態により更に詳細に説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。
図１は、本発明の金属コート光ファイバの製造方法の一例を示すチャート図である。図２は、ファイバ劈開面の熱研磨条件と端面形状（ファイバ先端角度５°）を示す電子顕微鏡写真であり、同図（ａ）は先端角度５°劈開後で、熱研磨がないもの、同図（ｂ）は熱研磨として電子ビーム研磨を行ったもの、また同図（ｃ）は熱研磨として火炎熱研磨を行ったものである。図３は、本発明の金属コート光ファイバの製造方法において、スパッタリングによる各種金属層の設け方を示す略図であり、同図（ａ）はその概念図、また同図（ｂ）は得られた各種金属層を示す断面図である。図４は、本発明の製造方法により得られた金属コート光ファイバの一例を示す略図であり、同図（ａ）は正面図、また同図（ｂ）は右側面図、また同図（ｃ）は同図（ａ）のａ−ａ部の断面図である。図５は、本発明の製造方法により得られた保護樹脂付き金属コート光ファイバの一例を示す正面図である。図６は、本発明の製造方法により得られたスリーブ付き光ファイバの一例を示す縦断面図である。図７は、ファイバ先端角度と反射減衰量の関係を示す図表である。図８は、ＬＤ光入射面の反射減衰量を示すチャート図である。図９は、金属膜の材質および膜厚の違いによる密着強度を比較した図表である。図１０は、密着強度のバラツキ（実施例１：高融点酸化物層あり）を示すグラフ図である。図１１は、密着強度のバラツキ（比較例１：高融点酸化物層なし）を示すグラフ図である。また図１２は、本発明の製造方法により得られた光半導体モジュール（光ファイバ付きピグテールタイプLD用モジュール）の構成図である。
【００１５】
これらの図において、１は裸ファイバ、１ｍは金属コート裸ファイバ部、２は保護被覆層、３は光ファイバ素線、４は高融点金属の酸化物層、４’は混合層、５は高融点金属層、５’は合金層、６ははんだ付け可能低融点金属層、７は斜め劈開面（熱研磨斜め劈開面）、１０は金属コート光ファイバ、１０ｊは保護樹脂付き金属コート光ファイバ、１１は封止用金属スリーブ、１２ははんだ封止部、２０はスリーブ付き光ファイバ、２１はLDチップ、２２は焦光レンズ、２３は光アイソレータ、２４は基板（ペルチェ素子付き基板）、２５はケース、２６はアダプター、２７は高温はんだ付け部、３０は光半導体モジュール（光ファイバ付きピグテールタイプLD用モジュール）、ｊは保護樹脂である。
【００１６】
−第１の実施の形態−（金属コート光ファイバの製造方法）
本発明の金属コート光ファイバの製造方法の一例について図１のチャート図を用いて説明する。
金属コート光ファイバの製造工程は、先ずレーザーダイオード出射光軸面と対向する側の光ファイバ表面の保護被覆層を剥離して裸ファイバを露出させる保護被覆層剥離工程ｆ１；と、露出した裸ファイバの端部を光軸に対して3°〜10°斜めに劈開により切断して斜め劈開面を設ける斜め切断工程ｆ２；と、前記露出した裸ファイバの外周に第一層として、第三層のはんだ付け可能低融点金属層より融点の高いクロムの酸化物またはチタンの酸化物からなる高融点金属酸化物層を形成する高融点金属酸化物層形成工程ｆ３；と、前記高融点金属酸化物層の外周に第二層として、第三層のはんだ付け可能低融点金属層より融点の高いクロムまたはチタンからなる高融点金属層を形成する高融点金属層形成工程ｆ４；と、前記高融点金属層の外周に第三層として、ニッケル、金、ニッケル−金合金、または金系合金からなるはんだ付け可能低融点金属層を形成する低融点金属層形成工程ｆ５；と、により金属コート光ファイバを製造する。
前記斜め切断工程ｆ２；に続いて、前記斜め劈開面を火炎または電子ビームまたは高パワーレーザにより熱研磨して残留傷を除去し、熱研磨斜め劈開面とする熱研磨工程ｇ１；を付加してもよい。
また前記斜め切断工程ｆ２；または熱研磨工程ｇ１；に続いて、前記斜め劈開面または熱研磨斜め劈開面に紫外線硬化樹脂を塗布・硬化して保護樹脂を形成する保護樹脂形成工程ｇ２；を付加してもよい。
また前記第一層の高融点金属酸化物層と第二層の高融点金属層の境界に、これら高融点金属酸化物と高融点金属の混在層を形成させる混在層形成工程ｇ３；を付加してもよい。
また前記第二層の高融点金属層と第三層の低融点金属層の境界に、これら高融点金属と低融点金属の合金層を形成させる合金層形成工程ｇ4；を付加してもよい。
更に保護樹脂形成工程ｇ２の際に前記斜め劈開面または熱研磨斜め劈開面に形成された保護樹脂は、斜め劈開面を保護する必要が無くなった時点等で保護樹脂除去工程ｇ５；により除去することができる。
【００１７】
−第２の実施の形態−（金属コート光ファイバの製造方法具体例）
金属コート光ファイバの製造方法の具体例について図２、図3を用いて説明する。先ず、光ファイバ素線３を用い、LD出射光軸面と対向する側の光ファイバ表面の保護被覆層２を剥離して裸ファイバ１部を露出させた。
次に、前記裸ファイバ露出部分のLD出射光軸面と対向する先端部分の裸ファイバ１表面をダイヤモンドカッターにより傷を付け、光軸に対して3°〜10°斜めに劈開により切断して裸ファイバ２の端部に鏡面の斜め劈開面７を得た。より詳しく説明すると、ファイバ（裸ファイバ１）に劈開面７を得る切断方法として、ファイバの長手方向に張力を加え、ファイバにねじりを加えた後、ファイバ表面へダイヤモンドカッターの刃先を入れることにより、先端に角度がついた鏡面の劈開面を得たものである。なお、ファイバ先端の角度調整は、ファイバのねじり角度を調整することにより任意の先端角度が得られる。そして、斜め劈開面７をLD光の入射面とすることにより、LDから発振したレーザ光を安定して入射でき、今までの研磨剤によるファイバ先端の形成方法よりも加工工数が削減でき、部品のコストダウンが可能になる。
次に、前記斜め劈開面７のエッジ部を火炎または電子ビームまたは高パワーレーザなどにより熱研磨を施し、ファイバ端面の傷を除去した。この熱研磨を施す理由は、ダイヤモンドカッターにより付けた傷は劈開後にも端面のエッジに残り、この傷からクラックが成長する恐れがあり、そこで、ファイバ端面の熱研磨をすればこの傷の除去は可能であり、長期信頼性が得られるためである。
図２に熱研磨前後のファイバ先端劈開面の電子顕微鏡写真を示す。同図（a）はファイバ先端角度5°の熱研磨前、同図（ｂ）は電子ビームによる熱研磨後、また同図（ｃ）は火炎による熱研磨後の端面形状の変化を示しているが、これらの写真から、熱研磨することによって劈開時のエッジの傷がきれいに除去されることが分かる。
次に、前記熱研磨した状態で裸ファイバ１の側面のみに第一層の高融点金属の酸化物層４、第二層の高融点金属層５、第三層の低融点金属層６、（場合によっては混在層４’、および合金層５’）を形成させるが、この際裸ファイバ１の先端の斜め劈開面７にこれらの金属薄膜層を形成させないために、この部分にあらかじめ紫外線硬化樹脂を塗布・硬化して保護樹脂ｊを形成した。
次に、前記露出した裸ファイバ１の外周に第一層として高融点金属の酸化物層４をスパッタリングにより形成した。この酸化物層４としては、酸化クロム（ＣｒＯ2）を使用した。次に、前記酸化物層４の外周に第二層として高融点金属層５をスパッタリングにより形成した。この高融点金属層５としては、クロム（Ｃｒ）を使用した。
次に、前記高融点金属層５の外周に第三層としてはんだ付け可能低融点金属層６をスパッタリングにより形成した。この低融点金属層６としては、低温ではんだ付け可能な金（Ａｕ）を使用した。
前記各スパッタリングは、図３（a）の概念図に示すように、酸化クロム、クロム、金を順次所定時間，所定量スパッタリングすることにより、前記酸化物層４と高融点金属層５の境界にはこれらの金属の混合層４’が形成され、また、前記高融点金属層５と低融点金属層６の境界にはこれらの金属の合金層５’が形成されるものである。なお、スパッタリングの代わりに電気めっきを使用して前記各金属層を形成することもできる。
以上により図５に示す保護樹脂付き金属コート光ファイバ１０ｊが得られる。また、前記保護樹脂付き金属コート光ファイバ１０ｊより保護樹脂ｊを除去することにより図４に示す金属コート光ファイバ１０が製造できる。
【００１８】
本発明の製造方法により得られた金属コート光ファイバ１０では、光ファイバの保護被覆２を除去した裸ファイバ１の外周面に、第三層の低融点金属６より高融点の金属酸化物層４として酸化クロムまたは酸化チタンの第一層を形成して裸ファイバ１表面と金属酸化物層４の結合力を強固にした後、第二層としてクロムまたはチタンの高融点金属層５を形成してある。更に第一層と第二層の境界には、高融点金属酸化物４と高融点金属５の混在層４’を形成することにより、両層間の結合力を高めることができ、これによりはんだくわれを防ぐ。さらに第三層としてはんだ濡れ性が良好で第一層および第二層の高融点金属より低融点のニッケル、金、ニッケル−金合金、または金系合金のはんだ付け可能低融点金属層６が形成される。さらに第二層と第三層の境界には、両層の金属が混在する合金層５’を形成することにより、光半導体モジュールの製造時等に、第三層の低融点金属６がはんだにくわれても、合金層５’と低融点金属層６間の結合力が強いため、ファイバの鞘抜けは発生せず、ファイバ先端の位置の移動を防止でき、はんだ付けまたは溶接後の特性劣化が無くなり歩留改善が可能となる。
また、表面に形成する前記各種の金属層は、高温はんだにより光ファイバを、光ファイバ付きピグテールタイプLDの実装基板への固定および封止を可能にするためと、裸ファイバの強度向上のために形成するものである。なお、裸ファイバに1μm以下の単一金属層を形成した場合は、はんだ溶接中に金属層がはんだにくわれてしまい、ファイバとはんだが界面で接触するため、界面での結合力が弱く鞘抜け状態になりやすく、ファイバ先端が移動しやすくなる。
【００１９】
―光ファイバ先端の最適角度の設定についてー
図７に、光軸に対する光ファイバ先端の傾斜面の角度（光ファイバ先端角度）と、光ファイバにレーザー光を入射したときの反射減衰量の表を示す。なお、光ファイバ先端の最適角度の設定には、反射減衰量と劈開による端面への傷の発生を考慮しなければならず、例えばギガビットオーダーの伝送システムでは、反射減衰量を50dB以上にする必要がある。
【００２０】
図８にLD光入射面の反射減衰量のチャート図を示す。同図（ａ）は、LDへの反射戻り光によって発生する150Mbpsのシグナル上に生じるノイズの状態を示した図である。反射減衰量が35dBでは、いずれもギガヘルツオーダーのノイズを発生する。また図（ｂ）は、反射減衰量を50dB以上にしたときの同一のシグナルのノイズ発生状態を示し、ギガヘルツオーダーのノイズは消滅する。またアイソレータを中間に挿入する場合は、ファイバからの戻り光がアイソレータを通過して戻る反射減衰量が40dB以上確保できれば、同図（ｃ）に示すようなノイズの小さいパルスが得られ、このときの組み合わせ反射減衰量は55dBとなる。またアイソレータの性能を25dBとすれば、ファイバからの反射減衰量は25dB以上確保できればよいことになる。従って、図７よりファイバ先端の適切な角度は3°以上となる。なお、先端の角度が10°より大きくなれば切断により光ファイバ端面にダイヤモンドカッターの刃先による傷を中心に放射状の傷（ハックル）が付いてしまい鏡面状態が得られにくいと同時に、調芯による光ファイバへの入射効率のばらつきが大きくなる。したがって、3°〜10°の範囲が最適角度として設定される。このカット角度範囲では、ファイバの側面の一端に傷を付け劈開させることにより簡単にカット端面の鏡面状態が得られるので、従来のような光ファイバ素線のフェルール挿入・接着・端面研磨といった工程を削減できる。
【００２１】
−第３の実施の形態−（金属膜の材質および膜厚の違いによる密着強度比較の実施例）（比較例付き）
図９は、金属膜の材質および膜厚の違いによる密着強度を比較した表であり、光ファイバ（裸ファイバ）の外周に実施例１、比較例１〜３の異なる金属材質および膜厚で金属層をスパッタリングにより設けたときの密着強度を比較したものである。なお密着強度は、高温はんだを用いて実施例１、比較例１〜３の金属コート光ファイバを配線パターンにはんだ付け後、密着強度（N）を測定したものである。また、図１０に実施例1の金属コート光ファイバの密着強度分布を示す。また、図１１に比較例１の金属コート光ファイバの密着強度分布のグラフを示す。
これらの図表およびグラフ図より、良い密着強度を安定して得られる条件は実施例1の金属膜の材質および膜厚であるといえる。更に比較結果を示すと次のようになる。
実施例１：第1層の酸化クロム層のため平均24.5Nの強度が安定して得られた。
比較例１：酸化クロム層が無いため密着強度にばらつきが生じた。
比較例２：比較例１より若干劣る。
比較例３：ファイバの鞘抜けが生じた。
【００２２】
−第４の実施の形態−（スリーブ付き光ファイバの製造方法）
本発明のスリーブ付き光ファイバの製造方法の一例について、図６を用いて説明する。
上記実施例１により得られた金属コート光ファイバ１０を封止用金属スリーブ１１に挿入し、スリーブの端部において高温はんだを用いて封止し、はんだ封止部１２を設けてスリーブ付き光ファイバ２０を製造した。このスリーブ付き光ファイバは光半導体モジュールに好ましく用いることができる。
通常、光ファイバ外径に対するコア偏芯は0.2μm程度であり、例えば金属層を1μmの肉厚で設けてもコア偏芯は0.5μm以内に収まるので、光ファイバ単体のコア偏芯は保たれ、光軸調芯が短時間で済み、コストダウンが可能になる。なお、従来用いられていた光ファイバ付きフェルールは複合された部品で、ファイバとフェルールの偏芯によりコア偏芯は大きくなってしまうので、高精度な高価なフェルールを必要とする。
【００２３】
−第５の実施の形態−（光半導体モジュールの製造方法）
本発明の光半導体モジュール（光ファイバ付きピグテールタイプLD用モジュール）製造方法について、図１２を用いて説明する。
本発明の光半導体モジュール３０では、LDチップ２１と、このLDチップ２１と光学的に結合され、レーザ光を内部伝送する金属コート光ファイバ１０と、LDチップ２１を搭載する基板（ペルチェ素子付き基板）２４と、この基板２４にLDチップ２１と一緒に搭載される図６に示すスリーブ付き光ファイバ２０のはんだ封止部１２で封止され、金属スリーブ１１に挿入されている金属コート光ファイバ１０とを光学的に結合させる焦光レンズ２２と、このレンズ２２と金属コート光ファイバ１０間に設置された光アイソレータ２３と、基板２４を収納するケース２５とで構成されている。
光半導体モジュールの製造においては、ケース２５壁面に設置されたアダプター２６に金属スリーブ１１を溶接した。またLDチップ２１の出射光軸面と対向する金属コート光ファイバ１０の先端部分の金属コート裸ファイバ部は光学的結合率が最大となる位置で調芯し、高温はんだを用い、基板２４に高温はんだ付け部２７で直接固定した。また、封止用金属スリーブ１１は、金属コート光ファイバ１０の基板２４への高温はんだ付け部２７から離れたファイバの位置に設けた。更に、LD側のスリーブ端面と金属層を設けたファイバ表面間を高温はんだで固定した。前記高温はんだとしては、金−２０％錫、または１０％錫−９０％鉛はんだを用いた。
その結果、封止用金属スリーブ１１と前記ケース２５壁面に設置されたアダプター２６間の溶接中に発生する熱によりファイバの固定位置がずれることが無く、調芯時と同一の特性が得られ、ピグテールタイプLD相互間のばらつきが少なくなり、歩留が改善できた。
更に詳しく説明すると、LDチップ２１の出射光軸面と対向する金属コート光ファイバ１０の先端部分は裸ファイバ１表面に各種金属層を形成してあるので、光学的結合率が最大となる位置で調芯し、ペルチェ素子付き基板２４に高温はんだで直接固定することができた。この結果、高温はんだ付け部２７より離れたファイバの位置に封止用金属スリーブ１１を設けられるので、LDチップ２１側スリーブ端面と金属層を設けたファイバ表面間を高温はんだにより固定することにより、金属スリーブ１１とケース２５壁面に設置されたアダプター２６間の溶接中に発生する熱によりファイバの固定位置がずれることなく、調芯時と同一の特性が得られ、ピグテールタイプLD相互間のばらつきが少なくなり、歩留が改善できた。また、光ファイバ外径に対するコア偏芯は0.2μm程度であり、金属層を1μmの肉厚で設けてもコア偏芯は0.5μm以下に収まるので、光軸調芯が短時間ですみ、コストダウンが可能となった。なお、裸ファイバに1μm以下の単一金属層を形成した場合、はんだ接合時に金属層がはんだにくわれてしまい、ファイバとはんだが界面で接触するため、界面での結合力が弱く鞘抜け状態になりやすく、ファイバ先端位置が移動しやすくなる。
上記実施形態においては、LDと光ファイバとの光学的結合をレンズと光アイソレータで行う光ファイバ付きピグテールタイプLDの製造方法において、光ファイバには本発明の金属コート光ファイバを使用した例を説明したが、金属コート光ファイバの使用形態はこれに限らない。すなわち、半導体素子としてLDとフォトダイオードの両方を備えている光ファイバ付きピグテールタイプLDや、レンズの数の異なる結合光学系の製造方法でも、上記実施形態と同様の製造方法を適用することが出来るので、これらの場合も同様の効果を得ることが出来る。
【００２４】
【発明の効果】
本発明の製造方法によれば、LDと光ファイバを光学的に結合させるLDモジュールにおいて、LD出射光軸面と対向する側の光ファイバ表面の保護被覆層を剥離すると共に該裸ファイバ外周面接触層として第一層の高融点金属の酸化物層を形成し、第二層として高融点金属層を形成した後、第三層としてはんだ付け可能低融点金属を形成することにより、光ファイバ素線の強度を高めることができ、密着性に優れ、はんだ付け可能となる効果があった。前記第一層および第二層の高融点金属としては、第三層のはんだ付け金属層より融点の高いクロムまたはチタンを使用しているので、第一層の高融点金属酸化物層は無機物光ファイバと密着強度を向上させ、第二層の高融点金属層ははんだ防蝕層としての効果があった。
また、前記第一層の高融点金属酸化物層および第二層の高融点金属層において、第一層と第二層の境界は高融点金属酸化物と高融点金属を混在させることでこれら二層間の密着強度を高めることができるようになった。また、前記第三層の低融点金属としては、第一層および第二層の高融点金属より低融点であるニッケル、金等を用いることにより、低温ではんだ付け可能となった。
また、前記第三層の低融点金属層と第二層の高融点金属層の境界は、これら二層の合金層を形成することにより、第三層の低融点金属層のはんだくわれによる第二層の高融点金属層のはんだとの密着不良を防止する効果があった。
従って、上記各種の金属層を形成することにより、はんだ付け中に金属層がはんだにくわれてファイバとはんだが界面で接触することによる、鞘抜け現象の発生を防止することができるようになった。
また、前記光ファイバにおいて、LD出射光軸面と対向する金属コート光ファイバを光軸に対し3°〜10°斜めに劈開させ切断することにより、LDから発振したレーザ光が、光ファイバ先端からの反射戻り光を、アイソレータを含めて50dB以上に減衰させれば、ノイズの発生を防止すると共に効率よくレーザ光を入射させることができるようになった。また、先端の劈開による斜め切断のみで端面の鏡面状態を得ることが可能で、良好な反射減衰量を達成できるので、従来のような光ファイバ素線のフェルール挿入・接着・端面研磨による先端形成が不要であり、加工工数が削減でき、部品のコストダウンが可能となった。
また、前記光ファイバの劈開によるカット面の残留傷を、熱研磨、例えば火炎、電子ビームなどによって除去することにより、残留傷の成長によるクラック発生を防止でき、長期信頼性のあるLDモジュールが得られるようになった。。
また、LDモジュールにおいて、光ファイバ端面側のペルチェ素子付き基板への固定点から離れたLDケースの位置に封止用金属スリーブを溶接固定することができ、更に金属コート光ファイバと封止用金属スリーブは、LD側スリーブ端面と金属層を設けたファイバ表面間を高温はんだによって気密封止することが出来るようになった。
そのため、LDモジュールの製造方法において、これに搭載する光ファイバには前記金属コート光ファイバを用いることにより、装置全体の加工工数および部品点数を低減することができ、これによりLDモジュールの低コスト化と信頼性の向上を達成できるようになった。従って、本発明は産業上に寄与する効果が極めて大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の金属コート光ファイバの製造方法の一例を示すチャート図である。
【図２】ファイバ劈開面の熱研磨条件と端面形状（ファイバ先端角度５°）を示す電子顕微鏡写真であり、同図（ａ）は先端角度５°劈開後で、熱研磨がないもの、同図（ｂ）は熱研磨として電子ビーム研磨を行ったもの、また同図（ｃ）は熱研磨として火炎熱研磨を行ったものである。
【図３】本発明の金属コート光ファイバの製造方法において、スパッタリングによる各種金属層の設け方を示す略図であり、同図（ａ）はその概念図、また同図（ｂ）は得られた各種金属層の断面図である。
【図４】本発明の製造方法により得られた金属コート光ファイバの一例を示す略図であり、同図（ａ）は正面図、また同図（ｂ）は右側面図、また同図（ｃ）は同図（ａ）のａ−ａ部の断面図である。
【図５】本発明の製造方法により得られた保護樹脂付き金属コート光ファイバの一例を示す正面図である。
【図６】本発明の製造方法により得られたスリーブ付き金属コート光ファイバの一例を示す縦断面図である。
【図７】ファイバ先端角度と反射減衰量の関係を示す図表である。
【図８】ＬＤ光入射面の反射減衰量を示すチャート図である。
【図９】金属膜の材質および膜厚の違いによる密着強度を比較した図表である。
【図１０】密着強度のバラツキ（実施例１：高融点酸化物層あり）を示すグラフ図である。
【図１１】密着強度のバラツキ（比較例１：高融点酸化物層なし）を示すグラフ図である。
【図１２】本発明の製造方法により得られた光半導体モジュール（光ファイバ付きピグテールタイプLD用モジュール）の構成図である。
【図１３】従来の製造方法により得られたLDモジュールの構造例である。
【符号の説明】
１ 裸ファイバ
１ｍ 金属コート裸ファイバ部
２ 保護被覆層
３ 光ファイバ素線
４ 高融点金属の酸化物層
４’ 混合層
５ 高融点金属層
５’ 合金層
６ はんだ付け可能低融点金属層
７ 斜め劈開面
１０ 金属コート光ファイバ
１０ｊ 保護樹脂付き金属コート光ファイバ
１１ 封止用金属スリーブ
１２ はんだ封止部
２０ スリーブ付き光ファイバ
２１ LDチップ
２２ 焦光レンズ
２３ 光アイソレータ
２４ 基板（ペルチェ素子付き基板）
２５ ケース
２６ アダプター
２７ 高温はんだ付け部
３０ 光半導体モジュール（LDモジュール、光ファイバ付きピグテールタイプLD用モジュール）
ｊ 保護樹脂
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属コート光ファイバ、スリーブ付き光ファイバ、および光半導体モジュールの製造方法に関する。更に詳しくは、光ファイバの裸ファイバ部に金属被覆が施された金属コート光ファイバ、光ファイバの斜め劈開面に保護樹脂が設けられた保護樹脂付き金属コート光ファイバ、スリーブ付き金属コート光ファイバ、および光半導体モジュールの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光半導体モジュールとしては、レーザーダイオード(以下、LDと略記する)と光ファイバを光学的に結合させる光ファイバ付きピグテールタイプLDモジュール(以下、LDモジュールと略記する)がある。前記LDモジュールは、LDと光ファイバの光学的結合をレンズとアイソレータを介して行うものであり、光ファイバ通信の信号光源や光増幅器光源などに用いられている。また、前記LDモジュールに組み込まれる光ファイバの構造に関わる技術としては、特開平12-121886号公報記載の構造がある。即ち、００１７段には「フェルール１２は、光ファイバ１０素線を内設し固定しているジルコニア部材（図示せず）と、光ファイバ被覆１１を固定している金属部材とから構成されている。」とあり、また００１８段には「フェルール１２の先端に露出した光ファイバ１０先端は、〜斜めに加工（図示せず）されている。」とある。
【０００３】
図１３に従来のLDモジュールの構造例を示す。
LDモジュール５０は、LDチップ４１と第１レンズであるコリメートレンズ４２を一つのペルチェ素子付き基板４３に搭載し、LDチップ４１とコリメートレンズ４２の光軸調整によりコリメート光とし、またコリメートレンズ４２でLDのケース４４を封止し、不活性ガス注入により気密封止した後、LDケース４４にアイソレータ４５と焦光レンズ４６を光軸に配置し、焦光レンズ４６の焦光点へ、光ファイバ付きフェルール４７の端面を光軸方向の前後の移動と回転により光学的結合効率が最大の位置でケース４８のアダプタ４９へYAGレーザ溶接等により固定して製造していた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術には以下の問題点がある。
すなわち、前記LDモジュールにおいて、LDを安定駆動させるためには、不活性ガスなどによる気密封止により、LDの出射端面とレンズ面の変質を防止すると同時に、光ファイバ端面、レンズ面や光ファイバ線路からの反射戻り光を低減し、戻り光のLDでの増幅によるS/N比の劣化を極力小さくする必要があった。また上記従来技術では組立調芯工数が多く、光ファイバ付ピグテールタイプLD相互間の光ファイバからの出射パワーのばらつきを小さくし、安定させるため光ファイバ付きフェルールの寸法精度の向上が求められ、価格向上の原因となっていた。特に、フェルールの外径精度とフェルール外径に対するファイバコアの偏芯は、いずれもサブミクロンの精度が要求され、更にファイバへの入射効率を向上させるため、フェルール端面の鏡面研磨を行い、フェルール外周に対してファイバの中心位置を2μm以内に調芯しておく必要があった。またフェルールとファイバは、高分子樹脂接着剤で接着固定しており、組立調芯後アダプタとフェルールをYAG溶接しようとすると、溶接熱による温度上昇の影響によりファイバが移動しやすく、LDからの入射パワーのばらつきが増大する原因となり、歩留が悪くコストアップの要因となっていた。そこでLDモジュール相互間のばらつきが少なく、長期安定性のある製品を低コストで提供するためには、構成部品の精度の向上、調芯作業しやすい部品構造、ファイバ固定や封止等の工程中に発生する熱によるファイバの移動を防ぐ構造や製造方法にする必要があった。
【０００５】
本発明は、上記従来技術が有する各種問題点を解決するためになされたものであり、LDチップと光ファイバとの調芯作業工数の削減等、組立工数の削減および歩留改善ができ、光ファイバ付きフェルールに代わる安価で高精度の部品の提供ができ、YAG溶接熱によるファイバの移動を防ぐことができ、LDモジュール相互間のばらつきが縮小でき、結合効率の向上、高信頼性および低価格化が可能な金属コート光ファイバ、保護樹脂付き金属コート光ファイバ、スリーブ付き金属コート光ファイバ、および光半導体モジュールの製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
第１の観点として本発明は、レーザーダイオードと光ファイバを光学的に結合させる光半導体モジュールに用いられる金属コート光ファイバの製造方法であって、レーザーダイオード出射光軸面と対向する側の光ファイバ表面の保護被覆層を剥離して裸ファイバを露出させる保護被覆層剥離工程；と、露出した裸ファイバの端部を光軸に対して3°〜10°斜めに劈開により切断して斜め劈開面を設ける斜め切断工程；と、前記露出した裸ファイバの外周に第一層として、第三層のはんだ付け可能低融点金属層より融点の高いクロムまたはチタンの酸化物からなる高融点金属酸化物層を形成する高融点金属酸化物層形成工程；と、前記高融点金属酸化物層の外周に第二層として、第三層のはんだ付け可能低融点金属層より融点の高いクロムまたはチタンからなる高融点金属層を形成する高融点金属層形成工程；と、前記高融点金属層の外周に第三層として、ニッケル、金、ニッケル−金合金、または金系合金からなるはんだ付け可能低融点金属層を形成する；と、により金属コート光ファイバを製造することを特徴とする金属コート光ファイバの製造方法にある。
上記第１観点の金属コート光ファイバの製造方法によれば、上記各種の工程を用いることにより特性のよい金属コート光ファイバを効率良く製造することができる。また本発明により得られた金属コート光ファイバにおいては、第一層の高融点金属酸化物層は、無機物光ファイバとの密着強度向上に寄与し、光ファイバ（石英ガラス）との良好な密着性を得ることができる。また第一層の高融点金属酸化物層および第二層の高融点金属層は、はんだ防蝕層として寄与する。さらに第三層は低温ではんだ付け可能とするための層で、第三層の低融点金属は、第一層および第二層の高融点金属より低融点であるので、低温ではんだ付けが可能となる。このため、金属コート光ファイバと封止用金属スリーブの接着固定、および気密封止や金属コート光ファイバと光ファイバ付きピグテールタイプLDの実装基板に固定する際に使用するはんだとなじみが良く好ましい。また、前記した各層の金属層を設けることで光ファイバ自身の強度にも効果を及ぼす。光ファイバは、その保護被覆を剥離し裸ファイバを露出させると強度が極端に低下するが、金属薄膜層を形成させることにより光ファイバ素線の強度を高めることができる。
また、LD出射光軸面と対向する金属コート光ファイバを光軸に対して3°〜10°斜めに劈開により切断しているので、反射減衰量25dB以上を確保できる。
従って、本観点の製造方法により得られた金属コート光ファイバは、光ファイバ通信の光源に用いられ、LDと光ファイバがレンズおよび光アイソレータ等を介して光学的に空間上で結合される光ファイバ付きピグテールタイプLD用モジュールに搭載する光ファイバとして好適となる。
【０００７】
第２の観点として本発明は、前記斜め切断工程；に続いて、前記斜め劈開面を火炎、電子ビームまたは高パワーレーザにより熱研磨して残留傷を除去する熱研磨工程；を付加したことを特徴とする金属コート光ファイバの製造方法にある。
上記第２観点の製造方法では、火炎、電子ビーム等による熱研磨工程；を付加したことにより斜め劈開面の残留傷を除去することができ、光ファイバの劈開によるカット面の残留傷の成長によるクラック発生を防止することができる。
【０００８】
第３の観点として本発明は、前記高融点金属酸化物層形成工程；に続いて、前記第一層の高融点金属酸化物層と第二層の高融点金属層の境界に、これら高融点金属酸化物と高融点金属の混在層を形成させる混在層形成工程；を付加したことを特徴とする金属コート光ファイバの製造方法にある。
上記第３観点の製造方法では、第一層の高融点金属酸化物層と第二層の高融点金属層の境界に、高融点金属酸化物と高融点金属の混在層を形成させることにより、第一層と第二層の層間の密着強度を高めたはんだ防蝕層が得られる。
【０００９】
第４の観点として本発明は、前記高融点金属層形成工程；に続いて、前記第二層の高融点金属層と第三層の低融点金属層の境界に、これら高融点金属と低融点金属の合金層を形成させる合金層形成工程；を付加した金属コート光ファイバの製造方法にある。
上記第４観点の金属コート光ファイバの製造方法では、第二層の高融点金属層と第三層の低融点金属層の境界に、これら二層の合金層を形成するので、低融点金属層のはんだくわれに起因する高融点金属層のはんだとの密着不良を防止できる。また、第三層低融点金属がはんだにくわれても、合金層とはんだ層間の結合力が強いため、ファイバの鞘抜けは発生せず、ファイバ先端の位置の移動を防止でき、金属コート光ファイバのケースへのYAG溶接後の特性劣化がなくなり歩留改善が可能となる。
【００１０】
第５の観点として本発明は、前記第1〜４の観点の金属コート光ファイバの製造方法の斜め切断工程；または熱研磨工程；に続いて、前記斜め劈開面または熱研磨後の斜め劈開面に紫外線硬化樹脂を塗布・硬化して保護樹脂を形成する保護樹脂形成工程；を付加したことを特徴とする保護樹脂付き金属コート光ファイバの製造方法にある。
上記第５観点の製造方法を用いることにより、必要時まで斜め劈開面を保護樹脂により保護することができる。
【００１１】
第６の観点として本発明は、第５観点の製造方法によって得られた保護樹脂付きの金属コート光ファイバから保護樹脂を除去する保護樹脂除去工程を設けたことを特徴とする金属コート光ファイバの製造方法にある。
上記第６観点のスリーブ付き金属コート光ファイバの製造方法では、保護樹脂除去工程を設けたことにより、保護樹脂を除去して金属コート光ファイバとすることができる。
【００１２】
第７の観点として本発明は、第１、２、３、４、５または６観点の製造方法によって得られた金属コート光ファイバまたは保護樹脂付き金属コート光ファイバを封止用金属スリーブに挿入し、該スリーブと金属コート光ファイバを、はんだによって気密封止することを特徴とするスリーブ付き金属コート光ファイバの製造方法にある。
上記第７観点のスリーブ付き金属コート光ファイバの製造方法では、封止用金属スリーブと金属コート光ファイバを、はんだによって気密封止するので、得られたスリーブ付き金属コート光ファイバは光半導体モジュール用の部品として好ましく用いることができる。前記はんだとしては、通常のはんだでも良いが、高温はんだが好ましい。
【００１３】
第８の観点として本発明は、光ファイバ通信の光源に用いられ、レーザーダイオードと光ファイバがレンズおよび光アイソレータ等を介して光学的に空間上で結合される光半導体モジュールの製造方法であって、
上記第７観点の製造方法によって得られたスリーブ付き金属コート光ファイバの金属コート光ファイバ部を基板にはんだによって直接固定し、また金属コート光ファイバを内設した封止用金属スリーブをケースの一端と高温はんだまたはYAGレーザ溶接によって直接固定し、また保護樹脂付き金属コート光ファイバを使用した場合は、この保護樹脂を最終的に除去することを特徴とする光半導体モジュールの製造方法にある。
上記第８観点の光半導体モジュールの製造方法では、光半導体モジュールの製造に上記スリーブ付き金属コート光ファイバを用い、また、光ファイバ端面側のペルチェ素子付き基板への固定点から離れたLDケース側面の位置に封止用金属スリーブを直接固定することができるので特性の良い光半導体モジュールが得られる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の内容を、図に示す実施の形態により更に詳細に説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。
図１は、本発明の金属コート光ファイバの製造方法の一例を示すチャート図である。図２は、ファイバ劈開面の熱研磨条件と端面形状（ファイバ先端角度５°）を示す電子顕微鏡写真であり、同図（ａ）は先端角度５°劈開後で、熱研磨がないもの、同図（ｂ）は熱研磨として電子ビーム研磨を行ったもの、また同図（ｃ）は熱研磨として火炎熱研磨を行ったものである。図３は、本発明の金属コート光ファイバの製造方法において、スパッタリングによる各種金属層の設け方を示す略図であり、同図（ａ）はその概念図、また同図（ｂ）は得られた各種金属層を示す断面図である。図４は、本発明の製造方法により得られた金属コート光ファイバの一例を示す略図であり、同図（ａ）は正面図、また同図（ｂ）は右側面図、また同図（ｃ）は同図（ａ）のａ−ａ部の断面図である。図５は、本発明の製造方法により得られた保護樹脂付き金属コート光ファイバの一例を示す正面図である。図６は、本発明の製造方法により得られたスリーブ付き光ファイバの一例を示す縦断面図である。図７は、ファイバ先端角度と反射減衰量の関係を示す図表である。図８は、ＬＤ光入射面の反射減衰量を示すチャート図である。図９は、金属膜の材質および膜厚の違いによる密着強度を比較した図表である。図１０は、密着強度のバラツキ（実施例１：高融点酸化物層あり）を示すグラフ図である。図１１は、密着強度のバラツキ（比較例１：高融点酸化物層なし）を示すグラフ図である。また図１２は、本発明の製造方法により得られた光半導体モジュール（光ファイバ付きピグテールタイプLD用モジュール）の構成図である。
【００１５】
これらの図において、１は裸ファイバ、１ｍは金属コート裸ファイバ部、２は保護被覆層、３は光ファイバ素線、４は高融点金属の酸化物層、４’は混合層、５は高融点金属層、５’は合金層、６ははんだ付け可能低融点金属層、７は斜め劈開面（熱研磨斜め劈開面）、１０は金属コート光ファイバ、１０ｊは保護樹脂付き金属コート光ファイバ、１１は封止用金属スリーブ、１２ははんだ封止部、２０はスリーブ付き光ファイバ、２１はLDチップ、２２は焦光レンズ、２３は光アイソレータ、２４は基板（ペルチェ素子付き基板）、２５はケース、２６はアダプター、２７は高温はんだ付け部、３０は光半導体モジュール（光ファイバ付きピグテールタイプLD用モジュール）、ｊは保護樹脂である。
【００１６】
−第１の実施の形態−（金属コート光ファイバの製造方法）
本発明の金属コート光ファイバの製造方法の一例について図１のチャート図を用いて説明する。
金属コート光ファイバの製造工程は、先ずレーザーダイオード出射光軸面と対向する側の光ファイバ表面の保護被覆層を剥離して裸ファイバを露出させる保護被覆層剥離工程ｆ１；と、露出した裸ファイバの端部を光軸に対して3°〜10°斜めに劈開により切断して斜め劈開面を設ける斜め切断工程ｆ２；と、前記露出した裸ファイバの外周に第一層として、第三層のはんだ付け可能低融点金属層より融点の高いクロムの酸化物またはチタンの酸化物からなる高融点金属酸化物層を形成する高融点金属酸化物層形成工程ｆ３；と、前記高融点金属酸化物層の外周に第二層として、第三層のはんだ付け可能低融点金属層より融点の高いクロムまたはチタンからなる高融点金属層を形成する高融点金属層形成工程ｆ４；と、前記高融点金属層の外周に第三層として、ニッケル、金、ニッケル−金合金、または金系合金からなるはんだ付け可能低融点金属層を形成する低融点金属層形成工程ｆ５；と、により金属コート光ファイバを製造する。
前記斜め切断工程ｆ２；に続いて、前記斜め劈開面を火炎または電子ビームまたは高パワーレーザにより熱研磨して残留傷を除去し、熱研磨斜め劈開面とする熱研磨工程ｇ１；を付加してもよい。
また前記斜め切断工程ｆ２；または熱研磨工程ｇ１；に続いて、前記斜め劈開面または熱研磨斜め劈開面に紫外線硬化樹脂を塗布・硬化して保護樹脂を形成する保護樹脂形成工程ｇ２；を付加してもよい。
また前記第一層の高融点金属酸化物層と第二層の高融点金属層の境界に、これら高融点金属酸化物と高融点金属の混在層を形成させる混在層形成工程ｇ３；を付加してもよい。
また前記第二層の高融点金属層と第三層の低融点金属層の境界に、これら高融点金属と低融点金属の合金層を形成させる合金層形成工程ｇ4；を付加してもよい。
更に保護樹脂形成工程ｇ２の際に前記斜め劈開面または熱研磨斜め劈開面に形成された保護樹脂は、斜め劈開面を保護する必要が無くなった時点等で保護樹脂除去工程ｇ５；により除去することができる。
【００１７】
−第２の実施の形態−（金属コート光ファイバの製造方法具体例）
金属コート光ファイバの製造方法の具体例について図２、図3を用いて説明する。先ず、光ファイバ素線３を用い、LD出射光軸面と対向する側の光ファイバ表面の保護被覆層２を剥離して裸ファイバ１部を露出させた。
次に、前記裸ファイバ露出部分のLD出射光軸面と対向する先端部分の裸ファイバ１表面をダイヤモンドカッターにより傷を付け、光軸に対して3°〜10°斜めに劈開により切断して裸ファイバ２の端部に鏡面の斜め劈開面７を得た。より詳しく説明すると、ファイバ（裸ファイバ１）に劈開面７を得る切断方法として、ファイバの長手方向に張力を加え、ファイバにねじりを加えた後、ファイバ表面へダイヤモンドカッターの刃先を入れることにより、先端に角度がついた鏡面の劈開面を得たものである。なお、ファイバ先端の角度調整は、ファイバのねじり角度を調整することにより任意の先端角度が得られる。そして、斜め劈開面７をLD光の入射面とすることにより、LDから発振したレーザ光を安定して入射でき、今までの研磨剤によるファイバ先端の形成方法よりも加工工数が削減でき、部品のコストダウンが可能になる。
次に、前記斜め劈開面７のエッジ部を火炎または電子ビームまたは高パワーレーザなどにより熱研磨を施し、ファイバ端面の傷を除去した。この熱研磨を施す理由は、ダイヤモンドカッターにより付けた傷は劈開後にも端面のエッジに残り、この傷からクラックが成長する恐れがあり、そこで、ファイバ端面の熱研磨をすればこの傷の除去は可能であり、長期信頼性が得られるためである。
図２に熱研磨前後のファイバ先端劈開面の電子顕微鏡写真を示す。同図（a）はファイバ先端角度5°の熱研磨前、同図（ｂ）は電子ビームによる熱研磨後、また同図（ｃ）は火炎による熱研磨後の端面形状の変化を示しているが、これらの写真から、熱研磨することによって劈開時のエッジの傷がきれいに除去されることが分かる。
次に、前記熱研磨した状態で裸ファイバ１の側面のみに第一層の高融点金属の酸化物層４、第二層の高融点金属層５、第三層の低融点金属層６、（場合によっては混在層４’、および合金層５’）を形成させるが、この際裸ファイバ１の先端の斜め劈開面７にこれらの金属薄膜層を形成させないために、この部分にあらかじめ紫外線硬化樹脂を塗布・硬化して保護樹脂ｊを形成した。
次に、前記露出した裸ファイバ１の外周に第一層として高融点金属の酸化物層４をスパッタリングにより形成した。この酸化物層４としては、酸化クロム（ＣｒＯ2）を使用した。次に、前記酸化物層４の外周に第二層として高融点金属層５をスパッタリングにより形成した。この高融点金属層５としては、クロム（Ｃｒ）を使用した。
次に、前記高融点金属層５の外周に第三層としてはんだ付け可能低融点金属層６をスパッタリングにより形成した。この低融点金属層６としては、低温ではんだ付け可能な金（Ａｕ）を使用した。
前記各スパッタリングは、図３（a）の概念図に示すように、酸化クロム、クロム、金を順次所定時間，所定量スパッタリングすることにより、前記酸化物層４と高融点金属層５の境界にはこれらの金属の混合層４’が形成され、また、前記高融点金属層５と低融点金属層６の境界にはこれらの金属の合金層５’が形成されるものである。なお、スパッタリングの代わりに電気めっきを使用して前記各金属層を形成することもできる。
以上により図５に示す保護樹脂付き金属コート光ファイバ１０ｊが得られる。また、前記保護樹脂付き金属コート光ファイバ１０ｊより保護樹脂ｊを除去することにより図４に示す金属コート光ファイバ１０が製造できる。
【００１８】
本発明の製造方法により得られた金属コート光ファイバ１０では、光ファイバの保護被覆２を除去した裸ファイバ１の外周面に、第三層の低融点金属６より高融点の金属酸化物層４として酸化クロムまたは酸化チタンの第一層を形成して裸ファイバ１表面と金属酸化物層４の結合力を強固にした後、第二層としてクロムまたはチタンの高融点金属層５を形成してある。更に第一層と第二層の境界には、高融点金属酸化物４と高融点金属５の混在層４’を形成することにより、両層間の結合力を高めることができ、これによりはんだくわれを防ぐ。さらに第三層としてはんだ濡れ性が良好で第一層および第二層の高融点金属より低融点のニッケル、金、ニッケル−金合金、または金系合金のはんだ付け可能低融点金属層６が形成される。さらに第二層と第三層の境界には、両層の金属が混在する合金層５’を形成することにより、光半導体モジュールの製造時等に、第三層の低融点金属６がはんだにくわれても、合金層５’と低融点金属層６間の結合力が強いため、ファイバの鞘抜けは発生せず、ファイバ先端の位置の移動を防止でき、はんだ付けまたは溶接後の特性劣化が無くなり歩留改善が可能となる。
また、表面に形成する前記各種の金属層は、高温はんだにより光ファイバを、光ファイバ付きピグテールタイプLDの実装基板への固定および封止を可能にするためと、裸ファイバの強度向上のために形成するものである。なお、裸ファイバに1μm以下の単一金属層を形成した場合は、はんだ溶接中に金属層がはんだにくわれてしまい、ファイバとはんだが界面で接触するため、界面での結合力が弱く鞘抜け状態になりやすく、ファイバ先端が移動しやすくなる。
【００１９】
―光ファイバ先端の最適角度の設定についてー
図７に、光軸に対する光ファイバ先端の傾斜面の角度（光ファイバ先端角度）と、光ファイバにレーザー光を入射したときの反射減衰量の表を示す。なお、光ファイバ先端の最適角度の設定には、反射減衰量と劈開による端面への傷の発生を考慮しなければならず、例えばギガビットオーダーの伝送システムでは、反射減衰量を50dB以上にする必要がある。
【００２０】
図８にLD光入射面の反射減衰量のチャート図を示す。同図（ａ）は、LDへの反射戻り光によって発生する150Mbpsのシグナル上に生じるノイズの状態を示した図である。反射減衰量が35dBでは、いずれもギガヘルツオーダーのノイズを発生する。また図（ｂ）は、反射減衰量を50dB以上にしたときの同一のシグナルのノイズ発生状態を示し、ギガヘルツオーダーのノイズは消滅する。またアイソレータを中間に挿入する場合は、ファイバからの戻り光がアイソレータを通過して戻る反射減衰量が40dB以上確保できれば、同図（ｃ）に示すようなノイズの小さいパルスが得られ、このときの組み合わせ反射減衰量は55dBとなる。またアイソレータの性能を25dBとすれば、ファイバからの反射減衰量は25dB以上確保できればよいことになる。従って、図７よりファイバ先端の適切な角度は3°以上となる。なお、先端の角度が10°より大きくなれば切断により光ファイバ端面にダイヤモンドカッターの刃先による傷を中心に放射状の傷（ハックル）が付いてしまい鏡面状態が得られにくいと同時に、調芯による光ファイバへの入射効率のばらつきが大きくなる。したがって、3°〜10°の範囲が最適角度として設定される。このカット角度範囲では、ファイバの側面の一端に傷を付け劈開させることにより簡単にカット端面の鏡面状態が得られるので、従来のような光ファイバ素線のフェルール挿入・接着・端面研磨といった工程を削減できる。
【００２１】
−第３の実施の形態−（金属膜の材質および膜厚の違いによる密着強度比較の実施例）（比較例付き）
図９は、金属膜の材質および膜厚の違いによる密着強度を比較した表であり、光ファイバ（裸ファイバ）の外周に実施例１、比較例１〜３の異なる金属材質および膜厚で金属層をスパッタリングにより設けたときの密着強度を比較したものである。なお密着強度は、高温はんだを用いて実施例１、比較例１〜３の金属コート光ファイバを配線パターンにはんだ付け後、密着強度（N）を測定したものである。また、図１０に実施例1の金属コート光ファイバの密着強度分布を示す。また、図１１に比較例１の金属コート光ファイバの密着強度分布のグラフを示す。
これらの図表およびグラフ図より、良い密着強度を安定して得られる条件は実施例1の金属膜の材質および膜厚であるといえる。更に比較結果を示すと次のようになる。
実施例１：第1層の酸化クロム層のため平均24.5Nの強度が安定して得られた。
比較例１：酸化クロム層が無いため密着強度にばらつきが生じた。
比較例２：比較例１より若干劣る。
比較例３：ファイバの鞘抜けが生じた。
【００２２】
−第４の実施の形態−（スリーブ付き光ファイバの製造方法）
本発明のスリーブ付き光ファイバの製造方法の一例について、図６を用いて説明する。
上記実施例１により得られた金属コート光ファイバ１０を封止用金属スリーブ１１に挿入し、スリーブの端部において高温はんだを用いて封止し、はんだ封止部１２を設けてスリーブ付き光ファイバ２０を製造した。このスリーブ付き光ファイバは光半導体モジュールに好ましく用いることができる。
通常、光ファイバ外径に対するコア偏芯は0.2μm程度であり、例えば金属層を1μmの肉厚で設けてもコア偏芯は0.5μm以内に収まるので、光ファイバ単体のコア偏芯は保たれ、光軸調芯が短時間で済み、コストダウンが可能になる。なお、従来用いられていた光ファイバ付きフェルールは複合された部品で、ファイバとフェルールの偏芯によりコア偏芯は大きくなってしまうので、高精度な高価なフェルールを必要とする。
【００２３】
−第５の実施の形態−（光半導体モジュールの製造方法）
本発明の光半導体モジュール（光ファイバ付きピグテールタイプLD用モジュール）製造方法について、図１２を用いて説明する。
本発明の光半導体モジュール３０では、LDチップ２１と、このLDチップ２１と光学的に結合され、レーザ光を内部伝送する金属コート光ファイバ１０と、LDチップ２１を搭載する基板（ペルチェ素子付き基板）２４と、この基板２４にLDチップ２１と一緒に搭載される図６に示すスリーブ付き光ファイバ２０のはんだ封止部１２で封止され、金属スリーブ１１に挿入されている金属コート光ファイバ１０とを光学的に結合させる焦光レンズ２２と、このレンズ２２と金属コート光ファイバ１０間に設置された光アイソレータ２３と、基板２４を収納するケース２５とで構成されている。
光半導体モジュールの製造においては、ケース２５壁面に設置されたアダプター２６に金属スリーブ１１を溶接した。またLDチップ２１の出射光軸面と対向する金属コート光ファイバ１０の先端部分の金属コート裸ファイバ部は光学的結合率が最大となる位置で調芯し、高温はんだを用い、基板２４に高温はんだ付け部２７で直接固定した。また、封止用金属スリーブ１１は、金属コート光ファイバ１０の基板２４への高温はんだ付け部２７から離れたファイバの位置に設けた。更に、LD側のスリーブ端面と金属層を設けたファイバ表面間を高温はんだで固定した。前記高温はんだとしては、金−２０％錫、または１０％錫−９０％鉛はんだを用いた。
その結果、封止用金属スリーブ１１と前記ケース２５壁面に設置されたアダプター２６間の溶接中に発生する熱によりファイバの固定位置がずれることが無く、調芯時と同一の特性が得られ、ピグテールタイプLD相互間のばらつきが少なくなり、歩留が改善できた。
更に詳しく説明すると、LDチップ２１の出射光軸面と対向する金属コート光ファイバ１０の先端部分は裸ファイバ１表面に各種金属層を形成してあるので、光学的結合率が最大となる位置で調芯し、ペルチェ素子付き基板２４に高温はんだで直接固定することができた。この結果、高温はんだ付け部２７より離れたファイバの位置に封止用金属スリーブ１１を設けられるので、LDチップ２１側スリーブ端面と金属層を設けたファイバ表面間を高温はんだにより固定することにより、金属スリーブ１１とケース２５壁面に設置されたアダプター２６間の溶接中に発生する熱によりファイバの固定位置がずれることなく、調芯時と同一の特性が得られ、ピグテールタイプLD相互間のばらつきが少なくなり、歩留が改善できた。また、光ファイバ外径に対するコア偏芯は0.2μm程度であり、金属層を1μmの肉厚で設けてもコア偏芯は0.5μm以下に収まるので、光軸調芯が短時間ですみ、コストダウンが可能となった。なお、裸ファイバに1μm以下の単一金属層を形成した場合、はんだ接合時に金属層がはんだにくわれてしまい、ファイバとはんだが界面で接触するため、界面での結合力が弱く鞘抜け状態になりやすく、ファイバ先端位置が移動しやすくなる。
上記実施形態においては、LDと光ファイバとの光学的結合をレンズと光アイソレータで行う光ファイバ付きピグテールタイプLDの製造方法において、光ファイバには本発明の金属コート光ファイバを使用した例を説明したが、金属コート光ファイバの使用形態はこれに限らない。すなわち、半導体素子としてLDとフォトダイオードの両方を備えている光ファイバ付きピグテールタイプLDや、レンズの数の異なる結合光学系の製造方法でも、上記実施形態と同様の製造方法を適用することが出来るので、これらの場合も同様の効果を得ることが出来る。
【００２４】
【発明の効果】
本発明の製造方法によれば、LDと光ファイバを光学的に結合させるLDモジュールにおいて、LD出射光軸面と対向する側の光ファイバ表面の保護被覆層を剥離すると共に該裸ファイバ外周面接触層として第一層の高融点金属の酸化物層を形成し、第二層として高融点金属層を形成した後、第三層としてはんだ付け可能低融点金属を形成することにより、光ファイバ素線の強度を高めることができ、密着性に優れ、はんだ付け可能となる効果があった。前記第一層および第二層の高融点金属としては、第三層のはんだ付け金属層より融点の高いクロムまたはチタンを使用しているので、第一層の高融点金属酸化物層は無機物光ファイバと密着強度を向上させ、第二層の高融点金属層ははんだ防蝕層としての効果があった。
また、前記第一層の高融点金属酸化物層および第二層の高融点金属層において、第一層と第二層の境界は高融点金属酸化物と高融点金属を混在させることでこれら二層間の密着強度を高めることができるようになった。また、前記第三層の低融点金属としては、第一層および第二層の高融点金属より低融点であるニッケル、金等を用いることにより、低温ではんだ付け可能となった。
また、前記第三層の低融点金属層と第二層の高融点金属層の境界は、これら二層の合金層を形成することにより、第三層の低融点金属層のはんだくわれによる第二層の高融点金属層のはんだとの密着不良を防止する効果があった。
従って、上記各種の金属層を形成することにより、はんだ付け中に金属層がはんだにくわれてファイバとはんだが界面で接触することによる、鞘抜け現象の発生を防止することができるようになった。
また、前記光ファイバにおいて、LD出射光軸面と対向する金属コート光ファイバを光軸に対し3°〜10°斜めに劈開させ切断することにより、LDから発振したレーザ光が、光ファイバ先端からの反射戻り光を、アイソレータを含めて50dB以上に減衰させれば、ノイズの発生を防止すると共に効率よくレーザ光を入射させることができるようになった。また、先端の劈開による斜め切断のみで端面の鏡面状態を得ることが可能で、良好な反射減衰量を達成できるので、従来のような光ファイバ素線のフェルール挿入・接着・端面研磨による先端形成が不要であり、加工工数が削減でき、部品のコストダウンが可能となった。
また、前記光ファイバの劈開によるカット面の残留傷を、熱研磨、例えば火炎、電子ビームなどによって除去することにより、残留傷の成長によるクラック発生を防止でき、長期信頼性のあるLDモジュールが得られるようになった。。
また、LDモジュールにおいて、光ファイバ端面側のペルチェ素子付き基板への固定点から離れたLDケースの位置に封止用金属スリーブを溶接固定することができ、更に金属コート光ファイバと封止用金属スリーブは、LD側スリーブ端面と金属層を設けたファイバ表面間を高温はんだによって気密封止することが出来るようになった。
そのため、LDモジュールの製造方法において、これに搭載する光ファイバには前記金属コート光ファイバを用いることにより、装置全体の加工工数および部品点数を低減することができ、これによりLDモジュールの低コスト化と信頼性の向上を達成できるようになった。従って、本発明は産業上に寄与する効果が極めて大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の金属コート光ファイバの製造方法の一例を示すチャート図である。
【図２】ファイバ劈開面の熱研磨条件と端面形状（ファイバ先端角度５°）を示す電子顕微鏡写真であり、同図（ａ）は先端角度５°劈開後で、熱研磨がないもの、同図（ｂ）は熱研磨として電子ビーム研磨を行ったもの、また同図（ｃ）は熱研磨として火炎熱研磨を行ったものである。
【図３】本発明の金属コート光ファイバの製造方法において、スパッタリングによる各種金属層の設け方を示す略図であり、同図（ａ）はその概念図、また同図（ｂ）は得られた各種金属層の断面図である。
【図４】本発明の製造方法により得られた金属コート光ファイバの一例を示す略図であり、同図（ａ）は正面図、また同図（ｂ）は右側面図、また同図（ｃ）は同図（ａ）のａ−ａ部の断面図である。
【図５】本発明の製造方法により得られた保護樹脂付き金属コート光ファイバの一例を示す正面図である。
【図６】本発明の製造方法により得られたスリーブ付き金属コート光ファイバの一例を示す縦断面図である。
【図７】ファイバ先端角度と反射減衰量の関係を示す図表である。
【図８】ＬＤ光入射面の反射減衰量を示すチャート図である。
【図９】金属膜の材質および膜厚の違いによる密着強度を比較した図表である。
【図１０】密着強度のバラツキ（実施例１：高融点酸化物層あり）を示すグラフ図である。
【図１１】密着強度のバラツキ（比較例１：高融点酸化物層なし）を示すグラフ図である。
【図１２】本発明の製造方法により得られた光半導体モジュール（光ファイバ付きピグテールタイプLD用モジュール）の構成図である。
【図１３】従来の製造方法により得られたLDモジュールの構造例である。
【符号の説明】
１ 裸ファイバ
１ｍ 金属コート裸ファイバ部
２ 保護被覆層
３ 光ファイバ素線
４ 高融点金属の酸化物層
４’ 混合層
５ 高融点金属層
５’ 合金層
６ はんだ付け可能低融点金属層
７ 斜め劈開面
１０ 金属コート光ファイバ
１０ｊ 保護樹脂付き金属コート光ファイバ
１１ 封止用金属スリーブ
１２ はんだ封止部
２０ スリーブ付き光ファイバ
２１ LDチップ
２２ 焦光レンズ
２３ 光アイソレータ
２４ 基板（ペルチェ素子付き基板）
２５ ケース
２６ アダプター
２７ 高温はんだ付け部
３０ 光半導体モジュール（LDモジュール、光ファイバ付きピグテールタイプLD用モジュール）
ｊ 保護樹脂
Claims (8)
- レーザーダイオードと光ファイバを光学的に結合させる光半導体モジュールに用いられる金属コート光ファイバの製造方法であって、
レーザーダイオード出射光軸面と対向する側の光ファイバ表面の保護被覆層を剥離して裸ファイバを露出させる保護被覆層剥離工程；と、露出した裸ファイバの端部を光軸に対して3°〜10°斜めに劈開により切断して斜め劈開面を設ける斜め切断工程；と、前記露出した裸ファイバの外周に第一層として、第三層のはんだ付け可能低融点金属層より融点の高いクロムまたはチタンの酸化物からなる高融点金属酸化物層を形成する高融点金属酸化物層形成工程；と、前記高融点金属酸化物層の外周に第二層として、第三層のはんだ付け可能低融点金属層より融点の高いクロムまたはチタンからなる高融点金属層を形成する高融点金属層形成工程；と、前記高融点金属層の外周に第三層として、ニッケル、金、ニッケル−金合金、または金系合金からなるはんだ付け可能低融点金属層を形成する低融点金属層形成工程；と、により金属コート光ファイバを製造することを特徴とする金属コート光ファイバの製造方法。 - 前記斜め切断工程；に続いて、前記斜め劈開面を火炎、電子ビームまたは高パワーレーザにより熱研磨して残留傷を除去する熱研磨工程；を付加したことを特徴とする請求項１記載の金属コート光ファイバの製造方法。
- 前記高融点金属酸化物層形成工程；に続いて、前記第一層の高融点金属酸化物層と第二層の高融点金属層の境界に、これら高融点金属酸化物と高融点金属の混在層を形成させる混在層形成工程；を付加したことを特徴とする請求項１または２記載の金属コート光ファイバの製造方法。
- 前記高融点金属層形成工程；に続いて、前記第二層の高融点金属層と第三層の低融点金属層の境界に、これら高融点金属と低融点金属の合金層を形成させる合金層形成工程；を付加したことを特徴とする請求項１、２または３記載の金属コート光ファイバの製造方法。
- 請求項１〜４記載の金属コート光ファイバの製造方法の斜め切断工程；または熱研磨工程；に続いて、前記斜め劈開面または熱研磨後の斜め劈開面に紫外線硬化樹脂を塗布・硬化して保護樹脂を形成する保護樹脂形成工程；を付加したことを特徴とする保護樹脂付き金属コート光ファイバの製造方法。
- 請求項５記載の製造方法によって得られた保護樹脂付き金属コート光ファイバから保護樹脂を除去する保護樹脂除去工程；を設けたことを特徴とする金属コート光ファイバの製造方法。
- 請求項１、２、３、４、５または６記載の製造方法によって得られた金属コート光ファイバまたは保護樹脂付き金属コート光ファイバを封止用金属スリーブに挿入し、該スリーブと金属コート光ファイバを、はんだによって気密封止することを特徴とするスリーブ付き金属コート光ファイバの製造方法。
- 光ファイバ通信の光源に用いられ、レーザーダイオードと光ファイバがレンズおよび光アイソレータ等を介して光学的に空間上で結合される光半導体モジュールの製造方法であって、
請求項７記載の製造方法によって得られたスリーブ付き金属コート光ファイバの金属コート光ファイバ部を基板にはんだによって直接固定し、また金属コート光ファイバを内設した封止用金属スリーブをケースの一端と高温はんだまたはYAGレーザ溶接によって直接固定し、また保護樹脂付き金属コート光ファイバを使用した場合は、この保護樹脂を最終的に除去することを特徴とする光半導体モジュールの製造方法。
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