JP3911460B2

JP3911460B2 - Optical fiber pigtail, manufacturing method thereof, and optical fiber module

Info

Publication number: JP3911460B2
Application number: JP2002250790A
Authority: JP
Inventors: 浩貴田中
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-05-30
Filing date: 2002-08-29
Publication date: 2007-05-09
Anticipated expiration: 2022-08-29
Also published as: JP2004054198A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信等に使用される光ファイバピグテイルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、図１３に示すように、光ファイバピグテイル９は光パッケージ２６の内部で発光源２５と共に組み込まれ、光ファイバモジュールとして用いられる。例えばレーザダイオードモジュール（以降ＬＤモジュール）２７として形成される。上記光ファイバピグテイル９は光パッケージ２６に組み込まれる際に、光軸合わせをしたのち半田２８にて光パッケージ２６に固定される。
【０００３】
光パッケージ２６の内部は長期稼働中に空中の酸素や湿度により内部の部品が酸化し、それによる通信不良等の不具合を発生させないように、内部空間には金属と反応しない窒素を封入し、酸素や湿度が流入しないように開口部を気密封止している。光ファイバピグテイル９と光パッケージ２６を固定するために半田２８使用するのは気密封止するための最適な方法であるからである。
【０００４】
従来の光ファイバピグテイル９０は図１４に示すように光ファイバの被覆１０から先端が露出した石英ガラスからなる素線５０の表面にクロム、クロム−金合金、金の順で薄膜２０が形成され、その上にニッケル、金の厚膜３０を形成した構造になっており、この厚膜３０の部分を半田２８で接合することを本出願人は提案していた（特開２００１−４２１７２号公報参照）。
【０００５】
このとき、薄膜２０と厚膜３０からなるメタライズ層４０の端部４０ａは、通常、光ファイバの素線５０の側面に対して垂直になるように形成されていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の光ファイバピグテイル９０は、地上系で採用される場合には問題が生じなかったが、光ファイバの普及により海底ケーブルの中継器内で採用されることとなり、万一故障した場合、引き上げ交換する経費が膨大に掛かるために、特に厳しい信頼性を要求される様になった。
【０００７】
そのためにヒートサイクル試験を行った後、薄膜２０及び厚膜３０と素線５０との熱伝導率の差があるために、半田固定後に光ファイバ先端にマイクロクラックが増長し、引っ張り強度が低下するという課題があった。特に、メタライズ層４０の端部４０ａに応力が集中するため強度劣化することが知られている。これは薄膜２０の形成時に１００℃以上、厚膜３０の形成時に８０℃以上まで素線５０が加熱されるため、熱膨張率の小さい素線５０の材料である石英ガラスに対して熱膨張率の大きい薄膜２０や厚膜３０が収縮することにより図１４の矢印方向に応力が発生するものである。
【０００８】
素線５０である石英ガラスの熱膨張係数が０．５×１０^-6／℃であるのに対して、薄膜２０であるクロムの熱膨張係数が４５×１０^-6／℃、厚膜３０であるニッケルの熱膨張係数が１３〜１４×１０^-6／℃とあまりにも大きいことから素線５０の表面のマイクロクラックが増長したものと推測できる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題に鑑み、光パッケージ等に光ファイバの被覆部から先端が露出した石英ガラスからなる光ファイバ素線が組み込まれ、該光ファイバ素線の側面に、半田により固定されるメタライズ層を形成してなる光ファイバピグテイルであって、前記メタライズ層は、前記光ファイバ素線に直付けされるクロム薄膜を含んでなり、前記光ファイバ素線の先端部に達しないように、かつ膜厚が前記光ファイバ素線の先端部になるにしたがって薄くなるように形成された光ファイバピグテイルを提供する。
【００１１】
更に、上記光ファイバピグテイルと、光素子が組み込まれた基板とを有し、該基板に前記光ファイバピグテイルのメタライズ層を前記光素子と結合する位置に接合固定してなる光ファイバーモジュールを提供する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明の第一実施形態を示す光ファイバピグテイル９の側面図である。本発明の実施形態の光ファイバピグテイル９は、光ファイバの被覆部１の先端領域を除去し、石英ガラスからなる光ファイバの素線５先端面６の形状がフラット面を呈し、素線５の先端近傍の側面にメタライズ層４を形成したものであり、メタライズ層４は、薄膜２と厚膜３から構成されている。また、メタライズ層４の端部４ａ付近（以下、領域Ｘとする）はメタライズ層４の膜厚が素線５の先端部になるにしたがって薄くなったテーパー形状となっており、メタライズ層４の薄膜２および厚膜３がテーパー形状となるように調整されている。
【００１３】
ここでテーパー状とはその領域Ｘの範囲が０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下のものを意味し、０．１ｍｍ以下では領域Ｘで応力集中が急増して素線５の引っ張り強度が低下する一方、１ｍｍ以上では領域Ｘで４ａに近い膜厚の薄い側程、密着性が低下して膜剥がれの原因となる。
【００１４】
この薄膜２と厚膜３の材質は、図２の光ファイバの素線５側から順にクロム薄膜３４、クロム−金合金薄膜２１、金薄膜２２の薄膜を形成し、その上に金厚膜２３、ニッケル厚膜２４、金厚膜２３の順で厚膜を形成したものである。
【００１５】
このように光ファイバの素線５から順にクロム薄膜３４、クロム−金合金薄膜２１、金薄膜２２の薄膜としたのは、光ファイバの素線５の熱膨張係数が０．５×１０^-6／℃と小さいため、熱膨張係数が２３×１０^-6／℃と低熱膨張係数であり、石英ガラスと濡れ性がよいクロム薄膜３４素線５に直付けする金属として採用した。又、厚膜形成までに金属膜が酸化されないように、最外周に耐食性、耐熱性に優れ特に空気中及び水中では永久に酸化しない金薄膜２２を用いる必要がある。そのため、熱膨張係数が１１８×１０^-6／℃の金と低熱膨張係数のクロムとの中間的な熱膨張係数でしかも金、クロムともに濡れ性が良い、両金属を溶け合わせたクロム−金合金薄膜２１を中間層として採用した。
【００１６】
上記薄膜３上に厚膜２を形成した理由は、光ファイバピグテイル９を光パッケージに半田固定するときに、薄膜だけであると光ファイバピグテイル９の素線５に形成された薄膜が半田に吸い取られる「半田食われ現象」が生じ、素線５と薄膜３との密着性がなくなり、気密がとれなくなる。その為に、上記薄膜３上に厚膜２を形成する必要が生じる。
又、上記厚膜を金厚膜２３、ニッケル厚膜２４、金厚膜２３としたのは、厚膜を全て金だけで形成すると、光ファイバピグテイル９のコストが高くなってしまうからである。その為に、比較的安価でしかも厚膜２を形成しやすいニッケル２４で下地を形成し、最外周には上記薄膜３同様、耐食性、耐熱性に優れ特に空気中及び水中では永久に酸化しない金厚膜２３を用いる必要がある。
【００１７】
また、薄膜３と接触する側の金厚膜２３は素線５と厚膜であるニッケル厚膜２４の熱膨張率差により発生する応力をその延性によって応力緩和させるために設けられている。金薄膜２２の薄膜上にさらに金厚膜２３の厚膜を設けるのは、金厚膜２３をメッキ等で仕上げることによって金厚膜２３を厚く形成して半田ぬれ性を向上させるためである。また、金厚膜２３はイオンプレーテイングもしくはスパッタリングで形成される場合、内部応力が高くなり、光ファイバの強度を低下させるため、金薄膜２２は金厚膜２３と密着性を良くする程度に薄く形成し、大部分は内部応力の少ない電気メッキで金厚膜２３を形成すればよい。厚膜２の厚みは半田の上記半田食われ現象に鑑みたとき、図２におけるニッケル厚膜２４は１．５〜３μｍ、金厚膜２３は０．５〜１．５μｍが適当である。
【００１８】
薄膜３と接触する側の金厚膜２３はニッケル厚膜２４で保護されるため半田食われ現象の影響を受けないが、応力緩和の効果が顕著に得られる膜厚範囲は、０．１μｍ〜１．５μｍの範囲である。金厚膜２３が０．１μｍ未満では引っ張り強度特性が急速に劣化し、また、１．５μｍを超えると引っ張り強度特性への効果が鈍くなり、金消費量を増加させるだけになる。
【００１９】
以上のようにして得られた本発明の光ファイバピグテイル９は、図１３のような光ファイバモジュールであるＬＤモジュール２７内に半田で固定することによって、好適に用いることができる。
【００２０】
以上の構成により、図１４における従来の構成では、メタライズ層４０の端部４０ａに応力が集中するため強度劣化するのに対して、図１では薄膜形成時に１００℃以上、メッキ等の厚膜形成時に８０℃以上まで加熱して熱膨張率の小さい素線５の石英ガラスに対して熱膨張率の大きい薄膜２や厚膜３が形成後収縮することにより矢印方向に応力が発生していたが、本発明の第一実施形態によれば、領域Ｘがテーパー形状にすることでメタライズ層４の端部４ａにかかる応力集中を拡散することができるので強度劣化が低減されている。
【００２１】
図３は本発明の第二実施形態を示す光ファイバピグテイルの側面図である。
【００２２】
第１実施形態ではメタライズ層４の領域Ｘが素線の先端になるに従って薄くなるテーパー形状としているのに対し、メタライズ層４の端部４ａ付近（以下領域Ｙという）は素線５の先端にいくに従って形成する膜の積層数が少なくなっていく段違いの形状となっている。
【００２３】
この場合も第一実施形態同様、領域Ｙに段違い形状とすることにより領域Ｙにかかる応力が拡散され強度劣化を低減する効果がある。
次に、薄膜形成方法について説明する。
光ファイバピグテイル９への薄膜２の形成方法は蒸着、気相成長、スパッタ、イオンプレーティングの４方法が考えられる。
【００２４】
図５に示すように蒸着は、るつぼ１５とそれを加熱するヒータ１５０、蒸発した蒸気を付着させる基板１３があり、形成される膜はヒータに近いところが厚くなり、光ファイバ全周に渡り均一の膜厚とならないために高温作用時に熱応力の不均一から膜剥離が生じ、現実的には光ファイバピグテイルへの適用は好ましくない。
【００２５】
また、気相成長は不図示であるが、膜とする元素を含んだ蒸発しやすい気体を高温に加熱した基板表面に送り、分解、酸化、還元、置換などの化学反応により薄膜を形成する方法であるが、酸化物、窒化物、炭化物などの安定した化合物の薄膜生成に用いられ、光ファイバピグテイルにおける金属単体の薄膜には好ましくない。
【００２６】
そこで図４に示すスパッタにより形成するのが望ましい。スパッタは、プラズマ中のイオン３５がターゲット１１の表面にある原子１２をはねとばし、はねとばされた原子１２はターゲット１１の近くにおかれた基板１３の上について膜１４を形成する方法で、ターゲットの温度を上げる必要がないことが特徴で、樹脂製被覆をもつ光ファイバピグテイル９の薄膜形成方法として適している。
【００２７】
また、図５に示すようにイオンプレーティングにより、るつぼ１５から蒸発させながら、スパッタにおけるターゲットを基板１３として膜１４を付けて、蒸着とスパッタの中間的な方法を用いるのが好ましい。この方法では、基板１３はスパッタのターゲットと同様にイオンによって表面がスパッタされ清浄化されるのと同時に高温になるので、付着強度が大きくなり、光ファイバピグテイル９には最も適した方法である。以上より、本発明の光ファイバピグテイル９を形成する方法としてはスパッタ又はイオンプレーティングを用いるのが好ましく、いずれの方法においても半田付けする等の高温作用時においても石英ガラスと薄膜間の剥離は生じない。
【００２８】
以上によりスパッタ及びイオンプレーテイングいずれの成膜方法でも、図２におけるクロム薄膜３４、クロム−金合金薄膜２１、金薄膜２２のそれぞれの最適な膜厚範囲０．０１〜０．０９μｍ程度に形成することができる。
【００２９】
一方光ファイバピグテイルの薄膜形成後の厚膜形成方法は電気メッキ、置換メッキ、化学還元メッキの３方法が考えられる。
【００３０】
置換メッキは、電解質溶液中の異種金属間の電位差を利用したものであるが、被メッキ品表面上を置換した金属で被覆されると反応は停止するために、析出膜厚は薄く、しかも素材との密着性も悪いので光ファイバピグテイル９に採用することは好ましくない。
【００３１】
又、化学還元メッキは一般的には無電解メッキといい、金属塩を含む溶液は可溶性の還元剤、ｐｈ調整剤、メッキ液の安定剤等からなり、上記溶液中に被メッキ品を浸漬すると、還元剤の酸化によって放たれる電子が金属イオンに転移し、金属皮膜が得られるものである。しかし、無電解金メッキは膜厚が１．５μｍ以下ではピンホール数が極端に多く、半田付け時に高温加熱することにより下地のニッケルが酸化し褐色に呈色する。又、金は貴金属のため高価なので膜厚を１．５μｍ以上にすることはコスト上昇につながり、現実的なものとならない。
【００３２】
そこで、本発明に適用できる厚膜形成方法について図６を用いて説明する。
【００３３】
図６は電気メッキを示す概要図である。電気メッキはメッキ液１６、陽極１７、直流電源１８とからなり、被メッキ品１９を陰極にし外部からの電気エネルギーを用いて被メッキ品１９に所望の金属を析出させるものである。同時に金属源が陽極１７から溶解して補給されるため、一度建浴すると経時変化するものが少なく、液組成分中不足分を補給するだけで半永久的に使用できる。
【００３４】
その為に、密着性、経済性ともに３方法の中で最も優れており、本発明の光ファイバピグテイル９の厚膜形成方法として最も適している。
【００３５】
次に第一実施形態を実施するための蒸着時のマスキングの方法について説明する。
【００３６】
図７に示すマスキング７には通常エタノールに可溶な熱効果型樹脂やＵＶ効果型樹脂が塗布されてなるものが一般的であるが、冶具でメタライズ層４の端部４ａまで掩蔽することでマスキングしてもよい。
【００３７】
これにより被覆部１を除去して露出した素線５に飛来する薄膜粒子８はマスキング部材７との境界付近のみシャドウ効果により薄膜の厚みに勾配ができる。即ち、図１に示すメタライズ層４の端部４ａをテーパ状にするには、光ファイバピグテイル９の素線５の先端側面にメタライズ層４の厚みよりも厚いマスキング部材７で覆った後、マスキング部材７及び素線５の双方に金属材料を被着して素線５にメタライズ層４を形成し、しかる後に、マスキング部材７を除去することで、メタライズ層４の厚みが素線５の先端部になるに従って薄くなるように形成する。
【００３８】
このマスキング部材７の厚みをそのシャドウ効果によりＸ＝０．１〜１ｍｍの範囲で膜厚勾配ができる程度とすることが好ましい。
【００３９】
図１２に示すように、範囲Ｘが０．１ｍｍ以下であると図１４に示す矢印方向の応力がメタライズ層４ａに集中することにより引っ張り強度が低下し、１ｍｍ以上であると薄膜２の端部が厚膜３の応力により引っ張られ、薄膜２の端部の密着性が低下するため、これを起点としてメタライズ層４が剥離し易くなってしまう。
【００４０】
図１に示す第一実施形態は、蒸着による薄膜２の端部４をテーパー状にすることで、メッキによる厚膜３をテーパー状の薄膜の膜厚に比例したテーパー状の厚膜を形成することができる。これは薄膜の電気抵抗がその厚みに反比例するからである。
【００４１】
次に、第二実施形態を実施するためのメッキ時のマスキング方法について説明する。
【００４２】
光ファイバピグテイルの素線５の先端部側面を第１のマスキング部材（不図示）で覆った後、第１のマスキング部材及び素線５の双方に金属材料を被着して素線５に第１の金属膜２を形成する。そして、図８に示すように第１の金属膜２の先端部側面を第２のマスキング部材７０で覆った後、第２のマスキング部材７０及び第１の金属膜２の表面に第２の金属膜（不図示）を形成する。この工程を繰り返して形成し、随時もしくは最終的にマスキング部材を除去することで、図３のように前記素線の先端になるに従って形成される金属膜の積層数が少なくなる様に形成してなる。
【００４３】
図３に示す第二実施形態は、被覆部１を除去した素線５に形成するメタライズ層４の端部４ａを薄膜２と厚膜３の段違い３２の領域ＹがＹ＝０．１〜１ｍｍとなることが好ましい。
【００４４】
そのためには、メッキ時のマスキングが必要であり、図９に示すように被覆部１を除去した素線５に既に形成されている薄膜２上に０．１〜１ｍｍの範囲で重なるように熱硬化型もしくはＵＶ硬化型樹脂のマスキング７を塗布するかまたは、冶具でマスキングすることにより図３の領域Ｙにメッキによる厚膜が形成されないようにすることができる。
【００４５】
熱硬化型もしくはＵＶ硬化型樹脂のマスキング７を塗布する場合、素線５の先端をマスキング剤に浸漬して塗布するだけなのでマスキングが容易であり、マスキングの除去は素線５の先端をエタノールに１時間浸漬することで容易に除去することができる。
【００４６】
冶具でマスキング７をする場合は、冶具としてシリコンゴム製のチューブなどを用意して素線５をチューブの穴に挿通する。蒸着後チューブを外すだけなので、マスキングの洗浄が不要という点で有効である。
【００４７】
図１２に示すように、この範囲が０．１ｍｍ以下であると矢印方向の応力が集中することにより引っ張り強度が低下し、１ｍｍ以上であると薄膜２の端部が厚膜３の応力により引っ張られるため、薄膜２の端部の密着性が低下するため、これを起点として剥離し易くなってしまう。
【００４８】
【実施例】
ここで、以下に示す方法で実験を行った。
【００４９】
端面形状がテーパ球面である光ファイバピグテイルのサンプルを１５０本作成し、内５０本を本発明の第一実施形態としてＵＶ硬化型樹脂を厚さ０．５ｍｍ程度で先端をマスキングしてクロム、クロム−金合金、金の順に薄膜をイオンプレーティングでそれぞれ０．１μｍ以下の膜厚で形成し、この薄膜の上に金、ニッケル、金の順に厚膜を電気メッキでそれぞれ１〜３μｍの膜厚で形成した。
【００５０】
別の５０本を本発明の第二実施形態としてＵＶ硬化型樹脂を従来の厚み（０．１ｍｍ程度）で先端をマスキングしてクロム、クロム−金合金、金の順で薄膜をイオンプレーティングでそれぞれ０．１μｍ以下の膜厚で形成し、ＵＶ硬化型樹脂を１００ｕｍ程度薄膜に重なるように先端をマスキングして薄膜の上にニッケル、金の順で厚膜を電気メッキでそれぞれ１〜３μｍの膜厚で形成した。
【００５１】
残りの５０本を本発明の比較例としてＵＶ硬化型樹脂を従来の厚み（０．１ｍｍ程度）で先端をマスキングしてクロム、クロム−金合金、金の順で薄膜をイオンプレーティングでそれぞれ０．１μｍ以下の膜厚で形成し、この薄膜の上にニッケル、金の順で厚膜を電気メッキでそれぞれ１〜３μｍの膜厚で形成した。尚、上記サンプルについて被覆の除去部分の長さは４０ｍｍ、マスキングの長さは２０ｍｍで統一してある。
【００５２】
これらのサンプルをヒートサイクル試験後に引っ張り荷重を加えて引っ張り強度試験をおこなった。
また、図１０に示すように光ファイバの被覆部１を万力３３で固定して素線５をシリコンゴム３１で挟み固定した。この状態で万力３３を矢印方向へ引き、メタライズ層２９及び素線５での破断時の引っ張り荷重を測定した。ヒートサイクル条件は、温度範囲が４０〜８５℃、温度昇降速度１０℃／分、滞留時間３０分間、サイクル回数２００回とした。
【００５３】
図１１より本発明の第一実施形態（実施例１）及び第二実施形態（実施例２）は、初期で高い引っ張り強度を示し、２００サイクル後も１０Ｎ以上を十分に保持している。これに対して従来例（比較例）としては、初期では１０Ｎ以上を保持するが１００サイクル以降で、メタライズ端部での破断による引っ張り強度の低下が顕れた。
【００５４】
この結果より、本発明の実施形態によれば、メタライズ端部での応力集中が緩和されて引っ張り強度が強い光ファイバピグテイルが得られた。従って、本発明の光パッケージ等に組み込まれる光ファイバピグテイルにおいて、引っ張り強度性に優れた効果があらわれた。
【００５５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、光ファイバ素線の先端部近傍の側面に形成されたメタライズ層の端部がテーパー状もしくは段違い状とすることによりサイクル試験後の引っ張り強度も強い光ファイバピグテイルを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施形態の光ファイバピグテイルを示す断面図である。
【図２】本発明の光ファイバピグテイルのメタライズを説明するための断面図である。
【図３】本発明の第二実施形態の光ファイバピグテイルを示す断面図である。
【図４】本発明の光ファイバピグテイルにおける薄膜を形成するための方法であるスパッタリング装置を示す図である。
【図５】本発明の光ファイバピグテイルにおける薄膜を形成するための方法であるイオンプレーティング装置を示す図である。
【図６】本発明の光ファイバピグテイルにおける厚膜を形成するための方法である電気メッキを示す断面図である。
【図７】本発明の第一実施形態の光ファイバピグテイルにおける蒸着時のマスキング部材を形成した状態を示す図である。
【図８】本発明の第一実施形態の光ファイバピグテイルにおける蒸着時のマスキング部材を形成した状態を示す図である。
【図９】本発明の第二実施形態の光ファイバピグテイルにおけるメッキ時のマスキング部材を形成した状態を示す図である。
【図１０】光ファイバピグテイルにおける引っ張り強度測定方法を示す図である。
【図１１】本発明の実施例と比較例の引っ張り強度のサイクル試験結果を示すグラフである。
【図１２】本発明の実施例における引っ張り強度と薄膜剥離の境界部範囲依存性を示す図である。
【図１３】本発明の光ファイバピグテイルのパッケージを説明するための一部透視斜視図である。
【図１４】従来例の光ファイバピグテイルを示す断面図である。
【符号の説明】
１：被覆
２：薄膜
３：厚膜
４：メタライズ層
４ａ：メタライズ層の端部
５：石英ガラス部
６：先端面
７：マスキング
８：薄膜粒子
９：光ファイバピグテイル
３５：イオン
１１：ターゲット
１２：原子
１３：基板
１４：膜
１５：るつぼ
１６：メッキ液
１７：陽極
１８：直流電源
１９：被メッキ品
３４：クロム薄膜
２１：クロム−金合金薄膜
２２：金薄膜
２３：金厚膜
２４：ニッケル厚膜
２５：発光源
２６：光パッケージ
２７：レーザーダイオードモジュール
２８：半田
２９：メタライズ層
３３：万力
３１：シリコンゴム
３２：段違い
１０：被覆
２０：薄膜
３０：厚膜
４０：メタライズ層
４０ａ：メタライズ層の端部
５０：素線
９０：光ファイバピグテイル
１５０：ヒーター[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical fiber pigtail used for optical communication and the like.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as shown in FIG. 13, the optical fiber pigtail 9 is incorporated in the optical package 26 together with the light source 25 and used as an optical fiber module. For example, it is formed as a laser diode module (hereinafter referred to as an LD module) 27. When the optical fiber pigtail 9 is assembled in the optical package 26, the optical axis is aligned and then fixed to the optical package 26 with solder 28.
[0003]
The inside of the optical package 26 is filled with nitrogen that does not react with metal in the internal space so that internal components are oxidized due to oxygen and humidity in the air during long-term operation, thereby causing malfunctions such as poor communication. The opening is hermetically sealed to prevent inflow of humidity. The solder 28 is used to fix the optical fiber pigtail 9 and the optical package 26 because it is an optimum method for hermetic sealing.
[0004]
In the conventional optical fiber pigtail 90, as shown in FIG. 14, the thin film 20 is formed in the order of chromium, chromium-gold alloy, and gold on the surface of the strand 50 made of quartz glass whose tip is exposed from the coating 10 of the optical fiber. Further, the present applicant has proposed that a thick film 30 of nickel and gold is formed thereon, and a portion of this thick film 30 is joined by solder 28 (Japanese Patent Laid-Open No. 2001-42172). reference).
[0005]
At this time, the end portion 40a of the metallized layer 40 composed of the thin film 20 and the thick film 30 is normally formed so as to be perpendicular to the side surface of the strand 50 of the optical fiber.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional optical fiber pigtail 90 has no problem when it is used in the terrestrial system. However, the optical fiber pigtail 90 is used in the submarine cable repeater due to the widespread use of the optical fiber. Because of the enormous cost of raising and replacing, particularly strict reliability has been required.
[0007]
Therefore, after conducting a heat cycle test, there is a difference in thermal conductivity between the thin film 20 and the thick film 30 and the strand 50, so that microcracks increase at the tip of the optical fiber after soldering, and the tensile strength decreases. There was a problem. In particular, it is known that the strength deteriorates because stress concentrates on the end portion 40 a of the metallized layer 40. This is because the strand 50 is heated to 100 ° C. or more when the thin film 20 is formed and to 80 ° C. or more when the thick film 30 is formed. Therefore, the thermal expansion coefficient is higher than that of the quartz glass that is the material of the strand 50 having a small thermal expansion coefficient. When the large thin film 20 and the thick film 30 contract, stress is generated in the direction of the arrow in FIG.
[0008]
The thermal expansion coefficient of quartz glass as the element wire 50 is 0.5 × 10 ⁻⁶ / ° C., whereas the thermal expansion coefficient of chromium as the thin film 20 is 45 × 10 ⁻⁶ / ° C. and the thick film 30. Since the thermal expansion coefficient of a certain nickel is as large as 13 to 14 × 10 ⁻⁶ / ° C., it can be presumed that micro cracks on the surface of the strand 50 have increased.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In view of the above problems, an optical fiber made of quartz glass tip is exposed from the covering portion of the optical fiber is incorporated in the optical package such as a side surface of the optical fiber, metallized layer which is fixed by solder The metallized layer includes a chromium thin film that is directly attached to the optical fiber strand so that it does not reach the tip of the optical fiber strand, and Provided is an optical fiber pigtail formed such that the film thickness becomes thinner toward the tip of the optical fiber.
[0011]
Furthermore, the present invention provides an optical fiber module comprising the above-mentioned optical fiber pigtail and a substrate in which an optical element is incorporated, wherein a metallized layer of the optical fiber pigtail is bonded and fixed to the substrate at a position where it is coupled to the optical element. To do.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below.
FIG. 1 is a side view of an optical fiber pigtail 9 showing a first embodiment of the present invention. The optical fiber pigtail 9 according to the embodiment of the present invention removes the tip region of the coating portion 1 of the optical fiber, the shape of the tip end surface 6 of the optical fiber strand 5 made of quartz glass exhibits a flat surface, and the strand 5 The metallized layer 4 is formed on the side surface in the vicinity of the tip of the metal. The metallized layer 4 is composed of a thin film 2 and a thick film 3. Further, the vicinity of the end 4a of the metallized layer 4 (hereinafter referred to as region X) has a tapered shape in which the film thickness of the metallized layer 4 becomes thinner as the tip of the element wire 5 is reached. The thin film 2 and the thick film 3 are adjusted to have a tapered shape.
[0013]
Here, the taper shape means that the range of the region X is 0.1 mm or more and 1 mm or less. If the region X is 0.1 mm or less, the stress concentration rapidly increases in the region X and the tensile strength of the strand 5 decreases, while 1 mm In the above, the thinner the side closer to 4a in the region X, the lower the adhesiveness, causing film peeling.
[0014]
The thin film 2 and the thick film 3 are made of a chromium thin film 34, a chromium-gold alloy thin film 21, and a gold thin film 22 in this order from the optical fiber strand 5 side of FIG. The thick nickel film 24 and the thick gold film 23 are formed in this order.
[0015]
Thus, the chromium thin film 34, the chromium-gold alloy thin film 21, and the gold thin film 22 are formed in order from the optical fiber strand 5 because the thermal expansion coefficient of the optical fiber strand 5 is 0.5 × 10 ^−6. Since it has a low thermal expansion coefficient of 23 × 10 ⁻⁶ / ° C. because it is as small as / ° C., it was adopted as a metal that is directly attached to the chrome thin film 34 having good wettability with quartz glass. Further, it is necessary to use a gold thin film 22 that is excellent in corrosion resistance and heat resistance, and that is not permanently oxidized in the air and water, so that the metal film is not oxidized before the thick film is formed. Therefore, it has an intermediate thermal expansion coefficient between gold having a thermal expansion coefficient of 118 × 10 ⁻⁶ / ° C. and chromium having a low thermal expansion coefficient, and has good wettability for both gold and chromium. The thin film 21 was adopted as an intermediate layer.
[0016]
The reason why the thick film 2 is formed on the thin film 3 is that when the optical fiber pigtail 9 is fixed to the optical package by soldering, the thin film formed on the strand 5 of the optical fiber pigtail 9 is soldered. "Solder erosion phenomenon" occurs, and the adhesion between the wire 5 and the thin film 3 is lost, and the airtightness cannot be obtained. Therefore, it is necessary to form the thick film 2 on the thin film 3.
The reason why the thick film is made of the gold thick film 23, the nickel thick film 24, and the gold thick film 23 is that the cost of the optical fiber pigtail 9 is increased if all the thick films are made of gold. . For this purpose, a base is formed of nickel 24 which is relatively inexpensive and easy to form a thick film 2, and the outermost periphery, like the thin film 3, is excellent in corrosion resistance and heat resistance, particularly gold which does not oxidize permanently in air and water. It is necessary to use the thick film 23.
[0017]
The thick gold film 23 on the side in contact with the thin film 3 is provided to relieve the stress generated by the difference in thermal expansion coefficient between the wire 5 and the thick nickel thick film 24 by its ductility. The reason why the thick gold film 23 is further formed on the thin gold film 22 is to improve the solderability by forming the thick gold film 23 by finishing the thick gold film 23 by plating or the like. Further, when the thick gold film 23 is formed by ion plating or sputtering, the internal stress becomes high and the strength of the optical fiber is lowered. Therefore, the thin gold film 22 is thin enough to improve the adhesion with the thick gold film 23. The thick gold film 23 may be formed by electroplating, which is mostly electroplated with little internal stress. The thickness of the thick film 2 is suitably 1.5 to 3 μm for the nickel thick film 24 and 0.5 to 1.5 μm for the gold thick film 23 in FIG.
[0018]
The thick gold film 23 on the side in contact with the thin film 3 is protected by the nickel thick film 24 and is not affected by the solder erosion phenomenon, but the film thickness range in which the effect of stress relaxation is significantly obtained is 0.1 μm to The range is 1.5 μm. If the thickness of the gold thick film 23 is less than 0.1 μm, the tensile strength characteristics deteriorate rapidly, and if it exceeds 1.5 μm, the effect on the tensile strength characteristics becomes dull and only the amount of gold consumption is increased.
[0019]
The optical fiber pigtail 9 of the present invention obtained as described above can be suitably used by fixing with solder in an LD module 27 which is an optical fiber module as shown in FIG.
[0020]
With the above configuration, in the conventional configuration in FIG. 14, the stress deteriorates because stress concentrates on the end portion 40 a of the metallized layer 40, whereas in FIG. 1, a thick film such as plating is formed at 100 ° C. or higher when forming a thin film. Although stress was generated in the direction of the arrow due to shrinkage after the formation of the thin film 2 or thick film 3 having a high coefficient of thermal expansion with respect to the quartz glass of the wire 5 having a small coefficient of thermal expansion by heating to 80 ° C. or higher. According to the first embodiment of the present invention, since the region X is tapered, the stress concentration applied to the end portion 4a of the metallized layer 4 can be diffused, so that the strength deterioration is reduced.
[0021]
FIG. 3 is a side view of an optical fiber pigtail showing a second embodiment of the present invention.
[0022]
In the first embodiment, the region X of the metallized layer 4 has a tapered shape that becomes thinner as it becomes the tip of the strand, whereas the vicinity of the end 4a of the metallized layer 4 (hereinafter referred to as the region Y) is at the tip of the strand 5. As the number of layers increases, the number of stacked layers decreases.
[0023]
Also in this case, as in the first embodiment, by forming a stepped shape in the region Y, the stress applied to the region Y is diffused, and there is an effect of reducing strength deterioration.
Next, a thin film forming method will be described.
There are four possible methods for forming the thin film 2 on the optical fiber pigtail 9: vapor deposition, vapor phase growth, sputtering, and ion plating.
[0024]
As shown in FIG. 5, the vapor deposition has a crucible 15 and a heater 150 for heating the same, and a substrate 13 to which the evaporated vapor is attached. The formed film is thicker near the heater and is uniform over the entire circumference of the optical fiber. Since the film does not have a film thickness, film peeling occurs due to non-uniform thermal stress during high-temperature action, and practical application to an optical fiber pigtail is not preferable.
[0025]
In addition, although vapor phase growth is not shown, a method of forming a thin film by sending a gas that easily evaporates containing an element to be a film to a substrate surface heated to a high temperature, and by a chemical reaction such as decomposition, oxidation, reduction, or substitution However, it is used for forming a thin film of a stable compound such as an oxide, nitride, or carbide, and is not preferable for a thin film of a single metal in an optical fiber pigtail.
[0026]
Therefore, it is desirable to form by sputtering shown in FIG. Sputtering is a method in which ions 35 in the plasma repel atoms 12 on the surface of the target 11, and the repelled atoms 12 form a film 14 on the substrate 13 placed near the target 11. Therefore, it is not necessary to raise the temperature of the target, and it is suitable as a method for forming a thin film of the optical fiber pigtail 9 having a resin coating.
[0027]
Further, as shown in FIG. 5, it is preferable to use an intermediate method between vapor deposition and sputtering by attaching a film 14 using a sputtering target as a substrate 13 while evaporating from a crucible 15 by ion plating. In this method, since the surface of the substrate 13 is sputtered and cleaned by ions in the same manner as the sputtering target, the substrate 13 is heated at the same time, so that the adhesion strength is increased and is the most suitable method for the optical fiber pigtail 9. . From the above, it is preferable to use sputtering or ion plating as a method of forming the optical fiber pigtail 9 of the present invention, and any method can be used to separate the quartz glass from the thin film even during high temperature operation such as soldering. Does not occur.
[0028]
As described above, both the sputtering and ion plating methods are used to form the optimum thin film thickness range of 0.01 to 0.09 μm for each of the chromium thin film 34, the chromium-gold alloy thin film 21, and the gold thin film 22 in FIG. be able to.
[0029]
On the other hand, there are three possible methods for forming a thick film after forming a thin film of optical fiber pigtails: electroplating, displacement plating and chemical reduction plating.
[0030]
Displacement plating uses the potential difference between dissimilar metals in the electrolyte solution, but the reaction stops when the surface of the plated product is covered with the substituted metal, so the deposited film thickness is thin and the material Therefore, it is not preferable to employ it for the optical fiber pigtail 9.
[0031]
Chemical reduction plating is generally referred to as electroless plating, and a solution containing a metal salt is composed of a soluble reducing agent, a ph adjusting agent, a plating solution stabilizer, and the like. Electrons released by oxidation of the reducing agent are transferred to metal ions, and a metal film is obtained. However, the electroless gold plating has an extremely large number of pinholes when the film thickness is 1.5 μm or less, and the underlying nickel is oxidized and colored brown when heated at a high temperature during soldering. Also, since gold is a noble metal and expensive, making the film thickness 1.5 μm or more leads to an increase in cost and is not realistic.
[0032]
A thick film forming method applicable to the present invention will be described with reference to FIG.
[0033]
FIG. 6 is a schematic diagram showing electroplating. The electroplating is composed of a plating solution 16, an anode 17, and a DC power source 18, and a desired metal is deposited on the product to be plated 19 using electrical energy from outside with the product to be plated 19 as a cathode. At the same time, since the metal source is dissolved and replenished from the anode 17, there is little change over time once the bath is built, and it can be used semi-permanently only by replenishing the shortage in the liquid composition.
[0034]
Therefore, both adhesion and economy are the best among the three methods, and are most suitable as a method for forming a thick film of the optical fiber pigtail 9 of the present invention.
[0035]
Next, a masking method during vapor deposition for carrying out the first embodiment will be described.
[0036]
The masking 7 shown in FIG. 7 is generally coated with a heat-effect resin or UV-effect resin that is usually soluble in ethanol, but by covering up to the end 4a of the metallized layer 4 with a jig. You may mask.
[0037]
As a result, the thin film particles 8 flying to the exposed wire 5 after removing the covering portion 1 can have a gradient in the thickness of the thin film only by the shadow effect near the boundary with the masking member 7. That is, to taper the end 4a of the metallized layer 4 shown in FIG. 1, after covering the tip side surface of the strand 5 of the optical fiber pigtail 9 with a masking member 7 thicker than the thickness of the metallized layer 4, A metal material is applied to both the masking member 7 and the element wire 5 to form the metallized layer 4 on the element wire 5, and then the masking member 7 is removed so that the metallized layer 4 has a thickness of the element wire 5. It is formed to become thinner as it reaches the tip.
[0038]
It is preferable to set the thickness of the masking member 7 to such an extent that a film thickness gradient can be formed in the range of X = 0.1 to 1 mm due to the shadow effect.
[0039]
As shown in FIG. 12, when the range X is 0.1 mm or less, the stress in the direction of the arrow shown in FIG. 14 is concentrated on the metallized layer 4a, and the tensile strength is reduced. Is pulled by the stress of the thick film 3 and the adhesion of the end portion of the thin film 2 is lowered, so that the metallized layer 4 is easily peeled from this point.
[0040]
In the first embodiment shown in FIG. 1, by forming the end 4 of the thin film 2 by vapor deposition into a tapered shape, the thick film 3 by plating forms a tapered thick film proportional to the thickness of the tapered thin film. be able to. This is because the electrical resistance of the thin film is inversely proportional to its thickness.
[0041]
Next, a masking method during plating for carrying out the second embodiment will be described.
[0042]
After the tip side surface of the strand 5 of the optical fiber pigtail is covered with a first masking member (not shown), a metal material is applied to both the first masking member and the strand 5 to form the strand 5. A first metal film 2 is formed. And after covering the front-end | tip part side surface of the 1st metal film 2 with the 2nd masking member 70 as shown in FIG. 8, the 2nd metal on the surface of the 2nd masking member 70 and the 1st metal film 2 A film (not shown) is formed. By repeating this process and removing the masking member as needed or finally, it is formed so that the number of stacked metal films is reduced as it becomes the tip of the strand as shown in FIG. Become.
[0043]
In the second embodiment shown in FIG. 3, the end portion 4 a of the metallized layer 4 formed on the strand 5 from which the covering portion 1 is removed has an area Y where the difference 32 between the thin film 2 and the thick film 3 is Y = 0.1 to 1 mm. It is preferable that
[0044]
For this purpose, masking at the time of plating is necessary, and as shown in FIG. 9, heat is applied so as to overlap the thin film 2 already formed on the element wire 5 from which the covering portion 1 has been removed in a range of 0.1 to 1 mm. A thick film by plating can be prevented from being formed in the region Y of FIG. 3 by applying a masking 7 of a curable or UV curable resin or by masking with a jig.
[0045]
When applying masking 7 of thermosetting type or UV curable resin, masking is easy because the tip of the strand 5 is simply dipped in a masking agent and the masking is easy to remove. It can be easily removed by immersion for 1 hour.
[0046]
When masking 7 with a jig, a silicon rubber tube or the like is prepared as a jig and the wire 5 is inserted into the hole of the tube. Since only the tube is removed after vapor deposition, it is effective in that masking cleaning is unnecessary.
[0047]
As shown in FIG. 12, when the range is 0.1 mm or less, the stress in the direction of the arrow is concentrated, and when it is 1 mm or more, the end of the thin film 2 is pulled by the stress of the thick film 3. Therefore, since the adhesiveness of the edge part of the thin film 2 falls, it will become easy to peel from this.
[0048]
【Example】
Here, the experiment was conducted by the following method.
[0049]
150 samples of optical fiber pigtails having a tapered spherical end face shape were prepared, 50 of which were used as the first embodiment of the present invention, and the UV curable resin was masked at the tip with a thickness of about 0.5 mm, and chrome, A thin film is formed in order of chromium-gold alloy and gold by ion plating to a thickness of 0.1 μm or less, and a thick film in the order of gold, nickel and gold is formed on the thin film by electroplating in a thickness of 1 to 3 μm. Formed with thickness.
[0050]
Another 50 pieces are used as a second embodiment of the present invention, and a UV curable resin is masked at the tip with a conventional thickness (about 0.1 mm), and the thin film is ion-plated in the order of chromium, chromium-gold alloy, and gold. Each is formed with a film thickness of 0.1 μm or less, the UV curable resin is masked at the tip so that it overlaps the thin film by about 100 μm, and the thick film in the order of nickel and gold is electroplated on the thin film to 1 to 3 μm respectively. It was formed with a film thickness.
[0051]
The remaining 50 pieces are comparative examples of the present invention, and the UV curable resin is masked at the tip with a conventional thickness (about 0.1 mm), and the thin films are each ion-plated in the order of chromium, chromium-gold alloy, and gold. The film was formed to a thickness of 1 μm or less, and a thick film was formed on the thin film in the order of nickel and gold in a thickness of 1 to 3 μm by electroplating. In addition, about the said sample, the length of the removal part of coating | cover is 40 mm, and the length of masking is 20 mm and is unified.
[0052]
These samples were subjected to a tensile strength test by applying a tensile load after the heat cycle test.
Further, as shown in FIG. 10, the coated portion 1 of the optical fiber was fixed with a vise 33 and the strand 5 was sandwiched and fixed with silicon rubber 31. In this state, the vise 33 was pulled in the direction of the arrow, and the tensile load at the time of breaking in the metallized layer 29 and the strand 5 was measured. The heat cycle conditions were a temperature range of 40 to 85 ° C., a temperature raising / lowering rate of 10 ° C./min, a residence time of 30 minutes, and a cycle count of 200 times.
[0053]
From FIG. 11, the first embodiment (Example 1) and the second embodiment (Example 2) of the present invention show high tensile strength at the initial stage and sufficiently hold 10N or more after 200 cycles. On the other hand, as a conventional example (comparative example), 10N or more was initially maintained, but after 100 cycles, a decrease in tensile strength due to fracture at the metallized end portion was apparent.
[0054]
From this result, according to the embodiment of the present invention, an optical fiber pigtail having a high tensile strength by reducing the stress concentration at the end of the metallization was obtained. Therefore, the optical fiber pigtail incorporated in the optical package or the like of the present invention has an excellent effect on tensile strength.
[0055]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the end of the metallized layer formed on the side surface near the tip of the optical fiber strand is tapered or stepped so that the tensile strength after the cycle test is strong. Pigtails can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an optical fiber pigtail according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view for explaining metallization of the optical fiber pigtail of the present invention.
FIG. 3 is a sectional view showing an optical fiber pigtail according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a view showing a sputtering apparatus which is a method for forming a thin film in the optical fiber pigtail of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing an ion plating apparatus which is a method for forming a thin film in the optical fiber pigtail of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing electroplating, which is a method for forming a thick film in the optical fiber pigtail of the present invention.
FIG. 7 is a view showing a state in which a masking member is formed at the time of vapor deposition in the optical fiber pigtail according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a view showing a state in which a masking member is formed during vapor deposition in the optical fiber pigtail according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a view showing a state in which a masking member is formed at the time of plating in the optical fiber pigtail of the second embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a diagram showing a method for measuring tensile strength in an optical fiber pigtail.
FIG. 11 is a graph showing the results of a cycle test of the tensile strength of an example of the present invention and a comparative example.
FIG. 12 is a diagram showing the boundary range dependence of tensile strength and thin film peeling in an example of the present invention.
FIG. 13 is a partially transparent perspective view for explaining an optical fiber pigtail package of the present invention.
FIG. 14 is a cross-sectional view showing a conventional optical fiber pigtail.
[Explanation of symbols]
1: Coating 2: Thin film 3: Thick film 4: Metallized layer 4a: Metallized layer end 5: Quartz glass part 6: Tip surface 7: Masking 8: Thin film particle 9: Optical fiber pigtail 35: Ion 11: Target 12 : Atom 13: Substrate 14: Film 15: Crucible 16: Plating solution 17: Anode 18: DC power supply 19: Product to be plated 34: Chrome thin film 21: Chrome-gold alloy thin film 22: Gold thin film 23: Gold thick film 24: Nickel Thick film 25: Light emitting source 26: Optical package 27: Laser diode module 28: Solder 29: Metallized layer 33: Vise 31: Silicon rubber 32: Step difference 10: Coating 20: Thin film 30: Thick film 40: Metallized layer 40a: Metallized Layer end 50: Wire 90: Optical fiber pigtail 150: Heater

Claims

Optical fiber is built consisting of quartz glass tip is exposed from the covering portion of the optical fiber to the optical package and the like, on the side surface of the optical fiber, the light by forming a metalized layer which is fixed by solder Faibapigu Tail,
The metallized layer includes a chromium thin film that is directly attached to the optical fiber, and does not reach the tip of the optical fiber, and the film thickness is the tip of the optical fiber. The optical fiber pigtail is formed so as to be thinner.

An optical fiber comprising: the optical fiber pigtail according to claim 1; and a substrate in which an optical element is incorporated. Fiber module.