JP4006541B2

JP4006541B2 - 光モジュール用光ファイバとその製造方法

Info

Publication number: JP4006541B2
Application number: JP19634998A
Authority: JP
Inventors: 芳雄金城
Original assignee: 株式会社ナウケミカル
Priority date: 1998-07-10
Filing date: 1998-07-10
Publication date: 2007-11-14
Anticipated expiration: 2018-07-10
Also published as: JP2000028868A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光モジュールに組み込まれる光ファイバとその製造方法に関し、更に詳しくは、光モジュール内でその先端をＬＤなどの光ファイバと光接続して使用される光ファイバであって、それ自体が光モジュールとの溶着部を備えている光モジュール用光ファイバとそれを製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＬＤなどの発光デバイスと光ファイバの先端とを光接続し、その光接続部の全体を密封した構造の光モジュールの開発研究が進められている。そのような光モジュールの１例を図２に示す。
【０００３】
この光モジュールは、ハウジング１の中に発光デバイス２が配置され、その発光デバイス２に、被覆３ａを剥離除去することにより所定の長さだけ裸出され、最先端が球面レンズ３ｃになっているファイバ心線３ｂの先端部が光接続された構造になっている。
【０００４】
その場合、発光デバイス２には、ガラスと熱膨張係数が近似している材料、例えばコバールから成る第１のフェルール４が配置され、このフェルール４にファイバ心線３ｂの先端を挿通したのち、当該ファイバ心線３ｂとフェルール４の間が封止材５ａで気密に固定され、また第１のフェルール４と発光デバイス２の間も同じく別の封止材５ｂで気密に固定されることにより光接続部における封止構造が形成されている。
【０００５】
更に、ハウジング１には第２のフェルール６が配置され、ここに光ファイバが挿通され、ファイバ心線３ｂと第２のフェルール６の間が前記した封止材５ａで気密に固定され、また第２のフェルール６とハウジング１の間も別の封止材５ｃで封止されることにより光モジュール全体としての封止構造が形成されている。
【０００６】
ここで、上記した封止構造、とりわけ光接続部における封止構造５ａに関しては、発光デバイス２の動作信頼性を確保するために優れた気密性を備えていることが必要であり、また光ファイバなどに外力が加わった場合であっても簡単に損壊しないために適度な強度特性を備えていることが必要とされる。
【０００７】
従来、上記した封止構造５ａの形成に際しては、Ａｕ粉末とＳｎ粉末とから成るペーストが用いられていた。しかしながら、このＡｕ−Ｓｎペーストには有機物成分が例えばバインダとして含有されているので、光モジュールの実働過程における発光デバイスからの発熱などにより前記有機物成分の変質や揮発などが起こり、短期間でこの封止構造が機能しなくなるという問題が生じていた。
【０００８】
そのため、最近では、Ａｕ−Ｓｎ合金箔を用いて封止構造を形成することが主流になっている。その代表的な事例を第１のフェルール４の場合について説明する。
【０００９】
例えば図３で示したように、第１のフェルール４にファイバ心線３ｂを挿通したのち、その先端にＡｕ−Ｓｎ合金の圧延箔から成る複数枚（図では４枚）のリング箔７を外嵌して第１のフェルールの端面４ａの上に重ね合わせる。
【００１０】
なお、このリング箔７としては、概ね、外径は５００〜１０００μｍ，内径は１５０μｍ前後、そして厚みは２０〜３０μｍ程度の寸法形状のものが用いられている。また、ファイバ心線３ｂの直径は通常１２５μｍ程度であり、更に、フェルールの表面４ａからのファイバ心線の突出長は通常４００μｍ程度になっている。
【００１１】
ついで、例えば高周波誘導加熱により、重ね合わせた４枚のリング箔７を溶融したのち冷却してＡｕ−Ｓｎ合金を再凝固させる。
【００１２】
その結果、図４で示したように、ファイバ心線３ｂと第１のフェルール４の間や、フェルールの孔とファイバ心線との間隙の一部は、再凝固したＡｕ−Ｓｎ合金から成る封止材５ａで溶着され、ファイバ心線３ｂはフェルールに気密に固定される。
【００１３】
ところで、上記した封止構造の形成に際しては、複数枚の薄いリング箔を用いているが、そうではなくて、使用枚数の厚みに相当する厚みを有する１個のリング箔を用いた方が効果的であると考えられる。
【００１４】
しかしながら、次のような理由で厚みが数百μｍ程度の厚いリング箔をＡｕ−Ｓｎ合金で製造することは極めて困難であり、そのため、上記した薄いリング箔を複数枚重ね合わせて使用せざるを得ないという実状にある。その理由を以下に説明する。
【００１５】
Ａｕ−Ｓｎ合金のリング箔の製造に際しては、まず、例えば真空溶解炉で所望する組成の溶湯を調製し、その溶湯を冷却してインゴットにしたのち、そのインゴットに例えばロール圧延を行って所望厚みの箔にする。そして、その箔に通常は打抜き加工を行うことによりリング形状に加工されている。したがって、上記したロール圧延時に箔の厚みを厚くして、これに対して打抜き加工を行えば、厚いリング箔を得ることができるように考えられる。
【００１６】
しかしながら、Ａｕ−Ｓｎ合金は金属間化合物であるため脆性であり、難加工性の材料である。したがって、厚みが数百μｍ程度の箔を打抜き加工して目的とする寸法形状のリング箔を得ることは実際問題として不可能なのである。
【００１７】
このような理由から、溶着に用いるリング箔は前記したような薄いものにならざるを得ず、そして気密でかつ強度特性に優れた封止構造を確保するために、その薄いリング箔を複数枚使用せざるを得ないのである。
【００１８】
しかしながら、このようにして光モジュールの封止構造を形成することは、微小なリング箔をファイバ心線に外嵌する作業を必要とするため極めて煩雑であり、光モジュールの製造コストの上昇や歩留まり低下を招くことになる。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来のようにＡｕ−Ｓｎ合金の圧延リング箔を使用しなくてもフェルールやハウジングとの間で良好な封止構造を形成することができ、それ自体がＡｕ−Ｓｎ合金から成る溶着部を備えている新規な光モジュール用光ファイバとその製造方法の提供を目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明においては、ファイバ心線の表面のうち、少なくとも相手材との間で封止構造を形成する表面部分には、Ａｕ−Ｓｎ電気めっき層を最外層とする皮膜構造が形成されていることを特徴とする光モジュール用光ファイバ、とくに、前記皮膜構造がＮｉ無電解めっき層とＡｕ無電解めっき層とＡｕ−Ｓｎ電気めっき層から成る光ファイバが提供される。
【００２１】
また、本発明においては、ファイバ心線の表面に無電解めっきを行って前記表面に導電性を付与したのち、電気めっきを行ってＡｕ−Ｓｎ電気めっき層を順次形成することを特徴とする光ファイバの製造方法が提供される。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の光ファイバの１例を示す。
【００２３】
図１において、ファイバ心線３ｂの表面のうち、少なくとも光モジュールのフェルールやハウジングなどの相手材との間で封止構造を形成すべき表面部分には、後述する皮膜構造８が形成されている。なお、この皮膜構造８は球面レンズ３ｃの先端を除いてファイバ心線３ｂの表面全体に形成されていてもよい。
【００２４】
皮膜構造８は、下層８ａと中間層８ｂと最外層８ｃとの層構造になっていて、最外層８ｃが後述するＡｕ−Ｓｎ電気めっき層であることを最大の特徴とする。
【００２５】
下層８ａは、後述する製造方法においてファイバ心線３ｂの表面に導電性を付与するために設けられた薄層であって、例えば無電解Ｎｉめっき層や無電解Ｃｕめっき層であることを好適とする。
【００２６】
中間層８ａは、ファイバ心線３ａと最外層８ｃとの密着性を確保するために設けられる層であって、通常、０.１〜０.２μｍ程度の厚みになっている。この中間層８ｂは、電気めっき法で形成してもよく、また無電解めっき法で形成してもよいが、無電解めっき法を適用して形成することが好ましい。めっき作業が簡素化できるからである。
【００２７】
最外層８ｃは、電気めっき法で形成されるＡｕ−Ｓｎ電気めっき層である。このＡｕ−Ｓｎ電気めっき層は、成分的にはＡｕとＳｎから成り、その金属組成は非晶質構造が主体となっている。具体的には、ＡｕやＳｎの大半は、それぞれ、基本的には所定の結晶構造をとらずに非晶質または微晶質の状態で存在し、それらの集合体が互いに混合した状態で存在している。一部のＡｕ，Ｓｎはそれぞれ所定の結晶構造をとって存在し、また、Ａｕ−Ｓｎ，ＡｕＳｎ_２，ＡｕＳｎ_４などの合金が存在している場合もあるが、それらの生成量は微量であり、そのため、例えばこのＡｕ−Ｓｎ電気めっき層にＸ線回折を行うと、そのプロファイルには明確な回折像は認められず、全体として非晶質構造として認識される。
【００２８】
このＡｕ−Ｓｎ電気めっき層８ｃは、後述する電気めっき時に、めっき浴の組成やめっき条件を変化させることにより、所望する成分組成に調節することができる。そしてそのことにより、Ａｕ−Ｓｎ電気めっき層８ｃの融点を所望する値に設定することができる。
【００２９】
このＡｕ−Ｓｎ電気めっき層８ｃの厚みは、相手材との間で封止構造を形成するために必要な厚みに設定されるが、あまり薄いと健全な封止構造の形成が困難となり、またあまり厚くしても健全な封止構造の形成は可能になるとはいえ溶着操作時に流れ落ちる量も多くなって無駄になる。通常、１〜１０μｍ程度であればよい。
【００３０】
この皮膜構造８は次のようにして形成される。
【００３１】
まず、光ファイバの被覆の除去を行ってファイバ心線３ｂを裸出させる。ついで、このファイバ心線３ｂに対し、常法の表面アルカリ洗浄を行い、公知のセンシタイザ，アクチベータによる表面処理を施したのち例えば無電解Ｎｉめっきを行い、ファイバ心線３ｂの表面に下層８ａを形成して導電性を付与する。
【００３２】
なお、導電性の付与に関しては無電解Ｃｕめっきを適用してもよく、また銀鏡反応を利用してもよい。
【００３３】
ついで、この下層８ａの上に、例えば無電解めっき法でＡｕ無電解めっきを行って所定厚みの中間層８ｂを形成する。
【００３４】
そして、この中間層８ｂの上にＡｕ−Ｓｎ電気めっき層８ｃが形成される。Ａｕ−Ｓｎ電気めっき層８ｃの形成は次のようにして行われる。
【００３５】
まず、めっき浴が建浴される。その場合、ＡｕとＳｎの標準単極電位の差は可成り大きいので、実際の電気めっき操作時におけるＡｕとＳｎの析出電位の差も大きくなる。そのため、ＡｕとＳｎを同時に析出させるためには、両者の析出電位が近接した状態となるように、Ａｕ源やＳｎ源の種類，めっき浴の組成，めっき条件などを適切に選定することが必要になる。
【００３６】
このようなことを勘案して、本発明におけるめっき浴は、Ａｕ源として、例えばシアン金（Ｉ）カリウムを用い、Ｓｎ源として、例えばクエン酸すずやスルホン酸すずに代表される有機酸すず（II）が用いられる。
【００３７】
また、めっき浴には、例えば、スルファミン酸ソーダ，クエン酸ソーダ，酢酸ソーダのような導電性の有機酸を５０〜１００ｇ／Ｌ程度配合することにより、Ｓｎイオンの２価から４価への酸化を防止し、もって、Ｓｎを効率よく析出させることができる。
【００３８】
なお、このときの浴組成を変化させることにより、形成されたＡｕ−Ｓｎ電気めっき層の融点を所望する値にすることができる。すなわち、まず目標とする融点を設定する。そして、Cuilik. J.らが、“J. Alloys and Compounds” 191. (1993). pp71〜78で開示しているＡｕ−Ｓｎ２元系状態図からその融点に相当するＡｕとＳｎの組成を読み取り、その組成比の電着が可能となるように前記したＡｕ源，Ｓｎ源を含むめっき浴を建浴し、それを用いて電気めっきを行えばよい。目標融点との間で若干のばらつきは生ずるが、基本的には近似した融点のＡｕ−Ｓｎ電気めっき層の形成が可能である。
【００３９】
電気めっきに際しては、上記しためっき浴にＰｔ被覆Ｔｉ板のような不溶性電極と中間層８ｂが形成されているファイバ心線を浸漬し、不溶性電極が陽極，ファイバ心線が陰極となるように、それぞれを電源に接続する。
【００４０】
このとき、めっき浴のｐＨは、３.０〜６.０の範囲におさまるようにし、また、浴温は２０〜６０℃の範囲に設定することが好ましい。ｐＨが低すぎると、Ａｕ無電解めっき層８ｂの表面に成膜されるＡｕ−Ｓｎ電気めっき層は、Ａｕの析出比率が大きい組成になり、またｐＨが高すぎると、めっき層の表面が曇ってくる傾向が増すからである。そして浴温が低すぎるとＡｕ−Ｓｎ電気めっき層は応力が大きい皮膜になってしまい、また浴温が高すぎると、めっき浴の劣化や分解が起こりはじめるからである。
【００４１】
ついで、めっき浴を撹拌しながら通電して電気めっきを行う。このとき、電流密度は０.１〜１.０Ａ／dm²に設定することが好ましい。電流密度が小さすぎると、Ａｕの析出比率が大きい組成の皮膜になり、また高すぎると、めっき層の表面が粉状化しはじめるからである。
【００４２】
かくして、ファイバ心線の中間層８ｂの表面にはＡｕとＳｎが同時に電着してＡｕ−Ｓｎ電気めっき層８ｃが形成される。このときのＡｕ−Ｓｎ電気めっき層の厚みは、めっき時間を調節することにより、任意の厚みに制御することができる。
【００４３】
このようにして製造した光ファイバのファイバ心線を例えばフェルールに挿通して発光デバイスと位置合わせしたのち、所定の温度に加熱し、更に続けて冷却する。ファイバ心線表面の皮膜構造８は溶融したのち再凝固し、ファイバ心線とフェルールの間には封止構造が形成される。このとき再凝固したＡｕ−Ｓｎめっきは非晶質構造から圧延箔と同じような結晶構造に転化する。
【００４４】
【実施例】
（１）皮膜構造の形成
光ファイバの被覆を剥離除去して、線径１２５μｍ，長さ５０mnのファイバ心線を裸出させたのち、このファイバ心線の表面をアルカリ洗浄した。ついで、ＳｎＣｌ₂水溶液をセンシタイザとし、ＰｄＣｌ₂水溶液をアクチベータとし、化成品興業（株）製の無電解Ｎｉめっき浴（＃７０９）を用いて無電解Ｎｉめっきを行って、下層８ａを形成した。
【００４５】
その後、化成品興業（株）製の無電解Ａｕめっき浴（ＮＩＣＫＡ＃ＡＵ１００）を用いてＡｕ無電解めっきを行い、前記下層８ａの上に厚み０.１〜０.２μｍの中間層８ｂを形成した。
【００４６】
そしてこの中間層８ａの上にＡｕ−Ｓｎ電気めっき層を次のようにして形成した。
【００４７】
まず、次の組成のめっき浴を建浴した。
【００４８】
シアン金（Ｉ）カリウム：１０ｇ／Ｌ，クエン酸すず（II）：４ｇ／Ｌ，
クエン酸ソーダ：１００ｇ／Ｌ。
【００４９】
ここに、ファイバ心線を浸漬して陰極とし、対極にＰｔ被覆Ｔｉ板を配置し、めっき浴を撹拌しながら下記の条件で電気めっきを行った。
【００５０】
電流密度：０.５Ａ／dm²，浴温：４０℃，ｐＨ：４.２，
めっき時間：３０分。
【００５１】
中間層８ｂの上には、厚み約１０μｍのＡｕ−Ｓｎ電気めっき層が形成された。
【００５２】
（２）Ａｕ−Ｓｎ電気めっき層の性状
１．このＡｕ−Ｓｎ電気めっき層の成分の分析をプラズマ発光分光分析で行った。その結果、Ａｕ：７８重量％，Ｓｎ：２２重量％であった。
【００５３】
２．また、このＡｕ−Ｓｎ電気めっき層について下記の条件下で示差熱分析を行い、その融点を測定した。
【００５４】
基準物質：アルミナ、昇温速度：室温から１２００℃まで１０℃／min、
レンジ：±５０μＶ，チャートスピード：２.５mm／sec。
【００５５】
その結果、温度３１２℃の位置に吸熱ピークが認められた。
【００５６】
３．更に、このＡｕ−Ｓｎ電気めっき層につきその結晶構造をＸ線回折法で同定した。その結果、２θ：７７°の付近にＡｕの僅かな回折像が認められたが、全体としてはハローな回折像であり、この材料は非晶質構造を主体とするものであることが確認された。
【００５７】
なお、示差熱分析が終了した材料について同じＸ線回折を行ったところ、２θ：７７°の付近にＡｕ−Ｓｎ合金に相当する回折像がシャープに認められた。すなわち、この材料は溶融することにより非晶質構造から結晶質の合金に転化した。
【００５８】
（３）フェルールとの融着
長さ５mm，外径１mm，中心孔の径１５０μｍであるコバール製のフェルールを用意した。このフェルールの表面には、厚み２〜３μｍの無電解Ｎｉめっき層と厚み０.１〜０.２μｍのＡｕ無電解めっき層をこの順序で成膜した。このフェルールにファイバ心線を挿通し、その先端部を４００μｍ程度突出させて位置決めした。
【００５９】
ついで、フェルールの外周に高周波誘導加熱コイルを配置し、ファイバ心線とフェルールを温度３５０℃で１０秒間加熱したのち室温まで放冷した。
【００６０】
ファイバ心線とフェルールの境界部には肉盛り部が形成され、両者が溶着している封止構造が形成された。
【００６１】
そして、フェルールを固定してファイバ心線を引っ張り、この溶着部の強度を調べたところ、１.５kgの荷重印加までは溶着部の損壊は起こらなかった。
【００６２】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、光モジュールの製造時において、本発明の光ファイバを用いると、従来のＡｕ−Ｓｎ合金の圧延箔を使用することなく良好な封止構造を形成することができる。すなわち、電気めっき法によってＡｕ−Ｓｎ電気めっき層を最外層とする皮膜構造をファイバ心線の表面に形成した本発明の光ファイバは、光モジュールの製造時にＡｕ−Ｓｎ合金の圧延箔を不要とする光モジュール用の光ファイバとして機能することができ、その工業的価値は極めて大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光ファイバの概略を示す断面図である。
【図２】光モジュールの概略を示す断面図である。
【図３】フェルールとファイバ心線の溶着を説明するための一部切欠断面図である。
【図４】溶着後の状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１ハウジング
２発光デバイス
３光ファイバ
３ａ光ファイバ３の被覆
３ｂファイバ心線
３ｃ球面レンズ
４第１のフェルール
４ａフェルール４の端面
５ａ，５ｂ，５ｃ封止材
６第２のフェルール
７Ａｕ−Ｓｎ合金のリング箔
８皮膜構造
８ａ皮膜構造８の下層（無電解Ｎｉめっき層）
８ｂ皮膜構造８の中間層（Ａｕ無電解めっき層）
８ｃ皮膜構造８の最外層（Ａｕ−Ｓｎ電気めっき層）

Claims

ファイバ心線の表面のうち、少なくとも相手材との間で封止構造を形成する表面部分には、Ａｕ−Ｓｎ電気めっき層を最外層とする皮膜構造が形成されていることを特徴とする光モジュール用光ファイバ。
前記皮膜構造がＮｉ無電解めっき層とＡｕ無電解めっき層とＡｕ−Ｓｎ電気めっき層から成る請求項１の光ファイバ。
ファイバ心線の表面に無電解めっきを行って前記表面に導電性を付与したのち、電気めっきを行ってＡｕ−Ｓｎ電気めっき層を順次形成することを特徴とする光ファイバの製造方法。