JPH09230179A

JPH09230179A - 光モジュールの製造方法

Info

Publication number: JPH09230179A
Application number: JP5673396A
Authority: JP
Inventors: Hideki Hashizume; 秀樹橋爪
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 1996-02-20
Filing date: 1996-02-20
Publication date: 1997-09-05
Anticipated expiration: 2016-02-20
Also published as: JP3187706B2

Abstract

(57)【要約】【課題】低融点ガラスによる溶着のためレンズ表面に
低融点ガラスの微細な破片や粉末が付着しても、失透が
生じるのを防止でき、そのため光モジュールの光量は低
下せず、またレンズ固着強度の低下も生じずに信頼性の
高い製品を得ることができるようにする。【解決手段】まずホルダ１０の内部に球レンズ１２を
低融点ガラスリング成形体１４により溶着した後、前記
球レンズ及びガラス溜まり１５のホルダ開口部を臨む面
に物理的気相成長法により耐湿保護膜１６を形成する。
その後、ホルダと光半導体素子とを結合して光モジュー
ルを製造する。ホルダの形状は、その開口部の直径ａと
開口部から球レンズまでの深さｂとの比ａ／ｂを１以上
とするのが望ましい。耐湿保護膜としては膜厚３０〜２
００nmのＳｉＯ₂膜が好適であり、真空蒸着法で形成で
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レンズを低融点ガ
ラスによってホルダに溶着する光モジュールの製造方法
に関し、更に詳しく述べると、低融点ガラスを用いてレ
ンズをホルダ内部に溶着した後、レンズ及びガラス溜ま
りのホルダ開口部を臨む面に耐湿保護膜を形成し、その
後、ホルダと光半導体素子とを結合する光モジュールの
製造方法に関するものである。この光モジュールは、例
えば光ＬＡＮ等における発光装置や受光装置、あるいは
バーコード読取り装置における光源等として有用であ
る。

【０００２】

【従来の技術】光モジュールは各種の光半導体素子を組
み込んだ光部品であって、光コネクタや光コリメータ等
があり、様々な分野で使用されている。例えば光通信の
分野で用いられている光コネクタは、半導体発光素子又
は半導体受光素子と光ファイバを光学的に結合する光モ
ジュールである。光ＬＡＮ等でデータ通信を行うコンピ
ュータシステムでは、半導体発光素子のモジュールと半
導体受光素子のモジュールを回路基板上に対にして設置
している。具体的には、光半導体素子（例えばレーザダ
イオード等の半導体発光素子あるいはフォトダイオード
等の半導体受光素子）とレンズ、及び接続相手の光プラ
グのフェルールを嵌合保持するレセプタクルコア等を具
備し、光プラグ接続時に光半導体素子とフェルールの光
ファイバとがレンズを介して光学的に結合する構造とな
っている。その他、バーコード読取り装置の光源である
光コリメータは、レーザダイオードからの出射光をレン
ズによって集光し、所定の距離だけ離れた位置で規定の
ビームサイズが得られるようにする機能を有する。

【０００３】光モジュールに用いるレンズとしては、球
レンズとロッドレンズが一般的である。勿論、それ以外
の種々の形状のレンズを使用することもある。それらの
中で球レンズは、機械加工のみによって高精度の製品を
容易に製造できるため安価であり、またレンズに方向性
が全く無いためにレンズ実装の際の方位調整が不要であ
り組み立て易いという利点もあり多用されている。レン
ズをホルダに固定するには、低融点ガラスによる溶着、
樹脂接着剤による接着、半田付け、リング状の弾性部材
を嵌め込むような機械的な固定等がある。これらのうち
接着法は、狭い領域に液状の接着剤を流し込む必要があ
り、硬化前のハンドリングに難がある。半田付けを行う
には、レンズにメタライズを行う必要があり、特に球レ
ンズに対してはメタライズすることが難しいし、メタラ
イズすることで方向性が生じるために実装作業が煩瑣と
なる。機械的な圧入固定は、リング状の弾性部材等の別
の部品を必要とし、組立作業が煩雑でありコストもかか
る。これらの理由で、低融点ガラスを用いる溶着法が有
利であり、広く採用されている。

【０００４】具体的には、低融点ガラス（例えば融点が
３６５℃程度）の粉末をリング状に圧粉成形した低融点
ガラスリング成形体を用いる。この低融点ガラスリング
成形体を、レンズを支持しているホルダの内壁段部に挿
入し、それを加熱炉に入れて４００℃前後の温度で熱処
理を行う。これにより、低融点ガラスリング成形体が溶
融し、図６に示すように、レンズ５０はホルダ５２に溶
着される。低融点ガラスリング成形体が溶融した後に凝
固したガラス溜まりを符号５４で示す。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】光半導体素子として気
密封止されたパッケージ内に素子を組み込んだ構造の部
品を用いる場合には、レンズを保持するホルダの部分は
特に気密封止を行う必要がない。従って、ホルダ内部に
は湿気を含んだ外気が容易に出入りすることになる。と
ころでガラス溶着に用いる低融点ガラスリング成形体
は、上記のように低融点ガラスの粉末を圧粉成形したも
のであるから、所定の位置に落とし込む際に微細な破片
や粉末が飛散し、それがレンズ表面に付着することが生
じる。レンズを固着するためにそのまま加熱溶融処理を
行うと、付着していた破片や粉末が溶融したり、低融点
ガラス自体の回り込み等によって、レンズ表面に局部的
な低融点ガラスの被膜ができる。ところが低融点ガラス
は、特に湿気に弱く、時間が経過するにつれて失透（白
濁）が発生することが多い。そのため図６に示すよう
に、低融点ガラスの被膜による失透部分５６ができる。
このような失透部分ができると、光モジュールの光量低
下が生じることになる。

【０００６】またホルダ内部のガラス溜まり（低融点ガ
ラス）の部分にも湿気を含んだ外気が容易に出入りす
る。この湿気によって、ガラス溜まりの表面に微細なク
ラックが入り、脆くなる現象が生じる。これは、レンズ
の固定強度の低下をもたらし、甚だしい場合にはレンズ
の脱落が生じてしまうことさえある。

【０００７】このような問題を解決するには、幾つかの
方法が考えられる。レンズ表面における低融点ガラスに
よる失透を防止するには、加熱溶融処理の前にレンズ表
面に付着している微細な粉末や破片を取り除くことが考
えられるが、そのような低融点ガラスの微細な粉末の完
全な除去作業は、実際には非常に難しい。また除去でき
たとしても加熱溶融の際に生じる低融点ガラスの回り込
みは避けられず、更にガラス溜まりの表面に発生するク
ラックの防止は不可能である。レンズを保持するホルダ
の内部を気密構造にすることも考えられるが、コストが
かかるし構造的にも複雑になってしまう。別の手段とし
て比較的失透が生じ難いガラスを用いることも考えられ
るが、耐湿性に優れたものは融点が高く、レンズの溶着
材料としては使い難い。

【０００８】本発明の目的は、上記のような従来技術の
問題を解決し、低融点ガラスによる溶着のためレンズ表
面に低融点ガラスの微細な破片や粉末が付着するにもか
かわらず、失透が生じるのを防止でき、そのため光モジ
ュールの光量は低下せず、またレンズ固着強度の低下も
生じずに信頼性の高い製品を得ることができる光モジュ
ールの製造方法を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、レンズを内蔵
したホルダと気密封止された光半導体素子を、レンズと
光半導体素子とが同軸上に位置するように結合する光モ
ジュールの製造方法である。ここで本発明の特徴は、低
融点ガラスを用いてレンズをホルダ内部に溶着した後、
前記レンズ及びガラス溜まりのホルダ開口部を臨む面に
物理的気相成長法により耐湿保護膜を形成する点にあ
る。ここで用いるレンズとしては球レンズが好適であ
る。また、ホルダとしては、その開口部の直径ａと開口
部から球レンズまでの深さｂとの比ａ／ｂが１以上とな
るようなほぼ筒状の部材を用いるのが望ましい。形成す
る耐湿保護膜としては、例えば膜厚３０〜２００nmのＳ
ｉＯ₂膜があり、この膜は蒸着法で形成できる。

【００１０】

【発明の実施の形態】レンズは低融点ガラスを用いてホ
ルダに溶着される。この溶着は、低融点ガラスの粉末を
リング状に圧粉成形した低融点ガラスリング成形体を、
レンズとホルダの間のホルダ内壁段部に落とし込み、加
熱溶融することで行う。低融点ガラスリング成形体を落
とし込む際に、微細なガラスの破片や粉末が飛散してレ
ンズ表面に付着し、それが溶融し広がることで局部的な
被膜が生じる。この薄い付着物は、長期間にわたる使用
中に、周囲の外気中の湿気を吸収して失透（白濁）する
ことがある。しかし本発明では、このような低融点ガラ
スの局部的な膜が形成されても、そのままの状態で溶着
直後にレンズ表面及びガラス溜まりの表面のホルダ開口
部を臨む面に耐湿保護膜を形成してしまう。すると、こ
の耐湿保護膜によって低融点ガラスが覆われるために、
湿気は低融点ガラスまで浸透せず、その結果、失透現象
が生じることはない。ガラス溜まり表面に微細なクラッ
クが入ることも防止できる。これによって長期間にわた
り信頼性の高い光モジュールが得られる。

【００１１】耐湿保護膜の形成は、レンズを内蔵した多
数のホルダを成膜室の内部に並べて蒸着処理などを行え
ばよく、製造も容易である。特に、ホルダの形状を、開
口部が広く且つ浅い構造にすれば、レンズの表面及びガ
ラス溜まりの表面に蒸着材料を十分に供給できるため、
効率良く且つ良好な耐湿保護膜を所望の厚みに形成する
ことができる。

【００１２】

【実施例】図１及び図２は本発明に係る光モジュールの
製造方法の一実施例を示す工程説明図である。図１はレ
ンズ内蔵ホルダの完成までの製造工程を示し、図２は完
成したレンズ内蔵ホルダと光半導体素子の結合工程を示
している。なお、この実施例ではレンズとして球レンズ
を用いている。

【００１３】先ず図１のＡに示すように、ホルダ１０の
内部に球レンズ１２を実装する。ホルダ１０は、例えば
ステンレス鋼等からなるほぼ筒状の部材であり、内壁に
球レンズ１２を取りつけるための第１の段部１０ａ、及
び気密封止された光半導体素子（図示せず）を取り付け
るための第２の段部１０ｂを有する構造である。ホルダ
１０の内部に球レンズ１２を落とし込むと、レンズ径が
ホルダ先端部の円形貫通孔１０ｃの直径よりも大きいた
めに、該球レンズ１２は第１の段部１０ａのエッジで支
えられる。これによって自動的に球レンズ１２の中心と
貫通孔１０ｃの中心軸は一致するようになる。次に低融
点ガラスリング成形体１４を第１の段部１０ａの上の球
レンズ１２とホルダ１０の間に落とし込む。この低融点
ガラスリング成形体１４は、低融点ガラス（例えば融点
が３６５℃程度）の粉末をリング状に圧粉成形した部材
である。なおこの順序は、逆に、先ず低融点ガラスリン
グ成形体１４を装填した後、球レンズ１２を落とし込む
ようにしてもよい。

【００１４】これを加熱炉に入れ４００℃前後の熱処理
を施す。これによって低融点ガラスリング成形体１４は
溶融し、図１のＢに示すように、球レンズ１２をホルダ
１０にガラス溶着できる。ガラス溜まりの部分を符号１
５で示す。このようにホルダ内部に球レンズを溶着した
後、図１のＣに示すように、真空蒸着法により球レンズ
１２及びガラス溜まり１５のホルダ開口部を臨む面に耐
湿保護膜１６を形成する。具体的には、坩堝２０内に成
膜に必要な蒸着材料（例えばＳｉＯ₂あるいはＭｇＦな
ど）２２を入れ、電子ビーム法あるいは抵抗加熱法等に
より加熱して蒸着材料を蒸発させて球レンズ１２及びガ
ラス溜まり１５の表面に付着させる。これによって球レ
ンズ１２およびガラス溜まり１５のホルダ開口部を臨む
面に耐湿保護膜１６が形成される（図１のＤ参照）。球
レンズ１２及びガラス溜まり１５の表面に効率よく成膜
するには、ホルダ１０の形状は、ホルダ開口部の直径ａ
と開口部から球レンズまでの深さｂとの比ａ／ｂが１以
上となるようにするのがよい。好ましい耐湿保護膜１６
としては例えば膜厚３０〜２００nm程度のＳｉＯ₂膜が
ある。

【００１５】次に図２に示すように、球レンズ１２を内
蔵したホルダ１０とパッケージに収納されて気密封止さ
れた光半導体素子１８とを結合する。球レンズ１２及び
ガラス溜まり１５の表面には図１に示す手順によって耐
湿保護膜１６が形成されている。光半導体素子１８のパ
ッケージのベース部分１８ａをホルダ１０の第２の段部
１０ｂに押し当てるように嵌合させることで位置決めを
行い、接着剤あるいはＹＡＧレーザ溶接等によって固定
する。光半導体素子１８の実装位置はホルダ１０の加工
寸法で決定するものとし、光軸方向の調芯は行っていな
い。このようにして、図２のＢに示すような光モジュー
ルが得られる。勿論、必要に応じて光軸方向の調芯が行
える結合構造としてもよい。

【００１６】図３は球レンズに代えてロッドレンズを用
いた場合の例である。基本的な製造手順は、図１及び図
２に示すものと同様であるので、対応する部分には同一
符号を付し、それらについての詳しい説明は省略する。
ホルダ１０内にロッドレンズ１３を嵌め込み、低融点ガ
ラスを加熱溶融することにより溶着する。ガラス溜まり
の部分を符号１５で示す。そして、ロッドレンズ１２の
一方の端面及びガラス溜まり１５の表面に耐湿保護膜１
６を形成する。

【００１７】光半導体素子としてレーザダイオードを組
み込んだ場合、図２のＢのような光半導体素子とレンズ
の組合せでバーコード読取り装置用光源となる光コリメ
ータが得られる。

【００１８】その他、光コネクタを構成する場合の例を
図４に示す。これは、図２のＢに示すような光モジュー
ルに加えて、接続相手の光プラグのフェルール（図示せ
ず）が嵌入するレセプタクルコア３０を有する。ここで
レセプタクルコア３０は、ステンレス鋼（例えばＳＵＳ
３０４）製の筒状の一体成形品であり、その少なくとも
ボア内周面に、ＣＶＤ法（化学的気相成長法）によりＴ
ｉＣ等の高硬度膜３１を形成したものである。なお、こ
のレセプコクルコア３０のボアの基端側にはフェルール
ストッパ３２が装着されている。勿論、高硬度膜を形成
する代わりにレセプタクルコア内にセラミックスリーブ
を嵌合した構造等でもよい。このようなレセプタクルコ
ア３０をホルダ１０に対して調芯状態においてＹＡＧ溶
接（溶接箇所を符号Ｗで示す）する。レセプタクルコア
３０に光プラグのフェルールを嵌入して光ファイバから
の出射光量、あるいは半導体受光素子での検出光量をモ
ニタし、合わせ面方向の精密調芯を行い、ピーク結合位
置でＹＡＧレーザビームを照射してスポット溶接する。
そして、その外周側にプラスチック製のコネクタハウジ
ング３４を装着する。このような光コネクタを使用する
際は、相手方の光フェルールがレセプタクルコア３０の
ボア内に嵌入すると共に、光プラグのプラグフレームが
コネクタハウジング３４と嵌合して機械的に結合する。
この状態で、光半導体素子とフェルールの光ファイバと
の光学的な軸合わせと結合が同時に達成される。

【００１９】光半導体素子としてレーザダイオードのよ
うな半導体発光素子を組み込むことで、レーザダイオー
ドからの出射光が球レンズで集光されてフェルールの光
ファイバに入射するような光ＬＡＮ用の発光装置が構成
できる。また半導体発光素子の代わりにフォトダイオー
ドのような半導体受光素子を組み込めば、光ＬＡＮ用の
受光素子が構成できる。

【００２０】次に、本発明による耐湿保護膜の形成方法
について、更に詳しく説明する。先ず球レンズをホルダ
内部に低融点ガラスを用いて溶着した試料４０（図１の
Ｂに示す状態）を多数個用意する。その製造に際して
は、球レンズの表面に低融点ガラスの微粉末が付着して
いても特に支障は無い。これらを、球レンズのホルダ開
口部を臨む面が下向きとなるように治具４２等により整
列固定し、真空蒸着用の成膜室４４の内部に設置する。
そして、下方に坩堝４６を設け、該坩堝４６内に必要と
する蒸着材料４８（例えばＳｉＯ₂あるいはＭｇＦ等）
を入れる。そして真空ポンプ（図示せず）で必要な高真
空状態まで排気し、電子ビーム（ＥＢ）法や抵抗加熱法
等によって加熱する。高真空中で薄膜材料を加熱蒸発さ
せることにより、この蒸発粒子が球レンズの表面及びガ
ラス溜まりの表面に沈着して薄膜が形成される。薄膜の
厚さは３０〜２００nm程度に制御する。これによって、
レンズの表面（低融点ガラスが付着していればそれを覆
うようなレンズの表面）及びガラス溜まりの表面にＳｉ
Ｏ₂等の膜が形成され、外気中の湿気が低融点ガラスに
浸入し、該低融点ガラスが失透するのを防止できる。真
空蒸着法に代えてスパッタ法で成膜することもできる。

【００２１】なお、レンズの表面には光透過率調整用の
ＮＤ（ニュートラルデンシティ）フィルタ膜のような光
学的フィルタ膜を形成する場合がある。これは、レーザ
製品の安全基準を満たすために出射光量とスロープ効率
の調整等に用いられている。つまり、ＮＤフィルタ膜に
よって光透過率を制御し、レーザダイオードからの出射
光量を見掛け上調整するものである。それら光透過率調
整用のＮＤフィルタ膜には、金属クロムあるいは金属チ
タンのような成膜材料を膜厚数十nm程度となるように形
成する。このような金属膜は、そのままでは外気に曝さ
れることで酸化される虞れがある。そのような場合にも
本発明の耐湿保護膜は有効である。つまり、図１のＣに
示す状態で、必要な光学的フィルタ膜を形成した後、そ
の上に同じような手法で耐湿保護膜を形成すればよい。
この耐湿保護膜によって金属膜は保護され、長期間にわ
たる信頼性が確保される。

【００２２】

【発明の効果】本発明は上記のように、低融点ガラスに
よってホルダ内部にレンズを溶着した後、レンズ及びガ
ラス溜まりのホルダ開口部を臨む面に耐湿保護膜を形成
する方法であるから、レンズ表面に低融点ガラスの微細
な破片や粉末等が付着していても、それは最終的に耐湿
保護膜で覆われるために、低融点ガラスの失透現象が生
じず、長期間にわたる使用の際に光量低下が生じる虞れ
は無い。また、ガラス溜まりの表面も耐湿保護膜で覆わ
れるため、吸湿による微小なクラックの発生を防止で
き、レンズを確実に且つ強固に保持できる。その点でも
長期間にわたる信頼性は著しく向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光モジュールの製造工程の一例を
示す説明図。

【図２】そのホルダと光半導体素子との結合構造を示す
説明図。

【図３】本発明により製造した光モジュールの他の例を
示す説明図。

【図４】本発明により製造した光モジュールの他の使用
例を示す説明図。

【図５】ホルダに溶着した球レンズに耐湿保護膜を形成
する工程の説明図。

【図６】従来技術の問題点を示す説明図。

【符号の説明】

１０ホルダ１２球レンズ１４低融点ガラスリング成形体１５ガラス溜まり１６耐湿保護膜１８光半導体素子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レンズを内蔵したホルダと気密封止され
ている光半導体素子を、レンズと光半導体素子とが同軸
上に位置するように結合する光モジュールの製造方法に
おいて、低融点ガラスを用いてレンズをホルダ内部に溶着した
後、前記レンズ及びガラス溜まりのホルダ開口部を臨む
面に物理的気相成長法により耐湿保護膜を形成すること
を特徴とする光モジュールの製造方法。
【請求項２】レンズとして球レンズを用い、ホルダと
しては、その開口部の直径ａと開口部から球レンズまで
の深さｂとの比ａ／ｂが１以上のほぼ筒状の部材を用い
る請求項１記載の光モジュールの製造方法。
【請求項３】耐湿保護膜が、膜厚３０〜２００nmのＳ
ｉＯ₂膜であり、蒸着法で形成する請求項１又は２記載
の光モジュールの製造方法。