WO2017199541A1 - 光学部材の固定構造 - Google Patents

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adhesive layer
fixing structure
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雅知 三國
上山 幸嗣
芳幸 加茂
敬太 望月
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三菱電機株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an optical member fixing structure, and more particularly to a structure for fixing an optical member such as a lens.
  • Such a fixed structure can be expected to improve the reliability of the bonded portion, but its effect is limited from the viewpoint of maintaining the positioning accuracy of the member. That is, in such a fixed structure, sufficient consideration is not given to the point of stress relaxation, and it is not possible to expect an accuracy that can reliably secure the positioning of the optical member of 1 ⁇ m or less accompanying the downsizing and high performance of the product. .
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to achieve high positioning accuracy in an optical member fixing structure in which an optical member and an object to be bonded are bonded by an adhesive layer.
  • an optical member fixing structure is an optical member fixing structure in which an optical member and an object to be bonded are bonded by an adhesive layer.
  • the metal layer having a yield stress equal to or lower than the curing shrinkage stress of the adhesive constituting the adhesive layer on the adhesive surface between at least one and the adhesive layer is 0 with respect to the thickness after curing of the adhesive layer. It is formed with a thickness of 3% to 10%.
  • the optical member fixing structure according to the present invention is an optical member fixing structure in which an optical member and an object to be bonded are bonded by an adhesive layer.
  • a metal layer having a yield stress equal to or lower than the thermal stress of the adhesive constituting the adhesive layer is formed on the adhesive surface between at least one and the adhesive layer with respect to the thickness after curing of the adhesive layer. It is formed with a thickness of 0.3% to 10%.
  • the fixing structure of the optical member of the present invention at least one of the optical member and the object to be bonded and the adhesive layer is bonded to the adhesive layer and has a curing shrinkage stress or thermal stress equal to or lower than that of the adhesive constituting the adhesive layer. Since the metal layer having yield stress is formed with a thickness of 0.3% to 10% with respect to the thickness after curing of the adhesive layer, the metal layer provided on the adhesive surface of an optical member such as a lens By yielding due to curing shrinkage stress or thermal stress, it is possible to absorb the deformation of the adhesive and realize high-precision positioning accuracy of the optical member.
  • FIG. 1A and 1B show the fixing structure of the optical member 1 in Embodiment 1, in which the optical member 1 and an object to be bonded (adhered object) 4 are bonded and fixed by an adhesive layer 3. is there.
  • the metal layer 2 having a yield stress that is equal to or less than the curing shrinkage stress or thermal stress of the adhesive on the adhesive surface of at least one of the optical member 1 and the bonding object 4 and the adhesive layer 3,
  • the adhesive layer 3 is formed on the entire surface with a thickness of 0.3% to 10% with respect to the thickness after curing.
  • the metal layer 2 having a yield stress equal to or less than the curing shrinkage stress or thermal stress of the adhesive of the adhesive layer 3 is formed only on the adhesive surface between the optical member 1 and the adhesive layer 3. It is formed on the entire surface with a thickness of 0.3% to 10% with respect to the thickness after curing.
  • the metal layer 2 having a yield stress equal to or lower than the curing shrinkage stress or thermal stress of the adhesive is formed, it is generated due to a temperature change caused by the curing shrinkage stress during the curing of the adhesive or the use environment.
  • the displacement of the optical member 1 due to the thermal stress to be absorbed can be suppressed by absorbing the yield of the metal layer 2, and high-precision positioning accuracy can be realized. It is also effective against shrinkage of the adhesive during product use, and long-term reliability can be expected.
  • the yielding of the metal layer 2 can alleviate the curing shrinkage stress or thermal stress of the adhesive. For this reason, since the favorable adhesion state can be maintained even under the fluctuation of the temperature environment, the optical member 1 can be further highly accurately positioned.
  • the thickness of the metal layer 2 is 0.3% or more and 10% or less with respect to the adhesive thickness after the adhesive is cured. If it is less than 0.3%, a sufficient yielding effect cannot be obtained, and the positioning accuracy tends to decrease. If it is thicker than 10%, the stress is dispersed and a sufficient yielding effect cannot be obtained.
  • the metal layer 2 capable of yielding by the curing shrinkage stress or thermal stress of the adhesive on the adhesive surface between at least one of the optical member 1 and the bonding object 4 according to the present embodiment and the adhesive layer 3 is an adhesive layer. It is formed on the entire surface with a thickness of 0.3% to 10% with respect to the thickness after curing.
  • the metal layer 2 having a yield stress equal to or lower than the curing shrinkage stress or thermal stress of the adhesive on the adhesive surface of at least one of the optical member 1 and the bonding object 4 has a thickness after curing of the adhesive layer. On the other hand, if it is formed with a thickness of 0.3% to 10%, a high positioning accuracy can be realized. However, as shown in FIG. 1B, the metal layer 2 is formed on both the optical member 1 and the bonding surface of the bonding object 4. If formed, it is possible to further suppress the positional deviation and to provide a high-precision positioning accuracy.
  • the thickness of the metal layer 2 is 0.3% or more and 10% or less with respect to the adhesive thickness after the adhesive is cured. If it is less than 0.3%, a sufficient yielding effect cannot be obtained, and the positioning accuracy tends to decrease. If it is thicker than 10%, the stress is dispersed and a sufficient yielding effect cannot be obtained.
  • the film thickness measurement method may be either optical or contact.
  • Optical methods include cross-sectional observation with a microscope, optical interference film pressure gauge, and the like.
  • As the contact type there is a technique such as a step meter. Any method may be used as long as the metal layer can be formed, but a physical vapor film is desirable, and a film formed by vacuum deposition, ion plating, sputtering, or the like is suitable.
  • the metal layer 2 is preferably made of a material having a yield stress of 10 MPa or more and 150 MPa or less.
  • the yield stress is greater than 150 MPa, the material does not yield due to the curing shrinkage stress or thermal stress of the adhesive, and a sufficient effect for suppressing displacement cannot be obtained.
  • it is 10 MPa or less, the metal layer is deformed by creep deformation, and long-term reliability cannot be ensured.
  • any kind of metal may be used as long as the yield stress is 10 MPa or more and 150 MPa or less, but examples include aluminum, gold, tin, tin alloy, indium, and the like.
  • the yield phenomenon of the film near the surface in contact with the adhesive may be confirmed.
  • Specific examples include a spherical nanoindentation method.
  • FIG. 1 the metal layer 2 is formed on the entire bonding surface.
  • the metal layer 2 is patterned.
  • 2A and 2B show the formation pattern of the metal layer 2 when the optical member 1 is viewed from the adhesive layer 3 side.
  • Various patterns such as a dot shape as shown in FIG. 2A or a stripe shape as shown in FIG. 2B can be formed.
  • the contribution of the yield stress in the X-axis direction of the metal layer 2 in FIG. 1A and FIG. 1B increases, and the deformation of the adhesive can be absorbed. Can be suppressed.
  • an ultraviolet curable adhesive is used for the adhesive layer 3 since the ultraviolet rays are scattered by the gaps between the patterns when the ultraviolet rays are irradiated from the upper surface of the optical member 1, the workability is improved. It can improve and prevent poor curing.
  • the surface area of the metal layer 2 increases, so that the adhesive easily spreads on the adhesive surface and can be applied uniformly. For this reason, since it is possible to maintain a good adhesion state even under environmental fluctuations such as temperature or humidity, the positioning accuracy of the optical member 1 can be improved.
  • the optical member 1 when the metal layer 2 is formed between both the optical member 1 and the bonding object 4 and the adhesive layer 3, the optical member 1 can be positioned with higher accuracy. Therefore, by forming a pattern on both adhesive surfaces, the positional deviation of the optical member 1 can be further suppressed, and a high positioning accuracy can be realized.
  • the metal layer 2 is formed on both the optical member 1 and the bonding target object 4 and a pattern is formed, at least of the metal layers formed on the bonding surfaces of the optical member 1 and the bonding target object 4.
  • a pattern may be formed on one side.
  • the thickness of the metal layer 2 is preferably 0.3% or more and 10% or less with respect to the adhesive thickness after the adhesive is cured. If it is less than 0.3%, a sufficient yielding effect cannot be obtained, and the positioning accuracy tends to decrease. On the other hand, when the thickness exceeds 10%, the stress is dispersed and a sufficient yielding effect cannot be obtained. In addition, it becomes difficult to uniformly apply the adhesive. As a result, a good adhesion state cannot be maintained, and the positioning accuracy tends to decrease.
  • the metal layer 2 is desirably 30% or more and 90% or less with respect to the area of the bonding surface of the optical member 1 or the bonding object 4. If it is less than 30%, a sufficient yielding effect cannot be obtained, and the positioning accuracy tends to decrease. If it exceeds 90%, the effect of pattern formation cannot be obtained.
  • a pattern may be formed after forming the metal layer 2 on the entire surface, or the metal layer 2 may be formed in a pattern shape from the beginning and then bonded. Any method may be used as long as the pattern can be formed, but the former method of forming the pattern after forming the metal layer 2 includes, for example, a pattern forming method by etching or laser irradiation. As the latter method of forming the pattern shape from the beginning, the metal layer 2 may be formed by the above-described forming method after masking the pattern shape or the like on the bonding surface of the optical member 1 or the bonding object 4.
  • the optical member 1 an optical lens, a light transmitting member such as an optical waveguide, a semiconductor laser (LD), a photodiode (PD), or the like can be used.
  • a light transmitting member such as an optical waveguide, a semiconductor laser (LD), a photodiode (PD), or the like.
  • the bonding object 4 iron (Fe) -nickel (Ni) -cobalt (Co) alloy, Fe-Ni alloy, stainless steel (SUS) -copper (Cu) -tungsten (W) alloy, Cu-molybdenum. (Mo) sintered metal, etc., alumina (Al 2 O 3 ) sintered body, aluminum nitride (AlN) sintered body, mullite (3Al 2 O 3 .2SiO 2 ) sintered body, etc. When it consists of ceramics, resin, etc., and consists of metal, it manufactures in a predetermined shape by giving conventionally well-known metal processing methods, such as rolling and stamping, or injection molding, cutting, etc. to the ingot.
  • the bonding object 4 has a rectangular flat plate shape (cuboid shape), a disk shape, etc. Various shapes are possible.
  • a metal film may be applied to the surface of the bonding object 4.
  • a metal film made of W, Mo, manganese (Mn) or the like is deposited by a conventionally known metallization method.
  • a protective metal layer 5 having excellent corrosion resistance such as gold (Au) or nickel, may be further attached to the surface of the bonding object 4. It can suppress that the whole surface of the thing 4 corrodes.
  • FIG. 4 shows an example of an optical communication module to which the present invention can be applied. It is composed of four semiconductor laser light sources 7, four collimating lenses 8, a substrate 6, a multiplexer 9, a condenser lens 12, and the like.
  • the semiconductor laser light source 7 is joined to the submount 11 with solder or the like, and the submount 11 is joined to the substrate 6 with solder or the like.
  • the submount 11 is made of aluminum nitride (AlN), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), or the like.
  • the collimating lens 8 is bonded to the substrate 6, converts the light output from the semiconductor laser light source 7 into parallel light 10, and the light converted into the parallel light 10 is collected at one place by the multiplexer 9, Coupled by the condenser lens 12.
  • the substrate 6 an iron (Fe) -nickel (Ni) -cobalt (Co) alloy, an Fe-Ni alloy, a stainless steel (SUS) -copper (Cu) -tungsten (W) alloy, or Cu-molybdenum ( A metal such as a sintered material of Mo) is desirable.
  • the collimating lens 8 that is an optical member corresponds to the optical member 1 in the first and second embodiments
  • the substrate 6 corresponds to the bonding object 4 in the first and second embodiments.
  • the metal layer 2 having a yield stress equal to or lower than the curing shrinkage stress or thermal stress of the adhesive is bonded to the adhesive surface of at least one of the adhesive layers 3 as shown in FIGS. 1A and 1B.
  • the agent layer is formed on the entire surface with a thickness of 0.3% to 10% with respect to the thickness after curing.
  • the metal layer has a dot shape as shown in FIG. 2A, or in FIG. 2B.
  • the contribution of the yield stress in the X-axis direction of FIGS. 1A and 1B of the metal layer 2 is increased by forming various patterns such as stripes as shown.
  • the adhesive layer 3 since the ultraviolet rays are scattered by the gap between the patterns when the ultraviolet rays are irradiated from the upper surface of the collimating lens 8, the workability is improved. It can improve and prevent poor curing.
  • the surface area of the metal layer 2 increases, so that the adhesive easily spreads on the adhesive surface and can be applied uniformly. For this reason, since it is possible to maintain a good adhesion state even under environmental fluctuations such as temperature or humidity, the positioning accuracy of the collimating lens 8 can be improved, and a decrease in coupling efficiency can be suppressed.
  • Preliminary experiment 1 is a measurement of the yield stress of the formed metal layer 2.
  • An optical lens (0.6 mm ⁇ 1.0 mm ⁇ 1.0 mm) was used as the optical member 1, and a copper (Cu) -tungsten (W) plated with nickel was used as the bonding object 4.
  • the metal layer 2 is formed by depositing aluminum, indium, nickel and gallium by a vacuum deposition method.
  • the optical lens 1 or the bonding object 4 was put in a vacuum layer, and before vapor deposition, the surface was cleaned by sputtering after heating at a vacuum degree of 1 ⁇ 10-5 Pa and preheating at 150 ° C. for 30 minutes. Thereafter, vapor deposition was performed using an aluminum target at a vacuum degree of 4 ⁇ 10 ⁇ 4 Pa and 150 ° C.
  • a mesh made of stainless steel wire diameter 0.55 mm, mesh opening) 0.077 mm was used, and the pattern was formed by performing deposition after covering the deposition target surface.
  • the thickness of the metal layer was found to be 0.5 ⁇ m, 2.0 ⁇ m, and 8.0 ⁇ m from the results of thickness measurement using a step gauge.
  • the representative stress and the representative strain by the Tabor model were obtained by the spherical nanoindentation method.
  • An ultra-indentation hardness tester ENT-1100a manufactured by Elionix, Inc. was used, and a diamond spherical indenter with a curvature radius of 20 ⁇ m was used as the indenter.
  • the results obtained by measuring the points where the slope of the representative stress-representative strain curve deviates from the straight line as the yield stress are shown below by increasing the load sequentially by dividing the load from 0.1 mN to 100 mN into 28.
  • Indium Yield stress 10.5 MPa
  • Nickel Yield stress 240MPa
  • Gallium Yield stress 9MPa
  • Preliminary experiment 2 is a measurement of the curing shrinkage stress of the adhesive. Black and white sprays were applied to the surface of 10 mm square SS400 to form contrast. An epoxy-based ultraviolet curable adhesive (manufactured by Kyoritsu Chemical Industry Co., Ltd .: 9210) was applied, adhered to the SS400 plate, and cured by irradiation with ultraviolet rays. The ultraviolet irradiation condition was 20 mW / cm 2 (wavelength: 365 nm) for 30 seconds. Photographs before and after curing were taken, and image analysis was performed with an ARAMIS system manufactured by GOM, so that the curing shrinkage stress was calculated from the strain. The results are shown below. Curing shrinkage stress: 180 MPa
  • the yield stress is 120 MPa, which is considerably smaller than the hardening shrinkage stress 180 MPa of the adhesive layer 3.
  • Preliminary experiment 3 is a measurement of the thermal stress of the adhesive. Black and white sprays were applied to the surface of 10 mm square SS400 to form contrast. An epoxy-based ultraviolet curable adhesive (manufactured by Kyoritsu Chemical Industry Co., Ltd .: 9210) was applied, adhered to the SS400 plate, and cured by irradiation with ultraviolet rays.
  • the ultraviolet irradiation was performed at 20 mW / cm 2 (wavelength: 365 nm) for 30 seconds. After curing, the temperature was increased from 23 ° C. to 100 ° C., photographs were taken at 23 ° C. and 100 ° C., and image analysis was performed with an ARAMIS system manufactured by GOM, thereby calculating thermal stress from strain. The results are shown below.
  • Example 1 A lens (which may be referred to as a lens 1 or the like hereinafter) that is the optical member 1 and an object to be bonded 4 are bonded, and the positional shift of the lens 1 is evaluated from the shift of the light spot of the laser beam that passes through the lens 1. It is a result.
  • an adhesive for the adhesive layer 3 an epoxy-based ultraviolet curable adhesive (Kyoritsu Chemical Industry Co., Ltd .: 9210) was used.
  • the lens 1 After holding the lens 1 and applying an adhesive to the bonding surface, the lens 1 was bonded to the bonding object 4 and cured by irradiating with ultraviolet rays.
  • the ultraviolet irradiation was performed at 20 mW / cm 2 (wavelength: 365 nm) for 30 seconds.
  • the positional shift of the lens 1 was evaluated by converting the positional change of the light spot of the laser beam that passed through the lens before and after the ultraviolet irradiation into the positional shift amount of the lens 1.
  • the adhesive thickness after curing was 70 ⁇ m from cross-sectional observation with a microscope.
  • Examples 1 to 16 are samples in which aluminum or indium is deposited
  • Comparative Example 1 is a sample in which these metals are not deposited
  • Comparative Examples 2 to 10 are samples in which nickel or gallium is deposited. .
  • the positional deviation could be suppressed to less than 1.5 ⁇ m. Further, by performing vapor deposition on both the lens 1 and the bonding object 4, as shown in Examples 1 to 2, 4, 9, 10, and 12, the positional deviation could be further reduced.
  • a pattern formed on both the lens 1 and the bonding object 4 can most reduce the amount of displacement, and a displacement of 0.5 ⁇ m or less can be realized. For this reason, by forming a pattern, it was possible to achieve higher positioning accuracy.
  • Comparative Example 1 when the metal layer 2 is not present, it can be seen that the positional deviation of the optical member 1 is 1.5 ⁇ m or more.
  • the displacement amount was 1.5 ⁇ m or more in any sample.
  • Table 2 below shows the result of evaluation of positional deviation when the film thickness of aluminum is changed.
  • the sample with a thickness of 0.5 ⁇ m was designated as Example 1
  • the sample with a thickness of 2.0 ⁇ m was designated as Example 17, and the samples with a thickness of 0.2 ⁇ m and 8.0 ⁇ m were designated as Comparative Examples 11 and 12, respectively.
  • the thickness was 0.5 ⁇ m and 2.0 ⁇ m, as shown in Examples 1 and 17, the amount of misalignment could be suppressed to less than 0.5 ⁇ m.
  • the film thickness of 8.0 ⁇ m was also 1.5 ⁇ m or more as shown in Comparative Example 12.
  • the Vickers hardness of aluminum which is an index of hardness, is 25 Hv, whereas it is 26 Hv or 8 Hv, respectively, and the same effect is considered to be obtained because the hardness is equal or low.
  • the Vickers hardness is 12.0 Hv, 12.9 Hv, and 17.1 Hv, respectively, and it is considered that the same effect can be obtained. It is done.
  • Example 2 The module shown in FIG. 4 was produced and the light coupling efficiency was measured.
  • an adhesive for the adhesive layer 3 an epoxy-based ultraviolet curable adhesive (Kyoritsu Chemical Industry Co., Ltd .: 9210) was used.
  • the collimating lens 8 After holding the collimating lens 8 and applying an adhesive to the bonding surface, it was bonded to the substrate 6 and cured by irradiation with ultraviolet rays.
  • the ultraviolet irradiation was performed at 20 mW / cm 2 (wavelength: 365 nm) for 30 seconds.
  • the adhesive thickness after curing was 70 ⁇ m from cross-sectional observation with a microscope.
  • aging was performed at 100 ° C. for 4 hours for initial stability such as degassing of the adhesive. Durability evaluation was performed using this sample. The aging may be performed in the range of about several minutes to several days within the range of about 60 to 150 ° C. within the range where the heat resistance of the product and the economical efficiency of production are allowed.
  • Example 18 a sample on which aluminum was deposited was designated as Example 18, and a sample on which metal deposition was not carried out was designated as Comparative Example 13.
  • the coupling efficiency change could be suppressed to less than 0.5 dB, so that the effect as a module could be confirmed.
  • thermal stress and hardening shrinkage stress contribute to the displacement of the position of the member, but when a film having a certain yield stress value or less is present at the interface as used in the embodiment of the present invention.
  • a minute deformation due to a partial yield stress of the material occurs, and it is estimated that the influence of the stress is difficult to be manifested from the viewpoint of the overall lens position shift.
  • the coating itself must have a corresponding yield stress. It is common to form a gold layer from the viewpoint of anticorrosion, but from the viewpoint of misalignment, it is common to use a metal species such as nickel with a small amount of deformation and a large yield stress, which is relatively soft. Utilizing a metal species that is in a state of 10 MPa or more and 150 MPa or less in yield stress is the result of the inventors' extensive investigation. Even if only this film state is adhered, there is an effect, but in order to further enhance this effect, the accuracy can be further improved by devising the situation of film formation.
  • 1 optical member 2 metal layer, 3 adhesive layer, 4 adhesion object, 5 protective metal layer, 6 substrate, 7 semiconductor laser, 8 collimating lens, 9 multiplexer, 10 parallel light, 11 submount, 12 condensing lens.

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Abstract

レンズ等の光学部材と接着対象物とを接着剤層により接着する光学部材の固定構造において、高い位置決め精度を実現する。光学部材(1)及び接着対象物(4)のうち、少なくとも一方と接着剤層(3)との接着面に、前記接着剤層(3)を構成する接着剤の硬化収縮応力又は熱応力以下の降伏応力を有する金属層(2)が、接着剤層の硬化後の厚みに対して0.3%~10%の厚みで形成されている光学部材の固定構造。

Description

光学部材の固定構造
 本発明は、光学部材の固定構造に関し、特にレンズ等の光学部材を固定するための構造に関するものである。
 従来、レンズ等の光学部材を接着剤で接着対象物に接着し固定する場合、光軸のずれを少なくすることが機能上重要である。接着によってレンズが固定される場合、接着箇所が最も変形が起こりやすく、光軸のずれにつながる可能性が高い。そのため、接着部の変形を制御することが製品の信頼性につながり、接着の信頼性を向上させるための技術を使いこなす必要がある。
 接着においては信頼性を確保するために接着面に表面処理を行うことは重要な要素であり、既に光学用の接着についても表面処理を活用した手法が展開されている。この中で、光学部材の接着面及び固定部材の接着面の少なくとも一方を粗くすることで、温度・湿度環境の変動下にあっても良好な接着状態を維持できかつ光学素子の光軸ずれを低減させ、位置決め精度を向上させたものがある(例えば特許文献1参照)。
特開2006-178388号公報
 このような固定構造では、接着部の信頼性向上は期待できても、部材の位置決め精度を保持するという観点ではその効果は限定される。すなわち、このような固定構造では、応力緩和性の観点までは十分に考慮されておらず、製品の小型化及び高性能化に伴う光学部材の1μm以下の位置決めを確実に担保できる精度は期待できない。
 本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、光学部材と接着対象物とを接着剤層により接着する光学部材の固定構造において、高い位置決め精度を実現することを目的とする。
 上記の目的を達成するため、本発明に係る光学部材の固定構造は、光学部材と接着対象物とを接着剤層により接着する光学部材の固定構造において、前記光学部材及び前記接着対象物のうち、少なくとも一方と前記接着剤層との接着面に、前記接着剤層を構成する接着剤の硬化収縮応力以下の降伏応力を有する金属層が、前記接着剤層の硬化後の厚みに対して0.3%~10%の厚みで形成されている。
 また、上記の目的を達成するため、本発明に係る光学部材の固定構造は、光学部材と接着対象物とを接着剤層により接着する光学部材の固定構造において、前記光学部材及び前記接着対象物のうち、少なくとも一方と前記接着剤層との接着面に、前記接着剤層を構成する接着剤の熱応力以下の降伏応力を有する金属層が、前記接着剤層の硬化後の厚みに対して0.3%~10%の厚みで形成されている。
 本発明の光学部材の固定構造によれば、光学部材及び接着対象物のうち、少なくとも一方と接着剤層との接着面に、接着剤層を構成する接着剤の硬化収縮応力又は熱応力以下の降伏応力を有する金属層が、前記接着剤層の硬化後の厚みに対して0.3%~10%の厚みで形成されているので、レンズ等の光学部材の接着面に設けられた金属層が硬化収縮応力又は熱応力により降伏することにより、接着剤の変形を吸収させ、光学部材の高精度な位置決め精度を実現できる。
本発明に係る光学部材の固定構造の実施の形態1による光学部材の固定構造を示す縦断面図であり、特に光学部材の接着面のみに金属層2が全面に形成されている固定構造を示す断面図である。 本発明に係る光学部材の固定構造の実施の形態1による光学部材の固定構造を示す縦断面図であり、特に光学部材及び接着対象物の接着面両方に金属層2が全面に形成されている固定構造を示す断面図である。 本発明に係る光学部材の固定構造の実施の形態2における金属層を光学部材又は接着対象物との接着面からみた平面図であり、特にドット状にパターンを形成させた平面図である。 本発明に係る光学部材の固定構造の実施の形態2における金属層を光学部材又は接着対象物との接着面からみた平面図であり、特にストライプ状にパターンを形成させた平面図である。 本発明に係る光学部材の固定構造の実施の形態1及び2において接着対象物に保護金属層を設けたときの縦断面図である。 本発明に係る光学部材の固定構造の実施の形態3を適用可能な光通信モジュールの一例を示したブロック図である。
 実施の形態1.
 図1A及び図1Bは、実施の形態1における光学部材1の固定構造を示しており、光学部材1と接着対象物(被接着物)4とが接着剤層3により接着され固定されたものである。
 本実施の形態においては、光学部材1と接着対象物4の内、少なくとも一方と接着剤層3との接着面に接着剤の硬化収縮応力又は熱応力以下の降伏応力を有する金属層2が、接着剤層3の硬化後の厚みに対して0.3%~10%の厚みで全面に形成されている。
 まず、図1Aでは、光学部材1と接着剤層3との間の接着面にのみ接着剤層3の接着剤の硬化収縮応力又は熱応力以下の降伏応力を有する金属層2が、接着剤層の硬化後の厚みに対して0.3%~10%の厚みで全面に形成されている。
 このように、接着剤の硬化収縮応力又は熱応力以下の降伏応力を有する金属層2が形成されていることから、接着剤硬化時の硬化収縮応力、又は使用環境により温度変化が生じることで発生する熱応力に起因する光学部材1の位置ずれを、金属層2の降伏により吸収させることで抑制することができ、高精度な位置決め精度を実現できる。また、製品使用時の接着剤の収縮に対しても効果があり、長期信頼性も期待できる。
 また、金属層2が降伏することで、接着剤の硬化収縮応力又は熱応力を緩和することができる。このため、温度環境の変動下にあっても良好な接着状態を維持することができるので、一層、光学部材1の高精度な位置決め精度が実現できる。
 金属層2の厚みは、接着剤硬化後の接着厚みに対して0.3%以上10%以下である。0.3%未満であると、十分な降伏効果が得られず、位置決め精度が低下しやすい。10%より厚くなると、応力が分散され十分な降伏効果が得られない。
 以下、金属層2について詳細に説明する。
 本実施形態に掛かる光学部材1及び接着対象物4のうち、少なくとも一方と接着剤層3との接着面に接着剤の硬化収縮応力又は熱応力によって降伏可能な金属層2が、接着剤層の硬化後の厚みに対して0.3%~10%の厚みで全面に形成されている。
 接着剤硬化時の硬化収縮応力、又は使用環境により温度変化が生じることで発生する熱応力に起因する光学部材の位置ずれを、金属層2の降伏応力により吸収させることで抑制することができ、高精度な位置決め精度を実現できる。
 上記のように、光学部材1及び接着対象物4のうち、少なくとも一方の接着面に接着剤の硬化収縮応力又は熱応力以下の降伏応力を有する金属層2が接着剤層の硬化後の厚みに対して0.3%~10%の厚みで形成されていれば、高精度な位置決め精度を実現できるが、図1Bに示すように光学部材1、接着対象物4の接着面両方に金属層2が形成されていれば、より一層位置ずれを抑制でき、高精度な位置決め精度を提供できる。
 金属層2の厚みは、接着剤硬化後の接着厚みに対して0.3%以上10%以下である。0.3%未満であると、十分な降伏効果が得られず、位置決め精度が低下しやすい。10%より厚くなると、応力が分散され十分な降伏効果が得られない。
 膜厚測定法としては、光学式及び接触式いずれでもよい。光学式としては、顕微鏡による断面観察、光干渉膜圧計等の方法がある。接触式としては、段差計等の手法がある。
 金属層が形成出来ればどのような手法でも良いが、望ましくは物理的気相膜が良く、真空蒸着、イオンプレーティング、スパッタ等によって製膜されるものが適している。
 金属層2は降伏応力10MPa以上150MPa以下の材料が望ましい。降伏応力が150MPaよりも大きな材料であると、接着剤の硬化収縮応力又は熱応力によって降伏せず、位置ずれ抑制に十分な効果が得られない。また、10MPa以下であると、クリープ変形によって金属層が変形し長期信頼性を確保できない。
 金属の種類としては、降伏応力が10MPa以上150MPa以下であればどのようなものでもよいが、アルミニウム、金、スズ、スズ合金、インジウム等が例として挙げられる。適した降伏応力を求めるには具体的には接着剤と接触する表面近傍の皮膜の降伏現象を確認すればよい。具体的な手法として、球形ナノインデンテーション法などが挙げられる。
 実施の形態2.
 上記の実施の形態1では、金属層2が接着面全面に形成されているが、本実施の形態では、金属層2をパターン化している。
 図2A及び図2Bは、いずれも、光学部材1を接着剤層3の側から見たときの金属層2の形成パターンを示すものである。図2Aに示すようなドット状、又は図2Bに示すようなストライプ状等、種々のパターンを形成することができる。
 このようなパターンを形成することで、金属層2の図1A及び図1BのX軸方向における降伏応力の寄与度が大きくなり、接着剤の変形を吸収できるため、より一層X軸方向の位置ずれが抑制できる。
 また、紫外線硬化性の接着剤を接着剤層3に用いる場合、光学部材1の上面から紫外線照射を行う際にパターンの隙間によって紫外線が散乱し効率良く接着剤に照射されるため、作業性が向上し、硬化不良を防ぐことができる。
 さらに、パターンを形成した場合、金属層2の表面積が増加するため、接着剤が接着面に濡れ広がりやすくなり、均一に塗布できる。このため、温度又は湿度等の環境変動下にあっても、良好な接着状態を維持することができるため、光学部材1の位置決め精度を向上させることができる。
 パターンを形成した場合でも、図1Aの場合のように、光学部材1及び接着対象物4のうちの一方と接着剤層3との間に金属層2が形成されていれば、位置決め精度の向上に効果がある。
 また、図1Bに示したように、光学部材1及び接着対象物4の両方と接着剤層3との間に金属層2が形成されていると、より一層光学部材1の高精度な位置決め精度が実現できるので、両方の接着面にパターンを形成することで、より一層光学部材1の位置ずれを抑制でき、高精度な位置決め精度が実現できる。
 さらに、光学部材1及び接着対象物4の両方に金属層2が形成されていて、かつパターンを形成する場合、光学部材1及び接着対象物4の接着面に形成された金属層のうち、少なくとも一方にパターンを形成してもよい。
 また、金属層2の厚みは、接着剤硬化後の接着厚みに対して0.3%以上10%以下であることが望ましい。0.3%未満であると、十分な降伏効果が得られず、位置決め精度が低下しやすい。また、10%より厚くなると、応力が分散され十分な降伏効果が得られない。また、接着剤塗布時に、均一に塗布することが困難になる。その結果、良好な接着状態が維持できなくなり、位置決め精度が低下しやすい。
 パターンを形成する場合、光学部材1又は接着対象物4の接着面の面積に対して、金属層2が30%以上90%以下であることが望ましい。30%未満であると、十分な降伏効果が得られず、位置決め精度が低下しやすい。90%を超えると、パターン形成の効果が得られない。
 パターンの形成方法としては、全面に金属層2を形成後、パターンを形成してもよいし、始めからパターン形状に金属層2を形成しておいてから接着してもよい。パターンが形成出来れば、いずれの方法でも良いが、金属層2を形成後、パターンを形成する前者の方法としては、例えばエッチングや、レーザー照射によるパターン形成法がある。始めからパターン形状を形成する後者の方法としては、光学部材1又は接着対象物4の接着面にパターン形状のマスキング等を施した後に、上記の形成方法で金属層2を形成すればよい。
 ここで、光学部材1としては、光学レンズ、光導波路等の光透過部材、又は半導体レーザ(LD),フォトダイオード(PD)等を用いることができる。
 また、接着対象物4については、鉄(Fe)-ニッケル(Ni)-コバルト(Co)合金、Fe-Ni合金、ステンレス鋼(SUS)-銅(Cu)-タングステン(W)合金、Cu-モリブデン(Mo)の焼結材等の金属や、アルミナ(Al23)質焼結体,窒化アルミニウム(AlN)質焼結体、ムライト(3Al23・2SiO2)質焼結体等のセラミックス、又は樹脂等から成り、金属から成る場合、そのインゴットに圧延加工や打ち抜き加工等の従来周知の金属加工法、または射出成形と切削加工等を施すことによって、所定の形状に製作される。接着対象物4は、四角形の平板状(直方体状)や円板状等、
種々の形状とすることができる。
 接着対象物4がセラミックス又は樹脂から成る場合、接着対象物4の表面には金属皮膜が被着されていてもよい。例えば、接着対象物4がセラミックスから成る場合、W、Mo、マンガン(Mn)等から成る金属皮膜が、従来周知のメタライズ法によって被着形成される。
 また、図3に示すように、接着対象物4の表面には、さらに金(Au)やニッケル等の耐腐食性に優れる保護金属層5を被着してもよく、この構成により、接着対象物4の表面全体が腐食するのを抑制することができる。
 実施の形態3.
 図4は、本発明が適用可能な光通信モジュールの1例を示している。4つの半導体レーザー光源7と4つのコリメートレンズ8、基板6、合波器9、集光レンズ12などによって構成されている。
 半導体レーザー光源7は、サブマウント11の上に半田などでで接合されており、サブマウント11は基板6に半田などで接合されている。このサブマウント11は窒化アルミニウム(AlN)や酸化アルミニウム(Al23)等から成る。
 コリメートレンズ8は、基板6に接着されており、半導体レーザー光源7から出力された光を平行光10に変換し、平行光10に変換された光は合波器9によって1箇所に集められ、集光レンズ12によって結合される。
 ここで、基板6としては鉄(Fe)-ニッケル(Ni)-コバルト(Co)合金、Fe-Ni合金、ステンレス鋼(SUS)-銅(Cu)-タングステン(W)合金、又はCu-モリブデン(Mo)の焼結材等の金属が望ましい。
 光学部材であるコリメートレンズ8は、実施の形態1及び2における光学部材1に相当し、基板6は、実施の形態1及び2における接着対象物4に相当する。このコリメートレンズ8と基板6のうち、図1A及び図1Bのように少なくとも一方の接着剤層3との接着面に接着剤の硬化収縮応力又は熱応力以下の降伏応力を有する金属層2が接着剤層の硬化後の厚みに対して0.3%~10%の厚みで全面に形成されている。
 また、接着剤硬化時の硬化収縮応力、又は使用環境により温度変化が生じることで発生する熱応力に起因する光学部材の位置ずれを、金属層2の降伏応力により吸収させることで抑制することができ、高精度な位置決め精度を実現でき、集光レンズ12によって結合される光の結合効率低下を抑制できる。
 さらに、コリメートレンズ8及び基板6のうちの少なくとも一方の接着剤層3との接着面に、図2A及び図2Bに示すように、金属層に図2Aに示すようなドット状、又は図2Bに示すようなストライプ状等、種々のパターンを形成することで金属層2の、図1A及び図1BのX軸方向における降伏応力の寄与度が大きくなる。これにより、接着剤の変形を吸収できるため、より一層X軸方向の位置ずれが抑制でき、結合効率低下を抑制できる。
 また、紫外線硬化性の接着剤を接着剤層3に用いる場合、コリメートレンズ8の上面から紫外線照射を行う際にパターンの隙間によって紫外線が散乱し効率良く接着剤に照射されるため、作業性が向上し、硬化不良を防ぐことができる。
 さらに、パターンを形成した場合、金属層2の表面積が増加するため、接着剤が接着面に濡れ広がりやすくなり、均一に塗布できる。このため、温度又は湿度等の環境変動下にあっても、良好な接着状態を維持することができるため、コリメートレンズ8の位置決め精度を向上させることができ、結合効率低下を抑制できる。
 <予備実験>
 予備実験1.
 予備実験1は、形成させた金属層2の降伏応力の測定である。光学部材1として光学レンズ(0.6mm×1.0mm×1.0mm)、接着対象物4として銅(Cu)-タングステン(W)にニッケルめっきを施したものを用いた。金属層2として本実施例ではアルミニウム、インジウム、ニッケル、ガリウムを真空蒸着法によって製膜したものを示す。
 光学レンズ1又は接着対象物4を真空層に入れ、蒸着前に、真空度1×10-5Pa、予備加熱150℃で30分加熱後、スパッタを行い表面の洗浄を行った。その後、アルミニウムのターゲットを用いて、真空度4×10-4Pa及び150℃で蒸着を行った。パターンを形成する場合には、上記のとおり、製膜後にパターンを形成する方法、製膜時にパターンを形成する方法等があるが、今回は、ステンレス製のメッシュ(線径0.55mm、目開き0.077mm)を用いて、蒸着対象面に被せてから蒸着を行うことで、パターンを形成した。段差計による厚み測定結果から、金属層の厚みは0.5μm、2.0μm、及び8.0μmであった。
 球形ナノインデンテーション法で代表応力と、Taborモデルによる代表ひずみを求めた。エリオニクス社製超微小押し込み硬さ試験機ENT-1100aを用い、圧子は曲率半径20μmのダイヤモンド球状圧子を用いた。0.1mNから100mNまでを28分割して順次荷重を増加させ、代表応力―代表ひずみ曲線の傾きが直線から外れる点を降伏応力として測定した結果を以下に示す。
 アルミニウム: 降伏応力120MPa
 インジウム : 降伏応力10.5MPa
 ニッケル  : 降伏応力240MPa
 ガリウム  : 降伏応力9MPa
 予備実験2.
 予備実験2は、接着剤の硬化収縮応力の測定である。10mm角のSS400の表面に黒色と白色のスプレーを塗布し、コントラストを形成させた。エポキシ系紫外線硬化型接着剤(協立化学産業株式会社製:9210)を塗布し、SS400板に接着させ紫外線を照射させることで硬化させた。紫外線照射条件は、20mW/cm2(波長:365nm)で30秒行った。硬化前と硬化後の写真を撮影し、GOM社製ARAMISシステムにより画像解析を行うことで、歪みから硬化収縮応力を算出した。結果を以下に示す。
 硬化収縮応力:180MPa
 従って、上記のとおり、金属層2がアルミニウムの場合には、接着剤層3の硬化収縮応力180MPaより降伏応力が120MPaとかなり小さいことが分かる。
 予備実験3.
 予備実験3は、接着剤の熱応力の測定である。10mm角のSS400の表面に黒色と白色のスプレーを塗布し、コントラストを形成させた。エポキシ系紫外線硬化型接着剤(協立化学産業株式会社製:9210)を塗布し、SS400板に接着させ紫外線を照射させることで硬化させた。
 紫外線照射は、20mW/cm2(波長:365nm)で30秒間行った。硬化後、23℃から100℃に温度を上げ、23℃時と100℃時の写真を撮影し、GOM社製ARAMISシステムにより画像解析を行うことで、歪みから熱応力を算出した。結果を以下に示す。
 熱応力:150MPa
 従って、上記のとおり、金属層2がアルミニウムの場合には、熱応力150MPaより降伏応力が120MPaとかなり小さいことが分かる。
 [実施例1]
 光学部材1であるレンズ(以下、レンズ1などと称することがある。)と接着対象物4とを接着し、レンズ1を通ったレーザー光の光点のずれからレンズ1の位置ずれを評価した結果である。接着剤層3の接着剤としては、エポキシ系紫外線硬化型接着剤(協立化学産業株式会社製:9210)を用いた。
 レンズ1を把持し、接着剤を、接着面に塗布した後、接着対象物4と接着させ紫外線を照射させることで硬化させた。紫外線照射は、20mW/cm2(波長:365nm)で30秒間行った。レンズ1の位置ずれは、紫外線照射前後のレンズを通ったレーザー光の
光点の位置変化をレンズ1の位置ずれ量に変換して評価を行った。硬化後の接着厚みは、顕微鏡による断面観察から、70μmであった。
 接着した後、接着剤の脱ガス等の初期安定性のために100℃で4時間のエージングを行った。このサンプルを用いて、耐久性評価を実施した。なお、エージングは、60~150℃程度の範囲で製品の耐熱性や製造の経済性が許容される範囲で数分~数日程度の範囲で行っても良い。
 <評価>
 上記のサンプルに対して、85℃30分~20℃30分のヒートサイクル試験を200回実施し、20個評価して光学部材の位置ずれが1.5μm以下、1μm以下、0.5μm以下の指標で評価を行った。これらの指標を超えるサンプルが無い場合は“○”、有る場合は“×”で評価した。アルミニウム、インジウム、ニッケル、及びガリウムの評価結果を下記の表1に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 この表1において、アルミニウム又はインジウムを蒸着させたサンプルを実施例1~16、これらの金属蒸着を行っていないサンプルを比較例1、ニッケル又はガリウムを蒸着させたサンプルを比較例2~10とした。
 アルミニウム又はインジウムの場合、レンズ1及び接着対象物4のどちらか一方に蒸着を行うことで、実施例1~16に示すように、位置ずれを1.5μm未満に抑えることができた。また、レンズ1及び接着対象物4の両方に蒸着を行うことで、実施例1~2,4,9,10,12に示すように、さらに位置ずれを低減することができた。
 また、レンズ1及び接着対象物4の両方にパターンを形成したものが最も位置ずれ量を低減させることができ、0.5μm以下の位置ずれが実現できた。このため、パターンを形成することで、さらに高精度な位置決め精度が実現できた。
 一方、比較例1に示すように、金属層2が無い場合には、光学部材1の位置ずれは、1.5μm以上であることが分かる。
 降伏応力の大きなニッケル、又は降伏応力が小さなガリウムを用いた場合は、比較例2~10に示すように、いずれのサンプルでも位置ずれ量が1.5μm以上であった。
 また、アルミニウムの膜厚を変化させたときの位置ずれ評価結果を、下記の表2に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 厚みが0.5μmのサンプルを実施例1、厚み2.0μmのサンプルを実施例17、そして、厚みが0.2μm、8.0μmのサンプルをそれぞれ比較例11、12とした。厚みが0.5μm、及び2.0μmの場合、実施例1及び17に示すように、位置ずれ量を0.5μm未満に抑えることができた。0.2μmの場合、比較例11に示すように1.5μm以上であった。これは、硬化後の接着厚みに対して0.3%以下であったため、十分な降伏効果が得られなかったためと考えられる。8.0μmの膜厚の場合も、比較例12に示すように、1.5μm以上であった。これは、硬化後の接着厚みに対して、10%以上の膜厚であったため、応力が分散され十分な降伏効果が得られなかったためと考えられる。また、接着剤塗布時に均一に塗布することが困難になり、良好な接着状態が維持できなくなり、位置決め精度が低下し易くなったことも要因であると考えられる。
 金又はスズに関しては、硬さの指標であるアルミニウムのビッカース硬度が25Hvであるのに対して、それぞれ、26Hv又は8Hvであり、硬度が同等又は低いため同様の効果が得られると考えられる。また、(Pb-5Sn、Sn-0.75Cu,Sn―5Sb等)のスズ合金に関しても、ビッカース硬度がそれぞれ12.0Hv、12.9Hv、17.1Hvであり、同様の効果が得られると考えられる。
 [実施例2]
 図4のモジュールを作製し、光の結合効率を測定した。接着剤層3の接着剤としては、エポキシ系紫外線硬化型接着剤(協立化学産業株式会社製:9210)を用いた。
 コリメートレンズ8を把持し、接着剤を接着面に塗布した後、基板6と接着させ紫外線を照射させることで硬化させた。紫外線照射は、20mW/cm2(波長:365nm)で30秒間行った。硬化後の接着厚みは、顕微鏡による断面観察から、70μmであった。
 接着後、接着剤の脱ガス等の初期安定性のために100℃で4時間のエージングを行った。このサンプルを用いて、耐久性評価を実施した。なお、エージングは、60~150℃程度の範囲で製品の耐熱性や製造の経済性が許容される範囲で数分~数日程度の範囲で行っても良い。
 上記のサンプルに対して、85℃30分~20℃30分のヒートサイクル試験を200回実施し、20個評価して、結合出力の変化が0.5dB未満で“○”、0.5dB以上で“×”という指標で評価を行った。その評価結果を次の表3に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
 この表3において、アルミニウム蒸着させたサンプルを実施例18とし、金属蒸着を行っていないサンプルを比較例13とした。
 アルミニウムを蒸着させたサンプルでは、結合効率変化を0.5dB未満に抑制することができたため、モジュールとしても効果を確認することができた。
 このような異種材料の接着体では熱応力や硬化収縮応力が部材の位置のずれに寄与するが、本発明の実施の形態で使用するような一定の降伏応力値以下の被膜が界面に存在すると、表面近傍に材料の部分的な降伏応力による微小な変形が起こり、全体的なレンズの位置ずれという観点では応力の影響が顕在化し難くなると推定される。
 このような効果を発現させるためには、被膜自体が相応の降伏応力を有するものでなくてはならない。防食の観点から金の層を形成させることは一般的であるが、位置ずれの観点からはニッケルのような変形量が小さく降伏応力が大きな金属種を用いることが一般的であり、比較的柔らかく、降伏応力では10MPa以上150MPa以下の状態である金属種を活用することは、発明者らが鋭意検討し見出した結果である。この被膜状態を接着するだけでも効果があるが、この効果を更に高めるために製膜の状況を工夫することでさらに精度を高めることができる。
 また、パターンを形成することで、金属層2の図1A及び図1BのX軸方向の降伏応力の寄与度が大きくなり、接着剤の変形を吸収できるため、より一層X軸方向の位置ずれが抑制できる。これらの手法を用いて、製品の要求精度に応じてレンズの位置ずれを制御可能になる。
 1 光学部材、2 金属層、3 接着剤層、4 接着対象物、5 保護金属層、6 基板、7 半導体レーザー、8 コリメートレンズ、9 合波器、10 平行光、11 サブマウント、12 集光レンズ。

Claims (8)

  1.  光学部材と接着対象物とを接着剤層により接着する光学部材の固定構造において、前記光学部材及び前記接着対象物のうち、少なくとも一方と前記接着剤層との接着面に、前記接着剤層を構成する接着剤の硬化収縮応力以下の降伏応力を有する金属層が、前記接着剤層の硬化後の厚みに対して0.3%~10%の厚みで形成されている
     光学部材の固定構造。
  2.  光学部材と接着対象物とを接着剤層により接着する光学部材の固定構造において、前記光学部材及び前記接着対象物のうち、少なくとも一方と前記接着剤層との接着面に、前記接着剤層を構成する接着剤の熱応力以下の降伏応力を有する金属層が、前記接着剤層の硬化後の厚みに対して0.3%~10%の厚みで形成されている
     光学部材の固定構造。
  3.  前記金属層の降伏応力が、10MPa以上150MPa以下である
     請求項1又は2に記載の光学部材の固定構造。
  4.  前記金属層は、ドット状又はストライプ状にパターン化されている
     請求項1から3のいずれか一項に記載の光学部材の固定構造。
  5.  前記金属層は、前記接着面の面積に対して30%以上90%以下で形成されている
     請求項1から4のいずれか一項に記載の光学部材の固定構造。
  6.  前記金属層は、アルミニウム蒸着又はインジウム蒸着で形成される
     請求項1から5のいずれか1項に記載の光学部材の固定構造。
  7.  前記接着剤層は、紫外線硬化性接着剤で構成されている
     請求項1から6のいずれか1項に記載の光学部材の固定構造。
  8.  光通信モジュールにおいて、前記接着剤層は、前記光学部材であるコリメートレンズと前記接着対象物である基板との接着面の少なくとも一方に前記金属層が形成されている
     請求項1から7のいずれか1項に記載の光学部材の固定構造。
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