(57)【要約】【課題】光学素子２の位置決め部４を有したホルダ１から成る光学部品１１において、残留応力を極めて低減し信頼性向上を図る。【解決手段】光を通過又は受光する光学素子２が接合材３を介してホルダ１に接合してなる光学部品１１であって、ホルダ１に、接合材３と非接触の状態で光学素子２と当接してなる位置決め部４を配置した構成である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を通過又は受光する光学素子が接合材を介してホルダに接合してなる光学部品であって、前記ホルダに、前記接合材と非接触の状態で前記光学素子と当接する位置決め部を形成したことを特徴とする光学部品。
【請求項２】
前記光学素子は、光の通過又は受光する光学面の外周部で前記位置決め部に当接することを特徴とする請求項１記載の光学部品。
【請求項３】
少なくとも前記ホルダの光学部品と接合する領域の算術平均粗さ（Ｒａ）を０．２０〜２５μｍとしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の光学部品。
【請求項４】
少なくとも光出射口が形成されたケース内の光通過域に、請求項１〜３のいずれかに記載の光学部品を配置して成る光モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光を通過又は受光する光学素子を用いた光学部品及びそれを用いた光モジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、光源のレーザから出射した光を結合レンズによって光ファイバ端面に収束させて光ファイバに伝搬させる光通信技術は広く知られており、この光通信技術においては、例えば、半導体レーザモジュールにおいて、半導体素子から出射されるレーザ光を光ファイバ端面に収束させるためにレンズ等の光学素子が用いられている。
このような光学素子は、直接、半導体レーザモジュールのケース（不図示）につきにくく、従来から非常に脆く傷つき易いものであるため、図３（ａ）に示すように、一度、光学素子２００をホルダ１００に接合材３００を介してホルダ底板１００ａの表面に固定して光学部品１４０を構成し、この光学部品１４０としてケースへ搭載するものであった。
【０００３】
しかし、光学部品１４０をケースに搭載する際は、例えば、用いる光学素子がレンズである場合は、光ファイバ端面にうまく収束させるために光学素子２００の光軸を考慮して調整しながら組み込む必要があった。このため、光学素子２００とホルダ１００の位置が無秩序に接合されると、光軸調整が非常に難しくなるという問題が生じていた。
【０００４】
この問題の対策として、図３（ｂ）の光学部品１５０が考えられる。即ち、光学素子２００を当接して位置決めする位置決め部４００をホルダ１０１に備えており、光学素子２００とホルダ１０１との位置が機械的に決められて接合するようにしている。これにより、ケースに光学部品１５０を組み込む際、ホルダ１０１のみを精度良く組み込めれば良く、組込調整が容易となるものである。
【０００５】
なお、一般的に位置決め部４００は、光を通過又は受光する光学素子２００の中央付近を避けて光学素子２００と接合する底板１０１に近い領域に当接している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、接合材３００は、図３（ｃ）に示すように光学素子２００の底面と底板１０１との間隙に塗布して接合されるが、この接合材３００は熱硬化時に流体となるため、光学素子２００と位置決め部４００との隙間に毛細管現象で這い上がる這い上がり部３００ａが形成されていた。
この這い上がり部３００ａは以下の問題点を有していた。
【０００７】
即ち、這い上がり箇所により厚みがまちまちであるため、硬化すると、位置決め部４００としての本来の位置決め機能が果たさなくなり光学素子２００が接合材３００の厚み分だけ位置ズレを起こし、光軸調整位置のズレが生じる原因となっていた。
また、硬化時のホルダ１０１との熱膨張係数の差により光学素子２００の光学面がホルダ１０１に引っ張られ光学素子２００への応力集中の要因となっていた。
【０００８】
更に、光学素子２００とホルダ１０１とを固定する接合材として、ガラス、半田を用いると、極めて高温での加工処理を行う必要があるため、冷却の際に生じる残留応力が原因となってクラックが発生することがあった。
この残留応力は、室温では製品内部にあり発見しにくいが、残留応力の評価する熱衝撃試験によって、残留応力に熱応力が付加され、結果としてクラックとなり確認することができる。
従って、ホルダ１０１と光学素子２００との接合強度が小さく成るばかりか光学部品１５０の光学素子２００の特性を維持するためには、クラックの発生原因となる残留応力を極力小さく抑える必要があった。
【０００９】
本発明は上述の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、光軸調整が簡単で、過酷な熱衝撃試験環境下においてもクラック発生が極めて少なく充分な接合強度を得ることができる光学部品及び光モジュールを提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題に鑑みて本発明は、光を通過又は受光する光学素子が半田又はガラスの接合材を介してホルダに接合してなる光学部品であって、前記ホルダに、前記接合材と非接触の状態で前記光学素子と当接する位置決め部を形成したことを特徴とする光学部品を提供する。
【００１１】
また、前記光学素子は、光の通過又は受光する光学面外周部で前記位置決め部に当接することを特徴とする光学部品を提供する。
【００１２】
更に、少なくとも光出射口が形成されたケース内の光通過域に、前記光学部品を配置して成る光モジュールを提供する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
図１に本発明の光モジュールの一例である半導体レーザモジュールに用いる光学部品１１の斜視図を示す。
本発明の光学部品１１はホルダ１の底板部１ａ表面に、接合材３を介して光学素子２が接合されている。
【００１４】
ホルダ１は、表面に光学素子２を接合する底板部１ａ、側板部１ｂ及び光学素子２に当接して光学素子２の位置決めを行う位置決め部４とを一体的に形成しており、位置決め部４が接合材３と非接触状態となるように当接位置を決定している。
また、ホルダ１には光学素子２の光が通過するための通過窓１ｃを有している。
【００１５】
ホルダ１の材質としては、後述する光学素子２との金属接合が好ましいため、５０Ｎｉ−Ｆｅ、４９Ｎｉ−Ｆｅの合金、ＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３０３，ＳＵＳ４３０等のステンレス、ＳＦ２０Ｔ、コバール及びアルミニウムなどの金属が適している。ホルダ１の材料選定にあたっては、光学素子２との接合方法や光モジュールへの搭載時の固定方法も考慮する必要がある。
【００１６】
ホルダ１は、光学素子２を確実に固定し、ケース（不図示）への搭載を容易にするため、ホルダ１の底板部１ａの算術平均粗さ（Ｒａ）は０．２０〜２５μｍが適している。算術平均粗さ（Ｒａ）が０．２０μｍよりも小さいと、ホルダ１と光学素子２の接合部において、アンカー効果が得られず、接合強度が著しく低下する恐れがあり、２５μｍを超えると底板部１ａの凹凸が激しくなって接合材３の濡れ性が悪くなり、接合強度や光学素子２の固定に影響を与える。なお、ホルダ１の底板部１ａの算術平均粗さについて記載したがこれに限定されず、少なくとも底板部１ａの光学素子２との接合領域の算術平均粗さ（Ｒａ）が上記範囲に成っているのが好ましいものである。
【００１７】
また、図１では、位置決め部４に光学素子２の光学面２０が当接することで光学素子２の位置を決定しているが、光学素子２の位置決め部４が当接する部分は、光が透過する部分を除いた部分であればどの箇所でも構わない。
例えば、図１においては位置決め部４の当接位置が、光学素子２の光学面２０の外周部で有るのが好ましい。また、更に好ましくは、接合材３の接合位置とは反対側の光学面２０上方に当接するのが良い。この理由は、光学素子２が光学面２０上方に位置決め部４が当接しながらホルダ１の底板部１ａで加圧固定されるため、加圧固定した際に、位置決め部４が基準となって光学素子２に圧力をかけることができ、光学素子２が倒れにくくなり精度が向上するからである。また、加圧固定した際、接合材３が位置決め部４と非接触状態となるので、邪魔されずに外周に移動することができ、接合材３の厚みが均一化され、光学素子２の傾きがなくなり位置精度が向上するからである。
【００１８】
また、他の実施形態を図２に示すように、ホルダ１と別体で形成した位置決め部４を接合し、光学素子２の上面に位置決め部４を当接した光学部品１２であっても良い。これによれば、光学面２０の位置を気にすることなく位置決め部４を接続することができる。
【００１９】
光学素子２は、光ファイバ端部に集光させるレンズ、光を分岐するプリズム、信号波長を選択するフィルタ等が使用される。
【００２０】
また、他に光学素子２自体が光学特性を持っているもの、光学ガラス（石英系ガラス、ＢＫ７（ショット社製商品名）等のホウケイ酸クラウンガラス、水晶などの単結晶系ガラス）に光学特性膜を付加したもの、あるいはその両方の特性を有したものが用いられる。
【００２１】
光学素子２が有する光学特性としては、波長選択、分光、光軸シフト及びレンズ機能など様々なものを持つものを用いても良い。形状は、立方体や直方体、円柱、三角柱、球など様々である。
光学素子２は、光軸に対する位置精度で特性が得られる。このため、光軸に対する光学素子２の位置は、調整が必要不可欠であり、光学素子２は、ホルダ１に対してある一定の位置で確実に固定されていることが非常に重要である。
【００２２】
従って、光学部品１１は、光学素子２に位置決め部４を直接当接しており、位置決め部４と光学素子２の間隙には接合材３が存在していないため、ホルダ１に対する光学素子２の位置が一定するものである。
【００２３】
また、光学素子２に位置決め部４を直接当接して接合材３が介在しないために熱衝撃による残留応力の発生や、それが原因となってクラックが発生することを防止できるものである。
【００２４】
接合材３の材質としては、樹脂等の接合が可能な接着剤、ガラス接合が可能な低融点ガラス、金属接合が可能な半田等が用いられる。一般的には樹脂等の接着剤が用いられるが、温湿度環境によっては樹脂成分がガスとなって発生し、光軸上の光学素子２００に付着すると光学特性が劣化したり、さらには、温湿度環境の影響を受けて光学素子２００の光軸調整位置がズレたりするため、半田又はガラスが好ましい。
【００２５】
特にホルダ１の底板部１ａに傾き無く接合させるためにも金属接合が可能な半田を用いるのが好ましい。
ガラス接合の場合に用いる低融点ガラスの種類としては、非結晶タイプと結晶化タイプの２種類があり、非結晶タイプの方が加工時間を短くでき取り扱いが容易である。
また、半田接合に用いる半田の種類としては、鉛錫半田、金錫半田、銀錫半田などがあり、光学部品に導電性を要求する場合は、金錫半田が適している。
【００２６】
さらに、金属接合に用いる場合は、接合時において非常に高温になるため、冷却の際に接合部に残留応力が発生する。従って、ホルダ１、光学素子２及び接合材３の材料を選定する際は、この残留応力を極力抑えるために、それぞれの材料の熱膨張係数を相互的に考慮して材料を決定する必要がある。
【００２７】
例えば、ＢＫ７（ショット社製商品名）や白板ガラスは一般に引っ張り応力に弱いため、圧縮応力がかかるような接合材３の材料を選定することが望ましい。従って、ホルダ１、光学素子２及び接合材３の材料間においては、熱膨張係数の差を４０×１０−７／℃以下、好ましくは７０×１０−７／℃〜１１０×１０−７／℃に抑えると良い。
【００２８】
次に上述した光学部品１１を半導体レーザモジュールＡに組み込んだ場合について図４に基づいて説明する。図４は半導体レーザモジュールＡを説明するための図であって中央縦断面図を示す。
半導体レーザモジュールＡは箱状のケース５の底面部５ａに接合材３’を介して接合されている。なお、接合材３’は光学部品１１の接合材３と同様の材質が用いられ、ケース５を金属で構成した場合には接合材３’の材質としては金属接合が可能な半田が用いられる。
【００２９】
このホルダ１は図１と同様に底板部１ａ、側板部１ｂ及び光学素子２に当接して光学素子２の位置決めを行う位置決め部４とを一体的に形成しており、位置決め部４が接合材３と非接触状態となるように当接位置を決定している。
【００３０】
また、ケース５の底面にＬＤ（レーザダイオード）キャリア６が接合材３０を介して接合され、その上に発光素子７が接合されている。この接合材３０は上述の接合材３と同じ材質のものが用いられる。
さらに、ケース５の側面には、光出射口となる貫通孔５０が形成されており、この貫通孔５０に光ファイバ８の一端が挿入されている。ケース５の材質としては、上述のホルダ１の材質と同様の金属が好ましいがこれに限定されることはなく樹脂製であっても構わない。
【００３１】
そして、発光素子７より発光されたレーザ光は、光学素子２のレンズ効果により光ファイバ８端面に集光して光信号を伝搬する。
【００３２】
以上のように、光学部品１１はホルダ１に対して光学素子２が位置決め部４により精度良く接合されている。つまり、ホルダ１上で発光素子２に対して光学部品１１は適切な配置で精度良く接合されている。このため、半導体レーザモジュールＡに収容する光学部品１１は、光ファイバ８との光軸が合うように、ケース５の底面部５ａと光学部品１１のホルダ１だけで位置精度を出すことが可能である。
なお、本実施の形態では半導体レーザモジュールＡについて説明したが、これに限定されず光モジュールとして、光入射口、光出射口が形成された光通過域に各種光学素子を配置してなるものであれば、さまざまなものに適応することができる。例えば、ＬＤチューナブル光モジュール、フィルタ光モジュールのものでも利用ができる。その場合、光学素子２として、ＬＤチューナブル光モジュールの場合はプリズムなどが、フィルタ光モジュールの場合は波長選択フィルタなどが用いられる。
【００３３】
【実施例】
本発明である位置決め部４を備えたホルダ１に光学素子２が位置決めされ、ホルダ１の底板部１ａに光学素子２を低融点ガラスで接合した図１の光学部品１１を作製した。また、位置決め部を備えないホルダ１００の底板部１００ａに光学素子２００が低融点ガラスからなる接合材３００で接合された図３（ａ）の光学部品１４０を作製した（従来例１）。更に、ホルダ１０１の底板部３００に接続した位置決め部４００を備えた図３（ｂ）の光学部品１５０を作製した（従来例２）。
【００３４】
そして、自動調芯装置を用いて半導体レーザモジュールＡの貫通孔に光学部品１１、１４０、１５０をそれぞれ搭載して光軸調整時間を比較した。比較表を以下の表１に示す。
【００３５】
【表１】
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【００３６】
本発明の光軸調整時間の基準を１００秒とすると、従来例１は、光軸調整に１．５倍近く時間が掛かっていることがわかる。これは、上述の通り、光学素子２００の位置がホルダ１００に対して一定でないため、光学素子２００の位置がばらついているからである。また、従来例２に関しても、１．１倍程度、光軸調整に時間が掛かっている。これは、接合材３００が光学素子２００と位置決め部４００との隙間に流れ込み、光学素子２００がホルダ１に対し接合材３００の這い上がり３００ａの厚み分の位置ズレを起こしているからである。
【００３７】
これに対して、本発明の光学部品１１はホルダ１に対して位置精度を充分出すことができており、あとはホルダ１との位置精度を調整するだけであるため光軸調整時間も他の従来例１、２に比べて短くすることができる。
【００３８】
次に、本発明の光学部品１１と、比較例の従来例２とし、ホルダ１、１０１に接合する光学素子２、２００にかかる応力の解析を行った。その結果を以下の表２に示す。
ここで、応力位置Ａは、光学素子２、２００の底板部１ａ、１０１ａとの接合面における最大応力位置となる角の部分であって、位置決め部４、４００が存在する角の部分と逆側の位置とした。
また、応力位置Ｂは、本発明では光学素子２の位置決め部４が当接する位置とし、従来例２では、光学素子２００の接合材３００の這い上がり先端部であって、光学素子２００の位置決め部４００が当接する位置とした。
【００３９】
【表２】
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【００４０】
従来例２でクラックが発生している応力位置Ｂの応力値が、本発明では極めて低減されていることがわかる。
また、上記本発明、従来例１、従来例２の３種に関し、残留応力によるクラック確認実験を行った。上述の条件において、サンプル品を複数作製し、熱衝撃試験（条件；−４０〜８５℃、保持３０分、変温５分、２０サイクル）に投入し、光学素子２、２００のクラック有無を比較した。その結果を表３に示す。
【００４１】
【表３】
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【００４２】
表３において、従来例２は、非常の多くのクラックが発生していることがわかる。熱衝撃試験後にもクラックが多発しているため、残留応力が極めて大きいことがわかる。これに比べ、本発明及び従来例１は、クラックが全く発生していない。これらの実験結果をまとめたものを表４に示す。
【００４３】
【表４】
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【００４４】
従来例１は、応力値が小さく、クラックが発生しないが、位置決め部を備えていないため、半導体レーザモジュールＡに搭載するのに光軸調整が困難である。従来例２は、位置決め部４００を備えており、半導体レーザモジュールＡに搭載する際、光軸調整は容易であるが、応力値が高くクラックが発生するため、光学部品として使用できない。
【００４５】
これらに対し、本発明は、位置決め部４を備えているため、半導体レーザモジュールＡに収容する際、光軸調整が容易であり、かつ応力値が低く、クラックが発生しないため、従来例１、２に比べ極めて優れていることがわかる。即ち、本発明において、残留応力の著しい低減が図れ、大幅な改善効果が得られたことがわかる。
【００４６】
また、本発明のホルダ１と従来のホルダ１００のいずれを用いるかに関わらず、その表面の算術平均粗さ（Ｒａ）と接合強度の関係を調べるため、ホルダの材料として５０Ｎｉ−Ｆｅを用い、その表面粗さが５種類異なるものを用意し、光学素子２として水晶を非結晶タイプの低融点ガラスで接合した本発明のサンプル品を５個作製した。その結果を表５に示す。
【００４７】
【表５】
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【００４８】
算術平均粗さ（Ｒａ）が０．１μｍの場合、平均接合強度０．９６Ｎであり、他の表面粗さ０．３μｍ、１．０μｍ、２５μｍに比べ接合強度が著しく低下している。また、２７μｍとなると光学素子が完全にガタつき、接合界面に気泡などが残る可能性が非常に高く、また接合材の濡れ性も悪くなるため、密着性や接合面積が小さくなり接合強度が低くなる。このため、２５μｍを超える算術平均粗さ（Ｒａ）のものを用いると接合強度が低くなることがわかる。従って、ホルダの接合面における算術平均粗さ（Ｒａ）は０．２μｍ〜２５μｍが好ましいことがわかる。
【００４９】
従って、特に好ましい構成としては、図１に示すような本発明のホルダ１の位置決め部４を備え、かつ、少なくともホルダと光学素子との当接領域の算術平均粗さ（Ｒａ）を０．２μｍ以上とすることにより、光軸調整が簡単で、クラック発生が極めて少なく、接合強度も充分得ることができる光学素子を提供することができることがわかる。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光学部品によれば、光を通過又は受光する光学素子が接合材を介してホルダに接合してなる光学部品であって、前記ホルダに、前記接合材と非接触の状態で前記光学素子と当接してなる位置決め部材を配置したために光軸調整が簡単で過酷な熱衝撃試験環境下においてもクラック発生が極めて少なく接合強度も充分得ることができ、これにより信頼性が向上することができる光学部品が提供できるとともに、それを組み込んだ光モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光学部品の斜視図である。
【図２】本発明の他の実施形態を示す斜視図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）は従来の光学部品斜視図であり、（ｃ）は（ｂ）の中央断面図である。
【図４】半導体レーザモジュールＡを説明するための図であって、中央縦断面図を示す。
【符号の説明】
１：ホルダ
１ａ：底板部
２：光学素子
３：接合材
３ａ：這い上がり部
４：位置決め部
１１：光学部品
１２：光学部品
【図１】
2004151376.tif 000008
【図２】
2004151376.tif 000009
【図３】
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【図４】
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