(57)【要約】【課題】出来る限り鉛の使用を控え、水中及び高温高湿環境下でのレンズの透過光量が低減しないレンズ付きホルダを提供する。【解決手段】レンズと、前記レンズを保持する段部を有する筒状のホルダと、前記レンズとホルダとを接合するガラス封着部材とを備え、前記ガラス封着部材の鉛含有量が重量において１０００ｐｐｍ以下であることを特徴とするレンズ付きホルダである。鉛含有量を抑えることにより、水中及び高温高湿環境下での低融点ガラスの変性を防止することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レンズと、
前記レンズを保持する段部を有する筒状のホルダと、
前記レンズとホルダとを接合するガラス封着部材とを備え、
前記ガラス封着部材の鉛含有量が重量において１０００ｐｐｍ以下であることを特徴とするレンズ付きホルダ。
【請求項２】
前記ガラス封着部材の鉛含有量が重量において５００ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のレンズ付きホルダ。
【請求項３】
前記ガラス封着部材の鉛含有量が重量において１００ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のレンズ付きホルダ。
【請求項４】
前記ガラス封着部材には、Ｐ２Ｏ５−ＺｎＯ−Ｂｉ２Ｏ３−ＣｕＯ系の低融点ガラスを用いることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載のレンズ付きホルダ。
【請求項５】
前記ホルダには、ＳＵＳ４３０材料を用いることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載のレンズ付きホルダ。
【請求項６】
光通信用半導体レーザモジュールに使用することを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載のレンズ付きホルダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉛が含有されたガラス封着部材で封着された半導体モジュールにおいて、特に光通信用半導体レーザモジュールに用いられるレンズ付きホルダに関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信用半導体レーザモジュールは、各種の光半導体素子を組み込んだ光部品であり、例えば、半導体発光素子又は半導体受光素子と光ファイバーを光学的に結合するものである。図２は、光通信用半導体レーザモジュールの一例を示す断面図である。図２に示す半導体レーザモジュール２０は、レーザダイオードやフォトダイオード等の光半導体素子２１、光半導体素子を載置したキャリア２２、ホルダ２３、レンズ２４を備えている。光半導体素子２１と光ファイバー３０とが、レンズ２４を介して光学的に結合する。
【０００３】
光学ガラスによって形成されるレンズ２４は、光半導体素子２１を内蔵したホルダ２３に接合され、光半導体素子２１の光信号を伝達する役割を担っている。金属等によって形成されるホルダ２３とレンズ２４は、接合部材２５によって接合される。接合方法としては、樹脂接着剤を用いる方法、リング状の弾性部材を圧入する方法、はんだ付けする方法、及び低融点ガラスで固定する方法等が知られている。
【０００４】
これらのうち、接着剤を用いる方法については、接着剤の使用温度範囲が狭い上、アウトガスによってチップを汚染するという問題がある。リング状の弾性部材を圧入する方法については、圧入時の機械的ストレスによってレンズが割れるという問題がある。はんだ付けによる方法は、はんだのクリープ現象による問題や、レンズへのメタライズが必要となり作業が煩雑になるという問題がある。従って、低融点ガラスで固定する方法が、最も長期信頼性の高い方法であり、一般に広く採用されている。
【０００５】
従来、この低融点ガラスには、酸化鉛（ＰｂＯ）をベースとしたガラスが使われてきた。鉛を含有することにより、低融点ガラスは、一般的なレンズやホルダの耐熱温度である５５０℃以下で溶着することができる。また、鉛を含有することにより、低融点ガラスは、レンズやホルダと熱膨張係数が適合するため、レンズやホルダとを信頼性よく固定することができる。しかし、酸化鉛が含有された低融点ガラスは、水中もしくは高温高湿の環境下において、変性する場合がある。この変性低融点ガラスは剥離しやすく、剥離してレンズや光ファイバーに付着すると、透過光量が低減する問題が発生する。また、環境に有害な鉛を使用することについては、近年極力低減することが求められている。
【０００６】
このような問題を解決する技術の一例が、特許文献１に開示されている。特許文献１では、レンズ及び低融点ガラスによる接合部に耐湿保護膜（ＳｉＯ２膜）を形成することによって、高温高湿環境下による低融点ガラスの変性を抑制するものである。その結果、低融点ガラスが剥離してレンズや光ファイバーに付着することによる光量低減を防止している。
【特許文献１】特開平９−２３０１７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記技術により、鉛を含有した低融点ガラスの水分及び高温高湿環境下における変性については解決されたが、耐湿保護膜を形成するには、多くの工程が追加されることになる。それにより、製造コストが増加するという問題が生じる。
【０００８】
また、上記技術では、鉛を含有することによる、人体への影響や環境汚染への問題も残る。
【０００９】
本発明は、水中及び高温高湿環境下でのレンズの透過光量が低減しないレンズ付きホルダを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係るレンズ付きホルダは、レンズと、前記レンズを保持する段部を有する筒状のホルダと、前記レンズとホルダとを接合するガラス封着部材とを備え、前記ガラス封着部材の鉛含有量が重量において１０００ｐｐｍ以下であることを特徴とするものである。鉛含有量を抑えることにより、高湿環境下での低融点ガラスの変性を防止することができる。
【００１１】
また、本発明に係るレンズ付きホルダは、前記ガラス封着部材の鉛含有量が重量において５００ｐｐｍ以下であることも特徴としている。それにより、低融点ガラスの変性を更に防止することができる。
【００１２】
また、本発明に係るレンズ付きホルダは、前記ガラス封着部材の鉛含有量が重量において１００ｐｐｍ以下であることも特徴としている。それにより、低融点ガラスの変性を更に防止することができる。
【００１３】
また、本発明に係るレンズ付きホルダは、前記ガラス封着部材に、Ｐ２Ｏ５−ＺｎＯ−Ｂｉ２Ｏ３−ＣｕＯ系の低融点ガラスを用いることを特徴とするものである。それにより、信頼性の高いレンズ付きホルダを形成することができる。
【００１４】
また、本発明に係るレンズ付きホルダは、前記ホルダに、ＳＵＳ４３０材料を用いることを特徴とするものである。それにより、信頼性の高いレンズ付きホルダを形成することができる。
【００１５】
また、本発明に係るレンズ付きホルダは、光通信用半導体レーザモジュールに使用することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明により、高湿環境下で使用しても低融点ガラスが変性せず、レンズの透過光量が低減しないレンズ付きホルダを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に、本発明の好ましい実施の形態を説明する。以下の説明は、本発明の実施形態を説明するものであり、本発明が以下の実施形態に限定されるものではない。なお、説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略及び簡略化がなされている。また、説明の明確化のため、必要に応じて重複説明は省略されている。
【００１８】
発明の実施の形態１．
図面を参照し、本発明の実施の形態１について説明する。図１は、本実施形態に係るレンズ付きホルダ１０の平面図、及びＸ−Ｙ方向の断面図である。図１に示すように、レンズ付きホルダ１０は、ホルダ１１、レンズ１２、及び低融点ガラス１３から構成されている。
【００１９】
ホルダ１１は、ステンレス鋼等の金属から形成されるほぼ円筒状の部材である。レーザダイオード等の光半導体素子（不図示）を搭載するための鏡筒部１１ａと、レンズを取り付けるためのレンズ乗せ部１１ｂを備えている。レンズ乗せ部１１ｂは、鏡筒部１１ａの内周面から内側にリング状に突出して形成されている。鏡筒部１１ａの断面は、例えば直径１〜１２ｍｍの円形状である。
【００２０】
レンズ１２は、光半導体素子と光ファイバーとの光学的な結合に使用されるものであり、一般的には、光学ガラスを鏡面仕上げして形成されている。形状は、屈折率分布型レンズ、ボールレンズ、及び非球面レンズ等が広く使われているが、図１では、ハーフボールレンズが示されている。レンズ１２の直径は、例えば０．５〜１０ｍｍで形成される。
【００２１】
低融点ガラス１３は、レンズ１２とホルダ１１とを接合する封着部材である。レンズ１２やホルダ１１の耐熱温度である５００〜６００℃以下で焼成する必要があるため、融点が５００℃以下であり低融点ガラスが用いられる。また、低融点ガラス１３は、レンズ１２やホルダ１１と熱膨張係数が近く、レンズ１２とホルダ１１とを信頼性よく接合させることができる。本発明では、鉛含有量が１０００ｐｐｍ以下、望むべくは５００ｐｐｍ以下、更に望むべくは１００ｐｐｍ以下の低融点ガラス１３が用いられる。
【００２２】
低融点ガラス１３によって、レンズ１２とホルダ１１を接合する方法について説明する。始めに、低融点ガラス１３の粉末をリング状に圧粉成型した低融点ガラスリングを準備する。低融点ガラスリングをホルダ１１のレンズ乗せ部１１ｂに載置し、その上からレンズ１２をレンズ乗せ部１１ｂに落とし込み、低融点ガラス１３の焼成温度で加熱溶融処理を行う。加熱溶融処理によって低融点ガラスリングが溶融し、レンズ１２はホルダ１１に接合される。
【００２３】
なお、低融点ガラス１３は、低融点ガラスリングとして圧粉成型せず、別の方法を用いてレンズ乗せ部１１ｂに載置してもよい。例えば、低融点ガラス１３の粉末を溶剤と混合し、ペースト状の低融点ガラス１３をホルダ１１のレンズ乗せ部１１ｂに塗布することも可能である。低融点ガラスペースト塗布後、レンズ１２を落とし込み、前述した低融点ガラス１３の焼成温度で加熱溶融処理を行う。
【００２４】
低融点ガラス１３の上にレンズ１２を落とし込む際、低融点ガラス１３の微細な破片や粉末が飛散し、それがレンズ１２表面に付着する場合がある。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、接合箇所にある低融点ガラス１３自体の回り込みによって、レンズ１２の表面に局部的な低融点ガラス１３の皮膜ができる。
【００２５】
従来、酸化鉛を含有した低融点ガラス１３は、湿気に弱く、時間が経過するにつれて変性し、表面に微細なクラックが入る。レンズ１２の表面に付着した低融点ガラス１３は、表面に微細なクラックが入ることで白濁し、レンズ１２の透明度を阻害する。また、レンズ１２を接合している低融点ガラス１３についても、微細なクラックによって剥離する。剥離した低融点ガラス１３は、レンズ１２に付着し、レンズ１２の透明度を阻害する他、剥離によってレンズ接合強度が低下し、甚だしい場合にはレンズ１２の脱落が生じることさえある。
【００２６】
ここで、発明者らは、鉛含有条件の異なる低融点ガラス１３によって作成されたレンズ付きホルダ１０の耐湿試験を行い、鉛含有量の低い低融点ガラス１３ほど、高温高湿環境下での変性の度合いが低いことをつきとめた。以下に、耐湿試験内容及び結果に基づき、本発明を具体的に説明する。
【００２７】
耐湿試験に供されるレンズ付きホルダの構造は、図１に示す通りである。ホルダは、フェライト系ステンレスであるＳＵＳ４３０材料にて形成され、棒材から削り出した。レンズは、軟化点が５７０℃の光学ガラスを用いている。
【００２８】
低融点ガラスは、酸化鉛を含まない低融点ガラスを準備し、鉛含有条件に従って酸化鉛を調合する。耐湿試験に供されるレンズ付きホルダは、鉛含有条件の異なる低融点ガラスを使用し、実施例１〜４及び比較例１〜３が作成された。
【００２９】
酸化鉛を含まない低融点ガラスとしては、Ｐ２Ｏ５−ＺｎＯ−Ｎａ２Ｏ系、Ｐ２Ｏ５−Ｒ２Ｏ−Ｆ２系（Ｒ：アルカリ金属）、Ｂｉ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３−（ＢａＯ＋ＳｒＯ）−（ＺｎＯ＋ＣａＯ＋Ｆｅ２Ｏ３＋ＣｕＯ）系、Ｐ２Ｏ５−ＺｎＯ−Ｂｉ２Ｏ３−ＣｕＯ系、Ａｇ２Ｏ−Ｐ２Ｏ５系等がある。耐湿試験には、この中から、Ｐ２Ｏ５−ＺｎＯ−Ｂｉ２Ｏ３−ＣｕＯ系の低融点ガラスが選定された。
【００３０】
耐湿試験に供されるレンズ付きホルダの形成方法は以下の通りである。予め、Ｐ２Ｏ５−ＺｎＯ−Ｂｉ２Ｏ３−ＣｕＯ系低融点ガラスの粉末に、鉛含有条件に従って調合された酸化鉛を混合する。酸化鉛を含んだＰ２Ｏ５−ＺｎＯ−Ｂｉ２Ｏ３−ＣｕＯ系低融点ガラスをホルダのレンズ乗せ部に、レンズと共にセットし、所定の焼成条件によって加熱溶融処理を実施する。鉛含有条件１条件につき、１００個のレンズ付ホルダが作成された。以下に実施例１〜４及び比較例１〜３の鉛含有条件を示す。
【００３１】
実施例１
実施例１のレンズ付ホルダは、鉛含有量が１０００ｐｐｍの低融点ガラスを用いて作成される。鉛含有量１０００ｐｐｍの低融点ガラス及びその低融点ガラスを用いてレンズ付きホルダを作成する方法は、上述の通りである。
【００３２】
実施例２
実施例２のレンズ付ホルダは、鉛含有量が５００ｐｐｍの低融点ガラスを用いて作成される。作成方法は、鉛含有量が異なる以外は、実施例１と同様である。
【００３３】
実施例３
実施例３のレンズ付ホルダは、鉛含有量が１００ｐｐｍの低融点ガラスを用いて作成される。作成方法は、鉛含有量が異なる以外は、実施例１と同様である。
【００３４】
実施例４
実施例４のレンズ付ホルダは、鉛含有量が０ｐｐｍの低融点ガラスを用いて作成される。作成方法は、鉛含有量が異なる以外は、実施例１と同様である。
【００３５】
比較例１
比較例１のレンズ付ホルダは、鉛含有量が５００００ｐｐｍの低融点ガラスを用いて作成される。作成方法は、鉛含有量が異なる以外は実施例１と同様である。
【００３６】
比較例２
比較例２のレンズ付ホルダは、鉛含有量が２００００ｐｐｍの低融点ガラスを用いて作成される。作成方法は、鉛含有量が異なる以外は実施例１と同様である。
【００３７】
比較例３
比較例３のレンズ付ホルダは、鉛含有量が１００００ｐｐｍの低融点ガラスを用いて作成される。作成方法は、鉛含有量が異なる以外は実施例１と同様である。
【００３８】
上記実施例１〜４及び比較例１〜３のレンズ付きホルダ各１００個を、９０℃の水道水に２４時間浸漬し、低融点ガラスで封着した部分の変性度合いを調べた。変性度合いを３段階に分け、各段階におけるレンズ付きホルダの個数を纏めた結果を、表１に示す。
【００３９】
【表１】
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【００４０】
表１に示されるように、低融点ガラスの鉛含有量が少ない条件程、変性するものが少なく、低融点ガラスの鉛含有量と耐水性に相関があることが判明した。表１の結果から、鉛含有量１０００ｐｐｍ以下の低融点ガラスで作成することにより、８０％以上のレンズ付きホルダがレンズの光量を低減することなく使用できることが判る。
【００４１】
更に、実施例１〜４のレンズ付きホルダ各１００個を、温湿度サイクル試験に投入し、試験前後の低融点ガラスによる封着部の状態を調査した。温湿度サイクル試験の条件は、−４０℃及び８５℃、相対湿度９０％の槽に、各１時間放置する試験を１００サイクル繰り返すものである。その結果、実施例１〜４の各条件について、いずれもクラックの問題は発生しなかった。
【００４２】
実験の結果、低融点ガラスの鉛含有量が少ないほど、耐湿性に優れ、低融点ガラスの変性度合いが少ないことが判明した。即ち、低融点ガラスの鉛含有量は、１０００ｐｐｍ以下、望むべくは５００ｐｐｍ以下、更に望むべくは１００ｐｐｍ以下である場合、水中及び高温高湿環境下における低融点ガラスの変性に効果が見られることがわかった。
【００４３】
また、−４０℃及び８５℃の熱衝撃において、低融点ガラスとレンズ、或いは低融点ガラスとホルダとの間にクラック等の不具合は生じなかった。従って、鉛含有量が１０００ｐｐｍ以下の低融点ガラスを使用したレンズ付きホルダは、信頼性上問題がないことも判明した。本発明は、特に、光通信用半導体レーザモジュールへ適用することが望ましい。
【００４４】
ホルダ１１材料には、耐湿試験にて使用したフェライト系ステンレスであるＳＵＳ４３０に限らず、オーステナイト系、マルテンサイト系等の各ステンレスを使用することができる。また、Ｆｅ―Ｎｉ合金、Ｎｉ−Ｃｕ合金、Ｎｉ−Ｃｒ合金等の材料を使用することも可能である。また、金属だけでなく、導電性樹脂を使用することも可能である。
【００４５】
レンズ１２は、屈折率分布型レンズ、ボールレンズ、及び非球面レンズ等のレンズに限らず、光を通過させるガラス部材であれば、使用することが可能である。
【００４６】
低融点ガラス１３は、耐湿試験にて使用したＰ２Ｏ５−ＺｎＯ−Ｂｉ２Ｏ３−ＣｕＯ系以外の低融点ガラスを用いることが可能である。例えば、Ｐ２Ｏ５−ＺｎＯ−Ｎａ２Ｏ系、Ｐ２Ｏ５−Ｒ２Ｏ−Ｆ２系（Ｒ：アルカリ金属）、Ｂｉ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３−（ＢａＯ＋ＳｒＯ）−（ＺｎＯ＋ＣａＯ＋Ｆｅ２Ｏ３＋ＣｕＯ）系、及びＡｇ２Ｏ−Ｐ２Ｏ５系等である。
【００４７】
なお、レンズ付きホルダの各構成品の熱膨張係数は、ホルダ１１、レンズ１２、及び低融点ガラス１３の熱膨張係数をそれぞれα１、α２、及びα３とすると、｜α１−α３｜／α１≦１、｜α２−α３｜／α２≦０．８となる様材料を選定することが望ましい。熱膨張係数の違いが、上記以上となると、急な温度変化を伴う環境下において低融点ガラス１３とレンズ１２の接合界面、及び低融点ガラス１３とホルダ１１の接合界面で剥離、或いはクラック等が生じやすくなるためである。
【００４８】
以上のような構成により、高温高湿環境下で使用しても低融点ガラス１３が変性せず、レンズ１２の透過光量が低減しないレンズ付きホルダ１０を提供することができる。
【００４９】
また、低融点ガラス１３に含有する鉛含有量を可能な限り低減することにより、人体への影響、及び環境汚染等の問題を抑制することが可能となる。
【００５０】
また、従来の製造工程に対して追加する工程がないため、製造時間の増加や製造設備の増設等の必要がなく、製造コストの増加を抑えることが可能となる。
【００５１】
なお、本発明は、上記の各実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲において、上記の実施形態の各要素を、当業者であれば用意に考えうる内容に変更、追加、変換することができる。
【００５２】
例えば、鉛を含んだガラス材料によって封着するハーメチックシールタイプの金属パッケージ及びセラミックパッケージに適用することも可能である。特に気密性の必要な半導体パッケージ等にも有効である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本実施形態に係るレンズ付きホルダの平面図及びＸ−Ｙ方向の断面図を示す。
【図２】通信用半導体レーザモジュールの概要を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５４】
１０  レンズ付きホルダ
１１  ホルダ、  １１ａ  鏡筒部、  １１ｂ  レンズ乗せ部、
１２  レンズ、  １３  ホルダ、
２０  半導体レーザモジュール、
２１  光半導体素子、  ２２  キャリア、  ２３  ホルダ、
２４  レンズ、  ２５  接合部材、
３０  光ファイバー
【図１】
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【図２】
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