(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ホルダーに複数の光学素子が固定されてなる光学部品において、前記複数の光学素子は有機接着剤で互いに固定されており、且つ前記複数の光学素子は前記ホルダーに対してＳｎ−Ａｇ系半田で固定されていることを特徴とする光学部品。
【請求項２】
Ｓｎ−Ａｇ系半田はＳｎ−Ａｇ合金、又はＳｎ−Ａｇ合金にＣｕ又はＣｕ−Ｉｎを添加したものである請求項１の光学部品。
【請求項３】
前記半田は、９６．５重量％の錫と３．５重量％の銀よりなる合金である請求項１又は２の光学部品。
【請求項４】
前記半田の膜厚は、３〜４０μｍである請求項１〜３のいずれかの光学部品。
【請求項５】
前記ホルダーの半田固定された面の材質は、フェライト系ステンレスであり、且つ前記光学素子の半田固定された面の材質はルチルである請求項１〜４のいずれかの光学部品。
【請求項６】
ホルダーに複数の光学素子が固定されてなる光学部品において、前記複数の光学素子を有機接着剤により互いに固定した後に、所定の寸法に切断したものを、前記ホルダーにＳｎ−Ａｇ系半田で固定することを特徴とする光学部品の製造方法。
【請求項７】
Ｓｎ−Ａｇ系半田はＳｎ−Ａｇ合金、Ｓｎ−Ａｇ合金にＣｕ又はＣｕ−Ｉｎを添加した合金である請求項６の製造方法。
【請求項８】
前記半田は、９６．５重量％の錫と３．５重量％の銀よりなる請求項６〜７のいずれかの光学部品の製造方法。
【請求項９】
前記半田の膜厚は、３〜４０μｍである請求項６〜８のいずれかの光学部品の製造方法。
【請求項１０】
前記ホルダーの半田固定される面の材質は、フェライト系ステンレスであり、且つ前記光学素子の半田固定される面の材質はルチルである請求項６〜９のいずれかの光学部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば偏光子、検光子及びファラデー回転子を互いに固定してなるアイソレータのような、２枚以上の光学素子を固定してなる光学部品とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光学素子固定方法として、特開平３−１７１０２９に記述されているように有機接着剤を用いて構成素子をホルダーに固定する方法と、特開平３−３５２１３に記載されているようにＳｎ６３重量％−Ｐｂ３７重量％の共晶合金半田を使用したり、或いは特開平６−２３０３１４に記述されているようにＡｕ８０重量％−Ｓｎ２０重量％の半田を使用して各構成素子をホルダーに固定するメタル接合方法と、接着剤による素子の固定と半田によるホルダーへの固定とを併用する方法がある。
上記の特開平３−１７１０２９は偏光子、検光子及びファラデー回転子を有機接着剤で貼り合わせた光アイソレータを開示している。有機接着剤を使用する固定方法は、大面積の偏光子、検光子及びファラデー回転子を貼り合わせた後切断して多数の素子を得ることができるので、生産性が格段に向上する利点を有するが、接着剤の経年変化を生じ固定強度劣化による信頼性に問題がある。
【０００３】
一方、特開平３−３５２１３は偏光子、ファラデー回転子及び永久磁石をＳｎ−Ｐｂ系半田の融着で固定した光アイソレータを開示している。この固定方法では有機接着剤を用いる固定に比べて長期信頼性に優れていると言われているが、半田粒成長に起因されると言われる疲労特性及び、クリープ特性とも低く、光学素子固定に充分な強度信頼性を得ることは難しい。
更に、特開平６−２３０３１４は各素子をＡｕ−Ｓｎ系半田によりホルダーに固定した光アイソレータを記載している。この技術では、同様に素子間の接着強度が向上し光学部品の信頼性が格段に向上する他に、光アイソレータのヒートサイクル試験後に挿入損失劣化を防止するのに有効であるが、Ａｕ−Ｓｎ半田は非常に高価であるうえ、素子と接合ホルダー材質の熱膨脹係数のマッチング及び接合方法がＮ2 不活性ガス雰囲気及び、Ｎ2 ＋Ｈ2 混合ガス雰囲気により半田加熱を行う方法である為、設備、及びランニングコストとも高価になる問題がある。
【０００４】
特開平５−２３２４１８は、２枚の複屈折素子を接着剤で固定したものを、次に半田によりホルダーに固定した光アイソレータを開示している。この方法では接着剤の使用により作業性及び生産性が上がる一方、使用する半田によって光学素子間の接着剤劣化及び半田接合強度の信頼性に問題がある。本発明はこの方式の改良に係る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
今後、さらに拡大が予想される光産業に於いて、各種光学部品の低価格化への開発が必要であり、部品構造、及び製造工程の簡素化が重要な課題である。
そこで本発明は、（１）大面積の各光学素子同士の結晶方位の相対位置合わせを行った後、有機接着剤でこれらの光学素子を貼り合わせ、切断して個々の光学部品にすることよりなる多数個取りのプロセスを導入することにより品質を安定させ、また製造コストを低減すると共に、（２）有機接着剤で接着された複数の光学素子を、半田融着を用いることによりホルダーとの接合作業、及び接合位置合わせの制御を容易にする方法を採用する。
この場合に、上記（１）、（２）の工程により光学部品を製造する場合には、工程（２）の半田工程で使用する熱が工程（１）で用いた有機接着剤を劣化しない程度の加熱作業により接合を行う必要がある。
【０００６】
しかしながら、従来光学部品の接合に多く用いられるＡｕ８０重量％−Ｓｎ２０重量％の半田では、融点が２８０℃であるため、３００〜３２０℃程度の作業温度が必要である。しかし、この作業温度下では有機接着剤が劣化するので光学素子の接合に有機接着剤を使用するのは困難である。
一般の電子部品等に使用されているＳｎ−Ｐｂ共晶半田を代表とする半田は、融点が低く、有機接着剤が劣化しない範囲の作業温度で接合が可能である。しかし、この種の低融点の半田は光学素子の固定に用いるには固定強度の長期信頼性に劣り、また材料が軟質なために外力により変形することがあり、光学部品の光結合系において光軸ずれにより特性の劣化等の問題が発生するおそれがある。
本発明の目的は、各光学素子を接着する有機接着剤の耐熱温度以下の温度で接着（融着）でき、しかもホルダーと光学素子間の固定強度及び光学特性の長期信頼性に優れた方法でホルダーと光学素子を一体化した光学部品を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の光学部品は、ホルダーに複数の光学素子が固定されてなる光学部品において、前記複数の光学素子を有機接着剤で互いに固定し、且つ前記複数の光学素子を前記ホルダーに対してＳｎ−Ａｇ系半田（代表的には９６．５重量％の錫と３．５重量％の銀よりなる合金及び以下に述べる合金）で好ましくは３〜４０μｍの半田厚さで固定したことを特徴とする。
また、本発明の光部品の製造方法は、複数の光学素子を有機接着剤により互いに固定した後に、所定の寸法に切断したものを、ホルダーにＳｎ−Ａｇ系半田で好ましくは３〜４０μｍの半田厚さで融着することを特徴とする。
【０００８】
ホルダーは、半田融着に耐えられる耐熱性を有するもので構成されていれば特に限定されるものではないが、発錆が少なく且つ耐熱性を有するオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４系によって代表されるもので非磁性）、フェライト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４３０系によって代表されるもので強磁性）、コバール、インバー、パーマロイ等が好ましい。
【０００９】
光学素子とは、磁性ガーネット（酸化物）よりなるファラデー回転子、ルチル板、又は偏光ガラス（酸化物）よりなる偏光子や検光子、光学ガラスよりなるレンズ等のことであるが、必ずしも光アイソレータを構成する光学素子の組み合わせに限定されるものではない。
【００１０】
有機接着剤には、通常耐熱性、接着強度が高い熱硬化性エポキシ樹脂系のものが用いられる。しかし、耐熱性、接着強度がこれと同等以上のものであればこれに限定されるものではない。
【００１１】
光学素子とホルダーの接着には、Ｓｎ−Ａｇ系半田を用いる。共晶組成物である９６．５重量％Ｓｎと３．５重量％Ａｇの合金は融点が低く、入手が容易であることから、これを用いることが好ましい。また共晶組成から±３％程度の範囲内でずれた組成でも使用することができる。さらに、半田の機械的強度が大きくなる添加物たとえばＢｉ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｉｎ等（好ましくはＣｕ又はＣｕ−Ｉｎ）を含むことができる。添加物を含有すると熱衝撃サイクルに対する安定性が増し、初期の固定位置及び角度が安定に維持される。これらの添加物は半田融点を上昇させない程度の約３％以下の割合で含有させることが好ましい。なお、不純物として極く少量の他の元素を含有しても良い。
また、半田の厚さは接合部の応力を緩和するには厚い方が良いが、接着強度と挿入損失の変動を考慮して３〜４０μｍの範囲に設定することが好ましい。この範囲よりも薄いと結合強度が低下し、この範囲よりも厚いと半田付けされた光学素子相互間の角度の変動に起因すると思われる挿入損失の変動が大きくなる。
【００１２】
Ｓｎ−Ａｇ系の半田を用いて固定を行う場合には、光学素子とホルダーの半田融着される部分に予め半田のぬれ性を良くするためにメタライズ膜を蒸着法又はスパッタ法等で付着しておくことが好ましい。
例えば、ホルダーに接する側の光学素子の一枚を半田付けを可能とする為に所定パターンでメタライズ処理を行っておき、他の光学素子を有機接着剤を用いてメタライズ処理をした反対面に接着固定して一つの機能光学素子にし、接着済み素子をメタライズパターンに沿って、仕様の大きさに切断を行う。以上の素子を用いて、メタライズ処理を施した面をホルダーにＳｎ−Ａｇ系の半田を用いて融着する。
【００１３】
【作用】
エポキシ系樹脂を用いて素子同士を貼り合わせた場合、３００℃以上に加熱すると、接着層のシミ等が発生するようになるので、半田接合作業温度等を考慮してこれより５０℃程度以上低い融点の半田を用いることが必要である。本発明では融点が２２１℃で且つ耐クリープ特性に優れたＳｎ−Ａｇ系の半田を用いて光学素子をホルダーに融着する。この場合、半田融着で一時的に光学素子に半田融点よりも約４０℃程度高い温度が加えられるが、この温度は有機接着剤の耐熱温度より低いので、光学素子同士の接着剤が劣化することがない。従って、一つの光学部品を作製する場合に、有機接着剤で複数の光学素子を貼り合わせた後に半田融着で光学素子をホルダーに固定した場合に、ホルダー光学素子間の固定強度の長期信頼性に優れ、光軸ずれによる特性劣化の少ない光学部品を得ることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の方法を図９を参照して説明する。図９は本発明によりホルダーに光学素子を固定してなる光学部品を示す。
まず、機能光学素子（例えばアイソレータ）を構成すべき光学素子１、２、３（例えば１は検光子、２はファラデー回転子用の磁性ガーネット板、３は偏光子）のうち、ホルダー９に接合すべき最外部の光学素子３の外面に実施例で挙げるような金属の蒸着によりメタライズしてメタライズ層６を形成する。
次に光学素子１、２、３をエポキシ樹脂等の熱硬化性で耐熱性の有機接着剤４、５により積層して互いに結合する。
更に、積層体の最外層の光学素子３のメタライズ層６を本発明のＳｎ−Ａｇ系半田７を使用して光路部分を構成する光路部分１０を形成する開口部を有するステンレス鋼製ホルダー９の面にリフロー半田法により半田付けする。なお、ホルダー９にもメタライズ層８を設けておくことが好ましい。
【００１５】
【実施例】
以下に本発明の具体的な実施例を説明する。
実施例１
１０ｍｍ×１０ｍｍ×１．０ｍｍのルチル板を用い、光が通る部分にマスクをして、半田融着する部分にだけ半田がぬれ易いように、下から順にＣｒ、Ｎｉ、及びＡｕ膜を蒸着してメタライズ膜を形成した。
１０ｍｍ×１０ｍｍ×１．０ｍｍのこのメタライズ済のルチル板（偏光子）の他に、１０ｍｍ×１０ｍｍ×０．４ｍｍの磁性ガーネット（ファラデー回転子）と、１０ｍｍ×１０ｍｍ×１．０ｍｍのルチル板（検光子）を準備し、ルチル板の結晶方位の相対角度を所定の角度に合わせた後、この順に貼り合わせ面全体にエポキシ樹脂を塗って貼り合わせた。
この時、エポキシ樹脂接着剤の熱硬化条件は１００℃で４時間保持であった。熱硬化後、室温まで冷却した後、この貼り合わさった光学素子を１．０×１．３ｍｍに切断して、光学素子チップを得た。
次に、前記光学素子チップを固定するホルダーを構成するＳＵＳ３０４ステンレス鋼（オーステナイト系ステンレス鋼の一種）に光が通る開口部を形成したものに、半田がぬれ易いように下から順にＣｒ、Ｎｉ、及びＡｕ膜を蒸着してメタライズ膜を形成した。
前記ホルダーと前記光学素子チップの半田融着する部分に９６．５重量％のＳｎと３．５重量％のＡｇとよりなるＳｎ−Ａｇ共晶半田の箔を差し挟み、これを大気中で、最高加熱温度が２６０度になるように設定されたリフロー炉に入れて半田融着した。
これを冷却して磁石を固定することにより、光学部品の一つである光アイソレータが完成した。この時、半田層の厚さは３０〜４０μｍであった。
【００１６】
次に長期信頼性を評価するための加速試験として、熱サイクル試験を行って、ホルダーと光学素子融着界面の固定強度を調べた。
試験条件はｎ＝２０個で、−４０℃から８５℃までの温度差の熱衝撃（１サイクル１時間）を５００、１０００、１５００、２０００回行い、試験前の値と比較した。結果を図１に示す。
この結果、２０００サイクル後でも実用上問題のない１ｋｇｆ／ｍｍ2 の接着強度が得られることが分かる。
【００１７】
同様の方法で、光学素子とホルダーの接合部の半田層の厚さだけを１０μｍから１００μｍの範囲で変化させた光アイソレータを作製後、両端に光ファイバーを結合させ、−４０℃と８５℃の温度差の熱衝撃（１サイクル１時間）の試験槽に投入して挿入損失を調べた。結果を図５〜図８に示す。比較のため光学素子のない場合の両端光ファイバ結合系の挿入損失を図４に示す。
以上の結果より、半田層の厚さが４０μｍを超えると熱サイクル試験後の挿入損失の変動が大きくなり、３μｍ未満では半田付け面が不均一になり接着強度が低下することから、半田層の厚さは３〜４０μｍの範囲が好ましい。
【００１８】
比較例１
実施例１のＳｎ−Ａｇ共晶半田を用いる代わりに、６３重量％Ｓｎと３７重量％のＰｂよりなるＳｎ−Ｐｂ半田を用い、リフロー炉の最高加熱温度が２３０℃になるように設定した以外は、実施例１と同様にして光アイソレータを作製し、実施例１と同様の熱サイクル試験を行った。結果を図２に示す。
この結果、５００サイクル後にすでに半田固定強度が約０ｋｇｆ／ｍｍ2 のものが生じるようになる。原因は半田粒成長及び疲労に起因するものと考えられる。
【００１９】
比較例２
実施例１のＳｎ−Ａｇ共晶半田を用いる代わりに、６０重量％Ｓｎと３重量％Ｂｉと３７重量％ＰｂよりなるＳｎ−Ｂｉ−Ｐｂ半田（Ｂｉの添加は半田粒成長に起因する強度劣化を防止することが知られている）を用い、リフロー炉の最高加熱温度が２３０℃になるように設定した以外は、実施例１と同様にして光アイソレータを作製し、実施例１と同様の熱サイクル試験を行った。結果を図３に示す。
この結果、２０００サイクル後にすでに半田固定強度が約０ｋｇｆ／ｍｍ2 のものが生じ、実用に供することができない。
【００２０】
実施例２
半田の経時変化による挿入損失のバラツキを以下に詳しく調べてみた。
モジュール化した素子の挿入損失のバラツキは、半田固定した素子の角度ズレ（素子が動いてしまう）によるものと考えられるので、素子固定角度変化の温度サイクル試験を、オートコリメータを用いて実施した。
使用素子は実施例１と同様ルチル板（偏光子）、磁性ガーネット、ルチル板（検光子）を接着後切断した素子であった。
使用半田に１）Ｓｎ９６．５重量％及びＡｇ３．５重量％、２）Ｓｎ９５．７５重量％、Ａｇ３．５重量％及びＣｕ０．７５重量％、３）Ｓｎ９３重量％、Ａｇ４重量％、Ｃｕ１．５重量％及びＩｎ１．５重量％の３種の半田を用いた。半田厚はいずれも約１５μｍであった。
素子接合ホルダー部材材質は、ＳＵＳ３０４Ｓｅステンレス鋼（熱膨脹係数１８０×１０-7／℃）及びＳＵＳ４３０Ｆステンレス鋼（フェライト系ステンレス鋼の一種で熱膨脹係数１０４×１０-7／℃）を用いた。
試験結果は図１０に示す。この図より、光学素子の半田接着面の材質がルチルの場合には使用半田Ｓｎ９５．７５／Ａｇ３．５／Ｃｕ０．７５及びＳＵＳ４３０Ｆステンレス鋼の組合わせが最適であることがわかる。
【００２１】
なお、実施例では偏光子、磁気光学素子（磁性ガーネット）、検光子の順に有機接着剤で固定してなる光アイソレータについて説明したが、その他の光学部品（例えば偏光子、電気光学素子、検光子の順に有機接着剤で固定してなる光変調器等）でも同様の効果が得られることは自明である。
【００２２】
【発明の効果】
以上から明らかなように、本発明によれば、有機接着剤を使用して複数の光学素子を貼り合わせた後に、この結合した光学素子を半田融着でホルダーに固定した光学部品において、経時変化による光学素子−ホルダー間の強度劣化を防止できる。
従って、この光学部品は、製造時に大面積の複数の光学素子を光学軸を合わせたのち、有機接着剤で貼り合わせ、所定の大きさに切断することにより、一度に光学特性の揃った多数の光学チップを得る従来の方法を採用し、同時にホルダーへの固定に際してＳｎ−Ａｇ系の半田を利用するので、従来よりも機械的にもまた挿入損失の面でも信頼性の高い光学部品を得ることができる。
更に本発明は光学素子をホルダーへ接合するための半田の厚さを小さい範囲に抑制することにより、経時変化による挿入損失のばらつきを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による光学部品における光学素子とホルダーの半田固定強度を示すグラフである。
【図２】比較例による光学部品における光学素子とホルダーの半田固定強度を示すグラフである。
【図３】比較例による光学部品における光学素子とホルダーの半田固定強度を示すグラフである。
【図４】無素子の場合の熱衝撃サイクル回数と挿入損失の関係を示すグラフである。
【図５】本発明の構造を有する光学部品において半田厚さが８０〜１００μｍの場合の熱衝撃サイクル回数と挿入損失の関係を示すグラフである。
【図６】本発明の構造を有する光学部品において半田厚さが５０〜６０μｍの場合の熱衝撃サイクル回数と挿入損失の関係を示すグラフである。
【図７】本発明の構造を有する光学部品において半田厚さが３０〜４０μｍの場合の熱衝撃サイクル回数と挿入損失の関係を示すグラフである。
【図８】本発明の構造を有する光学部品において半田厚さが１０〜２０μｍの場合の熱衝撃サイクル回数と挿入損失の関係を示すグラフである。
【図９】本発明の光学部品の構造を示す該略図である。
【図１０】実施例２の光学素子の固定角度の温度サイクルに対する変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１、２、３  光学素子
４、５  有機接着剤
６、８  メタライズ層
７  Ｓｎ−Ａｇ半田層
９  ホルダー
１０  光路部分
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003863597.tif 000008
【図８】
0003863597.tif 000009
【図９】
0003863597.tif 000010
【図１０】
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