JP5111644B2 - 光ファイバ固定方法、及びレーザモジュールの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバの固定方法に関する。より具体的には、光ファイバを支持部材に対して半田を用いて固定する固定方法に関する。また、レーザモジュールの製造方法に関する。

半導体レーザ（ＬＤ；Laser Diode）素子等のレーザ素子を用いたレーザ装置は商品化され、光通信の分野に普及している。このようなレーザ装置の一例として、レーザ素子と光ファイバとを組み合わせたレーザモジュール（laser module）がある。このようなレーザモジュールにおいては、レーザ素子と光ファイバとを高い光結合率で光結合するように組み合わせることが求められる。

このため、このようなレーザモジュールにおいては、レーザ素子から出射されるレーザ光がより多く光ファイバに導入されるよう、レーザ素子の出射面（レーザ光を出射する面）と光ファイバの先端部との位置合わせを正確に行うと共に、レーザ素子の出射面および光ファイバの先端部の位置を、位置合わせされた状態に正確に保つことが重要になる。特に近年、加工用など高出力の半導体レーザ素子が普及してきたが、これらのレーザ素子は、光ファイバとの結合効率が低いと漏れ光によってレーザ装置が損傷を受けてしまうので、レーザ素子と光ファイバとの位置合わせが極めて重要である。

通常、レーザマウント上に固着されたレーザ素子に対して、光ファイバを位置合わせし、位置合わせした状態で、光ファイバをファイバマウント（支持部材）上に固着する。このため、光ファイバをファイバマウント上に位置精度を高く保ったまま固着することが求められる。

特許文献１には、図１０（ａ）に示すように、溝２１２が形成されたハンダプリフォーム２００が開示されている。図１０（ｂ）は、ファイバマウントの上面（不図示）に配置されたこのハンダプリフォーム２００、及び、ハンダプリフォーム２００の溝２１２内に配置された光ファイバ２１４の正面図である。この状態でレーザ２１５がハンダプリフォーム２００に照射され、はんだプリフォーム２００が溶融し再凝固することによって光ファイバ２１４がファイバマウントに固着される。

図１０（ｂ）に示すように、溝２１２は、光ファイバ２１４がハンダプリフォーム２００のボディ２０１に接触することがないように形成されている。これにより、レーザ２１５を照射し半田プリフォーム２００が溶融する前に、光ファイバ２１４がボディ２０１に接触したり引っ張られたりすることがないので、光ファイバ２１４をレーザマウント上に固着する際の位置誤差の発生が抑制され得る。また、レーザ光２１５が光ファイバ２１４に直接照射されることがないので、光ファイバ２１４がレーザ光２１５によって損傷することを防ぐことができる。

特許文献２には、図１１（ａ）に示すように、上部凹構６３及び下部凹構６２が形成された固定台６（ファイバマウントに対応）への光ファイバ２の固定方法が開示されている。この固定方法においては、まず、下部凹構６２に光ファイバ２を嵌め込んだ状態で、上部凹構６３に半田３を搭置し、光ファイバ２に直射しないようレーザ光４を照射する。この固定方法においても、レーザ光４が光ファイバ２に直接照射されることがないので、光ファイバ２がレーザ光４によって損傷することを防ぐことができる。また、図１１（ｂ）に示すように、光ファイバ２が下部凹構６２によって位置決めされた状態で固着されるので、光ファイバ２を固定台６に固定する際の位置誤差の発生を抑制することができる。

特開２００５−１２２１２９号公報（２００５年５月１２日公開） 特開昭６２−１９８１１号公報（１９８７年１月２８日公開）

上述のように、従来、半田プリフォーム及びファイバマウントの少なくとも何れかを特殊な形状に加工することによって、光ファイバをファイバマウント上に固定する際に生じ得る位置誤差の発生の抑制が図られていた。

一方で、近年需要が高まっている高出力のレーザモジュールにおいては、光ファイバを固定する半田としてＡｕ８０Ｓｎ２０が最も頻繁に用いられている。Ａｕ８０Ｓｎ２０は高融点の鉛フリー半田であり、半田固定の信頼性が高い。ただし、脆性崩壊を起こし易く加工が難しいという側面を有している。このため、特許文献１に記載のように、ハンダプリフォーム２００に溝２１２を形成することは容易なことではなく、歩留まりの低下やコストの増大といった問題を招来してしまう。

また、特許文献２に記載の方法では、光ファイバをファイバマウントに固着する工程の前に、ファイバマウントの上面に溝を形成する工程が必要になるため、工程数が増大し、コストの増大を招来してしまう。

また、半導体レーザモジュールにおいては、レーザ素子の信頼性を低下させることがないよう、通常、半田はフラックスレスで用いられるが、フラックスレスであることにより、半田表面に元々存在する酸化膜および半田が溶融した際に半田の表面に形成される酸化膜を除去できず、半田の濡れ性が低下し、半田固定の信頼性が低下し易いという問題がある。特許文献１及び特許文献２に開示された技術では、レーザ光を直接半田に照射するので、レーザ光が当たっている箇所の半田表面温度が局所的に融点よりも格段に高くなり、その部分の酸化膜の形成速度が著しく上昇する。したがって半田の濡れ性を向上させることができず、信頼性の高い半田固定を行うことが容易ではないという問題がある。

本発明は、上記の問題に鑑みて、発明者によって得られた知見に基づいてなされたものであり、その目的は、コストを抑制しつつ、信頼性の高い半田固定を行うことのできる光ファイバ固定方法を実現することにある。

上記の課題を解決するために、本発明に係る光ファイバ固定方法は、光ファイバを支持部材に固定するための光ファイバ固定方法であって、上記光ファイバを、上記支持部材の上面に沿って保持する保持ステップと、上記支持部材の上面に、フラックスレス半田よりなる半田プリフォームを載置する載置ステップと、上記支持部材の表面上に設定されたレーザ光照射領域にレーザ光を照射し、該レーザ光照射領域からの熱伝導によって上記半田プリフォームを溶融させる溶融ステップとを含んでおり、上記載置ステップにて載置された上記半田プリフォームは、上記保持ステップにて保持された上記光ファイバの片脇に位置し、上記保持ステップにて保持された上記光ファイバの表面と上記支持部材の上面との距離をＨとし、上記光ファイバの直径をＤとし、上記載置ステップにて載置された上記半田プリフォームの高さをＬとしたとき、Ｈ＋Ｄ＜Ｌを満たしている、ことを特徴としている。

上記の光ファイバ固定方法によれば、上記載置ステップにて載置された上記半田プリフォームは、上記保持ステップにて保持された上記光ファイバの片脇に位置するものであれば足りるので、上記半田プリフォームの形状を上記光ファイバを跨ぐような形状にする必要もなく、上記支持部材に凹部を形成する必要もない。このため、上記半田プリフォーム及び上記ファイバマウントの形状を単純なものとすることができる。したがって、上記半田プリフォーム及び上記支持部材の加工費を節約することができるので、コストが抑制される。

また、上記の光ファイバ固定方法によれば、フラックスレス半田よりなる半田プリフォームを用いるので、光ファイバ及びその周辺に配置され得る光学素子にフラックスが吸着することによる信頼性の低下を招来することなく、半田固定を行うことができる。

また、上記の光ファイバ固定方法によれば、上記支持部材の表面上に設定されたレーザ光照射領域にレーザ光を照射し、該レーザ光照射領域からの熱伝導によって上記半田プリフォームを溶融させるので、半田プリフォームに直接レーザ光を照射する場合に生じ得る半田の酸化を招来することがなく、半田固定の信頼性が向上する。さらに、溶融した半田が、加熱された支持部材の表面上に供給されることにより、支持部材が加熱されていない場合に比べて半田の濡れ性が増すので、フラックスレス半田を用いつつ安定的に半田固定を行うことができる。

また、上記の光ファイバ固定方法によれば、一個体として形成された上記半田プリフォームを溶融させるので、例えばリールに巻かれた糸半田の一部分のみを溶融させる方法等に比べて、溶融させる半田の量を所望の量に保つことができるので、信頼性の高い半田固定ができる。また、リールに巻かれた糸半田を送り出す装置等が不要であるため、コストを抑制することができる。

また、上記保持ステップにて保持された上記光ファイバの表面と上記支持部材の上面との距離をＨとし、上記光ファイバの直径をＤとし、上記載置ステップにて載置された上記半田プリフォームの高さをＬとしたとき、Ｈ＋Ｄ＜Ｌを満たしているので、溶融した半田が重力によって上記光ファイバと上記支持部材との間に向かって勢いよく流れ、上記光ファイバを包み込む。これにより信頼性の高い半田固定を行うことができる。

なお、上記光ファイバの表面と上記支持部材の上面との距離とは、上記光ファイバの表面から上記支持部材の上面までの最短距離のことを指す。また、「上記光ファイバを、上記支持部材の上面に沿って保持する」とは、上記光ファイバを上記支持部材の表面から離間させて保持してもよいし、上記光ファイバを上記支持部材の表面に接触させて保持してもよいことを指す。

また、本発明に係る光ファイバ固定方法においては、上記半田プリフォームの表面積を上記半田プリフォームの体積で除算して得られる値が、ミリメートルの逆数を単位として１６．５未満である、ことが好ましい。

上記の光ファイバ固定方法によれば、上記半田プリフォームの体積に比して表面積が小さいので、上記溶融ステップにおいて溶融した半田の表面に形成される酸化膜の影響が抑制され、凝固後の半田の形状が、光ファイバの延存方向に関して左右対称の形状となる。このため、上記光ファイバを上記支持部材に対して、高い位置精度で固定することができる。

また、本発明に係る光ファイバ固定方法においては、上記半田プリフォームと上記支持部材とが接触する接触面積を、上記半田プリフォームの高さで除算して得られる値が、ミリメートルを単位として０．０５よりも大きい、ことが好ましい。

上記の光ファイバ固定方法によれば、上記半田プリフォームの高さに比して、上記半田プリフォームと上記支持部材とが接触する接触面積が大きいので、上記溶融ステップにてレーザ光がレーザ光照射領域からの熱伝導により、半田プリフォームを十分に溶融させることができる。このため、半田プリフォームの溶け残りが生じることがなく、上記光ファイバを上記支持部材に対して、高い位置精度で固定することができる。

また、本発明に係る光ファイバ固定方法においては、上記溶融ステップは、上記半田プリフォームに対して、上記支持部材に向けて荷重を印加しつつ、上記半田プリフォームを溶融させる、ことが好ましい。

上記の光ファイバ固定方法によれば、半田プリフォームに荷重を印加しつつ半田プリフォームを溶融させることによって、溶融後の半田に生じる内部流及び表面流が大きな流速を持つ。このため、荷重が印加されない場合に比べて、溶融した半田の表面に酸化膜が形成されにくい。また、例え、酸化膜が形成されたとしても、内部から湧き上がる流れによって酸化膜が破られる。このように、上記の光ファイバ固定方法によれば、溶融した半田の表面に形成され得る酸化膜の影響が更に抑制され、上記光ファイバを上記支持部材に対して、高い位置精度で固定することができる。

また、本発明に係る光ファイバ固定方法においては、上記レーザ光照射領域は、上記支持部材の上面において、上記半田プリフォームから見て上記光ファイバとは反対側に設定されている、ことが好ましい。

上記の光ファイバ固定方法によれば、上記レーザ光照射領域を、上記半田プリフォームから見て上記光ファイバと同じ側に設定する場合に比べて、レーザ光を光ファイバに誤って照射し光ファイバを損傷させてしまうリスクを低減させることができると共に、レーザ光により発生した熱を、上記半田プリフォームを溶融させるために有効に活用することができる。

また、本発明に係るレーザモジュールの製造方法は、光ファイバと、該光ファイバを支持するための支持部材とを備えたレーザモジュールを製造する製造方法であって、上記光ファイバ固定方法を用いて、上記光ファイバと上記支持部材とを固定する、ことを特徴としている。

上記の製造方法によれば、コストを抑制しつつ、信頼性の高い半田固定を用いて、レーザモジュールを製造することができる。

以上のように、本発明に係る光ファイバ固定方法によれば、コストを抑制しつつ、信頼性の高い半田固定を安定的に行うことができる。

本発明の実施形態に係る光ファイバ固定方法を説明するための図であって、（ａ）は、光ファイバ、ファイバマウント、及び半田プリフォームの配置を示す斜視図であり、（ｂ）は、光ファイバ、ファイバマウント、及び半田プリフォームの、光ファイバの延在方向に垂直な面に沿った断面図である。 本発明の実施形態に係る光ファイバ固定方法に含まれる工程を示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係る光ファイバ固定方法を説明するための図であって、（ａ）〜（ｅ）は、図２のステップＳ１０３にてファイバマウントの表面上のレーザ照射領域にレーザ光を照射した後、半田プリフォームが溶融し再凝固する様子を時間の経過と共に示す図である。 本発明の実施形態に係る光ファイバ固定方法に用いることのできる半田プリフォームの形状の具体例を示す図であって、（ａ）は、板状の半田プリフォームを示しており、（ｂ）は、円柱状の半田プリフォームを示している。 半田プリフォームの形状の具体例を示す表であって、半田プリフォームの各形状（円柱１、円柱２、板１、板２）についてのサイズを、Ｃ÷Ｈ（ｍｍ）、及びＳ÷Ｖ（ｍｍ^-1）の各値と共に示す表である。 本発明の実施形態に係る光ファイバ固定方法を説明するための図であって、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、及び（ｄ）は、それぞれ、半田プリフォームの形状を、図５に示す「円柱１」、「円柱２」、「板１」、及び「板２」とした場合の、再凝固後の半田の形状を示す実写図である。 本発明の実施形態に係る光ファイバ固定方法の一適用対象としての、半導体レーザモジュールの要部構成を示す図である。 本発明の実施形態の変形例に係る光ファイバ固定方法を説明するための図であって、（ａ）〜（ｃ）は、半田プリフォームに対してファイバマウンドに向けて荷重を印加する工程の手順を示す図である。 本発明の実施形態の変形例に係る光ファイバ固定方法を説明するための図であって、（ａ）〜（ｅ）は、ファイバマウントの表面上のレーザ照射領域にレーザ光を照射した後、半田プリフォームが溶融し再凝固する様子を時間の経過と共に示す図である。 特許文献１に記載の半田固定を説明するための図であって、（ａ）は、溝が形成されたハンダプリフォームを示しており、（ｂ）は、ファイバマウントの上面（不図示）に配置されたハンダプリフォーム、及び、ハンダプリフォームの溝内に配置された光ファイバの正面図である。 特許文献２に記載の半田固定を説明するための図であって、（ａ）は、上部凹構及び下部凹構が形成された固定台、及び、下部凹構に嵌めこまれた光ファイバのレーザ光照射前の状態を示す断面図であり、（ｂ）は、レーザ光照射後の状態を示す断面図である。

本発明の一実施形態について図１〜図９に基づいて説明すれば、以下の通りである。

以下の説明では、板状部材を構成する６つの面のうち、最大の面積をもつ２つの面を「主面」とも表記し、主面を除く４つの面を「端面」とも表記する。また、２つの主面を互いに区別する必要があるときには、一方の主面を「上面」と表記し、他方の主面を「下面」と表記する。ここで、上面は、板状部材を含む装置が通常の設置状態にあるときに上方を向く方の主面のことを指し、下面は、板状部材を含む装置が通常の設置状態にあるときに下方を向く方の主面のことを指す。

図１（ａ）は、本実施形態に係る光ファイバ固定方法を説明するための図であって、光ファイバ１０１、ファイバマウント１０２、及び半田プリフォーム１０３の配置を示す斜視図である。図１（ａ）に示すように、光ファイバ１０１は、ファイバマウント１０２の上面に沿って保持されており、その片脇に半田プリフォーム１０３が載置されている。

本実施形態に係る光ファイバ固定方法は、光ファイバ（図１（ａ）における光ファイバ１０１）を支持部材（図１（ａ）におけるファイバマウント１０２）に対して半田を用いて固定するための方法である。ファイバマウント１０２の具体的な材質は本実施形態を限定するものではないが、後述するレーザ光３００の波長を吸収し易い素材であることが好ましく、また、熱伝導率の低い素材であることが好ましい。そのような素材の例として、ＺｒＯ₂（ジルコニア）等を挙げることができる。このような熱伝導性の低い素材を用いることによって、半田固定を容易に行うことができるという利点がある。一方で、Ｃｕ（銅）やＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＣｕＷ（銅タングステン）などの熱伝導性の高い素材を用いることもできる。このような熱伝導性の高い素材を用いることによって、レーザモジュールを駆動させている時に生じる漏れ光を吸収して発生した熱を逃がし易いという利点がある。

また、半田プリフォーム１０３の具体的な組成は本実施形態を限定するものではないが、Ａｕ８０Ｓｎ２０（金８０錫２０）等の高融点鉛フリー半田を用いることができる。また、半田プリフォーム１０３としては、フラックスレスの半田を用いることが好ましい。これにより、光ファイバ１０１及びその周辺に配置され得る光学素子にフラックスが吸着することによる信頼性の低下を招来することなく、半田固定を行うことができる。

図１（ｂ）は、光ファイバ１０１、ファイバマウント１０２、及び半田プリフォーム１０３の、光ファイバ１０１の延在方向に垂直な面に沿った断面図である。

図１（ｂ）において、Ｈは、ファイバマウント１０２の上面から、光ファイバ１０１の表面までの最短距離を表しており、Ｄは、光ファイバ１０１の直径を表しており、Ｌは、半田プリフォーム１０３の高さ、すなわち、半田プリフォーム１０３の、ファイバマウント１０２の上面に直交する方向に沿った長さを表している。図１（ｂ）に示すように、本実施形態において、不等式Ｈ＋Ｄ＜Ｌが満たされている。この不等式が満たされているため、後述するように、溶融した半田が重力によって、光ファイバ１０１とファイバマウント１０２との間に向かって勢いよく流れ、光ファイバ１０１を包み込む。また、図１（ｂ）におけるＵは、光ファイバ１０１と半田プリフォーム１０３との離間距離を表している。

なお、Ｄ、Ｈ及びＵの具体的な値は本実施形態を限定するものではないが、例えば、Ｄ＝１２５μｍ（マイクロメートル）であり、Ｈ＝１５０μｍであり、Ｕ＝１００〜１５０μｍである。ただし、Ｕの最適値は、一般に、後述するファイバマウント１０２の上面に設定されたメタライズ領域のサイズに依存し得る。Ｕ＝１００〜１５０μｍは、当該メタライズ領域のサイズが０．８×０．８ｍｍである場合に好適なものであり、当該メタライズ領域のサイズがより大きい場合には、Ｕの値もより大きなものとしてもよい。また、本実施形態に係る光ファイバ固定方法においては、上記Ｕの値を一定に保っておくことが好ましい。すなわち、量産時に、複数の光ファイバ１０１を複数のファイバマウント１０２に対してそれぞれ固定する状況においても、Ｕの値として同一のものを用いることが好ましい。これにより、溶融した半田が光ファイバ１０１を包み込む際のファイバの変位量を一定に保つことができるので、固定精度のばらつきを抑制することができる。

また、図１（ａ）〜（ｂ）に示すように、ファイバマウント１０２の上面には、メタライズ領域が設定され、当該メタライズ領域にはメタライズ層１０２ａが被着されている。同様に、光ファイバ１０１の表面のうち、上記メタライズ領域に対応する部分には、メタライズ層１０１ａが被着されている。

メタライズ層１０２ａ及び１０１ａは、何れも金属の薄膜であり、例えば、スパッタリング法や無電解メッキなどを用いて形成される。メタライズ層を構成する材質は本実施形態を限定するものではないが、Ａｕ（金）、Ｐｔ（白金）、Ｔｉ（チタン）、Ｎｉ（ニッケル）等を用いることができる。メタライズ層１０２ａ及び１０１ａを被着しておくことによって、溶融した半田が、濡れ広がり易くなるため、半田による固定の信頼性を高めることができる。なお、メタライズ層１０２ａ及び１０１ａの厚みは、上述のＤ及びＬに比べて十分に小さい。

また、図１（ａ）〜（ｂ）に示すように、ファイバマウント１０２の上面には、レーザ光照射領域１０２ｂが設定されており、このレーザ光照射領域１０２ｂに対して、レーザ光３００が照射される。レーザ光３００が照射され温度が上昇したレーザ照射領域１０２ｂからの熱伝導によって、半田プリフォーム１０３の下部の温度が上昇し、半田プリフォーム１０３が溶融する。

このように、本実施形態では、レーザ光を半田プリフォームに直接照射することがないので、半田の酸化が抑制され、高い信頼性にて光ファイバの固定を行うことができる。また、レーザ光を光ファイバに誤って照射し光ファイバを損傷させてしまうリスクを低減させることができる。更に、レーザ光照射領域１０２ｂからの熱伝導によって半田プリフォームを溶融させるので、溶融温度の制御を容易に行うことができ、歩留まりを向上させることができる。さらに、溶融した半田が、加熱されたファイバマウント１０２の表面上に供給されることにより、ファイバマウント１０２が加熱されていない場合に比べて半田の濡れ性が増すので、フラックスレス半田を用いつつ安定的に半田固定を行うことができる。

また、本実施形態では、一個体として形成された上記半田プリフォーム１０３を溶融させるので、例えばリールに巻かれた糸半田の一部のみを溶融させる方法等に比べて、溶融させる半田の量を所望の量に保つことができるので、信頼性の高い半田固定ができる。また、リールに巻かれた糸半田を送り出す装置等が不要であるため、コストを抑制することができる。

なお、図１（ａ）〜（ｂ）に示すように、レーザ光照射領域１０２ｂは、ファイバマウント１０２の上面において、半田プリフォーム１０３から見て光ファイバ１０１とは反対側に設定されていることが好ましい。これにより、レーザ光により発生した熱を、半田を溶融させるために有効に利用することができる。

図２は、本実施形態に係る光ファイバ固定方法に含まれる工程を示すフローチャートである。図２に示すように、本実施形態に係る光ファイバ固定方法には、以下のステップが含まれる。

（ステップＳ１０１）
光ファイバ１０１を、ファイバマウント１０２の上面に沿って保持する。

（ステップＳ１０２）
半田プリフォーム１０３を、ファイバマウント１０２の上面に載置する。

（ステップＳ１０３）
ファイバマウント１０２の表面上のレーザ照射領域１０２ｂにレーザ光３００を照射し、レーザ光３００が照射されることにより温度が上昇したレーザ照射領域１０２ｂからの熱伝導によって半田プリフォーム１０３を溶融させる。

ここで、本実施形態に係る光ファイバ固定方法においては、光ファイバ１０１をファイバマウント１０２の上面に沿って保持（ステップＳ１０１）したうえで、半田プリフォーム１０３をファイバマウント１０２の上面に載置（ステップＳ１０２）してもよいし、半田プリフォーム１０３をファイバマウント１０２の上面に載置（ステップＳ１０２）した後に、光ファイバ１０１をファイバマウント１０２の上面に沿って保持（ステップＳ１０１）してもよい。

また、光ファイバ１０１を、レーザ素子（例えば後述する半導体レーザチップ３３）に対して位置合わせした後に固定する場合には、本実施形態に係る光ファイバ固定方法は、ステップＳ１０３の工程を行う前に、光ファイバ１０１を該レーザ素子に対して調心するステップを含んでいてもよい。

また、ステップＳ１０２にて載置された半田プリフォーム１０３は、図１（ａ）〜（ｂ）に示すように、ステップＳ１０１にて保持された光ファイバ１０１の片脇に位置する。逆の言い方をすれば、本実施形態において、半田プリフォーム１０３は、光ファイバ１０１の片脇に載置すれば足りるため、半田プリフォーム１０３の形状を光ファイバ１０１を跨ぐような形状にする必要もなく、ファイバマウント１０２に凹部を形成する必要もない。このため、半田プリフォーム１０３及びファイバマウント１０２の形状を単純なものとすることができる。このことは、半田プリフォーム１０３として脆性崩壊を起こし易いＡｕ８０Ｓｎ２０などを用いる場合に大きな利点となる。また、半田プリフォーム１０３及びファイバマウント１０２の加工費を節約することができるので、コストが抑制される。

図３（ａ）〜（ｅ）は、ステップＳ１０３にてファイバマウント１０２の表面上のレーザ照射領域１０２ｂにレーザ光３００を照射した後、半田プリフォームが溶融し再凝固する様子を時間の経過と共に示す図である。

図３（ａ）に示すように、レーザ照射領域１０２ｂにレーザ光３００が照射されると、レーザ照射領域１０２ｂからの熱伝導によって、半田プリフォーム１０３の下部の温度が融点を越え、図３（ｂ）に示すように、半田プリフォーム１０３が下部から溶融し始める。溶融した当該下部は、メタライズ層１０２ａの上面に沿って濡れ広がり始める。その後、熱伝導により半田プリフォーム１０３の上部の温度が融点を超え、当該上部は、図３（ｃ）に示すように、表面張力の影響により球形へと変化しつつ重力によりファイバマウント１０２に向けて落下する。このようにして半田プリフォーム１０３の全体が溶融する。溶融した半田は、表面張力の影響により、自身の表面積を最小化すべく略半球状へと変形し始め、図３（ｄ）に示すように、光ファイバ１０１を包み込み始める。その後、図３（ｅ）に示すように、光ファイバ１０１を包み込み、略半球状となった半田は、レーザ光３００による加熱が終了し、ファイバマウント１０２の温度が半田融点を下回るにつれて再凝固する。（以下では、再凝固後の半田を半田１０３’とも表記する）。これにより、光ファイバ１０１が、ファイバマウント１０２上に固定される。

続いて、半田プリフォーム１０３の好ましい形状及びサイズについて、図４（ａ）〜（ｂ）から図６（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する。以下に説明する半田プリフォーム１０３の好ましい形状及びサイズは、実験を繰り返すことによって得られた発明者の知見に基づくものである。

図４（ａ）〜（ｂ）は、本実施形態における、半田プリフォーム１０３の形状の具体例を示している。図４（ａ）に示すように、半田プリフォーム１０３として、板状のものを用いてもよいし、図４（ｂ）に示すように、円柱状のものを用いてもよい。

半田プリフォーム１０３の形状及びサイズは、以下の（条件１）及び（条件２）を満たすものであることが好ましい。

（条件１）：Ｓ÷Ｖ＜Ｔｈ１
ここで、Ｓ（ｍｍ²）（平方ミリメートル）及びＶ（ｍｍ³）は、それぞれ、半田プリフォーム１０３の表面積及び体積を表しており、Ｔｈ１＝１６．５（ｍｍ^-1）である。

（条件２）：Ｃ÷Ｈ＞Ｔｈ２
ここで、Ｃ（ｍｍ²）、及びＨ（ｍｍ）は、それぞれ、半田プリフォーム１０３とファイバマウント１０２とが接触する接触面積、及び半田プリフォームの高さを表しており、Ｔｈ２＝０．０５（ｍｍ）である。

図５は、半田プリフォーム１０３の各形状（円柱１、円柱２、板１、板２）についてのサイズ、Ｃ÷Ｈ（ｍｍ）、及びＳ÷Ｖ（ｍｍ^-1）の各値を示す表である。図５においては、ファイバマウント１０２のメタライズ領域は略０．８ｍｍ×０．８ｍｍである。図５に示すように、「円柱１」及び「板１」は、何れも条件１及び条件２を満たしている。一方で、「円柱２」は、条件２を満たしておらず、「板２」は、条件１を満たしていない。

図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、及び（ｄ）は、それぞれ、半田プリフォーム１０３の形状を、図５に示す「円柱１」、「円柱２」、「板１」、及び「板２」とした場合の、再凝固後の半田の形状を示す実写図である。図６（ａ）及び（ｃ）は、半田の上面図であり、図６（ｂ）及び（ｄ）は、半田の斜視図である。なお、図６（ａ）〜（ｄ）では、ファイバマウント１０２上のメタライズ領域の形状を正方形としている。

図６（ｂ）に示すように、半田プリフォーム１０３の形状が「円柱２」である場合には、半田プリフォーム１０３の溶け残りが生じてしまう。これは、「円柱２」の形状及びサイズが、条件２を満たしていないためである。より具体的には、半田プリフォーム１０３の高さＨが大きいわりに、接触面積Ｃが小さいため、レーザ照射領域１０２ｂからの熱が半田プリフォーム１０３の上部まで十分に伝わらず、溶け残りが生じるためである。

半田プリフォーム１０３の溶け残りが生じると、半田が再凝固する際の光ファイバ１０１の動きを制御することができず、光ファイバ１０１の固定精度が低下してしまう。また、半田プリフォーム１０３の溶け残った部分の影響により熱応力（歪み）を有したまま半田が再凝固してしまうので、再凝固した半田が漏れ光等の影響によって加熱された場合に、当該熱応力が開放され、光ファイバ１０１の軸ずれが発生してしまう。このような問題は、高出力（具体的には、例えば５Ｗ以上）の半導体レーザを用いたレーザモジュールにおいて光ファイバの固定を行う場合に顕著となる。なぜなら、そのような高出力レーザモジュールにおいては、漏れ光の強度も強いため、再凝固した半田が加熱され易いからである。後述するように、半田プリフォーム１０３の形状及びサイズを上記条件２を満たすようにすれば、このような問題が生じることはない。

また、図６（ｄ）に示すように、半田プリフォーム１０３の形状が「板２」である場合には、再凝固後の半田の形状が、光ファイバ１０１の延在方向に関して左右非対称となってしまう。これは、「板２」の形状及びサイズが、条件１を満たしていないためである。より具体的には、半田プリフォーム１０３の体積Ｖが小さいわりに、表面積Ｓが大きいため、半田の表面に形成される酸化膜の影響により半田の濡れ性が低下し、半田が左右非対称な形状のまま再凝固してしまうためである。

再凝固後の半田の形状が、光ファイバ１０１の延在方向に関して左右非対称になると、半田が再凝固する際の光ファイバ１０１の動きを制御することができず、光ファイバ１０１の固定精度が低下してしまう。また、左右非対称であることの結果として、熱応力（歪み）を有したまま半田が再凝固してしまうので、再凝固した半田が漏れ光等の影響によって加熱された場合に、当該熱応力が開放され、光ファイバ１０１の軸ずれが発生してしまう。このような問題は、高出力（具体的には、例えば５Ｗ以上）の半導体レーザを用いたレーザモジュールにおいて光ファイバの固定を行う場合に顕著となる。なぜなら、そのような高出力レーザモジュールにおいては、漏れ光の強度も強いため、再凝固した半田が加熱され易いからである。後述するように、半田プリフォーム１０３の形状及びサイズを上記条件１を満たすようにすれば、このような問題が生じることはない。

一方で、図６（ａ）及び（ｃ）に示すように、半田プリフォーム１０３の形状が、条件１及び２を共に満たす「円柱１」「板１」である場合には、再凝固後の半田の形状は左右対称であり、また、半田の溶け残りも生じない。

したがって、半田プリフォーム１０３の形状及びサイズを、条件１及び２を共に満たすものとすれば、光ファイバ１０１を、ファイバマウント１０２に対して、位置誤差の発生を抑制しつつ固定することができる。

（適用例）
以下では、本実施形態に係る光ファイバ固定方法の一適用対象としての、半導体レーザモジュールについて図７を参照して説明する。

図７は、半導体レーザモジュール１の全体像を示す斜視図である。半導体レーザモジュール１は、光ファイバ１０１の末端に装着されるレーザモジュールであり、図７に示すように、基板１０、ＣｏＳ（Chip on Submount）３０、ファイバマウント１０２、及びケース５０を備えている。なお、図７においては、半導体レーザモジュール１の内部構造を明らかにするために、ケース５０の天板及び側板の一部を省略している。

図７に示すように、ファイバマウント１０２の上面には、本実施形態に係る光ファイバ固定方法を用いて、半田１０３’により光ファイバ１０１が固定されている。光ファイバ１０１は、図７に示すように、ケース５０に形成された挿通パイプ５１を通して半導体レーザモジュール１の内部に引き込まれている。

光ファイバ１０１は、楔状に加工された先端１０１ａが半導体レーザチップ３３の端面３３ａに正対するように配置される。半導体チップ３３の端面３３ａから発せられたレーザ光は、先端１０１ａから光ファイバ１０１に入射し、光ファイバ１０１内を伝搬する。

基板１０は、半導体レーザモジュール１の底板である。本適用例においては、基板１０として、主面が角丸矩形の板状部材を用いる。基板１０は、半導体レーザモジュール１の内部（特にＣｏＳ３０）で発生した熱を半導体レーザモジュール１の外部に放熱するためのヒートシンクとして機能する。このため、基板１０は、熱伝導率の高い材料、例えば、例えばＣｕ（銅）によって形成される。

基板１０の上面には、図７に示すように、ＣｏＳ３０とファイバマウント１０２とが載置される。基板１０の上面において、ファイバマウント１０２は、光ファイバ１０１が引き出される側に配置され、ＣｏＳ３０は、光ファイバ１０１が引き出される側と反対側に配置される。

ＣｏＳ３０は、レーザマウント３１と半導体レーザチップ３３とが一体化されたものである。

レーザマウント３１は、半導体レーザチップ３１を支持する支持体である。本実施形態においては、図７に示すように、レーザマウント３１として、主面が矩形状の板状部材を用い、このレーザマウント３１を、その下面が基板１０の上面と平行になり、かつ、その主面の長辺がサブマウント２０の主面の長辺と平行になるように配置する。レーザマウント３１は、その下面と基板１０の上面との間に広がった半田６２によって、基板１０の上面に接合される。

レーザマウント３１の上面には、図７に示すように、半導体レーザチップ３０が載置される。半導体レーザチップ３３は、その端面３３からレーザ光を発するレーザ光源である。本実施形態においては、主にＧａＡｓ（ガリウム砒素）からなる、３ｍｍ以上のキャビティ長を有する高出力半導体レーザを用いる。半導体レーザチップ３３は、図７に示すように、その延在方向がレーザマウント３１の主面の長辺と平行になるように配置され、ＣｕＷ（銅タングステン）層３２を介してレーザマウント３１に接合されている。また、半導体レーザチップ３３は、図７に示すように、ワイヤ３４を介してレーザマウント３１の上面に形成された回路に接続されており、この回路から供給された電流によって駆動される。

（変形例）
以下では、本実施形態の変形例について図８（ａ）〜（ｃ）及び図９（ａ）〜（ｅ）を参照してより説明する。

本変形例においては、上述したステップＳ１０３が、以下のステップＳ２０３に置き換わる。

（ステップＳ２０３）
半田プリフォーム１０３に対してファイバマウンド１０２に向けて荷重を印加しつつ、ファイバマウント１０２の表面上のレーザ照射領域１０２ｂにレーザ光３００を照射し、レーザ光３００が照射されることにより温度が上昇したレーザ照射領域１０２ｂからの熱伝導によって半田プリフォーム１０３を溶融させる。

図８（ａ）〜（ｃ）は、半田プリフォーム１０３に対してファイバマウンド１０２に向けて荷重を印加する工程例の手順を示す図である。この工程例においては、図８（ａ）に示すように、半田ガイド２０１を用いる。半田ガイド２０１は、ファイバマウント１０２の上面に半田プリフォーム１０３を載置すると共に、載置された半田プリフォーム１０３の上面に対して荷重を印加するために用いられる冶具であり、ガイド部２０１ａ及び支持部２０１ｂより構成される。ガイド部２０１ａには、半田プリフォーム１０３が貫通可能なガイド孔が形成されている。

まず、図８（ａ）に示すように、ケース５０の一部に支持部２０１ａを嵌め込むことによって、ガイド部２０１ａをファイバマウント１０２に対して固定する。

続いて、図８（ｂ）に示すように、ガイド部２０１ａのガイド孔に半田プリフォーム１０３を落としこみ、半田プリフォーム１０３を、ファイバマウント１０２のメタライズ領域上の所定の位置に載置する。

続いて、図８（ｃ）に示すように、ガイド部２０１ａのガイド孔に半田押棒２０２を挿入し、この半田押棒２０２を介して、半田プリフォーム１０３の上面に、ファイバマウント１０２に向けた荷重を印加する。

また、図示は省略するが、半田プリフォーム１０３の上面にファイバマウント１０２に向けた荷重を印加した状態で、ケース５０を調芯装置にセットし、調芯を行った後、レーザ照射領域１０２ｂにレーザ３００を照射する。これにより半田プリフォーム１０３が溶融及び再凝固することによって、光ファイバ１０１がファイバマウント１０２の上面に固定される。

図９（ａ）〜（ｅ）は、ステップＳ２０３にてファイバマウント１０２の表面上のレーザ照射領域１０２ｂにレーザ光３００を照射した後、半田プリフォームが溶融し再凝固する様子を時間の経過と共に示す図である。

図９（ａ）に示すように、レーザ照射領域１０２ｂにレーザ光３００が照射されると、レーザ照射領域１０２ｂからの熱伝導によって、半田プリフォーム１０３の下部の温度が融点を越え、図９（ｂ）に示すように、半田プリフォーム１０３が下部から溶融し始める。溶融した当該下部は、メタライズ層１０２ａの上面に沿って濡れ広がり始める。本変形例においては、半田プリフォーム１０３には、ファイバマウント１０２に向けた荷重が印加されているため、半田プリフォーム１０３が、ファイバマウント１０２に向けて勢いよく押し出される。押し出された半田プリフォーム１０３の上部の温度は、熱伝導により融点を超え、当該上部は、図９（ｃ）に示すように、表面張力の影響により球形へと変化しつつ重力によりファイバマウント１０２に向けて落下する。このようにして半田プリフォーム１０３の全体が溶融する。溶融した半田は、表面張力の影響により、自身の表面積を最小化すべく略半球状へと変形し始め、図９（ｄ）に示すように、光ファイバ１０１を包み込み始める。その後、図９（ｅ）に示すように、光ファイバ１０１を包み込み、略半球状となった半田は、レーザ光３００による加熱が終了し、ファイバマウント１０２の温度が半田融点を下回るにつれて再凝固する。これにより、光ファイバ１０１が、ファイバマウント１０２上に固定される。

なお、図９（ａ）〜（ｅ）においては、半田押棒２０２の下端がファイバマウント１０２の上面まで到達せずに途中で止まる構造を例示したが、これは本実施形態を限定するものではない。例えば、半田押棒２０２の下端を一旦ファイバマウント１０２の上面に到達させ、半田が溶融状態のときに半田押棒２０２を上方に引き抜き、その後レーザ３００の照射を止めることにより半田を再凝固させてもよい。

本変形例においては、荷重が印加された半田プリフォーム１０３がファイバマウント１０２に向けて勢いよく押し出されるため、荷重が印加されない場合に比べて、半田プリフォーム１０３の溶け残りが生じづらい。

また、荷重が印加された半田プリフォーム１０３がファイバマウント１０２に向けて勢いよく押し出されるため、溶融後の半田に生じる内部流及び表面流が大きな流速を持つ。このため、荷重が印加されない場合に比べて、半田の表面に酸化膜が形成されにくい。また、例え、酸化膜が形成されたとしても、内部から湧き上がる流れによって酸化膜が破られる。このように、本変形例においては、溶融した半田の表面に形成され得る酸化膜の影響を受けにくいので、荷重を印加しない場合に比べて、凝固後の半田１０３’が光ファイバ１０１の延存在方向に関して左右非対称になるといった問題が生じにくい。

以上のように、本変形例においては、半田プリフォーム１０３の形状及びサイズが、上述の（条件１）及び（条件２）の少なくとも何れかを満たしていない場合であっても、再凝固後の半田の形状が左右対称となり、また、半田の溶け残りも生じない。

このため、本変形例においては、半田プリフォーム１０３の形状及びサイズが、上述の（条件１）及び（条件２）の少なくとも何れかを満たしていない場合であっても、光ファイバ１０１を、ファイバマウント１０２に対して、位置誤差の発生を抑制しつつ固定することができる。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明は、光ファイバをファイバマウントに固定するために好適に適用することができる。また、半導体レーザモジュールを製造する際の光ファイバの固定工程に好適に適用することができる。

１ 半導体レーザモジュール
１０１ 光ファイバ
１０１ａ メタライズ層
１０２ ファイバマウント（支持部材）
１０２ａ メタライズ層
１０２ｂ レーザ光照射領域
１０３ 半田プリフォーム

Claims (6)

1. 光ファイバを支持部材に固定するための光ファイバ固定方法であって、
   上記光ファイバを、上記支持部材の上面に沿って保持する保持ステップと、
   上記支持部材の上面に、フラックスレス半田よりなる半田プリフォームを載置する載置ステップと、
   上記支持部材の表面上に設定されたレーザ光照射領域にレーザ光を照射し、該レーザ光照射領域からの熱伝導によって上記半田プリフォームを溶融させる溶融ステップと
   を含んでおり、
   上記載置ステップにて載置された上記半田プリフォームは、上記保持ステップにて保持された上記光ファイバの片脇に位置し、
   上記保持ステップにて保持された上記光ファイバの表面と上記支持部材の上面との距離をＨとし、上記光ファイバの直径をＤとし、上記載置ステップにて載置された上記半田プリフォームの高さをＬとしたとき、Ｈ＋Ｄ＜Ｌを満たしている、
   ことを特徴とする光ファイバ固定方法。
2. 上記半田プリフォームの表面積を上記半田プリフォームの体積で除算して得られる値が、ミリメートルの逆数を単位として１６．５未満である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ固定方法。
3. 上記半田プリフォームと上記支持部材とが接触する接触面積を、上記半田プリフォームの高さで除算して得られる値が、ミリメートルを単位として０．０５よりも大きい、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバ固定方法。
4. 上記溶融ステップは、上記半田プリフォームに対して、上記支持部材に向けて荷重を印加しつつ、上記半田プリフォームを溶融させる、
   ことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の光ファイバ固定方法。
5. 上記レーザ光照射領域は、上記支持部材の上面において、上記半田プリフォームから見て上記光ファイバとは反対側に設定されている、
   ことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の光ファイバ固定方法。
6. 光ファイバと、該光ファイバを支持するための支持部材とを備えたレーザモジュールを製造する製造方法であって、
   請求項１から５の何れか１項に記載の光ファイバ固定方法を用いて、上記光ファイバと上記支持部材とを固定する、
   ことを特徴とする製造方法。