JPH09218323A

JPH09218323A - 光ファイバアレイ

Info

Publication number: JPH09218323A
Application number: JP4844596A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Kakii; 俊昭柿井; Hidetoshi Ishida; 英敏石田; Shinji Ogawa; 信二小川
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1996-02-13
Filing date: 1996-02-13
Publication date: 1997-08-19

Abstract

(57)【要約】【解決手段】ガイド穴を有するＶ溝基板と上プレ
ートとが固相接合により一体化されたフェルールは、外
周のメタルハウジングとガラスにより固定された光ファ
イバアレイ。メタルハウジングの先端部でガラスで
固定。ガラス注入用スリット部を設ける。上プ
レートがＶ溝基板より短尺。窓部を設ける。固
定用ガラスとしてプリフォームガラスを用いる。半
田としてＢｉ２５〜８５重量％含有。２ケ所以上で
メタルハウジングに固定され、少なくとも１ケ所がガラ
スで接合される。固相接合部がＶ字状穴間にも形成
されている。【効果】１）半田と封止材とによる光ファイバの外周
シール、２）固相接合による上下チップ間のシール、
３）ガラス封着による上下チップとメタルハウジング間
のシールの３種のシールにより完全に気密構造となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光インターコネクシ
ョンに代表される光信号のパラレル伝送に用いられるア
レイ状の発光素子や受光素子と結合する光ファイバアレ
イに関する。より詳細には、本発明の光ファイバアレイ
は、半田と接着剤とによる光ファイバの外周シール、固
相接合による上下チップ間のシール、ガラス封着による
上下チップ外周とメタルハウジング内側とのシールによ
り完全に気密構造とされ、かつメタルハウジング付きフ
ェルールと言う一体型構造の採用により光ファイバアレ
イの製造が容易になる利点がある。

【０００２】

【従来の技術】一般に、光ファイバアレイはモジュール
（ＬＤやＰＤ）との接合で気密性が要求され、ＹＡＧレ
ーザでモジュールと溶接されるので、光ファイバアレイ
の外周はメタルスリーブを形成する必要がある。しか
し、一方、光ファイバの配列は１μｍ以下の精度が要求
されるので、Ｖ溝基板はシリコンやセラミックが用いら
れており、両者を接合する課題が生じる。

【０００３】図６はフェルールとメタルハウジングとを
内部でガラス固定した従来法を説明する概略図である。
すなわち、光ファイバはＶ溝基板内に配列され、上方よ
り独立したカバー板で加圧固定され、その外周は半田が
充填されている。更に、その外周に金属板（メタルプレ
ート）が上下あり、そのメタルプレートと外周の金属ス
リーブとはＹＡＧレーザで溶接している（１９９４年電
子情報通信学会春季大会予稿集４−３５０頁、１９９５
年電子情報通信学会春季大会予稿集２２３頁）。しか
し、金属スリーブ内部の気密封止についての記載はな
く、また特にカバー板とＶ溝基板と金属スリーブ間の気
密についての説明は全くない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来技
術には、２つの大きな問題点を有していた＞光ファイバとＶ溝基板との間は半田で気密封止され
ているが、メタルハウジングと上下チップ（Ｖ溝基板と
カバー板又は上プレート）間は完全に半田充填すること
は困難であって気密封止し難い。更に、上下に金属板
（メタルプレート）やその外周にメタルハウジングとの
ＹＡＧレーザによるシールが必要である。また、チップ
の側面シールがやり難い等の問題がある。光ファイバの位置決めは上下チップを挟み込む構造
になっており、組立が非常に複雑である。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題について種々検
討した結果、気密構造として、(イ) Ｖ溝基板と上プレー
ト（以下、単にチップという）間は固相接合により一体
化され、光ファイバを位置決めするＶ字状穴を有するフ
ェルール構造、 (ロ)予め完成されたフェルール内のＶ字
状穴中にメタルハウジングが挿入され、光ファイバの外
周は半田で固定、 (ハ)フェルールの外周にメタルハウジ
ングが形成された構造で、フェルールとメタルハウジン
グとがメタルハウジングの先端でガラスで封止・固定す
る構造を採用することによって、光ファイバアレイを完
全に気密構造にできることを見出し、本発明を完成する
に至った。なお、ここで言うＶ字状穴とは、概ね三角形
状をしており、隣接するＶ字状穴相互は互いに半田等が
流れ込まない独立な構造をいう。

【０００６】すなわち、本発明は；光ファイバを位置決め配列している光ファイバアレ
イにおいて、光ファイバＶ溝を有するＶ溝基板と上プレ
ートとは固相接合により一体化され、Ｖ形状の光ファイ
バガイド穴が形成され、この穴中で光ファイバの先端の
一部が半田され、Ｖ溝基板と固相接合で一体化した上プ
レートにより形成されるフェルールは、外周のメタルハ
ウジングとガラスにより固定されている光ファイバアレ
イを提供する。また、メタルハウジングの先端部において、フェルールが
ガラスにより固定されている点にも特徴を有する。ま
た、低融点ガラスを流し込む固定用スリット部がフェル
ール外周又はメタルハウジングの内部に形成されている
点にも特徴を有する。また、フェルールの上プレートは、Ｖ溝基板より短尺であ
り、光ファイバガラスが一部フェルールより露出し、そ
の露出部分の一部が外部より見えるように、メタルハウ
ジングの一部に切り欠き加工部を有している点にも特徴
を有する。また、

【０００７】フェルールとメタルハウジングとの固
定用ガラスとしてプリフォームガラスを用いる点にも特
徴を有する。また、半田としてＢｉが２５〜８５重量％含まれている点
にも特徴を有する。また、フェルールの独立した２ケ所以上でメタルハウジン
グに固定され、少なくとも１ケ所がガラスで接合されて
いる点にも特徴を有する。また、１ケ所はガラスで、他のケ所の少なくとも一部は半
田でメタルハウジングに固定されている記載の光ファ
イバアレイを提供する。固相接合部がＶ字状の光ファイバガイド穴の間にも
形成されている点にも特徴を有する。

【０００８】以下、本発明を詳細にに説明する。本発明
の光ファイバアレイは、基本的に以下の３要素から構成
されている。 (1) Ｖ形状の光ファイバガイド穴（単にガイド穴とい
う）を有するＶ溝基板と上プレートが固相接合され、光
ファイバを位置決めするガイド穴を有する一体型のフェ
ルールを形成している。 (2) フェルールのガイド穴中に光ファイバが挿入され、
光ファイバは半田で固定されている。 (3) フェルールの外周にはメタルハウジングが形成さ
れ、フェルールとメタルハウジングとはガラスにより固
定されている。

【０００９】これらは、上記(1) により、Ｖ溝基板と上
プレートとの間の気密封止を実現できる。(2) により、
ガイド穴と光ファイバとの間の気密封止を半田で実現で
きる。(3) により、フェルールとメタルハウジング間を
ガラスシールで気密封止できる。

【００１０】更に、図１に基づいて説明する。図１は本
発明の光ファイバアレイの断面を示す模式図であり、図
１−（イ）はその横断面を、図１− (ロ)はその縦断面を
表している。図１において、１はガイド穴６を有するＶ
溝基板、２は光ファイバ３を該Ｖ溝基板とで挟み込んで
固相接合した上プレート、４は光ファイバ３の保護のた
めの被覆部、５は上下チップ（Ｖ溝基板と上プレート）
を保護収納するメタルハウジング、７は光ファイバの配
列・固定状況を観察するための窓部、８はガイド穴６内
に挿入された光ファイバ３の先端の一部をその外周で固
定する半田、９は上下チップ外周とメタルハウジング内
側との間を気密固定するガラス封着部、１０は被覆光フ
ァイバを上下チップ間に固定するエポキシ樹脂のような
接着剤、１１は上下チップ間を固定・接合する陽極接合
のような固相接合部、１２は上下チップ間に固定された
被覆光ファイバを収容するゴムブーツである。

【００１１】本発明では、予め一体化してメタルハウジ
ング付きフェルール構造としているので、光ファイバを
後部から挿入するだけで組立が完了し、非常に製造性が
容易である利点を有する。更に、説明する。 (1) 気密構造について光ファイバアレイを気密封止構造とするには、基本的に
３つの隙間をシールする必要がある。光ファイバの外周シール、上下チップ間のシー
ル、上下チップ外周とメタルハウジング内側とのシ
ールである。このような３つの課題に対して、従来では、半田のみで
対応しているので非常に難しく、またＹＡＧレーザを用
いてシールする場合は上下チップの外側にメタルプレー
トを配置する等の構造を採用する必要があり、構造が複
雑化していた。これに対して、本発明は、光ファイバの
外周の固定・気密は半田を用い、上下チップ間は固相接
合法により一体化させ、フェルールとメタルハウジング
間はガラス封着を用いる３要素の構成とした点に特徴が
ある。

【００１２】（ｉｉ）フェルールの構造について図２は予め固相接合により上下チップ間を一体化したフ
ェルールの構造を示す一部切り欠きされた斜視図であ
る。図２に示されたフェルールを製造するために、ま
ず、上下チップ（Ｖ溝基板と上プレート）間を固相接合
させる。その代表的な手法としては陽極接合を挙げるこ
とができる。これは、Ｖ溝基板１（好ましくはシリコン
製）と上プレート２（ガラスでも良いし又はシリコンに
ガラスを蒸着したものを用いても良い。好ましくはガラ
ス）間に電圧と熱とを加えて接合させるものである。こ
の場合、耐熱温度はガラスとシリコンとの熱膨張率を等
しくさせると６００℃以上は実現できる。接合温度は好
ましくは４５０〜５５０℃で容易に固相接合が実現でき
る。また、この場合、シリコンとシリコンとは高熱で直
接接合する性質があり、これを利用して固相接合しても
良い。なお、図８に示されるように、固相接合部１１が
Ｖ字状の光ファイバガイド穴の間にも形成されていても
良い。その場合、ピッチ幅が狭いと独立したＶ字状穴を
形成するが〔図８−（イ）〕、ピッチ幅が広いと独立せ
ず連続したＶ字状穴を形成する。

【００１３】（ｉｉｉ）メタルハウジング付きフェルー
ルについて次に、フェルール１５とメタルハウジング５とは、封着
ガラスでシール固着する。その場合、封着ガラスとして
ＩＣパッケージ用ガラス（例えばＰｂＯ・Ｂ₂Ｏ₃系ガ
ラス粉末とセラミック粉末とのブレンドした複合系ガラ
ス）を用い、封着温度４３０〜５００℃以下、好ましく
は４５０〜４８０℃で容易に固定できる。この場合、メ
タルハウジングは、コバール等のようなシリコンに熱膨
張率が近い材質から構成されることが望ましい。従っ
て、メタルハウジングの成形は、例えばメタルインジェ
クション成形法で行うことができる。但し、ステンレス
等熱膨張率の大きい材料を用いて、収縮力によりシマリ
バネ効果を活用しても良い。

【００１４】このメタルハウジング５は、図１では角型
であるが、フェルール１５を収容するに便利な形状を呈
すれば特に限定されず、丸型、楕円型等多様の形状を採
用できる。また、メタルスリーブの形状でも良い。ま
た、ガラスによりフェルール１５とメタルハウジング５
とをガラス封着する際に封着シロ１４を設けることが作
業効率上望ましい。メタルハウジング付きフェルールに
おいて、フェルールの上プレートはＶ溝基板より短尺に
することが(イ) 半田注入量のコントロール（段差がある
ので、これにより上方には入り難くなり、テープ被覆が
半田で焼けるのが防げる）、 (ロ)光ファイバの挿入性の
向上の上で望ましく、それによって、光ファイバガラス
が一部フェルール１５より露出し、その露出部分の一部
が外部より見えるように、メタルハウジングの一部に窓
部７のような切り欠き加工部を設けることが望ましい。

【００１５】（ｉｖ）ガラス封着についてガラス封着部９をフェルール１５とメタルハウジング５
との間の気密のために設けるには、図３に示されるよう
に封着用ガラスを予め所定の形状、例えば角リング状の
プリフォーム（予備成形体）として適用することが好ま
しい。図３は封着用ガラスとして角リング状のプリフォ
ーム（予備成形体）を用いて封着する状態を示す模式図
である。具体的には、封着シロ１４に該角リング状封着
（プリフォーム）ガラス１３をセットし、フェルール１
５を挿入して約４５０℃程度の高温で加熱して一体化さ
せれば良い。この工程はバッチ処理することができ、一
度に数百ケ単位で容易に処理することができる。封着用
ガラスを適用するに際し、該ガラス固定用のスリット
（又は封着シロ）をフェルールとメタルハウジング間に
設けることにより、封着用ガラスを容易にそこに流し込
むことができ、強固に固定できる。

【００１６】(ｖ) 光ファイバアレイの組立て・製造に
ついて図４−（イ）は完成したメタルハウジング付きフェルー
ルの横断面を示す模式図であり、図４− (ロ)は該メタル
ハウジング付きフェルールにテープ状光ファイバを挿入
し配置し固定する状況を示す斜視図である。更に、フェ
ルール１５を構成するＶ溝基板１内のガイド穴６にフェ
ルール１５の後端から光ファイバ３を挿入し、光ファイ
バの先端の一部をセラミック用半田（例えばＰｂ−Ｓｎ
−Ｚｎ系やＰｂ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ系合金等）を用い
て、（半田によってすべて異なるので一概にいえない
が、）３００〜４００℃程度で容易に固定できる。特
に、セラミック用半田としてＢｉを２５〜８５重量％含
有させると、低融点半田にできるので、熱歪を低減でき
る。Ｂｉを４６〜６６重量％にすると、凝固時の堆積変
化を低減できるので、内部歪の低減に有効であり、更に
好ましい。

【００１７】半田８の注入は溶融した半田に超音波振動
を与えることによりフェルールの先端より容易に注入で
きる。その半田の注入量は、半田温度、注入時間等でコ
ントロールできる。更に正確に行うには、図１に示され
るようにメタルハウジングに窓部７を設けておくと、半
田８が上プレート２の上端に達したところを画像で確認
して超音波振動を停止させることにより、より精密にコ
ントロールできる。

【００１８】すなわち、光ファイバアレイを製造する過
程において、気密構造とするために必要とする封着用耐
熱温度は；半田＜ガラス＜陽極接合の３要素により夫々
区別されているから、各封着工程を安定した作業ができ
るのである。その結果、メタルハウジング付きフェルー
ルを一体化形成でき、最終工程で光ファイバをガイド穴
に通し、エポキシ樹脂のような封止材で固定し、フェル
ールの先端を研磨すれば良いので、非常に量産性ある構
造を提供できる。即ち、半田注入後、封止材として低粘
度のエポキシ樹脂を用いることが望ましい。該接着剤は
メタルハウジング５の窓部７又はフェルール１５の後部
より注入した後、適宜温度で加熱して熱硬化させて固定
し、更にフェルール先端を研磨すれば凡ての作業工程が
完了する。

【００１９】なお、光ファイバアレイの組立てに当た
り、光ファイバをフェルールの独立した２ケ所以上でメ
タルハウジングに固定され、少なくとも１ケ所がガラス
で接合されていると、変位に対して安定化できる。その
場合に、１ケ所はガラスで、他のケ所の少なくとも一部
は半田でメタルハウジングに固定されていることが望ま
しい。特に、その半田をメタルハウジングの先端に固定
することが望ましい。

【００２０】

【実施例】本発明を以下の実施例により具体的に説明す
るが、これらは本発明の範囲を制限しない。（実施例１）主に図１を参考にして本発明のメタルハウ
ジング付きフェルールの製造例を説明する。第１の工程；シリコンウエハに先端約６０℃のＶ字
状のダイヤモンドブレードで連続してピッチ２５０μ
ｍ、Ｘ、Ｙ方向精度±０．３μｍ程度にＶ溝加工を行っ
てＶ溝基板１にガイド穴６を作る。そのシリコンウエハ
からなるＶ溝基板１にガラス製の上プレート２を陽極接
合させて一体化させた。陽極接合ばシリコンとガラスと
が固相接合するので、信頼性の高い気密封止が実現でき
る。Ｖ字状穴は各々独立に形成され、Ｖ字状穴の間は固
相接合されている。いずれにしても、上下チップを一体
化することにより、Ｖ字状のガイド穴６を有するフェル
ールを切り出して得ることができる。得られたフェルー
ルは、最終的に例えば図２に示す形状に加工する。

【００２１】第２の工程；次に、メタルハウジング
５を、図３に示される形状にコバール又はステンレス等
を原料にしてメタルインジエクション成形法で製造す
る。第３の工程；図３に示されるように、封着シロ１４
に予め角リング状に成形した封着（プリフォーム）ガラ
ス１３をセットし、フェルール１５を挿入して約４５０
℃程度に加熱して一体化させる。

【００２２】第４の工程；完成したメタルハウジン
グ付きフェルールは、図４に示されるように凡て一体化
されており、光ファイバ３をフェルール１５後部から通
して、その先端部をセラミック用半田（Ｐｂ−Ｓｎ−Ｚ
ｎ系やＰｂ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ系等合金）８で且つ全体
を封止材（例えばエポキシ樹脂）１０で固定し、その先
端を研磨すれば光ファイバアレイが完成する。半田８の
注入は溶融した半田に超音波振動を与えることによりフ
ェルールの先端より注入した。注入量は超音波振動時間
で制御できるが、その際に、図４− (ロ)に示されるよう
にメタルハウジング５に窓部７を設け、半田８が上プレ
ート２の上端に達したところを画像で確認し、超音波振
動を停止させて、より精密にコントロールした。

【００２３】第５の工程；半田注入後、低粘度（融
点）のエポキシ樹脂をメタルハウジングの窓部７又は後
部より注入した後に、熱硬化させて固定し、フェルール
先端を研磨して完了する。以下、得られた光ファイバア
レイの気密封止テストを、ＹＡＧレーザでモジュールを
固定して行った。すべて１０^-8ａtm・cc/sec以上の気密
特性を示した。また、組立性も著しく容易になり、量産
に適した構造であることが確認された。また、Ｂｉ系半
田を用いることにより、内部歪も低減され、ｎ＝２０
ケ、ヒートサイクル−４０〜＋８０℃１００回後の光フ
ァイバの突き出しは、すべて０．５μｍ以内と良好であ
った。

【００２４】（実施例２）本発明のメタルハウジング付
きフェルールの他の例を説明する。図５に示されるよう
に、光ファイバ３を固定する半田８をメタルハウジング
５の先端にも入れて、フェルールを半田とガラスの２点
で固定して変位に対して安定化させることができる（ク
レーム７、８に対応）。これに対して、従来法では、図
７に示されるように、フェルールが１点でメタルハウジ
ングに固定されており、微少変位し易い。実際には、光
ファイバガラスの周囲にはエポキシ樹脂等の封止材があ
り固定しているが、完全に変位に対して安定せない。

【００２５】

【発明の効果】従来、光ファイバアレイでは気密封止が容易に実現
できなかったが、本発明の構造の採用により光ファイバ
とフェルール間、フェルールとメタルハウジング間の夫
々の封着・封止を、半田とガラスとで分担し合うことに
より、容易にできるようになった。半田材料として、Ｂ
ｉ系のものを用いることにより内部歪の低減が可能とな
った。また、図８に示されるように、Ｖ字状穴間に固相
接合部１６を設けることにより、より強固に上下プレー
トが接合し、半田注入も角Ｖ字状穴に均一に注入できる
ゆおになった。

【００２６】更に、従来の光ファイバは、上下チッ
プの組立やメタルハウジングの組立などが光ファイバ挿
入前に完了しておらず、そのために組立が大変であっ
た。しかし、本発明の構成にすることにより、予めすべ
て組立られたメタルハウジング付きフェルールが提供さ
れるので組立が著しく容易になった。図６はフェルールとメタルハウジングとを内部でガ
ラス固定した従来法を説明する概略図である。図６に示
されるように従来法が内部でガラス固定するのに比較し
て、本発明ではフェルールの温度上昇によるロス変動を
小さく抑えることができる。

【００２７】メタルハウジングに窓部を設けて、上
プレートの端から露出する光ファイバを観察できるよう
にすることにより、半田注入量を確認でき、そのコント
ロールが容易になった。封着用ガラスとして角リングプリフォーム又はメタ
ルスリーブを用いることにより、ガラス封着・固定が非
常に容易になった。ガラス固定用のスリットをフェルールとメタルハウ
ジング間に設けることにより、ガラスを容易にそこに流
し込むことができ、強固に固定できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光ファイバアレイの断面を示す模式図
であり、図１−（イ）はその横断面を、図１− (ロ)はそ
の縦断面を表している。

【図２】予め固相接合により上下チップ間を一体化した
フェルールの構造を示す一部切り欠きされた斜視図であ
る。

【図３】封着用ガラスとして角リング状のプリフォーム
（予備成形体）を用いて封着する状態を示す模式図であ
る。

【図４】図４−（イ）は完成したメタルハウジング付き
フェルールの横断面を示す模式図であり、図４− (ロ)は
該メタルハウジング付きフェルールにテープ状光ファイ
バを挿入し配置し固定する状況を示す斜視図である。

【図５】半田をメタルハウジングの先端にも入れ、フェ
ルールを半田とガラスとの２点で固定した状態を示す横
断面図である。

【図６】フェルールとメタルハウジングとを内部でガラ
ス固定した従来法 (イ)を説明する概略図である。

【図７】フェルールとメタルハウジングとを内部で低融
点ガラスとエポキシ樹脂等の封止材とで固定した従来法
(ロ)を説明する概略図である。

【図８】フェルールにおいて、ガイド穴６を構成するＶ
字状穴間に固相接合部１６を設けた状態を示す模式図で
ある。図８−（イ）はＶ字状穴が独立している場合を、
図８−（ロ）は独立していない場合を示している。

【符号の説明】

１Ｖ溝基板２上プレート３光ファイバ４被覆部５メタルハウジング６ガイド穴７窓部８半田９ガラス封着部１０接着剤１１固相接合部１２ゴムブーツ１３角リングプリフォーム封着ガラス１４封着シロ１５フェルール１６テープ状光ファイバ１７低融点ガラス

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光ファイバを位置決め配列している光フ
ァイバアレイにおいて、光ファイバＶ溝を有するＶ溝基
板と上プレートとは固相接合により一体化され、Ｖ形状
の光ファイバガイド穴が形成され、この穴中で光ファイ
バの先端の一部が半田され、Ｖ溝基板と固相接合で一体
化した上プレートにより形成されるフェルールは、外周
のメタルハウジングとガラスにより固定されていること
を特徴とする光ファイバアレイ。
【請求項２】メタルハウジングの先端部において、フ
ェルールがガラスにより固定されていることを特徴とす
る請求項１記載の光ファイバアレイ。
【請求項３】低融点ガラスを流し込む固定用スリット
部がフェルール外周又はメタルハウジングの内部に形成
されていることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ
アレイ。
【請求項４】フェルールの上プレートは、Ｖ溝基板よ
り短尺であり、光ファイバガラスが一部フェルールより
露出し、その露出部分の一部が外部より見えるように、
メタルハウジングの一部に切り欠き加工部を有している
ことを特徴とする請求項１記載の光ファイバアレイ。
【請求項５】フェルールとメタルハウジングとの固定
用ガラスとしてプリフォームガラスを用いることを特徴
とする請求項１記載の光ファイバアレイ。
【請求項６】半田としてＢｉが２５〜８５重量％含ま
れていることを特徴とする請求項１記載の光ファイバア
レイ。
【請求項７】フェルールの独立した２ケ所以上でメタ
ルハウジングに固定され、少なくとも１ケ所がガラスで
接合されていることを特徴とする請求項１記載の光ファ
イバアレイ。
【請求項８】１ケ所はガラスで、他のケ所の少なくと
も一部は半田でメタルハウジングに固定されていること
を特徴とする請求項７記載の光ファイバアレイ。
【請求項９】固相接合部がＶ字状の光ファイバガイド
穴の間にも形成されていることを特徴とする請求項１記
載の光ファイバアレイ。