JP2871780B2 - Holder with lens for optical coupling - Google Patents
Holder with lens for optical couplingInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光伝送システムの構成要素の一つである光
モジュールの光結合用レンズを固定したホルダに関す
る。The present invention relates to a holder to which an optical coupling lens of an optical module, which is one of the components of an optical transmission system, is fixed.
従来の光モジュールは、第２図に示すように、電気信
号を光信号に変換する半導体レーザー１と、光信号を適
切なスポット径に拡大するレンズ系２と、光信号を伝播
させる光ファイバ３とを含んで構成される。それらは金
属製のホルダ6,7,8に各々固定され、さらに互いにYAGレ
ーザ溶接で接続されている。As shown in FIG. 2, a conventional optical module includes a semiconductor laser 1 for converting an electric signal into an optical signal, a lens system 2 for expanding the optical signal to an appropriate spot diameter, and an optical fiber 3 for propagating the optical signal. It is comprised including. They are fixed to metal holders 6, 7, 8 respectively, and further connected to each other by YAG laser welding.
レンズ系２を中空のホルダ内に固定する手段として
は、通常、レンズ側面を予めメタライズしておいて、少
なくとも内部が金メッキされたレンズホルダ４に金属半
田５（一般的には鉛スズの共晶半田、融点173℃）で密
着固定する方法やガラス半田で密着固定する方法が採用
されている。後者のガラス半田の固定方法に関しては、
特願平01−101816の「集束性ロッドレンズ固定構造」に
詳細に説明してあるので省略する。As a means for fixing the lens system 2 in the hollow holder, usually, the lens side surface is previously metallized, and at least the inside of the lens holder 4 is gold-plated. A method of tightly fixing with solder (melting point: 173 ° C.) or a method of closely fixing with glass solder is adopted. Regarding the latter method of fixing glass solder,
This is described in detail in Japanese Patent Application No. 01-101816 entitled "Fixing rod lens fixing structure", and a description thereof will be omitted.
前者の金属半田固定法では、周囲の環境条件が厳しく
なると半田固定部分が経時変形し、光出力低下の原因に
成りかねない。また後者のガラス半田固定法も、材料を
充分吟味しないと、ガラス半田が凝固するときにガラス
半田やレンズに熱応力が集中するため、経時変化により
クラックが発生あるいは拡がって光出力低下の原因に成
りかねない。In the former method of fixing metal solder, if the surrounding environmental conditions become severe, the solder fixing portion may be deformed with time, which may cause a decrease in light output. Also, in the latter method of fixing glass solder, if the material is not carefully examined, thermal stress concentrates on the glass solder and the lens when the glass solder solidifies, so cracks may occur or spread due to aging and cause a decrease in light output. It could be.
この従来の光モジュールのレンズ固定工法では、単に
レンズと半田材の熱膨張率を制御するだけでなく、レン
ホルダの熱膨張率にも制御を加えて全体のバランスを配
慮する必要がある。In this conventional method of fixing a lens of an optical module, it is necessary not only to control the coefficient of thermal expansion of the lens and the solder material but also to control the coefficient of thermal expansion of the len holder to consider the overall balance.
そこで第３図に示すようにレンズがレンズホルダに固
定された場合のモデルを参照し、代表的な例を用いて熱
応力の数値計算を行なう。金属材料には、熱膨張率が17
0×10-7／℃と100×10-7／℃の２種類の金属Ａと金属Ｂ
とを選んだ。レンズの線膨張率は102×10-7／℃であ
る。レンズを、半田材又はガラス半田を介してレンズホ
ルダに固定するとき、レンズに作用する熱応力σ1、半
田材又はガラス半田に作用する熱応力σ2は、各々次式
で与えられる。Therefore, referring to a model in which the lens is fixed to the lens holder as shown in FIG. 3, numerical calculation of thermal stress is performed using a representative example. Metal materials have a coefficient of thermal expansion of 17
0 × 10 -7 / ℃ and 100 × 10 -7 / ℃ two kinds of metal A and metal B
And chose. The coefficient of linear expansion of the lens is 102 × 10 −7 / ° C. When the lens is fixed to the lens holder via a solder material or glass solder, the thermal stress σ 1 acting on the lens and the thermal stress σ 2 acting on the solder material or glass solder are given by the following equations, respectively.
ここで、σは熱応力、Ｅは縦弾性係数、αは線膨張
率、Δｔは温度差、Ａは断面積で、サフィックス１はレ
ンズ、サフィックス２は半田材又はガラス半田、サフィ
ックス３はレンズホルダを表わす。 Here, σ is a thermal stress, E is a modulus of longitudinal elasticity, α is a coefficient of linear expansion, Δt is a temperature difference, A is a sectional area, suffix 1 is a lens, suffix 2 is a solder material or glass solder, and suffix 3 is a lens holder. Represents
使用した各材料の材料パラメータを第１の表に、計算
結果を第２の表に示す。The material parameters of each used material are shown in the first table, and the calculation results are shown in the second table.
半田固定法の方が融着する温度条件をΔＴ＝150℃と
低く設定できるため金属Ａを適用した場合には、第２表
にも示されるように、ガラス半田固定法より熱応力σ１
を小さく設定することができる。但し、数値はレンズ割
れの限界強度に至らないまでも、かなり大きな数値にな
ってしまう。 Since the temperature condition for fusion can be set as low as ΔT = 150 ° C. in the solder fixing method, when metal A is applied, as shown in Table 2, the thermal stress σ1 is lower than that in the glass solder fixing method.
Can be set small. However, even if the numerical value does not reach the limit strength of lens cracking, it will be a considerably large numerical value.
他方、金属Ｂの方は、ガラス半田固定法でも半田固定
法と比べて数値上、σ１、σ２ともに小さく、熱応力も
小さく抑えることができる。ところが、金属Ｂと金属半
田の組み合わせの場合、σ１は小さく抑えることができ
ても、σ２が絶対値で大きくしかもマイナス値であるこ
とから金属半田への応力はレンズに対して外側に向かっ
て作用することになる。つまり、割れの生じやすさとい
う側面から見ると、より大きな影響を与えることにな
る。このようなことから、金属Ｂの場合には、むしろガ
ラス半田の方が金属半田に比べて、レンズへの熱応力の
影響を小さく抑えることができるといえる。そして、そ
の値は、金属Ａと金属半田を組み合わせた場合よりも小
さい。On the other hand, in the case of the metal B, both σ1 and σ2 are numerically smaller in the glass solder fixing method than in the solder fixing method, and the thermal stress can be suppressed to be small. However, in the case of a combination of metal B and metal solder, although σ1 can be suppressed to a small value, since σ2 is a large absolute value and a negative value, the stress on the metal solder acts outward on the lens. Will do. In other words, from the aspect of susceptibility to cracking, this has a greater effect. Thus, in the case of metal B, it can be said that glass solder can suppress the influence of thermal stress on the lens smaller than metal solder. And the value is smaller than the case where metal A and metal solder are combined.
以上の結果からも明らかなように、金属Ａと金属Ｂを
比較すると、線膨張率をあわせた金属Ｂの方がはるかに
熱応力を小さく抑えることができる。また、線膨張率を
適切に選定したレンズホルダを使用した場合には、ガラ
ス固定法の方が半田固定法よりもレンズへの応力を小さ
く抑えることができる。レンズ割れの限界強度を6kgf/m
m2とすると、ガラスの融点は一般に300〜400℃であるこ
とからΔＴ＝380℃、レンズホルダの縦弾性係数を20.5
×1,000（ステンレスでは20×1,000前後で大差はな
い。）とし、上記の計算式により許容される線膨張率の
差を算出すると、40×10-7／℃までの範囲で金属材料を
選ぶことができる。As is clear from the above results, when metal A and metal B are compared, metal B having the same coefficient of linear expansion can have much lower thermal stress. When a lens holder having an appropriately selected linear expansion coefficient is used, the glass fixing method can reduce the stress on the lens to be smaller than the solder fixing method. 6kgf / m limit strength of lens crack
When m 2 , the melting point of glass is generally 300 to 400 ° C., so ΔT = 380 ° C., and the longitudinal elastic modulus of the lens holder is 20.5.
Calculate the allowable difference in the coefficient of linear expansion from the above formula, and select a metal material within the range of 40 × 10 -7 / ° C. Can be.
また、ホルダ用の金属材料には、YAGレーザ溶接によ
り固定する必要から、溶接の際にクラックの発生を抑え
られるように低融点共晶の発生の原因となる元素の含有
率を抑える必要がある。In addition, since the metal material for the holder needs to be fixed by YAG laser welding, it is necessary to suppress the content of the element causing the low melting point eutectic so as to suppress the occurrence of cracks during welding. .
以上の条件を満足した金属材料がレンズホルダにふさ
わしいものとなる。A metal material satisfying the above conditions is suitable for the lens holder.
本発明の光結合レンズ付きホルダは、半導体レーサか
らの出力光を光ファイバに結合するためのレンズを固定
したもので、レンズホルダとレンズとガラス半田相互の
線膨張率の差異が40×10-7／℃以内にあり、しかもレン
ズホルダが炭素0.1％以内、硫黄0.05％以内、リン0.1％
以内、珪素１％以内の含有率に抑えられた金属であるこ
とを特徴としている。The holder with an optical coupling lens of the present invention has a fixed lens for coupling the output light from the semiconductor laser to the optical fiber, and the difference in linear expansion coefficient between the lens holder, the lens and the glass solder is 40 × 10 −. Within 7 / ℃, lens holder is within 0.1% carbon, 0.05% sulfur, 0.1% phosphorus
, And a metal whose content is limited to within 1% of silicon.
次に本発明の実施例について図面を参照して説明す
る。Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
第１図は本発明の一実施例のレンズ付きホルダの断面
図である。金属製の円筒状レンズホルダ10は第１図に示
すレーザモジュールのレンズホルダ４に代わりに使用さ
れ、円筒状レンズ11がガラス半田12に介してレンズホル
ダ10の内部に固定されている。レンズ11とガラス半田
（鉛ガラス）には第一の表の材料が用いられている。レ
ンズホルダ10には炭素0.08％、硫黄0.03％以内、リン0.
1％以内、珪素１％以内の線膨張率が100×10-7／℃のフ
ェライト系ステンレス材料が用いられている。フェライ
ト系ステンレスを用いることによりレンズホルダをホル
ダ７（第２図）にレーザ溶接することが容易になる。FIG. 1 is a sectional view of a holder with a lens according to one embodiment of the present invention. A metal cylindrical lens holder 10 is used instead of the lens holder 4 of the laser module shown in FIG. 1, and a cylindrical lens 11 is fixed inside the lens holder 10 via a glass solder 12. The materials shown in the first table are used for the lens 11 and the glass solder (lead glass). The lens holder 10 contains 0.08% carbon, 0.03% sulfur, and 0.1% phosphorus.
A ferritic stainless steel material having a linear expansion coefficient of 100 × 10 −7 / ° C. within 1% and silicon within 1% is used. The use of ferritic stainless steel facilitates laser welding of the lens holder to the holder 7 (FIG. 2).
ガラス半田12によりレンズを固定する場合、まずレン
ズホルダ10にレンズ11を挿入し、レンズホルダ10とレン
ズ11のすき間に粉末状のガラス半田12を落とし込む。こ
の場合に、レンズ端面にガラス半田12の粉末が付着しな
いように注意する必要がある。つぎに中心温度が350℃
に加熱された電気炉内にレンズホルダ10を徐々に挿入
し、10分の後取り出す。この結果、ガラス半田12はレン
ズホルダ10とレンズ11のすき間をうめるように流れて固
定される。When fixing the lens with the glass solder 12, first, the lens 11 is inserted into the lens holder 10, and the powdery glass solder 12 is dropped into a gap between the lens holder 10 and the lens 11. In this case, care must be taken so that the powder of the glass solder 12 does not adhere to the lens end surface. Then the center temperature is 350 ℃
The lens holder 10 is gradually inserted into an electric furnace heated to 10 minutes, and taken out after 10 minutes. As a result, the glass solder 12 flows and is fixed so as to fill the gap between the lens holder 10 and the lens 11.
以上の実施例では、特定の材料のレンズホルダと限定
された工法で製造したが、特許請求の範囲に示した条件
を満たす材料を用いるのであれば、とくに限定されない
ことは言うまでもない。また、以上の実施例では、ガラ
ス半田12を介して、レンズ11をレンズホルダ10に固定し
たが、プレス等の方法でレンズ面を成形するような場合
にはガラス半田が不要となる。この場合にも、線膨張率
の差が40×10-7／℃以内のレンズとレンズホルダを用い
るのであれば同様の効果がある。なお、プレスによりレ
ンズ11をホルダ10内に形成する場合、ホルダ10を加熱し
てホルダ内部にレンズ材料を入れ溶融し、ホルダの両端
からプレスしてレンズを形成することによりホルダ10と
レンズ11とが一体化する。In the above embodiments, the lens holder is made of a specific material and manufactured by a limited method. However, it goes without saying that the material is not particularly limited as long as a material that satisfies the conditions described in the claims is used. Further, in the above embodiment, the lens 11 is fixed to the lens holder 10 via the glass solder 12, but when the lens surface is formed by a method such as pressing, the glass solder is not required. In this case, the same effect can be obtained by using a lens and a lens holder having a difference in linear expansion coefficient within 40 × 10 −7 / ° C. When the lens 11 is formed in the holder 10 by pressing, the holder 10 is heated and melted by putting the lens material in the holder, and pressed from both ends of the holder to form the lens. Are integrated.
以上説明したように本発明は、レンズとレンズホルダ
線膨張率の差を制限することに依って、経時変化に対し
てもクラックを生じることがなく、しかも融点が300℃
以上のガラス半田を使用できるため、半田固定法に比べ
て経時劣化を20％以上も小さく抑えることが出来る。ま
た、確認のため、光モジュールにしてレンズの半田固定
法とガラス半田固定法とを相対比較したところ、寿命が
50％以上改善されることが明かとなった。As described above, according to the present invention, by limiting the difference between the coefficient of linear expansion of the lens and the lens holder, no crack occurs even with time, and the melting point is 300 ° C.
Since the above glass solder can be used, deterioration over time can be suppressed by 20% or more as compared with the solder fixing method. For confirmation, a relative comparison was made between the lens soldering method and the glass soldering method for an optical module.
It is clear that the improvement is more than 50%.
第１図は本発明の一実施例の断面図、第２図は従来例の
光モジュールの構成図、第３図はレンズへの熱応力を計
算するときに用いた二次元モデルを示す斜視図である。 １……半導体レーザ、２……レンズ系、３……光ファイ
バ、４……レンズホルダ、５……金属半田、10……レン
ズホルダ、11……レンズ、12……ガラス半田。FIG. 1 is a cross-sectional view of one embodiment of the present invention, FIG. 2 is a configuration diagram of a conventional optical module, and FIG. 3 is a perspective view showing a two-dimensional model used when calculating thermal stress on a lens. It is. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Semiconductor laser, 2 ... Lens system, 3 ... Optical fiber, 4 ... Lens holder, 5 ... Metal solder, 10 ... Lens holder, 11 ... Lens, 12 ... Glass solder.
Claims (2)
るためのレンズを内部に固定した光結合用レンズ付きホ
ルダにおいて、 前記ホルダは金属製材料から成り、 前記レンズはガラス半田により前記ホルダに固定される
ものであって、 前記ホルダの線膨張率と前記レンズの線膨張率と前記ガ
ラス半田の線膨張率との差が40×10-7／℃以内の範囲に
あることを特徴とする光結合用レンズ付きホルダ。1. A holder with an optical coupling lens in which a lens for coupling output light from a light emitting unit to an optical fiber is fixed, wherein the holder is made of a metal material, and the lens is made of glass solder. Wherein the difference between the linear expansion coefficient of the holder, the linear expansion coefficient of the lens, and the linear expansion coefficient of the glass solder is within a range of 40 × 10 −7 / ° C. Holder with optical coupling lens.
炭素0.1％以内、イオウ0.05％以内、リン0.1％、ケイ素
１％以内に抑えられていることを特徴とする特許請求の
範囲第１項記載の光結合用レンズ付きホルダ。2. The metal lens holder according to claim 1, wherein the content is controlled to within 0.1% of carbon, within 0.05% of sulfur, within 0.1% of phosphorus and within 1% of silicon. A holder with a lens for optical coupling as described in the above.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP2013066A JP2871780B2 (en) | 1990-01-22 | 1990-01-22 | Holder with lens for optical coupling |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2013066A JP2871780B2 (en) | 1990-01-22 | 1990-01-22 | Holder with lens for optical coupling |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03216608A JPH03216608A (en) | 1991-09-24 |
| JP2871780B2 true JP2871780B2 (en) | 1999-03-17 |
Family
ID=11822767
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2013066A Expired - Lifetime JP2871780B2 (en) | 1990-01-22 | 1990-01-22 | Holder with lens for optical coupling |
Country Status (1)
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Families Citing this family (1)
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|---|---|---|---|---|
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Family Cites Families (2)
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| JPH01105903A (en) * | 1987-10-19 | 1989-04-24 | Nec Corp | Coupling device for light emitting element and optical fiber |
-
1990
- 1990-01-22 JP JP2013066A patent/JP2871780B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| JPH03216608A (en) | 1991-09-24 |
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