JP4091773B2

JP4091773B2 - 光デバイス

Info

Publication number: JP4091773B2
Application number: JP2002043747A
Authority: JP
Inventors: 善宏小林
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-02-20
Filing date: 2002-02-20
Publication date: 2008-05-28
Anticipated expiration: 2022-02-20
Also published as: JP2003241048A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光ファイバ通信用の各種モジュールに用いる光学素子とホルダを低融点ガラスによって接合された光デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光学素子をホルダで保持してなる光デバイスとしては、低融点ガラスを用いてホルダに接合したものがある。その構造を図３に示す。例えば、光学素子１は熱膨張係数１２０×１０^-7／℃のレンズであり、ホルダ２は熱膨張係数１７０×１０^-7／℃のステンレス鋼からなっており、さらに低融点ガラス３は軟化点３５０℃で熱膨張係数１１０×１０^-7／℃の鉛ガラスを主成分として作製される。
【０００３】
なお、ホルダ２としてパイプ状のものを用いたが、これに限るものではなく、また素材もステンレス鋼を用いたが、低融点ガラス３の熱膨張係数に近ければ、他の金属やセラミックであっても差し支えない。また、低融点ガラス３は軟化点３５０℃で熱膨張係数１１０×１０^-7／℃の鉛ガラスを主成分とするものを用いたが、軟化点２５０℃〜４００℃で熱膨張係数８０〜１３０×１０^-7／℃の範囲の低融点ガラスであれば構わない。
【０００４】
以上の従来の光学素子１とホルダ２からなる光デバイスは、上記低融点ガラス３の代わりに、接着剤を用いる方法と鉛と錫の合金半田を用いる方法も知られている。しかし、接着剤を用いる場合、接着剤は一般に吸湿性が高いため、環境条件によっては脆くなり易い。しかも、ガラス転移点温度が低いため、接着剤を用いた光デバイスの使用温度は相対的に狭くなる。また、アウトガスが生じるという問題もあることから、長期的な信頼性に欠けるという問題点もある。
【０００５】
一方、鉛と錫の合金半田は、相対的に融点が低いため、特に、半田接合部に重力等の荷重が常にかかる場合には、半田が時間とともに歪んでいくというクリープ現象を生じ易い。このため、光学素子１とホルダ２をこの半田で固定した場合、光学素子１の位置が時間と共に変化していくことになり、長期にわたる光学系の安定性が確保できないという問題がある。さらに、鉛と錫の合金半田は２５０×１０^-7／℃であり、光学素子１の熱膨張係数１２０×１０^-7／℃に比較して大きな差がある。したがって、光学素子１とこの半田で固定する場合、熱膨張係数の違いにより、半田の冷却時に光学素子に応力が加わり、亀裂や複屈折化等の問題が生じることがある。また、温度変化や電子回路の発熱等による周囲温度の変化があると、半田接合部に引っ張りと圧縮の応力が繰り返しかかる。この熱的疲労により半田に亀裂が生じて光学素子１の位置が変化し、光軸がずれるという問題もある（特開平２−２８１２０１号公報参照）。
【０００６】
以上のような理由により、前述した低融点ガラス３を用いた光デバイスが使用されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
昨今の光学素子では、図４に示すように、光学素子１に反射防止膜４を施したものがほとんどであるが、反射防止膜４の耐熱性は４００℃以下である。これに対し、通常使用される酸化鉛系の低融点ガラス３は、焼成温度を４５０℃以下にすることが困難であり、上記反射防止膜４の耐熱温度以下とすることができなかった。さらに、環境保護の観点から、酸化鉛を低融点ガラスから除外することが望まれていた（特開平８−２５９２６２号公報参照）。
【０００８】
また、図３および図４に示すように、低融点ガラス３は、光学素子１およびホルダ２との接合面以外に外気露出表面があり、低融点ガラス３が、高湿度環境において劣化が促進される恐れがあった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題に鑑みて本発明は、光学素子と、該光学素子を保持するホルダと、を有し、前記光学素子と前記ホルダを低融点ガラスで接合してなる光デバイスであって、前記低融点ガラスは、酸化バナジウム、ホウ酸、亜鉛、およびバリウムを含んでなり、前記酸化バナジウムおよび前記ホウ酸の含有量がそれぞれ２０〜６０重量％であるとともに、前記酸化バナジウムおよび前記ホウ酸の合計の含有量が５０〜９０重量％であり、かつ前記亜鉛および前記バリウムの合計の含有量が１０〜５０重量％であることを特徴とする。
【００１０】
また、上記低融点ガラスが、ビスマス及びテルルの少なくとも一種を含有することを特徴とする。
【００１１】
更には、上記光学素子の鉛の含有量が、０．１重量％以下であることを特徴とする。
【００１２】
しかも、上記低融点ガラスの外気露出表面に被覆部材を備えたことを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図によって説明する。
【００１４】
図１に本発明の実施形態である光デバイスの断面図を示す。図１に示すように本光デバイスの基本構成は、光学素子１と、これを保持するホルダ２と、両者を固定する低融点ガラス３からなる。例えば、光学素子１には円筒形ガラスレンズを用い、ホルダ２にＦｅ−Ｎｉ合金を用いて、低融点ガラス３としては酸化バナジウムとホウ酸を主成分とし、亜鉛及びバリウムの少なくとも一種を含有する低融点ガラスを用いて接合を行うものである。
【００１５】
なお、上記光学素子１として、円筒形ガラスレンズを用いたが、用途に応じて、ボールレンズ、平板レンズ、角形レンズ等の各種レンズを用いても良い。また、レンズに限らず、気密窓、プリズム、偏光子等の光学ガラスや複屈折ガラス、ファラデー回転子などの光学結晶等を用いることもできる。また、これらの光学部品の材料には、環境に対する悪影響を防止するため、鉛の含有量が０．１重量％以下のものを用いることが望ましい。
【００１６】
また、上記ホルダ２は、各種光学素子１の熱膨張係数や機械的強度に応じて選定するものである。また、本発明の光デバイスをさらに他のデバイスに取り付けるときの方法によってもホルダ２の材質は選定すべきである。上記に述べたＦｅ−Ｎｉ合金の他、ステンレス鋼、銅合金、真鍮、アルミニウム合金などあらゆる金属、また、金属に限らず、アルミナ、ジルコニア等の各種セラミックから選定できる。
【００１７】
さらに、本発明の低融点ガラス３は、亜鉛及びバリウムの少なくとも一種を含有しているために、焼成温度を４００℃以下とすることができ、反射防止膜４の耐熱温度以下に下げることができるとともに、環境に対する悪影響を防止できる。なお、上記低融点ガラス３では、ビスマスもしくはテルル等の希少金属を添加することで融点を更に下げることが可能である。
【００１８】
本発明の低融点ガラス３は、酸化バナジウムとホウ酸を主成分として、その主成分に鉛と化学的に性質の近い亜鉛、接着安定性を高める役割を持つバナジウムを調整している。
【００１９】
本発明の低融点ガラス３は、酸化バナジウム（Ｖ₂Ｏ₅）の含有量を２０〜６０重量％とし、ホウ酸（Ｂ₂Ｏ₃）の含有量を２０〜６０重量％とすることが望ましく、両成分の合計を５０〜９０重量％の範囲内とすることが望ましい。これは、上記範囲以外の含有量であると亜鉛、バリウムを添加したとしても焼成温度を４００度以下に下げることが困難となるためである。
【００２０】
また、亜鉛、バリウムの含有量は、それぞれ酸化物換算で、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を０〜３０重量％、酸化バリウム（ＢａＯ）を０〜３０重量％、両成分の合計を１０〜５０重量％の範囲内とする。
【００２１】
上述したように亜鉛は鉛と化学的に性質が近いので、低融点ガラスの組成全体の安定性を高めることができる。また、バリウムは接着安定性を高める働きをもち、この範囲外の含有量であると、組成の安定性が悪くなり、また接着力も低下するのでこの範囲内が望ましい。
【００２２】
本発明の低融点ガラス３は亜鉛、バリウムの少なくとも一方を含有していればよいが、双方を含有させることにより、組成的安定性及び接着力のいずれもが向上するので、特に好ましい。
【００２３】
次に、微量要素のビスマス、テルルは、それぞれ酸化物換算で酸化ビスマス（Ｂｉ₂Ｏ₃）、酸化テルル（ＴｅＯ₂）は共に０〜５重量％含有させ、また両者合計でも０〜１０重量％含有させると更に焼成温度を低下させることができる。この範囲以上に含有させると接着力が低下するのでこの範囲内が好ましい。ただし、ビスマス、テルルは本発明の必要構成組成ではなく、含有していなくとも本発明の効果を奏することができる。
【００２４】
以上の主成分、副成分は、焼成温度、膨張係数等に応じて、混合比を変えたものを選択する。
【００２５】
これらの成分からなる低融点ガラス３は、鉛を含む酸化鉛系の低融点ガラス３では困難であった２５０〜４００℃の焼成温度を実現することができる。この焼成温度であれば、光学素子１の光学面に加工されている反射防止膜４の耐熱温度以下に抑えることが可能となる。
【００２６】
また、この低融点ガラス３の熱膨張係数は、光学素子１とホルダ２の接合による応力を緩和するため、５０×１０^-7〜１３０×１０^-7／℃の範囲とすることが好ましい。さらに、ホルダ２の熱膨張係数は、低融点ガラス３の熱膨張係数の０．６〜１．４倍の範囲とすることにより、歪みを減じることができる。このとき、光学素子１の熱膨張係数についても、５０〜１３０×１０^-7／℃の範囲で、低融点ガラス３の熱膨張係数の０．６〜１．４倍の範囲内とすることにより、同様に歪みを減じることができる。
【００２７】
この光学素子１の光学面に加工されている反射防止膜４は、通常３層以上となっており、光学素子の材料や目的の反射率に応じて、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、ＺｒＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅等から選択が可能である。また、この反射防止膜４は、要求特性や用途により、光学素子１の光学面の両面、もしくは片面に施されたり、もしくは反射防止膜４を施さない場合もある。
【００２８】
ここで、本発明の低融点ガラス３の製造方法は、酸化バナジウムとホウ酸を主成分として、その主成分に鉛と化学的に性質の近い亜鉛、接着安定性を高める役割を持つバナジウムを調整する。これらを混合し約１０００℃で焼成し溶融物から棒状ガラスを作る。冷却後粉砕し、粉末状態で低融点ガラス３とする。
【００２９】
次に、本発明の他の実施形態の断面図を図２に示す。反射防止膜４が施された光学素子１とホルダ２を低融点ガラス３により接合し、その低融点ガラス３の外気露出表面に被覆部材５を備えたものである。この被覆部材５は、外気に露出した低融点ガラス３の表面を、湿度等の、低融点ガラス３を劣化させる可能性のあるものから保護することを目的とする。この被覆部材５はリング状で、ホルダ２と同様に、Ｆｅ−Ｎｉ合金の他、ステンレス鋼、銅合金、真鍮、アルミニウム合金などあらゆる金属、また、金属に限らず、アルミナ、ジルコニア等の各種セラミックから選定できる他、各種金属を蒸着するなどの方法でも成形可能である。
【００３０】
次に、本発明の光デバイスの接合方法について説明する。
【００３１】
光学素子１をホルダ２に搭載し、リング状に成形された低融点ガラス３を光学素子１とホルダ２の接合箇所に配置させ、温度コントロールが可能な焼成炉に入れて５〜１０℃／分で３５０℃まで上昇させ、３５０℃で１０分間保持後、２０〜５０℃／分で室温まで降下させた後、焼成炉から取り出すものである。接合方法はこれに限らず、低融点ガラス３としてバインダーを混合したペースト状のものを使用しても構わない。また、焼成炉に限らず、ホットプレート等のヒーター付きの高温器具であれば、構わない。温度条件も、上記に限らず、使用部材、器具に応じて変更しても構わない。
【００３２】
また、被覆部材５は、低融点ガラス３と同時に焼成接合か、低融点ガラス３の接合後に別途蒸着で成形する方法がある。
【００３３】
【実施例】
ここで、本発明にかかる光デバイスを試作し、信頼性試験を実施し、反射率での評価を行った。
【００３４】
反射防止膜４付の光学素子１に外径１．８ｍｍで熱膨張係数が８８×１０^-7／℃の円筒形ガラスレンズ、ホルダ２に熱膨張係数９７×１０^-7／℃のＦｅ−Ｎｉ合金、低融点ガラス３に本発明の酸化バナジウムとホウ酸を母材とし、少なくとも亜鉛及びバリウムのいずれか一方を含有した、焼成温度２８０〜３９０℃のものを用いて試料Ａ〜Ｅの光デバイスを作製した。
【００３５】
またこれに対し比較例として、反射防止膜４付の光学素子１に外径１．８ｍｍで熱膨張係数が８８×１０^-7／℃の円筒形ガラスレンズ、ホルダ２に熱膨張係数９７×１０^-7／℃のＦｅ−Ｎｉ合金、低融点ガラス３に酸化鉛を含有した焼成温度４５０、４６０℃のものを用いて試料Ｆ、Ｇの光デバイスを作製した。
【００３６】
まず、本発明及び比較例の試料をそれぞれ１００個ずつ作製し、作製後の反射防止膜４の反射率測定を行った。次に、８５℃、８５％、２０００時間の恒温恒湿試験に投入し、その後の反射率を測定し、投入前からの反射率変動値に変換したものを表１に示す。
【００３７】
【表１】

【００３８】
この結果より、本発明の範囲内の低融点ガラスを用いた試料（Ｎｏ．Ｃ〜Ｅ）はすべて０．２％以下の反射率変動に抑えられているが、比較例の試料（Ｎｏ．Ｆ、Ｇ）においては、０．２％を超える反射率のものが、半数程度も発生した。
【００３９】
この結果より、本発明の光デバイスは従来の光デバイスに比べ、反射率変動という光学特性において明らかに性能が向上した
【００４０】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、光学素子とこれを保持するホルダからなる光デバイスにおいて、酸化バナジウムとホウ酸を主成分とし、亜鉛及びバリウムの少なくとも一種を含有する低融点ガラスを用いて上記光学素子とホルダを接合したことにより、焼成温度を４００℃以下に抑えることができ、光学特性の信頼性を向上することができるとともに、地球環境に優しい光デバイスの製造が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光デバイスを示す断面図である。
【図２】本発明の光デバイスの他の実施形態を示す断面図である。
【図３】従来の光デバイスを示す断面図である。
【図４】反射防止膜が施された従来の光デバイスを示す断面図である。
【符号の説明】
１：光学素子
２：ホルダ
３：低融点ガラス
４：反射防止膜
５：被覆部材

Claims

光学素子と、
該光学素子を保持するホルダと、を有し、前記光学素子と前記ホルダを低融点ガラスで接合してなる光デバイスであって、
前記低融点ガラスは、酸化バナジウム、ホウ酸、亜鉛、およびバリウムを含んでなり、
前記酸化バナジウムおよび前記ホウ酸の含有量がそれぞれ２０〜６０重量％であるとともに、前記酸化バナジウムおよび前記ホウ酸の合計の含有量が５０〜９０重量％であり、かつ前記亜鉛および前記バリウムの合計の含有量が１０〜５０重量％であることを特徴とする光デバイス。
前記低融点ガラスが、ビスマスおよびテルルの少なくとも一種を含有することを特徴とする請求項１記載の光デバイス。
前記光学素子の鉛の含有量が０．１重量％以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の光デバイス。
前記低融点ガラスの外気露出表面に被覆部材を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光デバイス。