JP2005070553A - 光デバイス、光デバイス組立装置及び光学部品の固定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 多種多様な光学部品を基板上に固定することができる光デバイス、光デバイス組立装置及び光学部品の固定方法を提供する。
【解決手段】 光デバイス２は、ガラスで形成された基板４と、この基板４上に実装されたレンズ１０とを有している。レンズ１０は、金属ハウジング１３に固定されている。この金属ハウジング１３の下部には、基板４に固定される固定部１５が設けられている。基板４には、レンズ１０を支持した金属ハウジング１３の固定部１５が入り込む凹部１６が形成されている。凹部１６内には金属部１７が設けられ、この金属部１７には、金属ハウジング１３の固定部１５がハンダ１８で固定されている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、レンズやミラー等の光学部品を有する光デバイス、その光デバイスを組み立てる光デバイス組立装置、並びに光学部品を基板上に固定する光学部品の固定方法に関するものである。

従来における空間伝搬型の光デバイスとしては、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を使用して小型集積化したものが知られている（例えば、非特許文献１参照）。
OFC2000 ThQ3-1,p244〜p246,"Micromachined polarization-state controller and its application to polarization-mode dispersion compensation"

しかしながら、上記従来技術においては、基板上に固定される光学部品は、ＭＥＭＳプロセス（半導体製造プロセス）で製作できる部品に限られる。従って、例えば複屈折材料や非球面レンズ等は使用できないので、光デバイスの設計の自由度が低くならざるを得ない。

本発明の目的は、多種多様な光学部品を基板上に固定することができる光デバイス、光デバイス組立装置及び光学部品の固定方法を提供することである。

本発明は、基板と、基板上に設けられた光学部品とを備えた光デバイスにおいて、光学部品を支持する金属部材を備え、基板の表面に金属部を設け、光学部品を支持した金属部材を金属部にハンダで固定したことを特徴とするものである。

このように光学部品を支持した金属部材を、基板の表面に設けられた金属部にハンダで固定することにより、使用する光学部品の制約を受けることなく、多種多様な光学部品を基板上に固定することができる。また、複数の光学部品を基板上に固定して、いわゆる空間伝搬型の光デバイスを形成する場合には、ハンダの溶融中に、光学部品を支持した金属部材を任意の方向に動かすことで、光学部品の調芯を行うことができる。従って、光学部品を調芯しながら、光学部品を基板上に固定することが可能となる。

好ましくは、基板に、光学部品を支持した金属部材を配置するための凹部を形成し、金属部を凹部に設ける。この場合には、金属部材の下側部分が凹部内に入り込んだ状態で、金属部材が金属部に固定されるので、光学部品を基板上に安定して固定することができる。

このとき、凹部は球面形状または円筒面形状を有し、金属部材の下部には、球面形状または円筒面形状を有し凹部に入り込む固定部が設けられていることが好ましい。これにより、光学部品を支持した金属部材を、任意の軸回りに回転させやすくなるので、光学部品の調芯を容易に行うことができる。

また、基板上に、光学部品を支持した金属部材を配置するための凸部を形成し、金属部を凸部の表面に設ける構成であってもよい。

このとき、凸部は、球面形状または円筒面形状を有し、金属部材の下部には、球面形状または円筒面形状をなす凸部と係合する凹部を有する固定部が設けられていることが好ましい。この場合には、金属部材の凹部に基板上の凸部が入り込んだ状態で、金属部材が金属部に固定されるので、光学部品を基板上に安定して固定することができる。また、光学部品を支持した金属部材を、任意の軸回りに回転させやすくなるので、光学部品の調芯を容易に行うことができる。

また、好ましくは、基板は、ハンダを溶融させるビームが透過する材料で形成されている。この場合には、ビームを基板の裏面より入射させた場合であっても、ビームは基板を透過して金属部に到達し、金属部が加熱される。その結果、ハンダが溶融される。このようにビームを基板の裏面より入射させることにより、基板におけるハンダの下方領域のみをビームが透過するようになるので、基板に対する光学部品の実装密度を上げることができる。

また、本発明は、基板と基板上に設けられた光学部品とを備えた光デバイスを組み立てる光デバイス組立装置であって、光学部品を支持した金属部材を把持する把持部と、把持部を動かす可動部と、金属部材を基板に固定するためのハンダを溶融させるビームを照射するビーム発生部とを備えることを特徴とするものである。

このような組立装置を用いて光デバイスを組み立てる場合、まず基板の表面に設けられた金属部にハンダをのせると共に、光学部品を支持した金属部材を把持部で把持する。そして、その状態で、ビーム発生部によりビームを照射してハンダを溶融させ、金属部材を金属部に固定する。このように光学部品を支持した金属部材を金属部にハンダで固定することにより、使用する光学部品の制約を受けることなく、多種多様な光学部品を基板上に固定することができる。また、複数の光学部品を基板上に固定して、いわゆる空間伝搬型の光デバイスを形成する場合には、ハンダの溶融中に、可動部により把持部を任意の方向に動かすことで、光学部品の調芯を行うことができる。従って、光学部品を調芯しながら、光学部品を基板上に固定することが可能となる。

好ましくは、ビーム発生部は、把持部と対向するように配置されている。この場合には、ハンダを溶融させるビームが透過する材料で基板を形成したときに、ビーム発生部から照射されたビームが、基板の裏面より入射して基板を透過し、金属部に到達し、金属部が加熱される。その結果、ハンダが溶融される。従って、上述したように、基板に対する光学部品の実装密度を上げることができる。

また、好ましくは、光学部品に対して光を照射する光源と、光学部品に照射された後の光を受光する受光器とを更に備える。これにより、光デバイスの組み立てを実施する度に光源及び受光器を用意しなくても、ハンダの溶融中に、光学特性をモニターしながら、光学部品の調芯を容易に行うことができる。

さらに、好ましくは、光学部品を含む部位を撮像するカメラを更に備える。これにより、光学部品を基板に固定するときに、例えば金属部材の位置がずれたかどうかをモニタすることができる。従って、光学部品の調芯・固定精度を上げることが可能となる。

また、本発明は、光学部品を基板上に固定する光学部品の固定方法において、金属部材に光学部品を支持させる工程と、基板の表面に金属部を形成する工程と、金属部の上にハンダをのせる工程と、ハンダを溶融させて、金属部材を金属部に固定すると共に、ハンダの溶融中に、光学部品を調芯する工程とを含むことを特徴とするものである。

このように光学部品を支持した金属部材を、基板の表面に形成された金属部にハンダで固定することにより、使用する光学部品の制約を受けることなく、多種多様な光学部品を基板上に固定することができる。また、ハンダの溶融中に、光学部品を調芯するので、光学部品の調芯を行いながら、光学部品を基板上に固定することが可能となる。

本発明によれば、光学部品を支持する金属部材を備え、基板の表面に金属部を設け、光学部品を支持した金属部材を金属部にハンダで固定する構成としたので、多種多様の光学部品を基板上に固定することができる。これにより、光デバイスの設計自由度が向上する。

以下、本発明に係わる光デバイス、光デバイス組立装置及び光学部品の固定方法の好適な実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明に係わる光デバイスの一実施形態を含む光通信システムの一例を示す構成図である。同図において、光通信システム１は、光デバイス２と光サーキュレータ３とを備えている。

光デバイス２は、マイケルソン干渉計を構成する空間伝搬型の光デバイスである。光デバイス２は基板４を有し、この基板４上には、光ファイバ５，６と、ハーフミラー７と、第１ミラー８と、第２ミラー９と、２つのレンズ１０とが実装されている。各レンズ１０は、光ファイバ５，６とハーフミラー７との間に配置されている。

ハーフミラー７は、光ファイバ５から出射された光を、第１ミラー８に向けて反射させると共に第２ミラー９に向けて透過させる。また、ハーフミラー７は、第１ミラー８で反射された光を、光ファイバ５に向けて反射させると共に光ファイバ６に向けて透過させる。さらに、ハーフミラー７は、第２ミラー９で反射された光を、光ファイバ５に向けて透過させると共に光ファイバ６に向けて反射させる。

光サーキュレータ３は、上記の光ファイバ５及び光ファイバ１１，１２と接続されている。光サーキュレータ３は、光ファイバ１１から入力した光を光ファイバ５に出力すると共に、光ファイバ５から入力した光を光ファイバ１２に出力する。

図２は、光デバイス２の外観を示す斜視図である。なお、図２では、上記のミラー８，９を省略してある。

同図において、レンズ１０は金属ハウジング１３に固定され、ハーフミラー７は金属ハウジング１４に固定されている。金属ハウジング１３，１４の材料は、金やスズ等である。金属ハウジング１３の下部には、図３に示すように、基板４に固定される固定部１５が設けられている。この固定部１５は、球面形状を有しているのが好ましい。また、図示はしないが、金属ハウジング１４の下部にも固定部１５が設けられている。

レンズ１０及びハーフミラー７が実装される基板４は、石英ガラス等のガラスで形成されている。この基板４には、レンズ１０を支持した金属ハウジング１３とハーフミラー７を支持した金属ハウジング１４とを配置するための複数の凹部１６が形成されている。この凹部１６は、金属ハウジング１３，１４の固定部１５が入り込むものであり、固定部１５に対応して球面形状を有しているのが好ましい。凹部１６は、例えばプレス成形によって形成される。

凹部１６内には金属部１７が設けられている。この金属部１７は、金やスズ等で形成されている。そして、金属部１７に金属ハウジング１３，１４がハンダ１８で固定されている。このとき、金属ハウジング１３，１４の固定部１５が基板４の凹部１６に入り込んだ状態で金属部１７に固定されるので、レンズ１０及びハーフミラー７を基板４上に強固に固定することができる。

図４は、上記の光デバイス２を組み立てる光デバイス組立装置の概略を示す斜視図である。

同図において、光デバイス組立装置１９は、上壁２０ａ、下壁２０ｂ及び側壁２０ｃからなるコの字型の組立装置本体２０を有している。この組立装置本体２０の下部には、組立装置本体２０を動かす駆動ステージ２１が設けられている。この駆動ステージ２１は、組立装置本体２０をＸ軸方向、Ｙ軸方向（水平方向）及びＺ軸方向（高さ方向）に移動させると共に、組立装置本体２０をＺ軸回りに回転させる。

組立装置本体２０の上壁２０ａには、６軸調芯ステージ２２が設けられている。この６軸調芯ステージ２２には、レンズ１０を支持した金属ハウジング１３とハーフミラー７を支持した金属ハウジング１４とを把持する把持部２３が設けられている。この６軸調芯ステージ２２は、把持部２３をＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に移動させると共に、Ｘ軸回り、Ｙ軸回り及びＺ軸回りに回転させる。

組立装置本体２０の下壁２０ｂには、ビームヒータ２４が把持部２３と対向するように設けられている。ビームヒータ２４は、基板４上に塗られたハンダ１８を溶融させるビームを照射するものである。なお、ビームヒータ２４としては、白色光源や各種レーザ等が使用可能である。

また、光デバイス組立装置１９は、図示はしないが、基板４を支持する手段と、基板４に実装されるべき部品が載置された部品トレイ２５を支持する手段とを有している。

さらに、光デバイス組立装置１９は、モニタ用光源２６と、モニタ用受光器２７と、少なくとも１台（図では２台）のＣＣＤカメラ２８とを有している。

モニタ用光源２６は、レンズ１０等の光学部品に対して光を照射するものであり、支持手段（図示せず）に支持されている。モニタ用受光器２７は、モニタ用光源２６よりレンズ１０等に照射された後の光を受光するものであり、組立装置本体２０の側壁２０ｃに取り付けられている。これらのモニタ用光源２６及びモニタ用受光器２７は、レンズ１０等の光学調芯に用いられる。

ＣＣＤカメラ２８は、組立装置本体２０の上壁２０ａに連結棒２９を介して取り付けられている。ＣＣＤカメラ２８は、レンズ１０等の光学部品を基板４に固定するときに、レンズ１０等を含む部位を撮像するものである。なお、ＣＣＤカメラ２８を、レンズ１０等の光学調芯に使用してもよい。

このような光デバイス組立装置１９を用いて、上記のレンズ１０及びハーフミラー７を有する光デバイス２を組み立てる場合は、まず複数の凹部１６を有する基板４を用意し、各凹部１６の表面に金属部１７を形成する（図３参照）。また、レンズ１０及びハーフミラー７を用意し、レンズ１０に金属ハウジング１３を付け、ハーフミラー７に金属ハウジング１４を付ける（図２参照）。そして、これらのレンズ１０及びハーフミラー７を部品トレイ２５上に置く。

その後、図５（ａ）に示すように、基板４に形成された金属部１７上にハンダ１８をのせる。そして、部品トレイ２５上に置かれた部品（レンズ１０を支持した金属ハウジング１３）を把持部２３で把持する。その状態で、駆動ステージ２１により組立装置本体２０をＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸回りに動かし、レンズ１０を支持した金属ハウジング１３を基板４の凹部１６の上方に位置させる。

続いて、図５（ｂ）に示すように、駆動ステージ２１により組立装置本体２０を下降させて、金属ハウジング１３の固定部１５を基板４の凹部１６内に入れる。そして、その状態で、ビームヒータ２４により凹部１６に向けてビームＢを照射する。すると、ビームヒータ２４からのビームＢが、基板４の裏面より入射され、基板４内を透過してハンダ１８に到達し、これによりハンダ１８が加熱溶融される。このとき、ビームヒータ２４は指向性をもった熱源であるため、基板４全体が加熱されることはなく、ハンダ１８を効率良く十分に溶融させることができる。

このようなビームヒータ２４によるハンダ１８の溶融中に、６軸調芯ステージ２２によって把持部２３を６軸に動かすことにより、レンズ１０の調芯を実施する。具体的には、モニタ用光源２５からレンズ１０に向けて光を照射し、その時の光量をモニタ用受光器２６でモニタすることで、レンズ１０の軸芯位置を調整する。

このとき、基板４の凹部１６は球面形状を有し、金属ハウジング１３の固定部１５も球面形状を有しているので、レンズ１０の回転調芯（Ｘ軸回り、Ｙ軸回り及びＺ軸回りに対する調芯）が容易に行える。

その後、図５（ｃ）に示すように、レンズ１０の調芯が完了したら、ビームヒータ２４によるビームＢの照射を停止する。これにより、ハンダ１８が固化され、金属ハウジング１３がハンダ１８によって金属部１７に固定されることになる。そして、把持部２３による金属ハウジング１３の把持を解除する。

ここで、金属ハウジング１３を金属部１７に固定するときは、金属ハウジング１３がずれ動かずに固定されたか否かをＣＣＤカメラ２８で確認するのが望ましい。これにより、レンズ１０の調芯・固定精度を向上させることができる。

残りのレンズ１０やハーフミラー７についても、同様の工程を実施することで、上記の光デバイス２が得られる。

以上のように本実施形態にあっては、光学部品を金属ハウジングで支持し、その金属ハウジングをハンダで基板に固定するようにしたので、ＭＥＭＳ技術を用いた製造プロセスでは使用不可能とされている光学部品、例えば複屈折材料や非球面レンズ等も基板上に確実に固定することができる。これにより、空間伝搬型の光デバイスの製作において、設計の自由度が高くなる。

また、ＭＥＭＳ技術を用いた製造プロセスでは極めて困難とされている光学部品の調芯を、ハンダの溶融中に確実に行うことができる。従って、光学部品を基板上に固定したときに、所望の光学特性を得ることができ、光デバイスの信頼性が高くなる。

図６は、本発明に係わる光デバイスの他の実施形態を示す斜視図である。図中、上述した実施形態と同一または同等の部材には同じ符号を付し、その説明を省略する。

同図において、本実施形態の光デバイス３０は基板３１を有し、この基板３１には、レンズ１０を支持した金属ハウジング１３とハーフミラー７を支持した金属ハウジング１４とを配置するための溝状の凹部３２が形成されている。このように部品配置用の凹部３２を溝状とすることで、レンズ１０やハーフミラー７等の光学部品を１つの凹部３２に対して複数配置することができる。このとき、凹部３２は、円筒面形状を有しているのが好ましい。これにより、１つの凹部３２に対して複数配置された光学部品の回転調芯が容易に行える。

図７は、本発明に係わる光デバイスの更に他の実施形態を示す断面図である。図中、上述した実施形態と同一または同等の部材には同じ符号を付し、その説明を省略する。

同図において、本実施形態の光デバイス４０は基板４１を有し、この基板４１上には、レンズ１０等の光学部品を支持した金属ハウジング４２を配置するための凸部４３が形成されている。レンズ１０等の回転調芯を容易に行うべく、凸部４３は球面形状を有しているのが好ましい。凸部４３の表面には、金属部４４が設けられている。

また、金属ハウジング４２の下部には、凸部４３と係合する凹部４５を有する固定部４９が形成されている。凹部４５は、凸部４３に対応して球面形状を有しているのが好ましい。レンズ１０等を支持した金属ハウジング４２は、その凹部４５に基板４１上の凸部４３が入り込んだ状態で、ハンダ４６で金属部４４に固定されている。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、光学部品が実装される基板を石英ガラス等のガラスで形成したが、基板の材料は特にガラスに限られず、ハンダを溶融させるビームが透過させる材料、例えばＳｉ等であればよい。

また、上記実施形態では、光学部品を支持した金属ハウジングを配置するための凹部または凸部を基板に形成したが、本発明の光デバイスは、そのような凹部や凸部の無い基板に、光学部材を支持した金属ハウジングを固定するものにも適用可能である。

さらに、上記実施形態は、マイケルソン干渉計を構成する空間伝搬型の光デバイスについてであるが、本発明は、それ以外の光デバイスにも適用できることは言うまでもない。

本発明に係わる光デバイスの一実施形態を含む光通信システムの一例を示す構成図である。 図１に示す光デバイスの一部外観を示す斜視図である。 図１に示す光学部品が基板に固定された状態を示す部分断面図である。 図２に示す光デバイスを組み立てる光デバイス組立装置の概略を示す斜視図である。 図４に示す光デバイス組立装置を用いて基板に光学部品を固定する方法を示す工程図である。 本発明に係わる光デバイスの他の実施形態を示す斜視図である。 本発明に係わる光デバイスの更に他の実施形態を示す部分断面図である。

符号の説明

２…光デバイス、４…基板、７…ハーフミラー（光学部品）、１０…レンズ（光学部品）、１３，１４…金属ハウジング（金属部材）、１５…固定部、１６…凹部、１７…金属部、１８…ハンダ、１９…光デバイス組立装置、２２…６軸調芯ステージ（可動部）、２３…把持部、２４…ビームヒータ（ビーム発生部）、２６…モニタ用光源、２７…モニタ用受光器、２８…ＣＣＤカメラ、３０…光デバイス、３１…基板、３２…凹部、４０…光デバイス、４１…基板、４２…金属ハウジング（金属部材）、４３…凸部、４４…金属部、４５…凹部、４６…ハンダ、４９…固定部。

Claims (11)

1. 基板と、前記基板上に設けられた光学部品とを備えた光デバイスにおいて、
   前記光学部品を支持する金属部材を備え、
   前記基板の表面に金属部を設け、前記光学部品を支持した前記金属部材を前記金属部にハンダで固定したことを特徴とする光デバイス。
2. 前記基板に、前記光学部品を支持した前記金属部材を配置するための凹部を形成し、前記金属部を前記凹部に設けたことを特徴とする請求項１記載の光デバイス。
3. 前記凹部は、球面形状または円筒面形状を有し、
   前記金属部材の下部には、球面形状または円筒面形状を有し前記凹部に入り込む固定部が設けられていることを特徴とする請求項２記載の光デバイス。
4. 前記基板上に、前記光学部品を支持した前記金属部材を配置するための凸部を形成し、前記金属部を前記凸部の表面に設けたことを特徴とする請求項１記載の光デバイス。
5. 前記凸部は、球面形状または円筒面形状を有し、
   前記金属部材の下部には、球面形状または円筒面形状をなす前記凸部と係合する凹部を有する固定部が設けられていることを特徴とする請求項４記載の光デバイス。
6. 前記基板は、前記ハンダを溶融させるビームが透過する材料で形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の光デバイス。
7. 基板と前記基板上に設けられた光学部品とを備えた光デバイスを組み立てる光デバイス組立装置であって、
   前記光学部品を支持した金属部材を把持する把持部と、
   前記把持部を動かす可動部と、
   前記金属部材を前記基板に固定するためのハンダを溶融させるビームを照射するビーム発生部とを備えることを特徴とする光デバイス組立装置。
8. 前記ビーム発生部は、前記把持部と対向するように配置されていることを特徴とする請求項７記載の光デバイス組立装置。
9. 前記光学部品に対して光を照射する光源と、
   前記光学部品に照射された後の光を受光する受光器とを更に備えることを特徴とする請求項７または８記載の光デバイス組立装置。
10. 前記光学部品を含む部位を撮像するカメラを更に備えることを特徴とする請求項７〜９のいずれか一項記載の光デバイス組立装置。
11. 光学部品を基板上に固定する光学部品の固定方法において、
    金属部材に前記光学部品を支持させる工程と、
    前記基板の表面に金属部を形成する工程と、
    前記金属部の上にハンダをのせる工程と、
    前記ハンダを溶融させて、前記金属部材を前記金属部に固定すると共に、前記ハンダの溶融中に、前記光学部品を調芯する工程とを含むことを特徴とする光学部品の固定方法。

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