CN1207599C - 将半导体发光器件光学耦合到光纤上的半导体器件 - Google Patents

将半导体发光器件光学耦合到光纤上的半导体器件 Download PDF

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Abstract

一种用于对半导体发光器件与光纤光学耦合的半导体器件，包括：透镜，将从半导体发光器件发出的光聚焦到光纤上；壳体，壳体对透镜进行支撑，并且包括圆柱第一部分；第二部分，第二部分在第一部分的上端与第一部分一体成型，并且在第二部分的中心形成开口，透镜适配安装在开口内；和玻璃，玻璃环绕透镜，实现透镜与开口之间的密封。一个应力消除器，当用接触焊将壳体固定到底座上时，所述消除器消除作用在壳体上的应力，并且防止壳体由于应力的作用产生弹性变形，其中应力消除器包括圆柱形的第三部分，所述第三部分由第一部分向上延伸超过第二部分；在第二部件的上、下表面上形成增强件。避免壳体由于作用在壳体上的应力产生变形。

Description

将半导体发光器件光学耦合到光纤上的半导体器件
技术领域
本发明涉及一种将半导体发光器件光学耦合到光纤上的半导体器件。
背景技术
现已经提出多种将半导体发光器件光学耦合到光纤上的半导体器件。例如在日本专利说明书3-61927(B2)(日本专利申请公开说明书59-166906(A))和日本专利申请公开说明书7-218773(A))中都对这种半导体器件做了记载。
下面以日本专利说明书3-61927中披露的将半导体发光器件光学耦合到光纤上的半导体器件为例加以说明。
图1举例示出在日本专利说明书3-61927中披露的包括这种半导体器件的半导体激光模件的剖面图。
用于将半导体发光器件光学耦合到光纤上的半导体器件包括固定安装在座62上的球透镜支架63，在座62的上面安装有一个散热片60，半导体激光器61固定在散热片60上，球透镜64适配安装在球透镜支架63的中央形成的孔内，球透镜64的中心在半导体激光器61的光轴的延长线上，蜡65涂覆在环围球透镜支架63的带上，保持球透镜支架63内部处于密封条件下。
球透镜支架63包括圆柱形第一部分63和环形第二部分63a，所述第二部分与第一部分63a的上端一体成型，并且在中央形成一个孔，所述球透镜64适配安装在该孔内。
用于将半导体发光器件光学耦合到光纤上的半导体器件和其它部件相结合构成半导体激光模件。半导体器件与其它部件的位置关系如下。
座62固定在底座66上，套筒滑动固定在环围球透镜支架63的套筒支架67上。在套筒支架67上形成突出的管件67a，套筒69插入管件67a内，光纤68与套筒69实体连接。
在将套筒支架67安装在底座66上的同时，在垂直于光轴的方向A上对套筒支架67进行就位校正。接着将套筒69在光轴的方向B上滑移入突出的管件67a内，使半导体激光器61发出的激光束穿过球透镜64被聚焦在光纤68的端面68a上。
在采用上述方式通过球透镜实现半导体激光器61与光纤68之间的光学位置关系最佳调整后，采用接触焊将套筒支架67固定到底座66上。另外，利用粘合剂69将套筒69固定到套筒支架67上。
尽管如图1所示在习用的用于对半导体发光器件与光纤进行光学耦合的半导体器件中，利用蜡65将球透镜64支撑在球透镜支架63上，但是为使球透镜64和球透镜支架63相互密封得更为牢固，通常用低熔点的玻璃实现球透镜64在球透镜支架63上的支撑。
通常采用接触焊将球透镜支架63固定到座上。在进行这种接触焊中，大约1400℃的温度将瞬时加到球透镜支架63上。所以，球透镜支架63的第一部分63a的下部将被加热到1400℃，但由于加到球透镜支架63的大约1400℃的温度非常短暂，所以第一部分63a的上部，例如第一部分63a与第二部分63b的相互连接部分，仅被加热到约30至40℃。
因此，第一部分63a下部的膨胀度高于上部。由于在第一部分63a的上部和下部之间存在膨胀度差，所以在球透镜支架63上将产生热应力。如图2所示，作为压应力T的热应力由球透镜支架的外边棱向中心，作用在球透镜支架63上。
如图2中虚线63c所示，压力T使球透镜支架63产生弹性变形。
如图1所示的半导体器件中，球透镜64和球透镜支架63之间的界面，换句话说，蜡65或者玻璃在构成半导体器件的组成部分中的应力具有最小的抗力。所以，如图2所示，当球透镜支架63弹性变形时，由于弹性变形导致的应力常常作用在蜡65或者玻璃上。
结果蜡65或者玻璃破裂。如果该破裂延伸到球透镜支架63的内外表面都产生破裂，则产生泄漏通路，空气通过该通路从外部进入球透镜支架63内部。因此，球透镜64和球透镜支架63之间不再保持密封，导致半导体激光器61的发光效率降低。
发明内容
考虑到习用的半导体器件中存在的上述问题，本发明的一个目的在于提出一种球透镜支架，所述球透镜支架可以避免用于对球透镜64和球透镜支架63之间密封的蜡65或者玻璃由于热应力而发生破裂，所述热应力是由于采用接触焊将球透镜支架63固定到座62上时所产生的热而导致的。
本发明的一个方面在于提出一种用于将半导体发光器件光学耦合到光纤上的半导体器件，所述半导体器件包括：(a)将半导体发光器件发出的光聚焦到光纤上的透镜；(b)支撑透镜的壳体，并且壳体包括圆柱形的第一部分和第二部分，所述第二部分在第一部件的上端与第一部分一体成型并且在中心形成开口，透镜适配安装在该开口内；和(c)围绕透镜设置的玻璃，用于实现透镜和开口的相互密封，其特征在于一个应力消除器，当用接触焊将壳体固定到底座上时，所述应力消除器用于消除作用在壳体上的应力，并且避免壳体在应力作用下产生弹性变形。
例如，应力消除器包括圆柱形的第三部分，所述第三部分由第一部分向上延伸，超过第二部分；并至少在第二部分的上、下表面中的一个表面上形成增强体。
考虑到热应力，发明者发现通过将壳体设计成具有考虑到热应力的形状，可以防止如图1所示的习用的半导体器件中与球透镜支架63相符的壳体，在受到由热导致的热应力的作用下引起的弹性变形，所述热是在利用接触焊将壳体固定在座上时产生的。特别是通过提出一种设置在上表面或下表面或壳体的第二部分的上表面和下表面上的增强件提高壳体抗应力的强度，因此可以避免壳体出现的高度的弹性变形。所以可以避免玻璃的破碎。
当壳体第二部分的上表面上具有增强体时，优选与作为第一部分延伸的第三部分一体形成增强件，保证进一步提高壳体的强度，并且进一步防止玻璃发生破裂。
优选增强体的设计使其具有当热应力作用于壳体时克服作用于第二部分的应力的形状。
通过将增强体设计成完全克服作用于第二部分上的应力，可以消除作用于壳体上的应力，同时增强体具有最小的面积。
增强体可以设计成具有各种形状。
例如，增强体可以设计成具有线性渐缩的截面。增强件还可以设计成具有阶梯形截面。另外，增强件还可以设计成具有向内突出的拱形截面。
应力消除器由壳体的第二部件形成的应力集中部分构成，其厚度小于第二部件的其余部分的厚度，当应力作用在壳体上时，应力集中在应力集中部分上。
壳体的设计成具有在第二部分内的应力集中部分，其厚度小于第二部分其余部分的厚度。由于应力集中部分的强度小于第二部分其余部分的强度，当壳体由于热应力而产生弹性变形时，壳体的弹性变形所产生的应力集中在并被吸收到应力集中部分内。因此，可以使壳体的弹性变形导致的应力避免作用到玻璃构成的透镜与壳体之间的界面上，进一步避免玻璃43的破裂。
可以采用各种方式形成应力集中部分。
例如应力集中部分可以由第二部分的上表面和下表面中至少一个表面延伸的一个或多个下凹构成。
上述的半导体设备用于半导体激光模件。
下面将对通过上述本发明实现的优点加以说明。
根据本发明，当壳体弹性变形时，在第二部分的上表面或下表面，或者上表面和下表面形成的增强件将对作用在第二部分上的应力进行补偿。所以，当采用接触焊将壳体固定到座上时，可以避免壳体出现高度的弹性变形。因此可以避免由于壳体弹性的变形而使玻璃破裂。
当壳体的第二部分的上表面上具有增强件时，优选增强件与作为第一部分延伸的第三部分一体成型，确保提高增强件的强度，并且进一步避免玻璃发生破裂。
另外，与图1所示的习用的半导体器件相比，根据本发明，可以明显地提高采用接触焊用于将壳体固定到座上所需的电流的范围。
通过将壳体设计成在第二部分上具有应力集中部分，所述应力集中部分的厚度小于第二部分的其余部分的厚度，当壳体由于热应力而产生弹性变形时，壳体的弹性变形所产生的应力被集中在并被吸收到应力集中部分上。因此可以避免壳体的弹性变形导致的应力作用到构成透镜和壳体之间的界面的玻璃体上，从而可以避免玻璃43破裂。
附图说明
图1为半导体激光模件的纵向剖面图，所述半导体激光模件包括习用的将半导体发光器件光学耦合到光纤上的半导体器件；
图2为图1示出的半导体器件中的球透镜支架发生弹性变形的状态示意图；
图3为作用在壳体上的应力分布；
图4为根据本发明的第一实施例的用于将半导体发光器件与光纤进行光学耦合的半导体器件的纵剖面图；
图5为根据本发明的第二实施例的用于将半导体发光器件与光纤光学耦合的半导体器件的纵剖面图；
图6为根据本发明的第三实施例的用于将半导体发光器件与光纤光学耦合的半导体器件的纵剖面图；
图7为根据本发明的第四实施例的用于将半导体发光器件与光纤光学耦的半导体器件的纵剖面图；和
图8为根据本发明的第五实施例的用于将半导体发光器件与光纤光学耦合的半导体器件的纵剖面图。
具体实施方式
根据实施例的用于将半导体发光器件与光纤光学耦合的半导体器件将取代图1所示的半导体器件。除了用于将半导体发光器件与光纤光学耦合的半导体器件外，应用本发明实施例的半导体器件的半导体激光模件的结构与图1所示的半导体激光模件的结构相同。
图3示出作用在壳体1的第一部分1b上的应力图形，所述壳体1与图1示出的球透镜支架63相符，由于当采用接触焊将壳体1固定在座上时将产生热导致壳体1弹性变形，从而产生应力。
发明人分析了当壳体1弹性变形时作用在壳体1上的应力。如图3所示，分析结果表明，作用在壳体1的第二部分1b上的应力为线性渐缩形式，在第一部分1a附近的应力较大，而在球透镜3附近的应力则较小。
接着还发现，在壳体1的第二部分1b上形成的增强件具有的形状可以部分或全部克服作用在第二部分1b上的应力。
基于上述分析，下面将对根据第一至第四实施例的用于将半导体发光器件与光纤光学耦合的半导体器件加以说明。
第一实施例
根据本发明的第一实施例，图4为将半导体发光设备光学耦合到光纤上的半导体器件10的纵剖面图。
半导体器件10包括透镜11，所述透镜11将从半导体发光器件发出的光聚焦到光纤上；支撑透镜11的壳体12；和玻璃13，所述玻璃环围透镜11，保持透镜11和下面将提及的开口12d的相互密封。玻璃13是一种具有低熔点的玻璃。
壳体12由50Fe/Ni构成，壳体包括圆柱形的第一部分12a、环状的第二部分12b，在第一部分12a的上端所述第二部分12b与第一部分12a一体成型，并且在第二部分的中心形成开口12d，透镜11适配安装在在开口12d内，和圆柱形的第三部分12c从第一部分12a向上延伸超过第二部分12b。
半导体器件10还包括分别在壳体的第二部分12b的上/下表面上形成的第一增强件14a和第二增强件14b。
第一增强件14a和第二增强件14b为环形，并且具有向第二部分12b线性渐缩的截面。换句话说，为直角三角形截面，其中与第二部分12b和第三部分12c接触的两边的夹角为直角。
第一增强件14a和第二增强件14b的规格设计应能完全克服作用在第二部分12b上的应力。
根据所述的半导体器件10，因为当壳体12弹性变形时作用在第二部分12b上的应力被第二部分12b的上/下表面上形成的第一增强件14a和第二增强件14b所补偿，所以当采用接触焊将壳体12固定在座62上时，可以防止壳体12产生高度弹性变形。从而，可以避免玻璃13由于壳体12变形而发生破裂。
如上所述，半导体器件10的设计包括第三部分12c，所述第三部分12c作为由第一部12a向上的延伸形成，超过第二部分12b。因为第一增强件14a与第三部分12c一体成型，因而可以大大提高第一增强件14a的强度，并由此，可以避免由于壳体的弹性变形造成的玻璃13的破裂。
另外，与图1所示的习用半导体器件相比，根据本发明的半导体器件10还可以大幅度地增大在采用接触焊将将壳体12固定到座62上时所需的电流的范围。
在图1所示的习用半导体器件中，用接触焊将球透镜支架63固定到座62上的电流范围为4.1-4.3kA，而同样的在第一实施例的半导体器件中，电流范围为3.5-5.0kA。因此，半导体器件10可以将采用接触焊将球透镜支架63固定到座62上的电流范围从0.2kA(4.3-4.1kA)提高到1.5kA(5.0-3.5kA)。
在第一实施例的半导体器件10中，虽然透镜11为球透镜，但是透镜11的形状并不仅限于球形。例如可以应用作为透镜11的非球形的透镜。只要透镜至少局部表面是圆弧形的，则在半导体器件10中作为透镜11可以应用任何透镜。
在第一实施例的半导体器件10中，尽管第一增强件14a和第二增强件14b两者在第二部分12b的上/下表面上分别形成，但并不总是需要在第二部分12b上同时形成第一增强件14a和第二增强件14b。在壳体需要的增强度小于在第二部分12b的上/下表面同时形成第一增强件14a和第二增强件14b的情况时，可以在第二部分12b上仅形成第一增强件14a和第二增强件14b其中的一个增强件，但壳体12仍具有足够的强度避免壳体12发生弹性变形。
为了对第一实施例的半导体器件10所带来的有益的效果加以确认，发明人测量了图4中的X点，即在透镜11和玻璃体13之间的界面上的最高点处的应力，作为由于壳体12的弹性变形所引起的具有代表性的应力。
在图1中示出的习用半导体器件中，测得点X处的压应力为30.6Mpa。
在第一实施例的半导体器件10中，测得点X处的压应力为20.9Mpa。
因此，与习用半导体器件中的30.6Mpa的应力相比，半导体器件10中的压应力将减少31.7％。
在设计成只包括位于第二部分12b上表面的第一增强件14a的半导体器件10中，测得点X处的压应力为21.4Mpa。
所以，即使半导体器件的设计不包括第二增强件14b，也就是说包括第一增强件14a，与习用半导体器件中的30.6Mpa的压应力相比，半导体器件10可以将压应力减少30.1％。
上述测量表明，第一实施例的半导体器件10可以有效地减少会引起玻璃破裂的压应力。
第二实施例
图5为根据本发明的第二实施例的用于将半导体发光器件光学耦合到光纤上的半导体器件20的纵剖面图。
第二实施例中的壳体12包括第一部分12a、第二部分12b和在第二部分12b下表面上形成的第二增强件14b。即与图3示出的第一实施例中的半导体器件10相比，第二实施例中的壳体12的设计没有第一增强件14a和第三部分12c。
在壳体12的第二部分12b的上表面未形成第一增强件14a时，没有必要将壳体12设计成具有第三部分12c。
根据半导体器件20，因为在壳体12弹性变形时作用在第二部分12b上的应力被第二部分12b下表面上形成的第二增强件14b所补偿，所以当壳体12用接触焊固定在座62上时，尽管比第一实施例的半导体器件10的补偿程度小，但是仍然可以避免壳体12产生弹性变形。从而，可以防止玻璃体13由于壳体12的弹性变形而发生破裂。
第三实施例
根据本发明的第三实施例，图6为用于将半导体发光器件光学耦合到光纤上的半导体器件20的纵剖面图。
第三实施例中的半导体器件30的设计中替代第一实施例中的第一增强件14a和第二增强件14b，包括第一阶梯形增强件24a和第二阶梯形增强件24b，。
第一增强件24a和第二增强件14b的尺寸设计应能完全克服作用在第二部分12b的上/下表面的应力。因此与第一实施例中的半导体器件10相同，半导体器件30可以防止玻璃13由于壳体12的弹性变形而发生破裂。
与第一实施例的半导体器件10相同，并不总是在第二部分12b上都必须同时形成第一增强件14a和第二增强件14b。第一增强件14a和第二增强件14b中的任何一个增强件可以在第二部分12b上形成。
第四实施例
图7为根据本发明的第四实施例的用于将半导体发光器件光学耦合到光纤上的半导体器件40的纵剖面图。
第四实施例中的半导体器件40的设计替代第一实施例中的第一增强件14a和第二增强件14b，包括第一增强件34a和第二增强件34b。如图7所示，第一增强件34a和第二增强件34b具有拱形截面，拱的方向面向第一部分12a。
尽管第一拱形增强件34a和第二拱形增强件34b的尺寸设计将局部克服作用在第二部分12b的上/下表面的应力，但是第一拱形增强件34a和第二拱形增强件34b几乎可以完全克服所有应力。因此，与第一实施例中的半导体器件10相同，半导体器件30可以防止玻璃13由于壳体12的弹性变形而发生破裂。
与第一实施例的半导体设备10相同，在第二部分12b上并不总是必须同时形成第一拱形增强件34a和第二拱形增强件34b。第一拱形增强件34a和第二拱形增强件34b中的任何一个增强件可以在第二部分12b上形成。
第五实施例
图8为根据本发明的第五实施例将半导体发光器件光学耦合到光纤上的半导体器件50的纵剖面图。
半导体器件50包括：透镜41，所述透镜41将把从半导体发光器件发出的光聚焦到光纤上；支撑透镜41的壳体42；和玻璃43，所述玻璃环围透镜41，实现透镜41和下面将提及的开口42d之间的相互密封。玻璃43是一种具有低熔点的玻璃。
壳体42包括圆柱形的第一部分42a，环状的第二部分42b，在第一部分42a的上端所述第二部分42b向内与第一部分42a一体成型，并且在中心形成开口42d，透镜41被适配安装在开口42d内。
壳体42的第二部分42b的设计具有应力集中部分44(如图8阴影部分所示)，其厚度小于第二部件42的其余部分的厚度，当应力加到壳体42上时，应力被集中。
应力集中部分44通过在壳体42的第二部分42b上形成的下凹45构成，所述下凹由第二部分42b的下表面延伸。
因为应力集中部分44的厚度小于第二部分42b其余部分的厚度，所以应力集中部分44的强度小于第二部分42b其余部分的强度。因此，如果壳体42由于热应力而产生弹性变形，则壳体的弹性变形所产生的应力几乎全部集中并被吸收到应力集中部分44上。从而可以防止应力集中到将透镜41与外壳42连接在一起的玻璃43上，此外还可以防止玻璃体43发生破裂。
在第五实施例的半导体器件50中，下凹45从壳体42的第二部分42b的下表面延伸。要指出的是，下凹也可以从第二部分42b的上表面延伸形成，或者下凹可以从第二部分42b的上/下表面同时延伸形成。
虽然半导体器件50的设计具有一个下凹45，构成应力集中部分44，但是半导体器件50的设计也可以具有多个下凹部分，构成多个应力集中部分。当半导体器件50设计具有多个下凹，构成多个应力集中部分时，应力集中部分的设计可以根据作用在第二部分42b上的应力图形具有不同的深度。另外，应力集中部分的设计具有的深度可以小于下凹45的深度，从而实现对应力在每个应力集中部分的集中进行的控制。
尽管第五实施例中下凹部分45为U形，但是下凹45的设计可以具有任何一种形状。例如下凹45的形状可以是三角形或者是矩形。
如图8所示，尽管与第一实施例不同半导体器件50的设计不包括第三部分12c，但半导体器件50的设计可以包括与第一实施例中的第三部分12c相符合的第三部分42c(虚线示出)。
在第五实施例中，应力集中部分44由在壳体42的第二部分42b上形成的下凹45构成。需要指出的是，应力集中部分44例如也可以由在第二部分42b上形成的孔构成，或者通过局部减少第二部分42b上的强度构成应力集中部分。

Claims (5)

1、一种将半导体发光器件光学耦合到光纤上的半导体器件，所述半导体器件用于将半导体发光器件(61)光学耦合到光纤(68)上，包括：
(a)透镜(11、41)，所述透镜将从半导体发光器件(61)发出的光聚焦到光纤(68)上；
(b)壳体(12、42)，所述壳体对透镜(11、41)进行支撑，并且包括圆柱第一部分(12a、42a)；第二部分(12b、42b)，所述第二部分在第一部分(12a、42a)的上端与第一部分(12a、42a)一体成型，并且在第二部分的中心形成开口(12d、42d)，透镜(11、41)适配安装在开口内；和
(c)玻璃(13、43)，所述玻璃环绕透镜(11、41)，实现透镜(11、41)与开口(12d、42d)之间的密封，
其特征是：
一个应力消除器，当用接触焊将壳体(12、42)固定到底座上时，所述应力消除器消除作用在壳体(12、42)上的应力，并且防止壳体(12、42)由于应力的作用产生弹性变形，
其中应力消除器包括圆柱形的第三部分(12c)，所述第三部分由第一部分(12a)向上延伸超过第二部分(12b)；在第二部件(12b)的上、下表面上形成增强件(14a、14b)。
2、按照权利要求1所述的半导体器件，其中当热应力作用在壳体上时，增强件(14a、14b)具有的形状克服作用在第二部分(12b、42b)上的应力。
3、按照权利要求1所述的半导体器件，其中增强件(14a、14b)具有线性渐缩的截面。
4、按照权利要求1所述的半导体器件，其中增强件(14a、14b)具有阶梯形截面。
5、按照权利要求1所述的半导体器件，其中增强件(14a、14b)具有向内突出的拱形截面。
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