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Diese Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterlaser-Modul und insbesondere
auf ein Halbleiterlaser-Modul zur optischen Kommunikation über einen großen
Arbeitstemperaturbereich.
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Als Stand der Technik bezüglich eines Halbleiterlaser-Moduls für optische
Kommunikation ist beispielsweise die Technik, die in JP-A-Hei-3-155509
(entsprechend JP-A-89-295804) offenbart ist, wohlbekannt.
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Wie in Figur 1 gezeigt, weist das Halbleiterlaser-Modul gemäß dem Stand
der Technik eine optische Vorrichtung auf, die einen optischen Sender oder
Detektor aufweist, der in einer Packung 1 montiert ist, und eine optische
Faser 3, deren eine Endfläche an einer bild-abbildenden Position 2a einer
Linse 2 angeordnet ist und durch eine zylindrische Zwinge, die an der
Packung durch einen Ring befestigt ist, der über der Linse 2 eingepaßt ist,
die vor der optischen Vorrichtung angeordnet ist, geschützt ist, wobei die
Endfläche der optischen Faser 3, die auf die optische Vorrichtung gerichtet
ist, so angeordnet ist, daß sie im wesentlichen in der gleichen Ebene wie
eine Verbindungsebene des die Linse greifenden Ringes und der Packung 1
ist, und wobei ein Linsenhalter 4, der aus einem Metallstab zum Halten der
Linse 2 hergestellt ist, ein monolithischer Körper ist, der aus einem einzigen
Material gebildet ist.
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In Figur 1 bezeichnet das Bezugszeichen 5 eine Wärmesenke und 6
bezeichnet einen Halbleiterlaser.
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Wie oben erwähnt, ist das Linsenhalteelement, das durch den Linsenhalter
4 zum Halten der Linse 2 gebildet ist und in der Packung 1 als ein Bauteil
des Halbleiterlaser-Moduls montiert ist, monolithisch und aus einem Material
einer Art hergestellt.
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Inzwischen sind Kovar (KV), Nickellegierung usw. als Material für den
Hauptkörper 1 der Packung verwendet worden, um luftdichte
Anschlußklemmen zu bilden und daher in Betracht der thermischen
Ausdehnungskoeffizienten-Beziehung mit Glas oder Keramik als ein luftdichtes
Versiegelungsmaterial.
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Beim Stand der Technik ist es bezüglich der Packung 1 notwendig, das
Linsenhalteelement 4, das aus einem Metallstab zum Halten der Linse 2
gemacht ist, mechanisch stabil zu befestigen, wenn der Linsenhalter mit der
Packung 1 verbunden ist. Daher wird für das Linsenhalterelement 4 ein
Material mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten benutzt, der
equivalent zu dem des Materials der Packung ist. Daher tritt ein Unterschied
zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Linsenhalters 4 und
der Linse 2 auf. In dem oben erwähnten Stand der Technik trat jedoch, da
ein Lötmittel mit einem Schmelzpunkt von 200ºC oder niedriger als
Befestigungsmaterial zum Befestigen der Linse 2 verwendet wird, das obige
Problem, das auf einen Unterschied in dem thermischen
Ausdehnungskoeffizienten zurückzuführen ist, nicht auf.
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Wenn beim Stand der Technik jedoch ein Versuch gemacht wird, die Linse
2 mit verbindenden Einrichtungen zu befestigen, die einen hohen
Schmelzpunkt von 280ºC oder höher haben, treten Risse in der Linse 2 auf, die
durch Wärmebeanspruchung verursacht sind, und daher ist es unmöglich, die
Linse mit Verbindungseinrichtungen zu befestigen, die einen hohen
Schmelzpunkt aufweisen.
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In den letzten Jahren ist der Arbeitstemperaturbereich, der für die
Halbleiterlaser-Module für optische Kommunikation erforderlich ist, auf einen größeren
Bereich von -40ºC bis +85ºC anstelle des konventionnellen Bereiches von
0ºC bis +65ºC ausgedehnt worden.
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Bei dem oben erwähnten Stand der Technik ist es unmöglich, die Linse 2
mit Verbindungseinrichtungen zu befestigen, die einen hohen Schmelzpunkt
aufweisen, und eine hohe Zuverlässigkeit in dem erforderlichen Bereich der
Arbeitstemperatur gewährleisten und demgemäß ist es das Problem des
Standes der Technik, daß er keine genügende Zuverlässigkeit gegenüber
Änderungen in der thermischen Umgebung aufweist.
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Es ist ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung, ein Halbleiterlaser-Modul
für optische Kommunikation bereitzustellen, das das oben erwähnte Problem
des Standes der Technik löst, das erlaubt, daß eine Linse mit
Verbindungseinrichtungen mit hohem Schmelzpunkt befestigt wird, und das mit hoher
Zuverlässigkeit in einem breiten Arbeitstemperaturbereich arbeiten kann.
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Es ist ein anderes Ziel der Erfindung, die wiederholte Wärmebeanspruchung
zu verringern und die Verschlechterung durch Ermüdung der Verbindungen
der Teile zu mäßigen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung, die im Anspruch 1 definiert ist, können
die obigen Ziele durch Teilen des Linsenhalterelementes, das in der Packung
des Halbleiterlaser-Moduls montiert ist, in zwei getrennte Teile erreicht
werden, d.h., einen Packungsverbindungsteil Lind einen Linsenverbindungsteil,
und durch Verwenden von Materialien, deren thermische
Ausdehnungskoeffizienten ähnlich denen der Packung bzw. der Linse sind. Und zum
Befestigen der Linse wurde ein Au/Sn-Lötmittel mit einem hohen
Schmelzpunkt von 280ºC verwendet.
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Durch die obige Anordnung kann die Linse mit einem Lötmittel mit hohem
Schmelzpunkt ohne die Zuverlässigkeit des Packungverbindungsteile zu
verlieren, befestigt werden Lind die Verschlechterung durch Ermüdung des
Lötmittels an dem Linsenverbindungsteil, die durch wiederholte thermische
Beanspruchung verursacht ist, kann verringert werden, wodurch die
Zuverlässigkeit des Linsenverbindungsteiles verbessert wird.
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Das Befestigen der Linse mit Verbindungsmitteln, wie z.B. einem Lötmittel
mit hohem Schmelzpunkt von 280ºC oder höher, kann durch Ausbilden des
Linsenhalteelementes, das in der Packung montiert ist, in einer zweistückigen
Struktur möglich gemacht werden und durch Anwenden des gleichen
Materials wie das Packungsmaterial für das Packungsverbindungsteil und eines
Materials, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient nahe dem der Linse ist,
für das Linsenverbindungsteil. Durch Befestigen der Linse mit
Verbindungsmitteln mit hohem Schmelzpunkt wie diesen kann die Verschlechterung durch
Ermüdung des Linsenbefestigungsteiles beschränkt werden, die ein Faktor ist,
der die Verschlechterung der Kopplung von Licht verursacht, die durch
Änderungen in der thermischen Umgebung verursacht ist, so daß die
Zuverlässigkeit des Halbleiterlaser-Moduls gegenüber Änderungen in der
thermischen Umgebung verbessert werden kann.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird jetzt
mit Bezug auf die begleitende Zeichnung beschrieben werden, in der:
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Fig. 1 eine Schnittansicht eines Halbleiterlaser-Moduls gemäß dem
Stand der Technik ist;
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Fig. 2 eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines
Halbleiterlaser-Moduls gemäß der vorliegenden Erfindung
ist;
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Fig. 3A und 3B Graphen sind, die Berechnungsergebnisse der
Beanspruchungsverteilung in der Oberfläche der Linse zeigen, die
durch ein Au/Sn-Lötmittel befestigt ist, wobei Fig. 3A die
Beanspruchung in der Y-Richung und die Figur 3B die
Beanspruchung in der Z-Richtung zeigt;
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Fig. 4A und 4B Graphen sind, die Berechnungsergebnisse bezüglich dem
Unterschied der Wärmeausdehnungskoeffizienten und der
Linsenbeanspruchungen zeigen, wobei Figur 4A die
Berechnungsergebnisse in Y-Richtung und Figur 4B die
Berechnungsergebnisse in der Z-Richtung zeigt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Halbleiterlaser-Module gemäß der vorliegenden
Erfindung wird im Detail mit Bezug auf die begleitende Zeichnung
beschrieben werden.
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Figur 2 ist ein Längsschnitt, der die Konstruktion eines Ausführungsbeispieles
der vorliegenden Erfindung zeigt. In Figur 2 bezeichnet das Bezugszeichen
1 eine Packung, 2 eine konvergierende Stablinse, 3 eine optische Faser, 4
einen Linsenhalter, 6 einen Halbleiterlaser, 7 einen Stiel, 8 ein Halter, 9
eine Zwinge, 10 einen Zwingenhalter und 11 ein Lötmittel mit hohem
Schmelzpunkt.
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In Figur 2 kennzeichnen die gleichen Bezugszeichen wie in Figur 1 die
gleichen Teile.
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Wie in Figur 2 gezeigt, ist das Halbleiterlaser-Modul durch Silberverlötung
des Halters 8 aus Kovar an die Packung 1, die auch aus Kovar ist, gebildet
und dann durch Silberverlötung des Linsenhalters 4, der aus reinem Eisen
hergestellt ist, an den Ralter 8. Die konvergierende Stablinse 2 ist durch
Verlöten mit einem Au/Sn-Lötmittel mit einem Schmelzpunkt von
beispielsweise 280ºC an dem Linsenhalter 4 befestigt.
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Der Halbleiterlaser 6 ist an dem Stiel durch Löten befestigt. Der Stiel 7,
die optische Faser 3 und der Zwingenhalter 10 sind durch Löten an
Positionen so befestigt, daß das Licht L, das von dem Halbleiterlaser 6
ausgesandt wird, durch die konvergierende Stablinse 2 am Lichteinfallende
3a der optischen Faser 3 konvergiert wird, Lind das Laserlicht ist an die
optische Faser gekoppelt.
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Der auffallendste Unterschied zum Stand der Technik in dem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das wie beschrieben konstruiert ist, ist der,
daß im Stand der Technik der Linsenhalter 4, wie in Figur 1 gezeigt ist,
ein einzelner oder monolithischer Körper aus Kovar ist, dem gleichen
Material wie dem der Packung 1, wo hingegen bei diesem
Ausführungsbeispiel der Halter 8 und der Linsenhalter 4 getrennt bereitgestellt sind, und
daß reines Eisen mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 10 x
10&supmin;&sup6;/ºC sehr nahe dem der konvergierenden Stablinse 2, als Material des
Linsenhalters 4, der als Teil zum Befestigen der Linse dient, verwendet
wird.
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Der thermische Ausdehnungskoeffizient von Kovarlegierung ist 5,7 x 10&supmin;&sup6;/ºC
und der der Linse 2 ist 11 x 10&supmin;&sup6;/ºC. Daher ist in dem obenerwähnten
Stand der Technik der Unterschied im thermischen Ausdehnungskoeffizienten
übermäßig zwischen dem Linsenhalter, der aus Kovar hergestellt ist, und der
Linse selbst, so daß, wenn die Linse durch ein Lötmittel mit hohem
Schmelzpunkt befestigt ist, wie z.B. einem Au/Sn-Lötmittel, Risse in der
Linse auftreten, die durch thermische Beanspruchung verursacht sind.
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Wie oben erwähnt, wird als Material für den Linsenhalter 4 zum Befestigen
der Linse reines Eisen mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von
10 x 10&supmin;&sup6;/ºC verwendet, der sehr nahe dem der konvergierenden Stablinse
ist, und daher kann die thermische Beanspruchung, die zwischen ihnen
auftritt, gemildert werden, so daß die Linse 2 mit einem Lötmittel mit
hohem Schmelzpunkt 11, wie z.B. einem Au/Sn-Lötmittel, befestigt werden
kann, ohne daß Risse in der Stablinse 2 auftreten.
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Wie diskutiert worden ist, kann gemäß diesem Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung durch Anpassen der Koeffizienten der thermischen
Ausdehnung zwischen der konvergierenden Stablinse 2 und dem Linsenhalter
4 und auch durch Befestigen der Linse 2 an dem Linsenhalter durch
Verwendung eines Lötmittels 11 mit hohem Schmelzpunkt, wie z.B. einem
Au/Sn-Lötmittel, die Verschlechterung durch Ermüdung der Verbindung der
Teile beschränkt werden, indem die wiederholte thermische Beanspruchung
gemindert wird. Demzufolge kann die Verschlechterung der Kopplung des
Lichtes, die durch Änderungen der thermischen Umgebung verursacht ist,
beschränkt werden, wodurch die Zuverlässigkeit des Halbleiter-Lasermoduls
verbessert wird.
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Zusätzlich ist der Linsenhalter aus dem Stand der Technik in zwei Teile
aufgeteilt und Kovar-Legierung, die als Material der Packung 1 bei dieser
Erfindung wie im Stand der Technik verwendet wird, wird auch für den
Halter 8 angewandt, der mit der Packung 1 verbunden ist, wodurch dem
Halbleiterlaser-Modul eine höhere Zuverlässigkeit verliehen wird, so daß es
sich selbst von der Verschlechterung durch Ermüdung durch die reduzierte
wiederholte thermische Beanspruchung zwischen der Packung 1 und dem
Halter 8 bewahren kann.
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Bei dem oben erwähnten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist
der Linsenhalter aus reinem Eisen gebildet, aber der Linsenhalter kann aus
anderen Materialien mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten gebildet
sein, der nahe dem der Linse 2 ist, wie z.B. rostfreiem Stahl (SUS430 mit
einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 11,9 x 10&supmin;&sup6;/ºC)
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Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine Laserdiode als eine optische
Vorrichtung gezeigt worden, um eine Signalleistung zu übertragen, aber eine
Fotodiode kann verwendet werden, um die Signalleistung zu empfangen. In
Figur 2 ist das bildabbildende System durch eine einzelne Linse gebildet
worden, das bildabbildende System kann aber aus zwei oder mehreren Linsen
gebildet werden.
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Die Figuren 3A und 3B sind Graphen, die die Berechnungsergebnisse der
Beanspruchungsverteilung in der Oberfläche der Linse zeigen, die durch ein
Au/Sn-Lötmittel befestigt ist, wobei Figur 3A die Beanspruchung in der Y-
Richtung und Figur 3B die Beanspruchung in der Z-Richtung zeigt.
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In Figur 3A ist, wenn der Linsenhalter aus Kovar (KV) ist, die
Beanspruchung, die in der Y-Richtung der Linse 2 induziert wird, ungefähr 10
kg/mm² und, wenn der Linsenhalter aus Fe ist, ungefähr 2,5 kg/mm². In
Figur 3B ist auf der anderen Seite, wenn der Linsenhalter aus Kovar ist,
die induzierte Beanspruchung in der Z-Richtung der Linse 2 ungefähr 11
kg/mm² und, wenn der Linsenhalter aus Fe ist, ungefähr 4 kg/mm². Der
Linsenhalter aus Fe, der wenig unterschiedlich von der Linse 2 bezüglich
dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten ist, kann geeigneter genannt
werden.
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Die Figuren 4A und 4B sind Graphen, die Berechnungsergebnisse in bezug
auf die Differenz des thermischen Ausdehnungskoeffizienten und der
Linsenbeanspruchung zeigen, wobei Figur 4A die Berechnungsergebnisse in
der Y-Richtung und Figur 4B die Berechnungsergebnisse in der Z-Richtung
zeigt.
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Es wird aus den Figuren 4A und 4B verstanden, daß die Beanspruchung in
der Oberfläche der Linse kleiner für kleinere Unterschiede in dem
thermischen Ausdehnungskoeffizienten ist.
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Wie gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben worden ist, kann die
Linse mit einem Lötmittel mit hohem Schmelzpunkt befestigt werden und an
jeweiligen Verbindungen der Teile kann die wiederholte thermische
Beanspruchung verringert werden und die Verschlechterung durch Ermüdung
kann beschränkt werden, so daß die Zuverlässigkeit des
Halbleiterlaser-Moduls verbessert werden kann.