JP2001066447A - 半導体光結合装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】光導波路基板上に形成したフィルタ溝があるこ
とにより基板をケース実装すると、熱応力に対してフィ
ルタ部にストレスがかかり、特性変動する場合がある。
これを回避するケース上の構造と実装方法を得る。 【解決手段】ケース側に溝を形成し、ケースと光導波路
基板との接合をストレスがかからないように、接合位置
を調整して固定する。 【効果】長期の動作に対して、安定した光結合を得る。
また、温度変化が生じても光結合劣化を起こすことはな
い。あるいは、ＬＤ素子の温度を上昇させることがな
く、安定した光発振波長を得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光伝送を行う光導
波路を使用した半導体光結合装置に係り、特に、光導波
路、光合分波基板を、ケースに実装、固定するとともに
長期動作に好適な半導体光結合装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、双方向の光送受信機能と波長多重
合分波機能を兼ね備えた装置において、例えば、特開平
１０―３０７２２１号公報に記載のように、あるいは、
特開平１０―１６０９７７号公報に記載のように、Si基
板上に石英系ＰＬＣ（Planar Lightwave Circuit）導波
路が形成され、ＰＬＣ端面の所定位置に半導体発光素子
（以後ＬＤと略称する）、半導体受光素子（以後ＰＤと
略称する）、ファイバがそれぞれ光学的に結合するよう
に配置し接合されている。ＰＬＣ導波路を伝送する光を
分離するために、導波路を横切る溝を形成し、この溝に
ＷＤＭ(Wavelength Division Multiplexing)フィルタを
挿入して波長を選別し、分離している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来技術は、導
波路基板にはＬＤ、ＰＤ、ファイバ、フィルタ、ＩＣ
（Integrated Circuit）がそれぞれ光結合及びその動特
性を適正にするように配置された構造となっているが、
これら部品を保護、固定するケースあるいは外部との電
気接続方法が示されていなかった。

【０００４】また、フィルタ挿入の溝形成については、
その加工法、溝へのフィルタの樹脂固定等が開示されて
いる。しかし、基板へ溝形成は、主に、円盤上の板の全
周に切削用砥粒をつけ、円盤を回転することにより溝加
工するダイシング加工が行われている。ダイシング加工
を行うと、Ｓｉ基板溝には多数の加工歪層が生成され
る。そのため、外部からの負荷荷重、あるいは、導波路
基板実装に伴う基板へのストレスが付加されると壊れ易
くなる。従来はこれに対し、何等検討されていなかっ
た。また、ＬＤやＩＣ等を内蔵すると、それらの素子か
ら発生する熱で、素子温度が上昇し、波長変動し、寿命
が低下することに対し、何等検討がなされていなかっ
た。

【０００５】本発明は、光導波路、光合分波基板をケー
スに実装、固定し、ＬＤ、ＰＤ、フィルタなどを保護
し、プリント回路基板への組み込みを容易にすると共
に、長期動作に好適な半導体光結合装置を提供すること
にある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、光導波路、光合分波器が形成された光導
波路基板と、光導波路基板の光入力端に光結合するよう
に配設された半導体素子と、光出力端に光結合するよう
に配設された光ファイバと、光導波路を伝播する波長の
選択を行うフィルタと、光導波路基板を実装するケース
とを備え、前記ケースに各種段差を設け、前記光導波路
基板を接合する。

【０００７】すなわち、光導波路基板の一部に導波路を
切断する溝を設け、溝にフィルタを挿入し、ケースの一
部に溝を設け、前記光導波路基板の溝とケースの溝とが
概略一致するように、光導波路基板を積層し、溝以外を
接合した。

【０００８】また、接合はケースの溝以外の光導波路基
板の底面の約1/2を接合した。なお、接合には2種類ある
いはそれ以上の接合材を用いた。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第一の実施例を図
１、２により説明する。図１(１)は、半導体光結合装置
の平面図、(２)は同装置の断面図である。図２は同図
（１）のＡ、Ａ'を通る面で切断し、斜めからみた斜視
図である。

【００１０】光導波路基板１２上に光導波路１３を形成
して、半導体発光素子（ＬＤ）２１、半導体受光素子
（ＰＤ）２２、２３と光ファイバ１７を光学的に組立て
る。光導波路基板１２の材料としては、Ｓｉ単結晶が適
している。光導波路１３は８×８μｍ角のコア部分とそ
の周りのクラッド部分で形成され、屈折率差を設けるこ
とで光をコア部分に閉じ込め、光導波する。コアとクラ
ッドの材質としては、ガラスを使ったもの、樹脂を使っ
たもの等がある。また、光導波路基板１２上には受発光
素子を制御するＩＣ２４も設けられている。

【００１１】光導波路１３を伝送する光は、例えば、
１.３μｍあるいは1.５５μｍ帯のレーザ光である。光
導波路１３の材料としては、伝播する時の透過損失がで
きるだけ少ない石英ガラスが適している。また、光導波
路１３の形成が短時間で行えるフッ素化ポリイミドを用
いてもよい。この場合、ポリイミド材料をスピンコータ
で光導波路基板に塗布し、３５０℃の温度で焼成するこ
とで膜を形成できる。ガラス導波路の場合は、１０００
℃以上の温度で焼成し、コア部分をドライエッチング等
で、導波路以外の部分を取除く必要がある。このよう
に、樹脂の方が短時間で加工できる効果がある。

【００１２】このようにして、Ｓｉ基板上に形成した光
導波路１３を、光ファイバ１７と光結合する。

【００１３】本実施例では、ファイバを伝送する光は、
１．３μｍ帯及び１．５５μｍ帯の波長である。一方、
光導波路端に設けたＰＤ２１は、１．３μｍ帯の光を受
光する設定であり、ＰＤ２１に１．３μｍ帯と１．５５
μｍ帯の光を分離する機能はできない。従って、光導波
路１３の途中で１．５５μｍ帯を除く必要があり、導波
路１３を切断する溝１４を設け、溝１４にフィルタ１５
を挿入した。このフィルタ１５で１．５５μｍ帯の光を
全反射させ分離する。

【００１４】光導波路基板１２に溝形成した時の材料強
度上の影響を実験から調べた。光導波路基板１２上の導
波路１３を切断するための溝１４を加工する方法として
は、異方性エッチング、ダイシング、ワイヤソ−があ
る。量産性、加工コストを考慮すると、ダイシングが適
している。ダイシングで４０μｍ幅の溝を中央に形成し
たＳｉ板（寸法：５×３０×１ｔ）と溝無しＳｉ板につ
いて、４点曲げ破壊強度試験を行った。その結果、溝を
付けたサンプル２０本について破壊試験したところ、平
均強度は、１２７ＭＰａ(１３ｋｇ/ｍｍ2)であるのに対
し、２０本の溝なし試験サンプルでの平均強度は、４９
０ＭＰａ(５０ｋｇ/ｍｍ2)となった。この理由は、脆性
な材料表面に欠陥があると、材料強度が著しく低下する
ことは知られており、溝１４を加工することにより、Ｓ
ｉ基板の表面に加工歪層ができる。この状態で曲げ応力
を加えると、この歪層が起点となって容易に破壊してし
まうためである。光導波路基板１２上へ溝１４を形成す
ることで、光導波路基板１２が構造的に弱くなる。この
ため、光導波路基板１２への外部からの負荷荷重、ある
いはケースへの収納によって生じる変形、応力を極力低
く抑えるように実装することが重要である。

【００１５】図１(２)の縦断面図を用いて光導波路基板
１２と電極端子板１１との接合方法について説明する。
なお、電極端子板１１は、ケースを構成する一部分であ
り、光導波路基板１２との接合部を構成している。言い
替えるとケースの底の部分に相当する。

【００１６】電極端子板１１の寸法は、長さ３０×奥行
き９×厚さ４(ｍｍ)、光導波路基板１２は、長さ７×奥
行き１．４×厚さ１(ｍｍ)である。電極端子板１１の光
導波路基板１２を搭載する中央部分は、少なくとも光導
波路基板１２が納まり、光導波路基板表面と電極端子板
表面の高さが略一致するように、１ｍｍ低くしている。
このように表面を略一致させることにより、ＬＤ、Ｐ
Ｄ、ＩＣの高さが略一致し、各素子と電極端子板中のリ
ードとを電気的に結ぶリードワイヤの接続距離を最短に
することができる（リードワイヤは図示せず）。電極端
子板１１の光導波路基板１２からはずれた部分は、さら
に０.５ｍｍあるいはそれ以上低くしている。電極端子
板１１の奥行き方向は、光導波路基板１２の実装性を考
慮して、前後に０．３ｍｍ程度余裕ある寸法である約２
ｍｍが適している。

【００１７】また、電極端子板１１の中央部分は溝１８
が設けられている。溝１８の寸法は、長さ１×奥行き２
×深さ１としているが、長さが１ｍｍ以上３ｍｍ以下と
しても良い。また、深さが１ｍｍ以上でも効果が得られ
る。溝１８の断面形状は長方形でも３角形形状でもよ
い。溝１８は、光導波路基板１２と接合材料を介して接
合する場合、光導波路基板１２に設けたフィルタ１５が
溝１８の中央近傍に配置できるように設ける。電極端子
板１１と光導波路基板１２は溝１８をまたぐ形になる。
電極端子板１１と光導波路基板１２の固定は、溝１８の
両側に予めディスクあるいはペースト状接合材を供給し
ておき、両者を合わせて接合し、その後温度を上げるこ
とで溶融、硬化固着させる。

【００１８】電極端子板１１の溝１８の端子３０を設け
た側（図の右側）には、ＬＤ、ＰＤが実装されている。
ＬＤからの熱を速やかに放熱するためには、接合材はＡ
ｇペーストあるいはＡｇ入りエポキシが適している。一
方、溝１８のファイバ取付側(図の左側)には、発熱する
素子等は設けられていない。従って、Ａｇペースト等の
熱伝導性材料での固定あるいはＡｇペーストよりも弾性
係数の低い材料による固定が適している。あるいは右側
だけの接合にすると、さらにフィルタ１５部に生じる応
力を低減することができる。

【００１９】いま、この構造において、有限要素法を使
った熱応力解析を行った。使用したプログラムは、弾性
構造強度解析プログラム（ＡＤＩＮＡ6.1）で、構造
は、2次元平面モデル構造として行った。計算条件は、
光導波路基板１２を電極端子板１１にＡｇペーストで接
合し、１５０℃から２０℃まで冷却した場合にフィルタ
１５部に生じる熱応力を求めた。

【００２０】光導波路基板１２はＳｉ材、電極端子板１
１はアルミナ材である。まず、溝１８がある場合と溝が
無い場合での比較では、溝を付けることにより、１５％
応力低減できる。次に、溝１８がある場合に溝１８の両
側を接合した場合と、片側のみ接合した場合とを比較す
ると、片側のみのほうが１０％応力低減できる。また、
片側をＡｇペーストで接合し、残りの側を弾性係数が低
い材料とした場合でも同等の応力値となる。

【００２１】以上の解析結果から、溝１８無しで接合す
るより、溝１８を設けた方がフィルタ部応力を低減でき
ることが明らかである。安定した基板実装には、溝１８
両端での固定となる。すなわち、熱伝導性が必要なＬ
Ｄ、ＰＤの取付側には、熱伝導性材料が適しており、溝
１８の左側には、弾性係数の低い材料、例えば、シリコ
ーン材が適している。この組み合わせで構成すると、フ
ィルタ部応力を低減でき、ＬＤ部の放熱を向上でき、外
部負荷荷重からの耐力が得られる。

【００２２】本実施例では、電極端子板１１の材料をセ
ラミック材としての効果を示したが、プラスチックでも
同様の効果がある。

【００２３】図３は、電極端子板１１の材料を、例えば
エポキシ樹脂とし、樹脂の中にリードフレーム４１、４
２をモールドして形成している。図３(1)は、平面図で
あり、(2)は中心部で切断した断面図を示す。

【００２４】リードフレーム４１は、電極端子板１１の
表面にフレームが出るように形成し、この部分にＩＣ２
４を実装する。リードフレーム４１は、ＩＣ２４のグラ
ンド電源としてリード端子に接続されている。リードフ
レーム４２は光導波路基板１２と直接接合できるように
表面に出ており、同時に電極端子板１１の裏側にも通じ
た３次元的形状となっている。同時にリード端子に接続
されている。リードフレーム４１、４２は、それぞれ独
立しており、電気、熱が絶縁した構造である。リードフ
レームの材質としては、スズ入り銅Ｓｎ(０．１５)−Ｃ
ｕあるいは鉄入り銅Ｆｅ(２．４)−Ｃｕが適している。

【００２５】また、エポキシ樹脂には、ＳｉＯ2などの
フィラーを混入させ、膨張係数を調節している。このよ
うに形成したプラスチック電極端子板１１を使用するこ
とにより、ＬＤ、ＩＣの放熱を、別のパスを通して外部
放熱できると同時に、電極端子板１１の溝１８を設ける
ことで、光導波路素子との接合応力を低くできる効果が
ある。また、リードフレーム４１、４２を電極端子板１
１の上面、中面、下面に配置していることにより、電極
端子板１１に熱変動が加わっても端子がそり変形、ねじ
り変形を起こすことがない。従って、光導波路とＬＤ、
ＰＤとの光結合変動を起こさない。プラスチック電極端
子板１１の材質としては、エポキシ樹脂の他にポリフェ
ニレンサルファイドが適している。

【００２６】半導体光結合装置の組立ては次のように行
う。光導波路基板１２上にＬＤ２１,ＰＤ２２あるいは
ＰＤ２３をＡｕ−Ｓｎ半田により接合する。まず、ＰＤ
２３を光導波路端部に接合し、その後にＬＤ２１、ＰＤ
２２を位置決め固定する。次に、フィルタ１５を溝の中
に挿入固定する。固定に使用する接着剤は、例えば、Ｕ
Ｖエポキシ樹脂が適している。フィルタ１５を溝に挿入
後、樹脂をポッティングし、ＵＶ照射して固定する。

【００２７】一方、電極端子板１１には、予め、ＩＣ２
４をボンディングしておき、この上に光導波路基板１２
を積層し、両者を固定する。溝１８の両側には、Agペー
ストあるいはシリコーンを所定量ポッティングしてお
き、光導波路基板１２を所定の位置に移動し、重ねる。
その後、温度を上昇させて、樹脂硬化させる。次に、Ｌ
Ｄ、ＰＤ、ＩＣにワイヤボンディングを行った後、ファ
イバ１７に外部から光を入れ、光導波路端部との位置合
わせ固定を行う。最後に、素子まわりにポッティング樹
脂を置くと同時に箱型ふた（図示せず）を接着剤で固定
することで組立てを完了する。

【００２８】本実施例によれば、フィルタ１５を光導波
路基板１２に設けた溝１４に接着固定したものを,電極
端子１１に設けた溝１８と接合固定する。接合の際の位
置決めは、光導波路基板の溝１４と電極端子板１１の溝
１８とが概略重なるようにする。位置決め後、接合する
と、フィルタ部の応力を低減でき、しかも外部からの力
に対しても不安定になることがない。長期間の動作に対
しても安定した動作を得ることが出来る。半導体結合装
置に温度変化が生じても光結合劣化を起こすことがな
い。また、ＬＤ、ＰＤ、ＩＣの温度上昇を抑えることが
でき、長期の動作を行うことができる。

【００２９】

【発明の効果】本発明では、光導波路の途中の溝にフィ
ルタを接合固定し、予め電極端子に設けた溝の上に光導
波路基板を接合部分を選択して固定する。このように構
成すると、導波路基板を安定して収納することができ
る。しかも、長期間の使用に対して、フィルタ部にはく
離を起こすことも無く、安定した光結合を得られる。ま
た、光結合装置に温度変化が生じても、光結合劣化を起
こさない。また、ＬＤ、ＰＤ、ＩＣの温度上昇を抑えら
れ、長期に安定した動作寿命を得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例の平面及び断面図である。

【図２】本発明の第一実施例の斜視図である。

【図３】本発明の第二実施例の平面及び断面図である。

【符号の説明】 １１…電極端子、１２…光導波路基板、１４…溝、１５
…フィルタ、１７…光ファイバ、１８…溝、２１…半導
体発光素子、２２…半導体受光素子、２３…半導体受光
素子、２４…ＩＣ、３０…電極リード、４０…リードフ
レーム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高野 光広 神奈川県横浜市戸塚区戸塚町216番地 株 式会社日立製作所通信システム事業本部内 (72)発明者 桑原 明 神奈川県横浜市戸塚区戸塚町216番地 株 式会社日立製作所通信システム事業本部内 Ｆターム(参考） 2H037 AA01 BA31 2H047 KA03 LA00 LA12 MA05 MA07 QA04 QA05 QA07 TA00 5F041 DC31 EE25 FF14 5F073 BA01 EA07 FA05 FA30 5F088 GA04 JA03 JA14 LA01

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光導波路と光合分波器とが形成された光導
   波路基板と、前記光導波路基板の光入力端側に光結合す
   るように配設された半導体素子と、光出力端側に光結合
   するように配設された光ファイバと、前記光導波路を伝
   播する波長を選択して出力するフィルタと、前記光導波
   路基板を実装するケースとからなる半導体光結合装置に
   おいて、 前記光導波路基板の一部に前記光導波路を切断する溝を
   設け、前記溝に前記フィルタを挿入し、前記ケースの前
   記光導波路基板の取付面に溝を設け、前記光導波路基板
   の溝と前記ケースの溝とが概略一致するように、前記ケ
   ース上に前記光導波路基板を前記ケースの溝以外の部分
   で接合して積層したことを特徴とする半導体光結合装
   置。
2. 【請求項２】光導波路と光合分波器とが形成された光導
   波路基板と、前記光導波路基板の光入力端側に光結合す
   るように配設された半導体素子と、光出力端側に光結合
   するように配設された半導体素子と、光出力端側に光結
   合するように配設された光ファイバと、光導波路を伝播
   する波長を選択するフィルタと、前記光導波路基板を実
   装するケースとからなる半導体光結合装置において、 前記光導波路の途中に前記光導波路を切断する溝を設
   け、前記溝に前記フィルタを挿入し、前記ケースの前記
   光導波路基板の取付面に溝を設け、前記光導波路基板の
   溝と前記ケースの溝とが概略一致するように、前記ケー
   スに前記光導波路基板を前記ケースの溝以外で前記光導
   波路基板底面の約1/2を接合して積層することを特徴と
   する半導体光結合装置。
3. 【請求項３】光導波路と光合分波器が形成された光導波
   路基板と、前記光導波路基板の光入力端側に光結合する
   ように配設された半導体素子と、光出力端側に光結合す
   るように配設された光ファイバと、光導波路を伝播する
   波長を選択するフィルタと、前記光導波路基板を実装す
   るケースからなる半導体光結合装置において、 前記光導波路の途中に前記光導波路を切断する溝を設
   け、前記溝にフィルタを挿入し、前記ケースの前記光導
   波路基板の取付面に溝を設け、前記光導波路基板の溝と
   前記ケースの溝とが概略一致するように、前記ケースの
   溝以外の前記光導波路基板と接触する部分を2種類ある
   いはそれ以上の接合材で接合したことを特徴とする半導
   体光結合装置。