JP2001083372A - 光結合装置 - Google Patents
光結合装置Info
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- JP2001083372A JP2001083372A JP25530999A JP25530999A JP2001083372A JP 2001083372 A JP2001083372 A JP 2001083372A JP 25530999 A JP25530999 A JP 25530999A JP 25530999 A JP25530999 A JP 25530999A JP 2001083372 A JP2001083372 A JP 2001083372A
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Abstract
合させ、温度変化による光出力変動を防止させる。 【解決手段】レーザダイオード1及びフォトダイオード
10と、これらの半導体素子1、10を搭載するシリコ
ン基板3と、半導体素子1、10と光学的に結合されレ
ーザ光を内部伝送する光ファイバ14と、シリコン基板
3に搭載され、半導体素子1、10と光ファイバ14と
を光学的に結合させるレンズ4とを有する光結合装置に
おいて、シリコン基板3は、半導体素子1、10が搭載
される部分に導電性あるいは絶縁性シート膜2を施して
おり、このシート膜2を介してレーザダイオード1がシ
リコン基板3に設置されている。
Description
源に用いられ、レンズを介して半導体素子と光ファイバ
とを光学的に結合させる光結合装置に関する。
7024号公報に記載の構造のものがある。
合装置は、半導体発光素子と光ファイバとの光結合を球
レンズを介して行うものである。すなわち、半導体発光
素子を固定するための位置合せパターンを付けた台形
溝、球レンズを固定するためのV溝が、2枚の半導体ウ
ェハからなる光結合用基板にそれぞれ形成されている。
そして、それら台形溝及びV溝の深さは、半導体発光素
子のレーザ出射部と、球レンズの中心部、及び光ファイ
バのコアの中心部が一致するように、個々の光デバイス
の大きさや形状に応じて設定されている。
来技術には、以下の課題が存在する。
記載の光結合装置は、光結合用基板の台形溝やV溝の深
さを個々に設定し、半導体発光素子のレーザ出射部と、
球レンズの中心部、及び光ファイバのコア中心部を無調
整で一致させるようにしているため、極めて高い精度で
組立てて光結合させる必要がある。そのため、歩留りや
組立てコストの低減が困難となる。また、半導体発光素
子やレンズ及び光ファイバが、台形溝やV溝に対して接
する位置は、それぞれの部材の高さや径によって異な
る。
部材の熱膨張率によって中心軸の位置がわずかに変化す
る場合がある。すなわち、半導体発光素子、レンズ及び
光ファイバ間で高さ方向に位置ずれが起き、それに伴い
ファイバ光出力が変動して安定な光伝送を得ることがで
きなくなる。特に、レンズを使った光結合系の場合、例
えば、半導体発光素子とレンズ間で高さ方向に位置ずれ
が起きると、レンズで集光されたレーザ焦点位置がレン
ズ縦倍率の関係で増大されて位置変化するので、光ファ
イバのコア中心部から集光点が外れてしまい、ファイバ
光出力が大幅に変動することとなる。このように、レン
ズを使った光結合系では、わずかな位置変化でもレンズ
倍率によって集光点が大きく位置変化するので、安定な
光結合状態を維持できる構造が望まれていた。
と光ファイバとを光結合させ、温度変化による光出力変
動を防止することができる光結合装置を提供することに
ある。
に、本発明は、半導体発光素子及び半導体受光素子のう
ち少なくとも一方からなる半導体素子と、この半導体素
子を搭載する基板部材と、前記半導体素子と光学的に結
合されレーザ光を内部伝送する光ファイバと、前記基板
部材に搭載され、前記半導体素子と前記光ファイバとを
光学的に結合させるレンズとを有し、前記半導体素子が
シート膜を介して前記基板部材に取付けられる構成とし
ている。尚、前記シート膜は金属膜による導電性膜ある
いは樹脂系材料膜による絶縁性膜である。さらに、半導
体素子は、基板部材の表面に施されたメタライズ膜を介
して光結合装置の外部端子に接続されている。
に、導線性シート膜あるいは絶縁性シート膜を施すこと
で、温度変化が生じた際にこのシート膜の熱膨張による
膨張・収縮によって、基板部材に搭載した半導体素子の
高さ位置を変化させる。すなわち、同じように温度変化
で高さ位置が変化したレンズの中心位置に対して、半導
体素子のレーザ出射位置を一致させるように、半導体素
子の高さ位置を補正し、半導体素子とレンズ間の相対的
な高さ変化をなくする。これにより、レンズを通ったレ
ーザ集光点の位置ずれ量を最小限に抑えることができ、
半導体素子と光ファイバの安定な光結合状態を維持する
ことができる。また、シート膜は、基板部材の表面に形
成するメタライズ配線のプロセスの追加によって容易に
形成することができ、特殊な設備や困難なプロセス作業
を必要とすることはない。さらに、シート膜の厚さ及び
材質を任意に変えることで、半導体素子の高さ変化量を
適宜設定することができるので、レンズの種類や材質あ
るいは固定位置など、様々な状況に応じて簡単かつ容易
に設定することができる。
は、基板部材のレンズ設置位置に、レンズを位置決めし
保持固定するための略矩形溝を設け、レンズを矩形溝に
対して略対角線上に接して直接固定する構成としてい
る。
に固定することで、従来のようなV溝に固定する場合と
異なり、基板部材の表面付近でレンズを固定することが
できる。これにより、温度変化が生じてもレンズ及び接
着剤の熱膨張によってレンズ中心位置が大幅に位置変化
することはなく、基板部材表面に実装した半導体素子の
レーザ出射部との相対的な高さ変化を低減でき、レンズ
を通ったレーザ集光点の位置ずれ量を最小にできる。
照して説明する。なお、各図においては、煩雑を避ける
ために一部のメタライズ配線やワイヤボンディング及び
接合部分等の図示を適宜省略している。
いて説明する。
構造の水平断面図を示す。
素子としてのレ−ザダイオ−ド1と、半導体受光素子と
してのフォトダイオード10とを備えている。これらレ
ーザダイオード1及びフォトダイオード10は、基板部
材であるシリコン基板3上に搭載されている。また、レ
ーザダイオード1とフォトダイオード10とに、光学的
に結合されレーザ光を内部伝送する光ファイバ14と、
シリコン基板3に搭載されレーザダイオード1とフォト
ダイオード10と光ファイバ14とを光学的に結合させ
るレンズ4とが設けられている。また、レ−ザダイオ−
ド1及びフォトダイオ−ド10と装置外部と電気的に接
続するためのメタライズ配線(図示せず)及びリード端
子(図示せず)と、シリコン基板3を収納するケース1
1とがある。このケース11の内部を外部と遮断し気密
封止するためのキャップ12及び気密ガラス窓13と、
光ファイバ14と光ファイバ被覆17を内設するジルコ
ニアスリーブ16及び金属スリーブ18から構成される
フェルール19と、ケース11一端の側壁に取り付けら
れ、かつフェルール19を保持固定するホルダ15とを
有している。本装置は、レ−ザダイオ−ド1及びフォト
ダイオ−ド10と光ファイバ14との光結合をレンズ4
の単体で行うものである。
ラミックス材で構成されており、リ−ド端子(図示せ
ず)を両側に例えば4本づつ計8本備えている。このケ
ース11の上面には、ケース11内部を外部と遮断する
ためのキャップ12が、またケース11一端の側壁にも
ケース11内部を外部と遮断するための気密ガラス窓1
3が取り付けられている。またこの箱型ケース11の寸
法は、例えば、高さ(図3中紙面に上下方向)が4.6
mm、横幅(図3中紙面に垂直方向)が7.4mm、長
さ(図3中紙面に横方向)が10.0mmとなってい
る。
1にフェルール19を接続させる中継部材の役割を果た
している。
して固定しているジルコニアスリーブ16と、光ファイ
バ被覆17を固定している金属スリーブ18とから構成
されている。このフェルール19の取り付けは、レンズ
4から通ってきたレーザ光を光ファイバ14に入射さ
せ、そのときの光ファイバ14からの出力光が最大とな
るように、ホルダ15とフェルール19を3軸方向に位
置調整した後、金属スリーブ18とホルダ15をレーザ
溶接(図示せず)で固定し、さらにホルダ15をケース
11側壁に同じようにレーザ溶接(図示せず)で固定し
ている。
つであるレーザダイオード1とレンズ4の搭載構造を表
す水平断面図を示す。また図2に、温度変化によるレン
ズ4の位置ずれを表した水平断面図を示す。
リコン基板3の表面6に形成したメタライズ配線(図示
せず)及び金属膜による導電性のシート膜2、あるいは
樹脂系材料膜による絶縁性のシート膜2が施された部分
に搭載されている。レーザダイオード1の搭載位置は、
メタライズ配線(図示せず)及びシート膜2が施された
部分に記したマーカ(図示せず)を目印に、所定位置に
位置決めして搭載される。また、レーザダイオード1
は、ワイヤーボンディング(図示せず)を介して、シリ
コン基板3の表面6のメタライズ配線(図示せず)にそ
れぞれ電気的に接続されている。導電性あるいは絶縁性
のシート膜2は、メタライズ配線(図示せず)を形成す
る蒸着及びスパッタプロセスの一連の作業の中で形成さ
れている。このシート膜2は、例えば本実施例では樹脂
系材料によるシート膜2の場合は厚さを略50μm、あ
るいは金属膜(アルミニウム又は銅等の膜)よるシート
膜2の場合は厚さを略100μmとしている。
係数αは5〜10×10-6/℃で、屈折率1.5〜1.
9のものを用いている。また接着剤として、紫外線硬化
性又は熱硬化性のエポキシ樹脂系のもので、熱膨張率が
30〜100×10-6/℃のものを用いている。更にシ
ート膜として、金属膜としては、熱膨張係数αが17×
10-6/℃の銅、または熱膨張係数αが23×10-6/
℃のアルミニウムを、樹脂系材料膜とした場合はポリイ
ミド、ポリエ−テルイミド、ポリアミドイミド等の材料
を用い、熱膨張係数αが20〜200×10-6/℃のも
のを用いた。
る溝あるいは段差が異方性エッチングによって形成さ
れ、この搭載面7にレンズ4が接着剤5で固定されてい
る。このシリコン基板3は、例えば、レーザダイオード
1の搭載部の厚さ(図3中上下方向)が1.0mm、レ
ンズ搭載面7部分の厚さが0.3mmであり、基板表面
6に搭載されたレーザダイオード1のレーザ出射部とレ
ンズ4の中心が一致するように、外径1.4mmのレン
ズ4が搭載されている。
モールド成形などで加工が施されている。図中では球状
レンズ4を示した説明図となっているが、これに限ら
ず、円筒状のロッドレンズ、あるいは非球面形状のレン
ズを用いた場合でも、同様の構成でレンズ搭載面7にレ
ンズ4を設置する構成とできる。
m程度に小さくするとシート膜2の厚さも、半分の程度
にすることができる。すなわち、樹脂系材料の場合は2
5μm程度であり、金属材料の場合50μm程度とすれ
ばよい。
果を以下に説明する。
とによる作用効果としては、レーザダイオード1が搭載
される部分に、導線性あるいは絶縁性シート膜2を施す
ことで、温度変化が生じた際にこのシート膜2の熱膨張
による膨張・収縮によって、基板部材に搭載したレーザ
ダイオード1の高さ位置を変化させる。すなわち、図2
に示すように、温度変化が生じた場合に、レンズ4及び
接着剤5の熱膨張によってレンズ4の中心位置20が変
化する場合がある。
て、レーザダイオード1のレーザ出射位置を一致させる
ように、シート膜2の膨張・収縮を利用してレーザダイ
オード1の高さ位置を補正して、レーザダイオード1と
レンズ4間の相対的な高さ変化をなくすものである。す
なわち、レンズ4と接着剤5の熱膨張量と、シート膜2
の熱膨張量が略同じとなる材料及び厚みのシート膜を選
定して使用することにより、高さ補正を容易にしたもの
である。これにより、レンズ4を通ったレーザ集光点と
光ファイバ14の位置ずれ量を許容範囲内に抑えること
ができ、レーザダイオード1と光ファイバ14の安定な
光結合状態を維持することができる。
量の許容範囲としては、例えばファイバ出力光の変動を
10%以内に確保するのには±1μm程度の位置ずれ範
囲内であり、上述で示したように、レーザダイオード1
とレンズ4間の相対的な高さ変化をなくすることで実現
できる。また、シート膜2は、シリコン基板3の表面6
に形成するメタライズ配線(図示せず)のプロセスの追
加によって容易に形成することができ、特殊な設備や困
難なプロセス作業を必要とすることはない。さらに、シ
ート膜2の厚さ及び材質を任意に変えることで、レーザ
ダイオード1の高さ変化量を適宜設定することができる
ので、レンズ4の種類や材質あるいは固定位置など、様
々な状況に応じて簡単かつ容易に設定することができ
る。
ダイオード1とレンズ4間の相対的な高さ変化をなくす
ることができ、レーザダイオード1と光ファイバ14の
安定な光結合状態を維持することができる。従って、従
来構造のように、高さや径が異なった部材で光結合を行
う場合でも、シート膜2をシリコン基板3に所定の厚さ
で形成することで足り、容易な作業でレーザダイオード
1と光ファイバ14とを光結合させ、温度変化による光
出力変動を防止することができる。
説明する。図4には、本実施例の光結合装置の特徴の1
つであるレンズ搭載構造を表す水平断面図を示す。図5
には、種々のレンズ搭載構造によるレンズ高さ変化の比
較を表す図を示す。
ダイオード1は、レーザ出射部とレンズ4の中心位置が
一致するように、シリコン基板3の所定位置に搭載され
ている。シリコン基板3には、レンズ4が保持固定され
る一段の段差9を有する矩形溝8が異方性エッチングで
形成されている。このシリコン基板3は、例えば厚さ
(図中紙面の上下方向)が1.0mmとなっている。ま
た、矩形溝8は、例えばレンズ外径が1.5mmの場
合、深さ(図中紙面の上下方向)が0.8mm、幅(図
中紙面の横方向)が1.51mmとなっており、溝幅が
レンズ4外径より若干大きめに形成されている。矩形溝
8中の段差部9は、例えば深さが0.27mm、幅が
0.05mmとなっており、レンズ4は、矩形溝8の段
差部9に接して保持され、段差部9に接着剤5が充填さ
れて固定されている。
部9に対してレンズ4の対角線上に近い格好で接して固
定される。矩形溝8及び段差部9の形成は、異方性エッ
チングで行っており、まず段差部9の深さまでエッチン
グ形成した後、マスキングを施しさらに矩形溝8の深さ
までエッチングする方法で形成されている。これによ
り、シリコン基板3の表面6に搭載したレーザダイオー
ド1のレーザ出射部位置と矩形溝8に設置したレンズ4
中心位置とをほぼ一致させている。
高さの変化量を比較した図であり、筆者らが実測で確認
した結果である。レンズ4の搭載構造を、平坦部にレン
ズ4を接着剤5で固定した場合(図1と同様)、V溝に
レンズを接着固定した場合(従来技術と同様)、矩形溝
8にレンズ4を接着剤5で固定した場合(図4に示した
構造)、の3つの搭載構造について、それぞれ室温から
85度まで加熱したときのレンズ4中心の位置ずれを測
定した結果である。85度までの加熱は、光結合装置の
使用環境温度の仕様から決めた条件である。図5によれ
ば、平坦部にレンズ4を固定したときのレンズ4中心の
位置ずれ量を1.0とした相対値で表しており、V溝に
固定した場合は0.7、矩形溝の場合は0.2と、矩形
溝8にレンズ4を固定することでレンズ4中心の位置ず
れを少なくできることが確認できている。
を以下に説明する。
線上に固定することで、従来のようなV溝に固定する場
合と異なり、シリコン基板3の表面6付近でレンズ4中
心を固定することができる。これにより、温度変化が生
じてもレンズ4及び接着剤5の熱膨張によってレンズ4
中心位置が大幅に位置変化することはなく、シリコン基
板3表面6に実装したレーザダイオード1のレーザ出射
部との相対的な高さ変化を低減でき、レンズ4を通った
レーザ集光点の位置ずれ量を最小にできる。また、矩形
溝8及び段差部9を異方性エッチングで形成すること
で、溝幅や段差を精度良く形成することができ、矩形溝
8及び段差部9にレンズ4を設置することで、レーザダ
イオード1のレーザ出射位置とレンズ4の中心位置を無
調整で一致させることができ、またレンズ4固定後の温
度変化による高さずれもなくすることができる。
ンズ4の位置を、レンズ4中心に対して成す角度を、従
来のような異方性エッチングで形成したV溝に搭載され
る角度よりも大きくすることで、レンズ4及び接着剤5
の熱膨張で変化するレンズ4中心の位置ずれを最小限に
抑えることができる。つまり、レンズ4中心に対して成
す角度を、140度から180度の範囲とすることで、
レンズ4を通ったレーザ集光点位置と光ファイバ14の
コア中心位置の相対的な位置ずれを許容範囲内に収める
ことができる。これらの結果、レーザダイオード1と光
ファイバ14の安定な光結合状態の維持、及び温度変化
による光出力変動を防止することができる。
てレーザダイオード1とフォトダイオード10との両方
を備えている光結合装置を例にとって説明してきたが、
これに限られず、いずれか一方のみを備えている光結合
装置にも適用でき、同様の効果を得る。
部9の異方性エッチングによる形成手順について示した
が、これに限られるものではなく、手順を入れ替えても
あるいは他の方法で形成しても障害はないく、これらの
場合も同様の効果を得るさらに、第2の実施例では、段
差部9の形状について記しているが、これに限られるも
のではなく、第2の実施例でも記しているように、レン
ズ4と接する角度が140度から180度の範囲内にな
るような段差部9の形状寸法に設定すればよく、これら
の場合も同様の効果を得る。
子と光ファイバとを光結合させ、温度変化による光出力
変動を防止することができる。
る半導体素子及びレンズ搭載構造を表す水平断面図であ
る。
面図である。
図である。
であるレンズ搭載構造を表す水平断面図である。
表した図である。
板、4…レンズ、5…接着剤、6…基板表面、7…レン
ズ搭載面、8…矩形溝、9…段差部、10…フォトダイ
オード、11…ケース、12…キャップ、13…気密ガ
ラス窓、14…光ファイバ、15…ホルダ、16…ジル
コニアスリーブ、17…光ファイバ被覆、18…金属ス
リーブ、19…フェルール、20…レンズ中心。
Claims (6)
- 【請求項1】半導体発光素子及び半導体受光素子のうち
少なくとも一方からなる半導体素子と、前記半導体素子
を搭載する基板部材と、前記半導体素子と光学的に結合
されレーザ光を内部伝送する光ファイバと、前記基板部
材に搭載され、前記半導体素子と前記光ファイバとを光
学的に結合させるレンズとを有する光結合装置におい
て、 前記半導体素子を前記基板部材にシート膜を介して搭載
したことを特徴とする光結合装置。 - 【請求項2】半導体発光素子及び半導体受光素子のうち
少なくとも一方からなる半導体素子と、この半導体素子
を搭載する基板部材と、前記半導体素子と光学的に結合
されレーザ光を内部伝送する光ファイバと、前記基板部
材に搭載され、前記半導体素子と前記光ファイバとを光
学的に結合させるレンズとを有する光結合装置におい
て、 前記基板部材は、前記レンズを位置決めし保持固定する
ための略矩形溝を有し、前記レンズは、前記矩形溝に対
して略対角線上に接して直接固定されていることを特徴
とする光結合装置。 - 【請求項3】請求項2記載の光結合装置において、前記
半導体素子はシート膜を介して前記基板部材に搭載され
ていることを特徴とする光結合装置。 - 【請求項4】請求項2記載の光結合装置において、前記
矩形溝は、異方性エッチングで形成されており、溝の深
さ方向に少なくとも1段の段差を備えていることを特徴
とする光結合装置。 - 【請求項5】請求項2記載の光結合装置において、前記
レンズは、前記矩形溝と接する位置が、レンズの中心に
対して成す角度が140度から180度の範囲内である
ことを特徴とする光結合装置。 - 【請求項6】半導体発光素子及び半導体受光素子のうち
少なくとも一方からなる半導体素子と、この半導体素子
を搭載する基板部材と、前記半導体素子と光学的に結合
されレーザ光を内部伝送する光ファイバと、前記基板部
材に搭載され、前記半導体素子と前記光ファイバとを光
学的に結合させるレンズとを有する光結合装置におい
て、 前記半導体素子はシート膜を介して前記基板部材に取り
付けられ、前記基板部材に前記レンズを位置決めし保持
固定するための略矩形溝を設け、前記レンズは、前記矩
形溝に対して略対角線上に接して直接固定されているこ
とを特徴とする光結合装置。
Priority Applications (1)
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JP25530999A JP3720650B2 (ja) | 1999-09-09 | 1999-09-09 | 光結合装置 |
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