JP2001083372A - 光結合装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】容易な作業で半導体素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

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば光通信の光
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。

【０００２】

【従来の技術】従来、光結合装置として、特開平５−３
７０２４号公報に記載の構造のものがある。

【０００３】特開平５−３７０２４号公報に記載の光結
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。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術には、以下の課題が存在する。

【０００５】すなわち、特開平５−３７０２４号公報に
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。

【０００６】このため、温度変化が生じるとそれぞれの
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。

【０００７】本発明の目的は、容易な作業で半導体素子
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光結合装置を提供することに
ある。

【０００８】

【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、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。

【０００９】このように、半導体素子が搭載される部分
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。

【００１０】また、上記目的を達成するために、本発明
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。

【００１１】このように、レンズを矩形溝に略対角線上
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、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。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面を参
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。

【００１３】本発明の第１の実施例を図１から図３を用
いて説明する。

【００１４】図３に、本実施例による光結合装置の全体
構造の水平断面図を示す。

【００１５】図３において、光結合装置は、半導体発光
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。

【００１６】ケース１１は、箱型形状を備えた例えばセ
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。

【００１７】ホルダ１５は、金属部材であり、ケース１
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。

【００１８】フェルール１９は、光ファイバ１４を内設
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。

【００１９】図１に、本実施例の光結合装置の特徴の１
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。

【００２０】図１において、レーザダイオード１は、シ
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。

【００２１】なお、本実施例で使用したレンズの熱膨張
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。

【００２２】シリコン基板３には、レンズ搭載面７とな
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。

【００２３】レンズ４は、ガラス材料で製作されており
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。

【００２４】なお、レンズ外径が上記の半分の０．７ｍ
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。

【００２５】以上のように構成した本実施形態の作用効
果を以下に説明する。

【００２６】導電性あるいは絶縁性シート膜２を施すこ
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。

【００２７】本発明は、このレンズ４の高さ変化に対し
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。

【００２８】レーザ集光点と光ファイバ１４の位置ずれ
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。

【００２９】これらの結果、温度変化が生じてもレーザ
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。

【００３０】本発明の第２の実施例を図４と図５により
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。

【００３１】図４において、図示していないが、レーザ
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。

【００３２】これにより、レンズ４は矩形溝８及び段差
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。

【００３３】図５は、種々のレンズ搭載構造別にレンズ
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。

【００３４】以上のように構成した本実施例の作用効果
を以下に説明する。

【００３５】レンズ４を矩形溝８及び段差部９に略対角
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。

【００３６】さらに、矩形溝８及び段差部９と接するレ
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。

【００３７】なお、第１の実施例では、半導体素子とし
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。

【００３８】また、第２の実施例では、矩形溝８と段差
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。

【００３９】

【発明の効果】本発明によれば、容易な作業で半導体素
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。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例の光結合装置の要部であ
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。

【図２】温度変化によるレンズの高さ変化を表す水平断
面図である。

【図３】図１に示した光結合装置の全体構造の水平断面
図である。

【図４】本発明の第二の実施例による光結合装置の要部
であるレンズ搭載構造を表す水平断面図である。

【図５】レンズ搭載構造別でのレンズ高さ変化の比較を
表した図である。

【符号の説明】

１…レーザダイオード、２…シート膜、３…シリコン基
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。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 菊池 悟 長野県小諸市柏木190 日立東部セミコン ダクタ株式会社内 (72)発明者 吉田 幸司 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 仲 弘 東京都小平市上水本町五丁目20番１号 株 式会社日立製作所半導体グループ内 Ｆターム(参考） 2H037 AA01 BA03 BA12 DA03 DA04 DA05 DA06 DA12 DA37 5F041 AA09 AA32 EE04 EE12 EE15 FF14 5F088 AA01 BA10 BB01 EA09 JA12 JA14 LA01

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【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。
2. 【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。
3. 【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。
4. 【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。
5. 【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。
6. 【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。