JP2002116355A - 光半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】温度変化が生じても光半導体素子と光ファイバ
の光結合を安定させて行うことができるとともに、半導
体素子の温度調整を精度良く行え、かつ組立てを容易に
行うことができるようにする。 【解決手段】光ファイバ６は、レーザダイオード１２と
光結合するように配置されたレンズ付き光アイソレータ
３の一端に接続され、このレンズ付き光アイソレータ３
は、レーザダイオード１２と光ファイバ６が光結合する
ように基板部材１４に接合固定されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光半導体素子と光
ファイバとを光学的に結合させる光半導体装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の光半導体装置は、特開平７−４３
６４１号公報に開示されているように、半導体レーザか
ら出射された光をコリメート光にするレンズと、光アイ
ソレータと、この光アイソレータを通過した光を光ファ
イバに集光するレンズとを、この順に筐体内に固定し、
このレンズ付き光アイソレータを、半導体レーザを内部
に設置したパッケージに固定し、半導体レーザと光ファ
イバの結合効率が高くなるように位置を調整して固定し
ている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】特開平７−４３６４１
号公報に記載の光半導体装置は、レンズ付き光アイソレ
ータが光半導体素子を搭載する基板と分離されて配置さ
れているので、ケースの熱変形による微小な位置ずれや
角度ずれによって光結合変化が起き、安定な光結合を行
うことができないという問題がある。この問題を解決す
る方法として、光半導体素子を搭載している基板にレン
ズ付き光アイソレータを一緒に搭載する方法が考えられ
る。

【０００４】しかしながら、レンズ付き光アイソレータ
を通じて外部から搭載基板に熱が流入することになるの
で、光半導体素子の温度調整を精度良く行うことができ
ないという新たな問題が起き、いずれの方法でも安定な
光結合を得ることができない。また、パッケージ内の気
密封止は、パッケージにレンズ付き光アイソレータが接
合される部分で確保する必要があり、同時にこの接合部
分は光半導体素子と光軸調整を行うために、ある程度の
調整代が確保されなければならず、気密封止と光軸調整
の両者を兼ねる接合方法が困難となる問題がある。

【０００５】そして、本発明は上記の課題のうち少なく
とも１つを解決するためになされたものである。

【０００６】本発明の目的は、温度変化が生じても光半
導体素子と光ファイバの光結合を安定させて行うことが
できるとともに、半導体素子の温度調整を精度良く行
え、かつ組立てが容易な光半導体装置を提供することに
ある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題は、光半導体素
子と光ファイバとが光結合するように、光半導体素子が
搭載される基板に、レンズ付き光アイソレータと光ファ
イバとを一体化させて設置し、光半導体素子搭載基板と
ケースの間を光ファイバ芯線で接続することで解決され
る。また、光半導体素子と光ファイバの光結合接合部
と、ケース内の気密封止接合部を分離することで解決さ
れる。

【０００８】これにより、光半導体素子と光ファイバ間
で、ケースの熱変形による微小な位置ずれや角度ずれに
よって光結合変化が起きないので、安定な光結合を行う
ことができる。また、石英材料からなる光ファイバは熱
伝導率が小さいので、光ファイバ芯線を通じて光半導体
素子を搭載した基板に流入する熱は無視できる程度であ
り、光半導体素子の温度調整を精度良く行うことができ
る。さらに、光半導体素子と光ファイバの光結合接合部
と、ケース内の気密封止接合部を分離できるので、各々
の目的に適した接合形状及び接合方法を選択でき、組立
て性に優れた光半導体装置とすることができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図１〜図
３により説明する。なお、各図においては、煩雑を避け
るために一部の部品や接着固定材等の図示を適宜省略し
ている。

【００１０】図１に本発明を適用した第１の実施例の光
半導体装置を表す縦断面図を示す。

【００１１】図１において、光半導体装置は、半導体発
光素子としてのレーザダイオード１２と、半導体受光素
子としてのフォトダイオード１３と、レーザダイオード
１２から出射したレーザ光を集光させるレンズ１とレー
ザ光の反射を防ぐ光アイソレータ７とを一体化させたレ
ンズ付き光アイソレータ３と、レーザダイオード１２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６
と、この光ファイバ６を保持固定するガイド５と、これ
ら光結合に関連する部材を搭載する基板部材１４と、こ
の基板部材１４を上面に取り付けているペルチェ素子と
してのクーラ素子１５とからなる。なお、基板部材１４
にはレンズ付き光アイソレータ３を接続固定するレンズ
固定板２１が取り付けられており、また光アイソレータ
７の一端には、光ファイバ保持固定ガイド５を接続させ
るスリーブ４が装着されている。レンズ付き光アイソレ
ータ３とレンズ固定板２１の接続は、レーザ溶接（図示
せず）で行っている。

【００１２】基板部材１４上には、レーザダイオード１
２及びフォトダイオード１３を装置外部に電気的に接続
するためのメタライズパターン（図示せず）及びワイヤ
ボンディング（図示せず）が形成されている。また、基
板部材１４及びクーラ素子１５を実装し収納するケース
１６は、側壁を構成する外枠部分と底面を構成するベー
ス１７部分とからなり、ケース１６内部を外部から保護
するキャップ１８と、光ファイバ６芯線が通される貫通
孔２６が設けられている。この貫通孔２６の部分に光フ
ァイバガイド２０がホルダ１９を介して接続固定されて
いる。レーザダイオード１２と光ファイバ６の光結合
は、レンズ１と光アイソレータ７を介して行うものであ
る。

【００１３】ケース１６は、箱型形状の金属外枠体とセ
ラミックス端子台（図示せず）とベース１７とで構成さ
れており、セラミックス端子台部分にリード端子(図示
せず)が例えば両側に７本ずつ計１４本備えているバタ
フライ型のケースである。このケース１６の上面にはケ
ース１６内部を外部と遮断するためのキャップ１８が抵
抗溶接により接合され、またケース１６側面には光ファ
イバ６芯線を通すための貫通孔２６を配し、この部分に
光ファイバガイド２０がホルダ１９を介してレーザ溶接
接合（図示せず）により固定されている。これらの溶接
接合によってケース１６内部を気密封止している。ベー
ス１７は箱型形状の金属枠体から突出した部分にネジ止
め用の孔（図示せず）が形成されている。このネジ孔を
使って放熱性に優れたヒートシンクや放熱フィンに光半
導体装置が取り付けられる。なお、本実施例では、ケー
ス１６の寸法は、例えば、高さ（図１中紙面に上下方
向）が６.５mm、横幅（図１中紙面の垂直方向）が１２.
７mm、長さ（図１中紙面の横方向）が２１.０mmとして
いる。ベース１７の厚さは例えば１.０mmである。

【００１４】基板部材１４は、例えば銅とタングステン
からなる合金材料であり、その上面にレーザダイオード
１２，フォトダイオード１３，温度検出用のチップサー
ミスタ（図示せず），メタライズパターン基板（図示せ
ず）が搭載されている。レーザダイオード１２が搭載さ
れる部分には、レンズ１が設置される孔付きのレンズ固
定板２１がＡｇろう付け（図示せず）で固定されてい
る。クーラ素子１５は、ベース１７を介して基板部材１
４を取り付けており、レーザダイオード１２が動作した
時の発熱をサーミスタで感知して冷却し、レーザダイオ
ード１２を適正温度に制御している。クーラ素子１５の
接続は、はんだ及び接着剤（図示せず）で行っている。

【００１５】レンズ付き光アイソレータ３は、図２に示
すように、レンズ１と光アイソレータ７とファイバ保持
固定ガイド５が一体化接続されて構成されている。レン
ズ１はレンズガイド２で保持固定され、内部に光アイソ
レータ７を備えた円筒パイプ２５の端面に接続されてい
る。他方の端面には、光ファイバ保持固定ガイド５がス
リーブ４を介して接続されている。光ファイバ保持固定
ガイド５には、光ファイバ６を挿入する貫通孔１１が形
成されている。貫通孔１１の直径は、例えば１２６±１
μｍである。この貫通孔１１の中心軸とレンズ１の中心
軸とは、あらかじめ一致するようにレンズ付き光アイソ
レータ３を組立てる時に配置されて取り付けられてい
る。光アイソレータ７は、偏光子８とファラデー回転子
９と検光子１０とマグネット（図示せず）から構成され
ており、これらが円筒パイプ２５内に設置されている。
レンズガイド２，円筒パイプ２５，スリーブ４及びファ
イバ保持固定ガイド５はそれぞれレーザ溶接及び接着樹
脂（図示せず）にて接続固定されている。なお、本実施
例では、レンズ付き光アイソレータ３の寸法は、全長が
約５.５〜６.０mm、光アイソレータ７部の直径が約φ
３.０mm としており、ケース１６内に収納できる形状と
している。

【００１６】光ファイバ６は、レンズ付き光アイソレー
タ３の一端に取り付けられたファイバ保持固定ガイド５
に装着され固定される。ケース１６に内設される光ファ
イバ６は芯線状態で、ケース１６側面の貫通孔２６を通
して外部から挿入され、ファイバ保持固定ガイド５に装
着固定される。光ファイバガイド２０は、ケース１６側
面にホルダ１９を介してレーザ溶接にて全周囲を隙間な
く接続固定され、これによりケース１６内の気密封止を
とっている。光ファイバ保持固定ガイド５に装着される
までの光ファイバ６の長さ調整は、光ファイバガイド２
０をホルダ１９内でスライドさせることで行っている。

【００１７】本実施例の光半導体装置の組立て方法につ
いて説明する。まず、基板部材１４上面の所定位置にレ
ーザダイオード１２及びフォトダイオード１３を接合す
る。次に、あらかじめレンズ１とファイバ保持固定ガイ
ド５の貫通孔１１の中心軸を一致させて形成したレンズ
付き光アイソレータ３のファイバ保持固定ガイド５の貫
通孔１１に、レーザダイオード１２から出射してレーザ
光を受光するためのダミーの光ファイバを装着させる。
この光ファイバを装着したレンズ付き光アイソレータ３
を、基板部材１４のレンズ固定板２１に設置し、レーザ
ダイオード１２から出射したレーザ光を光ファイバで受
光するように、レンズ付き光アイソレータ３を調整す
る。光結合効率が最大となる位置に調整した後、レンズ
付き光アイソレータ３をレンズ固定板２１にレーザ溶接
にて固定する。この状態でダミーの光ファイバは取り外
される。レンズ付き光アイソレータ３を装着した基板部
材１４をクーラ素子１５の上面に接合する。

【００１８】次に、クーラ素子１５の下面をベース１７
に設置し、所定位置に位置合わせた状態で接合する。レ
ーザダイオード１２からのレーザ光を受光する光入射側
の光ファイバ６は、芯線状態であり、ケース１６側面の
貫通孔２６内を通して、光ファイバ６先端部分を、レン
ズ付き光アイソレータ３に取り付けたファイバ保持固定
ガイドの貫通孔１１に装着させる。この状態で、レーザ
ダイオード１２と光ファイバ６の光結合が再現される。
つまり、あらかじめダミーの光ファイバを使用してレー
ザダイオード１２との光結合を行っているため、公差の
小さい貫通孔１１に光ファイバ６を挿入するだけで光結
合が再現される。この状態で、光ファイバ６を貫通孔１
１内に接着剤あるいははんだを使用して接続固定する。
同時に、ケース１６側面に光ファイバガイド２０をレー
ザ溶接にて接続固定する。このとき、光ファイバ６先端
側に外力を加えないように接合する必要があり、ホルダ
１９と光ファイバガイド２０を３軸方向に微調整しなが
ら接合固定している。ケース１６内の気密封止はレーザ
溶接のスポット点を重ねながらホルダ１９及びファイバ
ガイド２０の接合部の全周囲を溶接して行っている。そ
の後、ケース１６内部を窒素雰囲気あるいはドライエア
雰囲気状態にしてキャップ１８を抵抗溶接し気密封止を
行って組立てが完了される。

【００１９】このように、レーザダイオード１２が搭載
される基板部材１４に、レンズ付き光アイソレータ３と
光ファイバ６とを一体化するように設置し、基板部材１
４とケース１６の間を光ファイバ６芯線で接続すること
により、レーザダイオード１２と光ファイバ６間の光結
合部を同一部材上に搭載することができるため、ケース
１６の熱変形による微小な位置ずれや角度ずれによって
光結合変化が起きないので、安定な光結合を行うことが
できる。また、光ファイバ６芯線を通じて光レーザダイ
オード１２を搭載した基板部材１４に外部から流入する
熱を抑えられるので、レーザダイオード１２の温度調整
を精度良く行うことができるとともに、安定なレーザ発
振を得ることができる。さらに、レーザダイオード１２
と光ファイバ６の光結合接合部と、ケース１６とファイ
バガイド２０気密封止接合部とを分離しているため、各
々の目的に適した接合形状及び接合方法を選択すること
ができ、組立て性に優れた光半導体装置とすることがで
きる。また、レンズ付き光アイソレータ３に光ファイバ
６を取り付けて光結合を行う構造としているため、容易
かつ簡単に光半導体装置を構成することができる。ま
た、あらかじめ光結合を行った状態でケース１６内に収
納できるので、ケース１６内で行う実装プロセスを最小
必要数にでき、特殊な設備の必要がなくなる。

【００２０】次に、本発明の第２の実施例の光半導体装
置を表す縦断面図を図３に示す。

【００２１】図３において、図１に示した光半導体装置
の構造と異なっている点は、全体の形状が円筒型で、円
筒型ステム２２に搭載したレーザダイオード１２と光フ
ァイバ６とが光結合するように、レンズ付き光アイソレ
ータ３を設置して構成しているところである。円筒型ス
テム２２には、レーザダイオード１２が設置されてお
り、この円筒型ステム２２とレンズ付き光アイソレータ
３とを接続するためのパイプ２４を備えている。パイプ
２４の端面には、レンズ付き光アイソレータ３が設置さ
れ、レンズ１と光アイソレータ７を介してレーザダイオ
ード１２と光ファイバ６とが光結合するように接合固定
されている。この部分の接合は、レーザダイオード１２
を外部から保護するため、全周囲をレーザ溶接（図示せ
ず）で行っている。また、レーザダイオード１２の気密
封止をとるため、レンズ１とレンズホルダ２，レンズホ
ルダ２と光アイソレータ７の円筒パイプ２５とは、すき
間なく接合されている。レンズ付き光アイソレータ３
は、前述で示したように、光ファイバ保持固定ガイド５
の貫通孔１１の中心軸とレンズ１の中心軸とは、あらか
じめ一致するように配置されて取り付けられている。

【００２２】この光半導体装置の組立て方法は、まず円
筒状ステム２２の所定位置にレーザダイオード１２が搭
載され、同時にパイプ２４もステム周囲に設置される。
次に、あらかじめレンズ１と光ファイバ６の光軸を一致
させたレンズ付き光アイソレータ３をパイプ２４端面に
設置し、レーザダイオード１２から出射するレーザ光を
光ファイバ６で受光するように、このレンズ付き光アイ
ソレータ３を調整する。その後、光結合効率が最大とな
る位置にレンズ付き光アイソレータ３をレーザ溶接（図
示せず）し接合固定する。図１で示した光半導体装置の
組立て方法と異なる点は、ダミーの光ファイバ６を使う
必要はなく、あらかじめファイバ保持固定ガイド５に光
ファイバ６を取り付けているところである。

【００２３】これにより、まずあらかじめレンズ付き光
アイソレータ３に光ファイバ６を装着させておくこと
で、組立てを簡易化でき、安価な光半導体装置とするこ
とができる。また、パイプ２４を介してレーザダイオー
ド１２と光ファイバ６とを一体化する光結合構造として
いるため、光結合の光軸がパイプ２４の中心軸と一致し
ており、パイプ２４の熱変形による位置ずれを最小量と
することができ、安定な光結合状態を維持することがで
きる。

【００２４】なお、上記実施例においては、レーザダイ
オード１２とフォトダイオード１３の両方を備えている
光半導体装置を例にとって説明してきたが、これに限ら
ず、いずれか一方のみを備えている光半導体装置にも適
用でき、同様の効果を得る。

【００２５】また、上記実施例においては、ケース１６
内の気密封止を抵抗溶接あるいはレーザ溶接で行う方法
で示したが、これに限らず、ケース１６内を気密封止で
きる方法であれば他の方法を用いても良く、例えばはん
だ等のろう材や接着剤、あるいはかしめ等による締結方
式によっても同様の効果を得ることができる。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、温度変化が生じても光
半導体素子と光ファイバの光結合を安定させて行うこと
ができるとともに、半導体素子の温度調整を精度良く行
え、かつ組立てが容易な光半導体装置が提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態による光半導体装置の構造を
表す縦断面図である。

【図２】レンズ付き光アイソレータの構造を表す縦断面
図である。

【図３】本発明の別の実施形態による光半導体装置の構
造を表す縦断面図である。

【符号の説明】

１…レンズ（非球面レンズ）、２…レンズガイド、３…
レンズ付き光アイソレータ、４…スリーブ、５…光ファ
イバ保持固定ガイド、６…光ファイバ、７…光アイソレ
ータ、８…偏光子、９…ファラデー回転子、１０…検光
子、１１…光ファイバ挿入孔、１２…レーザダイオード
（半導体発光素子）、１３…フォトダイオード（半導体
受光素子）、１４…基板部材、１５…クーラ素子(ペル
チェ素子)、１６…ケース（金属枠体）、１７…ベー
ス、１８…キャップ、１９…ホルダ、２０…ファイバガ
イド、２１…レンズ固定板、２２…ステム、２３…リー
ド端子、２４…パイプ、２５…円筒パイプ、２６…貫通
孔。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大槻 昌徳 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事業部内 (72)発明者 山下 武 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事業部内 (72)発明者 ▲来▼野 英之 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事業部内 (72)発明者 嶋岡 誠 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 Ｆターム(参考） 2H037 AA01 BA03 DA04 DA05 DA06 DA15 DA35 2H099 AA01 BA01 CA11 5F073 AB27 AB28 AB30 EA15 FA02 FA07 FA08 FA23 FA25 GA23

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光半導体素子と、この光半導体素子と光学
   的に結合されレーザ光を内部伝送する光ファイバと、前
   記光半導体素子を搭載する基板部材と、この基板部材と
   前記光ファイバとを収納保持するケースとを有する光半
   導体装置において、前記光ファイバは、前記光半導体素
   子と光結合するように配置されたレンズ付き光アイソレ
   ータの一端に接続され、このレンズ付き光アイソレータ
   は、前記半導体素子と前記光ファイバとが光結合するよ
   うに前記基板部材に接合固定されていることを特徴とす
   る光半導体装置。