JP2003262766A - 光結合装置 - Google Patents
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Abstract
体発光素子と光ファイバの光結合を安定に保ち、トラッ
キングエラーを満足する。 【解決手段】光アイソレータ9と光ファイバ15をパッ
ケージ6側面のパイプ8内に配置し、光ファイバ15の
先端をパッケージ6側面の内外面から3.0mm以内の
範囲で設置すること、レーザダイオード1から光ファイ
バ15先端までの距離を3.5〜7.5mmの範囲とす
ること、パッケージ6の内側面からペルチェ素子5まで
の距離を6.0mm以内の範囲とすること、パッケージ
6の端子基板19に施したメタライズパターン膜30と
ペルチェ素子5とがワイヤボンディング24を介して接
続し、その接続位置がパッケージ6の端子基板19に備
えたリード端子18のうちペルチェ素子5に対応するリ
ード端子18よりも光ファイバ15側に設置する。
Description
光ファイバとが光学的に結合する光結合装置に係り、特
に光結合を1枚のレンズで行う単レンズ光結合装置に関
するものである。
146号公報に開示されているように、レンズを介して
半導体レーザからの出射光を光ファイバ端面に入射する
もので、1枚のレンズで半導体レーザと光ファイバの光
結合を行うものである。半導体レーザとレンズ及び受光
素子は、光軸に対して平行な方向の両側部に厚肉部を有
する基板の上に搭載して光軸方向の変更を抑制すること
により光軸ずれを低減する構造か記載されている。
11−330564号公報に、1枚のレンズで光半導体
素子と光ファイバの光結合を行うものが開示されてい
る。光半導体素子とレンズはブロック上に搭載され、ブ
ロックはヒートシンク上に設置されてパッケージにより
囲まれている。光ファイバは、パッケージ側面に設けら
れた筒状の光ファイバ固定部に挿通するように固定され
ている。光通信機器を取付ける際にヒートシンクをねじ
止めする際のヒートシンクの熱膨張によるパッケージの
変形による光軸ずれを防止するために、パッケージ本体
に変形可能な固定部材が連結されている。また、特開2
001−284699号公報には、2枚のレンズを使っ
て半導体レーザと光ファイバの光結合を行っている形態
に関しては、半導体レーザと第1レンズはベース上に搭
載され、ペルチェ素子を介してパッケージの底板に設置
される。パッケージの周壁には、取付け円筒がパッケー
ジ内外に突出して設けられており、円筒内部と端部に第
2レンズと光ファイバがそれぞれ設置される。
レンズの光結合装置ようにベースなどの周囲の熱変形の
影響を敏感に受ける形態において、長寿命化または長距
離光送信に適応することを考えると、公知例の構造では
十分でないことを見出した。
温までの温度範囲において光結合の安定性に関する光結
合温度特性(以下、トラッキングエラーと呼ぶ)は、主
に光結合装置の動作温度が変化することによって熱変形
が起こり、それによって半導体発光素子と光ファイバの
光結合状態が変化することで生じる。
4699号公報は、2枚のレンズを使って熱変形による
光結合変化を抑制した共焦点光学系を採用したものであ
る。共焦点光学系は、光結合変化に及ぼす位置ずれの許
容量が2枚のレンズ間で広くなる特長を持つ。上記の光
結合装置はこの特長を活かしており、熱変形が起きても
光結合変化が少なく、トラッキングエラーの仕様を満足
し易くしたものである。しかしながら、レンズを2枚使
う共焦点光学系は、部品数量と組立て工数が増えること
になるため、コストが増加する傾向にあった。
減を図るには、レンズを1枚使って光結合を行う方が有
利である。しかしながら、1枚レンズの光結合系では、
共焦点光学系のような位置ずれ許容量の広い部分がない
ため、わずかな熱変形によって光結合変化が生じてしま
う。このため、1枚レンズ光学系の光結合装置は、共焦
点光学系の部材構成よりもさらに熱膨張率の差を小さく
して熱変形を抑制する部材構成を採る必要がある。しか
し、熱膨張率の異なった複数の材質で装置が構成されて
いるため、熱変形を完全に無くすることは特殊な材質や
部材で構成しない限り困難である。特殊な部材で構成し
た場合にはコストが増加することになるため、1枚レン
ズによるコスト低減の効果が失われてしまう。
11−330564号公報の形態は、容器のいわゆるベ
ース部の長さに対してかなりの長さを占めており、ベー
ス部の変形による影響を受けやすい形態であることがわ
かった。このため、トラッキングエラーを十分低減する
ことはできないと考えた。また、加えて、特開平11−
330564号公報はペルチェ素子を搭載していないの
で、ペルチェ素子による温度制御が行えない。このた
め、温度変化が生じた場合、ブロックの熱膨張及び熱変
形によって、半導体発光素子とレンズ間で高さ方向に位
置ずれが更に大きく生じ、光ファイバへ集光するレーザ
光の位置が大きく変化し、トラッキングエラー仕様を満
足することが困難となる。
決することができる光結合装置を提供するものである。
ンズの光結合装置ようにベースなどの周囲の熱変形の影
響を敏感に受ける形態であっても、長寿命化または長距
離光送信に適用できる構造をとることにより達成でき
る。
る形態とし、例えば、温度範囲が-20℃から75℃で、光
結合変動が±0.5dB以内を低コストで達成することがで
きるものである。
きる。 (1)ベースと、前記ベースに設置された温度制御素子
と、前記温度制御素子に設置され、半導体発光素子と前
記半導体発光素子からの光が拡散されつつ導入されるレ
ンズを搭載した基板部材と、前記ベースに設置された容
器壁部に形成され、容器壁部を貫通して壁厚より長い壁
面部を有する貫通孔部と、前記貫通孔部に連絡され、前
記レンズからの集束光が導入される光ファイバとを有し
た光結合装置において、前記発光素子と前記光ファイバ
とを結ぶ方向の前記基板部材の長さは、前記基板部材の
前記容器壁で挟まれるベースの長さに対して0.1以上
0.25以下の範囲にある。 (2)(1)において、前記貫通孔部に連絡し前記光フ
ァイバの端部より前記レンズ側に前記収束光が導入され
る光アイソレータを備え、前記光アイソレータと前記光
ファイバの少なくとも一部は前記貫通孔部のうち前記容
器壁で囲まれた領域に配置され、前記光ファイバの端部
は前記発光素子と前記光ファイバを結ぶ方向の前記容器
壁の外側面或いは内側面から前記容器壁の厚さの3倍以
内の位置に配置される。または、壁の外側面或いは内側
面から3.0mm以内の範囲で配置されている。 (3)(1)或いは(2)において、前記光ファイバの
端部は前記発光素子から前記レンズ厚さに対して3.5
倍以上12.5倍以内の範囲の位置に形成される。また
は、前記発光素子から3.5〜7.5mmの範囲で配置
されている。 (4)(1)〜(3)において、前記温度制御素子は前
記容器壁の内側壁から前記温度制御素子の前記発光素子
と前記光ファイバを結ぶ方向における6.0mm以内の
範囲で配置される。 (5)光結合装置において、前記容壁に配線層を施した
端子基板と前記配線層に連絡するリード端子が備えら
れ、前記端子基板に前記温度制御素子がワイヤを介して
電気的に接続され、前記接続部は前記温度制御素子と対
応するリード端子よりも光ファイバ側に設置される。 (6)光結合装置において、前記容壁に配線層を施した
端子基板と前記配線層に連絡するリード端子が備えら
れ、前記基板部材はサーミスタを搭載し、前記サーミス
タはワイヤを介して前記端子基板の配線層に電気的に接
続され、前記温度制御素子がワイヤを介して前記端子基
板の配線層に電気的に接続され、前記サーミスタに対応
する前記端子基板上の前記配線層の長さは前記温度制御
素子に対応する前記端子基板上の前記配線層の長さより
も短く形成されている。 (7)光結合装置において、前記容壁に配線層を施した
端子基板と前記配線層に連絡するリード端子を備え、前
記配線層はワイヤを介して電気的に接続される配線層を
備えた中継基板を備え、前記中継基板の配線層とワイヤ
を介して前記発光素子を搭載する前記基板部材に電気的
に接続され、前記発光素子は前記発光素子に対応するリ
ード端子より光ファイバ側に設置されている。
もなう熱変形や反り変形が起きても、半導体発光素子と
光ファイバ間の光結合変化を抑制することができ、熱変
形や反り変形が起きた場合であってもトラッキングエラ
ーの仕様を満足することができる。すなわち、温度変化
によるベースの反り変形が起きても温度制御素子を介し
て搭載している基板部材の長さをベースの長さに対して
0.1以上0.25以下の範囲内とすることで、基板部
材に搭載しているレンズから出射するレーザ光の進行方
向の変動を抑制することができる。また、熱変形によっ
て容器壁部はベースとの接続位置を支点に容器内側に倒
れ込むように変形を起こすため、アイソレータの一部あ
るいは光ファイバの先端を、貫通孔部の容器壁部で囲ま
れた所定の領域内に配置することで、光ファイバ先端の
位置ずれを少なくすることができる。さらに、ベースの
熱変形は、容器壁が変形を抑制するように働くため、容
器壁に近いほど小さくなる。このため、半導体発光素子
とレンズを搭載した温度制御素子材を、容器壁部に所定
の範囲内に近づけて設置することで、温度制御素子上に
搭載している基板部材の変形を小さくすることができ、
その変形によってレンズから出射されるレーザ光の位置
ずれを抑制することができる。これらのように、光ファ
イバ先端の位置ずれとレンズからの出射光の位置ずれを
抑制する構造と部品配置を採ることにより、特殊な部材
構成でなくても、熱変形による光結合変化を少なく抑え
ることができ、1枚レンズ光学系の光結合装置であって
もトラッキングエラー仕様を満足することができる。
壁部に入れ込む構造となるので、容器壁部から外部に突
出する光ファイバの突出量を少なくできる。これによ
り、光結合装置の全体形状を小さくでき、実装基板への
高密度化実装を行うことができる。
基板とワイヤで電気的に接続し、その接続部を温度制御
素子と対応するリード端子よりもファイバ側に設置する
ことで、温度制御素子を挟んで光ファイバ側の反対側に
広い空間スペースを確保することができる。これによ
り、機能向上に向けた拡張ユニットを空間スペースに容
易に配置することができ、大幅な構造変更を行わずに光
結合装置の機能向上を図ることができる。さらに、端子
基板と温度制御素子とを接続するワイヤの長さを最短で
形成できるため、印加電流の増加による発熱量を低減す
ることができ、環境温度の変化があってもワイヤ欠損を
防止できるとともに、温度制御素子を安定に駆動するこ
とによる信頼性の高い光結合装置を実現できる。さら
に、半導体発光素子と光ファイバの光結合を1枚のレン
ズで行う構成であるため、部品数量を低減できるととも
に、容易な組立てを実現することができる。
図5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の図示を適宜省略している。な
お、本発明は以下の実施例の形態に限られるものではな
く、他の形態をとることもできる。
合装置の構造を表す縦断面図を、図2に図1の光結合装
置の一部断面構造を表す上面図を示す。
導体発光素子としてのレ−ザダイオ−ド1と、このレー
ザダイオード1の後方出射レーザ光を受光する半導体受
光素子としてのモニタ用のフォトダイオード2と、レー
ザダイオード1の前方出射レーザ光を集光させる非球面
レンズ4と、レーザダイオード1の駆動に合せて温度変
化を監視する温度モニタ用のサーミスタ13と、これら
レーザダイオード1、フォトダイオード2、非球面レン
ズ4、サーミスタ13を搭載する基板部材3と、この基
板部材3を搭載し、ベース7に設置される温度制御用の
ペルチェ素子5とを備え、これらの基板部材3やペルチ
ェ素子5を収納する容器は、外枠からなるパッケージ6
と、底面からなるベース7と、パッケージ6の上面に取
り付けるキャップ26とで構成しており、パッケージ6
の側面に設けたパイプ8に、ガイド部材10を介して、
非球面レンズ4によって集光されたレーザ光を導入する
反射防止用の光アイソレータ9と光ファイバ15を内部
に備えた光ファイバ保持部材11とを設置している。
結合は、レーザダイオード1からの前方出射レーザ光を
非球面レンズ4で集光し、光アイソレータ9を通して光
ファイバ15に導入するように、光ファイバ保持部材1
1及びガイド部材10を位置調整して行う。光ファイバ
15からの出力レーザ光が最大になる位置で光ファイバ
保持部材11をガイド部材10に、ガイド部材10をパ
イプ8端面にそれぞれレーザ溶接(図示せず)によって
接合固定している。
単一モードでスペクトル幅の狭い分布帰還形(DFB:dis
tributed feedback)の半導体発光素子で、例えば変調
機構を内部に備えたものである。例えば、発振波長は1
550nmである。
り、非球面レンズ4の搭載部分を異方性エッチングによ
って略V字型溝14に形成している。このV字型溝14
に非球面レンズ4を接着材あるいははんだ材で接合す
る。基板部材3の上面には、メタライズパターン膜30
(図2中のハッチング部分)を形成しており、このメタ
ライズパターン膜30の所定位置にレーザダイオード1
とフォトダイオード2及び温度モニタ用のサーミスタ1
3を接合している。レーザダイオード1とフォトダイオ
ード2及びサーミスタ13は、メタライズパターン膜3
0とワイヤボンディング24によって電気的に接続す
る。メタライズパターン膜30は、熱酸化膜を最下層と
して、チタン膜、白金膜、金膜を積層して形成し、表面
が金膜になるように形成している。メタライズパターン
膜30の厚さは例えば最下層の熱酸化膜を除いて約1μ
mである。レーザダイオード1を搭載する部分には、メ
タライズパターン膜30の上にさらに例えば融点が28
0℃の金と錫の合金(図示せず)を蒸着で形成してお
り、その部分にレーザダイオード1をサブμm精度の位
置決めによって接合固定している。フォトダイオード2
もレーザダイオード1と同様に接合する。温度モニタ用
のサーミスタ13ははんだ材によって接合する。基板部
材3は例えば横幅(図2の紙面上下方向)が2.7m
m、長さ(図2の紙面左右方向)が3.0mm、厚さ
(図1の紙面上下方向)が1.0mmで、V字型溝14
の深さは0.75〜0.8mmの範囲内である。ここで
は、基板部材3の長さをパッケージ6枠内のベース7長
さに対して0.16の比となるようにしている。このパ
ッケージ6枠内のベース7長さとは、ベースのうち外枠
の壁で挟まれた領域の長さを用いることができる。
は、側面の一部分が筒状で、レーザ光の入射面及び出射
面が曲率面となっている。この非球面レンズ4はガラス
材料で、レーザ光が通過する両側の曲率面には反射防止
用のARコート膜を付着している。非球面レンズ4の筒
状になった側面部分は平坦面で、この側面がV字型溝1
4の両側斜面と接する。V字型溝14の底面には接触せ
ず、わずかにすき間を空ける寸法配置にしている。非球
面レンズ4側面の平坦部分は、例えば長さが約0.25
mmで、この長さがあればV字型溝14に設置したとき
に倒れたりすることはなく十分に安定に倒立できる。こ
こでは、非球面レンズ4の形状として、例えば直径がφ
1.5mm、横幅が0.8mmのものを搭載している
が、これに限らず、非球面レンズ4の周囲を金属の枠で
覆い、筒状部分を長くしてV字型溝14への搭載を安定
にした形状のものを使用しても良い。
(図示せず)をV字型溝14の両側斜面に塗布し、レー
ザダイオード1の非球面レンズ4側端面と、非球面レン
ズ4のレーザダイオード1側端面とが所定距離になるよ
うに調整した後、V字型溝14に非球面レンズ4を設置
してV字型溝14に押し付ける。次に、紫外線を所定時
間照射し接着材を硬化させて、非球面レンズ4を基板部
材3に接合固定する。その後加熱処理を行い、接着材の
硬化反応を完了させて非球面レンズ4を基板部材3にさ
らに安定に接合固定する。接着材は紫外線と加熱によっ
て硬化反応を行う紫外線硬化接着材である。非球面レン
ズ4を押し付ける荷重は数十グラムから数百グラムであ
る。ここでは、接着材として紫外線硬化接着材を使用し
たときの接合固定の手順を示したが、はんだ材で接合す
る場合には、V字型溝14にメタライズ膜を施してはん
だ材の濡れ性を確保することが重要である。また、非球
面レンズ4の側面あるいは金属枠で覆った非球面レンズ
4を使用した場合にはその金属枠の側面にもメタライズ
膜を施すことが重要である。はんだ材としては、レーザ
ダイオード1を接合固定している例えば融点が280℃
の金と錫の合金あるいはそれよりも融点の低い錫と銀の
合金を使うのが望ましい。
セラミックス板で構成され、その間にP型とN型の複数
の熱電半導体を金属電極で直列に結ぶように接続したも
ので、電流を印加することで加熱・冷却を行う。レーザ
ダイオード1の駆動による温度変化をサーミスタ13の
抵抗変化で感知し、サーミスタ13抵抗値を所定の設定
値に保持にするようにペルチェ素子5の電流制御を行
い、レーザダイオード1の発振波長及び出射光を安定に
する制御を行う。ペルチェ素子5の下面セラミックス板
は、上面の板よりも突出しており、この突出した部分に
ペルチェ素子5に電流供給するためのポスト部材20を
設置している。ポスト部材20とパッケージ6の端子基
板19とは金のワイヤボンディング24で接続してい
る。ペルチェ素子5と電気的に接続する端子基板19の
メタライズパターン膜30は、ペルチェ素子5に電流供
給するリード端子18(6番と7番リード)と連絡して
おり、ペルチェ素子5のポスト部材20近傍まで延長し
て設置している。ワイヤボンド位置は、リード端子の位
置よりも光ファイバ端部側になるよう、メタライズパタ
ーン膜30が端子基板19上に形成されている。端子基
板19のメタライズパターン膜30からポスト部材20
までの距離を短くし、ワイヤボンディング24を最短の
長さで行っている。
3は、光ファイバ15に近い方向に設置している。これ
により、サーミスタ13及びフォトダイオード2と電気
的に接続しているメタライズパターン膜30から、サー
ミスタ13及びフォトダイオード2に対応した端子基板
19のメタライズパターン膜30までの距離が短くな
り、ワイヤボンディング24を最短の長さで行える。ワ
イヤボンディング24を短く取り付けることで、ワイヤ
24同士の接触を防止できる。また、ペルチェ素子5の
搭載位置は、光ファイバ15を設置する側のパッケージ
6の側面に近づけた位置である。ここでは、ペルチェ素
子5の端面からパッケージ6側面までの距離(図1中の
L)を例えば2.5mmとしている。なお、他にも、例
えば、サーミスタにワイヤを介して電気的に連絡する端
子基板19上のメタライズパターン膜30の長さは、ワ
イヤを介してペルチェ素子に電気的に連絡するために形
成された端子基板上19上のメタライズパターン膜30
の長さより短くなる。
材3の他に中継基板17を搭載している。中継基板17
はセラミックス材で構成しており、レーザダイオード1
とパッケージ6の端子基板19を電気的に接続するもの
である。基板部材3と中継基板17、中継基板17とパ
ッケージ6の端子基板19とはそれぞれ金のワイヤボン
ディング24によって電気的に接続する。中継基板17
の上面と下面にはメタライズパターン膜30を施してお
り、レーザダイオード1を駆動するための電気信号の劣
化や損失及び反射を小さくするように形成している。こ
こでは、クランク状にメタライズパターン膜30を形成
しており、中央のパターン膜30がレーザダイオード1
の信号ライン、その両側がレーザダイオード1のグラウ
ンドとなっている。この場合、リード端子の位置より、
光ファイバ端部側にレーザダイオード1が位置するよう
形成され、それをつなぐために前記メタライズパターン
30が形成される。
ザダイオード1が搭載されるペルチェ素子5を挟んで光
ファイバ15を設置する側の反対側に前記ペルチェ素子
5と別体の台座21を形成している。または、前記ペル
チェ素子5と間隔を介して前記台座21を形成してい
る。この台座21上にセラミックス基板22を介して半
導体装置23であるICやLSIを搭載する。セラミッ
クス基板22の上面にはメタライズパターン膜30を施
しており、半導体装置23とパッケージ6の端子基板1
9とを金のワイヤボンディング24で電気的に接続して
いる。半導体装置23を搭載する台座21は、熱伝達率
が高くて放熱性に優れるCu−W系の合金で形成し、半
導体装置23を駆動したときの発熱をベース7に伝えて
放熱している。パッケージ6の側面から延長(図1及び
図2の紙面左右方向)したベース7部分には、光結合装
置を固定基板や放熱基板(図示せず)に取り付けるため
のネジ固定用穴25を設けている。ベース7の材質はC
u−W系合金である。
向)には、パッケージ6の内部と外部を電気的に接続す
るための端子基板19とリード端子18を備えている。
ここでは、片側に7本のリード端子18を2.54mm
間隔で備えた光結合装置を例に表している。リード端子
18には図2に示すように、光結合装置を上面から見て
反時計周りに番号が記されている。この光結合装置の場
合は、光ファイバ15側の左側(図2の紙面右上)から
順に1番から7番、反対側(紙面左下)に移って8番か
ら14番となっている。1番と2番のリード端子18は
サーミスタ13と、3番と11番から13番はレーザダ
イオード1と、4番と5番はフォトダイオード2と、6
番と7番はペルチェ素子とそれぞれ電気的に接続する。
端子基板19はセラミックスの積層板で構成しており、
各々のリード端子18が電気的に干渉しないようにパッ
ケージ6にろう付けで接合している。パッケージ6の容
器外形部分は、例えば長さ(図2の紙面左右方向)が2
0.8mmmm、横幅(図2の紙面上下方向)が12.
7mm、高さ(図1の紙面上下方向)が6.5mmとな
っている。レーザダイオード1やペルチェ素子5を設置
する内部は、例えば長さ(図2の紙面左右方向)が1
8.8mm、横幅(図2の紙面上下方向)が10.7m
mとなっており、ベース7の底面から光ファイバ15ま
での高さ(図1の紙面上下方向)は3.5mmとなって
いる。パッケージ6の材質はFe−Ni−Co系合金で
ある。
ジ6側面には、光アイソレータ9と光ファイバ15を内
挿するようにパイプ8を設置している。パイプ8はパッ
ケージ6の側壁の厚さよりも長く、パッケージ6の内外
に突出するように設置している。パッケージ6内部側の
端面にはガラス窓12を設置しており、非球面レンズ4
から光ファイバ15へ向かうレーザ光を透過し、かつパ
ッケージ6の内部空間を外部と遮断するように低融点ガ
ラスあるいは高融点はんだ(図示せず)によって接合し
ている。つまり、パッケージ6上面にシーム溶接によっ
て取り付けたキャップ26とガラス窓12によってパッ
ケージ6の内部を気密封止する。
して、光アイソレータ9と、光ファイバ15を内部に備
えた光ファイバ保持部材11とを設置している。光アイ
ソレータ9は、ファイバ15側から反射光として戻って
くるレーザ光を、レーザダイオード1側に伝えないもの
で、レーザダイオード1の発振波長や出射光の安定を保
つために必要なものである。光ファイバ15はコア径が
約10μmのシングルモード光ファイバで、光ファイバ
被覆16とともに光ファイバ保持部材11の内部に保持
固定している。ここでは、レーザダイオード1から光フ
ァイバ15先端までの距離を例えば6.0mm、パッケ
ージ6側面の外側面から光ファイバ15の先端までの距
離を例えば1.0mmの位置として設置している。光フ
ァイバ保持部材11は、例えば外径がφ2.0mmで、
ステンレス系の合金材料で構成している。光ファイバ保
持部材11の先端には光アイソレータ9を接続固定して
一体部材として構成している。
結合は、レーザダイオード1からの前方出射レーザ光を
非球面レンズ4で集光し、光アイソレータ9を通して光
ファイバ15に導入するように、光ファイバ保持部材1
1及びガイド部材10を位置調整して行う。光ファイバ
15からの出力レーザ光が最大になる位置で、光ファイ
バ保持部材11をガイド部材10にレーザ溶接(図示せ
ず)で接合固定し、さらにガイド部材10をパイプ8端
面にレーザ溶接(図示せず)で接合固定する。これによ
って、レーザダイオード1と光ファイバ15の光結合を
実現している。
結合の安定性を調べる評価内容として、光結合温度特性
(トラッキングエラー)がある。これは、低温から高温
までの温度範囲において、光結合の変動が所定内である
ことが要求仕様としてある。例えば、長距離伝送用の光
結合装置の要求仕様としては、温度範囲が−20℃から
75℃で、光結合変動が±0.5dB以下と規定されて
いる場合が多い。トラッキングエラーは、主に光結合装
置の動作温度が変化することによって熱変形が起こり、
それによってレーザダイオード1と光ファイバ15の光
結合状態が変化することで生じる。長距離伝送の場合、
ファイバ伝送中の損失分が大きくなるため、安定な情報
伝達を行うためにも光結合装置での光結合変動は極力小
さいことが望まれている。
子5を介して搭載する基板部材3の長さを、パッケージ
6容器内のベース7長さに対して0.1以上0.25以
下の比の範囲内である0.16とすることで、環境温度
の変化や熱負荷に伴なうベース7の反り変形が生じて
も、基板部材3の変形を小さくすることができ、基板部
材3に搭載している非球面レンズ4から出射するレーザ
光の進行方向の変動を抑制することができる。また、熱
変形によってパッケージ6の側壁は、ベース7との接続
位置を支点にパッケージ6の内側に倒れ込むように変形
を起こすため、光アイソレータ8と光ファイバ15をパ
イプ8内に配置し、さらに光ファイバ15の先端をパッ
ケジ3の側面の内外面から1.0mmの位置に配置する
ことで、光ファイバ15先端の位置ずれを小さくするこ
とができる。これについては、熱応力解析によって、パ
ッケージ6の側壁が約0.04度傾くことを求めてお
り、この傾きに対して光ファイバ15先端の位置ずれを
許容範囲内に抑える必要がある。熱変形によって生じる
光結合変化(トラッキングエラー)を0.5dB以内に
するには、光ファイバ15先端の位置ずれを2.0μm
以下に抑える必要があることから、簡単な計算によって
光ファイバ15先端をパッケージ3側面の内外面から
3.0mmの範囲内に配置すれば良い。また、例えば、
壁部に形成された貫通孔部分が1mm程度であることが
できる。上記実施例では光ファイバ15先端を1.0m
mの位置に配置しているため、0.7μm程度の位置ず
れに抑えることができ、その時の光結合変化は0.15
dBで、目標の0.5dBを満足することができる。ま
た、パッケージ6の側面は熱変形を抑制するように働く
ため、パッケージ6の内側面からペルチェ素子5を6.
0mm以内の範囲で近づけて設置することで、ペルチェ
素子5上の基板部材3の変形を小さくすることができ、
非球面レンズ4から出射するレーザ光の進行方向の変動
を抑制することができる。または、温度制御素子(ペル
チェ素子)の光軸方向の長さ以内の距離離れるようにす
ることも考えられる。例えば、ペルチェ素子の長さは7
0〜80mm以内であることが好ましい。光ファイバ1
5先端の設置範囲とペルチェ素子5の搭載範囲は、レー
ザダイオード1から光ファイバ15先端までの距離を
3.5から7.5mmの範囲で構成できる光学系を選択
することで実現できる。また、レンズの光軸方向の厚さ
(最大幅)の3.5以上12.5倍以下の範囲に設置す
ることができる。
上に接合するペルチェ素子5の下面セラミックス板の長
さに対して、パッケージ6の内側面からペルチェ素子5
までの距離を、所定の比率となるようにすることで、ト
ラッキングエラーを目標の0.5dB以下とできる。こ
こでは、ペルチェ素子5の下面セラミックス板の長さが
例えば8.0mmで、トラッキングエラー0.5dB以
下を達成するには、パッケージ6の内側面からペルチェ
素子5までの距離を4.08mm以内(比率では0.5
1以下)にすれば良いことになる。第1の実施例ではパ
ッケージ6の内側面からペルチェ素子5までの距離を
2.5mm(比率では0.3125)としており、この
場合のトラッキングエラーは0.1dB以下となる。ト
ラッキングエラーはペルチェ素子5を搭載する位置に大
きく関係しており、図5に示すようにペルチェ素子5を
ファイバ側に近づけて搭載することが有効である。この
ように、光ファイバ15先端の位置ずれと非球面レンズ
4からの出射光の位置ずれを抑制する構造と、それを実
現するための部品配置とすることで、特殊な部材構成を
採らなくても、熱変形による光結合変化を少なく抑える
ことができ、1枚レンズ光学系の光結合装置であっても
トラッキングエラー仕様を満足することができる。
端子基板19のメタライズパターン膜30位置を、ペル
チェ素子5と対応するリード端子18よりも光ファイバ
15側に設置することで、ペルチェ素子5のポスト部材
20から端子基板19のメタライズパターン膜30まで
の距離を短くでき、ワイヤボンディング24の長さを最
短で形成できる。これにより、印加電流の増加による発
熱量を低減することができ、環境温度の変化があっても
ワイヤ24欠損を防止できるとともに、ペルチェ素子5
を安定に駆動することによる信頼性の高い光結合装置を
実現できる。さらに、ペルチェ素子5を挟んで光ファイ
バ15を設置する側の反対側に広い空間スペースを確保
することができ、上記実施例のような半導体装置23を
簡単に搭載することができる。このように、機能向上に
向けた拡張ユニットを大幅な構造変更を行わずに設置す
ることができ、汎用性のある光結合装置を実現すること
ができる。また、光アイソレータ9と光ファイバ保持部
材11をパイプ8内に入れ込む構造であるので、パッケ
ージ6の外部に突出する光ファイバ保持部材11の突出
量を少なくできる。これにより、光結合装置の全体形状
を小さくでき、実装基板への高密度化実装を行うことが
できる。さらに、レーザダイオード1と光ファイバ15
の光結合を1枚のレンズ4で行う構成であるため、部品
数量を低減できるとともに、容易な組立てを実現するこ
とができる。
の光結合装置の構造を表す縦断面図を示す。
を備えるが、図3において、図1に示した光結合装置と
異なっている点は、光アイソレータ9をパッケージ6内
のペルチェ素子5上に搭載した点と、ガラス窓12をパ
ッケージ6に直接接合した点である。
イバ15から遠ざける位置に配置し、光ファイバ15に
近い位置に光アイソレータ9を搭載している。光アイソ
レータ9は下面をペルチェ素子5に接合する表面実装型
であり、非球面レンズ4からのレーザ光を導入するよう
に位置調整して搭載する。非球面レンズ4の直後は、レ
ーザ光が集光されつつあるのでレーザ光の半径が大き
く、このため光アイソレータ9は、光ファイバ15の先
端に取り付けていたものよりも、レーザ光が導入される
有効径の大きなものを選択している。パッケージ6側面
のパイプ8は、パッケージ6の外部にだけ突出するよう
に取り付けており、ガラス窓12をパッケージ6の内側
面に直接接合している。ここでは、ペルチェ素子5から
パッケージ6側面までの距離(図中のL)は例えば0.
5mm、レーザダイオード1から光ファイバ15先端ま
での距離は例えば6.5mm、パッケージ3側面の内面
から光ファイバ5先端までの距離は例えば0.5mmで
ある。
も、ペルチェ素子5と光ファイバ15先端をそれぞれパ
ッケージ6の側面に近づけて設置することができ、熱変
形による光結合変化をさらに小さく抑えることができ、
第1実施例と同様に、1枚レンズ光学系の光結合装置で
あってもトラッキングエラー仕様を満足することができ
る。さらに、光アイソレータ9をペルチェ素子5上に搭
載することで温度制御を可能にできる。これにより、光
アイソレータ9の反射特性の性能安定性を高めることが
でき、信頼性の高い光結合装置の得ることができる。
の光結合装置の構造を表す縦断面図を示す。
の構造を有するが、図4において、図1に示した光結合
装置と異なっている点は、レーザダイオード1の波長監
視を行う機構をペルチェ素子5上に追加した点である。
レーザダイオード1の後方(図4の紙面左側)には、レ
ーザダイオード1の後方出射レーザ光を集光する結合用
レンズ29を設置し、光学フィルタ27を通してフォト
ダイオード2でレーザ光を受光する。フォトダイオード
2はキャリア部材28に2つ取り付けてあり、1つは光
学フィルタ27を通して受光し、もう1つは光学フィル
タ27を通さずに結合用レンズ29からの集光光を直接
受光する。光学フィルタ27は特定波長のレーザ光のみ
を透過する性質を持っており、透過光の変動によってフ
ォトダイオード2の受光量が変化する。この受光量変化
を観察することでレーザダイオード1から発振する波長
の監視を行う。光学フィルタ27を通さずに受光するフ
ォトダイオード2は、第1実施例と同様にモニタ用であ
る。これらの結合用レンズ29、光学フィルタ27、キ
ャリア部材28は、レーザダイオード1と共通するペル
チェ素子5上に搭載して温度制御を可能にしている。こ
れにより、光学フィルタ27の透過性能を変動させるこ
となく、安定した波長監視を行うことができる。また、
ここでは、ペルチェ素子5からパッケージ6の側面まで
の距離(図中のL)は例えば2.5mm、レーザダイオ
ード1から光ファイバ15先端までの距離は例えば6.
0mmである。これにより、第1実施例で示した構造と
同様に、ペルチェ素子5と光ファイバ15先端をそれぞ
れパッケージ6の側面に近づけて設置することができ、
熱変形による光結合変化を小さく抑えることができ、1
枚レンズ光学系の光結合装置であってもトラッキングエ
ラー仕様を満足することができる。
上に様々は部品を搭載するため、第1及び第2実施例の
構造のペルチェ素子5よりも大きな形状のものを選択し
ているが、これに限らず、図1及び図3で示したものと
同じ形状のものを使っても良い。この場合、ペルチェ素
子5の上面に板状部材を追加し、その板状部材の上に基
板部材3、結合レンズ29、光学フィルタ27、キャリ
ア部材28をそれぞれ搭載する。ペルチェ素子5から板
状部材が突出した状態となるが、ペルチェ素子5で温度
制御したときの板状部材の温度分布は、突出部分を含め
ても1度以下の分布状態であるため、ペルチェ素子5か
ら突出した部分が形成されてもよい。
ズ4を例にとって説明してきたが、これに限らず、球状
レンズやロッドレンズを使ってもよい。
のDFBレーザダイオード1を例にとって説明してきた
が、これに限らず、その他のレーザダイオード1を使う
ことも考えられる。
として発光装置を例にとって説明してきたが、これに限
らず、受光装置あるいは受発光装置で構成してもよい。
ファイバの光結合を安定に保ち、トラッキングエラーを
満足できる1枚レンズ光学系の光結合装置を提供でき
る。
体構造を表す縦断面図である。
体構造を表す一部断面の上面図である。
体構造を表す縦断面図である。
体構造を表す縦断面図である。
素子搭載位置とトラッキングエラーの関係図である。
タ用フォトダイオード(半導体受光素子)、3・・・基板
部材(シリコン基板)、4・・・レンズ(非球面レン
ズ)、5・・・ペルチェ素子(温度制御素子)、6・・・パッ
ケージ、7・・・ベース、8・・・パイプ(貫通孔部)、9・・
・光アイソレータ、10・・・ガイド部材、11・・・光ファ
イバ保持部材、12・・・ガラス窓、13・・サーミスタ、
14・・・V字型溝、15・・・光ファイバ、16・・・光ファ
イバ被覆、17・・・中継基板、18・・・リード端子、19
・・・端子基板、20・・・ペルチェ素子ポスト部材、21・・
・台座、22・・・セラミックス基板、23・・・電子制御素
子(IC、LSI)、24・・・ワイヤボンディング、2
5・・・取付け穴、26・・・キャップ、27・・・光学フィル
タ、28・・・キャリア部材、29・・・結合レンズ、30・・
・メタライズパターン膜。
Claims (7)
- 【請求項1】ベースと、前記ベースに設置された温度制
御素子と、前記温度制御素子に設置され、半導体発光素
子と前記半導体発光素子からの光が拡散されつつ導入さ
れるレンズを搭載した基板部材と、前記ベースに設置さ
れた容器壁部に形成され、容器壁部を貫通して壁厚より
長い壁面部を有する貫通孔部と、前記貫通孔部に連絡さ
れ、前記レンズからの集束光が導入される光ファイバと
を有した光結合装置において、前記発光素子と前記光フ
ァイバとを結ぶ方向の前記基板部材の長さは、前記基板
部材の前記容器壁で挟まれるベースの長さに対して0.
1以上、0.25以下の範囲にあることを特徴とする光
結合装置。 - 【請求項2】請求項1記載の光結合装置において、前記
貫通孔部に連絡し前記光ファイバの端部より前記レンズ
側に前記収束光が導入される光アイソレータを備え、前
記光アイソレータと前記光ファイバの少なくとも一部は
前記貫通孔部のうち前記容器壁で囲まれた領域に配置さ
れ、前記光ファイバの端部は前記発光素子と前記光ファ
イバを結ぶ方向の前記容器壁の外側面或いは内側面から
前記容器壁の厚さの3倍以内の位置に配置されることを
特徴とする光結合装置。 - 【請求項3】請求項1記載の光結合装置において、前記
光ファイバの端部は前記発光素子から前記レンズ厚さに
対して3.5倍以上12.5倍以内の範囲の位置に形成
されることを特徴とする光結合装置。 - 【請求項4】請求項1記載の光結合装置において、前記
温度制御素子は前記容器壁の内側壁から前記温度制御素
子の前記発光素子と前記光ファイバを結ぶ方向における
6.0mm以内の範囲で配置されることを特徴とする光
結合装置。 - 【請求項5】ベースと、前記ベースに設置された温度制
御素子と、前記温度制御素子に設置され、半導体発光素
子と前記半導体発光素子からの光が拡散されつつ導入さ
れるレンズを搭載した基板部材と、前記ベースに設置さ
れた容器壁部に形成され、容器壁部を貫通して壁厚より
長い壁面部を有する貫通孔部と、前記貫通孔部に連絡さ
れ、前記レンズからの集束光が導入される光ファイバと
を有した光結合装置において、前記容壁に配線層を施し
た端子基板と前記配線層に連絡するリード端子が備えら
れ、前記端子基板に前記温度制御素子がワイヤを介して
電気的に接続され、前記接続部は前記温度制御素子と対
応するリード端子よりも光ファイバ側に設置されている
ことを特徴とする光結合装置。 - 【請求項6】ベースと、前記ベースに設置された温度制
御素子と、前記温度制御素子に設置され、半導体発光素
子と前記半導体発光素子からの光が拡散されつつ導入さ
れるレンズを搭載した基板部材と、前記ベースに設置さ
れた容器壁部に形成され、容器壁部を貫通して壁厚より
長い壁面部を有する貫通孔部と、前記貫通孔部に連絡さ
れ、前記レンズからの集束光が導入される光ファイバと
を有した光結合装置において、前記容壁に配線層を施し
た端子基板と前記配線層に連絡するリード端子が備えら
れ、前記基板部材はサーミスタを搭載し、前記サーミス
タはワイヤを介して前記端子基板の配線層に電気的に接
続され、前記温度制御素子がワイヤを介して前記端子基
板の配線層に電気的に接続され、前記サーミスタに対応
する前記端子基板上の前記配線層の長さは前記温度制御
素子に対応する前記端子基板上の前記配線層の長さより
も短く形成されていることを特徴とする光結合装置。 - 【請求項7】ベースと、前記ベースに設置された温度制
御素子と、前記温度制御素子に設置され、半導体発光素
子と前記半導体発光素子からの光が拡散されつつ導入さ
れるレンズを搭載した基板部材と、前記ベースに設置さ
れた容器壁部に形成され、容器壁部を貫通して壁厚より
長い壁面部を有する貫通孔部と、前記貫通孔部に連絡さ
れ、前記レンズからの集束光が導入される光ファイバと
を有した光結合装置において、前記容壁に配線層を施し
た端子基板と前記配線層に連絡するリード端子を備え、
前記配線層はワイヤを介して電気的に接続される配線層
を備えた中継基板を備え、前記中継基板の配線層とワイ
ヤを介して前記発光素子を搭載する前記基板部材に電気
的に接続され、前記発光素子は前記発光素子に対応する
リード端子より光ファイバ側に設置されていることを特
徴とする光結合装置。
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