JP2003262766A - 光結合装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】１枚レンズ光学系の光結合装置において、半導
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

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体発光素子と
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。

【０００２】

【従来の技術】従来の光結合装置は、特開平５−１５０
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。

【０００３】他に、従来の光結合装置としては、特開平
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。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の発明者は、単
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。

【０００５】光結合装置の特性評価として、低温から高
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。

【０００６】上記従来技術で示した特開２００１−２８
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。

【０００７】部品数量と組立て工数を減らしてコスト低
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。

【０００８】特開平５−１５０１４６号公報及び特開平
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。

【０００９】そこで、本発明の目的は、上記の課題を解
決することができる光結合装置を提供するものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、例えば、単レ
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。

【００１１】例えば、トラッキングエラー仕様満足でき
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。

【００１２】例えば、以下の具体的形態をとることがで
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。

【００１３】これにより、環境温度の変化や熱負荷にと
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。

【００１４】また、光アイソレータと光ファイバを容器
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。

【００１５】また、温度制御素子を、容器に設けた端子
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。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図１から
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。

【００１７】図１に本発明を適用した第１実施例の光結
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。

【００１８】図１及び図２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、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。

【００１９】レーザダイオード１と光ファイバ１５の光
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。

【００２０】レーザダイオード１は、例えば発振波長が
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。

【００２１】基板部材３は、シリコン材料で構成してお
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。

【００２２】Ｖ字型溝１４に設置する非球面レンズ４
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。

【００２３】非球面レンズ４の接合固定は、まず接着材
（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。

【００２４】温度制御用のペルチェ素子５は、上下面が
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。

【００２５】ペルチェ素子５の上面に搭載した基板部材
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。

【００２６】また、ペルチェ素子５の上面には、基板部
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。

【００２７】パッケージ６内のベース７上面には、レー
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。

【００２８】パッケージ６の側面（図２の紙面上下方
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。

【００２９】光ファイバ１５を取り付ける側のパッケー
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。

【００３０】パイプ８の端面には、ガイド部材１０を介
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。

【００３１】レーザダイオード１と光ファイバ１５の光
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。

【００３２】レーザダイオード１と光ファイバ１５の光
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。

【００３３】これらのように、ベース７上にペルチェ素
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。

【００３４】具体的には、図５に示すように、ベース７
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。

【００３５】また、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。

【００３６】次に、図３に本発明を適用した第２実施例
の光結合装置の構造を表す縦断面図を示す。

【００３７】図３の形態は基本的には図１と同様の構造
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。

【００３８】ペルチェ素子５上の基板部材３は、光ファ
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。

【００３９】このように、第１実施例で示した構造より
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。

【００４０】次に、図４に本発明を適用した第３実施例
の光結合装置の構造を表す縦断面図を示す。

【００４１】図４の形態は基本的には図１の形態と同様
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。

【００４２】なお、第３の実施例では、ペルチェ素子５
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。

【００４３】また、上記実施例においては、非球面レン
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。

【００４４】また、上記実施例においては、分布帰還形
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。

【００４５】また、上記実施例においては、光結合装置
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。

【００４６】

【発明の効果】本発明によれば、レーザダイオードと光
ファイバの光結合を安定に保ち、トラッキングエラーを
満足できる１枚レンズ光学系の光結合装置を提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態による光結合装置の全
体構造を表す縦断面図である。

【図２】本発明の第１の実施形態による光結合装置の全
体構造を表す一部断面の上面図である。

【図３】本発明の第２の実施形態による光結合装置の全
体構造を表す縦断面図である。

【図４】本発明の第３の実施形態による光結合装置の全
体構造を表す縦断面図である。

【図５】本発明の実施形態による光結合装置のペルチェ
素子搭載位置とトラッキングエラーの関係図である。

【符号の説明】

１・・・レーザダイオード（半導体発光素子）、２・・・モニ
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。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 丹羽 善昭 神奈川県横浜市戸塚区戸塚町216番地 日 本オプネクスト株式会社内 (72)発明者 松嶋 直樹 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 Ｆターム(参考） 2H037 AA01 BA03 BA12 DA03 DA04 DA05 DA35 DA38 5F073 AB27 AB28 AB30 FA02 FA07 FA08 FA16 FA18 FA25 GA23

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【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。
2. 【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。
3. 【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。
4. 【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。
5. 【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。
6. 【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。
7. 【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。