JP2004294783A

JP2004294783A - 光半導体素子収納用パッケージおよび光半導体装置

Info

Publication number: JP2004294783A
Application number: JP2003087342A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kawakami; 浩川上
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-03-27
Filing date: 2003-03-27
Publication date: 2004-10-21

Abstract

【課題】光半導体素子を気密に収容するとともに長期にわたり正常かつ安定に作動させ、また光信号を効率よく伝送させ得る光半導体素子収納用パッケージおよび光半導体装置とする。
【解決手段】本発明の光半導体素子収納用パッケージは、載置部１ａを有する基体１と、基体１の上側主面の外周部に載置部１ａを囲繞するように接合され、側部に貫通孔２ａを有する枠体２と、一端部が貫通穴２ａの枠体２の外面側の端部に端面を貫通穴２ａの内部に位置させて嵌着され、非球面レンズ５が内側に取着された金属から成る筒状の保持部材５ａと、内周面が保持部材５ａの枠体２の外側の外周面に接合されるとともに枠体２側の端面が枠体２の外面に接合され、この端面と反対側の端部に光ファイバ固定部材７を介して光ファイバ６が接合される筒状の支持部材１０と、貫通孔２ａの載置部１ａ側の端部に接合された透光性部材４とを具備している。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信分野等に用いられ、光半導体素子を収納するための光半導体素子収納用パッケージに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光通信分野等で用いられ高い周波数で作動する半導体レーザ（ＬＤ），フォトダイオード（ＰＤ）等の光半導体素子を気密封止して収容するための光半導体素子収納用パッケージ（以下、単にパッケージともいう）の例を図２に示す。図２において、２１は基体、２２は枠体、２４は透光性部材、２６は光ファイバ、２８は光半導体素子である。
【０００３】
基体２１は、鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金，銅（Ｃｕ）−タングステン（Ｗ）合金等の金属やアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）質焼結体，窒化アルミニウム（ＡｌＮ）質焼結体，ムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２）質焼結体等のセラミックスから成り、その上側主面の中央部には、ＬＤ，ＰＤ等の光半導体素子２８が載置される載置部２１ａが形成されている。載置部２１ａには、光半導体素子２８が、回路基板やサブキャリア等の載置用基台２９を介して載置される。
【０００４】
基体２１の上側主面の外周部には、載置部２１ａを囲繞するようにして接合され、一側部に光信号の入出力部となる貫通孔２２ａを有する、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属やＡｌ_２Ｏ_３質焼結体，ＡｌＮ質焼結体，３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２質焼結体等のセラミックスから成る枠体２２が接合され立設されている。
【０００５】
また、枠体２２の貫通孔２２ａには、非球面レンズ２５を内包する保持部材２５ａが、保持部材２５ａの材質の熱膨張係数と同等の熱膨張係数を有する材質よりなる緩衝部材３０を介して接合される。枠体２２の内側の貫通孔２２ａの開口の周囲には透光性部材２４が接合され気密封止される。この透光性部材２４はガラスやサファイア等から成る円板状等の部材であり、その両主面は光学研磨され、光信号を効率よく透過させることができる。
【０００６】
このパッケージは、載置部２１ａに光半導体素子２８が、回路基板やサブキャリア等の載置用基台２９を介して載置された後、枠体２２の上面に、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属から成る蓋体２３がろう付け法やシームウエルド法等の溶接法で取着されることによって、基体２１、枠体２２、蓋体２３、透光性部材２４、非球面レンズ２５、保持部材２５ａおよび緩衝部材３０から成る容器が形成され、この容器内部で光半導体素子２８を収容し気密に封止することができる。そして、光ファイバ２６固定用の枠状や筒状の金属製の光ファイバ固定部材（以下、単に固定部材ともいう）２７が、保持部材２５ａの枠体２２外側の一端に溶接され、しかる後、光ファイバ２６が固定部材２７に外部から挿通固定されて枠体２２の一側部に固定されることによって、製品としての光半導体装置となる（例えば、下記の特許文献１参照）。
【０００７】
この光半導体装置は、外部電気回路から供給される電気信号によって光半導体素子２８に光を励起させ、この光を透光性部材２４、非球面レンズ２５、光ファイバ２６の順に透過させ、光ファイバ２６を介して外部に伝送することによって、高速光通信等に使用される。または、外部から光ファイバ２６を伝送されてくる光信号を、非球面レンズ２５、透光性部材２４の順に透過させ、光半導体素子２８に受光させて光信号を電気信号に変換することによって、高速光通信等に使用される。
【０００８】
【特許文献１】
特開平７−１５９６５６号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のパッケージにおいて、保持部材２５ａの枠体２２外側の一端に固定部材２７を溶接するときに発生する熱応力が非球面レンズ２５に加わり、非球面レンズ２５と保持部材２５ａとの融着部にクラックが発生するという問題点があった。この結果、非球面レンズ２５の透光性が低下し光信号を効率よく伝送させることができなくなるとともに、光半導体素子２８と光ファイバ２６との光軸がずれて光結合効率が低下するという問題点を有していた。
【００１０】
従って、本発明は上記問題点に鑑み完成されたものであり、その目的は、非球面レンズと保持部材との融着部にクラックが発生するのを防止して、光半導体素子収納用パッケージの内部に収容する光半導体素子を気密に収容し、光半導体素子を長期にわたり正常かつ安定に作動させ、また光信号を効率よく伝送させ得る光半導体素子収納用パッケージおよび光半導体装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の光半導体素子収納用パッケージは、上側主面に光半導体素子を載置するための載置部を有する基体と、該基体の前記上側主面の外周部に前記載置部を囲繞するように接合され、側部に貫通孔を有する枠体と、一端部が前記貫通穴の前記枠体の外面側の端部に端面を前記貫通穴の内部に位置させて嵌着され、非球面レンズが内側に取着された金属から成る筒状の保持部材と、内周面が前記保持部材の前記枠体の外側の外周面に接合されるとともに前記枠体側の端面が前記枠体の外面に接合され、前記端面と反対側の端部に光ファイバ固定部材を介して光ファイバが接合される筒状の支持部材と、前記貫通孔の前記載置部側の端部に接合された透光性部材とを具備していることを特徴とする。
【００１２】
本発明の光半導体素子収納用パッケージは、上側主面に光半導体素子を載置するための載置部を有する基体と、この基体の上側主面の外周部に載置部を囲繞するように接合され、側部に貫通孔を有する枠体と、一端部が貫通穴の枠体の外面側の端部に端面を貫通穴の内部に位置させて嵌着され、非球面レンズが内側に取着された金属から成る筒状の保持部材と、内周面が保持部材の枠体の外側の外周面に接合されるとともに枠体側の端面が枠体の外面に接合され、この端面と反対側の端部に光ファイバ固定部材を介して光ファイバが接合される筒状の支持部材と、貫通孔の載置部側の端部に接合された透光性部材とを具備していることから、光半導体素子収納用パッケージに光ファイバ固定部材を接合する際、光ファイバ固定部材を保持部材に直接接合させるのではなく、支持部材に接合させるので保持部材に熱が急速に伝わって保持部材が歪むのを有効に抑制することができる。
【００１３】
また、支持部材の端面が枠体の外面に接合されているので支持部材に伝わった熱を枠体に有効に分散することができ、保持部材に熱が伝わるのをより有効に抑制できる。
【００１４】
さらに、保持部材の外周面の中央部で枠体と支持部材とが接合されているため、強度が比較的弱い枠体と支持部材との接合部に熱応力が発生したとしても、保持部材がこれらの接合部を補強することができ、支持部材の位置精度を良好に維持して支持部材に固定された光ファイバと光半導体素子との光結合効率を高いものとすることができる。
【００１５】
また、保持部材の一端部が枠体の貫通孔に嵌着されていることにより、非球面レンズの位置精度が向上し、非球面レンズの集光性を良好に維持するとともに、光半導体素子と光ファイバとの光結合効率を良好に維持することができ、光信号を効率よく伝送させ得る光半導体素子収納用パッケージとすることができる。
【００１６】
本発明の光半導体素子収納用パッケージにおいて、好ましくは、前記貫通孔は前記枠体の外面側の開口部に全周にわたって段差が形成されており、該段差に前記保持部材の一端部が嵌着されていることを特徴とする。
【００１７】
本発明の光半導体素子収納用パッケージは、貫通孔の枠体の外面側の開口部に全周にわたって段差が形成されており、この段差に保持部材の一端部が嵌着されていることから、保持部材をより精度よく枠体に取り付けて非球面レンズの位置精度を著しく向上させることができ、光ファイバと光半導体素子との光結合効率をより向上させることができる。
【００１８】
また、貫通孔の内周面と保持部材の内周面とを面一にすることができ、光半導体素子から発せられた後に透光性部材を透過して貫通孔に入射してきた光を、保持部材によって遮ることなくすべて非球面レンズに入射させることができ、光の損失を有効に抑制することができる。
【００１９】
本発明の光半導体装置は、上記本発明の光半導体素子収納用パッケージと、前記載置部に載置された光半導体素子と、前記枠体の上面に取着された蓋体と、前記支持部材の前記端部に前記光ファイバ固定部材を介して接合された光ファイバとを具備していることを特徴とする。
【００２０】
本発明の光半導体装置は、上記の構成により、上記本発明の光半導体素子収納用パッケージを用いた気密信頼性が高いとともに光伝送効率に優れたものとなる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の光半導体素子収納用パッケージについて以下に詳細に説明する。図１は本発明のパッケージについて実施の形態の一例を示す断面図であり、１は基体、２は枠体、４は透光性部材、５は非球面レンズ、５ａは保持部材、６は光ファイバ、７は光ファイバ固定部材、８は光半導体素子、１０は支持部材である。
【００２２】
本発明のパッケージは、上側主面に光半導体素子８を載置するための載置部１ａを有する基体１と、この基体１の上側主面の外周部に載置部１ａを囲繞するように接合され、側部に貫通孔２ａを有する枠体２と、一端部が貫通穴２ａの枠体２の外面側の端部に端面を貫通穴２ａの内部に位置させて嵌着され、非球面レンズ５が内側に取着された金属から成る筒状の保持部材５ａと、内周面が保持部材５ａの枠体２の外側の外周面に接合されるとともに枠体２側の端面が枠体２の外面に接合され、この端面と反対側の端部に固定部材７を介して光ファイバ６が接合される筒状の支持部材１０と、貫通孔２ａの載置部１ａ側の端部に接合された透光性部材４とを具備している。
【００２３】
本発明の基体１は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＣｕ−Ｗ合金等の金属、またはＡｌ_２Ｏ_３質焼結体，ＡｌＮ質焼結体，３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２質焼結体等のセラミックスから成る平面視形状が四角形状等の平板状である。金属から成る場合、そのインゴットに圧延加工や打ち抜き加工等の従来周知の金属加工法を施すことによって所定形状に製作される。また、基体１が例えばＡｌ_２Ｏ_３質焼結体から成る場合以下のようにして作製される。Ａｌ_２Ｏ_３，酸化珪素（ＳｉＯ_２），酸化カルシウム（ＣａＯ），酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等の原料粉末に適当な有機バインダや可塑剤，分散剤，溶剤等を添加混合して泥漿状となす。これを従来周知のドクターブレード法でシート状となすことによって複数枚のセラミックグリーンシートを得る。しかる後、これらのセラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施し、還元雰囲気中で約１６００℃の温度で焼成することによって製作される。
【００２４】
基体１の上側主面には、ＬＤ，ＰＤ等の光半導体素子８が載置される載置部１ａが形成されており、載置部１ａには光半導体素子８が回路基板やサブキャリア等の載置用基台９を介して載置されている。
【００２５】
また、基体１の上側主面の外周部には、一側部に光信号の入出力部となる貫通孔２ａを有する枠体２が載置部１ａを囲繞するようにして接合立設されている。この枠体２は、基体１とともにその内側（内部空間）に光半導体素子８を収容する空所を形成する。枠体２は平面視形状が四角形状等の枠状体であり、基体１と同様にＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＣｕ−Ｗ合金等の金属、またはＡｌ_２Ｏ_３質焼結体，ＡｌＮ質焼結体，３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２質焼結体等のセラミックスから成り、基体１と一体成形される、または基体１に銀（Ａｇ）ろう等のろう材でろう付けされる、またはシーム溶接法等の溶接法により接合されることによって、基体１の上側主面の外周部に接合される。
【００２６】
枠体２の側部には貫通孔２ａが形成されており、この貫通穴２ａの枠体２の外面側の端部に非球面レンズ５が内側に取着された保持部材５ａの一端部が端面を貫通穴２ａの内部に位置させて嵌め込まれ、金（Ａｕ）−錫（Ｓｎ）半田、鉛（Ｐｂ）−Ｓｎ半田等の低融点のろう材やガラス等の接着剤によって固定されている。
【００２７】
また、枠体２の外側にはみ出した保持部材５ａの外周部には、枠体２側の端面が枠体２の外面に接合されるように筒状の支持部材１０がその内周面で接合されている。そして、この支持部材１０の枠体２の外面に接合される端面と反対側の端部には固定部材７を介して光ファイバ６が接合される。
【００２８】
このような支持部材１０は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属から成る筒状のものであり、金属のインゴットに圧延加工や打ち抜き加工等の従来周知の金属加工法を施すことによって所定形状に製作される。
【００２９】
支持部材１０の厚みＢは、図１に示すように保持部材５ａの厚みＡよりも薄くなっているのがよい。この構成により、支持部材１０の枠体２外側の端部に固定部材７を溶接するときに発生する熱応力が、支持部材１０の固定部材７側が適度に変形することによって低減される。そのため、熱応力が非球面レンズ５と保持部材５ａとの融着部へ伝わるのを有効に抑制し、この融着部にクラックが発生するのを効果的に抑制できる。また、支持部材１０よりも厚い保持部材５ａにより非球面レンズ５の位置精度を良好に維持することができる。これらの結果、非球面レンズ５の透光性を良好に維持するとともに、光半導体素子８と光ファイバ６との光結合効率を良好に維持することができ、光信号を効率よく伝送させ得るパッケージとすることができる。
【００３０】
支持部材１０の厚みＢは０．２５〜０．５ｍｍであるのが好ましい。０．２５ｍｍ未満では、支持部材１０の剛性が低下して歪み等が加わった場合に極度に変形し易くなる。その結果、支持部材１０の枠体２の外側の端部に固定部材７を溶接するときに発生する熱応力によって支持部材１０が容易に変形し、この変形によって非球面レンズ５と保持部材５ａとの融着部にクラックが発生したり光軸がずれ易くなり、その結果、光損失が増大し易くなる。また、０．５ｍｍを超えると、支持部材１０の剛性が高くなって適度な変形が困難になる。その結果、支持部材１０の枠体２外側の端部に固定部材７を溶接するときに発生する熱応力が低減されず、非球面レンズ５と保持部材５ａとの融着部にクラックが発生し易くなる。
【００３１】
また保持部材５ａは貫通孔２ａの枠体２外面側の一部でのみ固定されているため、保持部材５ａが枠体２と接合される部分の面積を最小限に抑えることができ、保持部材５ａに接合時の枠体２との間に発生する熱膨張差による熱応力が加わるのを抑え、その結果、非球面レンズ５にクラック等の破損が生ずるのを防止できる。
【００３２】
さらに好ましくは、図１に示すように、貫通孔２ａは枠体２の外面側の開口部に全周にわたって段差が形成されており、この段差に保持部材５ａの一端部が嵌着されているのがよい。これにより、保持部材５ａをより精度よく枠体２に取り付けて非球面レンズ５の位置精度を著しく向上させることができ、光ファイバ６と光半導体素子８との光結合効率をより向上させることができる。また、貫通孔２ａの内周面と保持部材５ａの内周面とを面一にすることができ、光半導体素子８から発せられた後に透光性部材４を透過して貫通孔２ａに入射してきた光を、保持部材５ａによって遮ることなくすべて非球面レンズ５に入射させることができ、光の損失を有効に抑制することができる。
【００３３】
枠体２の貫通孔２ａの載置部１ａ側の端部には、透光性部材４がろう付けされている。透光性部材４は、ガラスやサファイア等から成る円板状等の板状のものであり、一主面の外周部に全周にわたって金属層が形成されており、この金属層をＡｇろう，Ａｕ−Ｓｎ半田，Ｐｂ−Ｓｎ半田等によりろう付けすることによって、支持部材１０に気密に接合される。
【００３４】
このような金属層は、従来周知のモリブデン（Ｍｏ）−マンガン（Ｍｎ）等のメタライズ層の表面にＮｉ層やＡｕ層をめっき法等により被着されたもの、または、蒸着法等により形成されたチタン（Ｔｉ）層やクロム（Ｃｒ）層を下地として白金（Ｐｔ）層やＡｕ層がめっき法等により順次被着されたものである。さらに、透光性部材４の主面の光信号透過部は光学研磨が施され、透過する光信号の波長に合わせて材料、厚みが適宜選択された多層の誘電体層から成る反射防止層が施されていることが好ましい。
【００３５】
本発明のパッケージは、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属から成る枠状や円筒状の固定部材７に固定された光ファイバ６が、固定部材７の一端を支持部材１０の枠体２外側の端部にレーザ溶接法等の溶接によって接合されることにより、光ファイバ６が固定部材７を介して枠体２の一側部に設けられる。これにより、光ファイバ６を介してパッケージ内部に収容する光半導体素子８と外部との光信号の授受が可能となる。
【００３６】
そして、光半導体素子８を透光性部材４に光学的に結合するようにして載置部１ａに載置するとともに光半導体素子８の電極を外部電気回路基板に電気的に接続し、しかる後、枠体２の上面にＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属やセラミックス等から成る蓋体３を半田付け法やシームウエルド法により取着することにより、製品としての光半導体装置となる。この光半導体装置は、外部電気回路から供給される電気信号によって光半導体素子８に光を励起させ、この光を透光性部材４、非球面レンズ５、光ファイバ６の順に透過させ、光ファイバ６を介して外部に伝送することによって、高速光通信等に使用される。または、外部から光ファイバ６を伝送されてくる光信号を、非球面レンズ５、透光性部材４を透過させ、光半導体素子８に受光させて光信号を電気信号に変換することによって、高速光通信等に使用される。
【００３７】
なお、本発明は以上の実施の形態の例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を施すことは何等差し支えない。
【００３８】
【発明の効果】
本発明の光半導体素子収納用パッケージは、上側主面に光半導体素子を載置するための載置部を有する基体と、この基体の上側主面の外周部に載置部を囲繞するように接合され、側部に貫通孔を有する枠体と、一端部が貫通穴の枠体の外面側の端部に端面を貫通穴の内部に位置させて嵌着され、非球面レンズが内側に取着された金属から成る筒状の保持部材と、内周面が保持部材の枠体の外側の外周面に接合されるとともに枠体側の端面が枠体の外面に接合され、この端面と反対側の端部に光ファイバ固定部材を介して光ファイバが接合される筒状の支持部材と、貫通孔の載置部側の端部に接合された透光性部材とを具備していることから、光半導体素子収納用パッケージに光ファイバ固定部材を接合する際、光ファイバ固定部材を保持部材に直接接合させるのではなく、支持部材に接合させるので保持部材に熱が急速に伝わって保持部材が歪むのを有効に抑制することができる。
【００３９】
また、支持部材の端面が枠体の外面に接合されているので支持部材に伝わった熱を枠体に有効に分散することができ、保持部材に熱が伝わるのをより有効に抑制できる。
【００４０】
さらに、保持部材の外周面の中央部で枠体と支持部材とが接合されているため、強度が比較的弱い枠体と支持部材との接合部に熱応力が発生したとしても、保持部材がこれらの接合部を補強することができ、支持部材の位置精度を良好に維持して支持部材に固定された光ファイバと光半導体素子との光結合効率を高いものとすることができる。
【００４１】
また、保持部材の一端部が枠体の貫通孔に嵌着されていることにより、非球面レンズの位置精度が向上し、非球面レンズの集光性を良好に維持するとともに、光半導体素子と光ファイバとの光結合効率を良好に維持することができ、光信号を効率よく伝送させ得る光半導体素子収納用パッケージとすることができる。
【００４２】
本発明の光半導体素子収納用パッケージは、貫通孔の枠体の外面側の開口部に全周にわたって段差が形成されており、この段差に保持部材の一端部が嵌着されていることから、保持部材をより精度よく枠体に取り付けて非球面レンズの位置精度を著しく向上させることができ、光ファイバと光半導体素子との光結合効率をより向上させることができる。
【００４３】
また、貫通孔の内周面と保持部材の内周面とを面一にすることができ、光半導体素子から発せられた後に透光性部材を透過して貫通孔に入射してきた光を、保持部材によって遮ることなくすべて非球面レンズに入射させることができ、光の損失を有効に抑制することができる。
【００４４】
本発明の光半導体装置は、上記本発明の光半導体素子収納用パッケージと、載置部に載置された光半導体素子と、枠体の上面に取着された蓋体と、支持部材の枠体の外側の端部に光ファイバ固定部材を介して接合された光ファイバとを具備していることにより、上記本発明の光半導体素子収納用パッケージを用いた気密信頼性が高いとともに光伝送効率に優れたものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光半導体素子収納用パッケージについて実施の形態の例を示す断面図である。
【図２】従来の光半導体素子収納用パッケージの例を示す断面図である。
【符号の説明】
１：基体
１ａ：載置部
２：枠体
２ａ：貫通孔
３：蓋体
４：透光性部材
５：非球面レンズ
５ａ：保持部材
６：光ファイバ
７：光ファイバ固定部材
８：光半導体素子
１０：支持部材

Claims

上側主面に光半導体素子を載置するための載置部を有する基体と、該基体の前記上側主面の外周部に前記載置部を囲繞するように接合され、側部に貫通孔を有する枠体と、一端部が前記貫通穴の前記枠体の外面側の端部に端面を前記貫通穴の内部に位置させて嵌着され、非球面レンズが内側に取着された金属から成る筒状の保持部材と、内周面が前記保持部材の前記枠体の外側の外周面に接合されるとともに前記枠体側の端面が前記枠体の外面に接合され、前記端面と反対側の端部に光ファイバ固定部材を介して光ファイバが接合される筒状の支持部材と、前記貫通孔の前記載置部側の端部に接合された透光性部材とを具備していることを特徴とする光半導体素子収納用パッケージ。
前記貫通孔は前記枠体の外面側の開口部に全周にわたって段差が形成されており、該段差に前記保持部材の一端部が嵌着されていることを特徴とする請求項１記載の光半導体素子収納用パッケージ。
請求項１または請求項２記載の光半導体素子収納用パッケージと、前記載置部に載置された光半導体素子と、前記枠体の上面に取着された蓋体と、前記支持部材の前記端部に前記光ファイバ固定部材を介して接合された光ファイバとを具備していることを特徴とする光半導体装置。