JP2004309505A

JP2004309505A - 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: JP2004309505A
Application number: JP2003067246A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Tanaka; 信幸田中; Yukio Ninomiya; 幸夫二宮
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-02-17
Filing date: 2003-03-12
Publication date: 2004-11-04

Abstract

【課題】円柱状のレンズに歪みが生じるのを防止して、光半導体素子から発光した光信号を光ファイバに効率よく集光させ、光信号の伝送効率に優れたものとすること。
【解決手段】光半導体素子収納用パッケージは、上側主面の中央部に光半導体素子８を載置するための載置部５ａを上面に有する基台５が接合された基体１と、この基体１の上側主面の外周部に基台５を囲繞するように接合され、側部に光ファイバ６を挿通し固定するための貫通孔２ａが形成された枠体２と、側周面に金属層４ａが形成されているとともに、基台５の上面の載置部５ａと貫通孔２ａとの間の部位に一端面が貫通孔２ａに対向するとともに他端面が載置部５ａに向くように金属層４ａがロウ付けされている円柱状のレンズ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および光半導体装置に関する。
【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）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３に断面図で示す。同図において、２１は基体、２２は枠体、２４は円柱状のレンズ、２５は基台、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２５ａを上面に有するＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属製の基台２５が載置固定される。
【０００４】
基体２１の上側主面の外周部には、基台２５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、基台２５は、上面の載置部２５ａと貫通孔２２ａとの間の部位に光半導体素子２８から発光する光信号を集光するための円柱状のレンズ２４を保持するための貫通孔を有する垂直部が設けられている。
【０００６】
円柱状のレンズ２４はガラス等からなり、基台２５の垂直部の貫通孔に挿通され半田等で固定されている。
【０００７】
このようなパッケージの載置部２５ａに光半導体素子２８を載置固定し、あるいは、載置部２５ａにＡｌ_２Ｏ_３質焼結体等のセラミックスから成る絶縁基板２７を介して光半導体素子２８を載置固定し、枠体２２の上面にＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属から成る蓋体２３をシームウエルド法等の溶接法やロウ付け法等で取着することによって基体２１、枠体２２および蓋体２３から構成される容器内部に光半導体素子２８を収容し気密に封止し、そして、光ファイバ２６を、その一端が貫通孔２２ａに挿通し、枠体２２の一側部に固定することによって、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）。
【０００８】
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、この光をレンズ２４で集光させて光ファイバ２６に透過させ、そして、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。
【０００９】
【特許文献１】
特開平５−１３６５１７号公報
【００１０】
【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、レンズ２４を半田等によって金属製の基台２５の垂直部（側壁部）の貫通孔内面に接合すると、レンズ２４は円柱状の細長い部材であるため基台２５との熱膨張差による熱応力が大きく加わり易く、レンズ２４に歪みが生じたり、レンズ２４にクラック等の破損が生じる場合があった。その結果、光半導体素子２８から発光した光信号を光ファイバ２６に集光させることができなくなって光ファイバ２６と光半導体素子２８との光結合効率を低下させ、光信号を外部に効率よく伝送できなくなるという問題点があった。
【００１１】
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、円柱状のレンズに歪みが生じるのを防止して、光半導体素子から発光した光信号を光ファイバに効率よく集光させ、光信号の伝送効率に優れた光半導体素子収納用パッケージを提供することにある。
【００１２】
【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、上側主面の中央部に光半導体素子を載置するための載置部を上面に有する基台が接合された基体と、該基体の前記上側主面の外周部に前記基台を囲繞するように接合され、側部に光ファイバを挿通し固定するための貫通孔が形成された枠体と、側周面に金属層が形成されているとともに、前記基台の上面の前記載置部と前記貫通孔との間の部位に一端面が前記貫通孔に対向するとともに他端面が前記載置部に向くように前記金属層がロウ付けされている円柱状のレンズとを具備していることを特徴とする。
【００１３】
本発明の光半導体素子収納用パッケージは、側周面に金属層が形成されているとともに、基台の上面の載置部と貫通孔との間の部位に一端面が貫通孔に対向するとともに他端面が載置部に向くように金属層がロウ付けされている円柱状のレンズを具備することにより、円柱状のレンズを側周面の全面ではなく一部分だけで基台に接合することができるため、レンズと基台との熱膨張差によってレンズに応力が加わるのを有効に抑制することができる。また、レンズと基台とがロウ材を介して接合されているため、応力をロウ材によって有効に吸収することができる。その結果、レンズに歪みやクラックが生じるのを有効に抑制することができ、光ファイバと光半導体素子との光結合効率を向上させ、光信号を外部に効率よく伝送することができる。
【００１４】
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、前記金属層は、前記レンズの側周面の全面に形成されたチタンまたはクロムから成る第一の金属層と、前記基台との接合部の前記第一の金属層の表面に形成された白金または金から成る第二の金属層とから成ることを特徴とする。
【００１５】
本発明の光半導体素子収納用パッケージは、金属層がレンズの側周面の全面に形成されたチタンまたはクロムから成る第一の金属層と、基台との接合部の第一の金属層の表面に形成された白金または金から成る第二の金属層とから成ることから、ガラス等から成るレンズに強固に被着できるとともにレンズ内を透過する光を高い光反射率で反射できるチタンまたはクロムから成る第一の金属層によって、レンズ内で効率よく反射させることにより光がレンズの側周面から外部へもれるのを有効に抑制し、光信号の損失を効果的に小さくすることができる。また、レンズと基台との接合部において第一の金属層の表面に白金または金から成る第二の金属層を形成することによりレンズとロウ材との接着性を非常に強固にすることができ、レンズと基台との接合面積を小さくしてレンズと基台との熱膨張差によって生じる応力をより小さくすることができる。
【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、前記基台は上面に前記レンズの前記一端面の縁部に接する突出部が設けら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、基台の上面に、レンズの貫通孔側の一端面の縁部に接する突出部が設けられていることにより、突出部を基準としてレンズの貫通孔側の一端面を精度よく位置合わせでき、光半導体素子からレンズを介して光ファイバに向けて集光する光信号の焦点を確実に光ファイバの先端に位置合わせすることができる。その結果、光半導体素子と光ファイバとの光結合効率を非常に良好なものとすることができる。
【００１８】
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、前記枠体の前記貫通孔に挿通されて固定された光ファイバと、前記載置部に載置固定されるとともに前記レンズを介して前記光ファイバに光学的に結合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を具備していることを特徴とする。
【００１９】
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光信号伝送性およびレンズの接合の信頼性に優れたものとなる。
【００２０】
【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例を示す断面図であり、１は基体、２は枠体、４は円柱状のレンズ、５は基台、６は光ファイバ、８は光半導体素子である。また、図２は本発明のパッケージにおける基台５およびレンズ４の拡大側面図である。
【００２１】
本発明のパッケージは、図１に示すように、上側主面の中央部に光半導体素子８を載置するための載置部５ａを上面に有する基台５が接合された基体１と、この基体１の上側主面の外周部に基台５を囲繞するように接合され、側部に光ファイバ６を挿通し固定するための貫通孔２ａが形成された枠体２と、側周面に金属層４ａが形成されているとともに、基台５の上面の載置部５ａと貫通孔２ａとの間の部位に一端面が貫通孔２ａに対向するとともに他端面が載置部５ａに向くように金属層４ａがロウ付けされている円柱状のレンズ４とを具備している。
【００２２】
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。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、積層した後、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。
【００２３】
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５ａを上面に有する基台５が接合されており、載置部５ａには光半導体素子８が直接、または、Ａｌ_２Ｏ_３質焼結体等のセラミックス等の絶縁体から成る絶縁基板７を介して載置固定される。
【００２４】
また、基体１の上側主面の外周部には、基台５を囲繞するようにして接合されるとともに側部に光ファイバ６を挿通し固定するための貫通孔２ａを有する枠体２が立設されている。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は平面視形状が長方形状の枠状体であり、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）ロウ等のロウ材でロウ付けされる、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。
【００２５】
基台５は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＣｕ−Ｗ合金等の金属、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、光半導体素子８が搭載されるとともに、上面の載置部５ａと貫通孔２ａとの間の部位に光半導体素子８から発光する光信号を集光するための円柱状のレンズ４が載置されている。この基台５は、基体１の上側主面にＡｇロウ等のロウ材によって接合される、または基体１と一体に形成される。
【００２６】
レンズ４は、ガラスやプラスチック等の透光性部材から成る円柱状のものであり、図２のように、外周部に金属層４ａが形成されており、金属層４ａが基台５にロウ付けされる。これにより、円柱状のレンズ４を側周面の全面ではなく一部分だけで基台５に接合することができるため、レンズ４と基台５との熱膨張差によってレンズ４に応力が加わるのを有効に抑制することができる。また、レンズ４と基台５とがロウ材を介して接合されているため、応力をロウ材によって有効に吸収することができる。その結果、レンズ４に歪みやクラックが生じるのを有効に抑制することができ、光ファイバ６と光半導体素子８との光結合効率を向上させ、光信号を外部に効率よく伝送することができる。
【００２７】
また、レンズ４の端面の光信号透過部は、光学研磨が施されているとともに、透過する光信号の波長に合わせて材料、厚さ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形成されていてもよい。
【００２８】
金属層４ａは、レンズ４の側周面の一部または全面に形成されており、この金属層４ａと基台５とがロウ材を介して接合される。この金属層４ａとロウ材との密着面は、レンズ４の軸方向の長さＬ２がレンズ４の長さＬ１より短くされているのがよい。この構成により、レンズ４と基台５との接合面積が小さくなり、これらの熱膨張差による熱応力がレンズ４に加わるのを有効に抑制し、脆くて破損し易いレンズ４にクラックや欠け等の破損が生ずるのを有効に抑制することができる。
【００２９】
また、より好ましくは、Ｌ２はＬ１に対し０．２５×Ｌ１≦Ｌ２≦０．７５×Ｌ１であるのがよい。この構成により、レンズ４に基台５との熱膨張差による熱応力が加わり難くなってレンズ４に歪みやクラック、欠け等が生ずるのをより有効に抑制することができ、その結果、光半導体素子８から発光した光信号を光ファイバ６によってより確実に集光させることができる。Ｌ２＜０．２５×Ｌ１であると、レンズ４と基台５との接合面積が小さくなりすぎてレンズ４の基台５との接合強度が小さくなり易く、レンズ４を長期にわたって確実に固定することが困難となる。Ｌ２＞０．７５×Ｌ１であると、レンズ４と基台５との接合面積が大きくなりすぎてレンズ４に生じる歪みが大きくなり易く、光半導体素子８から発光した光信号を集光させることが困難になる。
【００３０】
さらに、Ｌ２がＬ１より短い場合、金属層４ａとロウ材との密着面はレンズ４の軸方向の中央部にあるのがよい。これにより、歪やクラック、欠け等が生じ易いレンズ４の端部にレンズ４と基台５との熱膨張差による応力が加わるのを有効に抑制し、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る。
【００３１】
金属層４ａは、例えば、蒸着やめっき等によりレンズ４の側周面に形成される。金属層４ａは一層だけでなく、二層以上であってもよい。
【００３２】
好ましくは、金属層４ａは、レンズ４の側周面の全面に形成されたチタン（Ｔｉ）またはクロム（Ｃｒ）から成る第一の金属層と、基台５との接合部の第一の金属層の表面に形成された白金（Ｐｔ）または金（Ａｕ）から成る第二の金属層とから成るのがよい。これにより、ガラス等から成るレンズ４に強固に被着できるとともにレンズ４内を透過する光を高い光反射率で反射できるチタンまたはクロムから成る第一の金属層によって、レンズ４内で効率よく反射させることにより光がレンズ４の側周面から外部へもれるのを有効に抑制し、光信号の損失を効果的に小さくすることができる。また、レンズ４と基台５との接合部において、第一の金属層の表面にＰｔまたはＡｕから成る第二の金属層を形成することによりレンズ４とロウ材との接着性を非常に強固にすることができ、レンズ４と基台５との接合面積を小さくしてレンズ４と基台５との熱膨張差によって生じる応力をより小さくすることができる。
【００３３】
上記の第二の金属層は、レンズ４の側周面全面や全周にわたって帯状に形成されていてもよいが、基台５との接合部のみに形成されていることが好ましい。これにより、ロウ材がレンズ４の側周面に濡れ広がるのを有効に抑制でき、ロウ材とレンズ４との接触面積を小さくして応力がレンズ４に加わるのを有効に抑制することができる。
【００３４】
また好ましくは、基台５は上面に、レンズ４の貫通孔２ａ側の一端面の縁部に接する突出部５ｂが設けられているのがよい。
【００３５】
この構成により、突出部５ｂを基準としてレンズ４の貫通孔２ａ側の一端面を精度よく位置合わせでき、光半導体素子８からレンズ４を介して光ファイバ６に向けて集光する光信号の焦点を確実に光ファイバ６の先端に位置合わせすることができる。その結果、光半導体素子８と光ファイバ６との光結合効率を非常に良好なものとすることができる。
【００３６】
また、基台５がＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＣｕ−Ｗ合金等の金属から成る場合、従来周知の金属加工法によって突出部５ｂが設けられる。この場合、図４に示すように基台５の上面に突出部５ｂに沿って溝部５ｃを設けるのがよい。これにより、突出部５ｂの付け根に削り残しが生じることを完全に防止できる。即ち、金属加工法により突出部５ｂを形成すると、基台５の上面と突出部５ｂの側面との間に削り残しが生じ易くなって基台５の上面と突出部５ｂの側面とを直角にするのが困難になり、レンズ４を突出部５ｂに接触させてレンズ４を精度よく位置合わせし難くなるため、溝部５ｃを形成することで削り残しを防止して基台５の上面と突出部５ｂの側面とを直角にすることができる。その結果、レンズ４の位置を正確に合わせることができ、光半導体素子８と光ファイバ６との光結合効率をさらに良好なものとすることができる。
【００３７】
このようなパッケージの載置部５ａに光半導体素子８を直接、あるいは、絶縁基板７を介して載置固定し、光半導体素子８の電極とパッケージの内外を導通する導電体（図示せず）とを電気的に接続し、しかる後、枠体２の上面にＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属から成る蓋体３をシームウエルド法等の溶接法やロウ付け法等で取着することによって基体１、枠体２および蓋体３から構成される容器内部に光半導体素子８を収容して気密に封止し、そして、光ファイバ６を、その一端を貫通孔２ａに挿通し、Ａｕ−錫（Ｓｎ）半田，鉛（Ｐｂ）−Ｓｎ半田等で半田付けすることにより貫通孔２ａに接合固定されることによって、製品としての光半導体装置を作製することができる。
【００３８】
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、この光をレンズ４で集光させて光ファイバ６に透過させ、そして、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。
【００３９】
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。
【００４０】
【発明の効果】
本発明の光半導体素子収納用パッケージは、上側主面の中央部に光半導体素子を載置するための載置部を上面に有する基台が接合された基体と、この基体の上側主面の外周部に基台を囲繞するように接合され、側部に光ファイバを挿通し固定するための貫通孔が形成された枠体と、側周面に金属層が形成されているとともに、基台の上面の載置部と貫通孔との間の部位に一端面が貫通孔に対向するとともに他端面が載置部に向くように金属層がロウ付けされている円柱状のレンズとを具備していることにより、円柱状のレンズを側周面の全面ではなく一部分だけで基台に接合することができるため、レンズと基台との熱膨張差によってレンズに応力が加わるのを有効に抑制することができる。また、レンズと基台とがロウ材を介して接合されているため、応力をロウ材によって有効に吸収することができる。その結果、レンズに歪みやクラックが生じるのを有効に抑制することができ、光ファイバと光半導体素子との光結合効率を向上させ、光信号を外部に効率よく伝送することができる。
【００４１】
本発明の光半導体素子収納用パッケージは、金属層がレンズの側周面の全面に形成されたチタンまたはクロムから成る第一の金属層と、基台との接合部の第一の金属層の表面に形成された白金または金から成る第二の金属層とから成ることから、ガラス等から成るレンズに強固に被着できるとともにレンズ内を透過する光を高い光反射率で反射できるチタンまたはクロムから成る第一の金属層によって、レンズ内で効率よく反射させることにより光がレンズの側周面から外部へもれるのを有効に抑制し、光信号の損失を効果的に小さくすることができる。また、レンズと基台との接合部において第一の金属層の表面に白金または金から成る第二の金属層を形成することによりレンズとロウ材との接着性を非常に強固にすることができ、レンズと基台との接合面積を小さくしてレンズと基台との熱膨張差によって生じる応力をより小さくすることができる。
【００４２】
本発明の光半導体素子収納用パッケージは、基台の上面に、レンズの貫通孔側の一端面の縁部に接する突出部が設けられていることにより、突出部を基準としてレンズの貫通孔側の一端面を精度よく位置合わせでき、光半導体素子からレンズを介して光ファイバに向けて集光する光信号の焦点を確実に光ファイバの先端に位置合わせすることができる。その結果、光半導体素子と光ファイバとの光結合効率を非常に良好なものとすることができる。
【００４３】
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、枠体の貫通孔に挿通されて固定された光ファイバと、載置部に載置固定されるとともにレンズを介して光ファイバに光学的に結合された光半導体素子と、枠体の上面に取着された蓋体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光信号伝送性およびレンズの接合の信頼性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】図１の光半導体素子収納用パッケージにおけるレンズおよび基台を示す要部拡大側面図である。
【図３】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。
【図４】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他の例を示す要部拡大側面図である。
【符号の説明】
１：基体
２：枠体
２ａ：貫通孔
３：蓋体
４：レンズ
４ａ：金属層
５：基台
５ａ：載置部
５ｂ：突出部
６：光ファイバ
８：光半導体素子

Claims

上側主面の中央部に光半導体素子を載置するための載置部を上面に有する基台が接合された基体と、該基体の前記上側主面の外周部に前記基台を囲繞するように接合され、側部に光ファイバを挿通し固定するための貫通孔が形成された枠体と、側周面に金属層が形成されているとともに、前記基台の上面の前記載置部と前記貫通孔との間の部位に一端面が前記貫通孔に対向するとともに他端面が前記載置部に向くように前記金属層がロウ付けされている円柱状のレンズ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。
前記金属層は、前記レンズの側周面の全面に形成されたチタンまたはクロムから成る第一の金属層と、前記基台との接合部の前記第一の金属層の表面に形成された白金または金から成る第二の金属層とから成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。
前記基台は、上面に前記レンズの前記一端面の縁部に接する突出部が設けられていることを特徴とする請求項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。
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の光半導体素子収納用パッケージと、前記枠体の前記貫通孔に挿通されて固定された光ファイバと、前記載置部に載置固定されるとともに前記レンズを介して前記光ファイバに光学的に結合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を具備していることを特徴とする光半導体装置。