JP2008277357A - 光半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光半導体素子と光学部品との光結合を簡単に行うこと。
【解決手段】本発明は、光半導体素子１２と、光学部品４０と、光半導体素子１２を位置決めする位置決め部２７、３７と、光半導体素子１２の外形よりも大きな開口部と、開口部から位置決め部２７、３７に向かって内側面が傾斜する凹部と、を備え、光半導体素子１２と光学部品４０とを固定する固定部２５と、を有する光半導体装置である。本発明によれば、固定部２５は、光半導体素子１２を位置決めする位置決め部２７、３７を有し、光学部品４０が固定されている。これにより、光学部品４０と光半導体素子１２との光結合を簡単に行うことができる。
【選択図】図５

Description

本発明は、光半導体装置に関し、特に、光半導体素子と光学部品とが光結合された光半導体装置に関する。

光通信用途に用いられる発光素子や受光素子は光ファイバ等の光学部品と光結合し用いられる。このため、発光素子や受光素子等の光半導体素子と光ファイバとが光結合された光半導体装置が用いられている。従来、光半導体素子と光ファイバとの光結合にはレンズが用いられている。

特許文献１には、光半導体素子と光ファイバとをレンズを用いず直接光接合する技術が開示されている。この技術によれば、光半導体素子と光ファイバとの距離を短くすることができ光伝送損失を低減することができる。また、光半導体素子と光ファイバとの実装が簡素化できるため低コスト化が可能となる。
特開２００１−１２４９５９号公報

しかしながら、光半導体素子と光ファイバとを直接光結合する場合、光半導体素子と光ファイバとの結合度を向上させるためには、光ファイバを光半導体素子に対し３軸方向に動かし、光結合が最大になる点で光ファイバを光半導体素子に固定する。このように、光結合度を向上させるためには、光半導体素子と光ファイバとの位置合わせ作業を行っている。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、光半導体素子と光学部品との光結合を簡単に行うことを目的とする。

本発明は、光半導体素子と、光学部品と、前記光半導体素子を位置決めする位置決め部と、前記光半導体素子の外形よりも大きな開口部と、前記開口部から前記位置決め部に向かって内側面が傾斜する凹部と、を備え、前記光半導体素子と前記光学部品とを固定する固定部と、を有することを特徴とする光半導体装置である。本発明によれば、固定部は、光半導体素子を位置決めする位置決め部を有し、光学部品が固定されている。これにより、光学部品と光半導体素子との光結合を簡単に行うことができる。

上記構成において、前記位置決め部は、前記傾斜した内側面のうち、前記光半導体素子の少なくとも２辺と当接する領域である構成とすることができる。この構成によれば、傾斜した内側面のうち光半導体素子の少なくとも２辺と当接する領域を位置決め部とすることにより、光半導体素子と光学部品との位置合わせが精度よく行われる。

上記構成において、前記位置決め部は、前記光半導体素子の上面と接触する接触面である構成とすることができる。この構成によれば、接触面を位置決め部とすることで、光半導体素子と光学部品との位置合わせがより精度よく行われる。

上記構成において、前記光半導体素子は実装部の上面に実装されてなり、前記固定部は、前記実装された光半導体素子上に前記凹部を被せて設けられている構成とすることができる。また、上記構成において、前記光半導体素子と前記光学部品とは直接光接合している構成とすることができる。さらに、上記構成において、前記光学部品は光ファイバである構成とすることができる。

上記構成において、前記光半導体素子は受光素子であり、該受光素子と前記光ファイバとの距離は、（受光半径）×{（コア屈折率）^２＋（光ファイバの開口数）^２}^０．５÷（光ファイバの開口数）以下である構成とすることができる。この構成によれば、光ファイバのコアから出射されたほとんどの光を受光素子の受光半径内に照射させることができる。

上記構成において、前記光学部品の光軸方向に分割されてなり、前記光学部品を両側で狭持することで、前記光学部品を固定する構成とすることができる。この構成によれば、光学部品を簡単に固定することができる。

上記構成において、前記光半導体素子と前記固定部とは、蓋部で覆われてなる構成とすることができる。

本発明によれば、固定部は、光半導体素子を位置決めする位置決め部を有し、光学部品が固定されている。これにより、光学部品と光半導体素子との光結合を簡単に行うことができる。

以下、本発明の実施例について説明する。

図１（ａ）から図１（ｄ）は実施例１で用いる固定部材２０及び３０を示す図である。固定部材２０及び３０は貼り合わせることにより固定部２５として用いる。図１（ａ）は固定部材２０の側面図である。固定部材２０は光ファイバを固定するファイバ固定部２２とチップ固定部２４とを有している。ファイバ固定部２２の張り合わせ面２９には光ファイバを固定するためのＶ溝部２８が設けられている。チップ固定部２４は角錐形をしており、錘状凹部２６の側面を光半導体素子の辺に当接することにより、光半導体素子との位置決めがされる。図１（ｂ）は固定部材３０の側面図である。チップ固定部３４に、切り欠き部３５が設けられている以外は固定部材２０と同様であり説明を省略する。固定部材２０及び３０は金属又は絶縁材料からを用い形成することができる。

図１（ｃ）及び図１（ｄ）は、固定部材２０と固定部材３０とを張り合わせ面２９と３９とを張り合わせ固定部２５とした状態で図１（ａ）及び図１（ｂ）のそれぞれＣ及びＤから見た図である。Ｖ溝部２８及び３８とから光ファイバを固定する孔が構成される。固定部材３０のチップ固定部３４には切り欠き部３５が形成されている。

図２（ａ）から図５を用い、実施例１に係る光半導体装置の形成方法を説明する。図２（ａ）を参照に、固定部材２０のＶ溝部２８に光ファイバ４０を配置し、接着剤で固定する。このとき、光ファイバ４０の先端が若干錘状凹部２６から突出するように光ファイバ４０を固定する。次に、図２（ａ）の固定部材２０に図１（ｂ）の固定部材３０を張り合わせ接着剤で固定する。これにより、図１（ｃ）及び図１（ｄ）の固定部２５は、固定部材２０及び３０から形成され、光ファイバ４０は固定部材２０及び３０のＶ溝部２８及び３８により固定される。このように、固定部２５を構成する固定部材２０及び３０の張り合わせ面２９及び３９に光ファイバ４０が固定される。つまり、固定部２５は、光ファイバ４０の光軸Ｃ方向に分割されてなり、光ファイバ４０を両側で狭持することで、光ファイバ４０を固定している。これにより、固定部２５は光ファイバ４０を簡単に固定することができる。

図３（ａ）を参照に、金属からなる実装部１０に光半導体素子１２としてフォトダイオード（ＰＤ）チップをダイボンドする。光半導体素子１２表面とリード１４とをボンディングワイヤ１８を用い接続する。リード１４は実装部１０と絶縁部１４ａを介し絶縁されている。一方、リード１６は実装部１０と電気的に接続されている。これにより、リード１６は実装部１０を介し光半導体素子１２の裏面に電気的に接続される。

図３（ｂ）を参照に、光半導体素子１２に固定部２５のチップ固定部２４及び３４を当接する。図５を参照に、このとき、図１（ａ）及び図１（ｂ）の錘状凹部２６及び３６の側面が光半導体素子１２の辺に当接することにより、光半導体素子１２と固定部２５とが位置合わせされる。これにより、固定部２５に固定された光ファイバ４０が光半導体素子１２との光結合度が最大となるように光結合される。固定部２５と光半導体素子１２とを接着剤４６で固定する。固定部２５のチップ固定部３４には、ボンディングワイヤ１８のための切り欠き部３５が形成されている。これにより、光半導体素子１２とリード１４とをボンディングワイヤ１８を用い電気的に接続することができる。このように、光半導体素子１２は実装部１０の上面に実装されてなり、固定部２５は、実装された光半導体素子１２上に凹部２６及び３６を被せて設けられている。

図４及び図５を参照に、実装部１０に蓋部４２を被せ半田を用い固定する。蓋部４２に設けられた孔を固定部２５が貫通する。固定部２５と蓋部４２とを半田４４を用い固定する。

実施例１によれば、図５のように、チップ固定部２４及び３４が光半導体素子１２の辺に凹部２６及び３６の内側面の領域２７ａ及び３７ａが当接されることにより位置決めされている。つまり、領域２７ａ及び３７ａは光半導体素子１２を位置決めする位置決め部として機能する。図２（ａ）及び図２（ｂ）のように、固定部２５は、光半導体素子１２の外形よりも大きな開口部２１及び３１と、開口部２１及び３１から位置決め部（図５の領域２７ａ及び３７ａ）に向かって、内側面が傾斜する凹部２６及び３６と、を有している。このように、凹部２６及び３６の内側面が傾斜しているため、光半導体素子１２の辺が内側面に当接した位置関係で、光半導体素子１２と固定部２５との位置関係が決められる。一方、固定部２５は張り合わせ面２９及び３９に設けられたＶ溝部２８及び３８に光ファイバ４０が固定されている。よって、光半導体素子１２と光ファイバ４０との位置関係が決められる。予め、光半導体素子１２に対し光ファイバ４０が最大の光結合度で光結合するように固定部２５の形状を設計しておく。これにより、固定部２５を光半導体素子１２に当接すれば、光ファイバ４０と光半導体素子１２との位置合わせ作業を行うことなく、光ファイバ４０と光半導体素子１２との光結合度を向上させることができる。

図５のように、固定部２５は錘状凹部２６及び３６（図１（ａ）及び図１（ｂ）参照）を有し、錘状凹部２６及び３６の側面が光半導体素子１２に当接する。このように、錘状の凹部が光半導体素子１２に当接することにより、固定部２５と光半導体素子１２とを位置合わせすることができる。錘状凹部２６及び３６の内側面は、光半導体素子１２の少なくとも２辺以上に当接することにより、固定部２５と光半導体素子１２とを位置合わせすることができる。なお、実施例１では錘状凹部２６及び３６は固定部材２０及び３０が張り合わされた状態で角錐形をなしているが、チップ固定部２４及び３４は、光半導体素子１２との位置が確定される形状であればよい。光半導体素子１２が四角形である場合は、錘状凹部２６及び３６は四角錘形であることが好ましい。

固定部２５は、複数の張り合わせ面２９及び３９それぞれに溝部２８及び３８が設けられていてもよいが、図６のように、複数の張り合わせ面２９及び３９のうち１つの張り合わせ面２９に溝部２８ａが設けられていており、他の張り合わせ面３９には溝部が設けられていなくてもよい。このような構成によっても、光ファイバ４０を固定部２５に固定することができる。固定部２５は図７のように固定部材２０、３０ａ及び３０ｂの３つに分割されていてもよい。このように、固定部２５は、３以上の複数の固定部材が張り合わされていてもよい。

次に、図８は光半導体素子と光ファイバとの距離の好ましい範囲を求めるための図である。図８を参照に、光ファイバ４０は光軸Ｃ上に設けられたコア４１とコア４１を囲うクラッド４３とからなる。光ファイバ４０の開口数ＮＡは、

ここで、ｎはコアの屈折率、θｃは光ファイバの臨界角である。
よって、

となる。

光ファイバ４０と光半導体素子１２との距離ｈは、

である。これにより、光半導体素子１２の受光領域１３の半径（受光半径）ｄのとき、

となるｈの範囲であれば、光ファイバ４０のコア４１から出射されたほとんどの光が光半導体素子１２の受光領域１３に照射される。なお、光ファイバ４０の先端が反射防止のため斜めにカットされているが、カットの角度は光ファイバ４０の臨界角θｃ以下であるので光ファイバ４０のクラッド４３に出射光が当たることはない。

図９（ａ）及び図９（ｂ）を用い実施例２について説明する。図９（ａ）を参照に、固定部２５のチップ固定部２４ａ及び３４ａは光半導体素子１２と当接する接触面２７及び３７を有している。図９（ｂ）を参照に、チップ固定部２４ａ及び３４ａの接触面２７及び３７の段差が光半導体素子１２の上面に当接する。つまり、光半導体素子１２の上面と接触する接触面２７及び３７が光半導体素子１２を位置決めする位置決め部である。このように、固定部２５が光半導体素子１２と面で当接されることにより、光半導体素子１２と固定部２５の位置合わせがより精度よく行われる。

実施例３は実装部に、フォトダイオードの信号を増幅するプリアンプを実装した例である。図１０を参照に、実装部１０にはサブキャリア６４が搭載されている。サブキャリア６４上にグランド面６９が形成されている。グランド面６９上にフォトダイオードである光半導体素子１２が、サブキャリア６４上の別の領域にチップコンデンサ６６が搭載されている。実装部１０には、プリアンプチップ６２も搭載されている。光半導体素子１２、プリアンプチップ６２、チップコンデンサ６６、各リード７０及び実装部１０とがボンディングワイヤ６８を用い電気的に接続されている。リード７０は絶縁部７０ａを介し実装部１０から絶縁されている。光半導体素子１２に光ファイバ４０を固定した固定部２５が当接される。さらに、蓋部４２が実装部１０に嵌め込まれ固定される。固定部２５は蓋部４２の孔４８を貫通し固定される。実施例３のように、実装部１０は光半導体素子１２以外のチップが搭載されていてもよい。

実施例１から実施例３は光半導体素子１２としてフォトダイオードを例に説明したが、半導体レーザ等の発光素子であってもよい。実装部１０はＣＡＮ型のパッケージを例に説明したが、他の形状のパッケージでもよい。このように、実装部１０は光半導体素子１２を実装する機能を有していればよい。光半導体素子１２と光ファイバ４０とを直接光結合する場合、光ファイバ４０の位置合わせ精度を上げる要請が強いため、本発明を適用することが有効である。しかしながら、光半導体素子１２と光ファイバ４０とを直接光結合していない場合に本発明を適用することもできる。また、光学部品として光ファイバ４０を例に説明したが、光学部品はレンズ等であってもよい。

固定部の形状は実施例１から実施例３に示した形状には限られない。例えば、図１１のように、固定部２５ａが四角柱様形状であっても良い。また、図５において、固定部２５と蓋部４２の間は空洞であったが、図１２のように樹脂等を充填してもよい。これにより、耐湿性を向上させることができる。さらに、図１２のように、光半導体素子１２と光ファイバ４０との間にマッチングオイル４７等の潤滑剤を塗布することで、光半導体素子１２と光ファイバ４０との光結合度をさらに向上させることができる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

図１（ａ）は実施例１の固定部材２０の側面図、図１（ｂ）は実施例１の固定部材３０の側面図、図１（ｃ）は固定部２５を図１（ａ）及び図１（ｂ）のＣ方向から見た図、図１（ｄ）は固定部２５を図１（ａ）及び図１（ｂ）のＤ方向から見た図である。 図２（ａ）は固定部材２０に光ファイバ４０を固定した図、図２（ｂ）は固定部２０と固定部３０とを合わせ固定した図である。 図３（ａ）は実装部１０に光半導体素子１２を実装した斜視図、図３（ｂ）は実装部１０に固定部２５を固定した斜視図である。 図４は実装部１０に蓋部４２を固定した図である。 図５は、実施例１の断面図である。 図６は図１（ａ）及び図１（ｂ）のＤ方向から見た図に相当する別の固定部の例である。 図７は図１（ａ）及び図１（ｂ）のＤ方向から見た図に相当するさらに別の固定部の例である。 図８は光半導体素子と光ファイバとの距離の好ましい範囲を求めるための図である。 図９（ａ）は、実施例２の固定部の断面図、図９（ｂ）は、固定部が光半導体素子に当接された断面図である。 図１０は実施例３に係る光半導体装置の分解斜視図である。 図１１は固定部の別の例である。 図１２は蓋部と固定部間の空間に樹脂を充填した例である。

符号の説明

１０ 実装部
１２ 光半導体素子
１４、１６ リード
２０、３０ 固定部材
２１、３１ 光軸
２５ 固定部
２２、３２ ファイバ固定部
２４、３４ チップ固定部
２６、３６ 凹部
２７ａ、３７ａ 辺が当接する領域
２７、３７ 接触面
２８、３８ 溝部
２９、３９ 貼り合わせ面
４０ 光ファイバ
４２ 蓋部
４４ 半田
４６ 接着剤
４８ 孔

Claims (9)

1. 光半導体素子と、
   光学部品と、
   前記光半導体素子を位置決めする位置決め部と、前記光半導体素子の外形よりも大きな開口部と、前記開口部から前記位置決め部に向かって内側面が傾斜する凹部と、を備え、前記光半導体素子と前記光学部品とを固定する固定部と、
   を有することを特徴とする光半導体装置。
2. 前記位置決め部は、前記傾斜した内側面のうち、前記光半導体素子の少なくとも２辺と当接する領域であることを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
3. 前記位置決め部は、前記光半導体素子の上面と接触する接触面であることを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
4. 前記光半導体素子は実装部の上面に実装されてなり、前記固定部は、前記実装された光半導体素子上に前記凹部を被せて設けられていることを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
5. 前記光半導体素子と前記光学部品とは直接光接合していることを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
6. 前記光学部品は光ファイバであることを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
7. 前記光半導体素子は受光素子であり、該受光素子と前記光ファイバとの距離は、
   （受光半径）×{（コア屈折率）^２＋（光ファイバの開口数）^２}^０．５÷（光ファイバの開口数）
   以下であることを特徴とする請求項６記載の光半導体装置。
8. 前記固定部は、前記光学部品の光軸方向に分割されてなり、前記光学部品を両側で狭持することで、前記光学部品を固定することを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
9. 前記光半導体素子と前記固定部とは、蓋部で覆われてなることを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。

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