JP2010197686A - 光デバイス及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光伝送路を伝送する光量の温度依存性を低減でき、しかも低コストで作製可能な光デバイスを提供する。
【解決手段】受発光部１ａを有する光半導体素子１と、出入射部２ａを有する光伝送路２と、光半導体素子１が第１の位置４１に固定されるとともに、光伝送路２が第１の位置４１から離間した第２の位置４２に固定される平面板４とを備える光デバイスであって、第１の位置４１と第２の位置４２との距離Ｄが平面板４の熱膨張及び熱収縮によって変化することにより、受発光部１ａに対する出入射部２ａの相対位置が変化し、その相対位置変化によって、光半導体素子１の受発光部１ａと光伝送路２の出入射部２ａとの光結合効率が、使用温度範囲内の高温側において高く、かつ低温側において低くなるように、光半導体素子１と光伝送路２とが光結合されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信技術、光伝送技術及び光情報記録技術に用いられる光デバイス及びその製造方法に関する。

光通信における送信用の光源として、従来は、ペルチェ素子により温度が安定化されたレーザダイオードがよく用いられていた。例えば特許文献１には、光出力制御のため半導体レーザ素子の光出力をモニターするフォトダイオードと、半導体レーザ素子の温度を一定に保つためのペルチェ素子（ペルチェクーラ）を含むサーモモジュールを備えた半導体レーザモジュールが記載されている。

しかし、ペルチェ素子およびその駆動回路が高価であり、かつ電力消費も大きい、という問題があった。このことから、クーラーレスあるいはアンクールドと呼ばれる、ペルチェ素子を要しないレーザダイオードの開発が進められてきた。
このようなレーザダイオードとしては、面発光レーザがよく使用されている。面発光レーザは、端面発光レーザより広い温度範囲で動作可能である。しかし、面発光レーザは、高温でも動作可能とはいえ、低温時と高温時の出力差が大きく、高温時には低温時の半分程度の出力となってしまう。このため、面発光レーザを送信側に用いた光伝送路の受信側において受信される信号の標準を設計するにあたり、標準値を高く設定すると高温時の面発光レーザの小さい出力に反応せず、標準値を低く設定すると低温時の面発光レーザの大きい出力に対し飽和してしまう、という問題があった。

ペルチェ素子を用いることなくレーザダイオードの光出力を温度変化に依存することなくほぼ一定とする技術として、自動パワー制御回路（ＡＰＣ）が知られている。例えば特許文献２には、ペルチェ回路を用いることなく、温度変化にかかわらず一定の光出力を安定して得るためにＡＰＣを用いたレーザダイオードモジュールが記載されている。しかしながら、ＡＰＣは、モニター用フォトダイオードや帰還回路を必要とし、高価である。

特許文献３には、レーザ素子に対向する光出射窓に波長依存性を有する反射膜が設けられることにより、簡易な構造でありながら、その発振波長に拘わらず、ひいては温度変化に依存することなくほぼ一定の光出力を得ることのできる半導体レーザ装置が記載されている。しかしながら、そのレーザ装置では、特殊な反射膜を用いるため、高価である。

レーザダイオードモジュールにおいては、レーザ素子の光出力強度の温度依存性の他にも、各種部材の線膨張係数の違い、あるいは部材の線膨張係数が大きいことに起因する光学部材の位置ずれや光軸ずれ、部材の破壊といった問題もあった。従来、このような問題を解決するため、各部材として線膨張係数が一致しているか又は近い値であるものを選択して用いたり、線膨張係数の小さい材料あるいは負の線膨張係数を有する材料を適切に組み合わせて用いたりすることがなされていた。
例えば特許文献４には、導波路基板を同一材料の金属板、またはセラミック板等の同一の熱膨張係数を有する二つの部材により挾持して固定し、導波路基板の熱変形による撓みを防止することにより、発光素子と導波路間の光軸ずれが防止され、光出力の温度変動が低減される導波路型光モジュールが記載されている。
また、上記特許文献１には、（１）レーザ素子搭載部材の線膨張係数が、光ファイバ固定手段が搭載される固定手段搭載部材の線膨張係数と、サーモモジュールのベース側板材の線膨張係数との間の値となることにより、ベースの撓みを緩和して、温度変化に起因した半導体レーザ素子と光ファイバとの光結合効率低下を抑制すること、及び（２）サーモモジュールのベース側板材および底板側板材の線膨張係数とパッケージ底板の線膨張係数との差が１×１０^−６／Ｋ以下であることにより、パッケージの反りを防止でき、フォトダイオードによるモニター量変動も抑制できることが記載されている。
しかしながら、複数の部材の線膨張係数を適切に組み合わせると、材料の選択が難しくなり、部材費が高価となる問題があった。

特開２００１−２９１９２７号公報 特開平８−１７２４０１号公報 特開２００１−１３５８８４号公報 実開平６−４７９１３号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、光伝送路を伝送する光量の温度依存性を低減でき、しかも低コストで作製可能な光デバイス及びその製造方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、受発光部を有する光半導体素子と、出入射部を有する光伝送路と、前記光半導体素子が第１の位置に固定されるとともに、前記光伝送路が前記第１の位置から離間した第２の位置に固定される平面板とを備える光デバイスであって、前記第１の位置と前記第２の位置との距離が前記平面板の熱膨張及び熱収縮によって変化することにより、前記受発光部に対する前記出入射部の相対位置が変化し、その相対位置変化によって、前記光半導体素子の受発光部と前記光伝送路の出入射部との光結合効率が、使用温度範囲内の高温側において高く、かつ低温側において低くなるように、前記光半導体素子と前記光伝送路とが光結合されていることを特徴とする光デバイスを提供する。

本発明の光デバイスにおいて、前記平面板は、線膨張係数が５×１０^−６／Ｋないし５２０×１０^−６／Ｋの範囲内にある材料からなることが好ましい。
前記平面板が真鍮からなることが好ましい。
前記平面板は、応力緩衝材を介して基板に固定されていることが好ましい。
前記光伝送路は、その光軸が前記光半導体素子の光軸に対して略垂直に交差するように設置され、前記光半導体素子の受発光部と前記光伝送路の出入射部との間が、伝送される光に対して透明な樹脂からなる光結合部によって光結合され、前記光結合部は、前記受発光部に対する前記出入射部の相対位置の変化に追従して変形可能であることが好ましい。
前記第１の位置と前記第２の位置との距離が５ｍｍ以内であることが好ましい。

また、本発明は、上記光デバイスの製造方法であって、前記平面板を室温以上の所定の温度に加熱した状態で前記光半導体素子と前記光伝送路とが光結合するように調心した後、前記光伝送路を前記平面板の前記第２の位置に固定する工程を有することを特徴とする光デバイスの製造方法を提供する。
この製造方法において、前記所定の温度が５０〜３００℃の範囲内であることが好ましい。

また、本発明は、上記光デバイスの製造方法であって、前記光半導体素子と前記光伝送路とが光結合するように調心した後、前記光伝送路を所定の距離だけ位置をずらしてから前記平面板の前記第２の位置に固定する工程を有することを特徴とする光デバイスの製造方法を提供する。
この製造方法において、前記所定の距離は、５〜１５μｍの範囲内であることが好ましい。

本発明によれば、平面板の熱膨張及び熱収縮によって光半導体素子の受発光部に対する光伝送路の出入射部の相対位置を変化させ、その相対位置変化によって、前記光半導体素子の受発光部と前記光伝送路の出入射部との光結合効率が、使用温度範囲内の高温側において高く、かつ低温側において低くなるように、光結合効率を変化させることができる。したがって、光伝送路を伝送する光量の温度依存性を低減できる。また、複雑な制御回路を設ける必要がなく、平面板は低コストにすることができるので、本発明により、光デバイスを低コストで作製することができる。

本発明の光デバイスの第１形態例を示す断面図である。 図１に示す光デバイスにおける光結合部を示す部分拡大図である。 図２に示す光結合部の製造工程を説明する部分拡大図である。 図２に示す光結合部の製造工程を説明する部分拡大図である。 本発明の光デバイスの製造における最適位置の決定方法を説明する模式図である。 本発明の光デバイスの第２形態例を示す断面図である。 本発明の光デバイスの第３形態例を示す断面図である。 本発明の光デバイスの第４形態例を示す断面図である。 ＶＣＳＥＬ出力の温度依存性の一例を示すグラフである。 光ファイバ位置の変化による光結合効率の変化の一例を示すグラフである。 本発明のデバイス出力の温度依存性の一例を示すグラフである。

以下、実施の形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
図１に本発明の光デバイスの第１形態例を示す。本形態例の光デバイスは、受発光部１ａを有する光半導体素子１と、出入射部２ａを有する光伝送路２と、光半導体素子１が第１の位置４１に固定されるとともに、光伝送路２が第１の位置４１から離間した第２の位置４２に固定される平面板４とを備えている。

光半導体素子１は、光信号を出射または入射させる部分として受発光部１ａを有する。光半導体素子１が受光素子である場合は、受発光部１ａは受光部である。光半導体素子１が発光素子である場合は、受発光部１ａは発光部である。
発光素子としては、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：ｖｅｒｔｉｃａｌ−ｃａｖｉｔｙ ｓｕｒｆａｃｅ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｌａｓｅｒ）等が挙げられる。
受光素子としては、フォトダイオード（ＰＤ）等が挙げられる。

光伝送路２としては、例えば石英系光ファイバ、プラスチック光ファイバ（ＰＯＦ）などの光ファイバや、石英光導波路、高分子光導波路などの基板型光導波路などが挙げられる。本形態例の場合、光伝送路２の出入射部２ａは長手方向の端部に設けられている。出入射部２ａにおける出入射の方向が一定となるように、少なくとも出入射部２ａ付近では、光軸２ｂが直線状であることが好ましい。

光デバイスの出力パワーの温度特性は、光半導体素子１と光伝送路２間の位置関係のズレによる光結合効率の変化だけではなく、発光素子の温度特性によっても変化する。一般的な面発光レーザの温度特性を図９に示す。このように発光素子として用いられる光半導体素子には、高温になるほど、出力パワーが小さくなる傾向がある。このため、光伝送路２に伝送される光パワーは、発光素子の温度特性によって変化することになる。

そこで、光半導体素子１が発光素子である場合には、光半導体素子１と光伝送路２間の光結合効率を、使用環境温度に応じて変化させることにより、光半導体素子１から光伝送路２に入射される光パワーの温度依存性を低減することができる。
また、光半導体素子１が受光素子である場合には、光半導体素子１と光伝送路２間の光結合効率を、使用環境温度に応じて変化させることにより、光伝送路２から光半導体素子１に入射される光パワーの温度依存性を低減することができる。

本形態例の光デバイスにおいては、使用環境温度に応じて光半導体素子１と光伝送路２間の光結合効率を変化させる手法として、図１の左右両方向の矢印で表されるように、熱膨張及び熱収縮（熱による寸法変化）が可能な平面板４を使用している。
すなわち、光半導体素子１が平面板４に固定される第１の位置４１と、光伝送路２が平面板４に固定される第２の位置４２との距離Ｄは、平面板４の熱膨張及び熱収縮によって変化する。また、距離Ｄの変化に対応して、受発光部１ａに対する出入射部２ａの相対位置が変化するように、光半導体素子１及び光伝送路２は、それぞれ第１の位置４１及び第２の位置４２に対して、直接固定され、もしくは相対位置変化に実質的な影響を及ぼさない適宜の固定部材を介して固定されている。
なお、第１の位置４１、第２の位置４２及び距離Ｄの基準は特に限定されるものではないが、それぞれ、光半導体素子１が平面板４に固定された部位の中心位置、光伝送路固定部４３が平面板４に固定された部位の中心位置、及び両中心位置間の距離としても良い。

本形態例の場合、光半導体素子１は、直接、もしくは図示しない接着剤等を介して、平面板４の第１の位置４１に固定されている。また、光伝送路２は、平面板４の第２の位置４２に設けられた光伝送路固定部４３を介して、固定されている。このため、第１の位置４１と第２の位置４２との距離Ｄが変化すると、それに連動して、光伝送路２の出入射部２ａの位置が該光伝送路２の長手方向（図１の左右方向）に移動し、受発光部１ａに対する出入射部２ａの相対位置が変化するようになっている。

光伝送路固定部４３は、樹脂や金属等の適宜の材料により凸形状に形成され、光伝送路２の出入射部２ａである端部から離間した側面部２ｃにおいて、光伝送路２を固定している。光伝送路固定部４３は、光伝送路２を平面板４の第２の位置４２に固定でき、使用環境温度の範囲で十分な耐熱性を有するものであれば良い。

光半導体素子１の受発光部１ａと光伝送路２の出入射部２ａとの光結合効率は、受発光部１ａに対する出入射部２ａの相対位置の変化によって変化する。そこで、本形態例の光デバイスにおいては、発光素子の出力パワーが小さくなる使用温度範囲内の高温側において光結合効率が高く、発光素子の出力パワーが相対的に大きくなる使用温度範囲内の低温側において光結合効率が低くなるように、光半導体素子１と光伝送路２とが光結合されている。

光半導体素子１の温度特性に応じて、必要な光半導体素子１と光伝送路２との光結合効率の温度依存性を得るためには、光デバイスの調心位置特性（受発光部１ａに対する出入射部２ａの相対位置による光結合効率の位置依存性）と、平面板４の熱膨張係数とを考慮する必要がある。平面板４の熱膨張及び熱収縮に伴う出入射部２ａの相対位置変化（単位温度当たりの寸法変化）は、平面板４の熱膨張係数に対して、第１の位置４１と第２の位置４２との距離Ｄを乗じた積によって定まる。平面板４の熱膨張係数と距離Ｄとの積が、光デバイスの調心位置特性に応じて適切な値になっていれば良い。よって、使用可能な平面板４の熱膨張係数に応じて、距離Ｄを調整することによって、出入射部２ａの相対位置変化を調整することができる。

平面板４は、耐熱性などを考慮すると、真鍮、銅、亜鉛、ハフニウム等の金属からなることが好ましい。平面板４の材料を実在する材質から選択する場合、線膨張係数が５×１０^−６／Ｋないし５２０×１０^−６／Ｋの範囲内にある材料からなることが好ましい。
平面板４の大きさは、所望の距離Ｄが確保できる寸法であれば良いが、光デバイスの小型化の要求に応じて、１．５ｃｍ以内とすることが好ましい。

光半導体素子１は、基板５の実装面５ａに形成された回路配線６に対して、接合材により電気的に接続されている。例えば、本形態例の場合は、光半導体素子１の上部（表面）に形成された電極（図示せず）とワイヤ配線７などからなる給電用配線により、回路配線６と電気的に接続されている。
基板５には、例えは、ガラスエポキシ基板、セラミック基板など、一般的な各種絶縁基板を使用することができる。ワイヤ配線７としては、例えば、金（Ａｕ）ワイヤ、アルミ（Ａｌ）ワイヤ、銅（Ｃｕ）ワイヤなどが挙げられる。

平面板４と基板５との間に熱膨張係数の差があっても、両者間が良好に接合されるようにするため、平面板４と基板５の間に応力緩衝材８を設けて両者を固定することが好ましい。応力緩衝材８は、ＵＶ硬化性樹脂や熱硬化性樹脂など、硬度が低い樹脂を用いることが可能である。このような応力緩衝材８を設けることにより、平面板４と基板５との間の熱応力を緩和することができる。

図２に、本形態例の光デバイスにおいて光半導体素子１と光伝送路２とを光結合するための光結合構造の部分拡大図を示す。
本形態例の場合、光伝送路２は、その光軸２ｂが光半導体素子１の光軸１ｂに対して交差するように設置され、光半導体素子１の受発光部１ａと光伝送路２の出入射部２ａとの間が、伝送される光に対して透明な樹脂からなる光結合部３によって光結合されている。光半導体素子１および光伝送路２の光軸１ｂ，２ｂが互いに垂直（または略垂直）に配置されることが好ましい。

光結合部３は、伝送される光に対して透明な樹脂からなる。光結合部３を構成する樹脂は、光半導体素子１の受発光部１ａの少なくとも一部および光伝送路２の端部２ａの少なくとも一部にそれぞれ密着している。
ここでいう透明樹脂とは、光半導体素子１と光伝送路２との間を伝送する光を透過させることが可能なものを指している。従って、必ずしも可視光下で無色透明な色調のものに限定されるものではない。透明樹脂としては、例えば、ＵＶ硬化性樹脂や熱硬化性樹脂などを用いることができる。透明樹脂の具体例としては、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコーン系樹脂等が挙げられる。

本形態例の透明樹脂からなる光結合部３は、受発光部１ａに対する出入射部２ａの相対位置の変化に追従して変形可能である。これにより、光結合部３は受発光部１ａ及び出入射部２ａに密着し、出入射部２ａの位置変化が生じても光結合構造が破壊される（例えば光路上に隙間を生じる）ことがない。

ここで光結合部３は、光半導体素子１が受光素子の場合には、光伝送路２から光結合部３に入射した光は、光結合部３を構成する透明樹脂と空気（外気）との界面３ａとの屈折率差により反射されて光半導体素子１に入射する。
また、光半導体素子１が発光素子の場合には、光半導体素子１から光結合部３に入射した光は、光結合部３を構成する透明樹脂と空気（外気）との界面３ａとの屈折率差により反射されて光伝送路２に入射する。

本形態例の光結合部３は、光半導体素子１と光伝送路２との間の光結合を容易に実現するため、以下のような構成となっている。
光結合部３の外面３ａが空気との界面を形成しており、光結合部３を構成する透明樹脂は、光伝送路２の光軸２ｂと光半導体素子１の光軸１ｂとが交差する交点Ｐの位置には存在せず、光結合部３の外面３ａ（光結合部３と空気との界面）が、光半導体素子１の受発光部１ａまたは光伝送路２の端部２ａの側に凹んだ形状となっている。

より詳しくは、光結合部３を構成する樹脂の外面３ａにおいて、
（１）受発光部１ａに対向する位置Ａが受発光部１ａ側に凹んだ形状の凹面部１１、
（２）光伝送路２の端部２ａに対向する位置Ｂが光伝送路２の端部２ａ側に凹んだ形状の凹面部１２、
（３）受発光部１ａに対向する位置Ａと光伝送路２の端部２ａに対向する位置Ｂとの間が凹んだ形状の凹面部１３、
の少なくともいずれかが形成されてなることを特徴とする。

ここで、（１）の受発光部１ａ側の凹面部１１は、例えば、光半導体素子１の光軸１ｂが樹脂の外面３ａと交差する位置Ａの近傍において、樹脂の外面３ａが樹脂側に凹となる凹面を形成していれば良い。
また、（２）の光伝送路２側の凹面部１２は、例えば、光伝送路２の光軸２ｂが樹脂の外面３ａと交差する位置Ｂの近傍において、樹脂の外面３ａが樹脂側に凹となる凹面を形成していれば良い。
また、（３）の中間部の凹面部１３は、例えば、光半導体素子１の光軸１ｂが樹脂の外面３ａと交差する位置Ａと、光伝送路２の光軸２ｂが樹脂の外面３ａと交差する位置Ｂとの間を結ぶ線分ＡＢがＡ−Ｂ間で樹脂の外側（空気側）を通り、樹脂の外面３ａが凹となる凹面を形成していれば良い。

光半導体素子１が受光素子の場合、本形態例の光結合部３は、光伝送路２から光半導体素子１への光結合に際して、次のような効果を奏する。
（１）受発光部１ａに対向する位置Ａが受発光部１ａ側に凹んだ形状の凹面部１１は、樹脂の内側から見ると凸面となっているので、光伝送路２から出射後に光結合部３内で進行方向が拡散した光を、光半導体素子１の受発光部１ａに向かうように反射させることができる。
（２）光伝送路２の端部２ａに対向する位置Ｂが光伝送路２の端部２ａ側に凹んだ形状の凹面部１２は、樹脂の内側から見ると凸面となっているので、光伝送路２から出射した光の進行方向を拡散して、その光の少なくとも一部が光半導体素子１の受発光部１ａに向かうように反射することができる。
（３）受発光部１ａに対向する位置Ａと光伝送路２の端部２ａに対向する位置Ｂとの間が凹んだ形状の凹面部１３は、光伝送路２から出射した光が光結合部３内で反射・透過する光路の断面積を狭くすることにより、光半導体素子１に入射する結合効率を向上し、損失を低減することができる。

同様に、光半導体素子１が発光素子の場合、本形態例の光結合部３は、光半導体素子１から光伝送路２への光結合に際して、次のような効果を奏する。
（１）受発光部１ａに対向する位置Ａが受発光部１ａ側に凹んだ形状の凹面部１１は、樹脂の内側から見ると凸面となっているので、受発光部１ａから出射した光の進行方向を拡散して、その光の少なくとも一部が光伝送路２の端部２ａに向かうように反射することができる。
（２）光伝送路２の端部２ａに対向する位置Ｂが光伝送路２の端部２ａ側に凹んだ形状の凹面部１２は、樹脂の内側から見ると凸面となっているので、受発光部１ａから出射後に光結合部３内で進行方向が拡散した光を、光伝送路２の端部２ａに向かうように反射させることができる。
（３）受発光部１ａに対向する位置Ａと光伝送路２の端部２ａに対向する位置Ｂとの間が凹んだ形状の凹面部１３は、光半導体素子１から出射した光が光結合部３内で反射・透過する光路の断面積を狭くすることにより、光伝送路２に入射する結合効率を向上し、損失を低減することができる。

すなわち、本形態例の光結合部３は、これらの凹面部１１，１２，１３を有することにより、透明樹脂の界面の形状について、反射面としての位置および角度を精密に制御しなくても、より低い作製精度で確実な光結合を実現することができる。また、光伝送路２の端部２ａと光半導体素子１の受発光部１ａとの間が単一の透明樹脂で構成された光結合部３で光結合され、極めて低コストに、かつ簡易な工程で作製可能である。
ここでいう単一の透明樹脂とは、成分（組成）が均一（単一）、特定の波長の光に対する透過率が均一、物理的に２層以上ではない（界面がない）など、いずれの意味も包含するものである。

これらの凹面部１１〜１３は、それぞれ光半導体素子１の受発光部１ａおよび光伝送路２の端部２ａの位置に近い方が、透明樹脂の界面３ａにおける反射によって光半導体素子１と光伝送路２との間を光結合する際に、光が拡散する範囲が狭くなり、損失を低減することができる。このため、光結合部３は、光半導体素子１の光軸１ｂと光伝送路２の光軸２ｂとが交差する交点Ｐの位置には前記樹脂が存在せず、樹脂の外面３ａが受発光部１ａに対向する位置Ａが交点Ｐと受発光部１ａとの間にあり、かつ、樹脂の外面３ａが光伝送路２の端部２ａに対向する位置Ｂが交点Ｐと光伝送路２の端部２ａとの間にあることが好ましい。

さらに本形態例の光結合部３は、透明樹脂の周囲が空気で覆われているため、透明樹脂との屈折率差が大きくなり、界面における光の反射率を高めることができる。これにより、光の結合効率をより向上することができる。

図２に示す光結合部３は、図３及び図４に示す方法により作製することができる。まず図３に示すように、光半導体素子１の受発光部１ａに対して、精密ディスペンサ等の樹脂ディップ装置２９を用いて、未硬化の透明樹脂３１を塗布する。続いて、図４に示すように、光半導体素子１に対して光伝送路２の端部２ａを、光半導体素子１上に盛り付けた透明樹脂３１に向けて（矢印Ｌの方向に）差し込む。そして、透明樹脂３１に差し込んだ光伝送路２を光半導体素子１から遠ざけるように移動する。このとき、光伝送路２は、光半導体素子１からゆっくりと斜め上方向（矢印Ｒの方向）に引き上げる。

この後、透明樹脂３１の種類に応じて、必要に応じて例えばＵＶ（紫外線）の照射や加熱を行い、透明樹脂３１を硬化させる。これにより、光半導体素子１と光伝送路２とを光学的に接続する（光結合する）光結合部３が形成される。

図４において光伝送路２を斜め方向に引き上げた後の透明樹脂３１の形状は、（１）透明樹脂３１と光半導体素子１との間の界面張力、（２）透明樹脂３１と光伝送路２との間の界面張力、および（３）透明樹脂３１と空気との間の表面張力で決定される。つまり、（Ａ）光半導体素子１、光伝送路２、透明樹脂３１の部材と、（Ｂ）光半導体素子１および光伝送路２の表面状態や透明樹脂３１の粘度などの部材の状態と、（Ｃ）図３における透明樹脂３１の塗布量や図４における光伝送路２の差込量および引き上げ量などの実装条件などに依存する。これら（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の条件が同じであれば、自ずと透明樹脂３１の形状は同じになる。

光伝送路２のＲ方向への引き上げ量は、用いる光伝送路２や光半導体素子１の構造、透明樹脂３１の塗布量などに応じて最適値が存在する。こうした最適値を予め調べておけば、上述した作製工程を全て自動化することが可能になり、より一層の省力化を実現できる。また、光結合部３を作製する際に光半導体素子１と光伝送路２との間に光を伝送させる必要はなく、パッシブ調心が可能である。樹脂の塗布量の変化などによってパッシブ調心の位置が最適位置から多少ずれても、光半導体素子１と光伝送路２との間が透明樹脂３１でつながれているので、透明樹脂３１の表面が光伝送路２と一緒に変形するため、光結合部３の結合効率が低下しにくく、位置合わせのトレランスが大きい。光を伝送しながら行うアクティブ調心では、光硬化性樹脂を用いると光ファイバの位置合わせ中に樹脂が硬化するおそれがあるが、パッシブ調心によれば、途中で樹脂が硬化するおそれがない。

このような光結合部の製造方法によれば、光半導体素子１に透明樹脂３１を盛り付けて、この透明樹脂３１に光伝送路２を差し込んで斜め方向に引き上げた後、透明樹脂３１を硬化させるだけで、光半導体素子１と光伝送路２とを光学的に接続する（光結合する）光結合部３を形成することが可能になる。このため、光結合部３の形成に際して、樹脂を象る金型等も必要なく、少ない工程かつ少ない構成部品で極めて低コストに光モジュールを製造することが可能になる。透明樹脂３１を基板５に付着させる必要がないので、光結合部３の形成に際して、基板５の加工工程（Ｖ溝や段差など）を追加する必要がないので、シリコン基板のように面異方性エッチングが利用可能な基板に限らず、ガラスエポキシ基板等のように加工性の低い基板であっても、低コストに基板作製が可能である。

本形態例の光デバイスを製造する第１の方法は、平面板４を使用温度範囲内の高温側における所定の温度に加熱した状態で光半導体素子１と光伝送路２とが光結合するように調心した後、光伝送路２を平面板４の第２の位置４２に固定する工程を有する製造方法である。高温側の温度が高すぎると、調心しても結合効率自体が下がってしまうので、５０〜３００℃の範囲内で加熱して調心することが好ましい。
第１の方法によれば、平面板４が熱膨張している間に光結合部３を作製し、光半導体素子１と光伝送路２とを調心する（両者が光結合するように位置を調整する）ので、使用温度範囲内の高温側で光結合効率が高くなるように調心することが容易になる。また、平面板４が熱収縮して光伝送路２の端部２ａが光半導体素子１に接近する方向に変位すると、光結合部３の反射ミラーとなる界面３ａの形状が変化し、光結合効率が正の温度特性を持ち、発光素子の負の温度特性を相殺することができる。
調心および平面板４上に光伝送路２を固定する作業を行う温度は、光結合効率の位置依存性と、前記距離Ｄと、平面板４の線膨張係数により最適温度を設定することが可能である。あらかじめ最適温度を調べておけば、光半導体素子１に透明樹脂３１を塗布し、この透明樹脂３１に光伝送路２の端部２ａを差し込んで光結合部３を形成し、パッシブ調心によって光半導体素子１と光伝送路２とを調心し、光伝送路２を平面板４に固定するまでの一連の作業を自動化することも可能である。

また、光デバイスを製造する第２の方法は、光半導体素子１と光伝送路２とが光結合するように調心した後、光伝送路２を所定の距離だけ位置をずらしてから平面板４の第２の位置４２に固定する工程を有する製造方法である。第１の方法のように、調心を行う際に平面板４を所定の高温に保つことは容易ではないが、第２の方法によれば、調心時の環境温度は室温でも良い。
ここで、調心後に光伝送路２の位置をずらす移動量（長さ）は、使用温度範囲内の高温側において光結合効率が高くなるように決定する。移動量は、図５に示すように、光半導体素子１を固定した平面板４上に、光伝送路固定部４４を介して光伝送路２を固定したものを用意し、平面板４を実際に昇温させて、低温時の位置Ｌと高温時の位置Ｈとの変位量を測定する方法、あるいはテストモデルで求めておく方法等により定めることができる。このようにして、高温での光軸調整を模擬し、光伝送路２の調心固定の工程を簡易にすることができる。
一例として、平面板４が線膨張係数１９×１０^−６／Ｋの真鍮からなる場合、調心後に光伝送路２の位置をずらす所定の距離は、５〜１５μｍの範囲内であることが好ましい。

以上説明したように、本形態例の光デバイスによれば、平面板４の熱膨張及び熱収縮によって光半導体素子１の受発光部１ａに対する光伝送路２の出入射部２ａの相対位置を変化させ、その相対位置変化によって、光半導体素子１の受発光部１ａと光伝送路２の出入射部２ａとの光結合効率が、使用温度範囲内の高温側において高く、かつ低温側において低くなるように、光結合効率を変化させることができる。したがって、光伝送路を伝送する光量の温度依存性を低減できる。また、ペルチェクーラやモニター用フォトダイオードなどを有する複雑な制御回路を設ける必要がないので、光デバイスを低コストで作製することができる。
例えば、図６の上面図に示すように、ペルチェ素子を用いることなく、１４本の電極ピン１０を有するバタフライパッケージ９などにも適用することが可能である。

以上、本発明を好適な実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明は上述の形態例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。
例えば、図７に示すように、光伝送路２の出入射部２ａが光半導体素子１の受発光部１ａに対して真っ直ぐ向かうように配置し、両者の光軸が同軸上に位置するように配置しても良い。図７に示す例では、光半導体素子１は、素子固定部１０１を介して平面板４の第１の位置４１に固定され、光伝送路２は、光伝送路固定部１０２を介して平面板４の第２の位置４２に固定されている。第１の位置４１と第２の位置４２との距離Ｄは、平面板４の熱膨張及び熱収縮によって変化し、受発光部１ａに対する出入射部２ａの距離の変化に応じて、光半導体素子１と光伝送路２との光結合効率が変化するようになっている。

また、図８は、図７の構成において、光半導体素子１の受発光部１ａと光伝送路２の出入射部２ａとの間にボールレンズ１０３などのレンズ素子を設け、レンズ素子による集光が高温で最適化されるように、素子固定部１０１と光伝送路固定部１０２との距離を調整したものである。図８においては、ボールレンズ１０３は、レンズ固定部１０４により平面板４上に固定されている。
図７及び図８に示す構成によっても、光半導体素子１の受発光部１ａに対する光伝送路２の出入射部２ａの相対位置を変化させ、その相対位置変化によって、光半導体素子１の受発光部１ａと光伝送路２の出入射部２ａとの光結合効率が、使用温度範囲内の高温側において高く、かつ低温側において低くなるように、光結合効率を変化させ、光半導体素子１の出力の温度依存性を相殺することができる。

以下、実施例をもって本発明を具体的に説明する。

（実施例１）
図１〜４に示すように、光伝送路２としてクラッド径が１２５μｍ、コア径が５０μｍの石英系マルチモード光ファイバを用意し、光半導体素子１にはＶＣＳＥＬ（発光部の開口径は１５μｍ）を、透明樹脂３１にはＵＶ硬化樹脂（アクリル系樹脂）を、基板５にはガラスエポキシ基板を、ワイヤ配線７には金ワイヤを用い、光伝送路固定部４３にはＵＶ硬化樹脂を、応力緩衝材８にはＵＶ硬化樹脂を用いた。この実施例で用いたＶＣＳＥＬの温度特性を図９に示す。

ＶＣＳＥＬの受光部上に透明樹脂３１を２ｎｌ（ナノリットル）塗布した後、この透明樹脂に光ファイバの先端を差し込んで、斜め３０°上方に４０μｍ引き上げた後、ＵＶを照射して透明樹脂３１を硬化させた。このようにして形成した光結合部３における光結合効率の位置依存性を図１０に示す。図１０において、光ファイバ位置０μｍは光結合効率が最も高い位置を表す。

図９に示すＶＣＳＥＬの負の温度特性（高温ほど出力が低下）を相殺するためには、光結合部３において、正の温度特性（高温ほど光結合効率が上昇）を得る必要がある。つまり、図１０において、低温では光ファイバ位置が−１０μｍ程度、高温では光ファイバ位置が０μｍ程度となるように、調心する必要がある。平面板４の線膨張係数に、光半導体素子１と光伝送路固定部４３との距離Ｄを乗じた積は、７．４５×１０^−８ｍ／Ｋが最適である。よって、平面板４の材質として線膨張係数１９×１０^−６／Ｋである真鍮を用いた場合、距離Ｄを３．９２ｍｍとした。
なお、線膨張係数５×１０^−６／Ｋから５２０×１０^−６／Ｋの範囲内で、平面板の材質と距離Ｄとの組み合わせは、銅を用いた場合はＤ＝４．５ｍｍ、亜鉛を用いた場合はＤ＝２．２６ｍｍ、ハフニウムを用いた場合はＤ＝０．１４４ｍｍ等が挙げられる。

平面板４に真鍮を用いた本実施例の場合、１２８℃で光伝送路２を調心・固定した。このようにして作製した光デバイスの０〜８５℃における出力特性を図１１に示す。図９に示すように、０〜８５℃におけるＶＣＳＥＬの出力変化が４ｄＢ程度あるのに対して、本実施例による光デバイスの場合、０〜８５℃における出力変化を１．６ｄＢ程度に低減することができた。調心を行う温度は、環境温度が上昇し、発光素子の光量がある程度減少したときに光結合効率がピーク（極大値）となるようにしなければ正の温度特性を持たせることができない。また、高すぎる温度における調心では、光結合効率自体が低下してしまうので、５０〜３００℃の範囲で行うのが良いと考えられる。

１…光半導体素子、１ａ…受発光部、１ｂ…光半導体素子の光軸、２…光伝送路、２ａ…出入射部、２ｂ…光伝送路の光軸、３…光結合部、４…平面板、５…基板、８…応力緩衝材、４１…第１の位置、４２…第２の位置、Ｄ…第１の位置と第２の位置との距離。

Claims (10)

1. 受発光部を有する光半導体素子と、出入射部を有する光伝送路と、前記光半導体素子が第１の位置に固定されるとともに、前記光伝送路が前記第１の位置から離間した第２の位置に固定される平面板とを備える光デバイスであって、
   前記第１の位置と前記第２の位置との距離が前記平面板の熱膨張及び熱収縮によって変化することにより、前記受発光部に対する前記出入射部の相対位置が変化し、その相対位置変化によって、前記光半導体素子の受発光部と前記光伝送路の出入射部との光結合効率が、使用温度範囲内の高温側において高く、かつ低温側において低くなるように、前記光半導体素子と前記光伝送路とが光結合されていることを特徴とする光デバイス。
2. 前記平面板は、線膨張係数が５×１０^−６／Ｋないし５２０×１０^−６／Ｋの範囲内にある材料からなることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
3. 前記平面板が真鍮からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の光デバイス。
4. 前記平面板は、応力緩衝材を介して基板に固定されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光デバイス。
5. 前記光伝送路は、その光軸が前記光半導体素子の光軸に対して略垂直に交差するように設置され、前記光半導体素子の受発光部と前記光伝送路の出入射部との間が、伝送される光に対して透明な樹脂からなる光結合部によって光結合され、前記光結合部は、前記受発光部に対する前記出入射部の相対位置の変化に追従して変形可能であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光デバイス。
6. 前記第１の位置と前記第２の位置との距離が５ｍｍ以内であることを特徴とする請求項５に記載の光デバイス。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の光デバイスの製造方法であって、
   前記平面板を室温以上の所定の温度に加熱した状態で前記光半導体素子と前記光伝送路とが光結合するように調心した後、前記光伝送路を前記平面板の前記第２の位置に固定する工程を有することを特徴とする光デバイスの製造方法。
8. 前記所定の温度が５０〜３００℃の範囲内であることを特徴とする請求項７に記載の光デバイスの製造方法。
9. 請求項１〜６のいずれかに記載の光デバイスの製造方法であって、
   前記光半導体素子と前記光伝送路とが光結合するように調心した後、前記光伝送路を所定の距離だけ位置をずらしてから前記平面板の前記第２の位置に固定する工程を有することを特徴とする光デバイスの製造方法。
10. 前記所定の距離は、５〜１５μｍの範囲内であることを特徴とする請求項９に記載の光デバイスの製造方法。

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