JP2645862B2 - 半導体発光装置およびその応用製品 - Google Patents
半導体発光装置およびその応用製品Info
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- H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
- H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
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- H01L2224/48247—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic connecting the wire to a bond pad of the item
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体発光装置およびその応用製品に係
り、特に、半導体レーザや発光ダイオード等の発光素子
を使用し組立および調整が容易でビーム径の小さい平行
ビームを発生できる半導体発光装置に関するものであ
る。
り、特に、半導体レーザや発光ダイオード等の発光素子
を使用し組立および調整が容易でビーム径の小さい平行
ビームを発生できる半導体発光装置に関するものであ
る。
従来の半導体発光装置は、第５図に示すように、発光
素子を１個のレンズの焦点位置に配置して、平行ビーム
を生じさせていた。なお、この種の装置として関連する
ものには、例えば、昭和62年春電子情報通信学会総合全
国大会2452番，昭和62年電子情報通信学会半導体・材料
部門全国大会319番等がある。
素子を１個のレンズの焦点位置に配置して、平行ビーム
を生じさせていた。なお、この種の装置として関連する
ものには、例えば、昭和62年春電子情報通信学会総合全
国大会2452番，昭和62年電子情報通信学会半導体・材料
部門全国大会319番等がある。
従来装置では、第５図に示すように、発光素子１を１
個のレンズ２の焦点位置に設置し、平行ビーム４を作成
していた。この場合、光の広がり角を２θ，レンズ２の
焦点距離をｆとすると、平行ビーム４のビーム径ｄは、 ｄ＝２・ｆ・tanθ ……（１） となる。一般には平行ビームは細い方が利用価値が高
く、特に光ファイバ通信装置に用いる場合は、1mm以下
のビーム径が要求されることが多い。
個のレンズ２の焦点位置に設置し、平行ビーム４を作成
していた。この場合、光の広がり角を２θ，レンズ２の
焦点距離をｆとすると、平行ビーム４のビーム径ｄは、 ｄ＝２・ｆ・tanθ ……（１） となる。一般には平行ビームは細い方が利用価値が高
く、特に光ファイバ通信装置に用いる場合は、1mm以下
のビーム径が要求されることが多い。
しかし、ビーム径を小さくすれば、（１）式から明ら
かなように、要求されるレンズ２の焦点距離、すなわち
発光素子１とレンズ２間の距離が小さくなり、発光素子
１とレンズ２の位置合せ及び固定が難しくなる。例え
ば、発光素子１として波長1.54μｍの半導体レーザを用
い、レンズ２として材質TaF3ガラスの微小球レンズを用
いた場合、光の広がり半角θを代表値40℃とすれば、ビ
ーム径1mmの平行ビームを作るには、焦点距離ｆが約0.6
mmとなる。
かなように、要求されるレンズ２の焦点距離、すなわち
発光素子１とレンズ２間の距離が小さくなり、発光素子
１とレンズ２の位置合せ及び固定が難しくなる。例え
ば、発光素子１として波長1.54μｍの半導体レーザを用
い、レンズ２として材質TaF3ガラスの微小球レンズを用
いた場合、光の広がり半角θを代表値40℃とすれば、ビ
ーム径1mmの平行ビームを作るには、焦点距離ｆが約0.6
mmとなる。
一方、球レンズの半径ｒと焦点距離ｆの関係は、レン
ズの屈折率をｎとすると、 ｒ＝２・ｆ・（ｎ−１）/n ……（２） であるから、ｆ＝0.6mmおよびTaF3ガラスの波長1.54μ
ｍにおける屈折率ｎ＝1.78を（２）式に代入して、ｒ〜
0.53となる。球レンズの場合、焦点距離ｆは焦点から球
レンズの中心までの距離であるから、焦点から球レンズ
端面までの距離ｌは、（２）式を用いて、 ｌ＝ｆ−ｒ＝（２−ｎ）・f/n ……（３） となる。この（３）式にｆ＝0.6mmおよびｎ＝1.78を代
入すると、ｌ〜0.07mmとなる。
ズの屈折率をｎとすると、 ｒ＝２・ｆ・（ｎ−１）/n ……（２） であるから、ｆ＝0.6mmおよびTaF3ガラスの波長1.54μ
ｍにおける屈折率ｎ＝1.78を（２）式に代入して、ｒ〜
0.53となる。球レンズの場合、焦点距離ｆは焦点から球
レンズの中心までの距離であるから、焦点から球レンズ
端面までの距離ｌは、（２）式を用いて、 ｌ＝ｆ−ｒ＝（２−ｎ）・f/n ……（３） となる。この（３）式にｆ＝0.6mmおよびｎ＝1.78を代
入すると、ｌ〜0.07mmとなる。
このような狭い間隔で半導体レーザ１と球レンズ２の
光軸を合わせて固定することは、非常に難かしい作業で
ある。しかも、作業中に半導体レーザ１にレンズ２また
は操作治具が触れて半導体レーザ１を損傷する危険性が
高いし、接着剤または半田を用いて固定する際に起きる
部品の位置ずれの許容度も小さくなってしまう。
光軸を合わせて固定することは、非常に難かしい作業で
ある。しかも、作業中に半導体レーザ１にレンズ２また
は操作治具が触れて半導体レーザ１を損傷する危険性が
高いし、接着剤または半田を用いて固定する際に起きる
部品の位置ずれの許容度も小さくなってしまう。
本発明の目的は、組立て作業の際に発光素子にレンズ
が触れて損傷する危険性を低減でき、かつ位置ずれの許
容度を大きくすることができ、平行ビーム径を小さくで
きる半導体発光装置およびその応用製品を提供すること
である。
が触れて損傷する危険性を低減でき、かつ位置ずれの許
容度を大きくすることができ、平行ビーム径を小さくで
きる半導体発光装置およびその応用製品を提供すること
である。
上記目的は、レンズ系を従来の１群に加えて２群より
構成し、全体の光学系を、発光素子，発光素子からの光
を集光する第１レンズ群，この第１レンズ群の集光点に
焦点位置を一致させて配置され前記集光された光を平行
ビームに変換する第２レンズ群とすることにより達成さ
れる。
構成し、全体の光学系を、発光素子，発光素子からの光
を集光する第１レンズ群，この第１レンズ群の集光点に
焦点位置を一致させて配置され前記集光された光を平行
ビームに変換する第２レンズ群とすることにより達成さ
れる。
特に、本発明は、第１レンズと第２レンズを挿入可能
な通孔を有するレンズホルダを備えてなるものとし、そ
のレンズホルダの通孔の両端部に前記配置関係を満たし
て第１レンズと第２レンズを装着するとともに、そのレ
ンズホルダを半導体発光素子が取り付けられたステムに
前記レンズの配置関係を満たして取り付けてなることを
特徴とする。
な通孔を有するレンズホルダを備えてなるものとし、そ
のレンズホルダの通孔の両端部に前記配置関係を満たし
て第１レンズと第２レンズを装着するとともに、そのレ
ンズホルダを半導体発光素子が取り付けられたステムに
前記レンズの配置関係を満たして取り付けてなることを
特徴とする。
前記半導体発光素子は、半導体レーザでも発光ダイオ
ードでもよい。
ードでもよい。
上記構成によれば、前記発光素子と前記第１レンズの
間隔を0.5mm以上とし、第２レンズを通過した後の平行
ビーム径を1mm以下に絞り込むことができる。
間隔を0.5mm以上とし、第２レンズを通過した後の平行
ビーム径を1mm以下に絞り込むことができる。
このような半導体発光装置は、前記平行ビームを光フ
ァイバまたは光アイソレータに入射させる光送信モジュ
ールや、前記平行ビームを光アイソレータに入射させた
後に直接またはレンズを介して光ファイバに入射させる
光送信モジュールに利用可能である。
ァイバまたは光アイソレータに入射させる光送信モジュ
ールや、前記平行ビームを光アイソレータに入射させた
後に直接またはレンズを介して光ファイバに入射させる
光送信モジュールに利用可能である。
また、コンパクトディスク用ヘッド，加工用レーザ装
置，光干渉計等の光源としても使用できる。
置，光干渉計等の光源としても使用できる。
発光素子が発する光は、第１レンズによって一旦集光
されるが、集光点が第２レンズの焦点に一致するように
配置してあるため、再び広がって第２レンズに入射する
光は、平行ビームに変換される。この配置によれば、発
光素子を第１レンズの焦点距離よりも遠い位置に配置で
きるため、発光素子と第１レンズ間との距離を大きく設
定でき、第２レンズとして短焦点のレンズを選ぶことに
より、ビーム径の小さい平行ビームを作成できる。
されるが、集光点が第２レンズの焦点に一致するように
配置してあるため、再び広がって第２レンズに入射する
光は、平行ビームに変換される。この配置によれば、発
光素子を第１レンズの焦点距離よりも遠い位置に配置で
きるため、発光素子と第１レンズ間との距離を大きく設
定でき、第２レンズとして短焦点のレンズを選ぶことに
より、ビーム径の小さい平行ビームを作成できる。
特に、第１レンズと第２レンズまたはレンズ群を装着
するレンズホルダの通孔は、機械加工によって精度よく
形成できるから、その通孔に装着する２つのレンズの光
軸を合わせることが容易で、かつ配置関係を精度よく満
たすことが容易になる。また、半導体発光素子との位置
関係の調整についても、第１と第２のレンズの位置関係
を固定した後に調整することができるから、組立て時の
位置合わせが容易になる。
するレンズホルダの通孔は、機械加工によって精度よく
形成できるから、その通孔に装着する２つのレンズの光
軸を合わせることが容易で、かつ配置関係を精度よく満
たすことが容易になる。また、半導体発光素子との位置
関係の調整についても、第１と第２のレンズの位置関係
を固定した後に調整することができるから、組立て時の
位置合わせが容易になる。
次に本発明の基本的実施例を第１図により説明する。
発光素子１として波長1.56μｍの半導体レーザを用い、
レンズ2,3として球レンズよりも低収差であり固定の容
易なGRIN（graded index）ロッドレンズを用いた。特に
第１レンズ２は更に収差の少ない先球GRINロッドレンズ
を用いた。レンズの諸元は、第１レンズ２に関しては、
光軸上屈折率n2＝1.634,屈折率分布定数 先球半径Ｒ＝2mm,レンズ長Z2＝2.93mm,レンズ径d2＝1.8
mmであり、第２レンズ３に関しては、n3＝1.59, Z3＝2.64mm,d3＝1.0mmである。発光素子１と第１レンズ
２間の距離l1は、組立を容易にするため、余裕を持たせ
てl1＝1mmに設定した。
発光素子１として波長1.56μｍの半導体レーザを用い、
レンズ2,3として球レンズよりも低収差であり固定の容
易なGRIN（graded index）ロッドレンズを用いた。特に
第１レンズ２は更に収差の少ない先球GRINロッドレンズ
を用いた。レンズの諸元は、第１レンズ２に関しては、
光軸上屈折率n2＝1.634,屈折率分布定数 先球半径Ｒ＝2mm,レンズ長Z2＝2.93mm,レンズ径d2＝1.8
mmであり、第２レンズ３に関しては、n3＝1.59, Z3＝2.64mm,d3＝1.0mmである。発光素子１と第１レンズ
２間の距離l1は、組立を容易にするため、余裕を持たせ
てl1＝1mmに設定した。
さて、発光素子１が発する光は第１レンズ２により集
光される。第１レンズ２の右端面から集光点までの距離
laは、先球GRINロッドレンズの性質から次式で与えられ
る。
光される。第１レンズ２の右端面から集光点までの距離
laは、先球GRINロッドレンズの性質から次式で与えられ
る。
ただし、Ｐ＝（n2−１）/Rである。（４）式に数値を
代入すると、la＝3.16mmとなる。
代入すると、la＝3.16mmとなる。
第２レンズ３は、ピッチが であり、レンズ端面に焦点を持つ仕様になっている。そ
こで、第１レンズ２の集光点と第２レンズ３の焦点を一
致させるため、レンズ２とレンズ３との間の距離l2をla
と等しく、l2＝3.16mmに設定した。
こで、第１レンズ２の集光点と第２レンズ３の焦点を一
致させるため、レンズ２とレンズ３との間の距離l2をla
と等しく、l2＝3.16mmに設定した。
第２レンズ３からの平行ビーム４のビーム径ｄおよび
広がり角θｂは、第１レンズ２の最外縁からの光線第２
レンズ３を通過して出射する際の光軸からのずれをΔ，
傾きをΔｂとすると、 ｄ＝２Δ ……（５） θｂ＝tan-1Δｂ ……（６） と近似できる。Δ，ΔｂはGRINロッドレンズの性質か
ら、 と与えられる。（５），（６），（７），（８）式に数
値を代入すると、ｄ＝0.60mm,Δｂ＝0.043゜となる。し
たがって、この装置はビーム径0.6mm,ビーム広がり角0.
043゜の細くかつ広がり角の小さい平行ビームを発する
ことができる。
広がり角θｂは、第１レンズ２の最外縁からの光線第２
レンズ３を通過して出射する際の光軸からのずれをΔ，
傾きをΔｂとすると、 ｄ＝２Δ ……（５） θｂ＝tan-1Δｂ ……（６） と近似できる。Δ，ΔｂはGRINロッドレンズの性質か
ら、 と与えられる。（５），（６），（７），（８）式に数
値を代入すると、ｄ＝0.60mm,Δｂ＝0.043゜となる。し
たがって、この装置はビーム径0.6mm,ビーム広がり角0.
043゜の細くかつ広がり角の小さい平行ビームを発する
ことができる。
次に、この装置の製造方法を説明する。材質がSUS304
の円筒状レンズホルダ８の中心孔に第１レンズ２と第２
レンズ３とを挿入して光軸を合せ、上記の距離関係を満
足させる配置で固定する。その際、ロッドレンズ２およ
び３の側面を予めメタライズしておき、半田でレンズホ
ルダ８に固定する。
の円筒状レンズホルダ８の中心孔に第１レンズ２と第２
レンズ３とを挿入して光軸を合せ、上記の距離関係を満
足させる配置で固定する。その際、ロッドレンズ２およ
び３の側面を予めメタライズしておき、半田でレンズホ
ルダ８に固定する。
次に、ヒートシンク５に固定された発光素子１にレン
ズホルダ８を被せ、ステム６に接合する。レンズホルダ
８の足は、発光素子１と第１レンズ間の距離l1が前記設
計仕様l1＝1mmに合うように、長さを設定してある。そ
して、発光素子１を発光させ、レンズ2,3を通過して出
射する平行ビーム４を遠方のフォトディテクタまたはテ
レビカメラで観察しながら、レンズホルダ８をステム６
に平行に動かし、発光素子１とレンズ２および３との光
軸が合うように調節し、平行ビーム４がステム６に対し
て最も垂直になる位置でレンズホルダ８とステム６を溶
接または半田，有機接着剤，低融点ガラスなどにより固
定する。発光素子１と第１レンズ２間の距離l1を1mmと
大きく設定してあるため、製造中に発光素子に触れて損
傷する危険性が少ない。
ズホルダ８を被せ、ステム６に接合する。レンズホルダ
８の足は、発光素子１と第１レンズ間の距離l1が前記設
計仕様l1＝1mmに合うように、長さを設定してある。そ
して、発光素子１を発光させ、レンズ2,3を通過して出
射する平行ビーム４を遠方のフォトディテクタまたはテ
レビカメラで観察しながら、レンズホルダ８をステム６
に平行に動かし、発光素子１とレンズ２および３との光
軸が合うように調節し、平行ビーム４がステム６に対し
て最も垂直になる位置でレンズホルダ８とステム６を溶
接または半田，有機接着剤，低融点ガラスなどにより固
定する。発光素子１と第１レンズ２間の距離l1を1mmと
大きく設定してあるため、製造中に発光素子に触れて損
傷する危険性が少ない。
なお、実施例では、レンズとGRINロッドレンズを用い
たが、球レンズや普通のロッドレンズまたは複数の素子
からなるレンズ群を用いても、同様な特徴を備えた装置
を製造できる。また、レンズの固定材料としては、半田
の他、有機接着剤や低融点ガラスを用いることも可能で
ある。
たが、球レンズや普通のロッドレンズまたは複数の素子
からなるレンズ群を用いても、同様な特徴を備えた装置
を製造できる。また、レンズの固定材料としては、半田
の他、有機接着剤や低融点ガラスを用いることも可能で
ある。
本発明の他の実施例を第２図に示す。まず、厚さ0.3m
mのガラス窓10を低融点ガラスで固定した金属キャップ
９を発光素子１に被せ、ステム６に接合し抵抗溶接す
る。次に、レンズ２と３とを固定したレンズホルダ８を
キャップ９の上に前述の方法で位置合せした後、レーザ
溶接，半田，低融点ガラス，有機接着剤等により固定す
る。
mのガラス窓10を低融点ガラスで固定した金属キャップ
９を発光素子１に被せ、ステム６に接合し抵抗溶接す
る。次に、レンズ２と３とを固定したレンズホルダ８を
キャップ９の上に前述の方法で位置合せした後、レーザ
溶接，半田，低融点ガラス，有機接着剤等により固定す
る。
この構造の場合、キャップ９を抵抗溶接してあるた
め、第１図の実施例の場合に比べて、気密封止の信頼性
が向上する。
め、第１図の実施例の場合に比べて、気密封止の信頼性
が向上する。
一般に、抵抗溶接法は溶接時に数十μｍの位置ずれを
伴うため、第１図の例でレンズホルダ８の固定に抵抗溶
接を用いると発光素子１とレンズ２および３の光軸がず
れてしまうので、利用できない。これに対して、第２図
の実施例の場合は、キャップ９の固定方法として利用で
きる。
伴うため、第１図の例でレンズホルダ８の固定に抵抗溶
接を用いると発光素子１とレンズ２および３の光軸がず
れてしまうので、利用できない。これに対して、第２図
の実施例の場合は、キャップ９の固定方法として利用で
きる。
本発明による半導体発光装置を用いて光ファイバ13に
光を送る光送信モジュールの実施例を第３図および第４
図に示す。
光を送る光送信モジュールの実施例を第３図および第４
図に示す。
第３図の実施例は、レンズ12により平行ビーム４を集
光し、集光点に配置した光ファイバ13の端面に光を入射
させる構造である。
光し、集光点に配置した光ファイバ13の端面に光を入射
させる構造である。
第４図の実施例は、平行ビーム作成装置11と光ファイ
バ13の間に光アイソレータ14を挿入して、光ファイバ13
の端面の反射光が光源である発光素子１に戻ることを防
ぐ構造にした光送信モジュールである。光アイソレータ
14は、円筒状の永久磁石16の中空部に、YIG（Y3Fe
5O12）結晶を円柱状に加工したファラデー回転子15と、
偏光子17と、検光子18とを配置した構造になっている。
偏光子17と検光子18とは方解石からなる円柱平板であ
り、ファラデー回転子15の両端面に加圧接着して固定し
てある。
バ13の間に光アイソレータ14を挿入して、光ファイバ13
の端面の反射光が光源である発光素子１に戻ることを防
ぐ構造にした光送信モジュールである。光アイソレータ
14は、円筒状の永久磁石16の中空部に、YIG（Y3Fe
5O12）結晶を円柱状に加工したファラデー回転子15と、
偏光子17と、検光子18とを配置した構造になっている。
偏光子17と検光子18とは方解石からなる円柱平板であ
り、ファラデー回転子15の両端面に加圧接着して固定し
てある。
なお、上記実施例では、発光素子として光通信用の長
波長半導体レーザを用いたが、短波長半導体レーザを用
いれば、コンパクトデイスク用ヘッドに応用でき、大出
力半導体レーザを用いれば、加工用レーザ装置に応用で
きる。また、種々の光計測装置，例えば光干渉計の光源
の品質の向上も可能である。
波長半導体レーザを用いたが、短波長半導体レーザを用
いれば、コンパクトデイスク用ヘッドに応用でき、大出
力半導体レーザを用いれば、加工用レーザ装置に応用で
きる。また、種々の光計測装置，例えば光干渉計の光源
の品質の向上も可能である。
本発明によれば、発光素子とレンズとの間の距離が大
きくて組立やすく、しかもビーム径の小さい平行ビーム
を発生できる半導体発光装置が得られる。
きくて組立やすく、しかもビーム径の小さい平行ビーム
を発生できる半導体発光装置が得られる。
第１図は本発明による半導体発光装置の基本的実施例を
示す断面図、第２図は本発明の他の実施例を示す断面
図、第３図および第４図は本発明の半導体発光装置を用
いた光送信モジュールを示す図、第５図は従来の半導体
発光装置の一例を示す断面図である。 １……発光素子、２……（第１）レンズ、３……第２レ
ンズ、４……平行ビーム、５……ヒートシンク、６……
ステム、７……リード線、８……レンズホルダ、９……
気密封止用キャップ、10……ガラス窓、11……半導体発
光装置、12……レンズ、13……光ファイバ、14……光ア
イソレータ、15……ファラデー回転子、16……磁石、17
……偏光子、18……検光子。
示す断面図、第２図は本発明の他の実施例を示す断面
図、第３図および第４図は本発明の半導体発光装置を用
いた光送信モジュールを示す図、第５図は従来の半導体
発光装置の一例を示す断面図である。 １……発光素子、２……（第１）レンズ、３……第２レ
ンズ、４……平行ビーム、５……ヒートシンク、６……
ステム、７……リード線、８……レンズホルダ、９……
気密封止用キャップ、10……ガラス窓、11……半導体発
光装置、12……レンズ、13……光ファイバ、14……光ア
イソレータ、15……ファラデー回転子、16……磁石、17
……偏光子、18……検光子。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 相木 國男 長野県小諸市大字柏木190番地 株式会 社日立製作所小諸工場内 (56)参考文献 特開 昭60−213069（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−255312（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−135309（ＪＰ，Ｕ)
Claims (8)
- 【請求項１】ステム上に取付けられた半導体発光素子
と、前記半導体発光素子からの光を集光する第１レンズ
と、前記第１レンズの集光点位置に焦点位置を一致させ
て配置され前記集光された光を平行ビームに変換する第
２レンズとを備えてなる半導体発光装置において、前記
第１レンズと第２レンズを挿入可能な１つの通孔を有す
るレンズホルダを備えてなり、該レンズホルダの前記通
孔の両端部に前記第１レンズと第２レンズの配置関係を
満たしてそれぞれのレンズが装着され、該レンズホルダ
を前記半導体発光素子が前記第１レンズの焦点位置より
も遠くに位置するように前記ステムに取り付け、かつ前
記半導体発光素子と前記第１レンズの端面との間隔が0.
5mm以上とし、前記第２レンズを通過した後の平行ビー
ム径を1mm以下に絞り込むように形成されてなることを
特徴とする半導体発光装置。 - 【請求項２】請求項１に記載の半導体発光装置におい
て、前記半導体発光素子が、半導体レーザからなること
を特徴とする半導体発光装置。 - 【請求項３】請求項１に記載の半導体装置において、前
記半導体発光素子が、発光ダイオードからなることを特
徴とする半導体発光装置。 - 【請求項４】請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導
体発光装置を含み、前記平行ビームを光ファイバまたは
光アイソレータに入射させることを特徴とする光送信モ
ジュール。 - 【請求項５】請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導
体発光装置を含み、前記平行ビームを光アイソレータに
入射させた後、直接またはレンズを介して、光ファイバ
に入射させることを特徴とする光送信モジュール。 - 【請求項６】請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導
体発光装置を光源として用いたことを特徴とするコンパ
クトディスク用ヘッド。 - 【請求項７】請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導
体発光装置を光源として用いたことを特徴とする加工用
レーザ装置。 - 【請求項８】請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導
体発光装置を光源として用いたことを特徴とする光干渉
計。
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|---|---|---|---|
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|---|---|---|---|
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