JP2890429B2 - 光半導体素子用支持部品及び光半導体装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は光半導体素子用支持部品及び光半導体装置に
関し、特に詳細には、光ファイバに対して光半導体素
子、例えば半導体レーザ、端面発光型LED等を正確にか
つ容易に位置決め固定できる光半導体素子用支持部材及
び光半導体素子装置に関する。

〔従来技術〕

近年、半導体発光素子、例えばレーザダイオードの放
射光を利用する光通信システムが発達してきている。こ
の様な光通信システムでは、半導体発光素子チップから
の放射光を光ファイバ等の光学部品に効率良く光結合す
る必要がある。しかし、半導体発光素子チップから放射
される光は、通常約30度から約60度程度の広がり角を以
て放射される。また、光信号を伝送する光ファイバのコ
ア部は直径が数μｍからせいぜい数十μｍ程度と小さい
ものである。

このため、半導体発光素子からの光を光ファイバのコ
ア部に効率良く光結合させるためには、発光部からの光
の拡散による光の減衰を防ぐ必要があり、そのためには
半導体発光素子の発光部を光ファイバの光入射面に対し
て数μｍ程度の距離に近接させておくことが必要であ
る。更に、発光部と光ファイバのコア中心部が正確に相
対向するように極めて高精度に位置決めしなければなら
ない。また別の方法として、光ファイバと半導体発光素
子との間にレンズ等の光学部品を挿入し、半導体発光素
子からの光を集光したり、また、光ファイバの先端をレ
ンズ状に加工したりして、半導体発光素子からの光を光
ファイバのコア部に効率良く光結合する事が考えられる
が、いずれの場合にも、複雑でかつ正確な位置合せ作業
を必要する。

第７図に半導体発光素子と光ファイバとの位置合せ固
定に関する従来の技術を示す。この第７図を用いて、半
導体発光素子チップ２の発光部と光ファイバ光ファイバ
４の光入射部との位置決め固定方法を説明する。ここで
半導体発光対素子チップ２は固定台2aにダイボンディン
グ等で固定され、この固定台2aは台座５上の所定の位置
に固定されている。一方、光ファイバ４はクランプ治具
６により固定台4aに固定可能となっている。ここでま
ず、固定台4aを固定台2aに固定されている半導体発光素
子チップ２の発光部に対して概略位置合わせできたとこ
ろで固定台4aを台座５に固定する。この後、光ファイバ
４をクランプ治具６で固定台4aに挾み込み、顕微鏡とマ
ニピュレータとを用いて、位置合せを行う。一方光ファ
イバ４の光出射端部4bに光検出器（図示せず）を接続し
ておく。顕微鏡及びマニピュレータによる位置合せ終了
後、半導体発光素子チップ２を発光させ、光検出器の出
力が最大となる様にマニピュレータを用いて微調整を行
う。微調整終了後、レーザビーム溶接によりクランプ治
具６の数箇所を固定台4a上に固定する。このレーザビー
ム溶接固定は、光ファイバ４と半導体発光素子チップ２
との位置関係を調節しながら行うが、一ケ所溶接した
後、例えば第７図において溶接部７を溶接した後、光フ
ァイバ４の位置ズレが生じたとすると、このズレを修正
し元に戻すために、光ファイバ４を挾んで反対側の位置
８にレーザビームを照射する。この様な微細な調整をし
ながら４点乃至６点でクランプ治具６を固定台4aに固定
し、光ファイバと半導体発光素子チップとを所定の位置
関係に固定していた。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来の位置合せ固定方法では、３段階の位置合せ
を行わなければならい。更に、光ファイバを３軸方法に
移動させながら位置調整をしなければならない。そのた
め、この位置合せ作業は非常に難しく、かつ作業に熟練
を要していた。また、微調整の位置合せ中は光検出器の
出力のみを見て位置合せ作業をしているため、光ファイ
バを半導体発光素子チップの発光部に突き当てて半導体
発光素子チップを破壊してしまうことがあった。

そこで本発明では、光ファイバと光半導体素子との位
置合せを極めて容易にかつ正確に行うことを可能にする
光半導体素子用支持部品及び光半導体装置を提供するこ
とを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を達成するため、本発明の光半導体支持部品
は、光ファイバと光半導体素子とを光結合するための略
円筒形の部材により構成される光半導体素子支持部品で
あって、略円筒形の部材の円筒中心に設けられ、光ファ
イバが貫通挿入される貫通穴と、貫通穴の内壁面が露出
するように略円筒形の部材を切り欠くことにより円筒部
の中心軸を通る面に平行に形成された搭載面とを備え、
搭載面が、光半導体素子の発光部の中心が貫通穴の中心
軸上に位置するように、中心軸より所定の量だけ離間し
ていることを特徴とする。

また更に本発明の光半導体装置は、光ファイバと、光
半導体素子と、この光ファイバと光半導体素子とを光結
合するための略円筒形の部材により構成される光半導体
素子支持部品を含む光半導体装置であって、光半導体素
子支持部品は、略円筒形の部材の円筒部中心に設けられ
ると共に光ファイバが貫通挿入される貫通穴と、貫通穴
の内壁面が露出するように略円筒形の部材を切り欠くこ
とにより円筒部の中心軸を通る面に平行に形成された搭
載面とを備え、搭載面が、光半導体素子の発光部の中心
が貫通穴の中心軸上に位置するように、中心軸より所定
の量だけ離間しており、光ファイバは、貫通穴に挿入さ
れ、一部が搭載面に突出して固定されており、光半導体
素子は、搭載面に固定されていることを特徴とする。

〔作用〕

本発明では、上記のように構成し、円筒部材の中心を
貫通する光ファイバ挿入固定穴に光ファイバを固定し、
光ファイバの入射面を位置決めすると共に、この中心を
通る面に平行でかつ所定の距離だけ離間した面に半導体
発光素子を固定し、半導体発光素子の発光部を挿入固定
された光ファイバに対して位置決め固定することによ
り、容易でかつ正確な光ファイバと半導体発光素子の発
光部との位置決め固定を可能にしている。

〔実施例〕

以下図面を参照しつつ本発明に従う実施例について説
明する。

同一符号を付した要素は同一機能を有するため重複す
る説明は省略する。

第１図は本発明に従う光半導体素子用支持部品に光半
導体素子等を組み込んだ光半導体装置の一実施例の斜視
外観を示す。

この第１図に示すように、光半導体素子支持部品10と
光半導体素子チップ11と光ファイバ12とより構成され
る。ここで光半導体素子用支持部品10は、図に示すよう
に略円筒形の形状をしており、その中心には光ファイバ
12が挿入される貫通穴13が設けられている。この貫通穴
13は円筒部10aの中心軸O₁に対して±２μｍ程度の精度
に設けられている。また、光半導体素子用支持部品10の
一端には、円筒部10aの中心軸O₁に対して平行な切り欠
き面10cが設けられている。この切り欠き面10cは研磨法
または放電加工等により形成することができる。そして
この切り欠き面10cは円筒部10aの中心軸O₁より所定の距
離、例えば10μｍ程度離間し、その精度は±５μｍ程度
以内となるように貫通穴13を切り欠くことにより形成さ
れている。更にこの切り欠き面10cはメタライズ加工が
施された後、更に金メッキ等が施されている。更に、こ
の切り欠き面10cの端部にはリード線引き出し用の電極
マウント14が圧着されている。そして、このリード線引
き出し用電極マウント14を介して、この切り欠き面10c
に搭載される光半導体素子チップ11に電力を供給する。

ここで、本実施例ではこの光半導体素子用支持部品10
の材料として、市販のいわゆるセラミック・フェルール
を採用している。この様なセラミック・フェルールは比
較的安価でかつ多量に光ファイバ用のコネクタ部品とし
て使用されており、入手するのが容易である。具体的に
は、直径2mm、長さ5mmでその中央部に直径が126μｍ±
２μｍで中心位置精度±２μｍの貫通穴13が形成してあ
る。そして、この様なセラミックフェルールの先端部は
長さ1mmで所定の深さＸの切り欠きが第２図に示すよう
に形成してある。ここで切り欠き深さＸは、この切り欠
き面10c上に光半導体素子チップ11を搭載したときその
発光中央部が貫通穴13の中心にくるような深さである。

一方、光ファイバ12はその一端が数cm乃至数十cmに渡
って被覆が取り除かれ、更にその先端部12aにメタルコ
ートが施されている。そして、この先端部12aを貫通穴1
3に挿入し、その先端部12aが切り欠き面10c上に少なく
とも、また多くとも数十μｍ程度、突出するように固定
されている。そして、この光ファイバ12の先端部12a
は、光半導体素子用支持部品10上に形成された貫通穴13
の延長上にある断面が半円形状の溝13aに溶接またはハ
ンダで固定されている。

また、光半導体素子チップ11の外観拡大図を第３図に
示す。この図に示すように光半導体素子チップは端面発
光型半導体レーザチップであって、その上面11a（表
面）が切り欠き面10c上に圧着されている。そして光半
導体素子チップ11の下面11b（裏面）の発光部Ａの中央
部に相当する部分には、第３図に示すように、第１の位
置合せ用のマーク11cが設けられ、更にその第１の位置
合せ用マーク11cの両側の光ファイバ心線径Ｄの（1/2）
×Ｄだけ離間した部分には第２の位置合せ用マーク11d
が形成してある。この第１及び第２の位置合せ用マーク
11c、11dを利用して、光半導体素子チップ11を光ファイ
バ12の先端部12aに対して位置合せする。この位置合せ
方法については、後述する。この光半導体素子チップ11
の裏面側は切り欠き面10c上に固定されたリード線引き
出し用電極マウント14の電極面14aとボンディングワイ
ヤ15にて接続されている。

次に、上記光半導体素子用支持部品10の製造方法につ
いて説明する。

先に説明したように、この光半導体素子用部品10は、
市販の直径2mm、長さ5mmのセラミックフェルールを加工
することにより作成する。

セラミックフェルールの円筒部中心には先に説明した
ように、光ファイバを挿入する直径126μｍ±２μｍの
貫通穴13が設けられている（第４図（ａ）参照）。次
に、このセラミックフェルールの先端部1mmを第４図に
示すように、貫通穴13が見える程度に約0.95mm粗研磨す
る（第４図（ｂ）参照）。この粗研磨では、複数のセラ
ミックフェルールを並列に並べ一度に研磨することがで
きる。

次に、この粗研磨終了の後、深さｈが揃ったものを分
類し、研磨量不足のもの、例えば目標値0.95mmに対して
深さ0.90mm以下のものについては再度粗研磨を行い、所
定の深さ（0.95mm程度）まで研磨する。

次に、仕上げ研磨を行い正確な所定の深さまで仕上げ
研磨する（第４図（ｃ）参照）。この仕上げ研磨量は、
この切り欠き面10cに端面発光型光半導体素子チップの
裏面を圧着したとき、その発光部中央が貫通穴13の中心
線上にくるような深さとするのが理想的である。具体的
には、深さＸ＝（セラミックフェルールの径の1/2）＋
（切り欠面10c上のメタライズ及び金の厚さ）＋Ｙとす
ることが理想的である。ここではＹは第３図に示すよう
にレーザチップの最表面と発光部Ａとの距離である。具
体的には、（切欠面10c上のメタライズ及び金の厚さ）
＋Ｙの値は10μｍ程度であるので、Ｘ＝｛（セラミック
フェルール径の1/2）＋10μｍ｝程度となる。しかし、
口径の大きなマルチモードファイバに対しては、セラミ
ックフェルールの径の正確に半分の深さでも十分であ
る。

上記形成方法は一例にすぎず、要するに切り欠き面10
cが貫通穴13の中心を通る平面に一致するように加工す
ればよい。

このように形成された光半導体素子用部品10に光半導
体素子チップ11及び光ファイバ12等を固定する。

次にこれらの位置決め固定方法について説明する。

まず、上記のように形成した光半導体素子用支持部品
10の少なくとも切り欠き面10c及び切り欠き面10dの全面
をメタライズする。このメタライズ方法としては蒸着法
でもまた他の方法例えばメッキ法等でもよい。

次にリード線引き出し用電極マウントの直方体状の素
材14の両面をメタライズし、切り欠き面10c上に熱圧着
する。

次に光ファイバ12の一端の数cm乃至数十cmの被覆を剥
がし光ファイバ心線12bを露出させる。そして露出した
光ファイバ心線12bの先端部近傍をメタライズする。

このように光ファイバ心線12bの先端部12aがメタライ
ズされた光ファイバ心線12bを貫通穴13に挿入し、先端
部12aを切り欠き領域に突出させる。この突出量は多く
とも数十μｍ以下とする。

次に、溶接またはハンダ等により光ファイバ心線12b
のメタライズ部分を切り欠き面10c上の貫通穴13の半円
形状の溝13a内に固定する。ここで光ファイバ心線12bは
直径が125μｍであるので、貫通穴13内に挿入可能であ
り、かつその先端部12aのコア部位置も貫通穴13の中心
線上に正確に（±２μｍの精度で）固定される。更に光
ファイバ12と光半導体素子用支持部品10との固定強度を
強化する必要があるときは、光半導体素子用支持部品10
の切り欠き面10cと反対側の貫通穴13の開口部から樹脂
等を注入し光ファイバ12を固定するようにしてもよい。

次に、端面発光型の光半導体素子チップ11、例えば第
３図に示すようなものを用意する。この光半導体素子チ
ップ11の製作方法については、従来より知られているの
で詳細は省略する。なお、この光半導体素子チップ11の
裏面側には第３図に示すような第１及び第２の位置合せ
用マーク11c、11dが形成してある。この様な位置合せマ
ーク11c、11dはフォトリソグラフィを用いて容易に形成
される。必要に応じて両面マスクあわせ技術を用いれば
レーザチップのウェーハの裏面（発光部の形成されてい
る面と反対の面）にマーク11c、11dを形成することもで
きる。

次に、この光半導体素子チップ11の表面11aを光半導
体素子用支持部品10の切り欠き面10c上の貫通穴13の半
円形溝13a上に載置し、マイクロマニピュレータ付きダ
イボンディダーに設置し、上方から高倍率の顕微鏡で観
察をして位置決めを行う。この顕微鏡視野を第５図に示
す。この第５図において第２の位置用マーク11dが第１
の位置合せ用マーク11cを挾んで光ファイバ心線の半径
と同じになるように形成してあるため、第２の位置合せ
用マーク11dが光ファイバ心線12bの端面12c、12dに一致
するように位置合わせを行えば、光半導体素子チップ11
の発光部Ａの中央部は光ファイバ心線12bの光入射面に
位置合せされたことになる。この状態で、光半導体素子
チップ11をダイボンディングする。ここで顕微鏡の接眼
レンズ側に第５図に示すようなマイクロメータ（目盛り
を刻んだマーク）16を形成しておくことにより更に容易
に位置決めを行うことができる。一方、高さ方向の位置
決めについては、光ファイバ心線12bの光入射面の位置
が正確に貫通穴13の中心線上に固定され、光半導体素子
チップ11の発光部もまた貫通穴13の中心線上に固定され
ているので位置調整は不要になる。

このように光ファイバ12と光半導体素子チップを組み
立て固定した状態で自動的に±２μｍ程度の精度で位置
決め出来る。したがって、従来のように３段階の位置調
整が不要になるばかりでなく、光半導体素子チップを発
光させて光検知器で検知しながら位置調整する必要もな
い。したがって、光ファイバで光半導体素子チップを位
置調整中に破壊する危険性がない。

また更に、光ファイバが支持部品に確実に固定されて
いるため、経年劣化等による位置ズレ、振動による光フ
ァイバ先端部のブレが生じない。そのため従来のような
固定位置決め方法では生じていた位置ズレ、ブレ等によ
る信号ノイズの発生等を防止することができる。

上記実施例では、光半導体素子チップとして半導体レ
ーザのような発光素子を使用した例を示しているが、端
面受光型の受光素子、例えばホトダイオード等を光半導
体素子チップとして使用しても同様な効果を得ることが
できる。

また、上記実施例の光半導体用支持部品として第２図
に示すような円筒形ものを使用する代わりに、第６図
（ａ）に示すように円筒部下側を平坦にしておいてもよ
い。この様にしておくことにより、支持部品が転がら
ず、組み立てが更に容易になる。

また更に、上記実施例において溝13a上に第６図
（ｂ）に示すようにレンズをおき、光を平行光束として
光ファイバへ注入したりまた光ファイバを使用しないで
光を取り出すようにしてもよい。

〔発明の効果〕

本発明の光半導体用支持部品及び光半導体装置では、
先に説明したように、短時間で簡単且つ正確な光ファイ
バと光半導体素子チップとの位置決めを行うことができ
るので、安価で高精度は光半導体装置を実現できる。

また更に、この様な光半導体装置を使用することによ
り、光ファイバへ注入する光信号の強度を高めることが
できるので、光ファイバを用いたシステムの設計が容易
になる。また光ファイバへの光結合効率等を高めること
ができるので、光半導体素子チップの駆動電流を下げる
ことができる。その結果、駆動回路等の負荷を減らし、
光半導体素子チップ自体の負担も軽減でき、信頼性を高
めることができる。

本発明の光半導体装置を使用することにより光ファイ
バと光半導体素子チップとの光結合効率を高めることが
でき、光エレクトロニクス技術全体の発達が期待され
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に従う光半導体装置の一実施例の外観
斜視図、第２図は、本発明に従う光半導体用支持部品の
一実施例の外観斜視図、第３図は、第１図に示す光半導
体装置に装着される光半導体素子チップの外観斜視図、
第４図は、第２図に示す光半導体用支持部品の製作方法
を説明する図、第５図は、第１図に示す光半導体装置の
製作での位置決め作業における顕微鏡視野を示す図、第
６図は、光半導体用支持部品の変形例を示す図、及び第
７図は、従来の光半導体装置を説明するための図であ
る。 10……光半導体素子用支持部品、10a……円筒部、10c…
…切り欠き面、11……光半導体素子チップ、12……光フ
ァイバ、12a……光ファイバ先端部、12b……光ファイバ
心線、13……貫通穴。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光ファイバと光半導体素子とを光結合する
   ための略円筒形の部材により構成される光半導体素子支
   持部品において、 前記略円筒形の部材の円筒部中心に設けられ、光ファイ
   バが貫通挿入される貫通穴と、 前記貫通穴の内壁面が露出するように前記略円筒形の部
   材を切り欠くことにより前記円筒部の中心軸を通る面に
   平行に形成された搭載面とを備え、 前記搭載面が、前記光半導体素子の発光部の中心が前記
   貫通穴の中心軸上に位置するように、前記中心軸より所
   定の量だけ離間していることを特徴とする光半導体素子
   用支持部品。
2. 【請求項２】前記搭載面にメタライズ加工が施されてい
   ることを特徴とする請求項１記載の光半導体素子用支持
   部品。
3. 【請求項３】光ファイバと、光半導体素子と、前記光フ
   ァイバと前記光半導体素子とを光結合するための略円筒
   形の部材により構成される光半導体素子支持部品を備え
   る光半導体装置において、 前記光半導体素子支持部品は、前記略円筒形の部材の円
   筒部中心に設けられると共に前記光ファイバが貫通挿入
   される貫通穴と、前記貫通穴の内壁面が露出するように
   前記略円筒形の部材を切り欠くことにより前記円筒部の
   中心軸を通る面に平行に形成された搭載面とを備え、前
   記搭載面が、前記光半導体素子の発光部の中心が前記貫
   通穴の中心軸上に位置するように、前記中心軸より所定
   の量だけ離間しており、 前記光ファイバは、前記貫通穴に挿入され、一部が前記
   搭載面に突出して固定されており、 前記光半導体素子は、前記搭載面に固定されていること
   を特徴とする光半導体装置。