JP3334829B2 - 光半導体モジュール - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光半導体モジュールに関
し、たとえば、半導体レーザ（ＬＤ），発光ダイオード
（ＬＥＤ），受光素子（ＰＤ）等の光半導体素子と、光
ファイバとの光結合に適用して有効な技術に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来の光半導体モジュールは、長期安定
性を確保するために、酸素や湿気が直接光半導体素子
（光半導体チップ）に触れないように気密封止構造が採
用されている。光半導体素子と光ファイバはレンズ等を
介して光学的に結合されている。ここで、レンズや光フ
ァイバからの反射があると、発光光または受光光に雑音
として重畳され、伝送品質が劣化する。そのため、レン
ズや光ファイバ端面に無反射膜をコーティングしたり、
光の入・出射面を光軸に対して傾けるなどの方策がとら
れている。

【０００３】現在実用化されている光半導体モジュール
は、図７に示す同軸型光半導体モジュールと、図８に示
す箱型とに大別される。

【０００４】同軸型の光半導体モジュールは、図７に示
すような構造となっている。同図において、１はキャッ
プ封止型の半導体レーザ装置、２は結合体、３はフェル
ール、４は光ファイバコード、５は光ファイバ、９は電
気入出力端子、１０はステム（同軸型ＣＤステム）、１
１はキャップ、１２は半導体レーザ（光半導体素子）、
１３はヒートシンク、１４はガラス板、１５は光取り出
し窓、１６は受光素子（モニタ用フォトダイオード）、
１７はレーザ光、１９は接合部、２０は金属フレーム、
２１は接合部、２２は金属フレーム、２３はレンズであ
る。

【０００５】このような光半導体モジュールは、その組
立において、光ファイバ５を支持するフェルール３を挿
入固定した金属フレーム２２、レンズ２３を固定した金
属フレーム２０および半導体レーザ装置１を用意した
後、半導体レーザ装置１に金属フレーム２０を重ねると
ともに、金属フレーム２２を金属フレーム２０に重ね、
その後、出力されるレーザ光１７（出力光）をモニタし
ながら、前記レンズ２３や光ファイバ５の位置をそれぞ
れ微調整し、光ファイバ５への光結合が最大になる状態
で、半田付けやレーザ熔接によって金属フレーム２０を
キャップ１１に固定し、金属フレーム２２を金属フレー
ム２０に固定する。

【０００６】箱型の光半導体モジュールは、図８に示す
ような構造となっている。同図において、３０は箱型の
パッケージ、３１はガイド、３２はペルチェ素子、３３
は支持板、３４はサブマウント、３５は支持体、３６は
サーミスタ、３７は光ファイバ固定部、３８は支持体、
３９はレンズ、４０はレンズである。なお、前記光ファ
イバ５の先端面やレンズ３９，４０の表面は無反射膜が
コーティングされている。

【０００７】このような箱型の光半導体モジュールは、
その組立において、支持板３３上にサブマウント３４を
介して半導体レーザ１２を固定した後、ガイド３１に支
持された光ファイバ５からの出力光をモニタしながらレ
ンズ３９，４０や光ファイバ５の先端部分の微調整を行
い、光ファイバ５への光結合が最大になる状態で半田付
けやレーザ熔接によって各部を接続して光結合系の組み
立てを終了する。ここで、反射抑制のため、しばしば光
ファイバの端面を光軸に対して数度傾けるといった措置
が採られる。その後、光結合系全体が窒素雰囲気中等で
パッケージ３０内に気密的に封止される。

【０００８】これらの光半導体モジュールは、半導体レ
ーザに直接電気変調信号を印加することによって光出力
を変調することができる。この変調された光信号は、光
ファイバ中を伝送され、信号を伝えることになる。通常
はこの変調，伝送が達成されれば当該光半導体モジュー
ルは、装置または光伝送システム等へ適用できることに
なる。

【０００９】一方、半導体レーザ装置として、図９に示
す構造が知られている。この半導体レーザ装置は、図７
に示す光半導体モジュールの半導体レーザ装置１と略同
様の構造である。同図において、４１はガラス等からな
る絶縁体、４２はワイヤ、４５はサブマウントである。
半導体レーザ１２の上端から出射されるレーザ光１７
は、光取り出し窓１５から外部に放射される。

【００１０】他方、半導体レーザ装置として、図１０に
示すように、発光ダイオード（ＬＥＤ）と同様に簡易な
樹脂封止により半導体レーザ（光半導体素子）を覆った
試みが最近なされている。すなわち、図１０の半導体レ
ーザ装置は、図９の半導体レーザ装置において、半導体
レーザ１２等を取り付けたステム１０の主面側を透明な
樹脂で形成された樹脂体４３で覆った構造となってい
る。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】従来の光半導体モジュ
ールは、光学部品での反射戻り光が発生し、半導体レー
ザの雑音が増加してしまい、実際の装置または光伝送シ
ステムで十分な伝送品質を確保するのが困難になる。

【００１２】また、従来の光半導体モジュールは、その
組立において、光学部品への無反射膜コーティング作
業、面倒で時間が掛かる（労力が掛かる）光軸調整，半
田付け，レーザ熔接等の組立作業を必要とするため、製
品コストの低減が図り難い。

【００１３】また、光半導体モジュールにおいて光半導
体素子が受光素子である場合も、その組立においては、
外部から光を入射させ、受光素子の出力をモニタしつつ
実施されることから、反射光の伝送品質への影響（反射
光が受光されると実際の信号と区別つき難くなる）や、
組立の煩雑さは半導体レーザを組み込んだ光半導体モジ
ュールの場合と同様である。

【００１４】一方、封止構造として、図１０に示すよう
に、半導体レーザを透明な樹脂で覆う構造（半導体レー
ザ装置）も提案されている。しかし、この構造の半導体
レーザ装置では、以下のような問題が発生することが分
かった。

【００１５】（１）金属性のステムの一面側に樹脂体を
張り付けたような構造となっていることから、ステムと
樹脂体との界面の不完全性から発生する様々な故障要因
があった。すなわち、高温・高湿度雰囲気ではステム
と樹脂体界面からの水分の進入が避けられない。ステ
ム，リード等の金属と樹脂の熱膨張係数の違いから、温
度サイクル試験等により、界面に剥離が生じる。従来
の樹脂封止法では、一定の型枠中に素子部分を入れ、そ
の後溶けた樹脂を注入する方法（キャスティング法）を
用いるが、この方法では、型枠から硬化した樹脂部分を
分離する際に力学的な歪みが加わり、樹脂体と金属部分
との界面で剥離が生じ易くなる。これらは半導体レーザ
装置の信頼性を低下させる。

【００１６】（２）半導体レーザは発光ダイオードに比
較して発光強度が強く、動作時の温度上昇も大きいた
め、素子として充分な信頼性を補償できない問題があっ
た。特に、高温・高湿度雰囲気での長時間動作試験で
は、樹脂が着色する，リード線（ワイヤ）が断線するな
どの動作不良が多く発生する問題があった。

【００１７】本発明の目的は、封止の信頼性が高い光半
導体モジュールを提供することにある。

【００１８】本発明の他の目的は、反射光発生の少ない
光半導体モジュールを提供することにある。

【００１９】本発明の他の目的は、組立が容易な光半導
体モジュールを提供することにある。

【００２０】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らか
にする。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下
記のとおりである。

【００２２】（１）光半導体素子（半導体レーザ）と光
ファイバを含む光半導体モジュールにおいて、前記光半
導体素子の周囲に外壁を設け、前記光半導体素子と前記
光ファイバ間に前記光ファイバ内を透過する光が透過す
る透明な樹脂を充填する。前記外壁内は前記透明な樹脂
が充満する。前記透明な樹脂としてエポキシ系樹脂が使
用されている。前記透明な樹脂は前記光ファイバの光が
通るコアの屈折率の±１０％以内の屈折率となってい
る。

【００２３】（２）前記手段（１）の構成に加えて、前
記透明な樹脂の露出部は可視光および近赤外線を遮光す
る不透明な樹脂で封止されている。前記透明な樹脂はシ
リコーン系樹脂またはエポキシ系樹脂であり、前記不透
明な樹脂はエポキシ系樹脂で形成されている。

【００２４】

【作用】前記（１）の手段によれば、（ａ）透明な樹脂
はステムと管状の外壁によって周囲を規定され、従来の
ようにステムの一面に樹脂を張り付けた構造となってい
ないことから、ステムと樹脂との接合性（接合強度）が
高くなり、ステムと樹脂との界面の不完全性から発生す
る様々な故障要因が解消し、封止の信頼性が高くなる。

【００２５】（ｂ）ステムと外壁とによって形成された
空間に樹脂を充填させて硬化させる際、光ファイバや光
ファイバを支持する部品を同時に一体化させるため、前
記各部品の固定が容易となる。これにより、組立時間の
短縮が図れる。また、樹脂充填・硬化後、樹脂体には大
きな力が加えられないことから、樹脂体とステムや外壁
との界面の剥離が起きない。

【００２６】（ｃ）半導体レーザと光ファイバの内端面
間には、光ファイバのコアの屈折率と略一致した樹脂で
光結合されているため、半導体レーザへの反射戻り光は
極めて微量となる。

【００２７】（ｄ）半導体レーザと光ファイバの内端面
間には光ファイバのコアの屈折率と略一致した樹脂で光
結合されている。光学的結合面間に光ファイバのコアと
略一致した樹脂を用いると、半導体レーザからのレーザ
光（放射光）の広がりが空気中の２／３程度と小さくな
るため、高い光結合効率が得られる。この結果、レンズ
を使用しなくてもよくなり、部品点数の低減や組立工数
の低減が図れる。

【００２８】（ｅ）部品点数の低減や組立時間の短縮に
よって光半導体モジュールのコストの低減が達成でき
る。

【００２９】（ｆ）透明な樹脂としてエポキシ系樹脂が
使用されているが、エポキシ系樹脂は耐湿性，耐熱性，
素子との密着性に優れた樹脂であり、封止の信頼性向上
が達成できる。

【００３０】前記（２）の手段によれば、（ａ）前記透
明な樹脂の露出部は可視光および近赤外線を遮光する不
透明な樹脂で封止されていることから、透明な樹脂は可
視光や近赤外線に起因する劣化が抑えられ、耐環境性
（耐候性）が向上し、光半導体モジュールの長寿命化が
達成できる。

【００３１】（ｂ）前記透明な樹脂はシリコーン系樹脂
またはエポキシ系樹脂で形成され、前記不透明な樹脂は
エポキシ系樹脂で形成されている。エポキシ系樹脂は前
述のように耐湿性，耐熱性，素子との密着性に優れた樹
脂であり、封止の信頼性向上が達成できる。また、シリ
コーン系樹脂は低応力の樹脂であり素子の保護がなされ
る。

【００３２】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。

【００３３】なお、実施例を説明するための全図におい
て、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り
返しの説明は省略する。

【００３４】（実施例１）図１は、本発明の一実施例
（実施例１）である光半導体モジュールの断面図、図２
は本実施例１の光半導体モジュールにおけるヒートシン
クの拡大平面図、図３は同じくヒートシンクの拡大側面
図、図４は同じく光半導体モジュールの組立状態を示す
断面図、図５は光半導体モジュールの試験における出力
強度と時間との相関を示すグラフである。

【００３５】本実施例１の光半導体モジュールは、一面
の中央部分に突出した支持部５０を有する基台（ステ
ム）１０を有している。前記ステム１０には複数本の電
気入出力端子（リード）９が取り付けられている。

【００３６】前記支持部５０の側面には、シリコン板か
らなるヒートシンク５１が固定されている。このヒート
シンク５１は、図２および図３に示すように、主面にＶ
字溝５２が設けられている。

【００３７】このＶ字溝５２は、ヒートシンク５１の一
端側から途中部分まで設けられている。Ｖ字溝５２の延
長上のヒートシンク５１の主面部分は、半導体レーザ
（光半導体素子）１２が固定される固定領域５３となっ
ている。前記固定領域５３上には半田によって半導体レ
ーザ１２が固定され、前記Ｖ字溝５２には円柱状の光フ
ァイバ５の先端部分が挿入される。このＶ字溝５２への
円柱状の光ファイバ５の挿入によって、ヒートシンク５
１に固定された半導体レーザ１２と光ファイバ５の光結
合が自動的に行えるようになっている。

【００３８】光ファイバ５の先端面と半導体レーザ１２
の出射面との間隔は、ヒートシンク５１に半導体レーザ
１２を固定した段階で決まる。すなわち、ヒートシンク
５１に半導体レーザ１２を固定することによって、半導
体レーザ１２の出射面とＶ字溝５２の内端面との距離が
決まるため、前記Ｖ字溝５２に光ファイバ５を挿入する
際、光ファイバ５をＶ字溝５２の内端面に押し付けるよ
うに挿入することによって、光ファイバ５の先端面と半
導体レーザ１２の出射面との距離が決定することにな
る。ここで、光ファイバ５は内端が球状のもの、垂直面
のもの等いかなる構造でもよい。

【００３９】光ファイバ５は、光ファイバコード４から
延在するものであり、光ファイバコード４の先端側を一
定長さに亘ってコードを剥くことによって露出する。こ
の光ファイバ５は、光ファイバコード４の先端までを支
持するフェルール３によって支持されている。

【００４０】前記ステム１０の主面にはモニタ用フォト
ダイオード（受光素子）１６が、半田等によって固定さ
れている。このモニタ用フォトダイオード１６は前記半
導体レーザ１２から出射されたレーザ光１７の後方光を
受光して、光強度を検出するようになっている。

【００４１】また、半導体レーザ１２およびモニタ用フ
ォトダイオード１６の電極と、リード９とは接続手段に
よって電気的に接続されている。すなわち、図示はしな
いが導電性のワイヤで電極とリードが接続されている。

【００４２】前記ステム１０は、たとえば鉄合金系のコ
バールや４２アロイ（熱膨張係数α＝４．４×１０~⁶／
°Ｃ程度）の金属からなる円形板となっている。また、
ステム１０の外周部分には、管状の外壁６０が嵌合状態
で取り付けられている。

【００４３】外壁６０は、水分の透過性が低い、耐
熱性がある、熱膨張係数が基台（ステム）材料に近
い、基台との接着強度が強い等の特性を有する材質で
形成されている。すなわち、外壁材料として、たとえ
ば、セラミックス（ジルコニア，アルミナ他），ガラ
ス，エンジニアリングプラスチックスなどが使用でき
る。

【００４４】最も安価に外壁部材を作製するためには、
エンジニアリングプラスチックスの射出成形法により作
製することが適当である。こうしたプラスチックスとし
ては、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド），ＬＣＰ
（液晶ポリマ），ＰＥＩ（ポリエーテルイミド），ＰＥ
Ｓ（ポリエーテルサルホン）などのガラス繊維強化品や
炭素繊維強化品が使用できる。

【００４５】本実施例１では、外壁６０は、ステムの熱
膨張係数に近似した熱膨張係数を有するジルコニアセラ
ミックス（熱膨張係数α＝８．７〜１１．４×１０~⁶／
°Ｃ）で形成されている。また、外壁６０はステム１０
に接着されている。接着剤としては、液晶封止用の接着
剤（不透明樹脂）が使用されている。

【００４６】前記外壁６０によってステム１０の主面側
は、一方が開口した囲まれた空間が形成されている。こ
の空間内には、支持部５０，ヒートシンク５１，半導体
レーザ１２，モニタ用フォトダイオード１６，光ファイ
バ５およびフェルール３の内端部分が位置している。

【００４７】前記空間には透明な樹脂（樹脂体）４３が
充填されている。この透明な樹脂体４３によって、フェ
ルール３，光ファイバ５は支持され、フェルール３，光
ファイバ５，外壁６０，ステム１０は一体化されてい
る。光ファイバ５は透明な樹脂体４３の内外に亘って延
在している。

【００４８】パッケージ５５は、ステム１０，外壁６０
および透明な樹脂体４３によって形成されている。

【００４９】封止に使用する透明な樹脂としては、半導
体レーザ（素子）の発光波長に対して透明でかつ、耐湿
性，耐熱性，素子との密着性に優れた樹脂であるエポキ
シ樹脂が使用されている。

【００５０】エポキシ樹脂は、基本的にはグリシジルエ
ーテル基を持つ主材，硬化材，硬化促進材からなるが、
本実施例では脂環型エポキシ樹脂と酸無水物系硬化材お
よび硬化促進材（テトラエチルアンモニウムブロマイ
ド，オクチル酸鉛等）を主成分とする樹脂組成物を用い
た。

【００５１】この場合、エポキシ樹脂の硬化反応は熱に
より行い、１２０〜１５０℃、６〜１８時間熱処理する
ことにより完了する。この硬化温度（キュア温度）で
は、半導体レーザ１２，ヒートシンク５１，モニタ用フ
ォトダイオード１６を固定する半田の軟化を防止でき
る。

【００５２】一方、エポキシ樹脂の屈折率は発光光ビー
ム（レーザ光）の広がりに影響を与えるため、必要に応
じて調節する。光ファイバとの結合を必要とする場合
は、光ファイバのコアの屈折率（１．４６）の±１０％
以内の値が望ましい。

【００５３】この範囲であれば、半導体レーザへの反射
戻り光量は０．０１％程度以下となり、コヒーレンスコ
ラプス発生（戻り光量に対してしきい値を持つ）による
半導体レーザの雑音発生は抑圧される。（たとえば、黒
崎、広野、福田、IEEE Photonocs Technology Letter,v
ol.6,No.8,p.900,1994) 。

【００５４】ここで、半導体レーザへの反射戻り光につ
いて説明する。

【００５５】半導体レーザの出射面に対して、最も反射
戻り光の発生が大きいと考えられる入射光に対して垂直
な光ファイバ端面を考えると、前記光ファイバ端面で発
生した反射光が半導体レーザ（光半導体素子）に戻る割
合、つまり結合効率ηは次式で与えられる。

【００５６】

【数１】η＝Ａ（１−Ｒ₁ ）Ｒ₂

【００５７】

【数２】Ｒ₁ ＝（ｎ_laser −ｎ_mold）² ／（ｎ_laser ＋
ｎ_mold）²

【００５８】

【数３】Ｒ₂ ＝（ｎ_fiber −ｎ_mold）² ／（ｎ_fiber ＋
ｎ_mold）² ここで、ｎ_laser は半導体レーザを構成する媒質の屈折
率、Ａは半導体レーザの端面（出射面）と光ファイバ端
面間の距離、レーザ光の波長やスポットサイズで決定さ
れる係数である。

【００５９】したがって、半導体レーザへの反射戻り光
量を小さくするためには、樹脂の屈折率ｎ_{mo ld}を選択し
てＲ₂ を小さくすればよいことになり、樹脂の屈折率ｎ
_moldを光ファイバの屈折率ｎ_fiber と同程度とすること
で、反射戻り光が小さくなり、同一とすることで反射戻
り光を無くすことができる。

【００６０】また、光学的結合面間に光ファイバのコア
と略一致した樹脂を用いると、半導体レーザからのレー
ザ光（放射光）の広がりが空気中の２／３程度と小さく
なるため、レンズを用いなくとも光ファイバとの結合効
率が、従来のレンズなしのものに比べて向上する。この
結果、レンズを使用しなくてもよくなり、部品点数の低
減や組立工数の低減が図れる。

【００６１】エポキシ樹脂の屈折率を光ファイバのコア
の屈折率（１．４６）の±１０％以内の値とするために
は、エポキシ樹脂の主材の構造にはフェニル基を含まな
いことが望ましい。また、主材，硬化材のＣ−Ｈ結合の
一部をＣ−Ｆ結合に代えることが有効である。こうした
樹脂の屈折率調整により、半導体レーザへの反射戻り光
量は０．０１％程度になり、半導体レーザの雑音発生は
抑制される。

【００６２】つぎに、本実施例１の光半導体モジュール
の組立方法について説明する。図４に示すように、最初
にモニタ用フォトダイオード１６をステム１０に固定す
る。また、主面に半導体レーザ１２を固定したヒートシ
ンク５１を、ステム１０の支持部５０の側面に固定す
る。前記モニタ用フォトダイオード１６，半導体レーザ
１２およびヒートシンク５１の固定は、たとえば、融点
が約２８０℃となるＡｕＳｎ半田（Ａｕ：８０％／Ｓ
ｎ：２０％）により行われる。

【００６３】つぎに、半導体レーザ１２およびモニタ用
フォトダイオード１６の電極と、リード９とを接続手段
で電気的に接続する。すなわち、図示はしないが導電性
のワイヤで電極とリードを接続する。

【００６４】つぎに、ステム１０に管状の外壁６０を液
晶用接着剤によって取り付ける。この結果、ステム１０
と外壁６０とによって、ステム１０の主面側には空間６
５が形成され、この空間６５内には、支持部５０，ヒー
トシンク５１，半導体レーザ１２，モニタ用フォトダイ
オード１６等が位置するようになる。

【００６５】つぎに、フェルール３が取り付けられた光
ファイバ５の先端部分を、ヒートシンク５１のＶ字溝５
２に挿入し、先端をＶ字溝５２の突き当たり部分に押し
付ける。これによって、半導体レーザの出射面と光ファ
イバのコアとの光軸合わせが高精度でかつ自動的に行わ
れることになる。

【００６６】つぎに、光ファイバ５の光軸を合わせた状
態で、前述の材料からなる透明な樹脂体を形成するため
の樹脂（透明な樹脂とも呼称する）を前記空間６５に充
填しかつ硬化させる。この樹脂の硬化によって透明な樹
脂（樹脂体）４３が形成され、光ファイバ５およびフェ
ルール３の内端は透明な樹脂体４３に支持され、ステム
１０や外壁６０と一体となり、図１に示す光半導体モジ
ュールが製造される。

【００６７】前記透明な樹脂のキュア処理は、１２０〜
１５０℃、６〜１８時間熱処理となる。したがって、こ
のキュア温度は、半導体レーザ１２，ヒートシンク５
１，モニタ用フォトダイオード１６を固定する半田の軟
化温度（融点が約２８０℃）よりも低いため、樹脂封止
時の半田の不安定性に起因したモジュールの劣化は起き
ない。

【００６８】また、樹脂封止時の光結合を行ったままの
光ファイバの固定は、光ファイバ５がヒートシンク５１
のＶ字溝５２に挿入されて安定していることから、光結
合を損なうことなく確実に行える。

【００６９】本実施例の光半導体モジュールは以下の効
果を奏する。

【００７０】（１）透明な樹脂体４３は一面をステム１
０で被われ、周面を外壁６０で支持され、開放側は一面
のみとなることから、ステム１０との密着性が高くな
り、封止の信頼性が高くなる。

【００７１】（２）前記（１）により、ステム１０と樹
脂体４３との熱膨張係数の差に起因するステム１０と樹
脂体４３との剥離が防止できる。この結果、温度サイク
ル試験等において信頼性が高くなる。

【００７２】（３）前記（１）により、ステム１０と樹
脂体４３との界面の縁は外壁６０に被われていることか
ら、外部から界面に水分が入り難い。したがって、高温
・高湿度雰囲気での長時間動作試験でステム１０と樹脂
体４３との界面から水分が進入しなくなり、半導体レー
ザ（素子）が劣化しなくなり、封止の信頼性が高くな
る。

【００７３】（４）前記（１）により、ステム１０と樹
脂体４３との界面の縁は外壁６０に被われていることか
ら、半導体レーザ１２を高温・高湿度雰囲気で長時間動
作する試験では、前記（３）と同様の理由により、透明
な樹脂（樹脂体）４３が着色したり、ワイヤが断線し易
くなる。

【００７４】（５）透明な樹脂の充填・硬化後、従来の
キャスティング法のように樹脂体４３に外力が加わるこ
とがないことから、外壁６０やステム１０と樹脂体４３
との界面で剥離が生じなくなる。

【００７５】（６）本実施例の光半導体モジュールは、
その組立において、透明な樹脂の充填・硬化によって、
光ファイバ５，フェルール３，外壁６０，ステム１０等
は同時に一体化されるため、組立が容易となり工数の低
減が図れるとともに、組立時間の短縮が図れる。

【００７６】（７）半導体レーザ１２と光ファイバ５と
の光学的結合面間に透明な樹脂４３を充填した結果、反
射戻り光の低減を図ることができる。

【００７７】（８）光学的結合面間に透明な樹脂４３を
充填させる結果、レンズを使用しなくても高い光結合効
率を得ることができる。

【００７８】（９）レンズを使用しなくても高い光結合
効率を得ることができ、部品点数の低減から組立コスト
の低減が図れる。

【００７９】（１０）前記（６）および（９）により、
部品点数の削減、組立工数の低減、組立時間の短縮によ
って製造コストの軽減が達成できる。

【００８０】（１１）透明な樹脂体４３は脂環型エポキ
シ樹脂と酸無水物系硬化剤を主成分とする樹脂組成物に
よって形成されるが、この樹脂は以下の特徴を有し、以
下の作用を奏する。

【００８１】半導体レーザ１２の発光波長に対して透
明であることから、光半導体モジュールの光出力が低下
しない。

【００８２】耐湿性に優れるため封止の信頼性が高く
なり、光半導体モジュールの長寿命化が達成できる。

【００８３】耐熱性に優れるため透明な樹脂４３は着
色したり変形しない。このため封止の信頼性が高くな
る。したがって、光半導体モジュールを高温・高湿度雰
囲気で長時間動作試験しても、樹脂が着色したり、ワイ
ヤが断線し難くなる。

【００８４】半導体レーザ１２との密着性が高いた
め、耐湿性が高くなる。

【００８５】以上のような光半導体モジュールの製造技
術を１．３μｍ帯の埋め込み型ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ
ＭＱＷファブリペローレーザに適用した。

【００８６】ここで、封止に使用する透明な樹脂として
は、市販のエポキシ系樹脂（脂環式ジグリシジルエーテ
ル型エポキシ樹脂と酸無水物系硬化剤を使用）を使用し
た。こうして作製した光半導体モジュールの各種環境下
での信頼性試験を行った。図５に８５℃，８５％Ｒ．
Ｈ．下での出力光強度の変化を示す。同グラフにおい
て、○印の線が本実施例１の特性であり、▲印が図７に
示す従来構造のものである。

【００８７】このグラフから分かるように、本実施例の
光半導体モジュールは、５０００時間経過しても全く劣
化は認められなかった。その他の試験、たとえば、温度
サイクル試験（−４０℃から７０℃／２時間，１０００
サイクル）や高温度連続動作試験（７０℃／５０００時
間）でも劣化は認められなかった。

【００８８】また、光ファイバは先端を垂直カットとし
たコア径１０μｍのシングルモード光ファイバを用い
た。半導体レーザと光ファイバ端間が約１０μｍの場合
では、透明な樹脂が有る場合は半導体レーザの強度雑音
の増加はなく、たとえば、周波数が１ＭＨｚの点で−１
４０ｄＢ／Ｈｚ以下の雑音レベルが得られた。

【００８９】樹脂のない場合は半導体レーザの強度雑音
が増大し、−１２０ｄＢ／Ｈｚ以上の雑音レベルがしば
しば現れた。

【００９０】さらに、半導体レーザの回折現象に起因し
た放射光の拡がりが屈折率１の空気中の場合に比べ、屈
折率が１．５程度の樹脂ではその拡がりが２／３程度に
小さくなるため、光の結合効率も向上し、−１０ｄＢ程
度の結合効率が容易に得られた。

【００９１】また、組立に要する時間は従来の気密封止
に比べ１／１０程度に短縮された。こうしたレンズを用
いずにファイババッティング状態で気密封止をすること
は従来技術では不可能である。

【００９２】さらに、このような光半導体モジュールを
５０℃の雰囲気（大気中）で光ファイバ光出力−３ｄＢ
で通電したところ、目立った劣化は認められなかった。
また、半導体レーザの端面（出射面）、あるいは全体に
シリコン窒化膜等の誘電体膜をコーティングすることに
より、半導体レーザの端面反射率を制御するとともに耐
湿性等の耐環境性を一層向上させることができた。

【００９３】（実施例２）実施例２の光半導体モジュー
ルは、実施例１の光半導体モジュールにおいて、透明な
樹脂（樹脂体）４３を紫外線硬化性エポキシ樹脂で形成
してなるものである。このため、透明な樹脂体４３を囲
む外壁６０は、紫外線を透過するもので形成されてい
る。たとえば、外壁はパイレックスガラスで形成され、
透明な樹脂は、エポキシ樹脂として紫外線硬化性エポキ
シ樹脂（シクロエキサン型エポキシ樹脂とカチオン型光
硬化材を使用；屈折率；１．４６）によって形成されて
いる。

【００９４】光半導体モジュールの組立において、ステ
ム１０と外壁６０とによって形成された空間６５には、
前記紫外線硬化性エポキシ樹脂が充填され、その後紫外
線が照射される。これにより、紫外線硬化性エポキシ樹
脂は硬化する。たとえば、前記樹脂の光硬化条件は１０
ｍＷ／ｃｍ² で３分とした。

【００９５】実施例２の光半導体モジュールも実施例１
の光半導体モジュールと同様の効果を得ることができ
た。また、樹脂の硬化作業が簡単でかつ早いことから、
封止コストの低減が達成できる。

【００９６】（実施例３）図６は本実施例の他の実施例
（実施例３）である光半導体モジュールの断面図であ
る。

【００９７】実施例３は実施例１の構成において、透明
な樹脂（樹脂体）４３を僅かに浅く形成し、その窪んだ
部分に遮光性樹脂（不透明樹脂）を充填・硬化させて遮
光膜（不透明な樹脂）６１を形成したものである。この
遮光膜６１は、たとえば、可視光および近赤外線を遮光
する不透明な樹脂である。

【００９８】このように透明な樹脂体４３の表面を遮光
膜６１で覆うことによって、外部の光（可視光および近
赤外線）がパッケージ５５内の透明な樹脂体４３内に入
り込むことがなくなり透明な樹脂（樹脂体）４３が劣化
しなくなり、耐環境性（耐候性）が高くなる。また、実
施例２の光半導体モジュールは、前記実施例１の光半導
体モジュールと同様の効果を有する。

【００９９】以上本発明者によってなされた発明を実施
例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施例に
限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で
種々変更可能であることはいうまでもない。

【０１００】すなわち、透明な樹脂として、エポキシ樹
脂以外のものであってもよい。たとえば、低応力の樹脂
であるシリコーン系樹脂を使用することも可能である。

【０１０１】また、不透明樹脂（遮光性樹脂）として
は、石英粉末やカーボンブラック等を含有したエポキシ
系樹脂が適当である。

【０１０２】また、前記実施例において光半導体素子と
して発光ダイオードを組み込んでも良い。この場合、前
記実施例１と同様に多くの効果を有する。特に、面発光
型の発光ダイオードでは、光軸調整はほとんど不要であ
った。

【０１０３】また、前記実施例において光半導体素子と
して受光素子を組み込んでも前記実施例１と同様な効果
を奏する。

【０１０４】

【発明の効果】本願において開示される発明のうち代表
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下
記のとおりである。

【０１０５】（１）透明な樹脂はステムと管状の外壁に
よって周囲を規定され、従来のようにステムの一面に樹
脂を張り付けた構造となっていないことから、ステムと
樹脂との接合性（接合強度）が高くなり、ステムと樹脂
との界面の不完全性から発生する様々な故障要因が解消
し、封止の信頼性が高くなる。

【０１０６】（２）ステムと外壁とによって形成された
空間に樹脂を充填させて硬化させる際、光ファイバや光
ファイバを支持する部品を同時に一体化させるため、前
記各部品の固定が容易となる。これにより、組立時間の
短縮が図れる。たとえば、従来の気密封止型の光半導体
モジュールの組立の１／１０程度と短縮できる。

【０１０７】（３）樹脂充填・硬化後、樹脂体には大き
な力が加えられないことから、樹脂体とステムや外壁と
の界面の剥離が起きず、耐湿性が向上する。

【０１０８】（４）半導体レーザと光ファイバの一端面
間には、光ファイバのコアの屈折率と略一致した樹脂で
光結合されているため、半導体レーザへの反射戻り光は
極めて微量となり、雑音の発生が起き難くなり、高信頼
度の光半導体モジュールを提供することができる。

【０１０９】（５）半導体レーザと光ファイバの内端面
間には光ファイバのコアの屈折率と略一致した樹脂で光
結合されていることから高い光結合効率が得られる。こ
の結果、レンズを使用しなくてもよくなり、部品点数の
低減や組立工数の低減が図れる。

【０１１０】（６）部品点数の低減や組立時間の短縮に
よって光半導体モジュールのコストの低減が達成でき
る。

【０１１１】（７）透明な樹脂としてエポキシ系樹脂が
使用されているが、エポキシ系樹脂は耐湿性，耐熱性，
素子との密着性に優れた樹脂であり、封止の信頼性向上
が達成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例（実施例１）である光半導体
モジュールの断面図である。

【図２】本実施例１の光半導体モジュールにおけるヒー
トシンクの拡大平面図である。

【図３】本実施例１の光半導体モジュールにおけるヒー
トシンクの拡大側面図である。

【図４】本実施例１の光半導体モジュールの組立状態を
示す断面図である。

【図５】本実施例１の光半導体モジュールの試験におけ
る出力強度と時間との相関を示すグラフである。

【図６】本発明の他の実施例（実施例３）である光半導
体モジュールの断面図である。

【図７】従来の同軸型光半導体モジュールの断面図であ
る。

【図８】従来の箱型光半導体モジュールの断面図であ
る。

【図９】従来の半導体レーザ装置の断面図である。

【図１０】従来の半導体レーザ装置の断面図である。

【符号の説明】 １…半導体レーザ装置、２…結合体、３…フェルール、
５…光ファイバ、１０…基台（ステム）、１１…キャッ
プ、１２…光半導体素子（半導体レーザ）、１６…モニ
タ用フォトダイオード、１７…レーザ光、２３…レン
ズ、３０…パッケージ、３６…サーミスタ、３９，４０
…レンズ、４３…樹脂体、５０…支持部、５１…ヒート
シンク、５２…Ｖ字溝、５５…パッケージ、６０…外
壁、６１…遮光膜。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 杉江 利彦 東京都千代田区内幸町一丁目１番６号 日本電信電話株式会社内 審査官 日夏 貴史 (56)参考文献 特開 平８−166523（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−95103（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−9183（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−70714（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−18163（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−220368（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−1805（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−88990（ＪＰ，Ａ) 実開 昭59−15007（ＪＰ，Ｕ) 実開 平５−64806（ＪＰ，Ｕ) 国際公開95／25974（ＷＯ，Ａ１) Ｎ．Ｓｉｎｎａｄｕｒａｉ，５ｔｈ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ, Ｆａｉｌｕｒｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎ ｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ，1994年10月 ４ 日，ｐｐ．387−397 Ｊ．Ｓ．Ｐｅｒｅｉｒａ ｅｔ．ａ ｌ，，，ＩＥＥＥ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎ ｇｓ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａ ｌ Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ Ｐｈｙｓ ｉｃｓ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ, （1993），ｐｐ．372−374 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 6/42 - 6/42 H01L 31/00 - 31/10 H01L 33/00 H01S 5/022 - 5/026

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ステム上にヒートシンクを介して固定さ
   れた光半導体素子と、前記光半導体素子と光結合された
   光ファイバを含む光半導体モジュールであって、 前記ステムと前記光半導体素子を取り囲む、エンジニア
   リングプラスチックスまたはセラミックスからなる外壁
   を備え、前記外壁と前記ステムは、一方が開口した囲まれた空間
   を形成し、 前記囲まれた空間には 前記光ファイバ内を透過する光が
   透過する熱硬化性の透明な樹脂が充填され、 前記ヒートシンクと、前記ヒートシンクのＶ字溝に挿入
   された前記光ファイバとは前記熱硬化性の透明な樹脂に
   よって固定され、 前記透明な樹脂は前記光ファイバの光が通るコアの屈折
   率の±１０％以内の屈折率となっており、 前記開口部に、可視光および近赤外光を遮光する不透明
   な樹脂を形成した ことを特徴とする光半導体モジュー
   ル。
2. 【請求項２】 前記透明な樹脂はシリコーン系樹脂また
   はエポキシ系樹脂であり、前記不透明な樹脂はエポキシ
   系樹脂で形成されていることを特徴とする請求項１記載
   の光半導体モジュール。