JP3881074B2 - 半導体レーザモジュール - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体レーザモジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の半導体レーザモジュールに係わる技術として、例えば１９９６年電子情報通信学会総合大会Ｃ−２１６の報告がある。
【０００３】
この従来技術は、パッケージケースを樹脂モールドで形成しており、このケース内に異方性エッチングで設けたＶ溝付のＳｉ基板を配置している。レーザ素子と光ファイバの光結合は、Ｓｉ基板上の所定位置にレーザ素子を搭載し、Ｖ溝部分に光ファイバを固定するパッシブアライメント方式で行っている。パッケージケースから取り出される部分の光ファイバの固定及びパッケージケースへのキャップ固定は紫外線硬化樹脂で行っており、この樹脂固定によりパッケージケース内の気密封止をとっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来技術には、以下の問題点が存在する。
【０００５】
すなわち、従来技術は、パッケージケースを樹脂モールドで形成したモジュール構成であることから、パッケージケースから取り出される光ファイバ固定部分に外力が加わると樹脂接着部分で剥離が起き、これにより光ファイバの断線，光結合の劣化及びパッケージケース内の気密不良等を引き起こしやすくなる。また、パッケージケース内の気密不良は、ケース内への湿気の浸入を発生させ、これによりレーザ素子の特性変動を生じさせる原因となる。また、樹脂接着部分での剥離は光ファイバに外力が加わることで起きるものだけでなく、温度変化や樹脂の径年劣化によっても生じやすく、特に樹脂モールド材や光ファイバのジャケット材等の樹脂やナイロンとの接着性が優れないために剥離が発生しやすい。また、パッケージケース内の気密封止は、光ファイバの取り出し部分とキャップを樹脂接着することで行っており内部が空洞状態であるため、高温下でのケース内圧力上昇により気密不良が生じやすくなる。さらに、パッケージケースには光ファイバ取り出し用の溝を設ける必要がありケースを複雑形状化している等の問題がある。
【０００６】
これらのように、樹脂モールドでパッケージケースを構成したモジュール構造では、光ファイバの取り出し部分の接着やケース内部の気密封止等に問題があり、信頼性の点で十分な配慮がされていないモジュール構造である。
【０００７】
本発明の目的は、半導体レーザ素子とこれに光結合する光ファイバの実装を容易にし、かつ組み立てや取り扱い性及び量産性に優れ、信頼性の高い半導体レーザモジュール及びその組み立て方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
半導体レーザモジュールは光通信の光源に用いられ半導体レーザ素子と光ファイバを光学的に結合させるものである。半導体レーザモジュールを低コスト化するには、モジュールの部品や製造コストを低減する必要があるが、従来のように主に金属材料で構成されていたモジュール部品をろう付けやはんだ接合あるいはレーザ溶接により組み立てていたモジュール構造では低コスト化に限界があった。近年、半導体レーザ素子と光ファイバをＳｉ基板上にハイブリッド実装するモジュール構造の提案，開発が活発化し、これによりモジュールの低コスト化を図ることができるようになったが、Ｓｉ基板上に実装したモジュールをパッケージングする際の光ファイバの取り出し方法や気密封止構造に問題があった。
【０００９】
本発明は、Ｓｉ基板上に実装した半導体レーザ素子とこれに光結合する光ファイバを容易かつ高精度にパッケージングし、しかも組み立てや取り扱い性及び量産性に優れ、高い信頼性を得るモジュール構造としたものである。
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明は、半導体素子と光学的に結合され光伝送を行うための光ファイバを有した半導体レーザモジュールであり、前記半導体素子である半導体レーザ素子と、この半導体レーザ素子に光学的に結合され光伝送を行う光ファイバと、この光ファイバを保持固定する光ファイバ支持部材と、前記半導体レーザ素子と前記光ファイバ支持部材とを同一基板上に搭載する基板部材と、前記半導体レーザ素子と電気的に接続し外部接続するリード端子を備えたフレーム基板とを有し、これら全体がモールド樹脂でパッケージングされた半導体レーザモジュールにおいて、前記光ファイバ支持部材にはゴム状弾性を有する接着剤を介して円筒状支持部材が取り付けられていることを特徴とする半導体レーザモジュールが提供される。
【００１１】
本発明の半導体レーザモジュールは、次のいずれかを特徴とする。
【００１２】
Ａ：半導体素子と光学的に結合され光伝送を行うための光ファイバを有した半導体レーザモジュールであり、前記半導体素子である半導体レーザ素子と、この半導体レーザ素子に光学的に結合され光伝送を行う光ファイバと、この光ファイバを保持固定する光ファイバ支持部材と、前記半導体レーザ素子と前記光ファイバ支持部材とを同一基板上に搭載する基板部材と、前記半導体レーザ素子と電気的に接続し外部接続するリード端子を備えたフレーム基板とを有し、これら全体がモールド樹脂でパッケージングされた半導体レーザモジュールにおいて、前記光ファイバ支持部材にはゴム状弾性を有する接着剤を介して円筒状支持部材が取り付けられていること。
【００１３】
Ｂ：Ａにおいて、前記円筒状支持部材の外周には、溝あるいは段差が設けられており、この溝内あるいは段差内に前記モールド樹脂が入り込んでいること。
【００１４】
Ｃ：Ａにおいて、前記モールド樹脂でパッケージングされた半導体レーザモジュールの一端からは前記光ファイバ支持部材及び前記円筒状支持部材が取り出されていること。
【００１５】
Ｄ：Ａにおいて、前記フレーム基板の前記基板部材設置部分には、電気的に接続された前記リード端子を少なくとも１本備えていること。
【００１６】
Ｅ：Ａにおいて、前記リード端子付フレーム基板は銅合金部材で構成されていること。
【００１７】
Ｆ：Ａにおいて、前記円筒状支持部材は金属，セラミックス，プラスチック及びゴムのいずれか一つの部材で構成されたこと。
【００１８】
Ｇ：本発明の半導体レーザモジュールの組み立て方法は、前記半導体レーザ素子を前記基板部材の所定位置に接合固定するとともに、前記光ファイバを内設し、かつ前記円筒状支持部材を備えた前記光ファイバ支持部材を前記基板部材に形成したＶ溝に、光ファイバ先端が前記半導体レーザ素子と対向するように設置し、さらに光ファイバ支持部材を上部から押さえ付けるよう押さえ基板を設置し、これらを搭載した基板部材を前記リード端子付きフレーム基板上の所定位置に接合固定した後、前記半導体レーザ素子と前記フレーム基板のリード端子とを電気的に接続するように夫々ワイヤボンディングリード接続を行い、前記半導体レーザ素子と前記光ファイバとの光結合部を透明なゲル状樹脂で覆った後、この半導体レーザモジュールを金型内に設置し、ＬＳＩと同様に全体をモールド樹脂でパッケージングすること。
【００１９】
Ｈ：Ｇにおいて、前記半導体レーザモジュールは、前記リード端子付フレーム基板と前記円筒状支持部材が金型で保持されてモールドすること。
【００２０】
Ｉ：Ｇにおいて、前記金型には前記円筒状支持部材を保持する段差部を設けていること。
【００２１】
Ｊ：Ｇにおいて、前記金型の一端には前記光ファイバ及び前記光ファイバ支持部材を取り出す溝が断熱部材で構成されていること。
【００２２】
以上のように構成した本発明では、半導体レーザモジュールをモールド樹脂でパッケージングして構成し、かつ光ファイバ支持部材をゴム状弾性を有する接着剤を介して円筒状支持部材で保持固定することにより、パッケージケースをモールド樹脂で形成して光ファイバを取り出す従来のような構成ではなくなるので、ケース部分に光ファイバを樹脂固定する必要がなく、光ファイバに外力が加わっても光ファイバの断線や光結合の劣化，気密封止不良等を起こす危険性はない。また、モジュール全体をモールド樹脂でパッケージングしてモジュール内部に空洞を設けないため湿気浸入によるレーザ素子の特性変動を引き起こすことはなく、さらにケース構成の必要がなく容易な組み立てが可能となり部品点数を低減でき低コスト化を図ることができる。
【００２３】
また、光ファイバ支持部材にはゴム状弾性を有する接着剤を介して円筒状支持部材を取り付けており、金型でモジュールをクランプ保持する部分を円筒状支持部材の外周部分としているため、金型クランプ時の外力をゴム状接着剤で吸収し光ファイバ支持部材に外力が直接加わらないようにしている。これにより、クランプ保持した時のモジュール変形を防止でき、半導体レーザ素子と光ファイバとの位置ずれをなくすることができるとともに、パッケージング時の残留ひずみを低減した状態でモジュールを組み立てられるので、安定かつ信頼性の高い半導体レーザモジュールを得ることができる。さらに、モールド樹脂でパッケージングしたモジュール構造としているため取り扱いや量産性に優れ、かつ表面実装形状であるためプリント基板への実装を容易にすることができる。
【００２４】
以上により、半導体レーザ素子とこれに光結合する光ファイバの実装を容易にでき、しかも組み立てや取り扱い性及び量産性に優れ、かつ信頼性の高い半導体レーザモジュール及びその組み立て方法を得ることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の図面を参照しつつ説明する。なお、煩雑を避けるために一部の電極配線やワイヤボンディングリード等の電気的な接続配線及び接着剤の図示を省略している。
【００２６】
本発明の第１の実施の形態を図１ないし図６により説明する。
【００２７】
本実施の形態による半導体レーザモジュール１００の構造を表す縦断面図を図１に、内部構造を表す斜視図を図２に示す。
【００２８】
図１及び図２で、半導体レーザモジュール１００は、レーザダイオード１と、フォトダイオード２と、レーザダイオード１と光学的に結合されて光伝送を行う単一モードファイバである光ファイバ３と、これを内挿し支持固定する光ファイバ支持部材７と、支持部材７をゴム状弾性を有する接着剤１２を介して保持する円筒状支持部材１１と、レーザダイオード１及びフォトダイオード２が搭載され、光ファイバ支持部材７を設置するためのＶ溝８が形成されたＳｉ基板からなるステム５と、光ファイバ支持部材７の押さえ基板４と、ステム５が接合固定されるリード端子付きフレーム基板１９とを備え、レーザダイオード１とフォトダイオード２及び光ファイバ３の光結合部が透明なゲル状樹脂１０で覆われ、さらに全体がＬＳＩパッケージと同様にモールド樹脂９でパッケージングされる。
【００２９】
半導体レーザモジュール１００の構成部材の一つであるリード端子付きフレーム基板１９の上面にはステム５が接合固定されている。ステム５の上面にはＶ溝８が異方性エッチングにより形成されており、このＶ溝８部に光ファイバ３を内挿し、かつ円筒状支持部材１１を取り付けた光ファイバ支持部材７が接着剤１４により設置されている。さらに、この光ファイバ支持部材７は、下面にＶ溝を設けた押さえ基板４で上部から押さえ付けられるように接合固定される。一方、ステム５の上面には、メタライズ電極配線１６がパターンニングされており、この配線１６上にレーザダイオード１とフォトダイオード２がそれぞれ所定位置に搭載されている。レーザダイオード１及びフォトダイオード２は、ステム５上面の電極配線１６上にあらかじめ形成されたマーカ（図示せず）を目印に位置合せされ接合するパッシブアライメント方式で搭載される。レーザダイオード１及びフォトダイオード２には、フレーム基板１９のリード端子１８と電気的に接続するようにステム５上面の電極配線１６を介してそれぞれワイヤーボンディングリード１７が取り付けられている。ステム５と押さえ基板４を構成する材料は、ここではシリコンを使用している。ステム５に形成するＶ溝８は、光ファイバ支持部材７を設置した際に光ファイバ３の中心軸がステム５上面に搭載したレーザダイオード１のレーザ出射軸と同一軸となるように所定の幅と深さで形成されている。レーザダイオード１と光ファイバ３の光結合部及びフォトダイオード２は、レーザ光の透過性の高い透明なゲル状樹脂１０で覆われ、さらにフレーム基板１９を含む全体をＬＳＩパッケージと同様にモールド樹脂９で覆いパッケージングされている。なお、ここでは、リード端子付フレーム基板１９を構成する材料に銅合金を使用しており、中央部のフレーム基板１９を両側のリード端子１８で支える構造で、フレーム基板１９と接続しているリード端子１８は少なくとも片側１本となっている。また、透明なゲル状樹脂１０は、ここではシリコーン樹脂を使用している。
【００３０】
ステム５の上面には、あらかじめスパッタ蒸着により電極配線１６が形成されており、この電極配線１６上にレーザダイオード１とフォトダイオード２がパッシブアライメント方式により接合固定され、夫々ワイヤーボンディングリード１７で接続されている。レーザダイオード１は、ステム５に設けられたＶ溝８に設置される光ファイバ支持部材７に内設された光ファイバ３中心軸とレーザダイオード１のレーザ出射軸とが一致するように位置調整されて接合固定される。また、レーザダイオード１は、ステム５上面に接合固定するときのレーザ出射位置の高さばらつきを低減するようにレーザ出射位置がステム５上面側に配置されて搭載されている。
【００３１】
光ファイバ支持部材７は、略円筒状形状であり、軸中心位置近くに設けられた貫通孔に光ファイバ３が樹脂被覆１５部分を内設するように内挿され接着剤（図示せず）が充填され接合固定されている。光ファイバ支持部材７を構成する材料は、ここではジルコニアセラミックスを使用している。
【００３２】
円筒状支持部材１１は、外周部に溝１３を設けた形状で構成されており、光ファイバ支持部材７にゴム状接着剤１２を介して保持固定されている。外周部に設けた溝１３部にはパッケージングした時にモールド樹脂９が入り込むようになっており、円筒状支持部材１１が容易に抜けないように構成されている。円筒状支持部材１１を構成する材料は、ここでは金属材料であるステンレス鋼を使用している。
【００３３】
本実施例による半導体レーザモジュール１００をモールド樹脂９でパッケージングする組み立て手順を以下に説明する。本実施例の組み立てプロセスを表す縦断面図を図３から図５に示す。組み立て完成後の半導体レーザモジュール１００の斜視図を図６に示す。
【００３４】
まず、図２に示した半導体レーザモジュール１００のレーザダイオード１と光結合している光ファイバ３及びフォトダイオード２を覆うようにゲル状樹脂１０をポッティングしたモジュール１００を金型２０，２１内の所定位置に設置する（図３）。次に、金型２０，２１でモジュール１００を保持するように、円筒状支持部材１１の外周部２２及びフレーム基板２３を上金型２０及び下金型２１でクランプ保持する。光ファイバ被覆１５は金型２０，２１に設けられた取り出し部分２７から外部に出され、金型２０，２１で挟まれないように設置する。なお、光ファイバ被覆１５を取り出す金型部分２７には光ファイバの被覆１５部分が接触しても溶けないように断熱部材２６を取り付けた構成となっている。金型２０，２１でモジュール１００をクランプ保持した状態で荷重を加え、その状態でモールド樹脂９を注入口２５から流し込む（図４）。このときの金型２０，２１の温度は１５０度に設定している。金型２０，２１内にモールド樹脂９を流し込んだ後、その状態を数分間保持しモールド樹脂９を十分に硬化させる。モールド樹脂９が硬化した後、上金型２０と下金型２１を分離し、金型２０，２１内からモールド樹脂９でパッケージングした半導体レーザモジュール１００を取り出す（図５）。その後、リード端子１８同士を接続しているフレーム１９部分を切断し、リード端子１８の折り曲げを行い、半導体レーザモジュール１００が完成する（図６）。
【００３５】
以上のように構成した本実施例では、半導体レーザモジュール１００をモールド樹脂９でパッケージングして構成し、かつ光ファイバ支持部材７をゴム状接着剤１２を介して円筒状支持部材１１で保持することにより、パッケージケースを樹脂モールドで形成して光ファイバ３を取り出す従来のような構成ではなくなるので、ケース部分に光ファイバ被覆１５を樹脂固定する必要がなく、光ファイバ被覆１５部分に外力が加わっても光ファイバ３の断線や光結合の劣化，気密封止不良等の危険性はない。また、モジュール１００全体をモールド樹脂９でパッケージングしてモジュール１００内部に空洞を設けないため湿気浸入によるレーザダイオード１の特性変動を引き起こすことはなく、さらにケース構成の必要がなく容易な組み立てが可能となり部品点数を低減でき低コスト化を図ることができる。また、光ファイバ支持部材７にはゴム状接着剤１２を介して円筒状支持部材１１を取り付けており、金型２０，２１でモジュール１００をクランプ保持する部分を円筒状支持部材１１の外周部分としているため、金型２０，２１でモジュール１００をクランプした時の外力をゴム状接着剤１２で吸収し光ファイバ支持部材７に外力が直接加わらないようにしている。これにより、金型２０，２１でクランプ保持した時のモジュール変形を防止でき、レーザダイオード１と光ファイバ３との位置ずれをなくすることができるとともに、モールド樹脂９でパッケージングした後の残留ひずみをなくした状態でモジュール１００を組み立てられるので、安定かつ信頼性の高い半導体レーザモジュール１００を得ることができる。さらに、モールド樹脂９でパッケージングしたモジュール１００構造としているため取り扱いや量産性に優れ、かつ表面実装形状であるためプリント基板への実装を容易にすることができる。
【００３６】
これらにより、レーザダイオード１とこれに光結合する光ファイバ３の実装を容易にでき、しかも組み立てや取り扱い性及び量産性に優れ、かつ信頼性の高い半導体レーザモジュール１００及びその組み立て方法を得ることができる。
【００３７】
本発明の第２の実施例を図７により説明する。本実施例は、光ファイバ支持部材７に保持固定する円筒状支持部材をゴム製キャップ２４で構成したものである。
【００３８】
本実施例による半導体レーザモジュール２００の縦断面を表す構造を図７に示す。
【００３９】
本実施例の半導体レーザモジュール２００が前記第１の実施例のモジュール１００と異なる点は、金属部材の円筒状支持部材１１をゴム製のキャップ２４に変更した点で、このゴム製キャップ２４の一端を含むようにモールド樹脂９でパッケージングする。
【００４０】
これらのように構成した本実施例によれば、光ファイバ被覆１５に外力が加わってもゴム製キャップ２４がその外力を吸収するため、光ファイバ３の断線や光結合の劣化等の危険性はない。また、金属部材に変えてゴム製キャップ２４を用いているため部品コストを低減でき低コスト化を図ることができる。さらに、金型２０，２１でモジュール２００をクランプ保持する部分をゴム製キャップ２４の外周部分としているため、金型２０，２１でモジュール２００をクランプしても光ファイバ支持部材７に外力が加わらず、モジュール変形を防止できるとともに、レーザダイオード１と光ファイバ３との位置ずれをなくすることができる。また、本実施例は第１の実施例と同様の構成であるため、第１の実施例と同様の効果を得ることができる。
【００４１】
なお、上記第１の実施例では、円筒状支持部材１１を金属部材で構成しているが、これに限定されるものでなく、例えばセラミックス及びプラスチック等で構成しても良く、これらの場合でも上記実施例と同様の効果を得る。
【００４２】
また、上記第１及び第２の実施例では、円筒状支持部材１１及びゴム製キャップ２４と光ファイバ支持部材７とをゴム状弾性を有する接着剤１２で保持固定しているが、これに限定されるものでなく、弾性率の低い他の接着剤でも良く、例えばシリコーン接着剤やアクリル接着剤等でも良く、これらの場合でも上記実施例と同様の効果を得る。
【００４３】
また、上記第１及び第２の実施例では、光ファイバ支持部材７をジルコニアセラミックスで構成しているが、これに限定されるものでなく、例えば、ガラス，プラスチック及び樹脂等で構成しても良く、これらの場合も同様の効果を得る。
【００４４】
また、上記第１及び第２の実施例では、光ファイバ支持部材７，ステム５及び押さえ基板４のそれぞれを樹脂１４で固定しており、この場合、接着力，耐湿性及び耐熱性に優れた樹脂を使用するのが望ましく、例えば紫外線硬化樹脂，熱硬化性樹脂，熱可塑性樹脂によって接合固定するのが好ましい。これらの場合も同様の効果を得る。
【００４５】
さらに、上記第１及び第２の実施例で用いるモールド樹脂９は、低温度硬化，低熱膨張及び高熱伝導を備えたものが望ましく、例えば１５０度以下で２〜４分程度で硬化し、１０ppm 以下の熱膨張率を有するモールド樹脂９が好ましい。これらの場合も同様の効果を得る。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体レーザモジュールをモールド樹脂でパッケージングして構成し、かつ光ファイバ支持部材をゴム状弾性を有する接着剤を介して円筒状支持部材で保持することにより、パッケージケースを樹脂モールドで形成して光ファイバを取り出す従来のような構成ではなくなるので、ケース部分に光ファイバを樹脂固定する必要がなく、光ファイバに外力が加わっても光ファイバの断線や光結合の劣化，気密封止不良等を起こす危険性はない。また、全体をモールド樹脂でパッケージングしてモジュール内部に空洞を設けないため湿気浸入によるレーザダイオードの特性変動を引き起こすことはなく、さらにケース構成の必要がなく容易な組み立てが可能となり部品点数を低減でき低コスト化を図ることができる。また、円筒状支持部材をゴム状接着剤を介して取り付け、金型でモジュールをクランプ保持する部分を円筒状支持部材の外周部分としているため、クランプした時の外力を光ファイバ支持部材に加わらないようにしている。これにより、クランプ時のモジュール変形を防止でき、レーザダイオードと光ファイバとの位置ずれをなくすることができるとともに、パッケージング時の残留ひずみをなくした状態でモジュールを組み立てられるので、安定かつ信頼性の高い半導体レーザモジュールを得ることができる。さらに、モールド樹脂でパッケージングしたモジュール構造としているため取り扱いや量産性に優れ、かつ表面実装形状であるためプリント基板への実装を容易にすることができる。
【００４７】
よって、レーザダイオードとこれに光結合する光ファイバの実装を容易にでき、しかも組み立てや取り扱い性及び量産性に優れ、かつ信頼性の高い半導体レーザモジュール及びその組み立て方法を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例による半導体レーザモジュールの構造を表す縦断面図。
【図２】本発明の第１の実施例による半導体レーザモジュールの構造を表す斜視図。
【図３】本発明の第１の実施例による半導体レーザモジュールの組み立て構造を表す縦断面図。
【図４】本発明の第１の実施例による半導体レーザモジュールの組み立て構造を表す縦断面図。
【図５】本発明の第１の実施例による半導体レーザモジュールの組み立て構造を表す縦断面図。
【図６】本発明の第１の実施例による半導体レーザモジュールの斜視図。
【図７】本発明の第２の実施例による半導体レーザモジュールの構造を表す縦断面図。
【符号の説明】
１…レーザダイオード、２…フォトダイオード、３…光ファイバ、４…押さえ基板、５…ステム、６…フレーム基板、７…光ファイバ支持部材、８…Ｖ溝、９…モールド樹脂、１０…ゲル状樹脂、１１…円筒状支持部材、１２…ゴム状接着剤、１３…溝、１４…接着剤、１５…光ファイバ被覆、１００…半導体レーザモジュール。
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体レーザモジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の半導体レーザモジュールに係わる技術として、例えば１９９６年電子情報通信学会総合大会Ｃ−２１６の報告がある。
【０００３】
この従来技術は、パッケージケースを樹脂モールドで形成しており、このケース内に異方性エッチングで設けたＶ溝付のＳｉ基板を配置している。レーザ素子と光ファイバの光結合は、Ｓｉ基板上の所定位置にレーザ素子を搭載し、Ｖ溝部分に光ファイバを固定するパッシブアライメント方式で行っている。パッケージケースから取り出される部分の光ファイバの固定及びパッケージケースへのキャップ固定は紫外線硬化樹脂で行っており、この樹脂固定によりパッケージケース内の気密封止をとっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来技術には、以下の問題点が存在する。
【０００５】
すなわち、従来技術は、パッケージケースを樹脂モールドで形成したモジュール構成であることから、パッケージケースから取り出される光ファイバ固定部分に外力が加わると樹脂接着部分で剥離が起き、これにより光ファイバの断線，光結合の劣化及びパッケージケース内の気密不良等を引き起こしやすくなる。また、パッケージケース内の気密不良は、ケース内への湿気の浸入を発生させ、これによりレーザ素子の特性変動を生じさせる原因となる。また、樹脂接着部分での剥離は光ファイバに外力が加わることで起きるものだけでなく、温度変化や樹脂の径年劣化によっても生じやすく、特に樹脂モールド材や光ファイバのジャケット材等の樹脂やナイロンとの接着性が優れないために剥離が発生しやすい。また、パッケージケース内の気密封止は、光ファイバの取り出し部分とキャップを樹脂接着することで行っており内部が空洞状態であるため、高温下でのケース内圧力上昇により気密不良が生じやすくなる。さらに、パッケージケースには光ファイバ取り出し用の溝を設ける必要がありケースを複雑形状化している等の問題がある。
【０００６】
これらのように、樹脂モールドでパッケージケースを構成したモジュール構造では、光ファイバの取り出し部分の接着やケース内部の気密封止等に問題があり、信頼性の点で十分な配慮がされていないモジュール構造である。
【０００７】
本発明の目的は、半導体レーザ素子とこれに光結合する光ファイバの実装を容易にし、かつ組み立てや取り扱い性及び量産性に優れ、信頼性の高い半導体レーザモジュール及びその組み立て方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
半導体レーザモジュールは光通信の光源に用いられ半導体レーザ素子と光ファイバを光学的に結合させるものである。半導体レーザモジュールを低コスト化するには、モジュールの部品や製造コストを低減する必要があるが、従来のように主に金属材料で構成されていたモジュール部品をろう付けやはんだ接合あるいはレーザ溶接により組み立てていたモジュール構造では低コスト化に限界があった。近年、半導体レーザ素子と光ファイバをＳｉ基板上にハイブリッド実装するモジュール構造の提案，開発が活発化し、これによりモジュールの低コスト化を図ることができるようになったが、Ｓｉ基板上に実装したモジュールをパッケージングする際の光ファイバの取り出し方法や気密封止構造に問題があった。
【０００９】
本発明は、Ｓｉ基板上に実装した半導体レーザ素子とこれに光結合する光ファイバを容易かつ高精度にパッケージングし、しかも組み立てや取り扱い性及び量産性に優れ、高い信頼性を得るモジュール構造としたものである。
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明は、半導体素子と光学的に結合され光伝送を行うための光ファイバを有した半導体レーザモジュールであり、前記半導体素子である半導体レーザ素子と、この半導体レーザ素子に光学的に結合され光伝送を行う光ファイバと、この光ファイバを保持固定する光ファイバ支持部材と、前記半導体レーザ素子と前記光ファイバ支持部材とを同一基板上に搭載する基板部材と、前記半導体レーザ素子と電気的に接続し外部接続するリード端子を備えたフレーム基板とを有し、これら全体がモールド樹脂でパッケージングされた半導体レーザモジュールにおいて、前記光ファイバ支持部材にはゴム状弾性を有する接着剤を介して円筒状支持部材が取り付けられていることを特徴とする半導体レーザモジュールが提供される。
【００１１】
本発明の半導体レーザモジュールは、次のいずれかを特徴とする。
【００１２】
Ａ：半導体素子と光学的に結合され光伝送を行うための光ファイバを有した半導体レーザモジュールであり、前記半導体素子である半導体レーザ素子と、この半導体レーザ素子に光学的に結合され光伝送を行う光ファイバと、この光ファイバを保持固定する光ファイバ支持部材と、前記半導体レーザ素子と前記光ファイバ支持部材とを同一基板上に搭載する基板部材と、前記半導体レーザ素子と電気的に接続し外部接続するリード端子を備えたフレーム基板とを有し、これら全体がモールド樹脂でパッケージングされた半導体レーザモジュールにおいて、前記光ファイバ支持部材にはゴム状弾性を有する接着剤を介して円筒状支持部材が取り付けられていること。
【００１３】
Ｂ：Ａにおいて、前記円筒状支持部材の外周には、溝あるいは段差が設けられており、この溝内あるいは段差内に前記モールド樹脂が入り込んでいること。
【００１４】
Ｃ：Ａにおいて、前記モールド樹脂でパッケージングされた半導体レーザモジュールの一端からは前記光ファイバ支持部材及び前記円筒状支持部材が取り出されていること。
【００１５】
Ｄ：Ａにおいて、前記フレーム基板の前記基板部材設置部分には、電気的に接続された前記リード端子を少なくとも１本備えていること。
【００１６】
Ｅ：Ａにおいて、前記リード端子付フレーム基板は銅合金部材で構成されていること。
【００１７】
Ｆ：Ａにおいて、前記円筒状支持部材は金属，セラミックス，プラスチック及びゴムのいずれか一つの部材で構成されたこと。
【００１８】
Ｇ：本発明の半導体レーザモジュールの組み立て方法は、前記半導体レーザ素子を前記基板部材の所定位置に接合固定するとともに、前記光ファイバを内設し、かつ前記円筒状支持部材を備えた前記光ファイバ支持部材を前記基板部材に形成したＶ溝に、光ファイバ先端が前記半導体レーザ素子と対向するように設置し、さらに光ファイバ支持部材を上部から押さえ付けるよう押さえ基板を設置し、これらを搭載した基板部材を前記リード端子付きフレーム基板上の所定位置に接合固定した後、前記半導体レーザ素子と前記フレーム基板のリード端子とを電気的に接続するように夫々ワイヤボンディングリード接続を行い、前記半導体レーザ素子と前記光ファイバとの光結合部を透明なゲル状樹脂で覆った後、この半導体レーザモジュールを金型内に設置し、ＬＳＩと同様に全体をモールド樹脂でパッケージングすること。
【００１９】
Ｈ：Ｇにおいて、前記半導体レーザモジュールは、前記リード端子付フレーム基板と前記円筒状支持部材が金型で保持されてモールドすること。
【００２０】
Ｉ：Ｇにおいて、前記金型には前記円筒状支持部材を保持する段差部を設けていること。
【００２１】
Ｊ：Ｇにおいて、前記金型の一端には前記光ファイバ及び前記光ファイバ支持部材を取り出す溝が断熱部材で構成されていること。
【００２２】
以上のように構成した本発明では、半導体レーザモジュールをモールド樹脂でパッケージングして構成し、かつ光ファイバ支持部材をゴム状弾性を有する接着剤を介して円筒状支持部材で保持固定することにより、パッケージケースをモールド樹脂で形成して光ファイバを取り出す従来のような構成ではなくなるので、ケース部分に光ファイバを樹脂固定する必要がなく、光ファイバに外力が加わっても光ファイバの断線や光結合の劣化，気密封止不良等を起こす危険性はない。また、モジュール全体をモールド樹脂でパッケージングしてモジュール内部に空洞を設けないため湿気浸入によるレーザ素子の特性変動を引き起こすことはなく、さらにケース構成の必要がなく容易な組み立てが可能となり部品点数を低減でき低コスト化を図ることができる。
【００２３】
また、光ファイバ支持部材にはゴム状弾性を有する接着剤を介して円筒状支持部材を取り付けており、金型でモジュールをクランプ保持する部分を円筒状支持部材の外周部分としているため、金型クランプ時の外力をゴム状接着剤で吸収し光ファイバ支持部材に外力が直接加わらないようにしている。これにより、クランプ保持した時のモジュール変形を防止でき、半導体レーザ素子と光ファイバとの位置ずれをなくすることができるとともに、パッケージング時の残留ひずみを低減した状態でモジュールを組み立てられるので、安定かつ信頼性の高い半導体レーザモジュールを得ることができる。さらに、モールド樹脂でパッケージングしたモジュール構造としているため取り扱いや量産性に優れ、かつ表面実装形状であるためプリント基板への実装を容易にすることができる。
【００２４】
以上により、半導体レーザ素子とこれに光結合する光ファイバの実装を容易にでき、しかも組み立てや取り扱い性及び量産性に優れ、かつ信頼性の高い半導体レーザモジュール及びその組み立て方法を得ることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の図面を参照しつつ説明する。なお、煩雑を避けるために一部の電極配線やワイヤボンディングリード等の電気的な接続配線及び接着剤の図示を省略している。
【００２６】
本発明の第１の実施の形態を図１ないし図６により説明する。
【００２７】
本実施の形態による半導体レーザモジュール１００の構造を表す縦断面図を図１に、内部構造を表す斜視図を図２に示す。
【００２８】
図１及び図２で、半導体レーザモジュール１００は、レーザダイオード１と、フォトダイオード２と、レーザダイオード１と光学的に結合されて光伝送を行う単一モードファイバである光ファイバ３と、これを内挿し支持固定する光ファイバ支持部材７と、支持部材７をゴム状弾性を有する接着剤１２を介して保持する円筒状支持部材１１と、レーザダイオード１及びフォトダイオード２が搭載され、光ファイバ支持部材７を設置するためのＶ溝８が形成されたＳｉ基板からなるステム５と、光ファイバ支持部材７の押さえ基板４と、ステム５が接合固定されるリード端子付きフレーム基板１９とを備え、レーザダイオード１とフォトダイオード２及び光ファイバ３の光結合部が透明なゲル状樹脂１０で覆われ、さらに全体がＬＳＩパッケージと同様にモールド樹脂９でパッケージングされる。
【００２９】
半導体レーザモジュール１００の構成部材の一つであるリード端子付きフレーム基板１９の上面にはステム５が接合固定されている。ステム５の上面にはＶ溝８が異方性エッチングにより形成されており、このＶ溝８部に光ファイバ３を内挿し、かつ円筒状支持部材１１を取り付けた光ファイバ支持部材７が接着剤１４により設置されている。さらに、この光ファイバ支持部材７は、下面にＶ溝を設けた押さえ基板４で上部から押さえ付けられるように接合固定される。一方、ステム５の上面には、メタライズ電極配線１６がパターンニングされており、この配線１６上にレーザダイオード１とフォトダイオード２がそれぞれ所定位置に搭載されている。レーザダイオード１及びフォトダイオード２は、ステム５上面の電極配線１６上にあらかじめ形成されたマーカ（図示せず）を目印に位置合せされ接合するパッシブアライメント方式で搭載される。レーザダイオード１及びフォトダイオード２には、フレーム基板１９のリード端子１８と電気的に接続するようにステム５上面の電極配線１６を介してそれぞれワイヤーボンディングリード１７が取り付けられている。ステム５と押さえ基板４を構成する材料は、ここではシリコンを使用している。ステム５に形成するＶ溝８は、光ファイバ支持部材７を設置した際に光ファイバ３の中心軸がステム５上面に搭載したレーザダイオード１のレーザ出射軸と同一軸となるように所定の幅と深さで形成されている。レーザダイオード１と光ファイバ３の光結合部及びフォトダイオード２は、レーザ光の透過性の高い透明なゲル状樹脂１０で覆われ、さらにフレーム基板１９を含む全体をＬＳＩパッケージと同様にモールド樹脂９で覆いパッケージングされている。なお、ここでは、リード端子付フレーム基板１９を構成する材料に銅合金を使用しており、中央部のフレーム基板１９を両側のリード端子１８で支える構造で、フレーム基板１９と接続しているリード端子１８は少なくとも片側１本となっている。また、透明なゲル状樹脂１０は、ここではシリコーン樹脂を使用している。
【００３０】
ステム５の上面には、あらかじめスパッタ蒸着により電極配線１６が形成されており、この電極配線１６上にレーザダイオード１とフォトダイオード２がパッシブアライメント方式により接合固定され、夫々ワイヤーボンディングリード１７で接続されている。レーザダイオード１は、ステム５に設けられたＶ溝８に設置される光ファイバ支持部材７に内設された光ファイバ３中心軸とレーザダイオード１のレーザ出射軸とが一致するように位置調整されて接合固定される。また、レーザダイオード１は、ステム５上面に接合固定するときのレーザ出射位置の高さばらつきを低減するようにレーザ出射位置がステム５上面側に配置されて搭載されている。
【００３１】
光ファイバ支持部材７は、略円筒状形状であり、軸中心位置近くに設けられた貫通孔に光ファイバ３が樹脂被覆１５部分を内設するように内挿され接着剤（図示せず）が充填され接合固定されている。光ファイバ支持部材７を構成する材料は、ここではジルコニアセラミックスを使用している。
【００３２】
円筒状支持部材１１は、外周部に溝１３を設けた形状で構成されており、光ファイバ支持部材７にゴム状接着剤１２を介して保持固定されている。外周部に設けた溝１３部にはパッケージングした時にモールド樹脂９が入り込むようになっており、円筒状支持部材１１が容易に抜けないように構成されている。円筒状支持部材１１を構成する材料は、ここでは金属材料であるステンレス鋼を使用している。
【００３３】
本実施例による半導体レーザモジュール１００をモールド樹脂９でパッケージングする組み立て手順を以下に説明する。本実施例の組み立てプロセスを表す縦断面図を図３から図５に示す。組み立て完成後の半導体レーザモジュール１００の斜視図を図６に示す。
【００３４】
まず、図２に示した半導体レーザモジュール１００のレーザダイオード１と光結合している光ファイバ３及びフォトダイオード２を覆うようにゲル状樹脂１０をポッティングしたモジュール１００を金型２０，２１内の所定位置に設置する（図３）。次に、金型２０，２１でモジュール１００を保持するように、円筒状支持部材１１の外周部２２及びフレーム基板２３を上金型２０及び下金型２１でクランプ保持する。光ファイバ被覆１５は金型２０，２１に設けられた取り出し部分２７から外部に出され、金型２０，２１で挟まれないように設置する。なお、光ファイバ被覆１５を取り出す金型部分２７には光ファイバの被覆１５部分が接触しても溶けないように断熱部材２６を取り付けた構成となっている。金型２０，２１でモジュール１００をクランプ保持した状態で荷重を加え、その状態でモールド樹脂９を注入口２５から流し込む（図４）。このときの金型２０，２１の温度は１５０度に設定している。金型２０，２１内にモールド樹脂９を流し込んだ後、その状態を数分間保持しモールド樹脂９を十分に硬化させる。モールド樹脂９が硬化した後、上金型２０と下金型２１を分離し、金型２０，２１内からモールド樹脂９でパッケージングした半導体レーザモジュール１００を取り出す（図５）。その後、リード端子１８同士を接続しているフレーム１９部分を切断し、リード端子１８の折り曲げを行い、半導体レーザモジュール１００が完成する（図６）。
【００３５】
以上のように構成した本実施例では、半導体レーザモジュール１００をモールド樹脂９でパッケージングして構成し、かつ光ファイバ支持部材７をゴム状接着剤１２を介して円筒状支持部材１１で保持することにより、パッケージケースを樹脂モールドで形成して光ファイバ３を取り出す従来のような構成ではなくなるので、ケース部分に光ファイバ被覆１５を樹脂固定する必要がなく、光ファイバ被覆１５部分に外力が加わっても光ファイバ３の断線や光結合の劣化，気密封止不良等の危険性はない。また、モジュール１００全体をモールド樹脂９でパッケージングしてモジュール１００内部に空洞を設けないため湿気浸入によるレーザダイオード１の特性変動を引き起こすことはなく、さらにケース構成の必要がなく容易な組み立てが可能となり部品点数を低減でき低コスト化を図ることができる。また、光ファイバ支持部材７にはゴム状接着剤１２を介して円筒状支持部材１１を取り付けており、金型２０，２１でモジュール１００をクランプ保持する部分を円筒状支持部材１１の外周部分としているため、金型２０，２１でモジュール１００をクランプした時の外力をゴム状接着剤１２で吸収し光ファイバ支持部材７に外力が直接加わらないようにしている。これにより、金型２０，２１でクランプ保持した時のモジュール変形を防止でき、レーザダイオード１と光ファイバ３との位置ずれをなくすることができるとともに、モールド樹脂９でパッケージングした後の残留ひずみをなくした状態でモジュール１００を組み立てられるので、安定かつ信頼性の高い半導体レーザモジュール１００を得ることができる。さらに、モールド樹脂９でパッケージングしたモジュール１００構造としているため取り扱いや量産性に優れ、かつ表面実装形状であるためプリント基板への実装を容易にすることができる。
【００３６】
これらにより、レーザダイオード１とこれに光結合する光ファイバ３の実装を容易にでき、しかも組み立てや取り扱い性及び量産性に優れ、かつ信頼性の高い半導体レーザモジュール１００及びその組み立て方法を得ることができる。
【００３７】
本発明の第２の実施例を図７により説明する。本実施例は、光ファイバ支持部材７に保持固定する円筒状支持部材をゴム製キャップ２４で構成したものである。
【００３８】
本実施例による半導体レーザモジュール２００の縦断面を表す構造を図７に示す。
【００３９】
本実施例の半導体レーザモジュール２００が前記第１の実施例のモジュール１００と異なる点は、金属部材の円筒状支持部材１１をゴム製のキャップ２４に変更した点で、このゴム製キャップ２４の一端を含むようにモールド樹脂９でパッケージングする。
【００４０】
これらのように構成した本実施例によれば、光ファイバ被覆１５に外力が加わってもゴム製キャップ２４がその外力を吸収するため、光ファイバ３の断線や光結合の劣化等の危険性はない。また、金属部材に変えてゴム製キャップ２４を用いているため部品コストを低減でき低コスト化を図ることができる。さらに、金型２０，２１でモジュール２００をクランプ保持する部分をゴム製キャップ２４の外周部分としているため、金型２０，２１でモジュール２００をクランプしても光ファイバ支持部材７に外力が加わらず、モジュール変形を防止できるとともに、レーザダイオード１と光ファイバ３との位置ずれをなくすることができる。また、本実施例は第１の実施例と同様の構成であるため、第１の実施例と同様の効果を得ることができる。
【００４１】
なお、上記第１の実施例では、円筒状支持部材１１を金属部材で構成しているが、これに限定されるものでなく、例えばセラミックス及びプラスチック等で構成しても良く、これらの場合でも上記実施例と同様の効果を得る。
【００４２】
また、上記第１及び第２の実施例では、円筒状支持部材１１及びゴム製キャップ２４と光ファイバ支持部材７とをゴム状弾性を有する接着剤１２で保持固定しているが、これに限定されるものでなく、弾性率の低い他の接着剤でも良く、例えばシリコーン接着剤やアクリル接着剤等でも良く、これらの場合でも上記実施例と同様の効果を得る。
【００４３】
また、上記第１及び第２の実施例では、光ファイバ支持部材７をジルコニアセラミックスで構成しているが、これに限定されるものでなく、例えば、ガラス，プラスチック及び樹脂等で構成しても良く、これらの場合も同様の効果を得る。
【００４４】
また、上記第１及び第２の実施例では、光ファイバ支持部材７，ステム５及び押さえ基板４のそれぞれを樹脂１４で固定しており、この場合、接着力，耐湿性及び耐熱性に優れた樹脂を使用するのが望ましく、例えば紫外線硬化樹脂，熱硬化性樹脂，熱可塑性樹脂によって接合固定するのが好ましい。これらの場合も同様の効果を得る。
【００４５】
さらに、上記第１及び第２の実施例で用いるモールド樹脂９は、低温度硬化，低熱膨張及び高熱伝導を備えたものが望ましく、例えば１５０度以下で２〜４分程度で硬化し、１０ppm 以下の熱膨張率を有するモールド樹脂９が好ましい。これらの場合も同様の効果を得る。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体レーザモジュールをモールド樹脂でパッケージングして構成し、かつ光ファイバ支持部材をゴム状弾性を有する接着剤を介して円筒状支持部材で保持することにより、パッケージケースを樹脂モールドで形成して光ファイバを取り出す従来のような構成ではなくなるので、ケース部分に光ファイバを樹脂固定する必要がなく、光ファイバに外力が加わっても光ファイバの断線や光結合の劣化，気密封止不良等を起こす危険性はない。また、全体をモールド樹脂でパッケージングしてモジュール内部に空洞を設けないため湿気浸入によるレーザダイオードの特性変動を引き起こすことはなく、さらにケース構成の必要がなく容易な組み立てが可能となり部品点数を低減でき低コスト化を図ることができる。また、円筒状支持部材をゴム状接着剤を介して取り付け、金型でモジュールをクランプ保持する部分を円筒状支持部材の外周部分としているため、クランプした時の外力を光ファイバ支持部材に加わらないようにしている。これにより、クランプ時のモジュール変形を防止でき、レーザダイオードと光ファイバとの位置ずれをなくすることができるとともに、パッケージング時の残留ひずみをなくした状態でモジュールを組み立てられるので、安定かつ信頼性の高い半導体レーザモジュールを得ることができる。さらに、モールド樹脂でパッケージングしたモジュール構造としているため取り扱いや量産性に優れ、かつ表面実装形状であるためプリント基板への実装を容易にすることができる。
【００４７】
よって、レーザダイオードとこれに光結合する光ファイバの実装を容易にでき、しかも組み立てや取り扱い性及び量産性に優れ、かつ信頼性の高い半導体レーザモジュール及びその組み立て方法を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例による半導体レーザモジュールの構造を表す縦断面図。
【図２】本発明の第１の実施例による半導体レーザモジュールの構造を表す斜視図。
【図３】本発明の第１の実施例による半導体レーザモジュールの組み立て構造を表す縦断面図。
【図４】本発明の第１の実施例による半導体レーザモジュールの組み立て構造を表す縦断面図。
【図５】本発明の第１の実施例による半導体レーザモジュールの組み立て構造を表す縦断面図。
【図６】本発明の第１の実施例による半導体レーザモジュールの斜視図。
【図７】本発明の第２の実施例による半導体レーザモジュールの構造を表す縦断面図。
【符号の説明】
１…レーザダイオード、２…フォトダイオード、３…光ファイバ、４…押さえ基板、５…ステム、６…フレーム基板、７…光ファイバ支持部材、８…Ｖ溝、９…モールド樹脂、１０…ゲル状樹脂、１１…円筒状支持部材、１２…ゴム状接着剤、１３…溝、１４…接着剤、１５…光ファイバ被覆、１００…半導体レーザモジュール。
Claims (2)
- 半導体素子と光学的に結合され光伝送を行うための光ファイバを有した半導体レーザモジュールであり、前記半導体素子である半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子に光学的に結合され光伝送を行う光ファイバと、前記光ファイバを保持固定する光ファイバ支持部材と、前記半導体レーザ素子と前記光ファイバ支持部材とを同一基板上に搭載する基板部材と、前記半導体レーザ素子と電気的に接続し外部接続するリード端子を備えたフレーム基板と、前記光ファイバ支持部材が接着剤を介して取り付けられた円筒状支持部材とを有し、これら全体がモールド樹脂でパッケージングされていることを特徴とする半導体レーザモジュール。
- 半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子と光学的に結合され光伝送を行う光ファイバと、前記光ファイバを保持固定する光ファイバ支持部材と、前記半導体レーザ素子と前記光ファイバ支持部材とを搭載する基板部材と、前記半導体レーザ素子と電気的に接続し外部接続するリード端子を備えたフレーム基板とを有し、前記光ファイバ支持部材には接着剤を介して円筒状支持部材が取り付けられており、前記半導体レーザ素子、前記光ファイバ、前記光ファイバ支持部材、前記基板部材、前記フレーム基板及び前記円筒状支持部材のモールド樹脂によるパッケージング部を有していることを特徴とする半導体レーザモジュール。
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