JP4134499B2

JP4134499B2 - 光学装置

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Publication number: JP4134499B2
Application number: JP2000238002A
Authority: JP
Inventors: 美樹工原; 直之山林
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2000-08-07
Filing date: 2000-08-07
Publication date: 2008-08-20
Anticipated expiration: 2020-08-07
Also published as: US20020037143A1; JP2002048951A; US6733190B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光通信に用いる送信器、受信器、送受信器、これらを構成するための光学部品、或いはこれらを組み合わせた光学装置に関する。特に光学性能の温度依存性を著しく低減できる構造の光学装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在最もよく用いられている受光モジュールの例を図１に示す。立体的な構造を持ち金属パッケージに収容されている。底面にピン１を有する金属製円盤状のステム２の上にサブマウント３を介してＰＤチップ４が取り付けられる。レンズ５を有する円筒形のキャップ６がステム２の上に固定される。キャップ６の上方に位置する円筒形のスリーブ７がステム２に溶接される。フェルール８がスリーブ７の軸方向穴に挿入される。フェルール８は光ファイバ９の先端を把持するもので斜め研磨される。
【０００３】
スリーブ７の上方は弾性体のベンドリミッタ１０が装着される。光ファイバから出た光は空間を進みＰＤチップ４へ直角に入射する。スリーブ７は二次元的に動かして最適の位置を求めて（調芯して）からステムに溶接する。フェルール８も前後に動かして（調芯して）最適の位置を決めてから固定する。図１の装置は信頼性も高く現在の光通信系において主流をなしている受信モジュール（ＰＤモジュール）である。ＬＤモジュールも同様の構造のものが使われている。既に実績のある装置である。しかし調芯が必要で、大型、高価格というような欠点がある。
【０００４】
光通信の実用化が進むにつれて、光送信器、光受信器などの小型化、低コスト化が進展しつつある。最近では表面実装型という非常に小型の光学系が研究検討されている。例えば、
【０００５】
▲１▼西川透、稲葉雄一、東門元二、宇野智昭、松井康「Ｓｉ基板を用いた表面実装型ＬＤモジュール」１９９７年電子情報通信学会総合大会Ｃ−３−６３、ｐ２４８
【０００６】
▲２▼佐々木純一、伊藤正隆、山崎裕幸、山口昌幸「パッシブアライン高効率光結合スポットサイズ変換ＬＤＳｉベンチ」１９９７年電子情報通信学会総合大会Ｃ−３−６５、ｐ２５０
【０００７】
▲３▼平井あゆ美、加来良二、前沢卓也、高山清、原田正「光モジュール用シリコンＶ溝基板」１９９７年電子情報通信学会総合大会Ｃ−３−６６、ｐ２５１
【０００８】
などに表面実装型のＰＤ、ＬＤモジュールがいくつか提案されている。いずれも提案であって生産規模で使用された実績はない。
【０００９】
表面実装型受光モジュールの単純な一例を図２（平面図）、図３（断面図）に示す。
【００１０】
この受光モジュール１１は、２段になったＳｉベンチ１２の上段１３に光ファイバを、下段１４に受光素子であるＰＤ１５を設けている。このＰＤ１５は導波路型であって、受光部が横に伸びる導波路型受光部２２になっている。光ファイバ１９の前端面２０から出た光２１を導波路型受光面２３によって感受する。Ｓｉベンチ１２にはＶ溝１６、１７が異方性エッチングによって軸方向に形成される。
【００１１】
フェルール１８、光ファイバ１９がＶ溝１６、１７に固定される。フェルール１８は光ファイバ１９を包囲している。フェルール１８は他端において外部の光学素子と着脱できるようになっている。光ファイバ１９の端面２０は光軸に直角である。端面２０から出た出射光２１は空間を通りＰＤ１５の導波路型受光部２２に入り検知される。光ファイバ１９もＰＤ１５も同一の基板表面に取り付けられるので小型になる。調芯箇所がないので製造容易である。レンズがないのでコストを下げる事ができる。だから小型安価の受光モジュールとなりうる。これはＰＤモジュールについて述べたが、ＰＤをＬＤに置き換えることによってＬＤモジュールも製造できる。
【００１２】
図２、図３の従来例では、Ｓｉベンチ１２の上に光学部品（ＰＤ１５、フェルール１８、光ファイバ１９）を配置する。レンズは使わずに、直接光ファイバと受光素子（以下ＰＤと言う）を突き合わせている。これによって部品点数を減らすと共に、小型化している。
【００１３】
ここでは、光を導入する媒体として光ファイバ１９を記載している。が、代わりに光導波路を媒体として用いることもできる。受光素子として導波路型ＰＤを記載しているが、光学系によって、上面入射型、裏面入射型ＰＤが用いられることもある。もちろんＬＤでも同じことである。この場合、光はＬＤから光ファイバ側へと進む。
【００１４】
Ｓｉベンチの上にエッチングによってＶ溝を形成し、またマスク合わせでＰＤチップを固定する位置合わせマークを形成する。Ｖ溝やマークにより光ファイバもＰＤも位置精度良く固定される。
このように調芯しないで予め定められた位置に部品を配置することをパッシブアライメントと言う。つまり図２、図３の表面実装型モジュールは、パッシブアライメントが可能となり、実装コストも下がる。部品コスト、実装コストを下げて安価に製造できるという長所がある。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図２、図３のままでは、光ファイバ、ＰＤが空気に接触し屈折率差が大きく界面での反射が大きい。反射は屈折率差の二乗に比例するからである。光ファイバ端面の反射損、或いはＰＤ端面の反射損が問題になる。また反射光が光源の方に戻ると、相手方のＬＤの発光が不安定になる。
【００１６】
そこで通常、図４、図５に示すように、ファイバ端面２６とＬＤやＰＤとの間の空間は、透光性の樹脂２４で充填するという改良がなされる。光ファイバからＰＤへ、ＬＤから光ファイバへと伝搬する光は樹脂２４の内部を通る。この樹脂２４は、比較的光ファイバと屈折率の近い（ｎ＝１．４〜１．５前後）シリコーン系樹脂やアクリル系樹脂がよく用いられる。端面反射を減らすために屈折率が近似した樹脂を利用するのである。反射光量は屈折率差の２乗に比例するから、光ファイバと屈折率が殆ど同一の接着剤を光ファイバ・ＰＤ間に満たすと反射は殆ど０になろう。樹脂充填について幾つもの提案がなされている。
【００１７】
▲４▼特開平７−１８１３４３号「光導波通路部品およびその製造方法」は導波路型ＰＤの入射面を斜めに研磨し光ファイバ端も斜め研磨して接着剤で接着する。ここで光ファイバとほぼ同一の屈折率を持つような接着剤が用いられる。
【００１８】
▲５▼特開平５−８８０４１号「光ファイバの光学接続回路」は、斜め切断した二本の光ファイバをガラス筒に挿入して突き合わせ、間に屈折率の似た透明の接着剤を充填している。反射損を減らすためである。
【００１９】
▲６▼特開昭６０−１７６００３号「光固定減衰器」は、二本の光ファイバを円筒形の中子に挿入し中間部に屈折率の近似した接着剤を充填している。光ファイバの間隔を増減することによって光の減衰量を調節することができる。
【００２０】
▲７▼特開平４−７４４８３号「半導体発光装置」はＬＤと光ファイバの結合部を屈折率の近似した接着剤によって覆う構造を提案している。
【００２１】
この様に光ファイバとＰＤ、ＬＤの結合、光ファイバと光ファイバの結合においては結合部に屈折率の近似した接着剤を補充して反射損失を防ぐという構造が数多く提案されている。いずれも図４、図５のものと基本的には同様であるから図４、図５により代表させて説明する。
【００２２】
これらのモジュールが一定の安定した温度環境で使われるなら問題はない。しかし、寒冷地・温暖地など地域によって温度が異なる。同一地でも、朝晩と昼間では大きく温度が変わることもある。それで−４０℃〜＋８０℃の広い温度範囲で使用可能だということが要求される。
【００２３】
そのような広い温度範囲のいずれにも適用できるというだけでなくて、頻繁な温度変化によっても劣化しないということが要求される。それで所望の温度範囲で繰り返し加熱冷却するヒートサイクルを繰り返して、それでも性能が低下しないということも必要である。
【００２４】
図４、図５の構成では、ヒートサイクルなどの試験後に、低温側で（例えば−４０℃〜０℃で）、ＰＤの感度低下、ＬＤの発振不安定といった現象が現れる、ということに本発明者は気付いた。このようなことは前記の従来技術▲４▼〜▲７▼にはまったく述べられていない。本発明者が温度試験を繰り返して初めて気付いた未知の現象である。図６はヒートサイクル試験後の、ＩｎＧａＡｓ−ＰＤの温度・感度特性の測定結果を示すグラフである。横軸は温度（℃）、縦軸は感度（Ａ／Ｗ）である。○で示す試料Ａは−４０℃〜＋８０℃において、感度は余り変わらず１．０Ａ／Ｗ以上ある。▲で示す試料Ｂは０℃以上では充分な感度特性を示すが、−４０℃では０．６Ａ／Ｗに低下する。
【００２５】
同じように作ったつもりでも、図６のように良好な試料Ａのようなものもあるが、試料Ｂのように低温側で感度が著しく低下するものもある。そういうことに本発明者は気付いた。低温での感度低下現象は何によるものであろうか？この感度曲線は可逆的である。試料Ｂでも温度を上げると感度は１．０Ａ／Ｗ以上に増える。だから０℃以上で使用する限り差し支えないはずである。しかし−４０℃の低温まで充分に使用できるということが条件なのであるから試料Ｂは不合格と言わねばならない。低温低感度現象は何に由来するのか？どうして可逆的な低温低感度現象が起こるのか？原因は何か？これまでこの様な現象を指摘した文献はないようである。以上はＰＤの場合の低温での故障である。
【００２６】
ＬＤにもやはり低温での障害が起こることに気付いた。図７のようにＬＤ２７と光ファイバ２８の間を透光性樹脂２４によって覆ったＬＤモジュールを作製した。このＬＤモジュールについても冷却、加熱を繰り返すヒートサイクルを繰り返した。ＬＤの場合は様々な障害が生起する。
【００２７】
一つは、光出力が半減するということである。また図７に示すように、ファイバ端面での反射戻り光２９が大きくなることがある。さらに図８に示すように駆動電流と発光出力との間に折れ曲がり（kink）ができたりする。発光スペクトルを示す図９に現れるように発光波長がダブルピーク３０、３１になったりする。光出力減退、反射戻り光増加、キンク発生、ダブルピークということはＬＤにとって甚だ不都合な現象である。どうしてこのような異常が起こるのか？このような故障の原因は何か？これが問題である。先述の従来技術にはこの問題を扱ったものは皆無であった。問題の所在にすら気付いていないのである。
【００２８】
このような異常があると、工業製品として大変使いにくいものとなる。折角、表面実装によって低コスト化、ボードへの実装容易性を実現しても実際には使えず、役に立たないということになる。表面実装にはまだまだ克服すべき問題があるということである。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、光部品の表面実装というすばらしい技術を工業的に実用化させるためには、上記の問題を解決することが不可欠だと認識した。そして、このような問題の起こる原因について詳細な調査を行った。加熱冷却のヒートサイクルののち樹脂を顕微鏡観察した。すると意外なことが分かった。
【００３０】
その結果、図１０、図１１に示すように、
Ａ．ポッティング樹脂と光ファイバ端面との界面での樹脂剥離、ＰＤ端面での樹脂剥離、ＬＤ端面での樹脂剥離、
Ｂ．光路中に発生した気泡、
Ｃ．亀裂、
が樹脂内部に発生しており、これらが不良の原因であることを発見した。驚くべきことであった。
【００３１】
３種類の空隙が前記の様々な障害を引き起こす。亀裂Ｃというのは樹脂の中間部分での面状の空隙を言う。気泡というのは樹脂の中間部での球状の空隙を指す。剥離というのは樹脂と光学部品面との間の空隙を言う。剥離した結果としての空隙を指すため、原因である「剥離」という言葉を用いている。いずれも樹脂内に生じた空隙である。形状や部位によって剥離Ａ、気泡Ｂ、亀裂Ｃに区別している。
【００３２】
樹脂の剥離Ａは、端面反射を多くして反射損が増えるという不利を招く。或いは反射戻り光が大きくなるといった不良を引き起こす。
【００３３】
光路中の亀裂（Ｃ）や気泡（Ｂ）は反射損のみならず、樹脂よりも屈折率の低い空間が凹レンズのような作用をする。本来樹脂中で光が直進することを前提として光学系を設計しているにもかかわらず、亀裂、気泡の存在が光を発散、拡散、屈折、散乱してしまう。
【００３４】
先述の低温での感度低下、ＬＤの電流・出力直線の折れ曲がりなどの欠陥の原因は温度変化によって生じた樹脂被覆内部の欠陥Ａ、Ｂ、Ｃにある。
【００３５】
このような障害がなぜ起こるのか本発明者は深く考察した。その結果次の結論を得た。通常ポッティング樹脂というのは、（室温での）紫外線硬化、（室温、１００℃、１５０℃での）熱硬化によって硬化させる。
【００３６】
だから、室温かそれ以上の温度において、空間を安定して満たす硬化状態になっている筈である。だから環境温度が常に室温以上であれば空間を隙間無く満たしているであろう。
【００３７】
ところが厳しい使用環境条件では、−４０℃の低温での動作が要求される。室温と−４０℃もの温度差が深刻な問題を引き起こす。それはどうしてか？
【００３８】
温度が下がると大抵の樹脂は収縮する。ポッティング樹脂も温度が下がると収縮する。柔軟な樹脂であれば余裕のある部位が収縮することによって応力を緩和する。しかし冷却、加熱を繰り返し、膨張、収縮を度重ねると次第に柔軟性を失ってくる。接着部にたびたび圧縮応力と引っ張り応力がかかる。圧縮応力に適合するように樹脂が歪む。経年変化によって次第に樹脂は弾力性を喪失する。すると収縮の時の引っ張り応力が次第に増えてゆく。ファイバ端面、ＰＤ端面、ＬＤ端面と樹脂の接着力が弱いと、何度目かの収縮時には、図１０、図１１に示したように、樹脂に剥離（Ａ）が生じる。
【００３９】
端面との接着力が強く樹脂の強度が弱い場合は、剥離はしないが樹脂の内部に亀裂を生じる（Ｃ）。
【００４０】
剥離（Ａ）、亀裂（Ｃ）は加熱され温度が上がると周りの樹脂が膨張するから一時的に消失する。しかし冷却すると再び現れる。
【００４１】
或いは硬化時に発生し圧縮されていた気泡（Ｂ）が膨張肥大する。気泡Ｂは初めから樹脂に含まれていたか、光学部品の凹部が覆われず気泡になったか、成因は幾つかありうる。これは加熱時（高温）には樹脂によって押されるから小さくなっているが冷却時には膨大する。
【００４２】
このようなポッティング樹脂に生ずる、剥離、気泡、亀裂が前記の種々の問題を惹起していたということが本発明者の研究によって明らかになった。図１０に示すように、ＰＤと樹脂の間に剥離（Ａ）があると、樹脂から空間へ、空間からＰＤへと光が媒質を変えるたびに反射が起こる。反射損失が増加するのである。光ファイバと樹脂の間に剥離（Ａ）が生じても同じ事である。反射が増えるし散乱も増える。ＰＤに入射できる光量が減るから感度が低下する。温度が上昇すると亀裂Ｃ、剥離Ａ、気泡Ｂが消えるから反射損失もなくなり感度は上がる。図６の試料Ｂの可逆性はそのようなことによって説明する事ができる。
【００４３】
またＬＤの場合でも剥離Ａ、気泡Ｂ、亀裂Ｃによって反射損失が増えるし、反射戻り光も増える。反射戻り光が増えると図８のようなキンクが発生するというのはうなずけることである。また図９のように発光ピークが分裂するというのも反射戻り光の増加によって引き起こされる異常だと考えれば釈然とする。
【００４４】
ポッティング樹脂であるシリコーン系樹脂やアクリレート系樹脂は柔らかくて、まさか亀裂や剥離を起こすとは予想もされなかった。しかし、事実は温度変化に伴う応力変化サイクルによって、樹脂が亀裂、剥離、気泡を生じていたのである。
【００４５】
このような解析の結果、発明者らは、樹脂に圧力を掛ければ良いということに気付いた。常時樹脂に圧縮力を掛けておくことができれば剥離、亀裂、気泡が発生する筈がない。これらは応力が正（引っ張り）になるから生ずるのである。常に応力を負（圧縮応力）にしておけばよい。特に低温時に樹脂に圧力を印加できるようにすればよいのである。
【００４６】
すなわち、図１２、図１３に示すように、矢印Ｄ、Ｅ、Ｆのような押圧を前もって掛けておく。樹脂に掛ける圧力をＤ、Ｅ、Ｆによって抽象的に示している。その押圧が−４０℃でもポッティング樹脂に隙間や剥離ができない程度の圧力を維持できれば良い。そうすれば−４０℃に冷却したときでも剥離、亀裂、気泡は発生しないから、低温低感度現象はなくなる筈である。ＬＤの場合は、反射戻り光増加ということはなく、スペクトルの分離や、出力曲線のキンクなども出現しないはずである。
【００４７】
どうして圧力を加えれば良いのか？何を使えば樹脂に圧力を加えることができるのか？どのようなものでも温度が下がると圧力も下がるので、それは簡単ではない。難しい問題である。それはしかし、全く不可能ではない。本発明者は低温でも樹脂に対する押圧力を維持できるような機構はどのようなものであるかを考えた。そして解を見出した。これが本発明のポイントである。
【００４８】
どの欠陥Ａ、Ｂ、Ｃに対しても有効なポッティング樹脂への押圧方法を本発明者は想起することができた。低温低感度現象の原因を知ったこと、それを解決できる手段を発見したこと、本発明はそのような二重の新規性からなっているのである。
【００４９】
これまで通常、ポッティングやモールドでは、できるだけ部品に応力を掛けないようにというふうに考えられてきた。応力によって部品が破壊されたり歪曲したりしないという配慮である。樹脂の部品に及ぼす圧縮応力が強いとリードが切れたり、チップが歪んだり割れたりする。それは故障を引き起こす。例えばＳｉ−ＩＣなどの電子部品で、Ｓｉ−ＩＣチップをシリコーン系樹脂によってポッティングすることがある。これは比較的柔らかい樹脂によってチップに応力を掛けないように保護するというのが目的である。柔らかい樹脂の上に、比較的硬いエポキシ系の樹脂でモールドし、機械的強度を上げる、ということが頻繁に行われている。外殻部は硬質であるが、Ｓｉデバイスは柔らかい樹脂にくるまれ保護された状態にある。このような内柔外剛の二重構造は、半導体素子の樹脂封止に好適であった。
【００５０】
電子部品の場合はこれで良かったのである。部品間で光をやり取りしないから光に対する考慮が不要だったのである。電子部品のポッティングというのは既に実績もあった。
【００５１】
最近になって、光を扱う部品に対してもこのような樹脂モールドを適用しようとした。実際に樹脂モールドを始めたとたんに問題が生じた。ＰＤの低温低感度、ＬＤの反射戻り光増大、電流・出力曲線のキンク発生、発光ピークの多重化などの問題である。それに対してなすすべもなく、誰もが途方に暮れていた。これには二つの意味がある。一つはどうしてそのような故障が生起するのか分からないという事である。もう一つは解決策の検討がつかないということである。これが現状である。
【００５２】
本発明は、全く今まで誰も考えなかった、ポッティング樹脂に押圧を掛けておくという全く新しい技術思想を提案する。
圧力を掛けるのであるから密封された容器が必要である。樹脂封止型の半導体素子はエポキシ樹脂など硬質の樹脂で外殻部を構成する。空洞を有するエポキシ樹脂のパッケージ本体が密封容器として機能することができる。
【００５３】
それはいいのであるが、ポッティング樹脂に常時圧力を掛けており低温でのポッティング樹脂の収縮を防ぐにはどうすれば良いのか？これは難しい問題である。外殻をなすエポキシ樹脂は熱硬化型だから加熱した状態で固まる。エポキシ樹脂とポッティング樹脂の間に働く圧力はトランスファーモールドしたときの金型内圧力に等しい。その後冷却するのであるから、常温になるとポッティング樹脂内部はずっと圧力が低くなっている。それでも圧力は正であり、ポッティング樹脂には負の応力（圧縮応力）が維持されている。ところが低温になるとポッティング樹脂はさらに収縮して圧力が負になり、樹脂内の応力は引っ張り応力に変わる。そのために樹脂の剥離、亀裂、気泡が発生したのである。
【００５４】
そこで本発明は、圧力によって大きく歪む押圧機構を加圧状態でポッティング樹脂とパッケージ樹脂又はパッケージの間に介在させ低温でも正の圧力がポッティング樹脂にかかるようにする。押圧機構をここでは押圧ブロックまたは押圧樹脂と呼ぶことにする。
【００５５】
つまり本発明は、圧力感受性の高い押圧ブロック、押圧樹脂をポッティング樹脂に接触させ加圧した状態でパッケージ内部に封止し温度が下がってもポッティング樹脂に対する加圧を保持するようにしたことに特徴がある。
【００５６】
素子の使用温度は下限と上限が決まっている。だから本発明は、圧力感受性の高い押圧ブロック、押圧樹脂をポッティング樹脂に接触させ、加圧した状態でパッケージ内部に封止し全温度範囲において、押圧ブロック、押圧樹脂によってポッティング樹脂に対する加圧状態が維持されるようにすると表現することもできる。
押圧ブロックというのは風船のように圧力によって体積を柔軟に変化させるような物体を言う。
【００５７】
【発明の実施の形態】
押圧機構としてここに挙げたものは風船のように圧力温度によって自在に容積を変更する押圧ブロックと、圧力、温度によって膨張収縮する押圧樹脂である。外郭部をなすものは、金属パッケージ、プラスチックパッケージあるいはプラスチックモールドパッケージ（エポキシ樹脂）である。外郭容器の体積は温度圧力によって僅かに変わるのであるが、ここでは簡単のため外郭容器の容積は温度圧力に関わらず不変であると仮定する。
【００５８】
ここではどうして低温であるにもかかわらず押圧機構が透光性樹脂に圧力を掛けることができるのか？という事を説明する。
【００５９】
（１）風船型の押圧ブロックの場合
透光性樹脂の容積をＵとする。押圧ブロックの容積をＶとする。これを囲む外郭容器の容積は不変であるからこれを１とする。容器の内部には透光性樹脂と押圧ブロックのみがあるのであるから、
【００６０】
Ｖ＋Ｕ＝１（１）
【００６１】
である。風船型の押圧ブロックであるからボイルシャールの法則が成り立つはずで、圧力をＰ、絶対温度をＴとすると、
【００６２】
ＰＶ＝ｈＴ（２）
【００６３】
と書くことができる。ｈは押圧ブロック内部に含まれる窒素、空気、アルゴンなどの気体のモル数と気体定数Ｒの積である。一方透光性樹脂は、弾性率をＫとし体積膨張率をαとすると、自由状態での容積変化は、ΔＵ＝Ｕ_２α（Ｔ−Ｔ_２）である。Ｕ_２はＴ_２での容積である。圧力が掛かった状態では、−Ｕ_２（Ｐ−Ｐ_２）／Ｋとなる。だから温度Ｔ、圧力Ｐでは、
【００６４】
ΔＵ＝Ｕ_２α（Ｔ−Ｔ_２）−Ｕ_２（Ｐ−Ｐ_２）／Ｋ（３）
【００６５】
という関係がある。”２”というのは加圧して封止したときの状態を示す。トランスファーモールドによってエポキシ樹脂を硬化させるときの温度は例えば１８０℃である。加圧しているからＰ_２は１気圧より高い。一方使用温度の下限をＴ_１とする。Ｔ_１は例えば−４０℃である。透光性樹脂の容積の変化は式（３）の温度をＴ_１として圧力をＰ_１としたものである。
【００６６】
ΔＵ＝Ｕ_２α（Ｔ_１−Ｔ_２）−Ｕ_２（Ｐ_１−Ｐ_２）／Ｋ（４）
【００６７】
Ｔ_２、Ｐ_２は封止時の高温高圧を表し、Ｔ_１Ｐ_１は−４０℃の下限での低温低圧を表現する。Ｔ_１−Ｔ_２は負である。Ｐ_１−Ｐ_２も負である。もしも透光性樹脂だけであって押圧ブロックがないとすると、温度圧力の変化があっても透光性樹脂の容積は不変だからΔＵ＝０となって、圧力低下は
【００６８】
Ｐ_２−Ｐ_１＝αＫ（Ｔ_２−Ｔ_１）（５）
【００６９】
となる。樹脂が剥離を起こす臨界の圧力をＰ_ｃとする。低温でのＰ_１が
【００７０】
Ｐ_１＜Ｐ_ｃ（６）
【００７１】
となるから、剥離、気泡、亀裂が発生するのである。
ところが本発明は押圧ブロックを共存させているから低温時の圧力降下を緩和することができる。
【００７２】
気体を封入した風船である押圧ブロックには、封入時に
【００７３】
Ｐ_２Ｖ_２＝ｈＴ_２（７）
【００７４】
という関係があり、低温に冷却したときには
【００７５】
Ｐ_１Ｖ_１＝ｈＴ_１（８）
【００７６】
という関係がある。Ｖ_２は定数であるから、
【００７７】
ΔＶ＝Ｖ_１−Ｖ_２＝｛（Ｔ_１Ｐ_２／Ｔ_２Ｐ_１）−１｝Ｖ_２（９）
【００７８】
となる。式（１）からΔＵ＋ΔＶ＝０である。ここが重要なところである。押圧ブロックがないと、ΔＵが単独で０になるから式（５）のように著しい圧力降下が起こる。しかし本発明ではΔＵ＋ΔＶが０であればよい。
【００７９】
Ｕ_２α（Ｔ_１−Ｔ_２）−Ｕ_２（Ｐ_１−Ｐ_２）／Ｋ＋｛（Ｔ_１Ｐ_２／Ｔ_２Ｐ_１）−１｝Ｖ_２＝０（１０）
【００８０】
これから、β＝Ｖ_２／Ｕ_２として、
【００８１】
Ｋ^−１（Ｐ_２−Ｐ_１）＋β｛（Ｔ_１Ｐ_２／Ｔ_２Ｐ_１）−１｝＝α（Ｔ_２−Ｔ_１）
（１１）
【００８２】
ということになる。透光性樹脂単独の場合は、式（５）であったが、押圧ブロックがあるから左辺の第２項が増える。Ｐ_１が未知数であるから２次方程式になり正確に解くことができる。その解は、次のようである。
【数１】

これは厳密解である。それぞれの定数の値がわかっていれば、その値を代入して、温度降下後の圧力Ｐ_１を計算することができる。厳密な計算はそれによるべきであるが、この厳密式は見通しが悪くて定性的なことが直観的にわかりにくい。そこで近似解を考えることにする。体積弾性率Ｋはかなり大きい値であって、圧力Ｐを（気圧；ａｔｍ）にすると、αＫが１０^−２程度にはなる。それで式（１１）の左辺の第２項が右辺と大体つり合うということになり、近似解として、
【００８３】
【数２】

【００８４】
というようになる。先程の式とはずいぶん違うように見えるが、１／Ｋが無限小の極限でこのような近似ができる。分母の第２項（α／β）（Ｔ_２−Ｔ_１）がボイルシャールの法則からのズレを与える。”１”が低温の極限（−４０℃）で”２”が封止時の条件を表している。Ｐ_２はトランスファーモールドの時に加える圧力である。普通圧力は１気圧から数えるゲージ圧を使うが、ここではボイルシャールの法則が成り立つように絶対０ａｔｍから数える。つまりゲージ圧に１気圧加えたものである。βはＶ_２／Ｕ_２であって、トランスファーモールド時における、透光性樹脂体積Ｕ_２で押圧ブロック体積Ｖ_２を割ったものである。これは自在に調整できる制御可能な値である。押圧ブロック体積を増やすとα／βを小さくできる。
【００８５】
α／βが大きいと、温度降下（Ｔ_２−Ｔ_１）による圧力降下（Ｐ_２−Ｐ_１）も大きくなり、低温時（Ｔ_１＝−４０℃）での圧力がより低くなる。それでもαは１０^−４〜１０^−５／℃の程度だから、Ｔ_２−Ｔ_１＝１８０℃−（−４０℃）＝２２０℃としても（α／β）（Ｔ_２−Ｔ_１）の値は充分に小さい。だからボイルシャールの法則からのズレは小さい。α／βが小さいと余計にボイルシャールの法則に接近する。
【００８６】
実際には絶対温度によって計算する必要があるから、Ｔ_２＝４５３Ｋ、Ｔ_１＝２３３Ｋとして計算できる。例えばα＝３×１０^−４、β＝０．３とする（αは体積膨張率だから線膨張率の３倍）と、低温時（−４０℃）での圧力Ｐ_１は、トランスファーモールド時の圧力Ｐ_２の大体半分程度（０．４２２）になる。これはゲージ圧でないから注意すべきである。たとえばトランスファーモールドの圧力が４気圧（ゲージ）とすると、低温時では１．１気圧（ゲージ）ということになる。これは正圧であるから透光性樹脂には圧縮応力がはたらく。だから、透光性樹脂に剥離、亀裂、気泡を生じない。
これに対して、押圧ブロックがない場合は、式（５）から
【００８７】
Ｐ_２−Ｐ_１＝αＫ（Ｔ_２−Ｔ_１）（５）
【００８８】
によって低温時の圧力Ｐ_１が決まるが、Ｔ_２−Ｔ_１＝２２０℃のようにかなり大きいしＫが大きい。例えばα＝３×１０^−４、Ｋ＝３×１０^２と仮定すると、αＫ（Ｔ_２−Ｔ_１）＝２０となる。Ｐ_２＝６ａｔｍ（ゲージ圧だと５ｋｇ／ｃｍ^２）だとすると、Ｐ_１＝−１４ａｔｍ（ゲージ圧だと−１５ｋｇ／ｃｍ^２；実際に負圧はありえないが）と計算される。これは概算であるが、αＫがかなり大きい（樹脂によるがいずれにしても１０^−２より大きい）ので、（Ｔ_２−Ｔ_１）が２２０というように大きい値を取れば、多くの場合、αＫ（Ｔ_２−Ｔ_１）がＰ_２を越えてしまう。だからＰ_１は負圧にならざるをえない（負圧というのはゲージ圧でのことで１気圧以下ということ）。だから透光性樹脂に引っ張り応力が発生して剥離、亀裂、気泡などが生ずるということである。
上に述べたものは簡単な近似式による考察である。先程も述べたように実際の定数がわかれば（１２）の厳密式で計算すれば良いのである。近似式（１３）は少し厳しい評価を与えており、もう少し近似を進めると、圧力降下はもう少し緩和される、（１１）式において、左辺の第１項のＰ_１を定数とみなし、第２項のＰ_１だけを変数とみなすと、一次方程式になり、簡単な表現を得る。
【数３】

これは式（１３）に比べて、右辺の分母に−（Ｐ_２−Ｐ_１）／αＫが追加された形になっている。これは負の値であるから、Ｐ_１は式（１３）で計算したものよりも、大きくなる。つまり低温での圧力降下は式（１３）より少ない。式（１３）に基づく先程の概算では低温（−４０℃）でも正の圧力が存在するということが分かったが、実際にはその値よりもＰ_１は大きいのである。厳密式（１２）によって計算すると、さらに正確な値が求められる。
【００８９】
（２）透光性樹脂を押圧樹脂によって押さえる場合
透光性樹脂の容積をＵとする。押圧樹脂の容積をＷとする。これを囲む外郭容器の容積は不変であるからこれを１とする。容器の内部には透光性樹脂と押圧樹脂のみがあるのであるから、
【００９０】
Ｗ＋Ｕ＝１（１５）
である。
【００９１】
透光性樹脂は、弾性率をＫとし体積膨張率をαとすると、自由状態での容積変化は、ΔＵ＝Ｕ_２α（Ｔ−Ｔ_２）である。Ｕ_２はＴ_２での容積である。圧力が掛かった状態では、−Ｕ_２（Ｐ−Ｐ_２）／Ｋとなる。だから温度Ｔ、圧力Ｐでは、
【００９２】
ΔＵ＝Ｕ_２α（Ｔ−Ｔ_２）−Ｕ_２（Ｐ−Ｐ_２）／Ｋ（１６）
【００９３】
という関係がある。”２”というのは加圧して封止したときの状態を示す。
押圧樹脂は、弾性率をＨとして、体積膨張率をγとすると、自由状態での容積変化は、ΔＷ＝Ｗ_２γ（Ｔ−Ｔ_２）である。Ｗ_２はＴ_２での容積である。圧力が掛かった状態では、−Ｗ_２（Ｐ−Ｐ_２）／Ｈとなる。だから温度Ｔ、圧力Ｐでは、
【００９４】
ΔＷ＝Ｗ_２γ（Ｔ−Ｔ_２）−Ｗ_２（Ｐ−Ｐ_２）／Ｈ（１７）
【００９５】
という変化をする。式（１５）があるから、温度変化、圧力変化があっても
ΔＵ＋ΔＷ＝０（１８）
である。
【００９６】
（Ｕ_２α＋Ｗ_２γ）（Ｔ_２−Ｔ）−（Ｕ_２／Ｋ＋Ｗ_２／Ｈ）（Ｐ_２−Ｐ）＝０ (19)
【００９７】
となる。これは任意の温度で成り立つ関係である。 −４０℃に冷却したときの圧力Ｐ_１の降下を求めると
【００９８】
【数４】

【００９９】
ということになる。トランスファーモールド時の圧力Ｐ_２は初めに与えられる。Ｔ_２はトランスファーモールドでの温度であるからこれも決まる。例えば１８０℃（４５３Ｋ）である。Ｔ_１は使用温度の下限であり、ここでは−４０℃である。未知数は使用温度下限−４０℃での圧力Ｐ_１である。これが下がりすぎるから透光性樹脂に剥離、亀裂が発生するのである。これを上げれば良い、というのが本発明の基本思想である。つまりＰ_２−Ｐ_１を下げれば良い。
【０１００】
Ｕ_２＋Ｗ_２＝１なのであるから、式（２０）の右辺は、αＫと、γＨの中間の値をとるということがわかる。右辺はこれらの重み付き平均に過ぎないからである。
もしも本発明のような押圧樹脂を設けないとすると、式（１６）だけで０とならなくてはならないから、式（２０）の右辺をαＫによって置き換えたものになる。
すると、γＨをαＫよりも小さい値に設定すれば、式（２０）の圧力降下分を、αＫよりも小さくできる。
【０１０１】
（条件） γＨ＜αＫ（２１）
【０１０２】
こうでさえあれば、圧力降下（Ｐ_２−Ｐ_１）を減少させることができる。透光性樹脂の体積弾性率がＫ、透光性樹脂の体積膨張率がαである。押圧樹脂の体積弾性率がＨ、押圧樹脂の体積膨張率がγである。このような条件を満たすような透光性樹脂と押圧樹脂の組み合わせを選ぶことによって、低温Ｔ_１での圧力低下を防ぐことができる。圧力降下分を減少させる効果は、αＫ−γＨが大きければ大きい程顕著である。しかしそれだけでない。α、Ｋ、γ、Ｈはものによって決まってしまう物性定数であり調整が効かない。それでは圧力降下減少効果も限定されるか？とも思うがそうでない。製造者は自由に設定できるパラメータＵ_２、Ｗ_２を持っているのである。ただしＵ_２＋Ｗ_２＝１だから、実は一つの自由度しかない。
これによっても圧力降下減少効果をある程度制御することができる。それはαＫを式（２０）の右辺で差し引いてみればわかることである。
【０１０３】
【数５】

【０１０４】
これを大きくするには（αＫ−γＨ）を大きくするということの他に、Ｗ_２を大きくするという手段がある、という事が分かる。
このようにして、Ｔ_１（使用温度下限）での樹脂の圧力低下を抑制して、ある程度の圧力を保持することができるようになる。
【０１０５】
【実施例】
［実施例１（両側押圧ブロック；端面入射型ＰＤ；図１４〜図１８）］
端面入射型のＰＤを用いたＰＤモジュールに本発明を適用した実施例を述べる。端面入射型のＰＤというのはＰＤとしては最もありふれたというものでない。しかし構成が単純で本発明の骨子の理解を容易にするから端面入射型ＰＤに適用した例をまず説明する。より現実的な裏面入射型ＰＤ、上面入射型ＰＤのモジュールへの適用も後に述べる。
【０１０６】
話を分かりやすくするため、初めに仕上がりの外形を述べておく。
図１４が素子の外形を示す。エポキシ樹脂３４でモールドされた外形があり、光学的な接続のための光ファイバ、あるいは光ファイバを芯部に有するフェルール１８があり、電気的接続をとるためのリードピン３３が存在する。つまり、これはエポキシ樹脂モールドした素子である。エポキシは強固であって水密性があり形状を維持する作用があるから安価なパッケージとして多用される。
【０１０７】
表面実装の特徴は非常にシンプルなことである。説明が容易であるからこのような箱型の素子とするが、外形は実はどのようなものであっても良いのである。以下の説明では、本発明の本質でないリードフレームやリードピンに関する部分の説明は省略する。
【０１０８】
図１５、図１６は実施例１の素子を製造する途上の状態の平面図と断面図を示す。Ｓｉベンチ１２は、上段１３と下段１４を有し、上段１３には大Ｖ溝１６、小Ｖ溝１７が穿ってある。これは図２〜図５のものと同様である。Ｓｉベンチ１２の下段１４の上に端面入射型ＰＤ１５（叉はＬＤ）チップをＡｕＳｎなどで半田付けする（金錫半田）。次にファイバ付きフェルール１８をＶ溝１６、１７に挿入し樹脂によって固定する。図示しないがＳｉベンチには幾つかのメタライズパターンが印刷されている。ＰＤ電極とメタライズはワイヤボンディングによって結合される。
【０１０９】
リードフレーム（図示せず）の上にＳｉベンチ１２を乗せ、リードとＳｉベンチのパターン間をワイヤボンディングする。
その後、押圧ブロック４０、４１、例えばゴム製の風船を窒素ガスなどによって膨らませて作った押圧ブロックを光軸の左右に対称に配置する。押圧ブロック４０、４１は樹脂によってＳｉ基板に対して軽く固定する。風船であれば拡張した状態にある。
【０１１０】
次にシリコーン系或いはアクリレート系の透明樹脂２４によって、ファイバ端からＰＤ（ＬＤ）チップ１５までの空間を覆うようにポッティングする。光ファイバと屈折率が近似した透明の樹脂を用いる。材質に応じて、室温硬化や、昇温硬化を行う。室温硬化の場合は紫外線などを照射することによって行う。熱によって硬化する樹脂の場合は加熱して硬化させる。硬化といっても、充分な弾力性を残している。充分な弾力がないと圧力をかけても都合良く歪まないからである。この状態のものを横から見ると図１６のようになっている。
【０１１１】
次に全体をエポキシ樹脂３４によってトランスファーモールドする。このとき加熱加圧される。風船である押圧ブロック４０、４１は加熱圧縮された状態で容器内に固定される。エポキシは硬化すると自己形状を保持できる硬質の樹脂である。だからこの素子はパッケージがエポキシ樹脂である。図１４のような素子になる。すると完成時には、室温では図１７のように、トランスファーモールド時の圧力で、押圧ブロック４０、４１は、内側に歪んだ形になる。押圧ブロックの内側には柔軟なポッティング樹脂２４がある。外側は剛性の高いエポキシ樹脂３４が存在する。エポキシ樹脂は近似的に剛体と考えてよい。しかし内側の接触面は固定面でない。ポッティング樹脂と風船４０、４１の境界（内側接触面）が圧力温度によって内外に移動しうる。
【０１１２】
温度が室温より下がるとポッティング樹脂は少し縮み始めるが、それを補うように気体を押し込まれた押圧ブロック４０、４１の方が広がろうとする。
【０１１３】
この際、外側のエポキシ樹脂は硬いため少々の事では変形しない。
従って図１８のように、押圧ブロック４０、４１は内側へと膨らむ。すなわち収縮と、接着力の関係で、隙間や剥離が生じようとしているところへ、周囲の押圧ブロック４０、４１からの押圧力がポッティング樹脂にかかる。光路を満たしているポッティング樹脂内は、常にプラス圧になり、亀裂Ｃや剥離Ａを生じない。気泡Ｂも生じない。低温時には押圧ブロックによってポッティング樹脂が押さえられるから正圧力が維持され、剥離、亀裂、気泡の発生を防止することができる。
【０１１４】
実施例１の素子をヒートサイクル試験ののち温度を変えて感度を測定した。全ての試料において図６の試料Ａのような良好な特性を得た。つまり実施例１のＰＤモジュールは低温でも感度が低下しないということである。
【０１１５】
［実施例２（上面押圧ブロック；端面入射型ＰＤ；図１９、図２０）］
押圧ブロックは、両側から樹脂を抑えると限った訳ではない。光学部品と光ファイバとの配置にあわせて、任意に押圧ブロックの配置を選択することができる。
図１９、図２０にこれを示す。Ｓｉベンチ１２の上にＶ溝１６、１７を切り、端面入射型のＰＤ１５を標識に合わせて実装してある。フェルール１８、光ファイバ１９をＶ溝１６、１７に挿入して固定してある。Ｓｉベンチ１２のメタライズパターンとＰＤの電極はワイヤボンディングで接続してある。リードフレーム（図示しない）にＳｉベンチを固定し、リードとメタライズパターンがワイヤボンディングで接続される。さらに光ファイバ端１９、ＰＤ１５の全体を透光性樹脂（シリコーン系、アクリレート系）で被覆した。その上に押圧ブロック４２を載せている。左右でなくて上に一つ載せているのである。
【０１１６】
このあとトランスファーモールドによって、全体をエポキシ樹脂３４によって覆う。トランスファーモールドには圧力が必要なので、硬化したときは押圧ブロック４２にはかなりの圧力が掛かっている。硬化した状態で、最外殻がエポキシ樹脂３４となり、最内部が透光性ポッティング樹脂２４で、中間に押圧ブロック４２が存在する。押圧ブロック４２の機能は圧力源である。
【０１１７】
低温になるとポッティング樹脂２４は収縮するが、押圧ブロック４２は正圧を保持し、これがポッティング樹脂を押すから負圧にならない。負圧にならないから樹脂が剥離したり、亀裂が入ったり、気泡が生じたりしない。効果は実施例１と同様である。
【０１１８】
［実施例３（押圧樹脂によってポッティング樹脂の全体を覆う；端面入射型ＰＤ；図２１、図２２）］
ポッティング樹脂に押圧を掛けるのは風船のような押圧ブロックに限定されるものではない。押圧を掛ける第２の方法をここで述べる。これは樹脂の弾性を利用して押圧を印加しようとするものである。風船を埋め込むと経年変化で風船が破裂劣化するということもありうる。樹脂どうしの組み合わせであれば経年変化も少ないという利点がある。
【０１１９】
図２１、図２２に示すようなＰＤモジュールを例にして述べる。ＰＤ、光ファイバは透明なポッティング樹脂２４で覆われている。屈折率が光ファイバに近いシリコーン系、アクリレート系の柔軟な樹脂２４である。ポッティング樹脂２４の周りにポッティング樹脂２４よりも低温で縮みの穏やかな、つまり線膨張率のより小さい樹脂よりなる押圧用樹脂４３の層を設ける。より厳密な条件は先述のように、αＫ＞γＨである。線膨張率と弾性率の積が、透光性樹脂の線膨張率と弾性率の積より小さい樹脂を押圧樹脂として選択する。
【０１２０】
押圧用樹脂４３は図２２に示すように下端はＳｉ基板１２に接触し、透光性樹脂の全体を覆うようになっている。さらにその外側をエポキシ樹脂３４によって覆う。硬質のエポキシ樹脂３４の内部に柔軟な押圧用樹脂４３、透光性樹脂２４が存在するようになっているのである。樹脂の三層構造となっている。
【０１２１】
このようにすると、一般にエポキシ樹脂３４は、線膨張率が１０^−５／℃の程度で殆ど伸び縮みしないとみてよい。比較的温度によって伸び縮みしやすい、シリコーン系樹脂（線膨張率が２〜３×１０^−４／℃の程度）を透光性（ポッティング）樹脂に利用している。押圧樹脂は例えばアクリレート樹脂で線膨張率が５×１０^−５／℃の程度である。だから低温では押圧樹脂４３が補償的に肥大して、内部にあるポッティング樹脂２４に圧力を掛けることができる。巧みな押圧方法である。低温でも透光性樹脂には正の圧力がかかるから収縮しても剥離、亀裂、気泡が発生することはない。
【０１２２】
［実施例４（全体を押圧樹脂によって囲む；ＰＤモジュール；図２３、図２４）］
ポッティング樹脂に押圧を掛ける機構を、より広範囲に拡大してＳｉ基板やチップの全体を覆うように設けることもできる。
【０１２３】
これは金型を使ってエポキシモールドするのではない。定型のパッケージを用いる。金属製のパッケージでもプラスチックのパッケージでもよい。内部に空洞を持つ既成のパッケージを用いるものである。
【０１２４】
Ｖ溝を有するＳｉベンチ１２の上にＰＤ１５（或いはＬＤ）、光ファイバ付きフェルール１８を固定する。予め作製した、プラスチック製のパッケージ３５の内部に、Ｓｉベンチ１２を挿入する。パッケージにはワイヤパターンが設けてある。ＰＤ電極とワイヤパターンをワイヤボンディングする。
【０１２５】
次に、図２３、図２４に示すように、透明なポッティング樹脂２４をＰＤ、光ファイバの辺りに供給して硬化させる。透光性樹脂２４には柔らかい樹脂を用いる。ポッティング樹脂よりも低温で縮みの小さい（線膨張率の小さい）樹脂を押圧樹脂４４としてパッケージ３５の内容積一杯になるよう圧力を掛けた状態で充填する。
【０１２６】
最後にプラスチックの蓋３６をする。容器３５、蓋３６によってパッケージが構成される。圧力を掛けて押圧樹脂４４を硬化させているから、常に透光性樹脂２４に圧力が掛かる。この例は、押圧樹脂４４のボリュームが大きいので、ポッティング樹脂２４に押圧力が掛かり易くなる。パッケージはメタル製でもよい。定型の容器であればよい。効果は実施例１と同様である。低温になると押圧樹脂が広がって透光性樹脂に圧力を及ぼし剥離、亀裂、気泡を防ぐ。
【０１２７】
［実施例５（裏面入射型ＰＤ；図２５）］
以上の実施例は端面入射型ＰＤ光学系を例にとっている。それは構造が単純で本発明の原理を説明するに便利だからである。しかし、その他の光学装置、光学部品にも本発明を適用することができる。
【０１２８】
図２５に裏面入射型ＰＤを用いたＰＤモジュールに本考案を適用した実施例を示す。Ｓｉ基板上１２に異方性エッチングでＶ溝４７を形成する。その終端にはミラー面ができる。Ｖ溝４７に光ファイバ１９を固定する。ミラー面の上方に裏面入射型のＰＤ４５を受光部４６が上になるように取り付ける。光ファイバ端やＰＤを透光性柔軟で屈折率が光ファイバに近い樹脂２４によって覆う。さらにポッティング樹脂２４を押圧ブロック又は押圧樹脂４４によって覆う。ここでは押圧樹脂４４によるものを図示している。先ほどの風船のような押圧ブロックによって押さえても良い。
【０１２９】
さらに圧力を掛けた状態でエポキシ樹脂３４によって全体をトランスファーモールドする。硬化した状態では内部に圧力が残留している。押圧樹脂４４はポッティング２４に強い圧力を及ぼしている。
エポキシ樹脂３４は外殻をなし温度によって殆ど変形しない。低温になるとポッティング樹脂２４は収縮するが押圧樹脂４４によってさらに強く押されるから正の圧力を維持でき剥離、亀裂、気泡が発生しない。
【０１３０】
光ファイバ１９からの入射光をミラー面で反射させ、裏面入射型ＰＤ４５の裏面から入射させるものである。光学系が幾分複雑である。だから本発明の押圧の効果はより顕著に現れる。
【０１３１】
［実施例６（上面入射型ＰＤ；図２６）］
図２６は、上面入射型のＰＤに本発明を適用した場合を示す。Ｓｉベンチ１２にＶ溝と凹部４８を穿つ。凹部４８の一方の壁面は内向きの傾斜面５０となっている。凹部４８の内部に上面入射型ＰＤ４９を取り付ける。凹部４８には透光性樹脂２４を充填する。透光性樹脂２４の上には押圧樹脂４４の層を形成する。圧力を掛けてエポキシ樹脂３４によってモールドする。これも内部に圧力を残留させた状態で硬化する。光ファイバ１９から出た光は傾斜面５０に反射されＰＤ４９の上方から入射する。低温時にポッティング樹脂２４の内部に剥離、亀裂、気泡が発生しない。
【０１３２】
［実施例７（裏面入射型ＰＤ・ＡＭＰモジュール；図２７）］
図２７は裏面入射型ＰＤにＡＭＰを組み合わせた受信器に本発明を適用した例を示す。Ｓｉベンチ１２にＶ溝１６、１７を穿ち、フェルール１８、光ファイバ１９を固定する。光ファイバの先端近傍に溝を切り、その上方に裏面入射型ＰＤ４５を設ける。ＰＤ４５の光電流を増幅するＡＭＰ５２をＳｉベンチ１２の上に取り付ける。ＡＭＰ５２、ＰＤ４５の電極とＳｉベンチ１２のパターンをワイヤボンディングで接続する。
【０１３３】
光ファイバ１９の先端とＰＤ４５、溝のあたりに透光性樹脂２４を塗布する。透光性樹脂２４の上を押圧ブロックまたは押圧樹脂４４によって覆う。リードフレームに付けて電極間を接続する。圧力を掛けた状態でエポキシ樹脂によってトランスファーモールドする。図１４のような外形の素子ができる。これも押圧樹脂４４が常時、透光性樹脂２４に圧力を印加するようになっている。だから低温でも透光性樹脂２４に亀裂、剥離、気泡が生じない。
【０１３４】
［実施例８（ＰＤ・ＬＤモジュール；光導波路；図２８）］
図２８は、導波路と光ファイバ、及びＬＤ・ＰＤを組み合わせた場合に本発明を適用した場合を示す。Ｓｉ基板１２の上に、分岐導波路５３、５４、５５、５６を形成する。ＳｉＯ_２層をスパッタリングによって形成し、一部に屈折率を高める不純物（Ｇｅなど）をドープして導波路とする。分岐導波路５４の終端にＬＤ５７と、分岐導波路５６の終端にＰＤ５８を設けている。分岐部５５に波長選択素子（ＷＤＭ）があり波長によって光路を分けるようになっている。光ファイバ１９と導波路５３の始端部との間には透光性樹脂２４が介在する。光導波路の終端５４とＬＤ５７の間、５６とＰＤ５８の間には透光性樹脂２４がポッティングしてある。ポッティング樹脂２４の上にはさらに押圧ブロックまたは押圧樹脂４４が設けられる。これらの全体をこれまで述べたように、トランスファーモールドによりエポキシ樹脂によって加圧状態のまま囲むようにする。
これも押圧樹脂４４が、透光性樹脂２４に常時圧力を掛けているから、低温でも透光性樹脂に剥離、気泡、亀裂の発生はない。
【０１３５】
［実施例９（ビームスプリッタ；図２９）］
図２９は波長分離ビームスプリッタに本発明を適用した例を示している。ガラスよりなる透明三角柱体６０、６１を誘電体多層膜６２を介して張り合わせている。３方に光ファイバ６３、６４、６５を設けている。光ファイバ６３から出た光λ１、λ２は誘電体多層膜６２の作用によって直進する波長λ２のものと反射する波長λ１のものに分けられる。
【０１３６】
光ファイバとガラスブロックの間には屈折率が光ファイバに近くて柔軟で透明の透光性樹脂２４が介在するようになっている。さらに透光性樹脂２４を押圧ブロックあるいは押圧樹脂４４で取り囲む。ここでは押圧樹脂４４を示す。押圧樹脂４４の外側をさらにエポキシ樹脂のような硬い樹脂で囲みパッケージとしている。これも圧力を内部に閉じ込めた構造であるから、低温でも透光性樹脂が剥離、亀裂などを生じない。
【０１３７】
［実施例１０（ＬＤモジュール；ＬＤとモニタＰＤ；図３０、図３１）］
図３０、３１は、ＬＤとそのモニタＰＤに本発明を適用した例である。Ｓｉベンチ１２にＶ溝１６、１７を形成するのはこれまでの例と同じである。さらにＶ溝１７の延長上に他の溝７０も同時に形成する。Ｖ溝には光ファイバ１９、フェルール１８を固定する。光ファイバの先にはＬＤ７１をエピダウンで取り付ける。ＬＤ７１は送信信号を発生し、それは光ファイバ１９を通じて相手方へ送られる。溝７０の終端部あたりにモニタＰＤ７２を固定する。
【０１３８】
溝７０はＬＤ７１の光を反射させてモニタ用のＰＤ７２に導くためのものである。光ファイバ１９の先、ＬＤ７１、溝７０、ＰＤ７２には透光性樹脂２４がポッティングされており反射光が生じないようにしている。透光性樹脂２４を押圧ブロックまたは押圧樹脂４４によって覆っている。加圧状態で押圧ブロックまたは押圧樹脂を含んでエポキシ樹脂で固定する。あるいは一定形状のパッケージに収容し押圧樹脂４４を加圧して蓋を閉じるようにする。
いずれも外形を構成するモールド部、或いはパッケージは図示を略している。
【０１３９】
【発明の効果】
本発明は二つの新規の部分からなる。一つは透光性樹脂によって光伝搬光路を覆った光学装置において低温時におこる故障が光学部品に生ずる亀裂、剥離、気泡であることを発見したということである。もう一つは低温時にそのような空隙を生じないようにする機構を光学部品に設けたことである。つまり新規の発見と新規の工夫からなる。
【０１４０】
本発明は押圧ブロック、押圧樹脂によって透光性樹脂を押して常時正の圧力を発生させているから透光性樹脂に亀裂、剥離、気泡などが発生しない。これらが発生すると反射が増えて性能が低下する。しかし本発明はそのような故障がないので、−４０℃という低温まで、特性の良好な光学装置が得られる。
【０１４１】
これは今まで誰も気付かなかった、ポッティング樹脂と光学部品界面との密着性や、圧縮されていた気泡の広がり、或いは亀裂の発生ということに気付いて、低温でも常にポッティング樹脂を光路側に押し付ける押圧機構を設けたからである。
本発明は、実施例の構成に限定されない。その他の機構であってもポッティング樹脂に常時押圧力をかけているものであれば本発明の技術思想の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】金属パッケージの内部にＰＤチップを収容した構造の現在数多く使用されているＰＤモジュールの断面斜視図。
【図２】従来例にかかる表面実装型のＰＤモジュールの一例を示す平面図。
【図３】従来例にかかる表面実装型のＰＤモジュールの一例を示す断面図。
【図４】光ファイバとＰＤの間に透光性樹脂（ポッティング樹脂）を介在させて光ファイバ端面反射を減少させた従来例にかかる表面実装型のＰＤモジュールの一例を示す平面図。
【図５】光ファイバとＰＤの間に透光性樹脂（ポッティング樹脂）を介在させて光ファイバ端面反射を減少させた従来例にかかる表面実装型のＰＤモジュールの一例を示す断面図。
【図６】ＩｎＧａＡｓ−ＰＤを用いて図４、図５のＰＤモジュールを作製し加熱冷却を繰り返すヒートサイクルの後のＰＤの、感度・温度特性を示すグラフ。○は試料Ａを、▲は試料Ｂのデータを示す。
【図７】光ファイバとＬＤの間をポッティング樹脂で被覆したＬＤモジュールにおいて加熱冷却のヒートサイクルの後、劣化のために反射戻り光が増えることを説明する図。
【図８】光ファイバとＬＤの間をポッティング樹脂で被覆したＬＤモジュールにおいて加熱冷却のヒートサイクルのあと劣化のために駆動電流・発光出力の関係に折れ曲がり部（キンク）が発生するということを説明するための、駆動電流・発光出力のグラフ。
【図９】光ファイバとＬＤの間をポッティング樹脂で被覆したＬＤモジュールにおいて加熱冷却のヒートサイクルのあと劣化のために発光スペクトルにピークが複数個現れることがあることを説明するためのＬＤ発光スペクトル図。
【図１０】光ファイバとＰＤの間に透光性樹脂（ポッティング樹脂）を与えて光路の屈折率を光ファイバと同じにしたＰＤモジュールに加熱冷却を繰り返すヒートサイクル試験をしたあと、顕微鏡によって樹脂を観察すると、樹脂に剥離Ａ、亀裂Ｃ、気泡Ｂが発生しているということを示すＰＤモジュールの平面図。
【図１１】光ファイバとＰＤの間に透光性樹脂（ポッティング樹脂）を与えて光路の屈折率を光ファイバと同じにしたＰＤモジュールに加熱冷却を繰り返すヒートサイクル試験をしたあと、顕微鏡によって樹脂を観察すると、樹脂に剥離Ａ、亀裂Ｃ、気泡Ｂが発生しているということを示すＰＤモジュールの縦断面図。
【図１２】光ファイバとＰＤの間に透光性樹脂（ポッティング樹脂）を塗布したモジュールにおいて、低温でポッティング樹脂が収縮して剥離、亀裂、気泡を生じないようにするためにポッティング樹脂に常時圧力を加えるという本発明の技術思想を示すためのＰＤモジュールの平面図。
【図１３】光ファイバとＰＤの間に透光性樹脂（ポッティング樹脂）を塗布したモジュールにおいて、低温でポッティング樹脂が収縮して剥離、亀裂、気泡を生じないようにするためにポッティング樹脂に常時圧力を加えるという本発明の技術思想を示すためのＰＤモジュールの断面図。
【図１４】ＰＤモジュール、ＬＤモジュールの外観形状を示すための斜視図。
【図１５】光ファイバとＰＤの間に透光性樹脂（ポッティング樹脂）を塗布したモジュールにおいてポッティング樹脂の両側に風船のような押圧ブロックを設けポッティング樹脂に常時圧力を加え、低温でポッティング樹脂が収縮して剥離、亀裂、気泡を生じないようにした本発明の第１の実施例に係るＰＤモジュールの風船が拡張した状態の平面図。
【図１６】光ファイバとＰＤの間に透光性樹脂（ポッティング樹脂）を塗布したモジュールにおいてポッティング樹脂の両側に風船のような押圧ブロックを設けポッティング樹脂に常時圧力を加え、低温でポッティング樹脂が収縮して剥離、亀裂、気泡を生じないようにした本発明の第１の実施例に係るＰＤモジュールの風船が拡張した状態の断面図。
【図１７】光ファイバとＰＤの間に透光性樹脂（ポッティング樹脂）を塗布したモジュールにおいてポッティング樹脂の両側に風船のような押圧ブロックを設けポッティング樹脂に常時圧力を加え、低温でポッティング樹脂が収縮して剥離、亀裂、気泡を生じないようにした本発明の第１の実施例に係るＰＤモジュールの風船が周囲の硬質樹脂あるいはパッケージによって押されて収縮している常温状態の横断平面図。
【図１８】光ファイバとＰＤの間に透光性樹脂（ポッティング樹脂）を塗布したモジュールにおいてポッティング樹脂の両側に風船のような押圧ブロックを設けポッティング樹脂に常時圧力を加え、低温でポッティング樹脂が収縮して剥離、亀裂、気泡を生じないようにした本発明の第１の実施例に係るＰＤモジュールの風船が膨張してポッティング樹脂に圧力を掛けている低温（−４０℃）状態の横断平面図。
【図１９】光ファイバとＰＤの間に透光性樹脂（ポッティング樹脂）を塗布したモジュールにおいてポッティング樹脂の上面に風船のような押圧ブロックを設けポッティング樹脂に常時圧力を加え、低温でポッティング樹脂が収縮して剥離、亀裂、気泡を生じないようにした本発明の第２の実施例に係るＰＤモジュールの横断平面図。
【図２０】光ファイバとＰＤの間に透光性樹脂（ポッティング樹脂）を塗布したモジュールにおいてポッティング樹脂の上面に風船のような押圧ブロックを設けポッティング樹脂に常時圧力を加え、低温でポッティング樹脂が収縮して剥離、亀裂、気泡を生じないようにした本発明の第２の実施例に係るＰＤモジュールの縦断面図。
【図２１】光ファイバとＰＤの間に透光性樹脂（ポッティング樹脂）を塗布したモジュールにおいてポッティング樹脂をスッポリと覆うような押圧ブロック（押圧樹脂の層）を設けポッティング樹脂に常時圧力を加え、低温でポッティング樹脂が収縮して剥離、亀裂、気泡を生じないようにした本発明の第３の実施例に係るＰＤモジュールの横断平面図。
【図２２】光ファイバとＰＤの間に透光性樹脂（ポッティング樹脂）を塗布したモジュールにおいてポッティング樹脂をスッポリと覆うような押圧ブロック（押圧樹脂の層）を設けポッティング樹脂に常時圧力を加え、低温でポッティング樹脂が収縮して剥離、亀裂、気泡を生じないようにした本発明の第３の実施例に係るＰＤモジュールの縦断面図。
【図２３】光ファイバとＰＤの間に透光性樹脂（ポッティング樹脂）を塗布したモジュールにおいてポッティング樹脂を覆うような押圧樹脂の層を設け定型のパッケージによって包囲し、押圧樹脂によってポッティング樹脂に常時圧力を加え、低温でポッティング樹脂が収縮して剥離、亀裂、気泡を生じないようにした本発明の第４の実施例に係るＰＤモジュールの横断平面図。
【図２４】光ファイバとＰＤの間に透光性樹脂（ポッティング樹脂）を塗布したモジュールにおいてポッティング樹脂を覆うような押圧樹脂の層を設け定型のパッケージによって包囲し、押圧樹脂によってポッティング樹脂に常時圧力を加え、低温でポッティング樹脂が収縮して剥離、亀裂、気泡を生じないようにした本発明の第４の実施例に係るＰＤモジュールの縦断面図。
【図２５】光ファイバと裏面入射型ＰＤの間に透光性樹脂（ポッティング樹脂）を塗布したモジュールにおいてポッティング樹脂を覆うような押圧樹脂の層を設け硬質の樹脂によってパッケージを形成し、押圧樹脂によってポッティング樹脂に常時圧力を加え、低温でポッティング樹脂が収縮して剥離、亀裂、気泡を生じないようにした本発明の第５の実施例に係るＰＤモジュールの縦断面図。
【図２６】光ファイバと上面入射型ＰＤの間に透光性樹脂（ポッティング樹脂）を塗布したモジュールにおいてポッティング樹脂を覆うような押圧樹脂の層を設け硬質の樹脂によってパッケージを形成し、押圧樹脂によってポッティング樹脂に常時圧力を加え、低温でポッティング樹脂が収縮して剥離、亀裂、気泡を生じないようにした本発明の第６の実施例に係るＰＤモジュールの一部縦断面図。
【図２７】光ファイバと裏面入射型ＰＤの間に透光性樹脂（ポッティング樹脂）を塗布したＰＤとＡＭＰを含むモジュールにおいてポッティング樹脂を覆うような押圧樹脂の層を設け、押圧樹脂によってポッティング樹脂に常時圧力を加え、低温でポッティング樹脂が収縮して剥離、亀裂、気泡を生じないようにした本発明の第７の実施例に係るＰＤモジュールの斜視図。
【図２８】分岐光導波路と光導波路の端部に取り付けたＰＤ、ＬＤと光導波路の始端に取り付けた光ファイバを含み、光ファイバ・光導波路間、光導波路・ＬＤ間、光導波路・ＰＤ間の空間を透光性樹脂（ポッティング樹脂）によって覆い、透光性樹脂を押圧ブロック又は押圧樹脂によって覆い、押圧ブロックまたは押圧樹脂によってポッティング樹脂に常時圧力を加え、低温でポッティング樹脂が収縮して剥離、亀裂、気泡を生じないようにした本発明の第８の実施例に係るＰＤ・ＬＤモジュールの平面図。
【図２９】誘電体多層膜を挟んだガラスブロックからなるＷＤＭフィルタであって、３方のガラス面と光ファイバの接合部が透光性樹脂（ポッティング樹脂；接着剤）で覆われ、透光性接着剤を押圧樹脂または押圧ブロックによって囲み、押圧ブロックまたは押圧樹脂によってポッティング樹脂に常時圧力を加え、低温でポッティング樹脂が収縮して剥離、亀裂、気泡を生じないようにした本発明の第９の実施例に係るＷＤＭフィルタの断面図。
【図３０】Ｖ溝に取り付けられた光ファイバと、光ファイバの終端に設けたエピダウンに取り付けられたＬＤチップと、ＬＤチップの背後に設けられＬＤの出力をモニタするＰＤを含み、光ファイバとＬＤの間、ＬＤとＰＤの間の空間に透光性樹脂を充填し、透光性樹脂の全体を押圧ブロックまたは押圧樹脂によって囲み、押圧ブロックまたは押圧樹脂によってポッティング樹脂に常時圧力を加え、低温でポッティング樹脂が収縮して剥離、亀裂、気泡を生じないようにした本発明の第１０の実施例に係るＬＤモジュールの一部横断平面図。
【図３１】Ｖ溝に取り付けられた光ファイバと、光ファイバの終端に設けたエピダウンに取り付けられたＬＤチップと、ＬＤチップの背後に設けられＬＤの出力をモニタするＰＤを含み、光ファイバとＬＤの間、ＬＤとＰＤの間の空間に透光性樹脂を充填し、透光性樹脂の全体を押圧ブロックまたは押圧樹脂によって囲み、押圧ブロックまたは押圧樹脂によってポッティング樹脂に常時圧力を加え、低温でポッティング樹脂が収縮して剥離、亀裂、気泡を生じないようにした本発明の第１０の実施例に係るＬＤモジュールの縦断面図。
【符号の説明】
１ピン
２ステム
３サブマウント
４ＰＤチップ
５レンズ
６キャップ
７スリーブ
８フェルール
９光ファイバ
１０ベンドリミッタ
１１受光モジュール
１２Ｓｉベンチ
１３上段
１４下段
１５ＰＤ
１６Ｖ溝
１７Ｖ溝
１８フェルール
１９光ファイバ
２０光ファイバ端面
２１出射光
２２導波路型受光部
２３受光面
２４透光性樹脂
２６光ファイバ端面
２７ＬＤ
２８光ファイバ
２９反射戻り光
３０ピーク
３１ピーク
３３リードピン
３４エポキシ樹脂
３５パッケージ
３６蓋
４０押圧ブロック
４１押圧ブロック
４２押圧ブロック
４３押圧樹脂
４４押圧樹脂
４５裏面入射型ＰＤ
４６受光部
４７Ｖ溝
４８凹部
４９ＰＤ
５０傾斜面
５２ＡＭＰ
５３、５４分岐導波路
５５分岐部
５６分岐導波路
５７ＬＤ
５８ＰＤ
６０、６１透明三角柱体
６２誘電体多層膜
６３〜６５光ファイバ
７０溝
７１ＬＤ
７２モニタＰＤ

Claims

２つ以上の光学部品の間の空間を光学部品の屈折率に近似した屈折率を持つ透光性樹脂で充填し、透光性樹脂に接触するよう透光性樹脂よりも弾性率と体積膨張率の積が小さい押圧樹脂を設け、圧力を掛けた状態で前記押圧樹脂を定型のパッケージ内部に封入し、−４０℃から＋８０℃において、押圧樹脂によって透光性樹脂へ常に正の圧力が掛かるようにした事を特徴とする光学装置。
光学部品の一つが、光ファイバもしくは光導波路であり、もう一つが発光素子、受光素子、フィルタ、プリズム、ミラー、あるいはこれらの組み合わせである事を特徴とする請求項１に記載の光学装置。
透光性樹脂がシリコーン系の樹脂で、押圧樹脂がアクリレート系の樹脂である事を特徴とする請求項１又は２に記載の光学装置。