JP4167378B2 - 光素子モジュール - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信用半導体レーザモジュールやフォトダイオードモジュール等の光素子モジュールに関わり、パッケージ内に導入固定される光ファイバの固定構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光素子モジュールのパッケージ内での光ファイバ固定構造例を図５〜６（米国特許第５６１９６０９号公報参照）及び図７により説明する。
【０００３】
図５は、光素子１が半導体レーザの場合のモジュール要部縦断面図である。光素子１を収納する金属又はセラミック等から成るパッケージ２に挿通管３が銀ろう等の接合手段により取り付けられている。光ファイバ４の先端には、光ファイバ４を保持するフェルール５がはんだ等の手段により固定され、パッケージ２外部より挿通管３の挿通孔６を通ってパッケージ２の内部へ導入されている。フェルール５は、光素子１の光軸に光ファイバ４が一致するよう調芯した後、フェルールホルダ７と共にステム８上に固定されている。一般に光ファイバの調芯が必要な半導体レーザモジュールでは、光ファイバ４を直接はんだ付け固定した場合、光結合点より１０μｍ以上のズレが生じてしまい、光ファイバ出力が大きく劣化してしまう上、修正も不可能であるため、はんだによる固定手段は使用されず、また、半導体レーザの寿命に影響する有機ガスが発生する接着剤もパッケージ５内で使用できないため、光ファイバ４はフェルール５を介し、ＹＡＧレーザにより溶接固定されている。
【０００４】
ステム８は光素子１の動作温度を制御するため、熱電子冷却素子９上に搭載されている。挿通孔６及び光ファイバ４には、金メッキ等によりメタライズが施されており、挿通管３のはんだ流込口１０よりはんだを供給する事で、気密封止固定されている。光ファイバ４は、フェルール５と挿通孔６の気密封止部との間で光軸に対しほぼ水平で直線上に固定されている。
【０００５】
図６は、図５におけるフェルール固定構造を拡大して示した斜視図である。光ファイバ４を光軸に一致させるようフェルール５をフェルールホルダ７と共に調芯後、フェルールホルダ７をステム８上に、フェルール５をフェルールホルダ７にそれぞれレーザ溶接により固定している。フェルールホルダ７は、ブロック状の金属を切削し、フランジ部１１やＵ溝部１２を形成している。フランジ部１１がＹＡＧレーザによりステム８上に貫通溶接、フェルール５がＵ溝部１２にすみ肉溶接されている。
【０００６】
一方、図７は、パッケージ内で光ファイバを湾曲させた状態で固定した従来例の要部縦断面図である。光ファイバ４は、先端側の第１のフェルール５とパッケージ２の挿通管３側の第２のフェルール１３により保持されており、第２のフェルール１３と光ファイバ４は、はんだ等の手段により気密封止が成されている。第１のフェルール５をフェルールホルダ７と共にステム８上にＹＡＧレーザ固定した後、第２のフェルール１３を挿通管３のパッケージ２外部よりパッケージ２内部へ押し込み、第１のフェルール５と第２のフェルール１３間の光ファイバ４を湾曲させ、弧１８を描いた状態のまま保持し、第２のフェルール１３が挿通管３にはんだ封止固定されている。第２のフェルール１３は、パッケージ２内部で光ファイバ４を湾曲させる際の掴みしろとして必要とされている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記図５、図６に示す従来の光素子モジュールでは、パッケージ２内で光ファイバ４が光軸に対し、ほぼ水平で直線上に固定されているため、周囲温度の変化によりパッケージ２が膨張収縮した際、フェルール５固定部を軸にパッケージ２内の光ファイバ４が引っ張り、圧縮などの応力を受け、光ファイバ４先端が振れることにより、光ファイバ出力の変動や劣化を引き起こしてしまうという第１の課題があった。さらにフェルールホルダ７と挿通管３の間で発生する引っ張り、圧縮などの繰り返し応力により、挿通管３内部のはんだと光ファイバ４間で剥離が生じ、気密不良を引き起こすという問題もあり、特に挿通管３と光ファイバ４との隙間が大きいため、容易かつ確実に気密封止できないという第２の課題があった。
【０００８】
また、前記図７に示す従来の光素子モジュールでは、パッケージ２内で光ファイバ４を湾曲させることにより、上記第１の課題を解決できるものの、光ファイバ４を湾曲させるための掴みしろとして第２のフェルール１３が必要であり、光ファイバ４と第２のフェルール１３間、第２のフェルール１３とパッケージの挿通管３との間で２重に気密封止を達成しなければならないため、作業が非効率的である上、非合理性による歩留まりの低下が懸念されることから、容易かつ確実に気密封止できないという第２の課題は解決できなかった。
【０００９】
本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解消することにあり、動作環境温度の変化により発生するパッケージの膨張収縮時においても安定した光ファイバ出力が得られる上、容易かつ確実な気密封止構造として気密封止工数を削減し、作業を効率化した光素子モジュールを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ステムと、該ステム上に固定された光素子と、先端部が前記光素子と光結合される光ファイバと、該光ファイバの先端部に接合され、前記光ファイバを保持するフェルールと、該フェルールと接合し、前記ステム上に固定されたフェルールホルダと、前記光素子を収納するとともに、前記光ファイバを挿通するための挿通管を有するパッケージと、を備え、前記挿通管と前記光ファイバとを気密封止してなる。そして、前記パッケージ内において、前記光ファイバを湾曲させた状態で固定してなり、前記フェルールホルダがフランジ部を有し、該フランジ部はフェルール中心軸に向かって中心側が浮いた状態で前記ステムと接合されることを特徴とする。
【００１１】
即ち、光ファイバの先端部と気密封止部に段差を設けることによって、自然に光ファイバを湾曲させ、これによって動作環境温度の変化によるパッケージの膨張収縮時に、パッケージ内の光ファイバ先端固定部にかかる光ファイバの引っ張り、圧縮応力が緩和され、光ファイバ出力の変動や劣化を抑制し、第１の課題を解決できるようにしたものである。
【００１２】
更に本発明は、挿通管の気密封止部のほぼ中心に光ファイバ挿通孔を有するリング状部材を挿入し、そのリング状部材を介して光ファイバと挿通管とをはんだ等で気密封止したことによって、より容易かつ確実な気密封止構造としたことを特徴とする。
【００１３】
また、光ファイバの先端部を保持するフェルールを塑性変形可能なフェルールホルダに固定することによって、固定後の光軸調整を可能とし、これによって光ファイバの湾曲を最適形状としたことを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図によって説明する。
【００１５】
図１は、本発明の光素子モジュールの要部縦断面図である。パッケージ２には光ファイバ４を挿通するための挿通管３が、銀ろう材等の接合手段により固定されている。一般に光通信用に使用され、気密封止を必要とする光素子モジュール用のパッケージ２は、セラミック材またはコバール材により形成されている。パッケージ２と挿通管３の接合部が環境温度変化等による膨張収縮によりクラック等の劣化を引き起こさぬよう、挿通管３の材質はパッケージ２と同一とするか、または同等の熱膨張係数を有する材質が選択される。
【００１６】
パッケージ２内には、光素子１として例えば半導体レーザ等が収納固定されている。光ファイバ４の先端には、光ファイバ４を保持するためのフェルール５がＡｕ／Ｓｎはんだ等の接合手段により接合されており、光ファイバ４と共に挿通管３の挿通孔６を通ってパッケージ２内に導かれ、ステム８上に固定された光素子１と光ファイバ４が光結合する位置に調芯後、フェルールホルダ７を介してステム８上にＹＡＧレーザ溶接により固定されている。
【００１７】
ステム８は、光素子１を温度制御するための熱電子冷却素子９上に搭載固定されている。
【００１８】
挿通孔６は、フェルール５を挿通するのに十分な径から成る第１の径１４と、第１の径１４より大きい径から成る第２の径１５を有している。第２の径１５には、外径が第２の径１５より僅かに小さく第１の径１４より大きい径から成り、光ファイバ４径より僅かに大きい光ファイバ挿通孔１６を外径のほぼ中心に有し、この光ファイバ挿通孔１６に光ファイバ４が挿通されて、挿通管３と同程度の熱膨張係数をもった材料から成るリング状部材１７が、挿入されている。
【００１９】
パッケージ２に固定されている挿通管３は、光ファイバ４が導出されるリング状部材１７の中心軸が、光素子１の光軸よりもパッケージ２の下方に位置するよう配置されている。高周波誘導加熱等の手段により、挿通管３、リング状部材１７、及び光ファイバ４を共にはんだ封止固定する。このとき、光ファイバ４の先端部とリング状部材１７の中心の気密封止部との段差により、光ファイバ４は、パッケージ２内で自然に上下方向に湾曲することになる。これによって、動作環境温度の変化によるパッケージ２の膨張収縮時に、パッケージ２内の光ファイバ４先端固定部にかかる光ファイバ４の引っ張り、圧縮応力が緩和され、光ファイバ出力の変動や劣化を抑制し、かつ容易で確実な気密封止が成される。
【００２０】
図２は、本発明の光素子モジュールの光ファイバ先端固定部の拡大斜視図である。フェルールホルダ７は、薄い板材を曲げ加工によりクリップ状としたものであり、先にステム８上に貫通溶接されるフランジ部１１は、ステム８平面に対し、水平ではなく、フェルール５中心軸に向かって僅かに浮かせることによって、フェルールホルダ７を塑性変形可能としてある。フェルール５は、光ファイバ４先端と対抗する側がチャックされており、ＹＡＧレーザは、パッケージ２の上方より照射されるため、フェルールホルダ７を先にステム８上に固定した後、フェルール５をフェルールホルダ７に溶接する事で、ＹＡＧレーザの衝撃により光軸に対し、パッケージ２下方にフェルール５及び光ファイバ４先端が沈み、光結合がずれることになる。その後、光素子１の光軸と光ファイバ４を再度光結合させるため、フェルール５の光ファイバ４先端と対抗する側にパッケージ２上部より荷重をかけることで、フェルールホルダ７のフランジ部１１を塑性変形させる。これにより、光軸を再度一致させることができる上、光ファイバ４の湾曲形状が、パッケージ２の挿通孔６の光ファイバ固定部を軸にして最適化できる。
【００２１】
即ち、フェルール５の後方を下方に変位させることで、光ファイバ４は、フェルール５の後端から一度上方に湾曲した弧１８を描き、その後、下方に湾曲して気密封止部に至ることとなる。このような形状とすることにより、動作環境温度の変化によるパッケージ２の膨張収縮時に、パッケージ２内の光ファイバ４先端固定部にかかる光ファイバ４の引っ張り、圧縮応力が緩和され、光ファイバ出力の変動や劣化を抑制できる。
【００２２】
【実施例】
以下、光素子が半導体レーザである本発明の実施例の構造を図１及び図2を以て説明する。
【００２３】
図１において、光ファイバ４を挿通するためのコバール材から成る挿通管３を同じくコバール材から成るパッケージ２に銀ろう材により、固定した。パッケージ２内には、半導体レーザ１の温度制御をするための熱電子冷却素子９をはんだにより固定し、熱電子冷却素子９上には、コバール材から成るステム８、ステム８上には半導体レーザから成る光素子１を同じくはんだにより搭載固定した。光ファイバ４の先端には、光ファイバ４を保持するための外径寸法１ｍｍを有するフェルール５がＡｕ／Ｓｎはんだにより予め接合されており、光ファイバ４と共に挿通管３の挿通孔６を通ってパッケージ２内に導き、半導体レーザ１の発光と光ファイバ４が光結合する位置に調芯した後、フェルールホルダ７をステム８上にＹＡＧレーザにより溶接し、フェルール５をフェルールホルダ７に溶接した。
【００２４】
挿通孔６は、外径１ｍｍのフェルール５を挿通するのに十分な１．４ｍｍの径から成る第１の径１４と、更に大きい１．８ｍｍの径から成る第２の径１５を有している。第２の径１５には、外径が第２の径１５より僅かに小さい１．７６ｍｍから成り、光ファイバ４径より僅かに大きい０．１６ｍｍの光ファイバ挿通孔１６を中心に有し、挿通管３と同じ材料のコバール材から成る厚さ０．７ｍｍのリング状部材１７を挿入した。挿通管３、リング状部材１７、及び光ファイバ４の一部には、金メッキ等のメタライズが施されており、１回のはんだ付け工程により、気密封止固定した。
【００２５】
パッケージ２に固定されている挿通管３は、光ファイバ４が導出され、気密封止されるリング状部材１７の中心軸が、半導体レーザ１の光軸よりも約０．４ｍｍ下方に配置されており、このため、光ファイバ４は、パッケージ２内で上下方向に自然に湾曲している。なおパッケージ２が膨張収縮する事により光ファイバ４に発生する引っ張り、圧縮応力を光ファイバ４が湾曲していない状態に比し、２／３以下に低減するためには、半導体レーザ１の光軸と挿通管３の中心軸との段差を０．３ｍｍ以上とし、かつ湾曲による折損が生じないよう１ｍｍ以下とする事が望ましい。
【００２６】
また、図２におけるフェルールホルダ７は、厚さ０．１５ｍｍ、長さ４ｍｍ、幅２ｍｍのコバール材をクリップ状に曲げ加工したものであり、貫通溶接されるフランジ部１１は、ステム８平面に対し、水平ではなく、フェルール５中心軸に向かって僅かに浮いた形状となっている。フェルール５をフェルールホルダ７にＹＡＧレーザ溶接する際、フェルール５は、光ファイバ４先端と対抗する側をチャックし、パッケージ２上方より照射されるＹＡＧレーザの衝撃により、半導体レーザ１の光軸に対し、光ファイバ４先端がパッケージ２の下方に沈んだ状態となっている。
【００２７】
半導体レーザ１の光軸と光ファイバ４を再度結合させるため、フェルール５の光ファイバ４先端と対抗する側にパッケージ２上部より０．１ｋｇｆ程度の荷重をかけることで、フェルールホルダ７のフランジ部１１には約４５ｋｇｆ／ｍｍ²の荷重が加わることになり塑性変形させる。これにより、再度光結合させることができる上、光ファイバ４の湾曲は、パッケージ２の挿通孔６の光ファイバ４固定部を軸にして光軸に対し１００〜２００μｍ程度パッケージ２上部方向へ浮上した弧１８を描くことができ、動作環境温度変化の際に発生するパッケージ２の膨張収縮時に、光ファイバ４にかかる引っ張り、圧縮応力が緩和され、光ファイバ出力変動を抑制する事ができる。
【００２８】
光通信用に使用される光素子モジュールの動作環境温度範囲は、−４０〜＋８５℃とされており、本発明の実施例のようなパッケージでは、光軸方向に光ファイバが約２μｍ変動する事になる。この変動を許容し、光軸ズレを発生させないために弧１８の上方の変動量は、１００μｍ以上であることが望ましい。
【００２９】
図３は、本発明の光素子モジュールの動作環境温度変化に対する光ファイバ出力の変動量を測定した結果のヒストグラムである。光ファイバ出力変動量は、熱電子冷却素子９により半導体レーザ１温度を２５℃一定に保ち、パッケージ２温度も２５℃時の光ファイバ出力を基準とし、パッケージ２温度を低温側−４０℃、高温側８５℃にした際の光ファイバ出力との差で表される。本ヒストグラムでは、低温側または高温側のどちらか一方の光ファイバ出力変動量が大きい方の絶対値を示した。一般に光通信用に使用される半導体レーザモジュールの光ファイバ出力変動量規格は、±１０％以下とされている。サンプル数 ２４個の本発明の実施例では、平均値２．１％、最大でも７％以下となっており、規格を全数満足しており、動作環境温度変化時においても安定した光ファイバ出力が得られていることが分かる。
【００３０】
図４は、本発明の光素子モジュールの機械的衝撃試験前後の光ファイバ出力変動量を示したグラフである。試験条件は、マイクロエレクトロニクスの試験方法としてＭＩＬ−ＳＴＤ−８８３Ｃ、方法２００２．３で規定されている衝撃パルス１５００ｇ、パルス持続時間０．５ｍｓ、６軸×５回とした。サンプル数１０個における本実施例では、光ファイバ出力変動量の平均値が４．１％、最大値でも７．６％であり、規格の１０％以下を達成している。フェルール５自身の重量が非常に小さく、上記条件下では、フェルールホルダ７のフランジ部１１にかかる最大荷重は１０ｋｇｆ以下であるため、前記塑性変形後も機械的衝撃に耐え得ることが分かる。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、光ファイバがパッケージ内において湾曲した状態で固定される。そして、フェルールホルダがフランジ部を有し、このフランジ部がフェルール中心軸に向かって中心側が浮いた状態でステムと接合される。そのため、フランジ部を塑性変形させやすくなるので、光軸を一致させることができ、パッケージの挿通孔の光ファイバ固定部を軸にしての光ファイバの湾曲形状の最適化が容易となる。
【００３２】
更に本発明は、挿通管の気密封止部のほぼ中心に光ファイバ挿通孔を有するリング状部材を挿入し、そのリング状部材を介して光ファイバと挿通管とをはんだ等で気密封止したことによって、より容易かつ確実な気密封止を可能とした。
また、光ファイバの先端部を保持するフェルールを塑性変形可能なフェルールホルダに固定することによって、固定後の光軸調整を可能とし、これによって光ファイバの湾曲を最適形状とし、動作環境温度変化時の光ファイバ出力劣化の防止を確実にした。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光素子モジュールを示す要部縦断面図である。
【図２】本発明の光素子モジュールにおけるフェルール固定部を示す拡大斜視図である。
【図３】本発明の光素子モジュールにおける動作環境温度変化時の光ファイバ出力変動量の測定結果を示すヒストグラムである。
【図４】本発明の光素子モジュールにおける機械的衝撃試験前後の光ファイバ出力変動量の測定結果を示すグラフである。
【図５】従来の光素子モジュールを示す要部縦断面図である。
【図６】従来の光素子モジュールにおけるフェルール固定部を示す拡大斜視図である。
【図７】従来の光素子モジュールを示す要部縦断面図である。
【符号の説明】
１：光素子
２：パッケージ
３：挿通管
４：光ファイバ
５：フェルール
６：挿通孔
７：フェルールホルダ
８：ステム
９：熱電子冷却素子
１０：はんだ流し込み口
１１：フランジ部
１２：Ｕ溝部
１３：第２のフェルール
１４：第１の径
１５：第２の径
１６：光ファイバ挿通孔
１７：リング状部材
１８：弧

Claims (2)

1. ステムと、
   該ステム上に固定された光素子と、
   先端部が前記光素子と光結合される光ファイバと、
   該光ファイバの先端部に接合され、前記光ファイバを保持するフェルールと、
   該フェルールと接合し、前記ステム上に固定されたフェルールホルダと、
   前記光素子を収納するとともに、前記光ファイバを挿通するための挿通管を有するパッケージと、を備え、前記挿通管と前記光ファイバとを気密封止してなる光素子モジュールであって、
   前記パッケージ内において、前記光ファイバを湾曲させた状態で固定してなり、
   前記フェルールホルダがフランジ部を有し、該フランジ部はフェルール中心軸に向かって中心側が浮いた状態で前記ステムと接合されることを特徴とする光素子モジュール。
2. 前記挿通管の内側面における前記光素子側の端部がテーパ形状であることを特徴とする請求項１記載の光素子モジュール。

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