JP4308049B2 - 半導体素子モジュール - Google Patents

Description

本発明は、半導体レーザなどの半導体発光体、レンズ、及びアイソレータとを筐体に内蔵する半導体素子モジュールに関し、特に、半導体発光体から出射される光を、光ファイバによりモジュールの外部に導出するための半導体素子モジュールに関する。

光通信や光計測の分野において、半導体レーザ、発光ダイオードなどの半導体発光体から出射される光を、様々な用途に利用するため、光ファイバを介して伝送することが行われている。
特に、半導体発光体を含む光学部品の組立・設置や、半導体発光体からの出射光の光ファイバへの導入など、半導体発光体に係る取扱いを容易にするため、予め、半導体発光体と、該半導体発光体から出射される光をコリメート又は集光するレンズと、該光をアイソレートするアイソレータとを同一の筐体内に内蔵すると共に、半導体発光体から出射する光の光路上に光ファイバを配置固定した半導体素子モジュールが実用化されている。

半導体素子モジュールの例としては、以下の特許文献１又は特許文献２に開示されているものなどが知られている。
特許文献１に記載の半導体レーザモジュールは、図１に示すように、壁面に光アイソレータの先端部よりもわずかに大きい貫通孔が形成された金属ケースを備えている。金属ケースの内部には半導体レーザ、集光用レンズなどを搭載した金属ベースがペルチェ素子を介して取り付けられ、光アイソレータの先端部と金属ケースの貫通孔とが半田により密着固定されている。さらに、金属ケースの開口は金属蓋にて半田封止されているものである。
特開平７−１１３９３１号公報 特開平７−２０２３４５号公報

特許文献２に記載の半導体レーザモジュールは、図２に示すように、半導体レーザと、光を集光するレンズと、レンズを固定するレンズホルダとが収容され、レンズから出射される光の光路方向に貫通孔を持つ第１の筐体と、第１の筐体の光路上にある貫通孔を通過した光を受ける光ファイバが第１の筐体の貫通孔出口部に固定され第１の筐体内を密封する部材と、第１の筐体が載置され冷却する電子冷却素子と、第１の筐体と電子冷却素子とを収容し光ファイバを導出する第２の筐体とから構成されるものである。

半導体素子モジュールにおいては、半導体レーザなどの半導体発光体から出射する光を、精度良く光ファイバに導入することが必要であり、他方、半導体レーザなどの光学部品への埃などの汚れが付着するのを防止するため、半導体モジュール内を気密保持することも必要となる。
特に、半導体素子モジュールの組立において、光学部品を組み込んだ筐体を封止する際には、モジュール全体を加熱することが必要となり、しかも、金属蓋等を筐体に被せて封止した後に半導体素子モジュールを冷却すると、金属蓋と筐体との形状の違いにより、筐体自体が歪むなどの状態が発生する。このため、光学部品間の位置ズレが発生し、半導体発光体及び光ファイバを含む光学部品間の光学的結合性能が劣化し、光ファイバからの光出力が低下する原因となる。
また、半導体発光体が発生する熱や半導体素子モジュールの利用環境の温度変動などにより、光学部品間の位置ズレを生じる結果となる。

図１の場合においては、光アイソレータは、金属ケースに設けた貫通孔に挿入・固定され、かつ、集光用レンズを保持する金属ベースにも固定されている。このため、金属蓋による気密封止時には、特に、アイソレータと貫通孔との接続部や、アイソレータと金属ベースとの接続部に、熱的応力が加わり、光学部品間の位置ズレを生じる原因となる。しかも、アイソレータと貫通孔の接続部においては、気密不良の原因ともなる。
また、半導体レーザモジュールの使用時には、半導体レーザからの熱や環境温度の変化により、ペルチェ素子により所定温度に維持される金属ベースと、半導体レーザモジュールを構成する筐体である金属ケースとの間に、温度差が生じる結果となるため、上述した各接続部への応力の付加が発生し、光学部品の位置ズレなどの原因となる。

さらに、アイソレータと光ファイバとの接合に際しては、アイソレータの接合面を形成する材料と光ファイバを保持するフェルールやスライドリングの材料とが異なるため、両者の接合強度を高めるためには、接合面積が大きくする必要があるため、フェルール又はスライドリングが大型化するとう問題を生じる。
しかも、金属ケースには、アイソレータを挿入・固定可能な大きな貫通孔を必要とするため、長期間に渡り気密性を維持することが難しい。

図２の場合においては、第１の筐体を気密封止すると共に、該第１の筐体を第２の筐体内に収納する構成となっており、構造が複雑化する上、部品点数も多く、製造コストが高くなる。
しかも、アイソレータと光ファイバとは、アイソレータを保持する保持部材とスリーブとにより、両者は離間して配置されている。このため、第１の筐体は、電子冷却素子により所定温度に保持されているにも拘らず、上記保持部材やスリーブなどが温度変化するため、半導体レーザ及びレンズと、光ファイバの先端との距離が変動し、半導体レーザからの出射光を、光ファイバに精度良く導入することが困難となる。

本発明の目的は、上述した問題を解決し、半導体素子モジュールに係る部品点数を削減し、低コスト化及び製造の容易性を図ると共に、該モジュールの筐体の気密封止工程や該モジュールの使用時の温度変化に対しても、光学部品間のズレを抑制し、安定した光出力を確保することが可能な半導体素子モジュールを提供することである。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明では、半導体発光体と、該半導体発光体から出射される光を集光するレンズと、該光をアイソレートするアイソレータとを筐体に内蔵する半導体素子モジュールにおいて、該半導体発光体、該レンズ、及び該アイソレータを同一の支持体上に配置し固定すると共に、該アイソレータにおける該レンズと反対側のガラス材料で構成される面に、ガラス材料で構成される光ファイバの端面及び該光ファイバを保持するガラス材料で構成されるキャピラリの端面を直接接合し、さらに、該レンズが該半導体発光体からの光を該光ファイバの端面に集光するように配置されていることを特徴とする。

また、請求項２に係る発明では、請求項１に記載の半導体素子モジュールにおいて、該光ファイバが該筐体内で撓むように、該光ファイバの一部が該筐体に固定されていることを特徴とする。

請求項１に係る発明により、同一の支持体上に、半導体発光体、レンズ、及びアイソレータを配置し固定すると共に、該アイソレータには光ファイバの端面が固着されているため、半導体素子モジュールの光出力に係る全ての光学部品を、実質的に単一の支持部材上に配置・固定することとなり、各光学部品間又は光学部品と筐体等との接合部に加わる温度変化による応力を緩和できると共に、前記支持体を所定温度に保持することで、温度変化による光学部品間の位置ズレを抑制することも可能となる。
しかも、前記支持体を筐体内に配置して気密封止を行うことにより、気密封止工程に係る温度変化で、仮に気密封止後の筐体に歪みが生じても、支持体に歪みの影響が及ばない限り、光学部品間の位置ズレが生じることはない。

また、請求項１に係る発明により、レンズが半導体発光体からの光を光ファイバの端面に集光するように配置されているため、光ファイバの端面をアイソレータの側面に接続するだけで、半導体発光体から出射する光を、光ファイバに精度良く導入することが可能となる。

さらに、請求項１に係る発明により、アイソレータに対して光ファイバをキャピラリを用いて直接接合しているため、光ファイバをより強固にアイソレータへ固着することが可能となる。
しかも、アイソレータは偏光子と回転子とが組み合わさる構造となっているため、アイソレータの両側にはガラスで構成される偏光子が配置されている。他方、光ファイバとキャピラリはガラス材料で構成されているため、すなわち、請求項１に係る発明のように、アイソレータにおけるレンズと反対側の面を構成する部材、光ファイバ及びキャピラリはガラス材料で構成されるため、アイソレータと光ファイバ及びキャピラリとの接合はガラス同士の接続となり、少ない接続面積で強固な固定を実現することができる。

請求項２に係る発明により、光ファイバが筐体内で撓むように、光ファイバの一部が筐体に固定されているため、光ファイバに掛る外部応力が、アイソレータと光ファイバとの接合部に伝達されることを抑制でき、光学部品間の位置ズレを防止することが可能となる。
また、光ファイバと筐体との固定に際しては、筐体に設ける貫通孔の大きさも極めて小さいものとすることができるため、気密封止状態を容易に形成でき、長期間に渡り高い気密性を維持することが可能となる。

しかも、光ファイバが筐体内で撓むように構成されているため、筐体自体に歪みが生じても、光ファイバとアイソレータとの接合部や、光ファイバと筐体との固定部に掛る応力が緩和されるため、光学部品間の位置ズレや光ファイバ自体の断線などを生じることもない。

以下、本発明を好適例を用いて詳細に説明する。
本発明は、半導体発光体と、該半導体発光体から出射される光を集光するレンズと、該光をアイソレートするアイソレータとを筐体に内蔵する半導体素子モジュールにおいて、該半導体発光体、該レンズ、及び該アイソレータを同一の支持体上に配置し固定すると共に、該アイソレータにおける該レンズと反対側の面に、光ファイバの端面を固着することを、主な特徴とするものである。

具体的には、図３に示すように、セラミック材料などで形成される支持体５上には、半導体発光体１である半導体レーザ、半導体レーザの出力光をモニタするための受光素子２、半導体レーザの出射光を光ファイバ６の端面に集光させるためのレンズ３、及び半導体レーザへの戻り光を防止するためのアイソレータ４が配置、固定されている。

アイソレータ４のレンズ３と反対側の面には、光ファイバ６が接合され、該接合強度を向上するため、キャピラリ７が利用されている。
これらの接合には、紫外線硬化性接着剤など、ガラス部材間の接続方法として公知の技術が利用可能であり、しかも、ガラス部材間の接合は、ガラス部材と他の材質部品との接合と比較して、極めて強固な接合を実現できるため、従来のフェルールやスライドリング、又はスリーブなどを利用した接合方法より、接合面積を小さくすることが可能となる。キャピラリの大きさはφ１ｍｍ、長さ１ｍｍ程度でよく、半導体素子モジュールの小型化も可能となる。

支持体５は、ペルチェ素子８を介して筐体９の内面に固定されている。ペルチェ素子８は、半導体レーザの出力光の安定や、支持体の温度変化による変形などを抑制するため、半導体レーザや支持体を所定温度に保持するのに利用される。

光ファイバ６を半導体素子モジュールの外部に導出するためには、筐体９の一側面に貫通孔を設け、該貫通孔にスリーブ１０を介して光ファイバ６を筐体９に固定する。固定方法としては、スリーブ１０と光ファイバを接着剤で固定し、該スリーブ１０と筐体９とは、金錫、銀ろうなど融点が高い材料で固定される。
筐体９に設ける貫通孔は、スリーブ１０を挿入可能な径を有するだけで良いため、貫通孔の大きさを最小限とすることが可能となり、半導体モジュールの製造が容易となるだけでなく、長期間に渡り安定した気密性を確保することが可能となる。

また、アイソレータ４と筐体９の貫通孔との間において、光ファイバ６を撓む状態にて固定することにより、後述する蓋１１の封止工程や外部環境の温度変化によるアイソレータと筐体の貫通孔との間の距離の変化や、半導体素子モジュールの外部から光ファイバに加わる衝撃などに対して、光ファイバがこれらの変化を吸収するため、アイソレータ４と光ファイバ６との接合部への影響を抑制することが可能となるため、光学部品間の位置ズレを防止し、光出力の安定化を図ることが可能となる。

筐体９内に必要な部品を組み込んだ後には、筐体９を金属材料などで形成された蓋１１により封止する。
蓋１１の封止方法は、筐体９に蓋１１を被せ、半田又はＹＡＧレーザ溶接などにより、両者を接合する。

半田又はＹＡＧレーザ溶接などにより筐体９が加熱される場合や、上述のように筐体９を意図的に加熱する場合などでは、筐体９の温度が、接合時と接合後の冷却時とでは異なるため、筐体９が冷却時に歪みを生じ易くなる。
しかしながら、アイソレータ４と筐体９の貫通孔との間で、光ファイバを撓む状態で固定しているため、冷却時の歪みによる半導体素子モジュールの光出力低下を抑制することが可能となる。

上記実施例で説明したように、本発明に係る半導体素子モジュールを構成する部品点数は、特許文献１又は２で示した従来のものより、格段に少なくなっており、しかも、製造工程も簡素化されるため、従来の半導体素子光モジュールより極めて低コストで製造可能となる。
なお、本発明は、以上説明したものに限られるものではなく、必要に応じて当該技術分野における公知の技術を適用可能であることは、言うまでも無い。

以上、説明したように、本発明によれば、半導体素子モジュールに係る部品点数を削減し、低コスト化及び製造の容易性を図ると共に、該モジュールの筐体の気密封止工程や該モジュールの使用時の温度変化に対しても、光学部品間のズレを抑制し、安定した光出力を確保することが可能な半導体素子モジュールを提供することができる。

従来の半導体レーザモジュールの断面を示す図である。 従来の半導体レーザモジュールの他の例の断面を示す図である。 本発明に係る半導体素子モジュールの断面を示す図である。

符号の説明

１ 半導体発光体
２ 受光素子
３ レンズ
４ アイソレータ
５ 支持体
６ 光ファイバ
７ キャピラリ
８ ペルチェ素子
９ 筐体
１０ スリーブ
１１ 蓋

Claims (2)

1. 半導体発光体と、該半導体発光体から出射される光を集光するレンズと、該光をアイソレートするアイソレータとを筐体に内蔵する半導体素子モジュールにおいて、
   該半導体発光体、該レンズ、及び該アイソレータを同一の支持体上に配置し固定すると共に、該アイソレータにおける該レンズと反対側のガラス材料で構成される面に、ガラス材料で構成される光ファイバの端面及び該光ファイバを保持するガラス材料で構成されるキャピラリの端面を直接接合し、さらに、該レンズが該半導体発光体からの光を該光ファイバの端面に集光するように配置されていることを特徴とする半導体素子モジュール。
2. 請求項１に記載の半導体素子モジュールにおいて、該光ファイバが該筐体内で撓むように、該光ファイバの一部が該筐体に固定されていることを特徴とする半導体素子モジュール。

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