JPH02130510A - 光半導体モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 概要 光半導体モジュールに関し、 高い光結合効率を維持するのに適した光半導体モジュー
ルの提供を目的とし、 光半導体チップ、レンズ系及び光ファイバ端末部からな
る光学系構成要素がこの順で光軸上に配置されるように
これらを所定の位置関係で筐体内に固定保持してなる光
半導体モジュールにおいて、上記光学系構成要素のうち
の少なくとも２つの光学系構成要素と上記筐体との間に
、上記光軸に垂直な平面上で互いに異なる方向に独立し
て変形可能なピエゾ素子をそれぞれ介在させ、該ピエゾ
素子への印加電圧を調整することにより上記少なくとも
２つの光学系構成要素の位置調整を可能にする。

産業上の利用分野 本発明は光半導体モジュールに関する。

光ファイバを光伝送路として使用する例えば光伝送シス
テムにおいては、半導体レーザ（ＬＤ）及び発光ダイオ
ード（ＬＥＤ）等の光半導体チップから放射された光を
光ファイバ内に導入するために、光半導体チップと光フ
ァイバ端末部とを所定の位置関係で固定しこれらの間に
集光用のレンズ系を設けてなる光半導体モジュールが使
用される。この種の光半導体モジュールにおいては、光
学系構成要素相互間の位置関係が直接的に光結合効率に
影響を及ぼすので、各構成要素については例えば１μｍ
以下という極めて高い精度で位置の確定がなされている
ことが要求される。又、長期間この位置の確定状態が維
持されることが要求される。

従来の技術 第１０図は従来の光半導体モジュールの一例を示す破断
側面図である。光半導体チップ１２はチップマウント１
４に固定されており、チップマウント１４は台座１６に
固定されている。台座１６から突出する駆動用の電極端
子１８．２０と光半導体チップ１２との電気的な接続は
、ポンディングワイヤ２２等を用いてなされている。２
４は第ルンズホルダ２６に例えば圧入固定された第ルン
ズであり、第ルンズホルダ２６はチップマウント１４に
固定されている。そして、光半導体チップ１２及び第ル
ンズ２４は、光軸貫通部分に透明窓２８が設けられたパ
ッケージ３０により気密封止されている。３２は第２レ
ンズホルダであり、その中心孔には第２レンズ３４が例
えば圧入固定されている。光ファイバコード３６から導
出される光ファイバ３８は、フェルール４０に挿入固定
されており、光ファイバコード３６の端末部分とフェル
ール４０は、円筒状部材４２に挿入固定されている。４
４は円筒状部材４２が挿入固定されるフランジ付のホル
ダである。

そして、光半導体チップ１２から放射された光が第ルン
ズ２４及び第２レンズ３４により集束されて高い光結合
効率で光ファイバ３８に入射するように各部材の位置調
整を行ったのち、パッケージ３０と第２レンズホルダ３
２とホルダ４４とを半田付け、レーザ溶接等により一体
的に相互固定することによって、このモジュールは組み
立てられている。

発明が解決しようとする課題 第１０図に示される光半導体モジニールにあっては、そ
の製造時には光軸調整により高い光結合効率を得ること
ができるものの、使用環境条件の温度が変化すると、熱
膨張あるいは収縮により各部材が微小変形し、その結果
、光学系構成要素相互間の相対的位置関係がモジュール
製造時とは異なったものとなり、光結合効率が低下する
場合があった。又、部材間の機械的な結合を例えば半田
付により行っている場合には、半田固化後のいわゆるク
リープ現象により光学系構成要素相互間の相対的な位置
関係が非可逆的に変化し、モジュール製造当初の光結合
効率が長期間にわたり安定に維持されないという問題が
生じていた。

本発明はこのような事情に鑑みて創作されたもので、高
い光結合効率を維持するのに適した光半導体モジュール
の提供を目的としている。

課題を解決するための手段 第１図は本発明の原理図である。

本発明は、光半導体チップ１、レンズ系２及び光ファイ
バ端末部３からなる光学系構成要素がこの順で光軸ＯＡ
上に配置されるようにこれらを所定の位置関係で筐体４
内に固定保持してなる光半導体モジニールに適用するこ
とができる。尚、第１図においては、説明の便宜上、光
軸ＯＡと平行な方向を２軸とし、ｚ軸と垂直な平面をｘ
ｙ平面とする直交３次元座標系が設定されている。

一般に、上記構成の光半導体モジュールでは、第２図に
示すように、光学系構成要素のｘ、ｙ方向のトレランス
、つまり、当該光学系構成要素について所定の光結合効
率（η）を確保するのにＸ。

ｙ方向に許容され得る位置ずれ量ＴＩＩＩＹ　は、２方
向のトレランスＴ２　と比較して小さい。従って、部材
の温度変化による変形又は経時的変形に起因する光結合
効率の低下に対処するためには、いずれかの光学系構成
要素をｘｙ平面上で微小移動させることが有効である。

そこで、本発明では、上記光学系構成要素１゜２．３の
うちの少なくとも２つの光学系構成要素と筐体４との間
に、光軸ＯＡに垂直な平面（ｘｙ平面）上で互いに異な
る方向に独立して変形可能なピエゾ素子５をそれぞれ介
在させ、ピエゾ素子５への印加電圧を調整することによ
り上記少なくとも２つの光学系構成要素の位置調整を可
能にしている。

尚、第１図においては、例示的に、光学系構成要素のう
ちのレンズ系２及び光ファイバ端末部３と筐体４との間
にピエゾ素子５を介在させ、ピエゾ素子５の変形方向が
それぞれＸ方向及びｙ方向であるとして図示されている
。

作　　　用 本発明の構成において、光学系構成要素のうちの少なく
とも２つの光学系構成要素と筐体との間にｘｙ平面上で
互いに異なる方向に独立して変形可能なピエゾ素子をそ
れぞれ介在させているのは、電圧印加によるピエゾ素子
の変形方向は一方向であり、いずれか１つの光学系構成
要素の位置調整を可能にしても、部材の温度変化による
変形又は経時的変形に起因する光結合効率の低下に対処
することができないからである。

又、光学系構成要素を２方向に調整可能にすることを本
発明構成要件に加えていないのは、第２図により説明し
たように、部材の温度変化による変形又は経時的変形に
起因する光学系構成要素相互間の相対的な位置関係のず
れが２方向のトレランスＴ８よりも一般に十分小さく、
これに対処する必要がないからである。

このように、本発明によれば、必要最小限な簡単な構成
により光学系構成要素の有効な位置調整を行うことがで
きるから、部材の温度変化による変形又は経時的変形に
起因する光結合効率の低下に十分対処することができる
。

一方、モジニールの組立時について考えてみると、組立
時に必ずしも高い光結合効率を達成していなくとも組立
後に光学系構成要素の位置調整を行うことにより高い光
結合効率を達成することができるので、製造作業性が向
上する。

実　　施　　例 以下本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第３図は本発明の実施例を示す光半導体モジュールの破
断側面図であり、第４図は第３図におけるｒＶ−ｒＶ線
に沿った断面図である。尚、従来例を示す第１Ｏ図にお
けるものと実質的に同一の部分には同一の符号を付すと
ともにその説明を一部省略する。

５２はパッケージ３０を覆うように台座１６に固定され
たケースである。ケース５２の内部には、第３図中上下
方向に変形可能なピエゾ素子５４が固定されており、ピ
エゾ素子５４の上端面には、第２レンズ３４が固定され
ている。ケース５２の内部には又第３図紙面に垂直な方
向に変形可能なピエゾ素子５８が固定されており、光フ
ァイバ３８の端末部はピエゾ素子５８の上端面に固定さ
れている。５６は光ファイバ３８の根元部及び光ファイ
バコード３６本体が挿入固定されるファイバホルダであ
り、ケース５２に固定されている。ピエゾ素子５４．５
８はそれぞれ外部に導出される電極端子６０．６２に接
続されており、電極端子６０．６２に印加する電圧を調
整することによって、ピエゾ素子５４．５８の変形量を
調整することができるようになっている。この構成によ
り、第２レンズ３４を第３図中上下方向に変位させるこ
とができ、又、光ファイバ３８は可撓性を有しているか
らこれを第３図紙面に垂直な方向に変位させることがで
き、電極端子６０．６２に印加する電圧を調整すること
によって、常に最大の光結合効率を得ることができる。

尚、各部材の相互固定は半田付により行うことができる
。この場合、第２レンズ３４、光ファイバ３８等の直接
半田付を行うことができないものについては、半田付面
にＡｕ等の半田付可能な金属を蒸着しておけば良い。

第５図乃至第８図により、温度変化による部材の変形に
起因する光結合効率の低下を防止する手段を説明する。

第５図（ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ０℃、２５℃、６０℃
において、ピエゾ素子５４゜５８のうちの一方に印加す
る電圧を変化させたときの光出力の変化を示すグラフで
ある。尚、他方のピエゾ素子に印加する電圧は当該温度
において最大光出力が得られるように調整されているも
のとする。同図から明らかなように、各温度において最
大光出力を与える印加電圧Ｖ。、　Ｖ、、、　Ｖ、。

が異なっている。

第６図はモジニールの温度を変化させたときの、最大光
出力を与える印加電圧の変化を示すグラフである。同グ
ラフから明らかなように、最大光出力を与える印加電圧
は温度に応じて一義的に決定される。従って、モジニー
ルを使用するに際して、モジュールの温度を実測し、測
定された温度に対して最適な印加電圧を与えることによ
り、常に最大光出力が得られることになる。

第７図は温度変化によらず常に最大の光出力を得るため
の全体構成を示す図である。７２は第３図及び第４図に
示される光半導体モジニールであり、このモジニールは
駆動回路７４により駆動されている。光半導体モジュー
ル７２０ケースには温度センサ７６が取り付けられて詣
り、その検知出力信号は印加電圧設定回路７８に入力さ
れる。

印加電圧設定回路７８は、この光半導体モジ５−ルア２
について第６図に示すような印加電圧と温度の関係を示
すグラフに相当するデータテーブルを保有しており、温
度変化によらず常に最大光出力を得ることができるよう
な印加電圧を設定し、増幅器８０を介して当該電圧を電
極端子６０．６２に印加する。

第８図は印加電圧設定回路の具体例を示す図である。８
１は温度センサ７６の検知信号をアナログ−デジタル変
換するＡ／Ｄ変換器、８２は検出温度において最大光出
力を与える印加電圧を算出するＣＰＵ　（中央演算ユニ
ット）、８４はＣＰＵ８２の演算結果を一時的に記憶す
るＲＡＭ　（ランダムアクセスメモリ）、８６はＣＰＵ
８２における演算手順及び上記データテーブルが記憶さ
れているＲＯＭ　（リードオンリメモリ）、８８はデジ
タル信号で与えられる演算結果をデジタル−アナログ変
換するＤ／Ａ変換器であり、これらの各構成要素はデー
タバス９０により相互接続されている。

このように本実施例によれば、温度変化によらず常に最
大光出力を得ることができるので、熱膨張及び熱収縮が
少ない特殊な材料を用いてケース等を形成する必要がな
く、光半導体モジニールを安価に提供することができる
。

第９図は部材の非可逆的な経時的変形に起因する光出力
の低下を防止するための全体構成を示す図である。この
実施例では、光伝送路としての光ファイバコード３６の
途中に光カプラ等の光分配器９２を設け、分配された分
岐光をホトダイオード等を用いて構成される受光器９４
により受光して右き、受光器９４の出力を制御回路９６
に入力している。制御回路９６は、入力される受光信号
レベルが最大となるように、ピエゾ素子への印加電圧を
フィードバック制御する。制御回路９６は通常のアナロ
グ回路を用いることにより容易に構成することができる
のでその詳細な構成の説明を省略するが、第７図及び第
８図に示される実施例に準じてマイクロコンビエータを
用いたデジタル回路とすることもできる。このようなフ
ィードバック制御系を構成すれば、光半導体モジュール
７２０ケース等の部材が非可逆的に経時変形したとして
も、この影響を排除して常に高い光出力を得ることがで
きる。

以上の実施例では、第２レンズ及び光ファイバ端末部と
ケースとの間にそれぞれピエゾ素子を介在させているが
、第ルンズ等の他の光学系構成要素とケースとの間にピ
エゾ素子を介在させるようにしても良い。

発明の効果 以上詳述したように、本発明によれば、高い光結合効率
を維持するのに適した光半導体モジュールを提供するこ
とが可能になるという効果を奏する。

その結果、 〈１）　モジュールを組み立てから印加電圧を調整する
ことにより光軸調整を行うことができるので、組立時の
高精度な光軸調整が不要になり、製造作業性が向上する
。

（２）　モジュールに外部から衝撃等が加わって光出力
が著しく低下したときに、モジニールを分解することな
しに印加電圧の調整により光軸調整を行うことができる
。

（３〉　第５図乃至第８図に示される実施例のような全
体構成とすることにより、温度変化による部材の変形に
起因する光出力の低下を防止することができる。

（４）　　　（３）の結果、ケース等の部材の材質とし
て熱膨張係数の小さい高価な材料を用いることが不要に
なるので、光半導体モジュールを安価に提供することが
できる。

（５）　第９図に示す実施例のような全体構成とするこ
とによって、ケース等の部材の非可逆的な経時的変形に
起因する光出力の低下を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理図、 第２図は本発明の原理説明補助図、 第３図は本発明の実施例を示す光半導体モジュールの破
断側面図、 第４図は第３図におけるＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図、 第５図は光出力とピエゾ素子への印加電圧との関係を示
すグラフ、 第６図は最大光出力を与える印加電圧と温度との関係を
示すグラフ、 第７図は第３図及び第４図に示される光半導体モジニー
ルの使用例を示す図、 第８図は第７図に示される印加電圧設定回路の具体例を
示す図、 第９面は第３図及び第４図に示される光半導体モジュー
ルの他の使用例を示す図、 第１０図は従来の光半導体モジュールの破断側面図であ
る。 １．１２・・・光半導体チップ、 ２・・・レンズ系、 ３・・・光ファイバ端末部、 ４・・・筐体、 ５．５４．５８・・・ピエゾ素子、 ２４・・・第ルンズ、 ３４・・・第２レンズ、 ３８・・・光ファイバ。 ３：　ｔファイ）＼゛す市木査丁

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 光半導体チップ（１）、レンズ系（２）及び光ファイバ
   端末部（３）からなる光学系構成要素がこの順で光軸（
   ＯＡ）上に配置されるようにこれらを所定の位置関係で
   筺体（４）内に固定保持してなる光半導体モジュールに
   おいて、 上記光学系構成要素（１，２，３）のうちの少なくとも
   ２つの光学系構成要素と上記筐体（４）との間に、上記
   光軸（ＯＡ）に垂直な平面上で互いに異なる方向に独立
   して変形可能なピエゾ素子（５）をそれぞれ介在させ、 該ピエゾ素子（５）への印加電圧を調整することにより
   上記少なくとも２つの光学系構成要素の位置調整を可能
   にしたことを特徴とする光半導体モジュール。