JPH02203306A - 光半導体チップと光ファイバの光学的結合構造 - 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 光半導体チップと光ファイバの光学的結合構造に関し、 温度変化が与えられたときに光ファイバに熱応力が加わ
るのを防止することを目的とし、筐体内部に固定された
光半導体チップと筐体外部から筐体内部に導入された光
ファイバとの光学的結合構造において、光ファイバの端
部近傍の部分を光ファイバの外径よりもわずかに大きい
内径を有するキャピラリーパイプに摺動自在に挿入し、
該キャピラリーパイプを筐体内部に固定し、筐体の光フ
ァイバ導入孔を封止することによって光ファイバを筐体
に固定して構成する。

産業上の利用分野 本発明は光半導体チップと光ファイバの光学的結合構造
に関する。

ＬＤ（半導体レーザ）及びＬＥＤ　（発光ダイオード）
等の発光系の光半導体チップ又はフォトダイオード等の
受光系の光半導体チップと光ファイバとを光学的に結合
する場合には、光半導体チップと光ファイバの相対的な
位置関係が直接的に光結合効率に影響を及ぼす。このた
め、高い結合効率で光半導体チップと光ファイバとを光
学的に結合するためには、光半導体チップと光ファイバ
の端部とが所定の位置関係になるようにこれらを機械的
に結合し、維持する必要がある。一方、近年、光伝送シ
ステムの適用範囲が拡大されるにつれ、光デバイスが種
々の環境条件で使用されるようになっており、光半導体
チップと光ファイバとを光学的に結合するに際して、特
に温度変化の影響を受けないことが要求される。以下、
発光系の光半導体チップを中心に本発明を説明するが、
光の伝搬方向の可逆性により、受光系の光半導体チップ
についても本発明を適用し得る。

従来の技術 第８図（ａ）は光半導体チップと光ファイバの従来の光
学的結合構造の一例を示す図であり、ＬＤモジニールの
断面構成が示されている。３１はモジュールの筐体、３
２は筐体３１の外部から内部に導入された光ファイバ、
３３は筐体３１の内部に固定保持されたＬＤチップであ
る。光ファイバ３２の先端部には、レンズ作用を持たせ
るためにテーパ先球部３２ａが形成されており、テーパ
先球部３２ａ及び筐体３１の外部に相当する部分を除い
て光ファイバ３２０表面には、半田付けを行うために例
えばＡｕメツキが施されている。ＬＤチフプ３３と光フ
ァイバ３２とを光学的に結合するに際しては、テーパ先
球部３２ａをＬＤチップ３３に対して２方向（光ファイ
バ３２の軸方向）とＸＳ’１方向（２方向に垂直な方向
）について位置調整して、最大結合効率が得られるとこ
ろで光ファイバ３２をテーパ先球部３２ａの近傍にて筐
体３１に対して半田付は固定（３４）する。

そして、筐体３１の光ファイバ導入孔３１ａにて例えば
光ファイバ３２を筐体３１に半田付は固定（３５）する
ことによって、このモジニールの気密封止を行う。な右
、気密封止を行っているのは、ＬＤチフプ３３に対する
湿度の影響等を排除するためである。

発明が解決しようとする課題 通常、石英からなる光ファイバの熱膨張係数は極めて小
さい。一方、通常、金属からなる筐体の熱膨張係数は光
ファイバ熱膨張係数と比較して大きい。このため、光半
導体チップと光ファイバの従来の光学的結合構造のよう
に光ファイバが二点支持（半田付は部分３４；３５）で
ある場合には、モジュールに温度変化が与えられた時に
、特に、断面積が著しく小さい光ファイバに大きな熱応
力が生じ、はなはだしい場合には、第８図（ｂ）に示す
ように、二点支持部の間にて光ファイバが破断する。光
ファイバが破断するに到らなくても、光ファイバに応力
が加わると複屈折性が生じ、偏波面０制御が不可欠であ
る例えばコヒーレント光伝送方式において動作特性が不
安定になる。

本発明はこのような事情に鑑みて創作されたもので、光
半導体チップと光ファイバとを光学的に結合するに際し
て、温度変化が与えられたときに光ファイバに熱応力が
加わるのを防止することを目的としている。

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。

１は筐体、２は筐体１内部に固定された光半導体チップ
、３は筐体ｌ外部から筐体１内部に導入された光ファイ
バである。

光ファイバ３の端部近傍の部分は、光ファイバ３の外径
よりもわずかに大きい内径を有するキャピラリーパイプ
４に摺動自在に挿入されている。

キャピラリーパイプ４は、筺体１内部に固定されている
。

そして、筐体１の光ファイバ導入孔５を封止することに
よって、光ファイバ３は筐体ｌに固定されている。

なお、第１図において、０．０で示されるのは、光半導
体チップ２と光ファイバ３の光学的結合部であり、具体
的には、光ファイバ３をテーパ先球光ファイバとしてレ
ンズを光ファイバと一体的に形成するか、光半導体チッ
プ２と光ファイバ３間に別体のレンズを介在させるか、
あるいは、光半導体チップ２と光ファイバ３とを単に近
接させることによって構成されている。

作　　　用 本発明の構成によれば、光ファイバ３の端部近傍の部分
を光ファイバ３の外径よりもわずかに大きい内径を有す
るキャピラリーパイプ４に摺動自在に挿入しているので
、温度変化が与えられて筺体１及び光ファイバ３が膨張
又は収縮したとしても、筐体１の熱膨張係数と光ファイ
バ３の熱膨張係数との差に応じて光ファイバ３がキャピ
ラリーバイブ４に対して摺動し、光ファイバ３に熱応力
が生じるおそれがない。この場合、ファイバ軸方向にお
ける光半導体チップ２と光ファイバ３間の距離が温度変
化に応じて変化するが、この距離の変化は、後述するよ
うに、結合損失にほとんど影響を及ぼさない。

光半導体チップ２と光ファイバ３間の距離及び軸ずれの
結合損失に与える影響について第２図乃至第５図により
考察する。

第２図に示すように、光半導体チップ２及び光ファイバ
３が同一の光軸ＯＡ　（ｚ方向）を共有している場合、
光半導体チップ２と光ファイバ３間の距離り、　　（μ
ｍ）が変化すると、結合損失Ｌ（ｄＢ）はり、の変化に
応じて第３図に示すように変化する。第３図は、光半導
体チップ２がＬＤチップであるとし、そのスポットサイ
ズが０．８８μｍであるとしたときの計算値に基づいて
描かれているが、実験値も±５％以内で一致しているこ
とが確認されている。グラフから明らかなように、結合
損失を１　　（ｄＢ）変化させる光半導体チップと光フ
ァイバの離間距離の変化は１５（μｍ）以上であり、比
較的に大きい。

これに対し、結合損失増加量ｄＬ（ｄＢ）と軸ずれり、
　　（μｍ）との関係（第５図）においては、微少な軸
ずれに対して結合損失が比較的大きく変化する。第５図
は、第３図に示す離間距離り。

（μｍ）がそれぞれ２０．５０，１００μｍである場合
において、第４図に示すように、光半導体チップ２の光
軸ＯＡ　＋と光ファイバ３の光軸ＯＡｔとを互いに釉ず
れさせたときの、それぞれの結合損失からの結合損失増
加量と軸ずれとの関係を示すグラフである。このグラフ
も計算値に基づいて描かれているが、実験値が±５％以
内で一致するごとが確認されている。

第２図乃至第５図により説明した事実に着目すると、本
発明においてキャピラリーパイプを使用することの技術
的優位性が明らかになる。すなわち、キャピラリーパイ
プ４を使用することによって、光ファイバ３に熱応力が
生じることを防止するだけでなく、光ファイバ３を、結
合損失に影響を与える光軸に垂直な方向（ｘ、ｙ方向）
に拘束して、結合損失が増大することを防止しているも
のである。従って、本発明の構成において、キャピラリ
ーパイプ４の内径が光ファイバ３の外径よりもわずかに
大きいというのは、光ファイバ３がキャピラリーバイブ
４内で光軸に垂直な方向に移動することによって結合損
失が変化することがない程度に大きいという意味である
。

又、本発明によれば、キャピラリーパイプ４により光フ
ァイバ３の端部近傍の部分を保持しているので、光半導
体チップ２の配設位置の自由度が増すという作用もある
。すなわち、キャピラリーパイプ４を用いない場合には
、光ファイバ３が片持ち梁状になり筐体ｌ内部にふける
光ファイバ長さを著しく短くする必要があり、光半導体
チップ２を筐体１の壁面近傍に設けることを余儀なくさ
れるのと比較して、本発明によれば、光半導体チップ２
の配設位置の自由度が増す。

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６図は本発明の実施例を示すＬＤモジュールの斜視図
、第７図はその断面図である。１２は半田付は可能な金
属からなる筐体であり、この筐体１２の内部には、セラ
ミクス等の絶縁体からなる基板１４が設けられている。

１６は基板１４上に固定されたヒートシンクであり、こ
のヒートシンク１６上にはＬＤチップ１８がグイボンデ
ィングされている。２０は筐体１２の側面に設けられた
光ファイバ導入孔１２ａを介して筐体１２の外部から内
部に導入される光ファイバであり、この光ファイバ２０
の先端部にはＬＤチップ１８との光結合効率を高めるた
めにテーパ先球部２０ａが形成されている。テーパ先球
部２０ａは光ファイバ２０を部分的に加熱して延伸する
ことにより切断し、切断部をさらに加熱″することによ
って、溶融石英の表面張力の作用により形成することが
できる。なお、筐体の光ファイバ導入孔１２ａに対応す
る光ファイバ２０の部分には、光ファイバ２０を筐体１
２に半田付は固定するために、Ａｕ蒸着がなされている
。

２２はその概略中心部に細孔２２ａが形成された円筒形
状のキャピラリーバイブであり、このキャピラリーバイ
ブ２２は、細孔２２ａに光ファイバ２０を摺動自在に挿
入した状態で、基板１４上に固定された台座２６上に半
田２４により固定されている。キャピラリーバイブ２２
は、例えばアルミナセラミックを材質として光コネクタ
におけるフェルールの通常の製造方法により製造するこ
とができ、このため、細孔２２Ｈの直径の製造誤差を１
μｍ以内におさめることができる。従って、細孔２２ａ
の直径を光ファイバ２０の直径よりもわずかに大きく設
定しておくことによって、テーパ先球部２０ａを軸ずれ
させることなくキャピラリーバイブ２２により光ファイ
バ２０を摺動自在に保持することができる。

次に、テーバ先球１％２０ａとＬＤチップ１８の相対位
置調整方法及び調整された相対位置の固定方法を説明す
る。まず、光ファイバ２０については、例えば筐体１２
の外部にて光軸方向（２方向）に移動可能な図示しない
微動台により保持し、キャピラリーバイブ２２について
は、光軸に垂直な方向（ｘ、ｙ方向）に移動可能な図示
しない微動台により保持しておき、光ファイバ２０に導
入されたＬＤチップ１８からの光を図示しない光強度針
によってモニタリングしておく。そして、レーザ、高周
波誘導加熱等により半田２４を溶融させた状態で、２方
向については光ファイバ２０を移動調整し、ｘ、ｙ方向
についてはキャピラリーバイブ２２を移動調整し、最大
の光結合効率となったところで半田２４の加熱を中止し
て、これを硬化させる。半田２４の冷却速度を高めるた
めに、チッ素ガス等を吹き付けるようにしてもよい。そ
して最後に、光ファイバ２０と筐体の光ファイバ導入孔
１２ａ間に半田２８を充填するとともに、図示しない蓋
部材を筐体１２にかぶせることによって、このモジニー
ルを気密封止する。なお、第６図において３０で示され
ているのは、ＬＤチップ１８又はＬＤチップの駆動回路
を外部と電気的に接続するための接続ピンであり、この
接続ピン３０は筐体１２の底面に設けられた孔に絶縁体
３２を介して貫通固定されている。

上記構成のモジニールにおいては、モジュール内部の完
全な気密封止が可能であるから、モジコール使用環境に
おける湿度が大幅に変動する場合でも、内部に水分が侵
入して故障等の原因になることかない。又、光ファイバ
２０はキャピラリーバイブの細孔２２ａに摺動自在に挿
入されているので、モジュールに温度変化が与えられた
ときに、半田２８により固定されている部分を除いて光
ファイバ２０に熱応力が作用することがない。半田２８
により固定されている部分において光ファイバ２０に作
用する熱応力は微少であるから問題ない。

モジュールに温度変化が与えられた場合、特に筐体１２
が光ファイバ２０と比較して大きく膨張又は収縮するの
で、テーパ先球部２０ａとＬＤチップ１８間の距離が温
度変化に応じて変化するが、これに伴う結合効率の変動
は前述したように著しく小さい。

本実施例ではキャピラリーバイブ２２の材質としてアル
ミナセラミックを用いたが、この他にジルコニアセラミ
ック、ルビー、サファイア等も使用可能である。又、キ
ャピラリーバイブの固定は、半田による他に、エポキシ
系接着剤、紫外線硬化型接着剤等によって行うことも可
能である。

上記実施例では、光ファイバのＬＤチップ側にテーパ先
球部が形成されている場合について本発明を説明したが
、ＬＤチップ等の発光系の光半導体チップと光ファイバ
との間に別体のレンズ系が介在している場合にも本発明
を適用可能である。

又、フォトダイオード等の受光系の光半導体チップが用
いられている場合にも本発明は適用可能である。この場
合、テーパ先球部、別体のレンズ系を用いることなしに
、比較的高い光結合効率を得ることができるので、単に
光ファイバ端面と受光系の光半導体チップとを近接させ
るようにしてもよい。

発明の詳細 な説明したように、本発明の光半導体チップと光ファイ
バの光学的結合構造によれば、温度変化が与えられたと
きに光ファイバに熱応力が加わるのを防止することがで
きるようになるという効果を奏する。この場合、光ファ
イバは光軸に垂直な方向に対してキャピラリーパイプに
より拘束されているので、光結合効率の変動が極めて小
さいという利点もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理図、 第２図は光半導体チップと光ファイバの相対位置関係を
示す図、 第３図は結合損失Ｌ　（ｄＢ）とＬＤ・光ファイバ間の
距離り、　　（μｍ）との関係を示すグラフ、第４図は
光半導体チップと光ファイバの相対位置関係を示す図、 第５図は結合損失増加量（ＩＬ（ｄａ）と軸ずれり。 （μｍ）との関係を示すグラフ、 第６図は本発明の実施例を示すＬＤモジュールの斜視図
、 第７図は同モジュールの断面図、 第８図は光半導体チップと光ファイバの従来の光学的結
合構造を示す断面図である。 １．１２・・・筐体、 ２・・・光半導体チップ、 ３．２０・・・光ファイバ、 ４．２２・・・キャピラリーバイブ、 ５．１２ａ・・・光ファイバ導入孔、 １８・・・ＬＤチップ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 筐体（１）内部に固定された光半導体チップ（２）と筐
   体（１）外部から筐体（１）内部に導入された光ファイ
   バ（３）との光学的結合構造において、 光ファイバ（３）の端部近傍の部分を光ファイバ（３）
   の外径よりもわずかに大きい内径を有するキャピラリー
   パイプ（４）に摺動自在に挿入し、 該キャピラリーパイプ（４）を筐体（１）内部に固定し
   、筐体（１）の光ファイバ導入孔（５）を封止すること
   によって光ファイバ（３）を筐体（１）に固定したこと
   を特徴とする光半導体チップと光ファイバの光学的結合
   構造。