JPH02239211A - 光半導体素子モジュール及びその調整組立方法 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、主に光通信に用いられる小型にして簡易な構
成を有する光半導体素子モジュール及びその調整組立方
法に関するものである。

（従来の技術） 第２図は、従来の光半導体素子モジュールを示す断面図
である。第２図において、１は光ファイバ、２は光ファ
イバ１を保持、固定したフェルール、３はフェルール２
を保持したフエルールホルダ、４はファイバ結合用レン
ズ、５は筒状のレンズホルダ、６はレーザダイオード（
以下、ＬＤと称す）、７はＬＤ６が搭載されたＬＤ搭載
用ステム、８はガラス窓８ａを有する内部が気密封止さ
れたＬＤ用窓付キャップ、９は固定部材である。

この光半導体素子モジュールにおいては、ステム７に搭
載されたＬＤ６から出射された光は、キャ１８のガラス
窓８ａを透過し、ファイバ結合用レンズ４により収束光
に変換された後、フェルール２に保持された光ファイバ
１の受光端面１ａに到達する。

従来、このＬＤから出射された光の、光ファイバ１への
結合効率を高めるため、ファイバ結合用レンズ４として
波面収差の少ないレンズ、例えば第２図に示すような、
先端に球面加工を施した分布屈折率レンズや、高屈折率
の球レンズを用い、ＬＤ６の出射光スポットサイズ（約
１μｍ）がファイバ結合用レンズ４を透過後、光ファイ
バ１の受光端面１ａ上で光ファイバ１のスポットサイズ
（約５μｍ）に一致するように、即ち、ファイバ結合用
レンズ４の倍率が約５となるように、ＬＤ６と光ファイ
バ１とを配置して、光半導体素子モジュールを構成して
いた。

このような構成においては、ＬＤ６から出射された光の
光ファイバｌへの結合効率は、５０％以上の高効率が得
られるが、その反面、結合効率の１ｄＢ劣化を許容する
場合の光軸に対して垂直な方向、即ち、第２図中に設定
した座標系におけるＸ方向及びＹ方向へのＬＤ６の位置
ずれ許容量は、サブミクロンオーダーであり、光軸方向
（２方向）へのその位置ずれ許容量は数ミクロン以下で
ある。

これに対して、ＬＤ６のステム７の基準位置に対する搭
載精度は通常±２０〜３０μｍ程度であり、レンズホル
ダ５の基準位置に対するファイバ結合用レンズ４の光軸
方向（２方向）の設定精度は５０μｍ前後である。その
ため、従来の光半導体素子モジュールは、以下に述べる
ような方法で、調整組立を行なっていた。

まず、光ファイバ１が予め固定されたフエルール２をフ
ェルールホルダ３に挿入し、レンズホルダ５の一の端面
に密着させ初期設定する。次いで、ＬＤ６が搭載された
ステム７を、光ファイバ１に対向するように、レンズホ
ルダ５に挿入する。次に、この状態でＬＤ６を発光させ
、光ファイバ１への入射光強度が最大となるように、ス
テム７をＸ，Ｙ及び２の各方向に移動させて調整すると
ともに、フエルールホルダ３をＸ及びＹ方向に、フエル
ール２をＺ方向に移動させることにより、光ファイバ１
の、いわゆる３軸調整を行なう。この調整で、ステム７
が最適位置に位置決めされた時点で、ＬＤ６を消光し、
ステム７をレンズホルダ５に固定部材９、例えば半田で
固定する。この半田溶融固定の加熱冷却時に、構成部材
の熱膨張・収縮、半田の張力等が原因で半田固定後にス
テム７は、最適位置よりミクロンオーダーの位置ずれを
生じ、許容量以上の結合効率の劣化を起こす。

従って、これを補正するために、ＬＤ６の位置ずれ許容
量に対して比較的許容量の大きい光ファイバ１側で、フ
エルールホルダ３をＸ及びＹ方向に、フエルール２を２
方向に移動させることにより、光ファイバ１の３軸調整
を再度行なった後に、光ファイバ１とフェルール２とを
固定箇所Ｆａで、フエルールホルダ３とレンズホルダ５
とを固定箇所Ｆｂで、レーザ溶接等により固定していた
。

（発明が解決しようとする課題） 上記したように、従来の光半導体素子モジュールの組立
の際には、ステム７及び光ファイバ１の光軸方向（Ｚ方
向）及び光軸に対して垂直な方向（Ｘ及びＹ方向）への
、いわゆる３軸調整を行なってステム７を固定し、さら
に、ステム７の固定後に光ファイバ１の３軸調整を再度
行なうという、高精度の位置合わせ工程を多数回必要と
する。従って組立工程が複雑であり、かつ、組立に多大
の時間を要し、ひいては光半導体素子モジュール自体の
コスト高を招《という問題点があった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、そ
の目的は、簡易な工程にて組立をすることができ、しか
も低コストで、高精度な光半導体素子モジュール及びそ
の調整組立方法を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため、請求項（１）では、所定の長
さを有する筒状の保持部材と、該保持部材の両端間に固
定された集光用レンズと、支持基台に支持され光出射端
面が前記レンズ面に対向するように前記支持基台を介し
て前記保持部材の一端側に固定された光半導体素子と、
ファイバ保持部材に保持され、前記レンズで集光された
前記光半導体素子からの出射光が一端面に所定の光強度
で結合されるように前記ファイバ保持部材を介して前記
保持部材の他端側に固定された光ファイバとを備えた。

また、請求項（２）では、光半導体素子からの出射光を
保持部材に固定されたレンズで集光して光ファイバの端
面に結合させる光半導体素子モジュールの調整組立方法
において、前記光半導体素子の前記レンズに対する位置
調整を、当該レンズの光軸に垂直な方向に対して行なっ
て、前記光半導体素子を前記保持部材に固定し、次いで
、前記光半導体素子からの出射光が、前記光ファイバ端
面に所定の光強度で結合するように前記光ファイバを位
置決めして、該光ファイバを前記保持部材に固定するよ
うにした。

また、請求項（３）では、光半導体素子からの出射光を
保持部材に固定されたレンズで集光して光ファイバの端
面に結合させる光半導体素子モジュールの調整組立方法
において、前記光半導体素子を前記保持部材の予め設定
された固定位置に固定し、次いで、前記光半導体素子か
らの出射光が、前記光ファイバ端面に所定の光強度で結
合するように前記光ファイバの位置決めをして、該光フ
ァイバを前記保持部材に固定するようにした。

（作　用） 請求項（１）によれば、光半導体素子から出射された光
は、集・光用レンズに到達し、ここで集光された後、光
ファイバ端面に結合される。

また、請求項（２）によれば、光半導体素子のレンズに
対する位置調整は、レンズの光軸に対して垂直な方向の
み行なわれ、光軸方向に対する位置調整は無調整で、光
半導体素子が保持部材に固定される。次に、この状態で
、光半導体素子から出射され、レンズで集光された光が
、光ファイバ端面に所定の光強度、例えば最大光強度で
結合されるように、光ファイバをレンズの光軸方向及び
光軸に対して垂直な方向に移動させて、最適な位置に位
置決めし、この位置を保持するように、光ファイバが保
持部材に固定される。

また、請求項（３）によれば、光半導体素子のレンズに
対する位ｉｔ調整は、レンズの光軸方向及び光軸に対し
て垂直な方向に対して調整は行なわれず、光半導体素子
は、保持部材の予め設定された位置に固定される。次に
、この状態で、光半導体素子から出射され、レンズで集
光された光が、光ファイバ端面に所定の光強度、例えば
最大光強度で結合されるように、光ファイバをレンズの
光軸方向及び光軸に対して垂直な方向に移動させて、最
適な位置に位置決めし、この位置を保持するように、光
ファイバが保持部材に固定される。

（実施例） 第１図は、本発明に係る光半導体素子モジュールの一実
施例を示す断面図でありで、前述した第２図と同一構成
部分は同一符号をもって表す。即ち、１は光ファイバ、
２は光ファイバ１を保持、固定したフェルール、３はフ
ェルール２を保持したフェルールホルダ、６はＬＤ（レ
ーザダイオード；光半導体素子）、７はＬＤ６が搭載さ
れたＬＤ搭載用ステム（支持基台）、８はガラス窓８ａ
を有する内部が気密封止されたＬＤ用窓付キャップであ
る。またＦａ，Ｆｂ，Ｆｃは固定箇所を示している。

１０は所定の長さを有する筒状のレンズホルダ（保持部
材）で、その軸方向中心部には、フエルールホルダ３の
外径より小さな径となした小径孔１１と、ステム７のＬ
Ｄ６の搭載面（以下、ステム基準面と称す）７ａの外径
より小さな径となした大径孔１２が形成されて貫通して
おり、これら小径孔１１と大径孔１２の境界面（以下、
内部基準面と称す）１３にはファイバ結合用レンズ（集
光用レンズ）２０が固定されている。また、一端面１４
にはステム７のステム基準面７ａが密着、固定され、他
端面１５にはフェルールホルダ３の端面がが密着、固定
され、ファイバ結合用レンズ２０を挟んでＬＤ６の光出
射端面と光ファイバ１の受光端面１ａが対向し、かつ、
光ファイバ１の受光端面１ａはファイバ結合用レンズ２
０の光軸に対して垂直となるように配置されている。

ファイバ結合用レンズ２０は、プレス成形の非球面レン
ズからなり、そのレンズ基準面２１が前記レンズホルダ
１０の内部基準面１３に密着、固定され、ＬＤ６からの
出射光を集光して光ファイバ１の受光端面１ａに結合さ
せる。

次に、このような構成を有する光半導体素子モジュール
の調整組立方法について説明する。

まず、ファイバ結合用レンズ２０が上記したように所定
の位置に固定されたレンズホルダ１０の大径孔１２にキ
ャップ８を挿入し、ステム７のステム基準面７ａをレン
ズホルダ１０の一端側端面１４に密着させる。この状態
で、端面１４に沿ってステム７を摺動させ、即ち、レン
ズ２０の光軸に対して垂直な方向（Ｘ及びＹ方向）に微
動させて、所望の位置に位置決めし、例えば、レーザ溶
接あるいは抵抗溶接等により、ステム７とレンズホルダ
１０とを固定箇所Ｆｃで固定する。

次に、光ファイバ１が予め固定されたフエルール２をフ
ェルールホルダ３に挿入し、レンズホルダ１０の他端側
端面１５にフエルールホルダ３の端面を密着させる。こ
の状態で、ＬＤ６を発光させ、光ファイバ１への入射光
強度が最大となるように、フェルールホルダ３をレンズ
ホルダ１０の端面１５上でを摺動させ、即ち、レンズ２
０の光軸に対して垂直な方向（Ｘ及びＹ方向）に移動さ
せ、かつ、フェルール２をレンズ２０の光軸方向（Ｚ方
向）に移動させることにより、光ファイバ１のいわゆる
３軸調整を行なう。この調整で、光ファイバ１が最適位
置に位置決めされた時点で、ＬＤ６を消光し、光ファイ
バ１とフェルール２とを固定箇所Ｆａで、またフェルー
ルホルダ３とレンズホルダ１０とを固定箇所Ｆｂで、そ
れぞれレーザ溶接等により固定することにより、調整組
立が完了する。

以上のように、本実施例においては、前述した従来の調
整組立方法とは異なり、ＬＤ６の搭載されたステム７は
、少なくとも光軸方向に対する調整を行なうことなく、
レンズホルダ１０に固定して光半導体素子モジュールを
構成しているが、本構成においても、結合損失の少ない
高性能なモジュールを得ることができる。以下、その理
由を第３図に基づいて説明する。

第３図は、ＬＤ６の光出射端面とファイバ結合用レンズ
（非球面レンズ）２０のＬＤ６側主面との距離ａと、光
ファイバ１の受光端面１ａとファイバ結合用レンズ２０
の光ファイバ１側主面との距離ｂを変化させて測定した
、結合損失の像倍率Ｍ（−ｂ／ａ）依存性を示すグラフ
である。第３図において、横軸は像倍率Ｍ１縦軸は結合
損失を表している。

第３図から分かるように、結合損失の最小値は像倍率Ｍ
−５の時で、２．５ｄＢを示している。また、像倍率Ｍ
が３．２〜６の範囲では、最適結合から０　．　５’ｄ
　Ｂの損失増加で結合系の構成が可能であることも分か
る。これを光半導体素子モジュールの構成上問題となる
光軸方向の許容軸ずれ量に言い換えると、ＬＤ６側では
３９０μｍとなる。即ち、ＬＤ６の配置固定時に、光軸
方向では最適位置を挾んで３９０μｍの幅でＬＤ６が軸
ずれを起こしても、光ファイバ１側を調整することによ
り、最適結合値の０．５ｄＢ増加で結合系の構成ができ
ることになる。従って、ＬＤ６を搭載したステム７を光
軸方向に対して無調整でレンズホルダ１０に固定しても
、結合損失をほとんど増加させることなく、光半導体素
子モジュールを構成することが可能である。

さらに、第４図は、ＬＤ６を光軸に対して垂直な方向に
軸ずれさせ、光ファイバ１を最適調整して測定した時の
、光ファイバ１の光軸に対して垂直な方向の輔ずれ特性
を示す図であり、横軸は光ファイバ軸ずれ、縦軸は過剰
損失を表している。

第４図から分かるように、ＬＤ６の光軸に対して垂直な
方向の軸ずれΔＸＬＤを（＋）１０μｍ，（＋）２０μ
ｍ，（＋）３　０μｍと増加させると、光ファイバ１の
最適位置は（−）５０μｍ，（−）１００ｕｍ，（−＞
１５０μｍと光軸を挟んでＬＤ６の軸ずれ方向とは反対
方向にシフトして、最小損失に対する過剰損失分は、第
４図中、破線で示すように徐々に増加する。例えば、Ｌ
Ｄ６の位置が最適位置から（±）３２μｍずれても光フ
ァイバ１を調整することにより、過剰損失０．５ｄＢ以
内で結合系の構成が可能となる。

従って、ＬＤ６を搭載したステム７の外形とレンズホル
ダ１０の外形を合わせるのみで、光軸に対して垂直な方
向に対する位置調整を無調整とし、かつ、前述したよう
に光軸方向に対する位置調整も無調整で、レンズホルダ
１０にステム７を固定しても結合損失をほとんど増加さ
せることなく、光半導体素子モジュールを構成すること
が可能である。

第５図は、この原理に基づいて構成した光半導体素子モ
ジュールの、レンズホルダ１０とステム７との固定方法
の他の例を示す一部省略拡大断面図である。第５図にお
いては、レンズホルダ１０の一端側に、ステム７の外径
とほぼ同一の内径を有する凹状に形成した固定部１６を
設けている。

これにより、この固定部１６のガイド部１６ａの内周面
に沿ウて、ステム７を嵌合させるだけで、ステム７の光
軸方向並びに光軸に対して垂直な方向に対する位置調整
を行なうことなく、ステム７、即ちＬＤ６の位置決めが
可能で、第１図の構成に比較して、さらに調整組立工程
の簡略化が図られている。

さらに、ステム７がガイド部１６ｇとの内周面と接触す
ることから、ＬＤ６からレンズホルダ１０までの熱抵抗
を低減でき、かつ、ステム７とレンズホルダ１０が密着
状態にあるため、レーザ溶接や抵抗溶接等が適用でき、
信頼度の高い光半導体素子モジュールを実現できる。

なお、本実施例では、集光用レンズとして非球面レンズ
を適用した場合を例にとり説明したが、これに限定され
るものではなく、分布屈折率レンズや先球加工分布屈折
率レンズであっても、開口数が大きく　（約０．５以上
）、波面収差の小さいレンズであれば、同様の配置構成
とすることで、上記したと同様の効果を得ることができ
る。

また、光ファイバ１の受光端面１ａは、光軸に対して垂
直としたが、受光端面１ａからの戻り光がＬＤ６に与え
る影響を軽減するため、光ファイバ１とフェルール２端
面を、光軸に対して５度程度以上傾斜させることが有効
である。

（発明の効果） 以上説明したように、請求項（１）によれば、所定の長
さを有する筒状の保持部材と、該保持部材の両端間に固
定された集光用レンズと、支持基台に支持され、光出射
端面が前記レンズ面に対向するように前記支持基台を介
して前記保持部材の一端側に固定された光半導体素子と
、ファイバ保持部材に保持され、前記レンズで集光され
た前記光半導体素子からの出射光が一端面に所定の光強
度で結合されるように前記ファイバ保持部材を介して前
記保持部材の他端側に固定された光ファイバとを備えた
ので、小形にして低損失で高精度な光半導体素子モジュ
ールを提供できる利点がある。

また、請求項（２〉によれば、光半導体素子のレンズに
対する位置調整を、当該レンズの光軸に垂直な方向に対
してのみ行なって、前記光半導体素子を保持部材に固定
し、次いで、前記光半導体素子からの出射光が、・先フ
ァイバ端面に所定の光強度で結合するように光ファイバ
を位置決めして、該光ファイバを前記保持部材に固定す
るようにしたので、光半導体素子のレンズの光軸方向に
対する調整は必要なくなり、調整組立工程の簡品化を図
れ、短時間で、高精度の光半導体素子モジュールを低コ
ストで組立てることができる。

また、請求項（３）によれば、光半導体素子を保持部材
の予め設定された固定位置に固定し、次いで、前記光半
導体素子からの出射光が、光ファイバ端面に所定の光強
度で結合するように光ファイバの位置決めをして、該光
ファイバを前記保持部材に固定するようにしたので、光
半導体素子のレンズの光軸方向の調整はもとより、レン
ズの光軸に対して垂直な方向に対する調整の必要もなく
、請求項（２）の場合に比べて、さらに調整組立工程の
簡易化を図れ、しかも短時間で、高精度の光半導体素子
モジュールを組立てることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る光半導体素子モジュールの一実施
例を示す断面図、第２図は従来の光半導体素子モジュー
ルを示す断面図、第３図は本発明に係る結合損失の像倍
率依存性を示すグラフ、第４図は本発明に係る光ファイ
バ側調整時の軸ずれ特性を示す図、第５図は本発明に係
る光半導体素子モジュールのレンズホルダとステムの固
定方法の他の例を示す一部省略拡大断面図である。 図中、１・・・光ファイバ、２・・・フェルール、３・
・・フエルールホルダ、６・・・レーザダイオード（Ｌ
Ｄ光半導体素子）、７・・・ステム、７ａ・・・ステム
基準面、８・・・キャップ、１０・・・レンズホルダ、
１３・・・内部基準面、１４．１５・・・レンズホルダ
の端面、１６・・・固定部、２０・・・ファイバ結合用
レンズ（集光用レンズ）。 特許出願人　日本電信電話株式会社 代理人弁理士　吉　　田　　精　　孝 ＠１図 第２図 ｇｔｇ：Ｍ 第 凶 光ファイバ軸ずれ：△ＸＦ（μｍ） 本究明に係る光ファイ／４Ｍａｌｔの光ファイ／％’ｌ
ｌｆれ特性図レンズホルダとステム 第 図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）所定の長さを有する筒状の保持部材と、該保持部
   材の両端間に固定された集光用レンズと、 支持基台に支持され、光出射端面が前記レンズ面に対向
   するように前記支持基台を介して前記保持部材の一端側
   に固定された光半導体素子と、ファイバ保持部材に保持
   され、前記レンズで集光された前記光半導体素子からの
   出射光が一端面に所定の光強度で結合されるように前記
   ファイバ保持部材を介して前記保持部材の他端側に固定
   された光ファイバとを備えた ことを特徴とする光半導体素子モジュール。
2. （２）光半導体素子からの出射光を保持部材に固定され
   たレンズで集光して光ファイバの端面に結合させる光半
   導体素子モジュールの調整組立方法において、 前記光半導体素子の前記レンズに対する位置調整を、当
   該レンズの光軸に垂直な方向に対して行なって、 前記光半導体素子を前記保持部材に固定し、次いで、前
   記光半導体素子からの出射光が、前記光ファイバ端面に
   所定の光強度で結合するように前記光ファイバを位置決
   めして、 該光ファイバを前記保持部材に固定する ことを特徴とする光半導体素子モジュールの調整組立方
   法。
3. （３）光半導体素子からの出射光を保持部材に固定され
   たレンズで集光して光ファイバの端面に結合させる光半
   導体素子モジュールの調整組立方法において、 前記光半導体素子を前記保持部材の予め設定された固定
   位置に固定し、 次いで、前記光半導体素子からの出射光が、前記光ファ
   イバ端面に所定の光強度で結合するように前記光ファイ
   バの位置決めをして、 該光ファイバを前記保持部材に固定する ことを特徴とする光半導体素子モジュールの調整組立方
   法。