JPH0267508A - 光ファイバ固定法 - Google Patents

光ファイバ固定法

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JPH0267508A
JPH0267508A JP21858088A JP21858088A JPH0267508A JP H0267508 A JPH0267508 A JP H0267508A JP 21858088 A JP21858088 A JP 21858088A JP 21858088 A JP21858088 A JP 21858088A JP H0267508 A JPH0267508 A JP H0267508A
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JP
Japan
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ferrule
optical
film layer
package
optical fiber
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JP21858088A
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English (en)
Inventor
Shinji Nagaoka
長岡 新二
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24Coupling light guides
    • G02B6/42Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4248Feed-through connections for the hermetical passage of fibres through a package wall

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Couplings Of Light Guides (AREA)

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】 〈産業上の利用分計〉 本発明は、レーザダイオード等の光半導体素子や光集積
回路素子からなる光回路素子を収納するパッケージへ、
入出力用光ファイバを上記光素子と良好な光学的結合特
性とその高い安定性とをもって気密固定する光ファイバ
固定法に関する。
〈従来の技術〉 光ファイバ伝送システムの普及に伴い、より一層の広帯
域、高速、長距離伝送に対する要求が強まっている。そ
して、シングルモードファイバを用いる伝送システムは
これらの要求に応え得るものである。しかし、シングル
モードファイバは、そのコア径がマルチモードファイバ
のコア径の115以下と小さいので、システムを構成す
る光回路部品に対する固定においてサブミクロンオーダ
の厳しい寸法精度が要求され、光部品の低価格化や高安
定化を困難としている。各種の光回路部品の中で、特に
光半導体素子や光電積回路などのアクティブな光回路素
子を収納するとともに入出力用シングルモードファイバ
を設けたモジュールに対しては、光ファイバと光素子と
の良好な結合特性とその長期安定性や素子の信頼性を補
償する為の高精度実装技術と気密封止技術が重要である
従来このようなモジュールの製造に際しては、アクティ
ブな光素子をパッケージへ搭載し、その後レンズを介す
るか又は直接光ファイバを光素子と対向させて光軸調整
を行い、最適な結合特性の得られろ位置で光ファイバや
ファイバを保持するスリーブ、フェルール等の部材をパ
ッケージへ固定している。例えば、特開昭58−124
288号公報に開示されたモジュールを、第8図(al
、(b)に示す。
同図に示すようにパッケージのステム01の中央部にL
よりブマウント02を介してレーザダイオードステップ
03が固定されており、光ファイバ04はファイバガイ
ド05を介してステム01に固定されている。そして、
光ファイバ04はレジンでファイバガイド05に固定さ
れ、また、ファイバガイド05は銀蝋材06でステム0
1に固定されており、ファイバ先端04aはレジン又は
半田材によりステム01の突起部07に固定されている
また、光ファイバを直接、アクティブな光素子と結合さ
せた光素子の例としては、端面発光LEDとシングルモ
ードファイバとを結合させたモジュールが提案されてい
る(A Re−1iable )’aekage fo
r Hermetic Encapsulationo
f  In  Ga  人s  P  Edge  E
mitting  LEDS−、5PIEVOL、7Q
3.Integration  and  Packa
ging  of  0pto−eleetronie
  Devices  (198B)、  P29〜3
2)  。
〈発明が解決しようとする課題〉 前述したように従来においては、気密封止のために光フ
ァイバや光ファイバを固定したフェルール(ファイバガ
イド5)を主に、高分子材からなるレジンや半田材によ
りパッケージへ固定しているが、このようなレジンや半
田材による固定では初期特性として良好な結合特性とそ
の安定性や素子の信頼性が得られるものの、長期の使用
に際しては、レジン材料の劣化や半田材のクリープ現象
による気密性能の劣化、結合部の位置ずれ増加を招き、
長期安定性や高信頼性を確保することが困難となる。ま
た、半田材に代わり、より高融点の接合燻材の使用、あ
るいはYAGレーザビーム照射による溶接法によって7
エルールをパッケージへ固定して、上述したようなりリ
ープ現象による結合部の劣化を防ぎ長期安定性を確保す
る場合には、作業工程における加熱時に固定部分以外の
パッケージの温度も大幅に上昇してしまうという問題が
ある。光素子とファイバとの光軸調整は通常、光素子を
発光させてファイバからの光出力をu測しながら行われ
るが、かかる場合には、加熱時においては光素子周辺の
温度上昇によって素子の劣化を招くので、従来は光軸調
整が終了した段階で光素子への通電を止めて加熱作業を
行っている。しかし、この方法では加熱前後の光軸ずれ
による光結合特性の劣化は、冷却後に再度光素子を発光
させて良否の選別を行う際に確認されるため、モジュー
ル製造の歩留りが低下してしまう。また、この先軸ずれ
はフェルール、パッケージ等のモジュール構成部材間の
熱膨張係数差や燻材凝固時の引張力によって生ずるもの
であるが、軸ずれの方向性やその大きさを特定すること
が難しいので、気密固定に伴う作業性が極めて煩雑であ
った。
本発明はこのような事情に鑑み、アクティブな光素子を
気密封止しかつ光素子との光学的結合を得る光素子モジ
ュールの製作に際して、従来のファイバ固定法の持つ前
記欠点を解決し、良好な光結合状態を長期にわたって維
持しかつ気密性能、作業性に優れ、モジュール製造にお
ける歩留り向上が得られる光ファイバ固定法を提供する
ことを目的とする。
く課題を解決するための手段〉 前記目的を達成する本発明の光ファイバ固定法は、パッ
ケージ基板の所定の位置に搭載された光半導体素子や光
集積回路等の光回路素子へ光ファイバを光学的に結合さ
せると共に該光ファイバをフェルールを介して当該パッ
ケージに気密固定する光ファイバ固定法において、上記
フェルールとして、フェルール本体の外周面に加熱源と
なる七−夕月抵抗膜層と、セラミック材又はガラス材か
らなる絶縁膜層と、当該フェルールを上記パッケージに
気密固定する燻材に対して濡れ性の悪い第1の金属膜層
と、この第1の金属膜層より大きい若しくは同等の軸方
向の長さを有し且つ上記燻材に対して濡れ性の良い第2
の金属膜層とを順次形成してなるフェルールを用い、該
フェルールに上記光ファイバを予め気密固定しておくと
共に光ファイバを気密固定した当該フェルールを薄肉パ
イプ状のフェルール接合用蝋材を被せた状態で上記パッ
ケージに形成された貫通孔へ挿入し、その後該パッケー
ジに搭載された光回路素子と当該光ファイバとの光軸を
一致させつつ当該フェルール内のヒータ用抵抗膜を加熱
して上記7℃ルール接合用蝋材を溶融させ、当該フェル
ールを該パッケージに気密固定することを特徴とする。
く作   用〉 フェルールに内臓されたヒータ用抵抗膜層での加熱によ
り、フェルール接合用蝋材を溶融させるので、局所的な
加熱が実現され、接合に燻材を用いても光ファイバへの
熱の影響が少ない。したがって、光ファイバと光回路素
子との光軸を一致させる作業を行いながら該フェルール
をパッケージに気密固定することが可能となる。
又、フェルールは、七−夕月抵抗膜層上に絶縁膜層及び
フェルール接合用蝋材に対して濡れ性の悪い第1の金属
膜層を介して濡れ性の良い第2の金属膜層を有している
ので、当該フェルールに被せられた薄肉リング状の7工
ルール接合用蝋材が溶融された場合には第2の金属層と
貫通孔との間の隙間に集まり充填される。
く実 施 例〉 第1図には本発明の実施例にかかる光フアイバ固定法を
用いて作製したレーザダイオードモジュールの外観を示
す。同図に示すように、パッケージ本体1の中央部のサ
ブマウント2にはレーザダイオードチップ3が搭載され
ており、金属コートファイバ4は加熱用ヒータを内蔵す
るフェルール5を介して、その先端の先球レンズ加工フ
ァイバ部4aがレーザダイオードチップ3と光学的に結
合されるように、パッケージ本体1に固定されている。
なお、図中、6はパッケージ本体1に取付けられた電気
端子である。
ここで、フェルール5の詳細を第2図に示す。同図に示
すように、アルミナ等を材料とするセラミックス製のフ
ェルール本体51には金属コートファイバ4の金属被覆
部分4bが嵌合する第1の細孔52と金属被覆を除去し
た裸ファイバ部分4Cが嵌合する第2の細孔53とが形
成されており、これら細孔52゜53には、途中まで金
属被覆を除去した金属コートファイバ4が燻材54を介
して気密固定されている。また、7工ルール本体51の
外周には加熱源となるヒータ抵抗膜層55が形成されて
おり、このヒータ抵抗膜層55上にはガラス材又はセラ
ミック材からなる絶縁膜層56が形成されている。そし
て、この絶縁膜層56上には該絶縁膜層56より短(且
っ当咳フェルール接合用蝋材に対して濡れ性の悪い第1
の金属膜層57が、また、第1の金属膜層57上にはさ
らに寸法が短く且つ当該フェルール接合用蝋材に対して
濡れ性の良い第2の金属膜層58が、それぞれ設けられ
ている。なお、絶縁膜層56の軸方向両側のヒータ抵抗
膜55上には通電用電極膜59が設けられている。
フェルール本体51への上記各膜層の形成は細孔52,
53の形成された焼結前のいわゆるグリーンシト状セラ
ミック部材表面に高温焼成用の金属ペーストやガラスも
しくはアルミナを主成分とする絶縁ペーストを金属ペー
スト、絶縁ペースト、金属ペーストの順に印刷形成し、
その後1500℃以上の還元雰囲気炉中で焼成した後に
、接合部分となる第2の金属膜58や電極膜59の部分
へAuメツキを施し完成する。この方法でヒータ抵抗膜
付きフェルールを製造する際の各層の材料構成としては
、例えば、抵抗膜層55の材質としてペースト状のWま
たはM o −M nを、絶縁膜層56の材質としては
同じくペースト状のアルミナを、第1の金属膜rfI5
7にはペースト状のWまたはM o −M nを用いれ
ばよく、これらを印刷してセラミック部材とともに同時
焼成すれば良い。
なお、各膜層のフェルール本体51への形成法はこの方
法に限らず、例えば、焼結後のフェルール本体へ比較的
低融点の金属またはガラス材のペーストをフェルール外
周表面へ順次印刷し、750℃〜1000℃で焼成して
も良い。この場合には、例えば抵抗膜層55の材質には
シート抵抗値の高いルテニウム系(例えばRu 02)
金属ペーストを、絶縁膜層56の材質にはガラス系ペー
ストを、第1の金属膜pJ57の材質としてはAg−P
d系の金属ペーストをそれぞれ用いれば良い。また、こ
のような厚膜印刷法によらず、薄膜形成法によっても焼
成後のフェルール本体51へ金属膜層や絶縁膜層を形成
することが可能である。この場合には抵抗膜層55の材
質とじてNi−Cr、Ti、Ta等を、絶縁膜層56と
してS i 02等を、第1の金属膜層57としてTa
、Ti、Ni等を用い、抵抗加熱蒸着法やスパッタリン
グ法によってフェルール本体51へ容易に形成すること
が出来る。
このようにして作製されたフェルール5へ金属コートフ
ァイバ4を気密固定する際には、鑞材54として、金属
コートファイバ4の金属被覆材質がAjの場合には45
0〜500℃の融点を持つ低融点ガラス材ペーストを、
また金属被覆材質がN1やAuの場合には融点700〜
850℃のm燻材を用いれば良い。
これらのファイバ気密固定用燻材54の融点は後述する
フェルール接合用の鑞材であるAuSnやA u G 
e等の共晶合金材の融点(280℃、356℃)よりも
充分高く、フェルール接合時にファイバ固定用燻材54
が再度溶融されろ心配は無い。
第3図、第4図は以上の手法により作製されたヒータ抵
抗膜内蔵フェルール付きファイバを用いてレーザダイオ
ードモジュールを組み立てる際のフェルール固定法を示
したものである。まず、第3図に示すようにパッケージ
1へ、サブマウント2へ搭載したレーザダイオードチッ
プ3をグイボンディングし、チップ3への給電が可能な
ように図示しないワイアーボンディングを施す。次にバ
イブ状に加工した薄肉のAuSn、AuGe等の共晶合
金燻材7を上記フェルール5の所定の位置に被せてパッ
ケージ1のシールリング部に形成された貫通孔1aへ挿
入する。なお、この貫通孔1 aの内壁にはAuメタラ
イズが施されてメタライズ層1bが形成されている。そ
の後、第4図(a)に示すように図示しない微動装置に
連結されている電極を兼ねるマニピュレータ8によって
フェルール5の両端部の電極膜59の部分を把持し、レ
ーザダイオードチップ3を発光させてファイバ4への入
射光パワーが最大となるようにフェルール5を微動させ
、光軸調整が完了した段階でフ工ルール5のヒータ抵抗
膜ssへ通電してフェルール5表面の接合部分を上記燻
材の融点まで局所的に加熱する。なお上記鑞材パイプ7
の寸法については、パイプを介してフェルール5が貫通
孔1aに押入された状態で光軸整合のためにfaWjh
することが可能であり、かつ燻材の溶融、凝固後にフェ
ルール5と貫通孔1aとの間の空隙部分が燻材7で充填
されるようにその内径、外径、長さを設計すれば良い。
例えば、燻材7の内径をPiφ、外径をPoφ、長さを
−とし、フェルール5の第1の金属層57の外径をFo
φ、その長さをL1貫通孔1aのA u )タライズJ
illb内径をHiφ、その長さをLとし、下記条件を
満足するように鑞材パイプ7の寸法を決定すれば良い。
Fo(P i <Po(Hi かつ (Po”−Pi’) ・l= (Hi2−Fo”) ・
Lこのような蝋材パイプ寸法では当然パイプ長さが貫通
孔1aよりも長くなるが、フェルールの最外表面に形成
されている第2の金属膜層58及び貫通孔1aの内周の
メタライズ層1bが燻材7に対して濡れ性が良く、その
下層の第1の金属膜層57が燻材7に対して濡れ性の悪
い材質で形成されているため、加熱時に溶融した燻材7
は第4図(b)に示すように濡れ性の良好な金属膜層5
8.lbの部分に集合し、両金属膜層58.lb間に出
来る空隙部分を充填することができる。なお、第4図で
は第1の金ri4膜層57の長さを鑞材パイプ7とほぼ
同等に記しているが、この第1の金属膜層57が第2の
金属膜Nj58と同じ長さであっても第1の金属膜層5
7の下層がガラス材もしくはセラミック材の絶縁膜層5
6であるため、溶融状態の燻材はこの絶縁層部分には接
合せず、上記と同様に濡れ性の良好な金属8層5B、1
bの部分に集合する。
このように、接合するフェルール自体に加熱手段を設け
ていることによって加熱時のパッケージ全体の温度上昇
を防ぐことができ、加熱時にもレーザチップ3を発光さ
せて最適な光軸調整を行うことが可能となる。また接合
に必要な燻材7の量も極力少なくする事が出来ると共に
、その量のコント四−ルの調整も可能となる。これらの
ことから、ファイバの固定作業に伴う光軸ずれ量を大幅
に抑制することが可能になると共に、AuSn等の溶融
時に流れ性の良好な共晶合金材を使用することから長期
にわたり良好な気密性が得られる。
まtコ、材料的に柔らかくクリープの発生が大きいPb
5n系の半田材に比べて、硬質の上記燻材7を使用する
ことによって結合部分の長期にわたる安定性も確保でき
る。以上のような特徴を有するファイバの固定法は、光
素子とファイバとの間でさらに厳しい寸法精度の要求さ
れる場合や複数の入出力ファイバをパッケージに設ける
場合のモジュール製造に対して効果的である。
第5図〜第6図には本発明によるファイバ固定法を用い
た光素子モジュールの他の実施例を示す。
第5図はいわゆるハイブリッド型の光am回路モジュー
ルの例であり、Si基板などに形成きれた薄膜光導波路
101を有する方向性結合器型の合分波回路チップ10
2をレーザダイオードチップ103ならびにフォトダイ
オードチップ104とともにパッケージ105へsWI
化した波長多重通信用の送受信モジュールである。これ
に用いられる薄膜光導波回路はほぼ1層程度の幅と厚み
を有するガラス導波路から構成されており、入出力ファ
イバとの光軸整合に際してはサブ−オーダの寸法精度が
要求される。本モジュールの実装では、導波回路チップ
102、サブマウント106に搭載されたレーザダイオ
ードチップ103、ブロック107に搭載されたフォト
ダイオードチップ104の順にパッケージへ固定し、最
後に入出力ファイバ4を気密固定したヒータ抵抗膜内蔵
フェルール5をパッケージ105の貫通孔105aへ挿
入し、導波路101との光軸調整を行った後にフェルー
ル5の抵抗膜を加熱溶融して気密固定する。フェルール
に内蔵されているヒータ抵抗膜の局所加熱により、レー
ザダイオード103を発光させた状態で導波路101と
ファイバ4間の光軸調整しながらフェルール5の固定が
でき、高精度なフェルールの気密固定が可能である。
局所加熱機構をフェルールに付与した本ファイバ固定法
は第6図あるいは第7図に示すようにパッケージへ複数
の入出力ファイバ4を気密固定する際にさらに効果を発
揮する。
第6図はレーザダイオードの光増幅機能や光吸収機能を
利用して、光スィッチや光アンプモジュールを構成した
例である。これらのモジュールではレーザダイオードチ
ップ111への入出力用光端子が必要であり、サブマウ
ント119に搭載されたレーザダイオードチップ111
をまず最初にパッケージ113に搭載し、その後左右の
光ファイバ4をフェルール5を介しで順次気密固定する
。ファイバ4の気密固定に際してはレーザダイオード1
11を発光させてファイバとの光軸調整を行い、最適位
置でフェルール5に内蔵されているヒータを加熱して上
述したものと同様に固定する。片端のファイバを固定し
た後に他一方のファイバを固定する際にも、局所的に加
熱するため、すでに固定したファイバ側へ熱的影響を与
えて凝固した蝋材を再度溶融することは無く、高い位置
端境で入出力ファイバ4をレーザダイオードチップ11
1と結合させることが可能である。第7図は電気光学効
果を有するLiNbO311導体結晶基板121にTi
拡散導波路の方向性結合器122を形成し、この方向性
結合器部分へf@11123を付与して光スイツチ回路
を構成し、この導波路型光スイッチ回路チップ124へ
、パッケージ125において複数の入出力ファイバ4を
結合させたスイッチモジュールの例である。
このモジュールの作製においても、個々のファイバ4を
導波路と位置合わせしながら、フェルール5に内蔵され
ているヒータを加熱して個々のフェルール5を順次気密
固定することが可能である。
〈発明の効果〉 以上説明したように、本発明ではアクティブな光回路素
子とこれと光学的に結合する入出力ファイバをパッケー
ジへ気密封止する構造のモジュールの作製において、内
層にヒータ用抵抗膜を有すると共に外周表面に部分的に
蝋材に対して濡れ性の良好な金F14pA層を形成した
フェルールの中心細孔に金属コートファイバを気密封止
し、このファイバ付!フェルールにパイプ状の蝋材を被
せて既に光回路素子が搭載されたパッケージのシールリ
ングに形成された貫通孔へ挿入し、光回路素子とファイ
バとの光軸tll!1を行いつつフェルール内蔵のヒー
タ抵抗膜を加熱させて接合部分を局所的に加熱し、パイ
プ状の蝋材を溶融せしめてフェルールをパッケージへ気
密固定するもので、以下に示すような効果を奏する。
すなわち、接合されるフェルール自体に加熱手段を設け
ていることによって、フェルールの固定に際しては固定
部分を局所的に加熱することができ、パッケージ全体へ
の熱広がりを防ぎ、パッケージを構成する各種部材間の
熱膨張係数差に基づく位置ずれを大幅に抑制することが
できる。また、加熱時にもレーザチップを発光させて最
適な光軸?JRmを行うことが可能となる。さらにフェ
ルールの外周へ部分的に蝋材に対して濡れ性の良好な金
属膜を形成するとともにパイプ状の薄肉鑞材を使用する
ことから、接合に必要な蝋材の量を極力少なくする事が
出来ろと共に、その量のコントロールも可能となる。こ
れらのことから、ファイバの固定作業に伴う光軸ずれ量
を大幅に抑制する事が可能となり、モジュール作製の歩
留り向上を図ることが可能となる。
さらに局所的加熱を実現できることから、材料的に柔ら
かくクリープの発生が大きいPb5n系の半田材に比べ
て、硬質の蝋材を使用することができ、結合部分の長期
にわたる安定性も確保できる。
また、本発明の光ファイバの固定法は複数の入出力ファ
イバを複数の光回路素子や光集積回路の導波路と結合さ
せて気密封止する際に特に効果を発揮する。すなわち、
複数の光ファイバを順次固定する際に、各固定部では局
所的な加熱が行われるため、すでに固定作業の終了した
部分の温度上昇が無く、その部分の燻材を再度溶融する
ことが無い。さらに、従来のファイバ固定作業では、加
熱手段としてYAGレーザ装置や高周波加熱装置等の高
価で大型な装置を必要としたが、本発明によるファイバ
固定法ではフェルール自体に加熱源を設けているため、
これら装置の必要性がなくなると言う利点も有している
【図面の簡単な説明】
第1図〜第7図は本発明の実施例に係り、第1図は本発
明の一実施例にかかる光ファイバ固定法を利用したレー
ザダイオードモジュールの外M図、第2図はそのヒータ
抵抗膜内蔵フェルールの断面図、第3図及び第4図fu
)、 iblはそれぞれヒータ内iffフェルールをパ
ッケージへ固定する作業を示す説明図、第5図〜第7図
はそれぞれ他の実施例を示す説明図、第8図(al、(
blはレーザダイオードにシングルモードファイバを結
合したモジュールの従来技術を示す説明図である。 図 面  中、 1はパッケージ本体、 2はサブマウント、 3はレーザダイオードチップ、 4は金属コート光ファイバ、 5はフェルール、 7はフェルール接合用蝋材、 51はフェルール本体、 55はヒータ抵抗膜層、 56は絶縁膜層、 57は第1の金属膜層、 58は第2の金属膜層、 59は通電用電極膜である。 特  許  出  願  人 日本電信電話株式会社 代     理     人

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. パッケージ基板の所定の位置に搭載された光半導体素子
    や光集積回路等の光回路素子へ光ファイバを光学的に結
    合させると共に該光ファイバをフェルールを介して当該
    パッケージに気密固定する光ファイバ固定法において、
    上記フェルールとして、フェルール本体の外周面に加熱
    源となるヒータ用抵抗膜層と、セラミック材又はガラス
    材からなる絶縁膜層と、当該フェルールを上記パッケー
    ジに気密固定する蝋材に対して濡れ性の悪い第1の金属
    膜層と、この第1の金属膜層より大きい若しくは同等の
    軸方向の長さを有し且つ上記蝋材に対して濡れ性の良い
    第2の金属膜層とを順次形成してなるフェルールを用い
    、該フェルールに上記光ファイバを予め気密固定してお
    くと共に光ファイバを気密固定した当該フェルールを薄
    肉パイプ状のフェルール接合用蝋材を被せた状態で上記
    パッケージに形成された貫通孔へ挿入し、その後該パッ
    ケージに搭載された光回路素子と当該光ファイバとの光
    軸を一致させつつ当該フェルール内のヒータ用抵抗膜を
    加熱して上記フェルール接合用蝋材を溶融させ、当該フ
    ェルールを該パッケージに気密固定することを特徴とす
    る光ファイバ固定法。
JP21858088A 1988-09-02 1988-09-02 光ファイバ固定法 Pending JPH0267508A (ja)

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Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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