JPH04141606A - 光電子装置 - 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〕 本発明は光電子装置、たとえば、パッケージに内蔵され
たチップから発光されるレーザ光を光ファイバによって
パッケージの外に導く構造の光電子装置に関する。

（従来の技術） 光通信用光源の一つとして、レーザダイオード（半導体
レーザ装置）が使用されている。光通信用レーザダイオ
ードについては、たとえば、株式会社、８立製作所、半
導体事業部発行「日立オプトデバイス」、昭和６３年９
月発行、ＰＩ３に記載されている。この頁には、矩形体
からなるパッケージから複数のリードを突出させた光フ
アイバ付レーザダイオードが紹介されている。また、こ
れらレーザダイオードは前記パッケージの外部に突出す
るリードの配列によりデュアルインライン型またはバタ
フライ型と呼称されている０両型のレーザダイオードに
あっては、それぞれ電子冷却素子が内蔵されている。同
文献には電子冷却素子を内蔵しないデュアルインライン
型も示されている。また、電子冷却素子を内蔵するパッ
ケージは厚く、内蔵しないものは薄くなっている。

一方、特開昭６２年２７６８９２号には、電子冷却素子
（ベルチェ素子）を内蔵した光電子装置に関する技術が
開示されている。ここで、この光電子装置の構造につい
て簡単に説明する。光電子装置は、上部が開口した箱型
のパッケージ本体の底内面に、台座が鑞材を介して固定
される構造となっている。

そして、前記台座上にはベルチェ素子が固定されるとと
もに、このペルチェ素子上にはサブキャリアが固定され
ている０台座とベルチェ素子およびベルチェ素子とサブ
キャリアとの固定は、それぞれ半田によって固定されて
いる。前記サブキャリアには、レーザダイオードチップ
や受光素子等が固定されている。また、このサブキャリ
アは、前記レーザダイオードから発光される光を取り込
むための光ファイバの先端部を支持する構造となってい
る。光ファイバはパッケージ本体の一側壁を貫通してパ
ッケージ外に延在している。

［発明が解決しようとする課題〕 半導体レーザ装置を光通信用機器として充分な機能を安
定して発揮させるためには、レーザダイオードチップと
光ファイバとの光軸合わせを高精度に行う技術が必要で
あるとともに、高精度に位置決めされた各部の位置関係
を長期に亘って損なうことな（維持させる技術が必要で
ある。

本出願人にあっては、製品出荷に先立って温度特性試験
を行なっているが、ベルチェ素子を内蔵しないタイプの
光電子装置（レーザダイオード）において、出力変動の
大きなものがときに発生することがわかった。温度特性
試験は、たとえば、試験温度をＯ’、２５°、６５°と
変え、各温度下でのモニタ電流（Ｉ、）に対するファイ
バ光出力（Ｐ、）を測定し、かつ特定のモニタ電流での
光出力（Ｐｆ）の出力変動（ΔＰ、）を求めるものであ
る。第６図はモニタ電流（Ｉ、）とファイバ光出力（Ｐ
、）との相関を示すグラフである。

そして、特定のモニタ電流ＵＳ、）における光出力の変
動を測定する。２５°Ｃ（常温）の光出力Ｐｔｔｓを基
準にし、０°Ｃおよび６５°Ｃの光出力Ｐ、。

Ｆ’　ｔｂｓの差を＋ΔＰ１．−ΔＰｔ　とする。そし
て、製品の出荷規格として±ΔＰ、の値を設定している
わけであるが、製品によってはこの設定値から外れるも
のもある。

この点について検討した結果、ベルチェ素子無しの光電
子装置では、サブキャリアがパッケージ本体に直接固定
されていることと、この固定が銀鑞のような鑞材で強固
に固定されていることによると判明した。すなわち、光
電子装置では、レーザダイオードチップの共振器端から
発光されるレーザ光と、このレーザ光を先端から取り込
む光ファイバとの光軸が正確に合わされること、さらに
は両者の光軸ずれが経時的にも変化しないことが重要な
ことである。鑞材は強固な固定を確保するものであり、
固定部での経時的な位置変動が発生し難い、しかし、サ
ブキャリアが強固にパッケージ本体に固定されることは
、逆にサブキャリアはパッケージ本体の歪みの影響を直
接受けることになる。光電子装置の動作時には、レーザ
ダイオードチップから多量の熱が発生し、この熱はパッ
ケージ本体等を介してパッケージ外部に放散される。

この際、パッケージ本体は周囲の温度と隔たりがあるた
め、熱の差に起因してパッケージ本体に熱応力（熱歪）
が発生し、この応力（歪）がサブキャリアに加わってサ
ブキャリアが歪み、これによって前記出力変動ΔＰｆが
大きくなってしまうことが確かめられた。

本発明の目的は、温度変動が生しても光出力が変動しな
い光電子装置を提供することにある。

本発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴は、
本明細書の記述および添付図面からあきらかになるであ
ろう。

〔課題を解決するための手段〕 本願において開示される発明のうち代表的なものの概要
を簡単に説明すれば、下記のとおりである。

すなわち、本発明の光通信用光電子装置にあっては、箱
型のパッケージ本体の底内面に、緩衝体としての数百μ
ｍ以上と厚い半田を介してサブキャリアが固定された構
造となっている。前記サブキャリアにはレーザダイオー
ドチップや受光素子が搭載されている。また、光ファイ
バは前記サブキャリアにその先端部が取り付けられると
ともに、パッケージ本体の一側壁を貫通してパッケージ
外部に延在している。

〔作用］ 上記した手段によれば、本発明の光通信用光電子装置は
、箱型のパッケージ本体の底内面に、レーザダイオード
チップや受光素子を搭載しかつ光ファイバの先端部を固
定したサブキャリアが、数百μｍ以上と厚い半田を介し
て固定されている構造となっている。前記半田は鑞材に
比較して軟らかくかつ厚い。したがって、光電子装置の
動作時、パッケージ本体が周囲の熱との差によって熱歪
を起こしても、前記半田層が緩衝材として作用するため
、この歪は直接サブキャリアには影響しなくなり、温度
特性試験における出力変動へＰ、は大きくならず、あら
かしめ定めた規格以内となる。

〔実施例〕

以下図面を参照して本発明の一実施例について説明する
。

第１図は本発明の一実施例による光電子装置の要部を示
す断面図、第２図は同じくパッケージ蓋の一部を除去し
た光電子装置の平面図、第３図は同じくサブキャリアの
固定状態を示す断面図、第４図は同じくサブキャリアを
示す斜視図である。

本発明の光電子装置は、第１図および第２図に示される
ように、パッケージ１は箱型となるとともに、このパッ
ケージ１の一端にパッケージ１を取り付けるための取付
孔２を設けたフランジ３を有し、かつ他端にファイバガ
イド４を有して光フアイバケーブル５を案内する構造と
なっている。

この光電子装置は、前記パッケージ１の底から２列に亘
ってリード６を突出させ、デュアルインライン構造を構
成している。前記パッケージ１は、一端にフランジ３を
有しかつ上部が開口した箱型ノハンケージ本体（ケース
）７と、このパッケージ本体７の開口部を気密的に被う
パッケージ蓋（ケースＩＥ）　８とからなっていて、い
ずれも鉄ニツケル−コバール（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ）合金
からなるコバール（熱膨張係数は５．３Ｘ１０−’／’
Ｃ）によって形成されている。

前記パッケージ本体７の底内面には半田９を介してサブ
キャリア１１が固定されている。このサブキャリア１１
は、搭載部１２および支持部１３なる突部を主面に有す
るヒートシンク１４を台座部材とし、このヒートシンク
１４上に、レーザダイオードチップ１５．このレーザダ
イオ−トチ・ンプ１５から発光されるレーザ光を先端（
内端）から取り込む光ファイバ１６を案内する筒状の位
置決め固定体］７．前記レーザ光をモニターする受光素
子１８がそれぞれ固定されている。そして、前記光フア
イバケーブル５のパッケージ１内における部分は、ジャ
ケットが除去されてコアとこのコアを被うクラッドから
なる光ファイバ１６となり、かつ前記位置決め固定体１
７に案内されてその先端を前記レーザダイオードチップ
１５の一方の出射面に対面させている。

一方、前記パッケージ本体７の底内面にサブキャリア１
１を固定する半田９は、鉛（Ｐｂ）、錫（Ｓｎ）、金（
Ａｕ）、インジウム（Ｔ　ｎ）等によって構成される半
田、すなわち、Ｐｂ−３ｎＡｕ−３ｎ、Ｐｂ−３ｎ−Ｉ
ｎ、Ｉｎ−３ｎ等融点が１００〜５００　’Ｃの材質的
に軟らかい半田（ソフトソルダー）が緩衝体として使用
されている。また、この半田９は、その厚さが数百μｍ
以上と厚く形成され、この点においても応力を吸収する
緩衝体となっている。これによって、熱応力や外部から
加わった外力による応力がパッケージ本体７に発生して
も、これら応力は半田９で吸収される結果、直接サブキ
ャリア１１に伝わらなくなり、サブキャリア１１を変形
させなくなる：したがって、サブキャリア１１にそれぞ
れ固定されたレーザダイオードチップ１５と光ファイバ
１６の先端部との捩りを含めた位置関係に変化を生しさ
せなくなり、−１高精度に設定したレーザダイオードチ
ップ１５と光ファイバ１６との光軸合わせが横われなく
なる。

他方、前記サブキャリア１１は、矩形板状のヒートシン
ク１４の主面に搭載部１２および支持部１３を有してい
る。これら搭載部１２および支持部１３は凸状となって
いる。搭載部１２はヒートシンク１４の主面の中央領域
を横切るように配設されるとともに、支持部１３は一端
側にかつ前記搭載部１２に平行に延在している。また、
これら搭載部１２および支持部１３はヒートシンク１４
の中心線に対して傾斜した傾斜軸に直交する方向に延在
している。また、前記支持部１３には筒状の位置決め固
定体１７が貫通固定されている。この位置決め固定体１
７は、光ファイバ１６を案内するガイド管となるととも
に、光ファイバ１６の先端位置を調整できる調整可能な
管となっている。

このため、位置決め固定体１７は塑性変形し易い材料、
たとえば、キュプロニッケルで形成されるとともに、支
持部１３に挿嵌される細い変形可能な調整管２１と、支
持部１３の外側壁に段付面が当接する大径のガイド管２
２とからなっている。

また、ガイド管２２の外端の孔部分はテーパ状となり、
光ファイバ１６が挿入し易いようになっている。また、
位置決め固定体１７の内径は光ファイバ１６の直径のφ
１２５μｍよりも僅かに太い径となっている。光ファイ
バ１６は調整管２１にフラックスレスの半田で固定され
ている。

また、前記位置決め固定体１７の先端、すなわち、調整
管２１の先端延長線上の搭載部１２上には、サブマウン
ト２３がフラックスレスの低融点半田、たとえば、Ｐｂ
−３ｎ−Ｉｎからなる半田で固定される。サブマウント
２３は、熱伝導度が高くかつ熱膨張係数αがＳｉや化合
物半導体に近催した絶縁性のＳｉＣ（α：３．７Ｘ１０
−’）で構成されている。このサブマウント２３の主面
には、図示しない導電性のメタライズ層が設けられ、か
つこのメタライズ層上には、それぞれＡｕ−３ｎ共晶層
を介してそれぞれ独立してレーザダイオードチップ１５
およびＡｕからなるペデスタル２５が固定されている。

したがって、前記レーザダイオードチップ１５の下部電
極はメタライズ層を介して前記ペデスタル２５と電気的
に接続されている。前記レーザダイオードチップ１５は
、レーザ光を出射する共振器がサブマウント２３から遠
く離れる、いわゆるｐ−ｕｐの状態でサブマウント２３
に固定されている。また、前記レーザダイオードチップ
１５の上面の電極は２本のワイヤ２６によって搭載部１
２に電気的に接続されるとともに、前記ペデスタル２５
と所定のり一ド６とは図示しないワイヤによって電気的
に接続されている。これは、前記レーザダイオードチッ
プ１５の上部電極と搭載部１２との接続、ペデスタル２
５とリード６との接続は、この光電子装置にあっては、
レーザダイオードチップ１５をドライブする側を高速ト
ランジスタの関係からマイナスとして使用するための極
性変更のためである。なお、前記レーザダイオードチッ
プ１５はサブマウント２３に搭載された状態で搭載部】
２上に固定される。

また、前記レーザダイオードチップ１５がヒートシンク
１４の中心線から外れ、かつ光ファイノ＼１６を案内す
る位置決め固定体１７が中心線から外れていることから
、ファイバガイド４の延長線上には位置決め固定体１７
は位置しなくなる。この結果、ファイバガイド４から位
置決め固定体１７に亘って延在する光ファイバ】６は曲
線を描いて延在し、伸縮に対応できるようになっている
。

また、前記ヒートシンク１４の主面には受光素子１８を
取り付けたチップキャリア３０がＡｕＳｎ共晶層を介し
て固定されている。前記チップキャリア３０はセラミッ
クのブロックからなるとともに、その−側面（主面）お
よび上面に亘って素子固定用メタライズ層３１およびワ
イヤ固定用メタライズ層３２がそれぞれ設けられている
。受光素子１８は前記素子固定用メタライズ層３１上に
Ａｕ−３ｎ共晶層を介して固定されている。また、この
受光素子１８の上面の電極と、前記ワイヤ固定用メタラ
イズ層３２とはワイヤ３３で電気的に接続されている。

なお、前記チップキャリア３０は千ノブキャリア３０の
矩形の一辺がヒートシンク１４の一辺と一致するように
ヒートシンク１４に固定されるため、受光素子１８の受
光面は、図示しないレーザ光に対して垂直とはならず傾
斜する。このため、受光素子１８の受光面での反射光が
レーザダイオードチップ１５の出射面に戻らなくなり、
戻り光による雑音の発生は防げる。

このような光電子装置は、前記レーザダイオードチップ
１５からレーザ光を発光させ、この発光させたレーザ光
を光ファイバケーフル５によって所望個所に伝送するこ
とによって光通信を行う。

この際、この光電子装置は、受光素子１８でレーザ光を
モニターし、この情報に基づいてレーザダイオードチッ
プ１５の出力を制御し、安定した光通信を行う。

このような実施例によれば、つぎのような効果が得られ
る。

（１）本発明の光電子装置は、レーザダイオ−トチ、プ
や受光素子を搭載しかつ光ファイバを支持してなるサブ
キャリア１〕を、パッケージ本体に緩衝体となる厚い半
田を介して固定する構造となっていることから、光電子
装置の動作時周囲の温度差によってパッケージ本体に熱
応力（熱歪）が発生しても、熱応力（熱歪）の影響を受
けなくなり、レーザダイオードチップと光ファイバとの
光結合状態が損なわれるようなことはなくなるという効
果が得られる。

（２）上記（１）により、本発明の光電子装置は、パッ
ケージ本体の物理的変動、すなわち応力や歪の影響を受
けないことから、外部から加わる機械的外力に対しても
信転度が高いという効果が得られる。

（３）上記（１）および（２）により、本発明の光電子
装置は、レーザダイオードチップと光ファイバの光結合
状態が良好に設定された状態を維持することができ、常
に安定した動作を行うという効果が得られる。

（４）上記（１）〜（３）により、本発明によれば、光
結合の信頗度が高い通信用光電子装置を提供することが
できるという相乗効果が得られる。

以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具
体的に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能
であることはいうまでもない、たとえば、前記実施例で
は半田９を緩衝体として使用したが、第５図に示すよう
に、パッケージ本体７とサブキャリア１１間に応力を吸
収する接合体でない緩衝体４０を設けても良い。この緩
衝体４０は、材質的には応力吸収のため軟質な金属体が
良く、かつ厚さも放熱効果を極端に減することのないこ
とを条件として応力吸収のため厚いことが望ましい。た
とえば、緩衝体４０としては、数ｍｍ厚さのモリブデン
板を使用する。また、前記緩衝体４０は熱伝導率が高く
かつ経時的に劣化したり、ガスを放出しない等パッケー
ジ内の部品を損傷させないものであれば金属以外のもの
でもよい。また、この緩衝体４０とパッケージ本体７ま
たはサブキャリア１１との固定に用いる接合材は緩衝体
でも良いが、緩衝性を有することがら半田が望ましい。

このように、パッケージ本体７とサブキャリア１１間に
緩衝体４０を設けることによって前記実施例同様にレー
ザダイオードチップ１５と光ファイバ１６との光結合状
態を損なう変動は抑止できる。

以上の説明では主として本発明者によってなされた発明
をその背景となった利用分野である光通信用光電子装置
の製造技術に適用した場合について説明したが、それに
限定されるものではない。

（発明の効果〕 本願において開示される発明のうち代表的なものによっ
て得られる効果を簡単に説明すれば、下記のとおりであ
る。

本発明の光電子装置にあっては、箱型のパッケージ本体
の底内面に、数百μｍ以上と厚い半田を介してサブキャ
リアを固定した構造となっていることから、光電子装置
の動作時、パッケージ本体が周囲の熱との差によって熱
歪を起こしても、鑞材に比較して軟らかくかつ厚い前記
半田が緩衝材として作用することから、前記歪は直接サ
ブキャリアには影響しなくなり、温度特性試験における
出力変動へＰ、は低減される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による光電子装置の要部を示
す断面図、 第２図は同じくパッケージ蓋の一部を除去した光電子装
置の平面図、 第３図は同しくサブキャリアの固定状態を示す断面図、 第４図は同じくサブキャリアを示す斜視図、第５図は本
発明の他の実施例による光電子装置の要部を示す断面図
、 第６図はモニタ電流とファイバ出力との相関を示すグラ
フである。 １・・・パッケージ、２・・・取付孔、３・・・フラン
ジ、４・・・ファイバガイド、５・・・光フアイバケー
ブル、６・・・リード、７・・・パッケージ本体、８・
・・パッケージ蓋、９・・・半田、１１・・・サブキャ
リア、１２・・・搭載部、１３・・・支持部、１４・・
・ヒートシンク、１５・・・レーザダイオードチップ、
１６・・・光ファイバ、１７・・・位置決め固定体、１
８・・・受光素子、２１・・・調整管、２２・・・ガイ
ド管、２３・・・サブマウント、２５・・・ペデスタル
、２６．３３・・・ワイヤ、３０・・・チップキャリア
、３Ｉ・・・素子固定用メタライズ層、３２・・・ワイ
ヤ固定用メタライズ層、４０・・・緩衝体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、パッケージと、このパッケージの内面に固定された
   サブキャリアと、前記サブキャリアに固定されたレーザ
   ダイオードチップと、先端が前記レーザダイオードチッ
   プに対面するとともに前記サブキャリアに支持されかつ
   前記パッケージを貫通して外部に延在する光ファイバと
   を有する光電子装置であって、前記サブキャリアは緩衝
   体を介して前記パッケージに固定されていることを特徴
   とする光電子装置。 ２、前記緩衝体は接合材からなっていることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の光電子装置。 ３、前記接合材は半田からなりかつ半田の厚さは数百μ
   ｍ以上の厚さとなっていることを特徴とする特許請求の
   範囲第２項記載の光電子装置。