JPH04204405A - 半導体光結合装置 - 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、発光素子と光ファイバとをレンズで光結合し
てなる半導体光結合装置に係り、特に、レンズを安定し
て固定できるに好適な半導体受発光光結合装置に関する
。

〔従来の技術〕

ロッドレンズを接合する従来の方法として、特開昭６２
−１３０５８２号公報に開示されている方法がある。こ
の方法は、第１０図に示すように、ケース１内の所定位
置に受光素子３と発光素子２が搭載されており、発光素
子２が発光する面と対向したケース１の側面に、発光素
子２の光軸と一致した位置に中心軸を合わせた貫通孔５
を設けている。

この貫通孔内５にロッドレンズ６を挿入し位置合わせし
た後、ケース１の外側からロッドレンズ６をはんだ８で
固定している。また、光フアイバ部材１０はロッドレン
ズ６と対向した位置に支持部材９を介してケース１に接
合されている。従ってロッドレンズ６は１発光素子２と
光ファイバ１１との光結合を行い、さらに、ハンダ８で
固定しているため、ケース内部１を気密封止する構造と
なっている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来構造は、ケース側面に貫通孔を設け。

この貫通孔内にロッドレンズをはんだで固定し、発光素
子と光ファイバとの光結合を行っている。

また、ロッドレンズ周囲をはんだで固定しているため、
ケース内部を気密封止する構造となっている。しかし、
ケース材とロッドレンズ間の熱膨張率差があるため両者
を接合すると、はんだ材中に熱ひずみが発生し、これに
基づくクリープ変形を起こすことがあった。また、長期
間の使用に際しては、熱膨張率差によるひずみが、繰返
しはんだ材に加わり、疲労破壊を起こすことがあった。

このためロッドレンズの固定は不十分となり、位置ずれ
を起こし、発光素子から出射した光を光ファイバに効率
良く取り込むことができなくなる。さらには、ケース内
の気密が保てなくなるなど、ロッドレンズを安定、かつ
、確実に固定できず、長期にわたって高信頼性を得られ
なくなる問題があった・ 本発明の目的は、ホルダとロッドレンズを確実、かつ、
堅固に固定し、発光素子と光ファイバとの光結合を長期
にわたって安定に保つことができる半導体光結合装置を
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に、まずホルダとロッドレンズ
間の熱膨張率差を出来るだけ小さくするようにホルダ材
を選択し、次にたとえ両者間に熱ひずみが発生しても、
クリープあるいは疲労破壊しないように、ＡｕとＳｎ合
金部材で接合固定する。さらにはホルダとロッドレンズ
間のギャップの最適化を図ることにより、ロッドレンズ
接合部での変形を防止し、長期にわたって安定した光結
合を得ることができる。

〔作用〕

ホルダ材には、ホルダとロッドレンズ間の熱膨張率差を
３　Ｘ　１０−’／”Ｃ以内にした金属を用い、ホルダ
孔の内周面とロッドレンズ外周面とのギャップを０．３
−以下にし、このギャップにＡｕとＳｎの合金部材を充
填させて接合固定する。すなわち、ホルダとロッドレン
ズ間の熱膨張率差を小さくし、さらにホルダとロッドレ
ンズをＡｕとＳｎの合金部材で接合するとともに１両者
のギャップを最適にすることにより、両者間に熱ひずみ
が発生してもクリープあるいは疲労破壊せずに接合固定
できる。これらによって、ロッドレンズは位置ずれを起
こすことがなく、またケース内の気密が劣化することは
ない。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を第１図により説明する。

ロッドレンズ６を固定したホルダ１２は１発光素子２．
受光素子３を覆うようにステム上面１５に配置され１発
光素子２の光軸とロッドレンズ６の中心軸とが一致する
位置で、ステム１５に抵抗溶接２６で固定する。これに
よって、ホルダ１２の内部は１発光素子２と受光素子３
が外気から遮断された気密状態となる。発光素子２から
出射されロッドレンズ６を通過した光は、発光素子２と
ロッドレンズ６の光軸上で集光する。この集光点に光フ
ァイバ２８を配置するため、まず、この位置に適合した
高さのパイプ２５をステム上１５に接合し、フェルール
２７を支持した支持部材３ｍｍをパイプ端２５に配置し
て光ファイバ２８を位置合わせした後、パイプ２５と支
持部材３ｍｍをＹＡＧ溶接３３で固定する。

ホルダ１２は外径φ３．６ｍ、高さ５．０ａｍで、中心
にはφ２．０■の貫通孔１４を設けたキャップ型構造で
あり、熱膨張率は１１．８　Ｘ　１０”−’／℃の鉄材
で、表面には４〜６μｍの厚さで下地Ｎｉメッキ処理後
、Ａｕメッキを被覆する。ロッドレンズ６は外径φ１．
８ＩＩＩＩｌ、長さ３．８−で先端に曲率をもち、両端
面に反射防止膜を被覆した集束型屈折率分布ロッドレン
ズ６で、熱膨張率は１１．９　Ｘ　１０−６／℃、外周
面にはＴｉ−Ｐｔ−Ａｕの順に１〜２μｍの厚さでメタ
ライズ膜を被覆する。接合部材１３はＡｕとＳｎが８０
：２０の組成比で、融点が２８０℃の合金部材を用いる
。

ロッドレンズ６はホルダ１２の中心位置に設けた孔内１
４の所定位置に挿入され、このロッドレンズ６の外周面
とホルダ孔内周面１４とのギャップ部をＡｕとＳｎの合
金部材１３で均一に充填する。ロッドレンズ６は充填し
た合金部材１３で周囲から支持され、ホルダ孔内周面１
４とロッドレンズ外周面６とのギャップは０．１ｍ　と
なる。この状態で、ホルダ１２を窒素ガス、アルゴンガ
ス、あるいは真空の雰囲気中で３００℃まで加熱する。

ホルダ１２全体が加熱されるとギャップ内に充填した合
金部材１３は溶融する。合金部材１３は酸素を遮断した
雰囲気中で溶融しているため酸化せずに、ホルダ１２と
ロッドレンズ６とを接合固定できる。

ステム上面１５に突出したヒートシンク１６にはサブマ
ウント１７を介して発光素子２が搭載され、ステム上面
１５のヒートシンク近傍１６に受光素子３が取り付けら
れており、発光素子の出力をモニタすることができる。

光ファイバ２８は、フェルール２７の中心位置に設けた
貫通孔２９に挿入し、エポキシ系樹脂３０で固定する。

このフェルール内２７に固定した光ファイバ２８は、光
を取り込むときの反射を防止するために、先端を斜めに
加工３２した形状となっている。フェルール側面２７に
は、これを支持する支持部材３ｍｍを接合している。

本発明では、ホルダ材１２にロッドレンズ６との熱膨張
率差が小さい金属を用い、ホルダ１２に固定したロッド
レンズ６の外周面とホルダ孔内周面１４とのギャップを
０．３−以下にして、ＡｕとＳｎの合金部材１３で接合
している。これらにより、ホルダ１２とロッドレンズ６
間に熱ひずみが発生しても、クリープあるいは疲労破壊
することがなく安定した接合が得られる。さらにホルダ
１２とロッドレンズ６間のギャップの最適化により、ロ
ッドレンズ６はわずかな接合ひずみで固定できる。第８
図、第９図はロッドレンズ６が受ける力を示す。第８図
はホルダ１２とロッドレンズ６間の熱膨張率差とレンズ
６に加わる応力の関係を示し、第９図はホルダ１２とロ
ッドレンズ６間のギャップとレンズ６に加わる応力の関
係を示す。

縦軸の相対値が１の点はレンズ６の限界破断強さを示す
。これらの図より、熱膨張率差が３Ｘ１０−’／℃以上
、また、ギャップ値が０．３＋ｍ以上になると、ロッド
レンズ６は限界破断強さを超えることが分かる。従って
、ロッドレンズ６を安定に固定するには、熱膨張率差を
３ＸＩＯ−’／”Ｃ以内、ギャップの０．３−以下にす
ることが必須である。

さらに、合金部材１３が溶融すると、その表面張力の作
用でロッドレンズ６は周囲から均一に支持され、ホルダ
孔１４の中心位置に外力を加えずに位置合わせ接合する
ことができる。

従って、この方法によればロッドレンズ６を確実、かつ
、堅固に、しかも長期間安定して固定することができる
。

なお、第１図で示す実施例は、同軸タイプの半導体光結
合装置に適用したものであるが、これに限定されるもの
ではなく、例えば、角型タイプのＤｕａｌ　Ｉｎ１ｉｎ
ｅ型、Ｂｕｔｔｅｒ　　ｆｌｙ型などにも適用可能であ
る。

他の実施例として、ホルダとロッドレンズの間にＡｕと
Ｓｎの合金部材を設置し接合した構造を第２図から第７
図により説明する。

第２図から第４図はロッドレンズ６の外周面にメタライ
ズ膜１９を被覆し、その被覆面の上にＡｕメッキ２０と
Ｓｎメッキ２１の表面処理を行った場合を示す。

ロッドレンズ６は外周面にメタライズ膜１９が１〜２μ
ｍの厚さで被覆し、その被覆面の上にＡｕ２０と５ｎ２
１のメッキが５−１０μｍの厚さで付ける。この表面処
理したロッドレンズ６はホルダ１２に設けた孔１４の所
定位置に挿入する。

このときのホルダ孔内周面１４とロッドレンズ外周面６
とのギャップは１０μｍである。この状態でホルダ１２
を加熱すると、ロッドレンズ外周面６に被覆したＡｕ２
０と５ｎ２１の表面処理部材は溶融し、ホルダ１２と接
合固定する。これによると、Ａ　ｕ　２０と５ｎ２１の
表面処理部材は、予めロッドレンズ外周面６に均一に被
覆されているので、ホルダ孔内周面１４とロッドレンズ
外周面６とのギャップを小さくでき、しがも均一に接合
することができる。

次に、第５図はホルダとロッドレンズとの間に挿入する
Ａ’ｕとＳｎの合金部材を、パイプ形状にして設置した
実施例を示す。

パイプ２２の形状は、外径φ２．１ｍ−内径φ１．８２
−となっており、ホルダ６の孔径１４はφ２．１２−で
ある。ホルダ６の孔内１４にはロッドレンズ６、パイプ
２２をそれぞれ収納し、ロッドレンズ外周面６とホルダ
孔内周面１４とのギャップは０．１６■とする。またロ
ッドレンズ６は周囲からパイプ２２で支持した形状で、
孔１４の中心に位置合わせする。この状態でホルダ１２
を加熱すると、合金部材２２に溶融しボルダ１２とロッ
ドレンズ６を接合固定できる。

また、第６図はＡｕとＳｎの合金部材を、線材形状にし
て設置した場合を示す。線材２３の形状は外形φ０．２
ｍ−長さ３．５−であり、ボルダ孔径１４はφ２．２２
園である。ホルダ１２の孔内１４にはロッドレンズ６を
挿入し、ロッドレンズ６のｊ！囲には線材２３を均一に
設置する。この状態でホルダ１２を加熱すると１合金部
材２３は溶融し、ホルダ１２とロッドレンズ６を接合固
定できる。

さらに第７図は、ホルダとロッドレンズとの間に、Ａｕ
とＳｎの合金部材の粉末を充填した実施例を示す。

ホルダ１２はφ２．１■、φ１．９園の２つの径をもつ
段付き貫通孔１４が中心位置に設けてあり、ロッドレン
ズ６は、この孔１４の所定位置に挿入する。このロッド
レンズ６の外周面とホルダ孔内周面１４との最小のギャ
ップはＣ）、０５ｍであり、このギャップに、粉末にし
たＡｕとＳｎの合金部材２４を充填する。ロッドレンズ
６は粉末の合金部材２４によって、ホルダ孔１４の中心
位置に支持される。この状態でホルダ１２を加熱すると
、ギャップに充填された合金部材２４は溶融し、ホルダ
１２とロッドレンズ６を接合固定できる。

これによると、ホルダ孔１４が２段形状のような場合で
も、合金部材２４が粉末であるため、ギャップ内を均一
に充填でき、接合部材に空洞を作らずにロッドレンズを
接合できる。

従って、本実施例ではロッドレンズ６を確実かつ堅固に
、しかも合金部材１３をすき間なく充填でき、ロッドレ
ンズ６を安定に接合することができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ホルダ材にはロッドレンズとの熱膨張
率差を小さくした金属を用い、ホルダ孔内周面とロッド
レンズ外周面とのギャップを０．３−以下にし、Ａｕと
Ｓｎの合金部材で接合固定する。

これによると、ホルダとロッドレンズ間に熱ひずみが発
生しても、熱膨張率のマツチング、合金部材での接合に
よって、クリープあるいは疲労破壊を起こすことはなく
、両者を安定に固定することができる。さらにホルダと
ロッドレンズ間はギャップの最適化を図っているため、
ロッドレンズが接合部で受ける変形はわずかで、長期に
ねたつ−で安定した光結合を得ることができる６従って
、本発明の半導体光結合装置は、ホルダとロッドレンズ
を確実かつ堅固に固定し、しかもケース内を気密に封止
でき発光素子と光ファイバとの光結合を長期にわたって
安定に保つことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の半導体光結合装置の構造縦
断面図、第２図はロッドレンズ外周面にメタライズ膜を
被覆し、その上にＡｕとＳｎのメッキを行った斜視図、
第３図は第２図の垂直断面拡大図、第４図は第３図のロ
ッドレンズをホルダに挿入した斜視図、第５図はホルダ
にロッドレンズとＡｕとＳｎのパイプ材を挿入した斜視
図、第６図はホルダにロッドレンズとＡｕとＳｎの線材
を挿入した斜視図、第７図はホルダとロッドレンズ間に
ＡｕとＳｎの粉体を充填した斜視図、第８図、第９図は
レンズに加わる応力と熱膨張率差。 ギャップ値を示した特性図、第１０図は従来のロッドレ
ンズ固定法を示した断面図である。 １・・・ケース、２・・・発光素子、３・・・受光素子
、４・・・蓋、５・・・ロッドレンズ貫通孔、６・・ロ
ッドレンズ、７・・・はんだ封入部、８・・はんだ、９
・・・光フアイバ支持部材、１０・・・光フアイバ部材
、１１・・・光ファイバ、１２・・・ホルダ、１３・・
・ＡｕとＳｎの合金部材、１４・・・ホルダ貫通孔、１
５・・・ステム、１６・・ヒートシンク、１７・・・サ
ブマウント、１８・・・リート、１９・・・メタライズ
膜、２０−　Ａ　ｕメッキ、２１・・・Ｓｎメッキ、２
２・・・ＡｕとＳｎのパイプ材、２３−ＡｕとＳｒｉの
線材、２４−　Ａ　ｕとＳｎの粉体、２５・・パイプ、
２６・・抵抗溶接、２７・　フェルール、２８・・・光
ファイバ、２９・・・光フアイバ貫通孔、３０・・・エ
ポキシ樹脂、３ｍｍ・・・フェルール支第　１　因 第７図 第８１２］ Ｌｅ％Ｊ−ＨＯＩ−ｔｒ閣噌；冒ζ、、５ＮｋｉＩＰ差
　ＡＩＫ　Ｉ　Ｘ　ＬＯ−６／℃ノ第ｑ閃 茶１０　ロ ア

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ステムと、前記ステムの上面に突出したヒートシン
   クにサブマウントを介して搭載した発光素子と、前記発
   光素子と対向した位置にホルダによって支持、固定され
   たロッドレンズ、及びフェルールによって接合固定され
   た光ファイバをもち、前記発光素子と前記光ファイバと
   を前記ロッドレンズを介して光結合する半導体光結合装
   置において、 前記ホルダの中心軸に設けた孔に前記ロッドレンズを収
   納し、前記ホルダの孔内周面と前記ロッドレンズの外周
   面とのギャップを０．３ｍｍ以下として、ＡｕとＳｎの
   合金部材を充填させた後、加熱処理することにより合金
   部材を溶融し、前記ホルダと前記ロッドレンズとを接合
   固定したことを特徴とする半導体光結合装置。 ２、請求項１において、前記ホルダと前記ロッドレンズ
   間の熱膨張率差は、３×１０＾−＾６／℃以内である半
   導体光結合装置。 ３、請求項１において、ＡｕとＳｎの合金部材の形状と
   して、線材、パイプ材、あるいは粉体を用いて前記ホル
   ダと前記ロッドレンズを接合した半導体光結合装置。 ４、請求項１において、前記ロッドレンズの外周面、あ
   るいは前記ホルダの孔内周面にＡｕとＳｎのメッキ、あ
   るいはスパッタリングで表面にコーティングした半導体
   光結合装置。