JPH0632341B2 - 光フアイバ付半導体発光装置 - Google Patents

光フアイバ付半導体発光装置

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JPH0632341B2
JPH0632341B2 JP10810485A JP10810485A JPH0632341B2 JP H0632341 B2 JPH0632341 B2 JP H0632341B2 JP 10810485 A JP10810485 A JP 10810485A JP 10810485 A JP10810485 A JP 10810485A JP H0632341 B2 JPH0632341 B2 JP H0632341B2
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    • G02B6/24Coupling light guides
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    • G02B6/4201Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
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    • GPHYSICS
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は光フアイバ付半導体発光装置、特に光通信など
に適用して好適な光フアイバ付半導体発光装置に関する
ものである。
〔発明の背景〕
光通信などに用いる光フアイバ付半導体発光装置は、レ
ーザダイオードなどの半導体発光素子の出射面と、光フ
アイバの先端である光結合端とが対面するように構成さ
れている。そして、光フアイバの光結合端は、半導体発
光素子からの光を効率よく導入するために、予めレンズ
加工をしている。この構造で光結合させると、半導体発
光素子と光フアイバの光結合端との光軸の相対位置ずれ
量により、光結合効率が変化する。今、半導体発光素子
として例えばレーザダイオードを用い、光フアイバとし
てコア径が5〜10μφのシングルモードフアイバを用
い、このレーザダイオードと光フアイバの光結合端との
相対位置の変化として、光軸方向をz方向、光軸方向に
対して垂直方向をy方向、水平方向をx方向とした場
合、y方向とz方向の位置ずれ量に対する光結合効率の
変化は第5図及び第6図に示すようになる。第5図及び
第6図でわかるように、光結合効率は、y方向(x方向
についても同様)の位置ずれに対し許容範囲が小さく、
位置ずれ量が±1μmに対し光結合効率が約15%低下
する。この結果は、光フアイバとしてシングルモードフ
アイバ(コア径5〜10μφ)を使つたものであり、マ
ルチモードフアイバ(コア径45〜62μmφ)に対し
ては、上記の許容範囲は幾分大きくなる。一方、z方向
の位置ずれに対する許容範囲は、y方向の許容範囲に比
べて大きくなる。
そこで、従来の装置は、例えば特開昭60-43889号公報に
記載のように、光フアイバの光結合端部を可塑性の支持
体に設けられた孔又は溝において固定し、該支持体を変
形させることによりx方向及びy方向に対するずれを調
整できる構造をとつている。
また、特開昭57-138191 号公報に記載のように、半導体
レーザ固定部とフアイバ固定部との厚さ及び構成材料の
組み合せを考え、y方向に対する相対変位がない構造に
なつている。
しかしながら、このような従来の構造は、いずれも、パ
ツケージが受ける温度変化に対してy方向(x方向)も
同様に発光する半導体発光素子と光フアイバとの相対位
置ずれを検討したものであり、z方向に対しては配慮さ
れていなかつた。たとえば、特開昭60-43889号公報に記
載の構造において、半導体発光素子と光フアイバのz軸
方向の相対位置ずれ量を計算により求めると次のように
なる。パツケージのステムの材料であるコバールの熱膨
張係数αを5.0×10-6(℃-1)、フアイバガイド2
の材料である銅・ニツケルの熱膨張係数α2を14×1
-6(℃-1)、光フアイバの線膨張係数αを0.5×1
-6(℃-1)、フアイバ支持部とフアイバガイドの先端
との距離Aを1mm、フアイバガイドのステム側面部から
の突出長さBを2mmとし、温度がΔT(℃)変化したと
するとステムの熱変形量Lは L1=(A+B)×α1×ΔT =3×5.0×10-6×ΔT =15×10-6ΔT となる。一方、フアイバ側の熱変形量Lは、 L2=A×α3×ΔT+B×α2×ΔT =(1×0.5×10-6+2×14××10-6)ΔT =28.5×10-6ΔT となる。L1とL2の値には大きな差があり、温度が変化
すると増々差が大きくなつて行く。たとえば、温度が上
昇すると、ステムよりフアイバ側の伸び量が大きくなる
ために、フアイバあるいはフアイバ支持部突出部先端と
フアイバとのはんだ接合部に熱ひずみが加わり、変形を
起こすことがあるため、半導体発光素子と光フアイバと
の相対位置ずれとなつたり、長期間使用による劣化の原
因となる。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、パツケージに温度変化が生じても、常
に安定した光結合効率を得ることができる光フアイバ付
半導体発光装置を得ることである。
〔発明の概要〕
光フアイバ付半導体発光装置は、半導体発光素子の出射
面と光フアイバの光結合端とが対面するように構成され
ている。前述の半導体発光素子は、パツケージのステム
上にサブマウントを介して接合されている。前述の光フ
アイバは、ステム側面部に固着されたフアイバガイドを
貫通してフアイバガイド先端でその中間部が固定され半
導体発光素子近傍でフアイバ支持部によりその先端側が
固定されて、その光結合端を前述の半導体発光素子の出
射面に臨ませている。
本発明の特徴は、前述のような光フアイア付半導体発光
素子において、光フアイバの材料、パツケージのステム
の材料及びフアイバガイドの材料を積極的に変えて、か
つ各部材の長さ(比率)を特定することにより、発生す
る熱変位量を常に等しくさせることにより、熱ひずみの
発生をなくする構造にしたものである。具体的には、光
ファイバを石英ガラスとし、ステムをコバール材とし、
ファイバガイドはFe−50Ni合金材料とし、ファイバ
支持体とファイバガイドの突起部先端までの長さをA、
ファイバガイドの突起部先端からファイバガイドのステ
ム側面部端面までの長さをBとしてA/Bを1.3とす
ることを特徴とする。
〔発明の実施例〕
以下、本発明の実施例として、半導体発光素子がレーザ
ダイオードである場合を第1図〜第3図により説明す
る。
パツケージのステム1は、コバール材料からなり、この
ステム1の底部1bには、セラミツクスSiC材料から
なるサブマウント2がはんだなどの低融点の接合材3に
より固定されている。レーザダイオード4は、このサブ
マウント2上に、はんだなどの低融点の接合材5により
固定されている。レーザダイオード4の一方の出射面に
対面するステム1の側面部1aには、管体状のジヤケツ
トガイド6が、銀ろうなどの接合材7により固定されて
いる。そして、このジヤケツトガイド6には、フアイバ
ガイド8が銀ろうなどの接合材9により接合されてい
る。このフアイバガイド8は、パツケージ内に突出部8
aを有する管体となつている。光フアイバ10は石英か
らなり透明な材料からなる一様に高い屈折率を有するコ
ア10aとこのコア10aを覆い、コア10aより小さ
い一様の屈折率を有するクラツド10bと図示はされて
いないがクラツド10bを覆うジヤケツトからなる。こ
の光フアイバ10は、前述のフアイバガイド8を貫通
し、その先端がレーザダイオード4のレーザ光を出射す
る出射面に対面するように配設される。そして、この光
フアイバ10は、フアイバガイド8の突出部8aの端部
においてはんだあるいは接着剤などの接合材11により
接合固定される。この接合材11による接合固定部は、
パツケージの内外の気密をとる部分でもある。また、光
フアイバ10とジヤケツトガイド6とは、樹脂などの固
定材16により接合固定されるこの光フアイバ10のフ
アイバガイド8内及び突出する部分は、ジヤケツトが剥
離されてクラツド10bが露出しており、その先端でレ
ンズ加工処理した光結合端10cがレーザダイオード4
の一の出射面に対面し、レーザ光を光フアイバ10内に
取り込むようになつている。また、光フアイバ10の光
結合端側は、レーザダイオード4の近傍に設けられたフ
アイバ支持体12に穿設された円形断面の孔13に挿入
され、この孔13内に充填された樹脂などの固定材14
により固定される。このフアイバ支持体12は、ステム
1の底面部1bの穴部に嵌め込まれ、銀ろうなどの接合
材15により固定されている。レーザダイオード4の他
方の出射面にはフオトダイオードなどの受光素子17が
対面している。この受光素子17は、ステム1の底面部
1bに接合された支持体18に取付けられている。受光
素子17の信号引出用リード線19,20は、ステム1
の側面部1aを貫通して外部に延長しており、ステム1
の側面部1aとリード線19,20とは、ガラス封止さ
れている。
また、ステム1には、2本のリード線21,22が配設
されている。一方のリード線21は、グランドリードで
あり、ステム1に溶接され、ステム1及びサブマウント
2を経てレーザダイオード4の下部電極と電気的に接続
している。また、他方のリード線22は、ステム1に図
示はされていないが、ガラス封止され内端側がレーザダ
イオード4の上部電極と電気的に接続している。
前述の受光素子17は、レーザダイオード4から出射さ
れるレーザ光の光強度を測定し、その測定信号に基づ
き、レーザダイオード4の作動用電流を調整し、光フア
イバ10内を伝送するレーザ光の光強度を所定値に制御
する。
上記のような構造において、レーザダイオード4の出射
面と、光フアイバ10の光結合端との光結合効率は、光
フアイバ、ステム材料及びフアイバガイド材料との組合
せで発生する熱変形をできるだけ一致させることにより
向上する。
またフアイバ支持体12とフアイバガイド8の突起部8
a先端の接合材11までの長さをA、フアイバガイド8
の突起部8a先端の接合材11からフアイバガイド8の
ステム側面部1aの端面までの長さBとしたとき、光フ
アイバ10とステム1の材料とフアイバガイド8の材料
との組合せは、前述の長さAとBの比A/Bによつて決
まる。
すなわち本発明における手段としては、前述の光フアイ
バ、ステム材料及びフアイバガイド材料の組合せと長さ
AとBの比A/Bとの相互関係により、前述の材料と長
さA,Bとを決め、前述の熱変形をできるだけ一致させ
ている。
この実施例においては、フアイバガイド8の材料として
Fe−50Ni合金材料とした組合せである。(ステム
1は前述の如くコバール材、光ファイバ10は同じく前
述の如く石英ガラスである)。このとき前述の長さAと
Bの比A/Bは1.3である。
このように、ステム1とフアイバガイド8の材料を選定
すると、温度変化に対して相対位置のずれが発生しない
構造における前述の長さAとBの比A/Bは、一義的に
決まる。
しかし、ステム1とフアイバガイド8の材料を変える
と、温度変化に対する相対位置ずれの生じない構造にお
ける前述の長さAとBの比A/Bは変化する。
即ち、ステム1の熱膨張係数αとフアイバガイド8の
熱膨張係数αとの比α/αと前述の長さAとBの
比A/Bの組合せにより、目的とする相対位置ずれが発
生しない構造が決定される。第4図はこのα/α
A/Bとの関係を示したもので、横軸にα/α,縦
軸にA/Bをとつている。
したがつて、前述の各実施例は、第4図に示す関係に基
づき、コバール材料からなるステム1に対し、フアイバ
ガイド8の材料の組合せが選定されている。なお、α
g,αsは同じ熱膨張率であってはならない。ステムとフ
ァイバガイドとは一緒に伸縮するが、光ファイバは伸縮
しずらいから、光ファイバ及びファイバガイドのトータ
ル(距離にしてA+B)の熱変位量がステムの(距離に
してA+B)の熱変化量と一致しなくなってしまう。ち
なみに第4図はαg/αs=1におけるA/B値を示して
いない(測定していない)。
以上説明したような構造にすることにより、レーザダイ
オード等の半導体発光素子や光フアイバ等を搭載した発
光装置が低温,高温の繰返し温度変化を受けても、光フ
ァイバ側と光フアイバを支持するステム側との熱膨張が
ほぼ等しくなる。このため、剛性の大きいステムの熱変
形によつて構成の小さい光フアイバ側が熱変形による拘
束を受けず、常に相対位置ずれや応力がない発光装置を
得ることができる。
即ち、光フアイバ付半導体発光装置は、発光素子から出
射される光が最大の光結合効率で光フアイバに取込まれ
る状態で当初組立てられる。この状態は、組立て後の温
度変化に対しても常に維持継続され、発光素子と光フア
イバの光結合効率が低下しない。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明によれば、パツケージに温
度変化が生じても、発光素子と光フアイバとを常に安定
した光結合効率を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の発光装置の一実施例の平面図、第2図
は第1図のII−II′線に沿う断面図、第3図は第1図の
要部拡大断面図、第4図は本発明の発光装置における要
部の熱膨張係数比と、要部の長さの比との関係を示す
図、第5図及び第6図は従来の発光装置における発光素
子と光フアイバとの位置ずれ量を説明する図である。 1……ステム、2……サブマウント、3,5,7,9,
11,15……接合材、4……レーザダイオード、6…
…ジヤケツトガイド、8……フアイバガイド、10……
光フアイバ、12……フアイバ支持体、17……受光素
子。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 清水 翼 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 安達 栄一 長野県小諸市大字柏木190番地 株式会社 日立製作所小諸工場内 (56)参考文献 特開 昭60−43889(JP,A)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体発光素子と、この発光素子の出射面
    に光結合端が対面する光ファイバを有し、前記発光素子
    は、ステムの底面部にサブマウントを介して設けられ、
    前記光ファイバは、ステムの側面部に設けられたファイ
    バガイドを貫通し、前記発光素子の近傍に設けられたフ
    ァイバ支持体によりその光結合端側が支持されている光
    ファイバ付半導体発光装置において、光ファイバを石英
    ガラスとし、ステムをコバール材とし、ファイバガイド
    はFe−50Ni合金材料とし、前記ファイバ支持体とフ
    ァイバガイドの突起部先端までの長さをA、ファイバガ
    イドの突起部先端からファイバガイドのステム側面部端
    面までの長さをBとしてA/Bを1.3とすることを特
    徴とする光ファイバ付半導体装置。
JP10810485A 1985-05-22 1985-05-22 光フアイバ付半導体発光装置 Expired - Lifetime JPH0632341B2 (ja)

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JPS61267386A JPS61267386A (ja) 1986-11-26
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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US9500808B2 (en) * 2012-05-09 2016-11-22 The Boeing Company Ruggedized photonic crystal sensor packaging

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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JPS61267386A (ja) 1986-11-26

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