JPH07218773A

JPH07218773A - 半導体光結合装置

Info

Publication number: JPH07218773A
Application number: JP6008148A
Authority: JP
Inventors: Kazuyuki Fukuda; 和之福田; Makoto Shimaoka; 誠嶋岡; Yasutoshi Yagyu; 泰利柳生; Tetsuo Kumazawa; 鉄雄熊沢; Shoichi Takahashi; 正一高橋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-01-28
Filing date: 1994-01-28
Publication date: 1995-08-18

Abstract

(57)【要約】【目的】半導体発光素子と光ファイバとの光結合を、結
合用レンズを介して行う半導体光結合装置において、部
品点数と光軸調整箇所を低減し、低コストで組立て性に
優れ、長期の使用に耐える半導体光結合装置を提供す
る。【構成】ＬＤ１はステム４上面の所定位置に搭載する。
非球面レンズ５はパイプ７内の突出部６に一体モールド
成形する。非球面レンズ５を取り付けたパイプ７は、レ
ンズ５の光入射側をＬＤ１に対向するようにステム４上
面に設置する。光ファイバ１０はフェルール９からなる
金属部材に保持固定しており、光ファイバ先端１２をレ
ンズ５の光出射側に対向するようにフェルールガイド１
１部をパイプ７端面に設置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体発光素子と光フ
ァイバとを安定に光結合し、しかも低コストで組立て性
に優れた半導体光結合装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の半導体光結合装置は、例えば、特
公平3−61927号公報に記載されている図８の装置があ
る。この構造は、半導体レーザ素子１を搭載したステム
４上面に、球レンズ１８を装着した球レンズ保持部材２
０を、半導体レーザ素子１との光軸が一致するように固
定２４する。球レンズ１８と球レンズ保持部材２０の固
定は、あらかじめ球レンズ１８の外周に帯状のメタライ
ズ処理を行い、球レンズ保持部材２０にろう付け１９固
定する。ステム４を設置したベース２３上面には、球レ
ンズ保持部材２０を覆うようにフェルール支持部材２１
を取り付ける。フェルール支持部材２１には突出管部２
２が設けられており、この部分に光ファイバ２７を装着
したフェルール９を設置する。球レンズ１８を介して出
射したレーザ光が光ファイバ１２端面に集束するよう
に、フェルール支持部材２１をベース２３上面に接触さ
せたまま光軸垂直方向（図中Ａ）の調整を行うと同時
に、フェルール９をフェルール支持部材２１の突出管部
２２内で動かし光軸方向(図中Ｂ)の調整をする。半導体
レーザ素子１と光ファイバ２７との光結合を最適状態に
した後、フェルール支持部材２１をベース２３上面に抵
抗溶接２５で固定し、さらにフェルール９をフェルール
支持部材２１に接着剤２６で固定する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来構造によれ
ば、半導体レーザ素子１と光ファイバ２７との光結合を
調整した後、フェルール支持部材２１をベース２３上面
に抵抗溶接２５で固定している。この抵抗溶接２５時の
軸ずれ量は±１０μｍ以内となっており、例えば、光伝
送可能領域であるコア径が１０μｍのシングルモード光
ファイバを使用した場合、光伝送領域と抵抗溶接２５時
の軸ずれ量とが同等であるため、抵抗溶接２５時の軸ず
れにより、ほとんど光出力が得られなくなる場合があ
る。また、フェルール９の固定には接着剤２６を使用し
ているため、長期の使用に対して接着剤２６が径年劣化
し、フェルール９の位置ずれによる光出力低下を起こ
す。さらに、球レンズ１８をろう付け１９固定する方法
では、ろう付け１９による固定精度を高めなければ、半
導体レーザ素子１と球レンズ１８間距離にばらつきが起
きることになり、光ファイバ２７の光軸調整に多大な時
間を要する。また、ベース２３，球レンズ保持部材２０
及びフェルール支持部材２１など、多数の部品から構成
されていることから、接合箇所や光軸調整箇所も多く、
組立てに時間が必要となる、などの問題がある。

【０００４】本発明の目的は、シングルモード光ファイ
バを使用しても精度良く容易に組立てられるように、装
置の部品点数と光軸調整箇所の低減を図ることにより、
低コストで組立て性に優れ、しかも高い信頼性を維持で
きる半導体光結合装置及びその組立て方法を提供するこ
とにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的は、シングルモ
ード光ファイバを使用しても、高精度かつ容易に組立て
ができるように、結合用レンズを円筒状部材内に一体成
形し、半導体発光素子を搭載したステムと、光ファイバ
を保持固定したフェルールとを、円筒状部材の端面にそ
れぞれ設置し、ステム，結合用レンズ及びフェルールを
光軸方向あるいは光軸垂直方向に位置調整し、半導体発
光素子と光ファイバとの光結合を最適状態にした後、ス
テム及びフェルールを円筒状部材の端面に高強度の接合
部材で固定することにより達成される。

【０００６】

【作用】円筒状部材の内部には一体モールド成形した結
合用レンズを取り付けている。半導体発光素子はステム
上面に搭載しており、この半導体発光素子を覆うよう
に、結合用レンズ付き円筒状部材の光入射側端面をステ
ム上面に設置する。また、光ファイバを保持固定したフ
ェルールは、結合用レンズ付き円筒状部材の光出射側端
面に設置する。半導体発光素子と光ファイバとが結合用
レンズを介して光結合するように、ステム及びフェルー
ルを円筒状部材端面で光軸方向及び光軸垂直方向に位置
調整する。光結合を最適状態にした後、ステムとフェル
ールを円筒状部材に高強度の接合部材で固定する。

【０００７】この構造によれば、半導体発光素子と光フ
ァイバとの光結合を、円筒状部材内に一体モールド成形
した結合用レンズを介して行い、この円筒状部材にステ
ムとフェルールを接合部材で固定する。結合用レンズを
円筒状部材内に一体成形することで、部品点数及び接合
箇所を減少させることができる。また、結合用レンズを
モールド成形することでレンズの固定位置を高精度にで
き、組立て時のばらつきをなくして短時間で組立てがで
きる。さらに、ステムとフェルールを円筒状部材に高強
度の接合部材で固定するため、抵抗溶接時のような軸ず
れが起こらず、しかも長期の使用に対して光出力を低下
させずに固定することができる。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１から図７により
説明する。

【０００９】以下に示す実施例では、半導体発光素子と
してレーザダイオード（以下ＬＤと呼ぶ）を、光ファイ
バとして光伝送可能領域であるコア径が１０μｍのシン
グルモード光ファイバ（以下、光ファイバと呼ぶ）を、
結合用レンズとして非球面レンズを用いている。

【００１０】図１に示す実施例において、ＬＤ１はステ
ム４の上面に突出したヒートシンク３の所定位置に搭載
する。非球面レンズ５はパイプ７内に設けた突出部６に
一体モールド成形する。非球面レンズ５を取り付けたパ
イプ７は、レンズ５の光入射側をＬＤ１と対向するよう
にステム４上面に設置する。光ファイバ１０はフェルー
ル９からなる金属部材に保持固定しており、光ファイバ
先端１２がレンズ５の光出射側に対向するようにフェル
ールガイド部１１をパイプ７端面に設置する。ＬＤ１か
ら発振したレーザ光の光軸が非球面レンズ５と一致する
ように、パイプ７をステム４上面に接触した状態で光軸
垂直方向の調整を行う。また同時に、非球面レンズ５を
透過したレーザ光が光ファイバ先端１２に集束するよう
に、フェルールガイド部１１をパイプ７端面に接触した
まま調整する。ＬＤ１と光ファイバ１０との光結合を最
適状態にした後、あらかじめパイプ７端面の段差部８に
設置したＡｕ−Ｓｎ接合部材１３を、高周波誘導加熱に
より加熱・溶融し、パイプ７とステム４及びパイプ７と
フェルール９をそれぞれ固定する。

【００１１】非球面レンズ５の一体成形は、まずパイプ
７内に設けた突出部６にガラス材を設置し、このガラス
をパイプ７の上下方向から挿入した金型で加圧成形す
る。この時、パイプ７及び金型の温度は４００〜５００
℃で、レンズの成形を行う。レンズ５の設置位置はパイ
プ７内の突出部６あるいはパイプ７端面を基準としてお
り、この位置にレンズ５を一体成形するように金型を設
定する。モールド成形した非球面レンズ５は、パイプ７
材とレンズ５材の線膨張率差により、室温まで冷却する
過程でレンズ５に圧縮力が加わる。非球面レンズ５はこ
の線膨張率差による締結力でパイプ７内に形成する。

【００１２】このレンズ成形の方法によれば、非球面レ
ンズ５をろう材や接着剤などを用いずに固定できるた
め、量産性が高く、しかも、簡単に非球面レンズ５を成
形できる。また、パイプ７全体を加熱してガラスをモー
ルド成形し、線膨張率差による締結力で非球面レンズ５
を成形するため、非球面レンズ５とパイプ７間を機械的
に密着した状態にできる。したがって、レンズ５固定部
での密着性が良く、LD１の気密封止を行うことができ
る。さらに、パイプ７内突出部６あるいはパイプ７端面
を基準として非球面レンズ５を成形するため、成形時の
位置ばらつきがなく、組立てが容易になる。例えば、パ
イプ７端面を基準として非球面レンズ５を取り付た場
合、パイプ７をステム４上面に設置するだけで、ＬＤ１
と非球面レンズ５間の距離を一定にすることができる。
図１に示す実施例は、光ファイバ１０の光軸方向の調整
を無調整にした構造であり、レンズ５成形時の位置ばら
つきをなくすることで、光軸調整及び組立ての簡略化を
図ることができる。

【００１３】図２に示す実施例は、光ファイバ１０の光
軸方向の調整を可能にした構造である。ＬＤ１はステム
４上面に突出したヒートシンク３の所定位置に搭載す
る。非球面レンズ５はパイプ７内に設けた突出部６に一
体モールド成形する。非球面レンズ５付きパイプ７は、
レンズ５の光入射側をＬＤ１と対向するようにステム４
上面を設置する。光ファイバ１０を保持固定したフェル
ール９は、フェルールガイド１１の中央孔内に取り付
け、このフェルールガイド１１部を非球面レンズ５付き
パイプ７の光出射側端面に設置する。ＬＤ１から発振し
たレーザ光の光軸が非球面レンズ５と一致するように、
パイプ７をステム４上面に接触させた状態で光軸垂直方
向の調整を行い固定する。非球面レンズ５を透過したレ
ーザ光が光ファイバ先端１２に集束するように、フェル
ールガイド１１部をパイプ７端面に接触した状態のまま
光軸垂直方向の調整を行うと同時に、フェルールガイド
１１の中央孔内でフェルール９を光軸方向に動かし調整
する。ＬＤ１と光ファイバ１０との光結合を最適状態に
した後、フェルールガイド１１とパイプ７をＡｕ−Ｓｎ
接合部材１３で固定し、次にフェルールガイド１１の中
央孔内にフェルール９を接合部材１３あるいはＹＡＧ溶
接で固定する。ステム４とパイプ７の接合固定は、Ａｕ
−Ｓｎ接合部材１３，ＹＡＧ溶接あるいは抵抗溶接で固
定しても良い。この構造によれば、光ファイバ１０の光
軸方向の調整を可能にしているため、光ファイバ１０を
さらに高精度に位置調整でき、高い結合効率を得ること
ができる。

【００１４】図３に示す実施例は、ステム４を設置する
パイプ７端面に、ステム７を保持固定する段差部２８を
設けた構造を示す。ステム４を取り付けるパイプ７端面
には、あらかじめ段差部２８を設け、段差部２８の突出
部分でステム４側面を保持する。また、段差部２８の低
部には、リング状のＡｕ−Ｓｎ接合部材１３を設置して
おり、ステム４を段差部２８に取り付けた時に、段差部
２８の低部とステム４上面との間に接合部材１３を設け
る。パイプ７端面の段差部２８突出部内に保持したステ
ム４は、非球面レンズ５を透過したレーザ光が光ファイ
バ先端１２に集束するように、突出部内で光軸方向に動
かし調整すると同時に、非球面レンズ５からのレーザ光
を光ファイバ先端１２に集束するように、フェルール９
をパイプ７端面上で光軸垂直方向に動かし調整する。光
結合を最適状態にした後、あらかじめパイプ７端面の段
差部２８の低部に設置したＡｕ−Ｓｎ接合部材１３を加
熱・溶融し、ステム４をパイプ７端面の段差部２８に固
定する。フェルール９はパイプ７端面に接合部材１３あ
るいはＹＡＧ溶接で固定する。この構造によれば、ステ
ム４をパイプ７端面の段差部２８突出部内で光軸方向に
調整し、非球面レンズ５から出射したレーザ光の集束点
位置を一定にしているため、フェルール９の光軸合わせ
調整及び取り付けが簡単になり、組立てを容易にするこ
とができる。また、ここではステム４の固定に接合部材
１３を使用しているが、ステム４とパイプ７をＹＡＧ溶
接で固定しても良い。

【００１５】図４及び５に示す実施例は、パイプ７端面
に設けた段差部８にリング状の接合部材１３を取り付
け、ステム４及びフェルール９をパイプ７端面に設置し
た構造を示す。パイプ７へのステム４とフェルール９の
接合固定は、あらかじめパイプ７端面に段差部８を設け
ておき、この部分にリング状のＡｕ−Ｓｎ接合部材１３
を設置する。Ａｕ−Ｓｎリング１３の形状は外径６.５m
m，内径５.１mm，厚さ０.１mm である。リング１３を設
置する段差部８の形状は、突出部外径が５.２mmで、段
差が０.１５mm であり、この段差部８にＡｕ−Ｓｎリン
グ１３の一部を切断して、リングのバネ効果により取り
付ける。パイプ７端面にＡｕ−Ｓｎリング１３を取り付
けた状態で、ステム４上面及びフェルールガイド部１１
をパイプ７端面に設置し光軸調整を行う。光軸を最適状
態にした後、パイプ７端面の段差部８に設置したＡｕ−
Ｓｎリング１３を溶融し、ステム４とフェルール９をパ
イプ７に全周固定する。Ａｕ−Ｓｎ１３を加熱・溶融す
る方法は、非接触で短時間に加熱・冷却が可能な高周波
誘導加熱が適している。例えば、パイプ７とフェルール
９の接合固定では、融点が２８０℃のＡｕ−Ｓｎ１３
を、加熱時間２〜３秒で、接合部分での温度を３００℃
にまで加熱できる。このときのフェルール９内及び光フ
ァイバ先端１２での加熱温度は１００℃前後であり、光
ファイバ１０へ熱影響を与えずに加熱・溶融できる。

【００１６】なお、ここではＡｕ８０−Ｓｎ２０の接合
部材１３を用いているが、これに限られるのもでなく、
例えば、Ａｕ８８−Ｇｅ１２やＡｕ９７−Ｓｉ３などの
高強度の接合部材を用いても、同様の性能及び特性を得
ることができる。

【００１７】本発明では、一体モールド成形した非球面
レンズ５を介してＬＤ１と光ファイバ１０の光結合を行
い、ステム４とフェルール９をパイプ７に高強度のＡｕ
−Ｓｎ接合部材１３で固定する。この構造によれば、非
球面レンズ５をパイプ７内に一体モールド成形するた
め、レンズ固定の量産性により部材費を安価にすること
ができる。また、レンズ５を高精度に固定でき、光軸調
整及び組立ての簡略化を図れる。さらに、非球面レンズ
５を成形したパイプ７に、ステム４及びフェルール９を
接合固定するため、部品点数及び接合箇所を減少するこ
とができ、低コストかつ容易な組立てができる。また、
ステム４及びフェルール９をＡｕ−Ｓｎ接合部材１３で
接合固定するため、長期の使用に対してもＬＤ１と光フ
ァイバ１０の光結合が劣化することはなく、高い信頼性
を得ることができる。

【００１８】次に、本発明の他の実施例を図６及び図７
により説明する。

【００１９】図６に示す実施例は、非球面レンズ５をパ
イプ７内に設けた突出部６に、低融点ガラス１５で一体
固定した構造を示す。図中の矢印方向がＬＤ１設置側で
ある。レンズ５の取り付けは、あらかじめ低融点ガラス
１５を補給する溝１６をパイプ７内の突出部６に設け、
突出部６内に非球面レンズ５を挿入する。非球面レンズ
５の外径は１.８mm で、突出部６内径を１.８２mm とし
ているため、非球面レンズ５を突出部６内で傾きのない
状態に保持できる。低融点ガラス１５はペースト状ある
いはリング形状であり、非球面レンズ５を挿入した後、
突出部６の溝１６内に補給する。パイプ７内には突出部
６端面とレンズ５先端とが一致するように、非球面レン
ズ保持治具を用いてレンズ５の位置合わせを行う。次
に、パイプ７と保持用治具全体を４００〜５００℃に加
熱する。１〜２時間の加熱を行った後、徐冷を行い全体
の温度が５０℃以下になったところで、パイプ７内から
保持用治具を取り外し、非球面レンズ５の固定を完了す
る。ここで、非球面レンズ５、パイプ７及び低融点ガラ
ス１５の三者の線膨張率差は最大でも２×１０~⁶／℃と
する。例えば、非球面レンズ５の線膨張率は１０×１０
~⁶／℃，パイプの線膨張率は１１×１０~⁶／℃，低融点
ガラスは１０×１０~⁶／℃とするのが良い。また、突出
部６の溝１６部に充填した低融点ガラス１５で、非球面
レンズ５の全周を固定するため、レンズ固定部での気密
を確保でき、ＬＤ１の気密封止を行うことができる。

【００２０】図７に示す実施例は、非球面レンズ５をパ
イプ７内に設けた突出部６に、金属パイプ１７の塑性変
形を利用してレンズを嵌合，固定する構造を示す。図中
の矢印方向がＬＤ１設置側である。レンズ５の取り付け
は、まず、パイプ７内の突出部６に、非球面レンズ５と
金属パイプ１７とをそれぞれ挿入する。パイプ７のＬＤ
１設置側からは非球面レンズ５及び金属パイプ１７を保
持する保持用治具を挿入し、突出部６端面と非球面レン
ズ５の先端とが一致する位置に調整すると同時に非球面
レンズ５を支持する。非球面レンズ５の外径は１.８mm
，金属パイプ１７の内径は１.８２mm ，外径は２.３mm
，突出部６内径は２.３２mm で、各部材間の隙間量を
小さくし、突出部６内に設置した非球面レンズ５を金属
パイプ１７で保持し、レンズ５の傾きを防ぐ。この状態
で、パイプ７の光ファイバ１０設置側から金型を挿入
し、金属パイプ１７上部を加圧する。金型は金属パイプ
１７全周を加圧する形状である。加圧を受けた金属パイ
プ１７は塑性変形を起こし、突出部６とレンズ５間の隙
間部を除々に充填すると同時に、非球面レンズ５を嵌合
する。所定の圧力及び変形を金属パイプ１７に与えた
後、金型からの加圧を止め、パイプ７内から金型を取り
外す。金属パイプ１７に与える加圧力は１０〜１５kg／
mm² ，変形量は１５０〜２００μｍが良く、この条件の
時、非球面レンズ５を破壊せずに固定することができ
る。また、塑性変形した金属パイプ１７は非球面レンズ
５側面及び突出部６内面と密着した状態となり、レンズ
固定部で１×１０~⁸Toll・Ｌ／ｓ以上の気密を確保で
き、ＬＤ１の気密封止を行うことができる。さらに、こ
のレンズ固定法は、自動化が可能であり部材費の低コス
ト化を図ることができる。ここでは、金属パイプ１７と
して、塑性変形しやすい銅材のパイプを使用している
が、アルミニウムやプラスチックなどの変形しやすい材
質の部材を用いても同様の特性及び効果を得ることがで
きる。

【００２１】以上、図６及び図７に示すレンズ固定の実
施例は、図１，図２及び図３に示す実施例の構造に適用
しても同様の組立てで行うことができるため、図１，図
２及び図３に示す実施例と同様の効果を得ることができ
る。

【００２２】なお、ここでは、非球面レンズ５としてガ
ラスモールド成形したレンズを用いているが、これに限
るものではなく、例えばプラスチックモールド成形した
非球面レンズを用いても同様の性能及び特性を得ること
ができる。また、ここでは結合用レンズとして非球面レ
ンズ５を用いた場合について記載しているが、これに限
るものではなく、例えば、球レンズあるいは屈折率分布
型のロッドレンズを用いても同様の性能及び特性を得る
ことができる。

【００２３】

【発明の効果】本発明によれば、非球面レンズをパイプ
内に一体モールド成形するため、レンズ固定の量産性に
より、部品点数及び接合箇所を減少でき、低コストで容
易な組立てができる。また、レンズの固定精度を高くで
きるため、組立て時のばらつきをなくし、光軸調整及び
組立ての簡略化を図ることができる。さらに、高強度の
接合部材で固定するため、長期の使用に対する光出力劣
化を防ぐことができる。

【００２４】したがって、本発明の半導体光結合装置
は、部品点数と光軸調整箇所を低減し、しかも低コスト
で組立て性に優れ、長期の使用に対して高い信頼性を得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の半導体光結合装置の断面
図。

【図２】本発明の一実施例の半導体光結合装置の断面
図。

【図３】本発明の一実施例の半導体光結合装置の断面
図。

【図４】本発明の一実施例の結合用レンズ固定部の断面
図。

【図５】本発明の一実施例の結合用レンズ固定部の断面
図。

【図６】パイプ段差部に接合部材を設置した断面図。

【図７】パイプ段差部に接合部材を設置した断面図。

【図８】従来の半導体光結合装置の断面図。

【符号の説明】

１…半導体発光素子、２…モニタ用受光素子、３…ヒー
トシンク、４…ステム、５…非球面レンズ、６…突出
部、７…パイプ、８…パイプ端面段差部、９…フェルー
ル、１０…光ファイバ（シングルモード光ファイバ）、
１１…フェルールガイド部、１２…光ファイバ先端、１
３…接合部材（Ａｕ−Ｓｎ）、１４…リード。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者熊沢鉄雄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)発明者高橋正一東京都小平市上水本町五丁目20番１号株式会社日立製作所半導体事業部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体発光素子と、前記半導体発光素子か
らの光を伝送する光ファイバと、前記半導体発光素子か
らの光を集束する結合用レンズとからなる半導体光結合
装置において、前記結合用レンズを円筒状部材内に一体
モールド成形し、前記円筒状部材の光入射側端面及び光
出射側端面に、前記半導体発光素子を搭載したステム
と、前記光ファイバを保持固定したフェルールとを設置
し、前記半導体発光素子と前記光ファイバとが前記結合
用レンズを介して光結合するように調整固定したことを
特徴とする半導体光結合装置。