JPH07270648A - 半導体光結合装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】光結合を安定に行い、低コストで組立て性に優
れ、長期の使用に対し高い信頼性を得る半導体光結合装
置及びその製造方法を提供する。 【構成】フェルール支持部材１１の孔内には、光ファイ
バ１０を保持固定したフェルール９と金属パイプ１３と
をそれぞれ設置する。この状態で、金属パイプ１３を金
型１６で加圧する。加圧した金属パイプ１３は塑性変形
しながらフェルール９とフェルール支持部材１１間の隙
間を徐々に充填する。金属パイプ１３に所定の加圧力及
び変形量を加えることで、フェルール９は金属パイプ１
３から均一な圧縮力を受けフェルール支持部材１１内に
嵌合，固定する。

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
ァイバの光結合を、高精度かつ容易に行い、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3−63044号公報に記載されている図１０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２１を装着した球レンズ保持部材１
９を設置する。球レンズ２１と球レンズ保持部材１９の
固定は、あらかじめ球レンズ２１の外周に帯状のメタラ
イズ処理を行いろう付け固定する。球レンズ保持部材１
９の上面には、球レンズ２１を覆うように円筒形状のフ
ェルール支持部材２０をろう付け２５で固定し、球レン
ズ保持部材１９とフェルール支持部材２０を一体にす
る。フェルール支持部材２０の円筒内には、光ファイバ
２３を装着したフェルール２２を設置する。球レンズ２
１を介して出射したレーザ光が、光ファイバ端面１２に
集束するように、球レンズ保持部材１９をステム４上面
に接触させたまま光軸垂直方向（図中Ａ）に調整すると
同時に、フェルール２２をフェルール支持部材２０内で
動かし光軸方向（図中Ｂ）の調整を行う。半導体レーザ
素子１と光ファイバ２３の光結合を最適状態にした後、
球レンズ保持部材１９をステム４上面に接着剤で固定
し、その後、抵抗溶接２４で完全に固定する。フェルー
ル２２はフェルール支持部材２０の円筒内に接着剤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、球レンズ保持部材１９とフェルール支持部材２０を
一体化し、半導体レーザ素子１に対して球レンズ２１と
光ファイバ２３を同時に位置合せし、球レンズ支持部材
１９をステム４上面に抵抗溶接２４で固定する。球レン
ズ２１と光ファイバ２３を同時に位置合せする場合、半
導体レーザ素子１に対して球レンズ２１を光軸垂直方向
に数μｍの精度で位置合せしなければならず、光軸調整
に多大な時間を要する。また、抵抗溶接２４による位置
ずれは１０μｍ程度起るため、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、位置ずれ量と伝送領域とが同じであるた
め、抵抗溶接２４による固定時に、ほとんど光出力が得
られなくなる場合がある。さらに、フェルール２２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が経年劣化し、フェルール２２の位置ず
れによる光出力低下を起こす、などの問題がある。

【０００４】本発明の目的は、半導体発光素子と光ファ
イバの光結合を、高精度かつ容易に行い、しかも低コス
トで組立て性に優れ、高い信頼性を維持できる半導体光
結合装置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が
できるように、光ファイバを保持固定したフェルール
を、フェルール支持部材の孔内の所定位置に設置し、こ
のフェルールを塑性変形したパイプ状の金属部材でフェ
ルール支持部材内に嵌合，固定するとともに、半導体レ
ーザ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、フェルール支持部材を光軸垂直方向に位置
調整し、光結合効率が最大になる位置にフェルール支持
部材を接合固定することにより達成される。

【０００６】

【作用】半導体レーザ素子と結合用レンズはステム上面
に搭載しており、結合用レンズを覆うように円筒状支持
部材をステム上面に設置する。フェルール支持部材の孔
内には、光ファイバを保持固定したフェルールを、塑性
変形したパイプ状の金属部材で固定する。フェルールは
あらかじめ結合用レンズから出射したレーザ光の集束位
置に光ファイバ先端を配置するように光軸方向に調整し
て固定する。この光ファイバ付きフェルール支持部材
は、ステム上面に取り付けた円筒状支持部材端面に設置
し、半導体レーザ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、フェルール支持部材を光軸垂
直方向に調整する。光結合効率が最大になるように調整
した後、フェルール支持部材を円筒状支持部材に接合固
定する。

【０００７】この構造によれば、フェルールを塑性変形
したパイプ状の金属部材で固定するため、短時間で容易
に固定でき、しかも接着剤のような経年劣化が起きない
ことから、長期の使用に対して安定した固定を維持する
ことができる。また、フェルールをあらかじめレーザ光
の集束位置に調整するため、光軸調整の簡略化を図るこ
とができる。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１及び図２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流域であるコア径が１０μｍのシン
グルモード光ファイバ（以下光ファイバと呼ぶ）を用い
ている。

【００１０】図１に示す実施例において、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。球レンズ５はキャップ型の球レンズ保持部材１９に
低融点ガラスで固定しており、球レンズ５とＬＤ１の光
軸が一致するように調整し、球レンズ保持部材１９をス
テム４上面に抵抗溶接６で固定する。球レンズ保持部材
１９を設置したステム４上面には、保持部材１９を覆う
ように円筒状部材７を抵抗溶接８で固定する。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、このフェルール９はフェルール支持部材１１の孔
内に塑性変形した金属パイプ１３で固定する。このと
き、フェルール９はあらかじめ球レンズ５から出射した
レーザ光の集束点に光ファイバ先端１２を配置するよう
に調整（図中Ｂ）して固定する。フェルール９を固定し
たフェルール支持部材１１は、光ファイバ先端１２を球
レンズ５の光出射側に対向するように、円筒状部材７端
面に設置する。ＬＤ１から発振したレーザ光を球レンズ
５を介して光ファイバ１０内に入射するように、フェル
ール支持部材１１を円筒状部材７端面に接触させたまま
光軸垂直方向（図中Ａ）に調整する。ＬＤ１と光ファイ
バ１０の光結合効率が最大になるように調整した後、フ
ェルール支持部材１１を円筒状部材７端面にＹＡＧ溶接
１５で固定する。

【００１１】図２に示す実施例は、フェルール９をフェ
ルール支持部材１１内に固定する方法を示す。まず、フ
ェルール支持部材１１を台座１７上面に設置し、フェル
ール支持部材１１の孔内にフェルール９と金属パイプ１
３をそれぞれ挿入する。金属パイプ１３は引抜き加工で
製作した銅材のパイプを使用している。フェルール９の
外径は２.５mm、金属パイプ１３の内径は２.５２mm、外
径は３.２mm で、これらをフェルール支持部材１１の孔
内(内径３.２５mm）に設置することで、フェルール９は
周囲から保持された状態となりがた付きがなくなる。フ
ェルール９の固定位置は、あらかじめ球レンズ５から出
射したレーザ光の集束点位置を測定しておき、その位置
に光ファイバ先端１２を設置するように固定する。フェ
ルール９の固定位置を調整した後、金属パイプ１３の上
部を金型１６で加圧する。加圧した金属パイプ１３は塑
性変形を起こし、フェルール９とフェルール支持部材１
１間の隙間部を徐々に充填していく。隙間部が金属パイ
プ１３で充填されるにしたがい、フェルール９は金属パ
イプ１３から圧縮力を受ける。所定の加圧力及び変形量
を金属パイプ１３に加えることで、フェルール９は塑性
変形した金属パイプ１３から均一な圧縮力を受け、フェ
ルール支持部材１１内に嵌合，固定する。

【００１２】このフェルールの固定方法によれば、塑性
変形した金属パイプ１３でフェルール９を固定するた
め、短時間で容易に固定でき、しかも自動化が可能な固
定方法であることから、組立ての低コスト化を図ること
ができる。また、あらかじめフェルール９をレーザ光の
集束点位置に調整して固定するため、フェルール支持部
材１１を光軸垂直方向（図中Ａ）に調整するだけで容易
に光軸合わせを行うことができ、光軸調整の簡略化を図
ることができるとともに、高い結合効率を得ることがで
きる。また、フェルール９を金属パイプ１３で固定する
ため、接着剤のような経年劣化がなく、長期の使用に対
して安定した固定を維持できる。さらに、フェルール９
とフェルール支持部材１１間を、塑性変形した金属パイ
プ１３で隙間なく充填するため、フェルール固定部で気
密をとることができる。ここで、フェルール９の側面
に、例えばＡｕあるいはＣｕの金属被膜を取り付けるこ
とにより、さらに密着した状態でフェルール９を固定で
きるため、高い気密をとることができる次に、本発明の
他の実施例を図３から図７により説明する。

【００１３】図３の第二実施例は、フェルール支持部材
１１の孔内に段差部１８を設け、この段差部１８で金属
パイプ１３を保持する構造を示す。フェルール支持部材
１１の孔内は段差付き形状１８となっており、この孔内
にフェルール９と金属パイプ１３をそれぞれ挿入する。
段差部１８の形状は、内径が３.２５mmと２.５２mmにな
っており、金属パイプ１３が段差部１８で保持されるよ
うになっている。また、フェルール９は段差部１８及び
金属パイプ１３で周囲から保持され、がた付きがない状
態で設置できる。フェルール支持部材１１の孔内を段差
付き形状１８とすることで、金属パイプ１３の設置位置
を一定にでき、さらにフェルール９をがた付きや傾きの
ない状態に保持することができる。

【００１４】図４の第三実施例は、フェルール支持部材
１１の孔内に設置した金属パイプ１３を、両側端面から
金型１６ａ，１６ｂで加圧し、フェルール９を固定した
構造を示す。フェルール支持部材１１の孔内には、光フ
ァイバ１０を保持固定したフェルール９と金属パイプ１
３をそれぞれ挿入する。このとき、金属パイプ１３はフ
ェルール支持部材１１の端面から突出するように設置す
る。フェルール９の固定位置を調整した後、金属パイプ
１３の両側端面を金型１６ａ，１６ｂで加圧する。金属
パイプ１３は塑性変形を起こし、フェルール９とフェル
ール支持部材１１間の隙間部、及びフェルール支持部材
１１端面部を徐々に充填する。所定の加圧力及び変形量
を金属パイプ１３に加えることで、フェルール９は塑性
変形した金属パイプ１３から均一に圧縮力を受けフェル
ール９を嵌合，固定する。

【００１５】図５の第四実施例は、金属パイプ１３と接
触するフェルール９の側面に段差部３０を設けて固定し
た構造を示す。フェルール９の側面には複数の段差部１
３を周囲に沿って設けている。この段差部１３付きフェ
ルール９と金属パイプ１３をフェルール支持部材１１の
孔内に設置し、フェルール９を所定位置に位置調整した
後、金属パイプ１３の上面を金型１６で加圧する。金属
パイプ１３は塑性変形を起こし、フェルール９とフェル
ール支持部材１１間の隙間部を充填すると同時に、フェ
ルール９側面に設けた段差部３０内へも徐々に充填す
る。所定の加圧力及び変形量を金属パイプ１３に加える
ことで、フェルール９側面の段差部内へ塑性変形した金
属パイプ１３を十分に充填でき、フェルール９をフェル
ール支持部材１１内に嵌合，固定する。この構造によれ
ば、塑性変形した金属パイプ１３をフェルール９側面に
設けた段差部３０内へ食い込ませることができ、フェル
ール９を強固に固定することができる。また、金属パイ
プ１３を段差部３０内へ充填することにより、高い気密
をとることができる。なお、ここではフェルール９側面
に段差部３０を設けた構造について示しているが、これ
に限定されるものでなく、例えば単数あるいは複数の
溝，ねじ溝を設けても同様の効果を得ることができる。

【００１６】図６の第五実施例は、フェルール支持部材
１１の孔内に段差部１８を設け、こ段差部１８のコーナ
２７にＲ０.２ の面取りを施した構造を示す。フェルー
ル支持部材１１の孔内は段差付き形状１８となってお
り、この段差部１８のコーナ２７にはＲ０.２ の面取り
を施している。この段差付き１８孔内にフェルール９と
金属パイプ１３をそれぞれ挿入すると、金属パイプ１３
が段差部１８の面取り部２７と接触した状態となる。フ
ェルール９の固定位置を調整した後、金属パイプ１３の
上部を金型１６で加圧する。加圧した金属パイプ１３は
面取り部２７のＲ形状に沿うように塑性変形し、フェル
ール９を周囲から均一に圧縮するように押し付け嵌合，
固定する。

【００１７】図７の第六実施例は、フェルール支持部材
１１及び金属パイプ１３を保持する台座１７端面に突出
部２８を設け、この部分に金属パイプ１３を設置してフ
ェルール９を固定する構造を示す。まず、フェルール支
持部材１１を台座１７上面に設置し、このフェルール支
持部材１１の孔内にフェルール９と金属パイプ１３をそ
れぞれ挿入する。台座１７上面にはあらかじめ突出部２
８を設けており、この突出部２８に金属パイプ１３の端
面が接触するように設置する。この状態で金属パイプ１
３上部を金型１６で加圧すると、金属パイプ１３は台座
１７上面の突出部２８の形状に沿うように塑性変形し、
フェルール９をフェルール支持部材１１内に嵌合，固定
する。

【００１８】図６及び図７の実施例に示す方法によれ
ば、段差部１８に施したＲ形状２７及び突出部形状２８
に沿うように金属パイプ１３が塑性変形するため、フェ
ルール９を周囲から均一に押し付けることができ、フェ
ルール９をフェルール支持部材１１内に良好な状態で固
定できる。

【００１９】なお、図３から図７に示す実施例は、図２
で示した実施例と同様の固定方法で組立てることができ
るため、図２と同様の効果を得ることができる。

【００２０】次に、本発明の他の実施例を図８及び図９
により説明する。

【００２１】図８に示す第二実施例は、球レンズ支持部
材１９端面にフェルール支持部材１１を固定した構造を
示す。球レンズ５は球レンズ支持部材１９内に設けた突
出部に低融点ガラスで取り付ける。この球レンズ支持部
材１９はステム４上に搭載したＬＤ１を覆うようにステ
ム４上面に設置する。このとき、ＬＤ１と球レンズ５と
の光軸が一致するように調整し、球レンズ支持部材１９
をステム４上面に接合部材２９で固定する。フェルール
９はフェルール支持部材１１孔内の所定位置に塑性変形
した金属パイプ１３で嵌合，固定する。フェルール支持
部材１１を球レンズ支持部材１９端面に設置し、光ファ
イバ先端１２にレーザ光が集束するように、フェルール
支持部材１１を光軸垂直方向(図中Ａ)に移動調整する。
ＬＤ１と光ファイバ１０の光結合を最適状態に調整した
後、フェルール支持部材１１を球レンズ支持部材１９端
面に接合部材２９で固定する。ここでは、接合部材２９
として高融点，高強度を有するＡｕ８０−Ｓｎ２０を用
いており、接合部材２９の加熱，溶融方法は高周波誘導
加熱による方法で行う。この構造によれば、球レンズ支
持部材１９及びフェルール支持部材１１を高強度の接合
部材２９で固定できるため、固定時の位置ずれや長期の
使用に対する経年劣化が起きず、安定した光結合を得る
ことができる。また、高周波誘導加熱による加熱方法を
用いることで、短時間で局部分だけを加熱できるため、
周囲に加熱による熱影響を与えず、良好に接合部材２９
を溶融することができる。さらに、短時間で接合固定を
行える構造であるため、組立て時間の低減を図ることが
できる。

【００２２】図９に示す第三実施例は、ステム４とフェ
ルール支持部材１１を接続固定する円筒状部材７内に、
非球面レンズ５を一体モールド成形により取り付け、こ
の円筒状部材７端面に塑性変形した金属パイプ１３で固
定したフェルール９を取り付けた構造を示す。非球面レ
ンズ５は円筒状部材７内に設けた段差部に一体モールド
成形で取り付けている。このレンズ付き円筒状部材７
は、ステム４上に搭載したＬＤ１を覆うようにステム４
上面に固定する。この時、ＬＤ１と非球面レンズ５との
光軸が一致するようにステム４上面で円筒状部材７を調
整する。フェルール９はフェルール支持部材１１の孔内
に塑性変形した金属パイプ１３で嵌合，固定する。光フ
ァイバ１０の先端１２はレーザ光の集束点に配置するよ
うに調整（図中Ｂ）し固定する。フェルール９を固定し
た後、フェルール支持部材１１を円筒状部材７端面に設
置し、光ファイバ先端１２にレーザ光が集束するよう
に、フェルール支持部材１１を光軸垂直方向（図中Ａ）
に移動調整する。ＬＤ１と光ファイバ１０の光結合を最
適状態に調整した後、フェルール支持部材１１を円筒状
部材７にＹＡＧ溶接１５で固定する。この構造によれ
ば、非球面レンズ５を一体モールド成形で円筒状部材７
内に取り付け、また塑性変形した金属パイプ１３でフェ
ルール９を固定するため、組立ての簡略化を図れ、量産
による組立ての低コスト化を図ることができる。また、
非球面レンズ５を円筒状部材７内に高精度に位置決めし
て固定できるため、ＬＤ１とレンズ５間の距離バラツキ
をなくすることができ、フェルール９の固定位置を一定
にすることができる。さらに、部品点数を低減した構造
であるため、組立て作業の簡略化を図ることができる。

【００２３】なお、図１及び図８に示す実施例では、フ
ェルール支持部材１１を、ＹＡＧ溶接１５で接合固定し
ているが、これに限定されるものでなく、例えば抵抗溶
接あるいは高強度の接合部材で接合固定する方法でも良
い。また、結合用レンズとして球レンズ５及び非球面レ
ンズ５を使用しているが、例えば、屈折率分布型のロッ
ドレンズを用いても、同様の効果を得ることができる。
さらに、図１から図９に示す実施例では、金属パイプ１
３として銅材のパイプを使用しているが、これに限られ
るものでなく、例えば、銅合金，アルミニウムあるいは
アルミニウム合金を用いても、同様の効果を得ることが
できる。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、フェルールを塑性変形
した金属パイプで嵌合，固定する。

【００２５】この構造によれば、塑性変形した金属パイ
プでフェルールを固定するため、短時間かつ容易に固定
でき、しかも自動化が可能であることから組立ての低コ
スト化を図ることができる。また、金属パイプで固定す
るため、長期の使用に対する経年劣化がなく、光出力変
動を防ぐことができる。さらに、フェルールと金属パイ
プ間を隙間なく固定できるため、フェルール固定部で気
密をとることができる。

【００２６】したがって、本発明の半導体光結合装置
は、フェルールを高精度かつ容易に固定できるととも
に、低コストで組立て性に優れ、しかも長期の使用に対
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フェルール固定方法の説明
図。

【図３】本発明の第二の実施例のフェルール固定方法の
説明図。

【図４】本発明の第三の実施例のフェルール固定方法の
説明図。

【図５】本発明の第四の実施例のフェルール固定方法の
説明図。

【図６】本発明の第五の実施例のフェルール固定方法の
説明図。

【図７】本発明の第六の実施例のフェルール固定方法の
説明図。

【図８】本発明の第二の実施例の半導体光結合装置の断
面図。

【図９】本発明の第三の実施例の半導体光結合装置の断
面図。

【図１０】従来の半導体光結合装置の断面図。

【符号の説明】

９…フェルール、１０…光ファイバ、１１…フェルール
支持部材、１２…光ファイバ先端、１３…金属パイプ、
１６…金型、１７…台座。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高橋 正一 長野県小諸市大字柏木190番地 株式会社 日立製作所汎用コンピュータ事業部内

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【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、前記光ファイバを保持固定したフェルー
   ルと、パイプ状の金属部材とを、前記フェルールを保持
   固定するフェルール支持部材の孔内に挿入し、前記パイ
   プ状の金属部材を加圧，変形させて、前記フェルールを
   前記フェルール支持部材内に嵌合，固定し、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、前記光ファイバ付きフェルール支
   持部材を調整し、固定したことを特徴とする半導体光結
   合装置。
2. 【請求項２】請求項１において、前記フェルール支持部
   材の孔内に、前記パイプ状の金属部材を支持する段差部
   を設けている半導体光結合装置。
3. 【請求項３】請求項２において、前記フェルール支持部
   材の孔内に設けた段差部のコーナは、Ｒ０.０５〜Ｒ０.
   ３の面取り形状あるいはテーパ形状である半導体光結合
   装置。
4. 【請求項４】請求項１において、前記パイプ状の金属部
   材と接触する前記フェルールの側面に、単数あるいは複
   数の段差部，溝、及びねじ溝を設けている半導体光結合
   装置。
5. 【請求項５】請求項１において、前記パイプ状の金属部
   材は、材質が銅，黄銅，銅合金，アルミニウム、あるい
   はアルミニウム合金である半導体光結合装置。
6. 【請求項６】請求項１において、前記フェルールの側面
   に、Ａｕ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｓｎ，ＰｂあるいはＩｎの金属
   被膜を、スパッタ蒸着あるいはメッキで取り付けた半導
   体光結合装置。
7. 【請求項７】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、前記光ファイバを保持固定したフェルー
   ルとパイプ状の金属部材とを、フェルール支持部材の孔
   内にそれぞれ挿入し、前記結合用レンズを介して出射し
   たレーザ光の集束位置に光ファイバ先端を設置するよう
   に、前記フェルール支持部材孔内で前記フェルールを光
   軸方向に調整した後、前記パイプ状の金属部材を加圧，
   変形させて、前記フェルールを前記フェルール支持部材
   内に嵌合，固定し、この光ファイバ付きフェルール支持
   部材を円筒状支持部材端面あるいは結合用レンズ支持部
   材端面に設置し、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、前記
   フェルール支持部材を光軸垂直方向に調整し、固定した
   ことを特徴とする半導体光結合装置。
8. 【請求項８】請求項１または７において、前記結合用レ
   ンズが、非球面ガラスレンズ，非球面プラスチックレン
   ズ，球レンズ、あるいはロッドレンズである半導体光結
   合装置。
9. 【請求項９】請求項１，７または８において、前記結合
   用レンズは、結合用レンズ支持部材に低融点ガラス，接
   合部材、あるいは一体モールド成形で取り付けた半導体
   光結合装置。
10. 【請求項１０】請求項１または７において、前記フェル
    ール支持部材はＹＡＧ溶接，抵抗溶接、あるいは接合部
    材により固定した半導体光結合装置。
11. 【請求項１１】請求項１０において、前記フェルール支
    持部材を固定する接合部材が、Ａｕ−Ｓｎ，Ａｕ−Ｇ
    ｅ，Ａｕ−Ｓｉ，Ｐｂ−Ｓｎである半導体光結合装置。