JPH0792335A - 光ファイバの気密封止部構造 - Google Patents

光ファイバの気密封止部構造

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JPH0792335A
JPH0792335A JP5217147A JP21714793A JPH0792335A JP H0792335 A JPH0792335 A JP H0792335A JP 5217147 A JP5217147 A JP 5217147A JP 21714793 A JP21714793 A JP 21714793A JP H0792335 A JPH0792335 A JP H0792335A
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JP
Japan
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optical fiber
hermetically sealed
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optical
hermetically
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Withdrawn
Application number
JP5217147A
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English (en)
Inventor
Takayuki Kadoi
孝之 門井
Ryuichi Saito
隆一 斉藤
Kazushi Osuga
一志 大須賀
Mikio Ogoshi
幹夫 大越
Yoshiaki Sato
好昭 佐藤
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Hitachi Cable Ltd
Original Assignee
Hitachi Cable Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 低融点ガラスと接着剤との境界面の剥離を防
止し、光モジュールの信頼性を向上させた光ファイバ気
密封止構造を提供する。 【構成】 パッケージ2と一体に形成された円筒形状の
導入部10内に、端面10a側から端部断面形状が凸形
をなす中空の補強スリーブ11の小径突部11aが嵌合
され、この補強スリーブ11内に光ファイバ7が挿入さ
れて、低融点ガラス13で固定され、補強スリーブ11
内には接着剤14が充填されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は光モジュールの気密パッ
ケージに設けられる導入部に光ファイバを挿入して気密
状態で封止する光ファイバの気密封止部構造に関する。
【0002】
【従来の技術】光モジュールとしての例えば光半導体素
子(光素子)を組み込んだモジュールにおいて、光半導
体素子からの射出光を光ファイバと光学的に結合する方
法として、レンズを用いたレンズ結合系や光ファイバ先
端をレンズ状に形成した先球光ファイバ結合系などが知
られている。
【0003】レンズを用いた結合系は図7に示すよう
に、気密なパッケージ101内に設けた台座102上に
光半導体素子103を、台座104上に第1レンズ10
5を固定し、またパッケージ101の導入部106の開
口部に無反射コートされたガラス板107を嵌め込み、
このガラス板107の外側に第2レンズ108を設け、
この第2レンズ108の端面に光ファイバ109の先端
を固着し、光半導体素子103と光ファイバ109との
光学的な結合は、第1レンズ105、ガラス板107、
第2レンズ108を介して行う構造となっている。
【0004】上述したレンズ結合系にあっては光半導体
素子103と光ファイバ109が別々の部材に取り付け
られているため、環境温度の変化に伴って光半導体素子
103と光ファイバ109の位置がずれ、これが光ファ
イバの出力変動や長期的な光学的結合の信頼性が低下す
る原因となっている。
【0005】一方、光ファイバ先端を光電素子に近づけ
て直接的な結合を行う先球光ファイバ結合系は、光半導
体素子等の光電素子と光ファイバ先端との間隔を数十μ
mと短く設定しなければならず、標準の気密パッケージ
内では上記の設定が困難なため、標準の気密パッケージ
内に収納された光半導体素子を使用することができなな
い。そのため、先球光ファイバ結合系は気密化されてい
ない、即ち大気中に露出した光電素子を用いなければな
らず、光電素子の酸化防止や防湿をおこなうために、光
ファイバを気密状態で封止している。この先球光ファイ
バ結合系の従来の封止構造を図8〜図11に基づいて説
明する。
【0006】図8に示す構造は、上方が開放された略箱
型のパッケージ101内に固定された金属ステム102
上に光半導体素子103を配置し、パッケージ101の
上方をキャップ110で気密封止し、またパッケージ1
01の側部に形成された導入部106から挿入した光フ
ァイバ109の素線部109a先端を光半導体素子10
3と光学的に結合し、そして、この光ファイバ109は
パッケージ101の導入部106外周に嵌装した補強ス
リーブ111を通じて光軸に対して斜めに切断された切
断面106aを有する導入部106内に挿入され、光フ
ァイバ109の素線部109aと導入部106との間を
低融点ガラス112で気密封止し、補強スリーブ111
内には光ファイバ109の素線部109a及びジャケッ
ト部109bとの間に接着剤113を充填している。こ
の構造に類似する封止構造として特開昭56−5030
4号公報に開示されるものがある。
【0007】図9に示す構造は、パッケージ101内に
固定された金属ステム102上に光半導体素子103を
配置し、またパッケージ101に金属管114を銀ロウ
等で固定し、次いで、金属管114に光ファイバ109
の素線部109aを挿通し、素線部109aの先端を高
温はんだ115で固定している。
【0008】図10に示す構造は、金属管114内に高
温はんだ116を介して素線部109aを固定するとと
もに、金属管114先端部をクリップ117を用いてパ
ッケージ101に固定している。この構造に類似する封
止構造として特開昭60−242409号公報に開示さ
れるものがある。
【0009】図11に示す構造は、パッケージ101の
導入部106に光ファイバ109の素線部109aを挿
通し、この素線部109aをはんだ118で光半導体素
子103と光学的に結合するように固定し、次いで導入
部106をはんだまたは低融点ガラス119で気密に封
止し、更に導入部106の外側に金属スリーブ120を
被せ、この金属スリーブ120内に補強用のエポキシ樹
脂121を充填している。この構造に類似する封止構造
として特開平3−140908号公報に開示されるもの
がある。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】図8に示した封止構造
にあっては、低融点ガラス112と接着剤113の線膨
張係数が大きく異なり、導入部106が光軸に対して斜
めの切断面を有するため、半導体レーザモジュールの環
境温度が変化すると、低融点ガラスと接着剤の境界面で
光ファイバ素線部のマイクロベントが発生し、光ファイ
バの気密封止部の温度特性不良が発生する確率が高く、
モジュールの歩留りが低下するばかりか、信頼性が低下
する。
【0011】また、マイクロベントが最終的に低融点ガ
ラスと接着剤との境界面での剥離を生じさせ、温度特性
の大幅な劣化を発生させ、最終的には光ファイバの断線
を発生させることがある。更に、低融点ガラスを熱融着
する際、光ファイバ素線部に低融点ガラスの含有物の一
部が付着して光ファイバ素線部自体の強度を低下させ、
光モジュールの信頼性を低下させる。
【0012】更にまた、補強スリーブの材質を金属にす
ると、低融点ガラスの熱融着時にパッケージと補強スリ
ーブの熱容量が異なるため、補強スリーブ側の温度が上
昇しすぎて光ファイバ素線部への熱的ダメージを与え
る。
【0013】図9に示した封止構造にあっては、パッケ
ージ101の材料はセラミックの熱膨張係数(アルミナ
5.4×10-6/℃)に近いコバール(5.9×10-6/℃)等が用
いられており、一方光ファイバ素線の熱膨張係数は0.55
×10-6/℃であるので、環境温度の変化があると、光フ
ァイバの固定部に熱応力がかかり、ろう材のクリープ等
の発生により光結合の軸ずれ或いは光ファイバ素線に張
力がかかって破断することがある。
【0014】図10に示した封止構造にあっては、金属
管114をパッケージ101の壁にはんだで固定する際
の熱で金属管114内部で素線部109aが破断した
り、またパッケージ全体をある程度の高温(200℃以
上)まで加熱しないとはんだが溶融しないという問題が
ある。
【0015】図11に示した封止構造にあっては、金属
パイプ(42Ni)の熱膨張係数は7×10-6/℃、光ファ
イバ素線の熱膨張係数は0.55×10-6/℃、エポキシ樹脂
の熱膨張係数は60×10-6/℃であるので、外部温度が変
化すると、各部の膨張、収縮量に差が生じ、これが前記
同様出力の変動及び光ファイバ素線の破断につながる。
【0016】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決すべく本
願の第1発明は、光モジュールの気密パッケージに設け
られる導入部に光ファイバを挿入して気密状態で封止す
る光ファイバの気密封止部構造において、前記導入部を
円筒形状に形成され、この導入部内に光ファイバを挿通
する補強スリーブの先端小径突部を嵌合した。
【0017】また本願の第2発明は、光モジュールの気
密パッケージに設けられる導入部に光ファイバを挿入し
て気密状態で封止する光ファイバの気密封止部構造にお
いて、前記光ファイバの素線をガラス管内に気密に封入
し、このガラス管を前記パッケージに気密に挿入した。
【0018】また本願の第3発明は、光モジュールの気
密パッケージに設けられる導入部に光ファイバを挿入し
て気密状態で封止する光ファイバの気密封止部構造にお
いて、前記導入部に金属スリーブを取り付け、この金属
スリーブ内に光ファイバを挿通するとともに金属スリー
ブ内に弾性を有する補強用樹脂を充填した。
【0019】また本願の第4発明は、光モジュールの気
密パッケージに設けられる導入部に光ファイバを挿入し
て気密状態で封止する光ファイバの気密封止部構造にお
いて、前記光ファイバの素線を金属スリーブ内に挿入
し、この金属スリーブを低融点はんだを介してパッケー
ジに気密に取り付けた。
【0020】
【作用】第1発明にあっては、円筒形状の導入部内に補
強スリーブ先端部の小径突部を嵌合し、この補強スリー
ブ内を通じて導入部に光ファイバが挿入されているの
で、低融点ガラスと接着剤との境界面でのマイクロベン
トが発生しにくくなり、低融点ガラスと接着剤との境界
面の面積が小さくなって、境界面の剥離現象がほぼ解消
される。また、補強スリーブをセラミックで形成するこ
とよって、光ファイバへの熱伝導が少なくなり、更に光
ファイバの素線部には導入部内で石英キャピラリを挿入
することにより、低融点ガラスと接着剤との境界面では
石英キャピラリが補強の役割を果たす。
【0021】第2発明にあっては、光ファイバの素線を
熱膨張係数の略等しいガラス管内に気密に封入したの
で、環境温度の変化によって素線が引っ張られて破断す
ることがない。
【0022】第3発明にあっては、光ファイバを挿通す
る金属スリーブ内にゴム弾性を有する補強用樹脂を充填
したことで、環境温度の変化があっても当該補強用樹脂
がこれを吸収する。
【0023】第4発明にあっては、光ファイバの素線を
挿入した金属スリーブを低融点はんだを介してパッケー
ジに気密に取り付けることで、大きな環境温度の変化を
伴うことなく封止が可能となる。
【0024】
【実施例】以下に本願各発明の実施例を添付図面に基づ
いて説明する。ここで、図1は第1発明に係る光ファイ
バ気密封止部構造を適用した半導体レーザモジュールの
断面図であり、半導体レーザモジュール1は、上方が開
放された略箱型のパッケージ2内に金属ステム3を固定
し、この金属ステム3上に半導体レーザ4を配置し、パ
ッケージ2の上方開口部をキャップ5にて気密封止して
いる。そして、パッケージ2の側部に光ファイバ気密封
止部6にて気密状態に封止して保持した光ファイバ7の
素線部7a先端を半導体レーザ4に光学的結合してい
る。
【0025】光ファイバ気密封止部6は、パッケージ2
の側部に円筒形状の導入部10を一体形成し、この導入
部10の端面10aは光ファイバ7の光軸と直角になる
ように形成されている。また、この導入部10はパッケ
ージ2と別々に形成してパッケージ2に固着するように
することもできる。
【0026】この導入部10内には端面10a側から端
部断面形状が凸形をなす中空の補強スリーブ11をその
小径突部11aを嵌合して固定している。この補強スリ
ーブ11はセラミック(ZrO2、Al23等)からな
り、その外周は導入部10の外周と略一致するように形
成されている。この場合、導入部10と補強スリーブ1
1をゴムブーツ等でカバーすることによって、光ファイ
バ7の急激な曲げを防止することができる。
【0027】そして、光ファイバ7の素線部7aに石英
キャピラリ12を挿入し、導入部10と光ファイバ7の
素線部7a及び石英キャピラリ12並びに補強スリーブ
11とは低融点ガラス13で固定し、補強スリーブ11
と光ファイバ7のジャケット部7b及び石英キャピラリ
12との隙間には充填剤としての接着剤14が充填され
ている。この接着剤14としては一般的なエポキシ系接
着剤を使用している。
【0028】以上のように構成したので、導入部10が
光ファイバ7の素線部7aの光軸に対して直角に切断さ
れた切断面10aを有し、光ファイバ7の素線部7aの
位置が導入部10と補強スリーブ11との同心円の中心
位置にあるため、低融点ガラス13と接着剤14との境
界面でのマイクロベンドが発生せず、モジュールの温度
特性不良がなくなり、歩留りの信頼性が向上する。
【0029】また、低融点ガラス13と接着剤14の境
界面の面積が小さくなり、境界面の剥離現象がほぼ解消
され、温度特性の劣化が抑制される。さらに、低融点ガ
ラス13と接着剤14の境界面では光ファイバ7の素線
部7aが接触するのではなく、石英キャピラリ12が接
触して補強の役割を果たすため、低融点ガラス11の熱
融着時の光ファイバ7の素線部7aへのダメージが少な
くなって、光ファイバ7の素線部7aの断線がなくな
る。更にまた、補強スリーブ11をセラミックで形成す
ることで熱伝導が少なくなって、光ファイバ7への熱ダ
メージが激減する。
【0030】尚、接着剤14にシラン系カップリング剤
を3〜10重量%を混入すると、低融点ガラス13と接
着剤14の境界面での剥離発生を更に抑制することがで
きる。また、低融点ガラス13は円筒形状のタブレット
を使用することにより、作業性の向上及び不純物の混入
を減少させることができ、光ファイバ気密封止部の信頼
性が向上する。
【0031】図2は環境温度変化と損失変動(dB)と
の関係を本願の第1発明に係る発明品と従来品とで比較
したグラフである。このグラフからも明らかなように本
発明によれば、低融点ガラスと接着剤との境界面でのマ
イクロベントが発生しなくなるので、モジュールの温度
特性不良がなくなり、歩留り及び信頼性が向上している
ことが分る。
【0032】図3は第2発明に係る光ファイバ気密封止
部構造を適用した光半導体素子モジュールの断面図、図
4は第2発明を構成するガラス管の拡大断面図であり、
このモジュール21は、パッケージ22内に設けた金属
ステム23上に半導体レーザ24を配置し、パッケージ
22の上方開口部をキャップ25にて気密封止し、パッ
ケージ側部に筒状に突出した気密封止部26に光ファイ
バ27を挿通したガラス管28を低膨張セラミックス用
封着ガラス29を用いて気密に保持している。
【0033】封着の方法は低膨張セラミックス用封着ガ
ラス29をガラス管28と封止部26との間に充填し、
この部分を高周波加熱することで行う。
【0034】また、前記ガラス管28には先端部にテー
パ孔28a、後端に一部をテーパにした筒孔28bが形
成され、これらテーパ孔28aと筒孔28b間に細孔2
8cを形成し、筒孔28bにはジャケット27bを付け
たままの光ファイバ27を挿入して耐熱性エポキシ樹脂
29aで封着し、細孔28cには光ファイバ27の素線
27aを挿入し、テーパ孔28a内に露出した素線27
aを低膨張セラミックス用封着ガラス29bで封着して
いる。
【0035】ここで、ガラス管28の材料としては光フ
ァイバ27の素線27aの熱膨張係数と略等しい石英ガ
ラスが最適であるが、ゼロ膨張結晶化ガラス(日本電気
硝子(株)製:ネオセラムN−0、N−11等)を用い
てもよい。
【0036】以上のように光ファイバの素線27aを熱
膨張係数の略等しいガラス管28内に気密に封入し、こ
のガラス管とともに光ファイバの素線をパッケージに低
膨張セラミックス用封着ガラス29bで封着するように
したので、環境温度の変化によって光ファイバの出力が
変化したり素線が引っ張られて破断することがない。ま
た、光ファイバの素線にAuメッキ等を施す必要もなく
なる。
【0037】図5は第3発明に係る光ファイバ気密封止
部構造を適用した光半導体素子モジュールの断面図であ
り、このモジュール31は前記同様にパッケージ32内
に設けた金属ステム33上に半導体レーザ34を配置
し、パッケージ32の上方開口部をキャップ35にて気
密封止している。
【0038】そして、パッケージ側部に筒状に突出した
気密封止部36から光ファイバ37の素線37aを挿通
し、この素線37aをはんだ38aで半導体レーザ34
と結合するように固着し、また封止部36と素線37a
を低融点ガラス38bで封着し、更に気密封止部36に
は金属製スリーブ39を被冠し、光ファイバー37をこ
のスリーブ39内に挿通するとともにスリーブ39内に
ゴム弾性を有するエポキシ樹脂(グレースジャパン
(株)製:エコゲル)を補強樹脂39aとして充填して
いる。
【0039】上記の構成とすることで、環境温度の変化
があっても当該補強用樹脂がこれを吸収できる。具体的
にはスリーブ内にゴム弾性を有するエポキシ樹脂を充填
した場合と弾性を有さないエポキシ樹脂を充填した場合
とを−10℃〜60℃の温度特性において比較すると、
従来のものが0.5dB以上の光ファイバの出力変動が
あったが、本発明構造のものは0.1dB以内であっ
た。また、−40℃〜70℃のヒートショック試験を5
0サイクル行った場合、従来の構造では10dB以上損
失が増加したものがあるのに対し、本発明品では全て損
失増加は0.2dB以内であった。
【0040】図6は第4発明に係る光ファイバ気密封止
部構造を適用した光半導体素子モジュールの断面図であ
り、このモジュール41はパッケージ42の側面に形成
した筒状封止部46に光ファイバ47の素線47aを挿
入固定した金属管48を差込み、この金属管48の先端
をホルダ45を介して半導体レーザ44を固定している
金属ステム43に取り付け、光学的な結合を行い、更に
封止部46と金属管48との封止を低融点はんだ49を
用いて行っている。
【0041】低融点はんだ49としては融点が120℃
以下のものとし、更に好ましくは融点が100℃以下の
Bi系のはんだを用いる。このように低融点はんだを用
いて金属管をパッケージに封着したので、温度変化によ
って固定部に生じる熱応力を減少でき、それによって光
結合のズレを防止でき、また金属管を低融点のはんだで
パッケージに気密固定するので、金属管内部での光ファ
イバー素線の切断が効果的に防止でき、更にホルダで金
属管先端を固定しているので、最終的にキャップをシー
ム溶接する際の熱によるパッケージの変形による光結合
のズレを大幅に減少することができる。
【0042】尚、上記各実施例では本発明を半導体レー
ザモジュールに適用した例について述べたが、これに限
られるものではなく、例えばフォトダイオードモジュー
ル、導波路型光スイッチ、変調器モジュール等の気密構
造が必要な光モジュールに適用することができる。
【0043】
【発明の効果】第1発明にあっては、低融点ガラスと接
着剤との境界面でのマイクロベントが発生しなくなるの
で、モジュールの温度特性不良がなくなり、歩留り及び
信頼性が向上し、低融点ガラスの熱融着時の光ファイバ
素線部へのダメージが少なくなって断線を防止できる。
【0044】第2発明にあっては、光ファイバの素線を
熱膨張係数の略等しいガラス管内に気密に封入し、この
ガラス管とともに光ファイバの素線をパッケージ内に導
入するようにしたので、環境温度の変化によって光ファ
イバの出力が変化したり素線が引っ張られて破断するこ
とがない。また、光ファイバの素線にAuメッキ等を施
す必要がない。
【0045】第3発明にあっては、光ファイバを挿通す
る金属スリーブ内にゴム弾性を有する補強用樹脂を充填
したので、環境温度の変化があっても当該補強用樹脂が
これを吸収する。したがって、第2発明と同様に光ファ
イバの出力が変化したり素線が引っ張られて破断するこ
とがない。
【0046】更に第4発明にあっては、光ファイバの素
線を挿入した金属スリーブを低融点はんだを介してパッ
ケージに気密に取り付けるようにしたので、大きな環境
温度の変化を伴うことなく封止が可能となる。また、金
属管をホルダによってステムに固定するようにしたの
で、最後にパッケージに蓋をシーム溶接する際の熱によ
ってパッケージが変形しても、光結合のズレを大幅に減
少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1発明に係る光ファイバ気密封止部構造を適
用した光半導体素子モジュールの断面図
【図2】環境温度変化と損失変動(dB)との関係を本
発明品と従来品とで比較したグラフ
【図3】第2発明に係る光ファイバ気密封止部構造を適
用した光半導体素子モジュールの断面図
【図4】第2発明を構成するガラス管の拡大断面図
【図5】第3発明に係る光ファイバ気密封止部構造を適
用した光半導体素子モジュールの断面図
【図6】第4発明に係る光ファイバ気密封止部構造を適
用した光半導体素子モジュールの断面図
【図7】レンズを用いた結合系を適用した従来の光半導
体素子モジュールの断面図
【図8】従来の光ファイバ気密封止部構造を適用した光
半導体素子モジュールの断面図
【図9】従来の光ファイバ気密封止部構造を適用した光
半導体素子モジュールの断面図
【図10】従来の光ファイバ気密封止部構造を適用した
光半導体素子モジュールの断面図
【図11】従来の光ファイバ気密封止部構造を適用した
光半導体素子モジュールの断面図
【符号の説明】 1,21,31,41…半導体レーザモジュール、2,
22,32,42…パッケージ、4,24,34,44
…半導体レーザ、7,27,37,47…光ファイバ、
7a,27a,37a,47a…光ファイバの素線部、
10…導入部、11…補強スリーブ、11a…小径突
部、12光キャピラリ、13…低融点ガラス、14…接
着剤、28…ガラス管、39…スリーブ、39a…弾性
を有する補強樹脂、48…金属管、49…低融点はん
だ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01S 3/18 (72)発明者 大越 幹夫 茨城県日立市日高町5丁目1番1号 日立 電線株式会社オプトロシステム研究所内 (72)発明者 佐藤 好昭 茨城県日立市日高町5丁目1番1号 日立 電線株式会社オプトロシステム研究所内

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 光モジュールの気密パッケージに設けら
    れる導入部に光ファイバを挿入して気密状態で封止する
    光ファイバの気密封止部構造において、前記導入部は円
    筒形状に形成され、この導入部内に光ファイバを挿通す
    る補強スリーブの先端小径突部が嵌合されていることを
    特徴とする光ファイバの気密封止部構造。
  2. 【請求項2】 前記補強スリーブはセラミックからなる
    ことを特徴とする請求項1に記載の光ファイバの気密封
    止部構造。
  3. 【請求項3】 前記導入部内における光ファイバの素線
    部には石英キャピラリが外装されていることを特徴とす
    る請求項1又は2に記載の光ファイバの気密封止部構
    造。
  4. 【請求項4】 光モジュールの気密パッケージに設けら
    れる導入部に光ファイバを挿入して気密状態で封止する
    光ファイバの気密封止部構造において、前記光ファイバ
    はその素線がガラス管内に気密に封入され、このガラス
    管が前記パッケージに気密に挿入されていることを特徴
    とする光ファイバの気密封止部構造。
  5. 【請求項5】 前記ガラス管の材料は石英若しくはゼロ
    膨張結晶化ガラスであることを特徴とする請求項4に記
    載の光ファイバの気密封止部構造。
  6. 【請求項6】 光モジュールの気密パッケージに設けら
    れる導入部に光ファイバを挿入して気密状態で封止する
    光ファイバの気密封止部構造において、前記導入部には
    金属スリーブが取り付けられ、この金属スリーブ内に光
    ファイバを挿通するとともに金属スリーブ内に弾性を有
    する補強用樹脂を充填していることを特徴とする光ファ
    イバの気密封止部構造。
  7. 【請求項7】 光モジュールの気密パッケージに設けら
    れる導入部に光ファイバを挿入して気密状態で封止する
    光ファイバの気密封止部構造において、前記光ファイバ
    の素線は金属スリーブ内に挿入され、この金属スリーブ
    が低融点はんだを介してパッケージに気密に取り付けら
    れていることを特徴とする光ファイバの気密封止部構
    造。
  8. 【請求項8】 前記低融点はんだはIn−Sn(In52wt
    %、Sn48wt%)を使用していることを特徴とする請求項
    7に記載の光ファイバの気密封止部構造。
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