JPH0990176A - 半導体光素子モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体光素子と光ファイバとをレンズ系を介
して効率良く光接続できる半導体光素子モジュールを提
供することを目的とする。 【解決手段】 半導体光素子１、半導体光素子保持部材
２、レンズ系５及び光ファイバ３からなる半導体光素子
モジュールにおいて、前記半導体光素子１と前記半導体
光素子保持部材２とがはんだバンプ接続されると共に前
記半導体光素子保持部材２と前記レンズ系５とが第１の
位置決めキー１１による嵌め合わせ接続がなされ、更
に、前記レンズ系５と前記光ファイバ３とが第２の位置
決めキー１２による嵌め合わせ接続がなされることを特
徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体光素子モジ
ュールに関する。詳しくは、光学系を介して、半導体光
素子と光ファイバを光接続する構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の半導体光素子モジュールの一例を
図５に示す。同図に示すように、半導体光素子モジュー
ルは、半導体光素子１、光ファイバ３及びレンズ系５の
相互位置を調整しつつ、半導体光素子保持部材２、光フ
ァイバ保持部材４及びレンズ保持部材６をハウジング７
内に固定する構造である。

【０００３】即ち、半導体光素子１と光ファイバ３とが
レンズ系５を間に挟んで、ハウジング７内に対向して挿
入され、半導体光素子１はパッケージ自体である半導体
光保持部材２により気密封止されると共に半導体光保持
部材２を介してハウジング７内に保持されている。光フ
ァイバ３は、例えば、フェルール等の光ファイバ保持部
材４を介してハウジング７内に保持され、更に、レンズ
系５はレンズ保持部材６を介してハウジング７内に保持
されている。

【０００４】このような構造の半導体光素子モジュール
を製造するには、実際に半導体光素子１を動作させ、半
導体光素子１への入射光又は半導体光素子１からの出射
光をモニタしながら、半導体光素子１、光ファイバ３及
びレンズ系５の相互位置を調整する方法（以下、モニタ
法と呼ぶ）が一般に使用されるが、この位置調整作業が
モジュール生産性のボトルネックとなっていた。そこ
で、平面光回路の光導波路との光結合では、この位置調
整作業を軽減すべく、はんだバンプを応用した自動位置
調整方法（以下、はんだバンプ法と呼ぶ）が提案されて
いる（林、大崎：はんだバンプによる高精度端子接続法
の検討：昭和６２年電子情報通信学会・材料部門全国大
会Ｓ９−６）。

【０００５】このはんだバンプ法は、図６に示す手順に
従って行われる。先ず、図６（ａ）に示すように、受光
素子２２にはんだバンプ２３と呼ばれる突起状はんだ電
極を形成し、次に、図６（ｂ）に示すように、光導波路
２４が形成された基板２１にはんだバンプ２３を介して
受光素子２２を仮搭載し、引き続き、図６（ｃ）に示す
ように、はんだバンプ２３を溶融させ、溶融はんだの表
面張力による自己整合力（セルフアライメント作用）に
より、図６（ｄ）に示すように、ずれていた基板２１を
受光素子２２に対して正規の位置に移動して接続させ、
最終的に、図６（ｅ）に示すように、無調整で光導波路
２４と受光素子２２との光結合がなし遂げられる。

【０００６】半導体光素子と光ファイバとの光結合に、
はんだバンプ法を導入しようとする場合には、図７に示
すように、光ファイバ３の先端に半導体光素子１をはん
だバンプ８を介して接続する構成が考えられる。しか
し、光ファイバ３の直径は高々１２８μｍと小さく、こ
の先端に半導体光素子１をはんだバンプで接続すること
は不可能であった。この問題を解決すべく、半導体光素
子保持部材に光ファイバ位置決めキーを一体化すること
が提案されている（特願平５−２９９４１３号）。

【０００７】即ち、図８（ａ）に示すように、半導体光
素子保持部材２には、光ファイバ３を位置決めするため
のキーとして貫通孔１０が設けられ、この貫通孔１０に
光ファイバ３の先端が挿入されて位置決めされている。
半導体光素子保持部材２は、例えば、シリコン等の結晶
性材料基板で作られる。貫通孔１０は、例えば、基板を
異方性エッチング等の方法で開口したものである。

【０００８】従って、半導体光素子保持部材２と光ファ
イバ３との相互位置は、半導体光素子保持部材に設けら
れた位置決めキーである貫通孔１０により決定される。
更に、半導体光素子保持部材２には、貫通孔１０の周囲
に四つの電極パッド９が設けられ、はんだバンプ８を介
して半導体光素子１が接続されている。電極パッド９
は、例えば、銅などのはんだぬれ性が良好な金属を基板
上にパタニングして作られる。

【０００９】従って、半導体光素子１と半導体光素子保
持部材２との相互位置は、はんだバンプ法の原理により
高精度に位置合わせ接続される。電極パッド９と貫通孔
１０はリソグラフィ技術の応用で作られるから、これら
の相互位置は高精度に位置合わせされており、その結果
として、半導体光素子１と光ファイバ３の相互位置は自
動的に決定される。

【００１０】更に、図８（ｂ）に示すように、半導体光
素子保持部材２はハウジング７に固定されると共にハウ
ジング７内に光ファイバ保持部材４が挿入されて、コネ
クタ型半導体光素子モジュールが構成されている。上記
半導体光素子モジュールでは、半導体光素子１と光ファ
イバ３のファイバ軸方向の相互位置は、半導体光素子保
持部材２に設けられた貫通孔１０の寸法及びはんだバン
プ８の寸法により決定される。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上述した半導体光素子
モジュールでは、光ファイバ３の先端が単純な平面の場
合、光ファイバ３からの出射光線は、光ファイバ３の開
口数ＮＡによって決定される角度で広がるため、受光素
子としての半導体光素子１との結合効率が低下する問題
がある。そこで、光ファイバ３の先端を球状に加工すれ
ば、ファイバ軸上のある位置に焦点を持たせることも可
能である。

【００１２】しかしながら、光ファイバの先端を球状に
加工する工程は、一般的には、放電加工により光ファイ
バ３の先端を溶融させる加工法が用いられるため、半導
体光素子保持部材２に設けられる貫通光１０の寸法及び
はんだバンプ８の寸法により決定される半導体光素子１
の位置に焦点を一致させるように、光ファイバの先端形
状を加工することは困難であった。また、半導体光素子
１として発光素子を用いる場合にも、同様に結合効率が
低下する問題があり、上述した光ファイバの先端を球状
に加工する技術では、その問題を十分に解決することは
困難であった。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の半導体光素子モジュールの構成は、半導体光素子、
半導体光素子保持部材、レンズ系及び光ファイバからな
る半導体光素子モジュールにおいて、前記半導体光素子
と前記半導体光素子保持部材とがはんだバンプ接続され
ると共に前記半導体光素子保持部材と前記レンズ系とが
第１の位置決めキーによる嵌め合わせ接続がなされ、更
に、前記レンズ系と前記光ファイバとが第２の位置決め
キーによる嵌め合わせ接続がなされることを特徴とす
る。

【００１４】〔作用〕本発明の半導体光素子モジュール
によれば、レンズ系を介して、半導体光素子と光ファイ
バとを良好な結合効率で光結合することができる。ま
た、半導体光素子と半導体光素子保持部材とははんだバ
ンプ接続されるため、半導体光素子と半導体光素子保持
部材その相互位置は、はんだバンプ法の原理により決定
される。更に、半導体光素子保持部材とレンズ系とが、
同様に、レンズ系と光ファイバとがそれぞれ第１、第２
の位置決めキーによる嵌め合わせ接続がなされるため、
半導体光素子保持部材−レンズ系−光ファイバの間の位
置決めは自動的になされる。結果として、半導体光素子
と光ファイバとの相互位置は自動的に決定される。

【００１５】

【発明の実施の形態】

〔実施例１〕本発明の第１の実施例に係る半導体光素子
モジュールを図１に示す。同図（ａ）に示すように、半
導体光素子１と光ファイバ３とがレンズ系５を介して光
結合されている。レンズ系５は、レンズ保持部材６の中
心に組み込んで構成されている。レンズ系５は、レンズ
保持部材６にモールドレンズとして高位置精度に組み込
むことが可能である。このようにモールドレンズの技術
を用いてレンズ系の設計、加工をなすことにより、光フ
ァイバ３と半導体光素子１との良好な光結合がなしとげ
られる。

【００１６】レンズ保持部材６には、レンズ系５を取り
囲むように第１の位置決めキー１１がテーパー形状に凸
状に形成されると共にレンズ系５に対する貫通孔として
第２の位置決めキー１２がテーパー形状に凹状に形成さ
れている。第１の位置決めキー１１は、半導体光素子保
持部材２をレンズ保持部材６に対して位置決めするため
のものであり、一方、半導体光素子保持部材２にも、レ
ンズ保持部材６の第１の位置決めキー１１に対応した位
置決めキー１０がテーパー形状に凹状に形成されてい
る。

【００１７】従って、レンズ保持部材６の第１の位置決
めキー１１と、半導体光素子保持部材２の第１の位置決
めキー１１とを噛み合わせ接続することにより、レンズ
保持部材６と半導体光素子保持部材２とが自動的に位置
決めされる。一方、第２の位置決めキー１２は、光ファ
イバ３をレンズ保持部材６に対して位置決めするもので
ある。

【００１８】従って、レンズ保持部材６の第２の位置決
めキー１２内に光ファイバ３の先端を挿入して噛み合わ
せ接続することにより、レンズ保持部材６と光ファイバ
３とが自動的に位置合わせされる。本実施例では、位置
決めキー１１，１２は、共にテーパー形状による噛み合
わせキーとしているが、これらは一例としてレンズ保持
部材６の同芯削り出しの高精度加工により製作可能であ
る。

【００１９】更に、半導体光素子保持部材２には、半導
体光素子１がはんだバンプ接続されている。即ち、半導
体光素子保持部材２において、位置決めキー１１の頂部
が反対面に貫通し、その周囲に電極パッド（図示省略）
が形成され、この電極パッドにはんだバンプ８を介し
て、はんだバンプ法により、半導体光素子１が接続され
ている（図８参照）。

【００２０】従って、溶融はんだの表面張力によるセル
フアライメント作用により、半導体光素子保持部材２と
半導体光素子１との相互位置は、自動的に正規の位置に
高精度に位置決めされることになる。半導体光素子１と
しては、受光素子、発光素子など各種の光素子を含むも
のである。半導体光素子１として受光素子を用いる場合
には、レンズ系５は、光ファイバ３からの出射光線が光
ファイバ３の開口数ＮＡによって決定される角度で広が
っても、半導体光素子１の位置に焦点を一致させるよう
に設計、製造されている。

【００２１】図１（ｂ）に示すように、上述した半導体
光素子保持部材２及びレンズ保持部材６はハウジング７
に収納され、同様に、光ファイバ３も光ファイバ保持部
材４を介してハウジング７に収納されている。

【００２２】上記構成を有する本実施例の半導体光素子
モジュールでは、半導体光素子１と半導体光素子保持部
材２とがはんだバンプ８により高精度に位置決めされ、
更に、半導体保持部材２とレンズ保持部材６とが第１の
位置決めキー１１により高精度に位置決めされ、且つ、
レンズ保持部材６と光ファイバ３とが第２の位置決めキ
ー１２により高精度の位置決めされる。その結果、半導
体光素子１と光ファイバ３との相互位置は自動的に決定
される。

【００２３】そのため、光ファイバ３からの出射光線が
光ファイバ３の開口数ＮＡによって決定される角度で広
がっても、レンズ系５により集光され、半導体光素子１
に焦点を結び、光ファイバ３と半導体光素子１との良好
な結合効率が達成される。尚、半導体光素子１として発
光素子を用いる場合には、半導体光素子１から出射され
る出射光線が、光ファイバ３の端面に十分に効率良く結
合するように、レンズ系５が設計、製造されることにな
る。

【００２４】〔実施例２〕本発明の第２の実施例に係る
半導体光素子モジュールを図２に示す。本実施例は、レ
ンズ系５の面自身で第１の位置決めキー１１を担うよう
にしたものである。即ち、レンズ系５の一方の凸面レン
ズの裾部分をテーパー形状とすることにより、第１の位
置決めキー１１とし、この位置決めキー１１に半導体光
素子保持部材２の第１の位置決めキー１１とを噛み合わ
せ接続して、レンズ系５と半導体光素子保持部材２とを
位置合わせしたものである。

【００２５】更に、レンズ保持部材６には、第２の位置
決めキー１２として、セラミックやガラスなどで製造さ
れたキャピラリ部品１３がその一部として形成されてお
り、光ファイバ３の先端を、キャピラリ部品１３の第２
の位置決めキー１２へ挿入して噛み合わせ接続すること
により、レンズ保持部材６と光ファイバ３とが自動的に
位置合わせされる。その他の構成は、前述した実施例１
と同様であり、同様の作用効果を示す。

【００２６】〔実施例３〕本発明の第３の実施例に係る
半導体光素子モジュールを図３に示す。本実施例は、レ
ンズ系５の面自身で第１、第２の位置決めキー１１，１
２を担うようにしたものである。即ち、レンズ系５の一
方の凸面レンズの裾部分をテーパー形状とすることによ
り、第１の位置決めキー１１とし、この位置決めキー１
１に半導体光素子保持部材２の第１の位置決めキー１１
とを噛み合わせ接続して、レンズ系５と半導体光素子保
持部材２とを位置合わせしたものである。

【００２７】また、レンズ系５の他方の凹面レンズを曲
面テーパー形状とすることにより、第２の位置決めキー
１２とし、この位置決めキー１２に光ファイバ３の先端
を挿入して噛み合わせ接続することにより、レンズ系５
と光ファイバ３とが自動的に位置合わせされる。その他
の構成は、前述した実施例１と同様であり、同様の作用
効果を示す。

【００２８】〔実施例４〕本発明の第４の実施例に係る
半導体光素子モジュールを図４に示す。本実施例は、第
２の位置決めキー１２として、高精度なスリーブ１４を
用いるものである。即ち、レンズ保持部材６には、セラ
ミックやガラスよりなる高精度なスリーブ１４が設けら
れると共にこのスリーブ１４の内周面に光ファイバ保持
部材４が挿入されている。

【００２９】スリーブ１４は、レンズ保持部材６内にお
いてレンズ系５と同軸で連通した状態であり、また、光
ファイバ保持部材４であるフェルールの中心には光ファ
イバ３が保持されている。従って、光ファイバ保持部材
４をスリーブ１４の内周面に挿入することにより、スリ
ーブ１４の内周面及び光ファイバ保持部材４であるフェ
ルールが光ファイバ３を位置決めする第２の位置決めキ
ー１２として機能し、光ファイバ３とレンズ系５とが自
動的に位置合わせされる。その他の構成は、前述した実
施例１と同様であり、同様の作用効果を示す。

【００３０】このように述べたように、第１、第２の位
置決めキー１１，１２としては、実施例１，２，３で述
べたテーパー形状の噛み合わせに限るものではなく、本
実施例のように、円筒面の嵌め合わせであっても実現す
ることができる。また、上述した実施例では、レンズ系
５はレンズ保持部材６に組み込まれていたが、レンズ保
持部材６の機能をレンズ系５に担わせることにより、レ
ンズ保持部材６を省略することができる。但し、上述し
た第１、第２の位置決めキー１１，１２の機能をレンズ
系５で保有する必要がある。

【００３１】更に、上述した実施例では、単一チャンネ
ルの半導体光素子で説明したが、半導体光素子保持部材
に複数の半導体光素子を装荷できるように、はんだバン
プ接続のための電極パッドを設け、それぞれに対応した
光ファイバを位置決めするためのキーを設ければ、複数
チャンネルを一次元若しくは二次元のアレイ状に配置し
た半導体光素子装置が実現できることは言うまでもな
い。

【００３２】

【発明の効果】以上、実施例に基づいて具体的に説明し
たように、本発明の半導体光素子モジュールによれば、
レンズ系を介して、半導体光素子と光ファイバとを良好
な結合効率で光結合することができる。また、半導体光
素子と半導体光素子保持部材とははんだバンプ接続され
るため、半導体光素子と半導体光素子保持部材その相互
位置は、はんだバンプ法の原理により決定される。更
に、半導体光素子保持部材とレンズ系とが、同様に、レ
ンズ系と光ファイバとがそれぞれ第１、第２の位置決め
キーによる嵌め合わせ接続がなされるため、半導体光素
子保持部材−レンズ系−光ファイバの間の位置決めは自
動的になされる。結果として、半導体光素子と光ファイ
バとの相互位置は自動的に決定される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る半導体光素子モジ
ュールの断面図である。

【図２】本発明の第２の実施例に係る半導体光素子モジ
ュールの断面図である。

【図３】本発明の第３の実施例に係る半導体光素子モジ
ュールの断面図である。

【図４】本発明の第４の実施例に係る半導体光素子モジ
ュールの断面図である。

【図５】従来の半導体光素子モジュールの断面図であ
る。

【図６】はんだバンプ法の工程図である。

【図７】光ファイバと半導体光素子との光結合の例を示
す説明図である。

【図８】従来提案されている半導体光素子保持部材及び
それを利用した半導体光素子モジュールの例を示す説明
図である。

【符号の説明】

１ 半導体光素子 ２ 半導体光素子保持部材 ３ 光ファイバ ４ 光ファイバ保持部材 ５ レンズ系 ６ レンズ保持部材 ７ ハウジング ８ はんだバンプ ９ 電極パッド １０ 貫通孔 １１ 第１の位置決めキー １２ 第２の位置決めキー １３ キャピラリ部品 １４ スリーブ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体光素子、半導体光素子保持部材、
   レンズ系及び光ファイバからなる半導体光素子モジュー
   ルにおいて、前記半導体光素子と前記半導体光素子保持
   部材とがはんだバンプ接続されると共に前記半導体光素
   子保持部材と前記レンズ系とが第１の位置決めキーによ
   る嵌め合わせ接続がなされ、更に、前記レンズ系と前記
   光ファイバとが第２の位置決めキーによる嵌め合わせ接
   続がなされることを特徴とする半導体光素子モジュー
   ル。
2. 【請求項２】 前記位置決めキーは、テーパー形状又は
   円筒形状であることを特徴とする請求項１記載の半導体
   光素子モジュール。
3. 【請求項３】 前記レンズ系は、レンズ保持部材にモー
   ルドレンズとして組み込まれることを特徴とする請求項
   １又は２記載の半導体光素子モジュール。