JPS62906A - 電気光変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、電気信号を光に変換する電・焦光変換装置に
関するものであるが、光を電気信号に変換する装置にも
適用しうるものである。

〔従来の技術及び問題点〕

比較的安価なＶ−ザ・ダイオードの出現と、シングル・
モード及びマルチ・モードの両方において実質的な無限
長にわたりほぼ均一な特性を有する光ファイバが製造さ
れるようになったことにより１．レーザ・ダイオードか
らファイバに変調した光ビームな°送り出す形式で情報
を伝達する光ファイバの使用が一般的になってきている
。例えば、ファイバ光電話システムは実験段階を過ぎて
発展しており、また、映像信号を伝送するのに光ファイ
バを使用することも周知である。光ビームを光ファイバ
に送り出すのに使用するレーザ・ダイオードは、光ファ
イバの基部端面と光学的結合関係になければならない。

最適な光学的結合を得るには、レーザ・ダイオードの発
光領域に対しファイバの端面な正確に位置決めする必要
があるが、これは寸法が小さいため困難である。通常、
マルチモード・レーザ・ダイオードの発光領域は（０，
５〜１μｍ）Ｘ（１０〜１５μｍ）であり、マルチモー
ド・ファイバのコアの直径は約５０〜１００μｍである
。これらの問題は、シングル・モード・ファイバの場合
に一層重大である。この場合、ファイバのコアの直径は
、マルチモード・ファイバの約１１５〜１／１０であり
、ダイオードの発光領域は約０．５μｍ×２μｍである
。しかるに、シングル・モード・ファイバ°は、分散が
少な（信号劣化も必然的に少ないので、ますます使用さ
れる傾向にある。更に、ファイバの縦軸と横の方向（横
軸）に対し、ファイバをダイオードの発光領域に正確に
一直線に配置する（Ｘ及びＹ軸位置決め）必要があるば
かりでな（、ダイオードの放射した最大量の光をファイ
バ内に結合するために、ファイバの基部端面及びダイオ
ード間の距離（Ｚ軸位置法め）を正確に制御する必要も
ある。また、ダイオードの動作に悪影響を及ぼす物質と
接触しないように、密封した容器内にダイオードを配置
するのが望ましい。

透明窓を有する従来のＴＯ５容器内にレーザ・ダイオー
ドを取付けることは、既に知られている。

この場合、ダイオードは外部の影響から充分に保護され
ている。この透明窓を介して放射される光の量を最大に
するため、サファイヤ球を容器内に取付けそのサファイ
ヤ球の焦点にダイオードの発光領域が来るようにしてい
る。こうして、規準された光ビームを発生し、この規準
されたビームが透明窓を介して容器の外に向かうように
、ダイオード及びサファイヤ球を位置決めしている。こ
の容器の外に他のサファイヤ球を設げ、規準ビームが光
ファイバのコアの端面で焦点を結ぶようにする。このよ
うな容器取付は方法では、ダイオードに対して３つの要
素すなわち２つのサファイヤ球とファイバとを一直線に
配置する必要がある。ゆえに、この容器の製造には、時
間、労力及び費用がかかった。

したがって、本発明の目的は、発光素子と光ファイバの
位置決めが簡単で安価な電気光変換装置の提供にある。

〔問題点を解決するための手段及び作用〕本発明によれ
ば、電気光変換装置は、ほぼ平坦な表面及びこの平坦面
から直立した台を有する基部部材と、台の上に取付けた
電気光変換器と、この基部部材のほぼ平坦面に対し対向
関係にある１つの主面により基部部材に固定されたファ
イバ取付は板と、このファイバ取付は板の他の主面に固
定された光ファイバとを具えている。この光ファイバは
、電気光変換器と光学的結合関係にある端面な有する。

本発明の好適な実施例においては、基部部材は、ほぼ平
坦な表面を部分的に囲み上記変換器の上Ｋまで伸びる壁
を具えており、また、カバ一部材がこの基部部材の壁の
上及び端部な密封する。このカバ一部材はファイバがそ
の中を通って伸びるファイバ封止孔を有し、この孔口体
も密封される。

こうして、上記変換器を密封容器内に取付け、その動作
に悪影響を及ぼす物質と接触するのを防止する。

なお、ファイバの端面は、円錐レンズ又は凸レンズ状が
好ましい。

〔実施例〕

以下、第１図〜第６図を参照して本発明の好適な実施例
を説明する。第１図は本発明の好適な一実施例を示す分
解斜視図である。同図の電気光変換装置は、レーザ・ダ
イオード・モジュールとして構成され、５つの主要部品
すなわちモジュール本体（基部部材）（２）、モニタ・
ダイオード組立体（４）、Ｖ−ザ・ダイオード組立体（
６）、ファイバ取付板（８）及びカバーα〔を具えてい
る。モジュール本体（２）は、装置の基部となる部材で
あって、この装置を組立てたときにモニタ・ダイオード
組立体（４）及びレーザ・ダイオード組立体（６）を受
ける凹部（至）を有する。このモジュール本体（２）は
、テープ・セラミックの４層から形成する。第２（ａ）
〜２（ｄ）図は、モジュール本体（２）の各層の平面図
である。第２（ａ）図に示す下層αりは、連続層である
。層α２の上には、層Ｉ（第２（ｂ）図参照）があって
モニタ・ダイオード組立体（４）を受けるポケットμｅ
を有する。このポケツ）　４１６１の底は、層α２で塞
（ふさ）ぐ。層α４の上の層（ＩＩ１９（第２（Ｃ）図
参照）は、凹部（至）を部分的に囲む壁の下段を形成し
、水平方向の突起■及びのを有する。最後に、層（至）
（第２（ｄ）図参照）が凹部四を部分的に囲む壁の上段
となる。接続路６υ及びＣ４を形成する２つの分離した
領域において層α２の底面を金属化する一方、接合領域
（２）、四及び接続路−を形成する３つの分離した領域
において層α４の上面を金属化する。また、接合領域（
至）及び接続路供〜（至）を形成する６つの分離した領
域において、層賭の上面を金属化する。第３図は第２図
の部品組立後の平面図、第４図はその側面図である。第
３及び第４図に示す如く、これら４つの層を互いにぴっ
たりと合わせ、幾つかの層を互いに焼結して層間を空気
が漏れないように密封する従来の処理により、互いに固
定する。その後、完成したモジュール本体の周辺領域α
Ｑ及び端子領域（４υ〜囮（第１図参照）上を金属化す
る。なお、これら端子領域は、金属化された接続路６υ
〜（至）と接続する。

金属化は、既知のように電気分解付着によって行なう。

この技術を用いることにより、与えられ。

たセラミック層上のすべての金属化領域を単一の連続金
属化領域とすることが望ましい。この連続金属化領域は
、あとで所望の分離した領域を定めるようにパターン化
する。しかし、この分離した金属化領域を作る方法は、
全〈従来技術に属するものである。

七ジュール本体（２）を組立てると、ろう付けにより、
リード（導電片）を端子領域（４１）〜（ハ）に接続す
る。同時に、Ｖ−ザ・ダイオード組立体（６）の一部を
形成するダイオード取付台＠を、接続路（至）にろう付
ゆする。この接続路−は、突起（７）及びの間のすき間
を介して伸びることが認められるであろう。

レーザ・ダイオード組立体（６）は、ダイオード取付台
−のほかＫａｌで示すレーザ・ダイオード（電気光変換
器）自体を有する。

レーザ・ダイオード組立体（６）は在るべき場所に組立
てるが、モニタ・ダイオード組立体（４）は凹部（ト）
に装着する前に組立てなければならず、また、ファイバ
取付板（８）も凹部（至）Ｋ装着する前にファイバをフ
ァイバ取付板＋８１　Ｋ固定しなければならない。

モニタ・ダイオード取付台（４）は、２つの接続領域６
ｚ及び（ロ）が金属化されたセラミック基板艶とフォト
・ダイオード団とから成る。レーザ・ダイオードが放射
する光の波長に応じて、フォト・ダイオード（ト）をゲ
ルマニウム、シリコン、ガリウムひ素その他の物質で作
る。共融ダイ取付具（ｅｕｔｅｃｔ　１ｃｄｉｅ　ａｔ
ｔａｃｈｍｅｎｔ）によりフォト・ダイオードを基板６
〔に取付ゆられるようにするため、接続領域−）は取付
は部分（図示せず）を有するのがよい。

ダイオード（至）は、その上面に一方の端子を、その底
面に他方の端子を具えている。このダイオード田は、そ
の底面を介して基板−に取付ける。基板ｆ５Ｇの共融合
金及び金属化部分を介してダイオードの底面端子を接続
領域６４１に電気的に接続する。

鏝で示す如（、ワイヤ・ボンディングによりダイオード
（ト）の上面端子を接続領域５２１に電気的に接続する
。モニタ・ダイオード組立体（４）は、更に、半田付け
により金属化領域（至）及び（至）にそれぞれ固定され
る２つの接続ピン団及び６７Ｊを具えている。

既知の方法でファイバの端面をまずレンズ化してファイ
バをファイバ板（８）に固定する準備をし、その端部領
域−を金属化する。蒸層薄膜技術を用いてファイバを金
属化し、チタニウム層の次にニッケル層及び金の層を付
着させる。チタニウム層は、接着剤として働き従来の光
ファイバのガラスに良好に接着する。ニッケルは半田付
は可能な金属であり、金はニッケルを酸化から防止する
。

ファイバ取付板（８）は細長いセラミック基板曽を具え
ており、このセラミック基板＠２の上面には、中央長手
方向の半田付は可能な金属化領域−があり、その底面に
は、対向するそれぞれの縁に沿った２つの帯状の金属化
領域■及びこれら金属化領域（財）を橋絡する厚膜抵抗
器（ハ）がある。ファイバを基板＠４に固定するために
、ツアイパの端部領域端が金属化領域−に沿って伸び、
このファイバのレンズ化した面が基板修りの端部かも約
４ミル（１ミルは０．００１インチであり、約０．０２
５１１１１　）だけ突出するようＫ、ファイバの端部領
域■を基板−の上面に配置する。金属化領域曽に半田付
けすることにより、ファイバを基板鵜の所定位置に固定
する。

金属化領域（ロ）を介して厚膜抵抗器−に電流を流し、
基板を加熱することにより、半田付は用の熱を加えるこ
とができる。

従来のレーザ・ダイオードの動作は温度の影響を受ける
ので、凹部（ハ）内の温度を安定化する必要がある。そ
のために、温度センサ（１００）及びペルチュ効果熱ポ
ンプ（１０２）　（第６図参照）を使用する。

金属化された接合部（至）への共融ダイ取付けにより、
温度センサ（１００）をモジュール本体（２）に固定す
る。

ワイヤ・ボンディングを用いて、温度センナ（１００）
と金属化領域（接続路）０７）及び曽との接続を行なう
。モジュール・本体（２）をカバーα〔に固定した後Ｋ
。

熱ポンプ（１０２）をモジュール本体（２）に取付ける
。

温度センサ（ｉｏｏ）を位置決めし、この温度センサと
金属化領域（９）及び（至）とを接続した後に、レーザ
・ダイオード翰を装着する。第５図は、第１図のレーザ
・ダイオード・モジュールの長手方向１１ＣＧう断面図
である。ダイオード取付台０４は、層Ｉのほぼ平坦な表
面上に台を形成し、七〇前端（第５図では右端）に上向
きの小さな突起の合一を有することに留意されたい。ダ
イオード■を突起の台−の上に配置し、半田付けにより
このダイオード翰をそこに固定する。その後、金リボン
（図示せず）を配置し、その一端をダイオード園の上に
、他層を金属化領域図に接続する。また、七ニタ・ダイ
オード組立体（４）を水平突起四及び＠の後部のポケッ
ト内に配置して、ピン−及び但４を金属化領域図及び（
至）にそれぞれ接続する。金リボンとダイーオード翰及
び金属化領域図との間並びにピン−及び−と金属化領域
（至）及び（ト）との間をそれぞれ半田付けして、冶金
接合を行なう。フォト・ダイオード（ト）から反射され
た光か絶対にレーザ・ダイオード取付台当らないように
、フォト・ダイオード州の受光面をレーザ・ダイオード
（至）の裏側の発光面に対し傾斜させて、基板艶なポケ
ットｕｅ内に配置する。

金属化領域−にファイバを取付けるのに用いた半田の融
点より低い融点の半田クリームの小ｆｆ１Ｊａυを、金
属化接合領域（至）及び（２）の各々に配置する。

次に、７アイパ取付板（８）の前肩（この端からファイ
バのレンズ化した端面が突出する。）が凹部（至）内に
入り、ファイバのこの端面がダイオード■に向くように
、ファイバ取付板（８）を配置する。この位置において
、金属化接合領域（至）及び（至）上の半田クリームも
金属化領域（財）に接触する。この半田クリームは、可
塑性で変形可能であるが、少量を使用する場合は、重力
のみの影響では容易に流れ出さない粘性流体である。し
たがって、半田クリームは・抵抗器（至）と接合領域（
至）及び翰との間の位置に残留する。レーザ・ダイオー
ド（至）を付勢し、ファイバの端間がダイオードの発光
領域に光学的に結合したことをファイバの端部の光出力
が示すまで、マイクロマニピュレータ（図示せず）を用
いてファイバ取付板（８）を操作する。抵抗器（至）に
電流を流し、半田クリームを溶かすには充分であるが、
基板■及びファイバー間の半田接続を妨げるには不光分
な程度に、抵抗器−の温度を上昇させる。電流の流れが
中断して抵抗器−が冷えると、この半田は、基板＠擾及
びモジュール本体（２）の層Ｉ間に完全な冶金接合を形
成する。基板Ｑ８りと層α４の間に、約５ミルの空間が
残る。

ファイバ取付板（８）を所定位置に固定した後、カバー
　Ｃ１（ｌを所定位置に被せる。このカバーα〔は、金
属で作られ凹部（ハ）を有する。更に、このカバーには
管状突起（ロ）が付いている。ファイバの端部−を管状
突起（ロ）内に第１図の矢印−の方向に通し、ファイバ
取付板（８）の後端が凹部（ハ）内に納まりカバーの縁
が金属化接続路とかみ合うまで、ファイバに沿ってカバ
ーを進める。次に、融点が半田クリームよりも低い半田
を用いて、カバー４１１をモジュール本体（２）に半田
付けする。カバーの管状突起侶ηは、ファイバの端部領
域（ハ）の金属化部分に半田付けする（第５図ＱＳ１　
）。最後に、歪み防止チューブをファイバに被せて管状
突起＠ηの外側に固定する。第６図は、組立後の第１図
のレーザ・ダイオード・モジュールを裏側から見た斜視
図である。この図に概略的に示したペルチュ効果熱ポン
プ（１０２）は、エポキシ接着剤を用いて層（１３の裏
側に固定する。

熱ポンプ（１０２）は２つの地子（図示せず）を有して
おり、これらの端子を金属化接続路６１）及びＣ３３に
半田付けする。

長さが約２．３ｃｍで幅が約１ｃｌＩＬの図示した電気
光変換装置（レーザ・ダイオード・モジュール）は、ハ
イブリッド回路基板又はエツチングされた回路基板に取
付けることができる。この場合は、本装置を反転してカ
バーが下側に、ペルチュ効果熱ポンプ（１０２）が上側
になるようにし、本装置をそのリード（導電片）により
回路基板に固定する。これらのリードは、本装置を回路
基板へ取付け５るよ５な形に作る。これらのリードは、
例えば第１図に示す如く真っ直ぐでもよいしＬ字形でも
よい。

使用に際しては、端子領域（至）及び＠を介してモニタ
・ダイオード組立体（４）Ｋ接続されたリードを図示し
ない１つの回路に接続する。この回路は、モニタ・ダイ
オード組立体（４）からの信号によりレーザ・ダイオー
ドに供給する電流を制御するためのもので、従来設計の
ものでよい。端子領域（ロ）及び（至）を介して温度セ
ンサ（１００）　Ｋ接続されたリードを図示しない他の
回路に接続する。この回路は、レーザ・ダイオードをほ
ぼ一定の温度に保つようにペルチュ効果熱ポンプを制御
するもので、従来設計のものでよい。

上述の装置によれば、従来のマイクロマニピュレータを
用いて、レーザ・ダイオード（イ）の発光領域に対し３
直線（ｘ、ｙ及び２軸）のすべての方向において約０．
１μｍ以内にファイバ取付板（８）　（したかつて、こ
のファイバ取付板に固定されたファイバの端間）を位置
決めすることができる。凹部（至）及び（ハ）Ｋより形
成された室内の動作温度範囲及び−膜材料の熱膨張係数
は、ダイオード取付台１９Ｂの熱膨張により光学ファイ
バの基部端面の光学軸に対スる一レーザ・ダイオード翰
の発光領域の高さがダイオード鏝及びファイバ間の光学
結合に悪影響を及ぼさない程度にまで変化しない範囲内
とする。このため、ダイオード取付台−の材料は、基板
■と一致する熱膨張係数のものを選択する（例えば、基
板−を高百分率のＡｌ１２０３セラミツク体で作った場
合、ダイオード取付合一は９０％のタングステン及び１
０％の鋼の合金とする）。こうすれば、温度が変化して
も、レーザ・ダイオード及び光フアイバ間の焼判学的整
合関係が維持される。

上記の電気光変換装置は、正確な密封には不適のエポキ
シその他の有機接着剤を用いないで製造する。もっばら
冶金接合を用いることにより、レーザ・ダイオード及び
光ファイバの基部端面の回りに正確な密封状態が形成さ
れ、ファイバの非破壊的な移動が可能となる。エポキシ
接着剤は寸法安定性が比較的悪いので、レーザ・ダイオ
ード及び光ファイバのどちらもモジュール本体に固定す
るのく冶金接合を用いることは、特に有利である。

光学ファイバを基板６４に固定するのに、半田ガラスを
用いてもよい。半田ガラスは低融点ガラスなので、冶金
接合を使用することな（ファイバを固定でき、エポキシ
接着剤の如き有機接着剤の欠点が回避される。この場合
は、基板器に固定すべきファイバの漏部領域を金属化せ
ず、粉末半田ガラスを用いてファイバを金属化領域ｒＩ
３に固定する。

ファイバの端部領域をガラスに接触させ、抵抗器−を加
熱してこのガラスを溶融する。電流を遮断すると、半田
ガラスは凝固してファイバを基板に確実に固定する。勿
論、管状突起＠ηにファイバな半田付けする場合は、フ
ァイバを依然金緘化する必要かある。ダイオード翰に対
し光ファイバを一直線に配置する前にファイバを基板＠
３に取付けることにより、ファイバの操作及びモジュー
ル本体（２）へのファイバの固定は容易になる。このよ
うにファイバを位置決めする手段及びファイバを固定す
る手段を一体化することにより、直接ファイバを操作し
たり、ファイバを固定する前にこのファイバを放すこと
でファイバの位置決めが乱れる危険を犯したりする必要
がなくなる。

本発明は、上述した特定の実施例に限定されるものでは
なく、特許請求の範囲に記載した発明の要旨を逸脱する
ことなく種々の変形・変更が可能である。例えば、図示
した実施例では、凹部（至）及び−で形成した室内に有
機物質を使用せずに製造したが、正確な密封が重要でな
い場合には、室内にエポキシその他の有機接着剤を用い
てもよい。

更に、本発明は、シングル・モード・レーザ・ダイオー
ドのほかに、マルチモード・レーザ・ダイオード、フォ
ト・ダイオード及び光放射ダイオードの如き他の電気光
変換器にも適用できる。また、有機接着剤の寸法安定性
が比較的悪いため、ダイオード−及び光ファイバの位置
決めに冶金接合を使用したが、ダイオード翰及び光フア
イバ間の光結合度がそれ程重豐でなく、時間による変動
が許容できる場合には、冶金によらない接着方法を用い
てもよい。例えば、マルチモード・ファイバの場合の光
結合度及び許容誤差は、シングル・モード・ファイバの
場合はど重要ではない。

縦方向におけるファイバの位置決めが容易になるので、
このファイバの基部端面なレンズ化するのが好ましい。

こうして端面なレンズ化した場合、ダイオードの発光領
域がこの端面の焦点に来るまでこの端面なダイオードに
近付けるに従って、ファイバがダイオードに結合する度
合が増加し、その後この結合度は減少する。ところが、
切ったままのファイバでは、端面が実際にダイオードに
接触するまで結合度が増加する。レンズ化した端面の場
合、結合度の折返し点があることにより、ファイバ及び
（又は）ダイオードを破損する虞れのある７アイパの端
面とレーザ・ダイオードとの接触を確実に回避できる。

また、ファイバをレンズ化することにより、ファイバの
端面からレーザ・ダイオードの発光領域への反射が減少
する。しかし、ファイバをレンズ化することは、本発明
にとって不可欠ではない。

種々の半田付は及びろう付は結合には、半田プリフォー
ム又はクリームの使用等の既知の技術を用いる。次々に
使用する半田は次第に低い融点を有するので、各冶金接
合は可能でありながら、その接合に要する温度は前の接
合を妨げないように充分低くなっている。適当な段階的
融点をもつ植種の半田が市販されており、この装置の使
用温度によって使用する半田の種類を決める。

〔発明の効果〕

上述の如く、本発明によれば、光ファイバはファイバ取
付板に固定し、電気光変換器は基部部材の突起の台の上
に固定するので、ファイバ取付板を基部部材の所定平坦
面に固定することにより、容易に光ファイバと電気光変
換器との位置決めができ製造が簡単になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の好適な実施例の分解斜視図、第２（ａ
）〜第２（ｄ）図は第１図装置に用いる基部部材の各層
を示す平面図、第３図は第２図の基部部材の組立て平面
図、第４図は第３図の側面図、第５図は第１図装置の長
手方向における組立断面図、第６図は第１図装置の裏側
より見た組立斜視図である。 図において、（２）は基部部材、（８）はファイバ取付
板、鏝は光ファイバ、鏝は電気光変換器、−は直立した
台である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ほぼ平坦な面及び該平坦面から直立した台を有する基部
   部材と、 上記台の上に取付けられた電気光変換器と、上記平坦面
   に主面が対向して上記基部部材に固定されたファイバ取
   付け板と、 該ファイバ取付け板の他の主面に固定され端面が上記電
   気光変換器と光学的に結合した光ファイバとを具えた電
   気光変換装置。