(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザ素子と、該半導体レーザ素子と光結合するように設けた光ファイバと、前記半導体レーザ素子及び前記光ファイバを実装する基板と、前記基板を収納するケースとを有する半導体レーザ結合装置において、
前記ケースは、上方に開口部を持つ略角型形状であり、前記ケース底面に放熱部材を、前記ケース開口部近傍に補強部材を配置した構成であるとともに、前記放熱部材が金属あるいはセラミックで形成され、前記補強部材が金属で形成され、前記ケースを構成する主材として、樹脂、セラミックス、樹脂と金属粉あるいはセラミックスとの混合物であり、前記放熱部材及び補強部材とを所定位置に配置後主材を注入充填してケースを構成したことを特徴とする半導体レーザ結合装置。
【請求項２】
請求項１において、前記放熱部材及び補強部材を金属リードフレームの単一の材質で、３次元形状の連続体となるように加工成形したものに、前記主材を注入充填してケースを構成したことを特徴とする半導体レーザ結合装置。
【請求項３】
半導体受光素子と、該半導体受光素子と光結合するように設けた光ファイバと、前記半導体受光素子及び前記光ファイバを実装する基板と、前記基板を収納するケースとを有する半導体受光装置において、
前記ケースは、上方に開口部を持つ略角型形状であり、前記ケース底面に放熱部材を、前記ケース開口部近傍に補強部材を配置した構成であるとともに、前記放熱部材が金属あるいはセラミックで形成され、前記補強部材が金属で形成され、前記ケースを構成する主材として、樹脂、セラミックス、樹脂と金属粉あるいはセラミックスとの混合物であり、前記放熱部材及び補強部材とを所定位置に配置後主材を注入充填してケースを構成したことを特徴とする半導体受光装置。
【請求項４】
請求項３において、前記放熱部材及び補強部材を金属リードフレームの単一の材質で、３次元形状の連続体となるように加工成形したものに、前記主材を注入充填してケースを構成したことを特徴とする半導体受光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバを介して光の入出力を行う半導体レーザ結合装置に係り、特に受発光素子、光ファイバを基板に位置合わせ及び接合しケース内に収納して、外部に光出力するに好適な半導体レーザ結合装置及びその外部基板実装方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体素子を収納するケースは、たとえば公開平９―１５２５２７号公報に記載のものがある。すなわち、光素子と、光ファイバが搭載された基板と、光ファイバを押さえるためのキャップと、光ファイバが挿入されたマイクロキャピラリと、マイクロキャピラリに挿入・固定されるコネクタ付き光ファイバを備え、マイクロキャピラリと同等の長さを有する光ファイバをマイクロキャピラリの先端から突出させた状態で挿入し、突出した光ファイバを基板のＶ溝上に配置させ、キャップで固定することにより光素子と光結合させて成るもので、さらには光素子と光ファイバは、樹脂モールドによりパッケージングされるものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術の光モジュールでは、光モジュールの光結合を安定して行う構成部分、すなわち、光モジュールの構成材である基板、ファイバ、マイクロキャピラリ、樹脂がそれぞれ異種類の材料であり、これらを積層して構成している。このため、光モジュールが温度変化を受けると、熱的ストレスが発生する。すなわち材料によって膨張・収縮量に違いがあり、その結果光モジュールに曲げ変形を生じる。この曲げ変形により、光素子とファイバとの光結合に光軸ずれを起こすことについて何ら考慮していない。
【０００４】
また、光素子に電流通電して光発振させると同時に熱が発生するが、ケースの構造、材質によっては、特に、樹脂ケースを使った場合、樹脂自身の熱伝導性が悪く、熱が放散されるまでに時間がかかり、その結果、半導体レーザの温度上昇し、光出力低下、経時時間と共に光出力変動すること、発振波長の変動を起こすなどの問題がある。
【０００５】
本発明の目的は、上記問題点を解決し、高精度で、高寿命の半導体レーザ結合装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、半導体レーザ素子と光ファイバとを光学的に結合し、半導体レーザ素子の光をモニタする受光素子を設け、これら素子を樹脂を主成分とするケースからなる容器に収納し、前記ケースの底部及び開口部に樹脂より強度が高く拘束力を持つ補強部材を挿入し、前記ケース内に上記素子を収納することにより達成される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図１〜３により説明する。図１(1)はケースに収納した半導体レーザ結合装置を説明する縦断面図、図１(2)は平面図、図２は、図１で使用するケースの内部を透視した斜視図である。
【０００８】
図１(1)に示すように、外部電極からの電気信号により、半導体レーザ素子１０を発光させ、その光を光ファイバ１２内に入射し半導体レーザ結合装置の外に出力する、いわゆる半導体発光装置を示している。この発光装置とは逆に光ファイバ１２からの光を半導体受光素子で受けるように、半導体レーザ素子１０の位置に半導体受光素子１１を搭載した半導体受光装置も同様の構成である。これらを総称して半導体レーザ結合装置として以下説明する。
【０００９】
半導体レーザ素子１０と半導体受光素子１１はSi単結晶(結晶面(100))からなる基板に、Au-Snなどのはんだを使って接合している。半導体レーザ素子１０は、素子の左右端面から発光する端面発光素子である（図１(1)のｚ方向）。通常の半導体レーザ素子１０の発光は、30〜40°の放射角をもって発振するが、光ファイバ１２との光結合効率を高くするためには、光ファイバ１２の光入射角に近いことが望ましい。具体的には、半導体レーザ素子１０の放射角が10〜15°となるように、半導体レーザ素子１０内の発光部にモード拡大構造を作り込んでいる。
【００１０】
使用する光ファイバ１２は、単一モードファイバ（外径１２５μm）であり、光ファイバ１２内で光を伝送するコア（外径７μm）に効率よく光入射するためには、半導体レーザ素子の発光端とファイバ端との相対位置が合っていることが重要である（図１(1)のX、Y方向）。半導体レーザ素子１０の発光端と光ファイバ１２の端部との相対ずれが1dB生じる時の位置ずれ量は、光軸と直角方向（X、Y方向）で約２μmである。そのため、信頼性の高い半導体レーザ結合装置とするためには、光ファイバ１２及び半導体レーザ素子１０の夫々を一定の位置に正確に固定することが必要である。そこで、半導体レーザ素子１０を精度良く固定するため、Si基板の中央部付近に金属メタライズ膜とマーカを形成し、Si基板１３上のマーカと半導体レーザ素子１０に設けたマーカとが一致するようにパッシブアライメント法で位置合わせした後、両者をはんだ付けした。半導体受光素子１１の場合についても同様の接合固定を行っている。
【００１１】
一方、光ファイバ１２は、安定して固定できるように Si基板１３上で上記方法で接合した半導体レーザ素子１０の発光点位置から発光方向に向かって（図中Ｚ方向）、形成されたＶ溝上に固定した。Ｖ溝はSi基板１３の上面に対し70.6°の角度を持ち、異方性エッチングを用いて±０．５μｍ以上の高い制度で形成できる。Ｖ溝に沿って光ファイバ１２を固定することにより、光ファイバのSi基板１３上でのずれを防ぎ、位置決めができる。
【００１２】
光ファイバのSi基板１３上への固定には、基板上のＶ溝だけでなく、押え板１４あるいはその形状を適正にすることで安定に固定できる。押え板１４の光ファイバと接する部分にもＶ溝があることが好ましく、Ｖ形状の他にＵあるいは角型形状でも良い。押さえ板１４とSi基板１３との接合ギャップは５〜８μm程度の間隔が適している。ギャップはこれに限定されるものではなく、５μm以下でもよい。押さえ板１４の材質としては、Si基板１３と同じSi単結晶が適している。
【００１３】
組立順序は、予めSi基板１３上の所定位置に金属メタライズ膜とマーカを形成し、その後にＶ溝を異方性エッチングを使って作成しておく。このSi基板１３上に、半導体レーザ素子１０と半導体受光素子１１を接合後、光ファイバをSi基板の溝に沿うように置き、光軸に平行方向で半導体レーザ素子１０との距離が最適となるように調整後、光ファイバ１２の上方から抑え板１４を重ね、接着剤を使って接合する。この後に、光ファイバ１２付きSi基板１３をケース１５内に収納し、ケース底面１６の中央部に接合する。ケース１５の側壁にはファイバ１２を通す貫通穴及び保護固定するＵ字形状のファイバガイド２０が設けてあり、この穴から光ファイバを外部に取り出し固定する。
【００１４】
使用するファイバ１２は、外力から保護するナイロン製の被覆２１が基本的にコートされており、Si基板１３への実装時、位置精度と確実な固定を得るため被覆２１を除去して使用する。ケース底面１６には熱伝導性の良い板が組み込まれている。
【００１５】
ケース１５に組み込み後、外部電極端子１７とSi基板１３上の電極１８とを電気接続する。外部電極端子１７のケース底面１６からの高さは、図１(1)に示すように、Si基板１３の上面とほぼ同等に位置するようにケース側壁に設ける。次に、半導体レーザ素子１０、半導体受光素子１１上にゴミ、湿気等の環境から保護する樹脂をポッティングして組立てが完了する。
【００１６】
次に、ケース１５の内部構造の一実施例を、図２の透視図、図３の部品図を使って説明する。
【００１７】
本実施例のケース１５の基本構造は、ケース底面に底面のほぼ８０％近くの大きさの板１６を放熱性を有する補強部材として挿入し、ケース上面近傍に補強部材として角型のフレーム１９を挿入し樹脂注入して構成している。この他に、外部との電気接続を行う外部電極端子１７が、ケース上面と底面の中間部分に設けてある。外部電極端子１７と角型のフレーム１９のケース１５における高さ位置の関係は、（図１(1)に示すように）少なくとも外部電極端子１７より上で、ケース上面に近い部分に角型のフレーム１９が配置されることが適している。
【００１８】
ケース１５の主な構成材は樹脂であり、板１６はその周囲が樹脂で固定され、角型のフレーム１９は樹脂内に埋め込まれている。樹脂としては、エポキシ、PBS（ポリブチルスチレン）、液晶ポリマなどの樹脂あるいはこれら樹脂にフィラー（ガラス、AlN,Al2O3,石英、炭素粉、銅粉、アルミ粉、銀粉）を混合したもの、あるいはガラス繊維をいれたものが適しており、樹脂以外にセラミックスと銅粉、アルミ粉、銀粉等の金属粉とを混合したものでも同様の効果が得られる。
【００１９】
図３は、(a)フレーム１９、(b)外部電極端子１７、(c)ケース底面の板１６のそれぞれの部品と、これを注入充填した後の(d)樹脂ケース１５外観を示している。
【００２０】
(a)、(b)、(c)の各部品は別々のものでも、一体で部分的につながりをもっていても良い。ケース底面に挿入する板１６としては、Sn入りCu(Cu-1.0Sn)、Fe入りCu(Cu-1.5Fe)、CuW(Cu-30W)などの金属フレームあるいはSiC、SiN、AlNなどのセラミックスが適している。フレーム１９は、板１６と同一材料で形成してもよい。また、板１６とフレーム１９は、一つの板材をエッチング加工あるいは塑性加工して３次元形状に形成して一体構造としても良い。フレーム１９は、厳密に四角形である必要はなく、連続した角型に近い多角形でも良い。また、フレーム表面に多少の凹凸があると、さらに樹脂との機械的密着が得られて良い。
【００２１】
なお、補助部材であるフレーム１９の断面形状の例を図４に示す。
【００２２】
図４に示すように、フレーム１９の断面は(1)正方形、(2)円形、(3)台形形状あるいは(4)ケース上部に突出した形でも良い。
【００２３】
今、ケースの構造として、(1)ケース底部のみに金属板(Cu-1.0Sn)を入れた場合と、(2)ケース底部に金属板(Cu-1.0Sn)を入れ、さらに上部に角型のフレーム(Cu-1.0Sn)を入れた場合について、それぞれSi基板を挿入固定し、ケース全体を２５℃から８５℃まで温度上昇させた時のSi基板上での変形を実験により求めた。使用した樹脂は、PBS系で、Si基板の寸法は幅２×長さ４mmであり、４mmの方向の変形を測定した。
【００２４】
図５にケース変形量を測定した結果を示す。測定は、Si基板の幅２mmの中心を測った結果である。ケース(1)ではSi中央と端部で５μmの差が生じたのに対し、ケース(2)では０．２μmあるいはそれ以下の差しか生じないことがわかる。すなわち、フレーム１９の無い基板は凸状に変形している。
【００２５】
ケース(1)、(2)で変形量に差が生じる原因は、金属板に比べて使用した樹脂の膨張係数が大きいため、温度上昇と共にケース底面は中心部が上に突き出すように、凸状に変形する。特に、ケース(1)では、ケース上部での膨張が大きくなり、大きな変形となって現れる。これに対し、ケース(2)ではケース上部に角型フレームが挿入されているため、本来の樹脂のみの膨張に比べ、フレームで樹脂膨張を拘束することになる。このため、ケース底部とケース上部の膨張量がほぼ同量となってケースをたわませることがないためである。
【００２６】
ケースにたわみがあると、ケース底面に接合固定されたSi基板の変形につながる。Si表面に接合されたファイバ１２と半導体レーザ素子１０は、Si基板１３の長手方向にそれぞれ配列されている。このため、Si基板１３が変形すると、ファイバ１２の端面及び半導体レーザ素子１０の端面の角度がそれぞれ変化して光結合に影響を及ぼし、温度変化と共に光結合が変動することになる。従って、ケース(2)の場合、すなわちケースの底面と上面近傍に金属フレームを挿入した樹脂ケースとすると、例え、温度変化が生じても光結合の変動を起こさない。すなわち、広い温度範囲で安定した光出力を得られる半導体レーザ結合装置とすることができる。
【００２７】
ケースの温度変化した時の変形を抑える方法として、ケース上面開口部にふたを接着したり、ふたの端部を内側に折り曲げ開口部全体を覆ってしまう方法、あるいはふたにバネ力を持たせてケース開口部にはめこむ方法がある。しかし、ふた接着では接着部のはがれや変形が容易に起こり長期の使用に耐えない問題があり、ケース開口部のはめこみでも長期使用でケース材の樹脂が降伏してバネ力低下してしまう問題がある。
【００２８】
本発明のように、フレーム１９を樹脂内に埋め込むことにより接着する必要はなく、また、樹脂の降伏を起こすこともなく、ケース変形を拘束するため光結合変動を起こさない効果がある。
【００２９】
図６は、組立てた半導体レーザ結合装置１００を外部回路基板２００に実装した状態の断面図を示したものである。
【００３０】
この外部回路基板２００には、半導体レーザ結合装置１００を制御するＩＣ２１０、回路を構成する抵抗体２２０等によりハイブリッド回路が構成されている。外部回路基板２００はアルミナセラミックのボードであり、ボード内には多層配線が行われ、さらに外部ボード基板（図示せず）へ実装し易いようにＰＧＡ端子２３０を設けている。半導体レーザ結合装置１００では、ＳＯＰ信号端子を外部出力端子として用いており、ケース底面に熱伝導性グリースを塗布した後ＳＯＰ端子をはんだ付けする。ケースの外部端子がＳＯＰ端子で、国際基準のピン配置としている。このため、外部回路への実装が容易であるという効果がある。
【００３１】
ＩＣ２１０の端子は、QFP(Quad Flat Package)であり、同様に平面実装する。外部回路基板２００は、ハイブリッド回路実装あるいは半導体レーザ結合装置１００等を表面実装した後、全体を覆うように金属カバー２４０を取り付け、外部回路基板２００と金属カバー２４０とをはんだ２５０で接合固定する。固定する部分は外部回路基板２００の全周を行う必要はなく、全周の１／２以上の接合で良い。
【００３２】
半導体レーザ結合装置１００は、前述のように、ケース底面１６には、Sn入りCu(Cu-1.0Sn)、Fe入りCu(Cu-1.5Fe)、CuW(Cu-30W)などの金属フレーム、あるいはSiC、SiN、AlNなどのセラミックスが組み込まれている。この面と外部回路基板２００とを熱伝導性グリースで埋めることにより、半導体レーザ素子１０の熱を速やかに放熱できる。
【００３３】
また、金属カバー２４０を接合したことにより、このカバーにも放熱することができる。金属カバーの材質としては、黄銅(Cu-30Zn)あるいは銅（Cu）、SPCCが適している。金属カバー２４０の表面に凹凸のフィンを形成すると、さらに放熱効果を高めることができる。また、金属カバー２４０はハイブリッド回路の電気シールド効果がある。従って、半導体レーザ素子の温度上昇を起こすことが無く、安定した発振波長、光出力を得ることができる。外部回路基板２００には、ＰＧＡ端子２３０を設けているため国際基準のピン間隔であり、どのような外部ボード基板にも実装できる効果がある。
【００３４】
本実施例によれば、ファイバ、半導体レーザ素子、半導体受光素子を実装したSi基板を収納するケースを開口部近傍にフレームを、底面に熱伝導性板を挿入する構成としている。この構成にすると、モジュール全体が温度変化を受けても、Si基板が変形することがない。従って、半導体レーザ素子、ファイバ間あるいは半導体受光素子、ファイバ間の光結合に変動が発生せず、安定した光入出力、発振波長を得られる。また、ケース底面に熱伝導性板を挿入すると共に外部回路基板に実装し、外部回路基板全体を覆うカバーを設けることにより、外部温度が変化しても安定した光入出力、発振波長を得ることができる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、環境変化に対してファイバと半導体レーザ素子あるいは半導体受光素子との光結合を変動無く、安定した出力を得られる効果がある。また、使用しているケースを安価で量産性の高いプラスチック構造とすることで半導体レーザ結合装置を低コストとする効果がある。
【００３６】
また、半導体レーザ素子あるいは半導体受光素子をケース収納後、樹脂ポッティング、金属カバー等を設けることにより、外部の外力あるいは大気中の湿気、ゴミの影響を受けることなく動作できる効果がある。さらには、半導体レーザ結合装置の外部回路に容易に実装できるように国際基準の出力端子を採用しており、外部ボードへの実装性が良い効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の半導体レーザ結合装置の縦断面図及び平面図。
【図２】本発明の一実施例のケースの内部を透視した斜視図。
【図３】本発明の一実施例のケースの部品図。
【図４】本発明の一実施例の他の実施例でケース一部の拡大図。
【図５】本発明の一実施例のSi基板表面の温度変化に伴う変形測定結果を示す図。
【図６】本発明の一実施例を外部回路基板に実装した状態を示す断面図。
【符号の説明】
１０…半導体レーザ素子、１１…半導体受光素子、１２…光ファイバ、１３…Si基板、１４…抑え板、１５…ケース、１６…ケース底面、１７…外部電極端子、１８…電極、１９…フレーム、２０…ファイバガイド、２１…ナイロン、１００…半導体レーザ結合装置、２００…外部回路基板、２１０…制御IC、２２０…抵抗体、２３０…PGA端子、２４０…金属カバー、２５０…はんだ接合。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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