(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体発光素子及び半導体受光素子のうち少なくとも一方からなる半導体素子と、この半導体素子を搭載する基板部材と、前記半導体素子と光学的に結合されレーザ光を内部伝送する光ファイバと、前記基板部材に搭載され、前記半導体素子と前記光ファイバとを光学的に結合させるレンズとを有する光結合装置において、
前記基板部材は、前記レンズを位置決めし保持固定するための略矩形溝を有し、
前記レンズは、前記矩形溝により両側から支持され、前記支持部が前記レンズに対して略対角線上に位置することを特徴とする光結合装置。
【請求項２】
半導体発光素子及び半導体受光素子のうち少なくとも一方からなる半導体素子と、この半導体素子を搭載する基板部材と、前記半導体素子と光学的に結合されレーザ光を内部伝送する光ファイバと、前記基板部材に搭載され、前記半導体素子と前記光ファイバとを光学的に結合させるレンズとを有する光結合装置において、
前記基板部材は、前記レンズを位置決めし保持固定するための略矩形溝を有し、
前記レンズは、両側から前記矩形溝の側壁側で支持され、前記レンズの下端と前記溝底面との間に間隔を介して位置するように配置されていることを特徴とする光結合装置。
【請求項３】
請求項２記載の光結合装置において、前記半導体素子はシート膜を介して前記基板部材に搭載されていることを特徴とする光結合装置。
【請求項４】
請求項２記載の光結合装置において、前記矩形溝は、異方性エッチングで形成されており、溝の深さ方向に少なくとも１段の段差を備えていることを特徴とする光結合装置。
【請求項５】
請求項２記載の光結合装置において、前記レンズは、前記矩形溝と接する位置が、レンズの中心に対して成す角度が１４０度から１８０度の範囲内であることを特徴とする光結合装置。
【請求項６】
半導体発光素子及び半導体受光素子のうち少なくとも一方からなる半導体素子と、この半導体素子を搭載する基板部材と、前記半導体素子と光学的に結合されレーザ光を内部伝送する光ファイバと、前記基板部材に搭載され、前記半導体素子と前記光ファイバとを光学的に結合させるレンズとを有する光結合装置において、
前記半導体素子はシート膜を介して前記基板部材に取り付けられ、前記基板部材に前記レンズを位置決めし保持固定するための略矩形溝を設け、前記レンズは、前記矩形溝に固定され、前記溝の固定部が前記レンズに対して略対角線上に位置し、前記レンズと前記溝の底面とは間隔を介して配置されることを特徴とする光結合装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば光通信の光源に用いられ、レンズを介して半導体素子と光ファイバとを光学的に結合させる光結合装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光結合装置として、特開平５−３７０２４号公報に記載の構造のものがある。
【０００３】
特開平５−３７０２４号公報に記載の光結合装置は、半導体発光素子と光ファイバとの光結合を球レンズを介して行うものである。すなわち、半導体発光素子を固定するための位置合せパターンを付けた台形溝、球レンズを固定するためのＶ溝が、２枚の半導体ウェハからなる光結合用基板にそれぞれ形成されている。そして、それら台形溝及びＶ溝の深さは、半導体発光素子のレーザ出射部と、球レンズの中心部、及び光ファイバのコアの中心部が一致するように、個々の光デバイスの大きさや形状に応じて設定されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術には、以下の課題が存在する。
【０００５】
すなわち、特開平５−３７０２４号公報に記載の光結合装置は、光結合用基板の台形溝やＶ溝の深さを個々に設定し、半導体発光素子のレーザ出射部と、球レンズの中心部、及び光ファイバのコア中心部を無調整で一致させるようにしているため、極めて高い精度で組立てて光結合させる必要がある。そのため、歩留りや組立てコストの低減が困難となる。また、半導体発光素子やレンズ及び光ファイバが、台形溝やＶ溝に対して接する位置は、それぞれの部材の高さや径によって異なる。
【０００６】
このため、温度変化が生じるとそれぞれの部材の熱膨張率によって中心軸の位置がわずかに変化する場合がある。すなわち、半導体発光素子、レンズ及び光ファイバ間で高さ方向に位置ずれが起き、それに伴いファイバ光出力が変動して安定な光伝送を得ることができなくなる。特に、レンズを使った光結合系の場合、例えば、半導体発光素子とレンズ間で高さ方向に位置ずれが起きると、レンズで集光されたレーザ焦点位置がレンズ縦倍率の関係で増大されて位置変化するので、光ファイバのコア中心部から集光点が外れてしまい、ファイバ光出力が大幅に変動することとなる。このように、レンズを使った光結合系では、わずかな位置変化でもレンズ倍率によって集光点が大きく位置変化するので、安定な光結合状態を維持できる構造が望まれていた。
【０００７】
本発明の目的は、容易な作業で半導体素子と光ファイバとを光結合させ、温度変化による光出力変動を防止することができる光結合装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の参考例では、半導体発光素子及び半導体受光素子のうち少なくとも一方からなる半導体素子と、この半導体素子を搭載する基板部材と、前記半導体素子と光学的に結合されレーザ光を内部伝送する光ファイバと、前記基板部材に搭載され、前記半導体素子と前記光ファイバとを光学的に結合させるレンズとを有し、前記半導体素子がシート膜を介して前記基板部材に取付けられる構成としている。尚、前記シート膜は金属膜による導電性膜あるいは樹脂系材料膜による絶縁性膜である。さらに、半導体素子は、基板部材の表面に施されたメタライズ膜を介して光結合装置の外部端子に接続されている。
【０００９】
このように、半導体素子が搭載される部分に、導線性シート膜あるいは絶縁性シート膜を施すことで、温度変化が生じた際にこのシート膜の熱膨張による膨張・収縮によって、基板部材に搭載した半導体素子の高さ位置を変化させる。すなわち、同じように温度変化で高さ位置が変化したレンズの中心位置に対して、半導体素子のレーザ出射位置を一致させるように、半導体素子の高さ位置を補正し、半導体素子とレンズ間の相対的な高さ変化をなくする。これにより、レンズを通ったレーザ集光点の位置ずれ量を最小限に抑えることができ、半導体素子と光ファイバの安定な光結合状態を維持することができる。また、シート膜は、基板部材の表面に形成するメタライズ配線のプロセスの追加によって容易に形成することができ、特殊な設備や困難なプロセス作業を必要とすることはない。さらに、シート膜の厚さ及び材質を任意に変えることで、半導体素子の高さ変化量を適宜設定することができるので、レンズの種類や材質あるいは固定位置など、様々な状況に応じて簡単かつ容易に設定することができる。
【００１０】
また、上記目的を達成するために、本発明は、前記参考例において、基板部材のレンズ設置位置に、レンズを位置決めし保持固定するための略矩形溝を設け、レンズを矩形溝に対して略対角線上に接して直接固定する構成としている。
【００１１】
このように、レンズを矩形溝に略対角線上に固定することで、従来のようなＶ溝に固定する場合と異なり、基板部材の表面付近でレンズを固定することができる。これにより、温度変化が生じてもレンズ及び接着剤の熱膨張によってレンズ中心位置が大幅に位置変化することはなく、基板部材表面に実装した半導体素子のレーザ出射部との相対的な高さ変化を低減でき、レンズを通ったレーザ集光点の位置ずれ量を最小にできる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。なお、各図においては、煩雑を避けるために一部のメタライズ配線やワイヤボンディング及び接合部分等の図示を適宜省略している。
【００１３】
本発明の参考例を図１から図３を用いて説明する。
【００１４】
図３に、本参考例による光結合装置の全体構造の水平断面図を示す。
【００１５】
図３において、光結合装置は、半導体発光素子としてのレ−ザダイオ−ド１と、半導体受光素子としてのフォトダイオード１０とを備えている。これらレーザダイオード１及びフォトダイオード１０は、基板部材であるシリコン基板３上に搭載されている。また、レーザダイオード１とフォトダイオード１０とに、光学的に結合されレーザ光を内部伝送する光ファイバ１４と、シリコン基板３に搭載されレーザダイオード１とフォトダイオード１０と光ファイバ１４とを光学的に結合させるレンズ４とが設けられている。また、レ−ザダイオ−ド１及びフォトダイオ−ド１０と装置外部と電気的に接続するためのメタライズ配線（図示せず）及びリード端子（図示せず）と、シリコン基板３を収納するケース１１とがある。このケース１１の内部を外部と遮断し気密封止するためのキャップ１２及び気密ガラス窓１３と、光ファイバ１４と光ファイバ被覆１７を内設するジルコニアスリーブ１６及び金属スリーブ１８から構成されるフェルール１９と、ケース１１一端の側壁に取り付けられ、かつフェルール１９を保持固定するホルダ１５とを有している。本装置は、レ−ザダイオ−ド１及びフォトダイオ−ド１０と光ファイバ１４との光結合をレンズ４の単体で行うものである。
【００１６】
ケース１１は、箱型形状を備えた例えばセラミックス材で構成されており、リ−ド端子（図示せず）を両側に例えば４本づつ計８本備えている。このケース１１の上面には、ケース１１内部を外部と遮断するためのキャップ１２が、またケース１１一端の側壁にもケース１１内部を外部と遮断するための気密ガラス窓１３が取り付けられている。またこの箱型ケース１１の寸法は、例えば、高さ（図３中紙面に上下方向）が４．６ｍｍ、横幅（図３中紙面に垂直方向）が７．４ｍｍ、長さ（図３中紙面に横方向）が１０．０ｍｍとなっている。
【００１７】
ホルダ１５は、金属部材であり、ケース１１にフェルール１９を接続させる中継部材の役割を果たしている。
【００１８】
フェルール１９は、光ファイバ１４を内設して固定しているジルコニアスリーブ１６と、光ファイバ被覆１７を固定している金属スリーブ１８とから構成されている。このフェルール１９の取り付けは、レンズ４から通ってきたレーザ光を光ファイバ１４に入射させ、そのときの光ファイバ１４からの出力光が最大となるように、ホルダ１５とフェルール１９を３軸方向に位置調整した後、金属スリーブ１８とホルダ１５をレーザ溶接（図示せず）で固定し、さらにホルダ１５をケース１１側壁に同じようにレーザ溶接（図示せず）で固定している。
【００１９】
図１に、本参考例の光結合装置の特徴の１つであるレーザダイオード１とレンズ４の搭載構造を表す水平断面図を示す。また図２に、温度変化によるレンズ４の位置ずれを表した水平断面図を示す。
【００２０】
図１において、レーザダイオード１は、シリコン基板３の表面６に形成したメタライズ配線（図示せず）及び金属膜による導電性のシート膜２、あるいは樹脂系材料膜による絶縁性のシート膜２が施された部分に搭載されている。レーザダイオード１の搭載位置は、メタライズ配線（図示せず）及びシート膜２が施された部分に記したマーカ（図示せず）を目印に、所定位置に位置決めして搭載される。また、レーザダイオード１は、ワイヤーボンディング（図示せず）を介して、シリコン基板３の表面６のメタライズ配線（図示せず）にそれぞれ電気的に接続されている。導電性あるいは絶縁性のシート膜２は、メタライズ配線（図示せず）を形成する蒸着及びスパッタプロセスの一連の作業の中で形成されている。このシート膜２は、例えば本参考例では樹脂系材料によるシート膜２の場合は厚さを略５０μｍ、あるいは金属膜（アルミニウム又は銅等の膜）によるシート膜２の場合は厚さを略１００μｍとしている。
【００２１】
なお、本参考例で使用したレンズの熱膨張係数αは５〜１０×１０-6／℃で、屈折率１．５〜１．９のものを用いている。また接着剤として、紫外線硬化性又は熱硬化性のエポキシ樹脂系のもので、熱膨張率が３０〜１００×１０-6／℃のものを用いている。更にシート膜として、金属膜としては、熱膨張係数αが１７×１０-6／℃の銅、または熱膨張係数αが２３×１０-6／℃のアルミニウムを、樹脂系材料膜とした場合はポリイミド、ポリエ−テルイミド、ポリアミドイミド等の材料を用い、熱膨張係数αが２０〜２００×１０-6／℃のものを用いた。
【００２２】
シリコン基板３には、レンズ搭載面７となる溝あるいは段差が異方性エッチングによって形成され、この搭載面７にレンズ４が接着剤５で固定されている。このシリコン基板３は、例えば、レーザダイオード１の搭載部の厚さ（図３中上下方向）が１．０ｍｍ、レンズ搭載面７部分の厚さが０．３ｍｍであり、基板表面６に搭載されたレーザダイオード１のレーザ出射部とレンズ４の中心が一致するように、外径１．４ｍｍのレンズ４が搭載されている。
【００２３】
レンズ４は、ガラス材料で製作されておりモールド成形などで加工が施されている。図中では球状レンズ４を示した説明図となっているが、これに限らず、円筒状のロッドレンズ、あるいは非球面形状のレンズを用いた場合でも、同様の構成でレンズ搭載面７にレンズ４を設置する構成とできる。
【００２４】
なお、レンズ外径が上記の半分の０．７ｍｍ程度に小さくするとシート膜２の厚さも、半分の程度にすることができる。すなわち、樹脂系材料の場合は２５μｍ程度であり、金属材料の場合５０μｍ程度とすればよい。
【００２５】
以上のように構成した本参考例の作用効果を以下に説明する。
【００２６】
導電性あるいは絶縁性シート膜２を施すことによる作用効果としては、レーザダイオード１が搭載される部分に、導線性あるいは絶縁性シート膜２を施すことで、温度変化が生じた際にこのシート膜２の熱膨張による膨張・収縮によって、基板部材に搭載したレーザダイオード１の高さ位置を変化させる。すなわち、図２に示すように、温度変化が生じた場合に、レンズ４及び接着剤５の熱膨張によってレンズ４の中心位置２０が変化する場合がある。
【００２７】
本発明の参考例は、このレンズ４の高さ変化に対して、レーザダイオード１のレーザ出射位置を一致させるように、シート膜２の膨張・収縮を利用してレーザダイオード１の高さ位置を補正して、レーザダイオード１とレンズ４間の相対的な高さ変化をなくすものである。すなわち、レンズ４と接着剤５の熱膨張量と、シート膜２の熱膨張量が略同じとなる材料及び厚みのシート膜を選定して使用することにより、高さ補正を容易にしたものである。これにより、レンズ４を通ったレーザ集光点と光ファイバ１４の位置ずれ量を許容範囲内に抑えることができ、レーザダイオード１と光ファイバ１４の安定な光結合状態を維持することができる。
【００２８】
レーザ集光点と光ファイバ１４の位置ずれ量の許容範囲としては、例えばファイバ出力光の変動を１０％以内に確保するのには±１μｍ程度の位置ずれ範囲内であり、上述で示したように、レーザダイオード１とレンズ４間の相対的な高さ変化をなくすることで実現できる。また、シート膜２は、シリコン基板３の表面６に形成するメタライズ配線（図示せず）のプロセスの追加によって容易に形成することができ、特殊な設備や困難なプロセス作業を必要とすることはない。さらに、シート膜２の厚さ及び材質を任意に変えることで、レーザダイオード１の高さ変化量を適宜設定することができるので、レンズ４の種類や材質あるいは固定位置など、様々な状況に応じて簡単かつ容易に設定することができる。
【００２９】
これらの結果、温度変化が生じてもレーザダイオード１とレンズ４間の相対的な高さ変化をなくすることができ、レーザダイオード１と光ファイバ１４の安定な光結合状態を維持することができる。従って、従来構造のように、高さや径が異なった部材で光結合を行う場合でも、シート膜２をシリコン基板３に所定の厚さで形成することで足り、容易な作業でレーザダイオード１と光ファイバ１４とを光結合させ、温度変化による光出力変動を防止することができる。
【００３０】
本発明の実施例を図４と図５により説明する。図４には、本実施例の光結合装置の特徴の１つであるレンズ搭載構造を表す水平断面図を示す。図５には、種々のレンズ搭載構造によるレンズ高さ変化の比較を表す図を示す。
【００３１】
図４において、図示していないが、レーザダイオード１は、レーザ出射部とレンズ４の中心位置が一致するように、シリコン基板３の所定位置に搭載されている。シリコン基板３には、レンズ４が保持固定される一段の段差９を有する矩形溝８が異方性エッチングで形成されている。このシリコン基板３は、例えば厚さ（図中紙面の上下方向）が１．０ｍｍとなっている。また、矩形溝８は、例えばレンズ外径が１．５ｍｍの場合、深さ（図中紙面の上下方向）が０．８ｍｍ、幅（図中紙面の横方向）が１．５１ｍｍとなっており、溝幅がレンズ４外径より若干大きめに形成されている。矩形溝８中の段差部９は、例えば深さが０．２７ｍｍ、幅が０．０５ｍｍとなっており、レンズ４は、矩形溝８の段差部９に接して保持され、段差部９に接着剤５が充填されて固定されている。
【００３２】
これにより、レンズ４は矩形溝８及び段差部９に対してレンズ４の対角線上に近い格好で接して固定される。矩形溝８及び段差部９の形成は、異方性エッチングで行っており、まず段差部９の深さまでエッチング形成した後、マスキングを施しさらに矩形溝８の深さまでエッチングする方法で形成されている。これにより、シリコン基板３の表面６に搭載したレーザダイオード１のレーザ出射部位置と矩形溝８に設置したレンズ４中心位置とをほぼ一致させている。
【００３３】
図５は、種々のレンズ搭載構造別にレンズ高さの変化量を比較した図であり、筆者らが実測で確認した結果である。レンズ４の搭載構造を、平坦部にレンズ４を接着剤５で固定した場合（図１と同様）、Ｖ溝にレンズを接着固定した場合（従来技術と同様）、矩形溝８にレンズ４を接着剤５で固定した場合（図４に示した構造）、の３つの搭載構造について、それぞれ室温から８５度まで加熱したときのレンズ４中心の位置ずれを測定した結果である。８５度までの加熱は、光結合装置の使用環境温度の仕様から決めた条件である。図５によれば、平坦部にレンズ４を固定したときのレンズ４中心の位置ずれ量を１．０とした相対値で表しており、Ｖ溝に固定した場合は０．７、矩形溝の場合は０．２と、矩形溝８にレンズ４を固定することでレンズ４中心の位置ずれを少なくできることが確認できている。
【００３４】
以上のように構成した本実施例の作用効果を以下に説明する。
【００３５】
レンズ４を矩形溝８及び段差部９に略対角線上に固定することで、従来のようなＶ溝に固定する場合と異なり、シリコン基板３の表面６付近でレンズ４中心を固定することができる。これにより、温度変化が生じてもレンズ４及び接着剤５の熱膨張によってレンズ４中心位置が大幅に位置変化することはなく、シリコン基板３表面６に実装したレーザダイオード１のレーザ出射部との相対的な高さ変化を低減でき、レンズ４を通ったレーザ集光点の位置ずれ量を最小にできる。また、矩形溝８及び段差部９を異方性エッチングで形成することで、溝幅や段差を精度良く形成することができ、矩形溝８及び段差部９にレンズ４を設置することで、レーザダイオード１のレーザ出射位置とレンズ４の中心位置を無調整で一致させることができ、またレンズ４固定後の温度変化による高さずれもなくすることができる。
【００３６】
さらに、矩形溝８及び段差部９と接するレンズ４の位置を、レンズ４中心に対して成す角度を、従来のような異方性エッチングで形成したＶ溝に搭載される角度よりも大きくすることで、レンズ４及び接着剤５の熱膨張で変化するレンズ４中心の位置ずれを最小限に抑えることができる。つまり、レンズ４中心に対して成す角度を、１４０度から１８０度の範囲とすることで、レンズ４を通ったレーザ集光点位置と光ファイバ１４のコア中心位置の相対的な位置ずれを許容範囲内に収めることができる。これらの結果、レーザダイオード１と光ファイバ１４の安定な光結合状態の維持、及び温度変化による光出力変動を防止することができる。
【００３７】
なお、本発明の参考例では、半導体素子としてレーザダイオード１とフォトダイオード１０との両方を備えている光結合装置を例にとって説明してきたが、これに限られず、いずれか一方のみを備えている光結合装置にも適用でき、同様の効果を得る。
【００３８】
また、本発明の実施例では、矩形溝８と段差部９の異方性エッチングによる形成手順について示したが、これに限られるものではなく、手順を入れ替えてもあるいは他の方法で形成しても障害はなく、これらの場合も同様の効果を得る。
さらに、本発明の実施例では、段差部９の形状について記しているが、これに限られるものではなく、本発明の実施例でも記しているように、レンズ４と接する角度が１４０度から１８０度の範囲内になるような段差部９の形状寸法に設定すればよく、これらの場合も同様の効果を得る。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、容易な作業で半導体素子と光ファイバとを光結合させ、温度変化による光出力変動を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の参考例の光結合装置の要部である半導体素子及びレンズ搭載構造を表す水平断面図である。
【図２】温度変化によるレンズの高さ変化を表す水平断面図である。
【図３】図１に示した光結合装置の全体構造の水平断面図である。
【図４】  本発明の実施例による光結合装置の要部であるレンズ搭載構造を表す水平断面図である。
【図５】レンズ搭載構造別でのレンズ高さ変化の比較を表した図である。
【符号の説明】
１…レーザダイオード、２…シート膜、３…シリコン基板、４…レンズ、５…接着剤、６…基板表面、７…レンズ搭載面、８…矩形溝、９…段差部、１０…フォトダイオード、１１…ケース、１２…キャップ、１３…気密ガラス窓、１４…光ファイバ、１５…ホルダ、１６…ジルコニアスリーブ、１７…光ファイバ被覆、１８…金属スリーブ、１９…フェルール、２０…レンズ中心。
【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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