(57)【要約】【課題】光半導体素子とファイバとの間の光軸および焦点を調整するレンズをキャリアに固定するときにレンズに影響を受けず、且つ安価である光半導体モジュールを提供する。【解決手段】光半導体モジュールは、チップキャリアに固定される光半導体素子、上記光半導体素子と光学的に結合されるファイバおよび上記光半導体素子と上記ファイバとを光学的に結合するレンズを有する光半導体モジュールにおいて、上記レンズの外径以下の直径の円が内接する形状が非円の内周に上記レンズが嵌合されるとともに、上記チップキャリアに固定される環形状のリングを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チップキャリアに固定される光半導体素子、上記光半導体素子と光学的に結合されるファイバおよび上記光半導体素子と上記ファイバとを光学的に結合するレンズを有する光半導体モジュールにおいて、
上記レンズの外径以下の直径の円が内接する形状が非円の内周に上記レンズが嵌合されるとともに、上記チップキャリアに固定される環形状のリングを有することを特徴とする光半導体モジュール。
【請求項２】
上記光半導体素子は複数の光導波路が設けられ、上記ファイバはアレイファイバであることを特徴とする請求項１に記載の光半導体モジュール。
【請求項３】
上記リングは環状の部材に機械的外力を径方向に加えて変形されたことを特徴とする請求項１または２に記載の光半導体モジュール。
【請求項４】
上記リングは変形された後に焼き入れされたことを特徴とする請求項３に記載の光半導体モジュール。
【請求項５】
上記レンズは円柱形状であり、
上記環状の部材は円環形状であることを特徴とする請求項３または４に記載の光半導体モジュール。
【請求項６】
上記環状の部材は径方向の肉厚が不均一であることを特徴とする請求項３または４に記載の光半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、少なくとも１つの光入出力ポートを有する光半導体と光信号の伝送路である光ファイバとが光学的に結合される光半導体モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の光半導体モジュールは、複数の半導体光素子と、これらの半導体光素子を固定する一つのキャリアと、このキャリアを固定する一つの電子冷却素子と、この電子冷却素子、キャリアおよび複数の半導体光素子を収容する一つのパッケージと、半導体素子との間で信号光を入出力する信号光入出力手段と、を備えている。そして、半導体光素子と信号光入出力手段との間の光軸および焦点を調整するレンズが光学素子ホルダを介してキャリアに固定されている。
【０００３】
この光学素子ホルダは、対向する複数の保持片が台座上に突設され、複数の保持片の内側でレンズを保持するとともに、複数の保持片の外側に設けられた被溶接部がキャリアに溶接されることによってキャリアに固定され、溶接によって発生する応力の保持片への伝達を阻止する応力伝達阻止機構が設けられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１９８２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、溶接によって発生する応力の保持片への伝達を阻止する応力伝達機構を設けるために光学素子ホルダが高価になるという問題がある。
また、このような高価な光学素子ホルダを用いても、保持片にレンズを溶接で固定するときに発生する熱歪によって数μｍ程度の焦点のずれが発生してしまうという問題がある。
【０００６】
この発明の目的は、光半導体素子とファイバとの間の光軸および焦点を調整するレンズをキャリアに固定するときにレンズに影響を受けず、且つ安価である光半導体モジュールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係わる光半導体モジュールは、チップキャリアに固定される光半導体素子、上記光半導体素子と光学的に結合されるファイバおよび上記光半導体素子と上記ファイバとを光学的に結合するレンズを有する光半導体モジュールにおいて、上記レンズの外径以下の直径の円が内接する形状が非円の内周に上記レンズが嵌合されるとともに、上記チップキャリアに固定される環形状のリングを有する。
【発明の効果】
【０００８】
この発明に係わる光半導体モジュールの効果は、レンズがリングに嵌合されて機械的応力により保持され、リングがチップキャリアに固定された後に静止摩擦力を超える力をレンズに加えることによりレンズと光半導体素子の距離を補正することができるので、リングをチップキャリアに固定するときに発生するレンズのひずみを補正することができることである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係わる光半導体モジュールの断面図である。
この発明の実施の形態１に係わる光半導体モジュールは、図示しない光源からの光を光半導体モジュールに導き入れる入射ファイバアレイ１、入射ファイバアレイ１から出射された光をほぼ並行な光に変換する入射側長焦点レンズ２、入射側長焦点レンズ２を透過した光を集光する入射側短焦点レンズ３、入射側短焦点レンズ３により集光された光と結合する光半導体素子としての波長変換素子４、波長変換素子４により全光処理され出射された光をほぼ並行な光に変換する出射側短焦点レンズ５、出射側短焦点レンズ５を透過した光を集光する出射側長焦点レンズ６、出射側長焦点レンズ６で集光された光を図示しない伝送路に送り出す出射ファイバアレイ７を有する。
【００１０】
また、実施の形態１に係わる光半導体モジュールは、波長変換素子４を保持するチップキャリア８、チップキャリア８の下部に配置された電子冷却素子９、入射側短焦点レンズ３を支持しチップキャリア８に固定される入射側リング１３、出射側短焦点レンズ５を支持しチップキャリア８に固定される出射側リング１４を有する。
【００１１】
また、実施の形態１に係わる光半導体モジュールは、波長変換素子４および電子冷却素子９を乾燥窒素雰囲気に気密封止するパッケージ１０、入射ファイバアレイ１をパッケージ１０に固定する入射側スリーブホルダ１１、出射ファイバアレイ７をパッケージ１０に固定する出射側スリーブホルダ１２を有する。
【００１２】
波長変換素子４は、インジウムガリウム砒素リンの４元素を結晶成長して作製した光半導体素子の１つである。なお、光半導体素子としては波長変換素子４に限るものではない。
電子冷却素子９は、波長変換素子４の特性が温度の影響を強く受けるので、波長変換素子４を冷却して、常に２５℃近傍で動作するように温度をコントロールする。
パッケージ１０は、電子冷却素子９による局部的な冷却が波長変換素子４周辺の結露の可能性があるので、波長変換素子４および電子冷却素子９を気密封止し、パッケージ１０の内部を露点がマイナス４０℃以下の乾燥窒素で封入している。
【００１３】
図２は、この発明の実施の形態１に係わる光半導体モジュールの入射側の光路の模式図である。なお、入射側と出射側とは波長変換素子４に対して対称であるので、以下の説明では入射側についてだけ説明する。
入射ファイバアレイ１は、端面に１２５μｍ間隔で１μｍ以下の精度で直線上に３本の光ファイバコア１５の端面が配列されている。
波長変換素子４は、入出力にそれぞれ２５μｍ間隔で並ぶ３つの光導波路１６の光導波路端を有している。
【００１４】
図３は、この発明の実施の形態１に係わる入射側短焦点レンズ３の周辺の構造を拡大した図である。
入射側短焦点レンズ３は、入射側リング１３により支持されている。そして、入射側リング１３は、チップキャリア８に４箇所の溶接点１７でＹＡＧ溶接により接合されている。
また、入射側リング１３は、鉄製の環状の部材であり、内周は入射側短焦点レンズ３の外周と３箇所で当接するように、内周上の３箇所が径方向に突き出ている。この入射側リング１３の内周の突き出た３点には円が内接し、その円の直径は入射側短焦点レンズ３の直径以下となっている。
【００１５】
入射側短焦点レンズ３は、入射側リング１３の内周に嵌合され、入射側リング１３の内周の突き出た３点で保持されている。このとき、入射側短焦点レンズ３と入射側リング１３との間に応力が働いており、外部から入射側短焦点レンズ３に加わる力に対しては静止摩擦力が働き、１５０００ｍ／ｓ２程度の加速度では動かない。
【００１６】
次に、この発明の実施の形態１に係わる光半導体モジュールの製造方法について説明する。まず、入射側リング１３および入射側短焦点レンズ３の製造方法について説明する。
入射側短焦点レンズ３の外径よりも少し大きな内径を有するパイプを所定の長さで輪切りしてリングを作製し、次に、治具を用いてリングの外周の３箇所からリングの径方向に外力を加えてリングを変形する。このとき、リングの内周の突き出た３箇所を含む円が、入射側短焦点レンズ３の外径より少し小さくなるように変形する。次に、変形したリングを焼き入れして入射側リング１３を作製する。
入射側短焦点レンズ３は、ステンレス製の円筒の中に溶融したガラス球を流し込み、それを両側から型で非球面形状に成型して作製する。
【００１７】
このように入射側短焦点レンズ３が円柱状、入射側リング１３が円環状の部材を用いているので、ともに回転対称体であり、加工コストを低く抑えることができる。
また、入射側リング１３と入射側短焦点レンズ３を簡単な治具や型を用いて少ない工程で作製することができるので、コストを大幅に低減することができる。
また、変形後に焼き入れすることにより入射側リング１３の剛性を高め、入射側短焦点レンズ３の位置を精度良く維持できる。
【００１８】
それから、入射側短焦点レンズ３を入射側リング１３の内周に嵌合する。
次に、入射側リング１３に支持された入射側短焦点レンズ３とチップキャリア８に固定された波長変換素子４を、それぞれ単独に保持し、最適な位置に光軸調整する。その後、入射側リング１３をチップキャリア８に４箇所の溶接点１７でＹＡＧ溶接して固定する。
このようにして、入射側短焦点レンズ３の光軸は入射側リング１３により位置決めされる。
【００１９】
図４は、入射側リング１３をチップキャリア８に溶接して固定した後で波長変換素子４と入射側短焦点レンズ３との間の距離を調整する様子を示す図である。
入射側短焦点レンズ３の光軸方向の位置は入射側短焦点レンズ３に入射側短焦点レンズ３と入射側リング１３の間に働く静止摩擦力を超える外力を加えることにより微調整することができるので、図４に示すように、入射側短焦点レンズ３に外力を加える。
このように、入射側リング１３をチップキャリア８に溶接して固定した後で、入射側短焦点レンズ３の位置をスライドして微調整することにより、入射側リング１３をチップキャリア８に溶接したときに発生する入射側短焦点レンズ３の光軸方向のずれを完全に補正することができる。
【００２０】
また、入射側短焦点レンズ３は、入射側リング１３内を光軸方向の両側に移動することができるので、入射側リング１３に支持されている入射側短焦点レンズ３を光半導体モジュールの組み立てに供給するとき方向に注意する必要がなく、組み立て装置への部品供給トレイが安価なものでよい。
【００２１】
次に、この発明の実施の形態１に係わる光半導体モジュールの動作について説明する。
入射ファイバアレイ１を伝播してきた異種の光は、入射ファイバアレイ１の端面から出射され、その３本の空間伝播ビーム１８は、焦点距離３．５ｍｍの入射側長焦点レンズ２で並行ビームに変換される。その並行ビームが入射側短焦点レンズ３で集光されて、２５μｍ間隔で並ぶ波長変換素子４の光導波路１６と光学的に結合する。
波長変換素子４では、入射した光信号を相互利得変調および相互位相変調により波長変換する。
波長変換された光は、出射側短焦点レンズ５、出射側長焦点レンズ６を透過して出射ファイバアレイ７に入射し、図示しない伝送路を伝播する光信号となる。
【００２２】
図５は、ファイバ１と波長変換素子４を光学的にアレイ接続するときの入射側短焦点レンズ３と波長変換素子４の間の距離に対するファイバ１での最適なファイバ間隔の関係を示すグラフである。
入射ファイバアレイ１と光導波路１６を光学的にアレイ接続するとき重要となるのが、アレイ接続における光学的な結合損失の低減である。レンズを介してアレイ接続を行う場合、図５に示すように、波長変換素子４と入射側短焦点レンズ３との距離が、ファイバ１の最適なファイバ間隔に影響を与える。これは、レンズによる結合倍率が光路のピッチを変化することによる。図５から分かるように、波長変換素子４と入射側短焦点レンズ３との距離が１μｍ変化すると、最適なファイバ間隔も１μｍ変化する。一方、ファイバ１はファイバ間隔が１２５μｍに固定されている。従って、光半導体モジュールを製造する過程において、入射側短焦点レンズ３が光軸方向に１μｍ変化することは、ファイバ間隔の最適値から１μｍずれることを意味し、０．５ｄＢの結合損失の増大をもたらす。
【００２３】
しかし、入射側短焦点レンズ３の位置を少なくとも±１μｍ以下の精度で補正することができるので、アレイファイバと複数の光導波路が設けられた光半導体素子とをアレイ接続しても、結合損失を許容限界内の０．５ｄＢ以下に抑えることができる。
【００２４】
実施の形態２．
図６は、この発明の実施の形態２に係わる入射側リング１３Ｂの正面図である。
この発明の実施の形態２に係わる光半導体モジュールは、実施の形態１に係わる光半導体モジュールと入射側リング１３Ｂが異なっており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明は省略する。
この発明の実施の形態２に係わる入射側リング１３Ｂは、実施の形態１に係わる入射側リング１３が入射側短焦点レンズ３を３箇所で支持しているのと異なり、図６に示すように、入射側短焦点レンズ３を６箇所で支持している。
【００２５】
このように入射側短焦点レンズ３を入射側リング１３の６箇所で支持しているので、入射側短焦点レンズ３の光軸の位置安定性が実施の形態１に比べて向上する。
なお、実施の形態１では３箇所、実施の形態２では６箇所で入射側短焦点レンズ３が入射側リング１３により支持されているが、４箇所、５箇所または７箇所以上で支持しても実施の形態１と同様な効果を得ることができる。
【００２６】
実施の形態３．
図７は、この発明の実施の形態３に係わる入射側リング１３Ｃの正面図である。
この発明の実施の形態３に係わる光半導体モジュールは、実施の形態１に係わる光半導体モジュールと入射側リング１３Ｃが異なっており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明は省略する。
この発明の実施の形態３に係わる入射側リング１３Ｃは、実施の形態１に係わる入射側リング１３では径方向の肉厚が均一であるのと異なり、図７に示すように、径方向の肉厚が不均一になっている。
そして、この入射側リング１３Ｃの径方向の肉厚が厚い部分を用いて、入射側リング１３Ｃをチップキャリア８に溶接すると、溶接点で十分な強度を持たせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】この発明の実施の形態１に係わる光半導体モジュールの断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係わる光半導体モジュールの入射側の光路の模式図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係わる入射側短焦点レンズの周辺の構造を拡大した図である。
【図４】入射側リングをチップキャリアに溶接して固定した後で波長変換素子と入射側短焦点レンズとの間の距離を調整する様子を示す図である。
【図５】ファイバと波長変換素子を光学的にアレイ接続するときの入射側短焦点レンズと波長変換素子の間の距離に対するファイバでの最適なファイバ間隔の関係を示すグラフである。
【図６】この発明の実施の形態２に係わる入射側リングの正面図である。
【図７】この発明の実施の形態３に係わる入射側リングの正面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  入射ファイバアレイ、２  入射側長焦点レンズ、３  入射側短焦点レンズ、４  波長変換素子、５  出射側短焦点レンズ、６  出射側長焦点レンズ、７  出射ファイバアレイ、８  チップキャリア、９  電子冷却素子、１０  パッケージ、１１  入射側スリーブホルダ、１２  出射側スリーブホルダ、１３、１３Ｂ、１３Ｃ  入射側リング、１４  出射側リング、１５  光ファイバコア、１６  光導波路、１７  溶接点、１８  空間伝播ビーム。
【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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【図７】
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