(57)【要約】【目的】  光結合精度が高く、かつ低コストで作成できる光半導体装置を提供する。【構成】  光源用半導体チップ３と、光源用半導体チップ３から出射した光を収束させる１以上の樹脂レンズからなるレンズ系６と、光源用半導体チップ３を搭載する導電性基体２と、導電性基体２に搭載された光源用半導体チップ３から所定の距離を保ってレンズ系６を支持するレンズ支持体４、５とを有し、レンズ系６の屈折率の温度変化により生ずる像点ズレを、導電性基体２及びレンズ支持体４、５の熱膨張により生ずる光源用半導体チップ３とレンズ系６との間の距離の変化により補償するようになっている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源用半導体チップと、
前記光源用半導体チップから出射した光を収束させる１以上の樹脂レンズからなるレンズ系と、
前記光源用半導体チップを搭載する導電性基体と、
前記導電性基体に搭載された光源用半導体チップから所定の距離を保って前記レンズ系を支持するレンズ支持体とを有し、
前記レンズ系の屈折率の温度変化により生ずる像点ズレを、前記導電性基体及びレンズ支持体の熱膨張により生ずる前記光源用半導体チップと前記レンズ系との間の距離の変化により補償するようになっていることを特徴とする光半導体装置。
【請求項２】
前記レンズ支持体は、前記導電性基体を固定するスリーブと前記レンズ系を固定するレンズホルダとから構成されていることを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
【請求項３】
前記スリーブ、前記レンズホルダ及び前記レンズ系のうち、前記スリーブとレンズホルダ、前記レンズホルダとレンズ系、又は前記スリーブとレンズホルダとレンズ系は一体的に形成されていることを特徴とする請求項２記載の光半導体装置。
【請求項４】
前記スリーブ、前記レンズホルダ及び前記レンズ系の材料は同じ種類の樹脂であることを特徴とする請求項３記載の光半導体装置。
【請求項５】
前記光源用半導体チップは、半導体レーザであることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一に記載の光半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光半導体装置に係り、より詳しくは、複数の光部品が実装され、該光部品同士で光学的な結合がとられてなる光半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、通信用光半導体装置では、光源としての半導体レーザとレンズ系を実装し、外部から光ファイバを接続する。そして、信号により変調されたレーザ光をコリメータレンズで平行光として、或いは収束系レンズで収束させて光ファイバに出射する。
【０００３】
一般に、前者は２枚のコリメータレンズを用い、光結合関係において高精度が要求される用途に用いられる。製造コストは高くなる傾向がある。この例として、例えば、特許文献１、２に記載されているような構造のものが知られている。後者は、１枚の収束系レンズを用い、光結合関係において比較的低い精度でもよい用途に用いられる。製造コストは低くて済む。
【０００４】
一方、光半導体装置に接続する光ファイバが複数のモードが伝播するマルチモードか、単一のモードが伝播するシングルモードかにより、光半導体装置に要求される光結合精度が異なる。一般に、シングルモード光ファイバに接続する光半導体装置の方が光結合関係において高精度が要求され、高性能ではあるが製造コストは高くなる傾向がある。
【特許文献１】特開平０４−３２００７９号公報
【特許文献２】特開平０８−１４６３５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、近年、光通信の急速な普及により、工業用、民生用を問わず高性能、低コストの光半導体装置が必要とされるようになってきている。このような問題を解決するため、マルチモード光ファイバに接続する光半導体装置の構造で、シングルモード光ファイバに接続する光半導体装置に要求される光結合精度が得られるようにすることが望ましい。さらに、収束系の安価な樹脂レンズを用いて高い光結合精度が得られれば、なお一層よい。
【０００６】
しかしながら、マルチモード光ファイバに接続する光半導体装置の構造に、シングルモード光ファイバに接続する光半導体装置を作成すると、動作中の温度上昇によりレンズの屈折率変動により像点のズレが生じ、光出力低下によるトラッキングエラーが生じる。特に、レンズ系に樹脂レンズを用いると、その発生は顕著である。
【０００７】
この発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、光結合精度が高く、かつ低コストで作成できる光半導体装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、光半導体装置に係り、光源用半導体チップと、前記光源用半導体チップから出射した光を収束させる１以上の樹脂レンズからなるレンズ系と、前記光源用半導体チップを搭載する導電性基体と、前記導電性基体に搭載された光源用半導体チップから所定の距離を保って前記レンズ系を支持するレンズ支持体とを有し、前記レンズ系の屈折率の温度変化により生ずる像点ズレを、前記導電性基体及びレンズ支持体の熱膨張により生ずる前記光源用半導体チップと前記レンズ系との間の距離の変化により補償するようになっていることを特徴とし、
請求項２記載の発明は、請求項１記載の光半導体装置に係り、前記レンズ支持体は、前記導電性基体を固定するスリーブと前記レンズ系を固定するレンズホルダとから構成されていることを特徴とし、
請求項３記載の発明は、請求項２記載の光半導体装置に係り、前記スリーブ、前記レンズホルダ及び前記レンズ系のうち、前記スリーブとレンズホルダ、前記レンズホルダとレンズ系、又は前記スリーブとレンズホルダとレンズ系は一体的に形成されていることを特徴とし、
請求項４記載の発明は、請求項３記載の光半導体装置に係り、前記スリーブ、前記レンズホルダ及び前記レンズ系の材料は同じ種類の樹脂であることを特徴とし、
請求項５記載の発明は、請求項１乃至４の何れか一に記載の光半導体装置に係り、前記光源用半導体チップは、半導体レーザであることを特徴としている。
【０００９】
上記構成により奏される作用について、以下に説明する。
光源用半導体チップと、光を収束させる１以上の樹脂レンズからなるレンズ系と、光源用半導体チップを搭載する導電性基体と、導電性基体に搭載された光源用半導体チップから所定の距離を保ってレンズ系を支持するレンズ支持体とを備えた光半導体装置において、例えば、図１に示すように、ステムの基台（導電性基体）１とスリーブ（レンズ支持体）４との接続部の片端からレンズホルダ５の片端面までの距離をＡとし、樹脂レンズ６の片側凸部の頂点からレンズホルダ（レンズ支持体）５の片端面までの距離をＢとし、ステムの基台１とスリーブ４との接続部の片端から半導体レーザ（光源用半導体チップ）の出射端面までの距離をＣとする。さらに、スリーブ４の線膨張係数をαAとし、レンズホルダ５の線膨張係数をαBとし、ステムの半導体レーザの搭載部（導電性基体）２の線膨張係数をαCとする。また、温度Ｔにおけるレンズの屈折率をｎ(T)とし、図２に示すように、レンズの焦点距離をｆ(ｎ(T))とし、物側主点、像側主点をそれぞれｈ１(ｎ(T))、ｈ２(ｎ(T))とし、温度Ｔ0におけるレンズの屈折率ｎ(T)の温度変化係数を（Δｎ／ΔＴ）とする。このとき、例えば、
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を満たすように、材料選択、及び形状寸法の設計を行うことで、レンズ系の屈折率の温度変化により生ずる像点ズレを、導電性基体及びレンズ支持体の熱膨張により生ずる光源用半導体チップとレンズ系との間の距離の変化により補償することができる。
【発明の効果】
【００１０】
この発明の光半導体装置の構成によれば、光源用半導体チップと、光を収束させる１以上の樹脂レンズからなるレンズ系と、光源用半導体チップを搭載する導電性基体と、導電性基体に搭載された光源用半導体チップから所定の距離を保ってレンズ系、を支持するレンズ支持体とを有し、レンズ系の屈折率の温度変化により生ずる像点ズレを、導電性基体及びレンズ支持体の熱膨張により生ずる光源用半導体チップとレンズ系との間の距離の変化により補償するようになっている。
即ち、マルチモード光ファイバに接続する光半導体装置の構造で、シングルモード光ファイバに接続する光半導体装置に要求される高い光結合精度が得られることになる。さらに、収束系の安価な樹脂レンズを用いて高性能が得られることになり、高性能を維持しつつ、なお一層の低コストを達成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。説明は実施例を用いて具体的に行う。
【実施例１】
【００１２】
図１は、この発明の実施例１である光半導体装置の構成を示す上面図である。
この光半導体装置は、図１に示すように、半導体レーザ（光源用半導体チップ）３と、半導体レーザ３から出射した光を収束させる１つの樹脂レンズ（レンズ系）６と、半導体レーザ３を搭載する導電性のステム（導電性基体）１、２と、ステム１、２に搭載された半導体レーザ３から所定の距離を保って樹脂レンズ６を支持するレンズ支持体４、５とを有する。
【００１３】
樹脂レンズ６は樹脂材料をその形状の型に入れて成形することにより形成されている。樹脂レンズ６の材料として液晶ポリマーを用いることができる。
【００１４】
ステム１、２は基台１と半導体レーザ３の搭載部２とから構成されている。基台１と半導体レーザ３の搭載部２はそれぞれ、Ｆｅを主材料とする金属部材により形成されている。基台１と半導体レーザ３の搭載部２は別々に作成されて溶接により接続されるか、或いは金属部材を最初からその形状にエッチングし、或いは切削することにより一体的に形成されている。半導体レーザ３は金錫合金等を材質とするソルダにより搭載部２に固着される。
【００１５】
レンズ支持体４、５は、ステム２を固定するスリーブ４と、樹脂レンズ６を固定するレンズホルダ５とから構成されている。スリーブ４とレンズホルダ５は樹脂により形成されており、この実施例ではそれぞれを別々に作成されて接着剤により接続されている。
【００１６】
このような構成の光半導体装置においては、半導体レーザ３（物点）から出射した光を樹脂レンズ６により収束し、集光する位置（像点）に光ファイバ８が接続されて、光半導体装置と光ファイバ８の光結合がとられることになる。光ファイバ８として、例えばシングルモード光ファイバを用いる。
【００１７】
この光半導体装置においては、以下で説明するように、樹脂レンズ６の屈折率の温度変化により生ずる像点のズレを、ステム１、２及びレンズ支持体４、５の熱膨張により生ずる半導体レーザ３と樹脂レンズ６との間の距離の変化により補償するようになっている。したがって、像点ズレが十分に補償されるように材料選択、及び形状寸法の設計を行うことが必要である。ステム１、２の材料として鉄を用いることができ、８〜１３Ｅ−６／℃の範囲の線膨張係数が選択可能である。スリーブ４とレンズホルダ５の材料としてステンレスもしくは液晶ポリマーを用いることができ、ステンレスの場合１２〜２０Ｅ−６／℃、液晶ポリマーの場合３０〜８０Ｅ−６／℃の範囲の線膨張係数が選択可能である。
【００１８】
以下に、その像点ズレの補償の原理について説明する。
まず、図１に示すように、ステムの基台１とスリーブ４との接続部の片端からレンズホルダ５の片端面までの距離をＡとし、樹脂レンズ６の片側凸部の頂点からレンズホルダ５の片端面までの距離をＢとし、ステムの基台１とスリーブ４との接続部の片端から半導体レーザの出射端面までの距離をＣとする。さらに、スリーブ４の線膨張係数をαAとし、レンズホルダ５の線膨張係数をαBとし、ステム２の線膨張係数をαCとする。また、図２に示すように、レンズの焦点距離をｆとし、物側主点、像側主点をそれぞれｈ１、ｈ２とし、温度Ｔにおけるレンズの屈折率をｎ(T)とし、温度Ｔ0におけるレンズの屈折率ｎ(T)の温度変化係数を（Δｎ／ΔＴ）とする。
【００１９】
なお、以下の説明では、樹脂レンズ６の他側凸部の頂点から光ファイバの接続部までの距離Ｌ2の温度変化は、半導体レーザの出射端面から樹脂レンズ６の片側凸部の頂点までの距離Ｌ1の温度変化と比較して小さいので、無視する。
【００２０】
半導体レーザの出射端面から樹脂レンズ６の片側凸部の頂点までの距離Ｌ1は、
Ｌ1=Ａ＋Ｂ−Ｃ  ・・・（２）
となる。
【００２１】
また、筐体温度がＴ0からＴに変化することにより、筐体の膨張・収縮が起こり、Ｌ1の寸法が変化する。Ｌ1の温度変化をΔＬ1body(T)とすると、
ΔＬ1body (T)=(αA・Ａ＋αB・Ｂ−αC・Ｃ)・(Ｔ−Ｔ0)   ・・・（３）
となる。即ち、温度変化により、半導体レーザの出射端面がΔＬ1(T)だけ移動する。また、上記の温度変化により、樹脂レンズ６の屈折率が変化し、これにより主点の位置が移動する。
【００２２】
レンズの温度がＴ0からＴに変化するときに、結像公式の温度変化から導かれるＬ1の温度変化ΔＬ1opt(T)(=Ｌ1(T)-Ｌ1(T0))は、
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となる。なお、式（４）は、よく知られた結像公式を用いて容易に導き得るので、その手順を省略する。この場合、f(ｎ(T))、 ｈ1(ｎ(T))、ｈ2(ｎ(T))はｎ(T)の関数とする。
【００２３】
以上の説明から、筐体の熱膨張・収縮により半導体レーザの出射端面が、ΔＬ1body (T)=ΔＬ1opt(T)を満たすように移動するようにすれば、温度変化前の結像関係を維持することができる。即ち、式（３）、（４）より導かれる、
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を満たすことにより、温度がＴ0からＴに変化するときに、像点のズレを補償して光出力変動を小さくすることができる。
【００２４】
以上のように、この発明の実施例１の光半導体装置によれば、マルチモード光ファイバに接続する光半導体装置の構造で、シングルモード光ファイバに接続する光半導体装置に要求される高い光結合精度が得られることになる。さらに、収束系の安価な樹脂レンズを用いて高性能が得られることになり、高性能を維持しつつ、なお一層の低コストを達成できる。
【実施例２】
【００２５】
図３は、この発明の実施例２である光半導体装置の構成を示す上面図である。
実施例１の光半導体装置と異なるところは、スリーブ（レンズ支持体）１１ａ、レンズホルダ（レンズ支持体）１１ｂ及び１以上の樹脂レンズで構成されるレンズ系１１ｃが一体的に形成されている点である。この一体成形物は、樹脂材料をその形状の型に入れて成形することにより形成することができる。なお、図中、図１の符号と同じ符号で示すものは、図１と同じものを示す。
【００２６】
この発明の実施例２の光半導体装置によれば、実施例１の光半導体装置と同様に、マルチモード光ファイバに接続する光半導体装置の構造で、シングルモード光ファイバに接続する光半導体装置に要求される高い光結合精度が得られることになる。さらに、収束系の安価な樹脂レンズを用いて高性能が得られることになり、高性能を維持しつつ、なお一層の低コストを達成できる。
【００２７】
以上、この実施例を図面により詳述してきたが、具体的な構成はこの実施例に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があってもこの発明に含まれる。
【００２８】
例えば、上記実施例では、スリーブ４、１１ａ、レンズホルダ５、１１ｂ及びレンズ系６、１１ｃのうち、それぞれ４、５、６が別々に形成されている場合、及びスリーブ１１ａとレンズホルダ１１ｂとレンズ系１１ｃが一体的に形成されている場合について説明したが、スリーブ４とレンズホルダ５、或いはレンズホルダ５とレンズ系６が一体的に形成されていてもよい。この場合、一体化される部品は同じ種類の樹脂で構成する。
このうち、レンズホルダ５とレンズ系６が一体的に形成される場合、スリーブ４は少なくともステムの基台１と同じ導電性材料で構成し、ステムの基台１と一体的に形成されていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】同図は、この発明の実施例１の形態である光半導体装置の構成を示す上面図である。
【図２】同図は、図１の樹脂レンズを中心とする光結合関係を示す図である。
【図３】同図は、この発明の実施例２である光半導体装置の構成を示す上面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  ステムの基台（導電性基体）
２  半導体レーザの搭載部（導電性基体）
３  半導体レーザ（光源用半導体チップ）
４、１１ａ  スリーブ（レンズ支持体）
５、１１ｂ  レンズホルダ（レンズ支持体）
６、１１ｃ  樹脂レンズ
７  レセプタクル
８  光ファイバ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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