(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベースと、前記ベースに設置された温度制御素子と、前記温度制御素子に設置され、半導体発光素子と前記半導体発光素子からの光が拡散されつつ導入されるレンズを搭載した基板部材と、前記ベースに設置された容器壁部に形成され、容器壁部を貫通して前記容器壁部の壁厚より長いパイプが設置された貫通孔部と、前記貫通孔部に連絡され、前記レンズからの集束光が導入される光ファイバとを有した光結合装置において、
前記容器壁の前記貫通孔部が設けられた側壁の内側壁面から前記温度制御素子の前記貫通孔部側の端面までの距離が、前記温度制御素子の前記ベースに接合する面の前記温度制御素子から前記貫通孔部への方向における長さに対して０.５１ 倍以下であることを特徴とする光結合装置。
【請求項２】
請求項１記載の光結合装置において、前記光ファイバの端部は前記発光素子から前記レンズ厚さに対して３.５倍以上１２.５倍以内の範囲の位置に形成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、半導体発光素子と光ファイバとが光学的に結合する光結合装置に係り、特に光結合を１枚のレンズで行う単レンズ光結合装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光結合装置は、特開平５−１５０１４６号公報に開示されているように、レンズを介して半導体レーザからの出射光を光ファイバ端面に入射するもので、１枚のレンズで半導体レーザと光ファイバの光結合を行うものである。半導体レーザとレンズ及び受光素子は、光軸に対して平行な方向の両側部に厚肉部を有する基板の上に搭載して光軸方向の変更を抑制することにより光軸ずれを低減する構造か記載されている。
【０００３】
他に、従来の光結合装置としては、特開平１１−３３０５６４号公報に、１枚のレンズで光半導体素子と光ファイバの光結合を行うものが開示されている。光半導体素子とレンズはブロック上に搭載され、ブロックはヒートシンク上に設置されてパッケージにより囲まれている。光ファイバは、パッケージ側面に設けられた筒状の光ファイバ固定部に挿通するように固定されている。光通信機器を取付ける際にヒートシンクをねじ止めする際のヒートシンクの熱膨張によるパッケージの変形による光軸ずれを防止するために、パッケージ本体に変形可能な固定部材が連結されている。また、特開２００１−２８４６９９号公報には、２枚のレンズを使って半導体レーザと光ファイバの光結合を行っている形態に関しては、半導体レーザと第１レンズはベース上に搭載され、ペルチェ素子を介してパッケージの底板に設置される。パッケージの周壁には、取付け円筒がパッケージ内外に突出して設けられており、円筒内部と端部に第２レンズと光ファイバがそれぞれ設置される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の発明者は、単レンズの光結合装置ようにベースなどの周囲の熱変形の影響を敏感に受ける形態において、長寿命化または長距離光送信に適応することを考えると、公知例の構造では十分でないことを見出した。
【０００５】
光結合装置の特性評価として、低温から高温までの温度範囲において光結合の安定性に関する光結合温度特性（以下、トラッキングエラーと呼ぶ）は、主に光結合装置の動作温度が変化することによって熱変形が起こり、それによって半導体発光素子と光ファイバの光結合状態が変化することで生じる。
【０００６】
上記従来技術で示した特開２００１−２８４６９９号公報は、２枚のレンズを使って熱変形による光結合変化を抑制した共焦点光学系を採用したものである。共焦点光学系は、光結合変化に及ぼす位置ずれの許容量が２枚のレンズ間で広くなる特長を持つ。上記の光結合装置はこの特長を活かしており、熱変形が起きても光結合変化が少なく、トラッキングエラーの仕様を満足し易くしたものである。しかしながら、レンズを２枚使う共焦点光学系は、部品数量と組立て工数が増えることになるため、コストが増加する傾向にあった。
【０００７】
部品数量と組立て工数を減らしてコスト低減を図るには、レンズを１枚使って光結合を行う方が有利である。しかしながら、１枚レンズの光結合系では、共焦点光学系のような位置ずれ許容量の広い部分がないため、わずかな熱変形によって光結合変化が生じてしまう。このため、１枚レンズ光学系の光結合装置は、共焦点光学系の部材構成よりもさらに熱膨張率の差を小さくして熱変形を抑制する部材構成を採る必要がある。しかし、熱膨張率の異なった複数の材質で装置が構成されているため、熱変形を完全に無くすることは特殊な材質や部材で構成しない限り困難である。特殊な部材で構成した場合にはコストが増加することになるため、１枚レンズによるコスト低減の効果が失われてしまう。
【０００８】
特開平５−１５０１４６号公報及び特開平１１−３３０５６４号公報の形態は、容器のいわゆるベース部の長さに対してかなりの長さを占めており、ベース部の変形による影響を受けやすい形態であることがわかった。このため、トラッキングエラーを十分低減することはできないと考えた。また、加えて、特開平１１−３３０５６４号公報はペルチェ素子を搭載していないので、ペルチェ素子による温度制御が行えない。このため、温度変化が生じた場合、ブロックの熱膨張及び熱変形によって、半導体発光素子とレンズ間で高さ方向に位置ずれが更に大きく生じ、光ファイバへ集光するレーザ光の位置が大きく変化し、トラッキングエラー仕様を満足することが困難となる。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、上記の課題を解決することができる光結合装置を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、例えば、単レンズの光結合装置ようにベースなどの周囲の熱変形の影響を敏感に受ける形態であっても、長寿命化または長距離光送信に適用できる構造をとることにより達成できる。
【００１１】
例えば、トラッキングエラー仕様満足できる形態とし、例えば、温度範囲が-20℃から75℃で、光結合変動が±0.5dB以内を低コストで達成することができるものである。
【００１２】
例えば、以下の具体的形態をとることができる。
（１）ベースと、前記ベースに設置された温度制御素子と、前記温度制御素子に設置され、半導体発光素子と前記半導体発光素子からの光が拡散されつつ導入されるレンズを搭載した基板部材と、前記ベースに設置された容器壁部に形成され、容器壁部を貫通して壁厚より長い壁面部を有する貫通孔部と、前記貫通孔部に連絡され、前記レンズからの集束光が導入される光ファイバとを有した光結合装置において、前記発光素子と前記光ファイバとを結ぶ方向の前記基板部材の長さは、前記基板部材の前記容器壁で挟まれるベースの長さに対して０．１以上０．２５以下の範囲にある。
（２）（１）において、前記貫通孔部に連絡し前記光ファイバの端部より前記レンズ側に前記収束光が導入される光アイソレータを備え、前記光アイソレータと前記光ファイバの少なくとも一部は前記貫通孔部のうち前記容器壁で囲まれた領域に配置され、前記光ファイバの端部は前記発光素子と前記光ファイバを結ぶ方向の前記容器壁の外側面或いは内側面から前記容器壁の厚さの３倍以内の位置に配置される。または、壁の外側面或いは内側面から３．０ｍｍ以内の範囲で配置されている。
（３）（１）或いは（２）において、前記光ファイバの端部は前記発光素子から前記レンズ厚さに対して３．５倍以上１２．５倍以内の範囲の位置に形成される。または、前記発光素子から３．５〜７．５ｍｍの範囲で配置されている。
（４）（１）〜（３）において、前記温度制御素子は前記容器壁の内側壁から前記温度制御素子の前記発光素子と前記光ファイバを結ぶ方向における６．０ｍｍ以内の範囲で配置される。
（５）光結合装置において、前記容壁に配線層を施した端子基板と前記配線層に連絡するリード端子が備えられ、前記端子基板に前記温度制御素子がワイヤを介して電気的に接続され、前記接続部は前記温度制御素子と対応するリード端子よりも光ファイバ側に設置される。
（６）光結合装置において、前記容壁に配線層を施した端子基板と前記配線層に連絡するリード端子が備えられ、前記基板部材はサーミスタを搭載し、前記サーミスタはワイヤを介して前記端子基板の配線層に電気的に接続され、前記温度制御素子がワイヤを介して前記端子基板の配線層に電気的に接続され、前記サーミスタに対応する前記端子基板上の前記配線層の長さは前記温度制御素子に対応する前記端子基板上の前記配線層の長さよりも短く形成されている。
（７）光結合装置において、前記容壁に配線層を施した端子基板と前記配線層に連絡するリード端子を備え、前記配線層はワイヤを介して電気的に接続される配線層を備えた中継基板を備え、前記中継基板の配線層とワイヤを介して前記発光素子を搭載する前記基板部材に電気的に接続され、前記発光素子は前記発光素子に対応するリード端子より光ファイバ側に設置されている。
【００１３】
これにより、環境温度の変化や熱負荷にともなう熱変形や反り変形が起きても、半導体発光素子と光ファイバ間の光結合変化を抑制することができ、熱変形や反り変形が起きた場合であってもトラッキングエラーの仕様を満足することができる。すなわち、温度変化によるベースの反り変形が起きても温度制御素子を介して搭載している基板部材の長さをベースの長さに対して０．１以上０．２５以下の範囲内とすることで、基板部材に搭載しているレンズから出射するレーザ光の進行方向の変動を抑制することができる。また、熱変形によって容器壁部はベースとの接続位置を支点に容器内側に倒れ込むように変形を起こすため、アイソレータの一部あるいは光ファイバの先端を、貫通孔部の容器壁部で囲まれた所定の領域内に配置することで、光ファイバ先端の位置ずれを少なくすることができる。さらに、ベースの熱変形は、容器壁が変形を抑制するように働くため、容器壁に近いほど小さくなる。このため、半導体発光素子とレンズを搭載した温度制御素子材を、容器壁部に所定の範囲内に近づけて設置することで、温度制御素子上に搭載している基板部材の変形を小さくすることができ、その変形によってレンズから出射されるレーザ光の位置ずれを抑制することができる。これらのように、光ファイバ先端の位置ずれとレンズからの出射光の位置ずれを抑制する構造と部品配置を採ることにより、特殊な部材構成でなくても、熱変形による光結合変化を少なく抑えることができ、１枚レンズ光学系の光結合装置であってもトラッキングエラー仕様を満足することができる。
【００１４】
また、光アイソレータと光ファイバを容器壁部に入れ込む構造となるので、容器壁部から外部に突出する光ファイバの突出量を少なくできる。これにより、光結合装置の全体形状を小さくでき、実装基板への高密度化実装を行うことができる。
【００１５】
また、温度制御素子を、容器に設けた端子基板とワイヤで電気的に接続し、その接続部を温度制御素子と対応するリード端子よりもファイバ側に設置することで、温度制御素子を挟んで光ファイバ側の反対側に広い空間スペースを確保することができる。これにより、機能向上に向けた拡張ユニットを空間スペースに容易に配置することができ、大幅な構造変更を行わずに光結合装置の機能向上を図ることができる。さらに、端子基板と温度制御素子とを接続するワイヤの長さを最短で形成できるため、印加電流の増加による発熱量を低減することができ、環境温度の変化があってもワイヤ欠損を防止できるとともに、温度制御素子を安定に駆動することによる信頼性の高い光結合装置を実現できる。さらに、半導体発光素子と光ファイバの光結合を１枚のレンズで行う構成であるため、部品数量を低減できるとともに、容易な組立てを実現することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図１から図５により説明する。なお、各図においては、煩雑を避けるために一部の部品の図示を適宜省略している。なお、本発明は以下の実施例の形態に限られるものではなく、他の形態をとることもできる。
【００１７】
図１に本発明を適用した第１実施例の光結合装置の構造を表す縦断面図を、図２に図１の光結合装置の一部断面構造を表す上面図を示す。
【００１８】
図１及び図２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、このレーザダイオード１の後方出射レーザ光を受光する半導体受光素子としてのモニタ用のフォトダイオード２と、レーザダイオード１の前方出射レーザ光を集光させる非球面レンズ４と、レーザダイオード１の駆動に合せて温度変化を監視する温度モニタ用のサーミスタ１３と、これらレーザダイオード１、フォトダイオード２、非球面レンズ４、サーミスタ１３を搭載する基板部材３と、この基板部材３を搭載し、ベース７に設置される温度制御用のペルチェ素子５とを備え、これらの基板部材３やペルチェ素子５を収納する容器は、外枠からなるパッケージ６と、底面からなるベース７と、パッケージ６の上面に取り付けるキャップ２６とで構成しており、パッケージ６の側面に設けたパイプ８に、ガイド部材１０を介して、非球面レンズ４によって集光されたレーザ光を導入する反射防止用の光アイソレータ９と光ファイバ１５を内部に備えた光ファイバ保持部材１１とを設置している。
【００１９】
レーザダイオード１と光ファイバ１５の光結合は、レーザダイオード１からの前方出射レーザ光を非球面レンズ４で集光し、光アイソレータ９を通して光ファイバ１５に導入するように、光ファイバ保持部材１１及びガイド部材１０を位置調整して行う。光ファイバ１５からの出力レーザ光が最大になる位置で光ファイバ保持部材１１をガイド部材１０に、ガイド部材１０をパイプ８端面にそれぞれレーザ溶接（図示せず）によって接合固定している。
【００２０】
レーザダイオード１は、例えば発振波長が単一モードでスペクトル幅の狭い分布帰還形（DFB：distributed feedback）の半導体発光素子で、例えば変調機構を内部に備えたものである。例えば、発振波長は１５５０ｎｍである。
【００２１】
基板部材３は、シリコン材料で構成しており、非球面レンズ４の搭載部分を異方性エッチングによって略Ｖ字型溝１４に形成している。このＶ字型溝１４に非球面レンズ４を接着材あるいははんだ材で接合する。基板部材３の上面には、メタライズパターン膜３０（図２中のハッチング部分）を形成しており、このメタライズパターン膜３０の所定位置にレーザダイオード１とフォトダイオード２及び温度モニタ用のサーミスタ１３を接合している。レーザダイオード１とフォトダイオード２及びサーミスタ１３は、メタライズパターン膜３０とワイヤボンディング２４によって電気的に接続する。メタライズパターン膜３０は、熱酸化膜を最下層として、チタン膜、白金膜、金膜を積層して形成し、表面が金膜になるように形成している。メタライズパターン膜３０の厚さは例えば最下層の熱酸化膜を除いて約１μｍである。レーザダイオード１を搭載する部分には、メタライズパターン膜３０の上にさらに例えば融点が２８０℃の金と錫の合金（図示せず）を蒸着で形成しており、その部分にレーザダイオード１をサブμｍ精度の位置決めによって接合固定している。フォトダイオード２もレーザダイオード１と同様に接合する。温度モニタ用のサーミスタ１３ははんだ材によって接合する。基板部材３は例えば横幅（図２の紙面上下方向）が２．７ｍｍ、長さ（図２の紙面左右方向）が３．０ｍｍ、厚さ（図１の紙面上下方向）が１．０ｍｍで、Ｖ字型溝１４の深さは０．７５〜０．８ｍｍの範囲内である。ここでは、基板部材３の長さをパッケージ６枠内のベース７長さに対して０．１６の比となるようにしている。このパッケージ６枠内のベース７長さとは、ベースのうち外枠の壁で挟まれた領域の長さを用いることができる。
【００２２】
Ｖ字型溝１４に設置する非球面レンズ４は、側面の一部分が筒状で、レーザ光の入射面及び出射面が曲率面となっている。この非球面レンズ４はガラス材料で、レーザ光が通過する両側の曲率面には反射防止用のＡＲコート膜を付着している。非球面レンズ４の筒状になった側面部分は平坦面で、この側面がＶ字型溝１４の両側斜面と接する。Ｖ字型溝１４の底面には接触せず、わずかにすき間を空ける寸法配置にしている。非球面レンズ４側面の平坦部分は、例えば長さが約０．２５ｍｍで、この長さがあればＶ字型溝１４に設置したときに倒れたりすることはなく十分に安定に倒立できる。ここでは、非球面レンズ４の形状として、例えば直径がφ１．５ｍｍ、横幅が０．８ｍｍのものを搭載しているが、これに限らず、非球面レンズ４の周囲を金属の枠で覆い、筒状部分を長くしてＶ字型溝１４への搭載を安定にした形状のものを使用しても良い。
【００２３】
非球面レンズ４の接合固定は、まず接着材（図示せず）をＶ字型溝１４の両側斜面に塗布し、レーザダイオード１の非球面レンズ４側端面と、非球面レンズ４のレーザダイオード１側端面とが所定距離になるように調整した後、Ｖ字型溝１４に非球面レンズ４を設置してＶ字型溝１４に押し付ける。次に、紫外線を所定時間照射し接着材を硬化させて、非球面レンズ４を基板部材３に接合固定する。その後加熱処理を行い、接着材の硬化反応を完了させて非球面レンズ４を基板部材３にさらに安定に接合固定する。接着材は紫外線と加熱によって硬化反応を行う紫外線硬化接着材である。非球面レンズ４を押し付ける荷重は数十グラムから数百グラムである。ここでは、接着材として紫外線硬化接着材を使用したときの接合固定の手順を示したが、はんだ材で接合する場合には、Ｖ字型溝１４にメタライズ膜を施してはんだ材の濡れ性を確保することが重要である。また、非球面レンズ４の側面あるいは金属枠で覆った非球面レンズ４を使用した場合にはその金属枠の側面にもメタライズ膜を施すことが重要である。はんだ材としては、レーザダイオード１を接合固定している例えば融点が２８０℃の金と錫の合金あるいはそれよりも融点の低い錫と銀の合金を使うのが望ましい。
【００２４】
温度制御用のペルチェ素子５は、上下面がセラミックス板で構成され、その間にＰ型とＮ型の複数の熱電半導体を金属電極で直列に結ぶように接続したもので、電流を印加することで加熱・冷却を行う。レーザダイオード１の駆動による温度変化をサーミスタ１３の抵抗変化で感知し、サーミスタ１３抵抗値を所定の設定値に保持にするようにペルチェ素子５の電流制御を行い、レーザダイオード１の発振波長及び出射光を安定にする制御を行う。ペルチェ素子５の下面セラミックス板は、上面の板よりも突出しており、この突出した部分にペルチェ素子５に電流供給するためのポスト部材２０を設置している。ポスト部材２０とパッケージ６の端子基板１９とは金のワイヤボンディング２４で接続している。ペルチェ素子５と電気的に接続する端子基板１９のメタライズパターン膜３０は、ペルチェ素子５に電流供給するリード端子１８（６番と７番リード）と連絡しており、ペルチェ素子５のポスト部材２０近傍まで延長して設置している。ワイヤボンド位置は、リード端子の位置よりも光ファイバ端部側になるよう、メタライズパターン膜３０が端子基板１９上に形成されている。端子基板１９のメタライズパターン膜３０からポスト部材２０までの距離を短くし、ワイヤボンディング２４を最短の長さで行っている。
【００２５】
ペルチェ素子５の上面に搭載した基板部材３は、光ファイバ１５に近い方向に設置している。これにより、サーミスタ１３及びフォトダイオード２と電気的に接続しているメタライズパターン膜３０から、サーミスタ１３及びフォトダイオード２に対応した端子基板１９のメタライズパターン膜３０までの距離が短くなり、ワイヤボンディング２４を最短の長さで行える。ワイヤボンディング２４を短く取り付けることで、ワイヤ２４同士の接触を防止できる。また、ペルチェ素子５の搭載位置は、光ファイバ１５を設置する側のパッケージ６の側面に近づけた位置である。ここでは、ペルチェ素子５の端面からパッケージ６側面までの距離（図１中のＬ）を例えば２．５ｍｍとしている。なお、他にも、例えば、サーミスタにワイヤを介して電気的に連絡する端子基板１９上のメタライズパターン膜３０の長さは、ワイヤを介してペルチェ素子に電気的に連絡するために形成された端子基板上１９上のメタライズパターン膜３０の長さより短くなる。
【００２６】
また、ペルチェ素子５の上面には、基板部材３の他に中継基板１７を搭載している。中継基板１７はセラミックス材で構成しており、レーザダイオード１とパッケージ６の端子基板１９を電気的に接続するものである。基板部材３と中継基板１７、中継基板１７とパッケージ６の端子基板１９とはそれぞれ金のワイヤボンディング２４によって電気的に接続する。中継基板１７の上面と下面にはメタライズパターン膜３０を施しており、レーザダイオード１を駆動するための電気信号の劣化や損失及び反射を小さくするように形成している。ここでは、クランク状にメタライズパターン膜３０を形成しており、中央のパターン膜３０がレーザダイオード１の信号ライン、その両側がレーザダイオード１のグラウンドとなっている。この場合、リード端子の位置より、光ファイバ端部側にレーザダイオード１が位置するよう形成され、それをつなぐために前記メタライズパターン３０が形成される。
【００２７】
パッケージ６内のベース７上面には、レーザダイオード１が搭載されるペルチェ素子５を挟んで光ファイバ１５を設置する側の反対側に前記ペルチェ素子５と別体の台座２１を形成している。または、前記ペルチェ素子５と間隔を介して前記台座２１を形成している。この台座２１上にセラミックス基板２２を介して半導体装置２３であるＩＣやＬＳＩを搭載する。セラミックス基板２２の上面にはメタライズパターン膜３０を施しており、半導体装置２３とパッケージ６の端子基板１９とを金のワイヤボンディング２４で電気的に接続している。半導体装置２３を搭載する台座２１は、熱伝達率が高くて放熱性に優れるＣｕ−Ｗ系の合金で形成し、半導体装置２３を駆動したときの発熱をベース７に伝えて放熱している。パッケージ６の側面から延長（図１及び図２の紙面左右方向）したベース７部分には、光結合装置を固定基板や放熱基板（図示せず）に取り付けるためのネジ固定用穴２５を設けている。ベース７の材質はＣｕ−Ｗ系合金である。
【００２８】
パッケージ６の側面（図２の紙面上下方向）には、パッケージ６の内部と外部を電気的に接続するための端子基板１９とリード端子１８を備えている。ここでは、片側に７本のリード端子１８を２．５４ｍｍ間隔で備えた光結合装置を例に表している。リード端子１８には図２に示すように、光結合装置を上面から見て反時計周りに番号が記されている。この光結合装置の場合は、光ファイバ１５側の左側（図２の紙面右上）から順に１番から７番、反対側（紙面左下）に移って８番から１４番となっている。１番と２番のリード端子１８はサーミスタ１３と、３番と１１番から１３番はレーザダイオード１と、４番と５番はフォトダイオード２と、６番と７番はペルチェ素子とそれぞれ電気的に接続する。端子基板１９はセラミックスの積層板で構成しており、各々のリード端子１８が電気的に干渉しないようにパッケージ６にろう付けで接合している。パッケージ６の容器外形部分は、例えば長さ（図２の紙面左右方向）が２０．８ｍｍｍｍ、横幅（図２の紙面上下方向）が１２．７ｍｍ、高さ（図１の紙面上下方向）が６．５ｍｍとなっている。レーザダイオード１やペルチェ素子５を設置する内部は、例えば長さ（図２の紙面左右方向）が１８．８ｍｍ、横幅（図２の紙面上下方向）が１０．７ｍｍとなっており、ベース７の底面から光ファイバ１５までの高さ（図１の紙面上下方向）は３．５ｍｍとなっている。パッケージ６の材質はＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金である。
【００２９】
光ファイバ１５を取り付ける側のパッケージ６側面には、光アイソレータ９と光ファイバ１５を内挿するようにパイプ８を設置している。パイプ８はパッケージ６の側壁の厚さよりも長く、パッケージ６の内外に突出するように設置している。パッケージ６内部側の端面にはガラス窓１２を設置しており、非球面レンズ４から光ファイバ１５へ向かうレーザ光を透過し、かつパッケージ６の内部空間を外部と遮断するように低融点ガラスあるいは高融点はんだ（図示せず）によって接合している。つまり、パッケージ６上面にシーム溶接によって取り付けたキャップ２６とガラス窓１２によってパッケージ６の内部を気密封止する。
【００３０】
パイプ８の端面には、ガイド部材１０を介して、光アイソレータ９と、光ファイバ１５を内部に備えた光ファイバ保持部材１１とを設置している。光アイソレータ９は、ファイバ１５側から反射光として戻ってくるレーザ光を、レーザダイオード１側に伝えないもので、レーザダイオード１の発振波長や出射光の安定を保つために必要なものである。光ファイバ１５はコア径が約１０μｍのシングルモード光ファイバで、光ファイバ被覆１６とともに光ファイバ保持部材１１の内部に保持固定している。ここでは、レーザダイオード１から光ファイバ１５先端までの距離を例えば６．０ｍｍ、パッケージ６側面の外側面から光ファイバ１５の先端までの距離を例えば１．０ｍｍの位置として設置している。光ファイバ保持部材１１は、例えば外径がφ２．０ｍｍで、ステンレス系の合金材料で構成している。光ファイバ保持部材１１の先端には光アイソレータ９を接続固定して一体部材として構成している。
【００３１】
レーザダイオード１と光ファイバ１５の光結合は、レーザダイオード１からの前方出射レーザ光を非球面レンズ４で集光し、光アイソレータ９を通して光ファイバ１５に導入するように、光ファイバ保持部材１１及びガイド部材１０を位置調整して行う。光ファイバ１５からの出力レーザ光が最大になる位置で、光ファイバ保持部材１１をガイド部材１０にレーザ溶接（図示せず）で接合固定し、さらにガイド部材１０をパイプ８端面にレーザ溶接（図示せず）で接合固定する。これによって、レーザダイオード１と光ファイバ１５の光結合を実現している。
【００３２】
レーザダイオード１と光ファイバ１５の光結合の安定性を調べる評価内容として、光結合温度特性（トラッキングエラー）がある。これは、低温から高温までの温度範囲において、光結合の変動が所定内であることが要求仕様としてある。例えば、長距離伝送用の光結合装置の要求仕様としては、温度範囲が−２０℃から７５℃で、光結合変動が±０．５ｄB以下と規定されている場合が多い。トラッキングエラーは、主に光結合装置の動作温度が変化することによって熱変形が起こり、それによってレーザダイオード１と光ファイバ１５の光結合状態が変化することで生じる。長距離伝送の場合、ファイバ伝送中の損失分が大きくなるため、安定な情報伝達を行うためにも光結合装置での光結合変動は極力小さいことが望まれている。
【００３３】
これらのように、ベース７上にペルチェ素子５を介して搭載する基板部材３の長さを、パッケージ６容器内のベース７長さに対して０．１以上０．２５以下の比の範囲内である０．１６とすることで、環境温度の変化や熱負荷に伴なうベース７の反り変形が生じても、基板部材３の変形を小さくすることができ、基板部材３に搭載している非球面レンズ４から出射するレーザ光の進行方向の変動を抑制することができる。また、熱変形によってパッケージ６の側壁は、ベース７との接続位置を支点にパッケージ６の内側に倒れ込むように変形を起こすため、光アイソレータ８と光ファイバ１５をパイプ８内に配置し、さらに光ファイバ１５の先端をパッケジ３の側面の内外面から１．０ｍｍの位置に配置することで、光ファイバ１５先端の位置ずれを小さくすることができる。これについては、熱応力解析によって、パッケージ６の側壁が約０．０４度傾くことを求めており、この傾きに対して光ファイバ１５先端の位置ずれを許容範囲内に抑える必要がある。熱変形によって生じる光結合変化（トラッキングエラー）を０．５ｄB以内にするには、光ファイバ１５先端の位置ずれを２．０μｍ以下に抑える必要があることから、簡単な計算によって光ファイバ１５先端をパッケージ３側面の内外面から３．０ｍｍの範囲内に配置すれば良い。また、例えば、壁部に形成された貫通孔部分が１ｍｍ程度であることができる。上記実施例では光ファイバ１５先端を１．０ｍｍの位置に配置しているため、０．７μｍ程度の位置ずれに抑えることができ、その時の光結合変化は０．１５ｄBで、目標の０．５ｄBを満足することができる。また、パッケージ６の側面は熱変形を抑制するように働くため、パッケージ６の内側面からペルチェ素子５を６．０ｍｍ以内の範囲で近づけて設置することで、ペルチェ素子５上の基板部材３の変形を小さくすることができ、非球面レンズ４から出射するレーザ光の進行方向の変動を抑制することができる。または、温度制御素子（ペルチェ素子）の光軸方向の長さ以内の距離離れるようにすることも考えられる。例えば、ペルチェ素子の長さは７０〜８０ｍｍ以内であることが好ましい。光ファイバ１５先端の設置範囲とペルチェ素子５の搭載範囲は、レーザダイオード１から光ファイバ１５先端までの距離を３．５から７．５ｍｍの範囲で構成できる光学系を選択することで実現できる。また、レンズの光軸方向の厚さ（最大幅）の３．５以上１２．５倍以下の範囲に設置することができる。
【００３４】
具体的には、図５に示すように、ベース７上に接合するペルチェ素子５の下面セラミックス板の長さに対して、パッケージ６の内側面からペルチェ素子５までの距離を、所定の比率となるようにすることで、トラッキングエラーを目標の０．５ｄＢ以下とできる。ここでは、ペルチェ素子５の下面セラミックス板の長さが例えば８．０ｍｍで、トラッキングエラー０．５ｄＢ以下を達成するには、パッケージ６の内側面からペルチェ素子５までの距離を４．０８ｍｍ以内（比率では０．５１以下）にすれば良いことになる。第１の実施例ではパッケージ６の内側面からペルチェ素子５までの距離を２．５ｍｍ（比率では０．３１２５）としており、この場合のトラッキングエラーは０．１ｄＢ以下となる。トラッキングエラーはペルチェ素子５を搭載する位置に大きく関係しており、図５に示すようにペルチェ素子５をファイバ側に近づけて搭載することが有効である。このように、光ファイバ１５先端の位置ずれと非球面レンズ４からの出射光の位置ずれを抑制する構造と、それを実現するための部品配置とすることで、特殊な部材構成を採らなくても、熱変形による光結合変化を少なく抑えることができ、１枚レンズ光学系の光結合装置であってもトラッキングエラー仕様を満足することができる。
【００３５】
また、ペルチェ素子５と電気的に接続する端子基板１９のメタライズパターン膜３０位置を、ペルチェ素子５と対応するリード端子１８よりも光ファイバ１５側に設置することで、ペルチェ素子５のポスト部材２０から端子基板１９のメタライズパターン膜３０までの距離を短くでき、ワイヤボンディング２４の長さを最短で形成できる。これにより、印加電流の増加による発熱量を低減することができ、環境温度の変化があってもワイヤ２４欠損を防止できるとともに、ペルチェ素子５を安定に駆動することによる信頼性の高い光結合装置を実現できる。さらに、ペルチェ素子５を挟んで光ファイバ１５を設置する側の反対側に広い空間スペースを確保することができ、上記実施例のような半導体装置２３を簡単に搭載することができる。このように、機能向上に向けた拡張ユニットを大幅な構造変更を行わずに設置することができ、汎用性のある光結合装置を実現することができる。また、光アイソレータ９と光ファイバ保持部材１１をパイプ８内に入れ込む構造であるので、パッケージ６の外部に突出する光ファイバ保持部材１１の突出量を少なくできる。これにより、光結合装置の全体形状を小さくでき、実装基板への高密度化実装を行うことができる。さらに、レーザダイオード１と光ファイバ１５の光結合を１枚のレンズ４で行う構成であるため、部品数量を低減できるとともに、容易な組立てを実現することができる。
【００３６】
次に、図３に本発明を適用した第２実施例の光結合装置の構造を表す縦断面図を示す。
【００３７】
図３の形態は基本的には図１と同様の構造を備えるが、図３において、図１に示した光結合装置と異なっている点は、光アイソレータ９をパッケージ６内のペルチェ素子５上に搭載した点と、ガラス窓１２をパッケージ６に直接接合した点である。
【００３８】
ペルチェ素子５上の基板部材３は、光ファイバ１５から遠ざける位置に配置し、光ファイバ１５に近い位置に光アイソレータ９を搭載している。光アイソレータ９は下面をペルチェ素子５に接合する表面実装型であり、非球面レンズ４からのレーザ光を導入するように位置調整して搭載する。非球面レンズ４の直後は、レーザ光が集光されつつあるのでレーザ光の半径が大きく、このため光アイソレータ９は、光ファイバ１５の先端に取り付けていたものよりも、レーザ光が導入される有効径の大きなものを選択している。パッケージ６側面のパイプ８は、パッケージ６の外部にだけ突出するように取り付けており、ガラス窓１２をパッケージ６の内側面に直接接合している。ここでは、ペルチェ素子５からパッケージ６側面までの距離（図中のL）は例えば０．５ｍｍ、レーザダイオード１から光ファイバ１５先端までの距離は例えば６．５ｍｍ、パッケージ３側面の内面から光ファイバ５先端までの距離は例えば０．５ｍｍである。
【００３９】
このように、第１実施例で示した構造よりも、ペルチェ素子５と光ファイバ１５先端をそれぞれパッケージ６の側面に近づけて設置することができ、熱変形による光結合変化をさらに小さく抑えることができ、第１実施例と同様に、１枚レンズ光学系の光結合装置であってもトラッキングエラー仕様を満足することができる。さらに、光アイソレータ９をペルチェ素子５上に搭載することで温度制御を可能にできる。これにより、光アイソレータ９の反射特性の性能安定性を高めることができ、信頼性の高い光結合装置の得ることができる。
【００４０】
次に、図４に本発明を適用した第３実施例の光結合装置の構造を表す縦断面図を示す。
【００４１】
図４の形態は基本的には図１の形態と同様の構造を有するが、図４において、図１に示した光結合装置と異なっている点は、レーザダイオード１の波長監視を行う機構をペルチェ素子５上に追加した点である。レーザダイオード１の後方（図４の紙面左側）には、レーザダイオード１の後方出射レーザ光を集光する結合用レンズ２９を設置し、光学フィルタ２７を通してフォトダイオード２でレーザ光を受光する。フォトダイオード２はキャリア部材２８に２つ取り付けてあり、１つは光学フィルタ２７を通して受光し、もう１つは光学フィルタ２７を通さずに結合用レンズ２９からの集光光を直接受光する。光学フィルタ２７は特定波長のレーザ光のみを透過する性質を持っており、透過光の変動によってフォトダイオード２の受光量が変化する。この受光量変化を観察することでレーザダイオード１から発振する波長の監視を行う。光学フィルタ２７を通さずに受光するフォトダイオード２は、第１実施例と同様にモニタ用である。これらの結合用レンズ２９、光学フィルタ２７、キャリア部材２８は、レーザダイオード１と共通するペルチェ素子５上に搭載して温度制御を可能にしている。これにより、光学フィルタ２７の透過性能を変動させることなく、安定した波長監視を行うことができる。また、ここでは、ペルチェ素子５からパッケージ６の側面までの距離（図中のL）は例えば２．５ｍｍ、レーザダイオード１から光ファイバ１５先端までの距離は例えば６．０ｍｍである。これにより、第１実施例で示した構造と同様に、ペルチェ素子５と光ファイバ１５先端をそれぞれパッケージ６の側面に近づけて設置することができ、熱変形による光結合変化を小さく抑えることができ、１枚レンズ光学系の光結合装置であってもトラッキングエラー仕様を満足することができる。
【００４２】
なお、第３の実施例では、ペルチェ素子５上に様々は部品を搭載するため、第１及び第２実施例の構造のペルチェ素子５よりも大きな形状のものを選択しているが、これに限らず、図１及び図３で示したものと同じ形状のものを使っても良い。この場合、ペルチェ素子５の上面に板状部材を追加し、その板状部材の上に基板部材３、結合レンズ２９、光学フィルタ２７、キャリア部材２８をそれぞれ搭載する。ペルチェ素子５から板状部材が突出した状態となるが、ペルチェ素子５で温度制御したときの板状部材の温度分布は、突出部分を含めても１度以下の分布状態であるため、ペルチェ素子５から突出した部分が形成されてもよい。
【００４３】
また、上記実施例においては、非球面レンズ４を例にとって説明してきたが、これに限らず、球状レンズやロッドレンズを使ってもよい。
【００４４】
また、上記実施例においては、分布帰還形のDFBレーザダイオード１を例にとって説明してきたが、これに限らず、その他のレーザダイオード１を使うことも考えられる。
【００４５】
また、上記実施例においては、光結合装置として発光装置を例にとって説明してきたが、これに限らず、受光装置あるいは受発光装置で構成してもよい。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、レーザダイオードと光ファイバの光結合を安定に保ち、トラッキングエラーを満足できる１枚レンズ光学系の光結合装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による光結合装置の全体構造を表す縦断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態による光結合装置の全体構造を表す一部断面の上面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態による光結合装置の全体構造を表す縦断面図である。
【図４】本発明の第３の実施形態による光結合装置の全体構造を表す縦断面図である。
【図５】本発明の実施形態による光結合装置のペルチェ素子搭載位置とトラッキングエラーの関係図である。
【符号の説明】
１・・・レーザダイオード（半導体発光素子）、２・・・モニタ用フォトダイオード（半導体受光素子）、３・・・基板部材（シリコン基板）、４・・・レンズ（非球面レンズ）、５・・・ペルチェ素子（温度制御素子）、６・・・パッケージ、７・・・ベース、８・・・パイプ（貫通孔部）、９・・・光アイソレータ、１０・・・ガイド部材、１１・・・光ファイバ保持部材、１２・・・ガラス窓、１３・・サーミスタ、１４・・・Ｖ字型溝、１５・・・光ファイバ、１６・・・光ファイバ被覆、１７・・・中継基板、１８・・・リード端子、１９・・・端子基板、２０・・・ペルチェ素子ポスト部材、２１・・・台座、２２・・・セラミックス基板、２３・・・電子制御素子（ＩＣ、ＬＳＩ）、２４・・・ワイヤボンディング、２５・・・取付け穴、２６・・・キャップ、２７・・・光学フィルタ、２８・・・キャリア部材、２９・・・結合レンズ、３０・・・メタライズパターン膜。
【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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