(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光半導体素子から出射された拡散光を集光レンズを用いて集光し、光ファイバの入射端に入射せしめ、前記光ファイバを伝送媒体として情報伝達を行う光半導体モジュールの製造方法であって、前記光ファイバから出力光を第１及び第２の出力光に分割し、前記第１の出力光の光量が最大となる位置に光軸調整を行い、つぎに、前記光ファイバを光軸と略平行な方向に所定距離移動させて、前記光半導体素子、前記集光レンズ、前記光ファイバの少なくとも何れか一つを光軸と略平行な方向に連続的に加振し、前記第１の出力光で入射光量を測定し、前記第２の出力光で入射光量変動量を測定して、前記光ファイバを前記入射光量変動量が最大となる位置より部品の固定時及び使用環境温度による位置ずれ量の分だけ光軸方向に移動した位置に光軸調整を行うことを特徴とする光半導体モジュールの製造方法。
【請求項２】
光軸方向の加振幅が前記光半導体素子の発振波長の略１／４以上略２倍以下の範囲内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の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信等に用いられる発光ダイオード、半導体レーザ等の光半導体素子と伝送媒体である光ファイバを光学的に結合させる光半導体モジュールの製造方法及び製造装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に光半導体モジュールは２つの工程で製造される。第１の工程は、光半導体素子と光ファイバを光学的に結合させる光軸調整である。第２の工程は、光半導体素子と光ファイバとレンズとそれらを保持する部材の固定である。まず、第１の工程である光軸調整について説明する。
【０００３】
従来、光通信装置等に用いられる発光ダイオードや半導体レーザ等の光半導体素子は伝送媒体である光ファイバと最大の光学的結合効率が得られるように、つまり光ファイバへの入射光量が最大となるように通常光学レンズ（以下レンズと称す）や集束性ロッドレンズ及び球レンズを介して位置決め調整が行われてきた。
【０００４】
図７は、例えば特開平１−１８０５０７公報に示された従来の光半導体モジュールの製造装置を示す図である。１は光ファイバであり、２は光ファイバ１の受光面、３は光半導体素子とレンズが一体に形成された光学組立体、４は光ファイバ１に入射する光量を測定する光パワーメータ、５は光学組立体３の光の出射方向を示す概略出射光軸である。光ファイバ１は基本光軸を含む互いに直交する２平面（θｘ、θｙ方向）で回転できるように支持され、また基本光軸Ｚ方向に移動可能な構成を取っている。光学組立体３はその出射光軸が基本光軸（Ｚ方向）に平行になるように固定され、光ファイバ１は光学組立体３の出射光軸５上で受光面２が光学組立体３に近接し保持される。この状態で従来の光軸調整方法を説明する。
【０００５】
光軸調整方法は、面サーチ工程・角度サーチ工程・焦点サーチ工程からなり、この順序で調整が行われる。まず面サーチ工程が行われる。面サーチ工程では光ファイバ１への入射光が光パワーメータ４でモニタされながら基本光軸（Ｚ方向）に直角で互いに直交する２方向（ＸＹ方向）に光ファイバを移動させ、光パワーメータ４の出力が最大となる位置に調整される。次に角度サーチ工程が行われる。角度サーチ工程では基本光軸（Ｚ方向）を含み互いに直交する２平面上で光ファイバ１が受光面２を中心に回転させ（θｘ、θｙ方向）、光パワーメータ４の出力が最大となる角度に調整される。次に焦点サーチ工程が行われる。焦点サーチ工程では、基本光軸方向（Ｚ方向）に光ファイバを少しずつ移動させながら、光パワーメータ４の出力が最大となる位置に光ファイバ１と光学組立体３との間隔を調整する。
【０００６】
焦点サーチ終了後は、再度面サーチ工程・角度サーチ工程・焦点サーチ工程が行われ、この一連の作業は数回繰り返して行われ、光ファイバ１と光学組立体３とが最大の光学的結合効率が得られるように、即ち光ファイバ１への入射光量が最大となるように調整される。
【０００７】
光軸調整終了後は光半導体素子とレンズと光ファイバ及びそれらを保持する部品を固定する第２工程に移行する。その固定法について説明する。図８は例えば特開平５−９５１６９号公報に示された従来の光半導体モジュールの断面図である。６は光半導体素子であり、ヒートシンク７上に固定される。８はステムでありステム８上に光半導体素子６と一体になったヒートシンク７が固定される。またステム８上にはキャン９が取り付けられ、光半導体素子６を気密封止し劣化を防止している。
【０００８】
１０はレンズであり光半導体素子６と対向するように配置されレンズホルダ１１に固定される。またレンズホルダ１１は左端でステム８を保持し光半導体素子６とレンズ１０が一体になった光学組立体が形成される。１２は光ファイバであり光ファイバ１２とスライドリング１４を用いて光軸１５と平行な方向及び垂直な方向に移動可能となっている。
【０００９】
この光半導体モジュールの光軸調整方法は角度サーチ工程が無い以外は、図７の説明と同じである。即ち、光半導体素子６とレンズ１０が一体となった光学組立体と光ファイバ１２との間で面サーチ工程と焦点サーチ工程を，交互に数回繰り返し、光ファイバ１２への入射光量が最大となる位置で調整が終了する。調整終了後は各部品間が固定される。即ち既に固定されているステム８とレンズホルダ１１、レンズ１０とレンズホルダ１１以外に光ファイバ１２とスライドリング１４の間、スライドリング１４とレンズホルダ１１の間を固定する必要がある。固定の際は、被固定物が両者とも金属の場合はＹＡＧ溶接又は半田固定、被固定物の一方が非金属の場合は接着剤を使用するのが一般的である。
【００１０】
以上示してきたように、従来の光半導体モジュールの製造方法は、光ファイバ入射光量が最大となる位置を求め、その位置においてＹＡＧ溶接等を用いて固定するというものであった。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
従来の製造方法では、光ファイバへの入射光量を光パワーメータ等の光量測定器にて観察しながら３次元の空間上で、光半導体素子と光ファイバとが最大の光学的結合効率が得られるように、即ち光ファイバへの入射光量が最大となるように光軸調整されており、光ファイバ端面から光半導体素子へ帰還する戻り光は考慮されてなかった。
【００１２】
一般的に光半導体素子に戻り光が入射した場合、活性層内では光の干渉が生じ、安定したレーザー発振が困難となり、満足のいく伝送特性を有することが難しくなる。従って戻り光が光半導体素子にできるだけ帰還しないように対策をとる必要があった。光ファイバはガラスやプラスチックの素材から成り、その入射端面はガラスやプラスチックの鏡面であり、約４％の反射率を有する。すなわち光ファイバの入射端面を照射する光の約４％は光ファイバの入射端面で反射され、反射された光のうち一部は光半導体素子に帰還する。光半導体素子へ帰還する戻り光の量はレンズによって形成される集光点と光ファイバとの位置関係によって変化する。このことを図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を用いて説明する。
【００１３】
図９（ａ）は従来のインフォーカス状態を示す図、図９（ｂ）は同ジャストフォーカス状態を示す図、図９（ｃ）は同アウトフォーカス状態を示す図である。１６は光半導体素子、１７はレンズ、１８は光ファイバである。１９は光半導体素子１６から出射された光線の軌跡を示す。図９（ａ）は光ファイバ１８がレンズ１７により形成された集光点より前側（レンズ側）に配置された場合（インフォーカス状態）を、図９（ｂ）は光ファイバ１８がレンズ１７により形成された集光点近傍に配置された場合（ジャストフォーカス状態）を、図９（ｃ）は光ファイバ１８がレンズ１７により形成された集光点より後側（レンズと反対側）に配置された場合（アウトフォーカス状態）を示す。
【００１４】
図９（ａ）、（ｃ）に示すインフォーカス状態やアウトフォーカス状態では、光半導体素子１６からの出射光の像は光ファイバ入射端面で大径の光ビームを形成しており、すなわち光軸と垂直な方向に収差を有した結合となっている。このため、光ファイバ端面からの戻り光がレンズ１７を通って光半導体素子１６に帰還する場合も光軸と垂直な方向に収差を持って帰還するため、光半導体素子１６への戻り光の絶対量は少ない。また光軸と垂直な方向に収差を有しているため光ファイバ入射光量は小さくなる。
【００１５】
一方図９（ｂ）に示すジャストフォーカス状態では光半導体素子１６からの出射光の像は光ファイバ入射端面で小径の光ビームを形成しており、すなわち光軸と垂直な方向の収差が他の２つに比べて小さく、ファイバ端からの戻り光がレンズ１７を通って光半導体素子に帰還する場合も光軸と垂直な方向の収差が小さくなるため戻り光の絶対量は多い。また光軸と垂直な方向の収差が小さいため光ファイバ入射光量は大きくなる。つまり従来の光半導体モジュールやその製造方法、製造装置は、光学的結合効率が最大となる位置に、即ち光ファイバ入射光量が最大となる位置，に調整していたため図９（ｂ）に示すジャストフォーカス状態に近い結合状態となっており、戻り光量の最大値が近傍に存在するポイントに位置決めされていたのである。
【００１６】
戻り光は次のような場合に問題となってくる。前記したように光ファイバを光軸と平行な方向及び光軸と垂直な方向の調整後に光半導体モジュールの固定は行われる。この時ＹＡＧ溶接や半田固定、接着剤固定が用いられるがその際に熱応力、残留応力等により軸ずれが生じる。この軸ずれにより戻り光の絶対量が最大となるポイントに近づく危険性がある。また、レンズホルダとして樹脂を使用した場合を考える。樹脂は線膨張係数の高い材質であり使用環境温度により大きく伸縮する。つまり光軸調整の環境中では問題が生じなくても、使用環境によりレンズホルダが伸縮し、光ファイバの位置がずれ、戻り光が最大となるポイントに近づくことがあるのである。またレンズとして樹脂を使用した場合を考える。樹脂は使用環境温度によって屈折率の変化を生じる。屈折率の変化は焦点距離の変化につながる。つまり、光軸調整の環境中では問題が生じなくても、使用環境により焦点距離が変化し相対的に光ファイバの位置がずれ、戻り光が最大となるポイントに近づくことがあるのである。
【００１７】
このように従来の光半導体モジュール及びその製造方法、製造装置は光学的結合効率が最大となる位置に即ち光ファイバ入射光量が最大となる位置に調整されており、戻り光の存在を無視していたため、固定時の位置ずれや使用環境による部材の伸縮、屈折率の変化等により戻り光の増大が避けられないという問題点を有していた。
【００１８】
本発明は上記課題を解消するためになされたものであり、製造を行う際、光半導体素子へ帰還する戻り光を抑え満足のいく伝送特性を有する光半導体モジュールを実現できる光半導体モジュールの製造方法及び製造装置を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明は、光半導体素子から出射された拡散光を集光レンズを用いて集光し、光ファイバの入射端に入射せしめ、前記光ファイバを伝送媒体として情報伝達を行う光半導体モジュールの製造方法であって、前記光半導体素子、前記集光レンズ、前記光ファイバの少なくとも何れか一つを光軸と略平行な方向に連続的に加振し、前記光ファイバへの入射光量と入射光量変動量を測定しながら光軸調整を行うようにした。
【００２０】
この構成により、製造を行う際、光半導体素子へ帰還する戻り光を抑え満足のいく伝送特性を有する光半導体モジュールを実現できる光半導体モジュールの製造方法を実現できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、光半導体素子から出射された拡散光を集光レンズを用いて集光し、光ファイバの入射端に入射せしめ、前記光ファイバを伝送媒体として情報伝達を行う光半導体モジュールの製造方法であって、前記光ファイバから出力光を第１及び第２の出力光に分割し、前記第１の出力光の光量が最大となる位置に光軸調整を行い、つぎに、前記光ファイバを光軸と略平行な方向に所定距離移動させて、前記光半導体素子、前記集光レンズ、前記光ファイバの少なくとも何れか一つを光軸と略平行な方向に連続的に加振し、前記第１の出力光で入射光量を測定し、前記第２の出力光で入射光量変動量を測定して、前記光ファイバを前記入射光量変動量が最大となる位置より部品の固定時及び使用環境温度による位置ずれ量の分だけ光軸方向に移動した位置に光軸調整を行うことを特徴とする光半導体モジュールの製造方法であり、この構成により、光ファイバ端面からの戻り光量を評価できる。
【００２３】
請求項２に記載の発明は、光軸方向の加振幅が前記光半導体素子の発振波長の略１／４以上、略２倍以下の範囲内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の製造方法であり、この構成により、加振幅を必要最低限のストロークに抑えたため測定時間を短縮できる。
【００２５】
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施の形態における光半導体モジュールの製造装置を示す概略図、図２は同光半導体モジュールの製造方法を示すフローチャート、図３は同光半導体素子の活性層内での光の電界成分の振幅を示す図、図４は同光半導体素子の活性層内での光の電界成分の振幅を示す図、図５は同入射波と反射波の位相を示す図、図６は同光半導体モジュールの軸ずれ特性（入射光量、入射光量変動量）を示す図である。
【００２６】
図１において２１は光半導体素子が内部に気密封止された光半導体組立体、２２は光半導体素子を駆動するためのドライバ、２３は光半導体組立体２１から出射された光を集光するためのレンズ、２４は光の伝送媒体としての光ファイバ、２５は内部に光ファイバ２４が挿入固定されたフェルール、２６はビームスプリッタであり、入射光を２つの出力光に分岐する作用を有する。２７はビームスプリッタ２６に接続された第１の出力用光ファイバであり、光測定手段としての光パワーメータ２９に接続される。
【００２７】
２８はビームスプリッタ２６に接続された第２の出力用光ファイバであり、受光素子３０に接続され、受光素子３０で受光した光量変動成分は光測定手段としてのオシロスコープ３１にて測定される。受光素子３０は高速応答が可能なｐｉｎ−ＰＤを用いる。光半導体組立体２１とレンズ２３は固定ホルダ（図示せず）に固定され、光ファイバ２４が挿入固定されたフェルール２５は互いに直交するＸＹＺ３軸方向に移動可能なステージ（図示せず）上に保持される。
【００２８】
次に光軸調整方法について、図２に示すフローチャ−トを用いて説明する。ドライバ２２の電源をオンにして（工程２−１）、光半導体組立体２１から光を出射させる（工程２−２）。光半導体組立体２１中の光半導体素子とレンズ２３との中心はほぼ一致するように予め設定されている。光半導体素子から出射された光はレンズ２３により集光される。光ファイバ２４と光半導体素子との光軸調整はレンズ２３により形成される集光点と光ファイバ２４との光軸調整を意味する。光ファイバ２４が挿入固定されたフェルール２５は互いに直交するＸＹＺ３軸方向に移動可能な自動ステージ上に保持されており、その調整方法は以下の工程をとる。
【００２９】
まず、光ファイバ２４への入射光量が最大となる位置を求める。光ファイバ２４への入射光はビームスプリッタ２６により第１の出力用光ファイバ２７と第２の出力用光ファイバ２８の２方向に分割され、それら２方向への分配量は約等分になるように構成されている。すなわち光ファイバ２４への入射光量の半分が第１の出力用光ファイバに２７に配分され、その光量は光パワーメータ２９により測定される。光パワーメータ２９の値を読みながら、フェルール２５が固定された自動ステージを移動し（工程２−３、４）光ファイバ２４への入射光量が最大となる位置を求める。入射光量が最大となる位置が求まったら（工程２−５）、次に入射光量変動量の測定を行う。入射光量変動量の測定はフェルール２５を光軸方向に±１μｍ程度で連続的に加振しながら、かつ光軸方向に±３００μｍ程度の範囲を１０μｍピッチ程度で走査しながら測定する。
【００３０】
入射光量変動量の測定工程を図２を用いて詳細に説明する。まずフェルール２５をＺ方向に−３００μｍ（レンズに近づく方向）だけ移動する（工程２−６）。次にフェルール２５を＋１０μｍ（レンズから遠ざかる方向）だけ移動し（工程２−７）、第１の出力用光ファイバ２７に入射する光量を光パワーメータ２９を用いて測定する（工程２−８）。次にフェルール２５を振幅±１μｍで加振し（工程２−９）、光ファイバ入射光量をオシロスコープ３１を用いて測定する（工程２−１０）。さらにフェルール２５をＺ方向に＋１０μｍだけ移動を繰り返し、工程２−７から工程２−１０を繰り返し、フェルール２５がＺ方向に±３００μｍの範囲の移動が終了し（工程２−１１）、入射光量変動量の測定工程が終了すると、結果をグラフにプロットする（工程２−１２）。
【００３１】
工程２−９、工程２−１０の過程をもう更に詳しく説明する。図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は光半導体素子の活性層内での光の電界成分の振幅の様子を示したものである。今この活性層内に図３（ｂ）に示す様な同波長で同位相の波が進入してきたとすると、２つの波は強め合い、図３（ｃ）に示すような、より大きな振幅を持った波が形成される。一方図４（ａ）に示す波が存在する活性層内に図４（ｂ）に示すような同波長で逆位相の波が進入してきたとすると、２つの波は弱め合い図４（ｃ）に示すように波の振幅は小さくなる。つまりこのことは、光半導体素子の活性層に戻り光等の光が同位相で進入した場合光強度は強くなり、逆位相で進入した場合は光強度は弱くなることを示している。
【００３２】
図５（ａ）は入射波と光ファイバ端で反射された反射波の位相の関係を光ファイバの光軸方向の位置ずれ（シフト量）をパラメータとして示したものであり、入射波を実線で反射波を破線で示している。この図から分かるように光ファイバとの反射が入射波のどこで行われるかによって、入射波と反射波との位相は変化し、光ファイバのシフト量が０〜λの間で逆位相と同位相が交互に現れることが分かる。
【００３３】
図５（ｂ）は入射波と反射波の合成を表すものであり、逆位相の部分では光の振幅が減少し、同位相の部分では光の振幅が増加していることが分かる。従って光ファイバのシフト量を０〜λとしたとき光ファイバに入射する入射光量は大きな値と小さな値を示し入射光量変動をもつこととなる。なお説明ではファイバのシフト量を０〜λの間としたが、λを越えた領域でも同様な傾向は続く。
【００３４】
入射光量変動量の大小は戻り光の大小に依存し、戻り光が多いときは入射光量変動量は大きく、戻り光が少ないときは入射光量変動量は小さくなり、つまりジャストフォーカス近傍では入射光量変動量は大きく、インフォーカスやアウトフォーカス状態では入射光量変動量は小さくなる。本発明は光ファイバの加振幅つまりシフト量を使用発振波長の１／４倍から２倍としている。つまりこの範囲内の加振幅を選択すれば加振途中に、入射波と反射波の位相が逆位相と同位相を示す点が存在し、入射光量変動量が測定できるのである。
【００３５】
図６（ａ）、（ｂ）はλ＝７８０ｎｍの光半導体素子を用いたときの図２工程２−１２の測定結果を示す図である。図６（ａ）は光ファイバを光軸と垂直な２方向（ＸＹ方向）に±４０μｍの範囲を１μｍピッチで走査し光ファイバ入射光量をプロットした図である。また図６（ｂ）は光ファイバを光軸と平行な方向（Ｚ方向）に±３００μｍの範囲を１０μｍピッチで走査しながら、光ファイバ入射光量と光ファイバ入射光量変動量をプロットした図である。図中の実線は入射光量を、破線は入射光量変動量を示す。図から分かるように、入射光量が最大となる位置の近傍には入射光量変動量が最大となるポイントが存在する事が確認できる。
【００３６】
先に述べたように光半導体モジュールの各部品をＹＡＧ溶接、半田固定、接着固定する際には多少の部品間の位置ずれが生じる。その時戻り光量が増大する方向に位置ずれを起こすことがある。またレンズを保持するレンズホルダを樹脂で構成した場合には、使用環境温度により熱伸縮を起こし戻り光量が増大する方向に伸縮することがある。さらにレンズを樹脂で構成した場合には使用環境温度によりレンズの屈折率が変化し、焦点距離に変動を起こし、戻り光量が増大する方向に変動を起こすことがある。しかしながらそれらの位置ずれ量や伸縮量、焦点距離の変動量というのは実験的にあるいは計算で求められるものである。
【００３７】
本発明では図２工程２−１２で作成される図６（ｂ）のグラフにより入射光量変動量が最大となるポイントが確認でき、上記した実験的あるいは計算で求められた変動量の分だけ戻り光量が最大となるポイントから光軸方向に意図的に位置ずれしたポイントに移動でき（図２工程２−１３）、その点を最終調整位置とすることが可能となるため、各部品間をＹＡＧ溶接、半田固定、接着固定する際に位置ずれが生じても戻り光量が増大することはない。またレンズを保持するレンズホルダを樹脂で構成し使用環境温度により熱伸縮を起こしても戻り光量が増大することはない。さらにレンズを樹脂で構成した場合も、使用環境温度により戻り光量が増大することはない。
【００３８】
以上のように、光ファイバ入射光量と光ファイバ入射光量変動量を同時に測定し、光ファイバ入射光量変動量が最大となる位置を避けて光軸調整が可能であるため、安定した伝送特性を有する光半導体モジュールを製造できる。
【００３９】
なお、本実施の形態では入射光を２つの出力光に分岐する際、ビームスプリッタを使用したがカップラーであっても何ら問題はない。また入射光を２つの出力光に分けたが、分岐することなく、入射光を直接１つの受光素子に入射し、入射光量をＤＣ成分として測定し、入射光量変動量をＡＣ成分として測定しても良い。
【００４０】
さらに本実施の形態では光ファイバのみ移動可能としたが、光半導体素子やレンズが移動可能としても同様の結果が得られることは言うまでもない。また、λ＝７８０ｎｍの光半導体素子で説明したが他の発振波長を有する光半導体素子であっても同様の結果が得られることは言うまでもない。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、光半導体素子、集光レンズ、光ファイバの少なくとも１つを光軸と略平行な方向に加振し、光ファイバへの入射光量と入射光量変動量を測定しながら光軸調整を行うようにしているので、戻り光の影響を受けにくい調整位置決めが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態における光半導体モジュールの製造装置を示す概略図
【図２】本発明の一実施の形態における光半導体モジュールの製造方法を示すフローチャート
【図３】本発明の一実施の形態における光半導体素子の活性層内での光の電界成分の振幅を示す図
【図４】本発明の一実施の形態における光半導体素子の活性層内での光の電界成分の振幅を示す図
【図５】本発明の一実施の形態における入射波と反射波の位相を示す図
【図６】本発明の一実施の形態における光半導体モジュールの軸ずれ特性（入射光量、入射光量変動量）を示す図
【図７】従来の光半導体モジュールの製造装置を示す図
【図８】従来の光半導体モジュールの断面図
【図９】（ａ）従来のインフォーカス状態を示す図
（ｂ）従来のジャストフォーカス状態を示す図
（ｃ）従来のアウトフォーカス状態を示す図
【符号の説明】
２１  光半導体組立体
２２  ドライバ
２３  レンズ
２４  光ファイバ
２５  フェルール
２６  ビームスプリッタ
２７  第１の出力用光ファイバ
２８  第２の出力用光ファイバ
２９  光パワーメータ
３０  受光素子
３１  オシロスコープ
【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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【図８】
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【図９】
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