(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製容器に設けられた開口部に接合されるとともに、前記金属製容器内に収納される光半導体素子に光学的に結合される複数の光ファイバを保持する多芯型光ファイバ保持部材であって、略直方体とされ、前記光ファイバをそれぞれ挿通するための複数の貫通孔が主面の略中央部に長辺方向に略平行に配列されたセラミック基板と、該セラミック基板の一主面の外周部に全周にわたって形成された前記金属製容器の前記開口部に接合される、長辺に沿った部位の幅が0.5〜５ｍｍで短辺に沿った部位の幅が0.3〜５ｍｍであるメタライズ層とを具備したことを特徴とする多芯型光ファイバ保持部材。
【請求項２】
上面が開放された略直方体の箱型であって、内部の底面に複数の光半導体素子が載置される載置部を有するとともに一側面の略中央部に開口部を有する金属製容器と、前記載置部に載置固定された前記複数の光半導体素子と、前記金属製容器の上面に接合された蓋体と、前記開口部に接合された請求項１記載の多芯型光ファイバ保持部材と、前記複数の光半導体素子にそれぞれ光学的に結合された複数の光ファイバとを具備したことを特徴とする光半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の光ファイバを保持するための多芯型光ファイバ保持部材、および高温環境下で使用可能であるとともに気密性に優れ、また大容量のデータを送受信可能とする光半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、内部に半導体レーザ（ＬＤ），フォトダイオード（ＰＤ）等の光半導体素子を収納するとともに、光ファイバが容器の側面等から挿通されて光ファイバと光半導体素子とを光学的に結合させて使用する光半導体装置は、光ファイバを保持する部位が単芯型光ファイバ保持部材（以下、単芯型保持部材ともいう）により構成されていた。この単芯型保持部材はセラミック基板に光ファイバ挿通用の貫通孔が１つ形成されたものであり、光ファイバを貫通孔に挿通し接合した後は光半導体装置の内部の気密性が非常に優れたものとなる。また、光半導体装置の容器が鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金やＦｅ−Ｎｉ合金等の金属により構成されるのをはじめとして、単芯型保持部材も非常に信頼性の高いアルミナセラミックス等のセラミックから成るため高温環境下でも使用可能である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、単芯型保持部材は、一本の光ファイバを光半導体装置に設置するための部材であり、複数の光ファイバを設置するものではない。即ち、大容量のデータを送受信可能とするためには、複数の光ファイバを設置可能な多芯型光ファイバ保持部材（以下、多芯型保持部材ともいう）が必要となる。
【０００４】
現在、大容量のデータを送受信可能とするための多芯型保持部材は、光ファイバ挿通用の貫通孔が複数形成された樹脂製のものを用いている。この場合、セラミックから成る単芯型保持部材に比しデータ通信の大容量化は可能となるが、樹脂の有する水分透過性，高熱膨張係数等により、光半導体装置内部の光半導体素子と光ファイバとの光の結合効率が劣化し易い。即ち、水分が樹脂の部位から透過することによる光半導体素子の酸化や、高温環境下の場合に樹脂と光ファイバ，容器との熱歪みによる多芯型保持部材の接合の劣化により、光半導体素子の光軸と光ファイバと光軸とがずれて光の結合効率が劣化するといった問題が発生していた。
【０００５】
多芯型保持部材として信頼性の高いセラミックから成るものを用いることも考えられるが、光ファイバと光半導体素子との光の結合がほんのわずかずれた場合でも光半導体素子または光ファイバの光出力が劣化し、光結合効率が劣化するため、セラミックスから成る多芯型保持部材と金属から成る容器とを用いた場合には、それらの熱膨張係数差により熱歪みを起こし光結合効率が劣化し易いという問題点があった。
【０００６】
従って、本発明は上記問題点に鑑み完成されたものであり、その目的は、信頼性の高いセラミックから成るとともに高い光結合効率を保持して金属製容器に設置できる多芯型保持部材を提供することであり、また高温環境下で信頼性良く使用可能であるとともに気密性に優れ、大容量のデータを送受信可能な光半導体装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の多芯型光ファイバ保持部材は、金属製容器に設けられた開口部に接合されるとともに、前記金属製容器内に収納される光半導体素子に光学的に結合される複数の光ファイバを保持する多芯型光ファイバ保持部材であって、略直方体とされ、前記光ファイバをそれぞれ挿通するための複数の貫通孔が主面の略中央部に長辺方向に略平行に配列されたセラミック基板と、該セラミック基板の一主面の外周部に全周にわたって形成された前記金属製容器の前記開口部に接合される、長辺に沿った部位の幅が0.5〜５ｍｍで短辺に沿った部位の幅が0.3〜５ｍｍであるメタライズ層とを具備したことを特徴とする。
【０００８】
本発明の多芯型光ファイバ保持部材は、上記の構成により、信頼性の高いセラミックから成るとともに高い光結合効率を保持して金属製容器に設置できるものとなる。
【０００９】
本発明の光半導体装置は、上面が開放された略直方体の箱型であって、内部の底面に複数の光半導体素子が載置される載置部を有するとともに一側面の略中央部に開口部を有する金属製容器と、前記載置部に載置固定された前記複数の光半導体素子と、前記金属製容器の上面に接合された蓋体と、前記開口部に接合された請求項１記載の多芯型光ファイバ保持部材と、前記複数の光半導体素子にそれぞれ光学的に結合された複数の光ファイバとを具備したことを特徴とする。
【００１０】
本発明の光半導体装置は、上記の構成により、信頼性が高くかつ高い光結合効率を保持できる多芯型光ファイバ保持部材を用いていることから、高温環境下で使用可能であるとともに気密性に優れ、大容量のデータを送受信可能なものとなる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の多芯型光ファイバ保持部材および光半導体装置について以下に詳細に説明する。図１は本発明の多芯型光ファイバ保持部材を用いた光半導体装置の分解斜視図である。同図において、１ａはセラミック基板、１ｂは光ファイバを挿通するための貫通孔、１ｃはメタライズ層であり、これらセラミック基板１ａ、貫通孔１ｂおよびメタライズ層１ｃで多芯型保持部材１が構成される。また、２は金属製容器、２ａは複数の光半導体素子３が載置される載置部、２ｂは多芯型保持部材１が接合される側面の略中央部に形成された開口部２ｂである。
【００１２】
本発明の多芯型保持部材１を成すセラミック基板１ａは、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）セラミックスやジルコニア（ＺｒＯ2）セラミックス等のセラミックスから成り、その原料粉末に適当な有機バインダや溶剤等を添加混合しスラリーと成すとともに、このスラリーをドクターブレード法やカレンダーロール法によってセラミックグリーンシートと成し、しかる後セラミックグリーンシートに貫通孔１ｂを形成するための打ち抜き加工を施し、これを約1600℃の高温で焼結することにより作製される。
【００１３】
なお、セラミック基板１ａの一主面の外周部には、全周にわたって形成された、長辺に沿った部位の幅が0.5〜５ｍｍで短辺に沿った部位の幅が0.3〜５ｍｍであるメタライズ層１ｃが被着される。このメタライズ層１ｃは、タングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）、マンガン（Ｍｎ）等で形成されており、例えばＭｏ粉末とＭｎ粉末と添加剤としてのシリカ（ＳｉＯ2）粉末とに有機溶剤、溶媒を混合して得た金属ペーストを、セラミック基板１ａの表面に従来周知のスクリーン印刷法により印刷塗布し、約1300℃で焼結することによりセラミック基板１に形成される。
【００１４】
セラミック基板１ａの長辺に沿った部位のメタライズ層１ｃの幅が0.2ｍｍ未満の場合、多芯型保持部材１と金属製容器２との銀（Ａｇ）ロウ等によるロウ付けが脆弱なものとなる。即ち、多芯型保持部材１と金属製容器２との接合部が非常に小さいため接合強度が低く、光半導体装置の内部の気密性が劣化する。また、上記幅が0.5ｍｍ未満になると、光半導体素子３と光ファイバとの光結合効率が劣化することが分かった。具体的には、温度サイクルテストを用いた耐環境試験において、−40℃〜＋85℃、1000サイクルの条件では、幅が0.4ｍｍの場合は光挿入損失が±0.65デシベル（ｄＢ）程度であり、一般的に±0.5ｄＢ以内が良好とされているのに対して、損失が非常に大きいことが分かった。同様の試験において幅が0.5ｍｍの場合は±0.4ｄＢとなり良好であることが分かった。
【００１５】
一方、セラミック基板１ａの長辺に沿った部位のメタライズ層１ｃの幅が７ｍｍを超える場合、多芯型保持部材１と金属製容器２との接合部が大きくなり、それらの熱膨張係数差による熱歪みにより、それらの間にクラックや剥がれが発生し光半導体装置の内部の気密性が劣化する。また、上記幅が５ｍｍを超えると、光半導体素子３と光ファイバとの光結合効率が劣化することが分かった。具体的には、温度サイクルテストを用いた耐環境試験において、−40℃〜＋85℃、1000サイクルの条件では、幅が６ｍｍの場合は光挿入損失が±0.58ｄＢ程度であり、一般的に±0.5ｄＢ以内が良好とされているのに対して、損失が非常に大きいことが分かった。同様の試験において５ｍｍの場合は±0.45ｄＢとなり良好であることが分かった。
【００１６】
従って、セラミック基板１ａの長辺に沿った部位のメタライズ層１ｃの幅は、多芯型保持部材１と金属製容器２との接合強度、および光半導体素子３と光ファイバとの光結合効率の二つの観点から0.5〜５ｍｍとする。
【００１７】
また、セラミック基板１ａの短辺に沿った部位のメタライズ層１ｃの幅が0.2ｍｍ未満の場合、多芯型保持部材１と金属製容器２との銀（Ａｇ）ロウ等によるロウ付けが脆弱なものとなる。即ち、多芯型保持部材１と金属製容器２との接合部が非常に小さいため接合強度が低く、光半導体装置の内部の気密性が劣化する。また、上記幅が0.3ｍｍ未満になると、光半導体素子３と光ファイバとの光結合効率が劣化することが分かった。具体的には、温度サイクルテストを用いた耐環境試験において、−40℃〜＋85℃、1000サイクルの条件では、幅が0.2ｍｍの場合は光挿入損失が±0.59ｄＢ程度であり、一般的に±0.5ｄＢ以内が良好とされているのに対して、損失が非常に大きいことが分かった。同様の試験において0.3ｍｍの場合は±0.45ｄＢとなり良好であることが分かった。
【００１８】
一方、セラミック基板１ａの短辺に沿った部位のメタライズ層１ｃの幅が７ｍｍを超える場合、多芯型保持部材１と金属製容器２との接合部が大きくなり、それらの熱膨張係数差による熱歪みにより、それらの間にクラックや剥がれが発生し光半導体装置の内部の気密性が劣化する。また、上記幅が５ｍｍを超えると、光半導体素子３と光ファイバとの光結合効率が劣化することが分かった。具体的には、温度サイクルテストを用いた耐環境試験において、−40℃〜＋85℃、1000サイクルの条件では、幅が６ｍｍの場合は光挿入損失が±0.58ｄＢ程度であり、一般的に±0.5ｄＢ以内が良好とされているのに対して、損失が非常に大きいことが分かった。同様の試験において５ｍｍの場合は±0.42ｄＢとなり良好であることが分かった。
【００１９】
従って、セラミック基板１ａの短辺に沿った部位のメタライズ層１ｃの幅は、多芯型保持部材１と金属製容器２との接合強度、および光半導体素子３と光ファイバとの光結合効率の二つの観点から、0.3〜５ｍｍとする。
【００２０】
なお、メタライズ層１ｃは、セラミック基板１ａの長辺および短辺に沿った部位の幅がいずれも上記寸法内にある場合に、多芯型保持部材１と金属製容器２との接合強度、および光半導体素子３と光ファイバとの光結合効率の二つの特性を十分に満足させ得ることが分かった。
【００２１】
さらに、メタライズ層１ｃはセラミック基板１ａの一主面の外周部に全周にわたって形成されなければならず、メタライズ層１ｃがたとえ上記寸法内で形成されていてもセラミック基板１ａの一部にでもメタライズ層１ｃが形成されない部位がある場合は、セラミック基板１ａ、メタライズ層１ｃ、金属製容器２のそれぞれの熱膨張係数差により、セラミック基板１と金属製容器２との間で剥がれ等が発生したり、光半導体素子３と光ファイバの光結合効率が劣化する。即ち、セラミック基板１と金属製容器２とを接合した際に熱歪みが発生しても、多芯型保持部材１と金属製容器２との接合強度、および光半導体素子３と光ファイバとの光結合効率の二つの特性を十分に満足させるためには、メタライズ層１ｃがセラミック基板１ａの一主面の外周部に全周にわたって形成されなければならない。全周にわたって形成されていないと、セラミック基板１と金属製容器２との接合部において、メタライズ層１ｃが熱歪みのバランスをとることが困難になる。
【００２２】
このようなメタライズ層１ｃの表面には、酸化腐食を有効に防止し得るとともに、金属製容器２とのロウ材の濡れ性を良好とし得るニッケル（Ｎｉ）メッキ層が被着されるのがよい。
【００２３】
また、セラミック基板１に形成された貫通孔１ｂは、光ファイバの径よりも１μｍ程度大きいほうが良い。１μｍ未満の場合、光ファイバと貫通孔１ｂとの隙間が小さ過ぎるため、光ファイバを貫通孔１ｂの内部に挿通した後の低融点ガラスによる接合を強固とし難い。即ち、この場合、光ファイバと貫通孔１ｂ内周面との間の低融点ガラスにボイド等が発生し、それらの接合が脆弱なものとなる。一方、１μｍを超える場合、光ファイバと貫通孔１ｂとの隙間が大き過ぎるため、光ファイバの中心が貫通孔１ｂの中心から大きくずれ易くなる。その結果、貫通孔１ｂの中心が光半導体素子３の光入出力面に位置するように光半導体素子３を金属製容器２に載置固定しても、光ファイバと光半導体素子３との光結合を良好なものとし難い。
【００２４】
このような多芯型保持部材１がロウ付けされる金属製容器２は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ合金等から成り、例えば上面が開放された略直方体の箱型であって、内部に空洞を有するものである。その内部の底面には複数の光ファイバにそれぞれ光学的に結合される複数の光半導体素子３が載置される載置部２ａを有しており、また、多芯型保持部材１が接合される側面には略中央部に複数の貫通孔１ｂを開口内に含むように形成された開口部２ｂを有する。この開口部２ｂは、多芯型保持部材１が接合される金属製容器２の側面の略中央部に形成されており、その大きさは複数の貫通孔１ｂを囲むように形成される。即ち、複数の光ファイバが金属製容器２の内部にまで挿通されるように形成される。
【００２５】
金属製容器２は、例えばＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金から成る場合、そのインゴットに圧延加工や打ち抜き加工等の従来周知の金属加工法を施すことによって所定形状に製作される。また、金属製容器２の表面には、酸化防止およびロウ材の接合性を向上させるために厚さ0.5〜９μｍのＮｉメッキ層や厚さ0.5〜５μｍの金（Ａｕ）メッキ層を被着するのがよい。
【００２６】
そして、本発明においては、多芯型保持部材１の貫通孔１ｂに光ファイバを挿通し低融点ガラスで接合した後、この多芯型保持部材１をメタライズ層１ｃを介してＡｇロウ等のロウ材で金属製容器２の側面の開口部２ｂに接合する。その後、載置部２ａに光半導体素子３を樹脂接着剤，ロウ材等の接着剤で載置固定し、しかる後、金属製容器２の上端に蓋体４をＡｕ−Ｓｎ（錫）等の低融点ロウ材で接合することにより製品としての光半導体装置となる。そして、光半導体素子３と外部装置（図示せず）とは光ファイバを介して光信号を入出力する。
【００２７】
【実施例】
本発明の光半導体装置の実施例について以下に説明する。
【００２８】
まず、純度99％以上で長辺が15.5ｍｍ、短辺が11.5ｍｍ、厚さが１ｍｍのＡｌ2Ｏ3セラミックス製のセラミック基板１ａを準備した。このセラミック基板１ａには光ファイバをそれぞれ挿通するための直径126μｍの複数の貫通孔１ｂが主面の略中央部に長辺方向に略平行に８個配列されている。次に、セラミック基板１ａの一主面の外周部に全周にわたってＭｏ−Ｍｎから成る金属ペーストを印刷塗布し約1300℃で焼結し、メタライズ層１ｃを形成した。なお、金属ペーストは焼結後の厚さが約15μｍとなるように印刷塗布されるとともに、長辺に沿った部位の幅と短辺に沿った部位の幅とを種々に決めて形成した。そして、メタライズ層１ｃの表面に電界メッキ法により厚さ約３μｍのＮｉメッキ層を被着した。このようにして多芯型保持部材１を種々作製した。
【００２９】
そして、各貫通孔１ｂに直径が約125μｍの光ファイバを挿通するとともに、貫通孔１ｂの内周面と光ファイバとを、酸化鉛（ＰｂＯ2）50重量％、酸化珪素（ＳｉＯ2）30重量％、その他の添加成分20重量％を含有する低融点ガラスで接合した。
【００３０】
次に、略長方形の開口部２ｂを有する金属製容器２を準備した。この開口部２ｂは８個の貫通孔１ｂを囲むような大きさに形成した。開口部２ｂの大きさはセラミック基板１ａの長辺に平行な長辺の長さを７ｍｍ、セラミック基板１の短辺に平行な短辺の長さを１ｍｍとした。
【００３１】
そして、光ファイバが接合された多芯型保持部材１と開口部２ｂが形成されている金属製容器２の側面とを、メタライズ層１ｃを介してＡｇ−Ｃｕ合金ロウ材で接合した。なお、Ａｇ−Ｃｕ合金ロウ材は厚さ0.05ｍｍの板状のプリフォームを用いており、約820℃の融点であるものとした。
【００３２】
次に、各光半導体素子３の光入出力面の中心が各貫通孔１ｂの中心と対向し一致するように、８個の光半導体素子３を載置部１ｂに載置固定した。そして、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金から成る蓋体４を金属製容器２の上端にＡｕ−Ｓｎ合金ロウ材で接合し光半導体装置と成した。
【００３３】
これらの光半導体装置について、セラミック基板１ａの一主面の外周部の長辺に沿った部位の幅と、短辺に沿った部位の幅とをパラメータにとり、光半導体装置の内部の気密性の試験を行った。
【００３４】
次に、光半導体素子３を取り除き、多芯型保持部材１と金属製容器２とが接合されたものについて、温度サイクルテストを用いた耐環境試験（−40℃〜＋85℃、1000サイクルの条件）を施し、金属製容器２の内部に光半導体素子３を接合し直した。そして、光半導体素子３と光ファイバとの光挿入損失を測定した。この測定は、光出力１ｍＷの光源の光を光ファイバから８個の光半導体素子（ＰＤ）３のそれぞれに入力し、それらの光半導体素子３の出力変動を耐環境試験の前後で計測し、変動が最も大きいものの値を表１に記載した。
【００３５】
表１にセラミック基板１ａの長辺の幅を主に変化させた場合の気密性および光挿入損失、表２にセラミック基板１ａの短辺の幅を変化させた場合の気密性および光挿入損失を示す。
【００３６】
【表１】
0003825339.tif 000002
【００３７】
表１より、長辺の幅が0.2ｍｍ未満の場合、即ち0.1ｍｍの場合は、メタライズ層１ｃが完全に形成されている場合でも気密性が無かった。一方、７ｍｍを超える場合、即ち８ｍｍ，９ｍｍの場合も気密性が無かった。また、0.2〜７ｍｍの場合でも、メタライズ層１ｃが一部に形成されない部位がある場合には気密性が無かった。そして、0.2〜７ｍｍのものについて光挿入損失の測定を行ない、0.5〜５ｍｍの場合に±0.5ｄＢ以内であった。
【００３８】
【表２】
0003825339.tif 000003
【００３９】
表２より、短辺の幅が0.2ｍｍ未満の場合、即ち0.1ｍｍの場合は、メタライズ層１ｃが完全に形成されている場合でも気密性が無かった。一方、７ｍｍを超える場合、即ち８ｍｍ，９ｍｍの場合も気密性が無かった。また、0.2〜７ｍｍの場合でも、メタライズ層１ｃが一部に形成されない部位がある場合には気密性が無かった。そして、0.2〜７ｍｍのものについて光挿入損失の測定を行ない、0.3〜５ｍｍの場合に±0.5ｄＢ以内であった。
【００４０】
なお、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を施すことは何等差し支えない。
【００４１】
【発明の効果】
本発明の多芯型光ファイバ保持部材は、金属製容器に設けられた開口部に接合されるとともに、金属製容器内に収納される光半導体素子に光学的に結合される複数の光ファイバを保持する多芯型光ファイバ保持部材であって、略直方体とされ、光ファイバをそれぞれ挿通するための複数の貫通孔が主面の略中央部に長辺方向に略平行に配列されたセラミック基板と、セラミック基板の一主面の外周部に全周にわたって形成された金属製容器の開口部に接合される、長辺に沿った部位の幅が0.5〜５ｍｍで短辺に沿った部位の幅が0.3〜５ｍｍであるメタライズ層とを具備したことにより、信頼性の高いセラミックから成るとともに高い光結合効率を保持して金属製容器に設置できるものとなる。
【００４２】
本発明の光半導体装置は、上面が開放された略直方体の箱型であって、内部の底面に複数の光半導体素子が載置される載置部を有するとともに一側面の略中央部に開口部を有する金属製容器と、載置部に載置固定された複数の光半導体素子と、金属製容器の上面に接合された蓋体と、開口部に接合された本発明の多芯型光ファイバ保持部材と、複数の光半導体素子にそれぞれ光学的に結合された複数の光ファイバとを具備したことにより、信頼性が高くかつ高い光結合効率を保持できる多芯型光ファイバ保持部材を用いていることから、高温環境下で使用可能であるとともに気密性に優れ、大容量のデータを送受信可能なものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の多芯型光ファイバ保持部材を用いた光半導体装置について実施の形態の一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１：多芯型光ファイバ保持部材
１ａ：セラミック基板
１ｂ：貫通孔
１ｃ：メタライズ層
２：金属製容器
２ａ：載置部
２ｂ：開口部
３：光半導体素子
４：蓋体
【図１】
0003825339.tif 000004