JP2000028870A - 光結合装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】特殊な設備を用いることなく、短時間かつ容易
な作業で非球面レンズの位置調整を行い、高い効率で半
導体素子と光ファイバとを光結合させる。 【解決手段】シリコン基板４は、２つのＶ溝５，５５を
備えており、非球面レンズ３は、その外周面１５が２つ
のＶ溝５，５５の一方のＶ溝５５に少なくとも４個所で
線接触するように、Ｖ溝５５の斜面１７の形成角度と略
同じ角度で非球面レンズ３の外周面１５が面取り１８形
成されており、Ｖ溝５，５５に直接固定されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば光通信の光
源に用いられ、レンズを介して半導体素子と光ファイバ
とを光学的に結合させる光結合装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の光結合装置の構造に係わ
る公知技術として、例えば、特開平5−37024号公報，特
開平4−261076号公報，特開平9−90174号公報、及び特
開平6−289256号公報がある。

【０００３】特開平5−37024号公報に記載の光結合装置
は、半導体発光素子と光ファイバとの光結合を球レンズ
を介して行うものである。すなわち、半導体発光素子を
固定するための位置合せパターンを付けた台形溝，球レ
ンズを固定するためのＶ溝が、２枚の半導体ウェハから
なる光結合用基板にそれぞれ形成されている。そして、
それら台形溝及びＶ溝の深さは、半導体発光素子のレー
ザ出射部と、球レンズの中心部、及び光ファイバのコア
の中心部が一致するように、個々の光デバイスの大きさ
や形状に応じて設定されている。なお、球レンズの位置
調整は、傾き（水平断面内におけるレンズ光軸線とのず
れ、以下本明細書中において同様）・倒れ(鉛直断面内
におけるレンズ光軸線とのずれ、以下本明細書中におい
て同様)が生じても無視でき、光結合効率に影響はない
ため、半導体発光素子との距離及び高さを合せるだけで
足りる。

【０００４】なお、特開平4−261076 号公報にも、ほぼ
同様の構成の光結合装置が開示されている。

【０００５】特開平9−90174号公報に記載の光結合装置
は、半導体レーザと光ファイバとの光結合を第１及び第
２のレンズを備えた２レンズ系によって行うものであ
る。第１のレンズは半導体レーザから出射したレーザ光
を平行光にする非球面レンズであり、第２のレンズは第
１のレンズで平行光にされたレーザ光を集光し光ファイ
バへ入射させる上下部分を削り出した球レンズである。
それらのうち、第１のレンズは、半導体レーザを設置し
た金属材料からなるベースに溶接固定されたレンズホル
ダに保持されている。

【０００６】なお、非球面レンズである第１のレンズ
は、上述した球面レンズと異なり、半導体レーザとの距
離や高さに加え、レンズの傾き・倒れを最小限にしなけ
れば、半導体レーザとの光軸がずれて高い結合効率を得
ることができなくなる。したがって、半導体レーザを駆
動させた状態で、第１のレンズを通ってきたレーザ光が
平行光となるように半導体レーザと第１のレンズ間の距
離・高さ及び第１レンズの傾き・倒れを調整した後、ベ
ースに溶接固定する。

【０００７】なお、特開平6−289256 号公報にも、ほぼ
同様の構成の光結合装置が開示されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術には、以下の課題が存在する。

【０００９】すなわち、特開平5−37024号公報及び特開
平4−261076 号公報に記載の光結合装置は、収差が大き
い球レンズを使った光結合系となるため、レーザ光の集
光性が悪くなる。その結果、半導体発光素子と光ファイ
バの結合効率が低くなり、光ファイバからの出力光のレ
ベルが低くなる。そのため、ファイバ出力光のレベルを
向上するためには、半導体発光素子から出射するレーザ
出力を高くするか、あるいは組立て精度を高めて半導体
発光素子と光ファイバの結合損失を最小とする等の方法
を取らざるを得ない。しかしながら、前者は半導体発光
素子の駆動電流を高くしなければならず、消費電力・発
熱量の増大及び半導体発光素子の寿命低下という不都合
が生じ、後者は部品コストや組立てコストの低減が困難
となる。

【００１０】また、特開平9−90174号公報及び特開平6
−289256 号公報に記載の光結合装置は、２つのレンズ
のうちの第１のレンズとして、球レンズよりも収差が少
ない非球面レンズを使った光結合系である。そのため、
上記公知例と異なりレーザ光の集光性が良好となるの
で、半導体レーザと光ファイバの結合効率を高くするこ
とができる。

【００１１】しかしながら、非球面レンズである第１の
レンズの組立時には、上記したように半導体レーザを駆
動させて非球面レンズを位置調整した後に第１のレンズ
を溶接固定する方法であるため、第１のレンズを通って
きたレーザ光をモニターしながら平行光となるようにレ
ンズを調整するための特殊な設備が別途必要となる。ま
たこのとき、半導体レーザとレンズとの間の距離・高さ
及びレンズの傾き・倒れを調整するために多大な時間が
必要となる。さらに、半導体レーザを設置したベースに
溶接固定した金属材料製のレンズホルダに第１のレンズ
を保持する構造であるため、組立て作業が頻雑となる。

【００１２】また、レンズホルダの分だけ部品コストが
増大し、さらに装置が大型化するという不都合もある。

【００１３】本発明の目的は、特殊な設備を用いること
なく、短時間かつ容易な作業で非球面レンズの無調整搭
載を行い、高い効率で半導体素子と光ファイバとを光結
合させることができる光結合装置及びその結合用レンズ
を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】（１）上記目的を達成す
るために、本発明は、半導体発光素子及び半導体受光素
子のうち少なくとも一方からなる半導体素子と、この半
導体素子を搭載する基板部材と、前記半導体素子と光学
的に結合されレーザ光を内部伝送する光ファイバと、前
記基板部材に搭載され、前記半導体素子と前記光ファイ
バとを光学的に結合させるレンズとを有する光結合装置
において、前記基板部材は、軸線が半導体素子と前記光
ファイバとの間のレーザ光の光軸方向と略同じ方向及び
略直角方向である直交する少なくとも２つの溝部を備え
ており、前記レンズは、その外周面が前記２つの溝部の
一方の溝部に少なくとも４個所で線接触するように、前
記溝部の斜面の形成角度と略同じ角度で前記レンズの外
周面が形成されており、前記溝部に直接固定されてい
る。

【００１５】レンズが基板部材に形成した直交する２つ
の溝部の交点部に直接固定されていることにより、溝を
例えば異方性エッチング等によって所定の位置に所定の
深さと幅で精度良く形成することで、半導体素子とレン
ズの高さ合せ及び距離合せを無調整で行うことができ
る。また、溝部の軸線をレーザ光の光軸方向と略平行な
方向及び略直角な方向としておき、この直交する２つの
溝部の一方の溝部の斜面に対し、この溝部の斜面の形成
角度と略同じ角度で外周面が形成されたレンズを、その
外周面を少なくとも４個所で線接触させる。

【００１６】これにより、その線接触する４線（又はそ
の延長線）が、レンズの外周面の形成角度と略同じ角度
になるように予め形成することで、レンズを直交する溝
部の交点部に設置するだけでレンズの傾きや倒れがゼロ
となるようにすることができる。さらに、例えば異方性
エッチングで形成される溝部の斜面に少なくとも４個所
で線接触させる等、線接触の４線の鉛直断面内でみた角
度を適宣設定することで、レンズを溝部に設置するだけ
でレンズの傾きや倒れがゼロとなるようにすることがで
きる。

【００１７】以上により、レンズの位置調整において
は、レンズを溝部に設置するだけでレンズと半導体素子
との高さ及び距離が無調整で合うので、例えば簡単なレ
ンズ搭載装置を使うことで足りる。したがって、半導体
素子と光ファイバとの光結合の高効率化を図るために非
球面レンズを用いる場合も、従来構造のように半導体素
子を駆動させた状態で特殊な設備を用いることなく、短
時間かつ容易な作業でレンズの無調整搭載を行うことが
できる。

【００１８】（２）上記（１）において、好ましくは、
前記溝部は、異方性エッチングによって形成されてお
り、その横断面形状が、略Ｖ字形状，略台形形状、及び
略矩形形状のうちのいずれか１つである。

【００１９】（３）上記（１）において、さらに好まし
くは、前記レンズは、筒状部分を備えており、この筒状
部分の両側が、前記２つの溝部の一方の溝部に少なくと
も４個所で線接触するように前記溝部に直接固定されて
いる。

【００２０】（４）上記目的を達成するために、また本
発明は、半導体発光素子及び半導体受光素子のうち少な
くとも一方からなる半導体素子と、この半導体素子と光
学的に結合されレーザ光を内部伝送する光ファイバと、
前記半導体素子と前記光ファイバとを光学的に結合させ
るレンズと、前記半導体素子と前記レンズとを搭載する
基板部材とを有する光結合装置の結合用レンズにおい
て、前記結合用レンズは、筒状部分を備えており、この
筒状部分の両側端面にレーザ入射側端部又は出射側端部
となる２つの曲率部分を備え、前記結合用レンズの外周
面が、異方性エッチングで形成される前記基板部材のレ
ンズ搭載溝部に線接触するようにレンズ搭載溝部の斜面
の形成角度と略同じ角度で面取り形成されている。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
参照しつつ説明する。なお、各図においては、煩雑を避
けるために一部のメタライズ配線やワイヤボンディング
及び接着剤等の図示を適宜省略している。

【００２２】本発明の第１の実施形態を図１〜図３によ
り説明する。

【００２３】本実施形態による光結合装置の全体構造を
表す水平断面図を図２に示す。

【００２４】この図２において、光結合装置は、半導体
発光素子としてのレーザダイオード１及び半導体受光素
子としてのフォトダイオード２と、これらレーザダイオ
ード１及びフォトダイオード２を搭載するシリコン基板
４と、レーザダイオード１とフォトダイオード２と光学
的に結合されレーザ光を内部伝送する光ファイバ（図示
せず、後述するフェルール９内に設置）と、シリコン基
板４に搭載され、レーザダイオード１とフォトダイオー
ド２と光ファイバとを光学的に結合させる非球面レンズ
３と、レーザダイオード１及びフォトダイオード２を装
置外部に電気的に接続するためのメタライズ配線１２及
びリード端子７と、シリコン基板４を収納するケース６
と、光ファイバを内設し、ケース６の一端に設けたパイ
プ８端に取り付けられたフェルール９とを有しており、
レーザダイオード１及びフォトダイオード２と光ファイ
バとの光結合を非球面レンズ３の単体で行うものであ
る。

【００２５】ケース６は、箱型形状を備えた例えばセラ
ミックス材で構成されており、リード端子７を両側に４
本ずつ計８本備えている。このケース６の上面には、ケ
ース６内部を外部と遮断するためのキャップ（図示せ
ず）が接合されている。またこの箱型ケース６の寸法
は、例えば、高さ（図２中紙面に垂直方向）が４.６m
m、横幅（図２中上下方向）が７.４mm，長さ（図２中横
方向）が１０.０mmとなっており、リード端子７が例え
ば２.５４mm間隔で設けられている。

【００２６】パイプ８は、金属部材であり、フェルール
９を取り付ける（後述）前に、あらかじめケース６に銀
ろう付け（図示せず）で固定されている。

【００２７】フェルール９は、光ファイバの素線を内設
し固定しているジルコニア部材１０と、光ファイバの被
覆を固定している金属部材１１とから構成されている。
このフェルール９の取り付けの際は、非球面レンズ３か
ら通ってきたレーザ光を光ファイバに入射させ、そのと
きの光ファイバ出力が最大となるように位置を調整した
後、金属部材１１をパイプ８端面にレーザ溶接（図示せ
ず）で固定している。

【００２８】ジルコニア部材１０の先端に露出した光フ
ァイバの先端１４は、レーザダイオード１から発振した
レーザ光が光ファイバ先端１４で反射戻り光として、レ
ーザダイオード１に戻るのを防ぐために斜めに加工され
ている。そしてこのとき、この斜め加工された光ファイ
バに対し、効率良くレーザ光を入射させるため、レーザ
ダイオード１と非球面レンズ３の光軸を相対的に数十μ
ｍずらして、レーザ光を斜めに出射させると共に、レー
ザダイオード１や非球面レンズ３を搭載したシリコン基
板４をケース６の中心から、やや図２中下側にずらして
設置することにより、非球面レンズ３から通ってきたレ
ーザ光が図２中右上がり方向に出射させるようにしてい
る。

【００２９】本実施形態の光結合装置の特徴の１つであ
るレンズ搭載構造を表す斜視図を図１に、その縦断面図
及び側面図をそれぞれ図３（ａ）及び図３（ｂ）に示
す。

【００３０】これら図１，図３（ａ）及び図３（ｂ）に
おいて、レーザダイオード１とフォトダイオード２は、
シリコン基板４の上面に形成したメタライズ配線１２上
のマーカ（図示せず）を目印にそれぞれ所定位置に位置
決めして搭載されている。また、これらレーザダイオー
ド１及びフォトダイオード２は、ワイヤーボンディング
１３を介して、シリコン基板４上面のメタライズ配線１
２にそれぞれ電気的に接続されている。

【００３１】シリコン基板４には、横断面形状が有底の
略Ｖ字形状であるＶ溝５，５５が異方性エッチングによ
って形成され、このＶ溝５，５５は、両側の斜面１７と
底面５ａとから構成されている。また、Ｖ溝５，５５
は、その軸線がレーザダイオード１及びフォトダイオー
ド２と光ファイバとの間のレーザ光の光軸方向と略平行
な方向及び略直角な方向となっている。さらに、Ｖ溝
５，５５は、図３（ｂ）に示されるように側面形状及び
横断面形状が逆等脚台形となっており、しかもこのと
き、底面５ａの鉛直方向高さは軸方向に一定（すなわち
底面は水平面）となっている。なお、このシリコン基板
４は、例えば厚さ(図３中上下方向)が１.０mm,Ｖ溝の深
さが０.７８mmとなっている。

【００３２】非球面レンズ３は、レーザダイオード１か
ら出射するレーザ光に対して入射端面と出射端面に曲率
を設けた略円柱状形状となっており、主にガラスモール
ドあるいはプレス成形によって形成されている。詳細に
は、非球面レンズ３は、略円柱形状である筒状部分３ａ
と、この筒状部分３ａの両側端面に位置しレーザ入射端
部又は出射側端部となる２つの曲率部分３ｂ，３ｃと、
この筒状部分３ａの外周面１５の両側がＶ溝５５の両斜
面１７の形成角度と略同じ角度となる面取り部１８とか
ら構成されており、筒状部分３ａの外周面１５の両側面
取り部１８がＶ溝５５の両斜面１７に対して４個所で線
接触する（図３（ｂ）中の線接触部位１６参照）よう
に、接着剤（図示せず）で直接接合固定されている。

【００３３】以上のように構成した本実施形態の作用効
果を以下に順に説明する。

【００３４】レンズ搭載構造による作用効果としては、
非球面レンズ３を異方性エッチングでシリコン基板４に
形成したＶ溝５，５５に直接固定されていることによ
り、予めＶ溝５，５５を所定の位置に所定の深さと幅で
精度良く形成しておくことでレーザダイオード１のレー
ザ出射部及びフォトダイオード２のレーザ入射部と非球
面レンズ３の光軸の高さ合せ及び距離合せを無調整で行
うことができる。また、Ｖ溝５，５５の軸線がレーザ光
の光軸方向と略平行な方向及び略直角な方向であり、そ
してこの直交する２つのＶ溝５，５５の一方のＶ溝５５
の両斜面１７に対し、このＶ溝５５の斜面１７の形成角
度と略同じ角度で形成された非球面レンズ３の筒状部分
３ａの外周面１５の両側面取り部１８が４個所の線接触
部位１６で線接触していることにより、非球面レンズ３
をＶ溝５５に設置するだけで非球面レンズ３の傾きや倒
れがゼロとなる（すなわち非球面レンズ３の中心軸方向
がレーザ光の光軸方向に一致する）。さらに、Ｖ溝５，
５５は、側面形状及び横断面形状が逆等脚台形で、かつ
底面５ａの鉛直方向高さが軸方向に一定となっているこ
とにより、非球面レンズ３の傾きや倒れがゼロとなる。

【００３５】さらに、シリコン基板４のＶ溝５，５５へ
非球面レンズ３を固定するとき、非球面レンズ３をＶ溝
５，５５に設置しＶ溝５，５５に軽く押し付けて保持す
ることにより、レンズ３の筒状部分３ａの外周面１５の
両側面取り部１８とＶ溝５５の両斜面１７（線接触部位
１６）に余分な外力が加わらず、レンズ外周面１５がＶ
溝５，５５に自然に倣うように搭載できるので、非球面
レンズ３を安定的に位置決めし固定することができ、確
実に非球面レンズ３の傾きや倒れを防止でき、高い結合
効率を確保できる。

【００３６】これらの結果、非球面レンズ３の位置調整
においては、非球面レンズ３をＶ溝５，５５に設置する
だけで非球面レンズ３とレーザダイオード１のレーザ出
射部又はフォトダイオード２のレーザ入射部との高さ及
び距離が無調整で合うので、例えば簡単なレンズ搭載装
置を使うことで足りる。したがって、従来構造のように
半導体素子を駆動させた状態で特殊な設備を用いること
なく、非球面レンズ３の位置調整を短時間かつ容易な作
業で行うことができる。また、従来構造のようにレンズ
ホルダを用いることなく非球面レンズ３をＶ溝５，５５
に直接固定するので、部品点数減少及び作業工程低減に
よってコストダウンを図ることができ、また装置の小型
化を図ることもできるので、プリント基板への両面実装
を容易に実現できるという効果もある。

【００３７】なお、上記第１の実施形態においては、半
導体素子としてレーザダイオード１とフォトダイオード
２との両方を備えている光結合装置を例にとって説明し
てきたが、これに限られず、いずれか一方のみを備えて
いる光結合装置にも適用でき、同様の効果を得る。

【００３８】また、上記第１の実施形態においては、非
球面レンズ３を固定するためにシリコン基板４にＶ溝
５，５５を形成したが、これに限られるものではなく、
例えば横断面形状が略台形形状（等脚台形でないもの）
や略矩形形状の溝であってもよい。これらの場合も、同
様の効果を得る。

【００３９】さらに、上記第１の実施形態においては、
箱型ケース６の寸法を、高さ４.６mm，横幅７.４mm，長
さ１０.０mmとしているが、これに限られるものではな
い。すなわち、プリント基板への両面実装を可能にする
には、ケース６の高さは少なくとも４.７mm 以下とすれ
ば足りる。これらの場合も、同様の効果を得る。

【００４０】また、上記第１の実施形態においては、図
３（ｂ）に示されるように、レンズ外周面１５の両側面
取り部１８とＶ溝５５の両斜面１７とは４つの線接触部
位１６で線接触したが、これに限られず、５つ以上の個
所で線接触してもよい。例えば底面５ａの高さをもっと
上に上げて、底面５ａもレンズ外周面１５の最下部と線
接触させる等が考えられる。これらの場合も、同様の効
果を得る。

【００４１】さらに、上記第１の実施形態においては、
レーザダイオード１及びフォトダイオード２と光ファイ
バの光結合を１つの非球面レンズ３単体で行う光結合装
置を例にとって説明したが、これに限らない。すなわ
ち、少なくとも１つの非球面レンズを用いる結合光学系
であれば、そのうち非球面レンズ３の搭載構造について
上記第１の実施形態と同様の構成を適用することができ
るので、これらの場合も同様の効果を得ることができ
る。

【００４２】

【発明の効果】本発明によれば、特殊な設備を用いるこ
となく、短時間かつ容易な作業で非球面レンズの無調整
搭載を行い、高い効率で半導体素子と光ファイバとを光
結合させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施形態による光結合装置の要
部であるレンズ搭載構造を表す斜視図である。

【図２】図１に示した光結合装置の全体構造を表す水平
断面図である。

【図３】（ａ）及び（ｂ）は図１に示した構造の縦断面
図及び同図（ａ）の右側断面図である。

【符号の説明】

１…レーザダイオード（半導体発光素子）、２…フォト
ダイオード（半導体受光素子）、３…非球面レンズ（レ
ンズ）、４…シリコン基板（基板部材）、５，５５…Ｖ
溝（溝部）、６…ケース、７…リード端子、８…パイ
プ、９…フェルール、１０…ジルコニア部材、１１…金
属部材、１２…メタライズ配線、１３…ワイヤボンディ
ング、１４…光ファイバ先端、１５…レンズ外周面、１
６…線接触部、１７…溝部斜面、１８…レンズ外周面の
面取り部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 菊池 悟 長野県小諸市柏木190 日立東部セミコン ダクタ株式会社小諸工場内 (72)発明者 仲 弘 東京都小平市上水本町五丁目20番１号 株 式会社日立製作所半導体事業部内 (72)発明者 矢崎 憲弘 東京都小平市上水本町五丁目20番１号 株 式会社日立製作所半導体事業部内 (72)発明者 鈴木 剛 東京都小平市上水本町五丁目20番１号 株 式会社日立製作所半導体事業部内 (72)発明者 田口 英夫 東京都小平市上水本町五丁目20番１号 株 式会社日立製作所半導体事業部内 (72)発明者 吉田 幸司 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 Ｆターム(参考） 2H037 AA01 BA03 BA12 CA15 DA05 DA12 5F041 EE04 EE08 EE12 5F088 AA01 BB01 JA05 JA12 JA14

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体発光素子及び半導体受光素子のうち
   少なくとも一方からなる半導体素子と、この半導体素子
   を搭載する基板部材と、前記半導体素子と光学的に結合
   されレーザ光を内部伝送する光ファイバと、前記基板部
   材に搭載され、前記半導体素子と前記光ファイバとを光
   学的に結合させるレンズとを有する光結合装置におい
   て、前記基板部材は、軸線が半導体素子と前記光ファイ
   バとの間のレーザ光の光軸方向と略同じ方向及び略直角
   方向である直交する少なくとも２つの溝部を備えてお
   り、前記レンズは、その外周面が前記２つの溝部の一方
   の溝部に少なくとも４個所で線接触するように、前記溝
   部の斜面の形成角度と略同じ角度で前記レンズの外周面
   が形成されており、前記溝部に直接固定されていること
   を特徴とする光結合装置。