JP2005352075A

JP2005352075A - 光半導体素子モジュール

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Publication number: JP2005352075A
Application number: JP2004171587A
Authority: JP
Inventors: Hideki Haneda; 英樹羽田; Seiichiro Tabata; 誠一郎田端; Atsushi Kawamura; 敦志河村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-06-09
Filing date: 2004-06-09
Publication date: 2005-12-22
Also published as: TWI301676B; TW200541087A; US20050276304A1; US7266139B2

Abstract

【課題】半導体素子や球レンズの組立精度が小さくなっても、低コストで高い結合効率を得ることのできる光半導体素子モジュールを提供する。
【解決手段】光ファイバー１０に光結合する半導体レーザダイオード１は、ステム６上に搭載されている。また、ステム６に固定されたキャップ８は、光ファイバー１０と、半導体レーザダイオード１との間に光透過穴部を有していて、この光透過穴部には球レンズ７が取り付けられている。球レンズ７の屈折率は１．９以上であり、その直径は１．５ｍｍ以上２．５ｍｍ以下である。
【選択図】図１

Description

この発明は、半導体レーザ、半導体フォトダイオードまたは半導体光変調器などに用いられる光半導体素子モジュールに関する。

従来の光半導体素子モジュールでは、光透過穴の設けられたキャップによって球レンズを保持し、ステム上に搭載された半導体素子からの出射光を球レンズで集光した後、光ファイバーに結合させる構造をとっていた。

例えば、屈折率１．５、直径１．５ｍｍのＢＫ−７（ホウ珪ガラス）からなる球レンズを用い、半導体素子の端面から球レンズの入射面までの距離を０．８３ｍｍとすると、ステムから出射光の焦点までの距離は６．５ｍｍとなる。この場合、モード径が１０μｍであるシングルモードファイバーに対する光の結合効率は１６％程度になる。

また、屈折率１．７８、直径２．０ｍｍのＴａＦ_３（重ランタンフリントガラス）からなる球レンズを用い、半導体素子の端面から球レンズの入射面までの距離を０．５３ｍｍとすると、ステムから出射光の焦点までの距離は６．６ｍｍとなる。この場合、モード径が１０μｍであるシングルモードファイバーに対する光の結合効率は２０％程度になる。

さらに、特許文献１には、屈折率１．９、直径０．６ｍｍ〜１．４ｍｍの球レンズを用いて３０％以上の結合効率を実現する光学系の例が記載されている。

特開平８−１３０３２０号公報

しかしながら、従来の光半導体素子モジュールでは、半導体素子や球レンズの組立精度が±５０μｍ程度になると、光ファイバーへの光の結合効率が極端に低下するという問題があった。このため、半導体素子からの出射光の角度に合わせて光ファイバーを設置したり、非球面レンズや複数枚のレンズを用いたりすることが必要となって、低コスト化の障害になっていた。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、半導体素子や球レンズの組立精度が小さくなっても、低コストで高い結合効率を得ることのできる光半導体素子モジュールを提供することにある。

本発明の他の目的および利点は以下の記載から明らかとなるであろう。

本発明の光半導体素子モジュールは、光ファイバーに光結合する光半導体素子と、この光半導体素子を搭載するステムと、光ファイバーと光半導体素子との間に光透過穴部を有し、ステムに固定されるキャップと、光透過穴部に取り付けられる球レンズとを備えた光半導体素子モジュールであって、球レンズが、屈折率が１．９以上であり、直径が１．５ｍｍ以上２．５ｍｍ以下であることを特徴とするものである。

この発明は以上説明したように、屈折率が１．９以上であり、直径が１．５ｍｍ以上２．５ｍｍ以下である球レンズを用いるので、低コストで高い結合効率を得ることのできる光半導体素子モジュールを提供することができる。

本実施の形態の光半導体素子モジュールは、屈折率が１．９以上であり、直径が１．５ｍｍ以上２．５ｍｍ以下である球レンズを用いることを特徴とする。

図１は、本実施の形態による光半導体素子モジュールの断面図の一例である。尚、光半導体素子モジュールには、半導体レーザダイオードから出射する光を効率よく光ファイバに結合させる光半導体素子モジュールと、この光ファイバから出射する光を半導体フォトダイオードに結合させる光半導体素子モジュールとがある。本発明は、特に半導体レーザダイオードを有する光半導体素子モジュールに適用した場合に効果的であるが、半導体フォトダイオードを有する光半導体素子モジュールに適用することも可能である。これらの光半導体素子モジュールは、光半導体素子が異なるものの略同様の構造を有している。図１では、半導体レーザダイオードを搭載した光半導体素子モジュールについて示す。

図１において、光半導体素子としての半導体レーザダイオード１は、第１のマウント２とヒートシンク３とを介して、メッキをした鉄のステム６に固定されている。また、半導体フォトダイオード４も、第２のマウント５を介してステム６に固定されている。そして、ステム６は、ＹＡＧレーザ溶接またはプロジェクション溶接によって第１の筐体９に固定されている。ここで、半導体レーザダイオード１は、波長１．３μｍ〜１．５５μｍの光を発振するファブリペロー型または分布帰還型の半導体レーザダイオードとすることができる。

ステム６にプロジェクション溶接されたキャップ８は、半導体レーザダイオード１および半導体フォトダイオード４を気密状態にしている。そして、キャップ８の光透過穴部には、低融点ガラス１６によって球レンズ７が固定されている。本実施の形態においては、球レンズ７の屈折率を１．９以上とし、直径を１．５ｍｍ以上２．５ｍｍ以下とすることを特徴とする。尚、球レンズ７の材料に汎用性のある材料を用いることを考慮すると、屈折率は１．９以上３．８以下であることが好ましい。

屈折率の大きい球レンズでは、その直径を大きくすることによって、屈折率の低いガラスと同程度の屈折力を得ることができる。本実施の形態によれば、球レンズの屈折率を１．９以上とすることによって、球面収差の発生を少なくして光ファイバーのコアに結合する光の量を多くすることができるので、結果として光ファイバーへの結合効率を大きくすることが可能になる。

また、球レンズの直径が大きくなると、光ファイバーへの結合効率が低下する代わりに実装精度が低くて済むようになる。これは、次のような理由に基づいている。

光ファイバーとの結合は、光ファイバー端面の角度に応じスネルの法則によって決まる角度で光が入射するときに最大となる（以下、このときの結合効率を最大結合効率という。）。そして、この角度からずれるにしたがい、次第に結合効率は低下していく。球レンズの直径が大きくなると焦点距離ｆは長くなるので、ステム６の上面から焦点までの距離Ｄｆを一定に保持しようとすると、球レンズの中心から半導体レーザダイオードまでの距離は長くなる。このため、半導体レーザダイオードに対する球レンズの相対位置がずれることによる出射光角度の位置ずれは小さいものとなる。このことは、所定の結合効率を得るのに必要な実装精度の許容量が大きくなることを意味する。

一方、最大結合効率は、光学系の横倍率と球面収差の大きさによって決定される。シングルモード光ファイバーのモードフィールド径を１０μｍとし、半導体レーザダイオードのモードフィールド径を２μｍ程度とすると、横倍率は５（＝１０／２）程度であることが好ましい。球レンズの直径が大きくなると焦点距離ｆは長くなるので、ステム６の上面から焦点までの距離Ｄｆを一定にするには横倍率ｍを小さくすることが必要になる。ここで、横倍率ｍは、（光ファイバーから球レンズの中心までの距離）と（半導体レーザダイオードから球レンズの中心までの距離）との比によって表される。例えば、屈折率１．９７で直径１．５ｍｍの球レンズの場合、距離Ｄｆが６．３５ｍｍで、ステム６の上面から半導体レーザの発光点までの距離が１．２７ｍｍでは、横倍率ｍは３．４９になる。また、屈折率１．９７で直径２．０ｍｍの球レンズの場合、焦点距離Ｄｆが６．３５ｍｍでは横倍率ｍは２．７５になる。したがって、この場合、直径１．５ｍｍの球レンズの方が理想値（５）に近い横倍率であるので、最大結合効率の点からは直径２．０ｍｍの球レンズよりも有利になる。

一方、球面収差は、半導体レーザダイオードと球レンズの入射端面との距離ａに相関し、この距離が小さいほど収差も小さくなる傾向にある。例えば、球レンズの屈折率が１．９７で直径が１．５ｍｍであり、距離Ｄｆが６．３５ｍｍであるとき、距離ａは０．２３ｍｍになる。また、球レンズの屈折率が１．９７で直径が２．０ｍｍであり、距離Ｄｆが６．３５ｍｍであるとき、距離ａは０．３８５ｍｍになる。この場合、各球レンズの半径（０．７５ｍｍ，１．０ｍｍ）に対する開口率ＮＡは、直径１．５ｍｍの球レンズの方が大きい。したがって、直径１．５ｍｍの球レンズの方が球面収差は小さくなるので、最大結合効率の点からは、（横倍率ｍと同様に）直径２．０ｍｍの球レンズよりも有利になる。

図２は、距離ａに対する結合効率の変化を示したものである。球レンズとしてＳ−ＬＡＨ７９を用いた場合には、直径１．５ｍｍの方が直径２．０ｍｍのものより高い結合効率を示す。一方、直径が同じ場合には、Ｓ−ＬＡＨ７９（屈折率１．９７）を用いた場合の方が、ＴａＦ_３（屈折率１．７８）を用いた場合より大きい結合効率を示す。尚、Ｓ−ＬＡＨ７９およびＴａＦ_３は、いずれも重ランタンフリントガラスの一種である。

したがって、最大結合効率を考慮すると、球レンズの直径は小さい方が好ましい。しかしながら、球レンズの直径が小さくなると、半導体レーザダイオードから球レンズの中心までの距離は小さくなるので、半導体レーザダイオードに対する球レンズの相対位置がずれることによる出射光角度の位置ずれは大きくなる。したがって、球レンズの直径が小さいほど、高い実装精度が求められることになる。

図３は、結合効率と頻度との関係を示したものである。尚、図では、半導体レーザダイオードに対する球レンズの位置ずれの標準偏差を２５μｍとして結合効率を求めている。球レンズとしてＳ−ＬＡＨ７９を用いた場合には、直径１．５ｍｍの方が直径２．０ｍｍのものより高い最大結合効率を示すものの結合効率のばらつきは大きくなっていることが分かる。一方、直径が同じ場合には、Ｓ−ＬＡＨ７９（屈折率１．９７）を用いた場合の方が、ＴａＦ_３（屈折率１．７８）を用いた場合より大きい結合効率を示す。

図４は、半導体レーザダイオードに対する球レンズの位置ずれ量と結合効率との関係を示したものである。球レンズとしてＳ−ＬＡＨ７９を用いた場合には、直径１．５ｍｍの球レンズと直径２．０ｍｍの球レンズとで、所定の結合効率を得るのに必要な実装精度の許容量は前者の方が小さいことが分かる。一方、直径が同じ場合には、Ｓ−ＬＡＨ７９（屈折率１．９７）を用いた場合の方が、ＴａＦ_３（屈折率１．７８）を用いた場合より大きい結合効率を示すが、所定の結合効率を得るのに必要な実装精度の許容量は後者の方が小さくなる。

以上より、最大結合効率と実装精度とはトレードオフの関係にあるので、量産に適した半導体素子モジュールの設計に際しては、両者を比較考慮して球レンズの直径を決定する必要がある。本発明においては、直径が１．５ｍｍ以上２．５ｍｍ以下の球レンズを用いることによって、比較的高い結合効率を有する半導体素子モジュールを高い歩留まりで得ることが可能になる。

図１において、光ファイバー１０としては、例えば、波長１．３μｍで零分散となる単一モードファイバーを使用することができる。図において、光ファイバー１０は、フェルール１１によって接着固定されている。また、フェルール１１はネジ１２で第２の筐体１３に固定されている。さらに、第２の筐体１３は、ＹＡＧレーザ溶接によって第１の筐体９に固定されている。

尚、図１において、１４は、半導体レーザダイオード１から出射した後、球レンズ７で収束されて光ファイバー１０に入射する光線軌跡を示す。

図５は、図１と同様の光半導体素子モジュールについて、球レンズの部分を拡大した断面図の一例である。

図５では、球レンズ１０７として、屈折率１．９７のＳ−ＬＡＨ７９を用いている。また、球レンズ１０７の直径は１．５ｍｍである。球レンズ１０７の入射側端面と半導体レーザダイオード１０１の端面との距離ａは０．２３ｍｍであり、ステム１０６の上面から焦点までの距離Ｄｆは５．６５ｍｍである。また、球レンズ１０７の出射側端面から焦点までの距離ｂは２．６５ｍｍである。

図６は、図５とは直径の異なる球レンズを用いた半導体素子モジュールの他の例である。尚、図６の光半導体素子モジュールも図１と同様の構成であるとする。

図６では、図５と同様に、屈折率１．９７のＳ−ＬＡＨ７９を球レンズ２０７として用いているが、球レンズ２０７の直径を２．０ｍｍとしている。球レンズ２０７の入射側端面と半導体レーザダイオード２０１の端面との距離ａは０．３８５ｍｍであり、ステム２０６の上面から焦点までの距離Ｄｆは６．３６５ｍｍである。また、球レンズ２０７の出射側端面から焦点までの距離ｂは２．７１ｍｍである。

図７は、本実施の形態において、光半導体素子および球レンズの組立精度を５０μｍとした場合の結合効率の分布を示したものである。尚、比較のために、屈折率が１．７８で直径が２ｍｍである球レンズを用いた場合（従来例に対応）についても示している。図より、本実施の形態によれば、従来例より高い結合効率が得られることが分かる。具体的には、従来例では結合効率は最大２５％程度であるのに対して、本実施の形態によれば、２５％以上の高い結合効率を実現することができる。これは、次のように考えることができる。

すなわち、本実施の形態によれば、屈折率が１．９以上の球レンズを用いているので、光半導体素子と球レンズとの間の距離を従来例に比較して小さくすることができる。これにより、球面収差の影響を小さくすることができるので、従来例より結合効率を大きくすることが可能になる。例えば、距離Ｄｆが４ｍｍ〜１０ｍｍ程度である場合には、屈折率１．９〜３．８で直径１．５ｍｍ〜２．５ｍｍの球レンズを用い、球レンズに接触しない距離まで光半導体素子を近づけることによって、２５％以上の高い結合効率を得ることができる。

図８は、本実施の形態において、光半導体素子および球レンズの組立精度を５０μｍとした場合の焦点距離Ｄｆの分布を示したものである。尚、比較のために、屈折率が１．７８で直径が２ｍｍである球レンズを用いた場合（従来例に対応）についても示している。図より、本実施の形態では屈折率の大きい球レンズを用いているが、焦点距離Ｄｆのばらつきは従来例に比較して大きく低下していないことが分かる。

さらに、本実施の形態においては、式（１）〜式（５）の関係を満足するように球レンズおよび光ファイバを配置することが好ましい。これにより、一層効果的に本発明の目的を達成することのできる光半導体素子モジュールを提供することが可能となる。尚、式（１）〜式（５）において、ｆは球レンズの焦点距離（ｍｍ）、ｎは球レンズの屈折率、Ｒは球レンズの半径（ｍｍ）、ａは球レンズの端面から光半導体素子の端面までの距離（ｍｍ）、ｂは球レンズの端面から光ファイバーの端面までの距離（ｍｍ）、αは０．８５〜１．０の範囲の係数をそれぞれ示す。

本実施の形態においては、ａ≧０．０５ｍｍであるのが好ましく、ａ≧０．２ｍｍであるのがより好ましい。このような値であれば、半導体素子や球レンズの組立精度が±５０μｍ程度であっても、高くて変動の小さい結合効率を得ることが可能になる。一般的には、結合効率の変動を抑えるために、（ａ＋Ｒ）の長さを組立精度の概ね２０倍以上とするのが望ましい。

図９は、光半導体素子および球レンズの組立精度を５０μｍとし、式（１）〜（４）の関係を満たすように球レンズおよび光ファイバーを配置した場合において、結合効率の分布を計算した結果について示したものである。この場合、球レンズの屈折率ｎを１．９７とし、その直径を１．５ｍｍとしている。また、球レンズ端面から光半導体素子端面までの距離ａを０．２３ｍｍとしている。尚、比較のために、屈折率が１．７８で直径が２ｍｍである球レンズを用いた場合（従来例に対応）についても示している。図より、本実施の形態によれば、従来例より高い結合効率が得られることが分かる。

また、図１０および図１１は、本実施の形態における光半導体素子モジュールについて、結合効率および焦点距離Ｄｆをそれぞれ測定した結果である。これらの図より、本実施の形態によれば、光半導体素子および球レンズの組立精度が±５０μｍ程度であっても、焦点距離Ｄｆのばらつきの増大なしに、２５％以上の高い結合効率を達成できることが分かる。

図１２は、本発明による球レンズを双方向モジュールに適用した例である。このモジュールは、波長回折フィルタを介して、発光用素子としての半導体レーザダイオードと、受光用素子としての半導体フォトダイオードとを１の光ファイバーに光学結合させることにより送受信器を一体化した光半導体素子モジュールである。

図１２において、光ファイバー３０１０の端面は、図のＺ方向に対して、４度〜２０度（好ましくは、６度〜１２度）程度の角度をなして形成される。ここで、Ｚ方向は、光ファイバー３０１０の中心軸に一致する。また、半導体レーザダイオード３０１は、（図１の光半導体素子モジュールに対して）図１２の−Ｙ方向に２０μｍ〜２００μｍ程度ずらして設けられる。これにより、球レンズ３０７を透過した光Ｌ_１は、光ファイバー３０１０に対して２度〜９度程度の傾きをもって入射する。この場合においても、上述した球レンズと半導体レーザダイオードの関係に対して得られる結合効率と同様のものが得られる。尚、光ファイバー３０１０からも、半導体フォトダイオード３０４に対して２度〜９度の傾きをもつ光Ｌ_２が出射される。しかし、半導体フォトダイオード３０４の位置を適当にずらしたり、または、波長回折フィルタ３０１７の角度を調整したりすることによって、半導体フォトダイオード３０４の受光部に効率よく光Ｌ_２が入るようにすることが可能である。

本発明によれば、球レンズ３０７として、屈折率が１．９以上であり、直径が１．５ｍｍ以上２．５ｍｍ以下であるものを用いることによって、高い結合効率の双方向モジュールとすることができる。ここで、球レンズ３０７は、さらに上記の式（１）〜式（４）の関係を満足することが好ましい。尚、受光用素子に使用される球レンズ３０１８は、本発明による球レンズであってもよいし、従来型の球レンズであってもよい。

以上述べたように、本発明によれば、屈折率が１．９以上であって直径が１．５ｍｍ以上２．５ｍｍ以下である球レンズを用いることによって、非球面レンズや複数枚のレンズを用いたりすることなしに、低コストで高い結合効率を得ることのできる光半導体素子モジュールを提供することが可能となる。

本実施の形態における光半導体素子モジュールの断面図の一例である。距離ａに対する結合効率の変化の一例を示したものである。結合効率と頻度との関係の一例を示したものである。半導体レーザダイオードに対する球レンズの位置ずれ量と結合効率との関係の一例を示したものである。本実施の形態における光半導体素子モジュールについて、球レンズの部分を拡大した断面図の一例である。本実施の形態における光半導体素子モジュールについて、球レンズの部分を拡大した断面図の一例である。本実施の形態における結合効率の分布の一例を示したものである。本実施の形態における焦点距離Ｄｆの分布の一例を示したものである。本実施の形態における結合効率の分布を示す計算結果の一例である。本実施の形態における結合効率の測定結果の一例である。本実施の形態における焦点距離Ｄｆの測定結果の一例である。本発明による球レンズを双方向モジュールに適用した一例である。

符号の説明

１，１０１，２０１，３０１半導体レーザダイオード
２第１のマウント
３ヒートシンク
４，３０４半導体フォトダイオード
５第２のマウント
６，１０６，２０６ステム
７，１０７，２０７，３０７，３０１８球レンズ
８，１０８キャップ
９第１の筐体
１０，３０１０光ファイバー
１１フェルール
１２ネジ
１３第２の筐体
１４光線軌跡
１６低融点ガラス
３０１７波長回折フィルタ

Claims

光ファイバーに光結合する光半導体素子と、
前記光半導体素子を搭載するステムと、
前記光ファイバーと前記光半導体素子との間に光透過穴部を有し、前記ステムに固定されるキャップと、
前記光透過穴部に取り付けられる球レンズとを備えた光半導体素子モジュールであって、
前記球レンズは、屈折率が１．９以上であり、直径が１．５ｍｍ以上２．５ｍｍ以下であることを特徴とする光半導体素子モジュール。
前記球レンズは、前記光ファイバーに対して式（１）〜式（５）の関係を満たすようにして配置される請求項１に記載の光半導体素子モジュール。

（但し、ｆは球レンズの焦点距離（ｍｍ）、ｎは球レンズの屈折率、Ｒは球レンズの半径（ｍｍ）、ａは球レンズの端面から光半導体素子の端面までの距離（ｍｍ）、ｂは球レンズの端面から光ファイバーの端面までの距離（ｍｍ）、αは０．８５〜１．０の範囲の係数である。）
前記光半導体素子は半導体レーザダイオードである請求項１または２に記載の光半導体素子モジュール。
前記光半導体素子モジュールは双方向モジュールであって、
前記光ファイバーの端面が、該光ファイバーの中心軸に対して４度以上２０度以下の角度をなしている請求項１〜３に記載の光半導体素子モジュール。