JPH07287149A - 光半導体モジュール及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高い光結合率が得られる光半導体モジュール
を提供する。 【構成】 半導体レーザ素子１０１は、発光素子用ベー
ス１０４の底部に固定されている。発光素子用ベース１
０４の壁部１０５は、半導体レーザ素子１０１から出射
された光が通過する開口部１０６を有していると共に、
半導体レーザ素子１０１と反対側に平滑面が形成されて
いる。第１のホルダー１１０の端面は壁部１０５の平滑
面と摺接可能である。第１のホルダー１１０の内部には
第２のホルダー１１９が軸方向へ摺動可能に挿入されて
いる。第２のホルダー１１９の内部には非球面レンズ１
０７が固定されている。半導体レーザ素子１０１から出
射された光は非球面レンズ１０７により集光され実装用
光ファイバー１１３の入射部に結合する。発光素子用ベ
ース１０４、第１のホルダー１１０及び第２のホルダー
１１９は、半導体レーザ素子１０１から出射された光の
実装用光ファイバー１１３の入射部における結合効率が
最大になるように固定されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体レーザや発光ダ
イオード等の発光素子を備えた光半導体モジュール及び
その製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】発光素子の光をレンズを介して光ファイ
バーに結合する技術は、光通信やレーザ治療器などの分
野において大変重要である。特に、光通信の場合、シン
グルモード光ファイバーのコア径は８μｍ程度と小さ
く、発光素子から出射された光を光ファイバーの入射部
に効率良く結合させることは困難な問題である。以下、
従来の光半導体モジュールについて説明する。

【０００３】図６（ａ），（ｂ）は、例えば特開平４−
３５５７０６号公報に示される従来の第１の光半導体モ
ジュールを示し、図６（ａ）はその側方断面図であり、
図６（ｂ）は図６（ａ）のVI−VI線の断面図である。

【０００４】図６（ａ），（ｂ）において、６０１は半
導体レーザ素子、６０２はＳｉＣよりなるサブマウン
ト、６０３は銅よりなるステムである。ダイスボンダー
によって、半導体レーザ素子６０１はサブマウント６０
２の上に、サブマウント６０２はステム６０３の上にそ
れぞれハンダにより固定されている。ステム６０３は銅
製の第１のベース６０４の上にハンダにより固定されて
いる。半導体レーザ６０１とパッケージ６０５との間に
は図示しない金ワイヤが延びており、外部から半導体レ
ーザ素子６０１に電流が供給されるようになっている。

【０００５】図６（ａ），（ｂ）において、６０６は
０．５程度の開口数と１３ｍｍ程度の物像間距離を持つ
非球面レンズであって、非球面レンズ６０６はステンレ
ス製の円筒状のレンズホルダー６０７に嵌合されてい
る。また、６０８はステンレス製の第２のベース、６０
９はペルチェ素子よりなる電子クーラーであって、電子
クーラー６０８はパッケージ６０５内にハンダにより予
め固定されている。第１のベース６０４及び第２のベー
ス６０８は電子クーラー６０９の上にハンダにより固定
されている。

【０００６】レンズホルダー６０７はレーザ溶接により
第２のベース６０８の上に固定されているが、固定され
る前に、非球面レンズ６０６と半導体レーザ素子６０１
とをテレビカメラによりモニターしながら、半導体レー
ザ素子６０１が非球面レンズ６０６の焦点位置にくるよ
うに、非球面レンズ６０６の位置が調整される。この
際、位置の調整ができるのは、図６（ａ），（ｂ）に示
したＸ，Ｚ方向のみである。Ｙ方向の位置決め精度は前
記の各部品の加工精度とハンダの厚さの精度に依存して
いる。光アイソレータ６１０はパッケージ６０５の内部
に予め固定されている。

【０００７】図６（ａ），（ｂ）において、６１１は光
通信用のシングルモード光ファイバーであり、該シング
ルモード光ファイバー６１１は、ジルコニア及びステン
レスよりなる円筒状のフェルール６１２に互いの中心軸
が合うように精度良く固定されている。フェルールホル
ダー６１３は、パッケージ６０５との間に擦り合わせ面
を持っていると共に、フェルール６１２が擦り合わされ
ながら挿入できるように断面円形の穴を有している。シ
ングルモード光ファイバー６１１の位置は、半導体レー
ザ素子６０１を発振させ、その光の入射量が最大になる
ように決められる。フェルールホルダー６１３、パッケ
ージ６０５及びフェルール６１２は、レーザ溶接により
互いに固定されている。尚、６１４はパッケージ６０５
の蓋、６１５は受光素子、６１６は受光素子用マウント
である。

【０００８】図７は、例えば、アンリツテクニカル、Ｎ
ｏ．６５、４８−５４頁に示される従来の第２の光半導
体モジュールの側方断面図である。

【０００９】図７において、７０１は半導体レーザ素
子、７０２は銅よりなるステムであって、ダイスボンダ
ーによって、半導体レーザ素子７０１はステム７０２
に、ステム７０２は銅製のベース７０３にそれぞれハン
ダにより固定されている。

【００１０】図７において、７０４は、０．６程度の開
口数と１ｍｍ程度のレーザ側の焦点距離を持つ非球面レ
ンズであって、該非球面レンズ７０４はレンズホルダー
７０５に嵌合されている。光アイソレータ７０６は光軸
をレンズホルダー７０５に合わせた状態でレンズホルダ
ー７０５に固定されている。突き当てブロック７０７
は、半導体レーザ素子７０１と非球面レンズ７０４との
間隔を非球面レンズ７０４の焦点距離に合わすために設
けられている。突き当てブロック７０７は、正面（図７
の左側）から見るとＵ字状の形状をしており、レンズホ
ルダー７０５の擦り合わせ面７０８と左右両面及び下面
の３面で接している。

【００１１】従って、Ｚ方向の位置決め精度に関して
は、突き当てブロック７０７の長さの加工精度、非球面
レンズ７０４とレンズホルダー７０５の嵌合精度及び半
導体レーザ素子７０１とステム７０２との位置合わせ精
度の和により決まる。一方、Ｘ，Ｙ方向に関しては、レ
ンズホルダー７０５を突き当てブロック７０７に擦り合
わせながら移動させることによって調整され、その後、
レンズホルダー７０５と突き当てブロック７０７とはレ
ーザ溶接により固定される。

【００１２】電子クーラー７１０はパッケージ７０９に
ハンダにより固定されており、銅製のベース７０３は電
子クーラー７１０にハンダにより固定される。

【００１３】図７において、７１１は光通信用のシング
ルモード光ファイバーであって、該シングルモード光フ
ァイバー７１１の位置調整の手法は、従来の第１の光半
導体モジュールと同様である。また、７１２はジルコニ
ア及びステンレスよりなる円筒状のフェルール、７１３
はフェルールホルダー、７１４はパッケージ７０９の蓋
である。

【００１４】図８は、例えば、特開平３−６１９２７又
は特開昭５５−２２９６８に示される従来の第３の光半
導体モジュールの側方断面図である。第３の光半導体モ
ジュールは、前記の第１又は第２の光半導体モジュール
と異なり、外形が円筒状であって、電子クーラーは半導
体レーザ素子の直下には位置していない。

【００１５】図８において、８０１は半導体レーザ素
子、８２０は銅よりなるステム、８２１は銅又は鉄より
なるベースである。半導体レーザ素子８０１にはリード
線８０３より電流が供給される。８０５は球レンズであ
って、該球レンズ８０５はガラス板８２６に樹脂により
固定されており、ガラス板８２６は有底円筒状のキャッ
プ８２３の底部に固定されている。キャップ８２３とベ
ース８２１との間には、リング状の金具８２２がキャッ
プ８２３及びベース８２１の両方に擦り合わさるように
配置されており、該金具８２２により、半導体レーザ素
子８０１と球レンズ８０５との相対的な位置がＸ，Ｙ，
Ｚ方向に調整できる。８２４は擦り合わせ面である。

【００１６】光ファイバー８１４とキャップ８２３との
間にはホルダー８２７が配置されており、該ホルダー８
２７により、光ファイバー８１４とキャップ８２３との
相対的な位置がＸ，Ｙ，Ｚ方向に調整できる。尚、８１
３は光ファイバーカバー、８２８は光ファイバーの保持
台である。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、前記従来の
第１〜第３の光半導体モジュールは、以下に示すような
理由により、要求される位置決め精度を満たしておら
ず、高い光結合効率を安定して得るには不十分である。

【００１８】図９に示すような半導体レーザ素子９０
１、レンズ９０２及び光ファイバー９０３を光学的に結
合する場合、相互の位置が最適位置からずれたときのレ
ンズの結合効率とずれ量との関係を説明する。尚、図９
において９０４はフェルールである。

【００１９】半導体レーザ素子９０１の放射光の半値全
幅は、Ｙ方向に約３０度、Ｘ方向に約２５度である。レ
ンズ９０２は非球面レンズであって、該レンズ９０２に
おいては、レーザ側の開口数が約０．４５、ファイバー
側の開口数が約０．１、最高結合効率が得られる物像間
距離が約１３ｍｍである。もし理想的な結合が得られれ
ば、７５％程度の結合効率が得られる設計である。光フ
ァイバー９０３は、従来の第１の光半導体モジュールに
示したものと同等である。

【００２０】図９は、半導体レーザ素子９０１、レンズ
９０２及び光ファイバー９０３が最高結合効率が得られ
る位置関係に調整された状態を示している。

【００２１】もし、この状態からレンズ９０２が動いた
としたら結合効率は激減する。結合効率が最高効率の９
０％にまで落ちてしまう（０．１デシベルの劣化）と不
良であると認定する規格の場合、良品範囲はＸ，Ｙ方向
で±０．３μｍ程度、Ｚ方向で±３μｍ程度である。以
下、この良品範囲を「本来の良品範囲」と称する。いく
ら高効率に設計されたレンズでも、前記の位置決め精度
を実現できなければ、性能を発揮できないということで
ある。

【００２２】さて、前記従来の第１〜第３の光半導体モ
ジュールは、Ｘ，Ｙ方向で±１５μｍ程度、Ｚ方向で±
３０μｍ程度に良品の範囲を緩和しても、この良品の範
囲の精度すら満たすことができない。以下、その理由に
ついて順次説明する。

【００２３】まず、従来の第１の光半導体モジュールに
おいては、Ｙ方向の位置決め精度は、半導体レーザ素子
６０１、サブマウント６０２、ステム６０３、第１のベ
ース６０４、レンズホルダー６０７及び第２のベース６
０８の厚さ方向の寸法公差、非球面レンズ６０６とレン
ズホルダー６０７との中心軸合わせ精度、非球面レンズ
６０６の外観的中心軸と光学的な光軸とのずれ量並びに
ハンダ材の厚さに依存している。銅やステンレスの加工
精度は一般的に±２０μｍが限度である。これ以上の加
工精度を要求すると加工費が掛り過ぎて、光半導体モジ
ュールの大きなコスト高を招く。また、非球面レンズ６
０６とレンズホルダー６０７との中心軸合わせ精度は±
５μｍ程度が限度である。また、ハンダ材の膜厚は±３
μｍ程度のバラツキが避けられない。従って、これらの
寸法誤差を全て合計すると、Ｙ方向で±１５μｍ程度と
いう許容範囲を大きく逸脱してしまう。

【００２４】次に、従来の第２の光半導体モジュールに
よると、Ｚ方向の位置決め精度は部品公差により決まっ
てくる。具体的には、突き当てブロック７０７の長さの
加工精度が最小で±２０μｍ、非球面レンズ７０４とレ
ンズホルダー７０５とのＺ方向の嵌め込み精度が±３０
μｍ、半導体レーザ素子７０１とステム７０２との位置
合わせ精度が±１０μｍである。これらの寸法誤差の和
は±６０μｍであり、Ｚ方向で±３０μｍ程度という許
容範囲をやはり大きく逸脱している。

【００２５】次に、従来の第３の光半導体モジュールを
示す文献には、球レンズ８０５の位置を半導体レーザ素
子８０１に対してＸ，Ｙ，Ｚの全方向に調整でき、その
最適位置の決定には光出力をモニターして行なうと記載
されている。球レンズ８０５と半導体レーザ素子８０１
との精密な位置合わせには、モニター用の受光部品とし
ては、狭い開口部を持つ受光素子、又は光ファイバー８
１４のコア径と同程度か又は小さいコア径を持つモニタ
ー用光ファイバーを使わなければならない。

【００２６】しかしながら、本発明者らが検証した結
果、モニター用光ファイバーと球レンズ８０５との位置
が、最適値（理想的な焦点位置）に対してＸ，Ｙ方向で
±１５μｍ程度以内、Ｚ方向で±３０μｍ程度以内のず
れ量に納まっていない場合には、いくら球レンズ８０５
と半導体レーザ素子８０１との精密な位置合わせを行っ
ても、良品値である「最高結合効率の９０％以上」を満
足できない。

【００２７】ところが、前記文献には、これに関する記
述は全く見当たらない。また、キャップ８２３がプレス
により成型されているため十分な加工精度が得られな
い。このため、キャップ８２３の公差が大きくなり、キ
ャップ８２３と金具８２２との間の隙間は±５０μｍ程
度以上になってしまう。従って、レーザ溶接等により固
定する際に球レンズ８０５が動いてしまい、Ｘ，Ｙ方向
で±１５μｍ程度という許容範囲をやはり大きく逸脱し
てしまう。

【００２８】また、前記のような部品形状の場合、従来
の第１又は第２の光半導体モジュールのように、電子ク
ーラーを半導体レーザ素子の直下に持ってくることが難
しいので、温度の精密な制御が必要とされる場合又は発
熱量が大きい素子を冷却する場合には用いることができ
ない。

【００２９】以上の問題を整理して説明すると、従来の
第１又は第２の光半導体モジュールのように一部を部品
の寸法精度に依存するレンズの位置決め方法によると、
要求される位置精度を満たすことは極めて難しい。ま
た、従来の第３の光半導体モジュールのように結合効率
をモニターする方法においては、本発明者らの検証によ
るとレンズとモニター用受光部品との位置関係を予め精
密に決めておかなければならないが、前記従来の第３の
光半導体モジュールでは、そのような工夫はなされてお
らず、高い光結合効率は得られない。

【００３０】前記に鑑み、本発明は高い光結合率が得ら
れる光半導体モジュール及びその製造方法を提供するこ
とを目的とする。

【００３１】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明が講じた
解決手段は、光半導体モジュールを、発光素子と、底部
と該底部に対して垂直な壁部とからなり、前記底部の表
面において前記発光素子を保持し、前記壁部に前記発光
素子から出射された光が通過する開口部が形成され、前
記壁部における前記発光素子と反対側に平滑面を有する
発光素子用ベースと、前記壁部の平滑面と摺接可能な端
面を有する筒状の第１のホルダーと、前記第１のホルダ
ーの内部に軸方向へ摺動可能に挿入された筒状の第２の
ホルダーと、前記第２のホルダーの内部に保持されてお
り、前記開口部を通過した光を集光するレンズと、前記
レンズにより集光された光が結合する位置に入射部を有
する光ファイバーとを備えており、前記発光素子用ベー
スと前記第１のホルダー、及び前記第１のホルダーと前
記第２のホルダーは、前記発光素子から出射された光の
前記光ファイバーの入射部における結合効率が最大にな
る状態でそれぞれ固定されている構成とするものであ
る。

【００３２】請求項２の発明は、請求項１の構成に、前
記発光素子用ベースの底部の裏面は、電子クーラーと広
い面積で接するよう平坦に形成されているという構成を
付加するものである。

【００３３】請求項３の発明は、請求項１の構成に、前
記第１のホルダーの内面と前記第２のホルダーの外面と
の隙間は約１０μｍであるという構成を付加するもので
ある。

【００３４】請求項４の発明は、請求項１の構成に、内
部において前記光ファイバーの端部を保持している筒状
の光ファイバーホルダーと、前記発光素子から出射され
る光の光軸に対して垂直に設けられ、前記発光素子から
出射された光が通過する開口部を有し、前記光ファイバ
ーホルダーが固定さた光ファイバー用ベースとをさらに
備え、前記光ファイバー用ベースは前記発光素子用ベー
スに固定されているという構成を付加するものである。

【００３５】請求項５の発明は、請求項４の構成に、前
記光ファイバー用ベースは、光アイソレータが載置可能
な底部と該底部に対して垂直な壁部とからなり、前記光
ファイバーベースの開口部は該光ファイバー用ベースの
壁部に形成されており、前記光ファイバー用ベースの底
部の裏面は、電子クーラーと広い面積で接するよう平坦
に形成されているという構成を付加するものである。

【００３６】請求項６の発明が講じた解決手段は、光半
導体モジュールを、発光素子と、底部と該底部に対して
垂直な壁部とからなり、前記底部の表面において前記発
光素子を保持し、前記壁部に前記発光素子から出射され
た光が通過する開口部が形成され、前記壁部における前
記発光素子と反対側に平滑面を有する発光素子用ベース
と、前記開口部を通過した光を集光するレンズと、内部
において前記レンズを保持し且つ前記開口部に挿入され
ている筒状部と、該筒状部の外面から突出するように設
けられ前記壁部の平滑面と摺接可能な平滑面を有する顎
部とからなるレンズホルダーと、前記レンズにより集光
された光が結合する位置に入射部を有する光ファイバー
とを備えており、前記発光素子用ベースと前記レンズホ
ルダーとは、前記発光素子から出射された光の前記光フ
ァイバーの入射部における結合効率が最大になる状態で
固定されている構成とするものである。

【００３７】請求項７の発明は、請求項６の構成に、前
記発光素子用ベースの底部の裏面は、電子クーラーと広
い面積で接するよう平坦に形成されているという構成を
付加するものである。

【００３８】請求項８の発明は、請求項６の構成に、内
部において前記光ファイバーを保持している筒状の光フ
ァイバーホルダーと、前記発光素子から出射される光の
光軸に対して垂直に設けられ、前記発光素子から出射さ
れた光が通過する開口部を有し、前記光ファイバーホル
ダーが固定さた光ファイバー用ベースとをさらに備え、
前記光ファイバー用ベースは前記発光素子用ベースに固
定されているという構成を付加するものである。

【００３９】請求項９の発明は、請求項８の構成に、前
記光ファイバー用ベースは、光アイソレータが載置可能
な底部と該底部に対して垂直な壁部とからなり、前記光
ファイバーベースの開口部は該光ファイバー用ベースの
壁部に形成されており、前記光ファイバー用ベースの底
部の裏面は、電子クーラーと広い面積で接するよう平坦
に形成されているという構成を付加するものである。

【００４０】本発明に係る光半導体モジュールの製造方
法は、レンズの位置ずれの状態において光ファイバーの
位置を再調整して結合効率を最大にすると、良品の範囲
が広がることを見出だし、該知見に基づいてなされたも
のである。従来は、レンズ位置決定後に光ファイバーの
位置を調整し、この状態で発光素子とレンズと光ファイ
バーとを固定していたが、本発明は、レンズ位置を精密
に決定した後発光素子とレンズを固定し、その後、光フ
ァイバーの最適位置を探し、この状態で光ファイバーを
レンズに固定するというものである。

【００４１】図１は、レンズの位置ずれ量と結合効率と
の関係を示している。この場合、良品範囲はＸ，Ｙ方向
で±１５μｍ程度、Ｚ方向で±３０μｍ程度である（以
下、この良品範囲を「改善されたの良品範囲」と称す
る）。もちろん、これらの値は、異なるレンズや光ファ
イバーを使うと変わってくる。一般的にＮＡ（開口数）
の大きなレンズを使えば使うほど良品範囲は狭くなる。
近時の傾向として、より高い結合効率を得るため、ＮＡ
が０．５以上のレンズを使うことが常識化してきてい
る。このため本来の良品範囲は徐々に狭くなっていくも
のと思われる。

【００４２】ところが、本発明の解決原理である、「レ
ンズ位置を精密に決定した後に、発光素子とレンズとを
固定し、その後、光ファイバーの最適位置を探し、この
状態で光ファイバーをレンズに固定する」という手法に
よると、改善された良品範囲は本来の良品範囲と比べ
て、Ｘ，Ｙ方向で５０倍、Ｚ方向で１０倍に広がるとい
う結果は不変である。

【００４３】具体的に請求項１０の発明が講じた解決手
段は、光半導体モジュールの製造方法を、レンズホルダ
ーに保持されたレンズに対して最大の光結合効率が得ら
れる状態で、調芯用光ファイバーを保持した調芯用光フ
ァイバーホルダーを前記レンズホルダーに仮に固定し
て、前記レンズホルダーと前記調芯用光ファイバーホル
ダーとからなる複合部品を得る第１の工程と、前記レン
ズが、ベースに保持された発光素子の出射部と対向する
ように前記複合部品を配置する第２の工程と、前記発光
素子から光を出射させると共に出射された光を前記調芯
用光ファイバーの入射部に導き、前記調芯用光ファイバ
ーに入射する光の光量が最大になるように前記複合部品
を前記発光素子に対して３次元的に移動する第３の工程
と、前記調芯用光ファイバーに入射する光の光量が最大
になる状態で前記レンズホルダーを前記ベースに固定す
る第４の工程と、前記調芯用光ファイバーホルダーを前
記レンズホルダーから取り外す第５の工程と、前記発光
素子から光を出射させると共に出射された光を実装用光
ファイバーホルダーに保持された実装用光ファイバーの
入射部に導き、前記実装用光ファイバーに入射する光の
光量が最大になるように前記実装用光ファイバーホルダ
ーを前記発光素子に対して３次元的に移動する第６の工
程と、前記実装用光ファイバーに入射する光の光量が最
大になる状態で前記実装用光ファイバーホルダーを前記
レンズホルダーに固定する第７の工程とを備えている構
成とするものである。

【００４４】請求項１１の発明は、請求項１０の構成
に、前記調芯用光ファイバーのコア径は、前記実装用光
ファイバーのコア径以下であるという構成を付加するも
のである。

【００４５】請求項１２の発明は、請求項１０の構成
に、前記第２工程におけるベースは、該ベースに保持さ
れた発光素子から出射される光の光軸と垂直な壁部を有
しており、前記第４の工程は、前記レンズホルダーを前
記ベースの壁部に固定する工程を含むという構成を付加
するものである。

【００４６】請求項１３の発明が講じた解決手段は、光
半導体モジュールを、レンズホルダーに保持されたレン
ズに対して最大の光結合効率が得られる状態で、調芯用
光ファイバーを保持した調芯用光ファイバーホルダーを
前記レンズホルダーに仮に固定して、前記レンズホルダ
ーと前記調芯用光ファイバーホルダーとからなる複合部
品を得る第１の工程と、発光素子を該発光素子から出射
される光の光軸と垂直な壁部を有するベースに保持し、
前記レンズが前記ベースに保持された発光素子の出射部
と対向し且つ前記レンズホルダーが前記壁部に接するよ
うに前記複合部品を配置する第２の工程と、前記発光素
子から光を出射させると共に出射された光を前記調芯用
光ファイバーの入射部に導き、前記調芯用光ファイバー
に入射する光の光量が最大になるように前記複合部品を
前記発光素子から出射された光の光軸と垂直な面内で２
次元的に移動する第３の工程と、前記調芯用光ファイバ
ーに入射する光の光量が最大になる状態で前記レンズホ
ルダーを前記ベースに固定する第４の工程と、前記調芯
用光ファイバーホルダーを前記レンズホルダーから取り
外す第５の工程と、前記発光素子から光を出射させると
共に出射された光を実装用光ファイバーホルダーに保持
された実装用光ファイバーの入射部に導き、前記実装用
光ファイバーに入射する光の光量が最大になるように前
記実装用光ファイバーホルダーを前記発光素子に対して
３次元的に移動する第６の工程と、前記実装用光ファイ
バーの入射部が前記レンズの焦点に位置する状態で前記
実装用光ファイバーホルダーを前記レンズホルダーに固
定する第７の工程とを備えている構成とするものであ
る。

【００４７】請求項１４の発明は、請求項１３の構成
に、前記調芯用光ファイバーのコア径は、前記実装用光
ファイバーのコア径以下であるという構成を付加するも
のである。

【００４８】

【作用】請求項１の構成により、第１のホルダーの端面
は発光素子用ベースの壁部の平滑面と摺接可能であるた
め、第２のホルダーひいてはレンズを保持している第１
のホルダーの端面を発光素子用ベースの壁部の平滑面と
摺接させることにより、レンズを発光素子から出射され
た光の光軸に対して垂直な面内で２次元に移動させるこ
とができる。また、レンズを保持している第２のホルダ
ーは第１のホルダーの内部に軸方向へ摺動可能に挿入さ
れているため、第１のホルダーと第２のホルダーとを軸
方向に相対的に移動させることにより、レンズを発光素
子から出射された光の光軸の方向に移動させることがで
きる。これらにより、レンズを発光素子に対して３次元
に移動させることができる。

【００４９】請求項２又は７の構成により、発光素子用
ベースの底部の裏面は、電子クーラーと広い面積で接す
るよう平坦に形成されているため、発光素子用ベースと
電子クーラーとの間で良好な熱交換が行なわれる。

【００５０】請求項３の構成により、第１のホルダーの
内面と第２のホルダーの外面との隙間は約１０μｍであ
るため、第１のホルダーと第２のホルダーとの軸方向の
相対移動がスムーズにできると共に、第１のホルダーと
第２のホルダーとを溶接やハンダにより固定した際の両
者の軸心がずれる事態を最小限に抑制できる。

【００５１】請求項４又は８の構成により、光ファイバ
ーを保持している光ファイバーホルダーが光ファイバー
用ベースに固定されているため、発光素子、レンズ及び
光ファイバーが一体化されている。

【００５２】請求項５又は９の構成により、光ファイバ
ー用ベースは、光アイソレータが載置可能で且つ裏面が
電子クーラーと広い面積で接するよう平坦に形成された
底部を有しているため、該底部と電子クーラーとの間で
良好な熱交換が行なわれる。

【００５３】請求項６の構成により、レンズを保持して
いる筒状部の外面から突出する顎部の平滑面と、発光素
子を保持している発光素子用ベースの壁部の平滑面とを
摺接状態で相対移動させることにより、レンズを発光素
子から出射された光の光軸に対して垂直な面内で２次元
に移動させることができる。

【００５４】請求項１０の構成により、発光素子から出
射され調芯用光ファイバーに入射する光の光量が最大に
なるように複合部品を発光素子に対して３次元的に移動
し、この状態で、レンズを保持したレンズホルダーを発
光素子を保持したベースに固定すると、溶接やハンダ付
けによって発光素子とレンズとの間に光軸のずれが生じ
るが、発光素子から出射され実装用光ファイバーに入射
する光の光量が最大になるように実装用光ファイバーを
保持した実装用光ファイバーホルダーを発光素子に対し
て３次元的に移動するので、発光素子とレンズとの間の
光軸のずれは補正される。この状態で実装用光ファイバ
ーホルダーをレンズホルダーに固定すると、レンズと実
装用光ファイバーとの間に若干の光軸のずれが生じる
が、この光軸のずれは最高の結合効率の１割程度の劣化
に抑えられる。

【００５５】また、複合部品は、レンズホルダーに保持
されたレンズに対して最大の光結合効率が得られ状態
で、調芯用光ファイバーを保持している調芯用光ファイ
バーホルダーをレンズホルダーに仮に固定することによ
り得られるため、複合部品を移動すると、レンズと調芯
用光ファイバーとが同時に移動するので、第３工程にお
いては、レンズつまりレンズホルダーを３方向に移動す
るだけで、調芯用光ファイバーに入射する光の光量が最
大になる状態が得られる。

【００５６】請求項１１又は１４の構成により、調芯用
光ファイバーのコア径は実装用光ファイバーのコア径以
下であるため、実装用光ファイバーに要求される結合効
率以上の精度を持ってレンズを発光素子に対して固定す
ることができる。

【００５７】請求項１２の構成により、発光素子を保持
するベースが発光素子から出射された光の光軸と垂直な
壁部を有しているため、レンズホルダーをベースの壁部
に固定することにより、レンズホルダーをベースに容易
に固定することができる。

【００５８】請求項１３の構成により、発光素子から出
射され調芯用光ファイバーに入射する光の光量が最大に
なるように複合部品を発光素子から出射された光の光軸
と垂直な面内で２次元的に移動し、この状態で、レンズ
を保持したレンズホルダーを発光素子を保持したベース
に固定すると、溶接やハンダ付けによって発光素子とレ
ンズとの間に光軸のずれが生じるが、発光素子から出射
され実装用光ファイバーに入射する光の光量が最大にな
るように実装用光ファイバーを保持した実装用光ファイ
バーホルダーを発光素子に対して３次元的に移動するの
で、発光素子とレンズとの間の光軸のずれは補正され
る。この状態で実装用光ファイバーホルダーをレンズホ
ルダーに固定すると、レンズと実装用光ファイバーとの
間に若干の光軸のずれが生じるが、この光軸のずれは最
高の結合効率の１割程度の劣化に抑えられる。

【００５９】また、複合部品は、レンズホルダーに保持
されたレンズに対して最大の光結合効率が得られ状態で
調芯用光ファイバーを保持している調芯用光ファイバー
ホルダーをレンズホルダーに仮に固定することにより得
られるため、複合部品を移動すると、レンズと調芯用光
ファイバーとが同時に移動するので、第３工程において
は、レンズつまりレンズホルダーを２方向に移動するだ
けで、調芯用光ファイバーに入射する光の光量が最大に
なる状態が得られる。

【００６０】

【実施例】以下、本発明に係る第１の光半導体モジュー
ル及びその製造方法について図２及び図３を参照しなが
ら説明する。

【００６１】図２及び図３において、１０１は半導体レ
ーザ素子、１０２はＳｉＣ製のサブマウント、１０３は
金メッキされた銅製のステムであり、半導体レーザ１０
１はサブマウント１０２上に、サブマウント１０２はス
テム１０３上にそれぞれハンダにより固定されている。
１０４はステンレス製の第１のベースであって、該第１
のベース１０４の底面は平坦に形成されていると共に、
第１のベース１０４における少なくとも底面及びステム
１０３との接触面は金により覆われている。第１のベー
ス１０４はその上面から垂直に上方に延びる壁部１０５
を有し、該壁部１０５は半導体レーザ素子１０１が出射
するレーザ光を通すための開口部１０６を有している。

【００６２】半導体レーザ素子１０１から出射されるレ
ーザ光の光軸が壁部１０５に対して垂直になるようにス
テム１０３の角度を調整した後、ステム１０３を第１の
ベース１０４に固定する。前記のように第１のベース１
０４の底面が平坦であり且つ金で覆われているのは、第
１のベース１０４の底面がペルチエ素子等からなる電子
クーラーと広い面積で接触し、良好な熱交換が行なわれ
るようにするためである。

【００６３】図２及び図３において、１０７は非球面レ
ンズであって、該非球面レンズ１０７は、半導体レーザ
素子１０１の発振波長に対して収差が最小になるように
設計されている。非球面レンズ１０７の代表的な値とし
ては、直径が約３ｍｍであり、半導体レーザ素子側及び
光ファイバー側の開口数はそれぞれ約０．５及び約０．
１であり、半導体レーザ素子１０１側の焦点距離は約
１．３ｍｍであり、光ファイバー側の焦点距離は約９ｍ
ｍである。ここで、焦点距離とは非球面レンズ１０７の
端面からの距離であるとする。

【００６４】図２及び図３において、１１０は円筒状の
第１のホルダー、１０８は第１のホルダー１１０の内部
に挿入された第２のホルダーであって、非球面レンズ１
０７は第２のホルダー１０８に精度良く嵌合されてい
る。この嵌合方法としては、第２のホルダー１０８を加
熱した状態で非球面レンズ１０７を第２のホルダー１０
８に挿入し、両者の熱膨張係数の差を利用し、冷えたと
きに固定される方法、又は非球面レンズ１０７の成型時
に第２のホルダー１０８を予め金型に入れておく方法等
がある。これらの方法により、非球面レンズ１０７と第
２のホルダー１０８との位置関係及び両者の光軸は精度
良く合う。第２のホルダー１０８の外壁面１０９は円形
で滑らかである。このような円形の削り出し加工は精度
が出易いので厳しい公差の加工に向いている。もっと
も、第２のホルダー１０８の内外面に平面的な加工を施
し、角筒状に形成しても同等の精度が得られる。

【００６５】第１のホルダー１１０の内壁面１１１は第
１のホルダー１０８の外壁面１０９に合わせて滑らかな
円形に加工されている。第１のホルダー１１０の内壁面
１１１と第２のホルダー１０８の外壁面１０９との嵌合
寸法の余裕は通常±２０μｍ程度であるが、精度をさら
に上げれば嵌合寸法の余裕を±１０μｍ程度にすること
が可能である。これにより、第２のホルダー１０８は第
１のホルダー１１０に対して滑らかに摺動する。第２の
ホルダー１０８が角筒状の場合、第１のホルダー１１０
の内壁面１１１をワイヤー加工等により平面状に形成す
ると、同等の精度を得ることができる。第１のホルダー
１１０の端面１１２は、平滑に形成され、第１のベース
１０４の壁部１０５に接している。

【００６６】図２において、１１３は実装用光ファイバ
ーのコア径と同じか又は小さいコア径を持つ調芯用光フ
ァイバーである。１１４はステンレス及びジルコニアの
二重構造からなり調芯用光ファイバー１１３を補強する
ための円筒状のフェルールである。該フェルール１１４
の外径は２．５ｍｍであるので、該外径と同じ内径を持
つ支持用円筒１１５をフェルール１１４に嵌合すること
ができる。支持用円筒１１５は、例えばステンレスによ
りできており、径方向に若干の伸縮が可能である。伸縮
の方法としては、暖めて膨張させたり、又は円周の一部
を切り欠いておき外部からバネで押す等の方法がある。
これにより、フェルール１１４を支持用円筒１１５に差
し込むだけで、フェルール１１４は支持用円筒１１５に
保持され且つ両者の中心は精度良く合っている。

【００６７】フェルール１１４と同じ外径を持つ円筒状
のスペーサ１１６が支持用円筒１１５内に嵌め込まれて
いる。第２のホルダー１０８における図２の右側の端部
はフェルール１１４と同じ外径を持つように削られてお
り、フェルール１１４、スペーサ１１６及び第２のホル
ダー１０８は、互いの間に隙間ができないようにして支
持用円筒１１５に押し込まれている。この場合、調芯用
光ファイバー１１６が非球面レンズ１０７の焦点に精度
良く位置するよう、スペーサ１１６の長さは予め決めら
れている。寸法精度を上げるため、スペーサ１１６はジ
ルコニア等の加工精度が高いセラミックにより作ること
が望ましい。第２のホルダー１０８及びスペーサ１１６
は支持用円筒１１５に差し込まれるだけで保持されてい
る。

【００６８】図２及び図３に示すように、光軸方向にＺ
軸、第１のベース１０４の上面と平行で光軸と直交する
方向にＸ軸、第１のベース１０４の上面と垂直な方向に
Ｙ軸にとることにする。調芯工程はＺ軸方向を鉛直方向
にとって行われる。

【００６９】以下、図２を参照しながら、調芯用光ファ
イバー１１３と非球面レンズ１０７と半導体レーザ素子
１０１との間の調芯及び固定の工程について説明する。

【００７０】まず、第１のベース１０４を図示しない台
に固定した後、電流供給線１１７，１１８により半導体
レーザ素子１０１に電流を供給する。支持用円筒１１５
は調芯用の精密３軸ステージに取り付けられる。このと
き、第１のホルダー１１０は重力により第１のベース１
０４の壁部１０５に接している。

【００７１】半導体レーザ素子１０１に一定の電流を流
してレーザ発振させながら、調芯用光ファイバー１１３
に入る光量が最大になるように精密３軸ステージにより
支持用円筒１１５をＸ，Ｙ，Ｚ方向に移動する。この
際、非球面レンズ１０７の調芯精度は精密３軸ステージ
の精度により決定されるが、±０．５μｍ程度の精度以
内に調芯できる。また、調芯用光ファイバー１１３のコ
ア径は、実装用光ファイバーのコア径と同じか又は小さ
いため、調芯用光ファイバー１１３の半導体レーザ素子
１０１に対する位置ずれは光量の変化として敏感に現れ
るので、精密な調芯が可能である。この調芯方法の特徴
は、半導体レーザ素子１０１と非球面レンズ１０７と調
芯用光ファイバー１１３とよりなる３体の位置合わせで
あるにも拘らず、あたかも２体間の位置合わせのように
Ｘ，Ｙ，Ｚ方向の１回の移動のみで調芯ができる点であ
る。これは、差し込み方式により調芯用光ファイバー１
１３の入射部を予め非球面レンズ１０７の焦点に位置さ
せておくことができるからである。もし、差し込み方式
を採用しないならば、調芯用光ファイバー１１３も独立
して調芯しなければならないので、３軸×３軸＝９軸の
調芯になり、膨大な時間が必要になる。

【００７２】前記の３体の調芯が行なわれた状態を維持
したまま、非球面レンズ１０７と調芯用光ファイバー１
１３とを固定できるならば、最終的な実装用光ファイバ
ーへの結合効率として９０％を越える値が得られる。し
かしながら、第１のホルダー１１０と第２のホルダー１
０８とを部位１１９においてレーザ溶接すると、第２の
ホルダー１０８が第１のホルダー１１０に対して最大で
両者の間の間隙の分だけ傾斜してしまう。このため、第
１のホルダー１１０と第１のベース１０４の壁部１０５
との間に傾斜状の隙間ができる。この状態で第１のホル
ダー１１０と壁部１０５とを部位１２１においてレーザ
溶接する。このように、合わせ箇所の端面がほぼ接した
状態で側方からレーザ溶接する方法は、ずれが最も小さ
くなる方法である。しかしながら、溶融箇所の凝縮時の
体積変化の絶対量が異なるため、非球面レンズ１０７の
位置は調芯時に対して若干ずれる。このずれ量は、第１
のホルダー１１０と第２のホルダー１０８との間隙が大
きければ大きいほど大きくなってしまう。図１に基づき
説明したように、Ｘ，Ｙ方向のずれ量は±１５μｍ程度
に抑えなければならないので、前記の間隙は１０μｍ程
度以内に抑えなければならない。

【００７３】前述のようにして、非球面レンズ１０７を
半導体レーザ素子１０１に対して固定した後、支持用円
筒１１５を取り外す。

【００７４】以下、図３を参照しながら、実装用光ファ
イバー１３３と非球面レンズ１０７との調芯及び固定の
工程について説明する。

【００７５】図３において１３０はステンレスよりなる
第２のベースであって、該第２のベース１３０はレーザ
光が通過する開口部１３１を有している。第２のベース
１３０は第２のホルダー１１０を介して第１のベース１
０４にレーザ溶接されている。第２のベース１３０の上
には光アイソレータ１３２が固定されている。第２のベ
ース１３０の底面は平坦であり且つ金により覆われてい
る。このため、第２のベース１３０の底面がペルチエ素
子等よりなる電子クーラーと広い面積においてハンダに
より固定され、良好な熱交換が行なわれ、これにより光
アイソレータ１３２は精密に温度制御される。

【００７６】図３において、１３４は実装用光ファイバ
ー１３３を補強するための円筒状のフェルールであっ
て、該フェルール１３４はステンレスとジルコニアとの
二重構造を有している。１３５は光ファイバーホルダー
であって、その内壁面１３６は滑らかな円形状に加工さ
れている。フェルール１３４と光ファイバーホルダー１
３５との間の嵌め込み余裕は、通常±２０μｍ程度であ
るが、精度を更に上げれば嵌め込み余裕を±１０μｍ程
度にすることができる。これにより、フェルール１３４
は光ファイバーホルダー１３５に対して滑らかに摺動す
る。

【００７７】調芯用光ファイバー１１３の場合と同様、
調芯はＺ方向を鉛直方向にとって行われる。第１のベー
ス１０４は図示しない台に固定されており、電流供給線
１１７，１１８により半導体レーザ素子１０１に電流を
供給する。フェルール１３４は調芯用の精密３軸ステー
ジに取り付けられる。このとき、光ファイバーホルダー
１３５は重力により第２のベースの壁部１３７に接して
いる。

【００７８】半導体レーザ素子１０１に一定の電流を流
してレーザ発振させながら、実装用光ファイバー１３３
に入る光量が最大になるように精密３軸ステージにより
フェルール１３４をＸ，Ｙ，Ｚ方向に移動する。この
際、非球面レンズ１０７の調芯精度は精密３軸ステージ
の精度により決定されるが、±０．５μｍ程度の精度以
内に調芯できる。前述したように、非球面レンズ１０７
は±１０μｍ程度以内のずれ量を持つ。しかしながら、
この程度のずれ量の範囲ならば、前記のようにして実装
用光ファイバー１３４を調芯することによりずれ量を補
正することができ、その後のレーザ溶接により実装用光
ファイバー１３３の位置が調芯時に対してずれたとして
も、最高の結合効率の１割程度の劣化に抑えられる。具
体的には８０％程度の高光結合効率が得られる。

【００７９】この第１の光半導体モジュールは、パッケ
ージに組み込まれなくても、この状態で半導体レーザ素
子１０１に通電すれば、パルス駆動による光出力やスペ
クトル等の特性を測定することができ良品検査が可能で
ある。また、電子クーラーの上に仮留めすれば、直流電
流を印加したときの光出力やスペクトル等の特性、温度
サイクル試験における光結合効率の劣化量評価、及び寿
命試験等ができるので、パッケージ及び電子クーラーの
節約ができる。

【００８０】尚、第１の光半導体モジュールにおいて
は、実装用光ファイバー１３３及び光ファイバーホルダ
ー１３５は、第２のベース１３１に固定されていたが、
これに代えて、第１の光半導体モジュールが設置される
パッケージの外壁に取り付けられてもよい。

【００８１】また、図２に示す調芯が終わった直後に、
光出力やスペクトル等の特性を測定できるほか、アナロ
グやデジタルの信号を入力して動特性評価をすることも
できる。この場合、必要に応じて、フェルール１１４の
前又は実装用光ファイバー１１３の途中に光アイソレー
タを入れることができる。

【００８２】以下、本発明に係る第２の光半導体モジュ
ール及びその製造方法について図４及び図５を参照しな
がら説明する。

【００８３】図４（ａ）において、２０１は半導体レー
ザ素子、２０２はＳｉＣ製のサブマウント、２０３は金
メッキされた銅製のステムであり、半導体レーザ素子２
０１はサブマウント２０２上に、サブマウント２０２は
ステム２０３上にそれぞれハンダにより固定されてい
る。２０４はステンレス製の第１のベースであって、該
第１のベース２０４における底面及びステム２０３との
接触面は金により覆われている。第１のベース２０４は
その上面から垂直に上方へ延びる壁部２０５を有し、該
壁部２０５は、非球面レンズ２０６を保持したレンズホ
ルダー２０７が挿通される開口部２０８を有している。
第１のベース２０４の底面は平坦で且つ金により覆われ
ている。このため、ペルチエ素子等からなる電子クーラ
ーと広い面積で接触し、良好な熱交換が行なわれる。

【００８４】非球面レンズ２０６は、半導体レーザ素子
２０１の発振波長に対して収差が最小になるように設計
されている。非球面レンズ２０７の代表的な値として
は、直径が約１．９ｍｍであり、半導体レーザ素子２０
１側及び光ファイバー側の開口数はそれぞれ約０．６及
び約０．１であり、半導体レーザ素子２０１側の焦点距
離は約０．４ｍｍ、光ファイバー側の焦点距離は約７ｍ
ｍである。ここで、焦点距離とはレンズの端面からの距
離であるとする。

【００８５】非球面レンズレンズ２０６は、円筒状のレ
ンズホルダー２０７から半導体レーザ素子２０１側に若
干突出した状態で精度良く嵌合されている。この嵌合方
法は、第１の光半導体モジュールと同様である。これに
より、非球面レンズ２０６とレンズホルダー２０７との
位置関係及び両者の光軸は精度良く合う。

【００８６】レンズホルダー２０７は該レンズホルダー
２０７に十分な剛性を与える程度の厚さ（２ｍｍ程度以
上）を持つ顎部２１０を有しており、このため、レンズ
ホルダー２０７はその後の調芯やレーザ溶接によって撓
んだり又は曲がったりしない。壁部２０５の開口部２０
８とレンズホルダー２０７の間にはＸ，Ｙ方向に調芯す
るため０．５ｍｍ程度以上の隙間がある。顎部２１０の
広い滑らかな端面２０９は第１のベース２０４の壁部２
０５と接している。

【００８７】前記のように非球面レンズ２０６の半導体
レーザ素子２０１側の焦点距離は約０．４ｍｍである。
これは設計値であり、実際には加工精度の限界により若
干異なっている可能性がある。加工精度が悪いときに
は、焦点位置は非球面レンズ２０６の幾何的な光軸から
ずれていることも有り得る。そこで、同様の半導体レー
ザ素子と光ファイバーとを使って予備実験を行ない、実
際の焦点位置を求めることができる。このようにして求
めた焦点位置の座標を（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）とする。
尚、原点は非球面レンズ２０６の端面２１１とする。

【００８８】ところで、図１において明らかにしたよう
に、Ｚ方向（光軸方向）の非球面レンズ２０６と半導体
レーザ素子２０１との位置合わせ精度は±３０μｍ程度
に許される。これは機械的な位置合わせにより十分対応
可能な値である。従って、次に説明することが可能にな
る。

【００８９】まず、レンズホルダー２０７を壁部２０５
の開口部２０８に差し込み、この状態を上方から顕微鏡
で観察し、テレビモニターに表示する。次に、真空コレ
ットにより、半導体レーザ素子２０１が固定されたステ
ム２０３を吸引して第１のベース２０４上に持ってい
く。テレビモニターにより、半導体レーザ素子２０１の
端面のＺ座標がＺ１に合うようにしてステム２０３をサ
ブマウント２０３にハンダにより固定する。この方法に
より±１０μｍ程度の位置合わせ精度を確実に得ること
ができる。この際、同時に半導体レーザ素子２０１の端
面が光軸に対して垂直になるように角度調整もできる。
Ｘ，Ｙ座標方向の調整に関しては、後のレンズ調芯工程
により行なうので、大まかでよい。

【００９０】図４（ｂ）において、２１２は実装用光フ
ァイバーのコア径と同じか又は小さいコア径を持つ調芯
用光ファイバー、２１３はステンレス及びジルコニアの
二重構造からなり調芯用光ファイバー２１２を補強する
ための円筒状のフェルールである。該フェルール２１３
の外径は２．５ｍｍであるので、該外径と同じ内径を持
つ支持用円筒２１４をフェルール２１３に嵌合すること
ができる。支持用円筒２１４は、例えばステンレスによ
りできており、径方向に若干の伸縮が可能である。伸縮
の方法としては、暖めて膨張させたり、又は円周の一部
を切り欠いておき外部からバネで押す等の方法がある。
これにより、フェルール２１３を支持用円筒２１４に差
し込むだけで、フェルール２１３は支持用円筒２１４に
保持され且つ両者の中心は精度良く合っている。

【００９１】フェルール２１３と同じ外径を持つ円筒状
のスペーサ２１５が支持用円筒２１４に嵌め込まれてい
る。レンズホルダー２０７における図４（ｂ）の右側の
端部はフェルール２１３と同じ外径を持つように削られ
ており、フェルール２１３、スペーサ２１５及びレンズ
ホルダー２０７は、互いの間に隙間ができないようにし
て支持用円筒２１４に押し込まれている。この場合、調
芯用光ファイバー２１２が非球面レンズ２０６の焦点に
精度良く位置するよう、スペーサ２１５の長さは予め決
められている。寸法精度を上げるため、スペーサ２１５
はジルコニア等の加工精度が高いセラミックにより作る
ことが望ましい。レンズホルダー２０７及びスペーサ２
１５は支持用円筒２１４に差し込まれるだけで保持され
ている。

【００９２】図４（ａ），（ｂ）に示すように、光軸方
向にＺ軸、第１のベース２０４の上面と平行で光軸と直
交する方向にＸ軸、第１のベース２０４の上面と垂直な
方向にＹ軸をとることにする。この場合、調芯はＺ軸方
向を鉛直方向にとって行なう必要はない。

【００９３】以下、図４（ｂ）を参照しながら、調芯用
光ファイバー２１２と非球面レンズ２０６と半導体レー
ザ素子２０１との調芯及び固定の工程について説明す
る。

【００９４】まず、第１のベース２０４を図示しない台
に固定した後、電流供給源２１６，２１７により半導体
レーザ素子２０１に電流を供給する。支持用円筒２１４
は調芯用の精密３軸ステージに取り付けられる。

【００９５】半導体レーザ素子２０１に一定の電流を流
してレーザ発振させながら、調芯用光ファイバー２１２
に入る光量が最大になるよう、鍔部２１０を壁部２０５
に押し当てたまま精密３軸ステージにより支持用円筒２
１４をＸ，Ｙ方向に移動する。この際、非球面レンズ２
０６の調芯精度は精密３軸ステージの精度により決定さ
れるが、±０．５μｍ程度の精度以内に調芯できる。ま
た、調芯用光ファイバー２１２のコア径は、実装用光フ
ァイバーのコア径と同じか又は小さいので、調芯用光フ
ァイバー２１２の半導体レーザ素子２０１に対する位置
ずれは光量の変化として敏感に現れるので、精密な調芯
が可能である。第１の光半導体モジュールと同様、半導
体レーザ素子２０１と非球面レンズ２０６と調芯用光フ
ァイバー２１２とよりなる３体の位置合わせにも拘ら
ず、あたかも２体間の位置合わせのようにＸ，Ｙ，Ｚ方
向の１回の移動のみで調芯ができる。

【００９６】前記の３体の調芯が行なわれた状態を維持
したまま、非球面レンズ２０６と調芯用光ファイバー２
１２とを固定できるならば、最終的な実装用光ファイバ
ーへの結合効率として９０％を越える値が得られる。し
かしながら、レンズホルダー２０７と第１のベース２０
４の壁部２０５とを部位２１８においてレーザ溶接する
と、溶融箇所の凝縮時の体積変化のため、非球面レンズ
２０６の位置が調芯時に対して若干ずれる。もっとも、
レンズホルダー２０７と第１のベース２０４の壁部２０
５都の間には隙間がないため、前記のずれ量は、第１の
光半導体モジュールに比べて格段に小さい。

【００９７】前述したようにして、非球面レンズ２０６
を半導体レーザ素子２０１に対して固定した後、支持用
円筒２１４を取り外す。

【００９８】以下、図５を参照しながら、実装用光ファ
イバー２３３と非球面レンズ２０６との調芯及び固定の
工程について説明する。

【００９９】図５において２３０はステンレスよりなる
第２のベースであって、該第２のベース２３０はレーザ
光が通過する開口部２３１を有している。第２のベース
２３０はレンズホルダー２０７の顎部２１０にレーザ溶
接されている。第２のベース２３０の内部には光アイソ
レータ２３２が固定されている。第２のベース２３０の
底面は平坦であり且つ金により覆われている。このた
め、第２のベース２３０の底面がペルチエ素子等よりな
る電子クーラーと広い面積においてハンダにより固定さ
れ、良好な熱交換が行なわれ、これにより光アイソレー
タ１３２は精密に温度制御される。

【０１００】図５において、２３４は実装用光ファイバ
ー２３３を補強するための円筒状のフェルールであっ
て、該フェルール２３４はステンレスとジルコニアとの
二重構造を有している。２３５は光ファイバーホルダー
であって、その内壁面２３６は滑らかな円形に加工され
ている。フェルール２３４と光ファイバーホルダー２３
５との間の嵌め込み余裕は、通常±２０μｍ程度である
が、精度を更に上げれば嵌め込み余裕を±１０μｍ程度
にすることができる。これにより、フェルール２３４は
光ファイバーホルダー２３５に対して滑らかに摺動す
る。

【０１０１】調芯はＺ方向を鉛直方向にとって行なわれ
る。第１のベース２０４は図示しない台に固定されてお
り、電流供給線２１６，２１７により半導体レーザ素子
２０１に電流を供給する。フェルール２３４は調芯用の
精密３軸ステージに取り付けられる。このとき、光ファ
イバーホルダー２３５は重力により第２のベース２３０
の端面２３７に接している。

【０１０２】半導体レーザ素子２０１に一定の電流を流
してレーザ発振させながら、実装用光ファイバー２３３
に入る光量が最大になるように精密３軸ステージにより
フェルール２３４をＸ，Ｙ，Ｚ方向に移動する。この
際、非球面レンズ２０６の調芯精度は精密３軸ステージ
の精度により決定されるが、±０．５μｍ程度の精度以
内に調芯できる。若干の位置ずれ量を持つ非球面レンズ
２０６に対して実装用光ファイバー２３３を調芯するこ
とにより、その後のレーザ溶接により実装用光ファイバ
ー２３３の位置が調芯時に対してずれたとしても、ほぼ
最高の結合効率が維持される。

【０１０３】この第２の光半導体モジュールも、パッケ
ージに組み込まれなくても、この状態で半導体レーザ素
子２０１に通電すれば、パルス駆動による光出力やスペ
クトル等の特性を測定することができ良品検査が可能で
ある。また、電子クーラーの上に仮留めすれば、直流電
流を印加したときの光出力やスペクトル等の特性、温度
サイクル試験での光結合効率の劣化量評価、及び寿命試
験等ができるので、パッケージ及び電子クーラーの節約
ができる。

【０１０４】尚、第２の光半導体モジュールにおいて
は、実装用光ファイバー２３３及び光ファイバーホルダ
ー２３５は、第２のベース２３０に固定されていたが、
これに代えて、該第１の光半導体モジュールが設置され
るパッケージの外壁に取り付けられてもよい。

【０１０５】また、図４（ｂ）に示す調芯が終った直後
に、光出力やスペクトル等の特性を測定できるほか、ア
ナログやデジタルの信号を入力して動特性を評価するこ
ともできる。この場合、必要に応じて、フェルール２１
３の前又は調芯用光ファイバー２１２の途中に光アイソ
レータを入れることができる。

【０１０６】さらに、前述した精密なレンズと光ファイ
バーとの調芯方法は、高速ＬＥＤ、高速受光素子等のよ
うに、光の入射面又は出射面が小さな光半導体素子に適
用できることは言うまでもない。

【０１０７】

【発明の効果】請求項１の発明に係る光半導体モジュー
ルによると、第１のホルダーと第２のホルダーとを軸方
向に相対的に移動させることにより、レンズを発光素子
から出射された光の光軸の方向に移動させることがで
き、また、第１のホルダーの端面を発光素子用ベースの
壁部の平滑面と摺接させることにより、レンズを発光素
子から出射された光の光軸に対して垂直な面内で２次元
に移動させることができるため、レンズを発光素子に対
して３次元に移動させることができるので、発光素子か
ら出射した光の結合効率が最大になる位置にレンズを移
動させることが可能になる。また、発光素子用ベース、
第１のホルダー及び第２のホルダーは、発光素子から出
射された光の光ファイバーの入射部における結合効率が
最大になる状態で互いに固定されているため、発光素子
から出射された光のレンズに対する結合効率を向上させ
ることができる。

【０１０８】請求項２又は７の発明に係る光半導体モジ
ュールによると、発光素子用ベースと電子クーラーとの
間で良好な熱交換が行なわれるので、発光素子の良好な
放熱が得られると共に発光素子に対する温度制御を容易
に行なうことができる。

【０１０９】請求項３の発明に係る光半導体モジュール
によると、第１のホルダーの内面と第２のホルダーの外
面との隙間は約１０μｍであるため、第１のホルダーと
第２のホルダーとの軸方向の相対移動がスムーズにでき
ると共に、第１のホルダーと第２のホルダーとを溶接や
ハンダにより固定した際の両者の軸心がずれる事態を最
小限に抑制できる。

【０１１０】請求項４又は８の発明に係る光半導体モジ
ュールによると、発光素子、レンズ及び光ファイバーが
一体化されているので、光ファイバー用ベースを電子ク
ーラー等の温度調節手段に仮止めし、発光素子に通電す
るだけで、光半導体モジュールの特性評価、温度サイク
ル試験又は寿命試験等を行なうことができる。このた
め、従来では、発光素子、レンズ及び電子クーラーをパ
ッケージ内に収納し、ワイヤーボンディング及びキャッ
プ封止等の作業を行なった後でなければできなかった前
記の検査を前記の作業を経ることなく行なうことができ
る。

【０１１１】請求項５又は９の発明に係る光半導体モジ
ュールによると、光ファイバー用ベースは、光アイソレ
ータが載置可能で且つ裏面が電子クーラーと広い面積で
接するよう平坦に形成された底部を有しているため、該
底部と電子クーラーとの間で良好な熱交換が行なわれる
ので、前記底部に載置される光アイソレータに対する精
密な温度制御を行なうことができる。

【０１１２】請求項６の発明に係る光半導体モジュール
によると、レンズを保持している筒状部の外面から突出
する顎部の平滑面と、発光素子を保持している発光素子
用ベースの壁部の平滑面とを摺接状態で相対移動させる
ことにより、レンズを発光素子から出射された光の光軸
に対して垂直な面内で２次元に移動させることができる
ため、発光素子から出射した光の結合効率が最大になる
位置にレンズを移動させることが可能になる。また、発
光素子用ベース、第１のホルダー及び第２のホルダー
は、発光素子から出射された光の光ファイバーの入射部
における結合効率が最大になる状態で互いに固定されて
いるため、発光素子から出射された光のレンズに対する
結合効率を向上させることができる。

【０１１３】請求項１０の発明に係る光半導体モジュー
ルの製造方法によると、発光素子から出射され実装用光
ファイバーに入射する光の光量が最大になるように、実
装用光ファイバーを保持した実装用光ファイバーホルダ
ーを発光素子に対して３次元的に移動し、この状態で実
装用光ファイバーホルダーをレンズホルダーに固定する
ため、溶接やハンダ付けによって発光素子とレンズとの
間に生じる光軸のずれが補正されるので、光軸のずれは
最高の結合効率の１割程度の劣化に抑えられ、これによ
り高い結合効率が得られる。

【０１１４】また、複合部品を移動すると、レンズと調
芯用光ファイバーとが同時に移動するため、第３工程に
おいては、レンズつまりレンズホルダーを３方向に移動
するだけで、調芯用光ファイバーに入射する光の光量が
最大になる状態が得られるので、レンズの移動に合わせ
て調芯用光ファイバーを移動する手間が省け、レンズを
３方向に移動すると共に調芯用光ファイバーを３方向に
移動する作業が不要になり、調芯工程に要する時間を大
幅に短縮できる。

【０１１５】さらに、発光素子から出射され調芯用光フ
ァイバーに入射する光の光量が最大になる状態でレンズ
ホルダーをベースに固定する前に、発光素子の光出力や
スペクトル等の特性、又は信号伝達特性などの評価試験
を行なえば、後に発光素子の特性評価試験を行なう手間
が省けると共に、発光素子が不良と判明したときには、
レンズの固定を取り止めることができるので、部品の節
約になる。

【０１１６】請求項１１又は１４の発明に係る光半導体
モジュールの製造方法によると、調芯用光ファイバーの
コア径は実装用光ファイバーのコア径以下であるため、
実装用光ファイバーに要求される結合効率以上の精度を
持ってレンズを発光素子に対して固定できるので、実装
用光ファイバーに対する結合効率がより向上する。

【０１１７】請求項１２の発明に係る光半導体モジュー
ルの製造方法によると、発光素子を保持するベースが発
光素子から出射された光の光軸と垂直な壁部を有してい
るため、レンズホルダーをベースの壁部に固定すること
により、レンズホルダーをベースに容易に固定すること
ができる。

【０１１８】請求項１３の発明に係る光モジュールの製
造方法によると、請求項１０の発明と同様、発光素子か
ら出射され実装用光ファイバーに入射する光の光量が最
大になるように実装用光ファイバーを保持した実装用光
ファイバーホルダーを発光素子に対して３次元的に移動
し、この状態で実装用光ファイバーホルダーをレンズホ
ルダーに固定するため、溶接やハンダ付けによって発光
素子とレンズとの間に生じる光軸のずれが補正されるの
で、高い結合効率が得られる。

【０１１９】また、複合部品を移動すると、レンズと調
芯用光ファイバーとが同時に移動するため、第３工程に
おいては、レンズつまりレンズホルダーを２方向に移動
するだけで、調芯用光ファイバーに入射する光の光量が
最大になる状態が得られるので、レンズの移動に合わせ
て調芯用光ファイバーを移動する手間が省け、レンズを
２方向に移動すると共に調芯用光ファイバーを２方向に
移動する作業が不要になり、調芯工程に要する時間を大
幅に短縮できる。

【０１２０】さらに、請求項１０の発明と同様に、発光
素子から出射され調芯用光ファイバーに入射する光の光
量が最大になる状態でレンズホルダーをベースに固定す
る前に、発光素子の光出力やスペクトル等の特性又は信
号伝達特性などの評価試験を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】レンズの位置ずれによる光結合効率の劣化を光
ファイバーの位置の再調整で回復させたときの、光結合
効率の変化を示す特性図である。

【図２】本発明に係る第１の光半導体モジュールの製造
方法を示す断面図である。

【図３】本発明に係る第１の光半導体モジュールの構成
及びその製造方法を示す断面図である。

【図４】本発明に係る第２の光半導体モジュールの製造
方法を示す断面図である。

【図５】本発明に係る第２の光半導体モジュールの構成
及びその製造方法を示す断面図である。

【図６】従来の第１の半導体モジュールを示し、（ａ）
は側方断面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるVI−VI線
の断面図である。

【図７】従来の第２の半導体モジュールを示す側方断面
図である。

【図８】従来の第３の半導体モジュールを示す側方断面
図である。

【図９】従来の半導体モジュールの問題点を説明するた
めの概略構成図である。

【符号の説明】

１０１ 半導体レーザ素子 １０２ サブマウント １０３ ステム １０４ 第１のベース １０５ 壁部 １０６ 開口部 １０７ 非球面レンズ １０８ 第２のホルダー １０９ 第２のホルダーの外壁面 １１０ 第１のホルダー １１１ 第１のホルダーの内壁面 １１２ 第１のホルダーの端面 １１３ 調芯用光ファイバー １１４ フェルール １１５ 支持用円筒 １１６ スペーサ １１７，１１８ 電流供給線 １３０ 第２のベース １３１ 開口部 １３２ 光アイソレータ １３３ 実装用光ファイバー １３４ フェルール １３５ 光ファイバーホルダー １３６ 光ファイバーホルダーの内壁面 １３７ 第２のベースの壁部 ２０１ 半導体レーザ素子 ２０２ サブマウント ２０３ ステム ２０４ 第１のベース ２０５ 第１のベースの壁 ２０６ 非球面レンズ ２０７ レンズホルダー ２０８ 開口部 ２０９ レンズホルダーの顎部の端面 ２１０ レンズホルダーの鍔部 ２１１ 非球面レンズの端面（座標原点） ２１２ 調芯用光ファイバー ２１３ フェルール ２１４ 支持用円筒 ２１５ スペーサ ２１６，２１７ 電流供給線 ２３０ 第２のベース ２３１ 開口部 ２３２ 光アイソレータ ２３３ 実装用光ファイバー ２３４ フェルール ２３５ 光ファイバーホルダー ２３６ 光ファイバーホルダーの内壁面 ２３７ 第２のベースの端面

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 発光素子と、 底部と該底部に対して垂直な壁部とからなり、前記底部
   の表面において前記発光素子を保持し、前記壁部に前記
   発光素子から出射された光が通過する開口部が形成さ
   れ、前記壁部における前記発光素子と反対側に平滑面を
   有する発光素子用ベースと、 前記壁部の平滑面と摺接可能な端面を有する筒状の第１
   のホルダーと、 前記第１のホルダーの内部に軸方向へ摺動可能に挿入さ
   れた筒状の第２のホルダーと、 前記第２のホルダーの内部に保持されており、前記開口
   部を通過した光を集光するレンズと、 前記レンズにより集光された光が結合する位置に入射部
   を有する光ファイバーとを備えており、 前記発光素子用ベースと前記第１のホルダー、及び前記
   第１のホルダーと前記第２のホルダーは、前記発光素子
   から出射された光の前記光ファイバーの入射部における
   結合効率が最大になる状態でそれぞれ固定されているこ
   とを特徴とする光半導体モジュール。
2. 【請求項２】 前記発光素子用ベースの底部の裏面は、
   電子クーラーと広い面積で接するよう平坦に形成されて
   い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。
3. 【請求項３】 前記第１のホルダーの内面と前記第２の
   ホルダーの外面との隙間は約１０μｍ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。
4. 【請求項４】 内部において前記光ファイバーの端部を
   保持している筒状の光ファイバーホルダーと、 前記発光素子から出射される光の光軸に対して垂直に設
   けられ、前記発光素子から出射された光が通過する開口
   部を有し、前記光ファイバーホルダーが固定さた光ファ
   イバー用ベースとをさらに備え、 前記光ファイバー用ベースは前記発光素子用ベースに固
   定されてい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。
5. 【請求項５】 前記光ファイバー用ベースは、光アイソ
   レータが載置可能な底部と該底部に対して垂直な壁部と
   からなり、 前記光ファイバー用ベースの開口部は該光ファイバー用
   ベースの壁部に形成されており、 前記光ファイバー用ベースの底部の裏面は、電子クーラ
   ーと広い面積で接するよう平坦に形成されていることを
   特徴とする請求項４に記載の光半導体モジュール。
6. 【請求項６】 発光素子と、 底部と該底部に対して垂直な壁部とからなり、前記底部
   の表面において前記発光素子を保持し、前記壁部に前記
   発光素子から出射された光が通過する開口部が形成さ
   れ、前記壁部における前記発光素子と反対側に平滑面を
   有する発光素子用ベースと、 前記開口部を通過した光を集光するレンズと、 内部において前記レンズを保持し且つ前記開口部に挿入
   されている筒状部と、該筒状部の外面から突出するよう
   に設けられ前記壁部の平滑面と摺接可能な平滑面を有す
   る顎部とからなるレンズホルダーと、 前記レンズにより集光された光が結合する位置に入射部
   を有する光ファイバーとを備えており、 前記発光素子用ベースと前記レンズホルダーとは、前記
   発光素子から出射された光の前記光ファイバーの入射部
   における結合効率が最大になる状態で固定されているこ
   とを特徴とする光半導体モジュール。
7. 【請求項７】 前記発光素子用ベースの底部の裏面は、
   電子クーラーと広い面積で接するよう平坦に形成されて
   いることを特徴とする請求項６に記載の光半導体モジュ
   ール。
8. 【請求項８】 内部において前記光ファイバーを保持し
   ている筒状の光ファイバーホルダーと、 前記発光素子から出射される光の光軸に対して垂直に設
   けられ、前記発光素子から出射された光が通過する開口
   部を有し、前記光ファイバーホルダーが固定さた光ファ
   イバー用ベースとをさらに備え、 前記光ファイバー用ベースは前記発光素子用ベースに固
   定されていることを特徴とする請求項６に記載の光半導
   体モジュール。
9. 【請求項９】 前記光ファイバー用ベースは、光アイソ
   レータが載置可能な底部と該底部に対して垂直な壁部と
   からなり、 前記光ファイバー用ベースの開口部は該光ファイバー用
   ベースの壁部に形成されており、 前記光ファイバー用ベースの底部の裏面は、電子クーラ
   ーと広い面積で接するよう平坦に形成されていることを
   特徴とする請求項８に記載の光半導体モジュール。
10. 【請求項１０】 レンズホルダーに保持されたレンズに
    対して最大の光結合効率が得られる状態で、調芯用光フ
    ァイバーを保持した調芯用光ファイバーホルダーを前記
    レンズホルダーに仮に固定して、前記レンズホルダーと
    前記調芯用光ファイバーホルダーとからなる複合部品を
    得る第１の工程と、 前記レンズが、ベースに保持された発光素子の出射部と
    対向するように前記複合部品を配置する第２の工程と、 前記発光素子から光を出射させると共に出射された光を
    前記調芯用光ファイバーの入射部に導き、前記調芯用光
    ファイバーに入射する光の光量が最大になるように前記
    複合部品を前記発光素子に対して３次元的に移動する第
    ３の工程と、 前記調芯用光ファイバーに入射する光の光量が最大にな
    る状態で前記レンズホルダーを前記ベースに固定する第
    ４の工程と、 前記調芯用光ファイバーホルダーを前記レンズホルダー
    から取り外す第５の工程と、 前記発光素子から光を出射させると共に出射された光を
    実装用光ファイバーホルダーに保持された実装用光ファ
    イバーの入射部に導き、前記実装用光ファイバーに入射
    する光の光量が最大になるように前記実装用光ファイバ
    ーホルダーを前記発光素子に対して３次元的に移動する
    第６の工程と、 前記実装用光ファイバーに入射する光の光量が最大にな
    る状態で前記実装用光ファイバーホルダーを前記レンズ
    ホルダーに固定する第７の工程とを備えていることを特
    徴とする光半導体モジュールの製造方法。
11. 【請求項１１】 前記調芯用光ファイバーのコア径は、
    前記実装用光ファイバーのコア径以下であることを特徴
    とする請求項１０に記載の光半導体モジュールの製造方
    法。
12. 【請求項１２】 前記第２工程におけるベースは、該ベ
    ースに保持された発光素子から出射される光の光軸と垂
    直な壁部を有しており、 前記第４の工程は、前記レンズホルダーを前記ベースの
    壁部に固定する工程を含むことを特徴とする請求項１０
    に記載の光半導体モジュールの製造方法。
13. 【請求項１３】 レンズホルダーに保持されたレンズに
    対して最大の光結合効率が得られる状態で、調芯用光フ
    ァイバーを保持した調芯用光ファイバーホルダーを前記
    レンズホルダーに仮に固定して、前記レンズホルダーと
    前記調芯用光ファイバーホルダーとからなる複合部品を
    得る第１の工程と、 発光素子を該発光素子から出射される光の光軸と垂直な
    壁部を有するベースに保持し、前記レンズが前記ベース
    に保持された発光素子の出射部と対向し且つ前記レンズ
    ホルダーが前記壁部に接するように前記複合部品を配置
    する第２の工程と、 前記発光素子から光を出射させると共に出射された光を
    前記調芯用光ファイバーの入射部に導き、前記調芯用光
    ファイバーに入射する光の光量が最大になるように前記
    複合部品を前記発光素子から出射された光の光軸と垂直
    な面内で２次元的に移動する第３の工程と、 前記調芯用光ファイバーに入射する光の光量が最大にな
    る状態で前記レンズホルダーを前記ベースに固定する第
    ４の工程と、 前記調芯用光ファイバーホルダーを前記レンズホルダー
    から取り外す第５の工程と、 前記発光素子から光を出射させると共に出射された光を
    実装用光ファイバーホルダーに保持された実装用光ファ
    イバーの入射部に導き、前記実装用光ファイバーに入射
    する光の光量が最大になるように前記実装用光ファイバ
    ーホルダーを前記発光素子に対して３次元的に移動する
    第６の工程と、 前記実装用光ファイバーの入射部が前記レンズの焦点に
    位置する状態で前記実装用光ファイバーホルダーを前記
    レンズホルダーに固定する第７の工程とを備えているこ
    とを特徴とする光半導体モジュールの製造方法。
14. 【請求項１４】 前記調芯用光ファイバーのコア径は、
    前記実装用光ファイバーのコア径以下であることを特徴
    とする請求項１３に記載の光半導体モジュールの製造方
    法。