JPH08110435A

JPH08110435A - 半導体光結合装置

Info

Publication number: JPH08110435A
Application number: JP6245916A
Authority: JP
Inventors: Makoto Shimaoka; 誠嶋岡; Kazuyuki Fukuda; 和之福田; Tadaaki Ishikawa; 忠明石川; Tetsuo Kumazawa; 鉄雄熊沢
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-10-12
Filing date: 1994-10-12
Publication date: 1996-04-30

Abstract

(57)【要約】【構成】ファイバの先端は、予めフェルールの穴に固定
しておき、一方、ベースには、フェルール固定用の溝を
予め設けておく。組立は、ベースの中央に光部品を固定
し、電源用のワイヤボンディングを行う。電源を印加し
て光部品を動作させながらファイバとの光軸調整を行
い、両者を端面固定した後ベース溝にファイバを接合固
定する。【効果】ファイバを固定したフェルールと光部品との間
で材料の違いに伴う接合部熱応力が発生しても、フェル
ール及び光部品はベースの溝に接合固定されており、光
軸ずれを起こすことはない。また、接合界面でクリープ
変形を起こすこともなく、長期の使用に対しても安定し
た光結合を得ることが可能となる効果がある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光ファイバを介して光
の伝送を行う光集積回路、光スイッチ、光増幅器、光変
調器、光導波路などの光部品を内在してなる半導体光結
合装置に係り、特に光集積回路、光スイッチ、光増幅
器、光変調器、光導波路の光信号入出力部に光ファイバ
を接合固定するに好適な半導体光結合装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば図８（特開平５ー２８８０
３号公報）に記載（以下第１の従来例という）のように
光ファイバ芯線１ａ内を伝送されコリメータ２ａから出
力された光信号が、光伝送媒体６を介してコリメータ２
ｂに入射して光ファイバ芯線１ｂ内に導かれる光結合器
において、凹部を設けてコの字形とした固定用ブロック
を前記コリメータの少なくとも１つを固定する固定部材
とし、この固定用ブロックの前記凹部を避けた位置に一
本の固定用ねじを通すと共に、前記凹部の対向面の一方
に一本の締付用ねじを装着した固定となっている。

【０００３】また、図９（１９９２年電子情報通信学会
秋期大会４ー２３２）に記載（以下第２の従来例とい
う）のように、８芯ファイバアレイで伝送された８本の
光を導波路に入射させ、導波路部を伝送した光をさらに
８芯ファイバアレイに出射させるプレーナ光波回路にお
いて、溝型ガラス筐体に固定した８芯ファイバアレイと
導波路部の端面同士を光軸合わせし、ＵＶ接着剤を塗布
し紫外線照射して接着固定しているものが知られてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記第１の従来例は、
図８に示すように、固定用ねじ及び締付用ねじで軸ずれ
を調整して基板に取り付ける構造となっているが、コリ
メータと光伝送媒体との軸ずれは一般的に数ミクロンの
単位での調整が必要で、これをねじ締結だけで微妙な位
置調節を行うのは困難であり、ねじ締付時光ファイバ芯
線に回転力が加わったり、例え位置合わせできたとして
も調整に多くの時間がかかるという問題があった。

【０００５】また、ねじ締付はねじの弾性締結力で固定
されるが、長期間の固定で温度変化、振動が加わり締結
力が緩んで光結合の変動を起こす可能性があるという問
題があった。◆更には、ねじ締結部が外部から遮断され
ていないため、外力をうけて位置ずれする可能性があっ
た。

【０００６】また、光伝送媒体とコリメータ固定用ブロ
ックとの線膨張係数を考慮した構造ではないため、光結
合器に温度変化が生じた場合、基板上に固定した光伝送
媒体とコリメータ固定用ブロック間で膨張係数差に基づ
く熱応力が発生し長期使用で繰り返し熱応力がかかり，
光結合ずれを起こす可能性があった。

【０００７】また、第２の従来例では、図９に示すよう
に、８芯ファイバアレイと導波路部との接合が端面全体
で行っているが、ファイバアレイと導波路部とは材質が
異なっており、接合部に温度変化が生じた時膨張係数差
に基づく熱ひずみが接合部に発生し、光結合ずれを起こ
す問題があった。或いは、第１の例と同様に接続部が外
部から遮断されていないため、外力が接合部にかかり位
置ずれする可能性があった。

【０００８】本発明の目的は、光集積回路、光スイッ
チ、光増幅器、光変調器、光導波路と光信号を入出力す
る光ファイバとの光結合が、容易でしかも接合部が確実
に固定でき、温度変化、外力、振動或いは長期間の使用
に対して光結合劣化を起こさない構造を提供することに
ある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、光ファイバを介して光の伝送を行う光集
積回路、光スイッチ、光増幅器、光変調器などの光部品
を内在してなる半導体光結合装置において、前記ファイ
バはセラミックフェルールに固定するとともに、前記光
部品に溝を設け前記セラミックフェルール付ファイバを
この溝に密着するように保持固定したものである。

【００１０】また本発明は、光ファイバを介して光の伝
送を行う光集積回路、光スイッチ、光増幅器、光変調器
などの光部品を内在してなる半導体光結合装置におい
て、前記ファイバはセラミックフェルールに固定すると
ともに、前記光部品に溝を長手方向がファイバの延長方
向と直角になるように設け、前記セラミックフェルール
付ファイバをこの溝に密着するように保持固定したもの
である。

【００１１】また本発明は、光ファイバを介して光の伝
送を行う光集積回路、光スイッチ、光増幅器、光変調器
などの光部品を内在してなる半導体光結合装置におい
て、前記ファイバは２本またはそれ以上の本数から成
り、複数ファイバ固定用セラミックフェルールに固定す
るとともに、前記光部品の端部に溝を設け前記複数ファ
イバ固定用セラミックフェルール付ファイバの一部分を
この溝に密着するように保持固定したものである。

【００１２】また本発明は、光ファイバを介して光の伝
送を行う光集積回路、光スイッチ、光増幅器、光変調器
などの光部品を内在してなる半導体光結合装置におい
て、前記ファイバは２本またはそれ以上の本数から成
り、一体成形した複数ファイバ固定用セラミックフェル
ールに固定するとともに、前記光部品に溝を設け前記複
数ファイバ固定用セラミックフェルール付ファイバの一
部分をこの溝に密着するように保持固定したものであ
る。◆尚以上の４発明においては、溝の長手方向はファ
イバの延長方向に直角であることが好ましい。

【００１３】また本発明は、光ファイバを介して光の伝
送を行う光集積回路、光スイッチ、光増幅器、光変調器
などの光部品を内在してなる半導体光結合装置におい
て、前記ファイバは２本またはそれ以上の本数から成
り、一体成形した複数ファイバ固定用セラミックフェル
ールに固定するとともに、前記光部品に溝を長手方向が
ファイバの延長方向と直角になるように設け、前記複数
ファイバ固定用セラミックフェルール付ファイバの一部
分をこの溝に密着するように保持固定したものである。

【００１４】また本発明は、光ファイバを介して光の伝
送を行う光集積回路、光スイッチ、光増幅器、光変調器
などの光部品を内在してなる半導体光結合装置におい
て、前記ファイバは２本またはそれ以上の本数から成
り、一体成形した複数ファイバ固定用セラミックフェル
ールに固定するとともに、固定したセラミックフェルー
ル付ファイバの中央部に溝を設け、この光部品の一部を
この溝に密着するように保持固定したものである。

【００１５】前記各本発明の半導体結合装置において、
セラミックフェルール付きファイバを固定する溝の断面
形状が三角形、四角形、Ｕ字形であることが好ましい。
また、セラミックフェルールの材質としてはアルミナ
（Ａｌ２Ｏ３）、ジルコニア（ＺｒＯ２）及びホウケイ
酸ガラス（Ｎａ２Ｏ−Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ２）の群から選
ばれることが好ましく、外形が溝の形状にほぼ同等であ
ることが望ましい。

【００１６】

【作用】図１に示すように、予め複数のファイバはセラ
ミックフェルール内に設けた穴に固定する。このフェル
ール付ファイバをベースに設けた溝を介して置き、ファ
イバと光部品との光結合がとれるように位置合わせし、
固定する。このように構成すると、ファイバ先端は穴内
に確実に固定されており、フェルール内でファイバがず
れたり外力がかかりずれることはない。また、ベースの
溝上にフェルール付ファイバを抱え込み固定しており、
例えフェルール付ファイバと光部品との間で膨張係数差
に基づく熱ひずみが生じても、同一ベース上に固定した
ファイバと光部品間の光結合ずれを起こすことはない。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の第１の実施例を図１〜３によ
り説明する。◆図１は平面図で全体が四角形形状であ
る。ベース２の中央に光集積回路素子１を置き、光集積
回路素子１とファイバ４とをベース２の平面上で固定す
るように配置されている。

【００１８】光集積回路素子１は外部から光ファイバ４
で入力した光情報を光集積回路素子内導波路で合分波、
スイッチ、増幅、波長変換、発光、受光し、その結果を
光情報として光ファイバ４から出力するもので、一方向
以上のファイバ４から光情報を入力し、一方向以上のフ
ァイバ４に出力できるようにファイバ４を設けた構造か
ら成っている。フェルール３には複数のファイバ先端部
を固定できるようにファイバ４と同程度の細い穴を複数
個設け、接着剤、はんだなどで固定する。例えば、フェ
ルール３の穴径１２７μｍに対してファイバ外径１２５
μｍ、ファイバとファイバとの間隔２５０μｍ±１μｍ
である。ファイバ外径はこのほかに９０、５０μｍなど
があり、フェルール穴径はこれに対し＋２μｍ程度が適
している。フェルール３の外形は四角形、三角形のブロ
ックなどがよい。この場合の光集積回路素子１の周りで
ベース２上に設ける溝形状はそれぞれ四角形、三角形に
あった形状とする。

【００１９】フェルール３は、穴をあけてファイバ４を
固定する他に、二枚の板に挟み込んで固定してもよい。
板にはファイバ４を安定して固定できるように、Ｖ、Ｕ
形状の溝を設けておく。フェルール３と溝との接合はエ
ポキシ接着剤、ＵＶ接着剤、セラミック接着剤、ＰｂＯ
やＢ２Ｏ３から成る融点４３８℃の低融点ガラス或いは
Ｐｂ−Ｓｎ（４０：６０、９５：５）、Ａｕ−Ｓｎ（８
０：２０）、Ａｕ−Ｇｅ（８８：１２）、Ａｕ−Ｓｉ
（９８：２）はんだが適している。はんだ接合の場合
は、フェルール表面及び溝にＴｉ−Ｐｔ−Ａｕ、Ｃｕ−
Ｎｉなどのメタライズ膜を予め付けておく。

【００２０】光集積回路素子１とベース２との組立は、
まずベース中央で素子の接合位置にＴｉ−Ｐｔ−Ａｕ、
Ｃｕ−Ｎｉなどのメタライズを付けておき、Ａｕ−Ｓ
ｉ、Ａｕ−Ｇｅはんだを使って接合する。次に、光集積
回路素子１に供給する電源リード５からワイヤボンディ
ング５’を行う。光集積回路素子１を動作させながらフ
ェルール３に固定したファイバ４からの入射光と素子１
との光軸調整を行いベース２とフェルール４とを固定す
る。

【００２１】図２は、図１の一部分を拡大した斜視図で
ある。四角形ブロックのフェルール３にファイバ４を固
定しておき、ベース２に設けた四角溝上に固定した例を
示す。ベース上の溝は、中央の光集積回路素子１とベー
ス２とで囲まれ、四角溝を形成する。図２では、光集積
回路素子１とベース２が分割しておりベース２の中央に
固定する構造であるが、これに限るものではなく光集積
回路素子１とベース２が同一単一材質でもよい。或い
は、ベース２上にフォトレジスト技術を使って光集積回
路素子１を形成し，ファイバ４との結合部にフェルール
を固定する溝を設けてもよい。

【００２２】図３は、図２の縦断面図を示す。光集積回
路素子１には光を伝送できる導波路７を形成しており、
セラミックフェルール３に固定したファイバ４と光結合
している。ファイバ４は、光伝送を行う石英ガラス４１
と石英ガラス４１を保護するガイド４２とで構成されて
いる。石英ガラス４１には光をファイバ内に閉じこめて
伝送できるように、内側コアと外側クラッドの２層に分
かれており、シングルモード伝送用（コア径１０μｍ）
とマルチモード伝送用（コア径５０μｍ）がある。クラ
ッドの外径はいずれも１２５μｍが基準である。ガイド
４２の材質としては、ナイロン、ＵＶ樹脂が適してい
る。

【００２３】光集積回路素子１とフェルール付きファイ
バ４はベース２の溝を介して接合されている。今、光集
積回路素子１より更に一段深い溝にフェルール３が固定
されているがこれに限るものではなく、フェルール３部
と光集積回路素子１とが同一の深さでも同様の効果があ
る。また、フェルール３とベース２との固定は、接合面
３１だけではなく、接合面３２或いは接合面３３での固
定も適している。例えば、まず、接合面３１、３３をＡ
ｕ−Ｓｎ、Ｐｂ−Ｓｎはんだを使って接合し、その後接
合面３２にエポキシ接着剤、ＵＶ接着剤を注入固定す
る。また、光集積回路素子１とフェルール付きファイバ
３との光軸合わせを行ってそれぞれの端部接合面３２を
接着剤で予め固定した後接合面３１、３３を接合面３２
とは違った接着剤、はんだなどで固定する。或いはすべ
ての接合面３１、３２、３３をエポキシ、ＵＶ接着剤で
一度に固定する方法も良い。

【００２４】接合面３２は、ベース２に対し直角に接す
る形をとっているがこれに限るものではなく、ベース２
に対して４゜から８゜傾斜を持っていてもよい。接合面
３２の傾斜がベース２を基準にする他の方法としては、
光集積回路素子１が四角形ではなく菱形になるように傾
斜させる方法もある。傾斜角度は４゜から８゜が適して
いる。光集積回路素子１の傾斜に伴ってフェルール付フ
ァイバ３も同等の傾斜を設ける。

【００２５】図４は、図３の他の実施例を示す縦断面図
である。光集積回路素子１とファイバ４との間にレンズ
６を挿入した光結合系である。ベース２には、光集積回
路素子１、レンズ６、フェルール付きファイバ４がそれ
ぞれ固定できる溝を設けている。レンズ６の溝形状とし
ては、円錐、三角形、四角形が適している。フェルール
４の溝形状は、三角形、四角形がよい。

【００２６】図５、図６は、図３の他の実施例を示す平
面図である。図５は、ファイバを固定するフェルール３
の形状を四角柱からコの字型四角柱３０とし、光集積回
路素子１の一端面を囲み、接触端面を大きくしたもので
ある。コの字型フェルール３０は、ベース２の溝にはめ
る或いは溝を造らないで平面ベース２に置き、光集積回
路素子１と光結合する。光結合後の固定は、光集積回路
素子１との接合面３２、３４、３５を固定する。固定剤
としては、エポキシ、ＵＶ接着剤が適している。今、接
合面３２と接合面３４或いは３５との長さの比率は、接
合面３２が１に対し接合面３４或いは３５は１／３から
１／５が適している。

【００２７】接合面３２は、ベース２に対し直角に接す
る形をとっているがこれに限るものではなく、ベース２
に対して４゜から８゜傾斜を持っていてもよい。接合面
３２の傾斜がベース２を基準にする他の方法としては、
光集積回路素子１が四角形ではなく菱形になるように傾
斜させる方法もある。傾斜角度は４゜から８゜が適して
いる。光集積回路素子１の傾斜に伴ってフェルール付フ
ァイバ３も同等の傾斜を設ける。図５では、フェルール
３の形状を四角形からコの字型四角形３０としたがこれ
に限るものでなく、光集積回路素子１の端面３２をコの
字型にしてフラットなフェルール３を覆うように接合固
定する方法もある。

【００２８】図６は、ファイバ４を固定するフェルール
３を分割し光集積回路素子１に入り込むように固定した
ものである。フェルール３の形状としては四角形或いは
円柱が適しており、光集積回路素子１側の切り込み溝は
四角形或いは円筒である。フェルール３は１個ずつの分
割のほかに、図７の斜視図に示すように、２或いは３個
のファイバ４を一体フェルールにとりつけたものが適し
ている。この場合フェルールは付け根部分でつながって
おり、先端部ファイバ間にスリットをいれ光集積回路素
子１とスリット部で勘合した形となる。

【００２９】ファイバ４は光を伝播する石英ガラス４１
と石英ガラス４１を保護するナイロン或いはＵＶ樹脂４
２から構成されている。石英ガラス４１は、シングルモ
ードファイバ（コア径１０μｍ）が適している。セラミ
ックフェルール３の材質は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、
ジルコニア（ＺｒＯ２）、ホウケイ酸ガラス（Ｎａ２Ｏ
−Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ２）が好適である。基板２の材料と
しては、リチウム酸化物（ＬｉＮｂＯ３）、ホウケイ酸
ガラス（Ｎａ２Ｏ−Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ２）、Ｓｉ単結
晶、ＩｎＰ化合物或いはＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ（Ｆｅ−２９
Ｎｉ−１７Ｃｏ）、鉄材、Ｆｅ−５０Ｎｉ、Ｆｅ−４５
Ｎｉが適しており、光集積回路素子１としては、ＩｎＰ
化合物、リチウム酸化物（ＬｉＮｂＯ３）、石英ガラ
ス、Ｓｉ単結晶が適している。

【００３０】半導体光結合装置の組立は、まず、セラミ
ックフェルール３とファイバとを接着固定する。つぎ
に、ベース中央に光集積回路素子１をＡｕ−Ｓｉはんだ
或いはＡｕ−Ｇｅはんだを使って接合固定する。フェル
ール付ファイバを光集積回路素子１の回りに配置し、光
集積回路素子を動作させながらＸ、Ｙ方向の光軸位置合
わせを行いセラミックフェルール３を溝に固定する。固
定する材料としては、Ａｕ−Ｓｎ、Ｐｂ−Ｓｎはんだ或
いはＵＶ接着剤、エポキシ接着剤を使用する。

【００３１】本実施例によれば、光集積回路素子１とフ
ェルール付ファイバの端面同士を光結合後接合固定す
る。つぎに、ベースに設けた溝にフェルール付きファイ
バを固定する。光ファイバ先端はフェルール穴に固定さ
れている。ファイバ端面と光集積回路素子端面はフェル
ール、ベース溝を介して固定されることになる。したが
って、例えフェルールと光集積回路素子接合界面で材料
の違いによる熱応力が生じても、フェルールを溝でバッ
クアップ固定しているため相対ずれはなく、また、外
力、振動に伴う力が作用しても相対位置ずれを起こすこ
とがない。また、長期使用に対しても光結合を劣化させ
ることはない。

【００３２】本実施例では、光集積回路素子で説明した
が、この他に光スイッチ、光増幅器、光変調器、光導波
路を使った半導体光結合装置でも同様の効果がある。

【００３３】

【発明の効果】本発明によれば、ファイバは予めフェル
ールの穴に接着固定されている。ベースには、あらかじ
めフェルール固定用溝が設けられ、ベースに固定された
光集積回路素子との光結合を取りながら溝にフェルール
付ファイバを固定する。このようにすると、光集積回路
素子とファイバとの界面に例え熱応力が発生しても、フ
ェルール付ファイバがベースに溝固定されているため、
ファイバと光集積回路素子との相対位置ずれを起こさな
い効果がある。

【００３４】また、フェルール付ファイバに外力が加わ
った場合、ベース溝へのフェルール固定でファイバと光
集積回路素子との相対ずれを起こさない効果がある。ま
た、固定後のクリープ変形も起こすことはなく、長期の
使用に対して安定した光結合が得られる効果がある。さ
らに、フェルールには複数のファイバを一括して固定し
ており、多数の情報を同時に光り伝送できる効果があ
る。また、フェルール、ファイバなどを接着固定するこ
とにより、装置を安く組み立てられる効果がある。ま
た、ファイバの固定にネジの締め付けを使用しないため
ファイバの回転があったり締結ごのゆるみを考慮する必
要もない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の平面図である。

【図２】本発明の実施例を説明する斜視図である。

【図３】本発明の実施例を説明する横断面図である。

【図４】本発明の一実施例の変形例を示す横断面図であ
る。

【図５】本発明の一実施例の変形例を示す平面図であ
る。

【図６】本発明の一実施例の変形例を示す平面図であ
る。

【図７】本発明の一実施例の変形例を示す斜視図であ
る。

【図８】従来技術を示す断面図である。

【図９】従来技術を示す断面図である。

【符号の説明】

１…光集積回路素子、２…ベース、３…フェルール、４
…ファイバ、５…電源リード、７…導波路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者熊沢鉄雄茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光ファイバを介して光の伝送を行う光集積
回路、光スイッチ、光増幅器、光変調器、光導波路など
の光部品を内在してなる半導体光結合装置において、前
記光ファイバはセラミックフェルールに固定するととも
に、該光部品に溝を設けセラミックフェルール付きファ
イバをこの溝に密着するように保持固定し、上記光ファ
イバと上記光部品とが光結合することを特徴とする半導
体光結合装置。
【請求項２】光ファイバを介して光の伝送を行う光集積
回路、光スイッチ、光増幅器、光変調器、光導波路など
の光部品を内在してなる半導体光結合装置において、前
記光ファイバはセラミックフェルールに固定するととも
に、該光部品の端部に溝を設けセラミックフェルール付
きファイバをこの溝に密着するように保持固定し、上記
光ファイバと上記光部品とが光結合することを特徴とす
る半導体光結合装置。
【請求項３】光ファイバを介して光の伝送を行う光集積
回路、光スイッチ、光増幅器、光変調器、光導波路など
の光部品を内在してなる半導体光結合装置において、前
記光ファイバは２本またはそれ以上の本数からなり、複
数ファイバ固定用セラミックフェルールに固定するとと
もに、該光部品に溝を設け複数ファイバ固定用セラミッ
クフェルール付きファイバの一部をこの溝に密着するよ
うに保持固定し、上記光ファイバと上記光部品とが光結
合することを特徴とする半導体光結合装置。
【請求項４】光ファイバを介して光の伝送を行う光集積
回路、光スイッチ、光増幅器、光変調器、光導波路など
の光部品を内在してなる半導体光結合装置において、前
記光ファイバは２本またはそれ以上の本数からなり、一
体成形した複数ファイバ固定用セラミックフェルールに
固定するとともに、該光部品に溝を設けセラミックフェ
ルール付きファイバの一部をこの溝に密着するように保
持固定し、上記光ファイバと上記光部品とが光結合する
ことを特徴とする半導体光結合装置。
【請求項５】請求項１乃至４のいずれかにおいて、溝の
長手方向がファイバの延長方向に直角であることを特徴
とする半導体光結合装置。
【請求項６】光ファイバを介して光の伝送を行う光集積
回路、光スイッチ、光増幅器、光変調器、光導波路など
の光部品を内在してなる半導体光結合装置において、前
記光ファイバは２本またはそれ以上の本数からなり、一
体成形した複数ファイバ固定用セラミックフェルールに
固定するとともに、固定したセラミックフェルール付き
ファイバの中央部に溝を設け、該光部品の一部をこの溝
に密着するように保持固定し、上記光ファイバと上記光
部品とが光結合することを特徴とする半導体光結合装
置。
【請求項７】請求項１乃至６のいずれかにおいて、セラ
ミックフェルール付きファイバを固定する溝の断面形状
が三角形、四角形若しくはＵ字形であることを特徴とす
る半導体光結合装置。
【請求項８】請求項１乃至７のいずれかにおいて、セラ
ミックフェルールの材質としては、アルミナ（Ａｌ２Ｏ
３）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、ホウケイ酸ガラス（Ｎ
ａ２Ｏ−Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ２）の群から選ばれるもので
あり、かつＶ字形、Ｕ字形、角形若しくは円筒形状を呈
するものであることを特徴とする半導体光結合装置。