JPH0818163A - 光装置 - Google Patents

光装置

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JPH0818163A
JPH0818163A JP6143442A JP14344294A JPH0818163A JP H0818163 A JPH0818163 A JP H0818163A JP 6143442 A JP6143442 A JP 6143442A JP 14344294 A JP14344294 A JP 14344294A JP H0818163 A JPH0818163 A JP H0818163A
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optical
semiconductor
optical fiber
resin
optical device
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JP6143442A
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Mitsuo Fukuda
光男 福田
Toshihiko Sugie
利彦 杉江
Fumio Ichikawa
二三夫 市川
Haruhiko Tsuchiya
治彦 土屋
Koji Sato
弘次 佐藤
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 長期間安定性に優れたモジュールからなる光
装置を提供する。また、光結合及び固定が容易で、組立
時間を短縮する。 【構成】 半導体レーザ、発光ダイオード、半導体フォ
トダイオード等のうち少なくとも1つの半導体光素子と
光ファイバを有する光装置において、前記半導体光素子
と光ファイバ間の内部は発光光に対して透明な樹脂から
なり、その外部は光遮蔽樹脂で固定されている。また、
前記半導体光素子が複数の場合、それぞれ1次元または
2次元のアレイ状に配設され、それぞれの半導体光素子
に対する光ファイバが配設されている。また、ヒートシ
ンクに光ファイバ固定用のV溝が設けられている。

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、半導体
発光ダイオード、半導体フォトダイオード等のうち少な
くとも1つの半導体光素子と光ファイバを有する光装置
に関し、特に、複数の半導体光素子と光ファイバとで構
成されるモジュールからなる光装置において、その製作
が容易で、安定性にも優れた安価な光装置に関するもの
である。
【0002】
【従来の技術】従来、半導体発光装置の場合では、図4
及び図5に示す型の光モジュールが実用化されており、
用いられている。
【0003】図4及び図5において、1は半導体レー
ザ、2はモニタ用フォトダイオード、3は光ファイバ、
4はステム(同軸型CDステム)、5はフェルール、6
は光ファイバコード、7はヒートシンク、10は電気入
出力端子、13はパッケージキャップ、14は光取りだ
し窓、15は接合部(ハンダ、レーザ熔接等)、16は
レンズ、17はサーミスタ、18はペルチエ素子、19
はサブマウント、20はファイバ固定部、21は金属フ
レームである。
【0004】前記従来の光モジュールは、長期安定性を
確保するために、酸素や湿気が直接半導体光素子に触れ
ないように、気密封止構造が採用されており、光半導体
光素子は窒素等の不活性ガスにより気密封止された状態
で、その出力光をレンズ等により光ファイバに結合され
る構造となっている。
【0005】もし、気密封止が不十分で酸素や湿気が直
接半導体光素子に触れると、半導体光素子の酸化等が発
生し、素子の劣化を引き起こす。ここで、気密封止構造
は光素子のみの状態でとられる場合(図4)と光結合系
までを含んでとられる場合(図5)に大別される。
【0006】図4に示した気密封止が光素子のみの状態
でとられる場合では、先ず、光素子がステム等にボンデ
ィングされた後、窒素雰囲気中等で金属キャップにより
パッケージングされ気密封止される。ここで、光出射の
窓は、前記キャップの一部に窓をあけ、サファイアガラ
ス等を低融点ガラス等で固定し形成される。その後、出
力光をモニタしながらレンズや光ファイバの位置をそれ
ぞれ微調し、光ファイバへの光結合が最大になる点でそ
れぞれの金属フレーム等を半田やレーザ熔接等により固
定し、組立が完了する。
【0007】図5に示した気密封止が半導体光素子と光
結合系までを含んでとられる場合では、先ず、金属フレ
ーム上へ半導体光素子を半田等で接着(マウント)した
後、光素子からの出力光をモニタしながらレンズや光フ
ァイバを微調し、光ファイバへの光結合が最大になる点
で半田やレーザ熔接等により固定され、光結合系の組立
が完了する。その後、それら全体が窒素雰囲気中等で気
密封止される。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】いずれの場合にして
も、気密封止を実施しつつ光結合系の組立を完了するに
は、光軸調整及び固定、さらに、レーザ熔接や半田固定
等の容易ならざる工程と組立時間が必要である。ここ
で、半導体装置が受光用装置の場合では、光結合の際の
モニタは光ファイバを通して、外部より光を入射し、受
光装置の出力をモニタしつつ実施されるが、組立の煩雑
さは発光装置の場合と同様である。
【0009】これらの光モジュールを動作させるには、
図4または図5に示した光モジュール内の半導体光素子
に、直接電気変調信号を印加し、光出力を変調すること
により達成される。この変調された光信号は、光ファイ
バ中を伝送され、信号を伝えることになる。通常はこの
動作が達成されれば、当該光モジュールは装置またはシ
ステム等へ適用できることになる。しかし、実際の装置
またはシステムでは動作時間が十万時間以上と非常に長
期に亘って安定に動作することが要求される。これらの
安定動作の阻害要因としては、半導体光素子そのものの
劣化・故障、光結合系のずれ等が挙げられる。
【0010】以上、述べたように、長期安定性を満足
し、容易に安価な光モジュールを製作することは極めて
困難なことである。さらに、光結合を確保しながら半導
体発光装置及び半導体受光装置の1次元または2次元ア
レイを容易に組み立てるのはほとんど不可能に近いもの
である。
【0011】一方、半導体光装置の材料であるIII-V族
化合物半導体に比べ、硬くて丈夫なシリコンをベースと
したLSI等の電子デバイスでは、モジュール組立工程
を簡略化し、経済化するために樹脂封止が一般的となっ
ている。
【0012】しかし、LSIの樹脂封止技術をそのまま
III-V族化合物半導体へ適用して半導体装置を封止しよ
うとすると、封止温度の高いこと及び樹脂の熱膨張係数
の大きいことに起因する熱的不安定性と熱歪みにより、
素子が破壊されることが多かった。また、半導体光素子
では外部との入出力が光であるため、それらの光に対し
て透明な樹脂である必要があった。さらに、外部からの
漏れ光(例えば太陽光)があると、それらは雑音にな
り、十分な信号/雑音比が得られないという問題もあっ
た。
【0013】本発明は、前記問題点を解決するためにな
されたものであり、本発明の目的は、長期間安定性に優
れたモジュールからなる光装置を提供することにある。
【0014】本発明の他の目的は、光結合及び固定が容
易で、組立時間を短縮することが可能な光モジュールか
らなる光装置を提供することにある。
【0015】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らか
にする。
【0016】
【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち代表的なものの概略構成を簡単に説明する
と、以下のとおりである。
【0017】(1)少なくとも1つの半導体光素子と光
ファイバを有する光装置において、前記半導体光素子と
光ファイバ間の内部は発光光に対して透明な樹脂からな
り、その外部は光遮蔽樹脂で固定されている。
【0018】(2)前記半導体光素子は、半導体レー
ザ、発光ダイオード、半導体フォトダイオード等のうち
少なくとも1つからなる。
【0019】(3)前記半導体光素子が複数の場合、そ
れぞれ1次元または2次元のアレイ状に配設され、それ
ぞれの半導体光素子に対する光ファイバが配設されてい
る。
【0020】(4)ヒートシンクに光ファイバ固定用の
V溝が設けられている。
【0021】
【作用】前述した手段によれば、気密封止の代わりに樹
脂封止または充填により封止を行い、熱歪みが小さく受
発光光に対し透明な樹脂を内部に、太陽光や湿気を遮断
するための樹脂を外部に用いた二重樹脂封止構造とする
ので、長期間安定性に優れている光装置を得ることがで
きる。
【0022】また、組立工程において従来の気密封止型
モジュールの1/2程度の時間短縮が可能であり、しか
も、従来のモジュールに匹敵する特性を得ることができ
る。
【0023】
【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。
【0024】なお、実施例を説明するための全図におい
て、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰返
しの説明は省略する。
【0025】(実施例1)図1は、本発明による実施例
1の半導体レーザ装置の概略構成を示す断面図であり、
図2は、本実施例1の光ファイバの位置合わせ及び固定
に用いるヒートシンクの上面図(a)及び側面図(b)
である。
【0026】図1及び図2において、1は半導体レー
ザ、2はレーザ出力モニタ用フォトダイオード、3は光
ファイバ、4はステム(同軸型CDステム)、5はフェ
ルール、6は光ファイバコード、7は光ファイバの位置
合わせ及び固定にも兼用されるヒートシンク(例えばシ
リコンからなる)、8は内部透明樹脂(例えば、シリコ
ン樹脂を用いる)、9は外部遮光樹脂(例えば、エポキ
シ樹脂を用いる)、10は半導体レーザ通電用及びモニ
タフォトダイオード出力検出用ステム端子(電気入出力
端子)、11はV溝、12は半導体レーザマウント部で
ある。
【0027】本実施例の半導体レーザ装置は、図1に示
すように、まず、半導体レーザ1、レーザ出力モニタ用
フォトダイオード2及びヒートシンク7をステム4にそ
れぞれ設ける(マウントする)。その後、光ファイバ3
の端を半導体レーザ1の出射端へ接近させ、半導体レー
ザ1からの出射光を光ファイバ3へ結合させる。ここ
で、光ファイバ3は先球テーパ、垂直等いかなる構造で
も良い。この状態で内部透明樹脂8により被覆し固定す
る。内部透明樹脂8としては半導体装置への歪みの小さ
くなるいわゆる柔らかいシリコーン樹脂等を用いる。そ
の後、外部遮光樹脂9によりステム4及びフェルール5
を固定すると同時に、遮光性及び対湿性を持たせる。外
部遮光樹脂9としては、添加剤を含有したエポキシ樹脂
等が使用できた。また、それぞれ樹脂の固化温度が25
0℃以下とレーザのボンディング時に使用したAuSn
半田(Au:80%/Sn:20%)の融点より低いた
め、樹脂封止時の半田の不安定性に起因した光モジュー
ルの劣化はなかった。
【0028】樹脂封止時の光結合を取ったままの光ファ
イバ3の固定は、半導体レーザ1のヒートシンク7とし
て図2に示すようなV溝11付きを用い、V溝11に対
して半導体レーザ1をマウントしておき、このV溝11
を光ファイバ3のガイドとして用いることにより、光軸
調整なしに樹脂による固定ができた。
【0029】さらに、光ファイバ3自体の伸縮、いわゆ
るピストニングによる半導体レーザ1の破損は、図2に
示すように、半導体レーザ1をV溝11の端からわずか
に離してマウントすることにより除去することができ
た。図2において、12は半導体レーザマウント部であ
る。
【0030】これらの樹脂封止モジュール技術を1.3
μm帯の埋め込み型InGaAsP/InP MQW
(多重量井戸構造)レーザに適用したところ、光ファイ
バ3として垂直カットのコア径10μmのシングルモー
ド光ファイバを用いた場合には、結合損失として−10
dB程度のものが比較的容易に得られた。
【0031】また、組立に要する時間は、従来の気密封
止に比べ1/10程度に短縮され、主に光ファイバ3の
端と半導体レーザ1の端面との距離の調整に要する時間
で律速された。さらに、これらの樹脂封止モジュールを
50℃の雰囲気(大気中)で光ファイバ3の光出力−3
dBmで通電したところ、目立った劣化はなかった。
【0032】なお、これらのレンズを用いずに光ファイ
ババッティング状態で気密封止を実施することは、従来
の技術では非常に困難であった。
【0033】また、半導体レーザ1の端面(あるいは全
体)にシリコン窒化膜等の誘電体膜をコーティングし
て、半導体レーザ1の端面反射率を制御するとともに、
耐湿性等の耐環境性を一層高めたものも有効に実装で
き、一層の長期間の安定性を得ることができた。
【0034】(実施例2)図3は、本発明による実施例
2の半導体光装置の概略構成を示す断面図である。
【0035】本実施例2は、発光径30μmの1.3μ
m帯の半導体発光ダイオード(LED)での実施例であ
り、図3に示すように、光ファイバ3の光軸調整用のガ
イドとしてシリコンからなるヒートシンク7にV溝11
を形成した。この場合、前記実施例1の半導体レーザ装
置の場合と同様か、あるいは前記V溝11(図2)を端
から端まで形成してもどちらでも良い。これは、半導体
レーザ装置の場合と異なり、光ファイバ3と半導体発光
ダイオード1’間の距離を離すことができることによ
る。
【0036】本実施例2の半導体発光装置(LED)
は、図3に示すように、先ず、半導体発光ダイオードや
受光素子の半導体光素子1’及びヒートシンク7をステ
ム4へマウントする。その後、先端を垂直カットしたマ
ルチモードファイバをシリコン上に形成されたV溝に添
って半導体素子へ近づけシリコン樹脂により固定する。
【0037】この時、軸合わせは顕微鏡等による像観察
のみで調整が可能で(勿論半導体レーザの場合と同様に
光出力または入力をモニタしながらの軸調整も可能であ
る)、結合損失13〜15dB程度のものが容易に得ら
れた。その後、外部遮光及びモジュール全体の物理・化
学的な強度向上のため、エポキシ樹脂で固定した。
【0038】これらの光モジュールも、50℃の雰囲気
(大気中)で1.3μm帯の発光ダイオードに100m
Aの通電を施したところ、全モジュールとも安定に動作
し、目立った劣化はなかった。受光用モジュールも同様
の安定性を示した。
【0039】また、半導体光素子1’が半導体発光ダイ
オードや半導体フォトダオード(受光素子)の場合は、
発受光領域面が半導体レーザ1よりも広いため、半導体
レーザ1よりも容易に樹脂封止ができた。
【0040】以上の説明は光ファイバ3と半導体光素子
(1または1’)間にレンズを含まない構造としたが、
組立工程が若干複雑になるが、レンズを含んでも形成で
きる構造であり、それぞれ光の結合が少なくとも3dB
以上改善された。
【0041】また、前記実施例によると気密封止が不要
になるため、半導体レーザ、半導体発光ダイオード,半
導体フォトダイオード等の半導体光素子の1次元または
2次元アレイの光モジュールも容易に作ることができ
る。そのときには、アレイ状の半導体のピッチに合わせ
てV溝11を形成したヒートシンク7を用いるとさらに
容易に光モジュールを作ることができる。
【0042】以上、本発明を、前記実施例に基づき具体
的に説明したが、本発明は、前記実施例に限定されるも
のではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変
更可能であることは勿論である。
【0043】
【発明の効果】本願において開示される発明のうち代表
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下
記のとおりである。
【0044】(1)少なくとも1つの半導体光素子と光
ファイバを有する光装置において、前記半導体光素子と
光ファイバ間の内部は発光光に対して透明な樹脂からな
り、その外部は光遮蔽樹脂で覆って固定されているの
で、長期間安定性の優れた状態を保持することができ
る。
【0045】(2)前記(1)により、組立工程におい
て、組立作業時間を従来の気密封止型光モジュールの組
立作業時間の1/2程度の時間短縮が可能であり、しか
も、従来の光モジュールに匹敵する特性を得ることがで
きる。これにより、実使用に耐える範囲で経済性の向上
をはかることができる。
【0046】また、半導体レーザ、半導体発光ダイオー
ド,半導体フォトダイオード等の半導体光素子の1次元
または2次元アレイの光モジュールも容易に作ることが
できる。
【0047】(3)アレイ状の半導体のピッチに合わせ
てV溝を形成したヒートシンクを用いるので、さらに、
容易に光モジュールを作ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明による実施例1の半導体レーザ装置の
概略構成を示す断面図である。
【図2】 本実施例1の光ファイバの位置合わせ及び固
定に用いるヒートシンクの上面図及び側面図である。
【図3】 本発明による実施例2の半導体光装置の概略
構成を示す断面図である。
【図4】 従来の気密封止型光モジュールの気密封止が
光素子のみの場合の一例の概略構成を示す断面図であ
る。
【図5】 従来の気密封止型光モジュールの気密封止が
光素子と光結合系まで含んでいる場合の一例の概略構成
を示す断面図である。
【符号の説明】
1…半導体レーザ、1’…LEDまたは半導体フォトダ
イオード、2…モニタ用フォトダイオード、3…光ファ
イバ、4…ステム(同軸型CDステム)、5…フェルー
ル、6…光ファイバコード、7…ヒートシンク、8…内
部透明樹脂(シリコン樹脂)、9…外部遮光樹脂(エポ
キシ樹脂)、10…電気入出力端子、11…V溝、12
…レーザマウント部、13…パッケージキャップ、14
…光取りだし窓、15…接合部(ハンダ、レーザ熔接
等)、16…レンズ、17…サーミスタ、18…ペルチ
エ素子、19…サブマウント、20…ファイバ固定部、
21…金属フレーム。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 土屋 治彦 東京都千代田区内幸町一丁目1番6号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 佐藤 弘次 東京都千代田区内幸町一丁目1番6号 日 本電信電話株式会社内

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 少なくとも1つの半導体光素子と光ファ
    イバを有する光装置において、前記半導体光素子と光フ
    ァイバ間の内部は発光光に対して透明な樹脂からなり、
    その外部は光遮蔽樹脂で固定されていることを特徴とす
    る光装置。
  2. 【請求項2】 前記半導体光素子は、半導体レーザ、発
    光ダイオード、半導体フォトダイオード等のうち少なく
    とも1つからなることを特徴とする請求項1に記載の光
    装置。
  3. 【請求項3】 前記半導体光素子が複数の場合、それぞ
    れ1次元または2次元のアレイ状に配設され、それぞれ
    の半導体光素子に対する光ファイバが配設されているこ
    とを特徴とする請求項1または2に記載の光装置。
  4. 【請求項4】 ヒートシンクに光ファイバ固定用のV溝
    が設けられていることを特徴とする請求項1乃至3のう
    ちいずれか1項に記載の光装置。
JP6143442A 1994-06-24 1994-06-24 光装置 Pending JPH0818163A (ja)

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