JPH11295561A

JPH11295561A - 光半導体装置及びその製造方法

Info

Publication number: JPH11295561A
Application number: JP10099164A
Authority: JP
Inventors: Kazuyuki Fukuda; 和之福田; Makoto Shimaoka; 誠嶋岡; Shoichi Takahashi; 正一高橋; Koji Yoshida; 幸司吉田; Satoru Kikuchi; 悟菊池; Tadaaki Ishikawa; 忠明石川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-04-10
Filing date: 1998-04-10
Publication date: 1999-10-29
Anticipated expiration: 2018-04-10
Also published as: JP3429190B2

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】レーザダイオード１及びフォトダイオード
２と、これら半導体素子１，２を搭載するシリコン基板
４と、半導体素子１，２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と、シリコン基板４に搭載され
半導体素子１，２と光ファイバとを光学的に結合させる
非球面レンズ３とを有する光半導体装置において、シリ
コン基板４は、軸線が半導体素子１，２と光ファイバと
の間のレーザ光の光軸方向と略同じ方向であるＶ溝５を
備えており、非球面レンズ３は、その外周面１５がＶ溝
５に少なくとも２面で面接触するか又は少なくとも２箇
所で線接触するように、Ｖ溝５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半導体装置及びその製造方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の光半導体装置の構造に係
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９−９０
１７４号公報、及び特開平６−２８９２５６号公報があ
る。

【０００３】特開平５−３７０２４号公報に記載の光半
導体装置は、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十字状のＶ溝、及び光フ
ァイバを固定するための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わせるだ
けで足りる。なお、特開平４−２６１０７６号公報に
も、ほぼ同様の構成の光半導体装置が開示されている。

【０００４】特開平９−９０１７４号公報に記載の光半
導体装置は、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。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。なお、特開平６−２
８９２５６号公報にも、ほぼ同様の構成の光半導体装置
が開示されている。

【０００５】

【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。

【０００６】すなわち、特開平５−３７０２４号公報及
び特開平４−２６１０７６号公報に記載の光半導体装置
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。

【０００７】また、特開平９−９０１７４号公報及び特
開平６−２８９２５６号公報に記載の光半導体装置は、
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。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、組立て作業が煩
雑となる。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。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ことがで
きる光半導体装置及びその製造方法を提供することにあ
る。

【０００８】

【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半導体装
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で
ある溝部を備えており、前記レンズは、その外周面が前
記溝部に少なくとも２面で面接触するか又は少なくとも
２箇所で線接触するように、前記溝部に直接固定されて
いる。レンズが基板部材に形成した溝部に直接固定され
ていることにより、溝を例えば異方性エッチング等によ
って所定の深さで精度良く形成することで半導体素子と
レンズの高さ合わ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と
しておき、この溝部に対し、レンズの外周面を少なくと
も２面で面接触させるか又は少なくとも２箇所で線接触
させる。これにより、その面接触の２面（又はその延長
面）のなす角を２等分する面や、線接触の２線（又はそ
の延長線）のなす角の２等分線が、溝部の軸線方向と平
行になるように予め設定することで、レンズを溝部に設
置するだけでレンズの傾きがゼロとなるようにすること
ができる。さらに、例えばレーザ光の光軸方向に平行な
２線で線接触させる等、面接触の２面や線接触の２線の
鉛直断面内でみた角度を適宜設定することで、レンズを
溝部に設置するだけでレンズの倒れがゼロとなるように
することができる。以上により、レンズの位置調整にお
いては、レンズと半導体素子との距離のみを合わせれば
よいので、例えば簡単なモニター装置によってその距離
をモニターしつつ調整すれば足りる。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位置調整を行うことが
できる。

【０００９】（２）上記（１）において、好ましくは、
前記溝部は、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いずれか１つである。

【００１０】（３）上記（２）において、さらに好まし
くは、前記溝部は、異方性エッチングによって形成され
ている。

【００１１】（４）上記（１）において、また好ましく
は、前記レンズは、筒状部分を備えており、この筒状部
分が、前記溝部に面接触するか又は少なくとも２箇所で
線接触するように前記溝部に直接固定されている。

【００１２】（５）上記（４）において、さらに好まし
くは、前記レンズは、前記筒状部分のレンズ中心軸方向
長さをｔ、該レンズの外径をＤとしたとき、（１／１
５）≦（ｔ／Ｄ）＜１となるように構成されている。
（ｔ／Ｄ）≧（１／１５）とすることにより、レンズ外
径に対する筒状部分の長さを十分大きくとり、レンズの
倒れを確実に防止することができる。また、（ｔ／Ｄ）
＜１とすることにより、球面レンズのように収差が大き
くなるのを防止してレーザ光の集光性を確保し、結合効
率を確実に高くすることができる。

【００１３】（６）上記（５）において、さらに好まし
くは、前記半導体素子から前記筒状部分までの距離を
Ｌ、前記レンズの焦点距離をｆとしたとき、０．７×
（１／２）×Ｄ≦Ｌ≦ｆとなるように配置されている。
０．７×（１／２）×Ｄ≦Ｌとすることにより、半導体
素子から筒状部分までの距離が過小となり溝部の端部に
筒状部分が干渉するのを確実に防止することができる。
また例えば、レンズを２つ用いて半導体素子と光ファイ
バとを結合させる場合に、半導体素子側のレンズの反半
導体素子側はレーザ光を少なくとも平行方向に入出射し
なければならないが、Ｌ≦ｆとすることにより、半導体
素子から筒状部分までの距離が過大となりレーザ光が平
行方向よりも広がってしまうのを確実に防止することが
できる。

【００１４】（７）上記（４）において、また好ましく
は、前記レンズは、前記筒状部分の両側に位置し、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
えており、一方の曲率部分の前端から他方の曲率部分の
後端までのレンズ厚さをＴとしたとき、Ｔ＜Ｄとなるよ
うに構成されている。組立時に、光結合損失の発生を低
減し光結合効率を向上するため筒状部分を半導体素子に
近づけようとしても、基板部材の溝部の端部に干渉して
ある程度以上は近づけられない場合があるが、レーザ入
射側端部に曲率部分を備えていることにより、そのよう
な場合もその曲率部分は干渉することなく筒状部分より
もさらに半導体素子側に近づけることができる。したが
って、組立時における光結合損失の発生を最小限にする
ことができる。

【００１５】（８）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、この半導体素子を駆
動制御する電子部品素子と、前記半導体素子及び前記電
子部品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、前記半導体素子
を装置外部に電気的に接続するためのメタライズ配線及
びリード端子と、前記基板部材を収納するケースと、前
記光ファイバを内設し、前記ケースの一端に設けたパイ
プ端に取り付けられたフェルールとを有する光半導体装
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で
ある溝部を備えており、前記レンズは、その外周面が前
記溝部に少なくとも２面で面接触するか又は少なくとも
２箇所で線接触するように、前記溝部に直接固定されて
いる。

【００１６】（９）また上記目的を達成するために、上
記（１）又は（８）の製造方法において、前記レンズを
吸着部材で吸着し搬送して前記基板部材の溝部に載置
し、前記吸着部材の吸着状態のまま前記半導体素子との
距離が所定値となるように前記溝部上で前記レンズの位
置を調整した後、弾性を備えた保持部材で前記レンズを
その調整された位置に保持し、この保持状態のまま前記
レンズを前記溝部に固定した後、前記吸着部材及び前記
保持部材を前記レンズから取り外す。弾性を備えた保持
部材でレンズを溝部に保持して固定することにより、レ
ンズ外周面と溝部の接触部分に余分な外力が加わらず、
レンズ外周面が溝部に自然に倣うように搭載できる。し
たがって、レンズを安定的に位置決めし固定することが
できるので、さらに確実にレンズの傾き・倒れを防止
し、高い光結合効率を確保できる。特に、レンズが小径
で肉厚が薄い場合に有効である。

【００１７】（１０）上記（９）において、前記保持部
材として、ワイヤ部材、テープ部材、バネ部材、衝撃吸
収部材、及びこれらの部材を備えた構成部材のうち少な
くとも１つを用いる。

【００１８】

【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、接着剤及びレーザ溶接等の図示を適宜省略してい
る。本発明の第１の実施形態を図１〜図４により説明す
る。本実施形態による光半導体装置の全体構造を表す水
平断面図を図２に示す。

【００１９】この図２において、光半導体装置は、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を駆動制御する電子部
品素子（図示せず）と、レーザダイオード１及びフォト
ダイオード２及び電子部品素子を搭載するシリコン基板
４と、レーザダイオード１及びフォトダイオード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に内設）と、シリコン基
板４に搭載され、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。

【００２０】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
本づつ計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。

【００２１】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。

【００２２】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。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、図２に
示すよう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μｍずらしてレーザ光を斜めに出
射させるとともに、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。

【００２３】本実施形態の光半導体装置の特徴の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。これら図１、図３（ａ）、及び図３（ｂ）におい
て、レ−ザダイオ−ド１とフォトダイオ−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−ザダイオ−ド１及
びフォトダイオ−ド２は、ワイヤ−ボンディング１３を
介し、シリコン基板４上面のメタライズ配線１２にそれ
ぞれ電気的に接続されている。

【００２４】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が異方性エッチングによって形
成され、このＶ溝５は、両側の斜面５ａ，５ｂと底面５
ｃとから構成されている（図３（ｂ）参照）。また、Ｖ
溝５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
平行な方向となっている。さらに、Ｖ溝５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５ｃの鉛直
方向高さは軸方向に一定（すなわち底面５ｃ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（ａ）中上下方向）が１．０ｍｍ、Ｖ溝５の深
さが０．７８ｍｍとなっている。

【００２５】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、略円筒形状である筒状部分３ａ
と、この筒状部分３ａの両側に位置しレーザ入射側端部
又は出射側端部となる２つの曲率部分３ｂ，３ｃとから
構成されており、筒状部分３ａの外周面１５がＶ溝５の
両斜面５ａ，５ｂに対し２箇所で線接触する（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（後に詳述）。また、
レンズ３及びその周辺に関する各部寸法は、筒状部分３
ａのレンズ中心軸方向長さｔ（図３（ａ）参照）、レン
ズ３の外径Ｄ（同）、一方の曲率部分３ｂの前端から他
方の曲率部分３ｃの後端までのレンズ厚さＴ、及びレー
ザダイオード１から筒状部分３ｂまでの距離Ｌが、（１／１５）≦（ｔ／Ｄ）＜１０．７×（Ｄ／２）≦Ｌ≦１．０×（Ｄ／２）Ｔ＜Ｄとなるように構成・配置されている。具体的には、例え
ば、Ｄ＝１．５ｍｍ、ｔ＝０．２〜０．３ｍｍ、Ｔ＝
０．８ｍｍ、Ｌ＝０．５３ｍｍとなっている。また、非
球面レンズ３の開口数は０．５５、焦点距離ｆ＝０．７
８ｍｍとなっている。

【００２６】次に、本実施形態のもう１つの特徴であ
る、シリコン基板４のＶ溝５へのレンズ固定方法を図４
を用いて説明する。

【００２７】レンズ３を固定する際には、まず、非球面
レンズ３をレンズ保持パイプ２１で真空吸着して搬送
し、レーザダイオード１とフォトダイオード２を搭載し
たシリコン基板４のＶ溝５に載置する。次に、レンズ３
を吸着させた状態のままレンズ保持パイプ２１をＶ溝５
の軸方向に微小移動させ、シリコン基板４上のレーザダ
イオード１及びフォトダイオード２との距離が所定値に
なるように、Ｖ溝５内において非球面レンズ３の位置を
調整する。

【００２８】調整によって距離が所定値となったら、そ
の状態で、ワイヤ保持具１９に取り付けたワイヤ部材２
０を非球面レンズ３の外周面１５に接触させ、さらにワ
イヤ保持具１９を図４中矢印の方向に移動させ、非球面
レンズ３の外周面１５にワイヤ部材２０を沿わせた状態
で非球面レンズ３をＶ溝５に押し付け、非球面レンズ３
をその調整された位置に保持する。なお、非球面レンズ
３をワイヤ部材２０で押し付けたときに、非球面レンズ
３が微妙に位置ずれする可能性も全くないとは言えない
が、その時の位置ずれ量は１０μｍ以下、角度ずれ量は
２度以下であることを本願発明者等は確認した。この程
度の位置ずれ量及び角度ずれ量であれば、レーザダイオ
ード１と光ファイバの光結合効率が大きく低下すること
はなく、問題はないことがわかった。

【００２９】その後、非球面レンズ３をＶ溝５の所定位
置に保持した状態で、接着剤（図示せず）を非球面レン
ズ３とＶ溝５が接触している部分（すなわち図３（ｂ）
の線接触部位１６に相当）へ塗布して硬化させ、非球面
レンズ３をＶ溝５に固定する。なお、このときの接着材
としては、非球面レンズ３を保持した状態で短時間で硬
化できる紫外線硬化接着剤が好ましい。

【００３０】このようにして非球面レンズ３を固定した
後、レンズ保持パイプ２１及びワイヤ部材２０をそれぞ
れ非球面レンズ３から取り外す。

【００３１】以上のように構成した本実施形態の作用効
果を以下に順次説明する。

【００３２】（１）レンズ搭載構造による作用効果非球面レンズ３が異方性エッチングでシリコン基板４に
形成したＶ溝５に直接固定されていることにより、予め
Ｖ溝５を所定の深さ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の光軸の高さ合わせを
無調整で行うことができる。また、Ｖ溝５の軸線がレー
ザ光の光軸方向と略平行な方向であり、そしてこのＶ溝
５に対し非球面レンズ３の筒状部分３ａの外周面１５が
２箇所の線接触部位１６で線接触していることにより、
非球面レンズ３をＶ溝５に設置するだけで非球面レンズ
３の傾きがゼロとなる（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は、側面形状及び横断面形状が逆等脚台形で、かつ
底面５ｃ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の筒状部分３ａをＶ溝５に設
置するだけで、非球面レンズ３の倒れがゼロとなる。こ
れらの結果、非球面レンズ３の位置調整においては、図
４を用いて上述したように、非球面レンズ３の前面とレ
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間の距離合わせのみを行えばよい
ので、例えば簡単なモニター装置によってその距離を計
測しつつ調整すれば足りる。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。

【００３３】（２）レンズ固定方法による作用効果シリコン基板４のＶ溝５へ非球面レンズ３を固定すると
き、弾性を備えたワイヤ部材２０で非球面レンズ３をＶ
溝５に保持して固定することにより、レンズ外周面１５
とＶ溝５の接触部分（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に自然に倣うよう
に搭載できる。したがって、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るので、上記（１）によ
る効果に加え、さらに確実に非球面レンズ３の傾き・倒
れを防止し、高い光結合効率を確保できる。特に、非球
面レンズ３が小径で肉厚が薄い場合に有効である。

【００３４】（３）ｔ／Ｄの設定による作用効果ｔ／Ｄがあまり小さすぎると、レンズ外径に対する筒状
部分の長さが十分でなく、レンズの倒れを防止するのが
困難となる可能性がある（図３（ａ）参照）。本願発明
者等は、ｔ／Ｄの値を種々変えて検討した結果、レンズ
の倒れを確実に防止できるｔ／Ｄの下限値としてｔ／Ｄ
＝１／１５が適当であると判断した。一方、ｔ／Ｄ＝１
となると実質的に球面レンズに近くなるため、収差が大
きくなってレーザ光の集光性が低下し、結合効率の向上
が困難となる。本実施形態においては、前述したよう
に、筒状部分３ａのレンズ中心軸方向長さｔ及び非球面
レンズ３の外径Ｄが（１／１５）≦（ｔ／Ｄ）＜１とな
っている。これにより、非球面レンズ３の倒れをさらに
確実に防止することができるとともに、結合効率を確実
に高く維持することができる。

【００３５】（４）Ｌの設定による作用効果Ｌがあまり小さすぎると、レーザダイオード１から筒状
部分３ａまでの距離が過小となりＶ溝５の端部に筒状部
分３ａが干渉する可能性がある（図３（ａ）参照）。本
願発明者等は、特に異方性エッチングによるＶ溝５の端
部斜面形状を考慮しつつＬやＤの値を種々変えて検討し
た結果、上記干渉を確実に防止できるＬの下限値として
０．７×（Ｄ／２）が適当であると判断した。一方、レ
ーザダイオード１から出射するレーザ光は通常３０度前
後に広がり角を持っているが、Ｌがあまりに大きくなる
とその広がったレーザ光が十分に非球面レンズ３に入射
しなくなる可能性がある。本願発明者等は、ＬやＤの値
を種々変えて検討した結果、レーザ光が十分に非球面レ
ンズ３に入射できるＬの上限値として１．０×（Ｄ／
２）が適当であると判断した。なお、このＬの範囲を実
現するための典型的な例としては、非球面レンズ３の開
口数を０．５〜０．６とし、また非球面レンズ３の焦点
距離を０．７〜０．９ｍｍとすればよい。本実施形態に
おいては、前述したように、非球面レンズ３の開口数を
０．５５、焦点距離を０．７８ｍｍとし、レーザダイオ
ード１から筒状部分３ａまでの距離Ｌを０．７×（Ｄ／
２）≦Ｌ≦１．０×（Ｄ／２）を満足するように設定し
ている。これにより、Ｖ溝５の端部に筒状部分３ａが干
渉するのを確実に防止できるとともに、レーザダイオー
ド１からのレーザ光を非球面レンズ３に確実に効率良く
入射させることができる。

【００３６】（５）その他非球面レンズ３を組み立てる際、光結合損失の発生を低
減し光結合効率を向上するため筒状部分３ａをレーザダ
イオード１に近づけようとしても、シリコン基板４のＶ
溝５の端部に干渉してある程度以上は近づけられない場
合があるが、本実施形態においては、非球面レンズ３の
レーザ入射側端部に曲率部分３ｂを備えていることによ
り、そのような場合もその曲率部分３ｂは干渉すること
なく筒状部分３ａよりもさらにレーザダイオード１側に
近づけることができる。したがって、組立時における光
結合損失の発生を最小限にすることができる。

【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半導体装置を例にとって説
明したが、これに限られず、いずれか一方のみを備えて
いる光半導体装置にも適用でき、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とレーザダイオード１との距離方向の調整
は、モニター装置によってその距離を計測しつつ行った
が、これに限られず、あらかじめシリコン基板４に非球
面レンズ３を位置合せするための目印（図示せず）を設
けておき、これを目標に非球面レンズを搭載することで
所定距離とするようにしても良い。この場合も同様の効
果を得る。

【００３９】さらに、上記第１の実施の形態において
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。

【００４０】また、上記第１の実施形態においては、非
球面レンズ３をＶ溝５に設置し押し付けた状態で線接触
部位１６に接着材を塗布したが、これに限られず、Ｖ溝
５のうち非球面レンズ３が設置される部分にあらかじめ
接着剤を塗布しておいても良い。こ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、
非球面レンズ３を押し付ける部材としてワイヤ部材２０
を使用したが、これに限られない。すなわち非球面レン
ズ３の外周面１５がＶ溝５の面と線接触する際に余分な
外力が加わらないような弾性を備えた部材であれば足
り、テープ部材、バネ部材、衝撃吸収部材、及びこれら
の部材を備えた他の構成部材等を用いても良い。またこ
のとき、例えば先端形状がピン形状、フラット形状、及
びＶ字型形状等であっても良い。これらの場合も同様の
効果を得る。

【００４２】また、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７．４ｍ
ｍ、長さ１０．０ｍｍとしているが、これらに限定され
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４．７
ｍｍ以下とすれば足りる。そして、ケース６の高さを
４．７ｍｍ以下とするためには、ケース６内に取り付け
る非球面レンズ３の外径Ｄ＝２．０ｍｍ以下とすれば足
り、本実施形態のようにＤ＝１．５ｍｍに限られるもの
ではない。

【００４３】さらに、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とＶ溝
５とは２つの線接触部位１６，１６で線接触したが、こ
れに限られず、３つ以上の箇所で線接触してもよい。例
えば底面５ｃの高さをもっと上に上げて、底面５ｃ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。さらに、線接
触にも限られず、Ｖ溝５と２面で面接触するようにして
もよい。この場合の変形例を図５により説明する。図５
は、この変形例におけるレンズ搭載構造を表す側面図で
あり、第１の実施形態の図３（ｂ）にほぼ相当する図で
ある。この図５に示すように、この変形例では、非球面
レンズ３の筒状部分３ａが略多角筒形状（正確には略十
二角筒形状）となっており、その外周部１５のうち２つ
の面１５ａ，１５ｂが、Ｖ溝５の両斜面５ａ，５ｂとの
間に面接触部位２２を形成している。すなわち、異方性
エッチングで形成されるＶ溝５の斜面５ａ，５ｂの角度
（例えば５４．７°）に合わせて筒状部分３ａの略多角
筒形状が予め形成されており、これによって２つの面１
５ａ，１５ｂでの面接触を可能としている。略多角筒形
状の筒状部分３ａを備えた非球面レンズ３は、第１の実
施形態同様、主にガラスモールドあるいはプレス成形に
よって、後加工の必要なく容易に形成することができ
る。なお、筒状部分３ａの外周面１５の多角形形状は正
多角形に限られるものではない。また、筒状部分３ａは
略多角筒形状にも限られず、外周面１５に曲面と平面と
が混在している筒形状でも良い。本変形例においては、
面接触であることから、第１の実施形態よりも、非球面
レンズ３をＶ溝５にさらに安定した状態で搭載できると
いう効果がある。

【００４４】なお、２面による面接触に限られず、３面
以上で面接触させてもよいことは言うまでもない。

【００４５】本発明の第２の実施形態を図６により説明
する。本実施形態による光半導体装置の全体構造を表す
水平断面図を図６に示す。

【００４６】この図６において、本実施形態による光半
導体装置は、第１の実施形態の光半導体装置に、反射防
止用の光アイソレータ１７と、ケース６内の気密封止を
行うためのガラス板１８をそれぞれ追加固定した構造で
ある。

【００４７】光アイソレータ１７は、例えば外径２．０
ｍｍ、長さ２．６ｍｍであり、ジルコニア部材１０の光
ファイバ先端１４に位置するように、あらかじめ光アイ
ソレータ付きフェルール９の一部として組み込まれてい
る。このとき、光ファイバ先端１４への光アイソレータ
１７の固定は、レーザ光の透過率の高い接着剤（図示せ
ず）で空間が残らないように密着させて接合されてい
る。その接着剤としては、紫外線硬化接着剤や熱硬化性
接着剤がよく、紫外線硬化接着剤においても熱硬化併用
型の接着剤が望ましい。また光アイソレータ１７は、こ
のような構造により、光アイソレータ１７を単独で保持
固定するようなホルダ部材等を使用せず、位置調整もフ
ェルール９と一緒に行うことができる。すなわち、光ア
イソレータ１７付きフェルール９をパイプ８端面に設置
し、非球面レンズ３を通ってきたレーザ光を光ファイバ
に入射させ、光ファイバ出力が最大になるようにフェル
ール９を位置調整した後、フェルール９の金属部材１１
をパイプ８端面にレーザ溶接（図示せず）で固定する。
このように、第１の実施の形態で示した光ファイバの位
置調整方法とほぼ同様にして調整を行うことができる。

【００４８】ガラス板１８は、非球面レンズ３と光アイ
ソレータ１７間のケース６側壁部に設置されている。こ
のガラス板１８は、ケース６の側壁に低融点ガラスある
いはＡｕ８０−Ｓｎ２０共晶はんだで接合（図示せず）
されており、このとき、非球面レンズ３を通ってきたレ
ーザ光が反射戻り光としてレーザダイオード１に戻るの
を防ぐため図示のように斜めに取り付けられている。こ
のガラス板１８の材質は例えばサファイアであり、レー
ザ光の入射面と出射面には反射防止用膜が多層膜形成さ
れている。

【００４９】その他の構造は、第１の実施形態とほぼ同
様である。

【００５０】本実施の形態によれば、第１の実施形態と
同様の効果に加え、以下の効果がある。すなわち、光ア
イソレータ１７を非球面レンズ３と光ファイバとの間に
設置することにより、光ファイバ先端１４での反射やシ
ステム側からの反射でレーザダイオード１に返ってくる
戻り光をほとんど取り除き、低減することができる。し
たがって、第１の実施形態の光半導体装置よりも、さら
にレーザダイオード１を安定かつ高速動作させることが
可能で、伝送容量を高めた光半導体装置を実現すること
ができる。また、ケース６の側壁にガラス板１８を取り
付け、かつケース６の上面にキャップ（図示せず）を取
り付けることで、ケース６内部を完全気密封止すること
ができるので、湿気の浸入によるレーザダイオード１の
不安定動作、寿命低下を防ぐことができ、信頼性を向上
することができる。

【００５１】なお、上記第１及び第２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
半導体装置を例にとって説明したが、これに限られな
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
造及び搭載方法について上記第１及び第２の実施形態と
同様の構成及び方法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。また、この
ように少なくとも１つの非球面レンズ３を含む複数のレ
ンズを用いて結合光学系を形成する場合は、上記第１の
実施形態における（４）で説明したＬの設定の上限値は
もっと大きくても良い。すなわち、例えばレンズを２つ
用いてレーザダイオード１と光ファイバとを結合させる
場合で、レーザダイオード１側のレンズに非球面レンズ
３を用いるときは、その非球面レンズ３の後面側（反フ
ォトダイオード１側）はレーザ光を少なくとも平行方向
に出射すれば足りる。この場合、Ｌの値を焦点距離ｆ以
下とすれば、レーザ光が平行方向よりも広がってしまう
のを確実に防止できるので、Ｌの上限値はｆとすれば足
りる。すなわち、この場合のＬの設定は、０．７×（Ｄ
／２）≦Ｌ≦ｆとなる。

【００５２】

【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
合させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態による光半導体装置の
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に示した光半導体装置の全体構造を表す水
平断面図である。

【図３】図１に示した構造の縦断面図及び側面図であ
る。

【図４】シリコン基板Ｖ溝へのレンズ固定方法を示す図
である。

【図５】第１の実施形態の変形例におけるレンズ搭載構
造を表す側面図である。

【図６】本発明の第２の実施形態による光半導体装置の
全体構造を表す水平断面図である。

【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）５Ｖ溝（溝部）６ケース７リード端子８パイプ９フェルール１２メタライズ配線１３ワイヤボンディング１５レンズ外周面１６線接触部位１９ワイヤ保持具２０ワイヤ部材（保持部材）２１レンズ保持パイプ（吸着部材）２２面接触部位

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 (72)発明者菊池悟埼玉県入間郡毛呂山町旭台15番地日立東部セミコンダクタ株式会社内 (72)発明者石川忠明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】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半導体装置におい
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である溝部を備
えており、前記レンズは、その外周面が前記溝部に少なくとも２面
で面接触するか又は少なくとも２箇所で線接触するよう
に、前記溝部に直接固定されていることを特徴とする光
半導体装置。
【請求項２】請求項１記載の光半導体装置において、前
記溝部は、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いずれか１つであることを特
徴とする光半導体装置。
【請求項３】請求項２記載の光半導体装置において、前
記溝部は、異方性エッチングによって形成されているこ
とを特徴とする光半導体装置。
【請求項４】請求項１記載の光半導体装置において、前
記レンズは、筒状部分を備えており、この筒状部分が、
前記溝部に面接触するか又は少なくとも２箇所で線接触
するように前記溝部に直接固定されていることを特徴と
する光半導体装置。
【請求項５】請求項４記載の光半導体装置において、前
記レンズは、前記筒状部分のレンズ中心軸方向長さを
ｔ、該レンズの外径をＤとしたとき、（１／１５）≦（ｔ／Ｄ）＜１となるように構成されていることを特徴とする光半導体
装置。
【請求項６】請求項５記載の光半導体装置において、前
記半導体素子から前記筒状部分までの距離をＬ、前記レ
ンズの焦点距離をｆとしたとき、０．７×（Ｄ／２）≦Ｌ≦ｆとなるように配置されていることを特徴とする光半導体
装置。
【請求項７】請求項４記載の光半導体装置において、前
記レンズは、前記筒状部分の両側に位置し、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てお
り、一方の曲率部分の前端から他方の曲率部分の後端ま
でのレンズ厚さをＴとしたとき、Ｔ＜Ｄとなるように構成されていることを特徴とする光半導体
装置。
【請求項８】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
を駆動制御する電子部品素子と、前記半導体素子及び前
記電子部品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、前記半導体
素子を装置外部に電気的に接続するためのメタライズ配
線及びリード端子と、前記基板部材を収納するケース
と、前記光ファイバを内設し、前記ケースの一端に設け
たパイプ端に取り付けられたフェルールとを有する光半
導体装置において、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である溝部を備
えており、前記レンズは、その外周面が前記溝部に少なくとも２面
で面接触するか又は少なくとも２箇所で線接触するよう
に、前記溝部に直接固定されていることを特徴とする光
半導体装置。
【請求項９】請求項１又は８記載の光半導体装置の製造
方法において、前記レンズを吸着部材で吸着し搬送して前記基板部材の
溝部に載置し、前記吸着部材の吸着状態のまま前記半導体素子との距離
が所定値となるように前記溝部上で前記レンズの位置を
調整した後、弾性を備えた保持部材で前記レンズをその
調整された位置に保持し、この保持状態のまま前記レンズを前記溝部に固定した
後、前記吸着部材及び前記保持部材を前記レンズから取
り外すことを特徴とする光半導体装置の製造方法。
【請求項１０】請求項９記載の光半導体装置の製造方法
において、前記保持部材として、ワイヤ部材、テープ部
材、バネ部材、衝撃吸収部材、及びこれらの部材を備え
た構成部材のうち少なくとも１つを用いることを特徴と
する光半導体装置の製造方法。