JPH0530248B2 - - Google Patents

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JPH0530248B2
JPH0530248B2 JP61069733A JP6973386A JPH0530248B2 JP H0530248 B2 JPH0530248 B2 JP H0530248B2 JP 61069733 A JP61069733 A JP 61069733A JP 6973386 A JP6973386 A JP 6973386A JP H0530248 B2 JPH0530248 B2 JP H0530248B2
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JP
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optical element
brazing material
attaching
substrate
optical
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Puresuton Kiisu
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British Telecommunications PLC
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Publication of JPH0530248B2 publication Critical patent/JPH0530248B2/ja
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24Coupling light guides
    • G02B6/42Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4219Mechanical fixtures for holding or positioning the elements relative to each other in the couplings; Alignment methods for the elements, e.g. measuring or observing methods especially used therefor
    • G02B6/4236Fixing or mounting methods of the aligned elements
    • G02B6/4238Soldering
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24Coupling light guides
    • G02B6/42Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4219Mechanical fixtures for holding or positioning the elements relative to each other in the couplings; Alignment methods for the elements, e.g. measuring or observing methods especially used therefor
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    • G02B6/4226Positioning means for moving the elements into alignment, e.g. alignment screws, deformation of the mount
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05KPRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K3/00Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
    • H05K3/30Assembling printed circuits with electric components, e.g. with resistors
    • H05K3/32Assembling printed circuits with electric components, e.g. with resistors electrically connecting electric components or wires to printed circuits
    • H05K3/34Assembling printed circuits with electric components, e.g. with resistors electrically connecting electric components or wires to printed circuits by soldering
    • H05K3/3494Heating processes for reflow soldering

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  • Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
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  • Led Device Packages (AREA)
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  • Mechanical Coupling Of Light Guides (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光通信装置で使用する光学装置の組
み立てに利用する。特に、光学素子およびその取
り付け方法に関する。
〔概要〕
本発明は、ろう付けにより光学素子を基板に固
定する方法において、 個々の光学素子に専用の加熱手段を設け、この
加熱手段により局部的に加熱することにより、 同じ基板上の他の光学素子のろう付け部分に影
響することなしに、個々の光学素子の取り付けお
よび取り外しを可能にするものである。
〔従来の技術〕
どのような光学装置でも、個々の光学素子の位
置を正確に一直線に合わせることが重要である。
最近の光通信装置で使用する小型の光学素子は、
このような位置合わせの実施および維持が非常に
困難になつてきている。例えば、半導体レーザ送
信器を製造する場合の問題のひとつに、半導体レ
ーザダイオードから単一モード光フアイバに光パ
ワーを有効に結合させる問題がある。有効な結合
を得るためには、光フアイバの終端とレーザ端面
の光放射領域との光学的位置を高精度に合わせな
ければならない。このような位置合わせができた
ときに、理想的には装置の使用期間が終了するま
でその位置関係を確実に保持できるように、その
位置に光フアイバを固定する。
要求される精度および寿命で位置合わせを行う
ために、種々の取り付け方法が提案され採用され
ている。一般には、光学素子をろう付けにより基
板に固定している。ここで「ろう付け」とは、接
合しようとする材料(光学素子および基板)より
低融点の材料を用いて接合することであり、はん
だ、インジウム合金等による接合を含む。ろう付
けに使用する材料を「ろう付け材」という。ま
た、「基板」とは、光学素子を取り付けようとす
る相手部材であり、半導体基板、絶縁体基板、導
体基板、これらの基板に取り付けられた素子およ
び光学要素、電子要素およびその他の要素が集積
された光学素子を含む。
第6図に従来例方法により光フアイバが取り付
けられた半導体レーザ装置を示す。
光フアイバ保持部1は、保持台12およびこの
保持台12に取り付けられた光フアイバ10を含
む。レーザ台座2は、銅製の台座14に取り付け
られた半導体レーザ素子13を含む。レーザ台座
2は典型的には約6mm×4mm×1.5mmの大きさで
ある。
光フアイバ保持部1は、ろう付け材17により
台座14のステージ16に固定されれる。このろ
う付け材17が半導体レーザ素子13に接触しな
いように、台座14に溝15が設けられる。
取り付け工程の間、レーザ台座2を温度制御さ
れた加熱台(図示せず)に配置し、使用するろう
付け材17の融点より少し高い温度に加熱する。
このような分野では一般にインジウムをベースと
したろう付け材が用いられ、その融点は約118℃
である。この温度のときに、プリフオームまたは
ペーストの状態で、ろう付け材17をステージ1
6に加える。そして、光フアイバ保持部1を溶融
したろう付け材17に押し付ける。ここで、光フ
アイバ保持部1は、正確なマニユピユレータ(図
示せず)に取り付けられたクランプで保持されて
いる。
次に、光フアイバ10の近端11の位置を、半
導体レーザ素子13の放射領域に光学的に一直線
になるように合わせる。この位置合わせは、通常
は、半導体レーザ素子13を低い衝撃係数(発光
している時間の割合)で動作させ、光フアイバ保
持部1を操作し、光フアイバ10に結合する光パ
ワーが最大となるように行う。すなわち、高性能
の検出器19を用いて、光フアイバ10の他の端
18に(矢印方向に)現れる光パワーを検出す
る。光フアイバ10と半導体レーザ素子13との
位置が一致しているときに、検出される光パワー
が最大となる。
このときに加熱台の温度を下げ、ろう付け材1
7を固化させ、光フアイバ10をその位置で固定
する。最後に、光フアイバ保持部1をクランプ
(図示せず)から取り外す。
〔発明が解決しようとする問題点〕
しかし、同一の基板に多数の分離された光学素
子が取り付けられている場合には、通常は、それ
ぞれの連続する光学素子を、徐々に融点が低くな
る一連のろう付け材を用いて固定する。最初に取
り付けられた光学素子は、続いて他の光学素子を
固定するときでもろう付け材が溶融しないので、
安定に固定されている。しかし、例えば保守のた
め、高融点のろう付け材で最初に取り付けられた
光学素子を取り外すことが必要な場合には、低融
点のろう付け材で取り付けられた光学素子に影響
してしまう問題がある。
このような、一連のろう付け材を用いた場合の
問題点を解決するため、ろう付けのために加えら
れた熱をその光学素子に隣接した局部に制限する
方法がいくつか試みられた。このような方法に
は、熱気体ジエツトを使用する方法や、加熱され
たクランプからの直接熱伝導を使用する方法があ
る。しかし、適切な熱移動を確実にすることが困
難であり、さらには、位置合わせの微小なずれを
防ぐことが困難であるため、これらの技術は、一
般に、研究室での応用でさえも満足できるもので
はない。
ある種の光学素子を固定する場合には、有機接
着剤の使用が有効であるが、このような接着剤は
いくつかの理由により一般には許容できない。第
一に、基板上の複数の光学素子の一部に不備があ
る場合に、光学素子の置き換えが困難であると考
えられる。第二に、時間経過とともに接着剤が収
縮し、光学素子の位置がずれる可能性がある。第
三に、これも時間経過によつて生じるが、接着剤
は望ましくない有機物質の気体を発生し易い。こ
のような物質は、例えばレーザ送信器のようなパ
ツケージに封入された光学素子を劣化させ、寿命
を縮めてしまう。
また、上述の従来例による取り付け方法では、
光フアイバと半導体レーザ素子との位置合わせ
を、半導体レーザ素子を高温に保つたまま行わな
ければならない。半導体レーザ素子は、温度上昇
によりレーザ発振効率が急激に低下する。ろう付
けの温度ではレーザ発振はまつたく不可能であ
り、半導体レーザ素子の出力は、非常に低出力の
自然放射光のみとなる。このような放射光を得る
には、高い尖頭値の駆動電流が必要である。低衝
撃係数の動作ではあるが、このような状態では素
子の信頼性が低下する。さらに、自然放射光によ
る位置関係は、常温におけるレーザ動作の位置関
係とは異なる。
光フアイバの終端が平坦な場合には、位置ずれ
の許容性が±1〓mのオーダと大きく、位置ずれ
の影響を削減することができる。しかし、全体と
しての光結合効率は非常に低下してしまう。大き
な光結合効率が必要な場合には、光フアイバとレ
ーザ発振端面との位置関係をさらに厳密にする必
要があり、±0.5〓m以下、さらには±0.2〓m以
下の位置ずれ許容度が必要である。
本発明は、以上の問題点を解決し、基板上の他
の素子に熱的な影響を及ぼすことなしに光学素子
を取り付けることのできる方法を提供することを
目的とする。
また、この方法に直接使用する光学素子を提供
することを目的とする。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明は、光学素子を保持台に固定し、この保
持台により光学素子を基板上に設けられたろう付
け材に接触させ、このろう付け材を一度溶融させ
て再度固化させることによりその光学素子を基板
に固定する光学素子の取り付け方法において、保
持台には光学素子が取り付けられる側とは別の面
に小型抵抗器を取り付けておき、この小型抵抗器
により保持台を加熱してその部分のろう付け材を
局部的に溶融させることを特徴とする。
小型抵抗器の温度を電気的に制御することが望
ましく、小型抵抗器としてはチツプ抵抗器を用い
ることが望ましい。
〔作用〕
ろう付け材を局部的に加熱できるので、半導体
レーザなどの他の素子が同一基板上にろう付けさ
れていても、そのろう付け影響を及ぼすことがな
く、さらには、その素子の動作に悪影響を及ぼす
こともない。
このため、例えば、光学素子として光フアイバ
を半導体レーザ素子が取り付けられたレーザ台座
に取り付ける場合には、半導体レーザ素子を発振
させた状態で位置合わせが可能となる。また、半
導体レーザ素子の端面における入射光に対する光
感度が最大となる領域(レーザ端面上の位置)が
発振出力が最大となる領域とほぼ一致している場
合には、その半導体レーザ素子を受光素子として
動作させることにより位置合わせを行うこともで
きる。
さらに、すでに一以上の素子がろう付けされた
基板に新たに光学素子を取り付ける場合でも、新
たに取り付けようとする光学素子に近接する部分
のろう付け材を局部的に溶融させ、他の素子を取
り付けているろう付け材が溶融しないようにでき
る。
また、ろう付け材を溶融させる領域が小さいの
で、それに要する電力も小さい。さらに、小型抵
抗器として市販品を用いることができるので、抵
抗値の設定が容易である。
〔実施例〕
第1図は本発明実施例半導体レーザ装置の斜視
図を示す。
レーザ台座2は、半導体レーザ素子13と、こ
の半導体レーザ素子13が取り付けられた銅製の
台座14とにより構成される。光フアイバ保持部
3は、光フアイバ10と、この光フアイバ10が
取り付けられた保持台12と、保持台12に取り
付けられたチツプ抵抗器20とを含む。光フアイ
バ保持部3は、ろう付け部材17により台座14
のステージ16に固定される。このろう付け材1
7が半導体レーザ素子13に接触しないように、
台座14に溝15が設けられている。
第2図は光フアイバ保持部3を示し、第3図は
チツプ抵抗器20を示す。
この光フアイバ保持部3は、加熱手段としてチ
ツプ抵抗器20を備える。チツプ抵抗器20は、
セラミツク基板21の表面に抵抗インク22が堆
積した構造であり、一般に市販されている。抵抗
インク22の終端をメタライズして電極23と
し、これにより電気的な接続を行う。抵抗インク
22の表面はガラス状の層で覆われ、外部から電
気的に絶縁される。ガラス状の層の表面にはさら
に、金属層(図示せず)が抵抗インク22と隔離
されて設けられ、適当な高温度を加えることによ
り、このチツプ抵抗器20を保持台12にろう付
けすることができる。チツプ抵抗器20の取り付
けには、金属層のかわりに溶融したガラスフリツ
ト等を用いることもできる。チツプ抵抗器20の
取り付けは、通常は、良好な熱伝導性を得るため
に、その抵抗面を保持台12に向けて行う。
本発明で使用するには、チツプ抵抗器20の抵
抗値が1ないし10〓の範囲が適していることが判
明した。
第4図は光フアイバ保持部3の取り付け方法を
示す図である。
クランプ30で光フアイバ保持部3をつかみ、
これをレーザ台座2に載置する。クランプ30の
二つの腕にはそれぞれ導電経路31が設けられ、
これをチツプ抵抗器20の電極23に電気的に接
触させる。二つの導電経路31は互いに絶縁され
電源に接続される。これらの導電経路31を経由
してチツプ抵抗器20に通電することにより、光
フアイバ保持部3の領域だけをろう付け材17の
融点より高い温度にすることができる。
このときに、レーザ台座2を加熱しておくこと
が望ましい。これを背景加熱という。背景加熱
は、上述の従来例と同様にレーザ台座2を加熱台
に載置して行うが、その温度をろう付け材17の
融点より少し低く設定する。この背景加熱によ
り、チツプ抵抗器20が供給すべき熱量を削減で
きる。また、冷却時に、台座14と光フアイバ保
持部3との間の熱特性の差異により生じる損傷応
力を削減することができる。
光フアイバ保持部3をろう付け材17に接触さ
せ、チツプ抵抗器20に通電したときに、このチ
ツプ抵抗器20からの熱により、ろう付け材17
が局部的に溶融する。通常は、ろう付け材17を
溶融させるときに、チツプ抵抗器20の電流を増
加させる必要がある。このとき、熱散逸速度の変
化等によりチツプ抵抗器20が焼き切れることが
ないように、温度を正確に制御および監視する必
要がある。これについては後述する。
ろう付け材17が十分に溶融したときに、光フ
アイバ10を移動させて、その近端11を半導体
レーザ素子13の端面に対して所望の位置に合わ
せる。この位置合わせは、適切な場合には上述し
た従来例と同様の方法で行うこともできるが、後
述する方法で行うこともできる。
チツプ抵抗器20の電流を下げると、その温度
が低下し、ろう付け材17が固化して光フアイバ
保持部3が台座14に固定される。この後に光フ
アイバ保持部3をクランプ30から取り外し、必
要な場合には加熱台の温度を常温に戻す。
他の光学素子を同じ基板に取り付ける場合に
は、個々の光学素子をそれぞれ上述の実施例と同
様に取り付ける。ここで、背景加熱を行う場合に
は、すべての光学素子の取り付けが完了するまで
常温に戻す必要はない。
以上の実施例では、加熱手段としてチツプ抵抗
器を用いた例を説明したが、他の抵抗器を加熱手
段に用いても同様に本発明を実施できる。例え
ば、導電インクまたは他の導電材料を、絶縁され
た光学素子の表面に直接に堆積させる。光学素子
が絶縁体の場合にはその表面をあらためて絶縁す
る必要はないが、導電体の場合には、その表面に
絶縁層を形成するか、または絶縁体を取り付ける
等により、加熱手段を短絡しないようにする必要
がある。このような絶縁層または絶縁体に導電材
料を印刷する技術は、厚膜ハイブリツド回路また
はチツプ抵抗器の製造の技術として確立されてお
り、これと同様に行うことができる。
次に、加熱手段の温度制御について説明する。
温度制御は、温度応答の適切な抵抗器を用いて、
別個の温度感知器を用いる必要なしに単純かつ一
般的な方法で行うことができる。以上の実施例で
は、加熱手段としてチツプ抵抗器20を用いた例
を示したが、ここでは、一般的な抵抗器の温度制
御について説明する。
ほとんどの材料の電気抵抗は温度の関数であ
る。したがつて、チツプ抵抗器に限らずすべての
抵抗器では、設計および製造時に温度依存性を最
小にするための考慮がなされているが、これを完
全に除去することはできない。この温度依存性を
抵抗器の実際の測定に利用できる。すなわち、抵
抗器に通電しているときにその抵抗値を測定する
だけで、その抵抗器の温度を測定できる。抵抗値
の測定は公知の回路で実施できる。したがつて、
抵抗値を測定して抵抗器に印加する電流を所望の
温度になるように制御することにより、この抵抗
器の温度を制御できる。
第5図はチツプ抵抗器20の温度に対する抵抗
値の変化を示す。ここに示した値は一例であり、
他の抵抗値の抵抗器を用いても本発明を同様に実
施できる。
次に、光フアイバ10と半導体レーザ素子13
との位置合わせについて説明する。上述の実施例
では、背景温度をそれほど高くする必要がなく、
ろう付け材の加熱が局部的なので、半導体レーザ
素子13の動作条件は厳しいものではない。
さらに、半導体レーザ素子13をパルス発振さ
せずに位置合わせを行うことも可能であり、損傷
の危険を実質的に削減することができる。この方
法について以下に説明する。
最近の半導体レーザ素子は、一般に、レーザ発
振の性能を増大させるために電流狭窄手段が設け
られている。このような半導体レーザ素子は、レ
ーザ端面の放射領域のすぐ近傍に注入された光に
敏感であり、発振しない受動レーザ素子として光
電流を発生する。このような受動レーザ素子とし
ての光感度が最大となる領域は、レーザ発振の出
力が最大となる領域と同一またはその近傍であ
る。したがつて、この位置合わせ方法は、半導体
レーザ素子をパルス駆動する必要なしに、高温度
でも実施することができる。
再び第4図を参照する。この位置合わせ方法で
は、ろう付け材17がまだ溶融しているときに実
施し、光フアイバ10の遠端に光源32からの光
を入射する。光フアイバ10の近端10から出力
された光により、半導体レーザ素子13に光電流
が誘起される。この光電流を測定して、この電流
が最大になるように光フアイバ10の位置を調整
する。
この取り付け方法は、レーザ発振が最大の領域
と光電流が最大の領域とが一致している場合に、
光フアイバ10をこの領域に一致させて固定する
ことができる。レーザ発振と光電流との最大の領
域が異なる場合には、これらの領域のオフセツト
を最初に決めておく。取り付け工程を開始する前
に、オフセツトをあらかじめ室温で測定しておく
と都合がよい。室温では、半導体レーザ素子が損
失なしにレーザ発振し、レーザ発振と光電流との
最大の領域のオフセツトを容易に測定することが
できるからである。このオフセツトを考慮して、
取り付け時に光電流の最大の領域に対応する配置
で光フアイバ10を固定する。
ただし、以上の位置合わせ方法は、電流狭窄手
段が設けられた構造の場合にだけ用いることがで
きる。電流狭窄手段が設けられていないストライ
プ構造のレーザ素子では、原理的にレーザ端面の
長さ全体にわたつて注入光に敏感であり、光電流
が最大とる点を識別できない。したがつて、この
ような半導体レーザ素子の場合には、以上の位置
合わせ方法を用いることができない。
以上の説明では、光学素子として光フアイバ保
持部3を用い、基板としてレーザ台台座2を用い
た例を説明したが、光通信の分野だけでなく、他
の一般的光学分野で用いる光学素子、例えばレン
ズの取り付けの場合には、本発明を同様に実施で
きる。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明の光学素子の取り
付け方法は、固定する部分だけを局部的に加熱す
るので、同じ基板上の他の光学素子の取り付け部
に影響せずに、光学素子の取り付けまたは取り外
しを行うことができる。また、局部的に加熱し
て、取り付け部分のろう付け材が溶融している状
態で光学的位置合わせを行うので、実質的に室温
のまま位置合わせを行うことができる。全体とし
て加熱することなく装置の実際の動作温度で光学
的な位置合わせを行うことができる。
また、基板全体をろう付け材の融点より低い温
度に加熱して、ろう付けの熱にともなう歪応力を
防ぐこともできる。この場合にも、すでに取り付
けられた部分のろう付け材が溶融することがな
く、個々の光フアイバを独立に取り付けまたは取
り外しが可能である。
本発明は、微細な光学素子の取り付けおよび相
互接続に効果があり、特に光通信装置で使用する
光学装置の組み立てに利用して大きな効果があ
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明実施例半導体レーザ装置の斜視
図。第2図は光フアイバ保持アセンブリの斜視
図。第3図はチツプ抵抗器の斜視図。第4図は取
り付け工程を示す図。第5図はチツプ抵抗器の温
度に対する抵抗値を示すグラフ。第3図は従来例
方法により光フアイバが取り付けられた半導体レ
ーザ装置の斜視図。 1,2……光フアイバ保持アセンブリ、3……
レーザ台座、10……光フアイバ、11……近
端、12……保持台、13……半導体レーザ素
子、14……台座、15……溝、16……ステー
ジ、17……ろう付け材、18……遠端、19…
…検出器、20……チツプ抵抗器、21……セラ
ミツク基板、22……抵抗インク、23……電
極、30……クランプ、31……導電経路。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 光学素子10を保持台に固定し、 この保持台により前記光学素子を基板14上に
    設けられたろう付け材17に接触させ、 このろう付け材を一度溶融させて再度固化させ
    ることにより前記光学素子を前記基板に固定する 光学素子の取り付け方法において、 前記保持台12には前記光学素子が取り付けら
    れる側とは別の面に小型抵抗器20を取り付けて
    おき、 この小型抵抗器により前記保持台12を加熱し
    てその部分のろう付け材を局部的に溶融させる ことを特徴とする光学素子の取り付け方法。 2 小型抵抗器の温度を電気的に制御する特許請
    求の範囲第1項に記載の光学素子の取り付け方
    法。 3 小型抵抗器はチツプ抵抗器である特許請求の
    範囲第1項に記載の光学素子の取り付け方法。 4 光学素子を保持台に固定し、 この保持台により前記光学素子を基板上に設け
    られたろう付け材に接触させ、 このろう付け材を一度溶融させて前記光学素子
    の位置合わせを行い、 このろう付け材を再度固化させることにより前
    記光学素子を前記基板に固定する 光学素子の取り付け方法において、 前記保持台には前記光学素子が取り付けられる
    側とは別の面に小型抵抗器を取り付けておき、 この小型抵抗器により前記保持台を加熱してそ
    の部分のろう付け材を局部的に溶融させる ことを特徴とする光学素子の取り付ける方法。 5 前記光学素子は光フアイバであり、 前記基板は入射光に対する光感度が最大となる
    領域が発振出力の最大となる領域と同一またはそ
    の近傍である構造の半導体レーザ素子が取り付け
    られたレーザ台座であり、 前記半導体レーザ素子を光検出器として前記光
    フアイバから入射する光を測定することにより前
    記位置合わせを行う 特許請求の範囲第4項に記載の光学素子の取り
    付け方法。 6 光学素子を保持台に固定し、 この保持台により前記光学素子を基板上に設け
    られたろう付け材に接触させ、 このろう付け材を一度溶融させて再度固化させ
    ることにより前記光学素子を前記基板に固定する 光学素子の取り付け方法において、 前記保持台には前記光学素子が取り付けられる
    側とは別の面に小型抵抗器を取り付けておき、 この小型抵抗器とは別の加熱手段により前記ろ
    う付け材の融点を越えない程度に前記基板を加熱
    しておき、 前記小型抵抗器により前記保持台を加熱してそ
    の部分のろう付け材を局部的に溶融させる ことを特徴とする光学素子の取り付け方法。 7 光学素子を保持台に固定し、 この保持台により前記光学素子をすでに一以上
    の素子からろう付けされた基板上のろう付け材に
    接触させ、 このろう付け材を一度溶融させて再度固化させ
    ることにより前記光学素子を前記基板に固定する 光学素子の取り付け方法において、 前記光学素子が取り付けられる側とは別の面に
    小型抵抗器を取り付けておき、 この小型抵抗器により前記保持台を加熱して、
    他の素子を取り付けているろう付け材が溶融しな
    いように前記光学素子に近接する部分のろう付け
    材を局部的に溶融させる ことを特徴とする光学素子の取り付け方法。
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