JPH05313048A - 光半導体モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】小型で量産性に優れ、しかも高信頼な光半導体
モジュールを提供する。 【構成】光半導体素子を収容するパッケージのキャップ
上部にレンズを収容する円筒状ホルダが直接固定されて
いる。さらに光ファイバ端末はフランジ付きパイプに挿
入されフランジ部が円筒状ホルダの上面に接合された状
態で、光ファイバと光半導体素子がレンズを介して光学
的に結合するように位置調整されて、固定されているこ
とを特徴としている。さらに、レンズは円筒状ホルダと
独立した金属製ホルダに収容され、円筒状ホルダ内で可
動にしておき、レンズと光半導体素子との距離を調整で
きる構造となっていることを特長としている。 【効果】パッケージのキャップ上部に直接レンズホル
ダ、光ファイバ端末が光学系を構成する構造となってい
るため、部品点数が少なく小型化でき、しかも光学的に
安定となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光通信用光半導体モジュ
ールに関し、特に光半導体素子を収容するパッケージと
光ファイバ端末と、光半導体素子と光ファイバを光学的
に結合するレンズの配置、構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ＬＤモジュールや受光モジュール
は光通信システムを構成する基本光デバイスであり、こ
れらは発光素子であるレーザダイオード（ＬＤ）あるい
は受光素子であるフォトダイオード（ＰＤ）と光ファィ
バ、そしてこれらを光学的に結合させるレンズと、これ
らを固定、実装する筐体とから構成される。これまで光
通信システムは幹線系を中心に高速化伝送距離の拡大が
図られてきた。今後、光通信システムはこうした幹線系
のみならず、その広帯域な信号伝送が可能な特質を活か
しビル内のローカルエリア・ネットワーク（ＬＡＮ）や
一般家庭を対象とした加入者系にまで適用の検討が開始
されている。

【０００３】こうした広いユーザを対象とした光通信シ
ステムでは、幹線系大容量システムのような機能、性能
だけでなくシステムの経済性が最も重要な導入の条件の
一つとなり、システムを構築するデバイスの低価格化が
強く望まれている。とりわけ、この光通信システム用デ
バイスのなかで大きなコストの割合を占めるのは光デバ
イス、すなわちＬＤモジュールやＰＤモジュール（ＡＰ
Ｄモジュール）などの光半導体モジュールであり、これ
らの光デバイスの低価格化は光加入者系システムの導
入、実用化には不可欠であると考えられている。また、
光加入者系システムでは上述の光デバイスの低価格化に
加え、装置が各加入者に接地されることから装置の小型
化も重要な課題となっている。

【０００４】送信装置に用いるＬＤモジュールの場合、
従来は例えば図３に示すように、光ファイバ素線の先端
を化学的エッチングや機械加工により先球加工を施して
おき、この光ファイバ先端を光半導体素子１に近接さ
せ、光半導体素子からの出射光が光ファイバに光学的に
結合するように光ファイバを位置調整して固定する構造
があった。この構造は構造が簡便で部品点数が少なく、
小型化に適しており、現在でも本構造による光半導体モ
ジュールは実用化されている。しかしながら、光ファイ
バに先球加工が必要であり、加工が困難なためコストが
大きい、光半導体素子、特に半導体レーザダイオード
（ＬＤ）との光学結合トレランスが厳しく調整・固定に
多大な時間を要する、光半導体素子と光ファイバ間の距
離が近接しているため光半導体素子を気密封止した独立
のパッケージに実装できないなどの欠点を有している。

【０００５】上述の構造の光半導体モジュールの欠点を
避けるため、光半導体と光ファイバの間に結合用レンズ
を配置し、これにより両者を光学的に結合させる構造が
現在では数多く用いられている。レンズ結合タイプの光
半導体モジュールのなかでも、１枚レンズ系か２枚レン
ズ系かにより大別され、両者の間で光学結合、構造、お
よび製造工法に差異がある。２枚レンズ系および１枚レ
ンズ系の光学結合方式を用いた従来の構造のＬＤモジュ
ールの一例をそれぞれ図４および図５に示す。

【０００６】図４に示すような２枚レンズ系による光学
結合方式の特徴は、特公昭６１−６０５９５号公報もし
くは１９９１年１月に発行されたＮＥＣ Ｒｅｓ．＆
Ｄｅｖｅｌｏｐ．第３２巻第１号、第７６〜８２頁に記
載されているように、光半導体素子パッケージの前部に
第１レンズを配置し、一方、光ファイバ出射端部の前面
にも第２レンズを配置し、それぞれ一体化しておき、レ
ンズが付加された状態で光半導体素子パッケージと光フ
ァイバ端末を位置調整して両者を光学的に結合させるも
のである。このような光学結合系とすることにより、光
ファイバの位置調整、固定の際のトレランスが先述の直
接結合や後に述べる１枚レンズ系にくらべ緩和できると
いう大きな特長を有している。しかしながら、２枚レン
ズの場合、レンズが２枚必要であり、１枚レンズ系にく
らべコストが大きいこと、また、レンズが２枚必要なた
め小型化に不向きであること、さらに光半導体素子と第
１レンズ、光ファイバと第２レンズの固定時にわずかで
あってもズレが生じていると両者の結合効率が低下して
しまうこと、などの欠点を有している。

【０００７】上述のような理由から、最初に述べた光半
導体モジュールの小型化、低価格化に対応するため、例
えば１９８８年に発行されたＮＥＣ技報第４１巻，第１
号，第８〜１２頁に記載されているように、１枚レンズ
系による光学結合方式を用いたモジュールが期待され、
重要度が増してきている。従来は１枚レンズ系の光学結
合は、光ファイバの調整・固定時の光軸トレランスが厳
しいため、特にハイパワーの半導体レーザダイオードモ
ジュールには適用困難であった。ところが、最近では製
造技術の向上などにより１枚レンズ系でも問題なく製造
可能となり、適用例が増えてきている。また、ガラスモ
ールド技術の進歩により収差の少ない非球面レンズが安
価に入手可能になってきている。こうしたことから、１
枚レンズ系モジュールが小型化の面でも、経済性の面で
も優位になりつつある。従来の１枚レンズ系のＬＤモジ
ュールの一例として図５に示したモジュールの構造につ
いて説明する。ＬＤ素子１を実装したＬＤ素子パッケー
ジ２をＬＤ素子パッケージホルダ１７にはめ込み、後部
から固定用ネジ１９でネジ締め固定する。この際、ＬＤ
素子とレンズの距離が設計像倍率となるよう赤外カメラ
で画像認識し、位置調整しておく。一方、光ファイバ端
末９は球レンズ６を収容した光ファイバホルダ１８には
め込み、これも後部から固定用ネジ２０ネジ締め固定し
て一体化しておく。そして、ＬＤ素子パッケージ２を収
容したＬＤ素子パッケージホルダ１７と光ファイバ端末
９とレンズ６を一体化した光ファイバホルダ１８の面ど
うしを接合させ、光軸に垂直な方向にのみ位置調整し、
両ホルダの接合面を側面からＹＡＧレーザ溶接固定する
というものである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来のレンズを光学結
合に用いた光半導体モジュールでは、いずれの構造のモ
ジュールにおいても光半導体素子を収容するパッケージ
を一旦別のホルダに収容、固定する構造となっており、
パッケージのキャップ上部の直接レンズホルダ、光ファ
イバ端末を構築する構造とはなっていない。このため、
光半導体素子パッケージにさらに別のホルダが必要とな
る分、部品点数が多くなってしまう、パッケージのホル
ダへの取付け作業があるため生産費用がかかる、モジュ
ール外径がパッケージの外径よりもホルダ分大きくな
る、などの光半導体モジュールの低価格化、小型化を進
める上での問題点が生じている。また、構造が複雑であ
るため、周囲の温度変化に対して特性が安定しにくいと
いう問題もある。

【０００９】本特許は、低価格で小型でしかも高信頼な
光半導体モジュールを提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の光半導体モジュ
ールは、光半導体素子がステムに実装されステムにキャ
ップが固着されたパッケージを有する。パッケージのキ
ャップの上面には光ファイバと光学的に結合させるため
のレンズを収容した円筒状ホルダの底面が密着されて固
定されている。さらに、円筒状ホルダの光半導体素子を
収容するパッケージが固着された底面とは反対側の面
に、光ファイバ端末がフランジ付きパイプに挿入され、
円筒状ホルダの光半導体素子を収容するパッケージが固
着された底面とは反対側の面にフランジ面が接合され
て、レンズを介して光半導体素子から出射される光と光
学的に結合するように光ファイバ端末が位置調整され固
定されている。このようにすることにより、光半導体素
子パッケージ、レンズを収容する円筒状ホルダ、光ファ
イバ端末は直接固着され一体化された構造となってい
る。

【００１１】さらに、レンズは円筒状ホルダと独立した
ホルダに収容されており、円筒状ホルダの内部に挿入さ
れ、レンズを光軸に同一方向に位置調整できるようにな
っており、円筒状ホルダとレンズを位置調整・固定した
構造となっている。

【００１２】このように光半導体素子を実装したステム
に固着されるキャップ上に単一のレンズを収容するホル
ダと、さらにその上部にフランジ付きパイプを介して光
ファイバ端末を固着する構造とすることにより、小型で
低価格の光半導体モジュールが実現可能となる。

【００１３】

【実施例】次に図面を用いて本発明の実施例を説明す
る。

【００１４】図１は本発明の光半導体モジュールの構造
を示す横断面図である。本実施例では、レーザダイオー
ド（ＬＤ）モジュールについての適用例を示す。ＬＤ素
子１はモニタ用フォトダイオード（ＰＤ）５とともにス
テム３にヒートシンクを介して実装されている。さらに
ステム３にはＬＤ素子１、モニタ用ＰＤ５を保護するた
め、キャップ４が固着されＬＤ素子パッケージ２を形成
している。本実施例ではこのＬＤ素子パッケージ２とし
て、低価格化のためコンパクトディスク（ＣＤ）に用い
られているＣＤ小型パッケージの標準品を用いた。

【００１５】一方、光ファイバとＬＤ素子を光学的に結
合させるレンズとしてφ２の球レンズを用いた。球レン
ズはあらかじめステンレス材からなる円筒状レンズホル
ダ７に低融点ガラスにより固着されている。この円筒状
レンズホルダ７をＬＤ素子パッケージ２のキャップ４の
上面に密着させて固定した。固定の際には、ＬＤ素子の
光出射方向と球レンズの位置が一致するように、赤外カ
メラで位置調整した。また、固定の手段として高信頼化
するためＹＡＧレーザ溶接固定法を用いた。

【００１６】次に、あらかじめ光ファイバ１０の端面に
ＬＤ素子１の出射光の集光点がくるように光ファイバ端
末９を位置調整しておく。そして、円筒状レンズホルダ
７の上面に光ファイバ端末９をフランジ付きパイプ８に
挿入させ、フランジ部を円筒状レンズホルダ７の上面に
突合せ、ＬＤ素子１と光ファイバ１０がレンズ６を介し
て光学的に結合するよう光軸調整して、突合せ部を側面
からＹＡＧレーザ溶接して固定した。最後に、このよう
にして組み立てられた光学ユニットに保護用およびパネ
ルへの取付けを兼ねたケースをハウジングして組立は完
了する。以上のようにして組み立てられたＬＤモジュー
ルの形状・寸法は、寸法がφ６ｍｍの同軸型であり、ピ
グテールコード根元までの全長は２０ｍｍである。外径
は本実施例ではφ５．６ｍｍのＣＤ小型パッケージを用
いたために決まる寸法で、これは従来の構造をもつＬＤ
モジュールと比べ、外径で約３分の２と大幅に小型化さ
れている。また、従来のようにＬＤ素子パッケージを収
容するホルダや固定ネジが不要となり、部品点数も削減
されている。さらに組立もＬＤ素子パッケージのキャッ
プへのレンズホルダの固定と光ファイバ端末の光軸調整
・固定、およびケースのハウジングだけとなり、生産性
も向上する。この結果、特に必要性が高まっている光加
入者系装置に用いられる小型、低価格な光半導体モジュ
ールが本特許の適用により可能となる。

【００１７】また、本実施例においては、レンズにはコ
ストを考慮して球レンズを用いた例を示したが、ＬＤ素
子と光ファイバの結合を高効率化するため、非球面レン
ズを用いることも可能である。この場合、なるべく結合
を高効率化するためには像倍率を最適な状態にする必要
がある。このため、本特許の請求範囲に記述したよう
に、非球面レンズを円筒状ホルダ内部で光軸に同一方向
に可動できるようにしておき、最適な像倍率となるよう
な位置にあらかじめ位置調整して非球面レンズを円筒状
ホルダに固定する構造を適用すればよい。

【００１８】図２はこの構造、工法を用いたハイパワー
ＬＤモジュールの一例を示す縦断面図である。非球面レ
ンズ１２は、ガラスモールドにより成形時にステンレス
製非球面レンズホルダ１３と一体成形されている。この
非球面レンズ１２はあらかじめ円筒状レンズホルダ７に
挿入され、円筒状レンズホルダ７をＬＤ素子パッケージ
２のキャップ４に光軸に垂直方向に位置調整する際に、
同時に非球面レンズ１２も光軸方向に位置調整する。本
実施例では、ＬＤ素子と光ファイバの像倍率が約４で最
適結合する非球面レンズを用いて、ＬＤ素子１と非球面
レンズ１２の距離を設定した。調整後は、キャップ４と
円筒状レンズホルダ７は接合部分を側面からＹＡＧレー
ザ溶接固定し、非球面レンズ１２の円筒状レンズホルダ
７への固定は側面から貫通ＹＡＧレーザ溶接により固定
する。あとは、上述の球レンズを用いたＬＤモジュール
と同様の構造、工法で円筒状レンズホルダの上面にフラ
ンジ付きパイプ８を用いて光ファイバ端末９を光軸調整
・固定する。このように本特許によれば高効率結合を要
求する光半導体モジュールを形成することも可能であ
る。

【００１９】さらに、本発明の構造の光学ユニットをＤ
ＩＰ型パッケージに収容し、ＤＩＰ型ＬＤモジュールを
形成することができる。この場合にも光学ユニットはコ
ンパクトであるので熱容量が小さく、ペルチェなどの冷
却素子を光学ユニットに密着させパッケージ内部におく
ことにより冷却型ＬＤモジュールを構成することもでき
る。

【００２０】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の光半導体モ
ジュールは光半導体素子パッケージのキャップ上面にレ
ンズが収容された円筒状ホルダが固着され、さらに円筒
状ホルダ上面にフランジ付きパイプに光ファイバを挿入
し、ホルダ上面に接合させ、光ファイバ端末がレンズを
介して光半導体素子と光学的に結合され固定された構造
を有している。さらに、レンズは円筒状ホルダと外径が
同じ別のホルダに収容しておき円筒状ホルダ内で光軸方
向に位置調整することも可能であり像倍率を自由に設
定、あるいは調整でき高効率結合が実現できる。このよ
うな構造にすることにより、直接光半導体素子パッケー
ジ、レンズ、光ファイバを直接一体化することができる
ので、周囲の温度変化や振動・衝撃、外力に対して変動
が少なく光学的に安定させることが可能となる。また、
モジュールを構成する部品点数も従来に比べ大幅に削減
できるため、低価格化にも対応しやすい。さらに、モジ
ュール全体の大きさ、特に外径は光半導体素子パッケー
ジのステムの外径によって決まり、従来の構造に比べ格
段に小型化できる。

【００２１】このように本特許の光半導体モジュールを
用いることにより、小型、安価で信頼性のよい光半導体
モジュールを実現することができ、装置の小型、低価格
化に寄与し、特に光加入者系装置の導入、実用化に向け
非常に有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す断面図である。

【図２】本発明の他の実施例を示す断面図である。

【図３】従来の光半導体モジュールの斜視図である。

【図４】従来の２枚レンズ系を用いた光半導体モジュー
ルの斜視図である。

【図５】従来の１枚レンズ系を用いた光半導体モジュー
ルの斜視図である。

【符号の説明】

１ ＬＤ素子 ２ ＬＤ素子パッケージ ３ ステム ４ キャップ ５ モニタ用ＰＤ ６ レンズ ７ 円筒状レンズホルダ ８ フランジ付きパイプ ９ 光ファイバ端末 １０ 光ファイバ １１ ケース １２ 非球面レンズ １３ 非球面レンズホルダ １４ 光ファイバ先球加工部 １５ 第１レンズ １６ 第２レンズ １７ ＬＤ素子パッケージホルダ １８ レンズ・光ファイバ収容ホルダ １９ 固定用ネジ１ ２０ 固定用ネジ２

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光半導体素子を実装するステムと該ステ
   ムに固着されたキャップを含む光半導体素子パッケージ
   と、光ファイバ端末と、前記光半導体素子と前記光ファ
   イバ端末を光学的に結合する単一のレンズを具備してな
   る光半導体モジュールにおいて、 前記レンズは円筒状ホルダに収容されており、該円筒状
   ホルダの底面と前記光半導体パッケージのキャップ上面
   が密着固定されてなる構造を有し、 前記レンズを収容する円筒状ホルダの前記キャップと固
   着される底面とは反対側の面にフランジ付きパイプのフ
   ランジ面が接合されており、該フランジ付きパイプに前
   記光ファイバが挿入され、 前記レンズは前記円筒状ホルダと独立した第２のホルダ
   に収容され、前記円筒状ホルダ内部に該第２のホルダに
   収容された前記レンズが挿入、固定され、 前記光ファイバは前記半導体素子と光学的に結合するよ
   うに位置調整、固定されてなることを特徴とする光半導
   体モジュール。