JPH0558524B2

JPH0558524B2 -

Info

Publication number: JPH0558524B2
Application number: JP61083966A
Authority: JP
Inventors: Keisu Dotsudoson Ronarudo; Sukotsuto Inotsukusu Reimondo; Esu Randooru Randei
Original assignee: Tektronix Inc
Current assignee: Tektronix Inc
Priority date: 1985-04-12
Filing date: 1986-04-11
Publication date: 1993-08-26
Also published as: FR2591763B1; GB2173917A; US4722586A; GB8608599D0; GB2173917B; FR2591763A1; JPS62906A; CA1309484C

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、電気信号を光に変換する電気光変換
装置に関するものであるが、光を電気信号に変換
する装置にも適用しうるものである。

〔従来の技術及び問題点〕

比較的安価なレーザ・ダイオードの出現と、シ
ングル・モード及びマルチ・モードの両方におい
て実質的な無限長にわたりほぼ均一な特性を有す
る光フアイバが製造されるようになつたことによ
り、レーザ・ダイオードからフアイバに変調した
光ビームを送り出す形式で情報を伝達する光フア
イバの使用が一般的になつてきている。例えば、
フアイバ光電話システムは実験段階を過ぎて発展
しており、また、映像信号を伝送するのに光フア
イバを使用することも周知である。光ビームを光
フアイバに送り出すのに使用するレーザ・ダイオ
ードは、光フアイバの基部端面と光学的結合関係
になければならない。最適な光学的結合を得るに
は、レーザ・ダイオードの発光領域に対してフア
イバの端面を正確に位置決めする必要があるが、
これは寸法が小さいため困難である。通常、マル
チモード・レーザ・ダイオードの発光領域は
（0.5〜1μm）×（10〜15μm）であり、マルチモー
ド・フアイバのコアの直径は約50〜100μmであ
る。これらの問題は、シングル・モード・フアイ
バの場合に一層重大である。この場合、フアイバ
のコアの直径は、マルチモード・フアイバの約1/
５〜1/10であり、ダイオードの発光領域は約
0.5μm×2μmである。しかるに、シングル・モー
ド・フアイバは、分散が少なく信号劣化も必然的
に少ないので、ますます使用される傾向にある。
更に、フアイバの縦軸と横の方向（横軸）に対
し、フアイバをダイオードの発光領域に正確に一
直線に配置する（Ｘ及びＹ軸位置決め）必要があ
るばかりでなく、ダイオードの放射した最大値の
光をフアイバ内に結合するために、フアイバの基
部端面及びダイオード間の距離（Ｚ軸位置決め）
を正確に制御する必要もある。また、ダイオード
の動作に悪影響を及ぼす物質と接触しないよう
に、密封した容器内にダイオードを配置するのが
望ましい。

透明窓を有する従来のT_O5容器内にレーザ・ダ
イオードを取付けることは、既に知られている。
この場合、ダイオードは外部の影響から充分に保
護されている。この透明窓を介して放射される光
の量を最大にするため、サフアイヤ球を容器内に
取付けそのサフアイヤ球の焦点にダイオードの発
光領域が来るようにしている。こうして、視準さ
れた光ビームを発生し、この視準されたビームが
透明窓を介して容器の外に向かうように、ダイオ
ード及びサフアイヤ球を位置決めしている。この
容器の外に他のサフアイヤ球を設け、視準ビーム
が光フアイバのコアの端面で焦点を結ぶようにす
る。このような容器取付け方法では、ダイオード
に対して３つの要素すなわち２つのサフアイヤ球
とフアイバとを一直線に配置する必要がある。ゆ
えに、この容器の製造には、時間、労力及び費用
がかかつた。

したがつて、本発明の目的は、発光素子と光フ
アイバの位置決めが簡単で安価な電気光変換装置
の提供にある。

〔問題点を解決するための手段及び作用〕

本発明によれば電気光変換装置は、ほぼ平坦な
表面及びこの平坦面から直立した台を有する基部
部材と、台の上に取付けた電気光変換器と、この
基部部材のほぼ平坦面に対し対向関係にある第１
主面が基部部材に固定されたフアイバ取付け板
と、このフアイバ取付け板の第２主面に固定され
た光フアイバとを具えている。この光フアイバ
は、電気光変換器と光学的結合関係にある端面を
有する。また、フアイバ取付け板の第１主面に設
けられた抵抗器に電流を流して発生する熱によ
り、光フアイバをフアイバ取付け板の第２主面に
半田付けすると共に、フアイバ取付け板の第１主
面を基部部材に半田付けしている。

本発明の好適な実施例においては、基部部材
は、ほぼ平坦な表面を部分的に囲み上記変換器の
上にまで伸びる壁を具えており、また、カバー部
材がこの基部部材の壁の上及び端部を密封する。
このカバー部材はフアイバがその中を通つて伸び
るフアイバを封止孔を有し、この孔自体も密封さ
れる。こうして、上記変換器を密封容器内に取付
け、その動作に悪影響を及ぼす物質と接触するの
を防止する。

なお、フアイバの端面は、円錐レンズ又は凸レ
ンズ状が好ましい。

〔実施例〕

以下、第１図〜第６図を参照して本発明の好適
な実施例を説明する。第１図は本発明の好適な一
実施例を示す分解斜視図である。同図の電気光変
換装置は、レーザ・ダイオード・モジユールとし
て構成され、５つの主要部品すなわちモジユール
本体（基部部材）２、モニタ・ダイオード組立体
４、レーザ・ダイオード組立体６、フアイバ取付
け板８及びカバー１０を具えている。モジユール
本体２は、装置の基部となる部材であつて、この
装置を組立てたときにモニタ・ダイオード組立体
４及びレーザ・ダイオード組立体６を受ける凹部
２６を有する。このモジユール本体２は、テー
プ・セラミツクの４層から形成する。第２ａ〜２
ｄ図は、基部部材であるモジユール本体２の各層
の平面図である。第２ａ図に示す下層１２は、連
続層である。層１２の上には、層１４（第２ｂ図
参照）があつてモニタ・ダイオード組立体４を受
けるポケツト１６を有する。このポケツト１６の
底は、層１２で塞（ふさ）ぐ。層１４の上の層１
８（第２ｃ図参照）は、凹部２６を部分的に囲む
壁の下段を形成し、水平方向の突起２０及び２２
を有する。最後に、層２４（第２ｄ図参照）が凹
部２６を部分的に囲む壁の上段となる。接続路３
１及び３２を形成する２つの分離した領域におい
て層１２の底面を金属化する一方、接合領域２
８，２９及び接続路３３を形成する３つの分離し
た領域において層１４の上面を金属化する。ま
た、接合領域３０及び接続路３４〜３８を形成す
る６つの分離した領域において、層１８の上面を
金属化する。第３図は第２図の部品組立後の平面
図、第４図はその側面図である。第３及び第４図
に示す如く、これら４つの層を互いにぴつたりと
合わせ、幾つかの層を互いに焼結して層間を空気
が漏れないように密封する従来の処理により、互
いに固定する。その後、完成したモジユール本体
の周辺領域４０及び端子領域４１〜４８（第１図
参照）上を金属化する。なお、これら端子領域
は、金属化された接続路３１〜３８と接続する。

金属化は、既知のように電気分解付着によつて
行なう。この技術を用いることにより、与えられ
たセラミツク層上のすべての金属化領域を単一の
連続金属化領域とすることが望ましい。この連続
金属化領域は、あとで所望の分離した領域を定め
るようにパターン化する。しかし、この分離した
金属化領域を作る方法は、全く従来技術に属する
ものである。

モジユール本体２を組立てると、ろう付けによ
り、リード（導電片）を端子領域４１〜４８に接
続する。同時に、レーザ・ダイオード組立体６の
一部を形成するダイオード取付台９２を、接続路
３３にろう付けする。この接続路３３は、突起２
０及び２２間のすき間を介して伸びることが望め
られるであろう。レーザ・ダイオード組立体６
は、ダイオード取付台９２のほか９０で示すレー
ザ・ダイオード（電気光変換器）自体を有する。

レーザ・ダイオード組立体６は在るべき場所に
組立てるが、モニタ・ダイオード組立体４は凹部
２６に装着する前に組立てなければならず、ま
た、フアイバ取付板８も凹部２６に装着する前に
フアイバをフアイバ取付板８に固定しなければな
らない。モニタ・ダイオード組立体４は、２つの
接続領域５２及び５４が金属化されたセラミツク
基板５０とフオト・ダイオード５６とから成る。
レーザ・ダイオードが放射する光の波長に応じ
て、フオト・ダイオード５６をゲルマニウム、シ
リコン、ガリウムひ素その他の物質で作る。共融
ダイ取付具（eutectic dic attachment）により
フオト・ダイオードを基板５０に取付けられるよ
うにするため、接続領域５４は取付け部分（図示
せず）を有するのがよい。

ダイオード５６は、その上面に一方の端子を、
その底面に他方の端子を具えている。このダイオ
ード５６は、その底面を介して基板５０に取付け
る。基板５０の共融合金及び金属化部分を介して
ダイオードの底面端子を接続領域５４に電気的に
接続する。５８で示す如く、ワイヤ・ボンデイン
グによりダイオード５６の上面端子を接続領域５
２に電気的に接続する。モニタ・ダイオード組立
体４は、更に、半田付けにより金属化領域３５及
び３６にそれぞれ固定される２つの接続ピン６０
及び６２を具えている。

既知の方法でフアイバの端面をまずレンズ化し
てフアイバをフアイバ板８に固定する準備をし、
その端部領域８８を金属化する。蒸着薄膜技術を
用いてフアイバを金属化し、チタニウム層の次に
ニツケル層及び金の層を付着させる。チタニウム
層は、接続剤として働き従来の光フアイバのガラ
スの良好に接着する。ニツケルは半田付け可能な
金属であり、金はニツケルを酸化から防止する。

フアイバ取付板８は細長いセラミツク基板８２
を具えており、このセラミツク基板８２の上面
（第２主面）には、中央長手方向の半田付け可能
な金属化領域８３があり、その底面（第１主面）
には、対向するそれぞれの縁に沿つた２つの帯状
の金属化領域８４及びこれら金属化領域８４を橋
絡する厚膜抵抗器８６がある。フアイバを基板８
２に固定するために、フアイバの端部領域８８が
金属化領域８３に沿つて伸び、このフアイバのレ
ンズ化した面が基板８２の端部から約４ミル（１
ミルは0.001インチであり、約0.025mm）だけ突出
するように、フアイバの端部領域８８を基板８２
の上面に配置する。金属化領域８３に半田付けす
ることにより、フアイバを基板８２の所定位置に
固定する。金属化領域８４を介して厚膜抵抗器８
６に電流を流し、基板を加熱することにより、半
田付け用の熱を加えることができる。

従来のレーザ・ダイオードの動作は温度の影響
を受けるので、凹部２６内の温度を安定化する必
要がある。そのために、温度センサ１００及びペ
ルチユ効果熱ポンプ１０２（第６図参照）を使用
する。金属化された接合部３０への共融ダイ取付
けにより、温度センサ１００をモジユール本体２
に固定する。ワイヤ・ボンデイングを用いて、温
度センサ１００と金属化領域（接続路）３７及び
３８との接続を行なう。モジユール本体２をカバ
ー１０に固定した後に、熱ポンプ１０２をモジユ
ール本体２に取付ける。

温度センサ１００を位置決めし、この温度セン
サと金属化領域３７及び３８とを接続した後に、
レーザ・ダイオード９０を装着する。第５図は、
第１図のレーザ・ダイオード・モジユールの長手
方向に沿う断面図である。ダイオード取付台９２
は、層１４のほぼ平坦な表面上に台を形成し、そ
の前端（第５図では右端）に上向きの小さな突起
の台９４を有することに留意されたい。ダイオー
ド９０を突起の台９４の上に配置し、半田付けに
よりこのダイオード９０をそこに固定する。その
後、金リボン（図示せず）を配置し、その一端を
ダイオード９０の上に、他端を金属化領域３４に
接続する。また、モニタ・ダイオード組立体４を
水平突起２０及び２２の後部のポケツト内に配置
して、ピン６０及び６２を金属化領域３５及び３
６にそれぞれ接続する。金リボンとダイオード９
０及び金属化領域３４との間並びにピン６０及び
６２と金属化領域３５及び３６との間をそれぞれ
半田付けして、治金接合を行なう。フオト・ダイ
オード５６から反射された光が絶対にレーザ・ダ
イオード９０に当らないように、フオト・ダイオ
ード５６の受光面をレーザ・ダイオード９０の裏
側の発光面に対し傾斜させて、基板５０をポケツ
ト１６内に配置する。

金属化領域８３にフアイバを取付けるのに用い
た半田の融点より低い融点の半田クリームの小滴
９１を、金属化接合領域２８及び２９の各々に配
置する。次に、フアイバ取付板８の前端（この端
からフアイバのレンズ化した端面が突出する。）
が凹部２６内に入り、フアイバのこの端面がダイ
オード９０に向くように、フアイバ取付板８を配
置する。この位置において、金属化接合領域２８
及び２９上の半田クリームも金属化領域８４に接
触する。この半田クリームは、可塑性で変形可能
であるが、少量を使用する場合は、重力のみの影
響では容易に流れ出さない粘性流体である。した
がつて、半田クリームは、抵抗器８６と接合領域
２８及び２９との間の位置に残留する。レーザ・
ダイオード９０を付勢し、フアイバの端面がダイ
オードの発光領域に光学的に結合したことをフア
イバの端部の光出力が示すまで、マイクロマニピ
ユレータ（図示せず）を用いてフアイバ取付板８
を操作する。抵抗器８６に電流を流し、半田クリ
ームを溶かすには充分であるが、基板８２及びフ
アイバ８８間の半田接続を妨げるには不充分な程
度に、抵抗器８６の温度を上昇させる。電流の流
れが中断して抵抗器８６が冷えると、この半田
は、基板８２及びモジユール本体２の層１４間に
完全な治金接合を形成する。基板８２と層１４の
間に、約５ミルの空間が残る。

フアイバ取付板８を所定位置に固定した後、カ
バー１０を所定位置に被せる。このカバー１０
は、金属で作られ凹部８５を有する。更に、この
カバーには管状突起８７が付いている。フアイバ
の端部８８を管状突起８７内に第１図の矢印８９
の方向に通し、フアイバ取付板８の後端が凹部８
５内に納まりカバーの縁が金属化領域４０とかみ
合うまで、フアイバに沿つてカバーを進める。次
に、融点が半田クリームよりも低い半田を用い
て、カバー１０をモジユール本体２に半田付けす
る。カバーの管状突起８７は、フアイバの端部領
域８８の金属化部分に半田付けする（第５図８
９）。最後に、歪み防止チユーブをフアイバに被
せて管状突起８７の外側に固定する。第６図は、
組立後の第１図のレーザ・ダイオード・モジユー
ルを裏側から見た斜視図である。この図に概略的
に示したペルチユ効果熱ポンプ１０２は、エポキ
シ接着剤を用いて層１２の裏側に固定する。熱ポ
ンプ１０２は２つの端子（図示せず）を有してお
り、これらの端子を金属化接続路３１及び３２に
半田付けする。

長さが約2.3cmで幅が約１cmの図示した電気光
変換装置（レーザ・ダイオード・モジユール）
は、ハイブリツド回路基板又はエツチングされた
回路基板に取付けることができる。この場合は、
本装置を反転してカバーが下側に、ペルチユ効果
熱ポンプ１０２が上側になるようにし、本装置を
そのリード（導電片）により回路基板に固定す
る。これらのリードは、本装置を回路基板へ取付
けうるような形に作る。これらのリードは、例え
ば第１図に示す如く真つ直ぐでもよいしＬ字形で
もよい。使用に際しては、端子領域３５及び３６
を介してモニタ・ダイオード組立体４に接続され
たリードを図示しない１つの回路に接続する。こ
の回路は、モニタ・ダイオード組立体４からの信
号によりレーザ・ダイオードに供給する電流を制
御するためのもので、従来設計のものでよい。端
子領域３７及び３８を介して温度センサ１００に
接続されたリードを図示しない他の回路に接続す
る。この回路は、レーザ・ダイオードをほぼ一定
の温度に保つようにペルチユ効果熱ポンプを制御
するもので、従来設計のものでよい。

上述の装置によれば、従来のマイクロマニピユ
レータを用いて、レーザ・ダイオード９０の発光
領域に対し３直線（Ｘ，Ｙ及びＺ軸）のすべての
方向において約0.1μm以内にフアイバ取付板８
（したがつて、このフアイバ取付板に固定された
フアイバの端面）を位置決めすることができる。
凹部２６及び８５により形成された室内の動作温
度範囲及び一般材料の熱膨張係数は、ダイオード
取付台９２の熱膨張により光学フアイバの基部端
面の光学軸に対するレーザ・ダイオード９０の発
光領域の高さがダイオード９０及びフアイバ間の
光学結合の悪影響を及ぼさない程度にまで変化し
ない範囲内とする。このため、ダイオード取付台
９２の材料は、基板８２と一致する熱膨張係数の
ものを選択する（例えば、基板８２を高百分率の
Al₂O₃セラミツク体で作つた場合、ダイオード取
付台９２は90％のタングステン及び10％の銅の合
金とする。こうすれば、温度が変化しても、レー
ザ・ダイオード及び光フアイバ間の幾何学的整合
関係が維持される。

上記の電気光変換装置は、正確な密封には不適
のエポキシその他の有機接着剤を用いないで製造
する。もつぱら治金接合を用いることにより、レ
ーザ・ダイオード及び光フアイバの基部端面の回
りに正確な密封状態が形成され、フアイバの非破
壊的な移動が可能となる。エポキシ接着剤は寸法
安定性が比較的悪いので、レーザ・ダイオード及
び光フアイバのどちらもモジユール本体に固定す
るのに治金接合を用いることは、特に有利であ
る。

光学フアイバを基板８２に固定するのに、半田
ガラスを用いてもよい。半田ガラスは低融点ガラ
スなので、治金接合を使用することなくフアイバ
を固定でき、エポキシ接着剤の如き有機接着剤の
欠点が回避される。この場合は、基板８２に固定
すべきフアイバの端部領域を金属化せず、粉末半
田ガラスを用いてフアイバを金属化領域８３に固
定する。フアイバの端部領域をガラスに接触さ
せ、抵抗器８６を加熱してこのガラスを溶融す
る。電流を遮断すると、半田ガラスは凝固してフ
アイバを基板に確実に固定する。勿論、管状突起
８７にフアイバを半田付けする場合は、フアイバ
を依然金属化する必要がある。ダイオード９０に
対し光フアイバを一直線に配置する前にフアイバ
を基板８２に取付けることにより、フアイバの操
作及びモジユール本体２へのフアイバの固定は容
易になる。このようにフアイバを位置決めする手
段及びフアイバを固定する手段を一体化すること
により、直接フアイバを操作したり、フアイバを
固定する前にこのフアイバを放すことでフアイバ
の位置決めが乱れる危険を犯したりする必要がな
くなる。

本発明は、上述した特定の実施例に限定される
ものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の
要旨を逸脱することなく種々の変形・変更が可能
である。例えば、図示した実施例では、凹部２６
及び８５で形成した室内に有機物質を使用せずに
製造したが、正確な密封が重要でない場合には、
室内のエポキシその他の有機接着剤を用いてもよ
い。更に、本発明は、シングル・モード・レー
ザ・ダイオードのほかに、マルチボード・レー
ザ・ダイオード、フオト・ダイオード及び光放射
ダイオードの如き他の電気光変換器にも適用でき
る。

縦方向におけるフアイバの位置決めが容易にな
るので、このフアイバの基部端面をレンズ化する
のが好ましい。こうして端面をレンズ化した場
合、ダイオードの発光領域がこの端面の焦点に来
るまでこの端面をダイオードに近付けるに従つ
て、フアイバがダイオードに結合する度合が増加
し、その後この結合度は減少する。ところが、切
つたままのフアイバでは、端面が実際にダイオー
ドに接触するまで結合度が増加する。レンズ化し
た端面の場合、結合度の折返し点があることによ
り、フアイバ及び（又は）ダイオードを破損する
虞れのあるフアイバの端面とレーザ・ダイオード
との接触を確実に回避できる。また、フアイバを
レンズ化することにより、フアイバの端面からレ
ーザ・ダイオードの発光領域への反射が減少す
る。しかし、フアイバをレンズ化することは、本
発明にとつて不可欠ではない。

種々の半田付け及びろう付け結合には、半田プ
リフオーム又はクリームの使用等の既知の技術を
用いる。次々に使用する半田は次第に低い融点を
有するので、各治金接合は可能でありながら、そ
の結合に要する温度は前の接合を妨げないように
充分低くなつている。適当な段階的融点をもつ種
種の半田が市販されており、この装置の使用温度
によつて使用する半田の種類を決める。

〔発明の効果〕

上述の如く、本発明によれば、光フアイバはフ
アイバ取付板に固定し、電気光変換器は基部部材
の突起の台の上に固定するので、フアイバ取付板
を基部部材の所定平坦面に固定することにより、
容易に光フアイバと電気光変換器との位置決めが
でき製造が簡単になる。

また、フアイバ取付け板の第１主面に設けられ
た抵抗器に電流を流して発生する熱により、光フ
アイバをフアイバ取付け板の第２主面に半田付け
すると共に、フアイバ取付け板の第１主面を基部
部材に半田付けしているので、光フアイバのフア
イバ取付け板への固定、及びフアイバ取付け板の
基部部材への固定が、簡単に半田により行える利
点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の好適な実施例の分解斜視図、
第２ａ〜第２ｄ図は第１図装置に用いる基部部材
の各層を示す平面図、第３図は第２図の基部部材
の組立て平面図、第４図は第３図の側面図、第５
図は第１図装置の長手方向における組立断面図、
第６図は第１図装置の裏側より見た組立斜視図で
ある。図において、２は基部部材、８はフアイバ取付
板、８６は抵抗器、８８は光フアイバの端部領
域、９０は電気光変換器、９２は取付台である。

Claims

【特許請求の範囲】１ほぼ平坦な平坦面及び該平坦面から直立した
取付台を有する基部部材と、上記取付台の上に取付けられた電気光変換器
と、抵抗器が設けられた第１主面及び該第１主面
の反対面である第２主面を有し、上記第１主面が
上記平坦面に対向して上記基部部材に固定された
セラミツク材料のフアイバ取付け板と、該フアイバ取付け板の第２主面に固定され、端
面が上記電気光変換器と光学的に結合した光フア
イバとを具え、上記フアイバ取付け板の上記第１主面に設けら
れた上記抵抗器に電流を流して発生する熱によ
り、上記光フアイバを上記フアイバ取付け板の上
記第２主面に半田付けすると共に、上記フアイバ
取付け板の上記第１主面を上記基部部材に半田付
けしたことを特徴とする電気光変換装置。