JPH0773141B2 - 光半導体装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光通信用の光半導体装
置に関し、特に光半導体素子と光ファイバとが光学的に
結合されている光半導体装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の光半導体素子と光ファイバとが光
学的に結合されている光半導体装置は、特開昭６２−２
１１９６５号公報、特開昭６３−２５９９３号公報に記
載されているように（それぞれ、図４、図５に示されて
いる）、光半導体素子２１を支持部材２２乃至２３上に
マウントし、光ファイバ２５を支持部材２３、２４上に
金属ソルダ２６にて固定するものであった。

【０００３】前者の例では、支持部材２４を支持体本体
２４ａとセラミックからなる熱遮断部材２４ｂとに分け
ている。このようにするのは、光ファイバの半田付け固
定時に熱が光半導体素子に伝わるのを防止して光半導体
素子の劣化を防止するためである。後者の例では、支持
部材２３は冷却素子２７上に載置されており、支持部材
２３とケースとは、Ａｕめっきを施したセラミックから
なる断熱導電体２８によって接続されている。断熱導電
体を用いるのは、ケースと支持部材２３との間の断熱を
図って冷却素子２７の冷却能力を阻害しないようにする
ためであり、またケースと支持部材間を低インダクタン
スにて接続するためである。

【０００４】而して、従来例の光ファイバ固定手段で
は、次のような問題点があった。 金属ソルダの溶融した状態で光半導体素子と光ファ
イバとの位置合わせを行いその後半田を冷却するもので
あるため、長時間に渡り周囲を加熱することになり、他
の素子、とりわけ光半導体素子の劣化の問題が起こる
（図４の例はこの点に対処したものである）。 上記作業が必要となるため、固定に長時間を要し作
業性が悪い。 金属ソルダのクリープ現象により長期間のうちに光
ファイバが移動し、光半導体素子と光ファイバとの結合
関係に狂いが生じる。

【０００５】そこで、上記諸欠点を解消するために、光
ファイバを保持するフェルールを溶接にて固着すること
が提案されている（例えば、特願平３−１１００８５
号）。図６の（ａ）は、溶接技術により組み立てられた
従来の光半導体装置の断面図であり、図６の（ｂ）は、
そこで用いられる光フェルールの断面図である。同図に
示されるように、従来の光半導体装置では、金属ケース
１０内に、ペルチェ効果を利用した冷却装置９を介して
金属基板４が固着され、金属基板４には、ヒートシンク
２を介して光半導体素子１を支持するチップキャリア
３、レンズ５およびフェルール７の一端を保持するスラ
イドリング８が固着され、フェルールの他端は金属ケー
ス側部１０ａに形成された開口に金属ソルダ１２にて固
定されている。

【０００６】図６の（ｂ）に示されるように、フェルー
ル７の内部にはガラス管１２がエポキシ系樹脂や金属ソ
ルダ等により固着され、ガラス管１２中央に形成された
細孔内には光ファイバ６が保持されている。

【０００７】上記光半導体装置において、金属基板４−
スライドリング８間およびフェルール７−スライドリン
グ８間はレーザ溶接にて固着され、それ以外の部材間の
接合には主として金属ソルダが用いられている。ここで
用いられる金属ソルダは、金−けい素合金、金−錫合
金、鉛−錫合金等である。また、フェルール７は、スラ
イドリング８に容易に溶接できるように、ステンレス、
鉄あるいは鉄−ニッケル合金等の金属材料にて作製され
ている。

【０００８】光半導体装置では、−２０〜７０℃の環境
下おいても光半導体素子１が常に２５℃付近で動作でき
るように、冷却装置９により制御される。このように制
御されるのは、光半導体素子は、同一レベルのレーザ光
を出力させるには温度とともに駆動電流を増加させる必
要があるため、２５℃を超える条件下で使用されると駆
動電流が増大して劣化が促進されるからである。通常使
用される冷却装置の場合、冷却能力に限界があるため、
光半導体素子を２５℃付近で動作させるには、光半導体
装置を−２０〜７０℃の環境温度下で動作させることが
必要となる。

【０００９】フェルールを溶接にて固着する場合、加
熱個所が極限される、フェルールが瞬時に固定され
る、クリープ現象が起こり難い、等の利点を享受する
ことができ、半田付けにて固定する場合の前述の諸欠点
が解消される。すなわち、図６の光半導体装置では、組
み立ての作業性が改善され、また長期に渡る信頼性が確
保される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】図６に示した光半導体
装置では、フェルールが１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高熱伝導
率を有するステンレス、鉄あるいは鉄−ニッケル合金等
から構成されているため、フェルールを介して内部に伝
達される熱量が大きい。冷却装置を駆動すると冷却装置
直上の金属基板やチップキャリアは２５℃に維持される
が、一方金属ケース側部に金属ソルダによって固着され
たフェルールの該固着部の温度は環境温度となる。従っ
て、チップキャリアにはフェルール、スライドリングを
介して熱が伝達されるが、このとき伝達される熱量は、
環境温度が高いほど、またフェルールの熱抵抗が小さい
ほど大きくなる。従来のフェルールは熱抵抗が小さいた
め、環境温度が７０℃を超えると伝達される熱量が冷却
装置の冷却能力を上回るようになり、光半導体素子の温
度を２５℃付近に維持することができなくなる。図３の
（ａ）は、この状況を示すグラフであって、同図には光
半導体素子の温度が２５℃になるように冷却装置を駆動
したときの環境温度と光半導体素子の温度との関係が示
されている。而して、光通信の発展に伴って機器の設置
個所も多様化し、光半導体装置をより高い環境温度で動
作させうるようにすることがユーザ側から強く要望され
るようになってきている。冷却装置の冷却能力を高めれ
ばこの要求を満たすことができるが、その場合、機器の
大型化とコスト増を招くため、好ましくない。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の光半導体装置
は、光半導体素子と、前記光半導体素子と光学的に結合
された光ファイバと、前記光ファイバの末端を保持する
フェルールと、全体を収納するケースと、を備え、前記
フェルールの前記光半導体素子側の端部がその支持体に
溶接にて固定されている光半導体装置において、前記フ
ェルールは溶接部分が金属でケースに支持される部分が
低熱伝導性材料で構成されていることを特徴としてい
る。

【００１２】

【作用および従来例との差異】本発明によれば、フェル
ールがセラミック等からなる低熱伝導性材料部分を含ん
でいるため、フェルールの軸方向の熱抵抗が高くなり、
フェルールおよびスライドリングを介して金属基板やチ
ップキャリアへ伝達される熱量は少なくなる。その結
果、７０℃を超える環境温度下でも光半導体素子の温度
を２５℃付近に維持することが可能となる。

【００１３】図４に示した従来例（特開昭６２−２１１
９６５号公報）では、セラミック等の熱遮断部材を用い
ているが、この熱遮断部材は、半田付け時の光半導体素
子への熱伝達を防止するためのものであって、本発明の
ようにフェルールを溶接にて固定する場合には必要のな
い部材である。またこの従来例は、ケースに直接支持部
材を固定するものであるから、従来例には通常動作時に
おいて外部からの光半導体素子への熱伝達を抑制しよう
とする本発明の目的を達成する必要性がない。よって、
この従来例は、本発明とは目的、構成、作用・効果を異
にする。

【００１４】図５に示した従来例（特開昭６３−２５９
９３号公報）において、断熱導電体は金属ケースからの
支持部材への熱伝達を防止しようとするものであるか
ら、目的において本発明と共通するものがある。しか
し、この従来例は、断熱部材が導電体であるので、断熱
部材がフェルールである本発明とは構成が異なる。また
この従来例では、断熱部材が半田付けにより固着される
ため、半田付け時の熱伝達により光半導体素子の特性が
劣化する虞がある。また、図４、図５の例はいずれも光
ファイバを金属ソルダにて固着するものであるため上述
のように種々の問題点を有するものである。

【００１５】本発明によれば、フェルールを溶接可能な
金属部分と低熱伝導性材料とから構成したことにより、
フェルールの溶接による固着が可能となるとともにフェ
ルールを介しての金属基板への熱伝達が抑制される。よ
って、本発明によれば、組み立て時の作業性がよく、高
温環境下での使用が可能な、長期信頼性の高い光半導体
装置が提供される。

【００１６】

【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図１の（ａ）は、本発明の第１の実施例を
示す断面図であり、図１の（ｂ）は、本実施例に用いら
れるフェルールの断面図である。本実施例の光半導体装
置では、レーザダイオード、発光ダイオード、フォトダ
イオード等の光半導体素子１がダイヤモンドなどの高熱
伝導性を有する材料からなるヒートシンク２上に金属ソ
ルダにより接合され、ヒートシンク２が銅などの高熱伝
導性を有する材料からなるチップキャリア３上に金属ソ
ルダを介して接合され、さらにチップキャリア３は金属
ソルダやレーザ溶接により金属基板４に固着されてい
る。但し、光半導体素子がフォトダイオードなどの受光
素子の場合、光半導体素子１は金属ソルダを介して直接
チップキャリア３上に接合される。

【００１７】金属基板４にはレンズ５が金属ソルダによ
り固着され、光半導体素子１はレンズ５を介して光ファ
イバ６と光学的に結合されている。光ファイバの末端
は、ジルコニアセラミックからセラミック筒７ａと、鉄
−ニッケル合金からなる金属筒７ｂとからなるフェルー
ル７内に、エポキシ系樹脂や金属ソルダ等により固着さ
れている。さらにフェルール７は、レーザ溶接により金
属基板４に接合されたスライドリング７と呼ばれる輪状
の金属体にレーザ溶接により固着されている。

【００１８】光半導体素子１、レンズ５および光ファイ
バ６が搭載された金属基板４は、ペルチェ効果を利用し
た電流駆動の冷却装置９上に金属ソルダにより固着さ
れ、さらに冷却装置は、金属ケース１０の底部に金属ソ
ルダにより固着されている。またフェルール７は、金属
ケース側部１０ａに設けられた開口に通され、金属ソル
ダ１１により金属ケース側部１０ａに固定されている。

【００１９】フェルール７は、図１の（ｂ）に示される
ように、セラミック筒７ａと金属筒７ｂを互いに嵌合し
合う形状に加工した後、ジルコニアセラミックの表面に
ニッケルめっきを施し、嵌合部を金属ソルダで接合し、
旋盤等で中心孔７ｃを穿設したものである。

【００２０】ジルコニアセラミックと鉄−ニッケル合金
の熱伝導率は、それぞれ３、１３Ｗ／ｍ・Ｋであり、従
来フェルール用に多用されていたＳＵＳ３０４の熱伝導
率は１７Ｗ／ｍ・Ｋであるので、本実施例フェルールの
軸方向の熱抵抗は従来例のものと比較して大きくなる。
よって、本実施例により、７５℃の環境下であっても光
半導体素子を２５℃に保持することが可能となった。な
お、ジルコニアセラミック部分を極力大きく（鉄−ニッ
ケル部分を極力小さく）することが、フェルールの熱抵
抗を増加させるのに有効である。

【００２１】図２の（ａ）は、本発明の第２の実施例を
示す断面図であり、図２の（ｂ）は、本実施例に用いら
れるフェルールの断面図である。本実施例は、フェルー
ル７部分のみが第１の実施例と相違している。本実施例
のフェルール７は、鉄−ニッケル−コバルト合金（商品
名：コバール）からなる金属筒７ｅを円筒状に、ジルコ
ニアセラミックからなるセラミック筒７ｄをこの金属筒
に嵌合する形状に加工し、ジルコニアセラミックの表面
にニッケルめっきを施し、嵌合部を銀−銅合金等の金属
ソルダで接合し、旋盤等で中心孔７ｆを掘削して、作製
したものである。

【００２２】本実施例のフェルールは、スライドリング
８との溶接部の外周部のみに金属が用いられ、他の部分
は全て熱伝導率の低いジルコニアセラミックにより構成
されているので、その軸方向の熱抵抗は第１の実施例の
場合よりも大きくなる。図３の（ａ）は、第２の実施例
において、光半導体素子を２５℃に保持するように冷却
装置を駆動したときの環境温度と光半導体素子の温度と
の関係を示すグラフである。同図に示されるように、本
実施例により、光半導体素子を２５℃に保持できる環境
温度を７７℃にまで高めることができた。以上、好まし
い実施例について説明したが本発明はこれら実施例に限
定されるされるものではなく発明の範囲内において各種
の変更が可能である。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、溶接部
が金属でそれ以外の部分がセラミック等の低熱伝導性材
料のフェルールを用いたものであるので、本発明によれ
ば、組み立て作業性がよく長期信頼性が高くかつ高い環
境温度で使用しうる光半導体装置を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施例を示す断面図。

【図２】 本発明の第２の実施例を示す断面図。

【図３】 本発明の第２の実施例と従来例の環境温度と
光半導体素子の温度との関係を示すグラフ。

【図４】 従来例の断面図。

【図５】 従来例の断面図。

【図６】 本発明の先行技術を示す断面図。

【符号の説明】

１ 光半導体素子 ２ ヒートシンク ３ チップキャリア ４ 金属基板 ５ レンズ ６ 光ファイバ ７ フェルール ７ａ、７ｄ セラミック筒 ７ｂ、７ｅ 金属筒 ７ｃ、７ｆ 中心孔 ８ スライドリング ９ 冷却装置 １０ 金属ケース １０ａ 金属ケース側部 １１ 金属ソルダ １２ ガラス管

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光半導体素子と、前記光半導体素子と光
   学的に結合された光ファイバと、前記光ファイバの末端
   を保持するフェルールと、全体を収納するケースと、を
   備え、前記フェルールの前記光半導体素子側端部がその
   支持体に溶接にて固定されている光半導体装置におい
   て、前記フェルールは溶接部分が金属でケースに支持さ
   れる部分が低熱伝導性材料で構成されていることを特徴
   とする光半導体装置。
2. 【請求項２】 前記低熱伝導性材料がセラミックである
   請求項１記載の光半導体装置。
3. 【請求項３】 前記光半導体素子を支持する支持体が冷
   却装置上に載置されている請求項１または２記載の光半
   導体装置。