JPH10232330A

JPH10232330A - 半導体光結合装置及びその組立方法

Info

Publication number: JPH10232330A
Application number: JP3782497A
Authority: JP
Inventors: Makoto Shimaoka; 誠嶋岡; Tadaaki Ishikawa; 忠明石川; Kazuyuki Fukuda; 和之福田; Shoichi Takahashi; 正一高橋; Takeshi Kato; 猛加藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-02-21
Filing date: 1997-02-21
Publication date: 1998-09-02

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体光結合装置において、ファイバ端部の
固定部品点数を少なくし、低コストで組み立てられる構
造とするとともに、寿命信頼性を高める。【解決手段】Ｓi基板２１と、Ｓi基板２１上に配置さ
れた光集積回路２７と、光集積回路２７の位置から外辺
に向かってＳi基板２１の表面に形成されたＶ溝２１Ａ
内に配置され外周にフェルール２３が形成された光ファ
イバ２６と、フェルール２３を図上上方からＳi基板２
１のＶ溝２１Ａ内に挾み込んで固定するＳi押さえ３１
と、これらＳi基板２１，光集積回路２７，フェルール
２３付光ファイバ２６，Ｓi押さえ３１を内装する図示
されていないケース３０と、ケース３０のフタ２２と、
を含んで半導体光結合装置を構成し、光ファイバ２６は
前記光集積回路２７と光結合するように配置されている
とともに、前記光集積回路２７側端部からケース３０の
外になる部分にまで連続してフェルール２３が形成され
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、光集積回路、光導
波路、光合分波器、光スイッチなどの光学素子を内蔵
し、光ファイバを介して光の入出力を行う半導体光結合
装置に係わり、特に光集積回路、光導波路、光合分波
器、光スイッチに、光ファイバを固定するに好適なもの
とすることにより、装置が容易で安価な組立を行える構
造、あるいは、レセプタクル構造でファイバ着脱を容易
にするに好適な半導体光結合装置及びその組立方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体光結合装置の構成として
は、例えば、１９９５年電子情報通信学会総合大会、Ｃ
ー１８４、”自動組立に適した表面実装型光モジュー
ル”に記載の例がある。この文献では、図１３に示すよ
うに、光ファイバ２６は、Ｓi基板２１、セラミックケ
ース３０、フェルール２３の３カ所で固定されている。
すなわち、半導体素子２０とこの半導体素子２０に一端
が結合された光ファイバ２６とは、両者が安定して光結
合できるように同一Ｓi基板２１上に実装されており、
両者が実装されたＳi基板２１はこの光結合の安定を保
持するためあるいは半導体素子の保護を目的として、セ
ラミックケース３０にフタ２２を使って気密封止されて
いる。一方、セラミックケース３０内で半導体素子２０
から光ファイバ２６の一端に導かれた光を外部に取り出
して光結合させるため、前記光ファイバ２６の他端は前
記フタ２２の外でフェルール２３内に挿入固定され、外
部の光コネクタ２５と割スリーブ２４内で突き合わせ結
合される。このように、モジュールに光ファイバを取り
付けることにより、外部への光ファイバ伝送を行ってい
た。

【０００３】また、ほかの例としては、特開平５ー２７
１４２号公報に記載のように、光モジュールに使用する
ファイバは、金属管さらにはキャピラリ内にファイバ挿
入固定した後にモジュール内に組み込み、ＬＤ素子から
の光をファイバ内に入射させる構成となっていた。

【０００４】また、ほかの例としては、特開平８ー１３
６７６３号公報に記載のように、光コネクター用フェル
ールは、溶融熱可塑性樹脂を使って射出成形により、生
産性よく形成する製造方法となっていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前記の従来技術は、図
１３に示すように、半導体素子２０から出射した光ビー
ムを加熱先球レンズにより集光して光ファイバ２６の一
端に取り込むようになっており、Ｓi基板２１に設けた
Ｖ溝で固定された光ファイバ２６の他端は、フタ２２の
外側まで延長されフェルール２３内に固定されている。
フェルール２３は、セラミックケース３０に固定されて
いる。セラミックケース３０に固定されたフェルール２
３は、前記半導体素子２０から遠い側の端部が割スリー
ブ２４に挿入されており、割スリーブ２４内で外部のコ
ネクタ２５と接続する構造である。

【０００６】組立は、まず、フェルール２３内に所定の
長さの光ファイバ２６を、その一方の端面がフェルール
２３の端面に一致するように挿入固定し、次いでフェル
ール端面を曲率研磨する。光ファイバ２６のもう一方の
端部をＳi基板２１に設けたＶ溝に沿わせて接合固定す
る。一方にフェルール２３、他方にＳi基板２１のつい
た光ファイバ２６をセラミックケース３０に取り付け、
固定する。このように、外径１２５μmのファイバにフ
ェルールあるいはＳi基板を接合した後にケースに搬送
して固定する作業は、慎重なハンドリングを伴うものと
なる。

【０００７】また、特開平５ー２７１４２号公報に記載
の技術では、モジュールに取り付ける光ファイバはその
端部がキャピラリに予め固定されるが、端部固定に使用
する金属管あるいはキャピラリは高精度の寸法加工が必
要で部品コストが高くつく、あるいはこれら部品にファ
イバを固定する組立作業の自動化は困難である、などの
問題があった。

【０００８】本発明の目的は、光ファイバを介して光の
入出力を行う光集積回路、光導波路、光合分波器、光ス
イッチなどの光学素子を内蔵してなる半導体光結合装置
において、光ファイバ端部の固定のための部品点数を少
なくし、しかも容易に低コストで組み立てられる構造あ
るいはレセプタクル構造でファイバの着脱を容易にで
き、ファイバ固定後の寿命信頼性を高くすることにあ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】以下の説明では、光学素
子は、通常、光源となる光半導体素子（ＬＤなど）や、
光の伝送媒体である光導波路、光合分波器、光スイッ
チ、それらが集積された光集積回路を意味し、光導波
路、光合分波器、光スイッチ、光集積回路が基板に実装
される場合、その基板をも含むものである。

【００１０】前記目的は、光学素子から出射されて光フ
ァイバに集光される結合系、あるいは、光ファイバから
出射されて光学素子に集光される結合系の光ファイバ先
端部を予めプラスチック樹脂などでフェルールに固形成
形しておき、このフェルール部分を光学素子の一部及び
またはケースに固定することにより、達成される。光学
素子の一部及びケースの前記フェルール部分が固定され
る個所には、あらかじめ溝を形成しておいて、位置決め
を容易にするのが望ましい。また、光ファイバ先端部の
フェルールを形成する範囲としては、当該光ファイバの
両端が同一ケース内にある場合、光ファイバの全長とす
るのが望ましい。全長に亘ってフェルールを形成するこ
とにより、ケース内部に光ファイバを実装する作業、つ
まり、光ファイバをケースに内装された部品に固定した
り、ケースに固定したりする作業が容易になる。また、
当該光ファイバの一端がケース内部に、他端がケース外
部にある場合、少なくとも、ケース内部側端部から光フ
ァイバがケース外部に出た位置まで、フェルールを形成
することが望ましい。ケース貫通部にまでフェルール形
成しておくことで、ケース内部に光ファイバを実装する
作業が容易になるとともに、ケース貫通部の光ファイバ
の処理が容易になる。

【００１１】すなわち、前記目的を達成する本発明の第
１の手段は、基板を含んでなる光学素子と、該光学素子
の光入出力端に光結合するように設けられた光ファイバ
と、前記光学素子及び前記光ファイバを収納するケース
と、を含んでなる半導体光結合装置において、予め前記
光ファイバの外周にプラスチック樹脂、金属粉体、セラ
ミック粉体あるいはその固形材でフェルール成形してお
き、該フェルールを前記基板に位置決め後、前記光学素
子の一部あるいは前記ケースに前記ファイバ付き固形材
を固定することを特徴とする。

【００１２】前記目的を達成する本発明の第２の手段
は、基板を含んでなる光学素子と、該光学素子の光入出
力端に光結合するように設けられた光ファイバと、該光
学素子及び光ファイバを収納するケースと、を含んでな
り、前記光ファイバは前記ケースの外部にまで延在して
いる半導体光結合装置において、前記光ファイバ端部近
傍の外周は、プラスチック樹脂、金属粉体、セラミック
粉体あるいはその固形材で円筒状あるいは四角形状にフ
ェルール成形されており、前記光学素子、光ファイバを
互いに光結合するように配置した後、前記光学素子の一
部あるいは前記ケースに前記ファイバ付き固形材が固定
されていることを特徴とする。

【００１３】前記目的を達成する本発明の第３の手段
は、基板を含んでなる光学素子と、該光学素子の光入出
力端に光結合するように設けられた光ファイバと、該光
学素子及び光ファイバを収納するケースと、を含んでな
り、前記光ファイバは前記ケースの外部にまで延在して
いる半導体光結合装置において、前記光ファイバ端部近
傍の外周は、プラスチック樹脂、金属粉体、セラミック
粉体あるいはその固形材で円筒状あるいは四角形状にフ
ェルール成形されており、前記光学素子、光ファイバを
互いに光結合するように配置した後、前記光学素子の一
部あるいは前記ケースに前記ファイバ付き固形材が接着
剤を使って固定されていることを特徴とする。

【００１４】前記目的を達成する本発明の第４の手段
は、基板を含んでなる光学素子と、該光学素子の光入出
力端に光結合するように設けられた光ファイバと、該光
学素子及び光ファイバを収納するケースと、を含んでな
る半導体光結合装置において、前記ケースはレセプタク
ルを結合して構成され、前記光ファイバは前記ケース内
部から前記レセプタクルに延在して配置され、前記光フ
ァイバの外周は、前記ケース内部から前記レセプタクル
にかけて連続してプラスチック樹脂、金属粉体、セラミ
ック粉体あるいはその固形材で円筒状あるいは四角形状
にフェルール成形され、光学素子、光ファイバを互いに
光結合するように配置固定したことを特徴とする。

【００１５】前記目的を達成する本発明の第５の手段
は、基板を含んでなる光学素子と、該光学素子の光入出
力端に光結合するように設けられた光ファイバと、該光
学素子及び光ファイバを収納するケースと、を含んでな
り、前記光ファイバは前記ケースの外部にまで延在して
いる半導体光結合装置において、前記光ファイバの外周
には、ケース内側端部からケース外側に達する範囲に連
続して、プラスチック樹脂、金属粉体、セラミック粉体
あるいはその固形材でフェルールが形成されており、該
フェルールが前記光学素子の一部及びまたは前記ケース
に固定されていることを特徴とする。

【００１６】前記目的を達成する本発明の第６の手段
は、前記第５の手段において、前記フェルールが光ファ
イバを中心とする円筒状をなしており、前記光学素子の
前記フェルールが固定される部分にはフェルール位置決
めのための溝が形成されていることを特徴とする。

【００１７】前記目的を達成する本発明の第７の手段
は、前記第１〜６のいずれかの手段において、ケースの
材質が、セラミック，プラスチック，金属のうちのいず
れかであることを特徴とする。

【００１８】前記目的を達成する本発明の第８の手段
は、前記第７の手段において、ケースの材質が、Ａl₂Ｏ
₃、ＳiＣ,ＡlＮ，トランスファモールドのエポキシ，シ
リコン，インジェクションモールドのポリカーボネー
ト，液晶ポリマー，ポリフェニレンサルファイド、フェ
ノールあるいはフィラー入りプラスチック，Ｆe，Ｆe−
29Ｎi−17Ｃo，軟鋼材のいずれかであることを特徴とす
る。

【００１９】前記目的を達成する本発明の第９の手段
は、前記第１〜６のいずれかの手段において、光ファイ
バ端部のプラスチック樹脂固形材は、エポキシ、ＵＶエ
ポキシ、シリコーン、フェノール、アクリル、ＵＶアク
リルあるいはこれら樹脂とフィラーとの混合物のいずれ
かであることを特徴とする。

【００２０】前記目的を達成する本発明の第１０の手段
は、前記第１〜６のいずれかの手段において、光ファイ
バ端部の金属粉体固形材は、Ｃu，Ｆe，Ｗ，Ｍoの粉体
あるいはこれらと有機のバインダーとを混ぜた物を固形
処理したもの、または、Ａl₂Ｏ₃，ＳiＣ，ＡlＮの粉体
あるいはこれらと有機のバインダーとの混合物を固形処
理したもののいずれかであることを特徴とする。

【００２１】前記目的を達成する本発明の第１１の手段
は、基板を含んでなる光学素子と、該光学素子の光入出
力端に光結合するように設けられた光ファイバと、該光
学素子と光ファイバを収納するケースとを含んでなる半
導体光結合装置を組立てる方法において、予め前記光フ
ァイバ端部近傍の外周にプラスチック樹脂、金属粉体、
セラミック粉体あるいはその固形材のうちのいずれかで
円筒状あるいは四角形状にフェルール成形しておき、前
記光学素子を前記ケース上の所定位置に接合後、前記光
ファイバが前記光学素子に光結合するように、前記光学
素子の一部およびまたは前記ケースに前記光ファイバの
フェルールを固定することを特徴とする。

【００２２】前記目的を達成する本発明の第１２の手段
は、基板を含んでなる光学素子と、該光学素子の光入出
力端に光結合するように設けられた光ファイバと、該光
学素子と光ファイバを収納するケースとを含んでなる半
導体光結合装置の組立方法において、予め前記光ファイ
バ端部近傍の外周にプラスチック樹脂、金属粉体、セラ
ミック粉体あるいはその固形材のうちのいずれかで円筒
状あるいは四角形状にフェルールを成形しておき、前記
光学素子に形成された溝に前記フェルール付き光ファイ
バを前記光学素子に光結合するように固定し、光ファイ
バが固定された光学素子を前記ケース上の所定位置に接
合、固定することを特徴とする。

【００２３】前記目的を達成する本発明の第１３の手段
は、基板を含んでなる光学素子と、該光学素子の光入出
力端に光結合するように設けられた光ファイバと、該光
学素子及び光ファイバを収納するように設けられたケー
スとを含んでなり、前記ケースにはレセプタクルが結合
されて構成されている半導体光結合装置を組立てる方法
において、予め前記光ファイバの外周にプラスチック樹
脂、金属粉体、セラミック粉体あるいはその固形材のう
ちのいずれかで円筒状あるいは四角形状にフェルール成
形しておき、前記光学素子を前記ケース上の所定位置に
接合後、前記レセプタクルに前記フェルールをコネクタ
結合し、前記光学素子に光結合するように前記光ファイ
バを前記光学素子上に配置固定することを特徴とする。

【００２４】前記目的を達成する本発明の第１４の手段
は、基板を含んでなる光学素子と、該光学素子の光入出
力端に光結合するように設けられた光ファイバと、該光
学素子及び光ファイバを収納するケースとを含んでな
り、前記ケースにはレセプタクルが結合されて構成され
ている半導体光結合装置を組立てる方法において、予め
前記光ファイバの外周にプラスチック樹脂、金属粉体、
セラミック粉体あるいはその固形材のうちのいずれかで
円筒状あるいは四角形状にフェルール成形しておき、前
記光学素子に形成された溝に前記フェルール付き光ファ
イバを前記光学素子に光結合するように固定し、次いで
光ファイバが固定された光学素子を前記ケース上の所定
位置に接合、固定するとともに前記レセプタクルに前記
フェルール付光ファイバを結合することを特徴とする。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の半導体光結合装置
の第１の実施例を図１，図２により説明する。図示の実
施例は、Ｓi基板２１と、Ｓi基板２１上に配置された光
集積回路２７と、光集積回路２７の位置から外辺に向か
ってＳi基板２１の表面に形成されたＶ溝２１Ａと、該
Ｖ溝２１Ａ内に配置され外周にフェルール２３が形成さ
れた光ファイバ２６と、フェルール２３を図上上方から
Ｓi基板２１のＶ溝２１Ａ内に挾み込んで固定するＳi押
さえ３１と、これらＳi基板２１，光集積回路２７，フ
ェルール２３付光ファイバ２６，Ｓi押さえ３１を内装
する図示されていないセラミックケース３０と、を含ん
で構成され、フェルール２３には、ナイロン被覆２８で
周囲を覆われた光ファイバ２６がその中心線に内蔵され
ている。ナイロン被覆２８は、フェルール２３の光集積
回路２７に近い部分には設けられていない。Ｓi基板２
１とその上に配置された光集積回路２７とを併せて光学
素子とよぶ。

【００２６】Ｓi基板２１には、予め光集積回路２７が
位置決め固定される部分が設定され、その位置からＳi
基板２１の外周に延びて光ファイバ２６が固定されるＶ
溝２１Ａが基板面に形成される。Ｖ溝は、Ｓiの異方性
エッチングを使って形成される。すなわち、（１００）
面のＳi単結晶板上に、フォトレジスト膜の露光焼き付
けを行った後、温度管理されたＫＯＨエッチング槽に浸
漬させてエッチングし、Ｖ溝２１Ａを形成する。

【００２７】Ｓi基板２１への光集積回路２７の組立
は、次の手順で行われる。まず、光集積回路２７及びＳ
i基板２１の上面にマーカを形成しておき、このマーカ
同士が一致するように光集積回路２７のＳi基板２１へ
の位置あわせし、接合固定する。マーカ同士の合わせ
は、画像認識装置を使ってそれぞれのマーカ形状を認識
させ、両者のマーカが重なるように自動位置合わせする
ことが適している。マーカの形成はフォトレジスト膜を
使って行い、基板あるいは回路上に形成するマーカ数
は、それぞれ少なくとも２個あるいはそれ以上が適して
いる。Ｖ溝２１Ａの中心線位置は、Ｖ溝２１Ａにフェル
ール付きの光ファイバ２６が配置されたとき、光ファイ
バ２６の中心線が、Ｓi基板２１上に固定された光集積
回路２７から射出される光信号（もしくは光集積回路２
７の光信号取り入れ部）の中心線に一致するような位置
に設定される。このように調整固定すると、光集積回路
２７は、通電動作で光発振させることなく、ファイバ光
入射部との所定の位置決め、固定ができる。Ｖ溝２１Ａ
を形成するためのレジスト膜及びマーカ形成用レジスト
膜は、同一のマスクを使って形成したものであり、光集
積回路２７と予め形成されているＳi基板２１のＶ溝
（以下、ＳiＶ溝という）２１ＡとのＸ方向及びＺ方向
の配置がずれることはない。

【００２８】ＳiＶ溝２１Ａ上への光ファイバ２６の固
定のやりかたを、図２を使って説明する。図２は、図１
のＸ方向の中心をＺ方向に延びる平面（Ｙ−Ｚ平面）で
切断した断面図を示す。光ファイバ２６は、その先端部
（光学素子に近い側の端部）から図示されていないセラ
ミックケース３０の外側になる部分まで、ナイロン被覆
２８とフェルール２０で覆われている（ナイロン被覆２
８は先端部分には設けられていない）。光集積回路２７
から発振される光は、素子の下端部から横方向に出射さ
れる。発振波長は１．３μm帯、発振光の広がりは、半
値全角で１０〜１５°である。光ファイバ２６は単一モ
ードファイバが適している。光ファイバ２６は、コア部
（外径８μm）と、コア部の周囲を覆うクラッド部（外
径１２５μm）の２層構造で、コア部分に光を閉じこめ
て伝送する。

【００２９】光集積回路２７と光ファイバ２６の位置ず
れ許容量は、１ｄＢの位置ずれ（通常の表現では、２０
％のロス）に対して、Ｘ、Ｙ方向で２〜３μm、Ｚ方向
で約６０μmである。光集積回路２７は下端部から横方
向に光を出射する。したがって、この位置にファイバの
コア部が正確に位置決めできる構造とするため、ＳiＶ
溝の深さは、フェルール付き光ファイバ２６をＶ溝２１
Ａに固定したとき、フェルール２３の中心、つまり光フ
ァイバ２６の中心が、Ｓi基板２１の表面（光集積回路
２７の取付け面）すなわち、光集積回路２７の光出射位
置に一致するような値とする。特に光ファイバ２６の光
集積回路２７側端面３２の位置が光結合の良否を決定す
る。フェルール２３がＳiＶ溝２１Ａに設置された後、
フェルール２３の固定安定をはかるため、Ｓi押さえ３
１をＳi基板２１との間にフェルール２３を挾むように
置き、Ｓi押さえ３１をＳi基板２１に接着固定する。こ
の接着固定の際、前記ファイバ端面３２の位置を所定位
置に保持するため、Ｓi押さえ３１をＳi基板２１に向か
って加圧しながら接着固定する。

【００３０】次にフェルール２３の構成につき、説明す
る。図３は、従来の光ファイバ端部の固定構造の例とし
て、光ファイバ２６の先端部をキャピラリ２９を使って
固定するフェルール構造を示す。金属パイプ３５の先端
部分にキャピラリ２９を圧入固定しておき、この中に光
ファイバ２６を挿入する。光ファイバ２６の外径は１２
５±１μmであり、キャピラリ２９の内径はこれに合わ
せて１２７±１μｍで作られている。光ファイバ先端部
に接着剤を塗布後、キャピラリ２９の先端まで光ファイ
バ２６を挿入して接着固定する。光ファイバ２６の後ろ
側（キャピラリ２９に挿入されない部分）には、光ファ
イバを保護するように、金属パイプ３５の内径よりやや
小さい外径のナイロン被覆２８が施されてあり、この部
分にも接着剤が流入して金属パイプ２５内に接合され
る。このように、光ファイバ端部を接着固定した構造で
は、ファイバ先端の寸法は外径及び内径の加工精度管理
で精度よく、さらにキャピラリ、金属パイプ内固定で信
頼性（たとえば−４５〜８０℃の温度サイクル試験）寿
命が高い。ファイバ端部固定で寿命の低い場合、たとえ
ば、光ファイバ先端部がキャピラリ２９の端部から飛び
出したり、金属パイプ３５からナイロン被覆２８が外側
にでることがある。

【００３１】図４，図５は、ファイバ端部を図３とは異
なった構造に構成した参考例を示し、図６は本発明の実
施例に用いた構成である。図４は、図３の構造からキャ
ピラリ２９を削除し、キャピラリ２９の代わりに接着剤
３６を注入したものである。図５は、図３の構造から金
属パイプ３５を取り除き、キャピラリ２９に光ファイバ
２６を挿入し、接着固定したものである。図６は、キャ
ピラリ２９に代わる薄板キャピラリ２９Ａと薄板金属パ
イプ３５Ａをそれぞれ端部に設け、その間に接着剤３６
を注型してフェルール２３の形状を形成したものであ
る。キャピラリ２９Ａの厚さ（軸方向長さ）は、従来の
１／３から１／５程度が適している。この具体的な形成
法は、たとえば、図７に示すように、合わせ板３７の間
に、たとえば４個の円筒状貫通穴２９１を設けておき、
片端に薄板キャピラリ２９Ａを挿入後、ナイロン被覆付
き光ファイバ２６を入れ、次に円筒状貫通穴２９１に接
着剤３６を注入し、さらに薄板金属パイプ３５Ａを取り
付け、接着剤の硬化反応を起こさせて形成を完了する。

【００３２】薄板キャピラリ２９Ａの製作法は、薄板サ
イズをそのままアルミナ焼成する方法、従来のセラミッ
クキャピラリをスライス切断する方法、薄板金属に直接
機械加工して作る方法など、どれでもよい。特に、光フ
ァイバを挿入する内径１２７μmの穴加工は、薄板とす
ることにより、精度よい加工が可能である。材質は、Ａ
l₂Ｏ₃，ＺrＯ₂，Ｆe−２９Ｎi−１７Ｃo，Ｆe−４２Ｎi
などが適している。接着剤３６の材質としては、エポキ
シ、ＵＶエポキシ、シリコーン、フェノール、アクリ
ル、ＵＶアクリルあるいはこれら樹脂とフィラーとの混
合物が適している。樹脂の線膨張係数は１００〜３００
／１０⁶（／℃）程度であるのに対し、光ファイバ２６
の線膨張係数は０．５／１０⁶（／℃）であるため、樹
脂をそのまま光ファイバの周りに固化させると、樹脂の
硬化収縮あるいは環境温度変化などで光ファイバに膨張
係数差に基づく熱応力が発生する。この現象を回避する
ために樹脂にフィラーを混入させる。フィラーの材料と
しては、ＳiＯ₂Ａl₂Ｏ₃，ＡlＮなどが適している。

【００３３】このほかにフェルールを形成する固形材と
しては、金属粉体固形材として、Ｃu，Ｆe，Ｗ，Ｍoの
粉体あるいはこれらと有機のバインダーとを混ぜた物を
固形処理したもの、また、セラミック粉体として、Ａl₂
Ｏ₃，ＳiＣ，ＡlＮの粉体あるいはこれらと有機のバイ
ンダーとの混合物を固形処理したものが適している。金
属粉体あるいはセラミック粉体と有機バインダーとの混
合比率は１０：５〜０．５程度が適しており、さらに好
ましくは１０：４〜２の範囲である。

【００３４】

【表１】

【００３５】図４〜６の構造部品を、信頼性試験のなか
の温度サイクル試験（−４５〜８０℃、１hr／サイク
ル）にかけ、表１の結果を得た。たとえば、図４の構造
では３００サイクル経過後、接着剤３６の部分が金属パ
イプ３５の外側へ飛び出す場合がある。接着剤３６の飛
び出しにつれてファイバ先端も引き出されることにな
り、光結合の劣化となる。また、図５の構造では３００
サイクル経過後、キャピラリ２９の先端からファイバ端
が突き出すことはないが、キャピラリ２９の後ろ側２４
１の部分、すなわち、キャピラリ２９とナイロン被覆２
８との間に隙間が生じ、光ファイバ２６が破断する場合
がある。図４、５に比べて、図６の構造では、温度サイ
クルを加えても光ファイバ２６の突き出し、破断、ナイ
ロン被覆２８の金属パイプ３５からの飛び出し等を生じ
ることはなく安定して固定されている。

【００３６】このように、図６での構造によると、図３
の従来の構造と同様の信頼性が得られ、かつ作業性がよ
くなる。しかも、キャピラリ２９Ａを端部に設けること
により、Ｙ方向（Ｓi基板の光集積回路据付け面に垂直
の方向）のファイバ位置を精度よく保持することがで
き、光集積回路２７との光結合を安定できる。

【００３７】図３の金属パイプ３５外径は、従来１．２
５mmあるいは２．５mmが多く採用されているが、この外
径形状のフェルールを保持するためのＳiＶ溝をエッチ
ング加工するためには、長時間エッチングする必要があ
る。形状を細くすることで、加工時間の短縮が図れる。
フェルール外径は、例えば、０．３〜０．５mm程度の外
径寸法とするのが望ましい。

【００３８】望ましいフェルール構造の他の例を図８〜
図１０に示す。図８に示す構造は、予めプラスチックな
どの材料で外側のフェルール２６１を形成しておき、こ
のなかに、プラスチック被覆２８付光ファイバ２６を挿
入し、固定するものである。また、外側のフェルール２
６１の形成を図６と同様注型する方法でもよい。あるい
は、材料をファイバの周方向に回転させながら吹き付け
て堆積させていき、固形材としてフェルール２６１を成
形する方法もある。

【００３９】図９に示す構造は、まず小型のキャピラリ
２９と光ファイバ２６とを接着固定し、その後に薄板金
属パイプ３５Ａを光ファイバ２６のプラスチック被覆２
８の部分に装着して注型によってフェルール２６２外形
を得るものである。キャピラリ２９の長さは従来の長さ
（４〜５mm）の１／２〜１／４とするのが望ましい。

【００４０】図１０に示す構造は、フェルール２６３を
図８と同様に形成した後、端面部にスパッタリング膜２
９０をつけるものである。膜の材質としては、Ｃr，Ｎ
i，Ｍo，あるいはＳiＯ₂，Ａl₂Ｏ₃，ＡlＮなどが適して
いる。

【００４１】図７〜１０の構造は、それぞれ単独でファ
イバ固定に適したフェルールであるが、全体構造２個あ
るいは部分を組み合わせて一体構造としてもよい。

【００４２】図１，２に示す実施例の組立方法を図１１
で説明する。先に述べたように、Ｓi基板２１に光集積
回路２７をマーカを使って位置合わせ固定する。接合材
料としはＡu−Ｓn、Ａu−Ｇeはんだが適している。基板
温度を３２０℃とし、窒素ガスを吹き付けるか、窒素ガ
ス雰囲気として接合する。次にＳi基板２１のＳiＶ溝２
１Ａにフェルール付き光ファイバを配置し、Ｓi押さえ
３１で挟み込んで接着固定する。フェルール２３は、図
示のように、光ファイバ２６の先端部からセラミックケ
ース３０の外側になる部分まで連続して円筒状に設けら
れている。次に、光ファイバ２６のついたＳi基板２１
をセラミックケース３０に実装する。セラミックケース
３０は、たとえば、予め金属リードフレーム５１をモー
ルドして樹脂のなかに埋め込んだセラミックケース３０
を使用する。セラミックケース３０、フタ２２の材質と
しては、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、ポリカーボネー
ト、液晶ポリマー、ポリフェニレンサルファイド、フェ
ノール、あるいはこれらの樹脂とフィラーとを混練した
物が適している。外部に接続するリードピンはＤＩＬ
（dual in−line）８ピンでピン間隔は２．５ｍｍであ
る。セラミックケース３０のＳi基板２１を実装する部
分には、光集積回路２７で発生する熱をすみやかに外部
に放熱できるように、リードのパッド５０がある。パッ
ド５０に熱伝導性のよいＡgフィラー入り接着剤でＳi基
板２１を接合する。この後に、リードと光集積回路２７
とを電気的に接続するようにワイヤボンディングを行
う。セラミックケース３０の上側にフタ２２を接合して
外部との遮断を行う。

【００４３】また、光集積回路２７を固定したＳi基板
２１をセラミックケース３０の所定位置に実装固定し、
その後、Ｓi基板２１のＳiＶ溝２１Ａにフェルール付き
光ファイバを配置し、Ｓi押さえ３１で挟み込んで接着
固定するようにしてもよい。

【００４４】これまでの説明では、フェルール２３は円
筒状としたが、必ずしも円筒状に限る必要はなく、断面
多角形、例えば四角形の角柱状としてもよい。但し、そ
の場合は、Ｓi基板２１に形成する溝を、フェルール断
面形状に適した断面形状のものにすることが望ましい。
なお、図１１に示す実施例のように、光ファイバ２６が
セラミックケース３０の内外に亘って延びている場合
や、光ファイバ２６がセラミックケース３０の壁面に沿
って延びている場合は、光ファイバ２６がセラミックケ
ース３０の壁面を通過する部分や、光ファイバ２６が延
びている壁面にも溝を形成しておき、位置決めを容易に
するのが望ましい。

【００４５】次に図１２を参照して、本発明の第２の実
施例として、半導体光結合装置に直接フェルール付き光
ファイバを接合固定する代わりに、レセプタクル型とし
て、コネクタで半導体光結合装置への光ファイバ２６Ａ
の着脱を行う構造を説明する。図１２は、半導体光結合
装置から光信号を取り出す光ファイバ２６Ａが着脱可能
になっている構造を示す。本実施例の半導体光結合装置
は、図１１に示す半導体光結合装置におけるセラミック
ケース３０（及びフタ２２）がフェルール２３に沿って
フェルール２３の軸線方向に延長されてレセプタクル
（以下、変換アダプタ部という）が形成され、フェルー
ル２３の端部が変換アダプタ部に内装された割スリーブ
４３に挿入固定されているとともに、前記割スリーブ４
３に挿入されるフェルール２３Ａを備えたコネクタ５０
を備えたものである。光ファイバ２６Ａの外周に形成さ
れたフェルール２３Ａはフェルール２３と同径で、コネ
クタ５０が前記変換アダプタ部に結合されてフェルール
２３Ａが割スリーブ４３に挿入されたとき、フェルール
２３中心の光ファイバ２６とフェルール２３Ａ中心の光
ファイバ２６Ａが互いに軸線を一致させた状態で当接す
るようにしてある。光集積回路２７を内装した部分を光
学素子部ケースと呼び、光学素子部ケースと変換アダプ
タ部を含む全体をアダプタ付きケース４２と呼ぶ。

【００４６】変換アダプタ部内で、光学素子部ケースか
らでたフェルール２３の先端とコネクタ５０のフェルー
ル２３Ａの先端とがＰＣ接触（physical contact）し
て光ファイバ２６と光ファイバ２６Ａの光結合が行われ
る。光結合の安定性を増すように両フェルールは、前記
割スリーブ４３で保持され、さらに、両フェルールの外
径を１．２５±０．００２ｍｍとしている。アダプタ付
きケース４２内にその両端がある光ファイバ２６は、そ
の全長に亘ってフェルール成形され、Ｓi基板２１への
固定、割スリーブ４３への装着、さらには、光ファイバ
２６が固定されたＳi基板２１のケース４２への取付け
が容易になっている。

【００４７】またコネクタ５０のフェルール２３Ａは、
内装されたコイルバネ３３で常時コネクタ５０から突出
する方向に付勢されており、コネクタ５０を変換アダプ
タに結合すると、フェルール２３Ａ先端はフェルール２
３先端に当たってコイルバネ３３を圧縮しつつ後退し、
コイルバネ３３でフェルール２３先端に押しつけられる
構造である。コネクタ５０には、一旦結合されるとコイ
ルバネ３３の反発力だけでは外れない構成が設けてあ
る。コネクタ５０は通常使われるコネクタのなかでもＭ
Ｕコネクタが適している。

【００４８】本実施例によれば、ケースあるいは光学素
子の一部にプラスチック樹脂、金属粉体、セラミック粉
体などで成形固化したフェルール付き光ファイバを固定
する。このように光ファイバ先端のフェルール２３構造
を簡便に形成することにより、フェルール外径を従来よ
りも小さくでき、従ってＳiＶ溝も小さな溝とすること
ができる。また、フェルール２３内には、フェルール外
径の寸法精度を確保するように、薄板キャピラリ２９Ａ
を挿入する。ＳiＶ溝に固定したフェルール２３は、光
集積回路２７との位置精度を確保することができ、安定
した光出力が得られる。

【００４９】本実施例では、光集積回路を使った半導体
光結合装置を中心に説明したが、このほかに光導波路、
光合分波器、光スイッチなどの光学素子を使った半導体
光結合装置に適用しても同様の効果がある。あるいはフ
ェルール付き光ファイバをコネクタ部品とすることも可
能である。

【００５０】上記実施例によれば、ファイバ先端部は、
プラスチック樹脂、金属粉体、セラミック粉体などでフ
ェルールを形成し、ケースあるいは光集積回路の一部に
固定するため、ファイバ先端を容易にしかも低コストで
形成できる効果がある。また、フェルールに薄板キャピ
ラリを入れることにより、フェルール先端の寸法精度を
確保でき、光集積回路との光結合を精度よく行える効果
がある。さらにはフェルール外径を小さいものとするこ
とができ、ＳiＶ溝の加工時間が短縮できる効果があ
る。ファイバ先端固定を応用して、半導体光結合装置に
レセプタクルを取り付けることにより、コネクタによる
ファイバ着脱構造とでき、半導体光結合装置を自動組立
するとき、搬送、ハンドリングが容易になる効果があ
る。また、フェルールの材質を金属粉体、セラミック粉
体と有機バインダとの混合物で構成することにより、光
ファイバとフェルールの膨張係数差を小さくでき、温度
変化に対する熱応力を低減でき、長期間の使用に対して
安定した構造を得る効果がある。また、半導体光結合装
置に温度変化が生じても光結合の劣化を起こさない効果
がある。

【００５１】

【発明の効果】本発明によれば、半導体光結合装置を従
来より容易に低コストで組立てることが可能になり、ま
た、光ファイバの着脱が容易になるとともに光ファイバ
固定後の寿命信頼性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の要部を示す斜視図であ
る。

【図２】図１に示す実施例の光ファイバ軸線を含む平面
での断面図である。

【図３】従来のファイバ付きフェルールの構成を示す断
面図である。

【図４】ファイバ付きフェルールの構成の参考例を示す
断面図である。

【図５】ファイバ付きフェルールの構成の参考例を示す
断面図である。

【図６】図１に示す実施例のフェルールの構成の例を示
す断面図である。

【図７】図６に記載したフェルール作成の要領を示す斜
視図である。

【図８】図１に示す実施例のフェルールの他の例を示す
断面図である。

【図９】図１に示す実施例のフェルールの他の例を示す
断面図である。

【図１０】図１に示す実施例のフェルールの他の例を示
す断面図である。

【図１１】本発明の第１の実施例の組立断面図である。

【図１２】本発明の第２の実施例の組立断面図である。

【図１３】従来技術の例を示す組立断面図である。

【符号の説明】

２０半導体素子２１Ｓi基板２１ＡＳｉＶ溝２２フタ２３，２３Ａフェルール２４割スリー
ブ２５光コネクタ２６光ファイ
バ２６Ａ光ファイバ２７光集積回
路２８ナイロン被覆２９キャピラ
リ２９Ａ薄板キャピラリ３０セラミッ
クケース３１Ｓｉ押さえ３２光ファイ
バの光集積回路側端面３３コイルバネ３５金属パイ
プ３５Ａ薄板金属パイプ３６接着剤３７合わせ板４２アダプタ
付きケース４３割スリーブ２４１キャピ
ラリの後端面２６１，２６２，２６３フェルール２９１円筒状
貫通穴

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者高橋正一長野県小諸市大字柏木190番地株式会社日立製作所半導体事業部内 (72)発明者加藤猛東京都国分寺市東恋ヶ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板を含んでなる光学素子と、該光学素
子の光入出力端に光結合するように設けられた光ファイ
バと、前記光学素子及び前記光ファイバを収納するケー
スと、を含んでなる半導体光結合装置において、予め前
記光ファイバの外周にプラスチック樹脂、金属粉体、セ
ラミック粉体あるいはその固形材でフェルール成形して
おき、該フェルールを前記基板に位置決め後、前記光学
素子の一部あるいは前記ケースに前記ファイバ付き固形
材を固定することを特徴とする半導体光結合装置。
【請求項２】基板を含んでなる光学素子と、該光学素
子の光入出力端に光結合するように設けられた光ファイ
バと、該光学素子及び光ファイバを収納するケースと、
を含んでなり、前記光ファイバは前記ケースの外部にま
で延在している半導体光結合装置において、前記光ファ
イバ端部近傍の外周は、プラスチック樹脂、金属粉体、
セラミック粉体あるいはその固形材で円筒状あるいは四
角形状にフェルール成形されており、前記光学素子、光
ファイバを互いに光結合するように配置した後、前記光
学素子の一部あるいは前記ケースに前記ファイバ付き固
形材が固定されていることを特徴とする半導体光結合装
置。
【請求項３】基板を含んでなる光学素子と、該光学素
子の光入出力端に光結合するように設けられた光ファイ
バと、該光学素子及び光ファイバを収納するケースと、
を含んでなり、前記光ファイバは前記ケースの外部にま
で延在している半導体光結合装置において、前記光ファ
イバ端部近傍の外周は、プラスチック樹脂、金属粉体、
セラミック粉体あるいはその固形材で円筒状あるいは四
角形状にフェルール成形されており、前記光学素子、光
ファイバを互いに光結合するように配置した後、前記光
学素子の一部あるいは前記ケースに前記ファイバ付き固
形材が接着剤を使って固定されていることを特徴とする
半導体光結合装置。
【請求項４】基板を含んでなる光学素子と、該光学素
子の光入出力端に光結合するように設けられた光ファイ
バと、該光学素子及び光ファイバを収納するケースと、
を含んでなる半導体光結合装置において、前記ケースは
レセプタクルを結合して構成され、前記光ファイバは前
記ケース内部から前記レセプタクルに延在して配置さ
れ、前記光ファイバの外周は、前記ケース内部から前記
レセプタクルにかけて連続してプラスチック樹脂、金属
粉体、セラミック粉体あるいはその固形材で円筒状ある
いは四角形状にフェルール成形され、光学素子、光ファ
イバを互いに光結合するように配置固定したことを特徴
とする半導体光結合装置。
【請求項５】基板を含んでなる光学素子と、該光学素
子の光入出力端に光結合するように設けられた光ファイ
バと、該光学素子及び光ファイバを収納するケースと、
を含んでなり、前記光ファイバは前記ケースの外部にま
で延在している半導体光結合装置において、前記光ファ
イバの外周には、ケース内側端部からケース外側に達す
る範囲に連続して、プラスチック樹脂、金属粉体、セラ
ミック粉体あるいはその固形材でフェルールが形成され
ており、該フェルールが前記光学素子の一部及びまたは
前記ケースに固定されていることを特徴とする半導体光
結合装置。
【請求項６】請求項５記載の半導体光結合装置におい
て、前記フェルールが光ファイバを中心とする円筒状を
なしており、前記光学素子の前記フェルールが固定され
る部分にはフェルール位置決めのための溝が形成されて
いることを特徴とする半導体光結合装置。
【請求項７】請求項１〜６のいずれかに記載の半導体
光結合装置において、ケースの材質が、セラミック，プ
ラスチック，金属のうちのいずれかであることを特徴と
する半導体光結合装置。
【請求項８】請求項７に記載の半導体光結合装置にお
いて、ケースの材質が、Ａl₂Ｏ₃、ＳiＣ,ＡlＮ，トラン
スファモールドのエポキシ，シリコン，インジェクショ
ンモールドのポリカーボネート，液晶ポリマー，ポリフ
ェニレンサルファイド、フェノールあるいはフィラー入
りプラスチック，Ｆe，Ｆe−29Ｎi−17Ｃo，軟鋼材のい
ずれかであることを特徴とする半導体光結合装置。
【請求項９】請求項１〜６のいずれかに記載の半導体
光結合装置において、光ファイバ端部のプラスチック樹
脂固形材は、エポキシ、ＵＶエポキシ、シリコーン、フ
ェノール、アクリル、ＵＶアクリルあるいはこれら樹脂
とフィラーとの混合物のいずれかであることを特徴とす
る半導体光結合装置。
【請求項１０】請求項１〜６のいずれかに記載の半導
体光結合装置において、光ファイバ端部の金属粉体固形
材は、Ｃu，Ｆe，Ｗ，Ｍoの粉体あるいはこれらと有機
のバインダーとを混ぜた物を固形処理したもの、また
は、Ａl₂Ｏ₃，ＳiＣ，ＡlＮの粉体あるいはこれらと有
機のバインダーとの混合物を固形処理したもののいずれ
かであることを特徴とする半導体光結合装置。
【請求項１１】基板を含んでなる光学素子と、該光学
素子の光入出力端に光結合するように設けられた光ファ
イバと、該光学素子と光ファイバを収納するケースとを
含んでなる半導体光結合装置を組立てる方法において、
予め前記光ファイバ端部近傍の外周にプラスチック樹
脂、金属粉体、セラミック粉体あるいはそれらの固形材
のうちのいずれかで円筒状あるいは四角形状にフェルー
ル成形しておき、前記光学素子を前記ケース上の所定位
置に接合後、前記光ファイバが前記光学素子に光結合す
るように、前記光学素子の一部およびまたは前記ケース
に前記光ファイバのフェルールを固定することを特徴と
する半導体光結合装置の組立方法。
【請求項１２】基板を含んでなる光学素子と、該光学
素子の光入出力端に光結合するように設けられた光ファ
イバと、該光学素子と光ファイバを収納するケースとを
含んでなる半導体光結合装置を組立てる方法において、
予め前記光ファイバ端部近傍の外周にプラスチック樹
脂、金属粉体、セラミック粉体あるいはそれらの固形材
のうちのいずれかで円筒状あるいは四角形状にフェルー
ル成形しておき、前記光学素子に形成された溝に前記フ
ェルール付き光ファイバを前記光学素子に光結合するよ
うに固定し、次いで光ファイバが固定された光学素子を
前記ケース上の所定位置に接合、固定することを特徴と
する半導体光結合装置の組立方法。
【請求項１３】基板を含んでなる光学素子と、該光学
素子の光入出力端に光結合するように設けられた光ファ
イバと、該光学素子及び光ファイバを収納するケースと
を含んでなり、前記ケースにはレセプタクルが結合され
て構成されている半導体光結合装置を組立てる方法にお
いて、予め前記光ファイバの外周にプラスチック樹脂、
金属粉体、セラミック粉体あるいはそれらの固形材のう
ちのいずれかで円筒状あるいは四角形状にフェルール成
形しておき、前記光学素子を前記ケース上の所定位置に
接合後、前記レセプタクルに前記フェルールを結合し、
前記光学素子に光結合するように前記光ファイバを前記
光学素子上に配置固定することを特徴とする半導体光結
合装置の組立方法。
【請求項１４】基板を含んでなる光学素子と、該光学
素子の光入出力端に光結合するように設けられた光ファ
イバと、該光学素子及び光ファイバを収納するケースと
を含んでなり、前記ケースにはレセプタクルが結合され
て構成されている半導体光結合装置を組立てる方法にお
いて、予め前記光ファイバの外周にプラスチック樹脂、
金属粉体、セラミック粉体あるいはその固形材のうちの
いずれかで円筒状あるいは四角形状にフェルール成形し
ておき、前記光学素子に形成された溝に前記フェルール
付き光ファイバを前記光学素子に光結合するように固定
し、次いで光ファイバが固定された光学素子を前記ケー
ス上の所定位置に接合、固定するとともに前記レセプタ
クルに前記フェルール付光ファイバを結合することを特
徴とする半導体光結合装置の組立方法。