JP2018132604A - 光素子用パッケージ及び光素子モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】良好な気密性を確保しつつ、光素子に光学的に結合される光ファイバの破損の発生を抑制又は防止することができる光素子用パッケージ及び光素子モジュールを提供する。【解決手段】光素子用パッケージ１２は、光素子２０を収納するパッケージ本体部と、パッケージ本体部に設けられ、光素子と光学的に結合される光ファイバ２４が挿通されるパイプ３６部と、パッケージ本体部内に設けられ、光ファイバの一端が固定される固定部とを有し、パイプ部が、パッケージ本体部に基端が固定された第１のパイプ部３８と、第１のパイプ部の先端に接合され、第１のパイプ部よりも熱膨張係数が高く、封止材により封止される第２のパイプ部４０とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、光素子を収納する光素子用パッケージ及びこれを用いた光素子モジュールに関する。

半導体レーザは、消費電力が小さい、小型である等の特徴を有しており、光通信、光記録、物質加工等の様々な分野において広く利用されるに至っている。半導体レーザ等の光素子は、通常、パッケージに収納されてモジュール化されて用いられる（特許文献１）。

特許文献１に記載された光素子モジュールでは、光素子を収納するパッケージ内において、光素子と光結合する光ファイバの先端が接合されたフェルールがステム上に固定されている。パッケージには挿通管が固定されており、挿通管に挿入されたリング状部材の光ファイバ挿通孔に光ファイバが挿通されている。挿通管、リング状部材及び光ファイバは、低融点ガラスにより気密封止されて固定されている。

特開２００２−２５８１１１号公報

上記のように低融点ガラス等の封止材により光ファイバが挿通された部分を気密封止する封止作業では、光ファイバが挿通された部分の周辺を高周波加熱装置等のヒータ装置で加熱する必要がある。封止材として低融点ガラスを用いた場合、４５０〜５５０℃程度に加熱する必要がある。

パッケージに設けられた挿通管等の光ファイバが挿通されたパイプ部は、封止作業における加熱により膨張して長手方向に伸長する。さらに、封止作業終了後の温度下降により、パイプ部は、伸長した状態から元の状態に収縮する。温度降下によりパイプ部が収縮する現象により、高温状態でパイプ部の先端付近で低融点ガラスで封止された光ファイバは、パッケージ内において大きく撓んで湾曲する。パッケージ内における光ファイバの湾曲は、以下に述べるように光ファイバの破損の一因となる。

温度降下によりパイプ部が収縮すると、光ファイバは、パッケージ内において、光素子に光結合させるために調芯されて固定された箇所と低融点ガラスで封止された箇所との間の区間で大きく撓んで湾曲する。その結果、調芯されて固定された箇所及び低融点ガラスにより封止された箇所の光ファイバの両端部分の根元に大きな横方向へのせん断応力が発生する。光ファイバの横方向へのせん断応力が発生した箇所には、光素子モジュールの組立後の各種の信頼性試験による温度変化等により大きな負荷が加わり、その結果、光ファイバが破損してしまうことがある。特に、光ファイバは、パイプ部や低融点ガラスによる締め付け圧力も加わっている低融点ガラスで封止された箇所の根元部分で断線してしまうことがある。

特許文献１には、光ファイバの先端部と気密封止部との段差による光ファイバの自然な湾曲を利用して、周囲温度の変化によるパッケージの膨張収縮時に発生する光ファイバへの引っ張り応力、圧縮応力を緩和することが記載されている。しかしながら、特許文献１に記載された技術では、光ファイバの破損の一因となる光ファイバへの横方向のせん断力を抑制することは困難であると考えられる。

一方、光ファイバが挿通されて封止されるパイプ部として、熱膨張係数の小さい材質からなる部材を用いた場合、パイプ部の膨張収縮による光ファイバの撓みを抑制することができたとしても、低融点ガラスで封止された箇所で十分なカシメ効果が得られない。十分なカシメ効果が得られないと、パッケージについて良好な気密性を確保することが困難である。

本発明は、良好な気密性を確保しつつ、光素子に光学的に結合される光ファイバの破損の発生を抑制又は防止することができる光素子用パッケージ及び光素子モジュールを提供することを目的とする。

本発明の一観点によれば、光素子を収納するパッケージ本体部と、前記パッケージ本体部に設けられ、前記光素子と光学的に結合される光ファイバが挿通されるパイプ部と、前記パッケージ本体部内に設けられ、前記光ファイバの一端が固定される固定部とを有し、前記パイプ部が、前記パッケージ本体部に基端が固定された第１のパイプ部と、前記第１のパイプ部の先端に接合され、前記第１のパイプ部よりも熱膨張係数が高く、封止材により封止される第２のパイプ部とを有することを特徴とする光素子用パッケージが提供される。

本発明の他の観点によれば、上記の光素子用パッケージと、前記パッケージ本体部に収納された前記光素子と、前記パイプ部に挿通され、一端が前記固定部に固定された前記光ファイバと、前記光ファイバが挿通された前記第２のパイプ部を封止する前記封止材とを有することを特徴とする光素子モジュールが提供される。

本発明によれば、良好な気密性を確保しつつ、光ファイバの破損の発生を抑制又は防止することができる。

図１は、本発明の一実施形態による光素子モジュールを示す断面図である。 図２は、本発明の一実施形態による光素子モジュールの光素子用パッケージにおけるパイプ部を示す断面図である。 図３は、本発明の一実施形態による光素子モジュールの封止作業を示す工程断面図である。 図４は、背景技術による光素子モジュールを示す断面図である。 図５は、他の背景技術による光素子モジュールを示す断面図である。 図６は、他の背景技術による光素子モジュールにおけるパイプ部を示す断面図である。 図７は、他の背景技術による光素子モジュールの封止作業を示す工程断面図である。 図８は、本発明の変形実施形態による光素子モジュールを示す断面図（その１）である。 図９は、本発明の変形実施形態による光素子モジュールを示す断面図（その２）である。

［一実施形態］
本発明の一実施形態による光素子用パッケージ及び光素子モジュールについて図１乃至図７を用いて説明する。

まず、本実施形態による光素子用パッケージ及びこれを用いた光素子モジュールの構成について図１及び図２を用いて説明する。図１は、本実施形態による光素子モジュールを示す断面図である。図２は、本実施形態による光素子モジュールの光素子用パッケージにおけるパイプ部を示す断面図である。

本実施形態による光素子モジュールは、光素子として、光半導体素子の一種である半導体レーザ（レーザダイオード）素子を有するものである。図１に示すように、本実施形態による光素子モジュール１０は、光素子用パッケージ（以下、単に「パッケージ」という）１２と、冷却素子１４と、ベース１６と、半導体レーザ素子２０と、集光レンズ２２と、光ファイバ２４、封止材４４とを有している。

パッケージ１２は、冷却素子１４、ベース１６、半導体レーザ素子２０、集光レンズ２２等を収納する容器を構成する。パッケージ１２は、底板部３０と、外枠部３２と、蓋部３４と、パイプ部３６とを有している。冷却素子１４、ベース１６、半導体レーザ素子２０、集光レンズ２２等は、底板部３０と外枠部３２と蓋部３４とにより囲まれた空間内に収納されている。底板部３０、外枠部３２及び蓋部３４は、半導体レーザ素子２０等を収納するパッケージ本体部を構成している。

パッケージ１２の底板部３０上には、冷却素子１４が固定されている。底板部３０は、ヒートシンクとして機能することが可能である。底板部３０の材料としては、例えば、鉄にニッケル、コバルトを配合した合金であるコバール、銅タングステン（ＣｕＷ）合金等を用いることができる。

冷却素子１４は、例えば、熱電冷却素子（Thermoelectric Cooler、ＴＥＣ）であり、半導体レーザ素子２０の温度を制御することが可能になっている。冷却素子１４上には、ベース１６が固定されている。ベース１６は、半導体レーザ素子２０等が搭載されるものである。ベース１６の材料としては、例えば、窒化アルミニウム、銅タングステン合金、銅（Ｃｕ）等の熱伝導率が高く放熱性に優れた材料を用いることができる。

光素子である半導体レーザ素子２０は、チップ状に形成されている。半導体レーザ素子２０は、例えば、サブマント１８上にはんだ付け等により固定されて搭載されたチップオンサブマウント（Chip On Submount、ＣＯＳ）の形態で、ベース１６上に設置されている。半導体レーザ素子２０は、底板部３０の板面に沿った方向にレーザ光を出力するように、その光軸が底板部３０の板面に沿った方向に平行になるように設置されている。なお、パッケージ１２の例えば外枠部３２には、外部電源により半導体レーザ素子２０に駆動電流を印加するため等に用いられるリードピン（不図示）が設けられている。半導体レーザ素子２０の電極は、例えばワイヤボンディングによりリードピンに電気的に接続されている。

半導体レーザ素子２０の出力側におけるベース１６上には、半導体レーザ素子２０から出力されたレーザ光を集光する集光レンズ２２等を含む光学系が設けられている。集光レンズ２２等を含む光学系の光軸は、半導体レーザ素子２０の光軸と揃っている。なお、光学系における半導体レーザ素子２０と集光レンズ２２との間には、レーザ光を平行光とするコリメートレンズ、戻り光を遮断する光アイソレータ等が設けられていてもよい。集光レンズ２２等を含む光学系の出力側におけるベース１６上には、光ファイバ２４の入力端が固定される固定部である台座２８が設けられている。台座２８の材料としては、例えば、セラミック、窒化アルミニウム、耐熱ガラス等を用いることができる。なお、集光レンズ２２等の光学部品を用いずに、光ファイバ２４と半導体レーザ素子２０とを直接光結合させてもよい。この場合、例えば、光ファイバ２４として先端がレンズ加工されたレンズドファイバを用い、光ファイバ２４のレンズ加工された先端と半導体レーザ素子２０とを直接光結合させ、光ファイバ２４を台座２８に固定させることができる。

パッケージ１２の外枠部３２は、矩形状の枠体であり、半導体レーザ素子２０が設置された領域を含む領域を囲うように底板部３０上に固定されている。外枠部３２は、半導体レーザ素子２０の光軸に沿った方向において互いに対向する前側壁部３２ａ及び後側壁部３２ｂと、半導体レーザ素子２０の光軸に沿った方向と直交する方向において互いに対向する左側壁部及び右側壁部（ともに不図示）とを有している。外枠部３２の材料としては、例えば、コバール、セラミック等を用いることができる。外枠部３２は、例えば、ろう付け、はんだ付け、溶接、接着剤等により、底板部３０上に固定されている。

パッケージ１２の蓋部３４は、外枠部３２の上側の開口部を覆うように外枠部３２上に固定されている。蓋部３４の材料としては、例えば、コバール等を用いることができる。蓋部３４は、例えば、溶接、はんだ付け、接着剤等により、外枠部３２上に固定されている。

パッケージ１２のパイプ部３６は、外枠部３２の前側壁部３２ａを貫通するように前側壁部３２ａに設けられている。パイプ部３６は、その中心軸が半導体レーザ素子２０の光軸と一致するように、底板部３０の板面に沿った方向に平行に設けられている。パイプ部３６は、例えば、ろう付け、はんだ付け、溶接、接着剤等により、前側壁部３２ａに固定されている。

パイプ部３６は、図１及び図２に示すように、第１のパイプ部であるパイプ本体部３８と、第２のパイプ部であるパイプ先端部４０とを有している。パイプ部３６内には、半導体レーザ素子２０と光学的に結合される光ファイバ２４が挿通される。パイプ本体部３８は、例えば金属又はセラミックから構成されている。また、パイプ先端部４０は、例えば金属から構成されている。

第１のパイプ部であるパイプ本体部３８は、その基端が外枠部３２の前側壁部３２ａに固定されている。パイプ本体部３８の基端は、例えば、ろう付け、はんだ付け、溶接、接着剤等により、前側壁部３２ａに固定されている。パイプ本体部３８の中空部は、底板部３０、外枠部３２及び蓋部３４により囲まれた空間に接続されている。

第２のパイプであるパイプ先端部４０は、パイプ本体部３８の先端に接合されてパイプ本体部３８と一体化されている。なお、パイプ本体部３８とパイプ先端部４０とを接合する方法は、特に限定されるものではなく、ろう付けやレーザ溶接等を用いることもできる。ただし、接合方法は、接合部分の気密性を確保することができる方法であることが好ましい。パイプ先端部４０の中空部は、パイプ本体部３８の中空部と同一径で連続的に接続されている。

パイプ本体部３８は、前側壁部３２ａ側とパイプ先端部４０側との間にわたって一定の内径を有している。パイプ本体部３８の中空部は、中心軸と直交する断面形状として例えば円形状の断面形状を有している。なお、パイプ本体部３８の中空部の断面形状は、円形状の形状に限定されるものではなく、種々の形状を採ることができ、多角形状の形状であってもよい。

一方、パイプ先端部４０は、その先端寄りに、パイプ部３６において内径が最も小さくなっているネック部４０ａを有している。すなわち、ネック部４０ａは、パイプ部３６のうちの他の部分よりも内径が小さくなっている。パイプ先端部４０のうち、ネック部４０ａよりもパイプ本体部３８側の部分は、パイプ本体部３８と同じ内径を有し、パイプ本体部３８と内部空間が連続的に連なっている。パイプ先端部４０のうち、ネック部４０ａよりも先端側の部分は、パイプ部３６において内径が最も広くなっている。パイプ先端部４０の中空部は、中心軸と直交する断面形状として例えば円形状の断面形状を有し、中心軸方向の位置に応じて前記のように内径が異なっている。なお、パイプ先端部４０の中空部の断面形状は、円形状の形状に限定されるものではなく、種々の形状を採ることができ、多角形状の形状であってもよい。

上記パイプ本体部３８とパイプ先端部４０とは、以下に述べるように互いに熱膨張係数が異なる異種材料から構成されている。なお、本明細書において、熱膨張係数は、常温〜６００℃における線膨張率を意味する。

まず、パイプ本体部３８は、熱膨張係数が比較的低い材料から構成され、パイプ先端部４０よりも熱膨張係数が低くなっている。パイプ本体部３８の熱膨張係数は、４．５×１０^−６〜６．５×１０^−６／℃であることが好ましい。パイプ本体部３８の熱膨張係数がこのような数値範囲内であることにより、後述するようにパイプ部３６全体の収縮を小さく抑制することができる。

パイプ本体部３８の材料は、例えば、コバール、４２アロイ、アルミナ等からなるセラミック等である。コバールの熱膨張係数は、４．６×１０^−６〜５．５×１０^−６／℃である。４２アロイの熱膨張係数は、４．５×１０^−６〜６．５×１０^−６／℃である。アルミナからなるセラミックの熱膨張係数は、６．４×１０^−６〜７．５×１０^−６／℃である。また、パイプ本体部３８の材料としては、その基端が固定された外枠部３２と同一材料を用いることができる。

一方、パイプ先端部４０は、熱膨張係数が比較的高い材料から構成され、パイプ本体部３８よりも熱膨張係数が高くなっている。また、パイプ先端部４０は、後述する低融点ガラスからなる封止材４４よりも熱膨張係数が高くなっている。パイプ先端部４０の熱膨張係数は、７.０×１０^−６〜９.０×１０^−６／℃であることが好ましい。パイプ先端部４０の熱膨張係数がこのような数値範囲内であることにより、熱による大きな変形を防止しつつ、後述するようにカシメ効果を十分に得ることができる。

パイプ先端部４０の材料としては、パイプ本体部３８の材料及び低融点ガラスよりも熱膨張係数が高い材料を適宜選択して用いることができる。パイプ先端部４０の材料は、例えば、４２アロイ、４５アロイ、４７アロイ、５０アロイ、５２アロイ、７８アロイ等である。４５アロイの熱膨張係数は、７．０×１０^−６〜８．０×１０^−６／℃である。４７アロイの熱膨張係数は、８．０×１０^−６〜９．０×１０^−６／℃である。５０アロイの熱膨張係数は、９．４×１０^−６〜１０．４×１０^−６／℃である。５２アロイの熱膨張係数は、９．５×１０^−６〜１０．５×１０^−６／℃である。７８アロイの熱膨張係数は、１３．５×１０^−６〜１４．５×１０^−６／℃である。

パッケージ１２内には、光ファイバ２４の一端が、パイプ部３６内に挿通されて導入されている。パイプ部３６内を含むパッケージ１２内に導入された光ファイバ２４の一端側部分は、被覆２６が除去された素線の状態になっている。

パッケージ１２内に導入された光ファイバ２４の一端は、レーザ光が入力される入力端であり、半導体レーザ素子２０の光軸と調芯されて、固定材４２により台座２８上に固定されている。固定材４２としては、例えば、樹脂、はんだ、低融点ガラス等を用いることができる。固定部である台座２８上に固定された光ファイバ２４の一端には、半導体レーザ素子２０から出力されて集光レンズ２２により集光されたレーザ光が入力されるようになっている。こうして、半導体レーザ素子２０は、集光レンズ２２等を含む光学系を介して、光ファイバ２４の一端に光学的に結合されている。光ファイバ２４の一端に入力されたレーザ光は、光ファイバ２４を伝搬した後、出力端である光ファイバ２４の他端から出力される。

光ファイバ２４が挿通されたパイプ部３６では、そのパイプ先端部４０が、低融点ガラスからなる封止材４４により気密封止されている。より具体的には、パイプ部３６のパイプ先端部４０において、光ファイバ２４が挿通されたネック部４０ａが、低融点ガラスからなる封止材４４により気密封止されている。封止材４４は、パイプ先端部４０におけるネック部４０ａの中空部及びその隣接部分の中空部を光ファイバ２４とともに塞いで気密封止している。光ファイバ２４は、ネック部４０ａの中心に位置するように封止材４４により固定されている。

なお、封止材４４を構成する低融点ガラスは、軟化点が６００℃以下のガラスであり、封止作業における加熱温度で軟化するものであればよい。低融点ガラスは、軟化点が５００℃以下のガラスであることが好ましく、軟化点が４００℃以下のガラスであることがさらに好ましい。封止材４４を構成する低融点ガラスの熱膨張係数は、例えば５．９×１０^−６〜１２×１０^−６／℃である。封止材４４を構成する低融点ガラスは、特にその種類が限定されるものではなく、例えば、鉛系、バナジウム系、ビスマス系等の低融点ガラスを用いることができる。ただし、環境適合性の観点からは、バナジウム系等の鉛フリーの低融点ガラスであることが好ましい。

このように封止材４４により気密封止されるネック部４０ａは、図２に示すように、中心軸方向の長さＬよりも内径Ｄが大きくなっている。すなわち、ネック部４０ａの中空部は、径方向に幅広の形状を有している。ネック部４０ａの中心軸方向の長さＬは、例えば０．３〜０．８ｍｍである。一方、ネック部４０ａの内径Ｄは、例えば０．５〜１．０ｍｍである。

台座２８上及びネック部４０ａで固定された光ファイバ２４は、僅かに撓んで半導体レーザ素子２０の光軸方向に沿って固定されている。パッケージ１２内における台座２８とネック部４０ａとの間に固定された光ファイバ２４は、パッケージ１２の内面、すなわち、パイプ部３６の内壁面、外枠部３２の内壁面、底板部３０の底面及び蓋部３４の天井面に接触していない。

こうして、本実施形態による光素子モジュール１０が構成されている。

本実施形態による光素子モジュール１０の動作時には、外部の駆動電源により半導体レーザ素子２０に駆動電流が印加される。駆動電流が印加されると、半導体レーザ素子２０は、レーザ発振してレーザ光を出力する。半導体レーザ素子２０から出力されたレーザ光は、集光レンズ２２により集光されて光ファイバ２４の台座２８上に固定された固定端に入射する。光ファイバ２４の固定端に入射したレーザ光は、光素子モジュール１０の出力として、光ファイバ２４の出力端から出力される。

本実施形態による光素子モジュール１０は、上述のように、光ファイバ２４が挿通されて気密封止されるパイプ部３６が、パイプ本体部３８とパイプ先端部４０とを有している。パイプ先端部４０は、パイプ本体部３８及び低融点ガラスからなる封止材４４よりも熱膨張係数が高くなっている。このように、本実施形態では、パイプ部３６が、熱膨張係数の互いに異なるパイプ先端部４０及びパイプ本体部３８に分割されている。これにより、半導体レーザ素子２０を収納したパッケージ１２について良好な気密性を確保しつつ、半導体レーザ素子２０に光学的に結合される光ファイバ２４の破損の発生を抑制又は防止することができる。以下、この点について詳述する。

パッケージ１２内に光ファイバ２４を導入するためのパイプ部としては、本実施形態と異なり、外枠部３２や蓋部３４と同様に、熱膨張係数が比較的低い材料である例えばコバールのみからなる非分割のパイプ部を用いることが考えられる。図４は、コバールのみからなる非分割のパイプ部が用いられた背景技術による光素子モジュールを示す断面図である。

図４に示すように、背景技術による光素子モジュール１００では、二分割された本実施形態によるパイプ部３６に代えて、コバールのみからなる非分割のパイプ部１３６が、外枠部３２の前側壁部３２ａに設けられている。パイプ部１３６は、その先端寄りに、パイプ部１３６において内径が最も狭くなっているネック部１３６ａを有している。光ファイバ２４が挿通されたネック部１３６ａの中空部は、低融点ガラスからなる封止材１４４により気密封止されている。光素子モジュール１００のこれら以外の点は、図１に示す光素子モジュール１０と同様である。

背景技術による光素子モジュール１００では、パイプ部１３６全体が、熱膨張係数が比較的低く、低融点ガラスからなる封止材１４４よりも熱膨張係数が低くなっている。この場合、封止作業における加熱後の温度降下によりパイプ部１３６が収縮する際、ネック部１３６ａにおいて、低融点ガラスからなる封止材１４４及び光ファイバ２４をパイプ部１３６が締め付けるカシメ効果を十分に得ることができない。その結果、封止材１４４により封止されたネック部１３６ａにおいて良好な気密性を確保することが困難である。具体的には、図４に示す背景技術による光素子モジュール１００では、例えば、ヘリウムリークテストで測定されるリーク量が１０^−７〜１０^−９Ｐａ・ｍ^３／ｓレベルの気密性が良好でない不良品が発生する。

また、パッケージ１２内に光ファイバ２４を導入するためのパイプ部として、本実施形態と異なり、上記のカシメ効果を得ることを目的として、熱膨張係数が比較的高い材料である例えば５０アロイのみからなる非分割のパイプ部を用いることが考えられる。図５は、５０アロイのみからなる非分割のパイプ部が用いられた他の背景技術による光素子モジュールを示す断面図である。

図５に示すように、他の背景技術による光素子モジュール２００では、二分割された本実施形態によるパイプ部３６に代えて、５０アロイのみからなる非分割のパイプ部２３６が、外枠部３２の前側壁部３２ａに設けられている。パイプ部２３６は、その先端寄りに、パイプ部２３６において内径が最も狭くなっているネック部２３６ａを有している。光ファイバ２４が挿通されたネック部２３６ａの中空部は、低融点ガラスからなる封止材２４４により気密封止されている。光素子モジュール２００のこれら以外の点は、図１に示す光素子モジュール１０と同様である。

他の背景技術による光素子モジュール２００では、パイプ部２３６全体が、熱膨張係数が比較的高く、低融点ガラスからなる封止材２４４よりも熱膨張係数が高くなっている。この場合、封止作業における加熱後の温度降下によりパイプ部２３６が収縮する際に、ネック部２３６ａにおいて、低融点ガラスからなる封止材２４４及び光ファイバ２４をパイプ部２３６が締め付けるカシメ効果を十分に得ることができる。その結果、封止材２４４により封止されたネック部２３６ａにおいて良好な気密性を確保することできる。具体的には、図５に示す他の背景技術による光素子モジュール２００では、例えば、ヘリウムリークテストで測定されるリーク量が１０^−１１Ｐａ・ｍ^３／ｓレベルの良好な気密性を確保することができる。

その一方で、他の背景技術による光素子モジュール２００では、封止作業における加熱によりパイプ部２３６が大きく膨張する。さらに、その加熱後の温度降下によりパイプ部２３６が収縮する際、パイプ部２３６は、熱膨張係数が比較的高いために大きく収縮する。その結果、台座２８及びネック部２３６ａで固定された光ファイバ２４が、パイプ部２３６の内壁に接触する程度に大きく撓んで湾曲する。光ファイバ２４が大きく撓んで湾曲すると、上述のように、調芯されて固定された箇所及び低融点ガラスにより封止された箇所の光ファイバ２４の両端部分の根元に、光ファイバ２４の破損の一因となる大きな横方向へのせん断応力が生じる。このため、図５に示す他の背景技術による光素子モジュール２００では、光ファイバ２４の断線不良等の光ファイバ２４の破損が多く発生し、光ファイバ２４の破損を抑制することは困難である。

これらに対して、本実施形態による光素子モジュール１０では、パイプ部３６において、気密封止されるネック部４０ａを含むパイプ先端部４０が、パイプ本体部３８及び低融点ガラスからなる封止材４４よりも熱膨張係数が高くなっている。パイプ先端部４０の熱膨張係数が比較的高いことにより、ネック部４０ａにおいて、低融点ガラスからなる封止材４４及び光ファイバ２４をパイプ先端部４０が締め付けるカシメ効果を十分に得ることができる。これにより、本実施形態による光素子モジュール１０では、良好な気密性を確保することができる。本実施形態による光素子モジュール１０では、例えば、ヘリウムリークテストで測定されるリーク量が１０^−１１Ｐａ・ｍ^３／ｓレベルの良好な気密性を確保することができる。

また、本実施形態による光素子モジュール１０では、パイプ本体部３８の熱膨張係数が比較的低く、パイプ先端部４０の熱膨張係数よりも低くなっている。これにより、封止作業における加熱によるパイプ本体部３８の膨張が小さく抑制される。さらに、その加熱後の温度降下によりパイプ本体部３８が収縮する際、パイプ本体部３８の収縮が小さく抑制される。これにより、パイプ部３６全体の膨張及び収縮も小さく抑制される。その結果、台座２８及びネック部４０ａで固定された光ファイバ２４の撓みを小さく抑制することができる。本実施形態によれば、パイプ部３６内の光ファイバ２４が、パイプ部３６の内壁に接触するように撓むことを防止することができる。したがって、本実施形態による光素子モジュール１０では、パッケージ１２内における光ファイバ２４における横方向へのせん断応力の発生を抑制し、もって光ファイバ２４の断線不良等の破損の発生を抑制又は防止することができる。

このように、本実施形態による光素子モジュール１０では、ネック部４０ａを良好な気密性で封止することにより、半導体レーザ素子２０を収納したパッケージ１２について良好な気密性を確保することができる。さらに、本実施形態による光素子モジュール１０では、パッケージ１２内の光ファイバ２４における横方向へのせん断応力の発生を抑制することにより、光ファイバ２４の断線不良等の破損の発生を抑制又は防止することができる。

さらに、本実施形態による光素子モジュール１０において、封止材４４により気密封止されるネック部４０ａは、中心軸方向の長さＬよりも内径Ｄが大きくなっている。これにより、ネック部４０ａにおける光ファイバ２４への負荷を低減することができる。以下、この点について詳述する。

他の背景技術による光素子モジュール２００において、気密封止されるネック部２３６ａは、図６に示すように、内径Ｄ′よりも中心軸方向の長さＬ′が大きくなっている。このようにネック部２３６ａの中空部がその中心軸方向に細長い場合、封止材２４４を構成する低融点ガラスの粘度が高いと、ネック部２３６ａの中空部内に封止材２２４が十分に入り込むことができない。このため、ネック部２３６ａにおける封止材２４４の充填が不十分となる。この場合、封止材２４４の内側端部には、バランスの悪い傾斜が生じ、その結果、光ファイバ２４に偏った応力が加わることになる。

また、長さＬ′よりも内径Ｄ′が小さくなっているため、ネック部２３６ａにおいてこれを構成する金属材料の厚さｔ′が比較的厚くなっている。このため、ネック部２３６ａにおいて収縮により光ファイバ２４を締め付ける圧力になり、光ファイバに大きな負荷が加わることになる。

このため、図６に示すように中心軸方向の細長いネック部２３６ａの形状では、光ファイバ２４の破損が生じやすくなっている。

一方、本実施形態による光素子モジュール１０において、気密封止されるネック部４０ａは、図２に示すように、中心軸方向の長さＬよりも内径Ｄが大きくなっている。このようにネック部４０ａの中空部がその径方向に幅広い場合、封止材４４を構成する低融点ガラスの粘度が高くても、ネック部４０ａの中空部内に封止材４４が十分に入り込むことができる。このため、ネック部４０ａにおける封止材４４の充填は十分なものとなり、ネック部４０ａ及びその近傍に充填された封止材４４の内側端部をバランスのよい形状とすることができる。これにより、ネック部４０ａにおいて光ファイバ２４に加わる応力の均一化を図ることができる。

また、長さＬよりも内径Ｄが大きいことで、ネック部４０ａにおいてこれを構成する金属材料の厚さｔが比較的薄くなっている。これにより、ネック部４０ａにおいて収縮により光ファイバ２４を締め付ける圧力が適度なものとなり、光ファイバ２４に加わる負荷を低減することができる。

こうして、本実施形態による光素子モジュール１０では、中心軸方向の長さＬよりも内径Ｄが大きくなっていることで、応力の均一化を図るとともに負荷を軽減することができる。これにより、光ファイバ２４の破損の発生をより確実に抑制又は防止することができる。

次に、本実施形態による光素子モジュール１０の封止作業について図３を用いて説明する。図３は、本実施形態による光素子モジュール１０の封止作業を示す工程断面図である。

まず、封止作業の対象となる光素子モジュール１０のパッケージ１２を固定治具５０に固定する。固定治具５０には、パイプ部３６が上方を向いてその中心軸が垂直となるように、パッケージ１２の底板部３０を垂直にして固定する。固定治具５０に固定されたパッケージ１２では、蓋部３４が外枠部３２に固定されておらず、底板部３０上に設置された半導体レーザ素子２０等を含む底板部３０の上方が開放されている。また、パイプ部３６内には、被覆２６が除去された素線の状態の光ファイバ２４の一端側部分が挿通されている。パッケージ１２内に導入された光ファイバ２４の一端は、半導体レーザ素子２０の光軸と光学的に結合するように調芯されて、樹脂等からなる固定材４２により台座２８に固定されている。

次いで、図３（ａ）に示すように、光ファイバ２４が挿通されたパイプ部３６におけるパイプ先端部４０の先端開口部に、封止材４４となる低融点ガラスペレット４４ｐを配置する。低融点ガラスペレット４４ｐは、例えば、光ファイバ２４の外径よりも大きい内径と、ネック部４０ａの内径よりも大きくパイプ先端部４０の外径より小さい外径とを有する円筒形状の固形物である。この場合、低融点ガラスペレット４４ｐは、その中空部に光ファイバ２４を挿通してパイプ先端部４０の先端開口部に配置することができる。

なお、封止材４４となる低融点ガラスは、低融点ガラスペレット４４ｐのようなペレットの形態でパイプ先端部４０の先端開口部に配置することに代えて、ペーストの形態でパイプ先端部４０の先端開口部に供給することもできる。この場合、例えば、図３（ａ）に示すように、封止材４４となる低融点ガラスペースト４４ｑを、ディスペンサ５２により吐出してパイプ先端部４０の先端開口部に供給してもよい。

次いで、図３（ｂ）に示すように、パイプ部３６の先端部であるパイプ先端部４０にヒータ５４を接触させて、ヒータ５４によりパイプ部３６を加熱する。このとき、パッケージ１２内における光ファイバ２４に撓みやパイプ先端部４０の穴に対する中心位置ずれが生じないように光ファイバ２４を保持する。また、ヒータ５４による加熱温度は、低融点ガラスの溶融、液状化に応じて、例えば、４５０〜５５０℃の温度に設定することができ、好ましくは４６０〜４８０℃の温度に設定することができる。

パイプ部３６が加熱されると、これにより加熱された低融点ガラスペレット４４ｐが、図３（ｃ）に示すように溶融、液状化して、封止材４４としてパイプ先端部４０のネック部４０ａ及びその近傍の中空部内に入り込んでいく。本実施形態では、上述のように、ネック部４０ａにおいて中心軸方向の長さＬよりも内径Ｄが大きくなっている。このため、ネック部４０ａの中空部内に封止材４４が十分に入り込むことができ、ネック部４０ａにおける封止材４４の充填が十分なものとなる。

ヒータ５４による加熱により、パイプ部３６には熱膨張が生じる。本実施形態では、上述のように、パイプ先端部４０がパイプ本体部３８よりも熱膨張係数が高く、パイプ先端部４０の熱膨張係数が比較的高く、パイプ本体部３８の熱膨張係数が比較的低くなっている。このため、パイプ部３６の熱膨張による中心軸方向の伸びが、図３（ｃ）において矢印で示すように、主としてパイプ先端部４０で生じる。したがって、本実施形態では、パイプ部３６の熱膨張による中心軸方向の伸びを、後述の図７（ｃ）に示す他の背景技術による場合と比較して、全体として小さく抑制することができる。

次いで、図３（ｄ）に示すように、パイプ部３６の先端部からヒータ５４を離して、パイプ部３６を冷却する。冷却方法は、特に限定されるものではなく、自然冷却であってもよいし、送風等による強制冷却であってもよい。パイプ部３６が冷却されると、パイプ先端部４０において、ネック部４０ａ及びその近傍に充填された封止材４４が固化する。こうして、封止材４４により光ファイバ２４がネック部４０ａで固定されるとともに、光ファイバ２４が挿通されたネック部４０ａが封止材４４により気密封止される。

上述のようにしてネック部４０ａの中空部を封止した後、外枠部３２上に蓋部３４を固定する。

本実施形態では、上述のように、パイプ先端部４０が低融点ガラスからなる封止材４４よりも熱膨張係数が高くなっている。これにより、ネック部４０ａにおいて、低融点ガラスからなる封止材４４及び光ファイバ２４をパイプ先端部４０が締め付けるカシメ効果を十分に得ることができる。したがって、本実施形態では、良好な気密性を確保することができる。

また、本実施形態では、上述のように、パイプ先端部４０がパイプ本体部３８よりも熱膨張係数が高く、パイプ先端部４０の熱膨張係数が比較的高く、パイプ本体部３８の熱膨張係数が比較的低くなっている。このため、パイプ部３６の冷却による中心軸方向の収縮が、図３（ｄ）において矢印で示すように、主としてパイプ先端部４０で生じる。したがって、本実施形態では、パイプ部３６の冷却による中心軸方向の収縮を、後述の図７（ｄ）に示す場合と比較して、全体として小さく抑制することができる。

本実施形態では、上述のようにしてパイプ部３６の熱膨張による伸び及び冷却による収縮を小さく抑制することで、台座２８及びネック部４０ａで固定された光ファイバ２４の撓みｄｆを小さく抑制することができる。本実施形態によれば、パイプ部３６内における光ファイバ２４が、パイプ部３６の内壁に接触するように撓むことを防止することができる。したがって、本実施形態による光素子モジュール１０では、パッケージ１２内の光ファイバ２４における横方向へのせん断応力の発生を抑制し、もって光ファイバ２４の断線不良等の破損の発生を抑制又は防止することができる。

また、本実施形態では、ネック部４０ａの封止前後でのファイバ結合光出力（Ｐｆ）の変動及び偏光消光比（Polarization Extinction Ratio、ＰＥＲ）の変動を小さく抑制することができ、安定した特性を得ることができる。

一方、上述したように、図５に示す他の背景技術による光素子モジュール２００では、良好な気密性の確保と、光ファイバ２４の破損の発生の抑制とを両立することは困難である。以下、他の背景技術による光素子モジュール２００の封止作業について図７を用いて説明する。図７は、他の背景技術による光素子モジュール２００の封止作業を示す工程断面図である。

まず、図７（ａ）に示すように、図３（ａ）に示す場合と同様、低融点ガラスペレット４４ｐと同様の低融点ガラスペレット２４４ｐを、光ファイバ２４が挿通されたパイプ部２３６の先端開口部に配置する。なお、図３に示す場合と同様、低融点ガラスペースト４４ｑと同様の低融点ガラスペレット２４４ｑを、ディスペンサ５２により吐出してパイプ部２３６の先端開口部に供給してもよい。

次いで、図７（ｂ）に示すように、図３（ｂ）に示す場合と同様、パイプ部２３６の先端部にヒータ５４を接触させて、ヒータ５４によりパイプ部２３６を加熱する。パイプ部２３６が加熱されると、これにより加熱された低融点ガラスペレット２４４ｐが、図７（ｃ）に示すように溶融、液状化して、封止材２４４としてパイプ部２３６のネック部２３６ａの中空部内に入り込んでいく。

ヒータ５４による加熱により、パイプ部２３６には熱膨張が生じる。本実施形態とは異なり、他の背景技術では、上述のように、パイプ部２３６全体の熱膨張係数が比較的高くなっている。このため、パイプ部２３６の熱膨張による中心軸方向の伸びが、図７（ｃ）において矢印で示すように、パイプ部２３６の全体にわたって生じる。したがって、他の背景技術では、パイプ部２３６の熱膨張による中心軸方向の伸びが、前述の図３（ｃ）に示す本実施形態による場合と比較して大きくなる。

次いで、図７（ｄ）に示すように、図３（ｄ）に示す場合と同様、パイプ部２３６の先端部からヒータ５４を離して、パイプ部２３６を冷却する。パイプ部２３６が冷却されると、パイプ部２３６において、ネック部２３６ａに充填された封止材２４４が固化する。こうして、封止材２４４により光ファイバ２４がネック部２３６ａで固定されるとともに、光ファイバ２４が挿通されたネック部２３６ａが封止材２４４により気密封止される。

本実施形態とは異なり、他の背景技術では、上述のように、パイプ部２３６全体の熱膨張係数が比較的高くなっている。このため、パイプ部２３６の冷却による中心軸方向の収縮が、図７（ｄ）において矢印で示すように、パイプ部２３６の全体にわたって生じる。したがって、他の背景技術では、パイプ部２３６の冷却による中心軸方向の収縮が、前述の図３（ｄ）に示す本実施形態による場合と比較して大きくなる。

他の背景技術では、上述のようにパイプ部２３６の熱膨張による伸び及び冷却による収縮が大きくなるため、台座２８及びネック部４０ａで固定された光ファイバ２４の撓みｄｆが大きくなってしまう。その結果、他の背景技術では、パッケージ１２内の光ファイバ２４における横方向へのせん断応力の発生を抑制することが困難であり、光ファイバ２４の破損の発生を抑制することは困難である。

以上のとおり、本実施形態によれば、半導体レーザ素子２０を収納したパッケージ１２について良好な気密性を確保しつつ、半導体レーザ素子２０に光学的に結合される光ファイバ２４の破損の発生を抑制又は防止することができる。

［変形実施形態］
本発明は、上記実施形態に限らず、種々の変形が可能である。

例えば、上記実施形態では、光素子として半導体レーザ素子２０がパッケージ１２内に収納された場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。光素子としては、半導体レーザ素子２０に代えて、発光ダイオード等の発光素子を用いることもできるし、フォトダイオード等の受光素子を用いることもできる。

また、上記実施形態では、封止材４４として低融点ガラスからなるものを用いた場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。封止材４４としては、低融点ガラスからなるものに代えて、はんだ、樹脂等からなるものを用いることもできる。なお、はんだからなる封止材４４を用いる場合、光ファイバ２４として、少なくとも封止材４４で封止される一端部分が金属層で被覆されたメタライズファイバを用いることができる。封止材４４がはんだ、樹脂等からなる場合においても、上述のように、パイプ先端部４０を、封止材４４よりも熱膨張係数が高いものとすることができる。これにより、ネック部４０ａにおいて、封止材４４及び光ファイバ２４をパイプ先端部４０が締め付けるカシメ効果を十分に得ることができ、良好な気密性を確保することができる。

また、上記実施形態では、パイプ先端部４０のネック部４０ａにおいて中心軸方向の長さＬよりも内径Ｄが大きくなっている場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。ネック部４０ａにおいて、必ずしも長さＬよりも内径Ｄが大きくなっている必要はなく、長さＬと内径Ｄが等しくてもよいし、長さＬが内径Ｄよりも大きくなっていてもよい。

また、上記実施形態では、底板部３０、外枠部３２及び蓋部３４により半導体レーザ素子２０を収納するパッケージ本体部を構成する場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。パッケージ本体部は、光素子を収納することができるものであれば、あらゆる部材であらゆる形状に構成することができる。

また、上記実施形態では、パッケージ本体部のうちの外枠部３２にパイプ部３６が設けられている場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。パイプ部３６は、これに挿通される光ファイバ２４が、パッケージ本体部内に収納された光素子に光学的に結合されうるようにパッケージ本体部に設けられていればよい。

また、上記実施形態では、パイプ本体部３８と外枠部３２とが別個に形成され、外枠部３２と底板部３０とが別個に形成されている場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。パッケージ１２のうちの外枠部３２及びパイプ本体部３８は、図８に示すように一体的に形成されていてもよい。または、パッケージ１２のうちの底板部３０、外枠部３２及びパイプ本体部３８は、図９に示すように一体的に形成されていてもよい。一体的に形成された外枠部３２及びパイプ本体部３８、又は一体的に形成された底板部３０、外枠部３２及びパイプ本体部３８としては、例えば金属射出成形法（Metal Injection Molding、ＭＩＭ）による一体成形にて加工したものを用いることができる。これらの場合、パイプ本体部３８は、外枠部３２の前側壁部３２ａに一体的に形成される。外枠部３２に一体的に形成されたパイプ本体部３８の先端部には、パイプ先端部４０を銀ろう付けやレーザ溶接等で接合させることができる。

１０…光素子モジュール
１２…パッケージ
２０…半導体レーザ素子
２４…光ファイバ
３６…パイプ部
３８…パイプ本体部
４０…パイプ先端部
４０ａ…ネック部
４４…封止材

Claims (10)

1. 光素子を収納するパッケージ本体部と、
   前記パッケージ本体部に設けられ、前記光素子と光学的に結合される光ファイバが挿通されるパイプ部と、
   前記パッケージ本体部内に設けられ、前記光ファイバの一端が固定される固定部とを有し、
   前記パイプ部が、
   前記パッケージ本体部に基端が固定された第１のパイプ部と、
   前記第１のパイプ部の先端に接合され、前記第１のパイプ部よりも熱膨張係数が高く、封止材により封止される第２のパイプ部とを有することを特徴とする光素子用パッケージ。
2. 前記第２のパイプ部が、前記封止材よりも熱膨張係数が高いことを特徴とする請求項１記載の光素子用パッケージ。
3. 前記第２のパイプ部が、前記パイプ部のうちの他の部分よりも内径が小さく、前記封止材により封止されるネック部を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の光素子用パッケージ。
4. 前記ネック部が、中心軸方向の長さよりも内径が大きくなっていることを特徴とする請求項３記載の光素子用パッケージ。
5. 前記ネック部の前記中心軸方向の長さが、０．３〜０．８ｍｍであり、
   前記ネック部の前記内径が、０．５〜１．０ｍｍであることを特徴とする請求項４記載の光素子用パッケージ。
6. 前記封止材が、低融点ガラスからなるものであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光素子用パッケージ。
7. 前記第１のパイプ部の熱膨張係数が、４．５×１０^−６〜６．５×１０^−６／℃であり、
   前記第２のパイプ部の熱膨張係数が、７.０×１０^−６〜９.０×１０^−６／℃であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光素子用パッケージ。
8. 前記第１のパイプ部の材料が、コバール、４２アロイ又はセラミックであり、
   前記第２のパイプ部の材料が、４２アロイ、４５アロイ、４７アロイ、５０アロイ、５２アロイ、７８アロイであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光素子用パッケージ。
9. 前記光素子が、半導体レーザ素子であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光素子用パッケージ。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光素子用パッケージと、
    前記パッケージ本体部に収納された前記光素子と、
    前記パイプ部に挿通され、一端が前記固定部に固定された前記光ファイバと、
    前記光ファイバが挿通された前記第２のパイプ部を封止する前記封止材と
    を有することを特徴とする光素子モジュール。

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