光學半導體和光學半導體模塊的密封封裝的製作方法
2023-05-06 22:48:11 1
專利名稱：光學半導體和光學半導體模塊的密封封裝的製作方法
技術領域：
本發明涉及配備光傳輸窗的光學半導體的密封封裝，以及光學半導體元件在其內部的屏蔽，以及涉及使用這種光學半導體密封封裝的光學半導體模塊。
背景技術：
光學半導體模塊的密封封裝在光通信中作為非常重要的問題考慮，以便保證高的可靠性。這是因為光學半導體元件的電極在高溫和溼度下將會退化，以及因為進入封裝內的水分將會凝固和降低光學特性，因而光學半導體元件的使用壽命不能保證超過10年。
同時，對於光學半導體模塊，在封裝內部的光學半導體元件必須與外部的光纖光學連接。鑑於這一點，光傳輸窗結構已應用於光學半導體的密封封裝，以便光學連接封裝內部的光學半導體元件和外部的光纖，而仍保持封裝的氣密性。
日本待審專利申請書H 6-151629公開了使用藍寶石製造光傳輸窗。由於藍寶石優異的光傳輸性和高強度，它經常用於屏蔽(密封封裝)光學半導體模塊。此藍寶石用鑽頭加工成圓形。
日本待審專利申請書H 11-54642提出一種光學半導體模塊用的窗結構，它使用實質上規則六邊形的硼矽酸鹽玻璃、製造光傳輸窗，硼矽玻璃比藍寶石價廉和光傳輸性好，以及它是一種各向同性材料和不會帶來雙折射。來自熱量和其它的應力引起彈性應變，它使極化面變形，但是已發現，如果應力是均勻地施加至玻璃，如日本待審專利申請書H11-54642所討論，隨後極化消光率將降低(約-40dB)，這樣任何大的問題不會產生。再者，規則的六邊形允許使用低成本的切割過程，因而另一個優點就是降低了窗材料的成本。不幸的是，硼矽玻璃的缺點是強度低，當它用於苛刻的條件時，必須小心對待。
極化面的變形，通常用極化消光率表示。在橫向尼科耳稜鏡實驗系統中，光發射側面的極化器相對於光入射側面轉動90°，最大光強度為Imax和最小光強度為Imin，以及極化消光率為10×10g10(Imin/Imax)。
降低光學半導體模塊的成本在現代光通信中具有重要意義。它要求密封封裝用窗材料的改進，這種密封封裝可作為光學半導體模塊的屏蔽用。然而，需要用鑽切割加工藍寶石為圓形，如由以上日本待審專利申請書H 6-151629所述，以及由於窗材料的此項加工可能劃傷或其它損傷，它降低了合格率和提高了成本。
由於高密度波長多路化工藝和提高速度工藝變得複雜，不可避免的是應保持光的極化面和獲得波長的均勻性。為了達到上述兩個目的，最好形成外諧振器結構，例如，光纖光柵，除密封封裝外還通過光纖，但這裡再次需要保持光的極化面。如果用強度水平的極化消光率表示此點，嚴格的條件Imax至少為Imin的1000倍，(即-30dB)變得必須。因為在日本待審專利申請書H 11-54642中獲得不夠滿意的結果，這裡提出的結構的使用仍舊受阻於要求極高可靠性的領域，例如，海底電纜。
發明內容
本發明考慮到這種情況，以及本發明的目的是提供一種光學半導體的密封封裝和一種光學半導體模塊，它可簡便地和廉價地製造，具有高的可靠性，以及不會引起極化面的變形。為了達到上述目的，本發明提供一種用於光學半導體的密封封裝，它配備光傳輸窗，其光傳輸表面與封裝底面的垂直線至少傾斜6°，以及它使用釺焊材料連接到封裝側壁上的圓部件上，而窗材料是由光傳輸陶瓷板組成，在其上形成圍繞周邊的金屬噴鍍部分，在板的中心保留圓的光傳輸部分。本發明還提供用於光學半導體的密封封裝，其陶瓷板是由含鋁的氧化物(例如氧化鋁或尖晶石)燒結體製成。製造光傳輸尖晶石燒結體的方法在日本專利2620287和2620688中公開。
本發明提供一種光學半導體模塊，它具有光學半導體元件位於本發明的上述光學半導體密封封裝內部，以及位於此封裝外面的光學纖維。
由於光傳輸陶瓷比藍寶石易於加工，可以容易地使用鑽孔法加工製造盤件，它有助於降低成本。此外，這種材料容易切割成規則的六邊形，如同硼矽玻璃一樣。當低成本切割實現時，規則的六邊形提供了最高的成品率。成品率甚至超過普通的鑽孔，因為切割片的尖端比鑽頭尖端小。粘接薄片板可以用於切割，從而沒有切屑分散，以及窗材料可以用較高成品率製造，使成本降低。
使用單軸晶體時，例如藍寶石，如果光學軸對晶體的C-軸，則雙折射不會產生。如果入射光與極化光呈直線，C-軸將處於極化面內，以及不會有雙折射產生。為了保證在光通信領域內要求的極化消光率-30dB，極化面必須對準C-軸面。較大的極化消光率是損失和幹擾波源。如果窗材料是由光傳輸陶瓷的燒結體製造，雖然它處於多晶狀態(小晶體的集合)和是光學各向同性的，以及當光線通過時，極化面的變形可以消除，與窗材料的取向無關。因此，光學半導體密封封裝可以容易地製造，而不需要任何定位，這樣就降低了成本。
本發明的光學半導體密封封裝可以用於生產光學半導體模塊，它的成本低和可靠性高，以及它沒有極化面變形。
圖1是本發明的光學半導體密封封裝的光傳輸窗的實例的簡化透視圖。
圖2a和2b是本發明中作為窗材料的光傳輸陶瓷板的頂視圖，其中圖2a示出六邊形窗和圖2b示出盤形窗。
具體實施例方式
本發明的光學半導體密封封裝參見附圖予以說明。
圖1是本發明的光學半導體密封封裝的光傳輸窗的實例的簡化透視圖。圖2a和2b是作為窗材料的光傳輸陶瓷板的頂視圖，其中圖2a示出六邊形窗材料和圖2b示出圓形窗材料。圓部件3配合和釺焊到密封封裝1的封裝側壁2的通孔內，它隨後進行鍍金或其它類似處理，以製造中間封裝產品。5是底板。窗材料4接合到圓部件3上以組成光傳輸窗。在本發明中，如圖2a或2b所示，窗材料4是由光傳輸陶瓷板組成，它實質上是規則的六邊形板或盤，沿其周邊形成噴金屬部分，在中心保留圓形的光傳輸部分。如果陶瓷板是由含鋁的氧化物(例如氧化鋁或尖晶石)的燒結體製成，隨後窗材料將是光學各向同性的，以及當光線通過時極化面的變形可以消除，與窗材料的取向無關，它導致成本的降低。
在各種可獲得的光傳輸陶瓷中，含鋁的氧化物(氧化鋁或尖晶石)的燒結體具有特別高的強度，提供的窗材料的耐久性優於硼矽玻璃製造的。這些氧化物陶瓷的其它優點是允許噴鍍金屬(Ti/Pt/Au，等)它是釺焊所需的。
此外，這些氧化物陶瓷提供的光傳輸百分比(它是窗材料最重要的光學特性)為至少95％，以及最好為至少98％，它通過鏡面拋光和實際厚度約0.3mm的抗反射塗層(即MgF)。
藉助連接封裝內部的光學半導體元件和同一封裝外部的光纖而使用上述光學半導體密封封裝即可生產出光學半導體模塊。
實例1一種光學半導體密封封裝的生產方法是使用銀釺焊，使用柯伐合金(Kovar)底板，柯伐合金側壁和柯伐合金圓管作為光傳輸窗。對於端子，使用低熔點玻璃密封的銷釘，並鍍鎳或金。為了配合光傳輸陶瓷(尖晶石燒結體)板進入側壁，具有相對於側壁傾斜表面至少6°的管子銀釺焊成這樣，使傾斜表面至少6°進入極化面的5°內。實際上是，在側壁上制有圓孔，圓管配合入孔內，以及此管子用碳夾具定位。窗塗覆MgF抗反射塗層。此塗層可以是TiO和SiO多層膜。在光傳輸陶瓷上的金屬噴鍍是Ti/Pt/Au，由光傳輸陶瓷側面開始。切割用於加工光傳輸陶瓷(尖晶石燒結體)。在這裡金屬噴鍍強度增加的方法是，沿切割線不使用金屬噴鍍。光傳輸陶瓷(尖晶石燒結體)使用AuSn釺焊材料氣密連接到外殼上。使用這種窗材料使成本降低一半。
由於使用了由光傳輸陶瓷(尖晶石燒結體)的小晶體集合而成的多晶材料，作為窗材料，以及窗是光學各向同性的，窗的角度與雙折射無關，這樣極化消光率為-30dB或更少，與角度無關。因此，在這裡不需要高精度的管子對準。這樣使成品率提高10％，以及進一步降低了成本。
實例2PANDA纖維(極化和衰減降低光纖)連接至實例1的具有窗結構的光學半導體模塊，它可使當線極化保持在高水平時光傳播。在此種情況下，光纖放大器需要的一組消光束被極化和合成，它使光纖放大器可以更有效地工作。它還有可能簡化波導管的結構，它可進一步降低成本。
實例3調製器模塊是用LN陶瓷(LiNbO)製造的，它是使用實例1的封裝的各向異性光學材料。調製器模塊使用了馬赫-齊納(Mach-Zehnder)元件。由於窗的極化消化率低，它有可能抑制在LN調製器內部產生的雙折射，以獲得具有良好的信/噪比的光學信號。
實例4實例1的窗結構使用於半導體雷射器，它抑制連接至窗外部的波導管的光學損失。
實例5極化依賴性是半導體光電放大器存在的問題，但是用λ/4(1/4波長)板可以獲得直線極化光線，它有可能增強模塊的放大特性，這種模塊使用配備實例1窗結構的殼體。這樣減少了光-光開關元件的插入損失，有可能用於使用半導體放大器的高速工作或波長轉換元件，以獲得具有良好的信/噪比的光學信號。
實例6一種抗反射機構，它選擇地反射特定的波長，例如纖維光柵，它設置在實例1封裝的外部，它導致與殼體內的光學元件諧振。它有可能抑制窗的雙折射引起的振動模式的幹擾，以獲得具有良好的波長選擇性的光學半導體模塊。此外，光信號損失小和光強度增加。
本發明提供了具有窗結構的光學半導體密封封裝，它可以容易地和廉價地製造，它提供高的可靠性，以及不會導致極化面的損壞。此外，使用具有這種窗的光學半導體密封封裝提供了具有高的光學強度以及優良模式穩定性的光學半導體模塊。
權利要求
1.一種配備光傳輸窗的光學半導體的密封封裝，其光傳輸表面相對於封裝底面的垂線至少傾斜6°，以及它使用釺焊材料連接到封裝側壁上的圓部件上，而窗材料是由光傳輸陶瓷板組成，在其上形成圍繞周邊的金屬噴鍍部分，在板的中心保留圓的光傳輸部分。
2.按照權利要求1的密封封裝，其特徵在於，陶瓷板是含鋁(Al)的氧化物的燒結體。
3.按照權利要求2的密封封裝，其特徵在於，燒結體具有主成分是光傳輸氧化鋁(Al2O3)或光傳輸尖晶石(MgAl2O4)。
4.按照權利要求1的密封封裝，其特徵在於，窗中心部分的光傳輸部分塗覆抗反射塗層，以及傳輸百分比至少為95％。
5.按照權利要求1的密封封裝，其特徵在於，窗材料為圓形或實質上規則的六邊形。
6.一種光學半導體模塊，具有光學半導體的密封封裝，其光學半導體元件位於內部，以及光纖位於外部，而此密封封裝配備光傳輸窗，其光傳輸表面相對於封裝底面的垂線至少傾斜6°以及它使用纖焊材料連接到封裝側壁的圓部件上，而窗材料是由光傳輸陶瓷板組成，在其上形成圍繞周邊的金屬噴鍍部分，在板的中心保留圓的光傳輸部分。
全文摘要
一種配備光傳輸窗的光學半導體的密封封裝,其光傳輸表面相對於封裝底面的垂線至少傾斜6°,以及它使用釺焊材料連接到封裝側壁的圓部件上,而窗材料是由光傳輸陶瓷板組成(例如氧化鋁或尖晶石),陶瓷板為實質上規則的六邊形或盤形,在其上形成圍繞周邊的金屬噴鍍部分,在板的中心保留圓的光傳輸部分;以及使用這種封裝的光學半導體模塊。這種密封封裝和光學半導體模塊可以容易地和廉價地製造,具有高的可靠性以及不會有極化面變形。
文檔編號H01S5/022GK1388398SQ02105770
公開日2003年1月1日 申請日期2002年4月17日 優先權日2001年5月30日
發明者田遠伸好, 柴田憲一郎 申請人:住友電氣工業株式會社