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JP2800760B2 - Optical semiconductor module - Google Patents

Optical semiconductor module

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Publication number
JP2800760B2
JP2800760B2 JP8029769A JP2976996A JP2800760B2 JP 2800760 B2 JP2800760 B2 JP 2800760B2 JP 8029769 A JP8029769 A JP 8029769A JP 2976996 A JP2976996 A JP 2976996A JP 2800760 B2 JP2800760 B2 JP 2800760B2
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JP
Japan
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optical fiber
package
optical semiconductor
optical
metal pipe
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賢治 山内
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NEC Corp
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NEC Corp
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体モジュー
ル、特に半導体素子を内蔵した気密封止パッケージにお
いて半導体素子を光学的に結合させた光ファイバをパッ
ケージの外部に取り出すための気密封止構造を有する半
導体モジュールに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a hermetically sealed package for taking out an optical fiber optically coupled with a semiconductor element to the outside of a semiconductor module, particularly a hermetically sealed package containing a semiconductor element. The present invention relates to a semiconductor module.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、半導体モジュールにおける半導体
素子は、パッケージのキャビティ部に配設されたシリコ
ン基板に装着されているため、キャビティ部を気密封止
する必要がある。この気密封止は、パッケージにキャッ
プをかぶせることにより行われるが、フェルールに固定
された光ファイバ部を直接気密封止する構造になるた
め、この光ファイバ部を気密封止する方法が重要な問題
になっていた。
2. Description of the Related Art Conventionally, since a semiconductor element in a semiconductor module is mounted on a silicon substrate provided in a cavity of a package, it is necessary to hermetically seal the cavity. This hermetic sealing is performed by placing a cap on the package. However, since the optical fiber portion fixed to the ferrule is directly hermetically sealed, a method of hermetically sealing this optical fiber portion is an important problem. Had become.

【0003】従来、気密封止の工法は、半田封止、ガラ
ス封止、樹脂封止、およびシーム封止があるが、光ファ
イバを直接気密封止することができる工法としては、半
田封止、ガラス封止、及び樹脂封止が用いられている。
Conventionally, methods of hermetic sealing include solder sealing, glass sealing, resin sealing, and seam sealing. However, as a method of directly hermetically sealing an optical fiber, solder sealing is used. , Glass sealing, and resin sealing are used.

【0004】図3には、従来の半導体モジュールの一例
(特願平6−109283)が示されている。この例の
半導体モジュールは、光半導体素子30、光半導体素子
30と光学的に結合される短尺光ファイバ31、短尺光
ファイバ31が収容されるフェルール33、フェルール
33の外径よりわずかに大きな内径を有し、フェルール
33に篏合されるスリーブ部34により構成されてい
る。
FIG. 3 shows an example of a conventional semiconductor module (Japanese Patent Application No. 6-109283). The semiconductor module of this example has an optical semiconductor element 30, a short optical fiber 31 optically coupled to the optical semiconductor element 30, a ferrule 33 accommodating the short optical fiber 31, and an inner diameter slightly larger than the outer diameter of the ferrule 33. And has a sleeve portion 34 fitted to the ferrule 33.

【0005】光半導体素子30は、シリコン基板32に
AuSnにより接合されている。一方、短尺光ファイバ
31の光半導体素子30と光結合する面と反対側の部分
は、あかじめフェルール33に収容され、接着剤により
固着されている。
The optical semiconductor element 30 is bonded to a silicon substrate 32 by AuSn. On the other hand, the portion of the short optical fiber 31 opposite to the surface that optically couples with the optical semiconductor element 30 is housed in the ferrule 33 in advance and fixed by an adhesive.

【0006】また、短尺光ファイバ31は、その先端コ
ア部がフッ酸による化学エッチングにより凸面加工され
ており、予め化学エッチングにより設けられたシリコン
基板32のV溝上に配設され、半田または接着剤により
固着され、光半導体素子30と光学的に結合されてい
る。
In addition, the short optical fiber 31 has a distal end core portion having a convex surface processed by chemical etching using hydrofluoric acid, and is disposed on a V groove of a silicon substrate 32 provided in advance by chemical etching, and is provided with a solder or an adhesive. And is optically coupled to the optical semiconductor element 30.

【0007】フェルール33はスリーブ34に挿入さ
れ、スリーブ34はフェルール33よりわずかに大きい
内径を有し、半導体モジュール300のパッケージ35
に配設され、フェルール33の根元はパッケージ35に
固着されている。
[0007] The ferrule 33 is inserted into a sleeve 34, which has a slightly larger inner diameter than the ferrule 33, and a package 35 of the semiconductor module 300.
And the base of the ferrule 33 is fixed to the package 35.

【0008】この例の半導体モジュール300の組立方
法としては、まず光半導体素子30がAuSn半田によ
り接合されたシリコン基板32をパッケージ35のキャ
ビティ部40に配設する。次に、フェルール33に固定
させた短尺光ファイバ31をシリコン基板32のV溝上
に配設し、固定する。次に、パッケージ35にキャップ
をかぶせる。以上の方法により、光半導体素子30が配
設された半導体モジュール300のキャビティ部40の
気密封止が行われていた。
As a method of assembling the semiconductor module 300 of this example, first, a silicon substrate 32 to which an optical semiconductor element 30 is bonded by AuSn solder is provided in a cavity 40 of a package 35. Next, the short optical fiber 31 fixed to the ferrule 33 is disposed on the V groove of the silicon substrate 32 and fixed. Next, the package 35 is covered with a cap. According to the above method, the cavity portion 40 of the semiconductor module 300 in which the optical semiconductor element 30 is provided is hermetically sealed.

【0009】しかし、半田封止は、光ファイバが石英ガ
ラスであることから、直接半田をつけることができず、
半田封止を行うためには光ファイバに予め金属コート等
の処理を施す必要があった。しかしながら、この金属コ
ートには高いコストが必要であり、また、金属コートを
行うことで光ファイバの外径がばらつくという問題が発
生し、シリコン基板のV溝上に光ファイバを固定したと
きに光ファイバの中心位置がばらつくという欠点があっ
た。
However, since the optical fiber is made of quartz glass, the solder cannot be directly soldered.
In order to perform solder sealing, it was necessary to apply a treatment such as metal coating to the optical fiber in advance. However, this metal coating requires a high cost, and the problem that the outer diameter of the optical fiber varies due to the metal coating occurs. When the optical fiber is fixed on the V groove of the silicon substrate, There is a drawback that the center position of the varies.

【0010】また、光ファイバを直接気密封止する工法
の内、ガラス封止は、通常ガラス封止に使用する低融点
ガラスの融点が450℃以上と高いため、パッケージ全
体の気密封止に適用した場合、シリコン基板に光半導体
素子を配設する際に使用したAuSn半田が再溶融する
ことになり、光半導体素子の配設位置のずれが発生し、
また接合部の信頼性の低下を招くという問題が生じてい
た。
[0010] Among the methods for directly hermetically sealing an optical fiber, glass sealing is applied to hermetically sealing the entire package because the melting point of the low melting glass usually used for glass sealing is as high as 450 ° C or higher. In this case, the AuSn solder used when disposing the optical semiconductor element on the silicon substrate is re-melted, and the disposition of the optical semiconductor element is shifted,
In addition, there has been a problem that the reliability of the joint is reduced.

【0011】また、光ファイバを直接気密封止する工法
の内、樹脂封止では、光半導体素子が必要とする10-8at
m・cc/sec. オーダーの気密度を満足させることが困難
であり、且つ湿度に対する気密部の信頼性が低いという
問題があった。
In the method of directly hermetically sealing an optical fiber, resin sealing requires a 10 -8 at
There is a problem that it is difficult to satisfy the air density of the order of m · cc / sec., and that the reliability of the hermetic part against humidity is low.

【0012】[0012]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来の欠点
を解消し、光ファイバを固定している接着剤やパッケー
ジ内部に配設された光半導体素子への影響を最小限に抑
え、且つ高い気密度を実現することができる半導体モジ
ュールを提供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention solves the conventional disadvantages and minimizes the influence on an adhesive for fixing an optical fiber and an optical semiconductor element disposed inside a package, and It is an object of the present invention to provide a semiconductor module capable of realizing high airtightness.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】本発明の半導体モジュー
ルは、光半導体素子と、光半導体素子と光学的に結合さ
れる光ファイバと、光ファイバを固定するフェルール
と、光半導体素子と光ファイバを収納するパッケージと
を有し、光ファイバは光ファイバの外径より大きい内径
を有し光ファイバより短い金属パイプに挿通され、低融
点ガラスにより金属パイプに固定され、光ファイバを固
定した金属パイプはフェルールと接着固定され、光半導
体素子を実装した基板がパッケージのキャビティに配置
され、光ファイバはパッケージ内の所定の位置に固定さ
れ、金属パイプはパッケージ上端面とパッケージを封止
するキャップとにより半田付けされる。
A semiconductor module according to the present invention comprises an optical semiconductor device, an optical fiber optically coupled to the optical semiconductor device, a ferrule for fixing the optical fiber, and an optical semiconductor device and the optical fiber. The optical fiber has an inner diameter larger than the outer diameter of the optical fiber, is inserted through a metal pipe shorter than the optical fiber, is fixed to the metal pipe with low-melting glass, and the metal pipe to which the optical fiber is fixed is The board on which the optical semiconductor element is mounted is fixed in the package cavity, the optical fiber is fixed in place in the package, and the metal pipe is soldered by the package top surface and the cap that seals the package. Attached.

【0014】本発明の半導体モジュールはまた、フェル
ールに光ファイバおよび金属パイプが挿通される開口部
が形成されている。
In the semiconductor module of the present invention, an opening for inserting an optical fiber and a metal pipe is formed in the ferrule.

【0015】本発明の光半導体モジュールはまた、パッ
ケージとキャップとが、金属パイプが配設される部分の
切り欠きを有する形状に加工された半田プリフォームに
より半田付けされる。
Further, in the optical semiconductor module of the present invention, the package and the cap are soldered by a solder preform processed into a shape having a notch at a portion where the metal pipe is provided.

【0016】本発明の光半導体モジュールはまた、パッ
ケージに金属パイプを配設させる部分の切り欠きが形成
されている。
In the optical semiconductor module of the present invention, a cutout is formed in a portion where the metal pipe is disposed in the package.

【0017】本発明の光半導体モジュールはさらに、光
ファイバは、パッケージに形成されたキャビティ部内の
光半導体素子が装着された基板に固定される。
Further, in the optical semiconductor module of the present invention, the optical fiber is fixed to a substrate on which the optical semiconductor element is mounted in a cavity formed in the package.

【0018】[0018]

【発明の実施の形態】図1には、本発明による光半導体
モジュールの一実施形態の斜視図が、また図2には同実
施形態の断面図が示されている。本実施例の光半導体モ
ジュールは、主に光半導体素子1、上部にV溝3が形成
されたシリコン基板2、パッケージ4、パッケージ4に
形成されたキャビティ部5、キャビティ部5を気密封止
するキャップ8、および光ファイバ9から構成されてい
る。
FIG. 1 is a perspective view of an embodiment of an optical semiconductor module according to the present invention, and FIG. 2 is a sectional view of the embodiment. In the optical semiconductor module of this embodiment, the optical semiconductor element 1, the silicon substrate 2 having the V-groove 3 formed thereon, the package 4, the cavity 5 formed in the package 4, and the cavity 5 are hermetically sealed. It comprises a cap 8 and an optical fiber 9.

【0019】光半導体素子1は、シリコン基板2の所定
の位置に装着され、シリコン基板2はパッケージ4に形
成されたキャビティ部5に固着されている。また、シリ
コン基板2上部に形成されたV溝3には光ファイバ9が
固定され、光半導体素子1と光ファイバ9とが光学的に
結合されるように構成されている。また、パッケージ4
のキャビティ部5上部には、キャビティ部5を気密封止
させるためのキャップ8が取着されている。
The optical semiconductor element 1 is mounted at a predetermined position on a silicon substrate 2, and the silicon substrate 2 is fixed to a cavity 5 formed in a package 4. An optical fiber 9 is fixed to the V-groove 3 formed on the silicon substrate 2 so that the optical semiconductor element 1 and the optical fiber 9 are optically coupled. Package 4
A cap 8 for hermetically sealing the cavity 5 is attached to the upper part of the cavity 5.

【0020】ここで、本実施例の光半導体モジュールの
組み立て工程を説明する。まず、貫通穴が設けられた金
属パイプ10に光ファイバ9を通し、光ファイバ9を低
融点ガラス12により金属パイプ10に気密封止固定す
る。低融点ガラス12を加熱する際は、整列用冶具等に
金属パイプ10を立てておき、貫通穴に光ファイバ9を
貫通させた後、低融点ガラス12を光ファイバ9と金属
パイプ10の間に挿着させて冶具ごと加熱炉に入れて加
熱させる。
Here, an assembling process of the optical semiconductor module of this embodiment will be described. First, an optical fiber 9 is passed through a metal pipe 10 provided with a through hole, and the optical fiber 9 is hermetically sealed and fixed to the metal pipe 10 with a low-melting glass 12. When the low-melting glass 12 is heated, the metal pipe 10 is set up on an alignment jig or the like, and the optical fiber 9 is passed through the through hole. The jig is inserted into the heating furnace and heated.

【0021】次に、フェルール11に光ファイバ9を接
着固定する。接着には例えばエポキシ系の接着剤を使用
するが、このエポキシ系接着剤は低融点ガラス12を溶
融する際の400℃〜450℃の熱には耐えられない。
そこで、低融点ガラス12による気密封止固定をした後
に、光ファイバ9をフェルール11に接着固定する。
Next, the optical fiber 9 is bonded and fixed to the ferrule 11. For bonding, for example, an epoxy-based adhesive is used, but this epoxy-based adhesive cannot withstand the heat of 400 ° C. to 450 ° C. when the low-melting glass 12 is melted.
Then, after the hermetic sealing and fixing with the low-melting glass 12, the optical fiber 9 is bonded and fixed to the ferrule 11.

【0022】なお、光ファイバ9には、通常、折損防止
のため保護被覆が施されているが、この保護被覆には耐
熱性がないため、短尺の光ファイバ素線を使用し、また
光ファイバコードとの接続を考慮してフェルール11に
接着固定する構造としている。フェルール11に光ファ
イバ9を接着固定した後、フェルール11の先端を光学
研磨する。
The optical fiber 9 is usually provided with a protective coating to prevent breakage, but since the protective coating does not have heat resistance, a short optical fiber is used. The structure is such that the ferrule 11 is adhered and fixed in consideration of the connection with the cord. After the optical fiber 9 is bonded and fixed to the ferrule 11, the tip of the ferrule 11 is optically polished.

【0023】光半導体素子1が所定の位置に装着された
シリコン基板2は、パッケージ4に形成されたキャビテ
ィ部5の所定の位置に固着する。次に、シリコン基板2
に装着した光半導体素子1からの出射光が結合するよう
に光軸を一致させたV溝3に光ファイバ9を固定し、光
半導体素子1と光ファイバ9とを光学的に結合させる。
これにより、光学系が完成することになる。なお、パッ
ケージ4には、フェルール11を固定するための溝6が
設けられており、溝6の深さはフェルール11の半径以
下の所定の深さに形成されている。
The silicon substrate 2 on which the optical semiconductor element 1 is mounted at a predetermined position is fixed to a predetermined position of a cavity 5 formed in a package 4. Next, the silicon substrate 2
The optical fiber 9 is fixed in the V-groove 3 whose optical axis is aligned so that the light emitted from the optical semiconductor element 1 mounted on the optical semiconductor element 1 is coupled, and the optical semiconductor element 1 and the optical fiber 9 are optically coupled.
Thus, the optical system is completed. The package 4 is provided with a groove 6 for fixing the ferrule 11, and the depth of the groove 6 is formed to a predetermined depth equal to or less than the radius of the ferrule 11.

【0024】パッケージ4に形成されたキャビティ部5
の壁面上部には、気密封止用の半田プリフォーム7を配
設する。半田プリフォーム7には、金属パイプ10を貫
通させるための切欠きを設けておいてもよい。また、半
田封止が可能なようにパッケージ4の上面はメタライズ
しておく。同様にキャップ8もメタライズしたものを使
用する。キャップ8をパッケージ4上部に配設した半田
プリフォーム7に装着し、加熱する。加熱温度は、半田
プリフォーム7の溶解温度よりも若干高く設定し、完全
に半田プリフォーム7が溶解することによりパッケージ
4、金属パイプ10、およびキャップ8の半田封止を行
う。
Cavity 5 formed in package 4
A solder preform 7 for hermetic sealing is disposed on the upper wall surface of. The solder preform 7 may be provided with a notch for allowing the metal pipe 10 to pass therethrough. Also, the upper surface of the package 4 is metallized so that solder sealing can be performed. Similarly, a metallized cap 8 is used. The cap 8 is mounted on the solder preform 7 provided on the package 4 and heated. The heating temperature is set slightly higher than the melting temperature of the solder preform 7, and the package 4, the metal pipe 10, and the cap 8 are solder-sealed by completely melting the solder preform 7.

【0025】[0025]

【発明の効果】以上の説明より明かなように、本発明の
光半導体モジュールによれば、低融点ガラスによる気密
封止を短尺の光ファイバと金属パイプとの間にのみ使用
し、その他の気密封止は半田封止を採用したため、光フ
ァイバを固定している接着剤やパッケージ内部の光半導
体素子等への熱による影響を最小限に抑制した状態でパ
ッケージの気密封止を行うことが可能になる。
As is clear from the above description, according to the optical semiconductor module of the present invention, the hermetic sealing with low melting point glass is used only between the short optical fiber and the metal pipe, and the other airtight sealing is used. Solder sealing is used for hermetic sealing, so that the package can be hermetically sealed while minimizing the effects of heat on the adhesive fixing the optical fiber and the optical semiconductor elements inside the package. become.

【0026】また、気密封止を行う際、低融点ガラスと
半田封止という高気密度封止に適した工法を採用してい
るため、気密の信頼性が高くなる。
Further, when the hermetic sealing is performed, a method suitable for high hermetic sealing such as low melting point glass and solder sealing is employed, so that the hermetic reliability is improved.

【0027】さらに、光ファイバを低融点ガラスを使用
して金属パイプに固定する際、整列用冶具等の型に金属
パイプを立て、金属パイプの貫通穴に光ファイバを挿着
させた後、低融点ガラスを金属パイプと光ファイバとの
間に注入し、冶具ごと加熱炉に入れて加熱させることが
できるため、多量の光ファイバをバッチ処理させること
ができ、量産が可能となる。
Further, when the optical fiber is fixed to the metal pipe by using a low-melting glass, the metal pipe is set up in a mold such as an alignment jig and the optical fiber is inserted into the through hole of the metal pipe. Since the melting point glass can be injected between the metal pipe and the optical fiber, and the jig can be put into a heating furnace and heated, a large number of optical fibers can be batch-processed, and mass production becomes possible.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の光半導体モジュールの構成例を示す斜
視図である。
FIG. 1 is a perspective view showing a configuration example of an optical semiconductor module of the present invention.

【図2】図1に示す光半導体モジュールの断面図であ
る。
FIG. 2 is a sectional view of the optical semiconductor module shown in FIG.

【図3】従来の光半導体モジュールの構成例を示す断面
図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a conventional optical semiconductor module.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1、30 光半導体素子 2、32 シリコン基板 3 V溝 4、35 パッケージ 5、40 キャビティ部 7 半田プリフォーム 8 キャップ 9、31 光ファイバ 10 金属パイプ 11、33 フェルール 12 低融点ガラス 1, 30 Optical semiconductor device 2, 32 Silicon substrate 3 V groove 4, 35 Package 5, 40 Cavity part 7 Solder preform 8 Cap 9, 31 Optical fiber 10 Metal pipe 11, 33 Ferrule 12 Low melting glass

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 31/0232 G02B 6/42 H01L 33/00──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Fields surveyed (Int.Cl. 6 , DB name) H01L 31/0232 G02B 6/42 H01L 33/00

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 光半導体素子と、 該光半導体素子と光学的に結合される光ファイバと、 該光ファイバを固定するフェルールと、 前記光半導体素子と前記光ファイバを収納するパッケー
ジとを有し、 前記光ファイバは該光ファイバの外径より大きい内径を
有し前記光ファイバより短い金属パイプに挿通され、低
融点ガラスにより前記金属パイプに固定され、前記光フ
ァイバを固定した前記金属パイプは前記フェルールと接
着固定され、前記光半導体素子を実装した基板が前記パ
ッケージのキャビティに配置され、前記光ファイバは前
記パッケージ内の所定の位置に固定され、前記金属パイ
プは前記パッケージ上端面と該パッケージを封止するキ
ャップが半田付けされることにより気密封止されるよう
に構成されていることを特徴とする光半導体モジュー
ル。
1. An optical semiconductor device, comprising: an optical fiber optically coupled to the optical semiconductor device; a ferrule for fixing the optical fiber; and a package for housing the optical semiconductor device and the optical fiber. The optical fiber has an inner diameter larger than the outer diameter of the optical fiber, is inserted through a metal pipe shorter than the optical fiber, is fixed to the metal pipe by low-melting glass, and the metal pipe to which the optical fiber is fixed is the metal pipe. A substrate on which the optical semiconductor element is mounted is fixedly attached to a ferrule, the substrate on which the optical semiconductor element is mounted is disposed in a cavity of the package, the optical fiber is fixed at a predetermined position in the package, and the metal pipe connects the package upper end surface and the package. An optical semiconductor, wherein the sealing cap is configured to be hermetically sealed by soldering. Module.
【請求項2】 前記フェルールには、前記光ファイバお
よび前記金属パイプが挿通される開口部が形成されてい
ることを特徴とする請求項1記載の光半導体モジュー
ル。
2. The optical semiconductor module according to claim 1, wherein said ferrule has an opening through which said optical fiber and said metal pipe are inserted.
【請求項3】 前記パッケージと前記キャップとは、前
記金属パイプが配設される部分の切り欠きを有する形状
に加工された半田プリフォームにより半田付けされるこ
とを特徴とする請求項1または2記載の光半導体モジュ
ール。
3. The package according to claim 1, wherein the package and the cap are soldered by a solder preform processed into a shape having a notch in a portion where the metal pipe is provided. The optical semiconductor module according to the above.
【請求項4】 前記パッケージには前記金属パイプを配
設される部分の切り欠きが形成されていることを特徴と
する請求項1から3のいずれか1項に記載の光半導体モ
ジュール。
4. The optical semiconductor module according to claim 1, wherein the package is provided with a cutout in a portion where the metal pipe is disposed.
【請求項5】 前記光ファイバは、前記パッケージに形
成されたキャビティ部内の前記光半導体素子が装着され
た基板に固定されることを特徴とする請求項1から4の
いずれか1項に記載の光半導体モジュール。
5. The optical fiber according to claim 1, wherein the optical fiber is fixed to a substrate on which the optical semiconductor element is mounted in a cavity formed in the package. Optical semiconductor module.
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