JP2001330761A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低コストの球レンズを使いつつ、より高い結
合効率を得るようにし、非球面レンズを使うとさらに高
い結合効率を実現できるようにした発光装置を与えるこ
と。 【解決手段】 スポットサイズ変換ＬＤと集光レンズか
らなる発光装置。狭い広がりビーム角をもつスポットサ
イズ変換ＬＤの光をレンズによって集光して光ファイバ
・光導波路に入射する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信に用いる半
導体レ−ザを用いた光送信器に関する。特に低コスト
で、小型で、高性能な光送信器を実現するためのもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】図１に従来例の半導体レ−ザの構造を示
す。これは金属ケースの中に収容された縦型の構造を持
つ光送信モジュールである。現在使用されている光送信
モジュールの主流をなしている。この光送信モジュール
１は金属製のパッケージを有する。金属円盤であるステ
ム２の中央上面にポール３が形成され側面にＬＤ４が固
定される。ステム２の中央部にはＰＤ５が受光面を上向
きにして取り付けられている。上壁を有する円筒形金属
のキャップ６がＬＤ４、ＰＤ５の上部を覆っている。キ
ャップの上壁には穴７が開口している。

【０００３】キャップ６の外側を覆うように上壁をもつ
円筒形金属のレンズホルダ−８がステム２の上に固定さ
れる。円錐形のフェルールホルダ−１０がレンズホルダ
−８の上に溶接される。光ファイバ１１を把持するフェ
ルール１２がフェルールホルダ−１０の上部縦穴に差し
込まれている。ＬＤ４は端面からレ−ザ光を発生する。
これは発散角の広い光であるがレンズ９によって集光さ
れて光ファイバ１１の端面に入射する。光ファイバ・フ
ェルールの端面は反射戻り光を避けるため、斜めに研磨
してある。このように三次元的な構成をもつものではＬ
Ｄ光が発散するのでレンズが不可欠である。レンズがな
いとレ−ザ光を光ファイバに高効率で入射させられな
い。

【０００４】このようにメタルパッケージをもつ立体構
造のモジュールは現在も主流であり優勢である。金属パ
ッケージを用いるからＬＤチップは完全にハーメチック
シールされる。内部に水分や酸素が入らないので腐食酸
化のおそれがない。ために信頼性が高い。メタルのパッ
ケージは標準部品であるのでコストも低い。そのような
長所に恵まれたモジュールである。

【０００５】しかし、そのようなモジュールでもなお、
さらなる低コスト化への要求は強い。本発明は、ＬＤチ
ップを問題にする。従来から頻用されるＬＤは長手方向
に一様なストライプ構造を持つありふれたものである。
図２はその中のＬＤチップの構造を示す。特に活性層の
みを透視図として示している。ここでは最も単純なＦＰ
−ＬＤ（ファブリペローレーザ）の構造を略図として描
いている。つまりチップ両端面で反射を繰り返すことに
よって光パワーを得るようにしたものである。鋸型凹凸
を有する導波路を設けて、その作用で一定波長の光を選
択して反射するようにしたＬＤもあるが活性層の形は同
様である。

【０００６】例えば、１．３μｍのＬＤの場合、活性層
幅は１．２μｍ、活性層厚みは０．２μｍ、活性層長さ
（キャビティ長）は３００μｍ、チップ厚みは１００μ
ｍ、幅は３００μｍといったところである。この従来例
では、活性層幅は全長にわたって一定である。従って、
光ビームの放射角は３０度から４０度の程度である。つ
まりＬＤ光はかなり広い角度で広がってしまう。

【０００７】一方光ファイバはコアとクラッドからな
り、コア径は１０μｍ、クラッド径は１２５μｍである
（１．３μｍ帯の場合）。レ−ザの活性層の断面は光フ
ァイバコア断面よりも小さい。しかしレ−ザ光は３０度
〜４０度で大きく広がり、光ファイバのコアは狭いので
直接ＬＤに光ファイバを接触させてもレ−ザ光の大部分
は光ファイバに入射しない。そこで、光ファイバにレ−
ザ光を結合する場合集光のためにレンズが不可欠であっ
た。

【０００８】図１の光送信モジュールでは、ＬＤ４の広
い放射角の光を最適の条件で光ファイバに結合するため
にレンズ９による集光光学系が用いられる。この例では
両面に凸面をもつ球面レンズが用いられている。ＬＤと
光ファイバの結合性を高めるために非球面レンズを用い
ることもある。しかし、より安価にし、取扱いを容易に
するため、球レンズもしばしば用いられる。どのような
場合でも図１のような三次元的な構造をもつモジュール
には集光光学系が必要なのである。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】図１の立体的な構成を
もつ発光装置は、直径５．６ｍｍのメタルパッケージを
使用している。レ−ザ（ＬＤ）は図２のような一様な厚
み幅の活性層をもつ通常のものである。図２においてチ
ップ１３の中に活性層１４を透視図によって示してい
る。活性層の幅をｗ、活性層の厚みをｄとする。長手方
向の座標をｚとする。図２の従来のＬＤは、幅ｗ、厚み
ｄともに長手方向に同一である構造になっている。図１
のような光送信モジュールはレ−ザ光を光ファイバに導
くための集光光学系として球レンズ或いは非球面レンズ
を用いる。ローパワー品の場合は、球レンズをキャップ
に設けた集光光学系によってＬＤ光を光ファイバに結合
している。

【００１０】球レンズは安価であるが大きい収差があ
る。収差のためＬＤとの結合効率を最適値まで高めるこ
とができない。通常の３０ｍＡ前後の電流では、レ−ザ
光出力が０．２ｍＷから０．５ｍＷの範囲のものを安定
して生産できる。だから球レンズ集光光学系は、ローパ
ワーで低コストが必須の低速、短距離通信の用途に限っ
て用いられる。

【００１１】これに対して、長距離通信であってハイパ
ワーを要する用途には非球面レンズ集光光学系を用い
る。非球面レンズは収差を低く抑えることができる。非
球面レンズの使用によって１ｍＷ〜２ｍＷの高出力のレ
−ザ光出力を得る事ができる。しかし非球面レンズは高
価である。だから非球面レンズ集光光学系は幹線や局設
備など高価であってもよい所に主として用いられる。

【００１２】以上のように、球レンズ集光光学系と非球
面レンズ集光光学系は、ローパワーで低コストか、ハイ
パワーで高コストかという使い分けがなされている。

【００１３】低コスト品であっても、現状の非球面レン
ズ集光光学系なみのハイパワーを実現でき、非球面レン
ズ集光光学系を用いればさらにハイパワーで小型化でき
るという高付加価値の発光装置を提供することが本発明
の目的である。

【００１４】レンズを用いることはなく、ＬＤと光ファ
イバを直接に結合するためにＬＤを工夫して、スポット
サイズ変換ＬＤというものが提案されている。レンズを
省くことができるから有用なＬＤである。

【００１５】そこでスポットサイズ変換レ−ザ（ＳＳＣ
−ＬＤ；spot-size converted laser diode）について
説明する。これは活性層の幅や厚みを細くすることによ
って出射光のサイズを大きくしたものである。幅を狭く
するものと、厚みを薄くするものの２種類がある。

【００１６】図３に示すものは縦テーパ型のスポットサ
イズ変換レ−ザである。このＬＤチップにおいて活性層
の厚みｄが先端で細くなっている。幅ｗは長手方向に一
定である。つまりＬＤの背面をｚ＝０として前面をｚ＝
Ｌとして、

【００１７】 ０≦ｚ≦Ｌ ｗ（ｚ）＝ｗ_０ （１） ０≦ｚ≦Ｌ_１ ｄ（ｚ）＝ｄ_０ （２） Ｌ_１≦ｚ≦Ｌ ｄ（ｚ）＝ｄ_０−α（ｚ−Ｌ_１） （３） α＞０、ｄ_０−α（Ｌ−Ｌ_１）＞０ （４）

【００１８】である。αは活性層先端の厚み変化の傾斜
角である。式（４）は出射端で有限の活性層厚みが存在
するという条件を示している。先端で活性層が薄くなり
光の閉じ込めが不完全になるから光の断面が広がる。だ
からスポットサイズ変換をしているのである。断面が大
きくなると反対に広がり角度は減少する。

【００１９】図４に示すものは横テーパ型のスポットサ
イズ変換レ−ザである。活性層の厚みｄは長手方向に同
一であるが幅ｗが先端で細くなる。

【００２０】 ０≦ｚ≦Ｌ ｄ（ｚ）＝ｄ_０ （５） ０≦ｚ≦Ｌ_２ ｗ（ｚ）＝ｗ_０ （６） Ｌ_２≦ｚ≦Ｌ ｗ（ｚ）＝ｗ_０−β（ｚ−Ｌ_２） （７） β＞０、ｗ_０−β（Ｌ−Ｌ_２）＞０ （８）

【００２１】によって表現される。βは活性層先端の幅
変化の傾斜角である。先端で活性層が細くなり光の閉じ
込めが不完全になるから光の断面が広がる。だからスポ
ットサイズ変換をする。断面が大きくなると広がり角度
は減少する。

【００２２】［スポットサイズ変換ＬＤの説明］スポッ
トサイズ変換ＬＤは新規ではないが当業者によく知られ
ているという訳でないから説明する必要がある。通常の
ＬＤは広がりの大きい光を発するからレンズが不可欠で
あった。しかしレンズを用いるという事はレンズ分だけ
コストを引上げるし、レンズの実装コストも必要にな
る。さらにレンズを取り付けるパッケージ構造も必要で
ある。レンズを省略できれば、より安価のモジュールを
作製することができるはずである。

【００２３】レンズなしに光ファイバとＬＤを結合した
い。レンズなしでＬＤ・光ファイバを結合するためには
ＬＤの出射光の広がりを狭くすれば良いはずである。も
とよりＬＤ活性層は幅１．２μｍ厚み０．２μｍといっ
たものでシングルモードファイバコアの１０μｍ径より
小さくて、直接に接触させるとそのまま光が入りそうに
も思えるがそうではない。スポットサイズが異なりすぎ
るので入射しにくいのである。それでＬＤのスポットサ
イズを大きく変化させて光ファイバのスポットサイズに
近付けると結合が改善される筈である。

【００２４】導波路サイズを小さくすると閉じ込め力が
不足して光の波動が導波路から滲み出す。導波路外をも
光パワーが通過するようになり光のスポットサイズが大
きくなる。そのような発想に基づいて活性層の先端を狭
くしてスポットサイズを大きくしている。だからそのよ
うなレ−ザをスポットサイズ変換ＬＤという。スポット
サイズが大きくなるとビームの広がり角は逆に減少する
はずである。広がり角を狭くすればレンズの助けなしで
もＬＤ光を光ファイバに導入できる筈である。

【００２５】そのような考察から出射光の広がりを狭く
したものがスポットサイズ変換ＬＤである。出射光の発
散角を減らすために図３、図４のように活性層先端を狭
くするのである。スポットサイズ変換ＬＤに関しては様
々のものが提案されている。

【００２６】特開平９−６１６５２号「半導体光導波
路およびその作製方法」は、テーパ型の光導波路を提案
し、テーパ型光導波路とＬＤを組み合わせたものを提案
している。光導波路単独のものをも提案しているが、そ
の場合は通常のＬＤと組み合わせることによってスポッ
トサイズ変換できる。

【００２７】特開平１１−２２０２２０号「半導体レ
−ザ装置及びその製造方法」は活性層幅を長手方向に狭
くしたＬＤを提案している。（８）式によって幅の変化
を表現できるがβが０．１４度以下であるといってい
る。これによって広がり角の狭い出射光が発生するとい
う。

【００２８】板屋義夫、杉江利彦、山本援夫「スポッ
トサイズ変換レ−ザ（Spot-size converted lasers(SSC
-LD)）」信学技報Technical Report of IEICE， OPE95-
140, LQE95-134(1996-2), P31は２インチＩｎＰ基板に
スポットサイズ変換レ−ザを作製している。６００μｍ
×３００μｍのＬＤで、活性層の幅を、１．５μｍから
０．３μｍへと漸減させている。レンズなしで光導波路
と直接結合させると、結合損失は１．２〜２．５ｄＢで
あったという。

【００２９】稲葉雄一、鬼頭雅弘、石野正人、知野豊
治、西川透、宇野智昭、松井康「低しきい値、高効率特
性テーパ活性ストライプ型１．３μｍ帯狭放射角レ−
ザ」信学技報Technical Report of IEICE EMD97-43, CP
M97-81,OPE97-59, LQE97-55(1997-08), P81は、活性層
幅が狭くなるようなスポットサイズ変換ＬＤを提案して
いる。前面での幅は０．６μｍであり、後面での幅は
１．６μｍ〜２．６μｍの範囲で変化させている。さま
ざまの傾斜角のスポットサイズ変換ＬＤを作製してい
る。そして光ファイバとＬＤの距離を変えて結合効率を
測定している。最大で−４．７ｄＢの結合効率が得られ
るＬＤ・光ファイバ距離の範囲は±３μｍであるとい
う。

【００３０】板屋義夫、中島長明、永沼充、福田光
男、横山清行、鳥羽弘「ハイブリッド集積光モジュール
用光半導体技術」NTT R&D, Vol.46, No.5, 1997, P487-
490は、活性層の厚みを先端で薄くするようなスポット
サイズ変換ＬＤを作製している。活性層のレ−ザ部での
厚みは０．３μｍである。先端部での厚みを０．１μｍ
としている。幅は１．５μｍで一定幅としている。これ
によると出射角の半値幅が６゜〜９゜のものが得られた
と述べている。広がり角はその２倍であるから１２゜〜
１８゜ということである。通常のＬＤが３０゜〜４０゜
の広がり角をもつから、その半分程度の狭い角度に閉じ
込められるということを意味している。

【００３１】「光・マイクロ波半導体応用技術」株式
会社サイエンスフォーラム発行、１９９６年２月２９日
第１版第１刷発行ｐ１６５「デジタル通信用光デバイ
ス」は、スポットサイズ変換ＬＤの解説記事を掲載して
いる。通常のストライプＬＤは出射光の広がり角は３３
゜であるが、スポットサイズ変換ＬＤは９゜であるとい
う結果を述べている。レンズなしでの光ファイバとの結
合損失は、通常のＬＤが１０ｄＢ、スポットサイズ変換
ＬＤが４ｄＢであるという。

【００３２】特開平２−１９５３０９号「光結合素
子」は発光素子ではなく、受動素子であるが、スポット
サイズ変換作用のある素子を提案している。光導波路の
コアの幅ｗを変化させて光の分布幅を調整し、スポット
サイズ変換を行っている。光ファイバと別の光ファイバ
の間で光を結合するにはレンズを使うのが普通である
が、これはスポットサイズ変換光導波路を用いる。コア
幅ｗを広くすると光の広がりは減少し、コア幅を狭くす
ると光の広がりはより大きくなる。それで中間では狭い
幅、両端では広い幅のコアをもつ光導波路によって光フ
ァイバを結合している。両端で光幅が減少するから光フ
ァイバと高効率結合が可能になるという。

【００３３】平栗展明、白石和男「集積化結合用レン
ズドファイバと狭放射角ＬＤとの結合特性」信学技報Te
chnical Report of IEICE, EMD97-44, CPM97-82,OPE97-
60, LQE97-56(1997-08), P87は、スポットサイズ変換Ｌ
Ｄの光を光ファイバに入れるために、先端を球状に加工
したファイバ型のレンズを用いること提案している。先
端に球が形成してあるので「先球ファイバ」と呼んでい
る。光ファイバを酸水素炎で融かし融液とし、表面張力
で自然に丸くなる現象を利用する。先球コアレスファイ
バレンズと、先球ＧＩファイバレンズを用いている。

【００３４】コアレスファイバというのはコアのないフ
ァイバである。レンズとするのでコアのような屈折率の
異常があるとかえって邪魔になる。それでコアレスのフ
ァイバを使う。特殊なファイバである。対象となるシン
グルモードファイバは１０μｍのコアを１２５μｍのク
ラッドで包摂した構造である。コアレスファイバは全体
が１２５μｍ径であるがクラッドと同じ材質よりなるも
のである。そのようなファイバ１ｍｍ程度のものを、シ
ングルモードファイバの先端に融着する。そして酸水素
炎でコアレスファイバをあぶり先端を丸くする。

【００３５】ＧＩファイバというのは、graded index f
iberの略であり、コアの屈折率が半径方向に少しずつ低
くなりクラッド屈折率に等しくなるというものである。
シングルモードファイバのように１０μｍ径のコアとい
うのではレンズ作用がない。そこで、ここでは広いコア
をもつＧＩＦを使う。

【００３６】細く短いファイバをシングルモードファイ
バの先端に融着接合するのは難しい。それに先端を融解
して丸くするが、その作業は偶然的であり半径はばらつ
く。規定の半径の球を作るのは難しい。また先端位置決
めのトレランスが非常に狭い。調芯作業に時間と手間が
かかる。非常に凝った構造であるが大量生産には向かな
い。コスト高になる。それにこれはあくまで、スポット
サイズ変換レ−ザと光ファイバとの直接結合しか念頭に
ない。直接接合をよくするために、光ファイバの先端
に、レンズ加工を施したものである。

【００３７】このようにスポットサイズ変換ＬＤはいく
つもの種類のものが提案されている。本発明ではいずれ
のタイプをも利用できる。効果はいずれも同じである。

【００３８】スポットサイズ変換レ−ザは光ファイバ、
光導波路と直接接合することを目的に製造されたもので
ある。これまでは、図５のように光導波路端面に直接接
合するか、或いは図６のように光ファイバ端面に直接に
接着していた。

【００３９】図５はＳＳＣ−ＬＤと光導波路の平面図で
ある。図５において、ＬＤ１８は、平行の活性層１４の
先に幅が狭くなるテーパ部１６を有する横テーパ型ＳＳ
Ｃ−ＬＤである。光導波路２０は屈折率が高くなったコ
ア部２１を有する。ＬＤ１８の活性層１４、１６の先に
光導波路２０のコア部２１を結合する。ＬＤ１８と光導
波路２０は直接に結合する。間にレンズを挿入しない。
活性層１４が発生した光はテーパ部１６でスポット径が
大きくなり、端面からより狭い広がり角の光となって出
射する。それが光導波路２０のコア部２１に入り伝搬光
になる。

【００４０】図６はＳＳＣ−ＬＤと光ファイバの縦断面
図である。図６において、ＬＤ１９は、平行の活性層１
４の先に厚みが薄くなるテーパ部１５を有する縦テーパ
型のＳＳＣ−ＬＤである。光ファイバ２２は中心に屈折
率が高くなったコア部２３を有する。ＬＤ１９の活性層
１４、１５の先に光ファイバ２２のコア部２３を結合す
る。ＬＤ１９と光ファイバ２２は直接に結合する。間に
レンズを挿入しない。活性層１４が発生した光はテーパ
部１５でスポット径が大きくなり、端面からより狭い広
がり角の光となって出射する。それが光ファイバ２２の
コア部２３に入り伝搬光になる。

【００４１】 スポットサイズ変換レ−ザはもともと、
このようなＮＡ（Numerical Aperture）もしくは受光角
の狭い導波路や光ファイバに高い効率で結合させ、ハイ
パワーの出力を得るために開発されたレ−ザである。光
ファイバや導波路へ直接に接合するのでレンズが不要で
ある。光は殆ど自由空間に出ない。レ−ザから光ファイ
バ、光導波路へ直接に伝搬する。だから集光光学系は不
要である。スポットサイズ変換レ−ザには、レンズが介
在する余地はない、と強く信じられてきた。

【００４２】一方、従来の発光装置では、図１に示すよ
うに、光源は普通のレ−ザ（広がり角３０度〜４０度）
であって、集光光学系（球レンズ、球面レンズ、非球面
レンズ）が不可欠であった。目的、用途によって最適の
集光レンズを選択していたのである。

【００４３】通常のＬＤを用いるモジュールにおいて、
球レンズ集光光学系と非球面レンズ集光光学系は、ロー
パワーで低コストか、ハイパワーで高コストかという使
い分けがなされていた。

【００４４】先にも述べたように、低コスト品であって
も現状の非球面レンズ集光光学系なみのハイパワーを実
現でき、非球面レンズ集光光学系を用いればさらにハイ
パワーで小型化できるという高付加価値の発光装置を提
供することが本発明の目的である。

【００４５】

【課題を解決するための手段】本発明は、光ファイバや
光導波路と直接結合（バットジョイント）する事を目的
として、ビームの広がり角を１０度から２０度以下に狭
くしたスポットサイズ変換レ−ザを光源とし、このレ−
ザ光をレンズを用いて光ファイバに結合させる。スポッ
トサイズ変換レ−ザとレンズの結合を採用したというこ
とが本発明の特徴である。

【００４６】スポットサイズ変換ＬＤは公知である。図
１のようなＬＤ＋レンズ結合系も周知である。本発明は
スポットサイズ変換ＬＤ＋レンズの組み合わせを新たに
提案する。端的にいえば、ＬＤ＋レンズに代えて、ＳＳ
Ｃ−ＬＤ＋レンズを提案するものである。

【００４７】スポットサイズ変換ＬＤはもともとレンズ
を省くために開発されたものであるからレンズとともに
使用するということは考えられない。ＳＳＣ−ＬＤはい
ずれも光導波路・光ファイバと直接結合されていた。

【００４８】これらの従来技術に対して、本発明者は、
誰もが思い付かなかった構成として、スポットサイズ変
換レ−ザを、積極的にレンズ系を有する光結合系に適用
することを思い付いた。

【００４９】スポットサイズ変換レ−ザ（ＳＳＣ−Ｌ
Ｄ）を光ファイバ、導波路に直接に接着しないで、光フ
ァイバ、光導波路を離隔して設け、間に集光レンズを介
し、集光レンズによって結合する。つまり本発明は、ス
ポットサイズ変換レ−ザ・集光レンズ・光ファイバ（光
導波路）という自由空間を経た結合系となる。

【００５０】こうすると、レ−ザからのビーム広がり角
が元々狭いため、球レンズを用いた場合でも、ビームが
球レンズの収差の影響を受け難い。だから球レンズを集
光光学系に用いても、図１などの場合より高いパワーが
光ファイバに入る。重要なことであるからこの点につい
ては後に説明する。

【００５１】さらに光ファイバとのスポットサイズ比が
半減するので、光学系の距離そのものを短くできる。装
置をより小型にすることが可能になる。

【００５２】また図１のようなレンズ付きキャップを用
いると、ＬＤチップは完全にハーメチックシールされる
ので信頼性が高い。メタルのパッケージは標準部品であ
るのでコストも低い。ここまでは図１の従来例でも同様
である。本発明はそれに加えてＳＳＣ−ＬＤを使うから
ハイパワーが取り出せるので申し分ない発光装置を提供
することができる。

【００５３】

【発明の実施の形態】本発明はどのような集光レンズを
用いても良い。球レンズ、球面レンズ、非球面レンズの
いずれでも良い。これらのレンズについての定義を簡単
に述べる。球レンズ（BALL LENS）というのは完全な球
体をレンズとしたものである。収差は極めて大きい。球
面レンズ（SPHERICAL LENS）というのは両面が球面の一
部で構成されているレンズである。両面を簡単に曲率半
径によって表現することができる。これも収差がある。
非球面レンズ（ASPHERICAL LENS）というのは球面でな
い表面を持つレンズである。これは半径の累冪の形で形
状を表現する必要がある。１面を表現するのに８〜１０
個のパラメータが必要である。非球面レンズは特定の収
差をなくすことができる。しかし加工が複雑で高価にな
る。

【００５４】本発明はどのような集光レンズを用いても
実現することができるが、最も効果的なのは低コストの
球レンズを用いた場合である。球レンズは球面収差が最
も著しいから集光点が広く分布するのである。球面収差
は後にも述べるが近軸光線（軸の近くを通る光線）と遠
軸光線（光軸から離れたところを通る光線）で集光点が
相違することをいう。しからばどの程度の球面収差があ
るのか？これを厳密に求めてみる。図１２は球レンズで
の光線の屈折の有り様を示す説明図である。

【００５５】球レンズの中心をＯとする。光軸上の点Ａ
から出た光線がレンズ上の点Ｃで屈折され、点Ｄでさら
に屈折され、光軸と点Ｂで交差するものとする。点Ａの
像が点Ｂにできるというわけであるが収差のためにＢ点
だけに収束するのではない。

【００５６】点Ａでの光軸との成す角度θによって交差
点Ｂが相違する。角度θが小さいものを近軸光線とい
い、θが大きいものをここでは遠軸光線と呼ぶ（そのよ
うな言葉はないが、ここでは便宜のためにそう呼ぶので
ある）。中心Ｏから第１屈折点Ｃへ引いた半径ＯＣの延
長線上に点Ｇを取る。中心Ｏから第２屈折点Ｄへ引いた
半径ＯＤの延長線上に点Ｈを取る。点Ｂでの光線と光軸
がなす角度をφとする。

【００５７】光源点Ａとレンズ中心Ｏの距離ＯＡをａと
する（ＯＡ＝ａ）。像点Ｂとレンズ中心Ｏの距離ＯＢを
ｂとする（ＯＢ＝ｂ）。球レンズの半径をｒとする。三
角形ＣＤＯは二等辺三角形である。底角が等しい。

【００５８】∠ＯＣＤ＝∠ＯＤＣ （９）

【００５９】スネルの法則が成り立つので、レンズ屈折
率をｎとして、屈折点で

【００６０】 ｎｓｉｎ∠ＯＣＤ＝ｓｉｎ∠ＧＣＡ （１０） ｎｓｉｎ∠ＯＤＣ＝ｓｉｎ∠ＨＤＢ （１１）

【００６１】が成立する。式（９）〜（１１）から、∠
ＧＣＡと∠ＨＤＢが等しいということがわかるので、こ
れをΨとする。

【００６２】 ∠ＧＣＡ＝∠ＨＤＢ＝Ψ （１２）

【００６３】三角形ＡＯＣにおいて二つの内角の和は外
角に等しいから、 ∠ＣＯＡ＝∠ＧＣＡ−∠ＣＡＯ＝Ψ−θ （１３）

【００６４】三角形ＢＯＤにおいて二つの内角の和は外
角に等しいから、 ∠ＤＯＢ＝∠ＨＤＢ−∠ＤＢＯ＝Ψ−φ （１４）

【００６５】∠ＣＯＤは１８０度から∠ＣＯＡと∠ＤＯ
Ｂを引いたものだから、

【００６６】 ∠ＣＯＤ＝π−２Ψ＋φ＋θ （１５）

【００６７】である。三角形ＯＣＤは二等辺三角形だか
ら、 ∠ＯＣＤ＝∠ＯＤＣ＝Ψ−（φ＋θ）／２ （１６） である。

【００６８】三角形ＯＣＡにおいて正弦定理を適用し
て、 ａ／ｓｉｎΨ＝ｒ／ｓｉｎθ （１７）

【００６９】三角形ＯＤＢにおいて正弦定理を適用し
て、 ｂ／ｓｉｎΨ＝ｒ／ｓｉｎφ （１８）

【００７０】式（１７）からθを求めると、 θ＝ｓｉｎ^−１（ｒｓｉｎΨ／ａ） （１９）

【００７１】式（１８）からφを求めると、 φ＝ｓｉｎ^−１（ｒｓｉｎΨ／ｂ） （２０）

【００７２】スネルの法則を表す式（１０）（１１）は
同一の式に纏められる。

【００７３】

【数１】

【００７４】これが距離ａ、ｂをΨの関数として与える
厳密式である。近似を含んでいない。Ψは点Ｃの入射
角、点Ｄの出射角である。

【００７５】近軸光線の極限では、θ、φ、Ψ→０であ
る。光線が光軸から離れるに従ってθ、Ψ、φが増えて
ゆく。遠軸光線の極限では、線ＡＣがレンズ球面の接線
になる。これ以上になるとレンズに入らなくなる。ＡＣ
が接線だからＯＧはＡＣと直交する。だから遠軸光線の
極限ではΨ＝π／２（９０度）である。θの遠軸極限は
当然にｓｉｎ^−１（ｒ／ａ）である。つまり近軸から遠
軸へ、θが０からｓｉｎ^−１（ｒ／ａ）に変化するうち
に、Ψは０からπ／２に変化する。

【００７６】 変域 θ： ０〜ｓｉｎ^−１（ｒ／ａ） （２２） Ψ： ０〜 π／２ （２３）

【００７７】［ａ．近軸光線の極限］式（２１）におい
て、Ψを０に接近させると近軸光線の関係が得られる。 ｓｉｎ^−１（ｒ／ａ）＋ｓｉｎ^−１（ｒ／ｂ）＝２｛１−（１／ｎ）｝（２ ４） であるが、ｒ／ａ、ｒ／ｂは１よりずっと小さいという
近似で、より簡明な式をうる。

【００７８】

【数２】

【００７９】つまり焦点距離ｆ_１を定義すれば、

【００８０】

【数３】 である。

【００８１】［ｂ．遠軸光線の極限］式（２１）におい
て、Ψをπ／２に接近させると遠軸光線の関係が得られ
る。ｓｉｎΨ＝１、ｓｉｎ｛（π／２）−Θ｝＝ｃｏｓ
Θであるから、

【００８２】

【数４】

【００８３】つまり

【００８４】 ｓｉｎ^−１（ｒ／ａ）＋ｓｉｎ^−１（ｒ／ｂ）＝２ｃｏｓ^−１（１／ｎ） （２８）

【００８５】となる。近軸光線極限の場合の式（２４）
の２｛１−（１／ｎ）｝が、遠軸光線極限では式（２
８）の２ｃｏｓ^−１（１／ｎ）に置き代わる。これの大
小関係は明らかである。ｎはレンズ屈折率であって、１
より大きい。だから

【００８６】 ２｛１−（１／ｎ）｝＜２ｃｏｓ^−１（１／ｎ） （２９）

【００８７】である。遠軸光線の場合の方が、近軸光線
よりも、ｓｉｎ^−１（ｒ／ａ）＋ｓｉｎ^−１（ｒ／ｂ）
の値が大きいということである。ｒ，ａは同じであるか
ら、遠軸光線の場合、ｂが小さくなるという事である。

【００８８】それだけではない。屈折光がレンズから出
られないということがある。光源が無限遠にあると（ａ
無限大）、屈折光がレンズの外へ出られないという極限
の屈折率ｎ_ｃがある。それは、ｂ＝ｒ、ａ＝無限大とし
て式（２８）から、

【００８９】 ｎ_ｃ＝２^１／２＝１．４１４ （３０）

【００９０】つまりレンズ屈折率が１〜１．４１４の場
合、無限遠の光源からの光であると屈折光は外部へ出ら
れない。

【００９１】光源がレンズに近くなると、ｓｉｎ
^−１（ｒ／ａ）が大きくなるから、ｎ_ｃの場合でも屈折
光がレンズ外部に出ることができる。

【００９２】しかし、さらに屈折率が大きい場合、光源
がレンズに接近すると、屈折光が最早外部に出られない
ということがある。そのような臨界の光源距離ａ_ｃは、
ｂ／ｒ＝１とおいて、式（２８）から

【００９３】 ａ_ｃ＝ｒ／ｃｏｓ（２／ｎ） （３１）

【００９４】である。つまりａ＞ａ_ｃの範囲でなければ
ならない。

【００９５】たとえばｎ＝１．５の場合その臨界比は ａ_ｃ＝４．２ｒ （３２） である。ａ＞４．２ｒである。

【００９６】しかしながら実際のところ遠軸光線がレン
ズの接線になるまで広がったビームを扱うのは珍しいこ
とである。Ψが９０゜の広がりをもたず、それ以下の範
囲にあるという場合について考える必要がある。つま
り、より小さいΨにおいて、ｂのΨ依存性を調べるとい
うことになる。

【００９７】式（２１）は厳密式であるが、これをΨに
関して解析的に解くのは難しい。また解く必要もないの
である。式（２１）をｎで割り、両辺の逆ｓｉｎをと
り、Ψを移項してΨ＝ｓｉｎ^−１（ｓｉｎΨ）という変
形をして、両辺を２倍すると、

【００９８】

【数５】

【００９９】となる。ｚが１より小さい時、ｓｉｎ^−１
ｚの累冪展開の最初の２項は、 ｓｉｎ^−１ｚ＝ｚ＋ｚ^３／６＋… （３４） である。ｚ＝ｓｉｎΨとおくと、式（３３）は

【０１００】

【数６】

【０１０１】ということになるが、式（３４）の近似を
すると、

【０１０２】

【数７】

【０１０３】ｚでわって、ｚを含まない項とｚの２乗の
項に分けると、

【０１０４】

【数８】

【０１０５】というようになる。ｚの０次の項からの第
０近似では

【０１０６】 （ｒ／ａ）＋（ｒ／ｂ）＝２｛１−（１／ｎ）｝ （３８）

【０１０７】となる。２次近似に話を進めるために、ｒ
／ａ＝１−（１／ｎ）、ｒ／ｂ＝１−（１／ｎ）という
ようにして、（３７）の２乗の項に代入する。

【０１０８】

【数９】

【０１０９】となるので式（３８）を押し進めて、第２
近似では （ｒ／ａ）＋（ｒ／ｂ）＝２｛１−（１／ｎ）｝｛１＋ｚ^２／２ｎ｝ （４０ ）

【０１１０】ということになる。ｚ＝ｓｉｎΨである。
式（４０）のｚ^２／２ｎが補正項を与える。ａ点に光源
をおいて球レンズで収束させた場合、近軸光線（Ψ＝
０）の収束点をｂ_０とし、任意のΨの光線の収束点をｂ
とする。

【０１１１】 （ｒ／ａ）＋（ｒ／ｂ_０）＝２｛１−（１／ｎ）｝ （４１）

【０１１２】

【数１０】

【０１１３】ということになる。ｂ_０とｂの差異は、

【０１１４】

【数１１】

【０１１５】これが収束点ｂのΨによる変化を表す式で
ある。たとえば、ｎ＝１．５、ｒ＝７５０μｍ、ａ＝１
６００μｍとすると、

【０１１６】 ｂ_０＝３７９０μｍ （４４）

【０１１７】 ｂ＝３７９０／（１＋１．１２３ｚ^２） （４５）

【０１１８】である。例えば従来のＬＤであって、広が
り角が広くてΨ＝１８゜（広がり角３６゜の半分）とす
ると、ｚ＝ｓｉｎ１８゜＝０．３０９となるから、

【０１１９】 ｂ＝３４６０μｍ （１８゜の時） （４６）

【０１２０】となり、ｂ_０よりも３３０μｍも短い。近
軸光線と遠軸光線の収束点が３３０μｍも異なる。球面
収差が大きいということがよく分かる。

【０１２１】例えばＳＳＣ−ＬＤであって、広がり角が
狭くΨ＝６゜（広がり角１２゜の半分）とすると、ｚ＝
ｓｉｎ６゜＝０．１０４５となるから、

【０１２２】 ｂ＝３７５０μｍ （６゜の時） （４７） となる。ｂ_０より４０μｍ短いだけである。遠軸光線と
いうものがなくて近軸ばかりだと収束点のばらつきは４
０μｍにすぎず、従来のＬＤの約１／８程度である。球
面収差がほとんどないということがよく分かる。

【０１２３】

【実施例】［実施例１（図７）］本発明の第１の実施例
を図７に示す。これは集光レンズとして球レンズを用い
た実施例である。シングルモード光ファイバ２２の軸線
延長上に球レンズ２４、ＳＳＣ−ＬＤ１８（あるいは１
９）が設けられる。

【０１２４】球レンズとＬＤの距離をＬ_０、球レンズと
光ファイバの距離をＬ_１、球レンズの半径をＲとする。
ＬＤ１８、１９でのビーム広がり角をθ_０、光ファイバ
２２でのビーム広がり角をθ_１とする。ＬＤ１８、１９
の出射面でのビームウエストをω_０、光ファイバの端面
近くでのビームウエストをω_１とする。ビームウエスト
というのはビームの最も細い部分をいう。ω_０のビーム
ウエストがレンズによってω_１になるのであるからレン
ズによる像倍率はω_１／ω_０によって与えられる。活性
層の断面が小さいＬＤからの光はウエストが小さいから
ω_０は小さい。光ファイバはコアが１０μｍ径であって
大きい。ビームウエストがコア径程度であれば光ファイ
バに多くのパワーが入る。それで像倍率を、光ファイバ
コアの断面積とＬＤ活性層断面積の比の程度にすると良
好な結合が実現される。さらにまた、レンズ中心を通過
する光が物体と像の対応点を通ることから像倍率はレン
ズ中心・光ファイバ間距離とレンズ中心・ＬＤ間距離の
比に等しいはずである。

【０１２５】

【数１２】

【０１２６】もちろん、そのようなことはレンズによっ
てＬＤ端面の像が光ファイバ端面に生ずるという結像条
件が成り立って初めて言えることである。

【０１２７】球レンズの半径は７５０μｍ、屈折率は
１．５である。両面にＡＲ（反射防止膜；antireflecti
on film）がコートしてある。

【０１２８】光ファイバはモードフィールド径約１０μ
ｍの１．３μｍ用シングルモードファイバ（ＳＭＦ；si
ngle-mode fiber）である。

【０１２９】レ−ザ前端面とレンズ中心までの距離は１
６００μｍ、レンズ中心からファイバ端面までの距離は
３４００μｍである。

【０１３０】光源として、従来の広がり角の大きい（広
がり角３５度）ＬＤ（Ａ）を用いた装置と、本発明で提
案するスポットサイズ変換レ−ザＬＤ（Ｂ）とを用いた
装置の二通りのものを作製した。

【０１３１】これは従来例のＬＤ（Ａ）と比較して、本
発明（ＬＤ（Ｂ））の効果を確認するためである。

【０１３２】ＬＤ（Ａ）…活性層幅１．０μｍ、活性層
厚み０．２μｍ、キャビティ長３００μｍ、 ビーム広
がり角３５度

【０１３３】ＬＤ（Ｂ）…活性層幅（後端）１．５μ
ｍ、活性層幅（前端）０．５μｍ、活性層厚み０．２μ
ｍ、キャビティ長３００μｍ、ビーム広がり角１２度

【０１３４】何れのＬＤも前端面は劈開面である。後端
面も劈開面であるが反射率９０％の多層膜コ−ティング
がなされている。ＬＤに電流が注入されると電子正孔が
発生し、これらが再結合することによって光が発生す
る。前端面と後端面が共振器となって往復する光が増幅
される。前端面から光が外部へ放射される。後端面から
も僅かな光が出るが、それはモニタ用ＰＤでパワーを監
視する必要があるからである。

【０１３５】この実施例で用いるスポットサイズ変換レ
−ザ（Ｂ）は、従来例のＬＤ（Ａ）と、チップサイズ、
外形、コ−ティング構造、キャビティ長、活性層厚みは
同じであるが、活性層幅が後ろで太く前で細い傾斜状
（テーパ状）となっている点で相違する。そのためにＬ
Ｄ（Ｂ）はビーム広がり角度が１２度で、従来ＬＤ
（Ａ）の約１／３にせばまっている。

【０１３６】図７のようなＬＤ・球レンズ・光ファイバ
構造で、光学系の長さを同一にし、ＬＤ（Ａ）、ＬＤ
（Ｂ）を組み込んだＬＤモジュールＡ、Ｂを作製した。

【０１３７】いずれのＬＤも駆動電流３０ｍＡで駆動し
た。ＬＤ自体の光出力は同じである。モジュールＡでは
光ファイバ終端で０．５ｍＷの光出力が得られた。モジ
ュールＢでは光ファイバ終端で０．７ｍＷの光出力が得
られた。これはＬＤ・球レンズ・光ファイバ結合の違い
による光出力の違いである。本発明の方が約４０％もパ
ワーが大きいということである。これは大きな違いであ
る。ｄＢで表現すると、１．５ｄＢもの光出力の向上を
もたらしたということである。

【０１３８】この効果は、スポットサイズ変換レ−ザの
放射角（広がり角）が狭く、球レンズにおいて収差の少
ない近軸光線にエネルギーが集中するためである事を見
いだした。この点は重要である。球レンズは安価であっ
て方向性がないから取扱いに便利である。しかし球レン
ズは曲率が大きいので収差が極めて大きい。収差にはザ
イデルの５収差と色収差などがある。単色光を用いるか
ら色収差は問題でない。ザイデル５収差は、球面収差、
コマ収差、非点収差、像面彎曲、映像歪曲をさす。モジ
ュールのレンズは光をしぼって光ファイバ、導波路に入
れるだけの事であるから、あとの４つの収差は問題にな
らない。このうち球面収差だけが問題である。球面収差
というのは球面レンズには必ずともなうもので近軸光線
と遠軸光線の集光点が異なるという収差である。

【０１３９】球面レンズは凸面であるにしろ凹面である
にしろ両面が球面の一部を成している。光軸に近いとこ
ろでは面の傾きが小さいので屈折角も小さい。だから集
光点がレンズから遠いところになる。反対に、光軸から
遠いところでは面の傾きが大きいから屈折角も大きいた
めに集光点がレンズの近くになる。であるから集光点が
光軸上に広く分布して１点にならないのである。球面レ
ンズには必ずおこるのであるが薄肉レンズの場合はこの
収差は小さい。厚肉レンズになればなるほど球面収差が
大きくなる。球レンズというのはレンズ厚みが縦方向の
直径に等しい。つまり球レンズというのは球面レンズの
中でも厚肉レンズの極限だと考えて良い。だから球レン
ズでは球面収差が最も強く現れるのである。つまり、あ
らゆるレンズの中で球面収差が最も顕著なのが球レンズ
だということである。

【０１４０】されば球レンズを使用する限り球面収差が
あって屈折光線を絞りきれないのか？というと必ずしも
そうではない。遠軸光線と近軸光線の間で集光点が異な
るという収差なのだから、入射する全ての光線を遠軸に
してしまえば球面収差はなくなるのである。反対に入射
する全ての光線を近軸にしてしまえば球面収差は消滅す
る。言ってみれば簡単なことである。が、そのような手
段がなかったので光線の広がりを制御して球面収差を打
ち消すというような発想はなかった。これまで球面収差
が問題の場合は非球面レンズにするか、２枚以上の組レ
ンズを用いるかによって球面収差を打ち消すようにして
いた。しかしビームを遠軸だけ近軸だけにすることによ
って球面収差を発生させないというのも一つの方途であ
る。光線追跡法によるシミュレーションによってその効
果を確認した。

【０１４１】その結果を図８に示す。図８（Ａ）は従来
の広がり角の大きいＬＤからの光を球レンズで集光した
場合（モジュールＡ）の光線を１本１本追跡したもので
ある。球レンズの半径はＲ＝７５０μｍ、ＬＤ・レンズ
中心間は１６００μｍ、レンズ中心・光ファイバ間は３
４００μｍである。モジュールＡでは広がり角が大き
く、光軸から大きくずれる（遠軸光線）割合が多い。遠
軸光線は速く収束し、その後発散に転ずる。近軸光線は
遅く収束する。近軸光線の収束点に光ファイバ端を合わ
せる。遠軸光線は発散しており光ファイバに入ることが
できない。それは損失になってしまう。だから結合効率
が低い。

【０１４２】図８（Ｂ）はスポットサイズ変換ＬＤから
の光を球レンズで集光した場合（モジュールＢ）を示
す。広がり角が狭いから、モジュールＢでは光軸付近
（近軸光線）の割合が多い。図８（Ａ）に比べてビーム
線が中央部に密集しているのがよく分かる。近軸光線ば
かりである。だから収束点はほぼ同一点となる。それだ
けでなく収束点からの発散角も小さい。だから光ファイ
バに入りやすいのである。モジュールＢでは光線は球レ
ンズの球面収差の影響を受けない。そのために集光性が
優れているのである。集光性が良いために光ファイバへ
より多くのパワーが入り４０％ものパワー増大をもたら
したのである。

【０１４３】［実施例２（広がり角８度、１４度、２０
度）］実施例１のＬＤ（Ｂ）はビーム広がり角が１２度
のスポットサイズ変換レ−ザを用いた。スポットサイズ
変換レ−ザにおいてはテーパの角度を変えることによっ
て、広がり角を自在に与えることができる。ここでは３
種類のスポットサイズ変換レ−ザを用いてＬＤモジュー
ルを作製して、結合効率を調べた。配置や寸法はは図
７、図８に示すものと同様である。

【０１４４】ＬＤ（Ｃ）…ビーム広がり角 ８度 ＬＤ（Ｄ）…ビーム広がり角 １４度 ＬＤ（Ｅ）…ビーム広がり角 ２０度 これらのＬＤでは結合効率は２０％〜２４％であった。

【０１４５】従来のＬＤではビーム広がり角が３５度〜
４５度であるが、これを組み込んだＬＤモジュールでは
結合効率は１０％〜１４％であった。

【０１４６】本発明は従来例の１．５倍〜２倍の結合効
率を得ることができる。光ファイバに入る光量が１．５
倍〜２倍になれば、伝送距離を増やすことができる。Ｓ
／Ｎ比が上がるから伝送信号量を増やすことも可能であ
る。優れた効果をあげることができる。

【０１４７】［実施例３（レンズホルダ−・レンズを狭
小化できること）］ＬＤモジュールにスポットサイズ変
換レ−ザ（ＳＳＣ−ＬＤ）を用いることにより、ＬＤモ
ジュールが際だった特徴をもつようにできるということ
に本発明者は気付いた。同じ結合効率で良いなら、レン
ズ系を小さくして、発光装置そのものを小型化できると
いうことである。

【０１４８】図８から分かるように、スポットサイズ変
換レ−ザはビーム径が狭いのでレンズの全体でなく一部
だけを使う。同じ曲率半径のレンズでも開口は狭くて良
い。開口が狭いとレンズホルダ−を小さくすることがで
きる。レンズホルダ−を小さくすれば発光装置の全体を
小さくすることができる。

【０１４９】この点を、図８の光線図にパッケージ部分
を追加記入した図９で説明する。図９（Ａ）は従来のＬ
Ｄ（Ａ）３０からの広がり角の大きいビームを集光する
機構を示す。レンズホルダ−３１はかなり大きい開口部
をもち球レンズ３２を把持している。ＬＤ（Ａ）からの
ビームを全部レンズに入れるためレンズ面は広い。当然
にレンズホルダ−の開口部も大きい。ＬＤ（Ａ）の場
合、実装の位置ズレも考慮すると、レンズの開口は最低
１２ｍｍ必要である。

【０１５０】図９（Ｂ）はスポットサイズ変換ＬＤ３３
を用いた場合の球レンズ集光機構を示す。レンズホルダ
−３４の中央開口部に円柱形の球レンズ３５が挿入固定
される。ＬＤのビーム広がりが狭いからレンズ自体を小
さくすることができる。レンズ開口は６ｍｍ程度で済
む。ＬＤ（Ａ）に比べて、ＬＤ（Ｂ）は開口径を半減す
ることができる。

【０１５１】但し、ここでの球レンズと前実施例の球レ
ンズは寸法が著しく異なる。前の実施例では球レンズ半
径は７５０μｍで直径にすると１．５ｍｍであった。こ
の実施例では球レンズの半径は１５ｍｍ程度である。だ
から開口を１２ｍｍから６ｍｍに減らすということに意
味がある。

【０１５２】従って、レンズの開口が小型化を制限する
ことはない。レンズ開口を狭くして小型のモジュールを
作製することができる。このレンズホルダ−寸法削減の
効果は、レンズが大きいほど顕著になる。

【０１５３】［実施例４（ピグテール型モジュールへの
応用）］本発明はＳＳＣ−ＬＤとレンズの組み合わせに
係るものであるから任意の形式の送信器に応用できる。
図１０は本発明をピグテール型モジュールに適用した実
施例を示す。ピグテールというのは光ファイバとＬＤが
一つのパッケージに密封されており離脱できないような
ものをいう。光ファイバが豚のしっぽのように垂れ下が
っているからピグテールの名がある。ピグテールの先に
光コネクタがあって、そこで光ファイバの着脱ができる
ようになっている。

【０１５４】リードピン３９を底面に有する金属製のス
テム４０の中央にサブマウント４１、ＰＤ４２が固定さ
れる。ステム４０には隆起したポール４３があり、側面
にサブマウント４４、ＬＤ４５が固定される。ＰＤ４
２、ＬＤ４５を囲むように有天円筒形のキャップ４６が
設けられる。キャップ４６の上天井には球レンズ４７が
ありＬＤ４５の光を集光している。

【０１５５】ステム４０の上に金属円筒形のスリーブ４
８が溶接される。スリーブ４８の上には、フェルール４
９を把持するための鍔付き円筒形のフェルールホルダ−
５０が溶接される。フェルールホルダ−５０の外側には
柔軟な材料よりなるベンドリミッタ５１が差し込まれて
いる。フェルール４９に光ファイバ５２の先端が挿入さ
れている。フェルール４９は先端にプラグ５３を有し、
光ファイバのクラッドはプラグ５３とフェルール４９に
よって保持される。

【０１５６】光ファイバ５２の外皮をベンドリミッタ５
１が抑え、極度の曲げを防止する。外皮を剥離した部分
がフェルールに差し込んである。ＬＤ４５の光が球レン
ズ４７によって集光されて光ファイバ先端のコアに入射
する。光ファイバ先端は斜めに研磨してある。反射光が
ＬＤに戻るのを防ぐためである。このようなピグテール
型モジュールの構造は公知である。

【０１５７】ここでスポットサイズ変換レ−ザ４５を光
源に用いている。球レンズ４７を集光レンズとしている
が、近軸光線の比率が高く光ファイバに入る光量が増え
る。ために結合効率が高い。３０ｍＡの駆動電流によっ
てＳＳＣ−ＬＤを駆動した。光ファイバの出力パワーは
０．７ｍＷで、安定していた。従来の広い広がり角のＬ
Ｄを使った場合は０．５ｍＷであった。４０％もパワー
が増強されている。

【０１５８】［実施例５（レセプタクル型モジュールへ
の応用）］図１１は本発明をレセプタクル型モジュール
に適用した実施例を示す。レセプタクル型というのは、
ＬＤに対して光ファイバを着脱できるようにした形式で
ある。

【０１５９】リードピン５９を底面に有する金属製のス
テム６０の中央にサブマウント６１、ＰＤ６２が固定さ
れる。ステム６０には隆起したポール６３がある。ポー
ル６３の側面にサブマウント６４、ＬＤ６５が固定され
る。ＰＤ６２、ＬＤ６５を囲むように有天円筒形のキャ
ップ６６が設けられる。キャップ６６の上天井には球レ
ンズ６７がありＬＤ６５の光を集光している。

【０１６０】円盤状ステム６０の上に金属円筒形のスリ
ーブ６８が溶接される。スリーブ６８の上には、鍔付き
円筒形の雌型コネクタ７０が溶接される。雌型コネクタ
７０は広い円盤状の鍔７１を有する。鍔７１には幾つか
の穴７２が穿孔されている。雌型コネクタ７０の中央の
ハブ７３において前記のスリーブ６８と溶接されてい
る。ハブ７３の中心には縦に通し穴７４が穿たれてい
る。通し穴７４の内面にはスリーブ７５がはめこまれ
る。雌型コネクタ７０の上部筒部の外側に凹溝７６があ
り、その外側の円筒部には雄螺子７７が刻設される。Ｌ
Ｄ６５の光はレンズ６７によってスリーブ６８の上頂部
辺りに集光される。

【０１６１】雄型コネクタ７８は、先端に軸状のフェル
ール７９を有する。フェルール７９の外側同心にカラー
８０が設けられる。カラー８０は、雌型コネクタ７０の
凹溝７６に挿入される。カラー８０の外側に位置決めピ
ン８１がある。これは雌型コネクタ７０のハブ７３の穴
（図に現れない）に差し込まれ円周方向の位置を決め
る。その外側には円筒形ナット８２が遊嵌される。ナッ
ト８０のすぐ後ろはローッレット８３になっており滑り
止めになっている。前記のフェルール７９は雄型コネク
タ７８のハウジング８４の内部の通し穴に挿通固定して
ある。ハウジング８４の後ろから柔軟部材のベンドリミ
ッタ８５が突き出ている。光ファイバ８６はベンドリミ
ッタ８５、ハウジング８４を貫き、先端のフェルール７
９にいたる。

【０１６２】図１１は分離した状態を示す。両者を結合
するには、雄型コネクタ７８のフェルール７９を雌型コ
ネクタ７０の通し穴７４に差し込み、位置決めピン８１
を所定の穴に入れ、ローレット８３を廻して、ナット８
２と雄螺子７７を締結する。締結した状態でフェルール
７９はスリーブ７５の内部にある。光ファイバ先端はス
リーブ６８・雌型コネクタ７０の境界に位置する。

【０１６３】雌型雄型コネクタ７０、７８が組み合わさ
った状態で、ＬＤ６５の光はレンズ６７によって、ファ
イバ端面に集光される。このようなレセプタクル型モジ
ュールの構造は公知である。

【０１６４】この実施例において、スポットサイズ変換
レ−ザ６５を光源に用いている。球レンズ６７を集光レ
ンズとしている。スポットサイズ変換レ−ザの使用のた
め、近軸光線の比率が高く光ファイバに入る光量が増え
る。ために結合効率が高い。３０ｍＡの駆動電流によっ
てＳＳＣ−ＬＤを駆動した。光ファイバの出力パワーは
０．７ｍＷで、安定していた。

【０１６５】従来の広い広がり角のＬＤを使った場合は
０．５ｍＷであった。４０％もパワーが増強されている
ということである。

【０１６６】

【発明の効果】本発明は、スポットサイズを広くし、ビ
ーム広がり角を狭くして、光ファイバや、光導波路との
結合効率を、５０％〜１００％も高めることができる。
非常に優れた発明である。

【０１６７】また、同じ光出力を得るためには、駆動電
流が低くて済み、消費電力が低くなって、省エネルギー
になる。また駆動電流が低くなるからレ−ザ寿命も長く
なるといった大きな利点がある。

【０１６８】スポットサイズ変換レ−ザは、光ファイ
バ、光導波路とＬＤの直接接合のために開発されたもの
である。だから、今まで誰もが光ファイバ、光導波路と
直接接合するものと思い込んでいた。ために、レンズ、
特に球レンズを用いた集光レンズに適用した場合に、こ
のような意外な効果があるということを誰もが思い付か
なかったのである。本発明者は全く観点を変え、スポッ
トサイズ変換レ−ザをレンズ系を介する間接接合に用い
てすばらしい効果を得た。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＬＤチップと集光レンズを金属パッケージに収
容した従来例にかかる光送信モジュールの縦断面図。

【図２】長手方向に厚み、幅が一定の活性層を有する従
来のＬＤチップの概略透視図。

【図３】長手方向に厚みが変化し幅が一定の活性層を有
する縦テーパ型スポットサイズ変換ＬＤチップの概略透
視図。

【図４】長手方向に幅が変化し厚みが一定の活性層を有
する横テーパ型スポットサイズ変換ＬＤチップの概略透
視図。

【図５】平板に屈折率の高いコア部を設けた光導波路
と、スポットサイズ変換ＬＤを直接結合したものの平面
図。

【図６】シングルモード光ファイバと、スポットサイズ
変換ＬＤを直接結合したものの縦断面図。

【図７】本発明の原理を示すための、シングルモード光
ファイバと、スポットサイズ変換ＬＤを球レンズによっ
て間接結合した結合系の正面図。

【図８】ＬＤ・レンズ・像面よりなる光学系においてビ
ーム軌跡を示す図。図８（Ａ）は３５度のビーム広がり
角をもつ従来例にかかるＬＤの光を、球レンズによって
光ファイバ端に集光した光学系において光線追跡法によ
って求めたビーム軌跡の図。図８（Ｂ）は１２度のビー
ム広がり角をもつスポットサイズ変換ＬＤの光を、球レ
ンズによって光ファイバ端に集光した光学系において光
線追跡法によって求めたビーム軌跡の図。

【図９】図８のビーム軌跡にレンズホルダ−を描き加え
たもので、ＬＤ・レンズ・レンズホルダ−よりなる光学
系のビーム軌跡を示す図。図９（Ａ）は３５度のビーム
広がり角をもつ従来例にかかるＬＤの光を、レンズホル
ダ−に支持された球レンズによって光ファイバ端に集光
した光学系において光線追跡法によって求めたビーム軌
跡の図。ビームが広いのでレンズホルダ−が大きい。図
９（Ｂ）は１２度のビーム広がり角をもつスポットサイ
ズ変換ＬＤの光を、レンズホルダ−に支持された球レン
ズによって光ファイバ端に集光した光学系において光線
追跡法によって求めたビーム軌跡の図。ビームが狭いの
でレンズホルダ−が小さい。

【図１０】ピグテール型モジュールに応用した実施例を
示す縦断面図。

【図１１】レセプタクル型モジュールに応用した実施例
を示す縦断面図。

【図１２】球レンズにおける光線の屈折を説明するため
の図。

【符号の説明】

１ 光送信モジュール ２ ステム ３ ポール ４ ＬＤ ５ ＰＤ ６ キャップ ７ 穴 ８ レンズホルダ− ９ レンズ １０ フェルールホルダ− １１ 光ファイバ １２ フェルール １３ ＬＤチップ １４ 幅厚みともに一定の活性層 １５ 厚みが変化する縦テーパ部活性層 １６ 幅が変化する横テーパ部活性層 １８ 横テーパ型スポットサイズ変換ＬＤ １９ 縦テーパ型スポットサイズ変換ＬＤ ２０ 光導波路 ２１ コア部 ２２ シングルモード光ファイバ ２３ コア部 ２４ 球レンズ ３０ 活性層幅厚みが一定である通常のＬＤ ３１ レンズホルダ− ３２ レンズ ３３ 活性層幅厚みが変化するスポットサイズ変換ＬＤ ３４ レンズホルダ− ３５ レンズ ３９ リードピン ４０ ステム ４１ サブマウント ４２ ＰＤ ４３ ポール ４４ サブマウント ４５ ＳＳＣ−ＬＤ ４６ キャップ ４７ 球レンズ ４８ スリーブ ４９ フェルール ５０ フェルールホルダ− ５１ ベンドリミッタ ５２ 光ファイバ ５３ プラグ ５９ リードピン ６０ ステム ６１ サブマウント ６２ ＰＤ ６３ ポール ６４ サブマウント ６５ ＳＳＣ−ＬＤ ６６ キャップ ６７ 球レンズ ６８ スリーブ ７０ 雌型コネクタ ７１ 鍔部 ７２ 穴 ７３ ハブ ７４ 通し穴 ７５ スリーブ ７６ 凹溝 ７７ 雄螺子 ７８ 雄型コネクタ ７９ フェルール ８０ カラー ８１ 位置決めピン ８２ ナット ８３ ローレット ８４ ハウジング ８５ ベンドリミッタ ８６ 光ファイバ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉村 学 大阪府大阪市此花区島屋一丁目１番３号住 友電気工業株式会社大阪製作所内 Ｆターム(参考） 2H037 AA01 BA03 CA14 CA15 DA35 5F073 AA89 AB27 AB28 CA13 EA29 FA07

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 先細りの幅又は厚みをもつ活性層を有す
   るスポットサイズ変換レ−ザと、光ファイバ・光導波路
   を結合させるため、光ファイバ・光導波路と離隔したレ
   ンズ集光光学系を用いた事を特徴とする発光装置。
2. 【請求項２】 集光光学系が球レンズよりなる事を特徴
   とする請求項１に記載の発光装置。
3. 【請求項３】 集光光学系が非球面レンズよりなる事を
   特徴とする請求項１に記載の発光装置。
4. 【請求項４】 外部とのインターフェイスがレセプタク
   ルタイプである事を特徴とする請求項１〜３の何れかに
   記載の発光装置。
5. 【請求項５】 外部とのインターフェイスがピグテール
   タイプであることを特徴とする請求項１〜３の何れかに
   記載の発光装置。
6. 【請求項６】 外部とのインターフェイスが光導波路で
   ある事を特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の発光
   装置。
7. 【請求項７】 スポットサイズ変換レ−ザが、縦テーパ
   型若しくは横テーパ型、或いは縦・横両テーパ型である
   ことを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の発光装
   置。
8. 【請求項８】 スポットサイズ変換レ−ザが、ＩｎＧａ
   ＡｓＰ系の半導体材料よりなる事を特徴とする請求項１
   〜７の何れかに記載の発光装置。
9. 【請求項９】 金属製のパッケージにスポットサイズ変
   換レ−ザを搭載し、球レンズ若しくは非球面レンズを有
   するキャップをかぶせた事を特徴とする請求項１〜８の
   何れかに記載の発光装置。