JP2002196161A

JP2002196161A - レンズ付光ファイバおよびその加工方法及びそれを用いた光半導体装置の組立方法

Info

Publication number: JP2002196161A
Application number: JP2000393451A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Kobayashi; 善宏小林
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2000-12-25
Filing date: 2000-12-25
Publication date: 2002-07-10

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】光半導体装置への組立時間を大幅に短縮する。【解決手段】光ファイバの先端の被覆１５を除去すると
ともに、光ファイバのコア軸１２に対して対称な一対の
傾斜面１１を形成してなるレンズ付光ファイバ１０にお
いて、前記傾斜面１１の方向にあわせて光ファイバ被覆
１５に方向表示部１４を形成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信に使用する
発光源と光ファイバとの光結合に用いるレンズ付光ファ
イバおよびその加工方法およびそれを用いた光半導体装
置の組立方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光通信用の発光源としては、レーザダイ
オード（以下ＬＤという），発光ダイオード等が用いら
れる。ＬＤからの出射光のパターンは、光分布が円状の
ガウス分布ではなく縦方向と横方向で異なる楕円ビーム
状となる。典型的なＬＤは２．５：１と４：１の間のア
スペクト比を有する出射光のパターンとなる。このよう
な大きなアスペクト比を有するＬＤと光ファイバとの結
合には楔形レンズ付光ファイバが有効である。

【０００３】従来の楔形レンズ付光ファイバではより効
率的集光を目的とした二段楔形レンズがある。図８に二
段楔形レンズを示す。レンズ付光ファイバ１０は、光フ
ァイバのコア軸１２に関して対称で且つファイバ先端に
先鋭な稜線を形成する一対の傾斜面１１ａと、該傾斜面
１１ａの傾斜方向に連続しかつ光ファイバのコア軸に対
して前記の傾斜面１１aよりも緩い角度が設けられた一
対の傾斜面１１ｂからなる傾斜面１１を備えている（特
開平８−５８６５号公報参照）。

【０００４】また図８に示すレンズ付光ファイバ１０と
同様の目的から、図９に示すように楔形レンズの先端を
曲面１３に加工し、半円筒形のレンズを形成したレンズ
付光ファイバ１０がある。該レンズ付光ファイバ１０は
光ファイバのコア軸１２に関して対称の一対の傾斜面１
１を設けて楔形状とし、これらの傾斜面１１に対し連続
して半円筒状の曲面１３を備えている（特開平８−８６
９２３公報参照）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが上記に記載し
た従来のレンズ付光ファイバ１０を光半導体装置に組み
込む際に、傾斜面１１が小さく目視ではその方向性を判
断できないためにレンズ付光ファイバ１０を１８０°回
転させて結合効率の良いところで固定しなければならな
いという問題がある。

【０００６】つまり組立の際、長手方向のＺ軸方向及び
縦横方向のＹ軸、Ｘ軸方向の３軸の調整とともに回転方
向のθ軸方向の調整もおこなわなければならないため
に、組立時間がかかりしかも熟練を要する作業なので作
業者を限定しなければならず、しかも自動化しにくい為
にレンズ付光ファイバを用いた光半導体装置を量産化出
来ない要因となっていた。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記に鑑みて本発明は、
光ファイバの先端の被覆を除去するとともに、光ファイ
バのコア軸に対して対称な一対の傾斜面を形成してなる
レンズ付光ファイバにおいて、前記傾斜面の方向にあわ
せて光ファイバ被覆に方向表示部を形成したことを特徴
とする。

【０００８】また、光ファイバの先端に、光ファイバの
コア軸に対して対称な一対の傾斜面を形成し、後方に固
定具を装着したレンズ付光ファイバにおいて、前記傾斜
面の方向にあわせて前記固定具に方向表示部を形成した
ことを特徴とする。

【０００９】更に、光ファイバの先端に、前記傾斜面に
連続して半円筒状の曲面を備えたことを特徴とする。

【００１０】しかも、光ファイバの一部に方向表示部を
形成した後、該方向表示部を基準として治具に固定し、
先端に傾斜面を加工することを特徴とする。

【００１１】また、上記のいずれかに記載のレンズ付光
ファイバの方向表示部を基準にして半導体素子を収納し
たパッケージに装着することを特徴とする。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態につい
て、図面を用いて説明する。

【００１３】図１は本発明のレンズ付光ファイバ１０の
レンズ部の平面図及び側面図である。図１において、光
ファイバは周知の通り光が閉じこめられるコア１８と、
これを同心円状に囲むクラッド１９から成り、ともに円
形断面を備えている。そしてその外周には光ファイバを
保護する目的で被覆１５を配置し、先端のみ被覆１５を
除去した構造となっている。

【００１４】光ファイバの先端には、光ファイバのコア
軸１２に対して対称な一対の傾斜面１１により楔形状を
形成し、該傾斜面１１に対し連続して半円筒形状の曲面
１３を備えている。そして前記傾斜面１１の方向にあわ
せて方向表示部１４を光ファイバ被覆１５の外周に形成
している。

【００１５】曲面１３の曲率半径は１μｍ〜２０μｍで
あることが望ましい。ここで１μｍ未満の曲率半径であ
れば、曲率半径が小さすぎて加工することが困難な事
と、２０μｍを越える曲率半径であれば、ＬＤから出た
光が曲面１３で十分に集光されず、光ファイバのコア部
に結合効率良く入射されなくなるからである。

【００１６】傾斜面１１の角度φは３０°＜φ＜１６０
°の範囲であることが好ましい。この範囲の角度を超え
ると結合効率が極端に悪化するからである。

【００１７】ここで、図２を参照してＬＤから出射され
た光ビームがレンズ付ファイバ１０に効率良く入射する
原理を説明する。

【００１８】ＬＤ２１の窓部２２におけるｙ軸方向のビ
ームウェイスト半径をωy，ｘ軸方向のビームウェイス
ト半径をωx，シングルモードファイバ（以下ＳＭＦと
いう）からなるレンズ付光ファイバ１０のコア半径をω
とする。

【００１９】レンズ付光ファイバ１０のファイバ端２３
から、レンズ付ファイバ１０内部のビームウェイスト半
径ω₀までの距離ｄ₀を求める。ＳＭＦでは、屈折率NA＝
0.1で入射される。一方、ファイバコアの屈折率ｎをｎ
＝1.465，コア径2ω＝６μmとすると

【００２０】

【数１】

【００２１】

【数２】

【００２２】よって、数１，数２よりω₀＝2.9024μmと
なる。

【００２３】これより逆に

【００２４】

【数３】

【００２５】例えば、光線の波長λ＝830nmなら、ｎ＝
1.465とおいて、数３に代入すると、ｄ ₀＝3.12μmとな
る。

【００２６】ここで、レンズ付ファイバ１０のファイバ
端２３から、ＬＤの窓部２２までの距離ｄを求めるに
は、レンズをなす曲面１３の曲率半径をＲとして、

【００２７】

【数４】

【００２８】と表される光線マトリクスから決定され
る。

【００２９】即ち、一般的なビームマトリクスの式か
ら、

【００３０】

【数５】

【００３１】これより、ωyが求まる。例えば、曲率半
径Ｒ＝10μmのとき、ωy＝1.32μmとなる。逆にωyが分
っていれば最適な曲率半径Ｒが求まる。

【００３２】同じように、

【００３３】

【数６】

【００３４】からｄ＝15.22μmが求まる。このときωx
は、レンズ効果がないから、

【００３５】

【数７】

【００３６】と表される。例えば、ｄ₀＝3.12，ω₀＝2.
9024とすれば、ωx＝3.4μmとなる。

【００３７】すなわち、半円形のレンズ付光ファイバ１
０を出射したビームは、コア径２ω＝６μmのＳＭＦで
波長λ＝830nmならば、曲率半径Ｒ＝10μmとするとき、
ファイバ端２３からｄ＝約15μmの位置に、ωx＝約3.4
μm，ωy＝約1.3μmの扁平なビームウェイストを形成す
ることができる。

【００３８】従って、ωyがωxに比して小さい高出力Ｌ
Ｄのとき、（ωy／ωx）＝約1/2.5〜1/5位の扁平化した
放射窓に適合したファイバレンズが形成でき、高い結合
効率が得られることになる。

【００３９】即ち、レンズ付光ファイバ１０の楔形状の
方向とＬＤの位置をあわせることが必要であり、その為
に本発明は方向表示部１４を設けたことを特徴とする。

【００４０】次に図３に本発明の他の実施形態であるレ
ンズ付光ファイバを示す。図１同様に光ファイバの先端
には、光ファイバのコア軸１２に対して対称な一対の傾
斜面１１により楔形状を形成し、該傾斜面１１に対し連
続して半円筒形状の曲面１３を備えている。そして光フ
ァイバと光ファイバ被覆１５を保護する目的で固定具１
６を接着剤１７にて固定してあり、傾斜面１１の方向に
あわせて方向表示部１４を固定具１６の外周に形成して
いる。

【００４１】本発明の方向表示部１４は、ＣＯ₂レー
ザ、ＹＡＧレーザ、エキシマレーザ等のレーザを用いる
か、インクジェットもしくはマジックペンを用いて光フ
ァイバ被覆１３もしくは固定具１６の外周に印字する
か、またはシール等を添付する方法がある。また固定具
１６を用いる場合は、該固定具１６の一部に凹部もしく
は凸部を形成する方法でも同一の効果を奏することが出
来る。

【００４２】更には、図４（ａ）に示す長方形、図４
（ｂ）に示す台形、図４（ｃ）に示す半円形、図４
（ｄ）に示す三角形などのように固定具１６の一辺を利
用して、方向表示部１４を形成することもできる。

【００４３】又、方向表示部１４は図５（ａ）に示すよ
うに傾斜面１１の上面に形成しても、図５（ｂ）に示す
ように傾斜面１１の側面に形成しても、図５（ｃ）に示
すように傾斜面１１に対しある角度をもった位置に形成
しても同様の効果を得ることができる。

【００４４】本発明のレンズ付光ファイバ１０はシング
ルモード光ファイバ、マルチモード光ファイバ等の石英
ガラス製光ファイバのみならず樹脂製光ファイバ等あら
ゆる光ファイバに採用することができる。

【００４５】また、偏波保存光ファイバの様に断面形状
に方向性を有する光ファイバにも使用することができ、
具体的には偏波保存光ファイバのコアの外部に形成され
た偏波保存部と傾斜面１１と方向表示部１４の位置をあ
わせる方法でも同一の効果を奏することが出来る。

【００４６】また、光半導体装置にハンダ固定する目的
で、傾斜面１１の後部の光ファイバ外周にＮｉ、Ａｕ等
の蒸着層もしくはメッキ層を形成することもできる。

【００４７】以上傾斜面１１が一段であるレンズ付光フ
ァイバについて説明してきたが、図示していないが、光
ファイバのコア軸に関して対称な多段の傾斜面を形成し
たレンズ付光ファイバ及びその多段の傾斜面の先端に半
円筒状の曲面を形成したレンズ付光ファイバにも適用す
ることができる。

【００４８】このように、本発明のレンズ付光ファイバ
を用いることにより、光半導体装置に組み込む際にθ軸
方向の調整が微調整もしくは無調整ですむために、組立
時間を短縮できると共に熟練を要しなくなることから作
業者を限定する必要がなくなり、しかも自動化しやすく
なりレンズ付光ファイバを用いた光半導体装置を量産化
する事が可能となる。

【００４９】次に、本発明のレンズ付光ファイバの加工
方法について図６を用いて説明する。

【００５０】まず図６（ａ）のように先端の被覆１５を
除去した光ファイバの被覆１５の外周に方向表示部１４
を形成する。次に図６（ｂ）のように該方向表示部１４
を基準として治具４２に固定し、平板の研磨盤４１と光
ファイバのコア軸１２のなす角度を（φ／２）に保持し
ながら研磨して一方の傾斜面１１を形成し、光ファイバ
を反転させて他方の傾斜面１１を形成する。次に図６
（ｃ）のように先端を放電加工もしくは研磨加工にて半
円筒状の曲面１３を形成する。

【００５１】またこの加工の際、図示してはいないが、
光ファイバの後端から光を入射し、該入射光が光ファイ
バ先端から出射する発光パターンおよび／または光ファ
イバ先端からの反射戻り光の測定を行いながら、研磨加
工等により光ファイバの先端にレンズ加工を施す方法を
適用することもできる。

【００５２】以上の方法により、傾斜面１１の方向にあ
わせて方向表示部１４が形成されたレンズ付光ファイバ
が完成する。

【００５３】次に、本発明のレンズ付光ファイバを用い
た光半導体装置の組立方法について図７を用いて説明す
る。光半導体装置３０を断面で表した平面図で示す。

【００５４】光半導体装置３０の内部にはＬＤ２１が配
線され封止されている。前記光半導体装置３０の挿入部
３１に傾斜面１１の方向にあわせて方向表示部１４を形
成した本発明のレンズ付光ファイバ１０の方向表示部１
４を上に向けた状態で挿入していく。光ファイバの他端
にはパワーメータ３２を接続しておき、ＬＤ２１からレ
ンズ付光ファイバ１０に入射したパワーをモニターしな
がら、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を調整しパワーの最大値の位置
で光半導体装置３０に固定する。θ軸方向は微調節する
とパワーは更に向上するが、無調整であっても半導体装
置の実使用上は問題ない。

【００５５】光半導体装置３０にレンズ付光ファイバ１
０を固定する方法は、ハンダ付け、接着、ＹＡＧレーザ
溶接、低融点ガラス付け等を使用できるが、ＹＡＧレー
ザ溶接は瞬時に接合できうるので特に好ましい方法であ
る。

【００５６】以上より、本発明のレンズ付光ファイバ１
０を用いることにより、光半導体装置３０に組み込む際
にθ軸方向の調整が微調整もしくは無調整ですむため
に、組立時間を短縮できると共に熟練を要しなくなるこ
とから作業者を限定する必要がなくなり、しかも自動化
しやすくなりレンズ付光ファイバ１０を用いた光半導体
装置３０を量産化する事が可能となる。

【００５７】

【実施例】図１に示す本発明のレンズ付光ファイバ１０
と比較例として図８に示す従来のレンズ付光ファイバを
各１０本作成し、光半導体装置に組み込んでその組み込
み時間を測定した。

【００５８】レンズ付光ファイバ１０のレンズ部の形状
は本発明、従来例共に傾斜面１１の角度φは８０°、先
端の曲面１３の曲率半径はＲ５ｍｍとした。

【００５９】ＬＤ２１の光源は波長が９８０ｎｍ、出射
光の強度分布（モードフィールド）パターンは４：１の
アスペクト比である楕円形状とし、光ファイバはモード
フィールド径６．０μｍの円対称シングルモード光ファ
イバを使用した。

【００６０】方向表示部１４はＹＡＧレーザを用いてφ
０．３ｍｍの黒点を印字した。

【００６１】

【表１】

【００６２】その結果を表１に示す。表中の数値は１０
本の平均値を示す。

【００６３】以上の結果より、従来のレンズ付光ファイ
バ１０は組み込み時間が平均で１８．３分かかったのに
対し、本発明のレンズ付光ファイバ１０の組み込み時間
は平均で７．８分と格段に短縮することが出来た。

【００６４】

【発明の効果】本発明によれば、光ファイバの先端の被
覆を除去するとともに、光ファイバのコア軸に対して対
称な一対の傾斜面を形成してなるレンズ付光ファイバに
おいて、前記傾斜面の方向にあわせて光ファイバ被覆に
方向表示部を形成したことによって、光半導体装置へ組
み込む際の目安となり、組立時間を大幅に短縮すること
が出来た。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明のレンズ付光ファイバを示す平
面図、（ｂ）は同じく側面図である。

【図２】本発明のレンズ付光ファイバに光ビームが入射
する原理を示す図である。

【図３】（ａ）は本発明のレンズ付光ファイバの他の実
施形態を示す平面図、（ｂ）は同じく側面図である。

【図４】（ａ）〜（ｄ）は本発明のレンズ付光ファイバ
の他の実施形態を示す端面図である。

【図５】（ａ）〜（ｃ）は本発明のレンズ付光ファイバ
の他の実施形態を示す端面図である。

【図６】（ａ）〜（ｃ）は本発明のレンズ付光ファイバ
の加工方法を示す概略図である。

【図７】本発明の光半導体装置の組立方法を示す図であ
る。

【図８】従来のレンズ付光ファイバを示す正面図であ
る。

【図９】従来のレンズ付光ファイバを示す正面図であ
る。

【符号の説明】

１０レンズ付光ファイバ１１傾斜面１２コア軸１３曲面１４方向表示部１５被覆１６固定具１７接着剤１８コア１９クラッド２１ＬＤ２２窓部２３光ファイバ端２４光ファイバコア２５ビームウェイスト半径部３０光半導体装置３１挿入部４１研磨盤４２治具

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光ファイバの先端の被覆を除去するととも
に、光ファイバのコア軸に対して対称な一対の傾斜面を
形成してなるレンズ付光ファイバにおいて、前記傾斜面
の方向にあわせて光ファイバ被覆に方向表示部を形成し
たことを特徴とするレンズ付光ファイバ。
【請求項２】光ファイバの先端に、光ファイバのコア軸
に対して対称な一対の傾斜面を形成し、後方に固定具を
装着したレンズ付光ファイバにおいて、前記傾斜面の方
向にあわせて前記固定具に方向表示部を形成したことを
特徴とするレンズ付光ファイバ。
【請求項３】光ファイバの先端に、前記傾斜面に連続し
て半円筒状の曲面を備えたことを特徴とする請求項１又
は２記載のレンズ付光ファイバ。
【請求項４】光ファイバの一部に方向表示部を形成した
後、該方向表示部を基準として治具に固定し、先端に傾
斜面を加工することを特徴とするレンズ付光ファイバの
加工方法。
【請求項５】請求項１〜３のいずれかに記載のレンズ付
光ファイバの方向表示部を基準にして半導体素子を収納
したパッケージに装着することを特徴とする光半導体装
置の組立方法。