JP2006139060A - 半導体レーザーモジュールの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体レーザー素子、レンズ、光ファイバーを備え、効果的な結合効率の調整が可能な半導体レーザーモジュールの製造方法を提供する。
【解決手段】 この製造方法は、半導体レーザー素子1から出射される光線の光軸P1とレンズ2の中心軸P2とが合致するようにこれ等部品を同一直線上に配置する工程、レンズ2と光ファイバー9との間に楔型透明体10を配設して集光光線の光軸を屈曲させる工程、屈曲される前の光軸P1に対して光ファイバーの中心軸P3が平行で、光ファイバーの入射端面が楔型透明体により屈曲された集光光線の焦点位置に整合するように光ファイバーを配置する工程、上記光ファイバーの出射端から出力される光量が所望の値となるように光ファイバーをその中心軸に沿って回転させる工程、の各工程を有することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体レーザー素子、レンズ、光ファイバー等の光学部品を備え、光通信や光情報システム等に使用される半導体レーザーモジュールに係り、特に、結合効率の揺らぎが小さく、モジュール中心軸からの光学部品の偏芯量を低く抑制しても効果的な結合効率の調整が可能となる半導体レーザーモジュールの製造方法に関するものである。

一般に半導体レーザーモジュールは、半導体レーザー素子、レンズ、光ファイバーといった光学部品を備えており、図７に示すように半導体レーザー素子１から出射された光はレンズ２で集光され、光ファイバー９の入射端面に入射するように設計される。このとき、光ファイバーの入射端面が光線の伝播方向に対して垂直であると、反射戻り光が半導体レーザー素子方向へ戻り、半導体レーザー素子のレーザー発振が不安定になるため、通常、光ファイバーには入射端面を４度以上傾けた斜め加工が施されている。

ところで、半導体レーザーモジュールを組み立てる際、通常、半導体レーザー素子から出射された光をできるだけ損失無く光ファイバーに結合させ、光ファイバーの一端から入射され他端から出力される光量が最大となるように各光学部品の位置を調整している。

しかし、このように調整された半導体レーザーモジュールでは、半導体レーザー素子自身の特性のばらつきによって、製造された半導体レーザーモジュールの出力光量がばらつくという問題があった。

そこで、半導体レーザーモジュールからの出力光量を所望の値とするため、レンズで集光された集光光線の光軸と光ファイバーの入射面に垂直な法線とのなす角度である入射角度を変化させることにより、モジュールからの出力光量を調整し、所望の値とする手法が特許文献１において提案されている。光ファイバーに入射した光は、入射角度に依存して屈折のためクラッドに一部が漏れ出し、損失となる光量が増加することから、この入射角度を調整することにより結合効率が変化し、光ファイバーからの出力光量を調整することができる。すなわち、光ファイバーの入射端面が斜めに加工され、集光光線の光学軸が光ファイバーの中心軸に対して傾斜していれば、上記入射角度は、光ファイバーをその中心軸に沿って回転させることにより変化し、結合効率を変化させることが可能となる。

この場合、光ファイバーの入射端面におけるコアの位置を集光光線の焦点からずらすことにより結合効率を変化させ、出力光量を調整する別の方法も考えられる。

但し、光ファイバーの入射端面を光線の伝播方向に移動させる方法、すなわち入射端面の位置をデフォーカス位置にする方法は、モジュールの環境温度の変化が原因となって半導体レーザー素子と光ファイバー間の距離が変動するため結合効率の揺らぎが生じる。結合効率の揺らぎは出力光量のふらつきの原因となるため、一定の値以下に抑制する必要がある。しかし、環境温度に起因する結合効率の揺らぎは焦点位置が最も小さく、焦点から離れるに従って増加するため、デフォーカス位置に調整するこの方法では結合効率の揺らぎが大きくなる欠点があり、現実的には適用が困難であった。

また、光ファイバーを集光光線の伝播方向と垂直の方向（図７では紙面の上下方向）に移動させて焦点からずらす方法も考えられる。しかし、この方向に移動させると、ＹＡＧレーザーなどで光ファイバーを溶接固定する際の位置ずれが原因となって溶接固定前後で出力光量が変わってしまう欠点があり、同様に適用が困難であった。
特開平７−２３００２３号公報

ところで、レンズにより集光光線の光軸を傾斜させ、かつ、入射端面が斜め加工された光ファイバーをその中心軸に沿って回転させることにより結合効率を変化させる特許文献１に記載の方法は、光ファイバーを回転させても光ファイバーのコアと焦点が常に合致しているため、環境温度に起因した結合効率の揺らぎが小さい利点を有している。

但し、光ファイバーの入射面での反射光が半導体レーザー素子に戻らないようにしつつ、出力光量を変化させる十分な結合効率の変化を得るためには、半導体レーザー素子、レンズ、光ファイバー等の光学部品をモジュールの中心から大きく偏芯させ、集光光線の傾斜角を大きくしなければならない。

しかし、各光学部品をモジュール中心軸から大きく偏芯させた構造は、結合効率が変動してしまう観点から好ましくない。すなわち、偏芯が大きいとモジュールが回転対象ではなくなり、部材の熱膨張によりファイバー位置が伝播方向と垂直方向にずれてしまうため、光ファイバーにおける入射端面の位置をデフォーカス位置にする上述の方法等と同様、結合効率が揺らぐことになる。加えて、できるだけ半導体レーザーモジュールの形状を小型にしたいという要望にもそぐわなくなる。

本発明はこのような問題点に着目してなされたもので、その課題とするところは、結合効率の揺らぎが小さく、モジュール中心軸からの光学部品の偏芯量を低く抑制しても効果的な結合効率の調整が可能となる半導体レーザーモジュールの製造方法を提供することにある。

すなわち、請求項１に係る半導体レーザーモジュールの製造方法は、
半導体レーザー素子、レンズ、先端が傾斜した光ファイバーを備え、半導体レーザー素子から出射された光線が上記レンズを介し光ファイバーに入射される半導体レーザーモジュールの製造方法を前提とし、
上記半導体レーザー素子から出射される光線の光軸とレンズの中心軸とが合致するように半導体レーザー素子とレンズとを同一直線上に配置する工程と、
上記レンズと光ファイバーとの間に楔型透明体を配設してレンズにより集光された集光光線の光軸を屈曲させる工程と、
上記半導体レーザー素子から出射される光線の屈曲される前の光軸に対して光ファイバーの中心軸が平行で、かつ、光ファイバーの入射端面が上記楔型透明体により屈曲された集光光線の焦点位置に整合するように光ファイバーを配置する工程と、
上記光ファイバーの出射端から出力される光量が所望の値となるように光ファイバーをその中心軸に沿って回転させる工程、
の各工程を有することを特徴とするものである。

請求項１に係る半導体レーザーモジュールの製造方法によれば、上記レンズと光ファイバーとの間に設けられる楔型透明体について、光ファイバーの直前に配置することが可能なため、半導体レーザー素子、レンズ、上記楔型透明体等の光学部品をモジュールの中心軸に沿って配置し、光学部品である光ファイバーのみを若干偏芯させるだけで上記結合効率の調整が図れる。

従って、モジュール中心軸からの光学部品の偏芯量を低く調整して結合効率の揺らぎを抑制しながら効果的な結合効率の調整が可能となる効果を有している。

更に、この製造方法によれば、光アイソレーターのような光学部品が付加されている場合と、光アイソレーターのような光学部品が付加されていない場合とのプロセスの相違が小さいため、両製品を混在させて生産する際、組立て装置の構成や光学調整のプログラム等を共通にすることができる効果を有している。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

この実施の形態に係る同軸型半導体レーザーモジュールは、図１に示すように半導体レーザー素子１、レンズ２、楔型透明体１０および先端が斜め加工された光ファイバー９とでその主要部が構成され、以下の工程を経て製造されている。

まず、その中心に半導体レーザー素子１が配置されたパッケージ本体７とその中心にレンズ２が固定されたキャップ８を、半導体レーザー素子１から出射される光線の光軸Ｐ１と上記レンズ２の中心軸Ｐ２が合致するように配置し、かつ、これ等パッケージ本体７とキャップ８とを溶接固定する。この配置によりレンズ２を通過した半導体レーザー素子１からの光線は光軸Ｐ１が傾かずに集光される。

次に、レンズ２により集光された集光光線の光路中にアダプター４に取り付けられた楔型透明体１０を挿入する。楔型透明体１０の挿入により、レンズ２で集光された集光光線は上記楔型透明体１０において屈折（すなわち屈曲）し、光ファイバー９の中心軸Ｐ３に対し傾斜して光ファイバー９に入射することになる。尚、光ファイバー９の中心軸Ｐ３は、半導体レーザー素子１から出射される光線の屈曲される前の光軸Ｐ１と平行（すなわち、光軸Ｐ１と合致するレンズ２の中心軸Ｐ２とも平行）で、かつ、光ファイバー９の入射端面が屈曲された集光光線の焦点位置に整合するように配置されている。

光ファイバー９に入射した光線は光ファイバー９端面で屈折するが、この際の屈折角は、光ファイバー９をその中心軸Ｐ３に沿って回転させると、入射光線と光ファイバー９端面のなす角度が変わるため変化する。その結合効率は、光ファイバー９端面で屈折した光線が進もうとする軸（すなわち屈折光線の光軸）と、光ファイバー９のコアつまり光ファイバー９の中心軸Ｐ３とのなす角度に依存して変化する。この角度が０度に近い場合は結合効率が高く、角度が大きくなると結合効率が低くなる。角度が０度の場合の結合効率は、反射防止膜加工が施されていないファイバーの場合、ほぼ反射損失の４％を差し引いた９６％となる。すなわち、先端が斜め加工されていない垂直端面の光ファーバーに垂直に集光光線を入射したときの結合効率にほぼ一致する。

そして、上記屈折光線の光軸と光ファイバー９の中心軸Ｐ３のなす角度は、光ファイバー９端面の斜め加工の角度および楔型透明体１０の屈折率と楔角度を調整すれば、０度とすることが可能になる。０度が達成可能な状態において光ファイバー９を回転させ、最も損失が少なく光ファイバー９の出射端からの出力光量が最大となったとき、屈折光線の光軸と光ファイバー９の中心軸Ｐ３のなす角度は０度となる。ここから光ファイバー９をその中心軸Ｐ３に沿って回転させると結合効率が低下し、光ファイバー９を１８０度回転させたところで屈折光線の光軸と光ファイバー９の中心軸Ｐ３のなす角度は最大となり、損失も最大となる。

上記光ファイバー９の先端角度（０度、２度、４度、６度、８度、１０度の６種類）をパラメーターとし、光ファイバー９の回転角と結合損失（結合係数をｄＢ表記の損失に換算したもの）との関係を図２のグラフ図に示す。但し、光ファイバー９端面における反射損失は、光ファイバー９の回転でほとんど変化しないため無視した。また、表示されたグラフ図は、楔型透明体１０として光ファイバー９と屈折率が等しい石英ガラスを用い、楔角度を光ファイバー９の先端角度と同じにし、屈折光線の光軸と光ファイバー９の中心軸Ｐ３のなす角度が０度に成り得る条件のものである。

そして、図２のグラフ図から確認されるように、３ｄＢの減衰は、光ファイバーの先端角度が０度と２度の場合には達成できないが、光ファイバーの先端角度を６度にすれば達成できる。しかし、光ファイバーを回転させると、光ファイバー端面における集光光線の焦点位置が若干ずれるため、光ファイバーの先端角度は、５０〜６０度の回転で３ｄＢの減衰が得られる８〜１０度が好ましい。

以下、本発明の実施例について具体的に説明する。

まず、図１に示すようにその中心に半導体レーザー素子１が収められたパッケージ本体７とその中心にレンズ２を保持するキャップ８を用意し、半導体レーザー素子１から出射される光線の光軸Ｐ１と上記レンズ２の中心軸Ｐ２が合致した状態で両者を固定した。

次いで、パッケージ本体７に筒体１６を固定した後、楔型透明体１０が接着されたアダプター４を上記筒体１６に被せ入れた。なお、上記楔型透明体１０にはＢＫ７ガラスを用い、透過損失を低減するため楔型透明体１０の両面にＡＲコート（すなわち、反射防止膜）を施した。但し、半導体レーザー素子１の出力に余裕がある場合は、上記ＡＲコートを省いてもよい。

次に、先端が傾斜した光ファイバー９を保持する光ファイバー部品３を用意し、光ファイバー９の中心軸Ｐ３を、半導体レーザー素子１から出射される光線の屈曲される前の光軸Ｐ１と平行（すなわち、光軸Ｐ１と合致するレンズ２の中心軸Ｐ２とも平行）にした後、レンズ２で集光される集光光線の焦点位置に光ファイバー９の入射端面が配置されるように、レンズ２と一体化された半導体レーザー素子１、楔型透明体１０、光ファイバー部品３の相互の位置を調整した。

なお、この実施例１では、楔型透明体１０の楔角度ならびに光ファイバー９の先端角度を８度とし、楔型透明体１０と光ファイバー９の間隔を１ｍｍとした。両者の間隔を１ｍｍとしたことで、半導体レーザー素子１から出射される光線の屈曲される前の光軸Ｐ１からの集光光線の焦点位置の変位、すなわちビーム変位は０．０６６ｍｍと小さな値であった。ここでの変位量が０．１ｍｍ以下であれば偏芯は十分に小さく、この半導体レーザーモジュールを回転対象な同軸型モジュールと同等に扱える。ビーム変位をより小さくするためには、楔型透明体１０と光ファイバー９をさらに近接させればよい。

次に、上記焦点位置が光ファイバー９の入射端面から光の伝播方向にずれないようにするためアダプター４を筒体１６にＹＡＧレーザーで貫通溶接６した後、光ファイバー部品３を回転させ、光ファイバー９の出射端から出力される光量が所望の値になったところで、アダプター４と光ファイバー部品３をＹＡＧレーザーで隅肉溶接５し、実施例１に係る半導体レーザーモジュールを組み立てた。

なお、光ファイバー部品３を回転させ、光ファイバー９からの出射光量が最大となる位置から、結合損失が３ｄＢとなる位置までの回転角度は、約６０度であった。

ここで、この半導体レーザーモジュールにはその両面にＡＲコートを施した高価な楔型透明体が組み込まれているが、高価な楔型透明体に代えて、ＡＲコートを施すのは片面のみとし、図３に示すように他方の面には片面にＡＲコートを施した透明な平板基板１１を接着してもよい。

また、この半導体レーザーモジュールにおいて、光アイソレーターが必要な場合は、楔型透明体１０に光アイソレーターを接着することが出来る。

図４にファラデー回転子１３の両側に偏光子１４を接着したラミネート型光アイソレーターが実装された例を示す。光アイソレーターも、光を屈折させるが、光学素子が平板であるため、光ファイバー側に出射する集光光線の傾斜角度に影響を及ぼすものではない。従って、光アイソレーターがあっても、光ファイバー部品３の回転調整によって、結合損失を変化させて、出力調整を行うことが出来る。なお、図４中、符号１２は円筒形磁石を示している。

また、半導体レーザー素子１が、出射するレーザー光の偏光と直行する偏光の戻り光に対し十分安定な場合には、図５に示す様に半導体レーザー素子側の偏光子を省き、光ファイバー側の偏光子１４とファラデー回転子１３とで光アイソレーターを構成してもよい。

ところで、上記光アイソレーターが必要な場合、楔型透明体１０と光ファイバー９の間に光アイソレーターを配置するための空間が必要となるため両者の間隔が広くなる。一般にラミネート型光アイソレーターは１ｍｍ程度の厚さが必要であるため、楔型透明体１０と光ファイバー９の間に何も存在しないときに比べて０．１ｍｍ程度のビーム変位が付加される。

そこで、付加されるビーム変位が大きいときは、図６に示す様に光アイソレーターの少なくとも偏光子１つを複屈折結晶１５に置き換えることにより、光アイソレーターで生じるビーム変位を複屈折で補償することができる。

なお、図３〜図６に示された変形例に係るアダプター４を用いて同様に半導体レーザーモジュールを組み立てたところ、簡便に結合効率の調整ができ、かつ偏芯量が小さいため、結合効率の揺らぎの小さな半導体レーザーモジュールを組み立てることができた。

本発明の半導体レーザーモジュールの製造方法によれば、半導体レーザー素子、レンズ、楔型透明体等の光学部品をモジュールの中心軸に沿って配置し、光ファイバーのみを若干偏芯させるだけで結合効率の調整が図れるため、結合効率の揺らぎを抑制しながら効果的な結合効率の調整が可能となる。

従って、光通信や光情報システム等に使用される半導体レーザーモジュールとして好適に利用することができる。

本発明の実施例１に係る半導体レーザーモジュールの断面図。 結合損失の光ファイバー回転角度依存性を表すグラフ図。 アダプターに装着された変形例に係る楔型透明体の断面図。 アダプターに装着された第二変形例に係る楔型透明体の断面図。 アダプターに装着された第三変形例に係る楔型透明体の断面図。 アダプターに装着された第四変形例に係る楔型透明体の断面図。 従来例に係る半導体レーザーモジュールの断面図。

符号の説明

１ 半導体レーザー素子
２ レンズ
３ 光ファイバー部品
４ アダプター
５ 隅肉溶接
６ 貫通溶接
７ パッケージ本体
８ キャップ
９ 光ファイバー
１０ 楔型透明体
１１ ＡＲコート付き透明体
１２ 円筒形磁石
１３ ファラデー回転子
１４ 偏光子
１５ 複屈折結晶
１６ 筒体

Claims (1)

1. 半導体レーザー素子、レンズ、先端が傾斜した光ファイバーを備え、半導体レーザー素子から出射された光線が上記レンズを介し光ファイバーに入射される半導体レーザーモジュールの製造方法において、
   上記半導体レーザー素子から出射される光線の光軸とレンズの中心軸とが合致するように半導体レーザー素子とレンズとを同一直線上に配置する工程と、
   上記レンズと光ファイバーとの間に楔型透明体を配設してレンズにより集光された集光光線の光軸を屈曲させる工程と、
   上記半導体レーザー素子から出射される光線の屈曲される前の光軸に対して光ファイバーの中心軸が平行で、かつ、光ファイバーの入射端面が上記楔型透明体により屈曲された集光光線の焦点位置に整合するように光ファイバーを配置する工程と、
   上記光ファイバーの出射端から出力される光量が所望の値となるように光ファイバーをその中心軸に沿って回転させる工程、
   の各工程を有することを特徴とする半導体レーザーモジュールの製造方法。

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