JP2011209609A - 発光素子モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】ファイバ裸線部近傍の漏れ光を低減させる。
【解決手段】LD13と、コア部17a、第1クラッド部17b、及び第2クラッド部17cを含むファイバ被覆部CA、並びに、LD13の出射端面13aから出射したレーザ光Lが入射するレンズ部17eを有し、第2クラッド部17cが除去されたファイバ裸線部CRAを有する光ファイバ17と、LD13が収容された筐体11とを備え、光ファイバ17は、マルチモードファイバであり、筐体11は、出射端面13aが、レンズ部17eと対向するようにファイバ裸線部CRAの一部を固定する光ファイバ挿通パイプ11aを備え、ファイバ裸線部CRAの一部は、光ファイバ挿通パイプ11aにおいて、第1クラッド部17bよりも屈折率が低い樹脂16aで固定されている。
【選択図】図1

Description

本発明は、光ファイバを備えた発光素子モジュールに関するものである。
一般的な発光素子モジュールは、筐体内に収容された発光素子(LD:Laser diodeまたはLED:light-emitting diode)の出射端面と、光ファイバの一端(以下、「入射端」と呼称)とが、筐体内で互いに対向するように配置され、この光ファイバの他端(以下「出射端」と呼称)側が、筐体のネック部から筐体外に引き出された構造を有している。発光素子としてLDを備えた発光素子モジュールは、LDモジュールなどと呼ばれ、発光素子としてLEDを備えた発光モジュールは、LEDモジュールなどと呼ばれる。
従来のLDモジュール又はLEDモジュールおいては、光ファイバの入射端からネック部までが、その被覆が除去されたファイバ裸線部となっている。このため、このファイバ裸線部から漏れ光が生じ、筐体内部やネック部近傍の局所的な温度上昇を招来してしまい、LD又はLEDを所定の温度で動作させることが困難になるという問題がある。このような問題点に関する従来技術として、特許文献1に開示された半導体レーザモジュールがある。
この半導体レーザモジュールでは、シングルモードファイバのクラッド部の周囲を被覆する被覆部や、内側クラッド部の周囲を取り囲む外側クラッド部の屈折率を、内側クラッド部の屈折率よりも低くしている。
これにより、シングルモードファイバのクラッド部を導波するクラッドモード光をクラッド部に閉じ込めて筐体から遠ざけ、筐体内部やネック部近傍の局所的な温度上昇が防止される。
特開2001−51166号公報(2001年2月23日公開)
本願発明者らは、特許文献1に記載された半導体レーザモジュールについて、筐体内部やネック部近傍の温度上昇を防止する観点から十分な構造となっているかを検討したところ、以下のような問題点が存在していることを見出した。
すなわち、特許文献1に記載された半導体レーザモジュールでは、ネック部近傍において、ファイバ裸線部の周囲が光ファイバのクラッド部よりも屈折率が高い接着剤で固定されているため、ファイバ裸線部から漏れ光が生じ易く、その結果、筐体内部やネック部近傍の温度が上昇し易いという問題があった。
なお、特許文献1に記載された接着剤の屈折率がファイバ裸線部のクラッド部の屈折率よりも高いことは、クラッド部の外部に放出される光が接着剤に吸収されるとの記載があることから明らかである。
次に、本願発明者らは、特許文献1では、光ファイバの外部に放出される光のほとんどが、光ファイバのレーザ光の入射端面から5cmまでの間で放出されていると認識しているのにも関わらず、何故、上述したように、ファイバ裸線部からの漏れ光が考慮されていないのかについて検討した。
まず、特許文献1では、光ファイバが、シングルモードファイバであることが前提となっているが、シングルモードファイバのLDとの結合効率は、高くても70%程度であり、マルチモードファイバのLDとの結合効率が90%〜95%程度であることと比較してかなり小さい。
また、シングルモードファイバよりもマルチモードファイバの方が、コア部に結合しなかった光がクラッド部に結合する確率が高いので、例えば、出力パワーが10W程度のハイパワーLDを用いた場合、約0.5W〜1Wのレーザ光がクラッド部に結合する場合がある。したがって、マルチモードファイバの方が、ファイバ裸線部からの漏れ光はかなり大きいと考えられる一方、特許文献1で想定されているLDの出力パワーは、300mW程度であり、シングルモードファイバを前提としているので、ファイバ裸線部からの漏れ光は、比較的小さいと考えられる。
したがって、特許文献1で前提となっているシングルモードファイバにおいて、想定されている300mW程度の出力パワーのLDでは、ファイバ裸線部からの漏れ光は、あまり問題とならないため、特許文献1では、ファイバ裸線部からの漏れ光という問題点に想到できなかったものと考えられる。
また、将来的にLD若しくはLEDの出力パワーがどんどん増大していった場合、何らかのトラブルにより、LD若しくはLEDと光ファイバとの結合効率が激変するなどして、ファイバ裸線部から大きな漏れ光が発生すると、筐体のネック部近傍の焼損が生じたり、外部に漏れた光が周辺へ悪影響を及ぼしたりする可能性もあり、安全性の確保の観点からもファイバ裸線部からの大きな漏れ光を処理する必要性が高くなると考えられる。
なお、LEDの出力パワーは、LDと比較して将来的にそれほど大きく増大するとは思われないが、LEDの出射端面から出射される光の拡がり角は、LDと比較して大きくなりがちである。よって、LEDと光ファイバとを光学的に結合する場合、コア部に結合しなかった光がクラッド部に結合する確率が高くなりがちであると考えられるため、ファイバ裸線部からの漏れ光を考慮する必要が生じることも十分考えられる。
本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ファイバ裸線部近傍の漏れ光を低減させることができる発光素子モジュールを提供することにある。
本発明の発光素子モジュールは、前記課題を解決するために、光を出射する出射端面を有する発光素子と、光の導波方向に延在するコア部、前記コア部よりも屈折率が低く、前記導波方向に延在して前記コア部の周囲を取り囲むクラッド部、及び前記導波方向に延在して前記クラッド部の周囲を被覆する被覆部を含むファイバ被覆部、並びに、前記光が入射する入射端部を有し、前記被覆部が除去されたファイバ裸線部を有する光ファイバと、前記発光素子が収容された筐体と、を備えた発光素子モジュールであって、前記光ファイバは、マルチモードファイバであり、前記筐体は、前記発光素子の前記出射端面が、前記ファイバ裸線部の前記入射端部と対向するように前記ファイバ裸線部の一部を固定する固定部を備え、前記ファイバ裸線部の一部は、前記固定部において、前記ファイバ裸線部の前記クラッド部よりも屈折率が低い樹脂材料で固定されていることを特徴とする。
前記構成によれば、ファイバ裸線部の一部は、固定部において、ファイバ裸線部のクラッド部よりも屈折率が低い樹脂材料で固定されている。
このため、固定部の近傍では、光ファイバのコア部に導波モードとして結合しなかったクラッドモード光が、ファイバ裸線部のクラッド部の外部に逃げることなく、クラッド部に閉じこめられて導波するため、ファイバ裸線部の漏れ光を固定部の近傍において低減させることができる。よって、ファイバ裸線部近傍の漏れ光を低減させることができる。
また、本発明の発光素子モジュールは、前記構成に加えて、前記樹脂材料の屈折率が、前記光ファイバの前記ファイバ被覆部における被覆部の屈折率よりも高いことが好ましい。
一般に、屈折率が高い程、樹脂材料は硬くなる傾向がある。よって、前記構成によれば、比較的硬い樹脂材料を用いることによって、固定部の強度を高めることができる。
また、本発明の発光素子モジュールは、前記構成に加えて、前記固定部は、前記ファイバ裸線部の前記入射端部側が挿通される挿通口を有する光ファイバ挿通パイプを備えており、前記光ファイバ挿通パイプの前記挿通口の内部には、前記ファイバ裸線部を挿通させた状態で、前記ファイバ裸線部の一部の周囲を前記樹脂材料で封止した樹脂封止部が存在していても良い。
前記構成によれば、ファイバ裸線部の漏れ光を光ファイバ挿通パイプの近傍において低減させると共に、光ファイバ挿通パイプの挿通口の内部においてファイバ裸線部の一部の周囲を樹脂材料で封止して固定することができる。
また、光ファイバ挿通パイプの挿通口の内部においてファイバ裸線部の一部の周囲を樹脂材料で封止して固定する構造なので、特許文献1に記載の半導体レーザモジュールのように、フェルールを用いて固定する場合と比較して、筐体のネック部の大きさを小さくすることができる。
また、本発明の発光素子モジュールは、前記構成に加えて、前記光ファイバ挿通パイプの前記挿通口の内部には、前記ファイバ裸線部を挿通させた状態で、前記ファイバ裸線部の一部の周囲を半田で封止した半田封止部が存在していても良い。
一般に、屈折率が低い樹脂材料は、半田と比較して軟らかく、一方、半田は、金属であり、樹脂材料と比較して熱伝導率が高い。
よって、前記構成によれば、光ファイバ挿通パイプの挿通口の内部において、樹脂封止部と半田封止部とを設け、これらの各部のサイズを適切に設定することにより、挿通口の内部における封止強度を高めつつ、適切な位置でクラッドモード光を閉じ込めると共に、適切な位置で漏れ光を半田に吸収させて放熱させることができる。
また、本発明の発光素子モジュールは、前記構成に加えて、前記固定部は、前記光ファイバ挿通パイプの前記挿通口に挿通された前記ファイバ裸線部の下部において前記筐体の底板上に形成されたマウント部を備えており、前記ファイバ裸線部の一部は、前記マウント部の上部において、前記ファイバ裸線部の前記クラッド部よりも屈折率が低く、前記ファイバ裸線部の一部の周囲を被覆する樹脂材料で固定されていても良い。
前記構成によれば、筐体の底板上に形成されたマウント部の上部において、ファイバ裸線部の一部を樹脂材料で固定しつつ、ファイバ裸線部の漏れ光をマウント部の上部の近傍において低減させることができる。また、これにより、筐体内部の温度上昇を低減させることができるので、発光素子の寿命を延ばすこともできる。
また、本発明の発光素子モジュールは、前記構成に加えて、前記光ファイバの前記ファイバ被覆部は、前記導波方向に延在して前記クラッド部の周囲を被覆するプライマリ被覆層と、前記導波方向に延在して前記プライマリ被覆層を被覆するセカンダリ被覆層を含んでおり、前記プライマリ被覆層の屈折率は、前記ファイバ裸線部の前記クラッド部の屈折率よりも低いことが好ましい。
前記構成によれば、被覆部は、プライマリ被覆層及びセカンダリ被覆層で構成されており、クラッド部に近い方のプライマリ被覆層の屈折率がクラッド部の屈折率よりも小さいため、光ファイバのコア部に導波モードとして結合しなかったクラッドモード光が、クラッド部の外部に逃げることなく、クラッド部の内部に閉じこめられて導波するため、クラッドモード光を筐体から光ファイバの他端まで遠ざけることができる。よって、筐体内部や、光ファイバ挿通パイプの近傍の温度上昇をさらに低減させることができる。また、これにより、筐体内部の温度上昇をより低減させることができるので、発光素子の寿命をさらに延ばすこともできる。
本発明の発光素子モジュールは、以上のように、前記光ファイバは、マルチモードファイバであり、前記筐体は、前記発光素子の前記出射端面が、前記ファイバ裸線部の前記入射端部と対向するように前記ファイバ裸線部の一部を固定する固定部を備え、前記ファイバ裸線部の一部は、前記固定部において、前記ファイバ裸線部の前記クラッド部よりも屈折率が低い樹脂材料で固定されている構成である。
それゆえ、ファイバ裸線部近傍の漏れ光を低減させることができるという効果を奏する。
本発明における発光素子モジュールの一実施形態の構造を示す断面図である。 前記発光素子モジュールに関し、固定部の屈折率分布とファイバ被覆部の屈折率分布とを対比して示す説明図であり、(a)は、図1又は図3に示すA−A’断面(又はC−C’断面)の断面構造(上部)と、その屈折率分布(下部)とを示し、(b)は、図1又は図3に示すB−B’断面の断面構造(上部)と、その屈折率分布(下部)とを示す。 本発明における発光素子モジュールの他の実施形態の構造を示す断面図である。 前記発光素子モジュールに関し、光ファイバの入射端面にレーザ光(光線)が入射したときの入射端面における、光線の入射位置とコア中心との距離、及びコア部の中心軸と光線とのなす角と、そのレーザ光の入射後の光パワー分布との関係を示す説明図である。 (a)は、前記発光素子モジュールに関し、光ファイバーの光学的特性に関する計算値を示すデータテーブルであり、(b)は、4種類の樹脂材料の機械的特性を対比した結果を示すデータテーブルである。
本発明の一実施形態について図1〜図5に基づいて説明すれば、次の通りである。
〔1.LDモジュール10aについて〕
まず、図1に基づき、本発明における発光素子モジュールの一実施形態であるLDモジュール(発光素子モジュール)10aの構造について説明する。図1は、LDモジュール10aの構造を示す断面図である。なお、本実施形態では、発光素子モジュールの一形態としてLD(発光素子)13を備えるレーザダイオードモジュールについて説明するが、これに限られず、本発明は、LEDを備えるLEDモジュールなどにも適用することができる。
図1に示すように、LDモジュール10aは、筐体11、固定基板12、LD13、マウント(マウント部、固定部)14、樹脂(樹脂材料,樹脂封止部,固定部)16a、樹脂(樹脂材料,固定部)16b、及び光ファイバ(マルチモードファイバ)17を備える。
筐体11は、LD13を収容および固定する機能を有する光素子パッケージであり、筐体11のネック部としての光ファイバ挿通パイプ(固定部)11a、底板11d、立板11eなどで構成される。また、筐体11の底板11d上に設けられた固定基板12上には、LD13が固定されている。底板11dの材料は、熱伝導率の高い材料であることが好ましく、例えば、銅等が例示できる。なお、立板11eの材料は、例えば、鉄、または、コバール、ステンレス等の鉄を含有する合金である。
光ファイバ挿通パイプ11aは、筐体11の立板11eに設けられ、その立板11eから底板11dに平行な方向に延在している筒状の挿通口11bを有するパイプであって、筐体11の内部および外部に向かって開口している。また、光ファイバ挿通パイプ11aの側面上部には、樹脂16aを供給するための供給孔11cが設けられている。なお、本実施形態では、光ファイバ挿通パイプ11aに供給孔11cを設けているが、このような光ファイバ挿通パイプ11aに限られず、供給孔11cが設けられていない光ファイバ挿通パイプ11aであっても良い。また、本実施形態では、光ファイバ挿通パイプ11aの側面上部に供給孔11cを設けているが、これに限られず、例えば、光ファイバ挿通パイプ11aの側面下部に供給孔11cを設けても良い。
光ファイバ挿通パイプ11aの材料は、例えば、コバール、鉄ニッケル合金、鉄、ステンレス等の金属が好ましい。
本実施形態の光ファイバ17は、LD13の使用波長において、コア部17aに対して複数の導波モードを導波させるマルチモードファイバであり、LD13から出射されたレーザ光Lが入射する入射端部をレンズ形状としたレンズ部17(入射端部)eを備える、いわゆるレンズドファイバである。なお、レンズ部17eは、入射するレーザ光(光)Lをコア部17aに集光するレンズ機能を有しており、LD13と光ファイバ17とはレンズ部17eを介して光学的に接続される。
また、光ファイバ17は、光ファイバ挿通パイプ11aを介して筐体11内に挿通された後、LD13のレーザ光Lが出射される出射端面13aと、光ファイバ17のレンズ部17eとが、互いに対向するように配置され、LD13との光軸調芯が行われた上で光学的に接続されている。
また、光ファイバ17は、大きくわけて2つの部分で構成されており、その一方は、筐体11の外部で、レンズ部17eに入射したレーザ光Lの導波方向に延在するファイバ被覆部CAであり、前記導波方向に延在するコア部17a、コア部17aの周囲を取り囲み、前記導波方向に延在する第1クラッド部17b、第1クラッド部17bの周囲を取り囲み、前記導波方向に延在する第2クラッド部(被覆部,プライマリ被覆層)17c、及び第2クラッド部17cの周囲を取り囲み、前記導波方向に延在する被覆部(セカンダリ被覆層)17dを備える。
一方、光ファイバ17を構成する2つの部分のうち、もう一方は、前記導波方向に沿って、筐体11の内部のレンズ部17eの右端から光ファイバ挿通パイプ11aの右端開口部まで延在するファイバ裸線部CRAであり、コア部17a、及び第1クラッド部17bのみからなる被覆(被覆部)が除去された被覆除去部となっている。
また、光ファイバ挿通パイプ11aの挿通口11bの内部では、光ファイバ17のファイバ裸線部CRAを挿通させた状態で、その周囲を樹脂16aで封止して固定している。
これにより、特許文献1に記載の半導体レーザモジュールのように、フェルールを用いて固定する場合と比較して、筐体11のネック部の大きさを小さくすることができる。
また、筐体11は、光ファイバ挿通パイプ11aの挿通口11bに挿通されたファイバ裸線部CRAの下部において底板上11dに形成されたマウント14を備えている。
さらに、マウント14の上部において、光ファイバ17のファイバ裸線部CRAの一部は、ファイバ裸線部CRAの周囲を被覆する樹脂16bで固定されている。
次に、図2(a)及び(b)に基づき、光ファイバ17、樹脂16a、及び樹脂16bの断面構造及びその屈折率分布について説明する。
図2(a)は、図1に示すA−A’断面(又はC−C’断面)の断面構造(上部)と、その屈折率分布(下部)とを示している。また、図2(b)は、図1に示すB−B’断面の断面構造(上部)と、その屈折率分布(下部)とを示している。
図2(a)及び(b)に示す屈折率分布の縦軸は、屈折率nの大きさであり、屈折率n1〜n5は、それぞれ、光ファイバ17のコア部17a、第1クラッド部17b、樹脂16a(又は樹脂16b)、第2クラッド部17c、及び被覆部17dの屈折率の大小関係を模式的に示している。
図2(a)及び(b)に示すコア部17aのコア径d1は、105μmであり、第1クラッド部17bの第1クラッド径d2は、125μmであり、被覆部17dの被覆部外径d4は、250μmである。なお、第2クラッド部17cの第2クラッド径d3は、任意である。
次に、本実施形態では、コア部17aの屈折率n1は、1.465、第1クラッド部17bの屈折率n2は、1.450、樹脂16a及び樹脂16bの屈折率n3は、1.40、第2クラッド部17cの屈折率n4は、1.38である。なお、被覆部17dは、UV(Ultra Violet)硬化樹脂で構成され、屈折率n5は、本実施形態では、1.5〜1.6であるが、その値は、任意である(すなわち、屈折率n5>屈折率n4であっても、第1クラッド部17bによる光の閉じ込めへの影響は十分に小さい)。また、屈折率n1、n2(場合によっては、n4)は、石英(二酸化珪素:SiO)を基材とする場合、石英に対するドーパントの種類及びその添加量によって決まる。なお、屈折率n1〜n5のそれぞれの値は、上述した数値に限られず、以下で説明する条件を満たしていれば良い。
図2(a)に示すように、光ファイバ挿通パイプ11a近傍の光ファイバ17のファイバ裸線部CRAにおけるA−A’断面の屈折率分布では、屈折率n1>屈折率n2>屈折率n3の関係が成り立っている。すなわち、樹脂16aの屈折率n3は、第1クラッド部17bの屈折率n2よりも低くなっている。
これにより、ファイバ裸線部CRAの漏れ光を光ファイバ挿通パイプ11aの近傍において低減させると共に、光ファイバ挿通パイプ11aの挿通口11bの内部においてファイバ裸線部CRAの一部の周囲を樹脂16bで封止して固定することができる。
また、同様に、マウント14の上部の近傍の光ファイバ17のファイバ裸線部CRAにおけるC−C’断面の屈折率分布では、屈折率n1>屈折率n2>屈折率n3の関係が成り立っている。すなわち、樹脂16bの屈折率n3は、第1クラッド部17bの屈折率n2よりも低くなっている。なお、本実施形態では、樹脂16aと樹脂16bとを同じ樹脂材料としているので、その屈折率も共通しているが、樹脂16aと樹脂16bとを異なる樹脂材料で構成しても良いし、屈折率も共通していなくても良い。
これにより、筐体11の底板11d上に形成されたマウント14の上部において、ファイバ裸線部CRAの一部を樹脂材料で固定しつつ、ファイバ裸線部CRAの漏れ光をマウント14の上部の近傍において低減させることができる。また、これにより、筐体11の内部の温度上昇を低減させることができるので、LD13の寿命を延ばすこともできる。
また、図2(b)に示すように、光ファイバ17のファイバ被覆部CAにおけるB−B’断面の屈折率分布では、屈折率n5>屈折率n1>屈折率n2>屈折率n4の関係が成り立っている。すなわち、第2クラッド部17cの屈折率n4は、第1クラッド部17bの屈折率n2よりも低くなっている。
これにより、第1クラッド部17bの周囲にある第2クラッド部17cの屈折率n4が第1クラッド部17bの屈折率n2よりも小さいため、光ファイバ17のコア部17aに導波モードとして結合しなかったクラッドモード光が、第1クラッド部17bの外部に逃げることなく、第1クラッド部17bの内部に閉じこめられて導波するため、クラッドモード光を筐体11から光ファイバ17の他端(例えば、融着点)まで遠ざけることができる。よって、筐体11の内部や、光ファイバ挿通パイプ11aの近傍の温度上昇を低減させることができる。また、これにより、筐体11の内部の温度上昇を低減させることができるので、LD13の寿命を延ばすこともできる。
なお、本実施形態では、また、屈折率n3>屈折率n4となっている。一般に、屈折率が高い程、樹脂材料は硬くなる傾向がある。よって、屈折率n3>屈折率n4であれば、樹脂16aは、第2クラッド部17cよりも硬いと考えられるので、光ファイバ挿通パイプ11aの挿通口11bの強度を高めることができる。また、屈折率n3>屈折率n4であれば、樹脂16aの樹脂材料として、光ファイバ17のファイバ被覆部CAの第2クラッド部17cよりは屈折率が高い樹脂材料を使うことで、ファイバピグテール部分で漏れる成分を、先に光ファイバ挿通パイプ11aの近傍で漏らしておくことができる。しかしながら、樹脂16cの屈折率n3と、第2クラッド部17cの屈折率n4の大小関係は任意であり、屈折率n3≦屈折率n4であっても良い。また、本実施形態では、屈折率n4<屈折率n5となっているが、被覆部17dの屈折率n5の大きさは任意であり、屈折率n4≧屈折率n5であっても良い。
LD13は、LDチップであり、外部から筐体11内に挿入されたリード(不図示)に、配線を介して接続されている。
以上で説明したように、本実施形態のLDモジュール10aでは、ファイバ裸線部CRAの一部は、光ファイバ挿通パイプ11aの挿通口11b内部、及び/又はマウント14の上部において、第1クラッド部17bよりも屈折率が低い樹脂16a、及び/又は樹脂16bで固定されている。
このため、光ファイバ挿通パイプ11a、及び/又はマウント14の上部の近傍では、光ファイバ17のコア部17aに導波モードとして結合しなかったクラッドモード光が、ファイバ裸線部CRAの第1クラッド部17bの外部に逃げることなく、第1クラッド部17bに閉じこめられて導波するため、ファイバ裸線部CRAの漏れ光を光ファイバ挿通パイプ11a、及び/又はマウント14の上部の近傍において低減させることができる。よって、ファイバ裸線部CRAの近傍の漏れ光を低減させることができる。
なお、上述した各部材は、前記以外の形状、構造、大きさ等について特に制限はなく、LDモジュール10aの用途、目的に応じて、適宜選択することができる。
〔2.LDモジュール10bについて〕
次に、図3に基づき、本発明における発光素子モジュールの他の実施形態であるLDモジュール(発光素子モジュール)10bの構造について説明する。図3は、LDモジュール10aの構造を示す断面図である。
なお、LDモジュール10bは、以下で説明する構成以外は、上述したLDモジュール10aと同じである。
本実施形態のLDモジュール10bでは、光ファイバ17のレーザ光Lが入射する入射端部は、通常の入射端面(入射端部)17fとなっており、LD13と光ファイバ17とが、結合光学系15を介して光学的に結合されている点がLDモジュール10aと異なっている。なお、結合光学系は、必要に応じてレンズやミラーなどの単一又は複数の光学素子で適宜構成すれば良い。
また、本実施形態のLDモジュール10bでは、光ファイバ挿通パイプ11aの挿通口11b内部において、ファイバ裸線部CRAの一部が、樹脂(樹脂材料、樹脂封止部、固定部)16c及び半田(半田封止部)18によって封止して固定されている点がLDモジュール10aと異なっている。なお、樹脂16cに関する説明は、上述した樹脂16aと同様なので、その説明は省略する。
一般に、屈折率が低い樹脂材料は、半田と比較して軟らかく、一方、半田は、金属であり、樹脂材料と比較して熱伝導率が高い。
よって、LDモジュール10bによれば、光ファイバ挿通パイプ11aの挿通口11bの内部において、樹脂16cと半田18とを設け、これらのサイズを適切に設定することにより、挿通口11bの内部における封止強度を高めつつ、適切な位置でクラッドモード光を閉じ込めると共に、適切な位置で漏れ光を半田18に吸収させて放熱させることができる。
以上で説明したように、本実施形態のLDモジュール10bでは、ファイバ裸線部CRAの一部は、光ファイバ挿通パイプ11aの挿通口11b内部、及び/又はマウント14の上部において、第1クラッド部17bよりも屈折率が低い樹脂16c、及び/又は樹脂16bで固定されている。
このため、光ファイバ挿通パイプ11a、及び/又はマウント14の上部の近傍では、光ファイバ17のコア部17aに導波モードとして結合しなかったクラッドモード光が、ファイバ裸線部CRAの第1クラッド部17bの外部に逃げることなく、第1クラッド部17bに閉じこめられて導波するため、ファイバ裸線部CRAの漏れ光を光ファイバ挿通パイプ11a、及び/又はマウント14の上部の近傍において低減させることができる。よって、ファイバ裸線部CRAの近傍の漏れ光を低減させることができる。
なお、上述した各部材は、前記以外の形状、構造、大きさ等について特に制限はなく、LDモジュール10bの用途、目的に応じて、適宜選択することができる。
〔3.光ファイバ17に入射したレーザ光Lの光パワー分布について〕
次に、図4に基づき、光ファイバ17にレーザ光Lを入射させたときの光パワー分布について説明する。
図4に示す横軸は、LDモジュール10bにおける光ファイバ17の入射端面17fにレーザ光L(光線)が入射したときの入射端面17fにおける、光線の入射位置とコア部17aのコア中心(中心軸O)との距離dを示し、横軸は、中心軸Oと光線とのなす角θを示している。
また、光パワー分布曲線I1及び光パワー分布曲線I2は、それぞれ、紙面に対して裏側から表側に向かう向きを、光パワーの値が正であるとしたときの、レーザ光Lの光パワー分布を概念的に示す模式図である。
次に、光パワー成分存在領域RAは、コア部17aと第1クラッド部17bとの屈折率差で定められる全反射条件によって、コア部17aを伝播する光線の光軸に対する角度には上限が定まるため(ここでは半値約8度)、この上限の角度よりも光線の角度θが小さいという条件と、距離dが、コア径d1の1/2より小さいという条件を満足するレーザ光Lの光パワー成分の存在領域である。なお、前記上限の角度は、臨界角の余角(90度−臨界角)であり、伝播する最大角度、若しくは伝播最大角とでも呼ぶべきであるが、煩雑なため、以下、単に「最大角」と呼ぶ。
光パワー成分存在領域RBは、第1クラッド部17bと樹脂16a(樹脂16b又は樹脂16c)との屈折率差で定められる最大角(半値約15度)よりも角度θが小さいという条件と、距離dが、第1クラッド径d2の1/2より小さいという条件を満足するレーザ光Lの光パワー成分の存在領域である。
光パワー成分存在領域RCは、コア部17aと樹脂16a(樹脂16b又は樹脂16c)との屈折率差で定められるコア部17a内に換算した見かけ上の最大角(半値約17度)よりも角度θが小さいという条件と、距離dが、コア径d1の1/2より小さいという条件を満足するレーザ光Lの光パワー成分の存在領域である。なお、レーザ光Lは、コア部17aと第1クラッド部17bとの界面で屈折した上で樹脂16a(樹脂16b又は樹脂16c)に入射するので、コア部17a内に換算した見かけ上の最大角は、大きくなる。
光パワー成分存在領域RDは、エアクラッドで閉じ込められる最大角(半値約47度)よりも角度θが小さいという条件と、距離dが、第1クラッド径d2の1/2より小さいという条件を満足するレーザ光Lの光パワー成分の存在領域である。なお、エアクラッドで閉じ込められる最大角は、コア部17aに入ったものも、第1クラッド部17b入ったものも大差はない。
光パワー成分存在領域RAは、コア部17aと第1クラッド部17bとの屈折率差によって全反射条件を満たす導波モードとして伝播する光(コアモード光)の光パワー成分が存在し、レーザ光Lの全光パワーの95〜99%程度が含まれている。よって、仮に、樹脂16a〜樹脂16cの屈折率n3が、第1クラッド部17bの屈折率n2よりも高い場合、1%〜5%程度の光パワー成分が、第1クラッド部17bからの漏れ光となり、発熱などの原因となると考えられる。
光パワー成分存在領域RB及び光パワー成分存在領域RCは、第1クラッド部17bと第2クラッド部17cとの屈折率差、又は第1クラッド部17bと樹脂16a〜樹脂16cとの屈折率差によって全反射条件を満たす導波モードとして伝播する光(クラッドモード光)の光パワー成分が存在し、レーザ光Lの全光パワーの1%〜5%程度の光パワー成分が、含まれる可能性がある。よって、上述したLDモジュール10a及びLDモジュール10bによれば、レーザ光Lの全光パワーの1%〜5%程度の光パワー成分が、第1クラッド部17bからの漏れ光となり、発熱などを引き起こすことを回避することができる。
光パワー成分存在領域RDは、ファイバ裸線部CRAの外が空気であれば閉じ込められるが、市販の低屈折率樹脂でも閉じ込められない光パワー成分が存在する領域である。なお、適正な光学系であれば、1%程度よりはるかに少ない光パワー成分しか含まれないと考えられる。
以上より、コア部17aへの結合効率が99%であっても、レーザ光Lの出力パワーが100Wであれば、ファイバ裸線部CRAから1Wもの漏れ光が生じることになり、発熱が無視できないことがわかる。
〔4.光ファイバ17の光学的特性について〕
次に、図5(a)に基づき、光ファイバ17の光学的特性について計算を行った結果について説明する。
データAは、光ファイバ17のコア部17a(コア)の屈折率n1を1.465、第1クラッド部17b(第1クラッド)の屈折率n2を1.450、樹脂16a〜樹脂16c(第2クラッド)の屈折率n3を1.400に設定したときの光ファイバ17の光学的特性に関する計算値データを示す。
一方、データBは、屈折率n1を1.465、屈折率n2を1.450、第2クラッド部17c(第2クラッド)の屈折率n4を1.380に設定したときの光ファイバ17の光学的特性に関する計算値データを示す。
まず、光ファイバ17の入射端面17fの外での開口数NAは、データA及びBのいずれも0.211となる。また、コア部17a−第1クラッド部17b間における最大角は、データA及びBのいずれも8.21となる。
さらに、コア部17a−第2クラッド部17c(又は樹脂16a〜樹脂16a)間におけるコア部17a内での最大角相当は、データAでは、17.13、データBでは、19.61となる。なお、「最大角相当」とは、第2クラッド部17c(又は樹脂16a〜樹脂16a)でぎりぎり閉じ込められることになる成分のコア部17a内での角度のことであり、第1クラッド部17bの屈折率n2には依存しない角度である。
なお、データA及びBが示す結果より、光ファイバ17のファイバ裸線部CRAの周りの被覆部(第2クラッド)の材料としてコア部17aより屈折率の高い樹脂材料を使う場合と比較して、かなり角度θが大きい成分まで閉じ込めることができることがわかる。
〔5.樹脂材料の機械的特性について〕
次に、図5(b)に基づき、4種類の樹脂材料の機械的特性を対比した結果について説明する。
樹脂1は、第2クラッド部17cの樹脂材料として使用する樹脂である。一方、樹脂2〜3のそれぞれは、樹脂16a〜樹脂16cのいずれかの樹脂材料として使用する樹脂である。
図5(b)に示すように、樹脂1の屈折率は、1.38であり、第1クラッド部17bの屈折率n2の1.450より小さいという条件を満たしている。また、樹脂1のヤング率は、62.5×10Paであり、他の樹脂と比較して小さく、また、ショアD硬度も25と、極端に小さい。これは、樹脂1は、光ファイバ17のファイバ被覆部CA、すなわち、LDモジュール10a又はLDモジュール10bのファイバピグテール部の構成材料であるから、柔らかい樹脂材料であることが好ましいからである。
次に、樹脂2、3、及び4の屈折率は、それぞれ、1.403、1.403、及び1.43であり、第1クラッド部17bの屈折率n2の1.450より小さいという条件を満たしている。また、樹脂2、3、及び4のヤング率は、それぞれ、93.6×10Pa、90.6×10Pa、及び116×10Paであり、樹脂1と比較して大きく、また、ショアD硬度も、それぞれ、62、64、及び68と、樹脂1と比較して極端に大きい。これは、樹脂2、3、及び4は、光ファイバ17のファイバ裸線部CRAの一部を固定するための構成材料であるから、硬い樹脂材料であることが好ましいからである。
また、樹脂1の40℃における線膨張率は、385×10−6/℃であり、他の樹脂と比較して大きく、樹脂2、3、及び4の線膨張率は、それぞれ、235×10−6/℃、218×10−6/℃、及び181×10−6/℃であり、樹脂1と比較して小さい。
よって、光ファイバ17のファイバ裸線部CRAの一部を固定するための構成材料は、線膨張率が小さいことが好ましいが、線膨張率の観点からも樹脂2〜3は、樹脂1と比較して好適な樹脂材料であることが分かる。
〔6.LDモジュールの製造方法について〕
次に、図1及び3に基づき、上述したLDモジュール10a又は10bの製造方法の一例を、以下に示す。
まず、マウント14を半田等で底板11d上に固定し、固定基板12及びLD13を半田等で固定する。LD13は事前に半田等で固定基板12に固定されていても良いし、また、LD13と固定基板12との間で事前にワイヤボンディング等が行われていても良い。
次に、筐体11の内部から外部へ貫通しているリードピン(不図示)と固定基板12との間で電気的な配線を行う。この配線は、ワイヤボンディングで行うことが好ましい。
また、光ファイバ挿通パイプ11aの挿通口11bに光ファイバ17のファイバ裸線部CRAを挿通し、LD13に対して直接(例えば、LDモジュール10aの場合)、或いは、結合光学系15を介して(例えば、LDモジュール10aの場合)、調心して、固定する。
さらに、光ファイバ挿通パイプ11aの挿通口11bに樹脂16aを充填(例えば、LDモジュール10aの場合)、或いは、樹脂16aの代わりに半田18を充填して封止及び補強する。また、半田18で封止した後で、さらに樹脂16cを充填して補強しても良い(例えば、LDモジュール10bの場合)。
なお、樹脂16a又は樹脂16cの材料として、UV硬化樹脂を使う場合、硬化前の樹脂16a又は樹脂16cを充填して、UV照射を行えば良い。また、半田18を充填する場合は、光ファイバ挿通パイプ11aを高周波誘導加熱によって加熱して半田18を溶融させることが好ましいが、ヒーターによって光ファイバ挿通パイプ11aを加熱して半田18を溶融させてもよい。必要に応じてさらに光ファイバ挿通パイプ11aの外側をゴムブーツなどで補強することが好ましい。
本発明は、例えば光通信システムに用いる発光素子モジュールとして利用することができる。
10a,10b LDモジュール(発光素子モジュール)
11 筐体
11a 光ファイバ挿通パイプ(固定部)
11b 挿通口
11c 供給孔
11d 底板
11e 立板
12 固定基板
13 LD(発光素子)
13a 出射端面
14 マウント(マウント部,固定部)
15 結合光学系
16a 樹脂(樹脂材料,樹脂封止部,固定部)
16b 樹脂(樹脂材料,固定部)
16c 樹脂(樹脂材料,樹脂封止部,固定部)
17 光ファイバ(マルチモードファイバ)
17a コア部
17b 第1クラッド部(クラッド部)
17c 第2クラッド部(被覆部,プライマリ被覆層)
17d 被覆部(セカンダリ被覆層)
17e レンズ部(入射端部)
17f 入射端面(入射端部)
18 半田(半田封止部)
CA ファイバ被覆部
CRA ファイバ裸線部
θ 角度
d 距離
d1 コア径
d2 第1クラッド径
d3 第2クラッド径
d4 被覆部外径
I1,I2 光パワー分布曲線
L レーザ光(光)
n,n1〜n5 屈折率
O 中心軸
RA,RB,RC,RD 光パワー成分存在領域

Claims (6)

  1. 光を出射する出射端面を有する発光素子と、
    光の導波方向に延在するコア部、前記コア部よりも屈折率が低く、前記導波方向に延在して前記コア部の周囲を取り囲むクラッド部、及び前記導波方向に延在して前記クラッド部の周囲を被覆する被覆部を含むファイバ被覆部、並びに、前記光が入射する入射端部を有し、前記被覆部が除去されたファイバ裸線部を有する光ファイバと、
    前記発光素子が収容された筐体と、を備えた発光素子モジュールであって、
    前記光ファイバは、マルチモードファイバであり、
    前記筐体は、前記発光素子の前記出射端面が、前記ファイバ裸線部の前記入射端部と対向するように前記ファイバ裸線部の一部を固定する固定部を備え、
    前記ファイバ裸線部の一部は、前記固定部において、前記ファイバ裸線部の前記クラッド部よりも屈折率が低い樹脂材料で固定されていることを特徴とする発光素子モジュール。
  2. 前記樹脂材料の屈折率が、前記光ファイバの前記ファイバ被覆部における被覆部の屈折率よりも高いことを特徴とする請求項1に記載の発光素子モジュール。
  3. 前記固定部は、前記ファイバ裸線部の前記入射端部側が挿通される挿通口を有する光ファイバ挿通パイプを備えており、
    前記光ファイバ挿通パイプの前記挿通口の内部には、前記ファイバ裸線部を挿通させた状態で、前記ファイバ裸線部の一部の周囲を前記樹脂材料で封止した樹脂封止部が存在していることを特徴とする請求項1又は2に記載の発光素子モジュール。
  4. 前記光ファイバ挿通パイプの前記挿通口の内部には、前記ファイバ裸線部を挿通させた状態で、前記ファイバ裸線部の一部の周囲を半田で封止した半田封止部が存在していることを特徴とする請求項3に記載の発光素子モジュール。
  5. 前記固定部は、前記光ファイバ挿通パイプの前記挿通口に挿通された前記ファイバ裸線部の下部において前記筐体の底板上に形成されたマウント部を備えており、
    前記ファイバ裸線部の一部は、前記マウント部の上部において、前記ファイバ裸線部の前記クラッド部よりも屈折率が低く、前記ファイバ裸線部の一部の周囲を被覆する樹脂材料で固定されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の発光素子モジュール。
  6. 前記光ファイバの前記ファイバ被覆部は、前記導波方向に延在して前記クラッド部の周囲を被覆するプライマリ被覆層と、前記導波方向に延在して前記プライマリ被覆層を被覆するセカンダリ被覆層を含んでおり、
    前記プライマリ被覆層の屈折率は、前記ファイバ裸線部の前記クラッド部の屈折率よりも低いことを特徴とする請求項1から5までのいずれか1項に記載の発光素子モジュール。
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