JP2014102288A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の発光素子が発光した光を一つの光ファイバーから出射する発光装置を小型にする。
【解決手段】反射部材ＭＲＣは、複数の反射面を有している。複数の発光素子ＬＳＤは、反射部材ＭＲＣの複数の反射面の少なくとも２つに対して光を照射する。レンズ部材ＬＮＳは、反射部材ＭＲＣを介してベース部材ＳＴＢとは反対側に配置されている。光ファイバーＦＢＲは、一端が、レンズ部材ＬＮＳを介して反射部材ＭＲＣの反対側に配置されている。反射部材ＭＲＣの上記した少なくとも２つの反射面は、発光素子ＬＳＤから照射された光を互いに離れる方向かつレンズ部材ＬＮＳに向けて反射する。そしてレンズ部材ＬＮＳは、少なくとも２つの反射面から反射された光を光ファイバーＦＢＲの一端に入射させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光装置に関し、例えば複数の発光素子が発光した光を一つの光ファイバーから出射する発光装置に適用可能な技術である。

複数の発光素子が発光した光を一つの光ファイバーから出射する発光装置としては、例えば特許文献１，２に記載の装置がある。これらに記載の発光装置は、反射面となる側面を複数有する光学部材を用いることにより、複数の発光素子が発光した光を、一つの光ファイバーに入射するものである。具体的には、光学部材は角錐形状を有しており、その側面は、複数の光を、互いに近づける方向に反射する。

特開２００７−６５６００号公報 特開２００５−３００９５４号公報

近年は、発光装置を小型化することが求められている。本発明者は、小型にすることができる発光装置の構造を検討した。
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。

一実施の形態によれば、ベース部材の一面上には、反射部材及び複数の発光素子が設けられている。反射部材は、複数の反射面を有している。複数の発光素子は、複数の反射面の少なくとも２つに対して光を照射する。反射部材を介してベース部材の反対側には、レンズ部材が配置されている。また、レンズ部材を介して反射部材の反対側には、光ファイバーの一端が配置されている。反射部材の反射面は、光を互いに離れる方向かつレンズ部材に向けて反射する。そしてレンズ部材は、反射面から反射された光を光ファイバーの一端に入射させる。

前記一実施の形態によれば、複数の発光素子が発光した光を一つの光ファイバーから出射する発光装置を小型にすることができる。

第１の実施形態に係る発光装置の構成を示す断面図である。 反射部材の一例を示す斜視図である。 発光素子及び反射部材の配置を説明するための平面図である。 光ファイバーの光軸と垂直な方向における、光ファイバーの一端とレンズ部材の焦点位置の間の位置ずれ量と結合効率の関係の一例を示すグラフである。 光ファイバーの光軸に沿う方向における、光ファイバーの一端とレンズ部材の焦点位置の間の位置ずれ量と結合効率の関係の一例を示すグラフである。 ベース部材の一面を示す平面図である。 反射部材の反射面の角度に求められる条件を説明するための図である。 第２の実施形態に係る発光装置の要部を示す平面図である。 図８に示した反射部材の構成を示す斜視図である。 第３の実施形態に係る発光装置の構成を示す断面図である。 図１０に示した発光装置の使用方法の一例を示す断面図である。

以下、実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る発光装置ＬＳＭの構成を示す断面図である。発光装置ＬＳＭは、ベース部材ＳＴＢ、反射部材ＭＲＣ、複数の発光素子ＬＳＤ、レンズ部材ＬＮＳ、及び光ファイバーＦＢＲを備えている。反射部材ＭＲＣ及び複数の発光素子ＬＳＤは、ベース部材ＳＴＢの一面上に配置されている。反射部材ＭＲＣは、複数の反射面を有している。複数の発光素子ＬＳＤは、反射部材ＭＲＣの複数の反射面の少なくとも２つに対して光を照射する。レンズ部材ＬＮＳは、反射部材ＭＲＣを介してベース部材ＳＴＢとは反対側に配置されている。光ファイバーＦＢＲは、一端が、レンズ部材ＬＮＳを介して反射部材ＭＲＣの反対側に配置されている。

反射部材ＭＲＣの上記した少なくとも２つの反射面は、発光素子ＬＳＤから照射された光を互いに離れる方向かつレンズ部材ＬＮＳに向けて反射する。そしてレンズ部材ＬＮＳは、少なくとも２つの反射面から反射された光を光ファイバーＦＢＲの一端に入射させる。このような構成にすると、発光装置ＬＳＭを小型化することができる。以下、詳細に説明する。

ベース部材ＳＴＢは、例えばステムベースであり、導体（例えば金属）により形成されている。ベース部材ＳＴＢには、リード端子ＬＤＰ１が設けられている。リード端子ＬＤＰ１は、発光素子ＬＳＤに発光用の信号（電力）を供給するための端子である。リード端子ＬＤＰ１はベース部材ＳＴＢを貫通している。なお、リード端子ＬＤＰ１は、少なくともベース部材ＳＴＢを貫通している部分の表面が絶縁材料によって被覆されているため、ベース部材ＳＴＢと絶縁されている。

リード端子ＬＤＰ１の一部は、ベース部材ＳＴＢの一面に設けられた接続端子ＬＤＰ２及び配線ＷＩＲを介して、発光素子ＬＳＤの電源端子に接続している。なお、発光素子ＬＳＤの接地端子は、ベース部材ＳＴＢに電気的に接続している。

ベース部材ＳＴＢの一面は平坦になっている。この一面上に、複数の発光素子ＬＳＤ及び反射部材ＭＲＣが固定されている。そして、複数の発光素子ＬＳＤ、反射部材ＭＲＣ、及びベース部材ＳＴＢの一面は、封止部材ＣＰ（例えばＣＡＮパッケージ）によって気密に封止されている。封止部材ＣＰは、円筒の両端面を開口した形状を有している。そして封止部材ＣＰの一方の開口は、ベース部材ＳＴＢの一面によって塞がれており、封止部材ＣＰの他方の開口は、レンズ部材ＬＮＳによって塞がれている。このような構成によれば、封止部材ＣＰは、レンズ部材ＬＮＳの支持部材を兼ねることになる。この結果、レンズ部材ＬＮＳを容易に反射部材ＭＲＣの上方に位置させることができる。

なお、複数の発光素子ＬＳＤ及び反射部材ＭＲＣが配置されている空間は、ベース部材ＳＴＢの一面、封止部材ＣＰ、及びレンズ部材ＬＮＳによって封止されている、とも言える。

発光素子ＬＳＤは、例えばレーザダイオードであり、レーザ光を発光する。複数の発光素子ＬＳＤが発光する光の波長のピーク波長は、互いに異なっている。この場合、発光装置ＬＳＭは、例えば光ファイバーによる通信網の検査用の光源として使用される。このような用途において、発光素子ＬＳＤは、通信に用いられる波長の光を発光する。また、一部の発光素子ＬＳＤは、保守用に定められた波長域のレーザ光を発光してもよい。

なお、複数の発光素子ＬＳＤは、互いに同一の波長の光を発光してもよい。この場合、発光装置ＬＳＭは、露光用などの高出力のレーザ装置の光源として使用される。

光ファイバーＦＢＲは、保持部材ＨＬＤによってベース部材ＳＴＢの一面の上方に保持されている。詳細には、保持部材ＨＬＤは、筒の一端を開放し、他端を閉塞した形状を有している。保持部材ＨＬＤの一端は、ベース部材ＳＴＢの一面に固定されている。そして保持部材ＨＬＤの他端には、光ファイバーＦＢＲを通すための貫通孔が設けられている。光ファイバーＦＢＲの一端には、フェルールＦＲＬが取り付けられている。保持部材ＨＬＤとなる筒の他端にフェルールＦＲＬを固定することにより、光ファイバーＦＢＲの一端は、保持部材ＨＬＤの貫通孔に挿入される。なお、保持部材ＨＬＤの貫通孔は、光ファイバーＦＢＲ及びフェルールＦＲＬによって塞がれている。

図２は、反射部材ＭＲＣの一例を示す斜視図である。本図に示す例において、反射部材ＭＲＣは、断面が二等辺三角形の三角柱である。そして反射部材ＭＲＣは、二等辺三角形の底辺に対応する面が、ベース部材ＳＴＢの一面に固定されている。そして反射部材ＭＲＣの反射面ＭＲＳは、二等辺三角形の残りの２辺に対応する面である。反射面ＭＲＳは、表面に反射膜を有している。この反射膜は、例えば多層膜で形成されている。各層の厚さは、例えばその反射面ＭＲＳに照射される光の波長に基づいて定められている。

図３は、発光素子ＬＳＤ及び反射部材ＭＲＣの配置を説明するための平面図である。ベース部材ＳＴＢの平面形状は円形である。本図に示す例において、反射部材ＭＲＣは図２に示した構成を有しており、ベース部材ＳＴＢの中心に配置されている。そしてベース部材ＳＴＢ上には、２つの発光素子ＬＳＤが固定されている。２つの発光素子ＬＳＤの光出射面は、互いに異なる反射面ＭＲＳに対向している。

なお、レンズ部材ＬＮＳによる光の屈折率は、光の波長によって異なる。具体的には、レンズ部材ＬＮＳによる光の屈折率は、光の波長が長くなるにつれて小さくなる。このため、レンズ部材ＬＮＳによる光の焦点位置は、光の波長が長くなるにつれてレンズ部材ＬＮＳから遠くなる。このため、発光素子ＬＳＤの光出射面から、その発光素子ＬＳＤに対応する反射面ＭＲＳまでの距離を、全ての発光素子ＬＳＤについて同一の値にすると、複数の発光素子ＬＳＤが互いに異なる波長の光を発光する場合、同一の位置にこれら互いに異なる波長の光を集光することはできなくなる。

これに対して本実施形態では、発光素子ＬＳＤの光出射面から、その発光素子ＬＳＤに対応する反射面ＭＲＳまでの距離は、発光素子ＬＳＤが出射する光の波長が長くなるにつれて長くなっている。このため、このようにすると、複数の発光素子ＬＳＤが互いに異なる波長の光を発光する場合でも、複数の発光素子ＬＳＤから照射された光のそれぞれの焦点の位置を、同一の位置に調整することができる。このため、光ファイバーＦＢＲとして、コア径の小さいシングルモードの光ファイバーを用いることができる。これにより、発光装置ＬＳＭをさらに小型化することができる。

また、レンズ部材ＬＮＳの中心軸が、反射部材ＭＲＣの２つの反射面ＭＲＳに含まれる辺ＳＩＤ１（すなわち、ベース部材ＳＴＢに対向する面とは逆側に位置する辺）を通る場合、レンズ部材ＬＮＳのうち発光素子ＬＳＤから発光された光が透過する領域の面積が、２つのレンズ部材ＬＮＳの間で同一になる。この場合、レンズ部材ＬＮＳの位置調整は容易になる。

図４は、光ファイバーＦＢＲの光軸（すなわちレンズ部材ＬＮＳの中心軸）と垂直な方向における、光ファイバーＦＢＲの一端とレンズ部材ＬＮＳの焦点位置の間の位置ずれ量と結合効率の関係の一例を示すグラフである。図５は、光ファイバーＦＢＲの光軸に沿う方向における、光ファイバーＦＢＲの一端とレンズ部材ＬＮＳの焦点位置の間の位置ずれ量と結合効率の関係の一例を示すグラフである。ここでの結合効率は、結合が最大となる位置を基準に規格化したものである。光ファイバーＦＢＲとしては、シングルモードの光ファイバーを用いた。

これらのグラフの例では、例えば結合効率５０％（−３ｄＢ）を許容値とすると、光ファイバーＦＢＲとレンズ部材ＬＮＳの焦点位置の相対位置の調整幅は、中心軸Ｚと垂直な方向では±３．５ｕｍ、中心軸Ｚと平行な方向では±７５ｕｍになる。上記したように、光ファイバーＦＢＲとレンズ部材ＬＮＳの焦点位置の相対位置は、反射部材ＭＲＣの反射面ＭＲＳと発光装置ＬＳＭの距離によって調整できる。ここで、レンズ部材ＬＮＳの光学倍率を２．５とすると、ベース部材ＳＴＢにおける発光素子ＬＳＤの許容位置精度は、反射面ＭＲＳと発光装置ＬＳＭを結ぶ直線に対して直角な距離方向については±１．４ｕｍ、反射面ＭＲＳと発光装置ＬＳＭを結ぶ直線に沿う方向では±１２ｕｍとなる。

なお、この許容位置精度は、レンズ部材ＬＮＳの倍率を低くすることで下げることができる。また、この許容位置精度は、多波長レーザモジュールとして必要な光出力を得ることができることを条件に、結合効率の許容値を下げることができれば、更に下げることができる。

ベース部材ＳＴＢにおける発光素子ＬＳＤ及び反射部材ＭＲＣの実装精度を上げるためには、図６に示すように、ベース部材ＳＴＢの一面（実装面）に、発光素子ＬＳＤを実装する位置を示すマークＭＫ１、及び反射部材ＭＲＣを実装する位置を示すマークＭＫ２を設けることが好ましい。

図７は、反射部材ＭＲＣの反射面ＭＲＳの角度に求められる条件を説明するための図である。反射部材ＭＲＣが無い場合のレンズ部材ＬＮＳの発光素子ＬＳＤ側の焦点位置を、焦点位置ＦＰとする。発光素子ＬＳＤの出射点から反射面ＭＲＳまでの光の軌跡は、反射面ＭＲＳから焦点位置ＦＰまでの光の軌跡と、反射面ＭＲＳを基準に面対称になっている。そして、発光素子ＬＳＤの反射部材ＭＲＣで反射する前の光の中心軸と、反射した後の光の中心軸とがなす角θ_２は、反射前の光の中心軸とレンズ部材ＬＮＳの中心軸Ｚとがなす角θ_１より小さい。このような条件を満たすように、反射部材ＭＲＣの反射面ＭＲＳの角度、すなわち、反射面ＭＲＳと底面（ベース部材ＳＴＢへの実装面）がなす角度は設定されている。そしてこれにより、レンズ部材ＬＮＳは、少なくとも２つの反射面ＭＲＳから反射された光を光ファイバーＦＢＲの一端に入射させることができる。

また発光素子ＬＳＤからの出射光は、ある程度の広がり（放射角θ_LD１）を持っている。発光素子ＬＳＤの放射角θ_LD１の半角度θ_LD1／２は、レンズの開口数(ＮＡ)から算出されるレンズ部材ＬＮＳに入射する光線の光軸(レンズの中心軸Ｚ)に対する最大角度（臨界角）θ_LENSよりも小さい。このようにすると、レンズ部材ＬＮＳで光が反射されることを抑制できる。

以上、本実施形態によれば、反射部材ＭＲＣの反射面は、発光素子ＬＳＤから照射された光を互いに離れる方向に反射する。そしてレンズ部材ＬＮＳは、少なくとも２つの反射面から反射された光を光ファイバーＦＢＲの一端に入射させる。このため、発光素子ＬＳＤと反射部材ＭＲＣの距離を近づけることができる。従って、発光装置ＬＳＭを小型化することができる。

また、複数の発光素子ＬＳＤは、同一のレンズ部材ＬＮＳを集光レンズとしている。このため、複数の発光素子ＬＳＤそれぞれにレンズを設ける場合と比較して、発光装置ＬＳＭをさらに小型化することができ、かつ、部品点数を少なくすることができる。

また、一つの封止部材ＣＰ内に複数の発光素子ＬＳＤ及び反射部材ＭＲＣを収容することができる。この点からも、発光装置ＬＳＭを小型化することができる。

また、図７に示した角θ_２が大きくなるように反射面ＭＲＳの角度を調整すると、レンズ部材ＬＮＳと光ファイバーＦＢＲの一端の距離を小さくできる。これによっても、発光装置ＬＳＭを小型化することができる。

（第２の実施形態）
図８は、第２の実施形態に係る発光装置ＬＳＭの要部を示す平面図であり、第１の実施形態における図３に対応している。図９は、本実施形態で用いられる反射部材ＭＲＣの構成を示す斜視図である。本実施形態に係る発光装置ＬＳＭは、以下の点を除いて、第１の実施形態に係る発光装置ＬＳＭと同様の構成である。

まず、反射部材ＭＲＣは、多角錐（本図に示す例では４角錐）であり、角錐の側面のそれぞれが反射面ＭＲＳとなっている。そして発光素子ＬＳＤは、多角錐の各側面に対向する位置に配置されている。本図に示す例では、発光素子ＬＳＤは、４角錐の４つの側面それぞれに対向して設けられている。

本実施形態によれば、発光素子ＬＳＤの数が３以上になった場合でも、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。なお、反射部材ＭＲＣの少なくとも一つの側面には、発光素子ＬＳＤが対向していなくてもよい。

（第３の実施形態）
図１０は、第３の実施形態に係る発光装置ＬＳＭの構成を示す断面図であり、第１の実施形態に係る図１に対応している。本実施形態に係る発光装置ＬＳＭは、以下の点を除いて第１又は第２の実施形態に係る発光装置ＬＳＭと同様の構成である。

まず、発光装置ＬＳＭは、補助部材ＨＤＥを備えている。補助部材ＨＤＥは、例えば直方体の部材であり、一面がベース部材ＳＴＢのうちレンズ部材ＬＮＳに対向している面（一面）上に固定されている。すなわち、補助部材ＨＤＥは、側面が、ベース部材ＳＴＢの一面に交わる方向を向いている。そして、複数の発光素子ＬＳＤ及び反射部材ＭＲＣは、補助部材ＨＤＥの側面に固定されている。すなわち、発光素子ＬＳＤ及び反射部材ＭＲＣは、ベース部材ＳＴＢの一面から離れた位置に固定されている。

そして、反射部材ＭＲＣとベース部材ＳＴＢの一面の間、すなわち反射部材ＭＲＣを介してレンズ部材ＬＮＳとは反対側の空間には、受光素子ＰＤが設けられている。本図に示す例において、受光素子ＰＤは、保持部材ＳＰＲを介してベース部材ＳＴＢ上に固定されている。

受光素子ＰＤは、図１１に示すように、光ファイバーＦＢＲの一端から出射した光がレンズ部材ＬＮＳ及び反射部材ＭＲＣを介して集光する位置に配置されている。すなわち受光素子ＰＤは、光ファイバーＦＢＲを介して送信されてきた光を光電変換する。受光素子ＰＤの出力は、リード端子ＬＤＰ１の一つを介して外部に出力される。

なお、反射部材ＭＲＣの反射面ＭＲＳに設けられた反射膜は、発光素子ＬＳＤが発光した光と同一の波長の光を反射するが、光ファイバーＦＢＲから出射された光と同一の波長の光は透過するように、その膜厚等が設計されている。

本実施形態によっても、第１又は第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、発光装置ＬＳＭを光通信の送受信装置として使用することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

ＣＰ 封止部材
ＦＢＲ 光ファイバー
ＦＰ 焦点位置
ＦＲＬ フェルール
ＨＤＥ 補助部材
ＨＬＤ 保持部材
ＬＤＰ１ リード端子
ＬＤＰ２ 接続端子
ＬＮＳ レンズ部材
ＬＳＤ 発光素子
ＬＳＭ 発光装置
ＭＫ１ マーク
ＭＫ２ マーク
ＭＲＣ 反射部材
ＭＲＳ 反射面
ＰＤ 受光素子
ＳＩＤ１ 辺
ＳＰＲ 保持部材
ＳＴＢ ベース部材
ＷＩＲ 配線

Claims (8)

1. ベース部材と、
   前記ベース部材の一面上に配置され、複数の反射面を有する反射部材と、
   前記ベース部材の前記一面上に配置され、前記複数の反射面の少なくとも２つに対して光を照射する複数の発光素子と、
   前記反射部材を介して前記ベース部材の反対側に配置されたレンズ部材と、
   前記レンズ部材を介して前記反射部材の反対側に一端が配置された光ファイバーと、
   を備え、
   前記少なくとも２つの反射面は、前記光を互いに離れる方向、かつ前記レンズ部材に向けて反射し、
   前記レンズ部材は、前記少なくとも２つの反射面から反射された前記光を前記光ファイバーの前記一端に入射させる発光装置。
2. ベース部材と、
   前記ベース部材の一面上に配置され、複数の反射面を有する反射部材と、
   前記ベース部材の前記一面上に配置され、前記複数の反射面の少なくとも２つに対して光を照射する複数の発光素子と、
   前記反射部材を介して前記ベース部材の反対側に配置されたレンズ部材と、
   前記レンズ部材を介して前記反射部材の反対側に一端が配置された光ファイバーと、
   を備え、
   前記少なくとも２つの反射面のいずれにおいても、反射前の前記光の中心軸と、反射後の前記光の中心軸がなす角度は、前記反射前の前記光の中心軸と、前記レンズ部材の中心軸とがなす角度よりも小さく、
   前記レンズ部材は、前記少なくとも２つの反射面から反射された前記光を前記光ファイバーの前記一端に入射させる発光装置。
3. 請求項１に記載の発光装置において、
   前記複数の発光素子は互いに異なる波長のレーザを発光し、
   前記発光素子から、当該発光素子に対応する前記反射面までの距離は、波長が長くなるにつれて長くなる発光装置。
4. 請求項３に記載の発光装置において、
   前記光ファイバーはシングルモードの光ファイバーである発光装置。
5. 請求項１に記載の発光装置において、
   前記ベース部材の前記一面、前記反射部材、及び前記複数の発光素子を含む空間を封止する封止部材を備える発光装置。
6. 請求項５に記載の発光装置において、
   前記封止部材は、前記レンズ部材を保持する発光装置。
7. 請求項１に記載の発光装置において、
   前記発光素子の放射角の半角度は、前記レンズ部材の臨界角よりも小さい発光装置。
8. 請求項１に記載の発光装置において、
   前記ベース部材の前記一面上に配置されており、前記一面に交わる方向を向いている面を有する補助部材を備え、
   前記反射部材及び前記複数の発光素子は、前記補助部材の前記側面に、前記一面から離れて設けられており、
   前記反射部材を介して前記レンズ部材と反対側に位置し、かつ前記光ファイバーの前記一端の光軸と交わる部分に配置された受光素子を備える発光装置。

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