JP2015052750A - レーザダイオードに対する光ファイバの調心方法及びレーザダイオードモジュールの製造方法 - Google Patents

レーザダイオードに対する光ファイバの調心方法及びレーザダイオードモジュールの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】光ファイバをレーザダイオードに対して精度高く調心することができる光ファイバの調心方法を提供する。【解決手段】光ファイバ20の光路を第1の分岐光路22と第2の分岐光路24に分岐し、第1の分岐光路22に光源30を、第2の分岐光路24に光検出器32を光学的に接続する。端面発光型の屈折率導波型レーザダイオード50から出射されるレーザ光の波長よりも長い波長の調心光を光源30から光ファイバ20を通してレーザダイオード50に照射する。レーザダイオード50で反射し光ファイバ20及び第2の分岐光路24を通って光検出器32に至る調心光の光量を検出する。レーザダイオード50と光ファイバ20とを相対的に移動させつつ、光検出器32により検出される調心光の光量に基づいてレーザダイオード50に対する光ファイバ20の調心位置を決定する。【選択図】図7

Description

本発明は、レーザダイオードに対する光ファイバの調心方法に係り、特に端面発光型の屈折率導波型レーザダイオードに対する光ファイバの調心方法に関するものである。
レーザダイオード(LD)モジュールを製作する際には、光ファイバをレーザダイオードに対して調心する必要があるが、より正確な光ファイバの調心を行うために、レーザダイオードからレーザ光を出射させた状態で光ファイバの調心(アクティブ調心)が行われることがある(例えば、特許文献1,2参照)。
このアクティブ調心においては、図1に示すように、基板100に載置されたLDチップ110に電源120を接続し、LDチップ110内のレーザダイオードに電流を印加して、LDチップ110のレーザダイオードの出射端面からレーザ光130を出射させる。このレーザ光130は光ファイバ140に入射し、この光ファイバ140の端部に接続された光検出器150によってその光量が検出される。
この状態で、光ファイバ140やレンズ(図示せず)などの光学系を移動させながら、光検出器150で検出されるレーザ光の光量が最も多くなる位置(調心位置)を探し、その位置に光ファイバ140を固定する。このようにして、LDチップ110のレーザダイオードに対して光ファイバ140が調心され、LDチップ110からのレーザ光130が光ファイバ140に結合される。
しかしながら、このようなアクティブ調心を行う場合には、LDチップ110に電流を供給するための電源120や電気配線、レーザダイオードを冷却するための冷却手段などが必要となるため、LDモジュール製造装置の構成が複雑になるという問題がある。また、LDチップ110の電極に電源120を接続する必要が生じるため、工程数が多くなるとともに、電極に電源120を接続する際にLDチップ110に生じる静電気やサージ電流によりLDチップ110が破壊されるおそれが生じる。
また、上記のようにして調心された光ファイバ140は、はんだや樹脂の接合材、溶接などを用いてサブマウント160などに固定されるが、光ファイバ140をサブマウント160に固定する際に接合材の収縮などにより、光ファイバ140が調心位置からずれてしまうことがある。このような光ファイバ140の位置のずれを防止する、あるいは最小限にするためには、光ファイバ140をサブマウント160に固定する間も光検出器150によりレーザ光の光量を検出して光ファイバ140の位置を調整することが考えられる。しかしながら、光ファイバ140を接合材により固定する場合には、熱を加えながら接合する必要があり、この場合には、LDチップ110の温度の上昇に伴いレーザダイオードからレーザ光が出射されなくなりレーザ光の検出ができなくなってしまうことが考えられる。
また、マルチモードレーザ光を出射するLDチップの場合、高電流を印加しつつアクティブ調心を行うと、出射されるレーザ光が強くなりすぎて光ファイバの被覆が壊れてしまうおそれがあり、また発熱量が大きくなるために冷却装置が必要となる。このような発熱の影響を抑える方法として、パルス状に電流を流すことも考えられるが、電源や光検出器の構成が複雑になるために装置が高価なものとなる。このため、アクティブ調心をする場合には低電流領域でレーザダイオードを動作させる必要があるが、低電流領域ではレーザ光の横モードが不安定になりやすく、レーザダイオードの活性層に平行な方向の結合位置が動作電流領域での結合位置とずれてしまうことも考えられる。
特開2003−57498号公報 特開2005−182014号公報
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、簡素な構成で、静電気やサージ電流によるレーザダイオードの破壊を生ずることなく、光ファイバをレーザダイオードに対して精度高く調心することができる光ファイバの調心方法を提供することを第1の目的とする。
また、本発明は、簡素な構成で、静電気やサージ電流によるレーザダイオードの破壊を生ずることなく、レーザダイオードに対して光ファイバが精度高く調心されたレーザダイオードモジュールを製造する方法を提供することを第2の目的とする。
本発明の第1の態様によれば、端面発光型の屈折率導波型レーザダイオードに対して光ファイバを調心する方法が提供される。このレーザダイオードは、屈折率が相対的に低い層に囲まれた活性層と、上記活性層の第1の端面に形成された低反射面と、上記活性層の第2の端面に形成された高反射面とを有している。この調心方法では、上記光ファイバの光路を第1の分岐光路と第2の分岐光路に分岐し、上記第1の分岐光路に、上記レーザダイオードから出射されるレーザ光の波長よりも長い波長の調心光を出射可能な光源を光学的に接続し、上記第2の分岐光路に、該第2の分岐光路を通る光の光量を検出可能な光検出器を光学的に接続し、上記光源から上記調心光を上記第1の分岐光路及び上記光ファイバを通して上記レーザダイオードの上記第1の端面側に照射し、上記レーザダイオードで反射し上記光ファイバ及び上記第2の分岐光路を通って上記光検出器に至る上記調心光の光量を検出し、上記レーザダイオードと上記光ファイバとを相対的に移動させつつ、上記光検出器により検出される上記調心光の光量に基づいて上記レーザダイオードに対する上記光ファイバの調心位置を決定する。
本発明の第2の態様によれば、屈折率が相対的に低い層に囲まれた活性層と、上記活性層の第1の端面に形成された低反射面と、上記活性層の第2の端面に形成された高反射面とを有する端面発光型の屈折率導波型レーザダイオードを含むレーザダイオードモジュールの製造方法が提供される。この方法では、上記レーザダイオードと光ファイバの一方を基板に固定し、上記光ファイバの光路を第1の分岐光路と第2の分岐光路に分岐し、上記第1の分岐光路に、上記レーザダイオードから出射されるレーザ光の波長よりも長い波長の調心光を出射可能な光源を光学的に接続し、上記第2の分岐光路に、該第2の分岐光路を通る光の光量を検出可能な光検出器を光学的に接続し、上記光源から上記調心光を上記第1の分岐光路及び上記光ファイバを通して上記レーザダイオードの上記第1の端面側に照射し、上記レーザダイオードで反射し上記光ファイバ及び上記第2の分岐光路を通って上記光検出器に至る上記調心光の光量を検出し、上記レーザダイオードと上記光ファイバとを相対的に移動させつつ、上記光検出器により検出される上記調心光の光量に基づいて上記レーザダイオードに対する上記光ファイバの調心位置を決定し、上記レーザダイオードに対して上記光ファイバを上記調心位置に維持した状態で、上記レーザダイオードと上記光ファイバの他方を上記基板に固定する。
本発明によれば、レーザダイオードに電流を流すことにより生じるレーザ光の代わりに、外部の光源から入射しレーザダイオードの活性層の第2の端面で反射する調心光を用いて光ファイバの調心を行っているため、レーザダイオードに電流を流すための電源や電気配線、レーザダイオードを冷却する手段を必要とすることなく、光ファイバの調心を行うことができる。したがって、レーザダイオードモジュール製造装置の構成を簡素化することができる。また、レーザダイオードに電流を流す必要がなく、レーザダイオードモジュールに電流を流す必要がないので、静電気やサージ電流によりレーザダイオードが破壊されるおそれも少ない。
また、外部の光源で生成される調心光を用いているため、光ファイバを固定する工程で光ファイバの周囲の温度が上昇した場合においても、外部の光源は温度上昇による影響を受けずに調心光を出射し続けることができる。したがって、光ファイバを基板に固定する間も光検出器において調心光の検出をすることができるので、光ファイバの位置の微調整をして精度高く調心された状態で光ファイバを固定することができる。
また、上記光ファイバの調心位置の決定において、上記光検出器により検出される上記調心光の光量が最大となる位置を上記光ファイバの調心位置とすることが好ましい。
また、レーザダイオードがマルチモードレーザ光を出射するものである場合、上記調心光として高次モードを含む光を用いることが好ましい。そのような場合には、光検出器にて検出される調心光が実際に使用する電流領域のモード分布に近づくので、より正確な調心を実現することができる。
また、レーザダイオードがシングルモードレーザ光を出射するものである場合、上記調心光として単一波長の光であって、上記レーザダイオードにおける反射率が最大となるように調整された偏波角と波長を有する光を用いることが好ましい。
本発明によれば、簡素な構成で、静電気やサージ電流によるレーザダイオードの破壊を生ずることなく、光ファイバをレーザダイオードに対して精度高く調心することができる光ファイバの調心方法が提供される。
また、簡素な構成で、静電気やサージ電流によるレーザダイオードの破壊を生ずることなく、レーザダイオードに対して光ファイバが精度高く調心されたレーザダイオードモジュールを製造する方法が提供される。
従来のレーザダイオードモジュールにおける光ファイバの調心方法を説明する模式図である。 本発明の一実施形態におけるレーザダイオードモジュールを示す模式図である。 図2に示されるレーザダイオードモジュールのレーザダイオードの構造を模式的に示す断面図である。 図3のIV-IV線断面図である。 図2に示されるレーザダイオードモジュールの製造方法を説明する模式図である。 図2に示されるレーザダイオードモジュールの製造方法を説明する模式図である。 図2に示されるレーザダイオードモジュールの製造方法を説明する模式図である。 図7のレーザダイオードモジュールにおける調心光の光路を説明する模式図であり、レーザダイオードモジュールを横方向から見た図である。
以下、本発明に係るレーザダイオードモジュールの製造方法の実施形態について図2から図8を参照して詳細に説明する。なお、図2から図8において、同一又は相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
図2は、本発明の一実施形態におけるレーザダイオード(LD)モジュール10を示す模式図である。図2に示すLDモジュール10は、基板12と、基板12上に固定された第1のサブマウント14と、第1のサブマウント14上に固定されたLDチップ16と、基板12上に固定された第2のサブマウント18と、第2のサブマウント18に固定された光ファイバ20とを備えている。LDチップ16は内部に屈折率導波型レーザダイオードを有している。また、LDチップ16と光ファイバ20との間には、LDチップ16のレーザダイオードから出射されたレーザ光を光ファイバ20に集光するためのレンズ(図示せず)などの光学系が配置されている。
図3は、LDチップ16内のレーザダイオード50を示しており、レーザ光出射方向に垂直な方向の断面図である。図3に示すように、このレーザダイオード50は、屈折率導波型レーザダイオードであり、上面のp電極51と、下面のn電極52と、p電極51の下方に位置するpクラッド層53と、pクラッド層53の下方に位置する活性層54と、活性層54の下方に位置するnクラッド層55とを有している。活性層54が活性層54よりもバンドギャップの大きいpクラッド層53とnクラッド層55で挟み込まれており、ダブルヘテロ(DH)構造が形成されている。また、活性層54の両側には、活性層54よりもバンドギャップが大きく、クラッド層53,55とバンドギャップが同等のn埋め込み層56とp埋め込み層57が形成されており、埋め込みヘテロ(BH)構造が形成されている。活性層54の周囲にあるpクラッド層53、nクラッド層55、n埋め込み層56、p埋め込み層57は、活性層54よりもバンドギャップが大きくなっている。このような構造により、活性層54内に光とキャリアを閉じ込めることができるようになっている。
なお、図3では、屈折率導波型レーザダイオード50として埋め込みヘテロ(BH)構造を有するレーザダイオードを用いる例を示しているが、LDチップ16内の屈折率導波型レーザダイオードはこれに限られるものではない。例えば、埋め込みリッジ構造を有する屈折率導波型レーザダイオードを用いることもできる。
図4は、図3のIV-IV線断面図である。図4に示すように、レーザダイオード50の活性層54の軸方向の端面54A,54Bは劈開面により構成される。端面54Aには、例えば誘電体の積層膜からなる反射防止膜(図示せず)が成膜されており、この端面54Aは、活性層54で生じたレーザ光の一部を外部に出射する低反射面を構成する。一方、端面54Bには、例えば誘電体の積層膜からなる高反射膜(図示せず)が成膜されており、この端面54Bは、活性層54で生じたレーザ光を反射する高反射面を構成する。このような構成において、p電極51からn電極52に電流を流すと、活性層54においてキャリア励起による反転分布が生じてレーザ光が生じる。このレーザ光は、低反射面である端面54Aと高反射面である端面54Bとの間に形成される共振器により増幅され、その一部が低反射面である端面54Aから外部に出射される。このように、本実施形態におけるレーザダイオード50は、端面発光型のレーザダイオードとなっている。
次に、レーザダイオード50に対して光ファイバ20を調心しつつLDモジュール10を製造する方法について図5から図8を参照して説明する。
まず、図5に示すように、上面にLDチップ16が固定された第1のサブマウント14を基板12上に固定する。次に、図6に示すように、第2のサブマウント18を基板12上に固定し、この第2のサブマウント18上に光ファイバ20を載置する。このとき、光ファイバ20の第1の端部20AをLDチップ16の近傍に位置させる。
そして、図7に示すように、光ファイバ20の第2の端部20B(図6参照)に、第1の分岐光路(光ファイバ)22と第2の分岐光路(光ファイバ)24が接続された光カプラ26を取り付ける。この光カプラ26によって光ファイバ20を伝搬する光は第1の分岐光路22と第2の分岐光路24に分岐する。なお、この光カプラ26としては、バルク型カプラ、導波型カプラ、ファイバ型カプラ(融着)など種々の光合成分離手段を用いることができる。
次に、第1の分岐光路22の端部に、LDチップ16のレーザダイオードから出射されるレーザ光の波長よりも長い波長の光(調心光)を出射可能な光源30を光学的に接続する。また、第2の分岐光路24の端部に、第2の分岐光路24を通る光の光量を検出可能な光検出器32を光学的に接続する。
この状態で光ファイバ20の第1の端部20AをLDチップ16に近づける。例えば、光ファイバ20とLDチップ16との間に配置されたレンズの焦点付近に光ファイバ20の第1の端部20Aを位置させる。
そして、光源30を発光させると、光源30から出射された調心光が、図7の矢印Aに示すように、第1の分岐光路22及び光カプラ26を通って光ファイバ20に至る。そして、この調心光が、光ファイバ20の第1の端部20Aからレーザダイオード50の端面54A側に照射される。このとき、図8に示すように、光ファイバ20の第1の端部20Aから出射された調心光(L1)がレーザダイオード50の導波路である活性層54に入射した場合、調心光は活性層54内を伝搬して高反射面である端面54Bで反射する(L2)。この端面54Bで反射した調心光は再び活性層54を伝搬して低反射面である端面54Aから出射され、光ファイバ20に戻ることとなる(L3)。一方、光ファイバ20の第1の端部20Aから出射された調心光がレーザダイオード50の活性層54以外の場所に当たると、その調心光はレーザダイオード50の導波路である活性層54を通らないため、高反射面である端面54Bで反射して光ファイバ20に戻ってくる調心光の量は少なくなる。光ファイバ20に戻ってきた調心光は光カプラ26で分岐され、その一部は、図7の矢印Bに示すように、第2の分岐光路24を通って光検出器32に至り、その光量が光検出器32にて検出される。
本実施形態においては、p電極51とn電極52との間に電流を流すことにより生じるレーザ光の代わりに、上述したレーザダイオード50の活性層54の端面54Bで反射する調心光を用いて、レーザダイオード50に対する光ファイバ20の調心をすることができる。すなわち、レーザダイオード50に対して光ファイバ20が調心される位置では活性層54の端面54Bで反射する調心光の量が最も多くなるため、レーザダイオード50の端面に平行な2軸上で光ファイバ20を移動させつつ、光検出器32により検出される光量が最も多くなる位置を探す。そして、光検出器32により検出される光量が最も多くなる位置に光ファイバ20を維持しつつ、第2のサブマウント18に樹脂やはんだ、溶接などで光ファイバ20を固定する。なお、光検出器32により調心状態をモニタリングして光ファイバ20の位置の微調整をしながら光ファイバ20を固定してもよい。
その後、光カプラ26や分岐光路22,24、光源30、光検出器32を用途に応じて取り除くことで、図2に示すLDモジュール10が完成する。
このように、本実施形態では、p電極51とn電極52との間に電流を流すことにより生じるレーザ光の代わりに、外部の光源30から入射しレーザダイオード50の活性層54の端面54Bで反射する調心光を用いているため、p電極51とn電極52との間に電流を流すための電源や電気配線、レーザダイオード50を冷却する手段を必要とすることなく、光ファイバ20の調心を行うことができる。したがって、LDモジュール10の製造装置の構成を簡素化することができる。また、p電極51とn電極52との間に電流を流す必要がなく、LDモジュール10に電流を流す必要がないので、静電気やサージ電流によりLDチップ16が破壊されるおそれも少ない。
また、外部の光源30で生成される調心光を用いているため、光ファイバ20を固定する工程でLDチップ16の温度が上昇した場合においても、光源30は温度上昇による影響を受けずに調心光を出射し続けることができる。したがって、光ファイバ20を第2のサブマウント18に固定する間も光検出器32において調心光の検出をすることができるので、光ファイバ20の位置の微調整をして精度高く調心された状態で光ファイバ20を固定することができる。
ここで、調心光としては、LDチップ16のレーザダイオード50から出射されるレーザ光の波長よりも長い波長を有するものを用いる。レーザダイオードから出射されるレーザ光の波長と同じ波長又はレーザ光の波長よりも短い波長の調心光を用いた場合には、光ファイバ20からの調心光は、レーザダイオード50の活性層54でそのほとんどが吸収されてしまい、光ファイバ20に戻ってくる調心光の光量が不十分となり、光ファイバ20の調心ができない。一方、活性層54の端面54Bにおける反射は波長依存性があるため、調心光の波長はできるだけレーザ光の波長に近い方が好ましい。例えば、レーザダイオード50から出射されるレーザ光の波長が915nmである場合には、波長が980nmの調心光、より好ましくは波長が950nmの調心光を用いることができる。また、調心光のパワーは例えば1mWとすることができるが、0.1mW程度のパワーがあれば調心に利用できる。
また、レーザダイオード50がマルチモードレーザ光を出射するものである場合には、光源30からの調心光として高次モードを含んだ光を用いることが好ましい。高次モードを含んだ光を調心光として用いれば、光検出器32にて検出される調心光が実際に使用する電流領域のモード分布に近づくので、より正確な調心を実現することができる。
また、レーザダイオード50がシングルモードレーザ光を出射するものである場合には、光源30からの調心光として単一波長の光を用いることが好ましい。また、レーザダイオード50における反射は波長依存性とともに偏波依存性があるため、レーザダイオード50における反射率が最大となるように調整された偏波角と波長を有する光を調心光として用いることが好ましい。このような偏波角と波長の調整については、例えば特開2009−174909号公報に記載されている調整方法を用いることができる。
上述した実施形態では、LDチップ16と光ファイバ20との間にレンズなどの光学系を配置した例について述べたが、例えば光ファイバ20として端面をレンズ加工したレンズドファイバを用いることができ、そのような場合にはLDチップ16と光ファイバ20との間にレンズを設ける必要がない。
また、上述した実施形態では、調心の際にLDチップ16を固定して光ファイバ20を移動させることとしたが、レーザダイオード50に対して光ファイバ20を相対的に移動すればよく、光ファイバ20を固定してLDチップ16を移動させて調心を行うこととしてもよい。
これまで本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。
10 レーザダイオードモジュール
12 基板
14 第1のサブマウント
16 レーザダイオードチップ
18 第2のサブマウント
20 光ファイバ
22 第1の分岐光路
24 第2の分岐光路
26 光カプラ
30 光源
32 光検出器
50 レーザダイオード
51 p電極
52 n電極
53 pクラッド層
54 活性層
54A 低反射面
54B 高反射面
55 nクラッド層
56 n埋め込み層
57 p埋め込み層

Claims (8)

  1. 屈折率が相対的に低い層に囲まれた活性層と、前記活性層の第1の端面に形成された低反射面と、前記活性層の第2の端面に形成された高反射面とを有する端面発光型の屈折率導波型レーザダイオードに対して光ファイバを調心する方法であって、
    前記光ファイバの光路を第1の分岐光路と第2の分岐光路に分岐し、
    前記第1の分岐光路に、前記レーザダイオードから出射されるレーザ光の波長よりも長い波長の調心光を出射可能な光源を光学的に接続し、
    前記第2の分岐光路に、該第2の分岐光路を通る光の光量を検出可能な光検出器を光学的に接続し、
    前記光源から前記調心光を前記第1の分岐光路及び前記光ファイバを通して前記レーザダイオードの前記第1の端面側に照射し、
    前記レーザダイオードで反射し前記光ファイバ及び前記第2の分岐光路を通って前記光検出器に至る前記調心光の光量を検出し、
    前記レーザダイオードと前記光ファイバとを相対的に移動させつつ、前記光検出器により検出される前記調心光の光量に基づいて前記レーザダイオードに対する前記光ファイバの調心位置を決定する
    ことを特徴とするレーザダイオードに対する光ファイバの調心方法。
  2. 前記光ファイバの調心位置の決定において、前記光検出器により検出される前記調心光の光量が最大となる位置を前記光ファイバの調心位置とすることを特徴とする請求項1に記載の光ファイバの調心方法。
  3. 前記調心光は高次モードを含む光であることを特徴とする請求項1又は2に記載の光ファイバの調心方法。
  4. 前記調心光は単一波長の光であって、前記レーザダイオードにおける反射率が最大となるように調整された偏波角と波長を有する光であることを特徴とする請求項1又は2に記載の光ファイバの調心方法。
  5. 屈折率が相対的に低い層に囲まれた活性層と、前記活性層の第1の端面に形成された低反射面と、前記活性層の第2の端面に形成された高反射面とを有する端面発光型の屈折率導波型レーザダイオードと光ファイバの一方を基板に固定し、
    前記光ファイバの光路を第1の分岐光路と第2の分岐光路に分岐し、
    前記第1の分岐光路に、前記レーザダイオードから出射されるレーザ光の波長よりも長い波長の調心光を出射可能な光源を光学的に接続し、
    前記第2の分岐光路に、該第2の分岐光路を通る光の光量を検出可能な光検出器を光学的に接続し、
    前記光源から前記調心光を前記第1の分岐光路及び前記光ファイバを通して前記レーザダイオードの前記第1の端面側に照射し、
    前記レーザダイオードで反射し前記光ファイバ及び前記第2の分岐光路を通って前記光検出器に至る前記調心光の光量を検出し、
    前記レーザダイオードと前記光ファイバとを相対的に移動させつつ、前記光検出器により検出される前記調心光の光量に基づいて前記レーザダイオードに対する前記光ファイバの調心位置を決定し、
    前記レーザダイオードに対して前記光ファイバを前記調心位置に維持した状態で、前記レーザダイオードと前記光ファイバの他方を前記基板に固定する
    ことを特徴とするレーザダイオードモジュールの製造方法。
  6. 前記光ファイバの調心位置の決定において、前記光検出器により検出される前記調心光の光量が最大となる位置を前記光ファイバの調心位置とすることを特徴とする請求項5に記載のレーザダイオードモジュールの製造方法。
  7. 前記調心光は高次モードを含む光であることを特徴とする請求項5又は6に記載のレーザダイオードモジュールの製造方法。
  8. 前記調心光は単一波長の光であって、前記レーザダイオードにおける反射率が最大となるように調整された偏波角と波長を有する光であることを特徴とする請求項5又は6に記載のレーザダイオードモジュールの製造方法。
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