JP2898620B2

JP2898620B2 - 半導体レーザモジュールと半導体レーザ光源装置

Info

Publication number: JP2898620B2
Application number: JP4568598A
Authority: JP
Inventors: 宏之朝倉; 康弘田中
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1997-02-26
Filing date: 1998-02-26
Publication date: 1999-06-02
Anticipated expiration: 2018-02-26
Also published as: JPH11142696A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信や光計測等
に用いられ光ファイバに光結合可能な半導体レーザモジ
ュール及び半導体レーザ光源装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバによる光通信に用いられる光
半導体モジュールにおいて、光半導体発光素子または光
半導体受光素子と光ファイバとを効率よく光結合させる
ことが求められている。従来のレーザモジュールは半導
体レーザ発振器、集光レンズ及びレンズホルダ、フェル
ールホルダから構成されている。光ファイバの入射端
は、フェルールホルダによりモジュール内に挿入され
る。集光レンズは、レンズホルダに保持される。半導体
レーザ発振器からのレーザ光は、集光レンズを透過し、
集光レンズにより光ファイバ入射端に結像される。

【０００３】従来の半導体レーザモジュールには、集光
レンズとしては主にガラス非球面レンズが使用されてい
た。また低コスト化のためプラスチック非球面レンズが
使用されるようになってきた（たとえば特開平５−６０
９５２号公報、特開昭６１−２４５５９４号公報、特開
平５−２７１４０号公報、特開平５−６０９４０号公報
等）。

【０００４】また、取り扱い上の安全性の点から、レー
ザモジュールからの光出力を一定基準以下に制限するた
めに、光ファイバが外れた場合に、自動的に発光を停止
する機能を有するものやモジュールからの出力を光学的
に制限するものがある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の半導体レーザモ
ジュールに、非球面レンズを使用する場合、ガラス非球
面レンズは高価でありレーザモジュールのコストが高く
なってしまう。またプラスチックの非球面レンズでは、
熱膨張係数がガラスと比較して大きく、またプラスチッ
ク材料の屈折率が温度によって変化する。このためプラ
スチックレンズを使用して、半導体レーザ発振器とレン
ズとの間の距離を固定した場合、温度の変化に伴って、
焦点距離が、言い換えると、光ファイバ方向の結像位置
が、変化することになる。

【０００６】たとえば、レンズ材料にゼオニクス、レー
ザに７８０ｎｍの半導体レーザ発振器を用い、レーザと
光ファイバとの距離が１０ｍｍで、レンズ倍率が３倍の
光学系の場合、温度変化による焦点移動は５μｍ／℃と
なる。したがって、レーザモジュールでは半導体レーザ
発振器、レンズ、光ファイバがいずれも固定されている
ために、光ファイバへの結合効率が温度と共に変化して
しまう。通常は常温において調整組立されるために、レ
ーザモジュールの高温動作や低温動作では光ファイバか
らの出力が低下してしまう。

【０００７】図７に、従来のレーザモジュールの光ファ
イバ出力の温度特性の１例を示す。上記の条件で光ファ
イバにコア径５０μｍのマルチモード光ファイバを用い
た場合には、−２０℃から８０℃にわたる温度の変化に
よって低温側と高温側で１０％以上の出力低下が発生し
ている。

【０００８】また、安全規格により光レーザモジュール
からの光量制御をするための機能を付加しなければなら
ないため、構造が複雑になりコストが上昇する。光ファ
イバのはずれの検出をして発光を停止するためには制御
回路が必要になる。光学的に光量を制約する方法として
アパーチャーによって光量を制限する方法があり、アパ
ーチャーが、集光レンズを通過するレーザー光を制限す
るために設けられる。しかし、この方法は、アパーチャ
ーの面積によって透過率を制約するために、レーザの射
出角のばらつきによる特性ばらつき、また位置調整など
の組立工数の増加が発生する。これらはいずれもコスト
の増加を伴う。

【０００９】さらに、半導体レーザ発振器とプラスチッ
ク製レンズとの組合せて、レーザビームを利用するよう
な光源装置の場合にも、同様に温度変化によりビームの
焦点位置の変位が起こり、照射対象と焦点との間に誤差
が生じる問題があった、さらに、光源装置から完全に平
行であるべきレーザビームが、同様に装置内での温度変
化に起因して、その収束・発散を生じるという問題もあ
った。

【００１０】本発明の目的は、温度変化による半導体レ
ーザ発振器の発振波長の変化とプラスチックレンズの光
学特性の変化とに対応して、ファイバー端面への結像位
置の移動の少ない安定な光結合効率が得られるように温
度補償をして、低コストで温度特性の良い光結合用の半
導体レーザモジュールを提供することである。本発明の
目的は、また、レーザモジュールからの出力光を一定値
以内に制限し得る半導体レーザモジュールを提供するこ
とである。本発明の目的は、さらに、温度変化に対して
焦点位置の変位の少ない温度補償をした低コストで温度
特性の良い半導体レーザ光源装置を提供するものであ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明に係る第１の半導
体レーザモジュールは、光ファイバの入射端の位置を固
定する固定手段と、レーザ光を発振する半導体レーザ発
振器と、前記半導体レーザ発振器からのレーザ光を前記
光ファイバの入射端に結像するプラスチック製の集光レ
ンズと、から成り、前記集光レンズの少なくとも一つの
表面に回折輪帯構造を形成したことを特徴とするもので
ある。

【００１２】本発明に係る第２の半導体レーザモジュー
ルは、光ファイバの入射端の位置を固定する固定手段
と、レーザ光を発振する半導体レーザ発振器と、該半導
体レーザ発振器からのレーザ光を該光ファイバの入射端
に結像するプラスチック製の集光レンズ及び平板レンズ
と、から成り、上記平板レンズの少なくとも一つの表面
に回折輪帯構造を形成したものである。

【００１３】また、本発明の半導体レーザ光源装置は、
レーザ光を発振する半導体レーザ発振器と、該半導体レ
ーザ発振器からのレーザ光を透過するプラスチック製の
レンズとから成り、前記レンズの少なくとも一つの表面
に回折輪帯構造を形成したことを特徴とする。この装置
においては、レンズからのレーザ光が有限又は無限遠の
焦点を結ぶものを含み、レーザ光は並行なビームを含む
ものである。

【００１４】これらの半導体レーザモジュール及び半導
体レーザ光源装置において、回折用の輪帯は、集光レン
ズを含む上記のレンズ又は平板レンズの表面に、相隣接
する輪帯の表面とはレーザ光の波長に対応した段差を設
けて段階上に、かつ同心円状又は同心の楕円状に形成さ
れたものである。

【００１５】半導体レーザモジュールにおいては、集光
レンズがその球面レンズまたは非球面レンズとしてそれ
自体の屈折の作用によりファイバの入射端面にレーザ光
を結像させる。さらに、これらのレンズの表面のこの回
折用輪帯によっても、多数の輪帯によるレーザ光の回折
によりファイバ端面に結像させる。

【００１６】半導体レーザ光源装置の場合も、当該レン
ズにより所定の位置にレーザ光の焦点（無限遠焦点を含
む）を結ばせ、同様に、レンズの表面の同心円状（ない
しは同心の楕円状）の輪帯によっても、多数の輪帯によ
るレーザ光の回折により当該焦点位置に結像させる。輪
帯からの回折光は多数の次数の回折光からなるが、特定
の次数の回折光をファイバ端面上ないしは焦点位置の結
像に用いる。

【００１７】集光レンズまたは平板レンズの表面に形成
した輪帯構造は、以下のように、結像位置ないし焦点位
置の温度補償をする。即ち、モジュールや装置の温度が
上昇した場合に、レンズは温度上昇によりそのプラスチ
ック材料の屈折率が低下しさらにプラスチックが熱膨張
するので、屈折による焦点距離は長くなる。他方では、
温度上昇によって、半導体レーザ発振器の発振波長が長
くなるので、集光レンズ等の輪帯を形成したレンズに透
過するレーザ光は、その波長シフトによる輪帯の回折角
の変化によって、上記の屈折による焦点位置移動とは反
対の方向に移動し、逆に焦点距離が短くなる。この二つ
の作用によって温度変化による焦点移動を打ち消し合
い、焦点移動を少なくする。逆に温度が低下した場合
も、上述したのと逆の理由で焦点距離変動が抑えられ
る。その結果、半導体レーザモジュールにおいては、周
辺温度変化によっても、レーザ光の光ファイバ端面の結
像位置の変化を抑制し、ファイバからの出力変動を抑え
る。

【００１８】これらの半導体レーザモジュール及び半導
体レーザ光源装置においては、前記レンズに形成された
輪帯構造の断面形状と各輪帯間隔は、温度変化に対する
半導体レーザ発振器の発振波長の移動に伴う焦点移動
と、前記プラスチック製レンズの温度変化による屈折率
変化と熱膨張若しくは熱収縮とに伴う焦点移動と、が互
いに反対方向になるように形成される。

【００１９】好ましくは、前記の輪帯構造の断面形状お
よび各輪帯間隔は、前記の互いに反対方向の焦点移動か
らなる複合された焦点移動が所定の値以下となるように
設定される。さらに好ましくは、前記の輪帯構造の形状
および各輪帯間隔は、前記の互いに反対方向の焦点移動
が互いに打ち消しあうように設定する。

【００２０】上述したように、各回折光の回折光量、回
折効率は輪帯構造の断面形状や輪帯間隔によってきま
る。従って、輪帯形状の段差や形状、輪帯間隔を制御す
ることによって所望のモジュール出力光量を得ることが
できる。

【００２１】上記の半導体レーザモジュールと半導体レ
ーザ光源装置とは、好ましくは、集光レンズを含めてレ
ンズは、少なくとも１つの球面もしくは非球面の形状の
単レンズである。好ましくは、レンズは金属枠に一体に
形成される。これにより機械的信頼性が向上する。好ま
しくは、これらの半導体モジュールと半導体レーザ光源
装置において、前記集光レンズまたは平板レンズには、
非晶性ポリオレフィン樹脂（例えば、ゼオニクス）、ポ
リアクリル系樹脂、ポリカーボネイト系樹脂又はノルボ
ルネン系樹脂（例えば、アートン）から成るものが使用
される。これらの材料は、光学特性の温度依存性を有す
る。

【００２２】半導体モジュールにおいては、好ましく
は、光ファイバの入射端の近傍に、アパーチャー部材を
設けて、前記集光レンズを通過する前記半導体レーザ発
振器からのレーザ光の前記入射端への入射を制限する。

【００２３】アパーチャー部材は、前記集光レンズまた
は平板レンズと前記光ファイバのと間で、前記集光レン
ズまたは平板レンズを通過する前記半導体レーザ発振器
の出力光を制限する。集光レンズまたは平板レンズでは
多くの次数の回折光が発生するが、特定の次数の回折光
のみが、アパーチャー部材を通過し、ファイバの端面に
結像することができる。従って、所定の光量がアパーチ
ャー部材を通過し、前記光ファイバに結合する。それ以
外の回折光は、ファイバ端面上では発散した状態になる
筈のものが、アパーチャー部材を設けることよって制限
される。すなわち、光ファイバとの結合に利用されない
他の次数の回折光は、アパーチャー部材を配置すること
によってモジュール内部で拡散し、モジュール外へ漏れ
ることはなくなる。従って、モジュールで所望の光量だ
けを光ファイバ端面に結像し、モジュールからの出力光
量をある一定値以下に制限することが可能になる。

【００２４】また、好ましくは、これらの半導体モジュ
ールにおいて、輪帯構造を形成した集光レンズまたは平
板レンズは、光吸収材を添加したプラスチック材料から
形成される。これにより、レーザ光の透過光量を、従っ
て、出力光量を制限することができる。

【００２５】さらに、好ましくは、これらの半導体モジ
ュールにおいて、輪帯構造を形成した集光レンズまたは
平板レンズの表面に光吸収膜を形成する。これにより、
透過光量を、従って、出力光量を制限する。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、添付の図面を参照して本発
明の実施の形態を説明する。なお、同じ参照番号で示す
ものは、同一または実質的に同一のものである。

【００２７】（実施の形態１）図１は、本発明の第１の
実施形態の半導体レーザモジュールを示す。中空状のレ
ンズホルダ２の後端部側の中空部に、その開口から、半
導体レーザ発振器１が挿入されて固定されている。他
方、半導体レーザ発振器１の放射部１１の前方で、レン
ズホルダ２の前端部の中空部内に、その開口部から集光
レンズ３が嵌装され、接着剤により中空部の内周面２３
に固定されている。レンズホルダ２の外周面２２には、
中空状の接続用ホルダ４の接続筒部４１がはめ込まれて
いる。

【００２８】さらに、この接続用ホルダ４に対して、し
たがって、半導体レーザ発振器１に対して、次に説明す
るように光ファイバ６の入射端部６０が固定される。こ
の例では、光ファイバ６の入射端部６０の位置が、入射
端部６０を挿入する台形のフェルール７と、フェルール
固定用フェルールホルダ５とにより着脱自在に固定され
る。接続用ホルダ４の先側端面４２にはフェルールホル
ダ５のフランジ５１の端面が接合されている。このフェ
ルールホルダ５の、軸心にそって貫入する中空部には、
光ファイバ用のフェルール７２の先端面７３を停止する
停止段部５３が形成され、フェルール７をフェルールホ
ルダ５の中空部内に挿入することにより、光ファイバ６
の入射端面６０の位置決めがされる。また、アパーチャ
ー６１が、フェルール７の先端面７３に形成され、光フ
ァイバ６の入射端６０に入射する光量を制御する。

【００２９】光ファイバ６には、レーザビームより細い
通常の光ファイバが使用される。これには、例えば、コ
ア径１０〜３００μｍ程度の通常の光ファイバが使用さ
れる。マルチモード光ファイバ、シングルモード光ファ
イバのいずれも使用可能である。

【００３０】集光レンズ３はプラスチック製の球面レン
ズまたは非球面レンズであり、集光レンズ３は、通常
は、単レンズである。集光レンズの両面３１、３２の少
なくとも一方には、それぞれ、図２と図３に示すような
輪帯３５が形成されている（ただし、図１においては輪
帯３５は誇張して、拡大されている）。半導体レーザ発
振器１から放射されて集光レンズ３を通過したレーザ光
が、常温で光ファイバ６の入射端部６０に正確に結像す
るように、半導体レーザモジュール１を製造する際に、
接続用ホルダ４の接続筒部４１をレンズホルダ２に対し
前後進退する微調整をする。

【００３１】集光レンズ３は、レーザ光に対しある程度
透明でレンズ成型可能なプラスチック材料で成型され
る。このようなプラスチック材料には、たとえば、アク
リル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂が利用でき、非晶
性ポリオレフィン樹脂（例えば、市販の商品名ゼオニク
ス）、ノルボルネン系樹脂（例えば、アートン）などの
入手可能な樹脂も使用できる。これらの合成樹脂は、ガ
ラスに比して熱膨張率が大きく、また温度により屈折率
が変化しやすいものであってもよい。

【００３２】集光レンズ３に形成する回折用の輪帯３５
の構造について説明する。集光レンズ３の表面に、回折
効果を有する同心円状の輪帯３５を形成する。輪帯３５
は、集光レンズ３の表面に、相隣接する輪帯の表面とは
レーザ光の波長に対応した段差をもうけて段階状に、か
つ同心円状に形成されたものである。輪帯３５は、通常
は、各輪帯表面が、隣接の輪帯表面とレーザ光の波長に
対応した数ミクロン程度の微少な段差（ステップ）を有
する。

【００３３】図２と図３にその一例を示す。図３の断面
図とその部分拡大図に示すように、この例では、非球面
レンズ本体３０の入射面３２と出射面３１の両曲面に、
多数の輪帯３５が、隣接する輪帯間で微少な段差を設け
て配列されている。図２の平面図に示すように、各輪帯
３５は、レーザ光軸に対して同心円状に互いに近接して
形成されていて、相隣接する輪帯３５の表面は、表面全
体としては、所要の屈曲面になるようにレンズ表面を形
成している。輪帯は、上記のような同心円状に代えて、
同心の楕円状にして、例えば、レンズ上面の輪帯形成域
を半導体レーザのビーム断面の光分布に対応させてもよ
い。

【００３４】集光レンズ３はその球面レンズまたは非球
面レンズとしてそれ自体の屈折の作用によりファイバの
入射端面６０に結像させる。さらに、輪帯３５の同心円
状構造によっても、多数の輪帯によるレーザ光の回折に
より光ファイバ端面６０に結像させる。

【００３５】集光レンズ３に入射した光は、輪帯構造に
よって複数の次数の回折光に分散される。回折光は多数
の次数の回折光よりなり、本実施形態においては特定の
次数の回折光をファイバ端面６０上の結像に用いる。あ
る特定の次数の回折光に対して光ファイバの端面６０に
焦点を結ぶように、集光レンズ３は設計され、各パラメ
ータが決定される。光ファイバ結合に用いられる回折光
の光量（回折効率）は輪帯構造の断面形状や輪帯間隔に
依存する。具体的には、使用するレーザ光の波長に対し
て輪帯構造の段差によって生ずる光の位相差の大きさお
よび段差部の断面形状により変化する。従って所要の回
折効率を得るために、段差の大きさと断面形状を選択す
ればよい。

【００３６】段差の大きさについて、図４は、０〜２次
数の回折光の回折効率と段差距離の関係の１例を示す。
ここに、波長７８０ｎｍのレーザ光を用いた場合の回折
効率が、０．９〜２．４μｍの輪帯段差に対して示され
る。段差によって０から１までの値で回折効率が得られ
る。

【００３７】また断面形状に関しては、レンズ作製の加
工法に制約されるが、鋸歯状、階段状、台形状もしくは
丸みを帯びたものがある。従って、おのおのの加工法に
対して最適な形状を与えればよい。

【００３８】また、輪帯３５による結像位置は、光源の
波長によって焦点位置が変化する。たとえば、波長が長
くなると輪帯の間隔が見かけ上狭くなるために回折角が
大きくなり、結果として焦点距離が短くなる。逆に、波
長が短くなると焦点距離は長くなる。

【００３９】そこで、半導体レーザ発振器１には、温度
によってレーザ光の発振波長が変化するものが採用され
る。図５は、半導体レーザ発振器の発振波長の温度依存
性の１例を示す。このように、温度の上昇と共に発振波
長は長波長側にシフトする。半導体レーザ発振器１とし
ては、たとえば、波長１. ２〜１. ６μｍ帯のＩｎＰ系
材料の長波長レーザ、０. ９８μｍ帯の半導体レーザ、
発振波長０. ７８μｍ帯のＧａＡｓＡｌ系材料のレーザ
などが利用できる。半導体レーザ発振器は、発振波長が
温度によってシフトするものであれば限定はされない。

【００４０】さらに、回折輪帯の構造形状および輪帯間
隔は、レンズ材料の温度変化による屈折率変化に伴う焦
点移動と、温度変化による半導体レーザ発振器１の発振
波長の変化に伴う焦点移動とが、互いに反対方向になる
ように設計され形成される。好ましくは、その複合され
た焦点移動が所定の値以下となるように形成される。さ
らに、この２つの焦点移動とが、互いに完全に打ち消し
合うように形成することもできる。輪帯の本数は、回折
輪帯の構造形状および輪帯間隔を規定すれば、輪帯の間
隔やレンズの大きさなどにより決定される。

【００４１】輪帯構造を有する集光レンズ３を用いてレ
ーザモジュールを構成すると、温度が上昇した場合に、
レンズ３のプラスチック材料の屈折率が低下しさらにプ
ラスチックが熱膨張するので、焦点距離が長くなる。他
方では、上述のように、温度上昇によって、半導体レー
ザ発振器１の発振波長が長くなるので、輪帯の回折効果
によって逆に焦点距離が短くなる。この二つの作用によ
って焦点移動を打ち消し合い、光ファイバ端面の結像位
置の変化を抑制し、その結果、光ファイバ６からの出力
の変動を押さえるものである。逆に温度が低下した場合
は、上述したのと逆の理由で焦点距離変動が抑圧され
る。

【００４２】輪帯数の具体例として、集光レンズ３に材
料としてゼオニクスを使用し、レンズ直径が１ｍｍ、半
導体レーザ発振器１には発振波長７８０ｎｍのＧａＡｌ
Ａｓ半導体レーザを使用する場合をあげる。図６は、こ
の場合の輪帯３５の数と焦点シフト量との関係を示す。
輪帯数が多くなるほど焦点シフトが少なくなり、焦点シ
フト量がほぼ零となるような輪帯数が決められる。この
条件で、集光レンズ３の輪帯構造として輪帯数４０本、
最小輪帯間隔６μｍにすると、図６に示すように、温度
による焦点移動をなくすことができる。ただし、図６は
レンズ片面に輪帯を形成した場合の結果を示す。上記の
条件で、コア径５０μｍの光ファイバ６と結合したモジ
ュールを形成したとき、図７に示すように、−２０〜８
０℃の温度範囲で、光結合効率を常温での効率とほぼ同
じ一定値に保つことができる。なお、図７において、黒
丸は、輪帯を設けない集光レンズを用いた場合の温度依
存性を示し、高温側と低温側で結合効率が低下してい
る。

【００４３】フェルール７の先端面７３に形成されるア
パーチャー６１は、光ファイバ６との結合に用いない他
の次数の回折光の影響を少なくするために設けられる。
各次数の回折光の強度は、輪帯３５の断面構造や輪帯間
隔によってきまる。従って結像に用いる次数の回折光の
光量を制御することができる。光ファイバ６との結合に
用いない他の次数の回折光は光ファイバ端面６０以外の
点に結像するために、光ファイバ端面６０の付近にある
程度の大きさのアパーチャー６１を配置することによっ
てモジュール内部で拡散し、モジュール外へ放射される
ことはなくなる。従って、モジュールで所望の光量だけ
を光ファイバ端面６０に結像し、モジュールからの出力
光量をある一定値以下に制約することができる。

【００４４】輪帯構造の段差を１ミクロン程度にするこ
とによって回折効率を２０％にすることができ、ファイ
バ端面の近傍に直径１から０. ６ｍｍ程度のアパーチャ
ー６１を配置することによってモジュールからの光出力
を２０数％程度の値に規制できる。集光に寄与しない次
数の回折光は大きく発散するためにアパーチャー面にお
いてはわずかの光量しか通過せず、アパーチャー６１の
大きさによる非集光光の透過依存性はほとんどない。従
って、アパーチャー６１の大きさや形状および組立位置
精度は緩和される。

【００４５】このようにして、この実施形態１において
は、ある一定の光量の集光光が所望の焦点移動範囲内に
収まるように集光レンズ３の材料の性質とレンズ各定
数、およびレーザ発振器の温度特性を基礎にして、集光
レンズの輪帯構造を決定すればよい。例示すると材料と
してゼオニクスを使用した場合、レンズの有効直径は１
ｍｍの例では、短波長の、近赤外域、可視光域の半導体
レーザを用いた場合、レンズの輪帯数が１０〜５０本、
最小輪帯間隔が５〜２０μｍが望ましい。長波長の、赤
外の、半導体レーザを用いた場合、レンズの輪帯数が５
〜５０本、最小輪帯間隔が５〜４０μｍが望ましい。

【００４６】図８は、半導体レーザモジュールの集光レ
ンズの変形例を示す。集光レンズ３' は、プラスチック
製であり、両面に輪帯３５' が形成されたレンズ本体３
０'に、図９で示したようなリング状の金属枠体９を取
り付ける。集光レンズ３' はレンズホルダ２に嵌められ
る。集光レンズ３' は、金属枠体９をレンズホルダ２の
中空部の段部２４に接するように固定される。この変形
例は、金属枠体９を取着した集光レンズ３' を除いて、
その他の点は、図１に示すものと同じである。

【００４７】集光レンズ３' には、レンズ外周が金属枠
体９の内側に固定されているものがよく、好ましくは、
レンズと金属枠体とが一体で形成されたものが採用され
る。図９と図１０は、回折輪帯３５' を表面３１’、３
２’に形成した集光レンズ３' をリング状の金属枠体９
に固定した例を示す。レンズ本体３０' は、その外周３
３' がリング状の金属枠体９の内周面９３に固定され、
レンズ成型の際にレンズ本体が金属枠体９内で熱加圧で
成型される。リング状の金属枠体９をレンズ本体３０'
と一体に成形することで、レンズホルダ２に直接溶接固
定でき、従来の接着固定に比べ作業性と信頼性が向上す
る。また金属枠体とレンズホルダを一体として、レンズ
ホルダに直接レンズを成形しても良い。

【００４８】（実施の形態２）次に、本発明の第２の実
施形態の半導体レーザモジュールについて説明する。こ
のレーザモジュールは、通常のプラスチック製の集光用
の球面ないしは非球面レンズとファイバの入射端との間
に、輪帯構造を表面に形成した平板レンズを介在させる
ものである。この場合において、温度変化に伴う集光レ
ンズの屈折率変化により焦点位置の移動が発生する。し
かし、温度変化によって半導体レーザの発振波長もシフ
トするので、集光レンズから平板レンズに透過したレー
ザ光は、その波長シフトによる回折角の変化によって、
上記の屈折による焦点位置移動とは反対の方向に移動す
る。これらの焦点移動が互いに打ち消し合って、焦点移
動を少なくする。

【００４９】図１１は、第２の実施形態の半導体レーザ
モジュールの断面図であり、集光レンズ１０３の先端
に、レンズホルダの前端部開口部に温度補償用の平板レ
ンズ８の表面外縁が取着され、平板レンズ８は、その両
面に輪帯８５が形成されている。集光レンズ１０３とし
ては、表面が平滑な、即ち、輪帯を表面に形成していな
い従来の非球面レンズが使用される。そして、半導体レ
ーザ発振器１から放射されて集光レンズ１０３と平板レ
ンズ８とを通過したレーザ光が、光ファイバ６の入射端
面６０に正確に結像するように、図１の場合と同じよう
に、レンズホルダ、接続用ホルダ４、フェルールホルダ
５が調整されて、レーザモジュールとされる。このレー
ザモジュールは、集光レンズ１０３の表面に回折輪帯を
設けないで、上記の平板レンズ８を設けたことを除い
て、その他の点は図１に示すものと同じである。

【００５０】この第２の実施形態では、集光レンズ１０
３には、通常の両面の平滑な球面もしくは非球面形状を
有する上記プラスチック製のレンズが使用され、この集
光レンズ１０３とファイバ入射端面６０との間に、この
例では、同心円状の多重の輪８５を形成した平板レンズ
８が介在される。平板レンズ８はガラス製とすることも
可能であるが、特に、プラスチック製の平板が望まし
い。材料をプラスチックとする場合、集光レンズ１０３
に使用可能な合成樹脂の中から選ばれる。輪帯８５の微
細な構造を安価で精密に成型する点からプラスチック製
とするのが好ましい。

【００５１】平板レンズ８には、片面または両面８１に
同心円状に、回折輪帯８５が形成されるが、回折輪帯８
５は、通常は、各輪帯表面が、隣接の輪帯表面とレーザ
光の波長に対応した数ミクロン程度の微少な段差（ステ
ップ）を有するものである。回折輪帯８５の構造形状お
よび輪帯間隔および輪帯本数は、レンズ材料の温度変化
による屈折率変化に伴う焦点移動と、温度変化による半
導体レーザ発振器１の発振波長の変化に伴う焦点移動と
が、互いに反対方向になるように設計され形成される。
好ましくは、その複合された焦点移動が所定の値以下と
なるように形成される。さらに、この２つの焦点移動と
が、互いに完全に打ち消し合うように形成される。

【００５２】平板レンズ８では多くの次数の回折光が発
生し、特定の次数の回折光のみがファイバの端面６０に
結像し、それ以外の回折光はファイバ端面６０上では発
散した状態になる。第１実施形態におけるように、ファ
イバの端面６０と平板レンズ８の間にアパーチャー５３
を配置することによって、ファイバ結合に寄与しない光
はモジュールの外に漏れなくすることができる。各回折
光の回折光量、回折効率は平板レンズの輪帯構造の断面
形状や輪帯間隔によってきまる。従って、輪帯形状の段
差や形状、輪帯間隔を制御することによって所望のモジ
ュール出力光量を得ることができる。

【００５３】また、使用するレーザ光の波長に対して輪
帯構造の段差の大きさと断面形状により所要の回折効率
が得られる。また、所定の光量だけを光ファイバ６に結
合し、ファイバ端面６０の近傍に直径１〜０. ６ｍｍ程
度のアパーチャー５３を配置することによってモジュー
ルからの光出力がある一定値以下に制約される。

【００５４】この平板レンズ８は、上述のような集光レ
ンズ１０３とファイバ端面６０との間ではなく、半導体
レーザ発振器１と集光レンズ１０３との間に介在させる
こともでき、同様にして、温度変化に伴う焦点移動を制
限し、完全に防止できる。

【００５５】また、特に、この半導体レーザモジュール
は回折用の平板レンズ８と球面もしくは非球面の集光レ
ンズ１０３から構成されている。集光レンズ１０３には
既存の表面の平滑なプラスチック製レンズを用い、新た
に回折平板レンズ８を光学系に付加することによって、
容易に第１の実施形態と同様の効果を得ることができる
利点がある。

【００５６】（実施の形態３）次に、第３の実施形態の
半導体レーザモジュールについて説明する。第３実施形
態は、その基本構成は集光レンズもしくは平板レンズに
輪帯構造を形成し温度補償を行う点では第１及び第２の
実施形態と類似であるが、モジュールからの出力光量
を、プラスチックの樹脂材料に添加物を加え透過光量を
制限するものである。

【００５７】図１２は、第３の実施形態の半導体レーザ
モジュールの断面図である。本実施形態の構成と効果は
第１の実施形態と同様である。非球面レンズ本体の入射
面２３２と出射面２３１の両曲面に、多数の輪帯２３５
が、隣接する輪帯間で微少な段差を設けて配列されてい
る。本実施形態においては、集光レンズ２０３のプラス
チック材料に、光吸収剤として、色素や金属微粒子を含
む添加剤を添加したことであり、これにより、集光レン
ズ２０３の透過率を一定値に減衰させる。この実施形態
は、輪帯形状の加工の制約から所望の回折光率が得られ
ない場合にレンズ２０３の樹脂材料自体の透過特性をあ
る一定値以下にしておくことにより、容易に半導体レー
ザモジュールからの出力高レベルの制限を実現できる。
なお、図１２に示した例では、集光レンズに輪帯構造を
形成したが、第２実施形態におけるように平板レンズに
輪帯構造を形成してもよい。

【００５８】（実施の形態４）次に、第４の実施形態の
半導体レーザモジュールについて説明する。第４の実施
形態の基本構成は集光レンズもしくは平板レンズに輪帯
構造を形成し温度補償を行うものであり、第１及び第２
の実施形態と類似である。

【００５９】図１３は、第４の実施形態の半導体レーザ
モジュールの断面図である。本実施形態の構成と効果は
第１の実施形態と同様であるが、相違点は、本実施形態
においては、集光レンズ３の表面に、光吸収膜として、
光減衰反射防止膜８０を形成したことである。この例で
は、光減衰反射防止膜は、金属膜と誘電体膜との多層薄
膜が形成させ、レーザ光の減衰と反射防止とが図られ
た。半導体レーザモジュールからの出力光量について、
集光レンズ３の表面に形成した光減衰反射防止膜８０
は、半導体レーザからの透過光量を制限し、透過率を一
定値に低減させる。

【００６０】なお、図１３には集光レンズ上に光減衰反
射防止膜８０を設けているが、第２実施形態におけるよ
うに平板レンズ８を設け、平板レンズ８上に光減衰反射
防止膜を設けてもよい。所望の透過率を有する光減衰膜
を集光レンズもしくは平板レンズの表面に形成すること
によって、容易に半導体レーザモジュールからの出力高
レベルの制限を実現できる。この光減衰反射防止膜は反
射防止機能も有するため、半導体レーザへの不要な戻り
光を抑圧できる。

【００６１】第１〜第４の実施形態において、戻り光を
除去するための光アイソレータを光路途中に挿入するこ
とも適宜なされてよい。

【００６２】（実施の形態５）この実施の形態は、半導
体レーザ光源装置に関するもので、レンズに回折輪帯構
造を形成して、半導体レーザ発振器からのレーザ光の焦
点位置の温度補償を行うものである。

【００６３】図１４は、半導体レーザ光源装置の断面図
を示すが、中空状のレンズホルダ２の後端部側の中空部
に、その開口から、半導体レーザ発振器１が挿入されて
固定されており、他方、半導体レーザ発振器１の放射部
１１の前方で、レンズホルダ２の前端部の中空部内に、
その開口部から集光レンズ３が嵌装され、接着剤により
中空部の内周面２３に固定されている。この図の光源装
置は、集光レンズ３の前方が開放されて、レーザ光の焦
点位置９０が空間の有限位置に設定されている。

【００６４】この図１４に示された装置に利用される集
光レンズ３は、焦点位置９０に集光するためのもので、
第１の実施形態と同様のプラスチック材料で形成された
単レンズが利用され、この集光レンズの表面には、第１
の実施形態に示したのと同様の回折用輪帯が形成され、
温度変化に伴うレーザ光の焦点位置９０の変位を抑制し
ている。

【００６５】図１５は、半導体レーザ光源装置の他の例
を示すが、同様にレンズホルダ２の後端部側の中空部に
半導体レーザ発振器１が挿入されて固定され、半導体レ
ーザ発振器１の放射部１１の前方で、レンズホルダ２の
前端部の中空部内に、その開口部からレンズ３が嵌装さ
れて同様に固定され、レンズ３の前方が開放されてい
る。この図１５の光源装置は、レンズ３の前方が開放さ
れて、レーザ光の焦点位置が空間の無限位置に設定さ
れ、レンズ３からの出力光は、並行ビーム９２とされて
いる。

【００６６】この図１５のレンズ３は、第１の実施形態
と同様のプラスチック材料で形成された単レンズが利用
され、このレンズの両表面３１、３２には、第１の実施
形態に示したのと同様の回折輪帯３５の構造が形成され
が、単レンズにより、平行なレーザビーム９２が形成さ
れるようにレンズ３とその回折輪帯３５が構成されてい
る。回折輪帯３５の構造は、この場合は、温度変化に伴
うレーザビーム９２の平行性を維持し、無限遠にある焦
点位置の変位を防止している。レーザ発振器１１からの
レーザ光は、温度変化があっても、ビーム９２の収束・
発散や拡散を防止して、常に並行ビームを保持すること
ができる。

【００６７】図１６に示す半導体レーザ光源装置は、ホ
ルダ２内に両曲面３１、３２には、回折輪帯を形成しな
い両凸面レンズ１０３が固定され、その先側に平板レン
ズ８５がホルダー２の端面２８に固定されて成るもの
で、平板レンズ８５に回折輪帯３５が形成されているも
のである。この例は、図１１に示した集光レンズ１０３
と平板レンズ８との構成と同様に、集光レンズと半導体
レーザ発振器の温度による焦点移動を平板レンズ８５に
回折輪帯３５により補正して、その変動を阻止するもの
である。

【００６８】ここに示した半導体レーザ光源装置は、光
空間伝送型の光通信装置や、レーザ光の焦点位置に対象
物を配置することによって、光ピックアップ、光ディス
ク装置、プリンタ、光スキャナ、光センサなどの光源と
して広く利用される。

【００６９】以上の実施の形態において、集光レンズ、
その他のレンズは、ホルダーと別体に形成した例であ
るが、集光レンズ、その他のレンズは、ホルダー、特
に、レンズホルダーと一体に形成したものでもよい。

【００７０】

【発明の効果】本発明の半導体レーザモジュール及び半
導体レーザ光源装置は、プラスチック製の集光レンズを
使用して、集光レンズや平板レンズなどのレンズの少な
くとも一つの表面に同心円状の回折輪帯構造を形成し、
前記輪帯構造において発生する温度変化に対する半導体
レーザ発振器の発振波長の変化に伴う焦点移動と前記レ
ンズ材料の温度変化による屈折率変化や熱膨張・収縮に
伴う焦点移動とが互いに打ち消しあうようにしたから、
温度変化に起因する焦点位置変位の補償に有効である。

【００７１】本発明の半導体レーザモジュールにおいて
は、回折光の出力値を制限することができ、これによっ
て簡素な構成でレーザモジュールからの出力光を制限
し、かつ、環境温度変化による光結合出力の低下を防止
することができる。

【００７２】本発明の半導体レーザモジュールは、低コ
ストのプラスチックレンズの使用を可能にし、且つ特性
が良く出力安定性が優れ、組立調整の容易な半導体レー
ザモジュールを実現することができる。

【００７３】また、本発明の半導体レーザ光源装置は、
温度変化に対する焦点位置変位を抑制できるので、対象
物に対するレーザ光の入力が確実になし得て、しかも、
長距離焦点でのビームの発散を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態の半導体レーザモジュー
ルの縦断面図。

【図２】第１実施形態の半導体レーザモジュールにおけ
る回折輪帯を形成した集光レンズの平面図。

【図３】第１実施形態の半導体レーザモジュールにおけ
る回折輪帯を形成した集光レンズの断面図（部分拡大図
を含む）。

【図４】回折レンズにおける回折効率のグラフ。

【図５】半導体レーザ発振器の発振波長の温度特性のグ
ラフ。

【図６】集光レンズに形成した回折輪帯の輪帯本数と焦
点移動のグラフ。

【図７】本発明の第１の実施形態の半導体レーザモジュ
ールの光ファイバに対する結合効率の温度依存性を示す
グラフ。

【図８】本発明の第１の実施形態の変形例における半導
体レーザモジュールの縦断面図。

【図９】第１の実施形態の変形例における半導体レーザ
モジュールにおける回折輪帯を形成した集光レンズの平
面図。

【図１０】第１の実施形態の変形例における半導体レー
ザモジュールにおける回折輪帯を形成した集光レンズの
断面図（部分拡大図を含む）。

【図１１】本発明の第２の実施形態における半導体レー
ザモジュールの縦断面図。

【図１２】本発明の第３の実施形態における半導体レー
ザモジュールの縦断面図。

【図１３】本発明の第４の実施形態における半導体レー
ザモジュールの縦断面図。

【図１４】本発明の第５の実施形態における半導体レー
ザ光源装置の縦断面図。

【図１５】本発明の第５の実施形態における半導体レー
ザ光源装置の縦断面図。

【図１６】本発明の第５の実施形態における半導体レー
ザ光源装置の縦断面図。

【符号の説明】

１半導体レーザ発振器２レンズホルダ３集光レンズ３' 集光レンズ３５回折輪帯４ホルダ５フェルールホルダ６光ファイバ７フェルール６１アパーチャー部材８０光減衰反射防止膜

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G02B 6/26 G02B 6/30 - 6/34 G02B 6/42

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光ファイバの入射端の位置を固定する固
定手段と、レーザ光を発振する半導体レーザ発振器と、
前記半導体レーザ発振器からのレーザ光を前記光ファイ
バの入射端に結像する少なくとも１つの球面もしくは非
球面の形状を有するプラスチック製の集光レンズと、か
ら成り、前記集光レンズの少なくとも一つの表面に回折輪帯構造
を形成したことを特徴とする半導体レーザモジュール。
【請求項２】さらに、前記光ファイバの入射端の近傍
に、集光レンズを通過する半導体レーザ発振器からのレ
ーザ光の入射端への入射を前記集光レンズによる特定次
数の回折光のみに制限するアパーチャー部材を設けたこ
とを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザモジュー
ル。
【請求項３】前記集光レンズが、金属枠に一体に形成
されたことを特徴とする請求項１に記載された半導体レ
ーザモジュール。
【請求項４】請求項１に記載の半導体レーザモジュー
ルにおいて、前記集光レンズに形成された輪帯構造の断
面形状及び各輪帯間隔は、温度変化に対する半導体レー
ザ発振器の発振波長の移動に伴う焦点移動と、前記集光
レンズの温度変化による屈折率変化と熱膨張若しくは熱
収縮とに伴う焦点移動と、が互いに反対方向になるよう
に設定したことを特徴とする半導体レーザモジュール。
【請求項５】請求項４に記載の半導体レーザモジュー
ルにおいて、前記の輪帯構造の断面形状および各輪帯間
隔は、前記の互いに反対方向の焦点移動からなる複合さ
れた焦点移動が所定の値以下となるように設定されたこ
とを特徴とする半導体レーザモジュール。
【請求項６】請求項５に記載の半導体レーザモジュー
ルにおいて、前記の輪帯構造の断面形状および各輪帯間
隔は、前記の互いに反対方向の焦点移動が互いに打ち消
しあうように設定されたことを特徴とする半導体レーザ
モジュール。
【請求項７】光ファイバの入射端位置を固定する固定
手段と、レーザ光を発振する半導体レーザ発振器と、前
記半導体レーザ発振器からのレーザ光を前記光ファイバ
の入射端に結像する少なくとも１つの球面もしくは非球
面の形状を有するプラスチック製の集光レンズ及び平板
レンズと、から成り、上記平板レンズの少なくとも一つの表面に回折輪帯構造
を形成したことを特徴とする半導体レーザモジュール。
【請求項８】さらに、前記光ファイバの入射端の近傍
に、前記平板レンズを通過する前記半導体レーザ発振器
からのレーザ光の前記入射端への入射を前記集光レンズ
による特定次数の回折光のみに制限するアパーチャー部
材を設けたことを特徴とする請求項７に記載の半導体レ
ーザモジュール。
【請求項９】請求項７に記載の半導体レーザモジュー
ルにおいて、前記平板レンズに形成された輪帯構造の断
面形状及び各輪帯間隔は、温度変化に対する半導体レー
ザ発振器の発振波長の移動に伴う焦点移動と、前記集光
レンズと前記平板レンズの温度変化による屈折率変化と
熱膨張若しくは熱収縮とに伴う焦点移動と、が互いに反
対方向になるように形成されたことを特徴とする半導体
レーザモジュール。
【請求項１０】前記の輪帯構造の形状および各輪帯間
隔は、前記の互いに反対方向の焦点移動からなる複合さ
れた焦点移動が所定の値以下となるように設定されたこ
とを特徴とする請求項９に記載の半導体レーザモジュー
ル。
【請求項１１】前記の輪帯構造の断面形状および各輪
帯間隔は、前記の互いに反対方向の焦点移動が互いに打
ち消しあうように設定されたことを特徴とする請求項１
０に記載の半導体レーザモジュール。
【請求項１２】レーザ光を発振する半導体レーザ発振
器と、該半導体レーザ発振器からのレーザ光を透過する
少なくとも１つの球面もしくは非球面の形状を有するプ
ラスチック製のレンズとから成り、前記レンズの少なくとも一つの表面に回折輪帯構造を形
成したことを特徴とする半導体レーザ光源装置。
【請求項１３】前記レンズは金属枠に一体に形成され
たことを特徴とする請求項１２に記載の半導体レーザ光
源装置。
【請求項１４】請求項１２に記載の半導体レーザ光源
装置において、前記レンズに形成された輪帯構造の断面
形状及び各輪帯間隔は、温度変化に対する半導体レーザ
発振器の発振波長の移動に伴う焦点移動と、前記レンズ
の温度変化による屈折率変化と熱膨張若しくは熱収縮と
に伴う焦点移動と、が互いに反対方向になるように形成
されたことを特徴とする半導体レーザ光源装置。
【請求項１５】前記の輪帯構造の形状および各輪帯間
隔は、前記の互いに反対方向の焦点移動から成る複合さ
れた焦点移動が所定の値以下となるように設定されたこ
とを特徴とする請求項１４に記載の半導体レーザ光源装
置。
【請求項１６】前記の輪帯構造の断面形状および各輪
帯間隔は、前記の互いに反対方向の焦点移動が互いに打
ち消しあうように設定されたことを特徴とする請求項１
５に記載の半導体レーザ光源装置。