JP3518491B2 - 光結合装置 - Google Patents
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Description
光伝送システムなどに使用するため、光半導体素子と光
ファイバとを光学的に結合させる光結合装置に関する。
ージの外部から制御すると共に、小型化するため、ペル
チェ素子(電子冷却素子)の上に設置したベースの上面
に、半導体レーザ素子(光半導体素子)と光ファイバと
が光結合するように位置決め固定され、光ファイバから
の入出力信号光を受信用受光素子側へ分岐させる光分岐
器が光ファイバの途中に挿入され、さらに半導体レーザ
素子と受信用受光素子の間にインライン型の小型アイソ
レータを設置することが知られ、例えば特開平11−2
95560号公報に記載されている。
ソレータの両端にコア拡大ファイバを密着接続し、半導
体レーザ素子側のコア拡大ファイバの先端を先球ファイ
バとすることが、特開平8−15644号公報に開示さ
れている。
て、特開平11−295560号公報に記載の光結合装
置は、ペルチェ素子で温度制御する物体の熱容量が大き
くなり、半導体レーザ素子から発生する熱を効率良く放
散できず、半導体レーザ素子の安定なレーザ発振を得る
ことができない恐れがある。また、インライン型のアイ
ソレータは外径が小さくてもφ3.0mm程度であり、
光結合装置の高さを小さくすることが困難である。
載のものでは、通常の外径のφ125μmの細径ファイ
バを光アイソレータの偏光子に直接接着し、かつ両側の
光ファイバ間で光結合するように位置決めするので、作
業は困難が伴い、接続後の取扱いにも注意を要する。
決し、光半導体素子と光ファイバとの光結合を安定させ
信頼性を向上すると共に、小型で低価格化に優れ、さら
に光半導体素子のレーザ発振を安定にして高性能な光結
合装置を提供することにある。
本発明は、光半導体素子と、該光半導体素子と光学的に
結合された光ファイバと、光ファイバに設置されたイン
ライン型の光アイソレータと、光半導体素子と光ファイ
バとを収納するパッケージケースとを有する光結合装置
において、光が入射する側となる前記光ファイバの先端
を光半導体素子と光結合するように固定した基板部材
と、基板部材をその上面に接合した電子冷却素子と、光
アイソレータを固定し、パッケージケースの側面から突
出されたパイプ状の支持部材とを備えたものである。
は、光アイソレータを考慮する必要がなく、熱容量を小
さくできるので、光半導体素子から発生する熱を効率良
く発散でき、光半導体素子の安定なレーザ発振を行え
る。また、光アイソレータはパッケージケースの側面に
固定され、電子冷却素子、基板部材、光アイソレータと
積み重ねられることもないので、光結合装置の小型化及
び薄型化が図られる。また、光ファイバの先端は基板部
材で光半導体素子と光結合するように固定されるので、
位置調整を容易に行え、損失を小さくすることができ
る。よって、信頼性が向上され、小型で低価格化に優れ
たものとすることができる。
ファイバ先端は、球状又は楔状の形状とされたことが望
ましい。
と光結合するように固定されるまでの光ファイバの長さ
は、15〜25mmとされたことが望ましい。
ーザ溶接あるいはろう材により固定されたことが望まし
い。
板部材の上面に接着され、その後、光アイソレータがパ
ッケージケースの側面に設けられたパイプ状の支持部材
に溶接されたものである。
接着することにより、光出力が最大になるように位置調
整することが可能となり、光アイソレータの接合作業も
容易となる。そして、光アイソレータの回転調整なども
可能となるので、偏光依存型の光アイソレータの使用も
可能となる。
素子は電子冷却素子の上面に設置され、光アイソレータ
はパッケージケースの側面に設けられた支持部材に固定
されたものである。
ータを通過する信号光は略平行光あるいは略集束光とさ
れたことが望ましい。
〜図4を参照して詳細に説明する。なお、各図において
は、煩雑を避けるために一部の部品や接着固定材等の図
示を適宜省略している。
表す縦断面図を示し、光結合装置は、半導体発光素子と
してのレ−ザダイオ−ド1と、半導体受光素子としての
フォトダイオード2と、これら半導体受発光素子1、2
を搭載するステム基板(基板部材)5と、このステム基
板5を上面に取付けている電子冷却素子としてのペルチ
ェ素子6と、レーザダイオード1とフォトダイオード2
と光学的に結合されレーザ光を内部伝素する光ファイバ
3と、光ファイバ3間に設置されたインライン型の光ア
イソレータ4とを有している。
るV溝(図示せず)と、このV溝に光ファイバ3を接着
固定する接着剤と、レーザダイオード1及びフォトダイ
オード2を外部に電気的に接続するためのメタライズパ
ターン及びワイヤボンディングが形成されている。
5及びペルチェ素子6を収納し、パッケージケース7内
部を外部から保護するキャップ9と、光アイソレータ4
を支持固定するパイプ状の支持部材10を側面に備えて
いる。レーザダイオード1と光ファイバ3との光結合は
直接的に行う。
なる金属枠体とセラミックス端子台(図示せず)とベー
ス8で構成されており、セラミックス端子台部分にリ−
ド端子を両側に7本づつ計14本備えている。このパッ
ケージケース7の上面にはキャップ9が抵抗溶接によ
り、またケース7側面のパイプ状支持部材10には光ア
イソレータ4がレーザ溶接接合12によりそれぞれ接合
固定されており、パッケージケース7内部を気密封止し
ている。
め用の孔が形成され、光結合装置はネジ孔でヒートシン
クや放熱フィンに取付けられる。
さ(図1中紙面に上下方向)が6.5mm、横幅(図1
中紙面の垂直方向)が12.7mm、長さ(図1中紙面
の横方向)が21.0mmとなっており、リード端子は
2.54mm間隔で設けられている。ベース8の厚さは
1.0mmである。
その上面にレーザダイオード1、フォトダイオード2、
光ファイバ3及び温度検出用のチップサーミスタ(図示
せず)が搭載されている。光ファイバ3は、ステム基板
5に異方性エッチングで形成されたV溝に設置され、接
着剤で固定されている。レーザダイオード1及びフォト
ダイオード2は、ステム基板5のV溝に形成されたアラ
イメントマーカを目印に搭載され、レーザダイオード1
及びフォトダイオード2と光ファイバ3との位置調整が
簡略的に行われる。
の駆動時に発生する熱を感知し、ペルチェ素子6を制御
してレーザダイオード1を適正温度にしている。
ース7の側面にあらかじめAgろう付けで固定されてお
り、光アイソレータ4は、支持部材10内にが挿入され
レーザ溶接接合12により固定される。
を備えたインライン型であり、パッケージケース7内部
に装着される光入射側の光ファイバ3は素線状態、ケー
ス7の外部となる光出射側は光ファイバ3に被覆11を
施した状態である。レーザダイオード1と対向する光入
射側光ファイバの先端13は、レーザダイオード1から
出射したレーザ光が光ファイバ先端13で反射して戻り
光となってレーザダイオード1に再入射することを防い
だり、レンズ効果を持たせてレーザダイオード1との光
結合損失を小さくしたりすることより、先球形状に加工
されている。なお、先球形状に限らず、例えば楔状形
状、エッチング処理によってコア部分のみにレンズ効果
を持たせた先球形状あるいは反射コーティング膜を施す
などでも良い。
3からのレーザ光を光出射側光ファイバ3へ低損失で伝
送させるために、その間を略平行光あるいは略集束光と
なるようなレンズ結合系で構成されている。光アイソレ
ータ4の内部光学部品である偏光子16、18、ファラ
デー回転子17及びマグネット19は、略平行光あるい
は略集束光となるような光空間部分に設置されている。
は、例えば、外径がφ3.5mm、長さ(図1中紙面の
横方向)が6.0mmとなっており、光アイソレータ4
から延びている光入射側光ファイバ3の長さは約20m
mとなっている。光ファイバ3は単一モード光ファイ
バ、光アイソレータ4は偏光無依存型とすれば、反射減
衰量が30dB以上となる。
る。まず、ステム基板5に設けられたアライメントマー
カを目印にレーザダイオード1及びフォトダイオード2
を接合し、このステム基板5をペルチェ素子6の上面に
接合する。次に、ペルチェ素子6の下面をパッケージケ
ース7のベース8面に設置し、所定位置に位置合わせた
状態で接合する。さらに、光アイソレータ4はパッケー
ジケース7側面のパイプ状支持部材10内を通され、光
ファイバ先端13をステム基板5の上面に、光アイソレ
ータ4をパイプ状支持部材10内にそれぞれ設置する。
かじめ異方性エッチングで形成されたV溝に設置され
る。この状態で、光ファイバ先端13とレーザダイオー
ド1との距離を調整し、光ファイバ3をV溝に押付けな
がら接着剤で接着して固定する。その後、光アイソレー
タ4をパイプ状支持部材10にレーザ溶接接合12す
る。このとき、ステム基板5側の光ファイバ3に外力を
加えないように光アイソレータ4を接合固定する。その
ため、レーザ溶接接合12は、スポット溶接点を徐々に
増やしていき全周囲を溶接する。そして、パッケージケ
ース7内を気密封止させる状態とする。ステム基板5上
の光ファイバ3を接着固定している接着剤を完全に反応
させるために加熱オーブンでベーキング処理を行う。そ
の後、パッケージケース7内部を窒素雰囲気あるいはド
ライエア雰囲気状態にしてキャップ9を抵抗溶接し気密
封止を行う。以上で組立てが完了される。
をレーザダイオード1と光結合するようにステム基板5
の上面に設置し、光アイソレータ4をパッケージケース
7側面のパイプ状支持部材10に固定したことにより、
ペルチェ素子6で温度制御しなければならない熱容量を
小さくできる。よって、レーザダイオード1から発生す
る熱を効率良く発散でき、レーザダイオード1の安定な
レーザ発振を行うことができる。
光ファイバ3へ光アイソレータ4を通過する信号光を略
平行光あるいは略集束光とすれば、光アイソレータ4の
光通過損失を小さくでき、さらに光入射側光ファイバ3
先端13を先球、楔状、エッチング処理あるいはコーテ
ィング処理することで、より一層レーザダイオード1と
の光結合効率を高めることができる。
定寸法にしたインライン型光アイソレータ4をパッケー
ジケース7に組込むことで、パッケージケース7やベー
ス8に熱変形が生じた場合、その熱変形による外力が加
わっても光ファイバ3自体がたわむことで外力が吸収さ
れる。よって、ステム基板5の上面の光ファイバ3接着
固定を安定に保ことができる。光ファイバ3の長さとし
ては、短すぎると変形を充分に吸収できない、あるいは
製作が困難になる、となる。また長すぎると光結合装置
として大型化したものとなる。つまり、光ファイバ3の
長さを20mm程度が望ましいが、15〜25mmの範
囲内とすれば実用的である。ここで、長さ15mmは熱
変形による外力の吸収や製作可能な下限であり、25m
mは光結合装置の大型化を避けるのに上限となる長さで
ある。
型光アイソレータ4を組込むことで、組立作業そのもの
を容易かつ簡単にすることができる。そして、光アイソ
レータ4をパッケージケース7側面に取付けるので、光
結合装置の小型化、特に薄型化図るのに有利である。
イソレータ4接合部を図2に示す。
ている点は、光入射側光ファイバ3を光アイソレータ4
及び光出射側光ファイバ3とに分割させた点にある。
の光入射側光ファイバ3の先端にはレンズ15が設置さ
れ、レンズ15と光ファイバ3を光路が接続されるよう
にファイバ支持部材14で固定される。さらに、ファイ
バ支持部材14付き光ファイバ3がパイプ状支持部材1
0内に設置される。
6、18、ファラデー回転子17及びマグネット19が
設置され、さらにパッケージケース7内部の気密封止と
反射防止用のコーティング膜を施したガラス板20と、
ファイバ支持部材14に光ファイバ3とレンズ15とが
設置されている。アイソレータホルダ21はパイプ状支
持部材10の端面に、光入射側光ファイバ3からのレー
ザ光を出射側光ファイバ11で受けて光出力が最大とな
るように位置調整されてレーザ溶接接合12されてい
る。
10内に挿入し、光ファイバ3をステム基板5上面にレ
ーザダイオード1と光結合するように調整して接着剤で
接合固定し、次にファイバ支持部材14をパイプ状支持
部材10内に接合固定する。ファイバ支持部材14をパ
イプ状支持部材10内に隙間なく接合して、パッケージ
ケース7内を気密封止するためのキャップ9を先に取付
ける。その後でアイソレータホルダ21をパイプ状支持
部材10の端面に接合する。よって、光ファイバ被覆1
1が取付けられた状態でキャップ9の抵抗溶接を行うよ
りも、作業が容易になり、パッケージケース7内のレー
ザダイオード1や光ファイバ3接着部を誤って触ること
も防ぐことができる。
せることで光入射側光ファイバ3から出射されるレーザ
光の偏光方向を調整して一致させることができ、偏光依
存型の光アイソレータ4も使うことができる。
板20を設けているが、アイソレータホルダ21とファ
イバ支持部材14を隙間なく接合して気密封止させた
り、偏光子16、18を傾かせて反射を防止させたりす
る措置を採ることにより、ガラス板20を除去しても良
い。
す。図3は光ファイバ3接合部の縦断面図とa−a′部
の縦断面図である。図3において、図1で示したものと
異なっている点は、光入射側光ファイバ3の先端付近に
ガイド24を設置させ、ステム基板5にファイバ支持台
25を介して接合固定しているところにあり、レーザダ
イオード1と光ファイバ3とを3軸方向に位置調整でき
るようになっている。光ファイバ3の先端付近に設置さ
れるガイド24及びファイバ支持台25は金属材料であ
り、ここではステム基板5も金属材料としている。光フ
ァイバ3の表面にはメタライズ処理が施されており、は
んだ等のろう材を使ってガイド24が接合されている。
ファイバ支持台25には凹型の溝が備えられており、凹
型の溝にガイド24を設置させて、レーザダイオード1
と光ファイバ3とが光結合するように位置調整し、レー
ザ溶接接合26を行う。
合も、同じようにレーザダイオード1と光ファイバ3が
光結合するように位置調整してレーザ溶接接合27され
る。光ファイバ3は先端13が楔形状に加工されている
ものを使用している。特に、光増幅用に用いられるポン
ピングレーザ素子と光結合するのに適しており、レーザ
素子と光ファイバ3の光接合の位置調整をより一層、高
精度に行える。
ム基板5との接合はレーザ溶接接合26、27で行って
いるとして説明したが、これに限られるものではなく、
はんだ等のろう材や低融点ガラスあるいは金属を塑性変
形させて勘合させる接合方法等としても良い。
4に示し、説明する。図4において、図1で示した光結
合装置と異なっている点は、ステム基板5の上面に複数
個のフォトダイオード2、2′と光分岐フィルタ22を
搭載したフィルタ基板23を取付けたことにある。フィ
ルタ基板23の上面には、レーザダイオード1の後方出
射光(光ファイバ3が設置される側と反対側から出射さ
れるレーザ光)を受けるように、光分岐フィルタ22と
複数個のフォトダイオード2、2′がそれぞれ所定位置
に設置されている。フィルタ基板23は、ステム基板5
の上面に設けられた段差部分にレーザダイオード1の後
方出射光と光結合するように位置調整されて接合され
る。光分岐フィルタ22は、2つのフォトダイオード
2、2′がそれぞれレーザダイオード1の後方出射光を
受光するように分岐させ、レーザダイオード1から出射
するレーザ光をより安定にさせる。例えば、レーザダイ
オード1から出射されるレーザ光の光出力や波長の安定
化を行う。
れた光結合装置の場合は、レーザダイオード1が設置さ
れる位置がパッケージケース7の中央付近になるため、
図1で示した光結合装置よりも長いパイプ状支持部材1
0を設置させてインライン型光アイソレータ4を取付け
る。この場合、パイプ状支持部材10をわずかに変更す
ることで足り、インライン型光アイソレータ4の光ファ
イバ3接着構造や光アイソレータ4の溶接接合12をそ
のまま使うことができ、用途別にラインナップした数種
類の光結合装置に対して共通技術として対応させること
ができる。
ード1とフォトダイオード2との両方を備えている光結
合装置を例にとって説明してきたが、いずれか一方のみ
を備えている光結合装置にも適用できる。
て、パッケージケース7やベース8の熱変形による外力
を吸収させる構成としているが、ステム基板5の光ファ
イバ3接着部とパイプ状支持部材10の光アイソレータ
4固定部の中心位置とに0.1から0.5mm程度に段
差を設けてあらかじめ光ファイバ3をたわませることが
望ましく、より確実に外力を吸収できるようになり、光
ファイバ3接着固定をより安定に保つことができる。
負荷を小さくでき、薄型化及び小型化できるので、信頼
性を向上すると共に、小型で高性能な光結合装置を得る
ことができる。
断面図。
図。
a′の縦断面図。
子)、2…フォトダイオード、3…光ファイバ、4…光
アイソレータ、5…ステム基板(基板部材)、6…ペル
チェ素子(電子冷却素子)、7…パッケージケース、8
…ベース、9…キャップ、10…支持部材、11…光フ
ァイバ被覆、12…レーザ溶接接合、13…光ファイバ
先端、14…ファイバ支持部材、15…レンズ、21…
アイソレータホルダ、22…光分岐フィルタ、23…フ
ィルタ基板、24…ガイド、25…ファイバ支持台。
Claims (7)
- 【請求項1】光半導体素子と、該光半導体素子と光学的
に結合された光ファイバと、前記光ファイバに設置され
たインライン型の光アイソレータと、前記光半導体素子
と前記光ファイバとを収納するパッケージケースとを有
する光結合装置において、 光が入射する側となる前記光ファイバの先端を前記光半
導体素子と光結合するように固定した基板部材と、 前記基板部材をその上面に接合した電子冷却素子と、 前記パッケージケースの側面から突出されたパイプ状の
支持部材とを備え、 前記光アイソレータが前記パイプ状の支持部材の先端側
に全周囲方向から接合して固定されたことを特徴とする
光結合装置。 - 【請求項2】請求項1記載の光結合装置において、前記
光アイソレータと固定された前記支持部材との間に位置
する前記光ファイバがたわませた状態で配置されている
ことを特徴とする光結合装置。 - 【請求項3】請求項1に記載の光結合装置において、前
記光入射側の光ファイバ先端は、球状又は楔状の形状と
されたことを特徴とする光結合装置。 - 【請求項4】請求項1記載の光結合装置において、前記
光アイソレータから前記光半導体素子と光結合するよう
に固定されるまでの前記光ファイバの長さは、15〜2
5mmとされたことを特徴とする光結合装置。 - 【請求項5】光半導体素子と、該光半導体素子と光学的
に結合された光ファイバと、前記光ファイバに設置され
たインライン型の光アイソレータと、前記光ファイバの
先端を前記光半導体素子と光結合するように固定した基
板部材と、前記基板部材をその上面に接合した電子冷却
素子と、前記光半導体素子と前記光ファイバとを収納す
るパッケージケースとを有する光結合装置において、 前記光ファイバの先端が前記基板部材の上面に接着さ
れ、その後、前記光アイソレータが前記パッケージケー
スの側面に設けられたパイプ状の支持部材の先端側に全
周囲方向から溶接されたことを特徴とする光結合装置。 - 【請求項6】光半導体素子と、光ファイバと、前記光フ
ァイバに設置された光アイソレータと、前記光ファイバ
の先端を前記光半導体素子と光結合するように固定する
基板部材と、前記光半導体素子を温度制御する電子冷却
素子と、パッケージケースと、を有する光結合装置にお
いて、 前記基板部材及び前記光半導体素子は前記電子冷却素子
の上面に設置され、前記光アイソレータは前記パッケー
ジケースの側面から突出したパイプ状の支持部材の先端
側に全周囲方向から固定されたことを特徴とする光結合
装置。 - 【請求項7】請求項6に記載の光結合装置において、前
記光アイソレータを通過する信号光は略平行光あるいは
略集束光とされたことを特徴とする光結合装置。
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