JP3726640B2 - 発光装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信に用いる半導体レ−ザを用いた光送信器に関する。特に低コストで、小型で、高性能な光送信器を実現するためのものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１に従来例の半導体レ−ザの構造を示す。これは金属ケースの中に収容された縦型の構造を持つ光送信モジュールである。現在使用されている光送信モジュールの主流をなしている。この光送信モジュール１は金属製のパッケージを有する。金属円盤であるステム２の中央上面にポール３が形成され側面にＬＤ４が固定される。ステム２の中央部にはＰＤ５が受光面を上向きにして取り付けられている。上壁を有する円筒形金属のキャップ６がＬＤ４、ＰＤ５の上部を覆っている。キャップの上壁には穴７が開口している。
【０００３】
キャップ６の外側を覆うように上壁をもつ円筒形金属のレンズホルダ−８がステム２の上に固定される。円錐形のフェルールホルダ−１０がレンズホルダ−８の上に溶接される。光ファイバ１１を把持するフェルール１２がフェルールホルダ−１０の上部縦穴に差し込まれている。ＬＤ４は端面からレ−ザ光を発生する。これは発散角の広い光であるがレンズ９によって集光されて光ファイバ１１の端面に入射する。光ファイバ・フェルールの端面は反射戻り光を避けるため、斜めに研磨してある。このように三次元的な構成をもつものではＬＤ光が発散するのでレンズが不可欠である。レンズがないとレ−ザ光を光ファイバに高効率で入射させられない。
【０００４】
このようにメタルパッケージをもつ立体構造のモジュールは現在も主流であり優勢である。金属パッケージを用いるからＬＤチップは完全にハーメチックシールされる。内部に水分や酸素が入らないので腐食酸化のおそれがない。ために信頼性が高い。メタルのパッケージは標準部品であるのでコストも低い。そのような長所に恵まれたモジュールである。
【０００５】
しかし、そのようなモジュールでもなお、さらなる低コスト化への要求は強い。
本発明は、ＬＤチップを問題にする。従来から頻用されるＬＤは長手方向に一様なストライプ構造を持つありふれたものである。図２はその中のＬＤチップの構造を示す。特に活性層のみを透視図として示している。ここでは最も単純なＦＰ−ＬＤ（ファブリペローレーザ）の構造を略図として描いている。つまりチップ両端面で反射を繰り返すことによって光パワーを得るようにしたものである。鋸型凹凸を有する導波路を設けて、その作用で一定波長の光を選択して反射するようにしたＬＤもあるが活性層の形は同様である。
【０００６】
例えば、１．３μｍのＬＤの場合、活性層幅は１．２μｍ、活性層厚みは０．２μｍ、活性層長さ（キャビティ長）は３００μｍ、チップ厚みは１００μｍ、幅は３００μｍといったところである。この従来例では、活性層幅は全長にわたって一定である。従って、光ビームの放射角は３０度から４０度の程度である。つまりＬＤ光はかなり広い角度で広がってしまう。
【０００７】
一方光ファイバはコアとクラッドからなり、コア径は１０μｍ、クラッド径は１２５μｍである（１．３μｍ帯の場合）。レ−ザの活性層の断面は光ファイバコア断面よりも小さい。しかしレ−ザ光は３０度〜４０度で大きく広がり、光ファイバのコアは狭いので直接ＬＤに光ファイバを接触させてもレ−ザ光の大部分は光ファイバに入射しない。そこで、光ファイバにレ−ザ光を結合する場合集光のためにレンズが不可欠であった。
【０００８】
図１の光送信モジュールでは、ＬＤ４の広い放射角の光を最適の条件で光ファイバに結合するためにレンズ９による集光光学系が用いられる。この例では両面に凸面をもつ球面レンズが用いられている。ＬＤと光ファイバの結合性を高めるために非球面レンズを用いることもある。しかし、より安価にし、取扱いを容易にするため、球レンズもしばしば用いられる。どのような場合でも図１のような三次元的な構造をもつモジュールには集光光学系が必要なのである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
図１の立体的な構成をもつ発光装置は、直径５．６ｍｍのメタルパッケージを使用している。レ−ザ（ＬＤ）は図２のような一様な厚み幅の活性層をもつ通常のものである。図２においてチップ１３の中に活性層１４を透視図によって示している。活性層の幅をｗ、活性層の厚みをｄとする。長手方向の座標をｚとする。図２の従来のＬＤは、幅ｗ、厚みｄともに長手方向に同一である構造になっている。図１のような光送信モジュールはレ−ザ光を光ファイバに導くための集光光学系として球レンズ或いは非球面レンズを用いる。ローパワー品の場合は、球レンズをキャップに設けた集光光学系によってＬＤ光を光ファイバに結合している。
【００１０】
球レンズは安価であるが大きい収差がある。収差のためＬＤとの結合効率を最適値まで高めることができない。通常の３０ｍＡ前後の電流では、レ−ザ光出力が０．２ｍＷから０．５ｍＷの範囲のものを安定して生産できる。だから球レンズ集光光学系は、ローパワーで低コストが必須の低速、短距離通信の用途に限って用いられる。
【００１１】
これに対して、長距離通信であってハイパワーを要する用途には非球面レンズ集光光学系を用いる。非球面レンズは収差を低く抑えることができる。非球面レンズの使用によって１ｍＷ〜２ｍＷの高出力のレ−ザ光出力を得る事ができる。しかし非球面レンズは高価である。だから非球面レンズ集光光学系は幹線や局設備など高価であってもよい所に主として用いられる。
【００１２】
以上のように、球レンズ集光光学系と非球面レンズ集光光学系は、ローパワーで低コストか、ハイパワーで高コストかという使い分けがなされている。
【００１３】
低コスト品であっても、現状の非球面レンズ集光光学系なみのハイパワーを実現でき、非球面レンズ集光光学系を用いればさらにハイパワーで小型化できるという高付加価値の発光装置を提供することが本発明の目的である。
【００１４】
レンズを用いることはなく、ＬＤと光ファイバを直接に結合するためにＬＤを工夫して、スポットサイズ変換ＬＤというものが提案されている。レンズを省くことができるから有用なＬＤである。
【００１５】
そこでスポットサイズ変換レ−ザ（ＳＳＣ−ＬＤ；spot-size converted laser diode）について説明する。これは活性層の幅や厚みを細くすることによって出射光のサイズを大きくしたものである。幅を狭くするものと、厚みを薄くするものの２種類がある。
【００１６】
図３に示すものは縦テーパ型のスポットサイズ変換レ−ザである。このＬＤチップにおいて活性層の厚みｄが先端で細くなっている。幅ｗは長手方向に一定である。つまりＬＤの背面をｚ＝０として前面をｚ＝Ｌとして、
【００１７】

【００１８】
である。αは活性層先端の厚み変化の傾斜角である。式（４）は出射端で有限の活性層厚みが存在するという条件を示している。先端で活性層が薄くなり光の閉じ込めが不完全になるから光の断面が広がる。だからスポットサイズ変換をしているのである。断面が大きくなると反対に広がり角度は減少する。
【００１９】
図４に示すものは横テーパ型のスポットサイズ変換レ−ザである。活性層の厚みｄは長手方向に同一であるが幅ｗが先端で細くなる。
【００２０】

【００２１】
によって表現される。βは活性層先端の幅変化の傾斜角である。先端で活性層が細くなり光の閉じ込めが不完全になるから光の断面が広がる。だからスポットサイズ変換をする。断面が大きくなると広がり角度は減少する。
【００２２】
［スポットサイズ変換ＬＤの説明］
スポットサイズ変換ＬＤは新規ではないが当業者によく知られているという訳でないから説明する必要がある。通常のＬＤは広がりの大きい光を発するからレンズが不可欠であった。しかしレンズを用いるという事はレンズ分だけコストを引上げるし、レンズの実装コストも必要になる。さらにレンズを取り付けるパッケージ構造も必要である。レンズを省略できれば、より安価のモジュールを作製することができるはずである。
【００２３】
レンズなしに光ファイバとＬＤを結合したい。レンズなしでＬＤ・光ファイバを結合するためにはＬＤの出射光の広がりを狭くすれば良いはずである。もとよりＬＤ活性層は幅１．２μｍ厚み０．２μｍといったものでシングルモードファイバコアの１０μｍ径より小さくて、直接に接触させるとそのまま光が入りそうにも思えるがそうではない。スポットサイズが異なりすぎるので入射しにくいのである。それでＬＤのスポットサイズを大きく変化させて光ファイバのスポットサイズに近付けると結合が改善される筈である。
【００２４】
導波路サイズを小さくすると閉じ込め力が不足して光の波動が導波路から滲み出す。導波路外をも光パワーが通過するようになり光のスポットサイズが大きくなる。そのような発想に基づいて活性層の先端を狭くしてスポットサイズを大きくしている。だからそのようなレ−ザをスポットサイズ変換ＬＤという。スポットサイズが大きくなるとビームの広がり角は逆に減少するはずである。広がり角を狭くすればレンズの助けなしでもＬＤ光を光ファイバに導入できる筈である。
【００２５】
そのような考察から出射光の広がりを狭くしたものがスポットサイズ変換ＬＤである。出射光の発散角を減らすために図３、図４のように活性層先端を狭くするのである。スポットサイズ変換ＬＤに関しては様々のものが提案されている。
【００２６】
▲１▼特開平９−６１６５２号「半導体光導波路およびその作製方法」は、テーパ型の光導波路を提案し、テーパ型光導波路とＬＤを組み合わせたものを提案している。光導波路単独のものをも提案しているが、その場合は通常のＬＤと組み合わせることによってスポットサイズ変換できる。
【００２７】
▲２▼特開平１１−２２０２２０号「半導体レ−ザ装置及びその製造方法」は活性層幅を長手方向に狭くしたＬＤを提案している。（８）式によって幅の変化を表現できるがβが０．１４度以下であるといっている。これによって広がり角の狭い出射光が発生するという。
【００２８】
▲３▼板屋義夫、杉江利彦、山本援夫「スポットサイズ変換レ−ザ（Spot-size converted lasers(SSC-LD)）」信学技報Technical Report of IEICE， OPE95-140, LQE95-134(1996-2), P31は２インチＩｎＰ基板にスポットサイズ変換レ−ザを作製している。６００μｍ×３００μｍのＬＤで、活性層の幅を、１．５μｍから０．３μｍへと漸減させている。レンズなしで光導波路と直接結合させると、結合損失は１．２〜２．５ｄＢであったという。
【００２９】
▲４▼稲葉雄一、鬼頭雅弘、石野正人、知野豊治、西川透、宇野智昭、松井康「低しきい値、高効率特性テーパ活性ストライプ型１．３μｍ帯狭放射角レ−ザ」信学技報Technical Report of IEICE EMD97-43, CPM97-81,OPE97-59, LQE97-55(1997-08), P81は、活性層幅が狭くなるようなスポットサイズ変換ＬＤを提案している。前面での幅は０．６μｍであり、後面での幅は１．６μｍ〜２．６μｍの範囲で変化させている。さまざまの傾斜角のスポットサイズ変換ＬＤを作製している。そして光ファイバとＬＤの距離を変えて結合効率を測定している。最大で−４．７ｄＢの結合効率が得られるＬＤ・光ファイバ距離の範囲は±３μｍであるという。
【００３０】
▲５▼板屋義夫、中島長明、永沼充、福田光男、横山清行、鳥羽弘「ハイブリッド集積光モジュール用光半導体技術」NTT R&D, Vol.46, No.5, 1997, P487-490は、活性層の厚みを先端で薄くするようなスポットサイズ変換ＬＤを作製している。活性層のレ−ザ部での厚みは０．３μｍである。先端部での厚みを０．１μｍとしている。幅は１．５μｍで一定幅としている。これによると出射角の半値幅が６゜〜９゜のものが得られたと述べている。広がり角はその２倍であるから１２゜〜１８゜ということである。通常のＬＤが３０゜〜４０゜の広がり角をもつから、その半分程度の狭い角度に閉じ込められるということを意味している。
【００３１】
▲６▼「光・マイクロ波半導体応用技術」株式会社サイエンスフォーラム発行、１９９６年２月２９日第１版第１刷発行ｐ１６５「デジタル通信用光デバイス」は、スポットサイズ変換ＬＤの解説記事を掲載している。通常のストライプＬＤは出射光の広がり角は３３゜であるが、スポットサイズ変換ＬＤは９゜であるという結果を述べている。レンズなしでの光ファイバとの結合損失は、通常のＬＤが１０ｄＢ、スポットサイズ変換ＬＤが４ｄＢであるという。
【００３２】
▲７▼特開平２−１９５３０９号「光結合素子」は発光素子ではなく、受動素子であるが、スポットサイズ変換作用のある素子を提案している。光導波路のコアの幅ｗを変化させて光の分布幅を調整し、スポットサイズ変換を行っている。光ファイバと別の光ファイバの間で光を結合するにはレンズを使うのが普通であるが、これはスポットサイズ変換光導波路を用いる。コア幅ｗを広くすると光の広がりは減少し、コア幅を狭くすると光の広がりはより大きくなる。それで中間では狭い幅、両端では広い幅のコアをもつ光導波路によって光ファイバを結合している。両端で光幅が減少するから光ファイバと高効率結合が可能になるという。
【００３３】
▲８▼平栗展明、白石和男「集積化結合用レンズドファイバと狭放射角ＬＤとの結合特性」信学技報Technical Report of IEICE, EMD97-44, CPM97-82,OPE97-60, LQE97-56(1997-08), P87は、スポットサイズ変換ＬＤの光を光ファイバに入れるために、先端を球状に加工したファイバ型のレンズを用いること提案している。先端に球が形成してあるので「先球ファイバ」と呼んでいる。光ファイバを酸水素炎で融かし融液とし、表面張力で自然に丸くなる現象を利用する。先球コアレスファイバレンズと、先球ＧＩファイバレンズを用いている。
【００３４】
コアレスファイバというのはコアのないファイバである。レンズとするのでコアのような屈折率の異常があるとかえって邪魔になる。それでコアレスのファイバを使う。特殊なファイバである。対象となるシングルモードファイバは１０μｍのコアを１２５μｍのクラッドで包摂した構造である。コアレスファイバは全体が１２５μｍ径であるがクラッドと同じ材質よりなるものである。そのようなファイバ１ｍｍ程度のものを、シングルモードファイバの先端に融着する。そして酸水素炎でコアレスファイバをあぶり先端を丸くする。
【００３５】
ＧＩファイバというのは、graded index fiberの略であり、コアの屈折率が半径方向に少しずつ低くなりクラッド屈折率に等しくなるというものである。シングルモードファイバのように１０μｍ径のコアというのではレンズ作用がない。そこで、ここでは広いコアをもつＧＩＦを使う。
【００３６】
細く短いファイバをシングルモードファイバの先端に融着接合するのは難しい。それに先端を融解して丸くするが、その作業は偶然的であり半径はばらつく。規定の半径の球を作るのは難しい。また先端位置決めのトレランスが非常に狭い。調芯作業に時間と手間がかかる。非常に凝った構造であるが大量生産には向かない。コスト高になる。それにこれはあくまで、スポットサイズ変換レ−ザと光ファイバとの直接結合しか念頭にない。直接接合をよくするために、光ファイバの先端に、レンズ加工を施したものである。
【００３７】
このようにスポットサイズ変換ＬＤはいくつもの種類のものが提案されている。本発明ではいずれのタイプをも利用できる。効果はいずれも同じである。
【００３８】
スポットサイズ変換レ−ザは光ファイバ、光導波路と直接接合することを目的に製造されたものである。これまでは、図５のように光導波路端面に直接接合するか、或いは図６のように光ファイバ端面に直接に接着していた。
【００３９】
図５はＳＳＣ−ＬＤと光導波路の平面図である。図５において、ＬＤ１８は、平行の活性層１４の先に幅が狭くなるテーパ部１６を有する横テーパ型ＳＳＣ−ＬＤである。光導波路２０は屈折率が高くなったコア部２１を有する。ＬＤ１８の活性層１４、１６の先に光導波路２０のコア部２１を結合する。ＬＤ１８と光導波路２０は直接に結合する。間にレンズを挿入しない。活性層１４が発生した光はテーパ部１６でスポット径が大きくなり、端面からより狭い広がり角の光となって出射する。それが光導波路２０のコア部２１に入り伝搬光になる。
【００４０】
図６はＳＳＣ−ＬＤと光ファイバの縦断面図である。図６において、ＬＤ１９は、平行の活性層１４の先に厚みが薄くなるテーパ部１５を有する縦テーパ型のＳＳＣ−ＬＤである。光ファイバ２２は中心に屈折率が高くなったコア部２３を有する。ＬＤ１９の活性層１４、１５の先に光ファイバ２２のコア部２３を結合する。ＬＤ１９と光ファイバ２２は直接に結合する。間にレンズを挿入しない。活性層１４が発生した光はテーパ部１５でスポット径が大きくなり、端面からより狭い広がり角の光となって出射する。それが光ファイバ２２のコア部２３に入り伝搬光になる。
【００４１】
スポットサイズ変換レ−ザはもともと、このようなＮＡ（Numerical Aperture）もしくは受光角の狭い導波路や光ファイバに高い効率で結合させ、ハイパワーの出力を得るために開発されたレ−ザである。光ファイバや導波路へ直接に接合するのでレンズが不要である。光は殆ど自由空間に出ない。レ−ザから光ファイバ、光導波路へ直接に伝搬する。だから集光光学系は不要である。スポットサイズ変換レ−ザには、レンズが介在する余地はない、と強く信じられてきた。
【００４２】
一方、従来の発光装置では、図１に示すように、光源は普通のレ−ザ（広がり角３０度〜４０度）であって、集光光学系（球レンズ、球面レンズ、非球面レンズ）が不可欠であった。目的、用途によって最適の集光レンズを選択していたのである。
【００４３】
通常のＬＤを用いるモジュールにおいて、球レンズ集光光学系と非球面レンズ集光光学系は、ローパワーで低コストか、ハイパワーで高コストかという使い分けがなされていた。
【００４４】
先にも述べたように、低コスト品であっても現状の非球面レンズ集光光学系なみのハイパワーを実現でき、非球面レンズ集光光学系を用いればさらにハイパワーで小型化できるという高付加価値の発光装置を提供することが本発明の目的である。
【００４５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、光ファイバや光導波路と直接結合（バットジョイント）する事を目的として、ビームの広がり角を１０度から２０度以下に狭くしたスポットサイズ変換レ−ザを光源とし、このレ−ザ光をレンズを用いて光ファイバに結合させる。スポットサイズ変換レ−ザとレンズの結合を採用したということが本発明の特徴である。
【００４６】
スポットサイズ変換ＬＤは公知である。図１のようなＬＤ＋レンズ結合系も周知である。本発明はスポットサイズ変換ＬＤ＋レンズの組み合わせを新たに提案する。端的にいえば、ＬＤ＋レンズに代えて、ＳＳＣ−ＬＤ＋レンズを提案するものである。
【００４７】
スポットサイズ変換ＬＤはもともとレンズを省くために開発されたものであるからレンズとともに使用するということは考えられない。ＳＳＣ−ＬＤはいずれも光導波路・光ファイバと直接結合されていた。
【００４８】
これらの従来技術に対して、本発明者は、誰もが思い付かなかった構成として、スポットサイズ変換レ−ザを、積極的にレンズ系を有する光結合系に適用することを思い付いた。
【００４９】
スポットサイズ変換レ−ザ（ＳＳＣ−ＬＤ）を光ファイバ、導波路に直接に接着しないで、光ファイバ、光導波路を離隔して設け、間に集光レンズを介し、集光レンズによって結合する。つまり本発明は、スポットサイズ変換レ−ザ・集光レンズ・光ファイバ（光導波路）という自由空間を経た結合系となる。
【００５０】
こうすると、レ−ザからのビーム広がり角が元々狭いため、球レンズを用いた場合でも、ビームが球レンズの収差の影響を受け難い。だから球レンズを集光光学系に用いても、図１などの場合より高いパワーが光ファイバに入る。重要なことであるからこの点については後に説明する。
【００５１】
さらに光ファイバとのスポットサイズ比が半減するので、光学系の距離そのものを短くできる。装置をより小型にすることが可能になる。
【００５２】
また図１のようなレンズ付きキャップを用いると、ＬＤチップは完全にハーメチックシールされるので信頼性が高い。メタルのパッケージは標準部品であるのでコストも低い。ここまでは図１の従来例でも同様である。本発明はそれに加えてＳＳＣ−ＬＤを使うからハイパワーが取り出せるので申し分ない発光装置を提供することができる。
【００５３】
【発明の実施の形態】
本発明はどのような集光レンズを用いても良い。球レンズ、球面レンズ、非球面レンズのいずれでも良い。これらのレンズについての定義を簡単に述べる。球レンズ（BALL LENS）というのは完全な球体をレンズとしたものである。収差は極めて大きい。球面レンズ（SPHERICAL LENS）というのは両面が球面の一部で構成されているレンズである。両面を簡単に曲率半径によって表現することができる。これも収差がある。非球面レンズ（ASPHERICAL LENS）というのは球面でない表面を持つレンズである。これは半径の累冪の形で形状を表現する必要がある。１面を表現するのに８〜１０個のパラメータが必要である。非球面レンズは特定の収差をなくすことができる。しかし加工が複雑で高価になる。
【００５４】
本発明はどのような集光レンズを用いても実現することができるが、最も効果的なのは低コストの球レンズを用いた場合である。球レンズは球面収差が最も著しいから集光点が広く分布するのである。球面収差は後にも述べるが近軸光線（軸の近くを通る光線）と遠軸光線（光軸から離れたところを通る光線）で集光点が相違することをいう。しからばどの程度の球面収差があるのか？これを厳密に求めてみる。図１２は球レンズでの光線の屈折の有り様を示す説明図である。
【００５５】
球レンズの中心をＯとする。光軸上の点Ａから出た光線がレンズ上の点Ｃで屈折され、点Ｄでさらに屈折され、光軸と点Ｂで交差するものとする。点Ａの像が点Ｂにできるというわけであるが収差のためにＢ点だけに収束するのではない。
【００５６】
点Ａでの光軸との成す角度θによって交差点Ｂが相違する。角度θが小さいものを近軸光線といい、θが大きいものをここでは遠軸光線と呼ぶ（そのような言葉はないが、ここでは便宜のためにそう呼ぶのである）。中心Ｏから第１屈折点Ｃへ引いた半径ＯＣの延長線上に点Ｇを取る。中心Ｏから第２屈折点Ｄへ引いた半径ＯＤの延長線上に点Ｈを取る。点Ｂでの光線と光軸がなす角度をφとする。
【００５７】
光源点Ａとレンズ中心Ｏの距離ＯＡをａとする（ＯＡ＝ａ）。像点Ｂとレンズ中心Ｏの距離ＯＢをｂとする（ＯＢ＝ｂ）。球レンズの半径をｒとする。
三角形ＣＤＯは二等辺三角形である。底角が等しい。
【００５８】
∠ＯＣＤ＝∠ＯＤＣ （９）
【００５９】
スネルの法則が成り立つので、レンズ屈折率をｎとして、屈折点で
【００６０】
ｎｓｉｎ∠ＯＣＤ＝ｓｉｎ∠ＧＣＡ （１０）
ｎｓｉｎ∠ＯＤＣ＝ｓｉｎ∠ＨＤＢ （１１）
【００６１】
が成立する。式（９）〜（１１）から、∠ＧＣＡと∠ＨＤＢが等しいということがわかるので、これをΨとする。
【００６２】
∠ＧＣＡ＝∠ＨＤＢ＝Ψ （１２）
【００６３】
三角形ＡＯＣにおいて二つの内角の和は外角に等しいから、
∠ＣＯＡ＝∠ＧＣＡ−∠ＣＡＯ＝Ψ−θ （１３）
【００６４】
三角形ＢＯＤにおいて二つの内角の和は外角に等しいから、
∠ＤＯＢ＝∠ＨＤＢ−∠ＤＢＯ＝Ψ−φ （１４）
【００６５】
∠ＣＯＤは１８０度から∠ＣＯＡと∠ＤＯＢを引いたものだから、
【００６６】
∠ＣＯＤ＝π−２Ψ＋φ＋θ （１５）
【００６７】
である。三角形ＯＣＤは二等辺三角形だから、
∠ＯＣＤ＝∠ＯＤＣ＝Ψ−（φ＋θ）／２ （１６）
である。
【００６８】
三角形ＯＣＡにおいて正弦定理を適用して、
ａ／ｓｉｎΨ＝ｒ／ｓｉｎθ （１７）
【００６９】
三角形ＯＤＢにおいて正弦定理を適用して、
ｂ／ｓｉｎΨ＝ｒ／ｓｉｎφ （１８）
【００７０】
式（１７）からθを求めると、
θ＝ｓｉｎ^−１（ｒｓｉｎΨ／ａ） （１９）
【００７１】
式（１８）からφを求めると、
φ＝ｓｉｎ^−１（ｒｓｉｎΨ／ｂ） （２０）
【００７２】
スネルの法則を表す式（１０）（１１）は同一の式に纏められる。
【００７３】
【数１】

【００７４】
これが距離ａ、ｂをΨの関数として与える厳密式である。近似を含んでいない。Ψは点Ｃの入射角、点Ｄの出射角である。
【００７５】
近軸光線の極限では、θ、φ、Ψ→０である。光線が光軸から離れるに従ってθ、Ψ、φが増えてゆく。遠軸光線の極限では、線ＡＣがレンズ球面の接線になる。これ以上になるとレンズに入らなくなる。ＡＣが接線だからＯＧはＡＣと直交する。だから遠軸光線の極限ではΨ＝π／２（９０度）である。θの遠軸極限は当然にｓｉｎ^−１（ｒ／ａ）である。つまり近軸から遠軸へ、θが０からｓｉｎ^−１（ｒ／ａ）に変化するうちに、Ψは０からπ／２に変化する。
【００７６】

【００７７】
［ａ．近軸光線の極限］
式（２１）において、Ψを０に接近させると近軸光線の関係が得られる。
ｓｉｎ^−１（ｒ／ａ）＋ｓｉｎ^−１（ｒ／ｂ）＝２｛１−（１／ｎ）｝（２４）
であるが、ｒ／ａ、ｒ／ｂは１よりずっと小さいという近似で、より簡明な式をうる。
【００７８】
【数２】

【００７９】
つまり焦点距離ｆ_１を定義すれば、
【００８０】
【数３】

である。
【００８１】
［ｂ．遠軸光線の極限］
式（２１）において、Ψをπ／２に接近させると遠軸光線の関係が得られる。
ｓｉｎΨ＝１、ｓｉｎ｛（π／２）−Θ｝＝ｃｏｓΘであるから、
【００８２】
【数４】

【００８３】
つまり
【００８４】
ｓｉｎ^−１（ｒ／ａ）＋ｓｉｎ^−１（ｒ／ｂ）＝２ｃｏｓ^−１（１／ｎ）（２８）
【００８５】
となる。近軸光線極限の場合の式（２４）の２｛１−（１／ｎ）｝が、遠軸光線極限では式（２８）の２ｃｏｓ^−１（１／ｎ）に置き代わる。これの大小関係は明らかである。ｎはレンズ屈折率であって、１より大きい。だから
【００８６】
２｛１−（１／ｎ）｝＜２ｃｏｓ^−１（１／ｎ） （２９）
【００８７】
である。遠軸光線の場合の方が、近軸光線よりも、ｓｉｎ^−１（ｒ／ａ）＋ｓｉｎ^−１（ｒ／ｂ）の値が大きいということである。ｒ，ａは同じであるから、遠軸光線の場合、ｂが小さくなるという事である。
【００８８】
それだけではない。屈折光がレンズから出られないということがある。光源が無限遠にあると（ａ無限大）、屈折光がレンズの外へ出られないという極限の屈折率ｎ_ｃがある。それは、ｂ＝ｒ、ａ＝無限大として式（２８）から、
【００８９】
ｎ_ｃ＝２^１／２＝１．４１４ （３０）
【００９０】
つまりレンズ屈折率が１〜１．４１４の場合、無限遠の光源からの光であると屈折光は外部へ出られない。
【００９１】
光源がレンズに近くなると、ｓｉｎ^−１（ｒ／ａ）が大きくなるから、ｎ_ｃの場合でも屈折光がレンズ外部に出ることができる。
【００９２】
しかし、さらに屈折率が大きい場合、光源がレンズに接近すると、屈折光が最早外部に出られないということがある。そのような臨界の光源距離ａ_ｃは、ｂ／ｒ＝１とおいて、式（２８）から
【００９３】
ａ_ｃ＝ｒ／ｃｏｓ（２／ｎ） （３１）
【００９４】
である。つまりａ＞ａ_ｃの範囲でなければならない。
【００９５】
たとえばｎ＝１．５の場合その臨界比は
ａ_ｃ＝４．２ｒ （３２）
である。ａ＞４．２ｒである。
【００９６】
しかしながら実際のところ遠軸光線がレンズの接線になるまで広がったビームを扱うのは珍しいことである。Ψが９０゜の広がりをもたず、それ以下の範囲にあるという場合について考える必要がある。つまり、より小さいΨにおいて、ｂのΨ依存性を調べるということになる。
【００９７】
式（２１）は厳密式であるが、これをΨに関して解析的に解くのは難しい。また解く必要もないのである。式（２１）をｎで割り、両辺の逆ｓｉｎをとり、Ψを移項してΨ＝ｓｉｎ^−１（ｓｉｎΨ）という変形をして、両辺を２倍すると、
【００９８】
【数５】

【００９９】
となる。ｚが１より小さい時、ｓｉｎ^−１ｚの累冪展開の最初の２項は、
ｓｉｎ^−１ｚ＝ｚ＋ｚ^３／６＋… （３４）
である。ｚ＝ｓｉｎΨとおくと、式（３３）は
【０１００】
【数６】

【０１０１】
ということになるが、式（３４）の近似をすると、
【０１０２】
【数７】

【０１０３】
ｚでわって、ｚを含まない項とｚの２乗の項に分けると、
【０１０４】
【数８】

【０１０５】
というようになる。ｚの０次の項からの第０近似では
【０１０６】
（ｒ／ａ）＋（ｒ／ｂ）＝２｛１−（１／ｎ）｝ （３８）
【０１０７】
となる。２次近似に話を進めるために、ｒ／ａ＝１−（１／ｎ）、ｒ／ｂ＝１−（１／ｎ）というようにして、（３７）の２乗の項に代入する。
【０１０８】
【数９】

【０１０９】
となるので式（３８）を押し進めて、第２近似では
（ｒ／ａ）＋（ｒ／ｂ）＝２｛１−（１／ｎ）｝｛１＋ｚ^２／２ｎ｝ （４０）
【０１１０】
ということになる。ｚ＝ｓｉｎΨである。式（４０）のｚ^２／２ｎが補正項を与える。
ａ点に光源をおいて球レンズで収束させた場合、近軸光線（Ψ＝０）の収束点をｂ_０とし、任意のΨの光線の収束点をｂとする。
【０１１１】
（ｒ／ａ）＋（ｒ／ｂ_０）＝２｛１−（１／ｎ）｝ （４１）
【０１１２】
【数１０】

【０１１３】
ということになる。ｂ_０とｂの差異は、
【０１１４】
【数１１】

【０１１５】
これが収束点ｂのΨによる変化を表す式である。たとえば、ｎ＝１．５、ｒ＝７５０μｍ、ａ＝１６００μｍとすると、
【０１１６】
ｂ_０＝３７９０μｍ （４４）
【０１１７】
ｂ＝３７９０／（１＋１．１２３ｚ^２） （４５）
【０１１８】
である。
例えば従来のＬＤであって、広がり角が広くてΨ＝１８゜（広がり角３６゜の半分）とすると、ｚ＝ｓｉｎ１８゜＝０．３０９となるから、
【０１１９】
ｂ＝３４６０μｍ （１８゜の時） （４６）
【０１２０】
となり、ｂ_０よりも３３０μｍも短い。近軸光線と遠軸光線の収束点が３３０μｍも異なる。球面収差が大きいということがよく分かる。
【０１２１】
例えばＳＳＣ−ＬＤであって、広がり角が狭くΨ＝６゜（広がり角１２゜の半分）とすると、ｚ＝ｓｉｎ６゜＝０．１０４５となるから、
【０１２２】
ｂ＝３７５０μｍ （６゜の時） （４７）
となる。ｂ_０より４０μｍ短いだけである。遠軸光線というものがなくて近軸ばかりだと収束点のばらつきは４０μｍにすぎず、従来のＬＤの約１／８程度である。球面収差がほとんどないということがよく分かる。
【０１２３】
【実施例】
［実施例１（図７）］
本発明の第１の実施例を図７に示す。これは集光レンズとして球レンズを用いた実施例である。シングルモード光ファイバ２２の軸線延長上に球レンズ２４、ＳＳＣ−ＬＤ１８（あるいは１９）が設けられる。
【０１２４】
球レンズとＬＤの距離をＬ_０、球レンズと光ファイバの距離をＬ_１、球レンズの半径をＲとする。ＬＤ１８、１９でのビーム広がり角をθ_０、光ファイバ２２でのビーム広がり角をθ_１とする。ＬＤ１８、１９の出射面でのビームウエストをω_０、光ファイバの端面近くでのビームウエストをω_１とする。ビームウエストというのはビームの最も細い部分をいう。ω_０のビームウエストがレンズによってω_１になるのであるからレンズによる像倍率はω_１／ω_０によって与えられる。活性層の断面が小さいＬＤからの光はウエストが小さいからω_０は小さい。光ファイバはコアが１０μｍ径であって大きい。ビームウエストがコア径程度であれば光ファイバに多くのパワーが入る。それで像倍率を、光ファイバコアの断面積とＬＤ活性層断面積の比の程度にすると良好な結合が実現される。さらにまた、レンズ中心を通過する光が物体と像の対応点を通ることから像倍率はレンズ中心・光ファイバ間距離とレンズ中心・ＬＤ間距離の比に等しいはずである。
【０１２５】
【数１２】

【０１２６】
もちろん、そのようなことはレンズによってＬＤ端面の像が光ファイバ端面に生ずるという結像条件が成り立って初めて言えることである。
【０１２７】
球レンズの半径は７５０μｍ、屈折率は１．５である。両面にＡＲ（反射防止膜；antireflection film）がコートしてある。
【０１２８】
光ファイバはモードフィールド径約１０μｍの１．３μｍ用シングルモードファイバ（ＳＭＦ；single-mode fiber）である。
【０１２９】
レ−ザ前端面とレンズ中心までの距離は１６００μｍ、レンズ中心からファイバ端面までの距離は３４００μｍである。
【０１３０】
光源として、従来の広がり角の大きい（広がり角３５度）ＬＤ（Ａ）を用いた装置と、本発明で提案するスポットサイズ変換レ−ザＬＤ（Ｂ）とを用いた装置の二通りのものを作製した。
【０１３１】
これは従来例のＬＤ（Ａ）と比較して、本発明（ＬＤ（Ｂ））の効果を確認するためである。
【０１３２】
ＬＤ（Ａ）…活性層幅１．０μｍ、活性層厚み０．２μｍ、キャビティ長３００μｍ、 ビーム広がり角３５度
【０１３３】
ＬＤ（Ｂ）…活性層幅（後端）１．５μｍ、活性層幅（前端）０．５μｍ、活性層厚み０．２μｍ、キャビティ長３００μｍ、ビーム広がり角１２度
【０１３４】
何れのＬＤも前端面は劈開面である。後端面も劈開面であるが反射率９０％の多層膜コ−ティングがなされている。ＬＤに電流が注入されると電子正孔が発生し、これらが再結合することによって光が発生する。前端面と後端面が共振器となって往復する光が増幅される。前端面から光が外部へ放射される。後端面からも僅かな光が出るが、それはモニタ用ＰＤでパワーを監視する必要があるからである。
【０１３５】
この実施例で用いるスポットサイズ変換レ−ザ（Ｂ）は、従来例のＬＤ（Ａ）と、チップサイズ、外形、コ−ティング構造、キャビティ長、活性層厚みは同じであるが、活性層幅が後ろで太く前で細い傾斜状（テーパ状）となっている点で相違する。そのためにＬＤ（Ｂ）はビーム広がり角度が１２度で、従来ＬＤ（Ａ）の約１／３にせばまっている。
【０１３６】
図７のようなＬＤ・球レンズ・光ファイバ構造で、光学系の長さを同一にし、ＬＤ（Ａ）、ＬＤ（Ｂ）を組み込んだＬＤモジュールＡ、Ｂを作製した。
【０１３７】
いずれのＬＤも駆動電流３０ｍＡで駆動した。ＬＤ自体の光出力は同じである。モジュールＡでは光ファイバ終端で０．５ｍＷの光出力が得られた。モジュールＢでは光ファイバ終端で０．７ｍＷの光出力が得られた。これはＬＤ・球レンズ・光ファイバ結合の違いによる光出力の違いである。本発明の方が約４０％もパワーが大きいということである。これは大きな違いである。ｄＢで表現すると、１．５ｄＢもの光出力の向上をもたらしたということである。
【０１３８】
この効果は、スポットサイズ変換レ−ザの放射角（広がり角）が狭く、球レンズにおいて収差の少ない近軸光線にエネルギーが集中するためである事を見いだした。この点は重要である。球レンズは安価であって方向性がないから取扱いに便利である。しかし球レンズは曲率が大きいので収差が極めて大きい。収差にはザイデルの５収差と色収差などがある。単色光を用いるから色収差は問題でない。ザイデル５収差は、球面収差、コマ収差、非点収差、像面彎曲、映像歪曲をさす。モジュールのレンズは光をしぼって光ファイバ、導波路に入れるだけの事であるから、あとの４つの収差は問題にならない。このうち球面収差だけが問題である。球面収差というのは球面レンズには必ずともなうもので近軸光線と遠軸光線の集光点が異なるという収差である。
【０１３９】
球面レンズは凸面であるにしろ凹面であるにしろ両面が球面の一部を成している。光軸に近いところでは面の傾きが小さいので屈折角も小さい。だから集光点がレンズから遠いところになる。反対に、光軸から遠いところでは面の傾きが大きいから屈折角も大きいために集光点がレンズの近くになる。であるから集光点が光軸上に広く分布して１点にならないのである。球面レンズには必ずおこるのであるが薄肉レンズの場合はこの収差は小さい。厚肉レンズになればなるほど球面収差が大きくなる。球レンズというのはレンズ厚みが縦方向の直径に等しい。つまり球レンズというのは球面レンズの中でも厚肉レンズの極限だと考えて良い。だから球レンズでは球面収差が最も強く現れるのである。つまり、あらゆるレンズの中で球面収差が最も顕著なのが球レンズだということである。
【０１４０】
されば球レンズを使用する限り球面収差があって屈折光線を絞りきれないのか？というと必ずしもそうではない。遠軸光線と近軸光線の間で集光点が異なるという収差なのだから、入射する全ての光線を遠軸にしてしまえば球面収差はなくなるのである。反対に入射する全ての光線を近軸にしてしまえば球面収差は消滅する。言ってみれば簡単なことである。が、そのような手段がなかったので光線の広がりを制御して球面収差を打ち消すというような発想はなかった。これまで球面収差が問題の場合は非球面レンズにするか、２枚以上の組レンズを用いるかによって球面収差を打ち消すようにしていた。しかしビームを遠軸だけ近軸だけにすることによって球面収差を発生させないというのも一つの方途である。
光線追跡法によるシミュレーションによってその効果を確認した。
【０１４１】
その結果を図８に示す。図８（Ａ）は従来の広がり角の大きいＬＤからの光を球レンズで集光した場合（モジュールＡ）の光線を１本１本追跡したものである。球レンズの半径はＲ＝７５０μｍ、ＬＤ・レンズ中心間は１６００μｍ、レンズ中心・光ファイバ間は３４００μｍである。モジュールＡでは広がり角が大きく、光軸から大きくずれる（遠軸光線）割合が多い。遠軸光線は速く収束し、その後発散に転ずる。近軸光線は遅く収束する。近軸光線の収束点に光ファイバ端を合わせる。遠軸光線は発散しており光ファイバに入ることができない。それは損失になってしまう。だから結合効率が低い。
【０１４２】
図８（Ｂ）はスポットサイズ変換ＬＤからの光を球レンズで集光した場合（モジュールＢ）を示す。広がり角が狭いから、モジュールＢでは光軸付近（近軸光線）の割合が多い。図８（Ａ）に比べてビーム線が中央部に密集しているのがよく分かる。近軸光線ばかりである。だから収束点はほぼ同一点となる。それだけでなく収束点からの発散角も小さい。だから光ファイバに入りやすいのである。モジュールＢでは光線は球レンズの球面収差の影響を受けない。そのために集光性が優れているのである。集光性が良いために光ファイバへより多くのパワーが入り４０％ものパワー増大をもたらしたのである。
【０１４３】
［実施例２（広がり角８度、１４度、２０度）］
実施例１のＬＤ（Ｂ）はビーム広がり角が１２度のスポットサイズ変換レ−ザを用いた。スポットサイズ変換レ−ザにおいてはテーパの角度を変えることによって、広がり角を自在に与えることができる。ここでは３種類のスポットサイズ変換レ−ザを用いてＬＤモジュールを作製して、結合効率を調べた。配置や寸法はは図７、図８に示すものと同様である。
【０１４４】
ＬＤ（Ｃ）…ビーム広がり角 ８度
ＬＤ（Ｄ）…ビーム広がり角 １４度
ＬＤ（Ｅ）…ビーム広がり角 ２０度
これらのＬＤでは結合効率は２０％〜２４％であった。
【０１４５】
従来のＬＤではビーム広がり角が３５度〜４５度であるが、これを組み込んだＬＤモジュールでは結合効率は１０％〜１４％であった。
【０１４６】
本発明は従来例の１．５倍〜２倍の結合効率を得ることができる。光ファイバに入る光量が１．５倍〜２倍になれば、伝送距離を増やすことができる。Ｓ／Ｎ比が上がるから伝送信号量を増やすことも可能である。優れた効果をあげることができる。
【０１４７】
［実施例３（レンズホルダ−・レンズを狭小化できること）］
ＬＤモジュールにスポットサイズ変換レ−ザ（ＳＳＣ−ＬＤ）を用いることにより、ＬＤモジュールが際だった特徴をもつようにできるということに本発明者は気付いた。同じ結合効率で良いなら、レンズ系を小さくして、発光装置そのものを小型化できるということである。
【０１４８】
図８から分かるように、スポットサイズ変換レ−ザはビーム径が狭いのでレンズの全体でなく一部だけを使う。同じ曲率半径のレンズでも開口は狭くて良い。開口が狭いとレンズホルダ−を小さくすることができる。レンズホルダ−を小さくすれば発光装置の全体を小さくすることができる。
【０１４９】
この点を、図８の光線図にパッケージ部分を追加記入した図９で説明する。図９（Ａ）は従来のＬＤ（Ａ）３０からの広がり角の大きいビームを集光する機構を示す。レンズホルダ−３１はかなり大きい開口部をもち球レンズ３２を把持している。ＬＤ（Ａ）からのビームを全部レンズに入れるためレンズ面は広い。当然にレンズホルダ−の開口部も大きい。ＬＤ（Ａ）の場合、実装の位置ズレも考慮すると、レンズの開口は最低１２ｍｍ必要である。
【０１５０】
図９（Ｂ）はスポットサイズ変換ＬＤ３３を用いた場合の球レンズ集光機構を示す。レンズホルダ−３４の中央開口部に円柱形の球レンズ３５が挿入固定される。ＬＤのビーム広がりが狭いからレンズ自体を小さくすることができる。レンズ開口は６ｍｍ程度で済む。ＬＤ（Ａ）に比べて、ＬＤ（Ｂ）は開口径を半減することができる。
【０１５１】
但し、ここでの球レンズと前実施例の球レンズは寸法が著しく異なる。前の実施例では球レンズ半径は７５０μｍで直径にすると１．５ｍｍであった。この実施例では球レンズの半径は１５ｍｍ程度である。だから開口を１２ｍｍから６ｍｍに減らすということに意味がある。
【０１５２】
従って、レンズの開口が小型化を制限することはない。レンズ開口を狭くして小型のモジュールを作製することができる。このレンズホルダ−寸法削減の効果は、レンズが大きいほど顕著になる。
【０１５３】
［実施例４（ピグテール型モジュールへの応用）］
本発明はＳＳＣ−ＬＤとレンズの組み合わせに係るものであるから任意の形式の送信器に応用できる。図１０は本発明をピグテール型モジュールに適用した実施例を示す。ピグテールというのは光ファイバとＬＤが一つのパッケージに密封されており離脱できないようなものをいう。光ファイバが豚のしっぽのように垂れ下がっているからピグテールの名がある。ピグテールの先に光コネクタがあって、そこで光ファイバの着脱ができるようになっている。
【０１５４】
リードピン３９を底面に有する金属製のステム４０の中央にサブマウント４１、ＰＤ４２が固定される。ステム４０には隆起したポール４３があり、側面にサブマウント４４、ＬＤ４５が固定される。ＰＤ４２、ＬＤ４５を囲むように有天円筒形のキャップ４６が設けられる。キャップ４６の上天井には球レンズ４７がありＬＤ４５の光を集光している。
【０１５５】
ステム４０の上に金属円筒形のスリーブ４８が溶接される。スリーブ４８の上には、フェルール４９を把持するための鍔付き円筒形のフェルールホルダ−５０が溶接される。フェルールホルダ−５０の外側には柔軟な材料よりなるベンドリミッタ５１が差し込まれている。フェルール４９に光ファイバ５２の先端が挿入されている。フェルール４９は先端にプラグ５３を有し、光ファイバのクラッドはプラグ５３とフェルール４９によって保持される。
【０１５６】
光ファイバ５２の外皮をベンドリミッタ５１が抑え、極度の曲げを防止する。外皮を剥離した部分がフェルールに差し込んである。ＬＤ４５の光が球レンズ４７によって集光されて光ファイバ先端のコアに入射する。光ファイバ先端は斜めに研磨してある。反射光がＬＤに戻るのを防ぐためである。このようなピグテール型モジュールの構造は公知である。
【０１５７】
ここでスポットサイズ変換レ−ザ４５を光源に用いている。球レンズ４７を集光レンズとしているが、近軸光線の比率が高く光ファイバに入る光量が増える。ために結合効率が高い。３０ｍＡの駆動電流によってＳＳＣ−ＬＤを駆動した。光ファイバの出力パワーは０．７ｍＷで、安定していた。
従来の広い広がり角のＬＤを使った場合は０．５ｍＷであった。４０％もパワーが増強されている。
【０１５８】
［実施例５（レセプタクル型モジュールへの応用）］
図１１は本発明をレセプタクル型モジュールに適用した実施例を示す。レセプタクル型というのは、ＬＤに対して光ファイバを着脱できるようにした形式である。
【０１５９】
リードピン５９を底面に有する金属製のステム６０の中央にサブマウント６１、ＰＤ６２が固定される。ステム６０には隆起したポール６３がある。ポール６３の側面にサブマウント６４、ＬＤ６５が固定される。ＰＤ６２、ＬＤ６５を囲むように有天円筒形のキャップ６６が設けられる。キャップ６６の上天井には球レンズ６７がありＬＤ６５の光を集光している。
【０１６０】
円盤状ステム６０の上に金属円筒形のスリーブ６８が溶接される。スリーブ６８の上には、鍔付き円筒形の雌型コネクタ７０が溶接される。雌型コネクタ７０は広い円盤状の鍔７１を有する。鍔７１には幾つかの穴７２が穿孔されている。雌型コネクタ７０の中央のハブ７３において前記のスリーブ６８と溶接されている。
ハブ７３の中心には縦に通し穴７４が穿たれている。通し穴７４の内面にはスリーブ７５がはめこまれる。雌型コネクタ７０の上部筒部の外側に凹溝７６があり、その外側の円筒部には雄螺子７７が刻設される。ＬＤ６５の光はレンズ６７によってスリーブ６８の上頂部辺りに集光される。
【０１６１】
雄型コネクタ７８は、先端に軸状のフェルール７９を有する。フェルール７９の外側同心にカラー８０が設けられる。カラー８０は、雌型コネクタ７０の凹溝７６に挿入される。カラー８０の外側に位置決めピン８１がある。これは雌型コネクタ７０のハブ７３の穴（図に現れない）に差し込まれ円周方向の位置を決める。その外側には円筒形ナット８２が遊嵌される。ナット８０のすぐ後ろはローッレット８３になっており滑り止めになっている。前記のフェルール７９は雄型コネクタ７８のハウジング８４の内部の通し穴に挿通固定してある。ハウジング８４の後ろから柔軟部材のベンドリミッタ８５が突き出ている。光ファイバ８６はベンドリミッタ８５、ハウジング８４を貫き、先端のフェルール７９にいたる。
【０１６２】
図１１は分離した状態を示す。両者を結合するには、雄型コネクタ７８のフェルール７９を雌型コネクタ７０の通し穴７４に差し込み、位置決めピン８１を所定の穴に入れ、ローレット８３を廻して、ナット８２と雄螺子７７を締結する。締結した状態でフェルール７９はスリーブ７５の内部にある。光ファイバ先端はスリーブ６８・雌型コネクタ７０の境界に位置する。
【０１６３】
雌型雄型コネクタ７０、７８が組み合わさった状態で、ＬＤ６５の光はレンズ６７によって、ファイバ端面に集光される。このようなレセプタクル型モジュールの構造は公知である。
【０１６４】
この実施例において、スポットサイズ変換レ−ザ６５を光源に用いている。球レンズ６７を集光レンズとしている。スポットサイズ変換レ−ザの使用のため、近軸光線の比率が高く光ファイバに入る光量が増える。ために結合効率が高い。３０ｍＡの駆動電流によってＳＳＣ−ＬＤを駆動した。光ファイバの出力パワーは０．７ｍＷで、安定していた。
【０１６５】
従来の広い広がり角のＬＤを使った場合は０．５ｍＷであった。４０％もパワーが増強されているということである。
【０１６６】
【発明の効果】
本発明は、スポットサイズを広くし、ビーム広がり角を狭くして、光ファイバや、光導波路との結合効率を、５０％〜１００％も高めることができる。非常に優れた発明である。
【０１６７】
また、同じ光出力を得るためには、駆動電流が低くて済み、消費電力が低くなって、省エネルギーになる。
また駆動電流が低くなるからレ−ザ寿命も長くなるといった大きな利点がある。
【０１６８】
スポットサイズ変換レ−ザは、光ファイバ、光導波路とＬＤの直接接合のために開発されたものである。だから、今まで誰もが光ファイバ、光導波路と直接接合するものと思い込んでいた。ために、レンズ、特に球レンズを用いた集光レンズに適用した場合に、このような意外な効果があるということを誰もが思い付かなかったのである。本発明者は全く観点を変え、スポットサイズ変換レ−ザをレンズ系を介する間接接合に用いてすばらしい効果を得た。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＬＤチップと集光レンズを金属パッケージに収容した従来例にかかる光送信モジュールの縦断面図。
【図２】長手方向に厚み、幅が一定の活性層を有する従来のＬＤチップの概略透視図。
【図３】長手方向に厚みが変化し幅が一定の活性層を有する縦テーパ型スポットサイズ変換ＬＤチップの概略透視図。
【図４】長手方向に幅が変化し厚みが一定の活性層を有する横テーパ型スポットサイズ変換ＬＤチップの概略透視図。
【図５】平板に屈折率の高いコア部を設けた光導波路と、スポットサイズ変換ＬＤを直接結合したものの平面図。
【図６】シングルモード光ファイバと、スポットサイズ変換ＬＤを直接結合したものの縦断面図。
【図７】本発明の原理を示すための、シングルモード光ファイバと、スポットサイズ変換ＬＤを球レンズによって間接結合した結合系の正面図。
【図８】ＬＤ・レンズ・像面よりなる光学系においてビーム軌跡を示す図。図８（Ａ）は３５度のビーム広がり角をもつ従来例にかかるＬＤの光を、球レンズによって光ファイバ端に集光した光学系において光線追跡法によって求めたビーム軌跡の図。図８（Ｂ）は１２度のビーム広がり角をもつスポットサイズ変換ＬＤの光を、球レンズによって光ファイバ端に集光した光学系において光線追跡法によって求めたビーム軌跡の図。
【図９】図８のビーム軌跡にレンズホルダ−を描き加えたもので、ＬＤ・レンズ・レンズホルダ−よりなる光学系のビーム軌跡を示す図。図９（Ａ）は３５度のビーム広がり角をもつ従来例にかかるＬＤの光を、レンズホルダ−に支持された球レンズによって光ファイバ端に集光した光学系において光線追跡法によって求めたビーム軌跡の図。ビームが広いのでレンズホルダ−が大きい。図９（Ｂ）は１２度のビーム広がり角をもつスポットサイズ変換ＬＤの光を、レンズホルダ−に支持された球レンズによって光ファイバ端に集光した光学系において光線追跡法によって求めたビーム軌跡の図。ビームが狭いのでレンズホルダ−が小さい。
【図１０】ピグテール型モジュールに応用した実施例を示す縦断面図。
【図１１】レセプタクル型モジュールに応用した実施例を示す縦断面図。
【図１２】球レンズにおける光線の屈折を説明するための図。
【符号の説明】
１ 光送信モジュール
２ ステム
３ ポール
４ ＬＤ
５ ＰＤ
６ キャップ
７ 穴
８ レンズホルダ−
９ レンズ
１０ フェルールホルダ−
１１ 光ファイバ
１２ フェルール
１３ ＬＤチップ
１４ 幅厚みともに一定の活性層
１５ 厚みが変化する縦テーパ部活性層
１６ 幅が変化する横テーパ部活性層
１８ 横テーパ型スポットサイズ変換ＬＤ
１９ 縦テーパ型スポットサイズ変換ＬＤ
２０ 光導波路
２１ コア部
２２ シングルモード光ファイバ
２３ コア部
２４ 球レンズ
３０ 活性層幅厚みが一定である通常のＬＤ
３１ レンズホルダ−
３２ レンズ
３３ 活性層幅厚みが変化するスポットサイズ変換ＬＤ
３４ レンズホルダ−
３５ レンズ
３９ リードピン
４０ ステム
４１ サブマウント
４２ ＰＤ
４３ ポール
４４ サブマウント
４５ ＳＳＣ−ＬＤ
４６ キャップ
４７ 球レンズ
４８ スリーブ
４９ フェルール
５０ フェルールホルダ−
５１ ベンドリミッタ
５２ 光ファイバ
５３ プラグ
５９ リードピン
６０ ステム
６１ サブマウント
６２ ＰＤ
６３ ポール
６４ サブマウント
６５ ＳＳＣ−ＬＤ
６６ キャップ
６７ 球レンズ
６８ スリーブ
７０ 雌型コネクタ
７１ 鍔部
７２ 穴
７３ ハブ
７４ 通し穴
７５ スリーブ
７６ 凹溝
７７ 雄螺子
７８ 雄型コネクタ
７９ フェルール
８０ カラー
８１ 位置決めピン
８２ ナット
８３ ローレット
８４ ハウジング
８５ ベンドリミッタ
８６ 光ファイバ

Claims (6)

1. 先細り幅と一定厚み又は先細り厚みと一定幅あるいは先細り幅と先細り厚みをもつ活性層を有するスポットサイズ変換レ−ザを金属製のパッケージに搭載し、球レンズを有するキャップをパッケージにかぶせ、光ファイバ・光導波路と離隔した球レンズによってスポットサイズ変換レ−ザの光をファイバ・光導波路に結合することを特徴とする発光装置。
2. 外部とのインターフェイスがレセプタクルタイプであることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
3. 外部とのインターフェイスがピグテールタイプであることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
4. 外部とのインターフェイスが光導波路であることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
5. スポットサイズ変換レ−ザが、縦テーパ型若しくは横テーパ型、或いは縦・横両テーパ型である事を特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の発光装置。
6. スポットサイズ変換レ−ザが、ＩｎＧａＡｓＰ系の半導体材料よりなることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の発光装置。

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