JP3821576B2 - 光モジュール - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザや発光ダイオード等の発光素子から出射される出射光を光ファイバと結合させる光モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光モジュールは、半導体レーザと、当該半導体レーザから出射される出射光と結合するレンズを先端部に有する光ファイバとを備えており、「ＩＥＥＥ PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS、VOL．７、NO.７、p．７９８−８００、１９９５」に記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記文献によれば、アナモルフィックファイバマイクロレンズによるレーザダイオードとシングルモードファイバとの間の光結合について評価されているが、その結合効率は十分ではない。本発明は、半導体発光素子からの光を高い結合効率で光ファイバに結合させることができる構造を有する光モジュールを提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本光モジュールは、近視野パターンが横長の半導体発光素子と、前記半導体発光素子に対向し、前記横方向に沿った光強度分布よりも縦方向の光強度分布を大きく収束させる光入射端面を有する光ファイバと、前記半導体発光素子の光出射端面と前記光ファイバの前記光入射端面との間に配置された集光レンズとを備え、前記光ファイバの入射端面で楕円状の光束を円形状に補正して入射することにより、モード径の不整合が改善されるとともに、前記集光レンズの焦点位置からずれた位置に結合損失が最小となる前記光ファイバの入射端面の基準位置を有し、前記光ファイバの入射端面が前記基準位置近傍に位置するように、前記集光レンズの焦点位置から所定距離ずらして配置されていることを特徴とする。半導体発光素子は、好ましくは半導体レーザである。近視野パターンが横長の出射光の遠視野パターンは縦長となる。したがって、光ファイバは、横方向に沿った光強度分布よりも縦方向の光強度分布を大きく収束させるので、光ファイバへの入射光を高い結合効率でそのコア内に収束させることができる。また、半導体発光素子からの出射光を集光レンズで収束して光ファイバの入射端面に入射させ、更に、入射端面で楕円状の光束を円形状に補正して入射する構成とすると、機械精度の許容範囲を大きくすることができると共に、光結合効率の向上を更に図ることができる。また、半導体発光素子の光出射端面と集光レンズとの間に、コリメータレンズを備えることにより、集光レンズからの光束が光ファイバの入射端面に入射する位置が、発光素子と光ファイバの入射端面との位置ずれの影響を更に受けなくなり、結合効率が向上する。そして、このような効果が得られることにより、更に量産性の向上、機械強度の向上、設計の自由度の向上等の効果が得られる。なお、光ファイバの光入射端面近傍のコア径は拡大されていることが好ましい。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態に係る光モジュールについて説明する。同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用いるものとし、重複する説明は省略する。
【０００６】
端面出射形の半導体レーザや同形の発光ダイオードから出射される出射光は、光出射端面での回折に起因する放射角をもって拡がり、出射パターン（近視野パターン又は遠視野パターン）が楕円状であって真円ではない。すなわち、出射光束の垂直方向（又は水平方向）における放射角θsと水平 方向（又は垂直方向）の放射角θpとが異なっている。このような出射パターン が楕円状の出射光を、入射端面が円形の光ファイバに直接結合させても、モード径の不整合のために高い結合効率が得られない。
【０００７】
そこで、第１実施の形態の光モジュールは、図１（Ａ）に模式的に示すように、コアを中心にして一方向（同図中、垂直方向ｓ）についてのみ凸曲面に加工された入射端面ＩＮを有する光ファイバ（シリンドリカルレンズ付き光ファイバという）ＣＬＦを用いることとし、発光素子ＬＤからの出射光の放射角の大きな方向（垂直方向ｓ）と入射端面ＩＮの凸曲面の方向を一致させている。すなわち、本光モジュールは、近視野パターンが横長の半導体発光素子ＬＤと、前記横方向に沿った光強度分布よりも縦方向の光強度分布を大きく収束させる光入射端面ＩＮを有する光ファイバＣＬＦとを備えている。半導体発光素子ＬＤは好ましくは半導体レーザである。近視野パターンが横長の出射光の、遠視野パターンは縦長となる。したがって、光ファイバは、横方向に沿った光強度分布よりも縦方向の光強度分布を大きく収束させるので、光ファイバへの入射光を高い結合効率でそのコア内に収束させることができる。
【０００８】
また、この構造によると、発光素子ＬＤからの楕円状の出射光束が入射端面ＩＮで円形光束に直されて入射するため、結合効率の改善が図られている。なお、横方向は、半導体レーザＬＤの厚み方向及び光出射方向の双方に垂直な方向であり、縦方向は半導体レーザＬＤの厚み方向に平行な方向、すなわち光ファイバＣＬＦの長手方向及び前記横方向の双方に垂直な方向であるものとする。
【０００９】
図１（Ａ）に示した光モジュールにあっては、発光素子ＬＤの光出射端面とシリンドリカルレンズ付き光ファイバＣＬＦの入射端面ＩＮとを結合させるためには、極めて高い組立精度が得られるように予め設計する必要がある。
【００１０】
図１（Ｂ）の縦断面図に示すように、発光素子ＬＤの光出射端面と光ファイバＣＬＦの入射端面ＩＮのコアの中心（凸曲面の頂上部分）までの間隔をＺとし、光ファイバＣＬＦに入射した光の損失を低減するために入射端面ＩＮの焦点距離ｆを３Ｚ〜５Ｚになるように凸曲面にしたとする。換言すれば、発光素子ＬＤの出射光のニアフィールド径をｒ1、光ファイバＣＬＦのモードフィールド径をｒ2とした場合に、これらの比（ｒ2／ｒ1）を３〜５にするように入射端面ＩＮを凸曲面にしたとする。そして、実際の組立工程等において、図１（Ｃ）に示すように、発光素子ＬＤと光ファイバＣＬＦとに位置ずれが発生して、発光素子ＬＤの光出射端面の中心と光ファイバＣＬＦのモードフィールド径ｒ2の中心との垂直方向ｓにおけるずれ量がａになった場合には、入射端面ＩＮに入射した光束の集光位置は、見かけ上、コアの中心より径方向に距離３ａ〜５ａずれた位置となり、組立精度が悪いと結合効率を更に増加させることができない。
【００１１】
また、この光束の集光位置（焦点位置）のずれを小さくするためには、発光素子ＬＤの光出射端面と光ファイバＣＬＦの入射端面ＩＮを極めて近接させる必要があるため、極めて高い機械精度が必要になる。
【００１２】
そこで、第２実施の形態に係る光モジュールでは、機械精度が極めて高くなくても、結合効率を増加させることができるように、その構造を工夫した。
【００１３】
図２（Ａ）は、この光モジュールの内部構造を示すための横断面図、図２（Ｂ）は、同じく内部構造を示すための縦断面図であり、何れも後述する光学部品の光軸を含む断面で切った状態を示している。
【００１４】
図２（Ａ）、図２（Ｂ）において、この光モジュールは、金属成形等により形成された筐体２のキャビティ４内に、後述の各種光学部品が収容固定され、筐体２の内部を密閉して、筐体２の一側壁に所謂ピックテイルとなる光ファイバＦＢが接続されることにより、モジュール化された構造となっている。
【００１５】
キャビティ４内の底壁６には、温度制御用ペルチェ素子８が固着され、ペルチェ素子８の上端には、サブマウント８ａを介してフォトダイオード等のモニタ用受光素子ＰＤがベアチップのままの形態で固定されると共に、サブマウント８ｂを介して、端面出射形半導体レーザや同形の発光ダイオード等の発光素子ＬＤがベアチップのままの形態で固定される。更に、発光素子ＬＤの光出射端面は、筐体２の所定の側壁１０に向けられ、受光素子ＰＤの受光端面は、発光素子ＬＤ側に向けられている。また、筐体２に一体形成された複数のリード端子と発光素子ＬＤと受光素子ＰＤ及びペルチェ素子８がボンディングワイヤ等で接続されている。
【００１６】
更に、サブマウント８ａの上端には、発光素子ＬＤの前記光出射端面に対応する円形貫通孔１２を有する第１のスリーブ１４が固定され、貫通孔１２中には、コリメータレンズ１６が嵌め込まれている。第１のスリーブ１４の形状は予め設計段階で決められている。そして、組立工程で、第１のスリーブ１４をサブマウント８ａの所定の上端に固着して、コリメータレンズ１６を取り付けると、コリメータレンズ１６と発光素子ＬＤの光出射端面が近接配置され、且つ光軸合わせが成される。
【００１７】
筐体２の側壁１０には、第１のスリーブ１４の貫通孔１２に対応する貫通孔１８が形成され、貫通孔１８中には、筒状の第２のスリーブ２０が外側から取り付けられている。第２のスリーブ２０には、発光素子ＬＤ及びコリメータレンズ１６の光軸に合わせられた貫通穴２２が予め形成されている。第２のスリーブ２０の先端部分には、貫通穴２２を塞いでキャビティ４の内部を密閉封止するガラス又はサファイア等で形成された透明薄板２４が、ハーメチックシールにて固定されている。貫通穴２２内には、集光レンズ２６が組み付けられている。
【００１８】
なお、側壁１０の貫通孔１８の位置及び形状と第２のスリーブ２０の形状は、予め設計段階で決められており、組立工程で、第２のスリーブ２０を貫通孔１８内に挿入してＹＡＧ溶接等で固着して、透明薄板２４と集光レンズ２６を組み付けることにより、集光レンズ２６と発光素子ＬＤ及びコリメータレンズ１６の光軸合わせが成されるようになっている。また、第２のスリーブ２０は、側壁１０の貫通孔１８中に嵌着される円筒部材と、集光レンズ２６を挿入固定する円筒部材とからなり、これらの円筒部材をＹＡＧ溶接等で連結することにより一体化される構造となっている。
【００１９】
更に、第２のスリーブ２０の貫通穴２２の後端部分には、この貫通穴２２と連通する貫通穴２０ａを有する第３のスリーブ２０ｂがＹＡＧ溶接等で固着され、光ファイバＦＢを挿入固定したフェルール２８の先端部分が、貫通穴２０ａに挿入されている。この第３のスリーブ２０ｂとフェルール２８の形状も予め設計段階で決められており、組立工程においてフェルール２８が貫通穴２０ａ中に挿入されると、光ファイバＦＢの光入射端面ＩＮが前記光軸と一致するように設計されている。
【００２０】
光ファイバＦＢの入射端面ＩＮは、図３に模式的に示すように、コアを中心にした凸曲面、すなわちレンズ形状に加工されており、更にその凸曲面の光軸断面の形状は、一方向（同図中、垂直方向ｓ）にのみ円弧状であって、それと垂直な方向（同図中、水平方向ｐ）は光軸方向ｑに対して直角になっている。
【００２１】
そして、組立工程では、第３のスリーブ２０ｂにフェルール２８を嵌挿し、所謂パワーモニタ法等を用いて、実際に発光素子ＬＤを発光させたときの光ファイバＦＢの入射光束が最大パワーになるように、周方向の回転角度を調整することにより、発光素子ＬＤから出射される出射光の放射角の大きな方向と入射端面の凸曲面の形成方向（垂直方向ｓ）とを一致させる。なお、図３では、便宜上、垂直方向ｓの放射角θsが水平方向ｐの放射角θpより大きな楕円状の出射光に対する、光ファイバＦＢの入射端面ＩＮの周方向の向きを示している。本光モジュールは、第１実施の形態と同様に、近視野パターンが横長の半導体発光素子ＬＤと、前記横方向に沿った光強度分布よりも縦方向の光強度分布を大きく収束させる光入射端面を有する光ファイバＦＢとを備えている。半導体発光素子ＬＤは好ましくは半導体レーザである。近視野パターンが横長の出射光の、遠視野パターンは縦長となる。したがって、光ファイバＦＢは、横方向に沿った光強度分布よりも縦方向の光強度分布を大きく収束させるので、光ファイバへの入射光を高い結合効率でそのコア内に収束させることができる。
【００２２】
次に、かかる構造を有する光モジュールの作動を説明する。発光素子ＬＤの光出射端面から放射角をもって出射される出射光は、コリメータレンズ１６で平行光束となり、透明薄板２４を通って、集光レンズ２６で収束されて光ファイバＦＢの入射端面ＩＮに入射する。そして、楕円状の出射光は光ファイバＦＢの入射端面ＩＮの凸曲面によって円形状に直されて入射するので、結合効率が向上する。
【００２３】
一方、組立工程等において、発光素子ＬＤ、コリメータレンズ１６、集光レンズ２６及び光ファイバＦＢの入射端面ＩＮが位置ずれを生じ、そのずれが出射光の放射角の大きな方向（図３では、垂直方向ｓ）に生じたとすると、この場合にも、出射光はコリメータレンズ１６によって正規の光軸ｑとほぼ平行な平行光束となり、更に集光レンズ２６で収束されて光ファイバＦＢの入射端面ＩＮに入射する。
【００２４】
すなわち、発光素子ＬＤに位置ずれがあったとしても、放射角をもって出射される出射光はコリメータレンズ１６でほぼ平行光束にされため、集光レンズ２６で収束された光束の入射端面ＩＮへの入射位置のずれは、発光素子ＬＤの位置ずれに比べて極めて小さくなる。また、コリメータレンズ１６と集光レンズ２６及び光ファイバＦＢの少なくとも何れか一つに位置ずれが生じたとしても、同じ原理により、集光レンズ２６で収束された光束の入射端面ＩＮへの入射位置のずれは極めて小さくなる。また、光ファイバＦＢの光入射端面ＩＮの位置は、集光レンズ２６の焦点位置からずれている。
【００２５】
したがって、発光素子ＬＤの光出射端面とコリメータレンズ１６等との位置がずれても、放射角をもって出射する出射光をコリメータレンズ１６で略平行光束にすることにより、集光レンズ２６への入射範囲がほぼ一定に保たれ、集光レンズ２６で収束された光束の光ファイバＦＢの入射端面ＩＮへの入射位置の変動も大幅に抑制される。また、出射パターンが楕円状の出射光は、凸曲面に形成された入射端面ＩＮにおいて楕円状から円形状に補正されて入射するため、モード径の不整合が改善され、結合効率が向上する。
【００２６】
このように、この実施の形態の光モジュールは、発光素子ＬＤと光ファイバＦＢ、これらの間に配置されるコリメータレンズ１６及び集光レンズ２６の何れかに位置ずれが生じても、光ファイバＦＢの入力端面ＩＮへの光束の入射位置のずれを大幅に抑制することができる結合構造となっているため、これらの各光部品の組付け精度の大幅緩和と、光結合効率の向上とを同時に実現することができる。
【００２７】
クラッド径が１２５μｍの一般的な光ファイバＦＢと、発光波長が０．９８μｍの発光素子ＬＤを用いた実際の実験結果によれば、端面出射形半導体レーザＬＤの光出射端面、コリメータレンズ１６、集光レンズ２６及び光ファイバＦＢのコア中心が、±１μｍの範囲内でそれぞれ軸ずれを生じたとしても、約７０％以上の光結合効率が得られ、当該結合構造の優位性が実験的にも確認された。
【００２８】
図４は、軸方向（ファイバＦＢ長手方向）のずれ（μｍ）に対する相対結合損失（ｄＢ）の関係を示すグラフである。なお、集光レンズ２６から光ファイバＦＢに向かう方向を正とする。結合損失は基準位置（０μｍ地点）から１２μｍ離れると、約１ｄＢ増加する。集光レンズ２６の焦点位置は、グラフ中において約−２０μｍの位置にある。同図に示すように、±１０μｍ、±５μｍの範囲内で軸ずれが生じた場合においても、相対結合損失はそれぞれ０．８ｄＢ、０．３ｄＢ以下であった。すなわち、集光レンズ２６の焦点位置から２０μｍ±１０μｍ、２０μｍ±５μｍの範囲内で軸ずれが生じた場合においても、相対結合損失はそれぞれ０．８ｄＢ、０．３ｄＢ以下とすることができる。
【００２９】
また、前記結合効率は、コリメータレンズ１６と集光レンズ２６の間隔によっては影響されないため、例えばこれらの間隔を大きくすることにより、自動組立工程の容易化を実現することができる。また、これらのレンズ１６，２６間に様々な光学部品を配設することにより、様々な機能を有する光モジュールを容易に形成することができる等、設計の自由度を大幅に向上させることができる。
【００３０】
更に、放射角度をもった出射光をコリメータレンズ１６で平行光束にするので、光ファイバＦＢの入射端面ＩＮに入射する光束の照射パターンが過度に大きくなることがない。したがって、入射端面ＩＮの凸曲面の曲率半径を小さくしなくても、モード径の不整合を改善することができる。このため、この入射端面ＩＮを先鋭に加工しなくて済み、加工が容易となる。また、入射端面ＩＮが先鋭でないことから、機械強度が高く、他の光学部品と当たってその先端部分が破損する等の事故を防止することができる。なお、前記実験では、入射端面ＩＮの曲率を８〜１５μｍの範囲内の比較的大きな曲率半径に設定しても、約７０％以上の光結合効率が得られた。
【００３１】
更に、前記各光学部品を取り付けてモジュール化するために、ＹＡＧ溶接によって各光学部品やスリーブ１４，２０，２０ｂ及びフェルール２８等の結合部分を固着することとすると、このＹＡＧ溶接の際に各光学部品に僅かな位置ずれを生じる場合があるが、この実施の形態によれば、トレランスが大きいために、ＹＡＧ溶接を用いて量産化を促進することができるという効果も得られる。
【００３２】
なお、この実施の形態では、光ファイバＦＢの入射端面ＩＮを特定の曲率の凸曲面に形成する場合を説明したが、本発明は、かかる形状の入射端面に限定されるものではない。要は、発光素子からの出射光の出射パターンの形状を円形状に直して光ファイバ中に入射させる屈折率分布を有する形状、例えば、非球面レンズ形状や、複数の入射角に設定された多角形の入射面形状にしてもよい。また、前記集光レンズ２６を非球面レンズにして、コリメータレンズ１６により生じる非点収差を改善するようにしてもよい。
【００３３】
また、この実施の形態では、コリメータレンズ１６と集光レンズ２６を備える構造を説明したが、本発明は、コリメータレンズ１６は必要に応じて配設すればよく、発光素子ＬＤから出射される出射光を収束して、光ファイバＦＢの光入射端面ＩＮに入射させる少なくとも一個のレンズを備えればよい。
【００３４】
更に、光ファイバＦＢに代えて図５に示す光ファイバＦＢ’を用いてもよい。図５は、光入射端面ＩＮ近傍の直径が拡大されたコアＣＯＲＥを有する光ファイバＦＢ’を示す。すなわち、光ファイバＦＢ’は、光入射端面ＩＮの中心からその長手方向に沿って直径が小さくなるように延びるコアＣＯＲＥを有しており、この光ファイバＦＢ’を用いると、更に結合効率及びトレランスを向上させることができる。長さＬのコア径拡大領域のモードフィールド径ＭＦＤは、光入射端面ＩＮを通過することによって光軸に垂直な断面形状が円形に補正された入射光がコア径拡大領域Ｌに整合するように調整されている。
【００３５】
この光学系においては、光ファイバＦＢ’のｓ軸方向の軸ずれトレランスΔｙは、レンズ系１６，２６の倍率ｍに略比例する。すなわち、Δｙ≒ｋ×ｍ（ｋは係数）である。
【００３６】
詳説すれば、光ファイバＦＢ’のｐ軸、ｓ軸方向の軸ずれトレランスΔｘ、Δｙは、それぞれ以下の式を満たす。
【００３７】
Δｘ＝０．５×（ｌｎ１０／１０）0.5×ＭＦＤ
Δｙ＝０．５×（ｌｎ１０／１０）0.5×ＭＦＤ
×（１／｛（πＭＦＤ2／４λ）2×（（ｎ−１）／Ｒ）2＋１｝0.5）
但し、Ｒは、光入射端面ＩＮの曲率半径の最小値、すなわち、光ファイバＦＢ’の縦断面内における光入射端面ＩＮの曲率半径であり、ｎはコアＣＯＲＥの屈折率、λは光の波長である。
【００３８】
トレランスΔｙを増加させるためには、倍率ｍを増加させればよい。しかしながら、倍率ｍを増加させると、上記光の整合をとるためにモードフィールド径ＭＦＤは増加させる必要がある。すなわち、ｍ＝ｊ×ＭＦＤ（ｊは係数）である。光ファイバＦＢ’のコア径を拡大することによって、モードフィールド径ＭＦＤを増加させることができるので、トレランスΔｙを増加させることができる。
【００３９】
なお、光軸に対して回転対称な２つのレンズ系１６，２６の倍率ｍは、ｍ＝Ｆ２／Ｆ１×Ｇ（Ｆ１）で与えられる。但し、Ｆ１は、コリメータレンズ１６の焦点距離、Ｆ２は集光レンズ２６の焦点距離、Ｇ（Ｆ１）はＦ１の関数である。したがって、コリメータレンズ１６の焦点距離Ｆ１を短くするか、又は集光レンズ２６の焦点距離Ｆ２を長くすることにより、倍率ｍを増加させることができる。また、レンズ系が集光レンズ２６のみで構成されている場合には、レーザＬＤをレンズ２６に近づけることにより、倍率ｍを増加させることができる。換言すれば、関数Ｇ（Ｆ１）は、Ｆ２に依存しないので、Ｆ２を増加させることにより、倍率ｍを増加させることができるので、モードフィールド径ＭＦＤを増加させることができ、したがって、トレランスΔｘ、Δｙを増加させることができる。
【００４０】
また、結合損失は、モードフィールド径ＭＦＤと曲率半径Ｒとの関係に依存し、曲率半径Ｒが光入射端面ＩＮ上のモードフィールド径ＭＦＤの０．５倍乃至２倍でない場合は、結合損失は著しく増加する。したがって、曲率半径Ｒは光入射端面ＩＮ上のモードフィールド径ＭＦＤの０．５倍乃至２倍であることが好ましい。
【００４１】
焦点距離Ｆ１を０．７４ｍｍ、焦点距離Ｆ２を２．５ｍｍ、曲率半径Ｒを１７μｍ、光入射端面ＩＮ上のモードフィールド径ＭＦＤ，コア径ＣＤを２０μｍ，１４μｍ、コア非拡大部のコア径を７μｍ、比屈折率差を０．３％にした場合のトレランスΔｙは１．１μｍであり、結合損失は少なくとも１ｄＢ以下である。このトレランスΔｙから予想される組立損失は０．８ｄＢである。また、コア径ＣＤが７μｍよりも大きい場合は、コア径ＣＤの方がモードフィールド径ＭＦＤよりも大きく、コア径ＣＤが７μｍよりも小さい場合は、コア径ＣＤの方がモードフィールド径ＭＦＤよりも小さいので、コア径ＣＤを適宜調整することにより、所望のモードフィールド径ＭＦＤを得ることができる。
【００４２】
次に、コア径拡大領域Ｌの製造方法について説明する。まず、図６に示すような直径７μｍのシングルモード光ファイバＳＭＦを用意する。次に、図７に示すように、光ファイバＳＭＦの端面から５ｍｍ以下の領域を加熱し、コアＣＯＲＥ内のドーパントをクラッドＣＬＡＤ内に拡散させ、端面ＩＮ内のコア径ＣＤが１０乃至１５μｍにされた光ファイバＦＢ’の中間体を製造する。更に、図５に示した形状になるように、端面ＩＮを研磨し、光ファイバＦＢ’が完成する。
【００４３】
以上、説明したように、上記光モジュールは、発光素子の光出射端面に対向して配置されて前記光出射端面より出射される出射光を収束する集光レンズと、前記出射光の出射パターンの形状を円形に補正するレンズ形状に加工された入射端面を有して前記集光レンズで収束された光束を前記入射端面にて入射する光ファイバとを備える。
【００４４】
また、前記発光素子の光出射端面と前記集光レンズとの間に、前記発光素子からの出射光を平行光束にして前記集光レンズへ出射するコリメータレンズを備える構造とした。
【００４５】
発光素子から出射される出射光が、集光レンズで収束されて光ファイバの入射端面に入射する。発光素子の光出射端面と光ファイバの入射端面との間に位置ずれが生じても、集光レンズで出射光を収束して光ファイバの入射端面へ入射させることにより、前記位置ずれを緩和、抑制して、光ファイバの入射端面に入射させる。また、出射パターンが楕円状の出射光は、入射端面において楕円状から円形状に補正されて入射するため、モード径の不整合が改善され、結合効率を向上させる。
【００４６】
また、前記発光素子の光出射端面と前記集光レンズとの間に、前記コリメータレンズを備えると、発光素子から放射角をもって出射される出射光が、コリメータレンズで平行光束にされて集光レンズに入射するため、集光レンズで収束された光束の光ファイバ入射端面への入射位置が均一化される。つまり、集光レンズからの光束が光ファイバの入射端面に入射する位置は、発光素子と光ファイバの入射端面との位置ずれの影響を更に受けなくなり、結合効率が向上する。
【００４７】
また、コア拡大領域Ｌを形成することとすると、コア径の異なる種類の光ファイバであっても、そのモードフイールド径ＭＦＤは、上記コア拡大工程によって調整することができるため、異なる光ファイバ毎の結合効率を等しくすることができる。また、コアを拡大することで、凸曲面ＩＮの曲率半径を大きくすることができ、したがって、凸曲面ＩＮの加工が容易となり、更に、その機械的強度を向上させることができる。
【００４８】
【発明の効果】
本光モジュールの光ファイバは、横方向に沿った光強度分布よりも縦方向の光強度分布を大きく収束させるので、光ファイバへの入射光を高い結合効率でそのコア内に収束させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施の形態の光モジュールの構造を模式的に示す説明図。
【図２】第２実施の形態の光モジュールの（Ａ）横断面図及び（Ｂ）縦断面図。
【図３】図２に示す要部構造を模式的に示す説明図。
【図４】軸方向（ファイバＦＢ長手方向）のずれ（μｍ）に対する相対結合損失（ｄＢ）の関係を示すグラフ。
【図５】コア径が拡大された光ファイバＦＢ’の斜視図。
【図６】シングルモード光ファイバＦＢの斜視図。
【図７】光ファイバＦＢ’中間体の斜視図。
【符号の説明】
ＬＤ…半導体発光素子、ＩＮ…光入射端面、ＦＢ…光ファイバ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザや発光ダイオード等の発光素子から出射される出射光を光ファイバと結合させる光モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光モジュールは、半導体レーザと、当該半導体レーザから出射される出射光と結合するレンズを先端部に有する光ファイバとを備えており、「ＩＥＥＥ PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS、VOL．７、NO.７、p．７９８−８００、１９９５」に記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記文献によれば、アナモルフィックファイバマイクロレンズによるレーザダイオードとシングルモードファイバとの間の光結合について評価されているが、その結合効率は十分ではない。本発明は、半導体発光素子からの光を高い結合効率で光ファイバに結合させることができる構造を有する光モジュールを提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本光モジュールは、近視野パターンが横長の半導体発光素子と、前記半導体発光素子に対向し、前記横方向に沿った光強度分布よりも縦方向の光強度分布を大きく収束させる光入射端面を有する光ファイバと、前記半導体発光素子の光出射端面と前記光ファイバの前記光入射端面との間に配置された集光レンズとを備え、前記光ファイバの入射端面で楕円状の光束を円形状に補正して入射することにより、モード径の不整合が改善されるとともに、前記集光レンズの焦点位置からずれた位置に結合損失が最小となる前記光ファイバの入射端面の基準位置を有し、前記光ファイバの入射端面が前記基準位置近傍に位置するように、前記集光レンズの焦点位置から所定距離ずらして配置されていることを特徴とする。半導体発光素子は、好ましくは半導体レーザである。近視野パターンが横長の出射光の遠視野パターンは縦長となる。したがって、光ファイバは、横方向に沿った光強度分布よりも縦方向の光強度分布を大きく収束させるので、光ファイバへの入射光を高い結合効率でそのコア内に収束させることができる。また、半導体発光素子からの出射光を集光レンズで収束して光ファイバの入射端面に入射させ、更に、入射端面で楕円状の光束を円形状に補正して入射する構成とすると、機械精度の許容範囲を大きくすることができると共に、光結合効率の向上を更に図ることができる。また、半導体発光素子の光出射端面と集光レンズとの間に、コリメータレンズを備えることにより、集光レンズからの光束が光ファイバの入射端面に入射する位置が、発光素子と光ファイバの入射端面との位置ずれの影響を更に受けなくなり、結合効率が向上する。そして、このような効果が得られることにより、更に量産性の向上、機械強度の向上、設計の自由度の向上等の効果が得られる。なお、光ファイバの光入射端面近傍のコア径は拡大されていることが好ましい。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態に係る光モジュールについて説明する。同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用いるものとし、重複する説明は省略する。
【０００６】
端面出射形の半導体レーザや同形の発光ダイオードから出射される出射光は、光出射端面での回折に起因する放射角をもって拡がり、出射パターン（近視野パターン又は遠視野パターン）が楕円状であって真円ではない。すなわち、出射光束の垂直方向（又は水平方向）における放射角θsと水平 方向（又は垂直方向）の放射角θpとが異なっている。このような出射パターン が楕円状の出射光を、入射端面が円形の光ファイバに直接結合させても、モード径の不整合のために高い結合効率が得られない。
【０００７】
そこで、第１実施の形態の光モジュールは、図１（Ａ）に模式的に示すように、コアを中心にして一方向（同図中、垂直方向ｓ）についてのみ凸曲面に加工された入射端面ＩＮを有する光ファイバ（シリンドリカルレンズ付き光ファイバという）ＣＬＦを用いることとし、発光素子ＬＤからの出射光の放射角の大きな方向（垂直方向ｓ）と入射端面ＩＮの凸曲面の方向を一致させている。すなわち、本光モジュールは、近視野パターンが横長の半導体発光素子ＬＤと、前記横方向に沿った光強度分布よりも縦方向の光強度分布を大きく収束させる光入射端面ＩＮを有する光ファイバＣＬＦとを備えている。半導体発光素子ＬＤは好ましくは半導体レーザである。近視野パターンが横長の出射光の、遠視野パターンは縦長となる。したがって、光ファイバは、横方向に沿った光強度分布よりも縦方向の光強度分布を大きく収束させるので、光ファイバへの入射光を高い結合効率でそのコア内に収束させることができる。
【０００８】
また、この構造によると、発光素子ＬＤからの楕円状の出射光束が入射端面ＩＮで円形光束に直されて入射するため、結合効率の改善が図られている。なお、横方向は、半導体レーザＬＤの厚み方向及び光出射方向の双方に垂直な方向であり、縦方向は半導体レーザＬＤの厚み方向に平行な方向、すなわち光ファイバＣＬＦの長手方向及び前記横方向の双方に垂直な方向であるものとする。
【０００９】
図１（Ａ）に示した光モジュールにあっては、発光素子ＬＤの光出射端面とシリンドリカルレンズ付き光ファイバＣＬＦの入射端面ＩＮとを結合させるためには、極めて高い組立精度が得られるように予め設計する必要がある。
【００１０】
図１（Ｂ）の縦断面図に示すように、発光素子ＬＤの光出射端面と光ファイバＣＬＦの入射端面ＩＮのコアの中心（凸曲面の頂上部分）までの間隔をＺとし、光ファイバＣＬＦに入射した光の損失を低減するために入射端面ＩＮの焦点距離ｆを３Ｚ〜５Ｚになるように凸曲面にしたとする。換言すれば、発光素子ＬＤの出射光のニアフィールド径をｒ1、光ファイバＣＬＦのモードフィールド径をｒ2とした場合に、これらの比（ｒ2／ｒ1）を３〜５にするように入射端面ＩＮを凸曲面にしたとする。そして、実際の組立工程等において、図１（Ｃ）に示すように、発光素子ＬＤと光ファイバＣＬＦとに位置ずれが発生して、発光素子ＬＤの光出射端面の中心と光ファイバＣＬＦのモードフィールド径ｒ2の中心との垂直方向ｓにおけるずれ量がａになった場合には、入射端面ＩＮに入射した光束の集光位置は、見かけ上、コアの中心より径方向に距離３ａ〜５ａずれた位置となり、組立精度が悪いと結合効率を更に増加させることができない。
【００１１】
また、この光束の集光位置（焦点位置）のずれを小さくするためには、発光素子ＬＤの光出射端面と光ファイバＣＬＦの入射端面ＩＮを極めて近接させる必要があるため、極めて高い機械精度が必要になる。
【００１２】
そこで、第２実施の形態に係る光モジュールでは、機械精度が極めて高くなくても、結合効率を増加させることができるように、その構造を工夫した。
【００１３】
図２（Ａ）は、この光モジュールの内部構造を示すための横断面図、図２（Ｂ）は、同じく内部構造を示すための縦断面図であり、何れも後述する光学部品の光軸を含む断面で切った状態を示している。
【００１４】
図２（Ａ）、図２（Ｂ）において、この光モジュールは、金属成形等により形成された筐体２のキャビティ４内に、後述の各種光学部品が収容固定され、筐体２の内部を密閉して、筐体２の一側壁に所謂ピックテイルとなる光ファイバＦＢが接続されることにより、モジュール化された構造となっている。
【００１５】
キャビティ４内の底壁６には、温度制御用ペルチェ素子８が固着され、ペルチェ素子８の上端には、サブマウント８ａを介してフォトダイオード等のモニタ用受光素子ＰＤがベアチップのままの形態で固定されると共に、サブマウント８ｂを介して、端面出射形半導体レーザや同形の発光ダイオード等の発光素子ＬＤがベアチップのままの形態で固定される。更に、発光素子ＬＤの光出射端面は、筐体２の所定の側壁１０に向けられ、受光素子ＰＤの受光端面は、発光素子ＬＤ側に向けられている。また、筐体２に一体形成された複数のリード端子と発光素子ＬＤと受光素子ＰＤ及びペルチェ素子８がボンディングワイヤ等で接続されている。
【００１６】
更に、サブマウント８ａの上端には、発光素子ＬＤの前記光出射端面に対応する円形貫通孔１２を有する第１のスリーブ１４が固定され、貫通孔１２中には、コリメータレンズ１６が嵌め込まれている。第１のスリーブ１４の形状は予め設計段階で決められている。そして、組立工程で、第１のスリーブ１４をサブマウント８ａの所定の上端に固着して、コリメータレンズ１６を取り付けると、コリメータレンズ１６と発光素子ＬＤの光出射端面が近接配置され、且つ光軸合わせが成される。
【００１７】
筐体２の側壁１０には、第１のスリーブ１４の貫通孔１２に対応する貫通孔１８が形成され、貫通孔１８中には、筒状の第２のスリーブ２０が外側から取り付けられている。第２のスリーブ２０には、発光素子ＬＤ及びコリメータレンズ１６の光軸に合わせられた貫通穴２２が予め形成されている。第２のスリーブ２０の先端部分には、貫通穴２２を塞いでキャビティ４の内部を密閉封止するガラス又はサファイア等で形成された透明薄板２４が、ハーメチックシールにて固定されている。貫通穴２２内には、集光レンズ２６が組み付けられている。
【００１８】
なお、側壁１０の貫通孔１８の位置及び形状と第２のスリーブ２０の形状は、予め設計段階で決められており、組立工程で、第２のスリーブ２０を貫通孔１８内に挿入してＹＡＧ溶接等で固着して、透明薄板２４と集光レンズ２６を組み付けることにより、集光レンズ２６と発光素子ＬＤ及びコリメータレンズ１６の光軸合わせが成されるようになっている。また、第２のスリーブ２０は、側壁１０の貫通孔１８中に嵌着される円筒部材と、集光レンズ２６を挿入固定する円筒部材とからなり、これらの円筒部材をＹＡＧ溶接等で連結することにより一体化される構造となっている。
【００１９】
更に、第２のスリーブ２０の貫通穴２２の後端部分には、この貫通穴２２と連通する貫通穴２０ａを有する第３のスリーブ２０ｂがＹＡＧ溶接等で固着され、光ファイバＦＢを挿入固定したフェルール２８の先端部分が、貫通穴２０ａに挿入されている。この第３のスリーブ２０ｂとフェルール２８の形状も予め設計段階で決められており、組立工程においてフェルール２８が貫通穴２０ａ中に挿入されると、光ファイバＦＢの光入射端面ＩＮが前記光軸と一致するように設計されている。
【００２０】
光ファイバＦＢの入射端面ＩＮは、図３に模式的に示すように、コアを中心にした凸曲面、すなわちレンズ形状に加工されており、更にその凸曲面の光軸断面の形状は、一方向（同図中、垂直方向ｓ）にのみ円弧状であって、それと垂直な方向（同図中、水平方向ｐ）は光軸方向ｑに対して直角になっている。
【００２１】
そして、組立工程では、第３のスリーブ２０ｂにフェルール２８を嵌挿し、所謂パワーモニタ法等を用いて、実際に発光素子ＬＤを発光させたときの光ファイバＦＢの入射光束が最大パワーになるように、周方向の回転角度を調整することにより、発光素子ＬＤから出射される出射光の放射角の大きな方向と入射端面の凸曲面の形成方向（垂直方向ｓ）とを一致させる。なお、図３では、便宜上、垂直方向ｓの放射角θsが水平方向ｐの放射角θpより大きな楕円状の出射光に対する、光ファイバＦＢの入射端面ＩＮの周方向の向きを示している。本光モジュールは、第１実施の形態と同様に、近視野パターンが横長の半導体発光素子ＬＤと、前記横方向に沿った光強度分布よりも縦方向の光強度分布を大きく収束させる光入射端面を有する光ファイバＦＢとを備えている。半導体発光素子ＬＤは好ましくは半導体レーザである。近視野パターンが横長の出射光の、遠視野パターンは縦長となる。したがって、光ファイバＦＢは、横方向に沿った光強度分布よりも縦方向の光強度分布を大きく収束させるので、光ファイバへの入射光を高い結合効率でそのコア内に収束させることができる。
【００２２】
次に、かかる構造を有する光モジュールの作動を説明する。発光素子ＬＤの光出射端面から放射角をもって出射される出射光は、コリメータレンズ１６で平行光束となり、透明薄板２４を通って、集光レンズ２６で収束されて光ファイバＦＢの入射端面ＩＮに入射する。そして、楕円状の出射光は光ファイバＦＢの入射端面ＩＮの凸曲面によって円形状に直されて入射するので、結合効率が向上する。
【００２３】
一方、組立工程等において、発光素子ＬＤ、コリメータレンズ１６、集光レンズ２６及び光ファイバＦＢの入射端面ＩＮが位置ずれを生じ、そのずれが出射光の放射角の大きな方向（図３では、垂直方向ｓ）に生じたとすると、この場合にも、出射光はコリメータレンズ１６によって正規の光軸ｑとほぼ平行な平行光束となり、更に集光レンズ２６で収束されて光ファイバＦＢの入射端面ＩＮに入射する。
【００２４】
すなわち、発光素子ＬＤに位置ずれがあったとしても、放射角をもって出射される出射光はコリメータレンズ１６でほぼ平行光束にされため、集光レンズ２６で収束された光束の入射端面ＩＮへの入射位置のずれは、発光素子ＬＤの位置ずれに比べて極めて小さくなる。また、コリメータレンズ１６と集光レンズ２６及び光ファイバＦＢの少なくとも何れか一つに位置ずれが生じたとしても、同じ原理により、集光レンズ２６で収束された光束の入射端面ＩＮへの入射位置のずれは極めて小さくなる。また、光ファイバＦＢの光入射端面ＩＮの位置は、集光レンズ２６の焦点位置からずれている。
【００２５】
したがって、発光素子ＬＤの光出射端面とコリメータレンズ１６等との位置がずれても、放射角をもって出射する出射光をコリメータレンズ１６で略平行光束にすることにより、集光レンズ２６への入射範囲がほぼ一定に保たれ、集光レンズ２６で収束された光束の光ファイバＦＢの入射端面ＩＮへの入射位置の変動も大幅に抑制される。また、出射パターンが楕円状の出射光は、凸曲面に形成された入射端面ＩＮにおいて楕円状から円形状に補正されて入射するため、モード径の不整合が改善され、結合効率が向上する。
【００２６】
このように、この実施の形態の光モジュールは、発光素子ＬＤと光ファイバＦＢ、これらの間に配置されるコリメータレンズ１６及び集光レンズ２６の何れかに位置ずれが生じても、光ファイバＦＢの入力端面ＩＮへの光束の入射位置のずれを大幅に抑制することができる結合構造となっているため、これらの各光部品の組付け精度の大幅緩和と、光結合効率の向上とを同時に実現することができる。
【００２７】
クラッド径が１２５μｍの一般的な光ファイバＦＢと、発光波長が０．９８μｍの発光素子ＬＤを用いた実際の実験結果によれば、端面出射形半導体レーザＬＤの光出射端面、コリメータレンズ１６、集光レンズ２６及び光ファイバＦＢのコア中心が、±１μｍの範囲内でそれぞれ軸ずれを生じたとしても、約７０％以上の光結合効率が得られ、当該結合構造の優位性が実験的にも確認された。
【００２８】
図４は、軸方向（ファイバＦＢ長手方向）のずれ（μｍ）に対する相対結合損失（ｄＢ）の関係を示すグラフである。なお、集光レンズ２６から光ファイバＦＢに向かう方向を正とする。結合損失は基準位置（０μｍ地点）から１２μｍ離れると、約１ｄＢ増加する。集光レンズ２６の焦点位置は、グラフ中において約−２０μｍの位置にある。同図に示すように、±１０μｍ、±５μｍの範囲内で軸ずれが生じた場合においても、相対結合損失はそれぞれ０．８ｄＢ、０．３ｄＢ以下であった。すなわち、集光レンズ２６の焦点位置から２０μｍ±１０μｍ、２０μｍ±５μｍの範囲内で軸ずれが生じた場合においても、相対結合損失はそれぞれ０．８ｄＢ、０．３ｄＢ以下とすることができる。
【００２９】
また、前記結合効率は、コリメータレンズ１６と集光レンズ２６の間隔によっては影響されないため、例えばこれらの間隔を大きくすることにより、自動組立工程の容易化を実現することができる。また、これらのレンズ１６，２６間に様々な光学部品を配設することにより、様々な機能を有する光モジュールを容易に形成することができる等、設計の自由度を大幅に向上させることができる。
【００３０】
更に、放射角度をもった出射光をコリメータレンズ１６で平行光束にするので、光ファイバＦＢの入射端面ＩＮに入射する光束の照射パターンが過度に大きくなることがない。したがって、入射端面ＩＮの凸曲面の曲率半径を小さくしなくても、モード径の不整合を改善することができる。このため、この入射端面ＩＮを先鋭に加工しなくて済み、加工が容易となる。また、入射端面ＩＮが先鋭でないことから、機械強度が高く、他の光学部品と当たってその先端部分が破損する等の事故を防止することができる。なお、前記実験では、入射端面ＩＮの曲率を８〜１５μｍの範囲内の比較的大きな曲率半径に設定しても、約７０％以上の光結合効率が得られた。
【００３１】
更に、前記各光学部品を取り付けてモジュール化するために、ＹＡＧ溶接によって各光学部品やスリーブ１４，２０，２０ｂ及びフェルール２８等の結合部分を固着することとすると、このＹＡＧ溶接の際に各光学部品に僅かな位置ずれを生じる場合があるが、この実施の形態によれば、トレランスが大きいために、ＹＡＧ溶接を用いて量産化を促進することができるという効果も得られる。
【００３２】
なお、この実施の形態では、光ファイバＦＢの入射端面ＩＮを特定の曲率の凸曲面に形成する場合を説明したが、本発明は、かかる形状の入射端面に限定されるものではない。要は、発光素子からの出射光の出射パターンの形状を円形状に直して光ファイバ中に入射させる屈折率分布を有する形状、例えば、非球面レンズ形状や、複数の入射角に設定された多角形の入射面形状にしてもよい。また、前記集光レンズ２６を非球面レンズにして、コリメータレンズ１６により生じる非点収差を改善するようにしてもよい。
【００３３】
また、この実施の形態では、コリメータレンズ１６と集光レンズ２６を備える構造を説明したが、本発明は、コリメータレンズ１６は必要に応じて配設すればよく、発光素子ＬＤから出射される出射光を収束して、光ファイバＦＢの光入射端面ＩＮに入射させる少なくとも一個のレンズを備えればよい。
【００３４】
更に、光ファイバＦＢに代えて図５に示す光ファイバＦＢ’を用いてもよい。図５は、光入射端面ＩＮ近傍の直径が拡大されたコアＣＯＲＥを有する光ファイバＦＢ’を示す。すなわち、光ファイバＦＢ’は、光入射端面ＩＮの中心からその長手方向に沿って直径が小さくなるように延びるコアＣＯＲＥを有しており、この光ファイバＦＢ’を用いると、更に結合効率及びトレランスを向上させることができる。長さＬのコア径拡大領域のモードフィールド径ＭＦＤは、光入射端面ＩＮを通過することによって光軸に垂直な断面形状が円形に補正された入射光がコア径拡大領域Ｌに整合するように調整されている。
【００３５】
この光学系においては、光ファイバＦＢ’のｓ軸方向の軸ずれトレランスΔｙは、レンズ系１６，２６の倍率ｍに略比例する。すなわち、Δｙ≒ｋ×ｍ（ｋは係数）である。
【００３６】
詳説すれば、光ファイバＦＢ’のｐ軸、ｓ軸方向の軸ずれトレランスΔｘ、Δｙは、それぞれ以下の式を満たす。
【００３７】
Δｘ＝０．５×（ｌｎ１０／１０）0.5×ＭＦＤ
Δｙ＝０．５×（ｌｎ１０／１０）0.5×ＭＦＤ
×（１／｛（πＭＦＤ2／４λ）2×（（ｎ−１）／Ｒ）2＋１｝0.5）
但し、Ｒは、光入射端面ＩＮの曲率半径の最小値、すなわち、光ファイバＦＢ’の縦断面内における光入射端面ＩＮの曲率半径であり、ｎはコアＣＯＲＥの屈折率、λは光の波長である。
【００３８】
トレランスΔｙを増加させるためには、倍率ｍを増加させればよい。しかしながら、倍率ｍを増加させると、上記光の整合をとるためにモードフィールド径ＭＦＤは増加させる必要がある。すなわち、ｍ＝ｊ×ＭＦＤ（ｊは係数）である。光ファイバＦＢ’のコア径を拡大することによって、モードフィールド径ＭＦＤを増加させることができるので、トレランスΔｙを増加させることができる。
【００３９】
なお、光軸に対して回転対称な２つのレンズ系１６，２６の倍率ｍは、ｍ＝Ｆ２／Ｆ１×Ｇ（Ｆ１）で与えられる。但し、Ｆ１は、コリメータレンズ１６の焦点距離、Ｆ２は集光レンズ２６の焦点距離、Ｇ（Ｆ１）はＦ１の関数である。したがって、コリメータレンズ１６の焦点距離Ｆ１を短くするか、又は集光レンズ２６の焦点距離Ｆ２を長くすることにより、倍率ｍを増加させることができる。また、レンズ系が集光レンズ２６のみで構成されている場合には、レーザＬＤをレンズ２６に近づけることにより、倍率ｍを増加させることができる。換言すれば、関数Ｇ（Ｆ１）は、Ｆ２に依存しないので、Ｆ２を増加させることにより、倍率ｍを増加させることができるので、モードフィールド径ＭＦＤを増加させることができ、したがって、トレランスΔｘ、Δｙを増加させることができる。
【００４０】
また、結合損失は、モードフィールド径ＭＦＤと曲率半径Ｒとの関係に依存し、曲率半径Ｒが光入射端面ＩＮ上のモードフィールド径ＭＦＤの０．５倍乃至２倍でない場合は、結合損失は著しく増加する。したがって、曲率半径Ｒは光入射端面ＩＮ上のモードフィールド径ＭＦＤの０．５倍乃至２倍であることが好ましい。
【００４１】
焦点距離Ｆ１を０．７４ｍｍ、焦点距離Ｆ２を２．５ｍｍ、曲率半径Ｒを１７μｍ、光入射端面ＩＮ上のモードフィールド径ＭＦＤ，コア径ＣＤを２０μｍ，１４μｍ、コア非拡大部のコア径を７μｍ、比屈折率差を０．３％にした場合のトレランスΔｙは１．１μｍであり、結合損失は少なくとも１ｄＢ以下である。このトレランスΔｙから予想される組立損失は０．８ｄＢである。また、コア径ＣＤが７μｍよりも大きい場合は、コア径ＣＤの方がモードフィールド径ＭＦＤよりも大きく、コア径ＣＤが７μｍよりも小さい場合は、コア径ＣＤの方がモードフィールド径ＭＦＤよりも小さいので、コア径ＣＤを適宜調整することにより、所望のモードフィールド径ＭＦＤを得ることができる。
【００４２】
次に、コア径拡大領域Ｌの製造方法について説明する。まず、図６に示すような直径７μｍのシングルモード光ファイバＳＭＦを用意する。次に、図７に示すように、光ファイバＳＭＦの端面から５ｍｍ以下の領域を加熱し、コアＣＯＲＥ内のドーパントをクラッドＣＬＡＤ内に拡散させ、端面ＩＮ内のコア径ＣＤが１０乃至１５μｍにされた光ファイバＦＢ’の中間体を製造する。更に、図５に示した形状になるように、端面ＩＮを研磨し、光ファイバＦＢ’が完成する。
【００４３】
以上、説明したように、上記光モジュールは、発光素子の光出射端面に対向して配置されて前記光出射端面より出射される出射光を収束する集光レンズと、前記出射光の出射パターンの形状を円形に補正するレンズ形状に加工された入射端面を有して前記集光レンズで収束された光束を前記入射端面にて入射する光ファイバとを備える。
【００４４】
また、前記発光素子の光出射端面と前記集光レンズとの間に、前記発光素子からの出射光を平行光束にして前記集光レンズへ出射するコリメータレンズを備える構造とした。
【００４５】
発光素子から出射される出射光が、集光レンズで収束されて光ファイバの入射端面に入射する。発光素子の光出射端面と光ファイバの入射端面との間に位置ずれが生じても、集光レンズで出射光を収束して光ファイバの入射端面へ入射させることにより、前記位置ずれを緩和、抑制して、光ファイバの入射端面に入射させる。また、出射パターンが楕円状の出射光は、入射端面において楕円状から円形状に補正されて入射するため、モード径の不整合が改善され、結合効率を向上させる。
【００４６】
また、前記発光素子の光出射端面と前記集光レンズとの間に、前記コリメータレンズを備えると、発光素子から放射角をもって出射される出射光が、コリメータレンズで平行光束にされて集光レンズに入射するため、集光レンズで収束された光束の光ファイバ入射端面への入射位置が均一化される。つまり、集光レンズからの光束が光ファイバの入射端面に入射する位置は、発光素子と光ファイバの入射端面との位置ずれの影響を更に受けなくなり、結合効率が向上する。
【００４７】
また、コア拡大領域Ｌを形成することとすると、コア径の異なる種類の光ファイバであっても、そのモードフイールド径ＭＦＤは、上記コア拡大工程によって調整することができるため、異なる光ファイバ毎の結合効率を等しくすることができる。また、コアを拡大することで、凸曲面ＩＮの曲率半径を大きくすることができ、したがって、凸曲面ＩＮの加工が容易となり、更に、その機械的強度を向上させることができる。
【００４８】
【発明の効果】
本光モジュールの光ファイバは、横方向に沿った光強度分布よりも縦方向の光強度分布を大きく収束させるので、光ファイバへの入射光を高い結合効率でそのコア内に収束させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施の形態の光モジュールの構造を模式的に示す説明図。
【図２】第２実施の形態の光モジュールの（Ａ）横断面図及び（Ｂ）縦断面図。
【図３】図２に示す要部構造を模式的に示す説明図。
【図４】軸方向（ファイバＦＢ長手方向）のずれ（μｍ）に対する相対結合損失（ｄＢ）の関係を示すグラフ。
【図５】コア径が拡大された光ファイバＦＢ’の斜視図。
【図６】シングルモード光ファイバＦＢの斜視図。
【図７】光ファイバＦＢ’中間体の斜視図。
【符号の説明】
ＬＤ…半導体発光素子、ＩＮ…光入射端面、ＦＢ…光ファイバ。
Claims (6)
- 近視野パターンが横長の半導体発光素子と、前記半導体発光素子に対向し、前記横方向に沿った光強度分布よりも縦方向の光強度分布を大きく収束させる光入射端面を有する光ファイバと、前記半導体発光素子の光出射端面と前記光ファイバの前記光入射端面との間に配置された集光レンズとを備え、
前記光ファイバの入射端面で楕円状の光束を円形状に補正して入射することにより、モード径の不整合が改善されるとともに、
前記集光レンズの焦点位置からずれた位置に結合損失が最小となる前記光ファイバの入射端面の基準位置を有し、前記光ファイバの入射端面が前記基準位置近傍に位置するように、前記集光レンズの焦点位置から所定距離ずらして配置されていることを特徴とする光モジュール。 - 前記光ファイバはシリンドリカルレンズ付き光ファイバであることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
- 前記光ファイバの前記光入射端面は、その曲率中心を規定する軸の回りに湾曲した曲面を有し、前記軸は前記横方向に平行であって前記光ファイバのコアと交差しており、横方向に沿った光強度分布よりも縦方向の光強度分布を大きく収束させることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
- 前記光ファイバの前記光入射端面は、その曲率中心を規定する軸の回りに湾曲した曲面を有しており、前記光ファイバは、前記軸が前記半導体発光素子からの光の最大放射角を規定する平面に垂直となるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
- 前記光ファイバの前記光入射端面近傍のコア径が拡大されていることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
- 前記半導体発光素子の前記光出射端面と前記集光レンズとの間に配置されたコリメータレンズを更に備えることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
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