JP4047856B2 - 光波長検出装置の製造方法とその光波長検出装置、および波長安定化光源 - Google Patents

Description

本発明は、波長多重伝送に適用可能な波長安定化光源と、この波長安定化光源に備わる半導体レーザの出力光波長を計測する光波長検出装置と、この光波長検出装置の製造方法に関する。

中点保持型の水晶エタロンを用いた波長安定化装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。中点保持型の水晶エタロンは光変調効率が高く、波長の設定作業の作業性も良好な光波長検出装置を実現できる。このタイプの装置において、エタロンは金属線を取り付けられ、この金属線を支柱で支えることによりエタロンが中点で保持される。

ところで、発明者らがこのタイプの光波長検出装置を試作したところ、エタロンに金属線を取り付ける作業の再現性が良好でないことが判明した。金属線は半田または銀ペーストによりエタロンに取り付けられるが、銀ペーストは接着強度が弱く作業途中で破損することが多い。半田付けの場合には半田の量を微妙に加減する必要がある。半田の量が少ないと強度が弱くなる。半田が多すぎると半田中にエタロンの金電極が溶解し、接着強度が却って低下することもある。
また金属線が無事に付いたとしても、エタロンの光変調効率のバラツキが多いという不具合が見つかった。さらに、試作した光波長検出装置を試験したところ、設定した波長からのずれが時間の経過とともに大きくなるという不具合も見つかった。
特開２００４−１４０２３２号公報

このように既存の波長計測装置においては、エタロンに金属線を取り付けることの作業性と再現性が悪く、エタロンの光変調効率のバラツキも大きい。また、設定した波長からのずれが時間の経過とともに変化し、波長の設定精度が著しく低下することもわかった。さらに、鉛を含む半田を用いて金属線を接続することは環境を汚染する可能性もある。
本発明は上記事情によりなされたもので、その目的は、製作の作業性と再現性を向上させることの可能な光波長検出装置の製造方法とその光波長検出装置、および波長安定化光源を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明の一態様によれば、水晶バルクに互いに対向する一対の反射膜層を形成してなる水晶エタロンの光透過特性を用いてレーザ光の波長を検出する光波長検出装置の製造方法であって、前記水晶エタロンに一対の電極層を形成する電極層形成工程と、前記水晶エタロンの中央部を挟持するように軸支する一対の導電性線材を、前記一対の電極層にそれぞれ超音波溶接により接続する接続工程と、前記レーザ光が前記一対の反射膜層を介して前記水晶エタロンの中央部を透過するように前記一対の導電性線材を支持する支持手段に、前記一対の導電性線材を固定する固定工程とを具備することを特徴とする光波長検出装置の製造方法が提供される。

このような手段を講じることにより、導電性線材は超音波溶接により水晶エタロンに接続される。これにより銀ペーストや半田を用いることなく、作業性を向上させることが可能になる。さらに本発明においては、水晶エタロンを支軸回りに回動させてレーザ光の光軸に対するあおり角を調整し、そののち一対の導電性線材をその融点の６０％以上の温度に加熱するようにしている。これにより導電性線材の内部応力が開放され、設定した波長からのずれを防止することが可能になる。

以下に詳しく説明する。発明者らは背景技術における不具合の原因を調査した。その結果、半田の量が多過ぎると半田が機械振動を吸収するので光変調効率が低下する。また、半田付けに用いられるフラックスがエタロンに付着すると、光学特性に悪影響が及ぶのは勿論、フラックスが機械振動を吸収するために光変調効率がさらに低下することが判った。

よって半田付けを行う場合には洗浄によりフラックスを完全に除去する必要がある。銀ペーストを用いればフラックス洗浄が不要であるが、水晶エタロンの機械振動が過大に吸収され著しく減衰する。また金属線がエタロンの中点からずれた位置に取り付けられてしまうと機械損失がさらに増大し、変調効率はますます低下する。これらのことを解決するためには、半田や銀ペーストを用いないことが有効であり、本発明では超音波溶接によりこれを実現するようにしている。

さらに発明者らは、設定波長の変動についても原因を調査した。その結果、設定波長の変化の原因は水晶エタロンを支持する金属線の応力開放であることが解明された。すなわち波長計測装置においては水晶エタロンが金属線を介して支柱に固定されており、波長は水晶エタロンのあおり角を調整することにより所望値に設定される。この調整工程において金属線の内部に応力が残り、この応力が開放されるには一定の期間を要する。応力開放の過程において金属線が変形するために水晶エタロンの傾き角（あおり角）が変わり、これが原因で波長特性が変動することが判明した。

このことは、波長設定作業が完了した時点で金属線の内部に応力が残らないようにすれば解決される。金属線の内部に応力を残さないためには非接触の熱処理による応力開放が有効である。そこで本発明では、例えば誘導加熱などの手法により金属線を加熱するようにしている。これにより長期間の波長安定性を確保することができる。

本発明によれば、製作の作業性と再現性を向上させることの可能な光波長検出装置の製造方法とその光波長検出装置、および波長安定化光源を提供することができる。

図１は本発明に係わる波長安定化光源の実施の形態を示す斜視図である。図１（ａ）において、符号１１は半導体レーザ（ＬＤ）である。この半導体レーザ１１は、レーザ駆動装置１２からの注入電流によって発振し、前方、後方に向けて所定波長の信号光が出射される。この半導体レーザ１１の前方から出射される信号光は図示しない光学系によって光ファイバ伝送路１３に入射され、後方から出射される信号はこの実施形態の光波長検出装置１４に入射される。
光波長検出装置１４において、半導体レーザ１１からの信号光（以下、レーザ光）は、光軸上に配置されるコリメータ１４１により平行光に変換され、水晶エタロン１４２の中央部を透過して、光検出器（ＰＤ）１４３で電気信号に変換される。

水晶エタロン１４２は、水晶バルクを直方体形状に削り出し、一対のＺカット面（光軸に垂直な面）に光反射膜層Ａ１，Ａ２を形成し、一対のＸカット面（光軸に平行な面）に電極層Ｂ１，Ｂ２を形成したものである。電極層Ｂ１，Ｂ２はディザ信号を生成する発振器１４４に接続される。これによって、水晶エタロン１４２の電極層Ｂ１，Ｂ２間にディザ信号が印加され、共振周波数で振動する。水晶エタロン１４２に入射されたレーザ光は、当該エタロン１４２の共振振動により光変調を受けて透過される。

光検出器１４３は、水晶エタロン１４２で光変調されたレーザ光を受光して、その光強度変化に対応した電気信号を発生するもので、この電気信号（以下、光検出信号）は発振器１４４から出力されるディザ信号と共に同期検波器１４５に供給される。この同期検波器１４５は、光検出信号とディザ信号との同期検波を行い、その誤差信号８を生成する。この誤差信号８は半導体レーザ１１の波長制御器１４６に供給される。

この波長制御器１４６は誤差信号８に基づいて、半導体レーザ１１を駆動している注入電流を制御する、もしくはペルチェ素子等によって温度を制御することにより、半導体レーザ１１の光の波長が上記水晶エタロン１４２の光透過率の極値に安定化する。或いは波長可変レーザのように波長制御電極を有するものであれば、波長制御電極を制御すればよい。

上記構成において水晶エタロン１４２は、ベース１４７に直接固定されるのではなく、Ｘカット面中央部において軸支される。具体的には、水晶エタロン１４２のＸカット面電極層上それぞれの中央部に導電性かつ塑性を有する線材１４８，１４９の一端部を接合し、当該線材１４８，１４９をＸカット面から垂直方向に突出させる。そして、水晶エタロン１４２がベース１４７から離れ、かつ水晶エタロン１４２の中央部分にレーザ光の光軸が位置するように、線材１４８，１４９をベース１４７上に設けられる一対の支柱１４ａ，１４ｂに固定する。線材１４８，１４９の他端部は発振器１４４に接続し、発振器１４４で発生されるディザ信号が線材１４８，１４９を介して水晶エタロン１４２の電極層に印加されるようにする。上記構成においては線材１４８，１４９を、Ｘカット面電極層のそれぞれに超音波溶接によって接合するようにする。

図１（ｂ）は、この実施形態に用いられる超音波溶接を実現する手法を示す模式図である。図１（ｂ）において、水晶エタロン１４２の電極層Ｂ１に線材１４８が載置される。さらに、ウェッジ２０により線材１４８を電極層Ｂ１に押さえつける。次に、発振器２１とトランスデューサ２２により超音波を発生させると、この超音波振動はウェッジ２０に伝わる。ウェッジ２０は発熱体１９により加熱され、超音波振動が加わることにより線材１４８が融着し、電極層Ｂ１に取り付けられる。発熱体１９は、例えばニクロム線のような電気抵抗の高い線材をウェッジ２０に巻きつけ、電源１８を接続して電流を流すことにより実現される。

加熱温度や超音波の強さは、水晶エタロン１４２や線材１４８，１４９の太さ、材料、さらにはウェッジ２０の形状、材料などに依存する。これらの要素を考慮して最適な条件を予め条件出ししておくと良い。さらに、ウェッジ２０だけでなく水晶エタロン１４２も例えば１００度以上に加熱しておくと溶接強度を向上させることができる。このような超音波溶接の実施にあたり、太い金属線を取り付けるためのワイヤボンダーを流用することも可能である。

線材１４８，１４９は、亜鉛、錫、アルミニウム、金あるいはこれらの金属を主体とする合金であれば、超音波溶接に適する。ただし金は高価であり、コストがかかる。また、アルミニウムは半田付けが困難なため、線材１４８，１４９を支柱１４ａ，１４ｂに取り付けるのにも溶接が必要になる。

一方、亜鉛や錫は安価であり、コストの削減に有利である。また融点が低いので、内部応力の除去（後述する）も容易である。亜鉛や錫を主体とする合金としては鉛フリーの半田が知られており、このような金属も有効に利用できる。この実施形態では鉛を含む半田が不要であるため、環境汚染の心配も無く、地球環境にも優れた技術である。さらにフラックスが不要になるので、線材１４８，１４９をエタロンに取り付けた後にフラックスの洗浄作業も必要としないなどの効果がある。

図２は、図１の波長安定化光源における光波長検出装置１４を示す図である。この実施形態の波長安定化光源の出力光波長を所望の特性に合わせるには、図２に示すように水晶エタロン１４２のあおり角を調整する。このためこの実施形態では、次の図３に示すような手法を用いる。

図３は、光波長検出装置１４における水晶エタロン１４２のあおり角の調整、および線材１４８，１４９の加熱の手法を示す模式図である。図３において、符号２３はコイルであり、線材１４８，１４９より細い銅線を複数本束にしたリッツ線をコイル状に巻いたものである。その巻き線の内側に突起部２４，２５が形成される。

図３において水晶エタロン１４２のあおり角を調整するには、突起部２４，２５により水晶エタロン１４２を矢印ｐの方向、または矢印ｑの方向に押すようにする。もちろん、矢印ｐの方向に押しすぎたときは矢印ｑの方向に押して戻すようにする。線材１４８，１４９は可塑性を持つので、あおり角の調整後はその状態を長期にわたり保つことができる。

このようにして波長の調整を完了したとしても、線材１４８，１４９の内部に応力が残る。そこでこの実施形態では、コイル２３を用いた誘導加熱により線材１４８，１４９を加熱し、内部応力を開放するようにする。コイル２３に高周波電流を流すことにより高周波磁界が生成され、この高周波磁界を線材１４８，１４９に作用させることにより線材１４８，１４９に渦電流が流れる。この渦電流により線材１４８，１４９が誘導加熱される。なお突起部２４，２５はそれ自体が発熱しないようにするために絶縁体とすることが望ましい。

通常、線材１４８，１４９はそれほど太くないため、加える高周波の周波数は１００ｋＨｚ以上の高い周波数が適する。このような高い周波数においてもコイルの抵抗成分を小さくするためにはリッツ線が適する。通常のリッツ線は細いエナメル線を束ねたものであるが、要素となるエナメル線の銅線部分の太さは線材１４８，１４９よりも細くなければならない。線材１４８，１４９よりも銅線が太い場合には銅線自体が線材１４８，１４９よりも加熱されることになるからである。よって線材１４８，１４９を効率良く加熱するには、エナメル線の銅線は線材１４８，１４９より細いもの、可能なら半分以下の直径のものが望ましい。
水晶エタロン１４２のあおり角の調整作業と同時にコイル２３に高周波電流を流すようにすれば、あおり角の調整を完了した時点では線材１４８，１４９の内部応力も除去された状態となる。従って作業性を大幅に向上させることができる。

線材１４８，１４９として亜鉛を用いた場合、その融点は６９３Ｋ（４２０°Ｃ）であるから、内部応力を取り除くには４１６Ｋ（１４２°Ｃ）以上に加熱する必要がある。錫を用いる場合にはその融点が５０５Ｋ（２３２°Ｃ）であるから、３０３Ｋ（３０°Ｃ）以上に加熱すればよい。亜鉛や錫を主体とする鉛フリー半田の融点も４７３Ｋ（２００°Ｃ）前後であるから、２８４Ｋ（１１°Ｃ）前後の温度となる。このように、線材１４８，１４９の絶対温度での融点の６０％以上の温度に加熱することで、線材１４８，１４９の内部応力をほぼ完全に除去することができる。このようにすることで、水晶エタロン１４２のあおり角を所望値に保ったまま、線材１４８，１４９の内部応力を開放することができる。

波長検出装置１４の内部では、光ファイバを含む光学部品が接着剤で固定されているので、１５０°Ｃ以上の高温を与えることは好ましくない。線材１４８，１４９の融点が７００Ｋ（４２７°Ｃ）である場合には加熱温度は４２０Ｋ（１４７°Ｃ）となる。この程度の温度であれば、高温用接着剤や鉛フリー半田で組み立てられた波長検出装置は十分に耐えられる。なお内部応力を短時間で除去するには、線材１４８，１４９の融点の７０％以上に加熱すると良い。この場合、波長検出装置全体が加熱されないように配慮する必要がある。

このほか、赤外光領域から可視光領域の光を照射することによっても線材１４８，１４９を非接触で加熱することが可能である。光源には赤外ランプ、ハロゲンランプ、あるいはレーザなどを用いることができる。この手法によっても、線材１４８，１４９の融点を絶対温度で表した値の６０％以上に加熱することで内部応力を速やかに除去できる。さらに温度を上げるには、波長検出装置全体が加熱されないように光ビームを絞ると良い。

なお誘導加熱には導体のみを加熱することができるというメリットがあり、光照射による加熱以上に局所的な加熱がなされる。よって光照射より高い温度で加熱しても波長検出装置の他の部材の温度を上昇させずに済むので、瞬間的に内部応力を除去することが可能である。さらに誘導加熱では線材１４８，１４９の内部に渦電流が流れ、この渦電流がコイルの磁界と作用することで線材１４８，１４９に機械的振動を与えることができる。この機械的振動により、内部応力をさらに効果的に除去することができる。

このように本実施形態では、水晶エタロン１４２を中点保持するための線材１４８，１４９を、超音波溶接により水晶エタロン１４２に取り付けるようにしている。超音波溶接に適する素材は亜鉛や錫などであるので、線材１４８，１４９も亜鉛や錫を主体とする素材で形成する。これにより銀ペーストや鉛半田などを用いる既存の装置に比べ、エタロン製作の作業性と再現性を向上することが可能になる。また環境問題の心配が無い材料を用いているので、環境の保全も確保される。さらにこの実施形態では、エタロン１４２のあおり角の調整ののち誘導加熱により線材１４８，１４９を熱する。これにより線材１４８，１４９の内部応力を除去することができ、波長特性を長期間にわたり安定化させることが可能になる。

さらにこの実施形態では、線材１４８，１４９を誘導加熱するためのコイル２３に突起部２４，２５を形成し、この突起部２４，２５を押し当てることにより水晶エタロン１４２のあおり角を調整できるようにしている。またこの構成によれば、あおり角の調整と誘導加熱とを同時に行うことができる。これらのことから、製作の作業性と再現性を向上させるとともに、波長の安定性を改善して時間の経過によらず高い波長精度を維持可能な光波長検出装置の製造方法とその光波長検出装置、および波長安定化光源を提供することが可能となる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。例えば線材１４８，１４９を誘導加熱するにあたり、その温度が比較的低い場合には、コイル２３そのものを水晶エタロン１４２に押し当てるようにしても良い。この場合には突起部２４，２５は不要である。

さらに本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。

本発明に係わる波長安定化光源の実施の形態を示す斜視図。 図１の波長安定化光源における光波長検出装置１４を示す図。 本発明に関わる光波長検出装置１４における水晶エタロン１４２あおり角の調整、および線材１４８，１４９の加熱の手法を示す模式図。

符号の説明

１１…半導体レーザ（ＬＤ）、１２…レーザ駆動装置、１３…光ファイバ伝送路、１４…光波長検出装置、１４１…コリメータ、１４２…水晶エタロン、１４３…光検出器（ＰＤ）、Ａ１，Ａ２…光反射膜層、Ｂ１，Ｂ２…電極層、１４４…発振器、１４５…同期検波器、１４６…波長制御器、８…誤差信号、１４７…ベース、１４８，１４９…線材、１４ａ，１４ｂ…支柱、１８…電源、１９…発熱体、２０…ウェッジ、２１…発振器、２２…トランスデューサ

Claims (14)

1. 水晶バルクに互いに対向する一対の反射膜層を形成してなる水晶エタロンの光透過特性を用いてレーザ光の波長を検出する光波長検出装置の製造方法であって、
   前記水晶エタロンに一対の電極層を形成する電極層形成工程と、
   前記水晶エタロンの中央部を挟持するように軸支する一対の導電性線材を、前記一対の電極層にそれぞれ超音波溶接により接続する接続工程と、
   前記レーザ光が前記一対の反射膜層を介して前記水晶エタロンの中央部を透過するように前記一対の導電性線材を支持する支持手段に、前記一対の導電性線材を固定する固定工程とを具備することを特徴とする光波長検出装置の製造方法。
2. 前記一対の導電性線材は塑性を有し、
   さらに、前記水晶エタロンを支軸回りに回動させて前記レーザ光の光軸に対するあおり角を調整する調整工程と、
   前記一対の導電性線材をその融点の６０％以上の温度に加熱する加熱工程とを具備することを特徴とする請求項１に記載の光波長検出装置の製造方法。
3. 前記加熱工程は、赤外光領域から可視光領域に含まれる光を前記一対の導電性線材に照射する工程であることを特徴とする請求項２に記載の光波長検出装置の製造方法。
4. 前記加熱工程は、前記一対の導電性線材を高周波磁界により誘導加熱する工程であることを特徴とする請求項２に記載の光波長検出装置の製造方法。
5. 前記高周波磁界を誘導コイルにより発生させ、
   前記調整工程は、前記誘導コイルを前記水晶エタロンに接触させてこの水晶エタロンを前記支軸回りに回動させる工程であることを特徴とする請求項４に記載の光波長検出装置の製造方法。
6. 前記誘導コイルに突起部を設け、
   前記調整工程は、前記突起部を介して前記誘導コイルを前記水晶エタロンに接触させる工程であることを特徴とする請求項５に記載の光波長検出装置の製造方法。
7. 水晶バルクに互いに対向する一対の反射膜層を形成してなる水晶エタロンの光透過特性を用いて、半導体レーザから放射されるレーザ光の波長を検出する光波長検出装置において、
   前記水晶エタロンを振動させるためのディザ信号を生成するディザ信号生成手段と、
   前記水晶エタロンに形成される一対の電極層にそれぞれ超音波溶接により接続され、前記水晶エタロンの中央部を挟持するように軸支し、かつ前記ディザ信号を前記水晶エタロンの軸支部分に印加する一対の導電性線材と、
   前記一対の導電性線材が固定され、前記レーザ光が前記一対の反射膜層を介して前記水晶エタロンの中央部を透過するように前記一対の導電性線材を支持する支持手段と、
   前記水晶エタロンを透過したレーザ光を受光して電気信号に変換する光検出器と、
   この光検出器からの電気信号を前記ディザ信号によって同期検波して誤差信号を生成する誤差信号生成手段と、
   前記誤差信号に基づいて前記半導体レーザの駆動状態を制御する制御手段とを具備することを特徴とする光波長検出装置。
8. 前記一対の導電性線材は鉛を含まない金属であることを特徴とする請求項７に記載の光波長検出装置。
9. 前記一対の導電性線材は亜鉛および錫のいずれかを主体とする金属であることを特徴とする請求項７に記載の光波長検出装置。
10. 前記一対の導電性線材は塑性を有し、前記水晶エタロンを支軸回りに回動させて前記レーザ光の光軸に対するあおり角を調整したのちに融点の６０％以上の温度に加熱されることを特徴とする請求項７に記載の光波長検出装置。
11. 半導体レーザと、この半導体レーザから放射されるレーザ光の波長を検出する光波長検出装置とを具備する波長安定化光源において、
    前記光波長検出装置は、
    水晶バルクに互いに対向する一対の反射膜層を形成してなる水晶エタロンと、
    前記水晶エタロンを振動させるためのディザ信号を生成するディザ信号生成手段と、
    前記水晶エタロンに形成される一対の電極層にそれぞれ超音波溶接により接続され、前記水晶エタロンの中央部を挟持するように軸支し、かつ前記ディザ信号を前記水晶エタロンの軸支部分に印加する一対の導電性線材と、
    前記一対の導電性線材が固定され、前記レーザ光が前記一対の反射膜層を介して前記水晶エタロンの中央部を透過するように前記一対の導電性線材を支持する支持手段と、
    前記水晶エタロンを透過したレーザ光を受光して電気信号に変換する光検出器と、
    この光検出器からの電気信号を前記ディザ信号によって同期検波して誤差信号を生成する誤差信号生成手段と、
    前記誤差信号に基づいて前記半導体レーザの駆動状態を制御して前記レーザ光の波長を安定化させる制御手段とを備えることを特徴とする波長安定化光源。
12. 前記一対の導電性線材は鉛を含まない金属であることを特徴とする請求項１１に記載の波長安定化光源。
13. 前記一対の導電性線材は亜鉛および錫のいずれかを主体とする金属であることを特徴とする請求項１１に記載の波長安定化光源。
14. 前記一対の導電性線材は塑性を有し、前記水晶エタロンを支軸回りに回動させて前記レーザ光の光軸に対するあおり角を調整したのちに融点の６０％以上の温度に加熱されることを特徴とする請求項１１に記載の波長安定化光源。

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