JP4064358B2 - 光学素子の能動的整合用装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、高光結合効率を達成するために光学素子を結合するに先立って、光ファイバー及び光電素子のような別々の光学素子の光軸の能動手的整合用装置及び方法に関する。本発明は幅広く適用することができるが、本発明を実行する１つの実例は、自動組立機による単一モードピグテールレーザーダイオードの製造である。

光電又はフォトニック素子の組立自動化は、これらの製品の製造コストを減じる重要な方法である。こうした製造プロセスでは、光電素子（例えば、発光素子、光検出器あるいは光導波路）の光軸は、光ファイバーの光軸と整合されかつ整合された部分は次いで機械的に結合される。光結合効率が低い場合、光学エネルギーの高損失、短い伝送距離及び低ＳＮ比のような問題が生じ得る。

かくして、高精度整合技術が製品の高性能を保証するためにこれらの製品の組立に用いられる。能動的且つ受動的整合技術の両方は、高結合効率の要求に向けて開発されてきた。これらの技術の各々と関連する利点及び欠点がある。概して、能動的整合技術はより速いが、結局、これらの技術を使用して達成される精度は１ミクロンより小さくすることはできない。さらに、能動的整合を行うためにサブマウントを作るための初期コストは高い。これに比べて、現在の運動制御技術では、能動的整合技術はサブミクロン精度を達成することができる。また、受動的整合サブマウントは必要でない。残念ながら、大抵の能動的整合技術は非常に時間が掛かり、かつ従って製造には非常に高価でもある。

単一モードピグテールレーザーダイオード素子は、多量に生産される最も一般的な光学素子である。これらの素子を製造するプロセスは上述したような整合及び結合方法を含む。この素子の単純構造にも拘わらず、その製造コストは、合理的な高結合出力を備えた製品を得るために、単一モードファイバをレーザーダイオード源と能動的に整合させるために長い組立プロセス時間を招き得るという事実により極めて高い。実は、生産ラインのこの能動的整合を行うために、幾つかの製造業者は、未だに手動又は半自動システムに頼っている。製品のこの種の製造コストを減じるために、短い組立プロセスサイクル及び高処理生産量を具備する完全自動化システムが必要である。

種々の技術が、能動的整合プロセスを促進し、かつレーザーダイオード源からの単一モード光ファイバーまで高結合効率を得るために要する時間を減じるために開発されている。「光学素子で光学的にファイバーを整合させる方法及び装置」と題する従来技術文献では、組立中の光発光素子に及び該光発光素子から変調された信号の高周波閉ループ光学フィードバックを具備する位置決めシステムを利用する。この従来技術文献に記載された技術は、システム構成のための電子設計及び動作制御に幾つかの複雑さを与える（例えば、特許文献１参照）。
米国特許第６，３２５，５５１号明細書

別の従来技術文献は、微細整合捜索に導く前に、いわゆる「ダークサーチ(dark search)」又は「ラフサーチ（rough search）」を行うＩｎＧａＡｓ検出要素を使用する赤外線位置検出装置（ＰＳＤ）を記載している。このプロセスは、２つの捜索を分割することにより全体的な整合プロセス時間を減じることを目的とする。しかしながら、プロセス時間の多くは、微細整合プロセスに未だ費やされる。この特許文献に記載されたような技術の実施は容易ではない。何故なら、この装置と共に使用される高解像度ＩｎＧａＡｓ赤外線２次元ＰＳＤは非常に高価であり、商用上、容易に入手できないからである（例えば、特許文献２参照）。
米国特許第５，６６６，４５０号明細書

本発明は光学素子との結合にも適しているが、組立自動化及びこれらのファイバーピグテール素子の整合プロセス時間の減少を目的として特に開発されてきた。

本発明の目的は、光学素子と光学ファイバーの間のような異なる光学素子間の光伝送を結合する改善された装置及び方法を提供することである。本発明の別の目的は、整合プロセスを行うに要する時間を減じるために異なる素子を整合する間に異なる光学解像度を使用することである。

本発明の第１態様によれば、本発明は、光発光素子及び光受光素子から成る別々の光学素子の能動的整合及び結合用装置であって：最高強度位置の近似位置を捜索する光発光素子の租整合を行うように構成される比較的低光学解像度ステージを具備する第１整合手段；及び最高強度の前記位置のより正確な位置を捜索する光発光素子の微細整合を行なうように構成される比較的高光学解像度ステージを具備する第２整合手段；を備える。

本発明の第２態様によれば、本発明は、光発光素子及び光受光素子から成る別々の光学素子の能動的整合及び結合のための方法であって：最高強度位置の近似位置を捜索するために比較的低光学解像度ステージを具備する光発光素子から構成される粗整合を行う段階；及び、最高強度の前記位置のより正確な位置を捜索するために比較的高光学解像度ステージを具備する光発光素子から構成される微細整合を行う段階；を備える方法を提供する。

本発明の一実施形態を図示する添付図面を参照して以下により詳細に本発明を好適に記述する。図面及び関連する記述の特殊性は、特許請求の範囲によって規定されるような本発明を広く認識する一般性に取って代わるとして理解すべきではない。

図１は、本発明の好ましい実施形態による異なる光学解像力を有する整合ステージを含む、自動整合及び結合装置のレイアウトを図示する線図的側面図である。装置は、光発光素子及び光受光素子から成る別々の光学素子を結合すべく、異なる光学解像力を使用して、整合を行なう。通常、赤外線レーザーダイオード（ＬＤ）源３のような光電素子の光学出力は、光受光ファイバー（例えば、単一モードファイバー（ＳＭＦ）１５）に結合される。一般的に、装置は、（ｉ）このステージのレーザーダイオード源３の最高光強度（すなわち「ホットスポット」）点の概略位置の租整合捜索のための比較的低光学解像度ステージ１を具備する第１整合ステージ、及び（ｉｉ）レーザーダイオード源３の最高光強度点の微細動的整合のための比較的高光学解像度ステージ２を具備する第２整合ステージ、を含む。

底部ステンレス鋼整合スリーブ２９（図２参照）に溶接される、レーザーダイオード源３は、ロボットアーム（図示せず）による搬送機構上に取り付けられるべき素子担持体４から運ばれる。搬送機構は、素子ホルダー１０によって保持されかつ精密Ｘ−Ｙ並進ステージ上に取り付けられる整合ワークチャック５の形態とし得る。レーザーダイオード源３を保持するワークチャック５は、Ｚ軸の整合も要する場合に素子を上下動し得る。ワークチャック５は、素子ホルダー１０によって堅固に保持される。精密Ｘ−Ｙ並進ステージ８はＸ軸及びＹ軸に運動することができ、かつワークチャック５を租整合ステージ１から微細整合ステージ２まで搬送することができる。Ｘ−Ｙ並進ステージ８は振動絶縁台９に取り付けられる。

図２は、好ましい実施形態による、低光学解像力を有する整合ステージを図示する線図的側面図である。この図は、レーザースポットの粗整合捜索用低光学解像力ステージ１での設定を図示する。レーザーダイオード源３は、ワークチャック５のソケット２８に差し込まれる。ソケット２８を通じて、レーザーダイオード源３のピン２７は低雑音電流源に接続される。また、このレーザーダイオード源３は、レーザーダイオード源３用光出力が一定であるように、能動的光パワーフィードバックモードによって選択された電流で駆動される。ピン２７は、コンピュータ制御レーザーダイオード電流駆動装置（図示せず）に接続されるソケット２８を通じてレーザーダイオード用電気接続をする。レーザーダイオード源３内では、レーザーダイオードチップ２５がステム２６に取り付けられる。一定の光出力を得るために、光検波器（図示せず）は、レーザーダイオード電流ドライバー（図示せず）用フィードバックとしてレーザー光線の一部を集める。出力レンズ２３（例えば、球レンズ）を通過後、レーザーダイオード２５からの光出力は、焦点結像スポット３２すなわち「ホットスポット」の位置を捜し求めるべく、焦点結像面３３に結像される。レンズキャップ２４は、レーザーダイオードチップ２５が耐密シールを有することを保証する。低光学解像度租整合ステージ１では、約５０ミクロン〜６２．５ミクロンのコア直径の多重モードファイバー（ＭＭＦ）７のような光受光ファイバーの一端部を含む多重モードフェルール６が、レーザーダイオード源３の焦点結像スポット３２に対する租捜索が行われる位置に取り付けられる。多重モードファイバーフェルール６は、その先端３５がレーザーダイオード源３の公称焦点結像面３３にあるような或るレベルで取り付けられる。多重モードファイバー７の別の端部は、ＭＭＦ７によって光強度を検出するために光強度測定器３４に接続される。

レーザーダイオード源３の光強度プロファイルは、ＭＭＦ７でプラスマイナス幾百ミクロンのオーダーまで租捜索ウィンドウ内を側方すなわち横方向に走査することによって得られる。Ｘ‐Ｙステージ８は、光受光ファイバー（ＭＭＦ７又は単一モードファイバー（ＳＭＦ）１５のような）レーザーダイオード３を光受光ファイバーに対する移動を分単位で増加させるように構成されている。ＭＭＦ７が光収集媒体として使用される時に低光学解像度が得られる。何故なら、ＭＭＦ７の開口数は０．２〜０．３と比較的大きいためである。焦点結像スポット３２の開口寸法は、数十ミクロンまで拡大される。租整合捜索に対して、精密並進Ｘ‐Ｙステージ８の走査運動は、捜索時間を減じるためにより低い運動解像度まで最適化することができる。この捜索過程は２、３秒で終了し得る。２、３分までの時間を取り得る従来技術による方法により使用される、いわゆる「ダークサーチ」、に比較して捜索時間が著しく減少する。その後、微細整合捜索が行なわれる箇所で、Ｘ−Ｙ並進ステージ８はレーザーダイオード源３を高光学解像度ステージ２まで移動させる。低光学解像度整合ステージ１から高光学解像度整合ステージ２までの並進変位は、機械的設定と、レーザー焦点結像スポット３２の捜索位置の返却値と、によって決定される。

図３は、好ましい実施形態の高光学解像度整合ステージ２を図示する線図的側面図である。高光学解像度微細整合ステージ２では、単一モードファイバーフェルール１４内部の単一モードファイバー（ＳＭＦ）の形態をした光受光ファイバーが、参照軸線２１に沿って直角に上下動するように構成されたスリーブホルダ１６によって堅固に保持される。再び、ＳＭＦ１５の他端は、装置のホストコンピュータにリンクする光度測定器（図示せず）に接続される。固体ジルコニア製スリーブが更に取り付けられることが好ましい頂部ステンレス整合スリーブ１２は、ロボットアーム（図示せず）によって頂部スリーブ担持体１３から頂部スリーブホルダ１６内に運ばれる。ＳＭＦフェルール１４は、ジルコニア製スリーブ２０を通じてこの頂部整合スリーブ１２内に挿入される。これは、頂部整合スリーブ１２内へのＳＭＦ１５の完全なセンタリング及びファイバー差込接続の反復性を保証する。その後、ファイバーフェルール１４及びＳＭＦ１５を含む頂部整合スリーブ１２は、頂部スリーブホルダ１６内部のクランプ１９及びロック１８によって堅固に固締される。

側方Ｘ−Ｙ平面に微細能動整合を行う前に、ファイバーで塞がれた頂部整合スリーブ１２を含む頂部スリーブホルダ１６は、下降されてレーザーダイオード源３を含む底部整合スリーブ２９の頂部に位置づけられる。高光学解像度ステージ２の設定は、ＳＭＦ１５の先端２２が、レーザーダイオード源３の焦点結像面が設置される高さに設置されるように構築される。その結果、ＳＭＦ１５は軸線Ｚ方向に沿ったピーク捜索から最強光強度を得ることができる。頂部整合スリーブ１２の底面３１は、予荷重付加機構１７によって頂部スリーブホルダ１６から直角に十分な予荷重を加えることによって保証された底部整合スリーブ２９の頂部表面３０と良好な接触すべきである。ＳＭＦ１５のモード場直径が約１０ミクロンでありかつその開口数（ＮＡ）が約０．１と小さいので、ＳＭＦ１５が側面のＸ−Ｙ軸に沿って微細能動整合に使用される時に高光学解像度が得られる。ＳＭＦ１５の光結合効率は、ＳＭＦ１５とレーザー焦点結像スポット３２間の側面整合に非常に敏感である。レーザーダイオード源３のファイバーモードと出力モード間のモードのマッチングが最高になる位置にファイバーが整合されると、高結合効率が得られる。微細整合制御装置は、光強度測定器（図示せず）を通じてＳＭＦ１５内に入る光強度を監視する。ＳＭＦ１５を含む頂部整合スリーブ１２をフェルール１４に固定し、かつ精密並進Ｘ−Ｙステージ８の（数十ナノメートルの程度まで）の非常に微細な側方運動段階でワークチャック５上の底部整合スリーブ２９を移動することによって、微細能動整合が導かれる。高光学解像度ステージ２での微細能動整合は、プラスマイナス１０ミクロンの微細な捜索領域内に導かれる。この微細整合は、好ましくは、最高出力強度が得られる位置からプラスマイナス１０分の１ミクロンより小さい範囲まで組立体を導くべきである。

微細整合完了後、レーザーダイオード３の最高連結光強度位置がＳＭＦ１５から得られる。頂部１２及び底部２９の整合スリーブは、レーザー加工ヘッド１１によるＹＡＧレーザーパルスによって互いに溶接される（図１参照）。その後、レーザー溶接後の何れかの変位を最小化するためにレーザー溶接が行われる時に、スリーブホルダ１６内部の予荷重付加機構１７によって予荷重による力が溶接部分（頂部及び底部整合スリーブ）に直角に働く。円の中心に目標を備えた該円に配置された３つのレーザー加工ヘッド１１があることが好ましい。各処理ヘッド１１は、目標から作動距離内の所定位置に固定されかつ互いに対して１２０°の配向で配置されることが好ましい。これらの処理ヘッドの整合は、３つの処理ヘッドからのレーザーパルスが円の同一中心を指しかつ同一レベルで目標を打つことを保証するには十分良好であるべきである。

ＭＭＦ７を使用して走査する時に、レーザーダイオード出力から得られた典型的な光強度プロファイルが図４に示されている。円でマークされたプロファイルは、レーザーダイオード出力の焦点結像高さで側部（Ｘ−Ｙ）平面を走査することによって得られる強度プロファイルを表す。図４で正方形及び菱形でマークしたプロファイルによって示されるように、ピーク中央の基本的形状及び位置は、ＭＭＦ７の（例えば、０．１５ｍｍまでの）焦点結像外でさえ急速に変化しない。この低光学解像度捜索ステージ１は、レーザー焦点結像スポット３２の中央位置をプラスマイナス数十ミクロン内まで位置づけ得る。

図５は、ＳＭＦ１５で走査することによってレーザーダイオード出力から得られた典型的な光強度プロファイルを示す。総捜索時間を減じるために、租整合捜索から決定される微細整合捜索ウィンドウは、プラスマイナス１０ミクロンに限定すべきである。

ファイバーのピグテール状になされたレーザーダイオードのような光電素子の組立体用のこの２重の解像度整合の設定で、必要とされる総整合時間は減じられる。低解像度走査運動が精密並進Ｘ‐Ｙステージで用いられるので、レーザー「ホットスポット」又は多重モードファイバープローブを使用する粗整合ステージの焦点結像位置を捜索するのに要する時間を減じることができる。捜索ウィンドウが数百ミクロンと同じくらい大きくても、この走査プロセスは２、３秒以内に終了し得る。したがって、慣用の整合用走査方法を使って２、３分まで時間を要し得る、いわゆる「ダークサーチ」プロセスのための捜索時間の著しい減少がある。その後、微細整合捜索は、高解像度ステージでプラスマイナス数十ミクロンの範囲のより小さな微細捜索ウィンドウで処理することができ、これにより微細整合のための処理時間を減じる。

本明細書に記載された発明は、特別に記述した以外の変形、変更及び／又は付加が可能である。本発明は上記の記述の精神及び範囲内に該当する全てのこうした変形、変更及び／又は付加を含むことを理解すべきである。

本発明の好ましい実施形態による、異なる光学解像度を有する整合ステージを含む自動整合及び結合装置のレイアウトを示す線図的側面図である。 好ましい実施形態の高解像度を有する整合ステージを示す線図的側面図である。 好ましい実施形態の低解像度を有する整合ステージを示す線図的側面図である。 多重モードファイバーにより得られたレーザーダイオード源の結合光強度プロファイルを示す図である。 単一モードファイバーにより得られたレーザーダイオード源の結合光強度プロファイルを示す図である。図である。

符号の説明

１ 低光学解像度ステージ
２ 高光学解像度ステージ
３ レーザーダイオード源
４ 素子担持体
５ 整合ワークチャック
６ 多重モードフェルール
７ ＭＭＦ
８ 精密Ｘ−Ｙ並進ステージ
９ 振動絶縁台
１０ 素子ホルダー
１１ レーザー加工ヘッド
１２ 頂部整合スリーブ
１３ スリーブ担持体
１４ 単一モードファイバーフェルール
１５ ＳＭＦ
１６ 頂部スリーブホルダー
１７ 予荷重付加機構
１８ ロック
１９ クランプ
２０ジルコニア製スリーブ
２１ 参照軸線
２２ 先端
２３ 出力レンズ
２４ レンズキャップ
２５ レーザーダイオードチップ
２６ ステム
２７ ピン
２８ ソケット
２９ 底部ステンレス鋼整合スリーブ
３０ 頂部表面
３１ 底面
３２ 焦点結像スポット
３３ 焦点結像面
３４ 光強度測定器
３５ 先端

Claims (33)

1. 発光素子と受光素子である単一モードファイバーとからなる光学素子の能動的整合及び結合のための装置であって、
   前記装置は：
   発光強度が最高になる概略位置に応じて、前記発光素子と受光素子である多重モードファイバーとの間で粗整合を行うように作動する、第１光学解像度を有する受光素子である前記多重モードファイバーを含む第１整合ステーション；及び
   前記第１整合ステーションより高精度に発光強度が最高になる位置に位置づけるように、前記発光素子と前記受光素子である前記単一モードファイバーとの間で微細整合を行うように作動する、受光素子である前記多重モードファイバーの解像度より高い光学解像度を有する前記受光素子である前記単一モードファイバーを含む第２整合ステーション；を備える装置。
2. 前記発光素子が自身上に取り付け可能な搬送機構を含み、これにより前記光学素子の位置をシフトさせる、請求項１に記載の装置。
3. 前記搬送機構が前記第１整合ステーションと前記第２整合ステーションの間に前記光学素子を移動させるように構成された、請求項２に記載の装置。
4. 前記搬送機構が、前記発光素子を前記多重モードファイバー及び前記単一モードファイバーのそれぞれに対して微細増分で移動するように更に構成され、これにより、前記発光素子の発光強度が最高である位置を走査し且つ位置を選定する、請求項２に記載の装置。
5. 前記搬送機構は前記光学素子をｘ、ｙ及びｚ軸線に移動させることができる、請求項２に記載の装置。
6. 前記搬送機構が、前記多重モードファイバー及び前記単一モードファイバーのそれぞれに対する様々な位置で前記光学素子に電力を供給するように、該光学素子の噛合部分を受け入れるように構成されたワークチャックを含む、請求項２に記載の装置。
7. 前記多重モードファイバーは、前記発光素子上に設置可能な前記第１整合ステーションと協働する低解像度受光ファイバーからなり、
   前記低解像度受光ファイバーは、前記発光素子に対する様々な位置で該発光素子によって放たれる光強度を検出する強度検出器に接続可能である、請求項１に記載の装置。
8. 前記低光学解像度受光ファイバーは約０．２〜０．３の開口数を有する、請求項７に記載の装置。
9. 前記単一モードファイバーは、前記発光素子上に設置可能な前記第２整合ステーションと協働する高解像度受光ファイバーからなり、
   前記高解像度受光ファイバーは、前記発光素子に対する様々な位置で該発光素子によって放たれる光強度を検出する強度検出器に接続可能である、請求項１に記載の装置。
10. 前記高解像度受光ファイバーは約０．１以下の開口数を有する、請求項９に記載の装置。
11. 光強度が最高になる概略位置が数十ミクロン内の精度で見出される、請求項１に記載の装置。
12. 光強度が最高になるより正確な前記位置が１μより小さい精度で見出される、請求項１に記載の装置。
13. 前記受光素子である前記単一モードファイバーに取り付け可能でありかつ結合のために前記発光素子の上方で該受光素子である前記単一モードファイバーに位置づけられるように構成した整合スリーブを含む、請求項１に記載の装置。
14. 前記受光素子である前記単一モードファイバーと共に前記整合スリーブを前記発光素子に結合する結合手段を含む、請求項１３に記載の装置。
15. 前記結合手段が前記整合スリーブを前記発光素子に溶接するためにレーザービームを放出することができる１つ又は複数のレーザープロセッサーを備える、請求項１３に記載の装置。
16. 複数のレーザープロセッサーがある場合、前記レーザープロセッサーが円の形態を成して互いに対して等間隔になるように配置し、これらのレーザープロセッサーの目標は前記円の中心である、請求項１５に記載の装置。
17. 溶接中に前記整合スリーブと前記発光素子の間に予荷重が加わるように構成された予荷重付加機構を含む、請求項１５に記載の装置。
18. 前記第１整合ステーション及び前記第２整合ステーションが振動絶縁台に取り付けられる、請求項１に記載の装置。
19. 発光素子と受光素子である単一モードファイバーとからなる光学素子の能動的整合及び結合のための方法であって、
    前記方法は：
    発光強度が最高になる概略位置に応じて、前記発光素子と第１光学解像度を有する、受光素子である多重モードファイバーとの間で粗整合を行う段階と、
    前記粗整合より高い精度で発光強度が最高になる位置に位置づけるために、前記発光素子と受光素子である前記多重モードファイバーの解像度より高い解像度を有する、前記受光素子である前記単一モードファイバーとの間で微細整合を行う段階と、を備える方法。
20. 粗整合が行われる第１整合位置と、微細整合が行われる第２整合位置との間で前記発光素子を搬送する段階を含む、請求項１９に記載の方法。
21. 前記発光素子を前記多重モードファイバー及び前記単一モードファイバーのそれぞれに対して微細増分で移動させ、これにより、前記発光素子の発光強度が最高になる位置を走査且つ位置を選定する、請求項１９に記載の方法。
22. 前記光学素子をｘ、ｙ及びｚ軸で移動させる段階を含む、請求項２１に記載の方法。
23. 前記粗整合をする段階が、低解像度受光ファイバーから成る前記多重モードファイバー
    を前記発光素子上に設置する段階、及び
    前記発光素子に対する様々な位置で該発光素子によって放たれる光強度を検出する強度検出器に前記低解像度受光ファイバーを接続する段階を含む、請求項１９に記載の方法。
24. 前記低光学解像度受光ファイバーは約０．２〜０．３の開口数を有する、請求項２３に記載の方法。
25. 前記微細整合をする段階が、高解像度受光ファイバーから成る前記単一モードファイバーを前記発光素子上に設置する段階、及び
    前記発光素子に対する様々な位置で該発光素子によって放たれる光強度を検出する強度検出器に接続する段階を含む、請求項１９に記載の方法。
26. 前記高解像度受光ファイバーは約０．１以下の開口数を有する、請求項２５に記載の方法。
27. 光強度が最高になる概略位置が数十ミクロン内の精度で見出される、請求項１９に記載の方法。
28. 光強度が最高になるより正確な前記位置が１μより小さい精度で見出される、請求項１９に記載方法。
29. 前記光強度が最高である前記発光素子の位置上に前記受光素子である前記単一モードファイバーを固定する段階を含む、請求項１９に記載の方法。
30. 整合スリーブを前記受光素子である前記単一モードファイバーに取り付け、これにより、前記整合スリーブ及び単一モードファイバーを前記発光素子に結合する段階を含む、請求項２９に記載の方法。
31. 前記結合中に前記整合スリーブを前記発光素子に溶接するレーザープロセッサーの使用を含む、請求項３０に記載の方法。
32. 複数のレーザープロセッサーがある場合、前記レーザープロセッサーが円の形態を成して互いに対して等間隔になるように配置し、これらのレーザープロセッサーの目標は前記円の中心に向けられている、請求項３１に記載の方法。
33. 溶接中に前記整合スリーブと前記発光素子との間に予荷重を加えることを含む、請求項３１に記載の方法。

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