JP4303614B2

JP4303614B2 - 発光素子用光ファイバアセンブリ部品及びそれを用いた発光素子モジュール

Info

Publication number: JP4303614B2
Application number: JP2004049567A
Authority: JP
Inventors: 宏樹伊藤; 強田中
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-02-25
Filing date: 2004-02-25
Publication date: 2009-07-29
Anticipated expiration: 2024-02-25
Also published as: JP2004280088A

Description

本発明は光通信や光センサー等の光ファイバを用いた、光から電気への変換を行う発光素子モジュールに関するものである。

従来から光通信や光センサー等に使用されている発光素子モジュールは、特に発光素子が半導体レーザ素子の場合、出射された光をレンズ等によって光ファイバに入射させて伝送する際に、結合系内の反射や伝送系で発生した反射光が発光素子に戻り、半導体レーザが不安定に発振し、伝送劣化が生じることが知られている。これを防止するために、半導体レーザの光を入射する端面を斜めに加工した光ファイバやアイソレータが用いられている。

また、従来から長距離用の発光素子モジュール等においては、光ファイバの伝送ロスの影響を見こんだ光量が必要であり、半導体レーザから発光された光を効率よく伝達させることが要求されている。このとき、端面が斜め加工された光ファイバに対して効率良く結合させるためには、スネルの法則により光ファイバの端面にて光路が屈折するため、光ファイバの軸方向に対してある決められた角度にて斜めに入射させることが必要であり、そのための部品構成や固定方法が検討され、更なる低価格化が求められている。

例えば、特許文献１によると、図３に示すように管状のフェルールガイド６内にアイソレータ３を嵌合させるとともにフェルールガイド６の一端側に光ファイバ４を取り付けたフェルール２６を挿入固定してなるフェルールアセンブリ１０２と、レーザ光を発光する半導体レーザ１を有した半導体レーザ部品１００と、半導体レーザ部品１００とフェルールアセンブリ１０２を連結し、かつ、半導体レーザ１からの光を光ファイバ４の端面に集光するレンズ２が配置された連結体１０１とから成り、フェルールガイド６の半導体レーザ部品１００に対面する端面にはレーザ光を透過する楔状透明体５を配設した発光素子モジュールが開示されている。

この発光素子モジュールは、楔状透明体５、アイソレータ３および光ファイバ４のそれぞれの光入射面に対してレーザ光は傾斜して進入するようになっていることから、反射光は半導体レーザ素子に戻ることはなく、半導体レーザにおける不安定発振が抑止できるものである
また、特許文献２によると、図３とは異なり、図４に示すように楔状透明体５は、その入射面４１を斜め加工された光ファイバ４の端面と逆方向に傾斜した面とし、その出射面４２を斜め加工された光ファイバ４の端面と同方向に傾斜した面とし、その楔状透明体５とアイソレータ３とを接着固定する発光素子モジュールが開示されている。

この発光素子モジュールは、光ファイバ４の端面に半導体レーザ１のレーザ光が入射する結合効率を低下することを抑え、半導体レーザ１への再結合をも防止できるものである。
特開平６−１９４５４８号参照特開平１１−２９５５６４号参照

しかし、たとえば、図３に示す特許文献１のように端面を斜め加工した光ファイバ４、アイソレータ３及び楔状透明体５はフェルールガイド６にてそれぞれ位置決め固定されているが、レンズ２以降の光学系において、半導体レーザ１からのレーザ光が通過するそれぞれの面である楔状透明体５の表裏面、アイソレータ３の表裏面、光ファイバ４の端面の５面の反射面が存在し、その反射面の分だけ損失が生じているという問題点を有していた。

また、フェルールガイド６に対してアイソレータ３を嵌合させて固定させる場合、アイソレータ３の端面を斜め加工しているために光ファイバ４に近づけるのにも限界があり、アイソレータ３の固定精度がフェルールガイド６の加工精度とアイソレータ３の外周精度に依存するため、適切な精度が得られるようにアイソレータ３に入射する光路を確保するのに入射面を広くとる必要があり、アイソレータ３を小型化して低価格化することに限界があるという問題点を有していた。

更に、図３に示すようにフェルールガイド６の端面に接合された楔状透明体５も、アイソレータ３の入射面の大きさに伴って大きくする設計する必要があるため、楔状透明体５を小型化して低価格化することにも限界があった。

さらにまた、特許文献２では図４に示すように楔状透明体５の出射面４１を、斜め加工された光ファイバ４の端面と同方向に斜めに配置させるため、固定する金具４３のように斜めに配置できるように加工する必要となり、低価格化の妨げとなる。

またさらに、その楔状透明体５にアイソレータ３を接着固定する構造となっているため、アイソレータ３は半導体レーザ１の偏波方向に対して、楔状透明体５は光ファイバ４の斜めに加工した端面に対して、それぞれ別々の光学位置調整が必要であるために、楔状透明体５へのアイソレータ３の貼り付け固定や、楔状透明体５の固定は位置決めが複雑で、アイソレータ３や楔状透明体５の小型化が困難なため低価格化に限界があった。

また、特許文献１、特許文献２の構造において、楔状透明体５でアイソレータ３に蓋をしてしまうような封止構造をとることもあるが、完全に気密封止するためにはファイバ４や楔状透明体５をメッキ処理して、半田により封止固定する等、吸水性や通気性を持つ材料を使用することができないという理由で、廉価な接着剤等を使用できず、又、部品に対してもメッキ処理等の工程が増えるためコストが掛かりすぎる問題がある。

また、接着剤を使用してフェルールガイド６を封止構造にした場合、コネクタ側から湿気を含んだ空気等が侵入するため、少しずつ内部に入り込んだ水分が外に出て行かずに溜まっていき、かえって光路上に汚れを誘導する原因となったり、水分によって脆弱になった接着剤が高温になったときに内部の気体が膨張して透明体がずれるなど、結合が劣化する要因になっていた。

一方、近年、半導体レーザ部品１００内を気密にして発光素子を保護する要求も多くなってきている。

本発明の発光素子用光ファイバアセンブリ部品は、発光素子からの光がレンズにより光路調整用の楔状透明体とアイソレータを介して斜め加工された光ファイバの端面に結合するよう構成した発光素子用光ファイバアセンブリ部品において、中央に光ファイバを挿入してなるフェルールと、一方開口側から前記フェルールの先端部を挿入保持するスリーブと、一端側に前記スリーブの後端部を挿入保持する貫通孔を有するフェルールガイドとからなり、前記フェルールの後端面を斜め加工として、前記フェルールガイドの貫通孔と前記アイソレータとの間に隙間が形成されるように前記フェルールの後端面の光ファイバ端面に前記アイソレータを接合し、前記フェルールガイドの貫通孔の他端側開口面に、該他端側開口を部分的に塞ぐように前記楔状透明体を固定して該楔状透明体と前記他端側開口の縁との間に隙間を形成したことを特徴とするものである。

前記楔状透明体の前記アイソレータ側は、前記光ファイバの軸に垂直に形成された面を持ち、かつ、前記レンズ側は、斜め加工された光ファイバ端面と逆方向の角度に形成された面を持つことを特徴とするものである。

前記楔状透明体のアイソレータ側及びレンズ側の双方に反射防止膜を形成したことを特徴とするものである。

前記光ファイバとアイソレータとを屈折率が前記光ファイバと同等の屈折率である光透過性接着剤を介して接合するとともに、前記アイソレータの入射端面に反射防止膜を形成したことを特徴とするものである。

また、本発明の光モジュールによれば、上述の発光素子用光ファイバアセンブリ部品と、レーザ光を発光する半導体レーザを有した半導体レーザ部品とから成ることを特徴とするものである。

本発明の発光素子用光ファイバアセンブリ部品及びそれを用いた発光素子モジュールによれば、前記光ファイバの端面に前記アイソレータを接着固定したことにより、光路が最小となる位置にアイソレータを配置することができため、透過面積の小型化が可能となり、楔状光路調整素子もアイソレータに近づけられるため、レンズ後集光距離の短くなるレンズを使用することで光路の長さを極小化することが可能となり、発光素子モジュールの小型化が実現でき、低価格化することができるものである。

また、前記楔状透明体の前記アイソレータ側は、前記光ファイバの光軸に垂直に形成された面を持ち、かつ、前記レンズ側は、斜め加工された光ファイバ端面と逆方向の角度に形成された面を持つことにより、楔状透明体のアイソレータ側は光軸調整が容易に楔状透明体を取り付けることができ、製造コストを低減させることが可能となるばかりか、斜め研磨され前記アイソレータが接着固定された光ファイバの光軸に合うように、光路を曲げるため、光軸ズレによる結合効率の劣化が無く、楔状透明体についても小型化可能で低価格化ができる。

さらに、前記楔状透明体のアイソレータ側及びレンズ側の双方に反射防止膜を形成したことにより、楔状透明体の裏面からわずかに半導体レーザに反射して戻る光も低減することができるだけでなく、楔状透明体の表面、裏面による反射を低減できるという理由で、低損失の結合を実現できる。

さらにまた、本発明の発光素子モジュールによれば、前記光ファイバとアイソレータとを屈折率が前記光ファイバと同等の屈折率である光透過性接着剤を介して接合するとともに、前記アイソレータの入射端面に反射防止膜を形成したことにより、接着剤の界面からの反射や、アイソレータの端面による反射を低減できるという理由により、接着剤の界面やアイソレータの入射端面の反射による損失を低減させることができると同時に、レーザ光が最も集光する光ファイバの端面からの反射の影響を抑制することが可能となる。

特に光ファイバの屈折率と同等の光透過性接着剤を用いることで、通常は結合効率向上のため研磨している斜め加工の光ファイバ端面の処理を、切断したままの状態で使用することも可能となり研磨コストを削減できる。

以下に、本発明による発光素子モジュールについて図を用いて説明する。

図１は本発明の発光素子モジュールを示す図であり、（ａ）は中央縦断面図、（ｂ）はレンズ、楔状透明体、フェルールの拡大断面図を示し、図２は図１のＡ−Ａ線断面図である。

本発明の発光素子モジュールは、貫通孔６０を有する管状のフェルールガイド６の貫通孔６０の一端側に中央の貫通孔２６０に光ファイバ４を挿入してなるフェルール２６の後端部を挿入固定し、光ファイバ４の端面にアイソレータ３を取り付けてなるフェルールアセンブリ１０２と、フェルールガイド６の半導体レーザ部品１００に対面する端面に接続されレーザ光を透過する光路調整用の楔状透明体５とから構成される発光素子用光ファイバアセンブリ部品５００と、レーザ光を発光する半導体レーザ１を有した半導体レーザ部品１００と、半導体レーザ部品１００とフェルールアセンブリ１０２を連結し、かつ、半導体レーザ１からの光を光ファイバ４の端面に集光するレンズ２が配置された管状の連結体１０１とから成る。

半導体レーザ部品１００は、円柱状の金属からなるステム２１を有し、このステム２１からは数本のリード２３が突出している。

ステム２１の基準面にはステム２１と一体成型されたヒートシンク２５が形成されており、このヒートシンク２５にはサブマウント２４を介して、半導体レーザ１が熱膨張によるズレの影響を受けないように考慮し、ステム２１のほぼ中心に固定されている。

この半導体レーザ１はレンズ２に向かう側とステム２１に向かう方向の両方に対して発光する。このレンズ２に向かう側から発光された光が、半導体レーザ１の発光中心の光軸とレンズ２の中心軸が合うように、後述のレンズ２を固定した金具２２が調整されている。

連結体１０１は、半導体レーザ１が気密封止されるように収納空間を覆う構造になり、かつ、レンズ２と一体モールド加工または低融点ガラスにより固定した筒状の金具２２から構成されている。この金具２２はステム２１の基準面の周囲に抵抗溶接等で封止固定されている。

レンズ２は長距離用等の高結合を狙う場合には、収差の少ない非球面レンズを用いられ、最近のモジュール小型化の要求より、物点から像点迄が１０ｍｍ以下に抑えられている。従って、レンズ２から光ファイバ４の端面までの距離が６〜８ｍｍ程度となっている。今回は発光素子部分が簡単な構造のものを使用した例について説明したが、小型の表面実装用パッケージの形態であってもよい。

ここで、光ファイバ４は、セラミックやガラス等の光ファイバとできるだけ熱膨張が近い材料のフェルール２６内部に挿入されており、その後端面が４〜１０度に斜めに加工され、アイソレータ３が透過性接着剤で固定され研磨されている。この斜め加工端面に対して、アイソレータ３は傾いて接合されることとなる。

このように、アイソレータ３が斜め加工された光ファイバ４の端面に接着固定されていることにより、反射面をすくなくできて最小の光路となるためアイソレータ３の小型化が可能となり低価格化となるだけではなく、レンズにより集光された光を光ファイバ３に導く際に、楔状透明体５により、光軸角度ズレによる結合劣化がなく、反射面がすくなくなることにより、反射による損失が少なくなるという理由で高い結合効率が得られ、楔状透明体５についても小型化可能で低価格化ができる。

ところで、アイソレータ３は、周知の構成である偏光板ガラス、ファラデー回転子、偏光板ガラスの順で光透過接着剤により一体化して構成されている。ここで偏光板ガラスは光ファイバ４の屈折率と略同等（０．１程度の差）の屈折率であることが望ましい。

アイソレータ３は０．２ｄＢ以下の損失に抑えられるように反射防止膜や光透過性接着剤の屈折率を調整することを組み合わせて達成している。

特に入射側のアイソレータ３の端面には反射防止膜を形成し、最も光の集光する光ファイバ４の端面とアイソレータ３を固定する透過性接着剤は光ファイバの屈折率と略同等（０．１程度の差）の屈折率に合せることで、大きな反射を抑えることができる。この時、斜め加工された光ファイバ４の端面は研磨面でなくとも良い。

また、アイソレータ３に磁力を与える為のマグネット２００を有しており、そのマグネット２００もフェルール２６の後端面に接着固定されている。

このフェルール２６の先端部は、その先端面がコネクタとして使用されるためＰＣ研磨されており、相手側のフェルールを高精度に位置決めする為に、一方側の開口から挿入保持する割りスリーブ２７がはめられている。また、相手側のコネクタを脱着する際のスリーブ止め金具２８を固定するため、フェルール２６とスリーブ止め金具２８はフェルールガイド６の凹部に対して圧入固定されている。

楔状透明体５は屈折率１．５のガラス材料から構成されており、レンズ２とアイソレータ３との間に配置されている。この楔状透明体５はレンズにより集光された光が、斜め研磨されアイソレータ３が接着固定された光ファイバ４の光軸に対して、合わせる光路調整機能を有している。

ここで、光軸とは光ファイバ４の端面が斜めとなり、その面にアイソレータ３が貼り付けられることで、スネルの法則により、ファイバの軸に対して角度を持つ、ファイバに導かれる光路の軸のことである。楔状透明体５のアイソレータ３側の出射面２０１は光ファイバ４の軸に対して垂直となっており、これをフェルールガイド６に対して接着剤やかしめにより固定されている。別途金具に低融点ガラス固定をしたあと、フェルールガイド６に溶接固定をしても構わない。

また、楔状透明体５とフェルールガイド６の固定の際は、フェルールガイド６の貫通孔６０の開口面に空気が出入りできる様に十分な隙間を持たせて固定されている。即ち、図２は光ファイバ４の軸方向から楔状透明体５の入射面２０２を見たＡ−Ａ線断面図である。楔状透明体５はフェルール２６が固定されているフェルールガイド６の貫通孔６０の他端側の面に対して隙間７、８のように、楔状透明体５の両辺に対して隙間が生じるように固定され、光ファイバ４の研磨方向に対して位置決め調整した後、固定されている。

これにより、アイソレータ３や楔状透明体５の周辺に入り込んだ湿気は、たまることなく出入りすることができ、水分が溜まって悪影響を与えることも無く、内部の気体の膨張によって生じる問題も発生させることがない。

楔状透明体５の両面（レンズ側面２０２及びアイソレータ側面２０１）に反射防止膜をする事が好ましい。また、アイソレータ３の端面に反射防止膜を形成しても良い。これは単に反射防止や反射による損失のためだけではなく、長期信頼性を考えた場合、湿度の流入の際、光学素子表面の劣化による光出力の劣化をも抑える役割のためにも必要不可欠である。

ここで、図１（ｂ）に示すように、アイソレータ３への入射角が光ファイバ４の軸方向に対し最大結合となる角度がＸとなるとき、屈折率Ｎの楔状透明体５は、レンズ２側の面２０２は面２０１に対してＡＲＣＴＡＮ（（ｓｉｎ（Ｘ）／（Ｎ−ｃｏｓ（Ｘ）））と同等の角度（１度程度の差）の面を持っている。例えば、光ファイバ４のコアの屈折率が１．５、アイソレータ３の偏光子の屈折率も１．５、光ファイバ４とアイソレータ３を固定する接着剤の屈折率も１．５で光ファイバ４の端面が光ファイバ４の軸に垂直な面に対して８度の角度の面である場合、光ファイバの軸に対して光軸は３．７度傾き、この角度で入射した時に最大結合が得られる。これに対して、楔状透明体５が１．５の屈折率だとすると、前記式より、レンズ２側の面２０２は面２０１に対して７．３度となる。この７．３度と同等の角度の面２０２は光ファイバ４の斜め加工の方向と逆向きの角度で対向することで、前記アイソレータが固定された前記光ファイバに対して、最大結合がえられる角度で入射することが可能となる。

従って、半導体レーザ１から発光された光はその同軸上に固定さたレンズ２により、レーザの発光中心の軸上に集光し、その途中の楔状透明体５により、斜め研磨され前記アイソレータが接着固定された光ファイバの光軸に合うように、
光路を曲げるため、アイソレータ３が付いた光ファイバ４の結合最大結合となる入射角度で入射することにより、光軸角度ズレがなくなるという理由から結合損失を最小にすることが可能となる。

更に、アイソレータ３が固定された光ファイバ４や楔状透明体５が取りつけられたフェルールガイド６は金具２９を介して、光軸方向、光軸垂直方向、光軸回転方向に位置調整され、ＹＡＧ溶接によりズレないようにレンズ２のついた金具２２に溶接固定される。

この際、アイソレータ３の偏光方向をフェルールガイド６または金具２８にマーキング等を付け、半導体レーザ１の偏波方向に対する目印となるようにしてあるとより使いやすい。

また、ここで使用されるフェルールガイド６、金具２９は防錆性や溶接性に優れたステンレス、たとえばＳＵＳ３０４、４３０系の材料が望ましい。またレンズ２を固定する金具２２は、防錆性や溶接性に優れ、熱膨張が低い４３０系やＦｅ―Ｎｉ−Ｃｏ等が望ましい。

以上の方法により、信頼性を確保しつつ高結合が得られ、しかも光学部品の組立てが容易であり、光学素子が小型化できたため低価格化が可能となる。

また、本発明の発光素子用光ファイバアセンブリ部品５００によれば、半導体レーザ部品１００を連結した発光モジュールとしてではなく、図１（ｃ）に示すように、光ファイバピクテイル６１にアイソレータ３をつけたもので、光ファイバ４を保持するフェルール２６を固定する金具６２と金具６につけた楔状透明体５とを一体にしたファイバアセンブリ部品５００としてもよい。このように予め、光ファイバピクテイル６１をサブアセンブリしておくことで、分業化出来、生産性を向上することができる。

また、図１（ｄ）に示すように上述の連結体１０１として半導体レーザ１の収納空間を覆うとともに半導体レーザ１の出射口を備えた金属製の筒体で構成し、連結体１０１の出射口６２を楔状透明体５で気密封止して、発光素子の劣化を防止する構造とすることが可能となる。

本発明の発光素子モジュールを示す図であり、（ａ）は中央縦断面図、（ｂ）はレンズ、楔状透明体、フェルールの拡大断面図、（ｃ）は光ファイバピクテイルのファイバアセンブリ部品を示す断面図、（ｄ）は気密封止窓一体構造の発光素子用光ファイバアセンブリ部品を使用した発光素子モジュールを示す断面図である。図１のＡ−Ａ線断面図である。従来の発光素子モジュールの中央縦断面図を示す。従来の発光素子モジュールの中央縦断面図を示す。

符号の説明

１：半導体レーザ
２：レンズ
３：アイソレータ
４：光ファイバ
５：楔状透明体
６：金具
７：隙間
８：隙間
２１：ステム
２２：金具
２３：リード
２４：サブマウント
２５：ヒートシンク
２６：フェルール
２７：スリーブ
２８：スリーブ止め金具
３０：透明体
３１：低融点ガラス
４１：入射面
４２：出射面
６０：貫通孔
６１：光ファイバピクテイル
６２：出射口
１００：半導体レーザ部品
１０１：連結体
１０２：フェルールアセンブリ
２００：マグネット
２０１：面
２０２：面

Claims

発光素子からの光がレンズにより光路調整用の楔状透明体とアイソレータを介して斜め加工された光ファイバの端面に結合するよう構成した発光素子用光ファイバアセンブリ部品において、中央に光ファイバを挿入してなるフェルールと、一方開口側から前記フェルールの先端部を挿入保持するスリーブと、一端側に前記スリーブの後端部を挿入保持する貫通孔を有するフェルールガイドとからなり、前記フェルールの後端面を斜め加工として、前記フェルールガイドの貫通孔と前記アイソレータとの間に隙間が形成されるように前記フェルールの後端面の光ファイバ端面に前記アイソレータを接合し、前記フェルールガイドの貫通孔の他端側開口面に、該他端側開口を部分的に塞ぐように前記楔状透明体を固定して該楔状透明体と前記他端側開口の縁との間に隙間を形成したことを特徴とする発光素子用光ファイバアセンブリ部品。
前記楔状透明体のアイソレータ側及びレンズ側の双方に反射防止膜を形成したことを特徴とする請求項１に記載の発光素子用光ファイバアセンブリ部品。
前記光ファイバとアイソレータとを屈折率が前記光ファイバと同等の屈折率である光透過性接着剤を介して接合するとともに、前記アイソレータの入射端面に反射防止膜を形成したことを特徴とする請求項１に記載の発光素子用光ファイバアセンブリ部品。
請求項１〜３のいずれかに記載の発光素子用光ファイバアセンブリ部品と、レーザ光を発光する半導体レーザを有した半導体レーザ部品とから成ることを特徴とする発光素子モジュール。