JP4413417B2 - レーザダイオードモジュール - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザダイオードから出射されるレーザ光を光ファイバに結合させる、光通信分野に好適に使用されるレーザダイオードモジュールに関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
レーザダイオードモジュール（以下、「ＬＤモジュール」と略す）は、レーザダイオード（以下、「ＬＤ」と略す）からの出射光をレンズで光ファイバの端面に集光させ、レーザ光を光ファイバに結合させるものである。ＬＤモジュールは、所望の光出力を得るためにＬＤ、レンズ、および光ファイバの、調芯と呼ばれる光軸調整と焦点調整が１ミクロン（μｍ）以下の精度で行われる。この調芯は、ＬＤモジュールの光出力を監視しながら行われ、レーザ光の焦点位置（ファイバから最大光量が得られる焦点位置）に合致するように光ファイバの端面位置を設定し、もって構成部材の加工精度や組立精度のバラツキによる性能への影響を最小限に抑制している。
【０００３】
ところで、ＬＤは、その電力消費による自己発熱、または環境温度の上昇によってＬＤの温度が上昇するが、温度上昇で光出力が低下する温度依存性を持っている。加えてＬＤ自身の発熱、または環境温度の上昇は、ＬＤモジュールを構成する部材に熱膨張を生じさせ、ミクロン単位で行われた調芯に狂いを生じさせ、レーザ光の光ファイバへの光結合効率を低下させ、ＬＤモジュールの光出力を低下させる。具体的にはＬＤ素子によって相違があるが、高温環境（摂氏６０度から９０度）で顕著な光出力の低下が生じる。このようにＬＤの自己発熱、ＬＤモジュールの環境温度の上昇は、ＬＤモジュールの光出力を相乗的に低下させる。そしてＬＤモジュールの光出力低下は、光通信を不可能にすることもある。
【０００４】
そこで、ＬＤの自己発熱と環境温度の上昇によってＬＤモジュールの温度上昇を生じさせる熱エネルギーをペルチェクーラ等の温度制御装置で外部に放出し、ＬＤを一定の温度に制御するＬＤモジュールが一般に利用されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＬＤモジュールにペルチェクーラ等の温度制御装置を使用すると、ＬＤモジュールの全体形状が大きくなり、小サイズ化が求められる通信用トランシーバ等の筐体に入りきらないという問題がある。また、ペルチェクーラを駆動するための電源を必要とし、さらに、ペルチェクーラの作動を制御する外部制御回路を必要とする。更にまた、これらの電源や外部制御回路は、コストを上昇させるという問題もあった。
【０００６】
また、温度制御装置を使用した場合においても、その温度制御性能が十分でないときには、ＬＤモジュールの温度上昇を低減することが困難である。
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、ＬＤの自己発熱や環境温度上昇によっても光出力の低下が少なく、低コスト化、小型化が可能なＬＤモジュールを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明によれば、請求項１では、レーザダイオードからのレーザ光をレンズによって光ファイバ端面近傍に集光させて光ファイバに結合させるレーザダイオードモジュールにおいて、レーザダイオードの出射端面と該レーザダイオードから出射した光を受けるレンズの入射側主面との距離Ｌ１を決定すると共に、レーザダイオードとレンズの相対位置関係を規定する第１支持部材と、光ファイバ端面と該光ファイバに光を結合するレンズの出射側主面との距離Ｌ２を決定すると共に、レンズと光ファイバの相対位置関係を規定する第２支持部材と、を有し、第１支持部材および第２支持部材のそれぞれの相対位置関係を規定する部材の少なくとも１つが前記部材の他の少なくとも１つとは熱膨張率の異なる材質からなることにより、使用環境温度が標準温度であるとき光ファイバ端面がレンズによる焦点位置より離間した位置に配置され、標準温度より高温であるときに光ファイバ端面が相対的に焦点位置に近づくように設定されていることを特徴とするＬＤモジュールが提供される。
【０００８】
本発明のＬＤモジュールの特徴は、ＬＤ自身および雰囲気の温度の上昇でＬＤモジュールの光出力が、ＬＤの温度依存性により低下するが、ＬＤの光出力の温度依存性を、光結合効率の向上を実現することで補償することにある。光結合効率の向上は、以下のようにして実現することができる。
【０００９】
先ず、レンズの焦点距離をｆとするとレンズの公式から、以下の関係式(F1)が成立する。
１／ｄ１＋１／ｄ２＝１／ｆ ……(F1)
ここにおいて、ｄ１は点光源からレンズ入射側主面までの距離であり、ｄ２はレンズ出射側主面から焦点位置までの距離、ｆはレンズの焦点距離である。
【００１０】
ＬＤモジュールにおいて、ｄ１は、ＬＤ出射端面とレンズ入射側主面間の距離に相当し、当該距離は、ＬＤとレンズの相対位置関係を規定する支持部材の部材長によって決定される。また、ＬＤモジュールの温度上昇の変化に伴うｄ１の変化は、これら部材の構成と線熱膨張係数等の物理的性質に依存し、これらによってｄ１の変化を制御することができる。
【００１１】
ｄ２は、ｄ１とレンズの焦点距離ｆによって決定されるレンズ出射側主面とレーザ光の焦点位置間の空間的距離に相当する。そしてレンズの焦点距離ｆは、レンズの直径と屈折率等によって決まるところから変化しないと考えてよい。従って、ＬＤモジュールの温度変化が生じた場合、ｄ２はｄ１の変化、すなわちＬＤおよびレンズを支持する支持部材の熱膨張の影響のみを受けて変化することになる。
【００１２】
一方、レンズ出射側主面と光ファイバ端面間の距離は、レンズと光ファイバの相対位置関係を規定する支持部材によって決定され、また、ＬＤモジュールの温度変化に伴う当該距離の変化は、これら部材の構成、部材長、線熱膨張係数等を適宜に設定することにより制御することができる。
従って、これらの設定によって、使用環境温度が標準温度であるとき光ファイバ端面がレンズによる焦点位置より離間した位置あり、標準温度より高温であるときに光ファイバ端面が相対的に焦点位置に近づくように制御することで、使用環境温度の上昇に応じて光結合効率を向上させ、ＬＤの光出力の温度依存性を補償することができる。
【００１３】
請求項２のＬＤモジュールは、前記第１支持部材と前記第２支持部材の部材長および熱膨張率が、使用環境温度が標準温度であるとき、光ファイバ端面がレンズによる焦点位置より離間した位置に配置され、標準温度より高温であるときに光ファイバ端面が相対的に焦点位置に近づくように設定されていることを特徴とする。
【００１４】
すなわち、ＬＤ、レンズおよび光ファイバのそれぞれの、支持部材の構成、各部材長、線熱膨張係数等を適宜設定して、使用環境温度が標準温度であるとき光ファイバ端面がレンズによる焦点位置より離間した位置にあり、標準温度より高温であるときに光ファイバ端面が相対的に焦点位置に近づくようにすることで、使用環境温度の上昇に応じて光結合効率を向上させ、ＬＤの光出力の温度依存性を補償することができる。
請求項３のＬＤモジュールは、使用環境温度が標準温度より高温になったとき、距離Ｌ２が標準温度における距離よりも短くなるように設定されていることを特徴とする。すなわち、ＬＤ、レンズおよび光ファイバのそれぞれの、支持部材の構成、各部材長、線熱膨張係数等を適宜設定して、標準温度の環境温度下においては、レーザ光の焦点位置が、光ファイバ端面の位置からレンズ出射側主面に近い位置になるように設定されており、環境温度の上昇に伴い、距離Ｌ２が短くなることによって、光ファイバの端面位置が焦点位置に近づき光結合効率の向上が実現され、ＬＤの光出力の温度依存性が補償される。
【００１５】
請求項４のＬＤモジュールは、前記距離Ｌ１は、標準温度と高温環境との間で略一定、すなわち温度依存性を有しないように設定され、前記距離Ｌ２は、温度に依存して変化することにより標準温度より高温であるときに前記光ファイバ端面が相対的に前記焦点位置に近づくように設定されていることを特徴とする。また、請求項５のＬＤモジュールは、前記距離Ｌ２は、標準温度と高温環境との間で略一定、すなわち温度依存性を有しないように設定され、前記距離Ｌ１は、温度に依存して変化することにより標準温度より高温であるときに前記光ファイバ端面が相対的に前記焦点位置に近づくように設定されていることを特徴とする。
【００１６】
ＬＤ、レンズおよび光ファイバのそれぞれの、支持部材の構成、各部材長、線熱膨張係数等を適宜設定して、例えば、距離Ｌ１は温度に依存して変化しないように設定され、距離Ｌ２は温度に依存して変化するように設定される。この場合には、使用環境温度が上昇しても、前述レンズの公式に従いレンズ出射側主面とレーザ光の焦点位置間の空間的距離は変化しないので、距離Ｌ２が使用環境温度上昇に依存して、光結合効率を向上させるように変化するように設定されていれば、ＬＤの光出力の温度依存性が補償される。
【００１７】
一方、距離Ｌ１が温度に依存して変化するように設定され、距離Ｌ２が使用環境温度上昇に依存して変化しなように設定されている場合には、使用環境温度が上昇すると、前述レンズの公式に従いレンズ出射側主面とレーザ光の焦点位置間の空間的距離が変化する。ここで、距離Ｌ２は変化しないところから、使用環境温度の上昇に伴いレーザ光の焦点位置を光ファイバ端面の位置に近づけるようにすることができる。このようにして使用環境温度の上昇に伴い光結合効率の向上が実現され、ＬＤの光出力の温度依存性が補償される。
【００１９】
請求項６のＬＤモジュールは、光ファイバ端面の位置が、摂氏６０度〜９０度の範囲内で、レンズによる焦点位置となるように設定されていることを特徴とする。すなわち、ＬＤ、レンズおよび光ファイバのそれぞれの、支持部材の構成、各部材長、線熱膨張係数等を適宜設定して、ＬＤモジュールの温度上昇による焦点位置、および焦点位置に対する光ファイバ端面位置を、適宜位置に変化させることによって、摂氏６０度〜９０度の範囲内で、光ファイバ端面の位置がレンズによる焦点位置となるように設定されているＬＤモジュールは、高温環境（摂氏６０度から９０度）下で光結合効率が最良の状態となるので、ＬＤの光出力低下の補償が実現される。
【００２０】
ここに使用環境温度とは、ＬＤモジュールを構成する各部材が晒される局部的な雰囲気温度をいい、標準温度とは、ＬＤモジュール設計の基準となる温度であり、ＬＤが高い光出力を維持する、例えば１８℃、２０℃、２５℃等を基準温度にしてもよい。
請求項７のＬＤモジュールは、前記第１支持部材には、前記レーザダイオードを支持する台座が含まれ、前記台座は光軸方向に変位することを特徴とする。
請求項８のＬＤモジュールは、前記レーザダイオードと前記台座間には、銅系またはアルミニウム系合金もしくはダイヤモンドからなるヒートシンクが介在されていることを特徴とする。
請求項９のＬＤモジュールは、前記第１支持部材または前記第２支持部材には、前記レンズを支持するレンズ支持部材が含まれ、前記レンズ支持部材は光軸方向に変位することを特徴とする。
請求項１０のＬＤモジュールは、前記第１支持部材または前記第２支持部材の材質はコバール、アルミ合金、鉄系合金、ステンレス鋼から選択されることを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面により詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明に係るＬＤモジュールの第１実施形態の概略構造を示す。第１実施形態のＬＤモジュール６は、図１に示すように、レーザ光を光ファイバ４に結合するレンズ３と、レンズの入射面に出射端面１ａを向けて配置されたＬＤ１と、レンズ３の出射面側に配置され、レーザ光が結合される光ファイバ４と、ＬＤ１およびレンズ３を支持し、これらの相対位置関係を規定するための第１の支持部材１０と、該支持部材１０と光軸方向において連続に配置固定され、レンズ３および光ファイバ４を支持し、これらの相対位置関係を規定するための第２の支持部材４０とから構成される。
【００２２】
第１の支持部材１０と第２の支持部材４０との当接部上には、レンズ３を支持する基体３０が固定されている。レンズ基体３０は、レンズ３の主面が光軸と直交し、レンズ主軸が光軸上に合致するようにレンズ３を支持するものであり、その形状は特に限定されない。また、このレンズ基体３０を第１または／および第２の支持部材と一体に形成させてもよい。
【００２３】
光結合手段であるレンズ３は、種々のものが適用でき、球面レンズ、非球面レンズ、ロッドレンズあるいはこれらのものを複数組合せたものであってもよい。図１に示すレンズ３は、球レンズであり、入射側主面と出射側主面は、同一の位置３ａで合致する。
第１の支持部材１０は、レンズ基体３０、レンズＬＤ連結部材１３、ステム１１および台座１２から構成されている。
【００２４】
連結部材１３は、線膨張係数の異なる２種の部材１３ａ、１３ｂを連結して構成されている。部材１３ａは標準温度（例えば、２０℃）において長さＬ13a、線膨張係数α13aを有し、その先端部にはステム１１が連結されている。部材１３ｂは標準温度において長さＬ13b、線膨張係数α13b（α13b＞α13a）を有している。連結部材１３の一端側（部材１３ａ側）には、ステム１１が光軸と直交する平面上に配置された状態で固定されている。またステム１１の光軸位置近傍に台座１２がレンズ３側に突出するように固設されている。台座１２のレンズ３側端部には、光軸上に出射端面１ａをレンズ３側に向けて配置されたＬＤ１が載置されている。台座１２は、標準温度において長さＬ12、線膨張係数α12（α12＞α13a）を有している。ＬＤ１と台座１２間にはＬＤ１からの放熱を容易にするために熱伝導に優れる銅系またはアルミニウム系合金もしくはダイヤモンド等からなるヒートシンクを介在させることが好ましい（図１には図示せず）。
【００２５】
第２の支持部材４０は、レンズ基体３０、レンズ光ファイバ連結部材４４、スリーブ支持部材４３、フェルールスリーブ４２、およびフェルールホルダ４１から構成されている。連結部材４４の先端部にはスリーブ支持部材４３が固設されている。この連結部材４４は、標準温度において長さＬ44、線熱膨張係数α44を有している。なお連結部材１３と連結部材４４は互いに当接して接続されており、それらの当接面は、レンズ３の主面の光軸方向位置と一致している。
【００２６】
スリーブ支持部材４３の光出力側端面（レンズ対向面と反対側の面）４３ａは、光軸と直交する平面上に配置されている。また、同端面４３ａには、フェルールスリーブ４２が、その中心軸が光軸に合致するように、固設されている。フェルールスリーブ４２の内筒には、フェルールホルダ４１が後述するように端面位置を調整されて固設されている。フェルールホルダ４１は、端部にフェルール４ｂを取付けた光ファイバ４を固定するためのもので、ホルダ４１の内筒にフェルール４ｂが同心状に嵌合して固定されている。そして光ファイバ端面（フェルール４ｂの端面位置と同じ）４ａの光軸方向位置は、スリーブ４２とホルダ４１の相対位置関係を調整して、使用環境温度が標準温度であるときレーザ光の焦点位置７より、レンズ３に近い位置に調芯されている（図２参照）。
【００２７】
このように構成されたＬＤモジュール６において、ＬＤモジュール６の各部材が晒される使用環境温度が標準温度よりΔＴだけ高温になったとき、ＬＤ１の出射端面１ａとレンズ３の入射側主面３ａ間の距離ａがΔａだけ変化したとすると（図２参照）、変化量Δａは次式(1),(2),(3) によって求められる。
ここにおいて、熱膨張割合ｋ１＝（Ｌ13a×α13a＋Ｌ13b×α13b−Ｌ12×α12）である。また、Ｌ0およびα0は、第１支持部材の等価長さおよび等価熱線膨張率である。また、Ｌ13およびα13は、レンズＬＤ連結部材１３の等価長さおよび等価熱線膨張率である。熱膨張割合（単位：mm/℃）は、温度１℃の上昇に対する相対位置関係の変化量をいう。
【００２８】
一方、光ファイバ端面４ａが連結部材４４の熱膨張によりΔｃだけ焦点位置７に近づいたとするとその変化量Δｃは、次式(5) によって求められる。なお、標準温度における光ファイバ端面４ａは焦点位置７に対して距離ｃだけ離間していたものとする（図２参照）。
ここにおいて、熱膨張割合ｋ２＝Ｌ44×α44である。また、Δｂは、焦点位置７の変位量であり、Δａが正の値をとるとき、Δｂも正の値をとるものとすると、レンズ３の主面３ａ，ＬＤ１の出射端面１ａおよび光ファイバ端面４ａ間の相対距離の関係は図２に示す通りになる。
【００２９】
このように演算されるΔｃは、ＬＤ１の温度依存性による光出力の低下を光結合効率の向上によって補償するためには、０より大でなければならず、式(6)から、
ｋ２×ΔＴ＞Δｂ
となるように各部材の部材長や熱線膨張率を選定すればよい。そして、ＬＤモジュール６の使用環境温度の上昇によるΔａの僅かな変化に対してΔｂが大きく変化することは好ましくないので、ＬＤ１の出射端面位置を、レンズ３から焦点距離ｆの２倍になる位置近傍に設定することが望ましい。このように設定すると、Δｂが略Δａと等しくなるので、Δａの変化量が微小であればΔｂの変化量も微小になり（Δａ＝Δｂ）、式(4),(6)から次式(7)が成り立つ。
ｋ２×ΔＴ＞ｋ１×ΔＴ
ｋ２＞ｋ１ ……(7)
【００３０】
また、温度上昇に対して光結合効率を単調に改善させるためには、Δａ、従ってΔｂがΔｃに対して無視できる微小であるとすると、次式(8) を満足させなければならない。
Δｃ＝ｋ２×ΔＴ＜ｃ ……(8)
かくして、式(7),(8)が台座１２．連結部材１３，４４の設定条件になり、これらの式(7),(8)が成立するようにこれらの部材の部材長や熱線膨張係数を選定すればよい。
【００３１】
事実、上式(2)から明らかなように、Ｌ13×α13＝Ｌ12×α12に設定すると、Δａ（ｋ１）を極めて小さい値（略０）に設定することができる。従って、焦点位置７の変化も微少値に抑えることができ、焦点位置（ファイバ１から最大光量が得られる焦点位置）の、レンズ３に対する変位量Δｂを、連結部材４４の熱線膨張量に比して充分小さい値に抑制することができる。
【００３２】
さらに、式(1)、(2)においてα13a，α13b（或いは等価熱線膨張率α13）をα44に対して充分に小さい値に設定すると、台座１２の部材長Ｌ12を小又は０に設定しても、式(7)を成立させることができる。
例えば、レンズＬＤ連結部材１３にコバール（線熱膨張係数が５×１０-6）を、レンズ光ファイバ連結部材４４にステンレス鋼のＳＵＳ３０４（線熱膨張係数が１６×１０-6）を使用し、台座１２に鉄系合金（線熱膨張係数が１１×１０-6）を、それぞれ好適に使用することができ、この場合、変位量Δｂを微小値に抑えることができる。
【００３３】
次に、上述した第１実施形態に基づくＬＤモジュールの実施例１について説明する。
図３は、レセプタクル型モジュール６Ａを示す。なお、図３中、図１で説明した構成要素と実質的に同じ機能と形状を有するものについては同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
【００３４】
このモジュール６Ａは、ＬＤ１からのレーザ光をレンズ３によりフェルール４ｂに固定された光ファイバ４に結合させ、この光ファイバ４にＰＣ（ｐｈｙｓｉｃａｌ ｃｏｎｔａｃｔ）接続させたフェルール４'b付き光ファイバ４'からレーザ光を出力させるものである。
ＬＤ１は、銅製のヒートシンク１４を介して台座１２に載置される。台座１２を固設するステム１１は、円盤形状をなし、その台座側の面上に、ＬＤ１の発光状態を監視するためのフォトダイオード（ＰＤ）９０が取付けられており、このＰＤ９０は、ＬＤ１の後方出射光を検出する。なおステム１１には、ＬＤ１およびＰＤ９０に電気的に接続される複数本のリードピン９１乃至９３が、外方に向かって突設されている。
【００３５】
ＬＤ１とＰＤ９０は、レンズＬＤ連結部材の一部を構成するコバール製キャップ１５の内部に格納されている。キャップ１５は、円筒部１５ａと円盤部１５ｂとが一体に形成されてなり、円盤部１５ｂには円形の窓１５ｃが形成されている。窓１５ｃにはＬＤ１から出射されるレーザ光を透過するガラス７ａが接着され、キャップ１５内には不活性ガスが気密封止される。
【００３６】
円盤部１５ｂの外周縁には、レンズＬＤ連結部材およびレンズ光ファイバ連結部材のそれぞれを構成する円筒形の、ＳＵＳ３０４製のレンズホルダ３５の一端面３５ｅが固着されている。ホルダ３５の他端面３５ｄには後述するフェルールスリーブ４２が固着される。
レンズホルダ３５は、一端面３５ｅと他端面３５ｄにそれぞれ開口する孔３５ｆを有している。孔３５ｆの長手方向中心部分は孔径の小さい小径段部３５ａで形成される。段部３５ａのＬＤ１側に嵌合された球レンズ３は、低融温ガラス７ｂでレンズホルダ３５に取付けられる。孔３５ｆのフェルールスリーブ４２側に開口した部分は、その直径が後述するフェルールホルダ４１の小径部外径より大で、フェルールホルダ４１の調芯作業のため必要な空間３５ｃとなっている。
【００３７】
フェルールスリーブ４２は略円筒形で、その一端の大径部はフランジ４２ａを形成している。該フランジの端面４２ｂは、レンズホルダ３５の端面３５ｄに当接され、後述する調芯の上、これに固設される。フェルールスリーブ４２の内筒は、これに嵌合するフェルールホルダ４１の外径より僅かに大きい内径を有している。
【００３８】
フェルールホルダ４１は、略円筒形の大径部４１ａと、スリーブ４２に嵌合する小径部４１ｂとで構成され、大径部４１ａはフランジを形成している。フェルールホルダ４１は、小径部４１ｂの端面側から順にフェルール４ｂが保持される貫通孔４１ｃ、パイプスリーブ４５が嵌合される孔４１ｄ、およびスリーブ押え４７の挿入端部４７ａが嵌合される大径孔４１ｅがそれぞれ同心状に穿設されている。
【００３９】
フェルール４ｂは、ジルコニア製で、その中心貫通孔に光ファイバ４が挿通され接着剤で固定されている。フェルール４ｂと光ファイバ４ａの両端は一体に端面処理され、レンズ側端面４ａは、光の反射を防止するために斜め研磨され、他面４ｃは、ＰＣ（Physical contact）接続のためにＲづけ研磨されている。パイプスリーブ４５はホルダ４１の貫通孔４１ｃと同じ寸法の内径を有し、パイプスリーブ４５をフェルール４ｂに取付けた状態で、フェルール４ｂをホルダ４１の貫通孔４１ｃに嵌合させ、その後、スリーブ押え４７の挿入端部４７ａを大径孔４１ｅに押込んでこれらを固定する。この時、ファイバ端面４ａは略ホルダ端面４１ｂに合致させる。スリーブ押え４７には、貫通孔４１ｃと同じ径のプラグ孔４７ｂが穿設されており、このプラグ孔４７ｂには、光ファイバ４にＰＣ接続させる、例えばＳＣ、ＦＣ、ＬＣフェルール等の他のフェルール４'b 付き光ファイバ４'が嵌挿される。
【００４０】
フェルールスリーブ４２とフェルールホルダ４１の両部材は、共にＳＵＳ３０４で構成されている。また、レンズホルダ３５の一部、キャップ１５、ステム１１、台座１２等がＬＤ１およびレンズ３を支持し、これらの相対位置関係を規定する第１の支持部材を、レンズホルダ３５の残部、フェルールスリーブ４２、フェルールホルダ４１、フェルール４ｂ等がレンズ３および光ファイバ４を支持し、これらの相対位置関係を規定する第２の支持部材を構成している。
【００４１】
調芯は、光ファイバ端面４ａの光軸位置合わせと、焦点位置７（図２参照）に対する位置合わせが行われる。これらの調芯はフェルール４ｂをホルダ４１に固定した状態で、このホルダ４１をフェルールスリーブ４２に嵌合させ、図示しないコネクタプラグをスリーブ押え４７のプラグ孔４７ｂから挿入し、フェルール４ｂの光ファイバ４とＰＣ接続させた光ファイバから取り出したレーザ光の光出力を監視しながら行われる。
【００４２】
まず、光軸位置合わせが行われ、この位置合わせは、フェルールスリーブ４２をレンズホルダ３５の光出力側端面３５ｄに当接し、光軸と直交する方向に適宜移動させ、光ファイバ４からの光出力が最大になる位置でＹＡＧレーザで当接端面の外周を溶接することで完了する。次いで焦点位置７に対する位置合わせが行われ、この調芯では、フェルールホルダ４１をフェルールスリーブ４２内で光軸方向に適宜移動させ、最大光量が得られる焦点位置７を探す。そして、見付けた焦点位置７に対して光ファイバ端面４ａの位置を予め設定されている距離ｃだけレンズ３側に近づけ、その位置でフェルールスリーブ４２とフェルールホルダ４１をＹＡＧ溶接して固定する。
表１は、ＬＤモジュール６の各部材の材質および線膨張係数を示す。
【００４３】
【表１】
【００４４】
【表２】
【００４５】
表２は、ＬＤモジュール６の各部材の標準温度（２０℃）および使用上限温度（８５℃）における部材寸法を示す。上記式(1),(4)からｋ1を、式(6)からｋ2を求めると表２に示すとおりであり、これは式(7)を満たしている。また、表２から明らかなように、８５℃におけるΔｃは２０℃の距離ｃより小であり、Δｃ（８５℃）＜ｃ（２０℃）の条件を満足している。８５℃におけるΔｃの値から明らかなように、ファイバ端面は焦点位置に 0.88 mmだけ近寄り、光結合効率が改善されている。その結果、使用上限温度（８５℃）における光ファイバに入射される光量は 0.12mＷであり、標準温度（２０℃）における光量 0.125 mＷと比較して光量の低下は極僅かであった。
【００４６】
なお、第１実施形態に基づく実施例１としてレセプタクル型モジュールを例に説明したが、例えばピッグテール型モジュール等、他のＬＤモジュールにも本発明を適用することができる。
【００４７】
（第２の実施形態）
図４は、本発明に係るＬＤモジュールの、別の好ましい第２実施形態の概略構成を示す。図４に示すＬＤモジュール６Ｂにおいて、図１に示す第１の実施形態のものと実質的に同じ機能、形状を有するものは同じ符号を付してその詳細な説明を省略する。
ＬＤモジュール６Ｂは、レンズ３およびＬＤ１を支持しこれらの相対位置関係を固定するための第１の支持部材２０が、レンズ基体３０，レンズＬＤ連結部材２３，ステム１１，台座１２等で構成されている。連結部材２３は、標準温度において長さＬ23、線膨張係数α23を有し、その先端部にはステム１１が連結されている。台座１２は、標準温度において長さＬ12、線膨張係数α12を有している。
【００４８】
ＬＤモジュール６Ｂの第２の支持部材５０は、レンズ基体３０、レンズ光ファイバ連結部材５４、スリーブ支持部材５３、フェルールスリーブ５２等から構成される。連結部材５４の先端には、スリーブ支持部材５３、フェルールスリーブ５２を介して、第３の支持部材としてのフェルールホルダ５１が固設されている。第２の支持部材５０およびフェルールホルダ５１は、これらが協働してレンズ３および光ファイバ４をそれぞれ支持し、これらの相対位置関係を規定している。
【００４９】
レンズ光ファイバ連結部材５４は、標準温度において長さＬ54、線熱膨張係数α54を有している。なお連結部材２３と当該連結部材５４は互いに当接して接続されており、それらの当接面は、レンズ３の主面の光軸方向位置と一致している。
スリーブ支持部材５３の光出力側端面(レンズ対向面と反対側の面)５３ａは、光軸と直交する平面上に配置され、当該端面５３ａには、フェルールスリーブ５２がその中心軸が光軸に合致するように固設されている。フェルールスリーブ５２の内筒には、フェルールホルダ５１が固設されている。フェルールホルダ５１は、端部にフェルール４ｂを取付けた光ファイバ４を固定するためのもので、ホルダ５１の内筒にフェルール４ｂが同心状に嵌合して固定されている。そして、フェルールホルダ５１は、スリーブ支持部材５３からレンズ側に突出して部材５３に固設され、光ファイバ端面（フェルール４ｂの端面位置と同じ）４ａの光軸方向位置は、前述したと同様にして、スリーブ５２とホルダ５１の相対位置関係を調整して、標準温度（例えば、２５℃）においてレーザ光の焦点位置７より、レンズ３から遠ざかる側の位置に調芯されている。このとき、フェルールホルダ５１は、標準温度においてスリーブ支持部材５３の端面５３ａからレンズ３側に長さＬ51だけ突出しており、熱線膨張率α51を有している。また、光ファイバ端面４ａは焦点位置７から距離ｃ２だけ離間している（図４参照）。
【００５０】
上述のように構成されるＬＤモジュール６Ｂにおいて、その各部材が晒される使用環境温度が標準温度よりΔＴだけ高温になったとき、ＬＤ１の出射端面１ａとレンズ３の入射側主面３ａ間の距離ａ２がΔａ２だけ変化したとすると、Δａ２は次式(20),(21),(22) によって求められる。
ここにおいて、熱膨張割合ｋ10＝（Ｌ23×α23−Ｌ12×α12）である。また、Ｌ10およびα10は、第１支持部材２０の等価長さおよび等価熱膨張率である。
【００５１】
一方、光ファイバ端面４ａが連結部材５４およびフェルールホルダ５１の熱膨張によりΔｃ２だけ焦点位置７に近づいたとするとその距離Δｃ２は、次式(23),(24),(25) によって求められる。
ここにおいて、熱膨張割合ｋ20＝（Ｌ51×α51−Ｌ14×α14）、Δｂ２は、変位量Δａ2に伴う焦点位置７の変位量である。
【００５２】
使用環境温度が上昇し、レンズＬＤ連結部材２３の熱膨張によりレンズＬＤ間距離ａ２が伸びると、ニュートンのレンズの公式(F1)から焦点位置７はレンズ３に近づくことになり、これは、光ファイバ端面４ａが焦点位置７から離れる方向に相対移動して離間距離ｃ２が大になることを意味する。一方、レンズ光ファイバ連結部材５４が熱膨張で伸びると、この場合も光ファイバ端面４ａは焦点位置７から離れる方向に相対移動して離間距離ｃ２が大になることを意味する。
【００５３】
しかしながら、式(20)、(23)から明らかなように、連結部材２３および連結部材５４の各熱線膨張率α23、α54に対して、フェルールホルダ５１の熱線膨張率α51を充分に大きい値に設定すると、Δｃ２の値を、温度上昇ΔＴに応じて増加する正の値に設定することができ、光ファイバ端面４ａを焦点位置７に、温度上昇ΔＴに応じて近づけることができる。このように設定すると、レーザ光の結合効率が上昇し、温度上昇に伴うＬＤ１の出力低下を、光結合効率の向上によって相殺することができる。
【００５４】
なお、連結部材２３の熱線膨張率α23を小さい値に設定し、これに対応して台座１２の熱線膨張率α12を適宜値に設定すると、式(20)から明白なように、変化量Δａ２を実質０或いは極めて小さい値に設定することもでき、この場合焦点位置７の移動量Δｂ２も実質０或いは極めて小さい値に固定され実質移動しないようにすることができる。このとき、Δａ２がΔｂ２に略等しいとすると、式(22)および式(25)から、
ｋ20×ΔＴ＞ｋ10×ΔＴ
ｋ20＞ｋ10 ……(26)
或いは式(21),(24)から
Ｌ20×α20＞Ｌ10×α10 ……(27)
或いはΔａ2＝Δｃ2＝０と見なして
Ｌ51×α51＞Ｌ54×α54 ……(28)
と表すことができ、式(28)を更に熱膨張割合で表すと、
ｋ51＞ｋ54 ……(29)
を導き出すことができる。また、前式(8)と類似の次式(30)が成立することが必要である。
Δｃ2 ＝ｋ22×ΔＴ＜ｃ ……(30)
【００５５】
このような条件を満足するように、第１乃至第３の支持部材の部材長および熱線膨張率を選定すればよい。
第２の実施形態を成立させるためには、連結部材２３、５４にコバールまたはインバール等の低熱膨張率の部材を、フェルールホルダ５１にアルミ合金等の熱膨張率の大きい部材を使用すればよい。表３および表４は、ＬＤモジュール６Ｂの各部材の材質、線膨張係数、標準温度（２５℃）および使用上限温度（８５℃）における部材寸法等を示す。表４から明らかなように、８５℃におけるファイバ端面４ａは、焦点位置７に近づいており、光結合効率が向上していることが分かる。なお、表３，４では、台座１２の部材長Ｌ12を考慮されていない（すなわち、Ｌ12＝０として扱われている）。この台座１２の部材長Ｌ12を考慮すれば、Δａ2を小にする効果があり、光結合効率がより大きく改善されることになる。
【００５６】
【表３】
【００５７】
【表４】
【００５８】
図５は、第２実施形態を具体化させた実施例２の概略構成を示す。この実施例２の場合にも、図３で説明したＬＤモジュール６Ａの構成要素と実質的に同じ機能および形状を有するものには同じ符号が付されている。
図５に示すＬＤモジュール６Ｃは、コバール製のキャップ１５内にＬＤ１が収容されており、これに円筒形状をしたコバール製レンズホルダ６１の一端が接続される。キャップ１５、レンズホルダ６１およびステム１１により第１の支持部材を構成し、第１の支持部材によって、ＬＤ１およびレンズ３が支持され、これらの相対位置関係を固定している。
【００５９】
レンズホルダ６１の他端には、円筒形状をしたコバール製の連結部材６２の一端が外嵌されており、連結部材６２の他端には円盤状のスリーブ支持部材６３が固着され、この支持部材６３からレンズ側に向かって延びるフェルールホルダ６４が固着されている。フェルールホルダ６４の延出端には、光ファイバ４を保持するフェルール４ｂが固定されている。このような構成において、レンズホルダ６１および連結部材６２は第２の支持部材を構成し、スリーブ支持部材６３、フェルールホルダ６４、フェルール４ｂ等によって第３の支持部材を構成している。そして第２および第３の支持部材が協働して、レンズ３および光ファイバ４を支持し、これらの相対位置関係を規定している。
【００６０】
フェルールホルダ６４を固着したスリーブ支持部材６３は、連結部材６２の端面に当接させ、光軸に対して直交する面内で適宜移動させることによって、フェルールホルダ６４の中心軸を、従って光ファイバ４を光軸に合致させることができ、連結部材６２をレンズホルダ６１に対して光軸方向に適宜移動させることによって、光ファイバ端面４ａを焦点位置に関してレンズ３から遠ざかる側の所定の位置に配置することができる。
【００６１】
（第３の実施形態）
図６は、本発明に係るＬＤモジュールの、別の好ましい第３実施形態の概略構成を示す。図６に示すＬＤモジュール６Ｄにおいて、図１に示す第１の実施形態、或いは図４に示す第２実施形態のものと実質的に同じ機能、形状を有するものは同じ符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００６２】
第１および第２の実施形態では、レンズ３を支持するレンズ基体３０が光軸方向に変位しない構成であったが、第３の実施形態のＬＤモジュール６Ｄでは、ＬＤ１を支持する位置を基準にレンズ３および光ファイバ４を支持する支持部材がそれぞれ光軸方向に変位する点で異なる。
第３の実施形態のＬＤモジュール６Ｄでは、第１の支持部材は、レンズ基体３０，レンズＬＤ連結部材２３，ステム１１，台座２２等で構成されている。連結部材２３はレンズ基体３０から一の方向（図６の実施形態では左方向）に延び、その先端部にはステム１１が連結されている。そして、ステム１１に台座１２が固設され、この台座１２にＬＤ１が載置されることは第１および第２の実施形態と同じである。
【００６３】
ステム１１には、レンズＬＤ連結部材２３と同方向にレンズ３側に延び、部材２３より部材長が長いＬＤ光ファイバ連結部材（第２の支持部材）５５が接続されている。そして、この連結部材５５の延出端には第３の支持部材が固設されており、第３の支持部材は、スリーブ支持部材５３、フェルールスリーブ５２、フェルールホルダ５１等から構成されており、この構成は図４に示す第２の実施形態と同じである。すなわち、フェルールホルダ５１は、フェルールスリーブ５２に嵌合して固定され、フェルールスリーブ５２はスリーブ支持部材５３に固設されている。そして、フェルールホルダ５１の先端５１ｂは、スリーブ支持部材５３からレンズ側に突出している。光ファイバ端面４ａの光軸方向位置は、前述した第２の実施形態と同様に、スリーブ５２とホルダ５１の相対位置関係を調整して、標準温度においてレーザ光の焦点位置７より、レンズ３から遠ざかる側の所定の位置に調芯されている。このとき、光ファイバ端面４ａは焦点位置７から距離ｃ3だけ離間している（図６参照）。
【００６４】
上述のように構成されるＬＤモジュール６Ｄにおいても、第２の実施形態の説明から容易に類推できるように、連結部材２３および連結部材５５の各熱線膨張率に対して、フェルールホルダ５１の熱線膨張率を充分に大きい値に設定することにより、光ファイバ端面４ａを温度上昇ΔＴに応じて焦点位置７に近づけることができる。このように設定すると、温度上昇ΔＴに応じてレーザ光の結合効率が上昇し、温度上昇に伴うＬＤ１の出力低下を、光結合効率の向上によって相殺させることができる。
【００６５】
図７は、第３実施形態を具体化させた実施例３の概略構成を示す。この実施例３の場合にも、図３で説明したＬＤモジュール６Ａ、或いは図５で説明したＬＤモジュール６Ｃの構成要素と実質的に同じ機能および形状を有するものには同じ符号が付されている。
図７に示すＬＤモジュール６Ｅは、ＬＤ１が、図示しない銅製のヒートシンクを介して台座１２に載置され、台座１２が、円盤形状をなすステム１１に固設されていることは実施例２と同じである。そして、ＬＤ１は、コバール製のキャップ７５内に収容されている。このキャップ７５は、円筒部７５ａと円盤部７５ｂとが一体に形成されてなり、円盤部７５ｂには円形の窓７５ｃが形成され、この窓７５ｃにレンズ３が嵌合されている点で実施例１および実施例２と異なっている。窓７５ｃをレンズ３で閉塞することで内部のＬＤ１が不活性ガスで気密封止される。
【００６６】
実施例３では、キャップ７５、ステム１１、台座１２等によって第１の支持部材を構成し、この支持部材によってＬＤ１およびレンズ３が支持され、これらの相対位置関係を固定している。そして、実施例１又は実施例２と同様に、鉄系合金の台座１２およびコバール製キャップ７５の熱線膨張係数の相違、所要の長さに設定された各部材長によってＬＤ１の出射端面とレンズ３の主面間距離ａ3 （図６参照）の変化量Δａ3 を温度上昇に拘わらず微少値或いは実質的に０に抑えることができる。
【００６７】
ステム１１には、キャップ７５を囲繞するように、円筒形状の連結部材７６の一端が接続されている。この連結部材７６は、キャップ７５の中心軸と合致させてレンズ側に延び、部材長はキャップ７５のそれより大きい。そして、連結部材７６の他端には円盤状のスリーブ支持部材７７が固着されている。この支持部材７７には中心位置に貫通孔が穿設されており、この貫通孔に挿入させたフェルールホルダ７８がレンズ側に向かって延び、支持部材７７に固着されている。フェルールホルダ７８の延出端には、光ファイバ４を保持するフェルール４ｂが固定されている。
【００６８】
このような構成において、ステム１１、連結部材７６は第２の支持部材を構成し、スリーブ支持部材７７、フェルールホルダ７８、フェルール４ｂ等によって第３の支持部材を構成している。そして第２および第３の支持部材が協働して、ＬＤ１および光ファイバ４を支持し、これらの相対位置関係を固定している。
フェルールホルダ７８を固着したスリーブ支持部材７７は、連結部材７６の端面に当接させ、光軸に対して直交する面内で適宜移動させることによって、フェルールホルダ７８の中心軸を、従って光ファイバ４を光軸に合致させることができる。また、フェルールホルダ７８をスリーブ支持部材７７に対して光軸方向に適宜移動させることによって、光ファイバ端面４ａを焦点位置７（図６参照）に関してレンズ３から遠ざかる側の所定の位置に配置することができる。
【００６９】
実施例３においても、実施例２と同様に、連結部材７６を熱膨張係数の小さい、例えばコバールで作製し、フェルールホルダ７８を熱膨張係数の大きい、例えばアルミ合金で作製すると、光ファイバ端面４ａを温度上昇ΔＴに応じて焦点位置７に近づけることができる。このように設定すると、温度上昇ΔＴに応じてレーザ光の結合効率が上昇し、温度上昇に伴うＬＤ１の出力低下を、光結合効率の向上によって相殺させることができる。
【００７０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のＬＤモジュールによれば、レーザダイオード、レンズおよび光ファイバをそれぞれ支持する支持部材の部材長および熱線膨張率を、使用環境温度が標準温度であるとき光ファイバ端面がレンズによる焦点位置より離間した位置に配置され、標準温度より高温であるときに当該光ファイバ端面が焦点位置に近づくように設定したので、ＬＤの自己発熱や環境温度上昇によるＬＤ自体の光出力低下をＬＤモジュールの光結合効率の向上で補償することができ、もってモジュール出力の低下が生じることが防止され、かつ、ＬＤモジュールにペルチェクーラ等の冷却装置を使用しないか、もしくは冷却性能が低いものを使用し得るので、小型化、低消費電力化、低コスト化が図れるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るＬＤモジュールの第１実施形態の概略構成を示したブロック図である。
【図２】図１に示すＬＤモジュール６を構成する各部材の相対位置関係を説明するための図である。
【図３】第１の実施形態に基づくＬＤモジュールの実施例１を示し、ＬＤモジュール６Ａの断面図である。
【図４】本発明に係るＬＤモジュールの第２実施形態の概略構成を示したブロック図である。
【図５】第２の実施形態に基づくＬＤモジュールの実施例２を示し、ＬＤモジュール６Ｃの断面図である。
【図６】本発明に係るＬＤモジュールの第３実施形態の概略構成を示したブロック図である。
【図７】第３の実施形態に基づくＬＤモジュールの実施例３を示し、ＬＤモジュール６Ｅの断面図である。
【符号の説明】
１ ＬＤ
１ａ 出射端面１ａ
３ レンズ
４ 光ファイバ
４ａ 光ファイバ端面
６、６Ａ〜６Ｅ ＬＤモジュール
７ 焦点位置
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザダイオードから出射されるレーザ光を光ファイバに結合させる、光通信分野に好適に使用されるレーザダイオードモジュールに関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
レーザダイオードモジュール（以下、「ＬＤモジュール」と略す）は、レーザダイオード（以下、「ＬＤ」と略す）からの出射光をレンズで光ファイバの端面に集光させ、レーザ光を光ファイバに結合させるものである。ＬＤモジュールは、所望の光出力を得るためにＬＤ、レンズ、および光ファイバの、調芯と呼ばれる光軸調整と焦点調整が１ミクロン（μｍ）以下の精度で行われる。この調芯は、ＬＤモジュールの光出力を監視しながら行われ、レーザ光の焦点位置（ファイバから最大光量が得られる焦点位置）に合致するように光ファイバの端面位置を設定し、もって構成部材の加工精度や組立精度のバラツキによる性能への影響を最小限に抑制している。
【０００３】
ところで、ＬＤは、その電力消費による自己発熱、または環境温度の上昇によってＬＤの温度が上昇するが、温度上昇で光出力が低下する温度依存性を持っている。加えてＬＤ自身の発熱、または環境温度の上昇は、ＬＤモジュールを構成する部材に熱膨張を生じさせ、ミクロン単位で行われた調芯に狂いを生じさせ、レーザ光の光ファイバへの光結合効率を低下させ、ＬＤモジュールの光出力を低下させる。具体的にはＬＤ素子によって相違があるが、高温環境（摂氏６０度から９０度）で顕著な光出力の低下が生じる。このようにＬＤの自己発熱、ＬＤモジュールの環境温度の上昇は、ＬＤモジュールの光出力を相乗的に低下させる。そしてＬＤモジュールの光出力低下は、光通信を不可能にすることもある。
【０００４】
そこで、ＬＤの自己発熱と環境温度の上昇によってＬＤモジュールの温度上昇を生じさせる熱エネルギーをペルチェクーラ等の温度制御装置で外部に放出し、ＬＤを一定の温度に制御するＬＤモジュールが一般に利用されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＬＤモジュールにペルチェクーラ等の温度制御装置を使用すると、ＬＤモジュールの全体形状が大きくなり、小サイズ化が求められる通信用トランシーバ等の筐体に入りきらないという問題がある。また、ペルチェクーラを駆動するための電源を必要とし、さらに、ペルチェクーラの作動を制御する外部制御回路を必要とする。更にまた、これらの電源や外部制御回路は、コストを上昇させるという問題もあった。
【０００６】
また、温度制御装置を使用した場合においても、その温度制御性能が十分でないときには、ＬＤモジュールの温度上昇を低減することが困難である。
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、ＬＤの自己発熱や環境温度上昇によっても光出力の低下が少なく、低コスト化、小型化が可能なＬＤモジュールを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明によれば、請求項１では、レーザダイオードからのレーザ光をレンズによって光ファイバ端面近傍に集光させて光ファイバに結合させるレーザダイオードモジュールにおいて、レーザダイオードの出射端面と該レーザダイオードから出射した光を受けるレンズの入射側主面との距離Ｌ１を決定すると共に、レーザダイオードとレンズの相対位置関係を規定する第１支持部材と、光ファイバ端面と該光ファイバに光を結合するレンズの出射側主面との距離Ｌ２を決定すると共に、レンズと光ファイバの相対位置関係を規定する第２支持部材と、を有し、第１支持部材および第２支持部材のそれぞれの相対位置関係を規定する部材の少なくとも１つが前記部材の他の少なくとも１つとは熱膨張率の異なる材質からなることにより、使用環境温度が標準温度であるとき光ファイバ端面がレンズによる焦点位置より離間した位置に配置され、標準温度より高温であるときに光ファイバ端面が相対的に焦点位置に近づくように設定されていることを特徴とするＬＤモジュールが提供される。
【０００８】
本発明のＬＤモジュールの特徴は、ＬＤ自身および雰囲気の温度の上昇でＬＤモジュールの光出力が、ＬＤの温度依存性により低下するが、ＬＤの光出力の温度依存性を、光結合効率の向上を実現することで補償することにある。光結合効率の向上は、以下のようにして実現することができる。
【０００９】
先ず、レンズの焦点距離をｆとするとレンズの公式から、以下の関係式(F1)が成立する。
１／ｄ１＋１／ｄ２＝１／ｆ ……(F1)
ここにおいて、ｄ１は点光源からレンズ入射側主面までの距離であり、ｄ２はレンズ出射側主面から焦点位置までの距離、ｆはレンズの焦点距離である。
【００１０】
ＬＤモジュールにおいて、ｄ１は、ＬＤ出射端面とレンズ入射側主面間の距離に相当し、当該距離は、ＬＤとレンズの相対位置関係を規定する支持部材の部材長によって決定される。また、ＬＤモジュールの温度上昇の変化に伴うｄ１の変化は、これら部材の構成と線熱膨張係数等の物理的性質に依存し、これらによってｄ１の変化を制御することができる。
【００１１】
ｄ２は、ｄ１とレンズの焦点距離ｆによって決定されるレンズ出射側主面とレーザ光の焦点位置間の空間的距離に相当する。そしてレンズの焦点距離ｆは、レンズの直径と屈折率等によって決まるところから変化しないと考えてよい。従って、ＬＤモジュールの温度変化が生じた場合、ｄ２はｄ１の変化、すなわちＬＤおよびレンズを支持する支持部材の熱膨張の影響のみを受けて変化することになる。
【００１２】
一方、レンズ出射側主面と光ファイバ端面間の距離は、レンズと光ファイバの相対位置関係を規定する支持部材によって決定され、また、ＬＤモジュールの温度変化に伴う当該距離の変化は、これら部材の構成、部材長、線熱膨張係数等を適宜に設定することにより制御することができる。
従って、これらの設定によって、使用環境温度が標準温度であるとき光ファイバ端面がレンズによる焦点位置より離間した位置あり、標準温度より高温であるときに光ファイバ端面が相対的に焦点位置に近づくように制御することで、使用環境温度の上昇に応じて光結合効率を向上させ、ＬＤの光出力の温度依存性を補償することができる。
【００１３】
請求項２のＬＤモジュールは、前記第１支持部材と前記第２支持部材の部材長および熱膨張率が、使用環境温度が標準温度であるとき、光ファイバ端面がレンズによる焦点位置より離間した位置に配置され、標準温度より高温であるときに光ファイバ端面が相対的に焦点位置に近づくように設定されていることを特徴とする。
【００１４】
すなわち、ＬＤ、レンズおよび光ファイバのそれぞれの、支持部材の構成、各部材長、線熱膨張係数等を適宜設定して、使用環境温度が標準温度であるとき光ファイバ端面がレンズによる焦点位置より離間した位置にあり、標準温度より高温であるときに光ファイバ端面が相対的に焦点位置に近づくようにすることで、使用環境温度の上昇に応じて光結合効率を向上させ、ＬＤの光出力の温度依存性を補償することができる。
請求項３のＬＤモジュールは、使用環境温度が標準温度より高温になったとき、距離Ｌ２が標準温度における距離よりも短くなるように設定されていることを特徴とする。すなわち、ＬＤ、レンズおよび光ファイバのそれぞれの、支持部材の構成、各部材長、線熱膨張係数等を適宜設定して、標準温度の環境温度下においては、レーザ光の焦点位置が、光ファイバ端面の位置からレンズ出射側主面に近い位置になるように設定されており、環境温度の上昇に伴い、距離Ｌ２が短くなることによって、光ファイバの端面位置が焦点位置に近づき光結合効率の向上が実現され、ＬＤの光出力の温度依存性が補償される。
【００１５】
請求項４のＬＤモジュールは、前記距離Ｌ１は、標準温度と高温環境との間で略一定、すなわち温度依存性を有しないように設定され、前記距離Ｌ２は、温度に依存して変化することにより標準温度より高温であるときに前記光ファイバ端面が相対的に前記焦点位置に近づくように設定されていることを特徴とする。また、請求項５のＬＤモジュールは、前記距離Ｌ２は、標準温度と高温環境との間で略一定、すなわち温度依存性を有しないように設定され、前記距離Ｌ１は、温度に依存して変化することにより標準温度より高温であるときに前記光ファイバ端面が相対的に前記焦点位置に近づくように設定されていることを特徴とする。
【００１６】
ＬＤ、レンズおよび光ファイバのそれぞれの、支持部材の構成、各部材長、線熱膨張係数等を適宜設定して、例えば、距離Ｌ１は温度に依存して変化しないように設定され、距離Ｌ２は温度に依存して変化するように設定される。この場合には、使用環境温度が上昇しても、前述レンズの公式に従いレンズ出射側主面とレーザ光の焦点位置間の空間的距離は変化しないので、距離Ｌ２が使用環境温度上昇に依存して、光結合効率を向上させるように変化するように設定されていれば、ＬＤの光出力の温度依存性が補償される。
【００１７】
一方、距離Ｌ１が温度に依存して変化するように設定され、距離Ｌ２が使用環境温度上昇に依存して変化しなように設定されている場合には、使用環境温度が上昇すると、前述レンズの公式に従いレンズ出射側主面とレーザ光の焦点位置間の空間的距離が変化する。ここで、距離Ｌ２は変化しないところから、使用環境温度の上昇に伴いレーザ光の焦点位置を光ファイバ端面の位置に近づけるようにすることができる。このようにして使用環境温度の上昇に伴い光結合効率の向上が実現され、ＬＤの光出力の温度依存性が補償される。
【００１９】
請求項６のＬＤモジュールは、光ファイバ端面の位置が、摂氏６０度〜９０度の範囲内で、レンズによる焦点位置となるように設定されていることを特徴とする。すなわち、ＬＤ、レンズおよび光ファイバのそれぞれの、支持部材の構成、各部材長、線熱膨張係数等を適宜設定して、ＬＤモジュールの温度上昇による焦点位置、および焦点位置に対する光ファイバ端面位置を、適宜位置に変化させることによって、摂氏６０度〜９０度の範囲内で、光ファイバ端面の位置がレンズによる焦点位置となるように設定されているＬＤモジュールは、高温環境（摂氏６０度から９０度）下で光結合効率が最良の状態となるので、ＬＤの光出力低下の補償が実現される。
【００２０】
ここに使用環境温度とは、ＬＤモジュールを構成する各部材が晒される局部的な雰囲気温度をいい、標準温度とは、ＬＤモジュール設計の基準となる温度であり、ＬＤが高い光出力を維持する、例えば１８℃、２０℃、２５℃等を基準温度にしてもよい。
請求項７のＬＤモジュールは、前記第１支持部材には、前記レーザダイオードを支持する台座が含まれ、前記台座は光軸方向に変位することを特徴とする。
請求項８のＬＤモジュールは、前記レーザダイオードと前記台座間には、銅系またはアルミニウム系合金もしくはダイヤモンドからなるヒートシンクが介在されていることを特徴とする。
請求項９のＬＤモジュールは、前記第１支持部材または前記第２支持部材には、前記レンズを支持するレンズ支持部材が含まれ、前記レンズ支持部材は光軸方向に変位することを特徴とする。
請求項１０のＬＤモジュールは、前記第１支持部材または前記第２支持部材の材質はコバール、アルミ合金、鉄系合金、ステンレス鋼から選択されることを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面により詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明に係るＬＤモジュールの第１実施形態の概略構造を示す。第１実施形態のＬＤモジュール６は、図１に示すように、レーザ光を光ファイバ４に結合するレンズ３と、レンズの入射面に出射端面１ａを向けて配置されたＬＤ１と、レンズ３の出射面側に配置され、レーザ光が結合される光ファイバ４と、ＬＤ１およびレンズ３を支持し、これらの相対位置関係を規定するための第１の支持部材１０と、該支持部材１０と光軸方向において連続に配置固定され、レンズ３および光ファイバ４を支持し、これらの相対位置関係を規定するための第２の支持部材４０とから構成される。
【００２２】
第１の支持部材１０と第２の支持部材４０との当接部上には、レンズ３を支持する基体３０が固定されている。レンズ基体３０は、レンズ３の主面が光軸と直交し、レンズ主軸が光軸上に合致するようにレンズ３を支持するものであり、その形状は特に限定されない。また、このレンズ基体３０を第１または／および第２の支持部材と一体に形成させてもよい。
【００２３】
光結合手段であるレンズ３は、種々のものが適用でき、球面レンズ、非球面レンズ、ロッドレンズあるいはこれらのものを複数組合せたものであってもよい。図１に示すレンズ３は、球レンズであり、入射側主面と出射側主面は、同一の位置３ａで合致する。
第１の支持部材１０は、レンズ基体３０、レンズＬＤ連結部材１３、ステム１１および台座１２から構成されている。
【００２４】
連結部材１３は、線膨張係数の異なる２種の部材１３ａ、１３ｂを連結して構成されている。部材１３ａは標準温度（例えば、２０℃）において長さＬ13a、線膨張係数α13aを有し、その先端部にはステム１１が連結されている。部材１３ｂは標準温度において長さＬ13b、線膨張係数α13b（α13b＞α13a）を有している。連結部材１３の一端側（部材１３ａ側）には、ステム１１が光軸と直交する平面上に配置された状態で固定されている。またステム１１の光軸位置近傍に台座１２がレンズ３側に突出するように固設されている。台座１２のレンズ３側端部には、光軸上に出射端面１ａをレンズ３側に向けて配置されたＬＤ１が載置されている。台座１２は、標準温度において長さＬ12、線膨張係数α12（α12＞α13a）を有している。ＬＤ１と台座１２間にはＬＤ１からの放熱を容易にするために熱伝導に優れる銅系またはアルミニウム系合金もしくはダイヤモンド等からなるヒートシンクを介在させることが好ましい（図１には図示せず）。
【００２５】
第２の支持部材４０は、レンズ基体３０、レンズ光ファイバ連結部材４４、スリーブ支持部材４３、フェルールスリーブ４２、およびフェルールホルダ４１から構成されている。連結部材４４の先端部にはスリーブ支持部材４３が固設されている。この連結部材４４は、標準温度において長さＬ44、線熱膨張係数α44を有している。なお連結部材１３と連結部材４４は互いに当接して接続されており、それらの当接面は、レンズ３の主面の光軸方向位置と一致している。
【００２６】
スリーブ支持部材４３の光出力側端面（レンズ対向面と反対側の面）４３ａは、光軸と直交する平面上に配置されている。また、同端面４３ａには、フェルールスリーブ４２が、その中心軸が光軸に合致するように、固設されている。フェルールスリーブ４２の内筒には、フェルールホルダ４１が後述するように端面位置を調整されて固設されている。フェルールホルダ４１は、端部にフェルール４ｂを取付けた光ファイバ４を固定するためのもので、ホルダ４１の内筒にフェルール４ｂが同心状に嵌合して固定されている。そして光ファイバ端面（フェルール４ｂの端面位置と同じ）４ａの光軸方向位置は、スリーブ４２とホルダ４１の相対位置関係を調整して、使用環境温度が標準温度であるときレーザ光の焦点位置７より、レンズ３に近い位置に調芯されている（図２参照）。
【００２７】
このように構成されたＬＤモジュール６において、ＬＤモジュール６の各部材が晒される使用環境温度が標準温度よりΔＴだけ高温になったとき、ＬＤ１の出射端面１ａとレンズ３の入射側主面３ａ間の距離ａがΔａだけ変化したとすると（図２参照）、変化量Δａは次式(1),(2),(3) によって求められる。
【００２８】
一方、光ファイバ端面４ａが連結部材４４の熱膨張によりΔｃだけ焦点位置７に近づいたとするとその変化量Δｃは、次式(5) によって求められる。なお、標準温度における光ファイバ端面４ａは焦点位置７に対して距離ｃだけ離間していたものとする（図２参照）。
【００２９】
このように演算されるΔｃは、ＬＤ１の温度依存性による光出力の低下を光結合効率の向上によって補償するためには、０より大でなければならず、式(6)から、
ｋ２×ΔＴ＞Δｂ
となるように各部材の部材長や熱線膨張率を選定すればよい。そして、ＬＤモジュール６の使用環境温度の上昇によるΔａの僅かな変化に対してΔｂが大きく変化することは好ましくないので、ＬＤ１の出射端面位置を、レンズ３から焦点距離ｆの２倍になる位置近傍に設定することが望ましい。このように設定すると、Δｂが略Δａと等しくなるので、Δａの変化量が微小であればΔｂの変化量も微小になり（Δａ＝Δｂ）、式(4),(6)から次式(7)が成り立つ。
ｋ２×ΔＴ＞ｋ１×ΔＴ
ｋ２＞ｋ１ ……(7)
【００３０】
また、温度上昇に対して光結合効率を単調に改善させるためには、Δａ、従ってΔｂがΔｃに対して無視できる微小であるとすると、次式(8) を満足させなければならない。
Δｃ＝ｋ２×ΔＴ＜ｃ ……(8)
かくして、式(7),(8)が台座１２．連結部材１３，４４の設定条件になり、これらの式(7),(8)が成立するようにこれらの部材の部材長や熱線膨張係数を選定すればよい。
【００３１】
事実、上式(2)から明らかなように、Ｌ13×α13＝Ｌ12×α12に設定すると、Δａ（ｋ１）を極めて小さい値（略０）に設定することができる。従って、焦点位置７の変化も微少値に抑えることができ、焦点位置（ファイバ１から最大光量が得られる焦点位置）の、レンズ３に対する変位量Δｂを、連結部材４４の熱線膨張量に比して充分小さい値に抑制することができる。
【００３２】
さらに、式(1)、(2)においてα13a，α13b（或いは等価熱線膨張率α13）をα44に対して充分に小さい値に設定すると、台座１２の部材長Ｌ12を小又は０に設定しても、式(7)を成立させることができる。
例えば、レンズＬＤ連結部材１３にコバール（線熱膨張係数が５×１０-6）を、レンズ光ファイバ連結部材４４にステンレス鋼のＳＵＳ３０４（線熱膨張係数が１６×１０-6）を使用し、台座１２に鉄系合金（線熱膨張係数が１１×１０-6）を、それぞれ好適に使用することができ、この場合、変位量Δｂを微小値に抑えることができる。
【００３３】
次に、上述した第１実施形態に基づくＬＤモジュールの実施例１について説明する。
図３は、レセプタクル型モジュール６Ａを示す。なお、図３中、図１で説明した構成要素と実質的に同じ機能と形状を有するものについては同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
【００３４】
このモジュール６Ａは、ＬＤ１からのレーザ光をレンズ３によりフェルール４ｂに固定された光ファイバ４に結合させ、この光ファイバ４にＰＣ（ｐｈｙｓｉｃａｌ ｃｏｎｔａｃｔ）接続させたフェルール４'b付き光ファイバ４'からレーザ光を出力させるものである。
ＬＤ１は、銅製のヒートシンク１４を介して台座１２に載置される。台座１２を固設するステム１１は、円盤形状をなし、その台座側の面上に、ＬＤ１の発光状態を監視するためのフォトダイオード（ＰＤ）９０が取付けられており、このＰＤ９０は、ＬＤ１の後方出射光を検出する。なおステム１１には、ＬＤ１およびＰＤ９０に電気的に接続される複数本のリードピン９１乃至９３が、外方に向かって突設されている。
【００３５】
ＬＤ１とＰＤ９０は、レンズＬＤ連結部材の一部を構成するコバール製キャップ１５の内部に格納されている。キャップ１５は、円筒部１５ａと円盤部１５ｂとが一体に形成されてなり、円盤部１５ｂには円形の窓１５ｃが形成されている。窓１５ｃにはＬＤ１から出射されるレーザ光を透過するガラス７ａが接着され、キャップ１５内には不活性ガスが気密封止される。
【００３６】
円盤部１５ｂの外周縁には、レンズＬＤ連結部材およびレンズ光ファイバ連結部材のそれぞれを構成する円筒形の、ＳＵＳ３０４製のレンズホルダ３５の一端面３５ｅが固着されている。ホルダ３５の他端面３５ｄには後述するフェルールスリーブ４２が固着される。
レンズホルダ３５は、一端面３５ｅと他端面３５ｄにそれぞれ開口する孔３５ｆを有している。孔３５ｆの長手方向中心部分は孔径の小さい小径段部３５ａで形成される。段部３５ａのＬＤ１側に嵌合された球レンズ３は、低融温ガラス７ｂでレンズホルダ３５に取付けられる。孔３５ｆのフェルールスリーブ４２側に開口した部分は、その直径が後述するフェルールホルダ４１の小径部外径より大で、フェルールホルダ４１の調芯作業のため必要な空間３５ｃとなっている。
【００３７】
フェルールスリーブ４２は略円筒形で、その一端の大径部はフランジ４２ａを形成している。該フランジの端面４２ｂは、レンズホルダ３５の端面３５ｄに当接され、後述する調芯の上、これに固設される。フェルールスリーブ４２の内筒は、これに嵌合するフェルールホルダ４１の外径より僅かに大きい内径を有している。
【００３８】
フェルールホルダ４１は、略円筒形の大径部４１ａと、スリーブ４２に嵌合する小径部４１ｂとで構成され、大径部４１ａはフランジを形成している。フェルールホルダ４１は、小径部４１ｂの端面側から順にフェルール４ｂが保持される貫通孔４１ｃ、パイプスリーブ４５が嵌合される孔４１ｄ、およびスリーブ押え４７の挿入端部４７ａが嵌合される大径孔４１ｅがそれぞれ同心状に穿設されている。
【００３９】
フェルール４ｂは、ジルコニア製で、その中心貫通孔に光ファイバ４が挿通され接着剤で固定されている。フェルール４ｂと光ファイバ４ａの両端は一体に端面処理され、レンズ側端面４ａは、光の反射を防止するために斜め研磨され、他面４ｃは、ＰＣ（Physical contact）接続のためにＲづけ研磨されている。パイプスリーブ４５はホルダ４１の貫通孔４１ｃと同じ寸法の内径を有し、パイプスリーブ４５をフェルール４ｂに取付けた状態で、フェルール４ｂをホルダ４１の貫通孔４１ｃに嵌合させ、その後、スリーブ押え４７の挿入端部４７ａを大径孔４１ｅに押込んでこれらを固定する。この時、ファイバ端面４ａは略ホルダ端面４１ｂに合致させる。スリーブ押え４７には、貫通孔４１ｃと同じ径のプラグ孔４７ｂが穿設されており、このプラグ孔４７ｂには、光ファイバ４にＰＣ接続させる、例えばＳＣ、ＦＣ、ＬＣフェルール等の他のフェルール４'b 付き光ファイバ４'が嵌挿される。
【００４０】
フェルールスリーブ４２とフェルールホルダ４１の両部材は、共にＳＵＳ３０４で構成されている。また、レンズホルダ３５の一部、キャップ１５、ステム１１、台座１２等がＬＤ１およびレンズ３を支持し、これらの相対位置関係を規定する第１の支持部材を、レンズホルダ３５の残部、フェルールスリーブ４２、フェルールホルダ４１、フェルール４ｂ等がレンズ３および光ファイバ４を支持し、これらの相対位置関係を規定する第２の支持部材を構成している。
【００４１】
調芯は、光ファイバ端面４ａの光軸位置合わせと、焦点位置７（図２参照）に対する位置合わせが行われる。これらの調芯はフェルール４ｂをホルダ４１に固定した状態で、このホルダ４１をフェルールスリーブ４２に嵌合させ、図示しないコネクタプラグをスリーブ押え４７のプラグ孔４７ｂから挿入し、フェルール４ｂの光ファイバ４とＰＣ接続させた光ファイバから取り出したレーザ光の光出力を監視しながら行われる。
【００４２】
まず、光軸位置合わせが行われ、この位置合わせは、フェルールスリーブ４２をレンズホルダ３５の光出力側端面３５ｄに当接し、光軸と直交する方向に適宜移動させ、光ファイバ４からの光出力が最大になる位置でＹＡＧレーザで当接端面の外周を溶接することで完了する。次いで焦点位置７に対する位置合わせが行われ、この調芯では、フェルールホルダ４１をフェルールスリーブ４２内で光軸方向に適宜移動させ、最大光量が得られる焦点位置７を探す。そして、見付けた焦点位置７に対して光ファイバ端面４ａの位置を予め設定されている距離ｃだけレンズ３側に近づけ、その位置でフェルールスリーブ４２とフェルールホルダ４１をＹＡＧ溶接して固定する。
表１は、ＬＤモジュール６の各部材の材質および線膨張係数を示す。
【００４３】
【表１】
【表２】
表２は、ＬＤモジュール６の各部材の標準温度（２０℃）および使用上限温度（８５℃）における部材寸法を示す。上記式(1),(4)からｋ1を、式(6)からｋ2を求めると表２に示すとおりであり、これは式(7)を満たしている。また、表２から明らかなように、８５℃におけるΔｃは２０℃の距離ｃより小であり、Δｃ（８５℃）＜ｃ（２０℃）の条件を満足している。８５℃におけるΔｃの値から明らかなように、ファイバ端面は焦点位置に 0.88 mmだけ近寄り、光結合効率が改善されている。その結果、使用上限温度（８５℃）における光ファイバに入射される光量は 0.12mＷであり、標準温度（２０℃）における光量 0.125 mＷと比較して光量の低下は極僅かであった。
【００４６】
なお、第１実施形態に基づく実施例１としてレセプタクル型モジュールを例に説明したが、例えばピッグテール型モジュール等、他のＬＤモジュールにも本発明を適用することができる。
【００４７】
（第２の実施形態）
図４は、本発明に係るＬＤモジュールの、別の好ましい第２実施形態の概略構成を示す。図４に示すＬＤモジュール６Ｂにおいて、図１に示す第１の実施形態のものと実質的に同じ機能、形状を有するものは同じ符号を付してその詳細な説明を省略する。
ＬＤモジュール６Ｂは、レンズ３およびＬＤ１を支持しこれらの相対位置関係を固定するための第１の支持部材２０が、レンズ基体３０，レンズＬＤ連結部材２３，ステム１１，台座１２等で構成されている。連結部材２３は、標準温度において長さＬ23、線膨張係数α23を有し、その先端部にはステム１１が連結されている。台座１２は、標準温度において長さＬ12、線膨張係数α12を有している。
【００４８】
ＬＤモジュール６Ｂの第２の支持部材５０は、レンズ基体３０、レンズ光ファイバ連結部材５４、スリーブ支持部材５３、フェルールスリーブ５２等から構成される。連結部材５４の先端には、スリーブ支持部材５３、フェルールスリーブ５２を介して、第３の支持部材としてのフェルールホルダ５１が固設されている。第２の支持部材５０およびフェルールホルダ５１は、これらが協働してレンズ３および光ファイバ４をそれぞれ支持し、これらの相対位置関係を規定している。
【００４９】
レンズ光ファイバ連結部材５４は、標準温度において長さＬ54、線熱膨張係数α54を有している。なお連結部材２３と当該連結部材５４は互いに当接して接続されており、それらの当接面は、レンズ３の主面の光軸方向位置と一致している。
スリーブ支持部材５３の光出力側端面(レンズ対向面と反対側の面)５３ａは、光軸と直交する平面上に配置され、当該端面５３ａには、フェルールスリーブ５２がその中心軸が光軸に合致するように固設されている。フェルールスリーブ５２の内筒には、フェルールホルダ５１が固設されている。フェルールホルダ５１は、端部にフェルール４ｂを取付けた光ファイバ４を固定するためのもので、ホルダ５１の内筒にフェルール４ｂが同心状に嵌合して固定されている。そして、フェルールホルダ５１は、スリーブ支持部材５３からレンズ側に突出して部材５３に固設され、光ファイバ端面（フェルール４ｂの端面位置と同じ）４ａの光軸方向位置は、前述したと同様にして、スリーブ５２とホルダ５１の相対位置関係を調整して、標準温度（例えば、２５℃）においてレーザ光の焦点位置７より、レンズ３から遠ざかる側の位置に調芯されている。このとき、フェルールホルダ５１は、標準温度においてスリーブ支持部材５３の端面５３ａからレンズ３側に長さＬ51だけ突出しており、熱線膨張率α51を有している。また、光ファイバ端面４ａは焦点位置７から距離ｃ２だけ離間している（図４参照）。
【００５０】
上述のように構成されるＬＤモジュール６Ｂにおいて、その各部材が晒される使用環境温度が標準温度よりΔＴだけ高温になったとき、ＬＤ１の出射端面１ａとレンズ３の入射側主面３ａ間の距離ａ２がΔａ２だけ変化したとすると、Δａ２は次式(20),(21),(22) によって求められる。
【００５１】
一方、光ファイバ端面４ａが連結部材５４およびフェルールホルダ５１の熱膨張によりΔｃ２だけ焦点位置７に近づいたとするとその距離Δｃ２は、次式(23),(24),(25) によって求められる。
【００５２】
使用環境温度が上昇し、レンズＬＤ連結部材２３の熱膨張によりレンズＬＤ間距離ａ２が伸びると、ニュートンのレンズの公式(F1)から焦点位置７はレンズ３に近づくことになり、これは、光ファイバ端面４ａが焦点位置７から離れる方向に相対移動して離間距離ｃ２が大になることを意味する。一方、レンズ光ファイバ連結部材５４が熱膨張で伸びると、この場合も光ファイバ端面４ａは焦点位置７から離れる方向に相対移動して離間距離ｃ２が大になることを意味する。
【００５３】
しかしながら、式(20)、(23)から明らかなように、連結部材２３および連結部材５４の各熱線膨張率α23、α54に対して、フェルールホルダ５１の熱線膨張率α51を充分に大きい値に設定すると、Δｃ２の値を、温度上昇ΔＴに応じて増加する正の値に設定することができ、光ファイバ端面４ａを焦点位置７に、温度上昇ΔＴに応じて近づけることができる。このように設定すると、レーザ光の結合効率が上昇し、温度上昇に伴うＬＤ１の出力低下を、光結合効率の向上によって相殺することができる。
【００５４】
なお、連結部材２３の熱線膨張率α23を小さい値に設定し、これに対応して台座１２の熱線膨張率α12を適宜値に設定すると、式(20)から明白なように、変化量Δａ２を実質０或いは極めて小さい値に設定することもでき、この場合焦点位置７の移動量Δｂ２も実質０或いは極めて小さい値に固定され実質移動しないようにすることができる。このとき、Δａ２がΔｂ２に略等しいとすると、式(22)および式(25)から、
ｋ20×ΔＴ＞ｋ10×ΔＴ
ｋ20＞ｋ10 ……(26)
或いは式(21),(24)から
Ｌ20×α20＞Ｌ10×α10 ……(27)
或いはΔａ2＝Δｃ2＝０と見なして
Ｌ51×α51＞Ｌ54×α54 ……(28)
と表すことができ、式(28)を更に熱膨張割合で表すと、
ｋ51＞ｋ54 ……(29)
を導き出すことができる。また、前式(8)と類似の次式(30)が成立することが必要である。
Δｃ2 ＝ｋ22×ΔＴ＜ｃ ……(30)
【００５５】
このような条件を満足するように、第１乃至第３の支持部材の部材長および熱線膨張率を選定すればよい。
第２の実施形態を成立させるためには、連結部材２３、５４にコバールまたはインバール等の低熱膨張率の部材を、フェルールホルダ５１にアルミ合金等の熱膨張率の大きい部材を使用すればよい。表３および表４は、ＬＤモジュール６Ｂの各部材の材質、線膨張係数、標準温度（２５℃）および使用上限温度（８５℃）における部材寸法等を示す。表４から明らかなように、８５℃におけるファイバ端面４ａは、焦点位置７に近づいており、光結合効率が向上していることが分かる。なお、表３，４では、台座１２の部材長Ｌ12を考慮されていない（すなわち、Ｌ12＝０として扱われている）。この台座１２の部材長Ｌ12を考慮すれば、Δａ2を小にする効果があり、光結合効率がより大きく改善されることになる。
【００５６】
【表３】
【表４】
図５は、第２実施形態を具体化させた実施例２の概略構成を示す。この実施例２の場合にも、図３で説明したＬＤモジュール６Ａの構成要素と実質的に同じ機能および形状を有するものには同じ符号が付されている。
図５に示すＬＤモジュール６Ｃは、コバール製のキャップ１５内にＬＤ１が収容されており、これに円筒形状をしたコバール製レンズホルダ６１の一端が接続される。キャップ１５、レンズホルダ６１およびステム１１により第１の支持部材を構成し、第１の支持部材によって、ＬＤ１およびレンズ３が支持され、これらの相対位置関係を固定している。
【００５９】
レンズホルダ６１の他端には、円筒形状をしたコバール製の連結部材６２の一端が外嵌されており、連結部材６２の他端には円盤状のスリーブ支持部材６３が固着され、この支持部材６３からレンズ側に向かって延びるフェルールホルダ６４が固着されている。フェルールホルダ６４の延出端には、光ファイバ４を保持するフェルール４ｂが固定されている。このような構成において、レンズホルダ６１および連結部材６２は第２の支持部材を構成し、スリーブ支持部材６３、フェルールホルダ６４、フェルール４ｂ等によって第３の支持部材を構成している。そして第２および第３の支持部材が協働して、レンズ３および光ファイバ４を支持し、これらの相対位置関係を規定している。
【００６０】
フェルールホルダ６４を固着したスリーブ支持部材６３は、連結部材６２の端面に当接させ、光軸に対して直交する面内で適宜移動させることによって、フェルールホルダ６４の中心軸を、従って光ファイバ４を光軸に合致させることができ、連結部材６２をレンズホルダ６１に対して光軸方向に適宜移動させることによって、光ファイバ端面４ａを焦点位置に関してレンズ３から遠ざかる側の所定の位置に配置することができる。
【００６１】
（第３の実施形態）
図６は、本発明に係るＬＤモジュールの、別の好ましい第３実施形態の概略構成を示す。図６に示すＬＤモジュール６Ｄにおいて、図１に示す第１の実施形態、或いは図４に示す第２実施形態のものと実質的に同じ機能、形状を有するものは同じ符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００６２】
第１および第２の実施形態では、レンズ３を支持するレンズ基体３０が光軸方向に変位しない構成であったが、第３の実施形態のＬＤモジュール６Ｄでは、ＬＤ１を支持する位置を基準にレンズ３および光ファイバ４を支持する支持部材がそれぞれ光軸方向に変位する点で異なる。
第３の実施形態のＬＤモジュール６Ｄでは、第１の支持部材は、レンズ基体３０，レンズＬＤ連結部材２３，ステム１１，台座２２等で構成されている。連結部材２３はレンズ基体３０から一の方向（図６の実施形態では左方向）に延び、その先端部にはステム１１が連結されている。そして、ステム１１に台座１２が固設され、この台座１２にＬＤ１が載置されることは第１および第２の実施形態と同じである。
【００６３】
ステム１１には、レンズＬＤ連結部材２３と同方向にレンズ３側に延び、部材２３より部材長が長いＬＤ光ファイバ連結部材（第２の支持部材）５５が接続されている。そして、この連結部材５５の延出端には第３の支持部材が固設されており、第３の支持部材は、スリーブ支持部材５３、フェルールスリーブ５２、フェルールホルダ５１等から構成されており、この構成は図４に示す第２の実施形態と同じである。すなわち、フェルールホルダ５１は、フェルールスリーブ５２に嵌合して固定され、フェルールスリーブ５２はスリーブ支持部材５３に固設されている。そして、フェルールホルダ５１の先端５１ｂは、スリーブ支持部材５３からレンズ側に突出している。光ファイバ端面４ａの光軸方向位置は、前述した第２の実施形態と同様に、スリーブ５２とホルダ５１の相対位置関係を調整して、標準温度においてレーザ光の焦点位置７より、レンズ３から遠ざかる側の所定の位置に調芯されている。このとき、光ファイバ端面４ａは焦点位置７から距離ｃ3だけ離間している（図６参照）。
【００６４】
上述のように構成されるＬＤモジュール６Ｄにおいても、第２の実施形態の説明から容易に類推できるように、連結部材２３および連結部材５５の各熱線膨張率に対して、フェルールホルダ５１の熱線膨張率を充分に大きい値に設定することにより、光ファイバ端面４ａを温度上昇ΔＴに応じて焦点位置７に近づけることができる。このように設定すると、温度上昇ΔＴに応じてレーザ光の結合効率が上昇し、温度上昇に伴うＬＤ１の出力低下を、光結合効率の向上によって相殺させることができる。
【００６５】
図７は、第３実施形態を具体化させた実施例３の概略構成を示す。この実施例３の場合にも、図３で説明したＬＤモジュール６Ａ、或いは図５で説明したＬＤモジュール６Ｃの構成要素と実質的に同じ機能および形状を有するものには同じ符号が付されている。
図７に示すＬＤモジュール６Ｅは、ＬＤ１が、図示しない銅製のヒートシンクを介して台座１２に載置され、台座１２が、円盤形状をなすステム１１に固設されていることは実施例２と同じである。そして、ＬＤ１は、コバール製のキャップ７５内に収容されている。このキャップ７５は、円筒部７５ａと円盤部７５ｂとが一体に形成されてなり、円盤部７５ｂには円形の窓７５ｃが形成され、この窓７５ｃにレンズ３が嵌合されている点で実施例１および実施例２と異なっている。窓７５ｃをレンズ３で閉塞することで内部のＬＤ１が不活性ガスで気密封止される。
【００６６】
実施例３では、キャップ７５、ステム１１、台座１２等によって第１の支持部材を構成し、この支持部材によってＬＤ１およびレンズ３が支持され、これらの相対位置関係を固定している。そして、実施例１又は実施例２と同様に、鉄系合金の台座１２およびコバール製キャップ７５の熱線膨張係数の相違、所要の長さに設定された各部材長によってＬＤ１の出射端面とレンズ３の主面間距離ａ3 （図６参照）の変化量Δａ3 を温度上昇に拘わらず微少値或いは実質的に０に抑えることができる。
【００６７】
ステム１１には、キャップ７５を囲繞するように、円筒形状の連結部材７６の一端が接続されている。この連結部材７６は、キャップ７５の中心軸と合致させてレンズ側に延び、部材長はキャップ７５のそれより大きい。そして、連結部材７６の他端には円盤状のスリーブ支持部材７７が固着されている。この支持部材７７には中心位置に貫通孔が穿設されており、この貫通孔に挿入させたフェルールホルダ７８がレンズ側に向かって延び、支持部材７７に固着されている。フェルールホルダ７８の延出端には、光ファイバ４を保持するフェルール４ｂが固定されている。
【００６８】
このような構成において、ステム１１、連結部材７６は第２の支持部材を構成し、スリーブ支持部材７７、フェルールホルダ７８、フェルール４ｂ等によって第３の支持部材を構成している。そして第２および第３の支持部材が協働して、ＬＤ１および光ファイバ４を支持し、これらの相対位置関係を固定している。
フェルールホルダ７８を固着したスリーブ支持部材７７は、連結部材７６の端面に当接させ、光軸に対して直交する面内で適宜移動させることによって、フェルールホルダ７８の中心軸を、従って光ファイバ４を光軸に合致させることができる。また、フェルールホルダ７８をスリーブ支持部材７７に対して光軸方向に適宜移動させることによって、光ファイバ端面４ａを焦点位置７（図６参照）に関してレンズ３から遠ざかる側の所定の位置に配置することができる。
【００６９】
実施例３においても、実施例２と同様に、連結部材７６を熱膨張係数の小さい、例えばコバールで作製し、フェルールホルダ７８を熱膨張係数の大きい、例えばアルミ合金で作製すると、光ファイバ端面４ａを温度上昇ΔＴに応じて焦点位置７に近づけることができる。このように設定すると、温度上昇ΔＴに応じてレーザ光の結合効率が上昇し、温度上昇に伴うＬＤ１の出力低下を、光結合効率の向上によって相殺させることができる。
【００７０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のＬＤモジュールによれば、レーザダイオード、レンズおよび光ファイバをそれぞれ支持する支持部材の部材長および熱線膨張率を、使用環境温度が標準温度であるとき光ファイバ端面がレンズによる焦点位置より離間した位置に配置され、標準温度より高温であるときに当該光ファイバ端面が焦点位置に近づくように設定したので、ＬＤの自己発熱や環境温度上昇によるＬＤ自体の光出力低下をＬＤモジュールの光結合効率の向上で補償することができ、もってモジュール出力の低下が生じることが防止され、かつ、ＬＤモジュールにペルチェクーラ等の冷却装置を使用しないか、もしくは冷却性能が低いものを使用し得るので、小型化、低消費電力化、低コスト化が図れるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るＬＤモジュールの第１実施形態の概略構成を示したブロック図である。
【図２】図１に示すＬＤモジュール６を構成する各部材の相対位置関係を説明するための図である。
【図３】第１の実施形態に基づくＬＤモジュールの実施例１を示し、ＬＤモジュール６Ａの断面図である。
【図４】本発明に係るＬＤモジュールの第２実施形態の概略構成を示したブロック図である。
【図５】第２の実施形態に基づくＬＤモジュールの実施例２を示し、ＬＤモジュール６Ｃの断面図である。
【図６】本発明に係るＬＤモジュールの第３実施形態の概略構成を示したブロック図である。
【図７】第３の実施形態に基づくＬＤモジュールの実施例３を示し、ＬＤモジュール６Ｅの断面図である。
【符号の説明】
１ ＬＤ
１ａ 出射端面１ａ
３ レンズ
４ 光ファイバ
４ａ 光ファイバ端面
６、６Ａ〜６Ｅ ＬＤモジュール
７ 焦点位置
Claims (10)
- レーザダイオードからのレーザ光をレンズによって光ファイバ端面近傍に集光させて光ファイバに結合させるレーザダイオードモジュールにおいて、
前記レーザダイオードの出射端面と該レーザダイオードから出射した光を受ける前記レンズの入射側主面との距離Ｌ１を決定すると共に、前記レーザダイオードと前記レンズの相対位置関係を規定する第１支持部材と、
前記光ファイバ端面と該光ファイバに光を結合する前記レンズの出射側主面との距離Ｌ２を決定すると共に、前記レンズと前記光ファイバの相対位置関係を規定する第２支持部材と、
を有し、
前記第１支持部材および前記第２支持部材のそれぞれの相対位置関係を規定する部材の少なくとも１つが前記部材の他の少なくとも１つとは熱膨張率の異なる材質からなることにより、
使用環境温度が標準温度であるとき前記光ファイバ端面が前記レンズによる焦点位置より離間した位置に配置され、標準温度より高温であるときに当該光ファイバ端面が相対的に前記焦点位置に近づくように設定されていることを特徴とするレーザダイオードモジュール。 - 前記第１支持部材と前記第２支持部材の部材長および熱膨張率が、
使用環境温度が標準温度であるとき、前記光ファイバ端面が前記レンズによる焦点位置より離間した位置に配置され、
標準温度より高温であるときに当該光ファイバ端面が相対的に前記焦点位置に近づくように設定されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザダイオードモジュール。 - 使用環境温度が標準温度より高温になったとき、前記距離Ｌ２が標準温度における距離よりも短くなるように設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザダイオードモジュール。
- 前記距離Ｌ１は、標準温度と高温環境との間で略一定となるように設定され、前記距離Ｌ２は、温度に依存して変化することにより標準温度より高温であるときに前記光ファイバ端面が相対的に前記焦点位置に近づくように設定されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザダイオードモジュール。
- 前記距離Ｌ２は、標準温度と高温環境との間で略一定となるように設定され、前記距離Ｌ１は、温度に依存して変化することにより標準温度より高温であるときに前記光ファイバ端面が相対的に前記焦点位置に近づくように設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザダイオードモジュール。
- 前記光ファイバ端面の位置が、摂氏６０度〜９０度の範囲内で、前記レンズによる焦点位置となるように設定されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザダイオードモジュール。
- 前記第１支持部材には、前記レーザダイオードを支持する台座が含まれ、前記台座は光軸方向に変位することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のレーザダイオードモジュール。
- 前記レーザダイオードと前記台座間には、銅系またはアルミニウム系合金もしくはダイヤモンドからなるヒートシンクが介在されていることを特徴とする請求項７に記載のレーザダイオードモジュール。
- 前記第１支持部材または前記第２支持部材には、前記レンズを支持するレンズ支持部材が含まれ、前記レンズ支持部材は光軸方向に変位することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のレーザダイオードモジュール。
- 前記第１支持部材または前記第２支持部材の材質はコバール、アルミ合金、鉄系合金、ステンレス鋼から選択されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のレーザダイオードモジュール。
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