JPH01108511A - 半導体レーザと光導波路との結合光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、半導体レーザから放射されるレーザ光を光
導波路へ入射するための結合光学系に関する。

［従来の技術］ 半導体レーザから放射されるレーザ光を光導波路の中に
入射するための結合光学系であって、半導体レーザの光
出射面の中のレーザ光を放射する光点を光導波路の端面
上に投射する結合光学系は、他の光学系と並んで、半導
体レーザな単モード又は多モードのガラスファイバに結
合するために光通信技術において必要となる。その際導
波路へのレーザ光の入射効率を高めながら、レーザへの
逆反射をできるだけ少なくする必要がある。

このことを達成できる前記の種類の従来の結合光学系は
、一つ又は複数の屈折レンズ例えば球レンズから構成さ
れている。かかる光学系はそのうえに、例えば光アイソ
レータ、フィルタ板、ビームスプリッタなどのような高
性能の又は二方向の伝送のために設けなければならない
中間要素を、レーザと導波路との間の光路の中に挿入す
ることができるという長所を有する。

光アイソレータを用いれば、アイソレータのレーザと反
対の側からレーザへの帰還を著しく抑制できる。しかし
ながらアイソレータのレーザに向かう側での逆反射が、
例えばレーザとアイソレータとの間に配置された球レン
ズからレーザへ戻って来ることを避けることはできない
。かかる球レンズでの逆反射は相応のコーティングによ
って初めて低減できる。しかしながら球レンズのコーテ
ィングは実現困難である。

前記の周知の結合光学系の達成可能な入射効率は比較的
低い。二つの球レンズを備えた光学系の場合には効率は
３０ないし５０％である。比較的低い結合効率の主原因
は、レンズ収差とフレネル反射による損失、並びにレー
ザ光の多くの場合楕円形の近視野分布又はレーザの光出
射面の中の多くの場合楕円形の光点である。かかる分布
又は光点は球面レンズ又は球レンズを用いては、ファイ
バの中で導かれる回転対称なモード上に、又は相応に構
成され光がファイバの中に入射されるとき経由するファ
イバ端面領域上に、損失無く投射することができない。

［発明が解決しようとする課題］ この発明は前記の種類の結合光学系に対して、簡単な方
法で一層高い結合効率と高い後方散乱抑制とを可能にす
る新しい構成原理を提後することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ この目的はこの発明に基づき、結合光学系がレーザ光の
光路の中に配置された少なくとも一つの凹面鏡を有する
ことにより達成される。

［作用効果］ この発明に基づく結合光学系の基本的な長所は、鏡面の
表面品質が十分な場合に、凹面鏡がレーザへの逆反射を
発生しないということである。更にその鏡面を種々の曲
面形に型押しにより容易に加工できる。そのためには例
えば金を被覆した銅片が特に適しており、この銅片の中
に凹面鏡の面が型押しパンチにより型押しされる。

［実施態様］ ただ一つの凹面鏡だけから成りこの発明に基づく結合光
学系の有利かつ具体的な第１の実施態様が請求項２に記
載されている。この第１の実施態様は、鏡面を定義する
回転楕円面の短半袖と長手軸との長さの比において、ま
たレーザ光の入射角において二つの自由度を与え、この
自由度により半導体レーザの遠視野を導波路の遠視野に
ほとんどひずみ無く適合することができる。かかる適合
は高い入射効率を達成するために必要である。

二つの凹面鏡を備えたこの発明に基づく結合光学系の有
利な実施態様は請求項３と４に記載されている。これら
の実施態様の場合にも入射角と凹面鏡の曲率とにより、
半導体レーザの遠視野を導波路の遠視野にできるだけひ
ずみ無く適合するために十分な自由度が得られる。更に
二つの凹面鏡の間の平行化された又はほぼ平行化された
光路の中に、光アイソレータ又は他の中間要素を配置す
ることができるので有利である。

この発明に基づく結合光学系の別の実施態様が請求項５
に記載されている。この光学系は例えば、二つの凹面鏡
のうちの一つの凹面鏡、望ましくはレーザ光の伝播方向
において一方の凹面鏡の後ろに配置された他方の凹面鏡
を、当たったレーザ光を集束するのに十分な屈折力を有
する屈折レンズにより置き換えることにより構成できる
。

逆反射を避けるために、半導体レーザと光導波路と請求
項２ないし４に記載のこの発明に基づく結合光学系とを
備えた結合装置を、請求項６に記載のように構成するの
が有利である。請求項２ないし４に記載のこの発明に基
づく結合光学系の場合には、レーザ光を入射するとき経
由する導波路の端面がレーザに反作用するおそれのある
第１の面である。なぜならば凹面鏡自体は実際上光をレ
ーザへ逆反射しないからである。請求項６に記載の手段
により、端面での反射がレーザに反作用することが防止
される。更に例えばＭＣＲＷ形レーザの場合に生じるよ
うな強い楕円形の断面を備えたレーザ光線を、ファイバ
の中で導かれた回転対称なモードに一層よく適合するた
めに、導波路の端面の傾斜位置を補助的に利用すること
もできる。しかしその際導波路の端面上に入射するレー
ザ光線の軸線が、導波路の軸線に対して角度を成して配
置されるということが必要である。

［実施例］ 次にこの発明に基づく結合光学系の複数の実施例を示す
図面により、この発明の詳細な説明する。

第１図において符号Ｅは楕円を示し、楕円のうちその長
軸Ａの上方に存在する曲線部分だけが示されている。こ
の楕円Ｅの長手軸は太線で描かれて符号ａを付けられ、
その短半袖は符号すを付けられている。楕円Ｅの両焦点
は符号Ｆ１、Ｆ２を付けられている。

楕円Ｅがその長軸Ａを中心として回転されると、楕円は
二つの焦点Ｆ１、Ｆ２を有する回転楕円面を描く。焦点
Ｆｌ又はＦ２から放射され楕円面の内面で反射されるレ
ーザ光線は、他の焦点Ｆ２又はＦｌ上に集束される。第
１図ではかかる三つの光線が示され、符号Ｓｏ、Ｓ１、
Ｓ２が付けられている。

例えば光線Ｓ１、Ｓ２を半導体レーザの焦点Ｆ１から発
散放射されるレーザ光線ＬＳの外側境界の二つの緑光線
とし、光線ＳＯをその軸光線とすることができる。この
レーザ光線ＬＳの入射角は、焦点Ｆ１でこのレーザ光線
ＬＳの軸光線ＳＯが楕円Ｅの長軸Ａと成す角度αにより
定義され、一方この光線ＬＳの出射角は、他の焦点Ｆ２
で軸光線ＳＯが長軸Ａと成す角度βにより定義される。

その際半導体レーザＨＬの近視野又は光出射面ＬａＦの
中の光点ＬＦ（第４図参照）を焦点Ｆ１に配置でき、導
波路ＷＬの中へ光を入射するための導波路ＷＬの端面Ｅ
Ｆ（第４図参照）を他の焦点Ｆ２に配置できる。導波路
ＷＬは、その軸線ＡＷが楕円Ｅの長軸Ａと出射角βを成
すか、又は楕円面で反射されるレーザ光線ＬＳの軸光線
ＳＯに一致するように配置されている。強い楕円形の断
面を有するレーザ光線を導波路の回転対称なモードに適
合するためには、導波路ＷＬを例えばβより幾分大きい
他の角度で配置することが推奨される。

導波路ＷＬは単モードファイバ、又は多モードファイバ
、又は円形断面を有する相応の他の導波路とすることが
できる。

導波路ＷＬの中への高い入射効率を達成するためには、
レーザＨＬの遠視野分布を凹面鏡により導波路ＷＬの遠
視野分布に適合しなければならない。例えば半導体レー
ザＨＬが波長入＝１．３ＪＬｍで発光するレーザダイオ
ードの形Ｔあり、かつ導波路ＷＬが単モードファイバの
形である場合には、レーザダイオードの遠視野の直径は
単モードファイバの遠視野の直径の約５倍大きい。

レーザＨＬと導波路ＷＬとの遠視野を適合するために、
レーザ光線ＬＳの入射角αと楕円面の半軸すとａとの比
ｂ　／　ａとが利用できる。前記のレーザダイオードと
前記の単モードファイバとに対して、Ｖ＝ｄα／ｄβ＝
４．８、入射角α＝９４°及び比ｂ／ａ＝０．６が有利
であることが判明している。

第２図はかかる場合に対して、レーザダイオードと単モ
ードファイバとの第１図の紙面上で測られた遠視野分布
、及びレーザダイオードの楕円面により変形された遠視
野分布を示し、これらの遠視野分布はすべて１の値に基
準化されている。

レーザダイオードの遠視野分布は曲線ｌにより、単モー
ドファイバの遠視野分布は一点鎖線の曲線２により゛、
またレーザダイオードの変形された遠視野分布は曲線３
により与えられている。これらの曲線は入射角α又は出
射角βに沿って記入されている。縦軸上には単モードフ
ァイバの遠視野に関して１の値に基準化された光出力が
記入されている。

曲線３を曲線２に比較することにより分かるように、レ
ーザダイオードの変形された遠視野分布は幾分非対称で
ある。しかしながらこの非対称なひずみは比較的小さく
、結合効率を係数約０．９５に低下するだけである。

第３図には前記の場合に対して、入射又は反射された軸
光線ＳＯが存在し第１図の紙面に対して垂直な平面上で
測られた、レーザダイオードと単モードファイバとの遠
視野分布、及びレーザダイオードの楕円面により変形さ
れた遠視野分布が示され、これらの遠視野分は同様にす
べて１の値に基準化されている。レーザダイオードの遠
視野分布は曲線４により、単モードファイバの遠視野分
布は一点＃ｌ線の曲線５により、またレーザダイオード
の変形された遠視野分布は曲線６により与えられている
。曲線４ないし６は前記の平面上で入射角α又は出射角
βに沿って記入されている。

縦軸上には単モードファイバの遠視野分布に関してｌの
値に基準化された光出力が記入されている。

第３図における曲８１５を曲線６に比較することにより
分かるように、レーザダイオードの変形された遠視野分
布は単モードファイバの遠視野分布に比べて幾分対称に
ひずんでいる。この対称なひずみはレーザダイオードの
非対称の光点又は近視野の適合のために利用できる。従
って反射性の良い凹面鏡と相応に調節されたレーザ及び
導波路の場合には、屈折球面レンズの場合より大きい結
合効率を達成することができる。

第２図及び第３図に示す場合には、レーザ活性層に対し
垂直な光点又は近視野の幅１　、２　ＩＬｍとこの層に
平行な光点の＠０．８１Ｌｍとを有するレーザダイオー
ド、及び単モードファイバの光点直径５μｍが仮定され
ている。

第４図に平面図で示された結合装置の中には回転楕円面
形の凹面鏡ＨＳｐが用いられ、その鏡面は第１図に太線
で示された曲線部分Ｅ１により定義されている。凹面鏡
Ｈ３ｐは例えば相応に成形された型押しパンチを金めっ
きされた銅ブロックＫＢの中に型押しすることにより加
工され、その後、凹面鏡Ｈ３Ｐが支持体ＴＫの表面ＯＦ
に対し垂直に配置された銅ブロックＫＢの側面ＳＦ上に
配置されるように、銅ブロックが支持体ＴＫの表面に固
定される。

その際凹面鏡Ｈ３ｐの配置は、その鏡面が第４図の紙面
に対し平行な長袖を備える回転楕円面により定義される
ようになっており、この回転楕円面は第１図に示す楕円
Ｅをその長軸Ａを中心として回転することにより作られ
る。

銅ブロックＫＢは定義された楕円面の長軸Ａの高さで図
の紙面に平行に切断図で示されている。

従って第４図の湾曲した切断線は第１図の楕円Ｅの太線
で示された曲線部分Ｅ１に相当する。

支持体ＴＫ上には隆起した領域ＥＢが形成され、この領
域は第４図の紙面に垂直に配置された側面の当接縁ＡＫ
Ｉ、ＡＫ２を有し、これらの当接縁に半導体レーザＨＬ
又は導波路ＷＬが凹面鏡Ｈ３ｐに対して正しい方向に固
定されている。

半導体レーザＨＬの光出射面ＬａＦの中の光点ＬＦが楕
円面の一焦点Ｆ１に配置され、かつこの光点ＬＦから発
散放射されるレーザ光線の軸光線ＳＯが、第４図の紙面
に対し平行に楕円面の長軸Ａに対し入射角α；９４°を
成して伝播するように、半導体レーザＨＬが当接縁ＡＫ
Ｉに固定されている。凹面鏡ＨＳｐで反射される軸光線
Ｓｏは第４図の紙面に平行に長軸Ａに対し出射角βを成
して伝播し、楕円面の第２の焦点Ｆ２に当たる。

この第２の焦点Ｆ２には導波路ＷＬの端面ＥＦが配置さ
れ、その軸線ＡＷは例えば楕円面の長軸Ａに対し出射角
βを成して配置されている。既に述べたように軸線ＡＷ
は長軸Ａに対し出射角βとは幾らか異なった角度に配置
することもできる。

第５図ないし第７図は二つの凹面鏡を備えた結合光学系
を示し、その際凹面鏡のうちその面を形成する曲線部分
と従属する焦点だけが示されている。

第５図に示す結合光学系の場合には、符号Ｈ１は焦点Ｂ
　１　、Ｂ　３を有する複双曲線の一つの分枝の一部を
示し、この双曲線が前焦点Ｂ１とＢ３を結合する結合線
を中心として回転されるとき、この複双曲線が回転双曲
面を作る。レーザ光線ＬＳは双曲面の一つの焦点Ｂｌか
ら放射される。符号Ｅｌｆにより焦点Ｂ２と双曲面の焦
点Ｂ３に一致する他の焦点とを有する楕円の曲線部分が
示され、楕円はこれらの前焦点Ｂ２とＢ３を結ぶ結合線
を中心として回転する際に、双曲面に比べて大きい焦点
距離を有する回転楕円面を作る。焦点Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３
は必ずしも共通の直線上に存在する必要は無い。双曲面
で反射し幾分発散するレーザ光線ＬＳは楕円面により焦
点Ｂ２上に集束される。

第６図に示す結合光学系では第５図に示す結合光学系に
比べて状況がまさしく逆になっている。

曲線部分ＥＬ２は焦点Ｂ４、Ｂ６を有する楕円から成り
、この楕円はこれらの焦点Ｂ４、Ｂ６の結合線を中心と
して回転する際に回転楕円面を作る。レーザ光線ＬＳは
この楕円の一つの焦点Ｂ４から放射される。曲線部分Ｈ
２は焦点Ｂ５、Ｂ６を有する複双曲線の一つの分枝から
成り、この複双曲線はこれらの焦点Ｂ５、Ｂ６の結合線
を中心として回転する際に、最後に述べた楕円面に比べ
て小さい焦点距離を有する回転双曲面を作る。この楕円
面で反射され軽く収れんされたレーザ光線ＬＳは双曲面
により焦点Ｂ５上に集束される。焦点Ｂ６は楕円面と双
曲面との共通の焦点であり、またすべての焦点Ｂ４、Ｂ
５、Ｂ６は必ずしも共通の直線上に存在する必要はない
。

第７図に示す結合光学系の場合には両回線部分Ｐ１、Ｂ
２は放物線から成り、これらの放物線のうち一方の放物
線は焦点Ｂ７を有し、他方の放物線は焦点Ｂ８を有する
。これらの異なる両放物線をそれぞれの対称軸線を中心
として回転する際に回転放物面が生じる。これらの対称
軸線は必ずしも一致する必要は無く、平行にずらすこと
もできる。レーザ光線ＬＳは小さい焦点距離を有する放
物面の焦点Ｂ７から放射される。この放物面で反射され
た平行光線は、大きい焦点距離を有する他の放物面によ
りその焦点Ｂ８上に集束され、この焦点には導波路の端
面が配置される。

第８図に示す結合光学系では凹面鏡と屈折レンズとが組
み合わされている。凹面鏡は例えば放物面形の凹面鏡で
あり、この凹面鏡は第７図の放物線部分ＰＩにより定義
され同一の焦点Ｂ７と同一の焦点距離とを有する。屈折
レンズは例えば、第７図の放物線部分Ｐ２により定義さ
れる放物面形の凹面鏡の焦点距離を備えた球面レンズで
ある。レーザ光線ＬＳは放物面の焦点Ｂ７から放射され
、この放物面で反射された平行レーザ光線ＬＳがレンズ
Ｌによりその焦点Ｂ９上に集束される。

第５図ないし第８図に示す結合光学系は、例えば光アイ
ソレータ又はフィルタのような中間要素を組み込むこと
ができかつ調節が簡単であるという長所を有する。

第９図には、第４図におけるのと同一の平面図でしかし
ながら拡大されて、第４図の楕円面の第２の焦点Ｆ２に
配置された端面ＥＦを備えた導波路ＷＬの端部が示され
ている。この端面ＥＦは導波路ＷＬの軸線ＡＷに対し熱
めに角度δを成して配置されている。かかる端面で反射
される光線ｒＳはもはやレーザチャネルの中には戻って
来ないので妨げとならない。

また端面ＥＦの斜めの配置は、例えばＭＣＲＷ形レーザ
の場合に生じるような強い楕円形の断面を有するレーザ
光線を回転対称な導波路モードに一層良好に適合するた
めに利用できる。端面ＥＦ上に入射されるレーザ光線の
軸光線ＳＯは、この場合にもまた導波路ＷＬの軸線ＡＷ
に対し角度γを成して入射する必要がある。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第５図ないし第８図はそれぞれこの発明に基
づく結合光学系の異なる実施例の略示された主光路方向
断面図、第２図及び第３図はそれぞれ第１図に示す光学
系の半導体レーザと光導波路との遠視野分布を第１図の
紙面方向及びその直角方向に関してグラフで表した図、
第４図は第１図に示す結合光学系を用いた結合装置の平
面図、第９図は第４図に示す光導波路端部の変形例の拡
大部分図である。 ＡＷ・・・軸線 Ｂ１．Ｂ２、Ｂ４、Ｂ５、Ｂ７、Ｂ８、Ｆ１、Ｆ２・・
・焦点 Ｅ、ＥＬＩ、ＥＬ２・・・回転楕円面 ＥＦ・・・端面 Ｈ１、Ｂ２・・・回転双曲面 ＨＬ・・・半導体レーザ Ｌ・・・屈折レンズ ＬａＦ・・・光出射面 ＬＦ・・・光点 ＬＳ・・・レーザ光線 Ｐ１、Ｂ２・・・回転放物面 ＳＯ，Ｓ１、Ｂ２・・・光路 ＷＬ・・・光導波路

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）半導体レーザ（ＨＬ）から放射されるレーザ光を光
   導波路の中に入射するための結合光学系であって、半導
   体レーザ（ＨＬ）の光 出射面（ＬａＦ）の中のレーザ光を放射す る光点（ＬＦ）を光導波路（ＷＬ）の端面 （ＥＦ）上に投射するものにおいて、結合光学系がレー
   ザ光の光路（ＳＯ、Ｓ１、Ｓ２）の中に配置された少な
   くとも一つの凹面鏡 （ＨＳｐ）を有することを特徴とする半導体レーザと光
   導波路との結合光学系。 ２）鏡面が回転楕円面（Ｅ）により定義される凹面鏡（
   ＨＳｐ）を備え、この回転楕円面 （Ｅ）の両焦点（Ｆ１、Ｆ２）の一方の焦点（Ｆ１）に
   レーザ（ＨＬ）の光点（ＬＦ） が配置され、他方の焦点（Ｆ２）に導波路 （ＷＬ）の端面（ＥＦ）が配置されることを特徴とする
   請求項１記載の光学系。 ３）鏡面が回転楕円面（ＥＬ１、ＥＬ２）により定義さ
   れる凹面鏡と、鏡面が回転双曲面 （Ｈ１、Ｈ２）により定義される凹面鏡と を備え、これらの凹面鏡がレーザ光の光路 （ＳＯ、Ｓ１、Ｓ２）の中に相前後して配置され、双曲
   面（Ｈ１）又は楕円面（ＥＬ２）の一つの焦点（Ｂ１、
   Ｂ４）に配置された光点（ＬＦ）から放射されるレーザ
   光が、楕円面（ＥＬ１）又は双曲面（Ｈ２）の一つの 焦点（Ｂ２、Ｂ５）に集束されるように、 双曲面（Ｈ１、Ｈ２）と楕円面（ＥＬ１、 ＥＬ２）との寸法が選ばれ、後者の焦点に導波路（ＷＬ
   ）の端面（ＥＦ）が配置されていることを特徴とする請
   求項１記載の光学系。 ４）レーザ光の光路の中に配置され鏡面が回転放物面（
   Ｐ１、Ｐ２）により定義される二つの凹面鏡を備え、両
   放物面（Ｐ１、Ｐ２）のうちの一方の放物面（Ｐ１）の
   焦点（Ｂ７）に配置されたレーザ（ＨＬ）の光点（ＬＦ
   ）から放射されるレーザ光が、他方の放物面 （Ｐ２）の焦点（Ｂ８）に集束されるよう に、これらの回転放物面の寸法が選ばれ、後者の焦点に
   導波路（ＷＬ）の端面（ＥＦ）が配置されていることを
   特徴とする請求項１記載の光学系。 ５）少なくとも一つの凹面鏡（Ｐ１）と少なくとも一つ
   の屈折レンズ（Ｌ）とを備え、これらがレーザ光の光路
   （ＳＯ、Ｓ１、Ｓ２）の中に相前後して配置されている
   ことを特徴とする請求項１記載の光学系。 ６）半導体レーザ、光導波路及び請求項１ないし５に記
   載の結合光学系を備え、導波 路（ＷＬ）の端面（ＥＦ）がこの導波路 （ＷＬ）の軸線（ＡＷ）に対し斜めに、か つ端面（ＥＦ）上に入射するレーザ光線 （ＬＳ）の軸光線（ＳＯ）に対しても斜めに配置され、
   及び／又は軸光線（ＳＯ）が導波路（ＷＬ）の軸線（Ａ
   Ｗ）に対し角度（■）を成して端面（ＥＦ）上に入射す
   ることを特徴とする結合装置。