JPH02111906A - 光結合器 - 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】 論童業上の利用分野〕 本発明は光通信や光計測器に用いる光結合器に関する。

〔従来の技（ヰｉ〕

従来、この種の半導体発光素子と光ファイバを結合させ
る光結合器において、性能の良い結合回路としては次に
掲げるものが知られている。すなわち、第１にテーパ先
球ファイバを使用したもの、第２に先球集束性ロッドレ
ンズを使用したもの、第３に特願昭５９−２５２４２１
号の１光結合器」に記載された半導体発光素子側！ご凸
球面を有する第１の集束性ロッドレンズと光ファイバに
近接する第２の集束性ロッドレンズとを使用したものが
広く知られている。そして、これらの結合回路により半
導体発光素子、特に半導体レーザと光′□伝送路、特に
光ファイバとの結合効率がかなり向上することがすでに
知られている。なお、光ファ□イバとして単一モードフ
ァイバを用いた場合には、約３ｄＢの結・合損失で半導
体レーザからの出力光が結合されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上述したテーパ先球ファイバを用いた結
合回路°では、このテーパ先球ファイバを半導体発光素
子、例えば半導体レーデに対して、光出力変動の許容量
を１ｄＢとしたとき光軸方向に数μｍ、光軸に垂直な方
向に１μｍ以内の位ゴ精度で実装する必要がある。この
ため、テーバ先ＬＲファイバの実装は必ずしも容易では
なく、この種の結合回路を用いた光モジュールでは、結
合損失が調整時よりも２〜３ｄＢ増加するという問題が
あった。

また、テーパ先球ファイバに較べて実装の容易な先球集
束性ロッドレンズでは、先球面での光の屈折を利用する
ことにより、半導体発光素子からかなりの割合の出力光
がレンズ周辺部でのレンズ収差の影響を受けることなく
、レンズ内を通過することができる。したがって、半導
体発光素子、例えば半導体レーザと光伝送路、例えば光
ファイバの結合損失は端面が先球化されていない集束性
ロッドレンズに較べて大幅に低減できる。しかしながら
、実装が容易といっても、光出力変動の許容量を１ｄＢ
とした場合、光ファイバを光軸に垂直な方向に２．５μ
ｍ以内の位置晴間て実装する必要があるという問題があ
った。

他方、半導体素子側に第１レンズとして凸球面付集束性
ロッドレンズ、第２レンズとして光ファイバに近接する
平端面の集束性ロッドレンズを組み合わせた結合回路で
は、光出力変動の許容量をｌｄＢとした場合、光ファイ
バを光軸に垂直な方向には８．５μｍ以内の位置１′ｉ
度で実装すればよいが、光軸に対する角度方向には０．
９度以内の精度で実装する必要があるという問題があっ
た。

本発明の目的は上述した問題に鑑みなされたもので、光
ファイバの調整、実装時における角度ずれに対する損失
増加量を大幅に低減で今るようにした光結合器を提供す
ることにある。

〔課題を解決するための手段〕

前記した目的を達成するために本発明に係わる光結合器
は、半導体発光素子と、この半導体発光素子に面する側
の端面が所定の曲面状に形成された第１レンズである集
束性ロッドレンズと、第１の端面が第１レンズに所定の
間隔をおいて対面配置された第２レンズである球レンズ
と、先端面が第２レンズの第２の端面に対面配置された
光ファイバ端末とから成る構成としたものである。

〔作用〕

このように本発明にあっては、半導体発光素子と光ファ
イバの結合に、半導体発光素子に面する側の端面が所定
の曲面状に形成された集束性ロッドレンズと、光ファイ
バの端面に近接する球レンズを用いることにより、光フ
ァイバの調整、実装時の角変ずれに対する損失増加量を
大幅に減少できる。

〔実施例〕

次に、本発明について図面を参照して説明する。

まず、本発明の詳細な説明する前に、本発明の原理と作
用を説明する。

本発明では、半導体発光素子、例えば半導体レーザに面
する側の端面が凸曲面状に形成され、かつ中心軸からの
距離の２乗にほぼ比例して屈折率が減少するような凸曲
面付集束性ロッドレンズを第１レンズとして用いる。中
心軸での屈折率をｎｏ　、中心軸からの距離をｒ１集東
パラメータをａとすると、レンズ内での屈折率ｎは、ｎ
　（ｒ）　＝ｎｏ　　（１ａ　ｒ’　）で与えられる。

半導体発光素子、例えば半導１（Ｚレーザと凸曲面付集
束性ロッドレンズの間汝は、焦点距離を除くその近傍に
とる。これは第１レンズである凸曲面付集束性ロッドレ
ンズがち数ｍ　ＩｎよＩＦれｔこところに第２レンズで
ある王求レンズを戸己］好″４−るためであり、また第
２レンズである球レンズｊこ入射するときの出力光のス
ポットサイズを拡くとるためである。そして、第２のレ
ンズである球レンズと光ファイバとは、双方の端面同志
が互いに近接するように固定される。

光ファイバが単一モードファイバの場合をｊ７１１にと
ると、第１レンズである集束性ロッドレンズでは、半導
体レーザの出力光のスポ７）サイズを９〜２４倍に拡大
し、第２レンズである球レンズｊ＝入射させる。第２レ
ンズである球レンズでは、その入射光のスポットサイズ
を１／３〜１／４に縮小して光ファイバに入射させる。

半導体レーザの出力光と光ファイバ゛（単一モードファ
イバ）のスポットサイズの像倍率はこの２つのレンズ系
により３〜６倍となるようにして結合させている。

第１図はこれらの理由をわかりやすく説明するための図
で、光ファイバと球レンズが一体化される場合に、凸曲
面付集束性ロッドレンズがろの出力光が球レンズに入射
するときのスポットサイズの計算（直を、光ファイバ端
面と球レンズ端面の間隔を変えて示したものである。例
えば、光ファイバと球レンズが接した場合、スポットサ
イズは１５μｍとなり、見掛は上スポットサイズ１５μ
ｍの光ファイバに半導体発光素子、例えば半導体レーザ
かろの出力光が結合されるのに等しい。凸曲面付集束性
ロッドレンズと球レンズの間隔は像倍率に合わせて調整
される。

ここで半導体発光素子からの出力光をできる限りレンズ
内に取り込むためには、開口数の大きいレンズ、つまり
集束パラメータおよび中心軸上の、１…折率の大きいレ
ンズを使用しなければならない。

（ツ方、球レンズでは見掛は上スポットサイズが拡がっ
たとはいえ、光ファイバ自身の開口数が小さいため、入
射した出力光をできるだけ援やかに集束させる必要があ
る。したがって、屈折率の小さいレンズを使用しなくて
はならない。

第２図は本発明に係わる光結合器の一実施例を示す側面
図、第３図は第２図に示す実施例における光ファイバの
許容角度ずれ範囲を測定した結果の一例を示す線図であ
る。説明をわかりやすくするために、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸
、θ角を図示のように定める。Ｙ軸は紙面に垂直に向い
ている。またθ角はＺ軸からＸ軸への仰角である。

図において、半導体レーザ１はその発光面２からの出力
光３の光軸４がＺ軸と平行になるようにヒートンツク５
上に融着固定されている。また第１レンズである集束性
ロッドレンズ６は、半導体レーザｌの発光面２に近接し
て配置される側６ａが凸曲面状に加工されている。更に
、第２のレンズである球レンズ７は、第１の端面８が集
束性ロッドレンズ６に対面し°、かつ第２の端面９が光
ファイバ１０の先端面に接して配置されている。

特に、球レンズ７の光ファイバｌＯは双方が一体となっ
て固定されている。

本実施例では、凸曲面を有する集束性ロッドレンズらと
して、ｎｏ＝１．６３、ａ＝０．１７５ｍｍ−’　　ｒ
＝ｏ、９ｍｒｎ、レンズピッチ０．　２こンチ、凸曲面
部の半径２　ｍ　ｍ　、；）ものを使用し、また、球レ
ンズ７として、■折−ｍ１．５０４、直！￥２ｍｍのも
のを使用した。また、光ファイバ１（］はコア径１０Ａ
Ｌｍ、カットオフ波長１，１μｍの瓜−モードファイバ
、半導体レーザ１は発振波ｊｔ１．３μｍのものを使用
した。

光ファイバ１０は球レンズ７と一体化されているため、
相対的にスポ７　）サイズが拡く、また、従来シリで示
した第１レンズである凸曲面付集束性ロッドレンズと光
ファイバに端面が近接する第２レンズである集束性ロッ
ドレンズからなる光学的構成に較べ、光ファイバの角度
ずれに対する損失の増加する程度は、第３図に実線で示
すように緩くなる。この第３図において、損失増加量が
１ｄＢのところで従来例と本実施例を比較すると、２倍
も許容軸ずれ１が緩くなっていることがわかる。

本発明では以上説明した代表的な実施例の池にいくつか
の変形が考えられる。なお、前述の実施例では半導体レ
ーザ１、集束性ロッドレンズ６、球レンズ７、光ファイ
バ１０のパラメータを明示したが、本発明がそれらの数
渣に限定されないことは言うまでもない。

また、本実強例では光ファイバ１０と第２レンズとして
の球レンズ７が接して一体化されているが、一体となっ
ている限り双方が若干の間隔をおいて固定されていても
よい。更に、前述の実施例では凸曲面として先球面の集
束性ロッドレンズ６を用いたが、球面収差が小さいとさ
れる双曲面等の非球面形状とすることも可能である。ま
た、第１レンズである集束性ロッドレンズ６による像倍
率を９〜２４倍、第２レンズである球レンズ７による像
倍率を１／３〜１／４とし、半導体レーザｌの出力光ビ
ームと光ファイバ１０のスポットサイズの像倍率を３〜
６倍としたが、本発明がそれらの数渣に限定されないこ
とは言うまでもない。

また、以上の実施例では光ファイバとして単一モ−）’
７アイハヲ用いたが、マルチモードファイバてもよく、
この場合も第１レンズ、第２レンズの像倍率を調整すれ
ばよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明に係わる光結合器によれば、
半導体発光素子と光ファイバの結合に、半導体発光素子
に面する側の端面が所定の曲面状に形成された集束性ロ
ッドレンズと、光ファイバの端面に近接する球レンズを
用いた構成とすることにより、光ファイバの調整、実装
時の角度ずれに対する損失増加量を従来に較べて大幅に
減少できるという効果を奏する。

また、半導体発光素子と所定の曲面を有する集束性ロッ
ドレンズ、球レンズと光ファイバをそれぞれ１つのブロ
ンクとして構成することにより、■産性の高い光結合器
を実現できるという効果も有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係わる実施例の光結合器において凸曲
面付集束性ロッドレンズからの出力光が球レンズに入射
するときのスポットサイズの計算値を、光ファイバ端面
と球レンズ端面との距離を変えて示した線図、第２図は
本発明に係わる光結合器の一実施例を示す概略構成図、
第３図は本発明の実施例と従来例での光ファイバの角度
ずれ債に対する損失増加量の測定結果を示す線図である
。 ■・・・・・・半導体レーザ、２・・・・・・発光面、
３・・・・・・出力光、４・・・・・光軸、５・・・・
・・ヒートシンク、 ６・・・・・・集束性ロッドレンズ、７・・・・・・球
レンズ、８・・・・・・第１の端面、９・・・・・・第
２の端面、１０・・・・・・光ファイバ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 半導体発光素子と、 この半導体発光素子に面する側の端面が所定の曲面状に
   形成された第１レンズである集束性ロッドレンズと、 第１の端面が第１レンズに所定の間隔をおいて対面配置
   された第２レンズである球レンズと、先端面が第２レン
   ズの第２の端面に対面配置された光ファイバ端末 とから構成されたことを特徴とする光結合器。