JPH0274090A

JPH0274090A - 光結合構造体

Info

Publication number: JPH0274090A
Application number: JP1187213A
Authority: JP
Inventors: Terry P Bowen; テリー　パトリック　ボーエン
Original assignee: AMP Inc
Current assignee: TE Connectivity Corp
Priority date: 1988-07-22
Filing date: 1989-07-19
Publication date: 1990-03-14
Anticipated expiration: 2013-11-11
Also published as: EP0353853A1; KR900002503A; DE68905005D1; CA1321499C; DE68905005T2; JP2822217B2; EP0353853B1; US4902093A

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）本発明は、レーザダイオードと光ファイバーを結合する
構造体に関し、より具体的には球面鏡を用いたレーザダ
イオード／光フアイバー結合体に関する。

（従来の技術）光通信システムにおいては、半導体レーザダイオードで
光信号を発生し、同信号を光ファイバーによって１つの
位置から別の位置へ伝送することができる。この光シス
テムは、パワーロスができるだけ小さくなるようにレー
ザダイオードと光ファイバーを結合することによって効
率を高くすることができる。

光ファイバーの基本構造としては、高純度ガラスを素材
とする芯体に、芯体のガラスよりも幾分屈折率が小さい
ガラスのクラツデイングが被覆せしめられている。レー
ザダイオードから光ファイバーの芯体に進入した光は、
芯体と芯体クラツデイングとの屈折率差の効果によって
芯体から外に出ることなく案内される。

レーザダイオードは一般に、ボンピング電流を薄い活性
層に印加することによって発生させた光を横断方向に案
内する導波体を備えている半導体レーザダイオードであ
る。それ故レーザダイオードを光ファイバーに結合する
問題は、光学特性が相異なる２つの導波体（すなわちレ
ーザ導波体と光フアイバー導波体）を結合する問題と見
なすことができる。寸法は、一般的にレーザ導波体の方
が小さく　（たとえば１ミクロン）、光フアイバー芯体
の方が大きい（たとえば１０ミクロン）。また開口数は
レーザの方が大きく　（たとえば０．５）、光ファイバ
ーの方が小さい（たとえば０．１　）。光ファイバーの
開口数は、光ファイバーの照射角（入射角）の正弦に、
光ファイバーの入光面または出光面に接する材料の屈折
率を掛けた値にほぼ等しい。同様に、レーザの開口数は
、レーザの照射角の正弦に、レーザ放出面に接する材料
の屈折率を掛けた値にほぼ等しい。

（発明が解決しようとする課題）レーザダイオードを光ファイバーに結合する１つの既知
の方法としては、光ファイバーをレーザダイオードの正
面に精密に同軸整合させる方法がある。しかしレーザダ
イオードと光ファイバーの寸法ならびに開口数が異なっ
ているためにこのような結合方法は極めて有効性に乏し
い。

レーザダイオードと光ファイバーとの結合の問題は、光
ファイバーとレーザダイオードとの間にレンズを介装す
ることにより解決し、有効性を高めることができる。し
かし現実にはこのレンズを用いることは困難である。具
体的に言えば、光ファイバー、レンズならびにレーザを
同軸整合させるためには、光ファイバーを数分の１ミク
ロン単位の精度で機械調節しなければならない場合が少
なくない。光ファイバーは嵩が小さく、長尺構造である
故にこのような同軸整合は困難である。

レーザダイオードと光ファイバーを結合する別の既知の
方法としては、球面鏡を用いて光を反射させて第１先フ
アイバーから第２光フアイバーへ伝送する方法がある。

球面鏡から焦点距離の２倍に相当する距離だけ隔たった
面内に定置し、曲率中心かられずかだけ位置をずらせた
点光源の像を、収差を可能な限り小さく抑えつつ、同じ
面内の、曲率中心に対して対称の位置にある点に結ぶ。

この場合の結像面を一対一結像面と言う。この結像方式
を採用すれば、２本の光ファイバーの端面を球面鏡の一
対一結像面内に定置し、両端面を球面鏡の曲率中心に対
して対象に定置すれば一方の光ファイバーから他方の光
ファイバーへ光を伝送することができる。２本の光ファ
イバーのような同種媒体間で光を伝送する場合はこの一
対一結像方式が理想的である。しかし前記特許出願は、
光フアイバー導波体とレーザダイオード導波体のような
光学特性が相異なる２つの導波体を結合する場合に光学
的補償を行うメカニズムは開示していない。レーザダイ
オードと光ファイバーを直結するマウンティングは、レ
ーザダイオードのレーザ放出面と光ファイバーとの間に
一定の間隔を維持し、レーザダイオードの所望共振の変
化を防止しなければならない。レーザダイオードのレー
ザ放出面と光ファイバーとの間の間隔（ミクロン単位）
は可能な限り小さくして理想的一対一結合を行えるよう
にする。マウンティングに可変気温と、ダイオードの動
作によって発生する可変熱エネルギーが作用することに
よって熱膨張を起こすためにレーザダイオードのレーザ
放出面と光ファイバーとの間に一定の間隔を維持するこ
とは困難である。

直結法に代わる方法としては、球面鏡を用いてレーザダ
イオードと光ファイバーを結合する。しかし球面鏡の結
像面でレーザダイオードと光ファイバーを結合しても直
結法の場合と比べて結合育効性はいささかも向上しない
。

本発明は以上のことに鑑みて、球面鏡を用いて２つの異
種導波体（光ファイバーとレーザダイオード）を結合し
、２つの導波体の光学特性の差異を補償することを目的
とする。

（課題を解決するための手段およびその作用効果）本発
明の光結合メカニズムは在来光結合メカニズムと比べて
様々な点で優れている。本発明の結合メカニズムは、在
来結合メカニズムと比べて構造が単純で製造費が安く、
かつ安定性が高く結合有効性が高い。本発明においては
、高いエネルギー伝達効率を維持するために嵩が小さい
光ファイバーをミクロン単位の精度で位置決めしなけれ
ばならないという必要はない。本発明においては、球面
鏡の位置を調節することによって理想的結合を設定する
。嵩が小さい光ファイバーよりも嵩が大きい球面鏡の方
を精密位置決めする方が容易である。レーザダイオード
の後面放出を検知する検知器を結合メカニズムに一部と
して容易に付加することができる。本発明の光結合メカ
ニズムは、一対一緒像面を有している球面鏡と、該一対
一緒像面よりも該球面鏡に近く位置しているレーザ放出
面を有している半導体レーザダイオードと、該一対一緒
像面よりも該球面鏡から遠く隔たっている大光面を有し
ている光ファイバーとから成っている集合体であり、該
球面鏡が該レーザダイオードの該放出面から放出される
レーザ光線を該光ファイバーの入光面へ入射させる。

（実　施　例）レーザダイオードとしての導波体と光ファイバーとして
の導波体を結合する、本発明の１つの代表的実施例とし
ての結合構造体を添付図面に示す。

添付図面に示すように、レーザダイオードから放出され
たレーザ光線を光ファイバーへ入射させる光結合メカニ
ズムの構成要素として、１つの共通サブマウント１があ
り、レーザサブマウント２が共通サブマウント１に固着
されており、レーザダイオード３がレーザサブマウント
２の傾斜面２ａに取り付けられている。

共通サブマウント１にはさらに光フアイバーサブマウン
ト４が固着されている。光フアイバーサブマウント４の
傾斜面４ａに光ファイバー５が取り付けられている。添
付図に示す光ファイバー５の入光面６は平面であるが、
光フアイバー先端部７を先細形とすることもできるし、
また先細形にしてレンズを備えることもできる。

レーザダイオードサブマウント２と光フアイバーサブマ
ウント４は共通サブマウント１に固着されており、レー
ザダイオードの前部レーザ放出面ＩＯを光ファイバーの
入光面６に対して不動固定する１つのマウンティング（
取付は構造体）を形成している。後で詳述するごとく、
この単一マウンティングはまたレーザダイオードの縦軸
線１１と光ファイバーの縦軸線１２との間に一定の不変
円環関係を維持する働きをする。

レーザダイオード３の前部放出面１０から放出されたレ
ーザ光線は球面鏡２０によって反射されて光ファイバー
５の入光面６に進入する。球面鏡２０の本体２１の素材
は、ガラスなどの熱安定性材料である。本体２１に球形
反射面２２が設けられている。反射面２２の曲率中心は
Ｃであり、半径はＲである。

Ｒは一例として約０．０５ｉｎとする。光軸２３が曲率
中心Ｃを通過し、球面鏡の頂点Ｖに交わっている。

曲率中心Ｃを含んでおり、光軸２３に対して垂直である
面は一対一結像面である。一対一緒像面内に位置してお
り、光軸かられずかに位置が隔たっている光源の像が、
一対一緒像面の、光軸に対して対称である位置に一対一
の関係で結ばれる。

本発明においては、原則としては一対一緒像システムに
よってレーザダイオード３から光フアイバー５ヘレーザ
光線を伝送しない。それはレーザダイオードと光ファイ
バーの光学特性が異なっているからである。具体的に言
えば、先述のごとく、レーザダイオードは、寸法が約１
ミクロン、開口数が約０，５の活性導波体である。これ
に対して光ファイバー７の直径は約１０ミクロン、開口
数は約０．１である。すなわち、第１図に示すごとく、
レーザダイオード３の０．５開口数はレーザから放出さ
れる太い円錐光線３１に対応している。

レーザダイオードのレーザ放出面と光ファイバーの入光
面の寸法と開口数が異なっているためにレーザスポット
サイズが拡大され、レーザダイオードから放出される光
線が有効に光ファイバーに進入する。

レーザダイオードの前部放出面は球面鏡の頂点Ｖから軸
方向に距１ＩｉｌＯだけ隔たったところに位置しており
、光ファイバーの入光面は球面鏡の頂点Ｖから軸方向に
距離ｉだけ隔たったところに位置している。レーザダイ
オードと光ファイバーを光輔に十分近付け、レーザダイ
オードから放出される光線と光ファイバーに進入する光
線が球面鏡の光軸に対して成す角度を十分に小さくすれ
ば、距ｆｉｔ、Ｏは次式によって近似的に関係づけられ
る：１／　ｉ　＋　１／　ｏ　−１／　ｆ−２／Ｒここ
でｆは球面鏡の焦点距離であり（ｆ−Ｒ／２）であり、
倍率は次式で与えられる：ｍ　ｗｍ　ｉ　／　。

図示の実施例として、ｏ−，５ＲＳ　ｉ　−３Ｒ。

倍率−５とすれば１．５ＮＡのレーザダイオードを、Ｉ
ＮＡの光ファイバーに有効結合することができる。ただ
し倍率は厳密に５にする必要は必ずしもない。

さらに、球面鏡の光軸に対するレーザダイオードの縦軸
線１１と先ファイバーの縦軸線１２の角度を各々αとす
ることによって有効な結合を確保することができる（言
い換えれば、球面鏡の光軸がレーザダイオードの縦軸線
と光ファイバーの縦軸線とが成す角度を２等分する。）
。角度αは、縦軸線１１．１２の交点■が球面鏡の頂点
Ｖに合致するように設定する。図示の実施例ではａ＝５
．７度である。レーザダイオードサブマウント２の而２
ａにレーザダイオード３が取り付けられている。面２ａ
図示の傾斜角度αを有している。光フアイバーサブマウ
ント４の而４ａに光ファイバー５が取り付けられている
。面４ａも図示の傾斜角度αを有している。

本発明の光結合メカニズムにおいては、レーザダイオー
ドサブマウント２と光フアイバーサブマウント４とから
成る角度付きブロックが、レーザダイオードの前部放出
面ＩＯと、光軸に対して平行である光ファイバーの入光
面６との間に一定の間隔を設定し、またレーザダイオー
ドの縦軸線と光ファイバーの縦軸線との間に一定の角度
関係を設定する働きをする。続いて球面鏡を前後に移動
させ、レーザダイオードの縦軸線と光ファイバーの縦軸
線との交点■が球面鏡の頂点Ｖにほぼ合致するように距
離ｉ、Ｏを設定する。光ファイバーの位置に対応する光
ファイバーの出力を検知器で監視し、最適結合が確保さ
れる球面鏡の位置に対応する相対最大出力を検知する。

続いて、溶接またはＵＶ硬化性接着剤を用いて球面鏡を
共通サブマウント１に取り付ける。

図示の光結合メカニズムの１つの問題点として、先ファ
イバーの円錐光線３１の一部がレーザダイオード３とサ
ブマウント２とによって遮られる。これは、レーザダイ
オードが放出し、球面鏡によって反射される光線の一部
がレーザダイオードとレーザダイオードサブマウントに
よって遮られるということを意味する。レーザダイオー
ド本体とレーザダイオードサブマウントの、レーザダイ
オードが放出し、球面鏡によって反射される光線を遮る
部分を番号４０で示す。レーザダイオードが放出するガ
ウス形光線の尾部だけが遮られる。ガウス形光線の尾部
には光線全体のエネルギーの一部だけしか含まれていな
い。レーザダイオードとそのサブマウントを球面鏡から
遠ざけ、完全に光ファイバーの円錐光線の外に出すこと
によって遮られる光線の量を少なくすることができる。

しかしレーザダイオードのレーザ放出面を球面鏡から遠
ざけると物体距離が大きくなり、倍率（すなわちｉ１０
比）が小さくなり、ひいては結合有効性が低下する。し
たがって添付図面に示す実施態様においては、倍率と遮
られる光線の量との間でトレードオフを行う。このこと
は、光ファイバーの最適結合位置というものが存在して
いることを示唆している。

図示の実施態様においては、検知器８が光フアイバーサ
ブマウント４に取り付けられている。検知器８がレーザ
ダイオード３の後部レーザ放出面から放出されるレーザ
光線を検知する。それに応じて検知器８が発する信号を
用いてレーザダイオード３の動作を制御する。レーザダ
イオード３の後部レーザ放出面から放出される円錐レー
ザ光線を番号３２で示す。レーザダイオードの後部レー
ザ放出面から放出されるレーザ光線の１つの問題点とし
て、その一部が光ファイバーに進入し、レーザダイオー
ドの前部レーザ放出面から放出されて球面鏡によって反
射されて光ファイバーに進入するレーザ光線と干渉する
恐れがある。レーザ光線を光ファイバーに進入させる球
面鏡の倍率は調節自在である故、この問題を解消するた
めの１つの方法としては、光ファイバーを球面鏡に向か
って移動させ、光ファイバーの入光面をレーザダイオー
ドの後部レーザ放出面から放出される円錐レーザ光線３
２の外に出す。そうすればレーザダイオード３サブマウ
ント２とによって遮られるレーザ光線の量が少なくなり
、伝送エネルギーの損失を低く抑えることができる。応
用形実施態様として、検知器８をレーザダイオードサブ
マウントの面２ａに取り付けることもできる。

本発明においては、球面鏡を利用して第１導肢体（レー
ザダイオード）から第２導肢体（光ファイバー）へ光線
を伝送する。光ファイバーとレーザダイオードの光学特
性が異なっている（すなわち寸法と開口数が異なってい
る）ために一対一結像方式は利用できない。本発明にお
いては、一対一結像方式によらず、レーザダイオードの
前部レーザ放出面を一対一結像面よりも球面鏡に近付け
、光ファイバーの入光面を一対一結像面よりも球面鏡か
ら遠ざけ、それによってレーザダイオードと光ファイバ
ーの開口数の差異を補償する。

本発明に従ってレーザダイオードから光ファイバーヘレ
ーザ光線を伝送するには、レーザダイオードと先ファイ
バーを１つの共通マウンティングに取付け、レーザダイ
オードのレーザ放出面と光ファイバーの入光面との間に
一定の不変間隔を維持し、レーザダイオードの縦軸線と
光ファイバーの縦軸線との間に一定の不変角度関係を維
持する。

続いて伝送する光エネルギーの損失を最小限度に抑える
ようにｐ面鏡の位置を３！節した後、溶接または紫外線
感応接着剤によって球面鏡を固定する。

光線は球面鏡の光軸によって伝播し、球面鏡によって反
射されて戻る。球面鏡の光軸は球面鏡の曲率中心と頂点
を通っている。レーザダイオードと光ファイバーとの間
の光エネルギー伝送効率を最大限度に高めるためには、
レーザダイオードのレーザ放出面を光軸の一方の側に定
置し、一対一結像面よりも球面鏡に近付け、光ファイバ
ーの入光面を光軸の他方の側に定置し、一対一結像面よ
りも球面鏡から遠ざける。そうすればレーザ光源のスポ
ットサイズが大きくなり、レーザダイオードと光ファイ
バーの開口数の差異が補償される。

また、レーザダイオードと光ファイバーを傾斜させ、レ
ーザダイオードの縦軸線と先ファイバーの縦軸線を球面
鏡の頂点において球面鏡の光軸に交わらせる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の一実施例によるレーザダイオードと光フ
ァイバーの結合構造体を示す図である。２・・・第１サブマウント　　３・・・第１光導波体４
・・・第２サブマウント　　５・・・第２光導波体２２
・・・球形反射面

Claims

【特許請求の範囲】

１）第１サブマウントに取り付けられている第１光導波
体から第２サブマウントに取り付けられている第２光導
波体へ光エネルギーを結合する光結合構造体において、
前記第１光導波体から前記第２光導波体へ伝達される光
エネルギーを反射する球形反射面を備え、前記第１サブ
マウントの方が前記第２サブマウントよりも前記反射面
に近いことを特徴とする光結合構造体。