JPH03100506A - 光結合装置及び光部品 - 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〕 本発明は光通信、光計測などに使用される光結合装置に
係り、特に半導体レーザ、アイソレータ、光ファイバを
容易でしかも安定的に光結合できるに好結合方法として
、レンズを組み合せた複数レンズ結合系が多く用いられ
ている。この光結合装置で高い光結合効率を確保するた
めには、レンズ系の収差の低減ならびに半導体レーザ、
レンズ、ファイバなど各部品の調整固定方法がポイント
となる。

このような光結合装置の例としては、三菱電機技報、Ｖ
　ｏ　ｌ　６２、Ｎ０１０．１９８８４．−おイテ論じ
られている。第１１図は、この光結合装置の断面構造を
示す。

半導体レーザ（ＬＤ）２５は、チップキャリア２２上に
固定されており、前方には第ルンズ（球レンズ）２６が
配置固定されている。このレンズはｙ２方向に対して位
置調整できるがＸ方向に対しては熱電子素子２１、チッ
プキャリア２２の厚さによって決まり、調整はできない
構造となっている。ＬＤ２５からの光は第ルンズ２６を
通って集光され、光アイソレータ２７の中心軸を経て第
２レンズ２８でさらに集光され、シングルモードファイ
バ２９に導びかれる。

しかしながら、光アイソレータ２７、第２レンズ２８は
それぞれ円筒状パイプ内に固定されており、ｘｙＸ方向
対する調整はできない、したがって光結合装置の結合効
率は各光部品の機械加工精度によってほぼ決定される構
造である。たとえば、ロッドレンズ２個を使って半導体
レーザと光ファイバ（シングルモードファイバ）との光
結合を行う場合、レンズとファイバとのｘ、Ｘ方向での
結合損失は１ｄＢ低下に対して上２゜５μｍの相対位置
ずれ量となる。

したがって、光結合装置内に微調整可能な構造が不可欠
である。

また、上記光結合装置の第ルンズ２６の固定方法は開示
されていないが、チップキャリア２２上に半田あるいは
他の金属ろう材を使って固定されていると推定される。

しかしながら、レンズの光軸を調整後これら金属ろう材
を使って固定すると固定時の凝固収縮あるいはエージン
グ工程時残留応力によって微小な位置ずれを起こすこし
があり、光結合装置の光結合を得る上で十分でないと推
定される。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、半導体レーザ、レンズ、アイソレータ
、ファイバの微少な光軸調整の方法について配慮されて
おらず、各光部品の機械加工精度のみでの組み立てでは
十分な光結合を得られない問題があった。また、光部品
の１つであるレンズをチップキャリアに光軸調整後ろう
材を介して固定したとしても、ろう材の凝固収縮等によ
る光軸ずれに対しては、レンズ固定された部分艷容易に
変えることはできず、したがって、光軸を再調整するこ
とはできない。

本発明は、半導体レーザ、レンズ、アイソレータ、ファ
イバが内蔵された光結合装置において、わずかな結合ず
れを調整できる構造を提供することを目的としており、
さらに光軸調整の自動化を容易にすることを目的として
いる。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、あらかじめパイプの一端を
４分割にして直角に折り曲げておく、この分割部をアイ
ソレータ入射光部分にＹＡＧ溶接固定あるいは抵抗溶接
で固定する。パイプ固定時の位置はパイプ中実軸とアイ
ソレータの光軸とがほぼ一致するように位置決め固定す
る。パイプの他端からレンズをそう人後、半田ろう材あ
るいは低融点ガラスを使ってレンズ固定するかあるいは
パイプをカシぬることによりレンズ固定する。このよう
にレンズ固定した場合、アイソレータとレンズとの光軸
には多少の軸ずれを起すことが考えられるが、パイプ部
に外力を加え、アイソレータとパイプとの固定近傍に塑
性変形を与えることにより軸調整を行う。

本発明の光結合装置は、半導体レーザから出射した光が
上記第ルンズ付アイソレータ内を通り、第２レンズで集
光した光を光フアイバ内へ導くように組み立てる１組み
立ての順序は、第ルンズ付アイソレータの光軸中心に来
るように半導体レーザを調整固定する。つぎに、半導体
レーザを発振させながらアイソレータから出る光が軸中
心になるように第ルンズの位置合せを行う。この光を第
２レンズで集光し、光ファイバへの結合が最大になるよ
うにＸ。

ｙ、ｚ方向に光フアイバ端面を位置合せし固定する。

半導体レーザは光出力１発振波長の安定化を図るために
熱電子素子上に実装されていることが好ましく、第ルン
ズ付アイソレータはケース側壁にＹＡＧ溶接、Ａｇロー
付けされている。したがって、第ルンズパイプ外周を治
具を使って保持し、自動軸合せを行ってもアイソレータ
とパイプとの固定近傍のみ塑性変形し他の固定部は安定
している。

本願第１番目の発明の光結合装置は、熱電冷却素子（例
えばペルチェ素子）上にチップキャリアを介して固定さ
れた半導体レーザ素子と、光アイソレータ（偏光子、フ
ァラデー回転子、検光子が光軸上に順次配列されてなる
）と、フェルール内に固定された光ファイバと、レンズ
（１つ或いは２つ使用が通例。この内少なくとも一つは
半導体レーザ素子、光アイソレータ及び光ファイバを順
次光結合するものである。光、各レンズ自体は単品でも
組合わせレンズでも良い、）とを備えてなり、半導体レ
ーザ素子からの出射光を集光するためのレンズを上記光
アイソレータの半導体レーザ素子側光結合端に固定し、
熱電冷却素子搭載部からレンズを離して半導体レーザ素
子と光アイソレータとを光結合させたことを特徴とする
。

本願第２番目の光結合装置は、ケースの側面から光アイ
ソレータがケース内に挿入され、一方このケース側面と
は異なるケース内面にも光アイソレータの取付部とは独
立して直接或いは間接に熱電冷却素子を搭載し、この熱
電冷却素子上に半導体レーザ素子を搭載し、半導体レー
ザ素子の出射面と光アイソレータの光結合端面とを結ぶ
光軸上にレンズを配してなり、レンズを光アイソレータ
に固定したことを特徴とする。

本願第３番目の光部品は、偏光子、ファラデー回転子、
検光子を光軸上に順次配列してなる光アイソレータの少
なくとも一光結合端面（つまり偏光子が検光子）に、前
記光軸上に焦点が位置するようにレンズを固定したこと
を特徴とする。この場合、レンズは球レンズか集束性の
ロッドレンズが好ましい。

最も望ましい態様は光アイソレータの光結合端面の少な
くとも一方にロッドレンズを固着させたものである。

この低光部品やその製法において望ましい態様は次の通
りである。

（１）レンズをパイプ内或いは板に設けた貫通孔部分に
挿入、固定し、パイプ或いは板の他の一端を光アイソレ
ータの一光結合端面近傍に固定し、パイプ或いは板の一
部を変形させて光軸調整する。

（２）レンズをパイプ或いは板の貫通孔に固定するに際
し、半田或いはＡｕ−８ｎなどの金属ろう或いは低融点
ガラスを使用する。

（３）パイプ或いは板の一部を光アイソレータの一光結
合端面近傍に固定するに際し、抵抗溶接、ＹＡＧ溶接を
使用する。

（４）光アイソレータを円筒状ケース内に収納し、一方
の光結合端面に球レンズ或いは集束性ロッドレンズを気
密固定し、他方の光結合端面にも同様にレンズを気密固
定する。

（５）光アイソレータの一方の光結合端近傍に半導体レ
ーザ素子を設け、他方の光結合端近傍にファイバを設け
て光結合する。

（６）レンズ、光アイソレータを同一バイブ内に調整固
定し、パイプの一部を変形させて半導体レーザ素子やフ
ァイバとの光軸調整を行う。

〔作用〕

レンズとファイバとの光結合ずれには、ｘ、ｙ。

２の３方向があるａＸＨｙ方向は、光軸に対して直角な
方向であり、Ｚ方向は光軸方向を示す。−カキ導体レー
ザから発振する光は光軸と直角な方向に対し３０６〜４
０”の放射角で発振し、ガウシャンビームの広がりを持
っている。すなわち、光強度は光軸中心に集中した分布
を持っている。Ｘｐ　ｙ方向の位置ずれ許容量は１デシ
ベルの結合効率低下に対して上２゜５μｍであり２方向
は１２０μｍの許容量がある。したがって、高い光結合
効率を確保するためには−ＸｍＶ方向に対して微調整す
ることが可能な構造とすることが必要である。

第ルンズを固定した部分は、パイプの端部を４分割して
アイソレータに固定されている。このパイプ部分を支持
しながら外力を加えて行くと４分割部分と弾性変形から
塑性変形が起こり、外力を除くとレンズの位置がわずか
に移動する。この手法を繰り返すと光結合効率が最大な
位置にレンズを調整することができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。

なお、同図の横断面図を第２図に示す。

半導体レーザ素子２５は素子端面から両方向に光を発振
する。そこで一方の光をモニタフォトダイオード２４で
受け、他方の光出力安定化を図っている。

半導体レーザは温度に対して敏感で光出力、光波長、し
きい電流値が変動する。たとえば１．３μｍ帯半導体レ
ーザの温度が１０℃上昇する間に波長は１゜３０１μか
ら１．３０５μｍへ移動する。これを防止するために半
導体レーザ素子２５とケース２との間に熱電子素子２１
を挿入する。

半導体レーザ素子２５の横にはサーミスタ１を固定して
おき、常にサーミスタ抵抗が一定になるように熱電子素
子２１の電流を抑制し半導体レーザの温度を一定にする
。

熱電子素子２１で取り除いた熱はできるだけすみやかに
ケース２の外部へ放熱することが好ましく。

熱電子素子２１の下面には熱伝導性が良好なＣｕ−Ｗ材
或いはクラツド材（Ｃｕ材の間にインバー等の材料を積
層し、高熱伝導でしかも線膨張係数が熱電子素子２１に
近いもの）３を使用する。半導体レーザ素子２５は同一
基板上にモニタフォトダイオード２４とサーミスタ１を
固定させるためにチップキャリア２２を設けている。こ
のキャリア材としては熱電子素子２１との線膨張率を合
せるためにコバール材が適している。

半導体レーザ素子２５から発振した光は水平方向に対し
３０°、垂直方向に対し４０°の拡がりをもっている。

この光を光アイソレータ２７或いはシングルモードファ
イバ２９内に効率よく入射させるためには集光用レンズ
が必要である。特に光アイソレータ２７が戻り光を遮断
できる有効領域は光軸部１腫濡径、長さ６層重であリレ
ーザ光をこの領域を通す必要があり、球レンズ或いはロ
ッドレンズ２６からなる第ルンズ２６′を使用する。ロ
ッドレンズは、アイソレータ２７の有効領域にレーザ光
を透過させるように微調構造を設けている。

第３図はアイソレータ２７の光入射部と第ルンズ２６′
としてロッドレンズ２６を固定した状況を示す。ロッド
レンズ２６’は鉄或いは鉄−５０ニツケルからなるレン
ズガイド４に半田或いはＡ　ｕ　−Ｓｎろう材を使って
固定する。

一方レンズガイドの一端は４分割されており、光アイソ
レータ２７の端面に抵抗溶接５あるいはＹＡＧ溶接によ
って固定されている。この状態でレンズガイドの円筒側
面をＸ方向に押すとレンズガイドの溶接部近傍が塑性変
形し、たて方向での調整位置合せが可能である。同様に
Ｘ方向でよこ方向の合せを行う。

レンズガイド４を自動調整する方法としては、たとえば
、第４図の方法がある。レンズガイド４の外周に接する
ようにコ字形をした調整治具３０を装着する。その後治
具開口部はボルト３１で固定する。

レンズガイド４に荷重を加えると、レンズガイドは弾性
変形を生じ、レンズ位置がかわる。さらに荷重を増加さ
せると、弾性変形から塑性変形に移りながらレンズ位置
は変化する。この状態で荷重を除くとレンズは元の位置
にもどらず、レンズガイドに変形が残る。すなわち、レ
ンズガイドに塑性変形を起す荷重を与えることにより、
レンズ位置の調整を行うのである。

実際のレンズパイプでのＸ方向調整は、まず、レンズガ
イドを変形させて最高の光出力が得られる位置を求める
。この変形荷重より少し多い荷重を負荷した後、荷重を
取り除く、この状態で光出力を調べ、最高の出力との対
比を行う、出力が最高に敗らない場合は、さらに荷重を
加え、上記の操作を繰り出す。

Ｘ方向で調整の後同様にＸ方向の調整を行い結合の効率
化を図る。レンズガイド４の自動調整法としては、上記
調整治具３１の他にレンズガイド４の周方向に穴、ガイ
ド、突起４″　（第５図参照）を設ける方法がある。こ
の突起４′を支持するこにとより。

レンズガイド４に外部から変形を与え、光軸調整するこ
とが可能である。

レンズガイド４は上記金属パイプ内にレンズを挿入固定
する他に、第６図、第７図、第８図、第９図に示す方法
が考えられる。第６図はレンズとして球レンズ２６′を
レンズパイプ４に固定したものであり、第７図はレンズ
パイプにロッドレンズを固定後。

光アイソレータ２７内へレンズパイプ４が一部入った状
態で固定したものである。第８図はレンズパイプに換え
て平板を使用し、平板４０の一部に穴加工を行い、この
穴にレンズを固定するものであり、第９図はパイプ４１
（レンズガイド）と棒４２を組み合せたものである。第
８図或いは第９図では、板或いは棒を塑性変形させるこ
とにより光軸調整を行う。

光アイソレータ２７を透過した光は、第２レンズ２８で
集光されてシングルモードファイバ２９の端面に入射さ
れる。ケース２内の気密を保つために。

アイソレータ２７の入射前面にはガラス板６を低融点ガ
ラスを使って固定する。ガラス板は反射を防止するため
に両面反射防止膜を付ける。光アイソレータ２７及び第
２レンズを固定する第２レンズガイド９は円筒状パイプ
７の中に挿入後、ＹＡＧ溶接により８の４ケ所以上を固
定する０円筒状パイプはアイソレータ２７と第２レンズ
ガイド９より少し長くなっており、この段差部８で溶接
固定する。第２レンズ２８で集光した光は出きるだけ効
率よくシングルモードファイバ２９に結合できるように
ファイバガイド１０を設ける。すなわち、ファイバガイ
ド１０の中にシングルモードファイバを挿入して２方向
の位置調整を行い接合部１１の全周あるいは１４点以上
をＹＡＧ溶接或いはろう付は固定する。つぎに、円筒状
パイプ７の端面とファイバガイド１０の端面をすり合せ
なからｘ、Ｘ方向に調整しＹＡＧ溶接或いはろう付は固
定する。

本実施例によれば、たとえ半導体レーザ２５と第ルンズ
２６間のｘｙＸ方向組立て時あるいはエージング時に光
結合ずれがあり第２レンズ２８への結合効率が低下した
としても、レンズガイド４を変形調整することにより容
易に効率を向上させる効果がある。

第１０図は、本発明の他の実施例を示す、第ルンズ２６
１を挿入、固定するレンズガイド４は段付きのパイプと
なっており、細い径の部分に第ルンズ２６′であるロッ
ドレンズが挿入され、半田或いは低融点ガラスなどを使
って固定される。一方、太い径の部分には、アイソレー
タ２７及び第２レンズガイドに保持された第２レンズ２
８が挿入されている。レンズガイド４の端部は少なくと
も４分割されており、この部分はケース２の側壁に抵抗
溶接あるいはＹＡＧ溶接により固定されている０段付き
パイプであるレンズガイド４にレンズあるいはアイソレ
ータを挿入固定する順序は、まずレンズを所定の所に固
定後アイソレータ続いて第２レンズをレンズガイド４の
中に挿入する。つぎに第２レンズ端部とレンズガイド端
部とをＹＡＧ溶接により固定する。半導体レーザ２５と
レンズアイソレータ等が固定されているレンズガイド部
とは、レーザを発振させながらレンズガイド先端部を支
持し、レンズガイド４の端部で側壁に固定されている部
分に塑性変形を与えることにより、光軸調整を行う。第
２レンズ２８からの光はさらにシングルモードファイバ
に効率よく結合できるようにファイバガイド１０を調整
する。

本実施例によれば、たとえ半導体レーザ２５とファイバ
との光軸が組み立て時にずれたとしても第ルンズ等を挿
入したレンズガイドを調整することにより、結合効率を
回復できる効率がある。

〔発明の効果〕

本発明によれば、半導体レーザからの発振光を第ルンズ
で集光して光アイソレータの光軸に入射させる場合にお
いて、アイソレータ光軸と入射光が一致しない場合でも
第２レンズガイドを微調変形させ光軸を一致させること
ができ光結合効率を向上させる効率がある。また、第ル
ンズを光アイソレータ部に固定することにより、レンズ
ガイド部の微調変形作業が容易に出き、またこの作業自
動化も容易となる効率がある。更には、チップキャリア
上に第ルンズを登載する必要がないためチップキャリア
の小型化及び熱電子素子の容量を小型にできる効果があ
る。さらに、光結合装置として組み立てた後、装置のエ
ージング等によって各光部品の固定部に微小な変形が起
り光結合効率が低下した場合、第２レンズガイド部の微
調変形を行うと効率を回復できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る光結合装置の縦断面図
、第２図は第１図の実施例装置の横断面図、第３図は第
１図装置内部の部分拡大斜視図、第４図は第３図の例示
装置におけるレンズガイドの自動調整を示す斜視図、第
５図、第６図、第７図、第８図第９図はいずれも第３図
の実施例の代案を示す斜視１・・・サーミスタ、２・・
・ケース、３・・・クラツド材、４・・・レンズガイド
、５・・・抵抗溶接、６・・・ガラス板、７・・・円筒
状パイプ、８・・・ＹＡＧ溶接、９・・・第２レンズガ
イド、１０・・・ファイバガイド、１１・・・接合部、
２１・・・熱電子素子、２２・・・チップキャリア、２
４・・・モニタフォトダイオード、２５・・・半導体レ
ーザ素子、２６・・・ロッドレンズ、２６′・・・第ル
ンズ、２７・・・光アイソレータ、２９・・・シングル
モードファイバ。 第　Ｚ　図 冨 ３ 図 茶 図 慕 図 第６ 図 ■ ３ 図 葛 ／θ 図 洒 図 ９ シン２゛ノＬ七−）々イバ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、熱電冷却素子上にチップキャリアを介して固定され
   た半導体レーザ素子と、偏光子、ファラデー回転子、検
   光子が光軸上に順次配列されてなる光アイソレータと、
   フェルールに内に固定された光ファイバと、前記半導体
   レーザ素子、前記光アイソレータ及び前記光ファイバを
   順次光結合させるレンズとを備えてなる光結合装置にお
   いて、前記半導体レーザ素子からの出射光を集光するた
   めの前記レンズを前記光アイソレータの前記半導体レー
   ザ素子例光結合端に固定し、前記熱電冷却素子搭載部か
   ら該レンズを離して前記半導体レーザ素子と前記光アイ
   ソレータとを光結合させたことを特徴とする光結合装置
   。 ２、ケースの側面から光アイソレータがケース内に挿入
   され、一方該ケース側面とは異なるケース内面に前記光
   アイソレータの取付部とは独立して直接或いは間接に熱
   電冷却素子を搭載し、該熱電冷却素子上に半導体レーザ
   素子を搭載し、該半導体レーザ素子出射面と前記光アイ
   ソレータの光結合端面とを結ぶ光軸上にレンズを配して
   なる光結合装置において、前記レンズを前記光アイソレ
   ータに固定したことを特徴とする光結合装置。 ３、偏光子、ファラデー回転子、検光子を光軸上に順次
   配列してなる光アイソレータの少なくとも一光結合端面
   に前記光軸上に焦点が位置するようにレンズを固定した
   ことを特徴とする光部品。 ４、請求項３において、前記レンズが球レンズ或いは集
   束性ロッドレンズであることを特徴とする光部品。 ５、光アイソレータの光結合端面の少なくとも一方にロ
   ッドレンズを固着させたことを特徴とする光部品。 ６、請求項３乃至５のいずれかにおいて、前記レンズを
   パイプ内或いは板に設けた貫通孔部分に挿入固定し、パ
   イプ或いは板の他の一端を前記アイソレータの一光結合
   端面近傍に固定し、パイプ或いは板の一部を変形させ光
   軸調整できるようにしたことを特徴とする光部品。 ７、請求項３乃至６のいずれかにおいて、前記レンズを
   パイプ或いは板の貫通孔に固定する方法として、半田或
   いは金属ろう或いは低融点ガラスを使用することを特徴
   とする光部品の製法。 ８、請求項３乃至６のいずれかにおいて、前記パイプ或
   いは板の一部を前記光アイソレータの一光結合端面近傍
   に固定するに際し、抵抗溶接、ＹＡＧ溶接を使用するこ
   とを特徴とする光部品の製法。 ９、請求項３乃至６のいずれかにおいて、前記光アイソ
   レータを円筒状ケース内に収納し、一方の光結合端面に
   前記球レンズ或いは集束性ロッドレンズを気密固定し、
   他方の光結合端面にも同様に前記レンズを気密固定する
   ことを特徴とする光部品。 １０、請求項３乃至９いずれかにおける、前記光アイソ
   レータの一方の光結合端近傍に半導体レーザ素子を設け
   、他方の光結合端近傍にファイバを設け光結合したこと
   を特徴とする光結合装置。 １１、請求項３乃至１０いずれかにおいて、前記レンズ
   、前記光アイソレータを同一パイプ内に調整固定し、該
   パイプの一部を変形させて前記半導体レーザ素子やファ
   イバとの光軸調整を行うようにしたことを特徴とする光
   結合装置。