JPH0363044B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明は、半導体レーザと光フアイバとを球レ
ンズを用いて安定に結合させた簡易構成の半導体
レーザ結合装置に関するものである。

（従来技術） 光フアイバ通信方式においては、半導体レーザ
の光を効率良く光フアイバへ結合させる半導体レ
ーザ結合装置を開発する必要がある。特に、かか
る装置の加入者系等への導入を考えると、製造工
程の簡略化ならびに低コスト化を図つたLD結合
装置を開発する必要がある。

従来のこの種の装置においては、半導体レー
ザ、例えばレーザダイオード（以下、LDとも略
記）と光フアイバとを結合するにあたつて、光フ
アイバのコア径が50μm以下と小さいので、微動
台等を使用して微細な位置合わせを行うことが必
要であり、しかも位置合わせが完了してから、各
部品を接着剤等で固定しなければならず、組立時
間が長くかかり、製造性や歩留り等が上らず、低
コスト化が難しかつた。

この種の従来装置を第１図、第２図および第３
図に示す。

第１図に示すLD結合装置では、LD、すなわち
レーザチツプ１をLDパツケージステム２の突起
２Ａ上に固着し、電極３からレーザチツプ１への
給電を行う。突起２Ａには球レンズ保持部材４を
固着し、この保持部材４上の所定位置に球レンズ
５を調整してから固着する。レーザチツプ１およ
び球レンズ５を覆うようにして、ガラス窓付きキ
ヤツプ６をステム２に被せ、その端縁６Ａおよび
６Ｂを溶接によりステム２に固着し、以てキヤツ
プ６内を気密に封止する。７はキヤツプ６にあけ
た窓６Ｃに固着した気密封止用窓ガラスである。

更に、キヤツプ６を覆うようにしてセルフオツ
クレンズ保持部材８をキヤツプ６に被せる。保持
部材８は、窓６Ｃと対向して貫通する孔８Ｃを有
し、この孔８Ｃにセルフオツクレンズ９を挿入し
て接着剤により固着する。保持部材８の端縁８Ａ
および８Ｂは、球レンズ５とセルフオツクレンズ
９の光軸が合うように、パツケージステム２を保
持部材８に対して調整して後、接着剤によりステ
ム２に固定する。

フエルール１０をフエルール支持部材１１の貫
通孔１１Ａに固着する。フエルール１０には、光
フアイバコード１２を除去したフアイバ被覆１３
を装着する。このフアイバ被覆１３の先端を除去
して光フアイバ素線１４を露出させる。この光フ
アイバ１４の先端をセルフオツクレンズ９と対向
させて、両者の光軸およびセルフオツクレンズ９
からの出射光の集束位置に光フアイバ１４の端面
がくるようにフエルール支持部材１１をセルフオ
ツクレンズ支持部材８に対して調整してから、両
部材８と１１とを接着剤で固着する。１５は光フ
アイバ支持部材である。

本例は、球レンズ５をパツケージステム２内に
実装してLD１からのレーザ光を平行ビームで取
出し、それを第２レンズとしてのセルフオツクレ
ンズ９で光フアイバ１４に絞り込むようにした単
一モード光フアイバ用に開発されたLD結合装置
である。

このLD結合装置の組立にあたつては、まず、
球レンズ５をパツケージステム２の所定の位置に
調整固定し、次にそのLDパツケージステム２と
第２レンズのセルフオツクレンズ９を取付けた保
持部材８およびフエルール１０を挿入した支持部
材１１を組み合わせて、微動台により図中に矢印
で示すように各部品のＸ，Ｙ，Ｚ方向の光軸調整
を行つて最適な結合状態を実現してから各部品の
接着固定を行う。

第１図から明らかなように、この装置は部品点
数が多いため、調整簡所が多く、組立工程の簡易
化が難しい。また、各部品を接着剤で固定するた
め、組立中に光軸ずれが生じ易く、しかも製作に
時間を要する。

第２図は従来の第２例を示し、ここでは、突起
２１Ａにレーザチツプ１を固着したパツケージス
テム２１に第１保持部材２２を溶接して固着す
る。この第１保持部材２２に第２保持部材２３を
インジウム２４を介して気密に取り付ける。第２
保持部材２３はレーザチツプ１と対向する窓２５
を有し、この窓２５に気密封止用窓ガラス２６を
固着する。この窓ガラス２６上に球レンズ５を接
着剤により固着する。窓２５を覆つてフエルール
２７を接着剤により固着する。このフエルール２
７にはフアイバ被覆１３をはぎ取つた光フアイバ
素線１４を挿通する。光フアイバの被覆１３は光
フアイバ支持部材２８により支持し、この支持部
材２８を第１保持部材２２に固着する。

本例では、窓ガラス２６に張り付けた球レンズ
５の光軸方向位置調整のために、２つの保持部材
２２と２３により球レンズ保持部材を構成する。
そこで、光出力をモニタしながらLDパツケージ
ステム２１と球レンズ保持部材２２および２３と
の相対位置をＸ，Ｙ，Ｚ方向に最適調整して第２
保持部材２３を第１保持部材２２に取り付ける。
次いで、全体をパツケージステム２１に固着す
る。本例ではセルフオツクレンズがないので、球
レンズ５の出力光を光フアイバ１４に入射させる
ための調整が難しく、しかも部品点数および調整
箇所が多く、組立作業の能率や製造上の歩留りが
悪い。さらに、LD１と微小球レンズ５との間隔
が狭いため、実装精度が厳しく、微小球レンズ５
の接触によるLDチツプ１の破損のおそれもある。

第３図は従来の第３例を示し、この例では、レ
ーザチツプ１をLDパツケージステム３１の突起
３１Ａに載置し、このレーザチツプ１には電極３
２より給電を行う。球レンズ５をガラス管による
球レンズ保持部材３３の先端に接着剤により固着
し、この保持部材３３を光フアイバ支持部材３４
にあけた貫通孔３４Ａに挿通し、以て、球レンズ
５がレーザチツプ１と対向するように、光フアイ
バ支持部材３４をステム３１に対して矢印のよう
に調整してから、両者を接着剤により固着する。
球レンズ保持部材３３としてのガラス管には光フ
アイバ１４を挿入し、光フアイバ１４を保持部材
３３に対して矢印のように調整して、球レンズ５
からの出力光が光フアイバ１４の対向端面上に合
焦するようにする。

ここでは、微小球レンズ５と光フアイバ１４と
を、ガラス管による保持部材３３で一体化して構
成し、球レンズ５をガラス管３３の内径よりやや
大きく定めることによつて、両者の光軸を自動的
に一致させた状態で固定することができる。しか
し、球レンズ５はLDチツプ１の端面に近いので、
実装精度が厳しい。また、球レンズ５と保持部材
３３、およびステム３１と支持部材３４の各固着
にあたり、接着剤を使用しているので、LDチツ
プ１は完全に気密に封止されていない。加えて光
フアイバ１４のガイドとしても機能する球レンズ
保持部材３３が長くなるので、フアイバ支持部材
３４の部分が大形になるなどの欠点があつた。

（目的） そこで、本発明の目的は、これら上述の欠点を
除去するために、気密封止用窓を兼ねた比較的外
形寸法の大きな球レンズを使用して、部品点数と
調整個所の削減および製造時間の短縮化ならびに
装置の低コスト化を図つた簡易な構成の半導体レ
ーザ結合装置を提供することにある。

（発明の構成） かかる目的を達成するために、本発明では、半
導体レーザ素子を配置したパツケージステムを有
し、該パツケージステムには前記半導体レーザ素
子を覆うようにして円筒形キヤツプの形態のレン
ズ保持部材を取り付け、該レンズ保持部材の上面
の中心には孔をあけ、該孔には光フアイバ被覆と
同等以上の大きさの球レンズを着座させて固着
し、前記球レンズを、その光軸が前記半導体レー
ザ素子からのレーザ光の光軸と合致するようにな
して、前記半導体レーザ素子に対向させ、前記レ
ンズ保持部材の上面には円筒孔を有するフエルー
ル支持部材を、前記球レンズを覆うようにして、
固着し、前記円筒孔には光フアイバを装着したフ
エルールを挿着し、前記光フアイバの端面が前記
球レンズと対向するようになし、前記球レンズの
光軸が前記半導体レーザ素子からのレーザ光の光
軸と合致するように前記レンズ保持部材を前記パ
ツケージステムに対して移動調整すると共に、前
記光フアイバの端面に前記球レンズからの出力光
が集束されるように前記フエルールを前記フエル
ール支持部材に対して移動調整してから、前記レ
ンズ保持部材を前記パツケージステムに固着し、
それにより前記半導体レーザ素子を前記レンズ保
持部材内に気密封止し、前記半導体レーザ素子か
らのレーザ光を前記球レンズを介して前記光フア
イバに導くように構成する。

ここで、前記球レンズの外周面を帯状にメタラ
イズし、その帯状メタライズ部分を前記レンズ保
持部材の孔に着座させてロウ付けするのが好適で
ある。

また、前記レンズ保持部材を前記パツケージス
テムに溶接により固着することもできる。

その場合に、前記レンズ保持部材を前記パツケ
ージステムに仮固定してから前記溶接を行うのが
好適である。

（実施例） 以下に図面を参照して本発明を詳細に説明す
る。

第４図は本発明の１実施例を示し、ここで４１
はパツケージステム、４１Ａはステム４１の突起
であり、この突起４１Ａ上にレーザチツプ１を載
置して固着する。４２はレーザチツプ１を覆うよ
うにしてパツケージステム４１に固着した円筒形
キヤツプの形態の球レンズ保持部材である。この
保持部材４２の上面の中心軸上にあけた窓４２Ａ
には結合用球レンズ４３を着座させて固着し、こ
の球レンズ４３によりレーザチツプ１からのレー
ザ光を受光するようにすると共に、窓４２Ａを気
密封止する。ここで、球レンズ４３は、その光軸
がLDチツプ１からのレーザ光の光軸と合致する
ようにしてLDチツプ１と対向する。更に、球レ
ンズ保持部材４２には、球レンズ４３を覆うよう
にして中空円筒形状のフエルール支持部材４４を
固着する。フエルール支持部材４４の中空部分に
はフエルール４５を接着剤により固着すると共
に、フエルール４５には光フアイバ被覆１３およ
び光フアイバ素線１４を装着する。それにより光
フアイバ１４の端面は球レンズ４３と対向し、か
つ両者の光軸が合致するようにすると共に、球レ
ンズ４３からの光が光フアイバ１４の端面上に集
束するようにする。

この例では、フエルール支持部材４４と球レン
ズ保持部材４２とは、予めロウ付けや抵抗溶接等
で一体化したものを使用する。従つて、フエルー
ル、すなわち光フアイバ１４の面内位置は球レン
ズ４３の保持部材４２の位置で定まつてしまうの
で、光フアイバ１４の面内調整をするためには、
保持部材４２とパツケージステム４１との相対位
置を調整することが必要であるが、本例では、球
レンズ保持部材４２と一体化されているフエルー
ル支持部４４にフエルール４５を挿入した状態
で、保持部材４２を矢印で示すように移動させて
面内調整すればよい。このとき、乾燥性接着剤で
保持部材４２とステム４１およびフエルール４５
を仮固定し、更に抵抗溶接で完全に固定するのが
好適である。これまでの抵抗溶接機を使つたキヤ
ンシールのデータでは、瞬間接着剤による仮固定
を行なえば、高々10μmの軸ずれしか生じないの
で、光フアイバ１４の光軸垂直方向の軸ずれによ
る結合効率の劣化は十分小さく、十分に適用可能
である。このような構成によると、球レンズ４３
をステム４１に搭載する際に、トレランスの大き
な光フアイバ１４の光軸方向の位置出しも併せて
行うことができるので、組立て作業の能率が極め
て良い。

球レンズ４３の直径を大きくすると、一般に結
合効率は劣化するが、球レンズ４３の実装精度は
ゆるくなる。ここで、球レンズ４３の直径は、光
フアイバ１４への結合効率および球レンズ４３の
表面からの反射があるときのLDチツプ１のＣ／
Ｎ（キヤリア対ノイズ比）特性の両者を考え合わ
せて決めることが必要となる。

第５図はLD１と球レンズ４３との間隔ｄ〔μm〕
とＣ／Ｎ〔dB〕との関係を、信号周波数100MHz、
周波数帯域幅4MHzおよび変調度0.1のアナログ信
号で変調した光を用い、球レンズ４４として直径
２mmで反射率0.077の球レンズ４３を用いた場合
について示す。このＣ／Ｎ特性より、間隔ｄとし
ては500μm程度以上が必要となることがわかる。
ここで、光フアイバ１４の入射端面からの反射光
によるLDチツプ１のＣ／Ｎ特性劣化は入射端面
を斜め研摩することにより防止した。

第６図は上記間隔ｄ〔μm〕と結合効率〔dB〕
との関係を球レンズ４３の直径をパラメータとし
て示すものであり、球レンズ４３の直径がそれぞ
れ1.0，2.0，3.2および4.8〔mm〕のときの測定結果
を×，●，〇および△印で示す。なお、間隔ｄを
変えたときに、光フアイバ１４の端面の位置は効
率が最も高くなる位置にずらして測定した。この
結果と第５図の結果とを考慮すると、間隔ｄは
500〜600μm程度に設定し、球レンズ４４の直径
は２mm程度に定めるのが好適であることがわか
る。

本発明における固定は、上例で示した抵抗溶接
による固定に限られるものではなく、YAGレー
ザ，CO₂レーザを使用した融着固定法，高周波加
熱装置を用いた金属ハンダ固定も用いることがで
きる。また、球レンズ４３の気密性を保証する手
段はロウ付法に限られるものではなく、ガラス半
田や低融点ガラスその他の方法を使用してもよ
い。なお、本発明では通常のパツケージに使用す
る気密用窓の代わりにLDチツプ１との間隔ｄを
大きくとれる球レンズ４３を窓として使用してい
るので、これまでアナログ光伝送用で問題となつ
た気密窓からの反射でLD自身の雑音特性が劣化
することもない。従つて、アナログ伝送用半導体
レーザ結合装置としても有効である。

（効果） 以上説明したように、本発明では、構成が簡単
であり、しかも部品点数が少なく位置調整を必要
とする所も１個所に限られ、通常の抵抗溶接によ
り組立てることが可能となるので、半導体レーザ
結合器を極めて容易に構成できる。したがつて、
製造上の歩留りが向上し、大幅なコストの低減が
期待できるので、光加入者系や民需用の伝送装置
として広く用いる上で有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は従来装置の３例を示す断面
図、第４図は本発明の１実施例を示す断面図、第
５図はＣ／Ｎ特性の測定結果を示すグラフ、第６
図は総合効率の測定結果を示すグラフである。 （第１図）、１…レーザチツプ（LD）、２…パ
ツケージステム、２Ａ…突起、３…電極、４…球
レンズ保持部材、５…球レンズ、６…ガラス窓付
きキヤツプ、６Ａ，６Ｂ…キヤツプ端縁、６Ｃ…
窓、７…気密封止用窓ガラス、８…セルフオツク
レンズ保持部材、８Ａ，８Ｂ…端縁、８Ｃ…窓、
９…セルフオツクレンズ、１０…フエルール、１
１…フエルール支持部材、１１Ａ…貫通孔、１２
…光フアイバコード、１３…光フアイバ被覆、１
４…光フアイバ素線、１５…光フアイバ支持部
材、（第２図）、２１…パツケージステム、２１Ａ
…突起、２２…第１保持部材、２３…第２保持部
材、２４…インジウム、２５…窓、２６…気密封
止用窓、２７…フエルール、２８…光フアイバ支
持部材、（第３図）、３１…パツケージステム、３
１Ａ…突起、３２…電極、３３…球レンズ保持部
材、３４…光フアイバ支持部材、（第４図）、４１
…パツケージステム、４１Ａ…突起、４１Ｂ…段
差部、４２…球レンズ保持部材、４２Ａ…窓、４
３…球レンズ、４４…フエルール支持部材、４５
…フエルール。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 半導体レーザ素子を配置したパツケージステ
   ムを有し、該パツケージステムには前記半導体レ
   ーザ素子を覆うようにして円筒形キヤツプの形態
   のレンズ保持部材を取り付け、該レンズ保持部材
   の上面の中心には穴をあけ、光フアイバ被覆と同
   等以上の大きさの球レンズの外周面を帯状にメタ
   ライズし、その帯状メタライズ部分を前記レンズ
   保持部材の孔に着座させてロウ付けし、前記球レ
   ンズを、その光軸が前記半導体レーザ素子からの
   レーザ光の光軸と合致するようになして、前記半
   導体レーザ素子に対向させ、前記レンズ保持部材
   の上面には円筒孔を有するフエルール支持部材
   を、前記球レンズを覆うようにして、固着し、前
   記円筒孔には光フアイバを装着したフエルールを
   挿着し、前記光フアイバの端面が前記球レンズと
   対向するようになし、前記球レンズの光軸が前記
   半導体レーザ素子からのレーザ光の光軸と合致す
   るように前記レンズ保持部材を前記パツケージス
   テムに対して移動調整すると共に、前記光フアイ
   バの端面に前記球レンズからの出力光が集束され
   るように前記フエルールを前記フエルール支持部
   材に対して移動調整してから、前記レンズ保持部
   材を前記パツケージステムに溶接により固着し、
   それにより前記半導体レーザ素子を前記レンズ保
   持部材内に気密封止し、前記半導体レーザ素子か
   らのレーザ光を前記球レンズを介して前記光フア
   イバに導くようにしたことを特徴とする半導体レ
   ーザ結合装置。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の半導体レーザ結
   合装置において、前記レンズ保持部材を前記パツ
   ケージステムに仮固定してから前記溶接を行うよ
   うにしたことを特徴とする半導体レーザ結合装
   置。