JPH0429387A

JPH0429387A - 光結合装置

Info

Publication number: JPH0429387A
Application number: JP13375990A
Authority: JP
Inventors: Makoto Shimaoka; 誠嶋岡; Kazuyuki Fukuda; 和之福田; Yasutoshi Yagyu; 柳生　泰利; Tetsuo Kumazawa; 熊沢　鉄雄; Atsushi Sasayama; 佐々山　厚
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1990-05-25
Filing date: 1990-05-25
Publication date: 1992-01-31

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光結合装置に関す
る。

〔従来の技術〕

アイソレータを光結合装置に内蔵する場合の光結合方法
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光軸調整、及び、
固定方法がポイントになる。このような光結合装置の例
は、三菱電機技報、ＶｏＱ、６２．Ｎｏ、１０．１９８
８において論しられている。第６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、前方には第一レンズ（球レンズ）２６
が配置固定されている。このレンズはＹｚ力方向対して
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。広がりを持って出射されるＬＤ光
２５は第一レンズ２６を通って集光され、光アイソレ−
タ２７の光軸を経て第二レンズ２８でさらに５光され、
シンプルモードファイバ２９に導かれ２しかし、光アイ
ソレータ２７．第二レンズ２Ｅはそれぞれ円筒状パイプ
内に固定されており、ＸＹ力方向対する調整はできない
。従って、光糸合装置の結合効率は各光部品の機械加工
精度に１つて、はぼ、決定される構造である。たとえば
、ロッドレンズ二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τう場合、レ
ンズとファイバとのＸ、Ｙ方向での着合損失はｌｄＢ低
下に対して上２゜５μｍの許茗位置ずれ量となる。従っ
て円筒状パイプ内へのしンズ固定にあたっては精度の高
い加工が要求さｔコストの上昇につながる問題があった
。

また、光結合装置の第一レンズ２６の固定刃υ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、レンズの光軸を謬整後これら金属ろう材を使っ
て固定すると固定ｔ＋６のろう材の凝固収縮、あるいは
１組み立て工程叫の熱り歴によってろう材部に残留応力
が発生し、レンズの微少な位置ずれを起こすことがあり
、光結合装置の安定した光結合を得る上で十分でないと
推定される。

さらには、ＬＤ２５は熱電子素子２１によって外部温度
変動に対して常に一定の温度となるように構成されてい
る。一方、光アイソレータ２７は温度変化に対して、逆
方向挿入損失に変動をきたすことがあるが、光結合装置
の構造では外部温度変化に対し、安定した光出力特性が
得られないと推定される。

〔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考慮されて
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−っ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、レンズが固定された部分を容易
に変えることはできず、従って、光軸を再調整すること
はできない。さらには、光アイソレータは温度に対して
制御できる構造ではなく光出力特性が得られない問題が
あった。

本発明の目的は、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、外部温度
変動に対して安定した光出力特性が得られ、わずかな結
合ずれを調整できる構造を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、チップキャリアの側壁には
光を透過させる孔が設けられており、孔の一面にはレン
ズを固定するためのパイプ、孔の他面にはアイソレータ
を固定するためのパイプを取り付ける。まず、アイソレ
ータを固定するパイプの中心軸は、孔の中心と一致する
ように金属ろう等を使ってチップキャリア側壁に固定す
る。レンズを固定するためのパイプは、あらがしめパイ
プの一端を四分割にして直角に折り曲げておく。

この分割部をチップキャリアの他の側壁に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、レンズパイプ中心軸とアイソレータ用パイプの中
心軸がほぼ一致するように位置決め固定する。

レンズ用パイプ内にレンズをそう人後、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、パイプをがしぬることによりレンズ固定する。つ
ぎにアイソレータ用パイプにアイソレータをそう人後半
田ろう材を使って固定する、このようにレンズ及びアイ
ソレータをそう入固定した場合、光軸は多少軸ずれを起
こすことが考えられるが、レンズ用パイプに外力を加え
。

チップキャリアとパイプとの固定部近傍に塑性変形を与
えることにより光軸調整を行う。

本発明の光結合装置は、半導体レーザがら出射した光が
第一レンズ、アイソレータを通り、第二レンズで集光し
た光を光フアイバ内に導くように組み立てる。組み立て
の順序は、まず、第一レンズ固定用パイプの中心軸と半
導体レーザの光軸が一致するように半導体レーザを接合
固定する。っぎに、第一レンズ及びアイソレータをパイ
プ内にそう人し、半田ろう材等を使ってそれぞれのパイ
プ内に固定する。この状態で半導体レーザを発振させ、
第一レンズ、アイソレータを透過した光が、概ね、軸中
心に出るように第一レンズの位置合せを行う。半導体レ
ーザ、第一レンズ及びアイソレータを実装したチップキ
ャリアは熱電子素子上に接合固定される。チップキャリ
アを固定後半導体レーザを再び発振させ、第二レンズへ
の光結合が最大となるように第一レンズの位置合せを行
う。

つぎに、第二レンズからの光と光ファイバとの結合が最
大となるようにＸ、Ｙ、Ｚの位置合せを行い固定する。

尚、半導体レーザ素子と光ファイバの光軸を一致させる
べくレンズを光アイソレータの光結合端近傍に固定する
こと、レンズとして球レンズ或いは集束性ロッドレンズ
を用いること、レンズをパイプ内に挿入固定してパイプ
の一部を変形させ光軸調整を可能にすること、半田か金
属ろう、又は、低融点ガラスを作用してレンズをパイプ
の貫通孔に固定すること、抵抗溶接及び／又はＹＡＧ溶
接を使用してパイプの一部を光アイソレータの光結合端
近傍に固定すること、光アイソレータ及びレンズを同一
パイプ内に調整固定してパイプの一部を変形させ半導体
レーザ素子及び光ファイバとの光軸調整を行うこと等の
態様が好ましい。

〔作用〕

レンズとファイバとの光結合ずれには、Ｘ、Ｙ。

２の三方向がある。Ｘ、Ｙ方向は、光軸に対して直角な
方向であり、２方向は光軸方向を示す。

方半導体レーザから発振する光は光軸と直角な方向に対
し３０°〜４０”の放射角をもって発振し、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。Ｘ、Ｙ方向の位置ず
れ許容量は１ｄＢの結合効率低下に対して上２゜５μｍ
であり、２方向は１２０μｍである。従って、高い光結
合効率を確保するには、Ｘ、Ｙ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。

第一レンズを固定した部分は、パイプの端部を四分割し
てチップキャリア側壁に溶接固定されている。このパイ
プ部分に外力を加えると四分割固定部分に弾性変形から
塑性変形が起こり外力を除いても基の位置に戻らなくな
る。すなわち、レンズをＸあるいはＹ方向に位置を移す
ことができ、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、他方の光出力が一定になるようにレーザ素子電流
を制御する。

半導体レーザ素子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℃上昇すると、
光出力は０．５ｍＷ低下し、波長は１．３０７９μｍか
ら１．３０８７μｍ　となり、しきい電流値は３ｍＡ上
昇する。また、同様にアイソレータに使用するファラデ
ー回転子、たとえば、Ｂ１１１ガーネツト膜は温度依存
性が大きい、逆方向挿入損失が上昇する。従って、半導
体レーザ素子、あるいは、アイソレータは、熱電子素子
２１で温度制御することが好ましい。

第３図は、熱電子素子２１上にチップキャリア２２を介
して半導体レーザ素子２５．第一レンズ２６、アイソレ
ータ２７を固定した状況を示す。

組み立て方法は、まず、レーザ素子２５をＳｉＣからな
るサブキャリア３を介してチップキャリア２２の中央部
で、第一レンズパイプ１の中心軸とレーザ素子発振方向
が一致するようにＡｕ−５ｎろう材などの高融点半田を
用いて接合固定する。

つぎに、第一レンズパイプ１内に第一レンズ２６、たと
えば、一端面を球状に加工したロッドレンズをそう人す
る。つぎに半導体レーザ素子端面とロッドレンズとの距
離を調整後、第一レンズと第一レンズパイプとの間をＰ
ｂ−８ｎ等の半田を使って固定する。

第４図は、第一レンズとして球レンズを用いた場合の実
施例を示す。第４図は斜視図を、第５図はその断面図を
それぞれ示す。円筒状の第一レンズパイプ１の端面はあ
らかじめ段を設けてあり、第一レンズ（球レンズ）２６
を端部に配置後たとえば低融点ガラス、あるいは、Ｐｂ
−５ｎなとの半田を用いて接合固定する。第一レンズパ
イプ１の材質としては、第一レンズの材質がＢＫ−７で
線膨張係数が８．７　Ｘ　１０″″８　／　’Ｃである
ことから第一レンズパイプの材質は線膨張係数の近いコ
バールあるいはＦｅ−４５Ｎｉが適している。

アイソレータ２７は、あらかじめサブキャリア２２にア
イソレータのそう入用パイプを設け、この中にそう人後
、固定する。半導体レーザ素子２５及びアイソレータ２
７を冷却する熱電子素子２１は、あらかじめ１４ピン型
ケース４の所定位置にＩｎ−８ｎなどの低融点半田を使
って固定されている。この熱電子素子２１上にこの組み
立て手順で形成したサブキャリア２２を低融点半田を使
って固定する。サブキャリア２２を接合固定する場合、
Ｘ方向に対しては、熱電子素子、サブキャリア、第一レ
ンズ、アイソレータなどの各部品寸法によってほぼ決ま
り調整する必要はないが。

Ｙ方向に対しては、半導体レーザ素子、第一レンズ、ア
イソレータの光軸が第二レンズ２８と一致していること
が光結合効率を上げるうえで重要である。光軸を一致さ
せる方法は、半導体レーザ素子を発振させる方法と、モ
ニタ光を第二レンズ側から入射させる方法がある。たと
えば、レーザ素子を発振させる場合まず、サブキャリア
を接合する前にレーザ素子を動作させ第二レンズからの
光出力が最大となるようにサブキャリアの調整を行い位
置を記憶しておく。つぎに、十四ピンケース４を１００
〜１４０℃まで昇温し、低融点半田を熱電子素子上に供
給させて記憶しておいて位置にサブキャリア２２を接合
して固定する。ケースを冷却後、半導体レーザ素子２５
と十四ピン型ケース４に設けたリードとをＡｕ線を用い
て電気配線する。配線後レーザ素子に通電しレーザ素子
光の第二レンズへの結合状態を調べる。光軸にずれがあ
る場合は、第一レンズパイプを変形させ光軸合せを行う
。十四ピン型ケース４内は気密を得るために、ガラス窓
５を側面に設け、発振した光はこの窓を通して第二レン
ズと光結合している。窓に使用するガラスは、たとえば
、ホウケイ酸ガラス、あるいは、コバールガラスからな
り、表面には無反射コーティング処理がされ、さらに、
３℃、あるいは、それ以上の角度を付けて発振した光が
反射してレーザ側に戻ることを防止している。窓ガラス
のケースへの接合材としては、たとえば、低融点ガラス
、あるいは、Ａｕ−８ｎろう材などが適している。第二
レンズは、同筒状のレンズホルダ６中央部にＰｂ−８ｎ
などの半田を使って固定する。十四ピン型ケースの側壁
にはあらかじめ第二レンズケースを収納するパイプ７が
設けられている。パイプ７へ第二レンズケース６をそう
人後。

ケースの外周でＰｂ−８ｎなどの半田を使って固定する
。第二レンズ２８を通過して集光された光はシングルモ
ードファイバ２９の端面に入射される。シングルモード
ファイバは外径１２５μｍ、光を伝播させるコア径は１
０μｍである。従って、ファイバを確実に、しかも、安
定して保持するためにフェルール８を使用する６また。

ファイバ端面に光を入射する時５円時に反射を起こすこ
とがある。反射した光が入射光と同じ光路をたどり。

半導体レーザ素子２５に戻ると光発振が不安定となるた
め、端面反射を府止することが必要である。

反射防止方法として、端面の角度が光軸に対し直角から
４°、あるいは、それ以上の角度をつけて、反射光が同
じ光路に入らない様にすると同時に端面に反射防止コー
テイング膜を付ける。

ファイバ端面の位置合せはファイバガイド９を使って行
う。ファイバガイドにフェルール８をそう人し、光が最
大となるように位置合せを行った後、パイプ７とファイ
バガイド９のつき合せ部分をＹＡＧ溶接により固定する
。ファイバガイド９とフェルール８とのギャップは数μ
ｍでＸ、Ｙ方向のずれはない。Ｚ方向の位置合せを行っ
た後、ＹＡＧｒｓ接で固定する。パイプ７、ファイバガ
イド９及びフェルール８はそれぞれ溶接固定するため同
一材質であることが好ましく、５ＵＳ３０４゜コバール
等が適している。

本実施例によれば、たとえ半導体レーザ２５と第一レン
ズ２６間のＸＹ力方向組み立て時に光結合ずれがあり、
アイソレータ２７を透過して第二レンズ２８が結合する
光が低下したとしても、レンズガイド１を調整すること
により容易に結合を向上させることができ、しかも、半
導体レーザ２５とアイソレータ２７との温度を、常に、
同一に保持できる効果がある。

〔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一レン
ズで集光してアイソレータを透過させ第二レンズでさら
に集光して光ファイバに結合させる場合、アイソレータ
、第二レンズ透過後の光が光軸ずれにより結合効率を低
下させた場合でも第一レンズガイドを調整することによ
り結合効率を向上させることができる。また、半導体レ
ーザ素子及びアイソレータの温度を、常に、同一とする
ことができ光出力、波長を安定させる効果がある。

【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図の実施
例の代案を示す斜視図、第５図は第４図の断面図、第６
図は従来技術による光結合装置の縦断面図である。１・・・第一レンズパイプ、２・・・サーミスタ、３・
・・サブキャリア、４・・・十四ピン型ケース、５・・
・ガラス板、６・・・第二レンズケース、７・・・パイ
プ、８・・・フェルール、９・・・フェルールガイド、
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、２７・・・アイソ
レータ、２８・・・第二募鵬第不凪

Claims

【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、配列された光アイソレータと、
フエルール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た光結合装置におい
て、前記半導体レーザ素子、前記光アイソレータ及び前記レ
ンズを前記熱電冷却素子上の同一基板に実装することを
特徴とする光結合装置。