JPH05203841A

JPH05203841A - 半導体レーザアレイとシングルモードファイバアレイとの光結合構造

Info

Publication number: JPH05203841A
Application number: JP4011277A
Authority: JP
Inventors: Kazuyuki Mori; 和行森; Hiroyuki Mutsukawa; 裕幸六川; Tetsuo Horimatsu; 哲夫堀松
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1992-01-24
Filing date: 1992-01-24
Publication date: 1993-08-13
Anticipated expiration: 2016-08-27
Also published as: JP3202296B2

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は組立調整が簡単で、ＬＤアレイの組立
固定時の破壊を防止するとともに、量産化に適するＬＤ
アレイとシングルモードファイバアレイとの光結合構造
を提供することを目的とする。【構成】シングルモードファイバアレイ１４の先端１４
ａを斜めに形成し、この先端１４ａをヒートシンク１０
の側面に突き当てることによりシングルモードファイバ
アレイ１４をＬＤアレイ１２に対して位置決め調整し、
固定を行う。これにより、組立調整が簡単で量産化に適
するＬＤアレイとシングルモードファイバアレイとの光
結合構造を提供できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光並列リンクモジュール
に使用される半導体レーザアレイとシングルモードファ
イバアレイとの光結合構造に関する。

【０００２】近年、装置間のデータ伝送において電気伝
送の限界が見え始め、これをＡＣ，ＤＣ特性、及びケー
ブルスキュー等の点で勝る光伝送に置き換える必要か
ら、光信号を並列に伝送できるモジュールが要求されて
いる。

【０００３】このため、面発光ＬＥＤを発光素子、伝送
路としてマルチモードファイバを使用した光並列リンク
モジュールの開発が各研究機関で進んでいるが、将来的
には高速化が必須であるため、光源として半導体レーザ
アレイ（ＬＤアレイ）の採用が必要である。

【０００４】ＬＤアレイを光源として採用して高速化し
ようとするとき、伝送路にマルチモードファイバを使用
するとモーダルノイズが発生する問題があるので、シン
グルモードファイバを使用する必要がある。シングルモ
ードファイバを多チャネル一括でＬＤアレイに光結合し
ようとすると、位置ずれのトレランスが小さいため、量
産化が困難であり、簡易な光結合方法及び組立方法を開
発する必要がある。

【０００５】

【従来の技術】図１３は従来の半導体レーザアレイとシ
ングルモードファイバアレイとの光結合構造を概略的に
示した側面図である。ダイヤモンド等から形成された直
方体ヒートシンク２に、必要箇所をメタライズした後、
半導体レーザアレイ３が半田付固定される。

【０００６】半導体レーザアレイ３とシングルモードフ
ァイバアレイ４とを所定距離離間して対向させ、半導体
レーザアレイ３を駆動してシングルモードファイバアレ
イ４に結合した光を光パワーメータで観測しながら、光
結合効率が最大となるようにｘ，ｙ，ｚ軸方向の位置調
整をして、接着剤等を使用して図示しないベースにシン
グルモードファイバアレイ４を固定する。

【０００７】ＬＤのスポットサイズを１μｍの円形、シ
ングルモードファイバを５μｍの零次のガウシアンビー
ムとして、図１３に示した従来例の光結合特性を計算し
た結果を図１４〜図１６に示す。座標系は光軸方向をｚ
軸、光軸に垂直な上下方向をｘ軸、光軸に垂直な水平方
向をｙ軸とした座標系を採用する。

【０００８】図１４にシングルモードファイバアレイが
光軸方向（ｚ軸方向）にずれた場合のトレランスを示
す。これより、結合損失１０ｄＢを確保するためには、
組立時の位置ずれ等を考慮すると、ＬＤアレイとシング
ルモードファイバアレイとの間隔は１０μｍ程度とする
必要があり、組立調整時や固定時に光ファイバの先端で
素子を突いてしまう恐れがある。

【０００９】これを回避するために、ファイバ端面に先
球加工した短尺のＧＩファイバを取り付け、先球加工部
分をレンズとして作用させることにより、ＬＤとファイ
バとの間隔を広くする構成が提案されている。

【００１０】図１５は光軸垂直方向の位置ずれトレラン
スを示しており、Ａがファイバ端面を垂直に加工した従
来例、Ｂがファイバ端面を斜めに加工した後述する本発
明の場合をそれぞれ示している。Ａの曲線から明らかな
ように、従来例では結合損失を１０ｄＢ以下とするため
には、光軸垂直方向の位置ずれは±２μｍ以下とする必
要がある。

【００１１】図１６は１番目のチャネルを基準位置とし
た場合の、シングルモードファイバアレイにおける１２
番目のチャネルの角度ずれのトレランスを示す。この図
より、シングルモードファイバアレイの並ぶ方向の角度
ずれ（θ_y）については、１°以下の非常に厳しい組立
・固定精度が要求されることが理解される。これは、ア
レイ化時特有の問題である。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】従って、従来の半導体
レーザアレイとシングルモードファイバアレイとの光結
合構造では、ファイバ端に加工を施さない場合には非常
に微妙な調整が必要であったり、ファイバ端面に先球加
工等の加工を施した場合には、ファイバの加工に工数が
かかるとともにそのアレイ化に問題を生じていた。

【００１３】また、シングルモードファイバアレイの並
ぶ方向の角度ずれ（θ_y）の対策はアレイファイバ保持
機構により行っており、その精度は保持機構の機械的加
工精度によっていた。

【００１４】本発明はこのような点に鑑みてなされたも
のであり、その目的とするところは、組立調整が簡単
で、ＬＤアレイの組立固定時の破壊を防止するととも
に、量産化に適する半導体レーザアレイとシングルモー
ドファイバアレイとの光結合構造を提供することであ
る。

【００１５】

【課題を解決するための手段】図１に本発明の原理図を
示す。１０はダイヤモンド等から形成された直方体ヒー
トシンクであり、このヒートシンク１０には複数の半導
体レーザを所定ピッチで一体的に整列させた半導体レー
ザアレイ１２が固定されている。

【００１６】１４は前記ピッチと同一ピッチで複数のシ
ングルモードファイバを一体的に整列させたシングルモ
ードファイバアレイであり、その先端１４ａは角度αに
研磨加工されている。１５はシングルモードファイバア
レイ１４のコアである。

【００１７】本発明はシングルモードファイバアレイ１
４の先端１４ａを角度αで研磨し、ファイバアレイ先端
部１４ａをヒートシンク１０の側面１０ａに突き当てる
ことにより、組立調整及び固定を行うことを特徴とす
る。

【００１８】

【作用】本発明では、ヒートシンク１０の側面１０ａに
ファイバアレイ先端部１４ａを突き当てることにより組
立調整を行うため、素子端面とファイバのコア１５との
間には必ず間隙が生じるため、組立時の素子突きや固定
時における金属や半田の凝縮による素子突きを防止する
ことができる。

【００１９】また、ファイバアレイ先端部１４ａをヒー
トシンク１０の側面１０ａに突き当てることにより、素
子とファイバのコア１５との間隔を精度良く設定できる
とともに、ファイバアレイの並ぶ方向の角度ずれ
（θ_y）を防止できる。さらに、ファイバアレイ１４を
構成する各ファイバの近端及び遠端からの反射戻り光の
影響を低減させることが可能である。

【００２０】ここで、ファイバ先端を斜めに形成したこ
とによる影響を調べてみる。素子とファイバ間隔のずれ
は、ファイバアレイ先端をヒートシンク側面に突き当て
ることによって組立調整を行うので、研磨角度αで決ま
る距離となるため考慮する必要がない。また、角度ずれ
及び光軸に垂直なｙ方向については余り影響がないの
で、ファイバ端面が平坦の場合（図１５の曲線Ａ）とほ
ぼ同じと考えて差支えない。

【００２１】従って、考慮しなければならないのは光軸
に垂直なｘ方向（上下方向）のみとなる。この影響を、
ファイバｘ軸方向のスポットサイズの変化と、ファイバ
から出射する光の角度ずれ（θ_x）に表れるとして考え
る。

【００２２】近軸近似の範囲で計算したのが図１５の曲
線Ｂである。結合損失１０ｄＢのところでみると、ほぼ
端面が平坦の場合と同様なことから、光結合特性に何ら
影響を与えていないことが理解される。

【００２３】ファイバ外径の半径をｒ、コアの屈折率を
ｎ₁、ファイバ先端の光軸に対する研磨角度をαとする
と、スネルの法則より、ＬＤの活性層の光軸垂直方向の
位置に対し、コアの中心の光軸垂直方向の位置をｘ＝ｒ× cosα× tan〔α− cos^-1（ｎ₁cosα）〕で表されるｘだけ上方にオフセットしたとき結合損失が
最少になる。

【００２４】次に、研磨角度の精度について検討する。
図２でＡの曲線はｘ軸方向への最適オフセット量を与え
る研磨角度を示す。曲線Ｂはα＝８０°のときの最適オ
フセット量にオフセット量を固定したときの、研磨角度
と結合損失の関係を示す。

【００２５】上式より、α＝８０°のとき、ｘ＝０．９
７μｍが得られる。結合損失１０ｄＢまで許容できると
すると、図２の曲線Ｂより±５°の研磨角度ずれまで許
容でき、斜め研磨のファイバアレイは非常に容易に製造
することができる。このため、量産時に大幅なコストダ
ウンが可能である。

【００２６】図２のグラフより、結合損失を１０ｄＢ以
下とするためには、研磨角度αを７０°以上にする必要
があり、研磨角度αが８５°以上ではファイバ近端反射
の影響が強くなるため、研磨角度は７０〜８５°の範囲
内とするのが望ましい。

【００２７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細
に説明する。図３は本発明の第１実施例側面図を示して
おり、ファイバ突き当て部保護部材１８によりシングル
モードファイバアレイ１４の先端部を支持するとともに
保護する構成となっている。ファイバ突き当て部保護部
材１８はシングルモードファイバアレイ１４のピッチと
同一ピッチの複数のＶ溝がその上面に形成されている。
ファイバ突き当て部保護部材１８は例えばＳｉから形成
され、ＳｉをエッチングすることによりＶ溝を正確に形
成可能である。

【００２８】ファイバ突き当て部保護部材１８のＶ溝中
にシングルモードファイバアレイ１４の各ファイバを挿
入して、接着剤により固定する。次に、一旦ファイバ突
き当て部保護部材１８とともにファイバ端部に垂直研磨
を施し、その後所望の角度αで、ファイバ先端部が見え
るまで斜めに研磨することにより製造可能である。

【００２９】ファイバ突き当て部保護部材１８の垂直に
研磨した面をヒートシンク１０の側面に突き当てるた
め、本実施例によればθ_x方向を無調整とすることがで
きる。１６は平板状ベースであり、ベース１６にヒート
シンク１０を半田付固定し、ヒートシンク１０にＬＤア
レイ１２を半田付固定する。半田付に際し、必要部分に
メタライズ処理を施す。

【００３０】ファイバ突き当て部保護部材１８とベース
１６との間の間隙に接着剤２０を挿入し、ファイバ突き
当て部保護部材１８を固定する。接着剤２０による固定
に代えて、半田付固定するようにしてもよい。

【００３１】ファイバ突き当て部保護部材１８をベース
１６に固定したため、シングルモードファイバアレイ１
４を強固に保持することができ、光軸方向（ｚ軸方向）
の位置ずれを起こすことがない。

【００３２】次に図４乃至図６を参照して、本発明の第
２実施例について説明する。上述した第１実施例では、
ＬＤアレイ１２とシングルモードファイバアレイ１４と
の間隔及び角度（θ_xとθ_y）は、無調整とすることが
できるが、ｘ軸方向（光軸に垂直の左右方向）、ｙ軸方
向（光軸に垂直な上下方向）の調整をする必要がある。
この位置調整は±２μｍの精度でしなければならないた
め、上述した第１実施例では完全な無調整化は期待でき
ない。

【００３３】そこで、図４乃至図６に示すように、ＬＤ
アレイ１２の使用するチャネル１２ａの両側に１チャネ
ル以上の未使用チャネル１２ｂを設け、これを位置調整
に用いる。

【００３４】２２はＳｉをエッチングすることにより形
成されたファイバ位置決め部材であり、その下面にはシ
ングルモードファイバアレイ１４のピッチと同一ピッチ
の複数のＶ溝が形成されている。Ｓｉのエッチングによ
り、高さ方向位置決め面２２ａ及び光軸垂直方向位置決
め面２２ｂを精度よく（１μｍ以下）形成できる。

【００３５】一方、ＬＤアレイ１２はヒートシンク１０
上に半田によって固定されるが、このときの半田の厚み
の制御は非常に困難である。しかし、ＬＤアレイ１２の
上面１５から活性層１３までの距離は高精度に制御され
ている。また、ＬＤアレイ１２の側面１７はへき開で形
成するので、高精度に形成できる。

【００３６】よって、ファイバ位置決め部材２２の高さ
方向位置決め面２２ａ及び光軸垂直方向位置決め面２２
ｂをＬＤアレイ１２の上面１５及び側面１７に接触させ
て、ファイバ位置決め部材２２をＬＤアレイ１２上に搭
載し、ファイバ位置決め部材２２のＶ溝中にシングルモ
ードファイバアレイ１４を位置決め収容することによ
り、ｘ軸方向及びｙ軸方向の無調整化が可能となる。

【００３７】図４に最もよく示されているように、ファ
イバ位置決め部材２２の下面はファイバ突き当て部保護
部材１８の上面に当接し、両部材のＶ溝中にシングルモ
ードファイバアレイ１４が収容される。

【００３８】次に図７を参照して、本発明の第３実施例
について説明する。この実施例では、ヒートシンク３０
の上面に複数の溝３２を形成し、これらの溝３２中に半
田３４を流し込んでＬＤアレイ１２をヒートシンク３０
に半田付固定する。このようにすれば、ＬＤアレイ１２
とヒートシンク３０の間に半田が介在しないので、ｘ軸
方向（上下方向）を高精度に位置決め制御できる。

【００３９】同様に、ヒートシンク３０も平板ベース１
６上に半田付固定されるので、平板ベース１６の所望箇
所に複数の溝を形成し、これらの溝中に半田を流し込ん
でヒートシンク３０を平板ベース１６に半田付固定する
のが望ましい。

【００４０】シングルモードファイバアレイ１４の固定
は、平板ベース１６とファイバ突き当て部保護部材１８
との間で擦り合わせができるため、平板ベース１６とフ
ァイバ突き当て部保護部材１８を金属から作成すれば、
両部材をスポットレーザ溶接により固定することがで
き、温度特性や長期的信頼性を向上させることができ
る。

【００４１】図８を参照すると、本発明の第４実施例に
係るＬＤアレイとヒートシンクの固定方法が示されてい
る。この実施例においては、ヒートシンク３０の上面に
設ける溝３２を光軸方向（ｚ軸方向）に形成し、ＬＤア
レイ１２′の下面にヒートシンク３０の溝３２に合わせ
て光軸方向に伸長する複数の突起３６を形成する。

【００４２】そして、図８（Ｂ）に示すように突起３６
を溝３２に嵌合して半田３４でＬＤアレイ１２′を固定
するようにすれば、ＬＤアレイ１２′の固定精度をさら
に高めることができる。即ち、突起３６と溝３２との係
合により、Ｙ軸方向の角度ずれを防止することができ
る。

【００４３】図９を参照すると、本発明の第５実施例断
面図が示されている。この実施例は光並列リンクモジュ
ール４０を示しており、上述した各実施例と同一構成部
分については同一符号が付されている。この実施例にお
いては、複数の貫通孔の形成された直方体フェルール４
４の先端をファイバ突き当て部保護部材１８と同様に形
成し、同様な機能を達成させる。

【００４４】フェルール４４の先端をヒートシンク１０
の側面に突き当てることにより位置合わせをし、パッケ
ージ４２中に窒素を充填してシール部材４６によりパッ
ケージ内部を気密封止している。ＬＤアレイ１２と端子
４８との間は金ワイヤ等のワイヤ４７でボンディング接
続されている。

【００４５】図１０は本発明の第６実施例断面図を示し
ている。この実施例ではパッケージ５２に固定される直
方体フェルール５６を貫通するようにシングルモードフ
ァイバアレイ１４の各ファイバを挿入し、ファイバアレ
イの先端側において各ファイバを個々にばらしてファイ
バ応力緩和部５４を形成し、各ファイバの先端を図３に
示した実施例と同様に位置決め固定している。ファイバ
応力緩和部５４を設けたことにより、部品相互間の熱膨
張係数の相違に起因するファイバの破損を防止すること
ができる。

【００４６】図１１を参照すると、本発明の第７実施例
断面図が示されている。この実施例では図９に示した直
方体フェルール４４を短く切ってフェルール４４′と
し、ＭＴ型多芯コネクタ６４の位置決めに用いられるガ
イドピン６６をフェルール４４′に取り付けることによ
り、光並列リンクモジュール６０をレセプタクル型にし
たものである。

【００４７】次に図１２を参照すると、本発明を受信モ
ジュールに適用した第８実施例側面図が示されている。
支持部材７０上に受光素子アレイ７２を取り付け、シン
グルモードファイバアレイ７４の先端７４ａを斜めに形
成して、この先端部７４ａを支持部材７０の位置決め用
の壁部７０ｂに突き当てて位置決めをし、支持部材７０
の固定部７０ａでシングルモードファイバアレイ７４を
支持部材７０に固定する。

【００４８】受光素子アレイ７２にレンズ付きの裏面入
射型フォトダイオードを用いれば、トレランスが相当ゆ
るいため、支持部材７０の固定部７０ａに位置決め用の
ガイドを形成することで、組立時の無調整化を容易に達
成できる。

【００４９】

【発明の効果】本発明は以上詳述したように構成したの
で、組立調整が簡単で、半導体レーザアレイの組立固定
時の破壊を防止するとともに、量産化に適する半導体レ
ーザアレイとシングルモードファイバアレイとの光結合
構造を提供できるという効果を奏する。

【００５０】また光並列リンクでは、受信部に必要とさ
れるダイナミックレンジを縮小し、受信方式を簡易にす
るため均一な光結合が必要不可欠である。本発明の光結
合構造を用いることにより、各チャネル毎の半導体レー
ザとファイバとの間の間隔が、斜めに研磨したファイバ
先端の角度のみによって決まる一定の値となり、しか
も、アレイが並ぶ方向の角度ずれを生じることなく組み
立てることができるため、全てのチャネルで均一な光結
合効率を容易に得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理図である。

【図２】研磨角度ずれの影響を示すグラフである。

【図３】本発明の第１実施例側面図である。

【図４】第２実施例側面図である。

【図５】図４のＡ−Ａ線断面図である。

【図６】第２実施例平面図である。

【図７】第３実施例のヒートシンクを示す図である。

【図８】第４実施例のＬＤアレイとヒートシンクを示す
図である。

【図９】第５実施例断面図である。

【図１０】第６実施例断面図である。

【図１１】第７実施例断面図である。

【図１２】第８実施例側面図である。

【図１３】従来例概略側面図である。

【図１４】光軸方向の位置ずれトレランスを示すグラフ
である。

【図１５】光軸垂直方向の位置ずれトレランスを示すグ
ラフである。

【図１６】角度ずれのトレランスを示すグラフである。

【符号の説明】

１０ヒートシンク１２ＬＤアレイ１４シングルモードファイバアレイ１６平板ベース１８ファイバ突き当て部保護部材２２ファイバ位置決め部材４０，５０，６０光並列リンクモジュール４４，４４′，５６フェルール

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の半導体レーザを所定ピッチで一体
的に整列させた半導体レーザアレイ(12)と該所定ピッチ
と同一ピッチで複数のシングルモードファイバを一体的
に整列させたシングルモードファイバアレイ(14)との光
結合構造において、該半導体レーザアレイ(12)を直方体ヒートシンク(10)上
に固定するとともに、該ヒートシンク(10)を平板ベース
(16)上に固定し、前記所定ピッチと同一ピッチの複数のＶ溝の形成された
ファイバ突き当て部保護部材(18)の該Ｖ溝中に、前記シ
ングルモードファイバアレイ(14)の各ファイバを固定
し、該ファイバ突き当て部保護部材(18)とともに各ファイバ
の先端が斜めに研磨された前記シングルモードファイバ
アレイ(14)の先端を前記ヒートシンク(10)の側面に突き
当てた状態で、前記ファイバ突き当て部保護部材(18)を
前記平板ベース(16)上に固定したことを特徴とする半導
体レーザアレイとシングルモードファイバアレイとの光
結合構造。
【請求項２】前記半導体レーザアレイ(12)は両側に不
使用チャネル(12b)を１チャネル以上有しており、前記
所定ピッチと同一ピッチの複数のＶ溝がその下面に形成
され、高さ方向位置決め面(22a) 及び光軸垂直方向位置
決め面(22b)を有するファイバ位置決め部材(22)を、該
高さ方向位置決め面(22a) 及び光軸垂直方向位置決め面
(22b) を前記半導体レーザアレイ(12)の上面(15)及び側
面(17)に接触させて該半導体レーザアレイ(12)上に搭載
し、前記Ｖ溝中に前記シングルモードファイバアレイ(1
4)を位置決め収容することを特徴とする請求項１記載の
半導体レーザアレイとシングルモードファイバアレイと
の光結合構造。
【請求項３】前記ヒートシンク(30)上面及び前記平板
ベース(16)上面に複数の溝(32)をそれぞれ形成し、該溝
(32)中に半田(34)を流し込んで前記半導体レーザアレイ
(12)及び前記ヒートシンク(30)をそれぞれ半田付固定す
ることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザアレイ
とシングルモードファイバアレイとの光結合構造。
【請求項４】前記ヒートシンク(30)の溝(32)を光軸方
向に形成し、前記半導体レーザアレイ (12′) の下面に
該ヒートシンク(30)の溝(32)に合わせた間隔及び大きさ
の光軸方向に伸長する突起(36)を形成し、該突起(36)を
該溝(32)中に嵌合させて前記半導体レーザアレイ (1
2′) を前記ヒートシンク(30)に半田付固定したことを
特徴とする請求項３記載の半導体レーザアレイとシング
ルモードファイバアレイとの光結合構造。
【請求項５】複数の半導体レーザを所定ピッチで一体
的に整列させた半導体レーザアレイ(12)と該所定位置と
同一ピッチで複数のシングルモードファイバを一体的に
整列させたシングルモードファイバアレイ(14)との光結
合構造において、該半導体レーザアレイ(12)を直方体ヒートシンク(10)上
に固定するとともに、該ヒートシンク(10)を平板ベース
(16)上に固定し、前記所定ピッチと同一ピッチの複数の貫通孔の形成され
た直方体フェルール(44)の該貫通孔中に前記シングルモ
ードファイバアレイ(14)の各ファイバを挿入固定し、該フェルール(44)とともに各ファイバの先端が斜めに研
磨された前記シングルモードファイバアレイ(14)の先端
を前記ヒートシンク(10)の側面に突き当てた状態で、前
記フェルール(44)を前記平板ベース(16)上に固定したこ
とを特徴とする半導体レーザアレイとシングルモードフ
ァイバアレイとの光結合構造。
【請求項６】前記シングルモードファイバアレイ(14)
の各ファイバの先端を光軸に対して７０〜８５°に形成
したことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の
半導体レーザアレイとシングルモードファイバアレイと
の光結合構造。
【請求項７】シングルモードファイバの外径の半径を
ｒ、コアの屈折率をｎ₁、ファイバ先端の光軸に対する
研磨角度をαとすると、半導体レーザの活性層の光軸垂
直方向の位置に対し、コアの中心の光軸垂直方向の位置
を、ｘ＝ｒ× cosα× tan〔α− cos^-1（ｎ₁cosα）〕で表されるｘだけ、前記ヒートシンク(10)と反対方向へ
オフセットしたことを特徴とする請求項２〜４のいずれ
かに記載の半導体レーザアレイとシングルモードファイ
バアレイとの光結合構造。