JPH06138352A - 半導体レーザモジュール用レンズの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 半導体レーザモジュールのレンズの焦点合わ
せの作業回数を少なくし、且つ部品数を低減して高い作
業性で半導体レーザモジュールを安価に製造することが
できる。 【構成】 半導体発光素子２０と光ファイバ心線１４の
ファイバ端面１５ａとの間に配置されて半導体発光素子
２０からのレーザ光を光ファイバ心線１４のファイバ端
面１５ａに焦点合わせして導くレンズ２２が光ファイバ
心線１４のファイバ端面１５ａに一体に形成されてい
る。このレンズ２２は、光ファイバ心線１４のファイバ
１５又はこの光ファイバ心線に接続されるべきファイバ
の先端をプラズマ放電等によって加熱溶融して形成する
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光ＬＡＮ、光加入者シ
ステム等に使用される半導体レーザモジュール用レンズ
の製造方法の改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来技術の半導体レーザモジュールは、
一般に、図１１に示すように、ファイバホルダ１２に貫
通して保持され先端にファイバ１５の端面が露呈する光
ファイバ心線１４と、このファイバホルダ１２に取付け
られ発光素子ホルダ１８に保持された半導体発光素子２
０と、この半導体発光素子２０と光ファイバ心線１４の
ファイバ１５の端面との間に配置されて半導体発光素子
２０からのレーザ光が光ファイバ心線１４のファイバ１
５の端面に焦点を合わせるように調整するレンズ２２と
から成っている。

【０００３】この従来技術の半導体レーザモジュールに
おいて、レンズ２２は、半導体発光素子２０と光ファイ
バ心線１４のファイバ１５の端面との中間に配置され、
発光素子ホルダ１８をレンズホルダ２６に対して位置調
整して半導体発光素子２０の発光点にレンズ２２の焦点
を合わせ、またレンズホルダ２６をファイバホルダ１２
に対して位置調整してレンズ２２を光ファイバ心線１４
のファイバ１５の端面に対して焦点合わせしていた。こ
のため、２回の焦点合わせの作業を必要として作業性が
低く、また部品数が多く高価となる欠点があった。

【０００４】このため、最近、光ファイバ心線のファイ
バ端面にレンズを一体に形成してレンズと光ファイバ心
線のファイバ端面との間の焦点合わせを不要とするよう
にした半導体レーザモジュールが提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このレンズ一体型光フ
ァイバは、単に光ファイバ心線のファイバ端面を加熱溶
融して製造しているが、このレンズを所定の曲率で精度
よく製造することができないため、半導体発光素子との
良好な結合特性を得ることができない欠点があった。

【０００６】本発明の目的は、上記の欠点を回避し、光
ファイバに一体のレンズを所望の形状で製造することが
でき、従って半導体発光素子との結合特性を改善するこ
とができる半導体レーザモジュール用レンズの製造方法
を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の課題解決
手段は、半導体レーザモジュールの光ファイバ心線のフ
ァイバ又はこの光ファイバ心線に接続されるべきファイ
バをその軸線を中心に回転させながらファイバの端面を
その融点以上に加熱溶融してその溶融表面張力によって
ファイバの端面に球状レンズを一体に形成することを特
徴とする半導体レーザモジュール用レンズの製造方法を
提供することにある。

【０００８】本発明の第２の課題解決手段は、上記第１
の課題解決手段において、ファイバの回転数を変化させ
ることによってファイバの端面の溶融部に作用する表面
張力、重力及び遠心力を変化して球状レンズの表面の曲
率半径を大きくし且つ非球面状とし、またこの球状レン
ズの軸心とファイバの軸心とを合わせることを特徴とす
る半導体レーザモジュール用レンズの製造方法を提供す
ることにある。

【０００９】

【作用】このように、レンズ一体型光ファイバを製造す
るに当たって、光ファイバ又はこの光ファイバ心線に接
続されるべきファイバを回転させながら加熱溶融部に表
面張力、重力及び遠心力を作用させてレンズを形成する
と、レンズの曲率半径及び球面形状を調整して半導体発
光素子からのレーザ光の反射率を低減させて半導体発光
素子と光ファイバ心線との結合特性を良好にすることが
できる。

【００１０】

【実施例】本発明の実施例を図面を参照して詳細にのべ
ると、図１は本発明の方法によって製造されたレンズを
備えた半導体レーザモジュール１０を示し、この半導体
レーザモジュール１０は、ファイバホルダ１２のファイ
バ貫通孔１２ａに貫通して保持され先端にファイバ１５
の端面１５ａが露呈する光ファイバ心線１４と、このフ
ァイバホルダ１２に調整筒１６を介して取付けられ発光
素子ホルダ１８に保持された半導体発光素子２０と、こ
の半導体発光素子２０と光ファイバ心線１４のファイバ
端面１５ａとの間に配置されて半導体発光素子２０から
のレーザ光が光ファイバ心線１４のファイバ端面１５ａ
に焦点を合わせるように調整するレンズ２２とから成っ
ている。

【００１１】図示のように、ファイバホルダ１２の貫通
孔１２ａ内で光ファイバ心線１４のナイロン被覆１４ａ
が剥取られてファイバ１５が露出され、この貫通孔１２
ａ内にはナイロン被覆１４ａとファイバ１５をシールし
て固定するように接着剤２４が充填されている。

【００１２】レンズ２２は、光ファイバ心線１４のファ
イバ端面に一体に形成され、レンズホルダ２６に保持さ
れた球状レンズから成っている。レンズホルダ２６は、
図示のように、ファイバホルダ１２の貫通孔１２ａの先
端に係入して取付けられている。この球状レンズ２２
は、後にその製造方法と共にのべるように、光ファイバ
心線１４のファイバ１５とは別体のファイバ１５’の端
面１５’ａを加熱溶融し、その表面張力によってファイ
バ１５’の先端に一体に形成し、この球状レンズ２２を
有するファイバ１５’を光ファイバ心線１４のファイバ
１５に符号２８で示される部分で融着して接続される。

【００１３】調整筒１６は、スポット溶接部３０でファ
イバホルダ１２に接続され、この調整筒１６とファイバ
ホルダ１２の肩部１２ｂとの間にはシール材３２が充填
されている。また、調整筒１６と発光素子ホルダ１８と
はリング溶接部３４によって接続されている。更に、レ
ンズホルダ２６はスポット溶接部３６によってファイバ
ホルダ１２に接続されている。スポット溶接部３０及び
リング溶接部３４は、半導体発光素子２０の発光点がレ
ンズ２２に対して焦点合わせされた後形成される。尚、
図１において符号３８は調整筒１６に形成された不活性
ガス封入孔、符号４０はファイバホルダ１２から発光素
子ホルダ１８に跨がってカバーされた保護カバー、また
符号４２はファイバホルダ１２の後端と光ファイバ心線
１４の露出部分との間に跨がって設けられた熱収縮チュ
ーブである。

【００１４】次に、本発明の半導体レーザモジュール１
０の製造方法を図２以下を参照して詳細にのべる。先
ず、レンズ２２は、図２に示す装置を用いて形成され
る。このレンズ製造装置は、半導体レーザモジュールの
光ファイバ心線１４のファイバ１５と別体のファイバ１
５’の先端にプラズマ放電を起こしてファイバ１５’の
先端を加熱溶融する１対の電極４４、４４’を収納した
不活性ガス雰囲気のプラズマ放電室４６と、ファイバ１
５’を保持するホルダ４８と、このホルダ４８を昇降し
てファイバ１５’の先端を昇降するファイバ昇降機構５
０と、ホルダ４８内でファイバ１５’を自己の軸線を中
心に回転するファイバ回転機構５２とから成っている。

【００１５】ホルダ４８は、機枠５４にベアリング５６
を介して回転自在に取付けられた回転ホルダ部分５８
と、この回転ホルダ部分５８の案内ロッド６０に摺動自
在に支持されファイバ昇降機構５０の後にのべるスライ
ダにベアリング６２を介して取付けられた昇降ホルダ部
分６４とから成り、昇降ホルダ部分６４にはファイバ１
５’を把持するチャック６６が設けられている。回転ホ
ルダ部分５８にはファイバガイド６８が取付けられてい
る。ファイバ１５’は、このファイバガイド６８を通し
て回転ホルダ部分５８の中心貫通孔５８ａを貫通し、昇
降ホルダ部分６４の上のチャック６６に把持されてい
る。このファイバ１５’は、案内ロッド６０の先端に取
付けられたファイバ振れ止め部材７０を貫通してその先
端に突出している。

【００１６】ファイバ昇降機構５０は、機枠５４に搭載
された昇降モータ７２と、この昇降モータ７２の出力軸
に接続されたスクリュー７４と、このスクリュー７４に
噛み合うスライダ７６とから成り、昇降ホルダ部分６４
は、このスライダ７６に取り付けられている。従って、
昇降モータ７２が回転すると、スクリュー７４の回転に
よってスライダ７６が昇降し、これに伴って昇降ホルダ
部分６４が案内ロッド６０に沿って昇降する。

【００１７】ファイバ回転機構５２は、機枠５４に搭載
された回転モータ７８と、この回転モータの出力軸に取
付けられたピニオンギヤ８０と、このピニオンギヤ８０
に噛み合い回転ホルダ部分５８に形成されたギヤ部分８
２とから成っている。従って、回転モータ７８が回転す
ると、回転ホルダ部分５８が昇降ホルダ部分６４と共に
ベアリング５６、６２内で回転する。

【００１８】レンズ製造装置は、また、レンズ２２の製
造状況を監視するモニター８４を備え、このモニター８
４は、放電室４６内を監視するモニターテレビカメラ８
６と、このモニターテレビカメラ８６からの映像を表示
するディスプレー８８とから成っている。作業者は、こ
のモニター８４で放電室４６内を監視しながらファイバ
昇降機構５０及びファイバ回転機構５２を制御する。

【００１９】レンズ２２を製造すべきファイバ１５’
は、ファイバガイド６８、回転ホルダ部分５８を貫通し
てチャック６６に把持し、このファイバ１５’をファイ
バ振れ止め部材７０に貫通してその下方に突出させる。
作業者は、この状態でモニター８４で放電室４６内を監
視しながら、図示しない制御盤を操作してファイバ昇降
機構５０を制御してファイバ１５’の先端を放電室４６
内の電極４４、４４’の間に位置するように導入する。
この状態で、制御盤を操作することによって電極４４、
４４’間でプラズマ放電を起こし、ファイバ１５’の先
端を１６００℃以上の温度まで加熱溶融し、ファイバ１
５’を構成する石英ガラスの溶融表面張力によってファ
イバ１５’の先端に球状レンズ２２を形成する。

【００２０】この場合、球状レンズ２２が所定の曲率半
径を保つように、作業者は、モニター８４で放電室４６
内のレンズ２２の製造状況を監視しながら、ファイバ回
転機構５２によって所定の回転速度と回転数で回転させ
ファイバ１５’が全周を均一に加熱溶融するように制御
する。作業者は、モニター８４でレンズ２２が所定の曲
率半径になったことを確認してプラズマ放電を停止し、
ファイバの回転のみを続行し、レンズ２２を冷却固化す
る。放電室４６は、不活性ガス雰囲気であるので、加熱
溶融部が酸化することがない。

【００２１】レンズ２２の曲率半径は、ファイバの回転
速度に応じて可変することができ、回転速度を高める
と、遠心力が大きくなって重力とのバランスで定まる非
球面状の曲線を得ることができる。

【００２２】このようにして製造された球状レンズ２２
を用いて、半導体レーザモジュール１０を組立てる方法
は図３以下に示されている。先ず、図３に示すように、
上記のようにして製造された球状レンズ２２は、それと
一体のファイバ１５’をレンズホルダ２６の貫通孔２６
ａに貫通してこのレンズホルダ２６の先端凹部２６ｂに
収納し、接着剤２３によってこの先端凹部２６ｂに固定
する。高性能のファイバ一体型レンズ２２が要求される
場合には、レンズ２２は、レンズホルダ２６に固定され
た後、所定の曲率となるように研磨される。

【００２３】一方、図４に示すように、光ファイバ心線
１４を保護カバー４０及び熱収縮チューブ４２に通した
後、この光ファイバ心線１４をファイバホルダ１２に挿
入し、その先端のファイバ１５をレンズホルダ１２の先
端から導出させる。この状態で、先に図３で示すように
レンズホルダ２６に固定されたレンズ２２から延びるフ
ァイバ１５’とファイバホルダ１２から導出されたファ
イバ１５とを放電電極９０、９０’間で図１に符号２８
で示すように加熱融着して接続する。

【００２４】しかる後、図５に示すように、レンズホル
ダ２６がファイバホルダ１２の先端凹部１２ｂに収納さ
れるまで光ファイバ心線１４を引き戻す。この際、ファ
イバ貫通孔１２ａ内に接着剤２４を充填して光ファイバ
心線１４をファイバホルダ１２に固定する。一方、ファ
イバホルダ１２の先端凹部１２ｂに収納されたレンズホ
ルダ２６は、マイクロスポット溶接機９２によってファ
イバホルダ１２に溶接して図１に符号３６で示すように
ファイバホルダ１２に固着される。

【００２５】一方、半導体発光素子２０は、図６に示す
ように、発光素子ホルダ１８に挿入して接着剤９４によ
って固定される。

【００２６】図７に示すように、調整筒１６に一点鎖線
で示される調整治具兼リング溶接機９４を嵌合し、この
調整筒１６をファイバホルダ１２の先端に嵌合する。フ
ァイバホルダ１２を保持しこのファイバホルダ１２を進
退するＺ軸微調整装置（二点鎖線参照）９６を操作して
レンズ２２の先端と調整筒１６の先端面との寸法Ｌ₁を
所定の値に調整する。

【００２７】その後、図８に示すように、図６の発光素
子ホルダ１８に調整治具兼リング溶接機９４’を嵌合
し、この調整治具兼リング溶接機９４’をＸ−Ｙ軸スキ
ャニング微調整装置９８に固定し、調整筒１６の先端面
のリング状突起１６ａを発光素子ホルダ１８に接合す
る。この状態で、半導体発光素子２０に光発信装置１０
０を接続し、光ファイバ心線１４に接続されたモジュー
ル出力端子１１にレーザ光出力計１０２を接続し、半導
体発光素子２０を光発信装置１００で駆動し、レーザ光
出力計１０２で読み取りながら、半導体発光素子２０か
ら発信するレーザ光がレンズ２２及び光ファイバ心線１
４を通して光出力計１０２に最大出力で測定されるま
で、即ち半導体発光素子２０の光軸とレンズ２２の光軸
とが一致するまで、半導体発光素子２０とレンズ２２と
の位置関係をＸ−Ｙ軸スキャニング微調整装置９８で調
整する。

【００２８】この状態で、リング溶接機９４、９４’の
溶接電極を電源１０４から通電して調整筒１６と発光素
子ホルダ１８とをリング溶接して半導体発光素子２０と
レンズ２２とを光軸が一致する位置関係に固定する。

【００２９】その後、図９に示すように、ファイバホル
ダ１２を調整筒１６から一旦抜き取って調整治具兼リン
グ溶接機９４を取り外し、ファイバホルダ１２を再び調
整筒１６に挿入し、半導体発光素子２０から発信される
レーザ光が光出力計１０２で最大となるようにファイバ
ホルダ１２と調整筒１６との位置関係をＺ軸微調整装置
９６によって調整し、この位置でマイクロスポット溶接
機１０６によって調整筒１６をファイバホルダ１２にス
ポット溶接して固定する。

【００３０】最後に、図１に示すように、必要により設
けられた不活性ガス封入孔３８から真空引き後不活性ガ
スを封入し、この不活性ガス封入孔３８を封止する。図
４に示すように事前に被せてあった保護カバー４０を引
き戻して図１に示すようにファイバホルダ１２の肩部１
２ｃと調整筒１６及び発光素子ホルダ１８とのリング溶
接部３４とに跨がって接着剤４１によって固定する。ま
た、同様に図４で示すように事前に被せてあった熱収縮
チューブ４２をファイバホルダ１２と光ファイバ心線１
４とに跨がるように引き戻して加熱収縮し、ファイバホ
ルダ１２と光ファイバ心線１４との間を液密を保って保
護する。

【００３１】上記実施例では、球状レンズ２２は、半導
体レーザモジュール１０の光ファイバ心線１４とは別体
のファイバ１５’に一体に形成したが、球状レンズ２２
は、特別の形状に研磨を必要としない場合には、半導体
レーザモジュール１０の光ファイバ心線１４に直接形成
してもよい。この場合には、図１０に示すように、光フ
ァイバ心線１４のファイバ１５をレンズホルダ１８に通
し、チャック６０は、このレンズホルダ１８と共に光フ
ァイバ心線１４のファイバ１５を把持して図２のレンズ
製造装置と同様にしてレンズ２２を成型する。尚、この
場合には、ファイバ振れ止め部材７０は分割型であり、
レンズ成型後、ファイバ振れ止め部材７０を解放して光
ファイバ心線１４に一体に成型されたレンズ２２を取り
出し、以後図５に示す工程から前の実施例と同様にして
半導体レーザモジュールを組み立てる。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、上記のように、レンズ
一体型ファイバのレンズを光ファイバ心線のファイバ又
はこの光ファイバ心線に接続されるべきファイバを回転
させながら加熱溶融部に表面張力、重力及び遠心力を作
用させて形成するので、レンズの曲率半径を大きくし、
且つ非球面状に調整することによって半導体発光素子か
らのレーザ光の反射率を低減させて半導体発光素子と光
ファイバ心線との結合特性を良好にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方法によって製造されたレンズを備え
た半導体レーザモジュールの断面図である。

【図２】図１の半導体レーザモジュールに用いられる光
ファイバ心線一体型レンズを製造する装置の一部を断面
で示す正面図である。

【図３】図２の装置で製造された光ファイバ心線一体型
レンズをレンズホルダに組み込んだ状態の断面図であ
る。

【図４】図３の光ファイバ心線一体型レンズをファイバ
ホルダ側の光ファイバ心線に接続する状態の説明図であ
る。

【図５】図４のレンズと光ファイバ心線との組合せ体を
固定する状態の断面図である。

【図６】半導体発光素子を発光素子ホルダに組み込んだ
状態の断面図である。

【図７】図５の組合せ体に調整筒を取付けた状態の断面
図である。

【図８】図７の組合せ体に図５の組合せ体を組合せる状
態の断面図である。

【図９】図８の２つの組合せ体を固定する状態の断面図
である。

【図１０】本発明の方法により他の光ファイバ心線一体
型レンズを製造する装置の一部の正面図である。

【図１１】従来技術の半導体レーザモジュールの断面図
である。

【符号の説明】

１０ 半導体レーザモジュール １２ ファイバホルダ １２ａ ファイバ貫通孔 １２ｂ 先端凹部 １２ｃ 肩部 １４ 光ファイバ心線 １４ａ ナイロン被覆 １５ ファイバ １５’ ファイバ １５ａ ファイバ先端 １６ 調整筒 １８ 発光素子ホルダ ２０ 半導体発光素子 ２２ レンズ ２４ 接着剤 ２６ レンズホルダ ２８ ファイバ接続部 ３０ スポット溶接部 ３２ シール剤 ３４ リング溶接部 ３６ スポット溶接部 ３８ 不活性ガス封入孔 ４０ 保護カバー ４１ 接着剤 ４２ 熱収縮チューブ ４４ 放電電極 ４４’ 放電電極 ４６ プラズマ放電室 ４８ ホルダ ５０ ファイバ昇降機構 ５２ ファイバ回転機構 ５４ 機枠 ５６ ベアリング ５８ 回転ホルダ部分 ６０ 案内ロッド ６２ ベアリング ６４ 昇降ホルダ部分 ６６ チャック ６８ ファイバガイド ７０ ファイバ振れ止め部材 ７２ 昇降モータ ７４ スクリュー ７６ スライダ ７８ 回転モータ ８０ ピニオンギヤ ８２ ギヤ部分 ８４ モニター ８６ モニターテレビカメラ ８８ ディスプレー ９０ 放電電極 ９０’ 放電電極 ９２ マイクロスポット溶接機 ９４ 接着剤 ９６ Ｚ軸微調整装置 ９８ Ｘ−Ｙ軸スキャニング装置 １００ 光発信装置 １０２ 光出力計 １０４ 電源 １０６ マイクロスポット溶接機

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ファイバホルダに貫通して保持され先端
   にファイバ端面が露呈する光ファイバ心線と、前記ファ
   イバホルダに取付けられ発光素子ホルダに保持された半
   導体発光素子と、前記半導体発光素子と前記光ファイバ
   心線のファイバ端面との間に配置されて前記半導体発光
   素子からのレーザ光が前記光ファイバ心線のファイバ端
   面に焦点を合わせるように調整するレンズとから成る半
   導体レーザモジュールのレンズを製造する方法におい
   て、前記光ファイバ心線のファイバ又は前記光ファイバ
   心線に接続されるべきファイバをその軸線を中心に回転
   させながら前記ファイバの端面をその融点以上に加熱溶
   融してその溶融表面張力によって前記ファイバ端面に球
   状レンズを一体に形成することを特徴とする半導体レー
   ザモジュール用レンズの製造方法。
2. 【請求項２】 前記ファイバの回転数を変化させること
   によって前記ファイバの端面の溶融部の表面張力、重力
   及び遠心力を変化して前記球状レンズの表面の曲率半径
   を大きくし且つ非球面状とし、また前記レンズの軸心と
   前記ファイバの軸心とを合わせることを特徴とする請求
   項１に記載の半導体レーザモジュール用レンズの製造方
   法。