JPH07120643A - レンズつき半導体レーザおよびその製法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光ファイバとのカップリング効率がよい、レ
ンズつき半導体レーザとその製法を提供する。 【構成】 円形ステム１１の中心部に半導体レーザチッ
プ１４が設けられた半導体レーザ素子１と、該半導体レ
ーザ素子１の周囲を覆うように配置され、前記半導体レ
ーザチップ１４と対向する位置にボールレンズ２が固定
されたボールレンズホルダ３とからなり、前記ボールレ
ンズホルダ３は前記ボールレンズ２側に天井を有する円
筒形状に形成され、前記半導体レーザチップ１４からの
光が該ボールレンズホルダ３の外径の中心軸上に集光す
るようにｘｙ方向の位置合わせをしたのち、前記半導体
レーザ素子１と固着されることにより、レンズつき半導
体レーザが形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光通信用の半導体レーザ
およびその製法に関する。さらに詳しくは、既存のレセ
プタクルで使用でき、高速光通信を行うことができる安
価でカップリング効率が高いレンズつき半導体レーザに
関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、光ファイバを用いた光通信が急速
に普及し、電話やファクシミリなどのパーソナルユース
や、テレビ情報などのマスメデアにも利用されつつあ
る。また、企業においても各工場、各部署などに端末器
を配置し、それらを光ファイバで接続し、リアルタイム
で情報交換を可能した光ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ
Ｎｅｔｗｏｒｋ）システムが普及しつつある。このばあ
い発光素子の光を効率よく光ファイバに結合させる安価
な発光素子が開発されることが、光通信のさらなる普及
のための課題になっている。

【０００３】このようなマルチモード光ファイバと結合
する発光素子としては、米国ＡＴ＆Ｔ社が規格化したＳ
Ｔコネクタのシステムが用いられている。この構造はた
とえば図８（ａ）に示されるＳＴレセプタクルの発光素
子ホルダ側に図８（ｂ）に示される発光素子が挿入さ
れ、ＳＴレセプタクルの他端側に光ファイバが差し込ん
で結合される構造になっている。発光素子としては図８
（ｂ）に示されるように、ステム１１０上にＬＥＤ１４
０が載置固着され、中心部にボールレンズ２００が設け
られたキャップ３００が被せられ、ＬＥＤ１４０が封入
されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来のボールレンズを
用いて光ファイバに結合させるための発光素子はＬＥＤ
が使用されている。ＬＥＤは面発光源であるため、ＬＥ
Ｄとボールレンズとの位置合わせを必要としない反面、
ＬＥＤで発光する光の一部しかボールレンズに取り込む
ことができない。そのため光ファイバへのカップリング
効率が小さいという問題がある。

【０００５】さらに、ＬＥＤ素子は活性層にたまる注入
キャリア密度の変化に応じ、光出力が変化し、しかも注
入キャリアの時定数が数ナノ秒あるという理由から高い
周波数で駆動することができないため、通信の高速化が
図れないという問題がある。

【０００６】また、発光素子としてＬＥＤ素子に換え
て、高い周波数で駆動することができる半導体レーザを
用いることが考えられるが、半導体レーザは点光源であ
るため、図９に示すように半導体レーザとボールレンズ
の相対的位置関係、すなわち半導体レーザのｘｙ方向の
位置ずれによりレーザ光の光ファイバへのカップリング
効率が著しく低下する。このため、半導体レーザとボー
ルレンズの相対位置をより高精度に組み立てる必要があ
り、歩留りやコスト面から一般的には利用されていな
い。

【０００７】本発明はこのような問題を解消し、発光素
子として半導体レーザを用い、ボールレンズにより集光
する簡易な構成で光ファイバとのカップリング効率が良
好なレンズつき半導体レーザおよびその製法を提供する
ことを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明のレンズつき半導
体レーザは、円形ステムの中心部に半導体レーザチップ
が設けられた半導体レーザ素子と、該半導体レーザ素子
の周囲を覆うように配置され、前記半導体レーザチップ
と対向する位置にボールレンズが固定されたボールレン
ズホルダとからなり、前記ボールレンズホルダは前記ボ
ールレンズ側に天井を有する円筒形状に形成され、前記
半導体レーザチップからの光の前記ボールレンズによる
集光点が前記ボールレンズホルダの外径の中心軸上にく
るように位置合わせされて前記半導体レーザ素子と固着
されてなるものである。

【０００９】また、前記半導体レーザチップのレーザ光
の前記ボールレンズによる集光点が、前記ボールレンズ
ホルダの天井の表面から０．４ｍｍの範囲内になるよう
に前記ボールレンズホルダの軸方向の長さが設定される
ことが好ましい。

【００１０】また、前記ボールレンズホルダの外径が、
光ファイバが接続されるレセプタクルの発光素子ホルダ
部の内径と同じ寸法に形成されることが好ましい。

【００１１】本発明のレンズつき半導体レーザの製法
は、（ａ）円形ステムに半導体レーザチップを載置し、
該半導体レーザチップの発光面側にカバーガラスを設け
ることにより半導体レーザ素子を形成する工程、（ｂ）
前記半導体レーザ素子のキャップ外径より大きい内径を
有し、天井を有する円筒状のボールレンズホルダを形成
する工程、（ｃ）前記ボールレンズホルダの頂面の中心
部にボールレンズを固定する工程、（ｄ）前記ボールレ
ンズホルダを前記半導体レーザ素子に被せ、前記半導体
レーザチップからの光の前記ボールレンズによる集光点
が前記ボールレンズホルダの外径の中心軸上にくるよう
に前記ボールレンズホルダをｘｙ方向に位置調整する工
程、および（ｅ）前記位置調整後の前記ボールレンズホ
ルダと半導体レーザ素子とを固着する工程、の結合から
なることを特徴とするものである。

【００１２】前記（ｄ）工程で、中心部に光ファイバを
有するアライメント治具に前記ボールレンズホルダを挿
入し、該ファイバに結合する光が最大になる位置を求め
ることにより、前記ボールレンズホルダのｘｙ方向の位
置調整を行うことが好ましい。

【００１３】

【作用】本発明によれば、ボールレンズを保持するボー
ルレンズホルダが円筒状に形成され、該ボールレンズホ
ルダの外径の中心軸上に半導体レーザチップからの光の
ボールレンズによる集光点がくるように半導体レーザ素
子とボールレンズホルダとが位置合わせされて固定され
ているため、半導体レーザをレセプタクルの発光素子ホ
ルダ部に挿入するだけで、半導体レーザチップの光をカ
ップリング効率良く光ファイバへ導入することができ
る。

【００１４】さらに、本発明の製法のよれば、ボールレ
ンズホルダと半導体レーザ素子との位置合わせを中心部
に光ファイバが設けられたアライメント治具をボールレ
ンズホルダの外径に挿入し、半導体レーザチップからの
光が光ファイバに最大に結合するように半導体レーザ素
子の位置調整を行い、ボールレンズホルダと半導体レー
ザ素子とを固着しているため、簡単に製造でき、しかも
レーザ光が確実にボールレンズホルダの中心軸上に集光
し、カップリング効率の高いレンズつき半導体レーザが
えられる。

【００１５】

【実施例】つぎに、図面を参照しながら本発明のレンズ
つき半導体レーザおよびその製法について説明する。図
１は本発明のレンズつき半導体レーザの一部断面説明
図、図２は半導体レーザチップの光がボールレンズで集
光される様子を示す拡大説明図、図３は本発明のレンズ
つき半導体レーザの一製造工程を示す説明図である。

【００１６】図１において、半導体レーザ素子１はステ
ム１１上に鉄などからなるヒートシンク１２を介してシ
リコン基板などからなるサブマウント１３に固着された
半導体レーザチップ（以下、ＬＤという）１４が設けら
れ、リード線１５、１６に各電極端子が接続されて外部
に導出されている。ＬＤ１４の周囲はレーザ光の進行部
がガラス窓１７になるように形成されたキャップ１８で
覆われ、気密に封止されている。この半導体レーザ素子
１はレーザディスクの光源などに用いられる半導体レー
ザ素子１と同じものである。２はボールレンズでＬＤ１
４からの光を集光するもので、通常の硼珪酸ガラスなど
で、直径が０．８〜５ｍｍ程度に形成される。このボー
ルレンズはボール研摩の方法で簡単に形成され、しかも
外径精度は±２μｍ程度と高精度に形成される。このボ
ールレンズ２は天井部３ａを有する円筒状のボールレン
ズホルダ３の天井部３ａに設けられた貫通孔に固着され
ている。ボールレンズ２の固着は焼嵌めや接着剤による
接着なとにより行われる。このボールレンズホルダ３は
ＬＤ１４の発光ビームがボールレンズで集光する集光点
Ａがボールレンズホルダ３の外径の中心軸上にくるよう
にボールレンズホルダ３とステム１１の位置合わせがさ
れたのち、周囲の数カ所（Ｂ部）でＹＡＧ溶接され、固
定されている。

【００１７】ボールレンズ２によりＬＤ１４の光が集光
する様子を図２に示す。図２に示されるように、ＬＤ１
４の光は発光ビームが±１５°程度で広がり半導体レー
ザ素子１のガラス窓１７を透過してボールレンズ２に入
射し、ボールレンズ２内ではほぼ平行に進み、ボールレ
ンズ２を出射すると集光し、集光点Ａに集まる。この集
光点Ａのビーム径は５％程度の強度まで含めて２１μｍ
程度で、マルチモードファイバのコア径は５０μｍであ
るため１５μｍ程度以下の偏心で位置合わせされていれ
ば、ＬＤ１４から発する光をマルチモードファイバーへ
殆どすべて採り入れることができ、強い光を入射するこ
とができる。

【００１８】つぎに本発明のレンズつき半導体レーザの
製法を説明する。

【００１９】まず円形ステム１１に鉄製のヒートシンク
１２を取りつけ、そのヒートシンク１２の上にシリコン
基板からなるサブマウント１３を介してＬＤ１４をその
発光面が円形ステム１１の垂直上方を向くようにダイボ
ンデイングし、固着する。円形ステム１１にはレーザビ
ームの透過部分にガラス窓１７を有する円筒形のキャッ
プ１８を封着する。これにより、半導体レーザ素子１が
形成される。

【００２０】つぎに、アルミニウム、鉄、ステンレスな
どの材料で、天井を有し円筒形のボールレンズホルダ３
を形成する。ボールレンズホルダ３はその外径がレセプ
タクルの発光素子ホルダ部の内径と一致するように形成
する。また、その天井部３ａの中心軸上にはボールレン
ズ２を保持するための貫通孔が形成されている。

【００２１】つぎに、ボールレンズホルダ３を加熱して
膨脹させながら、ボールレンズ２を貫通孔に挿入する。
ボールレンズホルダ３が加熱されているため、貫通孔も
膨脹しており、ボールレンズ２は容易に貫通孔内に挿入
できる。また、ボールレンズホルダ３が常温に冷却され
ると膨脹していた貫通孔は収縮するので、焼嵌めされ、
ボールレンズ２は貫通孔内に確実に固定される。また、
ボールレンズ２とボールレンズホルダ３は接着剤で接着
してもよい。

【００２２】つぎに、図３に示すように、ボールレンズ
ホルダ３を半導体レーザ素子１に被せ、さらに、ボール
レンズホルダ３をアライメント治具４に挿入する。アラ
イメント治具４の内径はレセプタクルの発光素子ホルダ
部の内径と同じで、ボールレンズホルダ３の外径と同じ
寸法に形成されている。また、その中心軸には光ファイ
バのフェルール５が挿入され、ボールレンズ２で集光さ
れたレーザ光が光ファイバの一端に導入されるようにな
っている。光ファイバの他端は受光素子を介してパワー
メータに接続され、光ファイバ内に導入されたレーザ光
のパワーを測定できるように構成されている。ついで、
半導体レーザ素子１を３ｍＷ程度で発振させ、半導体レ
ーザ素子１をｘｙ平面で移動させながら、受光素子で検
出する。レーザ光のパワーが最大になるように位置調整
を行う。さらにこの位置を保持したまま、ボールレンズ
ホルダ３と半導体レーザ素子１の円形ステム１１との接
触面Ｂを３か所程度ＹＡＧ溶接し、ボールレンズホルダ
３と半導体レーザ素子１とを固着する。

【００２３】以上の工程により、レーザ光がボールレン
ズホルダ３の外径の中心軸上に集光するレンズつき半導
体レーザをうることができる。

【００２４】本発明のレンズつき半導体レーザは図１に
２点鎖線で示すレセプタクル６の発光素子ホルダ部に挿
入され底部Ｃで接着剤により固定される。ボールレンズ
ホルダ３の外径とレセプタクルの発光素子ホルダ部の内
径とは同じ寸法になるように機械加工で形成されている
ため、０．０１ｍｍ以下の偏心度で挿入結合される。レ
セプタクルの反対側には光ファイバが挿入されプッシュ
オン形締結方式などにより光ファイバ先端のフェルール
部７が装着される。この光ファイバとレセプタクルの結
合も通常０．００５ｍｍ以下の同心度で行われる。フェ
ルール部７の先端はボールレンズホルダ３の天井部３ａ
の表面に設けられている０．２ｍｍ程度の厚さのスペー
サ８に突き当てられ、ボールレンズ２で集光したレーザ
ビームの集光点Ａがフェルール部７の表面になるように
ボールレンズホルダ３の寸法が決められ形成されてい
る。

【００２５】本発明では半導体レーザ素子１とボールレ
ンズホルダ３のｘｙ平面での位置合わせが厳密になさ
れ、光ビーム進行方向のｚ軸方向についてはボールレン
ズホルダ３やレセプタクルの機械加工精度に委ねられ
て、突き当てで結合させていることに特徴がある。その
理由についてつぎに説明する。

【００２６】前述の図９に示したように、半導体レーザ
と光ファイバのコア中心との横方向（ｘｙ平面内）での
ずれは急激なカップリング効率の低下を招くので、充分
な位置合わせが必要となる。しかし光ファイバのＮＡは
０．２２〜０．２７５と小さく焦点深度が深いため、ま
たボールレンズ２の焦点距離のバラツキも±３μｍ程度
と非常に小さく形成できるため、ｚ軸方向については無
調整で、突き当てるだけで大きなカップリング効率がえ
られるものである。図４〜５に光ファイバが光軸方向に
ずれたばあいと、レンズつき半導体レーザが光軸方向に
ずれたときのカップリング効率の変化を示した。図４〜
５から明らかなように、−０．１〜０．１ｍｍ程度の光
ファイバの光軸方向の位置ずれに対しては２０％程度以
上のカップリング効率がえられ、−０．１〜０．２ｍｍ
程度の半導体レーザの光軸方向の位置ずれに対しても２
０％程度以上のカップリング効率がえられる。すなわち
−０．１〜０．２ｍｍ程度の半導体レーザの光軸方向位
置ずれについてはカップリング効率が変化せず、機械加
工精度で充分であることを示している。

【００２７】つぎに、本発明の効果を確認するため、Ｓ
Ｔレセプタクルの先端にＧＩ６２．５（グレーディドイ
ンデックス、コア径６２．５μｍ）の光ファイバを接続
したＳＴコネクタを差し込み、ＳＴレセプタクルの発光
素子ホルダー部に本発明のレンズつき半導体レーザを嵌
め込み、光軸の回りに４５°ずつ回転させて光ファイバ
内のパワーを測定した。１０個のサンプルで測定し、そ
の測定結果をカップリング効率（％）で表１に示す。

【００２８】

【表１】

【００２９】表１から明らかなように、本発明のレンズ
つき半導体レーザはレーザ光の集光点の偏心が極めて少
なく、カップリング効率が良好なことがわかる。

【００３０】本発明のレンズつき半導体レーザは光通信
用以外にも図６に示すように、ＴＶカメラ用顕微鏡ファ
イバ照明用光源や、図７に示すような薄いシートサンプ
ルのエッジ検出や紙のパターン検出などのセンサ用とし
ても利用することができる。図６において、９１はテレ
ビカメラ、９２は照明用大コア径ファイバ、９３はレセ
プタクル、９４は試料である。このようなばあいも、小
型でレセプタクル９３に差し込むだけでファイバ９２内
に所望の光パワーを効率よく取り入れることができ、交
換も容易である。また、図７において、９５はベース板
で９６が本発明のレンズつき半導体レーザ、９７がフォ
トセンサ、９８が薄いシートサンプルで、半導体レーザ
９６の焦点を薄いシートサンプル上に形成できるため、
精度よく検出できる。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、ボールレンズホルダの
外径をレセプタクルの発光素子ホルダの内径とあわせ、
ボールレンズによる集光点をボールレンズホルダの外径
の中心軸上に合わせているため、カップリング効率のバ
ラツキが小さく、レセプタクルの差し込み時の向き（回
転角度）に依存せず、どの角度で差し込んでもカップリ
ング効率の変化が小さい。

【００３２】その結果、光ＬＡＮのトランスミッタの設
計者がシステムの光ファイバ内のパワーを最適値に設定
し易く、メカニカルな調整スペースを半導体レーザの周
囲に確保する必要がないため、コンパクトな設計がで
き、使い易いスタイルを設計できる。またトランスミッ
タの組立が非常にし易いという効果がある。

【００３３】また、製造が容易なボールレンズを使用し
ながら簡単な方法で正確な位置合わせをしているため、
発光素子として半導体レーザ素子を使用することがで
き、強い光を光ファイバに導入することができる。その
ため、安価で高特性がえられると共に、高い周波数で駆
動することができ、高速光通信を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のレンズつき半導体レーザの一実施例の
断面説明図である。

【図２】半導体レーザチップの光が集光される様子を示
す説明図である。

【図３】本発明のレンズつき半導体レーザの一製造工程
を示す説明図である。

【図４】本発明のレンズつき半導体レーザとレセプタク
ルとの結合において光ファイバが光軸方向にずれたとき
のカップリング効率の変化を示す図である。

【図５】本発明のレンズつき半導体レーザとレセプタク
ルとの結合において、半導体レーザ素子が光軸方向にず
れたときのカップリング効率の変化を示す図である。

【図６】本発明のレンズつき半導体レーザがテレビカメ
ラ顕微鏡の光源に用いられた例を示す図である。

【図７】本発明のレンズつき半導体レーザが薄いシート
サンプルのセンサとして用いられた例を示す図である。

【図８】（ａ）はレセプタクルの斜視図で、（ｂ）はレ
セプタクルに挿入される従来の発光素子の断面説明図で
ある。

【図９】半導体レーザの横方向の位置ズレと光ファイバ
とのカップリング効率の変化を示すグラフである。

【符号の説明】 １ 半導体レーザ素子 ２ ボールレンズ ３ ボールレンズホルダ ４ アライメント治具 ６ レセプタクル １１ 円形ステム １４ 半導体レーザチップ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 円形ステムの中心部に半導体レーザチッ
   プが設けられた半導体レーザ素子と、該半導体レーザ素
   子の周囲を覆うように配置され、前記半導体レーザチッ
   プと対向する位置にボールレンズが固定されたボールレ
   ンズホルダとからなり、前記ボールレンズホルダは前記
   ボールレンズ側に天井を有する円筒形状に形成され、前
   記半導体レーザチップからの光の前記ボールレンズによ
   る集光点が前記ボールレンズホルダの外径の中心軸上に
   くるように位置合わせされて前記半導体レーザ素子と固
   着されてなるレンズつき半導体レーザ。
2. 【請求項２】 前記半導体レーザチップのレーザ光の前
   記ボールレンズによる集光点が、前記ボールレンズホル
   ダの天井の表面から０．４ｍｍの範囲内になるように前
   記ボールレンズホルダの軸方向の長さが設定されてなる
   請求項１記載のレンズつき半導体レーザ。
3. 【請求項３】 前記ボールレンズホルダの外径が、光フ
   ァイバが接続されるレセプタクルの発光素子ホルダ部の
   内径と同じ寸法に形成されてなる請求項１または２記載
   のレンズつき半導体レーザ。
4. 【請求項４】 （ａ）円形ステムに半導体レーザチップ
   を載置し、該半導体レーザチップの発光面側にカバーガ
   ラスを設けることにより半導体レーザ素子を形成する工
   程、（ｂ）前記半導体レーザ素子のキャップの外径より
   大きい内径を有し、天井を有する円筒状のボールレンズ
   ホルダを形成する工程、（ｃ）前記ボールレンズホルダ
   の頂面の中心部にボールレンズを固定する工程、（ｄ）
   前記ボールレンズホルダを前記半導体レーザ素子に被
   せ、前記半導体レーザチップからの光の前記ボールレン
   ズによる集光点が前記ボールレンズホルダの外径の中心
   軸上にくるように前記ボールレンズホルダをｘｙ方向に
   位置調整する工程、および（ｅ）前記位置調整後の前記
   ボールレンズホルダと半導体レーザ素子とを固着する工
   程、の結合からなることを特徴とするレンズつき半導体
   レーザの製法。
5. 【請求項５】 中心部に光ファイバを有するアライメン
   ト治具に前記ボールレンズホルダを挿入し、該ファイバ
   に結合する光が最大になる位置を求めることにより、前
   記ボールレンズホルダのｘｙ方向の位置調整を行うこと
   を特徴とする請求項４記載のレンズつき半導体レーザの
   製法。