JPS582469B2 - レンズ付半導体レ−ザ装置の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は単一モード光ファイバーと高効率に光結合させ
ることをめざしたレンズ付半導体レーザ装置の製造方法
に関するものである。

一般に半導体レーザと単一モード光ファイバーとの直接
結合は半導体レーザの出射光ビームの広がり角が接合面
に垂直方向で３０〜６０度、平行方向で４〜１０度と非
対称な特性を有しているため、対称な伝ばんモードを有
し、その大きさが６μｍ径の単一モード光ファイバーと
は結合効率が低いことは周知のことである。

この結合効率を改善するためには半導体レーザの出射ビ
ームを微小径ガラスロツドで対称ビームに変換し、しか
も単一モードファイバーのコア程度の大きさに絞りこめ
ばよいこともよく知られている。

従来半導体レーザと単一モード光ファイバーとの高効率
結合を図るために、前記の点を考慮し基本的には第１図
に示すような構造を採用している。

即ち半導体レーザチツプ１の非対称出射ビームは微小径
ガラスロツド２により対称ビームに変換され、単一モー
ド光ファイバー３に入射できるようにしてある。

この結合系では微小径ガラスロンドの径は１０〜３０μ
ｍの如く極めて小さいものであるため該ロツドの最適な
位置からの位置ずれに対して結合効率が大きく変わる欠
点があった。

例えば０．２μｍ程度のロツドの光軸に垂直方向の位置
ずれて単一モード光ファイバーの結合効率は１ｄＢ変化
する。

従って単一モード光ファイバーとの結合をめざす半導体
レーザ結合法としては半導体レーザ単体では結合効率が
低いという欠点があり、微小径ガラスロツドを使用して
結合効率を上昇せしめようとすると該ロツドの設定に極
めて厳しい精度を必要とし、また設定が正常であるとし
ても温度変動や外力等による該ロンドの僅の位置ずれに
よって単一モード光ファイバーとの結合効率は大きく変
化することはさけられ帆のであった。

本発明は半導体レーザの出力端面に微小径ガラスロンド
を高精度に位置合せをして一体化する方法を考案したも
のであり、半導体レーザの出射ビームを単一モード光フ
ァイバーの伝ばんモードに合致するように半導体レーザ
の出射ビーム変換を施こし単一モード光ファイバーとの
高効率にして且つ安定な結合を容易に実現できるように
したものである。

即ち本発明は （１）半導体レーザチツプの出力端面に光学接着剤を塗
布し、該接着剤の表面が固化した段階で微小径ガラスロ
ンドをコア上に取付けた単一モード光ファイバーを、該
レーザチツプに押しつけつゝ該ファイバーの入力を最大
にとり出すように調整することにより該レーザチツプの
出力端面上の光軸に合致した位置に微小径ガラスロンド
の外径に合致した凹部を形成せしめた後、該凹部に微小
径ガラスロツドを導いて半導体レーザチツプと微小径ガ
ラスロツドとを一体化することを特徴とするレンズ付半
導体レーザ装置の製造方法である。

（２）光学接着剤として、紫外線硬化性接着剤を使用し
、紫外線照射の時間を調整することにより任意の硬化点
を設定して該凹部を形成し易くしたことを特徴とするも
のである。

（３）微小径ガラスロンドとして、高屈折率を有する鉛
ガラス、ＹＡＧ１サファイア等の光学結晶のものを使用
することを特徴とするものである，（４）半導体レーザ
チツプの出力端面の発光部分を避けた位置に微小径ガラ
スロツドを導く接着剤の凹部を形成することを特徴とす
るものである。

半導体レーザの出力端面の発光部分に他の光学部品を装
着することは半導体レーザの共振器が両端面の反射によ
って構成されていることから共振器構造がくずれ大きな
特性劣化を招くと考えられていた。

従って従来発光ダイオード（ＬＥＤ）に試みられたよう
な半球形状の放射器つきの構造はレーザに適用できない
とされていた。

こゝで半導体レーザの発振に必要な利得と損失との関係
を検討する 次の如くである。

即ち利得係数をγ０、損失係数をα、端面の反射率をＲ
とすると Ｒ２ｅｘｐ（２ｌ（γ０−α）〕＝１ 但しｌは結晶長 という関係がある。

半導体レーザ内の一周期の伝ぱん損失：２ｌαは約１．
５程度であり、又 Ｒ＝（ｎ−１）２／（ｎ＋１）２＝０．３２但しｎは半
導体レーザの屈折率 である。

従って２γ０ｌ＝２αｌ−２ｌｎＲ＝１．５＋２．３＝
３．８となる。

これは半導体レーザを発振させるには共振器一周期長（
２ｌ）で４倍程度の利得が必要で、この大きさは一周期
の損失を示している。

こゝでレーザ片面に屈折率ｎ１＝１．６の媒質（ガラス
、接着剤等）が接触したりすると片面の反射率は Ｒ１＝（３．６−１．６ ）２／（ ３．６＋１．６
）２＝ ０．１４８となり共振器損失は −（ＩｎＲ１−ＩｎＲ）＝０．８ だけ増加する。

これは全共振器損失（３．８）の２０％であるのでレー
ザの一端面にｎ＝１．６の媒質をつけても、しきい値が
２０係増加するだけである。

しきい値の増加をなくすには別の端面の反射率３２％を
約７０％に増加するように反射膜をとりつけてもよい。

次に本発明方法で製作するレンズ付半導体レーザ装置の
構成例を第２図により詳細に説明する。

第２図ａに示すように半導体レーザチツプ１の出力端面
に光学接着剤６を介して微小径ガラスロツド２をその長
さ方向が該半導体レーザチツプと半導体レーザのヒート
シンク４との接合面と平行になるように直接貼着して固
定するものである。

なお５はレーザの発光部である。

又半導体レーザ１の出力端面にガラスロツド２を装着す
る場合、第２図ｂに示す如くレーザの発光位置５に合せ
てガラスロツド２を±０．２μｍ以下の位置ずれに抑え
て固定しなければならない。

ここで本発明の方法の１実施例を第３図を用いて詳細に
説明する。

まずａに示すように半導体レーザチツプ１をヒートシン
ク４に取付けたものを用意する。

次いでｂに示すようにガラスロンドを取りつける面にＳ
ｉＯ２等の保護膜７を真空蒸着、スパッタリング法等で
形成する。

このとき他方の端面に反射膜を取りつけてもよい。

次にＣに示すようにＳｉＯ２等の保護膜上の発光位置附
近に光学接着剤６を塗布する。

一方単一モード光ファイバー３のコア８上に予めガラス
ロツド２を固定しておく。

次にｄに示すように該接着剤の表面が固化した時点でガ
ラスロツド２をとりつけた単一モード光ファイバーを半
導体レーザの出力端面に押しつける。

単一モード光ファイバーは微動台にマウントしておき半
導体レーザの出力が最犬にファイバーに結合するように
光をモニタしながら最適位置に調整し、そのまゝ接着剤
が固定するまで放置しておく。

次にｅに示すように半導体レーザの出力端面の接着剤上
にガラスロツドの曲率に合致した凹面が形成されその位
置はレーザ光軸と合致せしめる。

最後にｆに示すようにガラスロツド２を接着剤６の凹部
におき両端を接着剤で固定し、半導体レーザチツプの出
力端面に微小径ガラスロツドを取付ける。

なお上記の工程においてａ工程とｂ工程とをおきかえて
もよく、使用するレンズの単一モード光ファイバー３は
微小径ガラスロツド２を独立に接着するか或はファイバ
ーのコア上にフォトエッチング等で半円柱状のレンズを
形成してもよい。

又第４図は本発明の方法により製作した装置の他の例を
示すものであり、半導体レーザチツプ１の発光面を避け
た両端に接着剤６を塗布し、第３図に示す如き方法によ
り微小径ガラスロツド２を接着したものである。

この構造においては共振器のＱ値が不変であるのでレン
ズがないものと同じ発振特性を示す。

又本発明において使用する接着剤としては光学的に損失
の少いものであり、例えばレンズボンド（米国サマーズ
ラボラトリーズ社商品名）を使用する。

レンズボンドは表面から固化するので表面がある程度固
化した時点で光ファイバを押しつければよい。

なお固化の度合は時間によりかわるので最適な時間を選
定する必要がある。

又他の接着剤としては紫外線にて固化するものがあり、
例えばＮＯＡ６５，ＮＯＡ６０（米国ノーランド社商品
名）が使用される。

この接着剤は光量で接着剤の固化程度を制御できるもの
である。

従って作業時間にゆとりができ、所望の固化状態にて光
ファイバーを押しつけることが出来るので成功率が高い
ものである。

又本発明における微小径ガラスロツドとしては屈折率の
高い材料例えば鉛ガラス、ＹＡＧ、サファイア等の光学
結晶を使用する。

これらは、通常のガラスロンドより屈折率が高い。

屈折率が高いと同じ焦点距離のレンズにするのにも、屈
折率が低いものに比して外径の大きなものとなる。

従って、半導体レーザ光軸の軸ずれ許容量が大きくとれ
る利点があり、半導体レーザチツプと微小径ガラスロツ
ドの一体化における作業性が極めて容易に行うことが出
来る。

また半導体レーザチツプからの光はガラスロツドに入射
する前に接着剤層を通過するので、微小径ガラスロンド
の焦点距離が本質的に長くなるため、ガラスロンドによ
る結像が接着剤を使用しない場合に比して十分絞れない
おそれはあるが、この点は屈折率の大きな材料を使用す
ることにより回避することが出来る。

なお本発明方法を使用した微小径ガラスロンド以外の球
レンズ、半球レンズ、半円柱レンズ等も半導体レーザの
光軸に合わせて固定することが出来る。

以上詳述した如く本発明によれば半導体レーザチツプの
出力端面に光軸に合せて微小径ガラスロツドを高精度に
固定しうるため、半導体レーザチツプの非対称な出射ビ
ームを単一モード光ファイバーの伝ばんモードと合致す
るように変換することが出来る。

更にガラスロツドは半導体レーザチツプと一体化されて
いるので出力ビームは安定な指向性を有し、温度変動や
外部振動等によってもビームの位置ずれを生ずることが
ない。

従って単一モード光ファイバーと高効率にしてしかも安
定性優れて結合するレンズ付半導体レーザ装置をうるこ
とが出来る等顕著な効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の半導体レーザ装置の断面図、第２図は本
発明の方法で製作したレンズ付半導体レーザ装置の１例
を示すものであり、ａは斜視図、ｂは要部を示す拡大図
、第３図は本発明方法の工程を示すブロック図、第４図
は本発明の方法により製作した装置の他の例を示す斜視
図である。 １……半導体レーザチツプ、２……微小径ガラスロツド
、３……単一モード光ファイバー、４……半導体レーザ
のヒートシンク、５……半導体レーザの活性層、６……
光学接着剤、７……保護膜、８……単一モード光ファイ
バーのコア。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 半導体レーザチツプの出力端面に光学接着剤を塗布
   し、該接着剤の表面が固化した段階で単一モード光ファ
   イバのコア上に取りつけた微小径ガラスロンドをその長
   さ方向が該半導体レーザチツプの接合面と平行になるよ
   うにして、該レーザチツプに押しつけつゝ該ファイバの
   入力を最大にとり出すように調整することにより該レー
   ザチツプの出力端面上の光軸に合致した位置に微小径ガ
   ラスロンドの外径に合致した凹部を形成せしめた後該凹
   部に微小径ガラスロンドを導ひいて半導体レーザチツプ
   と微小径ガラスロツドとを一体化せしめることを特徴と
   するレンズ付半導体レーザ装置の製造方法。 ２ 光学接着剤として紫外線硬化性接着剤を使用し、紫
   外線照射の時間を調整することにより任意の硬化点を設
   定して該凹部を形成し易くした特許請求の範囲第１項記
   載のレンズ付半導体レーザ装置の製造方法。 ３ 微小径ガラスロンドとして高屈折率を有する鉛ガラ
   ス、ＹＡＧ、サファイア等の光学結晶のものを使用する
   特許請求の範囲第１項記載のレンズ付半導体レーザ装置
   の製造方法。 ４ 半導体レーザチップの出力端面の発光部分を避けた
   位置に微小径ガラスロツドを導く接着剤の凹部を形成す
   る特許請求の範囲第１項または第２項または第３項記載
   のレンズ付半導体レーザ装置の製造方法。