JPS59166906A - 半導体レ−ザ結合装置 - Google Patents

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】 （技術分野） 本発明は、半導体レーザと光ファイバとを球レンズを用
いて安定に結合させた半導体レーザ結合装置に関するも
のである。

（従来技術） 光フアイバ通信方式においては、半導体レーザの光を効
率良く光ファイバへ結合させる半導体レーザ結合装置を
開発する必要がある。特に、かかる装置の那大者系等へ
の導入を考えると、製造工程の簡略化ならびに低コスト
化を図ったＬｌ）結合装置を開発する必要がある。

従来のこの種の装置においては、半導体レーザ、例えば
レーザダイオード（以下、ＬＤとも略記）と光ファイバ
とを結合するにあたって、光ファイバのコア径がＳＯμ
ｍ以下と小さいので、微動台等を使用して微細な位置合
わせを行うことが必要であり、しかも位置合わせが完了
してから、各部品を接着剤等で固定しなければならず、
組立時間が長くかかシ、製造性や歩留シ等が上らず、低
コス第１図に示すＬＤ結合装置では、ＬＤ、すなわちレ
ーザチップ／′ｆ：ＬＤパッケージステム２の突起２Ａ
上に固着し、電極３からレーザチップ／への給電を行う
。突起２人には球レンズ保持部材グを固着し、この保持
部材ｑ上の所定位置に球レンズｊを調整してから固着す
る。レーザチップ／および球レンズＳを覆うようにして
、ガラス窓付きキャップ６をステムコに被せ、その端縁
乙Ａおよび６Ｂを溶接によりステム２に固着し、以てキ
ャップ６内を気密に封止する。７はキャップ乙にあけた
窓６Ｃに固着した気密封止用窓ガラスである。

更に、キャップ≦を覆うようにしてセルフォックレンズ
保持部材にをキャップにに被せる。保持部材ｔは、窓６
Ｇと対向して貫通する孔ｆＯを有し、この孔、ｒＣにセ
ルフオツクレンズタを挿入しそ接着剤によ）固着する。

保持部材ｇの端部ざＡおよびｒＢは、球レンズよとセル
フオツクレンズタの光軸が合うように、パッケージステ
ム２を保持部材ざに対して調整して後、接着剤によシス
テムコに固定する。

フェルール／θをフェルール支持部材／／の貫通孔／／
ＡＫＩＷ着する。フェルール／θＫｉｄ、光ファイバの
ファイバコード／２を除去したファイバ被覆／３を装着
する。このファイバ被覆／３の先端を除去して光ファイ
バ素ａ／グを露出させる。この光ファイバフグの先端を
セルフオツクレンズタと対向させて・両者の光軸および
セルフオツクレンズタからの出射光の集束位置に光７ア
イバ／グの端部がくるように７工ルール支持部材／／を
セルフォックレンズ支持部材ｌに対して調整してから、
両部材ｒとｌ／とを接着剤で固着する。／ｊは光フアイ
バ支持部材である。

本例は、球レンズｊをパッケージステム２内に実装して
ＬＤ／からのレーザ光を平行ビームで取出し、それを第
２レンズとしてのセルフォックレンズ９で光ファイバ／
Ｆに絞り込むようにした単一モード光ファイバ用に開発
されたＬＤ結合装置である。

このＬＤ結合装置の組立にあたっては、まず、球レンズ
ｊをパッケージステムコの所定の位置に調整固定し、次
にそのＬＤパッケージススム２と第２レンズのセルフォ
ックレンズ９を取付ケタ保持部材ｒおよびフェルール１
０を挿入した支持部材ｌ／を組み合わせて、微動台によ
り図中に矢印で示すように各部品のｘ、ｙ、ｚ方向の光
軸調整を行って最適な結合状態を実現してから各部品の
接着固定を行う。

第１図から明らかなように、この装置は部品点数が多い
ため、調整箇所が多く、組立工程の簡易化が難しい。ま
だ、各部品を接着剤で固定するため、組立中に光軸ずれ
が生じ易く、しかも製作に時間を要する。

第２図は従来の第２例を示し、ここでは、突起、２／Ａ
にレーザチップｌを固着したパッケージステムガに第１
保持部材ｎを溶接して固着する。この脂／保持部材ｎに
第２保持部材刀をインジウム２グを介して気密に取シ付
ける。第２保持部材ｎはレーザチップｌと対向する窓Δ
を有し、この窓Ｂに気密封止用窓ガラスぶを固着する。

この窓ガラスＩ上に球レンズ５を接着剤によシ固着する
。窓Ｂを覆ってフェルール刀を接着剤により固着する。

このフ、エルールｌにはファイバ被覆／３をはぎ取った
光フアイバ素線／ｌＩを挿通する。光ファイバの被覆１
３は光フアイバ支持部材１により支持し、この支持部材
ｌを第１保持部材ｎに固着する。

本例では、窓ガラスにに張り付けだ球レンズＳの光軸方
向位置調整のために、２つの保持部材ｎとｎにより球レ
ンズ保持部材を構成する。そこで、光出力をモニタしな
がらＬＤパッケージステムガと球レンズ保持部材ｎおよ
び刀との相対位置をＸ。

Ｙ、Ｚ方向に最適調整して第２保持部材ｎを第１保持部
材ｎに取シ付ける。次いで、全体をパッケージステムガ
に固着する。本例ではセルフォックレンズがないので、
球しンズタの出力光を光ファイバ１Ｉｉ−に入射させる
ための調整が難しく、しかもや製造上の歩留シが悪い。

さらに、ＬＤ／と微小球レンズよとの間隔が狭いだめ、
実装精度が厳しく、微小球レンズ５の接触によるＬＤチ
ップ／の破損のおそれもある。

第３図は従来の第３例を示し、この例では、レーザチッ
プ／をＬＤパッケージステム３／の突起３１Ａに載置し
、このレーザチップｌには電極３２よシ給電を行う。球
しンズタをガラス管忙よる球レンズ保持部材３３の先端
に接着剤にょシ固着し、この保持部材３３を光フアイバ
支持部材３グにあけた貫通孔、？ｌｌＡに挿通し、以て
、球レンズ５がレーザチップｌと対向するように、光フ
アイバ支持部材３グをステム３１に対して矢印のように
調整してから、両者を接着剤にょシ固着する。球レンズ
保持部材３３としてのガラス管には光ファイバｌｌｌを
挿入し、光ファイバ／’ｌを保持部材３３に対して矢印
のように調整して、球レンズｊからの出方光が光ファイ
バｌりの対向端面上に合焦する。ようにする。

ここでは、微小球レンズよと光ファイバ／ｌとを、ガラ
ス管による保持部材３３で一体化して構成し、球レンズ
Ｓをガラス管３３の内径よシやや大きく定めることによ
って、両者の光軸を自動的に一致させた状態で固定する
ことができる。しかし、球レンズｊはＬＤチップ／の端
面に近いので、実装精度が厳しい。また、球レンズＳと
保持部材３３、およびステム３／と支持部材３グの各固
着にあだシ、接着剤を使用しているので、ＬＤチップｌ
は完全に気密に封止されていない。加えて、光ファイバ
被覆のガイドとしても機能する球レンズ保持部材３３が
長くなるので、ファイバ支持部材３グの部分が大形にな
るなどの欠点があった。

（目　的） そこで、本発明の目的は、これら上述の欠点を除去する
ために、気密封止用窓を兼ねた比較的外形寸法の大きな
球レンズを使用して、部品点数と調整箇所の削減および
製造時間の短縮化ならびに装置の低コスト化を図った半
導体レーザ結合装置を提供することにある。

（発明の構成） かかる目的を達成するために、本発明では、半導体レー
ザ素子を配置したパッケージステムを有し、該パッケー
ジステムには前記半導体レーザ素子を覆うようにして円
筒形キャップの形態のレンズ保持部材を固着し、それに
よシ前記半導体レーザ素子を前記レンズ保持部材内に気
密封止し、前記レンズ保持部材の上面の中心には孔をあ
け、該孔には１球レンズを着座させて固着し、前記球レ
ンズを、その光軸が前記半導体レーザ素子からのレーザ
光の光軸と合致するようになして、前記半導体レーザ素
子に対向させ、光ファイバを装着したフェルールをフェ
ルール支持部材に挿着し、前記光ファイバの端面が前記
球レンズと対向するようになして、前記フェルール支持
部材を、該フェルール支持部材によって前記レンズ保持
部材を覆うようにして、前記パッケージステムに取付け
、前記光ファイバの光軸が前記球レンズの光軸と一致す
るように前記フェルール支持部材を前記パッケージステ
ムに対して移動調整すると共に、前記光ファイバの端面
に前記球レンズからの出力光が集束されるよう匝前記フ
ェルールを前記フェル−ル支持部材に対して移動調整し
てから、前記フェルール支持部材を前記パッケージステ
ムに固着し、前記半導体レーザ素子からのレーザ光を前
記球レンズを介して前記光ファイノくに導くように構成
する。

ここで、前記球レンズの外周面を帯状にメタライズし、
その帯状メタライズ部分を前記レンズ保持部材の孔に着
座させてロウ付けするのが好適である。

また、前記レンズ保持部材を前記、＜ツケージステムに
溶接により固着することもできる。

（実施例） 以下に図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第を図は本発明のｌ実施例を示し、ここで、グ／はパッ
ケージステム、ｌＩ／Ａはその突起であシ、この突起ｌ
Ｉ／Ａ上にレーザチップ／を載置して固着する。侵はス
テム弘／のベースであり、このベースクツにステムｌ／
を固着する。グ３はレーザチップ／を覆うようにしてパ
ッケージステムグｌに固着した円筒形キャップの形態の
球レンズ保持部材であシ、コの保持部材グ３の中心軸上
にあけた窓Ｌ？Ａには結合用球レンズ仰を着座させて固
着し、この球レンズ件によりレーザチップ／からのレー
ザ出力光を受光するようにすると共に、窓ｔ３Ａを気密
封止する。

更に、球レンズ保持部材グ３を覆うようにして、円筒形
キャップの形態のフェルール支持部材ＩＩＳをべ一スグ
２に固着する。フェルール支持部材ｔｉｓには円筒状フ
ェルール化を貫通させる突出管部ｔｉｓｈを設ける。フ
ェルール化を支持部材ｔｉｓの突出管部ｔ！Ａに接着剤
によシ固着すると共に、このフェルール化には光ファイ
バ波器／３および光ファイノく素線／ｌｌを装着する。

球レンズ件の直径を大きくすると、一般に結合効率は劣
化するが、球レンズ件の実装精度はゆるくなる。更に詳
述すると、球レンズ件の直径は、光ファイバ／＋への結
合効率および球レンズ件の表面からの反射があるときの
ＬＤチップ／のＧ／Ｎ（キャリア対ノイズ比）特、性の
両者を考え合わせて決めることが必要と寿る。

第５図はＬＤ／と球レンズ件との間隔ｄ〔μｍ〕とＣ／
Ｎ　（ｄ　Ｂ　）との関係を、信号周波数１００　ＭＥ
（Ｚ　、周０．０７７の球レンズ件を用いた場合につい
て示す。

このＣ／Ｎ特性より、間隔ｄとしてはＳＯＯμｍ程度以
上が必要となることがわかる。

第６図は上記間隔ｄ〔μｍ〕と結合効率（ｃｌＢ）との
関係を球レンズ件の直径をパラメータとして示すもので
あシ、球レンズ件の直径がそれぞれ八〇。

コ−０、３−コおよび１．ざ（−ｂｔｕ　）のときの測
定結果を×、・、○およびΔ印で示す。なお、間隔ｄを
変えたときに、光ファイバ／ｌＩの端面の位置は効率が
最も高くなる位置にずらして測定した。この結果と第５
図の結果とを考慮すると、間隔ｄはｓｏ’ｏ〜１００μ
ｍ程度に設定し、球レンズ件の直径は２罰程度に定める
のが好適であることがわかる。

ここで、直径２ｍｍのサファイヤ球レンズを例にとって
実装精度を議論する。この場合、光ファイバｌＩＩトシ
てのマルチモード光ファイバ（コア径舅μｍ）との最大
結合効率として、約−＋　ｄＢが得られた。この値が０
．！；　ｃｌＢ劣化する軸ずれ許容量は、結合実験によ
ると、光軸垂直方向で±ｉｏｏμｍ。

光軸方向で士Ｑ、ｊ；ｍｒｎとなった。また、光ファイ
バの固定精度は光軸垂直方向に士／θμｍと比較的厳し
く、また光軸方向には士１００μｍが得られた。

実際にＬＤ結合装置を開発するにあたっては、上記の精
度で結合系を容易かつ短時間に製作できるような構造と
なし、かつ各部分を固定することが必要になる。

本発明では、かかる要求を満たすべく、上述のように構
成するが、ここで、結合用球レンズ件の外周には、帯状
に予めメタライズ加工を施しておき、円筒状の球レンズ
保持部材グ３の中心にあけた孔１Ｉ３Ａにロウ付は固定
することができる。この保持部材グ３は、通常のＬＤパ
ッケージのキャップと同様な形状、材質で作られ、ＬＤ
パッケージのステム弘／に抵抗溶接でハーメチックシー
ルできるものである。従って、保持部、材Ｑに取り付け
たレンズ件はパッケージ窓の働きとレンズの働きを兼ね
備えることになる。

ここで、保持部材グ３の内径は、パッケージステムＩ／
−／に設けた凸状の段差部ｇ／Ｂの外径とｏ、ｏｓｔｒ
ｎｎ以下のクリアランスではめこまれるように加工して
おき、パッケージステムグ／に対する保持部材ｐの偏心
を３μｍ以下となして固定できる。従って、球しンズ件
とＬＤ／との光軸垂直方向の軸ずれは、ＬＤチップ／の
パッケージステムグ／に対する偏心と球しンズ件の保持
部材グ３に対する偏心とでほぼ決まる。Ｌ］）チップ／
の偏心は、一般に、±１００μｍ程度であり、球しンズ
件の偏心は±１０μｍ以下に納まっているので、保持部
材グ３をＬＤパッケージステムグ／にはめこんで抵抗溶
接を行うと、球しンズ件の軸ずれの最悪値は／１０μｍ
程度と見積れる。この値は、約／　（ｉＢの結合効率劣
化を許容すれば・十分満足できる。この偏心をチップの
偏心以下に低減させるだめには、球レンズ保持部材グ３
をステムグ／に対して単に回転させるだけでよい。

一方、ＬＤチップ／と球しンズ件との距離の許容誤差は
±Ｑ、ｊ；ｔｎｔｎと十分に大きいので、パッケージス
テムグ／や球レンズ保持部材グ３の加工精度でほとんど
劣化しない程度に抑えられる。

次に、光ファイバ／グの固定について説明する。

光ファイバ／りは外径および内径を数μｍ以内の精度で
仕上げたフェルール化に挿入して接着剤により固定され
ている。フェルール支持部材ｙｓは球レンズ保持部材グ
３と同様のキャップ状の構造をとっておシ、フエルール
ク乙の外径とＯｏｏ　／　ｍｓ　以下のクリアランスを
有する挿入孔が管部ｔ５Ａにより設けである。フェルー
ル化の位置調整にあたっては、フェルールＮｔｆ入した
フェルール支持部材ＩＩｓヲベースグ２に密着させたま
まその接触面内で矢印で示すように動かすことにより光
軸垂直方向の調整を行い、それと同時にフェルールμを
保持部材ｔ、ｔＳＯ管部ｌＩｉの中で摺動させることに
よシ光軸方向の調整をも行って最適結合状態に設定する
。しかして、瞬間接着剤等で支持部材Ｉ１５をベース鋪
に仮固定する。その結果、キャンシール同様に、支持部
材４７Ｓをステムベースグ２に容易に抵抗溶接すること
ができる。その場合の抵抗溶接による軸ずれは、測定デ
ータによると、±／θμｍ以内であるので、結合効率の
劣化はほとんど生じないことがわかる。

のみを位置調整するだけでよいので、製作工程数が少な
く、しかもまた製作時間も極めて短くてすむ。上述のよ
うに支持部材４／、ｓをベースグ２に仮固定することＫ
より、両者を所定位置に保持するための治具を設けなく
ともすむ利点がある。

なお、本発明における固定は、上側に示した抵抗溶接に
よる固定に限られるものではなく、ＹＡＧレーザ、Ｃ○
２レーザを使用した融着固定法、高周波加熱装置を用い
た金属ハンダ固定も用いることができる。また、球しン
ズ件の気密性を保証する手段はロウ付法に限られるもの
ではなく、ガラス半田やその他の方法を使用してもよい
。なお、本発明では通常のパッケージに使用する気密用
窓の代わりにＬＤチップ／との間隔ｄを大きくとれる球
しンズ件を窓として使用しているので、これまでアナロ
グ光伝送用で問題となった気密窓がらの反射でＬＤ自身
の雑音特性が劣化することもない。

従って、アナログ伝送用半導体レーザ結合装置としても
有効である。

（効　果） 以上説明したように、本発明では、部品点数が少なく位
置調整を必要とする所も／個所に限られ、市販の抵抗溶
接機を用いて組立てることが可能なので、半導体レーザ
結合装置を極めて容易に製作できる。したがって、製造
上の歩留９が向上し、大幅なコストの低減を期待できる
ので、光加入者系や民生用の伝送装置として広く用いる
上で有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は従来装置の３例を示す断面図、第グ図
は本発明の／実施例を示す断面図、第Ｓ図は０／／Ｎ特
性の測定結果を示すグラフ、第６図は結合効率の測定結
果を示すグラフである。 （第１図） ／・・・レーザチップ（ＬＤ）３． ２・・・パッケージステム、 ２人・・・突起、 ３・・・電極、 り・・・球レンズ保持部材、 ５・・・球レンズ、 乙・・・ガラス窓付きキャップ、 ４Ａ、ｉ・・・キャップ端縁、 ６Ｇ・・・窓、 ７・・・気密封止用窓ガラス、 ざ・・・セルフォックレンズｌ［材、 ｌｒＡ　、　ＩｒＢ　・＝端縁、 ざＣ・・・窓、 ９・・・セルフォックレンズ、 ／θ・・・フェルール、 ／／・・・フェルール支持部材、 ／／Ａ・・・貫通孔、 ／２・・・光フアイバコード、 ／３・・・光フアイバ被覆、 ｌｌＩ・・・光フアイバ素線、 ｌＳ・・・光フアイバ支持部材、 （第２図） ガ・・・パッケージステム、 ２／Ａ・・・突起、 ｎ・・・第１保持部材、 ｎ・・・第２保持部材、 ２１・・・インジウム、 ｒ・・・窓、 Ｉ・・・気密封止用窓、 ｌ・・・フェルール、 Ｉ・・・光フアイバ支持部材、 （第３図） ３１・・・パッケージステム、 Ｊ／Ａ・・・突起、 ３２・・・電極、 ３３・・・球レンズ保持部材、 ３グ・・・光フアイバ支持部材、 （第を図） りｌ・・・パッケージステム、 グ／Ａ・・・突起、 ／Ｉ／Ｂ・・・段差部、 侵・・・ベース、 Ｉ１３・・・球レンズ保持部材、 ＬＩＪＡ・・・窓、 仰・・・球レンズ、 グ５・・−フェルール支持部材、 瘍・・・フェルール。 特許出願人　　日本電信電話公社 第２図 第３図 ５１Ａ　　　　　　　　　　　３４ 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）半導体レーザ素子を配置したパッケージステムを有
   し、該パッケージステムには前記半導体レーザ素子を覆
   うようにして円筒形キャップの形態のレンズ保持部材を
   固着し、それにより前記半導体レーザ素子を前記レンズ
   保持部材内に気密封止し、前記レンズ保持部材の上面の
   中心には孔をあけ、該孔には、球レンズを着座させて固
   着し、前記球レンズを、その光軸が前記半導体レーザ素
   子からのレーザ光の光軸と合致するようになして、前記
   半導体レーザ素子に対向させ、光ファイバを装着したフ
   ェルールをフェルール支持部材に挿着し、前記光ファイ
   バの端面が前記球レンズと対向するようになして、前記
   フェルール支持部材を、該７工ルール支持部材によって
   前記レンズ保持部材を覆うようにして、前記パッケージ
   ステムに取付け、前記光ファイバの光軸が前記球レンズ
   の光軸と一致するように前記フェルール支持部材を前記
   パッケージステムに対して移動調整すると共に、前記光
   ファイバの端面に前記球レンズからの出力光が集束され
   るように前記フェルールを前記フェルール支持部材に対
   して移動調整してから、前記フェルール支持部材を前記
   パッケージステムに固着し、前記半導体レーザ素子から
   のレーザ光を前記球レンズを介して前記光ファイバに導
   くようにしたことを特徴とする半導体レーザ結合装置。 蕪シ ２、特許請求の範囲第１項記載の半導体レーザ装置にお
   いて、前記球レンズの外周面を帯状にメタライズし、そ
   の帯状メタライズ部分を前記レンズ保持部材の孔に着座
   させてロウ付けしたことを特徴とする半導体レーザ結合
   装置。 ３）特許請求の範囲第１項または第２項に記載の半導体
   レーザ結合装置において、前記レンズ保持部材を前記パ
   ッケージステムに溶接により固着したととを特徴とする
   半導体レーザ結合装置。