JPS6251515B2

JPS6251515B2 -

Info

Publication number: JPS6251515B2
Application number: JP9622181A
Authority: JP
Inventors: Masatoshi Saruwatari; Toshihiko Sugie
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1981-06-22
Filing date: 1981-06-22
Publication date: 1987-10-30
Also published as: JPS57211288A

Description

【発明の詳細な説明】この発明は半導体レーザの光を光フアイバへ効
率よく結合させる結合装置に関し、特にフアイバ
入射端における反射を除くようにするものであ
る。

半導体レーザと単一モード光フアイバとの結合
系としては種々の方式が考えられているが、結合
系からの反射光が半導体レーザに戻ると半導体レ
ーザの変調特性、スペクトル特性が変化し、光伝
送上の劣化が生じることが知られている。特にフ
アイバ入射面からの反射は戻る割合が高くこの反
射を抑えるような対策が必要となる。従来、フア
イバ入射面からの反射を抑える方法としてはフア
イバの入射面にガラス板を貼りつける方法(a)、フ
アイバの入射面を斜めにする方法(b)等がある。

まず、方法(a)について説明すると、第１図Ａに
示すように半導体レーザ１から出射した光ビーム
はレンズ２により単一モード光フアイバ３のコア
４の大きさに合致するように絞られる。光フアイ
バ３の入射面５においては、絞られたビームは最
小になつており、ここで反射したビームは光軸が
入射ビームと一致する限り入射ビームと同じ光路
を通り、半導体レーザ１の出射点に像を結ぶ。そ
こで入射端面５に光フアイバ３と屈折率の近いガ
ラス板６を貼ることにより入射端面の反射率を著
しく軽減する。ガラス板６の入射面７からの反射
はガラス板６の厚だけ結像条件がずれることと、
ガラス板の入射面７が光軸に対し斜めにしてある
ので入射光軸と反射光軸とがずれることによりレ
ーザ出射点に像を結ばない。

従来の方法(b)については第１図Ｂに示すように
光フアイバ３の入射端面５を光軸に対し斜めとす
る。よつてフアイバ入射端面５からの反射は光軸
がずれるためレーザ出射点とはずれた所に像を結
ぶ。

従来の方法の欠点は方法(a)においては光学研磨
を施したガラス板６が余分に必要なこと、方法(b)
においては光フアイバを斜めに研磨する精密加工
技術が必要になることおよび光フアイバへ斜めに
入射されるので結合効率が悪くなること等があげ
られる。

この発明は特に半導体レーザと光フアイバとの
結合効率が良好な共焦点複合レンズ系において、
余分なガラス板やフアイバ斜め研摩加工技術を使
用せずに光フアイバの入射面からの反射をなくし
た結合装置を提供するものである。

先ず半導体レーザと単一モード光フアイバとを
二つのレンズを用いて結合する共焦点複合レンズ
系について第２図を参照して説明する。即ち第１
レンズ２１と第２レンズ２２とが半導体レーザ１
と光フアイバ３との間に配される。実験によれば
第１レンズ２１は、ルビー、サフアイア、YAG
又はガラスの球レンズがよく、大きさは直径0.7
〜1.0mm程度である。一方、第２レンズ２２とし
ては集束形ロツドレンズが適する。

この共焦点レンズ系の配置は第２図Ｂに示すよ
うに半導体レーザ１と第１レンズ２１との間隔
（矢印１と矢印２１の間隔）は第１レンズ２１の
焦点距離f₁、第１と第２レンズの間隔（矢印２１
と矢印２２の間隔）は両レンズ２１，２２の焦点
距離の和f₁＋f₂、第２レンズ２２と光フアイバ３
との間隔（矢印２２と矢印３の間隔）は第２レン
ズ２２の焦点距離f₂をそれぞれとるようにする。
この場合、半導体レーザ１のビーム径2W₀（約
1.5〜３μｍ）は２つのレンズの焦点距離の比
f₂／f₁だけ拡大され、矢印３の位置にビーム径
2W₁＝2W₀×（f₂／f₁）の像を結ぶ。従つて半導体
レーザ１の出力光はf₂とf₁の比を選ぶことで光フ
アイバ３へ効率よく結合させることができる。実
際には、半導体レーザ１の接合面でのレーザビー
ムはその接合面に垂直方向のビーム半径Ｗ_v平行
方向のビーム半径Ｗ_pとは異なり、接合面で等価
的ビーム半径W₀は√_v・_pで定義される。よ
つて光フアイバ３の導波光ビームの半径をＷ_fと
する時、f₂／f₁とＷ_f／W₀とがほぼ等しくなるよ
うにされる。実際の結合系ではf₁＝0.4〜0.6mm程
度、f₂＝1.5〜2.0mm程度を選んでおり、第１レン
ズ２１および第２レンズ２２の間隔は０から２mm
程度まで変えても結合上は問題ない。

ところでこの結合系において光フアイバ３の入
射端面からの反射をなくすためには第１図に示し
たようにガラス板を貼りつけるとかフアイバ入射
端面を斜めにするとかが考えられるが、この発明
では第２レンズとして使用する集束形ロツドレン
ズ２２と光フアイバ３とを一体化する。このよう
にすればガラス板を使用するとかフアイバに斜め
研磨を施す等の余分な工程が省けるだけでなく、
結合特性もそこなうことがない。

第３図に集束形ロツドレンズ２２を光学接着剤
等を用いて光フアイバ３と一体化した例を示す。
ところが、この例ではロツドレンズ２２の出射端
面８に光ビームが最も絞られる点即ちビームウエ
イストW₁が位置するように結合系の条件を選ば
ないと光フアイバ３へ効率よく結合しない。現実
にはビームウエイストの位置は使用するロツドレ
ンズ２２の集束パラメータのばらつきや半導体レ
ーザ１と第１レンズ２１との距離のばらつきで変
化する。特に半導体レーザ１と第１レンズ２１の
距離の変化に対して変換された像の倍率（f₂／
f₁）の２乗を乗じた位置の変化が生じることを理
論的に導出した。したがつて第３図に示した構成
を実現するためには半導体レーザ１と第１レンズ
２１との取りつけ距離のバラツキに応じて、ロツ
ドレンズ２２の長さを調整しなければならなく、
製作性や歩留りが悪くなるという欠点がある。ロ
ツドレンズ２２と光フアイバ３とが一体化されて
いると、前記長さの調整の代りに第１レンズ２１
と第２レンズ２２との距離を調整することも考え
られるが、この場合はビームウエイストの位置は
ロツドレンズ２２の出力端面からあまり変動しな
いことを確認している。

第４図はこの発明の一実施例を示し、この例で
は第２レンズ２２は２つのほぼ等しい長さのロツ
ドレンズ２３，２４に分割構成する。両者のロツ
ドレンズ２３，２４の長さの和は所望の焦点距離
f₂を得るロツドレンズ長にしてある。第１レンズ
２１側のロツドレンズ２３は固定しておき、光フ
アイバ３側のロツドレンズ２４は光学接着剤等を
用いて光フアイバ３と一体化して前後に動かせる
ようにしてある。ビームウエイストの位置はロツ
ドレンズ２３，２４の間隔ｄをかえることで、ロ
ツドレンズ２４の光フアイバ側端面８から光軸方
向に動かすことができる。

第５図は0.11ピツチのロツドレンズ（日本板硝
子社製SLW1.8タイプ）を２個用い、両者の間隔
ｄに対して、ロツドレンズ２４の端面８からビー
ムウエイストまでの距離ｘを計算した値を実線で
示す。但し平行ビームが入射したと仮定した。こ
の例から間隔ｄを△ｄかえることで距離ｘが△ｘ
＝−△ｄ／２だけ調整できることがわかる。即
ち、第１レンズ２１を半導体レーザ１に取りつけ
る際、距離のバラツキがあつて平行ビームからず
れても間隔ｄをかえてロツドレンズ２４の出力端
面８にビームウエイストをもつてくることができ
る。平行ビームより広がり傾向の時はｄを大き
く、収束される傾向の時はｄを小さくすればよ
い。なお、ｄをかえると第２レンズ２１としての
焦点距離が変るが、その変化を第５図の破線で示
す。この例では１mmの間隔を設けると約３割焦点
距離が長くなるが光フアイバ３に対する結合の上
ではあまり問題にならない。

次にこの発明の第４図に示した実施例ではロツ
ドレンズ２３と２４の間に新たに反射面９および
１０ができる。しかしこれらの面による反射光は
ロツドレンズ２３の入射面１１に達するとロツド
レンズ２４の出射面８における透過ビームと同様
に10μｍ程度に絞られる。この移されたビームは
半導体レーザ１の出射ビームよりも例えば10倍程
度大きい、したがつて第１レンズ２１を通過する
と反射ビームはほぼ平行ビームに拡大変換され、
半導体レーザ１の発光径に比べて十分大きくなる
ので、この反射ビームは半導体レーザ１にほとん
ど影響をおよぼさない。なおロツドレンズ２３の
入射面１１における反射はその方向を入射光に対
してわずかに例えば0.5度傾むけるだけで半導体
レーザ１への結合を１％以下にすることができ
る。フアイバ入射面における反射率はロツドレン
ズを一体化しない場合は3.4％あるが、屈折率1.6
または1.55のロツドレンズをつけると、それぞれ
0.24％および0.12％に減少させることができる。

つまりこの発明では結合用に使用するロツドレ
ンズ２２を分割して一つはフアイバ入射端面の反
射率を減少させるのに使用するとともに、分割し
た二つのロツドレンズ間の距離を調整することで
光フアイバとの結合を最適にするようにはかつた
ものである。

以上説明したようにこの発明の特長としてフア
イバ入射端面の反射対策と結合系の光軸方向の調
整ができることが明らかになつたが、この発明に
よれば結合系のトレランスも大きくなるという新
たな特長がある。この点について次に説明する。
光軸に平行方向の結合のトレランスは光フアイバ
だけを動かす場合より約２倍ゆるくなる。これは
第５図から判るように光フアイバにロツドレンズ
２４を固定しておくとレンズ間隔ｄを変えた時、
即ちフアイバを光軸方向に動かした時ビームウエ
イストの動きが1/2になることで説明できる。次
に光軸に垂直方向のトレランスについて考える。
垂直方向のトレランスはロツドレンズ２３とロツ
ドレンズ２４との間の結合特性を考察すればよ
い。通常この方向のトレランスはガウスビームの
結合で説明できる。例えばスポツトサイズW₁の
ビーム同志の結合は軸ずれをｘとするとその効率
η（ｘ）はη（ｘ）＝ｅ×Ｐ（−x²／Ｗ^２ _１）で表わ
される。フアイバに入射するガウスビームがフア
イバの固有のスポツトサイズW₁と等しい時には
前述の式より±３μｍの軸ずれに対して1.6dBの
損失となる。これは第２、第３、第４の各図にお
いてフアイバだけを動かす場合がある。一方、フ
アイバにロツドレンズ２４があらかじめ一体化さ
れているとロツドレンズ２３と２４との結合にな
るが、この時のスポツトサイズが√２倍拡大され
るので±３μｍの軸ずれで0.8dBの損失に低減す
る。したがつて光軸に垂直方向のトレランスもこ
の発明によれば緩和することができる。

第６図はこの発明の他の実施例を示す。この例
の結合系も第４図の場合と同様に半導体レーザチ
ツプ１、第１レンズである球レンズ２１、第２レ
ンズを構成する集束形ロツドレンズ２３および２
４、単一モード光フアイバの素線３で構成され
る。半導体レーザチツプ１はヒートシンク１１０
にマウントされており、ヒートシンク１１０に
は、球レンズ２１をハンダ固定した球レンズホル
ダ２１１を融剤（例えばAu・Sn半田や低融点半
田）を用いて固定してある。ヒートシンク１１０
は支持体１１２に固定され、信頼性を確保するた
めヒートシンク１１０、ホルダ２１１を含み半導
体レーザ１を、サフアイア窓１１１付きのキヤツ
プ１１２で気密封止してある。通常キヤツプ１１
２で覆つた半導体レーザのハウジングをパツケー
ジと呼んでいるが、この例のパツケージは球レン
ズ２１を内蔵している。

さらに、サフアイア窓１１１は光軸（半導体レ
ーザ１の出力光が出てくる方向）に対してわずか
に傾むけてあり、窓１１１からの反射が半導体レ
ーザ１に戻らないようにしてある。ロツドレンズ
２３はホルダ２３１に固定されており、このホル
ダ２３１ごとキヤツプ１１２に貼りつけてある。
この時、光軸とロツドレンズ２３の中心軸とが一
致するように調整する。光フアイバは通常125μ
ｍの外径を有しており、保護のため直径が0.9mm
程度のナイロンで被覆されている。この状態を心
線と呼び、被覆されてない状態を素線と呼んでい
る。ところで半導体レーザ１との結合を安定にす
るためには素線３０をしつかりと固定する必要が
ある。このため、内径がフアイバ外径125μｍよ
り数μｍ大きい内径を有するキヤピラリ３０１の
中にフアイバ素線３０を通しており、キヤピラり
３０１はフアイバ心線３１とともにパイプ３０２
の中に接着剤を用いてとめてある。したがつてパ
イプ３０２にはフアイバがしつかりととめられて
おり、パイプに入れた状態でフアイバの端面研磨
をすることができる。

パイプ３０２の先には、ロツドレンズ２４が光
学接着剤を使つて貼りつけられており、ロツドレ
ンズ２４の中心軸がフアイバのコアの軸と一致す
るように、あらかじめ調整をしている。ここで半
導体レーザ１を発振させて、フアイバ内にパワー
が最大にはいるように光軸方向と光軸に垂直方向
との調整を行なう。図に示したように、フアイバ
の先端にロツドレンズ２４が一体化されたパイプ
３０２は外わく３０３の中にすべりこませてい
る。外わく３０３の内径とパイプ３０２の外径は
殆んど遊びがないように仕上げてガタつきがない
ようにしてある。両者のすべりを滑らかにするに
はあらかじめ固定用の接着剤を外わくの内にぬつ
ておればよい。光軸方向の調整は外わく３０３を
キヤツプ１１２に押しつけた状態でパイプ３０２
を前後に動かせばよい。これと同時に外わく３０
３はキヤツプ１１２に接着剤を介して押しつけつ
つ、接触面ですべらせながら面内調整を行なう。
フアイバ出力端から最大の光が取り出される状態
を確認しつつ、接着剤の固化するのを持つ。

所で、光フアイバ心線３１は引つ張り強度が小
さいのでケブラー３２を介して直径３mm程度の
PVCが被覆されている。ここでケブラー３２を
ケブラー押え３２１を介して外わく３０３に固定
すればPVCで被覆された光フアイバ（通常光フ
アイバコードと呼ぶ）３３を引つぱつても光フア
イバ心線３１には直接力が加わらなく信頼性の向
上がはかれる。

以上説明したように、この発明は半導体レーザ
と光フアイバとの結合効率の高い複合レンズ系に
おいて、第２レンズとして使用する集束形ロツド
レンズを分割して、その内の１つを光フアイバ入
射端面に貼りつけるようにしているので、反射の
影響が顕著なフアイバ入射面からの反射を抑える
ことができるとともに、結合特性から見てもフア
イバの軸合せ精度が緩和される利点がある。この
結合系は単一モードフアイバ用だけでなく、多モ
ードフアイバ用にも適用でき、結合系における反
射を十分に小さくできるので反射による信号劣化
の顕著な半導体レーザのアナログ伝送用モジユー
ルにも使用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａ及びＢはそれぞれ反射対策を施した従
来の半導体レーザと光フアイバとの結合系を示す
構成図、第２図は共焦点複合レンズ系を説明する
構成図および原理図、第３図は複合レンズ系にお
いてフアイバ入射端の反射を除くようにした一構
成を示す図、第４図はこの発明の一実施例を示す
構成図、第５図はこの発明の結合条件を説明する
計算例を示す図、第６図はこの発明の具体的な構
成例を示す側断面図である。１：半導体レーザ、２：結合用レンズ、３：単
一モード光フアイバ、４：光フアイバのコア、
５：光フアイバの入射面、６：反射除去用のガラ
ス板、７：ガラス板の入射面、２１：複合レンズ
系の第１レンズとなる球レンズ、２２：複合レン
ズ系の第２レンズとなる集束形ロツドレンズ、２
３，２４：複合レンズ系の第２レンズとなる二つ
の集束形ロツドレンズ、１１０：半導体レーザの
ヒートシンク、１１１：半導体レーザパツケージ
のサフアイア窓、１１２：半導体レーザパツケー
ジのキヤツプ、２１０：球レンズホルダ、２３
１：第１のロツドレンズホルダ、３０：単一モー
ド光フアイバ素線、３１：光フアイバ心線、３
２：ケブラー、３３：光フアイバコード、３０
１：素線を保持するキヤピラリ、３０２：キヤピ
ラリと心線を固定するパイプ、３０３：パイプ、
３２１：ケブラー押え。

Claims

【特許請求の範囲】

１半導体レーザチツプ、第１レンズ、第２レン
ズおよび光フアイバをこの順序に配置して、半導
体レーザと光フアイバとを結合させる結合装置に
おいて、前記第２レンズと前記第１レンズとの焦
点距離の比を、前記光フアイバを導波する光ビー
ムのビーム半径と前記半導体レーザの接合面に垂
直方向および平行方向のビーム半径の相乗平均と
の比にほぼ等しくするとともに、前記第２レンズ
として、焦点距離が前記の条件を満たす集束形ロ
ツドレンズを複数個分割しておき、前記光フアイ
バに最も近い集束形ロツドレンズを光フアイバ入
射端面に光学接着剤を介して貼りつけたことを特
徴とする半導体レーザと光フアイバとの結合装
置。