JP2954678B2 - Semiconductor laser light source device with optical fiber and method of manufacturing the same - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、光ファイバ通信などの光源として用いられ
る半導体レーザと光ファイバを一体化した光ファイバ付
き半導体レーザ光源装置およびその製造方法に関する。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a semiconductor laser light source device with an optical fiber in which a semiconductor laser used as a light source for optical fiber communication and the like and an optical fiber are integrated, and a method of manufacturing the same.

（従来の技術） 半導体レーザから出射する光は、一般に進行方向に広
がるので、光ファイバに結合するためにはレンズを用い
て集光する必要がある。半導体レーザから空間に出射す
る光およびフラットな端面の光ファイバに結合する光
は、それぞれの端面にビームウェストがくるガウスビー
ムとして表現できる。ガウスビームはビームウェストの
径で一意的に表現でき、レンズはガウスビームのスポッ
ト径変換として考えることができる。スポット径の変換
はレンズの倍率と一致し、例えば光通信に使用される波
長1.3μｍの光を発光する半導体レーザから出射される
ガウスビームのスポット径は約２μｍ、単一モード光フ
ァイバのスポット径は約10μｍで、レンズ径の倍率はほ
ぼ５倍に設定すれば、半導体レーザからの光を単一モー
ドの光ファイバに効率良く結合できる。(Prior Art) Since light emitted from a semiconductor laser generally spreads in a traveling direction, it is necessary to collect light using a lens in order to couple the light to an optical fiber. Light emitted from a semiconductor laser to space and light coupled to an optical fiber having a flat end face can be expressed as a Gaussian beam having a beam waist at each end face. A Gaussian beam can be uniquely represented by a beam waist diameter, and a lens can be thought of as a Gaussian beam spot diameter transform. The conversion of the spot diameter corresponds to the magnification of the lens. For example, the spot diameter of a Gaussian beam emitted from a semiconductor laser that emits light with a wavelength of 1.3 μm used for optical communication is about 2 μm, and the spot diameter of a single mode optical fiber When the magnification of the lens diameter is set to approximately 5 times, light from the semiconductor laser can be efficiently coupled to a single-mode optical fiber.

実際に、ロッドレンズ、球レンズ等を用いて光通信用
の半導体レーザと単一モード光ファイバとを光結合した
装置が実用されている。第２図はその一例を示す。パッ
ケージ102は半導体レーザ101を搭載し、先球GRINロッド
レンズ103はレンズホルダ105に保持され、単一モード光
ファイバ104はフェルール106に固定され一体となってい
る。レンズホルダ105とフェルール106とは接合部材107
を介して互いに固定されている。このモジュールの組立
は、まず半導体レーザ・パッケージ102とレンズホルダ1
05をレーザ溶接等で固定する。108はそのレーザ溶接部
を示す。次にフェルール106と接合部材107をほぼ第２図
に示される位置に置き、半導体レーザを動作し光ファイ
バ104に導入された光パワーをモニタする。モニタされ
る光パワーが最大になるようにフェルール106の位置調
整を行った後、接合部109,110をレーザ溶接等で固定し
完成する。Actually, a device in which a semiconductor laser for optical communication is optically coupled to a single mode optical fiber using a rod lens, a spherical lens, or the like has been put to practical use. FIG. 2 shows an example. The package 102 has a semiconductor laser 101 mounted thereon, the front spherical GRIN rod lens 103 is held by a lens holder 105, and the single mode optical fiber 104 is fixed to a ferrule 106 to be integrated. The lens holder 105 and the ferrule 106 are joined to a joining member 107
Are fixed to each other through. To assemble this module, first, the semiconductor laser package 102 and the lens holder 1
05 is fixed by laser welding or the like. 108 shows the laser weld. Next, the ferrule 106 and the bonding member 107 are placed substantially at the positions shown in FIG. 2, and the semiconductor laser is operated to monitor the optical power introduced into the optical fiber 104. After adjusting the position of the ferrule 106 so that the optical power to be monitored is maximized, the joints 109 and 110 are fixed by laser welding or the like to complete.

この種のモジュールで一般的に使用されるロッドレン
ズの径は約2mmであり、かつレンズの両側には像倍率条
件を満たすためのスペースが必要であるから、個別レン
ズを用いた光ファイバ付き半導体レーザ光源装置（モジ
ュール）の小型化には限界がある。また半導体レーザの
温度制御を行う場合、第２図に示す装置全体を温度制御
する必要があり、熱容量が大きく制御性に劣る。半導体
レーザと光ファイバとが個別レンズを介さず、直接、光
結合できれば部品点数が少なくなり、より小型化が可能
となり、コストの低減、信頼性の向上、温度制御性の向
上等が期待でき、これからの光通信の発展に大きく貢献
すると考えられる。The diameter of the rod lens generally used in this type of module is about 2 mm, and space is required on both sides of the lens to satisfy the image magnification condition, so semiconductors with optical fibers using individual lenses There is a limit to downsizing of the laser light source device (module). Further, when controlling the temperature of the semiconductor laser, it is necessary to control the temperature of the entire device shown in FIG. 2, which results in a large heat capacity and poor controllability. If the semiconductor laser and the optical fiber can be directly optically coupled without passing through an individual lens, the number of parts will be reduced, the size can be reduced, and the cost, reliability, and temperature controllability can be expected. It is thought to greatly contribute to the future development of optical communication.

単一モード光ファイバの平坦な端面を半導体レーザの
光出射端面に対向して置いても、それぞれに結合する自
由空間ビームの形状が異なるので、単一モード光ファイ
バに結合する光は極めて僅かである。そこで、光ファイ
バの端面を球形等に加工してレンズ機能を持たせ、半導
体レーザからの光を効率良く光ファイバに結合する方法
が、従来より採用されている。例えば光ファイバの先端
を径10μｍ程度の球状に加工すると、該光ファイバから
出射する光は、先端から約10μｍ離れた位置にスポット
径約２μｍのビームウェストをもつガウスビームとな
る。従って、半導体レーザの端面を該ビームウェストの
位置に置けば、半導体レーザから出射する光ビームは、
非常に効率良く光ファイバに結合する。この方法により
個別のレンズを使わずに、小型で高光結合効率の光ファ
イバ付き半導体レーザ光源装置が実現されるが、非常に
高い光ファイバの固定位置精度が要求される点が、この
光結合方法の実用上の大きな問題点である。実際、第３
図（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）はそれぞれ先球ファイバと半
導体レーザとの光結合特性を示し、（Ａ）は先球径と光
結合効率の関係を、（Ｂ）は相対結合効率の半導体レー
ザ・光ファイバ間距離に対する依存性を、（Ｃ）は光軸
に対して垂直方向への光ファイバのずれ量と結合効率減
少量との関係を示すグラフで、文献、“楠本、長井、馬
場「DIP形シングルモードレーザモジュール」沖電気研
究開発、.Vol.54,No.2,PP.97−102昭和62年”によるも
のである。これによれは先球半径が10μｍのとき、光結
合効率は−3.5dBであるが、半導体レーザと光ファイバ
の距離が±３μｍ、または光ファイバが光軸に垂直に±
0.5μｍずれると、光結合効率は1dB劣化する。先球半径
を20μｍにすると結合効率は約−6dBに減少する位置ず
れ許容量は大きくなる。Even if the flat end face of the single-mode optical fiber is placed opposite the light-emitting end face of the semiconductor laser, the light coupled to the single-mode optical fiber is extremely small because the shape of the free space beam to be coupled to each is different. is there. Therefore, a method of processing the end face of the optical fiber into a sphere or the like so as to have a lens function and efficiently coupling light from the semiconductor laser to the optical fiber has conventionally been adopted. For example, if the tip of an optical fiber is processed into a spherical shape with a diameter of about 10 μm, the light emitted from the optical fiber becomes a Gaussian beam having a beam waist with a spot diameter of about 2 μm at a position about 10 μm away from the tip. Therefore, if the end face of the semiconductor laser is placed at the position of the beam waist, the light beam emitted from the semiconductor laser is:
Coupling to optical fiber very efficiently. This method realizes a semiconductor laser light source device with an optical fiber that is compact and has high optical coupling efficiency without using an individual lens. However, this optical coupling method requires extremely high optical fiber fixing position accuracy. This is a major problem in practical use. In fact, the third
FIGS. (A), (B), and (C) show the optical coupling characteristics between the hemisphere fiber and the semiconductor laser, respectively, (A) shows the relationship between the hemisphere diameter and the optical coupling efficiency, and (B) shows the relative coupling efficiency. (C) is a graph showing the relationship between the shift amount of the optical fiber in the direction perpendicular to the optical axis and the reduction amount of the coupling efficiency in the literature, "Kusumoto, Nagai". Baba "DIP single mode laser module" Oki Electric R & D, Vol. 54, No. 2, pp. 97-102, 1987. According to this, when the radius of the spherical tip is 10 μm, Although the optical coupling efficiency is -3.5 dB, the distance between the semiconductor laser and the optical fiber is ± 3 μm, or the optical fiber is perpendicular to the optical axis ± 3 μm.
With a shift of 0.5 μm, the optical coupling efficiency is degraded by 1 dB. When the radius of the spherical tip is set to 20 μm, the coupling efficiency is reduced to about −6 dB, and the permissible positional deviation increases.

先球ファイバを用いた光ファイバ付き半導体レーザ光
源装置の従来例を第４図に示す。301は半導体レーザで
あり、302は半導体レーザに対向する先端が球状に加工
された単一モード先球ファイバであり、半導体レーザと
の光結合に最適な位置にて半田304により固定されてい
る。305は半導体レーザの熱膨張係数とほぼ等しい熱膨
張係数を持つ材料よりなる、いわゆるヒートシンクで、
金属部材306上に固定されている。先球ファイバも同じ
金属部材306に固定されており、熱膨張による位置ずれ
は最小限に抑えられている。一般に金属部材306は電流
通電により熱交換ができるペルチエ素子309上に搭載さ
れており、パッケージ307の温度が上昇しても、半導体
レーザ301の温度を、例えば25℃一定に保持することが
可能とされている。308は温度制御のためのサーミスタ
である。また、半導体レーザの前方、後方の両端面より
光が出力されることから、半導体レーザの後方にホトダ
イオード303が置かれ、半導体レーザ301の動作状態を後
方出力光でモニタできるようになっている。この装置の
組立は、パッケージ307中に置かれたペルチエ素子308上
の金属部材306にあらかじめ半導体レーザ301、サーミス
タ308、ホトダイオード303などを固定しておき、先球フ
ァイバ302をほぼ第４図に示すような位置に置き、半導
体レーザを動作し、光ファイバ302に導入される光量を
モニタする。ファイバ302の位置を微調し、この光量が
最大になるようにし、半田304にて該ファイバが動かな
いように固定する。しかし、半田は高温で溶融した後、
冷えて固化するため収縮し、それに伴い光ファイバは最
適な位置よりずれて、光結合効率が低下する。このずれ
量は一般に１μｍ以上あるのに対し、球半径10μｍ以下
の先球ファイバでは高い光結合率が得られるものの、光
ファイバ位置ずれ許容量が0.5μｍ以下と小さいので、
生産可能な歩留まりが得られず、実用されていない。位
置ずれ許容量が１μｍ以上必要なために実用化されてい
るファイバの先球径は20μｍ以上で、結合効率は−6dB
以下と低い。FIG. 4 shows a conventional example of a semiconductor laser light source device with an optical fiber using a spherical fiber. Reference numeral 301 denotes a semiconductor laser, and reference numeral 302 denotes a single-mode spherical fiber whose tip facing the semiconductor laser is processed into a spherical shape, and is fixed by a solder 304 at an optimum position for optical coupling with the semiconductor laser. 305 is a so-called heat sink made of a material having a thermal expansion coefficient substantially equal to the thermal expansion coefficient of the semiconductor laser,
It is fixed on the metal member 306. The tip fiber is also fixed to the same metal member 306, and the displacement due to thermal expansion is minimized. Generally, the metal member 306 is mounted on a Peltier element 309 capable of exchanging heat by passing a current, and even if the temperature of the package 307 rises, the temperature of the semiconductor laser 301 can be kept constant, for example, at 25 ° C. Have been. 308 is a thermistor for temperature control. In addition, since light is output from both front and rear end surfaces of the semiconductor laser, a photodiode 303 is placed behind the semiconductor laser, so that the operation state of the semiconductor laser 301 can be monitored by rear output light. In assembling this apparatus, a semiconductor laser 301, a thermistor 308, a photodiode 303, and the like are fixed in advance to a metal member 306 on a Peltier element 308 placed in a package 307, and the spherical fiber 302 is substantially shown in FIG. At such a position, the semiconductor laser is operated and the amount of light introduced into the optical fiber 302 is monitored. The position of the fiber 302 is finely adjusted so that the light amount is maximized, and the fiber is fixed by the solder 304 so as not to move. However, after the solder melts at high temperature,
The optical fiber shrinks due to cooling and solidification, and accordingly, the optical fiber shifts from an optimal position, and the optical coupling efficiency decreases. Although this deviation amount is generally 1 μm or more, a high optical coupling rate can be obtained with a spherical ball with a spherical radius of 10 μm or less, but the allowable amount of optical fiber positional deviation is as small as 0.5 μm or less.
The yield that can be produced is not obtained and it is not practically used. Since the positional deviation tolerance is required to be 1 μm or more, the diameter of the tip of a fiber that has been put into practical use is 20 μm or more, and the coupling efficiency is -6 dB.
Below and low.

さらに、半田固定の場合に半田蒸気の発生等があり、
半導体レーザの極近傍で固定することができないので、
金属部材306は6mm口以上の大きさが必要で、これ以上の
小型化は困難であった。Furthermore, in the case of solder fixing, there is generation of solder vapor, etc.,
Since it cannot be fixed very close to the semiconductor laser,
The metal member 306 needs to have a size of 6 mm or more, and it is difficult to further reduce the size.

（発明が解決しようとする課題） 前述のように、従来の個別レンズを用いた半導体レー
ザと光ファイバとの結合では、高い光結合効率が得られ
るが、個別レンズ等の大きさのため小型化が困難であっ
た。また、従来の先球ファイバと半導体レーザとの光結
合装置も、光ファイバの固定に半田等の方法が使われて
おり、熱収縮による位置ずれが大きく、先球径を10μｍ
以下にして、より高い光結合効率を得ることが困難であ
るとともに、半田溶融等の工程が半導体レーザに及ぼす
悪影響を避ける等の理由から、やはりさらに小型化する
ことは困難である。(Problems to be Solved by the Invention) As described above, in the conventional coupling of a semiconductor laser and an optical fiber using an individual lens, high optical coupling efficiency can be obtained. Was difficult. Also, in the conventional optical coupling device between the spherical fiber and the semiconductor laser, a method such as soldering is used for fixing the optical fiber, the positional displacement due to thermal shrinkage is large, and the spherical diameter is 10 μm.
In the following, it is difficult to obtain a higher optical coupling efficiency, and it is also difficult to further reduce the size of the semiconductor laser, for the reason of avoiding adverse effects on the semiconductor laser by a process such as solder melting.

将来の光ファイバ通信の普及を考慮すると、半導体レ
ーザ光源装置の小型化と低価格化は克服されなければな
らない課題であり、本発明はこの課題を解決し、小型、
高光結合効率では再現性よく生産のできる光ファイバ付
き半導体レーザ光源装置およびその製造方法を提供する
ことを目的とする。Considering the spread of optical fiber communication in the future, miniaturization and cost reduction of semiconductor laser light source devices are issues that must be overcome, and the present invention solves this problem,
It is an object of the present invention to provide a semiconductor laser light source device with an optical fiber that can be produced with high optical coupling efficiency with good reproducibility and a method of manufacturing the same.

４（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために本発明では、半導体レーザ
の厚さを光ファイバの半径よりも僅かに大きくし、半導
体レーザを固定したヒートシンクの同一平面上の半導体
レーザの極近傍において紫外線硬接着剤を用いて光ファ
イバを固定する。4 (Means for Solving the Problems) In order to achieve the above object, according to the present invention, the thickness of the semiconductor laser is made slightly larger than the radius of the optical fiber, and the semiconductor laser is fixed on the same plane of a heat sink to which the semiconductor laser is fixed. The optical fiber is fixed in the vicinity of the laser using an ultraviolet hard adhesive.

従来の技術とは光ファイバの固定する方法、および固
定する位置が大きく異なる。The method for fixing the optical fiber and the position for fixing the optical fiber are significantly different from those of the conventional technology.

本発明では、該光ファイバとヒートシンクとの隙間に
入れる該接着剤の厚さを極めて薄くすることができ、該
接着剤の光硬化時の収縮の影響および温度変動に伴う膨
張・収縮の影響が避けられるので、光ファイバの固定位
置の精度が従来に比較し数段に高まる。また従来の技術
では実用が困難であった高光結合が得られ、位置ずれ許
容量の小さいレンズ形状に加工された光ファイバでも高
歩留まりの生産が可能となり、かつ該ヒートシンクは極
めて小型となるので、光源装置全体としても堆積で従来
の技術の十分の一以下が実現できる。さらに、半導体レ
ーザと光ファイバとの光結合効率が従来に比べ高くなる
ことから、光ファイバから同一の光出力を得るに必要な
半導体レーザの光出力は少なくて済み、従って半導体レ
ーザの発熱量は減少し、温度制御のためのペルチエ素子
も小型化が可能となる。In the present invention, the thickness of the adhesive put in the gap between the optical fiber and the heat sink can be made extremely thin, and the influence of shrinkage during photocuring of the adhesive and the influence of expansion / shrinkage due to temperature fluctuation can be reduced. Since it can be avoided, the accuracy of the fixed position of the optical fiber is increased several steps as compared with the related art. In addition, high optical coupling, which was difficult to practice with the conventional technology, is obtained, and it is possible to produce a high yield even with an optical fiber processed into a lens shape with a small allowable displacement, and the heat sink becomes extremely small, The light source device as a whole can realize one-tenth or less of the conventional technology by deposition. Furthermore, since the optical coupling efficiency between the semiconductor laser and the optical fiber is higher than before, the optical output of the semiconductor laser required to obtain the same optical output from the optical fiber is small, and thus the heat generated by the semiconductor laser is small. Peltier elements for temperature control can be reduced in size.

（実施例） 以下に、本発明の実施例について図面を参照して説明
する。(Example) Hereinafter, an example of the present invention will be described with reference to the drawings.

第１図（Ａ）は本発明の一実施例の断面図で、第１図
（Ｂ）はその平面図である。第１図において401は先球
半径が10μｍの単一モード先球ファイバで、半導体レー
ザとの光結合において−3.5dBの高率が期待されるが光
ファイバの位置ずれ許容量は0.5μｍ以下と厳しいもの
である。402は半導体レーザでそのへき開端面からレー
ザ光が放出され、光ファイバ401の先端部のレンズ効果
により、光ファイバ内を伝搬する光波モードに変換され
る。403は窒化アルミニウムのセラミックで作製された2
mm角のヒートシンクであって、半導体レーザをそのほぼ
中央部に搭載している。半導体レーザは金錫合金等の半
田材で該ヒートシンクに固定される。ヒートシンク403
は第１図（Ｂ）の平面図に示すようなメタライズパタン
を有し、半導体レーザは該パタンに電気的な接触がとら
れており、該ヒートシンクに固定された後は、半導体レ
ーザにプローブ針をあてなくとも通電して、特性測定が
可能となっている。半導体レーザ402の光出射端面の前
方には、1mm程度該ヒートシンクの平面が続いており、
光ファイバ401は、この領域で紫外線硬化型接着剤404に
より、ヒートシンク403に固定されている。FIG. 1A is a sectional view of an embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a plan view thereof. In FIG. 1, reference numeral 401 denotes a single-mode forward-facing fiber having a forward radius of 10 μm, which is expected to have a high rate of -3.5 dB in optical coupling with a semiconductor laser, but the allowable displacement of the optical fiber is 0.5 μm or less. It is tough. Reference numeral 402 denotes a semiconductor laser, which emits laser light from the cleaved end face, and is converted into a light wave mode propagating in the optical fiber by the lens effect of the tip of the optical fiber 401. 403 is made of aluminum nitride ceramic 2
The heat sink is a mm-square, and has a semiconductor laser mounted almost at the center thereof. The semiconductor laser is fixed to the heat sink with a solder material such as a gold-tin alloy. Heat sink 403
Has a metallized pattern as shown in the plan view of FIG. 1 (B), the semiconductor laser is in electrical contact with the pattern, and after being fixed to the heat sink, the semiconductor laser has a probe needle. , And the characteristic can be measured. In front of the light emitting end face of the semiconductor laser 402, a plane of the heat sink is continued about 1 mm,
The optical fiber 401 is fixed to the heat sink 403 by an ultraviolet curing adhesive 404 in this region.

第１図（Ｃ）はヒートシンク403上の半導体レーザ402
と光ファイバ401と接着剤404の断面を拡大して描いた概
念図である。標準的な単一モード光ファイバの外径は12
5±１μｍである。半導体レーザの厚さはへき開を容易
にするため、80±５μｍに研磨されているのが一般的で
ある。従って、半導体レーザ402と単一モード先球光フ
ァイバ401とを窒化アルミニウム・セラミック・ヒート
シンクの同一平面上に固定した場合、光ファイバ401と
該ヒートシンク403との間にできる隙間は、17.5±６μ
ｍと極めて小さくて済む。このような高い精度で光ファ
イバを固定できるのは、間に他の部材を介さず直接ヒー
トシンク403に固定するためであるが、それはファイバ
の固定に紫外線硬化型接着剤を用い、室温にて固定でき
るからで、例えば半田またはレーザ溶接などを用いた光
ファイバ固定方法では、光ファイバに比較し10倍以上の
径の金属管で光ファイバを覆う必要があったり、高温プ
ロセスの影響のため、この実施例のように半導体レーザ
の極近傍で光ファイバを固定することが困難であったり
するので、このような高精度の部材寸法合わせは不可能
である。FIG. 1C shows a semiconductor laser 402 on a heat sink 403.
FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating a cross section of an optical fiber 401 and an adhesive 404 in an enlarged manner. Standard single-mode fiber has an outer diameter of 12
5 ± 1 μm. The thickness of the semiconductor laser is generally polished to 80 ± 5 μm in order to facilitate cleavage. Accordingly, when the semiconductor laser 402 and the single-mode spherical optical fiber 401 are fixed on the same plane of the aluminum nitride ceramic heat sink, the gap formed between the optical fiber 401 and the heat sink 403 is 17.5 ± 6 μm.
m is extremely small. The reason why the optical fiber can be fixed with such high precision is to fix the optical fiber directly to the heat sink 403 without any intervening members, but it is fixed at room temperature by using an ultraviolet curing adhesive for fixing the fiber. For example, in an optical fiber fixing method using solder or laser welding, for example, it is necessary to cover the optical fiber with a metal tube having a diameter of 10 times or more compared to the optical fiber, or because of the effects of high temperature processes, Since it is difficult to fix the optical fiber in the very vicinity of the semiconductor laser as in the embodiment, such high-precision member size adjustment is impossible.

次に、第１図の光ファイバ付き半導体光源装置の製造
方法について説明する。半導体レーザ402は、例えば金
錫合金半田等を用いてヒートシンク403の上面に接着固
定し、所要のワイヤボンディング等を行い、該半導体レ
ーザを動作できるようにする。光ファイバの固定に当た
っては、半導体レーザ402を動作し、光ファイバ401を概
略第１図に示すような位置に置き、光ファイバに結合す
る光強度を測定しながら、光ファイバの位置を微調整し
て、光ファイバに結合する光強度が最大となるように
し、その位置を保持したまま紫外線硬化型接着剤で固定
する。紫外線硬化型接着剤は紫外線を照射するまでは硬
化しないので、光ファイバの位置調整を行う前にヒート
シンク403の第１図に示すような位置にあらかじめ塗布
しておき、光ファイバは硬化する前の紫外線硬化型接着
剤に接触しながら最適位置に移動され、移動後、直ちに
紫外線照射で接着剤を硬化し固定することができる。紫
外線照射は半導体レーザを破損することがなく、半導体
レーザを作動したまま紫外線を照射することが可能で、
光ファイバの位置調整後、紫外線照射までの間に振動等
による光ファイバの位置ずれが起こらないうちに紫外線
を照射する。Next, a method of manufacturing the semiconductor light source device with an optical fiber shown in FIG. 1 will be described. The semiconductor laser 402 is bonded and fixed to the upper surface of the heat sink 403 using, for example, a gold-tin alloy solder, and performs necessary wire bonding or the like so that the semiconductor laser can be operated. In fixing the optical fiber, the semiconductor laser 402 is operated, the optical fiber 401 is placed at a position as shown in FIG. 1, and the position of the optical fiber is finely adjusted while measuring the light intensity coupled to the optical fiber. Then, the light intensity to be coupled to the optical fiber is maximized, and the position is maintained and fixed with an ultraviolet curable adhesive. Since the ultraviolet-curing adhesive does not cure until the ultraviolet rays are irradiated, it is applied beforehand to the position of the heat sink 403 as shown in FIG. The adhesive is moved to the optimum position while being in contact with the ultraviolet curable adhesive, and immediately after the movement, the adhesive can be cured and fixed by ultraviolet irradiation. UV irradiation does not damage the semiconductor laser, it is possible to irradiate ultraviolet light while the semiconductor laser is operating,
After the position adjustment of the optical fiber, the ultraviolet ray is irradiated before the position shift of the optical fiber due to vibration or the like occurs before the irradiation of the ultraviolet ray.

さらに、紫外線硬化型接着剤が紫外線照射により硬化
するとき収縮して、光ファイバの位置ずれを引き起こす
ことが予想されるが、この時のファイバのずれ方向はヒ
ートシンク403に接近する方向であり、これに対しては
あらかじめ予想される位置ずれ量分を逆方向にずらして
おけば、硬化後には丁度最適な位置に光ファイバを固定
することができる。紫外線硬化型接着剤の収縮による光
ファイバの位置ずれ方向が一方的になる理由は、接着剤
が液状状態の時に左右の応力のバランスが十分にとら
れ、かつ均一に紫外線が照射されて応力がバランスした
まま硬化するので、唯一応力のバランスがかける上下方
向にのみずれるのである。半田固定の場合、溶融した半
田を均一に硬化することは至難の技で、光ファイバは左
右方向にもずれ、あらかじめずれる方向を予測すること
は不可能である。Further, it is expected that the ultraviolet curable adhesive contracts when cured by irradiation with ultraviolet light, causing displacement of the optical fiber, but the direction of displacement of the fiber at this time is a direction approaching the heat sink 403. In contrast, if the expected positional deviation amount is shifted in the opposite direction, the optical fiber can be fixed at an optimum position after curing. The reason why the optical fiber is misaligned due to the shrinkage of the UV-curable adhesive is that the left and right stresses are sufficiently balanced when the adhesive is in the liquid state, and the stress is irradiated evenly by the UV light. Because it is hardened while keeping the balance, it is shifted only in the vertical direction where the stress is only balanced. In the case of solder fixing, it is extremely difficult to uniformly cure the molten solder, and the optical fiber also shifts in the left-right direction, and it is impossible to predict the direction in which the optical fiber is shifted in advance.

さて、第１図において405はセラミックパッケージで
あり、半導体レーザ402と光ファイバ401を固定したヒー
トシンク403は、温度制御のため該パッケージ内部に取
り付けられたペルチエ素子406上に搭載されている。ヒ
ートシンク403に紫外線硬化型接着剤404により固定され
た光ファイバ401は、セラミックパッケージ405の壁面に
設けられた金属筒407を貫通して、パッケージ外部につ
ながっている。紫外線硬化型接着剤404の該光ファイバ
に対する接着力には限界があり、光ファイバに対して外
部から加えられる大きな力には対抗しきれない。この実
施例では金属筒の出口において光ファイバ401は半田408
にて補強固定されており、外部からの力にはこの半田固
定部が抗する構造とされている。また、パッケージ信頼
性の観点から気密封入されることが望まれるが、光ファ
イバ401の外部への取り出し穴の気密封入も半田408が兼
ねている。In FIG. 1, reference numeral 405 denotes a ceramic package, and a heat sink 403 to which the semiconductor laser 402 and the optical fiber 401 are fixed is mounted on a Peltier element 406 mounted inside the package for temperature control. The optical fiber 401 fixed to the heat sink 403 with the ultraviolet curable adhesive 404 penetrates a metal tube 407 provided on the wall surface of the ceramic package 405 and is connected to the outside of the package. There is a limit to the adhesive force of the ultraviolet-curable adhesive 404 to the optical fiber, and it is impossible to counter the large external force applied to the optical fiber. In this embodiment, the optical fiber 401 is connected to the solder 408 at the exit of the metal tube.
The solder fixing portion is structured so as to resist external force. Although it is desired to be hermetically sealed from the viewpoint of package reliability, the solder 408 also serves to hermetically seal the take-out hole to the outside of the optical fiber 401.

この実施例におけるヒートシンク403は2mm角で半導体
レーザ402以外にヒートシンク上の温度測定のためのサ
ーミスタ409が半田固定されている。該ヒートシンク403
を温度制御するペルチエ素子406の上面側は2.2mm角のア
ルミナセラミックでヒートシンク403はInSn等の低融点
半田により、該アルミナセラミックに固定されている。
このペルチエ素子406は２対のｐ−型とｎ−型のBiTe半
導体より構成され、このような小型のペルチエ素子は従
来使われていない。これは温度制御対象のヒートシンク
403が2mm角と超小型化されたために可能となった。ペル
チエ素子、半導体レーザ、サーミスタ等への外部からの
電気的接続は、通常のセラミックパッケージと同様のリ
ード401を周知の方法で設けることによりなされる。The heat sink 403 in this embodiment is 2 mm square, and a thermistor 409 for measuring the temperature on the heat sink is fixed by soldering in addition to the semiconductor laser 402. The heat sink 403
The upper surface side of the Peltier element 406 for controlling the temperature is a 2.2 mm square alumina ceramic, and the heat sink 403 is fixed to the alumina ceramic by low melting point solder such as InSn.
The Peltier element 406 is composed of two pairs of p-type and n-type BiTe semiconductors, and such a small Peltier element has not been used. This is the heat sink for temperature control
This became possible because the 403 was ultra-miniaturized to 2 mm square. External electrical connection to a Peltier element, a semiconductor laser, a thermistor, or the like is made by providing a lead 401 similar to a normal ceramic package by a known method.

次にこの実施例において紫外線硬化型接着剤404に要
求される重要な特性について記述する。紫外線照射によ
る接着剤の硬化時間は短ければ短いほどよいが、通常得
られる紫外線光源で数分以内であれば実用になる。紫外
線硬化時の接着剤404の収縮量も小さければ小さいほ
ど、光ファイバ401の固定位置制御性が高まるわけだ
が、前述のように、接着剤の収縮による光ファイバの移
動方向が一方向に定まっているので、あらかじめ補正す
る量さえ推定できれば、光ファイバ401を最適位置に固
定することができる。光ファイバ401の中心はヒートシ
ンク403の表面から約80μｍの高さに固定され、その交
差は±10μｍ程度以下である。先球径10μｍの先球ファ
イバの位置ずれ許容量は±0.5μｍで交差の５％に相当
する。接着剤の収縮による光ファイバの移動量はヒート
シンクからの該光ファイバの中心の高さに比例すると考
えられ、その５％の４μｍが再現性の確保できる補正量
の限界と推定される。これを超える補正は各種公差の影
響を反映するようになり、再現性が得られなくなると考
えられ、該紫外線硬化型接着剤の硬化収縮はこの範囲に
なければならない。Next, important characteristics required for the ultraviolet curable adhesive 404 in this embodiment will be described. The shorter the curing time of the adhesive by ultraviolet irradiation, the better, but it is practical if it is within a few minutes with a commonly available ultraviolet light source. The smaller the amount of shrinkage of the adhesive 404 during ultraviolet curing, the higher the controllability of the fixing position of the optical fiber 401, but as described above, the direction of movement of the optical fiber due to shrinkage of the adhesive is determined in one direction. Therefore, the optical fiber 401 can be fixed at the optimum position as long as the correction amount can be estimated in advance. The center of the optical fiber 401 is fixed at a height of about 80 μm from the surface of the heat sink 403, and its intersection is about ± 10 μm or less. The permissible positional deviation of the front-end fiber having a front-end diameter of 10 μm is ± 0.5 μm, which corresponds to 5% of the intersection. The amount of movement of the optical fiber due to contraction of the adhesive is considered to be proportional to the height of the center of the optical fiber from the heat sink, and 4 μm of 5% thereof is estimated to be the limit of the correction amount that can ensure reproducibility. Corrections exceeding this will reflect the effects of various tolerances, and it is thought that reproducibility will not be obtained, and the curing shrinkage of the ultraviolet curable adhesive must be within this range.

この実施例において紫外線硬化型接着剤の最も重要な
特性は紫外線硬化後に加熱等で、さらに硬化収縮を生じ
ないことである。すなわち紫外線照射により完全に硬化
反応を終了し、その後は安定でることが望まれる。この
実施例の場合、先球ファイバ401を固定した後、パッケ
ージの気密封入のため半田が使われ、150℃程度の加熱
が必要になる。この時光ファイバ位置ずれを生じないこ
とが望まれる。当然、150℃程度の耐熱性が必要であ
り、このような樹脂としてはエポキシ樹脂、シリコーン
樹脂があげられる。In this embodiment, the most important characteristic of the UV-curable adhesive is that it does not undergo further curing shrinkage due to heating after UV curing. That is, it is desired that the curing reaction be completely completed by irradiation with ultraviolet rays, and thereafter be stable. In the case of this embodiment, solder is used for hermetically sealing the package after fixing the spherical fiber 401, and heating at about 150 ° C. is required. At this time, it is desired that the optical fiber does not shift. Naturally, heat resistance of about 150 ° C. is required, and such resins include epoxy resins and silicone resins.

紫外線硬化型接着剤404による光ファイバ401の保持強
度であるが、強ければ強い方が良いのは当然のことなが
ら、この実施例の場合、最終的には外部から光ファイバ
401に加えられる力は、半田408により対抗するので、そ
れほどの保持力は必要ないが、目安としてはパッケージ
の重量の10倍程度の荷重に耐える保持力があればよいと
考えられる。例えば市販のエポキシ系の熱硬化型接着剤
で、この実施例のような光ファイバの固定を行った場合
の接着力は500g程度以上が得られ、紫外線硬化接着剤で
も同程度のファイバ保持強度が得られると期待され、保
持力として十分である。また、当然のことながら、半田
408にて光ファイバ401を固定するときには、光ファイバ
の曲げ応力等が残り、接着剤404に力が加わったままに
しないことが、後々信頼性を確保する上で重要であり、
そのようにすることは周知の手法で可能である。The holding strength of the optical fiber 401 by the UV-curable adhesive 404 is, of course, the stronger the better, the more the optical fiber 401 is ultimately required from the outside in this embodiment.
Since the force applied to 401 is opposed by the solder 408, not much holding force is required, but it is considered that a sufficient holding force is sufficient as a guide to withstand a load about 10 times the weight of the package. For example, with a commercially available epoxy-based thermosetting adhesive, when the optical fiber is fixed as in this embodiment, the adhesive strength is about 500 g or more, and the same fiber holding strength can be obtained with the ultraviolet curing adhesive. It is expected to be obtained, and it is enough as a holding power. Also, of course, solder
When fixing the optical fiber 401 at 408, bending stress of the optical fiber remains, and it is important not to keep the force applied to the adhesive 404 in order to secure reliability later,
This can be done by a known method.

本発明は以上の代表的な実施例の他にも種々の変形が
考えられる。例えば前述の実施例では半導体レーザの温
度制御のためペルチエ素子406を搭載したが、ペルチエ
素子を搭載しなくとも本発明の思想を逸脱するものでは
ない。また、ヒートシンク403は窒化アルミニウムセラ
ミックとしたが、酸化アルミニウムセラミックまたはシ
リコン基板などでも代替し得る。また、パッケージ405
の材質も本発明の実施例ではセラミックとしたが、パッ
ケージの熱膨張を十分考慮にいれて設計すれば、コバー
ル合金、銅タングステン合金等も代替できる。さらに、
本発明の実施例では光ファイバ401のパッケージ405から
外部への取り出し口での固定を半田408にて行っている
が、この部分の固定については、レーザ溶接等の他の周
知の方法による固定でもよいことは言うまでもない。The present invention can be modified in various ways other than the above-described representative embodiments. For example, in the above-described embodiment, the Peltier element 406 is mounted for controlling the temperature of the semiconductor laser. However, even if the Peltier element is not mounted, the concept of the present invention is not deviated. Although the heat sink 403 is made of aluminum nitride ceramic, an aluminum oxide ceramic or a silicon substrate may be used instead. Package 405
Is made of ceramic in the embodiment of the present invention. However, Kovar alloy, copper tungsten alloy, etc. can be substituted if the thermal expansion of the package is sufficiently considered. further,
In the embodiment of the present invention, the fixing of the optical fiber 401 at the outlet from the package 405 to the outside is performed by the solder 408, but the fixing of this portion may be performed by other well-known methods such as laser welding. It goes without saying that it is good.

（発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば、個別レンズを
使わない半導体レーザと光ファイバとの直接の光結合に
おいて、半導体レーザの厚さと光ファイバの径を適切に
整合し、半導体レーザを固定したヒートシンクの同一平
面に対し、半導体レーザとの光結合に最も適切な位置に
て光ファイバを紫外線硬化型接着剤で固定することによ
り、超小型にして光結合効率が高く、高い歩留まりで生
産が可能な光ファイバ付き半導体レーザ光源装置が提供
される。(Effects of the Invention) As described above, according to the present invention, in direct optical coupling between a semiconductor laser and an optical fiber without using an individual lens, the thickness of the semiconductor laser and the diameter of the optical fiber are appropriately matched, By fixing the optical fiber with the ultraviolet curing adhesive at the most appropriate position for optical coupling with the semiconductor laser on the same plane of the heat sink on which the semiconductor laser is fixed, it is ultra-compact and has high optical coupling efficiency and high A semiconductor laser light source device with an optical fiber that can be produced at a yield is provided.

半導体レーザおよび光ファイバを固定するヒートシン
クは非常に小型化が可能であり、温度制御を行う場合の
ペルチエ素子も従来にない小型化が達成されると同時
に、本発明によれば高い光結合が再現性よく実現できる
ので、半導体レーザの電力消費を抑え、小型のペルチエ
素子でも温度制御が可能となる。将来の波長多重光通
信、コヒーレント光通信では、波長安定化のため半導体
レーザの温度制御が必須であるが、本発明による温度制
御性に優れた超小型の光ファイバ付き半導体レーザ光源
装置は、これらの通信方式の普及を可能とするものであ
る。The heat sink that fixes the semiconductor laser and the optical fiber can be extremely miniaturized, and the Peltier element for temperature control can achieve unprecedented miniaturization, and at the same time, according to the present invention, high optical coupling is reproduced As a result, the power consumption of the semiconductor laser can be suppressed, and the temperature can be controlled even with a small Peltier element. In future wavelength multiplexing optical communication and coherent optical communication, temperature control of a semiconductor laser is essential for wavelength stabilization. This enables the spread of the communication system.

さらに、高光結合で温度制御が可能であるから、共振
器長を短くした超低閾値電流の半導体レーザを搭載した
低消費電力光源を実現できる。これは各家庭に光ファイ
バ通信を普及するうえで、有力な光源である。また、短
共振器半導体レーザは、それ自体の消費電力が小さくな
るだけであく、レーザ駆動用の電気回路の消費電力も同
時に減少し、かつ高周波動作を可能とする。従って、本
発明による光源には従来実現が不可能であった性能を持
たせることが可能で、各種光通信用光源はもとより、そ
の応力分野に及ぼす効果は大きい。Further, since temperature control is possible with high optical coupling, a low power consumption light source equipped with a semiconductor laser having an ultra-low threshold current with a reduced cavity length can be realized. This is a promising light source for disseminating fiber optic communication to homes. In addition, the short-cavity semiconductor laser not only reduces its own power consumption, but also reduces the power consumption of an electric circuit for driving the laser, and enables high-frequency operation. Therefore, the light source according to the present invention can be provided with a performance which has not been realized conventionally, and has a great effect on the stress field as well as various light sources for optical communication.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第１図（Ａ），（Ｂ）は本発明による光ファイバ付き半
導体レーザ光源装置の一実施例のそれぞれ断面図および
平面図、第１図（Ｃ）はヒートシンク上の半導体レーザ
と単一モード先球光ファイバと接着剤の断面を拡大して
描いた概念図、 第２図は個別レンズを用いた従来の技術の光ファイバ付
き半導体レーザ光源装置の断面図、 第３図は参考文献による単一モード先球ファイバと半導
体レーザとの光結合特性の測定結果例を示し、第３図
（Ａ）は最大結合効率と先球半径の関係を示す図、第３
図（Ｂ）は光ファイバの位置結合効率の関係（Ｘ方向）
を示す図、第３図（Ｃ）は光ファイバの位置と結合効率
の関係（Ｚ方向）を示す図、 第４図は従来の技術による先球ファイバと半導体レーザ
を直接光結合した光ファイバ付き半導体レーザ光源装置
の断面図である。 101,301,402……半導体レーザ 102……パッケージ 103……先球GRINロッドレンズ 104……単一モード光ファイバ 105……レンズホルダ、106……フェルール 107……接合部材 108,109,110……レーザ溶接部 302,401……単一モード先球光ファイバ 303……ホトダイオード、304,408……半田 305,403……ヒートシンク 306……金属部材、307……パッケージ 308,409……サーミスタ 309,406……ペルチエ素子 404……紫外線硬化型接着剤 405……セラミックパッケージ 407……金属筒1A and 1B are a sectional view and a plan view, respectively, of an embodiment of a semiconductor laser light source device with an optical fiber according to the present invention, and FIG. FIG. 2 is a conceptual diagram showing an enlarged cross section of a spherical optical fiber and an adhesive, FIG. 2 is a cross-sectional view of a conventional semiconductor laser light source device with an optical fiber using an individual lens, and FIG. FIG. 3A shows an example of a measurement result of optical coupling characteristics between a mode spherical fiber and a semiconductor laser, and FIG.
Figure (B) shows the relationship between the position coupling efficiency of the optical fiber (X direction).
FIG. 3 (C) is a diagram showing the relationship between the position of the optical fiber and the coupling efficiency (Z direction), and FIG. 4 is a diagram showing a conventional technology in which a hemispherical fiber and a semiconductor laser are directly optically coupled. It is sectional drawing of a semiconductor laser light source device. 101,301,402 Semiconductor laser 102 Package 103 Top GRIN rod lens 104 Single mode optical fiber 105 Lens holder 106 Ferrule 107 Joining member 108,109,110 Laser weld 302,401 Single One-mode spherical optical fiber 303 Photodiode, 304, 408 Solder 305, 403 Heat sink 306 Metal member 307 Package 308, 409 Thermistor 309, 406 Peltier element 404 UV-curable adhesive 405 Ceramic Package 407 …… Metal tube

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭52−29185（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−25993（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−181384（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−21610（ＪＰ，Ｕ) 1989年電子情報通信学会秋季全国大会 Ｃ−236 ｐ．４−176 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01S 3/18 G02B 6/42 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-52-29185 (JP, A) JP-A-63-25993 (JP, A) JP-A-63-181384 (JP, A) 21610 (JP, U) 1989 IEICE Autumn National Convention C-236 p. 4-176 (58) Field surveyed (Int. Cl. ⁶ , DB name) H01S 3/18 G02B 6/42

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項１】半導体レーザからの出力光を光ファイバの
一端に結合し、該光ファイバの他端から光を出力する光
源装置において、半導体レーザの基板の厚みを光ファイ
バの半径より僅かに大きくし、該基板材料と熱膨張係数
がほぼ一致する材料からなるヒートシンク上に該半導体
レーザが固定され、同一ヒートシンク上において光ファ
イバの一端が半導体レーザの光出射端面に直接対向して
光結合にとって最適な位置関係に置かれ、その位置関係
を保持すべく該光ファイバが該ヒートシンクに紫外線硬
化接着剤で固定されていることを特徴とする光ファイバ
付き半導体レーザ光源装置。1. A light source device for coupling output light from a semiconductor laser to one end of an optical fiber and outputting light from the other end of the optical fiber, wherein the thickness of the substrate of the semiconductor laser is slightly larger than the radius of the optical fiber. The semiconductor laser is fixed on a heat sink made of a material having a thermal expansion coefficient substantially equal to that of the substrate material, and one end of the optical fiber is directly opposed to the light emitting end face of the semiconductor laser on the same heat sink to be optimal for optical coupling. A semiconductor laser light source device with an optical fiber, wherein the optical fiber is fixed to the heat sink with an ultraviolet curing adhesive so as to maintain the positional relationship. 【請求項２】前記光ファイバは、該光ファイバが半導体
レーザに対向する一端をレンズ機能を持つように加工し
た単一モード光ファイバであり、かつ前記紫外線硬化接
着剤の主成分がエポキシ樹脂またはシリコン樹脂である
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光ファイ
バ付き半導体レーザ光源装置。2. The optical fiber according to claim 1, wherein the optical fiber is a single-mode optical fiber in which one end facing the semiconductor laser is processed so as to have a lens function, and a main component of the ultraviolet curing adhesive is epoxy resin or 2. The semiconductor laser light source device with an optical fiber according to claim 1, wherein the semiconductor laser light source device is a silicon resin. 【請求項３】半導体レーザからの出力光を光ファイバの
一端に結合し、該光ファイバの他端から光を出力する光
源装置の製造方法において、半導体レーザの基板の厚み
を光ファイバの半径より僅かに大きくし、該基板材料と
熱膨張係数がほぼ一致する材料からなるヒートシンク上
に該半導体レーザを固定する工程と、同一ヒートシンク
上において光ファイバの一端が半導体レーザの光出射端
面に直接対向して光結合にとって最適な位置関係に置く
工程と、その位置関係を保持すべく該光ファイバを該ヒ
ートシンクに紫外線硬化接着剤で固定する工程とを含む
ことを特徴とする光ファイバ付き半導体レーザ光源装置
の製造方法。3. A method for manufacturing a light source device for coupling output light from a semiconductor laser to one end of an optical fiber and outputting light from the other end of the optical fiber, wherein the thickness of the substrate of the semiconductor laser is determined by the radius of the optical fiber. Fixing the semiconductor laser on a heat sink made of a material whose thermal expansion coefficient is substantially the same as that of the substrate material, and one end of the optical fiber directly facing the light emitting end face of the semiconductor laser on the same heat sink. A semiconductor laser light source device with an optical fiber, comprising the steps of: placing the optical fiber in an optimal positional relationship for optical coupling by using an ultraviolet curing adhesive to fix the optical fiber to the heat sink so as to maintain the positional relationship. Manufacturing method. 【請求項４】前記光ファイバが半導体レーザに対向する
一端をレンズ機能を持つように加工した単一モード光フ
ァイバであり、かつ前記紫外線硬化接着剤の主成分がエ
ポキシ樹脂またはシリコン樹脂であることを特徴とする
特許請求の範囲第３項記載の光ファイバ付き半導体レー
ザ光源装置の製造方法。4. The optical fiber is a single mode optical fiber in which one end facing the semiconductor laser is processed so as to have a lens function, and a main component of the ultraviolet curing adhesive is an epoxy resin or a silicon resin. 4. The method for manufacturing a semiconductor laser light source device with an optical fiber according to claim 3, wherein: