JPH02161406A - 半導体レーザ・光ファイバ結合装置 - 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】 〈産業上の利用分■Ｉ〉 本発明は半導体レーザと光ファイバを光学的に結合する
装置に関する。

〈従来の技術〉 光通信、光記録等の分野の進展に伴い、半導体レーザを
光源とした光部品、装置が提供されるようになってきて
いる。これらの光部品、装置は、半導体レーザからの光
パワーを光の損失がないように半導体レーザと光ファイ
バを接続する必要がある。このため、半導体レーザと光
ファイバとはレンズを介して接続されていた。しかし、
レンズを介して接続した場合、半導体レーザ・光ファイ
バ結合装置が大型となる欠点を持っていた。この問題を
解決するため、先端が球レンズ加工された光ファイバを
レンズの代わりに用いることが提案されている（実開昭
６１−１４３１１１号、特開昭６３−１９３１１３号） 先端が球レンズ加工されｌコ光ファイバを用いた従来の
半導体レーザ・光ファイバ結合装置を第３図に基づいて
説明する。第３図にはこの結合装置の斜視図を示しであ
る。

サブマウント基板１の互いに対向する位置には半導体レ
ーザマウント２とファイバ支持体としてのファイバ支持
台３が設けられ、半導体レーザマウント２には放熱用の
ヒートシンク４を介して半導体レーザチップ５が固定さ
れている。ファイバ支持台３の半導体レーザチップ５に
対向する位置にはファイバ支持台３を貫通する貫通孔６
が形成されており、貫通孔６の中心軸は半導体レーザの
光出射部に一致するように設定されている。貫通孔６の
中心軸に対し略垂直な方向のファイバ支持台３には導入
孔７が形成され、導入孔７はファイバ支持台３の上面か
ら貫通孔６に貫通している。ファイバ支持台３の上面の
導入孔７の端部には面取りが施されて面取り部８が形成
されている。貫通孔６．導入孔７及び面取り部８には低
融点金属である例えば半田９が充填され、貫通孔６の半
田９の略中心を貫通して光ファイバ１０が固定されてい
る。光ファイバ１０の半導体レーザの光出射部に対する
位置は、半導体レーザと最大結合効率が得られる。よう
に調整されている。

上述した半導体レーザ・光ファイバ結合装置の組立手順
を説明する。

所定量に秤量された球状の半田ボールを、球面が面取り
部８の斜面に接する状態で導入孔７の上部の面取り部８
に載せる。光ファイバ１０を貫通孔６の略中心位置に挿
入貫通させて保持し、その後、半導体レーザチップ５を
発光させて出射光に対する光ファイバ１０の位置合わせ
を行ない、入力が最大となる位置に光ファイバ１０を調
整保持する。光ファイバ１０が最大効率位置に保持され
た状態で半田ボールにＹ　Ａ　Ｇ　（Ｙ２Ａ１２０．、
）レーザの光を照射し、溶融した半田を導入孔７から貫
通孔６に流入させレーザ光照射後凝固する。

上述した半導体レーザ・光ファイバ結合装置は、半田ボ
ールが一定に秤量されているため光ファイバ１０の周囲
に半田が均等に分布し、位置ずれの少ない高精度な固定
を行なうことができろ。また、半田９を充填する前に光
ファイバ１０の位置合わせを行なうので、加熱による半
導体レーザチップ５の温度変化は無く、その発光量は一
定であり最大効率位置に正確に位置きわせすることが可
能である。

また、半田ボールの溶融に際し機械的な接触による加熱
を必要としないので、ファイバ支持台３や光ファイバ１
０に機械的外力は作用せず位置ずれが生じることがない
。

〈発明が解決しようとする課題〉 しかしながら、従来の半導体レーザ・光フアイバ結合装
置では次のような問題があった。

即ち、■先端が球レンズ加工された光ファイバ１０は光
軸に垂直なＸ、Ｙ面方向の調心トレランスが厳しいため
に少しの位置ずれでも結合損失が増加してしまう。従っ
て、第３図に示すように、途中部で光ファイバ１０を固
定した場合、固定点を支点として半導体レーザの光出射
部においてＸ、Ｙ方向に大きな位置ずれを生じてしまう
。■光ファイバ１０の固定に半田９を用いているが、半
田９はクリープ現象のために一定応力が加わっている場
合には塑性変形を生じやすいために長時間使用するうち
に光ファイバに位置ずれを生じ、半導体レーザとの調心
がずれ、結合損失の増大を招くために半導体レーザ・光
ファイバ結合装置として信頼性に欠けている。■半田９
を光ファイバ１０の固定に用いた場合は半田９が固まる
ときに収縮するため、主にＸ、Ｙ方向に位置ずれを生じ
結合損失が増大する。

■更に、半田９を用いた場合、半田９を溶融するため半
田とであるいはＹＡＧレーザ等を用いるために、ファイ
バ支持台３が加熱されるだけでなく半導体レーザチップ
５まで高温にさらされ、ヒートシンク４と半導体レーザ
千ツブ５の間の半田が溶ける可能性があるために半導体
レーザの寿命を短くする危険性を持っている。

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、光ファイバ
の位置ずれが生じに＜＜、半導体レーザと光ファイバと
の結合損失増大を防止した半導体レーザ・光ファイバ結
合装置を提供することを目的とする。

く課題を解決するための手段〉 上記目的を達成するための本発明の構成は、半導体レー
ザチップと先端が球レンズ加工された光ファイバとを光
学的に結合する半導体レーザ・光ファイバ結合装置であ
って、前記半導体レーザチップを半導体レーザマウント
に固定すると共に、前記光ファイバの先端部をファイバ
支持体に固定し、前記半導体レーザチップに対し前記光
ファイバの先端を位置決めして前記半導体レーザマウン
トと前記ファイバ支持体を接合したことを特徴とする。

く作　　　用〉 半導体レーザチップが固定された半導体し一ザマウント
と、光ファイバの先端部が固定されたファイバ支持体と
を接合し、半導体レーザチップに対して光ファイバの先
端を位置決めする。光ファイバの先端部をファイバ支持
体に固定するため光ファイバの先端に位置ずれが生じに
くい。

く実　施　例〉 第１図には本発明の一実施例に係る半導体レーザ・光フ
ァイバ結合装置の斜視、第２図にはその断面側面を示し
である。尚、第３図と同一部材には同一符号を付して！
ｉ復する説明は省略する。

図示の半導体レーザ・光ファイバ結合装置は半導体レー
ザ部１１とファイバ支持部１２とからなっている。

半導体レーザ部１１は半導体レーザマウント２上に放熱
用のヒートシンク４を半田付けし、更にその上に半導体
レーザチップ５を半田付けした一般的な半導体レーザの
マウント構造をしており、半導体レーザチップ５は発光
面が半導体レーザマウント２の端面に揃っている。半導
体レーザマウント２は放熱を考えて材質は金メツキされ
た無酸素鋼よりなっている。電極の一方はアースとして
の半導体レーザマウント２にリードされ、電極の他方は
セラミック絶縁体１３を介して金メツキされた銅板１４
に半導体レーザチップ５の上面よりリードされている。

ファイバ支持部１２は、第２図に示すように、ファイバ
支持台３　、ピンホール１５及びファイバガイド１６か
ら構成されている。先端が球レンズ加工された光ファイ
バ１０は、５乃至３０μｍの範囲に入る球半径を有する
シングルモードファイバである。光ファイバ１０の先端
の球の角度は全角で３０乃至１００度になっており、こ
の角度は光ファイバ１０の先端部を固定するためのピン
ホール１５の角度と一致している。光ファイバ１０はフ
ァイバガイド１６に固定するために金属膜を表面に有し
ており、その膜はスパッタ法で作製することが望ましい
。また、光ファイバ１０は半導体レーザとの間で外部キ
ャビティを構成しやすいために、半導体レーザの波長に
あった無反射膜が表面に付けられている。半導体レーザ
マウント２にファイバ支持台３を突き当てるだけで光軸
方向の関心が可能となるようにピンホール１５とファイ
バ支持台３の端面との間には２０乃至１００μｍの範囲
の間隙部１７が設けられている。この間隙部１７は面同
士を突き当てる際に中心部の合わせを逃げて端面同士を
密着させるために有効であ抄、光ファイバ１０の先端の
球レンズ加工部がピンホール１５より突き出ている状態
で光ファイバ１０の先端部を固定する。即ち、ピンホー
ル１５は光ファイバ１０の５［（球レンズ加工部）の角
度と一致したテーパ孔を有している。フ・ｒイバガイド
１６はファイバ支持台３に圧入され、ファイバガイド１
６の材質は金属もしくはセラミックで形成されている。

次に上記構成の半導体レーザ・光ファイバ結合装置の組
立手順を説明する。

半導体レーザ部１１は半導体レーザマウント２上にセラ
ミック絶縁体１３及び銅板１６がすでに一体形成された
ものに、ヒートシュツク４及び半導体レーザチップ５を
半田付けした構成になっている。ファイバ支持部１２は
ファイバ支持台３．ファイバガイド１６及びピンホール
１５から構成され、光ファイノ＜１０はファイバガイド
１６に嵌合され端部１８で半田あるいは接着剤で固定さ
れている。光ファイバ１０は半導体レーザチップ５と最
大結合効率となる位置にピンホール１５によって自動的
に調整されろ。従って、ピンホール１５の光軸方向の位
置は最大効率を満足するように間隙部１７の幅を予め設
定し、ピンホール１５をファイバガイド１６に取付ける
かファイバガイド１６にピンホール１５を形成しておく
。ピンホール１５の形成は高精度ボール盤による孔開け
が良い。

以上の様にして半導体レーザ部１１とファイバ支持部１
２を準備し、これらを結合効率が最大となる様に調心し
て高精度に結合する。

調心方法は０．１μｍまで精度が出せる光学微動台で構
成した自動調心器を用いる。即ち、半導体レーザの順方
向に電流を流してレーザ発振させ、その光を最大効率で
光ファイバ１０に導く。この際光ファイバ１０の光軸方
向は間隙部１７の幅と球面レンズ加工された光ファイバ
１０の先端突き出し量で決まるため、自動調心はＸ、Ｙ
方向の調心となる。半導体レーザ部１１とファイバ支持
部１２の調心が終了したらこれらを一体に結合する。こ
の方法としては接着剤を用いること、半田付けを用いる
ことが容易な方法であるが、本装置の様に先球加工され
たファイバと半導体レーザの結合構成ではトレランスが
充分数れない為にＹＡＧレーザ溶接を用いる。ＹＡＧレ
ーザ溶接の利点は短時間に処理が可能なために被溶接物
を高温にさらすことなく溶接可能な点にある。但し照射
時の位置ずれを極力低減する為に両側から同時に照射す
る。照射の位置は、第１図、第２図に示すように、セラ
ミック絶縁体１３が存在するためにセラミック絶縁体１
３がある方は一点ないし二点しか照射するスペースが取
れない。一方それとは反対方向では多くの照射点が期待
できる。説明のために第１図、第２図に示したように三
点照射で説明する。まず、照射の前に調心後、半導体レ
ーザマウント２にファイバ支持台３を押しつけろ。これ
はＹＡＧレーザ照射時に位置ずれが生じないようにする
ためであり非常に重要である。ＹＡＧレーザ照射はまず
、レーザ照射位Ｉ［１９と２０に同時に行い確実に固定
できたことを確認し、次にレーザ照射位１［２１に照射
することによってより一層の信頼性向上を狙う。実験は
５０ＪのＹＡＧレーザを用い、１２００Ｖの電圧で５０
＋ｍｓのパルス幅のレーザ光を２分岐して照射した。実
験に用いた半導体レーザマウント２は無酸素銅であり、
ファイバ支持部３はステンレススティール（ＳＵＳ　３
０３）であり、それぞれ熱伝導率が異なる。ＹＡＧレー
ザ溶接の場合熱伝導率が低い材料程良く溶けろために、
半導体レーザマウント２により多くのパワーが照射され
るように予め調整しておくことが望ましい。また、充分
溶接が行われない場合も考えられる為に、半導体レーザ
マウント２の両端に鍔部を形成し、同様にファイバ支持
部１２の半導体レーザマウント２と接触する部分に鍔部
を加工し、鍔部同士の突き当てを調心時に行い、小さい
パワーのレーザ光で溶接することを可能にする。このよ
うに小さいパワーでレーザ溶接を異種金属に施すと熱膨
張係数の違いからくる溶接部の亀裂を生じ難くなる。

以上の工程によって半導体レーザ部１１とファイバ支持
部１２の結合がなされ一体化されろ。

次に上記構成の半導体レーザ・光ファイバ結合装置の他
の組立手順を説明する。従来の半導体レーザモジュール
は光ファイバを支持するための治具が必要であり、その
スペースをパッケージ内に準備する必要があるため半導
体レーザモジュールが大型化してしまうため、小型の１
導体モジュールの組立を可能にしたものである。

前述した組立手順と異なる点は、光ファイバ１０をファ
イバガイド１４の端部１８に接着剤あるいは半田で最初
は固定しない点である。つまり、光ファイバ１０はファ
イバガイド１４に二回挿入される。

第一段階では半導体レーザ・光ファイバ結合装置が入る
パッケージを準備ずろ。そして一体化された半導体レー
ザ・光ファイバ結合装置において光ファイバ１０の無い
構造のものをそのパッケージ内に半田固定する。次の段
階では、予め光ファイバが通ることが可能な孔から最終
的に結合させるべき先端が球レンズ加工された光ファイ
バ１０をパッケージの外から無調整で挿入調心する。こ
の際半導体レーザばレーザ発振している。ファイバはフ
ァイバガイド１６によって導かれ、無調心でピンホール
１５に先端が収まり止まる。この時点でファイバガイド
１６の端部１８の場所で改めて光ファイバ１０を接着剤
あるいは半田で固定し、ファイバのパッケージから出ろ
部分を接着剤あるいは半田で機密到じし、最後にパッケ
ージのフタをし全体を機密到りする。つまり第一段階で
用いたファイバは半導体レーザに先球加工されたファイ
バを調心するためにダミーのファイバで行い、パッケー
ジに結合装置が収まり固定された時点で本物の光ファイ
バ１０を押入固定する。

従って、上述した半導体レーザ・光フアイバ結合装置は
、半導体レーザ部１１とファイバ支持部１２が接合され
て一体化され、先端が球レンズ加工された光ファイバ１
０の先端部をピンホール１５で固定するために、外部か
ら熱や振動等が加えられても位置ずれが非常に小さく信
頼性が高い。このため、先端が球レンズ加工された光フ
ァイバ１０の配置に伴う位置ずれや半田固定による位置
ずれが解消される。また、半導体レーザ・光ファイバ結
合装置を用いた半導体レーザモジュールは小型化され、
組立の実装時間の短縮化が図れコスト低減が図れる。

〈発明の効果〉 本発明の半導体レーザ・光ファイバ結合装置は、半導体
レーザチップが固定された半導体レーザマウントと光フ
ァイバの先端部が固定されたファイバ支持体とを接合し
、接合によって光ファイバの先端と半導体レーザチップ
を位置決めするようにしたので、位置ずれが生じにり＜
、半導体レーザと光ファイバとの結合損失増大が防止で
きる。また、半導体レーザモジュールが小型化されるの
で、組立の実装時間の短縮化とコスト低減が図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る半導体レーザ・光ファ
イバ結合装置の斜視図、第２図はその断面側面図、第３
図は従来の半導体レーザ・光ファイバ結合装置の斜視図
である。 図面中、 ２は半導体レーザマウント、 ３はファイバ支持台、 ５は半導体レーザチップ、 １０は光ファイバ、 １１は半導体レーザ部、 １２はファイバ支持部、 １５はピンホール、 １６はファイバガイド、 １７は間隙部である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体レーザチップと先端が球レンズ加工された
   光ファイバとを光学的に結合する半導体レーザ・光ファ
   イバ結合装置であって、前記半導体レーザチップを半導
   体レーザマウントに固定すると共に、前記光ファイバの
   先端部をファイバ支持体に固定し、前記半導体レーザチ
   ップに対し前記光ファイバの先端を位置決めして前記半
   導体レーザマウントと前記ファイバ支持体を接合したこ
   とを特徴とする半導体レーザ・光ファイバ結合装置。
2. （２）光ファイバの先端部をピンホールに位置決め支持
   すると共に、該ピンホールとファイバ支持体を固定し、
   半導体レーザマウントとファイバ支持体を間隙部を介し
   て接合したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の半導体レーザ・光ファイバ結合装置。