JPH1039174A - 半導体レーザモジュール装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 長期的な光学系の信頼度を向上した光アイソ
レータ内蔵の半導体レーザモジュールを小型・低コスト
で提供し、また部材点数を削減して光軸調整を簡易化す
ることにより、半導体レーザモジュールの生産性を格段
に向上する。 【解決手段】 光アイソレータ内蔵の非温調半導体レー
ザモジュールにおいては、集光用レンズ１３と光アイソ
レータ１８を同一の金属ホルダ１５に固定することによ
り、肉厚が厚く抵抗溶接時の異常溶融の発生を抑制する
金属ホルダ１５で光学結合系を構成する。これにより、
長期的な光学系の安定化を図るとともに部材点数の最小
化，小型・低コスト化を実現した光アイソレータ内蔵の
半導体レーザモジュールを提供することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザモジ
ュール装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】幹線系光通信システムにおける昨今の技
術革命はめざましく、動的に単一軸モードで発振するＤ
ＦＢ−ＬＤ（分布帰還型レーザダイオード），高効率，
高感度を同時に表現したＡＰＤ（アバランシホトダイオ
ード）の開発，製品化とともに〜２．５Ｇｂ／ｓの光通
信システムがすでに実用化に達している。

【０００３】これらの光通信システムに用いられる半導
体発光・受光素子の高性能化に伴い、システム自体のさ
らなる高性能化（長距離・大容量化）とともに、低コス
ト化・小型化も検討され、その一部は実現されつつあ
る。中でも、ＳＴＭ−１〜ＳＴＭ−４（１５５Ｍｂｐｓ
〜６２２Ｍｂｐｓ）等の中低速の伝送速度の領域におい
ては、装置全体の小型化・低コスト化のために−４０〜
＋８５℃の厳しい温度環境下でも温度制御なしで動作す
るＦＰ ＬＤ（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ ＬＤ）やＤＦ
Ｂ ＬＤ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ
ＬＤ）の実用化が進んでいる。

【０００４】このような状況のなか、非温調で動作する
光通信システムのさらなる展開としてＳＴＭ−１６
（２．５Ｇｂｐｓ）の高速領域においても、温度制御を
しない半導体レーザモジュールの開発が要求されてい
る。ＳＴＭ−１６（２．５Ｇｂｐｓ）の領域において
は、ファイバ分散に伴うスペクトル特性への要求からＤ
ＦＢＬＤの適用が必須となるが、一般にＤＦＢ ＬＤ
は、スペクトル特性に優れる反面、前方光出力端面に無
反射コーティングを施しているため、反射戻り光に対す
る耐性に劣ることが指摘されている。このため、特に１
Ｇｂｐｓを超える伝送レートの領域においては、光学系
に光アイソレータを挿入し、外来からの反射戻り光の半
導体レーザに対する影響を取り除く必要がある。

【０００５】図３は、従来の光アイソレータ内蔵の非温
調型半導体レーザモジュールを示す断面図である。図３
に示すように、半導体レーザ素子３１は、ヒートシンク
１３１を介して金属ステム３２にソルダにて融着され、
レンズ付きキャップ１３３を用いて気密封止される。ま
た金属ステム３２にはモニタ用ホトダイオードが搭載さ
れ、またキャップ１３３には集光用レンズ３３が取付け
られている。

【０００６】通常の場合、金属ステム３２には、腐食防
止のために金メッキが施されているため、レンズ付きキ
ャップ１３３と金属ステム３２間の溶接固定には、金メ
ッキによって溶接部にクラックを生じやすいＹＡＧ溶接
法よりも工程が簡便で金メッキを有効に利用できる抵抗
溶接法が用いられている。また半導体レーザ素子個々の
スクリーニング，特性選別による不良素子の除去は、レ
ンズ付きキャップ１３３が溶接固定された状態で行われ
ている。

【０００７】半導体レーザ素子３１からの出力光は、レ
ンズ付きキャップ１３３に固定された集光用レンズ３３
で光アイソレータ３８を介して光ファイバ３７に光軸調
整される。光アイソレータ３８は、アイソレータホルダ
１３８に保持され、アイソレータホルダ１３８は凹陥部
１３０内にキャップ１３３を収納し、キャップ１３３の
外周側で金属ステム３２に溶接固定されている。また光
ファイバ３７は、金属スリーブ１３７に保持され、金属
スリーブ１３７は、アイソレータホルダ１３８に溶接固
定されている。

【０００８】アイソレータホルダ１３８と金属スリーブ
１３７間，金属スリーブ１３７と光ファイバ３７間の溶
接固定には、工程に時間を要するが高い位置精度で信頼
性の高い溶接固定が可能であるＹＡＧ溶接が用いられる
ことが多い。

【０００９】図４は、特開平４−９７３０６号公報に記
載された光アイソレータ内蔵の半導体レーザモジュール
を示す断面図である。図４に示すように、レンズホルダ
４６には、レンズ４５が取付けられるとともに、レンズ
４５に近接して光アイソレータ４９が取り付けられてい
る。

【００１０】発光素子４１は、ヒートシンク４２及び発
光素子ヘッダ４３を介してＬ字状支持板４４に固定され
る。一方、レンズホルダ４６は、発光素子４１とレンズ
４５及び光アイソレータ４９の光軸を調整し、スリーブ
４７を介して支持板４４に固定される。

【００１１】発光素子４１の発光光がレンズ４５によっ
て平行ビームに変換され、光アイソレータ４９を通過
し、第２レンズ４１１によって光ファイバ４１２に光軸
調整され、第２レンズ４１１及び光ファイバ４１２は金
属スリーブ４７に保持される。

【００１２】図４に示す構造のものでは、レンズ４５と
光アイソレータ４９を近接してレンズホルダ４６に取り
付けたため、発光素子４１からの発光光をレンズ４５で
平行ビームになるように調整することにより、レンズ４
５と光アイソレータ４９との光軸を調整することなく、
光学系を構成することができる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図３に
示した従来の光アイソレータ内蔵の半導体レーザモジュ
ールでは、レンズ３３と光アイソレータ３８をそれぞれ
異なる金属筐体であるステム３２，アイソレータホルダ
１３８に固定して光学系を構成しているため、光学系の
長期の安定動作を確保することが困難であるという問題
がある。

【００１４】これは、可視レーザやＦＰ−ＬＤの非温調
同軸モジュールを中心に部材の共有化が図られているた
めに、許容される外形寸法に実質上の上限が設けられて
いる点に起因する。例えば、半導体レーザ素子３１，ヒ
ートシンク１３１を搭載する金属ステム３２の外形寸法
は、５．６ｍｍφのものが広く用いられており、ほぼ統
一化されているといっても過言ではない。

【００１５】このため、集光用レンズ３３，光アイソレ
ータ３８を異なる金属筐体に固定して光学系を構成した
場合には、光学系の安定のための重要な要因の一つであ
る金属筐体の肉厚を厚くすることが困難になる。

【００１６】また金属ステム３２には、自動組立ライン
の自動認識・保持のために、外周縁に複数の切り欠きが
形成されている。アイソレータホルダ１３８は、キャッ
プ１３３を凹陥部１３８ａ内に収納し、凹陥部１３８ａ
の開口縁で金属ステム３２に溶接固定されるため、凹陥
部１３８ａの開口縁の外径が金属ステム３２の外径より
大きくなり、抵抗溶接の際にアイソレータホルダ１３８
の開口縁の一部が金属ステム３２の切り欠きに重なり、
切り欠き部分で溶接が行われることとなり、異常溶融を
引き起こしてしまう。

【００１７】これは、金属ステム３２の切り欠きの接触
抵抗の極大化により、抵抗溶接時に局所的に電流集中を
引き起こし、切り欠きのない部分と比較して溶接状態が
偏ってしまうためである。

【００１８】このような異常溶接に伴い、溶接強度が不
均一となるばかりでなく、局所的に過溶融した箇所に
は、金属クズ等が発生し、これらがアイソレータホルダ
１３８の空間内に侵入して光軸上に付着する可能性があ
り、光学結合系の安定性を損なう一因となっている。

【００１９】また図４に示された構造のものでは、レン
ズ４５と光アイソレータ４９をレンズホルダ４６に固定
し、発光素子４１の発光光をレンズ４５によって平行ビ
ームとなるように光学系を構成した場合、金属筐体の肉
厚を厚くすることは可能になるが、第２レンズ４１１に
よって光ファイバ４１２に光学結合することが必要とな
り、光学系全体が大きくなってしまうという問題があ
る。

【００２０】これは、光学系に２枚レンズ系を採用して
いるためであり、必要となる部材点数が増加することに
より、小型で低コストの光アイソレータ内蔵の半導体レ
ーザモジュールを構成することが困難となる。このた
め、光源である半導体レーザ素子から、焦点である光フ
ァイバ先端までの距離が増大することは、長期的に安定
した光学系を提供することを困難なものとすることは明
白である。

【００２１】本発明の目的は、このような問題点を解決
するものであり、長期的な光学系の信頼度を向上し、か
つ小型・低コストで提供し、また部材点数を削減して光
軸調整を簡易化することにより、生産性を格段に向上し
た半導体レーザモジュール装置を提供することにある。

【００２２】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明に係る半導体レーザモジュール装置は、金属
ステムと、集光レンズ及び光アイソレータと、第１の金
属ホルダとを有する半導体レーザモジュール装置であっ
て、金属ステムは、半導体レーザを保持するものであ
り、集光レンズは、前記半導体レーザからの出射光を光
ファイバに集光するものであり、光アイソレータは、光
ファイバからの反射戻り光の半導体レーザに対する影響
を取り除くものであり、第１の金属ホルダは、筒状をな
し、内部に集光レンズ及び光アイソレタを、一体に組み
込み、金属ステム外周の切り込みより内側に制限される
径内にて開口縁の肉厚を厚くしたものである。

【００２３】また前記金属ホルダは、第２の金属ホルダ
を有し、第２の金属ホルダは、筒状をなし、内部に前記
半導体レーザを収納し、金属ステム外周の切り込みより
内側に制限される径内にて開口縁の肉厚を厚くし、金属
ホルダに固着され、前記第１の金属ホルダは、第２の金
属ホルダの開口縁に固着されたものである。

【００２４】また金属ホルダと金属ステムは、抵抗溶接
を用いて固着したものである。

【００２５】また第２の金属ホルダの固定後に半導体レ
ーザに対するスクリーニング試験と特性選別が施される
ものである。

【００２６】

【作用】本発明においては、半導体レーザからの出力光
を集光するレンズと反射戻り光の影響を取り除く光アイ
ソレータを同一の金属ホルダに固定し、しかる後に半導
体レーザを搭載した金属ステムに固定することにより、
金属ステムとの固定に肉厚を有する金属ホルダを、金属
ステムの切り欠き部を避けて溶接固定することができる
ために、小型で信頼性の高い半導体レーザモジュールを
最小限の部材点数で構成することができる。

【００２７】

【発明の実施の形態】次に本発明について図面を参照し
て説明する。

【００２８】（実施形態１）図１は、本発明の実施形態
１を示す光アイソレータ内蔵の非温調半導体レーザモジ
ュールを示す断面図である。

【００２９】図において、本発明の実施形態１に係る半
導体レーザモジュール装置は、半導体レーザ素子１１
と，金属ステム１２と，集光レンズ１３と，第１の金属
ホルダ１５と，光アイソレータ１８とを有している。

【００３０】半導体レーザ素子１１は、金属ステム１２
にヒートシンク１１１を介してソルダにより融着されて
いる。また金属ステム１２には、モニタ用ホトダイオー
ドが取付けられている。

【００３１】第１の金属ホルダ１５は、筒状をなすもの
であって、金属ステム１２側寄りの内周面に、内径方向
に突き出た環状の支持部１５ａが設けられており、第１
の金属ホルダ１５は、内部空間が支持部１５ａを境とし
て前後の２室１５ｂ，１５ｃが区画されている。

【００３２】集光用レンズ１３は、第１の金属ホルダ１
５の環状支持部１５ａに支持され、光アイソレータ１８
は、第１の金属ホルダ１５の前室１５ｂに内装され、集
光レンズ１３と光アイソレータ１８は、光軸を一致させ
て第１の金属ホルダ１５に設けられている。

【００３３】また第１の金属ホルダ１５は、後室１５ｃ
内に半導体レーザ素子１１を収容し、その開口縁の肉厚
部１５ｄを金属ステム１２に突き当て、第１の金属ホル
ダ１５と金属ステム１２を抵抗溶接により固定する。ま
た第１の金属ホルダ１５は、金属ステム１２に固定され
た状態にて半導体レーザ素子１１を気密封止する。

【００３４】また半導体レーザ素子１１からの出力光を
集光用レンズ１３によって光アイソレータ１８に通過し
て光ファイバ１７と光軸調整された後に、光ファイバ１
７を保持した金属スリーブ１１７を第１の金属ホルダ１
５にＹＡＧ溶接固定する。

【００３５】本実施形態においては、集光用レンズ１３
と光アイソレータ１８を第１の金属ホルダ１５に固定す
ることにより、金属ステム１２の外形および自動認識の
ために金属ステム１２に形成された切り欠き部１２ａよ
り内側に制限されるホルダ径Ｒの範囲内で、金属ホルダ
１５の肉厚部１５ｄを十分な強度を確保した厚い肉厚に
構成することができ、長期的な光学系の安定化を図るこ
とができる。

【００３６】また正確な固定位置精度を確保しづらい、
金属ホルダ１５と金属ステム１２間の抵抗溶接も、金属
ステム１２の切り欠き部１２ａを避けて実施することが
容易になり、金属ホルダ１５と金属ステム１２の切り欠
き部１２ａとの間に発生する異常溶融を抑制することが
できる。

【００３７】したがって、本発明の光アイソレータ内蔵
の非温調半導体レーザモジュール装置においては、集光
用レンズ１３と光アイソレータ１８を同一の金属ホルダ
１５に固定することにより、良好な抵抗溶接と長期的に
安定した光学結合系を確保することが可能となる。ま
た、本発明においては、半導体レーザの光学結合のため
に、集光系の１枚レンズ系を採用しており、部材点数の
最小化を図るとともに、生産性を大幅に向上した小型で
低コストな光アイアソレータ内蔵の半導体レーザモジュ
ールを構成することが可能となる。

【００３８】（実施形態２）図２は、本発明の実施形態
２に係る光アイアソレータ内蔵の非温調半導体レーザモ
ジュールを示す断面図である。

【００３９】実施形態２では、モニタ用ホトダイオード
を搭載した金属ステム１２に、半導体レーザ素子１１を
ヒートシンク１１１を介してソルダに融着し、円筒形状
の第２の金属ホルダ２５内に半導体レーザ素子１１及び
ヒートシンク１１１を抵抗溶接する。

【００４０】反射戻り光の影響を受けやすく本発明の実
施形態として適当な半導体レーザ素子の代表例としてＤ
ＦＢ−ＬＤが挙げられるが、ＤＦＢ−ＬＤでは安定した
動的単一軸モードでの動作が必須となるため、個々の半
導体レーザ素子に施される選別工程も多岐を極め、その
不良判定基準をＦＰ−ＬＤに比較して厳しいものとなっ
ている。したがって、各工程における良品歩留りも相対
的に低いものとなっており、実施形態１のように集光用
レンズ，光アイソレータを固定した状態でのスクリーニ
ング・特性選別では、生産コストを低く抑制することが
難しい。

【００４１】本実施形態２は、かかる課題を解決する手
段となるものであり、第２の金属ホルダ２５を固定した
状態で、半導体レーザ素子１１に対するスクリーニング
・特性選別を施してしまうものである。

【００４２】本実施形態においては、半導体レーザ素子
１１と金属ステム１２とを電気的に結線するボンディン
グワイヤや半導体レーザ素子そのものを、スクリーニン
グ・特性選別の工程でのハンドリングミスから保護する
ための第２の金属ホルダ２５を有していることを特徴と
している。第２の金属ホルダ２５が固定された状態でス
クリーニング・特性選別を完了した半導体レーザ素子１
１は、集光用レンズ１３と光アイソレータ１８を固定し
た第１の金属ホルダ１５を溶接固定したのち、その出力
光が集光用レンズ１３，光アイソレータ１８を通過して
光ファイバ１７と光学結合される。本実施形態において
も、第１の金属ホルダ１５と光ファィバ１７は金属スリ
ーブ１１７を介して光軸調整されたのち、ＹＡＧ溶接固
定を施されて構成される。

【００４３】本実施形態２においては特に、半導体レー
ザ素子１１のスクリーニング・特性選別を付加価値の小
さい状態で実施することができ、さらに低コスト化が図
れるだけでなく、上記実施形態１に記した様々な効果に
加えて、金属ステム１２，第２の金属ホルダ２５間の抵
抗溶接において、軽度の異常溶融等の抵抗溶接時に生じ
る可能性がある金属クズをＰＩＮＤ試験によって除去す
ることが容易となり、構成された光アイソレータ内蔵の
非温調半導体レーザモジュールの品質をさらに向上させ
ることが可能となる。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、集
光用レンズと光アイソレータを金属ホルダに一体に組付
けるため、制限された金属ホルダ径の範囲内で十分な強
度を確保した肉厚の厚い金属ホルダを構成することがで
き、長期的な光学系の安定化を図ることができる。

【００４５】また正確な固定位置精度を確保しづらい金
属ホルダと金属ステム間の抵抗溶接も、金属ステムの切
り欠き部を避けて実施することが容易になり、金属ホル
ダ−金属ステムの切り欠き部の異常溶融の発生を抑制す
ることができる。

【００４６】したがって、良好な抵抗溶接と長期的に安
定した光学結合系を確保することができ、１枚レンズ系
を採用による最小の部材点数で生産性の高い小型・低コ
ストな光アイソレータ内蔵の半導体レーザモジュールを
構成できる。

【００４７】また、半導体レーザ素子のスクリーニング
・特性選別を付加価値の小さい状態で実施することがで
き、さらに低コスト化が図れるだけでなく、金属ステ
ム，第２の金属ホルダ間の抵抗溶接において、軽度の異
常溶融等の抵抗溶接時に生じる可能性がある金属クズを
ＰＩＮＤ試験によって除去することが容易となり、構成
された光アイソレータ内蔵の非温調半導体レーザモジュ
ールの品質をさらに向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１に係る光アイソレータ内蔵
の非温調半導体レーザモジュールを示す断面図である。

【図２】本発明の実施形態２に係る光アイソレータ内蔵
の非温調半導体レーザモジュールを示す断面図である。

【図３】従来の光アイソレータ内蔵の同軸型半導体レー
ザモジュールを示す断面図である。

【図４】従来の平行ビームを作るレンズと光アイソレー
タを同一の金属筐体に固定している非温調半導体レーザ
モジュールを示す断面図である。

【符号の説明】

１１ 半導体レーザ素子 １２ 金属ステム １３ 集光レンズ １５ 第１の金属ホルダ １８ 光アイソレータ ２５ 第２の金属ホルダ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属ステムと、集光レンズ及び光アイソ
   レータと、第１の金属ホルダとを有する半導体レーザモ
   ジュール装置であって、 金属ステムは、半導体レーザを保持するものであり、 集光レンズは、前記半導体レーザからの出射光を光ファ
   イバに集光するものであり、光アイソレータは、光ファ
   イバからの反射戻り光の半導体レーザに対する影響を取
   り除くものであり、 第１の金属ホルダは、筒状をなし、内部に集光レンズ及
   び光アイソレタを一体に組み込み、金属ステム外周の切
   り込みより内側に制限される径内にて開口縁の肉厚を厚
   くしたものであることを特徴とする半導体レーザモジュ
   ール装置。
2. 【請求項２】 前記金属ホルダは、第２の金属ホルダを
   有し、 第２の金属ホルダは、筒状をなし、内部に前記半導体レ
   ーザを収納し、金属ステム外周の切り込みより内側に制
   限される径内にて開口縁の肉厚を厚くし、金属ホルダに
   固着され、 前記第１の金属ホルダは、第２の金属ホルダの開口縁に
   固着されたものであることを特徴とする請求項１に記載
   の半導体レーザモジュール装置。
3. 【請求項３】 金属ホルダと金属ステムは、抵抗溶接を
   用いて固着したものであることを特徴とする請求項１又
   は２に記載の半導体レーザモジュール装置。
4. 【請求項４】 第２の金属ホルダの固定後に半導体レー
   ザに対するスクリーニング試験と特性選別が施されるも
   のであることを特徴とする請求項２に記載の半導体レー
   ザモジュール装置。