JPS61255312A - 光要素結合装置 - 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】 以下の順序で本発明を説明する。

Ａ産業上の利用分野 Ｂ発明の概要 Ｃ従来の技術 り発明が解決しようとする問題点（第５図及び第６図） Ｅ問題点を解決するための手段（第４図）Ｆ作用（第４
図） Ｇ実施例（第１図〜第４図） Ｈ発明の効果 Ａ産業上の利用分野 本発明は光要素結合装置に関し、特に、半導体レーザと
単一モード光ファイバとを結合する結合装置に適用して
好適なものである。

Ｂ発明の概要 本発明は発光素子からの光ビームを光要素に供給させる
ように発光素子及び光要素を光学的に結合する光要素結
合装置において、発光素子からの光ビームの向きを変え
て光要素の方向に送出する向き調整手段を発光素子及び
光要素間に介挿することにより、光要素を角度方向に動
かすことなく、その中心軸に対する平行方向及び垂直方
向に移動させるだけで良好な結合効率を得られるように
したものである。

Ｃ従来の技術 発光素子としての半導体レーザと受光する光要素として
の単一モード光ファイバとを単純に近接させて両者を結
合すると、両者のビームパラメータが大きく異なるため
大きな結合損失を生じる。

そこで、レンズ系を介してビームを集束させ光フアイバ
上にスポットを形成させて高結合効率を得る必要があり
、従来、そのための方法として第５図（Ａ）〜第５図（
Ｅ）に示すものが提案されている。

Ｄ発明が解決しようとする問題点 第５図（Ａ）は、結合装置の製造時における取扱い易さ
のために、焦点距離が比較的大きい大型の先球加工のセ
ルフォックレンズ３を半導体レーザ１及び単一モード光
ファイバ２間に介挿したものである。

この場合に、ビームをコア２ａの端面に集束させるため
には半導体レーザ１はセルフォックレンズ３に対してほ
ぼ焦点距離だけ離間して配置しなければならない、一般
に半導体レーザｌの出射ビームの広がり角は大きいため
、半導体レーザ１及びセルフォックレンズ３間の距離を
このように大きくすると、レンズ３の開口数ＮＡから洩
れるビームが多くなり、結合効率が悪くなるという欠点
がある。

そこで、第５図（Ｂ）に示すように焦点距離の短い直径
２０〔μｍ〕程度の微小円柱や球形状のレンズ４を半導
体レーザ１及び単一モード光ファイバ２間に介挿するも
の、また、第５図（Ｃ）に示すように、単一モード光フ
ァイバ２の先端部２ｂに微小円柱や球の一部をなす形状
のレンズ５を一体的に形成するものが提案されている。

これらの方法によると、レンズ４．５の開口数ＮＡから
洩れるビームは減少するが、しかし、レンズ４．５が小
さいため半導体レーザｌの光軸とレンズ４．５の光軸と
が僅かにずれると結合効率が急激に悪くなり、軸ずれの
マージンが小さいという欠点がある。実際上、軸ずれの
許容範囲はこれらの場合±０．６〔μｍ〕程度であり、
製造工程においてこの範囲内に軸ずれを抑えようとする
ことは非常に難しく、多くの手数を要していた。また、
第５図（Ｂ）の場合にはレンズ４の取扱いが不便である
という不都合がある。

そこで、これらの不都合を解決するために、さらに、レ
ンズを複数用いた第５図（Ｄ）及び第５図（Ｅ）に示す
ものが提案されている（特開昭５７−２１１２８９号）
。第５図（Ｄ）に示す方法においては半導体レーザ１及
び光フアイバ２間に互いに離間した球形状の第１のレン
ズ６及びセルフォックレンズでなる第２のレンズ７を介
挿する。また、第５図（Ｅ）に示す方法は第５図（Ｄ）
における第２のレンズ７を第１のセルフォックレンズ７
ａと第２のセルフォックレンズ７ｂとで構成し、第２の
セルフォックレンズ７ｂを光ファイバ２の端面に接着し
たものである。

これら第５図（Ｄ）及び（Ｅ）の方法によると、レンズ
系の倍率が２つのレンズ６．７の焦点距離の比で定まる
ため比較的大きなレンズの組合せで光学系を構成でき、
製造時における取扱いが容易　　　　゛になると共に、
開口数が大きくビームの洩れが少なくできる。また、第
５図（Ｅ）の方法によると、光ファイバ２の端面におけ
るビームスポットを、レンズ７ｂを接着することにより
仮想的に拡げたことになり固定し得る許容範囲を緩和し
ている。

また、これらの方法によると、半導体レーザ１がレンズ
系の光軸からずれて取り付けられた場合、光ファイバ２
をずらせることにより結合損失を防ぐようにすることが
できる。

このことは、以下に示す原理より明らかである。

第１のレンズ６の焦点距離をｆｌｓ第２のレンズ７の焦
点距離をｆ２とし、これら両レンズ６及び７が第６図に
示すように距離ｆ、＋ｆ、＋ｄだけ離間して配置されて
おり、半導体レーザ１が第１のレンズ６の焦平面Ｆ１に
位置し、光ファイバ２の端面が第２のレンズ７の焦平面
Ｆ２に位置するものとする、半導体レーザ１のビームが
光軸ＯＡＸから距離（以下、位置すれと呼ぶ）Ｘｌたけ
離れた点Ｐから光軸となす角度（以下、角度すれと呼ぶ
）φ、で照射された場合、そのビームが第２のレンズ７
の焦平面Ｆ２上で位置ずれｘ２、角度ずれφ８で到達す
るものとする。

この場合、第１のレンズ６及び第２のレンズ７でなるレ
ンズ系の光線行列Ａは ・・・・・・（１） で表すことができ、従って、位置ずれＸｌ、及び角度ず
れφ、に対して位置ずれｘよ及び角度ずれφ２は なる関係がある。すなわち、 ・・・・・・（３） ｆ。

ｇ　、　−−−Ｘ　、　　　　　　　・・・・・・（４
）ｆ。

なる関係がある。

従って、（４）式から半導体レーザ１がレンズ系９の光
軸ＯＡＸに対して距離Ｘ、たけずれて取り付けられると
、光ファイバ２を光軸ＯＡＸから距離−ｆ、ｘ／ｆ、だ
けずらせて取付ければ良いことが分かる。実際上、光フ
ァイバ２を光軸ＯＡＸの垂直方向及び平行方向に微調整
して取り付けることは可能であり、従って位置ずれによ
る結合損失の低下を防ぐことができる。

これに対して、（３）式から半導体レーザ１がレンズ系
９の光軸ＯＡＸに対して角度φ１だけずれて取り付けら
れた場合には、光ファイバ２を光軸ＯＡＸに対して−ｆ
、　φ、／ｆ！＋ｄｘ、／ｆＩ　　ｆｔなる角度を有す
るように取り付ければ良いことが理論上分かる。しかも
、さらに、（３）式から両レンズ６及び７を距Ｍｄが０
になるように取り付けると、光ファイバ２を−ｒｌ　φ
ｌ／　ｆ　ｚなる僅かな角度を有するように取り付けれ
ば良いことが理論上分かる。

しかしながら、一般に結合装置は光ファイバ２を光軸Ｏ
ＡＸの垂直方向及び平行方向にずらせて取付けることは
容易な構造になっているが、光軸ＯＡＸに対して角度を
ずらせて取付けるには不適当な構造となっている。従っ
て、従来では角度ずれによる結合損失の大きい結合装置
が生ずるおそれがあった。

また、光ファイバ２の光軸ＯＡＸに対する角度を変化さ
せ得るような構造としたとしても、実際上、光ファイバ
２への主光線が所定角度より１　〔度〕ずれるとコア２
ａに入射するビームが一〇、５（ｄＢ）低下するように
問題となる角度ずれが小さく、そのため、角度ずれを適
切に補正できるように光ファイバ２の光軸ＯＡＸに対す
る角度を調整することは非常に困難である。

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、角度ずれ
による結合損失を実用上問題とならない程度にすること
のできる光要素結合装置を提供しようとするものである
。

Ｅ問題点を解決するための手段 かかる問題点を解決するため本発明は発光素子１０から
の光ビームを光要素１７に供給させるように発光素子１
０及び光要素１７を光学的に結合する光要素結合装置に
おいて、発光素子１０からの光ビームの向きを変えて光
要素１７の方向に送出する発光素子１０及び光要素１７
間に介挿された向き調整手段（１５，１６でなる）と、
光要素１７を向きが変えられた光ビームが到来する位置
に位置決めする位置決め手段（１８，１９でなる）とを
設けた。

Ｆ作用 向き調整手段（１５，１６）は発光素子１０から与えら
れる光ビームを光要素１７に入射した場合に良好な結合
効率を得られる向き、例えば、光要素１７の光軸に対し
て平行な方向に変えて送出し、位置決め手段（１８，１
９）は向きが変えられた光ビームを受光できる位置に光
要素１７を位置決め固着する。

その結果、発光素子１０から照射される光ビームの方向
が所定方向からずれるような位置に発光素子１０が取付
けられたとしても良好な結合効率を得ることができる。

Ｇ実施例 以下、図面について本発明の一実施例を詳述する。先ず
、第６図との対応部分に同一符号を付して示す第２図に
ついて、本発明の詳細な説明する。

第２図において、第１のレンズ６の光軸ＯＡＸ、と第２
のレンズ７の光軸ＯＡＸ、とが距１１ｉ１Ｌだけ離間し
て設けられている。

半導体レーザ１が第１のレンズ６の入射側焦平面Ｆｌ上
にあり、半導体レーザ１、すなわち入射側焦平面Ｆｌ上
から光軸ＯＡ　Ｘ　ｈに対して位置ずれＸｌ、角度ずれ
φ１を有するビームが出射され、このビームが第２のレ
ンズ７の入射側照平面Ｆ３上で第１のレンズ６の光軸Ｏ
ＡＸ、に対して位置ずれＸ、い角度ずれφ１．となった
とする。この場合、第１のレンズ６から第２のレンズ７
の入射側熱平面Ｆ３までの距離を第１のレンズ６の焦点
距離ｆ１より距離ｄだけ大きいとすると、光線行列Ｂは と表すことができ、従って、位置ずれｘＩ、角度ずれφ
１に対する位置ずれＸＩ６角度ずれφ、６の関係は ・・・・・・（６） と表すことができる。故に、 φ、。−Ｘ＋／ｆ＋　　　　　　　　　・・・・・・（
７）１３ｈ＝　　ｆｌ　　φ、　　＋ｃｌ　ＸＩ　／　
ｆ　ｌ−−（８）なる関係がある。

第２のレンズ７の入射側照平面Ｆ３上のビームの位置ず
れ、角度ずれを第２のレンズ７の光軸。

ＡＸ、に対してみると、第１のレンズ６の光軸ＯＡＸ、
と第２のレンズ７の光軸ＯＡＸ、が距離りだけ離間して
いるので、その位置ずれＸ２ｆｆ、角度ずれφ３７は φ３フ＝　φ３島−ｘ、／ｆ、　　　　　　　　　　・
・・・・・　（９）Ｘ３？りＣＩ＆＋Ｌ ＝−ｆ、　　φ、＋ｄｘ、／ｆ、＋Ｌ ・・・・・・（１０） と表すことができる。

また、第２のレンズ７の入射側熱平面Ｆ３を位置ずれＸ
３’？、角度ずれφ３．をもって通過したビームが第２
のレンズ７を経て第２のレンズ７の出射側照平面Ｆ２に
位置ずれｘｔ、角度ずれφ２をもって到達するとする。

この場合、光線行列ＣがであるのでＣｒｔは第２のレン
ズ７の焦点路Ｍ）、位置ずれｘ！、角度ずれφ２と位置
ずれＸ３？、角度ずれφ、７との間には ・・・・・・（１２） なる関係がある。従って、 φｚ　＝　Ｘ　３？／　ｆ　ｔ　　　　　　　　−・・
・（１３）ｘｔ　＝−φ３４　ｆ　ｔ　　　　　　　　
　−−（１４）と表すことができる。

これら（１３）、（１４）式に上述の（９）、（１０）
式を代入することにより、半導体レーザ１から照射され
るビームの第１のレンズ６の光軸ＯＡＸ、に対して位置
ずれｘｌ、角度ずれφ、と、光ファイバ２の端部を位置
させる第２のレンズ７の出射側照平面Ｆ２上の位置ずれ
ＸＺ、角度ずれφ２との間に φ２＝ニー（−【１　φ＋　　＋　ｄ　Ｘ　１　／　ｆ
　＋ｆ。

＋Ｌ）　　　　　　　　・・・・・・　（１５）Ｘｚ　
　＝　　　ｆ　ｔ　　ｘｔ　　／　ｆ　Ｉ・＝−（１６
）なる関係がある。

このうち（１６）式からは半導体レーザ１が第１のレン
ズ６の光軸ＯＡ　Ｘ　ｈに対して距Ｍｘ、たけ離れて取
り付けられた場合には、光ファイバ２を第２のレンズ７
の光軸ＯＡＸ？に対して所定距離（例えば、　ｒｚＸ＋
／ｆ＋）だけ離して取り付ければ良いことが分かる。実
際上、光ファイバ２を光軸ＯＡＸ？の垂直方向に微調整
させることは容易であり、はぼ最適位置に取り付けるこ
とができる。

これに対して、（１５）式からは角度ずれφ２をなくす
（φ８＝０）ためには各レンズ６．７の光軸ＯＡ　Ｘｉ
　、ＯＡ　Ｘ７間距離りをＬ＝ｆ、　φｔ−ｄＪ／ｆ＋
　　　・−・−・・Ｃ１１）に選定すれば良いことが分
かる。従って、半導体レーザ１が第１のレンズ６の光軸
ＯＡ　Ｘ　ｂに対して位置ずれｘＩ、角度ずれφ１をも
って取り付けられた場合、第２のレンズ７の光軸ＯＡＸ
？と第１のレンズ６の光軸ＯＡ　Ｘ　ｈとの距離りが（
１７）式を満たすように第２のレンズ７の位置を光軸０
ＡＸｂ、ＯＡＸ、の垂直方向にずらせることにより角度
ずれをなくすことができる。すなわち、この場合、第２
のレンズ７は単一光ファイバ２の端面にビームを集束さ
せるための手段として機能するだけでなく、ビームの向
きを所定方向に変える向き調整手段として機能する。

このようにして第２のレンズ７を位置決めすると、第１
のレンズ６を通ったビームＢＭは第１図に示すように第
２のレンズ７の入射側焦点Ｆ７１を通って第２のレンズ
７に入射し、かくして、第２のレンズ７から光軸ｏＡｘ
ｔに平行に出射される。

そこで、このように第２のレンズ７を調整してビームＢ
Ｍを光軸ＯＡＸ？に平行にさせた後光ファイバ２を光軸
ＯＡ　Ｘ　？、の垂直方向に微調整することにより光フ
ァイバ２に角度ずれのないビームＢＭを供給できる。

仮に、光軸間距離をＬからＬ＋ΔＬに変化させた場合、
角度ずれがφからφ＋Δφに変化したとすると、（１５
）式は φ＋Δ＄＝ｌ／ｆｚ　　（ｆｔ　　ｄ＋　＋ｄｘ、／ｒ
＋十Ｌ＋ΔＬ） ・し・・・・（１５ａ） と表すことができ、従って、第２のレンズ７をΔＬだけ
動かすと、次式 ％式％（１８） に従う角度Δφだけ角度ずれが変化する。従って、例え
ば、第２のレンズ７に焦点距離カ月、４（ｎ＋ｍ）のレ
ンズを用い、第２のレンズ７を１　〔μｍ〕のステップ
で移動する微動ステージに取り付けた場合には、（１６
）式より１　〔μｍ〕のステップごとに０．０４（度）
ずつ角度を変化させることができ、十分な分解能で角度
調整を行うことができる。

以上のように、第１図及び第２図の原理から両レンズ６
．７の光軸間距離りを（１７）式を満足するように選定
すれば、角度ずれのないビームを光ファイバ２に供給で
き、結合損失を実用上問題とならない程度に抑えること
ができることが分かる。

因に、複数のレンズで光学系を構成する場合、各レンズ
の光軸を一致させるように、すなわち、Ｌ＝０になるよ
うにレンズの位置を調整することが行われるが、本発明
は逆に、意図的に光軸をずらせるように調整することを
原理とする。

本発明の装置と従来装置との間において結合効率に大き
な違いがあることは第３図の実験結果から明らかである
。実験は第１のレンズ６として直径３　（＋＋ｖ＋）の
球レンズを、また第２のレンズ７としてピッチ０．１５
の日本板硝子株式会社製のセルフォックレンズを用い、
両レンズ間距離を５　〔−膳〕として非共焦点状態（両
レンズの焦点が一致しない状態）になるように両レンズ
６．７を配置して行った。

そして、半導体レーザ１、第１のレンズ６、第２のレン
ズ７の光軸を全て一致させた状態から半導体レーザ１を
５０〔μｍ〕ステップで第１のレンズ６の光軸からずら
せたときに、従来装置では光ファイバ２を動かして合わ
せ込んで、また、本発明装置では第２のレンズ７を光軸
垂直方向にずらせてビーム方向を変えたのち光ファイバ
２を合わせ込んで結合効率を測定した。

従来装置によると、曲線Ｃ２に示すように半導体レーザ
１の位置ずれが大きくなるのにしたがって、結合効率が
大きく低下して行く、これに対して、本発明の装置によ
れば、第２のレンズ７を移動させて角度ずれを抑えたの
ち、光ファイバ２を合わせ込んでいるので、第３図の曲
線Ｃ１に示すように、半導体レーザ１の位置ずれが大き
くなっても結合効率はほとんど低下しない。

次に、本発明の一実施例の結合装置の組立を第４図につ
いて説明する。第４図において、半導体レーザチップ１
０を、レーザチップバーケージステム１１の突起１１Ａ
の先端部にマウントして固着し、電極１２に接続して給
電し得るようにする。

−底面に蓋部を有する筒形状の球レンズ保持部材１３は
その有蓋部で第１のレンズとしての球レンズ１４を保持
しており、その無蓋側の端縁１３Ａ及び１３Ｂをステム
１１に当接させて、レーザチップ１０及び球レンズ１４
間距離を所定値（焦点距離）に規制し、その後、レンズ
１４の光軸方向に球レンズ保持部材１３をレーザチップ
１０とレーザチップ１４との光軸が一致するように移動
させ、その端縁１３Ａ及び１３Ｂをステム１１に溶接し
てステム１１に固着する。

第２のレンズとしてのセルフォックレンズ１５を一底面
に蓋部を有する筒形状を有するセルフォックレンズ保持
部材１６の有蓋部に設けられた貫通孔１６Ｃに挿入し、
所定位置に固着する。セルフォックレンズ保持部材１６
は球レンズ保持部材１３を完全に包囲し得る容積を有し
、このセルフォックレンズ保持部材１６を球レンズ保持
部材１３を包囲させると共にその無蓋側端縁１６Ａ及び
１６Ｂをステム１１に当接してレンズ間距離を所定値に
規制する。その後、当接させた状態で、保持部材１６を
セルフォックレンズ１５の光軸垂直方向に移動させ、セ
ルフォックレンズ１５を通過したビームが光ファイバ１
７の中心軸と平行になるようになった位置でセルフォッ
クレンズ保持部材１６を接着剤でステム１１に固着する
。

光ファイバ１７はフランジ１８Ａを有する柱体１８に設
けられた貫通孔に挿入され、光ファイバ１０の端部が柱
体１８の非フランジ側端部とほぼ一致するように予め固
着される。このような柱体１８を筒体１９の内周面に接
するように筒体１９に挿入し、筒体１９の一端面がセル
フォックレンズ保持部材１６の底面と当接させた状態で
、セルフォックレンズ１５と柱体１８の端面１ＢＢとの
距離がセルフォックレンズ１５の焦点距離に一致するよ
う柱体１８を進退動させ、一致した所で柱体１８を筒体
１９に固着する。

次いで、筒体１９を光ファイバ１７の中心軸に対する垂
直方向に移動させ、セルフォックレンズ１５から出射さ
れたビームを光ファイバ１７のコアに到達するような位
置になったとき筒体１９をセルフォックレンズ保持部材
１６に固着する。

なお、第４図において、２０は光ファイバ１７を保護す
るために被覆されたコード部材であり、２１はこの結合
装置近くのコード部材２０を保持するコード保持部材で
あり、コード保持部材２１を柱体１８のフランジ側端面
に固着して光ファイバ１７の移動を容易にしている。

第４図について説明したように位置決めされて形成され
た結合装置は第１図に示す位置関係を満足し、かくして
、結合効率の非常によい結合装置を得ることができる。

なお、上述において、第２図は原理を説明するため、各
レンズ６及び７の光軸、光ファイバ２の中心軸が平行な
関係で取り付けられたことを前提として説明したもので
あるが、実際上、これらが平行な関係で取り付けること
は稀である。しかし、これら光軸及び中心軸が一致しな
くとも、第２のレンズ７をその光軸ＯＡ　Ｘ　ｙの垂直
方向に移動することによって第２のレンズ７から出射さ
れたビームの角度を可変させることができるので、ビー
ム方向を光ファイバ２の中心軸に平行にすることができ
る。従って、第２のレンズ７を動かすことにより光軸、
中心軸が平行関係を満たさない場合でも良好な結合効率
を得ることができる。

また、上述の実施例ではビームを光ファイバ２に供給す
る結合装置について説明したが、本発明はこれに限らず
、微妙な角度調節を必要とする光要素にビームを供給す
る結合装置に適用することができ、上述の場合と同様の
効果を得ることがでする。

さらにまた、第２図について説明したように、原理上は
第１のレンズ６及び第２のレンズ７の光軸間距離りを（
１７）式を満足するように選定すれば良いので、上述の
ように第２のレンズ７を移動してこの条件を満たすよう
にする他、第１のレンズ６を移動してこの条件を満たす
ようにしても良い。

Ｈ発明の効果 以上のように本発明によれば、発光素子から照射された
光ビームの方向を向き調整手段を介して変えて光要素に
供給するようにしたので、光要素に到達する光ビームの
方向を最適な方向にすることができ、良好な結合効率を
示す光要素結合装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による光要素結合装置における光ビーム
の経路を示す路線図、第２図は本発明による光要素結合
装置の原理の説明に供する路線図、第３図は本発明によ
る光要素結合装置の効果と従来装置の効果とを比較して
示す路線図、第４図は本発明の一実施例を示す路線的断
面図、第５図は従来装置による結合方法を示す路線図、
第６図は従来装置の原理の説明に供する路線図である。 １．１０・・・・・・半導体レーザ、２．１７・・・・
・・光ファイバ、６．１４・・・・・・第１のレンズ、
７．１５・・・・・・第２のレンズ。 ：　　２ ツ 本発明０紹（Ｌ装置によ５ビーム経た 祭　１　図 本＋日月’／）屓！ｔＥ１月７ｆｌ／）Ｔｎ−１８蔓　
２　図 手薄イトレープのＵ丁ｔ【６トさ杉１丸某　３　図 Ｋｌ）ＨＭｕａｎＭ／）　Ｆ！ＩＰ＃ｍ羊６　囚 従来笑工 蔓　５　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 発光素子からの光ビームを光要素に供給させるように上
   記発光素子及び上記光要素を光学的に結合する光要素結
   合装置において、 上記発光素子からの光ビームの向きを変えて上記光要素
   の方向に送出する上記発光素子及び上記光要素間に介挿
   された向き調整手段と、 上記光要素を、向きが変えられた光ビームが到来する位
   置に位置決めする位置決め手段と を具えたことを特徴とする光要素結合装置。