JP3665738B2 - レーザダイオードモジュール - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザダイオードから出射されたレーザ光をその光軸と同軸的に配されたシングルモード光ファイバを介して出力させるレーザダイオードモジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザダイオードは、光通信や光センサなどの光源として盛んに用いられているが、ほとんどの場合、このレーザ光を光ファイバに導入して伝播させているので、レーザダイオードと光ファイバとの結合は、光通信システムや光センシングシステムを構築する上で非常に重要である。
【０００３】
しかし、レーザダイオードは回折拡がりにより、縦方向に３０〜６０°、横方向に１０〜３０°とかなり大きなビーム放射角を有し、光スポット形状が楕円状に広がっていく特性を有するので、この楕円光を絞ってシングルモード光ファイバの円形コア内に導入することが困難である。
【０００４】
特に、光通信を行う上で重要な光ファイバアンプの励起光として使用される９８０ｎｍのレーザ光は、そのアスペクト比（楕円度＝長径／短径）が３以上と高い偏平の楕円光スポットとなるので、これを円形コアのシングルモード光ファイバに結合することが難しく、レーザダイオードと光ファイバとの結合が悪い場合には伝送効率が極端に低下してしまう。
【０００５】
このため、レーザダイオードから出射されたアスペクト比の高い光をできるだけ効率良く光ファイバ内に導入するために、集束レンズを用いたり、光ファイバの先端形状を工夫した光ファイバレンズを用いることが試みられている。
【０００６】
図６は、レーザダイオードと光ファイバとの従来の結合方式を示すもので、レーザダイオード４１の光出射面４１ａに対向するシングルモード光ファイバ４２の先端部を楔形テーパ面４３や楕円錐テーパ面に加工した光ファイバレンズ結合方式（図６（ａ））や、レーザダイオード４１の光出射面４１ａ近傍に円柱レンズ４４を置いて円形の光にした後、光ファイバに４２に入射させる単レンズ結合方式（図６（ｂ））が知られている。
【０００７】
これによれば、図６（ａ）に示す光ファイバレンズ結合方式では、レーザダイオードの光出射面から光ファイバまでの距離を５〜１０μｍにし、また、図６（ｂ）に示す単レンズ結合方式では、円柱レンズ４４までの距離を１０μｍ程度にすれば、比較的低損失で結合させることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、市販されているレーザー素子の多くは、レーザ光の出力を安定させるために、キャンタイプのハウジング内にレーザダイオードを気密に封入したタイプが多く、そのレーザダイオードの光出射面からハウジングの封止ガラス表面までに１ｍｍ程度の距離があるため、図６（ａ）に示す光ファイバレンズ結合方式や図６（ｂ）に示す単レンズ結合方式を採用することができないという問題がある。
【０００９】
このため、キャンタイプのレーザ素子から照射されたレーザ光を比較的効率良くシングルモード光ファイバ内に導入する方式として、図６（ｃ）に示すように、球レンズ４５によりレーザ光を平行光線とした後に、この平行光をロッドレンズ４６により集光させて光ファイバ４２内に導入する共焦点複合レンズ結合方式や、図６（ｄ）に示すように直交２軸シリンドリカルレンズ４７を使用して楕円光を円形光に変換して光ファイバ４２内に導入する方式も提案されている。
【００１０】
しかしながら、通常の軸対称のレンズを使用する共焦点複合レンズ結合方式では、アスペクト比が３以上の光を結合損失２.２ｄＢ以下（結合効率６０％以上）で光ファイバに導入することはできない。
また、直交２軸シリンドリカルレンズ４７を使用する方式では、レンズの設計・製造が難しく、高価になり、また、最適な条件で結合させた場合に、他の方式よりは結合効率が優るものの、それでも６０％以上の結合効率を得ることが難しい。
【００１１】
そこで本発明は、光学系の設計・製造が簡単で、製造コストが安価であり、ハウジング内に気密に封入されたレーザダイオードから楕円状に広がって出射されるアスペクト比の高いレーザ光でも円形コアのシングルモード光ファイバに６０％以上の高結合効率で導入することができるようにすることを技術的課題としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために、本発明は、ハウジング内に気密状態に封入されたレーザダイオードから出射された楕円光スポット形状を有するレーザ光を円形コアを有するシングルモード光ファイバを介して出力させるレーザダイオードモジュールにおいて、レーザダイオードのＮＦＰの長径方向及び短径方向をｘ方向及びｙ方向としたときに、前記ハウジングの封止ガラスを透過して出力されるレーザ光の光軸に沿って、レーザダイオードのＮＦＰを２倍以上１０倍以下に拡大する軸対称凸レンズが配され、その結像位置にコア断面を楕円形に形成すると共にコアの長径方向及び短径方向をＮＦＰのｘ方向及びｙ方向に一致させた楕円コアＧＩ型光ファイバの光入射端が配され、その光出射端に前記シングルモード光ファイバが接続されてなり、前記楕円コアＧＩ型光ファイバは、その一端から前記レーザ光と同一波長の円形光スポット形状のシングルモード光を入射させたときに他端から出射される楕円光スポット形状のｘ方向径及びｙ方向径が、前記ＮＦＰの像の長径及び短径と略等しくなる長さに選定されたことを特徴とする。
【００１３】
本発明によれば、レーザダイオードから出射された直後のレーザ光のパターンであるＮＦＰが、アスペクト比３.５の横長楕円であった場合に、軸対称凸レンズを透過して楕円コアＧＩ型光ファイバの入射端面で２〜１０倍に拡大されて結像する。
【００１４】
このとき、拡大倍率が２以上であれば、楕円コアＧＩ型光ファイバに対する入射角は縦方向及び横方向双方とも１１°以下となるので、石英ファイバの開口数ＮＡ＝０.２より定まる入射臨界角より小さい。
したがって、レーザダイオードから出射されたレーザ光のほとんどが楕円コアＧＩ型光ファイバに入射される。
【００１５】
楕円コアＧＩ型光ファイバは、コア断面が楕円形に形成されているので、長径方向及び短径方向となるｘ方向及びｙ方向でコア内を伝播する光線の光スポット径の変化周期及び変化幅が異なり、いずれもｘ方向がｙ方向に比して大きく、その一端から前記レーザ光と同一波長の円形光スポット形状のシングルモード光を入射させたときに他端からは、その長さに応じて楕円形又は円形の光スポット形状の光が出射される。
【００１６】
したがって、楕円コアＧＩ型光ファイバの長さを適当に選ぶことにより、シングルモード光を入射させたときに他端から出射される光の楕円光スポット形状を、ＮＦＰの像の短径及び長径と略等しくすることができる。
【００１７】
このような長さの楕円コアＧＩ型光ファイバを用い、ＮＦＰの実像を入射させると、光は可逆的に進行して楕円光スポット形状の光が円形光スポット形状のシングルモード光となるので、これを高結合効率でシングルモード光ファイバに導入できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて具体的に説明する。
図１は本発明に係るレーザダイオードモジュールの基本構成図、図２はレーザダイオードモジュールの断面図、図３は楕円コアＧＩファイバの断面図、図４は楕円コアＧＩファイバの屈折率分布、図５は楕円コアＧＩファイバを伝播する光スポット径の変化を示すグラフである。
【００１９】
図１及び図２に示すレーザダイオードモジュール１は、レーザダイオード２から出射されたレーザ光をその光軸ｚと同軸的に配されたシングルモード光ファイバ３を介して出力させるものである。
【００２０】
レーザダイオード２の光出射面２out上におけるレーザ光のスポットパターンであるＮＦＰ（ニアフィールドパターン）の長径方向及び短径方向をｘ方向及びｙ方向としたときに、レーザ光の光軸ｚに沿って、前記ＮＦＰを２倍以上１０倍以下に拡大する軸対称凸レンズ４が配され、その結像位置にコア断面を楕円形に形成すると共にコアの長径方向及び短径方向をＮＦＰのｘ方向及びｙ方向に一致させた楕円コアＧＩ型光ファイバ５の光入射端５inが配され、その光出射端５outに前記シングルモード光ファイバ３が接続されている。
【００２１】
レーザダイオード２は、キャンタイプのハウジング６内に気密状態に封入され、そのレーザ光が封止ガラス７を透過して外部に出射されるようになっている。
このハウジング６には、軸対称凸レンズ４を内側に配した筒状のレンズホルダ８がＹＡＧ溶接されている。
さらに、先端に楕円コアＧＩ型光ファイバ５を融着したシングルモード光ファイバ３がフェルール９に挿通されて心出しされ、このフェルール９を挿通固定したスリーブ１０が、前記レンズホルダ８にＹＡＧ溶接されている。
【００２２】
楕円コアＧＩ型光ファイバ５は、図３に示すように、コア断面の楕円比がＮＦＰのアスペクト比と略一致するようにＮＦＰと相似形の横長楕円に形成されている。
また、そのコアの屈折率分布は、図４に示すように、ｘ方向及びｙ方向とも夫々二乗分布形状となり、その屈折率分布の勾配が互いに異なるグレーデッド・インデックス型光ファイバが用いられている。
【００２３】
なお、一般に光ファイバを伝播するシングルモード光は、伝播距離に応じてその光スポット径が周期的に変化するが、楕円コアＧＩ型光ファイバ５を伝播するシングルモード光は、図５に示すように、光スポット径の変化周期及び変化幅ｘ方向とｙ方向で異なり、いずれもｘ方向がｙ方向に比して大きい。
【００２４】
そして、その一端から前記レーザ光と同一波長のシングルモード光を入射させたときに、他端からは楕円コアＧＩ型光ファイバ５の長さに応じて図５に示すグラフで求まる楕円形又は円形の光スポット形状の光が出射される。
したがって、楕円コアＧＩ型光ファイバの長さを適当に選ぶことにより、シングルモード光を入射させたときに他端から出射される光の楕円光スポット形状を、ＮＦＰの像の短径及び長径と略等しくすることができる。
【００２５】
光は可逆的に進行するので、このような長さの楕円コアＧＩ型光ファイバ５を用いて、楕円コアＧＩ型光ファイバ５の光入射端５inにＮＦＰの像を結像させると、光出射端５outからは、円形光スポット形状のシングルモード光となって出力され、これがシングルモード光ファイバ３に導入される。
【００２６】
以上が本発明に係るレーザダイオードモジュール１の一構成例であって、次にその作用について説明する。
レーザダイオード２から出射される波長９８０ｎｍ、ＮＦＰのｘ方向径ω_{x ０}＝２.４３μｍ、ｙ方向径ω_{y ０}＝０.７μｍ、アスペクト比＝３.５のレーザ光を、コア径が６.２μｍのシングルモード光ファイバ３に導入する場合について説明する。
ただし、本明細書において、光スポットの大きさは、光強度が中心の光強度の１／ｅ^２となる範囲をいうものとする。
【００２７】
軸対称凸レンズ４の拡大倍率ｍ＝１０倍、レーザダイオード２の光出射面２ａから軸対称凸レンズ４までの距離ｄ_０、軸対称凸レンズ４から結像位置までの距離ｄ_１とすると、
ｄ_１＝ｍｄ_０
が成り立ち、距離ｄ_０＝２ｍｍだとするとｄ_１＝２０ｍｍになるので、コアＧＩ型光ファイバ５は、軸対称凸レンズ４から光入射端５inまでの距離が２０ｍｍとなる位置に配される。
結像位置におけるＮＦＰの実像の大きさは、拡大倍率１０倍より、ｘ方向半径ω_ｘ＝２４.３μｍ、ｙ方向半径ω_ｙ＝７.０μｍとなる。
【００２８】
一方、楕円コアＧＩ型光ファイバ５に、波長λのシングルモード光を入射させた場合、コア内の伝播に伴いｘ方向半径ａ_ｘ及びｙ方向半径ａ_ｙは、図５に示すように変化する。
このときの変化周期Ｃ、隣り合う極値のスポット半径をω_１、ω_２とすると、ｘ方向及びｙ方向の夫々について、
Ｃ＝２π×ａ／√（２Δ）
ω_１×ω_２＝（λ／ｎ_１π）×ａ／√（２Δ）
ただし、Δ＝（ｎ_１−ｎ_２）／ｎ_２
ａ ：コア半径
ｎ_１：コア中心の屈折率
ｎ_２：クラッドの屈折率
λ ：波長
が成り立つ。
【００２９】
本例において、Δ＝１．０％の楕円コアＧＩ型光ファイバ５に、波長９８０ｎｍ、スポット半径ω_ｘ１＝ω_ｙ１＝３.１０μｍのシングルモード光を入射させて、ｘ方向半径ω_ｘ２＝２４.３μｍ、ｙ方向半径ω_ｙ２＝７.０μｍの楕円光スポットを出力させる場合のコア半径ａ_ｘ及びａ_ｙ及び長さＬを求めると、上式より、
ａ_ｘ＝４９.６μｍ
ａ_ｙ＝１４．３μｍ
Ｌ＝５５０.９μｍ
となる。
【００３０】
したがって、コアのｘ方向径が９９.２μｍ、ｙ方向径が２８.６μｍ、長さが５５０.９μｍの楕円コアＧＩ型光ファイバ５をシングルモード光ファイバ３の先端に融着させて、この楕円コアＧＩ型光ファイバ５の光入射端５inに、ＮＦＰの実像のレーザ光を入射させれば、光は可逆的に伝播し、その光出射端から９８０ｎｍのシングルモード光が出射され、コア径６.２μｍのシングルモード光ファイバ３に導入される。
【００３１】
なお、レーザダイオード２から出射されたレーザ光がｙ方向に放射角３０°で広がった場合、レンズ４の位置においてｙ方向半径は約２．３ｍｍとなる。結像位置はレンズ４から２０ｍｍ離れているので、集光角は約６.５°となり石英ファイバの開口数ＮＡ＝０.２で定まる臨界入射角１１°より小さい。
また、ｘ方向の放射角はｙ方向より小さいので、集光角も当然６.５°以下になり、これも臨界入射角１１°より小さい。
【００３２】
したがって、レンズを透過した光は、ほとんどが楕円コアＧＩ型光ファイバ５に入射され、結合損失がほとんどない。
このようにして、結合効率８０％と軸対称レンズ系を用いた理論限界６０％を超える結合効率が得られた。
【００３３】
なお、楕円コアＧＩ型光ファイバ５の外形を、シングルモード光ファイバ３の外形に一致させると、相互間の融着をより容易に行うことができる。
【００３４】
また、軸対称凸レンズ４の拡大率を１０倍より大きくすると、軸対称凸レンズ４から楕円コアＧＩ型光ファイバ５の光入射端５inまでの距離が、実用的に２０ｍｍを超え、モジュールが大きく高価になる。しかも、楕円コアＧＩ型光ファイバ５の許容傾き角は結合損失１ｄＢの範囲で±０.３°と狭くなり、組立時の歩留まりが悪い。
【００３５】
一方、軸対称凸レンズ４の拡大率を２倍未満にし、レーザダイオード２から出射されたレーザ光の９０％を受けることのできる直径のレンズを使用すると、集光角が大きくなるため、ＮＡ＝０.２の楕円コアＧＩ型光ファイバ５に光を取り込めなくなる場合を生じる。
しかも、楕円コアＧＩ型光ファイバ５の直角方向の位置ずれの許容差は結合損失１ｄＢの範囲で±０.７μｍと狭くなり、組立時の歩留まりが悪い。
したがって、レンズ倍率は２〜１０倍が限界であり、望ましくは３〜５倍である。
【００３６】
なお、上述の説明では、軸対称凸レンズ４が、ハウジング６の外部に配される場合について説明したが、ハウジング６内に配される場合や、ハウジング６の封止ガラス７が軸対称凸レンズ４で形成される場合であってもよい。
【００３７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、ハウジング内に気密に封入されたレーザダイオードのように、レーザダイオードからレンズまでの距離を離さなければならない場合でっても、楕円光スポット形状で照射されるレーザ光のほとんどを円形光スポット形状の光に変換してシングルモード光ファイバ内に極めて高い結合効率で導入することができるという大変優れた効果を奏する。
また、ハウジング内に封入されたレーザダイオードに対して、ハウジング外にレンズ、楕円コアＧＩファイバを先端に結合したシングルモード光ファイバを順次固定して行けば良いので、設計が容易で、製造の手間が軽減され、製造コストを低減することができるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るレーザダイオードモジュールの基本構成図。
【図２】レーザダイオードモジュールの断面図。
【図３】楕円コアＧＩファイバの断面図。
【図４】楕円コアＧＩファイバの屈折率分布。
【図５】楕円コアＧＩファイバを伝播する光スポット径の変化を示すグラフ。
【図６】従来のレーザダイオードモジュールの結合方式を示す説明図。
【図７】アスペクト比と結合損失の関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１………レーザダイオードモジュール
２………レーザダイオード
２out………光出射面
３………シングルモード光ファイバ
ｚ………レーザ光軸
４………軸対称凸レンズ
５………楕円コアＧＩ型光ファイバ
６………ハウジング
７………封止ガラス
８………レンズホルダ
９………フェルール
１０………スリーブ

Claims (3)

1. ハウジング（６）内に気密状態に封入されたレーザダイオード（２）から出射された楕円光スポット形状を有するレーザ光を円形コアを有するシングルモード光ファイバ（３）を介して出力させるレーザダイオードモジュールにおいて、
   レーザダイオード（２）のＮＦＰの長径方向及び短径方向をｘ方向及びｙ方向としたときに、前記ハウジング（６）の封止ガラス（７）を透過して出力されるレーザ光の光軸（ｚ）に沿って、レーザダイオード（２）のＮＦＰを２倍以上１０倍以下に拡大する軸対称凸レンズ（４）が配され、その結像位置にコア断面を楕円形に形成すると共にコアの長径方向及び短径方向をＮＦＰのｘ方向及びｙ方向に一致させた楕円コアＧＩ型光ファイバ（５）の光入射端が配され、その光出射端に前記シングルモード光ファイバ（３）が接続されてなり、
   前記楕円コアＧＩ型光ファイバ（５）は、その一端から前記レーザ光と同一波長の円形光スポット形状のシングルモード光を入射させたときに他端から出射される楕円光スポット形状のｘ方向径及びｙ方向径が、前記ＮＦＰの像の長径及び短径と略等しくなる長さに選定されたことを特徴とするレーザダイオードモジュール。
2. 内側に軸対称凸レンズ（４）を配した筒状のレンズホルダ（８）が前記ハウジング（６）に取り付けられ、先端に前記楕円コアＧＩ型光ファイバ（５）を結合したシングルモード光ファイバ（３）を心出し固定したスリーブ（１０）が前記レンズホルダ（８）に取り付けられて成る請求項１記載のレーザダイオードモジュール。
3. 前記軸対称凸レンズ（４）が、前記ハウジング（６）内に配され、又は、ハウジングの封止ガラス（７）が軸対称凸レンズ（４）で形成されてなる請求項２記載のレーザダイオードモジュール。

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