JPH0361927B2

JPH0361927B2 -

Info

Publication number: JPH0361927B2
Application number: JP58040544A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Tachikawa; Masatoshi Saruwatari
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1983-03-14
Filing date: 1983-03-14
Publication date: 1991-09-24
Also published as: JPS59166906A

Description

【発明の詳細な説明】（技術分野）本発明は、半導体レーザと光フアイバとを球レ
ンズを用いて安定に結合された半導体レーザ結合
装置に関するものである。

（従来技術）光フアイバ通信方式においては、半導体レーザ
の光を効率良く光フアイバへ結合させる半導体レ
ーザ結合装置を開発する必要がある。特に、かか
る装置の加入者系等への導入を考えると、製造工
程の簡略化ならびに低コスト化を図つたLD結合
装置を開発する必要がある。

従来のこの種の装置においては、半導体レー
ザ、例えばレーザダイオード（以下、LDとも略
記）と光フアイバとを結合するにあたつて、光フ
アイバのコア径が50μｍ以下と小さいので、微動
台等を使用して微細な位置合わせを行うことが必
要であり、しかも位置合わせが完了してから、各
部品を接着剤等で固定しなければならず、組立時
間が長くかかり、製造性や歩留り等が上らず、低
コスト化が難しかつた。

この種の従来装置を第１図、第２図および第３
図に示す。

第１図に示すLD結合装置では、LD、すなわち
レーザチツプ１をLDパツケージステム２の突起
２Ａ上に固着し、電極３からレーザチツプ１への
給電を行う。突起２Ａには球レンズ保持部材４を
固着し、この保持部材４上の所定位置に球レンズ
５を調整してから固着する。レーザチツプ１およ
び球レンズ５を覆うようにして、ガラス窓付きキ
ヤツプ６をステム２に被せ、その端縁６Ａおよび
６Ｂを溶接によりステム２に固着し、以てキヤツ
プ６内を気密に封止する。７はキヤツプ６にあけ
た窓６Ｃに固着した気密封止用窓ガラスである。

更に、キヤツプ６を覆うようにしてセルフオツ
クレンズ保持部材８をキヤツプ６に被せる。保持
部材８は、窓６Ｃと対向して貫通する孔８Ｃを有
し、この孔８Ｃにセルフオツクレンズ９を挿入し
て接着剤により固着する。保持部材８の端部８Ａ
および８Ｂは、球レンズ５とセルフオツクレンズ
９の光軸が合うように、パツケージステム２を保
持部材８に対して調整して後、接着剤によりステ
ム２に固定する。

フエルール１０をフエルール支持部材１１の貫
通孔１１Ａに固着する。フエルール１０には、光
フアイバのフアイバコード１２を除去したフアイ
バ被覆１３を装着する。このフアイバ被覆１３の
先端を除去して光フアイバ素線１４を露出させ
る。この光フアイバ１４の先端をセルフオツクレ
ンズ９と対向させて、両者の光軸およびセルフオ
ツクレンズ９からの出射光の集束位置に光フアイ
バ１４の端面がくるようにフエルール支持部材１
１をセルフオツクレンズ支持部材８に対して調整
してから、両部材８と１１とを接着剤で固着す
る。１５は光フアイバ支持部材である。

本例は、球レンズ５をパツケージステム２内に
実装してLD１からのレーザ光を平行ビームで取
出し、それを第２レンズとしてのセルフオツクレ
ンズ９で光フアイバ１４に絞り込むようにした単
一モード光フアイバ用に開発されたLD結合装置
である。

このLD結合装置の組立にあたつては、まず、
球レンズ５をパツケージステム２の所定の位置に
調整固定し、次にそのLDパツケージステム２と
第２レンズのセルフオツクレンズ９を取付けた保
持部材８およびフエルール１０を挿入した支持部
材１１を組み合わせて、微動台により図中に矢印
で示すように各部品のＸ、Ｙ、Ｚ方向の光軸調整
を行つて最適な結合状態を実現してから各部品の
装着固定を行う。

第１図からの明らかなように、この装置は部品
点数が多いため、調整箇所が多く、組立工程の簡
易化が難しい。また、各部品を接着剤で固定する
ため、組立中に光軸ずれが生じ易く、しかも製作
に時間を要する。

第２図は従来の第２例を示し、ここでは、突起
２１Ａにレーザチツプ１を固着したパツケージス
テム２１に第１保持部材２２を溶接して固着す
る。この第１保持部材２２に第２保持部材２３を
インジウム２４を介して気密に取り付ける。第２
保持部材２３はレーザチツプ１と対向する窓２５
を有し、この窓２５に気密封止用窓ガラス２６を
固着する。この窓ガラス２６上に球レンズ５を接
着剤により固着する。窓２５を覆つてフエルール
２７を接着剤により固着する。このフエルール２
７にはフアイバ被覆１３をはぎ取つた光フアイバ
素線１４を挿通する。光フアイバの被覆１３は光
フアイバ支持部材２８にり支持し、この支持部材
２８を第１保持部材２２に固着する。

本例では、窓ガラス２６に張り付けた球レンズ
５の光軸方向位置調整のために、２つの保持部材
２２と２３により球レンズ保持部材を構成する。
そこで、光出力をモニタしながらLDパツケージ
ステム２１と球レンズ保持部材２２および２３と
の相対位置を、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向に最適調整して第
２保持部材２３を第１保持部材２２に取り付け
る。次いで、全体をパツケージステム２１に固着
する。本例ではセルフオツクレンズがないので、
球レンズ５の出力光を光フアイバ１４に入射させ
るための調整が難しく、しかも部品点数および調
整箇所が多く、組立作業の能率や製造上の歩留り
が悪い。さらに、LD１と微小球レンズ５との間
隔が狭いため、実装精度が厳しく、微小球レンズ
５の接触によるLDチツプ１の破損のおそれもあ
る。

第３図は従来の第３例を示し、この例では、レ
ーザチツプ１をLDパツケージステム３１の突起
３１Ａに載置し、このレーザチツプ１には電極３
２より給電を行う。球レンズ５をガラス管による
球レンズ保持部材３３の先端に接着剤により固着
し、この保持部材３３を光フアイバ支持部材３４
にあけた貫通孔３４Ａに挿通し、以て、球レンズ
５がレーザチツプ１と対向するように、光フアイ
バ支持部材３４をステム３１に対して矢印のよう
に調整してから、両者を接着剤により固着する。
球レンズ保持部材３３としてのガラス管には光フ
アイバ１４を挿入し、光フアイバ１４を保持部材
３３に対して矢印のように調整して、球レンズ５
からの出力光が光フアイバ１４の対向端面上に合
焦するようにする。

ここでは、微小球レンズ５と光フアイバ１４と
を、ガラス管による保持部材３３で一体化して構
成し、球レンズ５をガラス管３の内径よりやや大
きく定めることによつて、両者の光軸を自動的に
一致させた状態で固定することができる。しか
し、球レンズ５はLDチツプ１の端面に近いので、
実装精度が厳しい。また、球レンズ５と保持部材
３３、およびステム３１と支持部材３４の各固着
にあたり、接着剤を使用しているので、LDチツ
プ１は完全に気密に封止されていない。加えて、
光フアイバ１４のガイドとしても機能する球レン
ズ保持部材３３が長くなるので、フアイバ支持部
材３４の部分が大形になるなどの欠点があつた。

（目的）そこで、本発明の目的は、これら上述の欠点を
除去するために、気密封止用窓を兼ねた比較的外
形寸法の大きな球レンズを使用して、部品点数と
調整箇所の削減および製造時間の短縮化ならびに
装置の低コスト化を図つた半導体レーザ結合装置
を提供することにある。

（発明の構成）かかる目的を達成するために、本発明では、半
導体レーザ素子を配置したパツケージステムを有
し、該パツケージステムには前記半導体レーザ素
子を覆うようにして円筒形キヤツプの形態のレン
ズ保持部材を固着し、それにより前記半導体レー
ザ素子を前記レンズ保持部材内に気密封止し、前
記レンズ保持部材の上面の中心には孔をあけ、該
孔には、球レンズを着座させて固着し、前記球レ
ンズを、その光軸が前記半導体レーザ素子からの
レーザ光の光軸と合致するようになして、前記半
導体レーザ素子に対向させ、光フアイバを装着し
たフエルールをフエルール支持部材に挿着し、前
記光フアイバの端面が前記球レンズと対向するよ
うになして、前記フエルール支持部材を、該フエ
ルール支持部材によつて前記レンズ保持部材を覆
うようにして、前記パツケージステムに取付け、
前記光フアイバの光軸が前記球レンズの光軸と一
致するように前記フエルール支持部材を前記パツ
ケージステムに対して移動調整すると共に、前記
光フアイバの端面に前記球レンズからの出力光が
集束されるように前記フエルールを前記フエルー
ル支持部材に対して移動調整してから、前記フエ
ルール支持部材を前記パツケージステムに固着
し、前記半導体レーザ素子からのレーザ光を前記
球レンズを介して前記光フアイバに導くように構
成する。

ここで、前記球レンズの外周面を帯状にメタラ
イズし、その帯状メタライズ部分を前記レンズ保
持部材の孔に着座させてロウ付けするのが好適で
ある。

また、前記レンズ保持部材を前記パツケージス
テムに溶接により固着することもでりきる。

（実施例）以下に図面を参照して本発明を詳細に説明す
る。

第４図は本発明の１実施例を示し、ここで、４
１はパツケージステム、４１Ａはその突起であ
り、この突起４１Ａ上にレーザチツプ１を載置し
て固着する。４２はステム４１のベースであり、
このベース４２にステム４１を固着する。４３は
レーザチツプ１を覆うようにしてパツケージステ
ム４１に固着した円筒形キヤツプの形態の球レン
ズ保持部材であり、この保持部材４３の中心軸上
にあけた窓４３Ａには結合用球レンズ４４を着座
させて固着し、この球レンズ４４によりレーザチ
ツプ１からのレーザ出力光を受光するようにする
と共に、窓４３Ａを気密封止する。更に、球レン
ズ保持部材４３を覆うようにして、円筒形キヤツ
プの形態のフエルール支持部材４５をベース４２
に固着する。フエルール支持部材４５には円筒状
フエルール４６を貫通させる突出管部４５Ａを設
ける。フエルール４６を支持部材４５の突出管部
４５Ａに接着剤により固着すると共に、このフエ
ルール４６には光フアイバ被覆１３および光フア
イバ素線１４を装着する。

球レンズ４４の直径を大きくすると、一般に結
合効率は劣化するが、球レンズ４４の実装精度は
ゆるくなる。更に詳述すると、球レンズ４４の直
径は、光フアイバ１４への結合効率および球レン
ズ４４の表面からの反射があるときのLDチツプ
１のＣ／Ｎ（キヤリア対ノイズ比）特性の両者を
考え合わせて決めることが必要となる。

第５図はLD１と球レンズ４４との間隔ｄ〔μ
ｍ〕とＣ／Ｎ〔dB〕との関係を、信号周波数
100MHz、周波数帯域幅4MHzおよび変調度0.1の
アナログ信号で変調した光を用い、球レンズ４４
として直径２mmで反射率0.077の球レンズ４４を
用いた場合について示す。このＣ／Ｎ特性より、
間隔ｄとしては500μｍ程度以上が必要となるこ
とがわかる。

第６図は上記間隔ｄ〔μｍ〕と結合効率〔dB〕
との関係を球レンズ４４の直径をパラメータとし
て示すものであり、球レンズ４４の直径がそれぞ
れ1.0、2.0、3.2および4.8〔mm〕のときの測定結果
を×、●、○および△印で示す。なお、間隔ｄを
変えたときに、光フアイバ１４の端面の位置は効
率が最も高くなる位置にずらして測定した。この
結果と第５図の結果とを考慮すると、間隔ｄは
500〜600μｍ程度に設定し、球レンズ４４の直径
は２mm程度に定めるのが好適であることがわか
る。

ここで、直径２mmのサフアイヤ球レンズを例に
とつて実装精度を議論する。この場合、光フアイ
バ１４としてのマルチモード光フアイバ（コア径
50μｍ）との最大結合効率として、約−4dBが得
られた。この値が0.5dB劣化する軸ずれ許容量
は、結合実験によると、光軸垂直方向で±100μ
ｍ、光軸方向で±0.5mmとなつた。また、光フア
イバの固定精度は光軸垂直方向に±10μｍと比較
的厳しく、また光軸方向には±100μｍが得られ
た。実際にLD結合装置を開発するにあたつては、
上記の精度で結合系を容易かつ短時間に製作でき
るような構造となし、かつ各部分を固定すること
が必要になる。

本発明では、かかる要求を満たすべく、上述の
ように構成するが、ここで、結合用球レンズ４４
の外周には、帯状に予めメタライズ加工を施して
おき、円筒状の球レンズ保持部材４３の中心にあ
けた孔４３Ａにロウ付け固定することができる。
この保持部材４３は、通常のLDパツケージのキ
ヤツプと同様な形状、材質で作られ、LDパツケ
ージのステム４１に抵抗溶接でハーメチツクシー
ルできるものである。従つて、保持部材４３に取
り付けたレンズ４４はパツケージ窓の働きとレン
ズの働きを兼ね備えることになる。

ここで、保持部材４３の内径は、パツケージス
テム４１に設けた凸状の段差部４１Ｂの外径と
0.05mm以下のクリアランスではめこまれるように
加工しておき、パツケージステム４１に対する保
持部材４３の偏心を25μｍ以下となして固定でき
る。従つて、球レンズ４４とLD１との光軸垂直
方向の軸ずれは、LDチツプ１のパツケージステ
ム４１に対する偏心と球レンズ４４の保持部材４
３に対する偏心とでほぼ決まる。LDチツプ１の
偏心は、一般に、±100μｍ程度であり、球レンズ
４４の偏心は±60μｍ以下に納まつているので、
保持部材４３をLDパツケージステム４１にはめ
こんで抵抗溶接を行うと、球レンズ４４の軸ずれ
の最悪値は180μｍ程度と見積れる。この値は、
約1dBの結合効率劣化を許容すれば、十分満足で
きる。この偏心をチツプの偏心以下に低減させる
ためには、球レンズ保持部材４３をステム４１に
対して単に回転させるだけでよい。一方、LDチ
ツプ１と球レンズ４４との距離の許容誤差は±
0.5mmと十分に大きいので、パツケージステム４
１や球レンズ保持部材４３の加工精度でほとんど
劣化しない程度に抑えられる。

次に、光フアイバ１４の固定について説明す
る。光フアイバ１４は外径および内径を数μｍ以
内の精度で仕上げたフエルール４６に挿入して接
着剤により固定されている。フエルール支持部材
４５は球レンズ保持部材４３と同様のキヤツプ状
の構造をとつており、フエルール４６の外径と
0.01mm以下のクリアランスを有する挿入孔が管部
４５Ａにより設けてある。フエルール４６の位置
調整にあたつては、フエルール４６を挿入したフ
エルール支持部材４５をベース４２に密着させた
ままその接触面内で矢印で示すように動かすこと
により光軸垂直方向の調整を行い、それと同時に
フエルール４６を保持部材４５の管部４５Ａの中
で摺動させることにより光軸方向の調整をも行つ
て最適結合状態に設定する。しかして、瞬間接着
剤等で支持部材４５をベース４２に仮固定する。
その結果、キヤンシール同様に、支持部材４５を
ステムベース４２に容易に抵抗溶接することがで
きる。その場合の抵抗溶接による軸ずれは、測定
データによると、±10μｍ以内であるので、結合
効率の劣化はほとんど生じないことがわかる。フ
エルール４６は最後に強力接着剤で管部４５Ａに
完全固定する。この構成では、フエルール保持部
材４５のみを位置調整するだけでよいので、製作
工程数が少なく、しかもまた製作時間も極めて短
くてすむ。上述のように支持部材４５をベース４
２に仮固定することにより、両者を所定位置に保
持するための治具を設けなくともすむ利点があ
る。

なお、本発明における固定は、上例に示した抵
抗溶接による固定に限られるものではなく、
YAGレーザ、CO₂レーザを使用した融着固定法、
高周波加熱装置を用いた金属ハンダ固定も用いる
ことができる。また、球レンズ４４の気密性を保
証する手段はロウ付法に限られるものではなく、
ガラス半田やその他の方法を使用してもよい。な
お、本発明では通常のパツケージに使用する気密
用窓の代わりにLDチツプ１との間隔ｄを大きく
とれる球レンズ４４を窓として使用しているの
で、これまでアナログ光伝送用で問題となつた気
密窓からの反射でLD自身の雑音特性が劣化する
こともない。従つて、アナログ伝送用半導体レー
ザ結合装置としても有効である。

（効果）以上説明したように、本発明では、部品点数が
少なく位置調整を必要とする所も１個所に限ら
れ、市販の抵抗溶接機を用いて組立てることが可
能なので、半導体レーザ結合装置を極めて容易に
製作できる。したがつて、製造上の歩留りが向上
し、大幅なコストの低減を期待できるので、光加
入者系や民生用の伝送装置として広く用いる上で
有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は従来装置の３例を示す断面
図、第４図は本発明の１実施例を示す断面図、第
５図はＣ／Ｎ特性の測定結果を示すグラフ、第６
図は結合効率の測定結果を示すグラフである。（第１図）、１……レーザチツプ（LD）、２…
…パツケージステム、２Ａ……突起、３……電
極、４……球レンズ保持部材、５……球レンズ、
６……ガラス窓付きキヤツプ、６Ａ，６Ｂ……キ
ヤツプ端縁、６Ｃ……窓、７……気密封止用窓ガ
ラス、８……セルフオツクレンズ保持部材、８
Ａ，８Ｂ……端縁、８Ｃ……窓、９……セルフオ
ツクレンズ、１０……フエルール、１１……フエ
ルール支持部材、１１Ａ……貫通孔、１２……光
フアイバコード、１３……光フアイバ被覆、１４
……光フアイバ素線、１５……光フアイバ支持部
材、（第２図）、２１……パツケージステム、２１
Ａ……突起、２２……第１保持部材、２３……第
２保持部材、２４……インジウム、２５……窓、
２６……気密封止用窓、２７……フエルール、２
８……光フアイバ支持部材、（第３図）、３１……
パツケージステム、３１Ａ……突起、３２……電
極、３３……球レンズ保持部材、３４……光フア
イバ支持部材、（第４図）、４１……パツケージス
テム、４１Ａ……突起、４１Ｂ……段差部、４２
……ベース、４３……球レンズ保持部材、４３Ａ
……窓、４４……球レンズ、４５……フエルール
支持部材、４６……フエルール。

Claims

【特許請求の範囲】

１半導体レーザ素子を配置したパケージステム
を有し、該パツケージステムには前記半導体レー
ザ素子を覆うようにして前記パツケージステムに
設けた凸状の段差部にはめこまれるように内径を
前記段差部の外径とわずかなクリアランスの寸法
に加工した円筒形キヤツプの形態のレンズ保持部
材を溶接により固着し、それにより前記半導体レ
ーザ素子を前記レンズ保持部材内に気密封止し、
前記レンズ保持部材の上面の中心には孔をあけ、
該孔には外周面を帯状にメタライズした外形寸法
の大きな球レンズを着座させてメタライズ部分を
ロウ付けし、前記球レンズを、その光軸が前記半
導体レーザ素子からのレーザ光の光軸と合致する
ようになして、前記半導体レーザ素子に対向さ
せ、光フアイバを装着したフエルールをフエルー
ル支持部材に挿着し、前記光フアイバの端面が前
記球レンズと対向するようになして、前記フエル
ール支持部材を、該フエルール支持部材によつて
前記レンズ保持部材を覆うようにして、前記パツ
ケージステムに取付け、前記光フアイバの光軸が
前記球レンズの光軸と一致するように前記フエル
ール支持部材を前記パツケージステムに対して移
動調整すると共に、前記光フアイバの端面に前記
球レンズからの出力光が集束されるように前記フ
エルールを前記フエルール支持部材に対して移動
調整してから、前記フエルール支持部材を前記パ
ツケージステムに固着し、前記半導体レーザ素子
からのレーザ光を前記球レンズを介して前記光フ
アイバに導くようにしたことを特徴とする半導体
レーザ結合装置。