JPH0368915A - 光アイソレータおよび光アイソレータ内蔵半導体レーザモジュール - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は光アイソレータおよび光アイソレータ内蔵型半
導体レーザモジュールに関し、特に経済的で小型化が可
能であり、かつ温度特性が優れるとともに組立が容易で
、かつ実装性の優れた光アイソレータと光フィンレータ
内蔵型半導体レーザモジュールに関するものである。

〔衾来の技術〕

光ファイバ通信に用いられる半導体レーザは光出力用の
ファイバを備えたモジュールとして供給され、その終端
にコネクタを設けて伝送用のファイバに接続する場合が
多い。この場合、コネクタ部で生ずる反射戻り光は半導
体レーザに再注入され、半導体レーザの動作状態を不安
定化させることが知られている。このことは高速度長距
離伝送を行なう場合には特に大きな障害になる。このた
め、反射戻り光を除去する光アイソレータを内蔵した半
導体レーザモジュールが開発されている。

第３図は、スギーｒ−（Ｔ、Ｓｕｇｉｅ）、サルワタリ
（Ｍ、Ｓａｒｕｗａｔａｒｉ）の両氏により発表された
論文ｒＡｎ　Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　Ｎｏｎｒｅｃ−ｉｐ
ｒｏｃａｌ　Ｃ１ｒｃｕｉｔ　ｆｏｒ　Ｓｅｍ１ｃｏｎ
ｄｕｃｔｏｒ　Ｌａ５ｅｒ−ｔｏ−Ｆｉｂｅｒ　Ｃｏｕ
ｐｌｉｎｇａ　ＹＩＧ　５ｐｈｅｒｅＪ　（ＪＯＵＲＮ
ＡＬ　ＯＦ　ＬＩＧＨＴＷＡＶＥ　ＴＥＣＨＮＯ−ＬＯ
ＧＹ、ＶＯＬ、ＬＴ−１，Ｎｏ、Ｉ、ＭＡＲＣＨ１９８
３）の中で説明されている光アイソレータ内蔵型半導体
レーザモジュールの構造を示したものである。同図にお
いて、半導体レーザ１より放射された光ビームはＹＩＧ
球２１により収束ビームに変換され、さらにレンズ２２
および偏光子２３を経由して光ファイバ２゜に結合する
。ＹＩＧ球２１の周囲に配置されたリング状の磁石１９
により、光軸方向の磁界がＹＩＧ球２１に印加されてお
り、ＹＩＧ球２１を通過するビームの偏光方向はファラ
デー効果により４５度だけ回転する。偏光子２３として
は方解石のプレートが用いられている。

このような構造の半導体レーザモジュールでは、半導体
レーザから出射する光は効率よく光ファイバに結合する
が逆に光ファイバの中を逆方向に戻って来る光は半導体
レーザに戻らず、安定に動作する。その原理について以
下説明する。半導体レーザから出射するビームは一般に
ＴＥ偏光であり、第３図において紙面に垂直な方向に偏
光している。このビームの偏光方向はＹＩＧ球２１によ
って４５度だけ回転したのち偏光子に入射するが、その
ときには常光屈折率のみを感じるので、光ビームは分離
されずにそのまま光ファイバに結合する。逆に光ファイ
バを逆方向に進んで来た光は偏光方向が不定であるから
、偏光子２３によって常光屈折率のみを感じる光と異常
光屈折率を感じる光の二つのビームに分かれる。このう
ち、常光屈折率のみを感じた光は半導体レーザの偏光方
向に対し４５度回転しているが、ＹＩＧ球を通過するさ
いにさらに４５度回転するので半導体レーザに戻ったと
きには合計９０度回転してＴＭ偏光になっており、半導
体レーザの動作に影響を与えない、また、異常光屈折率
を感じた光のビームは横方向にシフトし、半導体レーザ
に戻ったときには発光点からずれたところに戻るので同
じく半導体レーザの動作に影響を与えない、従って、こ
のモジュールは反射戻り光の影響が除去されており、安
定な動作をさせることができる。

第４図は、近間、渡辺、後藤、三浦、峠氏らにより発表
された論文「光アイソレータ内蔵ＤＦＢ−ＬＤモジュー
ル」（昭和６０年度電子通信学会半導体・材料部門全国
大会３０５）の中で説明されている光アイソレータ内蔵
型半導体レーザモジュールの構造を示したものである。

同図において、半導体レーザ１より放射された光ビーム
は第一レンズ１５により平行ビームに変換され、ルチル
プリズム、ＹＩＧ結晶および磁石１９から戊る光アイソ
レータ２５を通過したのち、第二レンズ１４によって収
束されて、光ファイバ２０に結合する。この場合、光ア
イソレータ２５にプリズムが二個用いられているところ
が第３図の場合と異なっている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、一般に半導体レーザは温度が変化すると、発
振しきい値、微分量子効率２発振波長が変化することが
知られている。特に発振波長が変化すると、半導体レー
ザから雑音が発生したり光ファイバの分散が変化したり
して、伝送特性に好ましくない影響を与える。またファ
ラデー回転素子は材料にもよるが温度変化によってファ
ラデー回転角が変化し、反射戻り光に対するアイソレー
ションが劣化することが考えられる。従って、半導体レ
ーザとファラデー回転素子はモジュールに内蔵されたペ
ルチェ素子によって温度制御されることが望ましいが、
前述のモジュールはそれが不可能である。

同時に前述の光アイソレータ内蔵型半導体レーザモジュ
ールは同軸型の形状であり、ＤＩＰ型の形状のモジュー
ルと比較すると、小型化が困難であるのみならず通信機
器に搭載するさいの実装性が悪い。

また、上述した従来の光アイソレータ内蔵型半導体レー
ザモジュールは、いずれもＹＩＧ結晶をファラデー回転
素子として用いているが、その価格は高価である。

また、前述の光アイソレータ内蔵型半導体レーザモジ、
−ルでは光アイソレータやその前後の部分が気密封止さ
れておらず、低温条件下での結露を防止することができ
ｋいので、信頼性が悪い。

また、光アイソレークなしのモジュールと比較すると、
偏光子−検光千間の相対的な回転角を調整しなければな
らない。

これに対して、本発明は経済的で小型化が可能であり、
かつ温度特性が優れるとともに偏光子−検光千間の相対
的な回転角を調整する必要もなく信頼性の優れた光フィ
ンレータおよび光アイソレータ内蔵型半導体レーザモジ
ュールを提供することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の光アイソレータは、ファラデー回転素子と、偏
光子と、検光子と２片面に３本の平行な溝を有する２組
の磁石と、中心軸上に貫通孔を有し、上部が開いた箱状
のホルダとから戒り、２組の磁石をホルダの中心軸をは
さんだ両側の内壁面に密着させ、谷溝を対応させて配置
し、ファラデー回転素子を磁石の中央の溝に挿入し、そ
の両側の溝にそれぞれ偏光子、検光子を差し込み、ファ
ラデー回転素子を偏光子と検光子で挟んだ配置とし、か
つファラデー回転素子、偏光子および検光子が２組の磁
石に両側からはさみ込まれるようにして配置・固定され
ていることを特徴とする構成になっている。

本発明の光アイソレータ内蔵半導体レーザモジュールは
、半導体レーザ、チップキャリア、金属ベース、集光用
レンズ、先端部を金属管により保護された前記光ファイ
バ、前記金属管よりもわずかに大きい内径を有するスラ
イドリング、側壁に光ファイバを通過させる導入孔を有
する前記金属ケースおよび前述の光アイソレータから成
り、前記金属ベースが平坦部と垂直面を有するとともに
前記平坦部から垂直面に連なる貫通孔を有し、金属ケー
ス内に固定され、前記半導体レーザが前記チップキャリ
アを介して前記金属ベースの平坦部にマウントされ、前
記集光用レンズが前記金属ベースの貫通孔の内部に固定
され、光アイソレータが前記金属ベースの前記垂直面に
固定され、前記光ファイバ先端の金属管が前記スライド
リングを介して前記光アイソレータ端面に接合固定され
、かつ、前記導入孔を通過してハンダによって封止され
て戒ることを特徴とする構成になっている。

本発明の光アイソレータは、組立てる場合、磁石をホル
ダに差し込み、次に差し込んだ磁石の溝に各光アイソレ
ータの光学部材を差し込む構造なので簡易であり、信頼
性が高く小型のものが得られる。

また、光アイソレータ内蔵半導体レーザモジュールは、
ファラデー回転素子等の光アイソレータ光学部品を支持
する金属ホルダを、モジュール全体の結合光学系を支持
する構造部材として活用することによって信頼性を向上
させ、小型化を図ることができる。また同時にペルチェ
素子を内蔵することによってアイソレータの温度制御が
できるとともに、結合光学系全体を気密封止することが
できるという特長がある。

〔実施例１〕 第１図（ａ）　、　（ｂ）は本発明の光アイソレータの
一実施例の構造図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）
のＡ−Ａ’における断面図である。同図の光アイソレー
タはファラデー回転素子３１．磁石３２．偏光子３３．
検光子３４．ホルダ３５から構成され、以下に説明する
ような方法で組立てられている。

まず、ファラデー回転素子としては、日比谷（Ｔ、Ｈｉ
ｂｉｙａ）氏らにより発表された論文ｒＧｒａｗｔｈ　
ａｎｄＭａｇｎｅｔｏ−Ｏｐｔｉｃ　Ｐｒｏｐｅｒｔｉ
ｅｓ　ｏｆ　Ｌｉｑｕｉｄ　Ｐｈａｓｅ　Ｅｐｉｔａｘ
ｉａｌＢｉ−３ｕｂｓｔｉｔｕｔｅｄ　Ｇａｒｎｅｔ　
Ｆｉｌｍｓ　ｆｏｒ　０ｐｔｉｃａｌ　ｌ５ｏｌａｔｏ
ｒＪ　（ＮＥＣＲｅｓ、　＆　Ｄｅｖｅｌｏｐ、Ｎｏ、
８０．Ｊａｎｕａｒｙ　１９８６）の中で紹介されてい
るビスマス置換ガーネット厚膜が有用である。

このガーネット厚膜は、量産性に優れ、わずかな磁界で
飽和磁界に達しその回転能も大きいので、経済的でかつ
小型の光アイソレータ内蔵型半導体レーザモジュールを
実現する場合に有利である。

前記磁石３２は、偏光子、ファラデー回転素子、検光子
を保持・固定する３本の溝を有し、溝と周辺部分にメタ
ライズを施され、周辺部分をホルダ３５に対してハンダ
付けされる。ホルダの材料としてはＳＵＳ　３０４等の
非磁性材料を用いる。

偏光子３３．ファラデー回転素子３１と検光子３４は結
晶から正方形のチップ状に切り出される。

この時、偏光子３３は、偏光方向が辺に平行になる様に
、また、検光子３４は偏光方向が対角線に平行になる様
に切り出す（偏光子−検光子の相対角４５°）。偏光子
３３および検光子３４の材料としては、ルチル等の一軸
異方性光学結晶が使用される。正方形のチップ状に切り
出した光アイソレータの各光学部材（偏光子、ファラデ
ー回転素子、検光子）は、周辺部分にメタライズを施し
た後、磁石３２の溝に嵌め込んでハンダ付する。この様
に偏光子と検光子は磁石の溝に収納するだけで、自動的
に相対回転角が４５°になる（セルファライン）ため、
組立工程が簡易であり、また、各部材が正方形など単純
な形状で加工しやすく、経済性に優れているの力、を特
徴である。

〔実施例２〕 第２図（ａ）　、　（ｂ）は実施例１の光アイソレータ
を内蔵した半導体レーザモジュールの一実施例の構造図
で、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。同図にお
いて半導体レーザ１はヒートシンク２およびチップキャ
リア３を介してモニタ用フォトダイオード５とともにベ
ース４の上にマウントされている。ベース４にはレンズ
７が内包されており、ベース４の先端部には実施例１の
光アイソレータ３０が溶接により固定されている。さら
に光アイソレータ３０の先端部には先端をフェルール９
で保護された光ファイバ２０がスライドリング８を介し
て溶接により固定されている。これら一連の構造により
半導体レーザ１からの出力光は光ファイバ２０へ導びか
れる。ベース４はベルチェ素子１０を介してケース１１
の内部にとりつけられ、フェルール９とケース１１はハ
ンダ１２により接続封止されている。サーミスタ６はチ
ップ状のものであり、半導体レーザ１に隣接してチップ
キャリア３の上にマウントされている。

この構造の場合、チップキャリア３がマウントされるベ
ース４からフェルール９に至るまでの支持系は金属部品
を用いて溶接により組立てられており、かつ、ファラデ
ー回転素子、偏光子や検光子がそれら金属部品に直接取
りつけられているので機械的な強度に優れている。云い
換えれば、ファラデー回転素子、偏光子や検光子を支持
するホルダが同時に光フィンレータの前後の光学系を機
械的に連結する構造部材として活用されているため、モ
ジュール内部に組込む場合にも占有空間を節約して小型
化を図ることができる。

またこの場合、光アイソレータがベルチェ素子の上に設
置されたベースに連結されているので、周囲温度の変化
による光アイソレータの特性変動を相等程度補償できる
。

さらにこの構造の光アイソレータ内蔵型半導体レーザモ
ジュールの場合、半導体レーザ１から光ファイバ２０の
端面に至るまでの光学系全体がＤＩ？パッケージ内部に
気密封止されているので、低温条件下での結露の危険は
防止されている。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の光アイソレータは組立て
において、各光アイソレータの光学部品を磁石の溝に差
し込むだけで、光学的相対角度が自動的にセットされ（
セルファライン）、複雑な光学的角度調整が必要ない。

また、ファラデー回転素子、偏光子、検光子および磁石
の加工にあたっては簡単な加工方法で容易に加工するこ
とができるため、加工精度が優れており、経済的にも優
れている。

また、本発明の光アイソレータ内蔵半導体レーザモジュ
ールは信頼性が高く小型化が容易であり、かつ温度補償
が可能になるとともに完全に気密封止を施して結露を防
止することが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）　、　（ｂ）は本発明の光アイソレータの
一構造例を示す構造図、第２図（ａ）　、　（ｂ）は本
発明の光アイソレータ内蔵半導体レーザモジュールの一
構造例を示す構造図、第３図は従来の光アイソレータの
構成を示す図、第４図は従来の光アイソレータ内蔵半導
体レーザモジュールの構造を示す断面図である。 １・・・・・・半導体レーザ、２・・・・・・ヒートシ
ンク、３・・・・・・チップキャリア、４・・・・・・
ベース、５・・・・・・モニタ用フォトダイオード、６
・・団・サーミスタ、７・・・・・・レンズ、８・・・
・・・スライドリング、９・・・・・・フェルール、１
０・・・・・・ペルチェ素子、１１・・・・・・ケース
、１２・・・・・・ハンダ、１４・・・・・・第２レン
ズ、１５・・・・・・第１レンズ、１９・・・・・・磁
石、２ｏ・・・・・・光ファイバ、２１・・・・・・Ｙ
ＩＧ球、２２・・・・・・レンズ、２３・・・・・・偏
光子、３０・・・・・・光アイソレータ、３１・・・・
・・ファラデー回転素子、３２・・・・・・磁石、３３
・・・・・・偏光子、３４・・・・・・検光子、３５・
・・・・・ホルダ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ファラデー回転素子と、偏光子と、検光子と、片
   面に３本の平行な溝を有する２組の磁石と、中心軸上に
   貫通孔を有し、上部が開いた箱状ホルダとから成り、前
   記２組の磁石を前記ホルダの中心軸をはさんだ両側の内
   壁面に密着させ、各溝を対応させて配置し、前記ファラ
   デー回転素子を前記磁石の中央の溝に挿入し、その両側
   の溝にそれぞれ前記偏光子、前記検光子を差し込み、フ
   ァラデー回転素子、偏光子、検光子が前記２組の磁石に
   両側からはさみ込まれるようにして配置・固定されてい
   ることを特徴とする光アイソレータ。
2. （２）半導体レーザ、チップキャリア、金属ベース、集
   光用レンズ、先端部を金属管により保護された光ファイ
   バ、前記金属管よりもわずかに大きい内径を有するスラ
   イドリング、側壁に光ファイバを通過させる導入孔を有
   する前記金属ケースおよび請求項１に記載の光アイソレ
   ータから成り、前記金属ベースが平坦部と垂直面を有す
   るとともに前記平坦部から垂直面に連なる貫通孔を有し
   、前記金属ケース内に固定され、前記半導体レーザが前
   記チップキャリアを介して前記金属ベースの平坦部にマ
   ウントされ、前記集光用レンズが前記金属ベースの貫通
   孔の内部に固定され、前記光アイソレータが前記金属ベ
   ース先端の前記垂直面に固定され、前記光ファイバ先端
   の金属管が前記スライドリングを介して前記光アイソレ
   ータ端面に接合固定され、かつ、前記金属ケースの導入
   孔を貫通してハンダによって封止されて成ることを特徴
   とする光アイソレータ内蔵半導体レーザモジュール。