JPH0544643B2 - - Google Patents
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- JPH0544643B2 JPH0544643B2 JP58169383A JP16938383A JPH0544643B2 JP H0544643 B2 JPH0544643 B2 JP H0544643B2 JP 58169383 A JP58169383 A JP 58169383A JP 16938383 A JP16938383 A JP 16938383A JP H0544643 B2 JPH0544643 B2 JP H0544643B2
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- JP
- Japan
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- lens
- light
- optical fiber
- spot size
- output element
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- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
- G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
- G02B6/4204—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details the coupling comprising intermediate optical elements, e.g. lenses, holograms
- G02B6/4206—Optical features
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
- G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
- G02B6/4202—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details for coupling an active element with fibres without intermediate optical elements, e.g. fibres with plane ends, fibres with shaped ends, bundles
- G02B6/4203—Optical features
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- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は光出射素子からの光を光入射素子へ効
率良く結合させる製作性の良い光結合方法に関す
る。
率良く結合させる製作性の良い光結合方法に関す
る。
半導体レーザから出射された光を単一モード光
フアイバへ効率良く結合させる結合法として二つ
のレンズを用いて結合する(a)従来の共集点複合レ
ンズ系、三つのレンズを用いて結合する(b)第２レ
ンズ分割型共焦点複合レンズ系がある。第１図お
よび後述する第４図にそれぞれ結合系を示す。
フアイバへ効率良く結合させる結合法として二つ
のレンズを用いて結合する(a)従来の共集点複合レ
ンズ系、三つのレンズを用いて結合する(b)第２レ
ンズ分割型共焦点複合レンズ系がある。第１図お
よび後述する第４図にそれぞれ結合系を示す。
第１図Ａは前記(a)の方法を示し、半導体レーザ
１と単一モード光フアイバ２との間の焦点距離の
異なる二つのレンズ４，５を配して半導体レーザ
１からの光フアイバ２のコア３の入射端面に入射
させている。また光フアイバ２の入射端面６に光
フアイバのコア３と屈折率の近いガラス板７を貼
ることにより入射端面６からの反射光を減少して
いる。
１と単一モード光フアイバ２との間の焦点距離の
異なる二つのレンズ４，５を配して半導体レーザ
１からの光フアイバ２のコア３の入射端面に入射
させている。また光フアイバ２の入射端面６に光
フアイバのコア３と屈折率の近いガラス板７を貼
ることにより入射端面６からの反射光を減少して
いる。
第１図Ｂは第１図Ａにおけるレンズ系の原理説
明図である。図中８は半導体レーザの発光面、６
は単一モード光フアイバの入射端面をそれぞれ示
す。第１レンズ４は半導体レーザの発光面８から
ほぼ第１レンズ４の焦点距離f1だけ離れており、
第２レンズ５（焦点距離f2）と第１レンズ４との
距離は両者の焦点距離の和（f1＋f2）であり、光
フアイバの入射面の位置６は第２レンズ５とf2だ
け離れている。
明図である。図中８は半導体レーザの発光面、６
は単一モード光フアイバの入射端面をそれぞれ示
す。第１レンズ４は半導体レーザの発光面８から
ほぼ第１レンズ４の焦点距離f1だけ離れており、
第２レンズ５（焦点距離f2）と第１レンズ４との
距離は両者の焦点距離の和（f1＋f2）であり、光
フアイバの入射面の位置６は第２レンズ５とf2だ
け離れている。
このようなレンズ系をとると、半導体レーザの
発光直径2w0はレンズ系の焦点距離の比（f2／f1）
だけ拡大され、光フアイバの入射面の位置６に
2w2＝2w0×（f2／f1）の直径を有する光ビームの
像を結ぶ。そこで光フアイバの導波光ビームの直
径を2wfとするときwfとw2がほぼ等しくなるよう
にf2／f1を選べばよいことになる。
発光直径2w0はレンズ系の焦点距離の比（f2／f1）
だけ拡大され、光フアイバの入射面の位置６に
2w2＝2w0×（f2／f1）の直径を有する光ビームの
像を結ぶ。そこで光フアイバの導波光ビームの直
径を2wfとするときwfとw2がほぼ等しくなるよう
にf2／f1を選べばよいことになる。
次に従来の共焦点複合レンズ系の軸ずれ特性に
ついて説明する。半導体レーザモジユールを製作
するには、まず第１レンズ４を位置合わせし、次
に第２レンズ５を合わせ、これらのレンズ系によ
るビーム変換でフアイバとマツチングさせるの
で、第１レンズ４と第２レンズ５にどのようなレ
ンズ系を使用しても、光フアイバの固定精度は単
一モード光フアイバ同士の接続特性と同等にな
る。
ついて説明する。半導体レーザモジユールを製作
するには、まず第１レンズ４を位置合わせし、次
に第２レンズ５を合わせ、これらのレンズ系によ
るビーム変換でフアイバとマツチングさせるの
で、第１レンズ４と第２レンズ５にどのようなレ
ンズ系を使用しても、光フアイバの固定精度は単
一モード光フアイバ同士の接続特性と同等にな
る。
第２図には、スポツトサイズw0が1μｍの半導
体レーザと、導波光ビームのスポツトサイズwf
が5.5μｍの単一モード光フアイバを用いた場合に
ついて、横軸に光フアイバ２の光軸に垂直な方向
のずれ量ｘをとり、縦軸に結合効率ηをとつた図
を示す。第２図からわかるように、光フアイバ２
が光軸に垂直に約±2.5μｍ動けば1dBの結合損失
増加が生じ、光軸に垂直な方向の許容軸ずれ量は
小さく、厳しい固定精度が要求されることがわか
る。
体レーザと、導波光ビームのスポツトサイズwf
が5.5μｍの単一モード光フアイバを用いた場合に
ついて、横軸に光フアイバ２の光軸に垂直な方向
のずれ量ｘをとり、縦軸に結合効率ηをとつた図
を示す。第２図からわかるように、光フアイバ２
が光軸に垂直に約±2.5μｍ動けば1dBの結合損失
増加が生じ、光軸に垂直な方向の許容軸ずれ量は
小さく、厳しい固定精度が要求されることがわか
る。
また第３図には光フアイバ２の光軸方向におけ
る軸ずれ量ｚを横軸に、結合損失ηを縦軸にとつ
た図を示す。約60μｍ光軸方向のずれにより1dB
の劣化が生じる。
る軸ずれ量ｚを横軸に、結合損失ηを縦軸にとつ
た図を示す。約60μｍ光軸方向のずれにより1dB
の劣化が生じる。
ところでスポツトサイズの等しい二つのガウス
ビームの結合特性は η（ｘ、θ）＝exp（−x2／w2−π2w2／λ2θ2） (1) で表わされる（参考文献M.Saruwatari and K.
Nawata、：Semiconductor fiber coupler：
Appl.Optics.vol.18.No.11.PP.1847〜1856、1979）。
ここでｘは光軸に垂直な方向の軸ずれ、θは二つ
のビームの角度ずれ、ｗはガウスビームのスポツ
トサイズ、λは半導体レーザの発振波長である。
また、例えば第１図に示す従来例のモジユール組
立て時において、角度ずれθは、半導体レーザ１
の光軸に垂直な方向に第１レンズ４の光軸が相対
的にずれた場合、または第１レンズ４から出射す
るビームに対して一体化した第２レンズ５と光フ
アイバ２とを設定する際にその一体化した第２レ
ンズ５と光フアイバ２との光軸がずれる場合に生
ずる。この式によりｗを大きくするとｘの許容軸
ずれ量は大きくなるが、許容角度ずれ量は小さく
なることがわかる。現在使用されている単一モー
ド光フアイバの場合には1dB劣化のｘ、θの値は
それぞれ約±2.5μｍ、約±2.2度となる。モジユ
ール作製の際、通常、角度ずれは0.5度を越える
ことのないように設定が可能であるので、単一モ
ード光フアイバのスポツトサイズを数倍大きくし
ても、角度ずれに起因する結合効率の劣化を小さ
く抑えることができ、かつ単一モード光フアイバ
の光軸に垂直な方向における許容軸ずれ量がかな
り大きくなることがわかる。
ビームの結合特性は η（ｘ、θ）＝exp（−x2／w2−π2w2／λ2θ2） (1) で表わされる（参考文献M.Saruwatari and K.
Nawata、：Semiconductor fiber coupler：
Appl.Optics.vol.18.No.11.PP.1847〜1856、1979）。
ここでｘは光軸に垂直な方向の軸ずれ、θは二つ
のビームの角度ずれ、ｗはガウスビームのスポツ
トサイズ、λは半導体レーザの発振波長である。
また、例えば第１図に示す従来例のモジユール組
立て時において、角度ずれθは、半導体レーザ１
の光軸に垂直な方向に第１レンズ４の光軸が相対
的にずれた場合、または第１レンズ４から出射す
るビームに対して一体化した第２レンズ５と光フ
アイバ２とを設定する際にその一体化した第２レ
ンズ５と光フアイバ２との光軸がずれる場合に生
ずる。この式によりｗを大きくするとｘの許容軸
ずれ量は大きくなるが、許容角度ずれ量は小さく
なることがわかる。現在使用されている単一モー
ド光フアイバの場合には1dB劣化のｘ、θの値は
それぞれ約±2.5μｍ、約±2.2度となる。モジユ
ール作製の際、通常、角度ずれは0.5度を越える
ことのないように設定が可能であるので、単一モ
ード光フアイバのスポツトサイズを数倍大きくし
ても、角度ずれに起因する結合効率の劣化を小さ
く抑えることができ、かつ単一モード光フアイバ
の光軸に垂直な方向における許容軸ずれ量がかな
り大きくなることがわかる。
ここで軸合わせをする部分のスポツトサイズを
大きくするため、第２レンズ５を光フアイバ２と
一体化して、これらの一体化したものを調整し
て、軸合わせする場合を考える。
大きくするため、第２レンズ５を光フアイバ２と
一体化して、これらの一体化したものを調整し
て、軸合わせする場合を考える。
第１レンズ４により半導体レーザの約1μｍの
スポツトサイズw0は、レーザの発振波長λ＝
1.3μｍ、第１レンズ４の焦点距離f1＝456μｍとし
て、w1＝λf1／（πw0）の関係式よりスポツトサ
イズw1＝189μｍに変換される。この値を式(1)に
代入すると、1dBの結合損失の増加に対する許容
軸ずれ量、許容角度ずれ量ｘ、θはそれぞれ約±
87μｍ、約±3.6分となり、前記例に比較して軸ず
れ量は緩和されるが、角度ずれが極めて厳しくな
ることがわかる。
スポツトサイズw0は、レーザの発振波長λ＝
1.3μｍ、第１レンズ４の焦点距離f1＝456μｍとし
て、w1＝λf1／（πw0）の関係式よりスポツトサ
イズw1＝189μｍに変換される。この値を式(1)に
代入すると、1dBの結合損失の増加に対する許容
軸ずれ量、許容角度ずれ量ｘ、θはそれぞれ約±
87μｍ、約±3.6分となり、前記例に比較して軸ず
れ量は緩和されるが、角度ずれが極めて厳しくな
ることがわかる。
また第１レンズ４と半導体レーザ１の光軸方向
における固定精度が±10μｍ程度あると、第２レ
ンズ５を通過したビームのウエストの位置は光軸
方向で（f2／f1）2×（±10）＝±250μｍ程度の位置
変動となる。光フアイバ２のみを移動させて調整
する場合には、まさにこの位置変動分の補正を行
えばよいが、第２レンズ５と光フアイバ２とを一
体化した場合には補正のための移動量が極めて大
きくなり補正しきれない場合が起こる。
における固定精度が±10μｍ程度あると、第２レ
ンズ５を通過したビームのウエストの位置は光軸
方向で（f2／f1）2×（±10）＝±250μｍ程度の位置
変動となる。光フアイバ２のみを移動させて調整
する場合には、まさにこの位置変動分の補正を行
えばよいが、第２レンズ５と光フアイバ２とを一
体化した場合には補正のための移動量が極めて大
きくなり補正しきれない場合が起こる。
さらに角度ずれのない平行ビームが第２レンズ
５に入射するとその光軸上に像を結ぶので、第２
レンズ５の光軸と光フアイバ２の光軸とを完全に
同心にして一体化する必要がある。しかし、現在
の工作精度では第２レンズ５と光フアイバ２とを
一体化する時に数10μｍの誤差が生じてしまうた
め、この誤差を平行ビームとの軸合わせ時に補正
しようとして、一体化した第２レンズ５と光フア
イバ２とを平行移動しても、その補正ができない
ということである。原理的には、一体化した第２
レンズ５と光フアイバ２とをあおり微動台により
角度調整することは可能であるが、この調整は極
めて煩雑な調整となり、実質的には不可能であ
る。
５に入射するとその光軸上に像を結ぶので、第２
レンズ５の光軸と光フアイバ２の光軸とを完全に
同心にして一体化する必要がある。しかし、現在
の工作精度では第２レンズ５と光フアイバ２とを
一体化する時に数10μｍの誤差が生じてしまうた
め、この誤差を平行ビームとの軸合わせ時に補正
しようとして、一体化した第２レンズ５と光フア
イバ２とを平行移動しても、その補正ができない
ということである。原理的には、一体化した第２
レンズ５と光フアイバ２とをあおり微動台により
角度調整することは可能であるが、この調整は極
めて煩雑な調整となり、実質的には不可能であ
る。
したがつて第２レンズ５をそのまま光フアイバ
２に一体化したのでは高い結合効率は望めない。
２に一体化したのでは高い結合効率は望めない。
第４図Ａは以上の欠点を除去するためにすでに
提案されている前述の第２レンズ分割型共焦点複
合レンズ系の構成図である。第１レンズ４として
は球レンズを用い、第２レンズ５としては二つの
集束形ロツドレンズ（以下、ロンドレンズと略
す。）５１，５２を用い、ロツドレンズ５２を光
フアイバ２に密着させている。図示例ではロツド
レンズ５１，５２のピツチ長はそれぞれΦ、（1/4
−Φ）であり、その和を1/4ピツチとしている
（ここで0.5ピツチとは点光源を点光源に結像する
レンズの長さである）。ロツドレンズ５２は光フ
アイバ２と接着剤等を用いて一体化してあり、光
フアイバ２の位置合わせはロツドレンズ５２と光
フアイバ２とを固定した状態で行う。
提案されている前述の第２レンズ分割型共焦点複
合レンズ系の構成図である。第１レンズ４として
は球レンズを用い、第２レンズ５としては二つの
集束形ロツドレンズ（以下、ロンドレンズと略
す。）５１，５２を用い、ロツドレンズ５２を光
フアイバ２に密着させている。図示例ではロツド
レンズ５１，５２のピツチ長はそれぞれΦ、（1/4
−Φ）であり、その和を1/4ピツチとしている
（ここで0.5ピツチとは点光源を点光源に結像する
レンズの長さである）。ロツドレンズ５２は光フ
アイバ２と接着剤等を用いて一体化してあり、光
フアイバ２の位置合わせはロツドレンズ５２と光
フアイバ２とを固定した状態で行う。
第４図Ｂは第４図Ａのレンズ系の原理説明図で
ある。このレンズ系の結合特性は、半導体レーザ
１から出射され、第１レンズ４によりスポツトサ
イズがw1に変換された光線が第１ロツドレンズ
５１のみを通過して生じた実像のスポツトサイズ
w21およびその位置と、光フアイバ２のコア３か
らスポツトサイズwfの光線が右からロツドレン
ズ５２に入射した場合にできる虚像のスポツトサ
イズww2およびその位置とにより求められる。例
えばスポツトサイズw1の光線が二つのロツドレ
ンズ５１，５２を通過して生じる光線のスポツト
サイズw22とwfとが一致する場合には、実像w21
と虚像wf2の大きさと位置が一致しており、この
場合に最大の結合効率が得られる。
ある。このレンズ系の結合特性は、半導体レーザ
１から出射され、第１レンズ４によりスポツトサ
イズがw1に変換された光線が第１ロツドレンズ
５１のみを通過して生じた実像のスポツトサイズ
w21およびその位置と、光フアイバ２のコア３か
らスポツトサイズwfの光線が右からロツドレン
ズ５２に入射した場合にできる虚像のスポツトサ
イズww2およびその位置とにより求められる。例
えばスポツトサイズw1の光線が二つのロツドレ
ンズ５１，５２を通過して生じる光線のスポツト
サイズw22とwfとが一致する場合には、実像w21
と虚像wf2の大きさと位置が一致しており、この
場合に最大の結合効率が得られる。
第５図にはロツドレンズ５２と一体化した光フ
アイバ２（以下、レンズ５２＋光フアイバ２と略
す。）の光軸に垂直な方向における軸ずれ量ｘを
横軸にとり、結合効率ηを縦軸にとつた図を示
す。二つのロツドレンズ５１，５２のピツチ長を
それぞれ0.06ピツチ、0.18ピツチとしたとき、
w21＝12.9μｍとなり、1dBの損失増加を与える軸
ずれｘと角度ずれθはそれぞれ約±5.9μｍ、約±
56分となる。
アイバ２（以下、レンズ５２＋光フアイバ２と略
す。）の光軸に垂直な方向における軸ずれ量ｘを
横軸にとり、結合効率ηを縦軸にとつた図を示
す。二つのロツドレンズ５１，５２のピツチ長を
それぞれ0.06ピツチ、0.18ピツチとしたとき、
w21＝12.9μｍとなり、1dBの損失増加を与える軸
ずれｘと角度ずれθはそれぞれ約±5.9μｍ、約±
56分となる。
また光軸方向におけるレンズ５２＋光フアイバ
２の軸ずれ量ｚを結合効率ηとの関係を第６図に
示す。第３図と第６図を比較することにより、光
軸方向の許容軸ずれ量についても第２レンズ分割
系は極めて緩いことがわかる。第２レンズ分割系
では1dBの結合損失増加を与えるｚは約400μｍと
極めてゆるくなつている。
２の軸ずれ量ｚを結合効率ηとの関係を第６図に
示す。第３図と第６図を比較することにより、光
軸方向の許容軸ずれ量についても第２レンズ分割
系は極めて緩いことがわかる。第２レンズ分割系
では1dBの結合損失増加を与えるｚは約400μｍと
極めてゆるくなつている。
また第２レンズ分割系では、ロツドレンズ５２
が反射防止板の役目をし、光フアイバ２の端面６
からの反射を抑えるので、従来の共焦点系におけ
る光学研磨をしたガラス板７が必要でなくなつ
た。
が反射防止板の役目をし、光フアイバ２の端面６
からの反射を抑えるので、従来の共焦点系におけ
る光学研磨をしたガラス板７が必要でなくなつ
た。
前述のように、従来の共焦点系では光フアイバ
２の許容軸ずれ量が小さいばかりでなく、反射防
止の光学研磨ガラス板７が必要であり、これらの
点を改良した第２レンズ分割系では、レンズの数
が従来の共焦点系のものより一つ増加するという
欠点がある。
２の許容軸ずれ量が小さいばかりでなく、反射防
止の光学研磨ガラス板７が必要であり、これらの
点を改良した第２レンズ分割系では、レンズの数
が従来の共焦点系のものより一つ増加するという
欠点がある。
さらに半導体レーザモジユールを製作する場
合、従来の共焦点系ではレンズ５と光フアイバ
２、第２レンズ分割系ではロツドレンズ５１とレ
ンズ５２＋光フアイバ２の相互位置を調整する作
業が必要である。この位置合わせの作業は難し
く、半導体レーザモジユールの製作性を著しく低
下していた。
合、従来の共焦点系ではレンズ５と光フアイバ
２、第２レンズ分割系ではロツドレンズ５１とレ
ンズ５２＋光フアイバ２の相互位置を調整する作
業が必要である。この位置合わせの作業は難し
く、半導体レーザモジユールの製作性を著しく低
下していた。
本発明は第１レンズ出射後の収束または発散光
線を第２レンズと一体化した光入射素子に絞り込
むことを特徴とし、その目的は製作性が極めて良
く、レンズの数も２個と少なく、許容軸ずれ量が
緩い光結合方法を提供することにある。以下図面
により本発明を詳細に説明する。
線を第２レンズと一体化した光入射素子に絞り込
むことを特徴とし、その目的は製作性が極めて良
く、レンズの数も２個と少なく、許容軸ずれ量が
緩い光結合方法を提供することにある。以下図面
により本発明を詳細に説明する。
第７図Ａは本発明の一実施例図であり、第７図
Ｂはその原理図である。第１図、第４図と対応す
る部分には同一符号を付けている。第１レンズ４
としては球レンズを、第２レンズ９としてロツド
レンズを使用している。なお第２レンズ９として
球レンズを用いている場合には、レンズ９と光フ
アイバ２との間をあけねばならず、その間に光学
研磨したガラス板、光学接着剤、マツチングオイ
ル等を挿入するか、光フアイバ２の端面に反射防
止膜を施す必要がある。以下、第２レンズ９と光
フアイバ２を一体化したものをレンズ９＋光フア
イバ２と略す。
Ｂはその原理図である。第１図、第４図と対応す
る部分には同一符号を付けている。第１レンズ４
としては球レンズを、第２レンズ９としてロツド
レンズを使用している。なお第２レンズ９として
球レンズを用いている場合には、レンズ９と光フ
アイバ２との間をあけねばならず、その間に光学
研磨したガラス板、光学接着剤、マツチングオイ
ル等を挿入するか、光フアイバ２の端面に反射防
止膜を施す必要がある。以下、第２レンズ９と光
フアイバ２を一体化したものをレンズ９＋光フア
イバ２と略す。
第７図Ａ，Ｂの実施例は第１レンズ４とLDの
発光面８との距離d0を第１レンズ４の焦点距離f1
より大きくし、レンズ４出射後に生じた絞りぎみ
の光線を、例えば1/4ピツチより短いロツドレン
ズ９（ロツドレンズ９の焦点距離f2およびロツド
レンズ９の端面からその主面までの距離d1の関係
はf2＞d1となつている。）と一体化した光フアイ
バ２に絞り込むものである。このレンズ系の結合
特性は、スポツトサイズw0の半導体レーザ光を
第１レンズ４（焦点距離f1、半導体レーザと第１
レンズとの距離d0）により変換して作つた実像の
スポツトサイズw31およびその位置と、光フアイ
バ２のコア３からスポツトサイズwfの光線が右
からレンズ９（焦点距離f2、光フアイバ２の端面
６とレンズ９との距離d1）に入射した場合にでき
る虚像のスポツトサイズwf2およびその位置とに
より求められる。
発光面８との距離d0を第１レンズ４の焦点距離f1
より大きくし、レンズ４出射後に生じた絞りぎみ
の光線を、例えば1/4ピツチより短いロツドレン
ズ９（ロツドレンズ９の焦点距離f2およびロツド
レンズ９の端面からその主面までの距離d1の関係
はf2＞d1となつている。）と一体化した光フアイ
バ２に絞り込むものである。このレンズ系の結合
特性は、スポツトサイズw0の半導体レーザ光を
第１レンズ４（焦点距離f1、半導体レーザと第１
レンズとの距離d0）により変換して作つた実像の
スポツトサイズw31およびその位置と、光フアイ
バ２のコア３からスポツトサイズwfの光線が右
からレンズ９（焦点距離f2、光フアイバ２の端面
６とレンズ９との距離d1）に入射した場合にでき
る虚像のスポツトサイズwf2およびその位置とに
より求められる。
これらの光学的パラメータw0、f1、d0および
wf、f2、d1を選定することにより、実像および虚
像のスポツトサイズw31およびwf2とその位置と
をそれぞれ一致されることができ、その時、最良
の結合となる。
wf、f2、d1を選定することにより、実像および虚
像のスポツトサイズw31およびwf2とその位置と
をそれぞれ一致されることができ、その時、最良
の結合となる。
半導体レーザ１の発光面８と第１レンズ４との
距離d0は、虚像のスポツトサイズwf2と実像のス
ポツトサイズw31を一致させる条件から、光線行
列（参考文献M.Saruwatari and K.Nawata、：
Semiconductor fiber coupler：Appl.Optics、
vol.18、No.11、PP.1847〜1856、1979）を用いて
次式のように求められる。
距離d0は、虚像のスポツトサイズwf2と実像のス
ポツトサイズw31を一致させる条件から、光線行
列（参考文献M.Saruwatari and K.Nawata、：
Semiconductor fiber coupler：Appl.Optics、
vol.18、No.11、PP.1847〜1856、1979）を用いて
次式のように求められる。
例えば式(2)により設計する例を以下に述べる。
まずレンズ９として0.18ピツチのロツドレンズ
を、光フアイバ２としてスポツトサイズwf＝．
5μｍの単一モードフアイバを条件として与える。
従つて、レンズ９＋光フアイバ２が形成する虚像
のスポツトサイズwf2は式(3)、(4)、(5)を用いて次
のように求められる。
まずレンズ９として0.18ピツチのロツドレンズ
を、光フアイバ２としてスポツトサイズwf＝．
5μｍの単一モードフアイバを条件として与える。
従つて、レンズ９＋光フアイバ２が形成する虚像
のスポツトサイズwf2は式(3)、(4)、(5)を用いて次
のように求められる。
ここでλは波長（1.3μｍ）、ｆはレンズ９の焦
点距離、ｈはレンズ９においてその端面から主面
までの距離である。
点距離、ｈはレンズ９においてその端面から主面
までの距離である。
ｆ＝１／n0√Asin（2πP） (4)
ｈ＝１／n0√Ａtan（π・Ｐ） (5)
ここでn0はレンズ９の軸上屈折率、√は集束
パラメータ、Ｐはレンズ９のピツチ長であり、こ
こでそれぞれ1.59、0.32（mm-1）および0.18とし
た。
パラメータ、Ｐはレンズ９のピツチ長であり、こ
こでそれぞれ1.59、0.32（mm-1）および0.18とし
た。
すなわち式(4)、(5)よりｆ＝2.17mm、ｈ＝1.25mm
の値が得られる。ここで端面から主面までの距離
ｈは、光フアイバ端面６からレンズ９の等価的中
心までの距離d1を表わしており、d1＜ｆとなつて
いることより虚像が形成されることがわかる。そ
の虚像のスポツトサイズwf2はこれらの値と式(3)
を用いてwf2＝12.9μｍと得られる。
の値が得られる。ここで端面から主面までの距離
ｈは、光フアイバ端面６からレンズ９の等価的中
心までの距離d1を表わしており、d1＜ｆとなつて
いることより虚像が形成されることがわかる。そ
の虚像のスポツトサイズwf2はこれらの値と式(3)
を用いてwf2＝12.9μｍと得られる。
次に第１レンズ４として焦点距離f1がf1＝456μ
ｍの球レンズを使用し、半導体レーザとしてその
スポツトサイズw0＝1μｍ、発振波長λ＝1.3μｍ
のものを使用するものとする。
ｍの球レンズを使用し、半導体レーザとしてその
スポツトサイズw0＝1μｍ、発振波長λ＝1.3μｍ
のものを使用するものとする。
以上で与えられた数値より式(2)を用いて、発光
面８と第１レンズ４との距離d0はd0＝491μｍと得
られる。
面８と第１レンズ４との距離d0はd0＝491μｍと得
られる。
本発明では、従来の共焦点系におけるガラス板
７または第２レンズ分割系におけるレンズ５１は
不要であり、レンズ４を封入した半導体レーザパ
ツケージを用いた場合、調整箇所はレンズ９＋光
フアイバ２のみであり、モジユールの製作性が著
しく向上する。またレンズ４の光軸に垂直なｘ方
向の設定ずれは比較的小さいので、レンズ９＋光
フアイバ２を平行移動して位置ずれを補正した後
に残る角度ずれに起因する結合効率の劣化は小さ
い。従来の共焦点系においてレンズ５と光フアイ
バ２を一体化した場合に比べて角度ずれに対する
結合効率の劣化が小さいのは、レンズ４出射後の
光のスポツトサイズが従来の共焦点系では189μ
ｍ、本発明では12.9μｍと1/10以下の大きさにな
るためである。なお前述の角度ずれをも補正した
い場合には、レンズ９＋光フアイバ２を傾ければ
よい。この場合にもスポツトサイズが12.9μｍ程
度の大きさであるから、調整は比較的容易であ
る。
７または第２レンズ分割系におけるレンズ５１は
不要であり、レンズ４を封入した半導体レーザパ
ツケージを用いた場合、調整箇所はレンズ９＋光
フアイバ２のみであり、モジユールの製作性が著
しく向上する。またレンズ４の光軸に垂直なｘ方
向の設定ずれは比較的小さいので、レンズ９＋光
フアイバ２を平行移動して位置ずれを補正した後
に残る角度ずれに起因する結合効率の劣化は小さ
い。従来の共焦点系においてレンズ５と光フアイ
バ２を一体化した場合に比べて角度ずれに対する
結合効率の劣化が小さいのは、レンズ４出射後の
光のスポツトサイズが従来の共焦点系では189μ
ｍ、本発明では12.9μｍと1/10以下の大きさにな
るためである。なお前述の角度ずれをも補正した
い場合には、レンズ９＋光フアイバ２を傾ければ
よい。この場合にもスポツトサイズが12.9μｍ程
度の大きさであるから、調整は比較的容易であ
る。
第８図には、レンズ９＋光フアイバ２の光軸に
垂直な方向における軸ずれ量ｘを横軸に、結合効
率ηを縦軸にとつた図を示す。ここでレンズ９と
しては0.18ピツチのロツドレンズを仮定してい
る。このとき1dBの損失増加を与える軸ずれｘと
角度ずれθはそれぞれ約±6.3μｍ、約±52分とな
る。
垂直な方向における軸ずれ量ｘを横軸に、結合効
率ηを縦軸にとつた図を示す。ここでレンズ９と
しては0.18ピツチのロツドレンズを仮定してい
る。このとき1dBの損失増加を与える軸ずれｘと
角度ずれθはそれぞれ約±6.3μｍ、約±52分とな
る。
また光軸方向におけるレンズ９＋光フアイバ２
の軸ずれ量ｚと結合効率ηとの関係を第９図に示
す。1dBの損失増加を与えるｚは約420μｍとな
る。このように許容軸ずれ量は、レンズが一つ少
ないにもかかわらず光軸方向、光軸に垂直な方向
とも、第２レンズ分割系すなわち第４図のものと
同程度であり、従来の共焦点系すなわち第１図の
ものより極めて緩くなつている。
の軸ずれ量ｚと結合効率ηとの関係を第９図に示
す。1dBの損失増加を与えるｚは約420μｍとな
る。このように許容軸ずれ量は、レンズが一つ少
ないにもかかわらず光軸方向、光軸に垂直な方向
とも、第２レンズ分割系すなわち第４図のものと
同程度であり、従来の共焦点系すなわち第１図の
ものより極めて緩くなつている。
また、本発明では、第２レンズ９と光フアイバ
２とを一体化する際に生じてしまう両者の中心軸
どうしのずれに対しては、一体化した第２レンズ
９と光フアイバ２とを光軸に垂直に調整すること
により容易に対処できるという利点がある。この
ことは第１レンズ４の出射光が収束ビームである
ことにより実現できているのである。この結果第
２レンズ９と光フアイバ２との一体化において光
学調整は必要ではなく、機械加工の精度で充分で
ある。すなわち本発明では、第２レンズ９と光フ
アイバ２との間に数10μｍ程度の中心軸のずれが
あつても、結合効率にはほとんど影響がなくな
る。
２とを一体化する際に生じてしまう両者の中心軸
どうしのずれに対しては、一体化した第２レンズ
９と光フアイバ２とを光軸に垂直に調整すること
により容易に対処できるという利点がある。この
ことは第１レンズ４の出射光が収束ビームである
ことにより実現できているのである。この結果第
２レンズ９と光フアイバ２との一体化において光
学調整は必要ではなく、機械加工の精度で充分で
ある。すなわち本発明では、第２レンズ９と光フ
アイバ２との間に数10μｍ程度の中心軸のずれが
あつても、結合効率にはほとんど影響がなくな
る。
このような本発明の利点は、第１図に示した従
来例ですでに述べたように、従来の平行ビームを
用いる共焦点系においては、前記中心軸どうしの
ずれに対する補正が不可能であつたことと比較し
て、極めて大きな意義がある。
来例ですでに述べたように、従来の平行ビームを
用いる共焦点系においては、前記中心軸どうしの
ずれに対する補正が不可能であつたことと比較し
て、極めて大きな意義がある。
また本発明では第１レンズ４の光軸方向におけ
る固定誤差のため生じた第２レンズ通過後のビー
ムウエストw22の位置のばらつき、第１レンズ４
と第２レンズ９との間隔を調整することにより、
容易に補正できることを確認している。
る固定誤差のため生じた第２レンズ通過後のビー
ムウエストw22の位置のばらつき、第１レンズ４
と第２レンズ９との間隔を調整することにより、
容易に補正できることを確認している。
さらにこの実施例では、第２レンズ９を光フア
イバに一体化するとき、両者の端面を光学接着剤
で屈折率整合をとりつつ、貼り合わせる構造をと
つているので、光フアイバの入射端面６では反射
が少なくなる。このように従来の共焦点系に必要
であつた反射防止のための光学研磨したガラス板
７が不必要となつた。
イバに一体化するとき、両者の端面を光学接着剤
で屈折率整合をとりつつ、貼り合わせる構造をと
つているので、光フアイバの入射端面６では反射
が少なくなる。このように従来の共焦点系に必要
であつた反射防止のための光学研磨したガラス板
７が不必要となつた。
以上の実施例では、半導体レーザ１の発光面８
と第１レンズ４との距離d0を、第１レンズ４の焦
点距離f1より大きくとり、第２レンズ９のピツチ
数が1/4ピツチより短い場合について述べた。し
かしながらd0をf1より小さくとり、第２レンズ９
のピツチ数1/4より長めにとることも可能である。
この場合は、第１レンズ４を出射した後のスポツ
トサイズw31が虚像のものとなり、光フアイバ２
のコア３から第２レンズ９に入射して生じたスポ
ツトサイズwf2が実像のものとなる。半導体レー
ザ１から光フアイバ２への結合効率は、第１レン
ズ４出射後の虚像のスポツトサイズw31と、光フ
アイバ２のコア３から第２レンズ９に入射して生
じた実像のスポツトサイズwf2との結合として計
算できる。
と第１レンズ４との距離d0を、第１レンズ４の焦
点距離f1より大きくとり、第２レンズ９のピツチ
数が1/4ピツチより短い場合について述べた。し
かしながらd0をf1より小さくとり、第２レンズ９
のピツチ数1/4より長めにとることも可能である。
この場合は、第１レンズ４を出射した後のスポツ
トサイズw31が虚像のものとなり、光フアイバ２
のコア３から第２レンズ９に入射して生じたスポ
ツトサイズwf2が実像のものとなる。半導体レー
ザ１から光フアイバ２への結合効率は、第１レン
ズ４出射後の虚像のスポツトサイズw31と、光フ
アイバ２のコア３から第２レンズ９に入射して生
じた実像のスポツトサイズwf2との結合として計
算できる。
また、ここでw31とwf2とを等しいと置く（ス
ポツトサイズ整合）と、半導体レーザ１のスポツ
トサイズw0をw31（＝wf2）に拡大する時の半導体
レーザ１と第１レンズ４との距離d0は式(6)とな
る。
ポツトサイズ整合）と、半導体レーザ１のスポツ
トサイズw0をw31（＝wf2）に拡大する時の半導体
レーザ１と第１レンズ４との距離d0は式(6)とな
る。
なお式(6)で根号の前の符号が式(2)と異なり負に
なつているのは、第１レンズ４の出射ビームが式
(2)では収束ビームであるのに対し、式(6)では発散
ビームになつているからである。したがつて式(6)
は、発散ビームの場合には半導体レーザ１と第１
レンズ４との距離d0が第１レンズ４の焦点距離f1
より小となつていることを表している。
なつているのは、第１レンズ４の出射ビームが式
(2)では収束ビームであるのに対し、式(6)では発散
ビームになつているからである。したがつて式(6)
は、発散ビームの場合には半導体レーザ１と第１
レンズ４との距離d0が第１レンズ４の焦点距離f1
より小となつていることを表している。
なお収束ビーム系および発散ビーム系で結合効
率等の性能には差はない。
率等の性能には差はない。
第１０図は、第７図の実施例とは逆に光出射素
子および光入射素子を配置した実施例であり、単
一モード光フアイバ１２から出射された光を半導
体レーザ１１により増幅させる光直接増幅器を実
現できる。ここでは第１レンズをロツドレンズ１
３、第２レンズを球レンズ１３を構成している。
子および光入射素子を配置した実施例であり、単
一モード光フアイバ１２から出射された光を半導
体レーザ１１により増幅させる光直接増幅器を実
現できる。ここでは第１レンズをロツドレンズ１
３、第２レンズを球レンズ１３を構成している。
なお、第１０図においては、球レンズ１０と光
入射用半導体レーザ１１と固定治具を用いてこの
相対的位置を固定するように一体化する。
入射用半導体レーザ１１と固定治具を用いてこの
相対的位置を固定するように一体化する。
第１１図は第１０図の実施例における球レンズ
１０の代わりに、ロツドレンズ９を用い、半導体
レーザ１１の代わりに光フアイバ２を用いた実施
例図であり、光の受動回路を実現できる。
１０の代わりに、ロツドレンズ９を用い、半導体
レーザ１１の代わりに光フアイバ２を用いた実施
例図であり、光の受動回路を実現できる。
なお第１０図、第１１図において、光フアイバ
１２とロツドレンズ１３を密着させてもよい。ま
た第１０図の実施例において球レンズ１０とロツ
ドレンズ１３を入れかえてもよい。
１２とロツドレンズ１３を密着させてもよい。ま
た第１０図の実施例において球レンズ１０とロツ
ドレンズ１３を入れかえてもよい。
YIG球を用いたアイソレータ内蔵のLDモジユ
ール（猿渡・杉江、昭和57年度電子通信学会光・
電波部門全国大会316番）の場合、YIGは屈折率
が高く、球レンズの焦点が球の中に入るので、第
１２図Ａに示すように、YIG球１４から出射され
た光線は平行光線にならず、絞りぎみとなる。こ
のため従来の共焦点系のレンズ構成はとれない。
なお第１２図Ａにおいて、１５は磁石、１６は偏
光子である。
ール（猿渡・杉江、昭和57年度電子通信学会光・
電波部門全国大会316番）の場合、YIGは屈折率
が高く、球レンズの焦点が球の中に入るので、第
１２図Ａに示すように、YIG球１４から出射され
た光線は平行光線にならず、絞りぎみとなる。こ
のため従来の共焦点系のレンズ構成はとれない。
なお第１２図Ａにおいて、１５は磁石、１６は偏
光子である。
本発明では、屈折率の高いレンズを第１レンズ
として使用しても、構成が可能となる。この場合
の構成を第１２図Ｂに示す。これによりYIG球を
用いたアイソレータの場合にも、製作性の改善
と、第２レンズを一体化した光フアイバ２の許容
軸ずれ量を大きくすることが可能となる。
として使用しても、構成が可能となる。この場合
の構成を第１２図Ｂに示す。これによりYIG球を
用いたアイソレータの場合にも、製作性の改善
と、第２レンズを一体化した光フアイバ２の許容
軸ずれ量を大きくすることが可能となる。
以上説明したように、本発明の方法によれば、
従来の共焦点系の同じレンズの数で、レンズの数
が多い第２レンズ分割系と同程度の許容軸ずれ量
が得られるので、信頼性の高い光結合装置を構成
することができるとともに、その製作性が著しく
向上する。
従来の共焦点系の同じレンズの数で、レンズの数
が多い第２レンズ分割系と同程度の許容軸ずれ量
が得られるので、信頼性の高い光結合装置を構成
することができるとともに、その製作性が著しく
向上する。
なお、従来の共焦点系には必要であつた反射防
止のためのガラス板が不必要となる。
止のためのガラス板が不必要となる。
また本発明の方法で多モード光フアイバ用半導
体レーザ結合装置を構成すれば、許容軸ずれ量が
極めて緩くなるので、さらにその製作性の向上が
期待できる。
体レーザ結合装置を構成すれば、許容軸ずれ量が
極めて緩くなるので、さらにその製作性の向上が
期待できる。
第１図Ａ，Ｂは従来の共焦点複合レンズ系の構
成例とその原理の説明図、第２図と第３図は従来
の共焦点系について光軸に垂直な方向と光軸方向
における軸ずれ特性を説明する図、第４図Ａ，Ｂ
は第２レンズ分割型共焦点複合レンズ系の構成例
とその原理の説明図、第５図と第６図は第２レン
ズ分割系について光軸に垂直な方向と光軸方向に
おける軸ずれ特性を説明する図、第７図Ａ，Ｂは
本発明の一実施例とその原理の説明図、第８図と
第９図は光軸に垂直な方向と光軸方向における軸
ずれ特性を説明する図、第１０図、第１１図は本
発明の他の実施例図、第１２図Ａは従来のLDモ
ジユールの構成図、第１２図Ｂは本発明を適用し
たLDモジユールの構成図である。 １……光出射用半導体レーザ、２……光入射用
光フアイバ、３……光フアイバのコア、４……第
１レンズ、５……従来の共焦点系における第２レ
ンズ、５１……第２レンズ分割系の第１集束形ロ
ツドレンズ、５２……第２レンズ分割系の第２集
束形ロツドレンズ、６……光フアイバの端面、７
……ガラス板、８……半導体レーザの発光面、９
……本発明の一実施例における第２レンズ（集束
形ロツドレンズ）、１０……本発明の実施例にお
ける第２レンズ（球レンズ）、１１……光入射用
半導体レーザ（光増幅器）、１２……光出射用光
フアイバ、１３……本発明の実施例における第１
レンズ、１４……YIG球、１５……磁石、１６…
…偏光子。
成例とその原理の説明図、第２図と第３図は従来
の共焦点系について光軸に垂直な方向と光軸方向
における軸ずれ特性を説明する図、第４図Ａ，Ｂ
は第２レンズ分割型共焦点複合レンズ系の構成例
とその原理の説明図、第５図と第６図は第２レン
ズ分割系について光軸に垂直な方向と光軸方向に
おける軸ずれ特性を説明する図、第７図Ａ，Ｂは
本発明の一実施例とその原理の説明図、第８図と
第９図は光軸に垂直な方向と光軸方向における軸
ずれ特性を説明する図、第１０図、第１１図は本
発明の他の実施例図、第１２図Ａは従来のLDモ
ジユールの構成図、第１２図Ｂは本発明を適用し
たLDモジユールの構成図である。 １……光出射用半導体レーザ、２……光入射用
光フアイバ、３……光フアイバのコア、４……第
１レンズ、５……従来の共焦点系における第２レ
ンズ、５１……第２レンズ分割系の第１集束形ロ
ツドレンズ、５２……第２レンズ分割系の第２集
束形ロツドレンズ、６……光フアイバの端面、７
……ガラス板、８……半導体レーザの発光面、９
……本発明の一実施例における第２レンズ（集束
形ロツドレンズ）、１０……本発明の実施例にお
ける第２レンズ（球レンズ）、１１……光入射用
半導体レーザ（光増幅器）、１２……光出射用光
フアイバ、１３……本発明の実施例における第１
レンズ、１４……YIG球、１５……磁石、１６…
…偏光子。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 少なくとも一方が単一モード光導波路からな
る光出射素子と光入射素子とを結合させる２枚の
レンズを用いた光結合方法であつて、 前記光出射素子、第１レンズ、第２レンズおよ
び前記光入射素子をこの順序に配列し、 前記光出射素子と前記第１レンズとの距離を前
記第１レンズの焦点距離よりも大とすることによ
り、前記光出射素子から出射した光線を前記第１
レンズ出射後に収束ビームとして形成し、 第２レンズと光入射素子との距離を第２レンズ
の焦点距離よりも小とし、さらに光入射素子から
逆に光を出射させることを仮定した時に形成され
る発散ビームの虚像のスポツトサイズが、前記第
１レンズ出射後の収束ビームの実像のスポツトサ
イズと一致するように、第２レンズおよび光入射
素子のパラメータを選定し、その条件下で第２レ
ンズと光入射素子との相対的位置を固定するよう
に両者を一体化し、 前記一体化した第２レンズおよび光入射素子
を、前記第１レンズ出射後の収束ビームに対して
位置調整を行うことにより、前記光出射素子から
出射した光線を前記光入射素子に入射させること
を特徴とする光結合方法。 ２ 少なくとも一方が単一モード光導波路からな
る光出射素子と光入射素子とを結合させる２枚の
レンズを用いた光結合方法であつて、 前記光出射素子、第１レンズ、第２レンズおよ
び前記光入射素子をこの順序に配列し、 前記光出射素子と前記第１レンズとの距離を前
記第１レンズの焦点距離よりも小とすることによ
り、前記光出射素子から出射した光線を前記第１
レンズ出射後に発散ビームとして形成し、 第２レンズと光入射素子との距離を第２レンズ
の焦点距離よりも大とし、さらに光入射素子から
逆に光を出射させることを仮定した時に形成され
る収束ビームの実像のスポツトサイズが、前記第
１レンズ出射後の発散ビームの虚像のスポツトサ
イズと一致するように、第２レンズおよび光入射
素子のパラメータを選定し、その条件下で第２レ
ンズと光入射素子との相対的位置を固定するよう
に両者を一体化し、 前記一体化した第２レンズおよび光入射素子
を、前記第１レンズ出射後の発散ビームに対して
位置調整を行うことにより、前記光出射素子から
出射した光線を前記光入射素子に入射させること
を特徴とする光結合方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16938383A JPS6061707A (ja) | 1983-09-16 | 1983-09-16 | 光結合方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16938383A JPS6061707A (ja) | 1983-09-16 | 1983-09-16 | 光結合方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6061707A JPS6061707A (ja) | 1985-04-09 |
| JPH0544643B2 true JPH0544643B2 (ja) | 1993-07-07 |
Family
ID=15885575
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP16938383A Granted JPS6061707A (ja) | 1983-09-16 | 1983-09-16 | 光結合方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6061707A (ja) |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4705351A (en) * | 1985-11-26 | 1987-11-10 | Rca Corporation | Two lens optical package and method of making same |
| JPS6398673U (ja) * | 1986-12-16 | 1988-06-25 | ||
| GB8723595D0 (en) * | 1987-10-08 | 1987-11-11 | British Telecomm | Optical package |
| CA2370710A1 (en) * | 2000-03-01 | 2001-09-07 | Kiyohide Sakai | Optical semiconductor module and optical amplifier |
| JP2001350037A (ja) | 2000-04-05 | 2001-12-21 | Canon Inc | レンズ部付プラスチック光ファイバ、光ファイバ結合器、その接続構造、及び接続方法 |
| JP2008140838A (ja) * | 2006-11-30 | 2008-06-19 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | インダクタ部品とこれを用いた電子機器 |
| JP6340902B2 (ja) * | 2014-05-13 | 2018-06-13 | 住友電気工業株式会社 | 光モジュールの製造方法 |
| US9941965B2 (en) * | 2015-07-15 | 2018-04-10 | Flextronics Ap, Llc | Laser and optical charging and communications device and method of use |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5535369A (en) * | 1978-09-06 | 1980-03-12 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Coupling device of semiconductor laser and optical fiber |
| JPS55115068U (ja) * | 1979-02-05 | 1980-08-13 |
-
1983
- 1983-09-16 JP JP16938383A patent/JPS6061707A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6061707A (ja) | 1985-04-09 |
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