JPH08304672A

JPH08304672A - 光電子装置

Info

Publication number: JPH08304672A
Application number: JP10725795A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Takizawa; 泰滝沢; Yasuhisa Senba; 靖久仙庭; 正一 ▲高▼橋; Shoichi Takahashi; Masaaki Tsuchiya; 正明土屋; Ryokichi Yoda; 亮吉依田; Takeshi Suzuki; 鈴木　　剛; Hiroshi Naka; 弘仲
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Tohbu Semiconductor Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Renesas Eastern Japan Semiconductor Inc
Priority date: 1995-05-01
Filing date: 1995-05-01
Publication date: 1996-11-22

Abstract

(57)【要約】【目的】半導体レーザへの戻り光量の低減および光フ
ァイバにおける光出力の低下抑止。【構成】天井部分からレーザ光を発光する半導体レー
ザ装置と、前記半導体レーザ装置に取り付けられるレン
ズを内蔵したホルダと、光ファイバを保持するとともに
前記ホルダに固定されるファイバホルダとを有する光電
子装置であって、前記光ファイバの先端面は、傾斜面
（たとえば、８°）となっているとともに、前記半導体
レーザからレンズに至る光軸と、光ファイバの光軸は、
たとえば、３．６°と相互に交差している構造となる。【効果】半導体レーザへの戻り光の発生を抑えるとと
もに、光ファイバへのレーザ光の入射量を大きくでき
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光電子装置、特に半導体
レーザから発光させたレーザ光を接合レンズを介して光
ファイバに接続する光結合技術に適用して有効な技術に
関する。

【０００２】

【従来の技術】光通信，ＬＡＮ等の通信分野において、
発信源の光源として半導体レーザ装置を組み込んだ光電
子装置が使用されている。この種の光電子装置について
は、たとえば、電子情報通信学会発行「電子情報通信学
会春季大会予稿集」1993年Ｃ-281およびＣ-282に記載さ
れている。この文献には、小形ＬＰ−ＬＤモジュールの
組立自動化について記載されている。前記モジュール
は、ＬＤを組み込んだＬＤ素子パッケージと、レンズを
組み込んだレンズホルダと、ファイバが組み込まれたフ
ランジ付きパイプとからなっている。また、前記各部は
ＹＡＧレーザ溶接によって一体化される。

【０００３】また、光接続部分等での反射光の戻り（戻
り光）によって、雑音が発生する。戻り光による雑音
（戻り光誘起雑音）については、たとえば、日経ＢＰ社
発行「日経エレクトロニクス」1983年10月10日号、P173
〜P194に記載されている。この文献には、戻り光誘起雑
音を防ぐ方法として、光ファイバの先端を無反射コート
するか、斜めにカットする方法がある旨記載されてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】光通信において、光結
合部分での反射光の戻りは、半導体レーザにおける雑音
の発生となる。そこで、図８に示すように、光ファイバ
の先端（結合端）を傾斜する手法が考えられる。図８に
おいて、１は半導体レーザ（半導体レーザチップ）、２
は前記半導体レーザ１が取り付けられるヒートシンク、
３は光結合用の球体からなるレンズ、４は光ファイバで
ある。光ファイバ４は直径１０μｍ程度のコア５と、こ
のコア５の周囲を取り巻くように形成された直径１２５
μｍ程度のクラッド６とからなっている。また、光ファ
イバ４の先端面、すなわち、前記半導体レーザ１に対面
する端面は、β程傾斜した傾斜面７となっている。

【０００５】この場合、光ファイバ４の先端面からの戻
り光８を無くすためには、前記傾斜面７の傾斜角度を大
きくとる必要がある。しかし、傾斜角度を大きくする
と、半導体レーザ１から発光されたレーザ光１０の光フ
ァイバ４への入射量が大幅に減少する不具合が発生する
ことが判明した。すなわち、光ファイバ４の先端面から
の反射を完全に防止しようとすると、光ファイバ４から
の光出力が得られなくなる。なお、この構造では、半導
体レーザ１から光ファイバ４に至る光軸１１は同一線上
にある。

【０００６】本発明の目的は、光ファイバから半導体レ
ーザに戻る戻り光量を低減させるとともに、光ファイバ
における光出力の低下を抑えることができる光電子装置
を提供することにある。

【０００７】本発明の前記ならびにそのほかの目的と新
規な特徴は、本明細書の記述および添付図面からあきら
かになるであろう。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下
記のとおりである。すなわち、本発明の光電子装置は、
半導体レーザと光ファイバをレンズを介して光結合させ
てなる光電子装置であって、前記半導体レーザからレン
ズに至る光軸と、光ファイバの光軸は相互に交差してい
る。また、前記光ファイバの先端面は傾斜面（たとえ
ば、８°）となっている。また、半導体レーザから発光
されたレーザ光は光軸に対して所定の角度（たとえば、
３．６°）を有して前記光ファイバの先端の傾斜面に入
射するように構成されている。

【０００９】

【作用】上記した手段によれば、本発明の光電子装置
は、光ファイバの先端は傾斜面となり、この傾斜面で反
射した光が半導体レーザに戻らないようにしてあるとと
もに、レンズを通過して光ファイバに至る光の光軸は光
ファイバの光軸に対して一定の角度を有するように配設
されているため、光ファイバ先端面での反射光が半導体
レーザに戻り難くなる。

【００１０】また、本発明の光電子装置は、光ファイバ
先端面の傾斜角度が８°と小さくなっているとともに、
光ファイバ対する光の入射を光ファイバの光軸に対して
３．６°と設定してあることから、光結合効率が高くな
る。

【００１１】

【実施例】以下図面を参照して本発明の一実施例につい
て説明する。図１は本発明の一実施例による光電子装置
における光結合状態を示す模式図、図２は本実施例によ
る光電子装置の概要を示す断面図である。

【００１２】本発明の光電子装置は、図１に示すよう
に、ヒートシンク２に固定された半導体レーザ（半導体
レーザチップ）１と、先端が傾斜面（傾斜角γ）となる
光ファイバ４と、前記半導体レーザ１から発光されたレ
ーザ光１０を光ファイバ４に光結合させる球体からなる
レンズ３とを有している。この光結合において、光ファ
イバ４の光軸１１ａと、半導体レーザ１からレンズ３を
通過しかつ光ファイバ４の中心のコア５に至る光軸１１
ｂは、相互に交差するようになっている。すなわち、光
ファイバ４の光軸１１ａに対して、半導体レーザ１から
発光されるレーザ光１０の光軸１１ｂは傾斜（傾斜角
θ）している。また、前記光ファイバ４の先端面は傾斜
面（傾斜角γ）となっている。これにより、本発明の光
電子装置では、半導体レーザ１から発光されたレーザ光
１０は所定の入射角を有して前記光ファイバ４の先端の
傾斜面７に入射するように構成されている。また、光フ
ァイバ４の傾斜面７で反射した反射光１２は、光ファイ
バ４の先端面が傾斜面７（傾斜角（γ）となるととも
に、レーザ光１０が光ファイバ４の光軸に対してθなる
角度で入射することから、レンズ３には戻らなくなり、
戻り光の発生は抑止できることになる。

【００１３】本実施例では、前記θは３．６°、前記γ
は８°となっている。ここで、θ＝３．６°、γ＝８°
を採用した根拠について、図３〜図６を参照しながら説
明する。先ず、前記光ファイバにおけるＮＡ（開口数）
と、最大光結合効率を得るための光ファイバの光軸に対
する角度θを求める。光ファイバの先端は傾斜面（傾斜
角γ）となっている。

【００１４】（１）ＮＡの計算例（ｉ）図３で、レーザ光Ｌ1 がコアの上部に位置するク
ラッド部分（上方クラッドと呼称する）に全反射しなが
ら進む場合、全反射の条件から次式が求められる。図３
はＳＩ型ファイバである。

【００１５】

【数１】

【００１６】ここで、ｎ₀ はコアの屈折率、ｎ₁ はクラ
ッドの屈折率、ψ₁ は屈折角である。前記（１）は次式
となる。

【００１７】

【数２】

【００１８】スネルの法則により、

【００１９】

【数３】

【００２０】前記（２）を代入すると、

【００２１】

【数４】

【００２２】（ｉｉ）図４に示すように、レーザ光Ｌ₂
が下方クラッドに全反射しながら進む場合、前記（ｉ）
と同様にして次式が与えられる。図４はＳＩ型ファイバ
である。

【００２３】

【数５】

【００２４】ファイバ端面に垂直な法線ｍに対して角度
θで光が入射する場合、θ₂ ＜θ＜θ₁ の条件を満たす
光線だけが取り込まれてファイバ内を進行できる。した
がって、傾斜面付ファイバのＮＡをＮＡ′とすると、次
式が与えられる。

【００２５】

【数６】

【００２６】フラット端面のファイバのＮＡ〔≡（ｎ₀
² −ｎ₁ ² ）^1/2 〕をＮＡとし、ＮＡ＝０．１，γ＝８
°，ｎ₀ ＝１．４５とした場合、（４）式，（５）式よ
り、θ₁ ＝１７．４８°，θ₂ ＝５．８７°となり、

【００２７】

【数７】

【００２８】となる。

【００２９】これにより、８°の傾斜面付きファイバの
方がフラット端面のファイバよりも若干ＮＡが増すこと
が判明した。

【００３０】（２）光の光ファイバの光軸に対する入射
の角度θの計算最大光結合効率を与える光の入射角をθ₂ とすると、図
５で角度θで入射する光線はファイバの光軸に平行に進
むはずだから、スネルの法則により、

【００３１】

【数８】

【００３２】変形して

【００３３】

【数８】

【００３４】ここで、γ＝８°，ｎ₀ ＝１．４５，を
（９）式に代入して、θ＝３．６４°を得る。これによ
り、図６に示すように、８°の傾斜面を有する光ファイ
バでは、同図で示すように光ファイバ４の光軸１１ａに
対して３．６°で光（レーザ光）を入射させるようにす
る。同図中の１１．６°はθ1 からθ2 を差し引くこと
によって求められる。

【００３５】図７のグラフは、傾斜面付き光ファイバ
（ＳＭＦ）の光結合効率特性実験の実験結果を示すグラ
フであり、横軸を入射角θ（°）、縦軸を光出力（Ｐ
_f ：ｍＷ）とし、△で示すものがγ＝０°、□で示すも
のがγ＝４°、○で示すものがγ＝８°によるものであ
る。このグラフからも分かるように、入射角θが、３．
６程度で光出力が最も高くなっていることを示し、以上
の計算結果と良く一致する。

【００３６】つぎに、本実施例の光電子装置について、
図２を参照しながら説明する。光電子装置１５は、キャ
ン封止型の半導体レーザ装置１６と、光ファイバ４を支
持するファイバホルダ１７と、前記ファイバホルダ１７
と半導体レーザ装置１６とを連結する筒状のパイプ１８
とからなっている。パイプ１８と半導体レーザ装置１６
とは溶接によって連結されているとともに、パイプ１８
とファイバホルダ１７も溶接によって連結されている。

【００３７】半導体レーザ装置１６は、気密封止された
キャン封止構造となっていて、パッケージは、ステム２
０と、このステム２０の主面側に気密的に取り付けられ
たキャップ２１によって形成されている。また、前記ス
テム２０からはパッケージ外に外部端子として数本のリ
ード２２が突出している。前記パッケージ内において、
前記ステム２０の主面にはヒートシンク２が固定されて
いる。また、前記ヒートシンク２の側面には、直接また
は図示しないサブマウントを介して半導体レーザチップ
１が固定されている。この半導体レーザチップ１はキャ
ップ２１の天井側およびステム２０の主面側にそれぞれ
レーザ光１０を発光する。

【００３８】前記キャップ２１の天井部分にはレンズ
（集光レンズ）３が嵌め込まれている。そして、前記半
導体レーザチップ１から発光された前方のレーザ光１０
を、光ファイバ４の先端の中心部分（光ファイバ４の光
軸１１ａ部分）に収束させるようになっている。

【００３９】また、前記ステム２０の主面には受光素子
２７が設けられ、前記半導体レーザチップ１から発光さ
れた後方に向かうレーザ光１０を受光し、半導体レーザ
チップ１から発光されるレーザ光１０の強度をモニタで
きるようになっている。さらに、符号は付けないが、前
記半導体レーザチップ１および受光素子２７の電極は、
ワイヤを介して前記リード２２等に電気的に接続されて
いる。

【００４０】ファイバホルダ１７は筒状部３０およびフ
ランジ部３１を有し、このフランジ部３１が筒体からな
るパイプ１８の一端に溶接によって気密的に固定されて
いる。また、パイプ１８の他端は、半導体レーザ装置１
６のステム２０に溶接によって気密的に固定されてい
る。光ファイバ４はファイバホルダ１７内を貫通すると
ともに、ファイバホルダ１７の外端部分では、光ファイ
バ４は接合材３２によって固定されている。

【００４１】本実施例の光電子装置１５においては、光
ファイバ４の光軸１１ａに対して、半導体レーザチップ
１から発光されてレンズ３を通過して光ファイバ４に至
るレーザ光１０の光軸１１ｂの角度はθ（＝３．６°）
となっている。また、光ファイバ４の先端の傾斜面の傾
斜角はγ（＝８°）となっている。また、前記レンズ３
の位置は、光軸１１ａからずれ、光ファイバ４の先端の
傾斜面７の突出側に位置している。

【００４２】本実施例の光電子装置１５では、光ファイ
バ４の先端を傾斜角８°の傾斜面７としていることと、
レーザ光１０を光ファイバ４の光軸１１ａに対して３．
６°傾斜させて光ファイバ４の先端に収束させるように
なっていることから、戻り光がなくなるとともに、光フ
ァイバ４へのレーザ光１０の入射量を大きくなる。

【００４３】本発明の光電子装置によれば、光ファイバ
先端からの半導体レーザに対する戻り光（反射光）が低
減されることから、特性変動が改善され、特性歩留りが
向上する。また、光ファイバ先端の研磨面の角度の最適
化によって光出力の向上が図れる。

【００４４】以上本発明者によってなされた発明を実施
例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施例に
限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で
種々変更可能であることはいうまでもない。たとえば、
レンズは球レンズ以外のものでも良い。また、前記実施
例では、半導体レーザ装置は簡単な構造のものを使用し
た例について説明したが、半導体レーザチップをペルチ
ェ素子で冷却する等高級なものに対しても同様に適用で
き同様な効果を奏する。

【００４５】

【発明の効果】本願において開示される発明のうち代表
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下
記のとおりである。本発明の光電子装置は、光ファイバ
の光軸に対して交差する方向からレーザ光を光ファイバ
に送るとともに、光ファイバの先端は傾斜面となってい
ることから、戻り光が発生しないとともに、光ファイバ
へのレーザ光の入射量を低下させなくなっていることか
ら、効率の高い光結合が達成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による光電子装置における光
結合状態を示す模式図である。

【図２】本実施例による光電子装置の概要を示す断面図
である。

【図３】本実施例による光電子装置の光結合状態におい
て上方クラッドに全反射して光が進む状態を示す模式図
である。

【図４】本実施例による光電子装置の光結合状態におい
て下方クラッドに全反射して光が進む状態を示す模式図
である。

【図５】本実施例による光電子装置の光結合状態におい
て最大光結合状態時の光の入射状態を示す模式図であ
る。

【図６】本実施例による光電子装置の最適な光結合状態
を示す模式図である。

【図７】光ファイバ先端面の傾斜面を変化させるととも
に、光ファイバの光軸に対する光の入射角を変化させた
場合における光出力の変化を示すグラフである。

【図８】従来の光電子装置における光結合状態を示す模
式図である。

【符号の説明】

１…半導体レーザ、２…ヒートシンク、３…レンズ、４
…光ファイバ、５…コア、６…クラッド、７…レーザ
光、８…戻り光、１０…レーザ光、１１ａ，１１ｂ…光
軸、１５…光電子装置、１６…半導体レーザ装置、１７
…ファイバホルダ、１８…パイプ、２０…ステム、２１
…キャップ、２２…リード、２７…受光素子、３０…筒
状部、３１…フランジ部、３２…接合材。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ▲高▼橋正一東京都小平市上水本町５丁目20番１号株式会社日立製作所半導体事業部内 (72)発明者土屋正明埼玉県入間郡毛呂山町大字旭台15番地日立東部セミコンダクタ株式会社内 (72)発明者依田亮吉東京都小平市上水本町５丁目20番１号株式会社日立製作所半導体事業部内 (72)発明者鈴木剛東京都小平市上水本町５丁目20番１号株式会社日立製作所半導体事業部内 (72)発明者仲弘東京都小平市上水本町５丁目20番１号株式会社日立製作所半導体事業部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体レーザと光ファイバをレンズを介
して光結合させてなる光電子装置であって、前記半導体
レーザからレンズに至る光軸と、光ファイバの光軸は相
互に交差していることを特徴とする光電子装置。
【請求項２】前記光ファイバの先端面は傾斜面となっ
ていることを特徴とする請求項１記載の光電子装置。
【請求項３】半導体レーザから発光されたレーザ光は
光軸に対して所定の角度を有して前記光ファイバの先端
の傾斜面に入射するように構成されていることを特徴と
する請求項１記載の光電子装置。