(57)【要約】【課題】レーザダイオードと光ファイバの光モジュール光軸調整方法において、光出力変化による光軸変化に影響されることの無いアライメント方法を提供する。【解決手段】光モジュール光軸調整方法において、ＬＤ２を所定の初期のＸ座標位置にて、ＬＤ２の光軸と垂直なＹＺ方向にダイヤモンドスキャンを実施してＬＤ２の光軸と垂直なＹＺ方向に透過出力が最大となる最適な位置を求め、次にＸ座標位置を移動するとともに走査すべきダイヤモンドスキャンのＹＺ平面の中心位置を前回のＸ座標位置においてダイヤモンドスキャンの際に得られた透過最大出力が得られる位置に移動して逐次ダイヤモンドスキャンを行い、最も結合効率の高い位置が当該ダイヤモンドスキャンのＹＺ平面の中心点となる位置に位置合わせして光軸調整を行う。【選択図】図１
2006259251.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザダイオードと前記半導体レーザダイオードからの照射光を集光するレンズを有する光ファイバとの光軸を、前記光ファイバからの透過光出力が最大となるように両者の相対位置を光軸方向のＸ方向と、該光軸に垂直なＹ方向及びＺ方向の三軸の調整ステージを用いて三次元空間上で位置合わせを行う光モジュール光軸調整方法において、
所定の初期のＸ座標位置にて、前記光軸と垂直なＹＺ方向にダイヤモンドスキャンを行ない、前記光ファイバからの透過出力が最大となる前記光軸と垂直なＹＺ方向の最適な位置を求め、
次にＸ座標位置を移動するとともに走査すべきダイヤモンドスキャンのＹＺ平面の中心位置を前回のＸ座標位置においてダイヤモンドスキャンの際に得られた透過最大出力が得られる位置に移動して逐次ダイヤモンドスキャンを行い、最も結合効率の高い位置が当該ダイヤモンドスキャンのＹＺ平面の中心となる位置に位置合わせして光軸調整を行うことを特徴とする光モジュール光軸調整方法。
【請求項２】
前記半導体レーザと光ファイバとのＸ方向の距離に対する光ファイバからの透過光出力特性が二次曲線で近似できることを特徴とする請求項１に記載の光モジュールの光軸調整方法。
【請求項３】
前記ダイヤモンドスキャンにおける透過光出力の測定位置は、ＹＺ平面の中心位置と当該中心位置から所定の探索距離だけ離れた上下左右の５点であることを特徴とする請求項１に記載の光モジュールの光軸調整方法。
【請求項４】
前記Ｙ軸方向の探索距離は、Ｚ軸方向の探索距離よりも大きいことを特徴とする請求項３に記載の光モジュールの光軸調整方法。
【請求項５】
前記探索距離を、前記透過光出力のダイヤモンドスキャンのＹＺ平面で得られる最大出力からの低下に応じて段階的に探索距離を小さく設定することを特徴とする請求項３に記載の光モジュールの光軸調整方法。
【請求項６】
前記ＹＺ平面で得られる最大出力からの低下が、６％〜１０％、１．５％〜６％、０．２％〜１．５％の場合の３段階に応じて、前記探索距離を変更することを特徴とする請求項５に記載の光モジュールの光軸調整方法。
【請求項７】
前記Ｘ座標位置の移動は、予め定めた規定の回数行うことを特徴とする請求項１に記載の光軸モジュールの光軸調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光モジュールの光軸調整方法に係わり、さらに詳しくは、レーザダイオードや光ファイバの性能のばらつきや出力特性に影響されず精度良くアライメントできる光ファイバとレーザダイオードのアライメント方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の光モジュールの光軸調整方法として、山登り法がある。
【０００３】
山登り法では、一軸方向に適当なピッチで光ファイバをレーザダイオードに対して相対移動し、移動したそれぞれの位置で光ファイバの他端からの出力を比較しピークを得られる位置を探索する。これを、ＸＹＺの三軸についてそれぞれ独立に実施し、光出力が増加する限り繰り返す。通常、探索時間を短縮する為に送りピッチは数段階に設定する。山登り法では、局所ピークが存在する場合には、真のピークに到達できない為対象となるレーザの分布に注意する必要が有る。
【０００４】
山登り法以外に、例えば特許文献１に示すものがある。この手法では、光軸に垂直な面内における光結合の空間パワー特性がガウシアンのレーザパワー分布に近似できることを前提とし、光軸に垂直な断面の円周上の４点と中心の計５点を光出力と測定円の半径を用い、その光軸位置におけるレーザのＹＺ平面での集光ビーム半径を求め、位置ずれ量を算出し位置合わせを行っている。また、空間パワー特性がＴＥＭ00モードのガウシアンビーム波面広がりに近似できることを前提に、算出されたビーム半径と標準サンプルの光軸焦点位置におけるビーム半径を用いて光軸焦点位置までの距離を算出し、次の探索位置を測定位置と算出した光軸焦点位置との間に設定し、逐次推定光軸焦点位置を修正しながら最大光出力を得られる位置を探索する手法で、Ｘ軸方向のアライメントを行っている。
【特許文献１】特開平８−９４８８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の方法では、特定のレーザダイオードの出力パターンを基準としているので、レーザダイオードの種類や個体差によるレーザの広がり角の違いや、光ファイバの形状公差等により、平面方向の誤差を発生させる。また、レーザダイオードの入力電流と出力の関係も製品毎に異なる為、軸方向に関しても誤差を発生させる。この為、探索の繰り返し回数が増加するという課題を有していた。
【０００６】
また、アライメントを行う場合、光ファイバがベースに固定されていない為、十分な結合効率が得られていない状態でレーザ光が光ファイバに照射されると、発熱により光ファイバが振れてしまい、正確な位置を取得できずピーク位置の測定に誤差を発生させるという課題も有していた。
【０００７】
更に、十分な結合効率が得られていない状態で高出力のレーザを照射すると、光ファイバにダメージが発生する為、アライメントは低出力で行う必要があるが、製品として使用する高出力ではレーザダイオードの照射方向が変化するので、製品として使用する場合にアライメント時より結合効率が低下するという課題も有していた。
【０００８】
本発明は、従来の課題を解決するもので、レーザダイオードや光ファイバの性能のばらつきや出力特性に影響されず精度良くアライメントできる、光ファイバとレーザダイオードのアライメント方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
従来の課題を解決するために、本発明の光モジュールの光軸調整方法は、半導体レーザダイオードと前記半導体レーザダイオードからの照射光を集光するレンズを有する光ファイバとの光軸を、前記光ファイバからの透過光出力が最大となるように両者の相対位置を光軸方向のＸ方向と、該光軸に垂直なＹ方向及びＺ方向の三軸の調整ステージを用いて三次元空間上で位置合わせを行う光モジュール光軸調整方法において、所定の初期のＸ座標位置にて、前記光軸と垂直なＹＺ方向にダイヤモンドスキャンを行ない、前記光ファイバからの透過出力が最大となる前記光軸と垂直なＹＺ方向の最適な位置を求め、次にＸ座標位置を移動するとともに走査すべきダイヤモンドスキャンのＹＺ平面の中心位置を前回のＸ座標位置においてダイヤモンドスキャンの際に得られた透過最大出力が得られる位置に移動して逐次ダイヤモンドスキャンを行い、最も結合効率の高い位置が当該ダイヤモンドスキャンのＹＺ平面の中心となる位置に位置合わせして光軸調整を行うことを特徴としたものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の光モジュールの光軸調整方法によれば、レーザダイオードや光ファイバの性能のばらつきや出力特性に影響されず精度良くアライメントする事ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、本発明の光モジュールの光軸調整方法の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。
【実施例１】
【００１２】
次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【００１３】
図１は本発明の光モジュールの光軸調整方法のフローチャート、図２は本発明の対象とする光モジュールの内部構造の一例を示す図、図３は、図２の半導体レーザデバイスの光軸をステージ上で調整する作業を説明する為の図である。図４はダイヤモンドスキャンのフローチャート、図５はダイヤモンドスキャンによる探索例を表す図、図６はダイヤモンドスキャンのステップによる探索距離の大きさの変化を示す図、図７は本発明による最適値を探索する例を表す図である。図８はレーザダイオードと光ファイバのＹＺ方向の相対位置の変化によるレーザパワーの分布を表す平面図、図９は図８のレーザパワーを表す斜視図、図１０は光軸のずれの大きさと光出力の関係を示すグラフ、図１１はＸ方向の移動と光出力の変化を示す図である。
【００１４】
図２において、光モジュールはベース１と、ベース１に固定されたレーザダイオード２および、先端にレンズが成形された光ファイバ３から構成されている。光ファイバ３の受光側の端部はレーザ光を効率良く取り入れる為、レンズが形成されている。
【００１５】
次に、この光モジュールの光軸のステージ上でのアライメント方法について図３を参照して説明する。図３において、ベース１と、ベース１に固定されたレーザダイオード２は、ホルダ４に取付けられる。また、光ファイバ３はステージ５上に設けられた、クランパ６により保持される。光ファイバ３をステージ５によりＸＹＺ方向に移動させ、三次元空間上で光ファイバ３の図示されていない他端からの透過光出力が最大となるように両者の位置合わせを行う。実際のアライメントにおいて、レーザダイオード２と光ファイバ３の位置関係は、ＸＹＺ方向および、それぞれの軸の回転方向θx、θy、θzの６軸で表される。しかし、本実施例において、回転方向に関してはカメラで撮影した画像により角度を求め、予め調整しておく事により自由度を少なくしＸＹＺ軸の調整のみとする。
【００１６】
次に、本発明の実施例の光軸調整方法について図１を参照して説明する。
【００１７】
図１は、本発明のアライメント方法を示したフローチャートである。
【００１８】
まず、工程Ｓ１において低出力でレーザダイオード２よりレーザを照射する。この時、光ファイバ３とレーザダイオード２はアライメントされていないので最適な位置関係では無く、光ファイバ３の外に漏れるレーザ光が多い。この為、漏れたレーザ光が光ファイバ３にダメージを与えない程度の低出力とする必要が有る。
【００１９】
次に、工程Ｓ２でダイヤモンドスキャンを開始する。ダイヤモンドスキャンは、ＹＺ平面上で最も結合効率の高い位置、即ち、光ファイバ３の端部での最大透過光出力が得られる位置を探索する方法であり、詳細に関しては後述する。ダイヤモンドスキャンを実施し、工程Ｓ３において初期のＸ座標でＹＺ平面上の最も結合効率の高い位置を得ると、工程Ｓ４でその値を記録する。
【００２０】
初期のＹＺ平面上での最も結合効率の良い位置を求めた後、工程Ｓ６にてＸ軸方向に適当な距離光ファイバを移動させる。この時のＸ方向の移動距離は、光ファイバ３とレーザダイオード２の特性により変えるのが良いが、おおよそ１０００ｎｍが好ましい。
【００２１】
ダイヤモンドスキャンは継続して実施されており、タイヤモンドスキャンのＹＺ平面での開始位置は、前回のＸ座標でのダイヤモンドスキャンの際に得られた最も結合効率の高い位置にから開始される為、素早く最大結合効率を得る位置に収束する。この様に、工程Ｓ３において新しいＸ座標におけるＹＺ平面上の最も結合効率の高い位置を得る事が出来、そのＸ座標での出力を工程Ｓ４において記録する。
【００２２】
工程Ｓ５において規定の回数Ｘ軸方向に移動させ繰り返す事により、各Ｘ座標とその位置における最も結合効率の高い状態での出力の関係が求められる。
【００２３】
繰り返しの回数は、光ファイバ３とレーザダイオード２の組合せによって変える必要があるが、５〜１０回程度が好ましい。
【００２４】
上記作業により得られたＸ座標と出力の関係はピーク付近の一定領域であるが、二次曲線と近似する事ができ、最大結合効率を得るＸ座標を推測する事が出来る。この様にして推測された位置に、工程Ｓ７で光ファイバ３を移動する。以上の作業により、低出力で最も結合効率の良いＸＹＺの空間上の位置が求まる。
【００２５】
次に、工程Ｓ８でレーザダイオード２からレーザ光を高出力で照射する。最終的な製品では、光ファイバ３は先端近くでベース１に固定されるが、アライメントを行っている状態では固定されておらず、クランパ６から伸びた光ファイバ３の片持ち梁状態となった部分が長い為、レーザ光が照射されると熱変形が発生する。レーザ光の出力がある程度以上高くなると、熱変形が大きくなりレーザ光の漏れが増大し、そのレーザ光が光ファイバ３に対してダメージを与える事が有る。この為、大きな熱変形が発生せず、その時の漏れレーザ光で光ファイバ３に対しダメージを与えない程度にレーザ光の出力を設定する必要が有る。
【００２６】
また、出力を上げることによりレーザ光の照射方向は微妙に変化する。
【００２７】
この時、ダイヤモンドスキャンは継続して実施されている為、出力の増加に伴い照射方向が変化してずれが発生しても、そのずれによる出力低下を発見し、ＹＺ方向について再度スキャンを開始する為、最も結合効率の良い位置を常に求める事ができる。
【００２８】
即ち、工程Ｓ８でレーザ光出力を増加するが、工程Ｓ８においても継続してダイヤモンドスキャンを行うので所定のレーザ光出力でのアライメントを行い、最も結合効率の良い位置を常に求める事ができる。
【００２９】
これまでの工程において、高出力でレーザを出力した時に最も結合効率の良い位置を求める事ができると、工程Ｓ８でレーザの照射を停止し、アライメント作業を終了する。
【００３０】
図７において上記手順を説明すると、図７の最適位置探索の例を表す図に示すように、レーザ光の低出力でのダイヤモンドスキャンをＡのエリアの中心位置からＹＺ平面上で探索を行い、Ａエリアでの最適位置を求め、次にＸ座標を移動してＡエリアの最適位置のＹＺ座標値をＢエリアの中心にもっていき、Ｂエリアでダイヤモンドスキャンを行い、Ｂエリアでの最適位置を探索する。
【００３１】
この動作を、光ファイバ３をＸ座標方向に適当な距離移動しながら繰り返し、最大の結合効率を得るＸ座標のエリアＣの中心点を推測して移動する。Ｃの位置でもダイヤモンドスキャンを継続している為、レーザダイオード２の出力を上げた場合に照射方向が変化しても最適な位置に追随する。
【００３２】
なお、二次曲線により近似して推測された、最大結合効率を得るＸ座標での光出力が不十分な場合、推測されたＸ座標付近で再度Ｘ方向の移動量を小さくして推測すると良い。あるいは、推測されたＸ座標付近で山登り法により、微小ステップで等間隔スキャンし最大結合効率を得るＸ座標を求めても良い。
【００３３】
このようにして、最大の光出力となる位置を得た後、光ファイバをベース１に溶接やハンダ付け等によりベースに固定し、アライメント作業は完了する。
【００３４】
以下にダイヤモンドスキャンについて説明する。
【００３５】
ダイヤモンドスキャンは、一般的な最適化手法である勾配法（山登り法）を応用したものである。勾配法とは設計変数に対する目的関数の勾配情報を基に最適解を探索する手法であり、ある設計点からスタートして目的関数の勾配が最も急な方向に登っていくことにより、目的関数値の最も高い地点にたどり着くという方法である。本実施例におけるアライメントでは、勾配を求める為に特定の点とその上下左右の点に関して実際にレーザの出力を測定する方法を採っている。その後、最大の値を得た位置に光ファイバを移動しこれを繰り返し、５点のうち最大値を得る位置が中心点となるまで実施する。中心点が最大の値を得た場合、その位置がＹＺ平面の中で、最も結合効率の高い点となる。
【００３６】
これを図５の例を用いて説明する。ｓｔｅｐ１において、測定した５点の中で右が最大値となった場合、ｓｔｅｐ２で測定する５点の中心点をｓｔｅｐ１で最大値が得られた位置である右に移し再度上下左右の位置にて測定を行う。また、ｓｔｅｐ１で既に測定した中心・左は測定を省く事が可能である。ｓｔｅｐ２で再度右が最大になると、その点を中心にしてｓｔｅｐ３へ進む。これを繰り返しｓｔｅｐ５において中心が最大となると、その位置がこの平面上で最大の位置である。
【００３７】
しかし、この探索方法では、初期位置が最大値から大きく外れていた場合に探索の時間が長くなる問題がある。例えば、探索開始位置から最適な位置まで１０μｍ離れていると、探索距離が１μｍであれば最低１０回のスキャンが必要になる。回数を減らす為に探索距離を２μｍにすると最低５回で終了するが、最終的な精度は１μｍの場合より悪くなる。この問題に対しては、スキャンのサイズを段階的に小さくする事により探索速度と精度を両立させる事が可能である。
【００３８】
本実施例では、図６のステップによる探索距離の変化を示す図のように３段階のスキャンサイズで探索している。図６の目盛りは、図５の探索位置を示す目盛りに対応しており、探索する大きさが次第に小さくなっていき、最終的には高い精度で最大位置を探索可能となる。
【００３９】
即ち、最初の探索段階は、探索サイズを最大の正方形状で表わされるスキャンサイズで最適位置の疎探索を行い、次にその正方形状内を小さくしたスキャンサイズで行い、最終的には最小のスキャンサイズで最適位置精度を上げていくものである。図６は、正方形状を示しているが、Ｙ軸方向とＺ軸方向の探索サイズが異なる場合は、矩形状となる。
【００４０】
また、この様に３段階で行う場合、探索精度と速度の観点から最大出力からの差が、大スキャンで６〜１０％、中スキャンで１．５〜６％、小スキャンで０．２〜１．５％の低下が発生する距離を、探索する大きさとすることが望ましい。
【００４１】
即ち、ＹＺ平面の探索で、大スキャンの範囲ではレーザ光出力の低下が大きな部分を見て高速に広範囲の探索を行い、小スキャンの範囲ではレーザ光出力の低下が小さな部分を狭い範囲で精密に探索を行う。
【００４２】
図１０に示すような関係でＹおよびＺ方向のシフトが発生した場合、ＹＺ方向で探索距離が異なる。具体的な探索距離の例を挙げると、Ｚ方向で大スキャンが０．８μｍ（１０％）、中スキャンが０．４μｍ（５．５％）、小スキャンが０．１μｍ（１．５％）の距離とし、Ｙ方向で大スキャンが６．５μｍ（５．９％）、中スキャンが１．８μｍ（１．５％）、小スキャンで０．３μｍ（０．２％）の距離とする。Ｙ方向では出力の低下が鈍い為、Ｚ方向と比較して出力下降の割合としては小さくして、探索精度が低下しないようにしている。
【００４３】
上記の手順をフローチャートにしたものが図４である。Ｓ１０においてスキャンサイズを大にしてスキャンを開始し、ＹＺ平面上で最適な位置が求める。即ち、Ｓ１１で５点の位置での探索を行い最大パワーの位置を求め、Ｓ１２で、当該最大パワーの位置が５点のうち中心点に位置するのか判定する。中心位置でないときは、出力の高い方向へＹＺ平面上をＳ１３で移動してＳ１１で探索を続ける。Ｓ１２で中心点が最大出力を得る場合は、Ｓ１４においてスキャンサイズを判定し、Ｓ１５でスキャンサイズを大中小と小さくしていきながら、最大値を求める。作業終了の外部命令があればＳ１６において終了するが、そうでない場合は一定間隔でＳ１７においてパワー測定を行い、Ｓ１８において一定値以上のパワー低下が発生した場合は、何らかの原因によりアライメントがずれたと判断し、再度Ｓ１０に戻りＹＺ平面上のスキャンを再開する。
【００４４】
この方式の問題点として、アライメントの出力に局所的なピークが発生する場合、使用できないというものが有る。しかし、この実施例におけるレーザダイオード２と端面にレンズを形成した光ファイバ３のアライメントの場合には、光ファイバ３とレーザダイオード２のＹＺ方向の相対位置のずれと出力変化を示した図８、および図８の出力を立体的に示した図９の様にアライメント結果は一点のピークしか持ち得ない為問題は発生しない。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明にかかる光モジュールの光軸調整方法は、レーザダイオードや光ファイバの性能のばらつきや出力特性に影響されず精度良くアライメントする事ができ、光ファイバとレーザダイオードのアライメント方法として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施例１における光モジュールの光軸調整方法のアライメントのフローチャート
【図２】本発明の光モジュールの光軸調整方法に用いる光モジュールの内部構造と座標軸を説明するための図
【図３】本発明の実施例１における光モジュールの光軸調整方法に用いるアライメント装置の構成を示す図
【図４】本発明の実施例１における光モジュールの光軸調整方法のダイヤモンドスキャンのフローチャート
【図５】本発明の実施例１における光モジュールの光軸調整方法のダイヤモンドスキャンの探索を説明するための図
【図６】本発明の実施例１における光モジュールの光軸調整方法のダイヤモンドスキャンのステップによる探索距離の大きさの変化を説明するための図
【図７】本発明の実施例１における光モジュールの光軸調整方法のダイヤモンドスキャンによる最適値探索を説明するための図
【図８】本発明の実施例１における光モジュールの光軸調整方法のＹＺ方向の相対位置の変化によるレーザパワーの分布を表す平面図
【図９】本発明の実施例１における光モジュールの光軸調整方法のＹＺ方向の相対位置の変化によるレーザパワーの分布を表す斜視図
【図１０】本発明の実施例１における光モジュールの光軸調整方法の光軸ずれと出力変化の関係を示す図
【図１１】本発明の実施例１における光モジュールの光軸調整方法のＸ方向の位置と光出力の変化を示す図
【符号の説明】
【００４７】
１  ベース
２  レーザダイオード
３  光ファイバ
４  ホルダ
５  ステージ
６  クランパ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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