(57)【要約】【課題】、光ファイバ増幅器や光ファイバレーザに用いる半導体励起レーザモジュールにおいて、少ない部品点数で簡便な組み立て手順により高い歩留まりで高い結合効率を有するレーザ光と光ファイバの光結合を実現する製造方法がなかった。【解決手段】光ファイバ増幅器や光ファイバレーザに用いる半導体励起レーザモジュールにおいて、半導体レーザ素子を搭載する基板と、先端がレンズ加工された光ファイバの先端部を固定保持する基板とからなり、該レーザ素子搭載基板におけるレーザ光出射面側の端面と、該光ファイバ保持基板におけるレンズ加工部側端面との端面接合により両基板を接合固定させることによりレーザ光と光ファイバとの光結合部を構成してなることを特徴とする半導体励起レーザモジュール。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバ増幅器や光ファイバレーザに用いる半導体励起レーザモジュールにおいて、半導体レーザ素子を搭載する基板と、先端がレンズ加工された光ファイバの先端部を固定保持する基板とからなり、該レーザ素子搭載基板におけるレーザ光出射面側の端面と、該光ファイバ保持基板におけるレンズ加工部側端面との端面接合により両基板を接合固定させることによりレーザ光と光ファイバとの光結合部を構成してなることを特徴とする半導体励起レーザモジュール。
【請求項２】
該レーザ素子搭載基板の接合端面と該光ファイバ保持基板の接合端面との接合が、レーザ溶接、無機系接着剤による接着のいずれか或いは組み合わせによりなされることを特徴とする請求項１記載の半導体励起レーザモジュール。
【請求項３】
該レーザ素子搭載基板における接合端面および該光ファイバ保持基板における接合端面がレーザ素子光軸および光ファイバ光軸に対して垂直に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体励起レーザモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバ増幅器や光ファイバレーザに用いる半導体励起レーザモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体励起レーザモジュールは、光ファイバ増幅器や光ファイバレーザを構成するために不可欠な部品となっているばかりでなく、これら装置を構成する上で部材コストにおいて大きな比率を占めている。そのため、光ネットワークの拡大につれて光ファイバ増幅器の価格低減の要求が大きくなっていることから、半導体励起レーザモジュールに対しても価格低減の要求が極めて大きくなっている。
【０００３】
半導体励起レーザモジュールは、レーザ素子から出射されるレーザ光を光ファイバに光結合させて出射させるものである。モジュール組み立てに当たっては、レーザ光と光ファイバとの光結合が組み立て工程上の最も重要な技術要素となっている。従って、レーザ光と光ファイバとの光結合が、高い光結合効率を確保しつつ、簡便な方法手順で高い歩留まりで組み立てできればレーザモジュールの価格低減につなげることができる。
【０００４】
従来技術においては、レーザ光と光ファイバの光結合は、組み合わせレンズを用いる方法が一般的であった。
【０００５】
これは、レーザ光の出射パターンに異方性があることやレーザ素子をパッケージに気密封止すること等さまざまな要求のため、このようなレーザ光を効率的に光ファイバ入射するためには、組み合わせレンズを用いることが有利であったためである（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
また、組み合わせレンズを用いた場合、レンズやレンズホルダなどの多くの部品が必要であることから、光ファイバ先端をレンズ状に加工したいわゆるレンズドファイバを用いて励起レーザモジュールを組み立てる技術も開発されている。
【０００７】
このレンズドファイバを用いたレーザ素子との光結合は、レーザ素子或いはレーザ素子を搭載する基板（いわゆるサブマウント）も含めて、レンズドファイバを何らかの共通基板の上に置いて固定する方法がとられている。これは、共通基板を用いることにより組み立ての簡便化を図るとともに、長時間にわたる光軸ずれの発生防止など信頼性を確保することが目的となるためである（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】国際公開第０１／０１５２７パンフレット
【特許文献２】特開２００２−３３３５５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述した例えば国際公開第０１／０１５２７パンフレットに記載されている組み合わせレンズは、一般に、レーザ素子から出射されるレーザ光を平行ビームに成形する第１レンズと平行ビームを集光して光ファイバに結像させる第２レンズとからなる。組み合わせレンズによる光結合は、７０％以上の高い結合効率が得られるものの、組み合わせレンズを用いてモジュールを組み立てるためには、レンズやレンズホルダを始め、多くの部品が必要であるばかりでなく、レーザ光に対して、これらを順次調芯し、固定して行くという煩雑で時間の掛かる工程が必要であった。
【０００９】
このように、組み合わせレンズによるモジュール組み立てには、多くの部品と煩雑で時間の掛かる組み立て工程が必要であるために、励起レーザモジュールの製造コストを低減することは殆ど不可能な状況となっていた。
【００１０】
また、特開２００２−３３３５５４号公報などに記載のレンズドファイバを用いたレーザ素子との光結合は、共通基板を用いて光結合部を構成することにより、いわゆるパッシブアライメントで組み立てできることから、組み立て工程自体は簡単になる。しかしながら、レーザ素子と光ファイバとの調芯に自由度がなくなることにより、パッシブアライメントにより、高い光結合効率を実現するためには、部品に対して高い加工精度が必要になるばかりでなく、レーザ素子や光ファイバ等の部品固定において極めて高い位置精度で取付けることが不可欠である。
【００１１】
ちなみに、７０％以上の高い結合効率を実現させるためには、一般に、レーザ素子光軸に対して、光軸方向における位置精度は、１０μｍ程度のトレランスはあるが、光軸に垂直な面内（レーザ光光軸に対して水平と垂直の軸方向）では、０．５μm以内の精度が不可欠である。
【００１２】
パッシブアライメントにより、このような高い位置精度を実現するためには、それ以上に高い加工精度で部品を加工したり固定したりすることが必要であるが、このような精度を実現することは現実的には極めて難しい。例えば、レーザ光光軸に対して平行な面、即ち、レーザ素子搭載基板表面と平行となる水平面内における位置精度は、近年の光素子実装装置の発達によって１μｍ以内の高い位置精度で固定することは可能となっている。しかしながら、このような装置は極めて高価であるのが一般的である。
【００１３】
一方、レーザ光光軸に対して垂直な面における垂直方向、即ち、搭載基板表面と垂直となる高さ方向における位置精度は、レーザ素子自身の高さ寸法の精度や素子固定に用いられるハンダ層の厚さ精度等が数μｍ以上に変動する。そのため、上述の高価で高い取付け位置精度を有する実装装置を用いたとしても、高さ方向においてパッシブアライメントによって、１μｍ以内の位置精度で固定することは極めて困難であった。従って、このような従来技術によって、高い結合効率を有するモジュールを歩留まり良く製造することは現実的には不可能であった。
【００１４】
このように、従来技術による半導体励起レーザモジュールの製造に当たっては、最も重要な技術要素であるレーザ光と光ファイバとの光結合部の組み立てにおいて、組み立て工程が煩雑で時間が掛かり、また、簡便な工程となるパッシブアライメントを用いた場合には、部品作製や取付け位置精度に高い精度が要求されることから現実には歩留まり良く製造することは現実には不可能であった。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、光ファイバ増幅器や光ファイバレーザに用いる半導体励起レーザモジュールにおいて、半導体レーザ素子を搭載する基板と、先端がレンズ加工された光ファイバの先端部を固定保持する基板とからなり、該レーザ素子搭載基板におけるレーザ光出射面側の端面と、該光ファイバ保持基板におけるレンズ加工部側端面との端面接合により両基板を接合固定させることによりレーザ光と光ファイバとの光結合部を構成してなることを特徴とする半導体励起レーザモジュールである。
【００１６】
また該レーザ素子搭載基板の接合端面と該光ファイバ保持基板の接合端面との接合が、レーザ溶接、無機系接着剤による接着のいずれか或いは組み合わせによりなされることを特徴とする上記の半導体励起レーザモジュールである。
【００１７】
また、該レーザ素子搭載基板における接合端面および該光ファイバ保持基板における接合端面がレーザ素子光軸および光ファイバ光軸に対して垂直に形成されていることを特徴とする上記の半導体励起レーザモジュールである。
【００１８】
従来の技術との比較において、組み合わせレンズを用いた方法やレーザ素子とレンズドファイバを共通基板に固定した方法によって光結合部を構成することが異なる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、光ファイバ増幅器や光ファイバレーザに用いる半導体励起レーザモジュールにおいて、少ない部品点数で簡便な組み立て手順により高い歩留まりで高い結合効率を有するレーザ光と光ファイバの光結合を実現した半導体励起レーザモジュールを製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１に、本発明の実施形態の一例を示す。（ａ）は側面図、（ｂ）は上面図である。
【００２１】
レーザ素子１は、絶縁層２ａを施したレーザ素子搭載基板２の上にあり、出射面が接合端面５に対して、出射するレーザ光の光軸が垂直となり、かつ接合面より所定の位置となるように固定されている。光ファイバ３は、先端にレンズ加工部３ａを持ち、光ファイバ固定部４ａによって光ファイバ保持基板４に固定されている。光ファイバ３は、その光軸が接合端面５に垂直となり、かつレンズ加工部３ａが接合端面５より所定の位置となるように固定されている。
【００２２】
本例による組み立て工程を示すと次のようになる。(1)レーザ素子搭載基板２と光ファイバ保持基板４を調芯装置に取付ける。(2)レーザ素子１を発光させ、光ファイバ３の他端での光出力をモニターする。(3)光ファイバからの出力が最大となるようレーザ光に対して光軸と垂直な面内において水平および垂直方向に調芯する。(4)光出力が最大となった位置で接合端面５で接合する。
【００２３】
レーザ素子は、レーザ光の光軸に対して、垂直方向での出射角が大きく、水平方向の出射角は比較的小さいため、垂直面内での光結合のトレランスは、垂直方向でより小さくなるので、垂直方向での位置合わせが重要である。一方、光軸方向には、トレランスは比較的大きい。一般的には、効率よく光結合させるためには、垂直面内で１μｍ程度のトレランスで位置合わせする必要があるが、光軸方向においては、１０μｍ程度のトレランスがある。
【００２４】
本例では、光軸方向に対しては、予めレーザ素子や光ファイバはそれぞれの基板に固定されているが、トレランスが大きいため、十分に１０μｍ程度の位置精度が確保できる。また、垂直面内での位置精度は、最適位置を調芯して求めるので０．５μｍ程度の位置精度は、通常のファイバ光学用の調芯装置を用いることによって容易に達成できる。
【実施例１】
【００２５】
以下、実施例により説明する。
【００２６】
レーザ素子１には、ＧａＡｓ（ヒ化ガリウム）系で発光波長９８０ｎｍの素子とした。これをＡｌＮ（チッ化アルミニウム）系材料で作製された絶縁層２ａを介してコバール製のレーザ素子搭載基板２に固定した。光ファイバ３は石英系の通常の単一モード光ファイバであり、先端をレンズ加工した後、先端１ｍｍ付近までＡｕでメタライズした。これを表面にＶ溝を形成した光ファイバ保持基板４に対してハンダで固定した。
【００２７】
これらの基板を調芯装置に取付け、レーザ素子を低出力で発光させながら光ファイバ出力が最大となるよう調芯した。調芯手順は、粗動により接合端面が間隔２０μｍ程度になるまで接近させ、さらに微動により間隔が数μｍとなるまで接近させた。次に、垂直面内において自動調芯させた後、端面同士を突き当て、ＹＡＧレーザを接合端面の両側面と下面に同時に照射して接合端面を接合してレーザ光と光ファイバを光結合したサブアセンブリを得た。なお、部材の調芯装置への取付けから調芯、接合、さらに、調芯装置からの取外しまでのサブアセンブリの組み立て所要時間は、ほぼ４分以内であった。
【００２８】
上記の手順で１０個のサブアセンブリを作製して結合効率を調べたところ、平均で６６％、最大７２％、最小６１％の結合効率が得られた。また、光学顕微鏡により、上面から観察してレーザ素子出射面と光ファイバとの角度は、０．８度程度の角度ずれ以内であり、間隔は所定の間隔に対して１２μｍ以内の位置ずれであった。なお、側面からの観察も試みたが、光学顕微鏡では観察は困難であった。結合効率から推定すれば垂直方向の角度ずれは、０．６度程度以内に収まっていると推定される。
【００２９】
なお、レーザ素子搭載基板と光ファイバ保持基板を接合したサブアセンブリは、パッケージに収容し、レーザ素子電極等とパッケージ外部端子との間をワイヤボンディングによって電気的に結合した後、蓋のシーム溶接や光ファイバの取出口でのハンダ封止により気密封止して半導体励起レーザモジュールとする。
【００３０】
このように、部品点数が少なく、組み立て工程が簡便でありながら、光結合効率に影響の大きい垂直面内での調芯を行うことから、高い結合効率を有する半導体励起レーザモジュールを歩留まりよく、低コストで製造できた。さらに、部品点数が少ないことに加えて部品の小型化も容易であることから、ミニＤＩＬのような小型パッケージにも容易に収容できる。
【００３１】
レンズ加工は、コーン状はもちろんであるが、ウェッジ状とすることも可能である。ウェッジ状に加工されたレンズドファイバを用いた場合、レーザ光と光ファイバとの結合効率は容易に７０％以上が実現できるが、光ファイバを光ファイバ保持基板に固定する際取付け角度に十分注意を払う必要がある。
【実施例２】
【００３２】
図２は、本発明の第２の実施例を説明する図であって、実施例１に示した手順において、接合端面の接合をゾルゲル系の無機系接着剤を用いた場合を示す。この場合は、励起レーザ素子搭載基板２にはＡｌＮ系材料製の基板を用いた。光ファイバ保持基板４はコバール製とした。調芯装置においては、これらの基板を取付けるための取付け治具にヒータを組み込み、基板をほぼ８０℃程度まで加熱できるようにした。
【００３３】
レーザ素子搭載基板２と光ファイバ保持基板４を約６０℃となるよう加熱し、実施例１に示す手順で調芯した後、無機接着剤を接合端面に塗布した。接着剤には、メトキシシラン等のシロキサンやシランカップリング剤等を配合したゾルゲル系の無機系接着剤を調整して用いた。接着剤は、粘度が低いため毛細管現象により接合端面の隙間に容易に浸透した。塗布後、約１０分保持することで取外し可能な程度まで半硬化した。この手順で１０個のサブアセンブリを作製し、これらをまとめてオーブンに投入し、１１５℃で約２時間加熱して完全硬化させた。
【００３４】
完全硬化させたサブアセンブリ１０個の結合効率を測定したところ、平均６４％の効率が得られた。本実施例においても、実施例１と同様に、組み立て工程が簡便であるにも関わらず高い結合効率が得られた。
【００３５】
本実施例では、組み立ての所要時間は実施例１に比べれば長いものの、溶接用の高価なレーザ照射装置が不要となることやレーザ搭載基板とサブマウントとを兼ねることができるので、部品点数がさらに少なく、また、組み立て装置が簡便な装置で済むことから製造コストがさらに低減できた。また、無機系接着剤を用いることにより、接着層が無機材質となることから、パッケージ収容後に有機系ガスや水分等の発生が防止できる利点がある。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、光通信分野における通信システムはもちろん、評価・測定など光伝送の応用分野にも利用できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施形態の一例を示す図である。
【図２】実施例２を説明する図である。
【符号の説明】
【００３８】
１    レーザ素子
２    レーザ素子搭載基板
２ａ  絶縁層
３    光ファイバ
３ａ  レンズ加工部
４    光ファイバ保持基板
４ａ  光ファイバ固定部
５    接合端面
【図１】
2007287726.tif 000003
【図２】
2007287726.tif 000004