JPH06196816A - レンズ付きレーザダイオードおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 小型で高安定、高信頼なレンズ付きレーザダ
イオードを高精度かつ短時間に組み立てる。 【構成】 高屈折率部をレーザダイオードアレイとは反
対側に設けるとともに入射部に窪みを設けたレンズアレ
イをサブマウントに直接固定することにより、レーザダ
イオードアレイとレンズアレイとの間の距離および平行
度の調整が不要になると共に、高安定化、高信頼化、小
型化が図れる。また、ＹＡＧレーザビームをレンズアレ
イのサブマウントとは反対側から入射し、レンズアレイ
とサブマウントの間に設けられた半田を非接触かつ局部
的に加熱することによって溶かしてレンズアレイとサブ
マウントの間の光軸直交方向に位置合わせ固定を行うこ
とにより、組み立て装置の熱変形が少なくて済み、高精
度な組み立てが行えるとともに、温度変化部分の熱容量
が小さいため、上昇・冷却が短時間に行える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、コンピュータや交換
機などにおいて、並列デジタルデータなどを光ファイバ
を用いて伝送する際の信号光源として必要となる、複数
のレーザ光の出射部を有するレーザダイオードチップを
備えたレンズ付きレーザダイオードに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】図６は、例えば、守谷らによって「多チ
ャンネルＬＤ、ＰＤアレイモジュールの試作」と題して
１９９２年電子情報通信学会春季大会（発表番号Ｃ−２
６９）で発表された従来の複数のレーザ光の出射部を有
するレーザダイオードチップを備えたレンズ付きレーザ
ダイオードアレイの構成例である。図において、１はレ
ーザダイオードアレイ、２はレーザダイオードアレイ１
の活性層、３は出力光、４はレンズアレイ、５は光ファ
イバ端末、６はキャリア、７はサブマウント、８は高融
点半田、９は低融点半田である。

【０００３】図７は、従来のレンズ付きレーザダイオー
ドアレイの組み立て方法を表す図である。図において、
１０はホットプレート、１１はレーザダイオードアレイ
微動装置、１２はレンズアレイ微動装置であり、その他
の符号は図６と同一である。

【０００４】次に動作について説明する。レーザダイオ
ードアレイ１に並列して設けられた活性層２から放射さ
れる出力光３は、集光光学系の集合体であるレンズアレ
イ４によって、レンズアレイ４の前方の光ファイバ端末
５の入射端面に集光される。キャリア６は、レーザダイ
オードアレイ１とレンズアレイ４との相対位置を固定す
るための金属製の構造部材であり、また、サブマウント
７は、組み立て時や使用時においてレーザダイオードア
レイ１に加わる熱歪みを緩和するための緩衝部材であ
り、通常、シリコン等レーザダイオードアレイ１基板材
料と類似の物理的性質を有する材料が用いられる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来のレンズ付きレー
ザダイオードアレイは以上のように構成され、組み立て
られていたので、以下の問題点があった。

【０００６】第一の問題点は、レーザダイオードアレイ
１とレンズアレイ４との位置合わせ工程の繁雑さに関す
るものである。レーザダイオードアレイ１の出力光３を
レンズアレイ４で集光して光ファイバ端末５に効率良く
入射するには、レーザダイオードの放射パターンを光フ
ァイバの伝搬モードに変換するために、所定の像倍率を
持った結像関係を満たすよう、レーザダイオードアレイ
１、レンズアレイ４と光ファイバ端末５の位置関係を高
精度に調整する必要がある。通常、この調整は、まず、
像倍率の関係上、調整範囲が狭いレーザダイオードとレ
ンズの間を調整した後に所定の出力が得られるように光
ファイバ端末の位置を調整する手順がとられる。

【０００７】レーザダイオードの活性層が一つしかな
く、レンズと光ファイバ端末も一つずつの場合にはそれ
ぞれの間の距離と光軸直交方向の位置を調整するだけで
良いが、複数の光源を持つレーザダイオードアレイ１の
出力光３をレンズアレイ４で集光する際には、全ての光
源とレンズの距離を等しくするためにレーザダイオード
アレイ１とレンズアレイ４との平行度をも調整しなけれ
ばならない。このため、図６に示した従来のレンズ付き
レーザダイオードアレイの構成においては、キャリア６
の端面に対してレーザダイオードアレイ１端面の平行度
と光軸方向の距離とを調整した後にレンズアレイ４の光
軸直交方向の位置を調整しなければならず組み立て工程
が繁雑であった。

【０００８】第二の問題点は、大きさと特性の安定性お
よび信頼度に関するものである。図６に示した従来のレ
ンズ付きレーザダイオードアレイの構成においては、キ
ャリア６を介してレーザダイオードアレイ１とレンズア
レイ４が固定されており、キャリア６の大きさによって
レンズ付きレーザダイオードアレイの小形化が制限され
ていた。また、レーザダイオードアレイ１に対する放熱
を良くするためにキャリア６として銅等の熱伝導率の良
い材質を用いると、レーザダイオードアレイ１、サブマ
ウント７、レンズアレイ４に比べてキャリア６の熱膨張
率が大幅に大きくなり、サブマウント７とキャリア６の
間の接合部及びレンズアレイ４とキャリア６の間の接合
部に大きな熱歪みが加わり、レンズ付きレーザダイオー
ドアレイの安定性および信頼度を損なうこととなる。

【０００９】第三の問題点は、レーザダイオードアレイ
１とレンズアレイ４との位置合わせ工程の精度と所要時
間に関するものである。図７の従来の組み立て方法を表
わす図を用いて説明する。まず、ホットプレート１０で
レンズ付きレーザダイオードアレイ全体を加熱して高融
点半田８を溶融状態とした後に、レーザダイオードアレ
イ微動装置１１を用いてレーザダイオードアレイ１のキ
ャリア６端面に対する平行度と距離を調整する。次に、
高融点半田８は凝固状態、低融点半田９は溶融状態とな
るようホットプレート１０の温度を下げ、レンズアレイ
微動装置１２を用いてレンズアレイ４の光軸直交方向の
位置を光ファイバ端末５への入射光が所定の値となるよ
うに調整する。この調整が終了後、ホットプレート１０
の温度を室温まで下げ、レンズ付きレーザダイオードア
レイを取り出す。

【００１０】従来は上記のような方法で組み立てられて
いたので、高融点半田８として例えば融点が２８０°Ｃ
のＡｕＳｎ半田、低融点半田９として例えば融点が１８
３°ＣのＰｂＳｎ半田を用いた場合には、最終位置合わ
せ後に対してもホットプレート１０の温度を室温に対し
て少なくとも１５０度程度変化させねばならず、ホット
プレート１０の熱変形によって位置合わせに誤差が生じ
るとともに、昇温・冷却に少なからぬ時間を要する。

【００１１】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、レーザダイオードアレイ１とレ
ンズアレイ４との位置合わせを簡単かつ高精度に行うと
ともに、小型でかつ高安定、高信頼なレンズ付きレーザ
ダイオードアレイを実現することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１のレンズ付きレ
ーザダイオードは、複数のレーザ光の出射部を有するレ
ーザダイオードチップと、レーザダイオードチップのレ
ーザ光の出射側の端面と一面を揃えて配置され、レーザ
ダイオードチップを保持するマウントと、マウントの上
記一面に保持され、レーザ光を透過する基板に形成され
た複数のレンズを有し、上記レーザダイオードチップの
それぞれのレーザ光を所定の位置に集光させるレンズア
レイとを備え、少なくともレーザダイオードチップのレ
ーザ光の出射部とレンズアレイとの間に、上記出射部と
レンズアレイとの接触を回避する間隙を有するものであ
る。

【００１３】請求項２のレンズ付きレーザダイオード
は、複数のレーザ光の出射部を有するレーザダイオード
チップと、レーザダイオードチップのレーザ光の出射側
の端面と一面を揃えて配置され、レーザダイオードチッ
プを保持するマウントと、マウントの上記一面に保持さ
れ、レーザ光を透過する基板に屈折率分布を設けて形成
された複数のレンズを有し、上記レーザダイオードチッ
プのそれぞれのレーザ光を所定の位置に集光させるレン
ズアレイとを備え、上記レンズアレイの屈折率分布がレ
ーザダイオードチップ側に凸面を有する凸レンズと等価
に形成されたものである。

【００１４】請求項３のレンズ付きレーザダイオードの
製造方法は、複数のレーザ光の出射部を有するレーザダ
イオードチップと、レーザダイオードチップのレーザ光
の出射側の端面と一面を揃えて配置され、レーザダイオ
ードチップを保持するマウントと、マウントの上記一面
に半田により保持され、レーザ光を透過する基板に形成
された複数のレンズを有し、上記レーザダイオードチッ
プのそれぞれのレーザ光を所定の位置に集光させるレン
ズアレイとを備えたレンズ付きレーザダイオードを製造
するものにおいて、レーザダイオードチップのレーザ光
の出射側の端面とマウントの一面を揃えてレーザダイオ
ードチップをマウントに固着し、レンズアレイの基板を
透過するレーザ光をレンズアレイの基板のマウントとは
反対側から入射させ、レンズアレイとマウントの間に設
けられた半田を加熱して溶かし、レンズアレイをマウン
トに固着するものである。

【００１５】

【作用】請求項１の発明によれば、少なくともレーザダ
イオードチップのレーザ光の出射部とレンズアレイとの
間に、上記出射部とレンズアレイとの接触を回避する間
隙を有するので、レーザダイオードチップとレンズアレ
イとの平行度および間隔の調整無しに、レンズアレイを
マウントに直接固定できる。

【００１６】請求項２の発明によれば、レンズアレイの
屈折率分布がレーザダイオードチップ側に凸面を有する
凸レンズと等価に形成されているので、レーザダイオー
ドチップとレンズアレイとの光軸直交方向位置合せの要
求精度が緩和され、レーザダイオードチップとレンズア
レイとの間隔調整無しに、高性能なレンズ付きレーザダ
イオードが容易に得られる。

【００１７】請求項３の発明によれば、レーザダイオー
ドチップのレーザ光の出射側の端面とマウントの一面を
揃えてレーザダイオードチップをマウントに固着し、レ
ンズアレイの基板を透過するレーザ光をレンズアレイの
基板のマウントとは反対側から入射させ、レンズアレイ
とマウントの間に設けられた半田を加熱して溶かし、レ
ンズアレイをマウントに固着するので、レンズアレイと
マウントの間に設けられた半田を効率良く均一に加熱で
きる。

【００１８】

【実施例】実施例１．図１はこの発明に係るレンズ付き
レーザダイオードの構成図であり、１はレーザダイオー
ドアレイ、２はレーザダイオードアレイ１の活性層、３
は出力光、５は光ファイバ端末、７はサブマウント、８
は高融点半田、９は低融点半田、１３は窪み付きレンズ
アレイであり、レーザダイオードチップのレーザ光の出
射部とレンズアレイとの接触を回避する間隙として窪み
１４が設けられたものである。

【００１９】このレンズ付きレーザダイオードの基本的
な動作は、先に図６に示した従来例と同じであり、レー
ザダイオードアレイ１に並列して設けられた活性層２か
ら放射される出力光３は、集光光学系の集合体である窪
み付きレンズアレイ１３によって、光ファイバ端末５の
入射端面に集光される。

【００２０】次に、レーザダイオードアレイとレンズア
レイとの間の平行度および光軸方向の距離の調整が不要
になる理由を説明する。図２はこの発明に係るレンズ付
きレーザダイオードの構成を側面から見た図である。図
中、１５は窪み付きレンズアレイ１３に形成されている
高屈折率部であり、その他の符号は図１と同一である。

【００２１】図２に示すレンズ付きレーザダイオードの
組み立てにおいては、高融点半田８が溶融状態のときに
レーザダイオードアレイ１とサブマウント７を平面治具
に軽く押し付けた後に冷却することにより、レーザダイ
オードアレイ１とサブマウント７の端面が一致するよう
に固定することができる。この後にレーザダイオードア
レイ１に対する窪み付きレンズアレイ１３の光軸直交方
向の位置を調整した後に固定することによってレンズ付
きレーザダイオードが完成する。

【００２２】上述の方法で組み立てられたレンズ付きレ
ーザダイオードにおいては、レーザダイオードアレイ１
と窪み付きレンズアレイ１３が極めて小さな隙間を持っ
て固定されるので、図２に示すように、窪み付きレンズ
アレイ１３の高屈折率部１５がレーザダイオードアレイ
１とは反対側に設けられていれば、窪み付きレンズアレ
イ１３の基板厚さを適当に選ぶことにより、レーザダイ
オードアレイ１の発光点とレンズの主点の距離を無調整
で最適な値に設定できる。従って、レーザダイオードア
レイとレンズアレイとの間の平行度および光軸方向の距
離の調整が不要となる。

【００２３】次に、窪み付きレンズアレイ１３に設けた
窪み１４の働きについて説明する。レーザダイオードは
一般にチップ両端のへき開面を共振器の反射面として用
いており、へき開面の形状や特性が僅かでも変化すると
レーザダイオードの特性が劣化する。また、レーザダイ
オードの外部に波長と同程度の隙間を介して反射点があ
ると、レーザダイオードのへき開面とこの反射点との間
の干渉によりレーザダイオード共振器の反射率が実効的
に変化し、レーザダイオードの特性が不安定となる。前
述のように、この発明に係るレンズ付きレーザダイオー
ドにおいては、レーザダイオードアレイ１と窪み付きレ
ンズアレイ１３が極めて小さな隙間を持って固定される
ので、両者が接してレーザダイオードのへき開面を破損
することによってレーザダイオードを劣化させたり、レ
ンズアレイ表面とレーザダイオードへき開面との間の干
渉によってレーザダイオードの特性を不安定にすること
を防ぐため、レーザダイオードの活性層の付近において
は、レンズアレイ表面とレーザダイオードアレイとの間
には一定の間隔を保つことが望まれる。窪み１４はこれ
らの理由から設けられたものである。なお、窪み１４の
底部に無反射コートが施されていれば、上述の窪み付き
レンズアレイ１３の表面とレーザダイオードへき開面と
の間の干渉が一層低減できるので望ましい。

【００２４】次に、窪み付きレンズアレイ１３に設けた
窪み１４と高屈折率部１５との関係について説明する。
この実施例のレンズアレイは屈折率を高めるイオンをガ
ラス基板に、一定の間隔で穴を空けたマスクを介して注
入することによって作られる。このとき、イオンの種類
によっては、イオン注入工程完了時にガラス基板のイオ
ン濃度に分布が生じ、これによって高屈折率部１５内部
にも同心円状の屈折率分布が生じることがある。窪み１
４がこのイオンが注入された高屈折率部１５に及ぶと上
述の屈折率分布に急俊な乱れを与えるので、レンズアレ
イの集光特性を劣化させる。従って、窪み１４の深さは
高屈折率部１５にかからない範囲に止める必要がある。

【００２５】次に、窪み付きレンズアレイ１３に設けた
高屈折率部１５の形状と光ファイバ端末５の固定位置の
関係について説明する。図３は、立川らによって、「半
導体レーザー多モードファイバ結合系における球面収差
の検討」と題して電子通信学会通信システム研究会（発
表番号ＣＳ８３−１７７）で発表された、球面収差を有
する結合光学系における、光ファイバ端末の光軸直交許
容軸ずれ量の光ファイバ端末の光軸方向位置依存性であ
る。図において、２０はレーザダイオード、２１は球面
収差を有する結合レンズ、５は光ファイバ端末である。
この図では、光ファイバ端末を最大の光出力が得られる
位置から僅かに遠ざけることにより、光出力の絶対値は
少なくなるものの、光ファイバ端末の光軸直交方向の位
置ずれに対する光出力の変化量は少なくなることが示さ
れている。

【００２６】図２に示すように、この発明に係るレンズ
付きレーザダイオードにおいては、窪み付きレンズアレ
イ１３の高屈折率部１５はレーザダイオードアレイ１と
は反対側に設けられており、屈折率分布はレーザダイオ
ードアレイ１側に凸面を持つ平凸レンズと等価である。

【００２７】一般に、レーザダイオードと光ファイバと
の結合系においては、レーザダイオードの放射角が光フ
ァイバの受光角より大きいため、３〜５倍程度の倍率を
もって構成される。球面収差は、光線を急俊に曲げる方
が大きくなるため、レーザダイオードアレイ１側に平面
側を向けるよりも凸面を向ける方が平凸レンズの球面収
差は大きくなる。

【００２８】この発明に係るレンズ付きレーザダイオー
ドにおいては、上述の光ファイバ端末の光軸直交許容軸
ずれ量の光ファイバ端末の光軸方向位置依存性が顕著に
表れ、光ファイバ端末を最大の光出力が得られる位置か
ら遠ざけることにより、光出力の絶対値は少なくなるも
のの、光ファイバ端末の光軸直交方向の位置ずれに対す
る光出力の変化量は少なくなり、許容軸ずれ量を増大で
きる。

【００２９】なお、コンピュータや交換機などにおいて
は、伝送距離が短いので、並列デジタルデータなどを光
ファイバを用いて伝送する際の信号光源としては、光出
力は少なくても差し支えない。一方、光ファイバ端末の
光軸直交方向の位置ずれに対する許容量が大きいことは
組み立て工程の簡素化が図れるため、光ファイバ端末を
最大の光出力が得られる位置から遠ざけた位置で固定す
ることは有用である。

【００３０】実施例２．図４はこの発明に係るレンズ付
きレーザダイオードの製造方法におけるレンズアレイの
位置合わせ固定方法を表わす説明図である。なお、レン
ズ付きレーザダイオードとしては上記実施例１の構成の
ものについて説明する。図中、１６は窪み付きレンズア
レイ１３の基板を透過するレーザ光を発生するＹＡＧレ
ーザ装置、１７はＹＡＧレーザビーム、１８はレーザビ
ーム集光レンズであり、その他の符号は図１と同一であ
る。

【００３１】先に述べた方法でそれぞれの端面が一致す
るように固定されたレーザダイオードアレイ１とサブマ
ウント７に対して窪み付きレンズアレイ１３を位置合わ
せ固定するには、ＹＡＧレーザ装置１６から出射される
ＹＡＧレーザビーム１７をレーザビーム集光レンズ１８
を用いて窪み付きレンズアレイ１３とサブマウント７と
の間に設けられた低融点半田９に集光させ、低融点半田
９を溶融状態とした後にレンズアレイ微動装置１２を用
いて窪み付きレンズアレイ１３の光軸直交方向の位置を
光ファイバ端末５への入射光が所定の値となるように調
整し、その後にＹＡＧレーザビーム１７を遮断して低融
点半田９を凝固させることによって行われる。

【００３２】この発明に係るレンズ付きレーザダイオー
ドにおけるレンズアレイの位置合わせ固定方法において
は、ＹＡＧレーザビーム１７を低融点半田９の全部が見
通せる方向から照射できるので、低融点半田９を効率良
く均一に加熱できる。また、低融点半田９の局部加熱が
できるため、組み立て装置の熱変形が少なく、これによ
って生じる位置合わせ誤差も小さくなる。さらに、従来
のように、ホットプレートのごとき熱容量の大きな部分
が無いので昇温・冷却が短時間で行なえ、組み立て時間
の短縮が図れる。

【００３３】実施例３．また、上記実施例では、窪み付
きレンズアレイ１３として、ガラス基板に屈折率を高め
るイオンを注入したものを例に挙げて説明したが、図５
に示すように、ガラスもしくはシリコン等の対象波長で
透明な材質の平板に、レーザダイオードアレイ１とは反
対側に凸面を持つ平凸レンズと等価のレンズアレイを加
工してレンズ効果を持たせた、窪み付き凸レンズアレイ
１９を用いても良い。

【００３４】なお、上記実施例では、レーザダイオード
チップのレーザ光の出射部とレンズアレイとの接触を回
避する間隙として、窪み付きレンズアレイ１３に窪み１
４を設けた例を示したが、これに限らず、レンズアレイ
の基板を切り欠いたり、レーザダイオードチップのほう
に凹部を形成しても良い。

【００３５】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、レーザダイオ
ードチップとレンズアレイとの平行度および間隔の調整
無しに、レンズアレイをマウントに直接固定できる。請
求項２の発明によれば、レーザダイオードチップとレン
ズアレイとの光軸直交方向位置合せの要求精度が緩和さ
れ、レーザダイオードチップとレンズアレイとの間隔調
整無しに、高性能なレンズ付きレーザダイオードが容易
に得られる。請求項３の発明によれば、レンズアレイと
マウントの間に設けられた半田を効率良く均一に加熱で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例１を示す構成図である。

【図２】この発明に係るレンズ付きレーザダイオードの
構成を側面から見た図である。

【図３】球面収差を有する結合光学系における、光ファ
イバ端末の光軸直交許容軸ずれ量の光ファイバ端末の光
軸方向位置依存性を表す図である。

【図４】この発明のレンズ付きレーザダイオードの製造
方法におけるレンズアレイの位置合わせ固定方法を表わ
す説明図である。

【図５】この発明の実施例３を示す構成図である。

【図６】従来のレンズ付きレーザダイオードアレイの構
成図である。

【図７】従来のレンズ付きレーザダイオードアレイの組
み立て方法を表す説明図である。

【符号の説明】

１ レーザダイオードアレイ ２ 活性層 ３ 出力光 ４ レンズアレイ ５ 光ファイバ端末 ６ キャリア ７ サブマウント ８ 高融点半田 ９ 低融点半田 １０ ホットプレート １１ レーザダイオードアレイ微動装置 １２ レンズアレイ微動装置 １３ 窪み付きレンズアレイ １４ 窪み １５ 高屈折率部 １６ ＹＡＧレーザ装置 １７ ＹＡＧレーザビーム １８ レーザビーム集光レンズ １９ 窪み付き凸レンズアレイ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数のレーザ光の出射部を有するレーザ
   ダイオードチップと、レーザダイオードチップのレーザ
   光の出射側の端面と一面を揃えて配置され、レーザダイ
   オードチップを保持するマウントと、マウントの上記一
   面に保持され、レーザ光を透過する基板に形成された複
   数のレンズを有し、上記レーザダイオードチップのそれ
   ぞれのレーザ光を所定の位置に集光させるレンズアレイ
   とを備え、少なくともレーザダイオードチップのレーザ
   光の出射部とレンズアレイとの間に、上記出射部とレン
   ズアレイとの接触を回避する間隙を有することを特徴と
   するレンズ付きレーザダイオード。
2. 【請求項２】 複数のレーザ光の出射部を有するレーザ
   ダイオードチップと、レーザダイオードチップのレーザ
   光の出射側の端面と一面を揃えて配置され、レーザダイ
   オードチップを保持するマウントと、マウントの上記一
   面に保持され、レーザ光を透過する基板に屈折率分布を
   設けて形成された複数のレンズを有し、上記レーザダイ
   オードチップのそれぞれのレーザ光を所定の位置に集光
   させるレンズアレイとを備え、上記レンズアレイの屈折
   率分布がレーザダイオードチップ側に凸面を有する凸レ
   ンズと等価に形成されたことを特徴とするレンズ付きレ
   ーザダイオード。
3. 【請求項３】 複数のレーザ光の出射部を有するレーザ
   ダイオードチップと、レーザダイオードチップのレーザ
   光の出射側の端面と一面を揃えて配置され、レーザダイ
   オードチップを保持するマウントと、マウントの上記一
   面に半田により保持され、レーザ光を透過する基板に形
   成された複数のレンズを有し、上記レーザダイオードチ
   ップのそれぞれのレーザ光を所定の位置に集光させるレ
   ンズアレイとを備えたレンズ付きレーザダイオードを製
   造するものにおいて、レーザダイオードチップのレーザ
   光の出射側の端面とマウントの一面を揃えてレーザダイ
   オードチップをマウントに固着し、レンズアレイの基板
   を透過するレーザ光をレンズアレイの基板のマウントと
   は反対側から入射させ、レンズアレイとマウントの間に
   設けられた半田を加熱して溶かし、レンズアレイをマウ
   ントに固着することを特徴とするレンズ付きレーザダイ
   オードの製造方法。