JP2007194366A - 半導体レーザモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】狭帯域なスペクトル線幅を得ることができる半導体レーザモジュールを提供する。
【解決手段】半導体レーザダイオード８４と光反射器８２とを組み合わせた半導体レーザモジュールにおいて、半導体レーザダイオード８４からの出射光を、平行光に変換するレンズ８５と、平行光をファイバに光学的に結合させるレンズ８６とを備え、光反射器８２は、レンズ８５とレンズ８６との間の光軸上に配置されている。
【選択図】図８

Description

本発明は、半導体レーザモジュールに関し、より詳細には、半導体レーザダイオードと光反射器とを組み合わせてモジュール化した半導体レーザモジュールに関する。

近年、光通信システムの通信容量の増大を図るために、波長の異なる複数の光を多重化して伝送する波長分割多重（ＷＤＭ）通信システムが積極的に導入されている。このようなＷＤＭ通信システムにおいては、限られた波長数を有効に利用するために、信号波長を任意の信号波長に変換する波長変換素子の実用化が求められている。従来、光の波長を変換する波長変換素子として、半導体光増幅器を応用した素子、四光波混合を利用する素子、二次非線形光学効果の一種である擬似位相整合による第二高調波発生、和周波発生、差周波発生を利用した波長変換素子等が知られている（例えば、特許文献１参照）。

図１に、従来の擬似位相整合型の波長変換素子を用いた波長変換装置の構成を示す。波長変換装置は、波長λ_Ａの信号光Ａを出力する半導体レーザ１１と、波長λ_Ｂの励起光Ｂを出力する半導体レーザ１２と、信号光Ａと励起光Ｂとを合波して出力する光カプラ１４と、合波された信号光Ａと励起光Ｂとを入力し、波長λ_Ｃの変換光Ｃを出力する波長変換素子１３とから構成されている。半導体レーザ１１，１２には、それぞれ駆動回路１１ａ，１２ａと温度制御回路１１ｂ，１２ｂとが接続されている。さらに、半導体レーザ１１と光カプラ１４との間には、ファイバグレーティング１５が挿入されている。

変換光Ｃの強度は、信号光Ａと励起光Ｂの強度の積に比例するので、励起光Βを一定強度にしておけば、信号光Ａから変換光Ｃへ波長のみを変換することができる。例えば、λ_Ａ＝１．５５μｍ、λ_Ｂ＝０．９８μｍのとき、和周波としてλ_Ｃ＝０．６０μｍが得られる。また、λ_Ａ＝１．３１μｍ、λ_Ｂ＝１．０６μｍのとき、和周波としてλ_Ｃ＝０．５９μｍが得られる。さらに、λ_Ａ＝１．５５μｍ、λ_Ｂ＝０．７７μｍのとき、差周波としてλ_Ｃ＝１．５３μｍが得られる。従って、特定の波長を得るためには、信号光Ａと励起光Ｂの波長を厳密に制御する必要がある。

また、図２に、第二高調波発生により０．５３μｍの緑色光を得るために、波長変換を行う場合の位相整合曲線を示す。波長変換素子の位相整合帯域は、非常に狭いために、変換光を安定して出力させるためには、単一モードで発振する半導体レーザであることが望ましい。

１．５５μｍ、１．３１μｍの波長は、光通信で使われている長波長帯であり、半導体レーザとして、ＤＦＢレーザダイオードのような単一波長で発振するレーザダイオードを用いることができる。一方、０．９８μｍ、１．０６μｍ、０．７７μｍの短波長帯の波長は、ＤＦＢレーザダイオードを作製するのは大変難しくかつ需要も少ないので、半導体レーザとして通常多モード発振のレーザダイオードを用いている。そこで、特定の波長のみを一部反射するファイバグレーティングを、半導体レーザの出力に接続し、出力光の一部を半導体レーザに再注入することにより、発振波長をグレーティング波長で発振するように制御している。

特開２００３−１４０２１４号公報 A. Ferrari, et al., "Subkilohertz Fluctuations and Mode Hopping in High-Power Grating-Stabilized 980-nm Pumps," IEEE J. of Lightwave Tech., vol.20, pp.515-518, 2002/3 W. Streifer, et al., "Effect of external reflectors on longitudinal modes of distributed feedback lasers," IEEE J. of Quantum Electronics, vol. 10, pp. 154 - 161, 1975/4

半導体レーザダイオード（以下、ＬＤという）とファイバグレーティング（以下、ＦＢＧという）とを組み合わせると、ＦＢＧをＬＤより１ｍ程度以上離れた場所に設置して用いられることが多い（例えば、非特許文献１参照）。例として、反射帯域６０ｐｍのＦＢＧを、９７６ｎｍ帯のＬＤから１．２ｍ離して融着接続した場合、反射帯域の中に０．２７ｐｍ（１．２ｍの共振間隔に相当）で繰り返し反射ピークが表れることになる。

図３に、従来の半導体レーザダイオードとファイバグレーティングとを組み合わせた光源の出力スペクトルを示す。分解能１０ｐｍの光スペクトラムアナライザで評価すると、半値幅約２０ｐｍの単一なスペクトルとして測定される。しかしながら、実際には、半値幅約２０ｐｍの中は、およそ７０本ものピークを有したマルチモードの状態になっている。図４に、電気スペクトラムアナライザによって測定した結果を示す。０．２７ｐｍに相当する約８５ＭＨｚの倍数の位置にピークを有している。図４の上側は、ピークホールドにより測定した結果、下側は、平均化により測定した結果である。両者が一致していることから、安定なマルチモード状態で発振していることがわかる。

波長変換素子を用いて中赤外光を出力する光源は、環境ガスの吸収スペクトルを分析する装置にも用いられる。例えば、ドップラー幅程度の線形吸収を直接観測する場合には、光源に用いる励起光を出力する半導体レーザは、半値幅０．８ｐｍ（２５０ＭＨｚ）以下の単一なスペクトル線幅を実現する必要がある。

半導体レーザのスペクトル幅を単一かつ狭くするために、反射帯域を狭くして、ＬＤとＦＢＧとを近接させて接続する方法が考えられている。図５に、ＬＤとＦＢＧとを近接させた従来の半導体レーザモジュールの構成を示す。ファイバ５１の先端付近にＦＢＧ５２を形成し、ＬＤ５４と結合する先端部分５３を先球形状に加工しておく。ＦＢＧ５２は、光軸が一直線となるように固定しておくことが好ましいので、ファイバ５１の先端付近からＦＢＧ５２を含むように金属製フェルールを付けて半田固定する。この構成によれば、半値幅２ｐｍ以下の特性を実現することができる。しかし、レンズとなる先端部分５３とＦＢＧ５２とを一体化しているために、部品コストが高いという問題があった。また、先端部分５３とＬＤ５４とは、数μｍ程度まで近づける必要があり、その距離によってモニタ中の特性が変化し、また、作製トレランスが狭いために実装工程が煩雑であるという問題もあった。

図６に、従来のレンズ結合を用いた半導体レーザモジュールの構成を示す。ファイバ６１の先端付近にＦＢＧ６２を形成し、レンズ６５，６６を用いて、ＬＤ６４と結合させる。レンズ６５，６６を用いて結合するので、作製トレランスを大きく取れるので実装工程が容易になる。しかしながら、レンズ６５，６６およびＦＢＧ６２を金属製フェルール内に固定する必要があるので、ＦＢＧ６２の長さは、金属製フェルールの長さに制限される。この方法では、ＦＢＧ６２の長さを６ｍｍ程度にしか長くすることができないため、反射帯域を７０ｐｍ程度までしか狭くすることができない。

ＬＤからの出力を増大させるには素子長を長くすることが有効である。そこで、９７６ｎｍ帯のＬＤの素子長を２ｍｍとすると、ＬＤの端面間の共振により、波長スペクトル上に約６０ｐｍ間隔でのピークが生じる。このピーク間隔は、ＦＢＧの反射帯域よりやや狭くなっていることから、反射帯域内に２つのモードが選択される状態が起こりうる。従って、レンズ結合を用いた素子長の長い半導体レーザモジュールでは、単一モードで安定に動作することができないという問題もあった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、狭帯域なスペクトル線幅を得ることができる半導体レーザモジュールを提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、半導体レーザダイオードと光反射器とを組み合わせた半導体レーザモジュールにおいて、前記半導体レーザダイオードからの出射光を、ファイバに光学的に結合させるレンズを備え、前記光反射器は、前記レンズと前記ファイバとの間の光軸上に配置されていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、半導体レーザダイオードと光反射器とを組み合わせた半導体レーザモジュールにおいて、前記半導体レーザダイオードからの出射光を、平行光に変換する第１レンズと、前記平行光をファイバに光学的に結合させる第２レンズとを備え、前記光反射器は、前記第１レンズと前記第２レンズとの間の光軸上に配置されていることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、半導体レーザダイオードと光反射器とを組み合わせた半導体レーザモジュールにおいて、前記半導体レーザダイオードの出射端面からの出射光を、ファイバに光学的に結合させる第１レンズと、前記出射端面の反対側の端面からの出射光を、平行光に変換する第２レンズとを備え、前記光反射器は、前記平行光を反射することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１、２または３に記載の前記光反射器は、屈折率がそれぞれｎ_１、ｎ_２の２つの材料を、設定波長の１／（４ｎ_１）倍と１／（４ｎ_２）倍の厚さで交互に積層されたバルク形状の素子であることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１、２または３に記載の前記光反射器は、ファブリペロー共振器であることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項４または５に記載の前記光反射器は、全長が６ｍｍ以下、反射帯域幅が７０ｐｍ以下に設定されていることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、ファイバグレーティングに代えて、屈折率の高い光反射器を用いることにより、狭帯域なスペクトル線幅を得ることが可能となる。

また、本発明によれば、半導体レーザモジュールを、波長変換素子を用いて中赤外光を出力する光源励起レーザとして用いることにより、変換光を安定して出力させることができる。従って、環境ガスの吸収スペクトルを分析する装置にも適用することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
光反射器としてグレーティング構造を考えると、反射帯域を計算することができる（例えば、非特許文献２参照）。波長９７６ｎｍとして、反射帯域幅Δλ_ＳＢと、グレーティングにおける凹凸部の屈折率変動値Δｎとの関係を、図７に示す。縦軸は、反射帯域幅Δλ_ＳＢをｐｍ単位で表し、光反射器の長さＬ（単位：ｍｍ）と、光反射器の２つの材料の屈折率の平均値ｎとを掛け合わせた値である。横軸は、屈折率変動値ΔｎにＬを掛け合わせた値である。

ここで、Δλ_ＳＢ＝７０ｐｍとしてＬ＝６ｍｍ、ｎ＝１．４５を代入すると、縦軸の値は、６１０ｐｍ＊ｍｍとなる。このとき、横軸の値は４×１０^−５になり、Δｎ＝６．７×１０^−６となる。すなわち、屈折率変動値と光反射器の長さを決めると、ファイバのコアの屈折率と反射帯域幅の積が固定になる。このことから、同じ屈折率変動値であれば、ｎを大きくすることにより、同じ長さの光反射器でも反射帯域幅を狭くすることができる。

そこで、ファイバグレーティングに代えて、屈折率の高い光反射器を用いることにより、狭帯域で高反射な光のフィードバックを実現する。具体的には、バルク状の光反射器をレンズの間に配置して、半導体レーザモジュールのパッケージ内部に固定する。レンズを用いて結合するので、作製トレランスを大きく取れ、従来の実装工程を利用できることから、安価な半導体レーザモジュールを作成することができる。

図８に、実施例１にかかる半導体レーザモジュールの構成を示す。ＬＤ８４からの出射光を平行光に変換するレンズ８５と、平行光をファイバ８１に光学的に結合させるレンズ８６とを用いて、ＬＤ８４とファイバ８１の端面とを結合させる。ＬＤ８４の端面反射率は、レンズ８５に近い側の反射率を０．１％、反対側を９０％とする。光反射器８２を、レンズ８５，８６の間の光軸上に配置して、半導体レーザモジュールのパッケージ内部に固定する。

光反射器８２は、材料Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｉ＝１）と材料Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（ｉ＝２）から構成されており、それぞれ設定波長９７６ｎｍの１／（４ｎ_ｉ）倍（ｉは材料の１，２の番号を表す）に相当する厚さで、繰り返し積層されている。光反射器８２の選択波長帯域幅を３０ｐｍとし、ｎ＝３．８、光反射器８２の全長５．０ｍｍとして、Δｎ＝３ｘ１０^−６となるように組成比ｘ、ｙを調節する。光反射器８２の反射率は２０％である。積層された材料を２ｍｍ角に切り出し、冶具に固定して、半導体レーザモジュールのパッケージ内部に固定する。

図９に、実施例１にかかる半導体レーザモジュールの出力スペクトルを示す。スペクトル測定装置としてエタロン（ＦＳＲ＝８ＧＨｚ）を用いて測定した結果を示す。また、図１０に、出力スペクトルを拡大した図を示す。スペクトル線幅は、半値幅４．５ｐｍ（１６５ＭＨｚ）以下であり、狭帯域であることがわかる。

図１１に、実施例２にかかる半導体レーザモジュールの構成を示す。ＬＤ１１４からの出射光をファイバ１１１の端面に光学的に結合させるレンズ１１５を備える。ＬＤ１１４の端面反射率は、レンズ１１５に近い側の反射率を０．１％、反対側を９０％とする。光反射器１１２をレンズ１１５とファイバ１１１の端面との間の光軸上に配置する。

光反射器１１２は、実施例１と同じであり、反射率は２０％である。実施例１と同様に狭帯域なスペクトル線幅を得ることができる。

図１２に、実施例３にかかる半導体レーザモジュールの構成を示す。ＬＤ１２４の出射端面からの出射光を平行光に変換するレンズ１２５と、平行光をファイバ１２１に光学的に結合させるレンズ１２６とを用いて、ＬＤ１２４とファイバ１２１の端面とを結合させる。ＬＤ１２４の端面反射率は、レンズ１２５に近い側の反射率を０．１％、反対側を０．１％とする。光反射器１２２を、ＬＤ１２４の出射端面の反対側の端面と光学的に結合するように、レンズ１２７を介して配置する。

光反射器１２２は、実施例１と同様に、選択波長帯域を３０ｐｍとし、ｎ＝３．８、光反射器１２２の全長５．０ｍｍとして、Δｎ＝３ｘ１０^−６となるように組成比ｘ、ｙを調節する。光反射器１２２の反射率は９０％である。積層された材料を２ｍｍ角に切り出し、冶具に固定して、半導体レーザモジュールのパッケージ内部に固定する。実施例１と同様に、狭帯域のスペクトル線幅を得ることができる。

実施例４にかかる半導体レーザモジュールの構成は、図８に示した実施例１にかかる半導体レーザモジュールの構成と同じである。光反射器８２は、厚さ１．５ｍｍのＧａＡｓ基板を用い、対向する入射面と出射面とが研磨されている。この場合には、反射率３４％の両端面をミラーとして、エタロンが構成される。これにより、６４ｐｍの反射帯域が得られるので、実施例１と同様に、狭帯域のスペクトル線幅を得ることができる。

本実施形態では、光反射器としてグレーティングが形成されたバルク状の素子を用いたが、ファブリペロー共振器を用いても構わない。また、反射特性を改善するために、チャープ構造を適用してもよい。バルク状の素子の材料は、半導体に限定されるわけではなく、誘電体材料を組み合わせることもできる。

従来の擬似位相整合型の波長変換素子を用いた波長変換装置の構成を示す図である。 第二高調波発生により波長変換を行う場合の位相整合曲線を示す図である。 従来のレーザダイオードとファイバグレーティングとを組み合わせた光源の出力スペクトルを示す図である。 出力スペクトルを電気スペクトラムアナライザで測定した結果を示す図である。 従来の半導体レーザモジュールの構成を示す図である。 従来のレンズ結合を用いた半導体レーザモジュールの構成を示す図である。 ストップバンド幅とグレーティングにおける屈折率変動値との関係を示す図である。 実施例１にかかる半導体レーザモジュールの構成を示す図である。 実施例１にかかる半導体レーザモジュールの出力スペクトルを示す図である。 出力スペクトルを拡大した結果を示す図である。 実施例２にかかる半導体レーザモジュールの構成を示す図である。 実施例３にかかる半導体レーザモジュールの構成を示す図である。

符号の説明

１１，１２，５４，６４，８４，１１４，１２４ 半導体レーザ（ＬＤ）
１１ａ，１２ａ 駆動回路
１１ｂ，１２ｂ 温度制御回路
１３ 波長変換素子
１４ 光カップラ
１５，５２，６２ ファイバグレーティング（ＦＢＧ）
５１，６１，８１，１１１，１２１ ファイバ
５３ 先端部分
６５，６６，８５，８６，１１５，１２５〜１２７ レンズ
８２，１１２，１２２ 光反射器

Claims (6)

1. 半導体レーザダイオードと、光反射器とを組み合わせた半導体レーザモジュールにおいて、
   前記半導体レーザダイオードからの出射光を、ファイバに光学的に結合させるレンズを備え、
   前記光反射器は、前記レンズと前記ファイバとの間の光軸上に配置されていることを特徴とする半導体レーザモジュール。
2. 半導体レーザダイオードと、光反射器とを組み合わせた半導体レーザモジュールにおいて、
   前記半導体レーザダイオードからの出射光を、平行光に変換する第１レンズと、
   前記平行光をファイバに光学的に結合させる第２レンズとを備え、
   前記光反射器は、前記第１レンズと前記第２レンズとの間の光軸上に配置されていることを特徴とする半導体レーザモジュール。
3. 半導体レーザダイオードと、光反射器とを組み合わせた半導体レーザモジュールにおいて、
   前記半導体レーザダイオードの出射端面からの出射光を、ファイバに光学的に結合させる第１レンズと、
   前記出射端面の反対側の端面からの出射光を、平行光に変換する第２レンズとを備え、
   前記光反射器は、前記平行光を反射することを特徴とする半導体レーザモジュール。
4. 前記光反射器は、屈折率がそれぞれｎ_１、ｎ_２の２つの材料を、設定波長の１／（４ｎ_１）倍と１／（４ｎ_２）倍の厚さで交互に積層されたバルク形状の素子であることを特徴とする請求項１、２または３に記載の半導体レーザモジュール。
5. 前記光反射器は、ファブリペロー共振器であることを特徴とする請求項１、２または３に記載の半導体レーザモジュール。
6. 前記光反射器は、全長が６ｍｍ以下、反射帯域幅が７０ｐｍ以下に設定されていることを特徴とする請求項４または５に記載の半導体レーザモジュール。
   

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