JPH0158677B2

JPH0158677B2 -

Info

Publication number: JPH0158677B2
Application number: JP15732481A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Oota
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1981-10-02
Filing date: 1981-10-02
Publication date: 1989-12-13
Also published as: JPS5858782A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は光フアイバからの反射光によつて生ず
る発振光強度の変動や雑音が生ずることのない、
半導体レーザモジユールに関する。

光フアイバ技術の進展にともなつて、線路の低
損失化がすすみ、長距離大容量の光信号の伝送が
可能となつてきた。また信号源である半導体レー
ザと光フアイバとの光結合技術の改良も加えられ
高効率な光の利用ができるようになり、一層の伝
送距離の増大が策れるようになつてきている。光
フアイバの低損失化および光結合効率の向上によ
つて次のような問題が明らかになつてきた。半導
体レーザの出力光を結合させる光フアイバの入射
端面やその光フアイバの他端すなわち主伝送路と
の接続コネクタとの間などで生ずる反射光は強度
として僅かであるが光路を逆にたどつて半導体レ
ーザ端面に集束される。この戻り光の入射によつ
て半導体レーザの発振特性が変化する。ひとつは
発振閾値電流が減少するために、定電流駆動で半
導体レーザを駆動していても、発振光強度が変化
する。また、たとえば光フアイバの入射端からの
ように短い距離に反射面がある場合には半導体レ
ーザの有する光学的な共振器に更に外部の反射面
による複合共振器が付加されることになり、半導
体レーザ媒質の屈折率の温度の変化などによつて
出力光強度の変化を生ずる。また光フアイバの出
射端面からの反射光が半導体レーザに再入射する
とレーザは多数の縦モードが共存した発振特性を
示し、周囲温度や戻り光強度のわずかの変化によ
つて主発振モードの変化やモードの飛びなどを生
ずる。これらはいずれも発振光の雑音となり、通
信系の信号対雑音比の劣化を生じさせる大きな原
因となつている。

とくに光デジタル信号の通信系よりも光アナロ
グ信号の受信送信を行うシステム、広帯域アナロ
グ光通信システム、光ビデオデイスク、光フアイ
バジヤイロなどのシステムではとくに戻り光によ
る半導体レーザの発する雑音は重要な問題となつ
ている。

この半導体レーザの発振光ノイズを除去するこ
とはその原因である戻り光のレーザへの再入射を
防ぐ対策を施こすことであり、これまで多数の方
法が考えられている。そのうちのひとつは、半導
体レーザの出射光を高NA・短焦点のレンズによ
つて平行光束とし、この平行光束の光路中に、偏
光プリズム、1/4波長板を挿入し、これらを透過
した平行光束をレンズによつて集束し光フアイバ
に結合するもので、偏光プリズムの光軸は、活性
層と平行の方向に振動電界成分を有する半導体レ
ーザの発振光を透過し、それに直交する成分は屈
折によつて光路外へ除去するように選ばれてい
る。レーザを出射し1/4波長板を透過した光は円
偏光となる、集束用レンズやフアイバ端面で反射
した反射光は、1/4波長板を逆方向に透過し、入
射時とは直交した直線偏光となり、前述の偏光プ
リズムによつて除去される。この方法はレンズ面
や、フアイバ入射端面のように反射時に光偏光状
態が変らない反射光すなわち近端反射は1/4波長
板によつて直交する偏光に変換して除去すること
ができるが、フアイバを透過して出射端面によつ
て反射し再びフアイバ中を透過してくるような反
射光すなわち遠端反射光にたいしては、フアイバ
透過後の光の偏光状態は円偏光を保持しないため
除去することができないという難点を有する。

上記1/4波長板の代りに、フアラデーまたはベ
ルデ効果をもつ磁気光学結晶や磁気光学ガラスを
用い、この磁気光学媒質を透過する光の偏光を入
射の直線偏光とは45度の角度を有する直線偏光と
し、この偏光成分のみを透過する複屈折プリズム
を出射側にも設け、集光レンズによつて光フアイ
バに光を集束する方法がある。この方法では、反
射光の偏光成分のうち出射側プリズムを透過する
成分は磁気光学媒質を逆方向に透過することによ
つて入射時とは直交する偏光へ回転を受け、この
偏光は入射側の複屈折プリズムによつて除去され
るため、半導体レーザへの再入射が阻止される。
この構成は高い逆方向損失を与えることができる
が、この構成も前述の方法も、半導体レーザの出
射光をいつたんレンズによつて平行光束に変換
し、この平行光束の光路中に複屈折プリズムや1/
４板ないしは磁気光学媒質を挿入し、再びレンズ
によつて集束し光フアイバに集光するという構成
をとり、構成光学部品が多い。このため周囲温度
の変化によつて配置ずれを生じ易く不安定であ
る。たとえば半導体レーザの活性領域の幅は２〜
3μm、単一モードフアイバのコア径は10μm程度
である。このため２つのレンズ径は３〜５倍倍率
の拡大光学系を構成することになる。したがつて
レンズの周囲温度の変化による横移動は拡大され
て光フアイバ端面上に生ずる。単一モードフアイ
バの光軸ずれの許容度は１〜2μm程度と狭いため
周囲温度の変化によつて容易に光フアイバへの結
合効率が低下してしまう。また半導体レーザの端
面は平行光束に変換するレンズの焦点位置に位置
する。したがつて平行光束光路上の各部品の入出
射面で僅かの反射が生ずると、それら効率よく半
導体レーザの発光部に集光されることになる。し
たがつて各部品の光入出射端面は高性能の無反射
処理を施こす必要があり部品の製造価格が高くな
るという難点を有する。

本発明の目的は上記難点を除去し、構成部品の
少い低廉な半導体レーザモジユールを提供するこ
とにある。

本発明の半導体レーザモジユールは、半導体レ
ーザと該半導体レーザの光出射端面に光学的に端
面接続された磁気光学薄膜アイソレータとから成
り、該薄膜アイソレータは、その基板面と前記半
導体レーザの接合面とが前記光学的に接続された
端面内で45度の角度を成すように配置されてお
り、かつ上面が光透過方向に金属膜で覆われた部
位と覆われない部位とに２分された一本のリブ形
光導波路を有し、該光導波路は、これを伝搬する
偏光面の直交した２つの伝搬モードの位相定数が
縮退するように、該光導波路を構成する結晶材料
の組成及び該光導波路の幾可学的形状が定められ
た値に設定されている構成となつている。このよ
うな構成にすることによつて、半導体レーザへの
戻り光による発振不安定が生ずることない、安定
でしかも構成が簡単な半導体レーザモジユールが
得られる。

本発明は次の事実に基づく、第１はTE偏光で
発振している半導体レーザに戻り光として偏波面
を90゜回転させた偏光であるTM波を入射させて
もレーザ出力光の変化は生じないこと（この事実
を示す文献として、たとえば、第27回応用物理
学、関係連合講演会予稿3P―Ｇ―12、昭和55年
春に示されている）、第２に磁気光学薄膜を使つ
た新らしいアイソレータを用い、これの光学的配
置の工夫によつて、レンズ等の光学部品の少い構
成で半導体レーザモジユールを構成することがで
きる。

本発明の詳細を更に図面をもつて説明する。第
１図は本発明の一実施例の構成原理図であつて１
は半導体レーザ、２は磁気光学薄膜アイソレー
タ、３は光フアイバ、４は磁気光学薄膜アイソレ
ータに印加される外部磁場の方向である。この薄
膜アイソレータの構造は非磁性基板７の上にエピ
タキシヤル成長させた磁気光学薄膜８にリブ形導
波路５を形成し、該導波路の一部の上部に金属膜
６を設けた構成である。半導体レーザの発光部
に、前記磁気光学薄膜アイソレータ２のリブ形導
波路５の上面に金属膜を有さない端面を極接近し
て配置し、該リブ形導波路の上面に金属膜を有す
る側の端面には光フアイバ３が極接近して配置さ
れている。磁気光学薄膜アイソレータの光透過方
向に直交し非磁性基板７に平行する線と半導体レ
ーザ１の接合面とは45゜の角度をなして配置され
ている。

本構成における光の振舞いを説明する。第２図
は半導体レーザ１から出射し光フアイバ３に向か
う光の偏光状態を説明する図で、座標軸は光透過
方向、半導体レーザの接合面に平行な方向及びこ
れらに直交する方向をとつてある。半導体レーザ
を出射するレーザ光１１はTE波であつてこれは
磁気光学薄膜アイソレータ２のリブ形導波路５に
効率よく入射する。該リブ形導波路５を進む光波
は後にその動作を説明するようにその上部を金属
膜６で覆われた部との境界では45゜の直線偏光１
２へとフアラデ効果によつて偏光の回転を受け
る。磁気光学薄膜アイソレータ２は半導体レーザ
の接合面９と45゜の角度をなしているためこの偏
光には磁気光学薄膜アイソレータ２中ではTE波
である。更にリブ形導波路を進みその上部を金属
膜６で覆われた部分を透過するTE波は上記の金
属膜ではほとんど減衰を受けない。また上部を金
属膜で覆われているため、該導波路中ではTE波
とTM波の位相速度が異なるために偏光回転を受
けることなく45゜の直線偏光状態１３を保つて該
磁気光学薄膜アイソレータを出射し、その出射
端面に近接して設けた光フアイバ３に入射する。

第３図は戻り光にたいする偏光の振舞い示す
図で、光フアイバ３を戻つて来る光は、薄膜アイ
ソレータ２の基板に平行な振動電界成分TE波１
５とそれに直交するTM波１４両成分が存在す
る。磁気光学薄膜アイソレータ２のリブ形導波路
の上部が金属膜６で覆われた部分を透過する両方
の偏光成分１４，１５のうちTM波１４は金属膜
の効果で急激に減衰し、該上部を金属膜で覆われ
た部位を透過終了時点ではTE波成分のみ１６と
なる。更にリブ形導波路の金属膜で覆われない部
位を半導体レーザ１に向かつて進むTE波はフア
ラデー効果によつて入射時の偏光（第２図１１）
とは直交する偏光１７へと回転を受ける。この半
導体レーザ端面へ到達する戻り光は、発振光であ
るTE波に直交したTM波である。このためこの
戻り光が半導体レーザ中に再入射しても前述の如
くレーザ出力光に変動を来すことがないため、発
振光の変動や雑音を生ずることがない。

磁気光学薄膜アイソレータの動作は特願昭56―
036990に記載されているように以下の如くであ
る。Y₃Fe₅O₁₂で代表されるガーネツト磁気光学
単結晶は光波長１〜2μmで光学的に透明であり、
フアラデー効果を有するため、光アイソレータ用
材料として有用である。すなわち、バルク単結晶
の光を透過させる２面を研磨して光を透過させ、
光透過方向に磁場を印加し、その透過長を適切
（たとえば1.3μm光波にたいして、Y₃Fe₅O₁₂結晶
では2.4mm程度）にしておくと、入射した直線偏
光は出射時にはこれと45゜の角度に偏光する直線
偏光にフアラデ効果によつて偏光回転を受ける。
この偏光を逆方向に該結晶を透過させると、反射
側面での偏光は入射した直線偏光と直交した直線
偏光となる。このため入出射側に偏光プリズムを
設けその結晶軸を適切に定めると光アイソレータ
機能すなわち、逆方向光透過損失の大きい非可逆
光素子が構成できることはよく知られている。

薄膜においてはその固有伝搬モードであるTE
波とTM波とではその位相速度が異なるため、通
常の構成では偏光回転は生ずることはない。通
常、ガーネツト結晶そのものは光学的には等方で
あるが、薄膜に構成するとTE波の位相定数が
TM波のそれより大きい。しかしながらエピタキ
シヤル成長させる磁気光学膜に格子定数が基板の
それより大なる組成（たとえば一例として基板材
料にGd₃Ga₅O₁₂結晶を選びこの基板上にGd_XY_2-X
Fe₅O₁₂，0.1＜ｘ＜0.3をエピタキシヤル成長させ
る）を選ぶと、格子定数の不整合によつてエピタ
キシヤル膜には引張り応力が発生し、この応力に
よつて光弾性効果を介して複屈折が生じ、最低次
のTM波の位相定数の方がTE波のそれよりも大
になるようにすることができる。

一般に導波路の位相定数は、一例としてリブ形
導波路のようなチヤンネル化された導波路の幅の
大きさによつても変化する。上記のように平面導
波路構成においてTM波の位相定数がTE波のそ
れより大なるようにエピタキシヤル膜の組成およ
び膜厚を設定しておき、イオンミリング法などに
よつてリブ形導波路を形成しその導波路幅を適切
に設定するとTE波の位相定数とTM波の位相定
数とを縮退させることができる。この導波路の光
透過方向に磁場を印加すると、前述のバルク単結
晶の場合と同様非可逆特性を得ることができる。
一例としてGd₀.₂Y₂.₈Fe₅O₁₂エピタキシヤル膜を
3.5μm成長させ、導波路幅を3.3μm、導波路長す
なわち第１図におけるリブ形導波路で上部を金属
膜で覆われない部位５の光透過方向への長さを
2.3mm程度とすると、第２図、第３図に示した偏
光特性を得ることができる。

本実施例の構成では半導体レーザの出射光はレ
ンズ等の光学部品を介することなくチヤンネル導
波路によつて導波され光フアイバに導びかれる。
半導体レーザと上記設計例のチヤンネル導波路と
の光結合損失は2dB程度、チヤンネル導波路と光
フアイバとのそれは1.5dB程度で光の結合を実現
することができる。

半導体レーザを利用する場合に光フアイバに透
過させずに平行光束として利用したい場合も多
い。この場合は本実施例の光フアイバ３の代りに
光学レンズを用い、その焦点位置が磁気光学薄膜
アイソレータの光出射端面となるように設定する
ことによつて平行光束を得ることができる。

尚、実施例の構成を示す第１図において、磁気
光学薄膜アイソレータ２のリブ形導波路の金属膜
で覆われた部位６と覆われない部位５との配置を
逆、すなわち、半導体レーザ１に近い側を金属膜
で覆つた構成にした場合には、半導体レーザ１に
戻り再入射する光偏光成分をTE成分だけを残存
させるため所期の目的を達することは出来ない。

以上述べた如く、本発明によれば半導体レーザ
への戻り光の影響が無く、しかも光学構成部品の
少い、信頼性の高い半導体レーザモジユールが得
られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の原理構成を示す図
で、１は半導体レーザ、２は磁気光学薄膜アイソ
レータ、３は光フアイバ、４は磁気光学薄膜アイ
ソレータに印加する外部磁場である。第２図、第
３図は磁気光学薄膜アイソレータ中を伝搬する光
の偏光の振舞いを示す図である。

Claims

【特許請求の範囲】

１半導体レーザと該半導体レーザの光出射端面
に光学的に端面接続された磁気光学薄膜アイソレ
ータとから成り、該薄膜アイソレータは、その基
板面と前記半導体レーザの接合面とが前記光学的
に接続された端面内で45度の角度を成すように配
置されており、かつ上面が光透過方向に金属膜で
覆れた部位と覆われない部位とに２分された一本
のリブ形光導波路を有し、該光導波路は、これを
伝搬する偏光面の直交した２つの伝搬モードの位
相定数が縮退するように、該光導波路を構成する
結晶材料の組成及び該光導波路の幾可学的寸法が
定められた値に設定されていることを特徴とする
半導体レーザモジユール。