JP2005086067A - Optical module, optical transmitter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、垂直共振器型面発光レーザー(VCSEL)を有する光モジュール及び光伝送装置に関する。 The present invention relates to an optical module having a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) and an optical transmission device.
光通信システムにおいて、LAN(ローカルエリアネットワーク)やSAN(ストレージエリアネットワーク)と呼ばれる数100m程度までの短距離データ伝送には、シングルモード光ファイバに比べてコア径が大きく光源との光結合が容易なマルチモード光ファイバが多用されている。 In optical communication systems, for short-distance data transmission up to several hundred meters called LAN (local area network) or SAN (storage area network), the core diameter is larger than that of single-mode optical fiber and optical coupling with a light source is easy. Multimode optical fibers are often used.
マルチモード光ファイバを用いて通信を行う場合、モード選択損失と呼ばれるS/N比の劣化が問題となる。モード選択損失を改善するためには、出射光の干渉性が低い光源の使用が有効なことが知られている。例えば、特開平7−170231号公報では、光源としてマルチモード発振のVCSEL(垂直共振器型面発光レーザー)を用いることにより、1.5Gbps以上の高速データ伝送において数100mの伝送距離を確保している。
しかしながら、マルチモード発振のVCSELでは、発振モード毎に偏波方向が異なる場合があり、また伝送路中に偏光選択性を有する光学素子が介在すると、出射光のモード競合により光学素子の透過(あるいは反射)光量の変動が生じ、S/N比の低下を招くおそれがある。このため、マルチモード光ファイバを用いる多種多様な通信形態においてノイズ耐性の良好な信号光を得ることができる光源の開発が望まれている。 However, in a multi-mode oscillation VCSEL, the polarization direction may be different for each oscillation mode, and if an optical element having polarization selectivity is interposed in the transmission path, the transmission of the optical element (or the transmission of the optical element due to mode competition of the emitted light) There is a possibility that the amount of reflected light will fluctuate and the S / N ratio will decrease. For this reason, development of a light source capable of obtaining signal light having good noise resistance in various communication modes using a multimode optical fiber is desired.
本発明の目的は、マルチモード光ファイバを用いた通信形態に好適な光モジュール及び光伝送装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide an optical module and an optical transmission apparatus suitable for a communication mode using a multimode optical fiber.
(1)本発明は、所与の一つの偏光軸に優先配向した偏光がマルチモード発振して出射される面発光型半導体レーザーと、所定の偏光に対して選択的に透過機能と、反射機能、屈折機能及び回折機能のうち少なくとも一つの機能と、を発揮する光学部材と、前記面発光型半導体レーザーの出射光の少なくとも一部を受光するための受光素子と、を含み、前記面発光型半導体レーザーは、出射光の偏光軸と直交する軸が前記光学部材の偏光軸に重ならないように配置され、前記光学部材は、主面が前記面発光型半導体レーザーの出射光の進行方向と交差するように配置され、当該主面において出射光の少なくとも一部を反射、屈折、又は回折することにより、前記面発光型半導体レーザーの出射光の反射光、屈折光、又は回折光を前記受光素子に導く光モジュールに関係する。 (1) The present invention relates to a surface emitting semiconductor laser in which polarized light preferentially oriented to a given polarization axis is emitted by multimode oscillation, a transmission function selectively with respect to a predetermined polarization, and a reflection function An optical member that exhibits at least one of a refraction function and a diffraction function, and a light receiving element for receiving at least a part of light emitted from the surface-emitting semiconductor laser, the surface-emitting type The semiconductor laser is arranged so that the axis orthogonal to the polarization axis of the emitted light does not overlap the polarization axis of the optical member, and the optical surface of the optical member intersects with the traveling direction of the emitted light of the surface emitting semiconductor laser. The reflected light, refracted light, or diffracted light of the surface emitting semiconductor laser is reflected on the main surface by reflecting, refracting, or diffracting at least a part of the emitted light on the main surface. Related to the optical module lead.
本発明において、偏光軸が優先配向するというのは、他の偏光軸に比べて出力光量が大きい偏光軸が存在することをいう。また、マルチモード発振というのは、出射光の横モードが基本(0次)モードのみならず、一次モード以上の高次モードを含むように発振することをいう。 In the present invention, the preferential orientation of the polarization axis means that there is a polarization axis having a larger output light quantity than other polarization axes. Multimode oscillation refers to oscillation such that the transverse mode of the emitted light includes not only the fundamental (0th order) mode but also higher order modes higher than the primary mode.
本発明によれば、面発光型半導体レーザーがマルチモード発振しているため、その出射光は干渉性が低く、マルチモードファイバを用いても、モード選択損失によるS/N比の劣化が少ない。 According to the present invention, since the surface emitting semiconductor laser oscillates in multimode, the emitted light has low coherence, and even when a multimode fiber is used, there is little deterioration in the S / N ratio due to mode selection loss.
また、面発光型半導体レーザーの出射光の優先配向した偏光軸が光学部材の偏光軸と直交する軸に重ならないように配置されるため、モード競合が発生した場合であっても、光学部材を経由した(透過、反射、屈折、あるいは回折の作用を受けた)光の光量変動が少ない。このため、本発明によれば、マルチモードファイバを用いた通信形態に好適な低ノイズの光源を実現することができる。 In addition, the polarization axis of the preferentially oriented light emitted from the surface emitting semiconductor laser is arranged so as not to overlap the axis orthogonal to the polarization axis of the optical member. There is little variation in the amount of light that has passed through (because of transmission, reflection, refraction, or diffraction). For this reason, according to the present invention, it is possible to realize a low noise light source suitable for a communication mode using a multimode fiber.
また、本発明によれば、面発光型半導体レーザーの偏光軸と、光学部材の偏光軸とが揃っていなくても低ノイズ化が図れるため、実装(組立)時のアライメントマージンが大きく、光モジュールの低コスト生産が可能となる。また、面発光型半導体レーザーの偏光軸は、駆動電流や環境温度などの使用条件により変動することがあるが、本発明によれば、使用条件による偏光軸の変動にも耐性の高い、安定動作が可能な光源を実現することができる。 Further, according to the present invention, since the noise can be reduced even if the polarization axis of the surface emitting semiconductor laser and the polarization axis of the optical member are not aligned, the alignment margin during mounting (assembly) is large, and the optical module Can be produced at low cost. In addition, although the polarization axis of a surface emitting semiconductor laser may fluctuate depending on usage conditions such as drive current and ambient temperature, the present invention provides stable operation that is highly resistant to fluctuations in the polarization axis due to usage conditions. Can be realized.
(2)本発明の光モジュールにおいて、前記面発光型半導体レーザーは、前記光学部材の偏光軸に対する出射光の偏光軸の角度が±45度以内となるように配置されることができる。このようにすれば、実装(組立)時のアライメントマージンを大きく確保できるとともに、面発光型半導体レーザーの偏光軸の変動にも耐性の高い光源が実現される。 (2) In the optical module of the present invention, the surface-emitting type semiconductor laser may be arranged so that the angle of the polarization axis of the emitted light with respect to the polarization axis of the optical member is within ± 45 degrees. In this way, it is possible to secure a large alignment margin during mounting (assembly) and to realize a light source that is highly resistant to fluctuations in the polarization axis of the surface emitting semiconductor laser.
(3)本発明の光モジュールにおいて、前記面発光型半導体レーザーは、少なくとも一部の平面形状が異方性を有する共振器構造を含むことができる。このようにすれば、共振器の長軸方向に偏光軸の優位性が発現するため、偏波面の揃った出射光を得ることが可能となる。 (3) In the optical module of the present invention, the surface emitting semiconductor laser may include a resonator structure in which at least a part of the planar shape has anisotropy. In this way, since the superiority of the polarization axis appears in the major axis direction of the resonator, it becomes possible to obtain outgoing light with a uniform polarization plane.
(4)上記光モジュールは、例えば、LANやSANなどに用いられる光伝送装置に適用することができる。 (4) The optical module can be applied to, for example, an optical transmission device used in a LAN, a SAN, or the like.
以下、本発明に好適な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described with reference to the drawings.
1.光モジュール
図1は、本発明の実施の形態に係る第1の光モジュールを模式的に示す図である。
1. Optical Module FIG. 1 is a diagram schematically showing a first optical module according to an embodiment of the present invention.
本実施形態の光モジュールは、金属製のステム5の上にセラミックス製で上面(搭載面)に金属膜が形成されている(ステム5との絶縁を確保するための)VCSEL用サブマウント(広義には、単にサブマウント)10aを介して、これと電気的に接続された垂直共振器型面発光型半導体レーザー(広義には、発光素子:以下、略してVCSELという)10が配置されている。また、ステム5の上には、VCSEL10の出射光量をモニタリング(監視)するためのモニタPD(広義には、受光素子)20が配置されている。
The optical module of this embodiment is made of ceramic on a
また、本実施形態の光モジュールは、外部との電気信号の送受信を相互に行うためのリードピン1〜3を有し、これらを用いて、VCSEL10、VCSEL用サブマウント10a、およびモニタPD20がワイヤボンディングにより電気的に接続されている。
Further, the optical module of the present embodiment has
VCSEL10は、所与の1つの偏光軸(広義には、第1の偏光軸)において直線偏光が得られるものが採用され得る。具体的には、VCSEL10は、図2に示すように、n型GaAs基板100上にGaAs/AlGaAs系の化合物半導体材料で形成された下部ミラー(多層反射膜)層102、活性層104、および上部ミラー(多層反射膜)層106が積層された共振器構造を有する。なお、図2中の符号108は、酸化膜からなる絶縁層である。また、図2中の符号112、114は、それぞれ金属多層膜からなるp型電極、n型電極である。さらに、VCSEL10は、上部ミラー層106中の一部を酸化することにより形成される電流狭窄層106aを有する。VCSEL10では、この電流狭窄層106aの径φにより活性層104への注入電流密度をコントロールして、活性領域(発光領域)104aの径をマルチモード発振に適した径(例えば、8μm以上)としている。なお、電流狭窄層106aを設ける代わりに、活性層104の径をマルチモード発振が生じる径に加工しておいてもよい。また、VCSEL10において、活性層104および上部ミラー層106は、異方性エッチングにより楕円形に整形されており、異方性共振器構造となっている。このような異方性形状を有する共振器では、共振器の有する異方形状の長軸方向に出射光の偏光特性が依存し、具体的には、共振器形状の長軸方向に強い(光量の大きな)直線偏波が得られる偏光優位軸(広義には、偏光軸)を有する。さらに、共振器の上に形成されるp型電極112についても、出射口が異方性を有するように形成すれば、共振器に注入される電流密度分布も異方的になり、VCSEL10の偏光優位軸への偏光依存性が強くなる。なお、1つの偏光優位軸を有するようなVCSELの共振器構造については、上記の平面形状を楕円形状とする場合の他に特開平8−116139号公報に例示されたものを採用することができる。また、特開平11−54838号公報に例示されたもののように、活性層に歪ストレスを与えることで、共振器利得に異方性を持たせ、特定の偏波モードを優位的に発振させるような構造を採用してもよい。
The VCSEL 10 may be one that can obtain linearly polarized light at a given one polarization axis (first polarization axis in a broad sense). Specifically, as shown in FIG. 2, the VCSEL 10 includes a lower mirror (multilayer reflective film)
ここで、本願発明者らは、VCSEL10の出射光について、偏光フィルタを用いて偏光角度の依存性を測定した。図4は、ノイズ特性としてギガビット・イーサーネット(GbE)の使用帯域である937.5MHzで測定した場合のVCSEL10の出射光の相対強度雑音(RIN)を示したものである。測定は、楕円共振器の短軸方向(偏光優位軸と直交する軸)を基準(0度)とした。図4によれば、短軸方向でノイズが大きく、共振器の短軸方向と長軸方向の中間の角度において、ノイズが大幅に減少していることが確認される。さらに、VCSEL10の共振器の長軸方向に発現する偏光優位軸を中心として±45度以内であれば、同様の低ノイズ化が実現される。
Here, the inventors of the present application measured the dependence of the polarization angle on the output light of the
また、モニタPD20は、Si、Geなどの半導体や化合物半導体(GaAs系、InP系)を用いたPNフォトダイオード、PINフォトダイオードなど公知の受光素子を採用することができる。具体的には、VCSEL10の発振波長に適合した受光波長帯を有するものを用いることになる。
The
また、本実施形態の光モジュールでは、ステム5と接合された(あるいは一体化された)金属製の容器7の内部に、上述したVCSEL10、VCSEL用サブマウント10a、モニタPD20が封入されている。容器7は、VCSEL10及びモニタPD20の上方にVCSEL10の出射光の出射窓として偏光選択性を有する反射ミラー(広義には、光学部材)30がVCSEL10の出射光P1の進行方向と交差するように配置されている。反射ミラー30は、ガラス板の一方の面(広義には、主面)に金属膜(単層でも多層であってもよい)あるいは誘電体膜(単層でも多層であってもよい)による反射膜が形成された反射面30aを有する。この反射面30aではp偏光がs偏光よりも透過率が高くなっており、所定の偏光透過軸(広義には、第2の偏光軸)を有する。反射面30aでの光の透過率は、反射膜の厚さや材料などにより決定され、反射膜を多層化した場合にはその層数にも依存するものである。そして、反射ミラー30は、VCSEL10の出射光P1の一部を透過して外部に出力光P2を出力するとともに、その余の光を反射してモニタ光P3をモニタPDへ導く(入射する)。
Further, in the optical module of the present embodiment, the above-described
次に、VCSEL10と反射ミラー30との配置関係について説明する。
Next, the arrangement relationship between the
本実施形態では、VCSEL10の出射光P1の偏光優位軸と反射ミラー30の偏光透過軸との配置関係により光モジュールの低ノイズ化を図っている。具体的には、VCSEL10の偏光優位軸と直交する軸が反射ミラー30の偏光透過軸に重ならないように両者を配置している。これにより、図4に示す比較的に低ノイズの直線偏光を確実に反射ミラー30から取り出すことができる。特に、反射ミラー30の偏光透過軸がVCSEL10の偏光優位軸を中心として±45度以内に位置するようにVCSEL10を配置すれば、低ノイズの出力光P2を得ることができる。すなわち、VCSEL10の偏光優位軸と、反射ミラー30の偏光透過軸とが必ずしも揃っていなくても十分な低ノイズ化を図ることが出来る。このため、実装(組立)時のアライメントマージンが大きく、光モジュールの低コスト生産が可能となる。また、VCSEL10の偏光優位軸は、駆動電流や環境温度などの使用条件により変動することがあるが、本実施形態によれば、使用条件による偏光優位軸の変動にも耐性の高い、安定動作が可能な光源を実現することができる。
In the present embodiment, the noise of the optical module is reduced by the positional relationship between the polarization dominant axis of the outgoing light P1 of the
以上に述べたように、本実施の形態の光モジュールによれば、VCSEL10がマルチモード発振しているため、その出射光P1は干渉性が低く、マルチモードファイバを用いても、モード選択損失によるS/N比の劣化が少ない。
As described above, according to the optical module of the present embodiment, since the
また、VCSEL10の出射光P1の偏光優位軸(楕円共振器の場合の長軸;広義には、異方性形状共振器の長軸)と直交する軸(楕円共振器の場合の短軸;広義には、異方性形状共振器の短軸)が反射ミラー30の偏光軸に重ならないように、VCSEL10が配置されるため、モード競合が発生した場合であっても、反射ミラー30の反射光及び透過光の光量変動が少ない。このため、本実施の形態の光モジュールによれば、マルチモードファイバを用いた通信形態に好適な低ノイズの光源を実現することができる。
Further, the polarization dominant axis of the emitted light P1 of the VCSEL 10 (long axis in the case of an elliptical resonator; broad axis in the broad sense) (short axis in the case of an elliptical resonator; broad sense) Since the
なお、第1の光モジュールの変形例として、図4に示すように、反射ミラー30を用いる代わりに回折格子(広義には、光学部材)32を用いてもよい。回折格子32を用いた場合においても、回折格子32の一方の面(広義には、主面)32aがVCSEL10の出射光P1と交差するようにVCSEL10の上方に配置される。またこの場合、モニタPD20へは、1次回折光(広義には、低次の回折光)が導かれるように、回折格子32とモニタPD20との配置を決定する。回折格子も格子の方向に沿った偏光選択性を有するので、この変形例に係る光モジュールにおいても、図1に示した光モジュールと同様に、マルチモードファイバを用いた通信形態に適した低ノイズの直線偏光を出力光P2として得ることができる。また、本実施形態では、透過、反射、あるいは回折を利用したものの他に、屈折を利用してモニタPD20に光を導くような構成を採用してもよい。
As a modification of the first optical module, as shown in FIG. 4, a diffraction grating (optical member in a broad sense) 32 may be used instead of the
2.光伝送装置
図5は、本実施の形態の光モジュールを適用した光伝送装置を示す図である。
2. Optical Transmission Device FIG. 5 is a diagram showing an optical transmission device to which the optical module of the present embodiment is applied.
光伝送装置90は、コンピュータ、ディスプレイ、記憶装置、プリンタ等の電子機器92を相互に接続するものである。電子機器92は、情報通信機器であってもよい。光伝送装置90は、ケーブル94の両端にプラグ96が設けられたものであってもよい。ケーブル94は、具体的には、マルチモード光ファイバである。プラグ96は、光送信用の光源として本実施の形態の光モジュールを含んで構成される。この光伝送装置によれば、光信号によって、電子機器間のデータ伝送を行うことができる。
The
なお、本実施の形態の光伝送装置により相互接続される電子機器は、液晶表示モニタ、ディジタル対応のCRT(金融、通信販売、医療、教育の分野で使用されることがある。)、液晶プロジェクタ、プラズマディスプレイパネル(PDP)。ディジタルTV、小売店のレジ(POS用)、ビデオ、チューナー、ゲーム装置などであってもよい。 Note that electronic devices interconnected by the optical transmission device of this embodiment include a liquid crystal display monitor, a digital CRT (may be used in the fields of finance, mail order, medical care, and education), and a liquid crystal projector. Plasma display panel (PDP). It may be a digital TV, a retail store cash register (for POS), a video, a tuner, a game device, or the like.
以上に、本発明に好適な実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨の範囲内で種々の変形態様により実施することができる。例えば、VCSEL10の各層を構成する材料は、GaAs系のものに限られず、InP系、GaN系の化合物半導体であってもよい。
The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope of the gist of the invention. For example, the material constituting each layer of the
10 面発光型半導体レーザー、20 モニタPD(受光素子)、30 反射ミラー(光学部材)、30a 反射面(主面)、32 回折格子(光学部材)
DESCRIPTION OF
Claims (4)
所定の偏光に対して選択的に透過機能と、反射機能、屈折機能及び回折機能のうち少なくとも一つの機能と、を発揮する光学部材と、
前記面発光型半導体レーザーの出射光の少なくとも一部を受光するための受光素子と、
を含み、
前記面発光型半導体レーザーは、出射光の偏光軸と直交する軸が前記光学部材の偏光軸に重ならないように配置され、
前記光学部材は、主面が前記面発光型半導体レーザーの出射光の進行方向と交差するように配置され、当該主面において出射光の少なくとも一部を反射、屈折、又は回折することにより、前記面発光型半導体レーザーの出射光の反射光、屈折光、又は回折光を前記受光素子に導く、光モジュール。 A surface emitting semiconductor laser in which polarized light preferentially oriented to a given polarization axis is emitted by multimode oscillation;
An optical member that exhibits a transmission function and at least one of a reflection function, a refraction function, and a diffraction function selectively with respect to a predetermined polarization;
A light receiving element for receiving at least a part of the emitted light of the surface emitting semiconductor laser;
Including
The surface-emitting type semiconductor laser is arranged so that an axis orthogonal to the polarization axis of the emitted light does not overlap the polarization axis of the optical member,
The optical member is disposed such that a main surface intersects a traveling direction of the emitted light of the surface emitting semiconductor laser, and reflects, refracts, or diffracts at least a part of the emitted light on the main surface, An optical module that guides reflected light, refracted light, or diffracted light emitted from a surface emitting semiconductor laser to the light receiving element.
前記面発光型半導体レーザーは、前記光学部材の偏光軸に対する出射光の偏光軸の角度が±45度以内となるように配置される、光モジュール。 In claim 1,
The surface emitting semiconductor laser is an optical module arranged such that an angle of a polarization axis of outgoing light with respect to a polarization axis of the optical member is within ± 45 degrees.
前記面発光型半導体レーザーは、少なくとも一部の平面形状が異方性を有する共振器構造を含む、光モジュール。 In claim 1 or 2,
The surface emitting semiconductor laser is an optical module including a resonator structure in which at least a part of a planar shape has anisotropy.
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