JP2005094039A - 発光素子モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 安定したレーザ特性が得られる発光素子モジュールを提供すること。
【解決手段】 活性領域２１を挟んで相対向する光反射面２２と光射出面２３が形成された半導体発光素子２と、その半導体発光素子２の光射出面２３に端部が接続され光を導光するコア３２に所定波長の光のみを反射する回折格子３３が形成された光ファイバ３とを備えて構成した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ光を出力する発光素子モジュールに関するものである。

従来の発光素子モジュールとしては、図５に示すように、発光源となる半導体発光素子Ａと導光路となる光ファイバＢを備えたものが知られている。すなわち、この発光素子モジュールは、ｐ型半導体とｎ型半導体を接合してなる半導体発光素子Ａの相対向する各側面に高反射率の光反射面Ｃと低反射率の光射出面Ｄが設けられると共に、光ファイバＢのコアＥに回折格子Ｆが設けられており、半導体発光素子Ａの光射出面Ｄ側に所定の距離隔てて光ファイバＢが配設されたものである。そして、この発光素子モジュールは、半導体発光素子Ａ内で発生した光Ｇを光反射面Ｃと回折格子Ｆの間で反射させ増幅させることにより、それらを共振器として機能させて、単一波長のレーザ光Ｈを光ファイバＢを通じて出力しようとするものである。

このような発光素子モジュールにおいて、レーザ光Ｈの光出力を高めるためには、半導体発光素子Ａと光ファイバＢとの光結合が重要であり、その結合効率の良否によりレーザ光Ｈの出力が大きく左右されることとなる。そこで、この発光素子モジュールにあっては、光ファイバＢの端部Ｉを球面状に加工しレンズ系を形成して、半導体発光素子Ａから広がって放射される光Ｇのビーム径をコアＥに整合することで結合効率の向上が図られている。

しかしながら、従来の発光素子モジュールにおける光結合技術にあっては、次のような問題点がある。まず、光ファイバＢは細径のものであるから、その端部Ｉを球面状に加工するのは非常に困難である。このため、多数の発光素子モジュールを製造するにあたり、光ファイバＢにおける球面加工のバラツキに起因して各発光素子モジュールの出力特性にバラツキを生じてしまう。また、光ファイバＢの端部Ｉの球面加工の際、その端部Ｉの切削量が多少異なるだけで、端部Ｉから回折格子Ｆまでの距離が相違し、その結果発光素子モジュールから発せられるレーザ光Ｈの波長特性にバラツキを生ずることとなる。

そこで本発明は、以上のような問題点を解決するためになされたものであって、安定したレーザ特性が得られる発光素子モジュールを提供することを目的とする。

すなわち本発明は、活性領域を挟んで相対向する光反射面と光射出面が形成された半導体発光素子と、その半導体発光素子の光射出面に端部が直接接続され、内部を進行する光のうち所定波長の光のみを反射する回折格子が形成された光ファイバとを備えて構成され、光ファイバに形成された回折格子は、光ファイバの端部近傍に形成されていることを特徴とする。

このような発明によれば、半導体発光素子の光反射面と光ファイバの回折格子が共振器として機能し、それらの間に位置する活性領域で発せられた光のうち所定波長のもののみがそれらで反射され増幅されてレーザ光として回折格子から射出されていく。その際、光ファイバの一端は光射出面に直接接続されているから、半導体発光素子と光ファイバとの間を進行する光が外部へもれることなくそれぞれ光ファイバ又は半導体発光素子へ確実に入射されることとなる。一方、半導体発光素子と光ファイバの光結合状態は常に一定してバラつくことがなく、安定したレーザの出力特性が確実に得られる。

また本発明は、活性領域を挟んで相対向する二つの光射出面が形成された半導体発光素子と、その一方の光射出面に端部が接続され内部を進行する光のうち所定波長の光のみを反射する回折格子が形成された共振用の光ファイバと、他方の光射出面に端部が接続され内部を進行する光のうち所定波長の光のみを反射する回折格子が形成された出力用の光ファイバとを備えて構成され、共振用光ファイバに形成された回折格子は、共振用光ファイバの端部近傍に形成され、出力用の光ファイバに形成された回折格子は、出力用の光ファイバの端部近傍に形成されていることを特徴とする。

また本発明は、前述の出力用の光ファイバと共振用の光ファイバにそれぞれ形成される回折格子が互いに同等な回折波長特性を有することを特徴とする。

また本発明は、前述の共振用の光ファイバの回折格子の反射率が出力用の光ファイバの回折格子の反射率に対し大きいことを特徴とする。

これらの発明によれば、半導体発光素子の両側に設けられた光ファイバにおける各回折格子が共振器として機能し、それらの間に位置する活性領域で発せられた光のうち所定波長のもののみが選択的にそれら回折格子間で反射され増幅されるから、単一波長のレーザ光が出力可能となる。

また本発明は、前述の出力用の光ファイバにおける光射出面と接続されない開放端の端面が光軸方向と直交しない斜め向きに形成されたことを特徴とする。

このような発明によれば、出力用光ファイバの開放端における光の反射が防止されるから、所要以外の波長のレーザ光の出力が回避される。

また本発明は、前述の光射出面と光ファイバとの接続面が光の進行方向と直交しない斜め向きに形成されたことを特徴とする。

このような発明によれば、半導体発光素子と光ファイバとの接続面における光の反射が防止されるから、所要以外の波長のレーザ光の出力が回避される。

また本発明は、前述の光射出面と光ファイバの接続が、光ファイバのコアの周囲に形成されるクラッドより大きく、かつ、半導体発光素子の活性領域より小さい屈折率を有する接着剤により行われたことを特徴とする。

このような発明によれば、光ファイバと半導体発光素子との間を進行する光がその接続境界部分で反射するのが防止され接続損失が低減される。

また本発明は、前述の半導体発光素子における光反射面又は光射出面がその半導体発光素子の端面に誘電体多層膜の付設により形成されたことを特徴とする。

このような発明によれば、光反射面又は光射出面における反射率が所望の値のものとできるから、その光反射面又は光射出面における光の反射又は透過特性を容易に設定可能となる。

更に本発明は、前述の半導体発光素子の活性領域の幅と光ファイバのコアの径がほぼ同寸法で接続されたことを特徴とする。

このような発明によれば、半導体発光素子と光ファイバにおける光結合効率が向上するから、出力の大きなレーザ光を出射可能となる。

本発明によれば、次のような効果を得ることができる。すなわち、光の発生及び増幅を行う半導体発光素子とレーザ光を出力する光ファイバが直接接続されることにより、半導体発光素子と光ファイバと間を進行する光がそれらの外部へもれることなくそれぞれ光ファイバ又は半導体発光素子へ確実に入射されるから、効率良くレーザ光を出力できる。また、半導体発光素子と光ファイバの光結合状態は常に一定してバラつくことがなく、安定したレーザの出力特性が確実に得られる。また、接続される光ファイバの端面の加工も容易であり、生産性に優れている。更に、半導体発光素子と光ファイバを光結合するためのレンズ系が不要であり経済的に製造可能である。

また、半導体発光素子の両端にそれぞれ回折格子を有する出力用の光ファイバと共振用の光ファイバを設けたことにより、各光ファイバにおける回折格子が共振器として機能するから、所定波長の光のみが選択的にそれら回折格子間で反射増幅され、単一波長のレーザ光を出力することができる。

また、出力用の光ファイバにおける光射出面と接続されない開放端の端面がコアの光軸方向と直交しない斜め向きに形成されることにより、出力用光ファイバの開放端におけるフレネル反射が防止されるから、所要以外の波長のレーザ光の出力が回避できる。また、光射出面と光ファイバとの接続面が活性領域又はコアの光軸方向と直交しない斜め向きに形成されることにより、半導体発光素子と光ファイバとの接続面における光の反射が防止され、所要以外の波長のレーザ光の出力が回避できる。

また、半導体発光素子の光射出面への光ファイバの接続が光ファイバのコアの周囲に形成されるクラッドより大きく、かつ、半導体発光素子の活性領域より小さい屈折率を有する接着剤により行われることにより、光ファイバと半導体発光素子との間を進行する光がその接続境界部分で反射するのが防止され、それらの接続損失が低減できる。

また、半導体発光素子における光反射面又は光射出面がその半導体発光素子の端面に誘電体多層膜の付設により形成されることにより、光反射面又は光射出面における反射率を所望の値に設定できる。

更に、半導体発光素子の活性領域の幅と光ファイバのコアの径がほぼ同寸法で接続されることにより、半導体発光素子と光ファイバにおける光結合効率が向上し、出力の大きなレーザ光を射出することができる。

以下、添付図面に基づき、本発明に係る実施形態の一例について説明する。なお、各図において同一要素には同一符号を付して説明を省略する。また、図面の寸法比率は説明のものと必ずしも一致していない。

図１は発光素子モジュール１の構成を示す模式図である。図１において、発光素子モジュール１は、半導体発光素子２と光ファイバ３とを備えて構成されている。半導体発光素子２は、光の発生及び増幅を行う活性領域２１を有し、その活性領域２１を挟んで相対向する光反射面２２、光射出面２３が設けられた構造とされており、その活性領域２１へ電流を注入することで光を発生し増幅すると共に、その光を光反射面２２で反射して光射出面２３から射出するようになっている。この半導体発光素子２としては、例えば、一般のファブリペロー型の半導体レーザと同様にＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰのダブルヘテロ構造体が採用され、ＩｎＰからなるクラッド層２４、２４の間にＩｎＧａＡｓＰからなる活性領域２１を配置した構造とする。この活性領域２１は混晶とされることによりその屈折率がクラッド層２４のものより大きくなり、活性領域２１に沿って光が導光されるようになる。

また、半導体発光素子２における光反射面２２と光射出面２３は、例えば、活性領域２１の両端を含む半導体発光素子２の対向する面にそれぞれ誘電体多層膜が付設されて形成される。誘電体多層膜は、シリカ（ＳｉＯ_２）、チタニア（ＴｉＯ_２）、窒化けい素（ＳｉＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）、アモルファスシリコンなどの薄い膜を数十層に積層して構成したものであって、その膜の材質の屈折率、厚さ及び層数を適宜変えることにより、特定波長における透過率を任意に設定可能としたものである。このように光反射面２２及び光射出面２３を形成することにより、それらの光の反射率を容易に、かつ確実に所望の値とすることが可能となる。具体的には、光反射面２２は高い反射率に設定され、また光射出面２３は低い反射率に設定されており、例えば、光反射面２２は８０％以上の高い反射率に設定され、光射出面２３は０．５％以下の低い反射率に設定される。なお、光反射面２２は結晶へき開面とし蒸着するなどして形成され、光射出面２３はその他公知の手法により形成されていてもよい。

また、この半導体発光素子２には、電流注入用の駆動回路（図示なし）が接続されており、内部のクラッド層２４を通じて活性領域２１へ電流を流せるように構成されている。すなわち、図１のように、駆動回路から半導体発光素子２に所定の作動電流が流されることでクラッド層２４及び活性領域２１が励起されて自然放出光が発生し、この自然放出光が誘導放出を引き起こしながら活性領域を進行し、誘導放出光とともに光射出面２３から射出されることとなる。なお、半導体発光素子２は、前述のＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰのダブルヘテロ構造体のものに限られるものでなく、光を発生し増幅すると共に光反射面２２及び光射出面２３を有するものであれば、その他の半導体等により形成されたものであってもよい。

一方、光ファイバ３は、前述の半導体発光素子２の光射出面２３から射出された光を導光するための細径の線材であって、クラッド３１の中心位置に屈折率の大きいコア３２がその長手方向（光軸方向）に沿って形成されており、そのコア３２に沿って光が導光されるようになっている。例えば、この光ファイバ３は、クラッド３１が石英（ＳｉＯ_２）により形成され、コア３２がその石英に屈折率上昇材であるＧｅＯ_２を添加されて形成される。

また、光ファイバ３には、その内部を進行する光のうち所定波長の光のみを反射する回折格子３３が設けられている。この回折格子３３は、半導体発光素子２の光反射面２２と共にファブリペロー型の共振器を構成するものであって、少なくともコア３２内に設けられている。また、回折格子３３は、光ファイバ３の光軸方向に沿って実効屈折率を所定の間隔おいて周期的に変化させることにより、所定波長の光を反射可能となっており、その屈折率変化量や形成間隔（周期）を所望の値とすることにより光の反射率や光の反射波長を適宜設定することが可能である。この回折格子３３は、ゲルマニウムを添加した石英ガラスに紫外光を照射するとその照射部分の屈折率が紫外光の強度に応じて上昇することを利用して形成することができる。すなわち、光ファイバ３の外側からゲルマニウムが添加されたコア３２等へ向けてその軸方向へ干渉縞となった紫外光を照射することにより、コア３２等にその干渉縞の光強度分布に応じた実効屈折率を有する回折格子３３が形成されることとなる。なお、この回折格子３３は、図１において光ファイバ３の端部から所定の距離隔てて形成されているが、その距離を置かず端部から直に形成されているものであってもよい。

この回折格子３３により反射される光の回折波長（ブラッグ波長）λ_Ｒは、次の（１）式で表される。

λ_Ｒ＝２・ｎ・Λ ……（１）
ｎ：回折格子３３における最小屈折率
Λ：回折格子３３の周期
つまり、この回折格子３３は、回折波長λ_Ｒを中心とした狭い範囲の波長帯にわたって光を反射する機能を有している。このため、従って、この回折格子３３と半導体発光素子２の光反射面２２とにより構成される共振器により、所定の波長の光のみが反射往復されて、レーザ光として出力されることとなる。

その回折格子３３が形成された光ファイバ３の端部は、半導体発光素子２の光射出面２３に接続されている。すなわち、光ファイバ３の端部は、その端部におけるコア３２が活性領域２１に連続するように光反射面２３へ直接接続されて、コア３２と活性領域２１間で光が外部に漏れない構造とされており、光射出面２３から射出される光が光ファイバ３のコア３２へ入射されると共に、コア３２内の回折格子３３で反射される光がコア３２から活性領域２１内へ入射されるようになっている。また、光ファイバ３の接続端面は、鏡面状に平滑として光反射面２３と接続するのが好ましく、その場合接続損失を低く抑えることが可能となる。

ここで、光ファイバ３と半導体発光素子２の接続方法の一例について説明すると、半導体発光素子２を位置決めして設置するためのガイド溝と光ファイバ３を設置するためのＶ溝を形成した基台を予め用意し、先ずその基台へ半導体発光素子２を接着などにより固定しておく。そして、接続すべき端面に接着剤を塗布した光ファイバ３をＶ溝内へはめ込み、その接続端面を半導体発光素子２へ当接させることにより、それらの接続を行えばよい。その際、接着剤として、光ファイバ３のクラッド３１より大きい屈折率を有し、かつ、半導体発光素子２の活性領域２１より小さい屈折率を有するものを用いることが好ましい。つまり、そのような接着剤で接続されることにより、活性領域２１とコア３２の間を進行する光が接続境界部分で反射することが回避され、それらの接続損失が低減される。

次に、前述した発光素子モジュール１の作動について説明する。

図１において、半導体発光素子２のクラッド層２４、２４間に所定の電圧を印加して、各クラッド層２４及び活性領域２１へ作動電流を供給する。すると、クラッド層２４と活性領域２１が励起されて自然放出光を発する。この自然放出光は、活性領域２１内で誘導放出を引き起こして誘導放出光と共に進行して、反射率の高い光反射面２２で反射されて反射率の低い光射出面２３から射出されていく。そして、光射出面２３から射出された光は、活性領域２１に連続する光ファイバ３のコア３２内へ入射される。その際、活性領域２１とコア３２が直接接続されているから、光射出面２３から射出された光がその接続境界部分で発光素子モジュール１の外側へ漏れ出すことがなく、確実にコア３２内へ入射されることとなる。また、活性領域２１とコア３２の光結合は、それらを直接接続することにより常に一定した結合状態となる。

そして、コア３２内へ入射された光は、そのコア３２の光軸方向へ沿って進行し回折格子３３に到達し、この回折格子３３により所定の波長の光のみが反射される。すなわち、波長λ_Ｒを中心とした約数ｎｍの反射波長幅を有するもの光のみが反射されることとなる。そして、反射された光はコア３２内を半導体発光素子２側へ向けて進行し光射出面２３から活性領域２１内へ入射される。その際も、前述と同様に、活性領域２１とコア３２の直接接続により、光がそれらの接続境界部分で外側へ漏れ出すことがなく、確実に活性領域２１内へ入射されることとなる。そして、入射された光は活性領域２１内を進行中に、再び電流注入の励起により増幅されながら光反射面２２で反射されてコア３側へ進行していく。このように、活性領域２１で発生した光は、光反射面２２と回折格子３３との間での往復を繰り返して増幅されて、回折格子３３を透過してレーザ光として出力されていく。このようにして出力されるレーザ光においては、半導体発光素子２と光ファイバ３との光結合状態が一定しているから、その接続部分での損失が少なく安定した出力特性が得られる。

次に、発光素子モジュールにおける他の実施形態について説明する。

前述の発光素子モジュール１において、図２に示すように、半導体発光素子２に形成された光反射面２２を低反射率の光射出面２３ａとし、その光反射面２３ａに回折格子４３を有する短寸の共振用光ファイバ４を直接接続したものであってもよい。すなわち、発光素子モジュール１ａは、半導体発光素子２における対向する端面にそれぞれ出力用の光ファイバ３と共振用の光ファイバ４を直接接続し、活性領域２１と各コア３２及びコア４２を連続させて、各光ファイバ３、４の回折格子３３、４３を共振器として機能させたものである。光ファイバ４の接続は、前述の発光素子モジュール１における光ファイバ３の接続と同様に行えばよい。

また、それぞれの光ファイバ３、４における回折格子３３、４３は、同じ回折波長とし、回折格子４３にあっては所定の波長において８０％以上の反射率とし、少なくとも回折格子３３の反射率に対し高いものとしておくのが好ましい。この発光素子モジュール１ａによれば、活性領域２１で発生した光がそれぞれの回折格子３３、４３で所要の波長のみを選択的に反射して増幅されるから、波長の単一性に優れたレーザ光が出力できる。また、光ファイバ４の端面をコア４３の光軸方向に対し斜めに形成しておくのが好ましく、このように形成することにより、その端面でのフレネル反射が防止され所要以外の波長の光が増幅されてレーザ光として出射するのが回避できる。

また、前述の発光素子モジュール１又は１ａにおいて、図３に示すように、半導体発光素子２の光射出面２３と光ファイバ３のコア３２との接続面が活性領域２１から射出される光の光軸に対して直交しない斜めの向きに形成されていてもよい。すなわち、発光素子モジュール１ｂは、半導体発光素子２の光射出面２３が活性領域２１の光軸方向（長手方向）に直交しないように斜めに形成され、また、光ファイバ３の端面も同様に斜めに形成されて、活性領域２１とコア３２が曲折しないように接続されている。このような発光素子モジュール１ａによれば、半導体発光素子２の活性領域２１と光ファイバ３のコア３２との接続境界部分において、光の進行方向に向けた反射が防止される。このため、所要以外の波長のレーザ光が出射することを回避できる。なお、発光素子モジュール１ａのごとく半導体発光素子２の両端に共振用の光ファイバ４と出力用の光ファイバ３を接続した場合は、その共振用光ファイバ４と半導体発光素子２との接続面も斜めにしてもよく、そのような接続面により光の反射を防止できる。

更に、前述の発光素子モジュール１、１ａ又は１ｂにおいて、光ファイバ３のコア３２の径とそれに連続する活性領域２１の幅が同寸法で接続されたものであってもよい。例えば、図４に示すように、発光素子モジュール１ｃは、半導体発光素子２の活性領域２１がその途中から光ファイバ３側の端部へ向けて末広がりのテーパ状（テーパ部２１ａ）とされ、その端部における幅がコア３２の径と同寸法とされ、活性領域２１、コア３２間を進行する光がそれらの接続境界部分で反射するのが防止できる構造となっている。なお、テーパ部２１ａにあっては、光の増幅機能を有さず導光のみを行う導光路とするのが好ましい。また、活性領域２１全体をテーパ状とする場合もある。更に、発光素子モジュール１ａのように半導体発光素子２の両端に光ファイバを接続するときは活性領域２１の両端部分をテーパ状とすればよい。この発光素子モジュール１ｃによれば、半導体発光素子２と光ファイバ３における光結合効率が向上するから、出力の大きなレーザ光を出射することができる。

発光素子モジュールの模式図である。 その他の実施形態に係る発光素子モジュールの模式図である。 その他の実施形態に係る発光素子モジュールの模式図である。 その他の実施形態に係る発光素子モジュールの模式図である。 従来の発光素子モジュールの説明図である。

符号の説明

１…発光素子モジュール
２…半導体発光素子
３…光ファイバ
２１…活性領域
２２…光反射面
２３…光射出面
３１…クラッド
３２…コア
３３…回折格子

Claims (8)

1. 活性領域を挟んで相対向する光反射面と光射出面が形成された半導体発光素子と、その半導体発光素子の光射出面に端部が直接接続され、内部を進行する光のうち所定波長の光のみを反射する回折格子が形成された光ファイバと、
   を備え、
   前記光ファイバに形成された回折格子は、前記光ファイバの端部近傍に形成されていること、
   を特徴とする発光素子モジュール。
2. 活性領域を挟んで相対向する二つの光射出面が形成された半導体発光素子と、
   その一方の光射出面に端部が直接接続され、内部を進行する光のうち所定波長の光のみを反射する回折格子が形成された共振用の光ファイバと、他方の光射出面に端部が直接接続され、内部を進行する光のうち所定波長の光のみを反射する回折格子が形成された出力用の光ファイバと、
   を備え、
   前記共振用光ファイバに形成された回折格子は、前記共振用光ファイバの端部近傍に形成され、前記出力用の光ファイバに形成された回折格子は、前記出力用の光ファイバの端部近傍に形成されていること、
   を特徴とする発光素子モジュール。
3. 前記出力用の光ファイバと前記共振用の光ファイバにそれぞれ形成される回折格子が互いに同等な回折波長特性を有することを特徴とする請求項２に記載の発光素子モジュール。
4. 前記共振用の光ファイバの回折格子の反射率が前記出力用の光ファイバの回折格子の反射率に対し大きいことを特徴とする請求項２又は３に記載の発光素子モジュール
5. 前記出力用の光ファイバにおける前記光射出面と接続されない開放端の端面が光軸方向と直交しない斜め向きに形成されたことを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の発光素子モジュール。
6. 前記光射出面と前記光ファイバとの接続面が光の進行方向と直交しない斜め向きに形成されたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の発光素子モジュール。
7. 前記半導体発光素子における光反射面又は光射出面がその半導体発光素子の端面に誘電体多層膜の付設により形成されたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の発光素子モジュール。
8. 前記半導体発光素子の活性領域の幅が、前記光射出面に接続される光ファイバのコアの径と同寸法となるように、その端部に向けて拡大されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の発光素子モジュール。

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