JP2005150270A - 半導体レーザモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体レーザ素子の出力光を光ファイバに光学的に結合した半導体レーザモジュールにおいてトラッキングエラーの小さいものを提供することを目的とする。
【解決手段】 少なくとも半導体レーザ素子１、光ファイバ３、該半導体レーザ素子の出力光を該光ファイバに光学的に結合するレンズからなる光学素子２により構成される半導体レーザモジュール４において、前記半導体レーザ素子１のトラッキングエラー温度依存性を減少させるように前記半導体レーザ素子１の出力光が前記光ファイバ３に結合されていることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体レーザ素子の出力光を光ファイバに光学的に結合した半導体レーザモジュールに関するものである。

半導体レーザ素子の出力光を信号光源、励起用光源等として用いるために、半導体レーザ素子の出力光を光ファイバの一端に光学的に結合し、その他端から出射される光を利用することがある。

具体的には、図１に示したような、半導体レーザ素子１、光学素子２、光ファイバ３が組み込まれた半導体レーザモジュール４を使用する方法が知られている。半導体レーザモジュール４は半導体レーザ素子１の前端面（出射面）５から出射される出力光を、光学素子２により集光し、前記前端面５と相対する光ファイバ３の一端に結合させる。

光学素子２は上記作用を持たせるために、主としてレンズが用いられ、必要に応じて、光ファイバ３からの戻り光を阻止するためのアイソレータ、光路を変更するためのプリズム等が組み込まれる。

なお、半導体レーザモジュール４の組み立て時においては、半導体レーザ素子１の前端面５から出射される出力光を最大限に利用するため、光学素子２、光ファイバ３は、半導体レーザ素子１の前端面５からの出力光の光ファイバ３への結合効率が最大になるように配置される（特許文献１、２を参照。）。

特開平０７−２８７１４９号公報 特開平１０−０９６８３９号公報

光ファイバ３を経て出力される半導体レーザモジュール４の出力光は、これを信号光源、励起用光源等として用いるために、環境温度の変化に対して、出力が一定であることが求められている。半導体レーザモジュール４の出力光の出力を一定にするためには、半導体レーザ素子１の前端面５から出射される出力光を一定にする必要がある。
半導体レーザ素子１の駆動方法には2種類あり、１つは、光出力一定駆動（ＡＰＣ：Ａｕｔｏ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ）、もう１つは電流一定駆動(ＡＣＣ：Ａｕｔｏ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｃｏｎｔｒｏｌ)である。

ＡＰＣは、例えば半導体レーザ素子１の後端面６からの出力光を受光素子７で受光し、その電流値（モニタ電流値Ｉ_m）が一定になるように半導体レーザ素子１を駆動する方法である。この方法は、後端面６からの光出力値Ｐ_ｒに対する前端面５からの光出力値Ｐ_ｆの割合Ｐ_ｆ／Ｐ_ｒが環境温度によって変化しないという仮定に基づいている。

しかしながら、実際の半導体レーザ素子、特に分布帰還型（ＤＦＢ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ）レーザ素子においては、後端面６からの光出力値Ｐ_ｒに対する前端面５からの光出力値Ｐ_ｆの割合Ｐ_ｆ／Ｐ_ｒは半導体レーザ素子の環境温度によって変化する。したがって、環境温度の変化に対して、ＡＰＣで所定のモニタ電流値Ｉ_mになるように、すなわち、ＤＦＢレーザ素子においては後端面６からの光出力値Ｐ_ｒが一定となるように駆動電流を調整しても、前端面５からの光出力値Ｐ_ｆは変化することになる。
ここで、所定のモニタ電流値I_mにおいて、室温を基準にしたときの前端面５からの光出力値Ｐ_ｆの変化率をトラッキングエラーＴＥと呼び、以下の（１）式で定義される。
なお、半導体レーザ素子の環境温度とは、半導体レーザモジュールの周囲の大気の温度を言う。

（Ｔは半導体レーザ素子の環境温度、Ｐ_f（Ｔ）は環境温度Ｔにおける前端面からの光出力値、Ｐ_f（Ｔ_RT）は室温（２５℃）における前端面からの光出力値である。）

例えば、環境温度が室温よりも高くなると、後端面６からの光出力値Ｐ_ｒに対する前端面５からの光出力値Ｐ_ｆの割合Ｐ_ｆ／Ｐ_ｒが大きくなるような半導体レーザ素子１の場合を考える。このとき、半導体レーザ素子１の前端面５からの出力光の光ファイバ３への結合効率が最大になるように半導体レーザ素子１の出力光を光ファイバ３に光学的に結合した場合、半導体レーザ素子１の環境温度の上昇により、ＡＰＣで駆動電流を調整しても前端面５からの光出力値Ｐ_ｆが大きくなり、図２に示すように半導体レーザモジュール４のトラッキングエラーが大きくなってしまうという問題があった。特に、この問題は半導体レーザモジュールに温度調整機能がない場合はより顕著になる。また、環境温度が室温よりも高くなった場合に、後端面６からの光出力値Ｐ_ｒに対する前端面５からの光出力値Ｐ_ｆの割合Ｐ_ｆ／Ｐ_ｒが小さくなるような半導体レーザ素子１の場合にも同様の問題がある。

ＡＣＣは、半導体レーザ素子１に流れる電流が一定になるように半導体レーザ素子１を駆動する方法である。この場合、半導体レーザ素子１に流れる電流が一定になるようにしても、環境温度の変化による半導体レーザ素子１の光出力効率が変化する。

すなわち、図３に半導体レーザ素子１の前端面５から出射される光出力Ｐ_f（Ｔ）の注入電流Ｉに対する温度特性を示したが、図中のＳＥで表される光出力効率は、一般的に環境温度Ｔの上昇とともに低下する。そのため、半導体レーザモジュール４の光出力が変化するという問題がある。

本発明の目的は、半導体レーザ素子の出力光を光ファイバに光学的に結合した、トラッキングエラーの小さい半導体レーザモジュールを提供することにある。

請求項１に係る発明は、少なくとも半導体レーザ素子、光ファイバ、該半導体レーザ素子の出力光を該光ファイバに光学的に結合するレンズからなる光学素子を有する半導体レーザモジュールにおいて、前記半導体レーザ素子のトラッキングエラーの温度依存性を減少させるように前記半導体レーザ素子の出力光が前記光ファイバに結合されていることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、少なくとも半導体レーザ素子、光ファイバ、該半導体レーザ素子の出力光を該光ファイバに光学的に結合するレンズからなる光学素子を有する半導体レーザモジュールにおいて、前記半導体レーザ素子の光出力効率の温度依存性を減少させるように前記半導体レーザ素子の出力光が前記光ファイバに結合されていることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、少なくとも半導体レーザ素子、光ファイバ、該半導体レーザ素子の出力光を該光ファイバに光学的に結合するレンズからなる光学素子を有する半導体レーザモジュールにおいて、前記半導体レーザ素子の環境温度の上昇により、前記半導体レーザ素子の出力光の前記光ファイバへの結合効率が減少することを特徴とする。

請求項４に係る発明は、少なくとも半導体レーザ素子、光ファイバ、該半導体レーザ素子の出力光を該光ファイバに光学的に結合するレンズからなる光学素子を有する半導体レーザモジュールにおいて、前記半導体レーザ素子の環境温度の上昇により、前記半導体レーザ素子の出力光の前記光ファイバへの結合効率が増加することを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項１，３，４のいずれかに記載の半導体レーザモジュールにおいて、前記レンズの焦点が前記半導体レーザ素子の前端面と該前端面に相対する光ファイバ端部の間に位置することを特徴とする。

請求項６に係る発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体レーザモジュールにおいて、前記半導体レーザ素子の出射面に相対する前記光ファイバの端部が前記半導体レーザ素子の前端面と前記レンズの焦点の中間に位置することを特徴とする。

請求項７に係る発明は、請求項１〜６のいずれかに記載の半導体レーザモジュールにおいて、温度調整機能が備えられていないことを特徴とする。

請求項１〜６に係る発明では、トラッキングエラーが小さい半導体レーザモジュールの実現が可能である。また、請求項７に係る発明では一層上記利点の大きな半導体レーザモジュールの実現が可能である。

本発明に係る半導体レーザモジュール４は少なくとも図１に示したように、半導体レーザ素子１、光学素子２、光ファイバ３により構成される。図１のように、半導体レーザモジュール４は半導体レーザ素子１の前端面５から出射される光を、光学素子２により集光し、光ファイバ３の一端に結合させる。そして、光ファイバ３の他端から出射される光を利用する。

光学素子２は上記作用を持たせるために、レンズが用いられ、必要に応じて、光ファイバ３からの戻り光を阻止するためにアイソレータ、光路を変更するためのプリズム等が組み込まれる。ここで、符号６は半導体レーザ素子１の後端面、符号７は半導体レーザ素子１の光出力をモニタするための受光素子である。

本発明に係る半導体レーザモジュールは、トラッキングエラーまたは光出力効率変化の小さいものであり、第一、第二および第三の形態となる。

第一の形態に係る半導体レーザモジュールの特徴は、半導体レーザ素子１のトラッキングエラーの温度依存性を打ち消すように半導体レーザ素子１の出力光が前記光ファイバ３に光学的に結合されている。

すなわち、既に説明したように半導体レーザ素子１はトラッキングエラーの温度依存性を固有に有しており、（１）式のように表され、一般的に正の係数がある。したがって、この特性を打ち消すように半導体レーザ素子１の出力光を前記光ファイバ３に光学的に結合することにより、半導体レーザモジュール４のトラッキングエラーを小さくすることができる。

かかる作用は、半導体レーザ素子１の環境温度の上昇により、半導体レーザ素子１の出力光の光ファイバ３への結合効率を減少させるようにすることにより実現できる。すなわち、Ｐ_f（Ｔ）は温度上昇により増加するが、このときに半導体レーザ素子１の出力光の光ファイバ３への結合効率を減少させるようにすると、光ファイバ３の他端から出射される正味の光出力の変化を温度上昇前と比較して小さくすることができ、半導体レーザモジュール４のトラッキングエラーを小さくすることができる。

半導体レーザ素子１の環境温度の上昇により、半導体レーザ素子１の出力光の光ファイバ３への結合効率を減少させるための具体的な態様として、図４に示したように、レンズ８の焦点Ｆが半導体レーザ素子１の前端面５とその前端面５に相対する光ファイバ３端部の間に位置するようにする。

すなわち、図４における半導体レーザモジュール４の全体の環境温度が上昇することにより、半導体レーザ素子１、光学素子２、光ファイバ３を固定するための図示しないベースが熱膨張し、半導体レーザ素子１の前端面５とレンズ８の間隔、レンズ８と光ファイバ３の端部の間隔が広がる。これにより、光ファイバ３の位置が図４に示した矢印の方向に移動し、焦点Ｆと光ファイバ３の端部の間隔が広がるので、半導体レーザ素子１の出力光の光ファイバ３への結合効率が減少する。

第二の形態に係る半導体レーザモジュールの特徴は、半導体レーザ素子１のトラッキングエラーの温度依存性を打ち消すように半導体レーザ素子１の出力光が前記光ファイバ３に光学的に結合されている。

すなわち、既に説明したように半導体レーザ素子１は（１）式で表されるトラッキングエラーの温度依存性を固有に有しているがこれは、正の係数のものばかりでなく、負の係数を有するものもある。したがって、この特性を打ち消すように半導体レーザ素子１の出力光を前記光ファイバ３に光学的に結合することにより、半導体レーザモジュール４のトラッキングエラーを小さくすることができる。

かかる作用は、半導体レーザ素子１の環境温度の上昇により、半導体レーザ素子１の出力光の光ファイバ３への結合効率を増加させるようにすることにより実現できる。すなわち、Ｐ_f（Ｔ）は温度上昇により減少するが、半導体レーザ素子１の出力光の光ファイバ３への結合効率を増加させるようにすると、光ファイバ３の他端から出射される正味の光出力の変化を温度上昇前と比較して小さくすることができ、半導体レーザモジュール４のトラッキングエラーを小さくすることができる。

半導体レーザ素子１の環境温度の上昇により、半導体レーザ素子１の出力光の光ファイバ３への結合効率を増加させるための具体的な態様として、図５に示したように、光ファイバ３の端部が半導体レーザ素子１の前端面５とレンズ８の焦点Ｆの中間に位置するようにする。

すなわち、図５における半導体レーザモジュール４の全体の環境温度が上昇することにより、半導体レーザ素子１、光学素子２、光ファイバ３を固定するための図示しないベースが熱膨張し、半導体レーザ素子１の前端面５とレンズ８の間隔、レンズ８と光ファイバ３の端部の間隔が広がる。これにより、光ファイバ３の位置が図５に示した矢印の方向に移動し、焦点Ｆと光ファイバ３の端部の間隔が狭くなるので、半導体レーザ素子１の出力光の光ファイバ３への結合効率が増加する。

第三の形態に係る半導体レーザモジュールの特徴は、半導体レーザ素子１の光出力効率の温度依存性を減少させるように半導体レーザ素子１の出力光が前記光ファイバ３に光学的に結合されている。

すなわち、図３において既に説明したように半導体レーザ素子１の光出力効率は環境温度の上昇により減少する特性がある。したがって、この特性を打ち消すように半導体レーザ素子１の出力光を前記光ファイバ３に光学的に結合することにより、半導体レーザモジュール４の光出力変化を小さくすることができる。

かかる作用は、半導体レーザ素子１の環境温度の上昇により、半導体レーザ素子１の出力光の光ファイバ３への結合効率を増加させるようにすることにより実現できる。すなわち、図３に示したようにＰ_f（Ｔ）は温度上昇により減少するが、このときに半導体レーザ素子１の出力光の光ファイバ３への結合効率を増加させるようにすると、光ファイバ３の他端から出射される正味の光出力の変化を小さくすることができる。

半導体レーザ素子１の環境温度の上昇により、半導体レーザ素子１の出力光の光ファイバ３への結合効率を増加させるための具体的な態様として、図５に示したように、光ファイバ３の端部が半導体レーザ素子１の前端面５とレンズ８の焦点Ｆの中間に位置するようにする。

すなわち、図５における半導体レーザモジュール４の全体の環境温度が上昇することにより、半導体レーザ素子１、光学素子２、光ファイバ３を固定するための図示しないベースが熱膨張し、半導体レーザ素子１の前端面５とレンズ８の間隔、レンズ８と光ファイバ３の端部の間隔が広がる。これにより、光ファイバ３の位置が図５に示した矢印の方向に移動し、焦点Ｆと光ファイバ３の端部の間隔が狭くなるので、半導体レーザ素子１の出力光の光ファイバ３への結合効率が増加する。

上記第一、第二の形態に係る半導体レーザモジュールを作成し、半導体レーザモジュール４のトラッキングエラーの測定を行なった。なお、この半導体レーザモジュール４には温度調整機能が備えられていない。ここで、半導体レーザ素子１、光学素子２、光ファイバ３を固定するための図示しないベースの材料はＳＵＳ４３０（ステンレス）である。また、半導体レーザ素子１は特開２００３−２３４５４１号公報の図１に記載されているＤＦＢレーザを利用し、光学素子２は焦点距離５ｍｍの一つの凸レンズからなっている。

第一の形態に係る半導体レーザモジュールでは、図４に示したようにレンズの焦点Ｆが半導体レーザ素子１の前端面５とその前端面５に相対する光ファイバ３端部の間に位置し、光ファイバ３の端部は、レンズ８の焦点Ｆよりも０．０３ｍｍずらしてある。また、第二の形態に係る半導体レーザモジュールでは、図５に示したように光ファイバ３の端部が半導体レーザ素子１の前端面５とレンズ８の焦点Ｆの中間に位置し、光ファイバ３の端部は、レンズの焦点Ｆよりも０．０３ｍｍずらしてある。

また、比較のため半導体レーザモジュール４の組み立て時に、半導体レーザ素子１の出力光の結合効率が最大になるように半導体レーザ素子１の出力光を光ファイバ３に光学的に結合した従来技術に係る半導体レーザモジュール４のトラッキングエラーの測定も行ない、その結果を図６および図７に示した。その結果、第一の形態および第二の形態に係る半導体レーザモジュールではトラッキングエラーが減少していることが確認された。

本発明に係る半導体レーザモジュール４の半導体レーザ素子１、光学素子２、光ファイバ３を固定するための図示しないベースは、熱膨張係数の大きい材料であるほど、効果が大きい。例えば、ＳＵＳ３０１（ステンレス）、銅、真鍮などが挙げられる。

また、より焦点距離の短いレンズ８、例えば非対称レンズなどを用いると、より効果的である。

また、図６および図７のトラッキングエラーの測定の結果に用いられた半導体レーザモジュール４では、最高動作温度が８０℃以上、または、最低動作温度が０℃以下の場合において半導体レーザ素子１の出力光の結合効率が最大になるように半導体レーザ素子１の出力光を光ファイバ３に光学的に結合した従来技術に係る半導体レーザモジュール４と比較して顕著な差をみることができる。

本発明及び従来技術に係る半導体レーザモジュールの平面図である。 半導体レーザモジュールのトラッキングエラーの温度依存性を示したものである。 半導体レーザ素子の前端面から出射される光出力Ｐ_f（Ｔ）の注入電流Ｉに対する温度特性である。 本発明の第一の形態に係る半導体レーザモジュールの平面図である。 本発明の第二の形態に係る半導体レーザモジュールの平面図である。 従来技術、及び本発明の第一の形態に係る半導体レーザモジュールのトラッキングエラーの温度依存性を示したものである。 従来技術、及び本発明の第二の形態に係る半導体レーザモジュールのトラッキングエラーの温度依存性を示したものである。

符号の説明

１ 半導体レーザ素子
２ 光学素子
３ 光ファイバ
４ 半導体レーザモジュール
５ 前端面
６ 後端面
７ 受光素子
８ レンズ

Claims (7)

1. 少なくとも半導体レーザ素子、光ファイバ、該半導体レーザ素子の出力光を該光ファイバに光学的に結合するレンズからなる光学素子を有する半導体レーザモジュールにおいて、前記半導体レーザ素子のトラッキングエラーの温度依存性を減少させるように前記半導体レーザ素子の出力光が前記光ファイバに結合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. 少なくとも半導体レーザ素子、光ファイバ、該半導体レーザ素子の出力光を該光ファイバに光学的に結合するレンズからなる光学素子を有する半導体レーザモジュールにおいて、前記半導体レーザ素子の光出力効率の温度依存性を減少させるように前記半導体レーザ素子の出力光が前記光ファイバに結合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. 少なくとも半導体レーザ素子、光ファイバ、該半導体レーザ素子の出力光を該光ファイバに光学的に結合するレンズからなる光学素子を有する半導体レーザモジュールにおいて、前記半導体レーザ素子の環境温度の上昇により、前記半導体レーザ素子の出力光の前記光ファイバへの結合効率が減少することを特徴とする半導体レーザモジュール。
4. 少なくとも半導体レーザ素子、光ファイバ、該半導体レーザ素子の出力光を該光ファイバに光学的に結合するレンズからなる光学素子を有する半導体レーザモジュールにおいて、前記半導体レーザ素子の環境温度の上昇により、前記半導体レーザ素子の出力光の前記光ファイバへの結合効率が増加することを特徴とする半導体レーザモジュール。
5. 前記レンズの焦点が前記半導体レーザ素子の前端面と該前端面に相対する光ファイバ端部の間に位置することを特徴とする請求項１，３，４記載の半導体レーザモジュール。
6. 前記半導体レーザ素子の出射面に相対する前記光ファイバの端部が前記半導体レーザ素子の前端面と前記レンズの焦点の中間に位置することを特徴とする請求項１〜４記載の半導体レーザモジュール。
7. 請求項１〜６記載の半導体レーザモジュールにおいて温度調整機能が備えられていないことを特徴とする半導体レーザモジュール。

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