JP2006154321A - 光送信モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体レーザを発光素子として含む送信モジュールにおいてアイソレータや斜め研磨スタブを用いることなく戻り光の半導体レーザに及ぼす影響を除去し相対雑音強度（ＲＩＮ）の充分に低い送信モジュールを与えること。
【解決手段】
レンズによる半導体レーザの像の位置よりも光ファイバ端を６００μｍ以上後退させたデフォーカスの位置に置くこと。ジャストフォーカスよりもＲＩＮが大きく低下する。ファイバ結合効率も低下するがＲＩＮの低下を優先する場合に有効である。
【選択図】 図１３

Description

この発明は、光通信の送信側に用いられる半導体レーザを含む光送信モジュールに関する。光送信モジュールは、パッケージの中にＬＤとレンズを含み、パッケージに続いて設けられるレセプタクルに光ファイバ先端のフェルールを差し込むようになったレセプタクル型と、パッケージに続いて設けられるフェルールホルダーにフェルールを固定してフェルールから光ファイバを後方へ出し光コネクタへ繋いでいるピグテール型がある。

いずれにしても半導体レーザの光が光ファイバ端で反射されて半導体レーザに戻ると半導体レーザの動作が擾乱を受け不安定になる。戻り光が半導体レーザへ入らないように様々な工夫がなされている。

特開２００３−１４９９２号公報

特開平１０−２９００５０号公報

特開２００１−２１７７１号公報

特開平９−３０４６６８号公報

特開平１１−１１９０６３号公報

特開２００１−２６４５８８号公報

特許文献１はアイソレータをレンズの直前に設け、光ファイバの先端を保持するフェルールの直後に偏光子を設け温度制御装置を設置して半導体レーザへの反射戻り光を防止するモジュールを提案している。半導体レーザ・レンズ・アイソレータ・ガラス窓・偏光子・光ファイバの順に光学部品が並んでいる。アイソレータは独立した大型の素子であり水平の基板の上に並べられる。偏光子は小型の素子であって狭いソケットの内部空間に閉じ込められている。レンズを通って集光されていない広がった光をアイソレータに通している。偏光子の方位は、ガラス窓を通ってきた直線偏光の偏波面と一致するように備えられる。これは、反射戻り光を防ぐために、アイソレータ＋偏光子の組み合わせを用いている。

特許文献２は光送信モジュールにおいて、レセプタクルとレンズホルダーの間に円筒殻の中にアイソレータＩＳを設けた部分素子を追加したものを提案している。これもアイソレータ素子は大型の独立した光学部品であって、レセプタクルとレンズホルダーの間に溶接固定される。アイソレータ素子のためにモジュールはより長く大型の素子となる。アイソレータがあるために光ファイバの端面からの反射光が半導体レーザに戻らないようになっている。

特許文献３は平面実装型の光モジュールであって、基板の上にＶ溝と、二つの横溝とチップ座を設け、Ｖ溝には光ファイバを乗せ、初めの横溝にはアイソレータ板を差し込み、第２の横溝には平板のマイクロレンズ板を差し込み、チップ座には半導体レーザチップを固定するような構造を提案している。横溝に板状になったアイソレータとレンズを調芯して固定し、半導体レーザ・レンズ・アイソレータ・光ファイバが一直線上に並ぶように調整する。光ファイバの端面からの反射光をアイソレータで遮断して半導体レーザへ戻らないようにしている。平板にレンズとアイソレータを取り付け横方向に調芯するようにしたところが工夫点である。アイソレータやレンズは平面状の独立の光学部品である。

特許文献４は、レンズに光減衰膜を設けレーザの光を減衰させて光ファイバへ入射させる構造の光送信モジュールを提案している。それはレーザの進行波を減衰させるだけでなく反射光をも減衰させるので戻り光が半導体レーザにあまり戻らないようになるというものである。偏波面は変わらないしアイソレータや偏光板は用いない。単に半導体レーザの光を減衰させることによって反射戻り光の影響を除こうとするものである。

特許文献５は半導体レーザ・ガラス窓・光減衰板・レンズ・光ファイバを直線上に組み合わせた光モジュールを提案している。これも特許文献４と同様に光を減衰する手段を設けたものである。往復の光を減衰するから戻り光も弱くなって半導体レーザの動作状態を劣化させない、という訳である。

特許文献６は平面実装型のモジュールであって、Ｖ溝に光ファイバを、凹部に球レンズを、基板面上に半導体レーザを乗せるような構造となっていて、レンズの中心が光ファイバと半導体レーザの光軸からずれたところに位置するようになっている。オフアクシス（軸ズレ）のレンズを採用して反射戻り光がレンズによって半導体レーザとは異なった位置へ集光するようになっている。そのため反射戻り光が半導体レーザに戻らないというわけである。レンズをオフアクシス位置に設けるので、半導体レーザの光がそもそも光ファイバの端部へ入りにくい。入射光が減退する。しかし半導体レーザの光は充分に強いのでそのような犠牲は差し支えないと主張している。

半導体レーザを光源とする光モジュールにおいて、アイソレータや減衰器を設けて、光ファイバ端などからの反射光が半導体レーザへ戻らないようにした光モジュールは多数提案されている。
ここではそれらと異なった手段によって半導体レーザの動作不安定性を除去した光モジュールを提案しようとする。

半導体レーザの動作の安定性を評価する手段がなくてはならない。そのためにＲＩＮ（相対雑音強度；Ｒｅｌａｔｉｖｅ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｏｆ Ｎｏｉｓｅ）という測定可能な値を用いる。図４にその測定系を示す。

直線導波路対向２分岐４端子（ａ、ｂ、ｃ、ｄ）をもつカプラ３２は端子ａ、ｂから入った光を端子ｃ、ｄに分配し、端子ｃ、ｄから入った光を端子ａ、ｂに分配することができる。端子ａに光コネクタ４４、光ファイバ４３、光コネクタ４２を介して半導体レーザ３３がつながれる。測定対象である半導体レーザ３３は電流源３４によって直流（ＤＣ）駆動される。カプラ３２の端子ｂには、光コネクタ４５、光ファイバ４６、光コネクタ４７を介してパワーメータ３５がつながれる。それはレーザの全パワーを測定するためのものである。

端子ｃには、光コネクタ４８、光ファイバ４９、光コネクタ５０によって減衰器（ＡＴＴ）３６に接続される。減衰器３６は光ファイバ５２によって全反射コネクタ３７につながれる。減衰器３６と全反射コネクタ３７はレーザ光の一部を反射してカプラ３２に戻し端子ｂから出してパワーメータ３５によって全パワーを測定できるようにするためのものである。反射率が既知なのでパワーメータ３５の出力に定数を乗ずることによって周波数で積分した半導体レーザ全パワーを求めることができる。カプラ３２の端子ｄは光コネクタ５４、光ファイバ５５、光コネクタ５６、光ファイバ５７を介してスペクトラムアナライザ３８に接続されている。

電流源３４は半導体レーザ３３を直流（ＤＣ）駆動する。図５は駆動電流の時間変化を示すグラフであり横軸は時間ｔである。縦軸は電流である。だから戻り光がなければｆ＝０の光成分だけである。しかし戻り光があれば高い周波数の光成分をも発振するようになる。図６に半導体レーザのレーザパワーの一例を示す。横軸は時間ｔである。戻り光の作用で、このように半導体レーザ出力に揺らぎが現れる。光ファイバの近端の反射、遠端の反射、全反射コネクタの反射などが戻り光を生ずる。半導体レーザ３３から生じた光は端子ａからカプラ３２に入り集合路を通り、反対側にある二つの分岐端ｄ、ｃに出る。端部ｄに出たものはスペクトラムアナライザ３８で周波数毎にパワー計測される。これは半導体レーザの発した光を周波数分析したものである。

端子ｃに出た光は減衰器３６で減衰し全反射コネクタ３７で反射される。減衰器３６は透過光の光量を調整するものであるが、透過光は全部反射されるのだから、減衰器３６は反射光の光量を調整しているということもできる。これはパワーメータ３５に光を戻す光量を調整するだけで、これは一定にしておけばよい。

カプラ３２の端部ｂにはパワーメータ３５がつながれる。これは、全反射コネクタ３７、減衰器３６を経て、カプラ３２に入り、そのあと端子ｂからパワーメータ３５に入る光量を測定するものである。つまりレーザ光の全強度に比例するものを観測している。

電流源３４によって直流駆動された半導体レーザの出力は１ｍＷである。パワーメータ３５へ戻る光の光量は−１５ｄＢになるようにする。これは約１／３２ということである。だからレーザ光の１／２×１／３２×１／２をパワーメータへ導くことになる。パワーメータの出力にその逆数をかけるとレーザの全出力が求められる。実際には正確なパワーがわかるように較正をする。

半導体レーザ３３の光強度の周波数成分はスペクトラムアナライザ３８によって計測することができる。半導体レーザ３３が生ずる光で直流光（ｆ＝０）以外のものはノイズである。カプラ３２のｄ端に接続したスペクトラムアナライザ３８によって任意の帯域ごとのノイズを求めることができる。

スペクトラムアナライザ３８でレーザ光のパワーの周波数分布を測定すると、直流成分（ｆ＝０）が最も多いのであるが、直流だけでなく、高い周波数成分をも含むようになる。図７はレーザ光の周波数ごとのパワー（スペクトル）を示す図である。横軸は周波数である。駆動電流は直流であり交流成分は本来０であるのに高い周波数成分が出るのであるから、それはノイズ光である。

ノイズ光がどうして出るのか？というと半導体レーザに反射戻り光が入るので安定した発振が持続せず不安定になったからである。戻り光が増えると直流駆動半導体レーザの高い周波数成分が増えて行く。だから戻り光の影響をノイズ光の光量によって評価できる。その戻り光というのも光ファイバの近端からの反射戻り光と遠端からの反射戻り光、光コネクタからの反射戻り光などがある。

問題にする帯域のノイズ光を測定し、それがある許容範囲より小さければ良い。そのために、問題の帯域の光量を全体の光量で割って、さらに帯域幅で割って１ヘルツ毎の損失を求めその対数をとり１０を掛けた値を使う。それが先述のＲＩＮである。図７において斜線を付けた部分が問題の帯域Ｂ_Ｗだとする。そのパワーが斜線を付けた部分の面積Ｐ_１である。全体のパワーＰ_０は図８のレーザパワースペクトルの全体を積分して得られる。ＲＩＮの定義は

ＲＩＮ＝１０ｌｏｇ（Ｐ_１／Ｐ_０・Ｂ_Ｗ） （１）

というような式によって表現される。Ｂ_Ｗは問題とする帯域である。ｌｏｇの中が無次元でないのはおかしいようであるが、ＲＩＮはこの式によって定義され、この式で計算されている量である。Ｂ_Ｗの単位がＨｚであると決めているので計算や比較は可能である。ここでは３０ＭＨｚ〜９３８ＭＨｚを対象とする。Ｐ_０は全体の光量である。ここでは１ｍＷである。Ｐ_１は問題とする３０ＭＨｚ〜９３８ＭＨｚでの光量の積分値である。この例ではＢ_Ｗ＝９０８ＭＨｚである。
この値が−１２０ｄＢ以下であるということが半導体レーザモジュールに要求されることがある。基準によって−１１７ｄＢ以下というのもあり、−１２０ｄＢ以下というものもある。本発明は、ＲＩＮが−１２０ｄＢ以下ということを目的とする。同じ構造に作ってもばらつきがあり、ばらつきがあっても、この基準を常に満足しなければならないので、これはかなり難しい条件である。例えばＢ_Ｗが９０８ＭＨｚであれば、Ｐ_１＜０．９０８μＷということになる。

従来例として述べたものはアイソレータを入れたり減衰器を入れたりして戻り光の影響を低減するようにしている。ダミーファイバを入れたスタブの端を斜め研磨したものもある。それらの組み合わせもある。それはいずれも部材点数を増やし組立工数を増加させコストを押し上げるような工夫であった。

本発明はそのような追加の部品を必要としないでＲＩＮを常に−１２０ｄＢ以下にできるような半導体レーザモジュールを提供することを目的とする。

ＲＩＮは相対雑音強度であるが、光ファイバとモジュールの間の関係を規定するもう一つの重要な値がある。それは光ファイバと半導体レーザの結合効率である。半導体レーザが発した光のうち光ファイバに入る光量の占める割合を結合効率と呼ぶ。それがあまりに低いのでは、ＲＩＮが下がってもあまり意味がない。ある程度の結合効率を確保しつつＲＩＮを下げるのでなければならない。

光送受信モジュールにおいて光ファイバと半導体素子（半導体レーザ、発光ダイオード、受光素子）との結合効率を上げるためにレンズが用いられる。レンズが半導体レーザの像を光ファイバ端に形成するように配置されると、半導体レーザの光が効率よく光ファイバに入射する。

半導体レーザはビームを出す部分の領域が狭く（１μｍ程度）上下方向には特に大きく広がる。光ファイバの直径は１０μｍ程度であり狭いものである。そのまま対向させただけでは結合しない。良いレンズを使えば結合効率をかなり上げることができる。しかし安価な球レンズを用いると半導体レーザと光ファイバの結合効率は１０％程度である。先述のように本発明の目的はＲＩＮの小さいモジュールを目的とするが、ある程度の結合効率があってしかもＲＩＮが低いということが必要である。

レンズと光源の距離をレンズの焦点距離ｆに等しいとおくと、光源から出た半径がｗ_０のガウシアンビームのレンズによる像のビームウエスト（半径ｗ_１）は

ｗ_１＝λｆ／πｗ_０
（２）

によって与えられる。これはレンズの後方ｆ（レンズの焦点距離）にガウシアンビーム光源があったとし、レンズの前方でｆの距離にビームウエストができ、その半径ｗ_１を与えるものである。通常はその位置に光ファイバの近端を位置させる。ビームウエストｗ_１と光ファイバ有効径のサイズｗ_２が同一であるとすれば、光源と光ファイバの結合は最高になる。最高のとき光源と光ファイバの結合係数率は（１−Ｒ）となる。Ｒは光ファイバ端面の反射率である。反射を除いた結合係数をηとすると全結合係数はη（１−Ｒ）となる。反射率損失は仕方のないことである。

通常はこの項（１−Ｒ）を除外して波動光学的に結合係数ηを論じる。ビームウエストと光ファイバ径が等しいとき（ｗ_１＝ｗ_２）、反射損失を除いた結合係数ηは１００％である。ビームウエスト、光ファイバ径が違うときは、焦点距離にある光ファイバに対する結合効率ηは

η＝４ｗ_１ ^２ｗ_２ ^２／（ｗ_１ ^２＋ｗ_２ ^２）^２ （３）

によって与えられる。

そのようにレンズから光ファイバ端が丁度焦点距離ｆの位置に置かれていることをジャストフォーカスと言う。通常はジャストフォーカスの位置に光ファイバ端を置くので上の結合効率の式で計算できる。それはローレンツ関数の二乗の形をしている。上の式からジャストフォーカスにある場合のビームの結合はビームウエストの大きさｗ_１、ｗ_２だけで論ずることができるということである。波長や距離が入ってこないのはビームウエストにおいて波面は平面となっているからである。波面が彎曲していると彎曲に応じた項が入ってくるがビームウエストでは平面波になっているから彎曲に拘る波長、距離などが含まれないのである。

非焦点距離位置に光ファイバ端があると上の式では計算できない。本発明は光ファイバ端を非焦点距離位置に置くので、その場合の結合効率の式をここに述べておこう。式（３）の分母に焦点距離からの違いの項が入ってくる。レンズと光ファイバ端の距離をｄとすると、

によって与えられる。ｄはレンズ・光ファイバ端の距離である。ビームウエストのサイズだけでなくて、波長や距離が式に含まれる。それは新たな補正項を与え、それ自体がローレンツ関数の形をしている。ビームウエストにないから波面は彎曲している。光ファイバ端では平面波成分と結合するのだから彎曲によって結合成分が減少する。そのような波面の彎曲に対応するのが｛λ（ｄ−ｆ）／π｝^２である。

ジャストフォーカスではｄ−ｆ＝０となる。デフォーカスであるとｄ−ｆ≠０である。デフォーカスの場合焦点距離とのズレの２乗（ｄ−ｆ）^２が分母に入るのでそれだけηが少なくなる。ローレンツ関数の場合、ｄ−ｆ＝０（ジャストフォーカス）に比較して半分になる距離が指標になるが、それはｄ−ｆ＝π（ｗ_１ ^２＋ｗ_２ ^２）／λ＝ｋ（ｗ_１ ^２＋ｗ_２ ^２）／２で表現される距離である。ここでｋは波数（ｋ＝２π／λ）である。

式（３）はビームがガウシアンでなくても成立するが、（４）はガウシアンビームという仮定がある。ガウシアンビームでない場合、分母のｄ−ｆの係数がλ／πよりもっと大きくなる。補正係数がわかっていれば、そのような計算をすることができる。

レーザ光をレンズで集光させた位置（フォーカスポイント）から６００μｍ以上離したところに光ファイバの端面を配置して、レーザ光を光ファイバに入射させる。デフォーカスで光を光ファイバに入射させることによって、レーザの相対雑音強度（ＲＩＮ）がレーザの反射戻り光の結合効率から推定される値よりも小さくなり、−１２０ｄＢ／Ｈｚという仕様を余裕をもって満足することができるようになる。半導体レーザのばらつき、部品のばらつきがあっても、デフォーカスすることによって、ＲＩＮに課された要求を満足することができる。

それは光ファイバの近端をレンズの焦点距離の位置から６００μｍ、またはそれ以上ずらせることによってＲＩＮを−１２０ｄＢ／Ｈｚ以下にしたというものであり、これまでの、アイソレータ、斜め研磨フェルールなどというものとは全く違う手段である。

６００μｍ以上デフォーカスするのであるが、光ファイバへ入る光量が大きく減少するので、それによってデフォーカスの上限が制限される。それは半導体レーザのパワーによるが、１０００μｍ程度までであろう。だから本発明は光ファイバを６００μｍ〜１０００μｍの範囲でデフォーカスしてＲＩＮを低下させるということである。

光ファイバ端をジャストフォーカスの位置から６００μｍ以上離隔するデフォーカスによって、ＲＩＮを−１２０ｄＢ／Ｈｚ以下にすることができる。それは反射戻り光の悪影響を除去することができたということである。半導体レーザモジュールにおいては反射戻り光を防ぐために様々な工夫がなされている。アイソレータを入れたりダミーファイバを含み斜め研磨したスタブを入れたりしている。アイソレータ、スタブを入れると部品費用でコスト高になるし作業工程も増える。スタブをレセプタクルへ入れる工程は光モジュールの組立作業を難しくしている。

本発明はアイソレータやスタブなどの追加部品を不要とする工夫である。光ファイバ端をジャストフォーカスよりも６００μｍ以上離隔するということだから追加部品コストはないし組立作業も別段難しくない。光ファイバに入る光量が減少するという欠点があるが半導体レーザのパワーが充分に大きければそれは問題のないことである。

新規なものであるが、それだけに幾つもの問題点がある。ＲＩＮの測定方法は図４を用いて説明した通りであるが、それは光ファイバをレンズのジャストフォーカスの位置において測定したもので、図４の測定は半導体レーザ・レンズ・光ファイバの関係は固定して行っている。ところが本発明の場合は光ファイバの近端をレンズの焦点距離位置から後方へずらせている。

誤りがあってはいけないので、ジャストフォーカスとオフフォーカスの場合の位置関係を図９〜１１によって説明する。図９はＬＤの全面Ｌから出たレーザ光がレンズによって光ファイバの近端Ｆに丁度集光するようになっている。それがジャストフォーカスの位置である。通常はそのような位置関係に光ファイバを設定する。そのような位置にあれば半導体レーザの光の多くが光ファイバへ入り伝搬光になるからである。

ジャストフォーカスだからといって結合効率が１００％だということではない。結合効率については既に述べたが、反射を除いてビームウエストと光ファイバ実質径が同一であって１００％となる。しかしビームウエストと光ファイバ径は異なるから結合効率は低い。それでもジャストフォーカスで結合効率は最大になる。それは間違いない。

図１０に示すのはレンズによる半導体レーザの収束ビームの収束点Ｇが光ファイバの端面より内部へ入り込んでいる場合である。それはジャストフォーカスでない。光ファイバ端がレンズの焦点位置にないからデフォーカスという。このようにレンズに接近しているような場合を負のデフォーカスと呼ぶことにする。デフォーカス量ｐは負の値である。これはレンズによるＬＤの像が光ファイバ端面から奥へずれているというように書いてあるが、光ファイバ端ＦのレンズＯによる像がＬＤの端面Ｌよりも後方にあるということもできる。

図１１に示すのは反対方向へずれたものである。レンズによるＬＤの像が光ファイバ端面Ｆより離隔したＨ点にできている。Ｈ点よりも後方ｚの点に光ファイバ端面Ｆが位置する。それはジャストフォーカスより後方へファイバをずらせてあるので、正のデフォーカスという。本発明がいうのはそのような正のデフォーカスをいう。ｚが６００μｍ以上であると、ＲＩＮが−１２０ｄＢ／Ｈｚ以下に抑えられるというのが本発明の主張である。デフォーカスの距離ｚを光ファイバのジャストフォーカスからズレとしてここでは述べており、本発明もｚ≧６００μｍというように定義している。

しかしデフォーカスは、光ファイバのズレとしてでなく半導体レーザのズレとしても定義できるのである。図１２は図１１と同じ遠隔デフォーカスを描いている。光ファイバのレンズによる像Ｖが半導体レーザＬＤより前にできる。これはジャストフォーカスの位置Ｖよりも半導体レーザの位置を後方へずらせているのであって図１１と同じ遠隔デフォーカスである。半導体レーザのズレと光ファイバのズレとの比は、レンズの拡大率に等しい。だから本発明はもちろん半導体レーザのデフォーカスとして表現することもできるが、その場合はレンズの拡大率によってもっと小さい値となる。

本発明の主張は半導体レーザモジュールで、ｚ≧６００μｍでＲＩＮが充分に減るということであるが、それは当然と思ってはいけない。図７、８に示すようなレーザパワーの全体Ｐ_０自体が前記の実験では１ｍＷと固定されていたので、図７のＰ_１に当たる部分のパワーが減るのでＲＩＮが減るのは当たり前と思ってしまうがそうではない。光ファイバ端を前へずらせると、光ファイバに入る光自体が減る。だからレーザパワーＰ_０自体も減っているのである。その場合Ｐ_０＝１ｍＷというように固定しない。駆動電流を上げると、デフォーカス（ｚ）しても、ある程度はＰ_０を１ｍＷに保持できるがそれも限界がある。だからデフォーカスの場合はｚの増加とともにＰ_０自体が下がってゆく。

だから光ファイバ端をずらせるデフォーカスによって、Ｐ_０も減りＰ_１も減るのである。両方とも減るのであるが、その比の値のＰ_１／Ｐ_０がより大きく減少するということである。図４のＲＩＮの測定系を見ればわかるが、光コネクタ４２において光ファイバを後ろへずらせてゆきＰ_０とＰ_１を測定するのでＰ_０も下がって行くわけである。入射光量が減るのでＰ_１が下がりＲＩＮが下がるのは当然だということではない。Ｐ_０も下がるのだから、デフォーカスによるＲＩＮの減少ということは当然のことではないのである。それが明らかにしておかなければならない一つの問題点である。

もう一つの問題点はデフォーカスによってＲＩＮを下げるという新規な本発明の手法は、入射光量自体Ｐ_０が減るので、入射光量の犠牲のもとでＲＩＮを下げている、ということである。

これまでのアイソレータや斜め研磨などの手法ではジャストフォーカスなので、入射光量が最大になるようにできたし、最大と限らなくても任意の光量に調整する自由度があった。

しかし本発明の場合はデフォーカスを利用するので、光ファイバの入射光量Ｐ_０を犠牲にしなければならない、という問題がある。それは確かに問題であるが、半導体レーザのパワーが充分強くて余裕がある場合は、光ファイバへの入射光量を多少犠牲にしても差し支えないのである。それではどれほど、光ファイバに入る光量が減少するのであろうか？それは光ファイバのスポット径、レンズ、光ファイバの径、レンズ・レーザ間、光ファイバ・レンズ間の距離などによる。

先ほど述べたように、半導体レーザのガウシアンビーム（ｗ_０）がレンズで絞られるとジャストフォーカスの位置ではｗ_１＝ｆλ／πｗ_０の大きさになる。ガウシアンビームでない場合はもっと大きい。トップハットなどではその４倍程度になる。ジャストフォーカスの場合は、レンズで絞られた半導体レーザビームと光ファイバの結合効率（反射損失を除いて）は式（３）のようになる。

ところがデフォーカスの場合は、分母にデフォーカスｄ−ｆによる項が現れる。それによってデフォーカスの場合の半導体レーザと光ファイバの結合効率が減少する。

ＲＩＮ自身は測定値であって、簡単に計算によって求めることができない。しかしデフォーカスによって、半導体レーザ・光ファイバ・レンズの間でどういうことが起こっているのか？ということを予め考える必要があろう。

半導体レーザの動作不安定性は反射戻り光のせいである。反射戻り光がどれほどの大きさで半導体レーザの誘導放射光と結合するのか？それを見積もることが一つの推定手段となる。結合量と誘導放射に与える摂動の関係はハッキリしないしその関係をどのように評価していいのか不明である。しかしながら、半導体レーザに反射戻り光が戻る量が大きければ、不安定性は増えるだろう、半導体レーザに戻る光が小さければ不安定性は減るのであろう。そうだとすれば、反射戻り光が半導体レーザとどの程度結合するのか？ということを考えることは有用であろう、と思われる。

しかし、反射戻り光が半導体レーザとどの程度結合するのか？結合効率はどの程度かを計算するのは簡単ではない。本発明者は光ファイバへの半導体レーザの結合と同じようにして、半導体レーザと戻り光の結合効率を計算できるはずだと考える。光ファイバ近端面は平面ミラーとみなせば良い。すると光ファイバとの結合と同じような手法で半導体レーザとの結合を計算に乗せることができる。

図１のような光学系を考える。レンズから距離ｄ_０後方にレーザ（光源）がある。光源がスポットサイズがｗ_０の平行ガウシアンビームを発生するとする。レンズは焦点距離ｆの集光レンズである。レンズによってこのビームがｄ_１の距離においてビームサイズがｗ_１のビームに変換される。ビームウエストまでの距離はレンズの焦点距離ｆに等しい。だからｄ_１＝ｆである。ｗ_１というのはビームウエスト（最少径）での半径である（理想ガウシアンビームではπｆ／λｗ_０）。そのビームは再び広がり始めるが、それがビームウエストの位置からｚの距離に置かれた平板ミラーで反射されるとする。これは光源を半導体レーザとみて、レンズをモジュールの集光レンズとみなし、平板ミラーを光ファイバ端だとみれば、モジュールと光ファイバの結合点でも光学系に対応する。

従来のモジュールではビームウエスト位置ｄ_１のところに光ファイバ端を置いて結合効率を最大にするのであるが本発明はそのようにしないで、ｚだけデフォーカスさせる。ビームウエストを越えてビームは広がり光ファイバ端である平板ミラーで反射されるとする。

平板ミラーで反射された光はミラー内部にある架空の鏡像点からビームウエストｗ_１のビームが広がっている、というようにみなすことができる。その戻り光は、レンズを反対向きに通過してレンズによる集光作用を受ける。集光作用のためにレンズから後方ｄ_２の位置に集光しビームウエストがｗ_３になるとする。薄肉レンズの公式から、光源・レンズ距離ｄ_０と、レンズからビームウエストの点までの距離ｄ_１の間には

１／ｄ_０＋１／ｄ_１＝１／ｆ （５）

という関係がある。反射ビームは鏡像から出たということになるからレンズまでの距離はｄ_１＋２ｚである。これがレンズによってレンズの後方ｄ_２の位置に第２のビームウエストを形成するのであるから、ビームウエストの位置ｄ_２を求めることができる。

ｄ_２の位置に第２のビームウエストができる。それのサイズ（半径）をｗ_３とすると、ガウシアンビームであれば、

ｗ_３＝λｄ_２／πｗ_１ （７）

ということになる。もしもジャストフォーカス（ｚ＝０）なら反射光が、半導体レーザの位置に第２のビームウエストを形成するはずで、その場合は結合効率が最大になる。しかし本発明の場合はデフォーカスしているから、第２のビームウエストが半導体レーザの位置からずれてくる。そのため結合効率も減少するのである。図１では第２のビームウエストの位置が半導体レーザより後ろに描いてあるが、これは半導体レーザより前にくる。図面上で重ならないように描いている。ビームウエストｄ_２と半導体レーザｄ_０の距離は（ｄ_０−ｄ_２）であるから、先ほどの結合効率の公式によって、反射戻り光と半導体レーザの（反射損失を除いた）結合効率ξは

という関係がある。実際には光ファイバ端面での反射損失（１−Ｒ_ｆ）と、レーザに入るときの反射損失Ｒ_ｌがあるので全体の結合効率はξＲ_ｆ（１−Ｒ_ｌ）となるが、反射の項は分かっており定数であるからξだけを考える。これによってｗ_０半径のガウシアンビームを半導体レーザが出しレンズで絞られ第１ビームウエストｗ_１を形成し、それがデフォーカスのミラーで反射され第２ビームウエストｗ_３を形成して半導体レーザと結合するという仮定で半導体レーザ・戻り光の結合効率が計算される。

光ファイバとの結合効率と違うのは分子のｗ_３自体も距離ｚの関数として変化する、ということである。ローレンツ関数の分母がオフセット（ｄ_２−ｄ_０）^２によって増大するのと、分子のｗ_３の変化と二つの要因によってξがデフォーカスｚによって変化する。離隔デフォーカス（ｚ＞０）なので、レンズによる拡大率がビームウエストｗ_３を半導体レーザビーム半径ｗ_０より小さくする方向へ変動させる。つまり二重の要因によってξがデフォーカスｚとともに減少してゆくのである。

しかし（８）のままではデフォーカスｚの関数として計算できない。ｄ_２をｚの関数として表現しなければならない。

（５）と（６）から、

となる。ｗ_３は定数でない。

ジャストフォーカスの場合のビームウエストｗ_３はｄ_２＝Ｌ_１＝１７００μｍとなり、ｗ_３＝０．８μｍとなる。これは半導体レーザのビーム径（半径）と同一でありそれは当然である。レンズ倍率が３３２６／１７００＝１．９５６でありビームウエストもそれに応じて拡大されている。ｗ_１／ｗ_０＝１．５６５／０．８＝１．９５６である。ジャストフォーカスだと戻り光もジャストフォーカスになり半導体レーザ端面がビームウエストとなりｗ_３＝ｗ_０となる。

しかし本発明ではデフォーカスだから、ｗ_３はｗ_０とは異なるし、ξはジャストフォーカスの場合より低下する。しかし鏡像におけるｗ_１はｚによらないから、ｗ_３の変化は距離だけによるものである。ｗ_０に対する比率は、ビームウエストがレンズからｄ_０（ジャストフォーカス）にあるときの拡大率と、レンズからｄ_２（デフォーカス）にあるときの拡大率の比に等しい。

ｄ_２は（９）からｚの関数として計算できる。条件は次のようである。

半導体レーザスポット径（半径） ｗ_０＝０．８μｍ
球レンズの直径 １５００μｍ
球レンズの屈折率 ｎ＝１．５
レーザ・レンズ距離（固定） Ｌ_１＝１７００μｍ
ジャストフォーカスの位置 Ｌ_２＝３３２６．１μｍ
ビームウエスト（ジャストフォーカスでの半径） ｗ_１＝１．５６５μｍ
ジャストフォーカスでの反射ビームウエスト半径 ｗ_４＝０．８μｍ
レーザ波長 λ＝１．３１μｍ
波数 ｋ＝４．７９μｍ^−１
光ファイバ径（半径） ｗ_２＝５μｍ
基準長 ｋ（ｗ_１ ^２＋ｗ_２ ^２）／２＝６５．７μｍ

パラメータを決めれば、ｚの関数としてのξを計算することができる。上の例では、ｗ_０＝０．８μｍ、ｄ_０＝１７００μｍ、ｄ_１＝３３２６μｍ、ｆ＝１１２５μｍ、ｗ_１＝１．５６５μｍである。

そういう仮定で計算した反射結合効率を図２に示す。横軸はレンズ・光ファイバ間距離Ｌ_２である。３３２６μｍがジャストフォーカスであり、１００μｍデフォーカスごとに縦線を引いている。％表示でなくｄＢ表示となっている。

ジャストフォーカスの場合に（ｄ_２−ｄ_０＝０となる）反射結合効率は−１４ｄＢである。グラフの左端に現れないが−１４ｄＢから始まっている。

１００μｍデフォーカス（Ｌ_２＝３４２６μｍ）で−３８ｄＢに低下する。２００μｍデフォーカスで（Ｌ_２＝３５２６μｍ）で−４４ｄＢに落ちる。４００μｍデフォーカス（Ｌ_２＝３７２６μｍ）で−５１ｄＢになる。６００μｍデフォーカス（Ｌ_２＝３９２６μｍ）で−５４ｄＢとなる。８００μｍデフォーカス（Ｌ_２＝４１２６μｍ）で−５６ｄＢとなる。

ジャストフォーカスで−１４ｄＢなのであるから、６００μｍデフォーカスすることによって反射結合効率は約−４０ｄＢ低下するということである。ｄＢは対数を取って定義しているから、半導体レーザへ戻り光が結合する量が、ジャストフォーカスに比較し、６００μｍデフォーカスで、１／１００００に低下するということである。

これはＲＩＮそのものでなく光ファイバ端からの反射光が半導体レーザと結合する反射結合効率を表すだけである。しかし反射結合効率が小さいとＲＩＮが小さくなるとはいえない。

先ほども述べたようにＲＩＮには分母にＰ_０が入っており、デフォーカスを増やすと（ｚを増やすと）Ｐ_０自体が減るのでノイズ成分Ｐ_１が減ったからといってＲＩＮが下がるとはいえない。

半導体レーザに入った反射戻り光と誘導放出の関係は簡単でない。レーザの発振機構自体が非線形なので、反射戻り光と半導体レーザノイズは単純に比例しない。

しかし半導体レーザへの戻り光が減る速さよりもっと速くＲＩＮが低減しているということが後に述べる実験でわかる。ＲＩＮ自体は現象論的な値なので計算によって予知できるというものではない。

図３にレセプタクル型に適用した本発明の半導体レーザモジュールの概略の断面図を示す。レセプタクル型というのは外部光ファイバを着脱できるということである。本発明は光ファイバを固定したピグテール型のモジュールにも適用できる。それはレセプタクルの代わりにフェルールホルダーがあり、光ファイバ端のフェルールをフェルールホルダーで固定してしまっている。その光ファイバの他端に光コネクタがあって外部光ファイバと着脱自在に接続できるようになっている。ここではピグテール型の図による説明を略し、レセプタクル型だけを述べる。

図３において、円盤形状の金属ステム２は下方へ伸びるリードピン２２、２３、２４をもつ。ステム２には隆起部があって側壁に半導体レーザ３が光軸を垂直にするように固定されている。半導体レーザ３の直下のステム面にモニタＰＤを付けることもあるが、ここでは省略している。半導体レーザ３の電極とリードピンはワイヤボンディングによって接続される。円筒形のレンズホルダー４は中間壁２５を有し、そこに球レンズ５を保有している。レンズホルダー４の脚部はステム上面に溶接してある。

筒状のスリーブ６がレンズホルダー４の外周面に接触し適当な高さで溶接されている。スリーブ６の上半部には円板部２７があり、さらにその中心に細径筒部９が造形されている。スリーブ６の円板部２７の上に円筒形のレセプタクル７が溶接固定されている。レセプタクル７の通し穴８には、光ファイバ端に取り付けたフェルールを着脱できるようになっている。フェルールを通し穴８に差し込むことによって外部光ファイバと、レンズ５、半導体レーザ３の光学部品を結合することができる。外部光ファイバのフェルール端（光ファイバ端）はスリーブ６の細径筒部９の突端に当たって位置決めされる。だから細径筒部９の突端が、レンズによる半導体レーザの像位置（ジャストフォーカス位置）よりも６００μｍデフォーカスの位置にあるようにするということである。

調芯については次のようになる。軸垂直方向の位置は外部光ファイバ端にパワーメータを付け半導体レーザを発光させ光ファイバを伝搬してくる光のパワーを見ながら最適位置を求める（調芯）作業を行って決定する。

軸方向の調芯が本発明の問題となるが、半導体レーザの光が最大になった点がジャストフォーカスなので、それより６００μｍ以上後ろにくるようにスリーブ６のレンズホルダーに対する位置を調整してデフォーカスの位置で溶接固定する。

図１３は半導体レーザを図３のモジュールに取り付けデフォーカス距離を変えながら図４の装置でＲＩＮを測定した結果を示すグラフである。レンズは１．５ｍｍφの球レンズで屈折率は１．５である。この半導体レーザは発振波長が１．３μｍのＩｎＰ系のファブリペロー型レーザダイオードであり、駆動電流が閾値＋２０ｍＡで出力が約５ｍＷである。

横軸はデフォーカス（μｍ）であり、光ファイバ端のジャストフォーカスからの後退距離である。ジャストフォーカスでも−１２２ｄＢ／Ｈｚで、−１２０ｄＢ／Ｈｚ以下になっており基準に合格するのであるが、製品にはばらつきがあるものなので余裕が欲しいものである。デフォーカスが４００μｍでは−１２４ｄＢ／Ｈｚであって、デフォーカスが０〜４００μｍではＲＩＮにあまり変化はない。しかし４００μｍから６００μｍへのデフォーカスの増加において、ＲＩＮが約１５ｄＢ／Ｈｚ急激に下降する。そのため６００μｍデフォーカスではＲＩＮが−１３７ｄＢ／Ｈｚとなる。ジャストフォーカスの−１２２ｄＢ／Ｈｚよりも−１５ｄＢ／Ｈｚも下降している。７２０μｍで最少になり、それ以上になるとＲＩＮは再上昇するような傾向がある。なお６００μｍデフォーカスした時の光ファイバ端出力は０．１ｍＷである。

このＲＩＮの値は測定値であって半導体レーザの種類、ロットによってばらつきがある。６００μｍにおけるＲＩＮの低下についてもそれほど急激でないものもある。しかしジャストフォーカスと、６００μｍデフォーカスを比べるといずれの例でもＲＩＮは低下している。

基準が−１２０ｄＢ／Ｈｚ以下ということであれば図１３のモジュールでジャストフォーカスでもその基準を満足していることになる。しかし同じ種類の半導体レーザ、レンズを使って組み立ててもモジュールごとにジャストフォーカスのＲＩＮの値は異なる。ジャストフォーカスで−１２０ｄＢ／Ｈｚ以下という条件を満たさないものもあるが、６００μｍもデフォーカスしてしまうと必ず−１２０ｄＢ／Ｈｚ以下にＲＩＮを抑制することができる。

半導体レーザに対する反射戻り光の影響を除去するための工夫はアイソレータ、傾斜研磨スタブなどが主流であり、これらはジャストフォーカスの位置に光ファイバ端を設けるから光ファイバへの入射光量も大きくて半導体レーザに大きい負担がかからないという利点がある。本発明はアイソレータやスタブなど余分な光学部品を全く使わずに戻り光の悪影響を断つようにしている。それはデフォーカス位置に光ファイバ端をずらせることによってＲＩＮを低減するというものであって新規なものである。本発明は部品コストや組立コストを低減できる。

しかし反面、半導体レーザと光ファイバの結合効率が低くて、先ほどの例では、半導体レーザパワーの約１／５０しか利用していない。そのような半導体レーザパワーの犠牲が差し支えないものであれば本発明を有効に利用する可能性が生ずる。

半導体レーザから出た半径ｗ_０の平行光がレンズによって絞られｄ_１の位置にビームウエストｗ_１を形成し平面ミラーによって反射されたビームがレンズによって絞られ第２のビームウエストｗ_３を形成し半導体レーザと結合することを示すための光学系の構成図。

半導体レーザの光をレンズで絞りジャストフォーカスの位置に第１ビームウエストを形成し、光ファイバ端をジャストフォーカスから後ろへ下げデフォーカスしてゆくとき、半導体レーザの光がレンズで絞られ光ファイバ端で反射されレンズで第２ビームウエストを形成し半導体レーザの内部光に変換される反射結合効率が、デフォーカスとともにどのように変化するかを示すグラフ。横軸はレンズ・光ファイバ端間距離Ｌ_２である（μｍ）。３３２６μｍがジャストフォーカスの位置である。縦軸は半導体レーザと戻り光の結合効率で単位はｄＢである。ジャストフォーカスでは−１４ｄＢであり、デフォーカスすることによって急激に下がる。

ステム、半導体レーザ、レンズホルダー、レセプタクルよりなる本発明の実施例にかかる光モジュールの縦断面図。

直流駆動源、パワーメータ、スペクトラムアナライザ、減衰器、全反射コネクタなどよりなる半導体レーザ（ＬＤ）のＲＩＮを測定するための装置の概略構成図。

試験対象となるＬＤを駆動する直流駆動電流波形図。

反射戻り光によって引き起こされた動作不安定性による揺らぎをもった半導体レーザ出力波形図。

半導体レーザ出力を周波数分析した結果を示すグラフ。横軸は周波数、縦軸はレーザパワーである。Ｂ_ｗは対象となる帯域で、その帯域でのパワーがＰ_１である。

半導体レーザ出力を周波数分析した結果のグラフ。出力全体の積分値がＰ_０である。

半導体レーザ（ＬＤ）、レンズ（Ｏ）、光ファイバ端（Ｆ）がジャストフォーカスの関係にある時の位置関係を示す図。

半導体レーザ（ＬＤ）、レンズ（Ｏ）、光ファイバ端（Ｆ）が接近デフォーカスの関係にある時の位置関係を示す図。レンズによるＬＤ像位置Ｇよりレンズに接近した位置に光ファイバ端Ｆが存在する。ｐは負のデフォーカス。

半導体レーザ（ＬＤ）、レンズ（Ｏ）、光ファイバ端（Ｆ）が遠隔デフォーカスの関係にある時の位置関係を示す図。レンズによるＬＤ像位置Ｈよりレンズから離隔した位置に光ファイバ端Ｆが存在する。ｚは正のデフォーカス。

図１１の遠隔デフォーカスの場合、光ファイバ端のレンズによる像ＶがＬＤより前にできるので、ＬＶ間距離もデフォーカスとなるが、光ファイバ端面の後退距離としてのデフォーカスと長さが異なり、その比率はレンズの倍率に等しいことを説明するための図。

本発明の実施例にかかる半導体レーザモジュールにおいて、デフォーカスとＲＩＮの測定値の変化を示すグラフ。横軸はデフォーカス距離（μｍ）、縦軸はＲＩＮである。デフォーカスが６００μｍ辺りでＲＩＮが著しく低下している。

符号の説明

２ ステム
３ 半導体レーザ
４ レンズホルダー
５ レンズ
６ スリーブ
７ レセプタクル
８ 通し穴
９ 細径筒部
２２ リードピン
２３ リードピン
２４ リードピン
２５ 中間壁
２６ 接触面
２７ 円板部
２８ 差し込み口
３２ カプラ
３３ 半導体レーザ
３４ 電流源
３５ パワーメータ
３６ 減衰器
３７ 全反射コネクタ
３８ スペクトラムアナライザ
４２ 光コネクタ
４３ 光ファイバ
４４ 光コネクタ
４５ 光コネクタ
４６ 光ファイバ
４７ 光コネクタ
４８ 光コネクタ
４９ 光ファイバ
５０ 光コネクタ
５２ 光ファイバ
５４ 光コネクタ
５５ 光ファイバ
５６ 光コネクタ
５７ 光ファイバ

Claims (3)

1. ステムと、ステムに固定された半導体レーザと、ステムに固定されたレンズホルダーと、レンズホルダーによって保持される球レンズと、光ファイバ先端を保持するフェルールを着脱自在に保持しレンズホルダーに固定されたレセプタクルとを含み、レンズによる半導体レーザの像ができるジャストフォーカスの位置より６００μｍ〜１０００μｍ離隔したデフォーカス位置に光ファイバ端が位置するようにしたことを特徴とする光送信モジュール。
2. 半導体レーザから出射された光が光ファイバ端によって反射され、半導体レーザに戻らないようにするため中心部に光ファイバを有しレ−ザ側端面を斜め研磨したスタブや光アイソレータを含まないことを特徴とする請求項１に記載の光送信モジュール。
3. 半導体レーザがＩｎＰ系のファブリペロー型レーザダイオードであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光送信モジュール。
   
   
   

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