JP2006222281A - 面発光デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 信号光の出射と光量のモニタリングとを同時に行なえる面発光デバイスの提供。
【解決手段】面発光素子と受光素子と前記面発光素子からの光を外部に導出する光導波路とを備え、前記光導波路には、前記面発光素子からの光の反射するハーフミラーが設けられ、前記受光素子は、前記ハーフミラーで反射した光を受光する面発光デバイス。
【選択図】 図１

Description

本発明は、面発光デバイスに係り、特に、面発光レーザ素子のような面発光素子を用いた面発光デバイスにおいて発光と光量のモニタリングとを同時に行なえるものに関する。

近年、ガラスや石英のような無機材料に比較して加工性が良いポリマー系材料を用いて作製したポリマー系の光導波路が光配線部材として注目されている。

このような光配線部材を用いた光回路の例としては、半導体レーザ素子とフォトダイオードと前記半導体レーザ素子および受光素子を接続するポリマー系光導波路とを集積した光集積回路がある（特許文献１、２、３）。

また、双方向通信が可能なモジュールとしては、半導体レーザ素子や受光素子などを１つの基板上に集積したＰＬＣ（Planer Light-wave Circuit）が提案されている（特許文献４）。

前記光集積回路やＰＬＣは、何れも半導体レーザ素子と受光素子とが同一基板上に集積され、ポリマー系光導波路を介してモジュール化されている。

また、外部の光導波路に接続される１芯のマルチモード導波路と、前記マルチモード光導波路を第１の光導波路枝と第２の光導波路枝とに分岐するＹ分岐部と、前記第２の光導波路枝の端部に設けた面発光レーザ素子と、第２の光導波路枝の端部に設けた受光素子とを備え、第１および第２の光導波路枝の傾斜断面を反射面として面発光レーザ素子からの信号光を受光素子に入射させることにより、同時双方向通信を可能にした光通信モジュールが提案されている（特許文献５）。
特開２０００−２３５１２７号公報 特開２００１−０４２１５０号公報 特開２００２−００６１６１号公報 特開２００２−１６９０４３号公報 特開２００４−１７０６６８号公報

しかしながら、特許文献１〜４に記載の光集積回路やＰＬＣにおいては、半導体レーザ素子から受光素子に向う片方向にしか光信号を伝送できない。また、半導体レーザ素子として面発光レーザ素子を用いた場合には、光信号を伝送中は半導体レーザ素子のモニタリングは不可能である。

特許文献５に記載の光通信モジュールにおいても、他の光通信モジュールと交信中は、第１の光導波路枝に設けた面発光レーザ素子からの光信号を第２の光導波路枝に設けた受光素子でモニタリングすることは不可能である。

本発明は、上記問題を解決すべく成されたものであり、面発光レーザ素子などの面発光素子を用いた面発光デバイスであって、信号光の出射とモニタリングとを同時に行なえる面発光デバイスの提供を目的とする。

請求項１に記載の発明は、面発光素子と、受光素子と、前記面発光素子からの光を外部に導出する光導波路とを備え、前記光導波路には、前記面発光素子からの光の一部を反射するハーフミラーが設けられ、前記受光素子においては前記ハーフミラーで反射した光を受光することを特徴とする面発光デバイスに関する。

前記面発光デバイスにおいては、面発光素子から出射された光の一部は、光導波路に設けられたハーフミラーで反射されて受光素子に入射する。

したがって、面発光素子から出射された光を受光素子でモニタリングして、その結果に基づいて面発光素子の出力を調整し、最適な駆動条件で面発光素子を駆動できる。また、前記面発光素子として、複数の面発光レーザ素子をアレイ状に配置した面発光レーザアレイを用いる場合においても、前記面発光レーザアレイから出射したレーザ光の一部を光導波路に設けられたハーフミラーで反射させて受光素子で受光することにより、前記面発光レーザアレイから信号光を出射しつつモニタリングし、モニタリング結果に基づいて最適な条件で面発光レーザアレイを駆動できる。

更に、面発光素子と受光素子とを同一基板上に配設した場合においても、ハーフミラーの角度を適切に設定するか、または光導波路に前記ハーフミラーに加えて前記ハーフミラーで反射した光を受光素子に導く全反射面を形成するかすれば、面発光素子におけるパワーを受光素子でモニタリングすることができる。したがって、面発光素子と受光素子とを同一基板上に配設することにより、前記面発光デバイスは更にコンパクトに構成できる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の面発光デバイスにおいて、前記面発光素子と前記受光素子とが同一基板上に配設され、前記光導波路には、前記ハーフミラーで反射した光を前記受光素子に導く光路が形成されてなるものに関する。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の面発光デバイスにおいて、前記光路が、前記ハーフミラーで反射した光を前記受光素子に向って全反射する反射面を包含するものに関する。

前記面発光デバイスは、前記面発光素子と前記受光素子とが同一基板上に配設されているから、コンパクトである。

また、請求項３に記載の面発光デバイスは、たとえば、ハーフミラーに相対するように反射ミラーを設けることにより、ハーフミラーで反射した光を受光素子に案内する光路の構成が極めて容易に構成できる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の何れか１項に記載の面発光デバイスにおいて、前記面発光素子が面発光レーザ素子であり、前記受光素子が光ダイオードであるものに関する。

レーザ光は、直進性が強く、また、減衰が小さいから、前記面発光デバイスは光通信に特に好適である。また、光ダイオードは、受光強度に応じた電圧を出力するから、面発光レーザ素子のモニタリングに好適である。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の面発光デバイスにおいて、面発光レーザ素子が複数設けられてなるとともに、前記光ダイオードが前記複数の面発光レーザ素子の夫々について設けられてなるものに関する。

前記面発光デバイスにおいては、個々の面発光レーザ素子毎に設けられた光ダイオードによって面発光レーザ素子の出力をモニタリングできるから、前記モニタリング結果に基づいて夫々の面発光レーザ素子の出力を制御できる。

したがって、面発光レーザ素子毎の光量のばらつきを無くすることができる。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜５の何れか１項に記載の面発光デバイスにおいて、前記光導波路が、液状樹脂を型に注入して硬化させる注型法によって形成されてなるものに関する。

注型法によれば、複雑な形状を有する光導波路も容易に形成できるから、面発光素子と受光素子との位置関係に応じて光路を柔軟に設定できる。

請求項７に記載の発明は、請求項１〜６の何れか１項に記載の面発光デバイスにおいて、前記受光素子で受光した光量に基づいて前記面発光素子の出力を制御するものに関する。

前記面発光デバイスにおいては、面発光素子から信号光を出射しつつ、受光素子で面発光素子の出力をモニタリングできるから、常に最適な条件で面発光素子を駆動できる。

以上説明したように本発明によれば、発光と光量のモニタリングとを同時に行なえる面発光デバイスが提供される。

１．実施形態１

光源即ち面発光素子を１個のみ有する面発光デバイスの例について以下に説明する。

実施形態１に係る面発光デバイスの構成を図１に示す。図１において（Ａ）は、レーザ光が出射する側の面から実施形態１に係る面発光デバイス１００を見たところを示し、（Ｂ）は、面発光デバイスの内部構造を示す。

図１に示すように、面発光デバイス１００は、基板６に載置された面発光レーザ素子２および光ダイオード４と、面発光レーザ素子２から出射されたレーザ光を外部に出射する光路を形成する光導波路１０と、光導波路１０を保持するフレーム１２と、フレーム１２に隣接するとともに、面発光デバイス１００の側面を形成する側板２０と、基板６が固定されているとともに面発光デバイス１００の底面を形成する底板２２とを有する。面発光レーザ素子２および光ダイオード４は、夫々本発明における面発光素子および受光素子に対応する。

フレーム１２は厚肉板状であって内側面には光導波路１０が収容されるキャビティ１２Ａが形成されている。フレーム１２としては、実施形態１においてはプラスチック成形品の表面を金属鍍金したものを使用しているが、フレーム１２は、単なるプラスチック成形品であってもよく、またアルミニウムやステンレスなどの金属製であってもよい。

フレーム１２における面発光レーザ素子からのレーザ光が出射する側の面には、光学窓１３が設けられ、光導波路１０は、光学窓１３においてフレーム１２の外壁面に露出している。

光導波路１０において面発光レーザ素子２からのレーザ光が入射する面には、矢印ａで示すレーザ光の出射光路に対して４５度の角度を成すようにハーフミラー１１が設けられている。そしてハーフミラー１１で反射したレーザ光を矢印ｂで示す光路に沿って反射させて光ダイオード４に導く全反射ミラー１４が、ハーフミラー１１に相対するように設けられている。全反射ミラー１４は、本発明における全反射面に相当する。ハーフミラー１１は、光導波路１０における面発光レーザ素子２からのレーザ光が入射する面に、アルミニウムを薄く蒸着または鍍金することにより形成できる。一方、全反射ミラー１４は、光導波路１０においてハーフミラー１１で反射したレーザ光が入射する部分を厚くアルミニウム蒸着または鍍金することにより形成される。なお、ハーフミラー１１および全反射ミラーは、アルミニウム蒸着やアルミニウム鍍金以外の方法によっても形成できる。

底板２２には、コネクタピン２４、２６、２８が貫通している。面発光レーザ素子２は、配線１５を介してコネクタピン２４に接続されているとともに、基板６に形成された電気配線８によってコネクタピン２６に接続されている。一方、光ダイオード４は、配線１６によってコネクタピン２８に接続されているとともに、電気配線８によってコネクタピン２６に接続されている。

光導波路１０の成形方法について以下に説明する。

図２に示すように、フレーム１２のキャビティ１２Ａが形成された側の面に型３０を被せる。そしてフレーム１２においてキャビティ１２Ａが形成された側の面と反対側の面とを連通する連通孔１２Ｂの外側の開口部に、ポリシラン充填シリンダ３２を気密封止する。なお、ポリシラン充填シリンダ３２は、管路３３および三方弁３６を介してポリシラン充填ライン３４および真空ライン３５に接続されている。

先ず、ポリシラン充填シリンダ３２をフレームの外側に気密封止する。次ぎに、三方弁３６を切り替え、ポリシラン充填シリンダ３２を介して真空ライン３５とフレーム１２のキャビティ１２Ａとを連通させ、キャビティ１２Ａ内を真空にする。

次ぎに、三方弁３６を切り替えてポリシラン充填ライン３４とキャビティ１２Ａとを連通させ、キャビティ１２Ａ内にポリシランを充填する。これにより、キャビティ１２Ａおよび型３０の形状が忠実に転写される。

キャビティ１２Ａがポリシランで充填されたら、ポリシラン充填シリンダ３２を取外し、型３０とともにフレーム１２を２５０℃に加熱させてキャビティ１２Ａ内部に充填されたポリシランを硬化させることにより、面発光レーザ素子２から出射されるレーザ光に対してほぼ透明な光導波路１０が形成される。

なお、光導波路１０を形成するのに使用できる樹脂は、ポリシランには限定されず、適宜の方法で硬化できる透明樹脂であれば、種々のものが使用できる。前記透明樹脂の例としては、ポリメチルメタクリレート、ポリスチレンおよびその誘導体、ポリエーテルイミドなどがある。これらの透明樹脂は、加熱や紫外線照射、電子線照射などによって硬化させることができる。

面発光デバイス１００の光学窓１３に光ファイバー４０を接続したところを図３の（Ａ）に示す。光ファイバー４０は、板状の光ファイバー固定部材５０の光ファイバー挿入孔５２に挿入され、固定されている。

光ファイバー挿入孔５２は、光ファイバー４０を挿入した状態で光ファイバー固定部材５０をフレーム１２の外側の面に固定したときに光ファイバー４０と光学窓１３との光軸が一致するように穿設されている。

したがって、光ファイバー固定部材５０をフレーム１２の外側の面に固定するだけで、光ファイバー４０は、光学窓１３と光軸が一致した状態で面発光デバイス１００に接続される。

一方、光ファイバー４０は、他端部において光ファイバー固定部材６０によって受信デバイス２００に接続できる。

受信デバイス２００としては、図３において（Ｂ）に示すように、面発光レーザ素子２と光ダイオード４との位置を交換した点、および光学窓１３から信号光が入射する点以外は、面発光デバイス１００と同一の構成を有している。

また、光ファイバー固定部材６０も光ファイバー固定部材５０と同様に構成された板状部材であり、光学窓１３と光軸が一致するように光ファイバー挿入孔６２が穿設されている点でも同一である。したがって、光ファイバー挿入孔６２に光ファイバー４０の他端部を挿入した光ファイバー固定部材６０を受信デバイス２００のフレーム１２の外側面に固定すれば、光ファイバー４０の他端部を、受信デバイス２００の光学窓１３に光軸が合った状態で固定できる。

以下、面発光デバイス１００に作用について説明する。

面発光レーザ素子２から出射されたレーザ光は、出射光路ａに沿って進み、４５度の角度でハーフミラー１１に入射する。

ハーフミラー１１に入射したレーザ光は、大部分が出射経路ａに沿って光学窓１３に向って進み、光学窓１３から外部に出射されるが、一部は、ハーフミラー１１において、出射経路ａに対して直角な方向に反射され、光路ｂに沿って全反射ミラー１４に入射する。入射したレーザ光は、全反射ミラー１４において９０度下方に屈曲、反射され、光ダイオード４に入射する。

レーザ光が光ダイオード４に入射すると、光ダイオード４に接続されたコネクタピン２６とコネクタピン２８との間に入射光の強度に応じた起電力が生じる。そして、ハーフミラー１１においては、レーザ光は、常に一定の割合で光路ｂに沿って反射されて光ダイオード４に入射する。

したがって、コネクタピン２６とコネクタピン２８との間の起電力を測定することにより、面発光レーザ素子２をモニタリングできる。

また、図３に示すように、光ファイバー４０の一端を光ファイバー固定部材５０で面発光デバイス１００に固定し、光ファイバー４０の他端を光ファイバー固定部材６０で受信デバイス２００に固定すれば、光学窓１３から出射したレーザ光は、光ファイバー４０を通って受信デバイス２００の光学窓１３に入射する。受信デバイス２００の光学窓１３に入射したレーザ光は、図３において（Ｂ）に示すように、光導波路１０中を下方に向かって進行し、ハーフミラー１１から光ダイオード４に入射する。

このようにして、面発光デバイス１００から出射したレーザ光は、受信デバイス２００で受信される。

実施形態１に係る面発光デバイス１００は、面発光レーザ素子２におけるパワーをモニタリングしつつ、光学窓１３から外部にレーザ光を出射できるから、前記モニタリング結果に基づいて面発光レーザ素子２を常に最適な光出力で駆動できる。

また、面発光レーザ素子２および光ダイオード４は、フレーム１２と側板２０と底板２２とからなるパッケージの内部に封止されているから、静電気によって破損することがない。

加えて、光学窓１３から出射するレーザ光を収束させるためのレンズ系は不要であるから、面発光デバイス１００を光インターコネクション分野の光配線に使用すれば、光配線システムを大幅に簡易化でき、光配線システムの構築コストを大幅に削減できる。

２．実施形態２

面発光素子を複数有する面発光デバイスの例について以下に説明する。

実施形態２に係る面発光デバイスの内部の構成を図４における（Ｂ）に示し、前記面発光デバイスにおいて一連の面発光レーザ素子および光ダイオードが実装された基板の構成を銅図における（Ａ）に示す。図４において図１と同一の符号は、特に断らない限り、前記符号が図１において示すのと同一の構成要素を示す。

実施形態２に係る面発光デバイス１０２においては、底板に基板１１６が載置、固定されている。

図４において（Ａ）に示すように、基板１１６の一方の半分には、面発光レーザ素子１２０Ａ〜１２０Ｄから成る面発光レーザアレイ１２０が設けられ、基板１６０の他方の半分には、光ダイオード１４０Ａ〜１４０Ｄからなる光ダイオードアレイ１４０が設けられている。ここで、光ダイオード１４０Ａ、１４０Ｂ、１４０Ｃ、１４０Ｄは、夫々面発光レーザ素子１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ、１２０Ｄからの光を受光する。

底板２２には、コネクタピン２５Ａとコネクタピン２５Ｂ、およびコネクタピン２７Ａとコネクタピン２７Ｂが挿通されている。面発光レーザ素子１２０Ａ〜１２０Ｄは、夫々配線１１５および１１７によってコネクタピン２５Ａおよび２５Ｂに接続され、面発光レーザ素子１２０Ａ〜１２０Ｄは、夫々配線１１８および１１９によってコネクタピン２７Ａおよび２７Ｂに接続されている。

フレーム１１２は厚肉板状であって内側面には光導波路１１０が収容されるキャビティ１１２Ａが形成されている。フレーム１１２は、実施形態１と同様に合成樹脂の射出成形品であってもよく、またアルミニウムやステンレスなどの金属製であってもよい。なお、実施形態２においては、フレーム１１２として、合成樹脂の射出成形品をアルミニウム鍍金したものを用いている。

フレーム１１２における面発光レーザ素子１２０Ａ〜１２０Ｄからのレーザ光が出射する側の面には、光学窓１１３が設けられ、光導波路１１０は、光学窓１１３においてフレーム１１２の外壁面に露出している。

光導波路１１０において面発光レーザ素子１２０Ａ〜１２０Ｄからのレーザ光が入射する面には、矢印ａで示すレーザ光の出射光路に対して４５度の角度を成すようにハーフミラー１１１が設けられている。そしてハーフミラー１１１で反射したレーザ光を矢印ｂで示す光路に沿って反射させて光ダイオード１４０Ａ〜１４０Ｄに導く全反射ミラー１１４が、ハーフミラー１１１に相対するように設けられている。全反射ミラー１１４は、本発明における全反射面に相当する。ハーフミラー１１１は、光導波路１１０における面発光レーザ素子１２０Ａ〜１２０Ｄからのレーザ光が入射する面に、アルミニウムを薄く蒸着または鍍金することにより形成できる。一方、全反射ミラー１１４は、光導波路１１０においてハーフミラー１１１で反射したレーザ光が入射する部分を厚くアルミニウム蒸着または鍍金することにより形成される。なお、ハーフミラー１１１および全反射ミラー１１４を形成するのに使用される金属は、アルミニウムには限定されない。

光導波路１１０を成形する手順については実施例１で述べたとおりである。

以下、面発光デバイス１０２の作用について説明する。

面発光レーザ素子１２０Ａ〜１２０Ｄから出射されたレーザ光は、出射光路ａに沿って進み、４５度の角度でハーフミラー１１１に入射する。

ハーフミラー１１１に入射したレーザ光は、大部分が出射経路ａに沿って光学窓１１３に向って進み、光学窓１１３から外部に出射されるが、一部は、ハーフミラー１１１において、出射経路ａに対して直角な方向に反射され、光路ｂに沿って全反射ミラー１１４に入射する。入射したレーザ光は、全反射ミラー１１４において９０度下方に屈曲、反射され、光ダイオード１４０Ａ〜１４０Ｄのうちの対応するものに入射する。

レーザ光が光ダイオード１４０Ａ〜１４０Ｄに入射すると、光ダイオード１４０Ａ〜１４０Ｄに接続されたコネクタピン２７Ａとコネクタピン２７Ｂとの間に入射光の強度に応じた起電力が生じる。そして、ハーフミラー１１１においては、レーザ光は、常に一定の割合で光路ｂに沿って反射されて光ダイオード１４０Ａ〜１４０Ｄに入射する。

したがって、面発光レーザ素子１２０Ａ〜１２０Ｄの夫々についてコネクタピン２７Ａとコネクタピン２７Ｂとの間の起電力を測定することにより、面発光レーザ素子１２０Ａ〜１２０Ｄを独立にモニタリングできる。

したがって、前記モニタリング結果に基づいて面発光レーザ素子１２０Ａ〜１２０Ｄを制御することにより、面発光レーザアレイ１２０における素子間の光量のバラツキを抑え、均一な光量のレーザ光を出射できる。

図１は、実施形態１に係る面発光デバイスのレーザ光が出射する光学面から見た構成を示す平面図、および内部構造を示す断面図である。 図２は、実施形態１に係る面発光デバイスにおいて、光導波路を形成する装置の構成を示す該略図である。 図３は、実施形態１に係る面発光デバイスに光ファイバーを接続した構成を示す説明図である。 図４は、実施形態２に係る面発光デバイスの内部構造を示す断面図および前記面発光デバイス内に封入される基板と面発光レーザ素子および光ダイオードとの位置関係を示す平面図である。

符号の説明

２ 面発光レーザ素子
４ 光ダイオード
４ 特許文献
６ 基板
８ 電気配線
１０ 光導波路
１１ ハーフミラー
１２ フレーム
１２Ａ キャビティ
１２Ｂ 連通孔
１３ 光学窓
１４ 全反射ミラー
２０ 側板
２２ 底板
２４ コネクタピン
２５Ａ コネクタピン
２６ コネクタピン
２７Ａ コネクタピン
２７Ａ コネクタピン
２７Ｂ コネクタピン
２７Ａ コネクタピン
２７Ｂ コネクタピン
２８ コネクタピン
３０ 型
３２ ポリシラン充填シリンダ
３３ 管路
３４ ポリシラン充填ライン
３５ 真空ライン
３６ 三方弁
４０ 光ファイバー
５０ 光ファイバー固定部材
５２ 光ファイバー挿入孔
６０ 光ファイバー固定部材
６２ 光ファイバー挿入孔
１００ 面発光デバイス
１０２ 面発光デバイス
１１０ 光導波路
１１１ ハーフミラー
１１２Ａ キャビティ
１１２ フレーム
１１３ 光学窓
１１４ 全反射ミラー
１１５ 配線
１１６ 基板
１１７ 配線
１１８ 配線
１１９ 配線
１２０ 面発光レーザアレイ
１２０Ａ 面発光レーザ素子
１４０ 光ダイオードアレイ
１４０Ａ 光ダイオード
１６０ 基板
２００ 受信デバイス

Claims (7)

1. 面発光素子と、受光素子と、前記面発光素子からの光を外部に導出する光導波路とを備え、
   前記光導波路には、前記面発光素子からの光の一部を反射するハーフミラーが設けられ、前記受光素子は、前記ハーフミラーで反射された光を受光することを特徴とする面発光デバイス。
2. 前記面発光素子と前記受光素子とは同一基板上に配設され、前記光導波路には、前記ハーフミラーで反射した光を前記受光素子に導く光路が形成されてなる請求項１に記載の面発光デバイス。
3. 前記光路は、前記ハーフミラーで反射した光を前記受光素子に向って全反射する反射面を包含する請求項２に記載の面発光デバイス。
4. 前記面発光素子は面発光レーザ素子であり、前記受光素子は光ダイオードである請求項１〜３の何れか１項に記載の面発光デバイス。
5. 面発光レーザ素子は複数設けられてなるとともに、前記光ダイオードは、前記複数の面発光レーザ素子の夫々について設けられてなる請求項４に記載の面発光デバイス。
6. 前記光導波路は、液状樹脂を型に注入して硬化させる注型法によって形成されてなる請求項１〜５の何れか１項に記載の面発光デバイス。
7. 前記受光素子で受光した光量に基づいて前記面発光素子の出力を制御する請求項１〜６の何れか１項に記載の面発光デバイス。

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