JP2008170636A - 半導体レーザモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】
ファイバスタブに接続される光ファイバコードの偏芯により生じる結合変動が小さく、近端反射が抑制されたレセプタクル型の半導体レーザーモジュール（TOSA）を容易に実現すること。
【解決手段】
半導体レーザと、斜めカット面を有するファイバスタブと、半導体レーザとファイバスタブとの間に配置されたレンズと、を備え、半導体レーザの出射光が所定の角度で前記斜めカット面に入射するよう調整された半導体レーザモジュールであって、その入射面が半導体レーザの出射光の光軸に対して傾いている所定の透過率を有する固定光減衰器が、半導体レーザの出射光の光路上に配置されると共に、ファイバスタブが、レンズの焦点位置が斜めカット面から前記ファイバスタブの光軸方向に所定の距離ずらされて配置されていること特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザモジュールに関し、特に、通信用のレセプタクル型の送信用サブアセンブリ(Transmitter Optical Sub Assembly：TOSA)に関する。

多くの光通信装置では、光トランシーバモジュールによって、電気信号と光信号の変換及び、伝送媒体である光ファイバとの接続を実現している。通信装置を運用する際には、通信速度、通信距離、伝送媒体などの環境媒体に適した光トランシーバを選択し、通信装置に備え付けられる。

この光トランシーバの送信側は、主に送信用電気信号をレーザ駆動用電気信号に変換する駆動回路と、電気信号を光信号に変換させるレーザサブアセンブリと、外部の光ファイバコードとの接続を行うためのコネクタなどから構成される。

業界では、送信側の、半導体レーザと光コネクタの一部機能を取り込んだものを送信側サブアセンブリ(Transmitter Optical Sub Assembly：TOSA)と呼ぶ。光コネクタは、光ファイバコードが脱着可能になっており、主に光ファイバコードと光の接続を行うレセプタクル部と、主に機械強度を保つためのハウジング部から構成される。ＴＯＳＡは、これらの中でレセプタクル機能を取り込んだものを指す。

ＴＯＳＡは、電気光変換を行う半導体レーザと、半導体レーザを保持するサブマウントと、半導体レーザから出射されたレーザ光を、光コネクタの一部であるレセプタクルを構成するファイバスタブに集光するレンズと、半導体レーザの光出力強度を監視するフォトディテクタと、それらを実装するためのステム及び気密封止するためのキャップなどから構成される。通常、ファイバスタブ等の光入射面はファイバスタブの光軸に対して斜めカット加工すると共に、レーザ光を所定の角度で入射させることにより、近端反射が抑制されている。

ところで、半導体レーザは高周波特性を確保するために多くの電流が印加されることがあり、ＴＯＳＡに接続される光ファイバコードへ所望の光出力を入力させるためにＴＯＳＡの出力減衰調整が必要となる。

半導体レーザモジュールの光出力減衰調整方法に関する技術が、例えば、特許文献１に開示されている。一つは、ファイバスタブの座標を光軸方向に調整してファイバスタブの光入射面に集光されるレーザ光をデフォーカスさせて、ファイバスタブに結合させるレーザ光の結合効率を低下させて調整する方法がある。また、もう一つは、レーザ光はファイバスタブの光入射面にフォーカスさせておき、アイソレータを回転させてレーザ光の透過率を下げて調整する方法がある。また、特許文献２には、ＮＤ（Neutral Density）フィルタ膜をレンズに施し光の透過率を小さくする技術が開示されている。そのほか、関連する技術が、特許文献３，４に開示されている。

特開２００４−１３８８６４ 特開平９−２１８３２６ 特開２００６−１６３３５１ 特開２００６−１９０７８

ＴＯＳＡに接続される光ファイバコードは、レセプタクル開口部に接続される。ファイバスタブと光ファイバコードとは突合されて光結合される。このとき、ファイバスタブと光ファイバコードのコアの中心軸が一致していることが理想的である。しかし、実際には、製造ばらつきにより、一般的に光ファイバはある有限の偏芯を持っており、個体ごとその量と向きが異なる。この偏芯のため、光ファイバコードの取り付けかた、即ちレセプタクル開口部に光ファイバコードを取り付けた状態で、光ファイバコードを回転させると結合効率が変動する。この変動を回転変動と呼ぶ。この回転変動は、光出力のレベルダイアグラム構成上、小さいことが必要である。

回転変動に対して、レーザ光をデフォーカスするだけで調整する方法では、以下のような問題がある。デフォーカスによりファイバスタブに入射するレーザ光のスポットサイズがファイバスタブのコア径より非常に大きくなり、クラッドへ染み出した光、即ち、クラッドモードが発生してしまう。クラッドモードはクラッドを蛇行しながら伝播することが知られており、ファイバスタブのような短い光ファイバで中では減衰せずに出射端に到達する。これにより、ファイバスタブ出射面の光強度分布はファイバスタブの光軸に対して非対称となり、ファイバの偏芯と合わせて結合変動が増大されてしまう。

一方、レーザ光はフォーカスさせて、アイソレータの回転だけで調整する方法では、クラッドモードが抑制される半面、以下のような問題がある。アイソレータの入射面も近端反射防止のため通常は入射面がレーザー光の光軸に対して所定の角度の傾きをつけて配置しないといけないが、所定の傾きを保ったまま回転させるのは調整が困難である。

本発明の半導体レーザモジュールは、半導体レーザと、斜めカット面を有するファイバスタブと、半導体レーザとファイバスタブとの間に配置されたレンズと、を備え、半導体レーザの出射光が所定の角度で前記斜めカット面に入射するよう調整された半導体レーザモジュールであって、その入射面が半導体レーザの出射光の光軸に対して傾いている所定の透過率を有する固定光減衰器が、半導体レーザの出射光の光路上に配置されると共に、ファイバスタブが、レンズの焦点位置が斜めカット面から前記ファイバスタブの光軸方向に所定の距離ずらされて配置されていること特徴とする。

本発明によれば、ファイバスタブと接続される光ファイバコードの偏芯により生じる結合変動が小さく、近端反射が抑制されたレセプタクル型の半導体レーザモジュール（TOSA）が容易に実現できる。

次に、本発明による好適な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（第一の実施形態）
図１は本発明の第一の実施形態を示すレセプタクル型の半導体レーザモジュール（TOSA）１００（TOSA）断面図である。半導体レーザ１はサブマウント２に実装されその状態で、ヘッダ３に実装されている。半導体レーザ１は例えば１０Gb／ｓ用の分布帰還型半導体レーザである。実装にはAuSn半田、Agペースト等が用いられる。半導体レーザ１は金ワイア４でリード５ａと電気的に接続されている。リード５ａ、５ｂ、５ｃとヘッダ３とで構成される部材がステム６である。リードは本実施形態では一例として３本示したが、本数は必要に応じて適宜増減してよい。図示していないが、半導体レーザ１の後方には光出力モニタフォトダイオードが適宜配置される。

半導体レーザ１の前方には光学系を形成するキャップ７に固定されたレンズ８が配置されている。レンズ８は例えばボールレンズが用いられる。レンズ８とキャップ７とで構成されるレンズキャップ９は、気密封止保持のためにステム５に取りつけられている。その前方には、第一の偏光子１０，第二の偏光子１１とファラデーローテータ１２とで構成されるアイソレータ１３が貼り付けられて設けられた、斜めカット面を有するファイバスタブ１４が配置されている。ファイバスタブ１４はコア１５とクラッド１６で構成される光ファイバ１７と光ファイバ１７を保護するフェルール１８で構成される。光ファイバ１７は例えば、コア径が１０μｍのシングルモードファイバである。フェルール１８は例えばジルコニア製である。図示していないが、ファラデーローテータ１２に磁界を与える磁石がアイソレータの１３の脇に設けられている。

ファイバスタブ１４は金属筒１９内にスリーブ２０を介して固定されており、金属筒１９と金属筒２１に固定される。この部分がレセプタクル２２と呼ばれる。更にスライドホルダ２２と金属筒２１と固定レンズキャップ９とは互いに固定されている。固定には例えばＹＡＧ溶接が用いられる。

図２は第一の実施形態の半導体レーザモジュール１００における、半導体レーザ１とレンズ８とファイバフェルール１４の配置を詳細に示す図面である。図２−（ａ）は断面図、図２−（ｂ）は上面図を示す。図２−（ａ）に示すとおりファイバスタブの１４の光入射面２４は、光ファイバ１７の光軸の垂直面に対して傾いた斜めカット面となっている。本実施形態の場合、約８°である。光入射面２４に取り付けられたアイソレータ１３は光入射面２４と平行な光入射面２５を持つ。更に、半導体レーザ１はその出射光２６の光軸が光入射面２５の法線に対して約３°傾けて入射するよう配置されている。半導体レーザ１の光出射面は光ファイバ１７の光軸に対して約２５μｍずらされている。また、図２−（ｂ）に示すように、真上から見た場合は、半導体レーザ１の出射光２６は、光ファイバ１７の光軸に一致するよう、半導体レーザ１、レンズ８、ファイバスタブ１４が配置されている。この位置関係により、アイソレータ１３の光入射面２５での近端反射に起因する半導体レーザ１への戻り光が十分に抑制され、半導体レーザ１の安定動作が図られる。

また、半導体レーザ１の出射光２６が入射する第一の偏光子１０は半導体レーザ１の出射光２６の偏波面に対し４５°傾けて配置されている。図３は偏光子の透過率と透過光の偏波面の偏光子に対する傾きの関係を示すグラフである。本実施例の場合、透過率は５０％であるので、３ｄＢの減衰を与える。第一の偏光子１０を透過した半導体レーザ１の出射光２６の偏波面はファラデーローテータ１２で４５°回転させられ、第二の偏光子１１は第一の偏光子１０に対して４５°回転して配置することにより、アイソレータ１３は半導体レーザ１の出射光６の光路上に設けられた、３ｄＢの固定光減衰器となっている。このアイソレータ１３は従来からあるものを用いることが出来、その取り付け方向を逆転させている。尚、第一の偏光子１０の回転角度は４５°に限らず、専用のアイソレータを用意すれば、必要に応じて、図３の関係に基づき、減衰量を適宜設定することが出来る。

次に、本実施形態の半導体レーザモジュール１００の光出力調整に関し説明する。半導体レーザ１の１０Ｇｂ／ｓ動作に必要な高い緩和振動周波数を得るためには、発振閾値電流＋２５ｍＡの平均駆動電流が求められる。このとき、半導体レーザ１の出射光強度は１０ｍＷ近くに達する。一方で、光トランシーバの光出力は、例えばＩＥＥＥ８０２．３ａｅで規定される０．６ｍＷである必要がある。この場合、出射光強度を約１２ｄＢ減衰させる調整の必要がある。

トランシーバの全長寸法は予め標準規格などで規定されるためＴＯＳＡに対しても、全長寸法が制限されている。この制限を満たすため、本実施形態では、例えばレンズ８には屈折率１．７７の高屈折率のφ＝０．８ｍｍの高屈折率レンズが用いられる。

このレンズの焦点位置を斜めカットされたファイバスタブの１４の光入射面２４にした場合は、レンズ系の結合効率が７ｄＢとなるので、アイソレータ１３での減衰量３ｄＢと合わせて１０ｄＢとなる。残りの２ｄＢはレンズ８の焦点位置をファイバスタブの１４の光入射面２４からファイバスタブ１４の光軸方向へ所定距離ずらして調整する。本実施形態の場合約１５０μｍとなる。調整はシングルモード光ファイバコード５５をレセプタクル２２に装着して、半導体レーザ１を動作させ、シングルモード光ファイバコード５５を介して光出力をモニターしながら、０．６ｍＷとなるよう、スライドホルダ２３を前後に調整して固定する。本実施形態の場合約１００μｍとなる。

本発明の効果を、以下に説明する。ファイバスタブ中を伝播するレーザ光の様子を図４に示す。図４−（ａ）はレンズの焦点位置がほぼファイバスタブの光入射面に合っている状態、図４−（ｂ）はレンズの焦点位置がファイバスタブの光入射面からずらされた状態である。図４−（ａ）の場合は、光はコア内部だけを伝播する。一方、図４−（ｂ）の場合、光に一部はクラッドに染み出してクラッド中を伝播するクラッドモード４１が生じる。焦点位置からのずれが大きくなるに従い、クラッドモード４１の割合が大きくなる。本発明の場合、２ｄＢの減衰を与えるためにずらし距離は約１００μｍである。一方、固定光減衰量を与えない従来技術では、５ｄＢの減衰量が必要となり、ずらし距離は３００μｍ必要となる。

図５は本実施形態の半導体レーザモジュール１００に光ファイバコード５５を接続した図を示す。この状態で、光ファイバコード５５を回転させた時のファイバスタブと光ファイバコードの回転変動の測定結果を図６に示す。光ファイバコード５５の偏芯量は１．２μｍである。図６−（ａ）は本発明、図６−（ｂ）は比較のため従来技術での結果を示す。また、図７は、光ファイバコードの偏芯量が１．２μｍ、０．５μｍの場合の、本発明と従来技術で比較した、回転変動の最大量とずらし距離の関係を示す。１．２μｍの場合は１．５ｄＢの改善が見られ、０．５μｍと小さい偏芯量の場合でも０．８ｄＢ程度の改善がみられた。本発明では、ずらし距離が短く出来たためクラッドモード４１の割合が低減され、結合効率の変動量が小さくなっている。尚、本実施形態ではファイバコアの偏芯量で説明したが、モジュール部材や加工の公差に起因するファイバ同士のコア位置ずれに置き換えることも出来る。

また、本発明では、減衰器は固定されおり、光出力調整方法はずらし距離の調整だけなので、従来技術に比べ、調整工程が増えたり難しくなることはない。尚、光出力調整時にファイバスタブ１４を回転させることがないので戻り光抑制が保持されることは言うまでも無い。

本実施形態は以下に説明するとおり、別の効果がある。半導体レーザモジュール１００に接続される光ファイバコードは、光トランシーバが組み込まれるシステムにより適宜選択される。例えば、コア径が１０μｍのシングルモードファイバやモードコンディショニングパッチコード、或いは、コア径が６２．５μｍのマルチモードファイバが接続される。ＴＯＳＡには、接続される光ファイバコードのタイプ間で、光出力の結合光率差が小さいことも求められる。

図８に半導体レーザモジュール１００のファイバスタブ１４の出力端面２７での光強度分布を示す。図中の２つの円は、シングルモードファイバのコア径８１、マルチモードファイバのコア径８２に相当する。図８−（ａ）はレンズの焦点位置がほぼファイバスタブの光入射面に合っている状態である。この状態では、光はほぼシングルモードファイバのコア径内８１に分布している。図８−（ｂ）はレンズの焦点位置がファイバスタブの光入射面からずらされた状態である。この状態では、クラッドモード８３が生じて、マルチモードのコア径内８２には分布しているものの、シングルモードファイバのコア径８１からはみ出す。クラッドモードはシングルモードファイバに結合されないので、シングルモードファイバの方が、結合効率が低下してしまう。

上述したように、本発明では、クラッドモード８３が低減されるので、接続される光ファイバコードのタイプ間で、光パワーの結合光率差が小さくできる。本実施形態の場合、従来技術に比べ、約３ｄBの改善が見られた。

（第二の実施形態）
図９は本発明の第二の実施形態を示すレセプタクル型の半導体レーザモジュール２００（TOSA）断面図である。モジュールの構成は第一の実施形態と基本的には同じであり、固定光減衰器として、アイソレータ１３の代わりに偏光子９１がファイバスタブ１４の光入射面２４に貼り付けられて設けられている。偏光子９１は３ｄBの減衰を与えるようファイバスタブ１４に取り付けられている。偏光子９１はモジュール外からの戻り光を３ｄB低減できるが、アイソレータ１３ほどの、抑制性能はないので、半導体レーザ１は戻り光に比較的強いファブリペロ型半導体レーザが望ましい。本実施例の効果は第一の実施例と同じであるので、説明は省略する。尚、第一の実施形態と同様、本実施形態においても、必要に応じて、図３の関係に基づき、減衰量を適宜設定することが出来る。

（第三の実施形態）
図１０は本発明の第三の実施形態を示すレセプタクル型の半導体レーザモジュール３００（TOSA）断面図である。モジュールの構成は固定光減衰器として、第二の実施形態で用いた、偏光子９１の替わりにＮＤ（Neutral Density）フィルタ１０１がファイバスタブ１４の光入射面２４に貼り付けて設けられている。ＮＤフィルタ１０１は、ガラス板に金属がコーティングされて透過率が調整されるが、本実施の形態の場合、５０％の透過率のものが用いられすなわち、３ｄBの減衰を与える。ＮＤフィルタ１０１は５０％の反射率を持つことになるが、ファイバスタブ１４の入射面２４での反射光が抑制される配置となっているので、そこに取り付けられたＮＤフィルタ１０１で半導体レーザ１の出射光２6が反射されても半導体レーザ１へ戻り光が増加することはない。ＮＤフィルタ１０１は偏光子９１と同様、モジュール外からの戻り光を３ｄB低減できるが、アイソレータ１３ほどの、抑制性能はないので、半導体レーザ１は戻り光に比較的強いファブリペロ型半導体レーザが望ましい。本実施例の効果は第一の実施例と同じであるので、説明は省略する。尚、本実施形態においてはＮＤフィルタ１０１の透過率を、必要に応じて適宜設定することにより、所望の減衰量を適宜設定することが出来る。

（第四の実施形態）
図１１は本発明の第四の実施形態を示すレセプタクル型の半導体レーザモジュール４００（TOSA）断面図である。モジュールの構成は固定光減衰器として、第二の実施形態で用いた、偏光子９１の替わりに、ファイバスタブ１４の光入射面２４にコーティングされて設けられた誘電体膜１１１が固定減衰器となる。誘電体膜１１１は５０％の透過率のものが用いられすなわち、３ｄBの減衰を与える。誘電体膜１１１は５０％の反射率を持つことになるが、第三の実施形態の場合と同様の理由で、半導体レーザ１へ戻り光が増加することはない。誘電体膜１１１は偏光子９１と同様、モジュール外からの戻り光を３ｄB低減できるが、アイソレータ１３ほどの、抑制性能はないので、半導体レーザ１は戻り光に比較的強いファブリペロ型半導体レーザが望ましい。本実施例の効果は第一の実施例と同じであるので、説明は省略する。尚、本実施形態においては誘電体膜１１１の透過率を、必要に応じて適宜設定することにより、所望の減衰量を適宜設定することが出来る。

（第五の実施形態）
図１２は本発明の第五の実施形態を示すレセプタクル型の半導体レーザモジュール５００（TOSA）断面図である。モジュールの構成は固定光減衰器として、偏光子９１の替わりに、誘電体膜１２１がレンズ８にコーティングされて設けられている。誘電体膜１２１に替えてＮＤフィルタ膜でも良い。誘電体膜１２１は５０％の透過率のものが用いられすなわち、３ｄBの減衰を与える。レンズ８は５０％の反射率を持つことになるが、球面なので半導体レーザ１の出射光２6が反射されても半導体レーザ１へ戻り光が生じることはない。誘電体膜１１１は偏光子９１と同様、モジュール外からの戻り光を３ｄB低減できるが、アイソレータ１３ほどの、抑制性能はないので、半導体レーザ１は戻り光に比較的強いファブリペロ型半導体レーザが望ましい。本実施例の効果は第一の実施例と同じであるので、説明は省略する。尚、本実施形態においても第四の実施形態と同様、誘電体膜１２１の透過率を、必要に応じて適宜設定することにより、所望の減衰量を適宜設定することが出来る。

本発明の半導体レーザモジュールの活用例として、光トランシーバモジュールが挙げられる。

本発明の第一の実施形態を示すレセプタクル型の半導体レーザモジュール断面図 第一の実施形態の半導体レーザモジュールおける、半導体レーザとレンズとファイバフェルールの配置を詳細に示す図 偏光子の透過率と透過光の偏波面の偏光子に対する傾きの関係を示すグラフ ファイバスタブ中を伝播するレーザ光の様子を説明する図 第一の実施形態の半導体レーザモジュールに光ファイバコードを接続した図 回転変動の測定結果 回転変動の最大量とずらし距離の関係 ファイバスタブの出力端面での光強度分布を説明する図 本発明の第二の実施形態を示すレセプタクル型の半導体レーザモジュール断面図 本発明の第三の実施形態を示すレセプタクル型の半導体レーザモジュール断面図 本発明の第四の実施形態を示すレセプタクル型の半導体レーザモジュール断面図 本発明の第五の実施形態を示すレセプタクル型の半導体レーザモジュール断面図

符号の説明

１：半導体レーザ
２：サブマウント
３：ヘッダ
４：金ワイア
５ａ，５ｂ，５ｃ：リード
６：ステム
７：キャップ
８：レンズ
９：レンズキャップ
１０：第一の偏光子
１１：第二の偏光子
１２：ファラデーローテータ
１３：アイソレータ
１４：ファイバスタブ
１５：コア
１６：クラッド
１７：光ファイバ
１８：フェルール
１９：金属筒
２０：スリーブ
２１：金属筒
２２：レセプタクル
２３：スライドホルダ
２４、２５：光入射面
２６：出射光
２７：出力端面
４１：クラッドモード
５１：コア
５２：クラッド
５３：光ファイバ
５４：フェルール
５５：光ファイバコード
８１：シングルモードファイバのコア径
８２：マルチモードファイバのコア径
８３：クラッドモード
９１：偏光子
１０１：ＮＤフィルタ
１１１、１２１：誘電体膜
１００、２００、３００、４００、５００：半導体レーザモジュール

Claims (11)

1. 半導体レーザと、
   斜めカット面を有するファイバスタブと、
   前記半導体レーザと前記ファイバスタブとの間に配置されたレンズと、
   を備え、
   前記半導体レーザの出射光が所定の角度で前記斜めカット面に入射するよう調整された半導体レーザモジュールであって、
   その入射面が前記半導体レーザの出射光の光軸に対して傾いている所定の透過率を有する固定光減衰器が、前記半導体レーザの出射光の光路上に配置されると共に、前記ファイバスタブが、前記レンズの焦点位置が前記斜めカット面から前記ファイバスタブの光軸方向に所定の距離ずらされて配置されていること特徴とする半導体レーザモジュール。
2. 前記固定減衰器は、前記斜めカット面上に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザモジュール。
3. 前記固定減衰器は、アイソレータであり、前記アイソレータを構成する、前記半導体レーザの出射光の入射面側の偏光子が所定の偏波透過率を持つよう配置されていることを特徴とする請求項請求項２に記載の半導体レーザモジュール。
4. 前記偏光子は前記半導体レーザの出射光の偏波面に対し４５°傾けて配置されていることを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザモジュール。
5. 前記半導体レーザは分布帰還型であることを特徴とする、請求項３ないし４に記載の半導体レーザモジュール。
6. 前記固定減衰器は、偏光子であり、前記偏光子が所定の偏波透過率を持つよう配置されていることを特徴とする請求項請求項２に記載の半導体レーザモジュール。
7. 前記固定減衰器は、NDフィルタであることを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザモジュール。
8. 前記固定減衰器は、誘電体膜であることを特徴とする、請求項２に記載の半導体レーザモジュール。
9. 前記固定減衰器は、前記レンズに設けられた誘電体膜であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザモジュール。
10. 前記固定減衰器は、前記レンズに設けられたNDフィルタ膜であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザモジュール。
11. 前記半導体レーザはファブリペロ型であることを特徴とする請求項６乃至１０に記載の半導体レーザモジュール。

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