JP2017135251A - 発光モジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】レーザ発振の特性劣化を抑制することができる発光モジュールを提供する。【解決手段】一形態に係る発光モジュールは、波長可変LD10と、波長可変LD10から出力された出力光L2のTE偏光成分を有する光P3の偏波面を90°回転させて波長可変LD10に戻す偏光光学系7と、を備えた発光モジュールである。偏光光学系7は、出力光L2のTE偏光成分を有する光P3の偏波面を45°回転する回転子7aと、回転子7aを透過した光を受ける偏光子7bと、偏光子7bを透過した光を偏光子7bに向けて反射するミラー7Bと、を備える。【選択図】図3
Description
本発明は、発光モジュールに関するものである。
特許文献1は、高い周波数安定度を有する光信号を合成する方法及びシステムを開示している。このシステムでは、半導体レーザの出力光における波長の線幅を狭くすることが求められており、ウィスパリングギャラリーモード(WGM)共振器を備えた半導体レーザでは、Q値を高めて線幅の狭小化を実現させている。また、線幅を狭める方法として、半導体レーザと、周波数弁別器として機能する光フィルタとによって構成された光源が知られている。この光源では、光フィルタによって反射されたレーザ光を半導体レーザに負帰還して周波数変調を行うことによって、発振光の周波数の安定化と線幅の狭小化を図っている。
また、半導体レーザが出力した出力光を、偏波回転光学系を介してミラーに入射し、ミラーで反射した戻り光を偏波回転光学系を介して半導体レーザにフィードバックする方法が知られている。図6は、その方法を実現させる光学系の模式図を示す。図6に示される光学系は、半導体レーザ101、偏波回転光学系である波長板102、及びミラー103を有する。半導体レーザ101から出力した出力光のTE偏光を有する光は波長板102に入射し、波長板102はTE偏光を有する光の偏光面を45°回転する。波長板102を透過した光は、ミラー103に入射する。ミラー103に入射した光の一部は、反射して再度波長板102に入射する。波長板102は、ミラー103から入射した光の偏光面を更に45°回転させる。これにより、波長板102を透過した光は、半導体レーザ101が出力する光の偏光面に対しその偏光面が90°回転した光に変換されて半導体レーザ101に入射する。ここで、半導体レーザ101が出力する光の偏光面(TE偏光)は、半導体レーザ101の活性層に平行であり、TM偏光は、半導体レーザ101の活性層に垂直な偏光面に対応する。
前述した光学系では、TM偏光を有する光が半導体レーザ101に入射しており、このとき半導体レーザ101の端面の反射率に応じてこの光は反射されている。その反射光は、再度波長板102への入射を繰り返してTE偏光を有する光となり、このTE偏光を有する光が半導体レーザ101に入射することがある。TE偏光を有する光が半導体レーザ101に入射すると、レーザ発振の特性劣化を引き起こすという問題が生じうる。
本発明は、レーザ発振の特性劣化を抑制することができる発光モジュールを提供することを目的とする。
本発明の一形態に係る発光モジュールは、半導体レーザと、半導体レーザから出力された出力光の偏波面を90°回転させて半導体レーザに戻す偏光光学系と、を備えた発光モジュールであって、偏光光学系は、出力光の偏波面を45°回転する回転子と、回転子を透過した光を受ける偏光子と、偏光子を透過した光を偏光子に向けて反射するミラーと、を備える。
本発明の一形態では、レーザ発振の特性劣化を抑制することができる。
本発明の実施形態に係る発光モジュールの具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明は、これらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。以下の説明では、図面の説明において同一又は相当する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図1は、第1実施形態に係る発光モジュール1の内部の各部品を示す図である。発光モジュール1は、前壁2a、後壁2b、並びに、前壁2a及び後壁2bを接続する2つの側壁2c,2dを含むハウジング2を備える。発光モジュール1では、ハウジング2の内部に各部品が実装され、その後リッドによってハウジング2の内部を気密封止する。発光モジュール1は、半導体レーザである波長可変レーザダイオード(LD)10を備えており、波長可変LD10は、一方の光出射面である端面10Bから出力光L2を出力すると共に、他方の光出射面である端面10Aから出力光L1を出力する。出力光L1,L2は、実質的に波長可変LD10の活性層に平行な偏波であるTE偏光のみを含み、出力光L1、L2がTM偏光成分を含んでいたとしても、その割合はTE偏光成分と比較して非常に小さい。
出力光L1の光路上には、コリメートレンズ3a、及び反射フィルタ5が設けられる。反射フィルタ5は、コリメートレンズ3aと光学的に結合し、コリメートレンズ3aを透過した出力光L1を受ける。出力光L1は、反射フィルタ5の前面に入射し、反射フィルタ5によって分岐される。反射フィルタ5の反射率は、例えば5%であるが、適宜変更可能である。反射フィルタ5により反射された反射光(モニタ光P21)の光軸と、反射フィルタ5を透過した透過光P22の光軸とは、略直角を成す。モニタ光P21の光路上には、モニタPD6bが設けられる。モニタPD6bは、反射フィルタ5が反射したモニタ光P21を受光し、受光したモニタ光P21の強度に応じた電気信号を出力する。コリメートレンズ3a、反射フィルタ5及びモニタPD6bは、ベースB1上に実装される。
また、反射フィルタ5を透過した透過光P22はハウジング2の外部に出力する。ハウジング2外に取り出される透過光P22は、ハウジング2外に設けられた集光レンズにより、シングルモードファイバが内蔵された部品に光結合される。ハウジング2外の部品とハウジング2とは、光学的に調心され、YAG溶接によって接合される。
出力光L2の光路上には、コリメートレンズ3bと、偏光光学系7と、ハーフミラー8と、エタロンフィルタ9が設けられている。偏光光学系7は、出力光L2の偏波面(偏光面)を回転させ、また特定の偏光面を有する光のみを透過させる0.5段型光アイソレータ7Aと、ミラー7Bとを備える。偏光光学系7の詳細な構成については後述する。ハーフミラー8は、偏光光学系7を透過した光L3を受け、光L3は、ハーフミラー8の前面に入射してハーフミラー8により分岐される。分岐された一方の光L4は、ハーフミラー8を透過してエタロンフィルタ9に入射する。分岐された他方の光L5は、ハーフミラー8によって反射されてモニタPD6cに入射し、モニタPD6cは光L5の強度に応じた電気信号を出力する。エタロンフィルタ9に入射した光L4は、エタロンフィルタ9を透過してモニタPD6dに入射する。モニタPD6c,6d、偏光光学系7、ハーフミラー8及びエタロンフィルタ9は、ベースB2上に実装される。
ところで、前述のモニタPD6cで検知する光L5は特異な透過スペクトルを有する如何なる光学素子も通過していない。すなわち、モニタPD6cの出力は、波長可変LD10の光出力を直接的に反映していると見做せる。よって、モニタPD6dの出力をモニタPD6cの出力で除した値は、まさにエタロンフィルタ9の透過率を示している。エタロンフィルタ9の透過率は波長に依存しているため、2つのモニタPD6c,6dの出力により、波長可変LD10が今現在出力している光の波長を特定することが可能となる。この様に、エタロンフィルタ9及びモニタPD6c,6dは、波長検知ユニットとして機能する。そして、この2つのモニタPD6c,6dの出力の比を波長可変LD10の波長を決定するバイアス信号に帰還することによって波長可変LD10の出力光の波長を目標の波長に決定し、これを維持することが可能となる。
図2は、本実施形態における波長可変LD10の構成を示す模式的な断面図である。図2に示されるように、波長可変LD10は、SG−DFB(Sampled Grating Distributed Feedback)10bと、CSG−DBR(Chirped Sampled GratingDistributed Bragg Reflector)10cと、SOA(Semiconductor Optical Amplifier)10aと、SOA/VOA10dとがモノリシックに集積化された構造を備える。SG−DFB10bとCSG−DBR10cは、波長可変LD10の波長選択要素として機能する。
波長可変LD10では、SOA10a、SG−DFB10b、CSG−DBR10c、及びSOA/VOA10dがこの順で配置されている。SG−DFB10bは、利得及びサンプルドグレーティングを有する。CSG−DBR10cは、サンプルドグレーティングを有する。SOA10aは半導体光増幅領域、SOA/VOA10dは半導体光増幅領域及び半導体光減衰領域として機能する。
SG−DFB10bは、基板12上に、サンプルドグレーティングを含む下クラッド層13、光導波層14、及び上クラッド層15が積層された構造を有する。CSG−DBR10cは、基板12上に、サンプルドグレーティングを含む下クラッド層13、光導波層24、上クラッド層15、絶縁膜16、及び複数のヒータ17が積層された構造を有する。各ヒータ17には、電源電極18及びグランド電極19が設けられている。SOA10aは、基板12上に、下クラッド層13、活性層25、上クラッド層15、コンタクト層20、及び電極21が積層された構造を有する。SOA/VOA10dは、基板12上に、下クラッド層13、活性層26、上クラッド層15、コンタクト層22、及び電極23が積層された構造を有する。
SOA10a、SG−DFB10b、CSG−DBR10c、及びSOA/VOA10dにおいて、基板12、下クラッド層13、及び上クラッド層15は、一体的に形成されている。光導波層14,24及び活性層25,26は、同一面上に形成されている。光導波層14は、光伝播方向に沿って、活性層14aと導波路層14bとが交互に配置された構造を有する。導波路層14bの上部に位置する上クラッド層15には、絶縁膜16を介してヒータ28が設けられており、ヒータ28には、電源電極29及びグランド電極30が設けられている。
SG−DFB10b及びCSG−DBR10cには、下クラッド層13に所定の間隔を空けて離散的に形成された標本化回折格子であるサンプルドグレーティング(Sampled Grating:SG)27が形成されている。SG−DFB10bは、利得領域A1と変調領域A2とを有し、利得領域A1では、その上部に配置された電極31から活性層14aにキャリアが注入される。故に光学的利得を有する。一方、変調領域A2は、その上部にヒータ28を有し、ヒータ28に電力を与えることによって導波路層14bの温度を変える。SG27は、回折格子を有する領域と、その間の回折格子を有しない領域とによって構成され、利得領域A1及び変調領域A2全体として複数のピークが等間隔に現れる光学利得スペクトルを示す。そして、ヒータ28に与える電力を変化させて導波路層14bの屈折率を変化させることによって、それぞれのピークの波長及びその間隔を変化させることができる。
CSG−DBR10cは、3つのセグメントA3,A4,A5を有する。各セグメントA3,A4,A5は、それぞれ独立に駆動するヒータ17及びSG27を有する。CSG−DBR10cは、SG−DFB10bとは異なり、利得領域を有しない。よって、SG27の作用により、CSG−DBR10cは複数のピークが離散的に表れる反射スペクトルを示す。そして、ヒータ17に与える電力によって光導波層24の屈折率を変化させ、前述と同様、ピークの波長及びその間隔を変化させることができる。ここで、3つのセグメントA3,A4,A5のうち少なくとも1つは、他のセグメントとは異なる物理的特徴を有する。少なくとも1つのセグメントは回折格子が形成されている領域の間隔が他のセグメントとは異なる。これをチャープ回折格子(Chirped Sampled Grating:CSG)と呼ぶ。3つのセグメントA3,A4,A5を備える理由は、各セグメントA3,A4,A5について独立に局所的に温度を変化させることにより、離散的な反射ピークが現れる波長領域を拡大するためである。
SG−DFB10bに由来する1つの利得ピークの波長と、CSG−DBR10cに由来する1つの反射ピークの波長を、ヒータ17,28に与える電力を調整することによって一致させることができる。SG−DFB10bとCSG−DBR10cは共振器を構成し、一致した波長で波長可変LD10がレーザ発振する。SG−DFB10bのヒータ28に与える電力、及びCSG−DBR10cのヒータ17に与える電力を調整することによって、この一致する波長を調整することができる。すなわち、波長可変LD10のレーザ発振波長を変化させることができる。
SOA10aは、SG−DFB10bとCSG−DBR10cがカプリングすることによって決定された波長の光を増幅する。電極21から活性層25に注入するキャリアの量により、SOA10aの光増幅度、すなわち、出力光L1の強度を調整することができる。SOA/VOA10dは、SOA10aと同様、決定された波長の光を増幅する機能を有し、当該光を減衰する機能も有する。SOA/VOA10dの光増幅器としての機能、及び光減衰器としての機能は、SOA/VOA10dへの順方向バイアス及び逆方向バイアスによって変更することができる。
図3は、発光モジュール1が有する各部品の光学的配置を模式的に示すブロック図である。図3において実線は光信号を示しており、破線は電気信号を示している。図3に示されるように、発光モジュール1は、更に、波長可変LD10にバイアス信号を供給するバイアス供給部41と、モニタPD6b(第3光検知素子)から電気信号を受ける自動光出力制御部(Auto Power Control:APC)42と、モニタPD6c(第2光検知素子)から電気信号を受けるAPC43とを備えている。
バイアス供給部41は、指定された波長で波長可変LD10をレーザ発振させるために、指定された発振波長に応じた電流を波長可変LD10の電極18,29,31に供給する。APC42(第2制御素子)は、モニタPD6bから電気信号を受けモニタ光P21の強度を決定する。ここで、反射フィルタ5の反射率は波長依存性および偏光依存性を有していないので、APC42は、モニタ光P21の強度からTE偏光を有する光P2の強度を決定することができる。そして、APC42は、SOA10aの利得を制御して光増幅率を調整し、TE偏光を有する光P2の強度を所望の値に維持する。APC43(第1制御素子)は、SOA/VOA10dの光増幅率及び光減衰率を調整し、SOA/VOA10dが出力する光強度を所望の値に維持する。
SOA/VOA10d側の端面10Bから出力したTE偏光P3を有する光L2は、偏光光学系7に入射する。図4は、偏光光学系7の0.5段型光アイソレータ7Aを示す斜視図である。図5(a)及び図5(b)は、偏光光学系7に入射する光の光路を示す模式図である。0.5段型光アイソレータ7Aは、回転子7aと偏光子7bとを備えており、回転子7a及び偏光子7bは一体化されている。回転子7aは、入射したTE偏光P3を有する光L2の偏光面を45°回転する。偏光子7bは、TE偏光P3に対し45°回転した偏光成分のみを透過する。
ミラー7Bは、偏光子7bの出力側に配置される。ミラー7Bは、偏光子7bを透過した偏光P4を有する光受ける。偏光P4を有する光は、ミラー7Bにより分岐される。ミラー7Bの反射率は、例えば5%であるが、適宜変更可能である。ミラー7Bが反射した光L5の進行方向と、ミラー7Bを透過した光L4の進行方向は180°異なっている。
図5(a)に示されるように、ミラー7Bで反射された光は偏光子7bに再度入射する。ここで、ミラー7Bによる反射に伴う偏光面の回転は存在しないので、反射光P5の偏光面と入射光P4の偏光面は同一であり、偏光P5を有する反射光は、偏光子7bを透過する。偏光子7bを透過した光は回転子7aに再入射し、回転子7aはその偏光面を再度45°回転する。回転子7aによって偏光面が更に45°回転した光は、TE偏光P3を有する光の偏光面に対し90°回転した偏光面(TM偏光P7)を有する光として、波長可変LD10の端面10Bに再入射する。
次に、本実施形態に係る発光モジュール1の作用効果について説明する。波長可変LD10内でTM偏光成分は実質的に吸収されないので、端面10Bから入射したTM偏光成分P7を有する光が、端面10Aから出力され、モニタPD6aに至りこのモニタPD6aで反射されて端面10Aから再び入射した後、端面10Bから出力される可能性が残る。あるいは、端面10Bに入射する偏光P5を有する光が、端面10Bで反射され再び0.5段アイソレータ7Aに至る場合も想定される。TM偏光を有する光が偏光光学系7によりその偏光面が90°回転された後波長可変LD10に入射した場合には、波長可変LD10のコヒーレント性、ライン幅、等の特性を極度に劣化させてしまう。しかしながら、本発明に係る偏光光学系7では、この0.5段アイソレータに入射するTM偏光P8を有する光は、回転子7aによりその偏光面が45°回転される。ここで、偏光子7bは、TE偏光P3の偏光面に対し45°回転した偏光面を有する光しか透過しないため、TM偏光P8を有した光は偏光子7bによって遮断される。回転子7aを透過した透過した光の偏光面は、TE偏光P3の偏光面に対して135°(−45°)回転している。従って、TM偏光P8を有する光に基づく光が偏光光学系7によりその偏光方向がTE偏光に変化し、当該TE偏光が波長可変LD10に入射する事態を回避することができる。
偏光光学系7において、回転子7aと偏光子7bとは、一体化されているので、小型化された偏光光学系7とすることができる。また、発光モジュール1は、反射フィルタ5が反射したモニタ光P21を受けてモニタ光P21を電気信号に変換するモニタPD6bと、モニタPD6bから電気信号を受けてSOA10aの利得を制御するAPC42とを備える。更に、発光モジュール1は、偏光光学系7を透過した光P6を受けて光P6を電気信号に変換するモニタPD6cと、モニタPD6cからの電気信号に基づいて出力光L2の強度を制御するAPC43とを備える。従って、APC42は出力光L1の強度が所望の値となるようにSOA10aを制御し、APC43はSOA/VOA10dを制御してTE偏光P3を有する出力光L2の強度を所定の値に維持するので、波長可変LD10からの出力光L1、L2における周波数雑音を低減させることができる。
また、光モジュール1はミラー7Bに入出力する光を減衰する光減衰器を偏光光学系に備えてもよい。具体的には、波長可変LD10と0.5段型光アイソレータ7Aとの間、又は、0.5段型光アイソレータ7Aとミラー7Bとの間に光減衰器(Variable Optical Attenuator:VOA)を配置してもよい。これにより、端面10Bに入力するTM偏光P7を有する光の強度を減衰することができる。
以上、本発明に係る実施形態について説明したが、本発明は前述した実施形態に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において種々の変形及び変更が可能であることは、当業者によって容易に認識される。例えば、前述の実施形態では、回転子7aと偏光子7bとが一体化した0.5段型光アイソレータ7Aについて説明したが、回転子7a及び偏光子7bは一体化していなくてもよい。
1…発光モジュール、2…ハウジング、2a…前壁、2b…後壁、2c,2d…側壁、3a,3b…コリメートレンズ、5…反射フィルタ、6b,6d…モニタPD、6c…モニタPD(制御素子)、7…偏光光学系、7A…0.5段型光アイソレータ、7B…ミラー、7a…回転子、7b…偏光子、8…ハーフミラー、9…エタロンフィルタ、10…波長可変LD(半導体レーザ)、10A,10B…端面、12…基板、13…下クラッド層、14…光導波層、14a…活性層、14b…導波路層、15…上クラッド層、16…絶縁膜、17,28…ヒータ、18,29…電源電極、19,30…グランド電極、20,22…コンタクト層、21,23,31…電極、24…光導波層、25,26…活性層、27…SG、41…バイアス供給部、42…APC、43…APC(制御素子)、A1…利得領域、A2…変調領域、A3,A4,A5…セグメント、B1,B2…ベース、L1,L2…出力光、L3,L4,L5…光。
Claims (7)
- 半導体レーザと、前記半導体レーザから出力された出力光の偏波面を90°回転させて前記半導体レーザに戻す偏光光学系と、を備えた発光モジュールであって、
前記偏光光学系は、
前記出力光の偏波面を45°回転する回転子と、
前記回転子を透過した光を受ける偏光子と、
前記偏光子を透過した光を前記偏光子に向けて反射するミラーと、
を備える発光モジュール。 - 前記回転子と前記偏光子とは、一体化されている、
請求項1に記載の発光モジュール。 - 前記ミラーを透過した光を電気信号に変換する光検知素子と、
前記電気信号を受け、前記出力光の強度を制御する制御素子と、
を備える請求項1又は2に記載の発光モジュール。 - 前記半導体レーザと前記ミラーとの間に光を減衰する光減衰器を備える、
請求項1〜3のいずれか一項に記載の発光モジュール。 - 前記半導体レーザは、半導体光増幅領域を有する、
請求項1〜4のいずれか一項に記載の発光モジュール。 - 前記出力光は、前記半導体レーザの活性層に平行な偏波面を有する光と、前記活性層に垂直な偏波面を有する光と、を有し、
前記活性層に平行な偏波面を有する光の強度は、前記活性層に垂直な偏波面を有する光の強度よりも大きい、
請求項1〜5のいずれか一項に記載の発光モジュール。 - 前記ミラーを透過した光の波長を検知する波長検知ユニットを備える、
請求項1〜6のいずれか一項に記載の発光モジュール。
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