JP2651701B2 - Laser module with optical isolator - Google Patents

Laser module with optical isolator

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【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は半導体レーザへの反射戻り光を阻止するため
の光アイソレータを付与したレーザモジュールに関す
る。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a laser module provided with an optical isolator for blocking reflected light returning to a semiconductor laser.

[従来の技術] 光通信の発光源として半導体レーザおよび半導体レー
ザからの出射光を効率よく光ファイバへ連絡するための
光学レンズ系からなるレーザモジュールが使用されてい
る。これまでの技術的進展によりレーザモジュール自体
の結合効率はレンズの選定や、光ファイバの端部の改善
等により約3dB以下の方式も見い出されている。一方レ
ンズ,光コネクター、その他光回路系からの反射戻り光
が発光源に回帰し、半導体レーザの安定発振を妨害し、
レーザの変調信号の雑音が増加する問題がある。このた
め半導体レーザモジュール内に光アイソレータを実装す
ることが一般化し、各種の光アイソレータ付きレーザモ
ジュールが提案されている。従来の光アイソレータ付き
レーザモジュールは第2図の構成図に示すように、半導
体レーザ1,コリメータレンズ2と3,偏光素子4と5,ファ
ラデー回転子6、光ファイバ7から構成されるのが一般
的である。半導体レーザからの射出光は大部分のTEモー
ド光(電気ベクトルが半導体レーザの接合面に平行なも
の、つまり紙面に垂直なもの)とわずかなTMモード光
(磁気ベクトルが接合面に垂直なもの)からなってい
る。
2. Description of the Related Art A laser module including a semiconductor laser and an optical lens system for efficiently transmitting light emitted from the semiconductor laser to an optical fiber is used as a light emitting source of optical communication. As a result of technological progress so far, a method of lowering the coupling efficiency of the laser module itself to about 3 dB or less has been found due to the selection of the lens and the improvement of the end of the optical fiber. On the other hand, the reflected return light from the lens, optical connector, and other optical circuit system returns to the light source, disturbing the stable oscillation of the semiconductor laser,
There is a problem that the noise of the laser modulation signal increases. For this reason, it is common to mount an optical isolator in a semiconductor laser module, and various laser modules with an optical isolator have been proposed. A conventional laser module with an optical isolator generally comprises a semiconductor laser 1, collimator lenses 2 and 3, polarizing elements 4 and 5, a Faraday rotator 6, and an optical fiber 7, as shown in the configuration diagram of FIG. It is a target. The light emitted from the semiconductor laser is mostly TE mode light (the electric vector is parallel to the bonding surface of the semiconductor laser, that is, perpendicular to the paper surface) and slight TM mode light (the magnetic vector is perpendicular to the bonding surface.) ).

したがってコリメータレンズ間に光アイソレータを挿
入する際、半導体レーザ射出光のTEモード光を最大に結
合するように偏光子4を調整することが重要である。偏
光子4によって直線偏光化された光はファラデー回転子
6によってその偏光面が45゜回転し、45゜回転した直線
光を最大透過するように調整された検光子5,レンズ3を
通して光ファイバ7に結合される。一方、反射戻り光は
検光子5の偏光面と合致した成分のみ透過し、ファラデ
ー回転子6でさらに45゜回転するため、往復で90゜の偏
光面の回転となり偏光子4で遮断される。また偏光素子
4,5に複屈折性結晶のルチルを使用した偏光プリズムを
挿入する方式等もある。
Therefore, when inserting the optical isolator between the collimator lenses, it is important to adjust the polarizer 4 so that the TE mode light of the semiconductor laser emission light is maximally coupled. The light linearly polarized by the polarizer 4 has its polarization plane rotated by 45 ° by the Faraday rotator 6 and passes through the analyzer 5 and the lens 3 adjusted so as to transmit the linear light rotated by 45 ° at the maximum. Is combined with On the other hand, the reflected return light transmits only the component that matches the polarization plane of the analyzer 5 and is further rotated by 45 ° by the Faraday rotator 6. Also polarizing element
There is also a method of inserting a polarizing prism using birefringent crystal rutile in 4,5.

[発明が解決しようとする課題] 光アイソレータ付き半導体レーザモジュールに要求さ
れる因子は、小型,低損失,製作容易,低価格性等が重
要な問題となるが、偏光素子として一般的な偏光ビーム
スプリッタを使用した場合、光アイソレータ部分の微小
化が制限され、かつコリメータレンズ間が10mm以上必要
となるため、結合損失が大きくしかも形状が大型化する
欠点があった。またルチルを使用した偏光プリズム等で
は、ルチル自体が高価なため低価格化に問題がある。ま
た方解石を使用した各種プリズムは方解石の光学軸Oを
得るために、第3図に示すような斜線部分sを切り出さ
なければならないので歩留等を考慮すると、ルチル製偏
光プリズムと価格的に同等であり、しかも小型化には偏
光ビームスプリッタと同様に限界があった。
[Problems to be Solved by the Invention] Factors required for a semiconductor laser module with an optical isolator include important issues such as small size, low loss, easy manufacturing, and low cost. When a splitter is used, miniaturization of the optical isolator is limited, and the distance between the collimator lenses is required to be 10 mm or more. Therefore, there are disadvantages that the coupling loss is large and the shape is large. Further, in a polarizing prism or the like using rutile, there is a problem in lowering the price because rutile itself is expensive. In addition, in order to obtain the optical axis O of calcite, it is necessary to cut out a hatched portion s as shown in FIG. 3 for various prisms using calcite. In addition, there is a limit to miniaturization as in the case of the polarization beam splitter.

[課題を解決するための手段] 上記従来の問題点を解決するため、本発明は半導体レ
ーザ,一対のコリメータレンズ、光ファイバからなる光
学系において、一対のコリメータレンズ間に、偏光素子
として方解石の複屈折性を利用した平行単板を使用す
る。この場合方解石の劈開面を平行面とする平行単板に
すれば、歩留等の大幅改善とともに製造方法が容易とな
るため、低価格化も実現できかつ小型化に対しても有効
である。
Means for Solving the Problems In order to solve the above-mentioned conventional problems, the present invention relates to an optical system including a semiconductor laser, a pair of collimator lenses, and an optical fiber. A single parallel plate utilizing birefringence is used. In this case, a parallel veneer in which the cleavage planes of the calcite are parallel planes greatly improves the yield and the like and simplifies the manufacturing method, so that the cost can be reduced and the size reduction is effective.

[実施例] 第1図は本発明の平行単板複屈折結晶を使用したアイ
ソレーション作用の原理図である。偏光子4および検光
子5はいずれも方解石の劈開面を使用し、若干の光学研
磨を施した平行単板である。ファラデー回転子6はガー
ネット基板上に液相エピタキシャル成長させたBi置換型
ガーネット単結晶であり、1.3μmの波長の光に対して
その偏光面が45゜回転するように膜厚を研磨調整してあ
る。順方向光源から無偏光の光が偏光子4に入射する
と、常光線は直進し異常光線はdだけ分離し、ファラデ
ー回転子6へ入射する。ここでそれぞれ45゜偏光面が回
転し、偏光子4と光学軸が45゜回転した検光子5へ入射
して常光線はそのまま直進し、異常光線はさらに だけ常光線より分離され出射される(a)。次に逆方向
の反射戻り光のうち検光子の光軸と一致した光が回帰し
たとき、検光子5で常光線,異常光線に分離され、ファ
ラデー回転子6で45゜回転する。このとき検光子の常光
線は偏光子の光学軸に対しては90゜回転しているため異
常光線となり、検光子透過時の異常光線は常光線とな
る。結果として偏光子4を通過後は初期の光軸とdだけ
分離されることになる(b)。一方、レンズと光ファイ
バとの軸ずれによる結合損失は、第4図の実施例(電子
情報通信学会論文C−84,54−350)に示されるように、
±80μm以上の軸ずれが生じると−40dBの損失となるこ
とが確認されている。この性質を光アイレータに応用す
るとき、±100μm以上光軸を変位させることにより、
半導体レーザへの戻り光の回帰を阻止することができ
る。
Embodiment FIG. 1 is a principle diagram of an isolation operation using a parallel single-plate birefringent crystal of the present invention. Each of the polarizer 4 and the analyzer 5 is a parallel single plate using a calcite cleavage plane and slightly optically polished. The Faraday rotator 6 is a Bi-substituted garnet single crystal that is liquid phase epitaxially grown on a garnet substrate, and its thickness is polished and adjusted so that its polarization plane rotates 45 ° with respect to light having a wavelength of 1.3 μm. . When unpolarized light enters the polarizer 4 from the forward light source, the ordinary ray goes straight, the extraordinary ray is separated by d, and enters the Faraday rotator 6. Here, the plane of polarization is rotated by 45 °, the polarizer 4 and the analyzer 5 whose optical axis is rotated by 45 ° are incident on the analyzer 5, and the ordinary ray goes straight as it is; (A). Next, when the light that is coincident with the optical axis of the analyzer returns in the reflected light returning in the opposite direction, it is separated into an ordinary ray and an extraordinary ray by the analyzer 5 and rotated by 45 ° by the Faraday rotator 6. At this time, the ordinary ray of the analyzer becomes an extraordinary ray because it is rotated by 90 ° with respect to the optical axis of the polarizer, and the extraordinary ray when passing through the analyzer becomes the ordinary ray. As a result, after passing through the polarizer 4, the light is separated from the initial optical axis by d (b). On the other hand, the coupling loss due to the axial displacement between the lens and the optical fiber is, as shown in the embodiment of FIG.
It has been confirmed that a loss of −40 dB occurs when an axis deviation of ± 80 μm or more occurs. When applying this property to an optical illuminator, by displacing the optical axis by ± 100 μm or more,
Return light returning to the semiconductor laser can be prevented.

方解石の劈開面をそのまま複屈折用単板に使用したと
きの光軸からの変位量dは次の式から計算される。
The displacement d from the optical axis when the cleavage plane of calcite is used as it is for a single plate for birefringence is calculated from the following equation.

ただしlは平行単板の厚み、θは光軸と劈開面とのな
す角度(〜44.6゜)noは常光線の屈折率(=1.658)、N
eは異常光線の屈折率(=1.486)である。仮にdを100
μm変位させるとき、上式よりl=0.916mmとなる。前
記結合損失の実験例では光ファイバはグレーテッドイン
デクス型(GI型)であり、シングルモードファイバなら
ば100μmの変位があれば、ほとんど結合しないので高
いアイソレーションとなる。そこで方解石の平行単板の
厚みを1mmとすれば、変位量dは上式よりd=109μmと
なり、十分なアイソレーションが期待できる。またファ
ラデー回転子の厚みは1.3μmの波長では、基板も含め
て約0.8mmであるから、光アイソレータ部分の全体長は3
mm弱で構成することができる。したがって第1図の半導
体レーザ側コリメータレンズ2を約1mm径の球レンズを
使用し、ファイバ側コリメータレンズ3はGRINレンズを
使用したときレンズ間は3〜4mmの間隔で良くなり、結
合効率も改善することができる。
Where l is the thickness of the parallel single plate, θ is the angle between the optical axis and the cleavage plane (up to 44.6 °), no is the refractive index of ordinary light (= 1.658), N
e is the refractive index of the extraordinary ray (= 1.486). Suppose d is 100
When displaced by μm, 1 = 0.916 mm from the above equation. In the experimental example of the coupling loss, the optical fiber is a graded index type (GI type), and if a single mode fiber has a displacement of 100 μm, there is almost no coupling, so that high isolation is obtained. Therefore, if the thickness of the calcite parallel veneer is 1 mm, the displacement d is 109 μm from the above equation, and sufficient isolation can be expected. At a wavelength of 1.3 μm, the thickness of the Faraday rotator is about 0.8 mm including the substrate, so the total length of the optical isolator is 3 mm.
It can be constructed in less than mm. Therefore, when the semiconductor laser-side collimator lens 2 of FIG. 1 uses a spherical lens having a diameter of about 1 mm and the fiber-side collimator lens 3 uses a GRIN lens, the distance between the lenses is 3 to 4 mm, and the coupling efficiency is improved. can do.

[発明の効果] 以上説明したように本発明に開示したモジュール用光
アイソレータの偏光素子として、方解石の劈開面をその
まま使用する平行単板で形成したとき、原料の方解石を
無駄なく利用できるため、ルチル等の複屈折結晶を使用
したときよりも低価格となり、モジュール全体の小型化
とともに高いアイソレーションが実現できた。
[Effects of the Invention] As described above, when the polarizing element of the optical isolator for a module disclosed in the present invention is formed of a single parallel plate using the cleavage plane of calcite as it is, the raw material calcite can be used without waste. The price was lower than when a birefringent crystal such as rutile was used, and the module was downsized and high isolation was realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本発明の実施例のアイソレーション作用の原理
図。 (a):順方向光、(b):逆方向光 第2図は光アイソレータ付きレーザモジュールの構成
図。 第3図は方解石の光学軸Oとその切り出し部分sを示す
概略図。 第4図は光ファイバとレンズの軸ずれに対する結合効率
の関係図。 1:半導体レーザ、2,3:コリメータレンズ 4,5:偏光素子、6:ファラデー回転子 7:光ファイバ
FIG. 1 is a principle diagram of an isolation operation according to an embodiment of the present invention. (A): forward light, (b): backward light FIG. 2 is a configuration diagram of a laser module with an optical isolator. FIG. 3 is a schematic diagram showing an optical axis O of calcite and a cut-out portion s thereof. FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the coupling efficiency and the axis deviation between the optical fiber and the lens. 1: Semiconductor laser, 2, 3: Collimator lens 4, 5: Polarizing element, 6: Faraday rotator 7: Optical fiber

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】半導体レーザ,一対のコリメータレンズ、
光ファイバからなる光学系であって、一対のコリメータ
レンズ間に、互いの光軸が45゜回転した方解石で形成さ
れた一対の偏光素子,該偏光素子間に偏光面を45゜回転
させるファラデー回転子,当該ファラデー回転子の磁気
飽和用永久磁石で構成された光アイソレータにおいて、
前記方解石の劈開面を平行面とする平行単板を使用する
ことを特徴とした光アイソレータ付きレーザモジュー
ル。
A semiconductor laser, a pair of collimator lenses,
An optical system comprising an optical fiber, a pair of polarizing elements formed of calcite whose optical axes are rotated by 45 ° between a pair of collimator lenses, and a Faraday rotation for rotating a polarization plane by 45 ° between the polarizing elements. , An optical isolator composed of permanent magnets for magnetic saturation of the Faraday rotator,
A laser module with an optical isolator, wherein a parallel single plate having a parallel cleavage plane of the calcite is used.
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