JP3257382B2 - 半導体レ−ザモジュ−ル - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、光加入者系に幅
広く用いることのできる低コストで高性能の半導体レ−
ザモジュールに関する。

【０００２】半導体レ−ザは、音声や、映像、各種のデ
ータ信号を光信号として伝送するための光源となるもの
である。ここでは、光ファイバと一体化されたり、或い
は光コネクタと容易に結合できるように、レセプタクル
などに一体化されたものを半導体レ−ザモジュールと呼
ぶ。本発明は半導体レ−ザと、光ファイバ、光導波路な
ど光学素子を結合したモジュールの改良に関する。光フ
ァイバと半導体レ−ザのモジュールは、光ファイバを用
いた音声、映像、コンピュータのデータなどの通信用光
源、計測用光源などとして用いられる。半導体レ−ザモ
ジュールは、光通信の光源としても利用できるが光通信
システムそのものがなお未成熟である。

【０００３】

【従来の技術】図１によって従来例に係る半導体レ−ザ
モジュールの構造を説明する。半導体レ−ザチップ１
は、金属製（例えば鉄、コバール、銅タングステン）の
ヘッダ２に半田材（例えば金錫ＡｕＳｎや金ゲルマＡｕ
Ｇｅ半田）を用いて固定される。さらに金ワイヤなどに
よって、リードピンの頂部とレ−ザの電極が接続（図で
は省略されている）される。リードピン４、５…は外部
の駆動回路などに接続されていて、駆動回路からレ−ザ
に励起電流を流す事ができるようになっている。半導体
レ−ザは駆動電流に応じた光を出す。

【０００４】半導体レ−ザの光は温度変化に敏感であ
る。温度が上がると効率が低下し、下がると効率が高揚
する。そこで温度変化依存性を排除するために、常に半
導体レ−ザの平均的な発光出力を検知し、安定化させる
事が必要である。そこで半導体レ−ザ１の背後にモニタ
用のフォトダイオード６を設置する。半導体レ−ザチッ
プ１は背後Ｒにも光を出すようにできるから、その光の
強度をモニタフォトダイオード６によって監視する。モ
ニタフォトダイオードの光電流を、レ−ザの駆動回路に
フィードバックしレ−ザ光量を安定化させる。こうして
温度変化によらず、平均出力が一定になるようにする。

【０００５】レ−ザの前面Ｆより出射した光は、レンズ
７によって集光され、効率よく光ファイバ８に入射す
る。レンズとしては、球レンズ、非球面レンズ、セルフ
ォックレンズなどが用いられる。レンズ７はホルダ−１
１によって支持される。光ファイバに入った光は、信号
光として光ファイバの中を伝搬してゆく。伝搬した光信
号は、受信側のフォトダイオードによって、電気信号に
変換され、もとの音声や、映像に戻される。

【０００６】半導体レ−ザは導波路の両側にあるミラー
が共振器を形成し、ミラーによって多重反射された光が
同じ位相を持つような波長の光を発生する。一旦外部に
出た光の一部がレ−ザに戻ると、これとレ−ザ内部の光
が干渉する。戻り光によってレ−ザの励起状態が影響を
受けると発振状態が不安定になる。戻り光に弱いという
のがレ−ザの弱点である。そこで従来は、光ファイバの
端面１０を斜めに研磨している。斜め研磨端面１０で反
射された光はレ−ザには戻らない。戻り光の問題は光フ
ァイバを斜めに研磨することによって解決される。しか
し光ファイバが必ず斜め研磨できるとは限らない。図１
は光ファイバとレ−ザを組み合わせたモジュールの理念
形である。実際には様々のバリエーションがある。目的
によっては斜め研磨できないもの、斜め研磨がふさわし
くないものがある。

【０００７】半導体レ−ザモジュールには大きく分けて
２種類のものがある。一つは光ファイバを固定したピグ
テイルタイプである。今一つは、光ファイバを着脱でき
るレセプタクルタイプである。それぞれについて説明す
る。

【０００８】［１．ピグテイルタイプ半導体レ−ザモジ
ュール］図２によってピグテイルタイプのモジュールの
例を述べる。レンズホルダ−１１の前方にさらにフェル
ールホルダ−１２が設けられる。フェルールホルダ−１
２は光ファイバの端部を保持するフェルール９を固定す
るものである。フェルールホルダ−１２の端部１３は、
レンズホルダ−１１またはヘッダ２に固定される。光フ
ァイバ８は固定されている。ヘッダ２に対して光ファイ
バ８を着脱できない。光ファイバの端面１０は斜めに研
磨されている。傾斜角は４゜〜８゜である。斜面になっ
ているために反射光がレ−ザチップ１に戻らない。これ
は先述の通りである。光ファイバの端面が半導体レ−ザ
に対して完全に固定されているから、斜め研磨端面を利
用する事ができる。戻り光の問題は解決されている。

【０００９】ピグテイルタイプのレ−ザモジュールは、
機器に組み込む場合や、他の部品と前もって光ファイバ
によって結合される場合には便利である。光ファイバの
他端は、融着によって、他の機器や、他の部品の光ファ
イバと結合される。このタイプの難点は、光ファイバが
固定され着脱できないということである。光加入者系
や、計測器などに用いる場合は、通常の電気配線と同じ
ように、コンセント式に自由に抜き差しできる事が強く
望まれる。ピグテイルタイプのモジュールはこのような
要望に応える事ができない。

【００１０】［２．レセプタクルタイプ半導体レ−ザモ
ジュール］通常の電気系統と同じように、光ファイバを
着脱自在にしたものがレセプタクルタイプである。図３
にレセプタクルタイプの半導体レ−ザモジュールの理念
型を示す。実際にこのようなものが使われている訳では
ない。レ−ザ、光ファイバなど基本構成要素は図１のも
のと共通する。レンズホルダ−１１の前方がレセプタク
ル１４になっている。これに対して着脱自在のコネクタ
１５が設けられ、コネクタ１５の中心の穴１６にフェル
ール９が固定されている。フェルール９の先端がコネク
タ１５の端面より突き出ている。

【００１１】レセプタクル１４の通し穴１８に、光ファ
イバ８を含むフェルール９の先端が抜き差しできるよう
になっている。フェルール９を通し穴１８に差し込ん
で、コネクタ１５の雌ネジとレセプタクル１４の雄ねじ
１７を螺合させて、コネクタ１５とレセプタクル１４を
一体化する。このモジュールは光ファイバを着脱できる
単純な構成になっている。

【００１２】光ファイバ８の端面１９は軸方向に対して
直角である。斜め研磨されていない。平坦な端面１９で
あるために反射光２０が半導体レ−ザ１に戻る。先ほど
から述べている戻り光の問題が生ずる。

【００１３】レセプタクルタイプの場合、光ファイバ端
面を斜め研磨する事ができない。どうして斜めにできな
いのか？もしも端面が斜めに研磨してあると、たとえ規
格によって寸法を厳密に決めたとしても、光ファイバの
レセプタクルに対する嵌合方向、位置が着脱する度に異
なる。レ−ザの発光強度は軸線に対して回転対称ではな
い。チップの面に対して平行な方向にはビームは余り広
がらない。チップ面に対して直角の方向にビームは大き
く広がっている。

【００１４】レ−ザビームが軸線に対して回転対称でな
いので、光ファイバがレセプタクルの通し穴１８で回転
すると光ファイバに入射する光の強度が大きく変動す
る。さらにネジの嵌合の度合いによって、光ファイバ端
の軸方向の位置も異なる。それによっても光ファイバに
入射するレ−ザ光の強度が変動する。このように、光フ
ァイバの端面が斜めに研磨されていると着脱の度に光フ
ァイバとレ−ザの結合効率が変化してしまう。これでは
正確な光信号の送受信を行う事ができない。

【００１５】このような難点があるので、光ファイバを
着脱するレセプタクルタイプのモジュールは光ファイバ
の端面を平坦にしなけらばならない。平坦にすれば光フ
ァイバ端部が回転しても入射光の強度は一定にする事が
できる。しかしそうすると反射光がレ−ザに戻るという
問題が再び浮上する。戻り光が深刻な問題になるために
図３のような単純なレセプタクル型のモジュールは実際
には未だ利用されていない。

【００１６】戻り光によってレ−ザ動作が不安定になる
という事は良く知られている。どのように不安定になる
のか？これを説明する。図４は反射戻り光の影響を示す
グラフである。

【００１７】これは端面が平坦な光ファイバを対向させ
半導体レ−ザの光を入射させ、半導体レ−ザの励起電流
Ｉ_drv を上げていった時の光ファイバの他端で測った光
電流Ｐｆ（ｍＷ）と、光電流の駆動電流による微分ｄＰ
ｆ／ｄＩ_drv （Ｗ／Ａ）（つまり微分量子効率）を示
す。横軸は駆動電流Ｉ_drv （ｍＡ）である。下方にはＰ
ｆを、上方には微分量子効率を示す。

【００１８】２０ｍＡからレ−ザ発振が始まり、５０ｍ
Ａで０．５ｍＷの発振出力が得られる。１００ｍＡで約
１．２ｍＷの光出力となる。しかし電流に対する光出力
の関係は一様でない。電流が増えても光が増えない部分
もある。電流変化に対して光が大きく増える場合もあ
る。

【００１９】そのような状況は微分量子効率を見る事に
よって一層はっきりする。はじめ微分量子効率は０．０
１５Ｗ／Ａである。駆動電流が４０ｍＡを越えるころか
ら微分量子効率が周期性の変動を始める。駆動電流が増
大するにつれて、変動の周期は短くなり変動の振幅は大
きくなってゆく。７５ｍＡ、８０ｍＡ、８５ｍＡ、９１
ｍＡ、９６ｍＡにおいて微分量子効率が０或いは負にな
っている。

【００２０】反対に、６４ｍＡ、７１ｍＡ、７６ｍＡ、
８２ｍＡ、８８ｍＡ、９４ｍＡ、９９ｍＡにおいて微分
量子効率が０．０３０Ｗ／Ａになっている。平均の微分
量子効率が０．０１５Ｗ／Ａであるから、±１００％の
変動である。

【００２１】このような効率の変動は温度変化によって
もたらされる。半導体レ−ザを駆動すると高い電流密度
の電流が流れるから熱が発生する。熱によって半導体レ
−ザの活性層の屈折率が増大する。そのため共振器の光
学長が増大する。共振器の光学長が変動すると、レ−ザ
光の波長が変わる。光ファイバ端によって反射された光
がレ−ザに戻るが、これが内部の光と位相が一致すると
相互に強めあう。位相が異なると内部の光を弱めること
になる。

【００２２】温度変動によって波長が変化するから、光
ファイバ端面からの反射光と内部共振器での反射光の間
の位相の差Δθが変化する。位相差の変動によって光出
力が変わるので、このようにＰｆが波を打つようになる
のである。つまり図３のように単純なレセプタクルタイ
プのモジュールは戻り光のために実際には役に立たない
という事である。そこでレセプタクルタイプのモジュー
ルは殆ど例外なく、次に述べるダミー光ファイバ方式を
用いていた。

【００２３】［３．ダミーファイバを用いるレセプタク
ル型半導体レ−ザモジュール］図５にダミー光ファイバ
を用いたレセプタクルタイプのモジュールを示す。レセ
プタクル１４の前方の穴に短いダミーファイバ２３が固
定されている。ダミーファイバ２３のレ−ザ側の面２４
は斜めに研磨されている。反対側の面２５は平坦面とな
っている。

【００２４】コネクタ１５にはやや丸みを帯びた端面２
６を持つ光ファイバ２１、フェルール２２が挿入固定さ
れている。コネクタ１５はレセプタクル１４に対して着
脱自在である。コネクタ１５をレセプタクル１４に嵌着
すると、光ファイバ端面２６が、ダミーファイバ２３の
後端面２５に密着する。屈折率が同一の材料であるから
ここでの反射は殆どない。

【００２５】ダミーファイバの先端が斜め切断面２４に
なっているから、端面での反射光２７はレ−ザには戻ら
ない。これはダミーファイバによって戻り光の困難を解
決している。

【００２６】

【発明が解決しようとする課題】現在利用されているレ
セプタクルタイプの半導体レ−ザモジュールは例外なく
ダミーファイバ方式を用いている。これはしかしながら
次の難点がある。余分なダミーファイバを使うのでダミ
ーファイバや、これの固定部品が必要となる。さらに組
立工数も増える。部品の加工費も増大する。為にコスト
高となる。

【００２７】光加入者系の光通信は、局から各家庭それ
ぞれに光ファイバを敷設し、各家庭に送受信モジュール
を設置する事によって成り立つ。家庭に一つづつ必要な
ものであるから安価なものでなければならない。高額の
装置はとうていあまねく普及しない。ダミーファイバを
備えたモジュールはそれだけ高額の装置になる。光加入
者系システムの普及のためには、できるだけ装置を低コ
ストのものにしなければならない。可能である限り１０
円でも１円でもコストを削減する必要がある。

【００２８】このような理由でダミーファイバのないレ
セプタクルタイプの半導体レ−ザモジュールの供給が、
光加入者系を現実のものにするためには必須の条件とな
る。要するに、平坦な端面を持つ光ファイバを半導体レ
−ザに対向させて反射光がレ−ザに戻る条件において
も、半導体レ−ザが安定な動作を維持できるようにすれ
ばよい。つまり戻り光のあるレ−ザにおいて温度変動が
あっても、光出力が殆ど変わらないということが目標に
なる。これは難しい問題であって、どうして戻り光が半
導体レ−ザの動作不安定性を引き起こすのか？という問
題を直視する必要がある。従来は端面斜め切断によっ
て、或いは光アイソレータを挿入することによってその
問題を回避していたのである。

【００２９】特公平７−８７２５６号は半導体レ−ザと
光ファイバの結合に於いて、周囲温度が変動したとき光
ファイバからの光出力が３ｄＢ程度も変動するというこ
とを問題にしている。そして半導体レ−ザの共振器長Ｌ
１と、半導体レ−ザ端面と光ファイバ端面の光学距離Ｌ
ｅの関係を適当に定める事によって戻り光の問題を解決
したという。これは、半導体レ−ザ端面と光ファイバ間
光学距離Ｌｅを半導体レ−ザの光学的共振器長Ｌ１の整
数倍にするからそのような動作不安定性が起こるのであ
って、半整数倍にすればそのような問題から免れる事が
できると主張している。つまり、

【００３０】 Ｌｅ＝ＮＬ１ （Ｎは整数） （１） が最悪の条件であり、 Ｌｅ＝（Ｎ＋０．５）Ｌ１ （Ｎは整数） （２）

【００３１】が最良の条件であるとしている。光学距離
というのは屈折率を経路にそって積分したものである。
屈折率が１の空間では、通常の距離に等しい。屈折率の
異なる物質がある場合は、屈折率と厚みの積をたし合わ
せたものが光学的距離である。以下簡単に「距離」と言
うこともある。

【００３２】もしも（１）式のようにレ−ザ端面光ファ
イバ端面間距離Ｌｅが、内部共振器の整数倍であると、
光ファイバから反射された光と、共振器で反射された光
の位相が揃うから、互いに強めあう関係にある。光ファ
イバの端面とレ−ザの端面からなる平行面をここでは外
部共振器と呼んで、内部共振器と並行に論ずる事にしよ
う。つまり外部共振器の長さＬｅが、内部共振器長Ｌ１
の整数倍であると、両方の共振器が協力して誘導放出を
強めるように働く。

【００３３】しかし温度変化によって、僅かにこの関係
からずれた場合、外部共振器によって反射された光が、
レ−ザ内部に戻ると内部光と位相が合わないので、内部
励起を弱めるように作用する。ところが（２）のよう
に、外部共振器長Ｌｅを内部共振器長Ｌ１の半整数倍と
すると、外部共振器で反射されたものが内部光の励起を
抑制するようになっているから、これから多少条件がず
れても励起光の強度にさほど影響しないというのであ
る。

【００３４】半導体レ−ザの共振器長Ｌ１が１ｍｍ（屈
折率×長さ）のとき、（２）式で決まる点の±０．２ｍ
ｍの範囲に光ファイバ端を設定すべきであると述べてい
る。つまりＮＬ１と（Ｎ＋１）Ｌ１の中間点（Ｎ＋０．
５）Ｌ１の前後２０％の範囲ならば戻り光の影響が最小
になり、出力変動が０．３ｄＢ以下になるというのであ
る。つまり 特公平７−８７２５６のよしとする範囲
は、

【００３５】 （Ｎ＋０．３）Ｌ１≦Ｌｅ≦（Ｎ＋０．７）Ｌ１ （３）

【００３６】であることになる。これに反して、Ｌｅが
Ｌ１の整数倍であると出力変動が３ｄＢにも達するとい
う。このような結論は、しかしながら実験に基づいてい
たものではなく、全て計算による推論である。推論が正
しいとする裏付けになるような実験結果を示していな
い。

【００３７】本発明はダミーファイバを用いることな
く、平行端面を有する光ファイバを着脱自在としたモジ
ュールを提供する事を目的とする。つまり光ファイバの
端面からの反射光がレ−ザに戻ってもそれが半導体レ−
ザの動作不安定性を引き起こさないようにした光送受信
モジュールを提供する事が本発明の目的である。その点
で前記の特公平７−８７２５６号と共通する。しかし解
決の手段は相違する。

【００３８】

【課題を解決するための手段】本発明は、半導体レ−ザ
端面と反射体との距離として定義される外部共振器長Ｌ
ａが、半導体レ−ザの光路の実効的な長さ（屈折率×長
さ）Ｌｃの整数倍から整数倍＋（１／６）の範囲、ある
いは整数倍＋（５／６）から次の整数倍迄とする。つま
りＮを整数とし、

【００３９】 ＮＬｃ＜Ｌａ≦｛Ｎ＋（１／６）｝Ｌｃ （４） 或いは、 ｛Ｎ＋（５／６）｝Ｌｃ≦Ｌａ＜（Ｎ＋１）Ｌｃ （５）

【００４０】とするのである。このようにすることによ
って、戻り光があっても半導体レ−ザの動作が不安定に
ならないようにする事ができる。ダミーファイバなどの
部品を追加することなく、平坦面を持つ光ファイバが着
脱可能な光送受信モジュールを提供することができる。

【００４１】この式の意味の概略を説明する。半導体レ
−ザ端面から反射体までの距離、つまり外部共振器長Ｌ
ａは、先述のＬｅと同じものである。これを図３によっ
て定義する。外部共振器長Ｌａは、レ−ザ端からレンズ
の背面までの距離Ｌ₁ と、レンズ背面から中心までの距
離Ｌ₂ と、レンズ中心からレンズ前面迄の距離Ｌ₃ と、
レンズの前面から光ファイバ端部までの距離Ｌ₄ の和で
ある。

【００４２】 Ｌａ＝Ｌ₁ ＋Ｌ₂ ＋Ｌ₃ ＋Ｌ₄ （６）

【００４３】Ｌ₁ とＬ₄ は空気中であるから空間的な長
さそのものである。Ｌ₂ ＋Ｌ₃ はレンズの屈折率とレン
ズの厚みの積である。

【００４４】（１／６）の６は、半導体レ−ザの発振の
モードの数からきている。通常用いられる半導体レ−ザ
は多モードである。複数の縦モードを持っている光源で
ある。つまり厳密に単色ではない。レ−ザ媒質が電流注
入によって発生し得る光の波長帯Ｗは有限の広がりを持
つ。かなり広い波長体の光を自然放出することができ
る。しかし内部共振器の長さＬｃの２倍、２Ｌｃが光の
波長の整数倍であるという条件から、誘導放出される光
の波長は限定される。発光波長体Ｗの中にいくつかの誘
導放出可能な波長が含まれる。これらの波長を縦モード
という。しかし誘導放出可能な波長の数はそれほど多く
ない。

【００４５】図６は多モード半導体レ−ザの発光波長、
強度特性の一例を示すグラフである。これは１．３μｍ
帯の半導体レ−ザである。横軸はレ−ザ光の波長、縦軸
はレ−ザ光の強度である。ピーク強度を与えるものがモ
ードである。縦モードは数多くある。ここではλ_m を中
心にしてモードにλ_m-4 〜λ_m+4 の符号を振っている。
ピークの内でも最大の強度を与えるのは、λ_m+1 である
が、これから−１０ｄＢで線を引くと、−１０ｄＢ迄に
含まれる縦モードはλ_m-3 〜λ_m+2 である。縦モードは
無数にあるが、その内強度の大きいものはせいぜい６〜
７モードしかない。その他の波長の光は弱くて殆ど考慮
する必要がない。

【００４６】すると７本の縦モードだけ、つまり波長の
異なる７つの光だけを対象にすればよいことになる。内
部共振器長Ｌｃは、全ての誘導放出波長の公倍数であ
る。波長は整数でないが、これらの整数倍のものを倍数
といい、ある数が二つ以上の数の倍数である場合公倍数
ということにする。今問題にしている有力な７つの波長
についてもＬｃは公倍数である。するとＮＬｃは、７つ
の波長の公倍数である。（Ｎ＋１）Ｌｃも７つの波長の
公倍数である。ＮＬｃ〜（Ｎ＋１）Ｌｃにはそれ以外に
７つの波長の公倍数は存在しない。

【００４７】もしもＬａをＮＬｃや（Ｎ＋１）Ｌｃにす
ると７つの波長の光全てが内外共振器の作用によって強
め合う。これを全面共振と呼ぼう。温度変動があり少し
条件が外れると、７つの波長全てが共振しなくなり（非
共振）光量の減少が著しい。つまり全面共振から非共振
へ変化する。これが戻り光による不安定性の本質であ
る。

【００４８】しかしＮＬｃ〜（Ｎ＋１）Ｌｃの範囲に、
７つの波長の倍数に当たる長さは数多く含まれる。７つ
の波長のいくつかの組についての公倍数もその範囲にい
くつか含まれる。外部共振器長Ｌａを何れかの波長の倍
数或いは、いくつかの組の公倍数に等しくすると、それ
らの波長の光は戻り光によっては強められる。これを部
分的共振と呼ぼう。一つの波長の倍数である場合を１重
共振、公倍数である場合は多重共振が起きる。両方含め
て部分共振と呼ぼう。全ての波長が共振する場合が全面
共振である。

【００４９】初め部分共振条件に設定すると、温度変動
によってＬａがその条件から外れる。ために光強度が減
少する。つまり部分的共振と非共振の間を変化するから
光量不安定になる。ＮＬｃから（１／６）Ｌｃの間に
は、一つの波長について倍数が存在する。つまり１重共
振が一つだけ存在する。長さＬｃの区間を６つに分割し
た場合、部分共振点の分布が最も少ない区間である。そ
こで本発明はこの部分をＬａの距離として好ましいもの
として選択する。

【００５０】同じ事は、（Ｎ＋１）Ｌｃの前（１／６）
Ｌｃの範囲｛（Ｎ＋（５／６））Ｌｃ〜（Ｎ＋１）Ｌ
ｃ｝についても言える。この範囲では一つの波長の倍数
が一つ存在するだけである。１重部分共振が起こるだけ
である。部分共振点の密度が低い。本発明はそこでこの
部分をもＬａの距離として選択する。

【００５１】そこで本発明は、これら１回部分共振の範
囲（ＮＬｃ〜ＮＬｃ＋（１／６）Ｌｃ、（Ｎ＋（５／
６））Ｌｃ〜（Ｎ＋１）Ｌｃ）に外部共振器長Ｌａを設
定するのである。これは長さＬｃの区間の１／３の部分
区間を選択するということである。

【００５２】さらに進んで、ＮＬｃから（１／７）Ｌｃ
の間には、どの波長についても倍数が存在しない。つま
り部分共振点が一つもない。長さＬｃの区間を７つに分
割した場合、部分共振点の分布がもっとも少ない区間で
ある。そこで本発明はこの部分をＬａの距離としてさら
に好ましいものとして選択する。

【００５３】同じ事は、（Ｎ＋１）Ｌｃの前（１／７）
Ｌｃの範囲｛（Ｎ＋（６／７））Ｌｃ〜（Ｎ＋１）Ｌ
ｃ｝についても言える。この範囲でも部分共振点がな
い。本発明はそこでこの部分をさらに好ましいＬａの距
離として選択する。そこで本発明は、より優れた範囲と
してこれら完全非共振の範囲（ＮＬｃ〜ＮＬｃ＋（１／
７）Ｌｃ、（Ｎ＋（６／７））Ｌｃ〜（Ｎ＋１）Ｌｃ）
に外部共振器長Ｌａを設定するのである。この条件は次
のように表現する事ができる。

【００５４】 ＮＬｃ＜Ｌａ≦｛Ｎ＋（１／７）｝Ｌｃ （７） ｛Ｎ＋（６／７）｝Ｌｃ≦Ｌａ＜（Ｎ＋１）Ｌｃ （８）

【００５５】ＬａはＬｃの整数倍ＮＬｃ、（Ｎ＋１）Ｌ
ｃであってはならないから、これらとの関係を示す不等
号は等号を含まない。ＬａがＮＬｃにいくら近くても良
いがＮＬｃであってはいけない。部品の製造誤差、組立
誤差が十分に小さければＬａとＮＬｃの差は、無限小で
あって良い。

【００５６】しかしながら、実際には部品には寸法誤差
があるし、組立の公差も考慮して設計しなければならな
い。現在の技術によれば、これらの光学部品を組み合わ
せた場合、全体の誤差を±２０μｍに抑える事が可能で
である。将来的には全体の寸法公差をさらに減らすこと
ができるであろう。もしも寸法公差を±２０μｍとする
と、設計の際、ＮＬｃや（Ｎ＋１）Ｌｃから、２０μｍ
以上離さなければならない。すると前述の式は、

【００５７】 ＮＬｃ＋２０μｍ≦Ｌａ≦｛Ｎ＋（１／６）｝Ｌｃ （９） 或いは、 ｛Ｎ＋（５／６）｝Ｌｃ≦Ｌａ≦（Ｎ＋１）Ｌｃ−２０μｍ （１０）

【００５８】と書ける。２０μｍの寸法公差を含めてい
るから、不等号が、等号入りの不等号になる。さらによ
り望ましい範囲は、（８）、（９）に対応して、

【００５９】 ＮＬｃ＋２０μｍ≦Ｌａ≦｛Ｎ＋（１／７）｝Ｌｃ （１１） ｛Ｎ＋（６／７）｝Ｌｃ≦Ｌａ≦（Ｎ＋１）Ｌｃ−２０μｍ （１２） と表現できる。

【００６０】例えばレ−ザのキャビティ長を３００μ
ｍ、屈折率を３．７３とすると、光学的共振器長は１１
１９μｍとなる。これの１／６は１８６．５μｍであ
る。これが好ましい範囲である。これから２０μｍを除
いても、１６０μｍの良好な範囲が残る。十分に設計、
製作可能な幅をもつ。

【００６１】Ｌｃが８４００μｍより短いと、（９）、
（１０）によって決まる範囲の方が（７）、（８）の範
囲よりも狭いことになる。従ってＬｃ≦８４００μｍで
あれば（９）、（１０）の範囲では部分共振点が一つも
ないことになる。

【００６２】

【発明の実施の形態】本発明の思想に基づく戻り光の影
響の低減方法についてさらに具体的に説明する。レ−ザ
チップの長さをＬ₀ とし、発光波長に対する等価屈折率
をｎ₀ とする。チップの共振器長Ｌｃは、Ｌｃ＝ｎ₀ Ｌ
₀ である。ＩｎＧａＡｓＰ系の１．３μｍ光レ−ザを例
に取ると、Ｌ₀ ＝３００μｍ、ｎ₀ ＝３．７３である。
内部共振器長は、Ｌｃ＝１．１１９ｍｍとなる。

【００６３】外部共振器長Ｌａは図３の配置では、Ｌａ
＝Ｌ₁ ＋ｎ₁ Ｄ＋Ｌ₄ によって計算される。ｎ₁ はレン
ズの屈折率である。Ｌａ／Ｌｃの倍率Ｎを様々に変え
て、レ−ザ発振のパワーと、微分量子効率を測定した。

【００６４】［（ａ）ＬａがＬｃの整数倍の場合（図
７）］ＬａをＬｃの５倍とした。Ｌａ＝５Ｌｃ＝５．５
９５ｍｍ。このモジュールに於いて、半導体レ−ザの励
起電流を０ｍＡから１００ｍＡまで変化させて、半導体
レ−ザを発光させ、その強度を調べた。図７にその結果
を示す。２０ｍＡから発光を始める。それ以後１００ｍ
Ａまで駆動電流にほぼ比例して光出力Ｐｆ（ｍＷ）が増
大する。発光強度の増大と共にチップの温度が上昇す
る。それと共に内部共振器長が少しづつ増大する。光出
力を電流によって微分した微分量子効率は大きく変動す
る。平均値が約０．０１６Ｗ／Ａであるが、この上下に
大きい振幅で振動する。変動幅は駆動電流に比例して増
加する。電流が５０ｍＡの時に、微分量子効率の変動は
±７０％にも達する。

【００６５】駆動電流が７０ｍＡ〜８０ｍＡになると変
動幅は±１００％になる。駆動電流が１００ｍＡでは、
変動の範囲は平均値の上下±１５０％にもなる。９３ｍ
Ａ、９７ｍＡにおいては微分量子効率がマイナスになる
時もある。このように電流と光出力の関係が、線形から
大きくはずれると電流によって変調した光信号が正確に
電気信号の大きさに対応しなくなる。つまり光通信の信
号としては不適当である。

【００６６】通常微分量子効率は平均値±５０％以下で
ある事が望ましいとされる。ＬａがＬｃの整数倍とした
図７の結果はその要求を満足することができない。これ
は僅かな温度の変動によって、全ての縦モードが内外の
共振器において強め合う状態から全く強め合わない状態
へ変化するからである。為に電流に帯する光出力の変動
が大きいのである。

【００６７】［（ｂ）ＬａがＬｃの半整数倍の場合（図
８）］ＬａをＬｃの５．５倍とした。Ｌａ＝５．５Ｌｃ
＝６．１５４５ｍｍである。半導体レ−ザの励起電流を
０ｍＡから１００ｍＡまで変化させて、半導体レ−ザを
発光させ、その強度を調べた。結果を図８に示す。２０
ｍＡから発光を始め、以後１００ｍＡまで駆動電流にほ
ぼ比例して光出力Ｐｆ（ｍＷ）が増大する。微分量子効
率は大きく変動する。平均値が約０．０１６Ｗ／Ａであ
るが、此の上下に大きい振幅で振動する。変動幅は駆動
電流に比例して増加する。電流が５０ｍＡの時に、微分
量子効率の変動は±４０％にも達する。

【００６８】駆動電流が８０ｍＡ〜９０ｍＡになると変
動幅は±１００％になる。駆動電流が８１ｍＡ、８６ｍ
Ａでは、微分量子効率がマイナスになる。望ましいとさ
れる±５０％の基準を満たすことができない。Ｌａ／Ｌ
ｃの比を半整数にするのは、前記の特開平３−１８０８
５号が推奨するものである。しかし半整数の比は最良の
ものでなく、基準を満足できない。比が半整数である
と、７つの縦モードの内、４つが外部共振器によって共
振する。温度変動によってこの比から僅かに外れるだけ
で、完全に非共振になってしまう。このように共振、非
共振の交代が起こるので光出力の変動が大きくなるので
ある。

【００６９】［（ｃ）ＬａがＬｃの｛整数＋（５／
６）｝倍の場合（図９）］ＬａをＬｃの（５＋（５／
６））倍とした。Ｌａ＝６．５２７ｍｍである。半導体
レ−ザの励起電流を０ｍＡから１００ｍＡまで変化させ
て、半導体レ−ザを発光させ、その強度を調べた。結果
を図９に示す。２０ｍＡから発光を始め、以後１００ｍ
Ａまで駆動電流にほぼ比例して光出力Ｐｆ（ｍＷ）が増
大する。微分量子効率はあまり変化しない。駆動電流が
５０ｍＡで平均値の±２０％の程度である。駆動電流が
１００ｍＡの時ですら、微分量子効率が±３０％であ
る。此の実施例は先述の±５０％以下という基準を満足
している。

【００７０】微分量子効率の変動が極めて小さく、電流
と光出力の線形性が優れている。図７の整数倍の場合に
比較してその卓越性が良く分かる。図８の半整数倍の場
合に比べても変動幅の小ささが明瞭に分かる。この結果
は先程説明した特開平３−１８０８５号と矛盾する。

【００７１】［（ｄ）ＬａがＬｃの｛整数＋（１／
６）｝倍の場合（図１０）］ＬａをＬｃの（５＋１＋
（１／６））倍とした。Ｌａ＝６．９００ｍｍである。
半導体レ−ザの励起電流を０ｍＡから１００ｍＡまで変
化させて、半導体レ−ザを発光させ、その強度を調べ
た。結果を図１０に示す。２０ｍＡから発光を始め、以
後１００ｍＡまで駆動電流に比例して光出力Ｐｆ（ｍ
Ｗ）が増大する。微分量子効率はあまり変化しない。駆
動電流が５０ｍＡで平均値の±２０％の程度である。駆
動電流が１００ｍＡの時でも、微分量子効率が±３６％
である。此の実施例も先述の±５０％以下という基準を
満足している。これも微分量子効率の変動が極めて小さ
く、電流と光出力の線形性が優れている。

【００７２】以上の結果から、ＬａとＬｃの比が、半整
数倍であることが、半導体レ−ザモジュールに最上の線
形性を与えるものではないことがわかる。そして、整数
倍を除き、整数倍の前後±１／６の範囲にある時に微分
量子効率の変動が最も小さくなるという全く意外な結果
が得られた。どうして、整数倍の±（１／６）の近傍が
このように優れた線形性を与えるのか？何故整数倍の±
（１／６）の範囲が、戻り光の影響を小さくできるのか
？これが謎として新たに現れる。

【００７３】本発明者は物理的に考察し、次のように此
の現象を解釈した。図１１はレ−ザの内部共振器におい
て定在波ができている状態を示す。ミラー１、ミラー２
とあるのは、半導体レ−ザの両端面のミラーを表す。縦
モードはこの間に定在波を作ることができ、しかもレ−
ザ媒質によって発光する波長領域にあることが条件にな
る。内部共振器の実効長さＬｃを整数で割った値が定在
波の半波長であり得る。つまりλ＝２Ｌｃ／ｍ（ｍは整
数）である。図６に示したように、半導体レ−ザの媒質
が発生し得る波長にはかなりの広がりがあり、６〜７つ
の波長が存在し得る。

【００７４】数字を挙げて具体的に述べよう。半導体レ
−ザの共振器の長さを３００μｍとし１．３μｍに対す
る屈折率をｎ＝３．７３とする。Ｌｃ＝１１１９μｍと
なる。本発明はこの場合、図１２に示すようにＮＬｃの
前後１８６．５μｍの範囲に外部共振器をおくというこ
とである。半導体レーザの発光スペクトルは幅を持つガ
ウシアンに少し似ているが前後非対称であり、厳密にガ
ウシアンではない。励起可能な波長は１３１０μｍ〜１
３１７μｍと仮定する。するとｍ＝１７００に対してλ
＝１３１６．５ｎｍ、ｍ＝１７０１に対してλ＝１３１
５．７ｎｍ、ｍ＝１７０２に対してλ＝１３１４．９ｎ
ｍ、ｍ＝１７０３に対してλ＝１３１４．２、ｍ＝１７
０４に対してλ＝１３１３．４ｎｍ、ｍ＝１７０５に対
してλ＝１３１２．６ｎｍ、ｍ＝１７０６の対してλ＝
１３１１．８ｎｍとなる。

【００７５】半導体レ−ザの光の中にこのような７つの
波長の有力な光が含まれるとする。図６に示したよう
に、勿論もっと多くの縦モードが含まれるが強度の大き
いものはこの７つであるとする。最高の強度をもつ縦モ
ードから１０ｄＢの範囲では、７つのモードしかない。

【００７６】

【表１】

【００７７】表１にこれらのモードの除数ｍ、波長と、
外部共振器長Ｌａを内部共振器長Ｌｃで割った値が、Ｎ
＋（１／２）、Ｎ＋（５／６）、Ｎ＋（６／７）、Ｎ＋
１、Ｎ＋１＋（１／７）、Ｎ＋１＋（１／６）、Ｎ＋１
＋（１／２）の場合にこれらの波長の光が、外部共振器
長の長さの約数になるかどうかを表す。端数をβによっ
て代表させると、

【００７８】 Ｌａ＝（Ｎ＋β）Ｌｃ＝（Ｎ＋β）ｍλ／２ （１３） となる。これを二つに分けて、外部共振器の往復の実効
長さ２Ｌａは、 ２Ｌａ＝Ｎｍλ＋βｍλ （１４）

【００７９】となる。外部共振器を往復して帰ってきた
光の位相はこれをλで割って２πを掛けたものである。
２πは１周期を表すものであるから、簡単のためにこれ
を省き、外部共振器にいくつの波長が含まれるかという
ことを求めると、

【００８０】２Ｌａ／λ＝Ｎｍ＋βｍ （１５）

【００８１】となる。Ｎｍは整数である。βｍが端数を
含む。内部共振器に存在する定在波との位相の差はβｍ
の端数に２πを乗じたものである。つまり内外の共振器
における位相の差Δθは

【００８２】Δθ＝２π［βｍ］ （１６）

【００８３】によって簡単に表すことができる。但し
［Ｚ］は、Ｚの端数部分ということである。βは勿論１
以下の正数である。βが有理数であると仮定すると、こ
れは

【００８４】 β＝ｐ／ｑ （但しｐ＜ｑ） （１７） と表現できる。ｐとｑはいずれも自然数である。これを
（１６）に代入すると Δθ＝２π［ｐｍ／ｑ］ （１８）

【００８５】となる。位相差Δθが０になるのは、自然
数ｑが自然数ｍの約数であるときのみである。反対にｑ
の倍数であるｍのみが位相差Δθを０にすることができ
る。

【００８６】説明を円滑にするために、これらのモード
に順にＡ〜Ｇの名前を付けよう。ｍ＝１７００の光を
Ａ、１７０１の光をＢ、１７０２の光をＣ、１７０３の
光をＤ、１７０４の光をＥ、１７０５の光をＦ、１７０
６の光をＧとする。

【００８７】Ｌａ／ＬｃがＮ、Ｎ＋１の場合はＡ〜Ｇの
７つの全モードが外部共振器長の約数になる。Ａ〜Ｇ全
てのモードが外部共振器で反射された戻ってきたとして
レ−ザ内部の同じモードの光と位相が同じになり共振す
る。外部ミラーによって反射された光が内部で共振する
場合を○によって示す。つまり○によって示されるモー
ドは、内外で共振する事を意味する。

【００８８】Ｌａ／Ｌｃ＝Ｎ±１／２の場合はｍが偶数
である場合、波長λが外部共振器で反射されたものが、
レ−ザの内部のものと位相がそろう。つまりＡ、Ｃ、
Ｅ、Ｇの偶数モード４つが内外共振器によって強め合
う。奇数モードＢ、Ｄ、Ｆのみが半波長違うので内外共
振器で打ち消しあう。

【００８９】Ｌａ／Ｌｃ＝Ｎ＋（５／６）の場合は、波
長が外部共振器の約数になるのはＥ（１７０４）のみで
ある。ｍが６の倍数であるのは、ｍ＝１７０４だけだか
らである。これは外部共振器で反射されて帰ってきたも
のが内部の同じモードの光を強める。その他の６つのモ
ードＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｆ、Ｇ全ては内外の位相差が０で
なく、外部共振器で反射されたものとレ−ザ内部の光が
打ち消しあう。このような関係はβの分母によって決ま
る。これは（１５）から明白である。

【００９０】Ｌａ／Ｌｃ＝Ｎ＋（１／６）の場合も同様
である。モードＥだけが共振条件を満たす。Ｌａ／Ｌｃ
＝Ｎ＋（１／７）、（６／７）の場合は、モードＢ（ｍ
＝１７０１）だけが内の共振条件を満たす。１７０１の
みが７の倍数であるからである。

【００９１】外部ミラーによって反射されてきた光が、
内部の共振器に励起されている光と位相が合致するモー
ドの数は、β＝０で７つ、β＝１／２で４つ、β＝１／
６、５／６で１つ、β＝１／７、６／７で一つである。

【００９２】表１の下欄に位相整合数として記してあ
る。Ｌａ／Ｌｃの比に関し、これら位相整合数が１〜７
であるものは全て孤立点である。その点を少しでも離れ
ると外部光と内部光の位相が合わなくなる。つまり打ち
消しあう。非共振である。位相整合数が１〜７のものに
Ｌａ／Ｌｃを設定しておくと、温度変動によって比の値
がずれるので、整合数が０に代わり光出力が変動するこ
とになる。

【００９３】温度変化によるＬａ／Ｌｃの比が変動する
ことによって、位相整合数が１〜７（部分共振）から、
位相整合数が０（非共振）に遷移するのがいけないので
ある。この遷移によってレ−ザのパワーが変動してしま
う。この遷移は共振／非共振の遷移ということもでき
る。

【００９４】部分共振の起こる点はＬａ／Ｌｃ＝Ｎ＋β
（０＜β＜１）のβを変数として考えると、β＝ｐ／ｑ
という有理数によって表現される点である。しかもｑは
７以下の自然数である。７つのモードを考えており、そ
のモードは連続する７つのｍをもつ。７つの連続する自
然数は、必ずその中に７の倍数、６の倍数、５の倍数、
４の倍数を一つ含む。７つの連続する自然数はその中に
３の倍数を必ず２つ含む。７つの連続する自然数はその
中に２の倍数を３個、あるいは４個含む。であるから、
β＝ｐ／ｑ（ｑは２〜７の自然数、ｐは１〜６の自然
数）である点のみで部分共振が起こる。その他の点では
非共振である。温度変動があって非共振状態のままであ
るように設定できればパワー変動が僅かになる。

【００９５】温度変動によってβが変化するのである
が、その変域に部分共振点を含まないようにすることに
よって、レ−ザパワーの揺らぎを小さくできるというこ
とになる。つまり部分共振点をできるだけ避けたところ
にβの値を設定すれば良いということである。ｑは７以
下の自然数（２、３、…、７）であり、ｐ／ｑは１より
小さい（１≦ｐ≦ｑ−１）のであるから、部分共振点の
数はＮからＮ＋１の間に、

【００９６】 １＋２＋３＋…＋６＝２１ （１９）

【００９７】２１個存在するわけである。ところが６は
２と３の公約数であり４は２の倍数であるために、２１
個の部分共振点の幾つかが重なる。

【００９８】 ２／６＝１／３、３／６＝２／４＝１／２、４／６＝２／３ （２０）

【００９９】結局独立の部分共振点は１７個ある。これ
を全て書き下すのは簡単である。１／７、１／６、１／
５、１／４、２／７、１／３（２）、２／５、３／７、
１／２（３）、４／７、３／５、２／３（２）、５／
７、３／４、４／５、５／６、６／７

【０１００】の１７個である。（２）というのは２重
項、（３）３重項である。部分共振点の密度が最も濃密
であるのは、β＝０．５の近くである。これから離れる
に従って部分共振点密度が低下して行く。β＝０．５の
近傍の３／７≦β＜４／７の１／７の狭い範囲に、部分
共振点がなんと４個もある。しかしβが、０＜β≦１／
７又は６／７≦β＜１の境界の近傍では部分共振点が一
つしかない。０＜β＜１／７には部分共振点がひとつも
ない。であるから最も良いのは、

【０１０１】 ０＜β≦１／７、 ６／７≦β＜１ （２１）

【０１０２】の間に、［Ｌａ／Ｌｃ］＝［Ｎ＋β］＝β
を設定することである。この範囲において部分共振点は
一つしかない。式（２１）の表現は、先述の（７）、
（８）の表現と等価である。次に良いのは、

【０１０３】 ０＜β≦１／６、５／６≦β＜１ （２２）

【０１０４】である。この範囲において、部分共振点は
２つしかない。（２２）は先述の（４）、（５）の表現
と等価である。本発明はこの範囲をＬａの位置設定の範
囲として選択する。

【０１０５】［特公平７−８７２５６の疑問］ 本発明
は、Ｌｃの整数倍の前の１／６と、後の１／６の範囲
（全体の３３％）を、Ｌａの好ましい範囲として採用す
る。前述の特公平７−８７２５６号は、反対に半整数倍
の前後１／５の範囲（全体の４０％）をＬａの好ましい
範囲として採用しようと言っていた。両者は全く相反す
る。重なるところはない。同じ目的を追求しながらどう
してこのような事があるのか？不思議な事である。本発
明は実験に基づいている。特公平７−８７２５６は単に
推論である。本発明の確実さはこれが実験の結果によっ
ているということにより保証される。

【０１０６】特公平７−８７２５６は半導体レ−ザの前
面等価反射率Ｒｅというものを考える。そして、半導体
レ−ザの後ろ方向の出射パワーに対して、前方向の出射
パワーを計算する。これは前面等価反射率の逆数の平方
根に比例するとしている。だから前面等価反射率が小さ
くなれば前面出射パワーが増加する。全面等価反射率が
大きくなれば全面出射パワ−が減少する。そして２５６
号の発明者は、前面等価反射率Ｒｅとして、

【０１０７】 Ｒｅ＝（Ｒ₂ ＋Ｒ_r ＋２Ｒ₂ ^1/2Ｒ_r ^1/2ｃｏｓ２ｋＬｅ）／（１＋Ｒ₂ Ｒ_r ＋２Ｒ ₂ ^1/2 Ｒ_r ^1/2ｃｏｓ２ｋＬｅ） （２３）

【０１０８】を与えている。Ｒ₂ はレ−ザ共振器の前面
の反射率、Ｒ_r は光ファイバ端の反射率である。後面に
出るパワ−Ｐｏと前面に出るレ−ザパワ−Ｐｒの比は、

【０１０９】 Ｐｏ／Ｐｒ＝Ｒ₁ ^1/2（１−Ｒ₁ ）^-1（ΣＩｉ）^-1｛ΣＩｉ（１−Ｒ_ei）Ｒ_ei ^-1/2 ｝ （２４）

【０１１０】によって与えられるとする。Ｒ１は共振器
の前端の反射率である。これは変数Ｌｅを含む。Ｌｅを
共振器長Ｌｃによって割った値を規格化距離とし、これ
が整数Ｎから一つ大きい整数Ｎ＋１までの値を取るとき
の上記の比の値を数値計算している。そして規格化距離
が整数値Ｎ、Ｎ＋１に近いときに振動が激しく振幅が大
きいといいうこと、Ｎ＋０．５の近くでは変動が少ない
ことを発見している。

【０１１１】これは本発明と正反対の結論である。この
食い違いがどうして発生するのか？原因は幾つか考えら
れる。発振スペクトルの分布をガウシアンとしている
が、これは必ずしも正しくない。分布は時々刻々変動す
るものである。静的なものではない。９つのスペクトル
を仮定しているがこれも必ずしも正しくない。実際には
その内の２本あるいは３本のみが発振しているのであ
る。時間的に発振する波長が９本のスペクトルの間で交
代するのである。だから反射率が変化すると発振線自体
が変化する。

【０１１２】本発明は思弁的なものではない。実験に基
づくものである。実験によって得られた結果を、本発明
者は独自の整数論的な考察によって説明している。それ
は特公平７−８７２５６とは全く違う観点に立ってい
る。前面反射率のように静的な概念によっては半導体レ
−ザの動的な特性を理解することは難しい。これは９つ
のモ−ドに重みＩｉを付けて平均している。しかし実際
には、ある外部共振器長が変化してゆくと、９つの内最
も条件に合致した何本かのスペクトルが強く発振してい
るのである。平均値で光っているのではない。外部共振
器長が変化すると重みＩｉ自体が変動してしまうのであ
る。

【０１１３】外部共振器から反射して返ってきてこれが
内部共振器で反射されるものと位相が合致すると、エネ
ルギ−の点で僅かに優越する。これが他のモ−ドのエネ
ルギ−を吸い取って強いの実在モ−ドになるのかもしれ
ない。このようにモ−ドの変化が起こってゆくというこ
とを定性的に論じた物が前記の理由付けである。前面等
価反射率という概念よりもダイナミックに半導体レ−ザ
の動作を巧く説明できると考える。

【０１１４】

【実施例】

［実施例．１］ 図１３によって本発明の第１の実施
例を説明する。レ−ザチップ１が、ヘッダ（パッケー
ジ）２のポール３の側面に固定される。半導体レ−ザチ
ップはＩｎＧａＡｓＰを活性層に用いた１．３μｍ光用
ファブリペロレ−ザである。チップのキャビティ長は標
準の３００μｍである。チップをまずＡｕＧｅ半田によ
って、ＡｌＮ製のサブマウントに固定し、さらにサブマ
ウントをＡｕＳｎによって鉄製のヘッダに取り付けられ
る。

【０１１５】このヘッダ２は適数のリードピン４、５…
を有する。パッケージ２には予め、モニタ用のフォトダ
イオード６が中央部に固定されている。このフォトダイ
オードはＩｎＧａＡｓを受光層とするＰＩＮフォトダイ
オードである。これは半導体レ−ザ１の後方に出てくる
光出力を監視するものである。

【０１１６】図示していないが、半導体レ−ザチップ
１、受光素子チップ６の電極は、直径３０μｍのＡｕ線
によってパッケージ２のピン４、５、…に接続される。
次に集光系としてレンズホルダ−１１と球レンズ７が一
体となった球レンズキャップを、プロジェクション溶接
によってパッケージ２の端面に溶接した。内部は不活性
ガスによって置換されている。

【０１１７】レンズホルダ−１１のさらに外側に、円筒
形のレセプタクル１４がヘッダ２に対して溶接される。
これは調芯した後に溶接される。レセプタクル１４の他
端は開口２８になっている。開口２８の内側面にはスト
ッパ２９が固着される。一方光ファイバ３０は端部が平
坦に研磨されている。終端部がフェルール３１によって
把持され、フェルール３１がコネクタ３２によって保持
される。コネクタ３２の雌ネジと、レセプタクル１４の
雄ネジが螺子部３３において螺合するようになってい
る。フェルール３１の先端は、レセプタクルの開口２８
に挿入離脱することができる。

【０１１８】フェルール３１を開口２８に差し込むと先
端がストッパ２９に当たって止まる。これによって軸方
向の位置が決まる。コネクタ３２を廻しネジによって、
コネクタ３２をレセプタクル１４に固定する。光ファイ
バの端部が平坦であるから、光ファイバが開口２８で回
転しても半導体レ−ザからの入射光量には変化がない。
この点で斜め研磨光ファイバと異なる。

【０１１９】球レンズ７は、直径が１．５ｍｍ、屈折率
は１．５であった。つまりＬ₂ ＝Ｌ₃ ＝１１２５μｍで
ある。光ファイバの端面とレ−ザの端面の距離Ｌａは、
内部共振器長Ｌｃの｛Ｎ＋（６／７）｝倍の位置に設定
した。ここでＮ＝５、β＝６／７とした。内部共振器長
Ｌｃ＝１１１９μｍであるから、Ｌａ＝（４１／７）Ｌ
ｃ＝６５５４μｍとなる。Ｌ₁ とＬ₂ が未知数である。
これだけでは値が決まらない。しかし半導体レ−ザから
の発散角に対して、光ファイバの入射角の比を決める
と、半導体レ−ザとレンズ中心の距離（Ｌ₁ ＋Ｌ₂ ／
ｎ）と、レンズ中心と光ファイバ端面の距離（Ｌ₃ ／ｎ
＋Ｌ₄ ）の比が決まる。これは大体１：３〜１：４の程
度に決める事が多い。ここでは４倍にしている。すると
Ｌ₁ とＬ₄ が決定される。

【０１２０】Ｌ₁ ＝４１１μｍ、Ｌ₄ ＝３８９３μｍと
なる。軸方向の距離パラメータが計算によって決まる。
軸垂直方向には、軸合わせをする。半導体レ−ザを発光
させた状態で、光ファイバの他端での光の強度をパワー
メータによって監視しレセプタクルをヘッダに対して相
対移動させ、光量が最大になる点を求め、そこでレセプ
タクルをヘッダに対してＹＡＧレ−ザによって溶接し固
定する。

【０１２１】このモジュールについて半導体レ−ザの駆
動電流を変えながら光出力Ｐｆ（ｍＷ）を測定した図１
４にその結果を示す。２０ｍＡから１００ｍＡまでほぼ
正比例した光出力が得られる。微分量子効率（Ｗ／Ａ）
は０．０１０Ｗ／Ａ〜０．０２０Ｗ／Ａの間にある。平
均値０．０１６Ｗ／Ａからのズレは±３５％の範囲に入
る。これは駆動電流が１００ｍＡの近傍での揺らぎであ
る。駆動電流は５０ｍＡの程度で使用する事が多い。５
０ｍＡの駆動電流に対しては微分量子効率の最大の揺ら
ぎは±２０％以下である。

【０１２２】一般に半導体レ−ザモジュールの微分量子
効率の揺らぎは平均値から±５０％以下である事が要求
される。本発明はその要求を十分に満足することができ
る。本発明の優れた効果が明瞭に分かる。

【０１２３】［実施例．２］ 図１５に他の実施例に
よる半導体レ−ザモジュールを示す。パッケージ３５の
中心部にモニタ用のフォトダイオードチップ３６が傾い
て設けられる。ポール３７の側面には、サブマウント３
８、レ−ザチップ３９が固定される。球レンズ４０を接
着剤４１によって取り付けたキャップ４２がパッケージ
３５に溶接される。パッケージ３５には、リードピン４
３、４４、４５が設けられる。開口４７を有する円筒形
のスリーブ４６がパッケージ３５の面に溶接される。レ
セプタクル４９がフェルールホルダ−５０を介して、フ
ェルール５１を保持する。フェルール５１は光ファイバ
５２の先端を把持している。光ファイバの先端５３は軸
方向に対して垂直な平坦面となっている。スリ−ブとレ
セプタクルを軸垂直方向に位置合わせしてＹＡＧ溶接す
る。

【０１２４】この例において、球レンズは直径が１．５
ｍｍ、屈折率が１．５である。つまりＬ₂ ＝Ｌ₃ ＝１１
２５μｍである。レ−ザ端面と光ファイバの光学距離Ｌ
ａは、Ｌａ＝（４＋７／８）Ｌｃによって決めた。つま
りＮ＝４、β＝７／８の例である。残りのパラメ−タ
は、拡大率を１．５倍として、Ｌ₁ ＝１１２０μｍ、Ｌ
₄ ＝２０８５μｍとした。完成したモジュールの特性を
評価した。図１４に示したものとほぼ同様の安定したレ
−ザ出力を実現できた。

【０１２５】

【発明の効果】本発明は、半導体レ−ザの端面と光ファ
イバの距離Ｌａが、内部共振器長Ｌｃの整数倍を避け、
整数倍から前後（１／６）Ｌｃの範囲に入るように設定
しているので、反射光が半導体レ−ザに戻っても位相
が、内部共振器によって決まる光の位相と合致しない。
ために温度変化による半導体レ−ザの出力変動が小さく
なる。微分量子効率の変動も所望の範囲に入っている。
つまり平坦な光ファイバを半導体レ−ザに対向させても
戻り光により半導体レ−ザの動作が不安定にならない。

【０１２６】ダミーファイバを使わず、直接に平坦面を
持つ光ファイバ端をモジュールに着脱する事ができる。
図５に示す従来のモジュールに比較してダミーファイバ
を省く事ができる。部品点数を減らし、組立工数を減少
させる事ができる。モジュールをより安価に製造できる
から、光加入者系の加入者側のモジュールとして広く採
用できる。これによって光加入者系の普及がより一層促
進されよう。

【０１２７】尚、球レンズを用いた実施例を説明した
が、これは結合効率を高めるための工夫にすぎない。本
発明は勿論レンズを含まないモジュールにも同様に適用
する事ができる。結合効率が低くても差し支えない低パ
ワーの半導体レ−ザモジュールの場合はレンズは不要で
ある。この場合も本発明の外部共振器長Ｌａの設定は有
効である。この場合（ｎ＝１）Ｌａは、単に半導体レ−
ザと光ファイバの空間的な距離に等しい。

【０１２８】反対に、より高い結合効率が要求される場
合は、収差の小さい非球面レンズを使う事が望ましい。
この場合、Ｌ₂ ＋Ｌ₃ はレンズの屈折率ｎと厚みＤの積
ｎＤによって与えられる。球レンズは安価であるが収差
が大きく、レ−ザ光を狭く絞りきれない。

【０１２９】また光ファイバと半導体レ−ザの結合につ
いて説明したが、光ファイバに限らず、どのような受光
体についても、端面位置の設定に関して本発明を適用で
きる。例えば光導波路にレ−ザ光を導入する場合、光導
波路の端面がレ−ザビームに対して垂直であれば反射光
がレ−ザに戻る。その場合においても本発明を適用する
ことによって、レ−ザ出力を安定化させることができ
る。

【０１３０】さらに光通信に限らず、光ファイバを使う
測定器において、半導体レ−ザの戻り光を防ぐためにア
イソレータを挿入したものがあるが、本発明によってそ
のような高額な部品を省く事もできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】斜め研磨光ファイバとレ−ザを含む半導体レ−
ザモジュールの原理的構成図。

【図２】斜め研磨光ファイバを含む従来例に係るピグテ
イル型の半導体レ−ザモジュールの構成を示す縦断面
図。

【図３】本発明が目標にする着脱可能平坦研磨光ファイ
バを含むレセプタクル型半導体レ−ザモジュールの縦断
面図。

【図４】図３の平坦研磨光ファイバを含むレセプタクル
型半導体レ−ザモジュールにおいて、駆動電流Ｉ_drv
（ｍＡ）を増加させた時の、レ−ザの発光量Ｐｆ（ｍ
Ｗ）と、微分量子効率ｄＰｆ／ｄＩ_drv （Ｗ／Ａ）の測
定結果を示すグラフ。

【図５】従来例に係るダミーファイバを用いるレセプタ
クル型半導体レ−ザモジュールの縦断面図。

【図６】１．３μｍ帯多モードレ−ザの発光スペクトル
を示すグラフ。横軸は発光波長（μｍ）、縦軸は対数表
示した発光強度。

【図７】半導体レ−ザの端面と光ファイバの光学距離Ｌ
ａが、半導体レ−ザの光学的共振器長Ｌｃの整数倍とし
た半導体レ−ザモジュールにおいて、駆動電流Ｉ_drv
（ｍＡ）を増加させた時の、レ−ザの発光量Ｐｆ（ｍ
Ｗ）と、微分量子効率ｄＰｆ／ｄＩ_drv （Ｗ／Ａ）の測
定結果を示すグラフ。

【図８】半導体レ−ザの端面と光ファイバの光学距離Ｌ
ａが、半導体レ−ザの光学的共振器長Ｌｃの（整数＋１
／２）倍とした半導体レ−ザモジュールにおいて、駆動
電流Ｉ_drv （ｍＡ）を増加させた時の、レ−ザの発光量
Ｐｆ（ｍＷ）と、微分量子効率ｄＰｆ／ｄＩ_drv （Ｗ／
Ａ）の測定結果を示すグラフ。

【図９】半導体レ−ザの端面と光ファイバの光学距離Ｌ
ａが、半導体レ−ザの光学的共振器長Ｌｃの（整数＋５
／６）倍とした半導体レ−ザモジュールにおいて、駆動
電流Ｉ_drv （ｍＡ）を増加させた時の、レ−ザの発光量
Ｐｆ（ｍＷ）と、微分量子効率ｄＰｆ／ｄＩ_drv （Ｗ／
Ａ）の測定結果を示すグラフ。

【図１０】半導体レ−ザの端面と光ファイバの光学距離
Ｌａが、半導体レ−ザの光学的共振器長Ｌｃの（整数＋
１／６）倍とした半導体レ−ザモジュールにおいて、駆
動電流Ｉ_drv （ｍＡ）を増加させた時の、レ−ザの発光
量Ｐｆ（ｍＷ）と、微分量子効率ｄＰｆ／ｄＩ_drv （Ｗ
／Ａ）の測定結果を示すグラフ。

【図１１】半導体レ−ザの励起光が両側のミラー１、２
に於いて反射され位相が揃うことによって定在波がで
き、その波長が光学的共振器長の２倍を整数ｍで割った
値２Ｌｃ／ｍになる事を示す波動図。

【図１２】本発明の思想に従って、共振器長の１／６の
長さの範囲を、共振器長の整数倍の点ＮＬｃの前後に取
った場合の範囲が、Ｌｃ＝１１１９μｍの例において、
１８６．５μｍあることを示す説明図。

【図１３】本発明の第１の実施例に係る平坦研磨光ファ
イバを着脱自在に保持できるレセプタクル型半導体レ−
ザモジュールの縦断面図。

【図１４】図１３の本発明のレセプタクル型半導体レ−
ザモジュールにおいて、駆動電流Ｉ_drv を増加（ｍＡ）
させた時の、レ−ザの発光量Ｐｆ（ｍＷ）と、微分量子
効率ｄＰｆ／ｄＩ_drv （Ｗ／Ａ）の測定結果を示すグラ
フ。

【図１５】本発明の第２の実施例に係る半導体レ−ザモ
ジュールの縦断面図。

【符号の説明】

１ レ−ザチップ ２ ヘッダ（パッケージ） ３ ポール ４ リードピン ５ リードピン ６ モニタ用フォトダイオード ７ レンズ ８ 光ファイバ ９ フェルール １０ 斜め研磨端面 １１ レンズホルダ− １２ フェルールホルダ− １３ 溶接部分 １４ レセプタクル １５ コネクタ １６ フェルール通し穴 １７ 螺合部 １８ フェルールを通す開口 １９ 軸方向に直角に研磨した平坦面 ２０ 反射戻り光 ２１ 光ファイバ ２２ フェルール ２３ ダミーファイバ ２４ 斜め研磨端面 ２５ ダミーファイバ後端面 ２６ 光ファイバの前端面 ２７ 反射戻り光 ２８ レセプタクルの光ファイバをとおすための開口 ２９ ストッパー ３０ 光ファイバ ３１ フェルール ３２ コネクタ ３３ 螺子部 ３４ 反射戻り光 ３５ パッケージ ３６ モニタ用フォトダイオード ３７ ポール ３８ サブマウント ３９ レ−ザチップ ４０ 球レンズ ４１ 接着剤 ４２ キャップ ４３ リードピン ４４ リードピン ４５ リードピン ４６ スリーブ ４７ 開口部 ４８ スリーブの端面 ４９ レセプタクル ５０ フェルールホルダ− ５１ フェルール ５２ 光ファイバ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 工原 美樹 大阪府大阪市此花区島屋一丁目１番３号 住友電気工業株式会社大阪製作所内 (56)参考文献 特開 平６−194548（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−95169（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−284708（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−18085（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−64182（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01S 5/00 - 5/50 G02B 6/42

Claims (12)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体レーザチップと半導体レーザチッ
   プからの光を受けその一部を戻り光として半導体レーザ
   チップに向かって反射する受光体を含む光学系におい
   て、半導体レーザチップの光学的共振器長をＬｃ、半導
   体レーザチップの出射側端面から受光体の光入射端面ま
   での光学距離をＬａとし、Ｎを整数とするとき、 ＮＬｃ＜Ｌａ≦｛Ｎ＋（１／６）｝Ｌｃ または ｛Ｎ＋（５／６）｝Ｌｃ≦Ｌａ＜（Ｎ＋１）Ｌｃ の範囲に光学距離Ｌａを設定することを特徴とする半導
   体レーザモジュール。
2. 【請求項２】 半導体レーザチップと半導体レーザチッ
   プからの光を受けその一部を戻り光として半導体レーザ
   チップに向かって反射する受光体を含む光学系におい
   て、半導体レーザチップの光学的共振器長をＬｃ、半導
   体レーザチップの出射側端面から受光体の光入射端面ま
   での光学距離をＬａとし、Ｎを整数とするとき、 ＮＬｃ＋２０μｍ≦Ｌａ≦｛Ｎ＋（１／６）｝Ｌｃ または ｛Ｎ＋（５／６）｝Ｌｃ≦Ｌａ≦（Ｎ＋１）Ｌｃ−２０
   μｍ の範囲に光学距離Ｌａを設定することを特徴とする半導
   体レーザモジュール。
3. 【請求項３】 半導体レーザチップと半導体レーザチッ
   プからの光を受けその一部を戻り光として半導体レーザ
   チップに向かって反射する受光体を含む光学系におい
   て、半導体レーザチップの光学的共振器長をＬｃ、半導
   体レーザチップの出射側端面から受光体の光入射端面ま
   での光学距離をＬａとし、Ｎを整数とするとき、 ＮＬｃ＜Ｌａ≦｛Ｎ＋（１／７）｝Ｌｃ または ｛Ｎ＋（６／７）｝Ｌｃ≦Ｌａ＜（Ｎ＋１）Ｌｃ の範囲に光学距離Ｌａを設定することを特徴とする半導
   体レーザモジュール。
4. 【請求項４】 半導体レーザチップと半導体レーザチッ
   プからの光を受けその一部を戻り光として半導体レーザ
   チップに向かって反射する受光体を含む光学系におい
   て、半導体レーザチップの光学的共振器長をＬｃ、半導
   体レーザチップの出射側端面から受光体の光入射端面ま
   での光学距離をＬａとし、Ｎを整数とするとき、 ＮＬｃ＋２０μｍ≦Ｌａ≦｛Ｎ＋（１／７）｝Ｌｃ または ｛Ｎ＋（６／７）｝Ｌｃ≦Ｌａ≦（Ｎ＋１）Ｌｃ−２０
   μｍ の範囲に光学距離Ｌａを設定することを特徴とする半導
   体レーザモジュール。
5. 【請求項５】 受光体の半導体レーザチップに対向する
   端面が、半導体レーザチップからの光の進行方向（光
   軸）に対して垂直であって端面は半導体レーザチップの
   光の一部を反射して戻り光として半導体レーザチップに
   返すことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の半
   導体レーザモジュール。
6. 【請求項６】 半導体レーザチップとその発光光を受け
   る受光体との間に集光用のレンズを設けた事を特徴とす
   る請求項１〜５の何れかに記載の半導体レーザモジュー
   ル。
7. 【請求項７】 受光体が光軸に垂直な端面を持つ光ファ
   イバであることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記
   載の半導体レーザモジュール。
8. 【請求項８】 受光体が光軸に垂直な端面を持つ光導波
   路であることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載
   の半導体レーザモジュール。
9. 【請求項９】 パッケージと、パッケージに固定された
   半導体レーザチップと、パッケージに固定され集光レン
   ズを有するレンズホルダーと、光コネクタと嵌合するた
   めのレセプタクルとを含み、半導体レーザチップが発光
   波長１．３μｍ帯のＩｎＧａＡｓＰより成ることを特徴
   とする請求項１〜７の何れかに記載の半導体レーザモジ
   ュール。
10. 【請求項１０】 半導体レーザチップの前記受光体に向
    かう面と反対側の端面から出る光をモニタするＩｎＧａ
    Ａｓ系のｐｉｎ−ＰＤを有することを特徴とする請求項
    ９に記載の半導体レーザモジュール。
11. 【請求項１１】 球レンズの屈折率が１．４〜１．６、
    球レンズの直径が１ｍｍ〜２ｍｍ、半導体レーザチップ
    の光学的共振器長Ｌｃが１０００ｍｍ〜１５００ｍｍ、
    整数値Ｎが５であって、半導体レーザチップの端面と光
    ファイバの端面の光学的距離ＬａがＬａ＝｛５＋（６／
    ７）｝Ｌｃとしたことを特徴とする請求項９又は１０に
    記載の半導体レーザモジュール。
12. 【請求項１２】 球レンズの屈折率が１．４〜１．６、
    球レンズの直径が１ｍｍ〜２ｍｍ、半導体レーザチップ
    の光学的共振器長Ｌｃが１０００ｍｍ〜１５００ｍｍ、
    整数値Ｎが４であって、半導体レーザチップの端面と、
    光ファイバの端面の光学的距離ＬａがＬａ＝｛４＋（７
    ／８）｝Ｌｃとしたことを特徴とする請求項９又は１０
    に記載の半導体レーザモジュール。