JP3409827B2 - 半導体レーザモジュール - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本願に係る発明は、光通信用
の光源等として用いられる半導体レーザモジュールに関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】光通信用の光源としては、従来から、半
導体レーザを収容した箱型のパッケージに光ファイバを
光学接続して一体化した半導体レーザモジュールが使用
されている。パッケージの側壁中には、パッケージを封
止しつつ、半導体レーザからの光を透過させるための光
透過板（シールガラス等）が設置されており、この光透
過板を挟んで半導体レーザの光出力面と光ファイバの端
面とが対向するようになっている。これにより、半導体
レーザから出射したレーザ光が、所定の出力先まで導か
れることになる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記のような半導体レ
ーザモジュールでは、半導体レーザへのもどり光を低減
するために、上記の光透過板や光ファイバは、その光入
射面が半導体レーザの光軸と直交しないような状態、す
なわち光軸に対して傾けて配置されている。しかしなが
ら、どの様な傾斜方向が適当であるかについての考察は
これまでなされておらず、傾斜方向によっては、光透過
板や光ファイバでのレーザ光の反射が大きくなり、この
結果、もどり光が十分に低減されず、そのうえ、出力光
の強度が低くなってしまう場合があった。このため、光
透過板や光ファイバでのレーザ光の反射を低減するのに
適した半導体モジュールの実現が望まれている。

【０００４】本願に係る発明は、このような現状に鑑み
なされたもので、適切な方向に傾斜した光入射面を有す
る光透過板や光ファイバを備え、半導体レーザの反射を
抑えるのに適した半導体レーザモジュールを提供するこ
とを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本願に係る第１の半導体レーザモジュールは、
（ａ）中空のパッケージ内に収容された半導体レーザ
と、（ｂ）パッケージの側壁中に、半導体レーザの光軸
に対して傾けて設置され、半導体レーザからのレーザ光
を透過させる光透過板と、（ｃ）この光透過板を透過し
たレーザ光が入射する端面を有する光出力用ファイバ
と、を備える半導体レーザモジュールであって、上記の
光透過板が、レーザ光が入射する面がレーザ光の偏波面
と直交するように、傾けて設置されている、ことを特徴
としている。

【０００６】ここで、「半導体レーザの光軸」とは、半
導体レーザの光出力面の法線のことをいう。

【０００７】本発明者の知見によれば、光透過板が、そ
の光入射面がレーザ光の偏波面と直交するような状態で
傾いていると、光透過板でのレーザ光の反射が最小限に
抑えられる。これにより、半導体レーザのもどり光を抑
えるとともに、モジュールの出力光強度の低減を防止す
ることができる。

【０００８】次に、本願に係る第２の半導体レーザモジ
ュールは、（ａ）中空のパッケージ内に収容された半導
体レーザと、（ｂ）パッケージの側壁中に設置され、半
導体レーザからのレーザ光を透過させる光透過板と、
（ｃ）光透過板を透過したレーザ光が入射する端面であ
って半導体レーザの光軸に対して傾いているものを有
し、このレーザ光を出力先に導く光出力用ファイバと、
を備える半導体レーザモジュールであって、光出力用フ
ァイバの上記端面が、レーザ光の偏波面と直交するよう
に傾いている、ことを特徴としている。

【０００９】ここで、「半導体レーザの光軸」とは、半
導体レーザの光出力面の法線のことをいう。

【００１０】本発明者の知見によれば、光出力用ファイ
バの光入射端面がレーザ光の偏波面と直交するような状
態で傾いていると、当該端面でのレーザ光の反射が最小
限に抑えられる。これにより、半導体レーザのもどり光
を抑えるとともに、モジュールの出力光強度の低減を防
止することができる。

【００１１】本願に係る第２の半導体レーザモジュール
において、上記の光出力用ファイバが、中心軸に直交す
る所定の偏光軸を有し、この偏光軸と同一の方向の直線
偏光を、その偏波面を維持しながら伝搬させる偏波保持
ファイバである場合は、この偏波保持ファイバのうち上
記のレーザ光が入射する端面が、偏光軸及び中心軸を含
む平面と直交しつつ、中心軸に対して傾くように形成さ
れていると良い。

【００１２】ここで、「偏光軸と同一の方向の直線偏
光」とは、偏光軸と同一の方向に電界が振動している直
線偏光をいう。

【００１３】上記のように偏波保持ファイバの端面を形
成しておくと、レーザ光の電界の振動方向と、偏波保持
ファイバの偏光軸の方向とが一致するようになる。これ
により、レーザ光が、偏波保持ファイバ中を、偏波面を
維持したまま進行するようになるので、偏光消光比を劣
化させることなく、当該端面での反射を抑えることがで
きる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照しながら本
発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明に
おいて同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明
を省略する。

【００１５】図１は、本実施形態の半導体レーザモジュ
ールの構造を示す破砕斜視図であり、図２は、同じ半導
体レーザモジュールの構造を示す平面断面図である。本
実施形態の半導体レーザモジュールは、箱型のパッケー
ジ２０内に収容されたレーザダイオード（ＬＤ）１に、
レーザダイオード１からのレーザ光を所定の出力先に導
く光出力用ファイバ１３を光学的に接続したものであ
る。なお、本実施形態では、光出力用ファイバ１３とし
て、所定方向の直線偏光をその偏波面を維持しながら伝
搬させる偏波保持ファイバを用いている。また、図２に
おいて、一点鎖線３０は、レーザダイオード１の光軸、
すなわちレーザダイオード１の光出力面の法線を示し、
破線は、レーザダイオード１から出力されたレーザ光を
示している。レーザダイオード１の光軸３０は、偏波保
持ファイバ１３の中心軸と一致している。

【００１６】レーザダイオード１は、ヒートシンク２上
に設けられており、ヒートシンク２は、チップキャリア
３上に固定されている。チップキャリア３は、断面がＬ
字状のキャリア（Ｌキャリア）５上に固定されている。
Ｌキャリア５上においてレーザダイオード１の後方に
は、モニタ用のフォトダイオード４が設置されている。
Ｌキャリア５の下には、温度制御用のペルチェ素子６が
設置されており、レーザダイオード１の温度変化に伴う
特性変動を抑えるようになっている。Ｌキャリア５の前
壁には、レーザダイオード１の出力レーザ光を通過させ
るための貫通穴が設けられている。Ｌキャリア５の前面
には、外周をホルダー７によって保護されたコリメート
レンズ１６が固定されており、Ｌキャリア５の貫通穴を
通過したレーザ光を、平行光束に変換するようになって
いる。

【００１７】パッケージ２０には、リードピン２２が取
り付けられており、半導体レーザモジュールをプリント
基板上に容易に実装できるようになっている。パッケー
ジ２０の上壁２０ａは、パッケージ２０の蓋となってい
る。また、パッケージ２０の側壁のうち、レーザダイオ
ード１の前方に位置する側壁２０ｂには貫通穴が設けら
れており、この貫通穴に挿入・固定された筒状ホルダー
２８（図２）の中空部内には、シールガラス８が設置さ
れている。なお、図１では、ホルダー２８の図示を省略
してある。

【００１８】シールガラス８は、パッケージ２０を気密
封止しつつ、レーザダイオード１からのレーザ光を透過
させるガラス円板である。偏波保持ファイバ１３は、こ
のシールガラス８を介して、レーザダイオード１と光学
接続されている。

【００１９】パッケージ２０の側壁２０ｂには、シール
ガラス８を収容するホルダー２８の先端部を包囲するよ
うにして、円筒状のカバー１４が取り付けられており、
このカバー１４内に偏波保持ファイバ１３が固定されて
いる。また、カバー１４の先端部には、ゴム製のベンド
リミッタ１５が取り付けられている。

【００２０】カバー１４内において、ホルダー２８の前
方には、ホルダー２４に収容されたアイソレータ９が設
置されている。このアイソレータ９は、単一の光学結晶
と、その前後に配置された二つの偏光子とから構成され
ている。アイソレータ９の前方には、外周をホルダー２
６によって保護された収束レンズ１０が設置されてい
る。この収束レンズ１０は、コリメートレンズ１６によ
って平行光束とされたレーザ光を収束させて偏波保持フ
ァイバ１３に入射させるためものである。なお、本実施
形態では、コリメートレンズ１６及び収束レンズ１０の
二つのレンズ系が用いられているが、コリメートレンズ
１６の位置に単一の収束レンズ系を配置することで、収
束レンズ１０を省略することもできる。

【００２１】収束レンズ１０の前方には、偏波保持ファ
イバ１３を内蔵するフェルール１２が設置されている。
フェルール１２内では、偏波保持ファイバ１３は、被覆
を取り除かれた裸ファイバ１７（コアとクラッドのみか
らなる部分）となっている。フェルール１２の後端部に
は、筒状のフェルールホルダー１１が取り付けられてい
る。

【００２２】図３は、偏波保持ファイバ１３の構造を示
す断面図である。この偏波保持ファイバ１３は、応力型
といわれるもので、クラッド中に応力付与部を設けるこ
とによりコアに応力を付与し、これによって入射光の偏
波面を維持できるようにしたものである。この偏波保持
ファイバ１３により偏波面が保存される光は、偏波保持
ファイバ１３の中心軸と所定の偏光軸とを含む平面に平
行な偏波面を有する直線偏光である。図３に示されるよ
うに、偏波保持ファイバ１３の偏光軸には、応力付与部
からコアに向かう偏光軸ａと、中心軸ｃ及び偏光軸ａに
直交する偏光軸ｂとがある。従って、電界の振動方向が
偏光軸ａ又はｂに一致する直線偏光は、その偏波面を維
持しながら偏波保持ファイバ１３中を進行することにな
る。

【００２３】偏波保持ファイバ１３の後端面、すなわち
レーザダイオード１からのレーザ光が入射する端面１８
は、偏波保持ファイバ１３の中心軸と直交せず、中心軸
に対して所定の角度だけ傾いている。このような傾斜端
面は、自らの中心軸に垂直な端面を有するフェルール
に、自らの中心軸に垂直な端面を有する偏波保持ファイ
バを端面同士を揃えて収容してから、フェルールごと偏
波保持ファイバの端面を斜めに研磨することで形成する
ことができる。

【００２４】本実施形態の半導体レーザモジュールの特
徴は、シールガラス８及び偏波保持ファイバ１３の端面
１８の傾き方であり、その他の点は、公知の半導体レー
ザモジュールと同様である。

【００２５】図４は、シールガラス８及び偏波保持ファ
イバ１３の端面１８の傾き方を説明するための平面図で
ある。この図において、符号３０の一点鎖線は、レーザ
ダイオード１の光軸を示す。また、符号３１の矢印は、
シールガラス８の光入射面の法線を示し、符号３２の矢
印は、偏波保持ファイバ１３の光入射端面１８の法線を
示す。また、図４では、シールガラス８及び光入射端面
１８が傾いていない状態（法線３１及び法線３２が、レ
ーザダイオード１の光軸３０に一致する状態）のシール
ガラス８及び光入射端面１８が、破線で示されている。
図４の下方には、レーザダイオード１から出射したレー
ザ光が示されている。このレーザ光は、レーザダイオー
ド１の活性層に平行な偏波面（電界の振動面）を有して
いる。なお、このレーザ光の偏波面は、図２及び図４の
紙面（ｚｘ平面）に一致している。

【００２６】図４に示されるように、本実施形態におい
て、シールガラス８は、レーザ光の偏波面上において、
光入射面の法線３１が光軸３０からずれ、両者が所定の
角度θ₁ をもって交差するように傾いている。ここで、
シールガラス８の光入射面は、レーザ光の偏波面と直交
している。従って、シールガラス８は、光軸３０に直交
する状態のシールガラス（図４の破線）を、シールガラ
スの中心を通り、かつ、紙面に垂直な直線を回転軸とし
て、角度θ₁ だけ回転させた状態で傾いている、と言う
ことができる。同様に、偏波保持ファイバ１３の端面１
８は、レーザ光の偏波面と直交した状態で、端面１８の
法線３２と光軸３０とが偏波面上で角度θ₂ をもって交
差するように傾いている。このように、シールガラス８
の光入射面、及び偏波保持ファイバ１３の端面１８は、
いずれもレーザ光の偏波面と直交しており、このような
直交状態を維持したまま傾いている。なお、本実施形態
では、上記の角度θ₁ 及びθ₂ は、約８°となってい
る。

【００２７】本発明者は、シールガラス８及び偏波保持
ファイバ１３の端面１８を、本実施形態のようにレーザ
光の偏波面と直交させた状態で傾けることにより、シー
ルガラス８や端面１８でのレーザ光の反射を抑えること
ができることを見い出した。以下、この原理を説明す
る。

【００２８】図５は、屈折率ｎ₀ の媒質から屈折率ｎ₁
の媒質に向かって進行する光線４０が両媒質の境界面に
到達した場合の、反射光４１及び透過光４２を示す図で
ある。この図において、一点鎖線４３は、境界面の法線
を示し、θ_i は、光線４０の入射角及び反射光４１の反
射角を、θ_t は、透過光４２の屈折角をそれぞれ示して
いる。

【００２９】光線４０が光線４０及び法線４３を含む平
面、すなわち図５の紙面に平行な偏波面を有する場合の
反射率をＲ₁ 、光線４０が上記平面に垂直な偏波面を有
する場合の反射率をＲ₂ とすると、これらは、 Ｒ₁ ＝（ｎ₁ ・ｃｏｓθ_i −ｎ₀ ・ｃｏｓθ_t ）² ／
（ｎ₁ ・ｃｏｓθ_i＋ｎ₀ ・ ｃｏｓθ_t ）² Ｒ₂ ＝（ｎ₀ ・ｃｏｓθ_i −ｎ₁ ・ｃｏｓθ_t ）² ／
（ｎ₀ ・ｃｏｓθ_i＋ｎ₁ ・ ｃｏｓθ_t ）² のように表される。

【００３０】これらの式と、スネルの法則ｎ₀ ・ｓｉｎ
θ_i ＝ｎ₁ ・ｓｉｎθ_t とを用いると、入射角θ_i の値
にかかわらず、Ｒ₁ ＜Ｒ₂ が成り立つことが分かる。こ
れは、光の伝搬方向と媒質境界面の法線とを含む平面に
平行な偏波面を有する直線偏光が境界面に入射した場
合、すなわち、境界面と偏波面とが直交する場合に、そ
の境界面での反射率が最も小さくなることを意味する。

【００３１】この事実を半導体レーザモジュールに照ら
し合わせてみると、半導体レーザからのレーザ光は、半
導体レーザの活性層に平行な偏波面を有しており、シー
ルガラスの光入射面や出力用ファイバの端面は媒質の境
界面であるから、シールガラスの光入射面とレーザ光の
偏波面とが直交する場合に、シールガラスでの反射が最
も少なくなり、出力用ファイバの端面とレーザ光の偏波
面とが直交する場合に、当該端面での反射が最も少なく
なることになる。

【００３２】この点を確認するため、本発明者は、上記
のＲ₁ 、Ｒ₂ の式に基づいて、本実施形態のシールガ
ラス８の光入射面に直交する偏波面を有する光が、空気
中からシールガラス８に入射した場合、及び の偏
波面と直交する偏波面を有する光が、空気中からシール
ガラス８に入射した場合のそれぞれについて、入射角と
反射率との関係を算出した。なお、図６（ａ）は、この
結果を示す図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）の反射
率をｄＢで表示し直したものである。なお、図６を得る
にあたって、シールガラス８の屈折率は１．５とした。

【００３３】図６に示されるように、同じ入射角で比較
すれば、シールガラス８の光入射面に直交する偏波面を
有する光が入射した場合の反射率は、これに直交する偏
波面を有する光が入射した場合の反射率よりも、常に低
くなっている。従って、本実施形態のように、シールガ
ラス８を、その光入射面とレーザ光の偏波面とを直交さ
せた状態で傾けて配置すれば、シールガラス８でのレー
ザ光の反射を最小限に抑えることができる。また、本実
施形態のように、偏波保持ファイバ１３の光入射端面１
８を、レーザ光の偏波面と直交した状態で傾ければ、端
面１８でのレーザ光の反射を最小限に抑えることができ
る。そして、シールガラス８や端面１８での反射を抑え
ることで、レーザダイオード１へのもどり光を抑えると
ともに、モジュールの出力光の強度の低減を防止するこ
とができる。

【００３４】なお、上記の効果を十分に得るためには、
シールガラス８の光入射面や偏波保持ファイバ１３の端
面１８が、シールガラス８や偏波保持ファイバ１３に入
射する直前のレーザ光の偏波面と直交していることが必
要である。従って、本実施形態では使用していないが、
シールガラス８や偏波保持ファイバ１３に至る光路中に
偏波依存型のアイソレータが挿入される場合は、これに
よる偏波面の回転を考慮に入れて、シールガラス８や端
面１８の傾斜方向を決定するとよい。

【００３５】次に、本実施形態の半導体レーザモジュー
ルでは、偏波保持ファイバ１３の端面１８の傾き方と偏
波保持ファイバ１３の偏光軸との関係にも配慮が払われ
ているので、これを説明する。

【００３６】図７は、偏波保持ファイバ１３の端面１
８、及び偏波保持ファイバ１３の平面形状を示すことに
より、端面１８の傾き方と偏光軸との関係を示す図であ
る。この図に示されるように、偏波保持ファイバ１３の
端面１８は、偏光軸ａ及び中心軸ｃを含む平面と直交し
た状態で、中心軸ｃに対して傾くように形成されてい
る。既に述べたように、端面１８は、レーザ光の偏波面
と直交した状態で光軸３０に対して傾いており、光軸３
０と中心軸ｃとは方向が同一であるから、結果として、
偏波保持ファイバ１３に入射するレーザ光の電界の振動
方向が、偏光軸ａの方向と一致することになる。偏光軸
と同一方向に電界が振動するような直線偏光は、偏波保
持ファイバ中を偏波面を維持したまま進行するから、端
面１８を上記のように形成しておくことで、偏光消光比
を劣化させることなく、端面１８での反射を抑えること
ができる。

【００３７】なお、同様の効果は、レーザ光の電界の振
動方向を、もう一つの偏光軸ｂと一致させることによっ
ても得ることができる。これは、図８のように、偏波保
持ファイバ１３の端面１８を、偏光軸ｂ及び中心軸ｃを
含む平面と直交した状態で、中心軸ｃに対して傾くよう
に形成すれば良い。

【００３８】

【発明の効果】以上、詳細に説明した通り、本願に係る
第１の半導体レーザモジュールでは、光透過板が、その
光入射面がレーザ光の偏波面と直交するような状態で傾
いているので、光透過板でのレーザ光の反射が最小限に
抑えられ、半導体レーザのもどり光を抑えるとともに、
モジュールの出力光強度の低減を防止することができ
る。

【００３９】また、本願に係る第２の半導体レーザモジ
ュールでは、光出力用ファイバの光入射端面がレーザ光
の偏波面と直交するような状態で傾いているので、当該
端面でのレーザ光の反射が最小限に抑えられ、半導体レ
ーザのもどり光を抑えるとともに、モジュールの出力光
強度の低減を防止することができる。

【００４０】本願に係る第２の半導体レーザモジュール
において、光出力用ファイバが偏波保持ファイバである
場合は、この偏波保持ファイバのうちレーザ光が入射す
る端面が、偏光軸及び中心軸を含む平面と直交する状態
で、中心軸に対して傾くように形成されていると、レー
ザ光の電界の振動方向と、偏波保持ファイバの偏光軸の
方向とが一致するようになり、レーザ光が、偏波保持フ
ァイバ中を偏波面を維持したまま進行するようになるの
で、偏光消光比を劣化させることなく、当該端面での反
射を抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態の半導体レーザモジュールの構造を示
す破砕斜視図である。

【図２】実施形態の半導体レーザモジュールの構造を示
す平面断面図である。

【図３】偏波保持ファイバ１３の構造を示す断面図であ
る。

【図４】シールガラス８及び端面１８の傾き方を説明す
るための平面図である。

【図５】屈折率ｎ₀ の媒質から屈折率ｎ₁ の媒質に向か
って進行する光線４０が両媒質の境界面に到達した場合
の、反射光４１及び透過光４２を示す図である。

【図６】シールガラス８の光入射面に直交する偏波面を
有する光、及びシールガラス８の光入射面に平行な偏波
面を有する光が、空気中からシールガラス８に入射した
場合のそれぞれについて、入射角と反射率との関係を示
す図である。

【図７】偏波保持ファイバ１３の端面１８の傾き方と、
偏波保持ファイバ１３の偏光軸との関係を示す第１の図
である。

【図８】偏波保持ファイバ１３の端面１８の傾き方と、
偏波保持ファイバ１３の偏光軸との関係を示す第２の図
である。

【符号の説明】

１…レーザダイオード、２…ヒートシンク、３…チップ
キャリア、４…モニタ用フォトダイオード、５…Ｌキャ
リア、６…ペルチェ素子、７、２４及び２６…ホルダ、
８…シールガラス、９…アイソレータ、１０…収束レン
ズ、１１…フェルールホルダー、１２…フェルール、１
３…偏波保持ファイバ、１４…カバー、１５…ベンドリ
ミッタ、１６…コリメートレンズ、１７…裸の偏波保持
ファイバ、１８…光入射端面、２０…パッケージ、２２
…リードピン、３０…レーザダイオード１の光軸。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 中空のパッケージ内に収容された半導体
   レーザと、前記パッケージの側壁中に、前記半導体レー
   ザの光軸に対して傾けて設置され、前記半導体レーザか
   らのレーザ光を透過させる光透過板と、この光透過板を
   透過した前記レーザ光が入射する端面を有する光出力用
   ファイバと、を備える半導体レーザモジュールにおい
   て、前記光透過板は、前記レーザ光が入射する光入射面を有
   しており、 前記光透過板は、前記光入射面が前記レーザ光の偏波面
   と直交するように、傾けて設置されており、これにより
   前記光透過板での前記レーザ光の反射が最小限に抑えら
   れるとともに、出力光強度の低減が防止されている半導
   体レーザモジュール。
2. 【請求項２】 中空のパッケージ内に収容された半導体
   レーザと、前記パッケージの側壁中に設置され、前記半
   導体レーザからのレーザ光を透過させる光透過板と、前
   記光透過板を透過した前記レーザ光が入射する端面であ
   って前記半導体レーザの光軸に対して傾いているものを
   有し、このレーザ光を出力先に導く光出力用ファイバ
   と、前記半導体レーザおよび前記光出力用ファイバ間に
   配置されたレンズとを備える半導体レーザモジュールに
   おいて、前記半導体レーザの光軸は、前記光出力用ファイバの中
   心軸と一致しており、 前記レンズは、前記半導体レーザおよび前記光出力用フ
   ァイバと同軸に配置されており、 前記光出力用ファイバの前記端面は、前記レーザ光の偏
   波面と直交するように傾いており、これにより前記端面
   での前記レーザ光の反射が最小限に抑えられるととも
   に、出力光強度の低減が防止されている半導体レーザモ
   ジュール。
3. 【請求項３】 前記光出力用ファイバは、中心軸に直交
   する所定の偏光軸を有し、この偏光軸と同一の方向の直
   線偏光を、その偏波面を維持しながら伝搬させる偏波保
   持ファイバであり、 前記偏波保持ファイバの前記レーザ光が入射する端面
   は、前記偏光軸及び前記中心軸を含む平面と直交しつ
   つ、前記中心軸に対して傾くように形成されている、こ
   とを特徴とする請求項２記載の半導体レーザモジュー
   ル。