JP3713821B2

JP3713821B2 - Optical fiber coupling system

Info

Publication number: JP3713821B2
Application number: JP16791496A
Authority: JP
Inventors: 昌行重松
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1996-06-27
Filing date: 1996-06-27
Publication date: 2005-11-09
Anticipated expiration: 2016-06-27
Also published as: JPH1010375A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザや光導波路の出射端から自由空間に向けて出射された光を光ファイバの入射端に入射させる光ファイバ結合系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体レーザや光導波路の出射端から自由空間に向けて出射された光を光ファイバの入射端に入射させる光ファイバ結合系として、幾つかのタイプのものが知られている。例えば、図７に示す第１の従来技術による光ファイバ結合系は、半導体レーザ光源１から出射されたレーザ光を、レンズ２およびレンズ３により集光して光ファイバ４のコア部に入射させ、これによりレーザ光を光ファイバ４に伝搬させるものである。
【０００３】
また、図８に示す第２の従来技術による光ファイバ結合系では、光ファイバ５は、入射端５ａが非球面レンズ加工されていて、半導体レーザ１から出射されたレーザ光をこの非球面レンズにより高効率に結合するものである（ H.M.Presby et al., IEEE Photon. Technol. Lett., Vol.5, No.2, pp.184-186, 1993）。
【０００４】
また、図９に示す第３の従来技術による光ファイバ結合系では、光ファイバ６は、コア部のない先球状ファイバ６ａと、コア部が二乗型屈折率分布を有する所定長のＧＩファイバ６ｂとが、先端に融着接続されている（白石和男ら、電子情報通信学会、第７回光ファイバ応用技術研究会、OFT96-2、1996 ）。この光ファイバ結合系によれば、半導体レーザ１から出射されたレーザ光は、先球状ファイバ６ａの先球部に入射して略平行光とされてＧＩファイバ６ｂのコア部に入射し、そして、そのＧＩファイバ６ｂのコア部における屈折率分布に従って次第に中心に集光されて、光ファイバ６を伝搬していく。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術それぞれは以下のような問題点がある。第１の従来技術（図７）の場合には、レンズが必要であることから、調心が困難であり、コストが高く、また、他の光ファイバ結合系と比較して大型であるという問題点がある。
【０００６】
また、第２の従来技術（図８）の場合には、半導体レーザ１から出射されたレーザ光を高効率に光ファイバ５内に伝搬させるためには、半導体レーザ１と光ファイバ５との間の間隔を狭くして、光ファイバ５の入射端５ａの露出したコア部にレーザ光の殆どを直接に入射させる必要がある。そのため、半導体レーザ１と光ファイバ５との間の間隔の許容範囲が狭く、調心および組立自動化が困難であり、また、入射端５ａの露出した細いコア部が破損する危険が大きいという問題点がある。
【０００７】
また、第３の従来技術（図９）の場合には、光ファイバ６を形成するに際して、３つの部材を融着接続するとともに、先球状ファイバ６ａの先端を先球加工する必要があり、さらに、ＧＩファイバ６ｂの長さを所定値に厳密に管理する必要があるため、生産歩留まりが悪いという問題点がある。
【０００８】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、調心が容易で、破損の危険性が小さく、生産性に優れた光ファイバ結合系を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の光ファイバ結合系は、(1) 出射端から自由空間に向けて光を出射する半導体発光素子と、(2) 半導体発光素子から出射されて入射端の端面に入射した光のうちクラッドモード光となった光を同方向に伝搬する伝搬モード光に変換する回折格子が入射端近傍に形成された光ファイバと、を備えることを特徴とする。この光ファイバ結合系では、半導体発光素子の出射端から自由空間に向けて出射された光のうち、光ファイバの入射端の端面から入射してクラッドモード光になった光は、光ファイバの入射端近傍に形成された回折格子により同方向に伝搬する伝搬モード光に変換されて、光ファイバを伝搬する。
【００１０】
請求項２記載の光ファイバ結合系は、(1) 出射端から自由空間に向けて光を出射する光導波路と、(2) 光導波路から出射されて入射端の端面に入射した光のうちクラッドモード光となった光を同方向に伝搬する伝搬モード光に変換する回折格子が入射端近傍に形成された光ファイバと、を備えることを特徴とする。この光ファイバ結合系では、光導波路の出射端から自由空間に向けて出射された光のうち、光ファイバの入射端の端面から入射してクラッドモード光になった光は、光ファイバの入射端近傍に形成された回折格子により同方向に伝搬する伝搬モード光に変換されて、光ファイバを伝搬する。
【００１１】
請求項３記載の光ファイバは、請求項１または２記載の光ファイバ結合系であって、さらに、光ファイバは互いに次数の異なる複数のクラッドモード光それぞれを伝搬モード光に変換する複数の回折格子それぞれが形成されていることを特徴とするものである。この場合、複数の回折格子それぞれにおいて、その周期に応じた次数のクラッドモード光それぞれが伝搬モード光に変換されるので、伝搬モード光への変換効率が高い。
【００１２】
請求項４記載の光ファイバは、請求項１または２記載の光ファイバ結合系であって、さらに、光ファイバは回折格子がコア部およびクラッド部の双方に形成されていることを特徴とするものである。この場合、クラッドモード光は、高効率に伝搬モード光へ変換される。
【００１３】
請求項５記載の光ファイバ結合系は、請求項１記載の光ファイバ結合系であって、さらに、(1) 半導体発光素子は反射端と低反射処理された出射端との間に光を発生するとともに増幅する活性領域を備え、(2) 光ファイバは伝搬モード光の一部を逆方向に伝搬する伝搬モード光に変換する反射用回折格子が更に形成されている、ことを特徴とするものである。この場合、半導体発光素子の反射端と光ファイバの反射用回折格子とによりファブリペロー型の共振器が構成され、反射用回折格子のブラッグ波長の発振波長を有するレーザ発振が生じる。
【００１４】
請求項６記載の半導体発光モジュールは、請求項１記載の光ファイバ結合系を備えることを特徴とする。また、請求項７記載の光導波路モジュールは、請求項２記載の光ファイバ結合系を備えることを特徴とする。何れの場合も取り扱いが容易となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、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。
【００１６】
（第１の実施形態）
先ず、第１の実施形態について説明する。図１は、第１の実施形態に係る光ファイバ結合系の模式図である。この光ファイバ結合系は、半導体レーザ（半導体発光素子）１０と光ファイバ２０とを備えて構成されている。
【００１７】
半導体レーザ１０は、光の発生および増幅を行う活性領域１０１と、その活性領域１０１よりも屈折率が小さいクラッド層１０２および１０３とが積層されており、また、一方の端面である反射端１０４は、光を略全反射するものであり、他方の端面である出射端１０５は、光の一部を透過させ残部を反射させるものであり、反射端１０４と出射端１０５とは互いに平行である。このような半導体レーザ１０の活性領域１０１に電流が注入されると光が発生し、その光が反射端１０４と出射端１０５との間で活性領域１０１内を往復する間に誘導放出が起こり、そして、その誘導放出光すなわちレーザ光が出射端１０５から外部へ出射される。
【００１８】
この半導体レーザ１０の出射端１０５から出射されたレーザ光は、所定の拡がり角で拡がって自由空間に出射され、光ファイバ２０の入射端２０３に入射する。光ファイバ２０は、コア部２０１とその周囲に屈折率の低いクラッド部２０２とが同心円状に形成された細径の線材であって、そのコア部２０１とクラッド部２０２との境界面で全反射しながら光をコア部２０１内に伝搬させるものである。また、この光ファイバ２０の入射端２０３の近傍のコア部２０１には、回折格子２０４が形成されている。この回折格子２０４が形成される位置は、光ファイバ２０の入射端２０３から１ｍ以内であり、好ましくは１０ｃｍ以内である。
【００１９】
この回折格子２０４は、クラッドモード光を同方向に伝搬する伝搬モード光に変換するためのものである。ここで、クラッドモード光は、クラッド部２０２の外側の境界面で全反射しながら伝搬する光であり、伝搬モード光は、コア部２０１とクラッド部２０２との間の境界面で全反射しながらコア部２０１内を伝搬する光である。光ファイバ２０がシングルモード光ファイバであるとして伝搬モード光が基底モード光のみであるとし、また、クラッドモード光のうちｍ次のクラッドモード光を回折格子２０４により基底モード光に変換するものとすれば、回折格子２０４の周期Λ_m は、
β₀ − β_cm ＝２π／Λ_m … (1)
なる関係式を満たすものである。ここで、β₀ は基底モード光の伝搬定数であり、β_cmはｍ次のクラッドモード光の伝搬定数であり、πは円周率である。基底モード光の伝搬定数β₀ とクラッドモード光の伝搬定数β_cmとの差は一般に小さいので、回折格子２０４の周期Λ_m は数百μｍ程度である。
【００２０】
この回折格子２０４は、Ｇｅ（ゲルマニウム）元素が添加された石英ガラスに所定波長の紫外光を照射すると、照射された紫外光の強度に応じて屈折率が大きくなることを利用して形成される。すなわち、光ファイバ２０のコア部２０１にＧｅ元素を添加しておき、その光ファイバ２０の光軸方向に干渉縞ができるように外部から紫外光を照射することにより、その干渉縞の光強度分布に応じた屈折率を有する回折格子２０４がコア部２０１に形成される。したがって、干渉縞のパターンすなわち紫外光の入射角度を適切に設定することにより、この回折格子２０４の周期Λ_m を、上記（１）式を満たす所望値にすることができる。
【００２１】
この光ファイバ結合系は以下のように作用する。半導体レーザ１０の活性領域１０１に電流が注入されることにより、出射端１０５から自由空間に向けて所定の拡がり角でレーザ光が出射され、このレーザ光は、光ファイバ２０の入射端２０３に入射する。入射端２０３に入射したレーザ光のうち、一部は伝搬モード光として光ファイバ２０を伝搬するが、大部分はクラッドモード光となる。このクラッドモード光が回折格子２０４が形成されている領域まで達すると、クラッドモード光のうち（１）式を満たすｍ次のクラッドモード光は、回折格子２０４により同方向に伝搬する伝搬モード光に変換され、光ファイバ２０を伝搬して行く。
【００２２】
このように、半導体レーザ１０から出射されたレーザ光を光ファイバ２０の入射端２０３の広い面で受光することとし、光ファイバ２０の回折格子２０４によりクラッドモード光を同方向に伝搬する伝搬モード光に変換する構成にしたので、半導体レーザ１０から出射されたレーザ光を高効率に光ファイバ２０に伝搬モード光として伝搬させることができる。また、半導体レーザ１０と光ファイバ２０との間の距離の許容範囲が広いので調心が容易であり、光ファイバ２０の入射端２０３に特別の加工を施すことを要しないので、破損の危険性が小さく、生産性に優れる。
【００２３】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。図２は、第２の実施形態に係る光ファイバ結合系の模式図である。この光ファイバ結合系は、半導体レーザ１０と光ファイバ２１とを備えて構成されている。本実施形態に係る光ファイバ結合系における半導体レーザ１０は、第１の実施形態におけるものと同様のものである。一方、本実施形態における光ファイバ２１は、第１の実施形態における光ファイバ２０と比べて、複数（図２では２つ）の回折格子が形成されている点が異なる。
【００２４】
光ファイバ２１は、コア部２１１とその周囲に屈折率の低いクラッド部２１２とが同心円状に形成された細径の線材であり、この光ファイバ２１の入射端２１３の近傍のコア部２１１には、回折格子２１４および２１５が形成されている。この回折格子２１４および２１５それぞれは、互いに異なる次数のクラッドモード光それぞれを同方向に伝搬する伝搬モード光に変換するためのものである。
【００２５】
すなわち、光ファイバ２１がシングルモード光ファイバであるとして伝搬モード光が基底モード光のみであるとし、また、クラッドモード光のうちｍ次のクラッドモード光を回折格子２１４により基底モード光に変換するものとすれば、回折格子２１４の周期Λ_m は前述の（１）式を満たすものであり、また、ｎ次のクラッドモード光を回折格子２１５により基底モード光に変換するものとすれば、回折格子２１５周期Λ_n は、
β₀ − β_cn ＝２π／Λ_n … (2)
なる関係式を満たすものである。ここで、β₀ は基底モード光の伝搬定数であり、β_cmはｍ次のクラッドモード光の伝搬定数であり、β_cnはｎ次のクラッドモード光の伝搬定数であり、πは円周率であり、ｍとｎとは異なる値である。なお、次数が異なるとクラッドモード光の伝搬定数も異なるので、回折格子２１４の周期Λ_m と回折格子２１５の周期Λ_n とは互いに異なる。
【００２６】
この光ファイバ結合系は以下のように作用する。半導体レーザ１０の活性領域１０１に電流が注入されることにより、出射端１０５から自由空間に向けて所定の拡がり角でレーザ光が出射され、このレーザ光は、光ファイバ２１の入射端２１３に入射する。入射端２１３に入射したレーザ光のうち、一部は伝搬モード光として光ファイバ２１を伝搬するが、大部分はクラッドモード光となる。このクラッドモード光のうち（１）式を満たすｍ次のクラッドモード光は、回折格子２１４が形成されている領域まで達すると、その回折格子２１４により同方向に伝搬する伝搬モード光に変換され光ファイバ２１を伝搬して行く。一方、クラッドモード光のうち（２）式を満たすｎ次のクラッドモード光は、回折格子２１４が形成されている領域まで達しても、（１）式を満たさないので伝搬モード光に変換されることなく、そのまま通過する。しかし、その後、このｎ次のクラッドモード光は、回折格子２１５が形成されている領域まで達すると、その回折格子２１５により同方向に伝搬する伝搬モード光に変換され光ファイバ２１を伝搬していく。
【００２７】
このように、半導体レーザ１０から出射されたレーザ光を光ファイバ２１の入射端２１３の広い面で受光することとし、光ファイバ２１の互いに周期の異なる回折格子２１４および２１５それぞれによりクラッドモード光を同方向に伝搬する伝搬モード光に変換する構成にしたので、前述の第１の実施形態の場合に比較して、半導体レーザ１０から出射されたレーザ光を更に高効率に光ファイバ２１に伝搬モード光として伝搬させることができる。
【００２８】
なお、本実施形態に係る光ファイバ結合系は、互いに異なる周期の２つの回折格子を光ファイバに形成したものであるが、回折格子の個数は２に限られることはなく、３以上であってもよい。この場合、それぞれの回折格子の周期それぞれは、各次数のクラッドモード光の伝搬定数それぞれについて、（１）式および（２）式と同様の関係式を満たす必要がある。また、格子間隔が光ファイバ光軸方向に連続的に変化する回折格子であってもよい。
【００２９】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。図３は、第３の実施形態に係る光ファイバ結合系の模式図である。この光ファイバ結合系は、半導体レーザ１０と光ファイバ２２とを備えて構成されている。本実施形態に係る光ファイバ結合系における半導体レーザ１０は、第１の実施形態におけるものと同様のものである。一方、本実施形態における光ファイバ２２は、第１の実施形態における光ファイバ２０と比べて、回折格子２２４がコア部２２１だけでなくクラッド部２２２にも及んで形成されている点が異なる。
【００３０】
この光ファイバ２２は、コア部２２１だけでなくクラッド部２２２にもＧｅ元素を添加しておき、その光ファイバ２２の光軸方向に干渉縞ができるように外部から紫外光を照射することにより、その干渉縞の光強度分布に応じた屈折率を有する回折格子２２４がコア部２２１およびクラッド部２２２に形成される。
【００３１】
本実施形態に係る光ファイバ結合系も、第１の実施形態と同様に作用する。すなわち、半導体レーザ１０の出射端１０５から出射されたレーザ光は、光ファイバ２２の入射端２２３に入射して、大部分はクラッドモード光となる。このクラッドモード光が回折格子２２４が形成されている領域まで達すると、クラッドモード光のうち（１）式を満たすｍ次のクラッドモード光は、回折格子２２４により同方向に伝搬する伝搬モード光に変換され、光ファイバ２２を伝搬して行く。
【００３２】
本実施形態では、回折格子２２４におけるクラッドモード光から伝搬モード光への変換の効率は、回折格子２２４がコア部２２１およびクラッド部２２２の双方に形成されているので、第１の実施形態の場合と比較して高い。
【００３３】
（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態について説明する。図４は、第４の実施形態に係る光ファイバ結合系の模式図である。この光ファイバ結合系は、半導体発光素子１１と光ファイバ２３とを備えて構成されている。
【００３４】
半導体発光素子１１は、光の発生および増幅を行う活性領域１１１と、その活性領域１１１よりも屈折率が小さいクラッド層１１２および１１３とが積層されており、また、一方の端面である反射端１１４は、光を略全反射するものであり、他方の端面である出射端１１５は、低反射処理が施されていて光を殆ど透過させるものであり、反射端１１４と出射端１１５とは互いに平行とするか、または、出射端１１５を活性領域１１１に対して斜めとしてもよい。このような半導体発光素子１１の活性領域１１１に電流が注入されると光が発生し、その光は、出射端１１５から外部へ出射される。また、光が外部から出射端１１５を経て活性領域１１１内に入射すると、その光が反射端１１４と出射端１１５との間で活性領域１１１内を往復する間に誘導放出が起こる。
【００３５】
この半導体発光素子１１の出射端１１５から出射された光は、所定の拡がり角で拡がって自由空間に出射され、光ファイバ２３の入射端２３３に入射する。光ファイバ２３は、コア部２３１とその周囲に屈折率の低いクラッド部２３２とが同心円状に形成された細径の線材であって、そのコア部２３１とクラッド部２３２との境界面で全反射しながら光をコア部２３１内に伝搬させるものである。また、この光ファイバ２３の入射端２３３の近傍のコア部２３１には、入射端２３３に近い方から順に変換用回折格子２３４および反射用回折格子２３５が形成されている。これら変換用回折格子２３４および反射用回折格子２３５も、第１の実施形態で説明した方法と同様にして形成される。
【００３６】
この変換用回折格子２３４は、クラッドモード光を同方向に伝搬する伝搬モード光に変換するとともに、伝搬モード光を同方向に伝搬するクラッドモード光に変換するためのものである。光ファイバ２３がシングルモード光ファイバであるとして伝搬モード光が基底モード光のみであるとし、また、クラッドモード光のうちｍ次のクラッドモード光と基底モード光との間で相互に変換するものとすれば、変換用回折格子２３４の周期Λ_m は、上記（１）式を満たすものである。
【００３７】
一方、反射用回折格子２３５は、変換用回折格子２３４により変換されて生成された伝搬モード光の一部を反射させ残部を透過させるためのものである。この反射用回折格子２３５の周期Λ_B は、伝搬定数β₀ の基底モード光をブラッグ回折する条件式：
β₀ ＝ π／Λ_B … (3)
で表される。この反射用回折格子２３５の周期Λ_B は、変換用回折格子２３４の周期Λ_m と比べて短周期であり、光の波長の半分の程度である。
【００３８】
この光ファイバ結合系は以下のように作用する。半導体発光素子１１の活性領域１１１に電流が注入されることにより生じた光は、出射端１１５から自由空間に向けて所定の拡がり角で出射され、この光は、光ファイバ２３の入射端２３３に入射する。入射端２３３に入射した光のうち、一部は伝搬モード光として光ファイバ２３を伝搬するが、大部分はクラッドモード光となる。
【００３９】
このクラッドモード光が変換用回折格子２３４が形成されている領域まで達すると、クラッドモード光のうち（１）式を満たすｍ次のクラッドモード光は、変換用回折格子２３４により同方向に伝搬する伝搬モード光に変換され、光ファイバ２３を伝搬して行く。そして、この伝搬モード光が反射用回折格子２３５が形成されている領域まで達すると、（３）式を満たす伝搬モード光は、反射用回折格子２３５により一部が反射される。
【００４０】
この反射用回折格子２３５により反射された伝搬モード光は、反対方向に進んで反射用回折格子２３４に達して、ｍ次のクラッドモード光に変換され、そのｍ次のクラッドモード光は、光ファイバ２３の入射端２３３から外部へ出射し、半導体発光素子１１の出射端１１５から活性領域１１１内に入射する。そして、その光が活性領域１１１内において反射端１１４で反射されて往復する間に誘導放出が起こる。
【００４１】
このように、半導体発光素子１１の反射端１１４と光ファイバ２３の反射用回折格子２３５との間にファブリベロー型の共振器が構成されるとともに、半導体発光素子１１の活性領域１１１において光の発生と増幅が行われるので、レーザ発振器が構成されることになる。反射用回折格子２３５から出射されるレーザ光の波長は、半導体発光素子１１において発生する光の波長スペクトルおよびファブリペロー型共振器の共振器長から決まるのみならず、反射用回折格子２３５におけるブラッグ回折の条件式である上記（３）式をも満たすものである。
【００４２】
このように、半導体発光素子１１および光ファイバ２３により構成されるレーザ発振器において、半導体発光素子１１と光ファイバ２３との間の光結合が、光ファイバ２３に形成された変換用回折格子２３４により高効率に行われるので、効率のよいレーザ発振が可能となる。
【００４３】
（第５の実施形態）
次に、第５の実施形態について説明する。図５は、第５の実施形態に係る光ファイバ結合系の模式図である。この光ファイバ結合系は、光ファイバ２４と光導波路１２と光ファイバ２５とを備えて構成される。
【００４４】
光ファイバ２４は、コア部２４１とその周囲に屈折率の低いクラッド部２４２とが同心円状に形成された細径の線材であって、そのコア部２４１とクラッド部２４２との境界面で全反射しながら光をコア部２４１内に伝搬させるものである。また、光導波路１２は、平板状またはストライプ状のコア部１２１が屈折率の低いクラッド部１２２および１２３に囲まれた２次元または３次元の光導波路であって、そのコア部１２１とクラッド部１２２，１２３との境界面で全反射しながら光をコア部１２１内に伝搬させるものである。
【００４５】
光ファイバ２４の出射端２４３と光導波路１２の入射端１２４とは密着接続しており、光ファイバ２４のコア部２４１内を伝搬してきて出射端２４３に達した伝搬モード光は、直ちに入射端１２４から光導波路１２に入射して、光導波路１２のコア部１２１を伝搬する光となる。そして、その伝搬光は、光導波路１２の出射端１２５に達して、その出射端１２５から自由空間に向けて出射される。
【００４６】
この光導波路１２の出射端１２５から出射された光は、所定の拡がり角で拡がって自由空間に出射され、光ファイバ２５の入射端２５３に入射する。光ファイバ２５は、コア部２５１とその周囲に屈折率の低いクラッド部２５２とが同心円状に形成された細径の線材であって、そのコア部２５１とクラッド部２５２との境界面で全反射しながら光をコア部２５１内に伝搬させるものである。また、この光ファイバ２５の入射端２５３の近傍のコア部２５１には、回折格子２５４が形成されている。この光ファイバ２５は、第１の実施形態における光ファイバ２０と同様のものであり、同様の作用を奏する。
【００４７】
この光ファイバ結合系では、光ファイバ２４から光導波路１２へと伝搬した光は、光導波路１２の出射端１２５から自由空間に向けて所定の拡がり角で出射され、その光は、光ファイバ２５の入射端２５３に入射する。入射端２５３に入射した光のうち、一部は伝搬モード光として光ファイバ２５を伝搬するが、大部分はクラッドモード光となる。このクラッドモード光が回折格子２５４が形成されている領域まで達すると、クラッドモード光のうち（１）式を満たすｍ次のクラッドモード光は、回折格子２５４により同方向に伝搬する伝搬モード光に変換され、光ファイバ２５を伝搬して行く。
【００４８】
このように、本実施形態に係る光ファイバ結合系においても、第１の実施形態の場合と同様に、光導波路１２から出射された光を光ファイバ２５の入射端２５３の広い面で受光することとし、光ファイバ２５の回折格子２５４によりクラッドモード光を同方向に伝搬する伝搬モード光に変換する構成にしたので、光導波路１２から出射された光を高効率に光ファイバ２５に伝搬モード光として伝搬させることができる。また、光導波路１２と光ファイバ２５との間の距離の許容範囲が広いので調心が容易であり、光ファイバ２５の入射端２５３に特別の加工を施すことを要しないので、破損の危険性が小さく、生産性に優れる。
【００４９】
（第６の実施形態）
次に、第６の実施形態について説明する。図６は、第６の実施形態に係る光ファイバ結合系の模式図である。この光ファイバ結合系は、光ファイバ２６と光導波路１３と光ファイバ２７とを備えて構成される。
【００５０】
光ファイバ２６は、コア部２６１とその周囲に屈折率の低いクラッド部２６２とが同心円状に形成された細径の線材であって、そのコア部２６１とクラッド部２６２との境界面で全反射しながら光をコア部２６１内に伝搬させるものである。この光ファイバ２６を伝搬してきた光は、出射端２６３に達すると、その出射端２６３から所定の拡がり角で拡がって自由空間に出射され、光導波路１３の入射端１３４に入射する。
【００５１】
光導波路１３は、平板状またはストライプ状のコア部１３１が屈折率の低いクラッド部１３２および１３３に囲まれた２次元または３次元の光導波路であって、そのコア部１３１とクラッド部１３２，１３３との境界面で全反射しながら光をコア部１３１内に伝搬させるものである。また、この光導波路１３の入射端１３４の近傍のコア部１３１には、回折格子１３６が形成されている。この回折格子１３６は、光ファイバの入射端近傍に形成された回折格子と同様に、クラッドモード光を同方向に伝搬する伝搬モード光に変換するものであり、また、光ファイバの回折格子の形成方法と同様の方法で形成される。
【００５２】
光導波路１３の回折格子１３６において伝搬モード光に変換された光は、コア部１３１を伝搬して出射端１３５に達し、その出射端１３５から所定の拡がり角で拡がって自由空間に向けて出射され、光ファイバ２７の入射端２７３に入射する。光ファイバ２７は、コア部２７１とその周囲に屈折率の低いクラッド部２７２とが同心円状に形成された細径の線材であって、そのコア部２７１とクラッド部２７２との境界面で全反射しながら光をコア部２７１内に伝搬させるものである。また、この光ファイバ２７の入射端２７３の近傍のコア部２７１には、回折格子２７４が形成されている。この光ファイバ２７は、第１の実施形態における光ファイバ２０と同様のものであり、同様の作用を奏する。
【００５３】
この光ファイバ結合系では、光ファイバ２６を伝搬してきた光は、その出射端２６３から所定の拡がり角で拡がって自由空間に出射され、光導波路１３の入射端１３４に入射する。光導波路１３の入射端１３４に入射した光のうち、一部は伝搬モード光として光導波路１３を伝搬するが、大部分はクラッドモード光となる。このクラッドモード光が回折格子１３６が形成されている領域まで達すると、クラッドモード光のうちで（１）式と同様の条件を満たすクラッドモード光は、回折格子１３６により同方向に伝搬する伝搬モード光に変換され、光導波路１３を伝搬して行く。そして、光導波路１３を伝搬した光は、その出射端１３５から自由空間に向けて所定の拡がり角で出射され、その光は、光ファイバ２７の入射端２７３に入射する。入射端２７３に入射した光のうち、一部は伝搬モード光として光ファイバ２７を伝搬するが、大部分はクラッドモード光となる。このクラッドモード光が回折格子２７４が形成されている領域まで達すると、クラッドモード光のうち（１）式を満たすｍ次のクラッドモード光は、回折格子２７４により同方向に伝搬する伝搬モード光に変換され、光ファイバ２７を伝搬して行く。
【００５４】
このように、本実施形態に係る光ファイバ結合系においては、光ファイバ２６から出射された光を光導波路１３の入射端１３４の広い面で受光することとし、光導波路１３の回折格子１３６によりクラッドモード光を同方向に伝搬する伝搬モード光に変換する構成にしたので、光ファイバ２６から出射された光を高効率に光導波路１３に伝搬モード光として伝搬させることができる。また、光導波路１３と光ファイバ２７との間の距離の許容範囲が広いので調心が容易である。
【００５５】
また、第１の実施形態の場合と同様に、光導波路１３から出射された光を光ファイバ２７の入射端２７３の広い面で受光することとし、光ファイバ２７の回折格子２７４によりクラッドモード光を同方向に伝搬する伝搬モード光に変換する構成にしたので、光導波路１３から出射された光を高効率に光ファイバ２７に伝搬モード光として伝搬させることができる。また、光導波路１３と光ファイバ２７との間の距離の許容範囲が広いので調心が容易であり、光ファイバ２７の入射端２７３に特別の加工を施すことを要しないので、破損の危険性が小さく、生産性に優れる。
【００５６】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。例えば、上記の各実施形態において、半導体レーザ（半導体発光素子）と光ファイバとの相対的位置関係を固定して一体成形して半導体発光モジュールとしてもよいし、光導波路と光ファイバとの相対的位置関係を固定して一体成形して光導波路モジュールとしてもよい。これら何れの場合においても取り扱いが容易になる。
【００５７】
また、第５の実施形態において、光ファイバ２５に複数の回折格子を形成してもよいし、回折格子をコア部およびクラッド部の双方の領域に形成してもよい。
【００５８】
同様に、第６の実施形態において、光導波路１３および光ファイバ２７それぞれに複数の回折格子を形成してもよいし、回折格子をコア部およびクラッド部の双方の領域に形成してもよい。
【００５９】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したとおり本発明によれば、半導体発光素子または光導波路の出射端から自由空間に向けて出射された光のうち、光ファイバの入射端の端面から入射してクラッドモード光になった光は、光ファイバの入射端近傍に形成された回折格子により同方向に伝搬する伝搬モード光に変換されて、光ファイバを伝搬する。このように、半導体発光素子または光導波路から出射された光を光ファイバの入射端の端面の広い面で受光することとし、光ファイバの回折格子によりクラッドモード光を同方向に伝搬する伝搬モード光に変換する構成にしたので、半導体発光素子または光導波路から出射された光を高効率に光ファイバに伝搬モード光として伝搬させることができる。また、半導体発光素子または光導波路と光ファイバとの間の距離の許容範囲が広いので調心が容易であり、光ファイバの入射端に特別の加工を施すことを要しないので、破損の危険性が小さく、生産性に優れる。
【００６０】
また、互いに次数の異なる複数のクラッドモード光それぞれを伝搬モード光に変換する複数の回折格子それぞれが光ファイバに形成されている場合には、複数の回折格子それぞれにおいて、その周期に応じた次数のクラッドモード光それぞれが伝搬モード光に変換されるので、伝搬モード光への変換効率が高い。また、回折格子が光ファイバのコア部およびクラッド部の双方に形成されている場合にも、クラッドモード光から伝搬モード光への変換効率が高い。
【００６１】
また、半導体発光素子を、反射端と低反射処理された出射端との間に光を発生するとともに増幅する活性領域を備えるものとし、光ファイバを、伝搬モード光の一部を逆方向に伝搬する伝搬モード光に変換する反射用回折格子が更に形成されているものとすれば、半導体発光素子の反射端と光ファイバの反射用回折格子とによりファブリペロー型の共振器が構成される。これにより得られるレーザ光は、その波長が反射用回折格子のブラッグ波長の発振波長であって、極めて単色性に優れたものとなる。
【００６２】
また、半導体発光素子または光導波路と光ファイバとが一体に成形されてモジュール化されている場合には、取り扱いが容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る光ファイバ結合系の模式図である。
【図２】第２の実施形態に係る光ファイバ結合系の模式図である。
【図３】第３の実施形態に係る光ファイバ結合系の模式図である。
【図４】第４の実施形態に係る光ファイバ結合系の模式図である。
【図５】第５の実施形態に係る光ファイバ結合系の模式図である。
【図６】第６の実施形態に係る光ファイバ結合系の模式図である。
【図７】第１の従来技術による光ファイバ結合系の模式図である。
【図８】第２の従来技術による光ファイバ結合系の模式図である。
【図９】第３の従来技術による光ファイバ結合系の模式図である。
【符号の説明】
１０…半導体レーザ、１１…半導体発光素子、１２，１３…光導波路、
２０，２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７…光ファイバ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical fiber coupling system in which light emitted from an emission end of a semiconductor laser or an optical waveguide toward a free space is incident on an incident end of an optical fiber.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, several types of optical fiber coupling systems have been known as optical fiber coupling systems that allow light emitted from a light emitting end of a semiconductor laser or an optical waveguide to enter a free space. For example, in the optical fiber coupling system according to the first prior art shown in FIG. 7, the laser light emitted from the semiconductor laser light source 1 is condensed by the lens 2 and the lens 3 and is incident on the core portion of the optical fiber 4, Thus, the laser light is propagated to the optical fiber 4.
[0003]
In the optical fiber coupling system according to the second prior art shown in FIG. 8, the optical fiber 5 has an incident end 5a processed with an aspheric lens, and the laser light emitted from the semiconductor laser 1 is transmitted by this aspheric lens. It combines with high efficiency (HMPresby et al., IEEE Photon. Technol. Lett., Vol.5, No.2, pp.184-186, 1993).
[0004]
In the optical fiber coupling system according to the third prior art shown in FIG. 9, the optical fiber 6 includes a tip spherical fiber 6a having no core part, and a GI fiber 6b having a predetermined length whose core part has a square type refractive index distribution. However, it is fusion spliced to the tip (Kazuo Shiraishi et al., IEICE, 7th Optical Fiber Application Technology Study Group, OFT96-2, 1996). According to this optical fiber coupling system, the laser light emitted from the semiconductor laser 1 is incident on the front sphere portion of the front spherical fiber 6a to be substantially parallel light, and is incident on the core portion of the GI fiber 6b. The light is gradually condensed at the center according to the refractive index distribution in the core portion of the GI fiber 6 b and propagates through the optical fiber 6.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, each of the above conventional techniques has the following problems. In the case of the first prior art (FIG. 7), since a lens is required, alignment is difficult, the cost is high, and the size is large compared to other optical fiber coupling systems. There is a point.
[0006]
Further, in the case of the second prior art (FIG. 8), in order to propagate the laser light emitted from the semiconductor laser 1 into the optical fiber 5 with high efficiency, between the semiconductor laser 1 and the optical fiber 5 is used. It is necessary to make most of the laser light directly incident on the exposed core portion of the incident end 5a of the optical fiber 5 by narrowing the distance between the two. Therefore, the allowable range of the distance between the semiconductor laser 1 and the optical fiber 5 is narrow, alignment and assembly automation are difficult, and there is a high risk of damage to the exposed thin core portion of the incident end 5a. There is.
[0007]
In the case of the third prior art (FIG. 9), when forming the optical fiber 6, it is necessary to fuse and connect the three members, and to tip the tip of the tip spherical fiber 6a. Since the length of the GI fiber 6b needs to be strictly controlled to a predetermined value, there is a problem that the production yield is poor.
[0008]
The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide an optical fiber coupling system that is easy to align, has a low risk of breakage, and is excellent in productivity.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
An optical fiber coupling system according to claim 1 includes: (1) a semiconductor light emitting element that emits light from an emission end toward free space; and (2) Light that is emitted from the semiconductor light emitting device and enters the end face of the incident end, and becomes clad mode light And an optical fiber in which a diffraction grating for converting into a propagation mode light propagating in the same direction is formed in the vicinity of the incident end. In this optical fiber coupling system, of the light emitted from the emission end of the semiconductor light emitting element toward the free space, the incident end of the optical fiber End face The light that has entered into the clad mode light is converted into propagation mode light propagating in the same direction by a diffraction grating formed near the incident end of the optical fiber, and propagates through the optical fiber.
[0010]
The optical fiber coupling system according to claim 2 includes: (1) an optical waveguide that emits light from an emission end toward free space; and (2) Of the light emitted from the optical waveguide and incident on the end face of the incident end, the light becomes clad mode light And an optical fiber in which a diffraction grating for converting into a propagation mode light propagating in the same direction is formed in the vicinity of the incident end. In this optical fiber coupling system, the incident end of the optical fiber out of the light emitted toward the free space from the exit end of the optical waveguide. End face The light that has entered into the clad mode light is converted into propagation mode light propagating in the same direction by a diffraction grating formed near the incident end of the optical fiber, and propagates through the optical fiber.
[0011]
An optical fiber according to claim 3 is the optical fiber coupling system according to claim 1 or 2, wherein the optical fiber further converts a plurality of clad mode lights having different orders into a propagation mode light. Each is formed. In this case, in each of the plurality of diffraction gratings, each order of the cladding mode light corresponding to the period thereof is converted into propagation mode light, so that the conversion efficiency into propagation mode light is high.
[0012]
An optical fiber according to a fourth aspect is the optical fiber coupling system according to the first or second aspect, wherein the optical fiber has diffraction gratings formed in both the core part and the clad part. It is. In this case, the clad mode light is converted into propagation mode light with high efficiency.
[0013]
The optical fiber coupling system according to claim 5 is the optical fiber coupling system according to claim 1, and (1) the semiconductor light emitting element generates light between the reflection end and the output end subjected to low reflection processing. And (2) the optical fiber is further formed with a reflection diffraction grating that converts a part of the propagation mode light into propagation mode light propagating in the opposite direction. It is. In this case, a Fabry-Perot resonator is formed by the reflection end of the semiconductor light emitting element and the reflection diffraction grating of the optical fiber, and laser oscillation having the Bragg wavelength of the reflection diffraction grating is generated.
[0014]
A semiconductor light emitting module according to a sixth aspect includes the optical fiber coupling system according to the first aspect. An optical waveguide module according to a seventh aspect includes the optical fiber coupling system according to the second aspect. In either case, handling becomes easy.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
[0016]
(First embodiment)
First, the first embodiment will be described. FIG. 1 is a schematic diagram of an optical fiber coupling system according to the first embodiment. This optical fiber coupling system includes a semiconductor laser (semiconductor light emitting element) 10 and an optical fiber 20.
[0017]
The semiconductor laser 10 includes an active region 101 that generates and amplifies light, and cladding layers 102 and 103 having a refractive index smaller than that of the active region 101, and a reflection end 104 that is one end surface is The light exiting end 105, which is the other end face, transmits a part of the light and reflects the rest, and the reflecting end 104 and the exiting end 105 are parallel to each other. When a current is injected into the active region 101 of the semiconductor laser 10 as described above, light is generated, and stimulated emission occurs while the light reciprocates in the active region 101 between the reflection end 104 and the emission end 105, Then, the stimulated emission light, that is, laser light is emitted from the emission end 105 to the outside.
[0018]
The laser beam emitted from the emission end 105 of the semiconductor laser 10 spreads at a predetermined spread angle, is emitted into free space, and enters the incident end 203 of the optical fiber 20. The optical fiber 20 is a thin wire having a core part 201 and a clad part 202 having a low refractive index formed concentrically around the core part 201, and is totally reflected at a boundary surface between the core part 201 and the clad part 202. However, light is propagated into the core unit 201. A diffraction grating 204 is formed in the core portion 201 near the incident end 203 of the optical fiber 20. The position where the diffraction grating 204 is formed is within 1 m from the incident end 203 of the optical fiber 20, and preferably within 10 cm.
[0019]
The diffraction grating 204 is for converting clad mode light into propagation mode light propagating in the same direction. Here, the cladding mode light is light that propagates while being totally reflected at the outer boundary surface of the cladding portion 202, and the propagation mode light is totally reflected at the boundary surface between the core portion 201 and the cladding portion 202. Light propagating through the core unit 201. Assume that the optical fiber 20 is a single mode optical fiber, the propagation mode light is only the fundamental mode light, and the mth-order cladding mode light of the cladding mode light is converted into the fundamental mode light by the diffraction grating 204. For example, the period Λ of the diffraction grating 204 _m Is
β ₀ − Β _cm = 2π / Λ _m … (1)
The following relational expression is satisfied. Where β ₀ Is the propagation constant of the fundamental mode light, β _cm Is the propagation constant of the mth-order clad mode light, and π is the circumference. Propagation constant β of fundamental mode light ₀ And clad mode light propagation constant β _cm In general, the period Λ of the diffraction grating 204 is small. _m Is about several hundred μm.
[0020]
The diffraction grating 204 is formed by utilizing the fact that when quartz glass to which a Ge (germanium) element is added is irradiated with ultraviolet light having a predetermined wavelength, the refractive index increases in accordance with the intensity of the irradiated ultraviolet light. . That is, by adding Ge element to the core portion 201 of the optical fiber 20 and irradiating ultraviolet light from the outside so that an interference fringe is formed in the optical axis direction of the optical fiber 20, the light intensity distribution of the interference fringe is obtained. A diffraction grating 204 having a refractive index corresponding to the above is formed in the core portion 201. Therefore, by appropriately setting the interference fringe pattern, that is, the incident angle of the ultraviolet light, the period Λ of the diffraction grating 204 is set. _m Can be set to a desired value satisfying the expression (1).
[0021]
This optical fiber coupling system operates as follows. When a current is injected into the active region 101 of the semiconductor laser 10, laser light is emitted from the emission end 105 toward the free space at a predetermined divergence angle, and this laser light enters the incident end 203 of the optical fiber 20. To do. Some of the laser light incident on the incident end 203 propagates through the optical fiber 20 as propagation mode light, but most of it becomes clad mode light. When this clad mode light reaches the region where the diffraction grating 204 is formed, the m-th order clad mode light satisfying the expression (1) in the clad mode light is changed to propagation mode light propagating in the same direction by the diffraction grating 204. It is converted and propagates through the optical fiber 20.
[0022]
As described above, the laser light emitted from the semiconductor laser 10 is received by the wide surface of the incident end 203 of the optical fiber 20, and the propagation mode light propagates the clad mode light in the same direction by the diffraction grating 204 of the optical fiber 20. Therefore, the laser light emitted from the semiconductor laser 10 can be propagated to the optical fiber 20 as propagation mode light with high efficiency. In addition, since the allowable range of the distance between the semiconductor laser 10 and the optical fiber 20 is wide, alignment is easy, and it is not necessary to apply special processing to the incident end 203 of the optical fiber 20, so that there is a risk of damage. Is small and excellent in productivity.
[0023]
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment will be described. FIG. 2 is a schematic diagram of an optical fiber coupling system according to the second embodiment. This optical fiber coupling system includes a semiconductor laser 10 and an optical fiber 21. The semiconductor laser 10 in the optical fiber coupling system according to the present embodiment is the same as that in the first embodiment. On the other hand, the optical fiber 21 in this embodiment is different from the optical fiber 20 in the first embodiment in that a plurality of (two in FIG. 2) diffraction gratings are formed.
[0024]
The optical fiber 21 is a thin wire rod in which a core portion 211 and a clad portion 212 having a low refractive index are formed concentrically around the core portion 211, and the core portion 211 near the incident end 213 of the optical fiber 21 includes Diffraction gratings 214 and 215 are formed. Each of the diffraction gratings 214 and 215 is for converting each of the clad mode lights of different orders into propagation mode light propagating in the same direction.
[0025]
That is, assuming that the optical fiber 21 is a single mode optical fiber, the propagation mode light is only the fundamental mode light, and the m-order cladding mode light of the cladding mode light is converted into the fundamental mode light by the diffraction grating 214. Then, the period Λ of the diffraction grating 214 _m Satisfies the above-mentioned expression (1), and if the nth-order clad mode light is converted into a fundamental mode light by the diffraction grating 215, the diffraction grating 215 period Λ _n Is
β ₀ − Β _cn = 2π / Λ _n … (2)
The following relational expression is satisfied. Where β ₀ Is the propagation constant of the fundamental mode light, β _cm Is the propagation constant of the mth-order cladding mode light, and β _cn Is the propagation constant of the nth-order clad mode light, π is the circumference, and m and n are different values. Note that since the propagation constants of the clad mode light differ for different orders, the period Λ of the diffraction grating 214 _m And the period Λ of the diffraction grating 215 _n Are different from each other.
[0026]
This optical fiber coupling system operates as follows. When current is injected into the active region 101 of the semiconductor laser 10, laser light is emitted from the emission end 105 toward the free space at a predetermined divergence angle, and this laser light is incident on the incident end 213 of the optical fiber 21. To do. Some of the laser light incident on the incident end 213 propagates through the optical fiber 21 as propagation mode light, but most of it becomes clad mode light. Of this clad mode light, the m-th order clad mode light satisfying the expression (1) is converted into propagation mode light propagating in the same direction by the diffraction grating 214 when reaching the region where the diffraction grating 214 is formed. Propagates through the fiber 21. On the other hand, n-order clad mode light satisfying the equation (2) among the clad mode light does not satisfy the equation (1) even if it reaches the region where the diffraction grating 214 is formed, and is thus converted into propagation mode light. Without passing through. However, after that, when the n-order clad mode light reaches the region where the diffraction grating 215 is formed, it is converted into propagation mode light propagating in the same direction by the diffraction grating 215 and propagates through the optical fiber 21. .
[0027]
As described above, the laser light emitted from the semiconductor laser 10 is received by the wide surface of the incident end 213 of the optical fiber 21, and the clad mode light is shared by the diffraction gratings 214 and 215 having different periods. Since it is configured to convert to propagation mode light propagating in the direction, the laser light emitted from the semiconductor laser 10 is more efficiently propagated to the optical fiber 21 than in the case of the first embodiment described above. Can be propagated as
[0028]
The optical fiber coupling system according to the present embodiment is formed by forming two diffraction gratings with different periods in the optical fiber. However, the number of diffraction gratings is not limited to 2, and is 3 or more. Also good. In this case, each period of each diffraction grating needs to satisfy the same relational expression as Expressions (1) and (2) for each propagation constant of each order of cladding mode light. Alternatively, a diffraction grating whose grating interval continuously changes in the optical fiber optical axis direction may be used.
[0029]
(Third embodiment)
Next, a third embodiment will be described. FIG. 3 is a schematic diagram of an optical fiber coupling system according to the third embodiment. This optical fiber coupling system includes a semiconductor laser 10 and an optical fiber 22. The semiconductor laser 10 in the optical fiber coupling system according to the present embodiment is the same as that in the first embodiment. On the other hand, the optical fiber 22 in the present embodiment is different from the optical fiber 20 in the first embodiment in that the diffraction grating 224 extends not only to the core portion 221 but also to the cladding portion 222.
[0030]
In this optical fiber 22, Ge element is added not only to the core part 221 but also to the cladding part 222, and by irradiating ultraviolet light from the outside so as to form interference fringes in the optical axis direction of the optical fiber 22, A diffraction grating 224 having a refractive index corresponding to the light intensity distribution of the interference fringes is formed in the core portion 221 and the cladding portion 222.
[0031]
The optical fiber coupling system according to this embodiment also operates in the same manner as in the first embodiment. That is, the laser light emitted from the emission end 105 of the semiconductor laser 10 is incident on the incident end 223 of the optical fiber 22, and most of the light becomes clad mode light. When this clad mode light reaches the region where the diffraction grating 224 is formed, the m-th order clad mode light satisfying the expression (1) among the clad mode light becomes propagation mode light propagating in the same direction by the diffraction grating 224. It is converted and propagates through the optical fiber 22.
[0032]
In this embodiment, the efficiency of conversion from the clad mode light to the propagation mode light in the diffraction grating 224 is the same as that of the first embodiment because the diffraction grating 224 is formed in both the core portion 221 and the clad portion 222. High compared to.
[0033]
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment will be described. FIG. 4 is a schematic diagram of an optical fiber coupling system according to the fourth embodiment. This optical fiber coupling system includes a semiconductor light emitting element 11 and an optical fiber 23.
[0034]
The semiconductor light emitting device 11 includes an active region 111 that generates and amplifies light, and cladding layers 112 and 113 having a refractive index smaller than that of the active region 111, and a reflection end 114 that is one end face. The light is substantially totally reflected, and the light emitting end 115 which is the other end surface is subjected to low reflection processing and almost transmits light. The reflective end 114 and the light emitting end 115 are parallel to each other. Alternatively, the emission end 115 may be inclined with respect to the active region 111. When a current is injected into the active region 111 of the semiconductor light emitting device 11 as described above, light is generated, and the light is emitted from the emission end 115 to the outside. Further, when light enters the active region 111 from the outside through the emission end 115, stimulated emission occurs while the light reciprocates in the active region 111 between the reflection end 114 and the emission end 115.
[0035]
The light emitted from the emission end 115 of the semiconductor light emitting element 11 spreads at a predetermined spread angle, is emitted into free space, and enters the incident end 233 of the optical fiber 23. The optical fiber 23 is a thin wire rod in which a core portion 231 and a cladding portion 232 having a low refractive index are formed concentrically around the core portion 231, and is totally reflected at the boundary surface between the core portion 231 and the cladding portion 232. However, the light is propagated into the core portion 231. Also, a conversion diffraction grating 234 and a reflection diffraction grating 235 are formed in order from the side closer to the incident end 233 in the core portion 231 near the incident end 233 of the optical fiber 23. The conversion diffraction grating 234 and the reflection diffraction grating 235 are also formed in the same manner as the method described in the first embodiment.
[0036]
The conversion diffraction grating 234 is for converting the cladding mode light into the propagation mode light propagating in the same direction and for converting the propagation mode light into the cladding mode light propagating in the same direction. Assuming that the optical fiber 23 is a single mode optical fiber, the propagation mode light is only the fundamental mode light, and the clad mode light is converted between the mth order cladding mode light and the fundamental mode light. Then, the period Λ of the diffraction grating 234 for conversion _m Satisfies the above equation (1).
[0037]
On the other hand, the reflection diffraction grating 235 is for reflecting a part of the propagation mode light generated by the conversion by the conversion diffraction grating 234 and transmitting the remaining part. Period Λ of the diffraction grating 235 for reflection _B Is the propagation constant β ₀ Conditional expression for Bragg diffraction of the fundamental mode light:
β ₀ = Π / Λ _B … (3)
It is represented by Period Λ of the diffraction grating 235 for reflection _B Is the period Λ of the diffraction grating 234 for conversion _m Compared to the short period, which is about half the wavelength of light.
[0038]
This optical fiber coupling system operates as follows. Light generated by injecting a current into the active region 111 of the semiconductor light emitting element 11 is emitted from the emission end 115 toward the free space at a predetermined divergence angle, and this light is emitted to the incident end 233 of the optical fiber 23. Incident. A part of the light incident on the incident end 233 propagates through the optical fiber 23 as propagation mode light, but most of it becomes clad mode light.
[0039]
When this clad mode light reaches the region where the conversion diffraction grating 234 is formed, the m-th order clad mode light satisfying the expression (1) among the clad mode light propagates in the same direction by the conversion diffraction grating 234. It is converted into propagation mode light and propagates through the optical fiber 23. When the propagation mode light reaches the region where the reflection diffraction grating 235 is formed, a part of the propagation mode light satisfying the expression (3) is reflected by the reflection diffraction grating 235.
[0040]
The propagation mode light reflected by the reflection diffraction grating 235 travels in the opposite direction, reaches the reflection diffraction grating 234, and is converted into m-th order cladding mode light. The light exits from the incident end 233 of the light source 23 and enters the active region 111 from the light output end 115 of the semiconductor light emitting element 11. Then, stimulated emission occurs while the light is reflected by the reflection end 114 in the active region 111 and reciprocates.
[0041]
As described above, a Fabry-Bellows resonator is formed between the reflection end 114 of the semiconductor light emitting element 11 and the reflection diffraction grating 235 of the optical fiber 23, and light is generated in the active region 111 of the semiconductor light emitting element 11. Thus, a laser oscillator is configured. The wavelength of the laser light emitted from the reflection diffraction grating 235 is determined not only by the wavelength spectrum of the light generated in the semiconductor light emitting element 11 and the resonator length of the Fabry-Perot resonator, but also by Bragg diffraction in the reflection diffraction grating 235. The above expression (3) which is the conditional expression is also satisfied.
[0042]
As described above, in the laser oscillator constituted by the semiconductor light emitting element 11 and the optical fiber 23, the optical coupling between the semiconductor light emitting element 11 and the optical fiber 23 is increased by the conversion diffraction grating 234 formed in the optical fiber 23. Since it is performed efficiently, efficient laser oscillation becomes possible.
[0043]
(Fifth embodiment)
Next, a fifth embodiment will be described. FIG. 5 is a schematic diagram of an optical fiber coupling system according to the fifth embodiment. This optical fiber coupling system includes an optical fiber 24, an optical waveguide 12, and an optical fiber 25.
[0044]
The optical fiber 24 is a thin wire rod in which a core portion 241 and a clad portion 242 having a low refractive index are formed concentrically around the core portion 241, and is totally reflected at the boundary surface between the core portion 241 and the clad portion 242. However, the light is propagated into the core portion 241. The optical waveguide 12 is a two-dimensional or three-dimensional optical waveguide in which a flat or striped core part 121 is surrounded by clad parts 122 and 123 having a low refractive index. , 123 is propagated into the core portion 121 while being totally reflected at the boundary surface with.
[0045]
The exit end 243 of the optical fiber 24 and the entrance end 124 of the optical waveguide 12 are in close contact, and the propagation mode light that has propagated through the core 241 of the optical fiber 24 and reached the exit end 243 is immediately incident on the entrance end 124. Then, the light enters the optical waveguide 12 and propagates through the core portion 121 of the optical waveguide 12. The propagating light reaches the emission end 125 of the optical waveguide 12 and is emitted from the emission end 125 toward the free space.
[0046]
The light emitted from the emission end 125 of the optical waveguide 12 is spread at a predetermined spread angle and emitted to free space, and enters the incident end 253 of the optical fiber 25. The optical fiber 25 is a thin wire rod in which a core portion 251 and a cladding portion 252 having a low refractive index are formed concentrically around the core portion 251, and is totally reflected at the boundary surface between the core portion 251 and the cladding portion 252. However, the light is propagated into the core portion 251. A diffraction grating 254 is formed in the core portion 251 in the vicinity of the incident end 253 of the optical fiber 25. The optical fiber 25 is the same as the optical fiber 20 in the first embodiment, and has the same function.
[0047]
In this optical fiber coupling system, light propagated from the optical fiber 24 to the optical waveguide 12 is emitted from the emission end 125 of the optical waveguide 12 toward the free space at a predetermined divergence angle, and the light is transmitted through the optical fiber 25. The light enters the incident end 253. A part of the light incident on the incident end 253 propagates through the optical fiber 25 as propagation mode light, but most of it becomes clad mode light. When this clad mode light reaches the region where the diffraction grating 254 is formed, the m-th order clad mode light satisfying the expression (1) among the clad mode light is changed to propagation mode light propagating in the same direction by the diffraction grating 254. It is converted and propagates through the optical fiber 25.
[0048]
As described above, also in the optical fiber coupling system according to this embodiment, the light emitted from the optical waveguide 12 is received by the wide surface of the incident end 253 of the optical fiber 25 as in the case of the first embodiment. Since the cladding mode light is converted to the propagation mode light propagating in the same direction by the diffraction grating 254 of the optical fiber 25, the light emitted from the optical waveguide 12 is efficiently transmitted to the optical fiber 25 as the propagation mode light. Can be propagated. Further, since the allowable range of the distance between the optical waveguide 12 and the optical fiber 25 is wide, alignment is easy, and it is not necessary to apply special processing to the incident end 253 of the optical fiber 25, so there is a risk of damage. Is small and excellent in productivity.
[0049]
(Sixth embodiment)
Next, a sixth embodiment will be described. FIG. 6 is a schematic diagram of an optical fiber coupling system according to the sixth embodiment. This optical fiber coupling system includes an optical fiber 26, an optical waveguide 13, and an optical fiber 27.
[0050]
The optical fiber 26 is a thin wire rod in which a core portion 261 and a cladding portion 262 having a low refractive index are formed concentrically around the core portion 261, and is totally reflected at the boundary surface between the core portion 261 and the cladding portion 262. However, the light is propagated into the core portion 261. When the light propagating through the optical fiber 26 reaches the output end 263, the light propagates from the output end 263 at a predetermined divergence angle, is emitted into free space, and enters the incident end 134 of the optical waveguide 13.
[0051]
The optical waveguide 13 is a two-dimensional or three-dimensional optical waveguide in which a flat or striped core portion 131 is surrounded by clad portions 132 and 133 having a low refractive index, and the core portion 131 and the clad portions 132 and 133 are formed. The light is propagated into the core portion 131 while being totally reflected at the boundary surface between the two. A diffraction grating 136 is formed in the core portion 131 near the incident end 134 of the optical waveguide 13. Similar to the diffraction grating formed in the vicinity of the incident end of the optical fiber, this diffraction grating 136 converts the clad mode light into the propagation mode light propagating in the same direction, and also forms the diffraction grating of the optical fiber. It is formed by a method similar to the method.
[0052]
The light converted into the propagation mode light in the diffraction grating 136 of the optical waveguide 13 propagates through the core portion 131 to reach the emission end 135, spreads from the emission end 135 at a predetermined divergence angle, and is emitted toward free space. The light enters the incident end 273 of the optical fiber 27. The optical fiber 27 is a thin wire rod in which a core portion 271 and a clad portion 272 having a low refractive index are formed concentrically around the core portion 271, and is totally reflected at the boundary surface between the core portion 271 and the clad portion 272. However, the light is propagated into the core portion 271. A diffraction grating 274 is formed in the core portion 271 near the incident end 273 of the optical fiber 27. The optical fiber 27 is the same as the optical fiber 20 in the first embodiment, and has the same function.
[0053]
In this optical fiber coupling system, the light propagating through the optical fiber 26 is emitted from the emission end 263 at a predetermined spread angle and emitted to free space, and enters the incident end 134 of the optical waveguide 13. A part of the light incident on the incident end 134 of the optical waveguide 13 propagates through the optical waveguide 13 as propagation mode light, but most of the light becomes clad mode light. When this clad mode light reaches the region where the diffraction grating 136 is formed, the clad mode light satisfying the same condition as the expression (1) among the clad mode light is propagated in the same direction by the diffraction grating 136. It is converted into light and propagates through the optical waveguide 13. The light propagating through the optical waveguide 13 is emitted from the emission end 135 toward the free space at a predetermined divergence angle, and the light enters the incident end 273 of the optical fiber 27. A part of the light incident on the incident end 273 propagates through the optical fiber 27 as propagation mode light, but most of the light becomes clad mode light. When this clad mode light reaches the region where the diffraction grating 274 is formed, the m-th order clad mode light satisfying the expression (1) among the clad mode light is changed to propagation mode light propagating in the same direction by the diffraction grating 274. It is converted and propagates through the optical fiber 27.
[0054]
As described above, in the optical fiber coupling system according to the present embodiment, the light emitted from the optical fiber 26 is received by the wide surface of the incident end 134 of the optical waveguide 13 and is clad by the diffraction grating 136 of the optical waveguide 13. Since the mode light is converted into the propagation mode light propagating in the same direction, the light emitted from the optical fiber 26 can be propagated to the optical waveguide 13 as the propagation mode light with high efficiency. In addition, since the allowable range of the distance between the optical waveguide 13 and the optical fiber 27 is wide, alignment is easy.
[0055]
Similarly to the case of the first embodiment, the light emitted from the optical waveguide 13 is received by the wide surface of the incident end 273 of the optical fiber 27, and the clad mode light is received by the diffraction grating 274 of the optical fiber 27. Since it is configured to convert to propagation mode light propagating in the same direction, the light emitted from the optical waveguide 13 can be propagated to the optical fiber 27 as propagation mode light with high efficiency. In addition, since the allowable range of the distance between the optical waveguide 13 and the optical fiber 27 is wide, alignment is easy, and it is not necessary to apply special processing to the incident end 273 of the optical fiber 27, so there is a risk of damage. Is small and excellent in productivity.
[0056]
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made. For example, in each of the above embodiments, the relative positional relationship between the semiconductor laser (semiconductor light emitting element) and the optical fiber may be fixed and integrally molded to form a semiconductor light emitting module, or the relative relationship between the optical waveguide and the optical fiber. The optical waveguide module may be formed by integrally molding with the positional relationship fixed. In any of these cases, handling becomes easy.
[0057]
In the fifth embodiment, a plurality of diffraction gratings may be formed in the optical fiber 25, or the diffraction gratings may be formed in both the core portion and the cladding portion.
[0058]
Similarly, in the sixth embodiment, a plurality of diffraction gratings may be formed in each of the optical waveguide 13 and the optical fiber 27, or the diffraction gratings may be formed in both the core portion and the cladding portion.
[0059]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, the incident end of the optical fiber out of the light emitted from the exit end of the semiconductor light emitting device or the optical waveguide toward the free space. End face The light that has entered into the clad mode light is converted into propagation mode light propagating in the same direction by a diffraction grating formed near the incident end of the optical fiber, and propagates through the optical fiber. In this way, the light emitted from the semiconductor light emitting device or the optical waveguide is converted into the incident end of the optical fiber. End face In this configuration, the cladding mode light is converted into the propagation mode light propagating in the same direction by the diffraction grating of the optical fiber, so that the light emitted from the semiconductor light emitting device or the optical waveguide is highly efficient. It can be propagated as propagation mode light in an optical fiber. In addition, since the tolerance range of the distance between the semiconductor light emitting element or the optical waveguide and the optical fiber is wide, alignment is easy, and it is not necessary to apply special processing to the incident end of the optical fiber, so there is a risk of damage. Is small and excellent in productivity.
[0060]
In addition, when each of a plurality of diffraction gratings that convert each of a plurality of clad mode lights having different orders into propagation mode light is formed in an optical fiber, each of the plurality of diffraction gratings has an order corresponding to its period. Since each clad mode light is converted into a propagation mode light, the conversion efficiency into the propagation mode light is high. Also, when the diffraction grating is formed in both the core portion and the cladding portion of the optical fiber, the conversion efficiency from the cladding mode light to the propagation mode light is high.
[0061]
In addition, the semiconductor light-emitting element has an active region that generates and amplifies light between the reflection end and the low-reflection output end, and propagates part of the propagation mode light in the reverse direction. If a reflection diffraction grating for converting into propagation mode light is further formed, a reflection end of the semiconductor light emitting element and a reflection diffraction grating of the optical fiber constitute a Fabry-Perot resonator. The laser light thus obtained has an oscillation wavelength that is the Bragg wavelength of the reflection diffraction grating, and is extremely excellent in monochromaticity.
[0062]
In addition, when the semiconductor light emitting element or the optical waveguide and the optical fiber are integrally molded and modularized, the handling becomes easy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram of an optical fiber coupling system according to a first embodiment.
FIG. 2 is a schematic diagram of an optical fiber coupling system according to a second embodiment.
FIG. 3 is a schematic diagram of an optical fiber coupling system according to a third embodiment.
FIG. 4 is a schematic diagram of an optical fiber coupling system according to a fourth embodiment.
FIG. 5 is a schematic diagram of an optical fiber coupling system according to a fifth embodiment.
FIG. 6 is a schematic diagram of an optical fiber coupling system according to a sixth embodiment.
FIG. 7 is a schematic diagram of an optical fiber coupling system according to the first prior art.
FIG. 8 is a schematic diagram of an optical fiber coupling system according to a second prior art.
FIG. 9 is a schematic diagram of an optical fiber coupling system according to a third prior art.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Semiconductor laser, 11 ... Semiconductor light-emitting device, 12, 13 ... Optical waveguide,
20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27 ... optical fibers.

Claims

A semiconductor light emitting element that emits light from the emitting end toward free space;
An optical fiber having a diffraction grating formed in the vicinity of the incident end for converting the light that is emitted from the semiconductor light emitting element and incident on the end face of the incident end into the propagation mode light propagating in the same direction. When,
An optical fiber coupling system comprising:

An optical waveguide that emits light from the emitting end toward free space;
An optical fiber having a diffraction grating formed in the vicinity of the incident end for converting the light that has been emitted from the optical waveguide and incident on the end face of the incident end into the propagation mode light that propagates in the same direction as the clad mode light ; ,
An optical fiber coupling system comprising:

3. The optical fiber coupling system according to claim 1, wherein each of the optical fibers includes a plurality of diffraction gratings that convert a plurality of clad mode lights having different orders into propagation mode lights. 4.

The optical fiber coupling system according to claim 1, wherein the optical fiber has the diffraction grating formed in both a core part and a clad part.

The semiconductor light emitting device includes an active region that generates and amplifies the light between a reflection end and the emission end subjected to low reflection treatment,
The optical fiber is further formed with a reflection diffraction grating that converts a part of the propagation mode light into propagation mode light propagating in the reverse direction.
The optical fiber coupling system according to claim 1.

A semiconductor light emitting module comprising the optical fiber coupling system according to claim 1.

An optical waveguide module comprising the optical fiber coupling system according to claim 2.