JP3936008B2

JP3936008B2 - 光モジュールの設計方法

Info

Publication number: JP3936008B2
Application number: JP00726897A
Authority: JP
Inventors: 卓哉石川; 理徳入川; 勇大石
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 1997-01-20
Filing date: 1997-01-20
Publication date: 2007-06-27
Anticipated expiration: 2017-01-20
Also published as: JPH10209570A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光モジュールの設計方法に関し、更に詳しくは、半導体レーザ等の発光素子と、グレーチング部を有する光導波路とを光結合して備える光モジュールの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、軸方向単一モード発振を得るために、活性領域全長にわたってグレーチングを有する分布帰還型レーザ（ＤＦＢレーザ）や、活性領域の外側にグレーチングを設けた分布反射型レーザ（ＤＢＲレーザ）が用いられている。更に、レーザダイオード（ＬＤ）の前方に、グレーチング部を有する外部光導波路、例えば光ファイバを配置することにより、レーザの発振波長を一定にして軸方向単一モード発振を起こさせる第３の方法も採用されている。グレーチング部は、例えば光ファイバのコアの長手方向の一部に、数ｍｍ程度の所定間隔で屈折率を変化させることで形成され、特定の波長のみを選択的に部分反射する作用を有する。
【０００３】
ＤＦＢレーザでは、活性領域である半導体上に微細なグレーチングパターンを形成するという複雑な作製工程を必要とする。しかし、グレーチング部を有する光ファイバをレーザ外部に配置する第３の方法によると、ＬＤ自体は多重モードで発振する通常のファブリペロー構造のレーザで良いため、製造工程が簡素であるという利点がある。また、出力光を取り出すためには、ＤＦＢレーザやＤＢＲレーザでも、結局は光ファイバと結合する必要があるので、この第３の方法は特に複雑な工程を増やすものでもない。つまり、有効なファイバグレーチングさえ形成できれば、比較的簡単に単一モード発振するレーザモジュールを得ることが出来る。従って、この方法は、近年のファイバグレーチングの作製技術の向上ともあいまって、大きな注目を集めている。
【０００４】
ところで、光源としての半導体レーザの性能を表す指標として、小信号を変調する際の変調帯域がよく用いられる。これは、半導体レーザの駆動電流に加えられた変調信号に対して、出力光強度の応答がどの程度の高い周波数まで追随できるかを示すもので、この周波数が高いほど、高速信号を伝送する能力を有しているものである。
【０００５】
また、変調帯域と良く似た半導体レーザの指標として、緩和振動周波数も用いられている。緩和振動周波数は、半導体レーザの駆動電流に加えられた変調信号によって出力光強度が共振的に増大することが出来る限界周波数を示すもので、この限界周波数以上では出力光強度が急激に減少するものである。従って、一般には緩和振動周波数が大きいほど変調帯域が大きいことになり、光源としての半導体レーザにとって望ましいものである。緩和振動周波数ｆ_rは、半導体レーザの内部パワー密度Ｐ₀、レーザ媒質の微分利得ｇ₀、及び、光子寿命τ_pを用いて、ｆ_r＝（１／２π）・（ｇ₀Ｐ₀／τ_p）^1/2と表される。従って、変調帯域が大きい半導体レーザ光源を得るためには、光子寿命τ_pを小さくすることが望ましい。
【０００６】
光子寿命τ_pは、一般に、共振器内を往復する光子数が１／ｅにまで減少する時間として定義される。つまり、光子寿命τ_pはレーザ共振器の共振器長と共振器内の光子損失とで定まり、共振器長が短いほど、また、光子損失が大きいほど、光子寿命τ_pは小さくなる。
【０００７】
図５（ａ）及び（ｂ）は夫々、ＤＦＢレーザから成る光モジュール、及び、レーザ外部に、グレーチングを一部に有する光ファイバ（グレーチングファイバ）を備える光モジュールにおける夫々の共振器長を示している。符号１０は、ファブリ・ペロー型レーザ、２０はグレーチングファイバ、３０はＤＦＢレーザ、４０は通常の光ファイバである。同図（ａ）に示すＤＦＢレーザ３０では、レーザの素子長がそのまま共振器長になるが、同図（ｂ）に示した、グレーチングファイバ２０をレーザ１０の外部に備える光モジュールでは、実質的なレーザ共振器は、ＬＤチップ１０の後端面１２とファイバグレーチング２１の等価的反射面２２とで形成されるので、実効共振器長が非常に長くなる。このため、光子寿命τpが長くなり、このような光モジュールでは、緩和振動周波数及び変調帯域を大きくとることが出来ないという欠点があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来は、上記欠点を除く手法が確立されていなかった。強いてあげれば、光子寿命τ_pを短くするためには、とにかく実効共振器長を短くすればよいとの考えから、レーザ自体の素子長と、レーザの前端面とファイバグレーチングの等価的な反射面との間の距離との双方を極力短くすればよいという、非常に定性的な考えがあるのみであった。しかし、レーザの素子長は、レーザしきい値や最大出力パワーなどに従って最適化することが好ましく、このようにレーザの素子長を短く制限しなければならないということは、光モジュールの設計の自由度を損ねるという問題があった。
【０００９】
本発明は、上記に鑑み、従来のグレーチングファイバ付き光モジュールを改良し、もって、レーザの素子長の選択における自由度を高めつつ光子寿命の増大を出来るだけ小さく抑えることにより、高速作動及び単一モード発振が可能な光モジュールを簡素な工程で製作する手法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る光モジュールの設計方法は、前端面及び後端面を有しレーザ共振によって発光する発光素子と、該発光素子の前端面に光学的に結合される入射端面を有すると共に、所定の波長を選択的に前記発光素子に反射するグレーチング部を有する光導波路とを備える光モジュールの設計方法において、
前記発光素子の屈折率及び損失係数を夫々ｎ₁及びα₁、前記前端面から前記入射端面までの距離及び屈折率を夫々Ｌ₂及びｎ₂、前記入射端面からグレーチング部の等価的反射面までの距離及び屈折率を夫々Ｌ₃及びｎ₃、前記発光素子の後端面及び前記グレーチング部の反射率を夫々Ｒ₁及びＲ₃としたとき、
外部共振器長（ｎ₂Ｌ₂＋ｎ₃Ｌ₃）を、（ｎ₁／２α₁）・ｌｎ（１／Ｒ₁Ｒ₃）に等しくすることを特徴とする。
【００１１】
ここで、本発明における発光素子に特に限定はないが、好適にはファブリ・ペロー型の多重モード発振の半導体レーザ素子として構成される。また、光導波路にも特に限定はないが、好適には光ファイバとして構成される。グレーチング部は、光導波路の光入射端面の近傍に、一般には光反射率が周期的に異なる部分として形成され、発光素子から入射される特定の波長成分を発光素子側に反射し、発光素子との間で実効的な共振器を形成する。
【００１２】
本発明に係る光モジュールの設計方法では、上記構成を採用したことにより、発光素子の素子長の選択の自由度を高めながらも、光子寿命τ_pの増大を低く抑えることができ、これによって、変調帯域及び緩和振動周波数を大きく維持し、光源としての光レーザモジュールの性能を高く維持することが出来る。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態例に基づいて本発明を更に詳細に説明する。図１は、本発明の構成を説明するために示す、本発明の一実施形態例の設計方法が対象とする光モジュールの模式的平面図である。光モジュールは、多重モードで発振するファブリ・ペロー型の半導体レーザから成る発光素子１０と、グレーチング部２１を有する光導波路２０（グレーチングファイバ）とから成る。ここで、この光モジュールにおいて、発光素子１０の素子長、屈折率及び損失係数を夫々Ｌ₁、ｎ₁及びα₁、発光素子１０の前端面１１から光導波路１０の光入射端面２３までの距離、屈折率及び損失係数を夫々Ｌ₂、ｎ₂及びα₂、光導波路２０の光入射端面２３からグレーチング部２１の等価的反射面２２との間の距離、屈折率及び損失係数を夫々Ｌ₃、ｎ₃及びα₃、発光素子１０の後端面１２及びグレーチング部２１の反射率を夫々Ｒ₁及びＲ₃とする。
【００１４】
本実施形態例の光モジュールでは、発光素子１０の光出射面を成す前端面１１から、光導波路２０のグレーチング部２１の等価的反射面２２までの光学長（外部共振器長：ｎ₂Ｌ₂＋ｎ₃Ｌ₃）を、（ｎ₁／２α₁）・ｌｎ（１／Ｒ₁Ｒ₃）にほぼ等しくしている。又は、これに代えて、外部共振器長（ｎ₂Ｌ₂＋ｎ₃Ｌ₃）を（ｎ1／２α）・₁ｌｎ（１／Ｒ₁Ｒ₃）より短くすると共に、発光素子の素子長Ｌ₁を３００μｍより短くする構成を採用することも出来る。
【００１５】
図２は、一般的に、外部共振器長（ｎ₂Ｌ₂＋ｎ₃Ｌ₃）によって光子寿命τ_pが変化することを、素子長Ｌ₁（Ｌ₁＝０．２、０．４、０．６、０．８μｍ）をパラメータとして計算した結果で示すグラフである。同図によると、外部共振器長が大きくなると、それに従って光子寿命が長くなることが示されている。また、素子長Ｌ₁が大きくなると、外部共振器長の大きな範囲ではそれに従って光子寿命が短くなり、且つ、外部共振器長が小さな範囲ではそれに従って光子寿命が長くなることが示されている。
【００１６】
ここで、外部共振器長がある特定の値"ａ"をとるときには、光子寿命τ_pは、ＬＤ素子長Ｌ₁によらずほぼ一定の値となる。つまり、外部共振器長をこの値"ａ"に設定することによって、光子寿命τ_pの値は、ＬＤの素子長Ｌ₁に依存しなくなるので、ＬＤの素子長を自由に設定することが出来る。つまり、ＬＤの素子長Ｌ₁は、光子寿命τ_pの増大を気にすることなく、しきい値や最大出力パワーなどに着目して自由に最適化できる。
【００１７】
外部共振器長（ｎ₂Ｌ₂＋ｎ₃Ｌ₃）に設定すべき値"ａ"は以下のように導出される。まず、モジュールの光子寿命τ_pは、
【数１】

と表わすことが出来る。通常は、α₂≒０であり、またα₃<<α₁であることから、α₂及びα₃を無視すると、上式は
【数２】

となる。これを変形すると、
【数３】

となる。ここで外部共振器長（ｎ₂Ｌ₂＋ｎ₃Ｌ₃）が、
【数４】

であれば、τ_pはＬ₁によらない一定値ｎ₁／（ｃα₁）となることが判る。
【００１８】
ここで、典型的な値として、ｎ₁＝３．５、α₁＝１０ｃｍ^-1、Ｒ₁＝０．９、Ｒ₃＝０．１と設定すると、外部共振器長（ｎ₂Ｌ₂＋ｎ₃Ｌ₃）は、４．２ｍｍとなる。例えば本願発明の先願である特願平８−１５１６７号に示したように、先端をレンズ状に加工したグレーチングファイバーを用いることによって、ＬＤとファイバとの距離を非常に小さくすることができる。この場合、ＬＤ素子の前端面からグレーチングファイバの光入射端面までの距離をＬ₂＝０とし、ファイバの屈折率をｎ₃＝１．５とすれば、光ファイバの光入射端面からグレーチング部の等価的反射面までの距離はＬ₃＝２．８ｍｍとなり、十分に実現可能な数値であることが判る。
【００１９】
上記構成に代えて、光ファイバの光入射端面からグレーチング部の等価的反射面までの長さをＬ₃＝２．８ｍｍより短くし、且つ、ＬＤ素子長Ｌ₁を３００μｍより短くする構成を採用することも出来る。この構成によると、図２からも理解できるように、この領域では光子寿命は非常に短くなる。その結果、緩和振動周波数ｆ_rは極めて大きくなり、より大きな帯域の信号の発信源として用いることが可能になる。
【００２０】
図３は、図２に示したグラフを再掲し、このグラフ内に上記実施形態例について、本発明で規定される各パラメータの範囲を例示したものである。つまり、本発明で規定される外部共振器長（ｎ₂Ｌ₂＋ｎ₃Ｌ₃）は、同図の"ａ"点にあり、又は、同図の"ａ"点以下の数値範囲であって且つＬＤの素子長Ｌ₁が３００μｍよりも小さい範囲（ｂ）として示される。従来のグレーチングファイバ付き光モジュールでは、外部共振器長は、"ａ"点よりも大きな数値である、同図の（ｃ）の範囲として示される。
【００２１】
【実施例】
第１実施例：
図４（ａ）は、本発明の第１実施例として試作した光モジュールを示す模式的側面図で、同図（ｂ）はその光ファイバ先端部分の詳細を示したものである。これらの図は、ＬＤチップ１０の光出射側端面を成す前端面にグレーチングファイバ２０の光入射端面を光学的に結合した状態で示している。試作したＬＤチップ１０は、通常のいわゆるファブリペロー型の発光素子であり、素子単体では１．５５μｍ付近の波長で多重モード発振する。ＬＤの素子長が６００μｍとなる位置でへき開し、後端面１２にはその反射率が約９０％となるような高反射コーティングを、また前端面１１にはその反射率が約１％以下となるような低反射コーティングを夫々施した。
【００２２】
グレーチングファイバ２０には、その光入射端面２３がレンズ状に加工されたものを用いた。ＬＤの前端面１１と光ファイバ２０の光入射端面２３との距離は約５μｍであり、小さいため殆ど無視できる。光ファイバ２０のグレーチング２１は、反射の中心波長が１．５５μｍ、この波長における光反射率が約１０％、半値幅が０．１ｎｍのものとした。光入射端面２３からグレーチング部２１の等価的反射面２２までの距離は約２．８ｍｍ、グレーチング部２１の長さは５．６ｍｍとした。これらの構成を採用することにより、外部共振器長（ｎ₂Ｌ₂＋ｎ₃Ｌ₃）が、（ｎ₁／２α₁）・ｌｎ（１／Ｒ₁Ｒ₃）にほぼ等しくなるように設定される。
【００２３】
上記構成の光モジュールにおける発振波長を調べたところ、グレーチング反射の中心波長に対応する１．５５μｍで単一モード発振することが確認された。光ファイバからの出力パワーが２０ｍＷのときの緩和振動周波数を測定したところ、良好な４．７ＧＨｚを示した。
【００２４】
上記光モジュールから、他のパラメータを一定に保ったまま、ＬＤ素子長Ｌ₁のみを３００μｍ、９００μｍ、１２００μｍに夫々変えた同様の光モジュールを試作した。これらの光モジュールの特性を測定したところ、全てのモジュールが、グレーチング反射の中心波長に対応する１．５５μｍで単一モード発信しており、しかも光ファイバからの出力パワーが２０ｍＷのときの緩和振動周波数は、何れも４．７ＧＨｚであった。外部共振器長を前記のように設定することにより、光子寿命τ_pがＬＤ素子長Ｌ₁に影響されないモジュールを作製できることが確認された。
【００２５】
第２実施例：
第２の実施例として、外部共振器長（ｎ₂Ｌ₂＋ｎ₃Ｌ₃）が、（ｎ₁／２α₁）・ｌｎ（１／Ｒ₁Ｒ₃）よりも短い光モジュールを作製した。つまり、グレーチング部は、第１の実施例と同様に、その反射の中心波長を１．５５μｍ、半値幅を０．１ｎｍとした。図４において、光ファイバ２０の光入射端面２３からグレーチング部２１の等価的反射面２２までの距離を２ｍｍ、グレーチング部の長さを４ｍｍとして、第１の実施例よりも短く設定した。これにより、中心波長における反射率は、第１の実施例よりもグレーチング部２１が短い分だけ小さくなり、約８％に低下した。ＬＤの素子長Ｌ₁が２５０μｍとなるようにへき開し、後端面１２には、その反射率が約９０％となるような高反射コーティングを、また、前端面１１には、その反射率が約１％以下となるような低反射コーティングを夫々施した。
【００２６】
第２の実施例のモジュールについて、その発振波長を調べたところ、グレーチング反射の中心波長に対応する１．５５μｍで単一モード発信することが確認された。光ファイバからの出力パワーが２０ｍＷのときの緩和振動周波数を測定したところ、５．５ＧＨｚであった。このように、ＬＤの素子長Ｌ₁を３００μｍ以下に設定することにより、第一の実施例よりも更に緩和振動周波数が高い光モジュールを得ることが出来た。
【００２７】
第２の実施例の変形例として、ＬＤの素子長Ｌ₁を５０μｍに変えた光モジュールを試作した。第２の実施例と同様に、グレーチング反射の中心波長を１．５５μｍ、半値幅を０．１ｎｍ、光ファイバの光入射端面からグレーチング部の等価的反射面までの距離を約２ｍｍ、グレーチング部の長さを４ｍｍとした。また、ＬＤの後端面には、その反射率が約９０％となるような高反射コーティングを、また、前端面には、その反射率が約１％以下となるような低反射コーティングを上記実施例と同様に夫々施した。
【００２８】
ＬＤの素子長Ｌ₁を５０μｍとするようなへき開は困難であったので、後端面は、ＲＩＢＥ（反応性イオンビームエッチング）装置を用いてドライエッチングすることにより形成した。この光モジュールでは、光ファイバからの出力パワーが２０ｍＷのときの緩和振動周波数は７．９ＧＨｚであり、従って、本実施例によっても、緩和振動周波数が極めて高く、しかも単一モード発振する良好な光モジュールが得られた。
【００２９】
以上、本発明をその好適な実施形態例に基づいて説明したが、本発明に係る光モジュールの設計方法は、上記実施形態例の構成にのみ限定されるものではなく、上記実施形態例の構成から種々の修正及び変更を施した光モジュールの設計方法も、本発明の範囲に含まれる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明に係る光モジュールの設計方法によると、発光素子とグレーチング部を有する光導波路とを光結合した光モジュールにおいて、発光素子の素子長の選択の自由度を高めながらも、共振器における光子寿命の増大を低く抑えることにより、本発明は、単一モード発振で発振する、高速作動が可能な光モジュールを用途に合わせて作製する手法を提供した顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の設計方法が対象とする光モジュールの構成を説明するための光モジュールの平面図。
【図２】ＬＤ素子長をパラメータとして、外部共振器長と光子寿命との関係を示すグラフ。
【図３】図２のグラフにおいて本発明の範囲を示すグラフ。
【図４】本発明の一実施例の設計方法で得られる光モジュールの構成を示す模式的側面図。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は夫々、従来の半導体レーザモジュール及びレーザ外部にグレーチングファイバを有するモジュールの構成を示す模式的平面図。
【符号の説明】
１０ファブリ・ペロー型半導体レーザ
１１前端面
１２後端面
２０グレーチングファイバ
２１グレーチング部
２２グレーチングの等価的反射面
２３光入射端面
３０ＤＦＢレーザ
４０光ファイバ

Claims

前端面及び後端面を有しレーザ共振によって発光する発光素子と、該発光素子の前端面に光学的に結合される入射端面を有すると共に、所定の波長を選択的に前記発光素子に反射するグレーチング部を有する光導波路とを備える光モジュールの設計方法において、
前記発光素子の屈折率及び損失係数を夫々ｎ₁及びα₁、前記前端面から前記入射端面までの距離及び屈折率を夫々Ｌ₂及びｎ₂、前記入射端面からグレーチング部の等価的反射面までの距離及び屈折率を夫々Ｌ₃及びｎ₃、前記発光素子の後端面及び前記グレーチング部の反射率を夫々Ｒ₁及びＲ₃としたとき、
外部共振器長（ｎ₂Ｌ₂＋ｎ₃Ｌ₃）を、（ｎ₁／２α₁）・ｌｎ（１／Ｒ₁Ｒ₃）に等しくすることを特徴とする光モジュールの設計方法。