JP4029480B2 - 半導体発光モジュール - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、半導体発光モジュールに関する。より詳細には、本発明は、光源である発光素子のひとつの端面そのものあるいはその端面にコーティングされた高反射率膜と、光ファイバの端部近傍に形成された回折格子とを組合わせてレーザ共振器を形成した半導体光増幅器を備えた半導体光モジュールの新規な構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体発光モジュールは、半導体光増幅器と、その半導体光増幅器が発生するレーザ光を利用目的に応じて効率良く伝播させるための光ファイバとを一体にして構成されている。更に、半導体光増幅器は、基本的には、光源としての発光素子と、発光素子の出射光を相互に反射する１対の反射器によるレーザ共振器とから主に構成されている。
【０００３】
上記のような半導体光増幅器におけるレーザ共振器を構成する１対の反射器の一方は、発光素子の端面に装着されることが多い。即ち、発光素子の端面のひとつに、高反射率の反射膜を形成して、これを反射器とする。他方の反射器は、発光素子の端面に形成する場合もあるが、光ファイバの端部近傍に設けた回折格子を利用することもできる。すなわち、光ファイバの入射側端部近傍に周期的な屈折率分布を形成することにより、この分布の周期に応じて決定される回折波長の光を反射する反射器を形成することができる。このように光ファイバに形成した回折格子はファイバグレーティング（以下、「ＦＧ」と記載する）と呼ばれ、これを利用した半導体光増幅器では、回折格子の回折波長と縦モードとにより発振波長が決まるので、設計が容易な上に、回折格子の特性を干渉露光法等により精度良く設定でき、所望のレーザ発振波長が容易に得られるという利点がある。
【０００４】
しかしながら、この種の半導体光増幅器では、実際には縦モードの波長のずれにより、ＦＧの反射スペクトル幅程度の波長のずれが生じる。
【０００５】
図４は、上記のような縦モードと回折光モードとの関係を模式的に示すグラフである。
【０００６】
図４(a) に示すように、本来の発振波長のうちのひとつと回折波長（回折格子による反射スペクトル）の最大値が一致している場合は半導体発光モジュール全体としての発振波長はこの波長に固定され、非常に安定した発振が得られる。
【０００７】
これに対して、図４(b) に示すように、温度変化等により縦モード波長がずれた場合、発振波長も変化してしまう。また、図４(c) に示すように、回折波長が２つの縦モード波長の中間になったときには、発振可能な波長が２つ生じることになり、この２つのモードの間で干渉が生じてしまい、半導体発光モジュールとしての発振波長は、２つの縦モード波長の間をジャンプする、いわゆるモードホッピング現象が生じる。このような特性を有する半導体発光モジュールを実際に使用した場合、発光素子の駆動電流が次第に大きくなると、例えば、最小は左側の縦モード発振波長で発振していたものが、あるレベルからは右側の次の縦モード発振波長にホッピングしてしまい、光出力が不連続になってしまう。
【０００８】
また、上記のような現象を回避するには縦モード波長と回折波長とを一致させればよいが、そのためには、ミクロンオーダの機械加工や物理的な配置の調節を行う必要があり、実際の製品においてこの種の精密な調整を行うことは現実的ではない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、ＦＧを用いて共振器を形成した半導体発光モジュールにおいては、発光素子の端面反射に起因するモードホッピング現象が生じ易く、これを回避するためには極めて精密な調整を行わなければならないので、この種の半導体発光モジュールの工業的な利用に対する制限のひとつとなっていた。
【００１０】
そこで、本発明は、上記従来技術の問題点を解決し、生産や調整が工業的に引き合う範囲の構造で、モードホッピングの発生を効果的に防止することができるような、半導体発光モジュールの新規な構成を提供することをその目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に従うと、出射光路上の一方の端面を反射鏡とする発光素子と、端部近傍に回折格子を備えた光ファイバと備え、該反射鏡と該回折格子がレーザ共振器を形成するように構成された半導体発光モジュールにおいて；更に、該光ファイバの回折格子形成部分に応力を印加する応力印加手段と、該光ファイバに印加される応力を増減させる制御手段とを備え、該回折格子に印加する応力を変化させることにより、該回折格子の回折波長を該レーザ共振器の縦モード共振波長のひとつとに実質的に一致させるられるように構成されていることを特徴とする半導体発光モジュールが提供される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明に係る半導体発光モジュールは、光ファイバのＦＧを形成された部位に対して応力を印加すると共に、その印加する応力を調整できるように構成されている点にその主要な特徴がある。
【００１３】
すなわち、本発明に係る半導体発光モジュールでは、光ファイバの先端は、発光素子に対して光学的に調整された位置で固定されている。一方、光ファイバの先端からＦＧよりも遠い位置で、光ファイバは変移可能な部材に結合され、この部材を変移させることによりＦＧの形成された部位に対して応力を印加することができるように構成されている。
【００１４】
応力を印加されたＦＧに対して応力が印加されると、印加された応力の大きさに応じてＦＧの回折波長が変化するので、回折波長を縦モード発振波長のひとつに一致させることが可能になる。こうして、発振波長のずれや縦モード発振波長と回折波長とのずれによるモードホッピング現象の発生を効果的に抑制することができる。
【００１５】
尚、上記のような本発明に係る半導体発光モジュールにおいて光ファイバに応力を印加する手段としては、メカニカルな手段も使用可能ではあるが、本発明の好ましい態様に従うと、圧電効果材料を好適に使用できる。
【００１６】
即ち、圧電効果材料は電圧を印加することによりその物理的な寸法を変化させるので、圧電効果材料で作製した応力印加部材に光ファイバの一部を結合した状態で印加電圧を変化させることにより光ファイバに対して引張力または圧縮力を印加できる。また、印加電圧を変化させることにより、印加する応力の強さを変化させることも容易である。更に、初期状態の特性の調整以外に、動作時の温度変化や経年変化による特性変化を補償する機能を実現することもできる。
【００１７】
以下、図面を参照して本発明をより具体的に説明するが、以下の記載は本発明の１実施例に過ぎず、本発明の技術的範囲を何ら限定するものではない。
【００１８】
【実施例】
図１は、本発明に係る半導体発光モジュールの、動作原理を確認するための実験装置の構成例を模式的に示す図である。
【００１９】
同図に示すように、この装置では、基台１上にサブマウント２を介して実装された発光素子３に対して、同じ基台１上に一端を固定されたフェルール４が実装されている。ここで、発光素子３の出射端面と反対側の端面には、反射率が40％を越える反射膜３ａが被着されている。また、フェルール４の内部には光ファイバ５が挿通されている。光ファイバ５の先端は先球加工および低反射コーティングされており、発光素子３の出射端面と光学的に効率良く結合されるように位置関係が調節された上で、フェルール４の先端に固定されている。このとき光ファイバ５の先端近傍に形成されたＦＧ５ａはフェルール４の内部に位置しており、発光素子３の高反射率膜３ａと併せて共振器を構成する。
【００２０】
この状態で発光素子３を動作させると、図４(a) に示したように、縦モード発振波長と回折波長とが実質的に一致している場合には安定した発振が得られる。しかしながら、図４(c) に示したように、回折波長が縦モード発振波長の中間になった場合には、前述したモード・ホッピング現象が生じる。
【００２１】
そこで、光ファイバ５の後端から出射される光のスペクトルを観察しながら、フェルール４の後端側から光ファイバ５を引いて光ファイバ５に引っ張り応力を作用させる。このとき、回折格子５ａにおける回折波長Δλは、印加される張力ｆ［ｎｍ／ｇ］に対して下記の式に示すような割合で変化する。
【００２２】
［式］ Δλ〜０．０１３ｆ
【００２３】
これは、実際には、約１kgの張力を光ファイバ印加したときに波長が15nm程度変化することを意味する。一方、縦モード発振波長の間隔は、共振器長にも依存するが概ね 0.1〜0.3 nm程度である。従って、適切な張力を光ファイバに印加することにより、縦モード発振波長のひとつと回折波長とを実質的に一致させることができる。
【００２４】
図２は、本発明に係る半導体発光モジュールの具体的な構成例を示す図である。
【００２５】
同図に示すように、この半導体発光モジュールでは、略Ｌ字形の断面形状を有する金属製の基台１の水平部上に、熱伝導性に優れた材料で作製されたサブマウント２を介して発光素子３が実装されている。一方、光ファイバ５を挿通されたフェルール４は、その先端が、基台１の垂直部に形成された貫通孔に挿通された上で固定されている。光ファイバ５は、その先端近傍でフェルール４に保持・固定されており、また、フェルール４の内部に在る部位にはＦＧ５ａが形成されている。尚、基台１自体は、温度制御素子としてのペルチェ効果素子10上に装荷されている。従って、上記のような一連の部材は、一括してペルチェ効果素子10による温度管理下で動作する。
【００２６】
更に、この半導体発光モジュールは、圧電効果材料により形成された応力印加部材６を備えている。
【００２７】
図３は、上記のような半導体発光モジュールで好適に使用できる応力印加部材の具体的な構成例を示す図である。
【００２８】
即ち、この応力印加部材６は、全体としては円筒形で、圧電効果材料により形成された筒状の応力発生部６ａと、その一端に装着された金属製のリング６ｂとから主に構成されている。更に、応力発生部６ａの内面と外面には、それぞれ電極６ｘ、６ｙが装着されている。応力発生部６ａは、その内部に、接触することなくフェルール４を挿通できるだけの十分に大きな内径を有している。また、リング６ｂは、光ファイバ５を固定し易いように、やや小径の貫通孔を有している。尚、このリング６ｂは、応力発生部６ａに電圧を印加する際の一方の電極を兼ねている。
【００２９】
ここで、応力発生部６ａを形成する材料としてはLiNbＯ₃ 、TiZrＯ₃ 等の種々の圧電効果材料を例示することができるが、加工性等の観点からはＰＺＴが好ましい。
【００３０】
上記のような応力印加部材６は、リング６ｂの装着されていない側の端部で、光ファイバ５並びにフェルール４を包囲するように、基台１の垂直部に対して水平に固定されている。応力印加部材６の他端では、その内側を挿通された光ファイバ５がリング６ｂに直接に（フェルールを介さずに）固定されている。従って、リング６ｂを、基台１よりも高いあるいは低い電位に接続することにより応力発生部６ａには電圧が印加されて伸長あるいは収縮する。このとき、応力印加部材６の基台１に固定された側は固定されているので、他端のリング６ｂが、応力発生部６ａの伸縮に応じて変位する。更に、光ファイバ５の先端側は、前述のように、フェルール４を介して共通の基台１に固定されているので、光ファイバ１の後端側がリング６ｂと共に変位すると、この間の光ファイバ５に対して光ファイバの軸方向の応力が印加される。
【００３１】
尚、本発明の好ましい１実施態様に従うと、上記本発明に係る半導体発光モジュールを製造する際に、リング６ｂに対して光ファイバ１を結合するのに先立って、光ファイバ１に対して予め引っ張り応力を印加しておくことができる。すなわち、引っ張り応力を印加した状態で光ファイバをリング６ｂに固定することにより、応力印加部材６の収縮に際しても回折波長を変化させることが可能になる。
【００３２】
ＰＴＺを材料として、内面と外面にそれぞれ電極６ｘ、６ｙを装着した、外径５mm、内径４mm、長さ７mmの内空円柱状の応力印加部材を作製し、図２に示したような構造の半導体発光モジュールを実際に作製した。応力印加部材に対する印加電圧Ｖと、これによって発生する応力ｆとの関係は、ｆ＝ａＶ（但し、ａは部材の形状により決定される定数である）と表すことができ、ここで作製した応力印加部材では、１ボルトの印加電圧により回折波長を８nm変化させることができた。また、この半導体発光モジュールの動作温度が安定してからの波長安定性については0.01nm／℃という値が得られた。この値は、やはりペルチェ効果素子によって温度制御したＤＦＢレーザの0.08nm／℃に対して非常に優れた値である。
【００３３】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係る半導体発光モジュールは、その共振器の一部を構成するＦＧにおける回折波長を変化させることができるように構成されている。従って、縦モード発振波長と回折波長とを良く一致させることができ、モードホッピングの生じない安定した発振が可能になる。
【００３４】
また、本発明の好ましい態様に従うと、印加電圧により回折波長を容易に変化させることができる半導体発光モジュールを実現できるので、上記のような調整をいつでも簡単に行うことができる。従って、初期状態の調整だけではなく、稼働中の温度変化等による特性変動の補償にも容易に対応できる他、調整の自動化も可能である。また、意図的に波長を変化させることができるので、波長可変レーザとしても用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体発光モジュールの動作原理を説明するための装置の構成例を示す図である。
【図２】本発明に係る半導体発光モジュールの具体的な構成例を模式的に示す図である。
【図３】図２に示した装置において好適に使用できる部材の具体例を示す図である。本発明に係る半導体発光モジュールの組立に用いる設備の構成例を模式的に示す
【図４】半導体発光モジュールにおけるモード・ホッピング現象がが生じる理由を説明するための図である。
【符号の説明】
１・・・基台、
２・・・サブマウント、
３・・・発光素子、
３ａ・・高反射率膜、
４・・・フェルール、
５・・・光ファイバ、
５ａ・・ファイバ・グレーティング、

Claims (5)

1. 出射光路上の一方の端面が反射鏡として作用する発光素子と、端部近傍に回折格子を備えた光ファイバと備え、前記発光素子は基台上に実装され、前記光ファイバはフェルールの内部に挿通され、前記フェルールは、前記基台に固定されて、該反射鏡と該回折格子とがレーザ共振器を形成するように構成された半導体光増幅器を備えた半導体発光モジュールにおいて、
   前記回折格子は、前記フェルールの内部に位置する前記光ファイバの部位に形成されており、
   当該半導体発光モジュールは更に、該光ファイバの回折格子形成部分に応力を印加する応力印加手段と、該光ファイバに印加される応力を増減させる制御手段とを備えており、
   前記応力印加手段が、一端が前記光ファイバの先端近傍で前記基台に固定され、他端が該光ファイバの先端から前記回折格子よりも遠い位置で該光ファイバに結合された、圧電効果材料により形成された応力印加部材を含み、前記フェルールの後端側から前記光ファイバを伸縮させることにより前記光ファイバに対して光ファイバの軸方向の応力を作用させることができ、
   前記制御手段が、該応力印加部材に印加される電圧を変化させる回路である
   ことを特徴とする半導体発光モジュール。
2. 請求項１に記載された半導体発光モジュールにおいて、前記圧電効果材料が、ＰＺＴであることを特徴とする半導体発光モジュール。
3. 請求項１又は２に記載された半導体発光モジュールにおいて、前記応力印加部材が筒状の形状を有し、前記光ファイバが、該応力印加部材の内側を挿通されていることを特徴とする半導体発光モジュール。
4. 請求項３に記載された半導体発光モジュールにおいて、前記応力印加部材が、少なくともその一端に電極を兼ねた環状の金属製部材を備え、前記光ファイバが、該金属製部材を介して該応力印加部材に結合されていることを特徴とする半導体発光モジュール。
5. 請求項１から請求項４までの何れか１項に記載された半導体発光モジュールにおいて、前記応力印加部材が作用していないときに前記光ファイバに引っ張り応力が印加された状態となるように該光ファイバが装着されていることを特徴とする半導体発光モジュール。

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