JP4086260B2

JP4086260B2 - Light emitting element module

Info

Publication number: JP4086260B2
Application number: JP31683495A
Authority: JP
Inventors: 隆志加藤
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1995-12-05
Filing date: 1995-12-05
Publication date: 2008-05-14
Anticipated expiration: 2015-12-05
Also published as: JPH09162489A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光を出力する発光素子モジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の発光素子モジュールとしては、図５に示すように、発光源となる半導体発光素子Ａと導光路となる光ファイバＢを備えたものが知られている。すなわち、この発光素子モジュールは、ｐ型半導体とｎ型半導体を接合してなる半導体発光素子Ａの相対向する各側面に高反射率の光反射面Ｃと低反射率の光射出面Ｄが設けられると共に、光ファイバＢのコアＥに回折格子Ｆが設けられており、半導体発光素子Ａの光射出面Ｄ側に所定の距離隔てて光ファイバＢが配設されたものである。そして、この発光素子モジュールは、半導体発光素子Ａ内で発生した光Ｇを光反射面Ｃと回折格子Ｆの間で反射させ増幅させることにより、それらを共振器として機能させて、単一波長のレーザ光Ｈを光ファイバＢを通じて出力しようとするものである。
【０００３】
このような発光素子モジュールにおいて、レーザ光Ｈの光出力を高めるためには、半導体発光素子Ａと光ファイバＢとの光結合が重要であり、その結合効率の良否によりレーザ光Ｈの出力が大きく左右されることとなる。そこで、この発光素子モジュールにあっては、光ファイバＢの端部Ｉを球面状に加工しレンズ系を形成して、半導体発光素子Ａから広がって放射される光Ｇのビーム径をコアＥに整合することで結合効率の向上が図られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の発光素子モジュールにおける光結合技術にあっては、次のような問題点がある。まず、光ファイバＢは細径のものであるから、その端部Ｉを球面状に加工するのは非常に困難である。このため、多数の発光素子モジュールを製造するにあたり、光ファイバＢにおける球面加工のバラツキに起因して各発光素子モジュールの出力特性にバラツキを生じてしまう。また、光ファイバＢの端部Ｉの球面加工の際、その端部Ｉの切削量が多少異なるだけで、端部Ｉから回折格子Ｆまでの距離が相違し、その結果発光素子モジュールから発せられるレーザ光Ｈの波長特性にバラツキを生ずることとなる。
【０００５】
そこで本発明は、以上のような問題点を解決するためになされたものであって、安定したレーザ特性が得られる発光素子モジュールを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明は、単一波長のレーザ光を出力する発光素子モジュールであって、活性領域を挟んで相対向する光反射面と光射出面が形成された半導体発光素子と、その半導体発光素子の光射出面に端部が直接接続され、内部を進行する光のうち所定波長の光のみを反射する回折格子が形成された光ファイバとを備えて構成され、光ファイバに形成された回折格子は、光ファイバの端部に形成されており、光射出面と光ファイバの接続が光ファイバのコアの周囲に形成されるクラッドより大きく、かつ、半導体発光素子の活性領域より小さい屈折率を有する接着剤により行われていることを特徴とする。
【０００７】
このような発明によれば、半導体発光素子の光反射面と光ファイバの回折格子が共振器として機能し、それらの間に位置する活性領域で発せられた光のうち所定波長のもののみがそれらで反射され増幅されてレーザ光として回折格子から射出されていく。その際、光ファイバの一端は光射出面に直接接続されているから、半導体発光素子と光ファイバとの間を進行する光が外部へもれることなくそれぞれ光ファイバ又は半導体発光素子へ確実に入射されることとなる。一方、半導体発光素子と光ファイバの光結合状態は常に一定してバラツくことがなく、安定したレーザの出力特性が確実に得られる。また、光ファイバと半導体発光素子との間を進行する光がその接続境界部分で反射するのが防止され接続損失が低減される。
【０００８】
また本発明は、単一波長のレーザ光を出力する発光素子モジュールであって、活性領域を挟んで相対向する二つの光射出面が形成された半導体発光素子と、その一方の光射出面に端部が接続され内部を進行する光のうち所定波長の光のみを反射する回折格子が形成された共振用の光ファイバと、他方の光射出面に端部が接続され内部を進行する光のうち所定波長の光のみを反射する回折格子が形成された出力用の光ファイバとを備えて構成され、共振用光ファイバに形成された回折格子は、共振用光ファイバの端部に形成され、出力用の光ファイバに形成された回折格子は、出力用の光ファイバの端部に形成されており、半導体発光素子の一方の光射出面と共振用の光ファイバの接続が共振用の光ファイバのコアの周囲に形成されたクラッドより大きく、かつ半導体発光素子の活性領域より小さい活性領域より小さい屈折率を有する接着剤により行われ、他方の光射出面と出力用の光ファイバの接続が出力用の光ファイバのコアの周囲に形成されたクラッドより大きく、かつ、半導体発光素子の活性領域より小さい屈折率を有する接着剤により行われていることを特徴とする。
【０００９】
また本発明は、前述の出力用の光ファイバと共振用の光ファイバにそれぞれ形成される回折格子が互いに同等な回折波長特性を有することを特徴とする。
【００１０】
また本発明は、前述の共振用の光ファイバの回折格子の反射率が出力用の光ファイバの回折格子の反射率に対し大きいことを特徴とする。
【００１１】
これらの発明によれば、半導体発光素子の両側に設けられた光ファイバにおける各回折格子が共振器として機能し、それらの間に位置する活性領域で発せられた光のうち所定波長のもののみが選択的にそれら回折格子間で反射され増幅されるから、単一波長のレーザ光が出力可能となる。
【００１２】
また本発明は、前述の出力用の光ファイバにおける光射出面と接続されない開放端の端面が光軸方向と直交しない斜め向きに形成されたことを特徴とする。
【００１３】
このような発明によれば、出力用光ファイバの開放端における光の反射が防止されるから、所要以外の波長のレーザ光の出力が回避される。
【００１４】
また本発明は、前述の光射出面と光ファイバとの接続面が光の進行方向と直交しない斜め向きに形成されたことを特徴とする。
【００１５】
このような発明によれば、半導体発光素子と光ファイバとの接続面における光の反射が防止されるから、所要以外の波長のレーザ光の出力が回避される。
【００１８】
また本発明は、前述の半導体発光素子における光反射面又は光射出面がその半導体発光素子の端面に誘電体多層膜の付設により形成されたことを特徴とする。
【００１９】
このような発明によれば、光反射面又は光射出面における反射率が所望の値のものとできるから、その光反射面又は光射出面における光の反射又は透過特性を容易に設定可能となる。
【００２０】
更に本発明は、半導体発光素子の活性領域の幅が、光射出面に接続される光ファイバのコアの径と同寸法となるように、その端部に向けて拡大されていることを特徴とする。
以上
【００２１】
このような発明によれば、半導体発光素子と光ファイバにおける光結合効率が向上するから、出力の大きなレーザ光を出射可能となる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づき、本発明に係る実施形態の一例について説明する。なお、各図において同一要素には同一符号を付して説明を省略する。また、図面の寸法比率は説明のものと必ずしも一致していない。
【００２３】
図１は発光素子モジュール１の構成を示す模式図である。図１において、発光素子モジュール１は、半導体発光素子２と光ファイバ３とを備えて構成されている。半導体発光素子２は、光の発生及び増幅を行う活性領域２１を有し、その活性領域２１を挟んで相対向する光反射面２２、光射出面２３が設けられた構造とされており、その活性領域２１へ電流を注入することで光を発生し増幅すると共に、その光を光反射面２２で反射して光射出面２３から射出するようになっている。この半導体発光素子２としては、例えば、一般のファブリペロー型の半導体レーザと同様にＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰのダブルヘテロ構造体が採用され、ＩｎＰからなるクラッド層２４、２４の間にＩｎＧａＡｓＰからなる活性領域２１を配置した構造とする。この活性領域２１は混晶とされることによりその屈折率がクラッド層２４のものより大きくなり、活性領域２１に沿って光が導光されるようになる。
【００２４】
また、半導体発光素子２における光反射面２２と光射出面２３は、例えば、活性領域２１の両端を含む半導体発光素子２の対向する面にそれぞれ誘電体多層膜が付設されて形成される。誘電体多層膜は、シリカ（ＳｉＯ₂）、チタニア（ＴｉＯ₂）、窒化けい素（ＳｉＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ₂）、アモルファスシリコンなどの薄い膜を数十層に積層して構成したものであって、その膜の材質の屈折率、厚さ及び層数を適宜変えることにより、特定波長における透過率を任意に設定可能としたものである。このように光反射面２２及び光射出面２３を形成することにより、それらの光の反射率を容易に、かつ確実に所望の値とすることが可能となる。具体的には、光反射面２２は高い反射率に設定され、また光射出面２３は低い反射率に設定されており、例えば、光反射面２２は８０％以上の高い反射率に設定され、光射出面２３は０．５％以下の低い反射率に設定される。なお、光反射面２２は結晶へき開面とし蒸着するなどして形成され、光射出面２３はその他公知の手法により形成されていてもよい。
【００２５】
また、この半導体発光素子２には、電流注入用の駆動回路（図示なし）が接続されており、内部のクラッド層２４を通じて活性領域２１へ電流を流せるように構成されている。すなわち、図１のように、駆動回路から半導体発光素子２に所定の作動電流が流されることでクラッド層２４及び活性領域２１が励起されて自然放出光が発生し、この自然放出光が誘導放出を引き起こしながら活性領域を進行し、誘導放出光とともに光射出面２３から射出されることとなる。なお、半導体発光素子２は、前述のＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰのダブルヘテロ構造体のものに限られるものでなく、光を発生し増幅すると共に光反射面２２及び光射出面２３を有するものであれば、その他の半導体等により形成されたものであってもよい。
【００２６】
一方、光ファイバ３は、前述の半導体発光素子２の光射出面２３から射出された光を導光するための細径の線材であって、クラッド３１の中心位置に屈折率の大きいコア３２がその長手方向（光軸方向）に沿って形成されており、そのコア３２に沿って光が導光されるようになっている。例えば、この光ファイバ３は、クラッド３１が石英（ＳｉＯ₂）により形成され、コア３２がその石英に屈折率上昇材であるＧｅＯ₂を添加されて形成される。
【００２７】
また、光ファイバ３には、その内部を進行する光のうち所定波長の光のみを反射する回折格子３３が設けられている。この回折格子３３は、半導体発光素子２の光反射面２２と共にファブリペロー型の共振器を構成するものであって、少なくともコア３２内に設けられている。また、回折格子３３は、光ファイバ３の光軸方向に沿って実効屈折率を所定の間隔おいて周期的に変化させることにより、所定波長の光を反射可能となっており、その屈折率変化量や形成間隔（周期）を所望の値とすることにより光の反射率や光の反射波長を適宜設定することが可能である。この回折格子３３は、ゲルマニウムを添加した石英ガラスに紫外光を照射するとその照射部分の屈折率が紫外光の強度に応じて上昇することを利用して形成することができる。すなわち、光ファイバ３の外側からゲルマニウムが添加されたコア３２等へ向けてその軸方向へ干渉縞となった紫外光を照射することにより、コア３２等にその干渉縞の光強度分布に応じた実効屈折率を有する回折格子３３が形成されることとなる。なお、この回折格子３３は、図１において光ファイバ３の端部から所定の距離隔てて形成されているが、その距離を置かず端部から直に形成されているものであってもよい。
【００２８】
この回折格子３３により反射される光の回折波長（ブラッグ波長）λ_Rは、次の（１）式で表される。
【００２９】
λ_R＝２・ｎ・Λ ……（１）
ｎ：回折格子３３における最小屈折率
Λ：回折格子３３の周期
つまり、この回折格子３３は、回折波長λ_Rを中心とした狭い範囲の波長帯にわたって光を反射する機能を有している。このため、従って、この回折格子３３と半導体発光素子２の光反射面２２とにより構成される共振器により、所定の波長の光のみが反射往復されて、レーザ光として出力されることとなる。
【００３０】
その回折格子３３が形成された光ファイバ３の端部は、半導体発光素子２の光射出面２３に接続されている。すなわち、光ファイバ３の端部は、その端部におけるコア３２が活性領域２１に連続するように光反射面２３へ直接接続されて、コア３２と活性領域２１間で光が外部に漏れない構造とされており、光射出面２３から射出される光が光ファイバ３のコア３２へ入射されると共に、コア３２内の回折格子３３で反射される光がコア３２から活性領域２１内へ入射されるようになっている。また、光ファイバ３の接続端面は、鏡面状に平滑として光反射面２３と接続するのが好ましく、その場合接続損失を低く抑えることが可能となる。
【００３１】
ここで、光ファイバ３と半導体発光素子２の接続方法の一例について説明すると、半導体発光素子２を位置決めして設置するためのガイド溝と光ファイバ３を設置するためのＶ溝を形成した基台を予め用意し、先ずその基台へ半導体発光素子２を接着などにより固定しておく。そして、接続すべき端面に接着剤を塗布した光ファイバ３をＶ溝内へはめ込み、その接続端面を半導体発光素子２へ当接させることにより、それらの接続を行えばよい。その際、接着剤として、光ファイバ３のクラッド３１より大きい屈折率を有し、かつ、半導体発光素子２の活性領域２１より小さい屈折率を有するものを用いることが好ましい。つまり、そのような接着剤で接続されることにより、活性領域２１とコア３２の間を進行する光が接続境界部分で反射することが回避され、それらの接続損失が低減される。
【００３２】
次に、前述した発光素子モジュール１の作動について説明する。
【００３３】
図１において、半導体発光素子２のクラッド層２４、２４間に所定の電圧を印加して、各クラッド層２４及び活性領域２１へ作動電流を供給する。すると、クラッド層２４と活性領域２１が励起されて自然放出光を発する。この自然放出光は、活性領域２１内で誘導放出を引き起こして誘導放出光と共に進行して、反射率の高い光反射面２２で反射されて反射率の低い光射出面２３から射出されていく。そして、光射出面２３から射出された光は、活性領域２１に連続する光ファイバ３のコア３２内へ入射される。その際、活性領域２１とコア３２が直接接続されているから、光射出面２３から射出された光がその接続境界部分で発光素子モジュール１の外側へ漏れ出すことがなく、確実にコア３２内へ入射されることとなる。また、活性領域２１とコア３２の光結合は、それらを直接接続することにより常に一定した結合状態となる。
【００３４】
そして、コア３２内へ入射された光は、そのコア３２の光軸方向へ沿って進行し回折格子３３に到達し、この回折格子３３により所定の波長の光のみが反射される。すなわち、波長λ_Rを中心とした約数ｎｍの反射波長幅を有するもの光のみが反射されることとなる。そして、反射された光はコア３２内を半導体発光素子２側へ向けて進行し光射出面２３から活性領域２１内へ入射される。その際も、前述と同様に、活性領域２１とコア３２の直接接続により、光がそれらの接続境界部分で外側へ漏れ出すことがなく、確実に活性領域２１内へ入射されることとなる。そして、入射された光は活性領域２１内を進行中に、再び電流注入の励起により増幅されながら光反射面２２で反射されてコア３側へ進行していく。このように、活性領域２１で発生した光は、光反射面２２と回折格子３３との間での往復を繰り返して増幅されて、回折格子３３を透過してレーザ光として出力されていく。このようにして出力されるレーザ光においては、半導体発光素子２と光ファイバ３との光結合状態が一定しているから、その接続部分での損失が少なく安定した出力特性が得られる。
【００３５】
次に、発光素子モジュールにおける他の実施形態について説明する。
【００３６】
前述の発光素子モジュール１において、図２に示すように、半導体発光素子２に形成された光反射面２２を低反射率の光射出面２３ａとし、その光反射面２３ａに回折格子４３を有する短寸の共振用光ファイバ４を直接接続したものであってもよい。すなわち、発光素子モジュール１ａは、半導体発光素子２における対向する端面にそれぞれ出力用の光ファイバ３と共振用の光ファイバ４を直接接続し、活性領域２１と各コア３２及びコア４２を連続させて、各光ファイバ３、４の回折格子３３、４３を共振器として機能させたものである。光ファイバ４の接続は、前述の発光素子モジュール１における光ファイバ３の接続と同様に行えばよい。
【００３７】
また、それぞれの光ファイバ３、４における回折格子３３、４３は、同じ回折波長とし、回折格子４３にあっては所定の波長において８０％以上の反射率とし、少なくとも回折格子３３の反射率に対し高いものとしておくのが好ましい。この発光素子モジュール１ａによれば、活性領域２１で発生した光がそれぞれの回折格子３３、４３で所要の波長のみを選択的に反射して増幅されるから、波長の単一性に優れたレーザ光が出力できる。また、光ファイバ４の端面をコア４３の光軸方向に対し斜めに形成しておくのが好ましく、このように形成することにより、その端面でのフレネル反射が防止され所要以外の波長の光が増幅されてレーザ光として出射するのが回避できる。
【００３８】
また、前述の発光素子モジュール１又は１ａにおいて、図３に示すように、半導体発光素子２の光射出面２３と光ファイバ３のコア３２との接続面が活性領域２１から射出される光の光軸に対して直交しない斜めの向きに形成されていてもよい。すなわち、発光素子モジュール１ｂは、半導体発光素子２の光射出面２３が活性領域２１の光軸方向（長手方向）に直交しないように斜めに形成され、また、光ファイバ３の端面も同様に斜めに形成されて、活性領域２１とコア３２が曲折しないように接続されている。このような発光素子モジュール１ａによれば、半導体発光素子２の活性領域２１と光ファイバ３のコア３２との接続境界部分において、光の進行方向に向けた反射が防止される。このため、所要以外の波長のレーザ光が出射することを回避できる。なお、発光素子モジュール１ａのごとく半導体発光素子２の両端に共振用の光ファイバ４と出力用の光ファイバ３を接続した場合は、その共振用光ファイバ４と半導体発光素子２との接続面も斜めにしてもよく、そのような接続面により光の反射を防止できる。
【００３９】
更に、前述の発光素子モジュール１、１ａ又は１ｂにおいて、光ファイバ３のコア３２の径とそれに連続する活性領域２１の幅が同寸法で接続されたものであってもよい。例えば、図４に示すように、発光素子モジュール１ｃは、半導体発光素子２の活性領域２１がその途中から光ファイバ３側の端部へ向けて末広がりのテーパ状（テーパ部２１ａ）とされ、その端部における幅がコア３２の径と同寸法とされ、活性領域２１、コア３２間を進行する光がそれらの接続境界部分で反射するのが防止できる構造となっている。なお、テーパ部２１ａにあっては、光の増幅機能を有さず導光のみを行う導光路とするのが好ましい。また、活性領域２１全体をテーパ状とする場合もある。更に、発光素子モジュール１ａのように半導体発光素子２の両端に光ファイバを接続するときは活性領域２１の両端部分をテーパ状とすればよい。この発光素子モジュール１ｃによれば、半導体発光素子２と光ファイバ３における光結合効率が向上するから、出力の大きなレーザ光を出射することができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、次のような効果を得ることができる。すなわち、光の発生及び増幅を行う半導体発光素子とレーザ光を出力する光ファイバが直接接続されることにより、半導体発光素子と光ファイバと間を進行する光がそれらの外部へもれることなくそれぞれ光ファイバ又は半導体発光素子へ確実に入射されるから、効率良くレーザ光を出力できる。また、半導体発光素子と光ファイバの光結合状態は常に一定してバラツくことがなく、安定したレーザの出力特性が確実に得られる。また、接続される光ファイバの端面の加工も容易であり、生産性に優れている。更に、半導体発光素子と光ファイバを光結合するためのレンズ系が不要であり経済的に製造可能である。
【００４１】
また、半導体発光素子の両端にそれぞれ回折格子を有する出力用の光ファイバと共振用の光ファイバを設けたことにより、各光ファイバにおける回折格子が共振器として機能するから、所定波長の光のみが選択的にそれら回折格子間で反射増幅され、単一波長のレーザ光を出力することができる。
【００４２】
また、出力用の光ファイバにおける光射出面と接続されない開放端の端面がコアの光軸方向と直交しない斜め向きに形成されることにより、出力用光ファイバの開放端におけるフレネル反射が防止されるから、所要以外の波長のレーザ光の出力が回避できる。また、光射出面と光ファイバとの接続面が活性領域又はコアの光軸方向と直交しない斜め向きに形成されることにより、半導体発光素子と光ファイバとの接続面における光の反射が防止され、所要以外の波長のレーザ光の出力が回避できる。
【００４３】
また、半導体発光素子の光射出面への光ファイバの接続が光ファイバのコアの周囲に形成されるクラッドより大きく、かつ、半導体発光素子の活性領域より小さい屈折率を有する接着剤により行われることにより、光ファイバと半導体発光素子との間を進行する光がその接続境界部分で反射するのが防止され、それらの接続損失が低減できる。
【００４４】
また、半導体発光素子における光反射面又は光射出面がその半導体発光素子の端面に誘電体多層膜の付設により形成されることにより、光反射面又は光射出面における反射率を所望の値に設定できる。
【００４５】
更に、半導体発光素子の活性領域の幅と光ファイバのコアの径がほぼ同寸法で接続されることにより、半導体発光素子と光ファイバにおける光結合効率が向上し、出力の大きなレーザ光を射出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】発光素子モジュールの模式図である。
【図２】その他の実施形態に係る発光素子モジュールの模式図である。
【図３】その他の実施形態に係る発光素子モジュールの模式図である。
【図４】その他の実施形態に係る発光素子モジュールの模式図である。
【図５】従来の発光素子モジュールの説明図である。
【符号の説明】
１…発光素子モジュール、２…半導体発光素子、２１…活性領域
２２…光反射面、２３…光射出面、３…光ファイバ、３１…クラッド
３２…コア、３３…回折格子
代理人弁理士長谷川芳樹[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a light emitting element module that outputs laser light.
[0002]
[Prior art]
As a conventional light emitting element module, as shown in FIG. 5, a module including a semiconductor light emitting element A as a light source and an optical fiber B as a light guide is known. That is, in this light emitting element module, a light reflecting surface C having a high reflectivity and a light emitting surface D having a low reflectivity are provided on opposite side surfaces of a semiconductor light emitting element A formed by joining a p-type semiconductor and an n-type semiconductor. In addition, a diffraction grating F is provided on the core E of the optical fiber B, and the optical fiber B is disposed at a predetermined distance on the light emitting surface D side of the semiconductor light emitting element A. The light emitting element module reflects and amplifies the light G generated in the semiconductor light emitting element A between the light reflecting surface C and the diffraction grating F, thereby causing them to function as a resonator, The laser beam H is to be output through the optical fiber B.
[0003]
In such a light emitting element module, in order to increase the optical output of the laser light H, optical coupling between the semiconductor light emitting element A and the optical fiber B is important, and the output of the laser light H is large due to the quality of the coupling efficiency. It will be influenced. Therefore, in this light emitting element module, the end I of the optical fiber B is processed into a spherical shape to form a lens system, and the beam diameter of the light G radiated from the semiconductor light emitting element A is set to the core E. By matching, the coupling efficiency is improved.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the optical coupling technique in the conventional light emitting element module has the following problems. First, since the optical fiber B has a small diameter, it is very difficult to process the end portion I into a spherical shape. For this reason, when manufacturing a large number of light emitting element modules, the output characteristics of the light emitting element modules vary due to variations in spherical processing in the optical fiber B. Further, when the spherical surface of the end portion I of the optical fiber B is processed, the distance from the end portion I to the diffraction grating F is different only by the amount of cutting of the end portion I being slightly different. As a result, the light emitting element module emits light. The wavelength characteristics of the laser beam H will vary.
[0005]
Accordingly, the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a light emitting element module capable of obtaining stable laser characteristics.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
That is, the present invention relates to a light emitting element module that outputs laser light having a single wavelength, a semiconductor light emitting element having a light reflecting surface and a light emitting surface facing each other across an active region, and a semiconductor light emitting element An optical fiber having an end connected directly to the light exit surface and formed with a diffraction grating that reflects only light of a predetermined wavelength out of light traveling inside, the diffraction grating formed on the optical fiber is An adhesive formed at the end of an optical fiber, wherein the connection between the light exit surface and the optical fiber is larger than the cladding formed around the core of the optical fiber and has a refractive index smaller than the active region of the semiconductor light emitting device It is performed by the agent.
[0007]
According to such an invention, the light reflecting surface of the semiconductor light emitting element and the diffraction grating of the optical fiber function as a resonator, and only light having a predetermined wavelength is emitted from the active region located between them. The laser beam is reflected and amplified, and is emitted from the diffraction grating as laser light. At this time, since one end of the optical fiber is directly connected to the light emitting surface, the light traveling between the semiconductor light emitting element and the optical fiber is reliably incident on the optical fiber or the semiconductor light emitting element without leaking to the outside. Will be. On the other hand, the optical coupling state between the semiconductor light emitting element and the optical fiber is always constant and does not vary, and stable laser output characteristics can be obtained with certainty. Further, the light traveling between the optical fiber and the semiconductor light emitting element is prevented from being reflected at the connection boundary portion, and the connection loss is reduced.
[0008]
The present invention also relates to a light emitting device module that outputs a single wavelength laser beam, a semiconductor light emitting device having two light emitting surfaces opposed to each other across an active region, and one of the light emitting surfaces. An optical fiber for resonance formed with a diffraction grating that reflects only light of a predetermined wavelength out of light that travels inside with the end connected, and the light that travels inside with the end connected to the other light exit surface An output optical fiber formed with a diffraction grating that reflects only light of a predetermined wavelength, and the diffraction grating formed on the resonance optical fiber is formed at the end of the resonance optical fiber, The diffraction grating formed on the output optical fiber is formed at the end of the output optical fiber, and the connection between one light emitting surface of the semiconductor light emitting element and the resonance optical fiber is a resonance optical fiber. Clad formed around the core of Larger than that of the active region of the semiconductor light emitting device and having a refractive index smaller than that of the active region, and the connection between the other light exit surface and the output optical fiber is made around the core of the output optical fiber. It is characterized by being performed by an adhesive having a refractive index larger than the formed cladding and smaller than the active region of the semiconductor light emitting device.
[0009]
The present invention is also characterized in that the diffraction gratings formed on the output optical fiber and the resonance optical fiber have the same diffraction wavelength characteristics.
[0010]
Further, the present invention is characterized in that the reflectance of the diffraction grating of the optical fiber for resonance described above is larger than the reflectance of the diffraction grating of the optical fiber for output.
[0011]
According to these inventions, each diffraction grating in the optical fiber provided on both sides of the semiconductor light emitting element functions as a resonator, and only light of a predetermined wavelength is emitted in the active region located between them. Since it is selectively reflected and amplified between these diffraction gratings, a single wavelength laser beam can be output.
[0012]
Further, the present invention is characterized in that the end face of the open end that is not connected to the light exit surface in the output optical fiber is formed in an oblique direction not orthogonal to the optical axis direction.
[0013]
According to such an invention, since reflection of light at the open end of the output optical fiber is prevented, output of laser light having a wavelength other than that required is avoided.
[0014]
Further, the present invention is characterized in that the connection surface between the light emitting surface and the optical fiber is formed in an oblique direction not orthogonal to the light traveling direction.
[0015]
According to such an invention, since reflection of light at the connection surface between the semiconductor light emitting element and the optical fiber is prevented, output of laser light having a wavelength other than that required is avoided.
[0018]
Further, the present invention is characterized in that the light reflecting surface or the light emitting surface in the semiconductor light emitting device described above is formed by providing a dielectric multilayer film on the end surface of the semiconductor light emitting device.
[0019]
According to such an invention, since the reflectance on the light reflecting surface or the light emitting surface can be set to a desired value, the reflection or transmission characteristics of light on the light reflecting surface or the light emitting surface can be easily set. .
[0020]
Further, the present invention is characterized in that the width of the active region of the semiconductor light emitting device is expanded toward the end thereof so as to be the same size as the diameter of the core of the optical fiber connected to the light emitting surface. To do.
[0021]
According to such an invention, since the optical coupling efficiency between the semiconductor light emitting element and the optical fiber is improved, it is possible to emit a laser beam having a large output.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an example of an embodiment according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In addition, in each figure, the same code | symbol is attached | subjected to the same element and description is abbreviate | omitted. Further, the dimensional ratios in the drawings do not necessarily match those described.
[0023]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of the light emitting element module 1. In FIG. 1, the light emitting element module 1 includes a semiconductor light emitting element 2 and an optical fiber 3. The semiconductor light emitting element 2 has an active region 21 that generates and amplifies light, and has a structure in which a light reflecting surface 22 and a light emitting surface 23 that face each other across the active region 21 are provided. Light is generated and amplified by injecting current into the active region 21, and the light is reflected by the light reflecting surface 22 and emitted from the light emitting surface 23. As the semiconductor light emitting element 2, for example, an InGaAsP / InP double heterostructure is employed in the same manner as a general Fabry-Perot type semiconductor laser, and an active region 21 made of InGaAsP is interposed between cladding layers 24, 24 made of InP. The structure is arranged. By making the active region 21 into a mixed crystal, the refractive index thereof is larger than that of the cladding layer 24, and light is guided along the active region 21.
[0024]
In addition, the light reflecting surface 22 and the light emitting surface 23 in the semiconductor light emitting element 2 are formed, for example, by attaching dielectric multilayer films to the opposing surfaces of the semiconductor light emitting element 2 including both ends of the active region 21. Dielectric multilayers are thin films such as silica (SiO ₂ ), titania (TiO ₂ ), silicon nitride (SiN), aluminum oxide (Al ₂ O ₃ ), magnesium fluoride (MgF ₂ ), and amorphous silicon. It is configured by laminating ten layers, and the transmittance at a specific wavelength can be arbitrarily set by appropriately changing the refractive index, thickness, and number of layers of the material of the film. By forming the light reflecting surface 22 and the light emitting surface 23 in this way, it is possible to easily and reliably set the light reflectance to a desired value. Specifically, the light reflecting surface 22 is set to a high reflectance, and the light exit surface 23 is set to a low reflectance. For example, the light reflecting surface 22 is set to a high reflectance of 80% or more, The light exit surface 23 is set to a low reflectance of 0.5% or less. The light reflecting surface 22 may be formed by vapor deposition as a crystal cleavage surface, and the light emitting surface 23 may be formed by other known methods.
[0025]
The semiconductor light emitting element 2 is connected to a drive circuit for current injection (not shown), and is configured to allow current to flow to the active region 21 through the internal cladding layer 24. That is, as shown in FIG. 1, when a predetermined operating current flows from the drive circuit to the semiconductor light emitting element 2, the clad layer 24 and the active region 21 are excited to generate spontaneous emission light, and the spontaneous emission light is stimulated emission. The light travels through the active region while causing the light to be emitted from the light exit surface 23 together with the stimulated emission light. The semiconductor light emitting element 2 is not limited to the above-described InGaAsP / InP double heterostructure, and may be any element that generates and amplifies light and has a light reflecting surface 22 and a light emitting surface 23. It may be formed of other semiconductors.
[0026]
On the other hand, the optical fiber 3 is a thin wire rod for guiding light emitted from the light emitting surface 23 of the semiconductor light emitting element 2 described above, and a core 32 having a large refractive index is provided at the center position of the clad 31. It is formed along the longitudinal direction (optical axis direction), and light is guided along the core 32. For example, in the optical fiber 3, the clad 31 is formed of quartz (SiO ₂ ), and the core 32 is formed by adding GeO ₂ as a refractive index increasing material to the quartz.
[0027]
Further, the optical fiber 3 is provided with a diffraction grating 33 that reflects only light having a predetermined wavelength out of the light traveling in the optical fiber 3. The diffraction grating 33 constitutes a Fabry-Perot resonator together with the light reflecting surface 22 of the semiconductor light emitting element 2, and is provided at least in the core 32. Further, the diffraction grating 33 can reflect light having a predetermined wavelength by periodically changing the effective refractive index at predetermined intervals along the optical axis direction of the optical fiber 3, and the refractive index change thereof. By setting the amount and the formation interval (period) to desired values, it is possible to appropriately set the light reflectance and the light reflection wavelength. The diffraction grating 33 can be formed by utilizing the fact that when quartz glass to which germanium is added is irradiated with ultraviolet light, the refractive index of the irradiated portion increases in accordance with the intensity of the ultraviolet light. That is, by irradiating the core 32 or the like to which the germanium is added from the outside of the optical fiber 3 with ultraviolet light having interference fringes in the axial direction, the core 32 or the like is subjected to the light intensity distribution of the interference fringes. A diffraction grating 33 having an effective refractive index is formed. Although the diffraction grating 33 is formed at a predetermined distance from the end of the optical fiber 3 in FIG. 1, it may be formed directly from the end without leaving that distance.
[0028]
The diffraction wavelength (Bragg wavelength) λ _R of the light reflected by the diffraction grating 33 is expressed by the following equation (1).
[0029]
λ _R = 2 · n · Λ (1)
n: Minimum refractive index Λ in the diffraction grating 33 Λ: Period of the diffraction grating 33, that is, the diffraction grating 33 has a function of reflecting light over a narrow wavelength band centered on the diffraction wavelength λ _R. Therefore, only the light having a predetermined wavelength is reflected and reciprocated by the resonator constituted by the diffraction grating 33 and the light reflecting surface 22 of the semiconductor light emitting element 2, and is output as laser light.
[0030]
The end of the optical fiber 3 on which the diffraction grating 33 is formed is connected to the light emission surface 23 of the semiconductor light emitting element 2. That is, the end portion of the optical fiber 3 is directly connected to the light reflecting surface 23 so that the core 32 at the end portion is continuous with the active region 21, so that light does not leak between the core 32 and the active region 21. The light emitted from the light exit surface 23 is incident on the core 32 of the optical fiber 3, and the light reflected by the diffraction grating 33 in the core 32 is incident on the active region 21 from the core 32. It has become so. Further, it is preferable that the connection end face of the optical fiber 3 be smooth and mirror-like and connected to the light reflecting surface 23. In this case, the connection loss can be kept low.
[0031]
Here, an example of a method of connecting the optical fiber 3 and the semiconductor light emitting element 2 will be described. A base having a guide groove for positioning and installing the semiconductor light emitting element 2 and a V groove for installing the optical fiber 3 is formed. First, the semiconductor light emitting element 2 is fixed to the base by bonding or the like. Then, the optical fiber 3 in which an adhesive is applied to the end face to be connected is fitted into the V-groove, and the connection end face is brought into contact with the semiconductor light emitting element 2 to perform the connection. At this time, it is preferable to use an adhesive having a refractive index larger than that of the clad 31 of the optical fiber 3 and smaller than that of the active region 21 of the semiconductor light emitting element 2. That is, by connecting with such an adhesive, it is avoided that the light traveling between the active region 21 and the core 32 is reflected at the connection boundary portion, and the connection loss thereof is reduced.
[0032]
Next, the operation of the light emitting element module 1 described above will be described.
[0033]
In FIG. 1, a predetermined voltage is applied between the cladding layers 24 and 24 of the semiconductor light emitting element 2 to supply an operating current to each cladding layer 24 and the active region 21. Then, the clad layer 24 and the active region 21 are excited to emit spontaneous emission light. This spontaneously emitted light causes stimulated emission in the active region 21, travels with the stimulated emission light, is reflected by the light reflecting surface 22 having a high reflectance, and is emitted from the light emitting surface 23 having a low reflectance. Then, the light emitted from the light exit surface 23 enters the core 32 of the optical fiber 3 continuous with the active region 21. At that time, since the active region 21 and the core 32 are directly connected, the light emitted from the light emitting surface 23 does not leak to the outside of the light emitting element module 1 at the connection boundary portion, and the core 32 is reliably connected. It will be incident on. Further, the optical coupling between the active region 21 and the core 32 is always in a constant coupling state by directly connecting them.
[0034]
The light incident into the core 32 travels along the optical axis direction of the core 32 and reaches the diffraction grating 33, and only the light having a predetermined wavelength is reflected by the diffraction grating 33. That is, only light having a reflection wavelength width of about several nm centered on the wavelength λ _R is reflected. The reflected light travels through the core 32 toward the semiconductor light emitting element 2 and enters the active region 21 from the light emitting surface 23. Also in this case, as described above, the direct connection between the active region 21 and the core 32 ensures that light does not leak outside at the connection boundary portion of the active region 21 and reliably enters the active region 21. Then, the incident light is reflected by the light reflecting surface 22 while traveling through the active region 21 while being amplified again by excitation of current injection, and proceeds to the core 3 side. As described above, the light generated in the active region 21 is amplified by repeating reciprocation between the light reflecting surface 22 and the diffraction grating 33, passes through the diffraction grating 33, and is output as laser light. In the laser light output in this way, since the optical coupling state between the semiconductor light emitting element 2 and the optical fiber 3 is constant, a stable output characteristic can be obtained with little loss at the connection portion.
[0035]
Next, another embodiment of the light emitting element module will be described.
[0036]
In the light emitting element module 1 described above, as shown in FIG. 2, the light reflecting surface 22 formed on the semiconductor light emitting element 2 is a light emitting surface 23a having a low reflectance, and the light reflecting surface 23a has a diffraction grating 43. It is also possible to directly connect the optical fiber 4 for resonance. That is, in the light emitting element module 1a, the output optical fiber 3 and the resonance optical fiber 4 are directly connected to the opposing end faces of the semiconductor light emitting element 2, respectively, and the active region 21, the cores 32, and the core 42 are continuously connected. The diffraction gratings 33 and 43 of the optical fibers 3 and 4 function as resonators. The connection of the optical fiber 4 may be performed in the same manner as the connection of the optical fiber 3 in the light emitting element module 1 described above.
[0037]
The diffraction gratings 33 and 43 in the optical fibers 3 and 4 have the same diffraction wavelength, and the diffraction grating 43 has a reflectance of 80% or more at a predetermined wavelength, and at least with respect to the reflectance of the diffraction grating 33. It is preferable to keep it high. According to the light emitting element module 1a, the light generated in the active region 21 is selectively reflected and amplified by the diffraction gratings 33 and 43 only at a required wavelength. Light can be output. Further, it is preferable that the end face of the optical fiber 4 is formed obliquely with respect to the optical axis direction of the core 43. By forming in this way, Fresnel reflection on the end face is prevented, and light having a wavelength other than the required wavelength is generated. Amplification and emission as laser light can be avoided.
[0038]
Further, in the light emitting element module 1 or 1a described above, as shown in FIG. 3, the light emitted from the active region 21 at the connection surface between the light emitting surface 23 of the semiconductor light emitting element 2 and the core 32 of the optical fiber 3 is provided. It may be formed in an oblique direction that is not orthogonal to the axis. That is, the light emitting element module 1b is formed obliquely so that the light emitting surface 23 of the semiconductor light emitting element 2 is not orthogonal to the optical axis direction (longitudinal direction) of the active region 21, and the end face of the optical fiber 3 is also inclined in the same manner. The active region 21 and the core 32 are connected so as not to bend. According to such a light emitting element module 1a, reflection toward the traveling direction of light is prevented at the connection boundary portion between the active region 21 of the semiconductor light emitting element 2 and the core 32 of the optical fiber 3. For this reason, it is possible to avoid emission of laser light having a wavelength other than that required. When the resonant optical fiber 4 and the output optical fiber 3 are connected to both ends of the semiconductor light emitting element 2 as in the light emitting element module 1a, the connection surface between the resonant optical fiber 4 and the semiconductor light emitting element 2 is also provided. It may be inclined, and such a connection surface can prevent reflection of light.
[0039]
Further, in the light emitting element module 1, 1a, or 1b described above, the diameter of the core 32 of the optical fiber 3 and the width of the active region 21 continuous thereto may be connected with the same dimension. For example, as shown in FIG. 4, the light emitting element module 1 c has a tapered shape (tapered part 21 a) in which the active region 21 of the semiconductor light emitting element 2 spreads from the middle toward the end on the optical fiber 3 side. The width of the end portion is the same as the diameter of the core 32, and the light traveling between the active region 21 and the core 32 can be prevented from being reflected at the connection boundary portion. In addition, in the taper part 21a, it is preferable to set it as the light guide path which does not have an optical amplification function but performs only light guide. Further, the entire active region 21 may be tapered. Furthermore, when optical fibers are connected to both ends of the semiconductor light emitting element 2 as in the light emitting element module 1a, both end portions of the active region 21 may be tapered. According to the light emitting element module 1c, since the optical coupling efficiency between the semiconductor light emitting element 2 and the optical fiber 3 is improved, a laser beam having a large output can be emitted.
[0040]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the following effects can be obtained. That is, a semiconductor light emitting element that generates and amplifies light and an optical fiber that outputs laser light are directly connected, so that light traveling between the semiconductor light emitting element and the optical fiber does not leak to the outside. Since the light is reliably incident on the optical fiber or the semiconductor light emitting element, the laser light can be output efficiently. In addition, the optical coupling state between the semiconductor light emitting element and the optical fiber is always constant and does not vary, and stable laser output characteristics can be obtained with certainty. Further, the processing of the end face of the optical fiber to be connected is easy, and the productivity is excellent. Furthermore, a lens system for optically coupling the semiconductor light emitting element and the optical fiber is not necessary and can be manufactured economically.
[0041]
In addition, by providing an output optical fiber and a resonant optical fiber having diffraction gratings at both ends of the semiconductor light emitting element, the diffraction grating in each optical fiber functions as a resonator. It is selectively reflected and amplified between the diffraction gratings, and a single wavelength laser beam can be output.
[0042]
In addition, the end face of the open end that is not connected to the light exit surface of the output optical fiber is formed in an oblique direction not orthogonal to the optical axis direction of the core, thereby preventing Fresnel reflection at the open end of the output optical fiber. Therefore, output of laser light having a wavelength other than the required wavelength can be avoided. In addition, since the connection surface between the light emitting surface and the optical fiber is formed in an oblique direction that is not orthogonal to the optical axis direction of the active region or the core, reflection of light at the connection surface between the semiconductor light emitting element and the optical fiber is prevented. Therefore, it is possible to avoid the output of laser light having a wavelength other than that required.
[0043]
In addition, the connection of the optical fiber to the light emitting surface of the semiconductor light emitting element is made by an adhesive having a refractive index larger than the cladding formed around the core of the optical fiber and smaller than the active region of the semiconductor light emitting element. Thus, the light traveling between the optical fiber and the semiconductor light emitting element is prevented from being reflected at the connection boundary portion, and the connection loss can be reduced.
[0044]
In addition, the light reflection surface or light emission surface of the semiconductor light emitting device is formed by providing a dielectric multilayer film on the end surface of the semiconductor light emitting device, so that the reflectance on the light reflection surface or light emission surface is set to a desired value. it can.
[0045]
Furthermore, since the width of the active region of the semiconductor light emitting device and the diameter of the core of the optical fiber are connected with substantially the same size, the optical coupling efficiency between the semiconductor light emitting device and the optical fiber is improved, and a laser beam having a large output is emitted. be able to.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of a light emitting element module.
FIG. 2 is a schematic view of a light emitting device module according to another embodiment.
FIG. 3 is a schematic view of a light emitting device module according to another embodiment.
FIG. 4 is a schematic view of a light emitting element module according to another embodiment.
FIG. 5 is an explanatory diagram of a conventional light emitting element module.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Light emitting element module, 2 ... Semiconductor light emitting element, 21 ... Active region 22 ... Light reflection surface, 23 ... Light emission surface, 3 ... Optical fiber, 31 ... Clad 32 ... Core, 33 ... Diffraction grating agent patent attorney Yoshiki Hasegawa

Claims

A light emitting device module that outputs a single wavelength laser beam,
A semiconductor light emitting device having a light reflecting surface and a light emitting surface facing each other across the active region, and an end portion directly connected to the light emitting surface of the semiconductor light emitting device, and having a predetermined wavelength of light traveling inside An optical fiber formed with a diffraction grating that reflects only light;
With
The diffraction grating formed in the optical fiber is formed at the end of the optical fiber,
The connection between the light emitting surface and the optical fiber is made with an adhesive having a refractive index larger than the cladding formed around the core of the optical fiber and smaller than the active region of the semiconductor light emitting device;
The light emitting element module characterized by the above.

A light emitting device module that outputs a single wavelength laser beam,
A semiconductor light emitting device in which two light emitting surfaces facing each other across the active region are formed;
An optical fiber for resonance in which an end is directly connected to one of the light exit surfaces and a diffraction grating that reflects only light of a predetermined wavelength out of light traveling inside is formed, and an end is formed on the other light exit surface Are directly connected and an optical fiber for output in which a diffraction grating that reflects only light of a predetermined wavelength among light traveling inside is formed,
With
The diffraction grating formed on the resonance optical fiber is formed at the end of the resonance optical fiber, and the diffraction grating formed on the output optical fiber is formed at the end of the output optical fiber. Has been
The refractive index smaller than the active region smaller than the active region of the semiconductor light emitting device, wherein the connection between the one light emitting surface and the resonant optical fiber is larger than the clad formed around the core of the resonant optical fiber. Made by an adhesive having
Bonding in which the connection between the other light emitting surface and the output optical fiber is larger than the cladding formed around the core of the output optical fiber and has a refractive index smaller than the active region of the semiconductor light emitting device What is done with the agent,
The light emitting element module characterized by the above.

3. The light emitting element module according to claim 2, wherein diffraction gratings respectively formed on the output optical fiber and the resonance optical fiber have equivalent diffraction wavelength characteristics.

4. The light emitting element module according to claim 2, wherein the reflectance of the diffraction grating of the resonance optical fiber is larger than the reflectance of the diffraction grating of the output optical fiber.

5. The light emitting element module according to claim 2, wherein an end face of the open end not connected to the light exit surface of the output optical fiber is formed in an oblique direction not orthogonal to the optical axis direction. .

6. The light emitting element module according to claim 1, wherein a connection surface between the light emitting surface and the optical fiber is formed in an oblique direction that is not orthogonal to the light traveling direction.

7. The light emitting element module according to claim 1, wherein a light reflecting surface or a light emitting surface of the semiconductor light emitting element is formed by providing a dielectric multilayer film on an end face of the semiconductor light emitting element.

The width of the active region of the semiconductor light emitting element is enlarged toward the end thereof so as to be the same size as the diameter of the core of the optical fiber connected to the light emitting surface. The light emitting element module in any one of 1 thru | or 7.