JP6966701B2 - 光モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、半導体レーザ及び導波路を備えた光モジュールに関する。
半導体レーザ及びこの半導体レーザと光学的に接続された導波路を備えた光モジュールが、様々な産業分野で用いられている。このような光モジュールでは、導波路から半導体レーザへの戻り光により、半導体レーザの共振状態に悪影響を与える場合がある。これに対処するため、導波路が形成された基板の端面及び導波路端面が異なる角度で形成された光モジュールが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特開2001−330744号公報
特許文献1に記載の光モジュールでは、基板の端面及び導波路端面が異なる角度で形成されているので、半導体レーザの出射光の光軸と導波路の光軸とが斜めに配置されることになる。よって、導波路から半導体レーザへの戻り光を低減することができる。
しかし、半導体レーザの出射面と基板の端面とが斜めになるように配置した場合、通常、半導体レーザの幅方向の略中央に発光点があるので、半導体レーザの発光点及び導波路の入射面の間の距離が長くなり、半導体レーザ及び導波路の光学的な結合効率が低下する問題が生じる。
本開示は、上記問題に鑑みてなされたものであり、半導体レーザ及び導波路の間の高い光学的結合効率を有するとともに、導波路から半導体レーザへの戻り光を低減できる光モジュールを提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の一態様に係る光モジュールでは、
半導体レーザ素子と、
シリコン基板上にSiОからなる導波路が形成された平面光波回路(PLC:Plannar Lightwave Circuit)と、
を備え、
前記半導体レーザ素子の発光点の位置及び前記導波路のコアの位置が略一致するように配置され、
平面視において、
前記半導体レーザ素子の出射面を表す第1の線分及びこれに対応する前記導波路の入射面を表す第2の線分が互いに傾斜して配置され、前記半導体レーザ素子の発光点が、前記第1の線分の中央に対して、前記第1の線分の延長線及び前記第2の線分またはその延長線の交点側に配置されている。
以上のように本開示では、半導体レーザ及び導波路の間の高い光学的結合効率を有するとともに、導波路から半導体レーザへの戻り光を低減できる光モジュールを提供することができる。
本発明の1つの実施形態に係る光モジュールを模式的に示す図である。 図1のII−II断面を示す側面断面図である。 半導体レーザ素子の出射面を表す第1の線分及びこれに対応する導波路の入射面を表す第2の線分が互いに傾斜して配置されたところを拡大して示す平面図である。 半導体レーザ素子から導波路のコアへ入射する光の光軸及びコアの光軸がなす角度θ1、半導体レーザ素子の出射光の広がり角(半値)θ2、及び平面光波回路の導波路の最大受光角(半値)θmaxの関係を示す平面図である。 第1の線分及び第2の線分のなす角度θに基づいて、角度θ1を算出する方法を説明するための平面図である。 フリップチップ実装の光モジュールの構造を模式的に示す側面図である。
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための実施形態を説明する。なお、以下に説明する光モジュールは、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、特定的な記載がない限り、本発明を以下のものに限定しない。
各図面中、同一の機能を有する部材には、同一符号を付している場合がある。要点の説明または理解の容易性を考慮して、便宜上実施形態や実施例に分けて示す場合があるが、異なる実施形態や実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせは可能である。後述の実施形態や実施例では、前述と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については、実施形態や実施例ごとには逐次言及しないものとする。各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張して示している場合もある。
(1つの実施形態に係る光モジュール)
はじめに、図1及び図2を参照しながら、本発明の1つの実施形態に係る光モジュールの構造について説明する。図1は、本発明の1つの実施形態に係る光モジュールを模式的に示す図である。図2は、図1のII−II断面を示す側面断面図である。
本実施形態に係る光モジュール2は、光源基板6に実装された半導体レーザ素子4と、この半導体レーザ素子4と光学的に接続された平面光波回路(PLC:Plannar Lightwave Circuit)20とを備える。本実施形態では、一例として、半導体レーザ素子4が、緑色半導体レーザ素子4G、青色半導体レーザ素子4B及び赤色半導体レーザ素子4Rから構成されている場合を示す。
本実施形態では、緑色半導体レーザ素子4Gとして、発振波長が緑色領域の窒化物半導体レーザが用いられ、青色半導体レーザ素子4Bとして、発振波長が紫外または青色領域の窒化物半導体レーザが用いられ、赤色半導体レーザ素子4Rとして、発振波長が赤色または赤外領域のGaAs系半導体レーザが用いられている。
ただし、これに限られるものではなく、光モジュール2は、1以上の任意の数の任意の波長域の半導体レーザ素子を備えることができる。
図2に示すように、平面光波回路20は、シリコン基板22上に、SiОからなるアンダークラッド層14Aが形成され、アンダークラッド層14Aの上にSiОからなるコア12が形成され、更に、その上にSiОからなるオーバークラッド層14Bが、コア12を囲むように形成されている。コア12は、クラッド14よりも大きな屈折率を有しており、これにより、導波路10の入射面10Aからコア12に入射した光は、コア12及びクラッド14の境界面で全反射して、コア12内を進むことができる。
本実施形態では、コア12として、緑色半導体レーザ素子4Gに対応する緑色対応コア12G、青色半導体レーザ素子4Bに対応する青色対応コア12B、及び赤色半導体レーザ素子4Rに対応する赤色対応コア12Rを備える。図1に示すように、平面視において、各々の半導体レーザ素子4G、4B、4Rの発光点Pg、Pb、Prの位置及び導波路10の各コア12G、12B、12Rの位置が略一致するように配置されている。導波路10の入射面10Aから、出射側に延びた各コア12G、12B、12Rは、合流点Qで互いに合流し、合波対応コア12Mが導波路10の出射面10Bにまで延びている。
以上のように、本実施形態に係る光モジュール2では、緑色光域、青色光域及び赤色光域の光を出射する複数の半導体レーザ素子4G、4B、4Rを備え、平面光波回路20が、各々の波長の半導体レーザ素子4G、4B、4Rに対応したコア12G、12B、12R、及びこれらのコアが合流した合波対応コア12Mを有する導波路10を備える。よって、平面光波回路20により、各々の波長の光を合波することができる。このような構成により、白色光を高い発光効率で出射可能なコンパクトな光モジュール2を提供できる。
<半導体レーザ素子の出射面及び導波路の入射面の傾斜配置>
本実施形態に係る光モジュールでは、平面視において、半導体レーザ素子4G、4B、4Rの出射面4Ag、4Ab、4Ar及びこれに対応する平面光波回路20の導波路10の入射面10Aが互いに傾斜して配置されている。この構造を、図3を参照しながら、更に詳細に説明する。図3は、半導体レーザ素子4の出射面4Aを表す第1の線分30及びこれに対応する導波路10の入射面10Aを表す第2の線分32が互いに傾斜して配置されたところを拡大して示す平面図である。
なお、図3に示す半導体レーザ素子4及びコア12は、図1に示す緑色、青色、赤色の何れの半導体レーザ素子4G、4B、4R及びコア12G、12B、12Rに適用することもできる。また、半導体レーザ素子の出射面及びこれに対応する平面光波回路の導波路の入射面が互いに傾斜して配置されているのであれば、平面光波回路の入射面が斜めにカットされている場合もあり得るし、通常の矩形の平面形状の平面光波回路を、半導体レーザ素子の出射面に対して斜めに配置する場合もあり得る。
図3に示すように、平面視において、半導体レーザ素子4の出射面4Aを表す第1の線分30及びこれに対応する導波路10の入射面10Aを表す第2の線分32が、角度θだけ互いに傾斜して配置されている。そして半導体レーザ素子4の発光点Pが、第1の線分30の中央Mに対して、第1の線分30の延長線及び第2の線分32またはその延長線の交点側に配置されている。なお、第1の線分30の延長線及び第2の線分32またはその延長線の交点を、傾斜中心Cと称することもできる。
半導体レーザ素子4から出射された光は、導波路10の入射面10Aからコア12に入射し、コア12内を出射側に進んで、導波路10の出射面10B(図1参照)から出射される。このとき、導波路10の入射面10A及び出射面10Bで反射された光が半導体レーザ素子4側に戻る。このような戻り光が半導体レーザ素子4に入ると、半導体レーザ素子4の共振状態に悪影響を与える。この戻り光の影響で、レーザ光にノイズが発生する、コヒーレントなレーザ光が得られにくくなるといった問題が生じる場合がある。
しかし、本実施形態では、半導体レーザ素子4の出射面4A及びそれに対応する導波路10の入射面10Aが傾斜して配置されているので、平面光波回路20から半導体レーザ素子4への戻り光を抑制することができ、半導体レーザ素子4の発振状態に悪影響を与えることを抑制できる。それとともに、半導体レーザ素子の発光点Pが、第1の線分30の中央Mに対して交点C側に配置されているので、半導体レーザ素子4の出射面4A上の発光点Pを導波路10の入射面10A上のコア12の位置に近づけることができ、半導体レーザ素子4及び平面光波回路20の光学的な結合効率の低下を抑制できる。これにより、発光効率の高い信頼性の高い光モジュール2を提供できる。
また、第1の線分30の長さをLとすると、発光点Pが、第1の線分30の交点C側の端部から距離L/4以内の領域に配置されていることが好ましい。これにより、より確実に、半導体レーザ素子4及び平面光波回路20の光学的な結合効率の低下を抑制できる。特に、半導体レーザ素子4及び平面光波回路20の結合効率を考慮すると、半導体レーザ素子4の出射面4A上の発光点Pの位置及び導波路10の入射面10A上のコア12の位置の距離Dが、5μm以下であることが好ましい。これにより、発光効率に優れた光モジュール2を提供することができる。
例えば、第1の線分30の長さをL=150μm、第1の線分30及び第2の線分32がなす角度θ=8°と仮定すると、半導体レーザ素子4の出射面4A上の発光点Pが交点C側の端部から距離L/4の位置にある場合、出射面4A上の発光点Pの位置及び入射面10A上のコア12の位置の距離Dは、
D=(W/4)*tanθ≒5μm
となる。よって、確実に、発光効率に優れた光モジュール2を提供することができる。
次に、図4を参照しながら、コア12への入射光の光軸及びコア12の光軸がなす角度θ1、半導体レーザ素子4の広がり角(半値)θ2、平面光波回路の導波路10の最大受光角(半値)θmaxの関係を説明する。図4は、半導体レーザ素子4から導波路10のコア12へ入射する光の光軸及びコア12の光軸がなす角度θ1、半導体レーザ素子4の出射光の広がり角(半値)θ2、及び平面光波回路20の導波路10の最大受光角(半値)θmaxの関係を示す平面図である。
図4に示すように、コア12に入射した光がコア12内で全反射する最大の入射角度である、最大受光角(半値)をθmaxとすると、θmaxは、スネルの法則に基づき、下式のようにコア12の屈折率n1及びクラッド14の屈折率n2により定まる。
Sinθmax(開口NA)=n1*SQR(2Δ)
Δ=(n1−n2)/(2*n1
n1:コア12の屈折率
n2:クラッド14の屈折率
半導体レーザ素子4からコア12へ入射する光の光軸及びコア12の光軸がなす角度をθ1(理論値)とし、半導体レーザ素子4の出射光の広がり角(半値)をθ2とし、導波路10の最大受光角(半値)をθmaxとすると、
θ1+θ2 ≦ θmax
の関係を有する場合に、半導体レーザ素子4からコア12へ入射した光がコア12内で全反射することなる。つまり、上記の関係式を満足する場合に、半導体レーザ素子4の出射光が導波路10のコア12に入射して、コア12内を出射側に進んでいくことになる。
一方、半導体レーザ素子4からコア12へ入射する光の光軸及びコア12の光軸がなす角度がθmaxより大きい角度θ3の場合には、コア12内で反射されず、コア12内を進むことはできない。
以上のように、半導体レーザ素子4からコア12へ入射する光の光軸及びコア12の光軸がなす角度θ1が「θmax−θ2」以内の範囲において、0度より大きな所定の値を有していれば、確実に半導体レーザ素子4への戻り光を抑制できる。0度より大きく「θmax−θ2」以内の範囲は、ある程度の幅があるので、角度θ1の設定が比較的容易であり、半導体レーザ素子4への戻り光を抑制可能な構造を比較的容易に形成することができる。
特に、平面視における半導体レーザ素子4の広がり角θ2が、半導体レーザ素子4のファーフィールドパターンの短軸方向の広がり角となるように、半導体レーザ素子4を配置するのが好ましい。この場合、広がり角θ2を小さくできるので、「θmax−θ2」以内に設定する角度θ1の値を大きくとることができる。よって、半導体レーザ素子4への戻り光をより確実に抑制することができる。
仮に、半導体レーザ素子4の実際の出射面4Aが、半導体レーザ素子4の出射光の光軸に完全に直交し、導波路10の実際の入射面10Aが、コア12の光軸に完全に直交していれば、半導体レーザ素子4からコア12へ入射する光の光軸及びコア12の光軸がなす角度θ1は、第1の線分30及び第2の線分32がなす角度θと一致する。しかし、製作精度や、半導体レーザ素子のFFPのばらつき等により、実際の出射面4A及び入射面10Aは、理論上の出射面及び入射面から多少の角度のずれが生じる。このことについて、図5を参照しながら説明する。図5は、実際の出射面4A及び入射面10Aに対応した第1の線分30及び第2の線分32のなす角度θに基づいて、理論値である角度θ1を算出する方法を説明するための平面図である。
図5では、半導体レーザ素子4の出射光の光軸に対して垂直な理論的な出射面及び実際の出射面4Aの間のずれ角α、並びに導波路10のコア12の光軸と垂直な理論的な入射面及び実際の入射面10Aの間のずれ角α’を示している。実際の面に対応する第1の線分30及び第2の線分32のなす角度θに対して、これらのずれ各α、α’を加算または減算する補正をすることにより、理論値である角度θ1を算出することができる。
なお、補正に当たり、角度θにずれ角α(α’)を加えるかまたは差し引くかは、コア12の光軸に対する入射光の傾きの向き及びずれ角度α(α’)の向きによって定まる。
(フリップチップ実装の光モジュール)
次に、図6を参照しながら、光モジュール2がフリップチップ実装された場合の説明を行う。図6は、フリップチップ実装の光モジュール2の構造を模式的に示す側面図である。図6に示す光モジュール2では、半導体レーザ素子4が下面側に正極及び負極の電極34を備え、光源基板6上にサブマウント8を介して実装されている。半導体レーザ素子4の電極34及びサブマウント8の間、並びにサブマウント8及び光源基板6の間は、半田をはじめとする金属接合層36、38で接続されている。
特に、半導体レーザ素子4のサブマウント8の出射面側の側面8Aが、導波路10の入射面10Aと略平行に配置されている。これにより、半導体レーザ素子4及びサブマウント8の突き出し量を同じにすることができ、容易に、半導体レーザ素子4を平面光波回路20(導波路10)に近接して配置することができる。よって、半導体レーザ素子4及び平面光波回路20の光学的な結合効率の低下を効果的に抑制できる。
本発明の実施の形態、実施の態様を説明したが、開示内容は構成の細部において変化してもよく、実施の形態、実施の態様における要素の組合せや順序の変化等は請求された本発明の範囲および思想を逸脱することなく実現し得るものである。
符合の説明
2 光モジュール
4 半導体レーザ素子
4B 青色半導体レーザ素子
4G 緑色半導体レーザ素子
4R 赤色半導体レーザ素子
6 光源基板
8 サブマウント
8A 出射面
10 導波路
10A 入射面
12 コア
12B 青色対応コア
12G 緑色対応コア
12R 赤色対応コア
12M 合波対応コア
14 クラッド
14A アンダークラッド層
14B オーバークラッド層
20 平面光波回路(PLC: Plannar Lightwave Circuit)
22 シリコン基板
30 第1の線分
32 第2の線分
34 電極
36 半田
38 金属接合層
L 第1の線分の長さ
D 距離
P 発光点
M 中点
C 交点(傾斜中心)
Q 合流点
θ 第1の線分及び第2の線分がなす角度
θ1 半導体レーザ素子からコアへ入射する光の光軸及びコアの光軸がなす角度
θ2 半導体レーザ素子の出射光の広がり角(半値)
θMax 導波路の最大受光角(半値)

Claims (8)

  1. 半導体レーザ素子と、
    基板上に導波路が形成された平面光波回路(PLC:Plannar Lightwave Circuit)と、
    を備え、
    前記半導体レーザ素子の発光点の位置及び前記導波路のコアの位置が略一致するように配置され、
    平面視において、
    前記半導体レーザ素子の出射面を表す第1の線分及びこれに対応する前記導波路の入射面を表す第2の線分が互いに傾斜して配置され、前記半導体レーザ素子の発光点が、前記第1の線分の中央に対して、前記第1の線分の延長線及び前記第2の線分またはその延長線の交点側に配置されており、
    前記半導体レーザ素子の出射光が前記導波路の入射面に斜めの方向から入射することを特徴とする光モジュール。
  2. 前記半導体レーザ素子の発光点が、前記第1の線分の中央に対して、前記第1の線分の延長線及び前記第2の線分の交点側に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の光モジュール。
  3. 前記半導体レーザ素子の出射面上の前記発光点の位置及び前記平面光波回路の入射面上の前記コアの位置の距離が5μm以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の光モジュール。
  4. 前記半導体レーザ素子から前記コアへ入射する光の光軸、及び前記コアの光軸がなす角度をθ1とし、
    前記半導体レーザ素子の出射光の広がり角(半値)をθ2とし、
    前記導波路の最大受光角(半値)をθmaxとするとき、
    θ1+θ2 ≦ θmax
    の関係を有することを特徴とする請求項1から3の何れか1項に記載の光モジュール。
  5. 前記θ2が、前記半導体レーザ素子のファーフィールドパターンの短軸方向の広がり角(半値)であることを特徴とする請求項に記載の光モジュール。
  6. 前記半導体レーザ素子及び前記平面光波回路がフリップチップ実装されており、
    前記半導体レーザ素子のサブマウントの出射面側の側面が、前記平面光波回路の入射面と略平行に配置されていることを特徴とする請求項1からの何れか1項に記載の光モジュール。
  7. 前記第1の線分の長さをLとすると、前記発光点が前記第1の線分の前記交点側の端部から距離L/4以内の領域に配置されていることを特徴とする請求項1からの何れか1項に記載の光モジュール。
  8. 青色光域、緑色光域及び赤色光域の光を出射する複数の前記半導体レーザ素子を備え、
    前記平面光波回路が、各々の波長の前記半導体レーザ素子に対応したにコア及び該コアが合流したコアを有する導波路を備え、
    前記平面光波回路により各々の波長の光が合波されることを特徴とする請求項1からの何れか1項に記載の光モジュール。
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