JPH09162491A - 発光素子モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 レーザ光の出力特性に優れた発光素子モジュ
ールを提供すること。 【解決手段】 活性領域２１を挟んで相対向する光反射
面２２と光射出面２３が形成された半導体発光素子２
と、その半導体発光素子２の光射出面２３と相互に光の
入射及び出射を可能に光結合され内部の導光用コア３２
に所定波長の光のみを反射する回折格子３３が形成され
た光ファイバ３とを備え、半導体発光素子２へ電流が注
入されることにより活性流域２１に光を生じ光反射面２
２と回折格子３３との間で反射増幅してレーザ光４１と
して出力する発光素子モジュール１であって、半導体発
光素子２における光反射面２２と光射出面２３は、それ
らの面の間で共振する光における縦モードの波長間隔が
注入電流の増加に伴うその縦モードの波長変動量より大
きくなるような短い距離隔てて形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【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
４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を備えて構成されたものが知られ
ている。この発光素子モジュールの半導体発光素子Ａ
は、ｐ型半導体とｎ型半導体を接合して構成され相対向
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が設けられており、一方、光ファイバＢは、導光路
となるコアＥに高屈折率の領域を所定のピッチで複数形
成してなる回折格子Ｆが設けられ、半導体発光素子Ａの
光射出面Ｄ側に所定の距離隔てて配設されている。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
増幅させて、回折格子Ｆのピッチで決まる単一波長のレ
ーザ光Ｈを光ファイバＢを通じて出力するものである。

【０００３】ところで、このような発光素子モジュール
において、半導体発光素子Ａの光反射面Ｃから光射出面
Ｄまでの距離Ｌが長いと、レーザ光Ｈの出力は大きくな
るが注入電流も大きくなる傾向がある。一方、光反射面
Ｃから光射出面Ｄまでの距離Ｌが短いと、注入電流は小
さくて済むが、レーザ発振するまでのしきい値電流が大
きくなる傾向がある。このため、総合的な性能を考慮し
て、通常、その距離Ｌを３００μｍとした半導体発光素
子Ａが採用されている。

【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あっては、次のような問題点があ
る。すなわち、図４に示すように、半導体発光素子Ａ内
で発生した光の一部が光射出面Ｄで反射され、光射出面
Ｄから完全には射出されず、光反射面Ｃとの間で往復増
幅されて微弱なレーザ光として出力されてしまう。この
ため、光反射面Ｃと回折格子Ｆ間の反射増幅により出力
される所望のレーザ光における発振状態が、その余分な
微弱レーザ光の発振に影響され、図５に示すように注入
電流と光出力の特性において非直線領域（キンク）を生
じてしまい、この非直線領域が発光素子モジュールにお
けるパルス変調などの特性を悪化させる一因となってい
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、レーザ光の出力特
性に優れた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、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と
相互に光の入射及び出射を可能に光結合されると共に内
部に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、半導体発光素子へ電流が注入され
ることにより活性流域に光を生じ、光反射面と回折格子
との間で反射増幅してレーザ光として出力する発光素子
モジュールであって、半導体発光素子の光反射面と光射
出面は、それらの面の間で共振する光における縦モード
の波長間隔が注入電流の増加に伴うその縦モードの波長
変動量より大きくなるように、短い距離隔てて形成され
ていることを特徴とする。

【０００７】また本発明は、前述の光反射面と光射出面
との間の距離が２００μｍ以下であることを特徴とす
る。

【０００８】これらの発明によれば、半導体発光素子の
光反射面と光出射面と距離が短く形成されることによ
り、それらの光反射面と光射出面間で共振して出力され
る不要なレーザ光における縦モードの波長間隔が大きく
なっている。このため、注入電流の増加により各縦モー
ドの波長が変動しても、ほぼ一定波長で発振する所望の
レーザ光の波長と重なることが回避され、その重なりに
より生ずるキンクの発生が防止される。

【０００９】更に本発明は、前述の光射出面が誘電体多
層膜により形成されたことを特徴とする。

【００１０】このような発明によれば、光射出面におけ
る光の反射が低減される。従って、半導体発光素子内で
の不要な共振が抑えられる。

【００１１】

【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。

【００１２】図１は発光素子モジュール１の模式図であ
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が設けられており、その活性領域２
１へ電流を注入することで光を発生し増幅し、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ＩｎＧａＡｓ
Ｐ／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が配設される。この活性領域２１は混
晶が用いら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。

【００１３】半導体発光素子２における電流の注入手段
としては、例えば、半導体発光素子２に電流注入用の駆
動回路（図示なし）を接続してたものが採用され、クラ
ッド層２４、２４を通じて活性領域２１へ電流を流せる
ように構成しておけばよい。このような駆動回路から半
導体発光素子２に所定の電流が注入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を発
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前
述の光反射面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。

【００１４】また、半導体発光素子２の光反射面２２と
光射出面２３は、それらの面２２、２３の間で共振する
光における縦モードの波長間隔が注入電流の増加に伴う
その縦モードの波長変動量より大きくなるように、短い
距離隔てて形成されている。これらの光反射面２２と光
射出面２３がそのような短い距離とされることにより、
レーザ光４１の注入電流−光出力特性において非直線領
域（キンク）の発生を防止することが可能となる。すな
わち、半導体発光素子２の活性領域２１で発生した光
は、半導体発光素子２の光反射面２２と後述する光ファ
イバ３の回折格子３３との間で共振することにより、所
望波長４１ａのレーザ光４１として出力されるが、図１
のように活性領域２１で発生した光の一部が光射出面２
３で反射してしまうと、光反射面２２と光射出面２３と
の間で共振して不要なレーザ光４２として出力されてし
まう。この不要なレーザ光４２は、図２に示すように、
多数の縦モードを形成して所望のレーザ光４１の波長ス
ペクトル４１ａの近傍領域に多数のサブピーク４２ａを
有するサイドローブとなって現れる。このサブピーク４
２、４２間の波長間隔Δλは、次式（１）で表される。

【００１５】Δλ＝λ² ／（２・ｎ・Ｌ） ……（１） λ：レーザ光４１における波長４１ａ ｎ：実効屈折率 Ｌ：光反射面２２と光射出面２３との距離（共振器長） これらのサブピーク４２は、注入電流の増加に伴い、長
波長側（図２では右側）へズレていくこととなる。これ
は、電流増加により活性領域２１の温度が上昇するため
の現象である。このように、サブピーク４２ａの波長が
変動してそのいずれかがスペクトル４１ａの波長と重な
ると、所望のレーザ光４１の発振状態に影響を及ぼし、
図５のように、レーザ光４１の電流−光出力特性におい
て注入電流を増加させてもレーザ光出力が上がらない非
直線領域（キンク）を生ずることとなる。このような事
態を避けるためには、サブピーク４２ａが変動してもス
ペクトル４１ａと重ならないように、サブピーク４２、
４２間の間隔を広げればよく、つまり、前述の波長間隔
Δλを大きい値とすればよい。このため、式（１）よ
り、光反射面２２と光射出面２３と間の距離Ｌ（共振器
長）を小さくすることより、サブピーク４２ａ、４２ａ
の波長間隔が大きくなる。そして、そのサブピーク４
２、４２の間隔が注入電流の増加による縦モードの各サ
ブピーク４２ａの波長変動量より大きな間隔とすれば、
所望のレーザ光４１のスペクトル４１ａと変動するサブ
ピーク４２ａが重なり合わなくなり、レーザ光４１の出
力特性においてキンク発生の回避が可能となる。

【００１６】例えば、光反射面２２と光射出面２３の具
体的な距離Ｌとしては、２００μｍ以下とするのが好ま
しい。すなわち、従来の発光素子モジュールにおける半
導体発光素子の距離Ｌは３００μｍであって、前述の式
（１）においてλ＝１．３μｍ、ｎ＝３．７とすると、
サブピーク４２の波長間隔Δλは、０．７６ｎｍとな
る。この従来の半導体発光素子において、定格電流が１
００ｍＡであり、注入電流を増加した際のサブピーク変
動が０．０９ｎｍ／ｍＡである場合、注入電流を増加さ
せていくと、サブピークの変動によりサブピークと所望
レーザ光のスペクトルが必ず重なり合い、レーザの出力
特性にキンクが発生することとなる。そこで、半導体発
光素子として距離Ｌが２００μｍのものを用いると、サ
ブピーク４２ａの波長間隔Δλは、１．１４ｎｍに広が
る。その際、所望のレーザ光を所定の波長で正確にサブ
ピーク間で発生させることにより、キンクの発生が確実
に回避できる。

【００１７】また、半導体発光素子２における光射出面
２３は、誘電体多層膜で形成されるのが好ましい。例え
ば、光射出面２３は、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（Ｓｉ
Ｏ₂ ）、チタニア（ＴｉＯ₂ ）、窒化けい素（Ｓｉ
Ｎ）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）、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が採用され、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、特定波長における光反射率を任意に設定することが
可能である。このため、光射出面２３の光反射率を極め
て小さくすることにより、光射出面２３での光の反射を
抑え、光反射面２２との間で光が反射増幅してレーザ光
として出力されるのを低減することが可能となる。一
方、光射出面２３においても、光反射面２２と同様に誘
電体多層膜により形成して、高い光反射率を有するもの
してもよい。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る場合もある。

【００１８】一方、図１のように、その半導体発光素子
２の光反射面２３側には、その光反射面２３と相互に光
の入射及び出射を可能に光結合されて光ファイバ３が配
置されている。すなわち、光ファイバ３は、その端面が
光射出面２３と光結合され、それらの一方から射出され
た光を他方へ入射可能され光を相互に導光できるように
なっている。また、光ファイバ３は、クラッド３１の中
心位置に高い屈折率を有するコア３２がその長手方向
（光軸方向）に沿って形成されて導光路とされると共
に、そのコア３２に沿って進行する光を反射する回折格
子３４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、光ファイバ３の光軸方向
に沿ってコア３２の実効屈折率を所定の間隔おいて周期
的に変化させて形成されており、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。

【００１９】この回折格子３３は、ゲルマニウムが添加
された石英ガラスに紫外光を照射すると照射部分の屈折
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３
２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。

【００２０】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、次式（２）で表され
る。

【００２１】λ_R ＝２・ｎ・Λ …… （２） 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、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、正確な波長のレー
ザ光４１が出力されることとなる。

【００２２】また、図示されていないが、半導体発光素
子２と光ファイバ３の間には、それらの間で進行する光
の結合を行うレンズ系を設けてそれらを光結合させても
よい。例えば、半導体発光素子２及び光ファイバ３と別
個のロッドレンズ又は円柱レンズなどを配設し、また光
ファイバ３の端部を球状に加工して、半導体発光素子２
の光射出面２３又は光ファイバ３のコア３２から出射さ
れる光の広がりを集束してコア３２又は光射出面２３へ
結合させる。このレンズ系の配設により、半導体発光素
子２の光反射面２２と光ファイバ３の回折格子３３との
間で光が往復する際に、半導体発光素子２と光ファイバ
３の間での光結合効率を向上させることが可能となる。

【００２３】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。

【００２４】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へ電流を注入する。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。しかしながら、その光のうちの一
部は光射出面２３で反射され、光反射面２２との間で共
振してしまう。一方、光射出面２３から光ファイバ３側
へ射出された光は、光ファイバ３のコア３２内へ入射さ
れて、コア３２に沿って進行し回折格子３３で反射され
る。その際、回折格子３３により反射された所定の波長
の光のみが半導体発光素子２側へ進行し、光ファイバ３
の端面から射出され半導体発光素子２の光射出面２３を
通じて活性領域２１内へ入射される。そして、活性領域
２１内を進行する光は、再び増幅されながら光反射面２
２で反射され、その光反射面２２と光ファイバ３の回折
格子３３との間での往復を繰り返し増幅された後、回折
格子３３を透過して所望のレーザ光４１として出力され
ていく。また、レーザ光４１と共に、半導体発光素子２
内の光反射面２２と光射出面２３間で共振する光も増幅
されて不要なレーザ光４２として出力されていく。

【００２５】ここで、半導体発光素子２への注入電流を
増加させていくと、不要なレーザ光４２にあっては、活
性領域２１の温度上昇の影響を受けて縦モードの各サブ
ピーク４２が長波長側へ変動し始める。それに対し、所
望のレーザ光４１にあっては、光ファイバ３の回折格子
３３により出力波長が決定されるから、その出力波長が
注入電流の増減の影響を受けず一定である。このため、
図２に示すように、レーザ光４１の波長スペクトル４１
ａへレーザ光４２のサブピーク４２ａのいずれかが接近
していくこととなる。

【００２６】しかしながら、使用電流におけるサブピー
ク４２ａの変動量に対しサブピーク４２ａ、４２ａ間の
波長間隔は十分に大きくなるように、半導体発光素子２
の光反射面２２、光射出面２３が短い間隔で形成されて
いるので、注入電流が増加されても、レーザ光４１の波
長スペクトル４１ａとレーザ光４２のサブピーク４２ａ
のいずれかが重なり合うことはない。このため、不要な
レーザ光４２の発振により、所望のレーザ光４１の発振
状態が影響を受けることがなく、図３のように、レーザ
光４１の注入電流−出力特性において非直線領域（キン
ク）が発生することがない。

【００２７】従って、このような発光素子モジュール１
におけるパルス変調等の出力特性は、非常に優れたもの
となる。

【００２８】

【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、半導体発
光素子の光反射面と光射出面が短い距離に隔てられて形
成されることにより、それらの光反射面と光射出面の間
で共振して出力される不要なレーザ光の縦モードの間隔
が大きくなる。このため、注入電流の増加により各縦モ
ードの波長が変動しても、一定波長で出力される所望の
レーザ光の波長と重なることが回避され、それらの波長
の重なりにより生ずる非直線領域（キンク）の発生が防
止される。従って、所望のレーザ光におけるパルス変調
等の出力特性が優れたものとなる。

【００２９】また、光射出面が誘電体多層膜により形成
されることにより、光射出面における光の反射が低減さ
れる。このため、半導体発光素子内での不要な共振が抑
えられるから、所望のレーザ光の出力特性における非直
線領域の発生が回避できる。

【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】発光素子モジュールにより出力されるレーザ光
のスペクトルを示す図表である。

【図３】発光素子モジュールのにおける注入電流−光出
力特性を示す図表である。

【図４】従来の発光素子モジュールの説明図である。

【図５】従来の発光素子モジュールにおけるレーザ光の
出力特性を示す図表である。

【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、３
１…クラッド ３２…コア、３３…回折格子

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 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
   光素子の光射出面と相互に光の入射及び出射を可能に光
   結合されると共に内部に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、前記半導体発
   光素子へ電流が注入されることにより前記活性流域に光
   を生じ、前記光反射面と前記回折格子との間で反射増幅
   してレーザ光として出力する発光素子モジュールであっ
   て、 前記半導体発光素子の前記光反射面と前記光射出面は、
   それらの面の間で共振する光における縦モードの波長間
   隔が前記注入電流の増加に伴うその縦モードの波長変動
   量より大きくなるように、短い距離隔てて形成されてい
   ることを特徴とする発光素子モジュール。
2. 【請求項２】 前記光反射面と前記光射出面との間の距
   離が、２００μｍ以下であることを特徴とする請求項１
   に記載の発光素子モジュール。
3. 【請求項３】 前記光射出面が誘電体多層膜により形成
   されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の発光素
   子モジュール。