JPWO2010110152A1

JPWO2010110152A1 - 半導体レーザモジュール

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Publication number: JPWO2010110152A1
Application number: JP2011506001A
Authority: JP
Inventors: 木本　竜也; 竜也木本; 和明清田
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2009-03-26
Filing date: 2010-03-17
Publication date: 2012-09-27
Also published as: CN102362400B; EP2413439A1; WO2010110152A1; EP2413439A4; US8665919B2; US20110310916A1; CN102362400A

Abstract

少なくとも一つの半導体レーザと曲げ導波路とが集積された半導体デバイスと、ビームスプリッタと、複数の検出器と、を含む半導体レーザモジュールであって、前記半導体レーザから出射されたレーザ光が前記曲げ導波路を介して伝播され、前記曲げ導波路を介して出射された前記レーザ光が、前記ビームスプリッタに入射され、前記ビームスプリッタに入射されたレーザ光の一部が前記ビームスプリッタで分岐され、前記分岐された前記レーザ光の一部を、その光束断面内の異なる位置に配置された前記複数の検出器で検出する半導体レーザモジュールにおいて、前記半導体レーザの出力と前記複数の検出器の検出値との相関関係を線形に近づけるための波形整形手段を光路上に設けた。これによって、精度が高く、安定した波長ロック制御を行うことができる。

Description

この発明は、半導体レーザ素子から出力されるレーザ光を、曲げ導波路を用いて出力端面に傾きを持たせて出射して反射光を低減することができる半導体レーザモジュールに関するものである。

従来から、半導体レーザ素子からレーザ光を出力する場合、出射端面における反射戻り光を低減するために、たとえば出射端面に対して７度程度曲げた曲げ導波路を設けるようにしている。これによって、半導体レーザ素子の共振器への反射戻り光が低減されるため、安定したレーザ光の出力が可能になる。

一方、半導体レーザ素子から出力された光を光ファイバに導波して出力する従来の半導体レーザモジュールは、出力されたレーザ光の一部をビームスプリッタなどによって分岐し、光パワーモニタおよび所定波長の光パワーをモニタする波長モニタを用いて波長ロック制御を行っている。この際、光パワーモニタおよび波長モニタのそれぞれに対してビームスプリッタを設けると光学部品点数が増え、かつ半導体レーザモジュールの小型化が阻害されるため、１つのビームスプリッタによって分岐された光の光束上に光パワーモニタと波長モニタとを並列配置し、分岐された光を光軸方向に沿って分割してそれぞれ受光するものがある（特許文献１参照）。

特開２００６−２１６６９５号公報

ところで、曲げ導波路を設けると、出射端面から出力されるレーザ光には、出射端面の導波方向に出射される導波光のほかに、この曲げ導波路から漏れる漏洩光が存在し、この漏洩光の存在によって、出射端面から出力されるレーザ光の分布パターンであるＦＦＰ（ファーフィールドパターン）は、漏洩光側にサイドローブが生じ、光軸中心に関して非対称となる。

ここで、この曲げ導波路を有した半導体デバイスを用い、１つのビームスプリッタによって分岐された光を用いてパワーモニタと波長モニタとによるモニタリングを行う場合、上述したＦＦＰの非対称性により、パワーモニタと波長モニタとが検出する光出力に差異が生じてしまうため、精度の高い波長ロック制御を行うことができないという問題点があった。特に、ＦＦＰは、レーザ光の光出力によって変化するため、上記の差異の大きさも変化してしまうので、精度の高い波長ロック制御を行うことができないという問題点があった。

そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、曲げ導波路を有した半導体デバイスから出力された光であって光軸方向に沿って分割した光を用いて光パワーと波長をそれぞれモニタリングする場合であっても精度が高く、安定した波長ロック制御を行うことができる半導体レーザモジュールを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明にかかる半導体レーザモジュールは、少なくとも一つの半導体レーザと曲げ導波路とが集積された半導体デバイスと、ビームスプリッタと、複数の検出器と、を含む半導体レーザモジュールであって、前記半導体レーザから出射されたレーザ光が前記曲げ導波路を介して伝播され、前記曲げ導波路を介して出射された前記レーザ光が、前記ビームスプリッタに入射され、前記ビームスプリッタに入射されたレーザ光の一部が前記ビームスプリッタで分岐され、前記分岐された前記レーザ光の一部を、その光束断面内の異なる位置に配置された前記複数の検出器で検出する半導体レーザモジュールにおいて、前記半導体レーザの出力と前記複数の検出器の検出値との相関関係を線形に近づけるための波形整形手段を光路上に設けたことを特徴とする。

また、この発明にかかる半導体レーザモジュールは、上記の発明において、前記波形整形手段は、光出力分布パターンを前記レーザ光の光軸に関して略対称に整形することを特徴とする。

また、この発明にかかる半導体レーザモジュールは、上記の発明において、前記波形整形手段は、曲げ半径が１０００μｍ以上の前記曲げ導波路であることを特徴とする。

また、この発明にかかる半導体レーザモジュールは、上記の発明において、前記波形整形手段は、前記曲げ導波路の曲げ半径Ｒと、前記曲げ導波路の導波路部とクラッド部との等価屈折率差Δｎ＝{(導波路部の屈折率)-(クラッド部の屈折率)}/(導波路部の屈折率)とが、
Ｒ≧Ａ×Δｎ＾（−Ｂ）（Ａ＝０．６２、Ｂ＝１．５９）
を満足することを特徴とする。

また、この発明にかかる半導体レーザモジュールは、上記の発明において、前記波形整形手段は、前記曲げ導波路による光出力の損失を２％以下にして前記光出力分布パターンを整形することを特徴とする。

また、この発明にかかる半導体レーザモジュールは、上記の発明において、前記半導体デバイスは、複数の半導体レーザを有し、該複数の半導体レーザから１つの半導体レーザが選択されて可変波長レーザ光を出力する選択型可変波長レーザと、前記選択型可変波長レーザから出力されるレーザ光を前記曲げ導波路側に出力する光合流器と、を備え、前記波形整形手段は、前記光合流器から漏れた光を遮断する漏洩光阻止部を有することを特徴とする。

また、この発明にかかる半導体レーザモジュールは、上記の発明において、前記半導体デバイスには前記半導体レーザから出射されたレーザ光を増幅する半導体光増幅器がさらに集積され、前記波形整形手段は、前記半導体光増幅器への光入力前段に前記曲げ導波路を設けることによって前記光出力分布パターンを整形することを特徴とする。

また、この発明にかかる半導体レーザモジュールは、上記の発明において、前記複数の検出器は、前記半導体デバイスの光出力を検出する出力検出器と、前記半導体デバイスから出力されるレーザ光の所定波長領域の光出力を検出する波長検出器と、であることを特徴とする。

また、この発明にかかる半導体レーザモジュールは、上記の発明において、前記曲げ導波路の曲げ部分は前記曲げ導波路を含む導波路のレーザ光の入力端から５〜３０％の位置に設定されることを特徴とする。

この発明によれば、波形整形手段が、曲げ導波路の曲げ半径を１０００μｍ以上とするなどによって、レーザ光の光軸に垂直な面内の光出力分布パターンを前記レーザ光の出力に依存しない光出力分布パターンに整形するようにしているので、曲げ導波路を有した半導体デバイスから出力された光であって光束上の異なる位置の光をそれぞれ検出する場合であっても精度が高く、安定した波長ロック制御を行うことができる。

図１は、この発明の実施の形態１にかかる半導体レーザモジュールを上方からみた断面模式図である。図２は、図１に示した半導体デバイスの構成を示す模式図である。図３は、従来のＦＦＰおよび曲げ半径を１０００μｍ以上とした場合におけるＦＦＰを示す図である。図４は、曲げ導波路から出力する導波光と漏洩光とを示す説明図である。図５は、従来およびこの実施の形態１によるファイバ端光出力のパワーモニタ電流値依存性を示す図である。図６は、従来およびこの実施の形態１による波長モニタ電流値／パワーモニタ電流値の発振周波数依存性を示す図である。図７は、透過率の曲げ半径依存性を示す図である。図８は、曲げ半径の等価屈折率差依存性を示す図である。図９は、この発明の実施の形態２にかかる半導体デバイスの構成を示す模式図である。図１０は、この発明の実施の形態３にかかる半導体デバイスの構成を示す模式図である。図１１は、曲げ導波路を出力端近傍に設けた半導体デバイスの構成を示す模式図である。図１２は、曲げ導波路を導波路の入力端近傍に設けた半導体デバイスの構成を示す模式図である。図１３は、図１１に示した半導体デバイスによるファイバ端光出力のＦＦＰを示す図である。図１４は、図１２に示した半導体デバイスによるファイバ端光出力のＦＦＰを示す図である。

以下、図面を参照して、この発明にかかる半導体レーザモジュールの好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１にかかる半導体レーザモジュールの構成を上方からみた断面模式図である。この半導体レーザモジュール１は、筐体２内に、レーザ光を出力する半導体デバイス３を有し、この半導体デバイス３から出力されたレーザ光は、このレーザ光の出射端面近傍に設けられたコリメートレンズ４によって平行光に変換される。このコリメート光は、ビームスプリッタ５によって、たとえば４％の光が反射され、９６％の光が透過する。

ビームスプリッタ５によって反射された光は、パワーモニタＰＤ６によって光出力が検出されるとともに、波長モニタ８によってエタロン７を介して波長選択された波長領域の光出力が検出される。このパワーモニタＰＤ６および波長モニタＰＤ８によって検出された光出力は、波長ロック制御に用いられる。

一方、ビームスプリッタ５を透過した光は、光アイソレータ９および集光レンズ１０を介して、シングルモードファイバである光ファイバ１１に結合されて出力される。また、半導体デバイス３は、温調素子としてのペルチェ素子２１上に配置され、このペルチェ素子２１の温度制御によってレーザ光の発振波長が制御される。さらに、エタロン７は、温調素子としてのペルチェ素子２２上に配置され、ペルチェ素子２２の温度制御によって選択波長が制御される。

半導体デバイス３は、図２に示す波長選択型の可変波長レーザであり、複数の半導体レーザ１２がアレイ状に配列される。各半導体レーザ１２は、たとえば３〜４ｎｍ程度の波長可変が可能であり、各半導体レーザ１２は、その発振波長が３〜４ｎｍ程度の間隔で並ぶように設計されている。そして、駆動する半導体レーザ１２の切り替えと素子温度の制御によって、単体の半導体レーザよりも広帯域な連続した波長帯をカバーすることが可能となる。ここで、ＷＤＭ光通信用の波長帯域、たとえば１．５３〜１．５６μｍのＣバンドまたは１．５７〜１．６1μｍのＬバンドの全体をカバーするには、たとえば、１０個以上の半導体レーザ１２（３〜４ｎｍ可変）を集積化すれば、３０ｎｍ以上の波長範囲にわたって波長を可変とすることができる。

配列された複数の半導体レーザ１２である半導体レーザアレイ１３から選択されて出力されたレーザ光は、複数の導波路１４のいずれかを介して光合流器１５に入力され、１つの導波路１６に出力される。導波路１６を導波した光は、半導体光増幅器（ＳＯＡ）１７を介して光増幅され、その後、曲げ導波路１８を介し、出射端面に対して約７度の傾斜をもって出力される。なお、この傾斜角度は、６度〜１２度の範囲であることが好ましい。これによって、半導体レーザアレイ１３側への反射戻り光を減少することができる。ここで、曲げ導波路１８は、波形整形手段として曲げ半径Ｒを、１０００μｍ以上としている。なお、曲げ導波路１８の導波路の導波路部とクラッド部との等価屈折率差Δｎ＝{(導波路部の屈折率)-(クラッド部の屈折率)}/(導波路部の屈折率)は、１．０６である。

図３（ａ）は、曲げ半径を１０００μｍ未満とする従来の半導体デバイスにおいて光出力を変化させた場合の出射端面から出力されるレーザ光のＦＦＰを示し、図３（ｂ）は、曲げ半径を１０００μｍ以上とするこの発明の実施の形態１の半導体デバイス３において光出力を変化させた場合の出射端面から出力されるレーザ光のＦＦＰを示している。なお、図３に示す角度θは、図２に示すようにレーザ光の光軸を０度としてその正負の向きを設定している。

図３（ａ）に示す従来のＦＦＰは、波長モニタＰＤ８側にサイドローブＳＢが生じるとともに、光出力を、１０ｍＷ、１５ｍＷ、２０ｍＷ、２５ｍＷと変化させるごとに、ＦＦＰが変化する。特に、角度０度近傍およびサイドローブＳＢ近傍の変動が大きい。これに対し、曲げ半径を１０００μｍ以上とした場合、図３（ｂ）に示すように、光出力を変化させても、ＦＦＰはほとんど変化せず、安定したＦＦＰを呈する。しかも、角度０度を中心に略対称なガウシアン分布を呈している。

これは、図４に示すように、曲げ導波路１８の曲げ半径Ｒを１０００μｍ未満とすると、導波した光がそのまま直進して出力する漏洩光Ｉ２が生じ、この漏洩光Ｉ２によってサイドローブＳＢが発生し、しかも出力を変化させるごとに、この漏洩光Ｉ２の量が変化するからであると考えられる。これに対し、この実施の形態１では、曲げ導波路１８の曲げ半径Ｒを１０００μｍ以上とすることによって、漏洩光Ｉ２を消滅させ、出射端面における導波方向の光である導波光Ｉ１として全て出力できるからであると考えられる。

ここで、図３（ａ）に示すように光出力の変化によってＦＦＰが変化すると、漏洩光Ｉ２の分がロスとなり、光ファイバ１１への光結合効率が変化するため、図５に示すように、相対的に、パワーモニタＰＤ６が検出するパワーモニタ電流値Ｉｍ（μＡ）に対するファイバ端光出力Ｐｆ（ｍＷ）は、比例しない。一方、この実施の形態１では、漏洩光Ｉ２が少なく図３（ｂ）に示すように光出力によってＦＦＰが変化しないため、光ファイバ１１への光結合効率は一定となる。結果的に図５に示すように、パワーモニタ電流値Ｉｍに対するファイバ端光出力Ｐｆ（および選択された半導体レーザ１２の光出力）は、ほぼ比例する相関関係になる。また、この実施の形態１では、ＦＦＰがほとんど光出力によって変化しないので、波長モニタＰＤ８の出力である波長モニタ電流Ｉｗｍに対するファイバ端光出力Ｐｆ（および選択された半導体レーザ１２の光出力）も、ほぼ比例する。

ここで、パワーモニタＰＤ６および波長モニタＰＤ８のモニタ結果による波長ロック制御について説明する。この波長ロック制御は、まず予め所望のファイバ端光出力Ｐｆおよび発振波長λになるときの波長モニタ電流Ｉｗｍと、波長モニタ電流Ｉｗｍとパワーモニタ電流値の比Ｉｗｍ／Ｉｍとを測定しておき、ファイバ端光出力Ｐｆと値Ｉｗｍ／Ｉｍとを目標値として半導体光増幅器１７の駆動電流Ｉｓｏａを制御するとともに、半導体デバイス３の温度をペルチェ素子２１で制御する。すなわち、値Ｉｗｍ／Ｉｍの比を一定にすることで波長ロック制御を行う。

従来の半導体レーザモジュールでは、図５に示すように、ファイバ端光出力Ｐｆがパワーモニタ電流値Ｉｍおよび波長モニタ電流Ｉｗｍに比例しない特性であるため、この特性を用いた波長ロック制御を行う場合、図６に示すように、値Ｉｗｍ／Ｉｍが変化してしまう。たとえば、図６において、ファイバ端光出力Ｐｆ＝１７ｍＷのときと同じ値Ｉｗｍ／Ｉｍを目標値Ｐ１として、Ｐｆ＝６．５ｍＷやＰｆ＝１３ｍＷとする光出力変化（光出力制御）を行うと、発振周波数（発振波長）がずれてしまい、波長ロック制御を維持できない。

一方、この実施の形態１では、ファイバ端光出力Ｐｆがパワーモニタ電流値Ｉｍおよび波長モニタ電流Ｉｗｍに比例する特性（線形性）を有するため、光出力が変化しても、値Ｉｗｍ／Ｉｍは変化せず、図５に示すように、光出力変化にかかわらず同じ目標値Ｐ２とすることができ、発振周波数（発振波長）がずれることがない。したがって、精度の高い波長ロック制御を行うことができる。

ここで、上述した実施の形態１では、曲げ導波路１８の等価屈折率差Δｎが１．０６のとき、曲げ半径Ｒを１０００μｍ以上としていた。これは、図７に示すように、曲げ半径Ｒを１０００μｍ以上とすると、透過率が９８％以上となり、漏洩光に起因すると考えられる光パワーロスＰＬが２％以下となり、光パワーロスＰＬが２％以下になると、光出力が変化しても、ＦＦＰがほぼ変化しないからである。

ここで、光パワーロスＰＬが２％となる曲げ半径Ｒと等価屈折率差Δｎとの関係は、図８に示すようになる。この曲線は、次式
Ｒ＝Ａ×Δｎ＾（−Ｂ）（Ａ＝０．６２、Ｂ＝１．５９）
で表すことができる。ただし、「＾」はべき乗を表す記号である。したがって、ある等価屈折率差Δｎの導波路を用いた場合、上述した式によって算出される曲げ半径Ｒ以上の曲げ半径をもつ曲げ導波路１８とすることによって、光出力変化によってＦＦＰがほぼ変化せず、精度の高い光出力制御および波長ロック制御を行うことができる。

（実施の形態２）
この実施の形態２では、図９に図示したように、上述した実施の形態１の光合流器１５と曲げ導波路１８との間に、光合流器１５などからの漏洩光を遮断する波形整形手段としての漏洩光阻止部２０を設けている。これによって、光合流器１５からの漏洩光がＦＦＰに影響することがないので、安定したＦＦＰを得ることができる。特に、光合流器１５からの漏洩光には、高次モードが含まれる場合があり、この高次モードによるＦＦＰの揺れを防止することができる。なお、漏洩光阻止部２０は、空間的に遮断してもよいし、積極的に光を吸収する部材で形成してもよい。

（実施の形態３）
この実施の形態３では、図１０に図示したように、曲げ導波路１８を最終導波路ではなく、光合流器１５と半導体光増幅器１７との間の導波路で実現している。半導体光増幅器１７の後段の導波路３０は、出射端面に対して斜めに形成されているので、反射戻り光を抑止することができる。

（実施の形態４）
この実施の形態４では、曲げ導波路１８を７度傾けるための曲げ部分を、図１１に示すような出力端近傍ではなく、図１２に示すような、曲げ導波路１８、半導体光増幅器１７、導波路３０からなる出力側導波路のレーザ光の入力端近傍としている。図１３は、図１１に示した構成のファイバ端光出力のＦＦＰを示す図である。図１４は、図１２に示した構成のファイバ端光出力のＦＦＰを示す図である。なお、図１３、１４では曲げ導波路１８の曲げ半径Ｒを１０００μｍ未満としている。従来の構造によれば分布形状の裾に矢印で示した瘤のような非線形に変化する領域ができる。しかしながら、本発明に従う構造によれば、レーザ光出力と検出器の検出値が線形の関係となる、図１４のような理想的な分布形状を得られる。曲げ部分は、導波路を傾ける角度、導波路の材料特性や、出力光の光束利用状況により変わってくるが、多くの場合、出力側導波路の入力端から出力端までの距離の５〜３０％の範囲の位置に設計すると良好な結果が得られた。

この発明に係る半導体レーザモジュールは、たとえば光通信用の信号光源の用途に適している。

１半導体レーザモジュール
２筐体
３，２３，３３半導体デバイス
４コリメートレンズ
５ビームスプリッタ
６パワーモニタＰＤ
７エタロン
８波長モニタＰＤ
９光アイソレータ
１０集光レンズ
１１光ファイバ
１２半導体レーザ
１３半導体レーザアレイ
１４，１６，３０導波路
１５光合流器
１７半導体光増幅器
１８曲げ導波路
２０漏洩光阻止部
２１，２２ペルチェ素子

Claims

少なくとも一つの半導体レーザと曲げ導波路とが集積された半導体デバイスと、ビームスプリッタと、複数の検出器と、を含む半導体レーザモジュールであって、前記半導体レーザから出射されたレーザ光が前記曲げ導波路を介して伝播され、前記曲げ導波路を介して出射された前記レーザ光が、前記ビームスプリッタに入射され、前記ビームスプリッタに入射されたレーザ光の一部が前記ビームスプリッタで分岐され、前記分岐された前記レーザ光の一部を、その光束断面内の異なる位置に配置された前記複数の検出器で検出する半導体レーザモジュールにおいて、
前記半導体レーザの出力と前記複数の検出器の検出値との相関関係を線形に近づけるための波形整形手段を光路上に設けたことを特徴とする半導体レーザモジュール。
前記波形整形手段は、光出力分布パターンを前記レーザ光の光軸に関して略対称に整形することを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザモジュール。
前記波形整形手段は、曲げ半径が１０００μｍ以上の前記曲げ導波路であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザモジュール。
前記波形整形手段は、前記曲げ導波路の曲げ半径Ｒと、前記曲げ導波路の導波路部とクラッド部との等価屈折率差Δｎ＝{(導波路部の屈折率)-(クラッド部の屈折率)}/(導波路部の屈折率)とが、
Ｒ≧Ａ×Δｎ＾（−Ｂ）（Ａ＝０．６２、Ｂ＝１．５９）
を満足することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の半導体レーザモジュール。
前記波形整形手段は、前記曲げ導波路による光出力の損失を２％以下にして前記光出力分布パターンを整形することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の半導体レーザモジュール。
前記半導体デバイスは、
複数の半導体レーザを有し、該複数の半導体レーザから１つの半導体レーザが選択されて可変波長レーザ光を出力する選択型可変波長レーザと、
前記選択型可変波長レーザから出力されるレーザ光を前記曲げ導波路側に出力する光合流器と、
を備え、
前記波形整形手段は、前記光合流器から漏れた光を遮断する漏洩光阻止部を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の半導体レーザモジュール。
前記半導体デバイスには前記半導体レーザから出射されたレーザ光を増幅する半導体光増幅器がさらに集積され、
前記波形整形手段は、前記半導体光増幅器への光入力前段に前記曲げ導波路を設けることによって前記光出力分布パターンを整形することを特徴とする請求項２〜６のいずれか一つに記載の半導体レーザモジュール。
前記複数の検出器は、
前記半導体デバイスの光出力を検出する出力検出器と、
前記半導体デバイスから出力されるレーザ光の所定波長領域の光出力を検出する波長検出器と、
であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の半導体レーザモジュール。
前記曲げ導波路の曲げ部分は前記曲げ導波路を含む導波路のレーザ光の入力端から５〜３０％の位置に設定されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の半導体レーザモジュール。