JP2013019960A - 半導体レーザモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】光アイソレータを備える半導体レーザモジュールのコストを削減する。
【解決手段】半導体レーザモジュールは、半導体レーザと、ファラデー回転子と、偏光子とを備える。半導体レーザは、直線偏光であるＴＥモードの出力レーザ光を出力する。ファラデー回転子は、出力レーザ光の光軸上に設けられ、入射光の偏光方向を４５°回転させる。偏光子は、ファラデー回転子の光ファイバ側に設けられており、その偏光子の透過軸方向は、ファラデー回転子を通過した後の出力レーザ光の偏光方向と一致する。ファラデー回転子の半導体レーザ側には、特定の偏光方向のレーザ光だけを選択的に透過させる選択素子が設けられていない。
【選択図】図３

Description

本発明は、光アイソレータを備える半導体レーザモジュールに関する。

光ファイバ通信において用いられる半導体レーザとして、単一波長で発振する分布帰還型レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ Ｆｅｅｄｂａｃｋ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）等が知られている。そのような半導体レーザに反射戻り光が入射すると、発振が不安定となり、相対雑音強度（ＲＩＮ：Ｒｅｌａｔｉｖｅ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ Ｎｏｉｓｅ）の増加などにより伝送特性が悪化する。これを抑制するために、一般に、「光アイソレータ」が用いられている（例えば、特許文献１、特許文献２を参照）。

図１は、特許文献１に記載されている光アイソレータ付きレセプタクルの断面図である。光ファイバ４は、保持具であるスタブ３とスリーブ５と金具８に保持されている。スタブ３の端面には、光アイソレータ素子７が備え付けられている。その光アイソレータ素子７は、２枚の偏光子１ａ、１ｂ、及びそれら２枚の偏光子１ａ、１ｂによって挟まれたファラデー回転子２を備えている。２枚の偏光子１ａ、１ｂのそれぞれの透過軸方向は、４５°異なっている。ファラデー回転子２は、入射光の偏光方向（偏光面）を、一定方向に４５°回転させる。更に、光アイソレータ素子７の周囲に配置されるように、マグネット６が金具８の端面に固着されている。

図２は、光アイソレータ素子７の機能を説明するための概念図である。図２において、光軸に沿った方向は、ｚ方向である。半導体レーザ側の偏光子１ａの透過軸方向は、ｚ方向に直交するｓ方向である。一方、光ファイバ側の偏光子１ｂの透過軸方向は、ｚ方向に直交し、且つ、ｓ方向と４５°の角度をなすｔ方向である。また、ｚ方向とｓ方向の双方に直交する方向は、ｕ方向である。

まず、半導体レーザから出射された出力レーザ光ＬＯが偏光子１ａを通過する。偏光子１ａを通過した後の出力レーザ光ＬＯの偏光方向は、ｓ方向である。その出力レーザ光ＬＯがファラデー回転子２を通過すると、その偏光方向がｓ方向からｔ方向へ４５°回転する。そして、偏光方向がｔ方向となった出力レーザ光ＬＯが、偏光子１ｂを通過し、光ファイバに入射される。

その一方で、光ファイバに出力レーザ光ＬＯが入射されると、レイリー散乱や光コネクタ等の反射点における反射により、ランダムな偏光を有する戻り光ＬＲが発生する。その戻り光ＬＲは、光ファイバ側から光アイソレータ素子７に入射する。偏光子１ｂを通過した後の戻り光ＬＲの偏光方向は、ｔ方向である。そして、戻り光ＬＲがファラデー回転子２を通過すると、その偏光方向がｔ方向からｕ方向へ４５°回転する。この時の偏光方向（ｕ方向）は、半導体レーザ側の偏光子１ａの透過軸方向（ｓ方向）と直交している。従って、偏光方向がｕ方向となった戻り光ＬＲは、偏光子１ａをほとんど透過しない。すなわち、ランダム偏光を有する戻り光ＬＲは、２枚の偏光子１ａ、１ｂによって吸収され、半導体レーザにはほとんど届かない。その結果、半導体レーザの発振が不安定化することが防止される。

特許文献３には、発光素子と受光素子の両方を備える双方向受発光モジュールが記載されている。発光素子から出射された送信信号光は、光ファイバに入射される。光ファイバから出射された受信信号光は、受光素子に入射される。また、発光素子と光ファイバ間の光路上で、且つ、受光素子と光ファイバ間の光路上である位置に、波長選択フィルタが設けられている。双方向受発光モジュールは、更に、光ファイバ端面に接着された反射型偏光子と、この反射型偏光子に隣接配置されたファラデー回転子と、発光素子と波長選択フィルタ間の光路上に配置された吸収型偏光子と、を備える。上記反射型偏光子は、送信信号光に対しては偏光子として機能するが受信信号光に対しては偏光子として機能しない波長依存性を有している。

特開２００３−０７５６７９号公報 特開２００７−１６４００９号公報 特開２００８−１７６２７９号公報

図２で示されたように、従来の光アイソレータでは、２枚の偏光子が用いられていた。しかしながら、光ファイバ通信で一般に使用される近赤外光用の偏光子は、高価な部品の一つである。光アイソレータにおいて２枚の偏光子を用いることは、コストの増大を招く。

本発明の１つの観点において、半導体レーザモジュールが提供される。その半導体レーザモジュールは、半導体レーザと、ファラデー回転子と、偏光子とを備える。半導体レーザは、直線偏光であるＴＥモードの出力レーザ光を出力する。ファラデー回転子は、出力レーザ光の光軸上に設けられ、入射光の偏光方向を４５°回転させる。偏光子は、ファラデー回転子の光ファイバ側に設けられており、その偏光子の透過軸方向は、ファラデー回転子を通過した後の出力レーザ光の偏光方向と一致する。本発明によれば、ファラデー回転子の半導体レーザ側には、特定の偏光方向のレーザ光だけを選択的に透過させる選択素子が設けられていない。

本発明の他の観点において、光アイソレータが提供される。その光アイソレータは、入射光の偏光方向を４５°回転させるファラデー回転子と、ファラデー回転子の光ファイバ側に設けられた偏光子と、を備える。ファラデー回転子の半導体レーザ側には、特定の偏光方向のレーザ光だけを選択的に透過させる選択素子が設けられていない。

本発明によれば、従来の光アイソレータに比べ、偏光子が１枚省略される。従って、コストが削減される。

図１は、特許文献１に記載されている光アイソレータ付きレセプタクルの断面図である。 図２は、典型的な光アイソレータ素子の機能を説明するための概念図である。 図３は、本発明の実施の形態に係る半導体レーザモジュールの構成を示す概略図である。 図４は、本発明の実施の形態に係る半導体レーザモジュールの原理を説明するための概念図である。 図５は、本発明の実施の形態に係る半導体レーザモジュールに関する相対雑音強度の測定値を示すグラフである。 図６は、本発明の実施の形態に係る半導体レーザモジュールの変形例を示す概略図である。

添付図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。

図３は、本発明の実施の形態に係る半導体レーザモジュール１００の構成を示す概略図である。半導体レーザモジュール１００は、光ファイバ通信に使用される。図３に示されるように、半導体レーザモジュール１００は、半導体レーザ１０、レンズ２０、光アイソレータ３０及び光ファイバ４０を備えている。図３に示される例では、レーザ光の光軸ＯＡに沿って、半導体レーザ１０、レンズ２０、光アイソレータ３０及び光ファイバ４０がこの順序で配置されている。

本実施の形態において、半導体レーザ１０は、直線偏光であり且つＴＥモードのレーザ光を出力する。言い換えれば、半導体レーザ１０の出力レーザ光は、単一のＴＥ偏光面を有する。典型的には、半導体レーザ１０は、優れた単色性を有する量子井戸レーザである。例えば、半導体レーザ１０は、ＩｎＧａＡｓＰやＡｌＧａＩｎＡｓ等の材料の圧縮歪量子井戸活性層を有する多重量子井戸（ＭＱＷ）レーザである。そのような量子井戸レーザは、発光端面でのＴＥ及びＴＭ偏光の反射率の違いや、活性層のＴＥモードとＴＭモードの利得差により、一般にＴＥモードで発振する。

光アイソレータ３０は、ファラデー回転子３１、偏光子３２及び磁石３３を備えている。ファラデー回転子３１及び偏光子３２は、レーザ光の光軸ＯＡ上に設けられている。磁石３３は、ファラデー回転子３１の周囲に配置されている。この磁石３３からの磁界が印加されることにより、ファラデー回転子３１はファラデー効果を発現する。より詳細には、ファラデー回転子２は、入射光の偏光方向（偏光面）を一定方向に４５°回転させるように形成されている。

図３に示されるように、偏光子３２は、ファラデー回転子３１の光ファイバ４０側に設けられている。偏光子３２は、ファラデー回転子３１の光ファイバ４０側の端部に固着されていてもよいし、当該端部に近接して配置されていてもよい。その一方で、ファラデー回転子３１の半導体レーザ１０側には、偏光子は設けられていない。この構造は、図１や図２で示された典型的な光アイソレータから半導体レーザ側の偏光子１ａが省かれたものに相当する。この場合、半導体レーザ１０から出力された出力レーザ光は、偏光子を介することなく、そのままファラデー回転子３１に入射されることになる。

尚、特許文献３（特開２００８−１７６２７９号公報）に記載されている波長選択フィルタも、偏光子と同様の役割を果たしている。本実施の形態では、そのような波長選択フィルタも、ファラデー回転子３１の半導体レーザ１０側には設けられない。より一般化すると、偏光子や波長選択フィルタは、特定の偏光方向のレーザ光だけを選択的に透過させる「選択素子」であると言える。本実施の形態によれば、そのような選択素子が、ファラデー回転子３１の半導体レーザ１０側には設けられない。

図４は、本実施の形態に係る半導体レーザモジュール１００の原理を説明するための概念図である。図４において、光軸ＯＡに沿った方向は、ｚ方向である。

まず、半導体レーザ１０は、直線偏光でＴＥモードの出力レーザ光ＬＯを出力する。その出力レーザ光ＬＯの偏光方向は、ｚ方向に直交するｓ方向である。半導体レーザ１０から出力された出力レーザ光ＬＯは、上記の選択素子を介することなく、そのままファラデー回転子３１に入射される。その出力レーザ光ＬＯがファラデー回転子３１を通過すると、その偏光方向がｓ方向からｔ方向へ４５°回転する。ｔ方向は、ｚ方向に直交し、且つ、ｓ方向と４５°の角度をなす方向である。

光ファイバ４０側の偏光子３２は、その透過軸方向がｔ方向となるように配置されている。言い換えれば、偏光子３２の透過軸方向は、ファラデー回転子３１を通過した後の出力レーザ光ＬＯの偏光方向（ｔ方向）と一致する。従って、偏光方向がｔ方向となった出力レーザ光ＬＯは、偏光子３２を通過し、光ファイバ４０に入射される。

光ファイバ４０に出力レーザ光ＬＯが入射されると、レイリー散乱や光コネクタ等の反射点における反射により、ランダムな偏光を有する戻り光ＬＲが発生する。その戻り光ＬＲは、光ファイバ４０側から偏光子３２に入射する。偏光子３２を通過した後の戻り光ＬＲの偏光方向は、ｔ方向である。そして、戻り光ＬＲがファラデー回転子３１を通過すると、その偏光方向がｔ方向からｕ方向へ４５°回転する。ｕ方向は、ｚ方向とｓ方向の双方に直交する方向である。ファラデー回転子３１から出射された戻り光ＬＲは、上記の選択素子を介することなく、半導体レーザ１０の活性層に入射される。

ここで、半導体レーザ１０の活性層に入射される戻り光ＬＲの偏光方向（ｕ方向）は、半導体レーザ１０の活性層から出射される出力レーザ光ＬＯの偏光方向（ｓ方向）と直交している。本願発明者は、この条件が満たされる場合には戻り光ＬＲが半導体レーザ１０の発振特性に影響を与えない、ということを見出した。ＴＥモードの出力レーザ光ＬＯと同じ偏光方向を有する戻り光ＬＲが活性層に入射されるとＴＥモードの発振特性は乱れるが、出力レーザ光ＬＯと戻り光ＬＲの偏光方向が直交している場合はＴＥモードの発振特性はほとんど影響を受けないのである。そのことを実証するデータが図５に示されている。

図５は、本実施の形態に係る半導体レーザモジュール１００に関する相対雑音強度（ＲＩＮ：Ｒｅｌａｔｉｖｅ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ Ｎｏｉｓｅ）の測定値を示している。ここでは、半導体レーザモジュール１００として、本実施の形態に係る構造を採用した２．５Ｇｂｐｓ伝送用１．３１μｍＤＦＢ−ＬＤモジュールが使用された。また、実験において、半導体レーザモジュール１００への戻り光量を、−３４〜−１１ｄＢの範囲で変化させた。また、温度を、−４０〜８５℃の範囲で変化させた。図５から、評価した全範囲において相対雑音強度が約−１３２ｄＢ／Ｈｚで安定していることが分かる。すなわち、戻り光量が変化しても、半導体レーザ１０の発振特性は影響を受けておらず、相対雑音強度は低いレベルで安定している。

このように、本実施の形態によれば、光ファイバ４０からの戻り光ＬＲの一部が半導体レーザ１０の活性層に入射されるが、それによって半導体レーザ１０の発振特性は影響を受けない。それは、半導体レーザ１０の活性層に入射される戻り光ＬＲの偏光方向（ｕ方向）が、半導体レーザ１０の活性層から出射される出力レーザ光ＬＯの偏光方向（ｓ方向）と直交しているからである。この条件が満たされる限り、ファラデー回転子３１の半導体レーザ１０側の偏光子は不要である。つまり、図１や図２で示された典型的な光アイソレータと比較して、偏光子を１枚省略することが可能である。偏光子は高価な部品の一つであるため、コストが有意に削減される。本実施の形態によれば、コストを削減しながら、相対雑音強度が抑制された安定した通信を実現することが可能であると言える。

図６は、本実施の形態の変形例を示している。本変形例では、光アイソレータ３０と光ファイバ４０との間にレンズ５０が挿入されている。その他の構造及び動作は、上記の実施の形態と同様である。

以上、本発明の実施の形態が添付の図面を参照することにより説明された。但し、本発明は、上述の実施の形態に限定されず、要旨を逸脱しない範囲で当業者により適宜変更され得る。

１０ 半導体レーザ
２０ レンズ
３０ 光アイソレータ
３１ ファラデー回転子
３２ 偏光子
３３ 磁石
４０ 光ファイバ
５０ レンズ
１００ 半導体レーザモジュール
ＯＡ 光軸
ＬＯ 出力レーザ光
ＬＲ 戻り光

Claims (3)

1. 直線偏光であるＴＥモードの出力レーザ光を出力する半導体レーザと、
   前記出力レーザ光の光軸上に設けられ、入射光の偏光方向を４５°回転させるファラデー回転子と、
   前記ファラデー回転子の光ファイバ側に設けられ、透過軸方向が前記ファラデー回転子を通過した後の前記出力レーザ光の偏光方向と一致する偏光子と
   を備え、
   前記ファラデー回転子の前記半導体レーザ側には、特定の偏光方向のレーザ光だけを選択的に透過させる選択素子が設けられていない
   半導体レーザモジュール。
2. 請求項１に記載の半導体レーザモジュールであって、
   前記選択素子は、偏光子あるいは波長選択フィルタである
   半導体レーザモジュール。
3. 入射光の偏光方向を４５°回転させるファラデー回転子と、
   前記ファラデー回転子の光ファイバ側に設けられた偏光子と
   を備え、
   前記ファラデー回転子の半導体レーザ側には、特定の偏光方向のレーザ光だけを選択的に透過させる選択素子が設けられていない
   光アイソレータ。

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