JP3059171B1 - 光ファイバ出力半導体装置 - Google Patents
光ファイバ出力半導体装置Info
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Abstract
【要約】
【課題】低価格化と高出力化を図った光ファイバ出力半
導体装置を提供する。 【解決手段】端面発光半導体素子１００と温度伸縮を吸
収する構造をもつテーパ光導波路１１０と光ファイバ１
２０とを個別部品とし、前記端面発光半導体素子の出力
端面に前記テーパ光導波路の一端を突き合わせて結合
し、前記テーパ光導波路の他端を光ファイバと接続した
構造とする。
導体装置を提供する。 【解決手段】端面発光半導体素子１００と温度伸縮を吸
収する構造をもつテーパ光導波路１１０と光ファイバ１
２０とを個別部品とし、前記端面発光半導体素子の出力
端面に前記テーパ光導波路の一端を突き合わせて結合
し、前記テーパ光導波路の他端を光ファイバと接続した
構造とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、光ファイバ出力
半導体装置に関するもので、光ファイバと半導体レーザ
を組合せた装置である。そして本発明は光ファイバ出力
半導体装置を低コスト化し同時に大出力化を実現するも
のである。したがって、通信用のみならず幅広い用途の
拡大がなされる。
半導体装置に関するもので、光ファイバと半導体レーザ
を組合せた装置である。そして本発明は光ファイバ出力
半導体装置を低コスト化し同時に大出力化を実現するも
のである。したがって、通信用のみならず幅広い用途の
拡大がなされる。
【０００２】
【従来の技術】端面発光型の半導体レーザダイオード
（半導体レーザ）と光ファイバとを光結合させる場合、
その結合損失を抑えるためには、広がりを持った半導体
レーザの出力ビームをファイバに入り易く交換する光学
手段と、これらの要素（半導体レーザ、光学手段、光フ
ァイバ）の位置精度が重要となる。
（半導体レーザ）と光ファイバとを光結合させる場合、
その結合損失を抑えるためには、広がりを持った半導体
レーザの出力ビームをファイバに入り易く交換する光学
手段と、これらの要素（半導体レーザ、光学手段、光フ
ァイバ）の位置精度が重要となる。
【０００３】つまり、半導体レーザからのレーザ光は空
気中の自由空間伝播では、垂直方向に±２０度、水平方
向に±５〜１０度前後の広がりを持つため、半導体レー
ザ素子端面と光ファイバを直接突合せ結合（バットジョ
イント）させると、約１０ｄＢ前後の結合損失を伴う。
そこで、レンズなどの光学手段を用いてビームを変換す
ることで結合損失を低減する方法がとられる。また、長
距離・大容量通信を目的にした光通信では、コア径が１
０μｍ程度かそれ以下の広帯域のシングルモード・ファ
イバが用いられるので、これらの結合には１μｍ以下の
位置精度が必要になる。
気中の自由空間伝播では、垂直方向に±２０度、水平方
向に±５〜１０度前後の広がりを持つため、半導体レー
ザ素子端面と光ファイバを直接突合せ結合（バットジョ
イント）させると、約１０ｄＢ前後の結合損失を伴う。
そこで、レンズなどの光学手段を用いてビームを変換す
ることで結合損失を低減する方法がとられる。また、長
距離・大容量通信を目的にした光通信では、コア径が１
０μｍ程度かそれ以下の広帯域のシングルモード・ファ
イバが用いられるので、これらの結合には１μｍ以下の
位置精度が必要になる。
【０００４】従来の技術の一例として、光通信に用いら
れている半導体レーザモジュールについて説明する。
れている半導体レーザモジュールについて説明する。
【０００５】河野健治著「光デバイスのための光結合系
の基礎と応用」 現代光学社 出版の８９ページに半導
体レーザモジュールの模式的な断面図と外観図が示され
ており、これを図１２に示す。また、同書の７７ページ
に示されているこの方式のレンズ構成を図１３に示す。
の基礎と応用」 現代光学社 出版の８９ページに半導
体レーザモジュールの模式的な断面図と外観図が示され
ており、これを図１２に示す。また、同書の７７ページ
に示されているこの方式のレンズ構成を図１３に示す。
【０００６】ここに用いられている半導体レーザは、発
振波長が１．２９μｍのＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ半導体
レーザ、レンズ１は球レンズ、レンズ２−１とレンズ２
−２はＧＲＩＮ（ｇｒａｄｅｄ−ｉｎｄｅｘ）ロッドレ
ンズである。また、レンズ１、レンズ２−１は金属ホル
ダに半田固定されており、単一モード光ファイバを固定
した中子（フェルール：Ｆｅｒｒｕｌｅ）とレンズ２−
２とは一体化用ホルダに光学的調整なしに機械加工精度
で固定されている。
振波長が１．２９μｍのＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ半導体
レーザ、レンズ１は球レンズ、レンズ２−１とレンズ２
−２はＧＲＩＮ（ｇｒａｄｅｄ−ｉｎｄｅｘ）ロッドレ
ンズである。また、レンズ１、レンズ２−１は金属ホル
ダに半田固定されており、単一モード光ファイバを固定
した中子（フェルール：Ｆｅｒｒｕｌｅ）とレンズ２−
２とは一体化用ホルダに光学的調整なしに機械加工精度
で固定されている。
【０００７】組み立て手順および調整方法は以下の通り
である。
である。
【０００８】（１）レンズ１のホルダを半導体レーザの
ヒートシンクに固定する。
ヒートシンクに固定する。
【０００９】（２）半導体レーザの信頼性を確保するた
めに半導体レーザとレンズ１のホルダを窒素ガスととも
にハーメチックシールする。
めに半導体レーザとレンズ１のホルダを窒素ガスととも
にハーメチックシールする。
【００１０】（３）単一モード光ファイバからの光出力
をパワーメータでモニタし、最大光出力が得られるよう
に、レンズ２−１のホルダを光軸に垂直な方向に、Ｖｉ
ｒｔｕａｌ Ｆｉｂｅｒ（単一モードファイバとＧＲＩ
Ｎロッドレンズ２−２とを一体化したものはスポットサ
イズが拡大された仮想的な単一モード光ファイバとみな
せるためこう呼ぶ）を光軸に垂直な方向と光軸方向に相
互に調整する。レンズ１のホルダを半導体レーザのヒー
トシンクに固定した際の軸ずれは、この時自動的に補正
されている。
をパワーメータでモニタし、最大光出力が得られるよう
に、レンズ２−１のホルダを光軸に垂直な方向に、Ｖｉ
ｒｔｕａｌ Ｆｉｂｅｒ（単一モードファイバとＧＲＩ
Ｎロッドレンズ２−２とを一体化したものはスポットサ
イズが拡大された仮想的な単一モード光ファイバとみな
せるためこう呼ぶ）を光軸に垂直な方向と光軸方向に相
互に調整する。レンズ１のホルダを半導体レーザのヒー
トシンクに固定した際の軸ずれは、この時自動的に補正
されている。
【００１１】（４）レンズ２−１のホルダを半導体レー
ザパッケージに固定する。
ザパッケージに固定する。
【００１２】（５）Ｖｉｒｔｕａｌ Ｆｉｂｅｒを光軸
に垂直な方向と光軸方向に位置調整して、レンズ２−１
の軸ずれを補正した後、Ｖｉｒｔｕａｌ Ｆｉｂｅｒを
そのホルダにまず光軸方向に固定する。次にＶｉｒｔｕ
ａｌ Ｆｉｂｅｒホルダをレンズ２−１のホルダに固定
することにより、光軸垂直方向の固定を行う。
に垂直な方向と光軸方向に位置調整して、レンズ２−１
の軸ずれを補正した後、Ｖｉｒｔｕａｌ Ｆｉｂｅｒを
そのホルダにまず光軸方向に固定する。次にＶｉｒｔｕ
ａｌ Ｆｉｂｅｒホルダをレンズ２−１のホルダに固定
することにより、光軸垂直方向の固定を行う。
【００１３】この例を見てもわかるように、このような
光学レンズを組み合わせて半導体レーザと光ファイバを
結合する方法では、温度変化の影響を少なくするために
コアキシアル構造の金属製パッケージを採用し、同時に
多くの極めて精密な調整工程が必要である。この例では
レンズ２−１の光軸方向の調整を行うためＶｉｒｔｕａ
ｌ Ｆｉｂｅｒを光軸に垂直な方向と光軸方向に同時に
相互調整を行っているが、これだけの多くのパラメータ
を同時に調整することは非常に難しくまた最適値も得に
くい。
光学レンズを組み合わせて半導体レーザと光ファイバを
結合する方法では、温度変化の影響を少なくするために
コアキシアル構造の金属製パッケージを採用し、同時に
多くの極めて精密な調整工程が必要である。この例では
レンズ２−１の光軸方向の調整を行うためＶｉｒｔｕａ
ｌ Ｆｉｂｅｒを光軸に垂直な方向と光軸方向に同時に
相互調整を行っているが、これだけの多くのパラメータ
を同時に調整することは非常に難しくまた最適値も得に
くい。
【００１４】特に、ファイバ径が１０μｍ以下の単一モ
ードファイバを用いると位置精度は１μｍ以下が必要で
あり、多くのパラメータの同時調整を高精度に行う必要
がある。このため、このような方法によって作られる半
導体レーザモジュールは、調整に非常に長い時間を要す
るため製造コストが増大して非常に高価なものとなって
いる。
ードファイバを用いると位置精度は１μｍ以下が必要で
あり、多くのパラメータの同時調整を高精度に行う必要
がある。このため、このような方法によって作られる半
導体レーザモジュールは、調整に非常に長い時間を要す
るため製造コストが増大して非常に高価なものとなって
いる。
【００１５】また、半導体レーザにおいてワット級まで
光出力を増大させるためには活性層を拡大する必要があ
る。特にＧａＡｓ系半導体では光密度を高めると光学的
損傷の問題があり、光密度として１ＭＷ／ｃｍ２ 程度
が限界とされている。活性層の厚さは発光効率を確保す
るために一義的に決められるため、出力増大を図るには
活性層の幅を必然的に増加させねばならない。具体的に
は、活性層の幅を１５０μｍ〜５００μｍにまで拡大す
ることでワット級レーザを実現している。
光出力を増大させるためには活性層を拡大する必要があ
る。特にＧａＡｓ系半導体では光密度を高めると光学的
損傷の問題があり、光密度として１ＭＷ／ｃｍ２ 程度
が限界とされている。活性層の厚さは発光効率を確保す
るために一義的に決められるため、出力増大を図るには
活性層の幅を必然的に増加させねばならない。具体的に
は、活性層の幅を１５０μｍ〜５００μｍにまで拡大す
ることでワット級レーザを実現している。
【００１６】ところが、このような垂直方向（活性層厚
０．１μｍ程度）と水平方向（活性層幅１５０μｍ〜５
００μｍ）の大きさが極端に異なる光源を結合光学系で
例えば直径１０μｍ程度のファイバに集光することは一
般に非常に困難である。つまり、上記のような光学レン
ズを組み合わせた方法で高出力の半導体レーザと光ファ
イバを結合すると結合損失を低く抑えることが現実には
困難なものになる。
０．１μｍ程度）と水平方向（活性層幅１５０μｍ〜５
００μｍ）の大きさが極端に異なる光源を結合光学系で
例えば直径１０μｍ程度のファイバに集光することは一
般に非常に困難である。つまり、上記のような光学レン
ズを組み合わせた方法で高出力の半導体レーザと光ファ
イバを結合すると結合損失を低く抑えることが現実には
困難なものになる。
【００１７】以上のべたように、高出力の半導体レーザ
と光ファイバを接続するにあたり、従来の光学部品を用
いた結像光学系で結合する方法は、構造および精密な調
整を要する事から高コストになる。また、大出力半導体
レーザとの接続において、結合損失の増大という大きな
問題がある。
と光ファイバを接続するにあたり、従来の光学部品を用
いた結像光学系で結合する方法は、構造および精密な調
整を要する事から高コストになる。また、大出力半導体
レーザとの接続において、結合損失の増大という大きな
問題がある。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】上述のように、微小レ
ンズを組み合わせた結像光学系を用いて構成される従来
の実用化された光ファイバ出力半導体装置は、信頼性確
保のための金属製筐体の使用や組み立て時の高精度な位
置決め調整の必要性によって、ＬＤ（レーザダイオー
ド）チップ自体は低価格にもかかわらずモジュールとし
ては極めて高価なものしか得られなかった。また、端面
発光半導体からのワットクラスの幅広光出力ビームを光
ファイバビームへ変換するのは結合損失の増大により現
実的には著しく困難なため、高出力の光ファイバ出力半
導体装置は実現されていなかった。
ンズを組み合わせた結像光学系を用いて構成される従来
の実用化された光ファイバ出力半導体装置は、信頼性確
保のための金属製筐体の使用や組み立て時の高精度な位
置決め調整の必要性によって、ＬＤ（レーザダイオー
ド）チップ自体は低価格にもかかわらずモジュールとし
ては極めて高価なものしか得られなかった。また、端面
発光半導体からのワットクラスの幅広光出力ビームを光
ファイバビームへ変換するのは結合損失の増大により現
実的には著しく困難なため、高出力の光ファイバ出力半
導体装置は実現されていなかった。
【００１９】そこで本発明は、低価格化と高出力化を図
った光ファイバ出力半導体装置の提供を目的とする。
った光ファイバ出力半導体装置の提供を目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】この発明は上記目的を達
成するために、端面発光半導体素子と温度伸縮を吸収す
る構造をもつテーパ光導波路と光ファイバとを個別部品
とし、前記端面発光半導体素子の出力端面にテーパ光導
波路の一端を突き合わせて結合し、前記テーパ光導波路
の他端を光ファイバと接続する事を特徴とするものであ
る。
成するために、端面発光半導体素子と温度伸縮を吸収す
る構造をもつテーパ光導波路と光ファイバとを個別部品
とし、前記端面発光半導体素子の出力端面にテーパ光導
波路の一端を突き合わせて結合し、前記テーパ光導波路
の他端を光ファイバと接続する事を特徴とするものであ
る。
【００２１】つまり基本は、（端面発光チップ＋伸縮吸
収テーパ光導波路＋ファイバ）となっている。またこの
発明は、（伸縮吸収テーパ光導波路がシリコーン素材で
構成されること）、（端面発光チップにガイド溝を設け
ること）、（半導体チップと光導波路組み立てにセルフ
アライン化、レーザ加工を行うこと）、（ＳＬＤの場
合、外部ミラー共振器と組み合わせてレーザ加工セルフ
アラインを行うこと）、（半導体チップと光導波路組み
立てにセルフアライン化、レジスト加工すること）、
（チップとファイバのインターフェイスとなるテーパ形
状、ｘ：幅方向、ｙ：厚さ方向の関係）、（厚さの変化
に対応したコア屈折率の設定）、（コア屈折率設定の実
現手法）、（幅方向の平面波−球面波変換）、（屈折率
分布の実現手段）、（ＳＬＤへの応用）、（チップの幅
方向形状もテーパとすること）、（ＳＬＤの両端にテー
パ光導波路＋光ファイバを接続する構成）のそれぞれに
ついても特徴を備えるものである。
収テーパ光導波路＋ファイバ）となっている。またこの
発明は、（伸縮吸収テーパ光導波路がシリコーン素材で
構成されること）、（端面発光チップにガイド溝を設け
ること）、（半導体チップと光導波路組み立てにセルフ
アライン化、レーザ加工を行うこと）、（ＳＬＤの場
合、外部ミラー共振器と組み合わせてレーザ加工セルフ
アラインを行うこと）、（半導体チップと光導波路組み
立てにセルフアライン化、レジスト加工すること）、
（チップとファイバのインターフェイスとなるテーパ形
状、ｘ：幅方向、ｙ：厚さ方向の関係）、（厚さの変化
に対応したコア屈折率の設定）、（コア屈折率設定の実
現手法）、（幅方向の平面波−球面波変換）、（屈折率
分布の実現手段）、（ＳＬＤへの応用）、（チップの幅
方向形状もテーパとすること）、（ＳＬＤの両端にテー
パ光導波路＋光ファイバを接続する構成）のそれぞれに
ついても特徴を備えるものである。
【００２２】
【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図
面を参照して説明する。
面を参照して説明する。
【００２３】実施例１について説明する。図１（Ａ）
（Ｂ）は本発明の基本構成を示す。端面発光半導体チッ
プ１００から出たレーザ光は、テーパ形光導波路１１０
を通り光ビーム形状を変化させ、光ファイバ１２０へ入
射する。
（Ｂ）は本発明の基本構成を示す。端面発光半導体チッ
プ１００から出たレーザ光は、テーパ形光導波路１１０
を通り光ビーム形状を変化させ、光ファイバ１２０へ入
射する。
【００２４】図１（Ａ）は横方向から見た形状を示し、
図１（Ｂ）は上面から見た図である。
図１（Ｂ）は上面から見た図である。
【００２５】端面発光半導体レーザ１００の活性層１０
１は極めて薄く、変換効率を高くする観点から一義的に
厚さが決められてしまう。例えば、厚さ０．１μｍ程度
である。しかしながら、上下部分との屈折率差も小さ
く、活性層を一部にじみだしたビーム形状で例えば半値
幅１μｍのビームとして端面から出力される。
１は極めて薄く、変換効率を高くする観点から一義的に
厚さが決められてしまう。例えば、厚さ０．１μｍ程度
である。しかしながら、上下部分との屈折率差も小さ
く、活性層を一部にじみだしたビーム形状で例えば半値
幅１μｍのビームとして端面から出力される。
【００２６】一方、活性層の幅方向は広くとられる。特
に大出力を得たい場合、光学損傷を起こさないように例
えばＧａＡｓ系の場合には、光出力部の光密度を１ＭＷ
／ｃｍ２ 以下で動作させなければならないため、必然
的に活性層の幅を広くしなければならない。幅方向は１
００μｍを越えるものもある。
に大出力を得たい場合、光学損傷を起こさないように例
えばＧａＡｓ系の場合には、光出力部の光密度を１ＭＷ
／ｃｍ２ 以下で動作させなければならないため、必然
的に活性層の幅を広くしなければならない。幅方向は１
００μｍを越えるものもある。
【００２７】それに対し光ファイバのコアの大きさは多
くの場合は円形であり、例えば１０μｍ径のコアを考え
た場合、一般に端面発光半導体レーザの活性層に比べ、
幅方向では狭く、厚さ方向では厚くなっている。この光
ビーム形状の異なる光デバイス間を、テーパ形光導波路
１１０にて光ビーム形状を変化させて結合させるもので
ある。
くの場合は円形であり、例えば１０μｍ径のコアを考え
た場合、一般に端面発光半導体レーザの活性層に比べ、
幅方向では狭く、厚さ方向では厚くなっている。この光
ビーム形状の異なる光デバイス間を、テーパ形光導波路
１１０にて光ビーム形状を変化させて結合させるもので
ある。
【００２８】図１（Ａ）（Ｂ）では端面発光半導体チッ
プ１００、テーパ形光導波路１１０、光ファイバ１２０
が各々突き合わせでＰＣ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｃｏｎｔ
ａｃｔ）接続されている。接続部において、軸上での前
後方向ズレ、軸ズレによって大きくこの接合部の損失が
増加する。損失を抑えるにはサブミクロンの突き合わせ
精度が要求される。また、温度変化や経年変化における
精度の保持が要求される。光ファイバ１２０のコア形状
は通常円であるので、テーパ形光導波路１１０の光ファ
イバ接続側形状も同一円とするのがベストであるが、角
形で近似してもビーム形状としては大きな差がないため
接続損失も深刻な程の大きさにはならない。むしろ、軸
上での前後ズレと軸ズレが大きな損失になる。
プ１００、テーパ形光導波路１１０、光ファイバ１２０
が各々突き合わせでＰＣ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｃｏｎｔ
ａｃｔ）接続されている。接続部において、軸上での前
後方向ズレ、軸ズレによって大きくこの接合部の損失が
増加する。損失を抑えるにはサブミクロンの突き合わせ
精度が要求される。また、温度変化や経年変化における
精度の保持が要求される。光ファイバ１２０のコア形状
は通常円であるので、テーパ形光導波路１１０の光ファ
イバ接続側形状も同一円とするのがベストであるが、角
形で近似してもビーム形状としては大きな差がないため
接続損失も深刻な程の大きさにはならない。むしろ、軸
上での前後ズレと軸ズレが大きな損失になる。
【００２９】図１（Ａ）（Ｂ）において、半導体チップ
１００はセラミックサブ基板１５０にマウントされ、さ
らに金属基板１３０にマウントされている。このとき、
端面発光半導体チップ１００、テーパ形光導波路１１
０、光ファイバ１２０、セラミックサブ基板１５０、金
属基板１３０は各々膨張係数が異なり、温度変化にとも
ない相対的な位置および接続部形状変化が発生する。光
ファイバ１２０は光ファイバ台１４０に配置されてい
る。
１００はセラミックサブ基板１５０にマウントされ、さ
らに金属基板１３０にマウントされている。このとき、
端面発光半導体チップ１００、テーパ形光導波路１１
０、光ファイバ１２０、セラミックサブ基板１５０、金
属基板１３０は各々膨張係数が異なり、温度変化にとも
ない相対的な位置および接続部形状変化が発生する。光
ファイバ１２０は光ファイバ台１４０に配置されてい
る。
【００３０】本発明ではテーパ形光導波路１１０をシリ
コーン樹脂のようなゴム質状の素材で形成し、前記相対
的な位置および接続部形状変化を吸収する。同様な効果
は図２に示すようにＰＣ樹脂等で形成したテーパ形光導
波路１１０をたわみ構造とする事でも得られる。
コーン樹脂のようなゴム質状の素材で形成し、前記相対
的な位置および接続部形状変化を吸収する。同様な効果
は図２に示すようにＰＣ樹脂等で形成したテーパ形光導
波路１１０をたわみ構造とする事でも得られる。
【００３１】図３は第２の実施例を示す。端面発光半導
体チップ１００の出力端面に薄膜１０２を付加する。活
性層１０１の出力端面では０．１〜１ＭＷ／ｃｍ２ の
光出力が容易に得られる。したがって、薄膜１０２を付
加後に端面発光半導体チップ１００を動作させれば薄膜
を溶解または昇華させるレーザ加工ができ、図３（Ｂ）
のように出力光部分に穴を開け、凹型の接続ガイド１０
２−１の形成ができる。
体チップ１００の出力端面に薄膜１０２を付加する。活
性層１０１の出力端面では０．１〜１ＭＷ／ｃｍ２ の
光出力が容易に得られる。したがって、薄膜１０２を付
加後に端面発光半導体チップ１００を動作させれば薄膜
を溶解または昇華させるレーザ加工ができ、図３（Ｂ）
のように出力光部分に穴を開け、凹型の接続ガイド１０
２−１の形成ができる。
【００３２】テーパ形光導波路１１０の接続部に図３
（Ｃ）のように凸型の接続ガイド１１２をあらかじめ形
成しておくことにより、図３（Ｄ）に示すように機械的
突き当て接続が極めて高精度で実現できる。
（Ｃ）のように凸型の接続ガイド１１２をあらかじめ形
成しておくことにより、図３（Ｄ）に示すように機械的
突き当て接続が極めて高精度で実現できる。
【００３３】図３（Ｅ）は光ファイバ１２０と端面発光
半導体チップ１００とでハイブリッドレーザを構成した
例である。光ファイバ１２０にファイバグレーティング
１２２を施し反射端とし、端面発光半導体チップ１００
の接続部には低反射膜（ＡＲ膜）１０３を施し、光ファ
イバ１２０と半導体チップの他端の高反射膜（ＨＲ膜）
１０４とで光共振器を形成している。
半導体チップ１００とでハイブリッドレーザを構成した
例である。光ファイバ１２０にファイバグレーティング
１２２を施し反射端とし、端面発光半導体チップ１００
の接続部には低反射膜（ＡＲ膜）１０３を施し、光ファ
イバ１２０と半導体チップの他端の高反射膜（ＨＲ膜）
１０４とで光共振器を形成している。
【００３４】このとき低反射膜（ＡＲ膜）１０３は一般
に高絶縁の誘電体が使用されるため、薄膜１０２は金属
等を使用してもよい。
に高絶縁の誘電体が使用されるため、薄膜１０２は金属
等を使用してもよい。
【００３５】端面発光半導体チップ１００は、劈開面を
反射端としてそのまま使用する例が多く、その場合には
活性層１０１の両端が反射端となり光共振器が形成され
レーザ発振をする。しかしながら、図３（Ｅ）の構成の
場合のように一端（あるいは両端）にＡＲ膜１０３を施
すと端面発光半導体チップ１００は単体では光共振器が
形成できずレーザ発振に至らないため、低い光密度でし
か出力できない。
反射端としてそのまま使用する例が多く、その場合には
活性層１０１の両端が反射端となり光共振器が形成され
レーザ発振をする。しかしながら、図３（Ｅ）の構成の
場合のように一端（あるいは両端）にＡＲ膜１０３を施
すと端面発光半導体チップ１００は単体では光共振器が
形成できずレーザ発振に至らないため、低い光密度でし
か出力できない。
【００３６】図４（Ａ），（Ｂ）には、両端にＡＲ膜１
０３を施した端面発光半導体チップ１００を示す。この
とき２枚の向かい合った平面鏡あるいは凹面鏡で構成さ
れた外部光共振器１０５の内部に端面発光半導体チップ
１００を置き発光動作を行なえば、外部光共振器１０５
でレーザ発振に達し、図４（Ｂ）のように薄膜１０２に
凹型接続ガイドを形成できる。
０３を施した端面発光半導体チップ１００を示す。この
とき２枚の向かい合った平面鏡あるいは凹面鏡で構成さ
れた外部光共振器１０５の内部に端面発光半導体チップ
１００を置き発光動作を行なえば、外部光共振器１０５
でレーザ発振に達し、図４（Ｂ）のように薄膜１０２に
凹型接続ガイドを形成できる。
【００３７】以上、図３（Ａ）−図３（Ｅ）および図４
（Ａ），図４（Ｂ）で述べた手法は、薄膜１０２をレー
ザ加工するものであるが、薄膜１０２を当該端面発光半
導体チップ１００の出力光で感光するポジティブ型フォ
トレジストで作成し、同様に端面発光半導体チップ１０
０で自発光させたのち現像すれば、全く同様な効果が得
られる。
（Ａ），図４（Ｂ）で述べた手法は、薄膜１０２をレー
ザ加工するものであるが、薄膜１０２を当該端面発光半
導体チップ１００の出力光で感光するポジティブ型フォ
トレジストで作成し、同様に端面発光半導体チップ１０
０で自発光させたのち現像すれば、全く同様な効果が得
られる。
【００３８】また、図５（Ａ）に示す薄膜１０２を当該
端面発光半導体チップ１００の出力光で感光するネガテ
ィブ型フォトレジストで作成し、同様に端面発光半導体
チップ１００で自発光させたのち現像すれば、図５
（Ｂ）に示すように端面発光半導体チップ１００側に凸
型の接続ガイドを形成できる。そして同図に示すように
テーパ形光導波路１１０に凹型のガイドを形成しておく
ことにより、図５（Ｃ）に示すように全く同様な突き合
わせを高精度で行なう効果が得られる。
端面発光半導体チップ１００の出力光で感光するネガテ
ィブ型フォトレジストで作成し、同様に端面発光半導体
チップ１００で自発光させたのち現像すれば、図５
（Ｂ）に示すように端面発光半導体チップ１００側に凸
型の接続ガイドを形成できる。そして同図に示すように
テーパ形光導波路１１０に凹型のガイドを形成しておく
ことにより、図５（Ｃ）に示すように全く同様な突き合
わせを高精度で行なう効果が得られる。
【００３９】図６には、テーパ形光導波路１１０の実施
例を示す。
例を示す。
【００４０】図６のテーパ形光導波路１１０の左側に端
面発光半導体チップ１００が接続され、右側に光ファイ
バ１２０が接続されるものとする。図６に示すように、
端面発光半導体チップ１００の接続部を原点にとり、テ
ーパ形光導波路のコア部１１１において光の進行方向光
軸をｚ軸とし、テーパ形光導波路のコア部１１１の厚み
方向をｙ軸、幅方向をｘ軸として３次元座標をとる。
面発光半導体チップ１００が接続され、右側に光ファイ
バ１２０が接続されるものとする。図６に示すように、
端面発光半導体チップ１００の接続部を原点にとり、テ
ーパ形光導波路のコア部１１１において光の進行方向光
軸をｚ軸とし、テーパ形光導波路のコア部１１１の厚み
方向をｙ軸、幅方向をｘ軸として３次元座標をとる。
【００４１】テーパ形光導波路１１０のコア部１１１は
左がわ（端面発光半導体チップ１００に接続）にいくに
従い、ｙ方向厚み形状が減少するとともに屈折率ｎを増
加するように設定する。クラッド屈折率とコア屈折率と
の屈折率差Δｎとしたとき、光導波路の光閉じ込め効果
はコア厚み減少にともない低下する。したがって、コア
厚み減少に伴いコア屈折率を増加させることにより、Δ
ｎを増加させ光閉じ込め効果を高めることが光ビーム形
状変化の損失を抑えるうえで極めて効果的である。
左がわ（端面発光半導体チップ１００に接続）にいくに
従い、ｙ方向厚み形状が減少するとともに屈折率ｎを増
加するように設定する。クラッド屈折率とコア屈折率と
の屈折率差Δｎとしたとき、光導波路の光閉じ込め効果
はコア厚み減少にともない低下する。したがって、コア
厚み減少に伴いコア屈折率を増加させることにより、Δ
ｎを増加させ光閉じ込め効果を高めることが光ビーム形
状変化の損失を抑えるうえで極めて効果的である。
【００４２】一方、幅方向ｘ軸においては、図６に示す
ように、幅方向の中心部の屈折率を高く設定し幅方向
（ｘ平面）ＧＲＩＮレンズを形成させる。また、光ファ
イバ１２０への接続側には、ｘ平面においてテーパ状に
幅を狭くする。ＧＲＩＮレンズ効果は端面発光半導体チ
ップ１００からのｘ平面における平面波を光ファイバ１
２０のガウスビーム形状に変化させるに当たって有効な
手段となる。
ように、幅方向の中心部の屈折率を高く設定し幅方向
（ｘ平面）ＧＲＩＮレンズを形成させる。また、光ファ
イバ１２０への接続側には、ｘ平面においてテーパ状に
幅を狭くする。ＧＲＩＮレンズ効果は端面発光半導体チ
ップ１００からのｘ平面における平面波を光ファイバ１
２０のガウスビーム形状に変化させるに当たって有効な
手段となる。
【００４３】当然であるが、端面発光半導体チップ１０
０の活性層１０１の幅が狭い場合や、端面発光半導体チ
ップ１００の活性層１０１における光導波路の動作がｘ
平面における平面波ではなくガウスビームとして取り扱
う場合にはＧＲＩＮレンズ効果を省略してもよい。
０の活性層１０１の幅が狭い場合や、端面発光半導体チ
ップ１００の活性層１０１における光導波路の動作がｘ
平面における平面波ではなくガウスビームとして取り扱
う場合にはＧＲＩＮレンズ効果を省略してもよい。
【００４４】図７（Ａ）（側面図），図７（Ｂ）（上面
図）には、この一例を示す。テーパ形光導波路１１０の
左側に端面発光半導体チップ１００が接続され、右側に
光ファイバ１２０が接続される。テーパ形光導波路１１
０のコア部１１１は幅方向においては、光ファイバコア
部１２１のガウスビームの広がりをそのまま維持し、光
ファイバ１２０接続部から放物線状になり、広がりにし
たがい円錐状になる。さらに端面発光半導体チップ１０
０内では活性層１０１の形状がテーパ形光導波路１１０
のコア部１１１と接続し光学的に連続な扇状になってい
る。端面発光半導体チップ１００の他端には反射鏡４０
０を設置する。
図）には、この一例を示す。テーパ形光導波路１１０の
左側に端面発光半導体チップ１００が接続され、右側に
光ファイバ１２０が接続される。テーパ形光導波路１１
０のコア部１１１は幅方向においては、光ファイバコア
部１２１のガウスビームの広がりをそのまま維持し、光
ファイバ１２０接続部から放物線状になり、広がりにし
たがい円錐状になる。さらに端面発光半導体チップ１０
０内では活性層１０１の形状がテーパ形光導波路１１０
のコア部１１１と接続し光学的に連続な扇状になってい
る。端面発光半導体チップ１００の他端には反射鏡４０
０を設置する。
【００４５】図７（Ａ），（Ｂ）では反射鏡４００は幅
方向でのキュービックミラーを表しているが、反射鏡４
００として凹面円柱鏡を使用しても同様な効果が得られ
る。
方向でのキュービックミラーを表しているが、反射鏡４
００として凹面円柱鏡を使用しても同様な効果が得られ
る。
【００４６】図８（Ａ）−図８（Ｃ）には、図６で示し
た効果の実現を容易にした一例を示す。図８（Ａ）は横
方向からの図であり、図８（Ｂ）は上面からの図であ
る。
た効果の実現を容易にした一例を示す。図８（Ａ）は横
方向からの図であり、図８（Ｂ）は上面からの図であ
る。
【００４７】テーパ形光導波路１１０のコア部１１１の
屈折率をｎ１とする。左側のコア部は屈折率ｎ２（ｎ２
＞ｎ１）でコア先端部１１１−１を形成している。この
ような薄膜状の重ねあわせでコアを形成した場合、近似
的に２層の屈折率の平均とみなしてよい。したがって、
左端で厚さ形状が最も薄く、屈折率が最大ｎ２であり右
側に進むに従い、厚さ形状が増加するとともに屈折率は
次第に減少しｎ１になる。
屈折率をｎ１とする。左側のコア部は屈折率ｎ２（ｎ２
＞ｎ１）でコア先端部１１１−１を形成している。この
ような薄膜状の重ねあわせでコアを形成した場合、近似
的に２層の屈折率の平均とみなしてよい。したがって、
左端で厚さ形状が最も薄く、屈折率が最大ｎ２であり右
側に進むに従い、厚さ形状が増加するとともに屈折率は
次第に減少しｎ１になる。
【００４８】同様にコア一部１１１−２は屈折率ｎ２で
形成されており、その断面図を図８（Ｃ）に示す。
形成されており、その断面図を図８（Ｃ）に示す。
【００４９】上記と同様に薄膜を重ねたコア部は両者の
平均屈折率と近似されるので、コア一部１１２−２によ
り光軸中心部が屈折率が大きく光軸から離れるにしたが
って屈折率が減少するＧＲＩＮレンズ効果が得られる。
平均屈折率と近似されるので、コア一部１１２−２によ
り光軸中心部が屈折率が大きく光軸から離れるにしたが
って屈折率が減少するＧＲＩＮレンズ効果が得られる。
【００５０】図９には，テーパ形光導波路１１０と光フ
ァイバ１２０との接続の一例を示す。図９のテーパ形光
導波路１１０はテーパ形光導波路のコア部１１１を挟む
上下クラッド部のうち、下側クラッド部を一回り大きな
サイズとし、光ファイバ１２０の取り付け台を兼ねる構
造としてある。光ファイバ１２０の取り付けは図１０
（Ａ）のような凹型構造による３点支持、図１０（Ｂ）
のようなＶ溝構造による２点支持とすることで、テーパ
形光導波路のコア部１１１と光ファイバ１２０のコア部
１２１との相対位置を精密に設定でき、機械的精度だけ
での組み立てが可能になる。
ァイバ１２０との接続の一例を示す。図９のテーパ形光
導波路１１０はテーパ形光導波路のコア部１１１を挟む
上下クラッド部のうち、下側クラッド部を一回り大きな
サイズとし、光ファイバ１２０の取り付け台を兼ねる構
造としてある。光ファイバ１２０の取り付けは図１０
（Ａ）のような凹型構造による３点支持、図１０（Ｂ）
のようなＶ溝構造による２点支持とすることで、テーパ
形光導波路のコア部１１１と光ファイバ１２０のコア部
１２１との相対位置を精密に設定でき、機械的精度だけ
での組み立てが可能になる。
【００５１】図１１には、端面発光半導体チップ１００
の両端面にＡＲ処理を施し、両端にテーパ形光導波路１
１０と光ファイバ１２０を接続したものを示している。
２本の光ファイバ１２０にはファイバグレーティング１
２２−１、１２２−２が施されている。この２つのファ
イバグレーティング１２２−１、１２２−２は任意の反
射率が設定できる。例えば、ファイバグレーティング１
２２−１を比較的高反射とし、一部通過する光出力をフ
ォトダイオードで受けてＡＰＣ（自動出力制御）用モニ
タに使用する。ファイバグレーティング１２２−２は比
較的低反射として、透過光を外部出力光として利用でき
る。
の両端面にＡＲ処理を施し、両端にテーパ形光導波路１
１０と光ファイバ１２０を接続したものを示している。
２本の光ファイバ１２０にはファイバグレーティング１
２２−１、１２２−２が施されている。この２つのファ
イバグレーティング１２２−１、１２２−２は任意の反
射率が設定できる。例えば、ファイバグレーティング１
２２−１を比較的高反射とし、一部通過する光出力をフ
ォトダイオードで受けてＡＰＣ（自動出力制御）用モニ
タに使用する。ファイバグレーティング１２２−２は比
較的低反射として、透過光を外部出力光として利用でき
る。
【００５２】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、高
出力で低価格な光ファイバ出力半導体装置を提供するこ
とができる。
出力で低価格な光ファイバ出力半導体装置を提供するこ
とができる。
【図１】本発明の装置の基本構成を示す側面図と上面
図。
図。
【図２】図１のテーパー形光導波路の他の例を示す図。
【図３】この発明の他の実施の形態を示す図。
【図４】両端にＡＲ膜を施した端面発光半導体チップの
例を示す図。
例を示す図。
【図５】この発明のまた他の実施の形態を示す図。
【図６】この発明に係るテーパ形光導波路の実施例を示
す図。
す図。
【図７】さらにまたこの発明の他の実施の形態を示す
図。
図。
【図８】この発明のまた他の実施の形態を示す図。
【図９】テーパ形光導波路と光ファイバとの接続の一例
を示す図。
を示す図。
【図１０】光ファイバの取り付け例を示す図。
【図１１】端面発光半導体チップの両端面にＡＲ処理を
施し、両端にテーパ形光導波路と光ファイバを接続した
例を示す図。
施し、両端にテーパ形光導波路と光ファイバを接続した
例を示す図。
【図１２】半導体レーザモジュールの模式的な断面図を
示す図。
示す図。
【図１３】図１２の装置におけるレンズ構成を示す図。
１００…端面発光半導体チップ、１０１…活性層、１１
０…テーパ形光導波路、１１１…テーパ形光導波路のコ
ア部、１２０…光ファイバ、１２１…光ファイバコア
部、１３０…金属基板、１４０…光ファイバ台、１５０
…セラミックサブ基板。
０…テーパ形光導波路、１１１…テーパ形光導波路のコ
ア部、１２０…光ファイバ、１２１…光ファイバコア
部、１３０…金属基板、１４０…光ファイバ台、１５０
…セラミックサブ基板。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊藤 謙 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地 株式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者 布施 一義 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地 株式会社東芝横浜事業所内 (56)参考文献 特開 平11−125749（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−84182（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−64479（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−34505（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02B 6/26 G02B 6/30 - 6/34 G02B 6/42 - 6/43 G02B 6/12 - 6/14
Claims (11)
- 【請求項１】 端面発光半導体素子と温度伸縮を吸収す
る構造をもつテーパ光導波路と光ファイバとを個別部品
とし、 前記端面発光半導体素子の出力端面に前記テーパ光導波
路の一端を突き合わせて結合し、前記テーパ光導波路の
他端を光ファイバと接続した構造とした事を特徴とする
光ファイバ出力半導体装置。 - 【請求項２】 請求項１における前記テーパ光導波路を
シリコーン樹脂で作製したことを特徴とする光ファイバ
出力半導体装置。 - 【請求項３】 請求項１において、前記端面発光半導体
素子の出力端面に、前記テーパ光導波路を取り付けるた
めの活性層と概ね同形状のガイド溝を構成したことを特
徴とする光ファイバ出力半導体装置。 - 【請求項４】 請求項１において、前記端面発光半導体
素子の出力端面に、当該半導体素子の出力光を吸収発熱
し溶解または昇華する材料を膜として付加し、 自己出力光を用い当該膜の光進行部分を溶解または昇華
させ前記テーパ光導波路の取り付けガイドを作成し、 前記テーパ光導波路の一端を前記ガイドに沿って突き合
わせて結合し、前記テーパ光導波路の他端を光ファイバ
と接続する構成とした事を特徴とする光ファイバ出力半
導体装置。 - 【請求項５】 請求項１において、前記端面発光半導体
素子の出力端面に当該半導体素子の出力光に感光するフ
ォトレジストを膜として付加し、 出力光で感光し出力光通過部を除去して前記テーパ光導
波路の取り付けガイドを作成し、 前記テーパ光導波路の一端を前記ガイドに沿って突き合
わせて結合し、前記テーパ光導波路の他端を光ファイバ
と接続する構成とした事を特徴とする光ファイバ出力半
導体装置。 - 【請求項６】 請求項１における前記テーパ光導波路に
おいて、 前記端面発光半導体素子から出力された光の進行方向を
ｚ軸とし、ｚ軸と垂直な面内の２軸をｘ軸、ｙ軸とした
とき、 ｚ軸進行方向にともないｘ軸方向の幅形状が減少すると
ともにｙ軸方向の幅形状が増加する形態の前記テーパ形
光導波路であることを特徴とする光ファイバ出力半導体
装置。 - 【請求項７】 請求項５における前記テーパ光導波路に
おいて、前記端面発光半導体素子に接続される側のコア
部屈折率が大きく、ｚ軸進行方向にともないｙ軸方向の
コア幅形状の増加にともないコア部の屈折率が減少する
ことを特徴とする光ファイバ出力半導体装置。 - 【請求項８】 請求項５におけるテーパ光導波路におい
て、コア部ｘ軸平面のｚ軸中心に集光作用をもつことを
特徴とする光ファイバ出力半導体装置。 - 【請求項９】 請求項６における集光作用素子として屈
折率分布レンズを用いることを特徴とする光ファイバ出
力半導体装置。 - 【請求項１０】 請求項１において、前記端面発光半導
体素子の光導波路側の出力端面にあらかじめ反射防止膜
を付加したことを特徴とする光ファイバ出力半導体装
置。 - 【請求項１１】 請求項８において、前記端面発光半導
体素子の活性層（発光領域）のテーパ光導波路へ向かっ
ての光進行方向をｚ軸、ｚ軸と垂直な面内の２軸をｘ
軸、ｙ軸としたとき、 ｘ軸方向の幅形状は、接続されるテーパ形光導波路の幅
形状と光学的に連続な放物線または円錐線とし、 ｙ軸方向は、一定幅の活性層をもつ端面発光半導体素子
としたことを特徴とする光ファイバ出力半導体装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11260710A JP3059171B1 (ja) | 1999-09-14 | 1999-09-14 | 光ファイバ出力半導体装置 |
| US09/457,351 US6345138B1 (en) | 1999-09-14 | 1999-12-09 | Optical fiber output semiconductor device |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11260710A JP3059171B1 (ja) | 1999-09-14 | 1999-09-14 | 光ファイバ出力半導体装置 |
| US09/457,351 US6345138B1 (en) | 1999-09-14 | 1999-12-09 | Optical fiber output semiconductor device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP3059171B1 true JP3059171B1 (ja) | 2000-07-04 |
| JP2001083374A JP2001083374A (ja) | 2001-03-30 |
Family
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