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JP3755176B2 - Light emitting element module - Google Patents
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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、図11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。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型半導体を接合したもので構成され、その半導体発光素子Aの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が設けられている。一方、光ファイバBはコアEに複数の高屈折率の領域を所定のピッチで形成してなる回折格子Fが設けられており、この回折格子Fと光反射面Cとが共振器を構成している。このような発光素子モジュールによれば、半導体発光素子Aへの電流注入によりその内部で光を生じ、その光が光反射面Cと光ファイバBの回折格子Fの間で反射往復し増幅されることにより、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を通じて出力することができる。
【0003】
【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。半導体発光素子Aと光ファイバBが効率良く光結合されず、レーザ光Hを効率良く出力することができない。すなわち、半導体発光素子Aで発生させた光を効率良く増幅してレーザ光Hとして出力するには、半導体発光素子Aと光ファイバBとの光結合効率が重要であるが、半導体発光素子A及び光ファイバBはともに微小なものであり、互いの光軸を合わせて正確に配置するのは非常に困難である。このため、半導体発光素子Aに対し光ファイバBが軸ズレしたりすると、半導体発光素子Aの光反射面Cと光ファイバBの回折格子Fとの間で往復する光のエネルギー損失が大きく、効率良く光を増幅できない。従って、レーザ光Hを効率良く出力できず、それに起因して量産した際の発光素子モジュールの出力特性にばらつきを生ずることとなる。このような問題に対処すべく、半導体発光素子Aと光ファイバBの光結合効率の向上するための技術開発が切望されている。
【0004】
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、レーザ光を効率良く出力する発光素子モジュールを提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、コアとクラッドよりなり、前記コアの端部に拡径部を備え、少なくとも前記拡径部内に特定の波長の光のみを反射する回折格子を備え、かつ、前記回折格子が導光方向に沿って周期的に設けられた高屈折率領域を備えた光ファイバと、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を備え、前記光射出面と前記光ファイバの前記拡径部を備える端部が光結合され、前記光反射面と前記回折格子とにより実質的に共振器が形成されていることを特徴とする発光素子モジュールである。
【0006】
この発明によれば、光を入射するコアに拡径部が形成されているから、光結合対象に対しコアが軸ズレ等を生じた場合であっても、光の入射及び出射が確実に行われ光結合効率の低下が防止される。
【0007】
また本発明は、前述の回折格子が導光方向に沿って等光路長で周期的に設けられた高屈折率領域を備えていることを特徴とする発光素子モジュールである。このような発明によれば、回折格子が導光方向に沿って屈折率の異なる拡径部に形成されている場合であっても、その回折格子を形成する高屈折率領域の間隔が等しい光路長となっているから、単一の波長の光のみが反射されることとなる。
【0008】
また本発明は、前述の拡径部を備えた端部が先球加工されていることを特徴とする発光素子モジュールである。このような発明によれば、光ファイバへ入射する光がコアへ向けて集められるから、光結合効率の向上が図れる。
【0009】
また本発明は、前述の拡径部を備えた端面に反射低減膜を備えていることを特徴とする発光素子モジュールである。このような発明によれば、光ファイバへ入射する光がその光ファイバの端面で反射することなく導光されるから、その反射による特性悪化が回避され光結合効率が向上する。
【0017】
【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。
【0018】
図1は光ファイバ1の概要図である。図1において、光ファイバ1は、石英(SO2 )等からなるクラッド2の内部にゲルマニア(GeO2 )等の屈折率上昇材を添加してなるコア3が軸方向に沿って形成された細径の線材であって、高屈折率のコア3に沿って光を導光する構造となっている。この光ファイバ1は、その端部におけるコア3に拡径部31が形成されている。拡径部31は、光ファイバ1の端面11のモードフィールド径が拡大された部位であり、図1に示すように、光ファイバ1のコア3の径を広げることにより形成され、例えば、そのモードフィールド径が端面11へ向けて徐々に拡大するような形状とされる。このような拡径部31がコア3の端部に形成されることにより、光ファイバ1の端面11へ向けて照射される光が軸ズレ等ていても、コア3内へ確実に導光されることとなり、外部との光結合効率の向上が図れる。
【0019】
一方、コア3の途中には、所定の波長の光のみを反射する回折格子32が形成されている。回折格子32は、図1のように、光ファイバ1の軸方向、すなわちコア3の導光方向に沿って形成された複数の高屈折率領域33により構成され、これらの高屈折率領域33の間が等しい光路長とされることにより、次式(1)のλの波長を有する光のみを選択的に反射するようになっている。
【0020】
λ =2・n・Λ …… (1)
n:コア3内における実効屈折率
Λ:高屈折率領域33の間隔(周期)
図1において、回折格子32は拡径部31内に形成されており、この拡径部31内では端面11へ向けて徐々に屈折率が小さくなる傾向があるため、高屈折率領域33の周期Λを端面11へ向けて徐々に広い距離で形成されている。この高屈折率領域33の形成は、紫外線照射による干渉露光法を用いて行えばよい。すなわち、光ファイバ1の外部から紫外線を照射し、その照射によりゲルマニウムが添加されているコア3の屈折率を上昇させることにより、高屈折率領域33が形成される。紫外線はコア3へ周期Λに相当する干渉縞を形成した状態で照射されることにより、所定周期Λで高屈折率領域33が形成されることとなる。このような回折格子32がコア3に形成されることにより、光ファイバ1の端面11から入射する光のうち所定波長のもののみが端面11側へ反射されることとなる。
【0021】
また、前述の回折格子32は、コア3の拡径部31以外に形成されていてもよい。すなわち、図2のように回折格子32が拡径部31とそれ以外の部分に跨がって形成されている場合、また、図3のように回折格子32が拡径部31以外のコア3に形成されている場合であっても、高屈折率領域33の周期Λが等しい光路長で形成されていれば、所定波長の光のみを反射可能である。
【0022】
また、光ファイバ1の端部は、先球加工される場合もある。例えば、図4に示すように、光ファイバ1aは、その端面11aが外側へ向けて凸面鏡状又は半球状に突出した構造とされ、このような構造を有することにより、その端面11aへ照射される光が軸心のコア3へ集光されるから、外部との光結合効率が良好なものとなる。その先球加工は、例えば、端面11aにおけるモードフィールド径が35μmである場合、曲率半径20μmに突出して形成される。
【0023】
更に、光ファイバの端面に光反射率を低減する反射低減膜が付設される場合もある。すなわち、図5に示すように、光ファイバ1bは、その端面11に反射低減膜である誘電体多層膜12が付設されることにより、端面11へ照射される光がその端面11で反射せずにコア3内へ確実に入射されることとなる。この誘電体多層膜12は、シリカ(SiO2 )やチタニア(TiO2 )などの薄い膜を数層に積層して構成した膜体であり、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となる。
【0024】
次に前述の光ファイバ1又は1a、1bを用いた発光素子モジュール6について説明する。
【0025】
図6のように、発光素子モジュール6は、前述の光ファイバ1又は1a、1b(以下、光ファイバ1という。)と半導体発光素子4を備えて構成されている。半導体発光素子4は、光の発生及び増幅を行う活性領域41を有し、その活性領域41を挟んで相対向する光反射率の高い光反射面42と光反射率の低い光射出面43が設けられた構造とされており、その活性領域41へ電流を注入することで光を発生し、その光を光反射面42で反射して光射出面43から射出するようになっている。この半導体発光素子4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InGaAsP/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44、44の間にInGaAsPからなる活性領域41が配設される。この活性領域41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44のものより大きくなり、活性領域41に沿って光が導光されるようになっている。
【0026】
半導体発光素子4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4に電流注入用の駆動回路(図示なし)を接続したものが採用され、クラッド層44、44を通じて活性領域41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4に所定の作動電流が流されることで活性領域41が励起されて自然放出光が発生し、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43から射出されることとなる。なお、半導体発光素子4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、光を発生し増幅し、かつ、前述の光反射面42及び光射出面43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。
【0027】
一方、図6のように、その半導体発光素子4の光射出面43側には、その光射出面43と相互に光の入射及び出射を可能に光結合された状態で、前述の光ファイバ1が配置されている。例えば、光ファイバ1は、その端面11が半導体発光素子4の光射出面43と相対向するように配置され、光射出面43から射出された光を入射可能とされ、またその端面11から光射出面43へ向けて光を出射できるようになっている。また、光ファイバ1は、コア3に形成した回折格子32が半導体発光素子4の光反射面42と共にレーザ共振器を構成している。すなわち、半導体発光素子4内で発生した光を光反射面42と回折格子32の間で反射往復させながら増幅させ、光ファイバ1を通じてレーザ光5として出力するようになっている。更に、回折格子32が光ファイバ1の端部付近、すなわちコア3の拡径部31に形成されていれば、その回折格子32が半導体発光素子4を収容するパッケージ内に位置し、回折格子32への外部からの影響(光ファイバ1に加わる外力や熱等)が低減するので、発光素子モジュール6のレーザ光出力特性が安定化される。
【0028】
図示されていないが、半導体発光素子4と光ファイバ1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が設けられていてもよい。例えば、半導体発光素子4及び光ファイバ1と別個のロッドレンズ又は円柱レンズなどを配設して、半導体発光素子4の光射出面43又は光ファイバ1のコア3から出射される光の広がりを集束して、コア3と光射出面43とを光結合させる。このレンズ系の配設により、半導体発光素子4の光反射面42と光ファイバ1の回折格子32との間で光が往復する際に、半導体発光素子4と光ファイバ1の間での光結合効率を向上させることが可能となる。
【0029】
次に、発光素子モジュール6の作動について説明する。
【0030】
図6において、半導体発光素子4のクラッド層44、44間に所定の電圧を印加して、各クラッド層44及び活性領域41へ電流を注入する。すると、活性領域41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41内で誘導放出を引き起こして誘導放出光とともに進行して、反射率の高い光反射面42で反射されて反射率の低い光射出面43から射出されていく。光射出面43から光ファイバ1側へ射出された光は、光ファイバ1の端面11へ向けて進行するが、半導体発光素子4及び光ファイバ1はマイクロオーダーの微小なものであるから、半導体発光素子4から射出される光の光軸と光ファイバ1のコア3の光軸が微妙に軸ズレして配設されるおそれがある。しかし、仮にそのような場合であっても、光ファイバ1のモードフィールド径はその端部で拡径部31の形成により拡大されているから、半導体発光素子4から射出された光は確実に光ファイバ1のコア3内へ入射されることとなる。その際、光ファイバ1の端面11が光ファイバ1aの端面11aのように先球加工されていれば、コア3へ入射した光をコア3の中心へ集光させることができる。また、光ファイバ1の端面11が光ファイバ1bのように反射低減膜である誘電体多層膜12を付設していれば、端面11へ照射された光を反射させずに確実にコア3内へ入射させることが可能となる。
【0031】
そして、その光は、コア3の途中に配設された回折格子32により所定波長のもののみが反射される。すなわち、等しい光路長Λに隔てられた複数の高屈折率領域33に光が到達すると、そのΛに対応する波長λ(前述の式(1)を満たす波長λ)のみが選択的に光ファイバ1の端部11側へ反射されることとなる。その特定波長の光は光ファイバ1の端面11から射出され、半導体発光素子4の活性領域41内へ入射されて、活性領域41内を進行し、再び増幅されながら光反射面42で反射される。このように、光は光反射面42と光ファイバ1の回折格子32との間での往復を繰り返し増幅された後、回折格子32を透過して所望のレーザ光5として光ファイバ1を通じて出力されていく。
【0032】
このような発光素子モジュール6によれば、光ファイバ1に回折格子32が形成されているから単一波長のレーザ光を出力できると共に、光ファイバ1に拡径部31が形成されているから、半導体発光素子4と光ファイバ1との光結合が効率良く行われ、レーザ光を効率良く出力することができる。
【0033】
次に、前述の光ファイバ1の製造方法について説明する。
【0034】
図7において、コア3の途中部分に拡径部30を形成したファイバ原線10を用意し、そのファイバ原線10の一端側から基準光7を入射し、他端側に透過してくる透過光8の波長−光強度特性を測定できるように、ファイバ原線10をセットする。このファイバ原線10は製造すべき光ファイバ1の母体となるものであり、そのコア3の拡径部30は、ファイバ原線10の途中をバーナなどにより加熱し、コア3に添加されたゲルマニウムなどの屈折率上昇材を周囲に拡散させることにより形成される。基準光7の入射手段としては公知の発光源装置等を用い、透過光8の受光手段としては公知の受光装置等を用いればよい。ファイバ原線10の拡径部30は、前述の拡径部31と同様にモードフィールド径を拡大したものである。また、基準光7としては、所定の波長帯において各波長成分をほぼ均等に有する光を用いるのが好ましく、例えば、白色光が採用される。
【0035】
そして、基準光7をファイバ原線10の一端側から入射し、他端側へ透過してくる透過光8の特性を計測しながら、ファイバ原線10に紫外線91を照射する。紫外線91の照射は、ファイバ原線10へ向けて二方向から行い、コア3の軸方向へ紫外線91により所定間隔で干渉縞ができるようにする。干渉縞の間隔は、前述した所望の高屈折率領域33の周期Λとなるように設定しておく。その紫外線91の照射により、ファイバ原線10のコア3では、紫外線の強度に応じて屈折率が上昇し、複数の高屈折率領域33、すなわち回折格子32が形成されていく。その際、図7のように、透過光8の波長−光強度特性を計測しながら回折格子32を形成できるので、その回折格子32の光反射特性を微妙に調整しながら所定波長のみを反射するものとすることができる。
【0036】
そして、拡径部30の両側に、前述の如く回折格子32、32をそれぞれ設ける。その際、二つ目の回折格子32は、初めの回折格子32の反射特性による部分を差し引いて、透過光8の波長−光強度特性を計測しながら形成すればよい。また、拡径部30の両側に形成する回折格子32、32の光反射特性は、同等なものでよいし、紫外線の照射状態を変えることにより異なる特性とすることも可能である。また、回折格子32の一部又は全部を拡径部30に形成する場合もある。この場合、ファイバ原線10から図1又は図2に示すような光ファイバ1が得られることとなる。
【0037】
回折格子32を形成後、図8のように、ファイバ原線10を拡径部30のほぼ中心位置で切断する。その切断はへき開により行えばよい。その切断により、ファイバ原線10から二本の光ファイバ1が得られることとなる。更に、得られた光ファイバ1の拡径部30側の端面を先球加工し、また反射低減膜である誘電体多層膜12を付設する場合もある。
【0038】
このような光ファイバ1の製造方法によれば、予め拡径部30を有するファイバ原線10に回折格子32を形成するので、拡径部30の形成時の熱により回折格子32の特性が劣化するなどの問題を生じない。また、回折格子32の光反射特性を計測しながら回折格子32を形成するから、その回折格子32の光反射特性を所望のものとして確実に形成できる。更に、回折格子32を形成したファイバ原線10を切断して光ファイバ1とするので、最端部に回折格子32を有する光ファイバ1を容易に、かつ、確実に製造できる。
【0039】
ところで、光ファイバ1、1a又は1bは、前述の製造方法と異なる方法により製造してもよい。すなわち、ファイバ原線10の端部にコア3の拡径部31が形成されているときは、拡径部31側の端部を受光装置等と効率良く光結合するのが困難である。このため、図9に示すように、波長−光強度特性を計測しながら基準光7をファイバ原線10の一端から入射し、ファイバ原線10のコア3に所望の回折格子32を形成すると同時に、その内部(形成される回折格子32)で反射する反射光71の波長−光強度特性を計測することで、所望の回折格子32を有する光ファイバ1(1a又は1bを含む)が製造できる。
【0040】
その光ファイバ1の具体的な製造方法は、まず、ファイバ原線10における拡径部31と反対側の端部に導光体92、光分岐器93を介して基準光7の光源を接続して、ファイバ原線10の端部へ基準となる光を入射できるようにしておく。例えば、光分岐器93として、4つの端子P1、P2、P3、P4を有し、端子P1へ入射された光が所定の割合で分岐されて端子P3、P4から出射され、端子P3へ入射された光が所定の割合で端子P1、P2から出射される構造のものを用い、その端子P1と基準光7の光源を接続し、端子P3とファイバ原線10を接続すると共に、端子P4に分光器94を接続することにより、端子P1へ入射した基準光7を光分岐器93内で基準光7aと基準光7bに分岐させ、基準光7aを端子P3から出射してファイバ原線10へ入射させ、基準光7bを端子P4から出射して分光器94へ入射させ基準光7aの波長−光強度特性を計測できるようにしておく。また、光分岐器93の端子P2にも分光器95を接続することにより、ファイバ原線10で反射される基準光7aの反射光71を端子P3へ入射させ光分岐器93内で分岐させて反射光71aとして、その反射光71aを端子P2を通じて分光器95へ入射させて反射光71の波長−光強度特性を計測できるようにしておく。
【0041】
このように、ファイバ原線10へ入射される基準光7aとその反射光71の波長−光強度特性を計測可能な状態とし、ファイバ原線10への基準光7の入射を行う。その基準光7としては、前述同様に白色光を用いればよい。一方、前述同様に、ファイバ原線10へ紫外線を照射し、コア3に回折格子32を形成する。回折格子32が形成されていくと、それに伴って、ファイバ原線10へ入射された基準光7が光分岐器93側へ反射されていく。その反射光71の特性は、図10に示すように、分光器95により随時計測することが可能である。例えば、分光器94における基準光7の光強度が波長1300nmにおいて0dBmであり、光分岐器93の端子P3から端子P2、端子P1への分岐比が1:1であり、分光器95に示される光強度が波長1300nmで−6dBで示される場合、回折格子32の波長1300nmにおける反射率が50%になっていることが容易に確認できる。従って、分光器95の反射光71の光強度を計測しながら、ファイバ原線10へ紫外線を照射することにより、回折格子32の光の反射特性を容易に所望のものとすることができる。
【0042】
その際、ファイバ原線10の拡径部31側の端面に予め反射低減膜である誘電体多層膜12を付設しておけば、その端面での反射が防止されるから、回折格子32の反射特性のみを分光器95により計測でき、回折格子32における所望の反射特性が確実に得られる。また、その拡径部31側の端面に先球加工を予め施しておけば、同様に、その端面での反射が防止され、回折格子32の反射特性のみを分光器95により計測でき、回折格子32における所望の反射特性が確実に得られることとなる。そして、ファイバ原線10に所望の回折格子32を形成し終えたら製造を完了する。
【0043】
このような光ファイバ1の製造方法によれば、コア3の拡径部31がファイバ原線10の端部に形成されていた場合であっても、そのコア3に所望特性の回折格子32を確実に形成することが可能である。
【0044】
【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、本発明に係る発光素子モジュールは、光を入射するコアに拡径部が形成されることにより、光結合対象に対しコアが軸ズレ等を生じた場合であっても、光の入射及び出射が確実に行われるから、光結合効率の低下を防止することができ、光結合性に優れている。また、回折格子がコアの導光方向に向けて複数設けられた高屈折率領域からなり、それらの高屈折率領域の間隔が等しい光路長とされることにより、回折格子が導光方向に沿って屈折率の異なる拡径部に形成されている場合であっても、単一の波長の光のみを反射することができる。また、光ファイバの端部が先球加工されることにより、光ファイバへ入射する光がコアへ向けて集められるから、光結合効率の向上を図ることができる。また、光ファイバの端面に反射低減膜が付設されることにより、光ファイバへ入射する光がその光ファイバの端面で反射することなく導光されるから、光結合効率の向上を図ることができる。
【0045】
また本発明に係る発光素子モジュールにあっては、半導体発光素子と光ファイバとの光結合が効率良く行われるので、単一波長のレーザ光を効率良く出力することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態に係る光ファイバの模式図である。
【図2】実施形態に係る光ファイバの模式図である。
【図3】実施形態に係る光ファイバの模式図である。
【図4】実施形態に係る光ファイバの模式図である。
【図5】実施形態に係る光ファイバの模式図である。
【図6】実施形態に係る発光素子モジュールの概略図である。
【図7】実施形態に係る光ファイバの製造方法の説明図である。
【図8】実施形態に係る光ファイバの製造方法の説明図である。
【図9】実施形態に係る光ファイバの製造方法の説明図である。
【図10】実施形態に係る光ファイバの製造方法の説明図である。
【図11】従来技術の説明図である。
【符号の説明】
1…光ファイバ、2…クラッド、3…コア、31…拡径部、32…回折格子
33…高屈折率領域
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a light emitting element module.
[0002]
[Prior art]
As a conventional light emitting element module, as shown in FIG. 11, a module including a semiconductor light emitting element A serving as a light emitting source and an optical fiber B serving as a light guide is known. The semiconductor light-emitting element A of the light-emitting element module is configured by joining a p-type semiconductor and an n-type semiconductor, and a light-reflecting surface C having a high reflectance and a low-reflectance surface are formed on opposite sides of the semiconductor light-emitting element A. A light exit surface D is provided. On the other hand, the optical fiber B is provided with a diffraction grating F formed by forming a plurality of high refractive index regions at a predetermined pitch on the core E, and the diffraction grating F and the light reflection surface C constitute a resonator. ing. According to such a light emitting element module, light is generated therein by current injection into the semiconductor light emitting element A, and the light is reflected back and forth between the light reflecting surface C and the diffraction grating F of the optical fiber B and amplified. As a result, laser light H having a single wavelength determined by the pitch of the diffraction grating F can be output through the optical fiber B.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional light emitting element module has the following problems. The semiconductor light emitting device A and the optical fiber B are not optically coupled efficiently, and the laser beam H cannot be output efficiently. That is, in order to efficiently amplify the light generated in the semiconductor light emitting element A and output it as the laser light H, the optical coupling efficiency between the semiconductor light emitting element A and the optical fiber B is important. The optical fibers B are both very small, and it is very difficult to accurately arrange them with the optical axes aligned. For this reason, when the optical fiber B is misaligned with respect to the semiconductor light emitting element A, the energy loss of light reciprocating between the light reflecting surface C of the semiconductor light emitting element A and the diffraction grating F of the optical fiber B is large, and the efficiency The light cannot be amplified well. Therefore, the laser beam H cannot be output efficiently, resulting in variations in the output characteristics of the light emitting element module when mass-produced. In order to cope with such a problem, there is an urgent need for technical development for improving the optical coupling efficiency between the semiconductor light emitting element A and the optical fiber B.
[0004]
Accordingly, the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a light emitting element module that efficiently outputs laser light.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
That is, the present invention includes a core and a clad, and includes an enlarged diameter portion at an end portion of the core, a diffraction grating that reflects only light of a specific wavelength in at least the enlarged diameter portion, and the diffraction grating An optical fiber having a high refractive index region periodically provided along the light guide direction, and a semiconductor light emitting device having a light reflecting surface and a light emitting surface facing each other across the active region, A light emitting element module , wherein a light exit surface and an end portion of the optical fiber having the enlarged diameter portion are optically coupled, and a resonator is substantially formed by the light reflecting surface and the diffraction grating. is there.
[0006]
According to the present invention , since the diameter-increased portion is formed in the core to which light is incident, the light is reliably incident and emitted even when the core is misaligned with respect to the optical coupling target. A decrease in the photo-coupling efficiency is prevented.
[0007]
According to another aspect of the present invention, there is provided a light emitting element module including the above-described diffraction grating having a high refractive index region periodically provided with an equal optical path length along a light guide direction. According to such an invention, even when the diffraction grating is formed in the enlarged diameter portion having a different refractive index along the light guide direction, the optical paths in which the intervals of the high refractive index regions forming the diffraction grating are equal. Since it is long, only light of a single wavelength is reflected.
[0008]
Moreover, this invention is a light emitting element module characterized by the end part provided with the above-mentioned enlarged diameter part being tip-ball processed. According to such an invention, since the light incident on the optical fiber is collected toward the core, the optical coupling efficiency can be improved.
[0009]
According to another aspect of the present invention, there is provided a light emitting element module comprising a reflection reducing film on an end face provided with the above-described enlarged diameter portion. According to such an invention, since the light incident on the optical fiber is guided without being reflected by the end face of the optical fiber, the characteristic deterioration due to the reflection is avoided and the optical coupling efficiency is improved.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an example of an embodiment according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In addition, in each figure, the same code | symbol is attached | subjected to the same element and description is abbreviate | omitted. Further, the dimensional ratios in the drawings do not necessarily match those described.
[0018]
FIG. 1 is a schematic diagram of an optical fiber 1. In FIG. 1, an optical fiber 1 has a thin core 3 formed by adding a refractive index increasing material such as germania (GeO 2 ) in a clad 2 made of quartz (SO 2 ) or the like along an axial direction. It is a wire having a diameter and has a structure for guiding light along the core 3 having a high refractive index. The optical fiber 1 has a diameter-expanded portion 31 formed in the core 3 at the end thereof. The enlarged diameter portion 31 is a portion where the mode field diameter of the end face 11 of the optical fiber 1 is enlarged, and is formed by increasing the diameter of the core 3 of the optical fiber 1 as shown in FIG. The shape is such that the field diameter gradually increases toward the end face 11. By forming such an enlarged diameter portion 31 at the end of the core 3, even if the light irradiated toward the end surface 11 of the optical fiber 1 is misaligned, the light is reliably guided into the core 3. Thus, the efficiency of optical coupling with the outside can be improved.
[0019]
On the other hand, a diffraction grating 32 that reflects only light of a predetermined wavelength is formed in the middle of the core 3. As shown in FIG. 1, the diffraction grating 32 includes a plurality of high refractive index regions 33 formed along the axial direction of the optical fiber 1, that is, along the light guide direction of the core 3. By setting the optical path lengths to be equal to each other, only light having a wavelength of λ in the following formula (1) is selectively reflected.
[0020]
λ = 2 · n · Λ (1)
n: effective refractive index Λ in core 3: interval (period) of high refractive index region 33
In FIG. 1, the diffraction grating 32 is formed in the enlarged diameter portion 31, and the refractive index tends to gradually decrease toward the end face 11 in the enlarged diameter portion 31. The distance Λ is gradually formed toward the end face 11 at a wide distance. The high refractive index region 33 may be formed using an interference exposure method using ultraviolet irradiation. That is, the high refractive index region 33 is formed by irradiating ultraviolet rays from the outside of the optical fiber 1 and increasing the refractive index of the core 3 to which germanium is added by the irradiation. By irradiating the core 3 with an interference fringe corresponding to the period Λ, the high refractive index region 33 is formed with a predetermined period Λ. By forming such a diffraction grating 32 on the core 3, only light having a predetermined wavelength among the light incident from the end face 11 of the optical fiber 1 is reflected toward the end face 11.
[0021]
Further, the above-described diffraction grating 32 may be formed other than the enlarged diameter portion 31 of the core 3. That is, when the diffraction grating 32 is formed across the enlarged diameter portion 31 and other portions as shown in FIG. 2, the diffraction grating 32 is the core 3 other than the enlarged diameter portion 31 as shown in FIG. Even in the case where the high refractive index region 33 is formed with an equal optical path length, only light of a predetermined wavelength can be reflected.
[0022]
Further, the end portion of the optical fiber 1 may be processed into a tip. For example, as shown in FIG. 4, the optical fiber 1a has a structure in which an end surface 11a protrudes outwardly in a convex mirror shape or a hemispherical shape, and the end surface 11a is irradiated by having such a structure. Since the light is condensed on the core 3 of the axial center, the optical coupling efficiency with the outside is good. For example, when the mode field diameter on the end face 11a is 35 μm, the tip ball processing is formed so as to protrude to a curvature radius of 20 μm.
[0023]
Furthermore, a reflection reducing film that reduces the light reflectance may be attached to the end face of the optical fiber. That is, as shown in FIG. 5, the optical fiber 1 b is provided with a dielectric multilayer film 12 that is a reflection reducing film on the end face 11, so that the light irradiated to the end face 11 does not reflect on the end face 11. Thus, the light is reliably incident on the core 3. This dielectric multilayer film 12 is a film body formed by laminating thin films such as silica (SiO 2 ) and titania (TiO 2 ) in several layers, and the refractive index, thickness and number of layers of the material of the film. By appropriately changing, it is possible to arbitrarily set the light reflectance at a specific wavelength.
[0024]
Next, the light emitting element module 6 using the above-described optical fiber 1 or 1a, 1b will be described.
[0025]
As shown in FIG. 6, the light emitting element module 6 includes the above-described optical fiber 1 or 1 a, 1 b (hereinafter referred to as the optical fiber 1) and the semiconductor light emitting element 4. The semiconductor light emitting device 4 has an active region 41 that generates and amplifies light, and includes a light reflecting surface 42 having a high light reflectance and a light emitting surface 43 having a low light reflectance facing each other across the active region 41. The structure is provided. Light is generated by injecting current into the active region 41, and the light is reflected by the light reflecting surface 42 and emitted from the light emitting surface 43. As the semiconductor light emitting element 4, for example, an InGaAsP / InP double heterostructure is adopted as in a general Fabry-Perot type semiconductor laser, and an active region 41 made of InGaAsP is interposed between cladding layers 44, 44 made of InP. Is disposed. The active region 41 has a refractive index larger than that of the cladding layer 44 due to the use of a mixed crystal, and light is guided along the active region 41.
[0026]
As a means for injecting current in the semiconductor light emitting device 4, for example, a device in which a drive circuit for current injection (not shown) is connected to the semiconductor light emitting device 4 is adopted, and current can be supplied to the active region 41 through the cladding layers 44 and 44. What is necessary is just to comprise. A predetermined operating current flows from the driving circuit to the semiconductor light emitting element 4 to excite the active region 41 to generate spontaneous emission light. The spontaneous emission light advances the active region while causing stimulated emission, The light is emitted from the light exit surface 43 together with the stimulated emission light. The semiconductor light emitting device 4 is not limited to the above-described InGaAsP / InP double heterostructure, but generates and amplifies light, and has the light reflecting surface 42 and the light emitting surface 43 described above. Any other semiconductor may be used.
[0027]
On the other hand, as shown in FIG. 6, the optical fiber 1 described above is optically coupled to the light emitting surface 43 side of the semiconductor light emitting element 4 so that light can enter and exit the light emitting surface 43. Is arranged. For example, the optical fiber 1 is arranged so that the end surface 11 thereof is opposed to the light emitting surface 43 of the semiconductor light emitting element 4, and the light emitted from the light emitting surface 43 can be incident thereon. Light can be emitted toward the emission surface 43. In the optical fiber 1, the diffraction grating 32 formed in the core 3 constitutes a laser resonator together with the light reflecting surface 42 of the semiconductor light emitting element 4. That is, the light generated in the semiconductor light emitting element 4 is amplified while being reflected back and forth between the light reflecting surface 42 and the diffraction grating 32, and is output as the laser light 5 through the optical fiber 1. Further, if the diffraction grating 32 is formed in the vicinity of the end of the optical fiber 1, that is, in the enlarged diameter portion 31 of the core 3, the diffraction grating 32 is positioned in the package that houses the semiconductor light emitting element 4. Since the external influence (external force applied to the optical fiber 1, heat, etc.) is reduced, the laser light output characteristics of the light emitting element module 6 are stabilized.
[0028]
Although not shown, a lens system for coupling light traveling between them may be provided between the semiconductor light emitting element 4 and the optical fiber 1. For example, a rod lens or a cylindrical lens that is separate from the semiconductor light emitting element 4 and the optical fiber 1 is disposed to focus the spread of light emitted from the light emitting surface 43 of the semiconductor light emitting element 4 or the core 3 of the optical fiber 1. Then, the core 3 and the light emitting surface 43 are optically coupled. By the arrangement of this lens system, when light reciprocates between the light reflecting surface 42 of the semiconductor light emitting element 4 and the diffraction grating 32 of the optical fiber 1, optical coupling between the semiconductor light emitting element 4 and the optical fiber 1 is performed. Efficiency can be improved.
[0029]
Next, the operation of the light emitting element module 6 will be described.
[0030]
In FIG. 6, a predetermined voltage is applied between the clad layers 44 and 44 of the semiconductor light emitting device 4 to inject current into the clad layers 44 and the active regions 41. Then, the active region 41 is excited and emits spontaneous emission light. This spontaneously emitted light causes stimulated emission within the active region 41, travels with the stimulated emission light, is reflected by the light reflecting surface 42 having a high reflectance, and is emitted from the light emitting surface 43 having a low reflectance. The light emitted from the light emitting surface 43 toward the optical fiber 1 travels toward the end surface 11 of the optical fiber 1, but the semiconductor light emitting element 4 and the optical fiber 1 are very small in the micro order. There is a possibility that the optical axis of the light emitted from the element 4 and the optical axis of the core 3 of the optical fiber 1 are arranged with a slight misalignment. However, even in such a case, since the mode field diameter of the optical fiber 1 is enlarged by the formation of the enlarged diameter portion 31 at the end thereof, the light emitted from the semiconductor light emitting element 4 is surely emitted. The light enters the core 3 of the fiber 1. At this time, if the end face 11 of the optical fiber 1 is processed into a tip as in the end face 11a of the optical fiber 1a, the light incident on the core 3 can be condensed on the center of the core 3. Further, if the end face 11 of the optical fiber 1 is provided with the dielectric multilayer film 12 which is a reflection reducing film like the optical fiber 1b, the light irradiated to the end face 11 is surely entered into the core 3 without being reflected. It becomes possible to make it enter.
[0031]
Then, only the light having a predetermined wavelength is reflected by the diffraction grating 32 disposed in the middle of the core 3. That is, when light reaches a plurality of high refractive index regions 33 separated by an equal optical path length Λ, only the wavelength λ corresponding to the Λ (the wavelength λ satisfying the above-described equation (1)) is selectively selected from the optical fiber 1. It will be reflected toward the end 11 side. The light having the specific wavelength is emitted from the end face 11 of the optical fiber 1, enters the active region 41 of the semiconductor light emitting element 4, travels through the active region 41, and is reflected by the light reflecting surface 42 while being amplified again. . In this way, the light is amplified by repeatedly reciprocating between the light reflecting surface 42 and the diffraction grating 32 of the optical fiber 1, and then transmitted through the diffraction grating 32 and output as the desired laser light 5 through the optical fiber 1. To go.
[0032]
According to such a light emitting element module 6, since the diffraction grating 32 is formed in the optical fiber 1, it is possible to output laser light having a single wavelength, and the enlarged diameter portion 31 is formed in the optical fiber 1. Optical coupling between the semiconductor light emitting element 4 and the optical fiber 1 is efficiently performed, and laser light can be output efficiently.
[0033]
Next, a method for manufacturing the above-described optical fiber 1 will be described.
[0034]
In FIG. 7, a fiber original wire 10 having an enlarged diameter portion 30 formed in the middle portion of the core 3 is prepared, and the reference light 7 is incident from one end side of the fiber original wire 10 and transmitted through the other end side. The fiber original line 10 is set so that the wavelength-light intensity characteristic of the light 8 can be measured. The fiber original wire 10 serves as a base of the optical fiber 1 to be manufactured. The diameter-expanded portion 30 of the core 3 is heated in the middle of the fiber original wire 10 with a burner or the like, and germanium added to the core 3 is added. It is formed by diffusing a refractive index increasing material such as. A known light source device or the like may be used as the incident means for the reference light 7, and a known light receiving device or the like may be used as the light receiving means for the transmitted light 8. The enlarged diameter portion 30 of the fiber original wire 10 is obtained by enlarging the mode field diameter similarly to the aforementioned enlarged diameter portion 31. Further, as the reference light 7, it is preferable to use light having each wavelength component almost uniformly in a predetermined wavelength band, for example, white light is adopted.
[0035]
Then, the reference light 7 is incident from one end side of the fiber original line 10 and the fiber original line 10 is irradiated with ultraviolet rays 91 while measuring the characteristics of the transmitted light 8 transmitted to the other end side. Irradiation of the ultraviolet rays 91 is performed from two directions toward the fiber original wire 10, and interference fringes are formed at predetermined intervals by the ultraviolet rays 91 in the axial direction of the core 3. The interval between the interference fringes is set so as to be the period Λ of the desired high refractive index region 33 described above. Due to the irradiation of the ultraviolet rays 91, the refractive index of the core 3 of the fiber original wire 10 increases according to the intensity of the ultraviolet rays, and a plurality of high refractive index regions 33, that is, diffraction gratings 32 are formed. At this time, as shown in FIG. 7, the diffraction grating 32 can be formed while measuring the wavelength-light intensity characteristic of the transmitted light 8, so that only a predetermined wavelength is reflected while finely adjusting the light reflection characteristic of the diffraction grating 32. Can be.
[0036]
Then, as described above, the diffraction gratings 32 and 32 are provided on both sides of the enlarged diameter portion 30, respectively. At this time, the second diffraction grating 32 may be formed while subtracting the portion due to the reflection characteristic of the first diffraction grating 32 and measuring the wavelength-light intensity characteristic of the transmitted light 8. Further, the light reflection characteristics of the diffraction gratings 32 and 32 formed on both sides of the enlarged diameter portion 30 may be equal, or different characteristics can be obtained by changing the irradiation state of the ultraviolet rays. In addition, part or all of the diffraction grating 32 may be formed in the enlarged diameter portion 30. In this case, the optical fiber 1 as shown in FIG. 1 or FIG.
[0037]
After forming the diffraction grating 32, the fiber original wire 10 is cut at substantially the center position of the enlarged diameter portion 30 as shown in FIG. 8. The cutting may be performed by cleavage. By the cutting, two optical fibers 1 are obtained from the fiber original wire 10. Further, the end face of the obtained optical fiber 1 on the side of the enlarged diameter portion 30 may be processed with a tip, and the dielectric multilayer film 12 that is a reflection reducing film may be provided.
[0038]
According to such a manufacturing method of the optical fiber 1, since the diffraction grating 32 is formed in the fiber original wire 10 having the enlarged diameter portion 30 in advance, the characteristics of the diffraction grating 32 are deteriorated by heat when the enlarged diameter portion 30 is formed. Does not cause problems such as Further, since the diffraction grating 32 is formed while measuring the light reflection characteristics of the diffraction grating 32, the light reflection characteristics of the diffraction grating 32 can be reliably formed as desired. Furthermore, since the optical fiber 1 in which the diffraction grating 32 is formed is cut into the optical fiber 1, the optical fiber 1 having the diffraction grating 32 at the outermost end can be manufactured easily and reliably.
[0039]
By the way, the optical fiber 1, 1a, or 1b may be manufactured by a method different from the above-described manufacturing method. That is, when the enlarged diameter portion 31 of the core 3 is formed at the end portion of the fiber original wire 10, it is difficult to efficiently optically couple the end portion on the enlarged diameter portion 31 side with a light receiving device or the like. For this reason, as shown in FIG. 9, while measuring the wavelength-light intensity characteristic, the reference light 7 is incident from one end of the fiber original line 10 to simultaneously form a desired diffraction grating 32 on the core 3 of the fiber original line 10. The optical fiber 1 (including 1a or 1b) having the desired diffraction grating 32 can be manufactured by measuring the wavelength-light intensity characteristic of the reflected light 71 reflected from the inside (the formed diffraction grating 32).
[0040]
A specific manufacturing method of the optical fiber 1 is as follows. First, the light source of the reference light 7 is connected to the end of the fiber original wire 10 opposite to the enlarged diameter portion 31 via the light guide 92 and the optical branching device 93. Thus, the reference light can be made incident on the end portion of the fiber original wire 10. For example, the optical branching device 93 has four terminals P1, P2, P3, and P4. The light incident on the terminal P1 is branched at a predetermined ratio, emitted from the terminals P3 and P4, and incident on the terminal P3. The light is emitted from the terminals P1 and P2 at a predetermined ratio, the terminal P1 is connected to the light source of the reference light 7, the terminal P3 and the fiber original line 10 are connected, and the terminal P4 is spectrally connected. By connecting the device 94, the reference light 7 incident on the terminal P1 is branched into the reference light 7a and the reference light 7b in the optical splitter 93, and the reference light 7a is emitted from the terminal P3 and incident on the fiber original line 10. The reference light 7b is emitted from the terminal P4 and is incident on the spectroscope 94 so that the wavelength-light intensity characteristic of the reference light 7a can be measured. Further, by connecting the spectroscope 95 to the terminal P2 of the optical branching device 93, the reflected light 71 of the reference light 7a reflected by the fiber original line 10 is incident on the terminal P3 and branched in the optical branching device 93. As the reflected light 71a, the reflected light 71a is made incident on the spectroscope 95 through the terminal P2 so that the wavelength-light intensity characteristic of the reflected light 71 can be measured.
[0041]
In this way, the wavelength-light intensity characteristics of the reference light 7 a incident on the fiber original line 10 and the reflected light 71 are made measurable, and the reference light 7 is incident on the fiber original line 10. As the reference light 7, white light may be used as described above. On the other hand, as described above, the original fiber 10 is irradiated with ultraviolet rays to form a diffraction grating 32 on the core 3. As the diffraction grating 32 is formed, the reference light 7 incident on the fiber original line 10 is reflected toward the optical splitter 93 side. The characteristic of the reflected light 71 can be measured at any time by a spectroscope 95 as shown in FIG. For example, the light intensity of the reference light 7 in the spectroscope 94 is 0 dBm at a wavelength of 1300 nm, and the branching ratio from the terminal P3 to the terminal P2 and the terminal P1 of the optical branching device 93 is 1: 1, which is shown in the spectroscope 95. When the light intensity is indicated by −6 dB at a wavelength of 1300 nm, it can be easily confirmed that the reflectance of the diffraction grating 32 at a wavelength of 1300 nm is 50%. Therefore, the light reflection characteristics of the diffraction grating 32 can be easily made desired by irradiating the fiber original line 10 with ultraviolet rays while measuring the light intensity of the reflected light 71 of the spectroscope 95.
[0042]
At this time, if the dielectric multilayer film 12 which is a reflection reducing film is previously attached to the end face of the fiber original wire 10 on the diameter-expanded portion 31 side, reflection at the end face is prevented. Only the characteristic can be measured by the spectroscope 95, and a desired reflection characteristic in the diffraction grating 32 can be obtained with certainty. Also, if the end surface on the end of the enlarged diameter portion 31 is preliminarily processed, reflection at the end surface is similarly prevented, and only the reflection characteristics of the diffraction grating 32 can be measured by the spectroscope 95. Thus, the desired reflection characteristics at 32 can be obtained with certainty. Then, when the desired diffraction grating 32 is formed on the fiber original wire 10, the manufacturing is completed.
[0043]
According to such a manufacturing method of the optical fiber 1, even when the diameter-expanded portion 31 of the core 3 is formed at the end of the fiber original wire 10, the diffraction grating 32 having desired characteristics is provided on the core 3. It can be reliably formed.
[0044]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the following effects can be obtained. That is, in the light emitting element module according to the present invention, the diameter-increased portion is formed in the light incident core, so that even when the core is misaligned with respect to the optical coupling target, Since the emission is reliably performed, a decrease in optical coupling efficiency can be prevented, and the optical coupling property is excellent. Further, the diffraction grating is composed of a plurality of high refractive index regions provided in the light guide direction of the core, and the intervals between the high refractive index regions are equal to each other, so that the diffraction grating is aligned along the light guide direction. Even in the case of being formed in the enlarged diameter portions having different refractive indexes, only light having a single wavelength can be reflected. In addition, since the end of the optical fiber is processed into a sphere, light incident on the optical fiber is collected toward the core, so that the optical coupling efficiency can be improved. Further, since the reflection reducing film is provided on the end face of the optical fiber, the light incident on the optical fiber is guided without being reflected by the end face of the optical fiber, so that the optical coupling efficiency can be improved. .
[0045]
Further, in the light emitting element module according to the present invention, since the optical coupling between the semiconductor light emitting element and the optical fiber is performed efficiently, a single wavelength laser beam can be output efficiently.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram of an optical fiber according to an embodiment.
FIG. 2 is a schematic diagram of an optical fiber according to an embodiment.
FIG. 3 is a schematic diagram of an optical fiber according to an embodiment.
FIG. 4 is a schematic diagram of an optical fiber according to an embodiment.
FIG. 5 is a schematic diagram of an optical fiber according to an embodiment.
FIG. 6 is a schematic view of a light emitting element module according to an embodiment.
FIG. 7 is an explanatory diagram of an optical fiber manufacturing method according to the embodiment.
FIG. 8 is an explanatory diagram of a method for manufacturing an optical fiber according to an embodiment.
FIG. 9 is an explanatory diagram of a method for manufacturing an optical fiber according to an embodiment.
FIG. 10 is an explanatory diagram of a method for manufacturing an optical fiber according to an embodiment.
FIG. 11 is an explanatory diagram of a conventional technique.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Optical fiber, 2 ... Cladding, 3 ... Core, 31 ... Diameter expansion part, 32 ... Diffraction grating 33 ... High refractive index area | region

Claims (4)

コアとクラッドよりなり、前記コアの端部に拡径部を備え、少なくとも前記拡径部内に特定の波長の光のみを反射する回折格子を備え、かつ、前記回折格子が導光方向に沿って周期的に設けられた高屈折率領域を備えた光ファイバと、
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、
を備え、
前記光射出面と前記光ファイバの前記拡径部を備える端部が光結合され、前記光反射面と前記回折格子とにより実質的に共振器が形成されていること、
を特徴とする発光素子モジュール。
A core and a clad, having an enlarged diameter portion at an end of the core, at least a diffraction grating reflecting only light of a specific wavelength in the enlarged diameter portion, and the diffraction grating along the light guide direction An optical fiber with a periodically provided high refractive index region;
A semiconductor light emitting device having a light reflecting surface and a light emitting surface facing each other across the active region;
With
The light emitting surface and an end portion of the optical fiber having the diameter-expanded portion are optically coupled, and a resonator is substantially formed by the light reflecting surface and the diffraction grating;
The light emitting element module characterized by the above.
前記回折格子の高屈折率領域は、導光方向に沿って等光路長で周期的に設けられてい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。  The light-emitting element module according to claim 1, wherein the high refractive index region of the diffraction grating is periodically provided with an equal optical path length along the light guide direction. 前記拡径部を備えた端部が先球加工されている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。  The light emitting element module according to claim 1, wherein an end portion provided with the diameter-expanded portion is processed into a tip. 前記拡径部を備えた端面に反射低減膜を備えていることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の発光素子モジュール。  The light emitting element module according to claim 1, further comprising a reflection reducing film on an end surface provided with the diameter-expanded portion.
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