(57)【要約】【課題】より広帯域で高出力な光源モジュールを提供する。【解決手段】半導体発光素子３０の一端側に低反射膜３０ｉを設けるとともに、活性層３０ｃが欠落していて低反射膜３０ｉで反射された光の活性層３０ｃ側への戻りを規制する戻り規制領域３０ｈを設けて、素子単体での発振を抑制するとともに、レンズ３２と窓２４との間に光アイソレータ３３を設けて、半導体発光素子３０から光ファイバ３５の他端側へ向かう光を低損失に通過させ、光ファイバ３５の他端側からの半導体発光素子３０側に向かう光の通過を阻止して、半導体発光素子３０の発振抑制状態を安定に維持している。【選択図】        図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部に突出する端子（２５）と光を通過させる窓（２４）とを有するケース（２１）と、
一端面を前記窓方向に向けた状態で前記ケース内に固定され、前記端子からの電源供給を受けて光を発生させる量子井戸構造の活性層（３０ｃ）を内部に有し、該発生させた光を前記一端面から出射する半導体発光素子（３０）と、
前記ケース内で前記半導体発光素子の前記一端面と前記窓の間の位置に固定され、前記半導体発光素子の一端面から出射された光を収束して前記窓側へ出射するレンズ（３２）と、
前記ケースの外部で前記窓から出射された光を一端側に入力させるように固定された光ファイバ（３５）とを有する光源モジュールにおいて、
前記半導体発光素子の前記一端面に、光を低反射率で透過させる誘電体の膜（３０ｉ）を形成し、且つ該膜と前記活性層との間に前記膜による反射光の前記活性層への戻りを規制する戻り規制領域（３３ｈ）を設け、
さらに、前記半導体発光素子の前記一端面と前記光ファイバの他端まで光路の間に、前記半導体発光素子の前記一端面側から前記光ファイバの他端へ向かう光を低損失で通過させ、前記光ファイバの他端から前記半導体発光素子の前記一端面側へ向かう光の通過を阻止する光アイソレータ（３３）を設けたことを特徴とする光源モジュール。
【請求項２】
前記半導体発光素子の前記戻り規制領域は前記活性層が欠落された領域であり、前記活性層の長さ約８００ｎｍに対して戻り規制領域の長さを３０〜４０μｍの範囲内とし前記膜を含めた反射率を０．０２パーセント以下に低減するとともに、前記半導体発光素子の前記一端面と反対側の面の反射率を３０パーセント以上にしたことを特徴とする請求項１記載の光源モジュール。
【請求項３】
前記半導体発光素子の活性層幅は１．７〜２．３μｍの範囲内であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の光源モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、広帯域な非コヒーレント光を発生する光源モジュールに関し、特に広帯域性と高出力性とを向上させるための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ファイバージャイロ（ＦＯＧ）を始めとする各種計測制御、ガス分析用、ＣＷＤＭ用あるいは光部品検査に用いる光源として、半導体発光素子による低干渉性（非コヒーレント）で非常に広い波長範囲の光が要求されている。
【０００３】
従来、非コヒーレントで広帯域な光は、ＬＥＤの出射光、ＬＤ（レーザダイオード）の自然放出光や、ＳＬＤ（スーパルミネセントダイオード）の出射光を用いており、このような半導体発光素子の波長帯域を広げるための技術として、下記の特許文献１には、量子井戸構造を有する活性層をもつＳＬＤの出射端面の近傍に溝を設けて、活性層の一部を欠落させ、出射端面で反射した光が、活性層側に戻らないようにして発振を抑制する技術が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２８４２２３号公報
【０００５】
また、半導体発光素子の波長帯域を広げるための別の技術として、下記の特許文献２には、量子井戸構造を有する活性層をもつＬＤの出射端面の近傍に活性層のない領域を設けて、出射端面で反射した光が、活性層側に戻らないようにして発振を抑制するとともに、量子井戸層を少なくして、広帯域化する技術が開示されている。
【０００６】
【特許文献２】特開２００２−２８９９６６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記技術を採用しても、出射光の出力は低く、しかも、出力が３ｄＢ低下する半値幅は、１０ｎｍ〜数１０ｎｍの範囲しか得られず、上記した各システムの光源として用いた場合、要求される測定感度や精度を満たすことが困難であった。
【０００８】
また、上記素子以外にＥＤＦＡ（エルビウムドープファイバアンプ）の高強度のＡＳＥ光（自然放出光）を利用することも考えられるが、部品点数が多く、しかも、ＡＳＥの波長は使用するＥＤＦＡによって一義的に決まってしまうため、汎用性に欠けるという問題があった。
【０００９】
本発明は、この問題を解決して、半導体発光素子を用いてさらに広帯域な非コヒーレント光を出射することができる汎用性の高い光源モジュールを提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明の請求項１の光源モジュールは、
外部に突出する端子（２５）と光を通過させる窓（２４）とを有するケース（２１）と、
一端面を前記窓方向に向けた状態で前記ケース内に固定され、前記端子からの電源供給を受けて光を発生させる量子井戸構造の活性層（３０ｃ）を内部に有し、該発生させた光を前記一端面から出射する半導体発光素子（３０）と、
前記ケース内で前記半導体発光素子の前記一端面と前記窓の間の位置に固定され、前記半導体発光素子の一端面から出射された光を収束して前記窓側へ出射するレンズ（３２）と、
前記ケースの外部で前記窓から出射された光を一端側に入力させるように固定された光ファイバ（３５）とを有する光源モジュールにおいて、
前記半導体発光素子の前記一端面に、光を低反射率で透過させる誘電体の膜（３０ｉ）を形成し、且つ該膜と前記活性層との間に前記膜による反射光の前記活性層への戻りを規制する戻り規制領域（３３ｈ）を設け、
さらに、前記半導体発光素子の前記一端面と前記光ファイバの他端まで光路の間に、前記半導体発光素子の前記一端面側から前記光ファイバの他端へ向かう光を低損失で通過させ、前記光ファイバの他端から前記半導体発光素子の前記一端面側へ向かう光の通過を阻止する光アイソレータ（３３）を設けたことを特徴としている。
【００１１】
また、本発明の請求項２の光源モジュールは、請求項１記載の光源モジュールにおいて、
前記半導体発光素子の前記戻り規制領域は前記活性層が欠落された領域であり、前記活性層の長さ約８００ｎｍに対して戻り規制領域の長さを３０〜４０μｍの範囲内とし前記膜を含めた反射率を０．０２パーセント以下に低減するとともに、前記半導体発光素子の前記一端面と反対側の面の反射率を３０パーセント以上にしたことを特徴としている。
【００１２】
また、本発明の請求項３の光源モジュールは、請求項１または請求項２記載の光源モジュールにおいて、
前記半導体発光素子の活性層幅は１．７〜２．３μｍの範囲内であることを特徴としている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１、図２は、本発明を適用した光源モジュール２０の構成を示している。
【００１４】
図１、図２に示しているように、この光源モジュール２０のケース２１は、所謂バタフライ型のものであり、直方体状で上面側が開口された金属製のシャーシ２２と、そのシャーシ２２の上面側を覆う金属製のカバー２６とによって構成されている。
【００１５】
シャーシ２２の前端下部および後端下部にはフランジ２２ａ、２２ｂが設けられ、フランジ２２ａ、２２ｂには、この光源モジュール２０をプリント基板等にネジ止めするための穴２３が設けられている。
【００１６】
シャーシ２２の前壁２２ｃには、光を透過させるためのサファイヤ製の窓２４が設けられている。この窓２４は、発光素子側への光の反射を防止するために光軸に対して傾いた状態で固定され、さらに反射防止膜が形成されている。
【００１７】
また、シャーシ２２の両側壁２２ｄ、２２ｅには、前記プリント基板上のパターンにハンダ付けするための複数（例えば７本ずつ）の端子２５が所定間隔で突出している。これらの端子２５はシャーシ２２と絶縁され、その一端側はシャーシ２２内に突出している。
【００１８】
シャーシ２２の底板２２ｆの上には、ペルチェ素子等の加熱冷却素子２７が固定され、この加熱冷却素子２７の上には基板２８が固定され、その基板２８の上のほぼ中央には、発光素子マウント２９が固定され、その発光素子マウント２９の上に、略直方体状の半導体発光素子３０のチップが、その一端面側をシャーシ２２の前壁２２ｃに設けられた窓２４に向けた状態で固定されている。
【００１９】
また、基板２８の前端側には支持部材３１が固定され、この支持部材３１によって、単一非球面型のレンズ３２と光アイソレータ３３とが、半導体発光素子３０と窓２４の間で同心に並んだ状態で固定されている。
【００２０】
レンズ３２は、半導体発光素子３０の一端側から出射された光を収束して光アイソレータ３３側に出射する。
【００２１】
また、光アイソレータ３３は、レンズ３２から出射された光を低損失で窓２４側へ出射させ、窓２４からレンズ３２側へ向かう光の通過を阻止する。
【００２２】
この光アイソレータ３３は、例えば偏光子、ファラデー回転素子および検光子とを組合せたものであり、レンズ３２から出射された光を低損失で偏光子を通過させ、ファラデー回転素子によってその偏光方向を４５度回転して検光子の偏光方向と一致させて、検光子から低損失で通過させる。また、窓２４側から入射された光のうち、検光子を通過した光をファラデー回転素子によって偏光子の偏光方向と直交する方向に回転させてその通過を阻止する。
【００２３】
また、シャーシ２２の前壁２２ｃの外側には、窓２４から出射された光を一端側に入射させて他端側（出射端）へ伝搬させるシングルモードの光ファイバ３５が固定されている。なお、この光ファイバ３５の一端側は、円筒状のファイバカバー３６に覆われている。
【００２４】
一方、基板２８の後端側には、受光素子マウント３７が固定され、その受光素子マウント３７には、半導体発光素子３０の他端側から出射される光を受光して、その光の強度に対応した電気信号を出力するフォトダイオード等の半導体受光素子３８が固定されている。
【００２５】
前記した加熱冷却素子２７、半導体発光素子３０および半導体受光素子３８は、ケース２１内で端子２５と電気的に接続されていて、この端子２５を介して電源の供給を受け、信号を出力する。
【００２６】
次に、この光源モジュール２０に用いられている半導体発光素子３０の構造について説明する。
【００２７】
図３〜図５は、この半導体発光素子３０の電極を除く概略構造を示したものであり、幅約４００μｍ、長さ約８３５μｍのｎ−ＩｎＰ（インジュウムリン）からなる半導体基板３０ａの上にｎ−ＩｎＰからなる第１クラッド層３０ｂが形成され、その上に多層の量子井戸構造を有する幅１．７〜２．３μｍの活性層３０ｃが素子長さ方向に沿って形成され、その上にｐ−ＩｎＰからなる第２クラッド層３０ｄおよびｐ−ＩｎＰからなる第３クラッド層３０ｅが形成されている。素子全体の高さは約１００μｍである。
【００２８】
また、第１クラッド層３０ｂの両側には、ｐ−ＩｎＰからなる電流ブロック層３０ｆとｎ−ＩｎＰからなる電流ブロック層３０ｇが設けられている。
【００２９】
ここで、活性層３０ｃは、１パーセント圧縮歪のＩｎＧａＡｓＰの量子井戸層と無歪のＩｎＧａＡｓＰのバリア層で構成されており、量子井戸数は３層である。
【００３０】
また、活性層３０ｃは、素子の後端面（反射端面）から約８００μｍの長さまでの範囲に形成されており、素子のファブリペローモードによる発振を抑制するために、その先端から前端面（出射端面）までの約３５μｍの範囲には活性層３０ｃが欠落されたＩｎＰからなる戻り規制領域３０ｈが設けられている。
【００３１】
この戻り規制領域３０ｈは、活性層３０ｃから前端面側へ向かう光の角度を活性層３０ｃに対する屈折率の違いによってビーム径が拡がるようにして、前端面から出射させ、その反射光の１／１０程度しか活性層３０ｃに戻らないようにしている。
【００３２】
さらに、その前端面には、単層の誘電体（ＳｉＯｘ）による反射率が低い（０．１〜０．２パーセント）低反射膜３０ｉ（ＡＲコート：無反射コートとも呼ばれる）を設けている。
【００３３】
このように長さ３５μｍの戻り規制領域３０ｈと低反射膜３０ｉとにより、この前端側の実効的な反射率は０．０２パーセント程度が達成されている。
【００３４】
また、後端面（反射端面）側は、スペクトル変調度を増大させないで前方出力を増加させるため、クリーブ面（反射率３０％）を採用した。
【００３５】
このように、実施形態の光源モジュール２０では、図６に示しているように、半導体発光素子３０の一端側に低反射膜３０ｉを設けるとともに、活性層３０ｃが欠落していて低反射膜３０ｉで反射された光の活性層３０ｃ側への戻りを規制する戻り規制領域３０ｈを設けて、素子単体での発振を抑制するとともに、レンズ３２と窓２４との間に光アイソレータ３３を設けて、光ファイバ３５の他端側からの戻り光が半導体発光素子３０に入射されることを阻止して、発光素子の発振抑制状態を安定に維持している。
【００３６】
このため、従来に比べて格段に広帯域で高強度の非コヒーレント光を出力する汎用性の高い光源モジュールを実現できる。
【００３７】
図７に、上記光源モジュール２０の出射光の波長対出力の特性を示す。
この図に示しているように、実施形態の光源モジュール２０の出射光は、波長１５１４．２ｎｍで最大となり、その最大点から３ｄＢ低下した波長は、１４６３．２ｎｍ、１５６５．２ｎｍとなり、半値幅はその差の１０２．０ｎｍである。
【００３８】
また、図８は、供給電流（Ｉｆ）の変化に対する半導体発光素子３０単体の特定波長の出力（Ｐｏ）の変化と、光ファイバ３５の出力（Ｐｆ）の変化を測定した結果である。
【００３９】
この結果から、光源モジュール２０としての出射光の大きさと、半導体発光素子３０から光ファイバ３５までの結合損失が判る。
【００４０】
出射光強度は、供給電流約２００ｍＡで１ｍＷ（０ｄＢｍ）が得られており、これは波長帯域が約１００ｎｍの光源単体としては見当たらない値である。
【００４１】
この広帯域と高出力は、半導体発光素子３０の前記した前端側の戻り規制領域３０ｈと低反射膜３０ｉによる低反射と、反対面側の３０パーセントという比較的高い反射率により、発振抑制と高出力とを両立させた結果による。
【００４２】
また、図８から、発光素子単体から光ファイバ３５までの結合損失も１．３ｄＢと少ないことがわかる。
【００４３】
なお、この結合損失には、レンズ３２の焦点位置を半導体発光素子３０の端面の位置に設定していることによる損失分（０．４ｄＢ程度）が含まれているが、半導体発光素子３０の活性層幅は、前記したように１．７〜２．３μｍと狭く、活性層３０ｃから出射される光ビームの断面形状はほぼ円形となるので、レンズ３２の像倍率の最適化を図ることで、この損失分を減らすことができ、さらに高い結合効率を容易に実現できる。
【００４４】
このような高い結合効率は、前記した特許文献１のように活性層幅が広く（４〜５μｍ）、扁平なビームを出射するＳＬＤを用いた場合には実現できない。
【００４５】
また、上記した半導体発光素子３０の活性層３０ｃの幅や戻り規制領域３０ｈの長さについても、さらなる最適化を行なえば、より広帯域、高出力化が可能である。
【００４６】
例えば、ここでは、戻り規制領域３０ｈの長さを、長さ８００μｍの活性層３０ｃに対して３５μｍにしているが、３０〜４０μｍの範囲であれば、一端面側の低反射率を、レンズ３２との結合効率を劣化させることなく維持することができる。
【００４７】
また、この光源モジュール２０では、ケース２１内の加熱冷却素子２７を制御することで、素子温度Ｔｄ＝２５°Ｃ、ケース温度Ｔｃ＝−２０〜７０°Ｃにおける出力偏差を±０．３ｄＢ以内に抑えることができ、その他の電気・機械的特性においても、通信用光モジュールに適用される信頼性基準を満たしている。
【００４８】
なお、上記説明では、光アイソレータ３３をレンズ３２と窓２４との間に配置したが、光アイソレータの挿入位置は、半導体発光素子３０の一端側から光ファイバ３５の他端（出射端）までの間の光路のいずれの位置に挿入してもよい。例えば、光アイソレータ３３を半導体発光素子３０の一端側とレンズ３２との間に設けたり、光アイソレータを光路中に有する光ファイバを用いてもよい。
【００４９】
また、上記説明では、半導体発光素子３０の反対面側をクリーブ面で形成して反射率を活性層３０ｃと空気の屈折率によって決まる３０パーセントにしていたが、反対面側に高い反射率の膜（ＨＲコート）を設けて３０パーセントより高い反射率にしてもよい。
【００５０】
また、上記の光源モジュール２０では、１４６３．２〜１５６５．２ｎｍまでの波長範囲で約１００ｎｍ幅の光を出射するものであったが、半導体発光素子３０の組成を変えることで、他の波長範囲で約１００ｎｍ幅の光を出射することもできる。
【００５１】
また、前記したガス分析あるいはＣＷＤＭ等に用いる光源として、例えば、１．３〜１．７μｍの波長範囲が要求される場合でも、波長範囲が異なる幅１００ｎｍの４個の光源モジュールの出射光を合波することで簡単に得ることができ、簡単な構成でさらに広い帯域の光源を実現できる。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光源モジュールは、半導体発光素子の一端面に、光を低反射率で透過させる誘電体の膜を形成し、且つその膜と活性層との間に膜による反射光の活性層への戻りを規制する戻り規制領域を設け、さらに、半導体発光素子の一端面側から光ファイバの他端までの間に、半導体発光素子の一端面側から光ファイバの他端側へ向かう光を低損失で通過させ、光ファイバの他端から半導体発光素子の一端面側へ向かう光の通過を阻止する光アイソレータを設けている。
【００５３】
このため、従来に比べて格段に広帯域で高強度の非コヒーレント光を出力することができる。
【００５４】
また、半導体発光素子の戻り規制領域は活性層が欠落された領域であり、活性層の長さ約８００ｎｍに対して戻り規制領域の長さを３０〜４０μｍの範囲内とし膜を含めた反射率を０．０２パーセント以下に低減するとともに、半導体発光素子の一端面と反対側の面の反射率を３０パーセント以上にしたものでは、発振抑圧と高出力とを両立させることができ、広帯域で且つ高出力が得られる。
【００５５】
また、半導体発光素子の活性層幅を１．７〜２．３μｍの範囲内にしたものでは、半導体発光素子からレンズへ出射されるビームの偏平化による結合損失を減らすことができ、効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の斜視図
【図２】本発明の実施形態の内部構造を示す図
【図３】本発明の実施形態の要部の拡大斜視図
【図４】本発明の実施形態の要部の拡大斜視図
【図５】本発明の実施形態の要部の中央断面図
【図６】本発明の実施形態の要部構成図
【図７】実施形態の波長対出力特性図
【図８】供給電流に対する素子単体とファイバの出力の変化を示す図
【符号の説明】
２０……光源モジュール、２１……ケース、２２……シャーシ、２３……穴、２４……窓、２５……端子、２７……加熱冷却素子、２８……基板、３０……半導体発光素子、３０ｃ……活性層、３０ｉ……低反射膜、３０ｈ……戻り規制領域、３２……レンズ、３３……光アイソレータ、３５……光ファイバ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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