(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子の出力モニタ光をそれぞれ受ける第１および第２の光検出器、並びにファブリペロ型の光共振器を有すると共に、前記第１の光検出器が前記光共振器内に配置された受光デバイス
を備え、
前記受光デバイスは、一対の面を持つ半導体チップを有し、前記一対の面のうち一方は前記半導体レーザ素子の出力モニタ光を受け所定の反射率を有する光入射面であると共に、前記一対の面のうち他方は、第１の反射膜、および第１の反射膜に比べて低い反射率を示す第２の反射膜を有し、
前記第１の反射膜は、前記光入射面との間で前記光共振器を構成する高反射膜であり、前記第２の反射膜は、前記光入射面との間で光共振器として実効的に動作しない低反射膜であり、
前記第１および第２の光検出器は、単一の前記半導体チップに設けられたフォトダイオードであり、
前記半導体チップにおいては、前記第１の光検出器は前記第１の反射膜と前記光入射面とで構成される前記光共振器の間に配置されると共に、前記第２の光検出器は前記第２の反射膜と前記光入射面との間に配置されている発光モジュール。
【請求項２】
半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子の出力モニタ光をそれぞれ受ける第１および第２の光検出器、並びにファブリペロ型の光共振器を有すると共に、前記第１の光検出器が前記光共振器内に配置された受光デバイス
を備え、
前記受光デバイスは、前記第１の光検出器を挟むように設けられた第１の一対の面、および、前記第２の光検出器を挟むように設けられた第２の一対の面を持つ半導体チップを有し、前記第１および第２の光検出器は、単一の前記半導体チップに設けられたフォトダイオードであり、
前記第１の一対の面のうちの一方は前記半導体レーザ素子のモニタ光出射面からの光を受け所定の反射率を有し、
前記第２の一対の面のうちの一方は前記半導体レーザ素子のモニタ光出射面からの光を受け、
前記第１の一対の面のうちの他方はその上に反射膜を有し、前記反射膜および前記光入射面によって前記光共振器が構成され、
前記第２の一対の面のうちの一方は他方の面との間で光共振器として実効的に動作しないように他方の面に対して相対的に傾斜している、発光モジュール。
【請求項３】
前記半導体レーザと前記受光デバイスとの間に配置されたコリメート用レンズを更に備える、請求項１又は２に記載の発光モジュール。
【請求項４】
半導体レーザ素子と、前記半導体レーザの出力モニタ光を受けると共に、前記半導体レーザのモニタ光出射面から出射された光の一部を透過する第１の光検出器と、
前記第１の光検出器を透過した光を受ける第２の光検出器と、
前記第１の光検出器と前記第２の光検出器との間に設けられたエタロンと、
を備え、
前記第１の光検出器は、前記半導体レーザの前記モニタ光出射面と光学的に結合されており、
前記第１の光検出器、前記エタロン、および第２の光検出器は、所定の軸に沿って配置されている発光モジュール。
【請求項５】
前記エタロンは、前記第１の光検出器と光学的に結合された光入射面および前記第２の光検出器と光学的に結合された光透過面とを有し、前記光透過面は前記光入射面に対して相対的に傾斜している、請求項４に記載の発光モジュール。
【請求項６】
前記第１および第２の光検出器の各々はフォトダイオードを含む、請求項４または請求項５に記載の発光モジュール。
【請求項７】
前記半導体レーザと前記第１の光検出器との間に配置されたコリメート用レンズを更に備える、請求項４〜６のいずれかに記載の発光モジュール。
【請求項８】
前記半導体レーザが発生する光の波長を前記第１および第２の光検出器からの信号に基づいて変更するための波長変更手段を更に備える、請求項１〜７のいずれかに記載の発光モジュール。
【請求項９】
前記波長変更手段は、前記半導体レーザの温度を調整するためのペルチェ素子である請求項８に記載の発光モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
１．５５μｍ帯の波長分割多重（ＷＤＭ）光伝送システムでは、隣接するチャネルの波長間隔は０．８ｎｍであると規定されている。これは、チャネル波長の絶対精度を±０．１ｎｍ程度の精度で制御することを必要とする。ＷＤＭ光伝送システムでは、このような波長間隔でチャネル波長成分の光を得るために複数の発光モジュールが使用される。
【０００３】
従来の発光モジュールに関する文献としては、例えば特開平１０−７９７２３号公報がある。この公報には、チャネル波長を上記の精度で制御することが可能な発光モジュールが記載されている。この発光モジュールでは、エタロンが、半導体レーザから光検出器に向かう軸に対して所定角度で傾斜している。このエタロンには、半導体レーザから放出された非コリメート光が入射される。エタロンを透過した光は、近接に配置された２つの光検出器において受光される。この発光モジュールでは、これらの光検出器からの出力をフィードバックすることによって、半導体レーザにおいて発せられる光の波長を所望のロック波長に安定化している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の発光モジュールでは、一方の光検出器はエタロンを介した透過光を受けると共に、他方の光検出器もそのエタロンを介した透過光を受ける。半導体レーザ光がロックされるロック波長は、２つの特性曲線の交点として規定される。一方の曲線は、一方の光検出器が受ける透過光の強度の波長特性を示し、他方の曲線は、他方の光検出器が受ける透過光の強度の波長特性を示す。このロック波長を所望の波長に調整するために、組立に際してエタロンの傾きが調整される。
【０００５】
しかしながら、エタロンの傾きを変化させると、透過光の強度に関する波長特性が両方とも変化してしまう。従って、このような波長特性に基づいてロック波長を所望の波長に設定することは容易でなかった。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、所望の波長にロック波長を容易に調整できる発光モジュールを提供することとした。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の係る発光モジュールは、半導体レーザ素子の出力モニタ光をそれぞれ受ける第１および第２の光検出器、並びにファブリペロ型の光共振器を有する受光デバイスを備える。この受光デバイスにおいて、第１の光検出器は光共振器内に配置されている。
【０００８】
この発光モジュールでは、半導体レーザからの光はファブリペロ型光共振器で干渉する。この干渉光の強度は光の波長に対して変化する。第１の光検出器はファブリペロ型光共振器を介して半導体レーザからの光を受ける一方で、第２の光検出器は半導体レーザからの光を受ける。このため、光共振器の特性の変化は、第１の光検出器が受ける光のみに影響を与え、第２の光検出器が受ける光には影響しない。この結果、第１の光検出器が受ける光の波長特性は、第２の光検出器が受ける光の波長特性とは独立して調整可能となる。
【０００９】
本発明に係る発光モジュールおいて、第１および第２の光検出器には、単一の半導体チップに含まれるフォトダイオードを適用できる。２つのフォトダイオードが単一の半導体チップに含まれるので、光検出特性が揃っている。
【００１０】
本発明に係る発光モジュールの受光デバイスは、次のような形態を有することができる。
【００１１】
受光デバイスは、一対の面を持つ半導体チップを有する。一対の面のうち一方は、半導体レーザ素子の出射モニタ光を受ける光入射面であり、この光入射面は所定の反射率を有する。一対の面のうち他方は、第１の反射膜、および第１の反射膜に比べて低い反射率を示す反射抑制手段を有する。この半導体チップにおいては、第１の光検出器は第１の反射膜と光入射面との間に配置され、第２の光検出器は反射抑制手段と光入射面との間に配置されている。
【００１２】
なお、反射抑制手段は、第１の反射膜の反射率よりも低い反射率の反射膜を含むことができる。
【００１３】
この発光モジュールでは、第１および第２の光検出器は半導体チップに設けられる。光共振器は第１の反射膜および光入射面によって構成され、且つ第１の反射膜の反射率は反射抑制手段の反射率より大きい。このため、第１の光検出器からの信号の強度は、波長に対して依存性の点において、第２の光検出器からの信号の強度と異なる。
【００１４】
また、受光デバイスは半導体チップを有する。この半導体チップは、第１の光検出器を挟むように設けられた第１の一対の面、および、第２の光検出器を挟むように設けられた第２の一対の面を持つ。第１の一対の面のうちの一方は、半導体レーザ素子の出射モニタ光を受けると共に、所定の反射率を有する。第２の一対の面のうちの一方は、半導体レーザ素子の出射モニタ光を受ける。第１の一対の面のうちの他方は、その上に第２の反射膜を有する。第２の一対の面のうちの一方は、他方の面に対して相対的に傾斜している。
【００１５】
この発光モジュールでは、第１および第２の光検出器は半導体チップに設けられ、光共振器は第２の反射膜および光入射面によって構成される。第２の一対の面がファブリペロー型光共振器として作用しないように、第２の対の面において一方の面が、他方の面に対して相対的に傾斜しているようにしてもよく、あるいは無反射コーティングされていてもよい。このため、第１の光検出器からの信号の強度は、波長に対して依存性の点において、第２の光検出器からの信号の強度と異なる。
【００１６】
これまで説明してきた発光モジュールは、半導体レーザと受光デバイスとの間に配置されたコリメート用レンズを更に備えることができる。
【００１７】
また、本発明の別の側面に係る発光モジュールは、下記の特徴を備えることもできる。
【００１８】
本発明に係る発光モジュールは、第１の光検出器と、第２の光検出器と、エタロンとを備える。第１の光検出器は、半導体レーザの出射モニタ光を受けると共に、半導体レーザの出射モニタ光の一部を透過する。第２の光検出器は、第１の光検出器を透過した光を受ける。エタロンは、第１の光検出器と第２の光検出器との間に設けられている。
【００１９】
この発光モジュールでは、エタロンが第１の光検出器と第２の光検出器との間に配置されている。エタロンの傾きを変えた場合、エタロンを介して第２の光検出器が受ける透過光の波長特性は変化する。しかしながら、第１の光検出器が受ける光の波長特性は変化しない。この結果、第１の光検出器が受ける光の波長特性は、第２の光検出器が受ける光の波長特性とは独立して調整可能となる。このことにより、第１の光検出器で半導体レーザの出力光のパワーをモニタできると共に、第２の光検出器と組み合わせて出力波長の変動をモニタする手段を提供できる。
【００２０】
また、第１の光検出器からの信号の強度は、波長に対する依存性の点において、第２の光検出器からの信号の強度と異なる。故に、これらの信号の差に基づいて、半導体レーザにおける発振波長、つまりロック波長が調整可能となる。
【００２１】
本発明に係る発光モジュールでは、エタロンは、第１の光検出器と光学的に結合された光入射面および第２の光検出器と光学的に結合された光透過面とを有する。このエタロンにおいて、光透過面は光入射面に対して相対的に傾斜しているので、エタロンの厚みは所定方向に変化している。第２の光検出器に対してエタロンを所定の方向に移動させると、光が透過する位置におけるエタロン厚が変化する。
【００２２】
本発明に係る発光モジュールでは、第１および第２の光検出器の各々はフォトダイオードを含む。また、本発明に係る発光モジュールでは、半導体レーザと第１の光検出器との間に配置されたコリメート用レンズを更に備える。
【００２３】
これまでに説明してきた発光モジュールは、さらに以下の特徴を備えることができる。本発明に係る発光モジュールでは、半導体レーザが発生する光の波長を第１および第２の光検出器からの信号に基づいて変更するための波長変更手段を更に備えることができる。波長変更手段は、温度変更手段を備えることができ、さらに制御回路を備えることができる。この波長変更手段は、第１および第２の光検出器からの電気信号に基づいて半導体レーザの温度を調整することができ、これによって、半導体レーザが発生する光の波長を変更することができる。制御回路は、第１および第２の光検出器から提供される電気信号から、半導体レーザが発生する光の波長を調整するための制御信号を生成する。温度変更手段は、制御信号に基づいて半導体レーザの温度を調整する。温度変更手段は、例えばペルチェ素子がある。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明に係る発光モジュールの好適な実施形態について説明する。なお、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２５】
(第１の実施の形態)
図１は、本発明に係る発光モジュールを適用した第１の実施形態に係る半導体レーザモジュールを示す斜視図であり、図２は、この半導体レーザモジュールの主要部を示す断面図である。図１および図２に示すように、半導体レーザモジュール１ａは、半導体レーザモジュール主要部１０とハウジング１２とを備える。
【００２６】
本実施形態においてハウジング１２は、いわゆるバタフライ型のパッケージである。半導体レーザモジュール主要部１０は、このハウジング１２内の底面上に配置されている。そして、半導体レーザモジュール主要部１０は、不活性ガス、例えば窒素ガスが封入された状態でハウジング１２内に封止されている。ハウジング１２は、半導体レーザレーザモジュール主要部１０を収納している本体部１２ａ、光ファイバ１４を主要部１０に導く筒状部１２ｂ、および複数のリードピン１２ｃを備える。
【００２７】
半導体レーザモジュール主要部１０は、搭載部材２４、２６、２８、３０と、レンズ（図２の３２ａ）を保持するレンズ保持部材３２とを有する。
【００２８】
搭載部材２４、２６、２８、３０は、半導体レーザ１６、半導体受光素子１７といった受光デバイス、コリメートレンズ２１及び信号処理素子部２２を搭載する。これら搭載部材２６、２８、３０は搭載部材２４上に配置されており、この搭載部材２４は熱電子冷却器（サーモエレクトリッククーラ）３４上に配置されている。熱電子冷却器３４は、受けた電流に応じて熱エネルギを取り出すことができ、これによって温度を制御できる。熱電子冷却器３４としては、例えば、ペルチェ効果を利用した温度制御素子が実用化されている。搭載部材２４上には、半導体レーザ１６が配置されているので、熱電子冷却器３４は、半導体レーザ１６の温度を制御するための温度変更手段として機能する。このため、搭載部材２４の材料は、チップキャリアに利用されている窒化アルミニウム（ＡｌＮ）といった熱良導体が好ましい。
【００２９】
パッケージ本体部１２ａの内壁には、筒状部１２ｂに通じる部分に光学的な窓が設けられ、光学的な窓は、例えば封止されたハーメチックガラス３６からなる。パッケージ１２の筒状部１２ｂは、本体部１２ａに通じる貫通孔を有する。よって、半導体レーザ１６から出射された光は、この貫通孔内を通って光ファイバ１４の端部（図示せず）へ向かって伝搬する。筒状部１２ｂの先端部分には、レンズ（図２の３８ａ）を保持するレンズ保持部材３８が設けられている。
【００３０】
半導体レーザ１６は、搭載部材２６上に搭載されている。この半導体レーザ１６は、光反射面１６ｂおよび光出射面１６ａを有している。光出射面１６ａには、反射率を下げるための低反射コート膜が施されており、また光反射面１６ｂは、光反射率を上げるための光反射コート膜が施されている。これら光出射面１６ａと光反射面１６ｂとにより、半導体レーザ１６の光共振器が構成される。かかる低反射コート膜および光反射コート膜は、例えばＳｉＮ、ａ−Ｓｉの多層膜の膜厚を調整して得ることができる。光出射面１６ａの光反射率は光反射面１６ｂの光反射率より低いため、光出射面１６ａからレーザ発振光を取り出しできる。光出射面１６ａは、レンズ３２ａ、３８ａを介して光ファイバ１４と光学的に結合している。
【００３１】
半導体レーザ１６としては、例えば分布帰還型（ＤＦＢ）半導体レーザを用いることができる。また、ＤＦＢレーザに限られるものではなく、ＤＢＲレーザなどの単一モード半導体レーザも同様に適用することができる。
【００３２】
半導体受光素子１７は、搭載部材２８を介して搭載部材２４上に搭載されている。図３(ａ)は、半導体受光素子１７の断面図を示す。半導体受光素子１７は、第１および第２の光検出器１７ａ、１７ｂを含む。これらの光検出器１７ａ、１７ｂは、基板１７ｃ上に形成された半導体層１７ｄに形成されている。半導体受光素子１７のチップは、距離ｄ1で離間された一対の面１７ｅ、１７ｆを有し、これらの面は略平行に配置されている。一対の面のうち一方１７ｅは、半導体レーザ素子１６の光反射面(モニタ光出射面)１６ｂからの光を受ける光入射面であり、この光入射面は所定の反射率を有する。一対の面のうち他方１７ｆ上には、第１の反射膜１７ｇおよび第２の反射膜１７ｈが設けられている。第１の光検出器１７ａは、第１の反射膜１７ｇと光入射面１７ｅとの間に配置され、また第２の光検出器１７ｂは第２の反射膜１７ｈと光入射面１７ｅとの間に配置されている。第１の反射膜１７ｇの反射率は、半導体レーザ素子１６に係わる光の波長領域において第２の反射膜１７ｈの反射率より大きい。第１の反射膜１７ｇの反射率は、第１の反射膜１７ｇと光入射面１７ｅとを組合せたものが光共振器１７ｊとして動作可能なように決定されている。光共振器１７ｊの共振器長はｄ1である。一方、第２の反射膜１７ｈの反射率は、第２の反射膜１７ｈと光入射面１７ｅとを組み合せたものが光共振器として実効的に動作しないように決定されている。
【００３３】
図３(ａ)では、第１および第２の光検出器１７ａ、１７ｂはフォトダイオードであって、単一の半導体基板１７ｃ上に設けられている。第１および第２の光検出器１７ａ、１７ｂが同一半導体基板上に設けられているので、これらの光検出器の特性が揃う。また、一回の位置合わせによって、第１および第２の光検出器の配置が決定される。
【００３４】
図３(ｂ)は、半導体レーザ１６、コリメート用レンズ２１、および半導体受光素子１７の光学的な結合の関係を示す図面である。半導体レーザ１６の光出射面１６ａからは、光通信のための信号光Ａが放出され、また光反射面(モニタ光出射面)１６ｂからは、モニタ光Ｂが放出される。コリメート用レンズ２１は、半導体受光素子１７の光軸に沿うようにコリメートされた光Ｃ、Ｄをモニタ光Ｂから生成する。コリメート光Ｃは第１の光検出器１７ａに向けて進むと共に、コリメート光Ｄは第２の光検出器１７ｂに向けて進む。コリメート光Ｃが半導体受光素子１７に入射すると、この光Ｃは高反射膜１７ｇに反射され光Ｆとなる。光Ｆは、光入射面１７ｅに反射され光Ｅとなる。このような反射が光共振器１７ｊにおいて繰り返されることによって生じた干渉光が第１の光検出器１７ａに検知される。一方、コリメート光Ｄの一部は、第２の光検出器１７ｂを透過し、光Ｇとなる。しかし、光Ｇは、低光反射膜１７ｈによって殆ど反射されないので、第２の光検出器１７ｂは、半導体レーザ１６の発振スペクトルが反映されたコリメート光Ｄを検知する。
【００３５】
なお、所望の反射率を有する反射膜を得るために、例えばａ−Ｓｉ／ＳｉＮからなる多層膜、ＳｉＮ膜が適用される。また、低反射膜１７ｈに代えて、高反射膜１７ｇ反射率より低い反射率を示す反射抑制手段を備えることができる。このような反射抑制手段としては、高反射膜１７ｇ反射率より低い反射率を示すように表面が表面処理された面、例えば凹凸を設けて入射光を乱反射させる面があり、他の例が第２の実施形態にも開示されている。
【００３６】
光共振器１７ｊを得るために好適な厚さｄ1は、数十μｍから数百μｍ程度であり、また上限としては数ｍｍ程度であってもよい。
【００３７】
再び、図１および図２を参照すると、信号処理素子部２２は、搭載部材３０上に搭載されている。信号処理素子部２２は、例えば熱電子冷却器３４を駆動するための温度調整部、半導体レーザ１６を駆動するためのパワー調整部を含む。温度調整部は、第１および第２の光検出器２０ａ、２０ｂからの電気信号を受け、これに基づいて熱電子冷却器３４への電気信号を調整し、半導体レーザ１６の発振波長を制御する。パワー調整部は、第１および第２の光検出器２０ａ、２０ｂからの電気信号を受け、これに基づいて半導体レーザ１６への駆動電流を調整し、半導体レーザ１６の発振パワーを制御する。
【００３８】
この信号処理素子部２２は、ハウジング１２内に収納されることなく、半導体レーザモジュール１ａと別個に設けてもよい。この場合には、ハウジング１２の端子１２ｃを介して、電気信号の送受を行うことができる。第１および第２の光検出器１７ａ、１７ｂからの電気信号は、端子１２ｃを介して信号処理素子部２２に送られ、信号処理素子部２２からの信号は、端子１２ｃを介して半導体レーザ１６および／または熱電子冷却器３４に送られる。
【００３９】
図４は、光検出器１７ａ、１７ｂにより受光されるモニタ光の波長が変化したときの波長特性を示す。図４において横軸は光の波長を示し、縦軸は光検出器からの電流値Ｉを示す。光検出器１７ａにおいて受光された光を光電変換することによって得られた電流値ＩPD1は、光共振器１７ｊの光学特性が反映された波長依存性を示している。これに対して、光検出器１７ｂにおいて受光された光を光電変換することによって得られた電流値ＩPD2は、実質的に波長依存性を示さない。
【００４０】
本実施形態に係る半導体レーザモジュール１ａでは、図４に示すように、差ΔＩ＝ＩPD2−ＩPD1が一定となる波長λr1、λr2、・・・・でレーザ発振される光の波長をロックするように制御できる。あるいは、図５に示すように、差信号ＩPD1−αＩPD2（αは定数）を示すグラフが横軸と交差する波長λr1、λr2、・・・・でレーザ発振される光の波長をロックするように制御できる。この場合、αの値は、以下のような様々な方法によって調整できる。例えば、第２の光検出器１７ｂに入射する光量により調整してもよいし、信号処理素子部２２において電気的に調整してもよい。第２の光検出器１７ｂに入射する光量の調整は、例えば半導体レーザと第２の光検出器１７ｂとの間にアッテネータを配置したり、第２の光検出器１７ｂとしてのフォトダイオードの径を変えたり、第１の光検出器２０ａの位置を変えたりして行うことができる。
【００４１】
これまで説明してきた実施形態に係る半導体レーザモジュール１ａでは、一方の光検出器１７ａのみを光共振器１７ｊ内に配置すると共に、他方の光検出器１７ｂを光共振器１７ｊ外に配置している。このため、光共振器１７ｊの特性を変更しても、光検出器１７ｂにおいて受光される光の波長特性は変化しない。つまり、この形態によれば、光検出器１７ａにより受光される光の波長特性とは独立して、光検出器１７ｂの信号をモニタすることにより半導体レーザ１６の出射光Ａのパワーを制御できる。その結果、半導体レーザ１６から発せられる光の波長をロックするためのロック波長を所望の波長に容易に設定することが可能となる。
【００４２】
次いで、発振スペクトルを調整する手法を説明する。この調整は、半導体レーザ１６の発振スペクトル内において異なる波長特性を示す２つのモニタ光の強度の情報に基づいて行われる。図６(ａ)〜図６(ｃ)は、半導体レーザの発振スペクトルを示す模式図である。横軸は、光の波長を示す。縦軸はスペクトル強度（パワー）を示している。
【００４３】
発振されるべきレーザ光の発振スペクトルにおける中心波長をλ0とする。このレーザ発振スペクトル内であって、中心波長λ0の短波長側あるいは長波長側のいずれかに、少なくとも１個の監視波長（波長領域）λbを選択する。本実施形態に係る半導体レーザモジュール１ａの光共振器１７ｊでは、中心波長λ0の短波長側に波長λbが選択された。光共振器１７ｊによって選択された光が第１の光検出器１７ａに入力される。一方、第２の光検出器１７ｂには、半導体レーザ１６が発振している中心波長λaの光が入力される。
【００４４】
実際の光検出器１７ａ、１７ｂには、半導体レーザ１６から光検出器１７ａ、１７ｂを見込む立体角中に放射される光のみが到達し得る。特に、第２の光検出器１７ｂには、半導体レーザ１６の発振波長に限らず、常に一定のパワーが入射する。このように、一定のパワーであることを表現するために、図６(ａ)〜図６(ｃ)においては、半導体レーザの発振スペクトルのピーク値を、一定のパワーに対応する値とみなしている。一方、第１の光検出器１７ａには、光共振器１７ｊによって選択された波長の光が入射する。
【００４５】
図６(ａ)は、半導体レーザ１６が発振すべき中心波長λ0において発振しているときのスペクトルを示している。このとき、第２の光検出器１７ｂに入力される光のパワーは中心波長λa＝λ0の光のうち所定立体角内の全パワーである。一方、第１の光検出器１７ａに入力される光パワーは波長がλbの光である。このとき、第１および第２の光検出器１７ａ、１７ｂからの信号の差信号Ｖ（λa）−Ｖ（λb）は値Ｋ１となる。
【００４６】
図６(ｂ)は、半導体レーザ１６が発振すべき中心波長λ0よりも短波長において発振しているときのスペクトルを示している。このとき、これらの差信号Ｖ（λa）−Ｖ（λb）はＫ１より小さい所定の値Ｋ２となる。これらの差信号の差Ｋ１−Ｋ２は、半導体レーザ１６の発振波長を長波長側へシフトさせる必要があることを示している。この信号に基づいて、ペルチェ素子３４によって半導体レーザ１６の温度を変更する。この場合には、半導体レーザ１６の温度を上昇させる必要があるので、ペルチェ素子３４への電流を減少する。
【００４７】
図６(ｃ)は、半導体レーザ１６が発振すべき波長λ0よりも長波長において発振しているときのスペクトルを示している。このとき、これらの差信号Ｖ（λa）−Ｖ（λb）はＫ１より大きい所定の値Ｋ３となる。これらの差信号の差Ｋ１−Ｋ３は、半導体レーザ１６の発振波長を短波長側へシフトさせる必要があることを示している。この信号に基づいて、ペルチェ素子３４によって半導体レーザ１６の温度を変更する。この場合には、半導体レーザ１６の温度を降下させる必要があるので、ペルチェ素子３４への電流を上昇する。
【００４８】
このように、発振スペクトル内の所定波長成分の光強度と、発振スペクトルの全波長の強度とを監視すると共に、これらの光強度の差情報に基づいて負帰還制御を行えば、発振スペクトルの調整を行うことができる。上記の例では、レーザ発振すべき中心波長λ0の短波長側に一波長λbを選択したけれども、制御手法はこれに限られるものではない。中心波長λ0よりも長波長側に監視波長λbを選ぶこともできる。なお、半導体レーザ１６の発振波長の温度変化の係数を例示的に示すと、０．１ｎｍ／℃程度である。
【００４９】
また、光検出器１７ｂからの信号強度Ｖ（λa）に基づいて、半導体レーザ１６の発振パワーを自動制御（ＡＰＣ制御）できる。つまり、信号強度Ｖ（λa）の値が一定になるように半導体レーザ１６の駆動電流を制御する。
【００５０】
図７は、上記の波長制御を実現できる例示的な回路である。光検出器１７ａ、１７ｂからの電流信号は、それぞれ電流電圧変換器１０１、１０２によって電圧信号Ｖ1、Ｖ2に変換される。この電圧信号Ｖ1、Ｖ2は、プリアンプ１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃによって増幅され、それぞれ電圧信号Ｖ3、Ｖ4、Ｖ5を生成する。電圧信号Ｖ3、Ｖ4は差信号生成回路１０４に入力されて、ペルチェ素子３４を駆動するために電流信号に変換される。
【００５１】
電圧信号Ｖ5は、レーザ駆動信号生成回路１０５に入力されて、半導体レーザ１６を駆動するための電流信号に変換される。
【００５２】
差信号生成回路１０４は、入力された電圧信号Ｖ3を抵抗Ｒ1の一端に受ける。抵抗Ｒ1の他端は、演算増幅器（ＯｐＡｍｐ１）の負入力および抵抗Ｒ2の一端にそれぞれ接続される。抵抗Ｒ2の他端は演算増幅器（ＯｐＡｍｐ１）の出力に接続されている。差信号生成回路１０４は、入力された電圧信号Ｖ4を抵抗Ｒ3の一端に受ける。抵抗Ｒ3の他端は、演算増幅器（ＯｐＡｍｐ１）の正入力および抵抗Ｒ4の一端にそれぞれ接続される。抵抗Ｒ4の他端は、基準電位（接地）に接続されている。演算増幅器（ＯｐＡｍｐ１）の出力には、Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3、Ｒ4の抵抗が等しい時には、入力信号Ｖ3、Ｖ4の差を示す電圧が現れる。この差信号をペルチェ素子駆動回路１０６に入力し、ペルチェ素子３４を駆動する。なお、演算増幅器（ＯｐＡｍｐ１）の出力を演算増幅器（ＯｐＡｍｐ２）の正入力に加え、演算増幅器（ＯｐＡｍｐ２）の出力をペルチェ素子駆動回路１０６の入力に加えることができる。そして、演算増幅器（ＯｐＡｍｐ２）負入力には、ロック波長にオフセットを加えることを可能にするためにオフセット調整用の電圧源ＶOFF1を接続すれば、ペルチェ素子３４を好適に駆動できる。
【００５３】
レーザ駆動信号生成回路１０５は、入力された電圧信号Ｖ5を半導体レーザ１６の駆動回路１０７に入力し、半導体レーザ１６を駆動する。なお、電圧信号Ｖ5を演算増幅器（ＯｐＡｍｐ４）の正入力に加え、演算増幅器（ＯｐＡｍｐ４）の出力を半導体レーザ１６の駆動回路１０７の入力に加えることができる。演算増幅器（ＯｐＡｍｐ４）の負入力には、オフセット調整用の電圧源ＶOFF2を接続すれば、半導体レーザ１６を適切に駆動できる。
【００５４】
図７に示された信号処理部２２は、集積回路、および抵抗、キャパシタといった受動素子を用いて小型に実現される。このため、これらの構成物は同一のハウジング内に収納されることもでき、ハウジング外に配置されることもできる。
【００５５】
(第２に実施の形態)
続いて、半導体受光素子１９といった受光デバイスの別の実施例を説明する。
【００５６】
半導体受光素子１９は、図１の半導体受光素子１７と同様に、搭載部材２８を介して搭載部材２４上に搭載されている。図８は、半導体受光素子１９の断面図を示す。半導体受光素子１９は、第１および第２の光検出器１９ａ、１９ｂを含む。これらの光検出器１９ａ、１９ｂは、基板１９ｃ上に形成された半導体層１９ｄ内に形成されている。半導体受光素子１９の半導体チップは、距離ｄ1で離間された一対の面１９ｅ、１９ｆを有する。一対の面のうち一方１９ｅは、半導体レーザ素子１６の光反射面１６ｂからの光を受ける光入射面であり、この光入射面は所定の反射率を有する。一対の面のうち他方１９ｆ上には、反射膜１９ｈが設けられている。第１の光検出器１９ａは、反射膜１９ｈ(面１９ｆ)と光入射面１７ｅとの間に配置され、また第２の光検出器１９ｂは反射膜１９ｈ(面１９ｇ)と光入射面との間に配置されている。反射膜１９ｈの反射率は、半導体レーザ素子１６に係わる光の波長領域において、反射膜１９ｈと光入射面１９ｅとを組合せたものが光共振器１９ｊとして動作可能なように決定されている。光共振器１７ｊの共振器長はｄ1である。一方、裏面１９ｇは、光入射面１９ｅに対して傾斜しているので、裏面１９ｇと光入射面１９ｅとを組合せたものが光共振器として実効的に動作しない。
【００５７】
図８では、第１および第２の光検出器１９ａ、１９ｂは、半導体受光素子１７と同様に、フォトダイオードであって、単一の半導体基板１９ｃ上に設けられている。また、図３(ｂ)に示される半導体受光素子１７と同様に、半導体受光素子１９は、コリメート用レンズ２１を介して半導体レーザ１６と光学的に結合されている。
【００５８】
半導体受光素子１９において、基板１９ｃ及び半導体層１９ｄは、半導体レーザ１６が発生する光を透過する。これらは、半導体受光素子１７においても同様に適用される。つまり、半導体基板１７ｃおよび半導体層１７ｄのバンドギャップは、半導体レーザ１６が発生する光のエネルギに比べて大きい。
【００５９】
(第３に実施の形態)
次に、本発明に係る発光モジュールの第３の実施形態について説明する。
【００６０】
図９は、本発明に係る発光モジュールを適用した第３の実施形態に係る半導体レーザモジュール１ｂを示す斜視図であり、図１０は、この半導体レーザモジュールの主要部を示す断面図である。
【００６１】
図９および図１０に示すように、本実施形態に係る半導体レーザモジュール１ｂは、エタロン１８並びに第１および第２の光検出器２３，２５の配置が異なる以外は、上記した第１の実施形態に係る半導体レーザモジュール１ａとほぼ同一の構造を有する。
【００６２】
すなわち、図９および図１０に示すように、本実施形態に係る半導体レーザモジュール１ａでは、光ファイバ１４、レンズ３８ａ、３２ａ、半導体レーザ１６、コリメートレンズ２１、第１の光検出器２５、エタロン１８、および第２の光検出器２３が、所定の軸４６に沿って順に配置されている。エタロン１８は、光入射面１８ａと光透過面１８ｂとが厚さｄで略平行に設けられている構造を有することができ、または光入射面１８ａと光透過面１８ｂとが角度γをなすくさび型構造を有することができる。
【００６３】
第２の光検出器２３の受光面２３ｂは、半導体レーザ１６の光反射面１６ｂと光学的に結合されている。第２の光検出器２３は、受光面２３ｂにおいて受光した光の一部を出射面２３ｃから出射する機能を有するフォトダイオードである。第１の光検出器２５の受光面２５ｂは、第２の光検出器２３の出射面２３ｂと光学的に結合されている。エタロン１８は、これら第２の光検出器２３と第１の光検出器２５との間に配置され、エタロン１８の光入射面１８ａは第２の光検出器２３の出射面２３ｂと光学的に結合されていると共に、エタロン１８の光出射面１８ｂは第１の光検出器２５の受光面２５ｂと光学的に結合されている。半導体レーザ１６から第２の光検出器２３に至る光路上にはコリメートレンズ２１が配置されている。
【００６４】
次に、本実施形態に係る半導体レーザモジュール１ｂにおける光の流れを説明する。図１１は、半導体レーザモジュール１ｂにおける光の流れを示した模式図である。図１１に示すように、所定の軸４６に沿って、光ファイバ１４、半導体レーザ１６、コリメートレンズ２１、、第２の光検出器２３、エタロン１８、第１の光検出器２５が順に配置されている。半導体レーザ１６の光出射面１６ａから取り出された光Ａは、光ファイバ１４に到達する。
【００６５】
一方、半導体レーザ１６の光反射面１６ｂから取り出された光Ｄは、コリメート用レンズ２１を通過することによってコリメートされて光Ｈとなる。コリメート光Ｈは、受光面２３ｂを通して第２の光検出器２３に入射する。その一部は、光検出器２３によって電気信号に変換されると共に、残りの光Ｉが出射面２３ｃから放出される。光Ｉは、エタロン１８の光入射面１８ａに入力され、光透過面１８ｂからは光Ｊが放出される。エタロン１８の光透過面１８ｂから放出された光Ｊは、受光面２５ｂを介して第１の光検出器２５に入力され、光検出器２５において電気信号に変換される。
【００６６】
ここで、第１および第２の光検出器２５、２３により受光される光の波長特性は、第１の実施形態に係る半導体レーザモジュール１ａと同様に、図４に示すようになる。半導体レーザ１６から第２の光検出器２３に至る光路上にはエタロンが配置されていないので、第２の光検出器２３において受光された光を光電変換して得られた電流値ＩPD2は波長依存性を有していない。これに対して、第２の光検出器２３を介して第１の光検出器２５に至る光路上にはエタロン１８が配置されているため、第１の光検出器２５において受光された光を光電変換して得られた電流値ＩPD1はエタロン１８の分光特性が反映されている。
【００６７】
本実施形態に係る半導体レーザモジュール１ｂにおいても、これに限定されるものではないが、例えば図４に示すように、ＩPD1とＩPD2との差ΔＩが一定となる波長λr1、λr2、・・・・でレーザ発振される光の波長をロックするように制御できる。すなわち、図５に示すように、ＩPD2とαＩPD1（αは定数）との差信号ＩPD2−αＩPD1を示すグラフが横軸と交差する波長λr1、λr2、・・・・でレーザ発振される光の波長をロックするように制御できる。
【００６８】
ここで、第１の光検出器２５により受光される光の波長特性は、エタロン１８の屈折率およびエネルギー反射率といった特性、並びに光が透過する部分におけるエタロン厚により変化する。従って、エタロン１８を任意の傾斜角で配置したとき、波長特性を示す波形の山や谷の頂上にロック波長が存在する場合がある。しかし、この場合には、波長をロックするためのフィードバック制御が不安定になってしまう。そこで、図１２(ａ)に示すように、平行型エタロン１８では、Ｙ軸（Ｘ軸及びＺ軸と直交している）を中心として傾斜角θ0だけにエタロン１８を回転する。エタロン１８を回転すると、光が透過する部分におけるエタロンの厚みが変化する。また、図１２(ｂ)に示すように、くさび型エタロン１８では、搭載部材２８のＸ方向に沿ってエタロン１８を移動させ、光が透過する部分におけるエタロンの厚みを変化させる。そして、第１の光検出器２５により受光される光の波長特性を示す波形の中腹程度にロック波長が来るように波長特性を調整する。
【００６９】
このように、本実施形態に係る半導体レーザモジュール１ｂでは、第２の光検出器２３から第１の光検出器２５に至る光路上にのみエタロン１８を配置した。故に、エタロン１８の傾斜角を調整することによって光が透過する部分におけるエタロン１８の光学的厚さを変化させても、第２の光検出器２３により受光される光の波長特性は変化しない。このため、第２の光検出器２３により受光される光の波長特性とは独立して、第１の光検出器２５により受光される光の波長特性を変更できる。その結果、半導体レーザ１６から発せられる光の波長をロックするためのロック波長を所望の波長に容易に設定可能となる。
【００７０】
また、エタロンの小型化を図ることが可能となり、製造コストの低減を図ることが可能となる。
【００７１】
本実施形態に係る半導体レーザモジュール１ｂにおいても、第１および第２の光検出器２５、２３は、半導体レーザ１６の光反射面１６ｂから出射される背面光を受光する。すなわち、第２の光検出器２３ではコリメートレンズ２１を介して半導体レーザ１６の光反射面１６ｂから出射される背面光を直接受光し、第１の光検出器２５ではエタロン１８を介して背面光を受光する。
【００７２】
このようにして、半導体レーザ１６の波長スペクトルうち、所定の立体角中に放射される光の波長成分と、この光からエタロン１８によって選択された光の波長成分という２つの波長領域の光信号を得る。これらの光信号の強度差情報に基づいて、半導体レーザ１６のロック波長を設定できる。このために、半導体レーザの温度を調整する。これによって、レーザ発振波長を所望の値に調整できる。また、これらの光信号に基づいて、半導体レーザ１６の駆動電流を調整すれば、レーザ発振パワーを所望の値に調整できる。
【００７３】
以上の説明では、図面を参照しながら、本発明に係わる実施の形態を説明していたが、本発明の発光モジュールは実施の形態にのみに限定されるべきではない。例えば、エタロンに入射される光が、略平行な場合を主に説明してきたが、本発明の発光デバイスは発散的な光、収束的な光のいずれにも同様に適用することができる。
【００７４】
【発明の効果】
以上、説明してきたように、本発明に係る発光モジュールでは、第１の光検出器はファブリペロ型光共振器を介して半導体レーザからの光を受けると共に、第２の光検出器は半導体レーザからの光を受ける。このため、光共振器の特性を変化させると、第１の光検出器が受ける光のみが変更され、第２の光検出器が受ける光は変化しない。この結果、第１の光検出器が受ける光の波長特性は、第２の光検出器が受ける光の波長特性とは独立して調整可能となる。
【００７５】
また、本発明に係る発光モジュールでは、エタロンが第１の光検出器と第２の光検出器との間に配置されている。エタロンの傾きを変えた場合、エタロンを介して第１の光検出器が受ける透過光の波長特性は変化する。しかしながら、第１の光検出器が受ける光の波長特性は変化しない。この結果、第１の光検出器が受ける光の波長特性は、第２の光検出器が受ける光の波長特性とは独立して調整可能となる。
【００７６】
したがって、所望の波長にロック波長を容易に調整できる発光モジュールが提供された。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、第１の実施形態に係る半導体レーザモジュールの斜視図であり、その内部の様子が明らかになるように一部破断図になっている。
【図２】図２は、第１の実施形態に係る半導体レーザモジュールの主要部を表し、図１のI−I線断面における断面図である。
【図３】図３(ａ)は、受光デバイスの断面図であり、図３(ｂ)は受光デバイス、レンズ、半導体レーザの光学的な結合を示す図面である。、
【図４】図４は、第１および第２の光検出器がそれぞれ受光する光の波長特性を示すグラフであり、横軸が波長を示し縦軸が電流値を示している。
【図５】図５は、第１および第２の光検出器がそれぞれ受光する光の波長特性を示すグラフであり、横軸が波長を示し縦軸が電流値の差を示している。
【図６】図６(ａ)は、半導体レーザから出射された光の発振スペクトルを示すグラフであり、所望の中心波長λ0で発振している状態を示している。図６(ｂ)は半導体レーザから出射された光の発振スペクトルを示すグラフであり、所望の中心波長λ0より短波長側で発振している状態を示している。図６(ｃ)は、半導体レーザから出射された光の発振スペクトルを示すグラフであり、所望の中心波長λ0より長波長側で発振している状態を示している。
【図７】図７は、波長調整のためのアルゴリズムを実現できる回路を例示的に示す回路図である。
【図８】図８は、第２の実施形態に係る半導体レーザモジュールのための別の受光デバイスの断面図である。
【図９】図９は、第３の実施形態に係る半導体レーザモジュールの斜視図であり、その内部の様子が明らかになるように一部破断図になっている。
【図１０】図１０は、第３の実施形態に係る半導体レーザモジュールの主要部を表し、図９のII−II 線断面における断面図である。の光の流れを示す模式図である。
【図１１】図１１は、第３の実施形態に係る半導体レーザモジュールの光の流れを示す模式図である。
【図１２】図１２(ａ)および図１２(ｂ)は、エタロン並びに第１および第２の光検出器の組合せにおいてエタロンの移動を示した図面である。
【符号の説明】
１ａ、１ｂ…半導体レーザモジュール、１４…光ファイバ、１６…半導体レーザ、１６ａ…光出射面、１６ｂ…光反射面、１７、１９…半導体受光素子、１７ａ、１９ａ、２５…第１の光検出器、１７ｂ、１９ｂ、２３…第２の光検出器、１８…エタロン、１８ａ…光入射面、１８ｂ…光透過面、２１…コリメートレンズ、２２…信号処理素子部、３４…熱電子冷却器。
【図１】
0004626042.tif 000002
【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】
0004626042.tif 000009
【図９】
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【図１０】
0004626042.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
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