(57)【要約】【課題】  マルチモード光ファイバを用いた通信形態に好適な光モジュール及び光伝送装置を提供する。【解決手段】  所与の２つの偏光軸に優先配向した偏光がマルチモード発振して出射される面発光型半導体レーザー１０と、所定の偏光に対して選択的に透過機能、反射機能、屈折機能及び回折機能のうち少なくとも一つの機能を発揮する光学部材３０と、を含み、光学部材３０は、主面３０ａが面発光型半導体レーザー１０の出射光の進行方向と交差するように配置され、かつ偏光面３０ａの偏光軸が面発光型半導体レーザー１０の出射光の偏光軸と重ならないように配置される光モジュールである。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所与の２つの偏光軸に優先配向した偏光がマルチモード発振して出射される面発光型半導体レーザーと、
所定の偏光に対して選択的に透過機能、反射機能、屈折機能及び回折機能のうち少なくとも一つの機能を発揮する光学部材と、
を含み、
前記光学部材は、主面が前記面発光型半導体レーザーの出射光の進行方向と交差するように配置され、
前記面発光型半導体レーザーは、出射光の前記２つの偏光軸が前記光学部材の偏光軸と重ならないように配置される、光モジュール。
【請求項２】
請求項１において、
前記面発光型半導体レーザーの出射光の少なくとも一部を受光するための受光素子を含み、
前記光学部材は、前記主面において出射光の少なくとも一部を反射、屈折、又は回折することにより、前記面発光型半導体レーザーの出射光の反射光、屈折光、又は回折光を前記受光素子に導く、光モジュール。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記面発光型半導体レーザーは、前記光学部材の偏光軸に対する出射光の前記２つの偏光軸の角度がそれぞれ等しくなるように配置される、光モジュール。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて、
前記面発光型半導体レーザーは、半導体基板の劈開面方向に沿った２つの軸に優先配向した偏光を出射する、光モジュール。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかにおいて、
前記面発光型半導体レーザーは、少なくとも一部の平面形状が円形あるいは正方形である共振器構造を含む、光モジュール。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載された光モジュールを含む、光伝送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、垂直共振器型面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）を有する光モジュール及び光伝送装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信システムにおいて、ＬＡＮ（ローカルエリアネットワーク）やＳＡＮ（ストレージエリアネットワーク）と呼ばれる数１００ｍ程度までの短距離データ伝送には、シングルモード光ファイバに比べてコア径が大きく光源との光結合が容易なマルチモード光ファイバが多用されている。
【０００３】
マルチモード光ファイバを用いて通信を行う場合、モード選択損失と呼ばれるＳ／Ｎ比の劣化が問題となる。モード選択損失を改善するためには、出射光の干渉性が低い光源の使用が有効なことが知られている。例えば、特開平７−１７０２３１号公報では、光源としてマルチモード発振のＶＣＳＥＬ（垂直共振器型面発光レーザー）を用いることにより、１．５Ｇｂｐｓ以上の高速データ伝送において数１００ｍの伝送距離を確保している。
【特許文献１】特開平７−１７０２３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、マルチモード発振のＶＣＳＥＬでは、発振モード毎に偏波方向が異なる場合があり、また伝送路中に偏光選択性を有する光学素子が介在すると、ＶＣＳＥＬからの出射光のモード競合により光学素子の透過（あるいは反射）光量の変動が生じ、Ｓ／Ｎ比の低下を招くおそれがある。このため、マルチモード光ファイバを用いる多種多様な通信形態においてノイズ耐性の良好な信号光を得ることができる光源の開発が望まれている。
【０００５】
本発明の目的は、マルチモード光ファイバを用いた通信形態に好適な光モジュール及び光伝送装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）本発明は、所与の２つの偏光軸に優先配向した偏光がマルチモード発振して出射される面発光型半導体レーザーと、所定の偏光に対して選択的に透過機能、反射機能、屈折機能及び回折機能のうち少なくとも一つの機能を発揮する光学部材と、を含み、前記光学部材は、主面が前記面発光型半導体レーザーの出射光の進行方向と交差するように配置され、前記面発光型半導体レーザーは、出射光の前記２つの偏光軸が前記光学部材の偏光軸と重ならないように配置される光モジュールに関係する。
【０００７】
本発明において、偏光軸が優先配向するというのは、他の偏光軸に比べて出力光量が大きい偏光軸が存在することをいう。また、マルチモード発振というのは、出射光の横モードが基本（０次）モードのみならず、一次モード以上の高次モードを含むように発振することをいう。
【０００８】
本発明によれば、面発光型半導体レーザーがマルチモード発振しているため、その出射光は干渉性が低く、マルチモードファイバを用いても、モード選択損失によるＳ／Ｎ比の劣化が少ない。また、面発光型半導体レーザーの出射光の偏波方向について優先配向した２つの偏光軸が光学部材の偏光軸と重ならないように配置されるため、モード競合が発生した場合であっても、光学部材を経由した（透過、反射、屈折、あるいは回折の作用を受けた）光の光量変動が少ない。このため、本発明によれば、マルチモードファイバを用いた通信形態に好適な低ノイズの光源を実現することができる。
【０００９】
（２）本発明の光モジュールでは、前記面発光型半導体レーザーの出射光の少なくとも一部を受光するための受光素子を含み、前記光学部材は、前記主面において出射光の少なくとも一部を反射、屈折、又は回折することにより、前記面発光型半導体レーザーの出射光の反射光、屈折光、又は回折光を前記受光素子に導くことができる。このようにすれば、光モジュールの出力光量と受光素子でのモニタ光量とを安定化させることができる。
【００１０】
（３）本発明の光モジュールにおいて、前記面発光型半導体レーザーは、前記光学部材の偏光軸に対する出射光の前記２つの偏光軸の角度がそれぞれ等しくなるように配置されることができる。このようにすれば、優先配向した２つの偏光軸の中間に位置する軸方向の偏光はモード競合による光量変動が少ないため、大幅に低ノイズ化された光源を実現することができる。
【００１１】
（４）本発明の光モジュールにおいて、前記面発光型半導体レーザーは、半導体基板の劈開面方向に沿った２つの軸に優先配向した偏光を出射することができる。このようにすれば、半導体基板の結晶方位に依存する２つの優先偏光軸を有する面発光型半導体レーザーを備えた光源が実現される。
【００１２】
（５）本発明の光モジュールにおいて、前記面発光型半導体レーザーは、少なくとも一部の平面形状が円形あるいは正方形である共振器構造を含むことができる。例えば、共振器を構成する１対のミラーのうち、一方のミラーを円形あるいは正方形とすることができる。このようにすれば、共振器の平面形状が等方的であるため、出射光の偏光軸が半導体基板の結晶方位に依存する面発光型半導体レーザーを有する光源が実現される。
【００１３】
（６）上記光モジュールは、例えば、ＬＡＮやＳＡＮなどに用いられる光伝送装置に適用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明に好適な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１５】
１．第１の光モジュール
図１は、本発明の実施の形態に係る第１の光モジュールを模式的に示す図である。
【００１６】
本実施形態の光モジュールは、金属製のステム５の上にセラミックス製で上面（搭載面）に金属膜が形成されている（ステム５との絶縁を確保するための）ＶＣＳＥＬ用サブマウント（広義には、単にサブマウント）１０ａを介して、これと電気的に接続された垂直共振器型面発光型半導体レーザー（広義には、発光素子：以下、略してＶＣＳＥＬという）１０が配置されている。また、ステム５の上には、ＶＣＳＥＬ１０の出射光量をモニタリング（監視）するためのモニタＰＤ（広義には、受光素子）２０が配置されている。
【００１７】
また、本実施形態の光モジュールは、外部との電気信号の送受信を相互に行うためのリードピン１〜３を有し、これらを用いて、ＶＣＳＥＬ１０、ＶＣＳＥＬ用サブマウント１０ａ、およびモニタＰＤ２０がワイヤボンディングにより電気的に接続されている。
【００１８】
ＶＣＳＥＬ１０は、所与の２つの偏光軸（広義には、第１及び第２の偏光軸）において直線偏光が得られるものが採用され得る。具体的には、ＶＣＳＥＬ１０は、図２に示すように、（１００）結晶面のｎ型ＧａＡｓ基板１００上にＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系の化合物半導体材料で形成された下部ミラー（多層反射膜）層１０２、活性層１０４、および上部ミラー（多層反射膜）層１０６が積層された共振器構造を有する。なお、図２中の符号１０８は、酸化膜からなる絶縁層である。また、図２中の符号１１２、１１４は、それぞれｐ型電極、ｎ型電極である。さらに、ＶＣＳＥＬ１０は、上部ミラー層１０６中の一部を酸化することにより形成される電流狭窄層１０６ａを有する。ＶＣＳＥＬ１０では、この電流狭窄層１０６ａの径φにより活性層１０４への注入電流密度をコントロールして、活性領域（発光領域）１０４ａの直径をマルチモード発振に適した径（例えば、８μｍ以上）としている。なお、電流狭窄層１０６ａを設ける代わりに、活性層１０４の径をマルチモード発振が生じる径に加工しておいてもよい。また、ＶＣＳＥＬ１０において、活性層１０４および上部ミラー層１０６は、異方性エッチングにより円形に整形されており、円形共振器構造となっている。このような等方性形状を有する共振器では、基板の結晶方位に出射光の偏光特性が依存（優先配向）する。具体的には、（１００）結晶面を用いた場合、［０１１］、［０−１１］の直交した２軸方向に強い（光量の大きな）直線偏波が得られる偏光優位軸（広義には、偏光軸）を有することになる。すなわち、基板の劈開面方向（広義には、特定の２つの結晶方位）に出射光の偏光軸が優先配向するといえる。さらに、共振器の上に形成されるｐ型電極１１２についても、出射口が等方性を有するように形成すれば、共振器に注入される電流密度が均一に分布するため、ＶＣＳＥＬ１０の偏光優位軸の基板劈開面方向への依存性が強くなる。なお、偏光優位軸は、必ずしも直交していなくてもよい。
【００１９】
また、ＶＣＳＥＬの共振器構造は、円形に限られず、例えば、図３に示すような、平面形状が正方形（広義には、角型）の共振器構造であってもよい。このようにすれば、共振器の側壁に沿った２方向に等方性を有するので円形共振器構造よりも、強い偏光軸の劈開方向依存性が発揮されると考えられる。なお、この場合には、ｐ型電極１１２を正方形の出射口を有するように形成しておけば、注入電流の密度分布の面からも偏光軸の優先配向制御が可能となる。
【００２０】
ここで、本願発明者らは、ＶＣＳＥＬ１０の出射光について、偏光フィルタを用いて偏光角度の依存性を測定した。図４は、ノイズ特性としてギガビット・イーサーネット（ＧｂＥ）の使用帯域である９３７．５ＭＨｚで測定した場合のＶＣＳＥＬ１０の出射光の相対強度雑音（ＲＩＮ）を示したものである。測定は、ｎ型ＧａＡｓ基板１００の劈開面方向の一方向を基準（０度）とした。図４によれば、劈開面方向でノイズが大きく、２つの劈開面方向［０１１］と［０−１１］の中間の角度において、ノイズが大幅に減少していることが確認される。すなわち、ＶＣＳＥＬ１０の出射光は、劈開面方向に優先配向した２つの偏光優位軸を有することが分かる。
【００２１】
また、モニタＰＤ２０は、Ｓｉ、Ｇｅなどの半導体や化合物半導体（ＧａＡｓ系、ＩｎＰ系）を用いたＰＮフォトダイオード、ＰＩＮフォトダイオードなど公知の受光素子を採用することができる。具体的には、ＶＣＳＥＬ１０の発振波長に適合した受光波長帯を有するものを用いることになる。
【００２２】
また、本実施形態の光モジュールでは、ステム５と接合された（あるいは一体化された）金属製の容器７の内部に、上述したＶＣＳＥＬ１０、ＶＣＳＥＬ用サブマウント１０ａ、モニタＰＤ２０が封入されている。容器７は、ＶＣＳＥＬ１０及びモニタＰＤ２０の上方にＶＣＳＥＬ１０の出射光の出射窓として偏光選択性を有する反射ミラー（広義には、光学部材）３０がＶＣＳＥＬ１０の出射光Ｐ１の進行方向と交差するように配置されている。反射ミラー３０は、ガラス板の一方の面（広義には、主面）に金属膜（単層でも多層であってもよい）あるいは誘電体膜（単層でも多層であってもよい）による反射膜が形成された反射面３０ａを有する。この反射面３０ａではｐ偏光がｓ偏光よりも透過率が高くなっており、所定の偏光透過軸（広義には、第３の偏光軸）を有する。反射面３０ａでの光の透過率は、反射膜の厚さや材料などにより決定され、反射膜を多層化した場合にはその層数にも依存するものである。そして、反射ミラー３０は、ＶＣＳＥＬ１０の出射光Ｐ１の一部を透過して外部に出力光Ｐ２を出力するとともに、その余の光を反射してモニタ光Ｐ３をモニタＰＤへ導く（入射する）。
【００２３】
次に、ＶＣＳＥＬ１０と反射ミラー３０との配置関係について説明する。
【００２４】
本実施形態では、ＶＣＳＥＬ１０の出射光が有する２つの偏光優位軸と反射ミラー３０の偏光透過軸との配置関係により光モジュールの低ノイズ化を図っている。具体的には、ＶＣＳＥＬ１０の基板劈開面方向（［０１１］、［０−１１］）に沿った２つの偏光優位軸のそれぞれが反射ミラー３０の偏光透過軸に重ならないように両者を配置している。これにより、図４に示す比較的に低ノイズの直線偏光を確実に反射ミラー３０から取り出すことができる。また、モード競合による出力光量、モニタ光量の変動耐性を考量すると、図５（Ａ）に示すように、ＶＣＳＥＬ１０の有する２つの偏光優位軸のそれぞれが反射ミラー３０の偏光透過軸に対して有する角度θ１、θ２が等しく（例えば、４５度）なるように（半導体基板の直交する劈開面方向間の中間位置となるように）配置することが望ましい。一方、図５（Ｂ）に示すように、ＶＣＳＥＬ１０の有する２つの偏光優位軸の一方の軸を反射ミラー３０の偏光透過軸に一致するように配置すると、モード競合が生じた場合に、光モジュールの出力光量、モニタＰＤ２０のモニタ光量が大きく変動してしまうことは図４より明らかである。
【００２５】
以上に述べたように、本実施の形態の光モジュールによれば、ＶＣＳＥＬ１０がマルチモード発振しているため、その出射光は干渉性が低く、マルチモードファイバを用いても、モード選択損失によるＳ／Ｎ比の劣化が少ない。また、ＶＣＳＥＬ１０の出射光の２つの偏光優位軸が反射ミラー３０の偏光面３０ａの偏光透過軸と重ならないように配置されるため、モード競合が発生した場合であっても、反射ミラー３０を透過する光量、および反射ミラー３０で反射される光量の変動が少ない。このため、本実施形態の光モジュールによれば、マルチモードファイバを用いた通信形態に好適な低ノイズの光源を実現することができる。また、本実施形態によれば、反射ミラー３０での透過光量や反射光量がモード競合が生じた場合でも変動しにくいため、光モジュールの出力光Ｐ２の光量とモニタＰＤ２０でのモニタ光Ｐ３の光量とを安定化させることができる。
【００２６】
特に、ＶＣＳＥＬ１０の有する２つの偏光優位軸のそれぞれが反射ミラー３０の偏光透過軸に対して有する角度θ１、θ２が等しくなるように、ＶＣＳＥＬ１０を反射ミラー３０に対して配置すれば、２つの偏光優位軸の中間に位置する軸方向の偏光はモード競合による光量変動が少ないため、大幅に低ノイズ化された光源を実現することができる。
【００２７】
なお、第１の光モジュールの変形例として、図６に示すように、反射ミラー３０を用いる代わりに回折格子（広義には、光学部材）３２を用いてもよい。回折格子３２を用いた場合においても、回折格子３２の一方の面（広義には、主面）３２ａがＶＣＳＥＬ１０の出射光Ｐ１と交差するようにＶＣＳＥＬ１０の上方に配置される。またこの場合、モニタＰＤ２０へは、１次回折光（広義には、低次の回折光）が導かれるように、回折格子３２とモニタＰＤ２０との配置を決定する。回折格子３２も格子の方向に沿った偏光選択性を有するので、この変形例に係る光モジュールにおいても、図１に示した光モジュールと同様に、マルチモードファイバを用いた通信形態に適した低ノイズの直線偏光を出力光Ｐ２として得ることができ、また、出力光Ｐ２およびモニタ光Ｐ３のモード競合に対する光量変動耐性を向上させることができる。また、本実施形態では、透過、反射、あるいは回折を利用したものの他に、光の屈折を利用してモニタＰＤ２０に光を導くような構成を採用してもよい。
【００２８】
２．第２の光モジュール
図７は、本発明の第２の実施形態に係る第２の光モジュールを模式的に示す図である。
【００２９】
この光モジュールは、ＶＣＳＥＬ１０と、光導波路型の光ガイド素子（広義には、光学部材）４０とから構成される。ＶＣＳＥＬ１０は、上述の第１の光モジュールと同様に、例えば図２、図３で示される構成を採用することができるため詳細な説明は省略する。
【００３０】
光ガイド素子４０は、コア４４と、コア４４に比べて屈折率の低い材料からなるクラッド４２とからなる光導波路構造を有する。この光モジュールの使用時においては、光ガイド素子４０の先端にマルチモードファイバが接続されることになる。さらに、光ガイド素子４０は、ＶＣＳＥＬ１０の出射光Ｐ１の進行方向と交差するように配置され、ｓ偏光の反射率が高くなっている偏光反射軸（広義には、偏光軸）を持つ反射面（広義には、主面）４４ａを有する。すなわち、第２の光モジュールでは、ＶＣＳＥＬ１０の出射光Ｐ１が反射面４４ａで反射されて反射光Ｐ２がコア４４に導かれる。また、クラッド４２の表面には、ｐ型電極用の電極部４６ｐ、ｎ型電極用の電極部４６ｎが設けられ、例えばＶＣＳＥＬ１０がフェースダウン状態でバンプ５０によりフリップチップ実装される。すなわち、この光モジュールは、電極部４６ｐ、４６ｎより外部からの入力電気信号を受けて動作する。なお、コア４４とクラッド４２とは、例えば、薄膜光導波路、石英系光ファイバ、プラスチック系光ファイバなどの材料として用いられる公知の材料から選択したものを用いて形成することができる。薄膜光導波路に用いられるものとしては、酸化シリコン（ＳｉＯ２）やニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）などが例示できる。また、石英系光ファイバに用いられるものとしては、前記酸化シリコンを代表とする酸化物系ガラス、重金属フッ化物ガラス（ＺｒＦ４−ＢａＦ２系）、カルコゲン化物ガラス（Ａｓ−Ｓ系、Ａｓ−Ｇｅ−Ｓｅ系、Ｇｅ−Ｓ系）などが例示できる。また、プラスチック系光ファイバに用いられるものとしては、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ジアリルフタレート、フェニルメタクリレート、フッ素系ポリマーなどが例示できる。
【００３１】
また、本実施形態の光モジュールにおいても、図７に示すように、ＶＣＳＥＬ１０の劈開面方向（［０１１］、［０−１１］）に沿った２つの偏光優位軸が光ガイド素子４０の反射面４４ａの偏光反射軸と重ならないように配置される。これにより、光導波路を構成するコア４４の内部を通過していく光Ｐ２は、低ノイズで、モード競合による光量変動の少ない直線偏光となる。
【００３２】
従って、第２の光モジュールにおいても、マルチモードファイバを用いた通信形態に適した低ノイズの直線偏光を出力光として得ることができ、また、出力光のモード競合ニ対する光量変動耐性を向上させることができる。
【００３３】
３．光伝送装置
図８は、本実施の形態の光モジュールを適用した光伝送装置を示す図である。
【００３４】
光伝送装置９０は、コンピュータ、ディスプレイ、記憶装置、プリンタ等の電子機器９２を相互に接続するものである。電子機器９２は、情報通信機器であってもよい。光伝送装置９０は、ケーブル９４の両端にプラグ９６が設けられたものであってもよい。ケーブル９４は、具体的には、マルチモード光ファイバである。プラグ９６は、光送信用の光源として本実施の形態の光モジュールを含んで構成される。この光伝送装置によれば、光信号によって、電子機器間のデータ伝送を行うことができる。
【００３５】
なお、本実施の形態の光伝送装置により相互接続される電子機器は、液晶表示モニタ、ディジタル対応のＣＲＴ（金融、通信販売、医療、教育の分野で使用されることがある。）、液晶プロジェクタ、プラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）。ディジタルＴＶ、小売店のレジ（ＰＯＳ用）、ビデオ、チューナー、ゲーム装置などであってもよい。
【００３６】
以上に、本発明に好適な実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨の範囲内で種々の変形態様により実施することができる。例えば、ＶＣＳＥＬ１０の各層を構成する材料は、ＧａＡｓ系のものに限られず、ＩｎＰ系、ＧａＮ系の化合物半導体であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本実施形態の第１の光モジュールを示す図。
【図２】本実施形態の光モジュールに適した面発光型半導体レーザーを示す図。
【図３】本実施形態の光モジュールに適した面発光型半導体レーザーを示す図。
【図４】面発光型半導体レーザーの出射光の偏光依存性を示す図。
【図５】本実施形態の面発光型半導体レーザーと反射ミラーとの配置関係を説明するための図。
【図６】本実施形態の第１の光モジュールの変形例を示す図。
【図７】本実施形態の第２の光モジュールを示す図。
【図８】本実施形態の光伝送装置を示す図。
【符号の説明】
【００３８】
１０  面発光型半導体レーザー、２０  モニタＰＤ（受光素子）、３０  反射ミラー（光学部材）、３０ａ  反射面（主面）、３２  回折格子（光学部材）
【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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