半導体レーザモジュール
【課題】モード競合雑音を抑制できる半導体レーザモジュールを提供する。
【解決手段】主モード１８１と高次モード１８２を有する横マルチモード半導体レーザ１００と、レンズと、を備える半導体レーザモジュールであって、高次モードの光１８２が仮想的な点光源からの光であるとした場合に、高次モードの光のニアフィールドパターンおよびファーフィールドパターンから得られる仮想的な点光源の位置１８０を高次モードの光の発光位置であるとして、半導体レーザとレンズとの距離を設定する。
【解決手段】主モード１８１と高次モード１８２を有する横マルチモード半導体レーザ１００と、レンズと、を備える半導体レーザモジュールであって、高次モードの光１８２が仮想的な点光源からの光であるとした場合に、高次モードの光のニアフィールドパターンおよびファーフィールドパターンから得られる仮想的な点光源の位置１８０を高次モードの光の発光位置であるとして、半導体レーザとレンズとの距離を設定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザモジュールに関し、特に、垂直共振器型の面発光型半導体レーザ素子（ＶＣＳＥＬ: Vertical Cavity Surface Emitting LASER）と光ファイバとを結合させる半導体レーザモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＶＣＳＥＬの縦モードはシングルモードであるが、横モードは、シングルモードのものと、マルチモードものがある。この横マルチモードのＶＣＳＥＬを光ファイバと結合させる従来の半導体レーザモジュールでは、主モードの結合が一番強くなるようにしていた。すなわち、半導体レーザモジュールは、ＶＣＳＥＬの出射光を受けるためのレンズを内蔵しているが、主モードの結合が一番強くなるようにこのレンズの光学設計を行っていた。
【０００３】
図５は、このような従来の半導体レーザモジュールのアイ（Ｅｙｅ）波形を示す図である。このように、従来の半導体レーザモジュールでは、大きいジッタ５００が発生していた。これは、従来の半導体レーザモジュールでは、主モードの結合が一番強くなるように設計したレンズを使用していたので、主モードに対して高次モードの結合が悪くなっており、その結果、モード間遷移が起こりにくくなってモード競合雑音が発生し、ジッタが増えるからであると考えられる。
【０００４】
なお、このように高次モードの結合が悪くなるとジッタが増えることは、下記非特許文献１に記載されているように既に知られた事項である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL. 19, NO. 6, JUNE 2001
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の主な目的は、モード競合雑音を抑制できる半導体レーザモジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、
主モードと高次モードを有する横マルチモード半導体レーザと、レンズと、を備える半導体レーザモジュールであって、
前記高次モードの光が仮想的な点光源からの光であるとした場合に、前記高次モードの光のニアフィールドパターンおよびファーフィールドパターンから得られる仮想的な点光源の位置を高次モードの光の発光位置であるとして、前記半導体レーザと前記レンズとの距離を設定した半導体レーザモジュールが提供される。
【０００８】
好ましくは、前記半導体レーザのレーザ光の発光面から前記高次モードの光が出射しているとして前記半導体レーザと前記レンズとを結合させた場合よりも、前記半導体レーザの前記発光面の位置と前記仮想的な点光源の位置との間の距離だけ、前記レンズの焦点距離を短くすると共に前記半導体レーザと前記レンズとの間の距離を近づける。
【０００９】
また、好ましくは、前記仮想的な点光源の位置を前記レンズの前記半導体レーザ側の焦点位置とする。
【００１０】
また、好ましくは、前記高次モードの光のニアフィールドパターンの径を“ａ”とし、前記高次モードの光のファーフィールドパターンを形成する前記高次モードの光の拡がり角度を“θ”としたときに、ｄ＝ａ／ｔａｎθで定義される距離ｄ程度だけ、前記半導体レーザのレーザ光の発光面から前記半導体レーザの内側の位置を前記仮想的な点光源の位置とする。
【００１１】
好ましくは、前記半導体レーザのレーザ光の発光面は、レーザ光出射側の反射鏡の表面である。
【００１２】
好ましくは、前記高次モードが複数の高次モードからなる場合には、それぞれのモードの光の前記レンズとの結合効率が前記複数の高次モード間で均一となるように、前記半導体レーザのレーザ光の発光面から前記高次モードの光が出射しているとして前記半導体レーザと前記レンズとを結合させた場合よりも、前記半導体レーザと前記レンズとの間の距離を近づける。
【００１３】
また、好ましくは、前記高次モードが複数の高次モードからなる場合には、前記レンズが、前記複数の高次モードの光が、各高次モード毎の仮想的な点光源からの光であるとした場合に、前記各高次モードの光のニアフィールドパターンおよびファーフィールドパターンからそれぞれ得られる仮想的な点光源の位置を、各高次モードの光の発光位置であるとし、前記各高次モードの仮想的な点光源の位置をそれぞれ基点として、前記複数の高次モードの焦点がそれぞれ合うような光学系のレンズである。
【００１４】
この場合に、好ましくは、前記レンズは、中心付近では焦点距離を短く、周縁部は焦点距離が長く、前記複数の高次モードの焦点がそれぞれ合うような光学系のレンズである。
【００１５】
さらに好ましくは、前記レンズは、中心付近では焦点距離を短く、周縁部は焦点距離が長く、前記主モードおよび前記複数の高次モードの焦点がそれぞれ合うような光学系のレンズである。
【００１６】
前記複数の高次モードは、好ましくは、ＬＰ１１，ＬＰ１２，ＬＰ２１，ＬＰ０２，ＬＰ３１である。
【００１７】
前記半導体レーザは好ましくは、ＶＣＳＥＬである。
【００１８】
また、好ましくは、上記ＶＣＳＥＬの変調速度は、少なくとも１０Ｇｂｐｓ以上である。
【００１９】
また、本発明によれば、主モードと複数の高次モードを有する横マルチモード半導体レーザと、レンズと、を備える半導体レーザモジュールであって、複数の高次モードのそれぞれのモードの光の前記レンズとの結合効率が前記複数の高次モード間で均一となるように、前記半導体レーザのレーザ光の発光面から前記高次モードの光が出射しているとして前記半導体レーザと前記レンズとを結合させた場合よりも、前記半導体レーザと前記レンズとの間の距離を近づけた半導体レーザモジュールが提供される。
【００２０】
また、本発明によれば、上記半導体レーザモジュールを用いた光通信システムが提供される。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、モード競合雑音を抑制できる半導体レーザモジュールが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の好ましい実施の形態の半導体レーザモジュールを説明するための概略縦断面図である。
【図２】本発明の好ましい実施の形態の半導体レーザモジュールに使用される半導体レーザの一例を説明するための概略縦断面図である。
【図３】本発明の好ましい実施の形態の半導体レーザモジュールを説明するための概略斜視図である。
【図４】本発明の好ましい実施の形態の半導体レーザモジュールに使用される半導体レーザの他の例を説明するための概略縦断面図である。
【図５】横マルチモード面発光型半導体レーザ素子を光ファイバに、半導体レーザモジュールを用いて結合させる際に生じる問題点を説明するためのアイ波形である。
【図６】横マルチモード面発光型半導体レーザ素子と光ファイバとの距離を変化させた際の、光ファイバに結合したレーザ光のスペクトルの変化を示す図である。
【図７】横マルチモード面発光型半導体レーザ素子と光ファイバとの距離を変化させた際の、光ファイバに結合したレーザ光のスペクトルの変化を示す図である。
【図８】図６、図７に示す第３のピーク６３、７３の強度とランダムジッタとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下に、図面を参照して本発明の好ましい実施の形態に係る半導体レーザモジュールを詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。
【００２４】
まず、横マルチモード面発光型半導体レーザ素子と光ファイバとの距離と、光ファイバに結合したレーザ光のスペクトルとの関係、および光ファイバに結合したレーザ光の高次モードの強度とジッタとの関係について説明する。
【００２５】
図６、図７は、異なる２つの横マルチモード面発光型半導体レーザ素子と光ファイバとの距離ｚを変化させた際の、光ファイバに結合したレーザ光のスペクトルの変化を示す図である。図６、７において、横軸は光の波長（ｎｍ）であり、縦軸は、強度（ｄＢ）である。横マルチモード面発光型半導体レーザ素子と光ファイバとの距離Ｚの単位はμｍである。
【００２６】
第１のピーク６１、７１は主モード（ＬＰ０１）であり、距離ｚを変化させても、その強度は殆ど変化しない。主モードはビームの広がりが小さく中心において均等に分布しているので、距離ｚを変化させても、光ファイバに結合する強度は殆ど変化しないと考えられる。
【００２７】
第２のピーク６２、７２のモードは、一次モードＬＰ１１であり、横マルチモード面発光型半導体レーザ素子と光ファイバとの距離ｚが大きくなると、光ファイバに結合する強度は減少する。
【００２８】
第３のピーク６３、７３のモードは、ＬＰ０２，ＬＰ２１であり、この２つの高次モードが同じピーク位置にある。この第３のピーク６３、７３も横マルチモード面発光型半導体レーザ素子と光ファイバとの距離ｚが大きくなると、光ファイバに結合する強度は減少する。
【００２９】
横マルチモードの半導体レーザでは、これらの高次モード（ＬＰ１１，ＬＰ０２，ＬＰ３１，ＬＰ２１）は横方向にスプリットしていて、広がり角度も大きいので、横マルチモード面発光型半導体レーザ素子と光ファイバとの距離ｚが大きくなると、光ファイバへの結合率が悪くなるからである。
【００３０】
図８は、図６、図７に示す第３のピーク６３、７３の強度とランダムジッタとの関係を示す図である。横軸は主モードと第３のピーク６３、７３の強度比（ｄＢ）であり、縦軸は、ランダムジッタを表している。第３のピーク６３、７３の強度が低下すると、ランダムジッタが増加していることがわかる。
【００３１】
このように、横マルチモード面発光型半導体レーザ素子と光ファイバとの距離ｚを増加させると、高次モードの結合が劣化し、その結果ジッタが増加してしまうことがわかる。
【００３２】
本発明の好ましい実施の形態では、これらのことを考慮して、垂直共振器型の面発光型半導体レーザ素子（ＶＣＳＥＬ）と光ファイバとを結合させる半導体レーザモジュールを作成した。
【００３３】
図１を参照すれば、本発明の好ましい実施の形態の半導体レーザモジュール１０は、ＶＣＳＥＬ１００を搭載するレーザ搭載部材１４０と、ＶＣＳＥＬ１００からのレーザ光をファイバに結合する結合部材１６０とを備えている。結合部材１６０は、レンズ１６１、１６３と４５度ミラー１６２とを備えている。ＶＣＳＥＬ１００からのレーザ光１３０は、レンズ１６１に入射し、４５度ミラー１６２で紙面右側に反射され、レンズ１６３によってファイバ１７０に結合される。
【００３４】
図２には、本実施の形態の半導体レーザモジュール１０に使用されるＶＣＳＥＬ１００の一例の概略を示している。
【００３５】
このＶＣＳＥＬ１００は、基板１０１と、基板１０１上に設けられた半導体多層膜反射鏡層１０２と、半導体多層膜反射鏡層１０２上に設けられたｎ型クラッド層１０３と、ｎ型クラッド層１０３上に設けられた活性層１０４と、活性層１０４上に設けられ、中央に電流注入部１０６を有する電流狭窄層１０５と、電流狭窄層１０５上に設けられたｐ型クラッド層１０７と、ｐ型クラッド層１０７上に設けられたｐ側円環電極１０８と、ｐ側円環電極１０８上に設けられた誘電体多層膜反射鏡層１０９と、ｎ型クラッド層１０３に接続して設けられたｎ側電極１１０とを備えている。誘電体多層膜反射鏡層１０９の表面１２０からレーザ光が出射する。誘電体多層膜反射鏡層１０９の表面１２０が発光面１５０となる。
【００３６】
このＶＣＳＥＬ１００を使用した半導体レーザモジュールでは、ＶＣＳＥＬ１００が、図１に示すレーザ搭載部材１４０に搭載され、ＶＣＳＥＬ１００の発光面１５０から出射したレーザ光１３０は、レンズ１６１によって結合部材１６０と結合される。
【００３７】
図３を参照すれば、従来は、ＶＣＳＥＬ１００の発光面１５０を基準の発光基準面１７１として、この発光面１５０からレーザ光が出射するものとして、レンズ１６１を設計していた。このようにすれば、主モードの光１８１に関しては、一番強い結合が得られる。しかしながら、上述のように、主モードの光１８１に対して高次モードの光１８２結合が悪くなってしまう。そこで、本実施の形態では、高次モードの光１８２の結合が最適となるようにする。
【００３８】
高次モードの光１８２は横方向にスプリットしていて、広がり角度も大きい。そこで、高次モードの光１８２は仮想的な点光源からの光であるとした場合に、高次モードの光１８２のニアフィールドパターン（ＮＦＰ：Near Field Pattern）およびファーフィールドパターン（ＦＦＰ：Fear Field Pattern）から得られる仮想的な点光源の位置１８０を高次モードの光１８２の発光位置であるとして、この点を基点としてレンズ１６１との結合を最適化する。具体的には、仮想的な点光源の位置１８０に対してレンズ１６１の焦点距離を設計する。なお、この仮想的な点光源の位置１８０を含み、発光面１５０に平行な面を仮想的な発光基準面１７２とする。
【００３９】
ＶＣＳＥＬ１００の発光面１５０を基準の発光基準面１７１とし、この発光面１５０からレーザ光が出射するものとして、レンズ１６１を設計した場合のレンズ１６１の焦点距離よりも、ＶＣＳＥＬ１００の発光面１５０と仮想的な点光源の位置１８０との間の距離“ｄ”だけ、レンズ１６１の焦点距離を短くすると共に、距離“ｄ”だけ、ＶＣＳＥＬ１００とレンズ１６１との間の距離を近づけている。この場合に、仮想的な点光源の位置１８０がレンズ１６１のＶＣＳＥＬ１００側の焦点位置となる。
【００４０】
上記のようにして高次モードの光１８２を結合させても、主モードの光１８１は、広がりが小さく中心において均等に分布しているので、主モードの光１８１のレンズ１６１との結合効率は殆ど変化しない。
【００４１】
従って、高次モードの光１８２および主モードの光１８１の両方の結合が良くなって、モード競合雑音を抑制して、ジッタを抑制できる。
【００４２】
高次モードの光１８２のニアフィールドパターンの径を“ａ”とし、高次モードの光１８２のファーフィールドパターンを形成する高次モードの光１８２の拡がり角度を“θ”としたときに、ＶＣＳＥＬ１００の発光面１５０からレーザ光が出射するものとしていた場合よりも、ｄ＝ａ／ｔａｎθで定義される距離ｄ程度だけ、ＶＣＳＥＬ１００の発光面１５０からＶＣＳＥＬ１００の内側の位置を仮想的な点光源の位置１８０としている。そして、ＶＣＳＥＬ１００の発光面１５０からレーザ光が出射するものとしていた場合よりも、この距離“ｄ” 程度だけ、レンズ１６１の焦点距離を短く設計し、レンズ１６１とＶＣＳＥＬ１００との間の距離を、ＶＣＳＥＬ１００の発光面１５０からレーザ光が出射するものとしていた場合よりも、この距離“ｄ” 程度だけ近くする。
【００４３】
例えば、２次モードのニアフィールドパターンのうち最も光強度の高い点が発光中心に対して、直径７μｍの周円上に配置され、ファーフィールドパターンを形成する高次モードの光１８２の拡がり角度が１８度の場合、仮想された点光源位置１８０はＶＣＳＥＬ１００の発光面１５０よりも約５０μｍＶＣＳＥＬ１００の内側よりとなり、レンズ１６１のＶＣＳＥＬ１００側の焦点距離を５０μｍ短くし、レンズ１６１とＶＣＳＥＬ１００との距離を５０μｍ近づける設計となる。
【００４４】
高次モードの光１８２が、複数のモードの光からなる場合には、それぞれのモードの光の結合効率を、複数のモード間でできる限り等しくすることが好ましい。そのためには、それぞれのモードの光の結合効率のばらつきが最小となるように距離ｄを決定することが好ましい。なお、ここで、結合効率とは、発光面１５０から出射した各モードのレーザ光の強度に対して、レンズ１６１と結合した当該モードのレーザ光の強度の割合をいう。
【００４５】
高次モードの光１８２が、複数のモードの光からなる場合には、それぞれのモードの光の結合効率を、複数のモード間で均一となるように、ＶＣＳＥＬ１００の発光面１５０から高次モードの光１８２が出射しているとしてＶＣＳＥＬ１００とレンズ１６１とを結合させた場合よりも、ＶＣＳＥＬ１００とレンズ１６１との間の距離を近づけることが好ましい。
【００４６】
本実施の形態においては、高次モードの光１８２として、ＬＰ１１，ＬＰ１２，ＬＰ２１，ＬＰ０２，ＬＰ３１のモードの光を考慮することが好ましく、ＬＰ１１，ＬＰ１２，ＬＰ２１，ＬＰ０２，ＬＰ３１の各モードの光のレンズ１６１との間の結合効率が、これらのモード間でできる限り等しくなるように、距離ｄを決定する。
【００４７】
また、高次モードの光１８２が、複数のモードの光からなる場合には、レンズ１６１をＶＣＳＥＬ１００の発光面１５０に近接させ、レンズ１６１が、複数の高次モードの光が、各高次モード毎の仮想的な点光源からの光であるとした場合に、各高次モードの光のニアフィールドパターンおよびファーフィールドパターンからそれぞれ得られる仮想的な点光源の位置を、各高次モードの光の発光位置であるとし、各高次モードの仮想的な点光源の位置をそれぞれ基点として、複数の高次モードの焦点がそれぞれ合うような光学系のレンズとすることが好ましい。複数の高次モードの光１８２として、ＬＰ１１，ＬＰ１２，ＬＰ２１，ＬＰ０２，ＬＰ３１のモードの光を考慮することが好ましい。
【００４８】
この場合に、レンズ１６１は、中心付近では焦点距離を短く、周縁部は焦点距離が長く、前記複数の高次モードの焦点がそれぞれ合うような光学系のレンズであることが好ましく、より好ましくは、中心付近では焦点距離を短く、周縁部は焦点距離が長く、主モードおよび複数の高次モードの焦点がそれぞれ合うような光学系のレンズである。
【００４９】
ＶＣＳＥＬを通信に使用する場合には、高速になるとともに要求されるジッタ特性は厳しくなり、ＶＣＳＥＬの変調速度が、１０Ｇｂｐｓ以上の場合に、本実施の形態の半導体レーザモジュール１０は特に有効に使用することができる。１０Ｇｂｐｓの伝送に必要なＥｙｅ開口マージンを，最大１０ｐｓ程度改善することができる。Ｅｙｅ開口マージンは，１０Ｇｂｐｓであれば１００ｐｓの最大開口であるが，入力電気波形・受光感度レベル・チャネル間のクロストーク等を考慮にいれると、ＶＣＳＥＬ１００と＋結合部材１６０で許容されるジッタ量は高々２０〜３０ｐｓ程度しか許容できない。このため１０ｐｓは非常に大きな改善である。
【００５０】
上述の実施例ではレンズ１６１とＶＣＳＥＬ１００との使用時の相対的な位置関係について詳述してきたが、それらの部材の相対的な距離が使用時の熱など外的な要因によって変化する場合はそれらの外的な要因による距離の変化を考慮に入れた上でレンズ１６１とＶＣＳＥＬ１００との距離を設定すると更に都合が良い。
【００５１】
図４には、本実施の形態の半導体レーザモジュール１０に使用されるＶＣＳＥＬの他の例の概略を示している。
【００５２】
このＶＣＳＥＬ２００は、基板２０１と、基板２０１上に設けられた半導体多層膜反射２０２と、半導体多層膜反射鏡層２０２上に設けられたｎ型クラッド層２０３と、ｎ型クラッド層２０３上に設けられた活性層２０４と、活性層２０４上に設けられたｐ型クラッド層２０５と、ｐ型クラッド層２０５上に設けられた反射鏡兼電極２０６とを備えている。さらに、基板２０１の裏面２０７側から孔２２０が設けられ、孔２２０の底部において、半導体多層膜反射鏡層２０２の表面２１０上に設けられたレンズ２６０が露出している。半導体多層膜反射鏡層２０２の表面２１０からレーザ光が出射する。半導体多層膜反射鏡層２０２の表面２１０が発光面２５０となる。
【００５３】
このＶＣＳＥＬ２００を使用した半導体レーザモジュールでは、このＶＣＳＥＬ２００が、図１に示すレーザ搭載部材１４０に搭載され、半導体多層膜反射鏡層２０２の表面２１０発光面２５０から出射したレーザ光はレンズ２６０によって集光され、図１の４５度ミラー１６２に向かう。なお、この場合にはレンズ１６１は使用しない。
【００５４】
このようにレンズを半導体レーザの表面（発光面）に一体化させた場合においても、高次モードの光は仮想的な点光源からの光であるとして、各高次モードの光のニアフィールドパターンおよびファーフィールドパターンから得られる仮想的な点光源の位置を各高次モードの光の発光位置であるとし、この点を基点として、レンズ２６０の設計を行い、レンズ２６０との結合を最適化する。具体的には、仮想的な点光源の位置に対してレンズ２６０の焦点距離を設計する。
【００５５】
高次モードの光が、複数のモードの光からなる場合には、それぞれのモードの光の結合効率を、複数のモード間でできる限り等しくするようにすることが好ましい。そのためには、それぞれのモードの光の結合効率のばらつきが最小となるようにレンズ２６０の焦点距離を決定することが好ましい。
【００５６】
本実施の形態においても、高次モードの光として、ＬＰ１１，ＬＰ１２，ＬＰ２１，ＬＰ０２，ＬＰ３１のモードの光を考慮することが好ましく、ＬＰ１１，ＬＰ１２，ＬＰ２１，ＬＰ０２，ＬＰ３１の各モードの光のレンズ１６１との間の結合効率が、これらのモード間でできる限り等しくなるように、レンズ２６０の焦点距離を決定することが好ましい。
【００５７】
さらに、このようにレンズが一体化された場合には、レンズ２６０として、例えば、フレネルレンズや回折光学素子を使用すれば、面内方向で焦点位置を変えることができる。従って、上述のようにしてニアフィールドパターンおよびファーフィールドパターンから得られる各高次モードの仮想的な点光源の位置をそれぞれ基点として、好ましくは、対象とする全ての高次モードの焦点が合うように、さらに好ましくは、対象とする全ての高次モードおよび主モードの焦点が合うように、レンズ２６０を設計することがより好ましい。その場合には、中心付近では焦点距離を短く、周縁部は焦点距離が長くなるようにレンズ２６０を設計することがさらに好ましい。
【００５８】
この場合にも、高次モードの光として、ＬＰ１１，ＬＰ１２，ＬＰ２１，ＬＰ０２，ＬＰ３１のモードの光を考慮することが好ましく、好ましくは、高次モードのＬＰ１１，ＬＰ１２，ＬＰ２１，ＬＰ０２，ＬＰ３１の全てのモードの光の焦点が合うように、より好ましくは、主モードのＬＰ０１と、高次モードのＬＰ１１，ＬＰ１２，ＬＰ２１，ＬＰ０２，ＬＰ３１の全てのモードの光の焦点が合うように、中心付近では焦点距離を短く、周縁部は焦点距離が長くなるようにレンズ２６０を設計する。
【００５９】
要求されるジッタ特性に関するマージンが支配的要因である，例えば10Gbps*12chのような高速かつ並列伝送に対して有利なために、上述した本発明の好ましい実施の形態では、半導体レーザモジュールに使用される半導体レーザとして、横マルチモードのＶＣＳＥＬ１００、２００を使用したが、横マルチモードのＶＣＳＥＬ１００、２００に代えて、横マルチモードの半導体レーザであれば、他のものも使用でき、例えば、横マルチモードのファイバレーザや、横マルチモードの光増幅のポンピング用のいられる端面発光型レーザ等も好ましく使用できる。
さらに、本発明の半導体レーザモジュールを光通信システムに適用した場合、モード競合雑音を抑制して光通信システムのＳ／Ｎを改善でき、特に１００ｍを超える長距離マルチモード光通信に適している。また、本発明の半導体レーザモジュールは出力の変動が少ないので、出力の安定性が求められる用途、例えば、微細レーザ加工システムなどの光源にも適用可能である。
【００６０】
以上、本発明の種々の典型的な実施の形態を説明してきたが、本発明はそれらの実施の形態に限定されない。従って、本発明の範囲は、次の特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。
【符号の説明】
【００６１】
１０ 半導体レーザモジュール
６１、７１ 第１ピーク
６２、７２ 第２ピーク
６３、７３ 第３ピーク
１００、２００ 面発光型半導体レーザ素子
１０１、２０１ 基板
１０２、２０２ 半導体多層膜反射鏡層
１０３、２０３ ｎ型クラッド層
１０４、２０４ 活性層
１０５ 電流狭窄層
１０６ 電流注入部
１０７、２０５ ｐ型クラッド層
１０８ ｐ側円環電極
１０９ 誘電体多層膜反射鏡層
１１０ ｎ側電極
１２０ 表面
１３０ レーザ光
１４０ レーザ搭載部材
１５０、２５０ 発光面
１６０ 結合部材
１６１、１６３ レンズ
１６２ ４５度ミラー
１７０ 光ファイバ
１７１ 発光面基準面
１７２ 発光面基準面
１８１ 主モード光
１８２ 高次モード光
２０６ 反射鏡兼電極
２０７ 裏面
２１０ 表面
２２０ 孔
２６０ レンズ
５００ ジッタ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザモジュールに関し、特に、垂直共振器型の面発光型半導体レーザ素子（ＶＣＳＥＬ: Vertical Cavity Surface Emitting LASER）と光ファイバとを結合させる半導体レーザモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＶＣＳＥＬの縦モードはシングルモードであるが、横モードは、シングルモードのものと、マルチモードものがある。この横マルチモードのＶＣＳＥＬを光ファイバと結合させる従来の半導体レーザモジュールでは、主モードの結合が一番強くなるようにしていた。すなわち、半導体レーザモジュールは、ＶＣＳＥＬの出射光を受けるためのレンズを内蔵しているが、主モードの結合が一番強くなるようにこのレンズの光学設計を行っていた。
【０００３】
図５は、このような従来の半導体レーザモジュールのアイ（Ｅｙｅ）波形を示す図である。このように、従来の半導体レーザモジュールでは、大きいジッタ５００が発生していた。これは、従来の半導体レーザモジュールでは、主モードの結合が一番強くなるように設計したレンズを使用していたので、主モードに対して高次モードの結合が悪くなっており、その結果、モード間遷移が起こりにくくなってモード競合雑音が発生し、ジッタが増えるからであると考えられる。
【０００４】
なお、このように高次モードの結合が悪くなるとジッタが増えることは、下記非特許文献１に記載されているように既に知られた事項である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL. 19, NO. 6, JUNE 2001
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の主な目的は、モード競合雑音を抑制できる半導体レーザモジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、
主モードと高次モードを有する横マルチモード半導体レーザと、レンズと、を備える半導体レーザモジュールであって、
前記高次モードの光が仮想的な点光源からの光であるとした場合に、前記高次モードの光のニアフィールドパターンおよびファーフィールドパターンから得られる仮想的な点光源の位置を高次モードの光の発光位置であるとして、前記半導体レーザと前記レンズとの距離を設定した半導体レーザモジュールが提供される。
【０００８】
好ましくは、前記半導体レーザのレーザ光の発光面から前記高次モードの光が出射しているとして前記半導体レーザと前記レンズとを結合させた場合よりも、前記半導体レーザの前記発光面の位置と前記仮想的な点光源の位置との間の距離だけ、前記レンズの焦点距離を短くすると共に前記半導体レーザと前記レンズとの間の距離を近づける。
【０００９】
また、好ましくは、前記仮想的な点光源の位置を前記レンズの前記半導体レーザ側の焦点位置とする。
【００１０】
また、好ましくは、前記高次モードの光のニアフィールドパターンの径を“ａ”とし、前記高次モードの光のファーフィールドパターンを形成する前記高次モードの光の拡がり角度を“θ”としたときに、ｄ＝ａ／ｔａｎθで定義される距離ｄ程度だけ、前記半導体レーザのレーザ光の発光面から前記半導体レーザの内側の位置を前記仮想的な点光源の位置とする。
【００１１】
好ましくは、前記半導体レーザのレーザ光の発光面は、レーザ光出射側の反射鏡の表面である。
【００１２】
好ましくは、前記高次モードが複数の高次モードからなる場合には、それぞれのモードの光の前記レンズとの結合効率が前記複数の高次モード間で均一となるように、前記半導体レーザのレーザ光の発光面から前記高次モードの光が出射しているとして前記半導体レーザと前記レンズとを結合させた場合よりも、前記半導体レーザと前記レンズとの間の距離を近づける。
【００１３】
また、好ましくは、前記高次モードが複数の高次モードからなる場合には、前記レンズが、前記複数の高次モードの光が、各高次モード毎の仮想的な点光源からの光であるとした場合に、前記各高次モードの光のニアフィールドパターンおよびファーフィールドパターンからそれぞれ得られる仮想的な点光源の位置を、各高次モードの光の発光位置であるとし、前記各高次モードの仮想的な点光源の位置をそれぞれ基点として、前記複数の高次モードの焦点がそれぞれ合うような光学系のレンズである。
【００１４】
この場合に、好ましくは、前記レンズは、中心付近では焦点距離を短く、周縁部は焦点距離が長く、前記複数の高次モードの焦点がそれぞれ合うような光学系のレンズである。
【００１５】
さらに好ましくは、前記レンズは、中心付近では焦点距離を短く、周縁部は焦点距離が長く、前記主モードおよび前記複数の高次モードの焦点がそれぞれ合うような光学系のレンズである。
【００１６】
前記複数の高次モードは、好ましくは、ＬＰ１１，ＬＰ１２，ＬＰ２１，ＬＰ０２，ＬＰ３１である。
【００１７】
前記半導体レーザは好ましくは、ＶＣＳＥＬである。
【００１８】
また、好ましくは、上記ＶＣＳＥＬの変調速度は、少なくとも１０Ｇｂｐｓ以上である。
【００１９】
また、本発明によれば、主モードと複数の高次モードを有する横マルチモード半導体レーザと、レンズと、を備える半導体レーザモジュールであって、複数の高次モードのそれぞれのモードの光の前記レンズとの結合効率が前記複数の高次モード間で均一となるように、前記半導体レーザのレーザ光の発光面から前記高次モードの光が出射しているとして前記半導体レーザと前記レンズとを結合させた場合よりも、前記半導体レーザと前記レンズとの間の距離を近づけた半導体レーザモジュールが提供される。
【００２０】
また、本発明によれば、上記半導体レーザモジュールを用いた光通信システムが提供される。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、モード競合雑音を抑制できる半導体レーザモジュールが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の好ましい実施の形態の半導体レーザモジュールを説明するための概略縦断面図である。
【図２】本発明の好ましい実施の形態の半導体レーザモジュールに使用される半導体レーザの一例を説明するための概略縦断面図である。
【図３】本発明の好ましい実施の形態の半導体レーザモジュールを説明するための概略斜視図である。
【図４】本発明の好ましい実施の形態の半導体レーザモジュールに使用される半導体レーザの他の例を説明するための概略縦断面図である。
【図５】横マルチモード面発光型半導体レーザ素子を光ファイバに、半導体レーザモジュールを用いて結合させる際に生じる問題点を説明するためのアイ波形である。
【図６】横マルチモード面発光型半導体レーザ素子と光ファイバとの距離を変化させた際の、光ファイバに結合したレーザ光のスペクトルの変化を示す図である。
【図７】横マルチモード面発光型半導体レーザ素子と光ファイバとの距離を変化させた際の、光ファイバに結合したレーザ光のスペクトルの変化を示す図である。
【図８】図６、図７に示す第３のピーク６３、７３の強度とランダムジッタとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下に、図面を参照して本発明の好ましい実施の形態に係る半導体レーザモジュールを詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。
【００２４】
まず、横マルチモード面発光型半導体レーザ素子と光ファイバとの距離と、光ファイバに結合したレーザ光のスペクトルとの関係、および光ファイバに結合したレーザ光の高次モードの強度とジッタとの関係について説明する。
【００２５】
図６、図７は、異なる２つの横マルチモード面発光型半導体レーザ素子と光ファイバとの距離ｚを変化させた際の、光ファイバに結合したレーザ光のスペクトルの変化を示す図である。図６、７において、横軸は光の波長（ｎｍ）であり、縦軸は、強度（ｄＢ）である。横マルチモード面発光型半導体レーザ素子と光ファイバとの距離Ｚの単位はμｍである。
【００２６】
第１のピーク６１、７１は主モード（ＬＰ０１）であり、距離ｚを変化させても、その強度は殆ど変化しない。主モードはビームの広がりが小さく中心において均等に分布しているので、距離ｚを変化させても、光ファイバに結合する強度は殆ど変化しないと考えられる。
【００２７】
第２のピーク６２、７２のモードは、一次モードＬＰ１１であり、横マルチモード面発光型半導体レーザ素子と光ファイバとの距離ｚが大きくなると、光ファイバに結合する強度は減少する。
【００２８】
第３のピーク６３、７３のモードは、ＬＰ０２，ＬＰ２１であり、この２つの高次モードが同じピーク位置にある。この第３のピーク６３、７３も横マルチモード面発光型半導体レーザ素子と光ファイバとの距離ｚが大きくなると、光ファイバに結合する強度は減少する。
【００２９】
横マルチモードの半導体レーザでは、これらの高次モード（ＬＰ１１，ＬＰ０２，ＬＰ３１，ＬＰ２１）は横方向にスプリットしていて、広がり角度も大きいので、横マルチモード面発光型半導体レーザ素子と光ファイバとの距離ｚが大きくなると、光ファイバへの結合率が悪くなるからである。
【００３０】
図８は、図６、図７に示す第３のピーク６３、７３の強度とランダムジッタとの関係を示す図である。横軸は主モードと第３のピーク６３、７３の強度比（ｄＢ）であり、縦軸は、ランダムジッタを表している。第３のピーク６３、７３の強度が低下すると、ランダムジッタが増加していることがわかる。
【００３１】
このように、横マルチモード面発光型半導体レーザ素子と光ファイバとの距離ｚを増加させると、高次モードの結合が劣化し、その結果ジッタが増加してしまうことがわかる。
【００３２】
本発明の好ましい実施の形態では、これらのことを考慮して、垂直共振器型の面発光型半導体レーザ素子（ＶＣＳＥＬ）と光ファイバとを結合させる半導体レーザモジュールを作成した。
【００３３】
図１を参照すれば、本発明の好ましい実施の形態の半導体レーザモジュール１０は、ＶＣＳＥＬ１００を搭載するレーザ搭載部材１４０と、ＶＣＳＥＬ１００からのレーザ光をファイバに結合する結合部材１６０とを備えている。結合部材１６０は、レンズ１６１、１６３と４５度ミラー１６２とを備えている。ＶＣＳＥＬ１００からのレーザ光１３０は、レンズ１６１に入射し、４５度ミラー１６２で紙面右側に反射され、レンズ１６３によってファイバ１７０に結合される。
【００３４】
図２には、本実施の形態の半導体レーザモジュール１０に使用されるＶＣＳＥＬ１００の一例の概略を示している。
【００３５】
このＶＣＳＥＬ１００は、基板１０１と、基板１０１上に設けられた半導体多層膜反射鏡層１０２と、半導体多層膜反射鏡層１０２上に設けられたｎ型クラッド層１０３と、ｎ型クラッド層１０３上に設けられた活性層１０４と、活性層１０４上に設けられ、中央に電流注入部１０６を有する電流狭窄層１０５と、電流狭窄層１０５上に設けられたｐ型クラッド層１０７と、ｐ型クラッド層１０７上に設けられたｐ側円環電極１０８と、ｐ側円環電極１０８上に設けられた誘電体多層膜反射鏡層１０９と、ｎ型クラッド層１０３に接続して設けられたｎ側電極１１０とを備えている。誘電体多層膜反射鏡層１０９の表面１２０からレーザ光が出射する。誘電体多層膜反射鏡層１０９の表面１２０が発光面１５０となる。
【００３６】
このＶＣＳＥＬ１００を使用した半導体レーザモジュールでは、ＶＣＳＥＬ１００が、図１に示すレーザ搭載部材１４０に搭載され、ＶＣＳＥＬ１００の発光面１５０から出射したレーザ光１３０は、レンズ１６１によって結合部材１６０と結合される。
【００３７】
図３を参照すれば、従来は、ＶＣＳＥＬ１００の発光面１５０を基準の発光基準面１７１として、この発光面１５０からレーザ光が出射するものとして、レンズ１６１を設計していた。このようにすれば、主モードの光１８１に関しては、一番強い結合が得られる。しかしながら、上述のように、主モードの光１８１に対して高次モードの光１８２結合が悪くなってしまう。そこで、本実施の形態では、高次モードの光１８２の結合が最適となるようにする。
【００３８】
高次モードの光１８２は横方向にスプリットしていて、広がり角度も大きい。そこで、高次モードの光１８２は仮想的な点光源からの光であるとした場合に、高次モードの光１８２のニアフィールドパターン（ＮＦＰ：Near Field Pattern）およびファーフィールドパターン（ＦＦＰ：Fear Field Pattern）から得られる仮想的な点光源の位置１８０を高次モードの光１８２の発光位置であるとして、この点を基点としてレンズ１６１との結合を最適化する。具体的には、仮想的な点光源の位置１８０に対してレンズ１６１の焦点距離を設計する。なお、この仮想的な点光源の位置１８０を含み、発光面１５０に平行な面を仮想的な発光基準面１７２とする。
【００３９】
ＶＣＳＥＬ１００の発光面１５０を基準の発光基準面１７１とし、この発光面１５０からレーザ光が出射するものとして、レンズ１６１を設計した場合のレンズ１６１の焦点距離よりも、ＶＣＳＥＬ１００の発光面１５０と仮想的な点光源の位置１８０との間の距離“ｄ”だけ、レンズ１６１の焦点距離を短くすると共に、距離“ｄ”だけ、ＶＣＳＥＬ１００とレンズ１６１との間の距離を近づけている。この場合に、仮想的な点光源の位置１８０がレンズ１６１のＶＣＳＥＬ１００側の焦点位置となる。
【００４０】
上記のようにして高次モードの光１８２を結合させても、主モードの光１８１は、広がりが小さく中心において均等に分布しているので、主モードの光１８１のレンズ１６１との結合効率は殆ど変化しない。
【００４１】
従って、高次モードの光１８２および主モードの光１８１の両方の結合が良くなって、モード競合雑音を抑制して、ジッタを抑制できる。
【００４２】
高次モードの光１８２のニアフィールドパターンの径を“ａ”とし、高次モードの光１８２のファーフィールドパターンを形成する高次モードの光１８２の拡がり角度を“θ”としたときに、ＶＣＳＥＬ１００の発光面１５０からレーザ光が出射するものとしていた場合よりも、ｄ＝ａ／ｔａｎθで定義される距離ｄ程度だけ、ＶＣＳＥＬ１００の発光面１５０からＶＣＳＥＬ１００の内側の位置を仮想的な点光源の位置１８０としている。そして、ＶＣＳＥＬ１００の発光面１５０からレーザ光が出射するものとしていた場合よりも、この距離“ｄ” 程度だけ、レンズ１６１の焦点距離を短く設計し、レンズ１６１とＶＣＳＥＬ１００との間の距離を、ＶＣＳＥＬ１００の発光面１５０からレーザ光が出射するものとしていた場合よりも、この距離“ｄ” 程度だけ近くする。
【００４３】
例えば、２次モードのニアフィールドパターンのうち最も光強度の高い点が発光中心に対して、直径７μｍの周円上に配置され、ファーフィールドパターンを形成する高次モードの光１８２の拡がり角度が１８度の場合、仮想された点光源位置１８０はＶＣＳＥＬ１００の発光面１５０よりも約５０μｍＶＣＳＥＬ１００の内側よりとなり、レンズ１６１のＶＣＳＥＬ１００側の焦点距離を５０μｍ短くし、レンズ１６１とＶＣＳＥＬ１００との距離を５０μｍ近づける設計となる。
【００４４】
高次モードの光１８２が、複数のモードの光からなる場合には、それぞれのモードの光の結合効率を、複数のモード間でできる限り等しくすることが好ましい。そのためには、それぞれのモードの光の結合効率のばらつきが最小となるように距離ｄを決定することが好ましい。なお、ここで、結合効率とは、発光面１５０から出射した各モードのレーザ光の強度に対して、レンズ１６１と結合した当該モードのレーザ光の強度の割合をいう。
【００４５】
高次モードの光１８２が、複数のモードの光からなる場合には、それぞれのモードの光の結合効率を、複数のモード間で均一となるように、ＶＣＳＥＬ１００の発光面１５０から高次モードの光１８２が出射しているとしてＶＣＳＥＬ１００とレンズ１６１とを結合させた場合よりも、ＶＣＳＥＬ１００とレンズ１６１との間の距離を近づけることが好ましい。
【００４６】
本実施の形態においては、高次モードの光１８２として、ＬＰ１１，ＬＰ１２，ＬＰ２１，ＬＰ０２，ＬＰ３１のモードの光を考慮することが好ましく、ＬＰ１１，ＬＰ１２，ＬＰ２１，ＬＰ０２，ＬＰ３１の各モードの光のレンズ１６１との間の結合効率が、これらのモード間でできる限り等しくなるように、距離ｄを決定する。
【００４７】
また、高次モードの光１８２が、複数のモードの光からなる場合には、レンズ１６１をＶＣＳＥＬ１００の発光面１５０に近接させ、レンズ１６１が、複数の高次モードの光が、各高次モード毎の仮想的な点光源からの光であるとした場合に、各高次モードの光のニアフィールドパターンおよびファーフィールドパターンからそれぞれ得られる仮想的な点光源の位置を、各高次モードの光の発光位置であるとし、各高次モードの仮想的な点光源の位置をそれぞれ基点として、複数の高次モードの焦点がそれぞれ合うような光学系のレンズとすることが好ましい。複数の高次モードの光１８２として、ＬＰ１１，ＬＰ１２，ＬＰ２１，ＬＰ０２，ＬＰ３１のモードの光を考慮することが好ましい。
【００４８】
この場合に、レンズ１６１は、中心付近では焦点距離を短く、周縁部は焦点距離が長く、前記複数の高次モードの焦点がそれぞれ合うような光学系のレンズであることが好ましく、より好ましくは、中心付近では焦点距離を短く、周縁部は焦点距離が長く、主モードおよび複数の高次モードの焦点がそれぞれ合うような光学系のレンズである。
【００４９】
ＶＣＳＥＬを通信に使用する場合には、高速になるとともに要求されるジッタ特性は厳しくなり、ＶＣＳＥＬの変調速度が、１０Ｇｂｐｓ以上の場合に、本実施の形態の半導体レーザモジュール１０は特に有効に使用することができる。１０Ｇｂｐｓの伝送に必要なＥｙｅ開口マージンを，最大１０ｐｓ程度改善することができる。Ｅｙｅ開口マージンは，１０Ｇｂｐｓであれば１００ｐｓの最大開口であるが，入力電気波形・受光感度レベル・チャネル間のクロストーク等を考慮にいれると、ＶＣＳＥＬ１００と＋結合部材１６０で許容されるジッタ量は高々２０〜３０ｐｓ程度しか許容できない。このため１０ｐｓは非常に大きな改善である。
【００５０】
上述の実施例ではレンズ１６１とＶＣＳＥＬ１００との使用時の相対的な位置関係について詳述してきたが、それらの部材の相対的な距離が使用時の熱など外的な要因によって変化する場合はそれらの外的な要因による距離の変化を考慮に入れた上でレンズ１６１とＶＣＳＥＬ１００との距離を設定すると更に都合が良い。
【００５１】
図４には、本実施の形態の半導体レーザモジュール１０に使用されるＶＣＳＥＬの他の例の概略を示している。
【００５２】
このＶＣＳＥＬ２００は、基板２０１と、基板２０１上に設けられた半導体多層膜反射２０２と、半導体多層膜反射鏡層２０２上に設けられたｎ型クラッド層２０３と、ｎ型クラッド層２０３上に設けられた活性層２０４と、活性層２０４上に設けられたｐ型クラッド層２０５と、ｐ型クラッド層２０５上に設けられた反射鏡兼電極２０６とを備えている。さらに、基板２０１の裏面２０７側から孔２２０が設けられ、孔２２０の底部において、半導体多層膜反射鏡層２０２の表面２１０上に設けられたレンズ２６０が露出している。半導体多層膜反射鏡層２０２の表面２１０からレーザ光が出射する。半導体多層膜反射鏡層２０２の表面２１０が発光面２５０となる。
【００５３】
このＶＣＳＥＬ２００を使用した半導体レーザモジュールでは、このＶＣＳＥＬ２００が、図１に示すレーザ搭載部材１４０に搭載され、半導体多層膜反射鏡層２０２の表面２１０発光面２５０から出射したレーザ光はレンズ２６０によって集光され、図１の４５度ミラー１６２に向かう。なお、この場合にはレンズ１６１は使用しない。
【００５４】
このようにレンズを半導体レーザの表面（発光面）に一体化させた場合においても、高次モードの光は仮想的な点光源からの光であるとして、各高次モードの光のニアフィールドパターンおよびファーフィールドパターンから得られる仮想的な点光源の位置を各高次モードの光の発光位置であるとし、この点を基点として、レンズ２６０の設計を行い、レンズ２６０との結合を最適化する。具体的には、仮想的な点光源の位置に対してレンズ２６０の焦点距離を設計する。
【００５５】
高次モードの光が、複数のモードの光からなる場合には、それぞれのモードの光の結合効率を、複数のモード間でできる限り等しくするようにすることが好ましい。そのためには、それぞれのモードの光の結合効率のばらつきが最小となるようにレンズ２６０の焦点距離を決定することが好ましい。
【００５６】
本実施の形態においても、高次モードの光として、ＬＰ１１，ＬＰ１２，ＬＰ２１，ＬＰ０２，ＬＰ３１のモードの光を考慮することが好ましく、ＬＰ１１，ＬＰ１２，ＬＰ２１，ＬＰ０２，ＬＰ３１の各モードの光のレンズ１６１との間の結合効率が、これらのモード間でできる限り等しくなるように、レンズ２６０の焦点距離を決定することが好ましい。
【００５７】
さらに、このようにレンズが一体化された場合には、レンズ２６０として、例えば、フレネルレンズや回折光学素子を使用すれば、面内方向で焦点位置を変えることができる。従って、上述のようにしてニアフィールドパターンおよびファーフィールドパターンから得られる各高次モードの仮想的な点光源の位置をそれぞれ基点として、好ましくは、対象とする全ての高次モードの焦点が合うように、さらに好ましくは、対象とする全ての高次モードおよび主モードの焦点が合うように、レンズ２６０を設計することがより好ましい。その場合には、中心付近では焦点距離を短く、周縁部は焦点距離が長くなるようにレンズ２６０を設計することがさらに好ましい。
【００５８】
この場合にも、高次モードの光として、ＬＰ１１，ＬＰ１２，ＬＰ２１，ＬＰ０２，ＬＰ３１のモードの光を考慮することが好ましく、好ましくは、高次モードのＬＰ１１，ＬＰ１２，ＬＰ２１，ＬＰ０２，ＬＰ３１の全てのモードの光の焦点が合うように、より好ましくは、主モードのＬＰ０１と、高次モードのＬＰ１１，ＬＰ１２，ＬＰ２１，ＬＰ０２，ＬＰ３１の全てのモードの光の焦点が合うように、中心付近では焦点距離を短く、周縁部は焦点距離が長くなるようにレンズ２６０を設計する。
【００５９】
要求されるジッタ特性に関するマージンが支配的要因である，例えば10Gbps*12chのような高速かつ並列伝送に対して有利なために、上述した本発明の好ましい実施の形態では、半導体レーザモジュールに使用される半導体レーザとして、横マルチモードのＶＣＳＥＬ１００、２００を使用したが、横マルチモードのＶＣＳＥＬ１００、２００に代えて、横マルチモードの半導体レーザであれば、他のものも使用でき、例えば、横マルチモードのファイバレーザや、横マルチモードの光増幅のポンピング用のいられる端面発光型レーザ等も好ましく使用できる。
さらに、本発明の半導体レーザモジュールを光通信システムに適用した場合、モード競合雑音を抑制して光通信システムのＳ／Ｎを改善でき、特に１００ｍを超える長距離マルチモード光通信に適している。また、本発明の半導体レーザモジュールは出力の変動が少ないので、出力の安定性が求められる用途、例えば、微細レーザ加工システムなどの光源にも適用可能である。
【００６０】
以上、本発明の種々の典型的な実施の形態を説明してきたが、本発明はそれらの実施の形態に限定されない。従って、本発明の範囲は、次の特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。
【符号の説明】
【００６１】
１０ 半導体レーザモジュール
６１、７１ 第１ピーク
６２、７２ 第２ピーク
６３、７３ 第３ピーク
１００、２００ 面発光型半導体レーザ素子
１０１、２０１ 基板
１０２、２０２ 半導体多層膜反射鏡層
１０３、２０３ ｎ型クラッド層
１０４、２０４ 活性層
１０５ 電流狭窄層
１０６ 電流注入部
１０７、２０５ ｐ型クラッド層
１０８ ｐ側円環電極
１０９ 誘電体多層膜反射鏡層
１１０ ｎ側電極
１２０ 表面
１３０ レーザ光
１４０ レーザ搭載部材
１５０、２５０ 発光面
１６０ 結合部材
１６１、１６３ レンズ
１６２ ４５度ミラー
１７０ 光ファイバ
１７１ 発光面基準面
１７２ 発光面基準面
１８１ 主モード光
１８２ 高次モード光
２０６ 反射鏡兼電極
２０７ 裏面
２１０ 表面
２２０ 孔
２６０ レンズ
５００ ジッタ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主モードと高次モードを有する横マルチモード半導体レーザと、レンズと、を備える半導体レーザモジュールであって、
前記高次モードの光が仮想的な点光源からの光であるとした場合に、前記高次モードの光のニアフィールドパターンおよびファーフィールドパターンから得られる仮想的な点光源の位置を高次モードの光の発光位置であるとして、前記半導体レーザと前記レンズとの距離を設定したことを特徴とする半導体レーザモジュール。
【請求項２】
前記半導体レーザのレーザ光の発光面から前記高次モードの光が出射しているとして前記半導体レーザと前記レンズとを結合させた場合よりも、前記半導体レーザの前記発光面の位置と前記仮想的な点光源の位置との間の距離だけ、前記レンズの焦点距離を短くすると共に前記半導体レーザと前記レンズとの間の距離を近づけた請求項１記載の半導体レーザモジュール。
【請求項３】
前記仮想的な点光源の位置を前記レンズの前記半導体レーザ側の焦点位置とした請求項１記載の半導体レーザモジュール。
【請求項４】
前記高次モードの光のニアフィールドパターンの径を“ａ”とし、前記高次モードの光のファーフィールドパターンを形成する前記高次モードの光の拡がり角度を“θ”としたときに、ｄ＝ａ／ｔａｎθで定義される距離ｄだけ、前記半導体レーザのレーザ光の発光面から前記半導体レーザの内側の位置を前記仮想的な点光源の位置とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体レーザモジュール。
【請求項５】
前記半導体レーザのレーザ光の発光面は、レーザ光出射側の反射鏡の表面である請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体レーザモジュール。
【請求項６】
前記高次モードが複数の高次モードからなる場合には、それぞれのモードの光の前記レンズとの結合効率が前記複数の高次モード間で均一となるように、前記半導体レーザのレーザ光の発光面から前記高次モードの光が出射しているとして前記半導体レーザと前記レンズとを結合させた場合よりも、前記半導体レーザと前記レンズとの間の距離を近づけた請求項１記載の半導体レーザモジュール。
【請求項７】
前記高次モードが複数の高次モードからなる場合には、前記レンズが、前記複数の高次モードの光が、各高次モード毎の仮想的な点光源からの光であるとした場合に、前記各高次モードの光のニアフィールドパターンおよびファーフィールドパターンからそれぞれ得られる仮想的な点光源の位置を、各高次モードの光の発光位置であるとし、前記各高次モードの仮想的な点光源の位置をそれぞれ基点として、前記複数の高次モードの焦点がそれぞれ合うような光学系のレンズである請求項１記載の半導体レーザモジュール。
【請求項８】
前記レンズは、中心付近では焦点距離を短く、周縁部は焦点距離が長く、前記複数の高次モードの焦点がそれぞれ合うような光学系のレンズである請求項７記載の半導体レーザモジュール。
【請求項９】
前記レンズは、中心付近では焦点距離を短く、周縁部は焦点距離が長く、前記主モードおよび前記複数の高次モードの焦点がそれぞれ合うような光学系のレンズである請求項７記載の半導体レーザモジュール。
【請求項１０】
主モードと複数の高次モードを有する横マルチモード半導体レーザと、レンズと、を備える半導体レーザモジュールであって、複数の高次モードのそれぞれのモードの光の前記レンズとの結合効率が前記複数の高次モード間で均一となるように、前記半導体レーザのレーザ光の発光面から前記高次モードの光が出射しているとして前記半導体レーザと前記レンズとを結合させた場合よりも、前記半導体レーザと前記レンズとの間の距離を近づけた半導体レーザモジュール。
【請求項１１】
前記複数の高次モードは、ＬＰ１１，ＬＰ１２，ＬＰ２１，ＬＰ０２，ＬＰ３１である請求項６ないし１０のいずれかに記載の半導体レーザモジュール。
【請求項１２】
前記半導体レーザはＶＣＳＥＬである請求項１ないし１１のいずれかに記載の半導体レーザモジュール。
【請求項１３】
上記ＶＣＳＥＬの変調速度は、少なくとも１０Ｇｂｐｓ以上である請求項１２記載の半導体レーザモジュール。
【請求項１４】
請求項１ないし１３のいずれか１項に記載の半導体レーザモジュールを用いた光通信システム。
【請求項１】
主モードと高次モードを有する横マルチモード半導体レーザと、レンズと、を備える半導体レーザモジュールであって、
前記高次モードの光が仮想的な点光源からの光であるとした場合に、前記高次モードの光のニアフィールドパターンおよびファーフィールドパターンから得られる仮想的な点光源の位置を高次モードの光の発光位置であるとして、前記半導体レーザと前記レンズとの距離を設定したことを特徴とする半導体レーザモジュール。
【請求項２】
前記半導体レーザのレーザ光の発光面から前記高次モードの光が出射しているとして前記半導体レーザと前記レンズとを結合させた場合よりも、前記半導体レーザの前記発光面の位置と前記仮想的な点光源の位置との間の距離だけ、前記レンズの焦点距離を短くすると共に前記半導体レーザと前記レンズとの間の距離を近づけた請求項１記載の半導体レーザモジュール。
【請求項３】
前記仮想的な点光源の位置を前記レンズの前記半導体レーザ側の焦点位置とした請求項１記載の半導体レーザモジュール。
【請求項４】
前記高次モードの光のニアフィールドパターンの径を“ａ”とし、前記高次モードの光のファーフィールドパターンを形成する前記高次モードの光の拡がり角度を“θ”としたときに、ｄ＝ａ／ｔａｎθで定義される距離ｄだけ、前記半導体レーザのレーザ光の発光面から前記半導体レーザの内側の位置を前記仮想的な点光源の位置とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体レーザモジュール。
【請求項５】
前記半導体レーザのレーザ光の発光面は、レーザ光出射側の反射鏡の表面である請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体レーザモジュール。
【請求項６】
前記高次モードが複数の高次モードからなる場合には、それぞれのモードの光の前記レンズとの結合効率が前記複数の高次モード間で均一となるように、前記半導体レーザのレーザ光の発光面から前記高次モードの光が出射しているとして前記半導体レーザと前記レンズとを結合させた場合よりも、前記半導体レーザと前記レンズとの間の距離を近づけた請求項１記載の半導体レーザモジュール。
【請求項７】
前記高次モードが複数の高次モードからなる場合には、前記レンズが、前記複数の高次モードの光が、各高次モード毎の仮想的な点光源からの光であるとした場合に、前記各高次モードの光のニアフィールドパターンおよびファーフィールドパターンからそれぞれ得られる仮想的な点光源の位置を、各高次モードの光の発光位置であるとし、前記各高次モードの仮想的な点光源の位置をそれぞれ基点として、前記複数の高次モードの焦点がそれぞれ合うような光学系のレンズである請求項１記載の半導体レーザモジュール。
【請求項８】
前記レンズは、中心付近では焦点距離を短く、周縁部は焦点距離が長く、前記複数の高次モードの焦点がそれぞれ合うような光学系のレンズである請求項７記載の半導体レーザモジュール。
【請求項９】
前記レンズは、中心付近では焦点距離を短く、周縁部は焦点距離が長く、前記主モードおよび前記複数の高次モードの焦点がそれぞれ合うような光学系のレンズである請求項７記載の半導体レーザモジュール。
【請求項１０】
主モードと複数の高次モードを有する横マルチモード半導体レーザと、レンズと、を備える半導体レーザモジュールであって、複数の高次モードのそれぞれのモードの光の前記レンズとの結合効率が前記複数の高次モード間で均一となるように、前記半導体レーザのレーザ光の発光面から前記高次モードの光が出射しているとして前記半導体レーザと前記レンズとを結合させた場合よりも、前記半導体レーザと前記レンズとの間の距離を近づけた半導体レーザモジュール。
【請求項１１】
前記複数の高次モードは、ＬＰ１１，ＬＰ１２，ＬＰ２１，ＬＰ０２，ＬＰ３１である請求項６ないし１０のいずれかに記載の半導体レーザモジュール。
【請求項１２】
前記半導体レーザはＶＣＳＥＬである請求項１ないし１１のいずれかに記載の半導体レーザモジュール。
【請求項１３】
上記ＶＣＳＥＬの変調速度は、少なくとも１０Ｇｂｐｓ以上である請求項１２記載の半導体レーザモジュール。
【請求項１４】
請求項１ないし１３のいずれか１項に記載の半導体レーザモジュールを用いた光通信システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−１０２９１４（Ｐ２０１１−１０２９１４Ａ）
【公開日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２５８０４８（Ｐ２００９−２５８０４８）
【出願日】平成２１年１１月１１日（２００９．１１．１１）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月１１日（２００９．１１．１１）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
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