JP7189467B2

JP7189467B2 - 光モジュール

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Publication number: JP7189467B2
Application number: JP2021171342A
Authority: JP
Inventors: 忠明宮田
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2018-03-20
Filing date: 2021-10-20
Publication date: 2022-12-14
Anticipated expiration: 2038-03-20
Also published as: JP2022009261A

Description

本発明は、半導体レーザ及び導波路を備えた光モジュールに関する。

半導体レーザ及びこの半導体レーザと光学的に接続された導波路を備えた光モジュールが、様々な産業分野で用いられている。このような光モジュールでは、導波路から半導体レーザへの戻り光により、半導体レーザの共振状態に悪影響を与える場合がある。これに対処するため、導波路が形成された基板の端面及び導波路端面が異なる角度で形成された光モジュールが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１－３３０７４４号公報

特許文献１に記載の光モジュールでは、基板の端面及び導波路端面が異なる角度で形成されているので、半導体レーザの出射光の光軸と導波路の光軸とが斜めに配置されることになる。よって、導波路から半導体レーザへの戻り光を低減することができる。

しかし、半導体レーザの出射面と基板の端面とが斜めになるように配置した場合、通常、半導体レーザの幅方向の略中央に発光点があるので、半導体レーザの発光点及び導波路の入射面の間の距離が長くなり、半導体レーザ及び導波路の光学的な結合効率が低下する問題が生じる。

本開示は、上記問題に鑑みてなされたものであり、半導体レーザ及び導波路の間の高い光学的結合効率を有するとともに、導波路から半導体レーザへの戻り光を低減できる光モジュールを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一態様に係る光モジュールでは、
互いに略平行な出射面を有し、該出射面が該出射面に垂直な方向において互いにずれて配置された第１半導体レーザ素子、第２半導体レーザ素子及び第３半導体レーザ素子と、
基板上に導波路が形成された平面光波回路（ＰＬＣ：ＰｌａｎｎａｒＬｉｇｈｔｗａｖｅＣｉｒｃｕｉｔ）と、
を備え、
前記第１半導体レーザ素子、前記第２半導体レーザ素子及び前記第３半導体レーザ素子の発光点の位置と前記導波路のコアの位置とが略一致するように配置され、
平面視において、
前記第１半導体レーザ素子、前記第２半導体レーザ素子及び前記第３半導体レーザ素子の出射面とこれに対応する前記導波路の入射面とが互いに傾斜して配置され、
前記第１半導体レーザ素子、前記第２半導体レーザ素子及び前記第３半導体レーザ素子は、赤色、緑色及び青色の中から選択された色の光を出射し、かつ互いに異なる色の光を出射する。

以上のように本開示では、半導体レーザ及び導波路の間の高い光学的結合効率を有するとともに、導波路から半導体レーザへの戻り光を低減できる光モジュールを提供することができる。

本発明の１つの実施形態に係る光モジュールを模式的に示す図である。図１のＩＩ－ＩＩ断面を示す側面断面図である。半導体レーザ素子の出射面を表す第１の線分及びこれに対応する導波路の入射面を表す第２の線分が互いに傾斜して配置されたところを拡大して示す平面図である。半導体レーザ素子から導波路のコアへ入射する光の光軸及びコアの光軸がなす角度θ１、半導体レーザ素子の出射光の広がり角（半値）θ２、及び平面光波回路の導波路の最大受光角（半値）θｍａｘの関係を示す平面図である。第１の線分及び第２の線分のなす角度θに基づいて、角度θ１を算出する方法を説明するための平面図である。フリップチップ実装の光モジュールの構造を模式的に示す側面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための実施形態を説明する。なお、以下に説明する光モジュールは、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、特定的な記載がない限り、本発明を以下のものに限定しない。
各図面中、同一の機能を有する部材には、同一符号を付している場合がある。要点の説明または理解の容易性を考慮して、便宜上実施形態や実施例に分けて示す場合があるが、異なる実施形態や実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせは可能である。後述の実施形態や実施例では、前述と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については、実施形態や実施例ごとには逐次言及しないものとする。各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張して示している場合もある。

（１つの実施形態に係る光モジュール）
はじめに、図１及び図２を参照しながら、本発明の１つの実施形態に係る光モジュールの構造について説明する。図１は、本発明の１つの実施形態に係る光モジュールを模式的に示す図である。図２は、図１のＩＩ－ＩＩ断面を示す側面断面図である。

本実施形態に係る光モジュール２は、光源基板６に実装された半導体レーザ素子４と、この半導体レーザ素子４と光学的に接続された平面光波回路（ＰＬＣ：ＰｌａｎｎａｒＬｉｇｈｔｗａｖｅＣｉｒｃｕｉｔ）２０とを備える。本実施形態では、一例として、半導体レーザ素子４が、緑色半導体レーザ素子４Ｇ、青色半導体レーザ素子４Ｂ及び赤色半導体レーザ素子４Ｒから構成されている場合を示す。

本実施形態では、緑色半導体レーザ素子４Ｇとして、発振波長が緑色領域の窒化物半導体レーザが用いられ、青色半導体レーザ素子４Ｂとして、発振波長が紫外または青色領域の窒化物半導体レーザが用いられ、赤色半導体レーザ素子４Ｒとして、発振波長が赤色または赤外領域のＧａＡｓ系半導体レーザが用いられている。
ただし、これに限られるものではなく、光モジュール２は、１以上の任意の数の任意の波長域の半導体レーザ素子を備えることができる。

図２に示すように、平面光波回路２０は、シリコン基板２２上に、ＳｉО_２からなるアンダークラッド層１４Ａが形成され、アンダークラッド層１４Ａの上にＳｉО_２からなるコア１２が形成され、更に、その上にＳｉО_２からなるオーバークラッド層１４Ｂが、コア１２を囲むように形成されている。コア１２は、クラッド１４よりも大きな屈折率を有しており、これにより、導波路１０の入射面１０Ａからコア１２に入射した光は、コア１２及びクラッド１４の境界面で全反射して、コア１２内を進むことができる。

本実施形態では、コア１２として、緑色半導体レーザ素子４Ｇに対応する緑色対応コア１２Ｇ、青色半導体レーザ素子４Ｂに対応する青色対応コア１２Ｂ、及び赤色半導体レーザ素子４Ｒに対応する赤色対応コア１２Ｒを備える。図１に示すように、平面視において、各々の半導体レーザ素子４Ｇ、４Ｂ、４Ｒの発光点Ｐｇ、Ｐｂ、Ｐｒの位置及び導波路１０の各コア１２Ｇ、１２Ｂ、１２Ｒの位置が略一致するように配置されている。導波路１０の入射面１０Ａから、出射側に延びた各コア１２Ｇ、１２Ｂ、１２Ｒは、合流点Ｑで互いに合流し、合波対応コア１２Ｍが導波路１０の出射面１０Ｂにまで延びている。

以上のように、本実施形態に係る光モジュール２では、緑色光域、青色光域及び赤色光域の光を出射する複数の半導体レーザ素子４Ｇ、４Ｂ、４Ｒを備え、平面光波回路２０が、各々の波長の半導体レーザ素子４Ｇ、４Ｂ、４Ｒに対応したコア１２Ｇ、１２Ｂ、１２Ｒ、及びこれらのコアが合流した合波対応コア１２Ｍを有する導波路１０を備える。よって、平面光波回路２０により、各々の波長の光を合波することができる。このような構成により、白色光を高い発光効率で出射可能なコンパクトな光モジュール２を提供できる。

＜半導体レーザ素子の出射面及び導波路の入射面の傾斜配置＞
本実施形態に係る光モジュールでは、平面視において、半導体レーザ素子４Ｇ、４Ｂ、４Ｒの出射面４Ａｇ、４Ａｂ、４Ａｒ及びこれに対応する平面光波回路２０の導波路１０の入射面１０Ａが互いに傾斜して配置されている。この構造を、図３を参照しながら、更に詳細に説明する。図３は、半導体レーザ素子４の出射面４Ａを表す第１の線分３０及びこれに対応する導波路１０の入射面１０Ａを表す第２の線分３２が互いに傾斜して配置されたところを拡大して示す平面図である。
なお、図３に示す半導体レーザ素子４及びコア１２は、図１に示す緑色、青色、赤色の何れの半導体レーザ素子４Ｇ、４Ｂ、４Ｒ及びコア１２Ｇ、１２Ｂ、１２Ｒに適用することもできる。また、半導体レーザ素子の出射面及びこれに対応する平面光波回路の導波路の入射面が互いに傾斜して配置されているのであれば、平面光波回路の入射面が斜めにカットされている場合もあり得るし、通常の矩形の平面形状の平面光波回路を、半導体レーザ素子の出射面に対して斜めに配置する場合もあり得る。

図３に示すように、平面視において、半導体レーザ素子４の出射面４Ａを表す第１の線分３０及びこれに対応する導波路１０の入射面１０Ａを表す第２の線分３２が、角度θだけ互いに傾斜して配置されている。そして半導体レーザ素子４の発光点Ｐが、第１の線分３０の中央Ｍに対して、第１の線分３０の延長線及び第２の線分３２またはその延長線の交点側に配置されている。なお、第１の線分３０の延長線及び第２の線分３２またはその延長線の交点を、傾斜中心Ｃと称することもできる。

半導体レーザ素子４から出射された光は、導波路１０の入射面１０Ａからコア１２に入射し、コア１２内を出射側に進んで、導波路１０の出射面１０Ｂ（図１参照）から出射される。このとき、導波路１０の入射面１０Ａ及び出射面１０Ｂで反射された光が半導体レーザ素子４側に戻る。このような戻り光が半導体レーザ素子４に入ると、半導体レーザ素子４の共振状態に悪影響を与える。この戻り光の影響で、レーザ光にノイズが発生する、コヒーレントなレーザ光が得られにくくなるといった問題が生じる場合がある。

しかし、本実施形態では、半導体レーザ素子４の出射面４Ａ及びそれに対応する導波路１０の入射面１０Ａが傾斜して配置されているので、平面光波回路２０から半導体レーザ素子４への戻り光を抑制することができ、半導体レーザ素子４の発振状態に悪影響を与えることを抑制できる。それとともに、半導体レーザ素子の発光点Ｐが、第１の線分３０の中央Ｍに対して交点Ｃ側に配置されているので、半導体レーザ素子４の出射面４Ａ上の発光点Ｐを導波路１０の入射面１０Ａ上のコア１２の位置に近づけることができ、半導体レーザ素子４及び平面光波回路２０の光学的な結合効率の低下を抑制できる。これにより、発光効率の高い信頼性の高い光モジュール２を提供できる。

また、第１の線分３０の長さをＬとすると、発光点Ｐが、第1の線分３０の交点Ｃ側の端部から距離Ｌ／４以内の領域に配置されていることが好ましい。これにより、より確実に、半導体レーザ素子４及び平面光波回路２０の光学的な結合効率の低下を抑制できる。特に、半導体レーザ素子４及び平面光波回路２０の結合効率を考慮すると、半導体レーザ素子４の出射面４Ａ上の発光点Ｐの位置及び導波路１０の入射面１０Ａ上のコア１２の位置の距離Ｄが、５μｍ以下であることが好ましい。これにより、発光効率に優れた光モジュール２を提供することができる。

例えば、第１の線分３０の長さをＬ＝１５０μｍ、第1の線分３０及び第２の線分３２がなす角度θ＝８°と仮定すると、半導体レーザ素子４の出射面４Ａ上の発光点Ｐが交点Ｃ側の端部から距離Ｌ／４の位置にある場合、出射面４Ａ上の発光点Ｐの位置及び入射面１０Ａ上のコア１２の位置の距離Ｄは、
Ｄ＝（Ｗ／４）＊ｔａｎθ≒５μｍ
となる。よって、確実に、発光効率に優れた光モジュール２を提供することができる。

次に、図４を参照しながら、コア１２への入射光の光軸及びコア１２の光軸がなす角度θ１、半導体レーザ素子４の広がり角（半値）θ２、平面光波回路の導波路１０の最大受光角（半値）θｍａｘの関係を説明する。図４は、半導体レーザ素子４から導波路１０のコア１２へ入射する光の光軸及びコア１２の光軸がなす角度θ１、半導体レーザ素子４の出射光の広がり角（半値）θ２、及び平面光波回路２０の導波路１０の最大受光角（半値）θｍａｘの関係を示す平面図である。

図４に示すように、コア１２に入射した光がコア１２内で全反射する最大の入射角度である、最大受光角（半値）をθｍａｘとすると、θｍａｘは、スネルの法則に基づき、下式のようにコア１２の屈折率ｎ１及びクラッド１４の屈折率ｎ２により定まる。
Ｓｉｎθｍａｘ（開口ＮＡ）＝ｎ１＊ＳＱＲ（２Δ）
Δ＝（ｎ１^２－ｎ２^２）／（２＊ｎ１^２）
ｎ１：コア１２の屈折率
ｎ２：クラッド１４の屈折率

半導体レーザ素子４からコア１２へ入射する光の光軸及びコア１２の光軸がなす角度をθ１（理論値）とし、半導体レーザ素子４の出射光の広がり角（半値）をθ２とし、導波路１０の最大受光角（半値）をθｍａｘとすると、
θ１＋θ２ ≦ θｍａｘ
の関係を有する場合に、半導体レーザ素子４からコア１２へ入射した光がコア１２内で全反射することなる。つまり、上記の関係式を満足する場合に、半導体レーザ素子４の出射光が導波路１０のコア１２に入射して、コア１２内を出射側に進んでいくことになる。
一方、半導体レーザ素子４からコア１２へ入射する光の光軸及びコア１２の光軸がなす角度がθｍａｘより大きい角度θ３の場合には、コア１２内で反射されず、コア１２内を進むことはできない。

以上のように、半導体レーザ素子４からコア１２へ入射する光の光軸及びコア１２の光軸がなす角度θ１が「θｍａｘ－θ２」以内の範囲において、０度より大きな所定の値を有していれば、確実に半導体レーザ素子４への戻り光を抑制できる。０度より大きく「θｍａｘ－θ２」以内の範囲は、ある程度の幅があるので、角度θ１の設定が比較的容易であり、半導体レーザ素子４への戻り光を抑制可能な構造を比較的容易に形成することができる。

特に、平面視における半導体レーザ素子４の広がり角θ２が、半導体レーザ素子４のファーフィールドパターンの短軸方向の広がり角となるように、半導体レーザ素子４を配置するのが好ましい。この場合、広がり角θ２を小さくできるので、「θｍａｘ－θ２」以内に設定する角度θ１の値を大きくとることができる。よって、半導体レーザ素子４への戻り光をより確実に抑制することができる。

仮に、半導体レーザ素子４の実際の出射面４Ａが、半導体レーザ素子４の出射光の光軸に完全に直交し、導波路１０の実際の入射面１０Ａが、コア１２の光軸に完全に直交していれば、半導体レーザ素子４からコア１２へ入射する光の光軸及びコア１２の光軸がなす角度θ１は、第１の線分３０及び第２の線分３２がなす角度θと一致する。しかし、製作精度や、半導体レーザ素子のＦＦＰのばらつき等により、実際の出射面４Ａ及び入射面１０Ａは、理論上の出射面及び入射面から多少の角度のずれが生じる。このことについて、図５を参照しながら説明する。図５は、実際の出射面４Ａ及び入射面１０Ａに対応した第１の線分３０及び第２の線分３２のなす角度θに基づいて、理論値である角度θ１を算出する方法を説明するための平面図である。

図５では、半導体レーザ素子４の出射光の光軸に対して垂直な理論的な出射面及び実際の出射面４Ａの間のずれ角α、並びに導波路１０のコア１２の光軸と垂直な理論的な入射面及び実際の入射面１０Ａの間のずれ角α’を示している。実際の面に対応する第１の線分３０及び第２の線分３２のなす角度θに対して、これらのずれ各α、α’を加算または減算する補正をすることにより、理論値である角度θ１を算出することができる。
なお、補正に当たり、角度θにずれ角α（α’）を加えるかまたは差し引くかは、コア１２の光軸に対する入射光の傾きの向き及びずれ角度α（α’）の向きによって定まる。

（フリップチップ実装の光モジュール）
次に、図６を参照しながら、光モジュール２がフリップチップ実装された場合の説明を行う。図６は、フリップチップ実装の光モジュール２の構造を模式的に示す側面図である。図６に示す光モジュール２では、半導体レーザ素子４が下面側に正極及び負極の電極３４を備え、光源基板６上にサブマウント８を介して実装されている。半導体レーザ素子４の電極３４及びサブマウント８の間、並びにサブマウント８及び光源基板６の間は、半田をはじめとする金属接合層３６、３８で接続されている。
特に、半導体レーザ素子４のサブマウント８の出射面側の側面８Ａが、導波路１０の入射面１０Ａと略平行に配置されている。これにより、半導体レーザ素子４及びサブマウント８の突き出し量を同じにすることができ、容易に、半導体レーザ素子４を平面光波回路２０（導波路１０）に近接して配置することができる。よって、半導体レーザ素子４及び平面光波回路２０の光学的な結合効率の低下を効果的に抑制できる。

本発明の実施の形態、実施の態様を説明したが、開示内容は構成の細部において変化してもよく、実施の形態、実施の態様における要素の組合せや順序の変化等は請求された本発明の範囲および思想を逸脱することなく実現し得るものである。

符合の説明

２光モジュール
４半導体レーザ素子
４Ｂ青色半導体レーザ素子
４Ｇ緑色半導体レーザ素子
４Ｒ赤色半導体レーザ素子
６光源基板
８サブマウント
８Ａ出射面
１０導波路
１０Ａ入射面
１２コア
１２Ｂ青色対応コア
１２Ｇ緑色対応コア
１２Ｒ赤色対応コア
１２Ｍ合波対応コア
１４クラッド
１４Ａアンダークラッド層
１４Ｂオーバークラッド層
２０平面光波回路（ＰＬＣ：ＰｌａｎｎａｒＬｉｇｈｔｗａｖｅＣｉｒｃｕｉｔ）
２２シリコン基板
３０第１の線分
３２第２の線分
３４電極
３６半田
３８金属接合層
Ｌ第１の線分の長さ
Ｄ距離
Ｐ発光点
Ｍ中点
Ｃ交点（傾斜中心）
Ｑ合流点
θ 第１の線分及び第２の線分がなす角度
θ１半導体レーザ素子からコアへ入射する光の光軸及びコアの光軸がなす角度
θ２半導体レーザ素子の出射光の広がり角（半値）
θＭａｘ導波路の最大受光角（半値）

Claims

互いに略平行な出射面を有し、該出射面が該出射面に垂直な方向において互いにずれて配置された第１半導体レーザ素子、第２半導体レーザ素子及び第３半導体レーザ素子と、
基板上に導波路が形成された平面光波回路（ＰＬＣ：ＰｌａｎｎａｒＬｉｇｈｔｗａｖｅＣｉｒｃｕｉｔ）と、
を備え、
前記第１半導体レーザ素子、前記第２半導体レーザ素子及び前記第３半導体レーザ素子の発光点の位置と前記導波路のコアの位置とが略一致するように配置され、
平面視において、
前記第１半導体レーザ素子、前記第２半導体レーザ素子及び前記第３半導体レーザ素子の出射面を表す線分とこれに対応する前記導波路の入射面を表す線分とが互いに傾斜して配置され、
前記第１半導体レーザ素子、前記第２半導体レーザ素子及び前記第３半導体レーザ素子の各々の半導体レーザ素子の発光点が、前記各々の半導体レーザ素子の出射面を表す線分の中央に対して、前記各々の半導体レーザ素子の出射面を表す線分の延長線、及び対応する前記入射面を表す線分またはその延長線の交点側に配置されており、
前記第１半導体レーザ素子、前記第２半導体レーザ素子及び前記第３半導体レーザ素子は、赤色、緑色及び青色の中から選択された色の光を出射し、かつ互いに異なる色の光を出射することを特徴とする光モジュール。
前記平面光波回路が、各々の波長の前記半導体レーザ素子に対応したコア及び該コアが合流したコアを有する導波路を備え、
前記平面光波回路により各々の波長の光が合波されることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
前記半導体レーザ素子及び前記平面光波回路がフリップチップ実装されており、
前記半導体レーザ素子のサブマウントの出射面側の側面が、前記平面光波回路の入射面と略平行に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光モジュール。
前記平面光波回路の前記基板はシリコン基板であることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の光モジュール。
前記導波路は、ＳｉО_２からなるアンダークラッド層と、前記アンダークラッド層の上に形成されたＳｉО_２からなるコアと、前記コアを囲むように形成されたＳｉО_２からなるオーバークラッド層を有することを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の光モジュール。