专利名称：光模块及光传输装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有垂直谐振腔面发光激光器(VCSEL)的光模块以及光传输装置。
背景技术：
在光通信体系中，对于LAN(局域网)、SAN(存储区域网络)这样的数百米短距离的数据传输，多采用比单模光纤，纤芯直径更大，更容易与光源光耦合的多模光纤。
使用多模光纤进行通信时，存在所谓的模选择损失的S/N比的劣化问题。为改善模选择损失，公知的有效方法是使用其出射光的干扰性低的光源。例如，日本专利特开平7-170231号公报所描述的那样，通过采用多模振荡的VCSEL(垂直谐振腔面发光激光器)作为光源，以此来确保1.5Gbps以上的高速数据传输中的数百米的传输距离。
特开平7-170231号公报但是，多模振荡的VCSEL存在着每一振荡模的偏振波方向不同的问题，而且，如果传输信道中设置了具有偏振光选择性的光学元件，那么由于来自VCSEL的发射光的振荡模竞争会使光学元件的透射(或反射)光量产生变动而导致S/N比的降低。为此，希望在使用多模光导纤维的多种通讯形式中，开发出能够获得抗噪声性能优良的信号光的光源。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适合于采用多模光纤通信形式的光模块以及光传输装置。
(1)本发明涉及一种光模块，包括面发光型半导体激光器，通过多模振荡出射在两个给定的偏振光轴上优先定向的偏振光；光学构件，对于预设的偏振光有选择地发挥透射功能、反射功能、折射功能及衍射功能中的至少一种功能；其中所述光学构件的其主平面与所述面发光型半导体激光器出射光的前进方向交叉设置，所述面发光型半导体激光器的其出射光的所述两个偏振光轴不与所述光学构件的偏振光轴重合设置。
在本发明中，所谓偏振光轴优先定向是指存在比其他偏振光轴的输出光量更大的偏振光轴。而且，所谓多模振荡则指的是发射光的横模不仅仅是基本(0次)模振荡，还包含一次模以上的高次模振荡。
根据本发明，由于面发光型半导体激光器进行多模振荡，所以，其出射光干涉性低，即使使用多模光导纤维，也很少产生因模选择损失而造成的S/N比降低。另外，关于面发光型半导体激光器的出射光偏振波方向，由于优先定向的两个偏振光轴与光学构件的偏振光轴不重叠地设置，所以，即使产生模竞争(互扰)，经由光学构件的(受到过透射、反射、折射或衍射的作用)光的光量变动也不会太大。因此，根据本发明，能够获得适用于多模光纤通信方式的低噪声光源。
(2)在本发明所涉及的光模块中，包括光探测器(受光器件)，用于接收所述面发光型半导体激光器的至少一部分出射光；所述光学构件可以通过在所述主面上进行反射、折射或者衍射至少部分出射光，而将所述面发光型半导体激光器出射光的反射光、折射光、或衍射光引导至所述光探测器。这样做，可以稳定光模块的输出光量和光探测器的监控光量。
(3)在本发明的光模块中，可以将所述面发光型半导体激光器设置成使相对于所述光学构件偏振光轴的出射光的所述两个偏振光轴角度分别相等的状态；这样，位于优先定向的两个偏振光轴中间位置的轴方向的偏振光，因模式竞争而引起的光量变动很少，所以可以获得大幅降低了噪声的光源。
(4)根据本发明所涉及的光模块，其中所述面发光型半导体激光器可以出射沿半导体基板的解理面方向的两个轴优先定向的偏振光。这样，可以实现具有面发光型半导体的光源，该面发光型半导体具有依存于半导体基板的结晶位向的两个优先偏振光轴。
(5)在本发明所涉及的光模块中，所述面发光型半导体激光器可以包括至少一部分平面形状是圆形或正方形的谐振腔结构。例如，可以将构成谐振腔的一对反射镜中的一个反射镜做成圆形或正方形。这样，由于谐振腔的平面形状是各向同性的，所以，可以实现具有出射光偏振光轴依存于半导体基板的结晶位向的面发光型半导体激光器的光源。
(6)上述光模块，例如，可以适用于LAN、SAN等使用的光传输装置。
图1为本实施例的第一光模块示意图。
图2为在本实施例的光模块中使用的面发光型半导体激光器示意图。
图3为在本实施例的光模块中使用的面发光型半导体激光器示意图。
图4为面发光型半导体激光器出射光的偏振光相关性示意图。
图5为本实施例涉及的面发光型半导体激光器与反射镜的设置关系示意图。
图6为本实施例的第一光模块的变形例示意图。
图7为本实施例的第二光模块示意图。
图8为本实施例的光传输装置示意图。
具体实施例方式
下面，对于本发明优选实施例，参照附图进行说明。
1.第一光模块图1给出了本发明的实施方式所涉及的第一光模块模式图。
根据本实施例的光模块，通过陶瓷制成的并在其上表面(组装面)形成金属膜(确保与管座5绝缘)的VCDEL用辅助支架(广义上指单纯的支架)10a，将与所述辅助支架电连接的垂直谐振腔面发光型半导体激光器(广义上指发光元件以下简称为VCDEL)10安装在金属管座5上，而且，在管座5上装有监视器PD(20)，用于监控(监视)VCDEL10的出射光量。
本实施例所涉及的光模块，具有用于与外部互相收发电信号的引线管脚1～3，利用这些管脚，通过导线接合法将VCDEL10、VCDEL用辅助支架10a以及监视器PD20进行电连接。
同时，VCDEL10可以采用在预设的两个偏振光轴(广义上为第一偏振光轴及第二偏振光轴)中获得的直线偏振光。具体地讲，如图2所示，VCDEL10具有谐振腔结构，该谐振腔是由在(100)结晶面的n型GaAs基板100上面用GaAs/AlGaAs系化合物半导体材料形成的下位反射镜(多层反射膜)层102、激活层104、及上位反射镜(多层反射膜)层106层叠而成的。另外，图2中的符号108是由氧化膜形成的绝缘层。图2中的符号112、114分别为p型电极、n型电极。VCDEL10具有通过氧化上位反射镜层106中的一部分而形成电流狭窄层106a。在VCDEL10中，根据该电流狭窄层106a的直径φ控制注入激活层104的注入电流密度，然后将激活区(发光区)104a的直径确定为适于多模振荡的直径(例如，大于等于8μm)。另外，代替电流狭窄层106a的设置，也可以将激活层104的直径加工成能产生多模振荡的直径。在VCDEL10中，通过各向异性蚀刻将激活层104及上位反射镜层106整形为圆形，使之成为圆形谐振腔构造。对于这样具有各向同性形状的谐振腔，出射光的偏振光特性与基板的结晶位向相关(优先导向)。具体地讲，使用(100)结晶面时，结果在
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的相互直交的两个轴方向具有可以获得(光量大的)直线偏振波的偏振光优势轴(广义为偏振光轴)。也就是说，可称之为在基板的晶体解理面方向(广义为特定的两个结晶方向)出射光的偏振光轴优先定向。而且，关于在谐振腔上形成的p型电极112，如果形成其出射口具有均质性(各向同性)，则由于注入谐振腔的电流密度分布均匀，而使对VCDEL10的偏振光优势轴的基板晶体解理面方向的依存性增强。另外，偏振光优势轴不一定必须直交。
VCDEL10的谐振腔结构不限于圆形，例如，图3所示的平面形状为正方形(广义为矩形)的谐振腔结构也可以。如果这样，因为沿谐振腔侧壁的两个方向具有各向同性，所以与圆形谐振腔结构相比较，可以认为能够发挥强偏振光轴的晶体解理面方向的依存性。这种情况下，如果形成的p型电极112具有正方形出射口，从注入电流的密度分布方面考虑，偏振光轴的优先定向控制是可能的。
在此，对于VCSEL10的出射光，本申请的发明者们采用偏振光滤光器，测量了偏振光角度的依存性。图4给示出了用千兆位以太网(GbE)的使用频带937.5MHz进行测量时的VCSEL10的出射光的相对强度噪声(RIN)显示的噪声特性。测量是以n型GaAs衬底100的其中一解理面方向为基准(0度)。根据图4可判断在解理面方向上噪声大，而两个解理面方向
、
的中间角度上，噪声大幅减小。即，VCSEL10的出射光具有优先定向于解理面方向的两个偏振光优位轴。
同时，监视器PD20可以采用使用了Si、Ge等半导体或化合物半导体(GaAs系、InP系)的PN光电二极管、PIN光电二极管等公知的光探测器。具体地讲，就是使用具有适合于VCDEL10振荡波长的受光波段的光探测器。
在本实施例所涉及的光模块中，将上述VCDEL10、VCDEL用的辅助支架10a和监视器PD20封装在与管座5结合(或整体形成)的金属容器7的内部。在VCDEL 10及监视器PS 20的上方，作为VCDEL 10的出射光的出射窗而具有选择性的反射镜(广义为光学构件)30与VCDEL 10的出射光P1的行进方向呈交叉状态设置容器7。反射镜30在玻璃板的一面(广义为主平面)具有由金属膜(单层、多层都可)或电介质膜(单层、多层都可)形成的反射面30a。在该反射面30a上，p偏振光比s偏振光的透射率还高，具有预设的偏振光透射轴(广义为第三偏振光轴)。在反射面30a上的光的透射率根据反射膜的厚度或材料所决定，当形成多层反射膜时，还受其层数影响。反射镜30透射VCDEL 10的部分出射光P1，并输出光P2向外部输出，同时，反射其余的光，并将监测光P3引导至(入射)监视器PD。
下面，就VCDEL10与反射镜30的设置关系进行说明。
在本实施例中，利用VCSEL10的出射光所具有的两个偏振光优位轴与反射镜30的偏振光透射轴的配置关系，达到光模块的低噪声化。具体而言，沿着VCSEL10的基板解理面方向(
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)的两个偏振光优位轴不能配置成与反射镜30的偏振光透射轴相重叠。据此，可以可靠地从反射镜30获取如图4所示的较低噪声的直线偏振光。而且如果考虑取决于模竞争的输出光量及监控光量的抗变动性，则希望如图5所示，设置成其VCSEL10所具有的两个偏振光优位轴各自与反射镜30的偏振光透射轴所成的角度θ1，θ2相等(例如45度)(位于垂直于半导体衬底的解理面方向间的中间位置)。另一方面，如图5(B)所示，若设置成VCSEL10的两个偏振光优位轴的一轴与反射镜30的偏振光透射轴重合，那么由图4可知，当发生模竞争时，光模块的输出光量、监控光电二极管20的监控光量会产生很大的变动。
如上所述，根据本实施例所涉及的光模块，由于VCDEL 10多模振荡，其出射光干涉性低，所以即是使用多模光导纤维，也很少会因模式选择而降低了S/N比。而且，由于VCDEL 10所具有的两个偏振光优势轴被设置成与反射镜30的偏振光面30a的偏振光透射轴不重合，所以，即使产生模式竞争，透过反射镜30的光量及由反射镜30反射的光量变动也不大。因此，根据本实施方式的光模块，可以实现对于使用多模光纤的通信形态而十分适合的低噪声光源。并且，根据本实施方式，因通过反射镜30透射的光量以及反射的光量即使是在模竞争发生的情况下，也很难发生变动，所以能够稳定光模块的输出光P2的光量与监控光电二极管20的监控光P3的光量。
特别是，如果相对于反射镜30设置VCDEL 10，使VCDEL 10所具有的两个偏振光优势轴的每一个相对于反射镜30的偏振光透射轴具有相等的角度θ1、θ2，那么，由于模式竞争而产生的光量变动不多，所以，可以实现位于两个偏振光优势轴中间位置的轴方向的偏振光就是大幅度低噪声化的光源。
特别是如果按VCSEL10的两个偏振光优位轴各自与反射镜30的偏振光透射轴所成的角度θ1和θ2相等那样与反射镜30相向配置VCSSEL10，则因模竞争而造成的位于两个偏振光优位轴中间的轴方向上的偏振光的光量变动很小，所以能够实现大幅降低了噪声的光源。
作为第一光模块的变形例，如图6所示，也可以用衍射光栅(广义为光学构件)32代替反射镜30使用。在使用了衍射光栅32时，也可以设置在VCDEL 10的上方，以使衍射光栅32的一个平面(广义为主平面)32a与VCDEL 10的出射光P1交叉。此时，以能将1次衍射光(广义上指低次衍射光)导向监控光电二极管20来决定衍射光栅32与监控光电二极管20的配置关系。因衍射光栅32也有有沿光栅方向的偏振光选择性，所以，对于本变形实施例所涉及的光模块，也与图1所示的光模块同样，可以作为输出光P2而获得适用于多模光导纤维的通讯形式的低噪声直线偏振光，还可以提高相对于输出光P2及监视光P3的模式竞争的光量抗变动性。同时，本实施方式除利用透射，反射或者衍射外，还可以利用光的折射，采用将光导入监控光电二极管20的构成。
2.第二光模块图7给出了本发明第二实施方式所涉及的第二光模块的模式图。
该光模块由VCDEL 10、光波导型光导元件(广义为光学构件)40构成。其中VCDEL 10，与所述第一光模块相同，例如可以采用图2、图3所示的结构，所以省略其详细说明。
光导元件40具有由型芯44和金属包层42形成的光波导管的结构，其中，金属包层42是由比型芯44的折射率低的材料形成的。在使用该光模块时，多模光导纤维连接于光导元件40的前端。而且，光导元件40设置成使其与VCDEL 10的出射光P1的进行方向交叉的状态，光导元件40具有反射面44a，该反射面设有提高s偏振光反射率的偏振光反射轴(广义为偏振光轴)。即，VCDEL 10的出射光P1通过反射面44a反射，反射光P2由型芯44引导。而且，在金属包层42的表面设有p型电极用的电极部46p和n型电极用电极部46n，例如，VCDEL 10以面朝下的状态通过凸起块50倒装片式结合。即，该光模块从电极部46p、46n接收来自外部的输入电信号后进行动作。型芯44和金属包层42，例如可以从薄膜光波导管、石英系光导纤维、塑料系光导纤维等材料所使用的熟知的材料中选出的材料形成。作为用于薄膜光波导管的材料，可以列举出氧化硅(Sio2)或铌酸锂(LiNbO3)等。作为石英系光导纤维材料，可以列举出以所述氧化硅为代表的氧化物系的玻璃、重金属氟化玻璃(As-S系、As-Ge-Se系、Ge-S系)等。作为塑料系光导纤维的材料，可以列举出聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)、环氧树脂、酚醛树脂、邻苯二甲酸二烯丙基脂树脂、苯基异丁烯酸脂、氟聚合物等。
如图7所示，本实施例的光模块中，沿VCDEL 10的晶体解理面方向(
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)的两个偏振光优势轴的设置，避免与光导构件40的反射面44a的偏振光反射轴重合。因此，穿过构成光波导管的型芯44内部的光P2的噪声低、成为很少受振模竞争引起光量变动的直线偏振光。
所以，在第二光模块中，也可以获得适用于使用多模光导纤维的通信形式的低噪声直线偏振光。而且，还能提高对输出光模竞争的抗光量变动性。
3.光传输装置图8为应用本实施例的光模块的光传输装置示意图。
光传输装置90用于计算机、显示器、打印机等电子仪器92的相互连接。电子仪器92也可以是信息通信仪器。光传输装置也可以是在电缆94的两端装上插头96的装置。具体讲电缆94是多模光导纤维。作为发送信息用的光源，插头96的构成可以包括本实施例的光模块。使用该光传输装置，通过光信号可以进行电子仪器间的数据传送。
通过本实施例所示的光传输装置进行相互连接的电子仪器也可以是液晶显示监视器、数字CRT(用于金融、通信销售、医疗、教育领域)、液晶投影仪、等离子显示面板(PDP)、数字TV、零售店的现金出纳机(POS用)、录像机、调谐器、游戏机等。
以上对本发明的优选实施例进行了说明。但是，本发明不限于上述实施例，对于本领域的技术人员来说，在本发明要旨的范围内，可以加以各种变形。例如，构成VCSEL 10各层的材料不限于GaAs系，也可以是InP系、GaN系的化合物半导体。本发明的各种更改、变化和等同替换均由所附的权利要求书的内容涵盖。
符号说明10面发光型半导体激光器、20监视器PD20(光检测构件)、30反射镜(光学构件)、30a反射面(主平面)、32衍射光栅(光学构件)
权利要求
1.一种光模块，包括面发光型半导体激光器，用于多模振荡发射在两个给定的偏振光轴上优先定向的偏振光；光学构件，对预定的偏振光有选择地发挥透射功能、反射功能、折射功能、及衍射功能中的至少一种功能；其中，所述光学构件被设置成其主平面与所述面发光型半导体激光器的出射光的前进方向交叉的状态；以及所述面发光型半导体激光器被设置成其的出射光的所述两个偏振光轴与所述光学构件的偏振光轴不能重合的状态。
2.根据权利要求1所述的光模块，包括光探测器，用于接收所述面发光型半导体激光器的出射光的至少一部分；其中，所述光学构件，通过在所述主平面进行反射、折射、或衍射，将所述面发光型半导体激光器的出射光的至少一部分反射光、折射光、或衍射光引导至所述光探测器。
3.根据权利要求1或2所述的光模块，其中，所述面发光型半导体激光器设置成其出射光的所述两个偏振光轴与所述光学构件的偏振光轴分别形成的角度相等的状态。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光模块，其中，所述面发光型半导体激光器用于发射在沿半导体基板的解理面方向的两个轴上优先定向的偏振光。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光模块，所述面发光型半导体激光器包括其至少一部分平面形状是圆形或正方形的谐振腔结构。
6.一种光传输装置，其包括权利要求1至5中任一项所述的光模块。
全文摘要
本发明披露了一种适用于多模光纤通讯方式的光模块及光传输装置。所述光模块包括面发光型半导体激光器(10)，通过多模振荡出射在两个预设的偏振光轴优先定向的偏振光；光学构件(30)，对于预设的偏振光有选择地发挥透射功能、反射功能、折射功能、及衍射功能中至少一种功能；光学构件(30)设置成其主平面(30a)与面发光型半导体激光器(10)的出射光前进方向交差，且偏振光面(30a)的偏振光轴与面发光型半导体激光器(10)的出射光的偏振光轴不相重合的状态。
文档编号H01S5/183GK1595740SQ200410074589
公开日2005年3月16日 申请日期2004年9月7日 优先权日2003年9月8日
发明者井出次男, 有竹裕介 申请人:精工爱普生株式会社