DE69710520T2

DE69710520T2 - Halbleiterlasermodul und optischer Faserverstärker

Info

Publication number: DE69710520T2
Application number: DE69710520T
Authority: DE
Inventors: Atsushi Hamakawa; Goro Sasaki
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1996-04-08
Filing date: 1997-04-08
Publication date: 2002-10-10
Anticipated expiration: 2017-04-09
Also published as: DE69710520D1; EP0812040A3; DE69736015T2; US5845030A; EP0812040B1; JPH09283847A; EP1152504A1; EP1152504B1; DE69736015D1; EP0812040A2; JP3120828B2

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiter-Lasermodul zur Emission eines Laserstrahls und einen Verstärker für optische Fasern.

Stand der Technik

Ein Verstärker für optische Fasern ist als eine Vorrichtung bekannt, die einen Eingangssignalstrahl und einen Anregungsstrahl zur gleichzeitigen Verstärkung des Signalstrahls in eine Verstärkungsfaser leitet. Da ein Halbleiterlaser klein ist und eine hohe Ausgangsleistung hat, wird er in einem solchen optischen Faserverstärker als Anregungslichtquelle verwendet.
Der relevante Stand der Technik ist in den folgenden drei Dokumenten beschrieben.
J. Yu et al., "Fourier-transform-limited 2,5 ps light pulses with electrically tunable wavelength (15 nm) by hybridly modelocking a semiconductor laser in a chirped Bragg grating fibre external cavity", Electronic Letters, Bd. 31, Nr. 23, S. 2008-2009 (1995), beschreibt eine Halbleiterlaserdiode, bei der eine erste Endfläche mit einer gechirpten Braggschen Gitterfaser gekoppelt ist, um einen externen Hohlraum mit einer zweiten Endfläche der Halbleiterlaserdiode auf der gegenüberliegenden Seite der Diode zur Hybrid-Modensperrung mit der Diode zu bilden. Diese Anordnung erzeugt durch Fouriertransformation begrenzte Lichtimpulse in Picosekundendauer, die in eine optische Faser geschickt werden, die mit der zweiten Endfläche der Laserdiode gekoppelt ist, die auf der Seite der Diode angeordnet ist, die der gechirpten Braggschen Gitterfaser gegenüberliegt. Der aus der Braggschen Gitterfaser und der zweiten Endfläche der Halbleiterlaserdiode bestehende externe Hohlraum hat ein Wellenband von 15 nm. Die Frequenz der Impulse des austretenden Lichts kann durch Ändern der Länge des externen Hohlraums abgestimmt werden. Anders als bei der vorliegenden Erfindung betrifft daher der Inhalt dieses Dokuments als solcher eine ganz andere Technologie zur Verstärkung eines Eingangssignalsstrahls.
EP-A-0 793 314 und WO-A-96/00997 betreffen andererseits beide die Stabilisierung der Intensitäts- und Frequenzfluktuationen einer Halbleiterlaserdiode, die zur Verstärkung von Eingangssignalstrahlen verwendet werden kann.
EP-A-0 793 314 beschreibt eine Halbleiterlaserdiode, die optisch mit einer Faser, nämlich einem Beugungsgitter, gekoppelt ist, deren Wellenlängenband so eingestellt ist, dass es etwa zwischen dem Doppelten dem Vierfachen größer als der Fabry-Perot-Abstand der in Frage kommenden Laserdiode ist. So impliziert das beispielsweise bei einem 980 nm-Laser mit einem Fabry-Perot-Abstand von 0,17 nm in diesem Dokument eine Bandbreite des Fasergitters, die zwischen etwa 0,34 und 0,68 nm eingestellt ist. Ein Bandbreitenbereich für das Fasergitter zwischen etwa 0,4 und 0,6 nm ist insbesondere als für eine derartige Halbleiterlaserdiode geeignet genannt. Mit anderen Worten, das Wellenlängenband des Gitters in diesem Dokument ist ausreichend, um zwei bis 4 longitudinale Moden des Halbeiterlasers zu umfassen.
Auch WO-A-96/00997 beschreibt eine Halbleiterlaserdiode, die mit einer optischen Faser, einem Beugungsgitter, optisch gekoppelt ist, wobei das Wellenlängenband typischerweise 0,05 nm bis 1 nm beträgt, aber auch bis zu 2 nm betragen kann. Bei einer in diesem Dokument beschriebenen bevorzugten Ausführungsform emittiert die Laserdiode Licht einer Wellenlänge von 965 bis 1160 nm, und das Fasergitter hat eine Bandbreite von 0,2 bis 0,3 nm. Nach diesem Dokument besteht die optische Ausgangsleistung in 20 oder mehr longitudinalen Moden der Laserdiode und des Fasergitters.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein Halbleiter-Lasermodul, in dem ein Beugungsgitter einer optischen Faser so ausgeführt ist, dass es einem Halbleiterlaser gegenüberliegt, emittiert einen Laserstrahl, dessen Resonatorlänge der Abstand zwischen der lichtreflektierenden Oberfläche des Halbleiterlasers und dem Beugungsgitter der optischen Faser ist. Ferner wird ein Laserstrahl erzeugt, dessen Resonatorlänge der Abstand zwischen der lichtreflektierenden Oberfläche und der Lichtaustrittsfläche des Halbleiterlasers selbst ist.
Daher weist der vom Halbleiterlasermodul emittierte Laserstrahl zwei Oszillationsspektren auf, die durch diese Resonatorlängen bestimmt sind. Der Peak-Wert des Oszillationsspektrums des Laserstrahls, dessen Resonatorlänge der Abstand zwischen der lichtreflektierenden Oberfläche und der Lichtaustrittsfläche des Halbleiterlasers selbst ist, verschiebt sich in Übereinstimmung mit einer Temperaturänderung. Wenn sich der Peak-Wert eines Oszillationsspektrums verschiebt und den Peak-Wert des anderen Oszillationsspektrums überlappt, ändert sich die Ausgangsleistung des resultierenden überlappenden Laserstrahls in großem Maße. Wenn sich die optische Ausgangsleistung des Halbleiterlasers auf diese Weise ändert, kann die Verstärkung des Signalstrahls im Verstärker der optischen Faser nicht ausreichend gesteuert werden.
Daher umfasst das erfindungsgemäße Halbleiterlasermodul einen Halbleiterlaser, der ein aktives Gebiet zwischen einer lichtreflektierenden Oberfläche und einer Lichtaustrittsoberfläche hat, und eine optische Faser, die mit dem Halbleiterlaser optisch gekoppelt ist und ein Beugungsgitter einer optisches Faser enthält das dazu dient, Licht innerhalb eines vorbestimmten Wellenlängenbandes selektiv zu reflektieren, wobei das Wellenlängenband eine größere Breite hat als ein Wellenlängenintervall eines longitudinalen Modus von Licht, das zwischen der lichtreflektierenden Oberfläche und der Lichtaustrittsoberfläche in Resonanz ist, wobei der Halbleiterlaser zur Aussendung von Licht innerhalb eines 1,48 um Bandes ausgebildet ist, und eine Breite des vorbestimmten Wellenlängenbandes des vom Beugungsgitter der optischen Faser reflektierten Lichts 2 nm bis 5 nm beträgt.
Da die Breite des Wellenlängenbandes des vom Beugungsgitter der optischen Faser reflektierten Lichts größer als das Wellenlängenintervall des longitudinalen Modus von Licht ist, das zwischen der lichtreflektierenden Oberfläche und der Lichtaustrittsoberfläche in Resonanz ist, ändert sich in diesem Fall die Intensität der Ausgangsleistung des Laserstrahls von diesem Modul auch dann nicht in extremer Weise, wenn sich der Peak-Wert bzw. Spitzenwert des Oszillationsspektrums des Lichts, das zwischen der lichtreflektierenden. Oberfläche und der Lichtaustrittsoberfläche in Resonanz ist, verschiebt. Wenn daher dieser Modul als Anregungslichtquelle für einen Verstärker für optische Fasern verwendet wird, kann die Verstärkung eines Signalsstrahls ausreichend gesteuert werden. Darüber hinaus lässt sich eine große Änderung der Verstärkung des Signalsstrahls verhindern, aber eine ausreichende Verstärkung, wie sie für einen Verstärker einer optischen Faser erforderlich ist, wird aufrechterhalten.
Die Verschiebung des Oszillationsspektrums hängt von einer Änderung der Temperatur des Lasers ab, die von einer Änderung des in den Halbleiterlaser injizierten Stroms verursacht wird. Da das erfindungsgemäße Modul ferner ein Gehäuse, in dem der Halbleiterlaser angeordnet ist, und ein Peltier- Element enthalten kann, das mit dem Halbleiterlaser thermisch verbunden und in dem Gehäuse angeordnet ist, kann die Temperatur des Halbleiterlasers vom Peltier-Element gesteuert werden.
Da dieses Halbleiter-Lasermodul ferner einen Kühlkörper aufweisen kann, der zwischen dem Peltier-Element und dem Halbleiterlaser angeordnet ist, lässt sich eine Temperaturänderung des Halbleiterlasers weiter unterdrücken.
Wenn dieses Halbleiter-Lasermodul eine erste Linse aufweist, die so angeordnet ist, dass sie der Lichtaustrittsoberfläche des Halbleiterlasers gegenüber liegt, und wenn der Kühlkörper eine Öffnung aufweist, die zwischen der Lichtaustrittsoberfläche des Halbleiterlasers und der ersten Linse liegt, kann die erste Linse an der Halbleiterlinse fixiert werden, indem sie nur am Kühlkörper befestigt wird. Der Endabschnitt der optischen Faser auf der Seite des Halbleiterlasers kann im wesentlichen sphärisch sein. Die optische Faser kann einen Kern mit einem Durchmesser haben, der zum Halbleiterlaser hin zunimmt.
Das Halbleiter-Lasermodul kann ferner eine Antireflexionsbeschichtung mit einem Reflexionsgrad von 1% oder darunter aufweisen, die auf der Lichtaustrittsoberfläche des Halbleiterlasers ausgebildet ist. Die Antireflexionsbeschichtung ist bevorzugt ein dielektrischer Mehrschichtfilm. Dieser dielektrische Mehrschichtfilm enthält mindestens zwei Materialien die aus der Gruppe, welche aus SiO&sub2;, TiO&sub2;, SiN, Al&sub2;O&sub3;, MgF&sub2; und amorphem Silizium besteht, ausgewählt sind.
Die vom Halbleiter-Lasermodul emittierte Ausgangsleistung des Laserstrahls ändert sich mit der Änderung der Stellung der Lichtaustrittsoberfläche, der ersten Linse, der zweiten Linse oder des optischen Faserbeugungsgitters. Daher kann dieses Halbleiter-Lasermodul eine erste Linse, die im Gehäuse so angeordnet ist, dass sie der Lichtaustrittsoberfläche des Halbleiterlasers gegenüberliegt, und eine zweite Linse umfassen, die außerhalb des Gehäuses so angeordnet ist, dass sie der ersten Linse gegenüberliegt, wobei die Stellungen der Lichtaustrittsoberfläche, der ersten Linse, der zweiten Linse und des optischen Faserbeugungsgitters festgelegt sind.
Zur Aufrechterhaltung der Luftundurchlässigkeit des Gehäuses kann dieses Halbleiter-Lasermodul ferner ein hermetisch geschlossenes Glasteil umfassen, das in dem Gehäuse ausgebildet ist. Das hermetische Glasteil kann zwischen dem Halbleiterlaser und dem Faserbeugungsgitter angeordnet sein.
Ein Verstärker für optische Fasern, der das oben beschriebene Halbleiterlasermodul umfasst, enthält eine mit Erbium dotierte Faser und einen Wellenlängen- Multiplexer/Demultiplexer, um den Halbleiterlaser 2 und die mit Erbium dotierte Faser über die optische Faser optisch miteinander zu koppeln.
Die vorliegende Erfindung ist in der folgenden Beschreibung und in den beigefügten Zeichnungen im einzelnen erläutert, wobei die Zeichnungen lediglich der Illustration dienen, nicht aber als Einschränkung der vorliegenden Erfindung anzusehen sind.
Ein weiterer Bereich der Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung wird aus der folgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich. Es ist jedoch anzumerken, dass die detaillierte Beschreibung und die speziellen Beispiele, die bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung angeben, nur als Illustration angegeben sind und dass für die Fachleute auf diesem Gebiet verschiedene Änderungen und Modifikationen innerhalb des Umfangs der Erfindung aus dieser ins Einzelne gehenden Beschreibung einleuchtend sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen, in denen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Halbleiterlaser-Moduls,
Fig. 2 eine graphische Darstellung der Spektren eines vom Halbleiter-Lasermodul emittierten Lasterstrahls,
Fig. 3 eine graphische Darstellung der Spektren eines vom erfindungsgemäßen Halbleiter-Lasermodul emittierten Lasterstrahls,
Fig. 4 eine Ansicht zur Erläuterung des Aufbaus des Halbleiterlaser-Moduls,
Fig. 5 eine graphische Darstellung der Ausgangsleistungscharakteristika des Laserstrahls im Halbleiter-Lasermodul in Bezug auf den Einspritzstrom,
Fig. 6 eine Ansicht zur Erläuterung des Aufbaus eines Halbleiter-Lasermoduls,
Fig. 7 eine Ansicht zur Erläuterung eines Halbleiter- Lasermoduls gemäß einer fünften Ausführungsform,
Fig. 8 eine Ansicht zur Erläuterung eines Halbleiter- Lasermoduls gemäß einer sechsten Ausführungsform,
Fig. 9 eine schematische Darstellung eines Halbleiter- Lasermoduls im Vergleich mit der vorliegenden Erfindung,
Fig. 10 eine graphische Darstellung, die die Ausgangsleistungscharakteristika des Laserstrahls des Halbleiter-Lasermoduls im Vergleich mit der vorliegenden Erfindung zeigt,
Fig. 11 eine graphische Darstellung, die die Ausgangsleistungscharakteristika des Laserstrahls des Halbleiter-Lasermoduls im Vergleich mit der vorliegenden Erfindung zeigt und
Fig. 12 einen Verstärker einer optischen Faser, in dem ein Halbleiter-Lasermodul verwendet ist.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Zunächst wird, zum einfacheren Verständnis des erfindungsgemäßes Halbleiter-Lasermoduls, ein Halbleiter- Lasermodul zum Vergleich mit der vorliegenden Erfindung beschrieben. Als Halbleiter-Lasermodul zum Vergleich mit der vorliegenden Erfindung, aus dem ein Laserstrahl austritt, kann das von Fig. 9 gewählt werden, in dem eine mit einem Beugungsgitter B ausgebildete optische Faser C in einem vorgegebenen Abstand von einem lichtemittierenden Halbleiterelement A angeordnet ist. In dem lichtemittierenden Halbleiterelement A dieses Halbleiter-Lasermoduls ist ein aktives Gebiet E zwischen Überzugsschichten bzw. Hüllschichten D und einer Lichtaustrittsoberfläche F und einer lichtreflektierenden Oberfläche G auf den Endflächen des aktiven Gebiets E ausgebildet. Die Lichtaustrittsoberfläche F liegt der optischen Faser C gegenüber und bildet eine niedrig-reflektierende Fläche, die ein geringes Reflexionsvermögen hat. Die lichtreflektierende Fläche G liegt dieser Lichtaustrittsoberfläche F gegenüber und bildet eine hoch-reflektierende Fläche mit einem hohen Reflexionsvermögen. Das Beugungsbitter B ist in der optischen Faser C, die als Lichtwellenleiter dient, durch Ausbildung mehrerer Bereiche mit einem hohen Brechungsindex in einem vorbestimmten Abstand im Kern hergestellt. Das Beugungsgitter B ist in einem vorgegebenen Abstand von der Lichtaustrittsoberfläche F des Halbleiterelements A angeordnet. In diesem Halbleiter-Lasermodul erzeugt das aktive Gebiet E nach der Strominjektion in das lichtemittierende Halleiterelement A Licht. Das Licht wird durch Reflexion zwischen der lichtreflektierenden Fläche G und dem Beugungsbitter B verstärkt. Daher wird von diesem Halbleiter-Lasermodul über die optische Faser C ein Laserstrahl H ausgesandt, bei dem eine einzige Wellenlänge durch die Teilungsbreite des Beugungsgitters B bestimmt ist.
Das oben beschriebene Halbleiter-Lasermodul weist jedoch im Vergleich mit der vorliegenden Erfindung die folgenden Nachteile auf. Wie in Fig. 9 gezeigt ist, tritt ein Teil des im Licht emittierenden Halbleiterelement A erzeugten Lichts nicht vollständig aus der Lichtaustrittsoberfläche F aus, sondern wird von der Lichtaustrittsoberfläche F reflektiert, reziprok zwischen der Lichtaustrittsoberfläche F und der lichtreflektierenden Fläche G verstärkt und als schwacher Laserstrahl I ausgegeben. Somit wird der Oszillationszustand des erwünschten Laserstrahls H, der in Übereinstimmung mit der Reflexionsverstärkung zwischen der lichtreflektierenden Fläche G und dem Beugungsgitter B ausgesandt wurde, durch die Oszillation dieses besonders schwachen Laserstrahls I beeinflusst und verursacht einen Knick bzw. Sprung (einen nichtlinearen Bereich) in den Charakteristika der optischen Ausgangsleistung bezüglich des Injektionsstroms, wie in Fig. 10 gezeigt ist. Die optische Ausgangsleistung des Halbleiter- Lasermoduls kann daher nicht konstant gesteuert werden.
Die vorliegende Erfindung ist zur Lösung des obigen Problems erarbeitet worden und es ist ihre Aufgabe, ein Halbleiter- Lasermodul anzugeben, das befähigt ist, seine optische Ausgangsleistung konstant zu steuern.
Erfindungsgemäß ist ein Halbleiter-Lasermodul angegeben, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es umfasst: ein lichtemittierendes Halbleiterelement, das eine lichtreflektierende Oberfläche und eine Lichtaustrittsoberfläche aufweist, die einander durch ein aktives Gebiet gegenüberliegen, und eine optische Faser, die optisch mit der Lichtaustrittsoberfläche des lichtemittierenden Halbleiterelements so gekoppelt ist, dass die optische Faser von der Lichtaustrittsoberfläche des lichtemittierenden Halbleiterelements Licht aussenden und von dieser empfangen kann und ein darin ausgebildetes Beugungsgitter, welches nur Licht reflektiert, das eine vorgegebene Wellenlänge aufweist. Nach der Strominjektion in das lichtemittierende Halbleiterelement wird im aktiven Gebiet Licht erzeugt. Dieses Licht wird reflektiert und zwischen der lichtreflektierenden Oberfläche und dem Beugungsgitter verstärkt und als Laserstrahl ausgesandt. Die Bandbreite der Reflexionswellenlänge des Beugungsgitters ist größer eingestellt als es das Wellenlängenintervall des longitudinalen Modus des Lichts ist, das zwischen der lichtreflektierenden Oberfläche und der Lichtaustrittsoberfläche des lichtemittierenden Halbleiterelements in Resonanz ist.
Mit diesem Modul, auch wenn sich die Wellenlänge des longitudinalen Modus des Lichts, das zwischen der lichtreflektierenden Oberfläche und der Lichtaustrittsoberfläche des lichtemittierenden Halbleiterelements in Resonanz ist, infolge einer Erhöhung des Injektionsstroms für das lichtemittierende Halbleiterelement und dergleichen ändert, hat diese Änderung keinen großen Einfluss auf den Oszillationszustand des Laserstrahls, der aufgrund der Reflexionscharakteristika des Beugungsgitters oszilliert. Somit wird das Auftreten von Nichtlinearität (eines Knicks) in den Charakteristika der optischen Ausgangsleistung dieses Laserstrahls bezüglich des Injektionsstroms verhindert.
Der vorliegende Modul ist dadurch gekennzeichnet, dass das lichtemittierende Halbleiterelement ein Laserdiodenchip mit einem Band von 1,48 um ist und dass die Reflexionsbandbreite des Beugungsgitters 2 bis 5 nm beträgt.
Da das lichtemittierende Halbleiterelement dieses Moduls der Laserdiodenchip der Bandbreite von 1,48 um ist, und die Resonatorlänge des Laserdiodenchips 300 bis 900 nm beträgt, beträgt das Wellenlängenintervall des oben beschriebenen longitudinalen Modus 0,1 bis 1 nm. Da die Reflexionsbandbreite des Beugungsgitters 2 nm oder darüber ist, liegen im Oszillationswellenlängenband des Laserstrahls mehrere longitudinalen Moden vor. Auch wenn sich die Wellenlängen dieser longitudinalen Moden ändern, beeinflusst diese Änderung den Oszillationszustand des Laserstrahls nicht in großem Maße. Infolgedessen wird das Auftreten einer Nichtlinearität (eines Knicks) in den Charakteristika der optischen Ausgangsleistung des Laserstrahls bezüglich des Injektionsstroms verhindert.
Mit diesem Modul kann das Auftreten eines Knicks in den Charakteristika der Ausgangsleistung des Laserstrahls bezüglich des Injektionsstroms, wie oben beschrieben, verhindert werden und der Laserstrahl kann ein schmales Spektralband haben. Daher ist dieses Modul als Anregungslichtquelle in einem optischen Verstärker geeignet, in dem eine mit Erbium dotierte Faser verwendet wird.
Dieses Modul ist des weiteren dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtaustrittsoberfläche des lichtemittierenden Halbleiterelements mit einer Antireflexionsbeschichtung versehen ist, die ein Reflexionsvermögen von 1% oder darunter aufweist.
Da bei diesem Modul die Resonanz des Lichts zwischen der lichtreflektierenden Oberfläche und der Lichtaustrittsoberfläche des lichtemittierenden Halbleiterelements unterdrückt ist, wird das Auftreten einer Nichtlinearität (eines Knicks) in den Kennwerten der optischen Ausgangsleistung des Laserstrahls bezüglich des Injektionsstroms effektiv verhindert.
Das vorliegende Modul ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass es ein Gehäuse zur Aufnahme eines Licht emittierenden Halbleiterelements, eines Peltier-Elements, das im Gehäuse für eine Temperatursteuerung des lichtemittierenden Halbleiterelements angeordnet ist, eines hermetischen abgeschlossenen Glasteils, das in der Seitenwand des Gehäuses ausgebildet ist, um eine Ausbreitung des Lichts zwischen der Innenseite und der Außenseite des Gehäuses zu ermöglichen, eine Zwinge, die auf der Außenseite des Gehäuses angebracht ist und eine optische Faser hält, und ein Linsensystem enthält, das dazu dient, die optische Kopplungseffektivität zwischen dem lichtemittierenden Halbleiterelement und der optischen Faser zu erhöhen und das aus einer ersten Linse, die in dem Gehäuse ausgebildet ist und an der Seite des lichtemittierenden Halbleiterelements die optische Kopplung vornimmt, und aus einer zweiten Linse besteht, die außerhalb des Gehäuses angeordnet ist und die optische Kopplung auf der Seite der optischen Faser vornimmt. Dieses Modul ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass es ein Gehäuse zur Unterbringung eines lichtemittierenden Halbleiterelements, eines Peltier- Elements, das im Gehäuse für eine Temperatursteuerung des lichtemittierenden Halbleiterelements angeordnet ist, eines hermetisch abgeschlossenen Glasteils, das in der Seitenwand des Gehäuses ausgebildet ist, um eine Ausbreitung des Lichts zwischen der Innenseite und der Außenseite des Gehäuses zu ermöglichen, eine Zwinge, die auf der Außenseite des Gehäuses angebracht ist und eine optische Faser hält, und ein Linsensystem enthält, das dazu dient, die optische Kopplungseffektivität zwischen dem lichtemittierenden Halbleiterelement und der optischen, in dem Gehäuse angeordneten Faser zu erhöhen und das die Funktion hat, das Licht zum lichtemittierenden Halbleiterelement zu fokussieren, sowie die Funktion, das Licht zur optischen Faser zu fokussieren. Dieses Modul ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass es ein Gehäuse zur Unterbringung eines lichtemittierenden Halbleiterelements und eines Peltier- Elements umfasst, das im Gehäuse für eine Temperatursteuerung des lichtemittierenden Halbleiterelements angeordnet ist.
Ein Ende der optischen Faser geht durch das Gehäuse und ist optisch mit dem lichtemittierenden Halbleiterelement gekoppelt, das im Gehäuse angeordnet ist.
Das obige Modul kann an einem bereits vorhandenen Halbleiter- Lasermodul angebracht werden.
Dieses Modul ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass das distale Ende der optischen Faser sphärisch ausgebildet ist. Mit diesem Modul ergibt sich eine erhöhte Kopplungseffektivität mit dem lichtemittierenden Halbleiterelement.
Das Modul ist des weiteren dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Kerns der optischen Faser zum Endabschnitt hin vergrößert ist. Mit diesem Modul wird eine Abnahme der Kopplungseffektivität mit dem lichtemittierenden Halbleiterelement, die durch einen Positionsfehler der · optischen Faser verursacht wird, verhindert.
Unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen sind verschiedene bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. In den Zeichnungen sind die gleichen Elemente mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet und ihre detaillierte Beschreibung entfällt. Die Proportion der Abmessungen in den Zeichnungen fällt nicht notwendigerweise mit denen der erläuterten Ausführungsformen zusammen.

Erste Ausführungsform

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Halbleiter- Lasermoduls 1. In Fig. 1 weist das Halbleiter-Lasermodul 1 ein lichtemittierendes Halbleiterelement (Halbleiterlaser) 2 und eine optische Faser 3 auf. Das lichtemittierende Halbleiterelement 2 hat ein aktives Gebiet 21 zur Erzeugung und Verstärkung von Licht und ist mit einer lichtreflektierenden Oberfläche 22 und einer Lichtaustrittsoberfläche 23 ausgestattet, die einander über das aktive Gebiet 21 gegenüberliegen. Wenn in das aktive Gebiet 21 ein Strom injiziert wird, erzeugt das lichtemittierende Halbleiterelement 2 Licht und verstärkt es. Dieses Licht wird durch die lichtreflektierende Oberfläche 22 reflektiert und tritt aus der Lichtaustrittsoberfläche 23 aus. Als lichtemittierendes Halbleiterelement 2 wird beispielsweise ein Fabry-Perot-Laserdiodenchip verwendet, der eine doppelte Heterostruktur aus InGaAsP/InP aufweist. Das durch InGaAsP bestehende aktive Gebiet 21 ist zwischen den aus InP bestehenden Hüll- oder Überzugsschichten 24 ausgebildet. Als lichtemittierendes Halbleiterelement 2 wird beispielsweise ein Element verwendet, das eine Oszillationswellenlänge aufweist, die in ein 1,48 um-Band (1480 nm ± 50 nm) fällt. In diesem Fall kann das Lasermodul 1 als Anregungslichtquelle für einen optischen Verstärker genutzt werden.
Als Einrichtung zur Injektion von Strom in das lichtemittierende Halbleiterelement 2 ist beispielsweise eine Strominjektions-Treiberschaltung (nicht gezeigt) mit dem lichtemittierenden Halbleiterelement 2 verbunden. Sie reicht aus, wenn Strom durch die Überzugsschichten 24 zum aktiven Gebiet 21 geliefert werden kann. Wenn durch solch eine Treiberschaltung ein vorgegebener Strom in das lichtemittierende Halbleiterelement 2 injiziert wird, werden die Überzugsschichten 24 und das aktive Gebiet 21 angeregt und erzeugen durch spontane Emission Licht. Dieses durch spontane Emission erzeugte Licht breitet sich im aktiven Gebiet 21 aus, bewirkt eine induzierte Emission und tritt aus der Lichtaustrittsoberfläche 23 zusammen mit dem Licht der induzierten Emission aus. Das lichtemittierende Halbleiterelement 2 ist nicht auf die oben beschriebene Ausführung mit der doppelten Heterostruktur aus InGaAsP/InP beschränkt, sondern kann aus einem beliebigen anderen Halbleiter und dergleichen bestehen, sofern dieser Licht erzeugt und verstärkt und eine lichtreflektierende Oberfläche 22 und eine Lichtaustrittsoberfläche 23 aufweist, die mit den oben beschriebenen identisch sind. Das lichtemittierende Halbleiterelement 2 ist nicht auf ein Element mit einem 1,48 um-Band beschränkt, sondern kann ein Element sein, das einen Laserstrahl bei anderen Wellenlängen schwingen lässt.
Eine Antireflexionsbeschichtung (AR-Beschichtung) 23a ist auf der Lichtaustrittsoberfläche 23 des lichtemittierenden Halbleiterelements 2 ausgebildet und weist ein sehr niedriges Reflexionsvermögen auf. Als Antireflexionsbeschichtung 23a der Lichtaustrittsoberfläche 23 ist beispielsweise ein dielektrischer Mehrschichtfilm verwendet. Der dielektrische Mehrschichtfilm ist durch Aufeinanderstapeln beispielsweise von dünnem Siliziumdioxid (SiO&sub2;), Titandioxid (TiO&sub3;), Siliziumnitrid (SiN), Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;), Magnesiumfluorid (MgF&sub2;) und amorphen Siliziumfolien hergestellt. Das Reflexionsvermögen der Antireflexionsbeschichtung 23a kann für eine spezielle Wellenlänge beliebig eingestellt werden, indem der Brechungsindex, die Dicke und die Anzahl der Schichten dieser Filme je nach den Anforderungen geändert werden. Es ist bevorzugt, dass die Antireflexionsbeschichtung 23a der Lichtaustrittsoberfläche 23 ein Reflexionsvermögen von 1 5 oder darunter aufweist. Dank diesem Reflexionsvermögen wird eine Reflexion von Licht durch die Lichtaustrittsoberfläche 23 unterdrückt, so dass die Reflexion und die Verstärkung von Licht zwischen der lichtreflektierenden Oberfläche 22 und der Lichtaustrittsoberfläche 23 zum Austritt eines Laserstrahls verringert werden kann.
Die lichtreflektierende Oberfläche 22 des lichtemittierenden Halbleiterelements 2 hat ein sehr hohes Reflexionsvermögen an der Oszillationswellenlänge. Wenn diese lichtreflektierende Oberfläche 22 mit einem dielektrischen Mehrschichtfilm in der gleichen Weise wie die Lichtaustrittsoberfläche 23 hergestellt ist, kann sie ein sehr hohes Reflexionsvermögen aufweisen. Bei der lichtreflektierenden Oberfläche 22 kann es sich um eine durch Dampfabscheidung bzw. Verspiegelung erzeugte Kristallbruchfläche handeln.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist die optische Faser auf der Seite der Lichtaustrittsoberfläche 23 des lichtemittierenden Halbleiterelements 2 angeordnet und optisch mit der lichtreflektierenden Oberfläche 22 derart gekoppelt, dass die optische Faser von der lichtreflektierenden Oberfläche 22 des lichtemittierenden Halbleiterelements 2 Licht aufnehmen und zu dieser führen kann. Im einzelnen ist die optische Faser 3 auf der Seite der Lichtaustrittsoberfläche 23 des lichtemittierenden Halbleiterelements 2 in der Weise angeordnet, dass das von der Lichtaustrittsoberfläche 23 ausgehende Licht auf die Endfläche der optischen Faser 3 trifft, und das Licht, das von der optischen Faser 3 ausgeht, auf die Lichtaustrittsoberfläche 23 auftrifft. Die optische Faser 3 ist ein verlängertes Lichtwellenleiterelement und ein Kern 32 mit einem hohen Brechungsindex ist längs der Zentrumsposition einer Auflage 31 ausgebildet. Ein Beugungsgitter 33 zur Reflexion von Licht einer speziellen Wellenlänge ist im Kern 32 ausgebildet. Das Beugungsgitter 33 stellt ein Fabry-Perot-Resonator zusammen mit der lichtreflektierenden Oberfläche 22 des lichtemittierenden Halbleiterelements 2 dar und es entsteht, indem der effektive Brechungsindex des Kerns 32 längs der optischen Achse der optischen Faser 3 periodisch geändert wird. Die Kennwerte der Reflexionswellenlänge des Lichts werden durch das Zeitintervall des effektiven Brechungsindex eingestellt. Eine Reflexionswellenlänge (Braggsche Wellenlänge) λg des vom Beugungsgitter 33 reflektierten Lichts ist in der folgenden Gleichung dargestellt:
λg = 2 · n&sub1; · Λ (1)
worin bedeuten:
n&sub1; den minimalen Brechungsindex des Beugungsgitters 33 und
Λ das Zeitintervall des Beugungsgitters 33.
Die Trennung des Zeitintervalls Λ vom Beugungsgitter 33 ändert sich graduell. Daher weisen die Kennwerte der Reflexionswellenlänge des Beugungsgitters 33 eine vorgegebene Bandbreite auf. Die Reflexionsbandbreite des Beugungsgitters 33 ist größer als das Wellenlängenintervall der longitudinalen Mode des Lichtes eingestellt, das zwischen der lichtreflektierenden Oberfläche 22 und der Lichtaustrittsoberfläche 23 des lichtemittierenden Halbleiterelements 2 in Resonanz ist. Die Reflexionsbandbreite des Beugungsgitters 33 ist ein Wellenlängenbereich zwischen einer langen Wellenlänge und einer kurzen Wellenlänge, bei der der Reflexionsbetrag auf die Hälfte des maximalen Reflexionsbetrages verringert wird, und deren Zentrum ist die Wellenlänge des Lichts, die vom Beugungsgitter 33 am Maximum reflektiert wird, wenn Licht durch die mit dem Beugungsgitter 33 gebildete optische Faser 3 durchgelassen wird. Da die Reflexionsbandbreite des Beugungsgitters 33 eingestellt ist, wie oben angegeben, wird das Auftreten einer Nichtlinearität (eines Knicks) der Charakteristika der optischen Ausgangsleistung des Halbleiter-Lasermoduls 1 in Bezug auf den Injektionsstrom verhindert.
Die Funktion des Beugungsgitters 33 zur Verhinderung eines Knicks ist im folgenden im Einzelnen beschrieben. Das vom aktiven Gebiet 21 des lichtemittierenden Halbleiterelements 2 erzeugte Licht ist zwischen der lichtreflektierenden Oberfläche 22 des lichtemittierenden Halbleiterelements 2 und dem Beugungsgitter 33 der optischen Faser 3 in Resonanz und wird als ein Laserstrahl 41 emittiert, der eine erwünschte Wellenlänge aufweist, die durch die Kennwerte des Beugungsgitters 33 bestimmt ist. Wenn ein Teil des vom aktiven Gebiet 21 erzeugten Lichts von der Lichtaustrittsoberfläche 23 reflektiert wird, ist es zwischen der lichtreflektierenden Oberfläche 22 und der Lichtaustrittsoberfläche 23 in Resonanz und wird als unnötiger Laserstrahl ausgegeben. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, bildet dieser unnötige Laserstrahl 42 viele longitudinale Moden und erscheint als eine Seitenkeule mit vielen Subpeaks bzw. Unterpeaks 42a im Schwingungsbereich eines Wellenlängenspektrums 41a des erwünschten Laserstrahls 41. Ein Wellenlängenintervall Δλ zwischen den Subpeaks 42a ist durch die folgende Gleichung (2) gegeben:
Δλ = λ²/(2 · n&sub2; · L) (2)
worin bedeuten:
λ: die Wellenlänge 41a des Laserstrahls 41
n&sub2;: den effektiven Brechungsindex und
L: den Abstand (Resonatorlänge) zwischen der lichtreflektierenden Oberfläche 22 und der Lichtaustrittsoberfläche 23 (Resonatorlänge).
Diese Subpeaks 42a haben die Tendenz, sich zur längeren Wellenlängenseite hin zu verschieben (in Fig. 2 nach rechts), wenn die Temperatur des aktiven Gebiets 21 in Übereinstimmung mit einer Erhöhung des Injektionsstroms ansteigt. Wenn die Bandbreite des Spektrums 41a des Laserstrahls 41 klein ist, wie Fig. 3 zeigt, wo sich die Subpeaks 42a ändern und die Wellenlänge des Spektrums 41a überlappen, beeinflusst diese Änderung wesentlich den Oszillationszustand des erwünschten Laserstrahls 41. Es wird angenommen, dass der Einfluss von einem solchen unerwünschten Laserstrahl 42 einen nichtlinearen Bereich (einen Knick) in den Kennwerten der optischen Ausgangsleistung des Laserstrahls 41 in Bezug auf den Strom bildet, wie in Fig. 10 gezeigt ist.
Im diesen Knick zu vermeiden, kann, wie in Fig. 2 gezeigt ist, die Bandbreite des Spektrums 41a durch Erhöhung der Reflexionsbandbreite des Beugungsgitters 33 vergrößert werden, so dass, auch wenn sich die Subpeaks 42a ändern, diese Änderung das Spektrum 41a nicht wesentlich beeinflusst. Im einzelnen, wenn das Band des Spektrums 41a des Laserstrahls 41 vergrößert wird, liegen die Subpeaks 42a immer im Band des Wellenlängenspektrums 41a vor. Auch wenn sich die Wellenlänge der Subpeaks 42a ändern kann, beeinflusst diese Änderung das Spektrum 41a nicht wesentlich, so dass der Oszillationszustand des Laserstrahls 41 stabil wird. Daher kann das Auftreten eines Knicks in den Kennwerten der optischen Ausgangsleistung des Laserstrahls 41 in Bezug auf den Strom verhindert werden.
Wenn das lichtemittierende Element des Halbleiters ein Laserdiodenchip mit einem Band von 1,48 um ist, beträgt die zweckmäßige Bandbreite der Reflexionswellenlänge dieses Beugungsgitters 33 bevorzugt 2 nm oder darüber. Im einzelnen wird in diesem Fall das Wellenlängenintervall Δλ der Subpeaks durch Einsetzen von λ = 1,48 um, n&sub2; = 3,5 und L = 300 um in die oben beschriebene Gleichung (2) zu etwa 1 nm. Da die Resonatorlänge L eines Laserdiodenchips, der für einen mit Erbium dotierten Verstärker einer optischen Faser verwendet wurde (s. Fig. 12), 300 bis 900 um beträgt, wird das Wellenlängenintervall Δλ der Subpeaks 42a 0,3 bis 1,0 nm durch Einsetzen von λ = 1,48 um, n&sub2; = 3,5 und L = 300 bis 900 um in die oben beschriebene Gleichung (2). Wenn daher die Bandbreite der Reflexionswellenlänge des Beugungsgitters 33 2 nm oder darüber beträgt, liegen im Band des Spektrums 41a des Laserstrahls 41 immer mehrere Subpeaks 42a vor. Auch wenn sich also die Wellenlänge dieser Subpeaks 42a infolge eines erhöhten Injektionsstroms und dergleichen ändern kann, beeinflusst diese Änderung den Oszillationszustand des Laserstrahls 41, wie oben beschrieben, nicht in wesentlichem Maße, und das Auftreten eines Knicks in der Kennwerten der optischen Ausgangsleistung kann vermieden werden.
Das Beugungsgitter 33 kann durch Interferenzbelichtung erzeugt werden. Wenn ultraviolettes Licht, das Interferenzränder bildet, von außerhalb der optischen Faser 3 in axialer Richtung auf den mit Germanium dotierten Kern 32 gestrahlt werden kann, wird im Kern 32 das Beugungsgitter 33 ausgebildet, das einen effektiven Brechungsindex in Übereinstimmung mit der Lichtintensitätsverteilung der Interferenzränder hat. Obwohl das Beugungsgitter 33 in einem vorgegebenen Abstand vom Endabschnitt der optischen Faser 3 (Fig. 1) entfernt gebildet wird, kann es auch direkt am Endabschnitt der optischen Faser 3 ohne Abstand von demselben ausgebildet werden.
Im folgenden ist der zweckmäßige Aufbau des Halbleiter- Lasermoduls 1 beschrieben.
In Fig. 4 ist das lichtemittierende Element 2 des Halbleiterlasers in einem Gehäuse 50 untergebracht und optisch mit der optischen Faser 3 gekoppelt, die durch ein Linsensystem 60 außen am Gehäuse 50 angebracht ist. Das Gehäuse 50 ist ein Kasten, dessen Inneres hermetisch verschlossen werden kann. Auf einer Bodenfläche 51 im Gehäuse 50 ist ein Peltier-Element 52 angeordnet. Nach dem Anlegen einer Spannung erzeugt das Peltier-Element 52 Wärme und absorbiert Wärme. Ein Träger 53 in L-Form, ein Chip-Träger 54 und ein Untergestell 55 sind auf dem Peltier-Element 52 aufeinanderfolgend angeordnet und das lichtemittierende Element 2 des Halbleiters ist auf dem Untergestell 55 montiert. Das Untergestell 55 dient als Kühlkörper des lichtemittierenden Elements 2 des Halbleiters. Der Chipträger 54 ist ein Element, das unter Berücksichtigung der Montierbarkeit des lichtemittierenden Elements 2 des Halbleiters ausgebildet ist. Der L-förmige Träger 53 dient als Montagegrundlage für das lichtemittierende Element 2 des Halbleiters und er dient als Montageelement für eine erste Linse 61 des Linsensystems 60.
Die erste Linse 61 des Halbleiter-Lasermoduls 1 ist so angeordnet, dass sie der Lichtaustrittsoberfläche des lichtemittierenden Elements 2 des Halbleiters gegenüberliegt. Der Kühlkörper 52 hat eine Öffnung, die sich zwischen der Lichtaustrittsoberfläche des Halbleiterlasers 2 und der ersten Linse 61 befindet. Demgemäss kann die erste Linse 61 am Halbleiterlaser 2 angeordnet werden, indem die erste Linse 61 nur am Kühlkörper 52 befestigt wird.
Der L-förmige Träger 53, der Chip-Träger 54 und das Untergestell 55 sind aus Materialien hergestellt, die eine gute Wärmeleitfähigkeit haben, und die Temperatursteuerung des lichtemittierenden Elements 2 des Halbleiters kann effektiv durch Erwärmung und Kühlung des Peltier-Elements 22 erfolgen. Die erste Linse 61 dient einer Kopplung des Lichts, das sich reziprok zwischen dem lichtemittierenden Element 2 des Halbleiters und der optischen Faser 3 auf der Seite des lichtemittierenden Elements 2 des Halbleiters ausbreitet.
Ein hermetisch abgeschlossenes Glasteil 56 ist in der Seitenwand des Gehäuses montiert. So ist beispielsweise ein Seitenwandabschnitt des Gehäuses 50, das der oben beschriebenen ersten Linse 61 gegenüberliegt, geöffnet und das hermetisch abgeschlossene Glasteil 56 ist in dieser Öffnung angeordnet. Das hermetisch abgeschlossene Glasteil 56 ist ein Element aus einer durchscheinenden Glasplatte. Das Licht kann sich innerhalb und außerhalb des Gehäuses 50 durch das hermetisch abgeschlossene Glasteil 56 hindurch ausbreiten. Eine zweite Linse 62 und eine Zwinge 71 sind auf der anderen Seite der Seitenwand des Gehäuses 50, das mit dem hermetisch abgeschlossenen Glasteil 56 ausgestattet ist, montiert. Die zweite Linse 62 koppelt das Licht, das sich reziprok zwischen dem lichtemittierenden Element 2 des Halbleiters und der optischen Faser 3 auf der Seite der optischen Faser 3 ausbreitet. Die zweite Linse 62 ist so angeordnet, dass sie der ersten Linse, durch das Glaselement 56 hindurch gesehen, gegenüberliegt. Die Zwinge 71 ist ein zum Halten der optischen Faser 3 vorgesehenes Element. Die optische Faser 3 kann in einer Durchgangsbohrung mit kleinem Durchmesser montiert sein, die in der Mitte der Zwinge 71 ausgebildet ist. Im Halbleiter-Lasermodul 1 mit diesem Aufbau sind das lichtemittierende Element 2 des Halbleiters im Gehäuse 50 und die optische Faser 3, die außerhalb des Gehäuses 50 angeordnet ist, miteinander optisch über die erste Linse 61, das hermetisch abgeschlossene Glasteil 56 und die zweite Linse 62 verbunden. Daher kann das Licht zwischen dem lichtemittierenden Element 2 des Halbleiters und der optischen Faser 3 verstärkt werden und aus der optischen Faser 3 austreten.
Im folgenden wird der Betrieb des Halbleiter-Lasermoduls 1 beschrieben.
Gemäß Fig. 1 wird an die Überzugsschichten 24 des lichtemittierenden Elements 2 des Halbleiters eine Spannung angelegt, um in die Überzugsschichten 24 und das aktive Gebiet 21 einen Strom zu injizieren. Die Überzugsschichten 24 und das aktive Gebiet 21 werden zur spontanen Emission von Licht angeregt. Dieses Licht der spontanen Emission verursacht im aktiven Gebiet eine stimulierte Emission und breitet sich zusammen mit dem Licht der stimulierten Emission aus, wird von der lichtreflektierenden Oberfläche 22 mit hohem Reflexionsvermögen reflektiert und tritt aus der Lichtaustrittsoberfläche 23 mit niedrigem Reflexionsvermögen aus. Ein Teil des Lichtes wird jedoch von der Lichtaustrittsoberfläche 23 reflektiert und befindet sich mitunter zwischen Lichtaustrittsoberfläche 23 und lichtreflektierender Oberfläche 22 in Resonanz.
Das von der Lichtaustrittsoberfläche 23 zur optischen Faser 3 hin austretende Licht tritt in den Kern 32 der optischen Faser 3, breitet sich in diesem aus und wird durch das Beugungsgitter 33 reflektiert. Zu diesem Zeitpunkt breitet sich nur das vom Beugungsgitter 33 reflektierte Licht, das ein vorgegebenes Wellenlängenband aufweist, zum lichtemittierenden Element 2 des Halbleiters hin aus, tritt aus der Endfläche der optischen Faser aus und fällt durch die Lichtaustrittsoberfläche 23 des lichtemittierenden Elements 2 des Halbleiters in das aktive Gebiet 21. Das sich im aktiven Gebiet 21 ausbreitende Licht wird durch die lichtreflektierende Oberfläche 22 reflektiert und wiederholt, während es wieder verstärkt wird, die reziproke Ausbreitung und wird weiter zwischen lichtreflektierender Oberfläche 22 und dem Beugungsgitter 33 der optischen Faser 3 verstärkt, durch die Beugungsgitter 33 durchgelassen und tritt als der erwünschte Laserstrahl 41 aus. Zusammen mit dem Laserstrahl 41 wird das zwischen der lichtreflektierenden Oberfläche 22 und der Lichtaustrittsoberfläche 23 im lichtemittierenden Element 2 des Halbleiters in Resonanz befindliche Licht auch verstärkt und tritt als der nicht gebrauchte Laserstrahl 42 aus. Da die Bandbreite der Reflexionswellenlänge des Beugungsgitters 33 größer als das Wellenlängenintervall des longitudinalen Modus des Laserstrahls 42 eingestellt ist, hat das Wellenlängenspektrum 41a des Laserstrahls 41 ein Band, das breiter als das Wellenlängenintervall dieses longitudinalen Modus ist.
Wenn der Injektionsstrom zum lichtemittierenden Element 2 des Halbleiters vergrößert wird, beginnen sich die Subpeaks 42a des longitudinalen Modus infolge eines Temperaturanstiegs im aktiven Gebiet 21 und dergleichen im nicht gebrauchten Laserstrahl 42 zur Seite der längeren Wellenlänge hin zu verschieben, wie Fig. 2 zeigt. Im Gegensatz hierzu wird die Wellenlänge des Wellenlängenspektrums 41a im erwünschten Laserstrahl 41, da seine Wellenlänge durch das Beugungsgitter 33 der optischen Faser 3 vorgegeben ist, nicht durch einen Anstieg/eine Abnahme des Injektionsstroms beeinflusst, sondern ist konstant. Daher gehen die Subpeaks 42a des Laserstrahls 42 durch das Spektrum 41a des Laserstrahls 42 hindurch.
Da jedoch das Wellenlängenspektrum 41a des Laserstrahls eine große Bandbreite hat, wird der Laserstrahl 41, auch wenn sich die Subpeaks 42a infolge eines Anstiegs des Injektionsstroms und dergleichen ändern, durch diese Änderung nicht wesentlich beeinflusst. Wenn auf der Lichtaustrittsoberfläche 23 des lichtemittierenden Elements 2 des Halbleiters zur Verringerung des Reflexionsvermögens die Antiflexionsbeschichtung ausgebildet ist, kann die Lichtresonanz zwischen lichtreflektierender Oberfläche 22 und Lichtaustrittsoberfläche 23 verringert werden. Infolgedessen nimmt auch die Ausgangsleistung des unerwünschten Laserstrahls 42 ab. Auch wenn sich die Wellenlänge der Subpeaks 42a des Laserstrahls 42 ändert, hat diese Änderung aber keinen wesentlichem Einfluss auf den Laserstrahl 41. Somit wird der Oszillationszustand des erwünschten Laserstrahls 41 konstant und ein nichtlinearer Bereich (ein Knick) tritt in den Leistungscharakteristika für die Oszillation des Laserstrahls 41 in Bezug auf den Injektionsstrom nicht auf.
Fig. 5 zeigt die Ausgangsleistungscharakteristika in Bezug auf den Injektionsstrom, die bei einem praktischen Betrieb des Halbleiter-Lasermoduls 1 erzielt wurden. Wie Fig. 5 zeigt, trat ein nichtlinearer Bereich (Knick) in der Ausgangsleistung auch dann nicht auf, wenn der Injektionsstrom allmählich vergrößert wurde, und es wurden konstante Ausgangsleistungscharakteristika erzielt. Im Halbleiter-Lasermodul 1 wurde zu diesem Zeitpunkt ein lichtemittierendes Element 2 des Halbleiters mit einem Band von 1,48 um verwendet. Das Beugungsgitter 33 hatte eine Reflexionswellenlängen-Bandbreite von 2 nm. Auf der Lichtaustrittsoberfläche 23 war eine Antireflexionsbeschichtung mit einem Reflexionsvermögen von 0,1% ausgebildet.
Die Ausgangsleistungscharakteristika in Bezug auf den Injektionsstrom, die erzielt werden, wenn das Halbleiter- Lasermodul zum Vergleich mit der Erfindung betrieben wurde, sind, wie oben beschrieben, in Fig. 10 gezeigt. Dieses Halbleiterlasermodul verwendete in einem lichtemittierenden Element 2 des Halbleiters ein Band von 1,48 um. Das Beugungsgitter 33 hatte eine Reflexionswellenlängen- Bandbreite von 0,5 nm. Auf der Lichtaustrittsoberfläche 23 war eine Antireflexionsbeschichtung mit einem Reflexionsvermögen von 1,7% ausgebildet. In diesem Halbleiter-Lasermodul wurden, wenn die Bandbreite der Reflexionswellenlänge des Beugungsgitters 33 auf 2 nm erhöht wurde, Ausgangskennwerte für den Injektionsstrom, wie in Fig. 11 gezeigt, erhalten. Da im einzelnen das Reflexionsvermögen der Lichtaustrittsoberfläche 23 immer noch 1,7% betrug, wurde zwischen dem lichtemittierenden Element 2 des Halbleiters und dem Beugungsgitter 33 ein Verbund- Resonator gebildet. Der Effekt der Aufweitung der Bandbreite der Reflexionswellenlänge war behindert, und in Bezug auf den Injektionsstrom trat ein leichte Welligkeit in den Ausgangsleistungskennwerten auf.

Zweite Ausführungsform

Die erste Linse 61 und die zweite Linse 62 des Linsensystems können im oben beschriebenen Halbleiter-Lasermodul 1 als ein zweckmäßiger Montageaufbau aus einer Linse bestehen. Wie beispielsweise in Fig. 6 gezeigt ist, können, wenn auf einem L-förmigen Träger 53 eine Sammellinse 63 so montiert ist, dass sie an der Position angeordnet ist, an der das vom lichtemittierenden Element 2 des Halbleiters erzeugte Licht austritt, das lichtemittierende Element 2 des Halbleiters und eine optische Faser 3 optisch miteinander gekoppelt sein.

Dritte Ausführungsform

Im oben beschriebenen Halbleiter-Lasermodul 1 müssen das Linsensystem 60 zum optischen Koppeln des lichtemittierenden Elements 2 des Halbleiters und der optischen Faser 3 und die Kollektivlinse 63 nicht als zweckmäßiger Montageaufbau angeordnet sein, sondern eine optische Faser 3 kann in ein Gehäuse eingeführt sein und sich durch dessen Seitenwand erstrecken, ohne dass ein hermetisch geschlossenes Glasteil 56 ausgebildet ist, so dass die optische Faser 3 optisch direkt mit dem lichtemittierenden Element 2 des Halbleiters gekoppelt ist.

Vierte Ausführungsform

Im oben beschriebenen Halbleiter-Lasermodul 1 ist die Bandbreite der Reflexionswellenlänge des Beugungsgitters 33 mitunter auf einen Bereich von 2 bis 5 nm eingestellt. Die Bandbreite der Reflexionswellenlänge des Beugungsgitters 33 wird insbesondere auf 2 nm eingestellt. Wenn die Bandbreite der Reflexionswellenlänge auf 5 nm oder darunter eingeschränkt ist, kann das Halbleiter-Lasermodul 1 effektiv als Anregungslichtquelle für einen optischen Verstärker genutzt werden. Wenn die Bandbreite der Reflexionswellenlänge auf 2 nm oder darüber eingestellt ist, kann die optische Ausgangsleistung konstant gesteuert werden und das Halbleiter-Lasermodul 1 erfüllt demgemäss die notwendige Bedingung als Anregungslichtquelle. Wenn ferner die Bandbreite der Reflexionswellenlänge auf 5 nm oder darunter eingestellt ist, wird die Bandbreite des Spektrums des oszillierenden Laserstrahls etwa 8 nm, wodurch ein enger Spektrumsbereich angegeben ist, der für die Anregung einer mit Erbium dotierten Faser geeignet ist. Somit ist das Halbleiter-Lasermodul 1 als Anregungslichtquelle für einen optischen Verstärker geeignet.

Fünfte Ausführungsform

Im oben beschriebenen Halbleiter-Lasermodul 1 kann das distale Ende der optischen Faser 3 sphärisch ausgebildet sein. Wie beispielsweise in Fig. 7 gezeigt ist, kann die optische Kopplungseffektivität zwischen optischer Faser 3 und lichtemittierendem Element 2 des Halbleiters verbessert werden, wenn das distale Ende einer optischen Faser 3 auf der Seite eines lichtemittierenden Elements 2 des Halbleiters sphärisch ausgebildet ist.

Sechste Ausführungsform

Im oben beschriebenen Halbleiter-Lasermodul 1 kann der Durchmesser des Kerns 32 der optischen Faser 3 zum Endabschnitt hin vergrößert sein. Wie beispielsweise in Fig. 8 gezeigt ist, kann am Endabschnitt einer optischen Faser 3 an der Seite eines lichtemittierenden Elements 2 des Halbleiters, wenn in einem Kern 32 ein Abschnitt 32a mit großem Durchmesser ausgebildet ist, auch dann, wenn in der optischen Faser 3 ein Positionsfehler auftritt, eine Abnahme der Kopplungseffektivität zwischen der optischen Faser 3 und dem lichtemittierenden Element 2 des Halbleiters vermieden werden.
Schließlich ist unter Bezug auf Fig. 12 ein Verstärker für optische Fasern beschrieben, der das oben beschriebene Halbleiter-Lasermodul 1 verwendet. Dieser Verstärker für optische Fasern weist ein Halbleiter-Lasermodul 1 auf, das das gleiche ist, wie oben beschrieben, eine mit Erbium dotierte Faser 100 und eine Lichtquelle zur Erzeugung eines Signalstrahls. Dieser Verstärker für optische Fasern weist ferner einen Wellenlängen-Multiplexer/Demultiplexer (WDM) 102 auf, in den über eine optische Faser 3 ein von einem Halbleiterlaser 2 des Halbleiter-Lasermoduls 1 emittiertes Anregungslicht eintritt. Der Wellenlängen- Multiplexer/Demultiplexer (WDM) 102 empfängt ferner den von der Lichtquelle 101 emittierten Signalstrahl. Dieser Anregungslichtstrahl und der Signalstrahl werden gemultiplext. Der gemultiplexte Strahl wird über eine optische Faser 103, die keine Verstärkungsfunktion hat, zur mit Erbium dotierten Faser 100 geführt. Der verstärkte Strahl tritt durch eine optische Faser 104 aus, die keine Verstärkungsfunktion hat. Im einzelnen koppelt der Wellenlängen-Multiplexer/Demultiplexer 102 optisch den Signalstrahl und den Anregungsstrahl an die mit Erbium dotierte Faser. Aus dem Halbleiter-Lasermodul 1 tritt ein Laserstrahl mit einem Band von 1,48 um aus. Der Signalstrahl wird in der mit Erbium dotierten Faser 100 verstärkt. Wie oben beschrieben, ist die Änderung der Ausgangsleistung des Anregungsstrahls vom Halbleiter-Lasermodul 1 klein. Daher kann die Verstärkung des Signalstrahls im wesentlichen konstant gehalten werden.
Wie oben beschrieben, können mit dem erfindungsgemäßen Modul die folgenden Effekte erzielt werden. Da die Bandbreite der Reflexionswellenlänge des Beugungsgitters größer als das Wellenlängenintervall des longitudinalen Modus des Lichtes eingestellt ist, das zwischen der lichtreflektierenden Oberfläche 22 und der Lichtaustrittsoberfläche 23 des lichtemittierenden Elements des Halbleiters in Resonanz ist, kann das Auftreten einer Nichtlinearität (eines Knicks) in den Kennwerten der optischen Ausgangsleistung der Laserstrahl-Oszillation in Bezug auf den Injektionsstrom vermieden werden und die Ausgangsleistung des Laserstrahls kann konstant gesteuert werden.
Das lichtemittierende Halbleiterelement ist ein Laserdiodenchip mit einem Band von 1,48 um und das Beugungsgitter weist eine Reflexionsbandbreite von 2 nm oder darüber auf. Daher kann das Auftreten einer Nichtlinearität (eines Knicks) in den Kennwerten der optischen Ausgangsleistung der Laserstrahl-Oszillation dieses lichtemittierenden Halbleiterelement in Bezug auf den Injektionsstrom zuverlässig vermieden werden.
Wenn das Beugungsgitter eine Reflexionsbandbreite von 2 bis 5 nm aufweist, kann das Auftreten eines Knicks in den Kennwerten der optischen Ausgangsleistung in Bezug auf den Injektionsstrom zuverlässig vermieden werden und das Spektralband des Laserstrahls kann schmal sein. Daher ist dieses Halbleiter-Lasermodul als Anregungslichtquelle für die optische Verstärkung nutzbringend, in dem eine mit Erbium dotierte Faser verwendet wird.
Wenn eine Antireflexionsbeschichtung mit einem Reflexionsvermögen von 1% oder darunter auf der Lichtaustrittsoberfläche des lichtemittierenden Halbleiterelements ausgebildet ist, wird die Lichtresonanz zwischen der lichtreflektierenden Oberfläche und der Lichtaustrittsoberfläche des lichtemittierenden Halbleiterelements unterdrückt. Infolgedessen kann das Auftreten eines nichtlinearen Bereichs (eines Knicks) in den Kennwerten der optischen Ausgangsleistung des Laserstrahls in Bezug auf den Injektionsstrom effektiv vermieden werden.
Wenn das distale Ende der optischen Faser sphärisch ausgeführt ist, kann die Kopplungseffektivität zwischen der optischen Faser und dem lichtemittierenden Halbleiterelement verbessert werden. Dadurch werden die maximalen Ausgangsleistungscharakteristika des Laserstrahls verbessert.
Wenn der Durchmesser des Kerns der optischen Faser zum Endabschnitt hin vergrößert wird, kann eine durch einen Positionsfehler der optischen Faser verursachte Abnahme der Kopplungseffektivität zwischen der optischen Faser und dem lichtemittierenden Halbleiterelement vermieden werden.
Aus der oben beschriebenen Erfindung ist offensichtlich, dass die Erfindung in vielerlei Hinsicht geändert werden kann. Solche Änderungen sind aber nicht als Abweichung vom Umfang der Erfindung anzusehen.
Die zugrundeliegende japanische Patentanmeldung Nr. 085289/1996 wurde am 8. April 1996 eingereicht.

Claims

1. Halbleiter-Lasermodul (1), umfassend:

(a) einen Halbleiter-Laser (2), der ein aktives Gebiet (21) zwischen einer lichtreflektierenden Oberfläche (22) und einer Lichtaustrittsoberfläche (23) hat; und

(b) eine optische Faser (3), die mit dem Halbleiterlaser (2) optisch gekoppelt ist und ein Faserbeugungsgitter (33) enthält, wobei das Faserbeugungsgitter dazu dient, Licht innerhalb eines vorbestimmten Wellenlängenbandes (41a) selektiv zu reflektieren, wobei das Wellenlängenband eine größere Breite hat als ein Wellenlängenintervall Δλ eines longitudinalen Modus (42a) von Licht, das zwischen der lichtreflektierenden Oberfläche (22) und der Lichtaustrittsoberfläche (23) in Resonanz ist,

(c) dadurch gekennzeichnet, dass der Haltleiterlaser (2) angeordnet ist, Licht innerhalb eines 1,48 um Bandes auszusenden, und eine Breite des vorbestimmten Wellenlängenbandes (41a) des von dem Faserbeugungsgitter reflektierten Lichts 2 nm bis 5 nm beträgt.

2. Modul nach Anspruch 1, ferner umfassend:

ein Gehäuse (50), in welchem der Halbleiterlaser angeordnet ist; und

ein Peltier-Element (52), das mit dem Halbleiterlaser (2) thermisch verbunden ist und in dem Gehäuse angeordnet ist.

3. Modul nach Anspruch 2, ferner umfassend einen Kühlkörper (53, 54, 55), der zwischen dem Peltier-Element (52) und dem Halbleiterlaser (2) angeordnet ist, und an dem Peltier-Element und dem Halbleiterlaser befestigt ist.

4. Modul nach Anspruch 3, umfassend eine erste Linse (61), die gegenüber der Lichtaustrittsoberfläche (23) des Halbleiterlasers (2) angeordnet ist, wobei der Kühlkörper (53) eine Öffnung zwischen der Lichtaustrittsoberfläche des Halbleiterlasers und der ersten Linse hat.

5. Modul nach Anspruch 1, wobei ein Endabschnitt der optischen Faser (3) auf der Seite des Halbleiterlasers im wesentlichen sphärisch ist.

6. Modul nach Anspruch 1, wobei die optische Faser (3) einen Kern (32), mit einem Durchmesser hat, der zum Halbleiterlaser hin zunimmt.

7. Modul nach Anspruch 1, umfassend eine Antireflexionsbeschichtung mit einem Reflexionsgrad von nicht mehr als 1%, und welche auf der Lichtaustrittsoberfläche (23) des Halbleiterlasers (2) gebildet ist.

8. Modul nach Anspruch 7, wobei die Antireflexionsbeschichtung einen dielektrischen Mehrschichtfilm umfasst.

9. Modul nach Anspruch 8, wobei der dielektrische Mehrschichtfilm mindestens zwei Materialien enthält, die ausgewählt sind aus der Gruppe, welche aus SiO&sub2;, TiO&sub2;, SiN, Al&sub2;O&sub3;, MgF&sub2; und amorphem Silizium besteht.

10. Modul nach Anspruch 2, umfassend:

eine erste Linse (61), die in dem Gehäuse gegenüber der Lichtaustrittsoberfläche (23) des Halbleiterlasers (2) angeordnet ist; und

eine zweite Linse (62), die außerhalb des Gehäuses gegenüber der ersten Linse angeordnet ist,

wobei die Positionen der Lichtaustrittsoberfläche, der ersten Linse, der zweiten Linse und des Faserbeugungsgitters (33) fest sind.

11. Modul nach Anspruch 10, ferner umfassend ein hermetisches Glasteil (56), das in dem Gehäuse gebildet ist, wobei das hermetische Glasteil zwischen den Halbleiterlaser (2) und das Faserbeugungsgitter (33) geschaltet ist.

12. Verstärker für optische Fasern, umfassend:

das Halbleiter-Lasermodul (1) nach Anspruch 1;

eine mit Erbium dotierte Faser (100); und

einen Wellenlängen-Multiplexer/Demultiplexer (102), um den Halbleiterlaser (2) und die mit Erbium dotierte Faser (100) über die optische Faser optisch miteinander zu koppeln.