CN100397734C - 激光器组件 - Google Patents

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Abstract

一种激光器组件，其被设计成高频区域10MHz～1GHz的相对噪声强度(RIN)的累计值(以下叫做高频RIN)是-40dB以上。在具备该激光器组件且具有量子阱结构活性层的半导体激光元件中，当把每一层阱层的光封闭系数设为Γ，把一层阱层的厚度设为d(nm)时，用Γ/d≤1.3×10-3nm-1表示的关系成立。且设为激光器组件的活性层结构能采用完全分离封闭结构(Decoupled Confinement Heterostructure：DCH结构)和分离封闭结构(Separated Confinement Heterostructure：SCH结构)。

Description

激光器组件
技术领域
本发明涉及由法布里珀罗型半导体激光元件和光学反馈部件构成外部谐振器的激光器组件，特别是涉及作为光放大器用的激励光源最合适的激光器组件。
背景技术
由互联网的迅速普及和企业内LAN间连接的剧增等而数据传输量的增加成为问题，为了防止通信性能降低，高密度波长分割多路传输(DWDM：Dense-Wavelength Division Multiplexing)的传送系统得到显著的发展普及。
DWDM传送系统通过把多个光信号载置在各自不同的波长上而用一根光纤实现达到现有100倍的大容量传送。DWDM传送系统为了实现宽频带传送和长距离传送则必须使用光放大装置。特别是作为在DWDM传送系统中使用的光放大装置，添加了铒的光纤放大器(以下叫做EDFA)被广泛知晓。EDFA是应用在添加了铒元素的特殊光纤中使波长1480nm频带或波长980nm频带的激励用激光通过，而利用该光的通过使1550nm频带的光在所述特殊光纤中应用放大原理的光纤放大装置。
因此，这种光纤放大装置具备有生成激励用激光用的激光器组件。DWDM传送系统为了实现高质量且高可靠性的光通信就需要对传送信号光进行稳定的光放大，结果是这就意味着要求所述激光器组件有高质量。
作为激励光源用激光器组件中满足高质量的条件之一，可举出单一纵模的高单色性。作为激光器组件的光源通常采用半导体激光元件，但法布里珀罗型的半导体激光元件是用多个纵模(多模)振荡，不充分满足单色性。单色性的要求对信号光源用的激光器组件也同样，特别是激励光源用的激光器组件若单色性不被满足时，则放大频带对传送信号光变动，使波长多路复用的信号光难于按照设计放大。
为了满足单色性，换言之为了实现用单一纵模的振荡，在从半导体激光元件射出的激光的传送路上，设置具有规定反射频带宽度的光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating：FBG)的系统被实用化。
简单说明使用的FBG结构的动作，则是从半导体激光元件射出的激光中的在FBG反射频带宽度的特定波长频带的部分反射而成为返回光，该返回光再次向半导体激光元件反馈。即在半导体激光元件的反射端面(后端面)与FBG间形成外部谐振器。这样，从半导体激光元件射出的激光的波长，即从激光器组件射出的激励用激光的波长在特定值处稳定。
所述EDFA的情况是作为激光器组件的要求规格，要求在低频区域(100KHz以下左右)有稳定的应答频率特性。即希望是能低频噪声小的光输出的激光器组件。因此对作为激光器组件的光源而通常采用的半导体激光元件中实施为降低低频噪声用的处置。
作为在半导体激光元件光输出中产生低频噪声的原因，被广泛知道的有振荡波长的变动和跳模。振荡波长的变动主要是由温度变化引起的谐振器长度变化而产生的。振荡波长光的强度是根据半导体激光元件的放大频谱，所以振荡波长有变动时其光输出强度也变化。该光输出强度的变化作为所述低频噪声来表现。在此，FBG折射率的温度变化率和线膨胀系数与半导体的这些相比低，所以只要采用FBG就能在某种程度上防止由所述谐振器长度变化引起的振荡波长的变动。
另一方面，即使采用了FBG，也还残留有所述跳模问题。半导体激光元件的放大峰值(放大频谱的中心波长)通常随温度变化和注入电流的变化而变化。因此该放大峰值有时位于由谐振器长度所规定的邻接两个纵模的大致中间，这时两纵模相互作为振荡波长而转换。这是被叫做所述跳模的现象。通常在不同的纵模间其振荡强度不同，所以在振荡波长转换时产生根据其强度差的噪声。该噪声作为所述低频噪声表现。
为了抑制产生由跳模引起的低频噪声，与所述单色性要求相反，知道用多个纵模(多模)振荡是有效的。(参照IEEE Journal of QuarrtumElectronics，Vol QE-18 No4，April 1982)。具体说就是随光反馈、温度变化、或向半导体激光元件注入电流的变化而使半导体激光元件内部的载流子状态变化，使单一纵模的时间相干性被破坏，把纵模的相关性长度变得非常短。一般把这种随光反馈、温度变化、或向半导体激光元件注入电流的变化而用多个纵模(多模)振荡的现象叫做“相关性崩溃”。因此只要使该相关性崩溃发生就难于产生跳模，就能使光输出的低频区域稳定。
但对相关性崩溃发生到哪种程度时光输出的低频区域就稳定，并不明确。现状是完成激光器组件后使光输出射出某固定时间并观测其时间变动，只是检查光输出的低频区域稳定度是否在规定范围内，并没得到决定在相关性崩溃低频区域的稳定度的指标。因此有必要对完成了的激光器组件进行稳定度的检查，在生产阶段初期进行合格品的选择是困难的，而且检查也耗费时间。
施加所述多个纵模(多模)的振荡，使用FBG满足单色性时，最好使FBG(主模)以外的纵模，特别是半导体激光元件的振荡波长(边模)的强度小。换言之，主模与边模的比(边模压抑比：SMSR)是重要的指标。激光器组件中各个设计参数不是独立的，参数之间具有密切的关系。因此当为了提高某特性而改变某参数时，为此而引起其他特性变坏的情况是多的。根据这种理由，找出使对通过光纤传播而变化的激光各种偏振状态经常是一定以上的SMSR和所述相关性崩溃的低频区域稳定化同时满足的设计参数是困难的。
在使用GaAs系半导体激光元件的激光器组件时，其射出的激光光输出的变动通常被限制在0.5％以下而标准化了。因此为了满足该标准，所述不稳定的光输出是不合适的。
发明内容
本发明是鉴于上述而开发的，其目的在于提供一种具备光输出的低频区域稳定化和满足SMSR特性的激光器组件。
本发明的激光器组件具备：半导体激光元件和构成具有所述半导体激光元件的外部谐振器的反馈光学部件，所述半导体激光元件(100)是具备有由量子阱结构构成的活性层(5)的层结构的法布里珀罗型，所述量子阱结构包括：阱层(5A1、5A2)和沿所述阱层的层叠方向层叠在两侧的阻挡层(5B0、5B1、5B2)，其特征在于，所述半导体激光元件具有不小于1500μm的谐振器长度，当把所述量子阱结构每一层阱层的光封闭系数设为Γ，把该阱层的厚度设为dnm时，Γ/d≤1.3×10-3nm-1的关系成立。
本发明的激光器组件是具备所述半导体激光元件具有由量子阱结构构成的活性层的层结构的法布里珀罗型，在用多个纵模进行振荡的同时通过外部谐振器的作用射出满足了单色性的激光，把量子阱结构每一层阱层的光封闭系数设为Γ，把一层阱层的厚度设为d(nm)时，Γ/d≤1.3×10-3nm-1的关系成立。
附图说明
图1是实施例1激光器组件的纵剖面图；
图2是表示实施例1激光器组件的半导体激光元件结构的剖面图；
图3是表示有关DCH结构的频带结构图一例的概略图；
图4是样品2半导体激光元件的电流-光输出特性图；
图5是表示组装了样品2半导体激光元件的激光器组件的Pf变化率与Im变化率的图；
图6是对不同注入电流的振荡频谱图；
图7是表示从图6的振荡频谱图感应的注入电流与频谱宽度关系的图；
图8是表示电流封塞层的条纹宽度与弯折输出关系的图；
图9是对多模振荡的样品5～15的半导体激光元件中的把谐振器长度(L)与Γ/d值在坐标上画曲线的图；
图10是表示高频区域的RIN与注入电流关系的图；
图11是表示低频区域的输出光变动率与注入电流关系的图；
图12是表示低频区域的输出光变动率与注入电流关系的图；
图13是表示半导体激光元件的阈值电流与射入光纤的激光偏振角对应关系的图；
图14是把光输出的低频区域变动率与注入电流的关系按不同偏振角表示的图；
图15是表示对每不同偏振角的注入电流与温度与SMSR相互关系的图；
图16是说明实施例2激光器组件的SCH结构用的立体图；
图17是表示有关SCH结构的频带结构图一例的概略图。
具体实施方式
下面根据附图详细说明本发明激光器组件的实施例。本发明并不由该实施例被限定。
(实施例1)
首先说明实施例1的激光器组件。实施例1的激光器组件的特征是，把采用了后述完全分离封闭结构(Decoupled ConfinementHeterostructure：DCH结构)的半导体激光元件作为激励光源的同时其光输出的高频区域相对噪声强度(RIN)在规定值以上。特别是发明者们发现了该高频区域规定值以上的RIN带来由相关性崩溃现象出现的低频区域的稳定性。实施例1的激光器组件是根据其见解，即高频区域的RIN与在光输出低频区域的稳定性的关联性而设计的。
图1是实施例1激光器组件的纵剖面图。图1中实施例1的激光器组件在壳体20的底版上配置冷却半导体激光元件100用的珀耳帖组件21，在珀耳帖组件21的上面配置例如由科瓦铁镍钴合金(Kovar)构成的底座22。半导体激光元件100通过托架23配置在底座22的上面，该半导体激光元件100其前端是透镜状，且与具有FBG24a的光纤24进行光结合。
光纤24通过金属箍25固定在底座22上，且其射出端侧通过气密安装在壳体20筒状孔部内的套管26从壳体20被引出。半导体激光元件100的背面侧配置有光电二极管27，通过该光电二极管27控制激光器组件光输出的大小。
代替光纤24也可以使用具有FBG24a但其前端不是透镜状的光纤。这时为了提高半导体激光元件100与光纤的光结合效率，在半导体激光元件100与光纤之间放置透镜。在作为光纤而使用了楔形光纤时，能提供高的光结合效率和组装所需要的零件个数少的激光器组件，其结果是能降低综合制造成本。
下面说明所述半导体激光元件的结构。图2是表示所述半导体激光元件100结构的剖面图。特别表示了与射出端面平行的剖面。图2所示的半导体激光元件100具有所谓的SAS(Self-aligned Structure)结构，其长度方向与规定谐振器长度的法布里珀罗型半导体激光元件相同。
如图2所示，该半导体激光元件100在例如由n-GaAs构成的基板1之上形成由n-GaAs构成的下部包层2A，再在其上面形成后述的层结构D。然后在该层结构D的上面依次形成由p-AlGaAs构成上部包层2B、由n-GaAs构成的接触层3，分别在基板1的背面形成n型电极4A和在接触层3的上面形成p型电极4B。
所述层结构D是在文献“机能材料vol17、№8、pp26-33(1997年8月号)”中作为完全分离封闭结构(Decoupled ConfinementHeterostructure：DCH结构)被提案的层结构。即如图2所示，层结构D具有量子阱结构的活性层5，活性层5包括：由InGaAs形成的两个阱层5A1、5A2，和由AlGaAs形成并配置在各阱层两侧的三个阻挡层5B0、5B1、5B2。
在位于活性层5最下层的阻挡层5B1的外侧配置有由与其他层相比其频带间隔能量大的n-AlGaAs形成的下部载流子封塞层6A，同样地在位于活性层5最上层的阻挡层5B2的外侧配置有由与其他层相比其频带间隔能量大的p-AlGaAs形成的上部载流子封塞层6B。而且在下部载流子封塞层6A的外侧配置有由n-GaAs构成的下部光封闭层7A，在上部载流子封塞层6B的外侧配置有由p-GaAs构成的上部光封闭层7B。在以下的说明中把位于活性层5两端的阻挡层5B1、5B2分别叫做侧阻挡层。
在上部光封闭层7B厚度方向的中间位置，并且把上部光封闭层7B宽度方向的中央部除外的位置配置有由n-AlGaAs形成的电流封塞层8，这样就能实现从p型电极4B向活性层5的高效率注入。
图3是表示有关所述层结构D的频带结构图一例的概略图。是用图3频带结构图表示的层结构D时，向活性层5注入的载流子由位于两侧载流子封塞层6A、6B的高的频带间隔而不向外侧扩散，被高效率封闭在活性层5中，有利于激光的振荡。而且激光作为整体被封闭在DCH结构中进行波导。即在该DCH结构中位于载流子封塞层6A、6B两侧的光封闭层7A、7B还作为光波导层在起作用。
下面对具有以上DCH结构的半导体激光元件100的设计参数进行说明。首先当把阱层5A1、5A2各自的厚度都设为d(nm)、把每一个阱层的光封闭系数设为Γ时，这些厚度d和光封闭系数定Γ设计成使下式(1)表示的关系成立的值。
Γ/d≤1.3×10-3nm-1(1)
该关系成立时后则如后述，具备半导体激光元件100的激光器组件对所有向半导体激光元件100注入的电流用多个纵模(多模)进行振荡，其光输出在时间上是稳定的。
在把上述式(1)成立作为前提的基础上，最好把阱层5A1、5A2的厚度(d)设计成在8.5nm以上。当把阱层设为这种厚度，则在形成的量子阱上加上基底能级并且存在有高次能级。从p型电极4B注入的载流子的一部分被所述高谐振波能级捕获，其结果是对电流注入量来说纯的放大增加率变小。换言之，厚度d越厚，根据返回光的振荡放大微小变化引起的对半导体激光元件的干扰就越被扩大，相关性崩溃现象容易出现，结果是能用多个纵模(多模)进行振荡。
阱层厚度的上限由形成阱层所用的半导体材料的临界膜厚所规定，但即使比该临界膜厚薄时，也由于若过厚则第二量子能级的振荡产生后招致激光的恶化，所以最好把12nm左右的厚度设为上限。
决定了该阱层的厚度d，则根据该值把阱层光封闭系数定Γ设为满足所述式(1)的值来决定，进而选择阱层成膜时所用的半导体材料的种类和组成等。
最好把如图3所示层结构D的活性层5内阻挡层5B0(5B1、5B2)传导带的频带间隔能量与阱层5A1(5A2)的传导带的频带间隔能量的差ΔEc设计成170meV以下。
该传导带频带间隔能量的差ΔEc的值越小则与返回光的相关性崩溃现象容易出现，能用多个纵模(多模)进行振荡。但ΔEc的值若过小，则注入的载流子溢出，所以ΔEc值的下限最好设定在95meV左右。
半导体激光元件100的谐振器长度L虽然没有特别的限制，但希望其高输出化，最好把其谐振器长度L设计在1500μm以上。
在本发明半导体激光元件时，电流封塞层的条纹宽度进行最优化以包括在振荡激光的分布区域中注入载流子的大部分。具体说就是条纹宽度设计成3.5μm以下。其设计思想在以下进行说明。
如前所述，本发明激光元件的设计思想是通过把活性层结构设计成难于激光振荡的结构来实现振荡激光的多模化。这时正因为根据所述的设计思想，对制作的激光元件才需要考虑使其保持高的弯折输出。
例如，如本发明的激光元件那样设计成Γ值小且d值大(阱层厚)时，所谓的振荡界限载流子密度变高。因此与层结构无关系地对载流子密度的变动，相对地折射率的变动变大。这样总的来说，所谓的烧孔效应变显著，其结果是从低输出驱动阶段开始横振荡模不稳定化，弯折现象容易出现。
根据这点，在本发明的半导体激光元件中，谋求对烧孔效应现象的应对方法。具体说就是把配置在活性层5上方的电流封塞层8的条纹宽度(W)进行最优化，以抑制烧孔效应现象的出现。
振荡激光分布区域的大小是由在其激光元件内形成的条纹宽度的宽窄和电流封塞层的形成等，主要是由通过激光结构产生的条纹内部与其以外区域间的实效折射率差来决定的。是具有电流封塞层的半导体激光元件时其电流封塞层的条纹宽度一般来说设计成4～6μm左右。
但根据IEEE、Photonics Technology Letters vol.6，№12，p1409～p1411，1994，在这种半导体激光元件时，注入载流子向活性层的横方向扩散，其载流子分布的区域比振荡激光的分布区域还宽阔。而且以此作为起点，该半导体激光元件在高输出驱动时其振荡激光的曲线变得不稳定。即该半导体激光元件的高输出特性被损。
根据这种情况，为了在高输出驱动时也使振荡激光的曲线稳定化，考虑只要实现在振荡激光的分布区域内包含注入载流子的分布区域的状态，就能抑制烧孔效应，实现高的弯折输出。
这是考虑通过把电流封塞层的条纹宽度充分变窄，把注入的载流子分布区域变窄就可能实现。
根据该观点，如后所述只要在调查条纹宽度与弯折输出的关系时，在本发明的半导体激光元件中，把条纹宽度设计在3.5μm以下，就能发现即使在例如200mW以上的高输出驱动时也能有效地抑制烧孔效应。
这时为了把振荡激光分布区域的大小大致保持固定，需要把条纹内部与其以外区域间的实效折射率差与所述条纹宽度对应地适当进行调节。
选择形成各层的半导体材料以在半导体激光元件100的制作中满足以上列记的设计项目。作为能使用的半导体材料，例如能举出GaAs系、AlGa系、AlGaAs系、InGaNAs系等。通过适当选择这些材料的种类、组成、成膜时的厚度而能满足上述的各设计项目。
例如作为活性层5内的侧阻挡层5B1、5B2，当使用AlXGa1-XAs(x是0以上不到0.1的数)时，能实现用多个纵模(多模)的振荡，即能实现光输出的稳定化。特别是用GaAs形成侧阻挡层，是恰当的。
作为具有DCH结构的整体，制作图2所示的层结构的激光元件Al。这时各层的规格表示在表1。且谐振器长度(L)都是2100μm。任一个激光元件的情况都是设定成前端面的反射率是2％、后端面的反射率是95％。电流封塞层8的条纹宽度都被设定成3.2μm。
表1
Figure C0381040500131
Figure C0381040500141
(*)在图2中是夹住电流封塞层的整体的厚度
因此样品1～3和比较例的各半导体激光元件的Γ值和Γ/d值成为用表2表示的值。
表2
     Γ     Γ/d×10<sup>-3</sup>(nm<sup>-1</sup>)
    样品1      0.00597     0.702
    样品2      0.00767     0.767
    样品3      0.00807     0.673
    比较例      0.02873     1.429
使用样品1～3的各半导体激光元件组装图1表示的激光器组件。与半导体激光元件光结合的F BG设计成具有反射率是4％，反射频带宽度是0.5nm，中心波长975nm的波长选择特性。
图4是表示用组装了所述样品2半导体激光元件的激光器组件测量半导体激光元件的电流-光输出特性结果的图。从图4可明了该激光元件直到注入电流800mA都以极稳定的状态射出高光输出的激光。
图5是表示把所述样品2半导体激光元件的注入电流以5mA的间隔增加下去，这时测量来自激光器组件的光输出(Pf)与控制光强度(Im)，并算出其变化率(％)结果的图。
从图5可明了该半导体激光元件即使其注入电流变化，其光输出的变化率也在0.5％以下，对注入电流值光输出的稳定性良好。
图6是表示使向所述样品2半导体激光元件注入的电流变化，在各个注入电流中，元件开始驱动后经过5秒这时刻的振荡激光振荡频谱的测量结果的图。从图6可明了该半导体激光元件对注入电流所有的值都用多个纵模(多模)振荡。
图7是在图6的振荡频谱中读出光输出距其峰值低10dB位置的频谱宽度(nm)，并把它对各注入电流画曲线，而表示其结果的图。
图7对比较例激光元件也与上述同样地表示读出距振荡频谱峰值低10dB位置的频谱宽度的结果。
从图7可明了在样品2半导体激光元件时，即使注入电流变化，所述频谱宽度的变动也少，维持多模振荡。与此相反，是比较例激光元件时，其频谱宽度大幅度变动，不断出现单振荡模振荡。
对样品1、3的半导体激光元件进行同样的试验时，得到几乎相同的结果。
在样品2的层结构中，使电流封塞层8的条纹宽度变化来制作半导体激光元件。图8是测量这些半导体激光元件的电流-光输出特性而把弯折输出(Pk：mW)作为与条纹宽度的关系图进行表示的图。
样品1、3半导体激光元件的情况也得到与图8几乎相同的结果。
在表1所示具有DCH结构的样品2半导体激光元件中，通过变化阱层的厚度而使Γ/d值变化，且也变化谐振器的长度(L)来制作表3～5所示的各种激光元件。使用这些半导体激光元件组装与样品1～3情况同样的激光器组件。
表3
Figure C0381040500151
Figure C0381040500161
(*)在图2中是夹住电流封基层的整体的厚度
表4
Figure C0381040500162
Figure C0381040500171
(*)在图2中是夹住电流封塞层的整体的厚度
表5
Figure C0381040500182
Figure C0381040500191
(*)在图2中是夹住电流封塞层的整体的厚度
然后使激光元件振荡，测量其振荡激光的振荡频谱，观察有无多模化。样品5～15的半导体激光元件全部表示出图6所示的振荡频谱。
图9是表示在把谐振器长度(L)和Γ/d(×10-3nm-1)作为坐标轴的坐标上画曲线结果的图。图中表示□标记是样品5，+标记是样品6、13，△标记是样品7、10，×标记是样品8，*标记是样品9，-标记是样品11，○标记是样品12，▲标记是样品14，■标记是样品15。为了参考，把样品4半导体激光元件情况的结果也在图9中设为◆标记进行表示。
从图9可明了，Γ/d值被设计成1.3-3nm-1以下的各样品半导体激光元件对谐振器长度(L)的长短没依赖，都如图6所示那样用多个纵模(多模)振荡，而且其光输出稳定。根据这点就明确了为了实现振荡频谱的多模化，即光输出的稳定化  而把Γ/d值设计成1.3-3nm-1以下是有效的。
下面说明是本发明特点的在高频区域的RIN与在低频区域的输出变动的关系。图10是表示高频区域的RIN与注入电流关系的图。特别是图10是把高频区域10MHz～1GHz的RIN累计的值(以下叫做高频RIN)与向半导体激光元件注入电流的关系按每个不同的激光组件M1-a、M1-b、M2-a、M2-b、M3-a、M3-b、M4-a、M4-b表示。且图10中M2(M2-a和M2-b)、M3(M3-a和M3-b)、M4(M4-a和M4-b)是用相同设计参数制作的激光器组件，而M1(M1-a和M1-b)是用与上述激光器组件不同设计参数制作的激光器组件。而且M1-a与M1-b之间在FBG与半导体激光元件间传播的激光的偏振状态不同。具体说就是M1-a是其来自FBG的返回光偏振状态与从半导体激光元件刚射出的激光的偏振状态是一致的情况，而M1-b是它们最偏离的状态。M2-a和M2-b、M3-a和M3-b、M4-a和M4-b也是一样。
用图10以后图号表示的所有图都是对具有设计成具有反射率是4％，反射频带宽度是0.5nm，中心波长975nm的波长选择特性的FBG的激光器组件进行测量的结果。图10所示的图是把来自半导体激光器组件的光输出用PD(Discovery semiconductor社制 PIN diode DSC40S)检测，分别把10MHz到1GHz的AC成分的光输出用功率计(Agilent制E4418 EPMseries powermeter，E4412A E series CW power senser)、把DC成分的光输出用数字万用表(Advantest社制TR6846)读出并计算出RIN(相对噪声强度)值的结果。
图11(a)和图11(b)分别是表示图10所示激光器组件M1-a和M1-b在低频区域的光输出变化率与注入电流关系的图。图12(a)和图12(b)分别是表示图10所示激光器组件M2-a和M2-b在低频区域的光输出变化率与注入电流关系的图。这些图11和图12所示的图是用PD检测来自半导体激光器组件的光输出，把其光输出和图1光电二极管27的监控电流分别一边用示波器监控一边测量输出时间变动的结果，Pf(t)、Im(t)分别表示光输出变动和监控电流变动。偏振状态是把偏振波面控制器(GeneralPhotonics社制Pola RITE)设置在FBG与半导体激光元件间进行调整的。
首先在此知道产生相关性崩溃现象时，就发生依赖于半导体激光元件与FBG间距离的高频噪声。即能判断高频噪声越大，相关性崩溃现象发生的程度就大。从该见解，也可以说图10表示的是相关性崩溃现象的程度。
而图11和图12表示的是低频区域的光输出和监控电流的时间变动，当把光输出时间变动的容许范围定在0.5％以下，把控制电流的时间变动定在1％以下时，如图12(a)和图12(b)所示，即使在激光器组件M2的任意偏振状态中只要注入电流是在100mA附近以上，就是变动小的稳定动作。M3和M4激光器组件由于使用了与M2激光器组件相同的设计参数，所以表示出与M2同样的特性。但激光器组件M1尽管如图11(a)所示符合偏振状态的M1-a情况满足了稳定性，但从图11(b)就知道偏离偏振状态的M1-b的情况不满足要求规格。再看图10，在图11和图12中收容在容许范围内的M1-a、M2-a、M2-b、M3-a、M3-b、M4-a、M4-b都是高频RIN在-40以上。根据该结果，发明者们发现只要是累计高频区域10MHz～1GHz的RIN值是-40dB以上，就能得到稳定的低频区域的光输出。
下面对如所述激光器组件M2、M3、M4那样出现相关性崩溃现象的同时实现在低频区域稳定光输出的激光器组件，说明其光输出与向光纤24射入的激光的偏振角的关系。
图13是表示半导体激光元件100的阈值电流(Ith)与向光纤24射入的激光的偏振角对应关系的图。一般知道如图13所示，向光纤24射入的激光的偏振角作为与半导体激光元件100的阈值电流不同来表现。特别是图13，其是根据几个偏振角与阈值电流的实测值制作的测量数据，下面把与偏振角是0°、35°、45°顺序对应的阈值电流64.9mA、71.0mA、78.1mA看作是偏振角并进行解析。
图14是把光输出低频区域的变动率与注入电流的关系按每个不同的偏振角表示的图。如图14所示，了解到除了阈值电流是64.9mA时，即偏振角是0°时以外，对任一注入电流其光输出的变动率都收纳在0.5％以内，能得到非常稳定的激光。而且即使偏振角在0°时，注入电流是100mA以上时也是稳定的，这就意味着在激光器组件高输出时任一偏振角都能在低频区域得到稳定的光输出。
图15是对所述各偏振角表示注入电流与温度与SMSR相互关系的图。特别是图15(a)是表示阈值电流是64.9mA时，即偏振角是0°时的SMSR，图15(b)是表示阈值电流是71.0mA时，即偏振角是35°时的SMSR，图15(c)是表示阈值电流是78.1mA时，即偏振角是45°时的SMSR。
如图15所示，所有的偏振状态在实用的环境温度范围中SMSR都比0dB大。因此本发明的激光器组件即使在偏振状态不同的情况下也能同时实现图14和图15光输出的低频区域稳定化和以FBG作为主模的振荡。
特别是根据图15了解到，返回光的偏振角在0°～45°间变化时，换言之，根据这些偏振状态而激光器组件的电流阈值变化时，本激光器组件也表示出稳定的特性。特别是发明者发现，即使根据返回光的偏振状态激光器组件的电流阈值表示出作为半导体激光元件电流阈值的90～95％以下算出的任一电流值时，本发明的激光器组件也表示出稳定的特性。在图15所示的例中，偏振角从0°到45°变化，随之激光器组件的电流阈值即使变化到半导体激光元件电流阈值的约83％(64.9mA/78.1mA)时，激光器组件也表示出稳定的动作。
发明者等发现通过使用满足所述设计参数的本激光器组件，能得到即使对与FBG间形成的外部谐振器参数也有利的使用条件。所说的该有利的使用条件是指把光纤布拉格光栅的有效反射率Reff通过半导体激光元件与光纤间的结合效率η和FBG的反射率Rg表示成Reff＝η2Rg，把半导体激光元件前端面(射出端面)的反射率设为Rchip时，有效反射率Reff与前端面反射率Rchip间的关系不象现有这样被限制。一般知道与FBG光结合的现有的激光器组件若不满足Rchip≥3Reff关系，则得不到按照标准的特性。与此相反，本发明的激光器组件不但Rchip≥3Reff的关系，而且即使满足
Rchip＜3Reff(2)
的关系时也能实现按照要求标准的激光振荡。
如以上所说明，根据实施例1，至少具备DCH结构半导体激光元件100和FBG24a的激光器组件中，通过满足高频RIN的累计值是规定值以上的条件，能同时实现出现相关性崩溃现象和充分单色化，能充分稳定得到低频区域的光输出。以同条件制作的激光器组件即使对由光纤扭曲等产生的任何返回光的偏振状态，即，即使对伴随的阈值电流变动也能具有满足SMSR的特性。
所述实施例1的说明表示的是FBG24a与半导体激光元件1 00间谐振器长度fd是1m时的测量结果。因此其谐振器长度fd不同时，实现光输出低频区域稳定的条件就不同。例如上述例表示的是把RIN从高频区域10MHz到1GHz累计的值是-40dB以上的激光器组件，谐振器长度是2m时，把RIN在高频区域5MHz～500MHz累计的值是-40dB以上就成为条件。这样根据谐振器长度就需要变更累计RIN的高频区域范围，但总之只要规定高频区域的RIN累计值是-40dB以上，就能在低频区域得到稳定的光输出的关联不变。但所述高频范围的下限至少必须是对射出激光的利用频带没有影响程度的高频。
(实施例2)
下面说明实施例2的激光器组件。实施例2的激光器组件与实施例1的激光器组件具备DCH结构半导体激光元件的情况相对，其特点是具备SCH结构半导体激光元件的结构。特别是实施例2维持如上所述的只要规定高频区域的RIN累计值是-40dB以上，就能维持在低频区域得到稳定的光输出的关联，因此，必要的设计参数在实施例1详述的范围内就能容易决定。因此，在此只进行SCH结构的说明，而效果等根据实施例1。
图16是说明实施例2激光器组件SCH结构用的立体图。如图16所示，实施例2激光器组件中具备的半导体激光元件200，其上部是脊形波导路形状，整体具有规定的谐振器长度L。在由n-GaAs构成的基板10上形成由n-AlGaAs构成的下部包层11A，且在其上面形成后述的层结构E，在基板10的背面形成n型电极12A，在层结构E的上面通过由氮化硅(SiNX)等构成的保护膜13形成p型电极12B。
层结构E具有由InGaAs构成的3个阱层14A0、14A1、14A2和位于各阱层的两侧且由GaAsP构成的4个阻挡层14B1、14B2、14B3、14B4所构成的量子阱结构的活性层14。在位于活性层14两端的阻挡层14B1、14B4的两侧分别配置有由AlGaAs构成的下部光封闭层15A和由AlGaAs构成的上部光封闭层15B。
该层结构E被叫做分离封闭结构(Separated ConfinementHeterostructure：SCH)。图17是表示关于所述层结构E频带结构图一例的概略图。本实施例在是具有该SCH结构的半导体激光元件200的情况下，SCH结构也设计成满足实施例1所说明的设计项目。
具体说就是，半导体激光元件200按照下面表6所示的设计项目制作。且谐振器长度(L)有1500μm和2000μm两种。这些激光元件被设定成前端面的反射率是1％，后端面的反射率是92％。
表6
Figure C0381040500231
Figure C0381040500241
这些激光元件中的阱层光封闭系数(Γ)是0.011，因此Γ/d的值是1.2×10-3nm-1。
对该半导体激光元件也能确认与表1所示样品1～3的情况同样地用多个纵模(多模)进行振荡。
该半导体激光元件200的情况是各阱层的厚度d是规定振荡激光振荡频谱的多模化的主要因素。具体说就是把各阱层的厚度d加厚对振荡频谱的多模化是有用的。而且该激光元件200的情况是能调整脊形波导路的宽度，控制来自p型电极12B的注入电流。
在以上说明的实施例1和2中，是把构成外部谐振器的反馈光学部件作为FBG，但只要具有同样的功能也可以采用半透半反镜等其他的反馈光学部件。
如以上所说明，根据本发明的激光器组件，只要在具备半导体激光元件和构成外部谐振器的FBG等反馈光学部件的激光器组件中，通过满足高频区域RIN的累计值是-40dB以上的条件，就能同时实现出现相关性崩溃现象和充分的单色化，能足够稳定地得到低频区域的光输出，进而有对根据返回光的偏振状态变化的所有阈值电流的变化，也能得到满足SMSR特性的效果。
如上所述，本发明的激光器组件作为稳定的光放大器用激励光源而利用是合适的。

Claims (24)

1.一种激光器组件，其特征在于，其具备：半导体激光元件和构成具有所述半导体激光元件的外部谐振器的反馈光学部件，所述半导体激光元件(100)是具备有由量子阱结构构成的活性层(5)的层结构的法布里珀罗型，所述量子阱结构包括：阱层(5A1、5A2)和沿所述阱层的层叠方向层叠在两侧的阻挡层(5B0、5B1、5B2)，其特征在于，
所述半导体激光元件具有不小于1500μm的谐振器长度，
当把所述量子阱结构每一层阱层的光封闭系数设为Γ，把该阱层的厚度设为dnm时，Γ/d≤1.3×10-3nm-1的关系成立。
2.如权利要求1所述的激光器组件，其特征在于，
所述层结构还包括沿层叠方向形成于所述活性层(5)外侧的载流子封塞层(6B，6A)，所述载流子封塞层的频带间隔能量大于所述活性层(5)的所述阻挡层(5B1、5B2)的频带间隔能量。
3.如权利要求2所述的激光器组件，其特征在于，所述层结构还具有光封闭层(7B，7A)，其沿层叠方向形成于所述载流子封塞层的外侧，所述光封闭层的频带间隔能量小于所述载流子封塞层的频带间隔能量。
4.如权利要求3所述的激光器组件，其特征在于，所述层结构还具有电流封塞层(8)，其被设置为将注入电流封闭到所述活性层。
5.如权利要求4所述的激光器组件，其特征在于，所述电流封塞层具有条纹，通过该条纹将注入电流注入到所述活性层。
6.如权利要求5所述的激光器组件，其特征在于，最优化所述电流封塞层的条纹宽度为3.5μm以下，以使注入载流子的主要部分被包括在振荡激光的分布区域内。
7.如权利要求2-6任一项所述的激光器组件，其特征在于，所述阱层的厚度允许除基底能级之外还在所述阱层中存在有高次能级，所述阱层的厚度在8.5nm以上。
8.如权利要求7所述的激光器组件，其特征在于，所述阱层的厚度小于第一厚度，在该第一厚度之上产生在第二量子能级的振荡。
9.如权利要求2所述的激光器组件，其特征在于，
所述阱层由InGaAs的斜量子阱构成，
所述载流子封塞层由AlGaAs构成，
位于所述活性层(5)两端的所述阻挡层(5B1、5B2)由AlXGa1-XAs构成，其中x是0以上和小于0.1的数。
10.如权利要求3所述的激光器组件，其特征在于，
所述阱层由InGaAs的斜量子阱构成，
所述载流子封塞层由AlGaAs构成，
位于所述活性层(5)两端的所述阻挡层(5B1、5B2)由AlXGa1-XAs构成，其中x是0以上和小于0.1的数，
所述光封闭层由GaAs构成。
11.如权利要求5所述的激光器组件，其特征在于，
所述阱层由InGaAs的斜量子阱构成，
所述载流子封塞层由AlGaAs构成，
位于所述活性层(5)两端的所述阻挡层(5B1、5B2)由AlXGa1-XAs构成，其中x是0以上和小于0.1的数，
所述光封闭层由GaAs构成，及
所述电流封塞层由AlGaAs构成。
12.如权利要求11所述的激光器组件，其特征在于，最优化所述电流封塞层的条纹宽度为3.5μm以下，以使注入载流子的主要部分被包括在振荡激光的分布区域内。
13.如权利要求11所述的激光器组件，其特征在于，所述条纹的宽度在3.5μm以下。
14.如权利要求9-13的任一项所述的激光器组件，其特征在于，所述阱层的厚度在8.5nm以上。
15.如权利要求14所述的激光器组件，其特征在于，所述阱层的厚度在12nm以下。
16.如权利要求13或15所述的激光器组件，其特征在于，所述阻挡层的传导带能量与所述阱层的传导带能量的差是95meV以上和170meV以下。
17.如权利要求14所述的激光器组件，其特征在于，所述阻挡层的传导带能量与所述阱层的传导带能量的差是95meV以上和170meV以下。
18.如权利要求2-6的任一项所述的激光器组件，其特征在于，反馈光学部件是光纤布拉格光栅。
19.如权利要求18所述的激光器组件，其特征在于，当把所述光纤布拉格光栅的有效反射率设为Reff＝η2Rg，把所述半导体激光元件前端面的反射率设为Rchip时，满足Rchip＜3Reff，
其中，把所述光纤布拉格光栅的反射率设为Rg，把所述光纤布拉格光栅与所述半导体激光元件间的结合效率设为η。
20.如权利要求2-6、8-13、15、17和19的任一项所述的激光器组件，其特征在于，所述半导体激光元件在多个纵模中振荡。
21.如权利要求3-6和10-13的任一项所述的激光器组件，其特征在于，所述光封闭层形成在所述活性层的两边。
22.如权利要求21所述的激光器组件，其特征在于，所述光封闭层的频带间隔能量具有大于所述活性层的阻挡层的频带间隔能量。
23.如权利要求2-6、8-13、15、17、19和22的任一项所述的激光器组件，其特征在于，所述载流子封塞层形成于所述活性层的两边。
24.如权利要求1所述的激光器组件，其特征在于，所述层结构还具有在层叠方向形成在所述阻挡层(14B1，14B4)外侧的光封闭层(15B，15A)，所述光封闭层的频带间隔能量大于所述阻挡层的频带间隔能量。
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